[发明专利]一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统

摘要

一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其主要包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台。本系统通过计算机控制正弦条纹投射系统向镜面物体的被测直接表面投射多幅相位、频率和亮度都可调的正弦条纹，然后用图像采集系统采集相应的图片信息并传输给计算机系统，再用计算机系统对这些图片信息进行处理，从而得到含有物体三维信息的相位图，最后根据相位与高度映射关系式得到镜面物体被测面的三维信息。本发明主要应用于微小尺寸镜面物体的三维形貌测量，测量范围约为4.5mm×3mm，分辨率优于5微米，三维点云间距为3.75微米。

主权项

一种基于正弦条纹投射的镜面物体三维形貌测量系统，其特征在于：它包括计算机系统、基于声光偏转器的正弦条纹投射系统、图像采集系统、快速定位系统和精密平移台；基于声光偏转器的正弦条纹投射系统通过串口数据传输线与计算机系统相连，并由计算机系统控制其向位于精密平移台上镜面物体被测表面倾斜45°投射正弦条纹；图像采集系统通过超五类网线与计算机系统相连，调整图像采集系统的位置，使其物方焦平面位于精密平移台上镜面物体被测表面附近；调整快速定位系统中激光器发出的激光光斑在图像采集系统的物方焦平面上的位置，使该激光光斑在CCD相机像面所成的像正好位于CCD像面的正中心处；所述基于声光偏转器的正弦条纹投射系统由正弦条纹投射装置和会聚透镜以及整形棱镜对组成；正弦条纹投射装置的出射窗口与整形棱镜对的入瞳相接，整形棱镜对的出瞳与会聚透镜的入瞳相接；它用于向镜面物体的被测表面投射多幅频率、相位以及亮度都可调的正弦条纹；该正弦条纹投射装置由驱动信号电路、调制激光器和声光偏转器组成，声光偏转器中产生应力交变分布的栅格，当调制激光束以一定的角度通过声光偏转器时，出射光束产生衍射，两束衍射光经会聚透镜聚焦产生正弦干涉条纹；该驱动信号电路由DDS芯片电路产生两路频率同为fm可调节相位值和频率值的正弦信号，其中一路与声光偏转器中心频率信号fc通过高速乘法器合成混频信号fc+fm和fc‑fm，用于驱动声光偏转器，另一路信号经过倍频后，通过高速比较器产生方波信号，用于驱动调制激光器；该调制激光器是半导体激光器，激光波长为660nm，用于提供光强度可调制的激光信号；该声光偏转器的光学波长为660nm，用于调制激光光强；该会聚透镜是平凸透镜，用于控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统的有效投射范围以及光束的聚焦；该整形棱镜对由两块光楔构成，用于将出射的狭长型矩形正弦条纹图案的纵向拉伸，使此矩形正弦条纹图案的纵横比例满足要求；所述图像采集系统由CCD相机和定焦远心成像镜头组成，其间用C型接 口相连；它用于采集相应的相位图片信息并传输给计算机系统；所述快速定位系统由一个光斑质量较好的激光器构成，该激光器为GCO‑3001线性激光器，它用于在标定测量系统的系统参数时，使参考平面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；也可用于在正式测量时，使镜面物体的被测表面快速调整至定焦远心成像镜头的物方焦平面位置处；所述精密平移台选用系列超精密电控平移台，它用于承载待测的镜面物体以及在测量系统参数标定时移动指定的距离；所述计算机系统，是个人台式电脑，配置要求：CPU在2.7GHz以上，内存2GB以上，配有千兆网卡和串行通讯端口；它作为整个测量系统的控制中心，用于输出控制命令控制基于声光偏转器的正弦条纹投射系统所投的正弦条纹的频率、相位和亮度，控制CCD相机采集相位图片信息；同时也是整个测量系统的数据处理中心，用于对所采集的相位图像数据进行图像处理，得到包含镜面物体被测物面三维形貌信息的相位图，进而根据所用测量模型的相位与高度映射关系式解算出被测物面相应的三维形貌信息。