CN115824092B - 基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置及方法，包括显示屏、分束片、参考平面反射镜、供参考平面反射镜放置的第一三维平移台、光隔离器、待测镜面物体、供待测镜面物体放置的第二三维平移台、透镜、图像采集模块和计算机；所述显示屏、第一三维平移台、第二三维平移台和图像采集模块均与计算机电连接。本发明将显示屏表面镀膜实现光束的平行出射，并利用迈克尔逊干涉装置，实现被测物体所在平面和参考平面镜所在平面空间的分离，减少成像过程的机械移动，提升效率，提高检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置及方法。
背景技术
相位测量偏折术是一种基于结构光照明的三维显示技术，该技术由德国纽伦堡大学的Markus C. Knauer教授于2004年首次提出，其主要利用计算机编码生成条纹结构光照明光束，该照明光束经待测物体表面调制后得到变形的条纹信息，再通过图像信息解调变形条纹以得到待测物体的三维形貌。随着相位测量偏折术在各研究领域中的应用日益增加，相位测量偏折术已成为一种基于结构光照明测量技术中较为热门的研究方向之一，其在光学检测、波前测量、光学成像等领域的巨大潜在应用而在国内外备受关注。在光学检测领域，Krobot等基于相位测量偏折术设计了足迹为5m×2m×1.2m的光学传感器，该传感器可用于检测大尺度球面镜，可用于测量Cherenkov Telescope Array镜子的PSF，其光学检测精度优于10μm；在波前测量领域，基于相位测量偏折术非接触、全视野、数据分辨率高和易于实施的优点，相位测量偏折术可用于各类相位型物体的波前测量，可获得待测物体的相位分布和波前分布，具有易操作、分辨率高等特性；在光学成像领域，相位测量偏折术可用于无破坏、准确地测量石墨烯等材料的层数和微观结构，该结构光三维测量技术的出现使得光学表征技术在超分辨率和三维测量的精度实现了质的发展。随着微观领域对于三维形貌表征需求的不断提高，对基于相位测量偏折术的光学成像装置和方法的研究也日趋重要。
相位测量偏折术对实验环境要求低，无光学系统中杂散光引入的相干噪声，标定过程简单且无回程误差，其相对白光显微测量，可同时获得二维和三维的数据信息，可运用于显微尺度的物体表面三维成像，特别适用于均匀反射率基底的膜层结构成像。
一般的相位测量偏折术光路中往往无法将被测物体所在平面和参考平面镜所在平面进行空间分离，多次测量的机械操作将提高装置的随机误差等，将降低装置的缺陷检测精度。
发明内容
本发明的第一个目的提供一种基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置，其将显示屏表面镀膜实现光束的平行出射，并利用迈克尔逊干涉装置，实现被测物体所在平面和参考平面镜所在平面空间的分离，减少成像过程的机械移动，提升效率，提高检测精度。
实现本发明第一个目的的技术方案是：本发明中基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置包括显示屏、分束片、参考平面反射镜、供参考平面反射镜放置的第一三维平移台、光隔离器、待测镜面物体、供待测镜面物体放置的第二三维平移台、透镜、图像采集模块和计算机；所述显示屏、第一三维平移台、第二三维平移台和图像采集模块均与计算机电连接；
所述显示屏用于显示计算机编码生成的彩色复合条纹结构光；所述显示屏的表面设有用于准直的彩色复合条纹结构光的镀膜层；
分束片、参考平面反射镜和待测镜面物体组合形成迈克尔逊干涉装置；
所述的显示屏发出的条纹光束通过分束片分别到达参考平面反射镜和待测镜面物体，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；
所述光隔离器用于固定在参考光束的光路中或者物光束的光路中；
所述的参考光束到达所述的参考平面反射镜后，经反射并再次通过分束片反射后，并经透镜汇聚后进入图像采集模块；所述的物光束到达待测镜面物体后，经反射后透过分束片，并经透镜汇聚后进入图像采集模块；
所述图像采集模块用于分别采集参考平面反射镜反射的标准正余弦条纹强度图和待测镜面物体反射的发生变形的正余弦条纹强度图。
进一步，上述彩色复合条纹结构光为任意两独立颜色通道生成的标准水平方向和垂直方向的正交正弦条纹。
在采集所述的参考平面反射镜反射的标准的正余弦条纹图时，所述的光隔离器固定到所述的物光束光路中，用于阻挡物光束的反射光进入所述的图像采集模块；采集完标准的正余弦条纹图后，所述的光隔离器固定到所述的参考光束光路中，用于阻挡参考光束的反射光进入所述的图像采集模块。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置进行的检测方法，该方法通过曲率分布进行缺陷判定，有利于检测精度和检测速度的提高。
实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中利用基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置进行的检测方法，包括以下步骤：
S1、搭建基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置；
S2、在计算机上编码生成用于显示屏发出的彩色复合条纹结构光；
S3、开启显示屏，将该显示屏发出的彩色复合条纹结构光准直后的光束作为入射的彩色复合条纹光束；所述的显示屏发出的条纹光束通过分束片分别到达参考平面反射镜和待测镜面物体，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；
S4、光隔离器固定到所述的物光束光路中，用于阻挡物光束的反射光进入图像采集模块；所述图像采集模块获得参考平面反射镜反射的标准正余弦条纹强度图；
S5、光隔离器固定到所述的参考光束光路中，用于阻挡参考光束的反射光进入所述的图像采集模块；所述图像采集模块获得待测镜面物体反射的发生变形的正余弦条纹强度图；
S6、计算机通过计算获得参考平面反射镜和所述待测镜面物体在水平和竖直方向的相位分布；
S7、计算机利用相位梯度的关系计算得到所述待测镜面物体的梯度分布数据，对梯度分布微分可以得到曲率分布，根据曲率分布进行缺陷判定，获得检测结果。
其中，步骤S4中参考平面反射镜反射的标准正余弦条纹强度图的表达式为：
其中，
为背景光强分布，/>
和/>
为调制度分布，φrx和φry分别表示水平方向和垂直方向的系统初始相位，共记录N幅标准正余弦条纹强度图
，其中N代表正余弦条纹的相移步数，n=1,2,3…N；
所述步骤S5中待测镜面物体（6）反射的发生变形的正余弦条纹强度图的表达式为：
其中，φox和φoy分别表示水平方向和垂直方向的信号调制相位，共记录N幅发生变形的正余弦条纹强度图
。
其中，步骤S6中通过傅里叶变换、相位提取以及相位展开算法，分别得到所述参考平面反射镜和所述待测镜面物体在水平和竖直方向的相位分布φrx、φry、φox和φoy，具体公式如下：
本发明具有积极的效果：（1）本发明利用镀膜技术将显示屏出射的条纹光束准直，和现有的技术相比，避免了黑白正交条纹之间的串扰问题，并且可以实现全场照明，检测精度高速度快。
（2）本发明利用迈克尔逊干涉装置，实现被测物体所在平面和参考平面镜所在平面空间的分离，减少成像过程的机械移动，提升检测精度。
（3）本发明利用显示屏的独立彩色通道存储两个相互垂直方向的彩色条纹，与现有的技术相比，解决了系统多义性问题引起的相位和高度信息不准确的问题，缺陷检测精度更高。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明中基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置的结构示意图。
具体实施方式
见图1，本发明中基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置包括显示屏1、分束片2、参考平面反射镜3、供参考平面反射镜3放置的第一三维平移台4、光隔离器5、待测镜面物体6、供待测镜面物体6放置的第二三维平移台7、透镜8、图像采集模块9和计算机10；所述显示屏1、第一三维平移台4、第二三维平移台7和图像采集模块9均与计算机10电连接；
所述显示屏1用于显示计算机10编码生成的彩色复合条纹结构光；所述显示屏1的表面设有用于准直的彩色复合条纹结构光的镀膜层；
分束片2、参考平面反射镜3和待测镜面物体6组合形成迈克尔逊干涉装置；
所述的显示屏1发出的条纹光束通过分束片2分别到达参考平面反射镜3和待测镜面物体6，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；
所述的参考光束到达所述的参考平面反射镜3后，经反射并再次通过分束片2反射后，并经透镜8汇聚后进入图像采集模块9；所述的物光束到达待测镜面物体6后，经反射后透过分束片2，并经透镜8汇聚后进入图像采集模块9；
所述图像采集模块9用于分别采集参考平面反射镜3反射的标准正余弦条纹强度图和待测镜面物体6反射的发生变形的正余弦条纹强度图。
进一步，上述彩色复合条纹结构光为任意两独立颜色通道生成的标准水平方向和垂直方向的正交正弦条纹。
在采集所述的参考平面反射镜3反射的标准的正余弦条纹图时，所述的光隔离器5固定到所述的物光束光路中，用于阻挡物光束的反射光进入所述的图像采集模块9；采集完标准的正余弦条纹图后，所述的光隔离器5固定到所述的参考光束光路中，用于阻挡参考光束的反射光进入所述的图像采集模块9。光隔离器5固定设置一般可采用手动调整。当参考光束拍照结束后，参考光束就没有使用价值了，因此在参考光束拍照结束后，光隔离器5只需一直固定在参考光束的光路中即可，无需再移动。
本发明的第二个目的是提供一种利用上述基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置进行的检测方法，该方法通过曲率分布进行缺陷判定，有利于检测精度和检测速度的提高。
实现本发明第二个目的的技术方案是：本发明中利用基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置进行的检测方法，包括以下步骤：
S1、搭建基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置；
S2、在计算机10上编码生成用于显示屏1发出的彩色复合条纹结构光；
S3、开启显示屏1，将该显示屏1发出的彩色复合条纹结构光准直后的光束作为入射的彩色复合条纹光束；所述的显示屏1发出的条纹光束通过分束片2分别到达参考平面反射镜3和待测镜面物体6，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；
S4、光隔离器5固定到所述的物光束光路中，用于阻挡物光束的反射光进入图像采集模块9；所述图像采集模块9获得参考平面反射镜3反射的标准正余弦条纹强度图；
参考平面反射镜3反射的标准正余弦条纹强度图的表达式为：
其中，
为背景光强分布，/>
和/>
为调制度分布，φrx和φry分别表示水平方向和垂直方向的系统初始相位，共记录N幅标准正余弦条纹强度图
，其中N代表正余弦条纹的相移步数，n=1,2,3…N；
S5、光隔离器5固定到所述的参考光束光路中，用于阻挡参考光束的反射光进入所述的图像采集模块9；所述图像采集模块9获得待测镜面物体6反射的发生变形的正余弦条纹强度图；待测镜面物体6反射的发生变形的正余弦条纹强度图的表达式为：
其中，φox和φoy分别表示水平方向和垂直方向的信号调制相位，共记录N幅发生变形的正余弦条纹强度图
。
S6、通过傅里叶变换、相位提取以及相位展开算法，分别得到所述参考平面反射镜3和所述待测镜面物体6在水平和竖直方向的相位分布φrx、φry、φox和φoy，具体公式如下：
S7、计算机10利用相位梯度的关系计算得到所述待测镜面物体6的梯度分布数据，对梯度分布微分可以得到曲率分布，根据曲率分布进行缺陷判定，获得检测结果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置；其特征在于：包括显示屏(1)、分束片(2)、参考平面反射镜(3)、供参考平面反射镜(3)放置的第一三维平移台(4)、光隔离器(5)、待测镜面物体(6)、供待测镜面物体(6)放置的第二三维平移台(7)、透镜(8)、图像采集模块(9)和计算机(10)；所述显示屏(1)、第一三维平移台(4)、第二三维平移台(7)和图像采集模块(9)均与计算机(10)电连接；
所述显示屏(1)用于显示计算机(10)编码生成的彩色复合条纹结构光；所述显示屏(1)的表面设有用于准直的彩色复合条纹结构光的镀膜层；所述彩色复合条纹结构光为任意两独立颜色通道生成的标准水平方向和垂直方向的正交正弦条纹；
分束片(2)、参考平面反射镜(3)和待测镜面物体(6)组合形成迈克尔逊干涉装置；
所述的显示屏(1)发出的条纹光束通过分束片(2)分别到达参考平面反射镜(3)和待测镜面物体(6)，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；
所述光隔离器(5)用于固定在参考光束的光路中或者物光束的光路中；
所述的参考光束到达所述的参考平面反射镜(3)后，经反射并再次通过分束片(2)反射后，并经透镜(8)汇聚后进入图像采集模块(9)；所述的物光束到达待测镜面物体(6)后，经反射后透过分束片(2)，并经透镜(8)汇聚后进入图像采集模块(9)；
所述图像采集模块(9)用于分别采集参考平面反射镜(3)反射的标准正余弦条纹强度图和待测镜面物体(6)反射的发生变形的正余弦条纹强度图；
所述计算机(10)用于计算获得参考平面反射镜(3)和所述待测镜面物体(6)在水平和竖直方向的相位分布，用于利用相位梯度的关系计算得到所述待测镜面物体(6)的梯度分布数据，并对梯度分布微分得到曲率分布，根据曲率分布进行缺陷判定。
2.根据权利要求1所述的一种基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置，其特征在于：在采集所述的参考平面反射镜(3)反射的标准的正余弦条纹图时，所述的光隔离器(5)固定到所述的物光束光路中，用于阻挡物光束的反射光进入所述的图像采集模块(9)；采集完标准的正余弦条纹图后，所述的光隔离器(5)固定到所述的参考光束光路中，用于阻挡参考光束的反射光进入所述的图像采集模块(9)。
3.利用权利要求2所述的一种基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置进行的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、搭建基于彩色复合条纹的相位测量偏折术缺陷检测装置；
S2、在计算机(10)上编码生成用于显示屏(1)发出的彩色复合条纹结构光；
S3、开启显示屏(1)，将该显示屏(1)发出的彩色复合条纹结构光准直后的光束作为入射的彩色复合条纹光束；所述的显示屏(1)发出的条纹光束通过分束片(2)分别到达参考平面反射镜(3)和待测镜面物体(6)，其中透射光束作为参考光束，反射光束作为物光束；
S4、光隔离器(5)固定到所述的物光束光路中，用于阻挡物光束的反射光进入图像采集模块(9)；所述图像采集模块(9)获得参考平面反射镜(3)反射的标准正余弦条纹强度图；
S5、光隔离器(5)固定到所述的参考光束光路中，用于阻挡参考光束的反射光进入所述的图像采集模块(9)；所述图像采集模块(9)获得待测镜面物体(6)反射的发生变形的正余弦条纹强度图；
S6、计算机(10)通过计算获得参考平面反射镜(3)和所述待测镜面物体(6)在水平和竖直方向的相位分布；
S7、计算机(10)利用相位梯度的关系计算得到所述待测镜面物体(6)的梯度分布数据，对梯度分布微分可以得到曲率分布，根据曲率分布进行缺陷判定，获得检测结果。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S4中参考平面反射镜(3)反射的标准正余弦条纹强度图的表达式为：
其中，a(x，y)为背景光强分布，b1(x，y)和b2(x，y)为调制度分布，φrx和φry分别表示水平方向和垂直方向的系统初始相位，共记录N幅标准正余弦条纹强度图Ir1(x，y)、Ir2(x，y)...IrN(x，y)，其中N代表正余弦条纹的相移步数，n＝1,2,3…N；
所述步骤S5中待测镜面物体(6)反射的发生变形的正余弦条纹强度图的表达式为：
其中，φox和φoy分别表示水平方向和垂直方向的信号调制相位，共记录N幅发生变形的正余弦条纹强度图Io1(x，y)、Io2(x，y)...IoN(x，y)。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤S6中通过傅里叶变换、相位提取以及相位展开算法，分别得到所述参考平面反射镜(3)和所述待测镜面物体(6)在水平和竖直方向的相位分布φrx、φry、φox和φoy，具体公式如下：
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