[發(fā)明專利]一種自標(biāo)定陰影莫爾三維輪廓測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710037589.6
• 申請(qǐng)日: 2017-01-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106813596B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜虎兵;顏菁菁;劉海濤;王建華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/25
• 分類號(hào): G01B11/25
• 代理公司: 西安新思維專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種自標(biāo)定陰影莫爾三維輪廓測(cè)量方法，依次包括下述步驟：第一步：將被測(cè)物體置于測(cè)量空間，開(kāi)啟光源，并使用攝像機(jī)記錄產(chǎn)生的條紋圖；第二步：運(yùn)用精密位移臺(tái)以預(yù)定義的距離等步長(zhǎng)移動(dòng)光柵兩次，并記錄每次移動(dòng)后產(chǎn)生的條紋圖；第三步：對(duì)采集的條紋圖進(jìn)行預(yù)處理：運(yùn)用條紋降噪的方法去除圖像中的高頻噪音信號(hào)；第四步：對(duì)條紋圖信號(hào)的相位進(jìn)行解調(diào)處理；第五步：運(yùn)用去包裹方法對(duì)上面提取的測(cè)量相位進(jìn)行相位展開(kāi)；第六步：根據(jù)解算的相位和測(cè)量靈敏度利用下式進(jìn)行相位?高度映射，完成本次測(cè)量任務(wù)。本發(fā)明的測(cè)量方法僅需要測(cè)量三幀條紋圖，節(jié)約了測(cè)量時(shí)間，本發(fā)明測(cè)量方法的計(jì)算過(guò)程準(zhǔn)確、方便。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用三幀條紋圖的相移陰影莫爾三維輪廓測(cè)量方法。

背景技術(shù)

陰影莫爾三維輪廓測(cè)量技術(shù)是一種全場(chǎng)、非接觸的光學(xué)三維輪廓測(cè)量方法,自1970年提出以來(lái)，已廣泛應(yīng)用于人體測(cè)量、晶圓表面檢測(cè)、BGA共面度測(cè)試、自動(dòng)生產(chǎn)、航空工業(yè)等領(lǐng)域。

早期的陰影莫爾技術(shù)主要基于莫爾等高線法。莫爾等高線法簡(jiǎn)單直觀，但不能有效利用條紋間距的灰度級(jí)信息，其測(cè)量靈敏度僅限一個(gè)條紋間距。

基于傅立葉的陰影莫爾方法通過(guò)傾斜被測(cè)物體為測(cè)量視場(chǎng)引入載頻，然后通過(guò)傅里葉變換技術(shù)獲得測(cè)量相位。然而該方法已受衍射影響：若傾斜角較大,受衍射的影響(假定主光柵的周期≥0.1mm)，此時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋圖對(duì)比度會(huì)隨物體和光柵間距的增加而減小。這使得條紋圖光強(qiáng)分布不均勻；若傾斜角太小,引入的載頻過(guò)小，這樣在一些實(shí)驗(yàn)中，又不能有效進(jìn)行不同頻率信號(hào)的分離。

相比之下,相移法陰影莫爾技術(shù)測(cè)量方法簡(jiǎn)單，且是一種自動(dòng)的解調(diào)方法。基本原理是：通過(guò)在時(shí)域改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，引起測(cè)量光場(chǎng)的相位變化，同時(shí)使用攝像機(jī)記錄并存儲(chǔ)該變化，進(jìn)而運(yùn)用計(jì)算機(jī)程序逐點(diǎn)地分析，實(shí)現(xiàn)測(cè)量相位自動(dòng)解調(diào)。相移技術(shù)可以充分利用條紋圖中的灰度信息，提高了測(cè)量分辨力，其過(guò)程主要包括相位解調(diào)、相位去包裹、測(cè)量靈敏度標(biāo)定和相位-高度映射等。

傳統(tǒng)上，測(cè)量靈敏度通常依賴已知高度分布標(biāo)定塊進(jìn)行標(biāo)定。該過(guò)程需要制作標(biāo)定塊，因此費(fèi)時(shí)費(fèi)力。Dirckx等首次提出了一種僅依賴莫爾測(cè)量裝置自身的標(biāo)定方法。在Dirckx方法中，通過(guò)移動(dòng)物體，使得測(cè)量視場(chǎng)產(chǎn)生時(shí)域光強(qiáng)變化，進(jìn)而通過(guò)分析某一觀測(cè)點(diǎn)光強(qiáng)與物體移動(dòng)距離曲線的周期獲得即測(cè)量靈敏度。Dirckx方法簡(jiǎn)單、易行，但周期確定麻煩，而且隨著應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹃幱澳獱柤夹g(shù)測(cè)量精度要求的提高，傳統(tǒng)的陰影技術(shù)需要發(fā)展成為高靈敏度陰影莫爾技術(shù)。在其系統(tǒng)中，細(xì)光柵(光柵周期范圍為：0.2mm:0.025mm)得到了應(yīng)用。此時(shí)，測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)范圍受泰伯效應(yīng)影響明顯減小。因此應(yīng)用Dirckx方法時(shí)，物體極易移出測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)范圍。最近，提出了一種基于主量分析法的陰影莫爾測(cè)量靈敏度標(biāo)定方法能方便的確定光強(qiáng)變化周期。然而該方法需要相位解包裹，而且在應(yīng)用中要求引入的相移量分布在[0,2π]范圍內(nèi)。因此缺乏靈活性。

在相位解調(diào)方面，受陰影莫爾技術(shù)相位-高度非線性影響，相移陰影莫爾視場(chǎng)無(wú)法引入一個(gè)全局的相移。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的三步相移技術(shù)，但需要忽略相位-高度非線性關(guān)系，近似實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)相移。從而致使相移技術(shù)無(wú)法得到精確解。

近年來(lái)，基于較少幀條紋圖的相移算法得到了較大的發(fā)展。其中Vargas等提出的克萊姆正交化二幀算法，解調(diào)速度快，測(cè)量精度得到了廣泛的應(yīng)用。然而該方法的精度受條紋圖背景去除精度影響較大。最近Wang等提出了一種正則化條紋圖差的方法對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的有效性。須提及的是，盡管Wang的算法可以減少條紋圖背景對(duì)解調(diào)結(jié)果的影響，但是該方法的解調(diào)結(jié)果相對(duì)測(cè)量相位有一個(gè)位移。因此在高度測(cè)量場(chǎng)合產(chǎn)生了問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

一種自標(biāo)定陰影莫爾三維輪廓測(cè)量方法，以改善現(xiàn)有的相移陰影莫爾物體三維輪廓光學(xué)測(cè)量裝置工件測(cè)量的精度，節(jié)約測(cè)量時(shí)間，計(jì)算過(guò)程準(zhǔn)確、方便。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的解決方案是：