專利名稱：高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及高反射表面的快速非接觸檢測，具體講，涉及高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
自由曲面指非對稱、不規(guī)則、不適合用統(tǒng)一的數(shù)學方程式來描述的曲面，其中，具有高反射特性的自由曲面諸如光學自由曲面的超精密切削加工技術(shù)在航空航天、國防、生物醫(yī)學、通訊、微電子等高科技領域中的應用越來越廣泛，并成為了光電及通訊行業(yè)的關鍵部件。多種多樣的應用需求對高反射自由曲面零件的面形精度也提出了更高的要求。準確測量和評價高反射自由曲面零件的表面形貌，不但能正確識別加工過程中的變化和缺陷， 而且對控制和改進加工方法，研究表面幾何特性與使用性能的關系，以及提高加工表面的質(zhì)量和產(chǎn)品性能都有著重要意義。目前針對高反射自由曲面零件的三維形貌測量方法主要包括接觸式測量方法和光學非接觸式測量方法。接觸式測量方法以探針式表面輪廓儀和三坐標測量機為代表，具有直觀可靠、操作簡單、通用性強的特點，垂直測量范圍大，適合于微米或亞微米級工程表面的測量。但在進行自由曲面三維形貌測量過程中，測量速度慢，測量結(jié)果受溫度變化影響較大。由于觸針與被測零件表面接觸，會對超精密加工高反射自由曲面零件表面造成損傷， 觸針易磨損，且無法進行軟性及柔性物體的測量。光學非接觸測量方法主要包括光柵投影方法和干涉測量方法，前者具有測量范圍大、測量速度快以及易于在計算機控制下實現(xiàn)自動化測量等特點，可達微米級測量精度，但在測量高反射自由曲面零件時，多采用噴涂其表面，改變其反射特性為漫反射后進行測量，削弱了光學測量方法的非接觸優(yōu)點；后者作為一種高精度測量方法，廣泛應用于高反射面形檢測，但通常干涉系統(tǒng)需要單色光源，且設計精密，結(jié)構(gòu)復雜，造價昂貴，影響了干涉測量方法的使用。如何實現(xiàn)高反射自由曲面零件三維形貌的快速非接觸測量成為精密測量領域的一個重點研究方向。近年來，基于高反射特性，光柵投影測量方法越來越多地應用于高反射自由曲面零件的三維形貌檢測。該方法通過測量被測物體表面對入射光線產(chǎn)生的相位偏移，將計算得到的相位偏移信息轉(zhuǎn)化為被測物體上相應區(qū)域的三維形貌信息。但目前的測量方法中，多基于遠心光路模型或通過復雜的測量機構(gòu)來獲得相位偏移與被測物體表面形貌間的對應關系，且相位偏移信息的獲取需要在對被測物體進行測量前，首先對一實際參考平面進行測量以獲取參考相位，通過將其與被測物體表面對應點的相位值相減得到相位偏移，增加了測量復雜度，降低了測量效率。針對目前高反射自由曲面光柵投影三維形貌測量中的不足，研究一種快速、非接觸的測量方法，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供用于具有高反射自由曲面零件的快速、非接觸檢測方法，對零件表面及表層無損傷。為達上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，包括以下步驟借助于精密運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)被測物體三自由度運動；使用光柵投影裝置向被測物體表面投射編碼光柵條紋，由圖像采集裝置獲取經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形條紋圖；使用數(shù)字相移技術(shù)和相位展開算法從變形條紋圖中獲得被測物體表面的相位分布信息；使用虛擬參考面技術(shù)獲取參考相位分布；采用基于迭代的三維重建模型，通過分析相位偏移信息與被測物體表面梯度的關系，由梯度恢復被測物體相應區(qū)域的三維形貌信息。在基于迭代的三維重建模型中，由梯度到面形的重建過程是基于積分運算，具體分為局部積分和全局積分；基于局部積分的算法為路徑積分法，即利用梯度數(shù)據(jù)通過計算局部梯度增量進行曲線積分，得到路徑上各點的相對高度值，進而完成被測物體表面各點高度計算；基于全局積分的算法為區(qū)域波前重構(gòu)法，應用于高反射自由曲面三維形貌重建中時，將波前視為待求自由曲面的表面高度，以測量所得水平和垂直方向的梯度值作為測量點，以待求高度的被測物體表面各點為重構(gòu)點。投射的編碼光柵條紋為幅值、相位和投射方向可調(diào)的正弦光柵條紋、余弦光柵條紋、頻率和方向不同的兩種光柵條紋組合形成的復合光柵條紋、莫爾條紋、灰度編碼光柵條紋及彩色光柵條紋中的一種。使用數(shù)字相移技術(shù)獲取變形光柵條紋的折疊相位信息，使用相位展開算法將折疊相位展開為連續(xù)相位分布，其中，使用的數(shù)字相移技術(shù)為等間隔數(shù)字相移，相移步數(shù)為三步、四步、五步或七步；使用的相位展開算法為空域相位展開算法或時域相位展開算法。虛擬參考面技術(shù)使用特殊的投影方式，即通過向標定用平面鏡投射一幅標記棋盤格圖像，利用平面鏡標定得到的相位信息建立的一個帶有參考相位信息的平面鏡虛像，在系統(tǒng)標定階段即可一次性獲取水平和垂直方向的參考相位。在基于迭代的三維重建模型中，通過建立相位偏移信息與被測物體表面梯度間的對應關系，采用基于全局積分的紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法和基于局部積分的路徑積分法相結(jié)合的方法，以路徑積分法計算得到的被測物體表面形貌數(shù)據(jù)作為紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法的初始值，由梯度值重建被測物體三維形貌；重建前，為滿足重建所要求的邊界閉合條件，保證邊界的平滑性，利用光柵條紋的相移特性對被測物體表面區(qū)域進行提取，整個重建過程只在提取后的區(qū)域內(nèi)進行。利用光柵條紋的相移特性對被測物體表面區(qū)域進行提取是對被測物體的相應區(qū)域的輪廓提取，是通過相移條紋的排列順序進行分組，對各組條紋分別進行包括相位展開、 閾值分割、灰度值疊加、模式聚類的一系列操作來實現(xiàn)的。一種高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量裝置，包括放置在光學隔振平臺上的精密運動控制系統(tǒng)，精密運動控制系統(tǒng)由精密位移平臺、精密旋轉(zhuǎn)平臺和精密角位平臺組成，用于控制被測物體實現(xiàn)三自由度運動；LCD液晶屏幕光柵投影裝置，沿光學隔振平臺的法線方向投射編碼光柵條紋；科學級CCD攝像機圖像采集裝置，沿與光柵投射方向成一定角度的方向接收經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形光柵條紋；
標定用平面鏡，用于固定在載物臺上，配合精密運動控制平臺，采用Tsai方法對 CCD攝像機內(nèi)參數(shù)進行標定，采用虛擬參考面技術(shù)獲取參考相位。計算機，用于產(chǎn)生幅度、周期、方向均可調(diào)節(jié)的編碼光柵條紋，經(jīng)LCD液晶屏投射到被測物體表面。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果由于本發(fā)明采用高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，使用光柵投影裝置向被測物體表面投射編碼光柵條紋，使用圖像采集裝置接收經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形光柵圖像，采用數(shù)字相移技術(shù)和相位展開算法獲得測量表面的相位分布，采用虛擬參考面技術(shù)獲得參考相位分布，通過基于迭代的三維重建模型，建立相位偏移信息與被測物體表面梯度間的對應關系，采用基于全局積分技術(shù)的紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法和基于局部積分技術(shù)的路徑積分法相結(jié)合的方法，由梯度值重建被測物體相應區(qū)域的三維形貌，對于大面形或具有較大曲率的高反射自由曲面零件，采用圖像拼接技術(shù)恢復出被測物體的整體三維形貌，因而本發(fā)明能顯著提高高反射自由曲面零件在加工檢測過程中的檢測精度和分辨力，測量速度快，非接觸，對零件表面無損傷。


圖I為高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量的設計方案圖。圖中1為用于投影光柵編碼條紋的LCD液晶屏，2為光學隔振平臺，3為精密位移平臺，4為精密角位平臺，5 為精密旋轉(zhuǎn)平臺，6為圓形卡盤，7為被測物體，8為用于接收變形條紋圖的科學級數(shù)字CCD 攝像機，9為計算機,10為控制器,11為電機。圖2為基于虛擬參考面技術(shù)的參考相位生成原理圖。圖(a)部分21為用于投影的標記棋盤格圖像，22為標定用平面鏡，23為虛擬參考面，24為由CCD攝像機采集的虛擬參考面圖像。圖(b)部分為標記棋盤格圖像，其中A為標記點位置。圖(c)部分和圖(d)部分為與標記棋盤格圖像對應的正弦光柵編碼圖像，圖(e)部分和圖(f)部分為基于虛擬參考面技術(shù)生成的參考相位圖。圖3為基于迭代的高反射自由曲面光柵投影三維重建測量原理圖。圖4為由梯度恢復被測物體三維形貌的算法示意圖，圖(a)部分為基于紹契威爾模型的區(qū)域波前重構(gòu)算法示意圖，圖(b)部分為路徑積分算法示意圖。圖5為測量區(qū)域輪廓提取操作示意圖。圖中51、52、53、54均為C⑶攝像機采集的經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形條紋圖，55為相位展開操作，56為閾值分割操作，57為條紋圖灰度值線性疊加操作，58為模式聚類操作。圖6為本發(fā)明一實施例實物圖。圖7為迭代過程流程圖。
具體實施例方式一種高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法由精密運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)被測物體的三自由度運動，使用光柵投影裝置對被測物體表面投射編碼光柵條紋，由圖像采集裝置獲取經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形光柵圖像，采用數(shù)字相移技術(shù)和相位展開方法從變形光柵圖像中提取由被測物體表面形貌引起的相位偏移信息，采用基于迭代的三維重建模型，根據(jù)相位偏移信息與被測物體表面梯度間的對應關系，恢復出被測物體上相應區(qū)域的三維形貌，對于大面形或具有較大曲率的高反射自由曲面零件，采用圖像拼接技術(shù)恢復出被測物體的整體三維形貌。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，其中的精密運動控制系統(tǒng)由精密位移平臺、精密角位平臺、精密旋轉(zhuǎn)平臺組成，可控制被測物體實現(xiàn)三自由度運動。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，其中光柵投影裝置為 IXD液晶顯示屏。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，其中用于投影光柵條紋的LCD液晶顯示屏沿光學隔振平臺的法線方向進行投射。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，用于接收經(jīng)被測物體表面形貌調(diào)制的變形光柵圖像的圖像采集裝置為一個科學級數(shù)字CCD攝像機。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，采用數(shù)字相移技術(shù)和相位展開方法獲取被測物體表面的相位分布信息。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，采用虛擬參考面技術(shù)獲取參考相位分布信息。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，采用基于迭代的三維重建模型，通過分析相位偏移信息與被測物體表面梯度的關系，由梯度恢復被測物體相應區(qū)域的三維形貌。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，在基于迭代的三維重建模型中，將基于全局積分技術(shù)的紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法與基于局部積分技術(shù)的路徑積分法相結(jié)合，以路徑積分法計算得到的被測物體表面形貌數(shù)據(jù)作為紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法的初始值，由梯度信息恢復被測物體三維形貌。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，在基于迭代的三維重建模型中，由梯度信息恢復被測物體三維形貌前，首先利用光柵條紋的相移特性，對被測物體的相應區(qū)域進行輪廓提取，用于提高邊界的重建精度，降低用于計算的數(shù)據(jù)量。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，在基于迭代的三維重建模型中，對被測物體的相應區(qū)域的輪廓提取，是通過相移條紋的排列順序進行分組，對各組條紋分別進行相位展開、閾值分割、灰度值疊加、模式聚類等一系列操作來實現(xiàn)的。在上述高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法中，對于大面形或具有較大曲率的高反射自由曲面零件，需要借助于旋轉(zhuǎn)工作臺的360°旋轉(zhuǎn)和角位工作臺的±45° 旋轉(zhuǎn)，借助于圖像拼接技術(shù)實現(xiàn)其全方位三維形貌的測量。綜上所述，本發(fā)明提出的測量方法進而能夠精確解算出被測物體表面各點的空間坐標位置，實現(xiàn)對高反射自由曲面零件三維形貌特征微米級精度的快速、非接觸測量。下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明。圖I為高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量的設計方案圖。I為用于投影光柵編碼條紋的LCD液晶屏，2為光學隔振平臺，3為精密位移平臺，4為精密角位平臺，5為精密旋轉(zhuǎn)平臺，6為圓形卡盤，7為被測物體，8為用于接收變形條紋圖的科學級數(shù)字CCD攝像機，9為計算機，10為微控制器，11為電機。整套實驗裝置放置在光學隔振平臺上，由精密位移平臺、精密角位平臺和精密旋轉(zhuǎn)平臺組成精密運動控制系統(tǒng)，可控制被測物體實現(xiàn)三自由度旋轉(zhuǎn)。被測物體固定在圓形卡盤上，以卡盤中心為坐標原點建立工件坐標系0ΧΥΖ。測量前，對整套系統(tǒng)進行標定，通過向標定用平面鏡投射一幅標記棋盤格圖像，基于虛擬參考面技術(shù)實現(xiàn)對參考相位的獲取。測量時，由計算機產(chǎn)生幅度、周期、方向均可調(diào)節(jié)的編碼光柵條紋，經(jīng)LCD液晶屏投射到被測物體表面，被測物體在精密運動控制系統(tǒng)控制下運動到 CCD攝像機的視場范圍內(nèi)，調(diào)整其角度使CCD攝像機能以最佳方式接收經(jīng)高反射的被測物體表面調(diào)制的變形光柵反射圖像。采用基于迭代的三維重建算法，從變形光柵圖像中解調(diào)出被測工件表面的梯度信息，由梯度恢復被測物體表面三維形貌信息。對于大面形或具有較大曲率的高反射自由曲面零件，需要借助于旋轉(zhuǎn)工作臺實現(xiàn)被測物體在OXY平面繞Z軸的360°旋轉(zhuǎn)和OXZ平面繞Y軸的±45°旋轉(zhuǎn)，借助于圖像拼接技術(shù)實現(xiàn)其全方位三維形貌的微米級精度測量。圖2為基于虛擬參考面技術(shù)的參考相位生成原理圖。圖(a)中21為用于投影的標記棋盤格圖像，22為標定用平面鏡，23為虛擬參考面，24為由CCD攝像機采集的虛擬參考面圖像。圖(b)為標記棋盤格圖像，其中A為標記點位置。圖(c)和圖⑷為與標記棋盤格圖像對應的正弦光柵編碼圖像，圖(e)和圖(f)為基于虛擬參考面技術(shù)生成的參考相位圖。坐標系的建立方法為以CXD攝像機光軸與投影像平面的交點Ov為坐標原點建立虛擬參考面坐標系OvXvYvZv，其中Xv和Yv方向如圖2 (a)所示。以CXD攝像機光軸與標定平面鏡的交點Or為坐標原點建立標定平面鏡坐標系OJJJp其中\(zhòng)和Yr的方向如圖2 (a)所示。以攝像機的光軸與圖像平面的交點Oi為坐標原點建立圖像坐標系OiXY,其中X軸平行于像素橫向陣列，Y軸垂直于X軸。以攝像機的光學中心O為坐標原點,光軸方向為Z軸方向建立攝像機坐標系oxyz，其X軸和y軸方向分別平行于圖像坐標系的X軸和Y軸方向。測量時，將一標定用平面鏡固定在載物臺上，經(jīng)LCD液晶屏向其投射一幅標記棋盤格圖像，由CCD攝像機接收投影標記棋盤格圖像，根據(jù)標記棋盤格上各點與編碼光柵圖像上各點的相位對應關系，計算虛擬參考面上的相位分布。標記棋盤格圖像的實現(xiàn)方法為以IXD液晶屏左上角為起始點編制黑白棋盤格圖像，在整個圖像的中心區(qū)域選取一個方格，在此方格左上角點位置繪制一個占方格四分之一區(qū)域的灰色小方格(其RGB值為0x777777)，將大小方格共有的左上角點定義為A點，即所謂的標記點。標記棋盤格上各點的相位值與圖(C)和圖(d)所示的正弦編碼光柵條紋上各點相
位值--對應，以標記點為例,該點相位值>0的計算公式為
權(quán)利要求
1.一種高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，包括下列步驟借助于精密運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)被測物體三自由度運動；使用光柵投影裝置向被測物體表面投射編碼光柵條紋，由圖像采集裝置獲取經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形條紋圖；使用數(shù)字相移技術(shù)和相位展開算法從變形條紋圖中獲得被測物體表面的相位分布信使用虛擬參考面技術(shù)獲取參考相位分布；采用基于迭代的三維重建模型，通過分析相位偏移信息與被測物體表面梯度的關系， 由梯度恢復被測物體相應區(qū)域的三維形貌信息。
2.如權(quán)利要求I所述的高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，在基于迭代的三維重建模型中，由梯度到面形的重建過程是基于積分運算，具體分為局部積分和全局積分；基于局部積分的算法為路徑積分法，即利用梯度數(shù)據(jù)通過計算局部梯度增量進行曲線積分，得到路徑上各點的相對高度值，進而完成被測物體表面各點高度計算；基于全局積分的算法為區(qū)域波前重構(gòu)法，應用于高反射自由曲面三維形貌重建中時，將波前視為待求自由曲面的表面高度，以測量所得水平和垂直方向的梯度值作為測量點，以待求高度的被測物體表面各點為重構(gòu)點。
3.如權(quán)利要求I所述的高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，投射的編碼光柵條紋為幅值、相位和投射方向可調(diào)的正弦光柵條紋、余弦光柵條紋、頻率和方向不同的兩種光柵條紋組合形成的復合光柵條紋、莫爾條紋、灰度編碼光柵條紋及彩色光柵條紋中的一種。
4.如權(quán)利要求I所述的高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，使用數(shù)字相移技術(shù)獲取變形光柵條紋的折疊相位信息，使用相位展開算法將折疊相位展開為連續(xù)相位分布，其中，使用的數(shù)字相移技術(shù)為等間隔數(shù)字相移，相移步數(shù)為三步、四步、五步或七步；使用的相位展開算法為空域相位展開算法或時域相位展開算法。
5.如權(quán)利要求I所述的高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，虛擬參考面技術(shù)使用特殊的投影方式，即通過向標定用平面鏡投射一幅標記棋盤格圖像，利用平面鏡標定得到的相位信息建立的一個帶有參考相位信息的平面鏡虛像，在系統(tǒng)標定階段即可一次性獲取水平和垂直方向的參考相位。
6.如權(quán)利要求I所述的高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，在基于迭代的三維重建模型中，通過建立相位偏移信息與被測物體表面梯度間的對應關系， 采用基于全局積分的紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法和基于局部積分的路徑積分法相結(jié)合的方法，以路徑積分法計算得到的被測物體表面形貌數(shù)據(jù)作為紹契威爾區(qū)域波前重構(gòu)算法的初始值，由梯度值重建被測物體三維形貌；重建前，為滿足重建所要求的邊界閉合條件，保證邊界的平滑性，利用光柵條紋的相移特性對被測物體表面區(qū)域進行提取，整個重建過程只在提取后的區(qū)域內(nèi)進行。
7.如權(quán)利要求6所述的高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法，其特征是，利用光柵條紋的相移特性對被測物體表面區(qū)域進行提取是對被測物體的相應區(qū)域的輪廓提取，是通過相移條紋的排列順序進行分組，對各組條紋分別進行相位展開、閾值分割、灰度值疊加、模式聚類等一系列操作來實現(xiàn)的。
8.一種高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量裝置，其特征是，包括放置在光學隔振平臺上的精密運動控制系統(tǒng)，精密運動控制系統(tǒng)由精密位移平臺、精密旋轉(zhuǎn)平臺和精密角位平臺組成，用于控制被測物體實現(xiàn)三自由度運動；LCD液晶屏幕光柵投影裝置，沿光學隔振平臺的法線方向投射編碼光柵條紋；科學級CCD攝像機圖像采集裝置，沿與光柵投射方向成一定角度的方向接收經(jīng)被測物體表面調(diào)制的變形光柵條紋；標定用平面鏡，用于固定在載物臺上，配合精密運動控制平臺，采用Tsai方法對CCD攝像機內(nèi)參數(shù)進行標定，采用虛擬參考面技術(shù)獲取參考相位。計算機，用于產(chǎn)生幅度、周期、方向均可調(diào)節(jié)的編碼光柵條紋，經(jīng)LCD液晶屏投射到被測物體表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及大曲率面形的復雜光學曲面零件的高精度檢測。為提供用于光學曲面零件等具有大曲率面形的復雜曲面零件的高精度檢測方法，快速，非接觸，對零件表面及表層無損傷，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，高反射自由曲面光柵投影快速非接觸測量方法及裝置，包括以下步驟借助于精密運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)被測物體三自由度運動；使用光柵投影裝置向被測物體表面投射編碼光柵條紋；使用數(shù)字相移技術(shù)和相位展開算法從變形條紋圖中獲得被測物體表面的相位分布信息；使用虛擬參考面技術(shù)獲取參考相位分布；根據(jù)相位偏移信息與被測物體表面梯度間的對應關系，恢復出被測物體表面測量區(qū)域的三維形貌信息。本發(fā)明主要應用于光學曲面零件的測量。
文檔編號G01B11/25GK102607466SQ20121009430
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者劉書桂, 季莉栓, 張宏偉, 李紹輝, 韓淑建 申請人:天津大學