CN1295522C - 光学三维测量用高精密组合光栅器件 - Google Patents

Abstract

光学三维测量用高精密组合光栅器件，是采用电子束扫描光刻的方法在光刻用石英玻璃片上刻出13幅光栅图，包括1幅投影仪标定光栅，1幅全白光栅，8幅格雷码光栅和4幅相移光栅，其中相移光栅中的第1幅光栅即为格雷码光栅中的第8幅光栅。每幅光栅大小一样，其中第一幅光栅编码值为01，而编码值分别为第二幅101，第三幅10101，第四幅101010101，依此类推；条纹方向相互平行，依序排列于光刻用石英玻璃片上，并与投影机构位移方向一致，保证了光栅投影的对齐精度。本发明能同时满足基于格雷码方法和相移方法的光学三维测量，保证了测量的精度和稳定性，具有重要的工程实用价值和显著的经济效益。

Description

光学三维测量用高精密组合光栅器件

技术领域：

本发明涉及一种光栅器件，特别是一种基于电子束扫描光刻方法制作的包括投影仪标定光栅、格雷码光栅和相移光栅的光学三维测量用高精密组合光栅器件，属于机械工程和光学测量技术领域。

背景技术：

随着全球化市场竞争的日趋激烈，反求工程作为快速产品开发和产品创新设计的重要技术，在工业界得到普遍重视和广泛应用。物体三维测量是反求工程的首要步骤，测量结果的精度直接影响到反求的质量，具有十分重要的作用。光学三维测量在目前的应用非常广泛，已成为三维测量的重要途径。在光学三维测量设备中，需要至少一个光栅投影装置和一个图像采集装置(一般为CCD相机)。由于目前还没有什么投影技术可以完全满足光学三维测量的要求，因此如何恰当解决投影问题，是光学三维测量中的一个关键问题。

目前，常用的投影***主要有液晶投影仪，幻灯投影仪等。液晶投影仪通过编程的方法投影数字光栅，具有较好的对齐性，但不能投影具有连续光强分布的条纹，对比度低(约1∶20)，最大光强较低，景深较小。现有技术中，G.Wiora在2000年发表于Proceedings of SPIE-The International Society for OpticalEngineering第4117卷的High resolution measurement of phase-shift amplitude andnumeric object phase calculation一文中提到，幻灯投影由若干幻灯片光栅组成，可以获得超过1∶100的对比度以及非常高的光强，由于幻灯片光栅尺寸小，可以实现较大的景深；其不足在于无法保证幻灯片的精确排列，幻灯片之间的切换通过线性或旋转的精密位移机构实现，对位移精度的要求非常高，因此不能有效保证光栅的精确对齐。

发明内容：

为克服现有技术的不足和缺陷，本发明提出一种基于电子束扫描光刻方法制作的高精密组合光栅器件，是采用电子束扫描光刻的方法在膨胀率极小的光刻用石英玻璃片上刻出13幅光栅图，包括1幅投影仪标定光栅，1幅全白光栅(最大光强)，8幅格雷码光栅和4幅相移光栅，其中有一幅相移光栅与格雷码光栅共用。每幅光栅的大小都一样，依序排列于光刻用石英玻璃片上，光栅条纹方向相互平行，并与投影机构位移方向一致，使光栅对齐精度得到充分保证，既能满足格雷码光栅的高对比度要求，也能保证相移光栅的连续性。

设计时格雷码光栅中以黑、白条纹分别表示逻辑值0、1，则8幅光栅形成8比特的格雷码；四幅相移光栅的设计满足四步相移法测量的编码规则，即每幅光栅间依次偏移四分之一周期(90度)，其中第一幅光栅即是格雷码的第八幅光栅；标定光栅采用大小相同、分布均匀的正方形图案，用于实现投影仪的标定；全白光栅用于格雷码光栅的解码。

本发明采用电子束扫描光刻的方法在一块膨胀率极小的光刻用石英玻璃片上制作所有光栅，光栅的条纹方向相互平行，并与投影机构位移方向一致，降低了对位移精度的苛刻要求，保证了光栅投影的对齐精度，从而极大地提高了光栅投影的质量，本发明能同时满足基于格雷码方法和相移方法的光学三维测量，保证了光学三维测量的精度和稳定性，具有重要的工程实用价值和显著的经济效益。

附图说明：

图1是本发明高精密组合光栅器件结构示意图。

图中，1是光刻用石英玻璃片，2是投影仪标定光栅，3是全白光栅，4是格雷码光栅，5是相移光栅。

图2是格雷码光栅条纹结构示意图。

图中第1至第8幅光栅顺时针旋转90度后对应于图1中的第3至第10幅光栅。

图3是相移光栅条纹结构示意图。

图中第1至第4幅光栅顺时针旋转90度后对应于图1中的第10至第13幅光栅。

图4是投影仪标定光栅结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

如图1所示，本发明的组合光栅器件主要是采用电子束扫描光刻的方法在膨胀率极小的光刻用石英玻璃片1上依序刻出13幅光栅图，图中从左至右，第1幅为投影仪标定光栅2，第2幅为全白光栅3，第3至第10幅为格雷码光栅4，第10至第13幅为相移光栅5。如图2所示，格雷码光栅4的编码满足格雷码的编码规则，以黑、白条纹分别表示逻辑值0、1，则8幅光栅形成8比特的格雷码，其中第一幅光栅编码值为01，条纹宽度相同，从第2幅光栅开始，其后的条纹宽度依次比前一幅光栅减小一半，光栅边缘条纹的宽度为中间条纹宽度的一半，而编码值分别为第二幅101，第三幅10101，第四幅101010101，依此类推。如图3所示，相移光栅5的编码满足四步相移法的编码规则，其中第1幅光栅即为格雷码光栅4的第8幅光栅，第2至第4幅光栅依次比前一幅光栅偏移了半个条纹宽度即四分之一周期，其编码值依次为第一幅1010……0101，第二幅1010……1010，第三幅0101……1010，第四幅0101……0101。如图4所示，投影仪标定光栅2采用大小相同、分布均匀的正方形图案实现投影仪的标定。全白光栅3是用于格雷码光栅4的解码。

根据图1-图4的结构在Ledit软件中设计光栅器件，设计的每幅光栅大小一样，条纹方向相互平行，并与投影机构位移方向一致，使光栅对齐精度得到充分保证，既能满足格雷码光栅4的高对比度要求，也能保证相移光栅5的连续性。

然后，将设计好的电子文件输入到电子束扫描光刻机的控制程序，采用电子束扫描光刻的方法在光刻用石英玻璃片1上制作光栅器件。在石英玻璃片1表面覆盖一层薄膜，薄膜上再覆盖一层电子感光材料，电子束扫描光刻机通过扫描器把图1中光栅条纹图案写到石英玻璃片1上，曝光以后，表面曝光的地方用溶剂移去掩模，即得到所设计的光栅。

最后，对光刻好的玻璃片进行适当剪裁，获得光栅器件。

Claims (1)

1、一种光学三维测量用高精密组合光栅器件，包括投影仪标定光栅(2)，全白光栅(3)，格雷码光栅(4)和相移光栅(5)，其特征在于：采用电子束扫描光刻的方法于光刻机中在膨胀率极小的光刻用石英玻璃片(1)上依序刻出13幅光栅图，第1幅为投影仪标定光栅(2)，第2幅为全白光栅(3)，第3幅至第10幅是8幅格雷码光栅(4)，第10幅至第13幅是4幅相移光栅(5)，其中相移光栅(5)中的第1幅光栅即为格雷码光栅(4)中的第8幅光栅，每幅光栅大小一样，条纹方向相互平行，依序排列于光刻用石英玻璃片(1)上，格雷码光栅(4)的编码满足格雷码的编码规则，以黑、白条纹分别表示逻辑值0、1，8幅光栅形成8比特的格雷码，其中第一幅光栅编码值为01，条纹宽度相同，从第2幅光栅开始，其后的条纹宽度依次比前一幅光栅减小一半，光栅边缘条纹的宽度为中间条纹宽度的一半，而编码值分别为第二幅101，第三幅10101，第四幅101010101，依此类推；相移光栅(5)的编码满足四步相移法的编码规则，以第1幅光栅为基准，第2至第4幅光栅依次比前一幅光栅偏移半个中间条纹宽度即四分之一周期，其编码值依次为第一幅1010……0101，第二幅1010……1010，第三幅0101……1010，第四幅0101……0101；投影仪标定光栅(2)采用大小相同、分布均匀的正方形图案实现投影仪的标定。

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