专利名称：一种结构光投影的高速三维测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于三维传感技术领域，尤其涉及一种结构光投影的高速三维测量系统。
背景技术：
实时三维扫描是三维传感技术发展的方向，目前实现实时三维扫描的方法主要有 两大类，一类是采用傅里叶变换三维测量轮廓术，该方法由于只需要一帧图像即可以获得 物体的三维轮廓信息，因此测量速度很快，但是由于其测量精度极度依赖于条纹的质量，当 物体形状较复杂时，其测量精度急剧下降，因此其测量领域具有很大限制。另一类是采用相 移三维测量轮廓术，该方法优点是测量精度高，可以用于面形复杂的物体表面的测量，但是 由于需要投影三幅以上相移精确的条纹图像，因此其测量速度受到很大影响。受到投影系 统的制约，目前采用这类方法的测量速度最快也只能达到667帧每秒，远远不能满足高速 三维测量的要求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种结构光投影三维测量系统，旨在以超高速的测量速度 满足对子弹穿甲、碎裂，以及高速碰撞和高速振动等现象进行三维数据采集的需求。本发明是这样实现的，一种结构光投影三维测量系统，包括一套相移图像投影单 元和高速摄影机；所述相移图像投影单元包括多色LED点光源阵列，在沿所述多色LED点光 源阵列的出光方向上所述相移图像投影单元还包括依次排列的准直透镜、光栅、一对平行 放置的反射光栅或一对颠倒放置的三棱镜、投影透镜；所述结构光投影三维测量系统还包括用于驱动所述多色LED点光源阵列的驱动 电路；所述高速摄影机用于拍摄所述光栅在被测物体表面的投影像；所述高速摄影机快门频率与所述多色LED点光源阵列频闪的频率同步。本发明中，利用LED快速的频率响应特性和三棱镜或反射光栅的色散效应实现光 栅像的高速相移，再使用高速摄影机进行同步拍摄，即可实现高速的三维测量。由于LED的 频率响应时间在微秒量级，因此该三维测量系统可以在10_5秒内完成一次三维扫描。本发 明实施例中，投影频率可以达到106hz，每秒可以获得IO5帧以上的三维图像，完全可以满足 对子弹穿甲、碎裂，以及高速碰撞和高速振动等现象进行三维数据采集的需求。


图1是本发明实施例提供的结构光投影三维测量系统的结构原理图；图2是本发明实施例提供的另一种结构光投影三维测量系统的结构原理图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。本发明实施例中，使用不同颜色的LED点光源阵列作为光栅条纹投影系统的光 源，并且该光源阵列能在us量级内完成频闪，在光学系统中使用了一对颠倒放置的三棱镜 或一对平行放置的反射光栅，由于三棱镜或反射光栅对不同颜色的光线有色散的作用，因 此当采用不同颜色的光源进行投影照明时，其光栅的投影像会沿着色散方向发生平移，从 而得到了光栅的相移图像。此外我们将LED光源频闪的频率与高速摄影机快门频率同步起 来就实现了三次相移的结构光三维测量。图1、图2分别示出了本发明实施例提供的两种结构光投影三维测量系统的结构 原理，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分。参照图1、图2，本发明实施例提供的结构光投影三维测量系统包括由多色LED点 光源阵列2、准直透镜3、光栅4、三棱镜51或反射光栅52、三棱镜61或反射光栅62、投影透 镜7以及被测物体表面(即投影平面)8组成的相移图像投影单元，其中准直透镜3、光栅4、 三棱镜51或反射光栅52、三棱镜61或反射光栅62、投影透镜7以及被测物体表面(即投 影平面)8沿多色LED点光源阵列2的出光方向上依次排列。结构光投影三维测量系统还 包括驱动电路1和高速摄影机9，其中驱动电路1用于驱动多色LED点光源阵列2，而高速 摄影机9则用于拍摄光栅4在被测物体表面(即投影平面)8的投影像，由于受到被测物体 表面的调制，从与投影光路成一定夹角的方向观察(或使用摄像机拍摄)，就会发现条纹会 发生变形，通过分析条纹变形程度就可以得到物体表面的三维数据。其中高速摄影机9的 快门频率与多色LED点光源阵列2频闪的频率同步，本实施例中，为确保二者同步，推荐使 用驱动电路1同时控制多色LED点光源阵列2和高速摄影机9。本发明实施例中，三棱镜51和三棱镜61颠倒放置，反射光栅52和反射光栅62平 行放置，三棱镜51和三棱镜61、反射光栅52和反射光栅62的大小结构和折射率完全相同。 光栅4的位置与被测物体表面(即投影平面)8的位置相对于投影透镜7满足几何光学的 物像关系。下文仅以多色LED点光源阵列2为RGB三色LED光源的情况来描述本发明实施例 的实现原理。首先通过驱动电路1对RGB三色LED光源(即多色LED点光源阵列2)进行时序 控制，使三色LED依次发光；LED发出的光线通过准直透镜3变成平行光束，通过待投影的 光栅4后，再通过上下颠倒放置的三棱镜51和三棱镜61或平行放置的反射光栅52和反射 光栅62之后，最后通过投影透镜7投射在被测物体表面(即投影平面)8。其中光栅4的位 置和被测物体表面(即投影平面)8的位置满足物像关系。由于三棱镜或反射光栅对光线 有色散的作用，当不同颜色光线通过它时，色散的角度也不同，当光线连续通过两个大小结 构和折射率完全相同，只是一对位置上下颠倒的三棱镜或一堆平行放置的反射光栅后，光 线会发生偏移，不同颜色的LED发出光线偏移的距离也不同。因此当然不同颜色的光照射 在光栅4上时，其在成像平面上所成的像的位置也会不同。通过设置两个三棱镜或反射光 栅之间的间隙，以及使用不同夹角的三棱镜可以调整在被测物体表面(即投影平面)8上的 光栅4的投影的位移，从而可以得到精确相移的光栅图像。同时由于LED的频率响应速度 非常高，可以达到106hz，因此通过驱动电路1控制LED和高速摄影机9的同步信号，我们可以得到每秒IO6帧的相移图像，在采用三步相移三维测量轮廓术的情况下每秒即可得到IO5 帧以上的三维图像。本发明实施例中，利用LED快速的频率响应特性和三棱镜或反射光栅的色散效应 实现光栅像的高速相移，再使用高速摄影机进行同步拍摄，即可实现高速的三维测量。由于 LED的频率响应时间在微秒量级，因此该三维测量系统可以在10_5秒内完成一次三维扫描。 本发明实施例中，投影频率可以达到106hz，每秒可以获得IO5帧以上的三维图像，完全可以 满足对子弹穿甲、碎裂，以及高速碰撞和高速振动等现象进行三维数据采集的需求。与其他 高速三维测量相比，主要具有以下优点1、相对于目前的相位测量轮廓术，测量精度相当， 但是测量频率则远高于现在的方法，从667hz提高到105hz ；2、相对于傅里叶变换轮廓术， 测量速度相当，但是精度远高于傅里叶变换轮廓术；3、结构简单，实施方便。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种结构光投影三维测量系统，其特征在于，包括一套相移图像投影单元和高速摄影机；所述相移图像投影单元包括多色LED点光源阵列，在沿所述多色LED点光源阵列的出光方向上所述相移图像投影单元还包括依次排列的准直透镜、光栅、一对平行放置的反射光栅或一对颠倒放置的三棱镜、投影透镜；所述结构光投影三维测量系统还包括用于驱动所述多色LED点光源阵列的驱动电路；所述高速摄影机用于拍摄所述光栅在被测物体表面的投影像；所述高速摄影机快门频率与所述多色LED点光源阵列频闪的频率同步。
2.如权利要求1所述的结构光投影三维测量系统，其特征在于，所述多色LED点光源阵 列包括RGB三色LED光源。
3.如权利要求1所述的结构光投影三维测量系统，其特征在于，所述光栅的位置与所 述被测物体表面的位置相对于所述投影透镜满足几何光学的物像关系。
4.如权利要求1所述的结构光投影三维测量系统，其特征在于，所述一对颠倒放置的 三棱镜的大小结构和折射率完全相同。
5.如权利要求1所述的结构光投影三维测量系统，其特征在于，所述高速摄影机由所 述驱动电路控制，实现其快门频率与所述多色LED点光源阵列的频闪的频率同步。
全文摘要
本发明适用于三维传感技术领域，提供了一种结构光投影的高速三维测量系统，包括一套相移图像投影单元和高速摄影机；相移图像投影单元包括多色LED点光源阵列，在沿多色LED点光源阵列的出光方向上相移图像投影单元还包括依次排列的准直透镜、光栅、一对平行放置的反射光栅或一对颠倒放置的三棱镜、投影透镜；结构光投影三维测量系统还包括用于驱动多色LED点光源阵列的驱动电路；高速摄影机用于拍摄光栅在被测物体表面的投影像；高速摄影机快门频率与多色LED点光源阵列频闪的频率同步。本发明利用LED快速的频率响应特性和三棱镜或反射光栅的色散效应实现光栅像的高速相移，再使用高速摄影机进行同步拍摄，即可实现高速的三维测量。
文档编号G01B11/24GK101957183SQ20101029254
公开日2011年1月26日 申请日期2010年9月26日 优先权日2010年9月26日
发明者吴庆阳, 惠彬, 李景镇 申请人:深圳大学