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的制作方法

本发明属于机器视觉结构光精密检测技术领域，具体涉及一种应用在测量透明材质三维轮廓的深紫外结构光检测成像系统。

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，如图2所示；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3(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。为此本发明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：

本发明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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案具体如下：

本发明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为所述一维横向剪切光(g3)栅周期；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。

本发明有益效果如下：

本发明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3(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。

本发明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是ccd采集到的透明玻璃可见光条纹投影图

图3(a)是传统正弦光栅数字光刻技术形成的条纹图；

图3(b)是一维横向剪切光栅产生的干涉条纹图；

图4是基于光通量约束的一维横向剪切光栅立体示意图；

图5(a)是栅距为120um的一维横向剪切光栅中振幅光栅透过率分布图；

图5(b)是栅距为120um的一维横向剪切光栅中相位光栅相位延迟分布图；

图6是深紫外波段结构光检测系统的测量示意图；

图7是质量图获取流程图；

图8是三维重构算法流程图；

图9所示为基于深紫外波段结构光的透明材质轮廓重构的测量步骤；

图10所示为沿竖直方向分布的参考平台(s6)相移图；

图11所示为沿水平方向分布的参考平台(s6)相移图；

图12所示为沿竖直方向分布的调制相移图；

图13所示为沿水平方向分布的调制相移图；

图14所示为深紫外结构光对透明凸型曲面物体三维重构结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明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。

1.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3(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4所示，所述一维横向剪切光栅(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为所述一维横向剪切光(g3)栅周期；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。

如图6所示为深紫外波段结构光的二维测量原理图。深紫外条纹投影系统由前述的宽谱深紫外led光源(s0)和窄带紫外波段滤波片(s1)构成的紫外光源系统、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)组成；深紫外成像系统由成像透镜(s7)和深紫外ccd(s8)组成。在图6中，c1和c2分别为深紫外条纹投影系统和深紫外成像系统的光心，参考平台(s6)为漫反射表面。深紫外条纹投影系统向参考平台(s6)投射深紫外光栅条纹，形成光栅条纹图像；假设在未放置待测透明物体(s9)时，投射在参考平台(s6)的a点处的光束反射并成像于深紫外成像系统像面上的某一点p，对应的光强为：

i(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)](1)

其中，a(x,y)为背景光强，b(x,y)为干涉条纹对比度，φ(x,y)为初始相位分布。在参考平台(s6)上放置待测透明物体(s9)后，成像于相机像面上p点处的光束变成了在物体表面的m点反射的光束，这束光在未放置待测透明物体(s9)时，投射在参考平台(s6)上的b点，对应的光强变为：

其中δφ(x,y)为在参考平台(s6)上放入物体后引起的相位差。

在该点处所得条纹相位由原来的参考平台(s6)上a点处的相位，被待测透明物体(s9)调制成b点处的相位，根据相位的变化，可建立相位与待测透明物体(s9)高度之间的关系。在图6中，假设深紫外条纹投影系统的光心和深紫外成像系统的光心与参考平台(s6)的垂直距离分别为h1和h2。则待测透明物体(s9)m点处的高度与ab两点相位差之间的关系为如下公式所示：

其中，φa(x,y)为未放置待测透明物体(s9)时成像平面某一像点的相位值；φb(x,y)为放置待测透明物体(s9)后，同一像点处的相位值；θ1和θ2分别为a点与深紫外条纹投影系统光心、a点与深紫外成像系统光心的夹角，可通过系统标定计算而得；f为光栅条纹的传播频率；α为待测透明物体(s9)表面法线与参考平台(s6)法线的夹角，tanα可表征待测透明物体(s9)在该点处的梯度，对于曲面物体而言，在x方向和y方向均有梯度分布。

由公式(3)可知，为了获取待测透明物体(s9)的真实高度，首先要进行相位解调求解出被光栅条纹调制的相位值大小。由于曲面物体在x和y方向均有梯度分布，因此需要采集沿竖直和水平方向分布的条纹。以竖直方向为例，采用四步移相的方法，由深紫外ccd分别采集4张不同相位的参考平台(s6)上未放入待测透明物体(s9)和4张不同相位的放入待测透明物体(s9)后的光栅条纹图像，条纹光强分布可以表示为：

其中，i＝0,1分别表示为参考平台(s6)上未放入待测透明物体(s9)和放入待测透明物体(s9)；j＝1,2,3,4分别表示四次移相，对应相位值为φ(x,y)为绝对相位值。

由此计算参考平台(s6)上未放入待测透明物体(s9)和放入待测透明物体(s9)的相位值分别为：

其中，φ0(x,y)和φ1(x,y)分别表示参考平台(s6)上未放入待测透明物体(s9)和放入待测透明物体(s9)的相位值。由于利用的是反正切函数求解，此处相位均为包裹相位，其曲线存在跳变，得到的是相位包裹图。

得到包裹图像后，进行解包裹操作得到准确连续的相位值。本发明采用质量导引算法，其获取过程如图7所示，根据像素点的可靠度排序，优先展开包裹图像中较高质量值的像素，后展开较低质量的像素，使得相位展开误差限制在低质量区域，从而有效避免误差的积累和传递。

接下来，利用相机的针孔模型对深紫外成像系统的外参和内参进行标定。深紫外ccd像素点和世界坐标系对应点的关系为：

其中即为相机的内参，[rt]为相机的外参，(xw,yw,zw)为空间点的世界坐标，(xc,yc,zc)为空间点在相机坐标系下的坐标，(u,v)为空间点在ccd相机成像平面上的图像像素坐标，(u0,v0)为主点坐标，fx、fy分别为在图像像素坐标上的u、v轴方向上焦距对应的像素值。此外，还应标定出相机的畸变系数，对图像进行矫正，以消除实际相机的非线性影响。

在公式(3)中，需要确定的系统参数为θ1和θ2。通过标定深紫外条纹投影系统光心和深紫外成像系统光心的位置，计算其与参考平台(s6)的垂直距离h1和h2，以及a点的坐标，从而根据正切函数，求得计算tanθ1和tanθ2。

在公式(3)中，未知的参数有z(x,y)和α。α表征的梯度tanα与高度z(x,y)之间为一阶偏微分的关系：

其中，g^x(x,y)和g^y(x,y)分别表示x方向和y方向的梯度，对应于tanα在x和y方向上的分量。因此，通过对梯度进行积分，可获得待测透明物体(s9)的高度。如图8所示，采用迭代策略，首先假定初始高度为0，代入公式(3)计算出第一组梯度数据，然后，利用积分方法，重建得到新的高度，再将新的高度代入公式(3)计算出第二组梯度数据。依此类推，直到相邻两次重构的高度差小于阈值条件，从而得到最终的待测面形。

在迭代过程中，由梯度恢复高度的积分算法采用southwell区域波前重构法，该算法的计算公式为：

其中，xm,n，ym,n，zm,n和分别表示点(m,n)处对应的三维坐标及相应的梯度。southwell区域波前重构算法对噪声的抑制能力强，可以较好地避免积分过程中的噪声累积，从而以较高的精度恢复物体的三维形状。

至此，根据上述步骤获得的真实相位信息和系统标定参数，可以将深紫外ccd拍摄的图像二维坐标转换成实际待测透明物体(s9)在参考平台(s6)上的二维真实世界坐标，由绝对相位以及梯度和高度之间的关系，计算出待测透明物体(s9)对应的真实高度值，从而完成透明物体的三维重构。

实施例

实施例的待测透明物体(s9)的面型为凸型曲面，其直径为30mm。深紫外led光源(s0)发出中心波长为280nm、带宽为±10nm的宽带光，经深紫外波段滤光片(s1)得到波长为280nm的窄带深紫外光，通过准直扩束系统(s2)形成平行光，入射到栅距为200微米的一维横向剪切光栅(s3)上，产生干涉条纹作为检测系统条纹结构光，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，光栅结构上添加了光栅相移装置(s4)实现对结构光的旋转和移相操作。

基于以上检测装置，按如图9所示流程，对检测透明凸型曲面物体三维轮廓的具体操作步骤如下：

步骤1：依次调节图1所示深紫外波段结构光检测系统中的光栅相移装置(s4)，使得光栅条纹图像沿竖直方向分布，并沿竖直方向移动0、π/2、π、3π/2的相位，并利用深紫外成像系统采集相移分别为0、π/2、π、3π/2的4幅不同相位的参考平台(s6)条纹图ip01、ip02、ip03、ip04，如图10所示。

步骤2：调节光栅相移装置(s4)旋转90度，使得光栅条纹图像沿水平方向分布，按照步骤1的移相方法，分别采集4张沿水平方向分布的移相为0、π/2、π、3π/2的参考平台(s6)条纹图is01、is02、is03、is04，如图11所示。

步骤3：在参考平台(s6)上放入待测透明物体，按照步骤1和步骤2的方法，调节光栅相移装置(s4)，使得光栅条纹图像分别沿竖直方向和水平方向分布，并采集相应的相移为0、π/2、π、3π/2的调制相位图ip11、ip12、ip13、ip14和is11、is12、is13、is14，如图12和13所示。

步骤4：相位求解。根据公式(5)和公式(6)，分别对采集到的沿竖直和水平方向分布的参考平台条纹图像和在参考平台上放置被测透明物体的条纹图像分别进行相位求解，得到相应的沿竖直和水平方向分布的存在跳变的包裹相位。

步骤5：相位展开。按照如图8所示的质量图获取流程，采用质量图导引相位展开的算法，按顺序优先展开高质量像素的相位，对步骤3所获得的包裹相位进行展开，分别得到连续变化的沿竖直和水平方向分布的真实相位。

步骤6：系统标定。

首先，利用深紫外ccd(s8)拍摄多幅不同位姿的棋盘格标定图像，对深紫外ccd(s8)进行标定，确定深紫外ccd(s8)的内参ac、外参kc及畸变系数，由公式(7)求解出待测透明物体(s9)在参考平台上的二维点坐标(x,y)，并利用标定所得的畸变系数对图像进行矫正；

其次，标定出深紫外条纹投影系统光心、深紫外成像系统光心、参考平台(s6)的物理位置以及a点的世界坐标位置，计算深紫外条纹投影系统光心、深紫外成像系统光心与参考平台(s6)的垂直距离，从而计算tanθ1和tanθ2；

步骤7：假设初始高度z(x,y)＝0，根据公式(3)，计算出第一组梯度数据。然后，利用southwell区域波前重构法积分，根据公式(9)重建得到新的高度。依次类推，直到相邻两次重构的高度差小于阈值条件，从而得到最终的待测面形。结果如图14所示，重建的均方根误差约为0.1157mm。

步骤8：结合步骤7的重构算法得到的被测物透明物体在图像坐标系下的高度信息z，以及步骤6中系统标定的结果，最终求解出待测透明物体在世界坐标系下精确的三维轮廓信息(x,y,z)。