投影莫尔条纹三维表面形状测量的方法和装置

摘要

本发明公开了通过投影莫尔干涉条纹测量三维表面形状的方法和装置。所述装置包括投射标志点和主光栅栅线的投影仪，接收投射到物体表面上的标志点和光栅栅线的观测仪以及两坐标直线运动轴，用所述的两坐标直线运动轴和投影仪、观测仪的标志点测量某一成像位置处的投影物距、投影像距；观测物距、观测像距；然后根据物体上标志点确定零级条纹的位置；再通过相移算法、去包裹算法确定物体表面全场的条纹级数；最后根据推导出的以物体上某一点为坐标参考点的投影莫尔干涉条纹与物体高度的对应关系精确计算出物体的三维表面形状。

说明书

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投影莫尔条紋三维表面形状测量的方法和装置 技术领域>

本发明涉及三维表面形状测量的方法和装置， 特别是采用投影莫尔干涉计量 的原理绝对测量物体的三维表面形状的方法及其装置。 背景技术>

三维表面形状测量是工程技术界倍受关注的热门问题。 目前流行的三维表面 形状测量手段有逐点测量的接触式三坐标测量机、 激光三坐标测量机。 接触式三 坐标测量机由机械探头在数控系统的驱动下扫描被测物体表面， 给出物体各点的 三维坐标。 接触式坐标测量机的空间测量精度可以高于百分之一毫米。 由于机械 探头扫描时需对物体施加一定的接触力， 数控系统移动需要一定的时间， 因此接 触式三坐标测量机测量速度较慢。.激光三坐标测量机改机械探头为光学探头， 激 光光斑在数控系统的驱动下扫描被测物体表面。 在空间测量精度有所损失的前题 下加快了测量速度。 但是测量速度的提高受制于数控系统运动速度的限制。 若要 大幅度地提高测量速度全场测量是较为理想的图径。>

投影莫尔是指将主光栅投射于物体表面后，与子光栅干涉后生成的干涉条紋。 莫尔干涉计量技术是一种全场， 非接触测量技术。 莫尔干涉计量技术拥有许多全 息干涉计量术所具备的测量能力。但是重要的是莫尔干涉计量技术的灵敏度可调， 具有非凡的抗外部干扰能力。 因此具有广阔的工程应用前景。 由 Takasaki 和 Meadows et al 首创的影像莫尔等高线法是一种前途广阔的光学方法。 该方法的 试验装置相当筒单： 将光栅放置在物体附近，透过光栅观察物体可见莫尔条紋图。 该莫尔条紋图在某些条件下为物体表面等高线， 可以用于测量物体表面形状。 该 方法因受测物体的大小受制于栅的大小， 所以对于测量小尺寸物体非常有用。 另 一种方法是由 P. Benoi t, Y. Yoshino, M. Suzuki等人分别提出。 该方法将栅线的影 子投射于物体表面， 通过另一光栅观察莫尔等高线条紋图。 该方法称为投影莫尔 干涉法， 它对于测量大尺寸物体非常有用。 在一定的条件下， 两栅的差频条紋如 同地形图上描绘大地的等高线一样将形成物体表面的等高线。 八十年代初期图像 处理技术成功 应用于条紋图处理， 特别是以相移技术、 去包裹技术为核心的条 紋图分析技术使莫尔干涉计量技术拥有了实时测量能力。 根据 Meadows, Takasaki和 Suzuki et al的推导投影莫尔条紋在投影臂观 察臂光学中心平行；投影栅与观察栅栅距相等；投影臂观察臂成像透镜焦距相等； 投影栅到投影透镜观察栅到观察透镜的距离相等的条件下为物体表面的等高线。>

现有投影莫尔干涉测量系统如图 1所示，其中光源 1发出光线通过主光栅 2, 主光栅 2的栅线通过投影透镜 3成象于被测物体 4, 被测物体 4通过观测透镜 5 成象在子光栅 6上并在其上生成莫尔条纹。 摄像机 8通过摄像机成象透镜 7记 录莫尔条紋。>

但是长期困扰莫尔干涉计量技术的问题有两个。 （ 1 )该干涉条紋所描绘的物 体表面的等高线是条紋级数的函数， 等高线的高度差不是等间距的， 它也是条紋 級数的函数。 因此若要绝对测量物体的三维表面形状必需准确测定莫尔条纹的绝 对条紋级数。 （ 2 )投影光学系统、观察光学系统到物体的距离（物距）和到投影 光栅观察光栅的距离 （像距）需要精确测定。 现有的投影莫尔测量系统无法精确 给定上述参数， 因此它们不得不将等高线的高度差作为常数，粗略测量物距像距。 所以只能粗略测量物体的表面形状即绝对测量或精确检测物体表面形状的差异 即相对测量。 发明目的>

本发明的目的在于克服现有的投影莫尔条紋物体表面形状测量方法和装置 的缺憾， 设计一种新的投影莫尔干涉测量方法及其装置。 所述的方法及装置在保 持莫尔干涉计量技术实时测量特点的前提下实现投影莫尔干涉测量技术的高精 度绝对测量。 发明内容>

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 一种投影莫尔条纹三维表面 形状测量装置， 所述装置包括具有标志点和主光栅的投影仪， 具有标志点和子光 栅的观测仪， 以及用于将任意成象位置处的投影仪的标志点、 观测仪的标志点、 投影仪投射到物体表面上的标志点组成直角三角形的两个坐标直线运动轴。>

其中， 所述的用标志点建立的测量直角三角形的两个坐标直线运动轴包括与 观测仪光轴重合的带有光栅尺的第一直线运动轴， 垂直于观测仪光轴带有光栅尺 的第二直线运动轴。 投影仪光轴与第二直线运动轴相交成 Y角。 投影仪光轴与观 测仪光轴相交成 Θ角。 Θ与 γ角之合为 90度。>

本发明所述的测量装置还包括将图象信号数字化的图象采集板和处理数字化 图象的计算机。>

所述的投影仪包括光源、 主光栅、 标志点， 以及可移动的投影成象透镜。 其 中所述的标志点可以位于主光栅之后， 也可以与主光栅平行。>

所述的观测仪包括一测量光路， 所述测量光路包括摄像机、 子光栅、 与子光 栅平行的可切入光路中的标志点， 以及可移动观测成像透镜。>

本发明中 , 所述的观测仪还可以包括测量光路和观察光路， 所述的测量光路 包括摄像机、 子光栅、 可移动观测成像透镜； 观察光路包括接收标志点象的摄像 机、 用于 90度改变光线方向的反射镜， 标志点以及位于观测成像透镜后子光栅 前将光线 90度转向的方棱镜。>

本发明中的投影仪及观测仪中所述的主、 子光栅可以为方波或正玄波， 所述 的标志点可以为十字丝或圆环。>

本发明中的投影仪的光源产生白光。>

所述的投影仪中的可移动投影透镜包括投影透镜和推动投影透镜的线性定 位器； 观测仪中的可移动观测透镜包括观测透镜和推动观测透镜的线性定位器。>

本发明中一种投影莫尔条紋三维表面形状的测量方法， 包括以下步骤： ( 1 ) 利用投影仪内的标志点、 观测仪内的标志点以及投影仪投射到物体表 面上的标志点建立直角三角形；>

( 2 ) 确定投影共轭距、 观测共轭距；>

( 3 ) 求出投影物距、 象距， 以及观测物距、 象距；>

( 4 )根据投影物距和象距、 观测物距和象距自动聚焦投影透镜、 观测透镜， 在观测仪子光栅面上形成莫尔条紋；>

( 5 )根据相移算法、 去包裹算法确定以投影到物体上的标志点为零相位的 位相分布。>

( 6 )计算高度分布。>

也就是说， 首先利用投影仪内的标志点、 观测仪内的标志点以及投影仪投射 到物体表面上的标志点建立直角三角形； 通过两个坐标直线运动轴和投影仪、 观 测仪的标志点测量某一成像位置处的投影物距、投影像距； 观测物距、观测像距； 然后根据物体上的标志点确定零.級条紋的位置； 再通过相移算法、 去包裹算法确 定物体表面全场的条紋级数； 最后 ¾L据推导出的以物体上某一点为坐标参考点的 投影莫尔干涉条紋与物体高度的对应关系精确计算出物体的三维表面形状。>

其中所述直角三角形的建立包括如下步驟： 把物体移动到充满观测仪视场， 聚焦投影到物体上的标志点 , 将投影到物体上的标志点与观测仪内的标志点对 准。>

所述确定投影共轭距、 观测共轭距的步骤为： 根据直角三角形一边一角求 另两边， 其中 AE=AD/tg6; DB=AD/sin0 , Θ为投影仪观测仪光轴间的夹角、 Θ =arctgR₂/R_l5>2>

然后， 根据下述方程求出投影物距、 象距， 观测物距、 象距：>

1 1 1>

z_c+z_CF^>

z_c>

— AD 1 1 1>

■+——：二—>

I LpF F₂>c为观测物距、>CF为观测象距；>PF为投影象距、>P为投影物距.>2为投影仪焦距。>

本发明中根据投影物距和象距、 观测物距和象距自动聚焦的步骤为移动投影 透鏡、 观测透镜到成象位置， 在观测仪子光栅面上形成莫尔条紋。>

最后通过下列公式计算高度分布：>

ί V ΤΛ Τ Ώ J^₊X_C)C-L_PFA>

2π>

Ζ+Ζ>

^Αζ c>

v _ 2+2c__r

厶 CF>

其中>z,>Z) Z为物体某一点的位置坐标、 f 为光栅频率、 φ为位相。>

A =>CZ_CF sm0 +>cX_c>c cos9>

C =>CZ_CF>cX_c>C²X_C sme +>cZ_CFL_P

下面结合附图和实施例详细描述本发明， 所述的实施例用于描述本发明而不 是限制本发明。 附图说明>

图 1是现有投影莫尔干涉测量系统示意图>

图 2是本发明投影莫尔条紋三维表面形状测量装置的示意图；>

图 3是本发明三维表面形状测量装置一个实施例的投影仪示意图； 图 4是本发明三维表面形状测量装置一个实施例的观测仪示意图； 图 5是本发明的参数计算示意图；>

图 6是本发明的投影莫尔干涉条紋测量原理示意图；>

图 7是本发明投影莫尔条紋三维表面形状测量方法的流程图； ' 图 8是本发明三维表面形状测量装置另一个实施例的投影仪示意图； 图 9是本发明三维表面形状测量装置的另一个实施例的观测仪的示意图。 参见图 2， 本发明投影莫尔条纹三维表面形状测量装置包括观测仪 20， 沿观 测仪 20光轴方向的第一直线运动轴 40和第一光栅尺 60 ,安装在第一直线运动轴 40滑块上的旋转载物台 30和固定在旋转载物台 30上的被测物体 80 , 与第一直 线运动轴 40垂直的第二直线运动轴 50和第二光栅尺 70, 光轴与直线运动轴 50 成 γ角的投影仪 10， 定位第一直线运动轴 40和第一光栅尺 60、 第二直线运动轴 50和第二光栅尺 70及观测仪 20的大理石平台 90。 所述测量装置还包括用于数 字化图象信号的图象采集板 1 00 , 处理数字图象的计算机 110。>

投影仪 10可以如图 3所示， 包括聚光镜 12前的光源 11， 位于标志点 14前 的主光栅 13 , 投影透镜 15。 主光栅 13在光栅栅面内的移动由线性定位器 17控 制， 投影透镜 15沿光轴方向的移动由线性定位器 16控制。>

投影仪 1 0中， 所述的主光栅与标志点也可以如图 8所示平行排列。>

观测仪 20 包括测量光路， 所述测量光路包括摄像机 21 , 子光栅标志点切换 器 23 , 可移动观测成像透镜 29。>

如图 9所示， 测量光路包括用于接收子光栅面上莫尔条纹的摄像机 21和摄 像机成像透镜 22 , 子光栅标志点切换器 23 , 可移动成像透镜 29。 观测透镜 29光 轴方向的移动由线性定位器 29A控制。>

观测仪 20还可以如图 4所示， 包括测量光路和观察光路。 所述观察光路包 括观测透镜 29 , 控制¾测透镜 29光轴方向移动的线性定位器 29A, 从测量光路 中垂直分光的、 位于成像透镜 29后子光栅 23前的方棱镜 24。 位于方棱镜 24和 反射镜 26之间的标志点 25 , 90度改变光路方向的反射镜 26 , 成象标志点 25的 观察摄像机 28和观察摄像机成象透镜 27。 所述测量光路包括观测透镜 29， 控制 观测透镜 29光轴方向移动的线性定位器 29A, 子光栅 23, 用于接收子光栅面上 莫尔条紋的摄像机 21和摄像机成像透镜 22。 参见图 7所示的本发明投影莫尔条纹三维表面形状测量的方法流程图。 ¾ 量时， 首先将被测物体 80沿 一直线运动轴 40移动至距观测仪 20的最近处， 调整投影仪 10的成象透镜使标志点清晰成像于被测物体 80表面。调整观测仪 20 的成像透镜使物体 80及其上的标志点清晰成像。 沿第三直线运动轴 50移动投影 仪 10使投射于物体 80上的标志点与观测仪 20内的标志点重合。 此时由^:影仪 标志点、 观测仪标志点、 物体 80上的标志点投影点组成三角形 Δ ABC (如图 5 )。 由于第一直线运动轴 40、 第二直线运动轴 50相交成直角， 投影仪标志点、 观测 仪标志点的交线 AB与第二直线运动轴 50的运动方向重合， A ABC为直角三角形。 在直角三角形 Δ ABC中，测量直角边 AB和投影仪观测仪光轴夹角 Θ。此时将第一 光栅尺 60、 第二光栅尺 70清零。 当沿第一直线运动轴 40将物体移动至 E点， 第 一光栅 60移动量为 I ; 沿第二直线运动轴 50将投影仪 10移动至 D点， 第二光 栅 70移动量 R₂。>t 、 物距为>c、>2、 物距为>P、 象距为 L„， 则有：>

AD = AB +R (1)>

l_>

+■ (2)>

Z Z CF Ά

AD>

ζ。 +>CF = (3)>

¾θ

_ _1_>

■ + - (5)>

L PF 根据方程（2 )、 （3 )解出>c,>CP，方程（4 )、'（5 )解出>PP，>P。然后进行自 动调焦。>

即移动投影仪 10的投影透镜至>PP处， 使投影仪光源所发出光线通过主光栅 后清晰成像于被测表面 80上； 移动观察仪成像透镜至 Ζ„处使被测表面 80与其 上的投影光栅栅线清晰成像于子光栅上并在子光栅上形成干涉条纹。 此干涉条紋 既为莫尔条紋。 摄 ^将莫尔条纹图象输入图像采集板 100。 数字化的条紋图象 输入计算机 110。 这样得到一幅数字化的干涉条紋图。 移动主光栅使光栅在垂直 光轴的方向移动四分之一栅距、 四分之二栅距、 四分之三栅距处时， 接收摄像机 分别采样 4幅条纹图， 经图像采集板 100 ¾ 计算机 110。 利用相移算法求出 0 - 2 π的相位图.>

I,>0 +Asin((p + 0) (6)>

1₂>0 + Asin(cp + 7i )>

(7)>

1₃>0 + Asin(cp + 7t)>

(8)>

1₄>0> 其中 I。为背景光强， A为条紋对比度， ω为每点的位相。>

再利用去包裹算法解出相位图其原理如下：>

相移后的相位图利用判据 φ₂-φ!>2=φι-2>φι>2=φ!+2 π判 断， 可以去包裹成连续变化的位相分布。>

如果已知观测物距>c、 观测像距>CT、 投影像距>PP、 投影物距>P、>P=P_C=P、利用推导的投影莫尔高度与位相公式可 以计算被测物体的高度分布。>

为公式的通用性， 主光栅与子光栅光学中心的连线成任意三角形。>

分别在投影栅、 参考平面和参考栅上建立如图 ⁶所示的坐标系统，>P>P>c (或空间频率为 f<：)。>

投影栅方程为： Ip = sin(2Kf_PX_P) (11)>

(设初始位相为 0, 如为其它非弦函数的形式， 可用 Fourier级数进行展开， 但要能分离出一级项， 以便于对位相进行分析）>

在参考平面上， X和>P对应， 则有如下关系：>

tga = (12) X L.>

(13)>

sin α s _ηm·>Λ cos9 cos a + sin Θ sin a>

— d + a)>

L>

既：>

cos9ctga + sm0>

由方程 12和 13 得： x (14)>

>p-Xsine>

由上式可知>P和 X具有非线性的关系， 这导致投影在参考面上的栅线将发生 畸变， 不再是等间距的。 其方程可写为：>

(15)>

>p-Xsine>

这即是参考平面上的栅线方程。>

我们再考虑接收系统， 对于接收系统， 投影的栅线成像于参考栅线所在的平>

>R

面处。 由图可知： 二二 (16), 即 X=^X_C (17)>

z z CF z CF>

将 17式代入 15式可得成像于参考栅平面处的投影栅像的光强分布为：>C>

如果参考栅的方程为 +Δ) (19) ,则>e和>M形成的混和光强 (莫尔条紋）分布为：>

χ_{>jn(-27!;fcxc>Δ})>

X_CZ_CL_PF>

+A) -cos 2πί„ + (2 f_cX,> H一 Z X sinQ sine>

(20) 运用投影莫尔法进行形状测试时，对单独的>e和>e«要求 CCD不可分辨其栅线 结构， 公式 20中第二项为高频项， CCD不可分辨， 为均匀光场， CCD仅可以分辨 第一项中的低频条紋。 故可写为：>

1>nZ_nL_TOcos6>

'■CCD — cos| 2 L -(2 f_cX_c+A) (21)>

2>CFLp一>CX_C sin Θ 如果将物体置于参考面后， 如图 6所示， 并取 0点与物体上某一点（标记点, 即物体上该点高度为 0) 重合， 则有：>

X' Χ-Χ'-ΔΧ X— ΔΧ X,>

(22)>

Z z + z_c>c>Zc (Χ-ΔΧ) (23)>

>c^}

由图中几何关系可知： 丄 — ₊>Ctgetga

AX 2 ct一g9 + t .ga>

方程 24可化为： ΔΧ=Ζ ^{sin>— C0S> (25)>}

cos Θ + sin Θ tga>

由方程 13可得： X=—— ½^ ~ (26)>

cos9 + sin0tga>

将 25, 26及 12式代入到方程 23中并化筒得：>

₌>+z_c)c_0Se₊zz_cSine>

>CL_P>C cosG - X'(Z +>c)sin θ>

, 代入 27式可得:

γ -τ 、，>CX_C (Ζ +>c)cos6>CZ_CF sin θ>

^ΛΡ一 -^PF ' ― ― (28)>

>cZ_CFLp>CZ_CF cosO―>CX_C(Z +>c)sin Θ>

成像于参考栅平面处的投影栅线像的光强分布受高度 Z的调制后可写为如下>

参考栅线方程同样可以写为 及 高频栅线结构不可分辨可得：>

(30)

2 Z(Z_CZ_CF cosB―>CX_C>c sin Θ +>CZ_CFL】>c = /。 对于 30式， 如果 Ζ = 0, 可退化为 21式， 这也说明了 以上推导的正确性。>

其位相可以写为：>

Φ = 2π f_PL_PF>cX_c + Δ) (31) 其中>

A =>CZ_CF sin 0 +>cX_c>C cosO>

C =>CZ_CF>cX_csin0>C sm0 +>cZ_CFL_P

对于 31式，计算坐标原点处的位相： = 0，>e = o , Z = 0 ,代入 21式得 p。 = - Δ , 由于是附加在所有位相上的一个常数， 可以将之消除， 即对所有的位相进行如下 的操作即可:>

φ = φ - φ (31 -1) ,>

这时全场位相就可以写为：>

(p = 2Kf_PL_PF|>cX_c (32) 若 ， 则可求出 Z为：>

Z = - (33)>

(^r +>c)C-L_PFA 由 22式及公式 17综合可得：>

X—>c>c>c X>

(34)>

z, z, z, CF z CF>

Ζ+Ζ,>

>z与>z具有同样的比例关系， 所以有>7 (35)>

Ζ CF>

以上的推导得出 （X_z, Υζ, Ζ) 的完整计算公式:>

(-^- +>C)D-L_PFB>

Ζ =>

(-^- +>C)C-L_PFA>

运用以上公式时， 先进行高度转换， 求出高度分布后再应用 36 式的后两个 公式进行位置变换， 求出 、 Yz, 如此重复， 即可以得到三维物体的表面形状。 具体实施方案>

实施例 1>

如图 2所示 20为安^ ^大理石平台 90上的观测仪。 40为沿观测仪 20的光 轴方向安^^大理石平台 90台面上的长度 1000毫米的日本 ΤΗΚ公司制造的由手 轮驱动的直线运动轴（带防尘罩）， 在该直线运动轴的滑块上固定有可做 360度 旋转定位的载物台 30。 载物台 30上安装被测物体一航空发动机叶片 80。 平行于 第一直线运动轴 ⁴0, 安装有第一光栅尺 60。 与第一直线运动轴 40垂直安装长度 400毫米的日本 THK公司制造的由手轮驱动的第二直线运动轴（带防尘罩） 50。 在第二直线运动轴 50的滑块上固定有投影仪 10。投影仪 10的光轴与第二直线运 动轴 50相交成 γ角。 平行于第二直线运动轴 50, 安装有第二光栅尺 70。 投影仪 10通过电缆 C07与电源 190相连。 观测仪 20的测量摄像机 21、 观察摄像机 28 通过电缆 C08、 C09与 Matrox Pulser 4通道图像采集板 100相连， 图像采集板 100插入计算机 110。 投影仪 10的投影透镜线性定位器 16是德国 PI公司的线性 定位器 M224. 20, 光栅线性定位器 17.为德国 PI公司线性定位器 M222. 20。 观测 仪 20的观测成像透镜线性定位器 29A是德国 PI公司的线性定位器 M224. 20。 它 们分别通过电缆 C01、 C02、 C03与德国 PI公司 4通道直流电机控制板 180 ( C— 842. 40 )相连， 后者插入计算机 110。>

投影仪 10如图 3所示， 包括聚光镜 12前的光源 11，位于标志点 -十字丝 14 前的主光栅 13， 投影透镜 15。 主光栅 13在光栅栅面内的移动由线性定位器 17 控制， 投影透镜 15沿光轴方向的移动由线性定位器 16控制。>

观测仪 20如图 4所示， 它包括测量光路和观察光路。 所述观察光路包括观 测透镜 29， 控制观测透镜 29光轴方向移动的线性定位器 29A， 从测量光路中垂 直分光的、 位于观测透镜 29后子光栅 23前的方棱镜 24。 位于方棱镜 24和反射 镜 26之间的标志点 -十字丝 25， 90度改变光路方向的反射镜 26 , 成象标志点― 十字丝 25的观察摄像机 28和观察摄像机成象透镜 27。所述测量光路包括观测透 镜 29 , 控制观测透镜 29光轴方向移动的线性定位器 29A, 子光栅 23, 用于接收 子光栅面上莫尔条紋的摄像机 21和摄像机成像透镜 22。>

测量时， 首先移动投影成像透鏡线性定位器 16， 使投影透镜 15对十字丝 14 清晰成像。调整观测仪成像透镜线性定位器 29A,使通过投影成像透镜 15成像于 物体上的十字丝清晰成像于观察掇像机 28的靶面上。 调整第二直线运动轴 50使 物体上的十字丝的像与观测仪十字丝 25的像重合。此时参照 图 7进行步骤（ 2 ) ( 3 ) ( 4 )后 ，进行自动调焦 ， 即调整投影成像透镜线性定位器 16 , 使投影透 镜 15对栅线 13清析成像。 周观测成像透镜线性定位器 29A,使观测透镜 29对 栅线 13投射在 物体上的象清晰成像； 然后参照 图 7 ( ⁵ ) ( 6 ) (■ 7 ) ( 8 ) 步驟， 也就是移动主光栅使光栅在垂直光轴的方向移动四分之一栅距、 四分之二 栅距、 四分之三栅距处时， 观测摄像机分别采样 4幅条紋图， 用摄像机将莫尔条 紋图象输入图像采集板 100, 数字化的条紋图象输入计算机 110。 这样得到一幅 数字化的干涉条紋图 利用相移算法求出 0 - 2 π的相位图.最后以标志点零相位 展位为相， 按照公式计算物体的高度分布， 如此重复求出各个点的 Χζ、 Υζ、 Ζ, 即可以得到三维物体的表面形状。 测量精度为 ± 0. 01mm。 实施例 2>

如图 2所示， 20为安装在大理石平台 90上的观测仪 (观测仪如图 9 )。 40为 沿观测仪 20的光轴方向安装在大理石平台 90台面上的长度 1000毫米的日本 THK 公司制造的由手轮驱动的第一直线运动轴（带防尘罩）， 在该直线运动轴的滑块 上固定有可做 360度旋转定位的载物台 30。 载物台 30上安装被测物体一航空发 动机叶片 80。 平行于直线运动轴 40, 安装有第一光栅尺 60。 与第一直线运动轴 40垂直安装长度 400亳米的日本 THK公司制造的由手轮驱动的第二直线运动轴 (带防尘罩） 50。 在直线运动轴 50的滑块上固定有投影仪 10 (投影仪如图 8 )。 投影仪 10的光轴与第二直线运动轴 50相交成 γ角。 平行于第二直线运动轴 50， 安装有笫二光栅尺 70。投影仪 10通过电缆 C07与电源 190相连。观测仪 20的测 量摄像机 21 通过电缆 C08与 4通道图像采集板 100相连， 图像采集板 100插入 计算机 110。 投影仪 10的投影透镜线性定位器 16是德国 PI公司的线性定位器 M224. 20, 光栅线性定位器 17为德国 PI公司线性定位器 M222. 20。 观测仪 20的 观测成像透镜线性定位器 29A是德国 PI公司的线性定位器 M224. 20。它们分別通 过电缆 C01、 C02、 C03与德国 PI公司 4通道直流电机控制板 180 ( C— 842. 40 ) 相连， 后者插入计算机 110。>

投影仪 10如图 8所示， 包括光源 11 , 聚光镜 12 , 主光栅圆环切换器 13, 投 影透镜 15 , 投影透镜线性定位器 16， 光栅线性定位器 17。>

观测仪 20如图 9所示， 包括测量摄 ^ 21 , 测量摄| ¾成 ^镜 22 , 子光 栅圆环切换器 23， 观测成像透镜 29 , 观测成像透镜线性定位器 29A。>

测量时， 将投影仪主光栅圆环切换器 13的圆环切入光路。 移动^影成像透 镜线性定位器 16， 使成像透镜 15对圆环清晰成像。 将观测仪子光栅圆环切换器 23的圓环切入光路。 调整观测成像透镜线性定位器 29A, 调整短导轨， 使通过测 量摄象机成象肆镜 29成象于测量摄像机 21靶面上的投影圆环与观察仪圆环重 合。 此时 进行 图 7的（2) ( 3) (4) 步后进行自动调焦。 既将投影仪 10的光栅 圆环切换器 13的主光栅切入光路。 将观测仪 20的子光栅圆环切换器 23的子光 栅切入光路。 进行图 7步骤（5) (6) (7) ( 8) , 即可以得到三维物体的表面形 状。 具体参见实施例 1。 测量精度为 ± 0. Olmn>

通过本发明的投影莫尔条紋三维表面形状测量装置和方法， 利用莫尔条紋干 涉装置及方法生成含有被测物体表面高度分布信息的莫尔条紋图象， 通过图象采 集板将摄係 采集的光学图象的光强数据输入计算机， 由计算机对莫尔条紋图象 进行数字预处理后， 利用相移算法对多幅相移后的莫尔条紋图象进行处理， 得到 用数值表征被测物体表面高度信息的相位图及被测物体表面各点的 X、 Υ、 Ζ坐标 值， 从而完成物体三维表面形状测量， 显示被测物体的动态三维表面形状并输出 测量的表面形状数据。 本发明实现了高精度的全场三维测量物体的表面形状的绝 对测量， 测量精度为 ± 0. 01mm, '是现有测量装置的 10 ~ 5倍， 并可以在 30s钟时 间内完成测量。 适用于复杂形状的三维物体如发动机高精度、 高速度测量。>