專利名稱：一種莫爾相位解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，更進一步屬于莫爾輪廓測量術(shù)。
現(xiàn)有莫爾輪廓測量術(shù)分為陰影莫爾法和投影莫爾法，陰影莫爾法具有結(jié)構(gòu)簡單、實用等特點，可根據(jù)測量對象的不同采取不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它只需要一個光柵，但要求被測物與光柵靠近；投影莫爾法需兩個光柵，一個為投影光柵，一個為解調(diào)光柵。此法的特點是把投影光柵投影到物體上，因此可用小光柵測大物體，被測物與測量裝置之間有較自由的工作距離。無論是陰影莫爾法還是投影莫爾法最后形成的莫爾輪廓分布都可寫成I(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cosφ(1)的形式，｜(x,y)為莫爾輪廓光強分布，A(x,y)為背景光強，B(x,y)/A(x,y)為條紋對比度，φ為莫爾輪廓分布的相位，它包含了被測物體的輪廓信息。為了解調(diào)出相位φ，目前通常的方法是引入一定的相移量φ1、φ2、…φn(n≥3)得到一組方程I1(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ+φ1)I2(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ+φ2)(2)In(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ+φn)從(2)中解得φ值。相移實現(xiàn)的方法一般為移動光柵或移動物體等，這些方法對機械結(jié)構(gòu)要求復(fù)雜，速度慢。
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種莫爾相位解調(diào)方法，它不僅消除了對機械結(jié)構(gòu)的要求，而且不同位置光電傳感器同時獲得光場分布。該發(fā)明提供了一種非接觸、快速、實時的精密測量方法以滿足工業(yè)在線檢測的需要，特別適用于電子、半導(dǎo)體工業(yè)等的在線檢測。
本發(fā)明的方法或步驟如下1．確立基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)點以及計算所用直角坐標(biāo)系；2．對系統(tǒng)參數(shù)進行標(biāo)定；3．對被測物進行測量，由各不同位置的光電傳感器同時獲取莫爾輪廓光場分布信息；4．根據(jù)獲取的莫爾輪廓光場分布信息，利用計算機對其進行處理并找出物體上同一點在各個光電傳感器上得到的光強值，根據(jù)這些光強值計算得到該點的被測量。
本發(fā)明對投影莫爾法一般的裝置結(jié)構(gòu)為光源照射到投影光柵上，并通過光學(xué)系統(tǒng)將投影光柵成象于被測面上，被被測面調(diào)制的光柵分布又分別通過一系列透鏡再次成象于對應(yīng)的解調(diào)光柵上，從而在光電傳感器上分別得到對應(yīng)的莫爾輪廓光場分布。
本發(fā)明對陰影莫爾法一般的裝置結(jié)構(gòu)為光源通過置于被測物之上并與被測物靠近的光柵后投射到被測面上，形成受被測表面輪廓調(diào)制的變形光場分布，攝像系統(tǒng)再通過同一光柵觀看該變形光場得到莫爾條紋。也就是說處于空間不同位置的光電傳感器通過一系列光學(xué)系統(tǒng)分別得到載有物體三維信息的莫爾輪廓光場分布。
本發(fā)明的工作原理如下首先系統(tǒng)設(shè)置必須保證最后形成的莫爾輪廓分布可寫為式(1)的形式，式(1)φ中僅包含被測物輪廓信息和系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)，而系統(tǒng)參數(shù)中又包含了光電傳感器位置參數(shù)sk,k表示傳感器的序數(shù)，因此將φ記作φ(sk,z)；當(dāng)傳感器個數(shù)不小于3時由式(1)可得到不少于3個等式Ik(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cosφ(sk,z)(3)由這些等式消去A(x,y)和B(x,y)便可求得φ～f(Ik)關(guān)系式，f(Ik)為與Ik有關(guān)的關(guān)系式，該關(guān)系式關(guān)于φ一般為超越方程，沒有解析解。對一定的測量范圍可在系統(tǒng)標(biāo)定時建立f(Ik)～z查找表，測量時根據(jù)查找表得到被測值；或設(shè)置特定空間分布的光電傳感器，將方程簡化，得到φ的解析解。
本發(fā)明專利與以往莫爾測量方法不同，它利用處于不同位置的光電傳感器同時獲取幾幅圖，當(dāng)用線陣傳感器時無需對被測物成象位置進行校正，只要找出不同時刻得到的被測物體上同一點的強度分布便可計算出被測三維信息。被測物體的高速送進運動即為掃描測量過程，因此該發(fā)明適用于生產(chǎn)流水線當(dāng)中。當(dāng)用面陣傳感器時，需對物體成象位置進行校正，它適用于快速測量小物體的輪廓。


圖1為投影莫爾法中光電傳感器為線陣時的實施例1。
圖2為陰影莫爾法中光電傳感器為線陣時的實施例2。
圖3為投影莫爾法中光電傳感器為面陣時的實施例3，該實施例中各光軸平行排列。
圖4為投影莫爾法中光電傳感器為面陣時的又一實施例4，該實施例中各光軸間有一定的夾角。
圖5為陰影莫爾法中光電傳感器為面陣時的實施例5，該實施例中各光軸平行排列。
圖6為陰影莫爾法中光電傳感器為面陣時的又一實施例6，該實施例中各光軸間有一定的夾角。
參見圖1，實施例1的方法如下1．首先選擇參考面(12)，使得投影光軸OZ與參考面(12)垂直，其交點設(shè)為坐標(biāo)原點O，參考面為x,y平面，以O(shè)為圓心，在以R為半徑的圓周上布置攝像系統(tǒng)，且攝象系統(tǒng)的光軸均指向O點；2．調(diào)節(jié)透鏡(11)使得投影光柵(7)成象于參考面(12)上，同時調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)使OY軸均成象于解調(diào)光柵(4)、(5)、(6)上、并最終被線陣光電傳感器(1)、(2)、(3)所接收；3．將被測物(13)放在參考面(12)上，被測物起始點應(yīng)在掃描起始點，如圖(1)的被測物體(13)其起始點應(yīng)在O點左端，掃描方向如圖(1)所示；4．由一裝置(如生產(chǎn)線上傳送帶)帶動被測物(13)以一定速度勻速運動，從而對整個物體從被測起始點到被測終止點掃描，在掃描過程中攝象系統(tǒng)連續(xù)采集圖象數(shù)據(jù)；5．根據(jù)采集數(shù)據(jù)和掃描速度，找出物體上對應(yīng)點的三個光電傳感器接收的三個數(shù)據(jù)代入方程組(3)，求解被測物體的三維信息；對該實施例，所使用透鏡(8)、(9)、(10)與O點的距離均為R，透鏡焦距均為f，光柵(7)周期為p，對光柵(4)其周期為p1=pcosα1，光柵(5)(6)的周期分別為p2=pcosα2,p3=pcosα3時(3)式為Ik(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos[(2πpMtgαk)z]---(4)]]>由(4)式便可得到z～f(Ik)關(guān)系，從而得到被測量z值。
參見圖2，實施例2的方法如下1．建立基準(zhǔn)面(或坐標(biāo)系)，如建立圖中坐標(biāo)系，x、y面為光柵(15)所在平面，與光柵垂直方向為z軸，設(shè)投影光源裝置(14)的光軸與x、y面垂直并交于O點(設(shè)為坐標(biāo)原點)，且設(shè)被測物(13)距x、y面最遠距離為hmax，那么SO延長hmax后到達D點，那么以D點為圓心在以R為半徑的圓周上布置三個攝象系統(tǒng)，且三個攝象系統(tǒng)的光軸均指向D點；2．調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)使得光電傳感器(1)、(2)、(3)上的莫爾輪廓條紋清晰；3．將被測物(13)放入系統(tǒng)中，保證被測起始點在掃描起始點。如圖(2)所示，被測物起始點應(yīng)在D點左端，掃描方向如圖(2)所示。
步驟4.5同實施例1步驟4、5；對該實施例，所使用透鏡(8)、(9)、(10)與O點的距離均為R，透鏡焦距均為f，光柵(15)周期為p時(3)式為Ik(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos[(2πptgαk)z]---(5)]]>由(5)式便可得到z～f(Ik)關(guān)系，從而得到被測量z值。
需要說明的是，在圖(1)、圖(2)中，若R遠遠大于被測量范圍時可不必嚴(yán)格限制各光學(xué)系統(tǒng)的入瞳中心必須分布在圓周上，也可在同一高度排列。
參見圖3，實施例3的方法如下1．各光學(xué)系統(tǒng)光軸平行且垂直于基準(zhǔn)面(12)，所用光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，光柵(4)、(5)、(6)結(jié)構(gòu)相同。透鏡(8)、(9)、(10)、(11)結(jié)構(gòu)也相同，它們處于同一高度，距離基準(zhǔn)面為R。
2．與實施例1步驟2類似，這時的OY軸變成了OXY平面。
3．將被測物體放入測量系統(tǒng)視場中，各光電傳感器同時采集數(shù)據(jù)。
4．找出被測物上對應(yīng)點被三個光電傳感器接受到的數(shù)據(jù)帶入方程組(3)中。該實施例(3)式中φ=2πdkpMRz,]]>其中dk表示第k個光電傳感器所在光學(xué)系統(tǒng)光軸與投影光學(xué)系統(tǒng)光軸之間的距離，其它參數(shù)同實施例1；參見圖4，實施例4方法如下它與實施例1操作過程與原理類似，其不同之處在于光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，因而無需對物體進行掃描。光柵(4)、(5)、(6)平面分別與透鏡(8)、(9)、(10)的光軸不垂直，其傾斜的程度以基準(zhǔn)面(12)由透鏡(8)、(9)、(10)分別成象于光柵(4)、(5)、(6)上不發(fā)生畸變?yōu)闇?zhǔn)，而光電傳感器(1)、(2)、(3)分別對光柵(4)、(5)、(6)成象而不發(fā)生畸變。
參見圖5，實施例5方法如下
1．各光學(xué)系統(tǒng)光軸平行且垂直于基準(zhǔn)面即光柵面(15)，所用光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，透鏡(8)、(9)、(10)結(jié)構(gòu)也相同，它們與光源(14)處于同一高度，距離基準(zhǔn)面為R；2．與實施例2中步驟2相同；3．與實施例3中步驟3相同；4．同實施例3中步驟4；實施例6參見圖6，它與實施例2操作過程與原理類似，其不同之處在于光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，因而無需對物體進行掃描，且其平面分別與透鏡(8)、(9)、(10)的光軸不垂直，其傾斜的程度以平面(16)由透鏡(8)、(9)、(10)分別成象于光電傳感器(1)、(2)、(3)上不發(fā)生畸變?yōu)闇?zhǔn)。
權(quán)利要求
1．一種莫爾相位解調(diào)方法，首先確立基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)點以及計算所用坐標(biāo)系，其次，對系統(tǒng)參數(shù)進行標(biāo)定，本發(fā)明的特征是，對被測物進行測量，由各不同位置的光電傳感器同時獲取莫爾輪廓光場分布信息，再根據(jù)獲取的莫爾輪廓光場分布信息，利用計算機對其進行處理并找出物體上同一點在各個光電傳感器上得到的光強值，根據(jù)這些光強值計算得到該點的被測量。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(1)首先選擇參考面(12)，使得投影光軸OZ與參考面垂直，其交點設(shè)為坐標(biāo)原點O，參考面為x,y平面，以O(shè)為圓心，在以R為半徑的圓周上布置攝像系統(tǒng)，且攝象系統(tǒng)的光軸均指向O點；(2)調(diào)節(jié)透鏡(11)使得投影光柵(7)成象于參考面(12)上，同時調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)使OY軸均成象于解調(diào)光柵(4)、(5)、(6)上、并最終被線陣光電傳感器(1)、(2)、(3)所接收；(3)將被測物(13)放在參考面(12)上，被測物起始點應(yīng)在掃描起始點；(4)帶動被測物(13)以一定速度勻速運動，從而對整個物體從被測起始點到被測終止點掃描，在掃描過程中攝象系統(tǒng)連續(xù)采集圖象數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)采集數(shù)據(jù)和掃描速度，找出物體上對應(yīng)點的三個光電傳感器接收的三個數(shù)據(jù)，求解被測物體的三維信息。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(1)建立基準(zhǔn)面(或坐標(biāo)系)，使坐標(biāo)系，x、y面為光柵(15)所在平面，與光柵垂直方向為z軸，設(shè)投影光源裝置(14)的光軸與x、y面垂直并交于O點(設(shè)為坐標(biāo)原點)，且設(shè)被測物(13)距x、y面最遠距離為hmax，那么SO延長hmax后到達D點，那么以D點為圓心在以R為半徑的圓周上布置三個攝象系統(tǒng)，且三個攝象系統(tǒng)的光軸均指向D點；(2)調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)使得光電傳感器(1)、(2)、(3)上的莫爾輪廓條紋清晰；(3)將被測物(13)放入系統(tǒng)中，保證被測起始點在掃描起始點；(4)帶動被測物(13)以一定速度勻速運動，從而對整個物體從被測起始點到被測終止點掃描，在掃描過程中攝象系統(tǒng)連續(xù)采集圖象數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)采集數(shù)據(jù)和掃描速度，找出物體上對應(yīng)點的三個光電傳感器接收的三個數(shù)據(jù)，求解被測物體的三維信息。
4．如權(quán)利要求2、3所述其特征在于若R遠遠大于被測量范圍時可不必嚴(yán)格限制各光學(xué)系統(tǒng)的入瞳中心必須分布在圓周上；
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(1)各光學(xué)系統(tǒng)光軸平行且垂直于基準(zhǔn)面(12)，所用光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，光柵(4)、(5)、(6)結(jié)構(gòu)相同，透鏡(8)、(9)、(10)、(11)結(jié)構(gòu)也相同，它們處于同一高度，距離基準(zhǔn)面為R；(2)調(diào)節(jié)透鏡(11)使得投影光柵(7)成象于參考面(12)上，同時調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)，使OXY面均成象于解調(diào)光柵(4)、(5)、(6)上、并最終被面陣光電傳感器(1)、(2)、(3)所接收；(3)將被測物體放入測量系統(tǒng)視場中，各光電傳感器同時采集數(shù)據(jù)；(4)找出被測物上對應(yīng)點被三個光電傳感器接受到的數(shù)據(jù)，求解被測物體的三維信息。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(1)首先選擇參考面(12)，使得投影光軸OZ與參考面垂直，其交點設(shè)為坐標(biāo)原點O，參考面為x,y平面，以O(shè)為圓心，在以R為半徑的圓周上布置攝像系統(tǒng)，且攝象系統(tǒng)的光軸均指向O點；(2)光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，因而無需對物體進行掃描。光柵(4)、(5)、(6)平面分別與透鏡(8)、(9)、(10)的光軸不垂直，其傾斜的程度以基準(zhǔn)面(12)由透鏡(8)、(9)、(10)分別成象于光柵(4)、(5)、(6)上不發(fā)生畸變?yōu)闇?zhǔn)，而光電傳感器(1)、(2)、(3)分別對光柵(4)、(5)、(6)成象而不發(fā)生畸變；(3)根據(jù)采集數(shù)據(jù)，找出物體上對應(yīng)點的三個光電傳感器接收的三個數(shù)據(jù)，求解被測物體的三維信息。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于(1)各光學(xué)系統(tǒng)光軸平行且垂直于基準(zhǔn)面即光柵面(15)，所用光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，透鏡(8)、(9)、(10)結(jié)構(gòu)也相同，它們與光源(14)處于同一高度；(2)調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)使得光電傳感器(1)、(2)、(3)上的莫爾輪廓條紋清晰；(3)將被測物體放入測量系統(tǒng)視場中，各光電傳感器同時采集數(shù)據(jù)；(4)找出被測物上對應(yīng)點被三個光電傳感器接受到的數(shù)據(jù)，求解被測物體的三維信息。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法其特征在于(1)建立基準(zhǔn)面(或坐標(biāo)系)，如建立圖中坐標(biāo)系，x、y面為光柵(15)所在平面，與光柵垂直方向為z軸，且三個攝象系統(tǒng)的光軸均指向同一點；(2)光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，因而無需對物體進行掃描，且其平面分別與透鏡(8)、(9)、(10)的光軸不垂直，其傾斜的程度以平面(16)由透鏡(8)、(9)、(10)分別成象于光電傳感器(1)、(2)、(3)上不發(fā)生畸變?yōu)闇?zhǔn)；(3)調(diào)節(jié)透鏡(8)、(9)、(10)使得光電傳感器(1)、(2)、(3)上的莫爾輪廓條紋清晰；(4)將被測物體放入測量系統(tǒng)視場中，各光電傳感器同時采集數(shù)據(jù)；(5)根據(jù)采集數(shù)據(jù)和掃描速度，找出物體上對應(yīng)點的三個光電傳感器接收的三個數(shù)據(jù)，求解被測物體的三維信息；
9．如權(quán)利2、5所述，光電傳感器為線陣其特征還在于光柵(4)、(5)、(6)可省去，而將投影在物體(13)上的光場分布直接成象于光電傳感器靶面上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過改變光電傳感器位置而解調(diào)相位的莫爾測量方法,這種測量方法通過處于不同位置的N(N≥3)個光電傳感器同時獲取N幅被測物的光場圖。當(dāng)光電傳感器為面陣時,對被測物上同一點得到相應(yīng)N個莫爾條紋光場分布Ⅰ
文檔編號G01B11/24GK1213072SQ9811297
公開日1999年4月7日 申請日期1998年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月23日
發(fā)明者王昭, 譚玉山 申請人:西安交通大學(xué)