CN114485470A - 基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法 - Google Patents

基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114485470A
CN114485470A CN202210127007.4A CN202210127007A CN114485470A CN 114485470 A CN114485470 A CN 114485470A CN 202210127007 A CN202210127007 A CN 202210127007A CN 114485470 A CN114485470 A CN 114485470A
Authority
CN
China
Prior art keywords
speckle
composite material
module
dimensional
image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210127007.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114485470B (zh
Inventor
胡摇
郝群
韩天爽
徐喜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Technology BIT
Original Assignee
Beijing Institute of Technology BIT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Technology BIT filed Critical Beijing Institute of Technology BIT
Priority to CN202210127007.4A priority Critical patent/CN114485470B/zh
Publication of CN114485470A publication Critical patent/CN114485470A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114485470B publication Critical patent/CN114485470B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8851—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/60—Analysis of geometric attributes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/8851—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges
    • G01N2021/8887—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges based on image processing techniques

Abstract

基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统及方法，散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块同步分别发射激光，照射到被测复合材料试件的表面形成散斑，数据处理模块对于散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块分别控制，用来采集被测复合材料试件的全场散斑干涉图，并对两个模块的信息进行整合，计算得到被测复合材料试件的内部缺陷检测结果和三维空间位置，通过显示模块将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户；其中，散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块共视场，且元器件之间无遮挡关系，两模块所需要的散斑的效果不一样，采用波长不同的两束激光分别照射被测复合材料试件。

Description

基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法
技术领域
本发明涉及光电检测的技术领域，尤其涉及一种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，以及这种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统所采用的方法。
背景技术
随着材料工艺的逐渐成熟和提高，高性能复合材料由于具有质量轻、力学性能可设计等优点，在汽车、航空航天等领域得到了广泛的应用。制造的工艺、材料特性和服役条件等都可能导致复合材料构件中产生缺陷，降低材料的强度等使用性能，影响使用寿命，对使用安全造成威胁。对于肉眼容易辨别的、表面的、在毫米量级的宏观缺陷，检测与品质的把控通常比较容易；然而，对于微小的离面位移、形变或者内部缺陷，人工识别的准确性则远远不能达到要求，且检测现场的振动、杂光等都对检测提出挑战，使产品的质量检测与把控存在一定难度。
因此，对复合材料构件的表面形变及宏观形貌三维进行识别，同时对复合材料可能存在的微小形变、内部缺陷等进行的全面检测及质量评价,在理论研究和工程实践中都有着十分重要的意义。
在对复合材料进行无损检测的过程中，需要依靠不同的技术实现对于复合材料三维形貌、表面形变和内部缺陷等不同性质的识别和检测。目前，已经有多种无损检测技术为复合材料的制造和维修提供服务，各方法以其独特优势在不同检测目的、不同领域中发挥作用。
其中，以激光、散斑干涉技术、数字图像处理技术等为基础的电子散斑干涉技术能够以激光散斑作为被测物场变化信息的载体，对待测材料加载，通过观察缺陷表面因异常变形导致的异常光学干涉条纹来判断材料的内部缺陷。而剪切散斑干涉测量的是通过对被测物体发生微小变形前后的散斑图样进行差值运算，将使得代表图像剪切方向位移导数的条纹得以再现，可用于斜率、应变应力、曲率等的测量，也可通过积分实现对于位移的测量。
来源于人眼的视觉系统的双目视觉原理是用两个照相机从两个不同角度获取物体的两幅图像，通过对两幅图像上同一标志点的不同的位置进行处理，从而得到物体的立体信息，该方法可以在多种条件下灵活地测量景物的立体信息，常用于三维目标的识别、位形分析。
任何基于单一技术原理的复合材料光学无损检测方法都有独特的优势和局限性，散斑干涉技术的测量精度高，对微观表面形貌变化和微小位移较为敏感，同时可以对复合材料构件的内部缺陷进行检测，但是对于飞机机翼、外壳、螺旋桨等有相对复杂面型的构件测量时，还存在一定的局限性；散斑双目视觉技术精度较低，不能检测复合材料构件的内部缺陷，但是可以对于物体的宏观三维整体形貌进行有效识别。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其解决了复合材料的三维形貌、形变及缺陷不能同步测量问题，实现环境光干扰下，对于复合材料的三维整体形貌和内部缺陷信息整合，给出综合测量结果。
本发明的技术方案是：这种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其包括：散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块、被测复合材料试件、数据处理模块、显示模块；
散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块同步分别发射激光，照射到被测复合材料试件的表面形成散斑，数据处理模块对于散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块分别控制，用来采集被测复合材料试件的全场散斑干涉图，并对两个模块的信息进行整合，计算得到被测复合材料试件的内部缺陷检测结果和三维空间位置，通过显示模块将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户；
其中，散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块共视场，且元器件之间无遮挡关系，两模块所需要的散斑的效果不一样，采用波长不同的两束激光分别照射被测复合材料试件。
本发明散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块同步分别发射激光，照射到被测复合材料试件的表面形成散斑，数据处理模块对于散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块分别控制，用来采集被测复合材料试件的全场散斑干涉图，并对两个模块的信息进行整合，计算得到被测复合材料试件的内部缺陷检测结果和三维空间位置，通过显示模块将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户，因此解决了复合材料的三维形貌、形变及缺陷不能同步测量问题，实现环境光干扰下，对于复合材料的三维整体形貌和内部缺陷信息整合，给出综合测量结果。
还提供了一种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量方法，其包括以下步骤：
(1)系统三目标定：在基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统前方视场内放置标定板，对散斑干涉测量模块中的成像相机和散斑双目视觉测量模块中的左偏振相机与右偏振相机分别及逆行标定操作，得到成像装置的内部参数与外部参数，接着对三个相机的外参进行联合标定，实现三目相机坐标的相互转换；
(2)放置被测试件，产生和接收散斑：第一激光器发射波长为λ1的激光经过扩束器后到达被测试件表面，第二激光器发射波长为λ2的激光经过散射片产生散斑照射到被测复合材料试件表面，光路返回，经过滤光片，第一激光器产生的散斑被散斑干涉测量模块接收，第二激光器产生的散斑直接被散斑双目视觉测量模块接收；
(3)采集加载前的散斑图像：控制散斑干涉测量模块中的压电陶瓷实现移相，并通过滤光片采集第一激光器产生的不同相位的散斑干涉图；散斑双目视觉测量模块同步对第二激光器产生的散斑进行四个偏振通道下的图像采集；
(4)对被测试件进行加载，使其发生变形：利用高功率光源持续照射被测复合材料试件，或者利用气压、螺旋推进的方法使被测复合材料试件表面发生微小形变；
(5)重复步骤(3)，采集变形后的散斑图像；
(6)依据散斑干涉测量模块采集的图像进行缺陷二维检测：首先对散斑干涉图进行灰度化，再利用相位提取算法从散斑干涉图中提取相位，接着利用滤波去噪算法和解包裹算法进一步处理得到加载前后的相位图，相减得到相位差图，依据剪切模块的相关参数得到缺陷处的离面位移导数，从而实现对于缺陷在二维平面上的缺陷检测；其中，所述相位提取的算法为三步算法、四步算法、或卡雷算法的时间移相算法；所述对采集到的干涉图去噪算法，实现平滑滤波，且保留原始相位图中的尖峰信息；所述解包裹算法使处理过后的图案真实地反映物体离面位移和相位之间的关系；
(7)依据散斑双目视觉测量模块采集的图像进行三维重建；
(8)数据处理模块进行二维和三维信息融合：在执行完步骤(6)、(7)后，分别得到了被测复合材料试件的内部缺陷二维定位结果和三维重建结果，由步骤(1)，依据图像和实物的缩放比例，结合三相机的标定外参将二维图像转换到等比例的三维坐标系中，并且将二维图像中的内部缺陷信息映射到三维形貌的表面，得到被测复合材料试件的三维形貌及缺陷综合测量结果；
(9)通过显示模块，将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户。
附图说明
图1是根据本发明的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统的结构示意图。
图2是根据本发明的散斑干涉测量模块的光路示意图。
图3是散斑双目视觉测量模块的结构示意图。
图4是根据本发明的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量方法的流程图。
其中：101-散斑双目视觉测量模块，102-散斑干涉测量模块，103-被测复合材料试件，104-数据处理模块，105-显示模块，201-第一激光器，202-扩束器，203-被测复合材料试件，204-滤光片，205-成像镜头，206-第一透镜，207-分光棱镜，208-第一平面镜，209-第二平面镜，210-压电陶瓷，211-第二透镜，212-CMOS接收器，301-第一偏振相机，302-第二偏振相机，303-第二激光器，304-散射片，305-标定板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图1所示，这种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其包括：散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块、被测复合材料试件、数据处理模块、显示模块；
散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块同步分别发射激光，照射到被测复合材料试件的表面形成散斑，数据处理模块对于散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块分别控制，用来采集被测复合材料试件的全场散斑干涉图，并对两个模块的信息进行整合，计算得到被测复合材料试件的内部缺陷检测结果和三维空间位置，通过显示模块将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户；
其中，散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块共视场，且元器件之间无遮挡关系，两模块所需要的散斑的效果不一样，采用波长不同的两束激光分别照射被测复合材料试件。
本发明散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块同步分别发射激光，照射到被测复合材料试件的表面形成散斑，数据处理模块对于散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块分别控制，用来采集被测复合材料试件的全场散斑干涉图，并对两个模块的信息进行整合，计算得到被测复合材料试件的内部缺陷检测结果和三维空间位置，，通过显示模块将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户，因此解决了复合材料的三维形貌、形变及缺陷不能同步测量问题，实现环境光干扰下，对于复合材料的三维整体形貌和内部缺陷信息整合，给出综合测量结果。
优选地，利用彩色相机提取对应波长的散斑图像，或者通过在镜头前添加不同波长的滤光片来提取两模块对应的散斑图像。
优选地，所述散斑干涉测量模块的成像中心与被测复合材料试件的中心保持一致，散斑双目视觉测量模块分立于散斑干涉测量模块两侧，关于中心线对称，保持在同一水平线上且在允许条件下相距尽量远。
优选地，所述被测复合材料试件分布有大小不一、位置各异的内部缺陷，尺寸小于或等于300mm×300mm，表面粗糙度至少为照射光源波长的1/3，通过气动或者热加载等形式产生变形。
优选地，所述散斑干涉测量模块采用4f迈克尔逊型剪切散斑干涉结构，利用电子散斑干涉的方法实现视场范围内变形的干涉图采集和缺陷的检测，其由剪切单元、载波单元以及成像单元三部分组成。
优选地，如图2所示，所述散斑干涉测量模块包括：激光器、扩束器、滤光片、分光棱镜、第一平面镜、第二平面镜、4f光学系统、成像镜头、图像传感器以及压电陶瓷，其中：
所述激光器发射的激光波长同散斑双目视觉测量模块的光源波长区分开，激光器功率依据实际使用需求进行选择；
所述扩束器使激光束直径产生的散斑对被测复合材料试件进行全场覆盖；
所述滤光片保留光源波长携带的信息；
所述分光棱镜为非偏振分光棱镜，其工作波长范围根据光源进行选择，其通光口径不小于被测面上被测范围口径；
所述第一平面镜实现横向剪切，引入空间载波；第二平面镜实现时间移相，两平面镜具有相同的平面度，其口径不小于被测范围口径；
所述4f光学系统由两个透镜构成，为平凸透镜或双胶合透镜，其焦距根据允许距离范围选择，用于传递图像，扩大散斑干涉测量模块的视场；
所述成像镜头为定焦镜头或者可调焦镜头，其焦距根据允许距离范围选择，其成像质量综合测量精度要求及相机参数进行选择，其工作波长根据光源进行选择；
所述图像传感器为CCD或者CMOS成像芯片，像元尺寸不小于所述散斑干涉传感模块中像方剪切量，最大分辨率依据实际需求选择；
所述压电陶瓷用于驱动平面镜的移动从而引入相位差，有匹配的位移控制器，控制精度至少为10nm。
优选地，如图3所示，所述散斑双目视觉测量模块包括：散斑照射单元和成像单元，散斑照射单元利用激光器照射散射片后能产生稳定的散斑，调整散斑场的距离，将散斑投影到被测复合材料试件的表面，再由成像单元，在散斑投影到被测复合材料试件的表面后，采集得到四个偏振方向的左偏振散斑图像和左偏振散斑图像；其中：
利用标定板获取左偏振相机和右偏振相机的内部参数与外部参数，第二激光器出射激光，照射在散射片上形成散斑投射到被测复合材料试件的表面，利用左偏振相机与右偏振相机采集偏振散斑图像，在图像中提取该模块对应激光波长的信息，将对应偏振通道下的散斑图像进行算法匹配与三维重建，获得被测复合材料试件的三维图像。
优选地，所述标定板获取成像装置的内部参数与外部参数，使用棋盘格标定板；所述第二激光器发射的激光波长同散斑干涉传感模块的光源波长区分开，激光器功率依据实际使用需求进行选择；所述散射片在激光照射后产生稳定的散斑，投射到被测复合材料试件的表面；所述滤光片过滤其他干扰光源，保留模块光源波长携带的信息；所述左偏振相机与右偏振相机为彩色相机，对不同波长信息的提取，且分别拍摄四个偏振方向的偏振散斑图像。
如图4所示，还提供了一种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量方法，其包括以下步骤：
(1)系统三目标定：在基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统前方视场内放置标定板，对散斑干涉测量模块中的成像相机和散斑双目视觉测量模块中的左偏振相机与右偏振相机分别及逆行标定操作，得到成像装置的内部参数与外部参数，接着对三个相机的外参进行联合标定，实现三目相机坐标的相互转换；
(2)放置被测试件，产生和接收散斑：第一激光器发射波长为λ1的激光经过扩束器后到达被测试件表面，第二激光器发射波长为λ2的激光经过散射片产生散斑照射到被测复合材料试件表面，光路返回，经过滤光片，第一激光器产生的散斑被散斑干涉测量模块接收，第二激光器产生的散斑直接被散斑双目视觉测量模块接收；
(3)采集加载前的散斑图像：控制散斑干涉测量模块中的压电陶瓷实现移相，并通过滤光片采集第一激光器产生的不同相位的散斑干涉图；散斑双目视觉测量模块同步对第二激光器产生的散斑进行四个偏振通道下的图像采集；
(4)对被测试件进行加载，使其发生变形：利用高功率光源持续照射被测复合材料试件，或者利用气压、螺旋推进的方法使被测复合材料试件表面发生微小形变；
(5)重复步骤(3)，采集变形后的散斑图像；
(6)依据散斑干涉测量模块采集的图像进行缺陷二维检测：首先对散斑干涉图进行灰度化，再利用相位提取算法从散斑干涉图中提取相位，接着利用滤波去噪算法和解包裹算法进一步处理得到加载前后的相位图，相减得到相位差图，依据剪切模块的相关参数得到缺陷处的离面位移导数，从而实现对于缺陷在二维平面上的缺陷检测；其中，所述相位提取的算法为三步算法、四步算法、或卡雷算法的时间移相算法；所述对采集到的干涉图去噪算法，实现平滑滤波，且保留原始相位图中的尖峰信息；所述解包裹算法使处理过后的图案真实地反映物体离面位移和相位之间的关系；
(7)依据散斑双目视觉测量模块采集的图像进行三维重建；
(8)数据处理模块进行二维和三维信息融合：在执行完步骤(6)、(7)后，分别得到了被测复合材料试件的内部缺陷二维定位结果和三维重建结果，由步骤(1)，依据图像和实物的缩放比例，结合三相机的标定外参将二维图像转换到等比例的三维坐标系中，并且将二维图像中的内部缺陷信息映射到三维形貌的表面，得到被测复合材料试件的三维形貌及缺陷综合测量结果；
(9)通过显示模块，将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户。
优选地，所述步骤(7)中，根据左偏振相机与右偏振相机分别采集四个偏振方向下的偏振散斑图像，利用ZNCC算法匹配相应通道下的左右散斑图像，其中：
空间匹配相关系数为：
Figure BDA0003495739630000101
w是相关系数，w越大表示该像素点左右图越相关；
选取相关窗口大小为：(2wm+1)×(2wm+1)；
Figure BDA0003495739630000111
表示左图参考子区内和右图待匹配子区内所有像素点的灰度平均值；
pL(uL，vL)、pR(uR，vR)表示左图参考子区内和右图待匹配子区内一像素点的灰度值；
将匹配后的四个通道做融合处理，得到整像素点的视差图，通过亚像素匹配获取更为致密的视差图，其中：
抛物线公式定义为：C(x)＝ax2+bx+c，C对应的视差为d，则C(d-1)、C(d)、C(d+1)分别是d-1、d、d+1对应的相关数值，亚像素匹配数值为：
Figure BDA0003495739630000112
结合标定得到的左偏振相机与右偏振相机内部参数与外部参数，计算被测物表面的三维数据，其中：
三维数据计算采用的公式如下：
Figure BDA0003495739630000113
f为标定得到的偏振相机焦距，B是左右图像之间的基线长度，但单位为mm；
Figure BDA0003495739630000114
表示右偏振相机的成像中心坐标，
Figure BDA0003495739630000115
左偏振相机的成像中心坐标，单位为pixel；[uL，vL]表示左成像图像上的像素坐标，单位为pixel；[x，y，z]为像数坐标[uL，vL]对于的三维坐标信息，单位为mm。
本发明的有益技术效果如下：
1.本发明解决了复合材料三维形貌和内部缺陷不能同时测量的问题，可以更好的满足工程上对于复合材料表面形变和内部缺陷同时检测的需求，提高检测的效率。将整体和微观信息的有效整合，也便于就缺陷产生原因进行深入分析，在工程制造中加以改进，整体提升复合材料构件的质量；
2.利用偏振相机采取左右匹配图像，有效的减少了杂散光与反射光，提高了散斑的对比度，采集到具有高辨识度和边缘信息完整的散斑图像；
3.提出的ZNCC算法结合亚像素匹配，弥补了空间散斑相关方法重建精度较低的缺点，具有实时性好，动态测量，抵抗环境光干扰的优点。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：其包括：散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块、被测复合材料试件、数据处理模块、显示模块；
散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块同步分别发射激光，照射到被测复合材料试件的表面形成散斑，数据处理模块对于散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块分别控制，用来采集被测复合材料试件的全场散斑干涉图，并对两个模块的信息进行整合，计算得到被测复合材料试件的内部缺陷检测结果和三维空间位置，通过显示模块将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户；
其中，散斑干涉测量模块、散斑双目视觉测量模块共视场，且元器件之间无遮挡关系，两模块所需要的散斑的效果不一样，采用波长不同的两束激光分别照射被测复合材料试件。
2.根据权利要求1所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：利用彩色相机提取对应波长的散斑图像，或者通过在镜头前添加不同波长的滤光片来提取两模块对应的散斑图像。
3.根据权利要求2所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：所述散斑干涉测量模块的成像中心与被测复合材料试件的中心保持一致，散斑双目视觉测量模块分立于散斑干涉测量模块两侧，关于中心线对称，保持在同一水平线上且在允许条件下相距尽量远。
4.根据权利要求3所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：所述被测复合材料试件分布有大小不一、位置各异的内部缺陷，尺寸小于或等于300mm×300mm，表面粗糙度至少为照射光源波长的1/3，通过气动或者热加载产生变形。
5.根据权利要求4所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：所述散斑干涉测量模块采用4f迈克尔逊型剪切散斑干涉结构，利用电子散斑干涉的方法实现视场范围内变形的干涉图采集和缺陷的检测，其由剪切单元、载波单元以及成像单元三部分组成。
6.根据权利要求5所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：所述散斑干涉测量模块包括：激光器、扩束器、滤光片、分光棱镜、第一平面镜、第二平面镜、4f光学系统、成像镜头、图像传感器以及压电陶瓷，其中：
所述激光器发射的激光波长同散斑双目视觉测量模块的光源波长区分开，激光器功率依据实际使用需求进行选择；
所述扩束器使激光束直径产生的散斑对被测复合材料试件进行全场覆盖；
所述滤光片保留光源波长携带的信息；
所述分光棱镜为非偏振分光棱镜，其工作波长范围根据光源进行选择，其通光口径不小于被测面上被测范围口径；
所述第一平面镜实现横向剪切，引入空间载波；第二平面镜实现时间移相，两平面镜具有相同的平面度，其口径不小于被测范围口径；所述4f光学系统由两个透镜构成，为平凸透镜或双胶合透镜，其焦距根据允许距离范围选择，用于传递图像，扩大散斑干涉测量模块的视场；
所述成像镜头为定焦镜头或者可调焦镜头，其焦距根据允许距离范围选择，其成像质量综合测量精度要求及相机参数进行选择，其工作波长根据光源进行选择；
所述图像传感器为CCD或者CMOS成像芯片，像元尺寸不小于所述散斑干涉传感模块中像方剪切量，最大分辨率依据实际需求选择；所述压电陶瓷用于驱动平面镜的移动从而引入相位差，有匹配的位移控制器，控制精度至少为10nm。
7.根据权利要求6所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：所述散斑双目视觉测量模块包括：散斑照射单元和成像单元，散斑照射单元利用激光器照射散射片后能产生稳定的散斑，调整散斑场的距离，将散斑投影到被测复合材料试件的表面，再由成像单元，在散斑投影到被测复合材料试件的表面后，采集得到四个偏振方向的左偏振散斑图像和左偏振散斑图像；其中：利用标定板获取左偏振相机和右偏振相机的内部参数与外部参数，第二激光器出射激光，照射在散射片上形成散斑投射到被测复合材料试件的表面，利用左偏振相机与右偏振相机采集偏振散斑图像，在图像中提取该模块对应激光波长的信息，将对应偏振通道下的散斑图像进行算法匹配与三维重建，获得被测复合材料试件的三维图像。
8.根据权利要求7所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统，其特征在于：所述标定板获取成像装置的内部参数与外部参数，使用棋盘格标定板；所述第二激光器发射的激光波长同散斑干涉传感模块的光源波长区分开，激光器功率依据实际使用需求进行选择；所述散射片在激光照射后产生稳定的散斑，投射到被测复合材料试件的表面；所述滤光片过滤其他干扰光源，保留模块光源波长携带的信息；所述左偏振相机与右偏振相机为彩色相机，对不同波长信息的提取，且分别拍摄四个偏振方向的偏振散斑图像。
9.基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)系统三目标定：在基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统前方视场内放置标定板，对散斑干涉测量模块中的成像相机和散斑双目视觉测量模块中的左偏振相机与右偏振相机分别及逆行标定操作，得到成像装置的内部参数与外部参数，接着对三个相机的外参进行联合标定，实现三目相机坐标的相互转换；
(2)放置被测试件，产生和接收散斑：第一激光器发射波长为λ1的激光经过扩束器后到达被测试件表面，第二激光器发射波长为λ2的激光经过散射片产生散斑照射到被测复合材料试件表面，光路返回，经过滤光片，第一激光器产生的散斑被散斑干涉测量模块接收，第二激光器产生的散斑直接被散斑双目视觉测量模块接收；
(3)采集加载前的散斑图像：控制散斑干涉测量模块中的压电陶瓷实现移相，并通过滤光片采集第一激光器产生的不同相位的散斑干涉图；散斑双目视觉测量模块同步对第二激光器产生的散斑进行四个偏振通道下的图像采集；
(4)对被测试件进行加载，使其发生变形：利用高功率光源持续照射被测复合材料试件，或者利用气压、螺旋推进的方法使被测复合材料试件表面发生微小形变；
(5)重复步骤(3)，采集变形后的散斑图像；
(6)依据散斑干涉测量模块采集的图像进行缺陷二维检测：首先对散斑干涉图进行灰度化，再利用相位提取算法从散斑干涉图中提取相位，接着利用滤波去噪算法和解包裹算法进一步处理得到加载前后的相位图，相减得到相位差图，依据剪切模块的相关参数得到缺陷处的离面位移导数，从而实现对于缺陷在二维平面上的缺陷检测；其中，所述相位提取的算法为三步算法、四步算法、或卡雷算法的时间移相算法；所述对采集到的干涉图去噪算法，实现平滑滤波，且保留原始相位图中的尖峰信息；所述解包裹算法使处理过后的图案真实地反映物体离面位移和相位之间的关系；
(7)依据散斑双目视觉测量模块采集的图像进行三维重建；
(8)数据处理模块进行二维和三维信息融合：在执行完步骤(6)、(7)后，分别得到了被测复合材料试件的内部缺陷二维定位结果和三维重建结果，由步骤(1)，依据图像和实物的缩放比例，结合三相机的标定外参将二维图像转换到等比例的三维坐标系中，并且将二维图像中的内部缺陷信息映射到三维形貌的表面，得到被测复合材料试件的三维形貌及缺陷综合测量结果；
(9)通过显示模块，将被测复合材料试件的三维形貌和内部缺陷综合测量结果反馈给用户。
10.根据权利要求9所述的基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中，根据左偏振相机与右偏振相机分别采集四个偏振方向下的偏振散斑图像，利用ZNCC算法匹配相应通道下的左右散斑图像，其中：
空间匹配相关系数为：
Figure FDA0003495739620000051
w是相关系数，w越大表示该像素点左右图越相关；
选取相关窗口大小为：(2wm+1)×(2wm+1)；
Figure FDA0003495739620000061
表示左图参考子区内和右图待匹配子区内所有像素点的灰度平均值；
pL(uL，vL)、pR(uR，vR)表示左图参考子区内和右图待匹配子区内一像素点的灰度值；
将匹配后的四个通道做融合处理，得到整像素点的视差图，通过亚像素匹配获取更为致密的视差图，其中：
抛物线公式定义为：C(x)＝ax2+bx+c，C对应的视差为d，则C(d-1)、C(d)、C(d+1)分别是d-1、d、d+1对应的相关数值，亚像素匹配数值为：
Figure FDA0003495739620000062
结合标定得到的左偏振相机与右偏振相机内部参数与外部参数，计算被测物表面的三维数据，其中：
三维数据计算采用的公式如下：
Figure FDA0003495739620000063
f为标定得到的偏振相机焦距，B是左右图像之间的基线长度，但单位为mm；
Figure FDA0003495739620000064
表示右偏振相机的成像中心坐标，
Figure FDA0003495739620000065
左偏振相机的成像中心坐标，单位为pixel；[uL，vL]表示左成像图像上的像素坐标，单位为pixel；[x，y，z]为像数坐标[uL，vL]对于的三维坐标信息，单位为mm。
CN202210127007.4A 2022-01-30 2022-01-30 基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法 Active CN114485470B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210127007.4A CN114485470B (zh) 2022-01-30 2022-01-30 基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210127007.4A CN114485470B (zh) 2022-01-30 2022-01-30 基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114485470A true CN114485470A (zh) 2022-05-13
CN114485470B CN114485470B (zh) 2023-04-28

Family

ID=81478813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210127007.4A Active CN114485470B (zh) 2022-01-30 2022-01-30 基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114485470B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113532327A (zh) * 2021-07-15 2021-10-22 合肥图迅电子科技有限公司 基于条纹投影3d成像的料盘内芯片形态的检测方法
CN115184146A (zh) * 2022-06-15 2022-10-14 北京理工大学 一种基于dic的薄壁结构屈曲强度无损探针测量方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108362220A (zh) * 2018-01-19 2018-08-03 中国科学技术大学 用于印制线路板的三维形貌测量及缺陷检测的方法
CN108982510A (zh) * 2018-06-11 2018-12-11 东华大学 利用90°光学混波器数字剪切散斑动态检测系统及方法
WO2019008330A1 (en) * 2017-07-04 2019-01-10 Optoscale As MOTION COMPENSATION IN PHASE SHIFT STRUCTURED LIGHT LIGHT FOR MEASURING DIMENSIONS OF OBJECTS LIKELY TO MOVE FREELY
CN110118537A (zh) * 2019-06-12 2019-08-13 合肥工业大学 基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法
CN209525274U (zh) * 2017-12-29 2019-10-22 上海视疆科学仪器有限公司 用于复合材料无损探伤的轻型检测系统
CN111121722A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 南京理工大学 结合激光点阵和偏振视觉的双目三维成像方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019008330A1 (en) * 2017-07-04 2019-01-10 Optoscale As MOTION COMPENSATION IN PHASE SHIFT STRUCTURED LIGHT LIGHT FOR MEASURING DIMENSIONS OF OBJECTS LIKELY TO MOVE FREELY
CN209525274U (zh) * 2017-12-29 2019-10-22 上海视疆科学仪器有限公司 用于复合材料无损探伤的轻型检测系统
CN108362220A (zh) * 2018-01-19 2018-08-03 中国科学技术大学 用于印制线路板的三维形貌测量及缺陷检测的方法
CN108982510A (zh) * 2018-06-11 2018-12-11 东华大学 利用90°光学混波器数字剪切散斑动态检测系统及方法
CN110118537A (zh) * 2019-06-12 2019-08-13 合肥工业大学 基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法
CN111121722A (zh) * 2019-12-13 2020-05-08 南京理工大学 结合激光点阵和偏振视觉的双目三维成像方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
杨庆峰等: ""基于激光散斑的蜂窝复合材料缺陷检测"", 《无损检测》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113532327A (zh) * 2021-07-15 2021-10-22 合肥图迅电子科技有限公司 基于条纹投影3d成像的料盘内芯片形态的检测方法
CN113532327B (zh) * 2021-07-15 2023-09-12 合肥图迅电子科技有限公司 基于条纹投影3d成像的料盘内芯片形态的检测方法
CN115184146A (zh) * 2022-06-15 2022-10-14 北京理工大学 一种基于dic的薄壁结构屈曲强度无损探针测量方法
CN115184146B (zh) * 2022-06-15 2024-02-27 北京理工大学 一种基于dic的薄壁结构屈曲强度无损探针测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN114485470B (zh) 2023-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114485470B (zh) 基于散斑的复合材料三维形貌及缺陷综合测量系统和方法
CN109099859B (zh) 大口径光学元件表面缺陷三维形貌测量装置和方法
US7620209B2 (en) Method and apparatus for dynamic space-time imaging system
US11619485B2 (en) Hybrid 3D optical scanning system
Kühmstedt et al. 3D shape measurement with phase correlation based fringe projection
CN103528524B (zh) 透视测量树脂基复合材料内部离面位移场分布的方法
TWI428557B (zh) 反射度分布曲線的建模方法及應用該方法的厚度檢測方法以及厚度檢測反射儀
CN110118537A (zh) 基于散斑干涉的变形和应变同步测量系统及测量方法
US20200219273A1 (en) Surface roughness measurement
Wang et al. Multi-perspective digital image correlation method using a single color camera
CN110108223A (zh) 散斑干涉与剪切散斑干涉的测量系统及测量方法
CN211876977U (zh) 一种线聚焦差动彩色共焦三维表面形貌测量系统
Wu et al. An accurate method for shape retrieval and displacement measurement using bi-prism-based single lens 3D digital image correlation
Wu et al. Bi-prism-based single-lens three dimensional digital image correlation system with a long working distance: Methodology and application in extreme high temperature deformation test
KR101875467B1 (ko) 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법
CN111272099A (zh) 一种面向航空发动机叶片表面三维形貌的面结构光精密检测系统
JP2016148569A (ja) 画像測定方法、及び画像測定装置
CN115950890B (zh) 用于工业检测的谱域光学相干层析成像检测方法及系统
CN111412850A (zh) 一种基于单摄像头的高温三维数字图像相关测量系统及方法
CN107830814B (zh) 一种基于光度学的测量表面变形的方法
JP2014238299A (ja) 被検物の計測装置、算出装置、計測方法および物品の製造方法
Xie et al. Tensile test for polymer plastics with extreme large elongation using quad-camera digital image correlation
Meriaudeau et al. Non-conventional imaging systems for 3D digitization of transparent objects: Shape from polarization in the IR and shape from visible fluorescence induced UV
Randil et al. 3D Full-Field Deformation Measuring Technique with Optics-Based Measurements
KR102139311B1 (ko) 콘택트렌즈 측정 시스템 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant