專利名稱：光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大曲率面形的復(fù)雜曲面零件的高精度原位檢測(cè)，具體講涉及光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
精密/超精密加工技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)加工制造技術(shù)的主要發(fā)展方向和重要研究領(lǐng)域，特別是諸如光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件的超精密切削加工技術(shù)在航空航天、國(guó)防、 生物醫(yī)學(xué)、通訊、微電子等高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。作為復(fù)雜曲面超精密加工的一個(gè)重要組成部分，高精度原位檢測(cè)及補(bǔ)償控制技術(shù)是提高超精密加工零件尺寸、形狀精度及表面粗糙度的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面零件表面完整性控制和評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外研究人員開發(fā)了多種不同類型的超精密原位測(cè)量系統(tǒng)，但目前的研究主要基于接觸式測(cè)量原理，測(cè)量速度慢，不利于快速獲取被測(cè)物體的三維形貌數(shù)據(jù)。光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件對(duì)面形精度要求很高，而且要求表面及表層無損傷。光學(xué)測(cè)量方法如光學(xué)顯微測(cè)量法、光學(xué)干涉測(cè)量法、條紋投影法等以其快速、高精度、非接觸等優(yōu)點(diǎn)在微納級(jí)精度尺寸測(cè)量領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。其中，白光掃描干涉測(cè)量具有納米級(jí)甚至亞納米級(jí)的測(cè)量分辨力，重復(fù)性好，然而，受到光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和視場(chǎng)范圍的限制，不適合進(jìn)行具有大曲率面形的復(fù)雜曲面的測(cè)量。而且在無輔助掃描裝置的條件下，其測(cè)量范圍遠(yuǎn)不能達(dá)到毫米量級(jí)。條紋投影法以其測(cè)量范圍大、測(cè)量速度快等優(yōu)異性能，已經(jīng)在尺寸測(cè)量領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可用于復(fù)雜曲面零件的三維形貌測(cè)量。然而，條紋投影方法的測(cè)量精度無法達(dá)到納米級(jí)的精度要求。如何實(shí)現(xiàn)光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件三維形貌的高精度非接觸原位測(cè)量成為精密測(cè)量領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。針對(duì)單一測(cè)量方法難以完成復(fù)雜曲面零件超精密加工原位測(cè)量問題，研究開發(fā)一種能夠滿足測(cè)量范圍、分辨力、精度和測(cè)量效率等多重要求的多光學(xué)傳感器融合測(cè)量方法，成為當(dāng)前超精密測(cè)量領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供用于光學(xué)自由曲面等具有大曲率面形的復(fù)雜曲面零件的高精度原位檢測(cè)過程的方法及裝置，非接觸，對(duì)零件表面及表層無損傷。為達(dá)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法，包括以下步驟借助于高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體三自由度運(yùn)動(dòng)；使用光柵投影裝置對(duì)被測(cè)物體表面投影光柵條紋，由光柵投影視覺檢測(cè)圖像采集裝置獲取經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖，送入計(jì)算機(jī)中經(jīng)后續(xù)處理后，恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌；根據(jù)恢復(fù)出的被測(cè)物體表面三維形貌，進(jìn)行被測(cè)物體位姿自動(dòng)識(shí)別，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑，自動(dòng)引導(dǎo)更精密的白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量，由白光掃描圖像采集裝置獲取干涉條紋圖，送入計(jì)算機(jī)中經(jīng)后續(xù)處理，得到測(cè)量區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)；將光柵投影視覺檢測(cè)和白光掃描干涉測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件的三維形貌特征。高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度電動(dòng)位移平臺(tái)、高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和高精度電動(dòng)角位臺(tái)組成，借助于該平臺(tái)控制被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。光柵投影視覺檢測(cè)圖像采集裝置為兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)，兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字 CCD攝像機(jī)沿高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高精度電動(dòng)位移平臺(tái)軸線方向以光柵投影裝置中心對(duì)稱放置。光柵投影裝置對(duì)被測(cè)物體表面投影的光柵條紋，是幅值、相位和投射方向可調(diào)的正弦光柵條紋、余弦光柵條紋、頻率和方向不同的兩種光柵條紋組合形成的復(fù)合光柵條紋、 莫爾條紋、灰度編碼光柵條紋及彩色光柵條紋中的一種。白光掃描干涉測(cè)頭采用顯微干涉物鏡，掃描時(shí)采用白光光源照射，將顯微干涉物鏡和光學(xué)成像系統(tǒng)間通過轉(zhuǎn)接器連接，通過一個(gè)高精度壓電陶瓷定位器帶動(dòng)顯微干涉物鏡完成垂直掃描，將顯微干涉物鏡光軸傾斜、高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶動(dòng)被測(cè)物體沿水平方向按一定步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式完成水平掃描，由白光掃描圖像采集裝置通過光學(xué)成像系統(tǒng)接收干涉條紋圖。一種光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量裝置，由高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、光柵投影視覺檢測(cè)單元、白光掃描干涉測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)構(gòu)成；高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度電動(dòng)位移平臺(tái)、高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和高精度電動(dòng)角位臺(tái)組成，借助于該平臺(tái)控制被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)；光柵投影視覺檢測(cè)單元由光柵投影裝置、圖像采集裝置組成，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的光柵條紋通過光柵投影裝置投影到被測(cè)物體表面形成變形條紋，被測(cè)物體沿高精度位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到圖像采集裝置的視場(chǎng)范圍內(nèi)，被測(cè)物體在高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)一定的角度，以使經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖被圖像采集裝置以最佳方式接收；白光掃描干涉測(cè)量單元由顯微干涉物鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)、白光光源和圖像采集裝置組成，顯微干涉物鏡用于通過一個(gè)高精度壓電陶瓷定位器帶動(dòng)顯微干涉物鏡完成垂直掃描，將顯微干涉物鏡光軸傾斜、高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶動(dòng)被測(cè)物體沿水平方向按一定步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式完成水平掃描，和光學(xué)成像系統(tǒng)間通過轉(zhuǎn)接器連接；計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)生光柵條紋；由收到的變形條紋圖恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌；針對(duì)需要更精密測(cè)量的被測(cè)物體局部區(qū)域信息，選擇合適的白光掃描干涉測(cè)量方式，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑，自動(dòng)引導(dǎo)白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量；將光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面復(fù)雜曲面零件的三維形貌特征。光柵投影視覺檢測(cè)單元的圖像采集裝置為兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)，兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)沿高精度電動(dòng)位移平臺(tái)軸線方向以光柵投影視覺檢測(cè)單元的光柵投影裝置中心對(duì)稱放置。光柵投影裝置為IXD液晶顯示屏，IXD液晶顯示屏采用水平向下投射方式。本發(fā)明具有以下技術(shù)效果由于本發(fā)明采用在同一運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框架內(nèi)融合光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元的方式，使用光柵投影視覺檢測(cè)單元獲得大視場(chǎng)全局輪廓數(shù)據(jù)，使用白光掃描干涉測(cè)量單元對(duì)零件局部細(xì)節(jié)特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量，因而本發(fā)明能顯著提高光學(xué)自由曲面等具有大曲率面形的復(fù)雜曲面零件在加工檢測(cè)過程中的檢測(cè)精度和分辨力，測(cè)量速度快，非接觸，對(duì)零件表面及表層無損傷。


圖1為基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量基本原理圖。圖中1為用于正弦光柵投影的LCD液晶屏，2為高精度位移平臺(tái)，3為高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組合，4為被測(cè)物體，5為用于接收變形條紋圖的科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)，6為白光掃描干涉測(cè)頭。圖2為光柵投影測(cè)量原理圖。圖中-J為計(jì)算機(jī)，8為微控制器，9為電機(jī)。圖3為白光掃描干涉測(cè)量原理圖。圖中21為高品質(zhì)白光LED光源，31為分光鏡， 41為壓電驅(qū)動(dòng)器，10為用于接收白光掃描干涉條紋圖的科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)。圖4為本發(fā)明一實(shí)施例實(shí)物圖。
具體實(shí)施例方式—種基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法在同一高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框架內(nèi)構(gòu)建光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元，使用光柵投影裝置對(duì)被測(cè)物體表面投影正弦光柵條紋，由圖像采集裝置獲取經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖，送入計(jì)算機(jī)中經(jīng)后續(xù)處理后，恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌。根據(jù)光柵投影視覺檢測(cè)單元測(cè)量得到的被測(cè)物體表面三維形貌數(shù)據(jù)，進(jìn)行零件位姿自動(dòng)識(shí)別，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑，自動(dòng)引導(dǎo)更精密的白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量，由圖像采集裝置獲取干涉條紋圖，送入計(jì)算機(jī)中經(jīng)后續(xù)處理， 得到測(cè)量區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)。將光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件的三維形貌特征。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中的高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度電動(dòng)位移平臺(tái)、高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和高精度電動(dòng)角位臺(tái)組成，可控制被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中光柵投影視覺檢測(cè)單元的光柵投影裝置為L(zhǎng)CD液晶顯示屏。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中光柵投影視覺檢測(cè)單元的用于投影光柵條紋的LCD液晶顯示屏采用水平向下投射方式。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中光柵投影視覺檢測(cè)單元的圖像采集裝置為兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中光柵投影視覺檢測(cè)單元的兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)沿高精度電動(dòng)位移平臺(tái)軸線方向以LCD液晶屏中心對(duì)稱放置。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中光柵投影視覺檢測(cè)單元投射的是由軟件編程實(shí)現(xiàn)的幅值、相位和投射方向可調(diào)的正弦光柵條紋。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中光柵投影視覺檢測(cè)單元的兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)在各自視場(chǎng)范圍內(nèi)分別接收經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的正弦光柵條紋。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中白光掃描干涉測(cè)量單元由顯微干涉物鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)、白光光源和圖像采集裝置組成。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中白光掃描干涉測(cè)量單元的顯微干涉物鏡和光學(xué)成像系統(tǒng)間通過轉(zhuǎn)接器連接。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中白光掃描干涉測(cè)量單元的掃描方式為垂直掃描和水平掃描。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中白光掃描干涉測(cè)量單元中的顯微干涉物鏡通過一個(gè)高精度壓電陶瓷定位器帶動(dòng)它完成垂直掃描。在上述基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法中，其特征是其中白光掃描干涉測(cè)量單元中的水平掃描方式采用光學(xué)系統(tǒng)光軸傾斜、高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶動(dòng)被測(cè)物體沿水平方向按一定步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式。綜上所述，本發(fā)明提出的測(cè)量方法進(jìn)而能夠精確解算出被測(cè)物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件的三維形貌特征的高精度非接觸測(cè)量。下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明。圖1為基于多傳感器融合技術(shù)的光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量基本原理圖。(a)圖中1為用于正弦光柵投影的LCD液晶屏，2為高精度位移平臺(tái)，3為高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組合，4為被測(cè)物體，5為用于接收變形條紋圖的科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD 攝像機(jī)。首先光柵投影視覺檢測(cè)單元開始工作，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的正弦光柵條紋通過LCD液晶屏投影到被測(cè)物體表面，被測(cè)物體沿高精度位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到CCD攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)， 受LCD液晶屏尺寸的限制并參照被測(cè)物體表面形貌的復(fù)雜程度，控制高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)一定的角度，以使經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖被 CCD攝像機(jī)以最佳方式接收。相交于被測(cè)物體表面各點(diǎn)的入射光線和反射光線均遵守反射定律，如點(diǎn)W處所示。從采集得到的變形條紋圖中解調(diào)出被測(cè)物體表面各點(diǎn)的高度信息，采用三維重建技術(shù)恢復(fù)被測(cè)物體的三維形貌特征。光柵投影視覺檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體表面三維形貌的微米級(jí)測(cè)量。如需對(duì)點(diǎn)W附近區(qū)域進(jìn)行更高精度檢測(cè)，可根據(jù)光柵投影視覺檢測(cè)單元的測(cè)量結(jié)果重新規(guī)劃測(cè)量路徑，使被測(cè)物體沿高精度位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到6所代表的白光掃描干涉測(cè)頭的視場(chǎng)范圍內(nèi)，控制高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整被測(cè)物體的角度以獲得最佳測(cè)量結(jié)果。從采集得到的干涉條紋圖中解調(diào)出測(cè)量區(qū)域各點(diǎn)的高度信息， 采用三維重建技術(shù)恢復(fù)測(cè)量區(qū)域的三維形貌特征。白光掃描干涉測(cè)量可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體局部區(qū)域的納米級(jí)高精度檢測(cè)。針對(duì)光柵投影視覺檢測(cè)和白光掃描干涉測(cè)量各自得到的測(cè)量數(shù)據(jù)，采用多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法，精確恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌特征。白光掃描干涉測(cè)量有兩種測(cè)量方式，如圖(b)和圖(C)所示。圖(b)為垂直掃描測(cè)量方式，被測(cè)物體表面上各點(diǎn)根據(jù)其自身相對(duì)工作臺(tái)平面的高度，在白光掃描干涉測(cè)量裝置移動(dòng)到一定位置時(shí)與相干平面相交達(dá)到最佳干涉，由各點(diǎn)到達(dá)最佳干涉時(shí)對(duì)應(yīng)工作臺(tái)的位置(或相對(duì)移動(dòng)距離)可推導(dǎo)出各點(diǎn)相對(duì)高度信息。白光垂直掃描干涉測(cè)量范圍受視場(chǎng)限制，引入圖像拼接會(huì)造成測(cè)量誤差，若白光掃描干涉測(cè)頭需要測(cè)量的被測(cè)物體表面區(qū)域較大，則采用圖(C) 所示的白光水平掃描干涉測(cè)量裝置，光軸相對(duì)水平面傾斜，工作臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)樣品沿水平方向按一定步長(zhǎng)完成干涉條紋的掃描，根據(jù)被測(cè)物體表面各點(diǎn)的最佳干涉在圖像中的位置可確定各點(diǎn)的相對(duì)高度信息。圖2為光柵投影測(cè)量原理圖。1為IXD液晶屏，用于投影由軟件編程產(chǎn)生的正弦光柵條紋。對(duì)余弦光柵、復(fù)合光柵(頻率、方向不同的兩種光柵條紋的組合)、莫爾條紋及灰度編碼光柵條紋(如格雷碼光柵)、彩色光柵條紋等也進(jìn)行了測(cè)試，效果大致相同，不再分別贅述。5為科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)，用于接收經(jīng)被測(cè)物體表調(diào)制的變形條紋圖，4為被測(cè)物體，3為高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組合，2為高精度位移平臺(tái)，2和3組成高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。7為計(jì)算機(jī)，8為微控制器，9為電機(jī)。受LCD液晶屏尺寸限制，考慮被測(cè)物體表面曲率變化較大時(shí)，用單一 CCD攝像機(jī)無法獲得被測(cè)物體表面全局三維形貌，因此采用雙CCD攝像機(jī)進(jìn)行測(cè)量。首先被測(cè)物體4 (實(shí)線所示)在高精度定位運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)到5所代表的CCD攝像機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?，完成測(cè)量，然后被測(cè)物體4 (虛線所示)運(yùn)動(dòng)到5所代表的另一 CCD攝像機(jī)視場(chǎng)范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?，完成測(cè)量。將兩 CCD攝像機(jī)分別測(cè)量得到的被測(cè)物體表面三維形貌數(shù)據(jù)通過圖像拼接技術(shù)恢復(fù)出被測(cè)物體完整三維形貌。圖3為白光掃描干涉測(cè)量原理圖。21為高品質(zhì)白光LED光源，31為分光鏡，41為壓電驅(qū)動(dòng)器。由高品質(zhì)白光LED光源產(chǎn)生的白光經(jīng)透鏡組到達(dá)分光鏡，分成參考光束和測(cè)量光束，通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)參考鏡進(jìn)給實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體表面的掃描，CCD攝像機(jī)接收干涉圖像，從干涉圖樣中提取出最佳干涉點(diǎn)所在位置得到各點(diǎn)的相對(duì)高度，描繪出被測(cè)物體表面的三維形貌。在同一高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框架內(nèi)構(gòu)建光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元，整套測(cè)量裝置安放在高精度光學(xué)隔振平臺(tái)上。所述的高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度電動(dòng)位移平臺(tái)、高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和高精度電動(dòng)角位臺(tái)組成，可控制被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。其中高精度電動(dòng)位移平臺(tái)行程為300mm，高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，高精度電動(dòng)角位臺(tái)可實(shí)現(xiàn)士45°角度調(diào)離整。所述的光柵投影視覺檢測(cè)單元由正弦光柵投影裝置和圖像采集裝置組成，其中光柵投影裝置可選用屏幕尺寸為478mm X 300mm的LCD液晶屏，水平向下投影由計(jì)算機(jī)編程產(chǎn)生的正弦光柵條紋，該正弦光柵條紋的幅值、相位和投射方向可通過軟件進(jìn)行調(diào)整，LCD液晶屏相對(duì)于載物面可進(jìn)行400mm高度調(diào)整。圖像采集裝置選用兩個(gè)分辨率為M56X2058 像素的高分辨力數(shù)字CCD攝像機(jī)，兩CCD攝像機(jī)沿高精度電動(dòng)位移平臺(tái)軸線方向以LCD液晶屏中心對(duì)稱放置，其高度和角度均可調(diào)整。所述的白光掃描干涉測(cè)量單元由顯微干涉物鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)、高品質(zhì)白光LED 光源和科學(xué)級(jí)數(shù)字CXD攝像機(jī)組成。其中顯微干涉物鏡可選用Mirau型顯微干涉物鏡(10X， 20X，50X)，通過一個(gè)高精度壓電陶瓷定位器(PI P-721.CL，電容傳感器反饋閉環(huán)控制，最小分辨力0. 7nm，范圍IOOum)帶動(dòng)物鏡完成垂直掃描。光學(xué)成像系統(tǒng)可選用Ultra-hom系列鏡頭。Ultra-hom系列鏡頭提供了非常高的分辨率和突出的對(duì)比度，可選用它的微調(diào)對(duì)焦功能和/或同軸照明功能，選用同軸照明功能，可在高放大倍率應(yīng)用場(chǎng)合中提供均勻照明， 在使用高分辨率攝像機(jī)時(shí)，提供清晰的分辨率。在本實(shí)施例中，Ultra-Zoom放在最下方，然后上面是迷你型轉(zhuǎn)接器和C-型連接器，以實(shí)現(xiàn)與科學(xué)級(jí)CXD攝像機(jī)相連。最上面是用作圖像采集裝置的C⑶攝像機(jī)。白光光源也要通過轉(zhuǎn)接器連入以提供照明。照明裝置選用中心波長(zhǎng)為580nm的高品質(zhì)白光LED光源。圖像采集裝置可選用分辨力為1534X10M像素的科學(xué)級(jí)CCD攝像機(jī)，進(jìn)行采集后由采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。計(jì)算機(jī)從采集得到的變形條紋圖中解調(diào)出被測(cè)物體表面各點(diǎn)的梯度信息，通過波前重構(gòu)算法可恢復(fù)被測(cè)物體三維形貌特征，獲得被測(cè)物體大視場(chǎng)全局三維輪廓后，提取被測(cè)物體的幾何特征信息，與CAD加工模型進(jìn)行匹配處理，實(shí)現(xiàn)無顯式參考基準(zhǔn)的零件位姿自動(dòng)識(shí)別，為后續(xù)的局部高精度掃描測(cè)量的整體路徑規(guī)劃提供依據(jù)?；诘玫降牧慵蛔诵畔⒑蜏y(cè)量系統(tǒng)各單元的空間布局結(jié)果，針對(duì)需要更精密測(cè)量的被測(cè)物體局部區(qū)域信息， 選擇合適的白光掃描干涉測(cè)量方式，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑，自動(dòng)引導(dǎo)白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量。白光掃描圖像采集裝置獲得白光掃描干涉條紋圖，通過采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理，從干涉條紋圖中解調(diào)出測(cè)量區(qū)域的相對(duì)高度信息，得到測(cè)量區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)。針對(duì)光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元測(cè)量得到的海量數(shù)據(jù)，采用最小平方估計(jì)算法進(jìn)行不等精度不等密度的數(shù)據(jù)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)異類光學(xué)傳感器海量數(shù)據(jù)的空間配準(zhǔn)，基于數(shù)據(jù)層和特征層融合原則，建立海量數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)模型，利用貝葉斯方法完成多傳感器海量數(shù)據(jù)的融合，并進(jìn)行多向運(yùn)動(dòng)誤差的檢測(cè)與補(bǔ)償，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面的三維形貌特征?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)200mmX 200mmX 20mm測(cè)量范圍內(nèi)的光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件三維形貌的高精度非接觸測(cè)量。首先，正弦光柵條紋通過LCD液晶屏投射到被測(cè)物體表面，被測(cè)物體在高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)到某一 CCD攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，調(diào)整被測(cè)物體的角度以獲得最佳測(cè)量結(jié)果，CCD攝像機(jī)采集經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的正弦光柵條紋，送入計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理，然后被測(cè)物體在高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制下運(yùn)動(dòng)到另一 CCD 攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)，進(jìn)行相同操作。從采集得到的變形條紋圖中解調(diào)出被測(cè)物體表面各點(diǎn)的高度信息，采用三維重建技術(shù)恢復(fù)被測(cè)物體的三維形貌特征。根據(jù)光柵投影視覺檢測(cè)單元對(duì)被測(cè)物體的重建結(jié)果，對(duì)被測(cè)物體位姿進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑， 自動(dòng)引導(dǎo)更精密的白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)工件局部細(xì)節(jié)特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量，圖像采集裝置獲得干涉條紋圖，進(jìn)行采集后由采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理，從干涉條紋圖中解調(diào)出測(cè)量區(qū)域的相對(duì)高度信息，得到測(cè)量區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)。將光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元測(cè)得的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面的三維形貌特征。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法，其特征是，包括以下步驟借助于高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被測(cè)物體三自由度運(yùn)動(dòng)；使用光柵投影裝置對(duì)被測(cè)物體表面投影光柵條紋，由光柵投影視覺檢測(cè)圖像采集裝置獲取經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖，送入計(jì)算機(jī)中經(jīng)后續(xù)處理后，恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌；根據(jù)恢復(fù)出的被測(cè)物體表面三維形貌，進(jìn)行被測(cè)物體位姿自動(dòng)識(shí)別，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑，自動(dòng)引導(dǎo)更精密的白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量，由白光掃描圖像采集裝置獲取干涉條紋圖，送入計(jì)算機(jī)中經(jīng)后續(xù)處理，得到測(cè)量區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)；將光柵投影視覺檢測(cè)和白光掃描干涉測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面等復(fù)雜曲面零件的三維形貌特征。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度電動(dòng)位移平臺(tái)、高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和高精度電動(dòng)角位臺(tái)組成，借助于該平臺(tái)控制被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，光柵投影視覺檢測(cè)圖像采集裝置為兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)，兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)沿高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的高精度電動(dòng)位移平臺(tái)軸線方向以光柵投影裝置中心對(duì)稱放置。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，光柵投影裝置對(duì)被測(cè)物體表面投影光柵條紋， 是幅值、相位和投射方向可調(diào)的正弦光柵條紋、余弦光柵條紋、頻率和方向不同的兩種光柵條紋組合形成的復(fù)合光柵條紋、莫爾條紋、灰度編碼光柵條紋及彩色光柵條紋中的一種。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，白光掃描干涉測(cè)頭采用顯微干涉物鏡，掃描時(shí)采用白光光源照射，將顯微干涉物鏡和光學(xué)成像系統(tǒng)間通過轉(zhuǎn)接器連接，通過一個(gè)高精度壓電陶瓷定位器帶動(dòng)顯微干涉物鏡完成垂直掃描，將顯微干涉物鏡光軸傾斜、高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶動(dòng)被測(cè)物體沿水平方向按一定步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式完成水平掃描，由白光掃描圖像采集裝置通過光學(xué)成像系統(tǒng)接收干涉條紋圖。
6.一種光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量裝置，其特征是，由高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、光柵投影視覺檢測(cè)單元、白光掃描干涉測(cè)量單元和計(jì)算機(jī)構(gòu)成；高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由高精度電動(dòng)位移平臺(tái)、高精度電動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和高精度電動(dòng)角位臺(tái)組成，借助于該平臺(tái)控制被測(cè)物體實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)；光柵投影視覺檢測(cè)單元由光柵投影裝置、圖像采集裝置組成，由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的光柵條紋通過光柵投影裝置投影到被測(cè)物體表面形成變形條紋，被測(cè)物體沿高精度位移平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到圖像采集裝置的視場(chǎng)范圍內(nèi)，被測(cè)物體在高精度角位臺(tái)和高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)一定的角度，以使經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖被圖像采集裝置以最佳方式接收；白光掃描干涉測(cè)量單元由顯微干涉物鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)、白光光源和圖像采集裝置組成，顯微干涉物鏡用于通過一個(gè)高精度壓電陶瓷定位器帶動(dòng)顯微干涉物鏡完成垂直掃描， 將顯微干涉物鏡光軸傾斜、高精度定位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)帶動(dòng)被測(cè)物體沿水平方向按一定步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式完成水平掃描，和光學(xué)成像系統(tǒng)間通過轉(zhuǎn)接器連接；計(jì)算機(jī)用于產(chǎn)生光柵條紋；由收到的變形條紋圖恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌；針對(duì)需要更精密測(cè)量的被測(cè)物體局部區(qū)域信息，選擇合適的白光掃描干涉測(cè)量方式，規(guī)劃白光掃描干涉測(cè)量路徑，自動(dòng)引導(dǎo)白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量；將光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施，精確測(cè)量出光學(xué)自由曲面復(fù)雜曲面零件的三維形貌特征。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征是，光柵投影視覺檢測(cè)單元的圖像采集裝置為兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)，兩個(gè)科學(xué)級(jí)數(shù)字CCD攝像機(jī)沿高精度電動(dòng)位移平臺(tái)軸線方向以光柵投影視覺檢測(cè)單元的光柵投影裝置中心對(duì)稱放置。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征是，光柵投影裝置為L(zhǎng)CD液晶顯示屏，LCD液晶顯示屏采用水平向下投射方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及大曲率面形的復(fù)雜曲面零件的高精度原位檢測(cè)。為提供對(duì)前述零件非接觸，對(duì)零件表面的檢測(cè)，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，光學(xué)自由曲面三維形貌高精度非接觸測(cè)量方法及裝置使用光柵投影裝置對(duì)被測(cè)物體表面投影正弦光柵條紋，由圖像采集裝置獲取經(jīng)被測(cè)物體表面調(diào)制的變形條紋圖，送入計(jì)算機(jī)恢復(fù)出被測(cè)物體表面三維形貌；用白光掃描干涉測(cè)頭對(duì)被測(cè)物體局部特征進(jìn)行納米級(jí)精度掃描測(cè)量，由白光掃描圖像采集裝置獲取干涉條紋圖，送入計(jì)算機(jī)得到測(cè)量區(qū)域的三維形貌數(shù)據(jù)；將光柵投影視覺檢測(cè)單元和白光掃描干涉測(cè)量單元測(cè)量得到的數(shù)據(jù)通過多傳感器海量數(shù)據(jù)融合算法和相應(yīng)的誤差分離與補(bǔ)償措施得到結(jié)果。本發(fā)明主要應(yīng)用于零件的高精度原位檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102305601SQ20111012963
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者劉書桂, 張宏偉, 李紹輝 申請(qǐng)人:天津大學(xué)