CN111156927A - 一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，该测量方法首先利用计算机生成三个频率的正弦脉宽调制的四步相移图；然后将各频率的所述四步相移图分别投影到被测镜面物体表面，利用光学系统进行离焦，将正弦脉宽调制条纹转换为标准的正弦条纹，所述标准的正弦条纹投射到所述的被测镜面物体表面后，由成像系统采集，利用四步相移算法，求得包裹相位；最后对所述包裹相位进行相位展开，通过直接建立绝对相位与高度之间的关系，得出被测镜面高度，恢复三维形貌。本发明消除了投影和相机的非线性问题，提高了测量精度，且计算简单，控制灵活，操作简便，对镜面物体的测量有较高的鲁棒性，在精密测量中有潜在的应用前景和实用价值。

Description

一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学三维测量方法，属于光电检测技术领域，具体涉及一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法。

背景技术

随着科技的进步，以及精密制造行业的兴起，传统的一维和二维测量技术已经跟不上现代化工业进程。如何快速、准确的获得具有高精度要求的产品的三维形貌，已经逐渐成为人们关注的热点。光学三维测量技术由于具有快速采集、非接触操作、全场测量和数据处理速度快等特点，在逆向工程、工业检测、虚拟现实、医学工程、文物保护等领域中得到了广泛应用。而现代工业生产制造过程中，存在很多的表面为镜面或类镜面物体，如光学元器件表面、抛光的汽车车身、抛光模具、手机外壳、太阳能电池板等，这些领域对于镜面物体的三维形貌测量有着很大的需求。并在市场的供求关系驱使下，镜面物体的三维测量快速成为焦点。由于镜面或类镜面物体的反射特性，传统的三维面形检测不能满足对于镜面或类镜面物体精密加工的要求，况且现在的镜面在线检测技术研究还处于初级阶段。因此，研究镜面物体的三维形貌的测量，对于工业发展具有很重要的研究意义和广阔的发展前景。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，通过以下技术方案实现。

一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，包括以下步骤：

步骤一、利用计算机生成三个频率的正弦脉宽调制四步相移条纹图；

步骤二、将各频率的所述正弦脉宽调制四步相移条纹图分别投影到待测镜面物体表面，利用光学系统进行离焦，将正弦脉宽调制四步相移条纹转换为标准的正弦条纹，所述标准的正弦条纹投射到所述的待测镜面物体表面后，由成像系统采集，利用四步相移算法，求得包裹相位；

步骤三、对所述包裹相位进行相位展开，通过直接建立绝对相位与高度之间的关系，得出待测镜面高度，恢复三维形貌。

优选的，所述的正弦脉宽调制是通过对比期望的正弦波和高频的三角波的二值模式，所述的正弦波和所述的三角波之间的频率关系为fs＝8ft。

优选的，所述计算机生成三个频率的正弦脉宽调制的四步相移条纹图的周期选择，必须严格按照三频外差的原则，依次生成四步相移条纹图。

本发明的优点：

(1)将正弦脉宽调制条纹引入到镜面物体的三维测量中，以此消除投影设备以及相机的非线性问题；

(2)使用离焦的光学系统，滤除高次谐波以此来得到更高质量的正弦条纹，提高测量精度；

(3)正弦脉宽调制经过很小的离焦量即可获得较高质量的正弦条纹，解决了因离焦量太大，导致的条纹模糊问题；

(4)本方法计算简单，控制灵活，操作简便，对镜面物体的测量具有较高的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的三维测量系统原理示意图。

图2为本发明的三维测量系统流程示意图。

图3为本发明使用的正弦脉宽调制四步相移条纹图。

图4为本发明中对正弦脉宽调制四步相移条纹图离焦后产生的正弦条纹图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实例作进一步详细描述，但本实例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，其原理如图1所示，包括采集设备CCD相机，投影设备LCD 1和LCD 2，半透半反镜(BS)，参考镜面，待测镜面，计算机。先用计算机生成预先设计好的正弦脉宽调制四步相移条纹，再利用投影设备LCD1和LCD2，将正弦脉宽调制四步相移条纹投射到参考镜面和待测镜面上，经过镜面发射后，由CCD相机采集到条纹信息，经过软件处理后，恢复待测镜面物体的三维形貌。

结合图2流程图，本发明所述的一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，步骤如下：

1、正弦脉宽调制四步相移条纹图的生成

用四步相移产生正弦波形，使用公式如下：

Qn(1,j)＝A+Asin(j/T+2π(n-1)/N),n＝1,2,3,4 (1)

Qn(1,j)是第一行j列的像素点强度，A是振幅，n是相移步数，T是步长；

基于一个正弦波周期编码八个周期的三角波，可以用下式得到：

F(1,j)＝A+sawtooth(8*j/T,A)/2 (2)

F(1,j)是第一行j列的像素点强度，A是振幅，T是步长；

对比三角波与正弦波的强度，当正弦波的强度大于三角波时，正弦脉宽调制属于高状态“1”，反之，则处于低状态“0”。可表示为：In＝1，Qn>F；In＝0， Qn<F。如图3所示。

2、经光学系统离焦后将正弦脉宽调制四步相移条纹转换为标准的正弦条纹

利用LCD1和LCD2投影正弦脉宽调制四步相移条纹，经光学系统离焦后，生成质量较高的正弦条纹，并投射到待测镜面物体表面上，通过CCD相机采集，得到的变形条纹强度可以表示为：

I(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)] (3)

其中，A(x，y)表示背景光强度，B(x，y)表示光场调制强度。

3、获得包裹相位并对相位进行展开

在相位展开过程中，我们先通过四步相移获得其包裹相位，

由公式(5)，计算出待测镜面物体的包裹相位

使用公式(6)求解出待测镜面物体的连续相位φ(x,y)。

4、建立绝对相位与高度之间的关系，得出待测镜面物体的高度根据测量原理图，我们得出以下关系式：

由上述关系解得待测镜面物体的高度为：

不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、利用计算机生成三个频率的正弦脉宽调制四步相移条纹图；

步骤二、将各频率的所述正弦脉宽调制四步相移条纹图分别投影到待测镜面物体表面，利用光学系统进行离焦，将正弦脉宽调制四步相移条纹转换为标准的正弦条纹，所述标准的正弦条纹投射到所述的待测镜面物体表面后，由成像系统采集，利用四步相移算法，求得包裹相位；

步骤三、对所述包裹相位进行相位展开，通过直接建立绝对相位与高度之间的关系，得出待测镜面高度，恢复三维形貌。

2.根据权利要求1所述的一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，其特征在于：所述的正弦脉宽调制是通过对比期望的正弦波和高频的三角波的二值模式，所述的正弦波和所述的三角波之间的频率关系为fs＝8ft。

3.根据权利要求1所述的一种基于正弦脉宽调制条纹的镜面物体三维测量方法，其特征在于：所述计算机生成三个频率的正弦脉宽调制的四步相移条纹图的周期选择，必须严格按照三频外差的原则，依次生成四步相移条纹图。

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