浮力影院网址第①线路

【自有技术大讲堂】相位测量轮廓术

网站首页    行业信息    【自有技(ji)术(shu)(shu)大讲(jiang)堂】相位(wei)测量轮廓术(shu)(shu)

 

相位测量轮廓术(Phase Measuring ProfilometryPMP)因(yin)其精度(du)高(gao)、稳定性好、易在工程上实现等优点被广泛(fan)使用,相(xiang)位测量轮廓术(shu)是采用正弦条纹投影和(he)相(xiang)移技术(shu)相(xiang)结合的一种3D量测方(fang)法(fa)(fa)。其(qi)实现方(fang)法(fa)(fa)是通过一系(xi)列有(you)固定相(xiang)(xiang)移的(de)条纹图像来计算(suan)含(han)有(you)被(bei)测物体(ti)表面三维信息的(de)相(xiang)(xiang)位(wei)值,进而得(de)到物体高度信息。通过(guo)投影仪将多(duo)帧(zhen)有一(yi)定相(xiang)位(wei)差的(de)(de)正弦(xian)(xian)条纹(wen)图案(an)投影到(dao)参(can)考平面上,当参(can)考平面上放(fang)置被测(ce)物(wu)(wu)体(ti)时,由(you)于物(wu)(wu)体(ti)表面有高(gao)度变(bian)化,使(shi)原本平整(zheng)的(de)(de)正弦(xian)(xian)条纹(wen)图扭曲变(bian)形,从而使(shi)得(de)正弦(xian)(xian)条纹(wen)图的(de)(de)相(xiang)位(wei)发生变(bian)化。因此(ci)被测(ce)物(wu)(wu)高(gao)度的(de)(de)信息便被记录到(dao)被调(diao)制的(de)(de)正弦(xian)(xian)条纹(wen)图中。通过(guo)相(xiang)机(ji)获取(qu)变(bian)形条纹(wen)信息,之后解调(diao)相(xiang)位(wei)并完成物(wu)(wu)体(ti)三维(wei)形貌(mao)的(de)(de)重建。

 

 

相位测量轮(lun)廓术所使(shi)用的光(guang)机硬件主(zhu)要有投(tou)影模(mo)块(kuai)和成(cheng)像(xiang)模(mo)块(kuai),成(cheng)像(xiang)模(mo)块(kuai)的光(guang)轴与参考(kao)平(ping)(ping)面(mian)垂直(zhi),交参考(kao)平(ping)(ping)面(mian)与点O,且参考平面与成(cheng)(cheng)像芯片平行。左侧(ce)为投影模(mo)块(kuai),投影模(mo)块(kuai)倾(qing)斜放(fang)置且与成(cheng)(cheng)像模(mo)块(kuai)光轴之间(jian)夹(jia)角为θ,投影(ying)光(guang)轴与参考平面交于O点。EpEp分别(bie)表(biao)示投影(ying)光学系统的入瞳(tong)(tong)和出瞳(tong)(tong)位置(zhi),Ec和(he)Ec分别表示成像(xiang)光学系(xi)统的入瞳和出瞳位置,EpEc为基线(xian)距离(li)dOEc为成像(xiang)模块(kuai)的工作距l0

 

具(ju)体高度求(qiu)解(jie)过程(cheng)如下:在投(tou)影芯(xin)片上(shang)加(jia)载出灰度呈正弦分布的条纹图,位于(yu)投(tou)影芯(xin)片上(shang)的像素点E发(fa)出的(de)光线(xian)经过投(tou)影模块投(tou)影到参考平面上(shang)的(de)C点,若物(wu)体与参(can)考平面等高,则由(you)C点反射的(de)光(guang)线经(jing)过(guo)成像(xiang)(xiang)模块到(dao)达成像(xiang)(xiang)芯片,成像(xiang)(xiang)在(zai)G像(xiang)素点。若是被测物体在此处低于参考平面的高度(du),则光线经过C点,投(tou)影到被测物(wu)体的H点上(shang),由H点反射(she)后,光线(xian)经过(guo)参考平面上的D点并最终成(cheng)像到(dao)成(cheng)像芯片F的像素点。由此(ci)可见,投影芯(xin)片(pian)上同一(yi)个像素点,由于被测(ce)物体高度调制(zhi),使得在成像芯(xin)片(pian)上成像位置不同,这也(ye)代表了F点与G点的(de)相位(wei)变化。通(tong)过两者(zhe)相位(wei)的(de)变化,可(ke)以求解(jie)出(chu)物体(ti)所对应的(de)高度,具体(ti)求解(jie)公式[1]如下

其(qi)中φF点(dian)和G点间相位差(cha)p0为参考面上的条纹空间频率。

 

由上(shang)式(shi)可以看出只需要解出与参(can)考平面上(shang)对应点的相位(wei)差,并带入相关的结构(gou)参(can)数,就可以求(qiu)出物体高度,接下来就需要求(qiu)解出点F与点G之(zhi)间(jian)相位的偏移。

 

相位的偏移(yi)可以通过(guo)(guo)相(xiang)移法求解相(xiang)同频率正弦条(tiao)纹图案(an)的相(xiang)位(wei)主值,再通过(guo)(guo)空间或(huo)时间相(xiang)位(wei)展开算法求解出(chu)绝(jue)对(dui)相(xiang)位(wei),从而得到相(xiang)位(wei)偏差(cha),进而求解出(chu)物体(ti)高度(du)。

 

3D结构光检(jian)测的是(shi)一个空间范围内物(wu)体的三维形貌,其(qi)在水平xy和高度z方向均有(you)测量范围。因此其在水平xy方向(xiang)及(ji)高(gao)度z方向均有精度(du)的要求。使用相(xiang)位测(ce)量轮廓术进行(xing)三维测(ce)量时,其测(ce)量精度(du)一般取(qu)决于投影(ying)条纹(wen)的密集程(cheng)度(du),成(cheng)像(xiang)模(mo)(mo)块(kuai)的分辨(bian)能(neng)力(li),算法模(mo)(mo)型准(zhun)确(que)程(cheng)度(du)以(yi)及(ji)标定准(zhun)确(que)性(xing)等因(yin)素(su)。体现到(dao)光机系统硬件指标参数(shu)上(shang),便(bian)是投影(ying)分辨(bian)率与(yu)成(cheng)像(xiang)分辨(bian)率,及(ji)结(jie)构光相(xiang)位检(jian)测(ce)精度(du)。

 

投(tou)影分辨率是投(tou)影芯片上一个像素(su)(su)点投(tou)影到参考平面上对应的(de)像素(su)(su)大小,该指标可以通过投(tou)影镜头的(de)放大倍率和投(tou)影芯片单个像素(su)(su)点的(de)大小计算得出(chu)。

 

成(cheng)像(xiang)分辨率是成(cheng)像(xiang)芯(xin)片(pian)上(shang)一个像(xiang)素(su)点对应参考平面的(de)(de)像(xiang)素(su)点大小(xiao),该(gai)指标可(ke)以通过成(cheng)像(xiang)镜头的(de)(de)放大倍率和成(cheng)像(xiang)芯(xin)片(pian)的(de)(de)像(xiang)素(su)点大小(xiao)计(ji)算(suan)得出(chu)。

 

3D结构光检测(ce)系统准确获得被测(ce)器件三维轮廓(kuo)的前提是(shi)成像模块要能清晰分辨被物体(ti)调制(zhi)后的条纹图案,根据(ju)奈(nai)奎(kui)斯特采样(yang)定律[2],成(cheng)像(xiang)分(fen)(fen)辨率要(yao)小于投影(ying)分(fen)(fen)辨率的一半,即在长(zhang)度方(fang)向上(shang)成(cheng)像(xiang)芯片至少有两个(ge)像(xiang)素点(dian)解析投影(ying)芯片上(shang)一个(ge)像(xiang)素点(dian)。此为投影(ying)分(fen)(fen)辨率与成(cheng)像(xiang)分(fen)(fen)辨率之间的关系。

 

高度方(fang)向的精度分(fen)析,可以(yi)由上式(shi)微分(fen)得到:

其(qi)中Dφ相位(wei)检测(ce)灵(ling)敏度,l0为成(cheng)像模(mo)块(kuai)物距p0为(wei)参考平(ping)面(mian)上条纹空间频率θ为投影模块光(guang)轴和成像模块光(guang)轴之间的夹角。

 

由上式(shi)可以得(de)到(dao):

(1) 相位检测(ce)灵敏度Dφ越高(gao),Δh越小(xiao),z方(fang)向检测精度越高(gao)。

(2) 投影(ying)模块光(guang)轴和成像模块光(guang)轴之间的夹角(jiao)θ越大,Δh越小,z方向检测(ce)精度越高,但是过(guo)大的夹角会使投(tou)影(ying)(ying)模块景(jing)深不(bu)足,使投(tou)影(ying)(ying)到(dao)参考(kao)面上的清晰(xi)条(tiao)纹区域变小。

(3) 条纹的空间频率(lv)p0 (xy方向的检测范围和正(zheng)弦(xian)的周期(qi)数(shu)决定) 越大,Δh越(yue)小,z方向检测精度(du)越高。但需要(yao)注意的(de)是,受(shou)限于奈奎斯特(te)采样定律,过(guo)分(fen)增(zeng)加条纹的(de)空间频率,会(hui)(hui)使得(de)成(cheng)像分(fen)辨率随之减小(xiao),成(cheng)像模块放大(da)倍率提(ti)高,会(hui)(hui)使得(de)景深变小(xiao),z向(xiang)检测范围(wei)减(jian)小。

(4) 工作距l0虽(sui)然(ran)对Δh有影(ying)响(xiang),但由几何(he)光学(xue)关系可知,其主要影(ying)响(xiang)的是放大倍率,也就是通(tong)过(guo)影(ying)响(xiang)成像分辨率来影(ying)响(xiang)z方(fang)向的测量精度(du)。

 

 

参考文献:

  1. 韩旭. 基(ji)于时间(jian)相(xiang)位解包裹的条纹投影三维测量方法研究[D]. 南(nan)昌(chang)航(hang)空大学(xue), 2019.
  2. 苏显渝. 信(xin)息光学.2版(ban)[M]. 科学出版社(she), 2011.
2021年11月12日(ri) 16:43
document.write("")