[发明专利]一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明的目的是：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。

本发明的技术解决方案为：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，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f_m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_c通过高速乘法器合成混频信号f_c+f_m和f_c-f_m，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。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，从而有效提高成像精度。

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。