CN101089550A - 基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置和方法。它由一个数字微镜、一个光源照射系统、二个带CCD摄像机的图像接收系统和两个反射镜(对于透射物体测量)或两个普通分光镜(对于反射物体测量)组成。通过数字微镜在测量系统中起到的反射镜、分光镜、光束调制器多种作用，同时采用相移数字全息技术，可以实现待测物体的高分辨率轮廓测量。本发明结构合理紧凑，操作简便，适合静态或准动态待测物体的高分辨率轮廓测量。

Description

基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种透明物质或反射物质形貌测量方法和装置，特别是一种基于数字微镜的非接触式高分辨率形貌测量方法和装置。

背景技术

非接触式数字化的物体形貌测量方法，可以采用数字干涉测量技术、条纹投射技术、数字全息技术等进行高精度的测量。这些方法由于采用了相位处理技术，深度测量分辨率可以很高，达到纳米量级，但横向分辨率受限于CCD的分辨率和阵列尺寸。如果采用对物体先放大、后测量的方法，分辨率提高了，但测量范围缩小了，同时还受到光学系统衍射极限的限制。为了解决这个矛盾，主要的技术方法是拼接测量方法，即对较大尺寸的物体分块多次测量，然后将测量结果拼接一起。这种方法扩展了空间测量范围，同时保持了空间分辨率，是一种折中的处理方法。该方法的缺点是需要移动工作台，且拼接处理过程也会引入误差。

为了获得双幅测量图像，常规的方法是采用分光束，然后投射到对应的两套测量光路中，同时，如果要对光束进行强度调制，还需加不同的调制器件，使系统复杂。

发明内容

本发明装置的目的在于提供一种基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置和方法，可以实现透明及反射物质轮廓测量的方法和装置，具有非接触、待测物质非制备、高分辨率的特点。该测量装置中采用了数字微镜的特点获得两束共轭光，经反射镜调整投射方向后透过物体或从物体反射后获得两束测量光并由CCD接收；通过计算机控制将多幅移相条纹图像传输到数字微镜，因此经数字微镜反射两幅条纹图投射到物体上，透过物体或从物体反射的条纹图像受物体轮廓的调制变化，并由CCD接受。两幅图像的处理方法上采用相移数字同轴全息技术，分别获得两个投射方向的物体轮廓分布，最后采用数据合成技术获得高分辨率的物体轮廓信息。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，由一个数字微镜、一个由激光器、准直透镜和可调光阑构成的光源照射系统、二个带CCD摄像机的图像接收系统和两个反射镜或两个半透反射镜组成，其特征在于从光源照射系统来的光束经数字微镜的光束调制、反射和分光后，经两个反射镜的反射或经两个半透半反射镜的分光后，照射待测透明物体或反射物体，其透射光或反射光，直接或再经两个半透半反射镜由图像接收系统的二个CCD摄像机接收，实现对待测物体的高分辨率轮廓测量。

上述的光源照射系统的结构是：从所述的激光器出射的扩散光束经准直透镜后变成平行光束，可调光阑控制出射光束口径，垂直入射到数字微镜；所述的数字微镜的光束调制、反射和分光是：数字微镜与一个计算机相连，在计算机的控制下对光的强度进行调制，数字微镜安装在三维调整支架上，对数字微镜反射面方向进行多自由度调整；光束垂直其表面照射，在两个对称24度方向反射两束共轭光。

上述的带二个CCD摄像机(7、8)的图像接收系统的结构是：光束垂直入射到数字微镜，在两个对称24度方向反射两束共轭光，分别经反射镜反射后，投射到待测透明物体，透射至两个CCD接收。

上述的带二个CCD摄像机的图像接收系统的结构是：光束垂直入射到数字微镜，在两个对称24度方向反射两束共轭光，分别经两个半透半反射镜反射后，投射到待测反射物体，反射到两个半透半反射镜后再透射至两个CCD接收。

上述的两个CCD摄像机连接一个计算机。

一种基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量方法，采用上述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的测量装置进行测量，其特征在于数据处理方法分两步进行：首先分别获得两个分支光路的轮廓分布，然后采用坐标转换技术将两组轮廓数据统一到一个坐标系下，获得物体的全部轮廓信息。

在上述的测量方法中，系统调整方法应保证两个坐标原点相交，同时坐标系之间只有一个转角α的旋转，没有其它坐标变化；进行参数标定，测量出该转α的大小。

本发明与其他非接触式轮廓测量方法相比较，具有如下特点：发明中利用了数字微镜的特点，在测量系统中起到反射镜、分光镜、光束调制器等多种作用，简化了系统结构，提高了测量动态性。同时在单测量方向数据处理方法上，采用了相移处理技术和数字同轴全息技术，不需要一般条纹扫描方法中的复杂坐标转换和标定。由于采用了双幅数据合成方法，提高了系统测量分辨率。

附图说明

图1是实现透明物体测量的系统原理示意图。

图2是实现反射物体测量的系统原理示意图。

图3是实现透明物体测量的系统装置示意图。

图4是实现反射物体测量的系统装置示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：本发明用于透明物体测量的一个优选实施例是：参见图1和图3，半导体激光器4发出激光光源经准直透镜3后成准直光源，投射到数字微镜1上，调整数字微镜支架，产生两束水平共轭反射光：一束经反射镜5，调整反射镜架，使得反射光束投射到透明待测物体6，透射至CCD8接收；另一束经反射镜9，调整反射镜架，使得反射光束投射到透明待测物体6，透射至CCD7接收。CCD7和CCD8同时将采集数据传输至计算机10，进行数据处理。

本发明用于反射物体测量的一个优选实施例是：参见图图2和图4，半导体激光器4发出激光光源经准直透镜3后成准直光源，投射到数字微镜1上，调整数字微镜调整支架，产生两束水平共轭反射光：一束光经分光镜11，调整反射镜架，使反射光投射到反射待测物体12，产生散射；另一束光经分光镜13，调整反射镜架，使反射光投射到反射待测物体12，产生散射。CCD7接收来自经分光镜11透射的散射物波光束。CCD8接收来自经分光镜13透射的散射物波光束。CCD7和CCD8同时将采集数据传输至计算机10，进行数据处理。

上述实施例的数据处理方法：分两步进行：首先分别获得两个分支光路的轮廓分布，然后采用坐标转换技术将两组轮廓数据统一到一个坐标系下，获得物体的全部轮廓信息。

1、单路轮廓信息测量方法：首先由条纹投射技术和相移技术获得CCD面上的轮廓信息，然后利用数字全息技术计算出原物处的物波信息。

(1)由计算机10产生四组移相条纹图像，通过数字微镜1投射到物体上，由CCD7(或8)接受物体调制的条纹图。设CCD接收到的四组条纹图分别是：

则CCD面上物波信息O₀(x₀，y₀)：

$A_O=\frac{\sqrt{[I_4(x,y)-I_2(x,y){]}^2+[I_1(x,y)-I_3(x,y){]}^2}}{4A_R}$

参考光的A_R通常为同一常数，其绝对数值不影响测量结果，因此可设为1。

(2)基于衍射原理获得原物处的物波信息b(x₀，y₀)：

$b(x_0,y_0)=\frac{1}{\mathrm{i\λ}}\∫\∫O(x,y)\frac{\exp \left\{\mathrm{ik\ρ}\right\}}{\mathrm{\ρ}}\mathrm{dxdy}$

式中， $\mathrm{\ρ}=\sqrt{d^2+{(x_0-x)}^2+{(y-y_0)}^2},$ d为CCD与物体之间的距离。

则物体的幅值信息为|b(x₀，y₀)|，轮廓分布为 $\mathrm{\Δh}(x_0,y_0)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}a\tan 2\left[b(x_0,y_0)\right].$

2、坐标统一方法

设(x₁，y₁，Φ₁)、(x₂，y₂，Φ₂)为测量作标系，设(x₁，y₁，Φ₁)为基准坐标系，将(x₂，y₂，Φ₂)统一到基准坐标系下。这个过程可以用齐次坐标变换来表示：

(x₁，y₂，Φ₁，1)＝(x₂，y₂，Φ₂，1)·T    (1)

式中T为变换矩阵，反映了两个坐标系之间的变换关系。

T＝R·P

$P=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\\ P_x& P_y& \mathrm{\Δ\Φ}& 1\end{array}\right]$

其中P_x，P_y是坐标系(x₂，y₂，Φ₂)相对于坐标系(x₁，y₁，Φ₁)沿x、y方向的变动量。ΔΦ是沿Φ方向的平移量。

$R=R_x\·R_y\·R_{\mathrm{\Φ}}$

$=\left[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}& -\sin \mathrm{\β}& 0\\ \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& 0\\ \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

式中α，β，γ分别是坐标系(x₂，y₂，Φ₂)绕(x₁，y₁，Φ₁)的转角。

则

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=x\cos \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+y(\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}-\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ})+\mathrm{\Φ}(\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\γ})+P_x+\mathrm{\Δx}\\ y_0=x\cos \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+y(\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}+\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ})+\mathrm{\Φ}(\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\γ})+P_y+\mathrm{\Δy}\\ {\mathrm{\Φ}}_0=-x\sin \mathrm{\β}+y\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+\mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+\mathrm{\Δ\Φ}\end{array}\right.$

设坐标(x₂，y₂，Φ₂)和(x₁，y₁，Φ₁)的坐标原点统一，且只有Φ₂相对Φ₁的α旋转，没有其他坐标变化，见图5，即：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1=x_2\\ y_1=y_2\cos {\mathrm{\α}}_1\\ {\mathrm{\Φ}}_1={\mathrm{\Φ}}_2\cos {\mathrm{\α}}_1\end{array}\right.$

上述实施例的系统调整方法和参数标定方法

系统调整的目的是保证两坐标系原点相交，同时坐标系之间只有α的旋转，没有其它坐标变化。参数标定的目的是测量出α的实际大小。

以图1测量透射物体的测量系统为例：

1、将激光光源口径调至近似线性光束，同时可调光阑2的口径调到最小，使光束穿过可调光阑2照射到数字微镜；

2、调整数字微镜1的位置，使反射镜面反射光的方向与入射方向一致，表示数字微镜1镜面方向法线方向与入射光束光轴方向相同，从数字微镜1产生的两束光与光轴方向的夹角均为24度；

3、如图1所示，将可调光阑2移至反射镜5和待测物体6之间，调整反射镜5，使得光束穿过光阑2，投射至待测物体6上；再将可调光阑2移至反射镜9和待测物体6之间，调整反射镜9，使得光束穿过光阑2，投射至待测物体6上。调整完毕，表示反射镜5和反射镜9的出射光束与数字微镜的两束共轭光束处于同一水平面。

4、将可调光阑2移回准直透镜3和数字微镜4之间，并调整激光光束口径，使投射光束充满照射物体及CCD。

5、计算机产生一个十字叉图形，投射到CCD上，调整两个CCD的位置使十字叉图象在两个CCD上的位置一致。

6、步骤3和步骤5的过程应该重复调整，以提高调整精度。

通过上述调整，保证了两坐标系原点相交，同时坐标系之间只有α的旋转，没有其它坐标变化。

7、完成两束光束的水平调整和CCD的位置调整后，调节激光光束口径，重新得到近似线性的光束。记录反射镜5和反射镜9的出射光束交集点的几何位置，同时记录CCD7和CCD8的几何位置，三者构成一个三角形，根据三角形正弦定理，得到反射镜5和反射镜9的夹角，即α的大小。

Claims (7)

1.一种基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，由一个数字微镜(1)、一个由激光器(4)、准直透镜(3)和可调光阑(2)构成的光源照射系统、二个带CCD摄像机(7、8)的图像接收系统和两个反射镜(5、9)或两个半透反射镜(11、13)组成，其特征在于从光源照射系统来的光束经数字微镜的光束调制、反射和分光后，经两个反射镜(5、9)的反射或经两个半透半反射镜的分光后，照射待测透明物体(16)或反射物体(12)，其透射光或反射光，直接或再经两个半透半反射镜(11、13)由图像接收系统的二个CCD摄像机(7、8)接收，实现对待测物体的高分辨率轮廓测量。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，其特征在于所述的光源照射系统的结构是：从所述的激光器(4)出射的扩散光束来经准直透镜(3)后变成平行光束，可调光阑(2)控制出射光束口径，垂直入射到数字微镜(1)；所述的数字微镜(1)的光束调制、反射和分光是：数字微镜(1)与一个计算机(10)相连，在计算机(10)的控制下对光的强度进行调制，数字微镜(1)安装在三维调整支架上，对数字微镜(1)反射面方向进行多自由度调整；光束垂直其表面照射，在两个对称24度方向反射两束共轭光。

3.根据权利要求2所述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，其特征在于所述的带二个CCD摄像机(7、8)的图像接收系统的结构是：光束垂直入射到数字微镜(1)，在两个对称24度方向反射两束共轭光，分别反射镜(5、9)反射后，投射到待测透明物体(6)，透射至两个CCD(8、7)接收。

4.根据权利要求2所述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，其特征在于所述的带二个CCD摄像机(7、8)的图像接收系统的结构是：光束垂直入射到数字微镜(1)，在两个对称24度方向反射两束共轭光，分别经两个半透半反射镜(11、13)反射后，投射到待测反射物体(12)，反射到两个半透半反射镜(13、11)后再透射至两个CCD(8、7)接收。

5.根据权利要求3或4所述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，其特征在于所述的两个摄像机CCD(8、7)连接一个计算机(10)。

6.一种基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量方法，采用根据权利要求1所述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的测量装置进行测量，其特征在于数据处理方法分两步进行：首先分别获得两个分支光路的轮廓分布，然后采用坐标转换技术将两组轮廓数据统一到一个坐标系下，获得物体的全部轮廓信息。

7.根据权利要求6所述的基于数字微镜和数据合成技术的透明物体或反射物体的形貌测量装置，其特征在于系统调整方法应保证两个坐标原点相交，同时坐标系之间只有一个转角α的旋转，没有其它坐标变化；进行参数标定，测量出该转α的大小。

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