专利名称：高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高反射表面的快速非接触检测，具体讲，涉及高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法及装置。
背景技术：
自由曲面指非对称、不规则、不适合用统一的数学方程式来描述的曲面，其中，具有高反射特性的自由曲面诸如光学自由曲面的超精密切削加工技术在航空航天、国防、生物医学、通讯、微电子等高科技领域中的应用越来越广泛，并成为了光电及通讯行业的关键部件。多种多样的应用需求对高反射自由曲面零件的面形精度也提出了更高的要求。准确测量和评价高反射自由曲面零件的表面形貌，不但能正确识别加工过程中的变化和缺陷， 而且对控制和改进加工方法，研究表面几何特性与使用性能的关系，以及提高加工表面的质量和产品性能都有着重要意义。目前针对高反射自由曲面零件的三维形貌测量方法主要包括接触式测量方法和光学非接触式测量方法。接触式测量方法以探针式表面轮廓仪和三坐标测量机为代表，具有直观可靠、操作简单、通用性强的特点，垂直测量范围大，适合于微米或亚微米级工程表面的测量。但在进行自由曲面三维形貌测量过程中，测量速度慢，测量结果受温度变化影响较大。由于触针与被测零件表面接触，会对超精密加工高反射自由曲面零件表面造成损伤， 触针易磨损，且无法进行软性及柔性物体的测量。光学非接触测量方法主要包括光栅投影方法和干涉测量方法，前者具有测量范围大、测量速度快以及易于在计算机控制下实现自动化测量等特点，可达微米级测量精度，但在测量高反射自由曲面零件时，多采用喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后进行测量，削弱了光学测量方法的非接触优点；后者作为一种高精度测量方法，广泛应用于高反射面形检测，但通常干涉系统需要单色光源，且设计精密，结构复杂，造价昂贵，影响了干涉测量方法的使用。如何实现高反射自由曲面零件三维形貌的快速非接触测量成为精密测量领域的一个重点研究方向。近年来，基于高反射特性，光栅投影测量方法越来越多地应用于高反射自由曲面零件的三维形貌检测。该方法通过测量被测物体表面对入射光线产生的相位偏移，将计算得到的相位偏移信息转化为被测物体上相应区域的三维形貌信息。但目前的测量方法中，多基于远心光路模型或通过复杂的测量机构来获得相位偏移与被测物体表面形貌间的对应关系，且相位偏移信息的获取需要在对被测物体进行测量前，首先对一实际参考平面进行测量以获取参考相位，通过将其与被测物体表面对应点的相位值相减得到相位偏移，增加了测量复杂度，降低了测量效率。针对目前高反射自由曲面光栅投影三维形貌测量中的不足，研究一种快速、非接触的测量方法，具有重要的理论和现实意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，提供用于具有高反射自由曲面零件的快速、非接触检测方法，对零件表面及表层无损伤。为达上述目的，本发明采取的技术方案是，一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，包括以下步骤借助于精密运动控制系统实现被测物体三自由度运动；使用光栅投影装置向被测物体表面投射编码光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的变形条纹图；使用数字相移技术和相位展开算法从变形条纹图中获得被测物体表面的相位分布信息；使用虚拟参考面技术获取参考相位分布；采用基于迭代的三维重建模型，通过分析相位偏移信息与被测物体表面梯度的关系，由梯度恢复被测物体相应区域的三维形貌信息。在基于迭代的三维重建模型中，由梯度到面形的重建过程是基于积分运算，具体分为局部积分和全局积分；基于局部积分的算法为路径积分法，即利用梯度数据通过计算局部梯度增量进行曲线积分，得到路径上各点的相对高度值，进而完成被测物体表面各点高度计算；基于全局积分的算法为区域波前重构法，应用于高反射自由曲面三维形貌重建中时，将波前视为待求自由曲面的表面高度，以测量所得水平和垂直方向的梯度值作为测量点，以待求高度的被测物体表面各点为重构点。投射的编码光栅条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹、余弦光栅条纹、频率和方向不同的两种光栅条纹组合形成的复合光栅条纹、莫尔条纹、灰度编码光栅条纹及彩色光栅条纹中的一种。使用数字相移技术获取变形光栅条纹的折叠相位信息，使用相位展开算法将折叠相位展开为连续相位分布，其中，使用的数字相移技术为等间隔数字相移，相移步数为三步、四步、五步或七步；使用的相位展开算法为空域相位展开算法或时域相位展开算法。虚拟参考面技术使用特殊的投影方式，即通过向标定用平面镜投射一幅标记棋盘格图像，利用平面镜标定得到的相位信息建立的一个带有参考相位信息的平面镜虚像，在系统标定阶段即可一次性获取水平和垂直方向的参考相位。在基于迭代的三维重建模型中，通过建立相位偏移信息与被测物体表面梯度间的对应关系，采用基于全局积分的绍契威尔区域波前重构算法和基于局部积分的路径积分法相结合的方法，以路径积分法计算得到的被测物体表面形貌数据作为绍契威尔区域波前重构算法的初始值，由梯度值重建被测物体三维形貌；重建前，为满足重建所要求的边界闭合条件，保证边界的平滑性，利用光栅条纹的相移特性对被测物体表面区域进行提取，整个重建过程只在提取后的区域内进行。利用光栅条纹的相移特性对被测物体表面区域进行提取是对被测物体的相应区域的轮廓提取，是通过相移条纹的排列顺序进行分组，对各组条纹分别进行包括相位展开、 阈值分割、灰度值叠加、模式聚类的一系列操作来实现的。一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量装置，包括放置在光学隔振平台上的精密运动控制系统，精密运动控制系统由精密位移平台、精密旋转平台和精密角位平台组成，用于控制被测物体实现三自由度运动；LCD液晶屏幕光栅投影装置，沿光学隔振平台的法线方向投射编码光栅条纹；科学级CCD摄像机图像采集装置，沿与光栅投射方向成一定角度的方向接收经被测物体表面调制的变形光栅条纹；
标定用平面镜，用于固定在载物台上，配合精密运动控制平台，采用Tsai方法对 CCD摄像机内参数进行标定，采用虚拟参考面技术获取参考相位。计算机，用于产生幅度、周期、方向均可调节的编码光栅条纹，经LCD液晶屏投射到被测物体表面。本发明具有以下技术效果由于本发明采用高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，使用光栅投影装置向被测物体表面投射编码光栅条纹，使用图像采集装置接收经被测物体表面调制的变形光栅图像，采用数字相移技术和相位展开算法获得测量表面的相位分布，采用虚拟参考面技术获得参考相位分布，通过基于迭代的三维重建模型，建立相位偏移信息与被测物体表面梯度间的对应关系，采用基于全局积分技术的绍契威尔区域波前重构算法和基于局部积分技术的路径积分法相结合的方法，由梯度值重建被测物体相应区域的三维形貌，对于大面形或具有较大曲率的高反射自由曲面零件，采用图像拼接技术恢复出被测物体的整体三维形貌，因而本发明能显著提高高反射自由曲面零件在加工检测过程中的检测精度和分辨力，测量速度快，非接触，对零件表面无损伤。
图I为高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量的设计方案图。图中1为用于投影光栅编码条纹的LCD液晶屏，2为光学隔振平台，3为精密位移平台，4为精密角位平台，5 为精密旋转平台，6为圆形卡盘，7为被测物体，8为用于接收变形条纹图的科学级数字CCD 摄像机，9为计算机,10为控制器,11为电机。图2为基于虚拟参考面技术的参考相位生成原理图。图(a)部分21为用于投影的标记棋盘格图像，22为标定用平面镜，23为虚拟参考面，24为由CCD摄像机采集的虚拟参考面图像。图(b)部分为标记棋盘格图像，其中A为标记点位置。图(c)部分和图(d)部分为与标记棋盘格图像对应的正弦光栅编码图像，图(e)部分和图(f)部分为基于虚拟参考面技术生成的参考相位图。图3为基于迭代的高反射自由曲面光栅投影三维重建测量原理图。图4为由梯度恢复被测物体三维形貌的算法示意图，图(a)部分为基于绍契威尔模型的区域波前重构算法示意图，图(b)部分为路径积分算法示意图。图5为测量区域轮廓提取操作示意图。图中51、52、53、54均为C⑶摄像机采集的经被测物体表面调制的变形条纹图，55为相位展开操作，56为阈值分割操作，57为条纹图灰度值线性叠加操作，58为模式聚类操作。图6为本发明一实施例实物图。图7为迭代过程流程图。
具体实施例方式一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法由精密运动控制系统实现被测物体的三自由度运动，使用光栅投影装置对被测物体表面投射编码光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的变形光栅图像，采用数字相移技术和相位展开方法从变形光栅图像中提取由被测物体表面形貌引起的相位偏移信息，采用基于迭代的三维重建模型，根据相位偏移信息与被测物体表面梯度间的对应关系，恢复出被测物体上相应区域的三维形貌，对于大面形或具有较大曲率的高反射自由曲面零件，采用图像拼接技术恢复出被测物体的整体三维形貌。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，其中的精密运动控制系统由精密位移平台、精密角位平台、精密旋转平台组成，可控制被测物体实现三自由度运动。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，其中光栅投影装置为 IXD液晶显示屏。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，其中用于投影光栅条纹的LCD液晶显示屏沿光学隔振平台的法线方向进行投射。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，用于接收经被测物体表面形貌调制的变形光栅图像的图像采集装置为一个科学级数字CCD摄像机。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，采用数字相移技术和相位展开方法获取被测物体表面的相位分布信息。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，采用虚拟参考面技术获取参考相位分布信息。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，采用基于迭代的三维重建模型，通过分析相位偏移信息与被测物体表面梯度的关系，由梯度恢复被测物体相应区域的三维形貌。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，在基于迭代的三维重建模型中，将基于全局积分技术的绍契威尔区域波前重构算法与基于局部积分技术的路径积分法相结合，以路径积分法计算得到的被测物体表面形貌数据作为绍契威尔区域波前重构算法的初始值，由梯度信息恢复被测物体三维形貌。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，在基于迭代的三维重建模型中，由梯度信息恢复被测物体三维形貌前，首先利用光栅条纹的相移特性，对被测物体的相应区域进行轮廓提取，用于提高边界的重建精度，降低用于计算的数据量。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，在基于迭代的三维重建模型中，对被测物体的相应区域的轮廓提取，是通过相移条纹的排列顺序进行分组，对各组条纹分别进行相位展开、阈值分割、灰度值叠加、模式聚类等一系列操作来实现的。在上述高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法中，对于大面形或具有较大曲率的高反射自由曲面零件，需要借助于旋转工作台的360°旋转和角位工作台的±45° 旋转，借助于图像拼接技术实现其全方位三维形貌的测量。综上所述，本发明提出的测量方法进而能够精确解算出被测物体表面各点的空间坐标位置，实现对高反射自由曲面零件三维形貌特征微米级精度的快速、非接触测量。下面结合附图进一步详细说明本发明。图I为高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量的设计方案图。I为用于投影光栅编码条纹的LCD液晶屏，2为光学隔振平台，3为精密位移平台，4为精密角位平台，5为精密旋转平台，6为圆形卡盘，7为被测物体，8为用于接收变形条纹图的科学级数字CCD摄像机，9为计算机，10为微控制器，11为电机。整套实验装置放置在光学隔振平台上，由精密位移平台、精密角位平台和精密旋转平台组成精密运动控制系统，可控制被测物体实现三自由度旋转。被测物体固定在圆形卡盘上，以卡盘中心为坐标原点建立工件坐标系0ΧΥΖ。测量前，对整套系统进行标定，通过向标定用平面镜投射一幅标记棋盘格图像，基于虚拟参考面技术实现对参考相位的获取。测量时，由计算机产生幅度、周期、方向均可调节的编码光栅条纹，经LCD液晶屏投射到被测物体表面，被测物体在精密运动控制系统控制下运动到 CCD摄像机的视场范围内，调整其角度使CCD摄像机能以最佳方式接收经高反射的被测物体表面调制的变形光栅反射图像。采用基于迭代的三维重建算法，从变形光栅图像中解调出被测工件表面的梯度信息，由梯度恢复被测物体表面三维形貌信息。对于大面形或具有较大曲率的高反射自由曲面零件，需要借助于旋转工作台实现被测物体在OXY平面绕Z轴的360°旋转和OXZ平面绕Y轴的±45°旋转，借助于图像拼接技术实现其全方位三维形貌的微米级精度测量。图2为基于虚拟参考面技术的参考相位生成原理图。图(a)中21为用于投影的标记棋盘格图像，22为标定用平面镜，23为虚拟参考面，24为由CCD摄像机采集的虚拟参考面图像。图(b)为标记棋盘格图像，其中A为标记点位置。图(c)和图⑷为与标记棋盘格图像对应的正弦光栅编码图像，图(e)和图(f)为基于虚拟参考面技术生成的参考相位图。坐标系的建立方法为以CXD摄像机光轴与投影像平面的交点Ov为坐标原点建立虚拟参考面坐标系OvXvYvZv，其中Xv和Yv方向如图2 (a)所示。以CXD摄像机光轴与标定平面镜的交点Or为坐标原点建立标定平面镜坐标系OJJJp其中\和Yr的方向如图2 (a)所示。以摄像机的光轴与图像平面的交点Oi为坐标原点建立图像坐标系OiXY,其中X轴平行于像素横向阵列，Y轴垂直于X轴。以摄像机的光学中心O为坐标原点,光轴方向为Z轴方向建立摄像机坐标系oxyz，其X轴和y轴方向分别平行于图像坐标系的X轴和Y轴方向。测量时，将一标定用平面镜固定在载物台上，经LCD液晶屏向其投射一幅标记棋盘格图像，由CCD摄像机接收投影标记棋盘格图像，根据标记棋盘格上各点与编码光栅图像上各点的相位对应关系，计算虚拟参考面上的相位分布。标记棋盘格图像的实现方法为以IXD液晶屏左上角为起始点编制黑白棋盘格图像，在整个图像的中心区域选取一个方格，在此方格左上角点位置绘制一个占方格四分之一区域的灰色小方格(其RGB值为0x777777)，将大小方格共有的左上角点定义为A点，即所谓的标记点。标记棋盘格上各点的相位值与图(C)和图(d)所示的正弦编码光栅条纹上各点相
位值--对应，以标记点为例,该点相位值>0的计算公式为
权利要求
1.一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，包括下列步骤借助于精密运动控制系统实现被测物体三自由度运动；使用光栅投影装置向被测物体表面投射编码光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的变形条纹图；使用数字相移技术和相位展开算法从变形条纹图中获得被测物体表面的相位分布信使用虚拟参考面技术获取参考相位分布；采用基于迭代的三维重建模型，通过分析相位偏移信息与被测物体表面梯度的关系， 由梯度恢复被测物体相应区域的三维形貌信息。
2.如权利要求I所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，在基于迭代的三维重建模型中，由梯度到面形的重建过程是基于积分运算，具体分为局部积分和全局积分；基于局部积分的算法为路径积分法，即利用梯度数据通过计算局部梯度增量进行曲线积分，得到路径上各点的相对高度值，进而完成被测物体表面各点高度计算；基于全局积分的算法为区域波前重构法，应用于高反射自由曲面三维形貌重建中时，将波前视为待求自由曲面的表面高度，以测量所得水平和垂直方向的梯度值作为测量点，以待求高度的被测物体表面各点为重构点。
3.如权利要求I所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，投射的编码光栅条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹、余弦光栅条纹、频率和方向不同的两种光栅条纹组合形成的复合光栅条纹、莫尔条纹、灰度编码光栅条纹及彩色光栅条纹中的一种。
4.如权利要求I所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，使用数字相移技术获取变形光栅条纹的折叠相位信息，使用相位展开算法将折叠相位展开为连续相位分布，其中，使用的数字相移技术为等间隔数字相移，相移步数为三步、四步、五步或七步；使用的相位展开算法为空域相位展开算法或时域相位展开算法。
5.如权利要求I所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，虚拟参考面技术使用特殊的投影方式，即通过向标定用平面镜投射一幅标记棋盘格图像，利用平面镜标定得到的相位信息建立的一个带有参考相位信息的平面镜虚像，在系统标定阶段即可一次性获取水平和垂直方向的参考相位。
6.如权利要求I所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，在基于迭代的三维重建模型中，通过建立相位偏移信息与被测物体表面梯度间的对应关系， 采用基于全局积分的绍契威尔区域波前重构算法和基于局部积分的路径积分法相结合的方法，以路径积分法计算得到的被测物体表面形貌数据作为绍契威尔区域波前重构算法的初始值，由梯度值重建被测物体三维形貌；重建前，为满足重建所要求的边界闭合条件，保证边界的平滑性，利用光栅条纹的相移特性对被测物体表面区域进行提取，整个重建过程只在提取后的区域内进行。
7.如权利要求6所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，利用光栅条纹的相移特性对被测物体表面区域进行提取是对被测物体的相应区域的轮廓提取，是通过相移条纹的排列顺序进行分组，对各组条纹分别进行相位展开、阈值分割、灰度值叠加、模式聚类等一系列操作来实现的。
8.一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量装置，其特征是，包括放置在光学隔振平台上的精密运动控制系统，精密运动控制系统由精密位移平台、精密旋转平台和精密角位平台组成，用于控制被测物体实现三自由度运动；LCD液晶屏幕光栅投影装置，沿光学隔振平台的法线方向投射编码光栅条纹；科学级CCD摄像机图像采集装置，沿与光栅投射方向成一定角度的方向接收经被测物体表面调制的变形光栅条纹；标定用平面镜，用于固定在载物台上，配合精密运动控制平台，采用Tsai方法对CCD摄像机内参数进行标定，采用虚拟参考面技术获取参考相位。计算机，用于产生幅度、周期、方向均可调节的编码光栅条纹，经LCD液晶屏投射到被测物体表面。
全文摘要
本发明涉及大曲率面形的复杂光学曲面零件的高精度检测。为提供用于光学曲面零件等具有大曲率面形的复杂曲面零件的高精度检测方法，快速，非接触，对零件表面及表层无损伤，本发明采取的技术方案是，高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法及装置，包括以下步骤借助于精密运动控制系统实现被测物体三自由度运动；使用光栅投影装置向被测物体表面投射编码光栅条纹；使用数字相移技术和相位展开算法从变形条纹图中获得被测物体表面的相位分布信息；使用虚拟参考面技术获取参考相位分布；根据相位偏移信息与被测物体表面梯度间的对应关系，恢复出被测物体表面测量区域的三维形貌信息。本发明主要应用于光学曲面零件的测量。
文档编号G01B11/25GK102607466SQ20121009430
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者刘书桂, 季莉栓, 张宏伟, 李绍辉, 韩淑建 申请人:天津大学