[發明專利]一種透明材質三維輪廓重構的深紫外結構光精密檢測裝置

有效

• 申請號: 201910160434.0
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109781033B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 楊甬英;曹頻
• 申請（專利權）人: 杭州晶耐科光電技術有限公司
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 忻明年

1.一種透明材質三維輪廓重構的深紫外結構光精密檢測方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟1：依次調節深紫外條紋投影系統中的光柵相移裝置(S4)，使得光柵條紋沿豎直方向分布，并沿豎直方向移動0、π/2、π、3π/2的相位，并利用深紫外成像系統采集相移分別為0、π/2、π、3π/2的4幅不同相位的參考平臺條紋圖I_p01、I_p02、I_p03、I_p04；

步驟2：調節光柵相移裝置(S4)旋轉90度，使得光柵條紋沿水平方向分布，并沿水平方向移動0、π/2、π、3π/2的相位，并利用深紫外成像系統采集相移分別為0、π/2、π、3π/2的4幅不同相位的參考平臺條紋圖I_s01、I_s02、I_s03、I_s04；

步驟3：在參考平臺(S6)上放入待測透明物體(S9)，按照步驟1和步驟2，調節光柵相移裝置(S4)，使得光柵條紋圖像分別沿豎直方向和水平方向分布，并采集相應的相移為0、π/2、π、3π/2的調制相位圖I_p11、I_p12、I_p13、I_p14和I_s11、I_s12、I_s13、I_s14；

步驟4：相位求解；根據公式(1)和公式(2)，分別對采集到的沿豎直和水平方向分布的參考平臺條紋圖和在參考平臺上放置待測透明物體(S9)的條紋圖分別進行相位求解，得到相應的沿豎直和水平方向分布的存在跳變的包裹相位；

其中，φ₀(x,y)和φ₁(x,y)分別表示參考平面上未放入待測透明物體(S9)和放入待測透明物體(S9)的相位值；

步驟5：相位展開；

采用質量圖導引相位展開的算法，按順序優先展開高質量像素的相位，對步驟3所獲得的包裹相位進行展開，分別得到連續變化的沿豎直和水平方向分布的真實相位；

步驟6：系統標定；

首先，利用深紫外CCD(S8)拍攝多幅不同位姿的棋盤格標定圖像，對深紫外CCD(S8)進行標定，確定深紫外CCD(S8)的內參、外參及畸變系數，由公式(3)求解出待測透明物體(S9)在參考平臺上的二維點坐標(X,Y)，并利用標定所得的畸變系數對圖像進行矯正；

其次，標定出深紫外條紋投影系統光心、深紫外成像系統光心、參考平臺(S6)的物理位置以及A點的世界坐標位置，計算深紫外條紋投影系統光心、深紫外成像系統光心與參考平臺(S6)的垂直距離，從而計算tanθ₁和tanθ₂；

所述的A點指未放置待測透明物體(S9)時，深紫外條紋投影系統投射在參考平臺(S6)上的點；

所述的θ₁和θ₂分別為A點與深紫外條紋投影系統光心、深紫外成像系統光心的夾角；

所述的即為相機的內參，[R T]為相機的外參，(x_w,y_w,z_w)為空間點的世界坐標，(x_c,y_c,z_c)為空間點在相機坐標系下的坐標，(u,v)為空間點在CCD相機成像平面上的圖像像素坐標，(u₀,v₀)為主點坐標，f_x、f_y分別為在圖像像素坐標上的u、v軸方向上焦距對應的像素值；

步驟7：假設初始高度z(x,y)＝0，根據公式(4)，計算出第一組梯度數據；然后利用Southwell區域波前重構法積分重建得到新的高度；依次類推，直到相鄰兩次重構的高度差小于閾值條件，從而得到最終的待測面形；

其中，φ_A(x,y)為未放置待測透明物體(S9)成像平面某一像點的相位值；φ_B(x,y)為放置待測透明物體(S9)，同一像點處的相位值；f為光柵條紋的傳播頻率；α為待測透明物體(S9)表面法線與參考平臺(S6)表面法線的夾角，tanα可表征被測物在該點處的梯度，對于曲面物體而言，在x方向和y方向均有梯度分布；

步驟8：根據步驟7的重構算法得到的待測透明物體(S9)在圖像坐標系下的高度信息Z，結合步驟6中系統標定的結果，最終求解出待測透明物體在世界坐標系下精確的三維輪廓信息(X,Y,Z)；

該檢測方法使用的檢測裝置，包括深紫外條紋投影系統和深紫外成像系統，其中深紫外條紋投影系統包括寬譜深紫外LED光源(S0)、窄帶紫外波段濾波片(S1)、準直擴束系統(S2)、一維深紫外橫向剪切光柵(S3)及擴束鏡組(S5)，且寬譜深紫外LED光源(S0)和窄帶紫外波段濾波片(S1)構成紫外光源單元；深紫外成像系統由成像透鏡(S7)和深紫外CCD(S8)組成；

深紫外LED光源(S0)發出的寬帶光射入窄帶紫外波段濾波片(S1)中得到窄帶深紫外光，窄帶深紫外光通過準直擴束系統(S2)后以平行光入射到一維橫向剪切光柵(S3)上，衍射形成兩個波前完全相同但有一定傾角的復制波前，在兩復制波前重疊區域形成干涉條紋作為條紋結構光，條紋結構光再通過擴束鏡組(S5)形成具有穩定周期的深紫外波段結構光；深紫外波段結構光投射到放有透明材質被測物(S9)的參考平臺(S6)上，并利用深紫外成像系統接收經過物體高度調制后的變形條紋圖像；

一維橫向剪切光柵(S3)上設置有光柵相移裝置(S4)，從而實現對深紫外波段結構光的旋轉和移相操作；

所述的一維橫向剪切光柵(S3)，包括一維振幅光柵(G1)和一維相位光柵(G2)；一維振幅光柵(G1)采用一系列微小像元以隨機編碼的方式使得透過率滿足|cos(πx/d)|分布，其中d為所述一維橫向剪切光(G3)柵周期；一維相位光柵(G2)在透明熔石英基底rect(2x/d)*comb(x/d)區域內刻蝕深度滿足h＝λ/2(n-1)，使得刻蝕區域光波與未刻蝕區域相位差為π，其中λ為深紫外光源波長，n為熔石英折射率。