CN101231158A

CN101231158A - 基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置

Info

Publication number: CN101231158A
Application number: CNA2008100578980A
Authority: CN
Inventors: 林家明; 何川; 沙定国; 孙若端; 赵维谦; 周桃庚; 张旭升; 陈凌峰; 张海涛; 李鹏
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2008-07-30

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置。本发明包括二维平移台、被测物体、液体变焦透镜、有限共轭物镜、聚焦镜、CCD摄像机、图像采集模块、计算机、液体变焦透镜控制器。在二维平移台上放置被测物体，经液体变焦透镜、有限共轭物镜、聚焦镜后成像在CCD摄像机的感光像面上。CCD摄像机通过图像采集模块与计算机连接；计算机通过液体变焦透镜控制器与液体变焦透镜连接。本发明将液体变焦透镜应用于微小物体三维外形尺寸的快速检测。本装置光学系统中没有机械移动部件，提高了仪器的测量速度与使用寿命。可用于机械加工、MEMS、微电子、生物医药等领域中进行快速的三维外形尺寸检测。

Description

基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，是一种实现对于微小物体三维外形尺寸进行快速检测的装置，其可用于机械加工、MEMS、微电子、生物医药等领域中进行快速的三维外形尺寸检测。

技术背景

机械加工、MEMS、微电子、生物医药等领域对于微小物体三维外形尺寸的检测要求越来越高。三维测量技术在上述领域中日益广泛的应用需求极大的推动了三维测量技术的发展，目前常用的测量方法主要有：接触式机械测量，非接触式光电测量等各种各样的测量方法，如三坐标测量机、双目测量装置、共焦干涉显微镜等。

三坐标测量机是基于坐标测量原理，即将被测物体置于坐标测量机的测量空间，逐个获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算，求出被测的几何尺寸、形状和位置。该方法采用机械接触式传感，需要有专门的测量室和测量台，对测量环境要求高，测量效率低。

双目测量装置是非接触光学测量系统，双目体视图像获取是有不同位置的两台或者一台摄像机经过移动或者旋转拍同一幅场景，获取立体图像对，经过摄像机标定、特征提取、图像匹配和三维重建等步骤得到三维图象。这是一种基于视差原理从二维图像获取三维信息的方法，该方法实现了非接触式测量，可以测量软质物体；但是该方法在获取图像时对装置和环境要求严格，在后期的图像处理当中需要的计算量也比较大。

共焦显微镜以其特有的三维层析成像能力得到了广泛的应用，共焦干涉显微镜显微镜的工作原理是，光通过一个长焦透镜后形成发散光束、进入一个短焦物镜投射到被测物表面，并反射进入短焦物镜，由分光镜反射并通过一个小孔光阑后进入光电接收器。小孔光阑的位置正好在长焦透镜的焦点上，构成共焦关系。(详见“激光干涉共焦显微镜”，邵宏伟等，计量学报2004年4月第25卷第2期)如果测量点正好位于物镜焦点上，从光电接收器可以得到最大的信号，如果测量点偏离焦点，信号迅速变小，这样就可以测出试样上哪些点正好在聚焦面上。采用这种方法，每扫完一幅图像后，在纵向对物镜做一微量高度调节，重复扫描，如此进行若干次高度调节后，通过计算机合成，就可以得到三维形貌。使用这种方法测量过程中，每扫一副图像后，都需要机械的调整物镜的位置，这就降低了测试速度和仪器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置，此检测装置光学系统中没有机械移动部件，可以实现在机械加工、MEMS、微电子、生物医药等领域中进行微小物体三维外形尺寸的快速检测装置。

本发明基本思想是利用液体变焦透镜的非机械移动快速变焦能力，通过计算机控制液体透镜驱动器驱动液体透镜按照规律变焦，进而改变整个光学成像系统的焦面，在焦面变化的过程中，通过CCD摄像机和图像采集模块采集每一帧定焦状态下对应的图像，计算机根据这一组不同的焦面定焦图像数据进行图像合成，计算出被测微小物体的三维外形尺寸；在本发明中，还使用了二维平移台带动被测物体进行二维移动，提高了仪器的测量范围。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明的基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置包括二维平移台、被测物体、液体变焦透镜、有限共轭物镜、聚焦镜、CCD摄像机、图像采集模块、计算机、液体变焦透镜控制器；所述二维平移台上放置被测物体，被测物体经液体变焦透镜、有限共轭物镜、聚焦镜后成像在CCD摄像机的感光像面上；所述CCD摄像机通过图像采集模块与计算机连接；所述计算机通过液体变焦透镜控制器与液体变焦透镜连接。

采用液体变焦透镜、计算机、液体变焦透镜控制器构成的装置，计算机通过液体变焦透镜控制器驱动液体变焦透镜，改变液体变焦透镜的焦距，实现光学系统焦面位置的数控调节。

采用CCD摄像机、图像采集模块、计算机的装置；CCD摄像机采集多幅定焦图像，计算机分别对每帧图像进行定焦运算，得出一组定焦数据，计算机将每帧图像进行数字图像处理得到三维外形重构立体图像，同时获得微小物体三维外形尺寸，实现对被测物体的检测。

采用二维平移台带动被测物体进行二维移动。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

①首次将液体变焦透镜应用于微小物体三维外形尺寸的快速检测；

②检测装置光学系统中没有机械移动部件，显著提高了仪器的测量速度与使用寿命。

③利用液体变焦透镜改变焦面位置，CCD摄像机采集一组对应的定焦图像，计算机根据这一组定焦图像数据计算被测微小物体的三维外形尺寸。

④利用二维平移台带动被测物体进行二维移动，提高了仪器的测量范围。

附图说明

图1为基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置的结构示意图；

图2为基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置的物方变焦示意图；

图中：1-二维平移台、2-被测物体、3-液体变焦透镜、4-有限共轭物镜、5-聚焦镜、6-CCD摄像机、7-图像采集模块、8-计算机、9-液体变焦透镜控制器、10-焦面a、11-焦面b、12-焦面c、13-焦面d。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

本发明的装置如图1所示，该装置包括二维平移台1、被测物体2、液体变焦透镜3、有限共轭物镜4、聚焦镜5、CCD摄像机6、图像采集模块7、计算机8、液体变焦透镜控制器9；二维平移台上放置被测物体2，被测物体2经液体变焦透镜3、有限共轭物镜4、聚焦镜5后成像在CCD摄像机6的感光像面上；CCD摄像机6通过图像采集模块7与计算机8连接；计算机8通过液体变焦透镜控制器9与液体变焦透镜3连接。

采用液体变焦透镜3、计算机8、液体变焦透镜控制器9构成的装置；计算机8通过液体变焦透镜控制器9驱动液体变焦透镜3，改变液体变焦透镜3的焦距，实现光学系统焦面位置10、11、12、13的数控调节见图2所示。

采用CCD摄像机6、图像采集模块7、计算机8的装置；CCD摄像机6采集多幅定焦图像，计算机8分别对每帧图像进行定焦运算，得出一组定焦数据，计算机8将每帧图像进行数字图像处理得到三维外形重构立体图像，同时获得微小物体三维外形尺寸，实现对被测物体2的检测。

采用二维平移台1带动被测物体2进行二维移动。

液体变焦透镜控制器与液体变焦透镜的电极相连控制着液体透镜内部两种液体间的曲率半径的变化，实现变焦。整个系统是一个以计算机为核心控制部件，控制CCD摄像机采集液体变焦透镜在变焦过程中对微小物体不同层面定焦的图像，并将图像实时依次存入计算机并进行数字图像处理，实现对微小物体三维外形尺寸的快速检测装置。

液体变焦透镜是一种基于电湿效应的双液体透镜，通过调节外加电压改变透镜腔体内两种液体间界面曲率从而改变透镜的焦距.制作较为简单，该种透镜响应速度快，变焦时连续性好、体积小、重量轻、功耗低，透镜的抗震性很好，变焦过程无机械移动。本发明实例中正是通过液体变焦透镜驱动器改变加在液体透镜两极上的电压来快速改变液体透镜的焦距的。

本发明中的定焦是通过计算机对CCD传感器像面全区域上抽样点的灰度求和通过比较焦前焦后相邻两个像面在不同焦面位置上图像灰度值的频谱变换实现，微小物体三维重构的实现是在定焦的基础上通过图像的重构、拼接和融合技术实现的。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何外在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置，其特征在于：该装置包括二维平移台(1)、被测物体(2)、液体变焦透镜(3)、有限共轭物镜(4)、聚焦镜(5)、CCD摄像机(6)、图像采集模块(7)、计算机(8)、液体变焦透镜控制器(9)；所述二维平移台上放置被测物体(2)，被测物体(2)经液体变焦透镜(3)、有限共轭物镜(4)、聚焦镜(5)后成像在CCD摄像机(6)的感光像面上；所述CCD摄像机(6)通过图像采集模块(7)与计算机(8)连接；所述计算机(8)通过液体变焦透镜控制器(9)与液体变焦透镜(3)连接。

2.根据权利1所述的基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置，其特征在于：采用液体变焦透镜(3)、计算机(8)、液体变焦透镜控制器(9)构成的装置；计算机(8)通过液体变焦透镜控制器(9)驱动液体变焦透镜(3)，改变液体变焦透镜(3)的焦距，实现光学系统焦面位置10、11、12、13的数控调节。

3.根据权利1所述的基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置，其特征在于：采用CCD摄像机(6)、图像采集模块(7)、计算机(8)的装置；CCD摄像机(6)采集多幅定焦图像，计算机(8)分别对每帧图像进行定焦运算，得出一组定焦数据，计算机(8)将每帧图像进行数字图像处理得到三维外形重构立体图像，同时获得微小物体三维外形尺寸，实现对被测物体(2)的检测。

4.根据权利1所述的基于液体变焦透镜的微小物体三维外形尺寸的快速检测装置，其特征在于：采用二维平移台(1)带动被测物体(2)进行二维移动。