[發明專利]一種偏振相位偏折測量方法和裝置

有效

• 申請號: 202110216954.6
• 申請日: 2021-02-26
• 公開（公告）號: CN113029040B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 蔡昂;趙娟;萬由滕;魏琦;宋展
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 北京市誠輝律師事務所 11430
• 代理人: 耿慧敏;朱偉軍

1.一種偏振相位偏折測量裝置，包括投影設備、相機和信息處理設備，投影設備和相機前分別設有偏振片，其中：

投影設備設置為加載照明圖像和投影編碼圖案，當投影設備加載均勻照明圖案時，旋轉相機前的偏振片采集多張偏振圖像；當投影設備投影編碼圖案時，將偏振片方向固定，采集多張經過物體表面面型調制的反射編碼圖像；

信息處理設備被配置為：采集所述多張偏振圖像，根據偏振圖像分析光線入射角分布；采集多張經過物體表面面型調制的反射編碼圖像，通過圖像處理和解碼過程得到相位調制信息；將偏振分析得到的入射角分布與調制相位信息進行融合，得到物體表面梯度，并通過對表面梯度積分重建物體面型；

其中，根據以下步驟重建物體面型：

進行相機標定，計算相機與投影設備之間的位姿，獲得相機和投影設備之間的位姿變換矩陣；

根據反射圖像的灰度變化得到照明光線至物體的入射角分布；

根據形變條紋解碼獲得相位分布；

結合入射角分布以及相機和投影設備之間對應的相位數值，計算得到物體表面初始高度；

根據相位偏折量計算物體表面梯度；

根據梯度數據重建物體面型；

其中，所述物體表面初始高度是由偏振信息得到的物體表面各點的光線入射角分布作為約束條件，結合相機像素平面的相位分布獲得，包括：

基于投影設備顯示屏和相機圖像平面上相位對應點的連線與該點反射光線以及從顯示屏上對應相位點發出的光線均在同一個入射平面上的特征，利用光線之間構成的幾何關系計算得到物體表面各點在相機坐標系下的高度，并用獲得的標定參數計算得到物體表面在世界坐標系的高度，作為物體表面的初始高度。

2.根據權利要求1所述的偏振相位偏折測量裝置，其特征在于，所述計算相機與投影設備之間的位姿變換矩陣包括：

采用張正友標定法進行單目相機標定，將世界坐標系建立在平面反射鏡表面，采集多組棋盤格圖片，獲取相機內參；

利用平面反射鏡獲得投影設備相對平面鏡對稱的虛像，并利用投影設備加載的標定圖案進行標定獲得相機外參，進而根據轉換關系獲得投影設備與相機之間的位姿變換矩陣。

3.根據權利要求1所述的偏振相位偏折測量裝置，其特征在于，基于光能量變化獲得所述照明光線至物體的入射角分布，表示為：

其中，E_s'代表反射光垂直偏振態光波振幅，E_s代表入射光垂直偏振態振幅，i₁表示入射角，i₂表示折射角。

4.根據權利要求1所述的偏振相位偏折測量裝置，其特征在于，所述根據形變條紋解碼獲得相位分布包括：

用投影設備加載的時間編碼面結構光照明物體，該時間編碼面結構光照明物體分別在兩個正交方向上對光場中的投影光線進行編碼，使得相機像平面上的像素點與投影設備上的發光像素點具有唯一對應關系；

利用形變條紋圖的調制相位受限于反正切函數周期性而具有包裹相位特征，對采集到的多張格雷編碼圖案進行解碼，實現相位解包裹。

5.根據權利要求1所述的偏振相位偏折測量裝置，其特征在于，利用以下公式計算物體表面梯度：

φ＝2πdtan(2α)/p

其中，α表示物體表面的梯度分布，分別計算物體表面在x方向和y方向的梯度α_x和α_y，p表示正弦條紋周期數，φ表示相機圖像平面上每一個像素點對應的相位偏移，d代表待測物體表面上一點到投影設備顯示屏上對應的相位點之間的距離。

6.根據權利要求5所述的偏振相位偏折測量裝置，其特征在于，所述根據梯度數據重建物體面型包括：

采用辛普森公式并且考慮高階截斷誤差，分別在水平x方向和垂直y方向上對梯度數據與各個像素點對應的真實高度數據之間建立線性關系式：

其中，G表示梯度數據矩陣，D表示由數值積分關系構建的梯度數據與真實高度數據之間的系數矩陣，Z表示待重建的高度分布矩陣；

用最小二乘法求解所建立的線性關系式，獲得對應的高度，作為重建面型分布。