[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

说明书

技术领域

本发明涉及高反射表面的快速非接触检测，具体讲，涉及高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法及装置。

背景技术

自由曲面指非对称、不规则、不适合用统一的数学方程式来描述的曲面，其中，具有高反射特性的自由曲面诸如光学自由曲面的超精密切削加工技术在航空航天、国防、生物医学、通讯、微电子等高科技领域中的应用越来越广泛，并成为了光电及通讯行业的关键部件。多种多样的应用需求对高反射自由曲面零件的面形精度也提出了更高的要求。准确测量和评价高反射自由曲面零件的表面形貌，不但能正确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，研究表面几何特性与使用性能的关系，以及提高加工表面的质量和产品性能都有着重要意义。

目前针对高反射自由曲面零件的三维形貌测量方法主要包括接触式测量方法和光学非接触式测量方法。接触式测量方法以探针式表面轮廓仪和三坐标测量机为代表，具有直观可靠、操作简单、通用性强的特点，垂直测量范围大，适合于微米或亚微米级工程表面的测量。但在进行自由曲面三维形貌测量过程中，测量速度慢，测量结果受温度变化影响较大。由于触针与被测零件表面接触，会对超精密加工高反射自由曲面零件表面造成损伤，触针易磨损，且无法进行软性及柔性物体的测量。光学非接触测量方法主要包括光栅投影方法和干涉测量方法，前者具有测量范围大、测量速度快以及易于在计算机控制下实现自动化测量等特点，可达微米级测量精度，但在测量高反射自由曲面零件时，多采用喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后进行测量，削弱了光学测量方法的非接触优点；后者作为一种高精度测量方法，广泛应用于高反射面形检测，但通常干涉系统需要单色光源，且设计精密，结构复杂，造价昂贵，影响了干涉测量方法的使用。

如何实现高反射自由曲面零件三维形貌的快速非接触测量成为精密测量领域的一个重点研究方向。近年来，基于高反射特性，光栅投影测量方法越来越多地应用于高反射自由曲面零件的三维形貌检测。该方法通过测量被测物体表面对入射光线产生的相位偏移，将计算得到的相位偏移信息转化为被测物体上相应区域的三维形貌信息。但目前的测量方法中，多基于远心光路模型或通过复杂的测量机构来获得相位偏移与被测物体表面形貌间的对应关系，且相位偏移信息的获取需要在对被测物体进行测量前，首先对一实际参考平面进行测量以获取参考相位，通过将其与被测物体表面对应点的相位值相减得到相位偏移，增加了测量复杂度，降低了测量效率。针对目前高反射自由曲面光栅投影三维形貌测量中的不足，研究一种快速、非接触的测量方法，具有重要的理论和现实意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供用于具有高反射自由曲面零件的快速、非接触检测方法，对零件表面及表层无损伤。为达上述目的，本发明采取的技术方案是，一种高反射自由曲面光栅投影快速非接触测量方法，包括以下步骤：

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。

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。

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。

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。