CN114705133B - 一种高度不连续镜面三维面形检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，具体提供一种高度不连续镜面三维面形检测系统及方法，用以实现高精度的高度不连续镜面三维面形检测。本发明中检测系统通过同轴光路设计，使其能够满足相位测量偏折术对物体表面梯度的测量，又能满足调制度测量轮廓术对高度不连续物体的跃变高度测量；具有结构简单、系统稳定的优点。同时，本发明还提供基于该检测系统的检测方法，首先，对系统调焦后直接测量平坦区域高度分布，然后，通过移动显示屏测量每个像素点的调制度分布曲线，拟合得到跃变区域高度分布，最后，将平坦区域高度分布叠加跃变区域高度分布得到整体高度分布，测量结果既包含局部表面微小面形，也包括整体不连续面形，具有高精度、全局测量的优点。

Description

一种高度不连续镜面三维面形检测系统及方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种基于相位测量偏折术及调制度测量轮廓术的高度不连续镜面三维面形检测系统及方法。

背景技术

随着光电子检测技术的快速发展，对镜面物体的检测精度和分辨率要求越来越高。镜面物体中，对不连续物体的测量是一大难题，包括高度不连续、反射率不连续，表面污渍会造成反射率不连续，高度跃变会造成高度不连续。在传感领域，采用多台阶平板微镜阵列代替传统平行平板结构以获得更小的驱动电压，采用体硅加工工艺，加工完成需要对整个平板微镜阵列进行面形检测。相位偏折术用于测量球面镜的曲率、面形，测量精度可达亚微米甚至纳米量级，还可用于检测镜面物体划痕、凹坑、疵病等表面缺陷；相位偏折术测量高度不连续镜面，直接得到被测表面梯度，再对梯度积分重构面形数据，该方法测量精度虽然高，但是积分法在遇到非连续面形时会重构失败，导致测量误差。

为解决积分法在重构高度跳变区域的局限性，张宗华等在文献“Full-Field 3DShape Me asurement of Specular Surfaces by Direct Phase to DepthRelationship”中通过移动双液晶显示屏的方法提出直接相位测量偏折术，成功地检测了4mm高度的台阶面，平均测量误差约32μm。英国赫德斯菲尔德大学精密技术中心在文献“Full-field 3D shape measurement of spe cular object having discontinuoussurface”中利用数字投影仪照射在可移动的散射平面代替双液晶显示屏，对4至11mm的阵列阶梯镜面进行了检测，高度测量误差约50μm。上海理工大学万新军等在文献“一种微米级高度台阶镜面条纹反射的三维测量系统”中通过合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度，构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置，测量了5μm和10μm的台阶镜面，测量结果不确定度在0.5μm内。

上述方法都是基于双液晶显示屏的思路，能有效地重构台阶面形，基于双显示屏的光路增加了系统复杂度，且该类方法对系统的角度和显示屏像素尺寸要求较高，进一步提高了系统成本。调制度测量轮廓术在测量高度剧烈变化区域具有巨大应用潜力，2004年邵双运将其用于测量50mm深度的孔洞和阶梯块高度分布，测量值均方根误差为0.45mm，该方法通过改变物距抽样得到调制度序列点，并利用高斯函数拟合法获取物体高度，不受环境光影响。基于此，本发明基于调制度测量轮廓术在测量跳变区域高度的巨大优势，将该技术引入高度不连续镜面三维面形检测中，提供一种基于相位测量偏折术及调制度测量轮廓术的高度不连续镜面三维面形检测系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足、提供一种高度不连续镜面三维面形检测系统及方法，用以实现高精度的高度不连续镜面三维面形检测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种高度不连续镜面三维面形检测系统，包括：条纹显示屏、精密位移台、分束镜、平面镜、远心镜头、图像采集器及控制模块；其特征在于，所述平面镜水平放置，所述条纹显示屏安装固定于精密位移台、且垂直于标准平面镜设置，条纹显示屏随精密位移台沿水平方向平移；所述分束镜位于标准平面镜上方、且与标准平面镜成45°，分束镜中心与条纹显示屏中心位于同一水平面、与标准平面镜中心位于同一垂直面，所述远心镜头与图像采集器相连、且远心镜头光轴中心与标准平面镜中心位于同一垂直面，所述控制模块与条纹显示屏、图像采集器相连。

进一步的，所述条纹显示屏发出的光经分束镜反射至平面镜、再由平面镜反射回分束镜，透过分束镜后经远心镜头被图像采集器采集。

基于上述高度不连续镜面三维面形检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤1、设置平面镜为待测高度不连续镜面，控制模块生成N步相移的正弦条纹结构光经分束镜反射至标准平面镜，图像采集器采集受高度不连续镜面调制的变形结构光；

步骤2、利用相移恢复算法提取变形结构光的包裹相位，并对包裹相位进行相位展开、减参考相位得到高度不连续镜面相位，再利用相位-梯度关系得到高度不连续镜面的梯度分布；

步骤3、利用区域波前重构算法对梯度分布进行数值积分，得到平坦区域高度分布h₁；

步骤4、设置条纹显示屏的移动步进为△d、移动次数为m，采集得到每次移动后变形结构光，并记录每次移动对应的扫描成像平面深度；

步骤5、分别计算每次移动后变形结构光的调制度，得到每个像素点的调制度序列：

其中，i表示位移次数，d_i表示第i次移动对应的扫描成像平面深度，/>

表示第i次移动后变形结构光中像素点(x,y)的调制度；

步骤6、针对每个像素点的调制度序列，分别用高斯函数拟合得到调制度分布曲线，将调制度分布曲线的最大峰值对应的扫描成像平面深度作为该像素点的高度值，得到跃变高度分布h₂；

步骤7、将平坦区域高度分布h₁与跃变高度分布h₂相叠加，得到待测高度不连续镜面的三维面形。

进一步的，所述步骤1中，变形结构光的光强分布为：

其中，(x,y)表示像素点坐标，T(x,y)、R(x,y)为分束镜的透射率参量、反射率参量，

为高度不连续镜面的相位，A(x,y)为变形结构光的背景光强，B(x,y)为变形结构光的对比度，T为变形结构光的周期，/>

为变形结构光的初始相位。

进一步的，所述步骤2中，相位-梯度关系为：

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其中，g_x、g_y分别表示x、y方向的梯度，P_x、P_y分别表示x、y方向条纹周期，

分别表示x、y方向相位，L表示条纹显示屏虚像到平面镜的距离。

进一步的，所述步骤3中，平坦区域高度分布h₁为：

h₁＝∫(g_xdx+g_ydy)

其中，g_x、g_y分别表示x、y方向的梯度。

进一步的，所述步骤4中，移动次数m为：

其中，H为高度不连续镜面的纵深。

进一步的，所述步骤5中，M(x,y)具体为：

其中，I_j(x,y)表示第j次相移的强度值，N表示相移步数。

进一步的，所述步骤6中，所述高斯函数表达式为：

其中，σ表示高斯函数方差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种高度不连续镜面三维面形检测系统，该系统通过同轴光路设计，使其能够满足相位测量偏折术对物体表面梯度的测量，又能满足调制度测量轮廓术对高度不连续物体的跃变高度测量，即同时实现相位测量偏折术与调制度测量轮廓术的测量；进一步地，采用远心镜头降低相位测量偏折术中的多义性误差，使该系统能有效克服物体高度对测量相位的影响；由此，本发明检测系统具有结构简单、系统稳定的优点。

同时，本发明还提供基于该检测系统的检测方法，首先，对系统进行调焦，对捕获变形条纹处理得到梯度分布，对梯度积分得到测量精度为纳米的平坦表面高度，进一步观测表面局部细节，比如凹坑、划痕等微小缺陷；然后，平移显示屏得到每次移动时的变形条纹，对变形条纹处理得到调制度，通过曲线拟合得到跃变高度，最后，将平坦表面高度与跃变高度叠加；该测量方法不仅能实现微小面形重建，也能重建整体宏观高度分布，具有高精度、全局测量的优点。

附图说明

图1为本发明中高度不连续镜面三维面形检测系统的结构示意图。

图2为本发明中高度不连续镜面三维面形检测方法的原理示意图。

图3为本发明实施例中台阶镜面面形检测结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的发明目的、技术方案与技术效果更加清楚完整，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本实施例提供一种高度不连续镜面三维面形检测系统，如图1所示，包括：条纹显示屏、精密位移台、分束镜、平面镜、远心镜头、图像采集器及控制模块；其中，待检测高度不连续镜面采用台阶镜面，分束镜采用50％分束镜，图像采集器采用CCD相机，CCD相机对焦于标准平面镜、以获取最清晰的条纹图案，控制模块采用计算机执行；从条纹显示屏上一点发出的光O经分束镜后一部分光透过、另一部分反射至台阶镜面，经台阶镜面反射的光直接透过分束镜，经远心镜头后被CCD相机接收；该过程中，物体面形引起的相位变化会使条纹图案发生形变，通过对变形条纹(变形结构光)的进一步数据处理得到台阶镜面的三维面形。

基于上述高度不连续镜面三维面形检测系统，本实施例中还提供相应的检测方法，其原理如图2所示，其中，搭建系统，相机对焦于平面镜，由此时相机捕获的条纹变形图计算相位，进而得到平坦区域表面高度分布，再将显示屏平移步进，图2中给出四次步进后条纹显示屏的移动平面a、b、c、d和其经平面镜反射得到的成像平面a′、b′、c′、d′，相机捕获的是成像平面是虚像，相机对准于平面镜，由于成像平面a′距离平面镜最近，a′平面离焦量最小，条纹调制度最大，某个像素点的调制度分布即如图2中曲线所示，通过曲线拟合即得跃变高度分布；更为具体的讲，包括以下步骤：

步骤1、首先，对相机调焦，设置平面镜为标准平面镜，平面镜所在平面记为参考平面，控制模块生成N步相移的正弦条纹结构光经分束镜反射至标准平面镜，图像采集器采集受标准平面镜调制的变形结构光，将变形结构光计算的相位作为参考相位；

然后，设置平面镜为待测高度不连续镜面，控制模块生成N步相移的正弦条纹结构光经分束镜反射至标准平面镜，图像采集器采集受高度不连续镜面调制的变形结构光；

变形结构光的光强分布为：

其中，(x,y)表示像素点坐标，T(x,y)、R(x,y)为分束镜的透射率参量、反射率参量，

为台阶镜面的相位，A(x,y)为变形结构光的背景光强，B(x,y)为变形结构光的对比度，T为变形结构光的周期，/>

为变形结构光的初始相位；

步骤2、利用相移恢复算法提取变形结构光的包裹相位，并对包裹相位进行相位展开、减参考面得到高度不连续镜面相位，再利用相位-梯度关系得到高度不连续镜面的梯度分布；其中，相位-梯度关系为：

其中，g_x、g_y分别表示x、y方向的梯度，P_x、P_y分别表示x、y方向条纹周期，

分别表示x、y方向相位，L表示条纹显示屏虚像到平面镜的距离；

步骤3、利用区域波前重构算法对梯度分布进行数值积分，得到平坦区域高度分布h₁：

h₁＝∫(g_xdx+g_ydy)；

步骤4、设置条纹显示屏的移动步进为△d、移动次数为m，采集得到每次移动后变形结构光，并记录每次移动对应的扫描成像平面深度；移动次数m为：

其中，H为高度不连续镜面的纵深；

步骤5、分别计算每次移动后变形结构光的调制度，得到每个像素点的调制度序列：

其中，i表示位移次数，d_i表示第i次移动对应的扫描成像平面深度，/>

表示第i次移动后变形结构光中像素点(x,y)的调制度；M(x,y)具体为：

其中，I_j(x,y)表示第j次相移的强度值，N表示相移步数；

步骤6、针对每个像素点的调制度序列，分别用高斯函数拟合得到调制度分布曲线，将调制度分布曲线的最大峰值对应的扫描成像平面深度作为该像素点的高度值，得到跃变高度分布h₂；高斯函数表达式为：

其中，σ表示高斯函数方差；

步骤7、将平坦区域高度分布h₁与跃变高度分布h₂相叠加，得到台阶镜面的三维面形，如图3所示。

进一步，在本发明中，为了保证相移的准确，条纹周期应该是相移次数的整数倍，整个相移结束后，对于一个固定测量点，光强值从时间轴上来看恰好时一个条纹周期。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (7)

1.一种高度不连续镜面三维面形检测系统，包括：条纹显示屏、精密位移台、分束镜、标准平面镜、远心镜头、图像采集器及控制模块；其特征在于，所述标准平面镜水平放置，所述条纹显示屏安装固定于精密位移台、且垂直于标准平面镜设置，条纹显示屏随精密位移台沿水平方向平移；所述分束镜位于标准平面镜上方、且与标准平面镜成45°，分束镜中心与条纹显示屏中心位于同一水平面、与标准平面镜中心位于同一垂直面，所述远心镜头与图像采集器相连、且远心镜头光轴中心与标准平面镜中心位于同一垂直面，所述控制模块与条纹显示屏、图像采集器相连；

所述高度不连续镜面三维面形检测系统的检测过程为：

步骤1、设置标准平面镜为参考平面，将待测高度不连续镜面放置于参考平面上，控制模块生成N步相移的正弦条纹结构光经分束镜反射至标准平面镜，图像采集器采集受高度不连续镜面调制的变形结构光；

步骤2、利用相移恢复算法提取变形结构光的包裹相位，并对包裹相位进行相位展开、减参考相位得到高度不连续镜面相位，再利用相位-梯度关系得到高度不连续镜面的梯度分布；

步骤3、利用区域波前重构算法对梯度分布进行数值积分，得到平坦区域高度分布h₁；

步骤4、设置条纹显示屏的移动步进为△d、移动次数为m，采集得到每次移动后变形结构光，并记录每次移动对应的扫描成像平面深度；

步骤5、分别计算每次移动后变形结构光的调制度，得到每个像素点的调制度序列：

其中，i表示位移次数，d_i表示第i次移动对应的扫描成像平面深度，/>

表示第i次移动后变形结构光中像素点(x,y)的调制度；

步骤6、针对每个像素点的调制度序列，分别用高斯函数拟合得到调制度分布曲线，将调制度分布曲线的最大峰值对应的扫描成像平面深度作为该像素点的高度值，得到跃变高度分布h₂；

步骤7、将平坦区域高度分布h₁与跃变高度分布h₂相叠加，得到待测高度不连续镜面的三维面形。

2.按权利要求1所述高度不连续镜面三维面形检测系统，其特征在于，所述条纹显示屏发出的光经分束镜反射至标准平面镜、再由标准平面镜反射回分束镜，透过分束镜后经远心镜头被图像采集器采集。

3.按权利要求1所述高度不连续镜面三维面形检测系统，其特征在于，所述步骤1中，变形结构光的光强分布为：

其中，(x,y)表示像素点坐标，T(x,y)、R(x,y)为分束镜的透射率参量、反射率参量，

为高度不连续镜面的相位，A(x,y)为变形结构光的背景光强，B(x,y)为变形结构光的对比度，T为变形结构光的周期，/>

为变形结构光的初始相位。

4.按权利要求1所述高度不连续镜面三维面形检测系统，其特征在于，所述步骤3中，平坦区域高度分布h₁为：

h₁＝∫(g_xdx+g_ydy)

其中，g_x、g_y分别表示x、y方向的梯度。

5.按权利要求1所述高度不连续镜面三维面形检测系统，其特征在于，所述步骤4中，移动次数m为：

其中，H为高度不连续镜面的纵深。

6.按权利要求1所述高度不连续镜面三维面形检测系统，其特征在于，所述步骤5中，M(x,y)具体为：

其中，I_j(x,y)表示第j次相移的强度值，N表示相移步数。

7.按权利要求1所述高度不连续镜面三维面形检测系统，其特征在于，所述步骤6中，所述高斯函数表达式为：

其中，σ表示高斯函数方差。

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