基于LED线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置

本技术涉及三维形貌的测量技术，特别涉及一种基于光源步进法的双频正弦条纹投影三维测量装置，属于先进光学检测。

背景技术：

1、条纹投影轮廓术作为一种典型的结构光测量技术，凭借其非接触、速度快、高精度、大视场等优点，在诸如逆向工程、虚拟现实、文物保护、医疗诊断等领域有着广泛而急切的应用需求。条纹投影轮廓术的测量系统通常包含三部分：投影子系统、成像采集子系统和数据处理子系统。如何对投影部分改进，用更低的成本、更简单紧凑的部件，实现高速、高质量的正弦条纹投影是目前条纹投影轮廓术需要解决的问题之一。虽然日本学者fujigaki等人提出了基于光源步进法的光栅条纹投影装置[参见文献：fujigaki, motoharu, et al."high-speed height measurement by a light-source-stepping method using alinear led array." optics express 21.20 (2013): 23169-23180.]，其结构简单、体积小、成本低，不需要借助硅基液晶（lcos）或数字微镜元件（dmd）等器件，可实现条纹快速投影，及高速三维重构。但是，由于其投影条纹的频率和相移量取决于光栅到参考面的距离，而被测物表面形貌的高低起伏会引起条纹频率和相移量的变化，进而影响条纹相位的解调精度。此外，现有的基于光源步进法的光栅条纹投影装置，其投影成像景深有限，当被测物面形轴向起伏较大，会导致条纹调制度和正弦性随着投影成像离焦量的增大而降低恶化，影响轴向大范围三维形貌的高精度获取。

技术实现思路

1、本实用新型针对现有技术存在的不足，在不借助lcos或dmd等器件、不显著增加系统装置体积的情况下，提供一种结构简单、紧凑、易操作，能够在大轴向景深范围内实现高保真度正弦相移条纹的快速投影、获取与解算的一种基于光源步进法的双频正弦条纹投影三维形貌测量装置。

2、为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术解决方案是提供一种基于光源步进法的双频正弦条纹投影三维测量装置，它包括投影模块、载物台、数据采集模块、数据传输模块和数据处理模块；

3、所述投影模块包括照明子系统、匀光模块、驱动模块、平面光栅和衍射光学元件；投影模块的光学系统光轴通过平面光栅和衍射光学元件的正中心，且与平面光栅和衍射光学元件的表面垂直；所述平面光栅为朗奇光栅或正弦光栅；所述衍射光学元件紧贴平面光栅后表面设置；待测物体放置于载物台上；所述照明子系统包括照明光源电路、两组单列单色led光源组，两组单列单色led光源组的led列方向与平面光栅的栅线方向平行，两组单列单色led光源组分别沿平行于平面光栅的栅线方向关于投影模块光学系统的光轴对称分布；所述匀光模块分别平行放置在两组单列单色led光源组朝向平面光栅的前方位置，匀光模块的光轴与平面光栅表面垂直；

4、所述数据采集模块为cmos相机或ccd相机；

5、所述投影模块、载物台上放置的待测物体数据采集模块构成条纹投影测量三角光路，投影模块的光学系统光轴与数据采集模块的光学系统光轴相交于载物台，数据采集模块焦在待测物体表面；

6、所述数据处理模块通过数据传输模块与数据采集模块接；

7、所述驱动模块通过数据传输模块与照明光源电路和数据采集模块连接。

8、本实用新型技术方案所述匀光模块为复合曲面微透镜阵列模块、tir透镜阵列模块、层叠微透镜阵列模块和无间隙双曲率微透镜阵列模块中的一种；所述衍射光学元件为径向位置高度采用三角函数基底形式进行编码的光学元件；所述驱动模块为微芯片控制器；所述单列单色led光源组（121、122）为发射单色光的led芯片构成的一维线形光源，每列包含k个单色led芯片，其中k为符合于测量要求的单色led芯片数量，取值范围为10～20。

9、本实用新型提供的三维测量装置开始工作时，投影模块在驱动模块的驱动下，依次分时点亮两组单列单色led光源组，分别输出单色led光场经匀光模块整形后照射至平面光栅上；再经平面光栅和衍射光学元件调制后，在轴向延拓的景深范围内依次形成频率为a、b的两幅双频单帧正弦条纹图，分时投向待测物体表面；数据采集模块通过驱动模块与投影模块联动，同步拍摄经待测物体表面调制过的两幅双频单帧变形条纹图；最后通过数据传输模块传输至数据处理模块，经过条纹分析算法处理后得到待测物体的相位信息，再由系统标定得到的“相位-高度”的映射关系，重构三维形貌分布。

10、与现有技术相比，本实用新型的显著优点在于：测量装置在不借助硅基液晶（lcos）或数字微镜元件（dmd）等器件、不显著增加系统装置体积的情况下，利用两组单列单色led光源组、匀光模块、平面光栅和衍射光学元件，分时快速投影两幅双频单帧正弦条纹图，延拓了测量装置的投影景深，提高了投影条纹的正弦一致性和调制度，改善了投影正弦条纹光场的均匀性，抑制了投射边缘重影的影响，从而实现高质量的正弦条纹投影。

技术特征：

1.一种基于led线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置，其特征在于：它包括投影模块(1)、载物台(3)、数据采集模块(4)、数据传输模块(5)和数据处理模块(6)；

2.根据权利要求1所述的一种基于led线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置，其特征在于：所述匀光模块（13）为复合曲面微透镜阵列模块、tir透镜阵列模块、层叠微透镜阵列模块和无间隙双曲率微透镜阵列模块中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于led线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置，其特征在于：所述衍射光学元件（16）为径向位置高度采用三角函数基底形式进行编码的光学元件。

4.根据权利要求1所述的一种基于led线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置，其特征在于：所述驱动模块（14）为微芯片控制器。

5.根据权利要求1所述的一种基于led线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置，其特征在于：所述单列单色led光源组（121、122）为发射单色光的led芯片构成的一维线形光源，每列包含k个单色led芯片，其中k为符合于测量要求的单色led芯片数量，取值范围为10～20。

技术总结
一种基于LED线形光源的双频正弦条纹投影三维测量装置，包括投影模块、载物台、数据采集模块、数据传输模块和数据处理模块；投影模块包括照明子系统、匀光模块、驱动模块、平面光栅和衍射光学元件，光轴与平面光栅和衍射光学元件的表面垂直；衍射光学元件紧贴平面光栅后表面设置；照明子系统包括照明光源电路、列方向与平面光栅的栅线方向平行的两组单列单色LED光源组，LED光源组分别关于投影模块光学系统光轴对称分布；匀光模块分别平行放置在两组LED光源组朝向平面光栅的前方位置，光轴与平面光栅的表面垂直；待测物体和数据采集模块构成条纹投影测量三角光路，投影模块的光轴与数据采集模块的光轴相交于载物台。实现了快速、高精度的三维形貌重构。

技术研发人员：马锁冬,王俊学,沈贤蒙
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：20231130
技术公布日：2024/8/20