CN113551618A

CN113551618A - 一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法及装置

Info

Publication number: CN113551618A
Application number: CN202110797743.6A
Authority: CN
Inventors: 马锁冬; 严祺; 沈贤蒙
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2041-07-14
Also published as: CN113551618B

Abstract

本发明涉及一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法及装置，属光学检测技术领域。测量装置包括投影模块、载物平台、相机、数据传输控制接口和计算机；它基于条纹投影轮廓术和衍射光学相位编码技术，在不借助硅基液晶或数字微镜元件等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，使用衍射光学元件调制入射光场，分时快速投影形成三频正弦三步相移条纹光场图案；同时在保证轴向投影条纹光场图案正弦一致性的基础上，极大地延拓了测量系统的投影成像景深；基于深度神经网络的绝对相位恢复算法的使用，有效地抑制了多径干扰和移相误差对包裹相位解调的影响，提升了绝对相位恢复的精度。

Description

一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法及装置

技术领域

本发明涉及三维形貌的测量技术，特别涉及一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法及装置，属于先进光学检测技术领域。

背景技术

在当今社会生产的诸多领域，如逆向工程、自动在线检测、机器视觉等，常常需要对漫反射面物体进行快速、精确的三维测量。光学类方法因其具有非接触、全场快速、测量精度高等优势，而逐步受到人们的青睐。条纹投影轮廓术作为一种典型的光学类三维测量技术，具有系统结构简单、对外界环境要求不苛刻、测量动态范围大/精度高和速度快等优点，而常被应用于漫反射面物体三维形貌的检测。其测量系统通常由投影器、相机和计算机组成；在测量过程中，高保真度正弦条纹的快速投影、显示与获取一直是人们追求的目标之一，特别是对于一些高速动/瞬态测试场景意义重大。早期的测量用条纹多以激光干涉、正弦光栅投影成像等方式生成，存在单帧及相移条纹的相关参数调控不便等问题。随着光电设备的迅猛发展，尤其是基于硅基液晶（Liquid Crystal on Silicon，LCoS）、数字微镜元件（Digital micromirror device，DMD）技术投影仪的出现，测量用条纹的合成与控制变得更为便捷，但依然存在投影正弦条纹的质量易受投射器光电子学性能影响等问题。在现有的条纹投影轮廓术测量过程中，为了实现高精度检测的目的，通常使用基于LCoS或DMD的投影器投射正弦相移条纹，但单色／彩色相移条纹的正弦性／移相保真度容易受到电子设备Gamma效应／颜色串扰现象的影响，高性能的LCoS或DMD价格昂贵且易被国外供应商卡脖子，投射条纹在被测物表面往往存在多次反射（即多径干扰）现象。此外，在现有的条纹投影轮廓术中，受限于投影成像镜头的有限景深，正弦条纹对比度会随着离焦量的增大而降低，影响轴向大范围三维形貌的高精度获取。虽然可以基于沙姆定律（Scheimpflug Principle）设计相应的投影成像镜头以延拓景深，但却存在斜投影成像带来的诸如镜头装配、附加相位畸变矫正等问题，且景深拓展范围依旧有限。基于双远心光路设计的投影成像镜头虽能避免斜投影成像的问题，但其投影成像倍率固定，且测量视场与镜头口径/体积之间相互制约。因此，如何在不借助LCoS或DMD等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，在较大的轴向景深范围内实现高保真度正弦相移条纹的快速投影与获取，已成为条纹投影轮廓术领域的研究热点与趋势之一。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，在不借助硅基液晶（LCoS）或数字微镜元件（DMD）等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，提供一种能够在大轴向景深范围内实现高保真度正弦相移条纹的快速投影、获取与解算的条纹投影三维形貌测量方法及装置。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术解决方案是提供一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，它包括投影模块、载物平台、相机、数据传输控制接口和计算机；

所述投影模块包括照明光源子系统、耦合中继光学子系统和衍射光学元件；所述照明光源子系统包括照明光源接口电路模组，三个红绿蓝三色LED光源，分别为红绿蓝三色LED光源Ⅰ、红绿蓝三色LED光源Ⅱ和红绿蓝三色LED光源Ⅲ，红绿蓝三色LED光源Ⅰ位于耦合中继光学子系统的物方焦点处，红绿蓝三色LED光源Ⅱ和红绿蓝三色LED光源Ⅲ对称地位于红绿蓝三色LED光源Ⅰ两侧的耦合中继光学子系统的物方焦面上，衍射光学元件位于耦合中继光学子系统的像方出瞳位置；

所述投影模块、载物平台与相机构成条纹投影测量三角光路，投影模块的耦合中继光学子系统的光轴与相机镜头的光轴相交于载物平台，投影模块的衍射光学元件和相机镜头聚焦于载物平台上；

所述计算机经数据传输控制接口分别与投影模块和相机连接；

所述的测量装置在工作状态时，投影模块接收计算机指令，依次分时点亮红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分时输出的各单色LED出射光场经过耦合中继光学子系统分别均匀平行照射至衍射光学元件上；经衍射光学元件调制后在轴向延拓的景深范围内依次形成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，分时投射到待测物表面上的同一区域，相机依次分时采集由待测物表面反射的三频正弦三步相移变形条纹图，传输至计算机，经数据处理得到待测物表面的三维形貌分布。

本发明所述的衍射光学元件包含三个子区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分别对应调制由红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ发出的经过耦合中继光学子系统后的各单色均匀平行LED光，在轴向延拓的景深范围内依次分别形成红绿蓝三色的相移条纹光场图案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，调制生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，投射到待测物表面上的同一区域。

本发明所述的红绿蓝三色LED光源为分别由红色LED、绿色LED和蓝色LED三个芯片组合成的光源，或为由出射红绿蓝三色的单个LED芯片构成的光源。

本发明技术方案还包括一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，步骤如下：

（1）测量装置调整：将投影模块与相机分别通过数据传输控制接口与计算机相连接，将投影模块的耦合中继光学子系统光轴与相机镜头的光轴调整至相交于载物平台，形成条纹投影测量三角光路；调整投影模块的衍射光学元件和相机镜头聚焦于载物平台上，且投影模块经衍射光学元件在载物平台上的投射区域与相机在载物平台上的视场区域大小匹配；

（2）装置标定及深度神经网络模型训练：依据条纹投影轮廓术和衍射光学相位编码原理，构建系统成像测量模型；基于系统成像测量模型，利用已知高度分布的三维物体，标定获得测量装置的“相位—高度”转换关系函数；基于系统成像测量模型及测量装置的“相位—高度”转换关系标定结果，使用一系列已知三维分布的虚拟模型物体仿真生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移变形条纹图，采用模型驱动方法分别训练基于深度神经网络的多径干扰分离器R、G和B；

（3）条纹图投影与采集：将待测物置于载物平台上的投影模块和相机公共视场的中央区域；计算机通过数据传输控制接口控制投影模块中的照明光源接口电路模组，依次分时点亮红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分时输出的各单色LED出射光场经过耦合中继光学子系统分别均匀平行照射至衍射光学元件上对应的子区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ；经衍射光学元件调制后在轴向延拓的景深范围内依次形成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，分时投射到待测物表面上的同一区域，相机依次分时采集由待测物表面反射的三频正弦三步相移变形条纹图，经数据传输控制接口传输至计算机；

（4）条纹图解相与三维面形重构：利用深度神经网络的绝对相位恢复算法处理获得的三频正弦三步相移变形条纹图，计算得到与待测物三维形貌相关的绝对相位分布；依据步骤（2）中标定获得的测量装置的“相位—高度”转换关系函数，重构得到待测物表面的三维形貌分布。

本发明提供的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，步骤（4）中所述的深度神经网络的绝对相位恢复算法，使用步骤（2）中经过训练的基于深度神经网络的多径干扰分离器R、G和B，分别处理步骤（3）获得的三频正弦三步相移变形条纹图，分离得到由被测物表面直接漫反射的三频正弦三步相移变形条纹图，利用三步随机移相算法抑制移相误差，计算得到各频率的包裹相位，再利用多频外差相位展开算法得到绝对相位分布。

本发明技术方案中，步骤（2）中三频正弦三步相移变形条纹图和步骤（3）中三频正弦三步相移条纹光场图案的频率依据中国余数定理优化计算选定，满足经过三次光外差操作后相机在载物平台上的视场区域内条纹数为1；三频正弦三步相移条纹光场图案为等步长的三步相移，每步相移量为

。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1.本发明提供的测量装置在不借助硅基液晶（LCoS）或数字微镜元件（DMD）等器件、不显著增加系统体积和复杂度的情况下，使用衍射光学元件调制入射光场，分时快速投影形成三频正弦三步相移条纹光场图案；同时在保证轴向投影条纹光场图案正弦一致性的基础上，极大地延拓了测量系统的投影成像景深。

2.本发明提供的测量方法，通过基于深度神经网络的绝对相位恢复算法的使用，有效地抑制了多径干扰和移相误差对包裹相位解调的影响，提升了绝对相位恢复的精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量装置的结构示意图；

其中：1.投影模块；2.待测物；3.载物平台；4.相机；5.数据传输控制线；6.计算机；11.照明光源接口电路模组；121.红绿蓝三色LED光源Ⅰ；122.红绿蓝三色LED光源Ⅱ；123.红绿蓝三色LED光源Ⅲ；13.耦合中继光学子系统；14.衍射光学元件；141.衍射光学元件子区域Ⅰ；142.衍射光学元件子区域Ⅱ；143.衍射光学元件子区域Ⅲ。

图2为本发明实施例提供的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法的流程示意图。

图3为本发明实施例提供的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法中基于深度神经网络的绝对相位恢复算法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

实施例1

参见附图1，它为本实施例提供的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量装置的结构示意图。该测量装置由投影模块1、载物平台3、相机4、数据传输控制线5和计算机6；投影模块1由照明光源子系统、耦合中继光学子系统13和衍射光学元件14组成；照明光源子系统由照明光源接口电路模组11、红绿蓝三色LED光源Ⅰ 121、红绿蓝三色LED光源Ⅱ 122、红绿蓝三色LED光源Ⅲ 123组成；照明光源子系统中的红绿蓝三色LED光源Ⅰ 位于耦合中继光学子系统13的物方焦点处，红绿蓝三色LED光源Ⅱ 和红绿蓝三色LED光源Ⅲ 对称地位于红绿蓝三色LED光源Ⅰ 两侧的耦合中继光学子系统13的物方焦面上，衍射光学元件14位于耦合中继光学子系统的像方出瞳位置；投影模块、载物平台与相机构成条纹投影测量三角光路，投影模块的耦合中继光学子系统的光轴与相机镜头的光轴相交于载物平台，投影模块的衍射光学元件和相机镜头聚焦于载物平台上；计算机6经数据传输控制线5分别与投影模块1和相机4连接，投影模块根据计算机指令、分时产生三频正弦三步相移条纹光场图案，并投射到位于载物平台上的待测物2表面，经待测物表面反射后由相机采集，通过数据传输控制线输入计算机。

本实施例提供的测量装置在工作状态时，投影模块1根据计算机6指令，依次快速点亮红绿蓝三色LED光源Ⅰ 121、Ⅱ 122和Ⅲ 123，使得分时点亮的各单色LED出射光场经过耦合中继光学子系统13分别均匀平行照射至衍射光学元件14上对应的子区域Ⅰ 141、Ⅱ142和Ⅲ 143；经衍射光学元件14调制后在轴向延拓的景深范围内依次形成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，分时投射到待测物2表面上的同一区域，相机4依次分时采集由待测物2表面反射的三频正弦三步相移变形条纹图，传输至计算机6，经数据处理得到待测物2表面的三维形貌分布。

本实施例提供的测量装置，衍射光学元件包含三个子区域Ⅰ 141、Ⅱ 142和Ⅲ143，分别对应调制由红绿蓝三色LED光源Ⅰ 121、Ⅱ 122和Ⅲ 123发出的经过耦合中继光学子系统13后的各单色均匀平行LED光，在轴向延拓的景深范围内依次分别形成红绿蓝三色的相移条纹光场图案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，即对应调制生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，并投射到待测物2表面上的同一区域。

本实施例提供的测量装置，红绿蓝三色LED光源可以为由红色LED、绿色LED和蓝色LED三个芯片组合成的光源，或者是由单个能够分别出射红绿蓝三色的LED芯片构成的光源；在本实施例中，采用单个能够分别出射红绿蓝三色的LED芯片构成的光源。

在本实施例中，耦合中继光学子系统13为单个光学透镜。

采用附图1所示装置，本实施例提供一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，其流程如附图2所示，包括如下步骤：

步骤101，测量装置调整。

将投影模块与相机分别通过数据传输控制线与计算机相连接，将投影模块的耦合中继光学子系统的光轴与相机镜头的光轴调整至相交于载物平台，形成条纹投影测量三角光路；调整投影模块的衍射光学元件和相机镜头聚焦于载物平台上，且投影模块经衍射光学元件在载物平台上的投射区域与相机在载物平台上的视场区域大小匹配。

步骤102，装置标定及深度神经网络模型训练。

基于条纹投影轮廓术和衍射光学相位编码技术原理，推导得到系统成像测量模型；基于系统成像测量模型，使用已知高度分布的三维物体，标定获得测量装置的“相位—高度”转换关系函数；基于系统成像测量模型，结合测量装置的“相位—高度”转换关系标定结果，使用一系列已知三维分布的虚拟模型物体仿真生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移变形条纹图，并采用模型驱动方法分别训练基于深度神经网络的多径干扰分离器R、G和B。

步骤103，条纹图投影与采集。

将待测物置于载物平台上的投影模块和相机公共视场的中央区域；运用配套开发的基于Python的图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）软件在计算机上通过数据传输控制线控制投影模块中的照明光源接口电路模组，依次快速点亮红绿蓝三色LED光源Ⅰ 、Ⅱ 和Ⅲ，使得分时点亮的各单色LED出射光场经过耦合中继光学子系统分别均匀平行照射至衍射光学元件上对应的子区域Ⅰ 、Ⅱ 和Ⅲ；经衍射光学元件调制后在轴向延拓的景深范围内依次形成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，分时投射到待测物表面上的同一区域，相机依次分时采集由待测物表面反射的三频正弦三步相移变形条纹图，经数据传输控制线传输至计算机。

步骤104，条纹图解相与三维面形重构。

使用基于深度神经网络的绝对相位恢复算法处理获得的三频正弦三步相移变形条纹图，计算得到与待测物三维形貌相关的绝对相位分布；根据步骤102中预先标定获得的测量装置的“相位—高度”转换关系函数，重构得到待测物表面的三维形貌分布。

本实施例步骤104中的基于深度神经网络的绝对相位恢复算法，其流程如附图3所示，使用步骤102中经过训练的基于深度神经网络的多径干扰分离器R、G和B，分别处理步骤103获得的三频正弦三步相移变形条纹图，分离得到由被测物表面直接漫反射的三频正弦三步相移变形条纹图，利用三步随机移相算法抑制移相误差，计算得到各频率的包裹相位，再利用多频外差相位展开算法得到绝对相位分布。

本实施例步骤102中三频正弦三步相移变形条纹图和103中三频正弦三步相移条纹光场图案的频率根据中国余数定理优化计算选定，使得经过三次光外差操作后相机在载物平台上的视场区域内条纹数为1；在本实施例中，选用测量区域全视场条纹数为70、64和59；三频正弦三步相移条纹光场图案为等步长的三步相移，每步相移量为

。

Claims

1.一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，其特征在于：它包括投影模块、载物平台、相机、数据传输控制接口和计算机；

2.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，其特征在于：所述的衍射光学元件包含三个子区域Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，分别对应调制由红绿蓝三色LED光源Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ发出的经过耦合中继光学子系统后的各单色均匀平行LED光，在轴向延拓的景深范围内依次分别形成红绿蓝三色的相移条纹光场图案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，调制生成频率分别为R、G和B的三频正弦三步相移条纹光场图案，投射到待测物表面上的同一区域。

3.根据权利要求1所述的一种基于衍射光学元件的条纹投影三维形貌测量装置，其特征在于：所述的红绿蓝三色LED光源为分别由红色LED、绿色LED和蓝色LED三个芯片组合成的光源，或为由出射红绿蓝三色的单个LED芯片构成的光源。

4.一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，其特征在于包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，其特征在于：步骤（4）中所述的深度神经网络的绝对相位恢复算法，使用步骤（2）中经过训练的基于深度神经网络的多径干扰分离器R、G和B，分别处理步骤（3）获得的三频正弦三步相移变形条纹图，分离得到由被测物表面直接漫反射的三频正弦三步相移变形条纹图，利用三步随机移相算法抑制移相误差，计算得到各频率的包裹相位，再利用多频外差相位展开算法得到绝对相位分布。

6.根据权利要求4所述的一种基于衍射编码相位板的条纹投影三维形貌测量方法，其特征在于：步骤（2）中三频正弦三步相移变形条纹图和步骤（3）中三频正弦三步相移条纹光场图案的频率依据中国余数定理优化计算选定，满足经过三次光外差操作后相机在载物平台上的视场区域内条纹数为1；三频正弦三步相移条纹光场图案为等步长的三步相移，每步相移量为

。