CN103727897B - 类镜面表面测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开本发明提供了一种类镜面表面测试方法，属于测量技术领域。它解决了现有的类镜面测试方法测试成本高的问题。本发明类镜面表面测试方法其包括：在显示屏上显示余弦条纹，将CCD分别沿被测物体表面X轴和Y轴方向移动移动以获得每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图，比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值，通过相位变化值得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率，通过对斜率求解积分得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的初始高度分布值。本发明不需要设置辅助反射镜与干涉仪，在测试时仅需要一个CCD摄像机即可而且不需要对CCD摄像机进行标定，有效地降低了测量成本，简化了系统结构。本发明还提供一种类镜面表面测试装置。

Description

类镜面表面测试方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种类镜面的三维曲面测试方法及装置。

背景技术

光学三维曲面测量技术以其高精度、高效率和非接触性等优点已被广泛应用于高速检测、产品开发、质量控制、反求工程以及CAD/CAM等领域。在工程中,特别是在现代制造业，存在大量表面为类镜面的物体需要测量，例如，汽车工业中的非球面镜、喷漆打蜡后的车身表面、抛光模具表面，建筑陶瓷行业中的瓷砖表面等，该些物体表面均具有类镜面的反射性质。

目前，对于类镜面表面的测量，尤其是对深度类镜面表面的测量非常困难，其主要原因是：一、类镜面表面不具有漫反射特性，对于类镜面表面测量不能采用已成熟的条纹投影轮廓技术；二、现有的类镜面表面测量需要复杂的光学系统，比如采用计算全息光学元件对波面进行补偿，一个具体地例子是，在对抛物面镜表面进行测量时，一般采用相移式干涉仪辅助反射镜完成。这种方法具有很高的精度，但在测量过程中需要一块与被检测元件尺寸相同或更大的辅助反射镜,而这样一个高精度反射镜的加工难度大,制造成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的就是针对现有技术的不足，提出一种成本较低、测试精度高的类镜面表面测试方法及类镜面表面测试。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种类镜面表面的测试方法，其包括步骤：

S1：在显示屏上显示余弦条纹；将CCD分别沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动多次并记录每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图；

S2：比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值

S3：将相位变化值代入公式：

中，得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率；

其中，α表示CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；P表示一副余弦条纹图中相邻条纹间距；L表示被测物体与显示屏的垂直距离；

S4：对X方向和Y方向的斜率分别求解积分，得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的初始高度分布值，X和Y方向初始高度分布值即可表征被测物体类镜面表面的形态。

进一步地，步骤S1中，显示屏与CCD处于同一水平位置。

进一步地，步骤S2中，通过比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图的光强分布得到相位变化值其中光强分布I(x,y)与相位变化值的关系式为：

a为零频背景光强度，b为余弦条纹的振幅，P为相邻条纹间距。

进一步地，步骤S1中，CCD分别沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向各移动四次，记录X方向四个移动位置移动前后的余弦条纹图和Y方向四个移动位置移动前后的余弦条纹图。

进一步地，对步骤S4中获得的被测物体类镜面表面X和Y方向的初始高度分布值乘以常数K后得到被测物体类镜面表面的实际高度分布值，其中K=R*δ，R表示CCD影像解析度，δ表示影像像素。

本发明还提供一种类镜面表面测试装置，其包括：

显示装置，用于显示余弦条纹；

CCD，与所述显示装置相同水平高度放置，所述CCD用于沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动多次并记录每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图；

处理系统，用于比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值将相位变化值通过公式计算得出被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率，对X方向和Y方向的表面斜率分别求解积分后得到被测物体类镜面表面的X和Y方向的初始高度分布值；其中α表示CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；P表示相邻条纹间距；L表示被测物体与显示屏的垂直距离。

进一步地，所述CCD还根据每一移动位置移动前后的余弦条纹图获得每一移动位置的光强分布I(x,y)，所述处理系统根据该光强分布I(x,y)获得相位变化值所述光强分布I(x,y)与相位变化值的关系式为：

a为背景光强度，b为振幅，P为相邻条纹间距。

进一步地，所述处理系统还将被测物体类镜面表面X和Y方向的初始高度分布值乘以常数K后得到被测物体类镜面表面X和Y方向的实际高度分布值，其中K=R*δ，R表示CCD影像解析度，δ表示影像像素。

本发明通过利用CCD在被测物体类镜面表面多个位置移动以获得移动前后的余弦条纹图，通过该余弦条纹图结合相移法得到被测物体表面各点的斜率信息并通过积分同时得到被测物体表面各点的坐标信息从而能够精确地得出被测物体类镜面表面的参数值。本发明不需要设置辅助反射镜与干涉仪，在测试时仅需要一个CCD摄像机即可而且不需要对CCD摄像机进行标定，有效地降低了测量成本，简化了系统结构，能更加方便灵活地测量各类类镜面表面。并且本发明有较好的抗噪性能,在噪声较大的情况下，仍能对类镜面表面进行测量。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例中类镜面表面测试方法的流程图；

图2为由CCD获取被测物体类镜面表面条纹偏移量的计算方法图；

图3为本发明一较佳实施例中类镜面表面测试装置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1，图1为本发明一较佳实施例中类镜面表面测试方法的流程图。图1中，类镜面表面测试方法包括步骤：

S1：在显示屏上显示余弦条纹；将CCD分别沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动多次并记录每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图。

由于被测物体表面为类镜面，也就是为非平面，因此被测物体表面各处的斜率和高度存在偏差。将CCD分别沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动并每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图就可得知被测物体表面各处因为斜率变化和高度变化带来的条纹偏移量。通过分析条纹偏移量反推出被测物体类镜面表面的各项参数。

下面通过分析X轴方向被测物体表面斜率和高度的变化带来的条纹偏移量的计算。同理可以得出Y轴方向被测物体表面斜率和高度的变化带来的条纹偏移量。

首先描述由于被测物体类镜面表面高度变化带来的条纹偏移量的计算。

由CCD获取被测物体类镜面表面条纹偏移量的具体方法如图2所示。图2中，CCD10以α角度获取被测物体表面的影像，α即CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；CCD移动前摄取的余弦条纹图对应的被测物体表面设为第一镜面11，CCD移动后摄取的余弦条纹图对应的被测物体表面设为第二镜面12。第一镜面11和第二镜面12之间的高度差设为h，显示屏与被测物体表面的垂直距离设为L。

当CCD以固定角度α拍摄第一镜面11，第一镜面11对应于显示屏余弦条纹图中的A点，当CCD移动后以仍以固定角度α拍摄第二镜面12时，第二镜面12对应于显示屏余弦条纹图中的B点，即由于第一镜面11和第二镜面12之间的高度差h使得余弦条纹具有条纹偏离量dAB，条纹偏离量dAB与高度差h的几何关系为：

d_AB=2h·tanα （1）

接下来描述由于被测物体类镜面表面斜率变化带来的条纹偏移量的计算。

请继续参照图2，当CCD移动后以仍以固定角度α拍摄第二镜面12时，此时由于第二镜面12还存在斜率变化θ，此斜率变化在反射时会造成2θ的角度偏移，此角度偏移会使第二镜面12对应于余弦条纹图中的B点偏移至C点，其偏移距离为dBC，dAB可由如下关系式表示：

d_BC=(L-h)[tan(α+2θ)-tan(α)] （2）

由式（1）和式（2）可知，由于高度差h以及斜率变化θ在X方向所造成的的总偏移量dX为：

dx=(L-h)[tan(α+2θ)-tan(α)]-2htan(α) （3）

若显示屏与被测物体表面的垂直距离L远大于被测物体表面的高度差，则可将式（3）简化为：

dx=L[tan(α+2θ)-tan(α)] （4）

利用合角公式将式（4）整理后可以得到：

$\mathrm{dx}=\frac{L\tan \left(2\mathrm{\θ}\right)\·{\sec }^2\left(\mathrm{\α}\right)}{1-\tan \left(\mathrm{\α}\right)\·\tan \left(2\mathrm{\θ}\right)}---\left(5\right)$

若θ在2.5度以内，且tan(α)·tan(2θ)<<1，因此可以将式（5）简化为

dx=2Lθ·sec²(α) （6）

S2：比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值

相位变化值可通过计算机程序直接获取。优选地，相位变化值通过比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图的光强分布得到。

假如物体表面为完美平面，则条纹影像的光强分布为一个余弦函数，因此由CCD摄取到的条纹影像的光强分布为

$I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)\cos (\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p}\&CenterDot;x)---\left(7\right)$

其中，a为背景光强度，b为振幅，P为相邻条纹间距。

若物体表面有斜率变化时，此斜率变化会造成条纹的变形，变形后的条纹的光强分布可以表示为：

即条纹变形所产生的相位变化值。

S3：将相位变化值代入公式：

中，得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率；

其中，α表示CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；P表示相邻条纹间距；L表示被测物体与显示屏的垂直距离。

通过如下方式得出：

相位变化值的单位为为弧度（rad），其相位变化值与长度单位之间的关系为：

将式（6）代入式（9）可得到：

将式（10）移项整理后即可得到

S4：对X方向和Y方向的斜率分别求解积分，得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的初始高度分布值，X和Y方向的初始高度分布值即可表征被测物体类镜面表面的形态。

具体地，对X方向斜率求解积分的公式如下：

h(x,y)=∫θ(x,y)dx

同理可得出对Y方向斜率求解积分的公式。

另外，由于CCD存在像素和解析度，由计算机得出的X和Y方向的初始高度分布值虽然已可以表征被测物体类镜面表面的形态，但是当需要获得被测物体类镜面表面的实际形态的参数值时还需要考虑CCD的像素和解析度。将步骤S4中获得的初始高度分布值乘以常数K即可获得被测物体类镜面表面的实际形态的参数值，其中K=R*δ，R表示CCD影像解析度，δ表示影像像素。

本发明还提供一种类镜面表面的测试装置，装置示意图如图3所示。图3中，类镜面表面的测试装置包括：

显示装置100，用于显示余弦条纹；

CCD200，与所述显示装置100相同水平高度放置，所述CCD用于沿被测物体300类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动多次并记录每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图；

处理系统400，用于比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值将相位变化值通过公式计算得出被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率，对X方向和Y方向的表面斜率分别求解积分后得到被测物体类镜面表面的X和Y方向的初始高度分布值；其中α表示CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；P表示相邻条纹间距；L表示被测物体与显示屏的垂直距离。

优选地，所述CCD200还根据每一移动位置移动前后的余弦条纹图获得每一移动位置的光强分布I(x,y)，所述处理系统400根据该光强分布I(x,y)获得相位变化值所述光强分布I(x,y)与相位变化值的关系式为：

a为背景光强度，b为振幅，P为相邻条纹间距。

优选地，所述处理系统还将被测物体类镜面表面X和Y方向的初始高度分布值乘以常数K后得到被测物体类镜面表面X和Y方向的实际高度分布值，其中K=R*δ，R表示CCD影像解析度，δ表示影像像素。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种类镜面表面的测试方法，其特征在于，包括步骤：

S1：在显示屏上显示余弦条纹；将CCD分别沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动多次并记录每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图；

S2：比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值

S3：将相位变化值代入公式：中，得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率；

其中，α表示CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；P表示相邻条纹间距；L表示被测物体与显示屏的垂直距离；

S4：对X方向和Y方向的斜率分别求解积分，得到被测物体类镜面表面X方向和Y方向的初始高度分布值，X和Y方向初始高度分布值即可表征被测物体类镜面表面的形态。

2.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤S1中，显示屏与CCD处于同一水平位置。

3.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤S2中，通过比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图的光强分布得到相位变化值其中光强分布I(x,y)与相位变化值的关系式为：

a为背景光强度，b为振幅，P为相邻条纹间距。

4.如权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤S1中，CCD分别沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向各移动四次，记录X方向四个移动位置移动前后的余弦条纹图和Y方向四个移动位置移动前后的余弦条纹图。

5.如权利要求1至4任一项所述的测试方法，其特征在于，对步骤S4中获得的被测物体类镜面表面X和Y方向的初始高度分布值乘以常数K后得到被测物体类镜面表面的实际高度分布值，其中K＝R*δ，R表示CCD影像解析度，δ表示影像像素。

6.一种类镜面表面测试装置，其特征在于，包括：

显示装置，用于显示余弦条纹；

CCD，与所述显示装置相同水平高度放置，所述CCD用于沿被测物体类镜面表面X轴方向和Y轴方向移动多次并记录每一移动位置移动前后CCD摄取的余弦条纹图；

处理系统，用于比较每一移动位置移动前后的余弦条纹图以获得相位变化值将相位变化值通过公式计算得出被测物体类镜面表面X方向和Y方向的表面斜率，对X方向和Y方向的表面斜率分别求解积分后得到被测物体类镜面表面的X和Y方向的初始高度分布值；其中α表示CCD中轴线与被测物体类镜面表面法线方向的夹角；P表示相邻条纹间距；L表示被测物体与显示屏的垂直距离。

7.如权利要求6所述的测试装置，其特征在于，所述CCD还根据每一移动位置移动前后的余弦条纹图获得每一移动位置的光强分布I(x,y)，所述处理系统根据该光强分布I(x,y)获得相位变化值所述光强分布I(x,y)与相位变化值的关系式为：a为背景光强度，b为振幅，P为相邻条纹间距。

8.如权利要求6或7所述的测试装置，其特征在于，所述处理系统还将被测物体类镜面表面X和Y方向的初始高度分布值乘以常数K后得到被测物体类镜面表面X和Y方向的实际高度分布值，其中K＝R*δ，R表示CCD影像解析度，δ表示影像像素。