基于相位融合的大深度阴叠栅轮廓测量方法.docx

基于相位融合的大深度阴叠栅轮廓测量方法 1 talbon效应 相位移阴影叠加轮廓法是一种高精度、非接触整个三维轮廓的测量方法。 当平行的单色光垂直入射到具有周期性结构的物体时,物体的像在一定距离会重现,这一现象被称为Talbot效应 Han等 2 光栅条纹图的背景和调制因子 点光源入射下的阴影叠栅测量原理如图1所示,当光源和相机位于同一高度h时,光源发出的光透过周期为p的光栅在距离光栅为z的物体平面上投影出周期为p′[p′=p h(+z)/h]的条纹 式中a(x,y)、b(x,y)分别为条纹图的背景和调制因子;Φ(x,y)为条纹相位,携带物体表面的高度信息,可表示为 式中z(x,y)为被测物体表面的高度分布(简写为z)。通过上下移动光栅产生相移,条纹光强分布 式中δ 3 阴影叠加轮廓的多距离操作 3.1 相位调制因子 目前,研究者们已研究了叠栅条纹对比度的变化规律 在有清晰条纹的范围内,通过相位解调可获得条纹相位,称为动态范围(图像中对应的区域称为有效区域)。在条纹对比度差的范围内,测量值无效,令N为无效测量值。第一次测量(A)得到的相位ue788 式中k与解包裹的起始点和Talbot自成像的级数有关。将光栅上移Δz,动态范围也将上移,如图2(b)所示。通过相位解调,第2次测量(B)得到的相位φ 在每个动态范围内,z的波动范围远小于h,因此可以将相位测量值φ 式中u为定值,v=2πdΔ(z)/p,γ=h(+z) 根据相移条纹图,求得条纹的调制因子为b(x,y)。根据测量的分辨率需求,设定一个阈值,将b(x,y)与该阈值进行比较,从而确定有效区域。对于表面漫反射较强的待测物体,条纹的调制因子b(x,y)较大,有效区域也较大,两次测量便可使有效区域覆盖整个物体表面,此时Δz=R 3.2 相位融合的过程 由3.1节分析可得,只需将第1次测量中有效区域内的测量结果φ 在F中找出与E 式中mean[]为求平均值,此时 式中round()为取整函数。至此,完成了W 重复上述对区域E和F中的相位融合过程,直到遍历所有的有效区域,得到整个物体表面的相对相位分布。 当物体表面漫反射较弱时,需要增加一次测量C,此时仍采用相似方法进行相位融合,只是在融合顺序上稍有调整。每次对测量B的有效区域完成相位融合后,搜索测量C中与已完成融合区域相邻的有效区域,利用相同的方法完成该区域的融合,再搜索E中与已融合区域相邻的区域,确定k值。 融合的起始相位与真实相位相差k 式中floor()为向下取整函数。结合(13)式得到真实的相位分布为 将得到的相位分布代入(2)式,可得到物体表面的高度分布。 3.3 分布0或称值2 上述相位融合方法忽略了在F 1)根据3.2节得到的z,求得每个重叠区域内的 将 4)将得到的相位分布代入(2)式,得到新的高度分布z 5)重复步骤2)~4),通过迭代逼近,得到精确的高度分布,其收敛条件为 式中ε为迭代停止标准,q为迭代次数。 当需要增加一次测量时,采用上述误差补偿方法对测量B和测量C的有效区域进行误差补偿。不同的是,此时测量B和测量C所对应的Δz分别为R 4 光栅的移动测量 利用Talbot叠栅进行三维轮廓测量的精度已在文献[12,14]中得到证明。因此只需证明所提出的相位融合方案的准确性。实验装置 首先上下调节物体的位置,使物体靠近光栅下表面,采集到的1帧叠栅条纹图如图5(a)所示。将光栅相对起始位置上移0.5R 利用3.1节中设定阈值的方法,求取两次测量的有效区域,结果分别如图6(a)、(b)所示。图中白色区域为提取的有效区域。为了减小相移误差的影响,选用Huang等 在同一动态范围内的不同高度处,光栅移动引起的相位增量不同。在测量A 5 大深度范围阴阳叠栅轮廓的测量 阴影叠栅轮廓术的深度测量范围有限,受Talbot的影响,在光栅的各级Talbot自成像范围内会呈现一些彼此不连续的动态范围。分析了各个动态范围内叠栅条纹的相位分布规律。通过上下移动光栅可使动态范围互补,从而增大了阴影叠栅轮廓术的深度测量范围。提出了基于重叠区域的相位融合方法和误差补偿方法。将上述方法应用于实际测量,得到了连续光滑的融合结果,实现了大深度范围阴影叠栅轮廓的测量。所提出的方法适用于连续物体表面的形貌测量,当物体表面存在一定阶跃变化时,相邻的动态范围可能不存在重叠区域,此时利用所提出的方法无法实现相位融合。但所提出的方法容许的台阶范围远大于条纹周期,此时影响台阶测量范围的主要因素为相位包裹。综上所述,所提出的方法明显增大了阴影叠栅轮廓术的深度测量范围,特别是在要求更小的分辨率时需要采用周期更小的光栅,此时可以利用更多级的Talbot叠栅条纹相互融合,从而显著增大叠栅轮廓术的深度测量范围。所提出的方法只需多采集几组相移条纹图,无需在原有叠栅测量硬件的