专利名称：一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统及其方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，特别是一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统及其方法。
背景技术：
在工业检测领域和工业设计领域之中，显微镜被人们广泛地应用。而通过传统的光学显微镜，我们只能获得被测物体的二维信息。但是，在某些特定场合，当需要做定量分析的时候，如果只有二维信息，就显然不能满足需要。例如，对电子元件的实时检测以及对砂轮的表面状态检测。正是因为这些原因，微小物体三维形貌的定量检测正在变的越来越 重要。近几年，很多三维测量技术都不断地涌现出来。三维测量技术一般分为接触式与非接触两大类。近40年来发展起来的一种精密的测量仪器——三坐标测量机是典型的接触式测量仪器，它利用触发测头与被测物的表面接触获得接触点的三维坐标值。因具有精度高、测量范围大、性能好等优点被广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等工业中。但三坐标测量机价格贵，对环境要求高，测量速度慢，需要对测量结果进行测头半径补偿，这些不足限制了三坐标测量机的应用领域。相对接触式测量，非接触式测量具有测量速度快、测量效率高、易予自动化和柔性好等优点，因此得到了广泛的应用。典型的非接触测量方法有光学三角法、干涉测量法、结构光测量法、立体视觉法和成像雷达法等。其中，结构光测量法，即条纹投影技术，因其有非接触，无损，高效率，高分辨率，全场测量等特性，在工业检测，产品设计，医学工程，逆向工程，人体测量等行业都有很大的应用发展潜力。但是，在过去的一些研究中，有不少人使用光栅来产生光栅条纹，为了应用相移法，光栅自身必须移动，这样不仅降低了测量的速度，而且也引入了由于机械运动而带来的相移误差，从而降低了测量精确度。此外，随着数字投影技术的发展，光栅条纹的产生已经渐渐转为由数字投影仪完成，其优势在于可以利用计算机来快速产生理想的光栅条纹。但是，为了获得更好的视觉效果，投影仪的投影响应曲线在设计时都会被人为的调整成非线性，由此引起了光栅图像的非正弦化，同时带来的相位误差直接影响了测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统及其方法，解决了传统的光学显微镜只能获得被测物体的二维信息的技术难题，针对微小物体表面测量对象，使用电视显微镜配合微型投影仪构成三维测量系统，精准的获取了待测物体表面的高度情况，而且成本低廉，结构简单。实现本发明目的的技术解决方案为一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量方法，步骤如下
第一步，构建三维测量系统，三维测量系统包括工作平台、电视显微镜镜头、透镜组和微型投影仪，电视显微镜镜头垂直于工作平台朝下摆放，微型投影仪的镜头向下与电视显微镜头摆放在同一平面，透镜组放置在微型投影仪的镜头前，用来聚焦微型投影仪投出的正弦条纹图像，待测物体放置与工作平台上；第二步，对三维测量系统标定，其步骤是I)用微型投影仪向工作平台投I周期和2周期的正弦条纹，利用三步相移法解I周期条纹投影后工作平台的相位，然后利用解得的这个相位辅助解由三步相移法解得的2周期条纹投影后工作平台被包裹的相位，把此时解得的相位称为2周期工作平台去包裹后的相位；然后，将投影条纹改为4周期正弦条纹，用2周期工作平台去包裹后的相位辅助解4周期工作平台被包裹的相位，以此类推，最终解到128周期工作平台的去包裹后的相位，然后用微型投影仪向工作平台投出仅有三个灰度级的正弦条纹，用八步相移法来解此时工 作平台被包裹的相位，并且用128周期工作平台的去包裹后相位来辅助解出工作平台最终去包裹后的相位，即参考相位；2)求取标准工件的相位值，在工作平台上放置一个已知高度的标准工件，用与标定相同的方法进行测量，测量后得到的相位减去参考相位，即标准工件的最终相位；3)求取相位高度转换常数K，根据标准工件的最终相位与标准工件高度的关系，求出常数K，即标准工件高度h= 指标准工件的最终相位，求出相位高度转换常数K ；第三步，在工作平台上放置任意待测物体，用与标定相同的方法进行测量，用测量后得到的相位减去参考相位，即获得待测物体表面的最终相位，将最终相位乘以常数K，即可获得待测物体表面的闻度。本发明与现有技术相比，其显著优点解决了传统的光学显微镜只能获得被测物体的二维信息的技术难题，针对微小物体表面测量对象，使用电视显微镜配合微型投影仪构成三维测量系统，精准的获取了待测物体表面的高度情况，具有很高的利用价值，精度高，且测量、安装方便，价格低廉，具体见图3和图4的测量结果。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图I为本发明基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量方法的步骤流程示意图。图2为针对微小物体数字条纹投影技术三维测量系统结构示意图。图3为测量一张纸的表面，其中的正弦条纹周期为16的示意图。图4为被测纸表面的三维形貌图。
具体实施例方式结合图2，本发明基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统，包括工作平台I、电视显微镜镜头3、透镜组4和微型投影仪5，电视显微镜镜头3垂直于工作平台I朝下摆放，微型投影仪5的镜头向下与电视显微镜头3可以成10° -30°的角度摆放在同一平面，透镜组4放置在微型投影仪5的镜头前，用来聚焦微型投影仪5投出的正弦条纹图像，待测物体2放置与工作平台I上。所述的透镜组4的透镜摆放从上到下的顺序依次为一个焦距为50. 8mm的双凸透镜,一个焦距为IOOmm的双凸透镜,一个焦距为75mm的双胶合透镜，一个偏振片，一个焦距为IOOmm的双凸透镜，以微型投影仪5的镜头为上。结合图1，本发明基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量方法，步骤如下第一步，构建三维测量系统，三维测量系统包括工作平台I、电视显微镜镜头3、透镜组4和微型投影仪5，电视显微镜镜头3垂直于工作平台I朝下摆放，微型投影仪5的镜头向下与电视显微镜头3成10° -30°的角度摆放在同一平面，透镜组4放置在微型投影仪5的镜头前，用来聚焦微型投影仪5投出的正弦条纹图像，待测物体2放置与工作平台I上。微型投影仪5可以为DMD投影仪。 第二步，对三维测量系统标定，其步骤是I)用微型投影仪5向工作平台1(已知高度的台阶)投I周期和2周期的正弦条纹，利用三步相移法解I周期条纹投影后工作平台的相位，然后利用解得的这个相位辅助解由三步相移法解得的2周期条纹投影后工作平台被包裹的相位，把此时解得的相位称为2周期工作平台去包裹后的相位；然后，将投影条纹改为4周期正弦条纹，用2周期工作平台去包裹后的相位辅助解4周期工作平台被包裹的相位，以此类推，最终解到128周期工作平台的去包裹后的相位，然后用微型投影仪5向工作平台I投出仅有三个灰度级的正弦条纹，用八步相移法来解此时工作平台被包裹的相位，并且用128周期工作平台的去包裹后相位来辅助解出工作平台最终去包裹后的相位，即参考相位；上述仅有三个灰度级的正弦条纹为每行第一个像素点灰度为255/2,第二个像素点灰度为255,第三个像素点灰度为255/2,第四个像素点灰度为0,然后以此为一个周期进行重复128次,完成每行像素的取值。所述的n周期条纹是指用微型投影仪投出的正弦条纹图像是由n个周期组成的正弦条纹。2)求取标准工件的相位值，在工作平台I上放置一个已知高度的标准工件，用与标定相同的方法进行测量，测量后得到的相位减去参考相位，即标准工件的最终相位。3)求取相位高度转换常数K，根据标准工件的最终相位与标准工件高度的关系，求出常数K，即标准工件高度h= 指标准工件的最终相位，求出相位高度转换常数K。第三步，在工作平台I上放置任意待测物体2，用与标定相同的方法进行测量，用测量后得到的相位减去参考相位，即获得待测物体2表面的最终相位，将最终相位乘以常数K，即可获得待测物体表面的高度。上述的三步相移法为通过采集三帧有一定相移的条纹图像来计算包含有被测物体表面三维信息的相位初值；考虑加入相移后的多幅条纹图方程It (X，y) =I0 (x, y) {I + Y (x, y) cos O (x, y) + a J }其中，t表示产生相移的时刻，It (x，y)表示t时刻的条纹强度分布，I0 (x, y)表示背景光强，Y (x, y)表示条纹对比度，a t表示第t时刻引入的已知相移量；3步是实现相移
技术的最少步数；采用3步相移，控制相移量的取值a t分别为-亨,0，宇，可获得I1I2I3H幅条纹图像；则由这三幅条纹图构成方程组，可解出式中的相位精确解为
/ _ /V) - arctan V3-!----
272 —1\ ~ Iis所述的八步相移法为与上述三步相移法相似，米用8步相移，控制相移量的取值^, w ^ Tm An bn %n IQtt Yln \Ak, ^ ^ ^ ^ ^,,、、
a t分力丨〗为0，一^~，一^■，一，可犾1% I1I2I3I4^IeIzIs八幅条纹图像；则由这
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八幅条纹图构成方程组，可解出式中的相位精确解为
,、+5/, -11/. -15/, +15/, -I-IlZr -5/, --/s"^ .V, v)= arctan —-=---------:--
J, -5/,-11/, +15/4 + 15/,-11/, -SI1 +I,所述辅助解相位的方法为
「 n , 、 7/2 ,(x, v)、m(x, y) = Round (——k ~ ~k )
."2kO2k (x, y) = 4>2k(x, y) + 2m (x, y) Ji其中，0)2k(x，y)为2k周期条纹投影时，点(x，y)被包裹的相位；ct2k(x，y)为2k周期条纹投影时，点(x，y)去包裹后的相位。
权利要求
1.一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统，其特征在于包括工作平台(I)、电视显微镜镜头(3)、透镜组(4)和微型投影仪(5)，电视显微镜镜头(3)垂直于工作平台(I)朝下摆放，微型投影仪(5)的镜头向下与电视显微镜头(3)摆放在同一平面，透镜组(4)放置在微型投影仪(5)的镜头前，用来聚焦微型投影仪(5)投出的正弦条纹图像，待测物体(2)放置与工作平台(I)上。
2.根据权利要求I所述的基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统，其特征在于透镜组(4)的透镜摆放从上到下的顺序依次为一个焦距为50. 8mm的双凸透镜，一个焦距为IOOmm的双凸透镜，一个焦距为75mm的双胶合透镜，一个偏振片，一个焦距为IOOmm的双凸透镜，以微型投影仪(5)的镜头为上。
3.根据权利要求I所述的基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统，其特征在于微型投影仪(5)的镜头向下与电视显微镜头(3)成10° -30°的角度。
4.一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量方法，其特征在于步骤如下 第一步，构建三维测量系统，三维测量系统包括工作平台(I )、电视显微镜镜头(3)、透镜组(4)和微型投影仪(5)，电视显微镜镜头(3)垂直于工作平台(I)朝下摆放，微型投影仪(5)的镜头向下与电视显微镜头(3)成10° -30°的角度摆放在同一平面，透镜组(4)放置在微型投影仪(5)的镜头前，用来聚焦微型投影仪(5)投出的正弦条纹图像，待测物体(2)放置与工作平台(I)上； 第二步，对三维测量系统标定，其步骤是 1)用微型投影仪(5)向工作平台(I)投I周期和2周期的正弦条纹，利用三步相移法解I周期条纹投影后工作平台的相位，然后利用解得的这个相位辅助解由三步相移法解得的2周期条纹投影后工作平台被包裹的相位，把此时解得的相位称为2周期工作平台去包裹后的相位；然后，将投影条纹改为4周期正弦条纹，用2周期工作平台去包裹后的相位辅助解4周期工作平台被包裹的相位，以此类推，最终解到128周期工作平台的去包裹后的相位，然后用微型投影仪(5)向工作平台(I)投出仅有三个灰度级的正弦条纹，用八步相移法来解此时工作平台被包裹的相位，并且用128周期工作平台的去包裹后相位来辅助解出工作平台最终去包裹后的相位，即参考相位； 2)求取标准工件的相位值，在工作平台(I)上放置一个已知高度的标准工件，用与标定相同的方法进行测量，测量后得到的相位减去参考相位，即标准工件的最终相位； 3)求取相位高度转换常数K，根据标准工件的最终相位与标准工件高度的关系，求出常数K，即标准工件高度h= 指标准工件的最终相位，求出相位高度转换常数K ； 第三步，在工作平台(I)上放置任意待测物体(2)，用与标定相同的方法进行测量，用测量后得到的相位减去参考相位，即获得待测物体(2)表面的最终相位，将最终相位乘以常数K，即可获得待测物体表面的高度。
5.根据权利要求3所述的基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量方法，其特征在于所述的仅有三个灰度级的正弦条纹为每行第一个像素点灰度为255/2，第二个像素点灰度为255,第三个像素点灰度为255/2,第四个像素点灰度为O,然后以此为一个周期进行重复128次，完成每行像素的取值。
全文摘要
本发明公开了一种基于数字条纹投影技术测量微小物体表面高度的测量系统及其方法，首先构建三维测量系统，三维测量系统包括工作平台、电视显微镜镜头、透镜组和微型投影仪，电视显微镜镜头垂直于工作平台朝下摆放，微型投影仪的镜头向下与电视显微镜头摆放在同一平面，透镜组放置在微型投影仪的镜头前，用来聚焦微型投影仪投出的正弦条纹图像，待测物体放置与工作平台上；在对对三维测量系统进行标定，获得待测物体表面的最终相位，可获得待测物体表面的高度。本发明精准的获取了待测物体表面的高度情况，具有很高的利用价值，精度高，且测量、安装方便，价格低廉，具体见图3和图4的测量结果。
文档编号G01B11/02GK102768020SQ201210276379
公开日2012年11月7日 申请日期2012年8月3日 优先权日2012年8月3日
发明者任建乐, 何伟基, 冯世杰, 封芳潇雨, 左超, 李如斌, 申国辰, 钱惟贤, 陈钱, 隋修宝, 顾国华 申请人:南京理工大学