CN101893766B - 一种变入射光角度实现相移的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种变入射光角度实现相移的方法及其装置，应用在相移阴影云纹法中。其中，实现相移的方法为：标定得到栅线在载物平台上的投影移动单位距离所需的光线转角θ；安置高度及栅距合适的光栅于待测物体上方；根据实际栅距p，改变光线入射角dα＝pθ/(n+1)；每次都记录云纹图，共得到n+1幅经过相移的云纹图像。实现相移的装置，通过设定载物平台与振幅型光栅的距离及选择合适的栅距，根据标定所得值改变光线入射角，记录云纹图。本发明中入射光采用平行光，使得物体上各点的形貌信息处理不再因点而异，简化处理，通过入射光角度微改变实现相移的方式，可以保证采集各幅云纹图像的灰度值一致，避免额外的误差因素。

Description

一种变入射光角度实现相移的方法及其装置

技术领域

本发明涉及光电检测领域，具体涉及光学干涉、三维形貌测试、数字图像处理、机电控制等技术。

背景技术

阴影云纹法自1970年由Takasaki首次提出以来，已经有了广泛的应用，特别是在电子封装可靠性评价方面，该方法一般用来测试印刷电路板(PCB)在热环境条件下的翘曲变形。但该方法的分辨率受限于振幅型光栅的栅距，实用上一般不超过50微米，而且从云纹图中提取物体的形貌信息较为繁杂，翘曲方向的判断也较为困难。最近20年来光测领域出现的位相检测法为上述问题的解决提供了较好的手段，该方法不但可以大幅度提高阴影云纹法的测试分辨率，还可以提高物体形貌信息提取的自动化程度，降低图像处理的难度。

位相检测方法的一般原理如下：

初时云纹图的光场分布可以表示为：I₀＝a(x，y)+b(x，y)sinΔ(x，y)，

其中，Δ(x，y)被称为初始云纹图I₀的位相，它包含着物体的高度分布(三维形貌)信息，a(x，y)为背景光强，b(x，y)为各点处的光强变化幅度，x、y分别为云纹图像上的像素位置。位相检测法出现以前，云纹条纹图的处理重点在于条纹中心线的提取和利用，对云纹图位相的识别只限于2π整数倍。而位相检测法的核心在于在将

的分布完全确定，从而提高了测试分辨率和自动化处理程度。为此，需要将初始云纹图各点的位相改变相同的量即进行相移，相移n次，其中n≥2，每次相移2π/(n+1)，这样就得到了n+1幅云纹图，以n＝3为例，可得式(1)

(1)

通过上述四个方程，可以解出初始云纹图的位相分布：

传统上，在阴影云纹法中实现相移的方法有两个：一是将光栅沿垂直于栅线的方向平移，如图2中，左右移动光栅，每平移一个栅距，相移2π；另一是将光栅相对上下移动，即沿着试件高度方向上下改变光栅与待测物的距离，如图2所示，在平行光入射角α为45°情况下，光栅与待测物之间每上下移动一个栅距p，也可以实现相移2π。这两种方法在常温测试条件下，依靠精密机电设备完全可以实现，但对处于高温环境下的待测物体，如印刷电路板来说，这两种相移方法就不太可行。主要是因为阴影云纹法要求光栅不能距待测物体太远，相应的控制光栅运动的机电元件难免受到高温的影响，甚至损坏，控制精度也难以保证。这种情况下需要新的相移方法。

公开号为1206845的中国专利申请，于1999年2月3日公开了一种变光源阴影莫尔测量方法及其装置，在该文献中提出了采用多个点光源、从多个方向照射光栅的相移方法，该方法虽然可以解决上述高温测试遇到的问题，但主要存在以下几个缺点：

(1)点光源产生的非平行入射光使得物体上各点的形貌信息与光线在该点的入射角有关，信息提取较为困难；

(2)各点光源的强度可能不统一，容易造成较大的位相计算误差。

(3)装置稍显复杂，实现自动控制或操作较为困难。

发明内容

本发明提出了一种变入射光角度实现相移的方法及其装置。它能有效克服上述在阴影云纹法中实现相移方法的缺点，尤其适合于高温环境下物体的三维形貌测试，而且信息处理简单，硬件控制容易。

本发明的一种变入射光角度实现相移的方法，包括以下步骤：

步骤一、标定，获得栅线在载物平台上的阴影每移动单位距离所需的入射光角度改变量θ；

步骤二、选栅与置栅，根据待测物的最大高度，选择测试光栅的栅距及其置放高度；

选择测试光栅的栅距p，取p＝Z_max/5～Z_max/3，其中，Z_max代表试件的最大高度；

将测试光栅置于距载物平台Z₀≥8Z_max处，其中，Z₀代表光栅于载物平台之间的距离；

步骤三、采集初始图，将α＝45°时的初始云纹图I₀用像机记录，并数字化存储；

步骤四、实施相移，改变平行光线入射角n次，得到n幅经过相移的云纹图I₁～I_n，其中，n≥2，用像机记录云纹图I₁～I_n，并数字化存储；其中，每次将平行入射光的角度改变dα＝pθ/(n+1)，其中，dα代表平行入射光角度每次的改变量，p为测试光栅的栅距，θ为步骤一中标定所得值。

本发明的一种变入射光角度实现相移的装置，主要由点光源、准直透镜、光线入射角改变装置、振幅型光栅、光栅支撑架以及载物平台组成；准直透镜将点光源发散的光线变为平行光；光线入射角改变装置改变平行光入射角度；振幅型光栅平放与光栅支撑架上，载物平台用与放置待测物；CCD像机与PC机连接，用于记录云纹图。

所述载物平台与振幅型光栅平面平行。

所述CCD像机的光轴与入射光的中心光线处于同一平面，而且该平面与光栅平面垂直；CCD像机的光轴与平行入射光线之间有一定的夹角，初始夹角为45°。

所述振幅型光栅与距载物平台距离大于等于8Z_max，振幅型光栅的栅距取Z_max/5～Z_max/3，其中，Z_max代表待测物的最大高度。

所述光线入射角改变装置精确改变入射角的角度，每次改变的角度dα＝pθ/(n+1)，其中，p为振幅型光栅的栅距，θ为栅线在载物平台上的阴影每移动单位距离所需的入射光角度改变量的标定值，n≥2。

所述标定值θ通过以下标定方式来确定：取一标定特制光栅，栅距为栅距p₀，将平行入射光以α＝45°照射在特制光栅上，各栅线及其在载物平台上的投影清晰地成像于像机靶面和计算机屏幕上，通过光线入射角改变装置改变光的入射角，并通过屏幕实时观察某个栅线投影的移动，当其移动至先前相邻栅线的投影位置上时，记录光入射角的改变值dβ，由于dβ角一般较小，利用近似的线性关系，得到光栅线在载物平台上移动单位距离所需的入射光转角改变量θ＝dβ/p₀。

本发明的优点与积极效果在于：

1、入射光采用平行光，各点处的光线入射角相同，使得物体上各点的形貌信息处理不再因点而异，简化处理。

2、通过入射光角度微改变实现相移的方式，可以保证采集各幅云纹图像的灰度值一致，避免额外的误差因素。

3、实现相移的硬件操作简便，控制容易。

附图说明

图1为应用本发明的方法和装置的示意图；图2为阴影云纹法中传统的相移方法；

图3a为本发明实施例的相移方法的示意图；

图3b为本发明实施例的相移方法的局部细节；

图4a为本发明所述相移方法的标定过程及操作示意图-标定前的光路；

图4b为本发明所述相移方法的标定过程及操作示意图-标定后的光路；

图5为本发明的变入射光角度实现相移的方法步骤流程图；

图6为本发明的变入射光角度实现相移的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和四步相移法实例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种变入射光角度实现相移的方法，如图5所示，具体包括如下步骤：

步骤一、标定，获得栅线在载物平台上的阴影每移动单位距离所需的入射光角改变量θ。

取一标定特制光栅，将平行入射光以α＝45°照射在特制光栅上，各栅线及其在载物平台上的投影清晰地成像于像机靶面和计算机屏幕上，如图4a所示。通过机械装置或步进电机改变光的入射角，并通过屏幕实时观察某个栅线投影的移动，当其移动至先前相邻栅线的投影位置上时，如图4b所示，栅线2的新阴影像位置移至栅线1的旧阴影像位置，记录光入射角的改变值dβ，由于dβ角一般较小，利用近似的线性关系，得到光栅线在载物平台上移动单位距离所需的入射光转角改变量θ＝dβ/p₀，其中p₀为所用特征光栅的栅距。标定之后恢复入射角至α＝45°进行实测。

所述特制光栅是指在平行入射光以α＝45°照射该光栅上时，各栅线及其在载物平台上的投影能够清晰成像，例如选取光栅的栅距p₀为5mm且栅线只有两条。

步骤二、选栅与置栅，根据待测物的最大高度，选择光栅的栅距及其置放高度。根据试件的最大高度Z_max，选择测试光栅的栅距p，一般可取p＝Z_max/5～Z_max/3，常用栅距的范围为0.05～2.0mm。将选好的测试光栅置于距载物平台距离Z₀≥8Z_max处。

步骤三、采集初始图，将α＝45°时的初始云纹图I₀用像机记录，并数字化存储。

步骤四、实施相移，改变平行光线入射角n次，得到n幅经过相移的云纹图I₁～I_n，其中n≥2。

本实施例以四步相移法为例，共改变平行光线入射角3次。

通过精密机电装置，每次将平行光线入射角改变dα＝pθ/4，用像机记录每次经过相移的云纹图I₁，I₂，I₃。其中，dα为每次改变的平行光线的入射角度，p为步骤二中所选择的测试光栅的栅距，θ为步骤一中所得的标定值。

经步骤四后共得到4幅云纹图像I₀，I₁，I₂，I₃。每幅图像较前一幅有π/2的相移。

利用上述4幅云纹图像，根据传统的位相求解和解包裹算法，最终求出原云纹图像I₀的位相分布，从而实现三维形貌的测试。

下面再进一步说明本发明提出的方法的理论依据和误差。图3a所示是将入射光角度α改变一定量dα、实现相移2π前后的光线位置图。其中，载物平台与光栅之间距离为Z₀，由于标定是基于载物平台的，因此该相移对载物平台来讲是精确的，然而对具有高度的待测物体来讲具有误差，这是因为每一光线在转动之后不能精确落在转动前水平相隔一个栅距的光线的入射点上。以图3b为例，它是待测物体上最高点A附近的局部放大图。光线u转动前照射在载物平台上的B点，待测物体置于载物平台后，光线u照在待测物体的A点。光线v′为原先与光线u平行，相距为栅距p的光线，入射角改变dα后，光线v′本可以照在B点，但实际照射在待测物体的C点，显然A点与C点不重合。对于待测物体，在其高度值Z越大处，相移误差愈大，表现为AC间距对应的水平间距AD越大。

下面具体说明物体上最高点A处的测试误差。若该处的目标相移量为2π，则实际相移误差Δ_2π可以计算如下：

${\mathrm{\Δ}}_{2\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{AD}}{p}2\mathrm{\π}=\frac{z_{\max }}{z_0}2\mathrm{\π}---\left(3\right)$

以四步相移法为例，每步实际相移误差为Δ＝Δ_2π/4，其中，p为测试光栅的栅距，Z0是光栅距载物平台的距离，Z_max为物体的最大高度。那么，四幅云纹图像上该点的实际灰度值为

(4)

若按式(2)进行位相求解，那么实际求得的该点的位相

为：

因此，该点相位的系统误差为

若以物体上最高点，如图3b上的A点的相移绝对误差Δ_2π＝π/4为容忍极限，则相应的式(6)中的Δ的容忍极限为11°，取Δ＝11°，

遍历[-π，π]，经验证，

只要该点的高度Z_max＞p，可以确定，该点的位相或者说高度测试的相对误差就小于22/360×100％＝6.1％，以印刷电路板高温条件下的翘曲测试为例：若取测试光栅的栅距p＝0.5mm，Z₀＝16p＝8mm，根据式(3)可知，当电路板的翘曲变形量Z_max＜＝Z₀/8＝1mm时，可以保证本方法的测试误差不高于6.1％。若取p＝1.0mm，Z₀＝16p＝16mm，则Z_max可取2mm而保持测试误差不变。这在实际测试中是完全可行的。

本发明的一种变入射光角度实现相移的装置，如图6所示，该装置包括点光源1、准直透镜2、光线入射角改变装置3、振幅型光栅4、光栅支撑架5以及载物平台6，此外，应用在相移阴影云纹法中，还需要记录云纹图的CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)像机7与PC机8。

光线入射角改变装置3为由步进电机或精密机械机构控制的反光镜，用于精确改变光线的入射方向。

振幅型光栅4平置与光栅支撑架5之上，载物平台6与振幅型光栅4的平面平行，待测物体置于载物平台6上。振幅型光栅4的栅距取Z_max/5～Z_max/3，载物平台6与振幅型光栅4之间相隔距离Z₀大于等于8Z_max处，Z_max代表待测物体的最大高度。

CCD像机7与PC机8连接，用于记录云纹图。

CCD像机7的光轴与入射光的中心光线处于同一平面，而且该平面与光栅平面垂直。CCD像机的光轴与平行入射光线之间初始夹角为45°。

光线入射角改变装置3由步进电机或精密机械机构控制精确改变平行光线入射角的角度。改变角度dα＝pθ/(n+1)，其中，p为振幅型光栅4的栅距，θ为栅线在载物平台上的阴影每移动单位距离所需的入射光角改变量的标定值，n≥2。

所述的标定值θ通过以下方式来确定：如图4a和图4b所示，取一标定特制光栅，栅距为栅距p₀，将平行入射光以α＝45°照射在特制光栅上，各栅线及其在载物平台上的投影清晰地成像于像机靶面和计算机屏幕上，通过光线入射角改变装置改变光的入射角，并通过屏幕实时观察某个栅线投影的移动，当其移动至先前相邻栅线的投影位置上时，记录光入射角的改变值dβ，利用近似的线性关系，得到光栅线在载物平台上移动单位距离所需的入射光转角改变量θ＝dβ/p₀。

所述特制光栅是指在平行入射光以α＝45°照射该光栅上时，各栅线及其在载物平台上的投影能够清晰成像。例如选取特制光栅的栅距p₀为5mm且栅线只有两条。

如图1所示，光源1发出的光线经过准直透镜2后变为平行光线，平行光线经反光镜反射后经振幅型光栅4射向待测物体，CCD像机7记录下此时云纹图，在PC机8中数字化存储。其中，振幅型光栅4与载物平台6的距离为Z₀。

在光线入射角改变装置3改变一次平行光线入射角之后，CCD像机7与PC机8将此时云纹图记录下来。

最后经过n次改变之后，一共得到n+1幅云纹图，根据传统的位相求解和解包裹算法，最终求出初始云纹图像的位相分布，从而实现三维形貌的测试。

Claims (5)

1.一种变入射光角度实现相移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、标定，获得栅线在载物平台上的阴影每移动单位距离所需的入射光角度改变量θ，具体方法为：取一标定特制光栅，栅距为p₀，将平行入射光以α＝45°照射在特制光栅上，通过机械装置或步进电机控制反光镜改变光的入射角，当某个栅线的投影移动至先前相邻栅线的投影位置上时，记录光入射角的改变值dβ，利用近似的线性关系，得到光栅线在载物平台上移动单位距离所需的入射光转角改变量θ＝dβ/p₀；

步骤二、选栅与置栅，根据待测物的最大高度，选择测试光栅的栅距及其置放高度；

选择测试光栅的栅距p，取p＝Z_max/5～Z_max/3，其中，Z_max代表待测物的最大高度；

将测试光栅置于距载物平台Z₀≥8Z_max处，其中，Z₀代表光栅于载物平台之间的距离；

步骤三、采集初始图，将平行光线入射角α＝45°时的初始云纹图I₀用像机记录，并数字化存储；

步骤四、实施相移，改变平行光线入射角n次，得到n幅经过相移的云纹图I₁～I_n，其中，n≥2，用像机记录云纹图I₁～I_n，并数字化存储；

每次将平行入射光的角度改变dα＝pθ/(n+1)，dα代表每次平行入射光角度的改变量，p为测试光栅的栅距，θ为步骤一中所标定的值。

2.根据权利要求1所述的一种变入射光角度实现相移的方法，其特征在于，所述特制光栅是指在平行入射光以α＝45°照射该光栅上时，各栅线及其在载物平台上的投影能够清晰成像。

3.一种变入射光角度实现相移的装置，包括点光源、准直透镜、光线入射角改变装置、振幅型光栅、光栅支撑架以及载物平台；准直透镜将点光源发散的光线变为平行光；光线入射角改变装置为由步进电机或精密机械机构控制的反光镜；振幅型光栅平放于光栅支撑架上，载物平台用于放置待测物；此外，CCD像机与PC机连接，用于记录云纹图，其特征在于，所述载物平台与振幅型光栅平面平行；

CCD像机的光轴与入射光的中心光线处于同一平面，而且该平面与振幅型光栅平面垂直；CCD像机的光轴与平行入射光线之间初始夹角为45°；

所述振幅型光栅与距载物平台距离大于或等于8Z_max，振幅型光栅的栅距取Z_max/5～Z_max/3，其中，Z_max代表待测物的最大高度；

所述光线入射角改变装置精确改变平行入射角的角度，每次改变的角度dα＝pθ/(n+1)，其中，n≥2，p为振幅型光栅的栅距，θ为栅线在载物平台上的阴影每移动单位距离所需的入射光角度改变量的标定值，具体标定值θ的确定方法为：将平行入射光以α＝45°照射在特制光栅上，通过光线入射角改变装置改变光的入射角，并通过屏幕实时观察某个栅线投影的移动，当其移动至先前相邻栅线的投影位置上时，光入射角的改变值为dβ，由θ＝dβ/p₀得到θ，其中，特制光栅的栅距为p₀。

4.根据权利要求3所述的一种变入射光角度实现相移的装置，其特征在于，所述特制光栅，指在平行入射光以α＝45°照射该光栅上时，各栅线及其在载物平台上的投影能够清晰成像。

5.根据权利要求3所述的一种变入射光角度实现相移的装置，其特征在于，所述特制光栅的栅距选取p₀为5mm，且栅线有两条。

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