激光光源

结构光三维视觉测量是基于光学三角法测量原理。如图7.1所示，光学投射器将一定模式的结构光投射于物体表面，在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。该三维图像由处于另一个位置的摄像机探测，从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面轮廓（高度）。

当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面三维形廓。

根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式又可以分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式及网络结构光模式等。

1、点结构光模式

如图7.2所示，激光器发出的光束投射到物体表面上产生一个光点，光点经摄像机的镜头成像在摄像机的像平面上，形成一个二维像点。摄像机的视线和光束线在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角几何关系。通过一定的标定可以得到这种三角几何约束关系，并由其可以唯一确定光点在某一已知世界坐标系中的空间位置。作为一种独具特色的非接触式测量方法，点结构光模式满足在线检测中快速、实时的要求。但其不足是信息量少，每次只能获得物体表面一个点的信息，因此实用中多采用扫描的方式。

2、先结构光模式

线结构光模式又称为光带模式。如图7.3所示，激光器投射的光束通过一柱面镜在空间中形成一窄的激光平面，当与物体的表面相交时便在物体表面产生一亮的光条。该光条由于物体表面深度的变化以及可能的间隙二受到调制，表现在图像中则是光条发生了畸变和不连续，畸变的程度与深度成正比，不连续则显示出了物体表面间的物理间隙。线结构光视觉的任务就是从畸变的光条图像信息中获取物体表面的三维信息。

实际上，线结构光模式也可以说是点结构光模式的扩展。过摄像机广信的视线束在空间中与激光平面相交产生很多交点，在物体表面处的交点则是光条上众多的光点，因而便形成了如点结构光模式中类似的众多的三角几何约束。很显然，较点结构光模式，线结构光模式的测量信息量大大增加，而其实现的复杂性并没有增加，因而得到广泛应用。

点、线与多线结构光等光模式可以由激光器与相应的光学系统构成。对于点、线结构光光模式，一种比较简单的方法是由激光器与透镜组成。激光器可以选用He-Ne激光器或半导体激光器。He-Ne激光器输出光的平行性（方向性）较好，用球面镜可以形成较小的激光光斑，用柱面镜使光束在一个方向分散便可形成光切面。在距离较近时，光平面的厚度可以看作是均匀的。由于He-Ne激光输出光斑是呈高斯分布，因此经发散的光平面在其截面上（与光平面垂直）光强也可当作是高斯分布。然而，在扩展方向（光平面方向）其光强在边缘下降很快，在物体表面形成的光带不均匀。

半导体激光器在体积上比He-Ne激光器小得多，但其输出光的发散角却相当大（约35°×11°），而且呈椭圆形分布。不过，如果利用它的这种发散性，则能给我们产生光平面带来方便。实际应用中确实是这样，图7.10就是用LD构成的线结构光投射器。将LD发光面元放在柱面镜的焦点上，使其在一个方向（光斑短轴方向或发散角小的方向）进行准直，而在另一个方向（长轴方向或发散角大的方向）让它自由发散，即在空间形成光平面。它与He-Ne激光器形成

的光平面相类似，其截面也是呈高斯分布，但在扩展方向（光平面方向）靠近中央的一段光带还是较为令人满意的。