专利名称：变频投影栅线三维形貌测量仪及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种旨在对结构三维形貌测量或缺陷检测的非接触式光学测 量仪，尤其涉及一种变频投影栅线三维形貌测量仪及其测量方法。
背景技术：
早期常用影像云纹法测量物体的三维形貌，如图1所示的双频投影栅三维
形貌测量仪，其包括一第一光栅n、 一第二光栅12、 一CCD 2、 一大功率投影 灯3 、 一成像物镜4、 一精密平动台6、以及一计算机7。该测量仪是在被测 物体与图像采集系统之间(靠近被测物体5)放置一块固定栅节距的物理光栅 11，在投影灯的照射下，投影在被测物的栅线由于被测物体表面形状的高低起 伏而弯曲变形。通过图像采集及计算可以直观的判别被测物的外形，如检査对 称性、缺陷检测等，得到实际的三维尺寸。这对于进行模型设计、现场测试的 工程技术人员来说很重要。但是，该仪器存在以下的缺点
1、 要求两块栅板的密度(频率)不同就可以测量，但是一般栅线密度是 固定的，所以测量物体的表面梯度、大小等都受到限制；尤其，若被测物体积 较大，相应栅线的面积也要大，显然限制了该方法的扩展。
2、 对图l的装置若产生相移，必须要对被测物精密平移，从而获得相移 电子散斑干涉条纹图，再解出数字化的位移，这样的相移会产生误差，使测量 精度受影响。
发明内容
本发明的目的是解决三维形貌数字化测量的通用性和测量精度低的问题， 而提供的一种变频投影栅线三维形貌测量仪及其测量方法。该变频投影栅线三 维形貌测量仪和方法对不同大小的被测试件、不同的光源照射方向都普遍适 用，而且相移的产生不是通过通常的机械调节或利用压电陶瓷压电效应的方式
产生，而是通过计算机精密的自动生成。对于仪器的便利性、通用性、紧凑性 等特点得到巨大提升。
本发明的技术方案是变频投影栅线三维形貌测量仪，其特点是，包括 投影栅发生装置和图像采集装置；所述的投影栅发生装置包括计算机和与计算 机连接的数码投影仪；所述的图像采集装置由顺序排列的数码相机或CCD数码 摄像头、参考光栅、成像物镜组成一体，所述的数码相机或CCD数码摄像头与 计算机连接；计算机负责产生变频的投影物理光栅到数码投影仪，将栅线投射 到被测物表面进行测量，并从数码相机或CCD数码摄像头采集图像、产生相移、 计算结果得到等高线值。
上述变频投影栅线三维形貌测量仪，其中，所述的图像采集装置的数码相 机或CCD数码摄像头、参考光栅、成像物镜的轴心在同一条轴线上。
上述变频投影栅线三维形貌测量仪，其中，还包括一第一支架，所述的投 影栅发生装置设置在所述第一支架上。
上述变频投影栅线三维形貌测量仪，其中，还包括一第二支架，所述的图 像采集装置设置在所述第二支架上。
上述变频投影栅线三维形貌测量仪，其中，所述的成像系统中设置的光栅 的面积大于等于CCD靶面。
变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法，其特点是，包括以下步骤
a、 准备将被测物放置在与图像采集装置同轴线、且在投影栅发生装置 的数码投影仪的光圈内的地方；
b、 开始测量
bl、将计算机产生的均匀的栅线输入到投影仪，产生自动相移投影栅线，
通过投影仪将该栅线投射到被测物表面；
b2、将数码摄像机或CCD摄像头与成像物镜之间放置的物理光栅按需要调 节至光栅能在CCD耙面上成像清晰的位置，该成像与被测物表面的物理栅在CCD 靶面上重合；
b3、直接将得到的图像输入到计算机中，通过计算机计算结果得到三维形 貌的等高线值。
上述变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法，其中，所述的通过CCD采
集图像、计算机相移光栅的同时得到三幅图像，通过图像处理，得到三维物体 的形貌等高线值。
上述变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法，其中，所述的成像系统中 设置的光栅的面积大于等于CCD靶面。
本发明由于采取了以上的技术方案，与现有技术相比，其产生的技术效果 是明显的
① 利用计算机产生均匀的栅线(一般的物理光栅均有刻画损伤)再外接 投影仪，将栅线投射到被测物表面，取代了物理投影栅，不但光栅的质量(密 度均匀性、条纹直线性等)能保证，还能通过软件自动生成不同密度(频率) 的栅线，使得测量灵敏度能在一台测量仪器上实现动态的调节，这就是变频技 术；
② 通过计算机自动相移投影栅线取代了传统的PZT实现时间相移的自动 化控制，从而使得条纹数字化输出的结果更加精确；
③ 数码摄像机或CCD摄像头与成像物镜之间放置物理光栅(参考栅)， 其位置需要调节至光栅能在CCD靶面上成一大小合适并且清晰的像，见图2， 该像与被测物表面的物理栅在CCD靶面上重合，直接将得到的图像输入到计算 机中，通过软件计算得到三维形貌的等高线值。
总之，该系统可以用于不同构件的现场形貌检查和测量，而且可以得到数 字化的结果。
本发明的特征、性能和优点由以下的实施例及其附图进一步说明。 图1是现有技术中双频投影栅线三维位移测量仪的结构示意图。 图2是本发明变频投影栅线三维位移测量仪的结构示意图。
具体实施例方式
请参阅图2，这是本发明变频投影栅线三维位移测量仪的结构示意图。本 发明变频投影栅线三维形貌测量仪，包括设置在第一支架上的投影栅发生装置 和设置在第二支架上的图像采集装置；所述的投影栅发生装置包括计算机21和与计算机连接的数码投影仪22;所述的图像采集装置由顺序排列的数码相机
或CCD数码摄像头31、参考光栅32、成像物镜33组成一体，所述的数码相机 或CCD数码摄像头与计算机连接；计算机负责产生变频的投影物理光栅到数码 投影仪，将栅线投射到被测物表面进行测量，并从数码相机或CCD数码摄像头 采集图像、产生相移、计算结果得到等高线值。所述的图像采集装置的数码相 机或CCD数码摄像头、参考光栅、成像物镜的轴心在同一条轴线上。
本发明变频投影栅线三维形貌测量仪中，所述的成像系统中设置的光栅的 面积大于等于CCD靶面。 一般栅线面积只要和CCD靶面一样大即可，只要投影
灯的能量足够，投影扩束能力就能决定测量的面积。
使用时，将被测物体固定，调节投影仪固定在三角架上，调节其中心高度， 保证投影栅线均匀的投射到被测物体的表面；成像物镜、参考光栅、CCD顺序 固化成一套系统，并整体固定在另一三角架上，也要调节中心高及成像清晰， 并采集图像，通过计算机产生相移，并最终计算得到数字化的结果。
计算机产生黑白相间的光栅条纹由接驳其上的数码投影仪投射出，照射在 被测物体上；只要对该条纹在计算机中迸行频率变化和相位变化就分别是变频 和相移，故该系统完全是自动化、数字化的变频投影系统。
本发明变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法包括以下步骤-
a、 准备将被测物放置在与图像采集装置同轴线、且在投影栅发生装置 的数码投影仪的光圈内的地方；
b、 开始测量
bl、将计算机产生的均匀的栅线输入到投影仪，产生自动相移投影栅线， 通过投影仪将该栅线投射到被测物表面；
b2、将数码摄像机或CCD摄像头与成像物镜之间放置的物理光栅按需要调 节至光栅能在CCD耙面上成像清晰的位置，该成像与被测物表面的物理栅在CCD
靶面上重合；
b3、直接将得到的图像输入到计算机中，通过计算机计算结果得到三维形 貌的等高线值。所述的通过CCD采集图像、计算机相移光栅的同时得到三幅图 像，通过图像处理，得到三维物体的形貌等高线值。
本发明利用数码投影仪取代了大功率投影灯，这样可以将计算机产生的光
栅通过投影仪直接投射在被测物体上，对于不同大小的测量物体可以选用不同 功率的投影仪。利用了计算机产生均匀的光栅取代了其中一块物理光栅，使得 投影栅的频率、大小均可以任意调节，从而适用范围更广；采用数码摄像机或
CCD摄像头直接将得到的图像输入到计算机中，从而可以用图像软件进行数字 图像处理和分析；不但投影光栅可自动产生，而且相移也可以由计算机自动完 成，不需要配备复杂的精密平移机构，理论上讲这样的相移没有误差，所以该 方法得到的结果精度远高于一般的投影栅线法；通过布置在测量仪本体上的 CCD采集图像，计算机相移光栅的同时得到三幅图像，通过图像处理，得到三 维物体的形貌等高线值。具有很高的灵敏度和精确度。实现了测量的自动化和 全场数字化。
权利要求
1、变频投影栅线三维形貌测量仪，其特征在于，包括投影栅发生装置和图像采集装置；所述的投影栅发生装置包括计算机和与计算机连接的数码投影仪；所述的图像采集装置由顺序排列的数码相机或CCD数码摄像头、参考光栅、成像物镜组成一体，所述的数码相机或CCD数码摄像头与计算机连接；计算机负责产生变频的投影物理光栅到数码投影仪，将栅线投射到被测物表面进行测量，并从数码相机或CCD数码摄像头采集图像、产生相移、计算结果得到等高线值。
2、 根据权利要求l所述的变频投影栅线三维形貌测量仪，其特征在于， 所述的图像采集装置的数码相机或CCD数码摄像头、参考光栅、成像物镜的轴 心在同一条轴线上。
3、 根据权利要求l所述的变频投影栅线三维形貌测量仪，其特征在于， 还包括一第一支架，所述的投影栅发生装置设置在所述第一支架上。
4、 根据权利要求1所述的变频投影栅线三维形貌测量仪，其特征在于， 还包括一第二支架，所述的图像采集装置设置在所述第二支架上。
5、 根据权利要求1所述的变频投影栅线三维形貌测量仪，其特征在于， 所述的成像系统中设置的光栅的面积大于等于CCD靶面。
6、 变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤a、 准备将被测物放置在与图像采集装置同轴线、且在投影栅发生装置 的数码投影仪的光圈内的地方；b、 开始测量bl、将计算机产生的均匀的栅线输入到投影仪，产生自动相移投影栅线， 通过投影仪将该栅线投射到被测物表面；b2、将数码摄像机或CCD摄像头与成像物镜之间放置的物理光栅按需要调 节至光栅能在CCD靶面上成像清晰的位置，该成像与被测物表面的物理栅在CCD 靶面上重合；b3、直接将得到的图像输入到计算机中，通过计算机计算结果得到三维形
7、 根据权利要求6所述的变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法，其 特征在于，所述的通过CCD采集图像、计算机相移光栅的同时得到三幅图像， 通过图像处理，得到三维物体的形貌等高线值。
8、 根据权利要求6所述的变频投影栅线三维形貌测量仪的测量方法，其特征在于，所述的成像系统中设置的光栅的面积大于等于CCD靶面。
全文摘要
本发明公开了一种变频投影栅线三维形貌测量仪及其测量方法，其特点是，包括投影栅发生装置和图像采集装置；投影栅发生装置包括计算机和与计算机连接的数码投影仪；图像采集装置由顺序排列的数码相机或CCD数码摄像头、参考光栅、成像物镜组成一体，数码相机或CCD数码摄像头与计算机连接；计算机负责产生变频的投影物理光栅到数码投影仪，将栅线投射到被测物表面进行测量，并从数码相机或CCD数码摄像头采集图像、产生相移、计算结果得到等高线值。由于利用数码投影仪取代了大功率投影灯利用了计算机产生均匀的光栅取代了现有技术中一块物理光栅，使得投影栅的频率、大小均可以任意调节，从而适用范围更广，提高了测量的灵敏度和精确度。
文档编号G03B29/00GK101113894SQ20071004559
公开日2008年1月30日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者吴君毅, 辉 姚, 熹 张, 曾宪友, 飞 罗, 钢 艾, 郑长江, 鹏 陆, 顾爱中 申请人:中国船舶重工集团公司第七一一研究所