[发明专利]一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置

说明书

本发明涉及一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置。测量装置的显示模块和图像采集模块经光路折转模块偏转光路90°形成共光轴结构，通过数据传输控制线与嵌入式开发板相连；计算机通过Wi‑Fi与嵌入式开发板无线连接。测量状态时，显示屏显示0°、60°、120°三个方向上的基于时域变频三步相移的正弦直条纹，经被测物表面调制反射，由相机模组采集获取图片；相机模组将采集的图片经计算机数据处理后，得到被测物的超分辨三维形貌。本发明采用共光轴结构，装置结构紧凑、便携性强，可实现无线自动化测控；单次测量可获得多个方向上与面形梯度相关的超分辨相位数据，提升横向分辨率和纵向测量精度。

技术领域

本发明涉及一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置，属光学检测技术领域。

背景技术

自由曲面光机电元件在国防/国民经济领域具有广泛而急切的应用需求，其表面往往存在着由机械加工、激光/等离子体刻蚀、喷镀涂层等工艺形成的类/镜面复杂结构。这些结构的形貌分布不仅体现元件的外在特征，同时也与诸如残余应力、使用寿命、损伤阈值等内在特性密切相关。检测作为元器件制造和生产过程中的重要一环，能够为预评估与控制元器件相关性能提供帮助，检测精度的高低往往直接决定了元器件加工成型效果的优劣。

在自由曲面检测的诸多方法中，相位偏折术（Phase Measuring Deflectometry，PMD）因其具有全场非接触、精度高、动态范围大、系统结构简单等优点而吸引了人们浓烈的研究兴趣。PMD以编码条纹信号为媒介，将被测面的梯度信息调制于条纹相位，利用特定算法解调出面形梯度，最后积分重构物面形貌。目前，PMD多基于三角结构光路，存在一定的阴影遮挡、景深有限、轴外像差与畸变等问题。相比之下，共光轴结构能够有效避免上述问题，但现有的技术方案为了获得高精度的测量结果，特别是细节形貌信息，需要使用高精度的位移器或者带电子变焦功能的液态镜头作轴向机械或电子式扫描：在获取一系列的图像数据后，基于自聚焦评价函数确定出视场中每个待测点的最佳聚焦位置，利用图像数据拼接技术得到梯度测量结果。从而带来了整个检测过程较长、数据处理量大、对外界抗干扰性弱、单次测量仅能获得两个正交方向衍射增强梯度数据等问题。

因此，基于PMD原理提出一种结构紧凑、便携式的类/镜面形貌测量装置与方法，实现待测物多个正交方向上超分辨面形梯度的快速、精确获取，避免耗时的轴向扫描/处理，提升系统的横向分辨率和纵向测量精度，最终达到对类/镜面微结构形貌超分辨、高精度、大动态范围、高效率在线检测的目的，正成为是本领域的研究热点与趋势之一。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有微结构形貌超分辨、高精度、大动态范围、高效率在线检测性能的类/镜面形貌超分辨测量方法及其装置。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术解决方案是提供一种共光轴结构的类/镜面形貌超分辨测量装置，它包括显示模块、光路折转模块、图像采集模块、结构框架和计算机；

所述显示模块包括嵌入式开发板、显示屏、连杆、三维电控平移机构和显示模块固定板；显示屏通过连杆和三维电控平移机构与显示模块固定板连接；

所述光路折转模块包括分光棱镜、棱镜装夹机构、连杆、三维电控平移机构和光路折转模块固定板；分光棱镜固定于棱镜装夹机构上，通过连杆和三维电控平移机构与光路折转模块固定板连接；

所述图像采集模块包括具有调焦功能的相机模组、距离传感器、相机模组底板、连杆、三维电控平移机构和图像采集模块固定板；所述的相机模组和距离传感器固定于相机模组底板上，通过连杆和三维电控平移机构与图像采集模块固定板连接；

所述结构框架包括框架底板、框架底板支撑脚和带通光孔的上底板；

所述显示模块固定板、嵌入式开发板固定于框架底板的上表面，所述光路折转模块固定板固定于带通光孔的上底板下表面；所述图像采集模块固定板固定于带通光孔的上底板上表面；