CN100529656C - 利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法，是将被测物体固定在一参考平面上，参考平面大于被测物体，参考平面外围与被测物体之间留有空隙，将被测物体连同参考平面一起偏转小于5度的微小角度，利用光的干涉，在被测物体表面和被测物体与参考平面外围的空隙处产生干涉载波条纹，用摄像机采集这一干涉载波条纹，即获得一幅载波条纹图，利用这一幅载波条纹图中被测物体与参考平面外围的空隙处的干涉载波条纹计算载波空间频率的大小，通过傅里叶变换，解调出物体表面的形貌信息。本发明不需要投影栅线，只需采集一幅载波条纹图即可计算出物体表面形貌信息。由于是基于光的干涉，因此该方法测量灵敏度也高。

Description

利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法

技术领域

本发明涉及一种物体的形貌测量方法，属于物体形貌测量技术领域。

背景技术

物体的形貌测量在机器人视觉、模具成型、计算机辅助设计、产品质量检测、医学等领域都有广泛的用途，具有十分重要的价值。物体的形貌测量已有多种方法报道，主要有影栅云纹法、投影栅线法及数字栅线法。特别是基于傅里叶变换的投影栅线或数字栅线的形貌测量技术，对比度高，只需要采集一幅或者二幅图就可以得出物体形貌的相位图，易于动态处理，因此具有较大的实用价值。该方法的不足是形貌的测量精度依赖投影栅线的空间频率，对微形貌的测量灵敏度不高。

电子散斑干涉测量技术具有非接触，全场测量，精度高和隔震要求低的特点，已成为动态或静态物体变形测量的一种重要方法。目前，电子散斑干涉通常用来测量物体变形，测量变形时要采集二幅图像，期间要加载使物体变形。

电子散斑干涉载频调制技术需要采集一幅或二幅图就可以得出物体的变形场，易于动态处理。但是电子散斑干涉载频调制测量技术一直还没有应用于物体的形貌测量。

发明内容

本发明针对现有物体的形貌测量方法的不足，提供一种简单方便、精度和灵敏度高的利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法。

本发明的测量物体形貌的方法是：

将被测物体固定在一参考平面上，参考平面大于被测物体，参考平面外围与被测物体之间留有空隙，将被测物体连同参考平面一起偏转小于5度的微小角度，利用光的干涉，在被测物体表面和被测物体与参考平面外围的空隙处产生干涉载波条纹，用摄像机采集这一干涉载波条纹，即获得一幅载波条纹图，利用这一幅载波条纹图中被测物体与参考平面外围的空隙处的干涉载波条纹计算载波空间频率的大小，通过傅里叶变换，解调出物体表面的形貌信息。

本发明的物体形貌的电子散斑载频调制原理如下：

如图1所示，电子散斑干涉系统置于xoz平面内，入射激光束1经分光棱镜甲2后，分成两束光。其中一束光经扩束镜甲3后直接照射到物体上形成物光，另一束光有一组反射镜8反射后经扩束镜乙4后直接照射到分光棱镜乙5上形成参考光，两束光经反射和透镜9透射后在摄像头6(CCD)靶面上叠加相干。被测物体7固定在一参考平面10上，放置在能够微小偏转的平台上，通过平台的旋转带动被测物体偏转。被测物体偏转后生成载波条纹，而在物面上则是包含物体高度信息的弯曲条纹。通过摄像头(CCD)6采集到的一幅载波条纹图，利用傅里叶变换法解调出物体高度的相位

如图2所示，P₁(x，y，z)为物体上一点，S(x_S，y_S，z_S)和O(x_O，y_O，z_O)分别为光源和观察点，θ为入射角。当平台转动角度Δα后，P₁(x，y，z)移动到P₂(x+Δx，y，z+Δz)。物体微小偏转引起的位置变化为：

Δx＝rΔαcosα＝zΔα    (1)

Δz＝-rΔαsinα＝-xΔα

其中，r为P₁(x，y，z)点的位置矢量。则由于转动引入的光程差为：

Δl＝(SP₂+P₂O)-(SP₁+P₁O)    (2)

其中：

${\mathrm{SP}}_1=\sqrt{{(x-x_S)}^2+{(y-y_S)}^2+{(z-z_S)}^2}$

${\mathrm{SP}}_2=\sqrt{{(x-x_S+\mathrm{\Δx})}^2+{(y-y_S)}^2+{(z-z_S+\mathrm{\Δz})}^2}$

$P_{1}O=\sqrt{{(x-x_O)}^2+{(y-y_O)}^2+{(z-z_O)}^2}$

$P_{2}O=\sqrt{{(x-x_O+\mathrm{\Δx})}^2+{(y-y_O)}^2+{(z-z_O+\mathrm{\Δz})}^2}$

忽略高次项，式(2)可表示为：

$\mathrm{\Δl}=(\frac{x-x_O}{R_O}+\frac{x-x_S}{R_E})\mathrm{\Δx}+(\frac{y-y_O}{R_O}+\frac{y-y_S}{R_S})\mathrm{\Δy}+(\frac{z-z_O}{R_O}+\frac{z-z_S}{R_S})\mathrm{\Δz}---\left(3\right)$

其中： $R_S=\sqrt{x_S^2+y_S^2+z_S^2}$ $R_O=\sqrt{x_O^2+y_O^2+z_O^2}$

由于P(x，y，z)＝P(x，z)，且光源S，观察点O均在xoz平面，观察方向沿z轴，有x_O＝y_O＝y_S＝0；R_O＝z_O。又因为被测物体7与z_O，R_S相比很小，式(3)化为：

Δl＝-zΔαsinθ+xΔα(1+cosθ)    (4)

式(4)对应引起的相位变化为

$\mathrm{\Δ\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δl}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[(1+\cos \mathrm{\θ})x-z\sin \mathrm{\θ}]\mathrm{\Δ\α}---\left(5\right)$

干涉条纹场经线性调制后，变成密集的、含有物面高度信息的载波条纹。受调制的载波条纹可表述为

$I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos \mathrm{\Δ\φ}(x,y),$

其中，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为条纹幅值，b(x，y)/a(x，y)常称为条纹对比度，

为被测物体7的高度差引起的相位变化，即待求位相，它们都是空间位置的函数。

式(6)中，f₀是物体偏转引入的沿x轴方向的空间频率。由文献2005年第16期《光电子激光》杂志发表的《电子散斑干涉场的空间调制与解调技术》可知

$f_0=\frac{\mathrm{\Δ\α}(1+\cos \mathrm{\θ})}{\mathrm{\λ}},---\left(7\right)$

由于被测物体7的高度差引起的相位变化为：

其中，λ是所用激光的波长，θ是照明光与物体表面法线的夹角，Δα为被测物体7转动的微小角度。

干涉条纹经调制后形成携带着物体高度信息的载波条纹，由式(6)知条纹的相移量仅随空间变化。利用欧拉公式将其变为：

I(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(j2πf₀x)+c^*(x，y)exp(-j2πf₀x)    (9)

式中，

在x方向上对式(6)进行傅里叶变换，得到

H(f_x，y)＝A(f_x，y)+C(f_x-f₀，y)+C^＊(f_x+f₀，y)    (10)

利用适当带通的滤波器将A(f_x，y)和C^＊(f_x+f₀，y)得到C(f_x-f₀，y)项，并将其移到原点后变为C(f_x，y)，再对其作逆傅里叶变换得到c(x，y)，得到的相位分布为：

式(11)中Re和Im分别表示复数的实部和虚部。

本发明的方法是将被测物体固定在参考平面上，并在周围留有空隙，通过偏转物体微小角度，在被测物体表面上利用光的干涉产生载波条纹，由空隙处参考面上的载波条纹计算载波频率的大小，结合傅里叶变换方法解调测量物体形貌。该方法不需要投影栅线，只需采集一幅载波条纹图即可计算出物体表面形貌信息。由于是基于光的干涉，因此该方法测量灵敏度也高。

附图说明

图1是本发明测量物体形貌的光路图。

图2是偏转物体的光程差分析图。

图3是偏转物面引入的载波条纹图。

图4是解调出的包络位相图。

图5是物体的三维网格图(高度单位：毫米)。

图中：1、入射激光束，2、分光棱镜甲，3、扩束镜甲，4、扩束镜乙，5、分光棱镜乙，6、摄像头，7、被测物和参考平面，8、反射镜，9、透射镜，10、参考平面。

具体实施方式

实施例

试件为一球冠，球冠的直径为27.0mm，高度为0.54mm，粘贴在一参考平面10上以后放在可转动平台上，利用图1所示系统进行实验。用He-Ne激光经扩束镜后照明被测物体，光束中心入射角θ为47°。扩束镜为40倍的显微镜头，距离被测物约1.1m。由于被测物较小，扩束镜较远，故可近似认为入射的照明光为准直光束。当转动平台微小角度Δα(＜5°)后，被测物体上面产生包含物体高度信息的受调制条纹。图3表示被测物体偏转后含有小球高度信息的载波条纹。应用傅里叶变换，可由一幅载波条纹图解调出含有高度信息的包络相位图，如图4所示。经相位连续化运算可得到去包络后的相位图，再根据式(8)将相位转化为物面的高度，可得出物面的高度分布，如图5所示的球冠三维高度网络图。

Claims (1)

1.一种利用电子散斑干涉载频调制技术测量物体形貌的方法，其特征在于：该方法是将被测物体固定在一参考平面上，参考平面大于被测物体，参考平面外围与被测物体之间留有空隙，将被测物体连同参考平面一起偏转小于5度的微小角度，利用光的干涉，在被测物体表面和被测物体与参考平面外围的空隙处产生干涉载波条纹，用摄像机采集这一干涉载波条纹，即获得一幅载波条纹图，利用这一幅载波条纹图中被测物体与参考平面外围的空隙处的干涉载波条纹计算载波空间频率的大小，通过傅里叶变换，解调出被测物体表面的形貌信息。

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