第 37 卷第 7 期 年 7 月 光 子 学 报 ACTA PHOTONICA SINICA Vol. 37 No. 7 July 3陕西省教育厅专项科研计划(05J K221)资助 Tel :02983208071 Email :duancunli @sohu. com 收稿日期 :10206 利用莫尔条纹测量物体三维形貌新方法研究3段存丽1 ,陈芳1 ,祁瑞利1 ,张苏娟2 (1 西安工业大学 光电工程学院 ,西安 710032) (2 西北大学 光子学与光电子技术研究所 ,西安 710069) 摘 要 :提出了以计算机控制光栅产生莫尔条纹来测量物体三维形貌的新方法. 利用计算机控制空间光调制器(Space Light Modulator ,SLM)产生可控制幅度及位相的理想光栅 ,将平行光波投影到待测物体上 ,其反射光通过参考光栅形成莫尔条纹 ,利用 CCD 接收并进行数字图像处理 ,恢复出待测物体的三维形貌1对此方法进行了理论分析 ,推导了变形莫尔条纹与待测物形貌变化的关系式. 利用 MA TLAB 对此关系式进行仿真计算 ,其准确度可达 0. 011μm1关键词 :信息光学 ;三维形貌测量 ;莫尔条纹 ;空间光调制器 ;MA TLAB 计算仿真中图分类号 : TN247 文献标识码 :A 文章编号 :100424213() 071425240 引言 光学三维形貌测量具有非接触性、高准确度与高分辨率的特点 ,在 CAD/ CAE、反求工程、在线检测与质量保证、多媒体技术、医疗诊断、机器视觉等领域得到了日益广泛的应用 ,被公认是最有前途的三维形貌测量方法[1]1利用光学成像原理测量物体 表面形貌技术 ,常用的方法有光切法[2] 、移相法[3] 、相息图法[4] 以及莫尔条纹法等 ,而基于莫尔条纹的三维形貌测量方法使这门技术进入了实用阶段[5]前人研究较多的是投影型莫尔条纹法 ,其原理是利用平行光照射光栅 ,将光栅成像在被测物体上形成变形光栅 ,变形光栅便携带了物体的形貌信息在 观察侧再用透镜对变形光栅成像 ,在变形光栅像的位置放置参考光栅 ,在参考光栅表面可以看到莫尔条纹 ,分析莫尔条纹就可以得到物体的高度信息[627]1本文提出了利用空间光调制器 ( SLM) 制作光 栅[829] ,设计了光学检测系统 ,利用 CCD 接收莫尔条 纹信号并进行信号处理 ,还原出待测物体的三维形貌该方法的优点是通过计算机便于控制光栅的幅 度及位相信息 ,精确控制投影光栅与参考光栅的夹角 ,减小系统误差 ;对设计的检测系统仿真计算准确度较高11 系统测量原理 本系统将激光经扩束准直系统后形成的平面光波 ,通过空间光调制器 (SLM1 ) 产生理想光栅 ,出射光波携带有光栅的信息 ,经分束镜后照射到待测物体上 ,其反射光波带有待测物体的三维形貌信息 ,该 反射光波再次通过分束镜后经空间光调制器(SLM2)产生的参考光栅 ,形成变形的莫尔条纹1将 莫尔条纹利用 CCD 接收并在计算机中进行分析处理 ,还原出待测物体的三维形貌1整个系统的原理 如图 11图 1 系统原理 Fig. 1 Principle of the system 该测量系统的原理分析如下 :当激光束通过扩束准直系统之后 ,形成的平面波复函数为 gE( x , y) = 1 (1) SLM1 产生的振幅光栅(频率为 f1 ) 的透射率函 数为 t1 ( x , y) = 1 2 [1 + mcos (2πf 1 x)
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