专利名称：一种无衍射栅型结构光条纹投影系统及其方法
技术领域：
本发明涉及条纹投影领域，尤其涉及一种无衍射栅型结构光条纹投影系统及其方法。
背景技术：
基于条纹投影的相位测量技术可以实现物体三维形貌快速全场测量，该测量技术 在很多领域有很好的应用前景，比如机器视觉、生物医学、质量控制和求逆工程等方面。基 于条纹投影的相位测量系统中的投影条纹的特性直接影响到三维形貌测量系统的分辨率 与测量精度，并且决定这种测量系统的成本、体积及功率消耗。现有的用于三维形貌测量条纹投影的方法有采用基于LCD或者DMD数字投影仪 的投影系统，或者采用基于衍射光栅的投影系统，以及采用基于投射光栅的投影系统。采用基于LCD和DMD投影的数字投影系统可以方便投射各种样式的条纹并且可以 方便的实现移相，但是由于受LCD和DMD分辨率的限制，很难投射出比较细密的正弦条纹， 并且投影条纹相位分布不是联系的，从而使系统测量精度受到限制；另外，投影仪的功率一 般较高，发热量较大，对测量系统的稳定性影响较大。利用衍射光栅及投射光栅投射的条纹 对比度较差，并且光栅加工难度较大，另外需要精密的调相机构，系统结构昂贵复杂。
发明内容
针对现有技术中产生投影条纹的相位分辨率不高，对比度低的问题，本发明提供 一种无衍射栅型结构光投影系统及其方法，利用光强成正弦分布特性干涉条纹进行投影， 得到分辨率高、对比度高的无衍射栅型结构光条纹，有利于提高测量系统的测量精度及抗 噪声能力。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种无衍射栅型结构光条纹投影系统，包括激光器和滤波准直器，其特征在 于，还包括第一分光棱镜、三角棱镜、全反射棱镜组、第二分光棱镜，其中，所述第一分光棱镜，用于将经过所述滤波准直器空间滤波和准直后的光分成两束 相干光，分别为第一光束和第二光束；所述三角棱镜，用于将所述第一光束折射后产生微小的偏折，得到第一光束a ；所述全反射棱镜组，用于改变所述第二光束的光路，得到第二光束b ；所述第二分光棱镜，用于使所述第一光束a和所述第二光束b分别经其反射或者 折射后产生干涉，形成空间无衍射栅型结构光条纹。本发明所述的无衍射栅型条纹投影系统中，所述三角棱镜为实现光程调制的光楔。本发明所述的无衍射栅型条纹投影系统中，该系统还包括用于将所述空间无衍射 栅型结构光条纹进行扩束准直来实现宽间距无衍射栅型结构光条纹投影的透镜组合。本发明所述的无衍射栅型条纹投影系统中，所述透镜组合包括至少两个不同焦距的透镜和至少一个消除光畸变的补偿透镜。本发明所述的无衍射栅型条纹投影系统中，所述三角棱镜在X轴方向上固定，可 沿与X轴垂直的Y轴方向精密移动，使经过其偏折后的第一光束产生沿X轴方向的波长量 级位移。本发明所述的无衍射栅型条纹投影系统中，所述全反射棱镜组包括第一全反射棱 镜和第二全反射棱镜，所述第二光束顺次经过所述第一全反射棱镜和所述第二全反射棱镜 被全反射，所述第二全反射棱镜在X轴方向被固定，可沿Y轴方向精密移动，调整经过其全 反射后的所述第二光束的出射位置，即调整所述第一光束a和所述第二光束b的交汇区域， 从而调整投影条纹区域。本发明还提供了一种无衍射栅型结构光条纹投影方法，包括以下步骤A、将一束平行光经过滤波准直后分为两束相干光，分别为第一光束和第二光束；B、使所述第一光束产生微小偏折，得到光程受调制的第一光束a ； C、改变所述第二光束的光路，使其与所述第一光束产生光程差，得到第二光束b ；D、使所述第一光束a和所述第二光束b产生干涉，产生无衍射栅型结构光投影条 纹。作为优化，所述步骤D还对无衍射栅型结构光投影条纹进行扩束，消除畸变与相 差，得到宽间距无衍射栅型结构光投影条纹。本发明所述的无衍射栅型结构光条纹投影方法中，步骤B中，调节所述第一光束， 使其产生位移，从而调整投影条纹的相位，从而实现投影条纹的精密移相。本发明所述的无衍射栅型结构光条纹投影方法中，步骤C中，调节第二光束，使其 产生位移，从而调整投影条纹的空间分布。实施本发明产生的有益效果是本发明通过三角棱镜使得将要产生干涉的一束相 干光产生微小的偏折，通过全反射棱镜组改变另一束相干光的光路，使其与产生偏折的相 干光产生光程差，通过第二分光棱镜的两束光产生干涉，得到分辨率高、对比度高的无衍射 栅型结构光条纹；通过调节全反射棱镜可以改变条纹的干涉区域，调节三角棱镜实现条纹 精密移相，调节方便，能够满足不同需求的三维形貌测量。本发明无衍射栅型结构光条纹投 影系统结构简单紧凑，关键器件易于实现，如果利用较小体积的相干光源可以实现投影的 系统的小型化，本发明无衍射栅型结构光条纹投影的方法简单，易于操作，利用产生的无衍 射栅型结构光条纹可以用来作为基于相位法或者条纹中心线法的三维形貌非接触全场测 量的条纹投影系统，提供光强成正弦分布的栅型结构光条纹。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中图1是本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影系统的结构示意图；图2是本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影系统的光路图；图3是本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影方法的流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。在本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影系统中，如图1所示，主要包括 激光器100和滤波准直器200，激光器100用来提供平行光，滤波准直器200用来将平行光 进行空间滤波和准直，得到较好的平行光。该系统还包括第一分光棱镜300、三角棱镜400、 全反射棱镜组500、以及第二分光棱镜600，其中，第一分光棱镜300，用于将经过滤波准直 器空间滤波和准直后的平行光分成两束相干光，得到第一光束和第二光束；三角棱镜400， 用于将第一光束折射后产生微小的偏折，得到第一光束a ；全反射棱镜组500，用于改变第 二光束的光路，得到第二光束b ；第二分光棱镜600，用于使第一光束a经其反射(或折射) 和第二光束b折射(或反射)后产生干涉，形成空间无衍射栅型结构光条纹。该系统可产 生两组空间无衍射栅型结构光条纹，一组为第二光束b在第二分光棱镜600分光面上的反 射光与发生微小偏折后的第一光束a经过第二分光棱镜600的透射光产生的干涉条纹 ’另 一组为第二光束b经过第二分光棱镜600的透射光与发生微小偏折后的第一光束a经过第 二分光棱镜600分光面上的反射光产生的干涉条纹。在本发明较佳实施例中，如图2所示， 获取的是第一组干涉条纹。进一步地，本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影系统中，三角棱镜400 可以为各种形状的光楔(光楔的楔角一般小于3° )，主要用来实现光程调制，使第一光束 产生一个微小的偏折，以与第二光束产生干涉。进一步地，本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影系统中，该系统还包括 透镜组合700，用于将两束相干光经过第二分光棱镜600后产生的空间无衍射栅型结构光 条纹扩束准直，增大空间无衍射栅型结构光条纹的间距，来实现宽间距无衍射栅型结构光 条纹投影。本发明较佳实施例中透镜组合700采用两个不同焦距的凸透镜和一个补偿透 镜，在扩束的同时实现消除光的畸变。如图2所示，全反射棱镜组500包括第一全反射棱镜 501和第二全反射棱镜502，第二光束顺次经过第一全反射棱镜501和第二全反射棱镜502 被全反射，第二全反射棱镜502在X轴方向被固定，可沿Y轴方向精密移动，以调整经过其 全反射后的第二光束的出射位置，即调整第一光束a和第二光束b的交汇区域，从而调整投 影条纹区域。本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影系统主要设置在一稳定的工作台 上，三角棱镜400在如图2所示的X轴方向上固定，可沿与X轴垂直的Y轴方向精密移动， 使经过三角棱镜400产生微小偏折后的第一光束产生沿X轴方向的波长量级位移，从而实 现投影条纹的高精密相移。如图3所示，本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影的方法主要包括以下 步骤S101、将激光器发出的一束平行光经过滤波准直器进行空间滤波准直；S102、通过分光棱镜将经过滤波准直的平行光分为两束相干光，分别为第一光束 和第二光束；S103、通过三角棱镜使第一光束产生微小偏折，得到光程受调制的第一光束a ；S104、通过全反射棱镜组改变第二光束的光路，使其与第一光束产生光程差，得到 第二光束b ；
S105、使第一光束a和第二光束b通过全反射棱镜产生干涉，从而得到无衍射栅型 结构光投影条纹。该方法可产生两组空间无衍射栅型结构光条纹，一组为第二光束b在第 二分光棱镜的分光面上的反射光与发生微小偏折后的第一光束a经过第二分光棱镜的透 射光产生的干涉条纹；另一组为第二光束b经过第二分光棱镜的透射光与发生微小偏折后 的第一光束a经过第二分光棱镜分光面上的反射光产生的干涉条纹。在本发明较佳实施例 中，如图2所示，获取的是第一组干涉条纹。 进一步地，本发明较佳实施例无衍射栅型结构光条纹投影方法还包括步骤S106、将经过步骤S105产生干涉的两束光进行扩束，消除畸变与相差，得到宽间 距无衍射栅型结构光投影条纹，以便于测量较大物体的三维形貌，扩大应用范围。进一步地，步骤S103中，通过全反射棱镜组调节第一光束，使其产生位移，从而调 整投影条纹的相位，从而实现投影条纹的精密移相。全反射棱镜组包括第一全反射棱镜和 第二全反射棱镜，第二光束顺次经过第一全反射棱镜和第二全反射棱镜被全反射，第二全 反射棱镜在X轴方向被固定，可沿Y轴方向精密移动，以调整经过其全反射后的第二光束的 出射位置，即调整第一光束a和第二光束b的交汇区域，从而调整投影条纹区域。进一步地，步骤S104中，通过三棱镜调节第二光束，使其产生位移，从而调整投影 条纹的空间分布。三角棱镜在X轴方向上固定，可沿与X轴垂直的Y轴方向精密移动，使经 过三角棱镜产生微小偏折后的第一光束产生沿X轴方向的波长量级位移，从而实现投影条 纹的高精密相移。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种无衍射栅型结构光条纹投影系统，包括激光器和滤波准直器，其特征在于，还包 括第一分光棱镜、三角棱镜、全反射棱镜组、第二分光棱镜，其中，所述第一分光棱镜，用于将经过所述滤波准直器空间滤波和准直后的光分成两束相干 光，分别为第一光束和第二光束；所述三角棱镜，用于将所述第一光束折射后产生微小的偏折，得到第一光束a ；所述全反射棱镜组，用于改变所述第二光束的光路，得到第二光束b ；所述第二分光棱镜，用于使所述第一光束a经其反射和第二光束b经其折射，或使所述 第一光束a经其折射和第二光束b经其反射后产生干涉，形成空间无衍射栅型结构光条纹。
2.根据权利要求1所述的无衍射栅型结构光条纹投影系统，其特征在于，所述三角棱 镜为光楔。
3.根据权利要求2所述的无衍射栅型结构光条纹投影系统，其特征在于，该系统还包 括用于将所述空间无衍射栅型结构光条纹进行扩束的透镜组合。
4.根据权利要求3所述的无衍射栅型结构光条纹投影系统，其特征在于，所述透镜组 合包括至少两个不同焦距的透镜和至少一个消除光畸变的补偿透镜。
5.根据权利要求1所述的无衍射栅型结构光条纹投影系统，其特征在于，所述三角棱 镜在X轴方向上固定，可沿与X轴垂直的Y轴方向精密移动，使经过其偏折后的第一光束产 生沿X轴方向的波长量级位移。
6.根据权利要求1所述的无衍射栅型结构光条纹投影系统，其特征在于，所述全反射 棱镜组包括第一全反射棱镜和第二全反射棱镜，所述第二光束顺次经过所述第一全反射棱 镜和所述第二全反射棱镜被全反射，所述第二全反射棱镜在X轴方向被固定，可沿Y轴方向 精密移动，调整经过其全反射后的所述第二光束的出射位置，即调整所述第一光束a和所 述第二光束b的交汇区域，从而调整投影条纹区域。
7.一种无衍射栅型结构光条纹投影方法，包括以下步骤A、将一束平行光经过滤波准直后分为两束相干光，分别为第一光束和第二光束；B、使所述第一光束产生微小偏折，得到光程受调制的第一光束a；C、改变所述第二光束的光路，使其与所述第一光束产生光程差，得到第二光束b;D、使所述第一光束a和所述第二光束b产生干涉，产生无衍射栅型结构光投影条纹。
8.根据权利要求7所述的无衍射栅型结构光条纹投影方法，其特征在于，所述步骤D还 对所述无衍射栅型结构光投影条纹进行扩束，得到宽间距的无衍射栅型结构光投影条纹。
9.根据权利要求7所述的无衍射栅型结构光条纹投影方法，其特征在于，所述步骤B 中，调节所述第一光束，使其产生位移，从而调整投影条纹的相位。
10.根据权利要求7所述的无衍射栅型结构光条纹投影方法，其特征在于，步骤C中，调 节第二光束，使其产生位移，从而调整投影条纹的空间分布。
全文摘要
本发明公开了一种无衍射栅型结构光条纹投影系统及其方法，其中无衍射栅型结构光条纹投影系统包括激光器和滤波准直器，还包括第一分光棱镜、三角棱镜、全反射棱镜组和第二分光棱镜，其中，第一分光棱镜，用于将经过滤波准直器空间滤波和准直后的光分成两束相干光，分别为第一光束和第二光束；三角棱镜，用于将第一光束折射后产生微小的偏折，得到第一光束ａ；全反射棱镜组，用于改变第二光束的光路，得到第二光束ｂ；第二分光棱镜，用于使第一光束ａ和第二光束b分别经其反射或者折射后产生干涉，形成空间无衍射栅型结构光条纹。本发明可以得到分辨率高、对比度高的无衍射栅型结构光条纹，通过调节三角棱镜可以改变条纹的干涉区域，且调节方便。
文档编号G01B11/25GK102147239SQ20111000406
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者周莉萍, 干江红, 徐龙 申请人:华中科技大学