物体三维轮廓测量装置及测量方法制造方法及图纸

一种物体三维轮廓测量装置及测量方法，该装置由激光二极管、透镜、小孔光阑、二维达曼光栅、柱面镜、面阵ＣＣＤ相机、传输线和计算机构成，各部件的连接关系是：所述的激光二极管发出的光束依次经过透镜、小孔光阑、二维达曼光栅和柱面镜后，形成一维投影阵列条纹，照明待测目标的表面，由所述的面阵ＣＣＤ相机采集被测量目标表面三维面形调制的光栅投影条纹，经传输线输入所述的计算机，所述计算机具有图像采集接口、图像采集软件和三维测量信息重建算法软件。本发明专利技术利用二维达曼光栅和柱面镜的傅立叶变换三维轮廓测量结构具有能量利用率高、测量结构简单、测量精度高、计算机重构信息处理简便和易于操作等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物体三维轮廓测量，特别是一种。
技术介绍
光学三维形貌测量技术广泛应用于各种测量领域，具有精度高、速度快和非接 触性测量等优点。目前，光学三维形貌测量技术主要采用主动光学三维测量原理， 使照明光场结构化(点，线，光栅条纹等)，利用结构光照明被测物体，被测物体的 三维表面对照明结构光进行调制，使物体表面的光场分布携带被测物体表面的三维 形貌信息。通过CCD相机拍摄调经过调制的结构光场的图像，经计算机处理，通过 三维形貌重构算法，得到被测目标的三维形貌信息。特别的，利用光栅条纹作为结构光的傅立叶变换轮廓术(FTP),由Takeda等人 于1983年提出。这种方法将光栅投影条纹作为结构光源，通过对图像强度分 布进行傅立叶变换、滤波、傅立叶逆变换、位相展开等图像和信息解调算法处理， 得到测量目标的三维形貌信息。在已经广泛存在的傅立叶变换轮廓术三维测量结构当中，投影条纹阵列的产生 主要是利用正弦振幅光栅，二值振幅型透射光栅，或者是数字投影仪。不论是正弦振幅光栅还是二值型振幅光栅，.均是靠光栅不透光部分对光强的吸 收实现投影条纹阵列的产生，能量的利用率较低。在某些实际应用场合，实际物体 的表面能量散射较强，或者物体表面分布复杂，从而导致局部投影条纹过密，很容 易造成投影条纹之间的串扰。此时的解决方法往往是采用较小的光栅开口比(透光 部分与光栅周期的比值)。振幅光栅的开口比在光栅制作时确定，较小的开口比意味 着较多的能量损失，能量利用率和线条压縮比之间存在着矛盾。实际上，大部分的振幅型透射光栅的不透光部分，特别是数字液晶投影仪的光 栅投影系统，仍然有一定的光强透过率，会带来光栅投影条纹光场的明暗对比度的 下降。而数字投影仪的其他的缺点包括体积大，价格昂贵等。利用上述振幅型光栅或数字投影仪的傅立叶变换轮廓术，在产生一维投影阵列 条纹时，面临着光强不均匀，能量利用率低，线条压縮比(条纹周期和明亮条纹宽4度的比值)不能太大等诸多问题，给三维面形的重建带来了巨大的挑战。因此，傅 立叶变换轮廓术特别需要高效率、高对比度和高压縮比的条纹产生方法。空间坐标调制型的二值位相光栅最早是由H.达曼和K. G6rtler等于1971年提出 的。这种技术利用特殊孔径函数 的衍射光栅产生一维或二维的等光强阵列光束，其最初的目的是在光刻的同时获得 一个物体的多重成像以提高生产效率。这种光栅后来被称为"达曼光栅"。它是具有 特殊孔径函数的二值位相光栅，在入射光波的夫琅和费衍射平面上产生一定点阵数 目的等光强光斑，完全避免了一般振幅光栅因光强吸收不均匀引起的条纹不均匀分 布。周常河等人给出了从2到64点阵的达曼光栅解，并详细分析了位相制作误差、 侧壁腐蚀误差对光栅性能的影响。
技术实现思路
本专利技术要解决上述现有技术中傅立叶变换轮廓术的测量结构中利用正弦振幅光 栅，二值振幅型光栅或数字投影仪产生的一维投影阵列条纹的不均匀、能量利用率 低和线条压縮比小等问题，提供一种，该装置具 有测量精度高，测量装置简单，计算机重构信息处理简便和易于操作的特点。本专利技术的技术解决方案如下一种物体三维轮廓测量装置，其特点是该装置由激光二极管、透镜、小孔光阑、 二维达曼光栅、柱面镜、面阵CCD相机、传输线和计算机构成，各部件的连接关系 是所述的激光二极管发出的光束依次经过所述的透镜、小孔光阑、二维达曼光栅和柱面镜后，形成一维投影阵列条纹，照明待测目标的表面，由所述的面阵CCD相机采集待测目标表面三维面形调制的光栅投影条纹，经传输线输入所述的计算机， 所述计算机具有图像采集接口、图像采集软件和三维测量信息重建算法软件。所述的二维达曼光栅的空间分束比为NXN，该N为2以上的正整数，对所述的 激光二极管的波长的衍射图样为正方形的均匀点阵分布。利用上述物体三维轮廓测量装置进行物体三维轮廓的测量方法，包括下列步骤:①调整透镜、二维达曼光栅和柱面镜相互之间的距离，在投影参考平面上形成清晰分布的一维投影阵列条纹；② 采集参考平面上的参考条纹图像测量物体三维面形之前，调整面阵CCD相 机的对焦位置，使参考条纹在面阵CCD相机上清晰成像，采集一幅参考平面上的条 纹图像作为参考条纹图像，存储于所述的计算机中；③ 对所述的参考条纹图像进行数字图像处理和分析，得到参考条纹图像的复数信号;。(jc，力-命。(;c，力exp(/2;ir/。jc + p。(;c,力)，并存储在所述的计算机中；④ 采集待测目标上的形变光栅条纹图像将待测目标放置在参考平面上，采集 待测目标三维面形调制而产生的形变光栅条纹图像，存储于所述的计算机中；⑤ 对所述的形变光栅条纹图像进行数字图像处理和分析，得到形变条纹图样的复数信息"Jc,;;h命(;c,;;)exp(Z2;r/。x + p(;c,;;))，并存储在所述的计算机中；⑥ 计算所述的参考条纹图像和形变条纹图像包含的信息差值，即相位差值将所述的参考条纹图像的复数信息和所述的形变条纹图像的复数信息代入下式进行计 算力=,一"，"g。* "，"],得到两幅图像的位相差；⑦ 对所述的位相差进行相位展开，并重构物体的三维面形信息对所述的位相差进行相位展开，得到展开后的相位差值A"x'"后，再利用所述的数字图像处理和分析包括图像色彩变换、图像几何变换、数字图像滤 波、傅立叶变换、自动基频滤波和傅立叶逆变换。所述的图像的色彩变换完成从彩 色图像到灰度图像的变换。所述的图像的几何变换将图像像素大小裁减成2的正整 数次幂，便于傅立叶变换的数字计算。所述的数字图像滤波包括中值滤波和均值滤 波。所述的自动基频滤波是利用计算机自动搜索滤波窗函数的窗口大小，通过设定 阈值的方式从最大值位置向两边进行搜索，碰到连续多个数值小于设定阈值且变化 缓慢的像素点时，记录第一个像素点的位置，并设定为特征点，停止搜索，并判定 到达滤波边界，且判定峰值两边特征点之间的区域即为矩形滤波窗口的范围。本专利技术的技术效果本专利技术将二维达曼光栅和柱面镜应用于傅立叶变换轮廓术三维测量装置中，由 于达曼光栅具有谱点光强均匀、能量利用率高和谱点尺寸压縮比(谱点间距和谱点 特征尺寸的比值)大的特点，并利用柱面镜将谱点进行一维展开，因而解决了投影 阵列条纹光强分布不均匀，能量利用率低，压縮比小的技术问题，产生的一维投影，重构出所测目标的三维面形分布。6阵列条纹具有均匀度高，亮度高，对比度高，线条压缩比大，和条纹尖锐等优点。 相比利用振幅光栅和正弦光栅的傅立叶变换轮廓术三维测量结构， 具有能量利用率高，投影条纹一维分布均匀，压縮比大以及三维面形重构过程简化 等优点，测量结构简单，实施方便。附图说明图1是本专利技术物体三维轮廓测量装置示意图。图2是本专利技术所采用的二维达曼光栅和柱面镜形成一维投影阵列条纹的原理示 意图。图3是本专利技术所采用的傅立叶变换轮廓术的原理示意图。 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。先请参阅图l，图l是本专利技术物体三维轮廓测量装置示意图。由图可见，本专利技术 物体三维轮廓测量装置，由激光二极管l、透镜2、小孔光阑3、 二维达曼光栅4、 柱面镜5、面阵CCD相机6、传输线7和计算机8构成，各部件的连接关系是所 述的激光二极管1发出的光束依次经过所述的透镜2、小孔光阑3、 二维达曼光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物体三维轮廓测量装置，其特征在于由激光二极管（１）、透镜（２）、小孔光阑（３）、二维达曼光栅（４）、柱面镜（５）、面阵ＣＣＤ相机（６）、传输线（７）和计算机（８）构成，各部件的连接关系是：所述的激光二极管（１）发出的光束依次经过透镜（２）、小孔光阑（３）、二维达曼光栅（４）和柱面镜（５）后，形成一维投影阵列条纹，照明待测目标的表面（Ｓ），由所述的面阵ＣＣＤ相机（６）采集被测量目标表面（Ｓ）三维面形调制的光栅投影条纹，经传输线（７）输入所述的计算机（８），所述计算机（８）具有图像采集接口、图像采集软件和三维测量信息重建算法软件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张军，周常河，贾伟，武腾飞，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]