[发明专利]利用空间光调制器来查找物体的三维坐标的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年7月13日提交的美国临时专利申请第61/507,304号的权益，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开总的来说涉及三维（3D）表面轮廓（surface contouring）技术，尤其是涉及利用空间光调制器作为动态衍射光栅来将处于许多类型的图案中的一种的结构光反射在物体的表面上，以利用两个光束或者光点的干涉通过三角测量来最终确定物体的表面的三维轮廓的装置和方法。

背景技术

在准确并且快速地确定物体的三维坐标的三维表面轮廓的领域中，具有许多可获得的已知技术，其中一些包括将各种结构光图案投影在该物体上的使用。结构光图案通常形成在物体的表面上的条纹（fringe）（即，交替的明亮的和黑暗的或者不同颜色的“条带（stripe）”或者区域）中。在一些情况下，以透射或者反射类型的衍射光栅的形式的空间光调制器用于形成光栅图案并且改变这些图案的相位。因而产生的物体的表面上的条纹图案然后通过诸如电荷耦合装置（charge coupled device,CCD）的照相机装置来查看，并且通过计算机或者处理器利用各种已知的三角测量技术来处理，以最终确定物体的三维表面轮廓。

然而，这类方法的缺点包括衍射光栅是必须通过一些类型的手动装置来移动以实现光栅图案的相位的移位的“静态”类型。这引起相对慢的相移速度，从而导致低于整个系统的最佳性能。此外，这种系统可能需要多个独立的衍射光栅来生成在条纹线条之间具有所需要的间隔（也称为条纹线条的间距）的条纹图案，每个衍射光栅具有不同的光栅周期。除了多个光栅之外，还需要提供相关的转换级和光学部件反馈机制，这两者通常都相对昂贵。这种系统还可能需要相对大的处理器能力来处理照相机所拍摄的图像。

其它已知的现有技术的三维物体表面轮廓系统是基于激光的直接投影，所投影的图像实质上是形成在例如数字微镜（micro mirror）装置中的空间光调制器中的图案的复制品。

期望生成具有无穷景深的非常完美的正弦图案。完成这个的方法是使用反射式或者透射式装置作为相对非常精确并且价格比较低廉的三维物体表面轮廓测量系统中的动态衍射光栅装置以通过光栅的光反射来形成各种类型的结构光图案，该光栅然后通过针孔板提供反射光以通过过滤对应于+1和-1阶模式的两个聚焦的光点来生成，然后允许来自两个光点的光线在物体的表面处干涉。该干涉生成亮度变化的周期的正弦波，从而显示出条纹图案，该条纹图案的图像然后可以由照相机装置来拍摄并且利用已知的三角测量技术来处理以确定物体的三维表面轮廓。该反射式动态衍射光栅可以包括数字微镜装置（digital micromirror device,DMD）,该数字微镜装置包括利用微型机电系统（microelectromechanical systems,MEMS）技术形成的多个可移动反射式光开关或者反射镜的二维阵列。该动态衍射光栅通常可以称为空间光调制器（spatial light modulator,SLM），其光栅可以是特定类型的SLM。

发明内容