调制度测量轮廓术中高度映射与相机同时标定的方法

传统的调制度测量轮廓术在进行系统的标定时,需要将标准平面多次精密移动,以建立调制度与实际物理高度的映射关系,同时还要对摄像机进行单独的标定。提出一种新的用于调制度测量轮廓术系统的高度映射与相机同时标定的方法。该方法用一个含有多个台阶的标定模块代替传统的调制度测量轮廓术标定方法中使用的标准平面及复杂的平移定位系统,多个高度相同但空间离散分布的台阶构成多个虚拟校准平面,虚拟平面上的调制度分布是通过一个拟合过程实现的,同时多个台阶的中心点还可以作为立体靶标用于相机标定。这种标定方法的特点是:只需要一次扫描测量过程就可以完成系统的标定,包括建立调制度与高度的映射关系和对相机的标定。阐述了该标定方法的原理,并给出实验结果说明了该标定方法的有效性。     

一种快速的调制度测量轮廓术

调制度测量轮廓术是一种垂直测量的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化的复杂物体.提出了一种基于正交方向空问载频的快速调制度测量轮廓术.该方法将两个具有一定间距且正交的正弦光栅同时成像在被测物体上,并使被测物体位于两个光栅成像面之间.采用空间频域滤波将正交光栅图像分离,得到被测物体经正交光栅调制的两个调制度图像,利用其比值和高度的对应关系恢复出物体高度.该方法只需采集一幅图像,即可恢复出物体高度,具有三维信息实时采集的特点.实验结果表明,利用该方法可以快速且较为准确地恢复出物体的高度信息.     

调制度测量轮廓术在复杂面形测量中的应用

调制度测量轮廓术(MMP)是将物体的高度信息编码在投影到待测物面上的正弦条纹的调制度信息中,可以实现对物体的垂直测量,特别适合测量表面有高度剧烈变化或不连续区域的物体。探讨了基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术在复杂面形测量中的应用,提出了调制度焦深的概念并详细分析了调制度焦深对测量的影响,以调制度焦深为基础从测量系统设计的角度提出了提高测量精度的具体措施,给出了实验系统设计方案,讨论了影响测量精度的几个实际问题及解决方案。对复杂面形和深孔物体的实测结果表明,基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术测量复杂面形物体可以达到较高的测量精度。     

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。     

一种大视场相位测量轮廓术系统标定方法

在进行大视场相位测量轮廓术系统参量标定时需要大的标定平面和精密移动台,由于携带不方便,不易进行现场标定。提出了一种用于相位测量轮廓术系统参量的高精度、现场标定方法,采用一块较小的平面标定靶在有效测量体积内不同位置多次摆放,以获取密集的数据点。先标定出摄像机的内参量和外参量,再指定一个全局参考平面和若干辅助参考平面,然后在图像平面上分区计算出每个位置标定靶上每点相对辅助参考平面的高度差和相位差,最后应用极大似然估计法估计出相位高度映射参量。实验中平面高度测量的标准偏差达到0.0433 mm。这种方法只需要较小的平面标定靶,标定过程方便、精度高,完全适合大视场三维测量相位测量轮廓术系统现场标定要求。     

新的基于条纹投影轮廓测量的系统标定方法

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型,新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系,其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量,得到的最大相对误差为0.6%。实验证明:该标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性和测量精度。     

新的基于条纹投影轮廓测量的系统标定方法

提出一种新的光栅条纹投影轮廓测量术系统标定模型,新模型不要求投影装置和成像系统的光心连线与参考面平行、成像系统的光轴垂直于参考面及投影装置和成像系统的光轴相交。基于该模型得出了新的相位高度映射关系,其待定系数与成像点的坐标无关。实际测量中只需2个高度不同的标准块便可以求得待定系数。对4个标准块进行高度测量,得到的最大相对误差为06%。实验证明:该标定方法简单有效,提高了系统标定的可操作性和测量精度。     

一种无需标记的在线三维测量方法

提出了一种无需标记的物体在线三维面形测量方法。将一固定的正弦条纹投影到待测运动物体上,借助物体运动产生等效的相移变形条纹。基于傅里叶变换轮廓术的调制度对各帧变形条纹计算,提取其具有某一特定分布的特征区域,采用相关度最大法,检测各帧变形条纹对应的调制度特征区域的位移量来检测出物体的移动,从而实现像素匹配,得到一组像素坐标完全一一对应的等效相移变形条纹图。利用Stoilov相移算法得到物体的截断相位,利用位相展开算法展开位相,通过位相和高度映射即可实现在线移动物体的面形测量。通过计算机仿真验证了该方法的可行性。     

结构光三维成像系统的计算机仿真

基于相位测量轮廓术和摄像机模型,提出一种结构照明三维成像系统的高精度计算机仿真算法。对于给定的物体三维模型,首先根据系统结构,采用Z缓冲技术消除遮挡和阴影部分,得到与摄像机像素点对应的物体表面采样点三维坐标,再使用统一的数学模型和方法处理投影过程。根据摄像机及投影仪的内、外参数,最终得到了摄像机像素点、物体表面采样点和投影仪像素坐标三者之间的对应关系,从而实现了结构照明三维成像系统仿真。为实际系统的结构设计、调整和参数校正提供了参考。     

基于调制度测量的三维轮廓术

介绍了基于调制度测量的三维轮廓术的测量方法的原理和过程,并给出了实物测量。结果证明它在原理上是正确的、可行的、。此方法对三维轮廓术、三维传感及机器视觉的应用具有重要意义。     

基于光学测棒的立体视觉坐标测量系统的研究

提出了一种基丁测量与校准功能合一的光学测棒的立体视觉坐标测最系统.采用光学测棒作为成像目标,通过任意放置的两台摄像机获取测棒上的发光特征点的图像实现被测物体三维坐标的测量,同时利用测量数据定期对两台摄像机外部方位参数进行校准.深入研究了两台摄像机内部参数和外部方位参数校准过程中的校准件和校准算法的设计,以及系统测量建模等关键技术,提出了相应的解决方案,减小了摄像机内外参数校准及测量模型对测量结果的影响,提高系统的测量精度.实验结果表明.该系统的最大测量误差为0.11 mm.     

投影光刻机硅片调焦调平测量模型

成像质量是光学光刻机的最主要指标,硅片调焦调平测量是光刻机控制成像质量的基础.为此建立了硅片调焦调平测量系统单个测量点的测量模型,并根据硅片形貌标准和集成电路尺寸标准,推导了近似运算规则,简化了曝光场高度与测量光斑在光电探测器上的位置之间的数学关系.运用最小二乘法和平面拟合曝光场曲面的方法,推导了基于多个测量点的曝光场高度和倾斜测量的数学模型.该模型能满足调焦调平实时测量和控制的需要,可用于测量精度优于10 nm的高精度调焦调平测量系统,能满足线宽小于100 nm投影步进扫描光刻机的需要.     

一种新的形貌检测系统标定技术

形貌检测中, 经相位解调和相位展开后,所求得的只是待测物体表面与参考面的相对相位分布, 而三维形貌检测要测的是高度分布. 在分析一般测试系统的基础上, 推导出了相位与高度分布的非线性函数映射关系. 设计了标定测试系统的实验方案. 通过平移实物参考面, 测得其上的相位分布, 由平移距离与相位增量之间的关系, 用最小二乘迭代法计算相位差与物体高度映射关系. 最后, 对一个实际测试系统进行了标定,并与Hung的标定方法进行了分析比较.理论和实验都表明, 新方法精度高, 操作方便, 降低了标定复杂度.     

基于无约束系统的结构光三维测量方法

针对传统结构光系统进行三维测量时,要求满足双瞳平行于参考平面和摄像机光轴垂、直于参考平面这两个强约束条件,建立了新的系统结构,去除了平行和垂直的约束,摄像机和投影仪位置可自由摆放.基于该无约束系统结构,提出了一种新的系统标定方法,通过重建"投影仪摄像机参考平面"三者的空间关系,可以简便而精确地获取传统"高度相位"公式中参量:双瞳的距离和摄像机到参考平面距离;同时,推导了无约束系统结构下新的物相关系方程和高度计算公式.实物测量结果证明,基于无约束系统的结构光三维测量方法可操作性强,测量精度可达0.1 mm.     

一种可用于离面位移测量的光路的优化设计

为了实现对复杂三维物体表面轮廓、小空间内物体的纵向位移或振动等测量，有必要研制高分辨力、非接触的光学检测系统。由于激光多普勒技术具有动态响应快、线性度好、非接触、测量精度高等特点而优先被用于复杂三维物体离面位移的测量。但是物体表面散射光的多普勒信号非常微弱，因此解决信号的强度、信噪比则是实现测量的关键。研究了激光多普勒技术及散射光相位的无规变化的统计规律，设计出一种空间分辨力很高的参考光路，将它用于固体离面位移测量效果很好，其相对误差为0．3％。     

小波变换轮廓术的测量范围研究

利用小波“脊”处的小波系数来提取变形条纹中的相位信息可以在很大程度上抑制条纹图中有用的基频分量与零频和其它谐波频率分量的混叠,弥补了傅里叶变换轮廓术的不足。从离散信号频域分析角度,推导了变形条纹小波变换的频谱描述形式,讨论了其测量范围,包括结构条件和抽样条件。结果表明,只有在无周期内瞬时频谱混叠,即任意位置处物体瞬时高度变化满足h/xx=b<1/3条件时,和不存在抽样引起的周期间瞬时频谱混叠的抽样条件下(即一个周期内的抽样点数m≥4时),小波变换轮廓术才能正确恢复被测物体的三维面型。计算机模拟和实验验证了该结论。     

A flexible fast 3D profilometry based on modulation measurement

This paper proposes a flexible fast profilometry based on modulation measurement. Two orthogonal gratings through a beam splitter are vertically projected on an object surface, and the measured object is placed between the imaging planes of the two gratings. Then the image of the object surface modulated by the orthogonal gratings can be obtained by a CCD camera in the same direction as the grating projection. This image is processed by the operations consisting of performing the Fourier transform, spatial frequency filtering and inverse Fourier transform. Using the modulation distributions of two grating patterns, we can reconstruct the 3D shape of the object. In the measurement process, we only need to capture one fringe pattern, so it is faster than the MMP and remains the advantages of it. In the article, the principle of this method, the setup of the measurement system, some simulations and primary experiment results are given. The simulative and experimental result proves it can restore the 3D shape of the complex object fast and comparatively accurate. Because only one fringe pattern is needed in the testing, our method has a promising extensive application prospect in real-time acquiring and dynamic measurement of 3D data of complex objects.     

彩色三维激光扫描测量方法的研究

提出了彩色三维激光扫描测量方法，即在单色三维激光扫描测量数据上贴合彩色的数字图像。给出了单色三维测量模型——三维光平面方程测量模型，提出了全新的测量系统参量的快速标定方法，并制作了标定靶标。给出了物体三维数据和颜色信息的贴图技术。利用所研制的装置对招财猫模型进行了实验测量，得到了满意的结果。