[发明专利]镜像莫尔测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种检测技术，尤其涉及一种适合镜面物体三维面形测量的“镜像莫尔测量 装置及方法”。

背景技术

莫尔形貌术作为一种常用光学三维测量方法，具有全场和非接触的优点，并因此在工业 及民用领域的许多方面得到广泛应用。莫尔现象被引入科学研究的有记载的历史可以追溯到 十九世纪。此后，将莫尔现象用于三维形状检测的努力一直延续不断，但长期未有太大突破。 直至1970年代，当Meadows等和Takasaki相继发表其关于莫尔形貌术的经典论文后，该技 术才开始得以蓬勃发展。与各种基于相干光的技术比较，莫尔形貌术具有：①无须相干光源， 设备简单；②适合较大、较深物体的测量；③对工作环境要求低的特点。根据测量装置之不 同，莫尔形貌术被分为阴影型和投射型两类。

莫尔形貌术的研究和发展主要受新型器件使用的驱动。例如，CCD摄像机替代了感光胶 片成为莫尔条纹的记录介质等等。新器件的采用大大提高了测量的精度、分辨率和自动化程 度。与此相适应，条纹图像的自动分析与处理成为莫尔形貌术研究的核心内容。早期采用的 方法是：基于图像灰度确定莫尔条纹的中心或峰值位置，以此得到细化的等高线^[3-5]。为确定 等高线的级次，Lu和Inokuchi在投射型莫尔中采用了强度调制的方法。另一种方法是基于 动态位相检测的技术。例如，Indebetouw通过控制参考光栅匀速移动，实现了莫尔条纹两点 之间相对位相的动态探测；而Moore和Truax则是通过光源照射角度的脉动，将锁相环技术 引入莫尔条纹分析中。Quan等使物体振动，以扫描时域信号的位相。Tang等最早采用傅立叶 变换方法对莫尔条纹图像进行了分析。相移技术是一种高分辨率的条纹图像分析技术。在投 射莫尔形貌术中，Reid等和Masumoto等首先通过投射光栅或参考光栅之一的平移，很方便 地将实现了相移。但对于阴影型技术，唯一光栅的平移却无法产生莫尔条纹的移动。因此， 只有通过改变系统的其它参数，才能引起莫尔条纹的移动。但对于常用的非准直光系统，图 像上各点的相移量依赖于该点对应深度值，因此无法实现均匀相移。Dirckx等，Dirckx和 Decraemer，Ladak等，以及Mauvoison等使物体垂直于光栅栅面移动，近似实现了均匀相移。 Yoshizawa和Tomisawa在移动光栅的同时也控制光源移动，D’Acquisto等同时改变光源和物 体位置，Jin等则同时控制光栅的移动和旋转，也部分补偿了非均匀相移带来的系统误差。 Degrieck等仅采集一幅图像，利用一虚拟光栅实现了阴影莫尔条纹的相移。除此之外，针对 阴影莫尔技术，尚有某些条纹移动方法不需求解位相，从而避免非均匀相移带来的误差。例 如，Arai等，与Arai和Yokozeki从一系列条纹移动的莫尔图像中，通过求解非线性方程直接 获取物面深度的精确值。Xie等的方法则是控制光栅按一定规律旋转，但其最大可测深度非 常有限。而Gómez-Pedrero等在装置中采用了三色光源，用异步解调方法分析了莫尔条纹。 赵宏等控制光栅沿栅面垂直方向移动，为相移阴影莫尔形貌术提供了一种新的实现手段。王 昭等在阴影型装置中采用多点光源，将频移技术引入莫尔形貌术。杨晓苹等提出双光栅结构 的阴影莫尔法，可以简化位相去包裹操作。李根乾等在投射型莫尔中采用双摄像机和多光源 设置，大大提高了相移投射莫尔形貌术的测量速度。

尽管莫尔形貌术的研究已历经了较长时期，已渐趋成熟。但是，现有的所有方法和装置只 能测量表面性质为漫反射的粗糙物体轮廓，无法测量镜面反射物体的形貌。而在工程实际中， 大量物体的表面性质为镜面反射。

发明内容

本发明的目的，在于针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于莫尔测量原理的镜面物体 表面三维轮廓测量装置和测量方法，即“镜像莫尔测量装置及方法”，能测量镜面反射物体的 形貌。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种镜像莫尔测量装置，包括摄像机、光栅、光栅垂直移动驱动装置、测量数据处理系 统和光源，其特征在于：所述光源为漫射光源，以该漫射光源作为背景照明光源；被测镜面 物体放置于光栅后面，能对光栅成像形成变形光栅虚像；所述摄像机透过光栅能拍摄到光栅 栅线与光栅虚像重叠形成的莫尔条纹图，即镜像莫尔条纹图；所述的光栅驱动装置能驱动光 栅沿垂直方向移动，从而引起镜像莫尔条纹的相移；所述的摄像机与测量数据处理系统相连 接，能将莫尔条纹图输出至数据处理系统进行处理，转换成被测量物体表面面形数据。