一种投影栅相位法与数字全息结合的三维形貌测量系统的制作方法

本发明涉及一种投影栅相位法与数字全息结合的三维形貌测量系统，属于光学测量领域。

背景技术：

非接触的三维形貌测量技术具有速度快、精度高、无损害等特点，近些年来，随着这项技术的不断发展，其测量视场逐步增大，其应用领域更加广泛，逐步应用到大型铸件等工业零件的三维建模和大型碑文等文物的数字化保护中。然而，传统的测量方法速度较慢，点云较少，测量效率低。这就需要在兼顾精度的前提下，提高单视场测量范围，缩短测量时间。

投影栅相位法是条纹投射三维形貌测量方法的一种。使用投影仪投射相移正弦条纹，利用单目或双目相机拍摄经物体表面调制后的条纹图，经解相与相位展开，再利用三角测量原理或双目立体视觉原理，得到被测物的三维形貌。该方法的优势是测量效率高、深度方向测量范围大。但是测量精度不高，只能达到10-40微米。

传统的全息术使用全息干板来记录波前，不利于自动分析与处理。数字全息使用ccd或cmos记录物光与参考光的干涉条纹，经重构后得到物光波前复振幅，再经计算得到强度图与相位图。其中相位图表示包裹的被测物表面上每点到ccd或cmos的距离。

数字全息可以用来测量物体的三维形貌，精度可达几纳米。但是由于相位包裹，深度方向上的测量范围只能达到光波长量级。利用双波长或双光源数字全息干涉术可以大大增加测量范围，可达几百微米至几厘米。但是测量精度也随测量范围的增大而下降。利用双曝光数字全息干涉术，将变形前和变形后的相位图作差，可以测量物体的微形变。

数字像面全息通过成像透镜在ccd或cmos靶面上成物体的聚焦像，采用和数字散斑干涉类似的光路。与数字散斑干涉不同的是，采用了离轴参考光，可以利用傅里叶变换的方法提取物光的振幅与相位。

技术实现要素：

本发明提出了一种投影栅相位法与数字全息结合的三维形貌测量系统，兼具投影栅相位法深度方向测量范围大和数字像面全息测量精度高的特点，为了实现上述目的，本发明采用以下的技术方案。

本发明的三维形貌测量系统结构图如附图1和图2所示，其中，图1是双光源架构的结构图，包括激光器1，扩束镜2，分光棱镜3，平面反射镜4、5，合光棱镜6，凸透镜7、8，精密平移台9，孔径光阑10，左相机11，右相机12，投影仪13，被测物14，计算机15。图2是双波长架构的结构图，包括激光器1、2，扩束镜3、4，分光平片5、6，平面反射镜7、8、9、10，合光棱镜11、12，凸透镜13、14，孔径光阑15，左相机16，右相机17，投影仪18，被测物19，计算机20。需要注意的是，图1和图2只是本发明系统结构的两个具体实例，实际中本发明不限于该图的结构。

本发明的三维形貌测量系统的测量过程包括以下步骤：

(1)利用两台相机组成一个双目立体视觉系统，结合投影栅相位法中多频外差技术实现物体初始三维形貌测量；

(2)利用双波长或双光源数字像面全息获取物体的包裹相位图；

(3)生成投影栅相位法测量结果在数字像面全息系统下的虚拟包裹相位图；

(4)计算数字像面全息的包裹相位图与投影栅相位法生成的包裹相位图的干涉相位，得到投影栅相位法与数字像面全息测量结果的相位偏差；

(5)根据相位偏差和系统参数对投影栅相位法的测量结果进行补偿，得到高精度的测量结果。

附图说明

图1为本发明的数字像面全息部分采用双光源架构的三维形貌测量系统的结构图。该图中，1为激光器，2为扩束镜，3为分光棱镜，4、5为平面反射镜，6为合光棱镜，7、8为凸透镜，9为精密平移台，10为孔径光阑，11、12为相机，13为投影仪，14为被测物，15为计算机。

图2为本发明的数字像面全息部分采用双波长架构的三维形貌测量系统的结构图。该图中，1、2为激光器，3、4为扩束镜，5、6为分光平片，7、8、9、10为平面反射镜，11、12为合光棱镜，13、14为凸透镜，15为孔径光阑，16、17为相机，18为投影仪，19为被测物，20为计算机。

图3为本发明测量物体三维形貌的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

该系统在测量之前，需要进行一些必要的标定步骤。包括标定投影栅相位测量系统的相机内、外参数，数字像面全息系统的照明光位置、角度等。

投影栅相位测量系统主要由投影仪和两台相机组成。两台相机组成一个双目立体视觉系统，投影仪投射多个频率的相移正弦条纹，采用多频外差技术进行相位展开，便于测量不连续表面。以相位作为立体匹配的特征，可以减小投影仪非线性响应造成的误差，提高测量精度。

数字像面全息部分采用离轴参考光。双光源架构如附图2所示，一束激光从激光器1发出，经扩束镜2扩束准直，经分光棱镜3分束，其中透射光束经平面反射镜5反射和凸透镜7汇聚，照射到被测物14上。平面反射镜5和凸透镜7固定在精密平移台9上面，可以通过调节精密平移台9的位置，改变照明光的位置和角度。被测物14的反射光先经过孔径光阑10，再经凸透镜8汇聚，透过合光棱镜6，在左相机11的ccd靶面上成像。分光棱镜3的反射光束作为参考光，经平面反射镜4和合光棱镜5反射，以不同的角度入射到左相机11的ccd靶面上。投影仪13向被测物14投射多频相移正弦条纹，左相机11和右相机12拍摄经被测物14表面调制的条纹图案。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种投影栅相位法与数字全息结合的三维形貌测量系统，属于光学三维测量领域。本发明先利用投影栅相位法测量物体的初始三维形貌，再利用双波长或双光源数字像面全息获取物体的包裹相位图。然后，生成投影栅相位法测量结果在数字像面全息系统下的虚拟包裹相位图，并计算数字像面全息包裹相位图与投影栅相位法生成的虚拟包裹相位图的干涉相位，得到投影栅相位法与数字像面全息测量结果的相位偏差，根据相位偏差和系统参数对投影栅相位法的测量结果进行补偿，得到被测物的高精度三维形貌。本发明兼具投影栅相位法深度方向测量范围大和数字像面全息测量精度高的特点。

技术研发人员：赵慧洁;许阳;姜宏志;李旭东
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2017.04.11
技术公布日：2017.09.08