一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其主要包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台。本系统通过计算机控制正弦条纹投射系统向镜面物体的被测直接表面投射多幅相位、频率和亮度都可调的正弦条纹，然后用图像采集系统采集相应的图片信息并传输给计算机系统，再用计算机系统对这些图片信息进行处理，从而得到含有物体三维信息的相位图，最后根据相位与高度映射关系式得到镜面物体被测面的三维信息。本发明专利技术主要应用于微小尺寸镜面物体的三维形貌测量，测量范围约为4.5mm×3mm，分辨率优于5微米，三维点云间距为3.75微米。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，属于光学三维形貌测量领域。
技术介绍
随着科学技术的发展，人类观察物质世界正向微米、纳米尺度迈进，三维测量技术也逐渐从大尺寸向微小尺寸拓展，对微小尺寸镜面物体的三维形貌测量技术开始提出并应用，不仅要求观测工具有更高的分辨率，而且还要求能获取物体表面的深度信息，进而能完整精确地重现样本的三维形貌结构。对镜面物体的三维形貌测量在材料学、精密仪器、精密加工、生物医学等很多领域都有着很重要的应用价值，已成为测量领域一个研究热点和难 点。微小尺寸镜面物体的表面三维形貌不仅对接触零件的机械和物理特性起着决定作用，而且对一些非接触零件的光学和外部特性影响也很大。精确可靠地测量镜面物体的三维形貌不但能正确地识别加工过程中的变化和缺陷，而且对控制和改进加工方法、研究物体三维形貌几何特性与使用性能的关系、提高零件加工质量和产品性能有着显著意义。随着现代机械制造技术在精密加工和微型机械方向的迅速发展和走向实用，为实现加工过程中对产品质量的检测和控制，对检测手段也提出了更高的要求，不仅需要测量精度高，测量点云密集，还要求能与数控加工设备或机器人等运动机构结合，实现在加工现场的测量。然而，传统的三维形貌测量方法如飞行时间法、相位法、摄影测量法等，其测量精度不能满足镜面物体三维形貌测量的高精度要求；而现有的大部分高精度三维形貌测量方法又存在着设备价格昂贵，测量范围过小，结构复杂等弊端。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，该系统结构简单，是一种标定方法便捷的微小尺寸镜面物体三维形貌测量系统，可以实现对具有强反光表面的微小尺寸镜面物体进行高精度三维形貌测量。本专利技术的技术解决方案为一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于它包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台。它们之间的位置连接关系是基于声光偏转器的正弦条纹投射系统通过串口数据传输线与计算机系统相连，并由计算机系统控制其向位于精密平移台上镜面物体被测表面倾斜45°投射正弦条纹；图像采集系统通过超五类网线与计算机系统相连，调整图像采集系统的位置，使其物方焦平面位于精密平移台上镜面物体被测表面附近；调整快速定位系统中激光器发出的激光光斑在图像采集系统的物方焦平面上的位置，使该激光光斑在CXD相机像面所成的像正好位于CXD像面的正中心处。所述基于声光偏转器的正弦条纹投射系统由正弦条纹投射装置和会聚透镜以及整形棱镜对组成，这三者之间位置连接关系是正弦条纹投射装置的出射窗口与整形棱镜对的入瞳相接，整形棱镜对的出瞳与会聚透镜的入瞳相接；它用于向镜面物体的被测表面投射多幅频率、相位以及亮度都可调的正弦条纹。该正弦条纹投射装置由驱动信号电路、调制激光器、声光偏转器组成，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经会聚透镜聚焦产生正弦干涉条纹。该驱动信号电路由DDS芯片电路产生两路频率同为fm可调节相位值和频率值的正弦信号，其中一路与声光偏转器中心频率信号f。通过高速乘法器合成混频信号1+4和用于驱动声光偏转器，另一路信号经过倍频后，通过高速比较器产生方波信号，用于驱动调制激光器；该调制激光器是半导体激光器，激光波长为660nm，用于提供光强度可调制的激光信号；该声光偏转器的光学波长为660nm,用于调制激光光强；该会聚透镜是平凸透镜，用于控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的有效投射范围以及光束的聚焦；该整形棱镜对由两块光楔构成，用于将出射的狭长型矩形正弦条纹图案的纵向拉伸，使此矩形正弦条纹图案的纵横比例满足要求。所述图像采集系统由C⑶相机和定焦远心成像镜头组成，其间用C型接口相连；它 用于采集相应的相位图片信息并传输给计算机系统。它的使用，可以使视角和放大率在视场各点恒定，改善测量系统的光学成像质量，减少因被测物面沿光轴纵向离焦而产生的测量误差，从而有效提闻成像精度。所述快速定位系统由一个光斑质量较好的激光器构成，该激光器为线性激光器。它可用于在标定测量系统的系统参数时，使参考平面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；也可用于在正式测量时，使镜面物体的被测表面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处。所述精密平移台可选用系列超精密电控平移台。它用于承载待测的镜面物体以及在测量系统参数标定时移动指定的距离。所述计算机系统，是普通的个人台式电脑，配置要求CPU在2. 7GHz以上，内存2GB以上，配有千兆网卡和串行通讯端口。它作为整个测量系统的控制中心，用于输出控制命令控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统所投的正弦条纹的频率、相位和亮度，控制CCD相机采集相位图片信息；同时也是整个测量系统的数据处理中心，用于对所采集的相位图像数据进行图像处理，得到包含镜面物体被测物面三维形貌信息的相位图，进而根据所用测量模型的相位与高度映射关系式解算出被测物面相应的三维形貌信息。其中，该调制激光器是型号为LD1931的半导体激光器；其中，该声光偏转器是型号为DTSX-250的声光偏转器；其中，该会聚透镜的参数是其口径为25. 4mm，焦距为50. 8mm ；其中，该整形棱镜中光楔的直径为25. 4_，光楔角度为4.0° ；其中，该CCD 相机的型号为 Basler acA 1300_30gm ;其中，该定焦远心成像镜头是型号为GC0-2304的远心成像镜头；其中，该激光器是型号为GC0-3001的线性激光器；其中，该精密平移台选用ukSA50系列。本专利技术的原理是采用基于正弦条纹投射的单目测量方式，构造测量模型，根据该测量模型搭建测量镜面物体三维形貌测量系统，通过计算机系统控制正弦条纹投射系统向镜面物体的被测表面投射多幅正弦条纹，然后用图像采集系统采集相应的图片信息并传输给计算机系统，再用计算机系统对这些图片信息进行处理，从而得到含有物体三维信息的相位图，最后根据所用测量模型的相位与高度映射关系式得到镜面物体被测面的三维信息。本专利技术与现有技术相比的优点在于(I)本专利技术使用的条纹投射系统无需复杂精密的机械运动装置即可实现条纹相位的精确移动，而且可由计算机控制，快速精准地改变投射条纹的频率、相位和亮度，因此结构简单，调节方便，抗干扰能力强。(2)本专利技术的系统结构简单且易于实现，无需复杂的显微装置或者极其精密的位移装置即可实现对镜面物体的三维形貌测量，适合于小型化和集成化的应用需求，能够实现在线三维检测。(3)本专利技术通过非接触式光学测量的方式，测量的横向范围和纵向范围都相对较大，而且还可根据测量范围和测量精度的要求灵活更换光学系统中的相关部件，以满足不同的测量需求。附图说明图I为本专利技术的组成结构示意图；图2为本专利技术的基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的具体组成结构图。图中附号说明如下I :计算机系统；2 :基于声光偏转器的正弦条纹投射系统；3 :图像米集系统；4 :快速定位系统；5 :精S平移台；6 :正弦条纹投射装置；7 :整形棱镜对；8 :会聚透镜；9 :(XD相机；10 :定焦远心成像镜头；11 :驱动信号电路；12 :调制激光器；13 :声光偏转器。具体实施例方式本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于它包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台；基于声光偏转器的正弦条纹投射系统通过串口数据传输线与计算机系统相连，并由计算机系统控制其向位于精密平移台上镜面物体被测表面倾斜45°投射正弦条纹；图像采集系统通过超五类网线与计算机系统相连，调整图像采集系统的位置，使其物方焦平面位于精密平移台上镜面物体被测表面附近；调整快速定位系统中激光器发出的激光光斑在图像采集系统的物方焦平面上的位置，使该激光光斑在CCD相机像面所成的像正好位于CCD像面的正中心处； 所述基于声光偏转器的正弦条纹投射系统由正弦条纹投射装置和会聚透镜以及整形棱镜对组成；正弦条纹投射装置的出射窗口与整形棱镜对的入瞳相接，整形棱镜对的出瞳与会聚透镜的入瞳相接；它用于向镜面物体的被测表面投射多幅频率、 相位以及亮度都可调的正弦条纹；该正弦条纹投射装置由驱动信号电路、调制激光器和声光偏转器组成，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经会聚透镜聚焦产生正弦干涉条纹；该驱动信号电路由DDS芯片电路产生两路频率同为fm可调节相位值和频率值的正弦信号，其中一路与声光偏转器中心频率信号f。通过高速乘法器合成混频信号和用于驱动声光偏转器，另一路信号经过倍频后，通过高速比较器产生方波信号，用于驱动调制激光器；该调制激光器是半导体激光器，激光波长为660nm,用于提供光强度可调制的激光信号；该声光偏转器的光学波长为660nm，用于调制激光光强；该会聚透镜是平凸透镜，用于控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的有效投射范围以及光束的聚焦；该整形棱镜对由两块光楔构成，用于将出射的狭长型矩形正弦条纹图案的纵向拉伸，使此矩形正弦条纹图案的纵横比例满足要求； 所述图像采集系统由CCD相机和定焦远心成像镜头组成，其间用C型接口相连；它用于采集相应的相位图片信息并传输给计算机系统； 所述快速定位系统由一个光斑质量较好的激光器构成，该激光器为GC0-3001线性激光器，它用于在标定测量...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵慧洁，姜宏志，邹凯，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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