CN112880590B - 一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统及方法，通过将光栅倾斜光轴放置，使得其清晰像面在测量空间内为倾斜平面，在投影透镜后放置高反射镜将光轴偏折近90°，旋转反射镜使得条纹清晰成像面完成对整个被测物体表面的扫描，由CCD相机通过分束器同步捕获携带物体表面信息的条纹图，利用相移技术，由条纹光强信息得到每个像素的调制度曲线，根据所获得的调制度峰值序号，即可利用已知的系统映射参数重建每个像素的高度。本发明采用旋转扫描代替轴向扫描，使测量系统更加灵活、紧凑，倾斜放置光栅也能显著扩大测量深度。

Description

一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统及方法。

背景技术

共轴技术，也称为垂直测量技术(MMP：Modulation Measurement Profilometry)，投影仪轴和摄像机共轴，可以克服三角测量带来的遮挡阴影问题。现在通用的垂直测量技术主要有三种，第一种是移动被测物体，根据调制度与高度的关系来重建三维，但仅适用于远心系统；另一种是固定物体和成像系统，通过移动系统的投影部分，如移动投影仪、或移动光栅、或者利用变焦透镜实现变焦，从而建立扫描步长与条纹调制度的关系；第三种是不移动系统的任何部件，采用两个分离的正交光栅结合分束器或者组合正交光栅形成两个不同的聚焦图像平面，从而构造物体高度与条纹调制度的对应关系。这三种测量方式都存在一定的限制，包括装置复杂、测量条件苛刻和测量范围较小等，在实际应用中这些限制条件不利于大尺度物体的测量和仪器的小型化。因此，利用倾斜聚焦和旋转扫描实现垂直三维面形测量来避免以上问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统及方法解决了现有测量方式存在装置复杂、测量条件苛刻和测量范围较小的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统，包括以下组成部分：光栅、CCD相机、投影透镜、反射镜和分束镜；

所述光栅倾斜放置在投影透镜一侧；所述反射镜放置在投影透镜另一侧，用于对投影透镜投射的光进行反射；所述分束镜用于将反射镜的光投射到待测物体上，并将携带待测物体信息的条纹图反射至CCD相机。

一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量方法，包括以下步骤：

S1、通过转动L次反射镜，完整扫描待测物体表面，通过CCD相机拍摄每次转动反射镜后的N帧条纹图；

S2、根据转动反射镜后得到的N*L帧条纹图，并基于相移法计算整个待测物体所有像素点的调制度；

S3、采用重心法计算每个像素点的调制度最大值序号；

S4、对调制轮廓测量系统进行标定，得到调制度最大值序号与实际高度的二次多项式查找表；

S5、根据每个像素点的调制度最大值序号，采用标定得到的调制度最大值序号与实际高度的二次多项式查找表计算得到每个像素点的实际高度。

进一步地，所述步骤S2中调制度的计算公式为：

其中，M_f(x,y)为像素点(x,y)的调制度，N为相移步数，相移步数等于每个位置拍摄条纹图的帧数，n为第n步相移条纹图，R(x,y)为待测物体的反射率，M(x,y)为调制轮廓测量系统的垂直放大率，A(x,y)为背景强度，B(x,y)为条纹对比度，f₀为条纹空间频率，φ₀(x,y)为初始相位，x为像素横坐标。

上述进一步方案的有益效果为：相移法点对点计算调制度，减少了邻域像素点的影响，得出的调制度值更加可靠。

进一步地，所述步骤S3中计算每个像素点的调制度最大值序号的公式为：

其中，S^l(x,y)调制度最大值序号，L为扫描总次数，即转动反射镜次数，

为每个位置调制度值。

进一步地，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、在垂直光轴的不同位置放置高度已知的参考平面，得到多个参考平面的实际高度；

S42、分别对多个参考平面进行测量，对每一个像素点，计算在每个参考平面的调制度最大值序号；

S43、构建调制度最大值序号与实际高度的二次多项式；

S44、根据每个参考平面的调制度最大值序号和多个参考平面的实际高度，求解二次多项式，得到系统参量；

物体表面S45、将系统参量存储进计算机中，建立二次多项式查找表。

进一步地，所述步骤S43中二次多项式为：

H(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)*S(x,y)+c(x,y)*S²(x,y)

其中，H(x,y)为像素点(x,y)对应的每个参考平面的实际高度，S(x,y)为调制度最大值序号，a(x,y)为第一系统参量，b(x,y)为第二系统参量，c(x,y)为第三系统参量。

综上，本发明的有益效果为：本发明通过将光栅倾斜光轴放置，使得其清晰像面在测量空间内为倾斜平面，在投影透镜后放置高反射镜将光轴偏折近90°，旋转反射镜使得条纹清晰成像面完成对整个被测物体表面的扫描；由CCD相机通过分束器同步捕获携带物体表面信息的条纹图；利用相移技术，由条纹光强信息得到每个像素的调制度曲线，根据所获得的调制度峰值序号，即可利用已知的系统映射参数重建每个像素的高度。本发明采用旋转扫描代替轴向扫描，使测量系统更加灵活、紧凑，倾斜放置光栅也能显著扩大测量深度。

附图说明

图1为单透镜成像平面前后的调制度分布图；

图2为一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统的系统框图；

图3为一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量方法的流程图；

图4为不同旋转角度待测物体表面条纹FIP位置变化图；

图5为五个不同高度的像素点位置图；

图6为同一列不同高度对应的调制度曲线示意图；

图7为模拟不同高度的圆台示意图；

图8为第100帧CCD记录条纹结果图；

图9为最终重建出的三维物体图；

图10为重建结果第340行的剖面图；

图11为重建结果第340列的剖面图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

正弦条纹通过投影物镜后，在其调焦平面的条纹图案最清晰，其条纹调制度也最高，在其成像面(FIP:focused image plane)前后调制度逐渐变小，呈高斯分布，如图1所示。

本系统如图2所示，包括以下组成部分：光栅、CCD相机、投影透镜、反射镜和分束镜；

所述光栅倾斜放置在投影透镜一侧；所述反射镜放置在投影透镜另一侧，用于对投影透镜投射的光进行反射；所述分束镜用于将反射镜的光投射到待测物体上，并将携带待测物体信息的条纹图反射至CCD相机。

光栅倾斜放置在透镜前，与投影光轴成一定角度倾斜放置，其FIP也与光轴有一定倾角，并在光路中放置一个与光轴初始夹角为45°的反射镜，将图像镜像变换90°。系统测量过程中，当反射镜旋转停在任意角度时，在垂直于光轴的一个参考平面上仅有部分光栅像清晰聚焦，因此，在该参考平面上投影图像强度值呈高斯分布。计算机生成N帧相移条纹(N≥3)，将N帧相移条纹分别投射到物体上，CCD通过分束镜拍摄携带物体表面信息的条纹图。

如图3所示，一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量方法，包括以下步骤：

S1、通过转动L次反射镜，完整扫描待测物体表面，通过CCD相机拍摄每次转动反射镜后的N帧条纹图；

S2、根据转动反射镜后得到的N*L帧条纹图，并基于相移法计算整个待测物体所有像素点的调制度；

步骤S2中调制度的计算公式为：

其中，M_f(x,y)为像素点(x,y)的调制度，N为相移步数，相移步数等于每个位置拍摄条纹图的帧数，n为第n步相移条纹图，R(x,y)为待测物体的反射率，M(x,y)为调制轮廓测量系统的垂直放大率，A(x,y)为背景强度，B(x,y)为条纹对比度，f₀为条纹空间频率，φ₀(x,y)为初始相位，x为像素横坐标。

S3、采用重心法计算每个像素点的调制度最大值序号；

扫描过程中，需按照一定角度转动反射镜，使得聚焦条纹图位置能依次扫描过整个待测物体表面；每次旋转后，均须投影并拍摄N帧条纹图；再由调制函数计算出待测物体扫描面上所有像素点的调制度。如果总扫描次数为L，即转动次数为L，则可得到L幅调制度图，如图4所示，对于任一像素点均有L个调制度值。

步骤S3中计算每个像素点的调制度最大值序号的公式为：

其中，S^l(x,y)调制度最大值序号，L为扫描总次数，即转动反射镜次数，

为每个位置调制度值。

S4、对调制轮廓测量系统进行标定，得到调制度最大值序号与实际高度的二次多项式查找表；

为获得物面高度信息，必须事先对整个系统进行标定，本发明中，标定即为建立调制度最大值序号与实际物理高度的对应关系。

实际标定中，在垂直光轴的不同位置放置几个高度已知的参考平面，分别对参考平面进行测量，对每一个像素点，在第i个参考平面实际高度为H(i)，求出其调制度最大值序号为S(i)，然后利用以下的二次多项式列出至少三个方程，从中解出三个系数的值，再将这三个系数作为系统参量存储在计算机中，建立二次多项式查找表。

计算高度时先从查找表中找出对应像素点的系数，然后将测量系统获得调制度最大值序号S代入构建完成的调制度最大值序号与实际高度的映射模型就能得到实际高度。

步骤S4包括以下分步骤：

S41、在垂直光轴的不同位置放置高度已知的参考平面，得到多个参考平面的实际高度；

S42、分别对多个参考平面进行测量，对每一个像素点，计算在每个参考平面的调制度最大值序号；

S43、构建调制度最大值序号与实际高度的二次多项式；

步骤S43中二次多项式为：

H(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)*S(x,y)+c(x,y)*S²(x,y)

其中，H(x,y)为像素点(x,y)对应的每个参考平面的实际高度，S(x,y)为调制度最大值序号，a(x,y)为第一系统参量，b(x,y)为第二系统参量，c(x,y)为第三系统参量。

S44、根据每个参考平面的调制度最大值序号和多个参考平面的实际高度，求解二次多项式，得到系统参量；

S45、将系统参量存储进计算机中，建立二次多项式查找表。

在实际测量过程中，光栅成像面扫描完待测物体后，可获得每个像点的调制度分布曲线，根据其调制度最大值序列号，利用最大值索引号与实际高度映射关系，就能得到待测物体的三维信息。

如图5所示，CCD面阵上同一列五个不同高度的像素点，对应的旋转次数为横坐标，调制度值为纵坐标的5条调制度曲线如图6所示。

S5、根据每个像素点的调制度最大值序号，采用标定得到的调制度最大值序号与实际高度的二次多项式查找表计算得到每个像素点的实际高度。

图7为模拟的高度为0，20，80，140，200的圆台，旋转反射镜扫描步长为FIP每次移动两个像素，拍摄记录每次旋转后不同高度位置对应的不同焦平面位置。图8为第100帧CCD记录结果。

最终重建出的三维物体如下图9～11所示。

本发明的有益效果为：本发明通过将光栅倾斜光轴放置，使得其清晰像面在测量空间内为倾斜平面，在投影透镜后放置高反射镜将光轴偏折近90°，旋转反射镜使得条纹清晰成像面完成对整个被测物体表面的扫描；由CCD相机通过分束器同步捕获携带物体表面信息的条纹图；利用相移技术计算出调制度，根据调制度最大值序列号与高度之间的映射关系来重建测量表面的三维形状。本发明采用旋转扫描代替轴向扫描，使测量系统更加灵活、紧凑，倾斜放置光栅也能显著扩大测量深度。

Claims (3)

1.一种基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统的方法，其特征在于，其系统包括：光栅、CCD相机、投影透镜、反射镜和分束镜；

所述光栅倾斜放置在投影透镜一侧；所述反射镜放置在投影透镜另一侧，用于对投影透镜投射的光进行反射；所述分束镜用于将反射镜的光投射到待测物体上，并将携带待测物体信息的条纹图反射至CCD相机；

其方法包括以下步骤：

S1、通过转动L次反射镜，完整扫描待测物体表面，通过CCD相机拍摄每次转动反射镜后的N帧条纹图；

S2、根据转动反射镜后得到的N*L帧条纹图，并基于相移法计算整个待测物体所有像素点的调制度；

步骤S2中调制度的计算公式为：

其中，M_f(x,y)为像素点(x,y)的调制度，N为相移步数，相移步数等于每个位置拍摄条纹图的帧数，n为第n步相移条纹图，R(x,y)为待测物体的反射率，M(x,y)为调制轮廓测量系统的垂直放大率，A(x,y)为背景强度，B(x,y)为条纹对比度，f₀为条纹空间频率，φ₀(x,y)为初始相位，x为像素横坐标；

S3、采用重心法计算每个像素点的调制度最大值序号；

步骤S3中计算每个像素点的调制度最大值序号的公式为：

其中，S^l(x,y)调制度最大值序号，L为扫描总次数，即转动反射镜次数，

为每个位置调制度值；

S4、对调制轮廓测量系统进行标定，得到调制度最大值序号与实际高度的二次多项式查找表；

S5、根据每个像素点的调制度最大值序号，采用标定得到的调制度最大值序号与实际高度的二次多项式查找表计算得到每个像素点的实际高度。

2.根据权利要求1所述的基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统的方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、在垂直光轴的不同位置放置高度已知的参考平面，得到多个参考平面的实际高度；

S42、分别对多个参考平面进行测量，对每一个像素点，计算在每个参考平面的调制度最大值序号；

S43、构建调制度最大值序号与实际高度的二次多项式；

S44、根据每个参考平面的调制度最大值序号和多个参考平面的实际高度，求解二次多项式，得到系统参量；

S45、将系统参量存储进计算机中，建立二次多项式查找表。

3.根据权利要求2所述的基于倾斜聚焦和旋转扫描的调制轮廓测量系统的方法，其特征在于，所述步骤S43中二次多项式为：

H(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)*S(x,y)+c(x,y)*S²(x,y)

其中，H(x,y)为像素点(x,y)对应的每个参考平面的实际高度，S(x,y)为调制度最大值序号，a(x,y)为第一系统参量，b(x,y)为第二系统参量，c(x,y)为第三系统参量。

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