[发明专利]一种基于超声光栅的共面度测量系统

摘要

本发明公开了一种基于超声光栅的共面度测量系统，包括激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器、超声换能器、计算机、移动平台、光学平台和CCD摄像机，所述激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器以及移动平台均安装在所述光学平台上；激光光源、激光扩束系统和声光介质容纳器按照从前到后的顺序依次设置在所述光学平台上；声光介质容纳器的左侧设置所述超声换能器，所述声光介质容纳器的右侧设置有反射面，以用于反射超声波；所述移动平台用于放置待测物体，并且其与待测物体接触的平面作为参考平面。本发明采用超声光栅的技术，使得测量面积、精度和速度都有提高，能满足高精度快速测量要求。

主权项

1.一种基于超声光栅的共面度测量系统，其特征在于：包括激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器、超声换能器、计算机、移动平台、光学平台和CCD摄像机，其中，所述激光光源、信号发生器、激光扩束系统、声光介质容纳器以及移动平台均安装在所述光学平台上；所述激光光源、激光扩束系统和声光介质容纳器按照从前到后的顺序依次设置在所述光学平台上，以使所述激光光源发射的激光经过所述激光扩束系统扩束后穿过所述声光介质容纳器内的声光介质；所述声光介质容纳器的左侧设置所述超声换能器，所述声光介质容纳器的右侧设置有反射面，以用于反射超声波；所述移动平台用于放置待测物体，并且其与待测物体接触的平面作为参考平面；所述计算机控制信号发生器发出声波信号作用于超声换能器上，所述超声换能器的振动在声光介质中形成超声行波或驻波，激光光源发出的激光经过扩束系统扩束后照射在声光介质上并产生光栅效应，从而在视场内形成明暗条纹并且使明暗条纹发生变化，该变化被放置于声光介质一侧的CCD摄像机捕捉到并传送给所述计算机；所述计算机处理捕获的待测物体表面条纹图案强度和参考平面的条纹图案强度后，分别获得参考平面上的相位值φ(x,y)和待测物体表面上的相位值φ'(x,y)，从而得到参考平面与待测物体表面上对应点的相位差Δφ(x,y)，经过计算后求得待测物体表面的高度值h(x,y)；其中，所述参考平面上的相位值φ(x,y)的获取过程如下：利用相移机构等量改变条纹图的相位2π/N，在参考平面上得到一系列等相差的条纹图案，参考平面上的条纹图案强度为Ii(x,y)，并且Ii(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a(x,y)表示背景光强，b(x,y)为物体表面各点的反射率，φ(x,y)为参考平面上的相位值，然后可得到参考平面的相位值φ(x,y)： φ ( x , y ) = arctan [ Σ 0 N - 1 I i ( x , y ) s i n ( 2 π i / N ) Σ 0 N - 1 I i ( x , y ) c o s ( 2 π i / N ) ] ]]>所述待测物体表面上的相位值φ'(x,y)的获取过程如下：再将待测物体放在移动平台的参考平面上，利用相移机构等量改变待测物体表面上的条纹图的相位2π/N，则在待测物体表面上得到一系列等相差的条纹图案；待测物体表面上的条纹图案强度为Ii'(x,y)，并且Ii'(x,y)＝a'(x,y)+b'(x,y)cos[φ'(x,y)+2πi/N]，其中i＝0,1,2,3...N且N≥2，a'(x,y)表示背景光强，b'(x,y)为物体表面各点的反射率，φ'(x,y)为待测物体表面相位值，然后得到待测物体表面上的相位值φ'(x,y)： φ ′ ( x , y ) = arctan [ Σ 0 N - 1 I i ′ ( x , y ) s i n ( 2 π i / N ) Σ 0 N - 1 I i ′ ( x , y ) c o s ( 2 π i / N ) ] ]]>则可求得待测物体表面的高度值h(x,y)： h ( x , y ) = L P Δ φ ( x , y ) 2 π S + P Δ φ ( x , y ) ]]>其中，L是CCD相机镜头外表面的中心点距参考平面的垂直距离，P是参考平面上的明暗条纹的节距，S是透射光线与CCD相机镜头外表面的中心点的水平距离，Δφ(x,y)是参考平面和待测物体表面上对应点的相位差并且Δφ(x,y)＝φ(x,y)-φ'(x,y)。