CN102721378A - 一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其主要包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台。本系统通过计算机控制正弦条纹投射系统向镜面物体的被测直接表面投射多幅相位、频率和亮度都可调的正弦条纹，然后用图像采集系统采集相应的图片信息并传输给计算机系统，再用计算机系统对这些图片信息进行处理，从而得到含有物体三维信息的相位图，最后根据相位与高度映射关系式得到镜面物体被测面的三维信息。本发明主要应用于微小尺寸镜面物体的三维形貌测量，测量范围约为4.5mm×3mm，分辨率优于5微米，三维点云间距为3.75微米。

Description

一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，属于光学三维形貌测量领域。

背景技术

随着科学技术的发展，人类观察物质世界正向微米、纳米尺度迈进，三维测量技术也逐渐从大尺寸向微小尺寸拓展，对微小尺寸镜面物体的三维形貌测量技术开始提出并应用，不仅要求观测工具有更高的分辨率，而且还要求能获取物体表面的深度信息，进而能完整精确地重现样本的三维形貌结构。对镜面物体的三维形貌测量在材料学、精密仪器、精密加工、生物医学等很多领域都有着很重要的应用价值，已成为测量领域一个研究热点和难点。

微小尺寸镜面物体的表面三维形貌不仅对接触零件的机械和物理特性起着决定作用，而且对一些非接触零件的光学和外部特性影响也很大。精确可靠地测量镜面物体的三维形貌不但能正确地识别加工过程中的变化和缺陷，而且对控制和改进加工方法、研究物体三维形貌几何特性与使用性能的关系、提高零件加工质量和产品性能有着显著意义。

随着现代机械制造技术在精密加工和微型机械方向的迅速发展和走向实用，为实现加工过程中对产品质量的检测和控制，对检测手段也提出了更高的要求，不仅需要测量精度高，测量点云密集，还要求能与数控加工设备或机器人等运动机构结合，实现在加工现场的测量。

然而，传统的三维形貌测量方法如飞行时间法、相位法、摄影测量法等，其测量精度不能满足镜面物体三维形貌测量的高精度要求；而现有的大部分高精度三维形貌测量方法又存在着设备价格昂贵，测量范围过小，结构复杂等弊端。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，该系统结构简单，是一种标定方法便捷的微小尺寸镜面物体三维形貌测量系统，可以实现对具有强反光表面的微小尺寸镜面物体进行高精度三维形貌测量。

本发明的技术解决方案为：一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：它包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台。它们之间的位置连接关系是：基于声光偏转器的正弦条纹投射系统通过串口数据传输线与计算机系统相连，并由计算机系统控制其向位于精密平移台上镜面物体被测表面倾斜45°投射正弦条纹；图像采集系统通过超五类网线与计算机系统相连，调整图像采集系统的位置，使其物方焦平面位于精密平移台上镜面物体被测表面附近；调整快速定位系统中激光器发出的激光光斑在图像采集系统的物方焦平面上的位置，使该激光光斑在CCD相机像面所成的像正好位于CCD像面的正中心处。

所述基于声光偏转器的正弦条纹投射系统由正弦条纹投射装置和会聚透镜以及整形棱镜对组成，这三者之间位置连接关系是：正弦条纹投射装置的出射窗口与整形棱镜对的入瞳相接，整形棱镜对的出瞳与会聚透镜的入瞳相接；它用于向镜面物体的被测表面投射多幅频率、相位以及亮度都可调的正弦条纹。该正弦条纹投射装置由驱动信号电路、调制激光器、声光偏转器组成，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经会聚透镜聚焦产生正弦干涉条纹。该驱动信号电路由DDS芯片电路产生两路频率同为f_m可调节相位值和频率值的正弦信号，其中一路与声光偏转器中心频率信号f_c通过高速乘法器合成混频信号f_c+f_m和f_c-f_m，用于驱动声光偏转器，另一路信号经过倍频后，通过高速比较器产生方波信号，用于驱动调制激光器；该调制激光器是半导体激光器，激光波长为660nm，用于提供光强度可调制的激光信号；该声光偏转器的光学波长为660nm，用于调制激光光强；该会聚透镜是平凸透镜，用于控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的有效投射范围以及光束的聚焦；该整形棱镜对由两块光楔构成，用于将出射的狭长型矩形正弦条纹图案的纵向拉伸，使此矩形正弦条纹图案的纵横比例满足要求。

所述图像采集系统由CCD相机和定焦远心成像镜头组成，其间用C型接口相连；它用于采集相应的相位图片信息并传输给计算机系统。它的使用，可以使视角和放大率在视场各点恒定，改善测量系统的光学成像质量，减少因被测物面沿光轴纵向离焦而产生的测量误差，从而有效提高成像精度。

所述快速定位系统由一个光斑质量较好的激光器构成，该激光器为线性激光器。它可用于在标定测量系统的系统参数时，使参考平面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；也可用于在正式测量时，使镜面物体的被测表面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处。

所述精密平移台可选用系列超精密电控平移台。它用于承载待测的镜面物体以及在测量系统参数标定时移动指定的距离。

所述计算机系统，是普通的个人台式电脑，配置要求：CPU在2.7GHz以上，内存2GB以上，配有千兆网卡和串行通讯端口。它作为整个测量系统的控制中心，用于输出控制命令控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统所投的正弦条纹的频率、相位和亮度，控制CCD相机采集相位图片信息；同时也是整个测量系统的数据处理中心，用于对所采集的相位图像数据进行图像处理，得到包含镜面物体被测物面三维形貌信息的相位图，进而根据所用测量模型的相位与高度映射关系式解算出被测物面相应的三维形貌信息。

其中，该调制激光器是型号为LD1931的半导体激光器；

其中，该声光偏转器是型号为DTSX-250的声光偏转器；

其中，该会聚透镜的参数是：其口径为25.4mm，焦距为50.8mm；

其中，该整形棱镜中光楔的直径为25.4mm，光楔角度为4.0°；

其中，该CCD相机的型号为Basler acA 1300-30gm；

其中，该定焦远心成像镜头是型号为GCO-2304的远心成像镜头；

其中，该激光器是型号为GCO-3001的线性激光器；

其中，该精密平移台选用ukSA50系列。

本发明的原理是：采用基于正弦条纹投射的单目测量方式，构造测量模型，根据该测量模型搭建测量镜面物体三维形貌测量系统，通过计算机系统控制正弦条纹投射系统向镜面物体的被测表面投射多幅正弦条纹，然后用图像采集系统采集相应的图片信息并传输给计算机系统，再用计算机系统对这些图片信息进行处理，从而得到含有物体三维信息的相位图，最后根据所用测量模型的相位与高度映射关系式得到镜面物体被测面的三维信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明使用的条纹投射系统无需复杂精密的机械运动装置即可实现条纹相位的精确移动，而且可由计算机控制，快速精准地改变投射条纹的频率、相位和亮度，因此结构简单，调节方便，抗干扰能力强。

（2）本发明的系统结构简单且易于实现，无需复杂的显微装置或者极其精密的位移装置即可实现对镜面物体的三维形貌测量，适合于小型化和集成化的应用需求，能够实现在线三维检测。

（3）本发明通过非接触式光学测量的方式，测量的横向范围和纵向范围都相对较大，而且还可根据测量范围和测量精度的要求灵活更换光学系统中的相关部件，以满足不同的测量需求。

附图说明

图1为本发明的组成结构示意图；

图2为本发明的基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的具体组成结构图。

图中附号说明如下：

1：计算机系统；2：基于声光偏转器的正弦条纹投射系统；

3：图像采集系统；4：快速定位系统；5：精密平移台；

6：正弦条纹投射装置；7：整形棱镜对；8：会聚透镜；9：CCD相机；

10：定焦远心成像镜头；11：驱动信号电路；12：调制激光器；13：声光偏转器。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，由计算机系统1、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统2、图像采集系统3、快速定位系统4、精密平移台5组成。它们之间的位置连接关系是：基于声光偏转器的正弦条纹投射系统2通过串口数据传输线与计算机系统1相连，并由计算机系统1控制其向位于精密平移台5上镜面物体被测表面倾斜45°投射正弦条纹；图像采集系统3通过超五类网线与计算机系统1相连，调整图像采集系统3的位置，使其物方焦平面位于精密平移台5上镜面物体被测表面附近；调整快速定位系统4中激光器发出的激光光斑在图像采集系统3的物方焦平面上的位置，使该激光光斑在CCD相机像面所成的像正好位于CCD像面的正中心处。

其中基于声光偏转器的正弦条纹投射系统2由正弦条纹投射装置6、整形棱镜对7和会聚透镜8组成，图像采集系统3由CCD相机9和定焦远心成像镜头10组成，计算机系统1是整个测量系统的控制中心，用于输出控制命令控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统2所投的正弦条纹的频率、相位和亮度，控制图像采集系统3采集相位图片信息；同时也是整个测量系统的数据处理中心，用于对所采集的相位图像数据进行相位解相处理，得到包含微小尺寸镜面物体被测物面三维形貌信息的相位图，进而根据所用的测量模型中的相位与高度映射关系式解算出被测物面相应的三维形貌信息。

如图2所示，本发明的基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的具体组成部分包括正弦条纹投射装置6、整形棱镜对7和会聚透镜8。其中正弦条纹投射装置6由驱动信号电路11、调制激光器12、声光偏转器13组成。驱动信号电路11产生两路信号，一路用于驱动调制激光器12，另一路用于驱动声光偏转器13。声光偏转器13中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射。当两束衍射光以接近布儒斯特角的角度入射到整形棱镜对7界面时，通过整形棱镜对的作用，入射光束将沿着纵轴方向被拉伸放大，而横轴的尺寸将保持不变，经会聚透镜8聚焦产生正弦干涉条纹并在被测物面投射出满足要求的小范围、高精度正弦条纹。其中，该调制激光器是美国Power Technology，Inc.公司的LD1931半导体激光器；该声光偏转器是法国AA Opto-electronic公司的DTSX-250声光偏转器；该会聚透镜的参数是：其口径为25.4mm，焦距为50.8mm；该整形棱镜中光楔的直径为25.4mm，光楔角度为4.0°。

图像采集系统由CCD相机和定焦远心成像镜头组成，CCD相机的工作参数，如曝光时间、增益等的设置均由计算机系统中的相机控制软件控制，包含相位信息的图片拍摄之后传输给计算机系统并保存起来。定焦远心成像镜头直接安装在CCD相机上，它的使用可以使视角和放大率在视场各点恒定，改善测量系统的光学成像质量，减少因被测物面沿光轴纵向离焦而产生的测量误差，从而有效提高成像精度。其中，该CCD相机的型号为BasleracA 1300-30gm。该定焦远心成像镜头为大恒光电（集团）的GCO-2304远心成像镜头。

快速定位系统由一个光斑质量较好的激光器构成，在找到定焦远心成像镜头的焦平面位置后，调整激光器光斑在此焦平面上的位置，使其在CCD相机像面所成的像正好位于CCD像面的正中心处，然后固定激光器的位置。其作用在于：1、在标定测量系统的系统参数时，使参考平面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；2、在正式测量时，使微小尺寸镜面物体的被测表面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处。调整时的判断标准是看激光器光斑在CCD相机像面所成的像是否位于CCD像面的正中心处。该激光器为大恒光电（集团）的GCO-3001线性激光器。

精密平移台用于承载待测的镜面物体以及在测量系统参数标定时移动指定的距离。该精密平移台选用北京卓立汉光仪器有限公司的ukSA50系列超精密电控平移台。

基于声光偏转器的正弦条纹投射系统和图像采集系统以及镜面物体的被测物面三者共同组成本发明的测量模型。在此测量模型中，需保证定焦远心成像镜头的光轴与设定的参考平面垂直，此参考平面是一个假定的标准平面，位于图像采集系统中定焦远心成像镜头的物方焦平面位置，实际测量中可以用加工精度较高的标准量块的光滑面代替。在测量时，正弦条纹的投射角度（投影轴线与参考面法线的夹角）越小，受噪声的影响越大；投射角度越大，受到待测物表面凹凸起伏的影响所产生阴影效果的会越明显，导致三维点云缺失。所以需要选择最佳的投射角度，以在噪声和阴影二者的影响之间取得平衡，获取最优的测量效果。一般而言，投射角度的取值在30°到60°之间，典型值为45°。正弦条纹投射装置投射出的是一个平行出射的矩形条纹图案，为提高测量精度，需在会聚透镜之后的一倍焦距和二倍焦距之间调整被测物面的位置，使正弦条纹图案充满整个视场，此时正弦条纹投射系统投射的是一个自会聚透镜像方焦点开始发散的矩形条纹图案。

通过分析该测量模型，可以推导出其相应的相位（p(x,y)）与高度（h(x,y)）映射关系式h(x,y)=f[p(x,y)]的形式：

$\frac{1}{h(x,y)}=a(x,y)+b(x,y)\frac{1}{p(x,y)}---\left(1\right)$

当系统保持稳定时，即正弦条纹投射系统、图像采集系统和参考平面三者的相对位置关系保持不变，待测物面沿Z轴方向平移时，式中的系数a(x,y)和b(x,y)是不变量，且相位的改变量（p(x,y)）直接取决于平移量（即高度h(x,y)的改变量）。采用适当的标定方法可以标定出此测量模型的相关参数，并得出具体的相位与高度映射关系式。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：它包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台；基于声光偏转器的正弦条纹投射系统通过串口数据传输线与计算机系统相连，并由计算机系统控制其向位于精密平移台上镜面物体被测表面倾斜45°投射正弦条纹；图像采集系统通过超五类网线与计算机系统相连，调整图像采集系统的位置，使其物方焦平面位于精密平移台上镜面物体被测表面附近；调整快速定位系统中激光器发出的激光光斑在图像采集系统的物方焦平面上的位置，使该激光光斑在CCD相机像面所成的像正好位于CCD像面的正中心处；

所述基于声光偏转器的正弦条纹投射系统由正弦条纹投射装置和会聚透镜以及整形棱镜对组成；正弦条纹投射装置的出射窗口与整形棱镜对的入瞳相接，整形棱镜对的出瞳与会聚透镜的入瞳相接；它用于向镜面物体的被测表面投射多幅频率、相位以及亮度都可调的正弦条纹；该正弦条纹投射装置由驱动信号电路、调制激光器和声光偏转器组成，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经会聚透镜聚焦产生正弦干涉条纹；该驱动信号电路由DDS芯片电路产生两路频率同为f_m可调节相位值和频率值的正弦信号，其中一路与声光偏转器中心频率信号f_c通过高速乘法器合成混频信号f_c+f_m和f_c-f_m，用于驱动声光偏转器，另一路信号经过倍频后，通过高速比较器产生方波信号，用于驱动调制激光器；该调制激光器是半导体激光器，激光波长为660nm，用于提供光强度可调制的激光信号；该声光偏转器的光学波长为660nm，用于调制激光光强；该会聚透镜是平凸透镜，用于控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的有效投射范围以及光束的聚焦；该整形棱镜对由两块光楔构成，用于将出射的狭长型矩形正弦条纹图案的纵向拉伸，使此矩形正弦条纹图案的纵横比例满足要求；

所述图像采集系统由CCD相机和定焦远心成像镜头组成，其间用C型接口相连；它用于采集相应的相位图片信息并传输给计算机系统；

所述快速定位系统由一个光斑质量较好的激光器构成，该激光器为GCO-3001线性激光器，它用于在标定测量系统的系统参数时，使参考平面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；也可用于在正式测量时，使镜面物体的被测表面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；

所述精密平移台选用系列超精密电控平移台，它用于承载待测的镜面物体以及在测量系统参数标定时移动指定的距离；

所述计算机系统，是个人台式电脑，配置要求：CPU在2.7GHz以上，内存2GB以上，配有千兆网卡和串行通讯端口；它作为整个测量系统的控制中心，用于输出控制命令控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统所投的正弦条纹的频率、相位和亮度，控制CCD相机采集相位图片信息；同时也是整个测量系统的数据处理中心，用于对所采集的相位图像数据进行图像处理，得到包含镜面物体被测物面三维形貌信息的相位图，进而根据所用测量模型的相位与高度映射关系式解算出被测物面相应的三维形貌信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该调制激光器是型号为LD1931的半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该声光偏转器是型号为DTSX-250的声光偏转器。

4.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该会聚透镜的参数是：其口径为25.4mm，焦距为50.8mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该整形棱镜中光楔的直径为25.4mm，光楔角度为4.0°。

6.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该CCD相机的型号为Basler acA 1300-30gm。

7.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该定焦远心成像镜头是型号为GCO-2304的远心成像镜头。

8.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该激光器是型号为GCO-3001的线性激光器。

9.根据权利要求1所述的一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：该精密平移台的型号为ukSA50系列。

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