[发明专利]基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统及方法

权利要求书

1.一种基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于，包括：数字条纹投影单元和单像素探测器单元；所述数字条纹投影单元包括白色LED光源、第一光调制和投影透镜；所述单像素探测器单元包括单像素探测器、第二光调制器和成像透镜；所述白色LED光源出射面阵白光经反射镜反射后照在第一光调制器上，第一光调制器将二元抖动正弦条纹图案经投影透镜成像到目标靶面上，经过物体面型调制得到的畸变正弦条纹经成像透镜成像到第二光调制器上，所述第二光调制器将产生哈达玛正交图案对畸变条纹图进行调制，由单像素探测器收集反射得到的光强，并传输至计算机中重构得到二维光强图。

2.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统,其特征在于：采用Bayer抖动技术使用二元黑白条纹模拟正弦条纹图案。

3.根据权利要求1所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:采用四步相移算法，获取固定相移变量的四副正弦条纹图；

步骤S2:根据得到的四副正弦条纹图，得到的四幅不同相位的二维强度图，并相位求解算法，计算得到物体的相位图；

步骤S3:根据得到的相位图，采用洪水解包算法，得到解包裹相位图；

步骤S4:通过系统标定，得到物体深度信息与相位变化的一一对应关系，进一步的，由解包裹相位图，得到物体的三维信息。

4.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，所述正弦数字条纹投影获取，具体包括以下步骤：

步骤S11:生成固定周期和不同相移步数的8bit正弦条纹；

步骤S12:根据Bayer抖动原理，生成抖动阈值单位矩阵，单位矩阵经过扩充产生与正弦投影条纹相同分辨率的阈值判断矩阵，阈值矩阵与正弦矩阵每个像素进行对比，大于阈值为1，小于阈值为0，从而得到二值抖动正弦条纹图；

步骤S13:通过控制第一光调制器不同振镜反射方向，加载处理得到的二值正弦条纹图，白色LED光源照射后经投影透镜投影到待测物体靶面上。

5.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，所述二维强度图重构，具体如下：

步骤S21:加载了被测物体深度信息的条纹图经过成像透镜成像到第二光调制器上，第二光调制器将按顺序产生完备正交哈达玛矩阵，经过成像矩阵调制后的光强由单像素探测器同步进行探测反射光强；

步骤S22:探测得到与哈达玛调制矩阵--对应的光强值，哈达玛矩阵为已知矩阵，两者进行关联运算，进一步重构出二维光强图。

6.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，所述四步相移算法每步相移间隔为π/2，由此，条纹投影图表示为：

其中，n为相移步数，I＇为平均照射光强，I″为调制光强。

7.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，所述相位求解算法具体为，根据四步相移得到的四幅畸变条纹图，按照下式进行两两相减，从而得到具有2π相位跳变的相位图

8.根据权利要求3所述的基于单像素探测器的数字条纹投影三维成像系统的成像方法,其特征在于，所述步骤S4具体为：

步骤S41:对待测物体靶面进行前后位移各四次，分别进行四步相移投影，经计算得到不同位置的解包裹相位图；

步骤S42:分别对每一个像素的实际距离和相位变化进行拟合，得到相位与高度的映射关系，并进一步得到物体深度信息。