[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

说明书

本发明涉及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，属光学检测技术领域。测量装置包括投影模块、载物平台、相机、数据传输控制接口和计算机；它基于条纹投影轮廓术和衍射光学相位编码技术，在不借助硅基液晶或数字微镜元件等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，使用衍射光学元件调制入射光场，分时快速投影形成三频正弦三步相移条纹光场图案；同时在保证轴向投影条纹光场图案正弦一致性的基础上，极大地延拓了测量系统的投影成像景深；基于深度神经网络的绝对相位恢复算法的使用，有效地抑制了多径干扰和移相误差对包裹相位解调的影响，提升了绝对相位恢复的精度。

技术领域

本发明涉及三维形貌的测量技术，特别涉及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，属于先进光学检测技术领域。

背景技术

在当今社会生产的诸多领域，如逆向工程、自动在线检测、机器视觉等，常常需要对漫反射面物体进行快速、精确的三维测量。光学类方法因其具有非接触、全场快速、测量精度高等优势，而逐步受到人们的青睐。条纹投影轮廓术作为一种典型的光学类三维测量技术，具有系统结构简单、对外界环境要求不苛刻、测量动态范围大/精度高和速度快等优点，而常被应用于漫反射面物体三维形貌的检测。其测量系统通常由投影器、相机和计算机组成；在测量过程中，高保真度正弦条纹的快速投影、显示与获取一直是人们追求的目标之一，特别是对于一些高速动/瞬态测试场景意义重大。早期的测量用条纹多以激光干涉、正弦光栅投影成像等方式生成，存在单帧及相移条纹的相关参数调控不便等问题。随着光电设备的迅猛发展，尤其是基于硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）、数字微镜元件（Digital micromirror device，DMD）技术投影仪的出现，测量用条纹的合成与控制变得更为便捷，但依然存在投影正弦条纹的质量易受投射器光电子学性能影响等问题。在现有的条纹投影轮廓术测量过程中，为了实现高精度检测的目的，通常使用基于LCoS或DMD的投影器投射正弦相移条纹，但单色／彩色相移条纹的正弦性／移相保真度容易受到电子设备Gamma效应／颜色串扰现象的影响，高性能的LCoS或DMD投射条纹在被测物表面往往存在多次反射（即多径干扰）现象。此外，在现有的条纹投影轮廓术中，受限于投影成像镜头的有限景深，正弦条纹对比度会随着离焦量的增大而降低，影响轴向大范围三维形貌的高精度获取。虽然可以基于沙姆定律（Scheimpflug Principle）设计相应的投影成像镜头以延拓景深，但却存在斜投影成像带来的诸如镜头装配、附加相位畸变矫正等问题，且景深拓展范围依旧有限。基于双远心光路设计的投影成像镜头虽能避免斜投影成像的问题，但其投影成像倍率固定，且测量视场与镜头口径/体积之间相互制约。因此，如何在不借助LCoS或DMD等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，在较大的轴向景深范围内实现高保真度正弦相移条纹的快速投影与获取，已成为条纹投影轮廓术领域的研究热点与趋势之一。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，在不借助硅基液晶（LCoS）或数字微镜元件（DMD）等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，提供一种能够在大轴向景深范围内实现高保真度正弦相移条纹的快速投影、获取与解算的条纹投影三维形貌测量方法及装置。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术解决方案是提供一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，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；