[发明专利]物体三维轮廓测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种物体三维轮廓测量装置，其特征在于由激光二极管(1)、透镜(2)、小孔光阑(3)、二维达曼光栅(4)、柱面镜(5)、面阵CCD相机(6)、传输线(7)和计算机(8)构成，各部件的连接关系是：所述的激光二极管(1)发出的光束依次经过透镜(2)、小孔光阑(3)、二维达曼光栅(4)和柱面镜(5)后，形成一维投影阵列条纹，照明待测目标的表面(S)，由所述的面阵CCD相机(6)采集被测量目标表面(S)三维面形调制的光栅投影条纹，经传输线(7)输入所述的计算机(8)，所述计算机(8)具有图像采集接口、图像采集软件和三维测量信息重建算法软件。

2.根据权利要求1所述的物体三维轮廓测量装置，其特征在于所述的二维达曼光栅(4)的空间分束比为N×N，该N为2以上的正整数，对所述的激光二极管(1)的波长的衍射图样为正方形的均匀点阵分布。

3.利用权利要求1所述的物体三维轮廓测量装置进行物体三维轮廓的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

①调整透镜(2)、二维达曼光栅(4)和柱面镜(5)相互之间的距离，在投影参考平面(P₂)上形成清晰分布的一维投影阵列条纹；

②采集参考平面(P₂)上的参考条纹图像：测量物体三维面形之前，调整面阵CCD相机(6)的对焦位置，使参考条纹在面阵CCD相机(6)上清晰成像，采集一幅参考平面上的条纹图像作为参考条纹图像，存储于计算机(8)中；

③对所述的参考条纹图像进行数字图像处理和分析，得到参考条纹图像的复数信号：并存储在所述的计算机(8)中；

④采集待测目标上的形变光栅条纹图像：将待测目标放置在参考平面(P2)上，采集待测目标三维面形调制而产生的形变光栅条纹图像，存储于所述的计算机(8)中；

⑤对所述的形变光栅条纹图像进行数字图像处理和分析，得到形变条纹图样的复数信息：并存储在所述的计算机(8)中；

⑥计算所述的参考条纹图像和形变条纹图像包含的信息差值，即相位差值：将所述的参考条纹图像的复数信息和所述的形变条纹图像的复数信息代入下式进行计算：

得到两幅图像的位相差；

⑦对所述的位相差进行相位展开，并重构物体的三维面形信息：对所述的位相差进行相位展开，得到展开后的相位差值后，再利用重构出所测目标的三维面形分布；

上述式中：L表示图像采集光路的入瞳和光栅投影光路之间的距离，L为已知量，L₀表示图像采集光路入瞳和参考平面的距离，为已知量，r₀(x，y)表示未经待测表面的表面反射，r(x，y)表示经待测表面非均匀表面反射，A₁表示1级傅立叶级数的权重因子，和分别表示条纹图像未经待测表面S调制和经过待测表面S调制的位相分布，f₀表示投影条纹的基频。

4.根据权利要求3所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的数字图像处理和分析包括：图像色彩变换、图像几何变换、数字图像滤波、傅立叶变换、自动基频滤波和傅立叶逆变换。

5.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的图像的色彩变换完成从彩色图像到灰度图像的变换。

6.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的图像的几何变换将图像像素大小裁减成2的正整数次幂，便于傅立叶变换的数字计算。

7.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的数字图像滤波包括中值滤波和均值滤波。

8.根据权利要求4所述的物体三维轮廓的测量方法，其特征在于所述的自动基频滤波是利用计算机自动搜索滤波窗函数的窗口大小，通过设定阈值的方式从最大值位置向两边进行搜索，碰到连续多个数值小于设定阈值且变化缓慢的像素点时，记录第一个像素点的位置，并设定为特征点，停止搜索，并判定到达滤波边界，且判定峰值两边特征点之间的区域即为矩形滤波窗口的范围。