[发明专利]一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法

说明书

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，依次包括下述步骤：第一步：将被测物体置于测量空间，开启光源，并使用摄像机记录产生的条纹图；第二步：运用精密位移台以预定义的距离等步长移动光栅两次，并记录每次移动后产生的条纹图；第三步：对采集的条纹图进行预处理：运用条纹降噪的方法去除图像中的高频噪音信号；第四步：对条纹图信号的相位进行解调处理；第五步：运用去包裹方法对上面提取的测量相位进行相位展开；第六步：根据解算的相位和测量灵敏度利用下式进行相位‑高度映射，完成本次测量任务。本发明的测量方法仅需要测量三帧条纹图，节约了测量时间，本发明测量方法的计算过程准确、方便。

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种应用三帧条纹图的相移阴影莫尔三维轮廓测量方法。

背景技术

阴影莫尔三维轮廓测量技术是一种全场、非接触的光学三维轮廓测量方法,自1970年提出以来，已广泛应用于人体测量、晶圆表面检测、BGA共面度测试、自动生产、航空工业等领域。

早期的阴影莫尔技术主要基于莫尔等高线法。莫尔等高线法简单直观，但不能有效利用条纹间距的灰度级信息，其测量灵敏度仅限一个条纹间距。

基于傅立叶的阴影莫尔方法通过倾斜被测物体为测量视场引入载频，然后通过傅里叶变换技术获得测量相位。然而该方法已受衍射影响：若倾斜角较大,受衍射的影响(假定主光栅的周期≥0.1mm)，此时产生的莫尔条纹图对比度会随物体和光栅间距的增加而减小。这使得条纹图光强分布不均匀；若倾斜角太小,引入的载频过小，这样在一些实验中，又不能有效进行不同频率信号的分离。

相比之下,相移法阴影莫尔技术测量方法简单，且是一种自动的解调方法。基本原理是：通过在时域改变实验参数，引起测量光场的相位变化，同时使用摄像机记录并存储该变化，进而运用计算机程序逐点地分析，实现测量相位自动解调。相移技术可以充分利用条纹图中的灰度信息，提高了测量分辨力，其过程主要包括相位解调、相位去包裹、测量灵敏度标定和相位-高度映射等。

传统上，测量灵敏度通常依赖已知高度分布标定块进行标定。该过程需要制作标定块，因此费时费力。Dirckx等首次提出了一种仅依赖莫尔测量装置自身的标定方法。在Dirckx方法中，通过移动物体，使得测量视场产生时域光强变化，进而通过分析某一观测点光强与物体移动距离曲线的周期获得即测量灵敏度。Dirckx方法简单、易行，但周期确定麻烦，而且随着应用领域对阴影莫尔技术测量精度要求的提高，传统的阴影技术需要发展成为高灵敏度阴影莫尔技术。在其系统中，细光栅(光栅周期范围为：0.2mm:0.025mm)得到了应用。此时，测量装置的动态范围受泰伯效应影响明显减小。因此应用Dirckx方法时，物体极易移出测量装置的动态范围。最近，提出了一种基于主量分析法的阴影莫尔测量灵敏度标定方法能方便的确定光强变化周期。然而该方法需要相位解包裹，而且在应用中要求引入的相移量分布在[0,2π]范围内。因此缺乏灵活性。

在相位解调方面，受阴影莫尔技术相位-高度非线性影响，相移阴影莫尔视场无法引入一个全局的相移。如果应用传统的三步相移技术，但需要忽略相位-高度非线性关系，近似实现全场相移。从而致使相移技术无法得到精确解。

近年来，基于较少帧条纹图的相移算法得到了较大的发展。其中Vargas等提出的克莱姆正交化二帧算法，解调速度快，测量精度得到了广泛的应用。然而该方法的精度受条纹图背景去除精度影响较大。最近Wang等提出了一种正则化条纹图差的方法对其进行了改进，并通过实验证明了该方法的有效性。须提及的是，尽管Wang的算法可以减少条纹图背景对解调结果的影响，但是该方法的解调结果相对测量相位有一个位移。因此在高度测量场合产生了问题。

发明内容

一种自标定阴影莫尔三维轮廓测量方法，以改善现有的相移阴影莫尔物体三维轮廓光学测量装置工件测量的精度，节约测量时间，计算过程准确、方便。

为了达到上述目的，本发明的解决方案是：