基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统及方法，所述测量系统包括液晶显示屏1、CCD相机2、远心镜头3、分束镜4、五轴位移台5与计算装置6。本发明专利技术的方法所述测量系统采用同轴远心光路结构，在获取待测不连续镜面的相位信息时，将由高度引起的相位误差降至最低，从根源上减少积分重建的误差，利用调制度对不连续镜面进行划分，寻找各连续子镜面，分区域积进行积分，避免错误积分路径的出现，由同轴远心光路结构推导出的相位

【技术实现步骤摘要】
基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统及方法


[0001]本专利技术属于光学
，具体涉及一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统及方法。

技术介绍

[0002]随着光电技术的不断发展，各种复杂的光学元件开始出现，光学系统需要向超薄、超简的方向发展，这些仅靠现有的球面和对称非球面已难以满足，自由度更高的自由曲面已成为目前最前沿的光学系统设计理论和方法。因此，对自由曲面镜面的测量提高了更高的要求。
[0003]以光学元件为代表的镜面物体，为了避免在测量过程中损伤表面，大多采用光学非接触测量。具有动态范围大、非接触、全场测量、快速采集、高精度等优点的相位测量偏折术，已广泛应用于镜面物体的三维形貌测量。相位测量偏折术是一种梯度测量方法，被测表面的任何梯度变化都会引起相位的变化，再根据相位的变化反推到梯度变化，最后通过积分完成三维形貌测量。而在现有的离轴相位测量偏折系统中，相位的改变不仅与被测表面的梯度有关，而且还与被测表面的高度相关，称之为系统多义性。
[0004]文献“Full
‑
field 3D shape measurement of discontinuous specular objects by direct phase measuring deflectometry.Sci Rep 7，10293(2017).”在传统离轴相位测量偏折系统中，利用两个平行的显示屏，将绝对相位图与深度数据直接关联，有效地获得不连续镜面物体的全场三维形状，但其精度相对于梯度/>‑
积分测量镜面三维形貌的方法要低。
[0005]文献“Solution to the slope
‑
height ambiguity problem in phase measuring deflectometry based on a co
‑
axial telecentric optical path.Measurement Science&Technology，31(4)，45007.”给出了现有离轴相位测量偏折系统的多义性误差模型，通过仿真与实验并证实了基于同轴远心光路的相位测量偏折系统能将多义性误差降至最低。然而该方法只关注到如何获取精确的梯度数据，未能完成待测表面的跃变高度测量。
[0006]综上，不连续镜面三维形貌测量是相位测量偏折术中的研究热点与难点，提供一种硬件结构简单、算法精度高的不连续镜面测量方法为现有技术中亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统及方法，通过所述测量系统可以获取待测表面的梯度、调制度和相对高度信息，通过调制度定性划分不连续镜面的连续子镜面，再分别在各连续子镜面进行积分，最后加上相对高度，完成高精度的不连续镜面三维形貌的全场测量。
[0008]本专利技术采用的技术方案为：一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统，包括：液晶显示屏1、CCD相机2、远心镜头3、分束镜4、五轴位移台5与计算装置6。
[0009]五轴位移台5水平放置；分束镜4位于五轴位移台5上方且与水平面成45
°
；液晶显示屏1垂直于水平面，液晶显示屏1中心与分束镜4中心位于同一水平高度；远心镜头3与CCD相机2相连，且远心镜头3光轴中心与分束镜4中心位于同一垂直面；液晶显示屏1、CCD相机2均与计算装置6连接。
[0010]所述液晶显示屏1、CCD相机2受计算装置6控制分别显示相移正弦条纹图案与拍摄待测表面反射的变形条纹图案。
[0011]所述液晶显示屏1、CCD相机2均通过HDMI接口、千兆网接口与计算装置6连接。
[0012]本专利技术还提供了一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量方法，具体步骤如下：
[0013]步骤一、搭建测量系统；
[0014]将五轴位移台5的俯仰角调至0
°
，水平放置于光学平台上；分束镜4安装在五轴位移台5上方，与台面相距d1(x,y)处，且与水平面成45
°
；液晶显示屏1垂直于水平面，其中心与分束镜4中心位于同一高度，二者距离为d2(x
′
,y
′
)；远心镜头3与CCD相机2相连，使远心镜头光轴中心与分束镜中心共轴，最后将液晶显示屏1、CCD相机2与计算装置6连接。
[0015]步骤二、获取待测不连续镜面的相位差；
[0016]计算装置6生成三组周期不同的标准N步相移正弦条纹图，三组正弦条纹周期满足三频外差法的周期要求；CCD相机2分别拍摄放置在五轴位移台5上的标准平面镜(参考面)与待测不连续镜面反射回来的条纹图，根据三频外差法计算得到二者的绝对相位，再用待测相位减去参考相位，得到待测不连续镜面的相位差数据。
[0017]步骤三、连续子镜面区域划分；
[0018]选取步骤二中任意一组标准N步相移正弦条纹图，CCD相机2采集的第n(n<N)次相移的待测不连续镜面反射回来的光强I
n
(x,y)在相机坐标系下的表示如下：
[0019][0020]其中，A(x,y)表示像素点(x,y)接收的背景光强，B(x,y)表示像素点(x,y)记录的正弦条纹对比度，f表示正弦条纹频率，表示正弦条纹受待测不连续镜面调制后在对应像素点(x,y)引入的附加相位。
[0021]则计算待测不连续镜面的调制度M(x,y)表达式如下：
[0022][0023]调制度M(x,y)的大小与待测不连续镜面的高度呈高斯分布，根据调制度M(x,y)的变化情况，选择阈值将待测不连续镜面划分为数个连续子镜面区域。
[0024]步骤四、求解待测不连续镜面的相对高度h(x,y)；
[0025]将五轴位移台5的俯仰角调至一定角度θ，此时五轴位移台5表面与分束镜4的距离为d1′
(x,y)。
[0026]基于步骤二，先获取五轴位移台5的Z轴刻度为Z0，作为位置一，此时标准平面镜与待测不连续镜面的绝对相位与再调节五轴位移台5的Z轴刻度，使其变化量为Δd，作为位置二，此时再次获取标准平面镜与待测不连续镜面的绝对相位与
得到如下关系式：
[0027][0028][0029][0030]其中，Δd表示五轴位移台5的Z轴改变的相对距离，q表示条纹周期长度，δ(x,y)表示待测不连续镜面各采样点高度引入的光线偏转角度，d(x,y)表示液晶显示屏1到五轴位移台5倾斜面距离，且d(x,y)＝d1′
(x,y)+d2(x
′
,y
′
)，h(x,y)表示待测不连续镜面的相对高度。
[0031]结合式(3)、(4)、(5)，对于任意采样点(x,y)，其绝对相位和待测不连续镜面相对高度的计算公式如下所示：
[0032][0033]步骤五、连续子镜面区域积分重建；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量系统，包括：液晶显示屏1、CCD相机2、远心镜头3、分束镜4、五轴位移台5与计算装置6；五轴位移台5水平放置；分束镜4位于五轴位移台5上方且与水平面成45
°
；液晶显示屏1垂直于水平面，液晶显示屏1中心与分束镜4中心位于同一水平高度；远心镜头3与CCD相机2相连，且远心镜头3光轴中心与分束镜4中心位于同一垂直面；液晶显示屏1、CCD相机2均与计算装置6连接；所述液晶显示屏1、CCD相机2受计算装置6控制分别显示相移正弦条纹图案与拍摄待测表面反射的变形条纹图案；所述液晶显示屏1、CCD相机2均通过HDMI接口、千兆网接口与计算装置6连接。2.一种基于同轴远心光路的不连续镜面三维形貌测量方法，具体步骤如下：步骤一、搭建测量系统；将五轴位移台5的俯仰角调至0
°
，水平放置于光学平台上；分束镜4安装在五轴位移台5上方，与台面相距d1(x,y)处，且与水平面成45
°
；液晶显示屏1垂直于水平面，其中心与分束镜4中心位于同一高度，二者距离为d2(x
′
,y
′
)；远心镜头3与CCD相机2相连，使远心镜头光轴中心与分束镜中心共轴，最后将液晶显示屏1、CCD相机2与计算装置6连接；步骤二、获取待测不连续镜面的相位差；计算装置6生成三组周期不同的标准N步相移正弦条纹图，三组正弦条纹周期满足三频外差法的周期要求；CCD相机2分别拍摄放置在五轴位移台5上的标准平面镜与待测不连续镜面反射回来的条纹图，根据三频外差法计算得到二者的绝对相位，再用待测相位减去参考相位，得到待测不连续镜面的相位差数据；步骤三、连续子镜面区域划分；选取步骤二中任意一组标准N步相移正弦条纹图，CCD相机2采集的第n(n<N)次相移的待测不连续镜面反射回来的光强I
n
(x,y)在相机坐标系下的表示如下：其中，A(x,y)表示像素点(x,y)接收的背景光强，B(x,y)表示像素点(x,y)记录的正弦条纹对比度，f表示正弦条纹频率，表示正弦条纹受待测不连续镜面调制后在对应像素点(x,y)引入的附加相位；则计算待测不连续镜面的调制度M(x,y)表达式如下：调制度M(x,y)的大小与待测不连续镜面的高度呈高斯分布，根据调制度M(x,y)的变化情况，选择阈值将待测不连续镜面划分为数个连续子镜面区域；步骤四、求解待测不连续镜面的相对高度h(x,y)；将五轴位移台5的俯仰角调至一定角度θ，此时五轴位移台5表面与分束镜4的距离为d1′
(x,y)；基于步骤二，先获取五轴位移台5的Z轴刻度为Z0，作为位置一，此时标准平面镜与待测不连续镜面的绝对相位与再调节五轴位移台5的Z轴刻度，使其变化量为Δ
d，作为位置二，此时再次获取标准平面镜与待测不连续镜面的绝对相位与得到如下关系式：得到如下关系式：得到如下关系式：其中，Δd表示五轴位移台5的Z轴改变的相对距离，q表示条纹周期长度，δ(x,y)表示待测不连续镜面各采样点高度引入的光线偏转角度，d(x,y)表示液晶显示屏1到五轴位移台5倾斜面距离，且d(x,y)＝d1′
(x,y)+d2(x
′
,y
′
)，h(x,y)表示待测不连续镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘洪祥，
申请(专利权)人：成都酷汀光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：