CN101298981A - 平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法 - Google Patents

Abstract

一种平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法。测量装置包括：激光器、偏振片、光栅、CCD、被测物体、计算机。本发明使用激光器生成的干涉光源，该激光通过光栅后生成衍射条纹图像，调整光源和光栅位置使得在物体上产生清晰可用的衍射条纹图像。使用CCD采集物体表面上的衍射条纹图像，并将采集到的图像数据传输到计算机内，通过相应的计算机软件获得条纹模式变化与被测物体表面的平面倾斜角度θ之间的定量关系。本发明方法涉及的测量设备简便，便于操作，测量速度快，非接触式测量，满足一般几何量测量的精度要求。本测量技术实用且性价比高，有较强的实用价值，能广泛应用在工业器件表面的测量。同时适用于小场景和大场景的三维形貌测量。

Description

平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法

【技术领域】：

本发明属于物体几何量测量技术领域，特别涉及一种平面倾斜角度的测量。

【背景技术】：

三维形貌测量(包括平面倾斜角度的测量)是测量领域难度最高，同样也是相当重要的测量技术。现有的方法几乎利用了所有可以利用的各种测量方法和媒介来获得被测物体的三维形态。常用的测量方法利用了微波技术、光电技术、机械技术和声音技术等等。不同的技术有各自不同的优缺点，而光学三维形貌测量方法作为一种非接触式测量方法，与接触式机械测量方法比较而言，光学测量方法不仅具有机械方法测量过程简单、准确度高^[1]等特点外，在不适宜用接触式测量的情况下，同样可以实现精确测量的目的，且光学三维形貌测量方法还具有测量速度快，测量设备简单、应用领域广泛、测量精密程度高、实时测量^[2]等优点，是众多物体形貌测量方法的首选。光栅投影法是将光栅条纹投影到物体表面，物体表面的轮廓变化使条纹被调制，建立物体表面轮廓变化和条纹形变的关系，从而实现物体表面轮廓的测量^[3][4]。

【发明内容】：

本发明目的是解决物体三维形貌的测量问题，提供一种平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法。通过逐点测量物体表面的方向和获得物体表面全部的三维特征信息。应用该方法进行相应测量的系统易于实现、测量技术实用且性价比高。

本发明提供的平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法，其步骤如下：

第一、以激光器为光源，使光线经光栅投影到被测物体表面，并在物体表面产生清晰的衍射条纹图像；

第二、用CCD采集被测物体表面的衍射条纹图像并将数据传输到计算机内，得到0级条纹与±1级条纹之间的间隔x′和x，以及光线入射角α；

第三、利用如下公式(2)得到被测物体表面与垂直面之间的夹角即平面倾斜角度θ，

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\frac{x^{\′}}{x}-1}{(\frac{x^{\′}}{x}+1)\tan \mathrm{\α}}---\left(2\right).$

以上所述的平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法所使用的测量装置，包括：激光器L，与沿光轴方向上依次设置的偏振片P、光栅G和被测物体W，以及光轴方向以外设置的CCD和计算机C。激光器生成激光光源，激光通过光栅生成衍射条纹图像，调整光源和光栅位置使得在物体上产生清晰可用的衍射条纹图像，调整偏振片使衍射条纹图像的光强在可测范围内。CCD采集到被测物体表面的衍射条纹图像后将数据传输到计算机内，通过计算机软件获得条纹变化与被测物体表面的平面倾斜角度之间的定量的关系。

光栅衍射条纹法原理

光栅衍射条纹法的原理是由激光器件产生激光束，激光束通过光栅后产生条纹间隔均匀，亮度不同的衍射条纹(如图2)。衍射条纹照射到物体表面时，随着物体轮廓高低变化条纹也会被调制，使得条纹间隔发生变化。那么如果将条纹投影到一个平面上，当平面与条纹方向严格垂直的时候，条纹没有被调制，我们得到的是条纹间隔均匀，光强不同的条纹。而当平面以其中心轴转过一定角度时，比如10度，条纹将发生间距变化，且会随着度数的增加而变宽，由于平面倾斜使得±1级条纹间隔比值发生了变化，根据条纹间隔比值可以计算出平面的旋转(倾斜)角度。

在多缝衍射中，当接受屏与平面有一定角度时，衍射条纹间隔将有如下公式：

$\mathrm{\Δx}=\frac{\mathrm{\λ}\mathrm{Dd}\cos \mathrm{\θ}}{{(d\cos \mathrm{\θ}-\mathrm{k\λ}\sin \mathrm{\θ})}^2-\mathrm{\λ}\sin \mathrm{\θ}(d\cos \mathrm{\θ}-k\sin \mathrm{\θ})}---\left(1\right)$

其中Δx为条纹间隔，θ为被测屏与垂直面之间的夹角，k为条纹级别，λ为激光波长，d为缝宽，D为被测屏轴中心与缝的距离。平面旋转角度θ与条纹间隔之间的关系，由图3光栅衍射条纹法光路图可以得到以下公式：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\frac{x^{\′}}{x}-1}{(\frac{x^{\′}}{x}+1)\tan \mathrm{\α}}---\left(2\right)$

其中θ为被测屏与垂直面之间的夹角，x′和x为0级条纹与±1级条纹之间的间隔。α为入射角。

从公式(1)可以看出，只要测出条纹间隔x′和x以及入射角α就很容易通过给定公式(2)计算得到平面倾斜角θ。

直接利用多光束衍射条纹进行物体的形貌测量时，其缺点表现在：测量设备调节复杂，受被测物体表面特性和外界环境影响较大，只适用于较小区域且物体表面曲率变化不大的形貌测量场合。与之相比较，用计算机可以比较随心所欲地生成各种不同频率的或彩色的单色的条纹。可以由液晶投影仪投射到光栅物体表面，具有稳定的亮度和对比度，可以进行精确的相移。而且使用液晶投影仪不容易受到外界的干扰，可以用于现场测量。因此对于大场景、精确测量可以用计算机产生条纹代替衍射条纹。

本发明的优点和积极效果：

本发明方法涉及的光栅投影法测量设备简便，便于操作，测量速度快，非接触式测量，可以通过选择好的数据处理软件来提高测量精度。光栅衍射条纹法测量平面的倾斜角度能够实现非接触式平面倾斜角度测量，测量精度高，能够广泛地应用在工业器件表面测量。

本发明光栅衍射条纹法同时适用于小场景和大场景的三维形貌测量，尤其在测量工业器件方面测量精度高，有较强的实用价值。应用该方法进行相应测量的系统易于实现、测量技术实用且性价比高。

【附图说明】：

图1是光栅衍射条纹法测量装置原理图；

图2是单缝衍射原理图；

图3是光栅衍射条纹法光路图。

图4是采用本发明方法的测量结果曲线图。

【具体实施方式】：

实施例1：

光栅衍射条纹法测量装置

如图1所示，光栅衍射条纹法的测量装置包括：激光器L、偏振片P、光栅G、CCD、被测物体W、计算机C。

测量实验结果及讨论

本试验使用氦氖激光器、三缝光栅、被测物体是一个平面白板按照以上所给的实验装置和试验原理测量平面板实际分别转过5、10、15、20、25、30度角度时的测量角度。

条纹间隔x′和x可以通过测量获得数据，α可以由平面垂直于光轴时测得的条纹间隔通过光路图中的三角形几何关系计算得到，本实验中tanα取计算得到的近似值为0.33。表1给出测量数据，其中条纹间隔x′和x的单位为像素(1pixel＝1.4μm)保留两位有效数字，θ为平面的倾斜角单位为度。

表1测量数据表

Tab1 Data of measurement

从以上数据分析，随着被测平面转过一定角度，条纹间隔发生变化，并且有规律可循，在知道α的情况下，只要测得一组x′和x就可以很方便地得到平面的旋转角度，与我们预期想法一致，通过测量多组数据求平均值可以将误差缩小到10^-2级别。那么如果我们想要知道某物体的倾斜度时，就可以通过该方法测量出条纹间隔，再使用上述公式计算出物体的倾斜度。当然测量的数据还存在误差，在测量大角度时误差较大，并且随着平面倾斜角度的增加误差变大。从图4可以看出测量结果基本成线性分布，所以这种方法适合测量平面小角度倾斜。误差是不可避免的，但是可以通过选用精良的光学仪器，使用高像素的CCD图像采集器，尽量减少外部光线对实验的影响等方法改进，当然如果使用计算机产生投影条纹，会更加方便。

参考文献：

[1]潘伟，赵毅，阮雪榆.采用光栅投影的三维测量方法  光电工程  第30卷第2期2003年4月.

[2]Piotr Garbat Malgorzata Kujawinska Combining fringe projection method of 3D object monitoring with virtual realityenvironment：concept and initial results，IEEE 2002.

[3]王军，鲍海明，魏仲慧，等.光学三维轮廓测量技术综述  光机电信息2005年2月。

[4]杨再华，李玉和，李庆祥，等。一种基于光学三角法的形貌测量系统  光学技术  第31卷第4期2005年7月.

Claims (2)

1、一种平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法，其特征是，该方法的步骤如下：

第一、以激光器为光源，使光线经光栅投影到被测物体表面，并在物体表面产生清晰的衍射条纹图像；

第二、用CCD采集被测物体表面的衍射条纹图像并将数据传输到计算机内，得到0级条纹与±1级条纹之间的间隔x′和x，以及光线入射角α；

第三、利用如下公式(2)得到被测物体表面与垂直面之间的夹角即平面倾斜角度θ，

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{\frac{x^{\′}}{x}-1}{(\frac{x^{\′}}{x}+1)\tan \mathrm{\α}}---\left(2\right).$

2、一种权利要求1所述的平面倾斜角度的光栅衍射条纹测量法所使用的测量装置，其特征在于该装置包括：激光器，与沿光轴方向上依次设置的偏振片、光栅和被测物体，以及光轴方向以外设置的CCD和计算机。

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