CN110375651A - 基于双dmd的高反光表面动态三维面形测量系统及方法 - Google Patents

基于双dmd的高反光表面动态三维面形测量系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法，DLP投影设备向待测高反光表面投射多幅条纹光栅，光栅经待测高反光表面反射后形成反射光；反射光依次通过第一透镜组和TIR棱镜进入第一数字微镜器件DMD，第一数字微镜器件DMD对反射光进行空间信息的编码调制，第二透镜组将全反射后第一调制反射光完整成像于第二数字微镜器件DMD；第二数字微镜器件DMD对全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制，第三透镜组将第二调制反射光完整成像于数字相机，数字相机将成像数据传输给上位机，上位机根据成像数据得待测高反光表面的动态三维面形。通过本发明上述系统实现动态三维面形测量，提高测量系统的时间分辨率，满足动态测量的实时性需求。

Description

基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法
技术领域
本发明涉及三维面形测量技术领域，特别是涉及一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法。
背景技术
在结构光三维扫描测量技术中，通常利用工业数字相机获取在被测物体表面发生形变的编码结构光图像，然后通过与编码策略相对应的解码算法以还原出被测表面的三维尺寸、形状、表面轮廓与缺陷等三维面形信息。然而，当前成熟的结构光三维扫描测量技术主要应用于表面反射率变化较小的漫反射表面，难以有效地测量高亮、类镜面、半透明表面、含局部镜面反射的混合表面以及其他无规则散射等高反光表面。
在现代高端制造领域，高反光表面由于具有独特的光学特性已被越来越多的应用。例如，飞机机体、发动机叶片、汽车白车身、集成电路晶片、光学元件、以及大量的抛光磨具与电镀零件等精加工零部件，其表面均属于全部或局部高反光表面，严重影响其视觉成像与测量效果，导致与产品质量直接相关的三维尺寸、形状、表面轮廓与缺陷等面形信息难以有效提取。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法，实现动态三维面形测量，提高测量系统的时间分辨率，满足动态测量的实时性需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，所述三维面形测量系统包括：
DLP投影设备、第一透镜组、TIR棱镜、第一数字微镜器件DMD、第二透镜组、第二数字微镜器件DMD、第三透镜组、数字相机和上位机；
所述DLP投影设备用于向待测高反光表面投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测高反光表面反射后形成含有待测高反光表面面形信息的反射光；
所述第一透镜组和所述TIR棱镜均设置于所述待测高反光表面与所述第一数字微镜器件DMD之间所形成的主光轴上，所述反射光依次通过所述第一透镜组和所述TIR棱镜进入所述第一数字微镜器件DMD，所述第一透镜组用于将含有待测高反光表面面形信息的反射光完整投射到所述第一数字微镜器件DMD；
所述第一数字微镜器件DMD用于对所述反射光进行空间信息的编码调制，得到第一调制反射光；
所述TIR棱镜用于对所述第一调制反射光进行全反射，得到全反射后第一调制反射光；
所述第二透镜组设置于所述TIR棱镜全反射表面与所述第二数字微镜器件DMD之间所形成的主光轴上；所述第二透镜组用于将所述全反射后第一调制反射光完整成像于所述第二数字微镜器件DMD；
所述第二数字微镜器件DMD用于对所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制，得到第二调制反射光；
所述第三透镜组设置于所述第二数字微镜器件DMD与所述数字相机之间所形成的主光轴上；所述第三透镜组用于将所述第二调制反射光完整成像于所述数字相机上，所述数字相机将成像数据传输给所述上位机，所述上位机根据所述成像数据得到待测高反光表面的动态三维面形。
可选的，所述三维面形测量系统还包括：黑体，所述黑体用于对所述三维面形测量系统杂散光的吸收。
可选的，所述多幅条纹光栅为符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。
可选的，所述第二透镜组所在的主光轴与所述第三透镜组所在的主光轴之间的夹角为24°。
可选的，所述数字相机采用工业数字相机。
一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法，所述三维面形测量方法包括：
获取三维面形测量信号；
发送第一触发指令控制所述DLP投影设备开启，使所述DLP投影设备产生的多幅条纹光栅投射于待测高反光表面；
发送第二触发指令控制所述第一数字微镜器件DMD开启，使所述第一数字微镜器件DMD对接收到的所述反射光进行空间信息的编码调制；
判断所述待测高反光表面是否为静止；
若是，发送第三触发指令控制所述第二数字微镜器件DMD的编码功能关闭，将所述全反射后第一调制反射光射出第二数字微镜器件DMD；
若否，发送第四触发指令控制所述第二数字微镜器件DMD的编码功能开启，使所述第二数字微镜器件DMD对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制；
发送第五触发指令控制所述数字相机开启，将采集从所述第三透镜组出来的成像数据；
根据所述成像数据采用相移法，计算待测高反光表面的三维面形。
可选的，所述根据所述成像数据采用相移法，计算待测高反光表面的三维面形，具体包括：
根据成像数据中单幅编码图像的空间和时间信息，提取4幅不同相位信息的光栅图像；
采用相移法对所述4幅不同相位信息的光栅图像进行相位展开，计算待测高反光表面的三维面形。
可选的，所述相移法为多频外差原理的相移法。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法，通过采用两个数字微镜器件DMD对光分别进行空间及时间信息的编码调制，扩大测量系统的成像动态范围，从根源上解决高反光表面的视觉成像问题，实现动态三维面形测量，提高测量系统的时间分辨率，满足动态测量的实时性需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法，实现动态三维面形测量，提高测量系统的时间分辨率，满足动态测量的实时性需求。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
随着智能制造的升级与拓展，实现对形状与表面轮廓等三维面形的动态测量已成为迫切需要解决的问题。事实上，对高反光表面的动态三维面形测量技术的研究已严重滞后于工业制造领域日益增长的应用需求，因此，研究高反光表面的动态三维面形测量的关键技术具有重要的科学探索意义和实际工业应用价值。
鉴于此，本发明提出一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统及方法，不仅可以扩大测量系统的成像动态范围，从根源上解决高反光表面的视觉成像问题，而且可实现动态三维面形测量，提高测量系统的时间分辨率，满足动态测量的实时性需求。
图1为本发明实施例一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统的结构示意图，参见图1，实施例一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，所述三维面形测量系统包括：DLP投影设备1、第一透镜组2、TIR棱镜3、第一数字微镜器件DMD4、第二透镜组5、第二数字微镜器件DMD6、第三透镜组7、数字相机8和上位机9。
所述DLP投影设备1用于向待测高反光表面10投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测高反光表面10反射后形成含有待测高反光表面面形信息的反射光。
具体的，所述待测高反光表面10运动时，所述DLP投影设备1依次向待测高反光表面10高速投射多幅符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。
所述第一透镜组2和所述TIR棱镜3均设置于所述待测高反光表面10与所述第一数字微镜器件DMD4之间所形成的主光轴201上，所述反射光依次通过所述第一透镜组2和所述TIR棱镜3进入所述第一数字微镜器件DMD4，所述第一透镜组2用于将含有待测高反光表面面形信息的反射光完整投射到所述第一数字微镜器件DMD4。
所述第一数字微镜器件DMD4用于对所述反射光进行空间信息的编码调制，得到第一调制反射光。具体的，采用空间信息的编码调制为现有技术。申请号：CN201710211124.8，专利名称：一种用于提取强反射表面几何特征的高动态范围成像方法中已经公开。
所述第一调制反射光以24°偏角再次进入所述TIR棱镜3，所述TIR棱镜3用于对所述第一调制反射光进行全反射，得到全反射后第一调制反射光。
具体的，由于数字微镜器件DMD的各个数字微镜能够实现±12°偏转，当入射光进入到数字微镜器件DMD表面时，其偏转12°后，该反射光线将以24°偏角出来。
所述第二透镜组5设置于所述TIR棱镜3全反射表面与所述第二数字微镜器件DMD6之间所形成的主光轴202上；所述第二透镜组5用于将所述全反射后第一调制反射光完整成像于所述第二数字微镜器件DMD6。
所述第二数字微镜器件DMD6用于对所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制，得到第二调制反射光，具体的，采用时间信息的编码调制为现有技术。申请号：CN201610064940.6，专利名称：一种基于逐像素编码曝光的高速高分辨率成像方法中已经公开。经过第二数字微镜器件DMD6对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制后，第二调制反射光会沿着与水平主光轴202成24°夹角方向通过第三透镜组7后成像于数字相机的像面上。
所述第三透镜组7设置于所述第二数字微镜器件DMD6与所述数字相机8之间所形成的主光轴203上；所述第三透镜组7用于将所述第二调制反射光完整成像于所述数字相机8上，所述数字相机8将成像数据传输给所述上位机9，所述上位机9根据所述成像数据得到待测高反光表面的动态三维面形。
具体的，上位机9采用计算机。
优选的，所述三维面形测量系统还包括：黑体11，所述黑体11用于对所述三维面形测量系统杂散光的吸收。
优选的，多幅条纹光栅为符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。
优选的，所述第二透镜组5所在的主光轴202与所述第三透镜组7所在的主光轴203之间的夹角为24°。
优选的，所述数字相机8采用工业数字相机。
具体的，数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)是一种光学元器件，本发明实施例中第一数字微镜器件DMD4和第二数字微镜器件DMD6均采用的是DLP6500型号。DLP投影设备1采用的型号是Light Crafter4500。
透镜组是由一系列的光学镜片组成的成像镜头，本发明实施例中第一透镜组2、第二透镜组5和第三透镜组7主要是用于光学成像。
图2为本发明实施例一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法的流程图，参见图2，一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法，所述三维面形测量方法包括：
S1：获取三维面形测量信号。
S2：发送第一触发指令控制所述DLP投影设备开启，使所述DLP投影设备产生的多幅条纹光栅投射于待测高反光表面。
S3：发送第二触发指令控制所述第一数字微镜器件DMD开启，使所述第一数字微镜器件DMD对接收到的所述反射光进行空间信息的编码调制。
S4：判断所述待测高反光表面是否为静止。
S5：若是，发送第三触发指令控制所述第二数字微镜器件DMD的编码功能关闭，将所述全反射后第一调制反射光射出第二数字微镜器件DMD。
具体的，此时第二数字微镜器件DMD不参与调制，但是第二数字微镜器件DMD内的各数字微镜单元均处于“打开”状态，这样全反射后的第一调制反射光才能从第二数字微镜器件DMD中通过进入数字相机中。
S6：若否，发送第四触发指令控制所述第二数字微镜器件DMD的编码功能开启，使所述第二数字微镜器件DMD对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制。
S7：发送第五触发指令控制所述数字相机开启，将采集从所述第三透镜组出来的成像数据。
S8：根据所述成像数据采用相移法，计算待测高反光表面的三维面形。
S8具体包括：
S801：根据成像数据中单幅编码图像的空间和时间信息，提取4幅不同相位信息的光栅图像；具体的，根据单幅编码图像中所包含的空间和时间信息依次提取4幅具有高分辨率的带有不同相位信息的光栅图像。
S802：采用相移法对所述4幅不同相位信息的光栅图像进行相位展开，计算待测高反光表面的三维面形。
所述相移法为多频外差原理的相移法。具体的，基于多频外差原理的相移法是现有技术。
具体的，采用基于多频外差原理的相移法，叠加解相后得到的4幅相对相位主值，得到在全场范围内只有一个周期的绝对相位，并进行相位展开，根据与编码策略相对应的解码算法即可解算出待测高反光表面的动态三维面形。
本发明实施例采用四步相移法，因此数字相机需要采集条纹光栅4幅，其次，DLP投影设备每完成一次四步相移(需4幅条纹光栅)，工业数字相机只采集1幅编码图像。因此，DLP投影设备需投影4×4＝16幅条纹光栅，工业数字相机最后才能采集到4幅编码图像。且DLP投影设备的光栅投影周期是工业数字相机图像采集速率的4倍。
本发明实施例的一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统采用双DMD调制结构：第一数字微镜器件DMD对接收到的反射光进行空间信息的编码调制，主要应用的是基于自适应高动态范围成像的局部镜面高光消除方法，扩大测量系统的成像动态范围，从根源上解决高反光表面的视觉成像问题，第二数字微镜器件DMD对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制，主要应用的是基于像素时域多路复用与多频外差的动态三维面形测量方法，提高测量系统的时间分辨率，满足动态测量的实时性需求。上述系统不仅可以做实现对高反光表面的静态测量，也可以实现动态测量。
本发明实施例一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法，当待测高反光表面为静止时，则第二数字微镜器件DMD不参与调制，始终处于“打开”状态，仅通过第一数字微镜器件DMD对接收到的反射光进行空间信息的编码调制以有效消除待测高反光表面的局部高光的影响，数字相机将所获取的成像数据传输给上位机处理，并采用基于多频外差原理的相移法，解算出待测高反光表面的三维面形；待测高反光表面运动时，第二数字微镜器件DMD参与调制，第二数字微镜器件DMD对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制后，第三透镜组将第二调制反射光完整成像于数字相机上，数字相机将所获取的成像数据传输给上位机处理，根据单幅编码图像中所包含的空间和时间信息依次提取4幅具有高分辨率的带有不同相位信息的光栅图像，并采用基于多频外差原理的相移法，解算出待测高反光表面的动态三维面形。
本发明实施例中第一数字微镜器件DMD和工业数字相机，第二数字微镜器件DMD、DLP投影设备和工业数字相机分别同步精密时序控制，且DLP投影设备的光栅投影周期是工业数字相机图像采集速率的4倍，使该测量系统形成完整的闭环回路反馈结构。第一数字微镜器件DMD、第二数字微镜器件DMD、DLP投影设备和工业数字相机都是基于TCP/IP协议进行网络通讯的，可通过上位机编程即可实现三者的同步触发控制，具体的是由工业数字相机触发第一数字微镜器件DMD、第二数字微镜器件DMD和DLP投影设备。
本发明实施例基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，经过第二数字微镜器件DMD对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制后，可将工业数字相机所获取的编码图像传输给计算机处理，根据单幅编码图像中所包含的空间和时间信息依次提取4幅具有高分辨率的带有不同相位信息的光栅图像，不改变原相机结构的情况下，可提高测量系统的时间分辨率，实现动态三维面形测量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，其特征在于，所述三维面形测量系统包括：
DLP投影设备(1)、第一透镜组(2)、TIR棱镜(3)、第一数字微镜器件DMD(4)、第二透镜组(5)、第二数字微镜器件DMD(6)、第三透镜组(7)、数字相机(8)和上位机(9)；
所述DLP投影设备(1)用于向待测高反光表面(10)投射多幅条纹光栅，所述光栅经所述待测高反光表面(10)反射后形成含有待测高反光表面面形信息的反射光；
所述第一透镜组(2)和所述TIR棱镜(3)均设置于所述待测高反光表面(10)与所述第一数字微镜器件DMD(4)之间所形成的主光轴(201)上，所述反射光依次通过所述第一透镜组(2)和所述TIR棱镜(3)进入所述第一数字微镜器件DMD(4)，所述第一透镜组(2)用于将含有待测高反光表面面形信息的反射光完整投射到所述第一数字微镜器件DMD(4)；
所述第一数字微镜器件DMD(4)用于对所述反射光进行空间信息的编码调制，得到第一调制反射光；
所述TIR棱镜(3)用于对所述第一调制反射光进行全反射，得到全反射后第一调制反射光；
所述第二透镜组(5)设置于所述TIR棱镜(3)全反射表面与所述第二数字微镜器件DMD(6)之间所形成的主光轴(202)上；所述第二透镜组(5)用于将所述全反射后第一调制反射光完整成像于所述第二数字微镜器件DMD(6)；
所述第二数字微镜器件DMD(6)用于对所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制，得到第二调制反射光；
所述第三透镜组(7)设置于所述第二数字微镜器件DMD(6)与所述数字相机(8)之间所形成的主光轴(203)上；所述第三透镜组(7)用于将所述第二调制反射光完整成像于所述数字相机(8)上，所述数字相机(8)将成像数据传输给所述上位机(9)，所述上位机(9)根据所述成像数据得到待测高反光表面的动态三维面形。
2.根据权利要求1所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，其特征在于，所述三维面形测量系统还包括：黑体(11)，所述黑体(11)用于对所述三维面形测量系统杂散光的吸收。
3.根据权利要求1所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，其特征在于，所述多幅条纹光栅为符合正弦规律且不同频率的条纹光栅。
4.根据权利要求1所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，其特征在于，所述第二透镜组(5)所在的主光轴(202)与所述第三透镜组(7)所在的主光轴(203)之间的夹角为24°。
5.根据权利要求1所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，其特征在于，所述数字相机(8)采用工业数字相机。
6.一种基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-5中任意一项所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量系统，所述三维面形测量方法包括：
获取三维面形测量信号；
发送第一触发指令控制所述DLP投影设备开启，使所述DLP投影设备产生的多幅条纹光栅投射于待测高反光表面；
发送第二触发指令控制所述第一数字微镜器件DMD开启，使所述第一数字微镜器件DMD对接收到的所述反射光进行空间信息的编码调制；
判断所述待测高反光表面是否为静止；
若是，发送第三触发指令控制所述第二数字微镜器件DMD的编码功能关闭，将所述全反射后第一调制反射光射出第二数字微镜器件DMD；
若否，发送第四触发指令控制所述第二数字微镜器件DMD的编码功能开启，使所述第二数字微镜器件DMD对接收到的所述全反射后第一调制反射光进行时间信息的编码调制；
发送第五触发指令控制所述数字相机开启，将采集从所述第三透镜组出来的成像数据；
根据所述成像数据采用相移法，计算待测高反光表面的三维面形。
7.根据权利要求6所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法，其特征在于，所述根据所述成像数据采用相移法，计算待测高反光表面的三维面形，具体包括：
根据成像数据中单幅编码图像的空间和时间信息，提取4幅不同相位信息的光栅图像；
采用相移法对所述4幅不同相位信息的光栅图像进行相位展开，计算待测高反光表面的三维面形。
8.根据权利要求6所述的基于双DMD的高反光表面动态三维面形测量方法，其特征在于，所述相移法为多频外差原理的相移法。
CN201910772483.XA 2019-08-21 2019-08-21 基于双dmd的高反光表面动态三维面形测量系统及方法 Pending CN110375651A (zh)

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