凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法及系统。该系统包括计算机、CCD相机、凹面镜、液晶显示屏和第一高精度水平移动导轨。该方法中根据凹面镜成像原理，液晶显示屏显示的条纹图像经凹面镜反射后，再根据条纹反射原理，液晶显示屏上条纹图经凹面镜反射后的像再经待测镜面物体反射，CCD相机采集经待测镜面物体反射后的变形条纹图；经过条纹信息的解调，计算得到展开相位；再通过相位与深度间的映射关系，恢复待测镜面物体表面三维形貌数据，解决传统测量系统中由于相机景深限制造成离焦现象带来的相位获取不准确问题，测量精度高。测量精度高。测量精度高。

【技术实现步骤摘要】
凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及光学非接触式镜面物体三维形貌测量领域，具体为一种凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法及系统。

技术介绍

[0002]随着工业制造的发展，在航空航天、汽车工业、人工智能等领域存在着大量的镜面元件，精确获取其表面三维形貌对提高元件性能具有重要意义。但是由于镜面物体的反射特性，其反射光线完全受限于物面法线，相机无法任意摆放观测镜面物体三维形貌。因此，镜面物体表面三维形貌数据的精确获取一直是研究的热点和难点。
[0003]光学三维形貌测量技术由于具有非接触测量、采集速度快、全场、高精度和动态范围大等优点，被广泛应用于镜面物体的三维形貌测量中。但该测量技术仍处于发展阶段，近年来许多国内外学者进行了大量的研究。具体如下所示：
[0004]文献《Markus C.Knauer,Jurgen Kaminski,Gerd Hausler.Phase measuring deflectometry:anew approach to measure specular free
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form surfaces[P].SPIE Photonics Europe,2004.》中，利用计算机、液晶显示屏和两个CCD相机组成镜面物体三维测量系统。两个相机分别从不同视角采集待测镜面物体表面变形条纹。根据入射光线和出射光线得到表面法向量，求得梯度数据。通过系统标定数据，利用数值积分获得镜面物体表面数据。该方法需要对两个相机进行标定，工作复杂；且通过积分恢复物体表面数据容易造成误差的累积，影响测量精度；同时也无法对大梯度和不连续镜面进行测量。
[0005]文献《刘元坤,苏显渝,姜美花等.基于相移和非相干成像的反射镜面形测量方法[J].光电子
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激光,2006,17(004):458
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463.》中，利用计算机、液晶显示屏、CCD相机组成镜面物体测量系统，分别在液晶显示屏上显示横竖条纹，经参考镜面或待测镜面反射后，CCD相机从另一视角采集变形后的条纹。建立相位与梯度间的对应关系，然后通过梯度积分获得镜面物体表面三维形貌。该方法系统结构简单，操作方便，但测量过程中需要分别显示横竖条纹，耗时长；且积分结果需要不断迭代以得到最精确测量数据，计算过程复杂；而且不适用于复杂镜面、大梯度和不连续镜面的测量。
[0006]文献《Zonghua Zhang,Yue Liu,Shujun Huang,et al.Full
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field 3D shape measurement of specular surfaces by direct phase to depth relationship[P].SPIE/COS Photonics Asia,2016.》中，利用计算机、两个液晶显示屏、半透半反镜、CCD相机组成镜面物体三维测量系统。该系统直接建立相位与深度之间的关系，无需积分，可以实现大梯度、非连续镜面物体的测量。但半透半反镜的引入，限制了测量视场的大小，无法测量大尺寸的镜面物体。
[0007]通过上述文献可以看出，镜面物体光学三维形貌测量主要通过条纹反射方法。虽然该方法得到了广泛的研究，但仍然存在许多问题。为实现复杂、大梯度、非连续镜面物体三维形貌测量，需要建立相位与深度之间的直接对应关系。现有方法由于受到相机镜头有限景深范围的影响，液晶显示屏上显示的条纹图经待测镜面物体反射后所成虚像位于相机
景深之外，使液晶显示屏上条纹和被测镜面无法同时清晰成像，严重影响三维测量精度。因此提供一种测量系统不受相机景深限制影响、测量精度高、硬件结构简单的非连续镜面物体测量方法为现有技术中亟待解决的难题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法及系统。
[0009]本专利技术解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0010](1)搭建测量系统：第一高精度水平移动导轨固定在光学平台上；凹面镜垂直固定于光学平台上；第一高精度水平移动导轨与凹面镜的主轴相互平行；液晶显示屏设置于第一高精度水平移动导轨上，液晶显示屏垂直于光学平台且能够沿第一高精度水平移动导轨直线移动；凹面镜所在平面和液晶显示屏相互平行，凹面镜所在平面为过凹面镜顶点的切平面；CCD相机的光轴与光学平台平行；液晶显示屏、凹面镜和待测镜面物体在空间上呈三角测量关系；凹面镜、待测镜面物体和CCD相机在空间上呈三角测量关系；计算机分别与CCD相机和液晶显示屏通讯连接；
[0011](2)标定测量系统：
[0012]首先将标定用平面反射镜和第二高精度水平移动导轨置于测量系统中：第二高精度水平移动导轨固定在光学平台上，凹面镜的主轴、第一高精度水平移动导轨和第二高精度水平移动导轨相互平行；标定用平面反射镜垂直于光学平台且能够沿第二高精度水平移动导轨直线移动；凹面镜所在平面、液晶显示屏和标定用平面反射镜相互平行；液晶显示屏、凹面镜和标定用平面反射镜在空间上呈三角测量关系；凹面镜、标定用平面反射镜和CCD相机在空间上呈三角测量关系；
[0013]再根据CCD相机采集的条纹图像将液晶显示屏和标定用平面反射镜置于凹面镜二倍焦距位置处，液晶显示屏和标定用平面反射镜关于凹面镜的主轴对称，此位置的液晶显示屏为位置一；根据此时标定用平面反射镜的位置标定CCD相机的景深范围，使标定用平面反射镜位于该景深范围内；
[0014]再利用第一高精度水平移动导轨将液晶显示屏移动一个距离，同时液晶显示屏位于CCD相机的景深范围，此位置的液晶显示屏为位置二；利用第二高精度水平移动导轨将标定用平面反射镜移动一个距离，移动方向与液晶显示屏的移动方向相反；CCD相机采集此时经过标定用平面反射镜反射后的条纹图像，计算机分析条纹图像的正弦特性，同时根据凹面镜的成像原理，将此时理论上条纹图像的正弦特性与实际分析得到的条纹图像的正弦特性进行比较，确定标定用平面反射镜的位置；
[0015]处于位置一的液晶显示屏显示的正弦条纹经凹面镜反射后显示在标定用平面反射镜中的像与处于位置二的液晶显示屏显示的正弦条纹经凹面镜反射后显示在标定用平面反射镜中的像之间的距离为d；
[0016](3)利用第二高精度水平移动导轨将标定用平面反射镜移动至液晶显示屏位于位置一处时的所在位置，此时标定用平面反射镜作为参考镜面，分别计算两个位置处的液晶显示屏的相位信息：
[0017]首先利用计算机生成三组正弦条纹，每组包含四幅彼此间有π/2相位移动量的正弦条纹；
[0018]处于位置一的液晶显示屏显示三组正弦条纹，依次经凹面镜和参考镜面反射后，CCD相机采集反射后的三组条纹图像；计算机处理CCD相机采集的条纹图像，将每组四幅彼此间有π/2相位移动量的正弦条纹利用四步相移法得到一个折叠相位，一共得到三组折叠相位，再通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种凹面镜辅助成像的镜面物体三维形貌测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)搭建测量系统：第一高精度水平移动导轨固定在光学平台上；凹面镜垂直固定于光学平台上；第一高精度水平移动导轨与凹面镜的主轴相互平行；液晶显示屏设置于第一高精度水平移动导轨上，液晶显示屏垂直于光学平台且能够沿第一高精度水平移动导轨直线移动；凹面镜所在平面和液晶显示屏相互平行，凹面镜所在平面为过凹面镜顶点的切平面；CCD相机的光轴与光学平台平行；液晶显示屏、凹面镜和待测镜面物体在空间上呈三角测量关系；凹面镜、待测镜面物体和CCD相机在空间上呈三角测量关系；计算机分别与CCD相机和液晶显示屏通讯连接；(2)标定测量系统：首先将标定用平面反射镜和第二高精度水平移动导轨置于测量系统中：第二高精度水平移动导轨固定在光学平台上，凹面镜的主轴、第一高精度水平移动导轨和第二高精度水平移动导轨相互平行；标定用平面反射镜垂直于光学平台且能够沿第二高精度水平移动导轨直线移动；凹面镜所在平面、液晶显示屏和标定用平面反射镜相互平行；液晶显示屏、凹面镜和标定用平面反射镜在空间上呈三角测量关系；凹面镜、标定用平面反射镜和CCD相机在空间上呈三角测量关系；再根据CCD相机采集的条纹图像将液晶显示屏和标定用平面反射镜置于凹面镜二倍焦距位置处，液晶显示屏和标定用平面反射镜关于凹面镜的主轴对称，此位置的液晶显示屏为位置一；根据此时标定用平面反射镜的位置标定CCD相机的景深范围，使标定用平面反射镜位于该景深范围内；再利用第一高精度水平移动导轨将液晶显示屏移动一个距离，同时液晶显示屏位于CCD相机的景深范围，此位置的液晶显示屏为位置二；利用第二高精度水平移动导轨将标定用平面反射镜移动一个距离，移动方向与液晶显示屏的移动方向相反；CCD相机采集此时经过标定用平面反射镜反射后的条纹图像，计算机分析条纹图像的正弦特性，同时根据凹面镜的成像原理，将此时理论上条纹图像的正弦特性与实际分析得到的条纹图像的正弦特性进行比较，确定标定用平面反射镜的位置；处于位置一的液晶显示屏显示的正弦条纹经凹面镜反射后显示在标定用平面反射镜中的像与处于位置二的液晶显示屏显示的正弦条纹经凹面镜反射后显示在标定用平面反射镜中的像之间的距离为d；(3)利用第二高精度水平移动导轨将标定用平面反射镜移动至液晶显示屏位于位置一处时的所在位置，此时标定用平面反射镜作为参考镜面，分别计算两个位置处的液晶显示屏的相位信息：首先利用计算机生成三组正弦条纹，每组包含四幅彼此间有π/2相位移动量的正弦条纹；处于位置一的液晶显示屏显示三组正弦条纹，依次经...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗华，李梓瑜，高楠，孟召宗，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：