[发明专利]一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法及其装置，属于先进制造与检测技术领域。

背景技术

在当今社会生产与生活的众多领域，如机械设计与制造、精密光学加工、文物保护等，经常需要对表面呈镜面或类镜面反射特征的物体进行快速、精确的三维形貌检测。传统而直接的检测工具为三坐标机，然而其接触式的工作方式存在划伤被测件的风险。虽然非接触式的三坐标机可避免上述问题，但由于点/线扫描的工作方式，使得整个测试过程较长，尤其是对于尺寸较大的待测物体，检测效能不高。激光干涉仪可实现纳米量级精度的面检测，但只适用于表面变化简单的物体，且对测试环境要求较高，不易实现在线检测。虽然扫描白光干涉仪可检测表面非连续的物体，但其横向和纵向的可测范围有限，且系统对外界振动较为敏感。

相比之下，基于计算几何学的立体视觉测量技术系统构成较为简单，仅利用两个或两个以上相机对待测物体成像，经控制处理器处理便可实现对物体三维的检测。虚拟双/多目成像技术的提出则进一步地减少了系统所需实体相机的数目，具有成像同步性好的优点。虽然立体视觉测量技术的检测精度不及干涉仪高，但其非相干成像测量的特点，使得其对温漂、振动等因素的干扰具有一定的抵御能力。然而由于该技术是一种被动成像测量方法，还需借助被测物体上一系列的特征点，匹配完成立体重构。因而，诸如外界光照不均匀、对比度不够、物体表面特征点不明显等问题会阻碍高精度的点匹配的实现，进而影响三维形貌检测的精度。

随着光电显示技术的发展，出现了另一种针对镜面/类镜面物体的三维面形检测技术——条纹反射术。这是一种全场、高灵敏度、非接触、非相干的光学测量技术，其系统构成也较为简单，一般由显示屏、面阵相机和计算机组成，而系统的动态测量范围可达数十毫米以上。该技术通过将编码的条纹图像显示于光电显示屏上，并照射至待测镜面/类镜面物体，对物体表面反射的条纹图像信号进行分析处理，基于计算几何学知识，实现对目标三维面形的检测。主动条纹编码技术的使用，增强了其计算所需的特征点匹配的鲁棒性，弱化了其对离焦成像的敏感度。在早期的测量装置中，单个显示屏和单个相机的使用简化了系统结构，却阻碍了绝对面形的获取，通常仅适用于表面变化连续、低复杂度的物体。虽然通过移动显示屏或增加实体相机数目可避免上述问题，但高精密位移设备或额外实体相机的引入使得系统的复杂度和成本增加、抗干扰性降低，不利于在线快速检测的实现。因此，基于条纹反射原理，提出一种检测鲁棒性强、系统结构简单、易控制，能够实现对镜面/类镜面物体，特别是表面变化复杂、非连续的镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置与方法，是该领域的研究热点与趋势。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种检测鲁棒性强、成像同步性好、系统结构简单、易控制，能够实现对镜面/类镜面物体，特别是表面变化复杂、非连续的镜面/类镜面物体绝对面形进行测量的方法及其装置。

为实现上述发明目的，所采用的技术方案是提供一种镜面/类镜面物体绝对面形的测量装置，包括显示屏、虚拟成像探测装置、信号控制与处理器；所述的信号控制与处理器将测量用编码条纹图像输入显示屏；显示屏、待测镜面/类镜面物体与虚拟成像探测装置之间成三角结构放置，虚拟成像探测装置聚焦于待测镜面/类镜面物体表面，显示屏将图像照射至待测镜面/类镜面物体的表面，待测镜面/类镜面物体表面将图像反射后由虚拟成像探测装置接收，虚拟成像探测装置将采集的图像信号输入信号控制与处理器；所述的虚拟成像探测装置包括虚拟成像结构和面阵相机，虚拟成像结构将单个目标虚拟成像为两个或两个以上的目标像至面阵相机的靶面上接收。

本发明所述的虚拟成像结构为平面棱镜或平面反射镜。所述的面阵相机为面阵的CCD或CMOS相机。所述的显示屏为液晶显示屏或空间光调制器。

本发明技术方案还包括一种基于条纹反射的镜面/类镜面物体绝对面形的测量方法，包括如下步骤：

1、将显示屏、待测镜面/类镜面物体与虚拟成像探测装置按三角结构放置，虚拟成像探测装置聚焦于待测镜面/类镜面物体表面；

2、信号控制与处理器按条纹编码方法编码生成条纹图像，输入显示屏，显示屏将图像照射至待测镜面/类镜面物体的表面，图像再经待测镜面/类镜面物体表面的反射，由虚拟成像探测装置采集获取目标变形条纹图像，输入到信号控制与处理器；

3、信号控制与处理器对得到的目标变形条纹图像进行解调处理，计算得到待测镜面/类镜面物体表面面形的绝对相位分布；