维普资讯 http://www.cqvip.com 第２２卷第６期 光电技术应用 Ｖｏ１．２２．Ｎ０ ６ ２００７年１２月 己 一ＯＰＴＩＣ ａ Ｊ， Ｆ ＾， Ｄｅｃｅｎ１ｂｅｒ ２ＯＯ７ 文章编号：１６７３—１２５５（２００７）０６—００３２—０５ 一种基于光纤传像束的可编程结构光投射器的设计 王飞，周富强 （北京航空航天大学仪器光电学院，北京１０００８３） 摘要：充分利用光纤传像束可弯曲以及长距离传输图像等优点，用它代替传统的光学系统，结合ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓ— ｉｎｇ）数字投影技术，解决受限空间内小物体三维形貌测量系统的结构光投射问题，研制了具有普遍适应性的小型可编程结构 光投射器．构建了结构光投射系统，投射终端直径１３ ｍｍ，长度４０ ｎ３＿ｒｎ，实现了小型化，系统可通过计算机编程控制投射出包 括点、点阵列、线、多线、十字线和同心圆等多种模式的结构光条纹，验证了设计的可行性． 关键词：可编程结构光；光纤传像束；远心光路；４６通滤波器 中图分类号：ＴＨ７４１ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ＷＡＮＧ Ｆｅｉ，ＺＨＯＵ Ｆｕ—ｑｉａｎｇ ・ （Ｓｃｈｏｏｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｏｐｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｚｊｉｎｇ，１０００８３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｉｂｒｅ ｉｍａｇｅ ｂｕｎｄｌｅ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｉｎｇ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｘｔｒａ ｏｐｔｉｃｓ．Ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｆｉｂｒｅ ｉｍａｇｅ ｂｕｎｄｌｅ ｒａｔｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｆｉｘｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍ— ｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＬＰ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａ ｎｅｗ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ｗｉｔｈ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ３Ｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ ｏｂｊｅｃｔｓ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｌｉｍｉｔｅｄ ｓｐａｃｅ．Ａ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｊｅｃｔ ｍｕｌｔｉ— ｍｏｄｅ ｆｒｉｎｇｅｓ ｂｙ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｅ．ｇ．，ｄｏｔ，ｄｏｔ ｍａｔｒｉｘ，ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｎｅ，ｐａｒａｌｌｅｌ ｌｉｎｅｓ，ｃｒｏｓｓｈａｉｒ ａｎｄ ｃｏｎ— ｃｅｎｔｒｉｃ ｃｉｒｃｌｅｓ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ ｅｎｄ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ａｒｅ ｑｏｌ３ｍｍ×４０ｍｍ．Ｔｈｅ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ；ｆｉｂｒｅ ｉｍａｇｅ ｂｕｎｄｌｅ；ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ；ｌｏｗ—ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ 近年来，随着现代加工制造业的发展，位于受限 提出了一种具有普遍适应性的小型可编程结构光投 空间内的小型物体表面三维测量技术受到了广泛关 射器，大大扩展了结构光三维形貌测量的应用领域． 注．目前，结构光视觉三维测量以其非接触、动态响 应快等优点在常规物体测量方面大量应用．但现有 小型结构光投射基本原理 的结构光测量系统必须被放置于特定的工作台上， 体积大、灵活性差，不能进入测量空间受限的场合， 系统原理如图１所示，该系统由计算机、ＤＬＰ 且一般对于不同的测量对象，需要设计不同的结构 投影机、远心成像系统、光纤传像束和投影镜头组 光投射器…１，从而限制了这一技术的发展． 成．由计算机编程生成的多模式结构光条纹图案使 数字投影技术具有无刻画误差、可编程实现多 用ＤＬＰ投影机进行投射，然后通过一个大口径远心 种模式的结构光条纹的投射等优点．光纤传像束具 成像镜头与光纤传像束进行耦合．远心成像镜头的 有光路可弯曲、灵活、轻便等优点．本文适应结构光 作用是将从投影系统出来的结构光图案成像在光纤 视觉发展的趋势，在前人的基础上结合两者的优点， 传像束的输入端面上．最后，光纤传像束会非常清晰 收稿日期：２００７—１０—２６ 作者简介：王飞（１９８２一），男，河北任丘人，硕士研究生，研究方向为图像及机器视觉，光电精密测量 维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期 王飞等：一种基于光纤传像束的可编程结构光投射器的设计 地将其输入端面上的图像传输到输出端面上，安装 在光纤传像束输出端的投影镜头会将这一图像以一 定距离投射在被测物体表面． 计算机、ＤＬＰ投影机以及光纤传像束输入端可 以固定在工作平台上，投射系统的输出端可以随着 ２．２光纤传像束的原理及选取 投射器要求投射终端可以任意地移动，这就需 要将ＤＬＰ生成的结构光图案柔性地传输并投射至 被测物体表面．光纤传像束由数千至上万根极细的 光纤精确排列集成束组成，它具有良好的透光性与 柔软性，可弯曲而不改变其性能，能以长距离传光、 传像．组成传像束的每一根光纤好比一个像元，当光 光纤传像束的任意弯曲自由地改变结构光的投射方 向与距离，投射器实际使用在三维测量系统中的部 分为这一输出终端，因此投射系统小型化的关键在 于终端投影镜头的小型化，以实现将投射器装配于 可进入受限空间的三维测量探头内部，使探头可以 测量诸如口腔、发动机气缸等被测物体内部参数尺 寸． ……堡髟续 ： 图１ 结构光投射系统示意图 ２可编程小型结构光投射器设计 ２．１ ＤＬＰ数字投影技术 系统要求编程实现不同模式结构光的生成，并 且使结构光具有高亮度和快速的响应时间．ＤＬＰ是 一种新兴的反射式数字投影技术，ＤＬＰ技术是全数 字底层结构，具有最少的信号噪声．另外，ＤＭＤ具有 稳定性好、抗干扰性强、精度高和速度快等优点．用 ＤＬＰ投射结构光条纹来代替固定光栅，不仅避免了 光栅刻画误差及运动误差对最终测量结果的影响， 而且克服了固定光栅片的限制＿２』，可通过计算机编 程控制生成多种模式的结构光条纹，从而增强了投 射系统的适应性． 纤成规则的相关排列时，输入端面的图像被光纤取 样后忠于原样地传输，如图２所示．在结构光投射系 统中使用光纤传像束代替传统的硬光路，可以大大 提高系统的灵活Ｉ生，缩小投射终端体积．影响光纤传 像束使用性能的主要指标是数值孔径、积分透过率 和分辨率． 图２光纤传像束传像原理 （１）传输图像亮度 从提高传输图像亮度的角度出发，应选择大数 值孔径、高透过率的光纤和具有高填充系数的光纤 排列方式．而数值孔径主要取决于光纤材料的折射 率，目前光纤传像束一般采用多组分玻璃光纤制成， 其数值孔径可达０．５５～０．６０，纤芯包层比一般为 １０：１．系统选用了正六边形排列方式的多组分玻璃 光纤传像束，整个传像束的透过率超过５０％，系统 所传输图像的亮度基本满足测量系统要求． （２）传像束的分辨率 光纤传像束属于离散成像元件，整个系统的分 辨率主要取决于光纤传像束的传输图像分辨率．因 此，提高和改善光纤传像束的传输分辨率是提高整 个系统分辨率的关键．在光纤传像束规则排列及绝 缘良好的条件下，传像束的分辨率主要取决于相邻 光纤中心的间隔和光纤排列的方式．在光纤传像束 取正六边形紧密排列、静态取样的条件下，光纤传像 束的极限分辨率： 维普资讯 http://www.cqvip.com 光电技术应用 第２２卷 Ｒ： ４３ｄ 传像束输出端面边缘部分的图像变得较暗． 为了克服上述问题，ＤＬＰ与光纤传像束的耦合 其中，ｄ为相邻光纤单丝中心之间的距离． 系统应设计成像方远心光路，由于像方远心光路的 本文所设计的小型结构光投射器选取传像束的 孔径光阑位于物镜前焦面处（图３），使得输入光学 单丝直径ｄ＝１５脚，其理论极限分辨率为３８ ｌｐ／ 系统的像方主光线平行于光轴，因此，轴外像点的光 束与轴上像点一样，正入射在光纤传像束的输入端 （３）光纤传像束像元数和截面的选择 面上，进入的光线都能通过光纤传像束，避免了边缘 在光纤传像束单丝直径与排列方式确定的条件 视场光束切割，因而在光纤传像束的输出端面可得 下，传像束的截面的大小直接决定了所能传输的图 到光强分布一致的图像． 像信息量的大小．由于光纤传像束的离散结构特征， 其输出图像存在蜂窝状网格现象，因此投射器所投 射的图像放大倍数不宜过大，一般不超过１５倍．系 孑Ｌ径光阑 、ｔ 、、 统要求最终得到的结构光条纹图案的直径不小于 —？ ，，， ｊ ７Ｉ ３０ ｍｍ，另外为了满足投影终端小型化的要求，本系 Ｉ 、、、、＿、＿＇、＿、＿、、＿＇、＿、＿＇、、 传像束 统使用了截面直径为２．２ ｒａｉｎ，单丝数为１９０００的圆 成像物镜 形截面传像束． 图３物方远心光路成像示意图 ２．３ ＤＬＰ投影机和光纤传像束耦合镜头选择 光纤传像束的功能是将其入射端面上的图像传 但是将孔径光阑置于光学系统的前焦面，将造 输到传像束的出射端面，因此传像束的两端需要设 成光学系统的横向尺寸过大，因此，可以采用将孔径 计合适的光学系统．ＤＬＰ投影机投射的图像像面较 光阑置于光学系统的中间，使之位于耦合光学系统 大，需要通过一个输入光学系统将结构光图案缩小 前镜组的后焦面和后镜组的前焦面处，构成物方像 成像在光纤传像束的输入端面．因为轴上物点的成 方远心镜头，这样可以保证光学系统具有比较小的 像光束关于光轴对称，能全部进入传像束，而轴外物 体积和质量．表１给出了用于ＤＬＰ和光纤传像束耦 点成像光束关于主光线对称，其一部分上光线或下 合的物方像方远心镜头的参数，这一远心镜头的分 光线的入射角将会超过传像束的数值孔径角，导致 辨率远远大于光纤传像束的极限分辨率，符合系统 被拦光【３－－４］，通过光纤传像束的光能量减小，光纤 要求． 表１远心成像镜头参数 ｒｎｌＴｌ ２．４光纤传像束输出端投影镜头设计 头后镜组采用正光焦度三片型结构，前镜组设计成 负光焦度，使孔径光阑位于后镜组的像方焦面处，构 光纤传像束输出端面上的结构光条纹图案需要 成物方远心光路…１．为了满足受限空间内的测量需 通过一个投影镜头投射到被测物体表面，且这一投 要，使投射器在５０ ａｒｉｎ的距离内投射出直径约为２０ 影镜头要求尽量小的像面畸变，因为传像束输出端 ａｒｉｎ的结构光图案，设计和优化的约束条件为像方 的光束是以光纤数值孔径角的大小发散光线，输出 视场角为２０。，物方线视场大于光纤传像束的有效 端的投射镜头应设计成物方远心光路．为了使镜头 直径２．２ ｒａｉｎ． 结构紧凑、小型化，参考反远距物镜设计【５ Ｊ，投影镜 确定好初始结构后，使用ＯＳＬＯ光学设计软件 维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期 王飞等：一种基于光纤传像束的可编程结构光投射器的设计 ３５ 对投影镜头进行设计并优化，图４为设计的投影镜 头参数表和面结构图．表２为以上镜头的像差指标． （ａ）结构参数 （ｂ）面结构图 图４投影镜头设计结果 表２投影镜头参数及像差值ｍｍ 首先在ＤＩ 投影机镜头前放置一组透镜，使投 ３实验验证 影机在距镜头５０ ｍｍ处成清晰的像，像面尺寸约为 ３２ ｍｍＸ ２４ ｍｍ．物方像方远心成像镜头放置在距投 为了验证以上设计，构建了如图５所示的实验 影仪镜头１２５ ｎｌｉｎ处，使投射出来的像面与远心镜头 系统。结构光条纹通过计算机编程实现，条纹模式可 的像面重合，这样在距离远心镜头后镜组ｌ８ ｎｌｉｎ处 以任意调整．系统采用Ｏｐｔｏｍａ ＥＰ７０８型ＤＬＰ投影 得到一个直径约为６ ｎｌｉｎ圆形像．然后使光纤传像束 机生成结构光．光纤传像束是南京春辉科技公司出 的输入端面与这一像平面重合，让条纹图案的中心部 品的多组分玻璃光纤传像束，长度为５００ ｎｌｉｎ，像束 分耦合进入光纤传像束，在传像束的输出端面就会成 一个直径２．２ ｎｌｉｎ的圆形结构光条纹图像．传像束输 出端面的条纹图像经过投影镜头投射到待测量物体 表面，在距离镜头２５￣５０ ｎｌｌｎ的范围内投射出直径 图５实验装置 两端采用平光玻璃贴片，有效传像截面直径为２．２ ｎｌｉｎ，单丝直径１５ ｐ．ｍ，单丝数１９０００，光谱范围为 图６小型化投射终端 ３８０ １１００ ｎｌ＇ｎ．投射终端直径１３ ｍｍ，长度４０ ｍｍ． 维普资讯 http://www.cqvip.com 光电技术应用 第２２卷 １８－－４０ １ＴＩ１ＴＩ的圆形结构光图案．图６为小型化 化和细化结果 投影镜头将多线结构光投射在一只铅笔上．图７为 实际得到的各种结构光条纹． （ａ）原始图像 （ｂ）照度均衡和低通滤波结果 （ａ）一ｔ－字线结构光 （ｂ）正弦结构光 （ｃ）二值化结果 （ｄ）细化结果 图９图像处理结果 （ｃ）同心圆结构光 （ｄ）方格靶标 图７实验结果 ５ 结束语 ４数字图像处理 将ＤＬＰ数字光处理技术和光纤传像束应用于 小型可编程结构光投射系统，编程实现多种模式结 由于光纤传像束单丝的外包层是不透光的，所 构光的投射，光纤传像束使系统空间自由度大、质量 以当光纤传像束像元数与ＣＣＤ摄像机的像元数像 小、结构简单，令投射器可以灵活地配置于各种应用 差较大时，采集的光纤传像束输出图像中就会出现 微小型物体测量系统．系统中光纤传像束的输入输 规则的六角形蜂窝状光斑，另外，受到拍摄环境的影 出端使用了改进的远心成像光路，使整体结构更加 响，所采集到的图像一般会有照度不均匀现象和噪 紧凑，实现了结构光投射器的小型化，保证了一定的 声的存在，以上这些现象的存在都会对后期的条纹 成像质量．实验得到的结构光条纹具有足够的亮度 处理有极大的影响，因此必须得到有效地消除． 和清晰度，并用软件方式弥补了光纤传像束图像离 散传输的不足． 圈一回一圆 参考文献 困一 一巨四 ［１］张广军．机器视觉［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５：１３４— １３９． 图８图像处理过程 ［２］ Ｋｕａｎｇ－Ｃｈａｏ Ｆａｎ，Ｒｕｉｊｕｎ Ｌｉ，Ｈｓｉｎ—Ｍｉｎｇ Ｓｏｎｇ．Ｆｉｂｒｅ ｉｍ— ａｇｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｔｅｒｅｍｉ￣ｐｙ【Ｊ］．Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ． 图８为结构光条纹图像处理的流程图，首先对 ｔｅｃｈｎｏｌ，２００６，１７：３７３—３７８． 采集的原始图像进行对比度增强，使图像过亮的局 ［３］李东源，阎秀生，张晓光，等．用于大截面传像光纤束的 部变暗、过暗的局部变亮，然后应用巴特沃斯低通滤 折衍混合光学系统设计［Ｊ］．光电工程，２００６，（３３）５： 波器对增强后的图像进行平滑ｌ６，消除图像中的蜂 ６＿１３６—１４０． 窝状网格，接下来对图像作二值化处理得到其中的 ［４］郁道银，谈恒英．工程光学［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９９：１５３—１６０． 亮条纹，最后对亮条纹作细化处理获得可用于测量 ［５］安连生，萧泽新．工程光学设计［Ｍ］．北京：电子工业出 的条纹中心线．图９ａ是摄像机采集的投射在平面上 版社，２００３：７—１５，８４—１００，１８４—２２１． 的同心圆模式结构光，图９ｂ是对图９ａ进行照度均 ［６］阮秋琦，阮宇智．数字图像处理［Ｍ］．２版．北京：电子工 衡和低通滤波后的结果，图９ｃ和图９ｄ分别是二值 业出版社，２００３：１３２—１４２．