專利名稱：利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物體的三維面形測量方法及系統(tǒng)，尤其是一種利用電子散斑相移 技術(shù)測量物體三維面形的方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、數(shù)字圖像采集和處理技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)生了電子散 斑干涉術(shù)。近年來由于電子散斑干涉技術(shù)具有操作簡單、全場測量、非接觸、高精度、隔震 要求低的特點(diǎn)，成為一種較為成熟的光學(xué)三維面形測量技術(shù)，并且在面形測量、變形測量中 得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在設(shè)備的無損檢測、熱變形測量以及口腔修復(fù)的應(yīng)用中電子散 斑干涉技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢。面形測量中，從光強(qiáng)分布中提取相位信息的相位測量技術(shù)是 決定測量結(jié)果是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要有傅里葉變換法和相移法?；谕队皷啪€的 傅里葉變換法對比度高，易于動態(tài)處理，但測量精度受投影柵線空間頻率的限制，靈敏度不 高。電子散斑干涉利用光的干涉產(chǎn)生干涉調(diào)制條紋，不需要投影柵線，物體的相位信息包含 在散斑顆粒內(nèi)，形成以散斑為載體的干涉條紋，因而靈敏度也較高。散斑測量技術(shù)的發(fā)展方 向決定了必須向三維測量發(fā)展。三維相移電子散斑干涉技術(shù)是電子散斑干涉技術(shù)結(jié)合相移 技術(shù)向三維、高精度和自動化方向的發(fā)展。電子散斑載頻調(diào)制技術(shù)已應(yīng)用于物體的三維面 形測量，載頻調(diào)制有全場提取面形信息的特點(diǎn)，對面形邊緣或者細(xì)節(jié)的測量不敏感的缺點(diǎn)。 中國專利200620044101. X公開了一種基于光纖和相移電子散斑技術(shù)測量物體三維變形系 統(tǒng)，但是電子散斑相移技術(shù)一直還沒有應(yīng)用于物體的三維面形測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種構(gòu)造簡單、精度和靈敏度 高的利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的方法及其系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的方法，包括以下步驟1)將被測物體固定在一參考平面上，參考平面與一相移器連接，參考平面大于被 測物體，使參考平面能夠在豎直平面內(nèi)做小于5度角的轉(zhuǎn)動；2)將被測物體連同參考平面一起做小于5度角的偏轉(zhuǎn)，利用光的干涉，在被測物 體表面產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，即通過物體的偏轉(zhuǎn)利用電子散斑干涉在物體表面產(chǎn)生干 涉條紋；3)通過相移器對被測物體表面施加相移使物光的光程發(fā)生改變，進(jìn)而引起參考光 和物光的相位差的改變，對步驟2)得到的彎曲的干涉條紋做等四步相移，這些明暗相間的 干涉條紋會根據(jù)所加相移的大小做相應(yīng)的平移，利用相移技術(shù)提取出物面的相位信息，得 到包裹相位圖，由于相位被包裹在(-n，^O之間，用相位展開算法把相位連續(xù)化求出被測 物體的真實(shí)相位；根據(jù)相位和高度的映射關(guān)系得出物面的高度分布，從而得到物體的面形。一種利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的系統(tǒng)，其包括激光器、相移器和攝像頭，各元器件位置關(guān)系如下激光器與半透反射鏡I相對應(yīng)，半透反射鏡I分別與擴(kuò)束 鏡I和反射鏡I相對應(yīng)，反射鏡I、反射鏡II和反射鏡III依次相對應(yīng)，反射鏡III與擴(kuò)束 鏡II相對應(yīng)，擴(kuò)束鏡II與半透反射鏡II相對應(yīng)，半透反射鏡II與攝像頭相對應(yīng)；擴(kuò)束鏡 I與設(shè)置于參考平面上的被測物體相對應(yīng)，參考平面與一相移器連接，被測物體與透鏡相對 應(yīng)，透鏡與半透反射鏡II相對應(yīng)。本發(fā)明利用電子散斑干涉測量物體面形，通過物體的微小偏轉(zhuǎn)在物體表面產(chǎn)生平 行的干涉條紋。由于受到物面的高度的調(diào)制，平行的干涉條紋變得彎曲，采用相移技術(shù)提取 物面三維面形信息。該方法用散斑干涉產(chǎn)生干涉條紋，因此測量物面具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)， 由于采用相移技術(shù)提取相位信息，測量精度也高。


圖1是電子散斑干涉測量物體面形的原理圖；圖2是測量物體面形的電子散斑干涉系統(tǒng)光路圖；圖3是偏轉(zhuǎn)物面引入的干涉條紋圖；圖4是包裹相位圖；圖5是解包裹相位圖；圖6是相移法得到的被測物三維面形網(wǎng)格圖；圖7是物面等高線圖；其中1.被測物體，2.參考平面，3.激光器，4.半透反射鏡I，5.反射鏡I，6.反射 鏡II，7.反射鏡III，8.擴(kuò)束鏡I，9.擴(kuò)束鏡II，10.相移器，11.透鏡，12.半透反射鏡II， 13.攝像頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。如圖1-7所示，一種利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的方法，包括以下 步驟1)將被測物體1固定在一參考平面2上，參考平面2與一相移器10連接，參考平 面2大于被測物體1，使參考平面2能夠在豎直平面內(nèi)做小于5度角的微小轉(zhuǎn)動；2)將被測物體1連同參考平面2 —起做小于5度角的微小偏轉(zhuǎn)，利用光的干涉，在 被測物體1表面產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，即通過物體的微小偏轉(zhuǎn)利用電子散斑干涉在物 體表面產(chǎn)生干涉條紋；該干涉條紋由于受到物體表面高度的調(diào)制變得彎曲，引起干涉條紋 相位的變化，物體的高度信息包含在彎曲的干涉條紋里；3)通過相移器10對被測物體1表面施加相移使物光的光程發(fā)生改變，進(jìn)而引起 參考光和物光的相位差的改變，對步驟2)得到的彎曲的干涉條紋做等四步相移，這些明暗 相間的干涉條紋會根據(jù)所加相移的大小做相應(yīng)的平移，利用相移技術(shù)提取出物面的相位信 息，得到包裹相位圖，由于相位被包裹在(-η，JI)之間，用四步相位展開算法把相位連續(xù) 化求出被測物體的真實(shí)相位；根據(jù)相位和高度的映射關(guān)系得出物面的高度分布，從而得到 物體的面形。相移技術(shù)測量物體面形的基本原理是對干涉光路中兩束相干光之間的相位差引入等間隔的相位差變化，相位差發(fā)生變化時，干涉條紋也作相應(yīng)的平移，使干涉場中任意點(diǎn) 的光強(qiáng)呈余弦變化移動。面形測量的關(guān)鍵技術(shù)之一是提取物體表面的相位。1.相移法相位測量原理如下散斑干涉形成的干涉條紋是物光和參考光相疊加而成的，物光和參考光的光振動 分別表示為
Eob= Ab(Pob)⑴
Eref = Aef c0K^ + (Pref)(2)其中，A。b和％6分別表示物光的振幅和相位，Aref和分別表示參考光的振幅和相 位。參考光和物光疊加以后的光振動可以表示成E = E。b+Eref (3)=Acos (cot+Φ)其合振幅的平方為A2 =A2ob+A2ref (4) 因此干涉場的光強(qiáng)為I = A2 =A2ob+A^ef (5) 即I(x,兄 t) = Iob (X, y) + Iref (x, y) (6)+ 2ψο (χ, y)Iref (χ, y) cos φ(χ, y)當(dāng)參考面是平面時，假定其相位等于零，Φ (χ, y)是物面與參考面的相位差，也就 是待測物體的相位。物面上接有相移器，可對物面施加相移使物光的光程差發(fā)生改變，進(jìn)而 引起參考光和物光的相位差的改變，此時干涉場的光強(qiáng)為I(x,兄 0 = Iob (X, y) + Iref (X, >0(7)+2^Iob (x, y)Iref (x, y) cos [φ(χ, γ) + δ⑴]施加相移以后，參考光和物光的相位差由物體的相位和相移器引入的附加相位共
同決定，S (t)是相移器引入的相位。若對物面做四步相移，令每次的相移量為SiU),引
入相移后參考光和物光的相位差就會發(fā)生相應(yīng)的變化，由于測量不可避免的要產(chǎn)生誤差，
2π
采用滿周期等間距引入相移時誤差最小，所以每步的相移量為，Ν = 4，因此相移量
為均為f，做四步相移后干涉場光強(qiáng)分別為I1 = Iob O, y)+Iref O, y) + (8) I2 = Iob O, y)+Iref (χ, y) +2」Iob(x，y)Iref(x，y) cos 沴+ | (9)I3 = Iob (χ, y)+Iref (x,y)+ ( ο)2ψο (χ, y)Iref (χ, y) cos [φ(χ, y) + π] I4 = Iob (χ, y)+Iref (χ, y) +
--3 ^r
Lb(x^y)1 rAxcos 4(χ，>0+j (H)將表示參考面的光強(qiáng)圖與做四步相移以后的表示物面的光強(qiáng)圖分別相減，得到的 光強(qiáng)圖里的相位只包含物體的相位信息和相移器引入的附加相位，而把參考面減掉了，因 此可以求出物體的相位
/ -J^ = arctan———-(12)由相移法得到的相位是包裹在，π)范圍內(nèi)的相位主值，必須利用相位展開 算法展開得到物面的真實(shí)相位才能做進(jìn)一步處理，恢復(fù)三維輪廓。2.電子散斑干涉測量物體面形的原理如圖1所示，L和C分別是激光器和攝像頭CXD的光心，兩者相距d。C-L連線與 參考面平行，且相距S。當(dāng)被測物不存在時，激光直接投射到參考面上，參考光和物光的干涉 條紋是相互平行的，當(dāng)有被測物時，干涉條紋變形。如果原來?xiàng)l紋的位置在B處，由于物體 的遮擋，移到物體的A點(diǎn)，而由CXD觀察到的A點(diǎn)的位置在D點(diǎn)上。因此由于物體的遮擋產(chǎn) 生了 BD距離的光程差，對應(yīng)的相位差為Φ只要得到物面上每一點(diǎn)產(chǎn)生的相位差就可以算 得全場的高度分布h(x，y)。由相似三角形得^ 其中φ是物體的相位，4 =禮_%，這樣就把相位分布轉(zhuǎn)化成了高度分布。如圖2所示，利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的系統(tǒng)，其包括激光器3、 相移器10和攝像頭13，各元器件位置關(guān)系如下激光器3與半透反射鏡14相對應(yīng)，半透反 射鏡14分別與擴(kuò)束鏡18和反射鏡15相對應(yīng)，反射鏡15、反射鏡116和反射鏡ΙΙΙ7依次相 對應(yīng)，反射鏡ΙΙΙ7與擴(kuò)束鏡119相對應(yīng)，擴(kuò)束鏡119與半透反射鏡1112相對應(yīng)，半透反射 鏡Π12與攝像頭13相對應(yīng)；擴(kuò)束鏡18與設(shè)置于參考平板2上的被測物體1相對應(yīng)，參考 平板2與一相移器10連接，被測物體1與透鏡11相對應(yīng)，透鏡11與半透反射鏡1112相對 應(yīng)。如圖2所示的電子散斑干涉系統(tǒng)測量物體的表面面形，被測物為一小球球冠，用 He-Ne激光作為光源經(jīng)擴(kuò)束鏡后照射在球冠表面上。球冠固定在一個可以在豎直平面內(nèi)做 微小轉(zhuǎn)動的參考平面2上，參考平面2與相移器10連接實(shí)現(xiàn)相移，參考光和物光經(jīng)過方棱 鏡后在(XD(攝像頭)光軸上實(shí)現(xiàn)同軸干涉，偏轉(zhuǎn)物面，通過CXD可以看到圖3所示的明暗 相間的干涉條紋。因物體表面具有一定的高度使得條紋變得彎曲，物體的高度信息包含在 彎曲的干涉條紋里。當(dāng)入射角度越大，參考光光強(qiáng)和物光光強(qiáng)越接近時，條紋彎曲越明顯， 條紋對比度越好，測量效果也就越好。
對得到的干涉條紋做等四步相移，這些明暗相間的干涉條紋會根據(jù)所加相移的大 小做一定的平移，利用相移技術(shù)可以提取出物面的相位信息，得到圖4所示的包裹相位圖。 由于相位被包裹在(-η，^O之間，需要用相位展開算法把相位連續(xù)化求出球冠的真實(shí)相 位，如圖5所示。根據(jù)相位和高度的映射關(guān)系(13)式可得出物面的高度分布。圖6是由相 移法得到的球冠的三維面形網(wǎng)格圖，圖7是物面的等高線圖。由結(jié)果可以看出，利用電子散斑干涉相移法可以測量物體的表面面形。用電子散 斑干涉產(chǎn)生平行的干涉調(diào)制條紋，即使條紋稀疏也能經(jīng)精確解調(diào)出物體的相位，因此測量 精度較高。但由于相移裝置的系統(tǒng)誤差，使測量結(jié)果受到一定的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，相移電子散斑干涉技術(shù)可以測量物體面形。由于是采用散 斑干涉的方法產(chǎn)生干涉條紋，因此該方法測量物體面形具有靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，由于采用相 移技術(shù)提取相位信息，測量精度也高。
權(quán)利要求
一種利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的方法，其特征在于，包括以下步驟1)將被測物體固定在一參考平面上，參考平面與一相移器連接，參考平面大于被測物體，參考平面能夠在豎直平面內(nèi)做小于5度角的轉(zhuǎn)動；2)將被測物體連同參考平面一起做小于5度角的偏轉(zhuǎn)，利用光的干涉，在被測物體表面產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，即通過物體的偏轉(zhuǎn)利用電子散斑干涉在物體表面產(chǎn)生干涉條紋；3)通過相移器對被測物體表面施加相移使物光的光程發(fā)生改變，進(jìn)而引起參考光和物光的相位差的改變，對步驟2)得到的彎曲的干涉條紋做等四步相移，這些明暗相間的干涉條紋會根據(jù)所加相移的大小做相應(yīng)的平移，利用相移技術(shù)提取出物面的相位信息，得到包裹相位圖，由于相位被包裹在( π，π)之間，用相位展開算法把相位連續(xù)化求出被測物體的真實(shí)相位；根據(jù)相位和高度的映射關(guān)系得出物面的高度分布，從而得到物體的面形。
2.一種利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的系統(tǒng)，其特征在于其包括激光 器、相移器和攝像頭，各元器件位置關(guān)系如下激光器與半透反射鏡I相對應(yīng)，半透反射鏡I 分別與擴(kuò)束鏡I和反射鏡I相對應(yīng)，反射鏡I、反射鏡II和反射鏡III依次相對應(yīng)，反射鏡 III與擴(kuò)束鏡II相對應(yīng)，擴(kuò)束鏡II與半透反射鏡II相對應(yīng)，半透反射鏡II與攝像頭相對 應(yīng)；擴(kuò)束鏡I與設(shè)置于參考平面上的被測物體相對應(yīng)，參考平面與一相移器連接，被測物體 與透鏡相對應(yīng)，透鏡與半透反射鏡II相對應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用電子散斑相移技術(shù)測量物體三維面形的方法，1)將被測物體固定在一參考平面上，參考平面與一相移器連接，參考平面能夠在豎直平面內(nèi)做轉(zhuǎn)動；2)將被測物體連同參考平面一起做小于5度角的微小偏轉(zhuǎn)，利用光的干涉，在被測物體表面產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋；3)通過相移器對被測物體表面施加相移使參考光和物光的光程差發(fā)生改變，對步驟2)得到的彎曲的干涉條紋做等四步相移，這些明暗相間的干涉條紋會根據(jù)所加相移的大小做相應(yīng)的平移，用四步相位算法得到包裹相位圖，由于相位被包裹在(-π，π)之間，用相位展開算法把相位連續(xù)化求出被測物體的真實(shí)相位；根據(jù)相位和高度的映射關(guān)系得出物面的高度分布，得到物體的面形。本發(fā)明同時還公開了此方法的系統(tǒng)。
文檔編號G01B11/25GK101915559SQ201010242648
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月2日
發(fā)明者孫平, 趙瑞東 申請人:山東師范大學(xué)