CN107218903B - 隐性结构光三维成像方法 - Google Patents

Abstract

一种隐性结构光三维成像方法，基本思想在于发射两个正交偏振且具有空间线性相位差的光束，回波以一定的视差由接收望远镜、偏振自差干涉接收机、接收相机进行自差探测。本发明利用隐性干涉条纹发射，经三维目标的调制后，进行偏振自差干涉接收探测，具有抑制背景光干扰，自动消除大气、运动平台的影响，结构简单，条纹周期调节方便，特别适用于远场动态目标的高精度三维成像。

Description

隐性结构光三维成像方法

技术领域

本发明涉及结构光的三维成像，特别是一种隐性的结构光三维成像方法，通过发射偏振正交光束的隐性干涉条纹，经三维目标的调制后，由接收望远镜、偏振自差干涉接收机和相机进行自差探测，具有抑制背景光干扰，自动消除大气、运动平台的影响，结构简单，条纹周期调节方便，特别适用于远场动态目标的高精度三维成像。

背景技术

结构光三维成像技术是一种利用辅助的结构光照明获取物体三维像的技术，它采用的技术方案是投影一个载频条纹到被成像的物体表面，利用成像设备从另一个角度记录受成像物体高度调制的变形条纹图像，再从获取的变形条纹图中数字解调重建出被测物体的三维数字像。基于结构光的三维面形测量技术具有非接触、测量速度快、精度高和易于在计算机控制下实行自动化测量等优点，已被深入研究并被广泛用于机器视觉、自动化控制加工、工业自动检测、产品质量控制、实物仿形、生物医学、三维动画和影视特技制作等领域。最早的结构光三维测量方法是叠栅轮廓术(MT)[1]，随后傅里叶变换轮廓术(FTP)[2-3]、相位测量轮廓术(PMP)[4]等结构光三维面形测量方法逐步被提出。

采用光栅投影法测量时存在刻制光栅复杂、其刻好的光栅频率周期固定，频率变化的灵活性受限；傅里叶变换轮廓术只需要一幅干涉条纹图，处理精度较低，同时需要很大的计算量，处理速度慢，且容易产生频谱泄漏，对于较大梯度的复杂测量对象会使频谱混跌；相位测量轮廓术具有较高的精度，但一般在发射端的干涉条纹进行相位改变，采用时间相位变化的处理方法，不利于对动态的三维物体进行实时测量，受环境影响严重等。同时，上述方法一般采用成像***对干涉条纹投影到目标处，其作用距离有限、干涉条纹周期随距离增大而增大，控制的灵活性受限，不利于远距离应用。

下面是现有技术参考文献

[1]Meadows D.M.,Johnson W.O.,Allen J.B..Generation of surfacecontours by moiré patterns[J].Appl Opt.,1970,9(4):942-949.

[2]Takea M.，Mutoh K..Fourier transform profilometry for the automaticmeasurement of 3-D object shapes[J].Appl Opt.,1983,22(24):3977-3982.

[3]Su X.Y.，W Chen W.J.Fourier transform profilometry:a review[J].Opt&Lasers in Eng,2001,35(5):263-284.

[4]Srinivasan V，Liu H.C，Halioua M..Automated phase-measuringprofilometry of 3-D diffuse objects[J].Appl Opt.,1984,23(18):3105-3108.

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的困难，提出了一种隐性结构光的三维成像方法，利用偏振正交光束发射，在远场产生隐性干涉条纹，经三维目标的调制后，由接收望远镜、偏振自差干涉接收机和相机进行平衡探测，具有抑制背景光干扰，自动消除大气、运动平台的影响，结构简单，条纹周期调节方便，测量精度高等优点，特别适用于远场动态目标的高精度三维成像。

本发明的技术解决方案如下：

一种隐性结构光三维成像方法，其特点在于：利用正交偏振光发射，在远场三维目标处产生具有线性相位波差，由接收望远镜、偏振自差干涉接收机和接收相机对目标回波进行自差干涉接收，再用傅里叶变换法或四步移相法进行相位解调，从而获得三维目标的成像，其具体方法步骤如下：

①正交偏振光束的线性相位波差发射，两正交偏振光束并未产生干涉，即隐性干涉条纹的产生：利用激光光源输出的偏振光束首先经过偏振分束器后分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，水平偏振光束和垂直偏振光束经过正交偏振线性相位差发射器发射到远场目标处，最终目标位置的正交偏振光场可描述为

式中(x,y)为目标平面坐标，S(x,y)包含了***结构安排与衍射等有关的因子，λ为激光波长，Z为目标距离，d为两偏振正交光束波前线性相位差的控制因子。

②偏振自差干涉探测：经过远场三维目标调制的回波由接收望远镜接收后，经过偏振自差干涉接收机和相机进行自差探测，获得图像；

③图像数据处理：对获得的图像用傅里叶变换法或四步移相法进行相位解调，得到相位信息；

④对所述的相位信息进行相位展开，获得物体的三维面形信息：对所述的相位信息进行相位展开，并与参考相位相减，得到最终受三维目标调制的相位φ(x,y)后，再利用重构出所测目标的三维图像。其中Z为目标距离，f为接收的条纹空间频率，D为发射端与接收端的基线距离。

实现所述的隐性结构光三维成像方法的装置，其特征在于包括发射端、接收端和***控制计算机，所述的发射端包括激光光源、偏振分束器、正交偏振线性相位差发射器；所述的接收端包括接收望远镜、偏振自差干涉接收机、接收相机和图像处理器。上述部件的位置关系如下：

在***控制计算机的控制下，由所述的激光光源输出的偏振光束首先经过所述的偏振分束器后在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，水平偏振光束和垂直偏振光束经过正交偏振线性相位差发射器发射到远场目标。

所述的经远场三维目标调制的回波由接收望远镜接收后，经过偏振自差干涉接收机和接收相机进行自差探测，然后进入图像处理器进行图像处理，所述观察方向与照明方向成α角。

所述的正交偏振线性相位差发射器可由水平偏振光束发射器和垂直偏振光束发射器直接衍射到远场三维目标处，或者由波前变换器、偏振分束器在空间上产生两偏振正交光束的线性相位波差，由发射主镜放大透射到远场三维目标处。

实现所述的隐性结构光三维成像方法的装置，其特征在于所述的偏振自差干涉接收机为2×2 180°空间光学桥接器接收结构，或者2×4 90°空间光学桥接器接收结构，或者单一检偏器接收结构。

所述的接收相机由单个相机同时全部接收，或者由两个相机同步接收2×2 180°空间光学桥接器出射的两个干涉场，或者四个相机同步接收2×4 90°空间光学桥接器出射的四个干涉场。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明采用两偏振正交的光束直接发射至远场目标，通过水平偏振光束发射器和垂直偏振光束发射器的间距改变不同的隐性干涉条纹周期，整体结构更加简单紧凑，抗振动、降低了发射***的复杂性，便于控制，灵活性强，特别适用于远距离高精度的三维成像。

2、本发明的偏振自差干涉接收机采用2×2 180°光学桥接器平衡接收，并利用傅里叶变换获取目标三维图像，可以有效地消除背景光干扰，扩大三维高程的高度范围测量。

3、本发明的偏振自差干涉接收机采用2×4 90°光学桥接器同时接收，并通过四步相移法获取目标三维图像，在空间上同步获得4步移相法所需的四幅图像，具有快速成像、精度高、背景噪声抑制等优点，特别适用于高速高精度的动态目标三维成像。

4、本发明采用发射光束的线性平移衍射或采用线性相位差的正交偏振光束放大透射来获取目标远场的隐性干涉相移，由接收***进行同步相位解高程，三维成像精度高，同时由于采用偏振正交发射，可以进一步反映目标的偏振特性。

附图说明

图1是本发明隐性结构光三维成像方法步骤示意图。

图2是本发明隐性结构光三维成像方法结构示意图。

图3是本发明隐性结构光三维成像方法直接衍射发射实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先参阅图1，图1为本发明隐性结构光三维成像方法步骤示意图。由图可见，本发明隐性结构光三维成像方法，其步骤包括：

①正交偏振光线性相位差发射(即隐性干涉条纹的产生)：

再请参阅图2，图2是本发明隐性结构光三维成像方法的结构示意图。由图可见，本发明隐性结构光三维成像结构由发射端、接收端和***控制计算机8构成，所述的发射端包括激光光源1、偏振分束器2、由水平偏振光束发射器和垂直偏振光束发射器组成的正交偏振线性相位差发射器3；所述的接收端包括接收望远镜4、偏振自差干涉接收机5、接收相机6、图像处理器7；

再请参阅图3，图3是本发明隐性结构光三维成像方法直接衍射发射实施例结构示意图。所述的激光光源1输出的偏振光束首先经过所述的偏振分束器2后在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，水平偏振光束和垂直偏振光束分别经过水平偏振光束发射器和垂直偏振光束发射器直接衍射到远场目标。所述的发射孔径可以是圆形孔径或者方形孔径。

设定水平偏振光束发射器和垂直偏振光束发射器为圆形孔径，其圆形孔径的直径为a，且两偏振正交发射光束的中心为坐标系的中心轴，则圆孔的数学表达为和其中，d为两圆形孔径的中心距离，则衍射到距离为Z的远场光程分布为两孔径的傅里叶变换，可写为

其中，E包含了衍射因子，J₁为一阶第一类贝塞尔函数。则发射的偏振正交的两光束在目标距离Z的远场位置的相位差为

因此，目标距离Z位置的隐性干涉条纹周期为

②偏振自差干涉接收：

由图2可见，所述的隐性干涉条纹经远场三维目标的调制后由接收望远镜4接收，经过偏振自差干涉接收机5和接收相机6进行平衡探测，最终探测的图像为经远场目标三维调制的显性干涉条纹场。所述的偏振自差干涉接收机5为2×2 180°空间光学桥接器接收结构，或者2×4 90°空间光学桥接器接收结构，或者单一检偏器接收结构；所述的接收相机6由单个相机同时全部接收，或者由两个相机同步接收2×2 180°空间光学桥接器出射的两个干涉场、四个相机同步接收2×4 90°空间光学桥接器出射的四个干涉场。

当所述的偏振自差干涉接收机5采用2×2 180°空间光学桥接器接收结构同步接收两幅干涉场时，其干涉场的强度分别为

I₁(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y))

I₂(x,y)＝A(x,y)-B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y))

其中，A(x,y)表示背景强度，B(x,y)/A(x,y)是条纹的对比，f为条纹的空间频率，相位函数φ(x,y)表示了条纹的变形，并且与物体的三维面形z＝h(x,y)有关，满足

其中Z为目标距离，D为接收相机与发射中心的距离，在观测距离与干涉条纹大的多的情况时，可以近似为

当所述的偏振自差干涉接收机5采用2×4 90°空间光学桥接器接收结构同步接收四幅干涉条纹场后，其拍摄的干涉条纹图有

I₁(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y))

I₂(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y)+π/2)

I₃(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y)+π)

I₄(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y)+3π/2)

当所述的偏振自差干涉接收机5为单一检偏器接收结构时，获得的单一干涉场的强度分别为

I₁(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y))

③图像数据处理：

由接收望远镜接收、偏振自差干涉接收机和相机干涉接收后，再用傅里叶变换法或四步移相法进行相位解调。

当所述的偏振自差干涉接收机5采用2×2 180°空间光学桥接器接收结构同步接收两幅干涉场时，由***控制计算机8和图像处理器7进行成像处理，对两幅干涉条纹场相减后，有

I(x,y)＝I₁(x,y)-I₂(x,y)＝2B(x,y)cos(2πfx+φ(x,y))

然后采用傅里叶变换法，进行傅里叶分析、滤波和处理、解包裹相位，得到物体的三维面形分布获取目标的相位信息φ(x,y)。

由于傅里叶变换轮廓术(FTP)使用了傅里叶变换和在频域中的滤波计算，只有频谱中的基频分量对于重建三维面形是有效的，因此防止频谱混叠的要求限制了FTP可成像的最大范围。其限制条件满足

当所述的偏振自差干涉接收机5采用2×4 90°空间光学桥接器接收结构同步接收四幅干涉条纹场后，由***控制计算机8和图像处理器7进行成像处理，采用四步移相法获取目标的相位信息，最后获得的包裹相位信息为

当所述的偏振自差干涉接收机5为单一检偏器接收结构时，由***控制计算机8和图像处理器7进行成像处理，采用傅里叶变换法，进行傅里叶分析、滤波和处理、解包裹相位，得到物体的三维面形分布获取目标的相位信息φ(x,y)。

④三维图像重构：

对所述的相位信息进行相位展开，并与参考相位相减，得到最终受三维目标调制的相位φ(x,y)后，再利用重构出所测目标的三维图像。

图2和图3是本发明最佳实施例的结构示意图，其具体结构和参数如下：

假设使用的激光波长λ＝1μm，目标距离Z＝0.5m，采用单模偏振正交的保偏光纤，其光纤直径约10μm，发射视场角约为244mrad，因此0.5m工作距离可探测到的干涉条纹面积为250mm，采用接收CCD相机6记录受高程调制的干涉条纹，为了完整地记录干涉波面，接收面位置的条纹间距必须满足T′＞2Δx，Δx为CCD敏感像元的大小。一般CCD的面元尺寸5μm，CCD的像素点为4000×3000，接收相机6采用焦距50mm，则接收视场为300mrad，CCD接收面为待测面的缩小像，缩小倍数约为10倍，因此成像面的干涉条纹周期满足T＞10T′＝0.1mm，设计干涉条纹周期为1mm，则两光纤的纤芯距离为设计观察方向与照明方向的α角为10°，则接收CCD相机6与发射纤芯的横向距离为D＝88.2mm。

Claims (5)

1.一种隐性结构光三维成像方法，其特征在于：利用正交偏振光发射，在远场三维目标处产生具有线性相位波差，由接收望远镜、偏振自差干涉接收机和接收相机对目标回波进行自差干涉接收，再用傅里叶变换法或四步移相法进行相位解调，从而获得三维目标的成像，其具体方法步骤如下：

①正交偏振光束的线性相位波差发射，两正交偏振光束并未产生干涉，即隐性干涉条纹的产生：利用激光光源输出的偏振光束首先经过偏振分束器后分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，水平偏振光束和垂直偏振光束经过正交偏振线性相位差发射器发射到远场目标处，最终目标位置的正交偏振光场描述为

式中(x,y)为目标平面坐标，S(x,y)包含了***结构安排与衍射等有关的因子，λ为激光波长，Z为目标距离，d为两偏振正交光束波前线性相位差的控制因子；

②偏振自差干涉探测：经过远场三维目标调制的回波由接收望远镜接收后，经过偏振自差干涉接收机和相机进行自差探测，获得图像；

③图像数据处理：对获得的图像用傅里叶变换法或四步移相法进行相位解调，得到相位信息；

④对所述的相位信息进行相位展开，获得物体的三维面形信息：对所述的相位信息进行相位展开，并与参考相位相减，得到最终受三维目标调制的相位φ(x,y)后，再利用重构出所测目标的三维图像，其中Z为目标距离，f为接收的条纹空间频率，D为发射端与接收端的基线距离。

2.实现权利要求1所述的隐性结构光三维成像方法的装置，其特征在于包括发射端、接收端和***控制计算机(8)，所述的发射端包括激光光源(1)、偏振分束器(2)、正交偏振线性相位差发射器(3)；所述的接收端包括接收望远镜(4)、偏振自差干涉接收机(5)、接收相机(6)和图像处理器(7)；

在***控制计算机(8)的控制下，由所述的激光光源(1)输出的偏振光束首先经过所述的偏振分束器(2)后在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，水平偏振光束和垂直偏振光束经过正交偏振线性相位差发射器(3)发射到远场目标；

经远场三维目标调制的回波由接收望远镜(4)接收后，经过偏振自差干涉接收机(5)和接收相机(6)进行自差探测，然后进入图像处理器(7)进行图像处理，观察方向与照明方向成α角。

3.根据权利要求2所述的隐性结构光三维成像方法的装置，其特征在于所述的正交偏振线性相位差发射器(3)可由水平偏振光束发射器和垂直偏振光束发射器直接衍射到远场三维目标处，或者由波前变换器、偏振分束器在空间上产生两偏振正交光束的线性相位波差，由发射主镜放大透射到远场三维目标处。

4.根据权利要求2所述的隐性结构光三维成像方法的装置，其特征在于所述的偏振自差干涉接收机(5)为2×2 180°空间光学桥接器接收结构，或者2×4 90°空间光学桥接器接收结构，或者单一检偏器接收结构。

5.根据权利要求2所述的隐性结构光三维成像方法的装置，其特征在于所述的接收相机(6)由单个相机同时全部接收，或者由两个相机同步接收2×2 180°空间光学桥接器出射的两个干涉场，或者四个相机同步接收2×4 90°空间光学桥接器出射的四个干涉场。