光学投影式三维轮廓测量技术研究

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　　摘  要：现如今，最常用在散射物体的宏观轮廓测量的光学投影式轮廓测量技术有2种，一种为直接三角法，另一种为相位测量法。该文在了解2种方法应用形式的基础上，明确了如今时代发展对光学投影式三维轮廓测量技术提出的要求，并分别探讨了它们的优缺点，分析要想满足日益革新市场环境的需求，光学投影式轮廓测量技术要如何在未来发展中继续应用。
　　关键词：直接三角法;相位测量法;光学轮廓测量;光学投影
　　中图分类号：TN249        文献标志码：A
　　由于物体三维轮廓包括了所有形态信息，所以在对物体三维轮廓进行全方位测量后，能全面掌握物体形状，并更深入的了解物体信息。因此，在各行企业飞速发展中，随着民用工业对物体三维轮廓提出了全新的测量要求，市场中涌现出了多种优质测量方法，如直接三角法，相位测量法等，它们不仅能提升工作速度，保证测量的准确性，而且支持并行处理。因此，下面对光学投影式三维轮廓测量技术进行深层探索。
　　1 光学投影式三维轮廓测量技术分析
　　物体的三维轮廓测量在多个领域中的作用越发显著，如医疗诊断、机器人视觉、质量控制等。由于光学测量方法具有非接触特性，且获取数据的速度快、没有威胁、分辨率高，所以现阶段已经成为公认的最具发展前景的三维轮廓测量方法。
　　光学轮廓测量方法的类型很多，如逐点扫描法、散斑干涉法等。以逐点扫描法为例，通过运用光学投影原理可以更好地进行散射物体的宏观轮廓测量工作。了解当前市场发展趋势可知，光学投影式轮廓测量技术的应用越来越广泛，且随着整体科技技术水平的革新，涌现出了新的内容。该文在研究光学投影式轮廓测量技术时，主要从以下2个方面入手。
　　1.1 直接三角法
　　这种方法中包括光切法、激光逐点扫描法及最新提出的二元编码图样投影法。因为3种技术都是以三角测量原理为依据进行工作的，且会根据成像点、投影点及出射点的几何关系确定物体中点的高度，所以在测量时最为关键的是要全面掌握三者关系。下面对3种方法进行简单说明。1）光切法会引用一维线形图样扫描物体，不仅速度比逐点法快，而且测量点也非常简单。因此，应用范围较为广泛，在国际市场也有相关商品出售。2）逐点法是指用一个光点扫描物体，虽然简单有效，但测量消耗时间长。3）二元编码图像投影法会应用时间或/和空间编码的二维光学图样投影，优化实践测量工作的效率。这种方法在现如今的市场环境中，具有非常广阔的应用前景。通过对比研究可知，上述3种方法都具备以下优点，如信号处理方便有效，不需要引用复杂条纹分析确定测量点的高度。可以自主研究与分析物体凸凹。即使物体上存在间断点，也不会影响最终测量结果。而存在的问题为测量的精确度不高，且无法测量全场。
　　1.2 相位测量法
　　这种技术会引用光栅图样投影到被测物体表面，变形栅像可以解释为相位和振幅都被调制的空间载频信号。如果为正弦光栅投影，则物体上各点光强可表示为：
　　I（x，y）=a（x，y）+b（x，y）
　　cos[2cf0x+h（x，y）]
　　其中，a（x，y）代表背景光的变化方向，b（x，y）代表表面反射率的改变，f0属于投影到参考平面的光栅图样空间频率，c代表空间相位量，而相位h（x，y）代表物体上各个点的高度。虽然这种技术的相位高度转变也会引用三角法的原理进行操作，但从本质上讲依旧是相位测量技术为核心内容，因此与直接三角法有较大区别。
　　2 光学投影式三维轮廓测量技术的研究及发展方向
　　2.1 投影形式
　　为了获得一台适用大部分工作的轮廓仪，当前世界各国科研人员正努力提高光学轮廓仪的自主适应性。此时，不仅要求轮廓仪可以结合被测量物体的形状和数据自主调节投影——接受系统，而且要保证解调算法可以随着投影图样改变。了解国内外最早出现的投影形式可知，幻灯投影仪应用起来不仅方便，而且得到了市场认可。但这种方法与泰伯效应投影光栅有效结合是难以自适应投影的，极容易在运行期间影响工作效率。
　　应用2个相干波前产生的干涉条纹投影到物体表层是一种比较灵活的方法。目前，剪切干涉仪最常见的应用区域就是投影机构，也有人会结合光纤干涉仪进行投影，但不管是哪种方法都要根据机械结构才能科学调节投影方向和条纹周期。需要注意的是2种干涉条纹都没有明确定域，因此在各个区域都可以形成清晰的对比度高的正弦干涉条纹。同时，应用干涉仪作为投影机构的系统非常复杂，必须要具备符合標准的机械稳定性和机械移动机构，干涉条纹很容易在大气扰动下出现问题，因此在实践发展中受限。
　　随着社会经济和科学技术水平的提高，投影方式也提出了新内容，如将液晶显示器用于自适应投影机构中。因为这种技术具有性能平稳、操作体积小等优势，所以现已成为市场发展的流行趋势。通常情况下，液晶显示器可以引用到时间/空间相融合的二元编码图样投影中，既可以在有效投影的基础上，整合处理复杂区域，又能与高灵敏度的相位测量法协调应用。需要注意的是液晶显示器用于自适应投影机构最大的问题是器件的分辨率过低，且难以进行高精度测量工作。
　　2.2 叠相还原
　　这一现象属于全部引用相位测量轮廓方法都无法避免的难题。上述分析的几种技术会引用反正切函数计算相位，因此只能返回-π～+π的相位值，换句话说相位对2π卷叠。由此可知，要想构建持续相位分布，要求工作人员必须要按照规定顺序搜索相位间断点，并且通过加减2π的方式修正。这一过程就叫作叠相还原。但更为关键的是，此时获取的相位间断点不仅包括由算法自身引发的，而且噪声同样也可以产生，有的还是被测物体表层真正意义上的物理间断点。由此可知，要想在无人为因素限制的条件下自主探索是有困难的。同时，在邻近像素点间的相位高于π时，实际还原工作将难以达到标准化和准确化。
　　叠相还原技术作为当前条纹研究的重难点，科研人员提出了很多的抗噪声的叠相还原算法，如割线法、模拟退火法等。需要注意的是，虽然这些内容在现如今的研发与应用中取得了好成绩，但它们只能用来解决部分问题，依旧无法从根本上取得成效。从本质上讲，现如今只能在理想状态下由一幅相位图进行叠相还原，而其他条件根本不符。出现这一现象的原因是，有很多数学问题没有得到有效处理。现如今，不管是空域还是时域的发展都证明，有价值的自动叠相还原技术必须要实现自动化测量要求。因此，在技术革新的过程中，科研人员必须要整合实践经验，持续探索光学投影式轮廓测量系统。
　　3 结语
　　总而言之，为了在日益革新的市场环境中更好推广和应用光学投影式轮廓测量系统，并加快我国科学技术革新的步伐，要求科研人员在整合以往工作经验的基础上，加大对实践应用提出方法的探索。如莫尔等高法、激光逐点扫描法等，不仅在不同条件下展现出了独特优势，而且解决了以往工作面临的难题。同时，还要加大对叠相还原问题的探索，从而促使以相位测量原理为核心的轮廓测量技术可以向着自动化的方向稳步革新。因此，在未来发展中必须要针对有关技术理念进行持续探索，以期可以获取具备自适应投影能力与图像处理能力的轮廓测量系统。
　　参考文献
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