本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置及方法。
背景技術(shù):
三星手機率先采用手機玻璃后蓋來替代傳統(tǒng)的金屬機殼,其中3d曲面玻璃蓋板成為一大亮點,其高顏值的外形和出色的手感迅速成為消費者的新寵,并逐漸成為國內(nèi)廠商競相追逐的熱點,成為市場潮流,目前華為、小米、oppo、vivo、樂視等品牌廠商也都已經(jīng)采用玻璃蓋板工藝。
3d曲面玻璃主要應(yīng)用于智能終端產(chǎn)品的防護屏以及后蓋,和傳統(tǒng)2d或2.5d玻璃相比,3d曲面玻璃具有輕薄、透明潔凈、抗指紋、防眩暈等特點,其外觀性能更加新穎、優(yōu)越。在散熱性、光澤度和耐磨性方面更有優(yōu)勢,同時,彎曲的設(shè)計和手掌的弧度配合,更加符合人體工程學(xué)的要求,可以帶來出色的觸控手感。隨著智能終端產(chǎn)品市場的持續(xù)增長以及電子消費市場對產(chǎn)品外觀審美、觸控手感需求的變化,3d曲面玻璃具有非常廣闊的市場空間。
準(zhǔn)確地對3d玻璃的表面形貌進(jìn)行測量,特別是3d玻璃邊緣弧形(r角)的測量,不僅能正確識別加工過程中3d玻璃的變化和缺陷,便于控制和改進(jìn)加工方法,而且對于研究表面幾何特性與使用性能的關(guān)系,對于提高加工表面的質(zhì)量和產(chǎn)品性能都有著重要意義。目前,針對透明玻璃的檢測,檢測方法不多,現(xiàn)有的接觸式測量方法測量速度慢、易劃傷測量表面,對復(fù)雜的面形零件會造成數(shù)據(jù)的失真。非接觸式的鏡面檢測的方法主要有輪廓測量法,干涉儀測量法,三坐標(biāo)測量法等方法,但是這三種方法均存在其自身的局限性。輪廓測量法存在采樣密度低,檢測用時較長等缺點,不能滿足工程檢測需求;干涉儀測量法,需要在一塊不小于被檢元件尺寸的參考鏡上進(jìn)行測量,而這種高精度參考鏡的加工難度大,制造成本高,同時需要設(shè)計相應(yīng)的補償元件,且動態(tài)范圍??;三坐標(biāo)測量法精度較低,測量時間相對較長,一般只能用于粗略的檢測階段,測量精度有限。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明目的在于針對現(xiàn)有3d玻璃檢測技術(shù)所存在的不足,提供了一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置及方法的技術(shù)方案,其基本原理是利用lcd投射結(jié)構(gòu)光,通過ccd相機對待測3d玻璃進(jìn)行拍攝,結(jié)構(gòu)光經(jīng)待測物體表面反射后形成的調(diào)制圖像;然后通過數(shù)字相移技術(shù),相位解包裹算法,得到調(diào)制圖像的相位圖,并找出屏幕的像素坐標(biāo)和相機的像素坐標(biāo)一一對應(yīng)關(guān)系;結(jié)合相機標(biāo)定的參數(shù),將相位的分布轉(zhuǎn)化為位置坐標(biāo)的分布,并將相位標(biāo)定信息與空間位置信息對應(yīng);最后利用光線立體偏折術(shù)技術(shù),建立相位改變量與待測物體的面形梯度信息,即x與y方向的斜率分布,沿斜率方向迭代積分可以實現(xiàn)三維面形的重建。此方法應(yīng)用廣泛且結(jié)構(gòu)簡單,具有成本低廉,易于操作,測量動態(tài)范圍大,測量準(zhǔn)確度高和抗干擾能力強等優(yōu)點。
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置,其特征在于:包括箱體、液晶lcd顯示器屏幕、ccd左相機、ccd右相機、支撐機構(gòu)和二維升降工作臺,ccd左相機和ccd右相機均通過支撐機構(gòu)移動連接在箱體的內(nèi)部,支撐機構(gòu)包括水平導(dǎo)桿和豎直導(dǎo)桿,箱體的內(nèi)側(cè)面上設(shè)置有第一定位板,豎直導(dǎo)桿通過第一三角連接塊固定連接在第一定位板上,水平導(dǎo)桿的兩端均通過矩形連接塊連接豎直導(dǎo)桿,ccd左相機和ccd右相機均移動連接在水平導(dǎo)桿上,二維升降工作臺位于ccd左相機和ccd右相機的下方且固定連接在箱體的底面上,二維升降工作臺上裝夾有3d曲面玻璃;該結(jié)構(gòu)光測量裝置光源由液晶lcd顯示器屏幕投射結(jié)構(gòu)光,并作為面光源,其以一定角度輻射到3d曲面玻璃上,3d曲面玻璃放在一個可以升降的二維升降工作臺上,以方便調(diào)節(jié)不同的視角,兩個ccd相機互成一定角度,通過調(diào)節(jié)ccd相機和工作臺的位置,使盡可能多的結(jié)構(gòu)光在被測3d玻璃上顯示出來,并被ccd相機獲取。
進(jìn)一步,液晶lcd顯示器屏幕傾斜內(nèi)嵌在箱體的內(nèi)側(cè)面上,液晶lcd顯示器屏幕以一定角度傾斜,這種設(shè)計方式不僅可以減小對箱體的空間占用率,而且傾斜的打光方式,更有利于結(jié)構(gòu)光投射到3d玻璃邊緣,便于對邊緣r角的測量。
進(jìn)一步,水平導(dǎo)桿與豎直導(dǎo)桿相互垂直,可以靈活地前后調(diào)節(jié),方便將ccd左相機和ccd右相機調(diào)節(jié)到合適的位置,保證拍照時盡可能多的結(jié)構(gòu)光投影到被測物表面,同時可以降低測量的誤差,提高測量精度。
進(jìn)一步,ccd左相機和ccd右相機均包括第二三角連接塊和ccd相機,第二三角連接塊上設(shè)置有定位孔,定位孔與水平導(dǎo)桿相匹配,第二三角連接塊上設(shè)置有支撐板,支撐板上垂直連接有限位板,ccd相機裝夾在限位板上,ccd相機可以在第二三角連接塊的作用下沿著水平導(dǎo)桿移動,可以對不同位置和視角的3d曲面玻璃進(jìn)行拍照,使用方便靈活。
進(jìn)一步,二維升降工作臺包括工作平臺和底座,工作平臺的底面上設(shè)置有高度調(diào)節(jié)機構(gòu),工作平臺與底座之間設(shè)置有相互平行且交叉設(shè)置的第一支架和第二支架,第一支架位于第二支架的內(nèi)側(cè),兩個第一支架和兩個第二支架的中心處通過連接軸連接,兩個第一支架的底面之間和兩個第二支架的底面之間均通過上連接板固定連接,兩個第一支架的頂面之間和兩個第二支架的頂面之間均通過下連接板固定連接,通過第一支架和第二支架的設(shè)計,提高了工作平臺在上下移動過程中的穩(wěn)定性,上連接板和下連接板不僅提高了第一支架和第二支架連接的強度,防止出現(xiàn)晃動,而且降低了工作平臺在下降過程中的沖擊力。
進(jìn)一步,高度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括手柄和緊固螺母,手柄通過緊固螺母連接第二定位板,第二定位板固定連接在工作平臺的下方,通過轉(zhuǎn)動手柄即可調(diào)節(jié)工作平臺的高度位置,并通過緊固螺釘可以進(jìn)行定位。
該測量裝置是一種可以對高反射鏡面進(jìn)行測試的測試系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍大、測量準(zhǔn)確度高、檢測速度快、抗干擾性能強,成本低、易于操作等優(yōu)點。
如上述的一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置的測量方法,其特征在于包括如下步驟:
1)數(shù)字相移法
該測量裝置中,lcd屏幕上投影結(jié)構(gòu)光,照射到被測樣品表面,經(jīng)待測鏡反射進(jìn)入相機成像后的變形條紋光強由下列方程式描述:
其中,a(x,y)為背景光強度;b(x,y)為振幅調(diào)制;
其待測相位為:
2)相位展開
對于一維空間的相位展開,相位解包裹的過程是在計算中給包裹相位加上2π的整數(shù)倍,其過程決定了未知2π整數(shù)倍的平移函數(shù)p(i),當(dāng)記錄的干涉圖滿足奈奎斯特準(zhǔn)則時,每個條紋周期至少有兩個像素,解包裹的具體遞推按下列公式進(jìn)行:
解包裹過程從波前接近于干涉圖中心的某一個位置開始,整個計算由內(nèi)向外進(jìn)行,故設(shè)pstart=0;
3)波形恢復(fù)與物體三維建模,經(jīng)解算最終復(fù)原被測件表面面形數(shù)據(jù)
對于相移方法,由表面各抽樣點的相位信息,根據(jù)系統(tǒng)幾何關(guān)系通過條紋反射法基本原理得到各點的斜率信息,通過三維面形積分重建過程對表面梯度[p(x,y),q(x,y)]進(jìn)行積分,可以得到光學(xué)表面的面形信息,在理想情況下,對波面進(jìn)行梯形積分即可,
z=∫(gxdx+gydy)(5)
通過積分和反復(fù)的迭代即可對玻璃表面的3d面形進(jìn)行恢復(fù)。
本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)方案,具有以下有益效果:
1、該測量裝置采用了投射結(jié)構(gòu)光的顯示器作為面光源,和2個ccd相機以及一些輔助型材裝置組成,硬件價格便宜,測量過程方便,具有較強的實用性和通用性;
2、該測量裝置結(jié)構(gòu)簡單,易于產(chǎn)業(yè)化,測量精度高,不僅適用于3d曲面玻璃的測量,而且也能對有高反射特性的鏡面材料進(jìn)行測量;
3、該測量方法的測量步驟簡單,易于操作,具有測量精度高,測量動態(tài)范圍大和抗干擾能力強等優(yōu)點。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
圖1為本發(fā)明一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置及方法中測量裝置的效果圖;
圖2為本發(fā)明的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為圖2中ⅰ處的局部放大圖;
圖4為本發(fā)明中ccd左相機和ccd右相機的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5為圖4的主視圖;
圖6為本發(fā)明中二維升降工作臺的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖7為本發(fā)明實施例的測量流程圖;
圖8為本發(fā)明測量結(jié)果的強度圖;
圖9為本發(fā)明測量結(jié)果的曲率圖;
圖10為本發(fā)明測量結(jié)果的面形三維圖;
圖11為本發(fā)明測量結(jié)果的2d剖面圖;
圖12為本發(fā)明中雙相機復(fù)原測量的原理圖。
圖中:1-箱體;2-液晶lcd顯示器屏幕;3-ccd左相機;4-ccd右相機;5-支撐機構(gòu);6-二維升降工作臺;7-3d曲面玻璃;8-水平導(dǎo)桿;9-豎直導(dǎo)桿;10-矩形連接塊;11-第一三角連接塊;12-第一定位板;13-第二三角連接塊;14-支撐板;15-ccd相機;16-限位板;17-定位孔;18-工作平臺;19-底座;20-第一支架;21-第二支架;22-上連接板;23-下連接板;24-連接軸;25-第二定位板;26-手柄;27-緊固螺母。
具體實施方式
如圖1至圖11所示,為本發(fā)明一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置,包括箱體1、液晶lcd顯示器屏幕2、ccd左相機3、ccd右相機4、支撐機構(gòu)5和二維升降工作臺6,液晶lcd顯示器屏幕2傾斜內(nèi)嵌在箱體1的內(nèi)側(cè)面上,液晶lcd顯示器屏幕2以一定角度傾斜,這種設(shè)計方式不僅可以減小對箱體1的空間占用率,而且傾斜的打光方式,更有利于結(jié)構(gòu)光投射到3d玻璃邊緣,便于對邊緣r角的測量。
ccd左相機3和ccd右相機4均通過支撐機構(gòu)5移動連接在箱體1的內(nèi)部,支撐機構(gòu)5包括水平導(dǎo)桿8和豎直導(dǎo)桿9,水平導(dǎo)桿8與豎直導(dǎo)桿9相互垂直,可以靈活地前后調(diào)節(jié),方便將ccd左相機3和ccd右相機4調(diào)節(jié)到合適的位置,保證拍照時盡可能多的結(jié)構(gòu)光投影到被測物表面,同時可以降低測量的誤差,提高測量精度,箱體1的內(nèi)側(cè)面上設(shè)置有第一定位板12,豎直導(dǎo)桿9通過第一三角連接塊11固定連接在第一定位板12上,水平導(dǎo)桿8的兩端均通過矩形連接塊10連接豎直導(dǎo)桿9,ccd左相機3和ccd右相機4均移動連接在水平導(dǎo)桿8上,ccd左相機3和ccd右相機4均包括第二三角連接塊13和ccd相機15,第二三角連接塊13上設(shè)置有定位孔17,定位孔17與水平導(dǎo)桿8相匹配,第二三角連接塊13上設(shè)置有支撐板14,支撐板14上垂直連接有限位板16,ccd相機15裝夾在限位板16上,ccd相機15可以在第二三角連接塊13的作用下沿著水平導(dǎo)桿8移動,可以對不同位置和視角的3d曲面玻璃7進(jìn)行拍照,使用方便靈活。
二維升降工作臺6位于ccd左相機3和ccd右相機4的下方且固定連接在箱體1的底面上,二維升降工作臺6上裝夾有3d曲面玻璃7,二維升降工作臺6包括工作平臺18和底座19,工作平臺18的底面上設(shè)置有高度調(diào)節(jié)機構(gòu),工作平臺18與底座19之間設(shè)置有相互平行且交叉設(shè)置的第一支架20和第二支架21,第一支架20位于第二支架21的內(nèi)側(cè),兩個第一支架20和兩個第二支架21的中心處通過連接軸24連接,兩個第一支架20的底面之間和兩個第二支架21的底面之間均通過上連接板22固定連接,兩個第一支架20的頂面之間和兩個第二支架21的頂面之間均通過下連接板23固定連接,通過第一支架20和第二支架21的設(shè)計,提高了工作平臺18在上下移動過程中的穩(wěn)定性,上連接板22和下連接板23不僅提高了第一支架20和第二支架21連接的強度,防止出現(xiàn)晃動,而且降低了工作平臺18在下降過程中的沖擊力,高度調(diào)節(jié)機構(gòu)包括手柄26和緊固螺母27,手柄26通過緊固螺母27連接第二定位板25,第二定位板25固定連接在工作平臺18的下方,通過轉(zhuǎn)動手柄26即可調(diào)節(jié)工作平臺18的高度位置,并通過緊固螺釘可以進(jìn)行定位;該結(jié)構(gòu)光測量裝置光源由液晶lcd顯示器屏幕2投射結(jié)構(gòu)光,并作為面光源,其以一定角度輻射到3d曲面玻璃7上,3d曲面玻璃7放在一個可以升降的二維升降工作臺6上,通過兩個互成一定角度的ccd相機15,分別調(diào)節(jié)ccd相機15和工作臺的角度,以不同的位置和視角,使盡可能多的結(jié)構(gòu)光輻射在3d玻璃上。
該測量裝置是一種可以對高反射鏡面進(jìn)行測試的測試系統(tǒng),具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍大、測量準(zhǔn)確度高、檢測速度快、抗干擾性能強,成本低、易于操作等優(yōu)點。
如上述的一種可應(yīng)用于3d曲面玻璃面形檢測的測量裝置的測量方法,包括如下步驟:
1)數(shù)字相移法
該測量裝置中,lcd屏幕上投影結(jié)構(gòu)光,照射到被測樣品表面,經(jīng)待測鏡反射進(jìn)入相機成像后的變形條紋光強由下列方程式描述:
其中,a(x,y)為背景光強度;b(x,y)為振幅調(diào)制;
其待測相位為:
2)相位展開
對于一維空間的相位展開,相位解包裹的過程是在計算中給包裹相位加上2π的整數(shù)倍,其過程決定了未知2π整數(shù)倍的平移函數(shù)p(i),當(dāng)記錄的干涉圖滿足奈奎斯特準(zhǔn)則時,每個條紋周期至少有兩個像素,解包裹的具體遞推按下列公式進(jìn)行:
解包裹過程從波前接近于干涉圖中心的某一個位置開始,整個計算由內(nèi)向外進(jìn)行,故設(shè)pstart=0;
3)波形恢復(fù)與物體三維建模,經(jīng)解算最終復(fù)原被測件表面面形數(shù)據(jù)
對于相移方法,由表面各抽樣點的相位信息,根據(jù)系統(tǒng)幾何關(guān)系通過條紋反射法基本原理得到各點的斜率信息,通過三維面形積分重建過程對表面梯度[p(x,y),q(x,y)]進(jìn)行積分,可以得到光學(xué)表面的面形信息,在理想情況下,對波面進(jìn)行梯形積分即可,
z=∫(gxdx+gydy)(5)
通過積分和反復(fù)的迭代即可對玻璃表面的3d面形進(jìn)行恢復(fù)。
該測量方法是根據(jù)鏡面采樣點處的法線(或者說是x,y向斜率)與小孔相機的光心坐標(biāo)、點亮被測鏡面采樣點的屏幕像素點坐標(biāo)和鏡面采樣點坐標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系,再假定預(yù)知面形來提供一個較好的初始值,最后根據(jù)函數(shù)關(guān)系迭代求得被測鏡面的斜率和面形,它們之間的函數(shù)關(guān)系用如下公式(6)來表示:
其中,xm和ym是待測表面的坐標(biāo),能從測量裝置的幾何測量中獲得;xcamera和ycamera是ccd相機15坐標(biāo),能從測量裝置的幾何測量中獲得;xscreen和yscreen是lcd顯示器屏幕亮點的坐標(biāo),能由數(shù)字相移技術(shù)與相位展開算法計算得到;zm2screen和zm2camera分別是反射鏡和屏幕、反射鏡和ccd相機15之間的z坐標(biāo)差值;dm2screen和dm2camera分別是反射鏡和屏幕、反射鏡和ccd相機15之間的距離;zm2screen、zm2camera和dm2camera能從幾何測量以及標(biāo)定中得到。
在公式(6)中,由于斜率wx(xm,ym)、wy(xm,ym)是表面面形w(xm,ym)的函數(shù),因此在計算斜率時需要提供一個較好的初始值,通常可以采用一個理想的表面面形或者其他測量方法得到面形來提供一個較好的初始面形估值,記為w0(xm,ym),將w0(xm,ym)代替公式(6)中的w(xm,ym)便可得到(xm,ym)處的x,y向斜率數(shù)據(jù),再將由斜率計算得到的面形w1(xm,ym)代替公式(6)中的w(xm,ym),進(jìn)而得到另一組斜率,以此類推,通過反復(fù)迭代計算斜率和面形。上述公式是采用單相機復(fù)原的方法,但是本測量裝置采用的是左右雙相機的測量方法,兩個單相機分別通過上述方法迭代計算斜率和面形,然后通過圖片融合的技術(shù),多次迭代直至輸出整個面形。此單-雙相機相結(jié)合的方案優(yōu)勢在于可以增大視場,即增加了測量范圍,并且可以對較復(fù)雜的面形進(jìn)行測量。
針對三維面形的測量,利用單相機復(fù)原的測量方法,首先需要確定一個預(yù)知面形,如果預(yù)知面形和被測面形相差較大,會導(dǎo)致程序收斂慢,精度和運行速度會受到較大影響,同時標(biāo)定過程對幾何標(biāo)定精度要求比較高,選取的參考平面的測量精度會直接影響最終的測量結(jié)果。
采用雙相機復(fù)原的測量方法,測量視場小,其測量的有效區(qū)域是兩相機視場的公共相交區(qū)域,而且由于其直接對整個面形進(jìn)行掃描,數(shù)據(jù)量大,程序運行速度慢,不能對復(fù)雜面形進(jìn)行測量復(fù)原。下面對雙相機立體偏折術(shù)進(jìn)行簡單介紹,如圖12所示。
雙相機測量原理:利用雙相機分別測量,測量后得到相機每個像素對應(yīng)入射光線方向以及觀測點在屏幕上的具體位置。然而,對于單個相機而言,由于高度不確定導(dǎo)致真實反射面的法向量無法確定,但是可以計算出不同高度對應(yīng)的法向量,兩個相機的測量方法也是基于此原理。只有在真實高度的平面上,這兩個法向量才能重合,通過測量不同像素點對應(yīng)的入射光線方向,可得到平面上的法向量分布,即可得到物體表面斜率分布。
針對上述方案存在的問題,本方案提出了基于雙目視覺和數(shù)字相移技術(shù)的單-雙相機相結(jié)合的方法。即首先利用雙相機采集相交區(qū)域20個點的高度信息,然后擬合成一個初始面形,作為被測面形的基準(zhǔn)面,然后作為單相機的初始面形輸入,進(jìn)行斜率迭代計算直至輸出被測件的三維面形信息,這樣程序運行速度大大提高。
利用單-雙相機相結(jié)合的方法的優(yōu)勢:1、測量視場大;2、運算速度大大提高;3、對硬件的標(biāo)定要求大大降低;4、可對復(fù)雜的面形進(jìn)行測量。
本發(fā)明的工作原理如下:
1)采用32寸的高亮度lcd屏顯示器充當(dāng)面光源使用,并投射結(jié)構(gòu)光;
2)面光源投射的結(jié)構(gòu)光,以一定的角度輻射到3d曲面玻璃上,3d曲面玻璃放在可升降的二維升降工作臺上,面光源照射到被測物體后,經(jīng)被測物體表面反射后在兩個ccd相機上成像,通過調(diào)整工作平臺高度,進(jìn)一步調(diào)整3d玻璃的位置和ccd相機的位置,左右相機分別以一定的角度安裝,通過調(diào)節(jié)ccd相機和工作臺的位置,使盡可能多的結(jié)構(gòu)光在被測3d玻璃上顯示出來,并被ccd相機獲??;
3)結(jié)構(gòu)光經(jīng)待測物體表面反射后形成的調(diào)制圖像,然后通過數(shù)字相移技術(shù),相位解包裹算法,得到調(diào)制圖像的相位圖,并找出屏幕的像素坐標(biāo)和相機的像素坐標(biāo)一一對應(yīng)關(guān)系;結(jié)合相機標(biāo)定的參數(shù),將相位的分布轉(zhuǎn)化為位置坐標(biāo)的分布,并將相位標(biāo)定信息與空間位置信息對應(yīng);最后利用光線立體偏折術(shù)技術(shù),建立相位改變量與待測物體的面形梯度信息。
4)利用單-雙相機相結(jié)合的復(fù)原方法,由已知的梯度信息沿斜率方向迭代積分,可以進(jìn)行面形重建,從而對3d玻璃的面形進(jìn)行恢復(fù)。
以上僅為本發(fā)明的具體實施例,但本發(fā)明的技術(shù)特征并不局限于此。任何以本發(fā)明為基礎(chǔ),為實現(xiàn)基本相同的技術(shù)效果,所作出地簡單變化、等同替換或者修飾等,皆涵蓋于本發(fā)明的保護范圍之中。