[发明专利]一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置

权利要求书

1.一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置，包括N个结构光投射模组、合光棱镜和投影镜组，其特征在于，

所述N个结构光投射模组按照预定时序依次开启，生成N个正弦条纹结构光场；

所述合光棱镜用于将所述N个正弦条纹结构光场进行光路转换，输出所述N个正弦条纹结构光场到所述投影镜组；

所述投影镜组用于将所述N个正弦条纹结构光场投射到同一待测目标；

其中，所述N个正弦条纹结构光场投射到同一待测目标时，具有相同的成像位置，并且时序上相邻的正弦条纹结构光场之间存在2π/N的空间相位间隔；

所述结构光投射模组包括照明光源、复合透镜阵列、结构光模板和滤光片；

所述照明光源用于提供不同波长的光源；

所述复合透镜阵列用于将所述光源形成均匀的发光面；

所述结构光模板上有条纹状结构光模板图案，当所述均匀的发光面投射到所述结构光模板上时，通过所述结构光模板图案形成正弦条纹结构光场，N个不同波长λ的LED光源照明的正弦条纹结构光模板具有恒定的2π/N的空间相移间隔，且正弦条纹结构光模板之间的相位间隔通过预先制作在模板上的几何标记进行纳米级对准，从而保证结构光模板图案之间准确的相位间隔；正弦条纹结构光模板由玻璃板、金属板或者塑料板制作而成，制作过程包括印刷和蚀刻，模板图案通过误差扩散二值图案进行光场调制；

所述滤光片用于从所述正弦条纹结构光场中选取出所需辐射波段并输出到所述合光棱镜；

所述结构光模板上还设置有对准标记，所述对准标记用于调整所述正弦条纹结构光场的投射位置，并且所述对准标记用于调整所述正弦结构光模板的几何位置，使得时序上相邻的结构光模板的条纹状结构光模板图案之间存在2π/N的空间相位间隔；

所述合光棱镜上镀膜，镀膜的位置与各结构光投射模组发出光路的波长相匹配，使得所述各结构光投射模组发出的光路能通过同一个投影镜组投射到同一个待测目标；

还包括准直透镜，所述准直透镜的后焦面对接所述复合透镜阵列，用于减小光线的发散角。

2.如权利要求1所述的一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置，其特征在于，调整所述正弦结构光模板的几何位置时，时序上相邻的结构光模板的条纹状结构光模板图案之间的几何位置偏差在纳米级范围。

3.如权利要求2所述的一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置，其特征在于，所述照明光源的光谱范围包括可见光光谱范围和近红外光光谱范围。

4.如权利要求1所述的一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置，其特征在于，还包括校准工具，所述校准工具具有与皮肤相似的反射特性，用于调节所述照明光源的对比度和亮度，当各结构光投射模组的照明光源波长不同时，调节正弦条纹结构光场具有相同的对比度和亮度。

5.一种高速高精度条纹结构光场三维成像系统，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述的一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置、系统控制单元、成像系统和三维重建算法模块，

所述条纹结构光场投影装置用于将所述N个正弦条纹结构光场投射到同一待测目标；

所述成像系统用于拍摄被所述待测目标表面调制的结构光图像，获取结构光场图像序列，并将所述结构光场图像序列输出到三维重建算法模块；

所述三维重建算法模块根据所述结构光场图像序列计算出所述待测目标的三维重建数据；

所述系统控制单元用于控制多个所述条纹结构光场投影装置的投射模组按照预定时序依次开启，并且用于控制所述成像系统按照所述时序同步拍摄所述待测目标表面调制的结构光图像，所述系统控制单元还控制所述三维重建算法模块计算出所述待测目标的三维重建数据。

6.一种三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S500，采用如权利要求1-4任一所述的一种非数字光机正弦条纹结构光高精度三维测量装置将N个正弦条纹结构光场按照预定时序依次投射到同一待测目标上，并同时拍摄被所述待测目标表面调制的结构光图像，获取N步相移条纹立体图像对；

S501，基于所述N步相移条纹立体图像对，利用最小二乘法计算立体截断相位对；

S502，对所述立体截断相位对进行展开得到相对连续相位，并利用系统标定参数进行畸变和极线校正；

S503，利用所述N步相移条纹立体图像对的两个视角的纹理图，并进行人脸特征点检测；

S504，利用同名人脸特征点确立统一相位展开起点，并利用相位匹配生成视差图；

S505，利用系统标定参数，基于步骤S504得到的视差图进行三维人脸重建，得到三维人脸的点云数据。