专利名称：光学测量用余弦光强分布物理结构光栅的设计与制作方法
技术领域：
本发明涉及光学测量用余弦光强分布物理结构光栅的设计与制作方法，特别是一 种基于图像抖动原理，利用电子束光刻方法制作的光学三维测量用物理结构光栅，该光栅 包括三频三步相移九幅图，属于机械工程和光学测量技术领域。
背景技术：
随着逆向工程技术的推展，三维测量技术得到工业界的普遍关注和广泛应用，并 成为逆向工程中关键的一环，而基于光学的三维轮廓测量技术在三维测量中发挥着越来越 重要的作用。在光学三维测量中，至少需要一个投影装置，如液晶投影仪，以及一个接收装 置，通常为CCD相机。由于光学三维测量技术对投影有着很高的要求，因此确定一种恰当的 投影系统对实现高精度光学三维测量有着至关重要的作用。目前，常用的投影系统主要有液晶投影仪，幻灯投影仪，光照式物理光栅投影仪。 液晶投影仪通过计算机编程的方式投射数字光栅，具有很好的对齐性，但不能投射具有连 续光强分布的条纹，对比度低，最大光强较低，景深较小。现有技术中，G. Wiora在2000年 发表于 4117 卷的 High resolution measurement ofphase-shit amplitude and object phase calculation —文中提到，幻灯投影由若干幻灯片光栅组成，可以获得1 100以上 的对比度以及较高的光强，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 片之间的切换或旋转由位移机构实现，不能有效保证光栅的精确对齐。目前使用的光照式 物理光栅多采用二进制编码的方式，公告号为CN 1295522C，名称为“光学三维测量用高精 密组合光栅器件”的中国发明专利中提出一种光刻式物理结构光栅，可以获得较高的光强 和较大的景深，同时实现光栅的精确对齐。但是此发明中使用二进制编码方式，投射光栅数 量较多；利用黑白条纹代替余弦分布条纹，限制了测量精度。
发明内容
为了克服现有技术的不足和缺陷，本发明提出一种基于图像抖动原理进行光栅设 计、利用电子束扫描光刻方法制作的光学测量用余弦光强分布物理结构光栅，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经过抖动处理的9幅余弦光强 分布物理结构光栅，其中前3幅周期为7个单位，中间3幅周期为8个单位，后3幅周期为9 个单位。每幅光栅的大小相同，并依次排列在光刻用石英玻璃上，条纹方向相互平行，并与 投影机构方向一致，使光栅对齐精度得到充分保证，既满足条纹亮度按余弦分布的要求，又 能保证相移光栅的连续性。本发明是按照下述技术方案实现的。本发明方法包括第一步按照测量场景以及测量距离的要求，设计物理结构光栅的尺寸大小，然后 根据光栅的加工精度建立光栅尺寸与图像像素点之间的对应关系。第二步在计算机上利用MATLAB软件设计光栅图片，生成9幅满足三频三步相移 编码方案的灰度图，图片灰度值在横向方向上满足余弦分布。其中1、2、3为周期相同的第一组光栅条纹，周期为28个像素，对应于物理光栅上的7个单位，其中条纹1的起始相位 为60°，条纹2的起始相位为180°，条纹3的起始相位为300° ；4、5、6为周期相同的第 二组光栅条纹，周期为32个像素，对应于物理光栅上的8个单位，其中条纹4的起始相位为 60°，条纹5的起始相位为180°，条纹6的起始相位为300° ；7、8、9为周期相同的第三组 光栅条纹，周期为36个像素，对应于物理光栅上的9个单位，其中7的起始相位为60°，8 的起始相位为180°，9的起始相位为300°。第三步利用MATLAB软件自带的图像抖动函数dither对第二步生成的9幅灰度 图进行抖动处理，将灰度图转化为黑白二值图。第四步根据得到的9幅黑白二值图结构在Ledit软件中设计光栅，获得本发明设 计的物理结构光栅电子文件。第五步将第四步中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上制作光栅。本发明的有益效果本发明基于图像抖动的原理，实现物理结构光栅满足余弦分布，和三频三步相移 的光学测量要求，减少投影图片数量，同时保证了测量的精度和稳定性。此外本发明采用电 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，光栅条纹方 向相互平行，并且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，具有重要的工程实用价值和显著的经 济效益。
图1是本发明未经抖动处理的一幅结构光栅条纹示意图。图2是图1经抖动处理的结构光栅条纹示意图。图3是本发明设计的未经抖动处理的九幅结构光栅相移条纹示意图。图4是本发明物理结构光栅示意图。
具体实施例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、图2、图3、图4所示，本发明方法包括下述步骤第一步按照测量场景以及测量距离的要求，设计物理结构光栅的尺寸大小，然后 根据光栅的加工精度建立光栅尺寸与图像像素点之间的对应关系。在本发明中，每幅光栅 图的尺寸为6. 12mmX 4. 9mm,对应的图片大小为2048 X 1650像素，物理光栅中的1个单位对 应图片中的4个像素。第二步在计算机上利用MATLAB软件设计光栅图片，生成9幅满足三频三步相 移编码方案的灰度图，图片大小为2048X1650像素。图片灰度值在横向方向上满足余弦 分布，如图3所示，从下到上1、2、3为周期相同的第一组光栅条纹，周期为28个像素，对应 于物理光栅上的7个单位，其中条纹1的起始相位为60°，条纹2的起始相位为180°，条
纹3的起始相位为300°，条纹1的相位分布满足Λ =^-X360"+ 60";条纹2的相位分布满足涣=$><360"+180";条纹3的相位分布满足滅=&χ360"+300"，其中，i表示条纹方向的第
i(i = 1,2, L，2048)个像素。4、5、6为周期相同的第二组光栅条纹，周期为32个像素，对 应于物理光栅上的8个单位，其中条纹4的起始相位为60°，条纹5的起始相位为180°，
条纹6的起始相位为300°，条纹4的相位分布满足 水=^x360" + 60";条纹5的相位分布
满足+ 条纹6的相位分布满足减=-χ360"+300"。7、8、9为周期相同的
第三组光栅条纹，周期为36个像素，对应于物理光栅上的9个单位，其中条纹7的起始相 位为60°，条纹8的起始相位为180°，条纹9的起始相位为300°，条纹7的相位分布满
足J7=^x36O"+ 6O";条纹8的相位分布满足泌=&Χ360°+·°;条纹9的相位分布满足
3636
09=Αχ36Ο +3ΟΟ 。按此方法设计的9幅图片满足三频三步相移结构光测量编码原则。
36第三步利用MATLAB软件自带的图像抖动函数dither对第二步生成的9幅灰度 图进行抖动处理，将灰度图转化为黑白二值图，以便用于后续的加工。对于扫描光刻加工的 物理光栅，每个加工位置要么加工使其透光，要么不加工，也就是说，每个位置只有透光和 不透光两种状态。之前生成的9幅图片是灰度连续变化的灰度图，若要利用物理光栅表示 这种灰度变化就要将灰度图转化为黑白二值图，这就需要利用图像抖动技术对前面生成的 图片进行处理。图像抖动的基本原理就是利用包含较少灰度级数的图片来近似含有较多灰 度级数的图片。第四步根据得到的9幅黑白二值图结构在Ledit软件中设计光栅，获得本发明设 计的物理结构光栅电子文件。设计的每幅光栅大小一样，条纹方向相互平行，并且与投影机 构位移方向一致，满足相移编码要求。第五步将第四步中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上制作光栅。先在石英玻璃表面覆盖一层薄 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设计好的光栅图案 写到石英玻璃上，曝光后，表面曝光的地方用溶剂移去掩膜，再经适当的剪裁，获得物理结 构光栅。
权利要求
一种光学测量用余弦光强分布物理结构光栅的设计与制作方法，其特征在于该方法包括第一步按照测量场景以及测量距离的要求，设计物理结构光栅的尺寸大小，根据光栅的加工精度建立光栅尺寸与图像像素点之间的对应关系；第二步在计算机上利用MATLAB软件设计光栅图片，生成9幅满足三频三步相移编码方案的灰度图，图片灰度值在横向方向上满足余弦分布，其中1、2、3为周期相同的第一组光栅条纹，周期为28个像素，对应于物理光栅上的7个单位，其中条纹1的起始相位为60°，条纹2的起始相位为180°，条纹3的起始相位为300°；4、5、6为周期相同的第二组光栅条纹，周期为32个像素，对应于物理光栅上的8个单位，其中条纹4的起始相位为60°，条纹5的起始相位为180°，条纹6的起始相位为300°；7、8、9为周期相同的第三组光栅条纹，周期为36个像素，对应于物理光栅上的9个单位，其中条纹7的起始相位为60°，条纹8的起始相位为180°，条纹9的起始相位为300°；第三步利用MATLAB软件自带的图像抖动函数dither对第二步生成的9幅灰度图进行抖动处理，将灰度图转化为黑白二值图；第四步根据得到的9幅黑白二值图结构在Ledit软件中设计光栅，获得物理结构光栅电子文件；第五步将第四步中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上制作光栅。
2.根据权利要求1所述的一种光学测量用余弦光强分布物理结构光栅的设计与制作 方法，其特征是所述的步骤一中每幅光栅图的尺寸为6. 12mmX4. 9mm，对应的图片大小为 2048X1650像素，物理光栅中的1个单位对应图片中的4个像素。
3.根据权利要求1所述的一种光学测量用余弦光强分布物理结构光栅的设计与制作方法，其特征是所述的步骤二中条纹1的相位分布满足M=^x360"+ 60";条纹2的相位Zo分布满足泌=‘Χ360°+180° ；条纹3的相位分布满足泌=^x36O"+3OO";条纹4的相位分ZoZo布满足减=&Χ360" + 60";条纹5的相位分布满足:φ5 =^χ360° + 180°;条纹6的相位分布满足减=^x36O"+3OO";条纹7的相位分布满足钱=^x36OH ;条纹8的相位分布满足 3236谗=去x·。+ISO。;条纹9的相位分布满足滅=^x36O"+ 3OO"。
全文摘要
光学测量用余弦光强分布物理结构光栅的设计与制作方法，属于机械工程和光学测量技术领域。本发明按照测量要求，设计光栅的尺寸大小，建立光栅尺寸与图像之间的对应关系，利用MATLAB软件设计9幅满足三频三步相移编码方案的灰度图，并使用抖动函数dither将灰度图转化为黑白二值图。再在Ledit软件中设计光栅，利用电子束扫描光刻机制作光栅。本发明基于图像抖动的原理，实现物理结构光栅满足余弦分布，减少投影图片数量，同时保证了测量的精度和稳定性。此外本发明在一块石英玻璃片上制作所有光栅，光栅条纹方向相互平行，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。
文档编号G02B5/18GK101915949SQ20101024765
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月6日 优先权日2010年8月6日
发明者习俊通, 许伟, 陈晓波 申请人:上海交通大学