基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置和方法；其包括半導體激光器、透鏡、平行平板組、CCD相機及數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明采用非平行的相關光源，通過透鏡和平行平板組組成的光學系統(tǒng)向待測量物體投影大面積干涉條紋，并由CCD相機接收經(jīng)待測量物體所調(diào)制的畸變干涉條紋陣列圖像，再利用數(shù)據(jù)處理單元進行圖像處理，重建待測量物體表面三維輪廓，實現(xiàn)對待測量物體光學輪廓測量，具有快速、非接觸、高精度、大面積的特點，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置和方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于三維面形測量技術領域，尤其涉及一種基于雙波面干涉條紋陣列的大 面積光學輪廓測量裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 隨著計算機、信息處理、光電子技術的快速發(fā)展，光學三維測量技術得到了廣泛地 應用。尤其是在工業(yè)制造、產(chǎn)品檢驗、反求工程、生物醫(yī)學、影視特技、文物保護等領域，三維 面形測量技術具有廣闊的應用前景和研究意義。光學三維測量技術因其具有快速、非接觸、 高精度，被公認為是最有前途的三維面形測量方法。
[0003] (1)面結構光投影
[0004] 基于結構光投影的三維測量方法是現(xiàn)有的三維測量方法之一，其結構光是由結構 光投射器經(jīng)過光學結構產(chǎn)生可控制的光點、光條或光面結構，屬于非相干光測量方法。對于 面結構光投影的原理是通過系統(tǒng)幾何關系向物體投影正弦條紋圖像，由CCD相機拍攝經(jīng)被 測物體所調(diào)制的變形條紋圖像，通過對調(diào)制相位信息進行解調(diào)，恢復重建物體三維輪廓形 狀。結構光方法的缺點是易受環(huán)境光干擾、鏡面目標難以測量，測量面積體小等缺點。
[0005] (2)線結構光法
[0006] 線結構光測量系統(tǒng)由線激光器、CCD相機以及被測物體組成。激光向物體投射一條 光束，光束到物體表面形成一個光條，光條由于物體表面深度的變化以及可能的間隙而受 到調(diào)制，表現(xiàn)在圖像中則是光條發(fā)生畸變和不連續(xù)，畸變的程度與物體表面深度成正比。因 此，將光條在被測物體上進行掃描，利用CCD相機記錄光條的圖像信息，通過分析光條畸變 情況，可重構物體表面的三維形貌信息。線結構光法的缺點是需要進行將光條在被測物體 上掃描，測量速度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的發(fā)明目的是:為了解決現(xiàn)在技術中存在的以上問題，本發(fā)明提出了一種 測量速度快、測量范圍大的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量裝置和方法。
[0008] 本發(fā)明的技術方案是：一種基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量裝 置，包括：
[0009] 半導體激光器，用于發(fā)射相干激光；
[0010]透鏡，用于接收半導體激光器發(fā)射的相干激光并進行轉換；
[0011] 平行平板組，用于接收透鏡轉換后的光束并進行變換，將變換后的光束投射至待 測量物體表面；
[0012] 所述平行平板組包括與相干激光入射方向呈夾角放置的第一平行平板和與相干 激光入射方向垂直放置的第二平行平板；
[0013] CCD相機，用于接收待測量物體表面形成的干涉條紋陣列圖像；
[0014] 及數(shù)據(jù)處理單元，用于對CCD相機接收到的干涉條紋陣列圖像進行處理，完成待測 量物體光學輪廓測量。
[0015] 進一步地，所述相干激光入射方向平行于透鏡主光軸。
[0016] 進一步地，所述相干激光和透鏡轉換后的光束均為高斯光束。
[0017] 進一步地，所述平行平板組接收透鏡轉換后的光束并進行變換，將變換后的光束 投射至待測量物體表面具體為:透鏡轉換后的光束穿過第一平行平板后投射在第二平行平 板，經(jīng)第二平行平板的兩個表面反射后再由第一平行平板的一個表面進行反射，從而投射 至待測量物體表面。
[0018] 進一步地，所述C⑶相機的鏡頭設置有光學濾波片。
[0019] 本發(fā)明還提出了一種應用權利要求1中所述裝置的基于雙波面干涉條紋陣列的大 面積光學輪廓測量方法，包括以下步驟：
[0020] A、利用本發(fā)明的所述裝置，采用鎖定成像方法獲取待測量物體表面形成的干涉條 紋陣列圖像；
[0021] B、依次提取步驟A中得到的干涉條紋陣列圖像中一條干涉條紋的信息參數(shù)，并對 該條干涉條紋進行畸變校正處理；
[0022] C、對步驟B中畸變校正處理后的干涉條紋進行細化處理，得到干涉條紋像素骨架； [0023] D、判斷所有干涉條紋是否均已細化處理;若是，則根據(jù)所有干涉條紋像素骨架提 取待測量物體的高度信息，實現(xiàn)對待測量物體光學輪廓測量;若否，則返回步驟B。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用非平行的相關光源，通過透鏡和平行平板組組 成的光學系統(tǒng)向待測量物體投影大面積干涉條紋，并由CCD相機接收經(jīng)待測量物體所調(diào)制 的畸變干涉條紋陣列圖像，再利用數(shù)據(jù)處理單元進行圖像處理，重建待測量物體表面三維 輪廓，實現(xiàn)對待測量物體光學輪廓測量，具有快速、非接觸、高精度、大面積的特點，具有廣 闊的應用前景。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量裝置結構示意 圖。
[0026] 圖2是本發(fā)明的透鏡對高斯光束轉換示意圖。
[0027] 圖3是本發(fā)明的第二平行平板對高斯光束轉換示意圖。
[0028] 圖4是本發(fā)明的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量方法流程示意 圖。
[0029] 圖5是本發(fā)明實施例中的干涉條紋陣列圖像示意圖。
[0030] 圖6是本發(fā)明實施例中的干涉條紋陣列圖像局部放大示意圖。
[0031] 圖7是本發(fā)明實施例中進行圖像處理后的干涉條紋陣列示意圖。
【具體實施方式】
[0032]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0033]如圖1所示，為本發(fā)明的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量裝置結 構示意圖。本發(fā)明的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量裝置，包括：
[0034] 半導體激光器1，用于發(fā)射相干激光；
[0035] 透鏡2,用于接收半導體激光器發(fā)射的相干激光并進行轉換；
[0036] 平行平板組，用于接收透鏡轉換后的光束并進行變換，將變換后的光束投射至待 測量物體表面；
[0037] 所述平行平板組包括與相干激光入射方向呈夾角放置的第一平行平板3和與相干 激光入射方向垂直放置的第二平行平板4;
[0038] CCD相機5,用于接收待測量物體表面形成的干涉條紋陣列圖像；
[0039]及數(shù)據(jù)處理單元6,用于對CCD相機5接收到的干涉條紋陣列圖像進行處理，完成待 測量物體光學輪廓測量。
[0040]本發(fā)明的半導體激光器1采用大功率非平行的相干光源，用于發(fā)射相干激光，具有 體積小、壽命長的優(yōu)點，并可采用簡單的注入電流的方式來栗浦，其光學諧振腔是介質波導 腔，振蕩模式是介質波導模。當采用半導體激光器1作為光源時，相干激光作為高斯光束來 處理。對沿z軸方向傳播的基模高斯光束，均可表示為如下的一般形式：
[0043] c為常數(shù)因子，wo為基膜高斯光束的腰斑半徑，f為高斯光束的共焦參數(shù)，R(z)為與 傳播曲線相交于z點的高斯光束等相位面的曲率半徑，w(z)為與傳播軸線相交于z點的高斯 光束等相位面上的光斑半徑。
[0044] 如圖2所示，為本發(fā)明的透鏡對高斯光束轉換示意圖。本發(fā)明的透鏡2用于接收半 導體激光器1發(fā)射的相干激光并進行轉換，半導體激光器1發(fā)射的相干激光入射方向平行于 透鏡2主光軸。Ml表示高斯光束入射在透鏡2表面上的波面，M2表示高斯光束穿過透鏡2出射 的波面，由于高斯光束的等相位面為球面，經(jīng)透鏡2后背轉換成為另一球面波面M2而出射， 由于透鏡2很薄，所以在緊挨透鏡2的兩方的波面Ml及M2上的光斑大小及光強分布都應該完 全一樣，= 。因此高斯光束經(jīng)過透鏡2變換后得到具有高斯型強度分布的另一球面波 面，出射光束繼續(xù)傳輸時仍為高斯光束。
[0045] 本發(fā)明的平行平板組包括與相干激光入射方向呈夾角放置的第一平行平板3和與 相干激光入射方向垂直放置的第二平行平板4，用于接收透鏡2轉換后的光束并進行變換， 將變換后的光束投射至待測量物體表面;具體為透鏡2轉換后的光束穿過第一平行平板3后 投射在第二平行平板4,經(jīng)第二平行平板4的兩個表面反射后再由第一平行平板3的一個表 面進行反射，從而投射至待測量物體表面。第一平行平板3和第二平行平板4均為光學平行 平板，第一平行平板3包含A、B兩個平行表面，第二平行平板4包含C、D兩個平行表面;第一平 行平板3設置在透鏡2的出射光路上，高斯光束通過其A表面入射，再由其B表面出射;第二平 行平板4設置在第一平行平板3的出射光路上，高斯光束投射在其C表面，一部分高斯光束直 接反射，另一部分高斯光束通過C表面入射，再由其D表面反射后通過C表面出射，從而將高 斯光束分裂為兩個近似球波面，在兩個球面波重疊區(qū)域產(chǎn)生大面積細密的平行干涉條紋陣 列。
[0046] 如圖3所示，為本發(fā)明的第二平行平板對高斯光束轉換示意圖，wi(z)，W2(z)，W3(z) 分別是入射光高斯光束，C表面直接反射的反射光高斯光束，經(jīng)過D表面反射后的反射光高 斯光束;Mi，M2，M 3分別是入射光的波陣面，C表面直接反射的反射光波陣面，經(jīng)過D表面反射 后的反射光波陣面;〇，(^，〇〃分別是入射光高斯光束z = 0處的中心，C表面直接反射的反射 光高斯光束z' =0處的中心，經(jīng)過D表面反射后的反射光高斯光束z〃=0處的中心;RKz)，!^ (z )，R3 (z)分別是入射光的高斯光束等相位面的曲率半徑，C表面直接反射的反射光的高斯 光束等相位面的曲率半徑，經(jīng)過D表面反射后的反射光的高斯光束等相位面的曲率半徑。C 表面直接反射的高斯光束和經(jīng)過D表面反射后的高斯光束都經(jīng)過第一平行平板3的B表面反 射并投射至待測量物體表面，從而產(chǎn)生經(jīng)待測量物體所調(diào)制的大面積畸變干涉條紋陣列圖 像。
[0047] 本發(fā)明的CCD相機5用于接收待測量物體反射其表面形成的干涉條紋陣列圖像，其 鏡頭設置有光學濾波片，能夠有效的濾除大量環(huán)境光，同時采用激光鎖定成像方法消除環(huán) 境光并增強微弱激光信號，使得測量精度得到明顯提高。
[0048]本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理單元6采用安裝有圖形處理軟件的計算機，其用于對CCD相機5 接收到的干涉條紋陣列圖像進行處理，完成待測量物體光學輪廓測量;具體為根據(jù)干涉條 紋陣列圖像提取待測量物體高度信息圖像，通過定量分析畸變條紋的畸變程度，得到待測 量物體高度信息，從而完成待測量物體光學輪廓測量。
[0049] 為了對本發(fā)明的技術方案作進行進一步詳細說明，本發(fā)明還提出了一種應用權利 要求1中所述裝置的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量方法。如圖4所示，為 本發(fā)明的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量方法流程示意圖，包括以下步 驟：
[0050] A、利用本發(fā)明的所述裝置，采用鎖定成像方法獲取待測量物體表面形成的干涉條 紋陣列圖像；
[0051] B、依次提取步驟A中得到的干涉條紋陣列圖像中一條干涉條紋的信息參數(shù)，并對 該條干涉條紋進行畸變校正處理；
[0052] C、對步驟B中畸變校正處理后的干涉條紋進行細化處理，得到干涉條紋像素骨架； [0053] D、判斷所有干涉條紋是否均已細化處理;若是，則根據(jù)所有干涉條紋像素骨架提 取待測量物體的高度信息，實現(xiàn)對待測量物體光學輪廓測量;若否，則返回步驟B。
[0054] 在步驟A中，利用本發(fā)明的基于雙波面干涉條紋陣列的大面積光學輪廓測量裝置， 采用激光鎖定成像方法獲取待測量物體表面形成的干涉條紋陣列圖像，這里的干涉條紋陣 列圖像為經(jīng)待測量物體所調(diào)制的畸變圖像。如圖5所示，為本發(fā)明實施例中的干涉條紋陣列 圖像示意圖。如圖6所示，為本發(fā)明實施例中的干涉條紋陣列圖像局部放大示意圖。
[0055] 在步驟B中，本發(fā)明分別依次提取步驟A中得到的干涉條紋陣列圖像中的每一條干 涉條紋的信息參數(shù)，并對所提取的該條干涉條紋進行畸變校正處理。
[0056] 在步驟C中，對步驟B中所提取的干涉條紋再進行細化處理，獲取該干涉條紋的單 像素輪廓線，從而得到干涉條紋像素骨架。如圖7所示，為本發(fā)明實施例中進行圖像處理后 的干涉條紋陣列示意圖。
[0057] 在步驟D中，本發(fā)明需要對步驟A中的干涉條紋陣列圖像中的每一條干涉條紋進行 處理，因此需要判斷干涉條紋陣列圖像中所有干涉條紋是否均已細化處理;若所有干涉條 紋均已進行細化處理后，即得到了所有干涉條紋的像素骨架，則根據(jù)所有干涉條紋像素骨 架提取待測量物體的高度信息，實現(xiàn)對待測量物體光學輪廓測量;若不是所有干涉條紋均 已進行細化處理，即還有干涉條紋未進行細化處理，則返回步驟B，重新提取未進行處理的 干涉條紋。由于待測量物體的3D輪廓是一系列2D輪廓線的集合，因此本發(fā)明對每一條激光 條紋獲取2D輪廓線，再沿光軸方向排列若干條輪廓線即構成待測量物體表面3D輪廓網(wǎng)。
[0058] 本發(fā)明采用大面積的干涉陣列進行投影，因此具有測量范圍大、測量精度高的特 點，大大提高了系統(tǒng)的實用性和可靠性，在CCD相機所拍攝的范圍內(nèi)都能復原物體表面的三 維輪廓，因此測量速度快，故具有良好的發(fā)展前景。
[0059] 本方案的實驗結果可清楚的看到清晰的干涉條紋陣列，所獲得干涉陣列條紋具有 面積大，條紋間距小的特點，
[0060] 本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的 普通技術人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質的其它各 種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1. 一種基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置，其特征在于，包括： 半導體激光器，用于發(fā)射相干激光； 透鏡，用于接收半導體激光器發(fā)射的相干激光并進行轉換； 平行平板組，用于接收透鏡轉換后的光束并進行變換，將變換后的光束投射至待測量 物體表面； 所述平行平板組包括與相干激光入射方向呈夾角放置的第一平行平板和與相干激光 入射方向垂直放置的第二平行平板； CCD相機，用于接收待測量物體表面形成的干涉條紋陣列圖像； 及數(shù)據(jù)處理單元，用于對CCD相機接收到的干涉條紋陣列圖像進行處理，完成待測量物 體光學輪廓測量。2. 如權利要求1所述的基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置，其特征在 于，所述相干激光入射方向平行于透鏡主光軸。3. 如權利要求2所述的基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置，其特征在 于，所述相干激光和透鏡轉換后的光束均為高斯光束。4. 如權利要求3所述的基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置，其特征在 于，所述平行平板組接收透鏡轉換后的光束并進行變換，將變換后的光束投射至待測量物 體表面具體為:透鏡轉換后的光束穿過第一平行平板后投射在第二平行平板，經(jīng)第二平行 平板的兩個表面反射后再由第一平行平板的一個表面進行反射，從而投射至待測量物體表 面。5. 如權利要求4所述的基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量裝置，其特征在 于，所述CCD相機的鏡頭設置有光學濾波片。6. -種應用權利要求1中所述裝置的基于雙波面干涉條紋陣列大面積光學輪廓測量方 法，其特征在于，包括以下步驟： A、 利用如權利要求1中所述裝置，采用鎖定成像方法獲取待測量物體表面形成的干涉 條紋陣列圖像； B、 依次提取步驟A中得到的干涉條紋陣列圖像中一條干涉條紋的信息參數(shù)，并對該條 干涉條紋進行畸變校正處理； C、 對步驟B中畸變校正處理后的干涉條紋進行細化處理，得到干涉條紋像素骨架； D、 判斷所有干涉條紋是否均已細化處理;若是，則根據(jù)所有干涉條紋像素骨架提取待 測量物體的高度信息，實現(xiàn)對待測量物體光學輪廓測量;若否，則返回步驟B。
【文檔編號】G01B11/24GK105865369SQ201610343470
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】余學才, 肖景天, 任華西, 王曉龐
【申請人】電子科技大學