[發(fā)明專利]一種基于衍射編碼相位板的條紋投影三維形貌測(cè)量方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110797743.6
• 申請(qǐng)日: 2021-07-14
• 公開（公告）號(hào): CN113551618B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬鎖冬;嚴(yán)祺;沈賢蒙
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/25
• 分類號(hào): G01B11/25
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

1.一種基于衍射光學(xué)元件的條紋投影三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于：它包括投影模塊、載物平臺(tái)、相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸控制接口和計(jì)算機(jī)；

所述投影模塊包括照明光源子系統(tǒng)、耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)和衍射光學(xué)元件；所述照明光源子系統(tǒng)包括照明光源接口電路模組，三個(gè)紅綠藍(lán)三色LED光源，分別為紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅰ、紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅱ和紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅲ，紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅰ位于耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)處，紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅱ和紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅲ對(duì)稱地位于紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅰ兩側(cè)的耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)的物方焦面上，衍射光學(xué)元件位于耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)的像方出瞳位置；

所述投影模塊、載物平臺(tái)與相機(jī)構(gòu)成條紋投影測(cè)量三角光路，投影模塊的耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)的光軸與相機(jī)鏡頭的光軸相交于載物平臺(tái)，投影模塊的衍射光學(xué)元件和相機(jī)鏡頭聚焦于載物平臺(tái)上；

所述計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸控制接口分別與投影模塊和相機(jī)連接；

所述的測(cè)量裝置在工作狀態(tài)時(shí)，投影模塊接收計(jì)算機(jī)指令，依次分時(shí)點(diǎn)亮紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分時(shí)輸出的各單色LED出射光場(chǎng)經(jīng)過耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)分別均勻平行照射至衍射光學(xué)元件上；經(jīng)衍射光學(xué)元件調(diào)制后在軸向延拓的景深范圍內(nèi)依次形成頻率分別為R、G和B的三頻正弦三步相移條紋光場(chǎng)圖案，分時(shí)投射到待測(cè)物表面上的同一區(qū)域，相機(jī)依次分時(shí)采集由待測(cè)物表面反射的三頻正弦三步相移變形條紋圖，傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到待測(cè)物表面的三維形貌分布。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于衍射光學(xué)元件的條紋投影三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于：所述的衍射光學(xué)元件包含三個(gè)子區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分別對(duì)應(yīng)調(diào)制由紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ發(fā)出的經(jīng)過耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)后的各單色均勻平行LED光，在軸向延拓的景深范圍內(nèi)依次分別形成紅綠藍(lán)三色的相移條紋光場(chǎng)圖案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，調(diào)制生成頻率分別為R、G和B的三頻正弦三步相移條紋光場(chǎng)圖案，投射到待測(cè)物表面上的同一區(qū)域。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于衍射光學(xué)元件的條紋投影三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于：所述的紅綠藍(lán)三色LED光源為分別由紅色LED、綠色LED和藍(lán)色LED三個(gè)芯片組合成的光源，或?yàn)橛沙錾浼t綠藍(lán)三色的單個(gè)LED芯片構(gòu)成的光源。

4.一種基于衍射編碼相位板的條紋投影三維形貌測(cè)量方法，采用如權(quán)利要求1所述基于衍射光學(xué)元件的條紋投影三維形貌測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于包括如下步驟：

（1）測(cè)量裝置調(diào)整：將投影模塊與相機(jī)分別通過數(shù)據(jù)傳輸控制接口與計(jì)算機(jī)相連接，將投影模塊的耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)光軸與相機(jī)鏡頭的光軸調(diào)整至相交于載物平臺(tái)，形成條紋投影測(cè)量三角光路；調(diào)整投影模塊的衍射光學(xué)元件和相機(jī)鏡頭聚焦于載物平臺(tái)上，且投影模塊經(jīng)衍射光學(xué)元件在載物平臺(tái)上的投射區(qū)域與相機(jī)在載物平臺(tái)上的視場(chǎng)區(qū)域大小匹配；

（2）裝置標(biāo)定及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練：依據(jù)條紋投影輪廓術(shù)和衍射光學(xué)相位編碼原理，構(gòu)建系統(tǒng)成像測(cè)量模型；基于系統(tǒng)成像測(cè)量模型，利用已知高度分布的三維物體，標(biāo)定獲得測(cè)量裝置的“相位—高度”轉(zhuǎn)換關(guān)系函數(shù)；基于系統(tǒng)成像測(cè)量模型及測(cè)量裝置的“相位—高度”轉(zhuǎn)換關(guān)系標(biāo)定結(jié)果，使用一系列已知三維分布的虛擬模型物體仿真生成頻率分別為R、G和B的三頻正弦三步相移變形條紋圖，采用模型驅(qū)動(dòng)方法分別訓(xùn)練基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多徑干擾分離器R、G和B；

（3）條紋圖投影與采集：將待測(cè)物置于載物平臺(tái)上的投影模塊和相機(jī)公共視場(chǎng)的中央?yún)^(qū)域；計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)傳輸控制接口控制投影模塊中的照明光源接口電路模組，依次分時(shí)點(diǎn)亮紅綠藍(lán)三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分時(shí)輸出的各單色LED出射光場(chǎng)經(jīng)過耦合中繼光學(xué)子系統(tǒng)分別均勻平行照射至衍射光學(xué)元件上對(duì)應(yīng)的子區(qū)域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ；經(jīng)衍射光學(xué)元件調(diào)制后在軸向延拓的景深范圍內(nèi)依次形成頻率分別為R、G和B的三頻正弦三步相移條紋光場(chǎng)圖案，分時(shí)投射到待測(cè)物表面上的同一區(qū)域，相機(jī)依次分時(shí)采集由待測(cè)物表面反射的三頻正弦三步相移變形條紋圖，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸控制接口傳輸至計(jì)算機(jī)；

（4）條紋圖解相與三維面形重構(gòu)：利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)相位恢復(fù)算法處理獲得的三頻正弦三步相移變形條紋圖，計(jì)算得到與待測(cè)物三維形貌相關(guān)的絕對(duì)相位分布；依據(jù)步驟（2）中標(biāo)定獲得的測(cè)量裝置的“相位—高度”轉(zhuǎn)換關(guān)系函數(shù)，重構(gòu)得到待測(cè)物表面的三維形貌分布。