主动式三维成像技术中的光学系统设计.doc

主动式三维成像技术中的光学系统设计 X 1　引　言 计算机三维成像技术, 也称计算机立体视觉, 指的是运用计算机技术和光学手段在获取的 一幅或多幅图像中还原出被摄物体的立体形状, 获得三维数据值。由于在医学美容、工业产品 设计、三维轮廓测量、机器人视觉等领域有广泛的应用前景, 对三维成像技术的研究已成为当 今国外的热点之一。 计算机获取图像的三维信息, 有被动成像法和主动成像法两大类[ 1] , 前者主要有双像合成 法( 类似于人眼的双目立体视觉) 和几何光学聚焦法, 后者有莫尔光栅法、超声时间法、激光扫 描法和结构光投影法。结构光可以有多种形式, 如星点状光、偏振光、彩虹光等, 本文对以彩虹 光作光源的三维成像技术作一介绍, 并对彩虹光谱的设计作讨论。 彩虹光谱法获取三维图像的照明光源是类似于彩虹的面光源, 光的波长与照射角有关。若 被照明的物体为曲面, 从偏开光源的另一角度看, 彩虹带将被扭曲, 而扭曲的程度与曲面形状 有关。这时用彩色CCD 摄像机或数字相机拍摄这个被扭曲的彩虹图, 进而输入计算机, 计算机 分析计算图像上各点的颜色, 推算出光的波长, 并利用光谱照明系统的特点计算出所需的几何 信息, 然后根据一些简单的三角关系式, 就可以得出待测物体面形的三维数据。 2　几种彩虹光获取方法 2. 1　棱镜色散投影法 白光由各种波长的光组成, 当白光射向三角形棱镜时, 由于媒质的折射率与光的波长有 关, 将产生不同的偏折角。当从棱镜的另一面射出时, 不同波长的光将有不同的偏折角。利用 棱镜的这一特性, 可以从白光得到波长按角度分开的彩虹光谱。 2. 2　衍射光栅色散法 根据光的波动学原理, 当复色光入射到光栅平面上, 经衍射后不同波长的光只有零级主极 大在中央重叠, 其他各级次随波长的增大远离中央, 产生衍射色散。在入射角不变的情况下, 其 角色散率为[ 4] : dH dK= m dcosH ( 1) 式中, H为衍射角, m 为光谱级次, d 为相邻两缝间隔距离。 光栅与棱镜比较具有很多优点, 首先, 棱镜的工作光谱区受到材料透过率的限制, 而反射 光栅不受材料透过率限制, 它可在整个光谱范围中应用。其次, 光栅的角色散率几乎与波长无 关, 而棱镜的角色散率与波长是一个非线性函数, 尤其在短波长区变化较快。而且, 光栅的分辨 率比棱镜大。 但决不能说“光栅完全可以取代棱镜”, 光栅与棱镜相比, 也存在一些缺点。棱镜不存在光 谱级的重叠。为了消除光栅光谱级的重叠, 必须采用透射的或反射式的辅助色散元件, 从而使 器件复杂化; 光谱由于刻划( 除全息照相刻划以外) 误差的影响, 总是或强或弱的地存在着假线 ( 鬼线) 。 2. 3　滤光片法 在类似于电影放映机的投影系统中, 在底片位置放置上按设计要求排列的彩色条的底片 或滤色玻璃片, 经投影系统投影后, 也能得到波长( 或颜色) 按投射角排列的彩虹状面光源。 滤光器件若用底片( 幻灯片) , 可通过计算机生成彩色光谱, 用幻灯片拍摄的方法制作。此 方法的优点是制作简单, 且彩色光谱的排列可根据需要任意变动。但系统投射出的光并非按波 长排列, 而是按色彩排列, 且经拍摄冲洗过程会带入颜色失真。也可用镀膜的方法, 使滤光片的 透光波长按位置排列。此方法理论上精度较好, 且排列规律可变动, 但制作困难, 成本很高。 3　棱镜色散系统设计 3. 1　系统及原理 第2 期冯华君等: 　主动式三维成像技术中的光学系统设计·29·　 用棱镜色散元件的照明光学系统如图1 所示。 图1　照明光学系统 光源经会聚透镜2 会聚, 通过保护透镜3, 经小孔狭缝4 后, 射向凹面准直镜5, 形成平行 光, 经线状狭缝6 拦光后形成一线状平行光射向色散棱镜7。因棱镜的色散作用, 出射光的方 向是光波长的函数, 即不同波长的光有不同的色散角, 类似于彩虹带。经柱面镜高度方向扩束, 可得到立体成像系统用的彩虹光谱结构光。 3. 2　棱镜的材料 目前常用的色散棱镜材料有光学玻璃、天然石英和熔融石英、荧石、人造金属卤化物晶体 和卤化铊晶体等, 它们的最佳工作波长各不相同。光学玻璃与其它材料比较起来, 具有高折射 率、大色散率的优点, 适合于可见光谱范围, 而且容易获得大块光学性质均匀一致的材料, 加工 性好, 价格比较便宜, 是较理想的可见光谱色散棱镜材料。 光学玻璃对任意波长K的折射率nK, 可以根据近似公式计算[ 3] : n 2 K= A1+ A 2K2+ A 3K- 2+ A 4K- 4+ A 5K- 6+ A6K- 8 ( 2) 式中, 常数A 1、A 2、A 3、A 4、A 5、A 6 随各种牌号玻璃而变。其数值可通过几个特殊波长时的n 值 代入方程, 求解一组线性方程组而得到。 以色散率较大