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基于正弦相位調制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于正弦相位調制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統，涉及三維形貌測量領域，包括：構建光纖干涉條紋投射數學模型；相位誤差補償系統提取環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動器；正弦相位調制信號直接注入雙通道壓電陶瓷驅動器實現條紋相位的正弦調制，注入相位誤差補償系統，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，最終實現物體表面形貌重建。本發明滿足了諸多運用領域的非接觸、全視場、快速性、高精度等技術要求。
【專利說明】基于正弦相位調制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統【技術領域】
[0001]本發明涉及三維形貌測量領域，尤其涉及一種基于正弦相位調制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統。
【背景技術】
[0002]三維形貌測量技術在產品質量檢測、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、正弦相位調制干涉法等。光外差干涉系統結構較復雜，要求產生高精度頻差；相移干涉法對相移精度要求高，容易受環境干擾；正弦相位調制干涉法具有相位調制簡單、測量精度高、抗干擾能力強等優點，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字投影儀(DLP)投射由計算機編程生成的數字條紋圖像，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果出現誤差。目前國內外已有相關學者利用兩束相干光波產生干涉條紋結構光并投射至被測物體表面，在小視場范圍內實現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結構相對復 雜，且極易受溫度波動、環境振動等因素的影響，導致系統穩定度不高，因此在實際三維形貌測量中受到一定限制。

【發明內容】

[0004]本發明提供了一種基于正弦相位調制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統，本發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境因素引起的條紋相位漂移，采用正弦相位調制四步積分原理，通過數字圖像處理方法恢復形貌，實現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制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統，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，構成馬赫-澤德干涉儀結構；構建光纖干涉條紋投射數學模型；
[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接收，相位誤差補償系統提取環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動器；正弦相位調制信號直接注入所述雙通道壓電陶瓷驅動器實現條紋相位的正弦調制；注入相位誤差補償系統，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，最終實現物體表面形貌重建。
[0009]所述相位誤差補償系統包括: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，運用旋轉坐標數字機求解相位誤差；相位一電壓轉換模塊將所述相位誤差轉換為電壓信號，驅動所述調制壓電陶瓷產生光程差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相機在調制周期內采集四幅圖像，經灰度變換模塊、高斯圖像增強模塊、旋濾波模塊實現數字圖像處理；相位提取模塊用于實現四步積分，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的結構參數，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學模型具體為:
【權利要求】
1.一種基于正弦相位調制四步積分的條紋投射三維形貌測量系統，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，構成馬赫-澤德干涉儀結構；構建光纖干涉條紋投射數學模型； 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接收，相位誤差補償系統提取環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動器；正弦相位調制信號直接注入所述雙通道壓電陶瓷驅動器實現條紋相位的正弦調制，注入相位誤差補償系統，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，最終實現物體表面形貌重建。
2.根據權利要求1所述的條紋投射三維形貌測量系統，其特征在于，所述相位誤差補償系統包括: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，運用旋轉坐標數字機求解相位誤差；相位一電壓轉換模塊將所述相位誤差轉換為電壓信號，驅動所述調制壓電陶瓷產生光程差Λ Ic來補償相位誤差。
3.根據權利要求1所述的條紋投射三維形貌測量系統，其特征在于，所述圖像處理與形貌恢復系統包括:圖像采集模塊， 所述圖像采集模塊控制所述CCD相機在調制周期內采集四幅圖像，經灰度變換模塊、高斯圖像增強模塊、旋濾波模塊實現數字圖像處理；相位提取模塊用于實現四步積分，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的結構參數，最終獲得待測物體表面三維形貌。
4.根據權利要求1所述的條紋投射三維形貌測量系統，其特征在于，所述光纖干涉條紋投射數學模型具體為:

【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 優先權日:2014年5月22日
【發明者】段發階, 伯恩, 呂昌榮, 馮帆, 傅驍, 梁春疆 申請人:天津大學