基于條紋反射法的反光物體三維形貌測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鏡片以及高反光物體的檢測方法。具體為一種通過光學(xué)非接觸技術(shù)測 量鏡面物體三維形貌的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 本發(fā)明涉及光學(xué)非接觸方式測量反光物體三維形貌的技術(shù)和方法。傳統(tǒng)測量反光 物體一般采用以下兩種方式：其一，采用三坐標(biāo)測量機(jī)等接觸式測量設(shè)備進(jìn)行逐點測量，具 有測量速度較慢，容易引起形變，造成測量誤差，對于精度要求較高的表面也會有一定損壞 等缺點。其二，噴涂其表面，改變其反射特性為漫反射后用光學(xué)方法測量，這種方法削弱了 光學(xué)測量方法非接觸的優(yōu)點，但改變了待測物體表面屬性。以上兩種方法都存在嚴(yán)重的局 限性，對于檢測表面精度較高鏡面的方法需要具有更高要求。目前，在航空航天和汽車制造 等領(lǐng)域，對高精度、高反射鏡頭和鏡片表面的檢測有大量需求，但測量該類表面的技術(shù)方法 仍處于初級階段。采用光學(xué)非接觸測量高反射表面物體的方法，近年來國內(nèi)外進(jìn)行了大量 研究，其中主要以條紋反射法為基礎(chǔ)測量物體表面。在申請人檢索的范圍內(nèi)，可以檢索到相 關(guān)文獻(xiàn)信息如下：
[0003] 1.MarkusCKnauer,JurgenKaminski,GerdHausler在"相位反射法：一種測量自 由鏡面反身才表面的新方法''(Phasemeasuringdeflectometry:anewapproachtomeasure specularfree-fromsurfaces.Proc.ofSPIE, 2004, 5457:366-376)文章中，提出PMD條紋 反射相位測量法。通過計算經(jīng)由被測表面反射后的相位信息，求解被測反射表面的梯度和 高度。文章提出一種主動雙目視覺方法，測量反光物體表面絕對形貌。通過立體傳感器從 兩個角度獲取信息，計算物體表面梯度再通過積分來求解深度信息。此方法獲得了一定的 精度，但存在較大誤差及標(biāo)定兩個相機(jī)的缺陷，方法繁瑣。
[0004] 2.YanTang,XianyuSu等在"一種先進(jìn)的相位反射測量自由鏡面物體三維形 貌'，（3Dshapemeasurementoftheasphericmirrorbyadvancedphasemeasuring deflectometry.OpticsExpress, 2008, 16 (19) : 15090-15096)中，利用一個LCD屏幕、一個 半透半反鏡和一個CCD相機(jī)進(jìn)行三維形貌的重建。此方法通過分別移動LCD屏幕和CCD相 機(jī)，以及虛擬一個拋物面來重建鏡面的梯度和深度。由于移動需要嚴(yán)重依賴水平導(dǎo)軌的精 度，且需要通過積分梯度數(shù)據(jù)重建三維形貌，因此所獲得三維數(shù)據(jù)精度不高，無法測量非連 續(xù)和大梯度物體。
[0005] 3.YuankunLiu,PetriLehtonen,XianyuSu在"基于照明膠片法的小型反光物體形 貌高精度測量''(High-accuracymeasurementforsmallscalespecularobjectsbased onPMDwithilluminatedfilm.Optics&LaserTechnology. 2012, 44(2) :459 - 462)中利 用膠片代替LCD顯示屏來顯示條紋，改善LCD屏幕顯示中存在的電子噪聲和屏幕閃爍的問 題，利用半透半反鏡同時解決水平和豎直兩個方向梯度的求解，并利用索斯維爾模型重建 形貌。但是膠片的使用限制了條紋投影自適應(yīng)的優(yōu)勢，使條紋個數(shù)受到限制，且求解梯度仍 存在較大奇異性。
[0006] 4.HongweiZhang,ShujianHan,ShuguiLiu等人在"較大反射表面物體 三維形貌重建'，（3Dshapereconstructionoflargespecularsurface.Applied Optics. 2012, 51 (31) : 7616-7625)中，利用條紋反射法測量大反光物體表面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括 一個LCD屏幕、一個CCD相機(jī)以及水平導(dǎo)軌。將屏幕水平移動一個已知的位移，然后利用兩 組數(shù)據(jù)建立相位和梯度間關(guān)系，再將梯度進(jìn)行積分運算。利用波前帶狀整合積分算法來提 高重建的精度，以及用了特殊的迭代算法來提高抗噪性。但是仍將形貌的重建建立在移動 設(shè)備和積分的基礎(chǔ)上，存在較大的誤差和奇異性。
[0007] 5.YongliangXiao,XianyuSu,andWenjingChen在"基于條紋反射法三維測量 的靈活幾何標(biāo)定法'，（Flexiblegeometricalcalibrationforfringe-reflection3D measurement.OpticsLetters. 2012, 37 (4) : 620-622)中，利用無標(biāo)記點的平面鏡來標(biāo)定 LCD屏幕和CCD相機(jī)的幾何關(guān)系，找到兩者之間的旋轉(zhuǎn)和平移關(guān)系，通過積分梯度計算三維 形貌。此方法通過確定被測表面法線方向和梯度角的大小，建立投影和相機(jī)間的幾何關(guān)系， 再求解形貌。由于光學(xué)器件對角度的變化敏感，角度的變化會產(chǎn)生較大誤差，所建立的幾何 關(guān)系不夠穩(wěn)定。
[0008] 6.LeiHuang,ChiSengNg,andAnandKrishnaAsundi在"利用單視場 條紋反射法測量動態(tài)反射表面三維形貌"（Dynamicthree-dimensionalsensing forspecularsurfacewithmonoscopicfringereflectometry.Optics Express. 2011，19 (13) : 12809-12814)中，利用單相機(jī)、單LCD屏幕測量了動態(tài)水面的三維 形貌?；谙鄼C(jī)和LCD屏幕的法向量關(guān)系求解出被測表面瞬時法向量方向。通過窗式傅里 葉變換的方法，一次求解出水平和豎直方向的相位，進(jìn)而求解出梯度，將梯度進(jìn)行最小二乘 積分求解出形貌。此方法計算出了水面的動態(tài)三維形貌數(shù)據(jù)，但是基于對表面梯度的求解， 數(shù)據(jù)精度不高。
[0009] 7.宋雷，岳慧敏等在"條紋反射法測量鏡面手機(jī)外殼多尺度三維形貌.光電子?激 光.2012, 23(11) :2154-2162"中提出，利用條紋反射法，兩次拍攝求解水平和豎直兩個方向 的梯度角。由于物體表面的特性需由深度和梯度來描述，此文中忽略深度因素，測量類平面 物體平面度。求解出兩個正交方向的梯度，通過積分計算反射表面信息。此方法依然是建 立相位和梯度間的關(guān)系，且由于忽略一組必要的深度信息，此方法只能檢測近似于平面的 反射表面。
[0010] 由上述文獻(xiàn)可以看出，高反光物體表面三維形貌的測量技術(shù)是研究熱點，也是難 點，快速、有效、高精度的測量高反光物體仍存在很多未解決的問題。利用條紋反射原理進(jìn) 行高反光物體的測量，由于表面反射特性，測量參數(shù)中的深度和梯度信息對測量同時存在 影響，對兩者的求解需要建立兩組對應(yīng)關(guān)系。其一可利用單目單屏顯示系統(tǒng)，借助水平導(dǎo) 軌移動被測物體或者顯示屏的方法，通過建立相位和梯度的關(guān)系求解梯度，再將梯度數(shù)據(jù) 進(jìn)行積分求解出三維形貌。其二，利用雙目或者多目視覺，確定攝像機(jī)間的空間幾何關(guān)系， 與顯示屏建立幾何關(guān)系，利用相位求解出梯度，再將梯度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分運算。目前可查證 的文獻(xiàn)中，都是利用鏡面反射原理，反射光線依賴于法線方向，由此利用梯度的求解進(jìn)行計 算。但是將梯度進(jìn)行積分運算存在誤差累積，求解出的梯度角誤差較大且系統(tǒng)設(shè)計及方案 設(shè)計對角度的影響較大，不容易補(bǔ)償；利用移動的方法嚴(yán)重依賴導(dǎo)軌的精度，且測量時操作 繁瑣。而雙目視覺測量系統(tǒng)中，雙相機(jī)間的像素點匹配也較復(fù)雜，為系統(tǒng)標(biāo)定增加了難度。 同時，已有的方法不能測量表面非連續(xù)的高反光物體。
[0011] 因此提供一種硬件結(jié)構(gòu)簡單、算法測量精度高，易于標(biāo)定且能夠測量表面非連續(xù) 的反光物體測量方法稱為現(xiàn)有技術(shù)中主要存在的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明擬采用的方案是：
[0013] 提供一種基于條紋反射法的反光物體三維形貌測量方法，其特征是執(zhí)