專利名稱：一種測量膜基反射鏡三維面形的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三維面形的光學測量方法，具體涉及一種基于正交條紋反射的膜基反射鏡的三維面形測量方法。
背景技術：
隨著空間技術的迅猛發(fā)展，迫切要求空間光學望遠鏡系統(tǒng)具有大口徑、超輕型、制造周期短、研發(fā)成本相對低廉等特點。與其他傳統(tǒng)的反射鏡相比，空間薄膜反射鏡以柔性薄膜材料為基胚，具有可折疊和展開、重量輕以及成本低等特點，在研制大口徑、超輕型空間望遠鏡系統(tǒng)領域具有傳統(tǒng)光學系統(tǒng)制造技術無法比擬的優(yōu)勢。由于膜基反射鏡本身的特點，如對環(huán)境敏感、質薄等，使得其面形不能用常規(guī)的面形檢測方法進行檢測。目前膜基反射鏡的面形檢測方法主要有三類，一是采用標準波面照射膜基反射鏡后，取其反射光，利用波前傳感器對反射光波前進行分析，計算波前和^rnike系數(shù)，得出反射鏡面形參數(shù)。二是對口徑較小的膜基反射鏡采用干涉檢驗方法進行面形檢測，如采用干涉儀、莫爾條紋進行檢測。三是利用反射鏡對物體成像，由成像質量的來評價反射鏡面形的好壞。然而以上方法都具有一定的局限性，如需要專門的軟件、成本高、不能用于較大口徑的反射鏡檢測等。對于鏡面反射物體的面形檢測，除了以干涉檢測法為主的傳統(tǒng)方法外，又提出了身寸白勺Afe@iiJ f。 i·“Practical three-dimensional computer vision
techniques for full-field surface measurement，，[Opt. Eng, 2000, 39 (1) 143 149]禾口“High-resolution 3D shape measurement on specular surfaces by fringe reflection" [Proc. SPIE, 2004, 5457 :411 422]公開了采用條紋反射技術對鏡面反射物體進行面形檢測的方法。該方法對檢測剛性材料為基胚的反射鏡具有較好的效果，但由于該方法采用四步相移法分別計算正交兩方向的相位，共需采集十六幅圖像，實時性較差，而薄膜本身具有質薄、易受空氣擾動影響的特性決定了該方法用于膜基反射鏡面形檢測的局限性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術存在的不足，提供一種簡單、方便、實時性好的膜基反射鏡三維面形的測量方法。本發(fā)明所采用的技術方案是一種測量膜基反射鏡三維面形的方法，包括以下步驟1、將由計算機編程產生的正交復合條紋通過輸入端口顯示在液晶顯示器平面上， 由CXD采集得到的顯示器平面上的條紋圖像信號反饋到計算機，并依此調整顯示器上的條紋周期和對比度；2、CCD采集一幅被標準平面反射鏡反射后的復合條紋圖像，輸入計算機并存儲； 再采集一幅被待測膜基反射鏡反射后的復合條紋圖像，輸入計算機并存儲；
3、采用傅立葉變換輪廓術分別提取被標準反射鏡反射后的復合條紋的正交兩個方向上的基頻，計算出包裹相位，對這兩個方向的包裹相位進行相位展開；采用傅立葉變換輪廓術分別提取被膜基反射鏡反射的復合條紋的正交兩個方向上的基頻，計算出包裹相位，對這兩個方向的包裹相位進行相位展開；4、依據(jù)膜基反射鏡的相位和標準平面反射鏡的相位，得到由膜基反射鏡面形引起的相位變化，建立膜基反射鏡面的相位變化與反射鏡面形的關系模型，得到膜基反射鏡正交兩個方向上的梯度；5、采用自適應光學中的區(qū)域波前重構法進行面形重構，即可得到膜基反射鏡的三維面形。在本發(fā)明技術方案中，采用同頻率正交復合條紋，目的是得到膜基反射鏡正交兩方向上的梯度，提高面形測量的簡易性和實時性；CCD成像采用針孔成像模型，目的是獲得更加準確的相位變化和反射鏡面形的關系模型，提高膜基反射鏡面形測量的精度。在本發(fā)明中，測量系統(tǒng)包括液晶顯示器、標準平面反射鏡、(XD、圖像采集卡及計算機等；液晶顯示器平面、標準平面反射鏡的基面、CCD的成像面均垂直于水平面；液晶顯示器平面與標準平面反射鏡的基面成45度角；CCD的成像面與液晶顯示器平面垂直，與標準平面反射鏡基面成45度角。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所述的技術方案具有以下明顯的進步和優(yōu)點1、本發(fā)明以正交復合條紋進行投影，采用傅立葉變換輪廓術分別得到正交兩個方向上的相位變化，只需分別采集被標準平面反射鏡和膜基反射鏡反射的條紋圖像各一幅就可計算出變化的相位，而現(xiàn)有技術采用的四步相移法則要在正交兩個方向上各采集四幅圖像才能計算出變化的相位，因此，本發(fā)明具有簡單方便、實時性好的特點；同時，克服了采集多幅圖像過程中空氣擾動對測量結果的影響，提高了測量的準確性。2、本發(fā)明采用液晶顯示器顯示條紋，條紋可通過計算機編程方便地設計、調節(jié)條紋的周期和對比度；與現(xiàn)有的莫爾技術相比，該方法使用的條紋為標準正弦條紋，靈活性更尚ο3、本發(fā)明和傳統(tǒng)的傅立葉變換輪廓術相比，可以實現(xiàn)鏡面反射物體的三維面形測量。而傳統(tǒng)的傅立葉變換輪廓術是用來測量漫反射物體的面形，和漫反射物體不同，反射鏡需要得到正交方向上的梯度場，然后由梯度場進行面形重構。本發(fā)明采用的同頻率的正交復合條紋可以很好地實現(xiàn)這一目的。4、本發(fā)明采用區(qū)域波前重構法進行面形重構，和采用數(shù)值積分進行面形重構相比，具有更好的抗噪性和更高的精度。采用數(shù)值積分進行重構時，容易受隨機噪聲的影響， 而區(qū)域波前重構法則采用最小二乘法進行全局優(yōu)化，能有效降低噪聲所引入的誤差。


圖1是本發(fā)明提供的膜基反射鏡三維面形測量裝置結構示意圖的俯視圖，反映光線在水平方向的偏折；圖2是采用本發(fā)明提供的膜基反射鏡三維面形測量裝置測量時，光線在豎直方向的偏折示意圖；圖3是本發(fā)明提供的測量膜基反射鏡三維面形的工作原理流程圖4是本發(fā)明提供的測量膜基反射鏡三維面形利用傅里葉變換提取相位的工作原理流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。參見附圖1，它是本發(fā)明提供的膜基反射鏡三維面形測量裝置結構示意圖的俯視圖，反映光線在水平方向(坐標系M)Z中)的偏折，；參見附圖2，它是本發(fā)明提供的測量裝置的光線在豎直方向(坐標系XOZ中)的偏折；由圖1和2可以看到，該測量裝置包括液晶顯示器、標準平面反射鏡、CCD、圖像采集卡、計算機等，液晶顯示器平面、標準平面反射鏡的基面(即圖1中的XOY平面)、CCD的成像面均垂直于水平面；液晶顯示器平面與標準平面反射鏡的基面成45度角；CCD的成像面與液晶顯示器平面垂直，與標準平面反射鏡基面成 45度角。圖1中XOZ為反射鏡的坐標系，ioj為CXD成像面的坐標系，d0為反射鏡坐標中心到液晶顯示器的距離，-θ cx為光線和CXD光軸在水平方向上的夾角，顯示器上的A點和B 點分別經標準平面反射鏡和膜基反射鏡上的D點和C點反射后，成像在CCD像面上的E點。 圖2中-θ。y為光線和CXD光軸在豎直方向上的夾角，顯示器上的A’點和B’點分別經標準平面反射鏡和膜基反射鏡上的D’點和C’點反射后，成像在C⑶像面上的E’點。參見附圖3，它是本發(fā)明提供膜基反射鏡三維面形的測量方法流程圖，其測量步驟包括液晶顯示器顯示正交復合條紋，采集被標準平面鏡、膜基反射鏡反射后的條紋圖像， 采用傅立葉變換輪廓術提取正交兩方向上的相位，計算膜基反射鏡正交兩方向上的相位變化，計算膜基反射鏡的梯度分布，由梯度進行面形重構。本實施例提供的膜基反射鏡三維面形的測量方法具體步驟為1、顯示正交的復合條紋通過計算機編程，產生正交的同頻率的復合條紋，顯示在液晶顯示器平面上，并根據(jù)CCD采集到的條紋來調整顯示器上的條紋周期和對比度。2、采集被標準平面反射鏡反射后的復合條紋首先由CCD采集一幅被標準平面反射鏡反射后的復合條紋圖像，并存儲；再采集一幅被膜基反射鏡反射后的復合條紋圖像，并存儲。膜基反射鏡的基面應盡量和標準平面反射鏡所在的平面重合。3、提取正交兩方向的相位并計算相位變化參見附圖4，它是本發(fā)明提供膜基反射鏡三維面形的測量方法，采用傅立葉變換輪廓術提取正交兩方向的相位的流程圖，其步驟包括CCD采集被標準平面反射鏡反射后的條紋，再對條紋進行傅立葉變換，分別提取正交條紋的兩個基頻，對所提取的基頻進行逆傅立葉變換，得到包裹的相位，然后利用相位解包裹算法進行相位解包裹，即得到正交兩個方向的相位分布。對被膜基反射鏡反射的復合條紋進行同樣的處理。由膜基反射鏡的相位和標準平面反射鏡的相位即可得到由膜基反射鏡面形引起的相位變化。4、由相位變化恢復膜基反射鏡三維面形根據(jù)建立的相位變化和反射鏡面形的關系模型，可得到膜基反射鏡正交兩個方向上的梯度，再采用自適應光學中的區(qū)域波前重構法進行面形重構，即可重構出膜基反射鏡面形。本發(fā)明所采用的技術方案的原理是利用計算機產生正交正弦條紋，經標準平面鏡反射后，由CXD獲取的條紋像強度分布為
權利要求
1 一種測量膜基反射鏡三維面形的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)將由計算機編程產生的正交復合條紋通過輸入端口顯示在液晶顯示器平面上，由 CXD采集得到的顯示器平面上的條紋圖像信號反饋到計算機，并依此調整顯示器上的條紋周期和對比度；(2)CCD采集一幅被標準平面反射鏡反射后的復合條紋圖像，輸入計算機并存儲；再采集一幅被待測膜基反射鏡反射后的復合條紋圖像，輸入計算機并存儲；(3)采用傅立葉變換輪廓術分別提取被標準反射鏡反射后的復合條紋的正交兩個方向上的基頻，計算出包裹相位，對這兩個方向的包裹相位進行相位展開；采用傅立葉變換輪廓術分別提取被膜基反射鏡反射的復合條紋的正交兩個方向上的基頻，計算出包裹相位，對這兩個方向的包裹相位進行相位展開；(4)依據(jù)膜基反射鏡的相位和標準平面反射鏡的相位，得到由膜基反射鏡面形引起的相位變化，建立膜基反射鏡面的相位變化與反射鏡面形的關系模型，得到膜基反射鏡正交兩個方向上的梯度；(5)采用自適應光學中的區(qū)域波前重構法進行面形重構，即可得到膜基反射鏡的三維面形。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種測量膜基反射鏡三維面形的方法，其特征在于所述的正交復合條紋為同頻率的正交復合條紋。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種測量膜基反射鏡三維面形的方法，其特征在于所述的 CXD采用針孔成像模型。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量膜基反射鏡三維面形的方法。測量系統(tǒng)包括液晶顯示器、標準平面反射鏡、CCD、圖像采集卡和計算機等。液晶顯示器顯示由計算機輸入的正交正弦條紋，CCD采集被標準平面反射鏡和膜基反射鏡反射后的復合條紋，系統(tǒng)利用傅立葉變換輪廓術提取正交兩方向上的相位，計算膜基反射鏡引起的正交兩方向的相位變化，根據(jù)梯度和相位變化之間的關系計算膜基反射鏡的梯度分布，由梯度進行面形重構。本發(fā)明采用正交正弦條紋反射技術，只需分別采集標準平面反射鏡和膜基反射鏡反射的條紋圖各一幅，即可實現(xiàn)膜基反射鏡面形的測量。本發(fā)明測量裝置簡單、成本低、實時性好，能有效解決膜基反射鏡三維面形測量難的問題。
文檔編號G01B11/25GK102410819SQ201110226010
公開日2012年4月11日 申請日期2011年8月8日 優(yōu)先權日2011年8月8日
發(fā)明者唐敏學, 謝佩 申請人:蘇州大學