CN105865369A - 基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置和方法；其包括半导体激光器、透镜、平行平板组、CCD相机及数据处理单元。本发明采用非平行的相关光源，通过透镜和平行平板组组成的光学系统向待测量物体投影大面积干涉条纹，并由CCD相机接收经待测量物体所调制的畸变干涉条纹阵列图像，再利用数据处理单元进行图像处理，重建待测量物体表面三维轮廓，实现对待测量物体光学轮廓测量，具有快速、非接触、高精度、大面积的特点，具有广阔的应用前景。

Description

基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置和方法

技术领域

本发明属于三维面形测量技术领域，尤其涉及一种基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置和方法。

背景技术

随着计算机、信息处理、光电子技术的快速发展，光学三维测量技术得到了广泛地应用。尤其是在工业制造、产品检验、反求工程、生物医学、影视特技、文物保护等领域，三维面形测量技术具有广阔的应用前景和研究意义。光学三维测量技术因其具有快速、非接触、高精度，被公认为是最有前途的三维面形测量方法。

(1)面结构光投影

基于结构光投影的三维测量方法是现有的三维测量方法之一，其结构光是由结构光投射器经过光学结构产生可控制的光点、光条或光面结构，属于非相干光测量方法。对于面结构光投影的原理是通过系统几何关系向物体投影正弦条纹图像，由CCD相机拍摄经被测物体所调制的变形条纹图像，通过对调制相位信息进行解调，恢复重建物体三维轮廓形状。结构光方法的缺点是易受环境光干扰、镜面目标难以测量，测量面积体小等缺点。

(2)线结构光法

线结构光测量系统由线激光器、CCD相机以及被测物体组成。激光向物体投射一条光束，光束到物体表面形成一个光条，光条由于物体表面深度的变化以及可能的间隙而受到调制，表现在图像中则是光条发生畸变和不连续，畸变的程度与物体表面深度成正比。因此，将光条在被测物体上进行扫描，利用CCD相机记录光条的图像信息，通过分析光条畸变情况，可重构物体表面的三维形貌信息。线结构光法的缺点是需要进行将光条在被测物体上扫描，测量速度慢。

发明内容

本发明的发明目的是：为了解决现在技术中存在的以上问题，本发明提出了一种测量速度快、测量范围大的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置和方法。

本发明的技术方案是：一种基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置，包括：

半导体激光器，用于发射相干激光；

透镜，用于接收半导体激光器发射的相干激光并进行转换；

平行平板组，用于接收透镜转换后的光束并进行变换，将变换后的光束投射至待测量物体表面；

所述平行平板组包括与相干激光入射方向呈夹角放置的第一平行平板和与相干激光入射方向垂直放置的第二平行平板；

CCD相机，用于接收待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像；

及数据处理单元，用于对CCD相机接收到的干涉条纹阵列图像进行处理，完成待测量物体光学轮廓测量。

进一步地，所述相干激光入射方向平行于透镜主光轴。

进一步地，所述相干激光和透镜转换后的光束均为高斯光束。

进一步地，所述平行平板组接收透镜转换后的光束并进行变换，将变换后的光束投射至待测量物体表面具体为：透镜转换后的光束穿过第一平行平板后投射在第二平行平板，经第二平行平板的两个表面反射后再由第一平行平板的一个表面进行反射，从而投射至待测量物体表面。

进一步地，所述CCD相机的镜头设置有光学滤波片。

本发明还提出了一种应用权利要求1中所述装置的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量方法，包括以下步骤：

A、利用本发明的所述装置，采用锁定成像方法获取待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像；

B、依次提取步骤A中得到的干涉条纹阵列图像中一条干涉条纹的信息参数，并对该条干涉条纹进行畸变校正处理；

C、对步骤B中畸变校正处理后的干涉条纹进行细化处理，得到干涉条纹像素骨架；

D、判断所有干涉条纹是否均已细化处理；若是，则根据所有干涉条纹像素骨架提取待测量物体的高度信息，实现对待测量物体光学轮廓测量；若否，则返回步骤B。

本发明的有益效果是：本发明采用非平行的相关光源，通过透镜和平行平板组组成的光学系统向待测量物体投影大面积干涉条纹，并由CCD相机接收经待测量物体所调制的畸变干涉条纹阵列图像，再利用数据处理单元进行图像处理，重建待测量物体表面三维轮廓，实现对待测量物体光学轮廓测量，具有快速、非接触、高精度、大面积的特点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置结构示意图。

图2是本发明的透镜对高斯光束转换示意图。

图3是本发明的第二平行平板对高斯光束转换示意图。

图4是本发明的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量方法流程示意图。

图5是本发明实施例中的干涉条纹阵列图像示意图。

图6是本发明实施例中的干涉条纹阵列图像局部放大示意图。

图7是本发明实施例中进行图像处理后的干涉条纹阵列示意图。

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。

如图1所示，为本发明的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置结构示意图。本发明的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置，包括：

半导体激光器1，用于发射相干激光；

透镜2，用于接收半导体激光器发射的相干激光并进行转换；

平行平板组，用于接收透镜转换后的光束并进行变换，将变换后的光束投射至待测量物体表面；

所述平行平板组包括与相干激光入射方向呈夹角放置的第一平行平板3和与相干激光入射方向垂直放置的第二平行平板4；

CCD相机5，用于接收待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像；

及数据处理单元6，用于对CCD相机5接收到的干涉条纹阵列图像进行处理，完成待测量物体光学轮廓测量。

本发明的半导体激光器1采用大功率非平行的相干光源，用于发射相干激光，具有体积小、寿命长的优点，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其光学谐振腔是介质波导腔，振荡模式是介质波导模。当采用半导体激光器1作为光源时，相干激光作为高斯光束来处理。对沿z轴方向传播的基模高斯光束，均可表示为如下的一般形式：

其中，

c为常数因子，w₀为基膜高斯光束的腰斑半径，f为高斯光束的共焦参数，R(z)为与传播曲线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径，w(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面上的光斑半径。

如图2所示，为本发明的透镜对高斯光束转换示意图。本发明的透镜2用于接收半导体激光器1发射的相干激光并进行转换，半导体激光器1发射的相干激光入射方向平行于透镜2主光轴。M1表示高斯光束入射在透镜2表面上的波面，M2表示高斯光束穿过透镜2出射的波面，由于高斯光束的等相位面为球面，经透镜2后背转换成为另一球面波面M2而出射，由于透镜2很薄，所以在紧挨透镜2的两方的波面M1及M2上的光斑大小及光强分布都应该完全一样，即w₁＝w₂。因此高斯光束经过透镜2变换后得到具有高斯型强度分布的另一球面波面，出射光束继续传输时仍为高斯光束。

本发明的平行平板组包括与相干激光入射方向呈夹角放置的第一平行平板3和与相干激光入射方向垂直放置的第二平行平板4，用于接收透镜2转换后的光束并进行变换，将变换后的光束投射至待测量物体表面；具体为透镜2转换后的光束穿过第一平行平板3后投射在第二平行平板4，经第二平行平板4的两个表面反射后再由第一平行平板3的一个表面进行反射，从而投射至待测量物体表面。第一平行平板3和第二平行平板4均为光学平行平板，第一平行平板3包含A、B两个平行表面，第二平行平板4包含C、D两个平行表面；第一平行平板3设置在透镜2的出射光路上，高斯光束通过其A表面入射，再由其B表面出射；第二平行平板4设置在第一平行平板3的出射光路上，高斯光束投射在其C表面，一部分高斯光束直接反射，另一部分高斯光束通过C表面入射，再由其D表面反射后通过C表面出射，从而将高斯光束分裂为两个近似球波面，在两个球面波重叠区域产生大面积细密的平行干涉条纹阵列。

如图3所示，为本发明的第二平行平板对高斯光束转换示意图，w₁(z)，w₂(z)，w₃(z)分别是入射光高斯光束，C表面直接反射的反射光高斯光束，经过D表面反射后的反射光高斯光束；M₁，M₂，M₃分别是入射光的波阵面，C表面直接反射的反射光波阵面，经过D表面反射后的反射光波阵面；O，O′，O″分别是入射光高斯光束z＝0处的中心，C表面直接反射的反射光高斯光束z′＝0处的中心，经过D表面反射后的反射光高斯光束z″＝0处的中心；R₁(z)，R₂(z)，R₃(z)分别是入射光的高斯光束等相位面的曲率半径，C表面直接反射的反射光的高斯光束等相位面的曲率半径，经过D表面反射后的反射光的高斯光束等相位面的曲率半径。C表面直接反射的高斯光束和经过D表面反射后的高斯光束都经过第一平行平板3的B表面反射并投射至待测量物体表面，从而产生经待测量物体所调制的大面积畸变干涉条纹阵列图像。

本发明的CCD相机5用于接收待测量物体反射其表面形成的干涉条纹阵列图像，其镜头设置有光学滤波片，能够有效的滤除大量环境光，同时采用激光锁定成像方法消除环境光并增强微弱激光信号，使得测量精度得到明显提高。

本发明的数据处理单元6采用安装有图形处理软件的计算机，其用于对CCD相机5接收到的干涉条纹阵列图像进行处理，完成待测量物体光学轮廓测量；具体为根据干涉条纹阵列图像提取待测量物体高度信息图像，通过定量分析畸变条纹的畸变程度，得到待测量物体高度信息，从而完成待测量物体光学轮廓测量。

为了对本发明的技术方案作进行进一步详细说明，本发明还提出了一种应用权利要求1中所述装置的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量方法。如图4所示，为本发明的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量方法流程示意图，包括以下步骤：

A、利用本发明的所述装置，采用锁定成像方法获取待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像；

B、依次提取步骤A中得到的干涉条纹阵列图像中一条干涉条纹的信息参数，并对该条干涉条纹进行畸变校正处理；

C、对步骤B中畸变校正处理后的干涉条纹进行细化处理，得到干涉条纹像素骨架；

D、判断所有干涉条纹是否均已细化处理；若是，则根据所有干涉条纹像素骨架提取待测量物体的高度信息，实现对待测量物体光学轮廓测量；若否，则返回步骤B。

在步骤A中，利用本发明的基于双波面干涉条纹阵列的大面积光学轮廓测量装置，采用激光锁定成像方法获取待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像，这里的干涉条纹阵列图像为经待测量物体所调制的畸变图像。如图5所示，为本发明实施例中的干涉条纹阵列图像示意图。如图6所示，为本发明实施例中的干涉条纹阵列图像局部放大示意图。

在步骤B中，本发明分别依次提取步骤A中得到的干涉条纹阵列图像中的每一条干涉条纹的信息参数，并对所提取的该条干涉条纹进行畸变校正处理。

在步骤C中，对步骤B中所提取的干涉条纹再进行细化处理，获取该干涉条纹的单像素轮廓线，从而得到干涉条纹像素骨架。如图7所示，为本发明实施例中进行图像处理后的干涉条纹阵列示意图。

在步骤D中，本发明需要对步骤A中的干涉条纹阵列图像中的每一条干涉条纹进行处理，因此需要判断干涉条纹阵列图像中所有干涉条纹是否均已细化处理；若所有干涉条纹均已进行细化处理后，即得到了所有干涉条纹的像素骨架，则根据所有干涉条纹像素骨架提取待测量物体的高度信息，实现对待测量物体光学轮廓测量；若不是所有干涉条纹均已进行细化处理，即还有干涉条纹未进行细化处理，则返回步骤B，重新提取未进行处理的干涉条纹。由于待测量物体的3D轮廓是一系列2D轮廓线的集合，因此本发明对每一条激光条纹获取2D轮廓线，再沿光轴方向排列若干条轮廓线即构成待测量物体表面3D轮廓网。

本发明采用大面积的干涉阵列进行投影，因此具有测量范围大、测量精度高的特点，大大提高了系统的实用性和可靠性，在CCD相机所拍摄的范围内都能复原物体表面的三维轮廓，因此测量速度快，故具有良好的发展前景。

本方案的实验结果可清楚的看到清晰的干涉条纹阵列，所获得干涉阵列条纹具有面积大，条纹间距小的特点，

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置，其特征在于，包括：

半导体激光器，用于发射相干激光；

透镜，用于接收半导体激光器发射的相干激光并进行转换；

平行平板组，用于接收透镜转换后的光束并进行变换，将变换后的光束投射至待测量物体表面；

所述平行平板组包括与相干激光入射方向呈夹角放置的第一平行平板和与相干激光入射方向垂直放置的第二平行平板；

CCD相机，用于接收待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像；

及数据处理单元，用于对CCD相机接收到的干涉条纹阵列图像进行处理，完成待测量物体光学轮廓测量。

2.如权利要求1所述的基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置，其特征在于，所述相干激光入射方向平行于透镜主光轴。

3.如权利要求2所述的基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置，其特征在于，所述相干激光和透镜转换后的光束均为高斯光束。

4.如权利要求3所述的基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置，其特征在于，所述平行平板组接收透镜转换后的光束并进行变换，将变换后的光束投射至待测量物体表面具体为：透镜转换后的光束穿过第一平行平板后投射在第二平行平板，经第二平行平板的两个表面反射后再由第一平行平板的一个表面进行反射，从而投射至待测量物体表面。

5.如权利要求4所述的基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量装置，其特征在于，所述CCD相机的镜头设置有光学滤波片。

6.一种应用权利要求1中所述装置的基于双波面干涉条纹阵列大面积光学轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、利用如权利要求1中所述装置，采用锁定成像方法获取待测量物体表面形成的干涉条纹阵列图像；

B、依次提取步骤A中得到的干涉条纹阵列图像中一条干涉条纹的信息参数，并对该条干涉条纹进行畸变校正处理；

C、对步骤B中畸变校正处理后的干涉条纹进行细化处理，得到干涉条纹像素骨架；

D、判断所有干涉条纹是否均已细化处理；若是，则根据所有干涉条纹像素骨架提取待测量物体的高度信息，实现对待测量物体光学轮廓测量；若否，则返回步骤B。