[发明专利]基于双屏透射显示的镜面物体三维形貌测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于双屏透射显示的镜面物体三维形貌测量方法及装置。装置包括电脑以及固定于光学平台上的CCD相机、液晶显示屏和透明显示屏；液晶显示屏和透明显示屏均与光学平台垂直；液晶显示屏上所显示的图像和透明显示屏上所显示图像的光路平行；水平导轨设置于光学平台上，与液晶显示屏垂直；电脑分别与液晶显示屏、透明显示屏和CCD相机连接。该方法包括以下步骤：第一步、搭建测量系统；第二步、移除待测镜面物体，获得参考平面的绝对相位展开图；第三步、移除参考平面，加入待测镜面物体，按照第二步的方法得到待测镜面物体的绝对相位展开图；第四步、求解待测镜面物体的三维形貌深度信息。

技术领域

本发明涉及光学非接触式测量镜面物体三维形貌领域，具体为一种基于双屏透射显示的镜面物体三维形貌测量方法及装置。

背景技术

传统测量镜面物体一般采用以下两种方式：第一种是采用三坐标测量机等设备对物体进行逐点扫描，该方法测量速度较慢，由于是接触式测量，因此容易对物体表面引起形变，造成测量误差，并且对于精度要求较高的表面会有一定的损坏。另一种方式是通过对其表面喷涂，将其表面反射特性变成漫反射后用光学方法测量，由于改变了待测物体的表面属性，因此测量结果不准确，同时存在许多镜面物体不允许喷涂。以上两种方法都存在严重的局限性，对于检测表面精度较高镜面的方法需要具有更高要求。

目前，在航空航天和汽车制造等领域，对高精度、高反射镜头和镜片表面的检测有大量需求，但测量该类表面的技术方法仍处于初级阶段。采用光学非接触测量高反射表面物体的方法，近年来国内外进行了大量研究，其中主要以条纹反射法为基础测量物体表面。在申请人检索的范围内，可以检索到相关文献信息如下：

文献《Phase Measuring Deflectometry:a new approach to measurereflecting surfaces.Annual Report Optik,Erlangen-Nürnberg,2000,7.》中提出相位测量偏折术概念，简单介绍了其基本原理，将正弦条纹图案投射到离被测表面较远的屏幕上，观察通过被测表面反射的条纹图案。表面的任何梯度变化都会导致图案的变形。利用著名的相移算法，可以精确地测量这些畸变，从而计算出每个像素的表面法线，并进行了实验验证。该方法虽然有一定的精度，但在实际操作不确定性还有很多。

文献《Improved phase-measuring deflectometry for aspheric surfacestest.Applied Optics,2016,55(8):2059》中提出，利用一个液晶显示屏LCD(LiquidCrystal Display)和相机组成测量系统，通过基于Ronchi测试的几何原理分析相机捕获的条纹，可以获得测试镜偏差的斜率。对斜率积分，可以恢复偏差并可以重建被测表面。与传统的PMD方法相比，该方法不需要获取入射光线，主要是利用测试镜偏差的斜率来重建非球面。但是测量精度不高，还有待进一步的提高。

文献《Reflection grating photogrammetry:a technique for absolute shapemeasurement of specular free-form surfaces.SPIE,2005,5689:56891D》中使用有基准点的平面镜标定设备之间的相对位置关系，提出了平行移动显示器的方法来确定入射光线的空间位置，可用于大梯度、不连续物体的测量。但是该方法系统结构复杂，标定困难，测量过程中的移动会带来误差。