[发明专利]激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法和装置

说明书

本发明涉及激光照明的三维传感技术，具体地说，它涉及激光片光照明的三维传感系统中降低散斑影响的方法及其装置。

三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在自动加工，实物仿形，机器视觉，生物医学体视等领域具有重要意义。采用激光片光照明的三维面形传感器，是基于三角法距离测量原理，通过投射一片状激光束(也称激光片光，或激光光刀)到被测物体表面，在物体表面形成一投影亮线，从与投影方向不同的另一个方向观察该线，由于受到物体高度的调制，该亮线发生变形，通过对象面上亮线象坐标的计算可以得到物体上一个剖面的高度数据，如果再加上一维扫描就可以得到三维面形分布【例如，见：Xian-Yu Su，BoJia，Proc.SPIE，VOL.1319，(1990)；贾波，苏显渝，郭履容，《中国激光》，19(4)，271(1992)；Xiao-Xue Cheng，Xian-Yu Su，Lu-Rong Guo，Appl.Opt. 30(10)，1274(1991)】，从而达到三维物体表面轮廓的测量。采用激光片光的三维传感系统，其测量精度主要取决于对亮线象中心的定位精度。人们曾试图通过技术上的改进，例如：减少电信号噪声，增加探测器分辨单元数目等，提高测量精度，但是后来的研究表明，测量精度的限制还来自物理上的原因，激光散斑对三角法测量精度具有重要影响【例如：见W.Dremel，G.Hausler，and M.Maul，Proc.SPIE，665，182-187(1986)】。降低散斑影响，提高激光三角测量系统精度，一直是三维传感领域国内外普遍关注的问题。为了减弱散斑的影响，人们已经研究了几种方法，包括热空气扰动法，孔径内扫描法等。例如，在热空气扰动法中，是在观察系统光路上加上随机扰动的热空气(以热的空气流喷射在观察光路上)，使得在象面上形成动态散斑光场，其时间平均的效果将使散斑对比下降，从而减弱散斑的影响。在孔径内扫描法中，可以在观察系统光瞳面上用小的随机分布的孔径在光瞳孔径上扫描，也可以使散斑对比下降。采用这些方法，虽然深度分辨率有所提高，但都以牺牲横向分辨率为代价，具有明显的局限性(例如：见Rejean Baribean，Marx Rioux，Appl.Opt，30(20)，2873(1991))。

本发明的目的正是针对上述现有技术中存在的不足之处，而提出了在激光片光照明的三维传感系统中采用投影激光片光的面内扫描来降低散斑影响的方法及装置。解决了在提高深度分辨率的同时，横向分辨率可以保持不变的问题，从而使测量精度提高。

本发明上述的目的是这样解决的：

激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法，是采用从激光器发出的细光束经一柱透镜后形成片状光束(激光片光)，投射到被测物体表面，使该光束在物体表面形成一条投影亮线，从与投影方向成一定夹角的观察系统光路上观察该亮线，由于激光片光受到被测物体表面高度的调制，观察到的亮线形状携带了物体高度信息，通过计算可以确定物体表面一个剖面上的高度分布，如果附加一维扫描，就可以测量三维物体面形的分布。本发明的要点在于，经柱透镜形成的片状光束先通过一个扫描装置，使激光片光在片光平面内作面内扫描，经面内扫描的激光片光再投射到被测物体表面，在物体表面形成一条亮线，从与投影方向成一定夹角的另一观察方向上用二维探测器阵列接收片光与物体表面交线的象，再通过计算确定物体表面一个剖面上的高度分布。

图1是采用激光片光的面内扫描装置的三角测量原理示意图。

图2是成象系统象面散斑的形成光路示意图。

图3是入射光角度改变时，光瞳平面上散斑的变化示意图。

图4是片光象在探测器阵列上的强度分布。

图5是象面散斑互相关函数曲线(理论值和实测值)图。

图6是图1中亮线6的重心线归一化方差随入射光扫描角变化的曲线(理论值和实测值)图。

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提出采用激光片光的面内扫描，可以在保持理想几何象不变的情况下，产生空间变化的动态散斑光场，这样的光场在光瞳平面上平移，其时间平均的效果，可看作利用了多个孔径，将这些孔径的总和称之为“合成孔径”，在引入合成孔径的同时，系统的物理孔径并未改变。因此，本发明在提高深度分辨率的同时，横向分辨率可以保持不变，从而达到对三维物体表面轮廓测量的精确度的提高。