CN104089585B - 基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量的方法，属于光测力学领域。本发明通过待测物体的尺寸及三维变形量的大小范围，选择合适频率的正交光栅及图像采集仪器，通过将被测物体旋转一个角度的方式，采集旋转后清晰地正交栅线图，利用傅里叶变换和逆傅里叶变换解耦得到单向栅线图，并计算其位移场，通过位移场确定被测物体的三维变形的测量。本发明方法测量范围广，灵敏度高，且操作简单，实现了被测物体三维变形的测量。本发明对结构及变形都为中心对称的一类物体，静态或动态的三维变形都可以实现，且效果很好。

Description

基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法

技术领域

本申请涉及光测力学领域，具体的说，是涉及一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量的方法。

背景技术

双目视觉是模仿人的眼睛，使用两个相机得到同一区域同一时刻不同角度的图片，然后通过两幅图片的位移信息得到测量区域的三维变形场，双目视觉方法在宏观三维变形场测量领域得到了广泛的应用。因为使用两个相机，首先要将两个相机的视场调整到同一区域，在拍摄时还要做到同步，这就使整个***设备较多，操作比较麻烦，容易因时间或者区域不匹配产生误差。

随着微纳米技术研究的不断深入，微机电***(MEMS，Microelectromechanical Systems)或者微结构的应用也越来越广泛，对微纳米结构力学性能测量和表征也成为人们关注的问题，发展适合微纳米尺度力学性能测量和表征的实验方法成为一种必然的趋势。以电镜的扫描线作为参考栅与试件上栅线叠加形成的扫描云纹技术，因为其高灵敏度的全场位移和应变测量，在面内变形测量方面得到了广泛的应用。但这些测量技术都只是针对面内的位移场和应变场，不能实现物体三维变形的测量。

中国专利申请号201310232350.6(公开号CN103424085，公开日2013年12月4日)的发明创造名称为：一种物体表面三维形貌的测量方法，该申请公开了利用扫描云纹法与扫描电镜中的立体分析模型公式相结合得到被测物体的表面形貌。其不足之处是此测量方法在实现过程中需要用到两幅不同角度的云纹图，这就要求两幅图片显示同一测量区域，操作较复杂且容易因区域不匹配引进误差。

同样，在《Mapan》杂志2011年26卷第1期中Micro 3D measurementmethod using SEM一文中介绍了一种在扫描电镜中三维形貌的测量方法。其不足之处是，该方法需要制造微型光栅，使电子通过光栅在试件表面形成影像云纹，进而得到试件的三维形貌，操作复杂，因需要制造可以透过电子束的透射光栅，会增加测量成本。

因此，对于结构和三维变形都为中心对称的一类物体的三维变形研究，现实中，对于这一类情况有很多，比如说弹丸冲击的凹坑、鼓泡的三维变形，中心对称结构中充满液体、气体或者均匀受热后的三维变形，***，水波等在一定的范围中冲击金属板形成结构三维变形等，如何建立一个静态或动态三维变形测量，使测量范围广，且操作简单，易于实现的宏微观三维变形测量方式，便成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，以解决结构和三维变形都为中心对称的一类物体的三维变形研究，建立一个静态或动态三维变形测量，使测量范围广，且操作简单，易于实现的宏微观三维变形测量的问题。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，其特征在于，该方法包括：

(1)在待测物体的表面制作具有特定频率的正交栅线形成所述待测物体表面，根据待测物体的尺寸及预先估计的三维变形量的大小，选择图像采集仪器，通过调整图像采集仪器对所述待测物体表面的参数，使所述待测物体表面待测区域的正交栅线在图像采集仪器焦距范围内；

(2)旋转调整所述试样台的仰俯，按照旋转轴须与正交栅线中某一栅线方向平行的原则，使试样台倾斜一个角度β，并调整所述图像采集仪器对所述待测物体表面的参数，使所述待测物体表面待测区域的正交栅线在图像采集仪器焦距范围内，得出所述待测物体表面待测区域的变形前后的至少两幅的正交栅线；

(3)对(2)中得到的变形前后的每一幅正交栅线，经傅里叶变换和逆傅立叶变换进行解耦，得到栅线方向与旋转轴平行的单向栅线，同时得出栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线；

(4)将(3)中所述解耦后得到的不同方向的单向栅线进行位移计算，得出变形前且所述栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线的位移场A，变形后所述栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线位移场B，以及变形后所述栅线方向与旋转轴平行的单向栅线位移场C；

(5)根据(4)中所述得到的位移场A和B、C，利用

$\left\{\begin{array}{c}{h}_{(x,y)}=\frac{C-B\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{(x,y)}=\frac{\sqrt{B^2+C^2-2\mathrm{BC}\cos \mathrm{\β}}-A\sin \mathrm{\β}}{A\sin \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

得到被测物体的高度h_(x，y)和面内真实应变值ε_(x，y)。

进一步地，其中，所述特定频率的正交栅线，进一步为根据所述待测物体以及该待测物体的变形估计尺寸确定，当变形在微米尺度时，选用频率为大于等于10线/毫米的正交栅线，当变形在纳米尺度时，选用频率为大于等于1000线/毫米的正交栅线。

进一步地，其中，所述图像采集仪器，进一步为根据待测物体的尺寸及预先估计的三维变形量的大小是宏观、微观或纳观尺度决定，对应采取的所述图像采集仪为电荷耦合器件相机及对离面变形不敏感的物方远心/双远心镜头、超景深镜头的光学显微镜或电子显微镜。

进一步地，其中，所述待测物体表面的参数，进一步为物方远心/双远心镜头的焦距、超景深镜头的光学显微镜的焦距和电子显微镜的工作距离。

进一步地，其中，所述单向栅线位移场C，进一步为所述待测物体表面的高度信息与面内变形耦合的位移场。

与现有技术相比，本申请所述的一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，达到了如下效果：

1)本申请根据物体及预先估计的三维变形量的大小制作特定频率的正交栅线。选择合适的图像采集仪器，当物体尺寸及三维变形量分别是宏观、微观和纳观尺度时，依次可以选择的对应的图像采集仪器分别为CCD相机及对离面变形不敏感的物方远心/双远心镜头、超景深镜头的光学显微镜或电子显微镜。再加上可以调整仰角的试样台，只要得到待测物体表面待测区域清晰的正交栅线，就可以实现三维变形的测量。所以对宏观尺寸到微纳米尺寸的变形都可以使用，测量范围广，且测量灵敏度高。

2)本申请对于满足结构和三维变形都为中心对称的物体的静态或动态三维变形的实验测量都可以实现，静态三维变形测量只需采集所述待测物体表面待测区域的变形前后的两幅正交栅线，动态三维变形测量需使用高速相机得到物体动态三维变形某些时刻清晰地正交栅线即两幅以上的正交栅线。静态或动态三维变形的测量按照本发明的操作步骤，处理所有图片，并将动态实验计算结果按时间顺序排列，就可以实现三维变形的动态测量。

3)本申请在进行图像采集时，只需要判断出试样台沿旋转轴旋转后的图像为清晰，不需要调整图像采集的区域使两张图片拍摄同一区域，简化实验操作，且不易引入因时间或区域的不匹配造成的误差。

4)本申请使用的设备简单，大大降低了实验的成本。通过计算机对测量数据的后处理，易于实现数据处理的批量化。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例一所述的一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法的流程图。

图2为本申请采用实施例一的方法的具体应用实施例，物体绕X轴旋转β＝10°后在扫描电镜下得到图片物体表面正交栅线(a)，解耦后的栅线方向垂直旋转轴的无变形的单向栅线(b)、栅线方向垂直旋转轴的变形后的单向栅线(c)以及栅线方向平行旋转轴的变形后的单向栅线(d)。

图3为本申请采用实施例一的方法的具体应用实施例的物体三维形貌图。

图4为本申请采用实施例一的方法的具体应用实施例的物体表面垂直旋转轴方向的应变图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

实施例一

如图1所示，为本申请实施例一所述的一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，具体操作步骤为：

步骤101，在待测物体的表面制作具有特定频率的正交栅线形成所述待测物体表面，根据待测物体的尺寸及预先估计的三维变形量的大小范围，选择合适的图像采集仪器，通过调整图像采集仪器在所述待测物体表面的参量，使所述待测物体表面待测区域的正交栅线在图像采集仪器焦距范围内；

步骤102，旋转调整所述试样台的仰俯，按照旋转轴须与正交栅线中某一栅线方向平行的原则，使试样台倾斜为一个角度β，并调整所述图像采集仪器对所述待测物体表面的参数，使所述待测物体表面待测区域的正交栅线在图像采集仪器焦距范围内，得出所述待测物体表面待测区域的变形前后的至少两幅的正交栅线；

其中，所述使试样台倾斜一个角度β，进一步为：本实施例是以角度β＝10°的试样台进行操作实施，但本发明对调整所述试样台的仰俯的角度，并不作具体限定。

步骤103，对步骤102中得到的变形前后的每一幅正交栅线，经傅里叶变换和逆傅立叶变换进行解耦，得到栅线方向与旋转轴平行的单向栅线，同时得出栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线；

步骤104，将步骤103中所述解耦后得到的不同方向的单向栅线进行位移场的计算，得出变形前且所述栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线的位移场A，变形后所述栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线位移场B，以及变形后所述栅线方向与旋转轴平行的单向栅线位移场C；

步骤105，根据步骤104中所述得到的位移场A和B、C，利用

$\left\{\begin{array}{c}{h}_{(x,y)}=\frac{C-B\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{(x,y)}=\frac{\sqrt{B^2+C^2-2\mathrm{BC}\cos \mathrm{\β}}-A\sin \mathrm{\β}}{A\sin \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

得到被测物体的高度h_(x，y)和面内真实应变值ε_(x，y)。

其中，上述方法中所述待特定频率的正交栅线，进一步为：根据所述待测物体以及该待测物体的变形具体尺寸确定，当变形在微米尺度时，选用频率为大于等于(也可以称为高于)10线/毫米的正交栅线，当变形在纳米尺度时，选用频率为大于等于(也可以称为高于)1000线/毫米的正交栅线。

其中，上述步骤101中的所述图像采集仪器，进一步为：

根据待测物体的尺寸及预先估计的三维变形量的大小是宏观、微观或纳观尺度决定，对应采取的所述图像采集仪为电荷耦合器件相机及对离面变形不敏感的物方远心/双远心镜头、光学显微镜或电子显微镜，当然本方法对此不作具体限定。

步骤102中，涉及的变形前后正交栅线，均为对所述待测物体表面待测区域的形成的清晰的正交栅线，通过图像采集仪器采集的正交栅线图。

具体应用实施例：

首先，在待测物体的表面制作具有特定频率的正交栅线形成所述待测物体表面；

其中，在本实施例中，正交栅线的频率要根据需测量物体以及预先估计的三维变形量的大小确定，本次试验物体表面的栅线频率为1200线/毫米，因为放置时间较长，物体表面有灰尘，对计算结果在一定程度上会有影响。

其次，将所述待测物体放入扫描电镜(即前述实施例中所述图像采集仪)的观测腔内载物台(即前述实施例中所述试样台)上，本次实验使用的扫描电镜型号为FEI Quanta FEG450，调整扫描电镜的放大倍数和工作距离：3500倍和11.6mm；找到所述待测物体表面需要计算区域清晰的正交栅线，然后在调整好物体的方向，使物体上正交栅线的某一方向栅线与X轴平行，然后将试件绕X轴旋转β＝10°，调整试件的位置，再次得出所述待测物体表面需要的清晰的正交栅线后，记录下此时的图像，如图2所示。

第三，通过对所述待测物体表面的变形监测，得出所述待测物体表面待测区域的变形前后的至少两幅的正交栅线；对所述至少两幅的正交栅线，经傅里叶变换和逆傅立叶变换进行解耦，得到栅线方向与旋转轴平行的单向栅线，同时得出栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线；将所述解耦后得到的不同方向的单向栅线进行位移场的计算，计算得到位移场A、B和C，并且将位移场C进行插值形成三个748像素×748橡素的矩阵，将数据代入计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{h}_{(x,y)}=\frac{C-B\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{(x,y)}=\frac{\sqrt{B^2+C^2-2\mathrm{BC}\cos \mathrm{\β}}-A\sin \mathrm{\β}}{A\sin \mathrm{\β}}\end{array}\right.$

得到被测物体的高度h_(x，y)和面内真实应变值ε_(x，y)。

第四，得到鼓泡整个形貌如图3所示，最高点的离面高度为5.884μm，与已公开的文献Chuanwei Li，Zhanwei Liu，Huimin Xie et a1.Novel 3D SEMMoir é method for micro height Measurement[J].OPTICS EXPRESS，2013，21(13)：15724-15746中测量结果为5.637μm，相对误差为4.38％。还可以得到垂直旋转轴方向的真实应变值如图4所示，真实应变的结果中边缘的应变较大，然后向中间逐渐减小，在边缘有一区域应变很大，主要原因是扫描电镜图片中在鼓泡边缘部分有一小块区域杂质的影响，可以略去不计，整个应变结果与实际情况相符，这些都说明了本发明的适用性。

与现有技术相比，本申请所述的一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，达到了如下效果：

1)本申请根据物体及预先估计的三维变形量的大小制作特定频率的正交栅线。选择合适的图像采集仪器，当物体尺寸及三维变形量分别是宏观、微观和纳观尺度时，依次可以选择的对应的图像采集仪器分别为CCD相机及对离面变形不敏感的物方远心/双远心镜头、超景深镜头的光学显微镜或电子显微镜。再加上可以调整仰角的试样台，只要得到待测物体表面待测区域清晰的正交栅线，就可以实现三维变形的测量。所以对宏观尺寸到微纳米尺寸的变形都可以使用，测量范围广，且测量灵敏度高。

2)本申请对于满足结构和三维变形都为中心对称的物体的静态或动态三维变形的实验测量都可以实现，静态三维变形测量只需采集所述待测物体表面待测区域的变形前后的两幅正交栅线，动态三维变形测量需使用高速相机得到物体动态三维变形某些时刻清晰地正交栅线即两幅以上的正交栅线。静态或动态三维变形的测量按照本发明的操作步骤，处理所有图片，并将动态试验计算结果按时间顺序排列，就可以实现三维变形的动态测量。

3)本申请在进行图像采集时，只需要判断出试样台沿旋转轴旋转后的图像为清晰，不需要调整图像采集的区域使两张图片拍摄同一区域，简化实验操作，且不易引入因时间或区域的不匹配造成的误差。

4)本申请使用的设备简单，大大降低了实验的成本。通过计算机对测量数据的后处理，易于实现数据处理的批量化。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，其特征在于，该方法包括：

(1)在待测物体的表面制作具有特定频率的正交栅线形成所述待测物体表面，根据待测物体的尺寸及三维变形量的大小范围，选择图像采集仪器，通过调整图像采集仪器对所述待测物体表面的参数，使所述待测物体表面待测区域的正交栅线在图像采集仪器焦距范围内；

(2)旋转调整试样台的仰俯，按照旋转轴须与正交栅线中某一栅线方向平行的原则，使试样台倾斜一个角度β，并调整所述图像采集仪器对所述待测物体表面的参数，使所述待测物体表面待测区域的正交栅线在图像采集仪器焦距范围内，得出所述待测物体表面待测区域的变形前后的正交栅线；

(3)对(2)中得到的变形前后的每一幅正交栅线，经傅里叶变换和逆傅立叶变换进行解耦，得到栅线方向与旋转轴平行的单向栅线，同时得出栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线；

(4)将(3)中所述解耦后得到的不同方向的单向栅线进行位移计算，得出变形前且所述栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线的位移场A，变形后所述栅线方向与旋转轴垂直的单向栅线的位移场B，以及变形后所述栅线方向与旋转轴平行的单向栅线的位移场C；

(5)根据(4)中得到的位移场A、位移场B和位移场C，利用

$\left\{\begin{array}{c}{h}_{(x,y)}=\frac{C-Bcos\mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{(x,y)}=\frac{\sqrt{B^2+C^2-2BCcos\mathrm{\β}}-Asin\mathrm{\β}}{Asin\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

得到被测物体的高度h_(x,y)和面内真实应变值ε_(x,y)。

2.根据权利要求1所述的基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，其特征在于，所述特定频率的正交栅线，进一步为：根据所述待测物体以及该待测物体的变形尺寸范围确定，当变形在微米尺度时，选用频率为大于等于10线/毫米的正交栅线，当变形在纳米尺度时，选用频率为大于等于1000线/毫米的正交栅线。

3.根据权利要求1所述的基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，其特征在于，所述图像采集仪器，进一步为：

根据待测物体的尺寸及三维变形量的大小范围是宏观、微观或纳观尺度决定，对应采取的所述图像采集仪为电荷耦合器件相机及对离面变形不敏感的物方远心/双远心镜头、超景深镜头的光学显微镜或电子显微镜。

4.根据权利要求1所述的基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，其特征在于，所述待测物体表面的参数，进一步为：物方远心/双远心镜头的焦距、超景深镜头的光学显微镜的焦距和电子显微镜的工作距离。

5.根据权利要求1所述的基于单幅正交栅线的宏微观三维变形测量方法，其特征在于，所述单向栅线位移场C，进一步为：所述待测物体表面的高度信息与面内变形耦合的位移场。