[发明专利]用于相干照明成像系统的散斑噪声减小

说明书

相关申请

本申请要求保护2009年2月23日提交的名称为“Method and Apparatus to Reduce Speckle in Coherent Light Imaging”的提交日较早的美国临时专利申请序列号No.61/154,566的权益，其整体通过引用结合于此。

技术领域

本发明大体上涉及照明系统中的强度噪声减小并且更具体地涉及相干条纹成像系统中的强度噪声减小。

背景技术

基于条纹干涉测量法的精确非接触三维（“3D”）计量已经发展用于工业应用。典型地针对大体积以低的数据采集率执行测量。这些系统探测由两个相干光源生成并且投影在要被测量的对象表面上的干涉条纹。对于包括医学应用和牙齿成像的各种应用，3D成像系统要求增大的分辨率；然而，使用相干照明在对象处生成条纹图案导致所采集的条纹图案的图像中的散斑噪声。一般而言，随着空间分辨率提高，散斑噪声变得更显著。

散斑发生在成像器的相干成像光学系统中，并且是对象的表面粗糙度、以及相干光源的波长和相干长度的函数。诸如孔径大小、入射角和视觉之类的成像几何参数也影响散斑。由单个探测器单元（即像素）成像的对象区域内的表面粗糙度导致从该区域散射的光的变化的光学路径长度。因此在该像素处接收的光会以相长或相消的方式干涉，使得像素强度可以不同于将另外由不相干照明产生的像素强度。低分辨率光学成像系统将大的对象表面区域成像在每个像素上，由此通过平均在该像素上的许多在空间上变化的强度特征而抑制散斑效应。相比之下，更高分辨率光学系统将相应较小的对象表面区域成像在具有较少的在空间上变化的强度特征的每个像素上，从而导致具有增大的散斑噪声的图像。

因此在条纹干涉测量法中存在对减小由于散斑噪声引起的图像退化以便实现不牺牲测量精确度的高分辨率图像的需要。本发明解决了这种需要并且提供了附加优点。

发明内容

在一个方面，本发明特征在于一种用于减小由结构化照明图案照明的对象的图像中的散斑噪声的方法。该方法包含利用沿着投影轴投影的相干辐射的结构化照明图案来照明对象。在图像采集间隔期间投影轴的角取向在角范围上被调制，使得投影在对象表面上的结构化照明图案的形状特征在图像采集间隔期间保持不变。采集在图像采集间隔期间被照明对象的图像。

在另一方面，本发明特征在于一种用于减小由结构化照明图案照明的对象的图像中的散斑噪声的方法。该方法包含：利用沿着投影轴以初始角取向投影的相干辐射的结构化照明图案来照明对象，以及采集被照明对象的图像。利用沿着投影轴以一个或多个后续角取向投影的相干辐射的结构化照明图案来照明对象，使得投影在对象表面上的结构化照明图案的形状特征不改变。采集以每个后续角取向被照明的对象的图像。以投影轴的初始角取向和后续角取向被照明的对象的图像被求和，从而生成具有减小的散斑噪声的被照明对象的图像。

在再一方面，本发明特征在于一种用于减小被照明对象的图像中的散斑噪声的投影仪。该投影仪包含具有结构化照明图案的相干光学辐射的光束源。光束沿着投影轴传播以便照明对象表面。该投影仪还包含与所述相干光学辐射的光束源光学通信的动态光束定向器。该动态光束定向器配置成调制投影轴的角取向，使得投影在对象表面上的结构化照明图案的形状特征在投影轴的角取向的调制期间保持不变。

在又一方面，本发明特征在于一种用于减小利用相干辐射照明的对象的图像中的散斑噪声的方法。该方法包含将相干光学辐射光束分成多个子光束，其中每个子光束具有到对象的唯一光学路径。至少一个所述子光束的光学路径被延迟，使得每个子光束具有的光学路径长度与每个其它子光束的光学路径长度相差大于该相干光学辐射光束的相干长度。每个子光束被定向以使得每个子光束的至少一部分与每个其它子光束的至少一部分在对象处交叠。

在又一方面，本发明特征在于一种用于减小被相干照明的对象的图像中的散斑噪声的设备。该设备包含：具有相干长度的相干光源、光学延迟板和微透镜（lenslet）阵列。光学延迟板与相干光源光学通信并且具有多个光学厚度唯一的区域。每个区域具有的光学厚度与每个其它区域的光学厚度相差至少该相干光源的相干长度。微透镜阵列与光学延迟板光学通信。每个微透镜接收透射通过光学延迟板的相应一个区域的相干辐射并且生成发散相干辐射光束从而照明对象。每个发散相干辐射光束的相位相对于每个其它发散相干辐射光束被光学延迟板提前或延迟，使得所述光束相对于彼此在时间上不相干。每个光束在光束交叠区中对象表面上的一点处的入射角不同于每个其它光束的入射角。