基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置及方法

本发明涉及测量，具体涉及一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置及方法。

背景技术：

1、测量是数字化加工的前提，因此，如何快速获取复杂待测件全场、高精度三维面形数据成为了实现智能制造的关键问题。在形貌检测中，透明物体形貌检测更加复杂、困难。目前常见的透明物体形貌测量方式主要为条纹投影法，但是由于透明物体的前后表面的反射率较小，并且存在“鬼像”的问题，因此使用反射法对透明物体的测量还有待提升。透射法则因为透明物体的折射影响，光线射入透明物体以及射出透明物体时，传播方向都会发生改变，因此寻找到正确的几何关系是透射法需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置及方法，该装置及方法结构简单，易于实现，测量准确率高，实现成本低。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置，其特征在于，包括激光光源、50/50分光镜、金属反射镜、面阵相机和图像处理系统；所述激光光源用于发射光束，以在相机成像面上产生干涉条纹；所述50/50分光镜用于将光束分为两束光，分别射向两面金属反射镜；所述金属反射镜用于反射50/50分光镜分出的光束，使光束再次通过50/50分光镜从而产生干涉条纹；所述面阵相机的成像面紧贴待测柱透镜的平面，用于接收经过柱透镜的干涉条纹，并将干涉条纹信息传输至图像处理系统中；所述图像处理系统用于处理接收的干涉条纹信息，并计算出待测柱透镜的表面形貌。

3、本发明还提供了一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：测取待测柱透镜的最高点处的厚度，将激光光源固定在水平平台上，调整激光光源使其光束与水平面平行；安装50/50分光镜，使50/50分光镜的入射面与光束垂直，并使其反射面的朝向为竖直向上；将两个金属反射镜分别固定在50/50分光镜分出的两道光束的光路上，使两个金属反射镜镜面分别与两道光束垂直，并通过调整使两个金属反射镜反射的光束在穿过50/50分光镜后能够基本重合，即两道光束的夹角在0至1°之间；

5、步骤s2：将面阵相机安装在50/50分光镜的反射面的反向，使光束被两个金属反射镜反射后穿过50/50分光镜的光路垂直于相机成像面，调整面阵相机位置，使光斑成像中心位于面阵相机中心，固定面阵相机；微调其中一个金属反射镜的角度，使相机成像面上形成竖直的干涉条纹，将面阵相机采集的图像传输至图像处理系统中，此时的图像为光路中未放置柱透镜的条纹图像；将待测柱透镜的平面贴紧相机成像面，将面阵相机采集的图像传输至图像处理系统中，此时的图像为光路中已放置柱透镜的条纹图像；

6、步骤s3：图像处理系统分别对光路中未放置柱透镜的条纹图像和光路中已放置柱透镜的条纹图像进行处理，并以处理过的条纹信息计算出待测柱透镜的表面形貌。

7、进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：

8、步骤s31：对比两幅条纹图像，得到两幅条纹图像中暗纹的中心点位置变化最小的暗纹，以该暗纹中心点为原点，对两幅条纹图像分别进行相位解包裹；

9、步骤s32：以未放置柱透镜的相位解包裹的图像作为基准图，计算基准图中的各个像素点与已放置柱透镜的相位解包裹的图像的相同相位的最近像素点的距离，该距离为光路中放置柱透镜前后干涉条纹在面阵相机上的位移，即条纹位移；

10、步骤s33：以条纹位移为0的点作为计算的初始点，设定初始点的厚度为测得的待测柱透镜的最高点处的厚度，由初始点的厚度及其相邻点的条纹位移计算出初始点的相邻点的厚度；重复此步骤以计算出所有点的厚度，由此得到待测柱透镜的三维形貌信息。

11、进一步地，所述柱透镜的厚度与条纹位移的映射关系为：

12、当δx>0时：

13、

14、当δx<0时：

15、

16、当δx＝0时：

17、y0＝y1

18、其中：

19、

20、其中，y0为所求点处的柱透镜厚度，δx为所求点在放置柱透镜前后沿水平方向的位移，f'(x0)为柱透镜在所求点处的切线的斜率，x0为所求点的水平位置，y1为所求的上一个点处的柱透镜厚度，x1为所求的上一个点的水平位置。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置及方法，通过使用分光镜和反射镜产生干涉条纹，再利用面阵相机获取待测柱透镜放置前后的干涉条纹，最后通过图像处理系统对干涉条纹图像进行分析处理，得到柱透镜表面形貌。整个装置结构简单，测量方法易于实现。本发明能够无视透射法穿过柱透镜后表面的折射，使光线路径改变的只有在入射柱透镜时发生的折射，因此较为容易计算光线传播的路径与柱透镜表面形貌的几何关系，测量准确率高，实用性强，实现成本低。

技术特征：

1.一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置，其特征在于，包括激光光源、50/50分光镜、金属反射镜、面阵相机和图像处理系统；所述激光光源用于发射光束，以在相机成像面上产生干涉条纹；所述50/50分光镜用于将光束分为两束光，分别射向两面金属反射镜；所述金属反射镜用于反射50/50分光镜分出的光束，使光束再次通过50/50分光镜从而产生干涉条纹；所述面阵相机的成像面紧贴待测柱透镜的平面，用于接收经过柱透镜的干涉条纹，并将干涉条纹信息传输至图像处理系统中；所述图像处理系统用于处理接收的干涉条纹信息，并计算出待测柱透镜的表面形貌。

2.一种基于权利要求1所述装置的基于干涉条纹的柱透镜形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的基于干涉条纹的柱透镜形貌测量方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的基于干涉条纹的柱透镜形貌测量方法，其特征在于，所述柱透镜的厚度与条纹位移的映射关系为：

技术总结
本发明涉及一种基于干涉条纹的柱透镜形貌测量装置及方法，该装置包括激光光源、50/50分光镜、金属反射镜、面阵相机和图像处理系统；所述激光光源用于发射光束，以在相机成像面上产生干涉条纹；所述50/50分光镜用于将光束分为一束参考光和一束物光；所述金属反射镜用于反射50/50分光镜分出的光束，使光束再次通过50/50分光镜从而产生干涉条纹；所述面阵相机的成像面紧贴待测柱透镜的平面，用于接收经过柱透镜的干涉条纹，并将干涉条纹信息传输至图像处理系统中；所述图像处理系统用于处理接收的干涉条纹信息，并计算出待测柱透镜的表面形貌。该装置及方法结构简单，易于实现，测量准确率高，实现成本低。

技术研发人员：钟剑锋,陈钰龙,钟舜聪,张秋坤,钟建华,冯斌,刘东明,郭昊洋
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/10