基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置。该方法将被测表面散射光斑绝对位置标定和多相机多视场拼接式测量法与反射式条纹三维面形测量方法相结合，利用细光束与被测工件表面相互作用产生的散射光斑对被测表面的绝对高度进行标定，解决了由于无法非接触测得被测工件表面点的绝对高度信息而导致测量精度难以提高的难题；利用多个相机对被测件的不同部位进行三维面形测量，避免弯曲表面自身遮挡导致单相机测量数据不完整。本发明专利技术具有测量精度高、测量速度快、抗环境干扰能力强等优点，可用于对弯曲度大的高反射曲面进行快速三维面形测量。

【技术实现步骤摘要】
基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置
本专利技术属于光学精密测量
，可用于高反射表面三维形貌的高精度测量。
技术介绍
高精度三维面形测量技术在精密仪器制造、精密光学加工和产品检测等领域具有重要作用。测量和评价精密加工器件的表面形貌，对于研究精密器件的表面几何特性与使用性能的关系，提高加工质量和产品性能都具有重要意义。随着应用需求的不断增加和深入，镜面和类镜面等高反射曲面器件作为系统关键部件在航空航天、汽车工业、通讯和微电子等领域的应用中受到了越来越密切的关注，其加工精度的高低直接决定了系统性能的好差。因此，迫切需要测量精度更高、测量速度更快、测量灵活性更大的三维形貌测量仪器来检验并进一步提高这些器件的加工精度。目前，接触式三坐标仪作为三维面形精密测量领域最常用的工具，测量精度很高。但三坐标仪在使用过程中测量速度慢，而且接触式测量方法容易损伤被测物体表面，尤其是对具有高光洁度要求的光学表面。现有的一种激光干涉面形测量方法，具有测量速度快、测量精度高和非接触测量等优点，被广泛应用在光学表面的三维形貌测量中。但是激光干涉测量法通常只能测量平面或球面等规则面形，并且测量结果为相对于标准面的相对面形值，并非绝对三维面形测量结果，此外其对测量环境的要求极其严格，因此，激光干涉测量法的应用领域受到了极大地限制。尤其针对具有大弯曲度的自由曲面的三维形貌测量，激光干涉测量法并不能给出很好的解决方案。投影条纹法能够用于复杂物体面形测量，它是通过相机拍摄在散射物体表面投影条纹的图片进行相位解析获得物体形貌信息，但这种方法不适用于高反射表面检测。为了解决高反射曲面的三维面形测量难题，国内外的专家也一直有各种研究发现。然而，在实际的高反射曲面的三维面形测量中，之前的条纹反射测量法要么由于无法测得被测工件表面点的绝对高度信息而导致测量精度难以提高，要么需要接触式测量方法辅助而导致测量过程复杂、有损被测表面。并且，当被测器件面形较为复杂或者工件表面弯曲度变化较大时，这主要是由于单个相机的视场有限，之前的条纹反射测量法无法测全和测准反射工件的表面三维形貌。尤其是对于表面曲率变化较快的部位，测量数据或缺失，或精度很低。然而，这种曲面工件上弯曲度较大的部位通常都是其非常关键的部位，这些部位的加工精度决定了它们的加工质量和产品性能。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置，将散射光斑绝对位置标定和多相机多视场拼接式测量法与反射式条纹三维面形测量方法相结合，利用细光束与被测工件表面相互作用产生的散射光斑对被测表面的绝对高度进行标定，解决了由于无法非接触测得被测工件表面点的绝对高度信息而导致测量精度难以提高的难题，利用多个相机对被测件的不同部位进行三维面形测量，避免弯曲表面自身遮挡导致单相机测量数据不完整的问题。并且，细光束产生的散射光斑可进一步用来提高多相机测得三维面形之间的匹配精度，有效解决传统匹配过程中特征信息不明显造成的匹配误差，最终获得大曲率自由弯曲工件表面的高精度三维面形测量结果。一方面，本专利技术提供一种基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法，其中：步骤a、将M个相机和条纹显示屏分别固定在被测工件的同一侧，M个相机分别装有各自的镜头，所述M个相机可分别从被测工件表面的不同部位采集到由其反射的条纹显示屏幕图像，将其对应的部位分别定义为部位一、部位二…部位M，并且所述M个部位中的每一个都分别与其他一个或多个有重叠区域；用细光束发生装置产生N条细光束，每条细光束与被测工件表面作用后会产生一个散射光斑标记点，每个散射光斑标记点都被两个或两个以上相机所采集，且每个相机都能采集到一个或一个以上的散射光斑标记点；其中M≥2，N≥1；步骤b、对每一个散射光斑标记点，根据能拍摄到它的相机对应的相机镜头主点坐标，光轴方向，以及相机镜头的焦距值和畸变量，结合其在对应相机上的像素位置及相机像素大小，通过几何光学光线追迹方法计算得到所述散射光斑标记点的空间坐标位置（bxn,byn,bzn），其中n=1,2,…,N；步骤c、在条纹显示屏上先后显示两组不同方向的余弦条纹图，每组余弦条纹图均由不同初始相位的条纹图构成，所述条纹图由被测工件表面反射后被M个相机同时拍摄，通过移相相位解算算法和相位解包裹算法，结合条纹显示屏上的条纹周期得到每个相机上的像素点和条纹显示屏上像素点的对应关系；步骤d、通过m号相机与条纹显示屏的像素对应关系，结合条纹显示屏的中心坐标，法线方向，m号相机镜头的主点坐标，光轴方向，m号相机镜头的焦距值和畸变量，条纹显示屏的像素大小和相机的像素大小，以及m号相机能采集到的散射光斑的空间坐标位置，计算得到被测工件部位m的三维形貌数据Sm，其中m=1,2,…,M；步骤e、将测得的被测工件所有部位的三维形貌Sm进行合成，得到被测工件表面整体的三维形貌S。另一方面，本专利技术提供的基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量装置，包括细光束发生装置、条纹显示屏、M个装有相机镜头的相机、计算机、显卡和图像采集卡；所述M个相机和条纹显示屏分别被固定在被测工件的同一侧，M个相机可分别从被测工件表面的不同部位采集到由其反射的条纹显示屏幕图像；所述细光束发生装置可由计算机控制产生N条细光束，每条细光束与被测工件表面作用后都会产生一个散射光斑标记点，每个散射光斑标记点都被两个或两个以上相机所采集，且每个相机都能采集到一个或一个以上的散射光斑标记点；其中M≥2，N≥1；计算机通过显卡控制条纹显示屏显示余弦条纹图和亮点图；相机采集得到的图片通过图像采集卡传输至计算机。本专利技术对比已有技术具有以下创新点：1.使用细光束与被测工件表面相互作用的散射光斑对被测表面的绝对高度进行标定，解决了由于无法非接触测得被测工件表面点的绝对高度信息而导致测量精度难以提高的难题；2.使用多个相机同时对被测件的不同部位进行三维面形测量，避免弯曲表面曲率过大导致单相机测量数据不完整，可实现对弯曲度大的曲面进行快速三维面形测量；3.利用细光束产生的散射光斑进一步提高多相机测得三维面形之间的匹配精度，有效解决传统匹配过程中特征信息不明显造成的匹配误差。本专利技术对比已有技术具有以下显著优点：1.本专利技术为非接触式测量，无需对表面进行任何处理，可直接对高反射表面进行三维面形精确测量，不会对被测表面造成损伤；2.在测量过程中不需任何其他辅助设备，结构简单，操作方便，并且测量速度快，适合用于被测工件表面的在线快速检测，排除工件加工次品对生产效率和成品率的影响；3.对弯曲度大的被测表面进行多视场并行检测，测量速度显著提高，同时可避免多次测量过程中工件或探测器移动导致的测量精度不高问题。附图说明图1为本专利技术基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法的示意图；图2为本专利技术条纹显示屏中心坐标、法线方向，以及相机镜头主点坐标、光轴方向标定的示意图；图3为本专利技术相机镜头的焦距值和畸变量标定的示意图；图4为本专利技术基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量装置的示意图；图5为本专利技术基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量实施例的示意图；图6为本专利技术三维面形测量结果的示意图；其中：1-条纹显示屏、2-一号相机、3-一号相机镜头、4-二号相机、5-二号相机镜头、6-三号相机、7-三号相机镜头本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法，其特征在于：步骤a、将

【技术特征摘要】
1.基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法，其特征在于：步骤a、将M个相机和条纹显示屏分别固定在被测工件的同一侧，M个相机分别装有各自的镜头，所述M个相机可分别从被测工件表面的不同部位采集到由其反射的条纹显示屏幕图像，将其对应的被测部位分别定义为部位一、部位二…部位M，并且所述M个部位中的每一个都分别与其他一个或多个有重叠区域；用细光束发生装置产生N条细光束，每条细光束与被测工件表面作用后会产生一个散射光斑标记点，每个散射光斑标记点都被两个或两个以上相机所采集，且每个相机都能采集到一个或一个以上的散射光斑标记点图像；其中M≥2，N≥1；步骤b、对每一个散射光斑标记点，根据能拍摄到它的相机对应的相机镜头主点坐标，光轴方向，以及相机镜头的焦距值和畸变量，结合其在对应相机上的像素位置及相机像素大小，通过几何光学光线追迹方法计算得到所述散射光斑标记点的空间坐标位置（bxn,byn,bzn），其中n=1,2,…,N；步骤c、在条纹显示屏上先后显示两组不同方向的余弦条纹图，每组余弦条纹图均由不同初始相位的条纹图构成，所述条纹图由被测工件表面反射后被M个相机同时拍摄，通过移相相位解算算法和相位解包裹算法，结合条纹显示屏上的条纹周期得到每个相机上的像素点和条纹显示屏上像素点的对应关系；步骤d、通过m号相机与条纹显示屏的像素对应关系，结合条纹显示屏的中心坐标，法线方向，m号相机镜头的主点坐标，光轴方向，m号相机镜头的焦距值和畸变量，条纹显示屏的像素大小和相机的像素大小，以及m号相机能采集到的散射光斑的空间坐标位置，计算得到被测工件部位m的三维形貌数据Sm，其中m=1,2,…,M；步骤e、将测得的被测工件所有部位的三维形貌Sm进行合成，得到被测工件整体的表面三维形貌S。2.根据权利要求1所述的基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法，其特征在于：所述步骤d中三维形貌数据Sm的计算过程为：(a)根据m号相机采集图片算得的散射光斑标记点的空间坐标位置，计算出这些散射光斑的平均高度值h0，将高度为h0的平面作为初始的三维形貌Sm_0；(b)根据三维形貌Sm_0各点的高度值，m号相机与条纹显示屏的像素对应关系，条纹显示屏的中心坐标，法线方向，m号相机镜头的主点坐标，光轴方向，m号相机镜头的焦距值和畸变量，以及条纹显示屏的像素大小和相机的像素大小，计算得到三维形貌Sm_0上各点的法向量矩阵（Mxm,Mym），并对法向量矩阵（Mxm,Mym）进行梯度积分运算，得到相对三维形貌数据Sm_1；(c)根据m号相机能采集到的散射光斑标记点的空间坐标位置对三维形貌数据Sm_1在高度方向上进行平移，使得所述散射光斑标记点距离平移后三维形貌的平均高度差最小，得到平移后的三维形貌Sm_2；(d)对三维形貌Sm_0和Sm_2进行处理，得到两者的均方根面形差值Δ，如果Δ大于设定的差值Δreq，则令Sm_0=Sm_2，并跳转至步骤(b)继续顺序计算；如果Δ小于设定的差值Δreq，则结束并得到被测工件部位m的三维形貌数据Sm=Sm_2。3.根据权利要求1所述的基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法，其特征在于：所述条纹显示屏的中心坐标，法线方向，所有相机镜头的主点坐标和光轴方向的标定：在被测工件位置附近放置表面光滑并带有标记点的平面标定板，根据平面标定板位置建立空间坐标系；通过相机拍摄得到标定板上标记点的位置信息，结合相机像素大小以及相机镜头的焦距值和畸变量，解算得到相机镜头m的主点坐标和光轴方向，其中m=1,2,…,...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳苗，龚雷，
申请(专利权)人：杨佳苗，
类型：发明
国别省市：上海,31