一種用于三維面形測(cè)量的正交光柵相移方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種正交光柵相移方法。在傳統(tǒng)的正交光柵相移方法中，為解調(diào)出兩正交方向的相位信息，通常需對(duì)正交的兩個(gè)方向(即水平方向和垂直方向)條紋分別進(jìn)行相移，因此需要2N(N≧3)幀圖像才能得到各自的相位分布，當(dāng)采用機(jī)械裝置進(jìn)行相移時(shí)，則須采用二維平移機(jī)構(gòu)。本發(fā)明提出將正交光柵沿一特定方向進(jìn)行相移，使其水平方向條紋和垂直方向條紋的相移量具有整數(shù)倍關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交方向條紋同步相移，通過N幀相移圖像，即可計(jì)算出各方向的相位分布。本發(fā)明可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)正交方向條紋相移，當(dāng)采用機(jī)械裝置時(shí)，僅須一維平移機(jī)構(gòu)，特別適用于采用正交光柵的三維面形測(cè)量系統(tǒng)。
【專利說明】-種用于H維面形測(cè)量的正交光柵相移方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)=維傳感技術(shù)，特別是設(shè)及基于相位測(cè)量方法的=維面形測(cè)量。

【背景技術(shù)】
[0002] =維物體表面輪廓測(cè)量，即=維面形測(cè)量，在機(jī)器視覺、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)檢測(cè)、快速 成型、影視特技、產(chǎn)品質(zhì)量控制等領(lǐng)域具有重要意義。光學(xué)=維傳感技術(shù)，由于其具有非接 觸、高精度、易于自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)獲得很大發(fā)展。在現(xiàn)有的光學(xué)=維傳感技術(shù)方法中，基于 相移方法的相位測(cè)量輪廓術(shù)（Phase Measuring Profilometry，簡(jiǎn)稱PM巧和相位測(cè)量偏折 術(shù)（Phase Measuring Deflectometry,簡(jiǎn)稱PMD)等，每個(gè)像素的相位值由一系列相移圖像 計(jì)算得到，因而具有精度高等優(yōu)點(diǎn)。其中相位測(cè)量輪廓術(shù)用于測(cè)量漫反射物體；而相位測(cè) 量偏折術(shù)則可實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡面或類鏡面物體的高精度測(cè)量，與廣泛應(yīng)用的干設(shè)計(jì)量相比，相位 測(cè)量偏折術(shù)具有測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低、無需補(bǔ)償器件等優(yōu)點(diǎn)。但在相位測(cè)量偏折術(shù)的應(yīng)用 中，通常需要分別投影或顯示一維水平和垂直光柵，然后再完成各方向相移，進(jìn)而獲取相位 分布，若測(cè)量系統(tǒng)中采用機(jī)械裝置帶動(dòng)物理光柵相移時(shí)，則需在水平和垂直兩種光柵中進(jìn) 行切換，需要依次完成兩個(gè)正交方向的相移。為此Canabal等提出采用正交光柵，避免了在 水平和垂直兩種光柵之間的切換，該方法被用于莫爾偏折術(shù)中，但仍需二維平移裝置分別 完成水平和垂直方向相移，且在進(jìn)行一個(gè)方向（比如水平方向）相移時(shí)，另一方向光柵(垂直 光柵）中的低強(qiáng)度區(qū)域?qū)?huì)降低相位測(cè)量精度，為提高測(cè)量精度需要是將垂直光柵相移半 周期，對(duì)水平方向再次進(jìn)行相移測(cè)量，因此最終需要2X2XN(N > 3)幅圖像。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)采用正交光柵的相位測(cè)量方法中，為解調(diào)出兩正交方向的相位信 息，通常需對(duì)正交的兩個(gè)方向（即水平方向和垂直方向）條紋分別進(jìn)行相移，因此需要 2N(N ^ 3)帖圖像才能得到各自的相位分布，當(dāng)采用機(jī)械裝置進(jìn)行相移時(shí)，則須采用二維平 移機(jī)構(gòu)，從而增加了系統(tǒng)成本，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，并且相移過程中會(huì)出現(xiàn)固定的低強(qiáng)度 區(qū)域，為保證相位測(cè)量精度，需進(jìn)行兩次測(cè)量，提出一種正交光柵相移方法，將正交光柵沿 一特定方向進(jìn)行相移，使其水平方向條紋和垂直方向條紋的相移量具有整數(shù)倍關(guān)系，從而 實(shí)現(xiàn)兩個(gè)正交方向條紋同步相移，由于正弦光柵的移動(dòng)方向?yàn)槟骋惶囟ǚ较颍虼藘H僅需 要一維平移裝置，此外，相移過程中也不會(huì)出現(xiàn)固定的低強(qiáng)度區(qū)域，即無需拍攝額外圖像， 在實(shí)際測(cè)量中，僅需N(N > 5)幅圖像即可計(jì)算出相位分布。
[0004] 本發(fā)明的目的采用下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)： 將原獨(dú)立的水平和垂直一維正弦光柵集成為單幅正交正弦光柵圖，在相移時(shí)，采用 N(N > 5)帖滿周期相移技術(shù)進(jìn)行相移，將其中一正交方向條紋相移量設(shè)定為2 31 /N，另一正 交方向條紋相移量為化n/N，k的取值范圍為巧，N-2]，在獲取N幅圖像后，即可按照滿周 期相位計(jì)算公式求解出各方向相位分布，本發(fā)明不需要對(duì)各方向條紋進(jìn)行單獨(dú)相移，即可 計(jì)算出兩正交方向相位分布，且最少僅需5幅圖像。
[0005] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、 本發(fā)明將兩正交方向相移同時(shí)進(jìn)行，其最小相移帖數(shù)為N(N > 5)，即可獲取待測(cè)物 體的絕對(duì)相位分布，而傳統(tǒng)方法中需要2N幅圖像； 2、 本發(fā)明采用正交光柵相移，相移過程中不會(huì)出現(xiàn)固定的低強(qiáng)度區(qū)域，因此無需拍攝 額外圖像； 3、 本發(fā)明若采用物理光柵時(shí)，僅需一維平移臺(tái)沿一特定方向相移，在獲取N帖相移圖 像后即可計(jì)算出兩正交方向相位，而現(xiàn)有方法中，需采用二維平移臺(tái)分別對(duì)水平和垂直光 柵進(jìn)行相移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1為相位測(cè)量偏折術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)包括顯示屏、相機(jī)和待測(cè)物體； 圖2為傳統(tǒng)的=帖相移條紋圖所需的6幅圖像，分別對(duì)應(yīng)豎直條紋相移和水平條紋相 移； 圖3為本發(fā)明中提到的正交光柵相移過程示意圖； 圖4為實(shí)施例中拍攝的某一帖正交光柵圖像； 圖5為實(shí)施例中的測(cè)量結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0007] 下面結(jié)合附圖、工作原理及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[000引本發(fā)明方法既適用于相位測(cè)量偏折術(shù)同樣也適用于相位測(cè)量輪廓術(shù)。該里W基于 正交光柵相移的相位測(cè)量偏折術(shù)方法為例，其所采用的光路與傳統(tǒng)的相位測(cè)量偏折術(shù)測(cè)量 光路相似。圖1為系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)由待測(cè)物體表面、光柵顯示屏與攝像機(jī)構(gòu)成，顯示屏為 LCD顯示屏，顯示由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的正交光柵，攝像機(jī)在另一位置拍攝被物體表面反射的變形 條紋，通過分析拍攝到的圖像計(jì)算出相位分布，在預(yù)先標(biāo)定好的系統(tǒng)中，由相位分布可計(jì)算 出對(duì)應(yīng)的顯示屏坐標(biāo)，在確定入射光線I和反射光線R的方向后，即可計(jì)算出法線方向，進(jìn) 一步可計(jì)算出待測(cè)表面梯度，進(jìn)而重建出待測(cè)面形。光柵顯示屏也可W是漫反射屏，接收由 投影儀投影的正交光柵，還可W是將正交光柵圖樣通過打印、印刷、光刻等方式生成的光柵 模板。
[0009] 由計(jì)算機(jī)生成N帖正交光柵條紋圖，攝像機(jī)拍攝下得到其對(duì)應(yīng)圖像，其強(qiáng)度分布 可W表示為：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于三維面形測(cè)量的正交光柵相移方法，其特征在于：同時(shí)對(duì)正交光柵中的兩 個(gè)正交方向條紋進(jìn)行相移，當(dāng)采用N(N多5)幀滿周期相移技術(shù)進(jìn)行相移時(shí)，其中一個(gè)正交 方向條紋相移量設(shè)定為2jt/N，另一個(gè)正交方向條紋相移量為2k Jr/N，k的取值范圍為[2， N-2]，在獲取N幅圖像后，即可按照滿周期相位計(jì)算公式求解出各方向相位分布，本發(fā)明不 需要對(duì)各方向條紋進(jìn)行單獨(dú)相移。
2. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的正交光柵圖樣是采用正（余）弦周 期沿正交方向（即x和y方向）構(gòu)造具有復(fù)合相位信息的二維特征圖像。
3. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的正交光柵可以是光柵模板，通過印 刷、打印或光刻制作出權(quán)利要求2中所述的特征圖像；也可以是數(shù)字光柵，采用光電器件顯 示權(quán)利要求2中所述的特征圖像。
4. 按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說的正交光柵相移可以是將計(jì)算機(jī)產(chǎn) 生的N幅相移正交光柵圖，依次由權(quán)利要求3中所述的光電器件投影或顯示來完成相移；也 可以采用一維平移裝置移動(dòng)物理光柵實(shí)現(xiàn)相移。
【文檔編號(hào)】G01B11/25GK104501741SQ201410801132
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】劉元坤, 蘇顯渝, 張啟燦 申請(qǐng)人:四川大學(xué)