[实用新型]物体三维轮廓测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及物体三维轮廓测量，特别是一种物体三维轮廓测量装置。

背景技术

光学三维形貌测量技术广泛应用于各种测量领域，具有精度高、速度快和非接触性测量等优点。目前，光学三维形貌测量技术主要采用主动光学三维测量原理，使照明光场结构化(点，线，光栅条纹等)，利用结构光照明被测物体，被测物体的三维表面对照明结构光进行调制，使物体表面的光场分布携带被测物体表面的三维形貌信息。通过CCD相机拍摄调经过调制的结构光场的图像，经计算机处理，通过三维形貌重构算法，得到被测目标的三维形貌信息。

特别的，利用光栅条纹作为结构光的傅立叶变换轮廓术(FTP)，由Takeda等人于1983年提出[参见在先技术1：Takeda Mitsuo，Mutoh Kazuhiro，“Fourier transformprofilometry for the automatic measurement of 3-D object shapes”，Applied Optics，Vol.22，Issue.24，1983]。这种方法将光栅投影条纹作为结构光源，通过对图像强度分布进行傅立叶变换、滤波、傅立叶逆变换、位相展开等图像和信息解调算法处理，得到测量目标的三维形貌信息。

在已经广泛存在的傅立叶变换轮廓术三维测量结构当中，投影条纹阵列的产生主要是利用正弦振幅光栅，二值振幅型透射光栅，或者是数字投影仪。

不论是正弦振幅光栅还是二值型振幅光栅，均是靠光栅不透光部分对光强的吸收实现投影条纹阵列的产生，能量的利用率较低。在某些实际应用场合，实际物体的表面能量散射较强，或者物体表面分布复杂，从而导致局部投影条纹过密，很容易造成投影条纹之间的串扰。此时的解决方法往往是采用较小的光栅开口比(透光部分与光栅周期的比值)。振幅光栅的开口比在光栅制作时确定，较小的开口比意味着较多的能量损失，能量利用率和线条压缩比之间存在着矛盾。

实际上，大部分的振幅型透射光栅的不透光部分，特别是数字液晶投影仪的光栅投影系统，仍然有一定的光强透过率，会带来光栅投影条纹光场的明暗对比度的下降。而数字投影仪的其他的缺点包括体积大，价格昂贵等。

利用上述振幅型光栅或数字投影仪的傅立叶变换轮廓术，在产生一维投影阵列条纹时，面临着光强不均匀，能量利用率低，线条压缩比(条纹周期和明亮条纹宽度的比值)不能太大等诸多问题，给三维面形的重建带来了巨大的挑战。因此，傅立叶变换轮廓术特别需要高效率、高对比度和高压缩比的条纹产生方法。

空间坐标调制型的二值位相光栅最早是由H.达曼和K.等于1971年提出的[参见在先技术2：H.Dammann and K.“High-efficiency in-line MultipleImaging by Multiple Phase Holograms”，Opt.Comm.1971，3(3)：312～315，及U.Killat，G.Rabe，and W.Rave，“Binary Phase Gratings for Star Couplers with High SplittingRatio”，Fiber and Intergrated Opt.，1982，4(2)：159～167]。这种技术利用特殊孔径函数的衍射光栅产生一维或二维的等光强阵列光束，其最初的目的是在光刻的同时获得一个物体的多重成像以提高生产效率。这种光栅后来被称为“达曼光栅”。它是具有特殊孔径函数的二值位相光栅，在入射光波的夫琅和费衍射平面上产生一定点阵数目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因光强吸收不均匀引起的条纹不均匀分布。

周常河等人给出了从2到64点阵的达曼光栅解，并详细分析了位相制作误差、侧壁腐蚀误差对光栅性能的影响[参见在先技术3：C.H.Zhou and L.R.Liu，“Numerical Study of达曼Array Illuminators”，Appl.Opt.，1995，34(26)：5961～5969]。

发明内容

本实用新型要解决上述现有技术中傅立叶变换轮廓术的测量结构中利用正弦振幅光栅，二值振幅型光栅或数字投影仪产生的一维投影阵列条纹的不均匀、能量利用率低和线条压缩比小等问题，提供一种物体三维轮廓测量装置，该装置具有测量精度高，测量装置简单，计算机重构信息处理简便和易于操作的特点。

本实用新型的技术解决方案如下：