本发明属于光学测量技术领域，涉及到表面非接触三维光学测量，具体涉及一种灵敏度可调的shadowmoiré测量系统及方法。
背景技术：
shadowmoiré非接触式三维光学表面测量技术，是利用光投射到光栅上，在被测物表面产生阴影光栅，而阴影光栅受到被测物表面形状的调制会发生变形，从ccd摄像机处观测到阴影光栅与光栅重叠形成moiré变形条纹。变形条纹中包含有物体表面信息，通过分析变形条纹获得被测表面形貌信息，并采用相移技术提高测量精度。shadowmoiré光学三维测量技术由于具有非接触性、高精度和全场显示等优点，广泛应用在计算机视觉、机械零件的仿形加工、力学研究中的形状及离面位移测量、复杂物体的三维建模以及医学测量等领域。
在传统的shadowmoiré测量中，测量系统结构安装及相对位置精度要求较高，以确保测量灵敏度的稳定及精准，测量系统的测量灵敏度基于系统结构而固定不变，进而限制了测量精度和测量分辨率，特别是对于复杂表面的测量，固定的测量灵敏度不能确保测量的可靠性。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明提供了一种灵敏度可调的shadowmoiré测量系统及方法，通过灵敏度调节机构实现入射光角度的调整，进而实现灵敏度与被测表面的合理匹配，能够快速实现对复杂表面的测量。
本发明基于传统shadowmoiré测量固有限制，引入测量灵敏度调节系统，在连续相移运动中，通过分析条纹图任一点光强变化，获得测量过程中实际测量灵敏度及光强变化规律，并通过分析条纹质量，调节测量灵敏度及光强补偿测量获得高质量条纹图，进而保证测量可靠性和高精度结果。
为此，本发明采用了以下技术方案：
一种灵敏度可调的shadowmoiré测量系统，包括计算机、ccd摄像机、伺服电机、透镜准直系统、可调光源、载物台、正弦光栅和被测物体；所述正弦光栅置于被测物体的上方，所述被测物体置于载物台上；所述载物台与正弦光栅平行布置，二者之间存在一定的距离；所述伺服电机位于载物台的下方，用于驱动载物台进行连续相移运动；所述可调光源通过透镜准直系统投射出平行光照射到正弦光栅上；所述ccd摄像机位于正弦光栅的上方，摄像头正对正弦光栅，用于采集moiré变形条纹图；所述计算机与ccd摄像机连接，用于控制ccd摄像机采集moiré变形条纹图并进行图像处理；所述计算机和伺服电机连接，用于控制伺服电机进行连续相移运动。
优选地，还包括测量灵敏度可调机构，其包含：步进电机、旋转电机和带动支架；所述步进电机与带动支架的一端相连，带动支架的另一端与透镜准直系统相连，步进电机用于驱动带动支架以及透镜准直系统作水平运动；所述旋转电机与透镜准直系统连接，用于调整入射光角度；所述步进电机和旋转电机均由计算机进行控制。
优选地，所述可调光源由计算机进行控制并可以调节光源输出光强。
优选地，所述透镜准直系统中的准直光源与ccd摄像机的摄像头在同一水平面。
一种应用所述灵敏度可调的shadowmoiré测量系统进行测量的方法，包括以下步骤：
步骤一，计算机控制步进电机和旋转电机的运动，进而调节透镜准直系统调整入射光角度；
步骤二，计算机控制可调光源并经由透镜准直系统投射平行光到正弦光栅；
步骤三，计算机控制伺服电机的运动，使载物台向下远离正弦光栅或者向上接近正弦光栅进行连续相移运动，同时计算机控制ccd摄像机获得条纹图上任一点灰度值在载物台连续相移运动时的变化规律；对采集灰度值数据滤波、拟合处理，得到高精度变化周期，即是测量灵敏度；
步骤四，计算机控制伺服电机使载物台上被测物体进行相移并根据步骤三中所述变化规律调节可调光源的光强进行条纹图光强补偿，保证条纹图条纹对比度的一致性；
步骤五，计算机控制ccd摄像机实时获得对应的条纹图对比度一致的moiré变形条纹图；
步骤六，计算机通过驱动伺服电机使载物台产生干涉条纹，得到对应的变形条纹，计算处理变形条纹获得被测表面测量信息并显示。
进一步地，所述变形条纹图的光强分布函数为：
其中，i(x,y)为摄像机拍摄条纹图上像素(x,y)的光强，ib(x,y)为背景光强，im(x,y)为调制条纹振幅，
所述干涉条纹对应的变形条纹为i1、i2、i3、i4，则
其中：
其中，p为光栅节距，准直光源与ccd摄像头在同一水平面；β为入射光角度；在p、β确定后，被测物向上(或者向下)连续相移运动
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)由计算机进行控制实现测量灵敏度调节、条纹图采集、相移运动控制，并保持采集条纹图条纹对比度基本一致，实现高质量条纹图采集，并对获取变形条纹进行信息处理计算三维测量信息并显示。
(2)能够根据被测表面特点调节测量灵敏度，能够自动调节光强补偿条纹图条纹对比度变化，提高了测量可靠性和测量精度，并快速显示测量结果。
(3)通过调整入射光角度实现了灵敏度与被测表面的合理匹配，能够快速实现对复杂表面的测量。
(4)设备简单，使用方便，应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明所提供的一种灵敏度可调的shadowmoiré测量系统的结构组成示意图。
图2是本发明所提供的一种应用所述灵敏度可调的shadowmoiré测量系统进行测量的方法的流程图。
图3是物体表面一点光强随载物台向下连续运动时变化离散及拟合曲线。
附图标记说明：1、计算机；2、ccd摄像机；3、伺服电机；4、步进电机；5、旋转电机；6、透镜准直系统；8、可调光源；9、载物台；10、正弦光栅；11、被测物体；12、带动支架。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明公开了一种灵敏度可调的shadowmoiré测量系统，包括计算机1、ccd摄像机2、伺服电机3、透镜准直系统6、可调光源8、载物台9、正弦光栅10和被测物体11；所述正弦光栅10置于被测物体11的上方，所述被测物体11置于载物台9上；所述载物台9与正弦光栅10平行布置，二者之间存在一定的距离；所述伺服电机3位于载物台9的下方，用于驱动载物台9进行连续相移运动；所述可调光源8通过透镜准直系统6投射出平行光照射到正弦光栅10上；所述ccd摄像机2位于正弦光栅10的上方，摄像头正对正弦光栅10，用于采集moiré变形条纹图；所述计算机1与ccd摄像机2连接，用于控制ccd摄像机2采集moiré变形条纹图并进行图像处理；所述计算机1和伺服电机3连接，用于控制伺服电机3进行连续相移运动。
具体地，还包括测量灵敏度可调机构，其包含：步进电机4、旋转电机5和带动支架12；所述步进电机4与带动支架12的一端相连，带动支架12的另一端与透镜准直系统6相连，步进电机4用于驱动带动支架12以及透镜准直系统6作水平运动；所述旋转电机5与透镜准直系统6连接，用于调整入射光角度；所述步进电机4和旋转电机5均由计算机1进行控制。
具体地，所述可调光源8由计算机1进行控制并可以调节光源输出光强。
具体地，所述透镜准直系统6中的准直光源与ccd摄像机2的摄像头在同一水平面。
本发明还公开了一种应用所述灵敏度可调的shadowmoiré测量系统进行测量的方法，包括以下步骤：
步骤一，计算机1控制步进电机4和旋转电机5的运动，进而调节透镜准直系统6调整入射光角度；
步骤二，计算机1控制可调光源8并经由透镜准直系统6投射平行光到正弦光栅10；
步骤三，计算机1控制伺服电机3的运动，使载物台9向下远离正弦光栅10或者向上接近正弦光栅10进行连续相移运动，同时计算机1控制ccd摄像机2获得条纹图上任一点灰度值在载物台9连续相移运动时的变化规律；如图3所示，对采集灰度值数据滤波、拟合处理，得到高精度变化周期，即是测量灵敏度；
步骤四，计算机1控制伺服电机3使载物台9上被测物体11进行相移并根据步骤三中所述变化规律调节可调光源8的光强进行条纹图光强补偿，保证条纹图条纹对比度的一致性；
步骤五，计算机1控制ccd摄像机2实时获得对应的条纹图对比度一致的moiré变形条纹图；
步骤六，计算机1通过驱动伺服电机3使载物台9产生干涉条纹，得到对应的变形条纹，计算处理变形条纹获得被测表面测量信息并显示。
具体地，所述变形条纹图的光强分布函数为：
其中，i(x,y)为摄像机拍摄条纹图上像素(x,y)的光强，ib(x,y)为背景光强，im(x,y)为调制条纹振幅，
所述干涉条纹对应的变形条纹为i1、i2、i3、i4，则
其中：
其中，p为光栅节距，准直光源与ccd摄像头在同一水平面；β为入射光角度；在p、β确定后，被测物向上(或者向下)连续相移运动
实施例
图2所示为应用本发明提供的灵敏度可调的shadowmoiré测量系统进行测量的实现过程，整个测量系统由计算机1控制，实现光强的调节、条纹的相移与对应变形条纹图的获取。图像处理软件对获得的四副变形条纹进行分析处理，并进行相移运算、去包裹运算等，最后在计算机1上得到所测物体表面的形貌信息并显示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。