[发明专利]一种透明材质三维轮廓重构的深紫外结构光精密检测装置

权利要求书

1.一种透明材质三维轮廓重构的深紫外结构光精密检测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：依次调节深紫外条纹投影系统中的光栅相移装置(S4)，使得光栅条纹沿竖直方向分布，并沿竖直方向移动0、π/2、π、3π/2的相位，并利用深紫外成像系统采集相移分别为0、π/2、π、3π/2的4幅不同相位的参考平台条纹图I_p01、I_p02、I_p03、I_p04；

步骤2：调节光栅相移装置(S4)旋转90度，使得光栅条纹沿水平方向分布，并沿水平方向移动0、π/2、π、3π/2的相位，并利用深紫外成像系统采集相移分别为0、π/2、π、3π/2的4幅不同相位的参考平台条纹图I_s01、I_s02、I_s03、I_s04；

步骤3：在参考平台(S6)上放入待测透明物体(S9)，按照步骤1和步骤2，调节光栅相移装置(S4)，使得光栅条纹图像分别沿竖直方向和水平方向分布，并采集相应的相移为0、π/2、π、3π/2的调制相位图I_p11、I_p12、I_p13、I_p14和I_s11、I_s12、I_s13、I_s14；

步骤4：相位求解；根据公式(1)和公式(2)，分别对采集到的沿竖直和水平方向分布的参考平台条纹图和在参考平台上放置待测透明物体(S9)的条纹图分别进行相位求解，得到相应的沿竖直和水平方向分布的存在跳变的包裹相位；

其中，φ₀(x,y)和φ₁(x,y)分别表示参考平面上未放入待测透明物体(S9)和放入待测透明物体(S9)的相位值；

步骤5：相位展开；

采用质量图导引相位展开的算法，按顺序优先展开高质量像素的相位，对步骤3所获得的包裹相位进行展开，分别得到连续变化的沿竖直和水平方向分布的真实相位；

步骤6：系统标定；

首先，利用深紫外CCD(S8)拍摄多幅不同位姿的棋盘格标定图像，对深紫外CCD(S8)进行标定，确定深紫外CCD(S8)的内参、外参及畸变系数，由公式(3)求解出待测透明物体(S9)在参考平台上的二维点坐标(X,Y)，并利用标定所得的畸变系数对图像进行矫正；

其次，标定出深紫外条纹投影系统光心、深紫外成像系统光心、参考平台(S6)的物理位置以及A点的世界坐标位置，计算深紫外条纹投影系统光心、深紫外成像系统光心与参考平台(S6)的垂直距离，从而计算tanθ₁和tanθ₂；

所述的A点指未放置待测透明物体(S9)时，深紫外条纹投影系统投射在参考平台(S6)上的点；

所述的θ₁和θ₂分别为A点与深紫外条纹投影系统光心、深紫外成像系统光心的夹角；

所述的即为相机的内参，[R T]为相机的外参，(x_w,y_w,z_w)为空间点的世界坐标，(x_c,y_c,z_c)为空间点在相机坐标系下的坐标，(u,v)为空间点在CCD相机成像平面上的图像像素坐标，(u₀,v₀)为主点坐标，f_x、f_y分别为在图像像素坐标上的u、v轴方向上焦距对应的像素值；

步骤7：假设初始高度z(x,y)＝0，根据公式(4)，计算出第一组梯度数据；然后利用Southwell区域波前重构法积分重建得到新的高度；依次类推，直到相邻两次重构的高度差小于阈值条件，从而得到最终的待测面形；

其中，φ_A(x,y)为未放置待测透明物体(S9)成像平面某一像点的相位值；φ_B(x,y)为放置待测透明物体(S9)，同一像点处的相位值；f为光栅条纹的传播频率；α为待测透明物体(S9)表面法线与参考平台(S6)表面法线的夹角，tanα可表征被测物在该点处的梯度，对于曲面物体而言，在x方向和y方向均有梯度分布；

步骤8：根据步骤7的重构算法得到的待测透明物体(S9)在图像坐标系下的高度信息Z，结合步骤6中系统标定的结果，最终求解出待测透明物体在世界坐标系下精确的三维轮廓信息(X,Y,Z)；

该检测方法使用的检测装置，包括深紫外条纹投影系统和深紫外成像系统，其中深紫外条纹投影系统包括宽谱深紫外LED光源(S0)、窄带紫外波段滤波片(S1)、准直扩束系统(S2)、一维深紫外横向剪切光栅(S3)及扩束镜组(S5)，且宽谱深紫外LED光源(S0)和窄带紫外波段滤波片(S1)构成紫外光源单元；深紫外成像系统由成像透镜(S7)和深紫外CCD(S8)组成；

深紫外LED光源(S0)发出的宽带光射入窄带紫外波段滤波片(S1)中得到窄带深紫外光，窄带深紫外光通过准直扩束系统(S2)后以平行光入射到一维横向剪切光栅(S3)上，衍射形成两个波前完全相同但有一定倾角的复制波前，在两复制波前重叠区域形成干涉条纹作为条纹结构光，条纹结构光再通过扩束镜组(S5)形成具有稳定周期的深紫外波段结构光；深紫外波段结构光投射到放有透明材质被测物(S9)的参考平台(S6)上，并利用深紫外成像系统接收经过物体高度调制后的变形条纹图像；

一维横向剪切光栅(S3)上设置有光栅相移装置(S4)，从而实现对深紫外波段结构光的旋转和移相操作；

所述的一维横向剪切光栅(S3)，包括一维振幅光栅(G1)和一维相位光栅(G2)；一维振幅光栅(G1)采用一系列微小像元以随机编码的方式使得透过率满足|cos(πx/d)|分布，其中d为所述一维横向剪切光(G3)栅周期；一维相位光栅(G2)在透明熔石英基底rect(2x/d)*comb(x/d)区域内刻蚀深度满足h＝λ/2(n-1)，使得刻蚀区域光波与未刻蚀区域相位差为π，其中λ为深紫外光源波长，n为熔石英折射率。