CN109373927A - 一种彩色共焦三维形貌测量方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及彩色共焦三维形貌测量方法与系统，采用的是复色光源，通过轴向色散来获得波长颜色和位移的关系，可以避免轴向扫描带来的耗时问题，提高了测量速度；通过小孔滤除非焦平面的杂散信号，获取位于焦平面的锐利信号，具有很高的轴向分辨率；采用彩色相机作为数据接收端，一次拍照即可获取视场内被测物表面全部的高度信息，提高了测量速度，尤其适用于彩色共焦并行扫描系统。本发明的实施，仅需一次成像即可完成对被测物点的高度信息提取，结合二维位移系统提供的二维信息，获取被测物面的三维形貌特征。本发明将为物体表面三维形貌检测提供新的途径。

Description

一种彩色共焦三维形貌测量方法与系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，更具体地说，涉及一种彩色共焦三维形貌测量方法，以及一种彩色共焦三维形貌测量系统。

背景技术

随着科学技术与生产制造业的迅速发展，以表面三维形貌测量为代表的精密计量技术受到越来越多的学者的关注，越来越多的领域对物体三维形貌测量产生很大需求，诸如机械汽车等制造业、医疗影像测量、空间遥感等。在医学领域，口腔科使用三维测量仪器对牙齿进行测量，整形美容科利用对人体皮肤外观的三维成像进行方案设计和手术实施，心脏外科利用探测监视仪器实时观察心脏动态；在工业制造领域，对生成的产品进行表面粗糙度检测提高产品质量，通过三维成像进行逆向工程直接从成品分析，推导出产品的设计原理，利用三维形貌测量对印刷电路板的质量进行。因此，怎样获取物体的三维形貌信息来为各个领域服务越来越被重视。

随着图像成型技术、投影技术、计算机技术、三维形貌测量技术的快速发展，传统的接触式三坐标测量机不能再满足所有的物体三维形貌的重建工作。因此科研工作者投入的大量的时间和精力来研发各种各样的光学三维形貌测量技术，以满足实际的工业测量和检测等要求。

数字条纹投影技术，即利用数字投影仪来投射光栅条纹的技术，是常用的光学三维形貌测量方法之一。进行三维形貌测量时，计算机控制投影仪生成条纹图并投影至被测物体表面，受被测物体表面高度调制，条纹产生变形，彩色CCD相机采集变形条纹图。通过对条纹图进行解析，得到物体表面的三维信息。

条纹投影法的优点在于对被测物每一点的相位求取过程不受到背景光强的影响，从而避免了物体表面反射率不同、照明光强不均匀等因素带入测量误差。

但其不足也同样明显：三维形貌数据的获取受限于系统硬件的性能，特别是现有数字投影系统的投影速度，无法快速测得物体面形的三维形貌。

中国发明专利200910133998.1公开了一种同步色相相移转换方法以及其三维形貌测量系统，利用彩色结构光，取得关于物体的色彩条纹影像，然后由该彩色条纹影像的色相饱和强度(HSI)模型中取得关于该彩色条纹影像的色相(hue)信息，最后再将该色相信息转换成色相相位变化信息。利用该色相相位变化信息透过色相相位重建物体三维形貌。

上述发明中，彩色结构光是由复数个具有空间(spatial domain)相位差的色光所形成，因此单张的彩色取像包含多步相移后的相位封装信息而即可执行相移及相位重建，省略传统相位封装及尤拉转换的过程，改善物体表面形貌重建(surface reconstruction)以及系统量测的效率。

然而，上述发明的不足是：需要至少有两张不同相位的条纹投影至被测物面，才能进行后续的图像处理。

随便着技术发展，彩色共聚焦也广泛应用于物体表面三维形貌检测。2012年陈亮嘉发表的《Full-field chromatic confocal surfaceprofilometry employingdigitalmicromirror devicecorrespondence forminimizing lateral cross talks》一文中提出利用彩色共聚焦技术检测物体表面三维形貌。文中使用彩色相机作为反射光接收端，通过RGB值标定轴向高度。论文提出将色散范围分为不同区间，在每一区间内只用两个基准色标定，如RG、RB、GB，转换之后在任一区间内都能找到与轴向高度线性相关的参数。

但该论文所述的方法因为直接标定RGB值，与轴向高度关系无法保证其线性度。

现有技术中，彩色成像和投影系统的出现，为并行多颜色通道三维成像系统提供了新的研究方向。在2017年《仪器仪表学报》发表的《基于彩色条纹投影术的三维形貌测量》一文中，张宗华等人提出基于彩色条纹投影术的三维形貌测量方法，首先通过光栅、激光干涉仪或计算机生成条纹图像，利用投影设备投射彩色条纹到被测物体表面；条纹图像由于受到被测物体表面形状的调制产生变形，彩色成像设备从另一个角度采集变形的条纹图；通过相位解算得到展开相位；标定系统得到相位图与三维数据间对应关系，最终得到物体的三维形貌数据。彩色条纹投影术由于同时采用多个颜色通道，具有单次获取信息量大、测量速度快等优点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种彩色共焦三维形貌测量方法与系统，仅需一次成像即可完成对被测物点的高度信息提取，结合二维位移系统提供的二维信息，获取被测物面的三维形貌特征。

本发明的技术方案如下：

一种彩色共焦三维形貌测量方法，将不同波长的单色光聚焦到被测物表面，通过彩色相机接收反射的单色光，得到彩色图像；基于HSI颜色模型标定单色光颜色与光轴轴向高度，将彩色图像中各像素点的颜色信息转化为高度信息，获取彩色图像中各点的高度值；结合各点的横向坐标信息，重构被测物表面的三维形貌。

作为优选，不同波长的单色光由复合光源发出的白光经色散后获得，沿光轴方向的不同波长的单色光聚焦在不同光轴轴向高度上。

作为优选，彩色图像中各像素点的颜色信息包括像素点的RGB信息和光强值。

作为优选，将彩色图像中各像素点的颜色信息RGB值转化为HSI颜色模型的色调参数H，公式如下：

其中，H值为HSI颜色模型的色调参数。

作为优选，建立H值与光轴轴向高度映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个点的高度信息，从而实现被测物表面形貌检测。

一种彩色共焦三维形貌测量系统，包括光学测量机构、数据采集与处理机构，用于实现所述的彩色共焦三维形貌测量方法；光学测量机构包括依次排列的复色光源、光源针孔、准直透镜、色散管镜、分光镜、物镜、载物台；数据采集与处理机构包括彩色相机、计算机；光学测量机构用于生成不同波长的单色光，并聚焦到被测物体表面；彩色相机接收反射的单色光，得到彩色图像；计算机用于存储彩色图像，并实现颜色转换、拟合标定曲线、重构被测物表面的三维形貌。

作为优选，光学测量机构还包括汇聚透镜、探测针孔、输出光纤，反射的单色光依次经汇聚透镜、探测针孔、输出光纤，传输至彩色相机。

作为优选，载物台为二维运动载物台，带动被测物进行二维运动。

作为优选，通过电感测微仪监测载物台的轴向位置，根据电感测微仪的监测，载物台每移动预设的步距后，记录当前位移数据与当前彩色图像。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的彩色共焦三维形貌测量方法与系统，采用的是复色光源，通过轴向色散来获得波长颜色和位移的关系，可以避免轴向扫描带来的耗时问题，提高了测量速度；通过小孔滤除非焦平面的杂散信号，获取位于焦平面的锐利信号，具有很高的轴向分辨率；采用彩色相机作为数据接收端，一次拍照即可获取视场内被测物表面全部的高度信息，提高了测量速度，尤其适用于彩色共焦并行扫描系统。

本发明的实施，仅需一次成像即可完成对被测物点的高度信息提取，结合二维位移系统提供的二维信息，获取被测物面的三维形貌特征。本发明将为物体表面三维形貌检测提供新的途径。

附图说明

图1是标定曲线的示意图；

图2是彩色共焦三维形貌测量系统的结构框图；

图中：10是复合光源，11是光源针孔，12是准直透镜，13是色散管镜，14是分光镜，15是物镜，16是载物台，17是汇聚透镜，18是探测针孔，19是输出光纤，20是彩色相机，21是计算机，30是被测物。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

一种彩色共焦三维形貌测量方法，将不同波长的单色光聚焦到被测物30表面，通过彩色相机20接收反射的单色光，得到彩色图像；基于HSI颜色模型标定单色光颜色与光轴轴向高度，将彩色图像中各像素点的颜色信息转化为高度信息，获取彩色图像中各点的高度值；结合各点的横向坐标信息，重构被测物30表面的三维形貌。

本发明的基本思想是利用彩色相机20作为数据接收端，一次拍照就可以得到整个被测物30表面的彩色图像，无论单点扫描还是并行扫描都能进行相应的数据处理。根据不同波长的单色光颜色不同的原理，通过聚焦光斑的颜色标定其轴向高度；被测物30表面高度不一致时，彩色相机20拍摄的彩色图像中各部分颜色也会有所差别，对不同位置的颜色信息进行适当的评估，可以获得相应的高度信息。

本发明中，不同波长的单色光由复合光源10发出的白光经色散后获得，沿光轴方向的不同波长的单色光聚焦在不同光轴轴向高度上。不同波长的单色光的颜色各不相同，因此可以用颜色表征高度信息。

彩色相机20拍摄的彩色图像的每个像素都有四个通道，分别储存着该像素的RGB信息和光强值，即彩色图像中各像素点的颜色信息包括像素点的RGB信息和光强值，不同RGB值组合代表不同的颜色。

本发明中，将彩色图像中各像素点的颜色信息RGB值转化为HSI颜色模型的色调参数，即H值，公式如下：

其中，H值为HSI颜色模型的色调参数。

通过实验建立H值与光轴轴向高度映射关系，拟合出标定曲线，如图1所示；根据标定曲线，测量被测物30表面每个点的高度信息，从而实现被测物30表面形貌检测。

本发明还提供一种彩色共焦三维形貌测量系统，如图2所示，包括光学测量机构、数据采集与处理机构，用于实现所述的彩色共焦三维形貌测量方法；光学测量机构包括依次排列的复色光源、光源针孔11、准直透镜12、色散管镜13、分光镜14、物镜15、载物台16；数据采集与处理机构包括彩色相机20、计算机21；光学测量机构用于生成不同波长的单色光，并聚焦到被测物30体表面；彩色相机20接收反射的单色光，得到彩色图像；计算机21用于存储彩色图像(记录彩色相机20视场内各像素点颜色信息，包括RGB信息和光强值)，并实现颜色转换(将RGB信息转换为HIS颜色模型中的H值，用H值来表征不同颜色)、拟合标定曲线(建立单色光颜色(H值)与光轴轴向高度映射关系，拟合出标定曲线)、重构被测物30表面的三维形貌(根据标定曲线，将彩色图片进行数据处理，转化颜色信息为高度信息，实现表面形貌检测)。

具体实施时，数据存储与数据处理可分开设置，计算机21仅用于数据存储，再独立设置数据处理单元，用于实现颜色转换、拟合标定曲线、重构被测物30表面的三维形貌。

光学测量机构还包括汇聚透镜17、探测针孔18、输出光纤19，反射的单色光依次经汇聚透镜17、探测针孔18、输出光纤19，传输至彩色相机20。

所述的光学测量机构中，复色光源发出的光经光源针孔11、准直透镜12、色散管镜13、分光镜14和物镜15到达被测物30表面，被测物30表面反射回来的光经过物镜15，分光镜14、汇聚透镜17、探测针孔18和输出光纤19到达彩色相机20，完成数据采集。

为了方便移动并满足被测物30表面的全覆盖，载物台16为二维运动载物台16，带动被测物30进行二维运动。并且，通过电感测微仪监测载物台16的轴向位置，根据电感测微仪的监测，载物台16每移动预设的步距(本实施例中，每移动5um保存一次彩色图像)后，记录当前位移数据与当前彩色图像。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，将不同波长的单色光聚焦到被测物表面，通过彩色相机接收反射的单色光，得到彩色图像；基于HSI颜色模型标定单色光颜色与光轴轴向高度对应关系，将彩色图像中各像素点的颜色信息转化为高度信息，获取彩色图像中各像素点的高度值；结合各点的横向坐标信息，重构被测物表面的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，不同波长的单色光由复合光源发出的白光经色散后获得，沿光轴方向的不同波长的单色光聚焦在不同光轴轴向高度上。

3.根据权利要求1所述的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，彩色图像中各像素点的颜色信息包括像素点的RGB信息和光强值。

4.根据权利要求3所述的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，将彩色图像中各像素点的颜色信息RGB转化为HSI颜色模型的色调参数H。公式如下：

其中，H值为HSI颜色模型的色调参数。

5.根据权利要求4所述的彩色共焦三维形貌测量方法，其特征在于，建立H值与光轴轴向高度映射关系，拟合出标定曲线；根据标定曲线，测量被测物表面每个点的高度信息，从而实现被测物表面形貌检测。

6.一种彩色共焦三维形貌测量系统，其特征在于，包括光学测量机构、数据采集与处理机构，用于实现权利要求1至5任一项所述的彩色共焦三维形貌测量方法；光学测量机构包括依次排列的复色光源、光源针孔、准直透镜、色散管镜、分光镜、物镜、载物台；数据采集与处理机构包括彩色相机、计算机；光学测量机构用于生成不同波长的单色光，并聚焦到被测物体表面；彩色相机接收反射的单色光，得到彩色图像；计算机用于存储彩色图像，并实现颜色转换、拟合标定曲线、重构被测物表面的三维形貌。

7.根据权利要求6所述的彩色共焦三维形貌测量系统，其特征在于，光学测量机构还包括汇聚透镜、探测针孔、输出光纤，反射的单色光依次经汇聚透镜、探测针孔、输出光纤，传输至彩色相机。

8.根据权利要求6所述的彩色共焦三维形貌测量系统，其特征在于，载物台为二维运动载物台，带动被测物进行二维运动。

9.根据权利要求8所述的彩色共焦三维形貌测量系统，其特征在于，通过电感测微仪监测载物台的轴向位置，根据电感测微仪的监测，载物台每移动预设的步距后，记录当前位移数据与当前彩色图像。