CN106813596B - 一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，依次包括下述步骤：第一步：将被测物体置于测量空间，开启光源，并使用摄像机记录产生的条纹图；第二步：运用精密位移台以预定义的距离等步长移动光栅两次，并记录每次移动后产生的条纹图；第三步：对采集的条纹图进行预处理：运用条纹降噪的方法去除图像中的高频噪音信号；第四步：对条纹图信号的相位进行解调处理；第五步：运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开；第六步：根据解算的相位和测量灵敏度利用下式进行相位‑高度映射，完成本次测量任务。本发明的测量方法仅需要测量三帧条纹图，节约了测量时间，本发明测量方法的计算过程准确、方便。

Description

一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种应用三帧条纹图的相移阴影莫尔三维轮廓测量方法。

背景技术

阴影莫尔三维轮廓测量技术是一种全场、非接触的光学三维轮廓测量方法,自1970年提出以来，已广泛应用于人体测量、晶圆表面检测、BGA共面度测试、自动生产、航空工业等领域。

早期的阴影莫尔技术主要基于莫尔等高线法。莫尔等高线法简单直观，但不能有效利用条纹间距的灰度级信息，其测量灵敏度仅限一个条纹间距。

基于傅立叶的阴影莫尔方法通过倾斜被测物体为测量视场引入载频，然后通过傅里叶变换技术获得测量相位。然而该方法已受衍射影响：若倾斜角较大,受衍射的影响(假定主光栅的周期≥0.1mm)，此时产生的莫尔条纹图对比度会随物体和光栅间距的增加而减小。这使得条纹图光强分布不均匀；若倾斜角太小,引入的载频过小，这样在一些实验中，又不能有效进行不同频率信号的分离。

相比之下,相移法阴影莫尔技术测量方法简单，且是一种自动的解调方法。基本原理是：通过在时域改变实验参数，引起测量光场的相位变化，同时使用摄像机记录并存储该变化，进而运用计算机程序逐点地分析，实现测量相位自动解调。相移技术可以充分利用条纹图中的灰度信息，提高了测量分辨力，其过程主要包括相位解调、相位去包裹、测量灵敏度标定和相位-高度映射等。

传统上，测量灵敏度通常依赖已知高度分布标定块进行标定。该过程需要制作标定块，因此费时费力。Dirckx等首次提出了一种仅依赖莫尔测量装置自身的标定方法。在Dirckx方法中，通过移动物体，使得测量视场产生时域光强变化，进而通过分析某一观测点光强与物体移动距离曲线的周期获得即测量灵敏度。Dirckx方法简单、易行，但周期确定麻烦，而且随着应用领域对阴影莫尔技术测量精度要求的提高，传统的阴影技术需要发展成为高灵敏度阴影莫尔技术。在其系统中，细光栅(光栅周期范围为：0.2mm:0.025mm)得到了应用。此时，测量装置的动态范围受泰伯效应影响明显减小。因此应用Dirckx方法时，物体极易移出测量装置的动态范围。最近，提出了一种基于主量分析法的阴影莫尔测量灵敏度标定方法能方便的确定光强变化周期。然而该方法需要相位解包裹，而且在应用中要求引入的相移量分布在[0,2π]范围内。因此缺乏灵活性。

在相位解调方面，受阴影莫尔技术相位-高度非线性影响，相移阴影莫尔视场无法引入一个全局的相移。如果应用传统的三步相移技术，但需要忽略相位-高度非线性关系，近似实现全场相移。从而致使相移技术无法得到精确解。

近年来，基于较少帧条纹图的相移算法得到了较大的发展。其中Vargas等提出的克莱姆正交化二帧算法，解调速度快，测量精度得到了广泛的应用。然而该方法的精度受条纹图背景去除精度影响较大。最近Wang等提出了一种正则化条纹图差的方法对其进行了改进，并通过实验证明了该方法的有效性。须提及的是，尽管Wang的算法可以减少条纹图背景对解调结果的影响，但是该方法的解调结果相对测量相位有一个位移。因此在高度测量场合产生了问题。

发明内容

一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，以改善现有的相移阴影莫尔物体三维轮廓光学测量装置工件测量的精度，节约测量时间，计算过程准确、方便。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，其特征在于:依次包括下述步骤：

第一步：将被测物体置于测量空间，开启光源，并使用摄像机记录产生的条纹图；

第二步：运用精密位移台以预定义的距离等步长移动光栅两次，并记录每次移动后产生的条纹图；

第三步：对采集的条纹图进行预处理：运用条纹降噪的方法去除图像中的高频噪音信号；

第四步：对条纹图信号的相位进行解调处理：

设A(x,y)为背景，B(x,y)为调制项，φ(x,y)为相位，δ为相移，n为时域条纹序号，则摄取的条纹图光强分别可表述为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+nδ],(n＝0,1,2) (1)

为了表述清晰，下面的推导过程省略坐标项(x,y)。

首先应用运用条纹互减去除背景项，得到的新条纹表述为：

进一步对新条纹进行加、减运算得：

显然(3)式振幅不等，因此对其进行正则化，并约掉常数项得：

式中代表了矩阵范数运算，其中，m、n为条纹图大小。采集的条纹图中条纹数目大于1，根据三角函数积分计算特点知，上述矩阵范数近似相等,因此可得：

进而，得：

θ＝φ+δ/2＝arctan(I_N1/I_N0) (6)

将(6)式带入(3)式，得：

δ＝arctan[I_s·tan(I_N1/I_N0)/I_a] (7)

因此得测量相位为：

φ＝θ-δ (8)

上式中参数分别表示：l为光源-CCD平面与参考光栅的距离、d为光源与CCD的距离、Δl为相移时光栅移动距离和p光栅常数；

第五步：运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开；

第六步：根据解算的相位和测量灵敏度利用下式进行相位-高度映射，完成本次测量任务。

设测量系统灵敏度为s,根据阴影莫尔相位-高度映射关系得：

上述测量方法的步骤2中所说的预定距离为0.001mm。

本发明提出一种基于自标定、正交相位解调的阴影莫尔三维传感技术。该方法通过电动位移台移动光栅两次，获得三帧相移条纹图，运用条纹间差运算去除条纹图背景，产生两帧新条纹图，然后加、减运算的方法产生的新条纹，并利用克莱姆正交化方法对新条纹进行规范化处理，进而解算出相移。与现有技术相比，本发明的优点是：

1、传统方法需要采集较多帧(如，16帧)相移条纹图，然后根据给定点光强变化的周期确定测量灵敏度，其过程费时费力，本专利的方法仅需要三帧条纹图，因此节约了测量时间。

2、本专利方法中灵敏度的确定采用解析的方法，灵敏度确定过程采用具体的公式计算，而不是传统标定方法中设计程序寻找特征点的数值分析方法，因此计算过程准确、方便。

3、本专利的方法采用分析相移条纹图的方法标定测量灵敏度，因此可在相位解调过程中同时解算测量灵敏度，无须额外进行灵敏度标定工作及设计相移装置，具有自标定的特点。

4、该方法将为精密零件表面轮廓三维快速表征开拓新途径，有望实现IC电路硅基底表面平整度检测，可以大大简化相移阴影莫尔三维轮廓测量的技术水平。

5、应用要求低：该方法不需要光源的一致性，对环境要求低，适用于工业场合的测量需要。可以自动、高精度完成被测物体表面形貌测量，为实现工况下关键零部件变形检测等打下基础。

附图说明：

图1是本发明测量装置结构图；

图2是本发明测量原理图；

图3是本发明进行测量时的虚拟仪器界面示意图，其中：图3(a)，摄像机实时图；图3(b)，记录的相移条纹图；图3(c),包裹相图；图3(d)，去包裹相图；图3(e)，测量结果；图3(f)，截取部分测量结果；

图中，1-线光源，2-CCD摄像机，3-电动位移台，4-光栅，5-被测物品。

具体实施方式

实施例1：

参见图1和图2，本发明所用装置为常规的装置，包括CCD摄像机2、线光源1、光栅4和电动位移台3，CCD摄像机2的光轴垂直于光栅面，CCD摄像机2和线光源1的光源中心置于距离光栅4所在平面L的距离，线光源1与CCD摄像机1中心距离为d。

测量时，被测物品5设置于测量位置上。一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，依次包括下述步骤：

第一步：将被测物体置于测量空间，开启光源，并使用摄像机记录产生的条纹图，具体地说，就是将工件置于测量空间，通过虚拟仪器界面进行初始化，如调节摄像机的亮度、饱和度等，同时开启光源照射测量光栅，在物体表面产生条纹图，然后控制摄像机摄取并存储光场变化，便得到了用于解调物体表面形貌的相移条纹图；

第二步：运用精密位移台以预定义的距离等步长移动光栅两次，并记录每次移动后产生的相移条纹图，本实施例中所采用的预定义距离为0.001mm；

第三步：对采集的条纹图进行预处理：运用条纹降噪的方法去除图像中的高频噪音信号；

第四步：对条纹图信号的相位进行解调处理：

假设A(x,y)为背景，B(x,y)为调制项，φ(x,y)为相位，δ为相移，n为时域条纹序号，则摄取的条纹图光强分别可表述为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+nδ],(n＝0,1,2) (1)

为了表述清晰，下面的推导过程省略坐标项(x,y)。

首先应用运用条纹互减去除背景项，得到的新条纹表述为：

进一步对新条纹进行加、减运算得：

显然(3)式振幅不等，因此对其进行正则化，并约掉常数项得：

式中代表了矩阵范数运算，其中，m、n为条纹图大小。一般地，采集的条纹图中条纹数目大于1，根据三角函数积分计算特点知，上述矩阵范数近似相等。因此可得：

进而，得：

θ＝φ＋δ/2＝arctan(IN1/IN0) (6)

将(6)式带入(3)式，得：

δ＝arctan[I_s·tan(I_N1/I_N0)/I_a] (7)

因此得测量相位为：

设测量系统灵敏度为s,根据阴影莫尔相位-高度映射关系得：

上式中参数分别表示：l为光源-CCD平面与参考光栅的距离、d为光源与CCD的距离、Δl为相移时光栅移动距离和p光栅常数。；

第五步：运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开；

第六步：根据解算的相位和测量灵敏度进行相位-高度映射，完成本次测量任务。

本发明的方法可采用Labview平台将光栅位置调整、光源控制、条纹图产生、采集和数据处理等环节集成在虚拟仪器环境中，构建阴影莫尔三维轮廓虚拟测量仪器。整个测量过程集成起来，可有效实现测量过程控制与操作自动化、便捷化。

测量时，首先将物体置于测量空间，先通过虚拟仪器界面进行初始化，如调节摄像机的亮度、饱和度等，然后开启单色光源照射测量光栅，物体表面产生变形光栅，并与测量光栅交叠产生莫尔条纹图。通过移动光栅引起测量视场莫尔条纹图的相位变化，然后运用摄像机记录两次视场条纹图变化，解调时应用相移技术提取测量视场的相位及引入的相移，进而根据相移解算测量灵敏度，将绝对相位映射至高度空间。

测量系统设计的自动工作流程为：

开始→开启光源→摄像机初始化→采集初始条纹图→记录条纹图→移动光栅产生相移→记录条纹图→再次移动光栅相移→记录条纹图→条纹预处理→信息处理→输出结果。

虚拟仪器界面参见图3，图中：(a)，摄像机实时图；(b)，记录的相移条纹图；(c),包裹相图；(d)，去包裹相图；(e)，测量结果；(f)，截取部分测量结果。

Claims (2)

1.一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，其特征在于:依次包括下述步骤：

第一步：将被测物体置于测量空间，开启光源，并使用摄像机记录产生的条纹图；

第二步：运用精密位移台以预定义的距离等步长移动光栅两次，并记录每次移动后产生的条纹图；

第三步：对采集的条纹图进行预处理：运用条纹降噪的方法去除图像中的高频噪音信号；

第四步：对条纹图信号的相位进行解调处理：

设A(x,y)为背景，B(x,y)为调制项，φ(x,y)为相位，δ为相移，n为时域条纹序号，则摄取的条纹图光强分别可表述为：

I_n(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+nδ],(n＝0,1,2) (1)

为了表述清晰，下面的推导过程省略坐标项(x,y)；

首先应用运用条纹互减去除背景项，得到的新条纹表述为：

进一步对新条纹进行加、减运算得：

显然(3)式振幅不等，因此对其进行正则化，并约掉常数项得：

式中代表了矩阵范数运算，其中，m、n为条纹图大小；采集的条纹图中条纹数目大于1，根据三角函数积分计算特点知，上述矩阵范数近似相等,因此可得：

进而，得：

θ＝φ+δ/2＝arctan(I_N1/I_N0) (6)

将(6)式带入(3)式，得：

δ＝arctan[I_s·tan(I_N1/I_N0)/I_a] (7)

因此得测量相位为：

φ＝θ-δ (8)

第五步：运用去包裹方法对第四步得到的测量相位进行相位展开；

第六步：根据解算的相位和测量灵敏度利用下式进行相位-高度映射，完成本次测量任务；

设测量系统灵敏度为s,根据阴影莫尔相位-高度映射关系得：

上式中参数分别表示：l为光源-CCD平面与参考光栅的距离、d为光源与CCD的距离、△l为相移时光栅移动距离和p光栅常数。

2.根据权利要求1所述的自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，其特征在于:所述测量方法的第二步中所说的预定距离为0.001mm。