基于条纹反射法的反光物体三维形貌测量方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及镜片以及高反光物体的检测方法。具体为一种通过光学非接触技术测 量镜面物体三维形貌的方法。
【背景技术】
[0002] 本发明涉及光学非接触方式测量反光物体三维形貌的技术和方法。传统测量反光 物体一般采用以下两种方式：其一，采用三坐标测量机等接触式测量设备进行逐点测量，具 有测量速度较慢，容易引起形变，造成测量误差，对于精度要求较高的表面也会有一定损坏 等缺点。其二，喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后用光学方法测量，这种方法削弱了 光学测量方法非接触的优点，但改变了待测物体表面属性。以上两种方法都存在严重的局 限性，对于检测表面精度较高镜面的方法需要具有更高要求。目前，在航空航天和汽车制造 等领域，对高精度、高反射镜头和镜片表面的检测有大量需求，但测量该类表面的技术方法 仍处于初级阶段。采用光学非接触测量高反射表面物体的方法，近年来国内外进行了大量 研究，其中主要以条纹反射法为基础测量物体表面。在申请人检索的范围内，可以检索到相 关文献信息如下：
[0003] 1.MarkusCKnauer,JurgenKaminski,GerdHausler在"相位反射法：一种测量自 由镜面反身才表面的新方法''(Phasemeasuringdeflectometry:anewapproachtomeasure specularfree-fromsurfaces.Proc.ofSPIE, 2004, 5457:366-376)文章中，提出PMD条纹 反射相位测量法。通过计算经由被测表面反射后的相位信息，求解被测反射表面的梯度和 高度。文章提出一种主动双目视觉方法，测量反光物体表面绝对形貌。通过立体传感器从 两个角度获取信息，计算物体表面梯度再通过积分来求解深度信息。此方法获得了一定的 精度，但存在较大误差及标定两个相机的缺陷，方法繁琐。
[0004] 2.YanTang,XianyuSu等在"一种先进的相位反射测量自由镜面物体三维形 貌'，（3Dshapemeasurementoftheasphericmirrorbyadvancedphasemeasuring deflectometry.OpticsExpress, 2008, 16 (19) : 15090-15096)中，利用一个LCD屏幕、一个 半透半反镜和一个CCD相机进行三维形貌的重建。此方法通过分别移动LCD屏幕和CCD相 机，以及虚拟一个抛物面来重建镜面的梯度和深度。由于移动需要严重依赖水平导轨的精 度，且需要通过积分梯度数据重建三维形貌，因此所获得三维数据精度不高，无法测量非连 续和大梯度物体。
[0005] 3.YuankunLiu,PetriLehtonen,XianyuSu在"基于照明胶片法的小型反光物体形 貌高精度测量''(High-accuracymeasurementforsmallscalespecularobjectsbased onPMDwithilluminatedfilm.Optics&LaserTechnology. 2012, 44(2) :459 - 462)中利 用胶片代替LCD显示屏来显示条纹，改善LCD屏幕显示中存在的电子噪声和屏幕闪烁的问 题，利用半透半反镜同时解决水平和竖直两个方向梯度的求解，并利用索斯维尔模型重建 形貌。但是胶片的使用限制了条纹投影自适应的优势，使条纹个数受到限制，且求解梯度仍 存在较大奇异性。
[0006] 4.HongweiZhang,ShujianHan,ShuguiLiu等人在"较大反射表面物体 三维形貌重建'，（3Dshapereconstructionoflargespecularsurface.Applied Optics. 2012, 51 (31) : 7616-7625)中，利用条纹反射法测量大反光物体表面，系统结构包括 一个LCD屏幕、一个CCD相机以及水平导轨。将屏幕水平移动一个已知的位移，然后利用两 组数据建立相位和梯度间关系，再将梯度进行积分运算。利用波前带状整合积分算法来提 高重建的精度，以及用了特殊的迭代算法来提高抗噪性。但是仍将形貌的重建建立在移动 设备和积分的基础上，存在较大的误差和奇异性。
[0007] 5.YongliangXiao,XianyuSu,andWenjingChen在"基于条纹反射法三维测量 的灵活几何标定法'，（Flexiblegeometricalcalibrationforfringe-reflection3D measurement.OpticsLetters. 2012, 37 (4) : 620-622)中，利用无标记点的平面镜来标定 LCD屏幕和CCD相机的几何关系，找到两者之间的旋转和平移关系，通过积分梯度计算三维 形貌。此方法通过确定被测表面法线方向和梯度角的大小，建立投影和相机间的几何关系， 再求解形貌。由于光学器件对角度的变化敏感，角度的变化会产生较大误差，所建立的几何 关系不够稳定。
[0008] 6.LeiHuang,ChiSengNg,andAnandKrishnaAsundi在"利用单视场 条纹反射法测量动态反射表面三维形貌"（Dynamicthree-dimensionalsensing forspecularsurfacewithmonoscopicfringereflectometry.Optics Express. 2011，19 (13) : 12809-12814)中，利用单相机、单LCD屏幕测量了动态水面的三维 形貌。基于相机和LCD屏幕的法向量关系求解出被测表面瞬时法向量方向。通过窗式傅里 叶变换的方法，一次求解出水平和竖直方向的相位，进而求解出梯度，将梯度进行最小二乘 积分求解出形貌。此方法计算出了水面的动态三维形貌数据，但是基于对表面梯度的求解， 数据精度不高。
[0009] 7.宋雷，岳慧敏等在"条纹反射法测量镜面手机外壳多尺度三维形貌.光电子?激 光.2012, 23(11) :2154-2162"中提出，利用条纹反射法，两次拍摄求解水平和竖直两个方向 的梯度角。由于物体表面的特性需由深度和梯度来描述，此文中忽略深度因素，测量类平面 物体平面度。求解出两个正交方向的梯度，通过积分计算反射表面信息。此方法依然是建 立相位和梯度间的关系，且由于忽略一组必要的深度信息，此方法只能检测近似于平面的 反射表面。
[0010] 由上述文献可以看出，高反光物体表面三维形貌的测量技术是研究热点，也是难 点，快速、有效、高精度的测量高反光物体仍存在很多未解决的问题。利用条纹反射原理进 行高反光物体的测量，由于表面反射特性，测量参数中的深度和梯度信息对测量同时存在 影响，对两者的求解需要建立两组对应关系。其一可利用单目单屏显示系统，借助水平导 轨移动被测物体或者显示屏的方法，通过建立相位和梯度的关系求解梯度，再将梯度数据 进行积分求解出三维形貌。其二，利用双目或者多目视觉，确定摄像机间的空间几何关系， 与显示屏建立几何关系，利用相位求解出梯度，再将梯度数据进行积分运算。目前可查证 的文献中，都是利用镜面反射原理，反射光线依赖于法线方向，由此利用梯度的求解进行计 算。但是将梯度进行积分运算存在误差累积，求解出的梯度角误差较大且系统设计及方案 设计对角度的影响较大，不容易补偿；利用移动的方法严重依赖导轨的精度，且测量时操作 繁琐。而双目视觉测量系统中，双相机间的像素点匹配也较复杂，为系统标定增加了难度。 同时，已有的方法不能测量表面非连续的高反光物体。
[0011] 因此提供一种硬件结构简单、算法测量精度高，易于标定且能够测量表面非连续 的反光物体测量方法称为现有技术中主要存在的问题。
【发明内容】
[0012] 为解决上述技术问题，本发明拟采用的方案是：
[0013] 提供一种基于条纹反射法的反光物体三维形貌测量方法，其特征是执