[发明专利]基于正弦相位调制四步积分的条纹投射三维形貌测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及三维形貌测量领域，尤其涉及一种基于正弦相位调制四步积分的条纹投射三维形貌测量系统。

背景技术

三维形貌测量技术在产品质量检测、反向工程、身份认证、病理诊断、文物测量、文化影视娱乐等领域广泛应用，高精度的表面形貌干涉测量方法主要有光外差干涉法、相移干涉法、正弦相位调制干涉法等。光外差干涉系统结构较复杂，要求产生高精度频差；相移干涉法对相移精度要求高，容易受环境干扰；正弦相位调制干涉法具有相位调制简单、测量精度高、抗干扰能力强等优点，在表面形貌、位移、角度和振动测量中被广泛应用。

早期条纹投射方式主要通过物理光栅及机械平移装置实现条纹图案投射及相位移动，但投射的条纹密度与条纹相移精度相对较低；目前常用的方法是利用数字投影仪(DLP)投射由计算机编程生成的数字条纹图像，其条纹密度也受到投影仪分辨率及投射范围的限制，从而使得测量精度不高，同时投影仪电压与亮度之间的非线性关系也将导致测量结果出现误差。目前国内外已有相关学者利用两束相干光波产生干涉条纹结构光并投射至被测物体表面，在小视场范围内实现高密度干涉条纹投射，然而基于相干光干涉的条纹投射系统结构相对复杂，且极易受温度波动、环境振动等因素的影响，导致系统稳定度不高，因此在实际三维形貌测量中受到一定限制。

发明内容

本发明提供了一种基于正弦相位调制四步积分的条纹投射三维形貌测量系统，本发明从测量精度与实时性入手，提出通过光纤干涉条纹投射获得条纹图像，同时分析并补偿了环境因素引起的条纹相位漂移，采用正弦相位调制四步积分原理，通过数字图像处理方法恢复形貌，实现三维形貌的高精度实时测量，详见下文描述：

一种基于正弦相位调制四步积分的条纹投射三维形貌测量系统，包括：He-Ne激光器，所述He-Ne激光器作为输出光源，输出光束经过耦合透镜汇聚后，由第一光纤臂进入2×2型光纤耦合器，

经所述光纤耦合器分光后分别进入第二光纤臂、第三光纤臂中，所述第二光纤臂紧密缠绕在调制压电陶瓷上，所述第三光纤臂紧密缠绕在圆柱形压电陶瓷上，第二光纤臂、第三光纤臂的输出端通过光纤夹持具固定，构成马赫-泽德干涉仪结构；构建光纤干涉条纹投射数学模型；

在第四光纤臂的输出端放置光电探测器，检测到的信号被相位误差补偿系统接收，相位误差补偿系统提取环境因素引起的相位漂移量，并生成相位补偿电压注入双通道压电陶瓷驱动器；正弦相位调制信号直接注入所述双通道压电陶瓷驱动器实现条纹相位的正弦调制；注入相位误差补偿系统，作为相位生成载波使用；注入CCD时序控制器，作为所述CCD时序控制器的基准信号；

所述CCD时序控制器生成的时序控制面阵CCD相机采集待测物体表面上的条纹图像，上传给图像处理与形貌恢复系统，最终实现物体表面形貌重建。

所述相位误差补偿系统包括：相位生成载波模块，

所述相位生成载波模块提取包含相位误差的正弦分量、余弦分量，运用旋转坐标数字机求解相位误差；相位—电压转换模块将所述相位误差转换为电压信号，驱动所述调制压电陶瓷产生光程差Δl_C来补偿相位误差。

所述图像处理与形貌恢复系统包括：图像采集模块，

所述图像采集模块控制所述CCD相机在调制周期内采集四幅图像，经灰度变换模块、高斯图像增强模块、旋滤波模块实现数字图像处理；相位提取模块用于实现四步积分，从条纹图像中提取表面形貌的相位信息；低通滤波模块用于滤除由形貌边缘反射引起的噪声；标定模块用于标定测量系统的结构参数，最终获得待测物体表面三维形貌。

所述光纤干涉条纹投射数学模型具体为：