[發明專利]一種基于復合光柵的結構光微納結構三維檢測方法

有效

• 申請號: 201910234130.4
• 申請日: 2019-03-26
• 公開（公告）號: CN109916331B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 位浩杰;唐燕;謝仲業;劉磊;趙立新;胡松
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于復合光柵的結構光微納結構三維檢測方法，其特征在于：該方法利用基于復合光柵的結構光微納結構三維檢測裝置，包括CCD相機(1)、第一tube管透鏡(2)、白光光源(3)、聚光透鏡(4)、第一正弦透射光柵(5)、第二正弦透射光柵(6)、第二tube管透鏡(7)、分光棱鏡(8)、顯微物鏡(9)、PZT水平掃描臺(11)；其中白光光源(3)發出的光，經過聚光透鏡(4)進行匯聚準直后依次經過第一正弦透射光柵(5)、第二正弦透射光柵(6)、第二tube管透鏡(7)后，由分光棱鏡(8)反射，經過顯微物鏡(9)聚焦于置于PZT水平掃描臺(11)上的待測物體(10)表面；待測物體(10)；將照明光束反射，反射光線經過分光棱鏡(8)和第一tube管透鏡(2)后聚焦到CCD相機(1)的像平面上；其中，第一正弦透射光柵(5)的柵線方向與水平掃描方向垂直，第二正弦透射光柵(6)的柵線方向與水平掃描方向平行，并且與投影光軸成一定角度θ，所述的方法步驟包括：

步驟S1：在系統測量之前，要先對系統進行標定，即使用標準物體作為待測物體進行測量，利用一個水平正弦光柵和傾斜一定角度θ的正弦光柵組合的復合光柵投射結構光到標準物體表面，水平掃描待測物體的過程中，CCD通過分光棱鏡從共軛光路中同步采集調制后的條紋圖像序列；

步驟S2：對采集的條紋圖像進行傅里葉變換處理，并使用濾波器提取水平光柵的基頻分量，對其進行傅里葉逆變換并取模就得到待測物體的調制度圖像；

步驟S3：對得到的調制度圖像進行二值化處理，然后進行高精度亞像素匹配使各幀圖像物體像素坐標匹配對應；

步驟S4：對于像素匹配后的條紋圖像序列上的待測物體，可以得到每一個像素點的調制度值隨掃描位置變化的強度分布曲線，對于物體上每一個像素點在不同水平位置構成的調制度曲線進行數據處理，通過高斯擬合確定調制度曲線最大值位置，計算得到調制度值的分布，建立調制度值與高度的對應關系，以及測量系統的測量范圍；

步驟S5：對待測物體進行測量時，重復步驟S1-S4得到待測物體的調制度值的分布，利用事先標定所得的調制度值和高度的對應關系，即可實現物體的三維結構的連續性測量以及精確重建三維形貌；

其中，根據幾何光學中的成像理論可知，在理想成像情況下，一個正弦光柵放在投影物鏡物平面的位置，經過成像后在像平面上得到的也是一個正弦光柵，所采用的兩個正弦光柵，經投影透鏡成像后，可以近似認為水平光柵條紋和傾斜光柵條紋在同一個像平面內成像，互相不干擾，待測物體(10)在PZT掃描臺(11)作用下在水平方向上掃描n步，當物體移動固定水平位移時，觸發CCD相機(1)同步采集經物體高度調制的條紋圖像，水平光柵和傾斜光柵同時投影到被測物體表面，物體表面的條紋圖像的強度分布可表示為：

I_n(x,y)＝R(x,y){I₀+C₁(x,y)[2πf₁x+φ₁(x,y)[+C₂(x,y,θ)[2πf₂y+φ₂(x,y)]} (1)

其中R(x,y)為被測物體表面的反射率分布，I₀為背景光強分布，C₁(x,y)為水平光柵的條紋對比度，C₂(x,y,θ)為傾斜光柵的條紋對比度，φ₁(x,y)和φ₂(x,y)為水平光柵和傾斜光柵的初始相位；

CCD相機(1)采集到被待測物體高度調制后的變形條紋圖后，對(1)式兩邊作傅里葉變化，其頻譜可表示為：

其中F_n(ξ,η)為I_n(x,y)的傅里葉頻譜，B_n(ξ,η)為R(x,y)·I₀的傅里葉頻譜，P_n(ξ,η)為R(x,y)·C₁(x,y)[2πf₁x+φ₁(x,y)]的傅里葉頻譜，Q_n(ξ,η)為R(x,y)·C₂(x,y,θ)[2πf₂y+φ₂(x,y)]的傅里葉頻譜；

為了提取變形條紋圖中的水平光柵的基頻分量，應用組合濾波窗口濾波器進行濾波，進而提取變形條紋圖中的水平光柵的基頻分量P_n(ξ-f₁,η)，對其進行傅里葉逆變換并取模后得到待測物體的調制度圖像M_n(x,y)，對得到的調制度圖像進行二值化處理，然后進行高精度亞像素匹配使各幀圖像物體像素坐標一一對應；

對于像素匹配后的條紋圖像序列上的待測物體，可以得到每一個像素點的調制度值隨掃描位置變化的強度分布曲線，對于物體上每一個像素點在不同水平位置構成的調制度曲線進行數據處理，通過高斯擬合確定調制度曲線最大值位置，計算得到調制度值的分布，即可通過連續性三維重建算法重建三維形貌；

該方法利用一個水平正弦光柵和傾斜一定角度θ的正弦光柵組合的復合光柵投射結構光到標準物體表面；水平光柵的柵線方向與水平掃描方向垂直，對物體的整場調制度提取計算水平位移，對圖像序列實現高精度的像素匹配；傾斜光柵的成像的焦面位置傾斜且固定，在水平橫向掃描待測物體的過程中，使得相移和垂直掃描能夠連續且自動地同步實現，傾斜光柵用于物體的單點調制度提取，獲取高度信息實現高精度的三維檢測；

該方法只需要水平掃描待測物體，即可恢復出物體三維形貌，不僅保留了結構光顯微垂直測量的優點，而且具有實時三維在線檢測的特點，可實現大范圍高精度高效率的三維測量過程。