基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法

摘要

本发明公开了一种基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法，实验系统包括数码相机、显示屏、待测镜面、计算机，调整实验系统使数码相机通过待测镜面观测到显示屏，在显示屏上同时生成不同颜色的水平条纹和垂直条纹，然后用数码相机通过待测镜面物体记录变形的条纹，整个测量过程只需向待测镜面投影一帧彩色复合光栅条纹就可得到水平方向和垂直方向的梯度，最后对梯度积分得到待测镜面的三维形貌信息。利用本发明可以实现快速、高精度的镜面物体三维面形测量。

说明书

技术领域

本发明涉及不规则的表面或轮廓的计量的技术领域，尤其是一种基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法。

背景技术

随着精密光学加工，汽车喷漆，工业制造和产品质量检测的发展，人们日益迫切地希望能够对镜面或类镜面反射物体进行精确测量，如对自由曲面的镜面或透镜（如眼镜）的检测，对汽车表面等喷漆质量的控制（桔皮现象），精密器件表面加工质量评估等。通过对各种镜面或类镜面表面的测量分析，可以得到相应制造过程中各种参数（如打磨转速，打磨材料，机械振动等）对表面加工质量的影响，可以为提高改进加工工艺提供参考。但是，传统的镜面物体测量方式如全息测量、接触式三坐标测量仪等具有很大的局限性，不易实现自动化、在线检测。干涉仪通常只能测量类平面或球面物体，无法测量自由曲面物体。接触式三坐标机测量时间相当长（通常数小时以上），而且可能破坏待测物体表面。对此，人们提出一种基于条纹反射的镜面物体三维测量方法。这是一种高灵敏、非相干的光学全场测量技术，可对任何材质的自由面形光滑表面（如各种非球面镜片，抛光的金属表面，汽车和飞机喷漆表面等）对进行快速和高精度的曲率分布以及三维形貌测量。通过对精密加工工件表面微结构的分解分析，可以得到加工过程中工具的移动、振动等信息，也可以通过对喷漆表面起伏结构和微观结构的分解分析来研究改进不同漆料的配比和喷涂工艺等。但是，条纹反射法通常分别投射水平方向和垂直方向的条纹，而且每个方向通常需要投射多步条纹来解调相位，因此，测量速度不快，不利于动态测量。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于单帧彩色复合光栅条纹反射对镜面三维面形快速测量的方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法，包括以下步骤：

S1：设置实验系统：实验系统包括计算机、显示屏、待测镜面、数码相机，调整实验系统使数码相机通过待测镜面观测到显示屏；

S2：计算机控制在显示屏上生成彩色复合条纹，彩色复合条纹中的水平条纹和垂直条纹由于占据不同的独立的颜色通道而具有不同的颜色；

S3：数码相机观察S2步骤中得到的彩色复合条纹经过待测镜面反射后得到的彩色复合变形条纹，待测镜面的梯度信息被调制在彩色复合变形条纹的相位中；

S4：对S3步骤中得到的彩色复合变形条纹进行色彩分离得到水平方向和垂直方向的变形条纹； 

S5：对S4步骤中得到的水平方向和垂直方向的变形条纹进行相位解调得到变形条纹的相位，解调得到的相位是截断的，将其载频去除，然后进行相位展开； 

S6：根据S5步骤中得到展开后的相位，通过条纹反射法的相位梯度关系获得待测镜面的梯度信息，对梯度积分得到三维形貌。

对上述方案作进一步优选，所述彩色复合变形条纹表示为：

其中，表示数码相机记录的光强分布，和分别表示水平方向和竖直方向的背景光强，和分别表示水平方向和竖直方向的调制度分布，表示载频的频率函数，和分别表示水平方向和竖直方向的与待测镜面的梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：

  

上式分别表示待测镜面表面的梯度在水平方向和竖直方向上的分量与相位的关系，式中表示显示屏到待测镜面的距离，和分别表示显示屏上水平方向和垂直方向的正弦条纹的周期。

对上述方案作进一步优选，所述步骤S4得到的水平方向和垂直方向的变形条纹表示为： 

对上述方案作进一步优选，所述对S4步骤中得到的水平方向和垂直方向的变形条纹进行相位解调为对变形条纹的图像中的相位信息通过傅里叶变换分析解调得到总相位，即首先对条纹傅里叶变换，选取频谱中的一个基频分量，然后对该分量逆傅里叶变换，最后求逆傅里叶变换后的相位角即是原变形条纹的相位。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明在显示屏上同时生成不同颜色的水平条纹和垂直条纹，然后用数码相机记录通过待测镜面的变形条纹，整个测量过程只需向待测镜面投影一帧彩色复合光栅条纹就可以得到水平方向和垂直方向的梯度，最后对梯度进行积分得到待测镜面的三维形貌信息，有效地提高了测量效率，具有快速、高动态范围的特点，利用本发明可以实现快速、高精度的镜面物体三维面形测量。

2．本发明利用普通非相干光源进行测量，具有纳米级别的测量精度，无需扫描装置。

3.本发明与干涉法测量三维面形相比，可靠性和耐用性更高，成本更低；与运用超高精度接触式三维坐标测量仪测量的方法相比，具有测量速度快，横向分辨率高等优点。

4.本发明应用于动态、在线测量方面，适用于测量各种尺寸、曲率分布、甚至液体等表面。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法的流程图；

图2是本发明基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法的系统图；

图3是本发明的彩色复合条纹生成过程图；

图4是本发明彩色复合条纹经过待测镜面反射后得到的彩色复合变形条纹图。

图2中：1为计算机；2为显示屏；3为待测镜面；4为数码相机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

实施例

如图1所示为基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法的流程图。

本实施例以硅晶片作为待测物体进行测量。

一种基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法，包括以下步骤：

S1：设置实验系统：实验系统包括计算机1、显示屏2、待测镜面3、数码相机4，调整实验系统使数码相机4通过硅晶片3表面观测到显示屏，如图2所示；

S2：计算机1控制在显示屏2上生成彩色复合条纹，彩色复合条纹中的水平条纹和垂直条纹由于占据不同的独立的颜色通道而具有不同的颜色，如图3所示； 

S3：数码相机4观察S2步骤中得到的彩色复合条纹经过硅晶片3反射后得到的彩色复合变形条纹，如图4所示为彩色复合变形条纹图，硅晶片3表面的梯度信息被调制在彩色复合变形条纹的相位中其中，彩色复合变形条纹表示为：

其中，表示数码相机4记录的光强分布，和分别表示水平方向和竖直方向的背景光强，和分别表示水平方向和竖直方向的调制度分布，表示载频的频率函数，和分别表示水平方向和竖直方向的与硅晶片3表面的梯度相关的相位，具体的相位梯度关系如下：

  

上式分别表示硅晶片3表面的梯度在水平方向和竖直方向上的分量与相位的关系，式中表示显示屏2到硅晶片3的距离，和分别表示显示屏2上水平方向和垂直方向的正弦条纹的周期。

S4：对S3步骤中得到的彩色复合变形条纹进行色彩分离得到水平方向和垂直方向的变形条纹，其中，两个方向的变形条纹分别表示为：

S5：对S4步骤中得到的水平方向和垂直方向的变形条纹进行相位解调，由于是单帧条纹，采用傅里叶变换的方法解调相位，首先对变形条纹傅里叶变换，选取频谱中的一个基频分量，然后对该分量逆傅里叶变换，最后求逆傅里叶变换后的相位角即为原变形条纹的相位。

S6：由于S5步骤中得到的相位是截断的，需要将展开到连续分布，相位展开的思路如下：对比截断相位图中相邻两点的相位值，若后一点的相位值减去前一点的相位值大于π，则后一点的相位值减去2π；若后一点的相位值减去前一点的相位值小于-π，则后一点的相位值加上2π；否则相位值不变。

S7：由上述S6步骤得到连续的后，利用S3步骤中的相位梯度关系得到硅晶片3表面的梯度分布数据，对梯度积分得到硅晶片3表面的三维形貌。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明可扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。