3-D轮廓测量中相位解包裹应用
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傅里叶变换投影光栅法测量物体的三维形貌摘要:文章将投影光栅法和傅立叶变换方法相结合,通过自编程序在计算机上生成正弦条纹,这些正弦条纹周期、像素可调,借助LCD投影仪将正弦条纹投射到待测物体表面,将待测物体放置前后的栅线条纹用CCD摄像机进行采集,系统参数不变,根据傅里叶变换方法进行滤波,使包含物体高度信息的相位差的图形,经过相位解包裹处理,得到被测物体的三维形貌。
关键词:傅里叶变换;投影光栅;三维形貌测量;相位解包裹三维形貌测量又称三维轮廓术或三维面形测量,是指运用微波、光电、机械、声音等各种手段获得物体表面三维空间形状的方法和技术,它有接触式和非接触式测量两种形式,非接触式测量测量速度快、分辨率高、无破坏、全场测量、适应性强,并且数对据的获取速度更快、自动化程度更高、成本比较低等优点,广泛应用与计算机辅助设计、数控加工技术、产品质量检测、医学诊断等方面,在建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测也有诸多应用。
投影光栅法属于光学非接触式测量,是现在研究越来越广泛的一个分支。
原本等间距的光栅投射到物体表面,受物体高度影响而产生变形。
高度变化的信息可以存储于变形光栅的相位信息,而参考平面的光栅图中不含有此信息。
如果能够找出一种方法将变形光栅图与参考光栅图中所包含的相位差解析出来,即可提取出物体的高度信息,再与平面信息作为参照的基准进行结合,即可得到物体的三维形貌信息。
该方法绕过了提取等高线、确定云纹级数等处理过程,通过编程可实现图像处理自动化,在数据的处理过程中,还可通过图像的采集密度来获取较大的数据量,可以大范围的提高光学测量的精度。
普通的光学方法制造出来的光栅制造过程比较困难,在使用过程中相位测量也容易出现各种问题,目前已不再使用真正的光栅,而是通过计算机生成的虚拟光栅来代替。
计算机可生成虚拟光栅或电子光栅,常用的有LCD(Liquid Crystal Display,液晶显示器)投影仪。
LCD光栅通过软件编程即可获得形状可控、频率可调的光栅,且可以方便精确的进行相移控制,克服了固定光栅片的缺陷,大大提高了系统的自适应能力。
结构光相位解包裹
结构光相位解包裹是一种常用的三维测量技术,它可以通过对物体表面进行光学扫描,获取物体表面的三维形状信息。
在这个过程中,相位解包裹是一个非常重要的步骤,它可以将相位信息从离散的、不连续的状态转化为连续的、平滑的状态,从而得到更加准确的三维形状信息。
相位解包裹的基本原理是利用相位差的周期性来确定相位的连续性。
在结构光三维测量中,通常采用的是投影条纹法,即通过投影一组周期性的条纹图案,来获取物体表面的形状信息。
在这个过程中,每个像素点的亮度值都对应着一个相位差,而相位差的周期性可以通过条纹图案的周期性来确定。
然而,在实际应用中,由于光照条件、物体表面的反射率等因素的影响,条纹图案的相位差往往会出现不连续的情况,这就需要进行相位解包裹来恢复相位的连续性。
相位解包裹的方法有很多种,其中比较常用的是基于全局最小路径的相位解包裹方法。
基于全局最小路径的相位解包裹方法是一种基于图像处理的方法,它将相位差看作是一个二维图像,通过寻找一条最小路径来恢复相位的连续性。
具体来说,这个方法首先将相位差转化为一个梯度图像,然后通过计算每个像素点到图像边缘的最小路径来确定相位的连续性。
这个方法的优点是可以处理相位差的不连续性,同时也可以处理相位差的噪声和失真等问题。
相位解包裹是结构光三维测量中非常重要的一个步骤,它可以将离散的、不连续的相位信息转化为连续的、平滑的状态,从而得到更加准确的三维形状信息。
在实际应用中,我们可以根据具体的情况选择不同的相位解包裹方法,以获得最佳的测量效果。
MEMS/NEMS表面3-D轮廓测量中基于模板的相位解包裹算法[图]在对微/纳机电系统(micro/nano electro me-chanical system,MEMS/NEMS)结构的特性参数进行测量和MEMS/NEMS可靠性进行测试的过程中,常要求对结构表面的三维轮廓、粗糙度、微小的位移和变形等物理量做精密测量[1-3]。
目前显微干涉法凭借其高精度、高垂直分辨率、测量简单快捷、无损等优点,成为这类测量中最常用的手段之一[3-5]。
在使用相移显微干涉法对MEMS/NEMS结构表面进行测量时,先通过驱动电路驱动参考镜产生次波长量级的光程变化,即可由电荷耦合器件摄像机(CCD)和图像采集卡获得一组时间序列上的相关干涉图像,然后由干涉图的光强信息解算出被测表面的相位值,提取包裹的相位信息,最后通过一定的相位解包裹算法得到被测表面真实的相位信息和相应的表面高度,从而得到被测结构表面的3-D轮廓[5-6]。
由此可见,相位解包裹,也就是相位展开是微结构表面3-D 轮廓测量中至关重要的一步.用于相位展开的方法很多,但通常都具有很强的针对性和局限性.而微纳结构的表面轮廓复杂,并且经常含有孔洞、沟槽、突起等特征形状,传统的解包裹算法不能绕过这些非理想数据区域,并且导致的误差会在被测面内传播,以致影响整个相位展开的结果。
这里提出一种基于模板的广度优先搜索的相位解包裹方法,它通过模板的使用来剔除对相位展开有影响的非理想数据区域,使解包裹算法能够绕过这些区域进行,从而得到比较可靠的结果。
1 基于模板的相位解包裹1.1 相位解包裹通过相位提取算法,包含在光强中的代表被测物表面高度信息的相位值被提取出来。
但在实际测量中,由于物体表面高度的相位变化通常都远远超出一个波长周期。
因此,各种相位提取算法计算出来的相位值均是以反正切函数的形式表示,即得到的相位分布被截断成为多个2π范围内变化的区域,形成包裹相位。
在现如今的工业生产当中,为了识别焊接引起的毛刺是否过大,焊接头是否需要及时维修,通常会使用3D轮廓测量及分析仪原理来测量产品的规格,从而保证生产产品的最终规格和标准程度,那么在众多测量仪种类当中,大家为什么要使用3D轮廓测量及分析仪呢?3D轮廓测量及分析仪的原理和应用又有哪些呢?下面为大家解答:
一、典型应用:
电池极耳焊印毛刺的形貌测量、极片分条后的波浪边测量。
该设备可帮助识别焊接引起的毛刺是否过大,焊接头是否需要及时维修。
二、测量原理:
利用高精度2D位移传感器对被测物进行扫描,得到被测物表面轮廓相关数据后,对其进行各种矫正和分析,得出需要的高度、锥度、粗糙度、平面度等物理量。
三、系统特点:
1、设备用于测量微观三维形貌和表面特征分析
2、支持一键式测量及分析,并自动生成测试报告
3、系统测量高度可调,以适用不同厚度样品的3D测量
图片应用背景:CE电池极耳焊接焊印毛刺形貌测量
四、测量精度:
1、重复精度:±1um(3σ)
2、X方向分辨率:10um
3、Y方向分辨率:10um
4、Z方向分辨率:0.2um
五、设备能适应的被测物规格:
1、有效测量宽度≤8mm
2、有效扫描长度≤150mm
3、高度变化范围≤300um
由上可知:3D轮廓测量及分析仪可以应用于工业现场进行电池极耳焊印毛刺的形貌测量、极片分条后的波浪边测量,是高精度厚度测量设备,为测量带来便利,3D轮廓测量及分析仪使用寿命长,利用高精度2D位移传感器对被测物进行扫描,得到被测物表面轮廓相关数据后,可以对产品进行各种矫正和分析,得出需要的高度、锥度、粗糙度、平面度等物理量。
大大提升了产品生产合格率,节省了生产成本。
3D轮廓测量的原理和应用1. 引言在现代工业和科学研究中,精确测量物体的形状和轮廓是一个重要的任务。
而3D轮廓测量技术则能够提供高精度的测量结果,被广泛应用于制造业、医疗、地理勘探等领域。
本文将介绍3D轮廓测量的原理和应用。
2. 3D轮廓测量的原理3D轮廓测量技术通过使用光学或机械手段获取物体表面的三维坐标信息,并将其转化为数字化的数据。
常用的原理有以下几种:2.1 结构光原理结构光原理是一种常用的3D轮廓测量方法。
该方法通过投射一组结构化光条或光点到物体表面,利用相机或传感器捕获物体表面上的光条或光点的位置,进而计算出物体表面的三维坐标信息。
2.2 相位测量原理相位测量原理是另一种常见的3D轮廓测量方法。
该方法利用相机或传感器记录物体表面上的不同光强变化情况,通过测量光的相位差来计算出物体表面的三维形状。
2.3 三角测量原理三角测量原理是一种基于几何关系进行测量的方法。
该方法使用多个相机或传感器同时观测同一个物体,通过比较观测到的物体在不同视角下的投影位置,运用三角学原理计算出物体表面的三维坐标信息。
3. 3D轮廓测量的应用3D轮廓测量技术具有广泛的应用前景,以下列举了其中几个重要的应用领域:3.1 制造业在制造业中,精确测量产品的形状和轮廓是确保产品质量和与其他零部件配合的关键步骤。
3D轮廓测量技术可以应用于零件检测、质量控制和尺寸测量等方面,帮助制造商提高生产效率和产品质量。
3.2 医疗领域在医疗领域中,3D轮廓测量技术可以应用于口腔、牙齿、脸部等部位的形态测量。
例如,在牙科领域中,3D轮廓测量可以帮助制作牙套、矫正器和义齿等医疗器械。
3.3 地理勘探地理勘探中需要对地表进行高精度的测量,以获取地形、地貌等信息。
3D轮廓测量技术可以应用于地图绘制、土地开发和环境调查等领域,提供准确的地理数据支持。
3.4 艺术和文化遗产保护在艺术和文化遗产保护领域,3D轮廓测量技术可以应用于古建筑、雕塑等文物的数字化保护。
结构光相位解包裹在现代科技的发展中,结构光相位解包裹技术扮演着重要的角色。
它是一种通过结构光投射和图像处理来还原物体表面形态的方法。
本文将详细介绍结构光相位解包裹的原理、应用以及未来发展趋势。
一、原理结构光相位解包裹的原理基于光的干涉现象。
当平行光束照射到物体表面上时,会发生反射、折射等现象,导致光程差的变化。
通过使用光栅或投射特定的光斑模式,可在物体表面形成相位信息。
然后,通过图像采集和数字图像处理算法,可以将相位信息转化为物体表面形态信息。
二、应用结构光相位解包裹技术在多个领域有着广泛的应用。
以下列举几个典型的应用案例。
1. 三维形貌测量:结构光相位解包裹技术可以实现对物体表面形态的高精度测量。
它被广泛应用于制造业、医疗器械、文物保护等领域。
通过获取物体表面的形貌信息,可以进行产品质量检测、医学诊断以及文物保护等工作。
2. 姿态测量:结构光相位解包裹技术还可用于姿态测量。
通过投射特定的光斑模式,可以获取物体的姿态信息,如旋转角度、变形程度等。
这在机器人、虚拟现实等领域有着重要的应用,可以帮助机器人进行精确的定位和操作,提高虚拟现实的交互体验。
3. 表面缺陷检测:结构光相位解包裹技术还可以用于表面缺陷检测。
通过对物体表面进行高精度测量,可以检测出表面的微小缺陷,如凹坑、裂纹等。
这在汽车、航空航天等行业有着重要的应用,可以提高产品质量和安全性。
三、发展趋势随着科技的不断进步,结构光相位解包裹技术也在不断发展。
以下是未来发展的几个趋势。
1. 高精度和高速度:未来的结构光相位解包裹技术将更加注重精度和速度的提升。
通过改进光栅设计、优化图像处理算法等手段,可以实现更高精度和更快速度的测量。
2. 多模式投射:未来的结构光相位解包裹技术将不仅局限于单一的光斑模式,而是采用多模式投射。
通过投射多种光斑模式,可以获取更多的物体信息,提高测量的准确性和可靠性。
3. 无损检测:未来的结构光相位解包裹技术将更加注重无损检测的应用。
3D表面轮廓仪主要应用测量动态MEMS设备光学轮廓仪是确定MEMS设备表面特征的一种非常有用的工具。
传统意义上,光学轮廓仪被用来测量样品的表面特性。
但是,在测量过程中,所测量的样品需保持在静止的状态下,如果样品不稳定或者处于运动状态则会引起图像混乱模糊、数据不完整或者数据丢失等现象。
然而,对于MEMS设备,需要确定该设备处于运动状态时的形貌特征,了解和确定其在运动状态下的功能和特征对研发和生产质量控制至关重要,作为质量检验,只有动态测量才可以真正模拟MEMS实际运行状态,从而达到正真的功能检测。
先进的3D光学轮廓仪能够实现这一测量功能,运用NewView™7300和新的动态测量模块DMM可以形成一个动态测量体系:一个频闪的LED光源同步于MEMS设备的触发信号,通过调整光源的频闪频率,其MEMS设备的运动被有效“静止”。
实现光学轮廓仪在动态设备上进行测量。
无论是生产制造过程中的质量控制,还是实验室的研究,ZYGO装有DMM模块的NewView™7300系统对检查静态和动态MEMS提供了不可或缺的测量设备和全面的解决办法。
其最佳的测量范围和测量速度,已成为动态MEMS测量的理想解决方案。
薄膜分析应用白光扫描干涉仪NewView™系列能够从样品表面反射和参照反射的相干光中产出形貌高度数据。
干涉物镜在垂直方向上进行扫描,CCD记录下干涉条纹的演变。
计算机通过分析条纹演变过程中的强度变化,就能精确确定样品形貌的高度。
过去,测试样品时,只有一个调制信号被检查到,但大部分的样品如半导体、MEMS、平面显示屏等,这些样品透射且能在样品的同一点上产生多个调制信号,利用传统的分析方法来处理这些信号有可能导致不正确或不存在的数据。
为分离多个调制信号,MetroPro®8.1.1(或更高级版本)包含ZYGO专利的薄膜分析软件——TopSlice和FilmSlice可以消除这些缺陷并让用户获得下列结果:• 单独测量薄膜顶部表面形貌• 单独测量薄膜底部表面形貌• 单独测量薄膜厚度、顶部表面形貌和底部表面形貌NewView™7300系统采用一种增强型光源,包括一个LED光源和一个可变的光圈来限定光源的数值孔径。
Electronic Technology •电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 107【关键词】相位测量轮廓术 包裹相位 相位展开 相位-高度映射随着光电子技术、图像处理技术和计算机视觉发展,各种新的光学器件的不断出现,如电荷耦合器件(Charge Coupled Device, CCD )、数字投影仪(Digital Light Processing, DLP)等,三维光学测量技术得到快速的发展。
三维光学测量技术在PCB 板上锡膏检测、文物保护、医学诊断、CAD/CAM 等领域得到了广泛的应用,并且测量精度和速度要求越来越高。
1 四步相移法生成包裹相位图相位轮廓术测量术的基本原理:将相移光栅依次投影到参考平面上,CCD 相机依次采集均匀分布的光栅条纹图像,然后计算参考平面每个像素点的包裹相位。
然后将相移光栅依次投影到待测物体表面,物体的高度调制光栅的相位,CCD 相机依次采集包含待测物体高度信息的变形光栅图像。
计算待测物体平面上每个像素的包裹相位,再减去参考平面包裹相位,得到每个像素点的包裹相位差。
用相位展开算法将包裹相位差展开为连续的展开相位,根据相位高度映射关系,求出每个像素点的高度信息,完成三维重建,如图1所示。
(1)相位测量轮廓术在三维测量中的应用文/郭戈式(1)中,I n 表示第n 次光栅投影下待测点的灰度值,表示背景光强度,表示被测物体表面的反射率,表示受被测物体表面高度调制的光栅条纹的相位值。
I n 是已知的,还有三个参数是未知的,要求解至少需要三幅相移图像。
通常,采用N=4的四步相移法,投影四幅光栅条纹到被测物体表面,四幅光栅条纹的光强分布为:(2)式(2)经过三角变换运算,得到包裹相位的求解公式为:(3)同样,将4幅光栅条纹投影到参考平面上,根据公式(3)可以得到参考平面的包裹相位,这样就可得到相位差,即被测物体表面的包裹相位。
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相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及应用一、引言随着科学技术的不断发展,人们对于三维形貌测量的需求越来越大。
而相位辅助投显并行三维形貌测量技术因其高精度、高速度、非接触性等优点,逐渐成为了三维形貌测量领域中的热门技术之一。
本文将详细介绍相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及其应用。
二、相位辅助投显并行三维形貌测量原理1. 光栅投影原理光栅投影是相位辅助投显并行三维形貌测量中的关键技术之一。
它通过在被测物体表面上投射一系列周期性的灰度条纹,利用物体表面反射回来的光线与灰度条纹进行干涉,从而得到物体表面高程信息。
2. 相移法原理相移法是相位辅助投显并行三维形貌测量中另一个重要的关键技术。
它通过改变灰度条纹的相位差,实现对物体表面高程信息的获取。
3. 投影仪和相机的选择在相位辅助投显并行三维形貌测量中,投影仪和相机的选择对测量结果的精度和速度有着至关重要的影响。
一般来说,投影仪需要具有高亮度、高分辨率、低失真等特点;相机则需要具有高灵敏度、高分辨率、低噪声等特点。
三、相位辅助投显并行三维形貌测量应用1. 工业制造领域相位辅助投显并行三维形貌测量技术可以应用于工业制造领域中的产品质量检测、表面缺陷检测、尺寸精度检测等方面。
例如,在汽车制造过程中,可以利用该技术对汽车外壳进行三维形貌测量,从而确保汽车外壳的尺寸精度和表面质量符合标准要求。
2. 医疗领域相位辅助投显并行三维形貌测量技术还可以应用于医疗领域中的牙科治疗、骨科手术等方面。
例如,在牙科治疗中,可以利用该技术对患者的牙齿进行三维形貌测量,从而制定出更加精准的治疗方案。
3. 文化遗产保护领域相位辅助投显并行三维形貌测量技术还可以应用于文化遗产保护领域中的文物复原、文物数字化等方面。
例如,在对古建筑进行复原时,可以利用该技术对古建筑进行三维形貌测量,从而更加精准地还原出古建筑的原貌。
四、相位辅助投显并行三维形貌测量技术发展趋势1. 高速度化随着科学技术的不断发展,人们对于相位辅助投显并行三维形貌测量技术的速度要求也越来越高。
四步相移法是一种在相位解包裹问题中常用的技术,尤其在条纹投影形貌测量等领域有广泛应用。
由于用周期性变化的黑白条纹编码整幅图像,导致通过相移法获得的相位主值包裹在[-pi,pi]之间,相位不具备唯一性,此时就涉及相位展开,即解包裹的问题。
具体来说,四步相移法的操作步骤如下:首先,选择三种光栅频率;然后进行相位差值运算;最后进行相位展开。
此外,还有一种在求解相位时使用多步相移法的方法,并在额外的一幅编码图像中,将标记条纹级数的编码嵌入到相移量中。
解码时,通过分析各像素点处不同相移的光强信息序列,可以求解该点处的编码相移量,从而获得绝对相位。
结构光相位解包裹1. 什么是结构光相位解包裹?结构光相位解包裹是一种三维测量技术,广泛应用于计算机视觉、光电信号处理、动态测量等领域。
结构光相位解包裹的基本原理是通过将物体照射光源发射出的光束投影到物体表面上,然后根据被反射的光束的不同相位差异来计算出物体表面的几何形状和表面光学特性。
2. 结构光相位解包裹的应用领域结构光相位解包裹被广泛应用于计算机视觉和光电信号处理领域,可以用于三维物体的形状测量、运动分析、表面光学特性的测量等。
此外,它还可以用于动态测量、临床医学、机械加工、建筑工程等领域。
3. 结构光相位解包裹的原理结构光相位解包裹的原理是将物体表面与三维空间中的网格结构进行比较。
通过光源投射的光束,将物体表面的形状转化为相位图。
但是,由于受限条件的影响,相位图的解包裹过程往往被证明是一项难题。
但是,通过三角测量的解包裹方法,科学家们可以成功逆转相位匹配的问题,得到高质量的三维图像。
4. 结构光相位解包裹的数据处理和算法结构光相位解包裹的数据处理和算法主要包括以下几个方面:· 基于相位差的计算机视觉算法这种算法利用相位差测量技术从不同方向对物体进行测量。
它可以对不规则形状的物体进行测量,例如植物叶片、建筑物表面等。
相位差测量算法为表面测量提供更加准确的数据。
· 基于几何形状的算法这种算法的基本原理是从物体表面的几何特征来计算表面的几何形状。
通过此算法,可以将物体表面的几何形状还原出来。
· 基于频率的算法基于频率的算法是利用相位差来计算表面高度和形状的一种算法。
它能够对复杂表面进行高精度的测量。
//5. 结论结构光相位解包裹是计算机视觉、光电信号处理、动态测量等领域的重要技术之一。
它的应用范围广泛,能够为各行业提供准确的三维图像测量数据,有助于提高生产效率,节省成本,发掘新技术,并有望推动新领域的发展。
相位轮廓术应用
相位轮廓术是一种基于光学原理的非接触式表面形貌分析方法。
该技术可以用于测量各种材料的表面形貌特征,包括粗糙度、平整度、弯曲度、表面缺陷等。
相位轮廓术的工作原理是将光线照射到待测物体表面,通过相机记录反射光的相位信息,从而得到表面形貌的三维信息。
相比于传统的表面形貌分析方法,相位轮廓术具有高精度、非接触式、快速测量等优点。
在工业制造、医疗设备、航空航天等领域中,相位轮廓术广泛应用于表面质量检测、产品设计、制造过程控制等方面。
例如,在生产高精度零件时,可以使用相位轮廓术对零件表面进行检测和测量,以确保其符合设计要求。
此外,相位轮廓术也可以应用于生物医学领域中,例如在眼科学中,可以使用该技术对眼球表面进行测量和分析,以帮助诊断和治疗眼部疾病。
总之,相位轮廓术是一种广泛应用于各个领域的高精度表面形貌分析方法,其应用前景十分广阔。
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光学相位三维轮廓测量的新方法材料与冶金工程学院:马淑贞指导教师:钟丽云本创作涉及光学相位测量轮廓术中的核心技术—移相技术和干涉条纹问题,属光电检测及光信息处理领域.在光学投影式三维轮廓测量中,相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,简称PMP)要求投影结构光的光栅必须是正弦光栅,但实际上要制作一正弦型光栅是非常困难的事,一般情况下只能得到准正弦光栅. 因此许多人采用相干结构光照明的方法,将两束相干光波干涉形成清晰且对比度高的正弦干涉条纹的确条纹直接投影到被测物体表面上,通过解调被物体调制的条纹,但在实际的测量中由于受到防震平台和外部环境的影响,使产生的干涉条纹发生飘移和抖动,这样对采用点对点计算的PMP技术来说,给被测物体带来了很大的测量误差,故其应用受到一定的限制.在PMP方法中,相移方法一般是通过在参考光中导入增加的相位,来改变干涉条纹的相位差以达到移相的目的,但该方法的一个致命的缺点是无法抑制因条纹抖动对测量误差的影响,另外,如果采用四步相移技术,每次改变参考光的光程λ/4,这样需要高精度的相移器(其精度至少为0.01 微米).因此,本创作针对目前光学投影式的相位测量轮廓术所存在的问题,提出了一种克服条纹的抖动并且实现移相的新方法. 该方法通过在投影光路中加入条纹稳定计来锁定投影干涉正弦条纹,采用精度为0.1微米的微位移平台,沿同一方向(如X方向)依次移动物光波d/4,d/2,3d/4,d(d为投影直条纹间距)来实现相移,若条纹间距d为0.5毫米,对精度为0.1微米的微位移平台完全达到要求. 这样可完全消除条纹抖动对移相误差的影响,从而达到点对点的PMP测量.下面将结合附图对本创作做进一步详述(实施例):(1) 获取含有物体高度信息的变形条纹图(参见附图1)按附图1所示的光路图布置好光路,把得到的正弦干涉结构光均匀照明到物体上,通过微位移器来移动物体(微位移器的精度为0.1微米),用CCD摄像机采集条纹图,经图象采集卡存到计算机中. 如图2为含有物体高度信息的变形条纹相移图.(2) 重构物体的三维相位信息利用数值计算软件matlab编程,采用相位测量轮廓术的方法重构物体的相位信息. 图3为对鼻子的石膏雕像进行测量,采用了Hariharan五步相移法,投影条纹的间距d为0.601099mm,依次沿X方向移动物体d/4,d/2,3d/4,d,即分别为0.15027mm,物体的相位及解包裹后的物体灰度图和三维网格图.本创作与现有技术相比,具有如下优点:(1) 可以完全抑制了因条纹抖动对测量误差的影响,对工业现场三维物体的测量具有极重要应用价值.(2) 移相问题采用移物光波技术,解决了传统采用移参考光波需要高精度的相移器的难题.(3) 该装置简单、价格低廉,且不受环境、温度、电压等限制.图2b 为物光波移动0.15027mm 的变形条纹图3 用matlab重构物体的信息。
相移阴影莫尔轮廓术的相位去包裹处理新技术
王昭;赵宏;谭玉山
【期刊名称】《半导体光电》
【年(卷),期】1998(19)5
【摘要】文章将相移方法引入传统的阴影莫尔轮廓术中,通过三步相移法得到三维物体的相位分布图。
并将原来提出的变精度二次测量相位去包裹方法引伸为更一般、更实用的方法。
首次利用改变光源位置实现变精度测量。
【总页数】4页(P347-350)
【关键词】莫尔轮廓术;相移;相位去包裹;光栅;光学测量
【作者】王昭;赵宏;谭玉山
【作者单位】西安交通大学
【正文语种】中文
【中图分类】TH741.6
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1.基于模拟退火的相位测量轮廓术随机相移误差校正 [J], 任旭虎;杨磊;屈波
2.数字光学轮廓仪中相位去包裹算法研究 [J], 曹原;韦春龙;程维明;陈明仪
3.相移阴影莫尔条纹正交化解调技术 [J], 杜虎兵;颜菁菁
4.相位测量轮廓术中一种有效补偿相移误差的新算法 [J], 朱林;达飞鹏;盖绍彦
5.采用反相位线性结构光栅编码的相移测量三维轮廓术 [J], 刘维一;王肇圻;母国光;方志良
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一种用于三维面形测量的新的去包裹方法
田丰;赵宏;陈文艺;周剑;谭玉山
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】1996(25)9
【摘要】本文提出一种可用于三维面形测量的新的去包裹方法。
它在原有传统去包裹的基础上提出分割线的方法,能够正确标出应该参与去包裹的象素点及由噪音造成的相位不连续点,因而,在相位图存在噪音及信噪比较低的情况下仍旧可以得到正确且唯一的去包裹相位值。
在三维面形测量中,去包裹后的相位值可以真实反映待测物体的面形,因此有很大的理论价值及实际意义。
【总页数】5页(P814-818)
【关键词】相位去包裹;三维测量;分割;形位测量
【作者】田丰;赵宏;陈文艺;周剑;谭玉山
【作者单位】西安交通大学激光红外研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TG83
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1.全息相移技术用于物体的三维面形测量 [J], 吕晓旭;钟丽云;黄守江;李川;杨齐民;佘灿麟
2.一种改进的消零频三维面形测量方法 [J], 曹愈;郭沈言;李炫熹;陈贵宾;边心田;;;;;
3.一种新的三维面形测量方法 [J], 田丰;陈文艺
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5.楦体测量的新方法LAM—100型鞋楦三维面形自动测量系统 [J], 张勇
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3-D轮廓测量中相位解包裹应用在对微/纳机电系统(micro/nano electro me-chanical system,MEMS/NEMS)结构的特性参数进行测量和MEMS/NEMS可靠性进行测试的过程中,常要求对结构表面的三维轮廓、粗糙度、微小的位移和变形等物理量做精密测量[1-3]。
目前显微干涉法凭借其高精度、高垂直分辨率、测量简单快捷、无损等优点,成为这类测量中最常用的手段之一[3-5]。
在使用相移显微干涉法对MEMS/NEMS结构表面进行测量时,先通过驱动电路驱动参考镜产生次波长量级的光程变化,即可由电荷耦合器件摄像机(CCD)和图像采集卡获得一组时间序列上的相关干涉图像,然后由干涉图的光强信息解算出被测表面的相位值,提取包裹的相位信息,最后通过一定的相位解包裹算法得到被测表面真实的相位信息和相应的表面高度,从而得到被测结构表面的3-D轮廓[5-6]。
由此可见,相位解包裹,也就是相位展开是微结构表面3-D 轮廓测量中至关重要的一步.用于相位展开的方法很多,但通常都具有很强的针对性和局限性.而微纳结构的表面轮廓复杂,并且经常含有孔洞、沟槽、突起等特征形状,传统的解包裹算法不能绕过这些非理想数据区域,并且导致的误差会在被测面内传播,以致影响整个相位展开的结果。
这里提出一种基于模板的广度优先搜索的相位解包裹方法,它通过模板的使用来剔除对相位展开有影响的非理想数据区域,使解包裹算法能够绕过这些区域进行,从而得到比较可靠的结果。
1 基于模板的相位解包裹1.1 相位解包裹通过相位提取算法,包含在光强中的代表被测物表面高度信息的相位值被提取出来。
但在实际测量中,由于物体表面高度的相位变化通常都远远超出一个波长周期。
因此,各种相位提取算法计算出来的相位值均是以反正切函数的形式表示,即得到的相位分布被截断成为多个2π范围内变化的区域,形成包裹相位。
为最终得到被测表面真实的高度信息,必须将多个截断相位的区域拼接展开成连续相位,这个过程称为相位解包裹,或相位展开[6]。
干涉测量中要求相邻两像素点的相位差小于2π,否则无法恢复其真实相位。
当满足这个要求时,真实相位的差值则与包裹相位间差值再进行包裹运算W2的结果相等,即:Δφ(n) = W2{ΔW1[φ(n)]} (n =1,2,…,N) (1)式中Δ为差值运算,φ(n)是第n个像素点对应其包裹相位W1[φ(n)]的真实相位,N为像素点数。
因此,通过对包裹的反正切函数主值差进行求和运算即可实现相位展开[7]:φ(m) =φ(0)+∑mn=1W2{ΔW1[φ(n)]}(2)MEMS/NEMS表面3-D轮廓测量针对的通常都是连续变化的结构表面,符合相邻像素点相位差小于2π的要求,因此依据式(2)所示的原理即可逐点实现相位展开。
1.2 基于模板的相位解包裹随着相位展开技术的深入发展,相位解包裹算法层出不穷[7-8]。
如果仅仅应用于简单区域(未展开相位图中不存在非理想数据点)的相位展开,使用普通的基于深度的优先搜索算法即可达到目的。
它通过使用阈值来判断2π相位跳变,然后建立补偿函数,最后将未展开相图与补偿函数相加,得到展开后的相位图。
此算法非常简单快捷,图1是应用于一个简单区域的相位展开结果,左边为被测表面的包裹相位图,右边为其相位解包裹后的表面轮廓图。
图1 使用传统相位解包裹算法对简单区域进行相位展开的结果然而,MEMS/NEMS结构经常具有比较复杂的轮廓,含有孔洞、沟槽、突起等特征形状,被测表面也可能存在缺陷,例如表面镀膜脱落或者粘附上灰尘等,再加上阴影和噪声等的影响,用普通的相位展开方法就可能引入误差,并且误差会传播到在当前像素点之后展开的所有点。
图2为使用传统相位解包裹算法对含有非理想数据点的圆形薄膜进行相位展开的结果,左边为薄膜表面的包裹相位图,右边为其相位解包裹后的表面轮廓图。
图2 使用传统相位解包裹算法对含有非理想数据区域进行相位展开的结果为了能在相位展开过程中绕过非相容点(包裹相位图中的非数据点和进行相位展开运算时可能产生误差的非理想数据点的总称),引入基于模板的广度优先搜索算法,它是一种逐点展开的生长算法.在相位展开运算之前,先用模板将非相容点标记出来。
相位展开过程是从任意的一个相容点开始,然后均匀地向其邻域弥散生长,得出其邻域的展开相位值,再一周一周扩大,直至整幅图像。
在其遍历过程中,遇到由模板标记的非相容点时,就暂时绕过而不做处理。
用此方法处理的像素点都是相容点,即好的数据点,因而能够大幅度地提高相位展开的质量。
2 标记模板的方法及实验结果用以标记非相容点的模板可以通过多种途径获得。
根据不同应用的需要,可以选择实现不同功能的不同复杂程度和不同灵敏程度的模板标记方法.本文提出三种不同类型的模板标记方法,用以在不同的应用需求下选择使用:1、子区域相容性判断法;2、边缘检测法;3、干涉图灰度差值提取法.对应于不同标记模板的方法,我们给出了它们应用于相位解包裹算法中的具体应用实例,各方法均由MATLAB编程实现。
2.1 子区域相容性判断法2.1.1 方法这种方法在包裹相位图的基础上进行判断。
判断一个像素点是否相容,需要利用其周围的另外三个像素点的信息。
这四个像素点组成一个2×2的子区域(图3)。
按顺时针方向计算这四个像素点两两之间的灰度值之差,得到Δ1、Δ2、Δ3、Δ4;然后确定一个阈值T(如T=π),该阈值就是用来判断相位条纹跳变边界的那个“固定阈值”,并由此阈值判断Δk,(k=1,2,3,4):如果|Δk|>T,即可认为路径穿过了跳变的界线,此时,若Δk>0,则Δk=Δk-2π,若Δk<0,则Δk=Δk+2π,目的是将Δk限定在-π到π之间;最后求ΣΔk,再次作判断:如果ΣΔk=0,则该点定义为相容点,如果ΣΔk≠0,则该点定义为非相容点[6]。
图3 标记2×2区域相容性示意图2.1.2 实验结果图4是一幅通过模拟得到的包裹相位图(左)及使用子区域相容性判断法得到的模板图(右)。
包裹相位图中的黑色小方块是加入的非相容区域,从模板图可以看出,使用子区域相容性判断法可以将此非相容区域很好地提取出来,然而,它在识别出噪声点的同时,一部分相位跳变边缘也被识别成了非相容点,以至于相位解包裹之后一些原本好的数据点也被绕过,见图5。
图4 模拟的包裹相位图(左)及使用子区域相容性判断法得到的模板图(右)图5 使用子区域相容性判断法获取模板得到的相位展开结果子区域相容性判断法理论上可行,但实验结果证明其不太适合用于实际应用,特别是噪声多,结构复杂的测试.但由于此方法运算速度非常快,而且对噪声、断点等灵敏度很高,所以当图像区域小,噪声点远离相位跳变边缘时,仍可以考虑使用。
2.2 边缘检测法2.2.1 方法此方法在由干涉图合成的亮场图像上运用边缘检测算法来提取非相容区域的边缘.在五步相移干涉测量中,由得到的五幅干涉图像可以合成为被测表面的亮场图像[9],公式为:式中的Ii为第i幅干涉图中一个像素点的灰度值(i=1,2,3,4,5),Ibf为对应像素点亮场图像的灰度值。
得到整个待测区域的亮场图像之后,接下来选择合适的边缘检测算法得到非相容区域模板。
应用于边缘检测的算子有很多,最常用的有Sobel,Prewitt,Roberts,Canny和Laplacian ofGaussian(Log)等几种。
由于它们使用不同的梯度算子和检测法则来确定边缘区域,因此具有不同的特点.Sobel算子和Prewitt算子类似,对噪声有一定的抑制作用,但容易检测出伪边缘并丢失有用的边缘信息;Roberts算子的检测定位精度比较高,但对噪声敏感;Canny算子的最优化逼近算子和双阈值的使用使其能有效抑制噪声,并能精确确定边缘位置;Laplacian of Gaussian(LoG)算子选择滤波的尺度参数是关键,小尺度的LoG 算子可以得到比较准确的边缘定位,但对噪声较为敏感,大尺度的LoG算子滤波效果较好,但过度平滑图像,容易丢失如角点这样的边缘信息[10-11]。
2.2.2 实验结果图6为图2所示的圆形薄膜部分的一幅干涉图像(左)和由五幅干涉图像合成的亮场图像(右)。
使用MATLAB中的edge函数,可以很方便地得到使用不同边缘检测算法得到的边缘提取结果,的圆形薄膜进行全视场范围的解包裹运算,由于其轮廓较为复杂,并包含有相当部分的非数据区和非理想数据区,所以使用干涉图灰度差值提取的方法来获得模板。
设定合适的阈值得到的模板结果的模板以及包裹图像代入图10 圆形膜五幅干涉图中的一幅(1024x1528像素)图11 干涉图灰度差值提取法获得的解包裹模板图图12 使用干涉图灰度差提取法获取模板得到的相位展开结果生长算法得到的相位解包裹后并以圆形膜四周的基底区域作为基准面调平后的圆形膜表面3-D轮廓图像。
可以看出,使用干涉图灰度差值提取法获得模板并使用生长算法在全视场范围内进行相位展开获得干涉图灰度差值提取法的计算相对较为复杂,但是由于它在最原始的干涉图像信息上进行判断,所以成功率高,也可以通过改变阈值灵活地控制模板的灵敏度,并且使用范围很广,对于复杂轮廓、沟槽、噪声等提取都适用。
3 结语具体应用实例的实验数据证明,基于模板的广度优先搜索相位解包裹方法可以根据不同应用的需要标记模板,从而绕过非相容区域准确地实现相位展开.如果有必要,可以根据被绕过区域周围像素点的灰度信息,使用滤波、插值等方法回添这些点的展开相位数据。
此方法能够克服普通相位展开方法的局限性,并因其简便、灵活、准确的特点而能被广泛应用于EMS/NEMS 结构较为复杂的轮廓表面测量的相位展开。
其不足在于不能应用于非连续表面轮廓的测量。