[发明专利]一种基于双远心相机匹配的高分辨高精度测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于双远心相机匹配的高分辨高精度测量系统及其方法，第一远心相机、第二远心相机位于投影仪的两侧并对称于投影仪的中轴线，第一远心相机、第二远心相机通过USB数据线与计算机相连，投影仪通过触发线与第一远心相机、第二远心相机相连；投影仪投影多频多相移的条纹并同时产生同步触发信号，同步触发信号驱动第一远心相机、第二远心相机同步拍摄，第一远心相机、第二远心相机拍摄经被测物的调制的相移图像，把调制图像传输到计算机端，由计算机对调制图像进行相位展开，然后对展开的相位进行镜头畸变矫正与极线矫正，使用立体相位匹配算法和三维重构算法可测量在24mm*18mm范围内的小型被测物的高分辨高精度三维轮廓信息。

技术领域

本发明属于三维测量技术领域，特别是一种基于双远心相机匹配的高分辨高精度测量方法。

背景技术

目前，我国集成电路、微型传感器、精密仪器等产业初成规模，但是产品测试技术还相对落后，缺乏高效、高精度的整装产品检测工具。高效、高精度的三维形貌测量技术可广泛用于上述产品的质量监测，它可有效的提升产品的生产效率与生产精度。

对于要达到比较小的视场的三维形貌测量，就需要使用辅助透镜来实现。第一种方法是使用体视显微镜(Y.Hu,Q.Chen,T.Tao,H.Li,and C.Zuo,Absolute three-dimensional micro surface profile measurementbased on a greenough-typestereom-icroscope,Measurement Science and Technology 28,045004(2017).)，但是由于显微镜的光路复杂性和被测样品的范围比较小难于操作，标定体视显微镜将变得非常困难；第二种方法是使用远心镜头，该方法增加了系统的视场深度，并且沿着光轴成像面放大率不变。使用远心透镜进行三维形貌测量的初步研究是基于单个相机与投影仪组合的模型。然而，单个相机与投影仪组合模型的系统中的投影仪必须借助校准过的相机进行标定(H.Liu,H.Lin,and L.Yao,Calibration method forprojector-camera-basedtelecentric fringe projectionprofilometry system,Optics Express 25,31492-31508(2017).)，这个过程很复杂。此外，由于伽马电子束的不确定性、透镜变形以及投影仪中附加辅助透镜的错位等原因，无法保证标定精度。

由于被测物表面形貌各异，难免会有一些被测物表面反射率较高，导致这些光强饱和的表面具有较高难度的重现性(S.Feng,L.Zhang,C.Zuo,T.Tao,Q.Chen,and G.Gu,High dynamic range 3-d measurements with fringe projection profilemetry:Areview,Measurement Science and Technology(2018).)，由于相机的光强分辨率有限，实际强度无法得到正确存储，因此导致三维重建时误差的产生。对于存在光强饱和的表面，光强饱和的问题在某些情况下可能不能简单地通过减少曝光时间或投影光的强度来解决。而固定的一些相移条纹有可能小于三个非光强饱和的条纹数目，那就不能克服图像饱和，解算的结果也会产生相位误差。另外，使用普通一周期条纹或三步相移得到的相位误差较大，导致三维重建后数据精度不高，而使用多频多步相移又会使系统测量时间变长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双远心相机匹配的高分辨高精度测量系统及其方法，通过放弃标定投影仪，排除投影仪带来的额外误差，只标定系统第一远心相机与第二远心相机的位置和测量范围的空间高度，可分别获得标定X-Y轴的参数和Z轴的高度参数，多频多步相移的优化算法可有效解决测量精度不高，速度不快的问题，相移轮廓术和广义相移法的结合可抑制光强饱和，导致测量出错的问题，可在高分辨的基础上实现对光强饱和的被测物进行高精度测量。