CN1213072A - 一种莫尔相位解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过改变光电传感器位置而解调相位的莫尔测量方法,这种测量方法通过处于不同位置的N(N≥3)个光电传感器同时获取N幅被测物的光场图。当光电传感器为面阵时,对被测物上同一点得到相应N个莫尔条纹光场分布Ⅰ₁、Ⅰ₂、...Ⅰ_N,求解出被测物体的三维信息;当光电传感器为线阵时,对被测物进行扫描,得到被测物上每一点的N个莫尔条纹光场分布Ⅰ₁、Ⅰ₂、...Ⅰ_N,从而求解出被测物体的三维信息。

Description

一种莫尔相位解调方法

本发明属光电检测技术领域，更进一步属于莫尔轮廓测量术。

现有莫尔轮廓测量术分为阴影莫尔法和投影莫尔法，阴影莫尔法具有结构简单、实用等特点，可根据测量对象的不同采取不同参数的结构系统，它只需要一个光栅，但要求被测物与光栅靠近；投影莫尔法需两个光栅，一个为投影光栅，一个为解调光栅。此法的特点是把投影光栅投影到物体上，因此可用小光栅测大物体，被测物与测量装置之间有较自由的工作距离。无论是阴影莫尔法还是投影莫尔法最后形成的莫尔轮廓分布都可写成

I(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cosφ    (1)的形式，｜(x,y)为莫尔轮廓光强分布，A(x,y)为背景光强，B(x,y)/A(x,y)为条纹对比度，φ为莫尔轮廓分布的相位，它包含了被测物体的轮廓信息。为了解调出相位φ，目前通常的方法是引入一定的相移量φ₁、φ₂、…φ_n(n≥3)得到一组方程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)

I_n(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cos(φ+φ_n)从(2)中解得φ值。相移实现的方法一般为移动光栅或移动物体等，这些方法对机械结构要求复杂，速度慢。

本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提出一种莫尔相位解调方法，它不仅消除了对机械结构的要求，而且不同位置光电传感器同时获得光场分布。该发明提供了一种非接触、快速、实时的精密测量方法以满足工业在线检测的需要，特别适用于电子、半导体工业等的在线检测。

本发明的方法或步骤如下：1．确立基准面或基准点以及计算所用直角坐标系；2．对系统参数进行标定；3．对被测物进行测量，由各不同位置的光电传感器同时获取莫尔轮廓光场分布信息；4．根据获取的莫尔轮廓光场分布信息，利用计算机对其进行处理并找出物体上同一点在各个光电传感器上得到的光强值，根据这些光强值计算得到该点的被测量。

本发明对投影莫尔法一般的装置结构为：光源照射到投影光栅上，并通过光学系统将投影光栅成象于被测面上，被被测面调制的光栅分布又分别通过一系列透镜再次成象于对应的解调光栅上，从而在光电传感器上分别得到对应的莫尔轮廓光场分布。

本发明对阴影莫尔法一般的装置结构为：光源通过置于被测物之上并与被测物靠近的光栅后投射到被测面上，形成受被测表面轮廓调制的变形光场分布，摄像系统再通过同一光栅观看该变形光场得到莫尔条纹。也就是说处于空间不同位置的光电传感器通过一系列光学系统分别得到载有物体三维信息的莫尔轮廓光场分布。

本发明的工作原理如下：首先系统设置必须保证最后形成的莫尔轮廓分布可写为式(1)的形式，式(1)φ中仅包含被测物轮廓信息和系统有关参数，而系统参数中又包含了光电传感器位置参数s_k,k表示传感器的序数，因此将φ记作φ(s_k,z)；当传感器个数不小于3时由式(1)可得到不少于3个等式

I_k(x,y)=A(x,y)+B(x,y)cosφ(s_k,z)    (3)

由这些等式消去A(x,y)和B(x,y)便可求得φ～f(I_k)关系式，f(I_k)为与I_k有关的关系式，该关系式关于φ一般为超越方程，没有解析解。对一定的测量范围可在系统标定时建立f(I_k)～z查找表，测量时根据查找表得到被测值；或设置特定空间分布的光电传感器，将方程简化，得到φ的解析解。

本发明专利与以往莫尔测量方法不同，它利用处于不同位置的光电传感器同时获取几幅图，当用线阵传感器时无需对被测物成象位置进行校正，只要找出不同时刻得到的被测物体上同一点的强度分布便可计算出被测三维信息。被测物体的高速送进运动即为扫描测量过程，因此该发明适用于生产流水线当中。当用面阵传感器时，需对物体成象位置进行校正，它适用于快速测量小物体的轮廓。

图1为投影莫尔法中光电传感器为线阵时的实施例1。

图2为阴影莫尔法中光电传感器为线阵时的实施例2。

图3为投影莫尔法中光电传感器为面阵时的实施例3，该实施例中各光轴平行排列。

图4为投影莫尔法中光电传感器为面阵时的又一实施例4，该实施例中各光轴间有一定的夹角。

图5为阴影莫尔法中光电传感器为面阵时的实施例5，该实施例中各光轴平行排列。

图6为阴影莫尔法中光电传感器为面阵时的又一实施例6，该实施例中各光轴间有一定的夹角。

参见图1，实施例1的方法如下：

1．首先选择参考面(12)，使得投影光轴OZ与参考面(12)垂直，其交点设为坐标原点O，参考面为x,y平面，以O为圆心，在以R为半径的圆周上布置摄像系统，且摄象系统的光轴均指向O点；

2．调节透镜(11)使得投影光栅(7)成象于参考面(12)上，同时调节透镜(8)、(9)、(10)使OY轴均成象于解调光栅(4)、(5)、(6)上、并最终被线阵光电传感器(1)、(2)、(3)所接收；

3．将被测物(13)放在参考面(12)上，被测物起始点应在扫描起始点，如图(1)的被测物体(13)其起始点应在O点左端，扫描方向如图(1)所示；

4．由一装置(如生产线上传送带)带动被测物(13)以一定速度匀速运动，从而对整个物体从被测起始点到被测终止点扫描，在扫描过程中摄象系统连续采集图象数据；

5．根据采集数据和扫描速度，找出物体上对应点的三个光电传感器接收的三个数据代入方程组(3)，求解被测物体的三维信息；

对该实施例，所使用透镜(8)、(9)、(10)与O点的距离均为R，透镜焦距均为f，光栅(7)周期为p，对光栅(4)其周期为p₁=pcosα₁，光栅(5)(6)的周期分别为p₂=pcosα₂,p₃=pcosα₃时(3)式为 $I_k(x,y)=A(x,y)+B(x,y)\cos \[\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{pM}}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_k\right)z\]---\left(4\right)$ 由(4)式便可得到z～f(I_k)关系，从而得到被测量z值。

参见图2，实施例2的方法如下：

1．建立基准面(或坐标系)，如建立图中坐标系，x、y面为光栅(15)所在平面，与光栅垂直方向为z轴，设投影光源装置(14)的光轴与x、y面垂直并交于O点(设为坐标原点)，且设被测物(13)距x、y面最远距离为h_max，那么SO延长h_max后到达D点，那么以D点为圆心在以R为半径的圆周上布置三个摄象系统，且三个摄象系统的光轴均指向D点；

2．调节透镜(8)、(9)、(10)使得光电传感器(1)、(2)、(3)上的莫尔轮廓条纹清晰；

3．将被测物(13)放入系统中，保证被测起始点在扫描起始点。如图(2)所示，被测物起始点应在D点左端，扫描方向如图(2)所示。

步骤4.5同实施例1步骤4、5；

对该实施例，所使用透镜(8)、(9)、(10)与O点的距离均为R，透镜焦距均为f，光栅(15)周期为p时(3)式为 $I_k(x,y)=A(x,y)+B(x,y)\cos \[\left(\frac{2\mathrm{\π}}{p}\mathrm{tg}{\mathrm{\α}}_k\right)z\]---\left(5\right)$ 由(5)式便可得到z～f(I_k)关系，从而得到被测量z值。

需要说明的是，在图(1)、图(2)中，若R远远大于被测量范围时可不必严格限制各光学系统的入瞳中心必须分布在圆周上，也可在同一高度排列。

参见图3，实施例3的方法如下：

1．各光学系统光轴平行且垂直于基准面(12)，所用光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，光栅(4)、(5)、(6)结构相同。透镜(8)、(9)、(10)、(11)结构也相同，它们处于同一高度，距离基准面为R。

2．与实施例1步骤2类似，这时的OY轴变成了OXY平面。

3．将被测物体放入测量系统视场中，各光电传感器同时采集数据。

4．找出被测物上对应点被三个光电传感器接受到的数据带入方程组(3)中。该实施例(3)式中 $\mathrm{\φ}=\frac{{2\mathrm{\πd}}_k}{\mathrm{pMR}}z,$ 其中d_k表示第k个光电传感器所在光学系统光轴与投影光学系统光轴之间的距离，其它参数同实施例1；

参见图4，实施例4方法如下：它与实施例1操作过程与原理类似，其不同之处在于：光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，因而无需对物体进行扫描。光栅(4)、(5)、(6)平面分别与透镜(8)、(9)、(10)的光轴不垂直，其倾斜的程度以基准面(12)由透镜(8)、(9)、(10)分别成象于光栅(4)、(5)、(6)上不发生畸变为准，而光电传感器(1)、(2)、(3)分别对光栅(4)、(5)、(6)成象而不发生畸变。

参见图5，实施例5方法如下：

1．各光学系统光轴平行且垂直于基准面即光栅面(15)，所用光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，透镜(8)、(9)、(10)结构也相同，它们与光源(14)处于同一高度，距离基准面为R；

2．与实施例2中步骤2相同；

3．与实施例3中步骤3相同；

4．同实施例3中步骤4；

实施例6参见图6，它与实施例2操作过程与原理类似，其不同之处在于：光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，因而无需对物体进行扫描，且其平面分别与透镜(8)、(9)、(10)的光轴不垂直，其倾斜的程度以平面(16)由透镜(8)、(9)、(10)分别成象于光电传感器(1)、(2)、(3)上不发生畸变为准。

Claims (9)

1．一种莫尔相位解调方法，首先确立基准面或基准点以及计算所用坐标系，其次，对系统参数进行标定，本发明的特征是，对被测物进行测量，由各不同位置的光电传感器同时获取莫尔轮廓光场分布信息，再根据获取的莫尔轮廓光场分布信息，利用计算机对其进行处理并找出物体上同一点在各个光电传感器上得到的光强值，根据这些光强值计算得到该点的被测量。

2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

(1)首先选择参考面(12)，使得投影光轴OZ与参考面垂直，其交点设为坐标原点O，参考面为x,y平面，以O为圆心，在以R为半径的圆周上布置摄像系统，且摄象系统的光轴均指向O点；

(2)调节透镜(11)使得投影光栅(7)成象于参考面(12)上，同时调节透镜(8)、(9)、(10)使OY轴均成象于解调光栅(4)、(5)、(6)上、并最终被线阵光电传感器(1)、(2)、(3)所接收；

(3)将被测物(13)放在参考面(12)上，被测物起始点应在扫描起始点；

(4)带动被测物(13)以一定速度匀速运动，从而对整个物体从被测起始点到被测终止点扫描，在扫描过程中摄象系统连续采集图象数据；

(5)根据采集数据和扫描速度，找出物体上对应点的三个光电传感器接收的三个数据，求解被测物体的三维信息。

3．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

(1)建立基准面(或坐标系)，使坐标系，x、y面为光栅(15)所在平面，与光栅垂直方向为z轴，设投影光源装置(14)的光轴与x、y面垂直并交于O点(设为坐标原点)，且设被测物(13)距x、y面最远距离为h_max，那么SO延长h_max后到达D点，那么以D点为圆心在以R为半径的圆周上布置三个摄象系统，且三个摄象系统的光轴均指向D点；

(2)调节透镜(8)、(9)、(10)使得光电传感器(1)、(2)、(3)上的莫尔轮廓条纹清晰；

(3)将被测物(13)放入系统中，保证被测起始点在扫描起始点；

(4)带动被测物(13)以一定速度匀速运动，从而对整个物体从被测起始点到被测终止点扫描，在扫描过程中摄象系统连续采集图象数据；

(5)根据采集数据和扫描速度，找出物体上对应点的三个光电传感器接收的三个数据，求解被测物体的三维信息。

4．如权利要求2、3所述其特征在于：若R远远大于被测量范围时可不必严格限制各光学系统的入瞳中心必须分布在圆周上；

5．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

(1)各光学系统光轴平行且垂直于基准面(12)，所用光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，光栅(4)、(5)、(6)结构相同，透镜(8)、(9)、(10)、(11)结构也相同，它们处于同一高度，距离基准面为R；

(2)调节透镜(11)使得投影光栅(7)成象于参考面(12)上，同时调节透镜(8)、(9)、(10)，使OXY面均成象于解调光栅(4)、(5)、(6)上、并最终被面阵光电传感器(1)、(2)、(3)所接收；

(3)将被测物体放入测量系统视场中，各光电传感器同时采集数据；

(4)找出被测物上对应点被三个光电传感器接受到的数据，求解被测物体的三维信息。

6．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

(1)首先选择参考面(12)，使得投影光轴OZ与参考面垂直，其交点设为坐标原点O，参考面为x,y平面，以O为圆心，在以R为半径的圆周上布置摄像系统，且摄象系统的光轴均指向O点；

(2)光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，因而无需对物体进行扫描。光栅(4)、(5)、(6)平面分别与透镜(8)、(9)、(10)的光轴不垂直，其倾斜的程度以基准面(12)由透镜(8)、(9)、(10)分别成象于光栅(4)、(5)、(6)上不发生畸变为准，而光电传感器(1)、(2)、(3)分别对光栅(4)、(5)、(6)成象而不发生畸变；

(3)根据采集数据，找出物体上对应点的三个光电传感器接收的三个数据，求解被测物体的三维信息。

7．根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

(1)各光学系统光轴平行且垂直于基准面即光栅面(15)，所用光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，透镜(8)、(9)、(10)结构也相同，它们与光源(14)处于同一高度；

(2)调节透镜(8)、(9)、(10)使得光电传感器(1)、(2)、(3)上的莫尔轮廓条纹清晰；

(3)将被测物体放入测量系统视场中，各光电传感器同时采集数据；

(4)找出被测物上对应点被三个光电传感器接受到的数据，求解被测物体的三维信息。

8．根据权利要求1所述的方法其特征在于：

(1)建立基准面(或坐标系)，如建立图中坐标系，x、y面为光栅(15)所在平面，与光栅垂直方向为z轴，且三个摄象系统的光轴均指向同一点；

(2)光电传感器(1)、(2)、(3)为面阵，因而无需对物体进行扫描，且其平面分别与透镜(8)、(9)、(10)的光轴不垂直，其倾斜的程度以平面(16)由透镜(8)、(9)、(10)分别成象于光电传感器(1)、(2)、(3)上不发生畸变为准；

(3)调节透镜(8)、(9)、(10)使得光电传感器(1)、(2)、(3)上的莫尔轮廓条纹清晰；

(4)将被测物体放入测量系统视场中，各光电传感器同时采集数据；

(5)根据采集数据和扫描速度，找出物体上对应点的三个光电传感器接收的三个数据，求解被测物体的三维信息；

9．如权利2、5所述，光电传感器为线阵其特征还在于光栅(4)、(5)、(6)可省去，而将投影在物体(13)上的光场分布直接成象于光电传感器靶面上。

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