投影莫尔技术应用于静态物面微小变形测试的研究

　　1　引　　言

　　光电三维面型测量技术利用被测物面对主动入射光束的调制反射信息,通过摄像机、监视器、计算机图像处理系统等装置和软件系统来记录和处理后,获得物体三维信息。它具有非接触、无损、自动、高精度、高效率等一系列优点。被广泛应用于物体的三维轮廓、形变、振动、位移等参量的测量。

　　目前光电三维测量的几种主要方法有[4][6]:干涉法(普通光学干涉、全息干涉、散斑干涉)、结构光法(点扫描、线扫描)、莫尔测量法、相位测量法等。在这诸多方法中,干涉测量法测量精度最高,属非接触和全场测量,测量速度快,但测量范围小;若实现大范围的测量要用到复杂的面型拼接技术。结构光法中的激光逐点扫描法和线扫描法基本上是逐点或逐线测量,要求每测量一次数据后激光束和被测物体间有相对位移,此方法原理简单、精度较高、易于实现;但速度较慢,不能实现一次性全场快速测量。莫尔测量法通过分配条纹级次和确定条纹中心解调等高线上的高度信息。这种方法失去了符号信息,即无法从一幅等高线图上判断凹凸,只在等高线上带有高度信息(即只测量了整数级相位),而等高线之间则需要插补运算,测量精度低,在现代轮廓测量中,这种方法已很少使用了。相位法可分为时域移相技术(典型的N步相移法等)和空域移相技术(移相莫尔法、傅氏变换法等)。空域相位测量技术的优势在于只用一幅相位图来解调相位信息,不需要专门的移相机构。但是它对于投影条纹和探测器都提出了更严格的要求,即相位变化相对载频变化比较缓慢,探测器的分辨率比时域技术所需的要高,其灵敏度在整个阵列上均匀分布。时域移相技术是一种在时间轴上的逐点运算,因此低调制点容易分离,不会造成全面影响;此种方法计算量小,可用较粗的光栅达到很高的灵敏度;另外,这种方法具有一定抗静态噪声能力的。移相法,特别是时域移相法目前光学式轮廓测量法中最成熟最可靠的一种,已经实现了商品化。

　　时域移相法和莫尔测试技术相结合大大提高了莫尔测量的精度,结合方式可采用阴影莫尔和投影莫尔两种方式。阴影莫尔法在三维测量中具有简单、实用等特点,但由于光栅大小的限制,阴影莫尔法一般只适合测量比较小的物体,且为了减小光栅衍射的影响,光栅周期必须较大,光栅与物体的距离必须较近;投影莫尔可以解决测量大面积物体的问题,但实现起来要比阴影莫尔困难一些,如会碰到光源强度、成像透镜精度要求很高、光栅衍射等麻烦问题(据统计,目前用时域移相法实现的系统中,几乎都采用阴影莫尔方式,这也许是主要原因之一)。但随着测量面积加大、物体在深度方向测量范围加大、提高测量效率等要求的提高,投影莫尔技术必将成为很有发展前途的测试手段。