[發明專利]高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201210094305.4
• 申請日: 2012-03-29
• 公開（公告）號: CN102607466A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 李紹輝;張宏偉;劉書桂;季莉栓;韓淑建
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及高反射表面的快速非接觸檢測，具體講，涉及高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法及裝置。

背景技術

自由曲面指非對稱、不規則、不適合用統一的數學方程式來描述的曲面，其中，具有高反射特性的自由曲面諸如光學自由曲面的超精密切削加工技術在航空航天、國防、生物醫學、通訊、微電子等高科技領域中的應用越來越廣泛，并成為了光電及通訊行業的關鍵部件。多種多樣的應用需求對高反射自由曲面零件的面形精度也提出了更高的要求。準確測量和評價高反射自由曲面零件的表面形貌，不但能正確識別加工過程中的變化和缺陷，而且對控制和改進加工方法，研究表面幾何特性與使用性能的關系，以及提高加工表面的質量和產品性能都有著重要意義。

目前針對高反射自由曲面零件的三維形貌測量方法主要包括接觸式測量方法和光學非接觸式測量方法。接觸式測量方法以探針式表面輪廓儀和三坐標測量機為代表，具有直觀可靠、操作簡單、通用性強的特點，垂直測量范圍大，適合于微米或亞微米級工程表面的測量。但在進行自由曲面三維形貌測量過程中，測量速度慢，測量結果受溫度變化影響較大。由于觸針與被測零件表面接觸，會對超精密加工高反射自由曲面零件表面造成損傷，觸針易磨損，且無法進行軟性及柔性物體的測量。光學非接觸測量方法主要包括光柵投影方法和干涉測量方法，前者具有測量范圍大、測量速度快以及易于在計算機控制下實現自動化測量等特點，可達微米級測量精度，但在測量高反射自由曲面零件時，多采用噴涂其表面，改變其反射特性為漫反射后進行測量，削弱了光學測量方法的非接觸優點；后者作為一種高精度測量方法，廣泛應用于高反射面形檢測，但通常干涉系統需要單色光源，且設計精密，結構復雜，造價昂貴，影響了干涉測量方法的使用。

如何實現高反射自由曲面零件三維形貌的快速非接觸測量成為精密測量領域的一個重點研究方向。近年來，基于高反射特性，光柵投影測量方法越來越多地應用于高反射自由曲面零件的三維形貌檢測。該方法通過測量被測物體表面對入射光線產生的相位偏移，將計算得到的相位偏移信息轉化為被測物體上相應區域的三維形貌信息。但目前的測量方法中，多基于遠心光路模型或通過復雜的測量機構來獲得相位偏移與被測物體表面形貌間的對應關系，且相位偏移信息的獲取需要在對被測物體進行測量前，首先對一實際參考平面進行測量以獲取參考相位，通過將其與被測物體表面對應點的相位值相減得到相位偏移，增加了測量復雜度，降低了測量效率。針對目前高反射自由曲面光柵投影三維形貌測量中的不足，研究一種快速、非接觸的測量方法，具有重要的理論和現實意義。

發明內容

為克服現有技術的不足，提供用于具有高反射自由曲面零件的快速、非接觸檢測方法，對零件表面及表層無損傷。為達上述目的，本發明采取的技術方案是，一種高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，包括以下步驟：

借助于精密運動控制系統實現被測物體三自由度運動；

使用光柵投影裝置向被測物體表面投射編碼光柵條紋，由圖像采集裝置獲取經被測物體表面調制的變形條紋圖；

使用數字相移技術和相位展開算法從變形條紋圖中獲得被測物體表面的相位分布信息；

使用虛擬參考面技術獲取參考相位分布；

采用基于迭代的三維重建模型，通過分析相位偏移信息與被測物體表面梯度的關系，由梯度恢復被測物體相應區域的三維形貌信息。

在基于迭代的三維重建模型中，由梯度到面形的重建過程是基于積分運算，具體分為局部積分和全局積分；基于局部積分的算法為路徑積分法，即利用梯度數據通過計算局部梯度增量進行曲線積分，得到路徑上各點的相對高度值，進而完成被測物體表面各點高度計算；基于全局積分的算法為區域波前重構法，應用于高反射自由曲面三維形貌重建中時，將波前視為待求自由曲面的表面高度，以測量所得水平和垂直方向的梯度值作為測量點，以待求高度的被測物體表面各點為重構點。

投射的編碼光柵條紋為幅值、相位和投射方向可調的正弦光柵條紋、余弦光柵條紋、頻率和方向不同的兩種光柵條紋組合形成的復合光柵條紋、莫爾條紋、灰度編碼光柵條紋及彩色光柵條紋中的一種。

使用數字相移技術獲取變形光柵條紋的折疊相位信息，使用相位展開算法將折疊相位展開為連續相位分布，其中，使用的數字相移技術為等間隔數字相移，相移步數為三步、四步、五步或七步；使用的相位展開算法為空域相位展開算法或時域相位展開算法。