CN106123807B - 一种产品3d检测系统及相应检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种产品3D检测系统及相应检测方法。本发明的检测系统包括投影系统、采集系统和控制系统。本发明的方法利用空间调制的偏振光对被检产品进行照射并基于所采集的图像进行产品3D信息的检测。本发明的投影系统能够提供高速、精准的相移，其选用反射式空间光调制器，能够存储多幅图像，实现高速切换，对于不同高度目标物的测量，可以投影不同周期的条纹光。在光路中，空间光调制器倾斜放置，满足该空间光反射器、物镜平面与投影物面交汇于一点，能够在倾斜面上清晰投影。因此，本发明的系统3D重建精度远高于现有技术，能够实现更精确的3D检测。

Description

一种产品3D检测系统及相应检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，具体涉及一种对目标检测物形状进行三维检测的系统，该三维检测系统包括投影系统、采集系统和控制系统，该三维检测系统基于相移法进行三维检测。

背景技术

在机器视觉领域，传统的二维检测只能解决平面性质的缺陷检测。而对于各种复杂的精密零部件的轮廓和表面形状尺寸、角度及位置，二维检测已经远远不能满足这样全自动微观检测与质量控制的需求。光学方法的三维检测，具有非接触性、高准确度与高分辨率的特点，在多媒体技术、机器视觉等领域得到了日益广泛的应用。

比如锡膏印刷的检测，除了二维面积、位置缺陷外，还包括三维高度、体积、形状缺陷。锡膏印刷的检测作为电子产品表面贴装技术工艺流程的重要环节，传统检测方法速度慢、可靠性差，而电子产品80％的缺陷都是由于锡膏的印刷质量引起的。因此对锡膏印刷质量的快速、实时、准确的自动检测成为提高电子制造业水平和电子产品质量的重要技术。

目前，锡膏的三维检测方法主要采用激光三角测量法和相位测量轮廓术。激光三角测量法主要是利用激光发射器投影激光线，锡膏对激光线产生调制，根据这一调制变化测出锡膏高度。相移法是在目标物面投影有一定相位差的正余弦光栅，通过获得的多幅相位图计算相位，在通过相应的相位-高度映射算法，获得目标物的三维信息。相较之下，相移测量法精度高，效率快，多被用于高端在线的3D-SPI检测中。而相移法的关键技术在于保证精准的相移和正确的相位展开。

由此可见，在相移法的3D检测中，起到关键性的作用的器件在于投影系统。设计一种能够实现高速、精准相移的投影系统，对实现最终三维检测的精确度至关重要。结合精准的采集系统和控制系统，才能实现高速控制并获得高质量的图片，在实现3D重建的过程中，相关解包裹等算法的选择，也决定了最后的3D重建的精确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产品3D检测系统及相应检测方法。

具体而言，一方面，本发明提供一种产品3D检测系统，其特征在于，所述产品3D检测系统包括：投影系统、采集系统和控制系统，其中所述投影系统包括照明光源、匀光装置、起偏器、偏振分束器、空间光调制器和投影物镜。

所述照明光源对向所述匀光装置并发出照明光束；

所述匀光装置接收所述照明光源发出的光束并对其进行匀化；

所述起偏器设置在所述匀光装置前方，透射输出偏振方向为第一方向的偏振光；

所述偏振分束器倾斜设置于所述起偏器前方并且所述偏振分束器的偏振方向与所述起偏器平行，进而透射偏振方向为第一方向的偏振光；

所述空间光调制器位于偏振分束器前方并且能够在所述控制系统的控制下对入射于其上的偏振光进行空间调制，并将经调制的光束经由所述偏振分束器反射至所述投影物镜，其中，经所述空间光调制器所调制的光束中包含偏振方向与所述第一方向垂直的偏振光；

所述投影物镜将经调制的偏振光投射在被检产品上；

所述采集系统对经照射的所述被检产品进行图像采集；

所述控制系统基于所述采集系统采集的图像进行产品检测。

进一步地，所述空间光调制器是反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器与所述偏振分束器成预定夹角，以使得所述反射式空间光调制器关于所述偏振分束器的镜像所在平面与所述投影物镜所在平面以及所述被检产品所在物平面相交于一点。

进一步地，所述偏振分束器与经过所述匀光装置匀化后的入射光夹角在35°到55°之间。

进一步地，所述控制系统包括：光源控制器、图像采集电路、调制器控制电路、触发信号发生器和同步信号发生器。

进一步地，所述空间光调制器将光束调制成条纹光。

进一步地，所述匀光装置前方还设置透镜，用以对匀光装置的出射光进行准直。

进一步地，所述起偏器为线偏振膜；所述偏振分束器为偏振平板分光器、偏振分光棱镜、线栅式偏振分束器或者双折射晶体。

另一方面，本发明提供一种用于3D检测的方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤S1、生成沿第一方向的线偏振光；

步骤S2、利用空间光调制器对所述线偏振光进行空间调制；

步骤S3、将经空间调制的偏振光投影到被检产品的物面；

步骤S4、采集所述被检产品的物面上的光场，并提取相位场的分布；

步骤S5、对步骤S4获得的相位场分布进行解包裹，获得包含物体高度信息的相位信息；

步骤S6，提取参考平面的相位场，并差分得到被检产品的物面与参考平面的相位差；

步骤S7，选取标准高度物体进行测试，获得相位差-高度转换关系，进而基于当前被检产品的物面与参考平面的相位差获得被检物面的高度分布；

步骤S8、将所获得的高度分布与标准产品的高度分布进行比较。

进一步地，所述方法还包括：改变所述空间光调制器输出的偏振光，获取多幅被检产品物面的图像，相邻两幅图之间相隔预定相位差，基于所获得的多幅图像计算图像上每点处的相位。

进一步地，在所述步骤S5中对获得的相位场分布解包裹相位的过程包括以下步骤：

步骤S501，获得相位场分布中的不连续残差点；

步骤S502，连接邻近残差点对或多个残差点形成的枝切线；

步骤S503，对于不经过枝切线的相位场通过flood-fill算法解包裹，再展开枝切线上的相位。在一种优选实现方式中，所述空间光调制器将线偏振光调制成正弦或余弦条纹光。这里的正弦或余弦条纹光指的是光强呈正、余弦分布。

在另一种优选实现方式中，所述匀光装置前方还设置透镜，用以对匀光装置的出射光进行准直，以减小匀光装置引起的扩散角，提高光束的平行性。

在另一种优选实现方式中，所述偏振分束器采用金属线栅。

本发明检测系统中的投影系统是基于相移法的投影系统。该投影系统不仅能够实现高速切换不同周期、含有一定相位差的正余弦光栅，还能用于投影其他用于校准的任意图案。本发明提出的检测方法能够提高在相位场分布解包裹过程的准确性，提高重建的精度。

本发明的优点是：

通过匀光装置，可以提高照明装置的光利用率和光均匀度；通过在匀光装置与准直透镜之间添加反射镜，可以减小光路长度，缩小整体光路结构的体积。本发明选用反射式空间光调制器，在控制系统中，能够存储多幅图像，实现高速切换，对于不同高度目标物的测量，可以投影不同周期的正余弦条纹光。在目标物投影的正余弦条纹需要有固定的相位差，该反射式空间光调制器对相移的实现是靠空间光调制器上调制图案的像素移动来完成，没有误差。相比传统的机械式移动，精准度更高。该反射式空间光调制器能够实现0-255完整灰阶的显示，提高三维高度重建的精度。在光路中，该空间光调制器倾斜放置，满足该空间光反射器、物镜平面与投影物面交汇于一点，能够实现在倾斜面上清晰投影。控制系统使得投影系统与采集系统能够高速配合，满足很多在线3D检测的高速需求。在检测方法上，选用本发明实施例中所述的方法进行解相位包裹，提高了相位求取的速度和精度，提高最后3D重建的精度。

附图说明

图1是简化的本发明的3D产品检测系统的示意图。

图2是本发明的3D检测系统中的投影装置的组成示意图。

图3是反射式空间光调制器的镜像与投影镜面以及物面的关系说明。

具体实施方式

实施例1

整个检测系统如图1所示，其包括投影系统100、采集系统90和控制系统，控制系统可以集成在采集系统内。投影系统100将条纹光投射到被测物面上，采集系统90对包含有条纹光的目标物面进行图像采集。当在有一定高度信息的目标物面101投影有一定相位差的正余弦条纹光，获得的多幅含有条纹光的目标物面的图像，采集系统的相机连接电脑对获得的图像进行处理，就能够最终获得目标物面的三维信息。

在本实施例中，如图2所示，用于3D检测的投影系统包括：LED灯珠10、匀光装置20、偏振分束器30、反射式空间光调制器40、物镜50。

LED灯珠10、匀光装置20、偏振分束器30和反射式空间光调制器40顺序排列。LED灯珠10发出的光束经均光装置20匀化后入射至起偏器20。匀光装置20可以是复眼透镜形式的，或者是匀光管，或者是透镜组形式的。在实际设计中，该LED灯珠10选用白色的，可以适应不同颜色的目标物体。

起偏器20的偏振方向与偏振分束器30的透射光偏振方向平行。在本实施例中，二者的偏振方向均沿垂直(或称竖直)方向。起偏器20仅透射垂直偏振光，在本实施例中起偏器20为线偏振膜。偏振分束器30透射来自起偏器的偏振光并反射偏振方向为其他方向的光。偏振分束器30可以是偏振平板分光器、偏振分光棱镜、线栅式偏振分束器，也可以是晶体镀膜形式的。所述偏振分束器的入射光角度在35°到55°之间。选择该角度可以让反射型空间光调制器出射的影像倾斜入射也能在水平面内的清晰成像，会对成像质量带来质的提升。该偏振分束器30可以是片状的，也可以是块状的，但要满足一定的角度。

经偏振分束器30透射的垂直偏振光随后照射在反射式空间光调制器40上。反射式空间光调制器40对该偏振光进行空间调制，空间光调制器的角度可以是垂直于入射光轴方向，或者与垂直入射光轴方向有一定角度。

反射式空间光调制器40能够在控制系统的控制下形成各种调制图案。在本实施例中，形成垂直的黑白灰相间的条纹，进而能够将部分垂直偏振光调制成条纹状分布的水平偏振光，而其余部分则不改变光的偏振方向，这样经空间光调制器反射的偏振光中则既包含了垂直偏振光又包含水平偏振光，经调制的光束经偏振分束器30分束，垂直偏振光透射出去，而水平偏振光被反射至投影物镜。经偏振分束器反射的光由投影物镜放大或者缩小投影到被测物面上。

照射在被检产品上的调制光会由于被检产品自身的凹凸而改变其相位分布。然后利用采集系统对被检产品上的图像进行采集，该采集系统要能够分辨出反射光的相位信息。本实施例中，采集系统包括相机和远心镜头。

然后，控制系统基于采集系统所采集的图像信息对被检产品进行分析检测。控制系统包括LED控制电路、触发信号板卡、相机采集板卡、空间光调制器控制板卡和同步信号电路。同步信号电路用于对LED控制电路与空间光调制器电路进行时序同步，触发信号板卡发送触发信号给LED和相机，进而协调发光和图像采集。

对于每一个产品，本发明的检测系统调节空间光调制器的调制相位，采集4幅图像，每幅图像之间相差π/2的相位。

下面详细介绍利用本发明的检测系统进行3D检测的检测方法。

该方法分为以下步骤：

步骤S1、生成沿第一方向的线偏振光；

步骤S2、利用空间光调制器对所述线偏振光进行空间调制；

步骤S3、将经空间调制的偏振光投影到被检产品的物面；

步骤S4、采集所述被检产品的物面上的光场，并提取相位场的分布；

步骤S5、对步骤S4获得的相位场分布进行解包裹，获得包含物体高度信息的相位信息；

步骤S6，提取参考平面的相位场，并差分得到被检产品的物面与参考平面的相位差；

步骤S7，选取标准高度物体进行测试，获得相位差-高度转换关系，进而基于当前被检产品的物面与参考平面(事先标定的)的相位差获得被检物面的高度。

检测过程中，改变所述空间光调制器输出的偏振光的图案，获取四幅被检产品物面的图像，各个图像在(x,y)点处的光强度分别表示为：

其中I_i(x,y)(i＝1,2,3,4)表示第i幅相移图上(x,y)点处的灰度值，I_B(x,y)为结构光图的背景值，I_R(x,y)为调制强度函数，θ(x,y)为待求相位，

通过方程(1)计算出图像上每一点(x,y)处的相位：

其中，在步骤S5中解包裹的步骤包括：

步骤S501，获得相位场分布中的不连续残差点。残差点判断方法为：

非残差点：残差点：或-1。这样生成值为1，-1或0的残差。

步骤S502，生成枝切线。连接极性达到平衡的最邻近的残差点对或多个残差点，所形成的连接线就是枝切线。

步骤S503，对于不经过枝切线的相位场通过flood-fill算法解包裹，再展开枝切线上的相位。

由式(2)反正切求得的相位总是在[-π,π]之间的包裹相位。

如图3所示，在本实施例中，采用了一种优选的投影方式，即空间光调制器40关于偏振分束器30的镜像60所在平面与投影物镜50的物镜平面以及被检产品所在的物面80相交于一点。采用这种投影方式，在倾斜投影时，在目标投影平面上都能够实现清晰投影。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种产品3D检测系统，其特征在于，所述产品3D检测系统包括：投影系统、采集系统和控制系统，其中所述投影系统包括照明光源、匀光装置、起偏器、偏振分束器、空间光调制器和投影物镜。

所述照明光源对向所述匀光装置并发出照明光束；

所述匀光装置接收所述照明光源发出的光束并对其进行匀化；

所述起偏器设置在所述匀光装置前方，透射输出偏振方向为第一方向的偏振光；

所述偏振分束器倾斜设置于所述起偏器前方并且所述偏振分束器的偏振方向与所述起偏器平行，进而透射偏振方向为第一方向的偏振光；

所述空间光调制器位于偏振分束器前方并且能够在所述控制系统的控制下对入射于其上的偏振光进行空间调制，并将经调制的光束经由所述偏振分束器反射至所述投影物镜，其中，经所述空间光调制器所调制的光束中包含偏振方向与所述第一方向垂直的偏振光；

所述投影物镜将经调制的偏振光投射在被检产品上；

所述采集系统对经照射的所述被检产品进行图像采集；

所述控制系统基于所述采集系统采集的图像进行产品检测，

其中，所述偏振分束器的入射光角度在35°到55°之间，所述偏振分束器为线栅式偏振分束器，所述投影系统出射的光倾斜入射在所述被检产品上，所述空间光调制器关于偏振分束器的镜像所在平面与投影物镜的物镜平面以及被检产品所在的物面相交于一点，

其中，所述控制系统进行产品检测的过程包括：

步骤S4、改变所述空间光调制器输出的偏振光的图案，获取四幅被检产品物面的图像，各个图像在(x,y)点处的光强度分别表示为：

I₁(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)]

I₂(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)+π/2]

I₃(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)+π]

I₄(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)+3π/2] (1)

其中I_i(x,y)(i＝1,2,3,4)表示第i幅相移图上(x,y)点处的灰度值，IB(x,y)为结构光图的背景值，I_R(x,y)为调制强度函数，θ(x,y)为待求相位，通过方程(1)计算出图像上每一点(x,y)处的相位：

步骤S5、对步骤S4获得的相位场分布进行解包裹，获得包含物体高度信息的相位信息；

步骤S6，提取参考平面的相位场，并差分得到被检产品的物面与参考平面的相位差；

步骤S7，选取标准高度物体进行测试，获得相位差-高度转换关系，进而基于当前被检产品的物面与参考平面的相位差获得被检物面的高度，

其中，所述步骤S5包括：

步骤S501，获得相位场分布中的不连续残差点，残差点判断方法为：

非残差点：残差点：或-1，这样生成值为1，-1或0的残差；

步骤S502，生成枝切线，连接极性达到平衡的最邻近的残差点对或多个残差点，所形成的连接线就是枝切线；

步骤S503，对于不经过枝切线的相位场通过flood-fill算法解包裹，再展开枝切线上的相位。

2.根据权利要求1所述的产品3D检测系统，其特征在于，所述空间光调制器是反射式空间光调制器，所述反射式空间光调制器与所述偏振分束器成预定夹角，以使得所述反射式空间光调制器关于所述偏振分束器的镜像所在平面与所述投影物镜所在平面以及所述被检产品所在物平面相交于一点。

3.根据权利要求1所述的产品3D检测系统，其特征在于，所述控制系统包括：光源控制器、图像采集电路、调制器控制电路、触发信号发生器和同步信号发生器。

4.根据权利要求1所述的产品3D检测系统，其特征在于，所述空间光调制器将光束调制成条纹光。

5.如权利要求1所述的3D检测系统，其特征在于：所述匀光装置前方还设置透镜，用以对匀光装置的出射光进行准直。

6.如权利要求1所述的3D检测系统，其特征在于：所述起偏器为线偏振膜；所述偏振分束器为偏振平板分光器、偏振分光棱镜、线栅式偏振分束器或者双折射晶体。

7.一种用于3D检测的方法，其特征在于，包括以下步骤，

步骤S1、生成沿第一方向的线偏振光；

步骤S2、利用空间光调制器对所述线偏振光进行空间调制；

步骤S3、将经空间调制的偏振光投影到被检产品的物面；

步骤S4、改变所述空间光调制器输出的偏振光的图案，获取四幅被检产品物面的图像，各个图像在(x,y)点处的光强度分别表示为：

I₁(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)]

I₂(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)+π/2]

I₃(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)+π]

I₄(x,y)＝I_B(x,y)+I_R(x,y)cos[θ(x,y)+3π/2] (1)其中I_i(x,y)(i＝1,2,3,4)表示第i幅相移图上(x,y)点处的灰度值，I_B(x,y)为结构光图的背景值，I_R(x,y)为调制强度函数，θ(x,y)为待求相位，通过方程(1)计算出图像上每一点(x,y)处的相位：

步骤S5、对步骤S4获得的相位场分布进行解包裹，获得包含物体高度信息的相位信息；

步骤S6，提取参考平面的相位场，并差分得到被检产品的物面与参考平面的相位差；

步骤S7，选取标准高度物体进行测试，获得相位差-高度转换关系，进而基于当前被检产品的物面与参考平面的相位差获得被检物面的高度分布；

步骤S8、将所获得的高度分布与标准产品的高度分布进行比较，

其中，在步骤S3中，利用偏振分束器将的光倾斜入射在所述被检产品，所述偏振分束器的入射光角度在35°到55°之间，所述偏振分束器为线栅式偏振分束器，利用空间光调制器进行偏振光调制，所述空间光调制器关于偏振分束器的镜像所在平面与投影物镜的物镜平面以及被检产品所在的物面相交于一点，

其中，所述步骤S5包括：

步骤S501，获得相位场分布中的不连续残差点，残差点判断方法为：

非残差点：残差点：或-1，这样生成值为1，-1或0的残差；

步骤S502，生成枝切线，连接极性达到平衡的最邻近的残差点对或多个残差点，所形成的连接线就是枝切线；

步骤S503，对于不经过枝切线的相位场通过flood-fill算法解包裹，再展开枝切线上的相位。