CN112525097B

CN112525097B - 一种基于多传感器测量物体三维形变的方法

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Publication number: CN112525097B
Application number: CN202011500678.8A
Authority: CN
Inventors: 夏海廷; 张美娟; 宋庆和; 郭荣鑫; 张长兴
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2022-11-08
Anticipated expiration: 2040-12-18
Also published as: CN112525097A

Abstract

本发明涉及一种基于多传感器测量物体三维形变的方法，步骤S1：将同一光源的光束分为参考光束和物光光束，使所述物光光束照射一待测物体；步骤S2：使用多个传感器采集照射所述待测物体后的物光光束与参考光束发生干涉的全息信息；步骤S3：针对每一传感器，获取所述待测物体未发生形变前的第一全息信息和所述待测物体发生形变后的第二全息信息；并采用预设的参数处理每一个传感器对应的第一全息信息和第二全息信息，获取每一传感器对应的所述待测物体表面形变的信息；步骤S4：基于每一传感器对应的待测物体表面形变的信息，确定待测物体的三维形变。本发明基于低成本的光路系统实现了对物体三维形变的准确测量。

Description

一种基于多传感器测量物体三维形变的方法

技术领域

本发明涉及光学成像技术，尤其涉及一种基于多传感器测量物体三维形变的方法。

背景技术

当前，获取物体的三维形变(或者位移)能够更全面地了解物体整体形变，进而更全面地对物体力学特征等进行分析。物体表面三维变形，该三维变形是观测点沿灵敏度矢量方向的位移，为了测量物体表面的三维变形，需要生成三个不共面的灵敏度矢量，这可以通过从不同方向照射或观察物体来实现。

数字全息干涉技术作为一种全视场、非接触的高精度测量方法，在形变场测量中被广泛的应用，在牙齿测量、猫鼓膜测量等医学生物以及材料测试等方面也都被广泛的应用。目前更多的是采用改变照明矢量的数字全息干涉方法测量物体三维形变。如彩色数字全息被应用到测量物体的三维形变，需要三束不同方向的照明光，光路系统搭建比较复杂。

如何基于低成本的光路系统实现对物体三维形变的准确测量成为当前亟需解决的技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于多传感器测量物体三维形变的方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种基于多传感器测量物体三维形变的方法，

步骤S1：将同一光源的光束分为参考光束和物光光束，使所述物光光束照射一待测物体；

步骤S2：使用多个传感器采集照射所述待测物体后的物光光束与参考光束发生干涉的全息信息；

步骤S3：针对每一传感器，获取所述待测物体未发生形变前的第一全息信息和所述待测物体发生形变后的第二全息信息；并采用预设的参数处理每一个传感器对应的第一全息信息和第二全息信息，获取每一传感器对应的所述待测物体表面形变的信息；

步骤S4、基于每一传感器对应的待测物体表面形变的信息，确定待测物体的形变。

可选地，针对每一个传感器，所述步骤S3包括：

子步骤S31、根据第一全息信息进行1-FFT(1次快速傅里叶变换)重建，重建出变形前的第一1-FFT重建平面，1-FFT重建平面包含共轭物光像(-1级像)，物光像(+1级像)，零级像；

子步骤S32、根据第二全息信息进行1-FFT(1次快速傅里叶变换)重建，重建出变形后的第二1-FFT重建平面，1-FFT重建平面包含共轭物光像(-1级像)，物光像(+1级像)，零级像；

子步骤S33、根据第一1-FFT重建平面的共轭物光像(-1级像)，重建出第一变形前的重建物光场，第一变形前的重建物光场包含了第一相位、第一复振幅；

子步骤S34、根据第二1-FFT重建平面的共轭物光像(-1级像)，重建出第二变形后的重建物光场，第二变形后的重建物光场包含了第二相位、第二复振幅；

其中，所述第一1-FFT重建平面的共轭物光像(-1级像)、第二1-FFT重建平面的共轭物光像(-1级像)均为携带原物光波共轭光信息的共轭物光像；

子步骤S35、采用预先的参数基于所述第一相位和第二相位，获取用于表示待测物体表面形变的信息。

可选地，针对每一个传感器，

第一复振幅表示为：O₀(x₀,y₀)；

第二复振幅表示为：O₁(x₀,y₀)；

第一相位表示为：

第二相位表示为：

则用于表示待测物体表面形变信息的相位差表示为：

相应地，步骤S3中获取每一传感器对应的所述待测物体表面的形变信息中的相位差为

i＝1，2，3……N，表示处理装置中选择处理的传感器的数量；

其中，

为灵敏度矢量，

为待测物体表面的形变，λ为激光的光波长；传感器的位置坐标为camerai＝(x_i,y_i,z_i),

物光光束的位置坐标：(x_e,y_e,z_e)

可选地，选择非一列或非一行的三个传感器中收集的全息信息进行处理时，

待测物体表面的形变信息为：

基于三个不同方向获得的形变信息

计算得出待测物体表面变形在x₀、y₀、z方向的变形分量分别为d_x0、d_y0、d_z0，即为待测物体的三维变形信息。

可选地，所述多个传感器规则排列，且每一传感器的法线与待测物体表面法线平行，每一传感器采集经过参考光束和物光光束发生干涉的全息信息。

第二方面，本发明实施例还提供一种执行上述第一方面任一所述的基于多传感器测量物体三维形变的方法的多传感器测量装置，包括：

激光器、分光棱镜，参考光路、物光光路、合束组件和采集系统；

所述分光棱镜将激光器发出的光分成两束，第一束经由参考光路达到合束组件，第二束经由物光光路照射待测物体后达到合束组件，合束组件发生干涉的光被采集系统采集。

可选地，所述物光光路包括：依次设置的第一平面反射镜、第一显微物镜、第一准直透镜；

所述参考光路包括：第三反射镜、第二平面反射镜、第二显微物镜、第二准直透镜；

合束组件为合束镜，采集系统包括：处理装置和多个规则排列的传感器，处理装置连接每一传感器；

其中，激光器发出的激光经过分光棱镜后分成两束光；所述分光棱镜分出的第一束光经过第一平面反射镜反射到第一显微物镜和第一准直透镜进行扩束准直后，准直的光照射待测物体，经待测物体反射的光到达合束镜；

分光棱镜分出的第二束光经过第三平面反射镜和第二平面反射镜的反射；反射到第二显微物镜和第二准直透镜进行扩束准直，准直后的光到达合束镜；

合束镜将待测物体反射的物光和经由第二准直透镜的参考光合束以发生干涉，并被多个传感器的探测面感测传输至处理装置，进而经由处理装置的处理获得待测物体的三维形变。

可选地，所述采集系统包括：多个传感器和处理装置，所述处理装置连接每一个传感器，每一传感器具有一个探测面；

每一个传感器探测面的法线与待测物体表面法线平行，多个传感器探测面与待测物体表面平行。

可选地，采集系统还包括：用于支撑每一传感器的平移台；所述平移台用于调整传感器的探测面的平移量；所述平移台借助驱动系统与处理装置连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的方法是基于低成本的光路系统实现了对物体三维形变的测量，可大规模推广使用。

在本发明中，采集系统可预先获取每一传感器的位置坐标信息，然后基于位置坐标信息以及采集变形前后物体的全息信息，获取待测物体的三维形变，由此可快速便携式进行测量。

在具体应用中，通过改变传感器的坐标位置，对应改变了观察矢量，从而得到三个不共面的灵敏度矢量，计算出物体三维形变。

另一方面，本发明实施例的光路系统即多传感器测量装置成本低，能够便携式携带，进而可较好的推广使用。

附图说明

图1A为本发明一实施例提供的测量物体三维形变的多传感器测量装置的示意图；

图1B为图1A中的实验光路的示意图；

图2为本发明另一实施例提供的多个传感器的空间布局的结构示意图；

图3为本发明实验中选择的三个传感器的空间位置的示意图；

图4A至图4C分别为基于图3中选择每一传感器的全息信息进行解包裹之后的相位差的示意图；

图5A至图5C分别为基于图3中选择传感器的全息信息获取的待测物体三维形变的示意图；

图6A为传感器的照明矢量和观察矢量的示意图；

图6B为基于图3中选择传感器的照明矢量和观察矢量的示意图；

图7为基于图3中选择传感器的1-FFT重建平面的示意图；

图8为基于图3中选择传感器的重建物光场的示意图；

图9为待测物体相位差的示意图；

图10为基于多传感器测量物体三维形变的方法的流程示意图。

附图标记说明：

1为激光器；2为分光棱镜；3为第一平面反射镜；4为第一显微物镜；5为第一准直透镜；6为第三平面反射镜；7为第二平面反射镜；8为第二显微物镜；9为第二准直透镜；10为合束镜；11为待测物体；12为多个传感器阵列的传感器；13为处理装置。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例一

本发明实施例提供一种用于执行测量物体三维形变的多传感器测量装置，该装置可包括：激光器、分光棱镜，参考光路、物光光路、合束组件和采集系统；

所述采集系统包括多个传感器和处理装置，所有传感器规则排列，且每一传感器的法线与待测物体表面法线平行，所述处理装置连接每一传感器且获取传感器收集的经过参考光路和物光光路发生干涉的全息信息。

具体地，分光棱镜将激光器发出的光分成两束，第一束经由参考光路达到合束组件，第二束经由物光光路照射待测物体后达到合束组件，合束组件发生干涉的光被采集系统采集，如图1A和图1B所示，所述物光光路包括：依次设置的第一平面反射镜3、第一显微物镜4、第一准直透镜5；所述参考光路包括：第三平面反射镜6、第二平面反射镜7、第二显微物镜8、第二准直透镜9；合束组件为合束镜，采集系统包括：处理装置13和多个规则排列的传感器阵列，处理装置13连接传感器阵列中的每一传感器12。

在本实施例中，激光器1发出的激光经过分光棱镜2后分成两束光；所述分光棱镜2分出的第一束光经过第一平面反射镜3反射到第一显微物镜4和第一准直透镜5进行扩束准直后，准直的光照射待测物体11，经待测物体11反射的光到达合束镜10；

分光棱镜2分出的第二束光经过第三平面反射镜6和第二平面反射镜7的反射；反射到第二显微物镜8和第二准直透镜9进行扩束准直，准直后的光到达合束镜10；

合束镜10将待测物体反射的物光和经由第二准直透镜9的参考光合束以发生干涉，并被多个传感器12的探测面感测传输至处理装置13，进而经由处理装置13的处理获得待测物体的三维形变。在实际应用中，传感器可以记录发生干涉的全息信息即全息图，并以数字化的形式储存在处理装置中。

在本实施例中，每一传感器具有一个探测面；每一个传感器探测面的法线与待测物体表面法线平行，多个传感器探测面与待测物体表面平行。

另外，采集系统还包括：用于支撑每一传感器的平移台(图中均未示出)；所述平移台用于调整传感器的探测面的平移量；

所述平移台借助驱动系统与处理装置连接。传感器之间的平移量可以通过平移台的来完成。

在实际应用中，图1A中所示的多个传感器均可包括但不限于CCD、CMOS等光电耦合器件。

在本实施例中，物光和参考光会合，发生干涉，干涉结果叫做全息。而衍射是指照到待测物体表面的光经过待测物体表面反射到传感器探测面这一距离叫做光的衍射。

本实施例中多传感器测量装置结构紧凑，无需使用成像透镜避免了透镜像差对测量的影响，可达到高精度、快速实时的三维物体表面形变检测要求。

实施例二

本发明实施例提供一种基于多传感器测量物体三维形变的方法，本实施例的方法可包括下述的方法：

步骤A1：将同一光源的光束分为参考光束和物光光束，使所述物光光束照射一待测物体；

步骤A2：使用多个传感器采集照射所述待测物体后的物光光束与参考光束发生干涉的全息信息；

步骤A3：针对每一传感器，获取所述待测物体未发生形变前的第一全息信息和所述待测物体发生形变后的第二全息信息；并采用预设的参数处理每一个传感器对应的第一全息信息和第二全息信息，获取每一传感器对应的所述待测物体表面形变的信息；

步骤A4、基于每一传感器对应的待测物体表面形变的信息，确定待测物体的三维形变。

本实施例的方法是基于低成本的光路系统实现了对物体三维形变的测量，可大规模推广使用。

根据本发明实施例的另一方面，结合图1A至图1B所示的装置，本发明还提供一种基于多传感器测量物体三维形变的方法，该方法的执行主体可为采集系统中的处理装置，本实施例的方法可包括下述步骤，如图10所示：

步骤S1、针对每一传感器，所述处理装置获取所述待测物体未发生形变前的第一全息信息；

步骤S2、针对每一传感器，所述处理装置获取所述待测物体发生形变后的第二全息信息；

步骤S3、所述处理装置采用预先的参数基于每一个传感器对应的第一全息信息和第二全息信息，获取每一传感器对应的所述待测物体表面的形变信息；

步骤S4、所述处理装置基于每一传感器对应的待测物体表面形变的信息，确定待测物体的三维形变。

也就是说，在被测物体的表面上构建空间坐标系，取被测物表面的中心作为坐标原点，被测物表面横向为x₀轴，被测物表面纵向为y₀轴,被测物体的表面法线方向(光轴方向)为z轴。确定不同检测方向的传感器的坐标位置。

利用传感器坐标位置检测方向的观察矢量以及物光位置的照明矢量关系进行计算，按下述公式(2)获得被测物体表面的三维形变信息。

结合图7和图8所示，在实际应用中，针对选择的待处理的一个传感器，所述步骤S3包括：

子步骤S31、根据第一全息信息进行1-FFT(1次快速傅里叶变换)重建，重建出变形前的第一1-FFT重建平面，1-FFT重建平面包含共轭物光像(-1级像)，物光像(+1级像)，零级像；如图7所示。

子步骤S33、根据第一1-FFT重建平面的共轭物光像(-1级像)，重建出第一变形前的重建物光场，如图8所示；第一变形前的重建物光场包含了第一相位、第一复振幅；第一重建物光场的复振幅表示为：O₀(x₀,y₀)；第一重建物光场的相位表示为：

子步骤S34、根据第二1-FFT重建平面的共轭物光像(-1级像)，重建出第二变形后的重建物光场，第二变形后的重建物光场包含了第二相位、第二复振幅；第二重建物光场的复振幅表示为：O₁(x₀,y₀)；第二重建物光场的相位表示为：

其中，所述第一共轭物光像(-1级像)、第二共轭物光像(-1级像)均为携带原物光波的共轭光信息的共轭物光像；

基于前述的信息，本实施例中用于表示待测物体表面形变信息的相位差表示为：

当激光照射到待测物体表面，待测物体表面称为物光场；物光场含有待测物体表面的相位、强度信息。

即用于表示待测物体表面的形变信息

相位差

准确地反映出物体表面形变所引起的相位变化。

相应地，获取每一传感器对应的所述待测物体表面的形变信息中的相位差为

i＝1，2，3……N，表示处理装置中选择处理的传感器的数量。

其中，

为灵敏度矢量，

物光光束的位置坐标：(x_e,y_e,z_e)

本实施例的方法，通过改变传感器的坐标位置，对应改变了观察矢量，从而得到三个不共面的灵敏度矢量，计算出物体三维形变；基于低成本的光路系统实现了对物体三维形变的测量，可大规模推广使用。

为了更好理解前述步骤S1至步骤S3的内容，以下进行详细说明。

物光光路的物光光束照射到待测物体表面上，物平面上的复振幅表示为：

其|U₀(x₀,y₀,z₀)|为待测物体表面的强度信息、

为待测物体表面的相位信息，x₀,y₀,z₀表示待测物体表面坐标；

经过预设的衍射距离d(如图2所示，待测物体表面到传感器探测面的距离)后在选择的每一传感器的探测面上的复振幅表示为U_f(x,y,z)其中z＝d，U_f(x,y,z)称为全息平面即传感器探测面的初始物光场复振幅；

公式表述为：

公式中x,y,z表示传感器探测面的坐标；x₀，y₀表示待测物体的表面坐标。

λ为激光的光波长。

其中z＝d，为待测物体表面到传感器探测面的距离。

参考光复振幅表示为：U_r；

处理装置获取的全息信息表示为I_h，

其中，I_h是由选择的每一传感器的探测面上的复振幅U_f(x,y,z)与参考光束复振幅U_r干涉形成的。物体表面的复振幅U₀(x₀,y₀,z₀)经过距离d衍射之后的信息结果，表述为初始物光场复振幅U_f(x,y,z)。距离d为待测物体表面到传感器探测面的距离。

U_c为根据参考光确定的重建波复振幅；

I_h为1-FFT重建结果称为1-FFT重建平面，其中，共轭物光像(又称为-1级像)表示为：

物光像(又称为+1级像)表示为：

零级像表示为：

将得到的1-FFT重建像平面的共轭物光像(又称为-1级像)

进行傅里叶逆运算(也叫做衍射逆运算)得到传感器探测平面初始物光场复振幅U_f(x,y,z)；将传感器探测平面初始物光场复振幅U_f(x,y,z)再进行一次运算得到待测物体物平面上的复振幅U₀(x₀,y₀,z₀)；为了表述的更清楚，将运算得到的U₀(x₀,y₀,z₀)重新表述为：重建物光场，表示为O₀(x₀,y₀)，O₁(x₀,y₀)。

本实施例中的采集系统的每一个传感器记录待测物体形变前和形变后的全息信息，进而获取待测物体的形变信息。

例如，将每一个传感器记录下的物体表面形变前、形变后的全息图进行重建，如图7所示，右上角圆形图案为实验计算得到的共轭物光像(又称为-1级像)。将共轭物光像(又称为-1级像)提取出来进行衍射逆运算，得到测量物体表面形变前、形变后的重建物光场。

在本实施例中，形变前、形变后重建物光场的复振幅分别表示为O₀(x₀,y₀)及O₁(x₀,y₀)，如图8所示。形变前重建物光场相位表示为

形变后重建物光场相位表示为

相位差

如图9所示。

相位差

准确地反映出物体表面形变所引起的相位变化。由于光波场的相位由反正切函数表示，反正切函数的变化区间为[-π，π]，在图9中可以看到变化范围为[-π，π]。相位

是实际随机相位取2π的模后的随机量，所以需要进行一个相位解包裹计算。得到一个传感器采集到的相位差。

前述公式中提及有观察矢量和照明矢量，为更好的理解，在图6A以及图6B中示出了观察矢量和照明矢量，观察矢量即指待测物体表面到传感器的探测面之间的矢量表示。不同坐标位置的传感器既可以得到不同方向的观察矢量。在模拟以及实验计算过程中，确定传感器坐标位置，根据传感器坐标位置以及照明光(物光光束)坐标位置，计算i,j,k三个方向的照明矢量、观察矢量，得到i,j,k三个方向的灵敏度矢量。灵敏度矢量等于观察矢量减去照明矢量，公式表述为：

照明矢量:

观察矢量:

灵敏度矢量:

基于获得的形变信息

以及灵敏度矢量

代入公式

计算出待测物体的三维形变信息

照明矢量与观察矢量相减称为灵敏度矢量。三个不同位置的传感器就有三个不同方向的照明矢量，三个不共面的灵敏度矢量，依据这三个不共面的矢量求解计算三维形变。

实施例三

不同检测方向的传感器，在空间上的布局如图2所示，选取其中的三个不同检测方向的传感器，在空间位置上为三角形布局，每个传感器与物光照明方向呈不同的空间角度，形成了三个灵敏方向不同的空间测量向量，通过测量向量的矩阵计算，实现三维变形的测量。

在实际应用中，可选择非一行或非一列的任意三个传感记录的信息进行下述的形变计算，可任意选择其中三个位置处的传感器所记录的信息进行计算(最少为三个)，因为待测物体表面发生x₀、y₀、z三个方向的形变，三个未知数，需要联立三个方程来求解。

结合图3和图6B所示的选择的三个传感器进行说明，待测物体表面的形变信息为：

图4A、图4B和图4C分别示出了相位差

对应的物体表面形变的信息；图5A、图5B和图5C分别示出了待测物体表面变形在x₀、y₀、z方向的变形量分量

即为待测物体在x₀、y₀、z三个方向上的变形的信息。图5A表示所测量物体的表面变形在x₀方向的变形量

图5B表示所测量物体的表面变形在y₀方向的变形量

图5C表示所测量物体的表面变形在z方向的变形量

即，图4A至图4C分别表示图9中相位差经过相位解包裹处理之后的相位差结果，具体为三个传感器所采集计算的相位差结果。另外，图5A至图5C为实验三维形变计算结果。

本实施例的反正切函数在这里是arctan。计算中采用反正切函数表示，但由于反正切函数的特性。所以需要对相位差

计算结果进行一个相位解包裹。如图4A、图4B、图4C所示。图4A、图4B、图4C分别表示，所选的第一个、第二个、第三个传感器所采集信息计算得到的相位差

经过相位解包裹之后的结果。

将三个不同检测方向上被测物表面的相位差

代入上述公式(7)计算得到三个不同检测方向上被测物表面的形变信息。如图图5A、图5B、图5C所示。

由此，本发明实施例可基于低成本的光路系统实现了对物体三维形变的测量，可大规模推广使用。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。