那晨旭

摘? 要：現(xiàn)如今，最常用在散射物體的宏觀輪廓測(cè)量的光學(xué)投影式輪廓測(cè)量技術(shù)有2種，一種為直接三角法，另一種為相位測(cè)量法。該文在了解2種方法應(yīng)用形式的基礎(chǔ)上，明確了如今時(shí)代發(fā)展對(duì)光學(xué)投影式三維輪廓測(cè)量技術(shù)提出的要求，并分別探討了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，分析要想滿足日益革新市場(chǎng)環(huán)境的需求，光學(xué)投影式輪廓測(cè)量技術(shù)要如何在未來(lái)發(fā)展中繼續(xù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直接三角法;相位測(cè)量法;光學(xué)輪廓測(cè)量;光學(xué)投影

中圖分類號(hào)：TN249? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于物體三維輪廓包括了所有形態(tài)信息，所以在對(duì)物體三維輪廓進(jìn)行全方位測(cè)量后，能全面掌握物體形狀，并更深入的了解物體信息。因此，在各行企業(yè)飛速發(fā)展中，隨著民用工業(yè)對(duì)物體三維輪廓提出了全新的測(cè)量要求，市場(chǎng)中涌現(xiàn)出了多種優(yōu)質(zhì)測(cè)量方法，如直接三角法，相位測(cè)量法等，它們不僅能提升工作速度，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，而且支持并行處理。因此，下面對(duì)光學(xué)投影式三維輪廓測(cè)量技術(shù)進(jìn)行深層探索。

1 光學(xué)投影式三維輪廓測(cè)量技術(shù)分析

物體的三維輪廓測(cè)量在多個(gè)領(lǐng)域中的作用越發(fā)顯著，如醫(yī)療診斷、機(jī)器人視覺(jué)、質(zhì)量控制等。由于光學(xué)測(cè)量方法具有非接觸特性，且獲取數(shù)據(jù)的速度快、沒(méi)有威脅、分辨率高，所以現(xiàn)階段已經(jīng)成為公認(rèn)的最具發(fā)展前景的三維輪廓測(cè)量方法。

光學(xué)輪廓測(cè)量方法的類型很多，如逐點(diǎn)掃描法、散斑干涉法等。以逐點(diǎn)掃描法為例，通過(guò)運(yùn)用光學(xué)投影原理可以更好地進(jìn)行散射物體的宏觀輪廓測(cè)量工作。了解當(dāng)前市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)可知，光學(xué)投影式輪廓測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且隨著整體科技技術(shù)水平的革新，涌現(xiàn)出了新的內(nèi)容。該文在研究光學(xué)投影式輪廓測(cè)量技術(shù)時(shí)，主要從以下2個(gè)方面入手。

1.1 直接三角法

這種方法中包括光切法、激光逐點(diǎn)掃描法及最新提出的二元編碼圖樣投影法。因?yàn)?種技術(shù)都是以三角測(cè)量原理為依據(jù)進(jìn)行工作的，且會(huì)根據(jù)成像點(diǎn)、投影點(diǎn)及出射點(diǎn)的幾何關(guān)系確定物體中點(diǎn)的高度，所以在測(cè)量時(shí)最為關(guān)鍵的是要全面掌握三者關(guān)系。下面對(duì)3種方法進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。1）光切法會(huì)引用一維線形圖樣掃描物體，不僅速度比逐點(diǎn)法快，而且測(cè)量點(diǎn)也非常簡(jiǎn)單。因此，應(yīng)用范圍較為廣泛，在國(guó)際市場(chǎng)也有相關(guān)商品出售。2）逐點(diǎn)法是指用一個(gè)光點(diǎn)掃描物體，雖然簡(jiǎn)單有效，但測(cè)量消耗時(shí)間長(zhǎng)。3）二元編碼圖像投影法會(huì)應(yīng)用時(shí)間或/和空間編碼的二維光學(xué)圖樣投影，優(yōu)化實(shí)踐測(cè)量工作的效率。這種方法在現(xiàn)如今的市場(chǎng)環(huán)境中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)對(duì)比研究可知，上述3種方法都具備以下優(yōu)點(diǎn)，如信號(hào)處理方便有效，不需要引用復(fù)雜條紋分析確定測(cè)量點(diǎn)的高度?？梢宰灾餮芯颗c分析物體凸凹。即使物體上存在間斷點(diǎn)，也不會(huì)影響最終測(cè)量結(jié)果。而存在的問(wèn)題為測(cè)量的精確度不高，且無(wú)法測(cè)量全場(chǎng)。

1.2 相位測(cè)量法

這種技術(shù)會(huì)引用光柵圖樣投影到被測(cè)物體表面，變形柵像可以解釋為相位和振幅都被調(diào)制的空間載頻信號(hào)。如果為正弦光柵投影，則物體上各點(diǎn)光強(qiáng)可表示為：

I（x，y）=a（x，y）+b（x，y）

cos[2cf0x+h（x，y）]

其中，a（x，y）代表背景光的變化方向，b（x，y）代表表面反射率的改變，f0屬于投影到參考平面的光柵圖樣空間頻率，c代表空間相位量，而相位h（x，y）代表物體上各個(gè)點(diǎn)的高度。雖然這種技術(shù)的相位高度轉(zhuǎn)變也會(huì)引用三角法的原理進(jìn)行操作，但從本質(zhì)上講依舊是相位測(cè)量技術(shù)為核心內(nèi)容，因此與直接三角法有較大區(qū)別。

2 光學(xué)投影式三維輪廓測(cè)量技術(shù)的研究及發(fā)展方向

2.1 投影形式

為了獲得一臺(tái)適用大部分工作的輪廓儀，當(dāng)前世界各國(guó)科研人員正努力提高光學(xué)輪廓儀的自主適應(yīng)性。此時(shí)，不僅要求輪廓儀可以結(jié)合被測(cè)量物體的形狀和數(shù)據(jù)自主調(diào)節(jié)投影——接受系統(tǒng)，而且要保證解調(diào)算法可以隨著投影圖樣改變。了解國(guó)內(nèi)外最早出現(xiàn)的投影形式可知，幻燈投影儀應(yīng)用起來(lái)不僅方便，而且得到了市場(chǎng)認(rèn)可。但這種方法與泰伯效應(yīng)投影光柵有效結(jié)合是難以自適應(yīng)投影的，極容易在運(yùn)行期間影響工作效率。

應(yīng)用2個(gè)相干波前產(chǎn)生的干涉條紋投影到物體表層是一種比較靈活的方法。目前，剪切干涉儀最常見(jiàn)的應(yīng)用區(qū)域就是投影機(jī)構(gòu)，也有人會(huì)結(jié)合光纖干涉儀進(jìn)行投影，但不管是哪種方法都要根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)才能科學(xué)調(diào)節(jié)投影方向和條紋周期。需要注意的是2種干涉條紋都沒(méi)有明確定域，因此在各個(gè)區(qū)域都可以形成清晰的對(duì)比度高的正弦干涉條紋。同時(shí)，應(yīng)用干涉儀作為投影機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)非常復(fù)雜，必須要具備符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械穩(wěn)定性和機(jī)械移動(dòng)機(jī)構(gòu)，干涉條紋很容易在大氣擾動(dòng)下出現(xiàn)問(wèn)題，因此在實(shí)踐發(fā)展中受限。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，投影方式也提出了新內(nèi)容，如將液晶顯示器用于自適應(yīng)投影機(jī)構(gòu)中。因?yàn)檫@種技術(shù)具有性能平穩(wěn)、操作體積小等優(yōu)勢(shì)，所以現(xiàn)已成為市場(chǎng)發(fā)展的流行趨勢(shì)。通常情況下，液晶顯示器可以引用到時(shí)間/空間相融合的二元編碼圖樣投影中，既可以在有效投影的基礎(chǔ)上，整合處理復(fù)雜區(qū)域，又能與高靈敏度的相位測(cè)量法協(xié)調(diào)應(yīng)用。需要注意的是液晶顯示器用于自適應(yīng)投影機(jī)構(gòu)最大的問(wèn)題是器件的分辨率過(guò)低，且難以進(jìn)行高精度測(cè)量工作。

2.2 疊相還原

這一現(xiàn)象屬于全部引用相位測(cè)量輪廓方法都無(wú)法避免的難題。上述分析的幾種技術(shù)會(huì)引用反正切函數(shù)計(jì)算相位，因此只能返回-π～+π的相位值，換句話說(shuō)相位對(duì)2π卷疊。由此可知，要想構(gòu)建持續(xù)相位分布，要求工作人員必須要按照規(guī)定順序搜索相位間斷點(diǎn)，并且通過(guò)加減2π的方式修正。這一過(guò)程就叫作疊相還原。但更為關(guān)鍵的是，此時(shí)獲取的相位間斷點(diǎn)不僅包括由算法自身引發(fā)的，而且噪聲同樣也可以產(chǎn)生，有的還是被測(cè)物體表層真正意義上的物理間斷點(diǎn)。由此可知，要想在無(wú)人為因素限制的條件下自主探索是有困難的。同時(shí)，在鄰近像素點(diǎn)間的相位高于π時(shí)，實(shí)際還原工作將難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確化。

疊相還原技術(shù)作為當(dāng)前條紋研究的重難點(diǎn)，科研人員提出了很多的抗噪聲的疊相還原算法，如割線法、模擬退火法等。需要注意的是，雖然這些內(nèi)容在現(xiàn)如今的研發(fā)與應(yīng)用中取得了好成績(jī)，但它們只能用來(lái)解決部分問(wèn)題，依舊無(wú)法從根本上取得成效。從本質(zhì)上講，現(xiàn)如今只能在理想狀態(tài)下由一幅相位圖進(jìn)行疊相還原，而其他條件根本不符。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，有很多數(shù)學(xué)問(wèn)題沒(méi)有得到有效處理?，F(xiàn)如今，不管是空域還是時(shí)域的發(fā)展都證明，有價(jià)值的自動(dòng)疊相還原技術(shù)必須要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量要求。因此，在技術(shù)革新的過(guò)程中，科研人員必須要整合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)探索光學(xué)投影式輪廓測(cè)量系統(tǒng)。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，為了在日益革新的市場(chǎng)環(huán)境中更好推廣和應(yīng)用光學(xué)投影式輪廓測(cè)量系統(tǒng)，并加快我國(guó)科學(xué)技術(shù)革新的步伐，要求科研人員在整合以往工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加大對(duì)實(shí)踐應(yīng)用提出方法的探索。如莫爾等高法、激光逐點(diǎn)掃描法等，不僅在不同條件下展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而且解決了以往工作面臨的難題。同時(shí)，還要加大對(duì)疊相還原問(wèn)題的探索，從而促使以相位測(cè)量原理為核心的輪廓測(cè)量技術(shù)可以向著自動(dòng)化的方向穩(wěn)步革新。因此，在未來(lái)發(fā)展中必須要針對(duì)有關(guān)技術(shù)理念進(jìn)行持續(xù)探索，以期可以獲取具備自適應(yīng)投影能力與圖像處理能力的輪廓測(cè)量系統(tǒng)。

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