机器视觉之相位偏折技术

随着工业4.0的快速发展，机器视觉技术在制造业、物流、医疗等领域的应用日益广泛。其中，机器视觉中的相位偏折技术作为一种新兴的解决方案，凭借其高精度、高效率以及多功能性，正逐步成为行业标准。

 一、什么是相位偏折技术

相位偏折术是指向待测表面投射一系列特殊的光波条纹，并用高精度相机捕捉其反射后的变形。通过算法分析，将光的相位变化转换为表面法线方向，最终重构出物体的三维形状、表面细节等信息。

二、主要组成部分

相位偏折技术通常由光源、调制器、相机和图像处理系统组成。

光源：通常使用激光或LED光源，以确保光波的单色性和相干性。

调制器：用于对光波进行调制，改变其相位或幅度，以适应不同的检测需求。

相机：精确捕捉相位变化后的光信号，常用CMOS等。

图像处理系统：对收集到的数据进行分析和处理，实时生成物体的图像或三维模型。

三、技术原理

1. 相位测量

• 方法：在屏幕上显示一系列具有正弦分布的光强图案（通常是水平方向和垂直方向的正弦条纹），并用相机拍摄它们经被测物体表面反射后的图像。
• 关键技术：相移法。屏幕会顺序显示多幅（通常为4步或更多）相位依次移动的条纹图。通过对这些图像进行解码，可以为每个相机像素计算出一个绝对的相位值。这个相位值反映了条纹的精确位置。
• 输出：得到两幅相位图：一个对应水平方向条纹的相位分布 Φx，一个对应垂直方向条纹的相位分布 Φy。

2. 从相位到表面斜率（偏折角）

• 核心转换：这是相位偏折术的关键。物体表面的起伏会导致反射光线发生“偏折”，从而使得相机看到的条纹相位发生变化。
• 建立模型：通过系统的几何标定（精确知道相机、屏幕、参考平面的位置关系），可以建立相位变化 (ΔΦx, ΔΦy) 与光线偏折角 (θx, θy) 之间的精确映射关系。
• 偏折角的意义：θx 和 θy 直接对应于物体表面在该点处法线在两个方向上的斜率（即表面梯度 ∂z/∂x 和 ∂z/∂y）。

3. 从斜率到高度（三维重建）

• 我们得到的是表面的“倾斜度”信息，而不是直接的“高度”信息。
• 通过积分运算将表面梯度 (∂z/∂x, ∂z/∂y) 重建为高度 z(x, y)。常用的积分算法有：
• 傅里叶变换积分法
• 南辕北辙法
• 最小二乘法积分
• 最终输出：得到被测物体表面完整、连续的三维点云数据或高度图。

四、优势分析

相较于传统的机器视觉技术，相位偏折技术具有以下几方面的独特优势：

1.适用于镜面表面:解决了高反射率物体三维测量的难题。

2.超高精度和高分辨率:相位测量灵敏度极高，相机传感器分辨率决定了最终的表面点云密度，可达百万甚至千万点级别。

3.全场测量:一次测量即可获取整个可见表面的完整形貌信息。

4.非接触、无损:避免接触测量可能带来的形变或损伤。

5.可测大斜率面:对物体表面斜率变化容忍度较高。

五、与传统结构光(条纹投影术)的对比

相位偏折术是机器视觉领域中针对高反光、光滑表面进行高精度、全场三维形貌测量的尖端技术。它巧妙地将光学相位测量与几何光学结合，通过“看到”光线的偏折来“触摸”物体的形状，在高端制造业和质量控制中扮演着不可替代的角色。