CN111578864A - 一种高光物体面型的非接触无损测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光物体面型的非接触无损测量系统，它包括投影光源系统、偏振器、图像传感器、图像采集卡和电脑；所述偏振器包括起偏器P1和检偏器P2，其投影系统由投影光源系统和起偏器P1组成，其成像系统由图像传感器和检偏器P2组成；所述图像传感器是接收变形光栅像的面阵探测器；所述投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，条纹的栅线垂直于参考平面。本发明还公开了一种高光物体面型的非接触无损测量方法。本发明从傅里叶变换轮廓术中光场的偏振特性出发，利用光学器件偏振器的滤光作用，结合现有傅里叶变换轮廓术和Phong光照模型，提出了一种高光物体面型的测量系统及测量方法，理论分析与应用结果均证明了镜面反射光将影响调制光场正确的高度分布。

Description

一种高光物体面型的非接触无损测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及非接触无损测量技术领域，具体的说是涉及一种高光物体面型的非接触无损测量系统及测量方法。

背景技术

在测量工作中，常会对一些高光物体面型进行无损测量，这类物体表面比较光滑，例如现代工业中的汽车制造业在车身、抛光模具等具有镜面反射性质的表面需要高精度无损测量，这些物体反射光中不仅存在漫反射光，还会存在镜面反射光，这就会导致被测物体存在高光，这部分镜面反射光的主要来源有两个，一是环境光造成的镜面反光；二是投影光源造成的镜面反光。高光物体的面型测量中由于镜面反射光的存在，将会导致测量成像图中存在许多的高亮区，这些区域的测量成像图中掩盖了漫反射光场分布中的相位信息，由于无法得到正确的相位信息，因此无法准确测量这部分区域的三位面型。

目前表面具有镜面反射性质的这类物体的测量一般采用两种办法：其一，采用坐标测量机等接触式测量设备，速度较慢。其二，喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后用光学方法测量。机械测量方法由于其本身的局限性很难在工业现场中进行使用；喷涂表面法尽管可改变物体表面的反射特性，但在很多场合下不能甚至无法进行物体表面喷涂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种高光物体面型的非接触无损测量系统及测量方法，本发明从光场的偏振特性出发，利用光学器件偏振器的滤光特性，结合傅里叶变换轮廓术和Phong光照模型，实现了具有镜面反射光的光滑物体（具有高光区）面形的无损三维测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种高光物体面型的非接触无损测量系统，它包括投影光源系统、偏振器、图像传感器、图像采集卡和电脑；所述偏振器包括起偏器P1和检偏器P2，其测量系统中的投影系统由投影光源和起偏器P1组成，其测量系统中的成像系统由图像传感器和检偏器P2组成；所述图像传感器是接收变形光栅像的面阵探测器，图像传感器接收的变形光栅像由图像采集卡传输至电脑并形成图片；所述投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，条纹的栅线垂直于参考平面。

所述的一种高光物体面型的非接触无损测量方法，具体包括以下步骤：

1）测量系统主要由投影系统、成像系统、被测物体组成，投影系统和成像系统两光轴相交于参考平面（Reference plane）上的 O 点，测量系统利用偏振器的偏振特性，在传统的傅里叶变换轮廓术的测量光路中加入起偏器P1和检偏器P2；

2）测量前，检偏器P2与起偏器P1偏振化方向平行放置，投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，投射正弦光源条纹的栅线垂直于被测物体参考平面,经过投影系统中起偏器P1后形成只有偏振方向与P1相同的线偏振光投射到被测物体上，经过成像系统后，得到变形高光条纹图像；

3）旋转成像系统检偏器P2，使其与投影系统起偏器P1的偏振化方向相互垂直，此时反射光中只有垂直于入射面的光矢量分量能通过检偏器P2，检偏器P2阻止了平行于入射面的光矢量分量通过，即P2阻止了高光光场通过，此时得到消除高光后的变形条纹图像；

4）利用FTP傅里叶变换轮廓术解调出消除高光后的变形条纹图像的截断相位，对消除高光的截断相位图展开后得到消除高光后的展开相位高度面型，完成高光物体面型的非接触无损测量。

工作原理：由Phong光照模型可知，反射光场包含环境光反射分量、特定光源的漫反射分量和特定光源的镜面反射分量，因此用传统的傅里叶变换轮廓术计算此类有镜面反射的面形时，经物体表面反射后的光强信息可表示为在测量漫反射物体时表面反射光强信息的基础上引入附加镜面反射项得到。同时由菲涅耳公式可知，只要投射角不等于布儒斯特角，那么反射光的电矢量平行于入射面，若被测物为含镜面反射的面形时，那么反射光有两种，一种是镜面反射光，这种反射光的入射面相同，各路镜面反射光仍相互平行，因此合成后电矢量平行于入射面，这种光表征物体的光泽，即所谓的“高光”；一种是由于物体面形变化导致的漫反射光，由于各点的法线方向不一致，造成反射光线向不同的方向无规则地反射，不再是平行光，因此各路漫反光相对于镜面反光的入射面既有平行的电矢量分量又有垂直的电矢量分量。

由以上分析可知镜面反射项中仅存在电矢量平行于入射面的完全线偏振光，漫反射项为非线偏振光强。则当投射角不等于布儒斯特角时，经含镜面反射的面形反射后的光强信息可用（1）式表示。

（1）

式中，

、分别表示漫反射光强信息和镜面反射光强信息，

、

均不为零，分别表示漫反射光相对镜面反光入射面的平行于电矢量分量和垂直的电矢量分量，

、

分别表示镜面反射光平行于入射面的电矢量分量和垂直的电矢量分量，与图像传感器拍摄的方向有关，只在某些区域有值，其它区域为零，

是代表环境光，

、

分别表示环境光平行于入射面的电矢量分量和垂直的电矢量分量，

是在x方向的载波频率，物体的高度信息包含在漫反射项中的相位

中。

由光的反射机理可知

（2）

（3）

因此在

不为零的区域，镜面反射占主导地位，本文将这些区域称为高亮区。由（1）式可得在高亮区镜面反射掩盖了漫反射项，无法分辨出漫反射项。本发明利用偏振器的滤光特性，设计测量系统，实现高光物体面型的非接触无损测量，测量光路如图2所示。其投影系统由投影光源和起偏器P1组成，其成像系统由图像传感器和检偏器P2组成，图中Projector是投影光源，Ep’和Ep分别是投影光源的入瞳和出瞳，object是被测量的高光物体，Reference plane是测量的参考平面，图像传感器是接收变形光栅像的面阵探测器，Ec’是成像系统的入瞳，投影系统和成像系统两光轴相交于参考平面上的 O 点。d是Ep和Ec间的距离，

是Ec到参考平面R 间的距离，A 和C 是参考平面上的两点，D 是物面上的点，投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，条纹的栅线垂直于参考平面，使投射的平行自然光经过偏振片后成为电矢量

平行于入射面的线偏振光，即：

(4)

式（4）中，E为

平行于入射面的电矢量分量，

是垂直于入射面的电矢量分量。

起偏器P1用于得到满足要求的线偏振光，旋转检偏器P2，当检偏器P2与起偏器P1相互垂直时，此时反射光中只有垂直于入射面的光矢量分量能通过检偏器P2，此时图像传感器接收到的变形光栅像表达式可写为：

（5）

由（5）式可见，由于检偏器P2阻止了平行于入射面的光矢量分量通过，因此偏振器的引入消除了投影光源产生的镜面反光，虽然环境光分量与漫反射系数同时也发生了变化，但是与高度分布密切相关的相位信息并没有改变。此时光场分布形式回复到只存在漫反射光的状态，则可使用傅里叶变换轮廓术解调出被测物体的三维面形数据。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：本发明从傅里叶变换轮廓术中光场的偏振特性出发，利用光学器件偏振器的滤光作用，结合现有傅里叶变换轮廓术和Phong光照模型，提出了一种高光物体面型的测量系统及测量方法，理论分析与应用结果均证明了镜面反射光将影响调制光场正确的高度分布，并且还证明了本专利提出的测量方法及系统可有效消除投影光源造成的高反光区域，实现了高光物体面型的非接触无损测量，扩展了傅里叶变换轮廓术的测量领域。

附图说明

图1为本发明测量系统示意图；

图2为本发明测量光路示意图；

图3为本发明检偏器介入前后条纹对比图；

图4为本发明高光区域处理前后对比图；

图5为本发明高光区域处理前后截断相位图；

图6为本发明高光区域处理前后展开相位图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例

参见图1至图6，一种高光物体面型的非接触无损测量系统，它包括投影光源系统、偏振器、图像传感器、图像采集卡和电脑；所述偏振器包括起偏器P1和检偏器P2，其测量系统中的投影系统由投影光源和起偏器P1组成，其测量系统中的成像系统由图像传感器和检偏器P2组成；所述图像传感器是接收变形光栅像的面阵探测器，图像传感器接收的变形光栅像由图像采集卡传输至电脑并形成图片；所述投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，条纹的栅线垂直于参考平面。

所述的一种高光物体面型的非接触无损测量方法，具体包括以下步骤：

1）测量系统主要由投影系统、成像系统、被测物体组成，测量系统利用偏振器的偏振特性，投影系统和成像系统两光轴相交于参考平面（Reference plane）上的 O 点，在传统的傅里叶变换轮廓术的测量光路中加入起偏器P1和检偏器P2；

2）测量前，检偏器P2与起偏器P1偏振化方向平行放置，投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，投射正弦光源条纹的栅线垂直于被测物体参考平面,经过投影系统中起偏器P1后形成只有偏振方向与P1相同的线偏振光投射到被测物体上，经过成像系统后，得到变形高光条纹图像（见图3a部分）；

3）旋转成像系统检偏器P2，使其与投影系统起偏器P1的偏振化方向相互垂直，此时反射光中只有垂直于入射面的光矢量分量能通过检偏器P2，检偏器P2阻止了平行于入射面的光矢量分量通过，即P2阻止了高光光场通过，此时得到消除高光后的变形条纹图像（见图3b部分）；

4）利用FTP傅里叶变换轮廓术解调出消除高光后的变形条纹图像的截断相位图（见图5b部分），对消除高光的截断相位图展开后得到消除高光后的展开相位高度面型图（见图6b部分），完成高光物体面型的非接触无损测量。

当被测物体为陶瓷水杯时，对其进行非接触无损测量具体包括以下步骤：1）测量系统主要由投影系统、成像系统、被测物体组成，投影系统和成像系统两光轴相交于参考平面（Reference plane）上的 O 点，测量系统利用偏振器的偏振特性，在传统的傅里叶变换轮廓术的测量光路中加入起偏器P1和检偏器P2，其测量系统的几何参数为L0=100cm，d=2cm，投影光源系统的投影仪（VPL-CX21）功率为200W,投影光源为频率为120Hz的正弦光栅，图像传感器为CCD(RETIGA 2000R FAST)，起偏器P1和检偏器P2直径为100mm，图像传感器先采集一帧参考条纹图,然后采集一帧变形条纹图；2）测量前，检偏器P2与起偏器P1偏振化方向平行放置，投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，投射正弦光源条纹的栅线垂直于被测物体参考平面,经过投影系统中起偏器P1后形成只有偏振方向与P1相同的线偏振光投射到被测物体上，经过成像系统后，得到变形高光条纹图像（见图3a部分）；高光区域处理前的成像图（见图4a部分）为成像系统采集的变形高光条纹图像（见图3a部分）高亮区的成像图，高亮区域面形的调制被高光掩盖，破坏了投影光场的分布；3）旋转成像系统检偏器P2，使其与投影系统起偏器P1的偏振化方向相互垂直，此时反射光中只有垂直于入射面的光矢量分量能通过检偏器P2，检偏器P2阻止了平行于入射面的光矢量分量通过，此时得到检偏器与起偏器垂直的条纹图像（见图3b部分），条纹图像（见图3b部分）是当P2与P1相互垂直时CCD获取的一帧变形条纹图，高光消除后的区域图（见图4b部分）为成像系统采集的成像图，从该图可见，高亮区被有效消除，此时的光场分布变化为常规的漫反射光场分布；4）利用FTP傅里叶变换轮廓术解调出检偏器与起偏器垂直的条纹图像（见图3b部分）消除高光后的变形条纹图像的截断相位图（见图5b部分），对消除高光的截断相位图展开后得到消除高光后的展开相位高度面型图（见图6b部分），完成高光物体面型的非接触无损测量。对高光区域图（见图4）进行FTP处理后得到了截断相位图（见图5），相对于消除高光后的变形条纹图像的截断相位图（见图5b部分）的均匀截断相位，没有消除高光的变形条纹图像的截断相位图（见图5a部分）显示出了高光对相位的影响，使得相位产生了严重的偏差。没有消除高光的展开相位高度面型图（见图6a部分）表明高光区域对展开后的高度分布严重偏离了物体的真实面形，得到了的正确测量相位即消除高光后的展开相位高度面型图（见图6b部分）。

Claims (2)

1.一种高光物体面型的非接触无损测量系统，其特征在于：它包括投影光源系统、偏振器、图像传感器、图像采集卡和电脑；所述偏振器包括起偏器P1和检偏器P2，其测量系统中的投影系统由投影光源和起偏器P1组成，其测量系统中的成像系统由图像传感器和检偏器P2组成；所述图像传感器是接收变形光栅像的面阵探测器，图像传感器接收的变形光栅像由图像采集卡传输至电脑并形成图片；所述投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，条纹的栅线垂直于参考平面。

2.以上所述的一种高光物体面型的非接触无损测量方法，具体包括以下步骤：

1）测量系统主要由投影系统、成像系统、被测物体组成，投影系统和成像系统两光轴相交于参考平面上的 O 点，测量系统利用偏振器的偏振特性，在传统的傅里叶变换轮廓术的测量光路中加入起偏器P1和检偏器P2；

2）测量前，检偏器P2与起偏器P1偏振化方向平行放置，投射光源为强度按正弦分布的面阵自然光，投射正弦光源条纹的栅线垂直于被测物体参考平面,经过投影系统中起偏器P1后形成只有偏振方向与P1相同的线偏振光投射到被测物体上，经过成像系统后，得到变形高光条纹图像；

3）旋转成像系统检偏器P2，使其与投影系统起偏器P1的偏振化方向相互垂直，此时反射光中只有垂直于入射面的光矢量分量能通过检偏器P2，检偏器P2阻止了平行于入射面的光矢量分量通过，即P2阻止了高光光场通过，此时得到消除高光后的变形条纹图像；

4）利用FTP傅里叶变换轮廓术解调出消除高光后的变形条纹图像的截断相位，对消除高光的截断相位图展开后得到消除高光后的展开相位高度面型，完成高光物体面型的非接触无损测量。

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