CN101915559A - 利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法，1)将被测物体固定在一参考平面上，参考平面与一相移器连接，参考平面能够在竖直平面内做转动；2)将被测物体连同参考平面一起做小于5度角的微小偏转，利用光的干涉，在被测物体表面产生明暗相间的干涉条纹；3)通过相移器对被测物体表面施加相移使参考光和物光的光程差发生改变，对步骤2)得到的弯曲的干涉条纹做等四步相移，这些明暗相间的干涉条纹会根据所加相移的大小做相应的平移，用四步相位算法得到包裹相位图，由于相位被包裹在(-π，π)之间，用相位展开算法把相位连续化求出被测物体的真实相位；根据相位和高度的映射关系得出物面的高度分布，得到物体的面形。本发明同时还公开了此方法的***。

Description

利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法及其***

技术领域

本发明涉及一种物体的三维面形测量方法及***，尤其是一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法及其***。

背景技术

随着计算机技术、电子技术、数字图像采集和处理技术的飞速发展，产生了电子散斑干涉术。近年来由于电子散斑干涉技术具有操作简单、全场测量、非接触、高精度、隔震要求低的特点，成为一种较为成熟的光学三维面形测量技术，并且在面形测量、变形测量中得到了广泛的应用，特别是在设备的无损检测、热变形测量以及口腔修复的应用中电子散斑干涉技术具有明显的优势。面形测量中，从光强分布中提取相位信息的相位测量技术是决定测量结果是否准确的关键技术之一，主要有傅里叶变换法和相移法。基于投影栅线的傅里叶变换法对比度高，易于动态处理，但测量精度受投影栅线空间频率的限制，灵敏度不高。电子散斑干涉利用光的干涉产生干涉调制条纹，不需要投影栅线，物体的相位信息包含在散斑颗粒内，形成以散斑为载体的干涉条纹，因而灵敏度也较高。散斑测量技术的发展方向决定了必须向三维测量发展。三维相移电子散斑干涉技术是电子散斑干涉技术结合相移技术向三维、高精度和自动化方向的发展。电子散斑载频调制技术已应用于物体的三维面形测量，载频调制有全场提取面形信息的特点，对面形边缘或者细节的测量不敏感的缺点。中国专利200620044101.X公开了一种基于光纤和相移电子散斑技术测量物体三维变形***，但是电子散斑相移技术一直还没有应用于物体的三维面形测量。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种构造简单、精度和灵敏度高的利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法及其***。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法，包括以下步骤：

1)将被测物体固定在一参考平面上，参考平面与一相移器连接，参考平面大于被测物体，使参考平面能够在竖直平面内做小于5度角的转动；

2)将被测物体连同参考平面一起做小于5度角的偏转，利用光的干涉，在被测物体表面产生明暗相间的干涉条纹，即通过物体的偏转利用电子散斑干涉在物体表面产生干涉条纹；

3)通过相移器对被测物体表面施加相移使物光的光程发生改变，进而引起参考光和物光的相位差的改变，对步骤2)得到的弯曲的干涉条纹做等四步相移，这些明暗相间的干涉条纹会根据所加相移的大小做相应的平移，利用相移技术提取出物面的相位信息，得到包裹相位图，由于相位被包裹在(-π，π)之间，用相位展开算法把相位连续化求出被测物体的真实相位；根据相位和高度的映射关系得出物面的高度分布，从而得到物体的面形。

一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的***，其包括激光器、相移器和摄像头，各元器件位置关系如下：激光器与半透反射镜I相对应，半透反射镜I分别与扩束镜I和反射镜I相对应，反射镜I、反射镜II和反射镜III依次相对应，反射镜III与扩束镜II相对应，扩束镜II与半透反射镜II相对应，半透反射镜II与摄像头相对应；扩束镜I与设置于参考平面上的被测物体相对应，参考平面与一相移器连接，被测物体与透镜相对应，透镜与半透反射镜II相对应。

本发明利用电子散斑干涉测量物体面形，通过物体的微小偏转在物体表面产生平行的干涉条纹。由于受到物面的高度的调制，平行的干涉条纹变得弯曲，采用相移技术提取物面三维面形信息。该方法用散斑干涉产生干涉条纹，因此测量物面具有灵敏度高的优点，由于采用相移技术提取相位信息，测量精度也高。

附图说明

图1是电子散斑干涉测量物体面形的原理图；

图2是测量物体面形的电子散斑干涉***光路图；

图3是偏转物面引入的干涉条纹图；

图4是包裹相位图；

图5是解包裹相位图；

图6是相移法得到的被测物三维面形网格图；

图7是物面等高线图；

其中1.被测物体，2.参考平面，3.激光器，4.半透反射镜I，5.反射镜I，6.反射镜II，7.反射镜III，8.扩束镜I，9.扩束镜II，10.相移器，11.透镜，12.半透反射镜II，13.摄像头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-7所示，一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法，包括以下步骤：

1)将被测物体1固定在一参考平面2上，参考平面2与一相移器10连接，参考平面2大于被测物体1，使参考平面2能够在竖直平面内做小于5度角的微小转动；

2)将被测物体1连同参考平面2一起做小于5度角的微小偏转，利用光的干涉，在被测物体1表面产生明暗相间的干涉条纹，即通过物体的微小偏转利用电子散斑干涉在物体表面产生干涉条纹；该干涉条纹由于受到物体表面高度的调制变得弯曲，引起干涉条纹相位的变化，物体的高度信息包含在弯曲的干涉条纹里；

3)通过相移器10对被测物体1表面施加相移使物光的光程发生改变，进而引起参考光和物光的相位差的改变，对步骤2)得到的弯曲的干涉条纹做等四步相移，这些明暗相间的干涉条纹会根据所加相移的大小做相应的平移，利用相移技术提取出物面的相位信息，得到包裹相位图，由于相位被包裹在(-π，π)之间，用四步相位展开算法把相位连续化求出被测物体的真实相位；根据相位和高度的映射关系得出物面的高度分布，从而得到物体的面形。

相移技术测量物体面形的基本原理是对干涉光路中两束相干光之间的相位差引入等间隔的相位差变化，相位差发生变化时，干涉条纹也作相应的平移，使干涉场中任意点的光强呈余弦变化移动。面形测量的关键技术之一是提取物体表面的相位。

1.相移法相位测量原理如下：

散斑干涉形成的干涉条纹是物光和参考光相叠加而成的，物光和参考光的光振动分别表示为：

其中，A_ob和

分别表示物光的振幅和相位，A_ref和

分别表示参考光的振幅和相位。参考光和物光叠加以后的光振动可以表示成：

E＝E_ob+E_ref    (3)

＝Acos(ωt+φ)

其合振幅的平方为：

(4)

因此干涉场的光强为：

(5)

即：

$I(x,y,t)=I_{\mathrm{ob}}(x,y)+I_{\mathrm{ref}}(x,y)$ (6)

$+2\sqrt{I_{\mathrm{ob}}(x,y)I_{\mathrm{ref}}(x,y)}\cos \mathrm{\φ}(x,y)$

当参考面是平面时，假定其相位等于零，φ(x，y)是物面与参考面的相位差，也就是待测物体的相位。物面上接有相移器，可对物面施加相移使物光的光程差发生改变，进而引起参考光和物光的相位差的改变，此时干涉场的光强为：

$I(x,y,t)=I_{\mathrm{ob}}(x,y)+I_{\mathrm{ref}}(x,y)$ (7)

$+2\sqrt{I_{\mathrm{ob}}(x,y)I_{\mathrm{ref}}(x,y)}\cos [\mathrm{\φ}(x,y)+\mathrm{\δ}\left(t\right)]$

施加相移以后，参考光和物光的相位差由物体的相位和相移器引入的附加相位共同决定，δ(t)是相移器引入的相位。若对物面做四步相移，令每次的相移量为δ_i(t)，引入相移后参考光和物光的相位差就会发生相应的变化，由于测量不可避免的要产生误差，采用满周期等间距引入相移时误差最小，所以每步的相移量为

N＝4，因此相移量为均为

做四步相移后干涉场光强分别为：

$I_1=I_{\mathrm{ob}}(x,y)+I_{\mathrm{ref}}(x,y)+$ (8)

$2\sqrt{I_{\mathrm{ob}}(x,y)I_{\mathrm{ref}}(x,y)}\cos \left[\mathrm{\φ}(x,y)\right]$

$I_2=I_{\mathrm{ob}}(x,y)+I_{\mathrm{ref}}(x,y)+$

$2\sqrt{I_{\mathrm{ob}}(x,y)I_{\mathrm{ref}}(x,y)}\cos [\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{\mathrm{\π}}{2}]$ (9)

$I_3=I_{\mathrm{ob}}(x,y)+I_{\mathrm{ref}}(x,y)+$ (10)

$2\sqrt{I_{\mathrm{ob}}(x,y)I_{\mathrm{ref}}(x,y)}\cos [\mathrm{\φ}(x,y)+\mathrm{\π}]$

$I_4=I_{\mathrm{ob}}(x,y)+I_{\mathrm{ref}}(x,y)+$

$2\sqrt{I_{\mathrm{ob}}(x,y)I_{\mathrm{ref}}(x,y)}\cos [\mathrm{\φ}(x,y)+\frac{3\mathrm{\π}}{2}]$ (11)

将表示参考面的光强图与做四步相移以后的表示物面的光强图分别相减，得到的光强图里的相位只包含物体的相位信息和相移器引入的附加相位，而把参考面减掉了，因此可以求出物体的相位：

$\mathrm{\φ}=\arctan \frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}---\left(12\right)$

由相移法得到的相位是包裹在(-π，π)范围内的相位主值，必须利用相位展开算法展开得到物面的真实相位才能做进一步处理，恢复三维轮廓。

2.电子散斑干涉测量物体面形的原理

如图1所示，L和C分别是激光器和摄像头CCD的光心，两者相距d。C-L连线与参考面平行，且相距s。当被测物不存在时，激光直接投射到参考面上，参考光和物光的干涉条纹是相互平行的，当有被测物时，干涉条纹变形。如果原来条纹的位置在B处，由于物体的遮挡，移到物体的A点，而由CCD观察到的A点的位置在D点上。因此由于物体的遮挡产生了BD距离的光程差，对应的相位差为φ只要得到物面上每一点产生的相位差就可以算得全场的高度分布h(x，y)。由相似三角形得

$h=\frac{\mathrm{\φ\λs}}{2\mathrm{\πd}+\mathrm{\φ\λ}}---\left(13\right)$

其中φ是物体的相位，

，这样就把相位分布转化成了高度分布。

如图2所示，利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的***，其包括激光器3、相移器10和摄像头13，各元器件位置关系如下：激光器3与半透反射镜I4相对应，半透反射镜I4分别与扩束镜I8和反射镜I5相对应，反射镜I5、反射镜II6和反射镜III7依次相对应，反射镜III7与扩束镜II9相对应，扩束镜II9与半透反射镜II12相对应，半透反射镜II12与摄像头13相对应；扩束镜I8与设置于参考平板2上的被测物体1相对应，参考平板2与一相移器10连接，被测物体1与透镜11相对应，透镜11与半透反射镜II12相对应。

如图2所示的电子散斑干涉***测量物体的表面面形，被测物为一小球球冠，用He-Ne激光作为光源经扩束镜后照射在球冠表面上。球冠固定在一个可以在竖直平面内做微小转动的参考平面2上，参考平面2与相移器10连接实现相移，参考光和物光经过方棱镜后在CCD(摄像头)光轴上实现同轴干涉，偏转物面，通过CCD可以看到图3所示的明暗相间的干涉条纹。因物体表面具有一定的高度使得条纹变得弯曲，物体的高度信息包含在弯曲的干涉条纹里。当入射角度越大，参考光光强和物光光强越接近时，条纹弯曲越明显，条纹对比度越好，测量效果也就越好。

对得到的干涉条纹做等四步相移，这些明暗相间的干涉条纹会根据所加相移的大小做一定的平移，利用相移技术可以提取出物面的相位信息，得到图4所示的包裹相位图。由于相位被包裹在(-π，π)之间，需要用相位展开算法把相位连续化求出球冠的真实相位，如图5所示。根据相位和高度的映射关系(13)式可得出物面的高度分布。图6是由相移法得到的球冠的三维面形网格图，图7是物面的等高线图。

由结果可以看出，利用电子散斑干涉相移法可以测量物体的表面面形。用电子散斑干涉产生平行的干涉调制条纹，即使条纹稀疏也能经精确解调出物体的相位，因此测量精度较高。但由于相移装置的***误差，使测量结果受到一定的影响。

理论分析和实验表明，相移电子散斑干涉技术可以测量物体面形。由于是采用散斑干涉的方法产生干涉条纹，因此该方法测量物体面形具有灵敏度高的优点，由于采用相移技术提取相位信息，测量精度也高。

Claims (2)

1.一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将被测物体固定在一参考平面上，参考平面与一相移器连接，参考平面大于被测物体，参考平面能够在竖直平面内做小于5度角的转动；

2)将被测物体连同参考平面一起做小于5度角的偏转，利用光的干涉，在被测物体表面产生明暗相间的干涉条纹，即通过物体的偏转利用电子散斑干涉在物体表面产生干涉条纹；

3)通过相移器对被测物体表面施加相移使物光的光程发生改变，进而引起参考光和物光的相位差的改变，对步骤2)得到的弯曲的干涉条纹做等四步相移，这些明暗相间的干涉条纹会根据所加相移的大小做相应的平移，利用相移技术提取出物面的相位信息，得到包裹相位图，由于相位被包裹在(-π，π)之间，用相位展开算法把相位连续化求出被测物体的真实相位；根据相位和高度的映射关系得出物面的高度分布，从而得到物体的面形。

2.一种利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的***，其特征在于：其包括激光器、相移器和摄像头，各元器件位置关系如下：激光器与半透反射镜I相对应，半透反射镜I分别与扩束镜I和反射镜I相对应，反射镜I、反射镜II和反射镜III依次相对应，反射镜III与扩束镜II相对应，扩束镜II与半透反射镜II相对应，半透反射镜II与摄像头相对应；扩束镜I与设置于参考平面上的被测物体相对应，参考平面与一相移器连接，被测物体与透镜相对应，透镜与半透反射镜II相对应。

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