基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量方法与装置与流程

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于高反射表面三维形貌的高精度测量。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明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，本发明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，本发明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。

本发明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。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.本发明为非接触式测量，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为本发明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为本发明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为本发明相机镜头的焦距值和畸变量标定的示意图；

图4为本发明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为本发明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为本发明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、8-m号相机、9-m号相机镜头、10-余弦条纹a、11-余弦条纹b、12-被测工件、13-细光束发生装置、14-细光束一、15-细光束二、16-细光束三、17-细光束n、18-散射光斑标记点一、19-散射光斑标记点二、20-散射光斑标记点三、21-散射光斑标记点n、22-平面标定板、23-条纹显示屏上像素位置已知的系列亮点图、24-相机镜头的像平面、25-棋盘格标定板、26-计算机、27-图像采集卡、28-显卡、29-激光二极管一、30-激光二极管二、31-激光二极管三、32-激光二极管四、33-四号相机、34-四号相机镜头、35-散射光斑标记点四、36-细光束四、37-水平余弦条纹、38-竖直余弦条纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明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，其基本思想是使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，然后利用多个相机对被测件的不同部位进行三维面形测量，进而得到大曲率自由弯曲工件表面的高精度三维面形测量结果。

实施例1

本实施例使用四个相机对被测工件的三维表面形貌进行拼接测量，被测工件为四边下弯的手机上盖玻璃，如附图5所示，基于多视场拼接的反射式条纹三维面形测量方法，其测量步骤是：

(a)将每个相机（包括一号相机2、二号相机4、三号相机6和四号相机33）都装上相机镜头（包括一号相机镜头3、二号相机镜头5、三号相机镜头7和四号相机镜头34）。已知所有相机的像素大小均为4.8µm。如果所装相机镜头的焦距值和畸变量未知，则首先对这四个相机镜头的焦距值和畸变量进行标定；如已知，则可以使用预先标定好的焦距值和畸变量。在本实施例中，我们先对这四个相机镜头的焦距值和畸变量分别用棋盘格标定板进行了标定。如附图3所示，在标定过程中，在像平面位置24放置棋盘格标定板25，并在该位置附近随机调整棋盘格标定板25的位置和角度。在棋盘格标定板25随机调整的过程中，依次用相机拍摄对应位置处的棋盘格标定板25，每个相机共拍得10张棋盘格标定板图片，并将这10张棋盘格标定板图片通过图像采集卡27传至计算机26。计算机26识别各棋盘格标定板图片中各方格交点的像素坐标。已知棋盘格标定板20上各方格的边长为10mm，结合相机的像素大小，通过几何光学光线追迹方法分析得到一号相机镜头3的焦距f1´=12.1032mm，畸变系数为kc1=[-0.2351，0.1123，-0.0003，0.0001，0.0000]，二号相机镜头5的焦距f2´=11.9532mm，畸变系数为kc2=[0.1372，-0.2121，-0.0005，-0.0003，0.0001]，三号相机镜头7的焦距f3´=11.9189mm，畸变系数为kc3=[0.2101，0.1829，0.0011，0.0002，0.0000]，四号相机镜头34的焦距f4´=12.0921mm，畸变系数为kc4=[0.1092，-0.1213，0.0015，-0.0002，-0.0001]。

(b)在被测工件放置位置的同一侧分别固定条纹显示屏1和四个相机，然后对条纹显示屏1的中心坐标和法线方向，以及四个相机镜头的主点坐标和光轴方向进行标定。已知条纹显示屏的像素大小为0.273mm。如附图2所示，在标定过程中，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22，并根据平面标定板22位置建立空间坐标系，将坐标系原点设置在平面标定板22的中心，坐标系z轴设置为平面标定板22的表面法线方向，坐标系的x轴和y轴分别和平面标定板22的两边平行。计算机26通过图像采集卡27分别采集得到四个相机通过各自相机镜头拍摄得到的平面标定板22的图片，并对其处理得到平面标定板22上各标记点对应的相机像素坐标，结合相机像素大小以及步骤(a)测得的相机镜头的焦距值和畸变量，通过几何光学光线追迹方法解算得到：一号相机镜头3的主点坐标为（^cx1,^cy1,^cz1）=（170.63，-225.25，485.38），光轴方向为（^cnx1,^cny1,^cnz1）=（-0.3034，0.4184，-0.8561）；二号相机镜头5的主点坐标为（^cx2,^cy2,^cz2）=（148.74，265.97，470.87），光轴方向为（^cnx2,^cny2,^cnz2）=（-0.2642，-0.4547，-0.8506）；三号相机镜头7的主点坐标为（^cx3,^cy3,^cz3）=（-157.12，-235.54，475.87），光轴方向为（^cnx3,^cny3,^cnz3）=（0.2644，0.4416，-0.8574）；四号相机镜头34的主点坐标为（^cx3,^cy3,^cz3）=（-160.32，237.23，473.32），光轴方向为（^cnx3,^cny3,^cnz3）=（0.2942，-0.4210，-0.8580）。为标定条纹显示屏1的中心坐标和法线方向，计算机26通过显卡28在条纹显示屏上显示5行8列间隔为100个像素的亮点图23，这些亮点由平面标定板22反射后通过一号相机镜头3成像在一号相机2靶面上，计算机26通过图像采集卡27得到由一号相机2拍摄得到的亮点图片，并处理得到这些亮点成像在一号相机2中对应的像素坐标，然后结合相机像素大小、条纹显示屏的像素大小、以及一号相机镜头3的焦距值和畸变量解算得到条纹显示屏的中心坐标为（^dx,^dy,^dz）=（3.2323，-1.0943，490.2），法线方向为（^dnx,^dny,^dnz）=（-0.0066，0.0026，-1.0000）。在测量不同的被测工件时，对条纹显示屏1的中心坐标、法线方向，以及四个相机镜头的主点坐标和光轴方向的标定只需进行一次，不需要重复标定。

(c)如附图5所示，放入被测工件12，四个相机可分别从被测工件12的不同部位采集到由其表面反射的条纹显示屏幕1的图像。每个相机对应的被测工件12的部位分别定义为部位一、部位二、部位三和部位四。

(d)在条纹显示屏旁边放置四个激光二极管（激光二极管一29、激光二极管二30、激光二极管三31和激光二极管四32），由这四个激光二极管发出的细光束分别与被测工件12表面作用后都会产生四个散射光斑标记点（散射光斑标记点一18、散射光斑标记点二19、散射光斑标记点三20和散射光斑标记点四35）。这四个散射光斑标记点均在四个相机的拍摄视场中。对每一个散射光斑标记点，根据它在四个相机上对应的像素位置信息，结合相机镜头的主点坐标，光轴方向，相机镜头的焦距值和畸变量，以及相机像素大小，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。其中，散射光斑标记点一18的空间坐标为（^bx1,^by1,^bz1）=（-41.231，25.324,2.654），散射光斑标记点二19的空间坐标为（^bx2,^by2,^bz2）=（38.043，28.407,2.321），散射光斑标记点三20的空间坐标为（^bx3,^by3,^bz3）=（-36.043，-26.647,2.987），散射光斑标记点四35的空间坐标为（^bx4,^by4,^bz4）=（42.654，-23.536,2.685）。

(e)计算机26通过显卡28在条纹显示屏1上先后显示一组水平余弦条纹37和一组竖直余弦条纹38，每组余弦条纹均由三幅初始相位分别为0、π/3和2π/3的余弦条纹图构成，条纹周期均为50个像素。这些条纹由被测工件12表面反射后被四个相机同时拍摄，并通过图像采集卡27传至计算机26。计算机26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四个相机上的像素点（^cpxm,^cpym）和条纹显示屏1上像素点（^dpx,^dpy）分别的对应关系，其中m=1,2,3,4。

(f)针对一号相机2，根据其能采集到的四个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=2.662mm，将高度值为2.662mm的平面作为初始的三维形貌s1_0。

(g)根据三维形貌s1_0各点的高度值，一号相机2与条纹显示屏1的像素对应关系，条纹显示屏1的中心坐标、法线方向，一号相机镜头3的主点坐标、光轴方向、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s1_0上各点的法向量矩阵（mx1,my1）。对法向量矩阵（mx1,my1）进行梯度积分运算，得到相对三维形貌数据s1_1。

(h)根据一号相机2能采集到的四个散射光斑标记点的空间坐标位置对三维形貌数据s1_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s1_2。

(i)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=0.01mm，则令s1_0=s1_2，并跳转至步骤g继续顺序计算；如果δ小于设定的差值δreq=0.01mm，则结束并得到一号相机2对应的被测工件部位一的三维形貌数据s1=s1_2。

(j)同理可以测得二号相机4对应的被测工件部位二的三维形貌数据s2，三号相机6对应的被测工件部位三的三维形貌数据s3，以及四号相机33对应的被测工件部位四的三维形貌数据s4。

(k)将所测到的三维形貌s1、s2、s3和s4进行合成。由于相机标定在同一坐标系下完成，所以测得三维形貌s1、s2、s3和s4的坐标系相同。在合成过程中，重叠部分合成时使用多个相机测得的三维形貌的平均值，不重叠的部分合成时使用单个相机测得的三维形貌数据。最终，该被测工件12测得的三维形貌结果如附图6所示。

如附图5所示，基于散斑位置标定的反射式条纹面形测量装置，包括由激光二极管一29、激光二极管二30、激光二极管三31和激光二极管四32构成的细光束发生装置，条纹显示屏1，四个装有相机镜头的相机，计算机27，图像采集卡27和显卡28。细光束发生装置、四个相机和条纹显示屏1分别被固定在被测工件的同一侧。四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。四个激光二极管可由计算机控制产生四条细光束，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可以被所有相机采集到。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。

实施例2

与实施例1不同的是，为提高其步骤(k)中三维形貌s1、s2、s3和s4的合成精度，在三维形貌的合成之前，通过特征匹配算法矫正s1、s2、s3和s4之间的微小位移和角度差异，遏制由相机镜头主点坐标和光轴方向标定误差引入的各部分三维面形测量结果中的微小位移和角度差异。

实施例3

与实施例1不同的是，为提高其步骤(k)中三维形貌s1、s2、s3和s4的合成精度，通过上述四个散射光斑标记点在各相机中成像的像素坐标，结合各相机测得的三维面形sm，得到由各相机拍得的这四个散射光斑标记点的三维空间坐标。通过对不同相机测得的这四个散射光斑标记点的三维空间坐标进行匹配，得到三维面形sm的刚性变换矩阵rm和tm。将刚性变换矩阵rm和tm作用于sm，得到矫正后的三维面形s´m。将三维面形s´m合成后得到被测工件12整体的形貌s。其中，m=1,2,3,4。

实施例4

与实施例1不同的是，为减小其步骤(e)中显示余弦条纹图的数量，提高测量速度，将需要显示的共六幅余弦条纹图每三幅组成一组，共两组。将每组的三幅条纹图分别加载在彩色图的红、绿、蓝三个通道上合成一幅彩色图片。相机通过相机镜头拍摄得到由被测工件12表面反射后的条纹显示器1上的彩色图片，再将拍摄的彩色图片通过红、绿、蓝三个通道进行分解，得到对应各余弦条纹图反射后对应的图片。在整个过程中，条纹显示器1由原来需要显示六幅灰度图片减少为显示两幅彩色图片，测量速度显著提高。

所述实施例通过一系列的措施实现了对高反射表面三维形貌的高精度测量，在测量过程中通过散射光斑绝对位置标定结合多个相机同步测量机理，对被测工件表面不同部位的三维面形进行解算，同时提高了系统的测量精度和范围。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的适用范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。