CN104807494B - 物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置及测量方法。装置包括电荷耦合器件CCD，光学显微镜，环形光源，被测物夹持装置，精密运动平台，电机，电机驱动器，计算机和图像采集卡，计算机通过电机驱动器精确控制电机，从而控制精密运动平台在三个方向上的位移量和被测物夹持装置在两个方向上的旋转角度。方法步骤为电荷耦合器件CCD和图像采集卡采集变焦图像序列，传送至计算机进行图像处理，生成被测物的大视野二维高清图像和三维模型，从三维模型上提取表面参数。本发明对被测物进行大视场、360度全方位测量，并生成三维全景模型，测量精度高，测量速度快，自动化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种物体微观表面形貌的测量装置及方法，特别涉及一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置及测量方法。
背景技术
高精度物体微观表面形貌的测量方法分为接触式测量方法和非接触式测量方法。接触式测量方法采用接触式探针逐行扫面样本表面，虽然该方法技术成熟，精度较高，但是容易损伤被测表面。非接触测量方法可行性更高，种类丰富：激光相移干涉法、扫描白光干涉法、离焦检测法、共焦显微测量法、变焦显微测量法、扫描电子显微镜测量法，等等。其中，基于光干涉原理的测量方法和离焦检测法都具有对测量环境要求高、抗干扰能力差的缺点，共焦显微测量法具有机构复杂、测量速度慢、测量范围小的缺点，扫描电子显微镜测量法的设备结构复杂、操作复杂且测量效率低。本发明的测量原理基于变焦显微测量法，该方法的测量精度低于其他方法，纵向分辨率能达到10纳米，横向分辨率能达到0.5微米，但具有测量范围大、测量速度快、适用于测量具有大倾角被测物的优点。
中国专利CN101050949A公开了一种大视场物体微观表面三维形貌的测量系统及其测量方法，该专利基于相移干涉技术，不具有变焦显微测量法的所有优点。中国专利CN2804794Y公开了一种微观物体三维形貌光学测量装置，该专利使用普通光学显微镜记录平面图像并重构被测物表面的高度信息，实现了使用二维图像记录物体的三维信息，但该测量装置无法对被测物进行360度全方位测量，更不能在软件中生成被测物的高精度全景模型。
从科学发展和经济实用的角度都要求物体微观表面形貌的光学测量设备不仅能够对被测物进行多自由度的全方位测量，还能够快速地、精确地重现被测物的360度全方位模型并从中提取各项表面参数，便于测量人员对被测物进行高精度的快速测量。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置及测量方法，可对被测物进行大视场、360度全方位测量，通过基于图像融合技术、三维模型重构技术和三维模型拼接技术的软件算法生成高精度立体全景模型，并从中提取被测物的表面参数，提高了测量效率，提升了测量的自动化程度。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置，包括电荷耦合器件CCD，光学显微镜，环形光源，被测物夹持装置，精密运动平台，电机，电机驱动器，计算机和图像采集卡；所述电荷耦合器件CCD位于光学显微镜的上方，所述光学显微镜的物镜镜筒上设置有环形光源，在光学显微镜的下方设置有精密运动平台，精密运动平台表面设置有被测物夹持装置，用以夹持被测物；所述电荷耦合器件CCD通过图像采集卡与计算机相连，所述计算机通过电机驱动器与电机相连，所述电机与精密运动平台相连，控制精密运动平台沿参考坐标系的x、y、z方向运动。
所述被测物夹持装置包括被测物旋转模块及被测物摆动模块；所述被测物旋转模块包括被测物夹持装置外壳，轴承，被测物夹持器，卡爪，旋转电机及旋转齿轮组；两个轴承固定在被测物夹持装置外壳上，所述被测物夹持器安装在轴承上，所述旋转电机固定在被测物夹持装置外壳上，通过旋转齿轮组将动力传动给被测物夹持器，所述卡爪固定在被测物夹持器上，用以卡紧并固定被测物；所述被测物摆动模块包括摆动电机，摆动齿轮组及底部支承，所述被测物旋转模块安装在底部支承上，所述摆动电机固定在底部支承内，通过摆动齿轮组将动力传动给被测物旋转模块；所述旋转电机和摆动电机均通过电机驱动器与计算机相连。
一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量方法，包含如下步骤：
1）将被测物放置在被测物夹持装置中固定，通过计算机控制精密运动平台沿参考坐标系x方向、y方向及z方向上的位移量，并通过电机控制被测物的旋转角度，直到被测物按照合适的位置和角度出现在电荷耦合器件CCD的视场中心；
2）根据观测效果调节光学显微镜光学参数，并根据测量需要调节环形光源安装在物镜镜筒上的位置和光源亮度；
3）计算机控制精密运动平台沿参考坐标系z方向进行单方向运动，直到被测物接近光学显微镜的景深，精密运动平台停止运动，该位置作为测量的基准位置，采集第一幅图像；从第一幅图像开始，沿参考坐标系z轴单方向控制精密运动平台运动，每运动一定步距，计算机通过电荷耦合器件CCD拍摄一幅图像，直到被测物远离光学显微镜的景深，停止图像采集，即得到变焦图像序列；
4）对变焦图像序列的图像进行基于频率域的图像融合处理，生成高清的二维融合图像，如果单一视野不能包含被测物上所有待测区域，则重复第1）到3）步骤，对不同拍摄场景内的二维融合图像进行图像拼接处理，生成大尺寸的二维融合图像；
5）对变焦图像序列的图像进行三维模型重构处理，生成被测物的三维模型，如果单一视野不能包含被测物上所有待测区域，则重复第1）到3）步骤，对不同拍摄场景内的三维模型进行三维模型拼接处理，生成大尺寸的三维重构模型；
6）在三维模型上提取被测物的表面信息。
本发明与现有技术相比较，具有以下实质性特点和优点：
该测量装置具有五个自由度，其中被测物夹持装置能实现360度旋转，并可上下摆动，可对被测物进行大视场、360度全方位测量，并生成全景模型；测量精度高，不损伤被测物表面；测量范围大，显微镜单视野的测量范围是毫米级的；测量速度快，效率高，可以快速生成被测表面的三维形貌。
该测量方法适用于测量具有大倾角的被测物，尤其适合测量钻刀、螺栓等具有螺旋形大倾角的表面。生成的彩色三维模型可由测量人员在软件中进行旋转，从不同角度进行观测，同时从三维模型表面计算出各项表面参数，极大简便了测量过程，提高了自动化程度。
附图说明
图1是物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置的结构示意图。
图2是被测物旋转模块的结构示意图。
图3是被测物摆动模块的结构示意图。
图4是本发明方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的具体实施作详细说明。
如图1所示，一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置，包括电荷耦合器件CCD1，光学显微镜2，环形光源3，被测物夹持装置7，精密运动平台8，电机9，电机驱动器10，计算机11和图像采集卡12；所述电荷耦合器件CCD1位于光学显微镜2的上方，所述光学显微镜2的物镜镜筒上设置有环形光源3，在光学显微镜2的下方设置有精密运动平台8，精密运动平台8表面设置有被测物夹持装置7，用以夹持被测物4；所述电荷耦合器件CCD1通过图像采集卡12与计算机11相连，所述计算机11通过电机驱动器10与电机9相连，所述电机9与精密运动平台8相连，控制精密运动平台8沿参考坐标系的x、y、z方向运动。
如图2和图3所示，所述被测物夹持装置7包括被测物旋转模块5及被测物摆动模块6；所述被测物旋转模块5包括被测物夹持装置外壳15，轴承16，被测物夹持器17，卡爪18，旋转电机13及旋转齿轮组19；两个轴承16固定在被测物夹持装置外壳15上，所述被测物夹持器17安装在轴承16上，所述旋转电机13固定在被测物夹持装置外壳15上，通过旋转齿轮组19将动力传动给被测物夹持器17，所述卡爪18固定在被测物夹持器17上，用以卡紧并固定被测物4；所述被测物摆动模块6包括摆动电机14，摆动齿轮组21及底部支承20，所述被测物旋转模块5安装在底部支承20上，所述摆动电机14固定在底部支承20内，通过摆动齿轮组21将动力传动给被测物旋转模块5；所述旋转电机13和摆动电机14均通过电机驱动器10与计算机11相连。
如图4所示，一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量方法，包含如下步骤：
1）将被测物4放置在被测物夹持装置7中固定，通过计算机11控制精密运动平台8沿参考坐标系x方向、y方向及z方向上的位移量，并通过电机9控制被测物4的旋转角度，直到被测物4按照合适的位置和角度出现在电荷耦合器件CCD1的视场中心；
2）根据观测效果调节光学显微镜2光学参数，并根据测量需要调节环形光源3安装在物镜镜筒上的位置和光源亮度；
3）计算机11控制精密运动平台8沿参考坐标系z方向进行单方向运动，直到被测物4接近光学显微镜2的景深，精密运动平台8停止运动，该位置作为测量的基准位置，采集第一幅图像；从第一幅图像开始，沿参考坐标系z轴单方向控制精密运动平台8运动，每运动一定步距，计算机11通过电荷耦合器件CCD1拍摄一幅图像，直到被测物4远离光学显微镜2的景深，停止图像采集，即得到变焦图像序列；
4）对变焦图像序列的图像进行基于频率域的图像融合处理，生成高清的二维融合图像，如果单一视野不能包含被测物4上所有待测区域，则重复第1）到3）步骤，对不同拍摄场景内的二维融合图像进行图像拼接处理，生成大尺寸的二维融合图像；
5）对变焦图像序列的图像进行三维模型重构处理，生成被测物的三维模型，如果单一视野不能包含被测物上所有待测区域，则重复第1）到3）步骤，对不同拍摄场景内的三维模型进行三维模型拼接处理，生成大尺寸的三维重构模型；
6）在三维模型上提取被测物4的表面信息。
Claims (2)
1.一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置，其特征在于，包括电荷耦合器件CCD(1)，光学显微镜(2)，环形光源(3)，被测物夹持装置(7)，精密运动平台(8)，电机(9)，电机驱动器(10)，计算机(11)和图像采集卡(12)；所述电荷耦合器件CCD(1)位于光学显微镜(2)的上方，所述光学显微镜(2)的物镜镜筒上设置有环形光源(3)，在光学显微镜(2)的下方设置有精密运动平台(8)，精密运动平台(8)表面设置有被测物夹持装置(7)，用以夹持被测物(4)；所述电荷耦合器件CCD(1)通过图像采集卡(12)与计算机(11)相连，所述计算机(11)通过电机驱动器(10)与电机(9)相连，所述电机(9)与精密运动平台(8)相连，控制精密运动平台(8)沿参考坐标系的x、y、z方向运动；
所述被测物夹持装置(7)包括被测物旋转模块(5)及被测物摆动模块(6)；所述被测物旋转模块(5)包括被测物夹持装置外壳(15)，轴承(16)，被测物夹持器(17)，卡爪(18)，旋转电机(13)及旋转齿轮组(19)；两个轴承(16)固定在被测物夹持装置外壳(15)上，所述被测物夹持器(17)安装在轴承(16)上，所述旋转电机(13)固定在被测物夹持装置外壳(15)上，通过旋转齿轮组(19)将动力传动给被测物夹持器(17)，所述卡爪(18)固定在被测物夹持器(17)上，用以卡紧并固定被测物(4)；所述被测物摆动模块(6)包括摆动电机(14)，摆动齿轮组(21)及底部支承(20)，所述被测物旋转模块(5)安装在底部支承(20)上，所述摆动电机(14)固定在底部支承(20)内，通过摆动齿轮组(21)将动力传动给被测物旋转模块(5)；所述旋转电机(13)和摆动电机(14)均通过电机驱动器(10)与计算机(11)相连。
2.一种物体微观表面形貌的光学五自由度测量方法，采用根据权利要求1所述的物体微观表面形貌的光学五自由度测量装置来实现，其特征在于，该方法的具体步骤为：
1)将被测物(4)放置在被测物夹持装置(7)中固定，通过计算机(11)控制精密运动平台(8)沿参考坐标系x方向、y方向及z方向上的位移量，并通过电机(9)控制被测物(4)的旋转角度，直到被测物(4)按照合适的位置和角度出现在电荷耦合器件CCD(1)的视场中心；
2)根据观测效果调节光学显微镜(2)光学参数，并根据测量需要调节环形光源(3)安装在物镜镜筒上的位置和光源亮度；
3)计算机(11)控制精密运动平台(8)沿参考坐标系z方向进行单方向运动，直到被测物(4)接近光学显微镜(2)的景深，精密运动平台(8)停止运动，该位置作为测量的基准位置，采集第一幅图像；从第一幅图像开始，沿参考坐标系z轴单方向控制精密运动平台(8)运动，每运动一定步距，计算机(11)通过电荷耦合器件CCD(1)拍摄一幅图像，直到被测物(4)远离光学显微镜(2)的景深，停止图像采集，即得到变焦图像序列；
4)对变焦图像序列的图像进行基于频率域的图像融合处理，生成高清的二维融合图像，如果单一视野不能包含被测物(4)上所有待测区域，则重复第1)到3)步骤，对不同拍摄场景内的二维融合图像进行图像拼接处理，生成大尺寸的二维融合图像；
5)对变焦图像序列的图像进行三维模型重构处理，生成被测物的三维模型，如果单一视野不能包含被测物上所有待测区域，则重复第1)到3)步骤，对不同拍摄场景内的三维模型进行三维模型拼接处理，生成大尺寸的三维重构模型；
6)在三维模型上提取被测物(4)的表面信息。
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