透明材质三维轮廓重构的深紫外结构光精密检测装置的制作方法

本实用新型属于机器视觉结构光精密检测技术领域，具体涉及一种透明材质三维轮廓重构的深紫外结构光精密检测装置。

背景技术：

透明材质的使用在国防、工业化及日常生活中品类繁多：小到各种镜头中的透明光学元件，大到如飞机、汽车舱体的防护玻璃及各种显示屏等等。诸如以上提到的以各种透明材料的自由曲面元件已经被广泛应用在日常科研、生活中，随着科技及工业化的发展，对诸如飞机、汽车舱体的防护玻璃的表面形变的检测要求也日益提高。但是这些玻璃轮廓基本上均为自由曲面且面积较大，无法用光学干涉检测球面的方法获取形变量。目前国内外对类似的复杂轮廓的检测，多用结构光投影，可以用投影仪产生亮暗相间的条纹状结构光，并结合单目或双目视觉的方法来实现，但是这些方法一般均用于各类非透明的漫反射材料，可以采用散射成像获取形变信息。对于透明材料的表面形变结构光检测，在面形信息获取上有两个关键难点：一是大面积透明材料比较光滑只能反射成像，而上下表面的反射成像会将上下表面的形变均混淆在一起，无法得到上表面的单一信息，同时透明材料的反射率很低，所以ccd获取的是上下表面混合的微弱信息，条纹对比度很差；二是产生亮暗相间的条纹状结构光的形式有投影仪或光栅，而投影仪产生的基本是可见光结构光，上下表面的反射成像会将上下表面的形变均混淆在一起，因而同样无法区分上下表面信息。再者光栅光刻技术是利用数字技术实现，因此结构光照射在被测物体上会呈现网格的锯齿状结构，无法实现高精度检测，如图2(a)所示。这些是透明材质形变检测的瓶颈，所以国内外目前对于透明材质物体的高精度光学三维轮廓检测的研究仍然处于空白，这就大大局限了透明材料在科研和工业化领域中应用的局限性。为此本实用新型提出了一种透明材质三维轮廓重构的深紫外结构光精密检测方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的空白，提出了一种透明材质三维轮廓重构的深紫外结构光精密检测装置。首次提出了利用深紫外波段结构光检测系统对透明材质曲面玻璃表面三维轮廓实现高精度形变检测。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案具体如下：

本实用新型包括深紫外条纹投影系统和深紫外成像系统，其中深紫外条纹投影系统包括宽谱深紫外led光源(s0)、窄带紫外波段滤波片(s1)、准直扩束系统(s2)、一维深紫外横向剪切光栅(s3)及扩束镜组(s5)，且宽谱深紫外led光源(s0)和窄带紫外波段滤波片(s1)构成紫外光源单元；深紫外成像系统由成像透镜(s7)和深紫外ccd(s8)组成；

深紫外led光源(s0)发出的宽带光射入窄带紫外波段滤波片(s1)中得到窄带深紫外光，窄带深紫外光通过准直扩束系统(s2)后以平行光入射到一维深紫外横向剪切光栅(s3)上，衍射形成两个波前完全相同但有一定倾角的复制波前，在两复制波前重叠区域形成干涉条纹作为条纹结构光，条纹结构光再通过扩束镜组(s5)形成具有稳定周期的深紫外波段结构光；深紫外波段结构光投射到放有透明材质被测物(s9)的参考平台(s6)上，并利用深紫外成像系统接收经过物体高度调制后的变形条纹图像。

所述的一维深紫外横向剪切光栅(s3)上设置有光栅相移装置(s4)，从而实现对深紫外波段结构光的旋转和移相操作。

由于衍射形成的衍射场只有+1和-1衍射级次的衍射光，因此两复制波前重叠区域形成干涉条纹作为条纹结构光。

所述的一维深紫外横向剪切光栅(s3)包括一维振幅光栅(g1)和一维相位光栅(g2)；一维振幅光栅(g1)采用一系列随机编码的方式使得透过率满足|cos(πx/d)|分布，其中d为一维横向剪切光栅(g3)周期；一维相位光栅(g2)在rect(2x/d)*comb(x/d)区域内刻蚀深度满足h＝λ/2(n-1)，使得刻蚀区域光波与未刻蚀区域相位差为π，其中λ为光源波长，n为熔石英折射率。

所述的一维深紫外横向剪切光栅(s3)，其光栅周期范围为100微米至500微米，对应干涉条纹每毫米线对数为4lp/mm至20lp/mm。

所述的深紫外led光源(s0)发出的宽带光的中心波长为280nm、带宽为±10nm。

本实用新型有益效果如下：

本实用新型为了获取大面积透明材料上表面的形变信息，创新性的提出了利用led深紫外波段光，该波段光只有经过石英玻璃能透射，而经过其他透明材质时光不能透射，对外界主要表现为上表面的反射现象，由此就可以获得透明材质的上表面反射光，得到上表面形变信息。同时，利用一维深紫外横向剪切光栅干涉技术产生结构光，其衍射光场中x方向只有+1和-1两个衍射级次，在两个衍射波前重叠区域形成干涉，可以产生满足三角函数如正弦波的亮暗相间的干涉条纹状结构光，如图2(b)所示。该结构光由于是干涉技术形成的干涉条纹，所以无任何锯齿状，可以实现高精度的形变检测。

综上所述，开展透明材质的高精度三维轮廓检测技术研究无论对精密玻璃制造业发展还是结构光技术的提升都具有重要的历史性意义，将在国内外该检测领域产生巨大的技术飞跃。

本实用新型提出实现对待测透明物体精确的三维轮廓检测，从而突破了传统类型可见结构光无法对透明物体进行精确重构的瓶颈，对完成相关科学问题的研究和检测仪器研制所需解决的根本问题有着重要意义。

附图说明

图1所示深紫外波段结构光三维轮廓检测光路系统机构俯视图；

图2(a)是传统正弦光栅数字光刻技术形成的条纹图；

图2(b)是一维横向剪切光栅产生的干涉条纹图；

图3是基于光通量约束的一维横向剪切光栅立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型通过将传统可见结构光转变成不能穿透透明玻璃的深紫外光源，结合传统的相位求解方法，采用优化的相位展开方式，实现对透明材质曲面玻璃表面三维轮廓实现高精度检测。

如图1所示，包括深紫外条纹投影系统和深紫外成像系统，其中深紫外条纹投影系统包括宽谱深紫外led光源(s0)、窄带紫外波段滤波片(s1)、准直扩束系统(s2)、一维深紫外横向剪切光栅(s3)及扩束镜组(s5)，且宽谱深紫外led光源(s0)和窄带紫外波段滤波片(s1)构成紫外光源单元；深紫外成像系统由成像透镜(s7)和深紫外ccd(s8)组成；

按照光源出射顺序，首先将中心波长为280nm、带宽为±10nm的深紫外led光源(s0)发出的宽带光射入窄带紫外波段滤波片(s1)中得到波长为280nm的窄带深紫外光，通过准直扩束系统(s2)后以平行光入射到栅距为200微米的一维深紫外横向剪切光栅(s3)上，衍射形成两个波前完全相同但有一定倾角的复制波前，在两复制波前重叠区域形成干涉条纹作为检测系统条纹结构光，如图2(b)所示。再通过扩束镜组(s5)形成合适尺寸的具有稳定周期的深紫外波段结构光，投射到放有待测透明物体(s9)的参考平台(s6)上，并利用由成像透镜(s7)和深紫外ccd(s8)组成的深紫外成像系统接收经过物体高度调制后的变形条纹图像。同时，一维深紫外横向剪切光栅(s3)上添加了光栅相移装置(s4)能够实现对深紫外波段结构光的旋转和移相操作。

其中，如图3所示，所述一维深紫外横向剪切光栅(s3)由一维振幅光栅(g1)和一维相位光栅(g2)组成。一维振幅光栅(g1)采用一系列微小像元以随机编码的方式使得透过率满足|cos(πx/d)|分布，其中d为一维横向剪切光栅(g3)周期；一维相位光栅(g2)在透明熔石英基底rect(2x/d)*comb(x/d)区域内刻蚀深度满足h＝λ/2(n-1)，使得刻蚀区域光波与未刻蚀区域相位差为π，其中λ为光源波长，n为熔石英折射率。

所述的一维深紫外横向剪切光栅(s3)，其光栅周期范围为100微米至500微米，对应干涉条纹每毫米线对数为4lp/mm至20lp/mm。