基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，涉及三維形貌測量領域，包括：構(gòu)建光纖干涉條紋投射數(shù)學模型；相位誤差補償系統(tǒng)提取環(huán)境因素引起的相位漂移量，并生成相位補償電壓注入雙通道壓電陶瓷驅(qū)動器；正弦相位調(diào)制信號直接注入雙通道壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)條紋相位的正弦調(diào)制，注入相位誤差補償系統(tǒng)，作為相位生成載波使用，注入CCD時序控制器，作為CCD時序控制器的基準信號，CCD時序控制器生成的時序控制面陣CCD相機采集待測物體表面上的條紋圖像，上傳給圖像處理與形貌恢復系統(tǒng)，最終實現(xiàn)物體表面形貌重建。本發(fā)明滿足了諸多運用領域的非接觸、全視場、快速性、高精度等技術(shù)要求。
【專利說明】基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及三維形貌測量領域，尤其涉及一種基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三維形貌測量技術(shù)在產(chǎn)品質(zhì)量檢測、反向工程、身份認證、病理診斷、文物測量、文化影視娛樂等領域廣泛應用，高精度的表面形貌干涉測量方法主要有光外差干涉法、相移干涉法、正弦相位調(diào)制干涉法等。光外差干涉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜，要求產(chǎn)生高精度頻差；相移干涉法對相移精度要求高，容易受環(huán)境干擾；正弦相位調(diào)制干涉法具有相位調(diào)制簡單、測量精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，在表面形貌、位移、角度和振動測量中被廣泛應用。
[0003]早期條紋投射方式主要通過物理光柵及機械平移裝置實現(xiàn)條紋圖案投射及相位移動，但投射的條紋密度與條紋相移精度相對較低；目前常用的方法是利用數(shù)字投影儀(DLP)投射由計算機編程生成的數(shù)字條紋圖像，其條紋密度也受到投影儀分辨率及投射范圍的限制，從而使得測量精度不高，同時投影儀電壓與亮度之間的非線性關系也將導致測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。目前國內(nèi)外已有相關學者利用兩束相干光波產(chǎn)生干涉條紋結(jié)構(gòu)光并投射至被測物體表面，在小視場范圍內(nèi)實現(xiàn)高密度干涉條紋投射，然而基于相干光干涉的條紋投射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復 雜，且極易受溫度波動、環(huán)境振動等因素的影響，導致系統(tǒng)穩(wěn)定度不高，因此在實際三維形貌測量中受到一定限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，本發(fā)明從測量精度與實時性入手，提出通過光纖干涉條紋投射獲得條紋圖像，同時分析并補償了環(huán)境因素引起的條紋相位漂移，采用正弦相位調(diào)制四步積分原理，通過數(shù)字圖像處理方法恢復形貌，實現(xiàn)三維形貌的高精度實時測量，詳見下文描述:
[0005]一種基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，包括=He-Ne激光器，所述He-Ne激光器作為輸出光源,輸出光束經(jīng)過I禹合透鏡匯聚后，由第一光纖臂進入2X2型光纖稱合器，
[0006]經(jīng)所述光纖耦合器分光后分別進入第二光纖臂、第三光纖臂中，所述第二光纖臂緊密纏繞在調(diào)制壓電陶瓷上，所述第三光纖臂緊密纏繞在圓柱形壓電陶瓷上，第二光纖臂、第三光纖臂的輸出端通過光纖夾持具固定，構(gòu)成馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)；構(gòu)建光纖干涉條紋投射數(shù)學模型；
[0007]在第四光纖臂的輸出端放置光電探測器，檢測到的信號被相位誤差補償系統(tǒng)接收，相位誤差補償系統(tǒng)提取環(huán)境因素引起的相位漂移量，并生成相位補償電壓注入雙通道壓電陶瓷驅(qū)動器；正弦相位調(diào)制信號直接注入所述雙通道壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)條紋相位的正弦調(diào)制；注入相位誤差補償系統(tǒng)，作為相位生成載波使用；注入CCD時序控制器，作為所述CCD時序控制器的基準信號；[0008]所述CCD時序控制器生成的時序控制面陣CCD相機采集待測物體表面上的條紋圖像，上傳給圖像處理與形貌恢復系統(tǒng)，最終實現(xiàn)物體表面形貌重建。
[0009]所述相位誤差補償系統(tǒng)包括:相位生成載波模塊，
[0010]所述相位生成載波模塊提取包含相位誤差的正弦分量、余弦分量，運用旋轉(zhuǎn)坐標數(shù)字機求解相位誤差；相位一電壓轉(zhuǎn)換模塊將所述相位誤差轉(zhuǎn)換為電壓信號，驅(qū)動所述調(diào)制壓電陶瓷產(chǎn)生光程差ΛL來補償相位誤差。
[0011]所述圖像處理與形貌恢復系統(tǒng)包括:圖像采集模塊，
[0012]所述圖像采集模塊控制所述CCD相機在調(diào)制周期內(nèi)采集四幅圖像，經(jīng)灰度變換模塊、高斯圖像增強模塊、旋濾波模塊實現(xiàn)數(shù)字圖像處理；相位提取模塊用于實現(xiàn)四步積分，從條紋圖像中提取表面形貌的相位信息；低通濾波模塊用于濾除由形貌邊緣反射引起的噪聲；標定模塊用于標定測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終獲得待測物體表面三維形貌。
[0013]所述光纖干涉條紋投射數(shù)學模型具體為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于正弦相位調(diào)制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，包括=He-Ne激光器，所述He-Ne激光器作為輸出光源,輸出光束經(jīng)過I禹合透鏡匯聚后，由第一光纖臂進入2X 2型光纖耦合器，其特征在于， 經(jīng)所述光纖耦合器分光后分別進入第二光纖臂、第三光纖臂中，所述第二光纖臂緊密纏繞在調(diào)制壓電陶瓷上，所述第三光纖臂緊密纏繞在圓柱形壓電陶瓷上，所述第二光纖臂、第三光纖臂的輸出端通過光纖夾持具固定，構(gòu)成馬赫-澤德干涉儀結(jié)構(gòu)；構(gòu)建光纖干涉條紋投射數(shù)學模型； 在第四光纖臂的 輸出端放置光電探測器，檢測到的信號被相位誤差補償系統(tǒng)接收，相位誤差補償系統(tǒng)提取環(huán)境因素引起的相位漂移量，并生成相位補償電壓注入雙通道壓電陶瓷驅(qū)動器；正弦相位調(diào)制信號直接注入所述雙通道壓電陶瓷驅(qū)動器實現(xiàn)條紋相位的正弦調(diào)制，注入相位誤差補償系統(tǒng)，作為相位生成載波使用，注入CCD時序控制器，作為所述CCD時序控制器的基準信號； 所述CCD時序控制器生成的時序控制面陣CCD相機采集待測物體表面上的條紋圖像，上傳給圖像處理與形貌恢復系統(tǒng)，最終實現(xiàn)物體表面形貌重建。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，其特征在于，所述相位誤差補償系統(tǒng)包括:相位生成載波模塊， 所述相位生成載波模塊提取包含相位誤差的正弦分量、余弦分量，運用旋轉(zhuǎn)坐標數(shù)字機求解相位誤差；相位一電壓轉(zhuǎn)換模塊將所述相位誤差轉(zhuǎn)換為電壓信號，驅(qū)動所述調(diào)制壓電陶瓷產(chǎn)生光程差Λ Ic來補償相位誤差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，其特征在于，所述圖像處理與形貌恢復系統(tǒng)包括:圖像采集模塊， 所述圖像采集模塊控制所述CCD相機在調(diào)制周期內(nèi)采集四幅圖像，經(jīng)灰度變換模塊、高斯圖像增強模塊、旋濾波模塊實現(xiàn)數(shù)字圖像處理；相位提取模塊用于實現(xiàn)四步積分，從條紋圖像中提取表面形貌的相位信息；低通濾波模塊用于濾除由形貌邊緣反射引起的噪聲；標定模塊用于標定測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終獲得待測物體表面三維形貌。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的條紋投射三維形貌測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光纖干涉條紋投射數(shù)學模型具體為:

【文檔編號】G01B11/25GK103983211SQ201410220050
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】段發(fā)階, 伯恩, 呂昌榮, 馮帆, 傅驍, 梁春疆 申請人:天津大學