基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种基于多频外差的多方向结构光同步 扫描成像装置。
【背景技术】
[0002] 结构光扫描成像技术利用投影条纹扫描目标实现对目标空域频谱的搬移，从而实 现超分辨成像。相比其他三维成像技术，该技术具有非接触、面探测的优势。
[0003] 为实现多方向的空域频谱搬移，结构光扫描成像系统需要产生多个方向的结构 光。同时，为了能够正确提取频谱，需要在各方向下实现结构光的相移扫描。因此，该技术的 关键在于产生多方向、相移扫描的结构光。
[0004] 现有结构光成像装置主要有如下几种方案：
[0005] 1、光栅投影实现结构光扫描成像。该技术利用均匀光照明物理光栅产生结构光； 利用机械装置移动光栅，实现结构光的相移扫描;利用机械装置转动光栅或目标，从而获得 不同相对方向的结构光。然而，该方案缺点主要为：需要制备高精度光栅;需要机械移动光 栅及转动目标，精度较低;分时扫描及探测，不能同步探测。
[0006] 2、空间光调制器投影实现结构光扫描成像。该技术采用空间光调制器（SLM)对照 射到其上的均匀光进行调制，产生结构光;控制调制器在不同时刻产生不同方向、不同相对 相移的结构光，实现对目标的多方向结构光扫描。然而，该方案缺点主要为：空间光调制器 的空间分辨率较低，产生结构光空间频率有限;分时扫描及探测，不能同步探测。
[0007] 3、双光束干涉实现结构光扫描成像。该技术利用双光束干涉产生正弦结构光;利 用压电陶瓷促动器(PZT)推动光路中一个反射镜，改变两束光的相对光程，实现结构光的相 移扫描;机械转动目标获得不同相对方向的结构光;然而，该方案缺点主要为:PZT推动反射 镜实现扫描，存在相移误差;机械旋转目标，精度较低;分时扫描及探测，不能同步探测。
[0008] 由此可见，现有结构光成像装置采用光栅投影、空间光调制器投影、双光束干涉等 方式，分时产生不同方向的相移扫描结构光，系统中存在机械运动，影响精度;且多方向的 结构光不能同步产生，当存在目标形变或外界振动时，将影响重建精度。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置，具有 不含机械运动、多帧外差相移频谱重建精度高抗噪性好、多方向结构光同步扫描及探测、成 像分辨率高的优点。
[0010] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0011] -种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置，包括:激光器、N个分束模 块、N个移频模块、多光束扩束及位置调整模块以及成像及探测处理模块;其中：
[0012] 所述激光器，用于输出偏振相干光；
[0013] 所述N个分束模块均与激光器相连，用于对激光器出射光进行分光，获得N路同偏 振态的相干光；
[0014] 所述N个移频模块与N个分束模块之间一对一与连接，用于分别对应的调制输入的 相干光，且各移频模块移频量互不相等；
[0015] 所述多光束扩束及位置调整模块，用于对每一移频模块输出的光束进行扩束处 理，并调整N路出射光相对目标成等边形分布，且确保所有出射光以相同倾斜角度照射到目 标上；
[0016] 所述成像及探测处理模块，用于将目标和结构光成像到面探测器上，再通过面探 测器进行探测，并通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号。
[0017] 进一步的，所述分束模块包括:依次连接的1个半波片与1个偏振分光棱镜。
[0018] 进一步的，所述移频模块包括:依次连接的声光移频器、光阑与光纤耦合器;其中：
[0019] 所述声光移频器将入射光进行调制，获得-1级光、〇级光与+1级光；
[0020] 所述光阑遮挡-1级光与0级光；
[0021] 所述光纤親合器将+1级光親合入光纤。
[0022]进一步的，所述通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号包括：
[0023] 面探测器帧频设置为多频外差信号最大外差频率的两倍以上，面探测器探测到的 多频外差信号S为一个数据矩阵S[r，c，ttcltal]，其中，r为探测器行像素数，c为探测器列像素 数，t total为探测图像总帧数;多方向结构光分别对应不同的外差调制频率；
[0024] 对多频外差信号的各帧图像分别进行空域二维快速傅里叶变换，获得各帧图像的 空域频谱：
[0025] Fs = FFT2(S)；
[0026] 其中，FFT2表示二维快速傅里叶变换，各帧图像总的空域频谱Fs为三维矩阵Fs[r， C , ttotal ]；
[0027] 对总的空域频谱匕中各像素点对应的时域信号进行时域一维快速傅里叶变换，从 而在对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱：
[0028] Ft = FFT(Fs);
[0029]其中，FFT表示一维快速傅里叶变换，各像素点总的时域频谱Ft为三维矩阵Ft[r，c， ttotal ]；
[0030]结构光扫描信号为多频外差、多方向信号，并设置各移频模块的移频量使得所需 方向结构光的外差频率与其他方向结构光不同，以使所需方向结构光调制在不同的外差频 率载波上，从而在Ft中对应外差频率处获得所需方向结构光的空域频谱F。：
[0031 ] F〇(fm-fn) =Ft[ [I :r, I :c, (fm-fn) ]],(1 <m<N,l <n<N)；
[0032] 将对应不同结构光的空域频谱FQ(fm-fn)(l <m<N，l <n<N)按照空间分布 A, /;, -/νη ·?(1 S m S /VJ S/; < /V)进行相对移动并拼接得到完整的目标空域频谱Fall;
[0033] 其中，与匕分别表示对应第m个与第η个AOM的+1移频光束的移频量，ζ与f分别 表示对应第m个与第η个AOM的+1移频光束的光束空间传播矢量；
[0034] 对Fall进行二维快速逆傅里叶变换，获得重建目标0' ：
[0035] 〇,=iFFT2(Faii)；
[0036] 其中，iFFT2表示二维快速逆傅里叶变换。
[0037] 由上述本发明提供的技术方案可以看出，该装置采用多光束干涉产生多方向结构 光，不需要机械转动目标;外差干涉实现结构光的相移扫描，不需要机械平移;外差干涉获 得多帧相移信号，频谱重建精度高抗噪性好;采用多频外差方式，产生的多方向结构光扫描 信号可分离，可以实现多方向结构光同步扫描及探测；多方向搬移频谱拼接后可实现高分 辨成像。
【附图说明】
[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0039] 图1为本发明实施例提供的一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置 的结构示意图；
[0040] 图2为本发明实施例提供的多路光束空间位置分布示意图；
[0041 ]图3为本发明实施例提供的所需的三方向结构光示意图；
[0042]图4为本发明实施例提供的某像素点处多频外差信号；
[0043]图5为本发明实施例提供的某像素点处信号时域频谱；
[0044] 图6为本发明实施例提供的三方向结构光扫描对应的空域拼接频谱示意图。
【具体实施方式】
[0045] 下面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实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
[0046] 图1为本发明实施例提供的一种基于多频外差的多方向结构光同步扫描成像装置 的结构示意图。如图1所示，其主要包括:激光器、N个分束模块、N个移频模块、多光束扩束及 位置调整模块以及成像及探测处理模块;其中：
[0047] 所述激光器，用于输出偏振相干光；
[0048] 所述N个分束模块均与激光器相连，用于对激光器出射光进行分光，获得N路同偏 振态的相干光；
[0049] 所述N个移频模块与N个分束模块之间一对一连接，用于分别对应的调制输入的相 干光，且各移频模块移频量互不相等；
[0050] 所述多光束扩束及位置调整模块，用于对每一移频模块输出的光束进行扩束处 理，并调整N路出射光相对目标成等边形分布，且确保所有出射光以相同倾斜角度照射到目 标上；
[0051] 所述成像及探测处理模块，用于将目标和结构光成像到面探测器上，再通过面探 测器进行探测，并通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号。
[0052] 本发明实施例中，N为大于3的整数。
[0053] 本发明实施例中，所述分束模块包括:依次连接的1个半波片与1个偏振分光棱镜。 也可以采用光栅衍射分光实现，或采用光纤分束器实现。
[0054] 本发明实施例中，所述移频模块包括:依次连接的声光移频器(AOM)、光阑与光纤 耦合器;其中：
[0055] 所述声光移频器将入射光进行调制，获得-1级光、0级光与+1级光；
[0056] 所述光阑遮挡-1级光与0级光；
[0057] 所述光纤親合器将+1级光親合入光纤。
[0058]本发明实施例中，对应第i个AOM的+ 1移频光束的移频量为fi，对应角频率为COi, 且：
[0059] ω i = 2Jifi (I)
[0060]照射到目标上光波为：
[0062] 其中，&1，ωι，朽，；；为第i路光波的振幅、角频率、相位、空间矢量
πΛ为波矢量模值。
[0063] 多路光在探测器面阵上干涉产生的信号为：
[0065]公式(3)中上划线表示取复数共辄。该干涉信号具有多个外差频率Sm <Ν， I < η < Ν)，且分别对应不同的空间分布缽?, '.Ο S S 乂丨< "SV)设置各光束的移 频量和空间位置，可获得多频外差、多方向的结构光。
[0066] 令目标为0,则干涉产生的结构光照射目标后产生信号S如公式(4)所示：
[0067] S = IO, (4)
[0068] 由公式(4)可知，目标信息被调制记录在多频外差干涉信号上。
[0069]本发明实施例中，所述通过处理计算机处理面探测器探测到的多频外差信号包 括：