CN106996753A

CN106996753A - 基于led显微条纹投影的微小三维形貌测量系统及方法

Info

Publication number: CN106996753A
Application number: CN201710191991.XA
Authority: CN
Inventors: 姚勇; 雷何兵; 刘昊鹏; 杨彦甫
Original assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Current assignee: Shenzhen Graduate School Harbin Institute of Technology
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2017-08-01

Abstract

本发明提出了一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统及方法，直接利用简单器件即可产生高对比度的干涉条纹，采用弱相干光(LED)作为照明光源，由于其相干长度短，光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉，从而抑制了相干噪声的影响，进而提高了系统的纵向测量精度和测量的可重复性。不需要复杂的光路将光束压缩，可以直接测量微小尺寸的三维形貌。利用LED剪切干涉获得条纹不仅可以获得较高条纹对比度，而且LED光源价格便宜，相比于DLP投影仪，降低了光学测量系统的成本，有利于实现批量生产。本发明光路调节简单、可获得高对比度条纹、使用器件价格低廉，易于推广。

Description

基于LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展和工业制造水平的不断提高，人们对产品加工及测量提出了新的要求，传统的测量方法已经很难满足现代测量的需求。在众多测量方法中，光学测量法具有着高精度、快速、无损伤等优点已经被广泛应用工业检测、虚拟现实等各行各业。在光学测量方法中，基于条纹投影的测量方法因其具有非接触、全场、高精度等优点而被广泛应用。

现有的基于条纹投影的测量方法是由DLP投影仪产生数字条纹，然后投射到被测物体表面，通过相位轮廓术(PMP)技术进行形貌恢复。由于投影仪投射出的条纹不易缩小投射到小尺寸物体表面，因此该项技术主要应用在测量大尺寸三维形貌。

对于小尺寸三维形貌物体的测量，有人提出一些方法将DLP投影仪投射出的光路缩小投射到被测物体表面，主要方法有：1)利用投影仪和长工作距离物镜将DLP投射出的条纹进行缩小；2)利用投影仪和双目体视显微镜将DLP投射出的条纹进行缩小。

虽然很多学者提出了一些方法将DLP投影仪投射出的条纹进行缩小，但这些方法都比较复杂，光路调节困难。由DLP投影仪投射出的条纹经过多次处理后得到的条纹对比度也会降低。

发明内容

本发明提出了一种直接利用简单器件即可产生高对比度的干涉条纹的系统及方法，不需要复杂的光路将光束压缩，可以直接测量微小尺寸的三维形貌。本发明采用LED低相干光源产生剪切移相干涉得到高对比度条纹，同时也抑制了相干噪声影响。本发明光路调节简单、可获得高对比度条纹、使用器件价格低廉，易于推广。相比于用DLP投影仪将光束压缩测量小尺寸的方法，本发明有很大潜在优势。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统包括LED光源(1)、透镜(2)、针孔滤波器(3)、透镜(4)、起偏器(5)、硬膜干涉滤光片(6)、双折射单轴晶体(7)、准直透镜(8)、1/4波片(9)、检偏器(10)、可调光阑(11)、显微物镜(12)、双胶合透镜(14)、工业相机(15)；系统光路包括LED剪切光路、移相干涉光路、显微条纹投影光路、图像数据采集光路；

LED剪切光路：LED光源(1)发出的发散光经过透镜(2)会聚，针孔滤波器(3)对光源进行空间滤波、发散光线经过透镜(4)再一次会聚成为球面波，经过起偏器(5)将自然光变为线偏振光；线偏振光经过硬膜干涉滤光片(6)进行滤波，再经过双折射单轴晶体(7)和准直透镜(8)将线偏振光分为两束平行的、两束偏振方向互相垂直、有一定剪切量的线偏振光；

移相干涉光路：两束线偏振光经过1/4波片(9)和检偏器(10)，产生移相干涉得到高对比度的正弦干涉条纹；

显微条纹投影光路：正弦干涉条纹经过可调光阑(11)、显微物镜(12)缩小投射到被测物体表面；

图像数据采集光路：正弦干涉条纹经过被测物体(13)反射，最后经过双胶合透镜(14)和工业相机(15)采集反射条纹。

进一步地，线偏振光的光轴方向和所述双折射单轴晶体(7)的剪切方向成45度角。

另一方面，一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量方法，基于本发明的测量系统，所述方法包括：

步骤1：首先利用LED剪切干涉光路和移相干涉光路获得正弦干涉条纹；发散球面波W(x,y)经过剪切量为s的横向剪切后为W(x+s,y)，两束相互垂直的线偏振光重叠部分的光程差为ΔW(x,y)＝W(x+s,y)-W(x,y)，相位差为φ(x,y)＝2πΔW(x,y)/λ；

步骤2：两束相互垂直的线偏振光经过1/4波片(9)和检偏器(10)进行移相干涉得到高对比度的正弦干涉条纹，β为检偏器每次旋转角度：

I(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(2β+φ(x,y)))

步骤3：由相位轮廓术PMP可知，被测物体表面形貌为φ(x,y)，正弦干涉条纹经过被测物体表面反射后得到的反射条纹为：

步骤4：采用五部移相法提取相位，得到五幅反射条纹：

I₁(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₂(x,y)＝I₀(x,y)(1+sin(ψ(x,y)))

I₃(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(ψ(x,y)))

I₄(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₅(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

步骤5：由步骤4提取的相位为包裹相位，主值为[-π,π]之间，通过解包裹算法可以得到连续相位ψ(x,y)，球面波剪切引入的相位因子φ(x,y)为倾斜线性值；将ψ(x,y)进行倾斜调整，去除倾斜项即可得到被测物体形貌相位信息

步骤6：通过相位测量轮廓术PMP算法恢复出表面形貌信息。

进一步地，采用改进五步法提取相位，该算法可以消除随机误差，求解公式为：

本发明的技术效果是：本发明的测量方法中采用弱相干光(LED)作为照明光源，由于其相干长度短，光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉，从而抑制了相干噪声的影响，进而提高了系统的纵向测量精度和测量的可重复性。利用LED剪切干涉获得条纹不仅可以获得较高条纹对比度，而且LED光源价格便宜，相比于DLP投影仪，降低了光学测量系统的成本，有利于实现批量生产。

附图说明

图1是本发明整体实验光路图；

图2是本发明剪切移相干涉光路图；

图3是本发明各个关键器件光轴方向图；

图4是本发明三维形貌恢复流程图；

图5是本发明剪切移相干涉条纹示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

本发明的基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量方法实施方案的光路，包括LED剪切光路、移相干涉光路、显微条纹投影光路、图像数据采集光路四个部分。如附图1所示，本发明的基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统包括LED光源1、透镜2、针孔滤波器3、透镜4、起偏器5、硬膜干涉滤光片6、双折射单轴晶体7、准直透镜8、1/4波片9、检偏器10、可调光阑11、显微物镜12、被测样品13、双胶合透镜14、工业相机15。

系统工作原理：请参阅附图1，中心波长为525nm的LED光源发出的发散光经过透镜2会聚，针孔滤波器3对光源进行空间滤波、发散光线经过透镜4再一次会聚成为球面波，经过起偏器5将自然光变为线偏振光(线偏振光的光轴方向和双折射单轴晶体剪切方向成45度角，目的是为了使线偏振光通过双折射单轴晶体后产生两束能量相等的线偏振光)。

线偏振光经过硬膜干涉滤光片6进行滤波得到中心波长为532nm、半高宽为10nm的线偏振光，线偏振光经过双折射单轴晶体7将线偏振光分为两束偏振方向互相垂直、有一定剪切量的线偏振光。

两束偏振方向互相垂直的线偏振光经过准直透镜8进行准直，变为两束偏振方向互相垂直、平行的线偏振光。

两束线偏振光经过1/4波片9和检偏器10，产生移相干涉得到高对比度的正弦干涉条纹，具体光轴方向请参阅附图；正弦干涉条纹经过可调光阑11、显微物镜12缩小投射到被测物体表面；正弦干涉条纹经过被测物体13反射，最后经过双胶合透镜14和工业相机15采集反射条纹。

本发明三维形貌恢复步骤原理如下：

步骤1：首先利用LED剪切干涉光路和移相干涉光路获得正弦干涉条纹。发散球面波W(x,y)经过剪切量为s的横向剪切后为W(x+s,y)，两束相互垂直的线偏振光重叠部分的光程差为ΔW(x,y)＝W(x+s,y)-W(x,y)，相位差为φ(x,y)＝2πΔW(x,y)/λ。

步骤2：请参阅附图2和附图3。两束相互垂直的线偏振光经过1/4波片9和检偏器10进行移相干涉得到高对比度的正弦干涉条纹，β为检偏器每次旋转角度：

I(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(2β+φ(x,y)))

步骤3：由相位轮廓术(PMP)可知，被测物体表面形貌为φ(x,y)，正弦干涉条纹经过被测物体表面反射后得到的反射条纹为：

步骤4：采用五部移相法提取相位，得到五幅反射条纹：

I₁(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₂(x,y)＝I₀(x,y)(1+sin(ψ(x,y)))

I₃(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(ψ(x,y)))

I₄(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₅(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

本发明采用改进五步法提取相位，该算法可以消除随机误差，求解公式为：

步骤5：由步骤4提取的相位为包裹相位，主值为[-π,π]之间，通过解包裹算法可以得到连续相位ψ(x,y)。φ(x,y)是球面波剪切引入的相位因子，为倾斜线性值。将ψ(x,y)进行倾斜调整，去除倾斜项即可得到被测物体形貌相位信息

步骤6：通过相位测量轮廓术(PMP)算法可以恢复出表面形貌信息，该方法在现有技术中比较成熟，这里不再赘述。该测量法的三维形貌测量流程图请参阅附图4。

本发明通过LED低相干光源、双折射冰洲石晶体等其他简单器件直接产生剪切移相干涉条纹，不需要向原有技术使用DLP投影仪产生条纹，再将条纹压缩来测量小尺寸物体三维形貌。

现有技术中将DLP投影出的条纹进行各级压缩，条纹经过多次处理后条纹对比度将会下降。在本发明中，起偏器和双折射冰洲石晶体剪切方向成45度角，线偏振光通过双折射冰洲石晶体后可以得到能量相等的两束线偏振光，两束等能量的线偏振光干涉可获得高对比度条纹。

本发明光路调节简单、使用器件价格低廉，易于推广。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统，其特征在于，所述系统包括：LED光源(1)、透镜(2)、针孔滤波器(3)、透镜(4)、起偏器(5)、硬膜干涉滤光片(6)、双折射单轴晶体(7)、准直透镜(8)、1/4波片(9)、检偏器(10)、可调光阑(11)、显微物镜(12)、双胶合透镜(14)、工业相机(15)；系统光路包括LED剪切光路、移相干涉光路、显微条纹投影光路、图像数据采集光路；

LED剪切光路：LED光源(1)发出的发散光经过透镜(2)会聚，针孔滤波器(3)对光源进行空间滤波、发散光线经过透镜(4)再一次会聚成为球面波，经过起偏器(5)将自然光变为线偏振光；线偏振光经过硬膜干涉滤光片(6)进行滤波，经过双折射单轴晶体(7)将线偏振光分为偏振方向互相垂直、有一定剪切量的线偏振光；两束偏振方向互相垂直的线偏振光再经过准直透镜(8)进行准直，变为两束偏振方向互相垂直、平行的线偏振光。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：线偏振光的光轴方向和所述双折射单轴晶体(7)的剪切方向成45度角。

3.一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量方法，其特征在于，所述方法基于如根据权利要求1或2所述的系统，所述方法包括：

I(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(2β+φ(x,y)))

步骤4：采用五部移相法提取相位，得到五幅反射条纹：

I₁(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₂(x,y)＝I₀(x,y)(1+sin(ψ(x,y)))

I₃(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(ψ(x,y)))

I₄(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₅(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

步骤6：通过相位测量轮廓术PMP算法恢复出表面形貌信息。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：采用改进五步法提取相位，该算法可以消除随机误差，求解公式为：