[发明专利]一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法及装置

权利要求书

1.一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，其特征在于：它包括投影模块、载物平台、相机、数据传输控制接口和计算机；

所述投影模块包括照明光源子系统、耦合中继光学子系统和衍射光学元件；所述照明光源子系统包括照明光源接口电路模组，三个红绿蓝三色LED光源，分别为红绿蓝三色LED光源Ⅰ、红绿蓝三色LED光源Ⅱ和红绿蓝三色LED光源Ⅲ，红绿蓝三色LED光源Ⅰ位于耦合中继光学子系统的物方焦点处，红绿蓝三色LED光源Ⅱ和红绿蓝三色LED光源Ⅲ对称地位于红绿蓝三色LED光源Ⅰ两侧的耦合中继光学子系统的物方焦面上，衍射光学元件位于耦合中继光学子系统的像方出瞳位置；

所述投影模块、载物平台与相机构成条纹投影测量三角光路，投影模块的耦合中继光学子系统的光轴与相机镜头的光轴相交于载物平台，投影模块的衍射光学元件和相机镜头聚焦于载物平台上；

所述计算机经数据传输控制接口分别与投影模块和相机连接；

所述的测量装置在工作状态时，投影模块接收计算机指令，依次分时点亮红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分时输出的各单色LED出射光场经过耦合中继光学子系统分别均匀平行照射至衍射光学元件上；经衍射光学元件调制后在轴向延拓的景深范围内依次形成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，分时投射到待测物表面上的同一区域，相机依次分时采集由待测物表面反射的三频正弦三步相移变形条纹图，传输至计算机，经数据处理得到待测物表面的三维形貌分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，其特征在于：所述的衍射光学元件包含三个子区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分别对应调制由红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ发出的经过耦合中继光学子系统后的各单色均匀平行LED光，在轴向延拓的景深范围内依次分别形成红绿蓝三色的相移条纹光场图案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，调制生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，投射到待测物表面上的同一区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，其特征在于：所述的红绿蓝三色LED光源为分别由红色LED、绿色LED和蓝色LED三个芯片组合成的光源，或为由出射红绿蓝三色的单个LED芯片构成的光源。

4.一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，采用如权利要求1所述基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置实现，其特征在于包括如下步骤：

（1）测量装置调整：将投影模块与相机分别通过数据传输控制接口与计算机相连接，将投影模块的耦合中继光学子系统光轴与相机镜头的光轴调整至相交于载物平台，形成条纹投影测量三角光路；调整投影模块的衍射光学元件和相机镜头聚焦于载物平台上，且投影模块经衍射光学元件在载物平台上的投射区域与相机在载物平台上的视场区域大小匹配；

（2）装置标定及深度神经网络模型训练：依据条纹投影轮廓术和衍射光学相位编码原理，构建系统成像测量模型；基于系统成像测量模型，利用已知高度分布的三维物体，标定获得测量装置的“相位—高度”转换关系函数；基于系统成像测量模型及测量装置的“相位—高度”转换关系标定结果，使用一系列已知三维分布的虚拟模型物体仿真生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移变形条纹图，采用模型驱动方法分别训练基于深度神经网络的多径干扰分离器R、G和B；

（3）条纹图投影与采集：将待测物置于载物平台上的投影模块和相机公共视场的中央区域；计算机通过数据传输控制接口控制投影模块中的照明光源接口电路模组，依次分时点亮红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分时输出的各单色LED出射光场经过耦合中继光学子系统分别均匀平行照射至衍射光学元件上对应的子区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ；经衍射光学元件调制后在轴向延拓的景深范围内依次形成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，分时投射到待测物表面上的同一区域，相机依次分时采集由待测物表面反射的三频正弦三步相移变形条纹图，经数据传输控制接口传输至计算机；

（4）条纹图解相与三维面形重构：利用深度神经网络的绝对相位恢复算法处理获得的三频正弦三步相移变形条纹图，计算得到与待测物三维形貌相关的绝对相位分布；依据步骤（2）中标定获得的测量装置的“相位—高度”转换关系函数，重构得到待测物表面的三维形貌分布。