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相位偏折术原理概述

作者:互联网

作者:曹博

来源:微信公众号|3D视觉工坊(系投稿)

3D视觉精品文章汇总:https://github.com/qxiaofan/awesome-3D-Vision-Papers/

 

相位偏折术是一个比较冷门的方向,主要用于测量镜面物体。一直以来,干涉法都是测量镜面最佳方法,精度可以达到波长的几百分之一,但是有一些局限性:

  1. 测量自由面型的镜面物体时,干涉法所需要的光学补偿原件制作复杂且昂贵;
  2. 回程误差,干涉法很难快速标定;
  3. 测量环境苛刻,不适合干涉法测量,因为轻微抖动、温度变化,会给测量记过带来很大误差;

解决:PMD,相位偏折术,对环境不敏感,没有回程误差,因而标定相对简单,可以测量自由曲面。其实偏折术系统跟结构光系统是非常相似的,回顾下它的重建流程:

  1. 标定相机,以及屏幕、相机位置关系
  2. 使用屏幕投影条纹(结构光使用投影仪)
  3. 解码获取表面梯度(结构光直接获取高度)
  4. 梯度积分获取高度信息

额外说明的是,偏折术系统中常说的“精度”达到几纳米,不是传统意义上的“精度”,这是因为偏折术通常用来测量纯镜面反射的物体表面,比如说天文望远镜的镜面,它的模型假设中也假设参考平面跟实测待镜面在同一高度,所以精度甚至可以达到几纳米。

01 原理

单相机PMD系统如图1所示,系统由LCD显示屏、CCD相机和计算机组成:

图1 PMD系统示意图 [1]

简单原理:

  1. 显示屏显示计算机生成的结构光条纹;
  2. 相机通过待测镜面表面拍摄显示屏上条纹的镜像;
  3. 如果镜面表面不平整的话,则拍摄到的条纹会产生相应的变形;

更复杂原理,如图2所示(由于光路可逆,我们对光线反向描述):

图2 PMD系统原理图 [1]

在这个式子的推导中,有一点需要额外注意这个近似条件,实际上它是现有单相机PMD系统中误差的主要来源:

近似条件:我们认为,待测物体的高度要远小于,在点处待测镜面和参考面位置的高度点是完全一致的,忽略了这部分误差,认为相位仅仅与镜面表面梯度相关。

之后的重建步骤:

  1. 相位的获取原理跟结构光相类似
  2. 根据相位获取梯度
  3. 在获取了梯度之后,对 x,y方向分别沿路径进行积分

最终即可获取高度信息。

说明:这篇文章目的仅仅是对相位偏折术的核心原理做个概略性的介绍,完整的推导并未介绍,更多的细节请查看相关论文。

02 特性

相比较来说,PMD有以下优势:

图3 振动对梯度测量的影响 [1]

因为我们测量的是平面,即零频项信息,其是不包含梯度的,该项的变化不会引起反射光线角度的变化。

但相比较来说,梯度测量方法也有以下缺陷:

一句话概括,PMD相比较FFP精度更高,但是测量场景受限,只能测量连续的镜平面!

03 参考文献

[1] 基于光学三维成像的镜面物体表面质量检测方法研究 [博],吴雨祥

备注:作者也是我们「3D视觉从入门到精通」特邀嘉宾:一个超干货的3D视觉学习社区

 

标签:相位,梯度,测量,PMD,镜面,偏折,概述
来源: https://www.cnblogs.com/YongQiVisionIMAX/p/14278550.html