[发明专利]一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统

说明书

一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统，涉及光学系统面型误差检测领域，解决现有三维测量技术存在检测速度慢和精度低等问题，包括检测系统，检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；发光屏上显示的是相移条纹图，经待测镜反射后经CCD相机的针孔，再经相机透镜后由焦平面接收，CCD相机获得的图像由计算机处理，获得待测镜面形信息；具有非接触、速度快、精度高、成本低等优势，改善传统三维测量方法的检测速度慢和精度低等，成为三维测量技术的研究热点和发展趋势。装置简单，造价便宜，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

技术领域

本发明涉及光学系统面型误差检测领域，具体涉及一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统。

背景技术

光学检测因具有无创性和精准性等特点，已经成为医学诊断领域定性和定量判断的最重要的技术之一。形体三维测量技术已广泛应用于工业生产、逆向工程、医疗诊断、产品质量检测、物体识别等领域，三维轮廓重构技术随着实际应用的需求而不断发展，显示出了广泛的应用前景。随着工业生产自动化水平的提高，应用比较广泛的结构光三维形态测量技术已不能满足远距离、高精度、快速等需求。

结构光三维测量法是采用不同类型的结构光投射至物体上，利用摄影系统采集自由曲面调制光图样；通过光场受调制情况推演光场相位或强度信息的变化，进而换算为被测面高度起伏信息，从而重构出被测面三维面形信息。结构光三维测量法种类繁多，按照投射光源的不同可分为点结构光法、线结构光法、编码结构光法以及面结构光法等。

其中，仅有面结构光法可以一次性获得全场面形信息而受到广泛关注。面结构光三维测量方法将面阵条纹图像投影至被测物，可实现全场的高精度测量，其中主流的方法包括条纹投影法和条纹反射法等。利用光栅投影或激光干涉产生高质量条纹(或计算机产生的标准正弦条纹)，将其投射至物体上，利用摄影系统采集收到自由曲面调制而变形的条纹图样，通过对受调制条纹图进行解调，解包裹等处理得到受调制相位分布；再通过相位和被测面起伏高度之间的数学关系将相位换算为被测面表面起伏梯度，进而通过数值积分得到被测面三维面形分布。

条纹投影三维形貌测量技术的研究和应用在国外比较成熟。目前的研究热点集中在系统标定、位相解调、相位高度转换算法上。美国Catholic大学Wang Zhaoyang教授团队长期致力于利用该技术工业自由曲面实时测量研究，研制了高精度条纹投影重构设备，提出了高精度的棋盘格加控制方程标定方法、高精度快速相位恢复方法以及相位高度换算方法，目前已经达到检测速度22.5fps，相对检测精度0.01％；哈佛大学S.Zhang和P.S.Huang等人研制的条纹投影设备也已经达到了检测速度40fps，相对检测精度0.025％。很多商业产品也陆续出现，代表国际先进水平的有德国的Gom公司开发的便携式Atos系列三维扫描仪，首创参考点拼合并应用先进的摄像机定位技术，在测量时候自动拼接，提高大型件的扫描精度。国内条纹投影三维形貌测量技术目前还处于起步阶段，一些高校和公司已经开始了这方面的研究。南京理工大学使用改进的DLP投影仪和可编程控制电路板研制成功了集成条纹投影设备，达到速度120fps，检测精度0.527％。1992年，四川大学开始该领域的研究，主要集中在改进投影产生和获取的方法以及改进条纹分析方法，目前检测精度达到1％(0.3mm/33mm)。

受其启发，利用条纹反射检测自由曲面光学元件轮廓的研究也未曾停步。尤其对于非球面和自由曲面光学元件的检测不需要任何光学补偿，使得众多科研工作者从传统干涉检测将目光转向了这一技术领域。德国3D-Shape公司利用条纹反射技术检测3mm渐进式眼睛片轮廓已经达到20nm精度。Krobot R等人利用该技术检测Cherenkov TelescopeArray(CTA)中的口径1.5m，曲率半径32m的球面反射镜，精度达到10μm。另外，美国Arizona大学、德国Saarland大学、新加坡南洋理工大学、国内的清华大学、四川大学、中科院成都光电所等单位也都对该技术进行了研究并取得一定成果，对非球面检测最高精度达到0.01％。