[发明专利]镜面目标轮廓光学测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光线轮廓测量技术领域，尤其涉及一种镜面目标轮廓光学测量系统和方法。

背景技术

上个世纪70年代以来，光学轮廓测量技术以其高精度、高效率和非接触性的优点在高速检测，产品开发、质量控制、反求工程等领域得到广泛的应用和发展。现有光轮廓测量技术主要针对的是漫反射物体，而难以有效地测量镜面反射物体。在工程中，特别是在现代制造业中，存在大量镜面反射物体需要测量。例如，汽车工业中，喷涂车身、抛光模具等的表面均是镜面反射性质。镜面物体的光学轮廓测量技术研究已严重滞后于需求的快速增长。主要原因是镜面物体同漫反射物体在反射模型上存在较大差异。镜面反射时，光束的反射方向取决于入射方向和物体表面法线方向。这将造成反射光线不能保证被图像采集系统所捕捉。即使捕捉到反射光线,被测镜面物体的面形数据也严重依赖于物面的法向信息，使测量变得极其困难。目前，镜面反射物体的测量一般采用两种办法：其一，采用三坐标测量机等接触式测量设备，速度较慢，一般难以测量完整轮廓；其二，喷涂表面，改变其反射特性为漫反射后用主动或被动的光学方法测量，这种方法削弱了光学测量方法的非接触优点，并且需要对被测目标进行额外的表面加工；其三，把图像传感器置于反射光路上。基于条纹反射的镜面物体测量技术系统，显示屏、被测镜面物体和图像传感器CCD像机三者所在的空间位置满足反射定律。图像传感器置于条纹反射光路上，计算机控制LCD显示屏生成正弦条纹图像，CCD像机通过镜面物体观察受调制的LCD显示屏虚像，得到的一帧变形条纹图像。其中，反射光线在物体表面偏转角度受镜面物体表面梯度调制。由光线追迹得到的反射光线在LCD显示屏坐标系中位置偏移量，该偏移量反映了该处的梯度大小，表现为变形条纹的相位调制。分别投影水平和垂直方向的条纹图像，通过适当的相移和相位解调技术[1,2]可以得到物体表面的调制相位分布，最后采用自适应光学中的Southwell区域波前重构法进一步对梯度数据积分重建物体外形。该方法的缺点是显示屏、被测镜面物体和CCD像机三者所在的空间位置满足反射定律，这就大大降低了测量系统的通用性；反光问题：一旦反射光强到足以淹没条纹的程度，会使条纹产生截断，引起相位信息的误差，最终无法获得正确的高度分布。一种光学测量装置，薄膜晶体管(TFT)上显示的是一维光栅(由计算机控制可以方便地调节光栅的方向、周期以及衬比度)，待测物体表面与薄膜晶体管、CCD像机组成测量光学系统。首先对标准面进行测量，这里选择平面反射镜作为标准面，用CCD像机记录标准面的光栅像，计算出参考相位。然后将待测物体放在相同位置，得到相应的变形光栅像，计算出参考相位，除去参考相位即得到由待测物面畸变引起的相位变化。薄膜晶体管上产生的光栅图样传递到CCD的接收平面，采用N帧相移方法可以计算出被测物面引入的相位调制，光栅由计算机产生，因此可实现精确相移，同时也可以方便地选择相移次数，实验中CCD像机直接调焦在待测物体表面，这时光栅像因离焦而变模糊，但由于采用的是正弦光栅，因此不会影响到相位测量的精度。标准面的光栅像不会发生畸变，而待测物体表面缺陷会引起光栅像变形。由梯度分布恢复待测表面面形，最简单的方法是按路径积分。但由于实际数据包含噪声，这时积分就与路径相关。按照不同的路径积分得到的结果是不同的，尤其是在测量表面起伏剧烈的类镜面反射表面时，按路径积分将得不到正确的面形分布。因此这里选用自适应光学中Southwell波前重建法恢复待测面形。该方法的缺点是显示屏、被测镜面物体和CCD像机三者所在的空间位置满足反射定律。这就大大降低了测量系统的通用性；反光问题：一旦反射光强到足以淹没条纹的程度，会使条纹产生截断，引起相位信息的误差，最终无法获得正确的高度分布。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种镜面目标轮廓光学测量系统和方法，解决了CCD传感器必须和被测镜面物体所在的空间位置满足反射定律问题、镜面目标反光问题和强背景光中获取目标真实图像的问题。

本发明的技术方案是：一种镜面目标轮廓光学测量方法，包括以下步骤：

S1.利用计算机软件发出脉冲调制信号对激光器进行调制，激光器输出线型光束对镜面目标进行照明；同时利用计算机软件发出触发信号，触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的光带图像；

S2.关闭激光器，并利用计算机软件发出触发信号触发CCD图像传感器同步采集镜面目标表面的干扰图像；

S3.对步骤S1中的光带图像和步骤S2中的干扰图像进行反相迭加相关运算，得到镜面目标表面的净化图像；