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(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步屬于莫爾輪廓測(cè)量術(shù)。
現(xiàn)有莫爾輪廓測(cè)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(jiǎn)單、實(shí)用等特點(diǎn)，可根據(jù)測(cè)量對(duì)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(gè)光柵，但要求被測(cè)物與光柵靠近；投影莫爾法需兩個(gè)光柵，一個(gè)為投影光柵，一個(gè)為解調(diào)光柵。此法的特點(diǎn)是把投影光柵投影到物體上，因此可用小光柵測(cè)大物體，被測(cè)物與測(cè)量裝置之間有較自由的工作距離。無(wú)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(qiáng)分布，A(x,y)為背景光強(qiáng)，B(x,y)/A(x,y)為條紋對(duì)比度，φ為莫爾輪廓分布的相位，它包含了被測(cè)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(shí)現(xiàn)的方法一般為移動(dòng)光柵或移動(dòng)物體等，這些方法對(duì)機(jī)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(diǎn)，提出一種莫爾相位解調(diào)方法，它不僅消除了對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的要求，而且不同位置光電傳感器同時(shí)獲得光場(chǎng)分布。該發(fā)明提供了一種非接觸、快速、實(shí)時(shí)的精密測(cè)量方法以滿足工業(yè)在線檢測(cè)的需要，特別適用于電子、半導(dǎo)體工業(yè)等的在線檢測(cè)。
本發(fā)明的方法或步驟如下1．確立基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)點(diǎn)以及計(jì)算所用直角坐標(biāo)系；2．對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；3．對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量，由各不同位置的光電傳感器同時(shí)獲取莫爾輪廓光場(chǎng)分布信息；4．根據(jù)獲取的莫爾輪廓光場(chǎng)分布信息，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理并找出物體上同一點(diǎn)在各個(gè)光電傳感器上得到的光強(qiáng)值，根據(jù)這些光強(qiáng)值計(jì)算得到該點(diǎn)的被測(cè)量。
本發(fā)明對(duì)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(guò)光學(xué)系統(tǒng)將投影光柵成象于被測(cè)面上，被被測(cè)面調(diào)制的光柵分布又分別通過(guò)一系列透鏡再次成象于對(duì)應(yīng)的解調(diào)光柵上，從而在光電傳感器上分別得到對(duì)應(yīng)的莫爾輪廓光場(chǎng)分布。
本發(fā)明對(duì)陰影莫爾法一般的裝置結(jié)構(gòu)為光源通過(guò)置于被測(cè)物之上并與被測(cè)物靠近的光柵后投射到被測(cè)面上，形成受被測(cè)表面輪廓調(diào)制的變形光場(chǎng)分布，攝像系統(tǒng)再通過(guò)同一光柵觀看該變形光場(chǎng)得到莫爾條紋。也就是說(shuō)處于空間不同位置的光電傳感器通過(guò)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(chǎng)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(cè)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(gè)數(shù)不小于3時(shí)由式(1)可得到不少于3個(gè)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(méi)有解析解。對(duì)一定的測(cè)量范圍可在系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)建立f(Ik)～z查找表，測(cè)量時(shí)根據(jù)查找表得到被測(cè)值；或設(shè)置特定空間分布的光電傳感器，將方程簡(jiǎn)化，得到φ的解析解。
本發(fā)明專利與以往莫爾測(cè)量方法不同，它利用處于不同位置的光電傳感器同時(shí)獲取幾幅圖，當(dāng)用線陣傳感器時(shí)無(wú)需對(duì)被測(cè)物成象位置進(jìn)行校正，只要找出不同時(shí)刻得到的被測(cè)物體上同一點(diǎn)的強(qiáng)度分布便可計(jì)算出被測(cè)三維信息。被測(cè)物體的高速送進(jìn)運(yùn)動(dòng)即為掃描測(cè)量過(guò)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(shí)，需對(duì)物體成象位置進(jìn)行校正，它適用于快速測(cè)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(shí)的實(shí)施例1。
圖2為陰影莫爾法中光電傳感器為線陣時(shí)的實(shí)施例2。
圖3為投影莫爾法中光電傳感器為面陣時(shí)的實(shí)施例3，該實(shí)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(shí)的又一實(shí)施例4，該實(shí)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(shí)的實(shí)施例5，該實(shí)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(shí)的又一實(shí)施例6，該實(shí)施例中各光軸間有一定的夾角。
參見圖1，實(shí)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(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)；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(shí)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(cè)物(13)放在參考面(12)上，被測(cè)物起始點(diǎn)應(yīng)在掃描起始點(diǎn)，如圖(1)的被測(cè)物體(13)其起始點(diǎn)應(yīng)在O點(diǎn)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(dòng)被測(cè)物(13)以一定速度勻速運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)物體從被測(cè)起始點(diǎn)到被測(cè)終止點(diǎn)掃描，在掃描過(guò)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(duì)應(yīng)點(diǎn)的三個(gè)光電傳感器接收的三個(gè)數(shù)據(jù)代入方程組(3)，求解被測(cè)物體的三維信息；對(duì)該實(shí)施例，所使用透鏡(8)、(9)、(10)與O點(diǎn)的距離均為R，透鏡焦距均為f，光柵(7)周期為p，對(duì)光柵(4)其周期為p1=pcosα1，光柵(5)(6)的周期分別為p2=pcosα2,p3=pcosα3時(shí)(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(cè)量z值。
參見圖2，實(shí)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?yàn)閦軸，設(shè)投影光源裝置(14)的光軸與x、y面垂直并交于O點(diǎn)(設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn))，且設(shè)被測(cè)物(13)距x、y面最遠(yuǎn)距離為hmax，那么SO延長(zhǎng)hmax后到達(dá)D點(diǎn)，那么以D點(diǎn)為圓心在以R為半徑的圓周上布置三個(gè)攝象系統(tǒng)，且三個(gè)攝象系統(tǒng)的光軸均指向D點(diǎn)；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(cè)物(13)放入系統(tǒng)中，保證被測(cè)起始點(diǎn)在掃描起始點(diǎn)。如圖(2)所示，被測(cè)物起始點(diǎn)應(yīng)在D點(diǎn)左端，掃描方向如圖(2)所示。
步驟4.5同實(shí)施例1步驟4、5；對(duì)該實(shí)施例，所使用透鏡(8)、(9)、(10)與O點(diǎn)的距離均為R，透鏡焦距均為f，光柵(15)周期為p時(shí)(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(cè)量z值。
需要說(shuō)明的是，在圖(1)、圖(2)中，若R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)量范圍時(shí)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(shí)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(shí)施例1步驟2類似，這時(shí)的OY軸變成了OXY平面。
3．將被測(cè)物體放入測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)中，各光電傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)。
4．找出被測(cè)物上對(duì)應(yīng)點(diǎn)被三個(gè)光電傳感器接受到的數(shù)據(jù)帶入方程組(3)中。該實(shí)施例(3)式中φ=2πdkpMRz,]]>其中dk表示第k個(gè)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(shí)施例1；參見圖4，實(shí)施例4方法如下它與實(shí)施例1操作過(guò)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(wú)需對(duì)物體進(jìn)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(duì)光柵(4)、(5)、(6)成象而不發(fā)生畸變。
參見圖5，實(shí)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(shí)施例2中步驟2相同；3．與實(shí)施例3中步驟3相同；4．同實(shí)施例3中步驟4；實(shí)施例6參見圖6，它與實(shí)施例2操作過(guò)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(wú)需對(duì)物體進(jìn)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(diǎn)以及計(jì)算所用坐標(biāo)系，其次，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，本發(fā)明的特征是，對(duì)被測(cè)物進(jìn)行測(cè)量，由各不同位置的光電傳感器同時(shí)獲取莫爾輪廓光場(chǎng)分布信息，再根據(jù)獲取的莫爾輪廓光場(chǎng)分布信息，利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理并找出物體上同一點(diǎn)在各個(gè)光電傳感器上得到的光強(qiáng)值，根據(jù)這些光強(qiáng)值計(jì)算得到該點(diǎn)的被測(cè)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(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)；(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(shí)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(cè)物(13)放在參考面(12)上，被測(cè)物起始點(diǎn)應(yīng)在掃描起始點(diǎn)；(4)帶動(dòng)被測(cè)物(13)以一定速度勻速運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)物體從被測(cè)起始點(diǎn)到被測(cè)終止點(diǎn)掃描，在掃描過(guò)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(duì)應(yīng)點(diǎn)的三個(gè)光電傳感器接收的三個(gè)數(shù)據(jù)，求解被測(cè)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?yàn)閦軸，設(shè)投影光源裝置(14)的光軸與x、y面垂直并交于O點(diǎn)(設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn))，且設(shè)被測(cè)物(13)距x、y面最遠(yuǎn)距離為hmax，那么SO延長(zhǎng)hmax后到達(dá)D點(diǎn)，那么以D點(diǎn)為圓心在以R為半徑的圓周上布置三個(gè)攝象系統(tǒng)，且三個(gè)攝象系統(tǒng)的光軸均指向D點(diǎn)；(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(cè)物(13)放入系統(tǒng)中，保證被測(cè)起始點(diǎn)在掃描起始點(diǎn)；(4)帶動(dòng)被測(cè)物(13)以一定速度勻速運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)整個(gè)物體從被測(cè)起始點(diǎn)到被測(cè)終止點(diǎn)掃描，在掃描過(guò)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(duì)應(yīng)點(diǎn)的三個(gè)光電傳感器接收的三個(gè)數(shù)據(jù)，求解被測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)量范圍時(shí)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(shí)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(cè)物體放入測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)中，各光電傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)；(4)找出被測(cè)物上對(duì)應(yīng)點(diǎn)被三個(gè)光電傳感器接受到的數(shù)據(jù)，求解被測(cè)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(diǎn)設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)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(diǎn)；(2)光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，因而無(wú)需對(duì)物體進(jìn)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(duì)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(duì)應(yīng)點(diǎn)的三個(gè)光電傳感器接收的三個(gè)數(shù)據(jù)，求解被測(cè)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(cè)物體放入測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)中，各光電傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)；(4)找出被測(cè)物上對(duì)應(yīng)點(diǎn)被三個(gè)光電傳感器接受到的數(shù)據(jù)，求解被測(cè)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?yàn)閦軸，且三個(gè)攝象系統(tǒng)的光軸均指向同一點(diǎn)；(2)光電傳感器(1)、(2)、(3)為面陣，因而無(wú)需對(duì)物體進(jìn)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(cè)物體放入測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)中，各光電傳感器同時(shí)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(duì)應(yīng)點(diǎn)的三個(gè)光電傳感器接收的三個(gè)數(shù)據(jù)，求解被測(cè)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(chǎng)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(guò)改變光電傳感器位置而解調(diào)相位的莫爾測(cè)量方法,這種測(cè)量方法通過(guò)處于不同位置的N(N≥3)個(gè)光電傳感器同時(shí)獲取N幅被測(cè)物的光場(chǎng)圖。當(dāng)光電傳感器為面陣時(shí),對(duì)被測(cè)物上同一點(diǎn)得到相應(yīng)N個(gè)莫爾條紋光場(chǎng)分布Ⅰ
文檔編號(hào)G01B11/24GK1213072SQ9811297
公開日1999年4月7日 申請(qǐng)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(qǐng)人:西安交通大學(xué)