[发明专利]高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法及装置

权利要求书

1.一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，包括下列步骤：

借助于精密运动控制系统实现被测物体三自由度运动；

使用光栅投影装置向被测物体表面投射编码光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的变形条纹图；

使用数字相移技术和相位展开算法从变形条纹图中获得被测物体表面的相位分布信息；

使用虚拟参考面技术获取参考相位分布；

采用基于迭代的三维重建模型，通过分析相位偏移信息与被测物体表面梯度的关系，由梯度恢复被测物体相应区域的三维形貌信息。

2.如权利要求1所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，在基于迭代的三维重建模型中，由梯度到面形的重建过程是基于积分运算，具体分为局部积分和全局积分；基于局部积分的算法为路径积分法，即利用梯度数据通过计算局部梯度增量进行曲线积分，得到路径上各点的相对高度值，进而完成被测物体表面各点高度计算；基于全局积分的算法为区域波前重构法，应用于高反射自由曲面三维形貌重建中时，将波前视为待求自由曲面的表面高度，以测量所得水平和垂直方向的梯度值作为测量点，以待求高度的被测物体表面各点为重构点。

3.如权利要求1所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，投射的编码光栅条纹为幅值、相位和投射方向可调的正弦光栅条纹、余弦光栅条纹、频率和方向不同的两种光栅条纹组合形成的复合光栅条纹、莫尔条纹、灰度编码光栅条纹及彩色光栅条纹中的一种。

4.如权利要求1所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，使用数字相移技术获取变形光栅条纹的折叠相位信息，使用相位展开算法将折叠相位展开为连续相位分布，其中，使用的数字相移技术为等间隔数字相移，相移步数为三步、四步、五步或七步；使用的相位展开算法为空域相位展开算法或时域相位展开算法。

5.如权利要求1所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，虚拟参考面技术使用特殊的投影方式，即通过向标定用平面镜投射一幅标记棋盘格图像，利用平面镜标定得到的相位信息建立的一个带有参考相位信息的平面镜虚像，在系统标定阶段即可一次性获取水平和垂直方向的参考相位。

6.如权利要求1所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，在基于迭代的三维重建模型中，通过建立相位偏移信息与被测物体表面梯度间的对应关系，采用基于全局积分的绍契威尔区域波前重构算法和基于局部积分的路径积分法相结合的方法，以路径积分法计算得到的被测物体表面形貌数据作为绍契威尔区域波前重构算法的初始值，由梯度值重建被测物体三维形貌；重建前，为满足重建所要求的边界闭合条件，保证边界的平滑性，利用光栅条纹的相移特性对被测物体表面区域进行提取，整个重建过程只在提取后的区域内进行。

7.如权利要求6所述的高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，其特征是，利用光栅条纹的相移特性对被测物体表面区域进行提取是对被测物体的相应区域的轮廓提取，是通过相移条纹的排列顺序进行分组，对各组条纹分别进行相位展开、阈值分割、灰度值叠加、模式聚类等一系列操作来实现的。

8.一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量装置，其特征是，包括：

放置在光学隔振平台上的精密运动控制系统，精密运动控制系统由精密位移平台、精密旋转平台和精密角位平台组成，用于控制被测物体实现三自由度运动；

LCD液晶屏幕光栅投影装置，沿光学隔振平台的法线方向投射编码光栅条纹；

科学级CCD摄像机图像采集装置，沿与光栅投射方向成一定角度的方向接收经被测物体表面调制的变形光栅条纹；

标定用平面镜，用于固定在载物台上，配合精密运动控制平台，采用Tsai方法对CCD摄像机内参数进行标定，采用虚拟参考面技术获取参考相位。

计算机，用于产生幅度、周期、方向均可调节的编码光栅条纹，经LCD液晶屏投射到被测物体表面。