变光源相移投影莫尔3维轮廓测量方法和系统

　　光电3维面型测量技术是在激光技术、信息与图像处理技术、精密仪器与自动控制技术及传感技术的基础上发展起来的一种新的测量技术。它具有非接触、无损、自动、高精度、高效率等一系列优点,广泛应用于物体的3维轮廓、形变、振动、位移等参量的测定。

　　莫尔测量的光学系统有阴影莫尔和投影莫尔2种方式。阴影莫尔简单、实用,但由于光栅大小的限制,只适用于测量较小的物体。投影莫尔可以测量大面积物体,但这种方法对光源强度、成像透镜精度要求高。传统方式是通过机械运动移动参考栅的位置实现相移,移动速度慢、运动噪声和重复相移精度不好,很难适应在线快速测量的要求。随着测量面积加大、物体在深度方向测量范围加大以及对测量精度和效率的要求不断提高,急需一种稳定可靠的快速测量方法,以解决材料加工工程和逆工程中的快速测量问题。

　　1　系统的原理和结构

　　国内外已在投影莫尔方面做了大量工作[1～3],所用的投影系统与参考平面成一定角度,成像系统垂直于参考平面。

　　本文所提出的系统将投影莫尔与时域相移相结合,通过变光源实现相移。采用垂直投影两侧成像结构(见图1),以保证整个光场投影的均匀性。自制变周期解调光栅,真实地记录了系统误差。采用双CCD成像结构,既可消除物面阴影和镜面反射的影响,又可提供更多信息,提高了测量精度。投影部分采用一体化的平行3轴投影系统,每个投影轴均垂直于参考投影平面,但其投影栅有一确定性相移。在相移技术方面,采用计算机实时控制3个光源的亮灭,以实现3步相移,大大提高了相移速度。

　　根据相移莫尔技术[4],当引入相移量为2π/N,Moiré条纹任一点(x,y)的光强的表达式为

　　式(1)中只有3个未知数A(x,y)、B(x,y)和φ(x,y),只要有3幅光强图(相移量分别为3个不同的值)即可求得任一点的相位。在采用3步相移技术和相对相移量为2π/3的情况下,相位的计算公式为

　　2　关键技术及信息求解流程

　　2.1　快速高亮冷光源

　　在采用变光源移相技术测量1个工件的周期中,首先1号灯亮,左右成像系统各采集1幅相移量为0的图像。然后1号灯灭2号灯亮,左右成像系统各采集1幅相移量为2π/3的图像。最后2号灯灭3号灯亮,左右成像系统再各采集1幅相移量为4π/3的图像。上述测量过程要求光源具有快速响应性能,即在下一个灯闪亮时,前一个灯必须完全灭掉。另外一个重要指标是光源发光均匀性和亮度。只考虑高亮度和快闪频也是不合适的,因为光源距离投影光栅比较近,如果光源热效应很大,很容易造成光栅的爆裂。因此,高亮度和快闪频的冷光源是理想的选择。在多次试验基础上,已研制成功由高亮度发光二极管面阵组成的快速高亮冷光源,效果良好。