CN103322944B - 同轴照明镜像莫尔测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种同轴照明镜像莫尔测量装置及方法。本装置包括摄像机、远心光路镜组、分光镜、LCD光栅、漫射光源和计算机系统。分光镜具有半透半反射性质，与中心轴线夹角成45°，可反射漫射光源光线至被测镜面物体，形成同轴照明。LCD光栅连接计算机系统，可通过编程改变栅线频率与方向。本方法操作步骤为：装置调整，将被测镜面物体放置于光栅后；数据采集，即利用摄像机和远心光路镜组透过光栅拍摄光栅栅线与光栅虚像重叠所形成的莫尔条纹图；数据处理，即利用计算机系统处理莫尔条纹图，重建被测镜面三维面形。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测技术，尤其涉及一种适合镜面反射物体三维面形测量的“同轴照明镜像莫尔测量装置及方法”。
背景技术
莫尔形貌术由Meadows（ApplOpt.9,p942,1970）和Takasiki（ApplOpt.9,p1467,1970)发明于1970年代，之后得到了很大的发展（参考AllenJ.ApplOpt.10,p210,1971；PiroddaL.OptEng.21,p640,1982；HaliouaM.Appl.Opt.22,p850,1983；BellB.OptLett.9,p171,1984；ClineH.ApplOpt.23,p1454,1984；ReidG.OptLaserTech.12,p315,1984；DirckxJ.ApplOpt.27,p1164,1988；LimJ.OptLett.14,p1252,1989；YoshizawaT.OptEng.32.P1668,1993；MauvoisinG.ApplOpt.33,p2163,1994；赵宏.光学学报,15,p1275,1995；MatsunotoT.OptEng.35,p1754,1996；XieX.ApplOpt.35,p6990,1996；AraiY,ApplOpt.38,p3503,1999；LadakH.ApplOpt.39,p3266,2000；JinL.OptEng.39,p2119,2000）。莫尔形貌术是一种常用的光学三维测量方法，具有无须相干光源，设备简单；适合较大、较深物体的测量；对工作环境要求低的特点。传统的莫尔形貌术根据测量装置之不同，分为阴影型和投射型两类。两类方法均只能针对漫反射物体进行测量，无法测量镜面反射物体的三维面形，而在工程实际应用中，大量物体的表面性质为镜面反射。因此镜面物体三维面形的光学测量仍然是工程中的一个急需解决的难题。
不同于传统莫尔形貌术，“镜像莫尔测量技术”（专利CN200910198820.5）采用漫射光源，因而可对镜面物体三维形貌进行测量。但现有的镜像莫尔测量系统中，为了避免进入成像系统的入射光线被阻挡，漫射光源只能被安装于光轴以外的偏置位置。因此该漫射光源所要求的横向尺度较大，但其所能形成的有效背景照明范围却非常狭小，影响了该技术的实用性。
发明内容
本发明的目的，是针对现有“镜像莫尔测量技术”中存在的缺陷，提供一种结构紧凑，并且有效背景照明范围大的基于莫尔测量原理的镜面反射物体的三维形貌测量装置，即“同轴照明镜像莫尔测量装置及方法”，通过该装置及方法能测量镜面反射物体的三维形貌。
为达到上述目的，本发明采用下述方案：
一种同轴照明镜像莫尔测量装置，包括摄像机、远心光路镜组、分光镜、LCD光栅、漫射光源，与计算机系统。所述的漫射光源为背景照明光源；测量时，被测镜面物体放置于光栅后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；摄像机透过光栅能拍摄光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；摄像机与计算机系统相连接，能将莫尔条纹图输出至计算机系统进行处理，转换成被测物体表面的面形数据。其特征在于：采用同轴照明方式，摄像机、远心光路镜组、分光镜、光栅，和被测镜面物体依次沿中心轴线同轴安装；安装中心轴线与摄像机与远心光路镜组的光轴重合；漫射光源安装于分光镜侧旁水平位置；分光镜具有半透半反射性质，与中心轴线夹角成45°，可反射漫射光源的照明光线至被测镜面物体，形成同轴照明，为被测镜面物体(7)提供一个大的背景照明区域；LCD光栅连接计算机系统，可通过计算机编程改变栅线的频率与方向；摄像机与远心光路镜组构成成像系统，只接受来自镜面物体的平行反射光线进入摄像机成像。
一种同轴照明镜像莫尔测量方法，采用上述的同轴照明镜像莫尔测量装置进行测量，其特征在于操作步骤如下：
第一步，装置调整：将被测镜面物体靠近放置于LCD光栅后；打开漫射光源，提供同轴照明；调整摄像机与被测镜面物体的距离，使被测镜面物体位于成像系统的景深范围之内；
第二步，数据采集：具体步骤包括①通过计算机编程在LCD光栅上形成设定频率的水平方向栅线条纹，并用摄像机记录莫尔条纹图；②利用计算机编程在LCD光栅上形成设定频率的竖直方向栅线条纹，并用摄像机记录莫尔条纹图；③利用计算机编程在LCD光栅上形成点或线标记作为绝对位相基准，用摄像机记录基准标记镜像图像；④再将所记录的两组莫尔条纹图和基准标记镜像图像输入计算机系统；
第三步，数据处理：计算机系统对输入的莫尔条纹图像和基准标记图像进行分析处理，重建被测镜面物体的三维面形信息。
上述的第三步中所述的数据处理方法包含以下步骤：①对莫尔条纹图像进行低通滤波处理，去除图像噪声与寄生栅线条纹；②分析莫尔条纹图像，并利用基准标记图像，计算条纹的绝对位相分布；③根据条纹绝对位相分布计算被测镜面法向量分布；④根据被测镜面法向量分布计算被测镜面梯度分布；⑤根据被测镜面面梯度分布，通过数值积分计算被测镜面三维面形。
与现有镜像莫尔测量技术相比较，本发明装置与方法具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1、现有的镜像莫尔测量装置采用轴外的偏置漫射光源，要求漫射光源横向尺度较大，但其所能形成的有效背景照明范围却非常狭小，影响了的实用性。本发明所述装置中，采用分光镜将漫射光源转化为同轴照明方式，结构紧凑，有效背景照明范围增大。
2、现有的镜像莫尔测量方法采用固定光栅。本发明所述方法中，所用光栅为LCD光栅，可与计算机系统连接，通过编程改变光栅的频率与方向，以适应不同曲率与深度特点的被测量镜面物体，增加了测量系统的柔性。
附图说明
图1是本发明“同轴照明镜像莫尔测量装置”的结构示意图；
图2是本发明“同轴照明镜像莫尔测量方法”的原理图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图详述如下：
实施例一：参见图1，本发明的“同轴照明镜像莫尔测量装置”由摄像机(1)、远心光路镜组(2)、分光镜(3)、LCD光栅(4)、漫射光源(5)，与计算机系统(6)组成。装置采用同轴照明方式，摄像机(1)、远心光路镜组(2)、分光镜(3)、光栅(4)、和被测镜面物体(7)沿中心轴线同轴依次安装；中心轴线与摄像机(1)和远心光路镜组(2)光轴重合；测量时，被测镜面物体(7)放置于光栅(4)后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；漫射光源(5)为背景照明光源，安装于分光镜(3)侧旁水平位置；分光镜(3)具有半透半反射性质，与中心轴线夹角成45°，可反射漫射光源(5)的照明光线至被测镜面物体(7)，形成同轴照明；LCD光栅(4)连接计算机系统(6)，可通过计算机编程改变栅线的频率与方向；摄像机(1)与远心光路镜组(2)构成成像系统，可接受来自镜面物体(7)的平行反射光线进入摄像机，并透过光栅(4)拍摄到光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；摄像机(1)与计算机系统(6)相连接，能将莫尔条纹图输出至计算机系统(6)进行处理，转换成被测镜面物体表面的面形数据。
实施例二：参见图2，本同轴照明镜像莫尔测量方法利用实施例一的装置进行测量。以中心轴与光栅平面交点为原点，以光栅所在平面为x-y平面建立坐标系，x轴方向为垂直纸面向内；y轴方向竖直向上；z轴方向向右。本方法测量原理及步骤介绍如下：
第一步，装置调整：将被测镜面物体靠近放置于LCD光栅后；打开漫射光源，提供同轴照明；调整摄像机与被测镜面物体的距离，使被测镜面物体位于成像系统的景深范围之内；
第二步，数据采集步骤包括：
①通过计算机编程在LCD光栅上形成设定频率的水平方向栅线条纹，并用摄像机记录莫尔条纹图。假设点A为被测镜面上任一点。来自漫射光源的一条入射光线穿过光栅上点B被物面上点A反射，可在B’处形成虚像，同理整个光栅可在被测镜面后方形成光栅的整体虚像。平行于中心轴线的反射光线可通过远心光路镜组进入摄像机，摄像机就可透过光栅拍摄到光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图。由于栅线方向为水平方向，即与x轴平行，摄像机所拍摄镜像莫尔条纹图与被测镜面沿竖直方向即y方向的变化相关，可表示为：
其中，为莫尔条纹图像素坐标，、、分别为像素的记录光强、背景光强与调制度，为位相，为随机噪声、寄生条纹噪声及各类高频干扰的叠加噪声。
②利用计算机编程在LCD光栅上形成设定频率的竖直方向栅线条纹，并用摄像机记录莫尔条纹图；由于栅线方向为竖直方向，即与y轴平行，摄像机所拍摄镜像莫尔条纹图与被测镜面沿x方向变化相关，可表示为：
其中，、、分别为像素的记录光强、背景光强与调制度，为位相，为噪声。
③利用计算机编程在LCD光栅上形成点或线标记作为绝对位相基准，用摄像机记录基准标记镜像图像。
④再将所记录的两组莫尔条纹图和基准标记镜像图像输入至计算机系统。
第三步，数据处理：计算机系统对输入的莫尔条纹图像和基准标记图像进行分析处理，计算重建被测镜面物体的三维面形信息。
实施例三：参见图2，本同轴照明镜像莫尔测量方法按照实施例二的方法进行测量。所描述的第三步中所述的数据处理方法包含以下步骤：
①对莫尔条纹图像进行低通滤波处理，去除图像噪声与寄生栅线条纹；
②分析莫尔条纹图像，利用小波变换、短时傅里叶变换、希尔伯特-黄变换，或条纹追踪等单幅条纹图像分析技术，从莫尔条纹图中提取条纹位相；并利用基准标记图像确定0位相位置，结合位相解包裹算法计算条纹的绝对位相分布，即和；
③根据条纹绝对位相分布计算被测物面法向量分布。首先计算被测面上点的横向坐标。本同轴照明镜像莫尔测量方法中，摄像机成像平面与光栅平面平行，采用远心光路使物面任意点A的x和y坐标与像素坐标成线性关系，且不依赖z坐标，即可通过下式计算
其中，像面中心点像素坐标和比例因子为摄像机内参数，可通过摄像机标定获得。假设被测镜面与光栅之间距离为h，A点坐标为。由于摄像机接收的反射光线平行于光轴，C点坐标为。x和y方向上BC距离的投影可通过位相计算，分别为和，其中和为竖直栅线和水平栅线节距，则B点坐标为。表示入射光线方向的向量可由A点和C点坐标求出，即
其中，i、j和k分别是沿x、y、z轴的单位矢量。表示反射光线方向的向量为
被测物面A点的法向矢量n在与的角平分线上，即
④根据被测物面法向量分量、、的分布计算物面梯度分布；
⑤根据物面梯度分布，通过数值积分计算物面三维面形。
Claims (3)
1.一种同轴照明镜像莫尔测量装置，包括摄像机(1)、远心光路镜组(2)、分光镜(3)、LCD光栅(4)、漫射光源(5)与计算机系统(6)，所述的漫射光源(5)为背景照明光源；测量时，被测镜面物体(7)放置于光栅(4)后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；摄像机(1)透过光栅(4)能拍摄光栅栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；摄像机(1)与计算机系统(6)相连接，能将莫尔条纹图输出至计算机系统(6)进行处理，转换成被测物体表面的面形数据；其特征在于：采用同轴照明方式，摄像机(1)、远心光路镜组(2)、分光镜(3)、光栅(4)、和被测镜面物体(7)依次沿中心轴线同轴安装；安装中心轴线与摄像机(1)与远心光路镜组(2)的光轴重合；漫射光源(5)安装于分光镜(3)侧旁水平位置；分光镜(3)具有半透半反射性质，与中心轴线夹角成45°，可反射漫射光源(5)的照明光线至被测镜面物体(7)，形成同轴照明，为被测镜面物体(7)提供一个大的背景照明区域；LCD光栅(4)连接计算机系统(6)，可通过计算机编程改变栅线的频率与方向；摄像机(1)与远心光路镜组(2)构成成像系统，只接受来自镜面物体(7)的平行反射光线进入摄像机成像。
2.一种同轴照明镜像莫尔测量方法，采用根据权利要求1所述的同轴照明镜像莫尔测量装置进行测量，其特征在于操作步骤如下：
第一步，装置调整：将被测镜面物体(7)靠近放置于LCD光栅(4)后；打开漫射光源(5)，提供同轴照明；调整摄像机(1)与被测镜面物体(7)的距离，使被测镜面物体(7)位于成像系统的景深范围之内；
第二步，数据采集：具体步骤包括①通过计算机编程在LCD光栅(4)上形成设定频率的水平方向栅线条纹，并用摄像机(1)记录莫尔条纹图；②利用计算机编程在LCD光栅(4)上形成设定频率的竖直方向栅线条纹，并用摄像机(1)记录莫尔条纹图；③利用计算机编程在LCD光栅(4)上形成点或线标记作为绝对位相基准，用摄像机(1)记录基准标记镜像图像；④再将所记录的两组莫尔条纹图和基准标记图像输入计算机系统（6）；
第三步，数据处理：计算机系统(6)对输入的莫尔条纹图像和基准标记镜像图像进行分析处理，重建被测镜面物体(7)的三维面形信息。
3.根据权利要求2所述的同轴照明镜像莫尔测量方法，其特征在于：所描述的第三步中所述的数据处理方法包含以下步骤：①对莫尔条纹图像进行低通滤波处理，去除图像噪声与寄生栅线条纹；②分析莫尔条纹图像，并利用基准标记图像，计算条纹的绝对位相分布；③根据条纹绝对位相分布计算被测镜面法向量分布；④根据被测镜面法向量分布计算被测镜面梯度分布；⑤根据被测镜面梯度分布，通过数值积分计算被测镜面三维面形。
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