專利名稱：一種用于結構光三維測量的投影裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及三維測量領域，具體涉及一種用于結構光三維測量的投影裝置。
背景技術：
數量眾多的光學非接觸三維信息獲取技術被廣泛的應用于現代工農業生產過程中，其中結構光技術由于其主動測量原理，采樣密度可調，測量精度高等優點被廣泛應用于逆向工程、考古、醫學、服飾、人體測量等需要恢復物體的三維形狀的領域中。結構光技術是利用普通或者激光作為光源，將已知的圖案投射到被測物的表面，根據通過成像裝置從另一角度獲取的圖像，利用三角原理獲得采樣點的三維信息。結構光投影裝置作為一個核心器件對測量結果與精度起著至關重要的作用。目前，常用的光柵投影裝置主要有幻燈投影儀與液晶投影儀。液晶投影儀中的光柵是利用計算機編程方法生成各種各樣的投影條紋，此光柵具有較好的對齊性、較低的成本、但不能投影具有連續光強分布的條紋，對比度較低，對環境光比較敏感。幻燈投影儀采用膠片和一個光源來完成投射，這種方法大多采用泰伯效應投影光柵，但不能隨時改變光柵的周期及相位，無法實現自適應投影，無法保證光柵的精確排列。現有光柵器件之間的切換通過精密位移機器實現，對位移精度要求很高，另外光柵器件受其自身材質影響，在強光下容易發生形變等，并且光柵在使用時靈活性差，因此，其應用受到很大的限制。目前已白光源及光柵器件所構成的投影裝置中，雖然可以解決投射的強度不連續等問題，但大多采用編碼(如格雷碼、二進制編碼等)的方法來完成相位展開，這種方法所獲得的數據精度同編碼位數有很大關系，當編碼條紋過寬時，精度不高，并且由于物體邊緣處的編碼缺失而無法展開相位值。同時為采集不同帶有結構光條紋的影像圖片，現有技術采用更換不同相移光柵片實現。現有技術的缺點是，測量速度慢，使用不方便。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種可準確將每幅光柵送入三維測量系統中拍攝區， 提高三維測量速度慢，使用方便，能夠滿足基于格雷碼和相移法三維測量需要的用于結構光三維測量的投影裝置。本實用新型的目的是這樣實現的它包括機架1、鹵素冷光源2、光源供電系統3、 光源準直光學系統4、照明系統固定裝置5、振幅型透射光柵6、光柵投影光學系統7、光柵投影光學系統固定裝置8、光柵固定裝置9、光柵移動裝置10、步進電機11和步進電機控制系統21，光源供電系統3通過導線與鹵素冷光源2連接，鹵素冷光源2與光源準直光學系統4 通過照明系統固定裝置5與機架1相連接，鹵素冷光源2安裝在光源準直光學系統4的物方焦點處，振幅型透射光柵6通過光柵固定裝置9固定在光柵移動裝置10上，光柵投影光學系統7通過光柵投影光學系統固定裝置8固定在機架1上，步進電機11通過導線與步進電機控制系統21連接。本實用新型還有這樣一些技術特征[0007]1、所述的光柵移動裝置10包括齒條13、斜齒輪14、斜齒輪固定裝置15、壓板16、 銷緊機構17、回位彈簧組成18、光柵移動裝置固定支撐19和回位彈簧固定端20，步進電機 11通過斜齒輪固定裝置15與斜齒輪14連接，斜齒輪14與齒條13嚙合組成齒輪齒條機構， 回位彈簧固定端20設置在齒條13 —端，并將回位彈簧18與齒條13連接，回位彈簧18的另一端通過光柵移動裝置固定支撐19與壓板16連接固定于機架1上，銷緊裝置17固定在齒條13上；2、所述的步進電機11固定在步進電機安裝架12上，步進電機安裝架12與機架1 固定連接；3、所述的振幅型透射光柵6包括16幅尺寸相同的光柵。本實用新型振幅型透射光柵6是由采用在石英光學基板上金屬鍍層刻蝕的振幅型透射光柵，一共由16幅尺寸相同的光柵組成，第一幅光柵特征是在白光石英光學基板上刻蝕的十字線，用于投射源的對準及光柵投影系統的焦距調整；第二幅是為了光強歸一化的用的全白光透射的石英光學基板；第三幅到第十幅光柵是格黑白相間的按照格雷碼編碼順序的光柵；第十一幅至第十三幅光柵是透射光強呈等邊三角形變化的透射光柵，其中第十一幅中包含115個周期，第十二幅包含94個周期，第十三幅包含80個周期；第十四幅到第十六幅光柵是投射光強呈梯形變化的透射光柵，其中第十四幅中包含115個周期，第十五幅包含94個周期，第十六幅包含80個周期。銷緊裝置17固定在齒條13上，主要用于當不需要回位時銷緊回位彈簧。步進電機11通過導線與步進電機控制系統21，由步進電機控制系統輸出的電流控制步進電機轉動，通過齒輪齒條機構形成光柵移動裝置的水平往復移動。本實用新型能夠解決現有光柵器件中存在的不能投影具有連續光強分布的條紋， 無法保證精確位移和展開相位值的問題，同時能夠解決光柵器件受其自身材質影響，在強光下容易發生形變，靈活性差等缺點，有益效果在于由一塊石英光學基板上刻劃出多幅光柵，通過光柵移動裝置可準確將每幅光柵送入三維測量系統中拍攝區，提高三維測量速度慢，使用方便，夠滿足基于格雷碼和相移法的三維測量需要，確保了結構光三維測量中投射強度及光強的連續分布等問題，使最終測量結果精度得以提高，具有重要的工程實用價值。
圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為圖1中A-A面剖面圖；圖3為本實用新型的俯視圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步的說明實施例一結合圖1，本實施例包括機架1、鹵素冷光源2、光源供電系統3、光源準直光學系統4、照明系統固定裝置5、振幅型透射光柵6、光柵投影光學系統7、光柵投影光學系統固定裝置8、光柵固定裝置9、光柵移動裝置10、步進電機11、步進電機安裝架12、齒條13、斜齒輪14、斜齒輪固定裝置15、壓板16、銷緊機構17、回位彈簧組成18、光柵移動裝置固定支撐19、回位彈簧固定端20和步進電機控制系統21，光源供電系統3通過導線與鹵素冷光源2 連接，提供鹵素冷光源2釋放光束的電能，同時根據電源供電裝置輸出電流的大小，改變鹵素冷光源2釋放光束的光強；鹵素冷光源2與光源準直光學系統4通過照明系統固定裝置 5與機架1相連接，鹵素冷光源2安裝在光源準直光學系統4的物方焦點處，鹵素冷光源2 釋放的近球面光束經過光源準直光學系統4的孔徑光闌形成球面光束，經過準直光學系統 4后形成平面光束垂直照射到振幅型透射光柵表面6 ；振幅型透射光柵6通過光柵固定裝置9固定在光柵移動裝置上10，透過振幅型透射光柵的光束通過光強的分布攜帶了編碼信息，通過光柵投影光學系統7，將光束放大投射到被測物表面，以便供成像裝置獲取條紋圖像，光柵投影光學系統7通過光柵投影光學系統固定裝置8固定在機架1上。光柵移動裝置10是由齒條13、斜齒輪14、斜齒輪固定裝置15、壓板16、銷緊機構 17、回位彈簧組成18、光柵移動裝置固定支撐19和回位彈簧固定端20組成，步進電機11固定在步進電機安裝架12上，步進電機安裝架12與機架1固定連接，通過斜齒輪固定裝置15 與斜齒輪14連接，斜齒輪14與齒條13嚙合組成齒輪齒條機構，實現透射光柵的水平移動及回位。齒條13兩端帶有回位彈簧固定端20，用于將回位彈簧18與齒條13連接，回位彈簧18的另一端通過光柵移動裝置固定支撐19與壓板16連接固定于機架1上。銷緊裝置 17固定在齒條13上，主要用于當不需要回位時銷緊回位彈簧。步進電機11通過導線與步進電機控制系統21連接，由步進電機控制系統輸出的電流控制步進電機轉動，通過齒輪齒條機構形成光柵移動裝置的水平往復移動。振幅型透射光柵6是由采用在石英光學基板上金屬鍍層刻蝕的振幅型透射光柵， 一共由16幅尺寸相同的光柵組成，第一幅光柵特征是在白光石英光學基板上刻蝕的十字線，用于投射源的對準及光柵投影系統的焦距調整；第二幅是為了光強歸一化的用的全白光透射的石英光學基板；第三幅到第十幅光柵是格黑白相間的按照格雷碼編碼順序的光柵；第十一幅至第十三幅光柵是透射光強呈等邊三角形變化的透射光柵，其中第十一幅中包含115個周期，第十二幅包含94個周期，第十三幅包含80個周期；第十四幅到第十六幅光柵是投射光強呈梯形變化的透射光柵，其中第十四幅中包含115個周期，第十五幅包含 94個周期，第十六幅包含80個周期。結合圖2，本實施方式由第一幅實現投影圖案對被測物的對準及調焦，由第二幅到第十幅光柵實現最高為8位的格雷碼結構光編碼圖案的投射。通過步進電機控制系統21 控制步進電機11，實現斜齒輪14的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉，控制齒條的水平往復移動，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準直光學系統4組成的照明系統和光柵投影光學系統7之間，實現投影圖案的投射。實施例二 本實施例基本結構同實施例一，不同在于由第一幅實現投影圖案對被測物的對準及調焦，由第十一幅至第十三幅光柵是透射光強呈等邊三角形變化的透射光柵實現最多為三周期編碼的多周期三角形相移編碼結構光投影圖案的投射，通過步進電機控制系統21 控制步進電機11，實現斜齒輪14的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉，控制齒條的水平往復移動，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準直光學系統4組成的照明系統和光柵投影光學系統7之間，且可以控制同同一幅相移光柵1/n周期移動，以實現η步相移投影圖案的投射。[0024]實施例三本實施例基本結構同實施例一，不同在于由第一幅實現投影圖案對被測物的對準及調焦，由第十四幅至第十六幅光柵是透射光強呈梯形變化的透射光柵實現最多為三周期編碼的多周期梯形相移編碼結構光投影圖案的投射，通過步進電機控制系統21控制步進電機11，實現斜齒輪14的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉，控制齒條的水平往復移動， 將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準直光學系統4組成的照明系統和光柵投影光學系統7之間，且可以控制同一幅相移光柵1/n周期移動，以實現η步相移投影圖案的投射。實施例四本實施例基本結構同實施例一，不同在于由第一幅實現投影圖案對被測物的對準及調焦，第二幅到第十幅光柵中全部或部分格雷碼編碼光柵與第十一幅至第十三幅光柵中的一幅光柵組合，通過步進電機控制系統21控制步進電機11，實現斜齒輪14的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉，控制齒條的水平往復移動，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準直光學系統4組成的照明系統和光柵投影光學系統7之間，可以實現可變分辨力的三角形相移與格雷碼組合時間編碼結構光編碼圖案的投射。實施例五本實施例基本結構同實施例一，不同在于由第一幅實現投影圖案對被測物的對準及調焦，第二幅到第十幅光柵中全部或部分格雷碼編碼光柵與第十四幅至第十六幅梯形編碼光柵中的一幅光柵組合，通過步進電機控制系統21控制步進電機11，實現斜齒輪14的順時針方向旋轉和逆時針方向旋轉，控制齒條的水平往復移動，將所需光柵移動到鹵素冷光源2和光源準直光學系統4組成的照明系統和光柵投影光學系統7之間，可以實現可變分辨力的梯形相移與格雷碼組合時間編碼結構光編碼圖案的投射。現有工藝水平完全可以滿足本實用新型所需的光柵、機械裝置和電氣設備的生產加工要求。
權利要求1.一種用于結構光三維測量的投影裝置，其特征在于它包括機架、鹵素冷光源、光源供電系統、光源準直光學系統、照明系統固定裝置、振幅型透射光柵、光柵投影光學系統、光柵投影光學系統固定裝置、光柵固定裝置、光柵移動裝置、步進電機和步進電機控制系統，光源供電系統通過導線與鹵素冷光源連接，鹵素冷光源與光源準直光學系統通過照明系統固定裝置與機架相連接，鹵素冷光源安裝在光源準直光學系統的物方焦點處，振幅型透射光柵通過光柵固定裝置固定在光柵移動裝置上，光柵投影光學系統通過光柵投影光學系統固定裝置固定在機架上，步進電機通過導線與步進電機控制系統連接。
2.根據權利要求1所述的一種用于結構光三維測量的投影裝置，其特征在于所述的光柵移動裝置包括齒條、斜齒輪、斜齒輪固定裝置、壓板、銷緊機構、回位彈簧組成、光柵移動裝置固定支撐和回位彈簧固定端，步進電機通過斜齒輪固定裝置與斜齒輪連接，斜齒輪與齒條嚙合組成齒輪齒條機構，回位彈簧固定端設置在齒條一端，并將回位彈簧與齒條連接， 回位彈簧的另一端通過光柵移動裝置固定支撐與壓板連接固定于機架上，銷緊裝置固定在齒條上。
3.根據權利要求2所述的一種用于結構光三維測量的投影裝置，其特征在于所述的步進電機固定在步進電機安裝架上，步進電機安裝架與機架固定。
4.根據權利要求3所述的一種用于結構光三維測量的投影裝置，其特征在于所述的振幅型透射光柵包括16幅尺寸相同的光柵。
專利摘要本實用新型提供了一種用于結構光三維測量的投影裝置。它包括機架、鹵素冷光源、光源供電系統、光源準直光學系統、照明系統固定裝置、振幅型透射光柵、光柵投影光學系統、光柵投影光學系統固定裝置、光柵固定裝置、光柵移動裝置、步進電機和步進電機控制系統。本實用新型可準確將每幅光柵送入三維測量系統中拍攝區，具有提高三維測量速度慢，使用方便，能夠滿足基于格雷碼和相移法三維測量需要等優點。
文檔編號G01B11/25GK202204482SQ201120257699
公開日2012年4月25日 申請日期2011年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者于雙, 于曉洋, 于舒春, 吳海濱, 王洋, 陳德運 申請人:哈爾濱理工大學