一种三维变形光学测量系统及微结构力学性能测试应用

描述了一种使用显微栅线投影技术和数字图像相关技术同时测量微结构三维形貌和变形的光学测量系统.在此系统中,正弦栅线通过相移投影器投影到被测物体表面,变形的条纹图由高分辨率的CCD相机和显微镜头采集并保存.相移技术处理条纹图得到形貌和离面变形,同时从相移图像中提取出被测物表面纹理,数字图像相关技术处理变形前后表面纹理得到面...     

利用散斑嵌入条纹和查找表进行三维面形测量

为了快速、准确地重建复杂场景的三维面形,提出了一种利用散斑嵌入相移条纹图案和截断相位-高度查找表的三维面形测量方法。将散斑作为辅助信号嵌入到四步相移条纹图案的相位分布中,得到待投影的复合条纹图案。利用相移算法解调出被测物体的截断相位和额外的散斑信息。利用查找表得到截断相位对应的多个候选高度,再利用散斑对条纹周期进行标记以解决高度歧义问题,唯一确定截断相位所对应的正确高度,以实现被测物体三维面形的快速重建。该方法直接从截断相位信息中重建三维面形,无需投影任何附加图案,也无需进行相位展开。理论分析和实验结果表明,该方法可以实现动、静态复杂场景三维形貌的高精度测量且鲁棒性好。     

基于体视显微镜的三维显微表面测量系统

将条纹投影轮廓测量术和体视显微镜相结合，搭建了一套能够对微小器件的表面三维形貌进行测量的系统。该系统由一台Greenough型的体视显微镜，一台DMD投影仪，一个CCD相机和一个机械平移台组成。在利用相移算法和降级去包裹算法得到被表面形貌调制过的无歧义相位后，通过相位和高度的映射关系，得到高度值，从而能够对微小器件的表面形貌进行重建。在标定时，通过精密的机械平移台将陶瓷标定板置于不同的高度，对其进行相位测量，得到多组相对应的相位和高度值，再对每个像素点进行多项式拟合来确定相位和高度的映射关系。实验测量了标定的最后一个平面以及微型的球栅阵列，平面测量结果显示测量误差在10 μm以内，从微型球栅阵列的三维重建结果可以清晰地看到排列的球形结构。实验结果证明了该系统对于平面和复杂的三维结构都能够进行精确的测量。     

基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法

在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中, 为了完成绝对相位的测量, 通常需要处理至少6幅条纹图像, 限制了测量速度。提出了采用2幅正弦条纹和2幅三角波条纹图来获得物体三维形貌的方法。利用两步相移正弦条纹和两步相移三角条纹得到截断相位, 再利用两步相移三角波条纹得到条纹级次, 减少了投影条纹幅数, 提高测量速度。在得到条纹级次时, 计算三角波条纹强度调制和强度对比度, 与计算相位相比, 可以减少数据处理的时间, 进一步提高测量速度, 同时能减小物体表面反射率的影响, 提高了测量精度。测量最大高度为39 mm的阶梯状标准块, 得到的最大绝对误差和最大的RMS误差分别为0.045 mm和0.041 mm。验证了该方法的有效性和实用性, 在高速实时的复杂形貌三维测量中有广泛的应用前景。     

基于单目结构光的大物体三维测量关键方法的研究

在单目结构光的三维测量系统中,由于投影仪倾斜投影, 参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差,降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响,以及相交轴测量系统的限制,其单幅面测量范围受限,很难一次测量大物体完整的三维形貌,而且在测量大物体时,摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律,提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型, 在此基础上, 提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型,进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型,提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点,获取其三维坐标,利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵,并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接,采用线性加权算法,对重叠区域进行图像融合。实验结果表明,X轴的拼接误差为0.14 mm,Y轴的拼接误差为0.16 mm,Z轴的拼接误差为0.19 mm,其拼接误差均在测量误差允许范围之内。     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法

针对流水线上在线运动的刚性物体,投影复合光栅可以解决像素匹配和相位展开对条纹频率不同需求的矛盾,但在相位计算时,需对复合光栅进行滤波,该过程会降低重构精度。基于Stoilov算法,提出一种无需滤波的复合光栅投影的在线三维测量方法,设计复合条纹使低频条纹相移方向与被测物体的运动方向平行,像素匹配后被测物体的运动被转化为低频条纹的相移;高频条纹相移方向与被测物体运动方向垂直,像素匹配后各帧变形条纹图中高频条纹的光强分布完全一致,可直接进行相位计算,避开了因滤波造成的精度损失。同时在复合光栅中高频条纹的强度远低于低频条纹,故可将其看作微弱的背景光,保证了在线三维测量的精度。通过仿真与实验验证了该方法的有效性。     

复杂刚性运动物体的高精度三维测量算法

基于相移法的三维形貌重建精度高,对环境噪声和阴影等不敏感,但由于多幅条纹解相位,难以应用于动态物体的三维测量中,为此,提出了一种新的算法.基于Harris算法提取刚性运动棋盘格的角点,确定相邻两帧采集条纹图像之间的像素偏差并校正采集条纹图像;根据投影仪和摄像机的标定参数建立投影图像和采集图像之间的空间变换矩阵,并根据变...     

基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量

结构光投影方法在三维形貌测量中应用广泛,但是由于被测物体表面反射率变化范围较大,过度曝光会导致相位信息无法获取。而传统的高动态范围扫描技术步骤复杂,耗时较长。文中提出一种自适应条纹投影技术,向待测物体表面投射较高灰度级的条纹图,判断并标记过度曝光点。降低投射强度后通过非线性最小二乘法拟合来确定每个饱和像素点最适合的最大输入灰度,用重新生成的自适应条纹图来采集图像并进行相位计算和三维形貌恢复。通过实验验证,该方法可以对物体表面的高反光区域进行有效测量,避免过度饱和,仿真误差在0.02 mm范围内,实测误差约为0.14 mm,实际实验对过曝点的补偿率可达到99%。     

Fringe formula for projection type moiré topography

The rays that form moiré fringes in projection type moiré topography are discussed. It is shown that the nodal-ray formula conventionally used in projection type moiré topography gives erroneous results for an object located close to the lenses. An alternative formula based on principal rays is proposed and compared with the conventional nodal ray formula. The principal ray formula proposed can be applied to a wide class of optical systems, including a telecentric system.     

傅里叶变换轮廓术中相位失真的预矫正方法

介绍了一种基于傅里叶变换轮廓术的三维面形测量系统中相位失真的预矫正方法。由于投影系统和成像系统的空间三角位置关系、投影仪的发散照明和两套系统蕴含的光学畸变,投影一幅相位与空间坐标成理想线性关系的标准正弦光场,拍摄到的条纹相位和空间坐标不再呈线性分布,引起相位失真,甚至会影响系统测量精度。该方法借鉴反向条纹投影的思想,计算拍摄光场的非线性相位分布与理想的线性相位分布之间的关系,预先矫正,反算出一个新的待投影光场。实验结果表明这种方法能有效地减小该类相位失真所导致的测量误差,获得了更好的测量结果．     

Detection and measurement of surface defects by automatic fringe analysis

A novel measurement and inspection system for the detection and measurement of surface defects, such as chips and cracks, has been developed and applied to engineering components such as cylindrical rollers.The position, depth and volume of such a defect can be determined automatically. Measurement of such defects requires that three-dimensional information be made available for computer analysis. This is achieved by using a grating projection technique to provide contour fringes on the object, i.e. to give depth information. The contoured object is viewed by a charge coupled device (CCD) camera, the output of which is digitised and stored in a frame buffer from which it is available to a computer system for digital image processing, analysis and comparison. Calibration tests on defects of known size have confirmed that the system is fast and accurate.     

平行光波阵面调制下的双频干涉条纹形貌测量

传统形貌测量多采用光栅投影,其投影条纹的非正弦性及条纹密度的限制将影响形貌测量的精度,为了实现高密度正弦条纹投影的可调性,采用平行光干涉投影形成明亮且对比度高的正弦条纹,避免条纹的正弦畸变。在平行光波阵面调制下,通过相控阵调节两光束交会角度得到所需的条纹频率,实现条纹投影的可调性,再将调制后双频应用到解包裹中提高解相精度。对比分析了单频和双频解包裹条件下,一个最大高度为35.80 mm物体形貌的恢复,其最高点恢复相对误差分别为2.7%、1.6%。实验结果表明该方法具有有效性与可行性,具有较高的精度。     

采用树脂透镜的掌纹图像采集光学系统设计

为了获得高分辨率、高对比度和低畸变的掌纹图像,同时实现系统的轻量化和高性价比,本文基于全反射原理,采用树脂材料设计了一款由6片镜构成双远心光路的掌纹采集光学系统。树脂材料的选用减轻了光学系统的总重量;基于光的全反射原理的系统设计增强了掌纹图像的对比度;选择双远心光学结构,便于对倾斜物面所产生的梯形畸变进行矫正。对所设计光学系统的成像质量分析表明,该系统所有视场的光学传递函数（MTF）在Nyquist频率228 lp/mm处均达0.55以上,畸变〈0.14%。设计的光学系统可以采集120 mm×160 mm的手掌区域,实际手掌面上的分辨率达到500dpi,采集的掌纹图像分辨率达到8.0×106 pixel,满足了实际采集的要求。     

Digital speckle interferometry for assessment of surface roughness

In this work, the principle of interferometry is used to assess the surface roughness of the machined surfaces. Interferometry produces an interference fringe pattern when two or more light waves interact with each other. It is one of the important tool for precision optical metrology and testing. Well-known advantages of the phase shifting interferometry include high measurement accuracy, rapid measurement, good result even with low contrast fringes and that the polarity of the wave front can be determined. In fringe projection techniques, a known optical fringe pattern is projected onto the surface of interest. The fringe pattern on the surface is perturbed in accordance with the profile of the test surface, thereby enabling direct derivation of surface profile.In this work, an attempt has been made to assess the surface roughness using a speckle fringe analysis method of five frame phase shift algorithm for machined surface (ground surface). As these fringes are too noisy, advanced filtering technique has been used so as to reduce noise and to get improved wrapped phase map from the phase shifted fringes. A phase unwrapping software has been developed using discrete cosine transform (DCT) to generate the three-dimensional (3-D) profiles. Finally, it is compared with R_a values measured using a mechanical stylus instrument, showing good agreement.     

广义条纹图序列编码的相位重建

为解决拓扑复杂物体三维数字化过程中的绝对相位测量及相位重建问题,提出了一种广义变频条纹图序列的相位展开算法。简要综述了现有的各种时间维相位展开算法并指出这些算法存在的问题,在此基础上,详细分析比较提出方法与正指数条纹序列算法的噪声免疫力和时间复杂度,证明该方法有更高的噪声免疫力和更低的时间复杂度。特别是,当相邻编码条纹图的条纹数之比不等于2时,正指数条纹序列算法出现严重噪声,而提出的方法依然能够正常工作。此外,该算法还能够根据实际情况决定需要投影的条纹频率,从而能够使用相对较少的条纹编码图像进行有效的相位展开,进而提高系统的实时性。理论分析和实验结果都证明了提出算法的有效性。     

基于优化电子散斑光谱的三维物体测量研究

用激光光束直接照射到测试表面,再用CCD采其变形前后表面散斑颗粒干涉形成的条纹,条纹图解析为测量点的位移量和变形量,进而得到其离面位移,在优化算法的时候采用π位相技术获取另一个π相移的变形条纹图像,将面内位移与离面位移分离,为了消除零级分量,让投影光栅移动1/2个周期.通过Matlab和四步位相算法给出了三维空间模型,得出变形后物体的离面位移数据.实验仿真数据表明其能够稳定地测量物体变形场三维分量,误差较低.