一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法与流程

本发明涉及光电测量与检测技术领域，具体涉及一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法。

背景技术：

由于环境温度、加工方法、机床精度等因素的制约，在工件生产的各个环节都可能造成工件尺寸超差的现象。因此，精确测量工件表面三维形貌，及时剔除不合格的工件并将缺陷信息反馈给上游铸造车间，对于实现工件生产的闭环控制和提高产品合格率具有重要意义。其中，对于柔性或者不可接触物体的测量，非接触测量技术以高精度、高效率、表面无损检测性等显著优势被广泛应用。在诸多的非接触测量技术中，结构光测量法以其测量速度快、精度高、自动化程度高、成本低廉等优点，在其中占据重要地位。

在结构光测量法中，激光照射到待测物体表面，受物体表面形貌调制并形成图像，然后被CCD相机摄取。根据像移和实际位移之间的关系，得到物体表面的三维点云数据。但是，当激光照射到被测物体表面时，相干光发生干涉，从而产生了散斑图样。散斑的存在降低了CCD采集图像的对比度，进而影响激光光斑峰值像素坐标的提取精度，从而影响最终的表面形貌测量精度。因此，许多学者对散斑抑制的方法进行了研究，提出了不同的软件实现方法，包括旋滤波方法、基于小波分解方法和基于统计的方法等。旋滤波方法对激光光斑峰值像素位置等几何特征的提取直接有效，但是对于相位等特性改变较大，不适用于相位测量的场合。基于小波分解的方法对于单像素尺度的散斑图样能获得较好的效果，但是不适合大部分EPSI实验图像。源于统计学和信息论的空间尺度滤波器可以有效滤除散斑噪声，但是该方法不能区分有用的高频分量和噪声，即全部被平滑，导致有用信息丢失。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法，该方法通过激光器处于相干坍塌态输出宽谱光源用进行三维表面形貌精确测量，进而从硬件角度实现对散斑有效抑制并且解决了图像中高频有用信息的被滤除的技术问题，提高图像清晰度，应用领域广泛。

为了解决现有技术中存在技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法，包括：

向被测物的表面输出宽谱激光源进行扫描步骤；

对扫描图像的光斑提取中心点像素坐标步骤；

对中心点像素坐标进行转换获得被测物三维点云数据步骤；

所述宽谱激光源执行如下步骤：

对激光器发送的出射光进行准直获得准直光；

对准直光进行反馈强度调节获得反馈光；

对反馈光分成两束处理处理；一束反馈光进行反射与出射光发生自混合干涉后返回原光路中，另一束反馈光输出进行实时监测并阻隔其返回原光路；

当反馈光调节强度达到-16.3dB时，对出射光展宽处理获得宽谱激光源。

所述准直光是通过复合激光腔中透镜对出射光准直后获得的。

反馈强度调节是通过调节复合激光腔中的半波片的光轴与偏光方向的夹角获得分束比。

所述分束处理过程是通过复合激光腔中的可调分束器对准直光进行分束处理；一束进入反射镜，一束进入监测系统。

对反馈光实时监测过程是通过监测系统中光谱仪进行监测的，当反馈强度达到理想值后光谱展宽并且输出宽谱激光源。

所述阻隔反馈光处理过程是通过监测系统中光隔离阻止反馈光返回原光路。

所述复合激光腔是由半导体激光器的一个出射端面、透镜、可调分束器和反射镜构成。

所述可调分束器是由半波片与偏振分束器组成的。

所述监测系统由光隔离器、光纤耦合器和光谱仪构成。

所述光隔离是由四分之一波片与偏振分束器组成的。

本发明有益效果：

第一，本发明采用可调分束器进行反馈强度的调整，当获得的反馈强度为-16.3dB时，是激光器的输出处于相干坍塌态，此时光谱展宽且为多纵模振荡的激光，该方法有效地抑制激光散斑，三维成像清晰，画面逼真。

第二，本发明的方法使光谱的半峰全宽由初始态的<0.1nm(a)展宽至6nm(b)，获得了所需的宽谱光源，散斑抑制效果好。

第三，本发明的方法使激光散斑对比度由0.717(a)成功地降低到0.049(b) 图像变得更加清晰平滑。

第四，本方法散斑抑制效果良好的同时避免了高频有用信息的滤除，最终提高了三维形貌测量精度。

附图说明

图1是本发明一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法流程图。

图2是实施本发明一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法装置结构示意图。

图3是本发明中半导体激光器典型输出谱：(a)单模稳定态和(b)相干坍塌态。

图4是散斑图像比较；(a)初始激光照射和(b)宽谱激光照射。

图5是柴油机缸盖实物图，其中，A,B,C表示对应的气道孔，1-4表示对应的气缸。

图6是柴油机缸盖3D表面重构图：散斑抑制前(a)和后(b)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做出详细地说明：

如图1所示，本发明提供一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法，包括如下步骤：

图中101,102所示，向被测物的表面输出宽谱激光源进行扫描步骤；

图中103所示，对扫描图像的光斑提取中心点像素坐标步骤；本发明中扫描系统获取的光斑图像不是单一像素，因此要进行光斑中心点像素坐标的提取。将光斑的骨架作为光点框架，求出光斑在该框架下的法向量，然后在该方向下用重心法求出中心点像素坐标，至此得到了亚像素精度级的像素坐标。

图中104,105所示，对中心点像素坐标进行转换获得被测物三维点云数据步骤；对被测工件的所有光斑图像进行中心点像素坐标提取，通过标定算法对所获数据进行坐标转换，获得待测工件的三维点云数据。对所获的三维点云数据通过逆向工程软件Geomagic Studio 8.0进行表面重构。

图中106所示，获得成像。

其中，所述宽谱激光源执行如下步骤：

图中1011,1012所示，对激光器发送的出射光进行准直获得准直光；准直光是通过复合激光腔中透镜对出射光准直后获得的。所述复合激光腔是由透镜、可调分束器和反射镜构成。所述可调分束器是由半波片与偏振分束器组成的。本发明中激光器采用半导体激光器。

图中1013所示，对准直光进行反馈强度调节获得反馈光；在将反馈光分成两束处理，反馈强度调节是通过调节激光腔中的半波片的光轴与偏光方向的夹角获得分束比。

图中1014所示，对反馈光分成两束处理；一束反馈光进行反射与出射光发生自混合干涉后返回原光路中，另一束反馈光输出进行实时监测并阻隔其返回原光路；分束处理时通过激光腔中的可调分束器对准直光进行分束；一束进入反射镜，一束进入监测系统。反馈光进行反射与出射光发生自混合干涉后，重复图中1012到1014步骤。

图中1015所示，当反馈光调节强度达到-16.3dB时，对出射光展宽处理获得宽谱激光源。对图中1014步骤的另一束反馈光输出进行实时监测并阻隔其返回原光路；反馈光实时监测过程是通过监测系统中光谱仪对图中1014步骤的一束反馈光进行实时监测的，当反馈强度达到理想值后光谱展宽并且输出多纵模振荡的发射光。图中1014步骤的阻隔反馈光处理是通过监测系统中光隔离阻止反馈光返回原光路。所述监测系统由光隔离器、光纤耦合器和光谱仪构成。所述光隔离是由四分之一波片与偏振分束器组成的。

如图2所示，本发明一种基于宽谱激光抑制散斑的三维形貌测量方法是通过激光获得宽谱激光源装置和激光扫描系统两部分硬件实现。

其中，本发明获得宽谱激光源装置包括：用于发射激光源的半导体激光器1，所述半导体激光器由激光腔11和半导体激光器的两个出射端(111,112)面构成，所述复合激光腔由2半导体激光器的一个出射端面(111,112)、透镜21、可调分束器22和反射镜23构成。其中，所述半波片221和偏振分束器222构成可调分束器22。所述透镜21对接收的激光进行准直输出准直光，所述可调分束器22对接收准直光通过调节半波片的光轴与激光偏振方向的夹角改变分束比实现反馈强度可调，同时，所述可调分束器22中的偏振分束器对反馈光进行分束处理，一束进入反射镜23，所述反射镜23将反馈光实时反射所述复合激光腔2外部与发射光发生混合干涉后再次进入复合激光腔2，一束进入监测系统3中。所述监测系统由隔离器31、光纤耦合器32和光谱仪33构成。其中，四分之一波片311与偏振分束器312构成光隔离器，用于阻止反馈光返回原光路。当反馈光的反馈强度达到理想值为-16.3dB时，使得所述激光器1的发射光处于相干坍塌态；所述监测系统中3的光谱仪33输出的光谱迅速展宽输出多纵模振荡发射光，从而获得宽谱激光源。

其中，所述激光扫描系统4，包括CCD 41、步进电机42、精密一维平移导轨43和工件44构成激光扫描系统。在实际工作中，将待测工件44放置在测试台上，半导体激光1器和CCD41固定在一维导轨43的同一滑块上，由步进电机42拖动一维导轨作平移。在平移过程中，激光投射在待测工件的表面进行连续扫描，CCD41连续拍摄光斑图像。

如图3所示，精密调节外部光反馈强度，获得的单模稳定态与相干坍塌态的典型输出光谱。无外部光反馈时，激光器的输出为稳定的单模输出。当反馈强度为-16.3dB时，激光器的输出处于相干坍塌态，此时光谱迅速展宽且为多纵模振荡。由图3可知，光谱的半峰全宽由初始态的<0.1nm(a)展宽至6nm(b)，获得了所需的宽谱光源。由处于单模稳定态和相干坍塌态的激光照射工件表面，所获得的光点散斑图像。对比图4(a)和(b)可以看出，激光处于相干坍塌态时，图像变得更加清晰平滑，因此散斑抑制效果明显。分析计算可知，散斑对比度由0.717(a)成功地降低到0.049(b)。

如图5所示，基于结构光法，分别使用初始激光和宽谱激光对柴油机缸盖表面形貌精确测量，获得其进气面和地平面的三维形貌点云数据，采用逆向工程软件进行三维表面重构，对比图6(a)和(b)可以看出，使用宽谱激光散斑抑制后重构图像更加清晰平滑，与实际表面特征信息吻合良好。提取各个气道孔的中心坐标，与标准数据进行比较(表1)，散斑抑制后获得了更高的测量精度。

表1

本发明的实际操作过程：该宽谱光源的出射光由焦距2mm以下的透镜准直后，照射到柴油机缸盖表面(进气面和底平面)，CCD相机拍摄在工件表面形成的光点图像，通过特征提取获得亚像素级光斑中心位置，利用光学三角法获得物体表面三维点云数据，采用逆向工程软件Geomagic Studio 8.0进行表面重构，另外通过一定的算法提取各气道孔的中心坐标。采用的CCD相机的分辨率为1600×1200，像元尺寸为4.4μm×4.4μm。为了模拟人眼的视觉观察效果，设置相机的积分时间为40ms。

上述实例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、材料、连接方式都是可以有所变化的，凡是在本发明技术基础上进行的等同变换和改进，均不应该排除在本发明的保护范围之外。