CN103115586A - 一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置，包括激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、分束器、第三凸透镜、CCD摄像机和微型计算机；第一凸透镜和第二凸透镜放置在激光器和分束器之间，激光器位于第一凸透镜的焦距处，第一凸透镜位于第二凸透镜的焦距处；第三凸透镜位于被测物体与CCD摄像机之间，被测物体位于第三凸透镜前面，CCD摄像机的传感器感光面位于第三凸透镜的像面处；微型计算机与CCD摄像头信号连接。本发明以高频的激光干涉条纹作为投射光栅，分辨率相远高于基于数字投影技术的测量系统，可实现微小物体表面结构测量。投射光栅的频率可以通过调节入射光束与分束镜的角度来调节，操作十分方便。

Description

一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置

技术领域

本发明涉及一种光学三维传感技术，特别是涉及一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置，属于先进光学制造与检测技术领域。

背景技术

光学三维传感技术具有非接触，精度高，速度快等特点，在逆向工程、医疗诊断、产品检测等领域得到广泛的应用。

当今在生产、科研领域中主流采用的有基于数字投影技术的傅里叶变换轮廓测量术。Mitsuo Takeda，Kazuhiro Mutoh.Fourier transform profilometry for the automaticmeasurement of 3D object shapes[J].Appl.Opt.，1983，22(24)：3977～3982公开了数字投影的三维形貌测量方法，该方法主要益于数字投影仪产生的数字光栅参数(周期、初相位)可调，亮度和对比度高等特点。但是数字投影仪产生的光栅的周期受到自身像素尺寸的限制通常周期较大，即频率较低，而傅里叶变换轮廓术的分辨率与投影光栅的频率成正比，导致其测量对象的尺度通常为厘米或以上的等级，对于毫米甚或是微米级别的物体则无能为力。通常可以借助激光干涉技术来获得高频率的结构光栅，基于激光干涉技术的三维轮廓测量方法已十分常见，但大多比较复杂，操作起来比较困难。

发明内容

本发明为解决一般的微三维形貌测量的需要，提供一种基于傅里叶变换轮廓术，提供结构简单又具有较高精度的微三维传感装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其包括激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、分束器、第三凸透镜、CCD摄像机和微型计算机；所述第一凸透镜和第二凸透镜放置在激光器和分束器之间，第二凸透镜位于第一凸透镜之后，激光器位于第一凸透镜的焦距处，第一凸透镜位于第二凸透镜的焦距处；激光器、第一凸透镜、第二凸透镜的主光轴应重合，分束器表面的法向与第二凸透镜的主光轴保持小于45度的锐角；第三凸透镜位于被测物体与CCD摄像机之间，被测物体位于第三凸透镜前面，CCD摄像机的传感器感光面位于第三凸透镜的像面处；微型计算机与CCD摄像头信号连接。

为进一步实现本发明目的，所述激光器优选为GY10He-Ne激光器。所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦距分别优选为45mm和60mm。所述分束器的反射透射比优选为5∶5。所述第三凸透镜的焦距优选为100mm。所述CCD摄像机的分辨率优选为640×480。

本发明高频光栅投射是由激光器、第一凸透镜、第二凸透镜和分束器组合获取的高频激光干涉条纹，投射到被测物体表面；图像采集则是由第三凸透镜和CCD摄像机组合拍摄一幅被测物体表面的受到物体表面高度调制的变形光栅条纹和一幅没有被测物体时的基准光栅图像；图像处理则是对CCD摄像机获得的两幅条纹图像进行解调，得到物体的表面高度分布，由微型计算机完成。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和效果：

1、分辨率高。本发明基于傅里叶变换轮廓术，用简单的光路系统，以高频的激光干涉条纹作为投射光栅，分辨率相远高于基于数字投影技术的测量系统，可实现微小物体表面结构测量。

2、分辨率易调。本发明投射光栅的频率可以通过调节入射光束与分束镜的角度来调节，操作干分方便。

3、结构简单。本发明与基于激光全息技术的方法相比，光路结构简单，意味着操作难度也会相应地降低。本发明部件为一些常见的光学器件，成本较低。

附图说明

图1为基于激光干涉条纹的微三维传感装置的结构示意图；

图2为图1装置的交叉光轴光路原理图；

图3为实施例的基准光栅图。

图4为实施例所得的变形光栅图。

图中示出：激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、分束器4、被测物体5、第三凸透镜6、第三凸透镜的像面7、CCD摄像机8和微型计算机9。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围，凡是根据本发明进行技术方案等同的变换，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置，包括激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、分束器4、第三凸透镜6、CCD摄像机8和微型计算机9；第一凸透镜2和第二凸透镜3放置在激光器1和分束器4之间，第二凸透镜3位于第一凸透镜2之后，激光器1位于第一凸透镜2的焦距处，第一凸透镜2位于第二凸透镜3的焦距处；第一凸透镜2用于放大激光束；第二凸透镜3用于准直激光束；两凸透镜组成一个扩束准直透镜组；由激光器1发出的激光斑经过第一凸透镜2和第二凸透镜3后得到平行的激光束，投射到分束器4上，激光器1、第一凸透镜2和第二凸透镜3的主光轴重合，分束器4表面的法向与第二凸透镜2的主光轴保持小于45度的锐角；分束器4前后表面的反射光在其前表面发生干涉，形成高频的激光干涉条纹，投射到被测物体5上。

第三凸透镜6位于被测物体5与CCD摄像机8之间，被测物体5位于第三凸透镜6前面，CCD摄像机8的传感器感光面位于第三凸透镜的像面7处；第三凸透镜6用于放大测量物体图像，放大被测物体是为了保证CCD摄像机能清晰地拍摄到条纹图像，一般的CCD摄像机自带镜头的放大倍数一般无法满足要求，如采自带镜头也能满足测量需要，则可以省略第三凸透镜6。微型计算机9与CCD摄像头8信号连接，处理CCD摄像机所拍摄的光栅图像。图像处理软件由MATLAB编程完成。

如图2所示，基于激光干涉条纹的微三维传感装置的测量原理：分束器4投射出频率为f₀结构光栅，其在被测物体5的表面受到物体轮廓的调制形成变形光栅，然后用CCD摄像机8将变形光栅图像记录下，通过微型计算机9的图像处理程序对变形光栅图像进行解调，可得到物体表面轮廓分布。基于激光干涉条纹的微三维传感装置的测量数学原理如下：

OP是投影系统的光轴，与成像光轴OC交于O点。OX平面为虚拟的参考平面。P、C分别为投影系统的出瞳中心和成像系统的入瞳中心，两者距离为d，到参考平面的距离为l。以参考平面为XOY平面建立正交直角坐标系，Z轴平行于成像光轴。投影光栅交物体表面于H，成像在H1。PH与参考平面交于A，CH交参考平面于B，AB间距离为s(x，y)。物体表面点H相对于参考平面的高度为h(x，y)，由三角形PHC与三角形BHA相似可得

$h(x,y)=\frac{\mathrm{ls}(x,y)}{d+s(x,y)}---\left(1\right)$

当使用纵向光栅时，在没有被测物体的情况下(即被测物高度为0)，摄得基准光栅图像，设其表达式为：

当有被测物体时，摄得变形光栅，设表达式为：

式中，r₀(x，y)和r(x，y)分别是参考平面和被测物体表面的反射率，An为傅里叶级数分量的权值，f₀为光栅的频率，

为基准光栅的相位，f(x，y)变形光栅的相位。

对两幅光栅图像分别进行傅里叶变换，采用滤波的方法保留基频分量，然后分别进行傅里叶逆变换，得到以下复信号：

g_r1(x，y)＝A₁r₀(x，y)exp{j[2pf₀x+f₀(x，y)]}            (4)

g₁(x，y)＝A₁r(x，y)exp{j[2pf₀x+f(x，y)]}        (5)

进行一次如下的对数运算：

log[g₁(x，y)g_r1 ^*(x，y)]＝log[r(x，y)A_r1(x，y)]+jDf(x，y)       (6)

其中，Df(x，y)＝f(x，y)-f₀(x，y)

于是，可以得到由被测物体高度分布引起的相位差Df(x，y)，它是测量所需的核心变量。

Df(x，y)＝Im{log[g₁(x，y)-g_ri ^*(x，y)]}          (7)

可以证明，AB两点间的距离s(x，y)和相位差Df(x，y)满足以下关系：

Df(x，y)＝2pf₀s(x，y)                           (8)

联立式2和式8可以得到物体表面高度分布h(x，y)和由被测物体高度引起的相位差Df(x，y)间的关系：

$h(x,y)=\frac{\mathrm{lDf}(x,y)}{\mathrm{Df}(x,y)-2\mathrm{\ρ}{f}_{0}d}---\left(9\right)$

综上所述，要实现傅里叶变换轮廓术，关键是求出相位差

因为l、f₀、d等参数都常量。由于该相位差是被测物体的高度引起的相对于基准光栅的相位变化，所以测量时应拍摄一幅基准光栅和受物体表面调制的变形光栅，然后经过图像处理，即可得到被测物体的表面轮廓。光栅条纹的频率要符合测量的需要，如果条纹过粗，则有可能在测量物体表面只有稀疏的光栅条纹，不足以反映出表面变化，导致结果的空间分辨率过低甚至测量大败。于是，想要测量微小的结构必须采用高频的条纹。

实施例

为了获取投射到被测物体5上的条纹信息，被测物体5的表面应具有良好的漫反射特征，因此选取了表面是弧形且有文字的小药片，其测量结果可以检验装置的有效性。如图所示，光学仪器采用天津港东科技的光学教学实验仪器。激光器1采用GY10He-Ne激光器(波长632.8nm)；第一凸透镜2、第二凸透镜3的焦距分别为45mm、60mm；分束器4的反射透射比为5∶5；第三凸透镜6的焦距为100mm、CCD摄像机8的分辨率为640×480；微型计算机9(CPU：P42.4GHz、RAM：512MB)。各元件的位置关系如图1所示。

操作时，首先调整好光路，高频激光干涉条纹通过分束器4投射到被测物体5上，由CCD摄像机8拍摄经第三凸透镜6放大的测物体5表面的变形光栅图像，然后再以表面平整的白屏作为被测物体，拍摄基准光栅图像。用微型计算机处理上述两幅图像，得到物体表面的高度分布，即表面轮廓。图像处理流程如下：

第一步：分别读入基准光栅图像和变形光栅图像，并将彩色的拍摄图像转为灰度图像。

第二步：分别对两幅图像进行二维傅里叶变换得到它们的频谱图，采用滤波的方法提取出两者频谱中的基频分量，然后分别进行傅里叶逆变换。

第三步：对滤波得到的两个条纹信息进行式7Df(x，y)＝Im{log[g₁(x，y)□g_r1 ^*(x，y)]}所示的运算，得到折叠相位差分布。相位折叠是由于实际运算中涉及到arctan函数，其主值只能在[-p，p]之间，因此由式7得到的相位差分布是不连续的。为了得到正确的相位差，需要对相位差图像进行相位解调。

图4所示是受被测物体表面高度调制的变形光栅条纹的实例。可以看出，本发明的一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置所产生的激光干涉条纹能够充分地分布在物体轮廓变化区域，而且能随着物体的轮廓变化而变化。要在一颗小药片的表面能够有如此多个周期的条纹分布，是数字投影技术所不能做到的。图3则是在没有被测物体时所拍摄到的基准光栅。经过本发明的一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置将得到一个三维坐标下的物体表面轮廓图，能反映出被测物体表面的高度信息，可作为工件检测、工艺改进、教学科研的参考。实验结果表明，本发明能够满足微三维测量的需求。

Claims (6)

1.一种基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其特征在于包括激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、分束器、第三凸透镜、CCD摄像机和微型计算机；所述第一凸透镜和第二凸透镜放置在激光器和分束器之间，第二凸透镜位于第一凸透镜之后，激光器位于第一凸透镜的焦距处，第一凸透镜位于第二凸透镜的焦距处；激光器、第一凸透镜和第二凸透镜的主光轴重合，分束器表面的法向与第二凸透镜的主光轴保持小于45度的锐角；第三凸透镜位于被测物体与CCD摄像机之间，被测物体位于第三凸透镜前面，CCD摄像机的传感器感光面位于第三凸透镜的像面处；微型计算机与CCD摄像头信号连接。

2.根据权利要求1所述的基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其特征在于所述激光器为GY10He-Ne激光器。

3.根据权利要求1所述的基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其特征在于所述第一凸透镜和第二凸透镜的焦距分别为45mm和60mm。

4.根据权利要求1所述的基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其特征在于所述分束器的反射透射比为5∶5。

5.根据权利要求1所述的基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其特征在于所述第三凸透镜的焦距为100mm。

6.根据权利要求1所述的基于激光干涉条纹的微三维传感装置，其特征在于所述CCD摄像机的分辨率为640×480。

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