CN113063372A - 一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法及其装置，属光学检测技术领域。可伸缩框架由上、中、下三组平行导轨、伸缩杆和伸缩调节机构组成，显示模块和图像采集模块通过直线电机分别置于可伸缩框架的平行导轨上，嵌入式开发板通过Wi‑Fi模块与计算机无线连接，控制直线电机、伸缩调节机构的运动，自动调整显示模块、图像采集模块的位置和角度，在保证测量结果准确的同时兼顾了便携性与灵活性；显示屏显示基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹，相机采集经被测物表面调制反射的变形条纹图，经计算机处理得到被测物的三维形貌。本发明提供的测量装置结构紧凑、便携性强、自动化程度高，所提供的测量方法能有效提高测量精度和效率。

Description

一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种镜面/类镜面形貌的测量方法与装置，属光学检测技术领域。

背景技术

自由曲面光学元件因其能够更为显著地校正***像差、提升***设计性能，实现光学***的紧凑化和高透过率，因而，在诸如激光核聚变***、微光夜视仪、光刻机、成像光谱仪等光电***的研发和实现过程中引起了浓烈的兴趣。然而，由于存在面形描述自由性大、梯度变化复杂等特点与问题，其表面形貌轮廓的高精度成型难度却远大于传统光学元件。加工与检测作为光学元件制造过程中重要而密不可分的两部分，检测精度的高低往往直接决定了加工成型效果的优劣。

随着科学技术的不断发展，先后出现了粒子流加工技术、现代数控和可控柔体研抛技术等高精度的非球面/自由曲面加工方案，与之相适应的检测手段却发展缓慢。在光学元件的加工过程中，传统而直接的检测手段为接触/非接触式的三坐标机。然而其点扫的工作方式，使得整个测试过程较长，检测效能不高，且精度有限（亚微米量级）。虽然基于补偿器（如计算制全息图元件）的非球面干涉术可达到纳米量级的检测精度，但针对不同面形的被测件需要设计和制备相应的波面补偿元件，存在检测通用性弱的问题。***构成较为简单的相位恢复（Phase retrieval）法作为一种非干涉检测技术已被成功应用于光学非球面镜的在位检测。然而其迭代复原过程中所需的若干离焦面光场的获取却有赖于精密平移导轨设备，被测件较大的非球面度则进一步加剧了其对探测器高空间分辨率的要求。

得益于计算几何、数字图像显示与处理等技术的进步，另一种自由曲面面形检测技术——相位偏折术（Phase Measuring Deflectometry，PMD）呈现迅猛发展的态势，其测量精度甚至可与干涉术相媲美。PMD是一种以正/余弦条纹信号为媒介，由相位变化调制与解调被测物表面法向量，通过梯度积分或立体视觉复原物面形貌的测量技术。针对镜面物体，PMD在保持了与干涉术相近的测量分辨率水平的基础上，简化了***构成、大大拓展了***动态测量范围（可达数十毫米）。然而现有PMD测量装置的便携性还不足，调整与检测的自动化程度还不够高；在测量过程中，通常需要依次显示两组水平和垂直方向上的各向异性正弦直条纹图，检测效率有待提升。因此，基于PMD原理提出一种结构紧凑、便携性强、自动化程度与检测效率高的镜面/类镜面形貌测量装置与方法，是该领域的研究热点与趋势。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种使用/携带方便、自动化程度较高，能有效提高测量精度和效率的镜面/类镜面形貌的自动测量方法及其装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术解决方案是一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置，它包括显示模块、图像采集模块、可伸缩框架、载物台、嵌入式开发板和计算机；

所述嵌入式开发板通过Wi-Fi模块与计算机无线连接；

所述的可伸缩框架，包括上、中、下三组平行导轨、伸缩杆和用于调节伸缩杆的伸缩调节机构，所述导轨与伸缩杆垂直，各导轨的两端分别与伸缩杆固定，伸缩调节机构通过数据传输控制线与嵌入式开发板连接；

所述显示模块包括显示屏和直线电机，所述直线电机与显示模块固定，直线电机分别置于可伸缩框架的中、下两组平行导轨上，显示屏朝向载物台；显示屏、直线电机通过数据传输控制线分别与嵌入式开发板连接；

所述图像采集模块包括具有自动调焦功能的相机、用于确定被测物到相机之间距离的传感器和直线电机；所述直线电机与图像采集模块固定，直线电机分别置于可伸缩框架的中、上两组平行导轨上；载物台位于相机的前焦平面，显示屏、载物台、相机呈三角结构放置，载物台上的被测物及其反射的显示屏镜像位于相机的景深范围内；传感器、直线电机通过数据传输控制线分别与嵌入式开发板连接；

显示屏显示通过嵌入式开发板接收的计算机输出的基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹，相机采集经被测物表面调制反射的变形条纹图，通过嵌入式开发板输入计算机。

本发明提供的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置，所述传感器为激光位移传感器、超声波距离传感器、红外距离传感器中的一种。

本发明提供的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置，计算机通过嵌入式开发板控制直线电机、伸缩调节机构的运动，自动调整显示模块、图像采集模块的位置和角度。

本发明技术方案好包括一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法，步骤如下：

步骤一，测量装置的装调

将载物台和被测物置于可伸缩框架的底面，将显示模块与图像采集模块分别初步安装至可伸缩框架的中平行导轨、平行导轨下和中平行导轨、上平行导轨两组平行导轨上；显示模块的显示屏和图像采集模块的相机朝向载物台，显示屏、载物台和相机之间呈三角结构位置；将嵌入式开发板的Wi-Fi模块与计算机无线连接，计算机通过控制图像采集模块中的距离传感器、控制显示模块与图像采集模块中的直线电机、可伸缩框架中的伸缩调节机构的状态及相机的调焦量，使载物台上的被测物及其反射的显示屏镜像位于相机的景深范围内；

步骤二，条纹图像的显示与获取

经软件设计得到基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹的编码参数，计算机通过Wi-Fi将编码参数传输至显示模块；由显示模块中的嵌入式开发板根据参数编码生成测量用各向同性的同心圆环正弦条纹图像，通过数据传输控制线传输至显示屏，再经待测物体表面的反射，由图像采集模块中的相机采集获取，经嵌入式开发板的Wi-Fi模块输入计算机；

步骤三，条纹图像的解调与面形重构

采用最小二乘N步相移解调算法处理由图像采集模块中的相机获得的各单频变形条纹图像，计算得到各单频截断相位；采用时域相位展开方法处理，得到在最高频率下与待测物体三维形貌相关的绝对相位分布；在光线反射定律的约束下，结合***几何结构参数和图像采集模块中的距离传感器反馈的距离参数，由绝对相位分布计算得到待测物各方向上的面形斜率，根据斜率梯度评价函数得到待测物最佳正交方向的面形梯度分布；再采用梯度积分算法重构得到待测物体的三维面形分布。

上述测量方法的步骤二中，所述的基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹图像，其条纹频率为自然数序列、倍数序列、幂函数序列、指数序列中的一种变化。步骤三中，所述的斜率梯度评价函数，以正交方向上斜率平方和为评价指标，计算得到最佳正交方向面形梯度分布。

本发明提供的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法，其条纹频率采用倍数序列变化方法；条纹图为等步长相移，每步相移量θ为

，N为总相移步数，

。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1. 本发明提供的测量装置结构紧凑、便携性强、自动化程度与检测效率高，非常适合于镜面/类镜面元件面形的自动化、无线测控。

2.采用本发明提供的测量装置，其测量方法仅需在显示屏上显示一组各向同性的时域变频相移同心圆环正弦条纹图像，可有效避免现有技术方案中需要依次显示两组水平和垂直方向上的各向异性变频相移正弦直条纹图像，大幅减少测量所需图像数目，提高测量效率；距离传感器的使用可避免斜率梯度计算的歧义性，所提斜率梯度评价函数的使用可得到待测物最佳正交方向的面形梯度分布，从而提高测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置中显示模块的结构示意图；

图3是发明实施例提供的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置中图像采集模块的结构示意图。

其中：1.显示模块；2.图像采集模块；3.可伸缩框架；4.载物台；5.计算机；6.被测物；11.嵌入式开发板；12.显示屏；13.直线电机；21.相机；22.距离传感器；23.直线电机；31.上平行导轨；32.中平行导轨；33.下平行导轨；34.伸缩杆控制电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

实施例1

参见附图1，它是本实施例提供的一种便携式镜面/类镜面形貌测量装置的结构示意图；测量装置包括：显示模块1、图像采集模块2、可伸缩框架3、载物台4、计算机5和被测物6；参见附图2，为本实施例显示模块的结构示意图，显示模块1中设置嵌入式开发板11、一个显示屏12和四个直线电机13；参见附图3，为本实施例图像采集模块的结构示意图，图像采集模块2中包括具有自动调焦功能的相机21、一个距离传感器22和四个直线电机23。由图1可见，可伸缩框架3包括上平行导轨31、中平行导轨32、下平行导轨33三组平行导轨和八个伸缩电机34，导轨水平设置，与伸缩杆垂直，各导轨的两端分别与伸缩杆固定。距离传感器的输出口，直线电机、伸缩电机的控制端口分别与嵌入式开发板11连接。嵌入式开发板11通过Wi-Fi模块与计算机5无线连接；

显示模块1通过直线电机13置于可伸缩框架3的中平行导轨32、平行导轨下33两组平行导轨上，且显示模块1的显示屏12朝向载物台4。

图像采集模块2通过直线电机23置于可伸缩框架3的中平行导轨32、上平行导轨21两组平行导轨上，且图像采集模块2的相机21朝向载物台4；显示模块1与图像采集模块2通过直线电机13、直线电机23和伸缩电机34调整其位置和角度，实现自动化调整；

所述载物台4位于相机的前焦平面，显示屏12、载物台4、相机21呈三角结构放置，使得相机21能够清晰观测到载物台4上的被测物6及其反射的显示屏12的镜像；嵌入式开发板11与计算机5之间通过Wi-Fi无线连接，在保证测量结果准确的同时兼顾了便携性与灵活性；显示屏12上显示的由计算机输入的基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹经被测物6表面调制反射，得到变形条纹图并由相机21采集获取；相机21将采集的图片传输至计算机5，经过数据处理后，得到被测物6的三维形貌。

距离传感器22为激光位移传感器、超声波距离传感器、红外距离传感器中的一种，用于确定被测物6到相机21之间的距离。

本实施例提供的测量装置通过Wi-Fi与计算机5无线连接，完成远程控制。

嵌入式开发板可以为FPGA、DSP、树莓派、单片机开发板中的一种，本实施例采用的嵌入式开发板为嵌入式树莓派开发板，且运行有树莓派操作***。嵌入式开发板与计算机之间通过Wi-Fi模块无线连接；测量装置中涉及的可伸缩框架中的伸缩电机通过树莓派开发板上的通用输入/输出端口（General Purpose I/O Ports，GPIO）与树莓派开发板相连；显示模块中的显示屏和直线电机通过树莓派开发板上的GPIO端口与树莓派开发板相连；图像采集模块中的相机通过树莓派开发板上的相机串行接口（Camera Serial Interface，CSI）与树莓派开发板相连，距离传感器和直线电机通过树莓派开发板上的GPIO端口与树莓派开发板相连。

采用本实施例提供便携式镜面/类镜面形貌测量装置，其测量方法包括以下步骤：

步骤一，测量装置的装调

测量装置的结构参见附图1，将载物台4和被测物6置于可伸缩框架3底面，将显示模块1与图像采集模块2通过数据传输控制线连接，并将两者分别初步安装至可伸缩框架3的中平行导轨32、平行导轨下33和中平行导轨32、上平行导轨31两组平行导轨上，且显示模块1的显示屏12和图像采集模块2的相机21均朝向载物台4，使得显示屏12、载物台4和相机21之间呈三角结构位置；通过嵌入式开发板11的Wi-Fi模块与计算机5无线连接，计算机结合图像采集模块2中的距离传感器22，控制显示模块1与图像采集模块2中的直线电机13和23状态、可伸缩框架3中的伸缩电机34状态和相机21调焦量，使载物台上的被测物及其反射的显示屏镜像位于相机的景深范围内。

步骤二，条纹图像的显示与获取

在计算机上使用配套开发的GUI软件设置基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹的编码参数，并通过Wi-Fi将相关参数传输给显示模块1；测量用各向同性的同心圆环正弦条纹图像由显示模块1中的嵌入式开发板11根据参数编码生成，并通过数据传输控制线传输至显示屏12，再经待测物体6表面的反射，由图像采集模块2中的相机21采集获取。

步骤三，条纹图像的解调与面形重构

采用最小二乘N步相移解调算法处理由图像采集模块2中的相机21获得的各单频变形条纹图像，计算得到各单频截断相位；由时域相位展开（Temporal Phase Unwrapping）技术，得到在最高频率下与待测物体6三维形貌相关的绝对相位分布；在光线反射定律的约束下，结合***几何结构参数和图像采集模块2中的距离传感器22反馈回的距离参数，由绝对相位分布无歧义地计算出待测物6各方向上的面形斜率，根据斜率梯度评价函数得到待测物6最佳正交方向的面形梯度分布；最后使用梯度积分算法重构出待测物体6的三维面形分布。

步骤二中基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹图像，其条纹频率可按照自然数序列、倍数序列、幂函数序列、指数序列中的一种变化，在本发明中按倍数序列（4倍数值）变化；条纹图为等步长相移，每步相移量为

，总相移步数

。

步骤三中的斜率梯度评价函数，以正交方向上斜率平方和为评价指标，计算得到最佳正交方向面形梯度分布。

Claims (7)

1.一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置，其特征在于：它包括显示模块（1）、图像采集模块（2）、可伸缩框架（3）、载物台（4）、嵌入式开发板（11）和计算机（5）；

所述嵌入式开发板通过Wi-Fi模块与计算机无线连接；

所述的可伸缩框架，包括上、中、下三组平行导轨、伸缩杆和用于调节伸缩杆的伸缩调节机构，所述导轨与伸缩杆垂直，各导轨的两端分别与伸缩杆固定，伸缩调节机构通过数据传输控制线与嵌入式开发板连接；

所述显示模块包括显示屏和直线电机，所述直线电机与显示模块固定，直线电机分别置于可伸缩框架的中、下两组平行导轨上，显示屏朝向载物台；显示屏、直线电机通过数据传输控制线分别与嵌入式开发板连接；

所述图像采集模块包括具有自动调焦功能的相机、用于确定被测物到相机之间距离的传感器和直线电机；所述直线电机与图像采集模块固定，直线电机分别置于可伸缩框架的中、上两组平行导轨上；载物台位于相机的前焦平面，显示屏、载物台、相机呈三角结构放置，载物台上的被测物及其反射的显示屏镜像位于相机的景深范围内；传感器、直线电机通过数据传输控制线分别与嵌入式开发板连接；

显示屏显示通过嵌入式开发板接收的计算机输出的基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹，相机采集经被测物表面调制反射的变形条纹图，通过嵌入式开发板输入计算机。

2.根据权利要求1所述的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置，其特征在于：所述传感器为激光位移传感器、超声波距离传感器、红外距离传感器中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量装置，其特征在于：计算机通过嵌入式开发板控制直线电机、伸缩调节机构的运动，自动调整显示模块、图像采集模块的位置和角度。

4.一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，测量装置的装调

将载物台和被测物置于可伸缩框架的底面，将显示模块与图像采集模块分别初步安装至可伸缩框架的中平行导轨、平行导轨下和中平行导轨、上平行导轨两组平行导轨上；显示模块的显示屏和图像采集模块的相机朝向载物台，显示屏、载物台和相机之间呈三角结构位置；将嵌入式开发板的Wi-Fi模块与计算机无线连接，计算机通过控制图像采集模块中的距离传感器、控制显示模块与图像采集模块中的直线电机、可伸缩框架中的伸缩调节机构的状态及相机的调焦量，使载物台上的被测物及其反射的显示屏镜像位于相机的景深范围内；

步骤二，条纹图像的显示与获取

计算机经软件设计得到基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹的编码参数，通过Wi-Fi将编码参数传输至显示模块；由显示模块中的嵌入式开发板根据参数编码生成测量用各向同性的同心圆环正弦条纹图像，通过数据传输控制线传输至显示屏，再经待测物体表面的反射，由图像采集模块中的相机采集获取，经嵌入式开发板的Wi-Fi模块输入计算机；

步骤三，条纹图像的解调与面形重构

采用最小二乘N步相移解调算法处理由图像采集模块中的相机获得的各单频变形条纹图像，计算得到各单频截断相位；采用时域相位展开方法处理，得到在最高频率下与待测物体三维形貌相关的绝对相位分布；在光线反射定律的约束下，结合***几何结构参数和图像采集模块中的距离传感器反馈的距离参数，由绝对相位分布计算得到待测物各方向上的面形斜率，根据斜率梯度评价函数得到待测物最佳正交方向的面形梯度分布；再采用梯度积分算法重构得到待测物体的三维面形分布。

5.根据权利要求4所述的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法，其特征在于：步骤二中所述的基于时域变频相移的同心圆环正弦条纹图像，其条纹频率为自然数序列、倍数序列、幂函数序列、指数序列中的一种变化。

6.根据权利要求4所述的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法，其特征在于：步骤三中所述的斜率梯度评价函数，以正交方向上斜率平方和为评价指标，计算得到最佳正交方向面形梯度分布。

7.根据权利要求5所述的一种便携式镜面/类镜面形貌的自动测量方法，其特征在于：条纹频率采用倍数序列变化方法；条纹图为等步长相移，每步相移量θ为

，N为总相移步数，N≥4。

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