[發(fā)明專(zhuān)利]基于單幀彩色復(fù)合光柵條紋反射的鏡面三維面形測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410019594.0
• 申請(qǐng)日: 2014-01-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103727895B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 岳慧敏;吳雨祥;劉永;趙必玉;張博;易京亞;歐中華
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 分類(lèi)號(hào): G01B11/24
• 代理公司: 成都華風(fēng)專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙)51223
• 代理人: 徐豐,楊保剛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及不規(guī)則的表面或輪廓的計(jì)量的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于單幀彩色復(fù)合光柵條紋反射的鏡面三維面形測(cè)量方法。

背景技術(shù)

隨著精密光學(xué)加工，汽車(chē)噴漆，工業(yè)制造和產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的發(fā)展，人們?nèi)找嫫惹械叵Ｍ軌驅(qū)︾R面或類(lèi)鏡面反射物體進(jìn)行精確測(cè)量，如對(duì)自由曲面的鏡面或透鏡（如眼鏡）的檢測(cè)，對(duì)汽車(chē)表面等噴漆質(zhì)量的控制（桔皮現(xiàn)象），精密器件表面加工質(zhì)量評(píng)估等。通過(guò)對(duì)各種鏡面或類(lèi)鏡面表面的測(cè)量分析，可以得到相應(yīng)制造過(guò)程中各種參數(shù)（如打磨轉(zhuǎn)速，打磨材料，機(jī)械振動(dòng)等）對(duì)表面加工質(zhì)量的影響，可以為提高改進(jìn)加工工藝提供參考。但是，傳統(tǒng)的鏡面物體測(cè)量方式如全息測(cè)量、接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等具有很大的局限性，不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、在線檢測(cè)。干涉儀通常只能測(cè)量類(lèi)平面或球面物體，無(wú)法測(cè)量自由曲面物體。接觸式三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)（通常數(shù)小時(shí)以上），而且可能破壞待測(cè)物體表面。對(duì)此，人們提出一種基于條紋反射的鏡面物體三維測(cè)量方法。這是一種高靈敏、非相干的光學(xué)全場(chǎng)測(cè)量技術(shù)，可對(duì)任何材質(zhì)的自由面形光滑表面（如各種非球面鏡片，拋光的金屬表面，汽車(chē)和飛機(jī)噴漆表面等）對(duì)進(jìn)行快速和高精度的曲率分布以及三維形貌測(cè)量。通過(guò)對(duì)精密加工工件表面微結(jié)構(gòu)的分解分析，可以得到加工過(guò)程中工具的移動(dòng)、振動(dòng)等信息，也可以通過(guò)對(duì)噴漆表面起伏結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的分解分析來(lái)研究改進(jìn)不同漆料的配比和噴涂工藝等。但是，條紋反射法通常分別投射水平方向和垂直方向的條紋，而且每個(gè)方向通常需要投射多步條紋來(lái)解調(diào)相位，因此，測(cè)量速度不快，不利于動(dòng)態(tài)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于：針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種基于單幀彩色復(fù)合光柵條紋反射對(duì)鏡面三維面形快速測(cè)量的方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供一種基于單幀彩色復(fù)合光柵條紋反射的鏡面三維面形測(cè)量方法，包括以下步驟：

S1：設(shè)置實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、顯示屏、待測(cè)鏡面、數(shù)碼相機(jī)，調(diào)整實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使數(shù)碼相機(jī)通過(guò)待測(cè)鏡面觀測(cè)到顯示屏；

S2：計(jì)算機(jī)控制在顯示屏上生成彩色復(fù)合條紋，彩色復(fù)合條紋中的水平條紋和垂直條紋由于占據(jù)不同的獨(dú)立的顏色通道而具有不同的顏色；

S3：數(shù)碼相機(jī)觀察S2步驟中得到的彩色復(fù)合條紋經(jīng)過(guò)待測(cè)鏡面反射后得到的彩色復(fù)合變形條紋，待測(cè)鏡面的梯度信息被調(diào)制在彩色復(fù)合變形條紋的相位中；

S4：對(duì)S3步驟中得到的彩色復(fù)合變形條紋進(jìn)行色彩分離得到水平方向和垂直方向的變形條紋；?

S5：對(duì)S4步驟中得到的水平方向和垂直方向的變形條紋進(jìn)行相位解調(diào)得到變形條紋的相位，解調(diào)得到的相位是截?cái)嗟模瑢⑵漭d頻去除，然后進(jìn)行相位展開(kāi)；?

S6：根據(jù)S5步驟中得到展開(kāi)后的相位，通過(guò)條紋反射法的相位梯度關(guān)系獲得待測(cè)鏡面的梯度信息，對(duì)梯度積分得到三維形貌。

對(duì)上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，所述彩色復(fù)合變形條紋表示為：

其中，表示數(shù)碼相機(jī)記錄的光強(qiáng)分布，和分別表示水平方向和豎直方向的背景光強(qiáng)，和分別表示水平方向和豎直方向的調(diào)制度分布，表示載頻的頻率函數(shù)，和分別表示水平方向和豎直方向的與待測(cè)鏡面的梯度相關(guān)的相位，具體的相位梯度關(guān)系如下：

??

上式分別表示待測(cè)鏡面表面的梯度在水平方向和豎直方向上的分量與相位的關(guān)系，式中表示顯示屏到待測(cè)鏡面的距離，和分別表示顯示屏上水平方向和垂直方向的正弦條紋的周期。

對(duì)上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，所述步驟S4得到的水平方向和垂直方向的變形條紋表示為：?

對(duì)上述方案作進(jìn)一步優(yōu)選，所述對(duì)S4步驟中得到的水平方向和垂直方向的變形條紋進(jìn)行相位解調(diào)為對(duì)變形條紋的圖像中的相位信息通過(guò)傅里葉變換分析解調(diào)得到總相位，即首先對(duì)條紋傅里葉變換，選取頻譜中的一個(gè)基頻分量，然后對(duì)該分量逆傅里葉變換，最后求逆傅里葉變換后的相位角即是原變形條紋的相位。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明在顯示屏上同時(shí)生成不同顏色的水平條紋和垂直條紋，然后用數(shù)碼相機(jī)記錄通過(guò)待測(cè)鏡面的變形條紋，整個(gè)測(cè)量過(guò)程只需向待測(cè)鏡面投影一幀彩色復(fù)合光柵條紋就可以得到水平方向和垂直方向的梯度，最后對(duì)梯度進(jìn)行積分得到待測(cè)鏡面的三維形貌信息，有效地提高了測(cè)量效率，具有快速、高動(dòng)態(tài)范圍的特點(diǎn)，利用本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)快速、高精度的鏡面物體三維面形測(cè)量。

2．本發(fā)明利用普通非相干光源進(jìn)行測(cè)量，具有納米級(jí)別的測(cè)量精度，無(wú)需掃描裝置。