CN114111640B - 一种正弦条纹结构光投影***及工作方法 - Google Patents

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Abstract

一种正弦条纹结构光投影***及工作方法，解决了以往DMD技术采用二进制脉宽调制获取正弦条纹不适用于高速测量，而采用二值化条纹离焦投影正弦条纹对比度会随离焦量的增大而降低，同时大大降低了制造成本。其包括：照明光源(1)，透镜***(2)、微型电机(3)、位移检测器(4)、移相反射镜(5)；照明***为正弦条纹结构光投影***提供照明；透镜***将照明光源发出的平行光转换为发散光，其中的超透镜将均匀分布特征发散光转换为具有正弦条纹特征的发散光；移相反射镜对正弦条纹结构光的投射及相位进行调控；微型电机驱动移相反射镜的转动；位移检测器采集移相反射镜的位移数据。

Description

一种正弦条纹结构光投影***及工作方法
技术领域
本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种正弦条纹结构光投影***，以及这种正弦条纹结构光投影***所采用的工作方法。
背景技术
随着高端制造业的飞速发展，对大型构件复杂曲面自动化测量提出了迫切需求，如汽车车身全尺寸型面测量、飞机关键区域型面测量等。条纹投影轮廓技术作为一种典型的结构光三维测量技术，具有结构简单、测量动态范围大、精度高和速度快等优点，是大尺寸动态目标三维形貌检测的主要技术手段。
目前条纹投影***主要有振镜和数字投影仪。振镜体积小，但亮度低，对比度差，导致测量精度低，而基于数字微镜元件(Digital micromirror device，DMD)技术的数字投影仪凭借速度快、分辨率高的优势获得了较快的发展，其主要采用二进制脉宽调制和二值化条纹离焦投影实现正弦条纹的投射。前者是将预投影的一幅灰度正弦条纹基于PWM原理分解为N幅位图像，通过对积分时间的控制形成正弦条纹；后者是将二值化条纹图通过镜头离焦的方式形成正弦条纹。二进制脉宽调制法由于需要对“投影-图像”的时间积分，降低了投影***的时间响应速度，不利于对高速目标的三维形貌检测。而二值化条纹离焦投影受限于投影成像镜头的有限景深，正弦条纹对比度会随着离焦量的增大而降低，影响轴向大范围三维形貌的高精度获取。此外，目前国内数字投影仪***复杂，体积大，核心的DMD芯片主要依赖于进口，成本高，急需寻求新的技术途径实现高速度、分辨率、低成本的正线条纹结构光投影，解决大尺寸、高速目标的三维形貌测量问题。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种正弦条纹结构光投影***，其解决了以往DMD技术采用二进制脉宽调制获取正弦条纹不适用于高速测量，而采用二值化条纹离焦投影正弦条纹对比度会随离焦量的增大而降低，同时大大降低了制造成本。
本发明的技术方案是：这种正弦条纹结构光投影***，其包括：照明光源(1)，透镜***(2)、微型电机(3)、位移检测器(4)、移相反射镜(5)；
照明***为正弦条纹结构光投影***提供照明；透镜***将照明光源发出的平行光转换为发散光，其中的超透镜将均匀分布特征发散光转换为具有正弦条纹特征的发散光；移相反射镜对正弦条纹结构光的投射及相位进行调控；微型电机驱动移相反射镜的转动；位移检测器采集移相反射镜的位移数据。
本发明采用超透镜将均匀分布特征发散光转换为具有正弦条纹特征的发散光，相比基于DMD的投影装置具有响应速度快，景深大，不依赖于复杂的控制程序，从而保证了测量精度；采用机微型电机控制移相反射镜实现对正弦条纹的相位调整，仅需机械控制就可以实现复杂电子***才能完成的功能，大大简化了***的体积与复杂度，降低了成本的同时也推动了结构光投影***的国产化；因此解决了以往DMD技术采用二进制脉宽调制获取正弦条纹不适用于高速测量，而采用二值化条纹离焦投影正弦条纹对比度会随离焦量的增大而降低，同时大大降低了制造成本。
还提供了一种正弦条纹结构光投影***的工作方法，其包括以下步骤：
(1)照明光源发出光线，经过透镜***后变为发散光，透镜***的超表面同时将光线转换为具有正弦特征的条纹投射到移相反射镜上，经过移相反射镜照射到被测目标表面；
(2)当对正弦条纹进行移相处理时，微型电机控制移相反射镜转动一定的位移，移动精度由位移检测器反馈，使投射到被测目标表面正弦条纹的相位在一定的范围内精确变化。
附图说明
图1是根据本发明的正弦条纹结构光投影***的结构示意图。
图2是根据本发明的透镜***的结构示意图。
图3是根据本发明的正弦条纹结构光投影***的工作方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种正弦条纹结构光投影***，其包括：照明光源1，透镜***2、微型电机3、位移检测器4、移相反射镜5；
照明***为正弦条纹结构光投影***提供照明；透镜***将照明光源发出的平行光转换为发散光，其中的超透镜将均匀分布特征发散光转换为具有正弦条纹特征的发散光；移相反射镜对正弦条纹结构光的投射及相位进行调控；微型电机驱动移相反射镜的转动；位移检测器采集移相反射镜的位移数据。
本发明采用超透镜将均匀分布特征发散光转换为具有正弦条纹特征的发散光，相比基于DMD的投影装置具有响应速度快，景深大，不依赖于复杂的控制程序，从而保证了测量精度；采用机微型电机控制移相反射镜实现对正弦条纹的相位调整，仅需机械控制就可以实现复杂电子***才能完成的功能，大大简化了***的体积与复杂度，降低了成本的同时也推动了结构光投影***的国产化；因此解决了以往DMD技术采用二进制脉宽调制获取正弦条纹不适用于高速测量，而采用二值化条纹离焦投影正弦条纹对比度会随离焦量的增大而降低，同时大大降低了制造成本。
优选地，所述照明***采用LED照明光源。
优选地，如图2所示，所述透镜***沿光源光线出射方向依次为第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23、超透镜24，其中第一透镜、第三透镜及超透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，超透镜为在透镜表面进行超表面设计与加工。
优选地，所述微型电机采用步进带减速箱电机GM18168-01。
优选地，所述位移检测器采用分辨率高达0.5um的MTE-40光栅检测器。
如图3所示，还提供了一种正弦条纹结构光投影***的工作方法，其包括以下步骤：
(1)照明光源发出光线，经过透镜***后变为发散光，透镜***的超表面同时将光线转换为具有正弦特征的条纹投射到移相反射镜上，经过移相反射镜照射到被测目标表面；
(2)当对正弦条纹进行移相处理时，微型电机控制移相反射镜转动一定的位移，移动精度由位移检测器反馈，使投射到被测目标表面正弦条纹的相位在一定的范围内精确变化。
优选地，所述步骤(2)中，微型电机旋转一定步距，移相反射镜同时转动一定位移X，位移X的误差由位移检测器补偿，此时投影***投射的正弦条纹便完成了相位移动，以用于结构光三维测量***对目标三维数据的获取。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种正弦条纹结构光投影***，其特征在于：其包括：照明光源(1)，透镜***(2)、微型电机(3)、位移检测器(4)、移相反射镜(5)；照明***为正弦条纹结构光投影***提供照明；透镜***将照明光源发出的平行光转换为发散光，其中的超透镜将均匀分布特征发散光转换为具有正弦条纹特征的发散光；移相反射镜对正弦条纹结构光的投射及相位进行调控；微型电机驱动移相反射镜的转动；位移检测器采集移相反射镜的位移数据；
所述照明***采用LED照明光源；
所述透镜***沿光源光线出射方向依次为第一透镜(21)、第二透镜(22)、第三透镜(23)、超透镜(24)，其中第一透镜、第三透镜及超透镜具有正光焦度，第二透镜具有负光焦度，超透镜为在透镜表面进行超表面设计与加工。
2.根据权利要求1所述的正弦条纹结构光投影***，其特征在于：所述微型电机采用步进带减速箱电机GM18168-01。
3.根据权利要求2所述的正弦条纹结构光投影***，其特征在于：所述位移检测器采用分辨率高达0.5um的MTE-40光栅检测器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的正弦条纹结构光投影***的工作方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)照明光源发出光线，经过透镜***后变为发散光，透镜***的超表面同时将光线转换为具有正弦特征的条纹投射到移相反射镜上，经过移相反射镜照射到被测目标表面；
(2)当对正弦条纹进行移相处理时，微型电机控制移相反射镜转动一定的位移，移动精度由位移检测器反馈，使投射到被测目标表面正弦条纹的相位在一定的范围内精确变化。
5.根据权利要求4所述的正弦条纹结构光投影***的工作方法，其特征在于：所述步骤(2)中，微型电机旋转一定步距，移相反射镜同时转动一定位移X，位移X的误差由位移检测器补偿，此时投影***投射的正弦条纹便完成了相位移动，以用于结构光三维测量***对目标三维数据的获取。
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