[發明專利]一種基于智能拍照手機的鏡面三維面形測量系統

在審

• 申請號: 201410558091.0
• 申請日: 2014-10-20
• 公開（公告）號: CN104279980A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 岳慧敏;吳雨祥;易京亞;李明陽;熊竹;劉永
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐

技術領域

本發明涉及鏡面或者類鏡面物體表面或輪廓的計量的技術領域，是一種基于智能拍照手機的鏡面三維面形測量系統的簡單、便攜的測量手段。

背景技術

隨著精密光學制造、加工和集成電路、太陽能電池等領域的發展，鏡面或類鏡面反射物體的缺陷檢測和三維面形測量顯得越來越重要，如對自由曲面的鏡面或透鏡(如眼鏡)的檢測，對汽車表面等噴漆質量的控制(桔皮現象)，精密器件表面加工質量評估等。通過對各種鏡面或類鏡面表面的測量，可以得到相應制造過程中各種參數(如打磨轉速，打磨材料等)對表面加工質量的影響，進而為提高改進加工工藝提供參考。

現有的鏡面物體檢測手段，由于存在著某些缺點，很難直接用于工業檢測。干涉儀通常只能測量類平面或球面物體，無法測量自由曲面物體，并且對環境振動十分敏感，不適合用于工業測量環境。接觸式三坐標機測量時間相當長(通常數小時以上)，而且可能破壞待測物體表面。對此，人們提出一種基于條紋反射的鏡面物體三維測量方法。這是一種高靈敏、非相干的光學全場測量技術，可對任何材質的自由面形光滑表面(如各種非球面鏡片，拋光的金屬表面，汽車和飛機噴漆表面等)進行快速和高精度的曲率分布以及三維形貌測量。通過對精密加工工件表面微結構的分解分析，可以得到加工過程中工具的移動、振動等信息，也可以通過對噴漆表面起伏結構和微觀結構的分解分析來研究改進不同漆料的配比和噴涂工藝等。

但是，傳統的條紋反射法系統需要CCD相機、液晶顯示屏、相機驅動電源、控制顯示屏顯示的電腦等，不夠便攜，一般需要將待測物體移至測量系統中再測量。黃磊等在2013年提出了一種緊湊的測量系統，雖然整個系統體積小大約(5×5×20cm3)，但是測量系統仍然需要CCD相機，對于有些需要即時測量的情況，不夠方便、便攜。

發明內容

本發明的目的在于：針對上述存在的問題，提供一種基于智能拍照手機的鏡面三維面形測量的條紋反射系統，實現簡單、便攜的測量。

為了實現上述技術方案本發明采用以下技術方案：

一種基于智能拍照手機的鏡面三維面形測量系統，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、調整手機位置，使得前置攝像頭通過待測鏡面觀測到手機顯示屏；

步驟2、在手機顯示屏上顯示條紋；

步驟3、通過手機前置攝像頭拍攝步驟中2條紋經待測鏡面反射后得到的變形條紋，待測鏡面的梯度信息被調制在變形條紋的相位中；

步驟4、步驟3中得到變形條紋進行相位解調得到變形條紋的相位，將其載頻去除，然后進行相位展開；

步驟5、步驟4中得到展開后的相位，通過相位梯度關系獲得待測鏡面的梯度信息，對梯度積分得到三維形貌。

上述技術方案中，對于步驟3中所述變形條紋的光強表示為：

水平方向：

豎直方向：

其中，I(x,y)和J(x,y)表示手機相機記錄的光強分布，A₁(x,y)和A₂(x,y)分別表示水平方向和豎直方向的背景光強，B₁(x,y)和B₂(x,y)分別表示水平方向和豎直方向的調制度分布，f₀(x,y)表示載頻的頻率函數，和分別表示水平方向和豎直方向的與待測鏡面的梯度相關的相位，具體的相位梯度關系如下：

上式分別表示待測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系，式中L_y表示顯示屏到待測鏡面的距離，P_x和P_y分別表示手機顯示屏上顯示的水平方向和豎直方向正弦條紋的周期,S_x和S_y分別表示水平方向和豎直方向上的梯度分量。

上述技術方案中，所述步驟4中，對采集到的條紋圖像中的相位信息進行分析解調，得到總相位，采用基于傅里葉變換相位解調辦法，先對變形條紋光強進行傅里葉變換，得到頻譜，通過帶通濾波器，將頻譜中的一個基頻分量提取出來，然后對該基頻分量進行逆傅里葉變換，逆傅里葉變換后的矩陣為F(x,y)，那么變形條紋的相位可通過以下表達式求得：

其中，為變形條紋相位，Im表示取虛部的算符，F^*(x,y)為F(x,y)的共軛。