一种空心圆柱内表面形貌及光谱的测量方法与装置

本发明涉及三维形貌的测量技术，特别涉及一种空心圆柱内表面形貌及光谱的测量方法与装置，属于先进光学检测。

背景技术：

1、三维测量技术具有测量时间短、高精度、自动数据处理等优点，在逆向工程、工业生产检测、医学工程、光学零件检测等方面得到了广泛的应用。随着现代设备的不断发展，计算机技术日新月异，对于漫反射表面三维形貌测量的技术也随之成熟。然而，在实际生产过程中存在着大量高反射率的曲面零件，对于高反射率的曲面零件，针对漫反射表面三维形貌测量技术很难发挥其作用，这也使得镜面物体表面三维形貌测量成为三维测量技术中的难点。

2、为了解决镜面物体三维形貌测量的问题，研究学者们相继提出了多种测量方式。其中非接触式测量法以其测量速度快、不损伤待测物体等优点成为了镜面物体三维形貌测量的主流方法之一。目前，非接触式镜面三维测量技术主要分为干涉法和偏折术（也称为条纹反射术）。其中干涉法测量精度很高，但对于具有大曲率和大量程的物体无法实现有效测量，并且测量设备成本较高。相对而言，偏折术测量装置简单，不存在干涉法的局限性，适用于大多数镜面物体的测量。然而传统的偏折测量方法虽然可以快速精确地完成对零件的检测，但是对于空心圆柱内表面不能一次性获得其全部三维形貌信息，且缺乏其光谱特性的测量。所以设计一种可以一次性获取空心圆柱内表面全部三维形貌及光谱信息的偏折测量技术，成为现代工业检测的一个研究热点。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，在不显著增加系统装置和复杂度的情况下，提供一种系统结构简单、易操作，能够实现测量空心圆柱内表面的测量装置和方法。

2、为实现上述发明目的技术解决是提供一种空心圆柱内表面形貌及光谱的测量装置，它包括投影模块、成像探测模块、棱镜、载物平台、数据传输模块和控制-计算处理器；所述待测空心圆柱物体放置于载物平台上；所述的数据传输模块包括数据传输线；所述的投影模块投影出预设条纹图，再经棱镜反射后均匀分布在待测空心圆柱物体的表面；成像探测模块采集被待测空心圆柱物体内表面调制后的变形条纹图，通过数据传输线输入到控制-计算处理器；所述的投影模块包括柔性屏及变形控制器，柔性屏通过数据传输线与控制-计算模块连接，实现条纹图的投影；变形控制器通过数据传输线与控制-计算模块连接，对柔性屏的面型进行调制；所述的成像探测模块包括面阵相机、衍射光学元件和滤光片；投影模块中的柔性屏、成像探测模块中的面阵相机、衍射光学元件和滤光片与待测圆柱物体之间构成结构光三角测量结构，投影模块和成像探测模块聚焦在待测圆柱物体表面上；所述的控制-计算处理器包括控制模块、三维重构模块和光谱重构模块。

3、本发明所述的一种空心圆柱内表面形貌及光谱的测量装置，其棱镜为自由曲面圆锥反射镜，投影模块的投影图经棱镜反射后均匀分布在待测圆柱内表面。所述的衍射光学元件为表面具有微结构规则周期性分布的环带型衍射透镜，工作谱段为400nm～780nm，主波长为550nm，具有面内色散功能，且点扩散函数分布呈“米”字型分布，满足中心零级衍射聚焦和一级衍射色散随波长增加而向四周弥散，同时抑制其他级衍射。所述的滤光片为400nm～780nm宽谱段的滤光片，用于滤除衍射光学元件工作谱段以外的光。

4、本发明技术方案还包括一种空心圆柱内表面形貌及光谱的测量方法，步骤如下：

5、（1）构建、调整测量装置：

6、待测空心圆柱物体放置于载物平台上；投影模块中的柔性屏和变形控制装置分别通过数据传输线和与控制-计算处理器连接；成像探测模块由面阵相机、衍射光学元件和滤光片构成，面阵相机通过数据传输线与控制-计算处理器连接；投影模块、棱镜和成像探测模块中的光学系统聚焦于待测空心圆柱物体内表面，与待测空心圆柱物体形成结构光三角测量光路，投影模块在载物平台上的投影区域与成像探测模块在载物平台上的视场区域匹配；

7、（2）测量装置的预标定：

8、成像探测模块对标定物体进行成像数据采集，得到衍射色散图像；采用经衍射光学元件训练的消色差网络对衍射色散图像进行重构处理，得到清晰无色散图像；利用光线模型标定方法获取清晰无色散图像中的每个像素点对应空间场景中的光线参数，完成测量装置的预标定；

9、（3）投影条纹图，获取变形条纹图：

10、将待测空心圆柱物体放置于载物平台上，待测空心圆柱物体内表面位于投影区域和成像探测模块视场区域的公共区域中央，控制-计算处理器中的控制模块按条纹编码方法生成多频多步条纹图，通过数据传输线输入到投影模块的柔性屏，再由柔性屏将编码生成的多频多步条纹图投影至棱镜，经棱镜反射至待测空心圆柱物体内表面；成像探测模块对被待测空心圆柱物体内表面调制后的多频多步衍射色散变形条纹图进行采集，并通过数据传输线传输回控制-计算处理器；

11、（4）投影模块再调制：

12、将步骤（3）中采集的多频多步衍射色散变形条纹图数据，输入控制-计算处理器三维重构模块中的消色差网络进行消色差处理，得到清晰无色散的条纹图像，再采用相位恢复算法得到初步测量的待测空心圆柱物体内表面的绝对相位分布；控制-计算处理器中的控制模块根据相位信息将调制信号反馈通过数据传输线传递给投影模块中的变形控制装置，调制柔性屏的面型，改善待测空心圆柱物体内表面条纹图光场的正弦性和频率一致性；

13、（5）数据处理：

14、在柔性屏面型调制完成后，重复步骤（3），将采集的多频多步衍射色散变形条纹图数据分别输入到控制-计算处理器中的三维重构模块和光谱重构模块进行数据处理；

15、所述的三维重构模块，采用针对衍射光学元件进行训练的消色差网络，对衍射色散变形条纹图的面内色散信息进行消色差处理，得到清晰无色散的多频多步条纹图像，再采用相位恢复算法计算得到精确的待测空心圆柱物体内表面的绝对相位分布，根据步骤中标定得到的成像端每个像素点对应空间场景中的光线以及利用成像端和投影端的绝对相位对应关系，采用光追方法重构待测空心圆柱物体内表面的三维形貌；

16、所述的光谱重构模块，采用针对系统衍射光学元件进行训练的多光谱网络，利用衍射色散变形条纹图中的面内色散信息进行多光谱重构，得到清晰的多光谱条纹图像，再采用多步相移的原理，对每个谱段下的条纹图像进行累加，获得待测空心圆柱物体内表面的光谱数据。

17、本发明所述的一种空心圆柱内表面形貌及光谱的测量方法，步骤（2）、（4）和（5）中所述的消色差网络包括卷积类神经网络或transformer类网络中的一种，用于消除衍射光学元件面内色散，从衍射图像中学习零级衍射未色散信息，实现清晰的消色差成像。

18、步骤（5）中所述的多光谱网络包括卷积类神经网络或transformer类网络中的一种，用于从衍射光学元件一级衍射面内色散信息中学习冗余光谱信息，在工作谱段内实现清晰的多光谱成像。

19、步骤（3）中所述的条纹编码方法为基于时域编码的m频n步相移正弦条纹编码方法，条纹频率数，相移编码步数，单步的位移为。

20、步骤（5）中所述的相位恢复算法，包括先进迭代及其改进算法、主成分分析及其改进算法、利萨茹椭圆拟合及其改进算法、相位直方图均衡化及其改进算法中的一种，用于对条纹图误差进行抑制，计算得到包裹相位，再采用多频外差算法对包裹相位进行展开，得到整个相位分布。

21、本发明依据相位偏折术和衍射元件光谱成像的原理，结合棱镜、可变形柔性屏以及衍射光学元件提出一种成本低、操作简单的测量装置和方法，能够一次性实现空心圆柱内表面全部三维形貌的获取，在得到三维形貌信息的同时可以得到空心圆柱内表面的光谱特性，实现对空心圆柱内表面的四维测量。

22、与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

23、1.本发明提供的测量装置将柔性屏及其变形控制装置集成为投影模块，并结合反射棱镜，是实现了对待测空心圆柱物体内表面的条纹图投影；同时通过控制-计算处理器对采集条纹图进行分析，实时反馈控制柔性屏的面型，改善待测空心圆柱物体内表面条纹图光场的正弦性和频率一致性，实现条纹图的高质量投影；

24、2.本发明提供的测量装置使用衍射光学元件、滤光片加上相机的组合代替传统的成像探测装置，使得测量装置更加简便、更易集成；其中结合反射棱镜对变形条纹图光场进行反射收束，再经衍射光学元件调制后，实现包含待测空心圆柱物体内表面三维和光谱信息的混合编码成像；

25、3.本发明提供的测量方法，通过使用消色差网络，消除衍射光学元件引起的面内色散，再结合后续相位恢复算法和光追建模算法，极大提升了相位恢复和三维重建的精度；并且还通过多光谱网络学习衍射光学元件面内色散中的冗余光谱信息，在得到待测空心圆柱物体内表面三维形貌的同时，获取其光谱特性，实现对待测空心圆柱物体内表面的四维测量。