CN107702660A - 基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统 - Google Patents

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曹后平
刘曙光
赵洲
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Guangzhou First Sense Photoelectric Technology Co Ltd
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

本发明公开了一种属于机器视觉技术领域的基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统，包括光场显微相机系统和数据处理系统，光场显微相机系统由光场显微相机、环形光源、相机校准板构成，数据处理系统包括GPU高速图像并行处理单元、基于光场相机的深度估计算法、基于光场显微镜的三维重建算法。本发明的光场成像技术通过单台设备、单拍摄即可实现对复杂物体的三维形态测量，非常适用于在微尺度测量替代现有工业检测相机，在简化硬件系统、减低成本的同时，实现对微尺度物体的三维尺寸测量。

Description

基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统
技术领域
本发明涉及显微成像、机器视觉领域，特别是涉及一种带有微透镜阵列的基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统。
背景技术
工业制造中的工业检测领域常常会用到机器视觉技术来解决问题。工业检测中，对于微尺度物体，通常采用多种类型的三维检测技术对产品做检测。三维检测并非仰赖单一技术，各种不同的重建技术都有其优缺点，目前并无通用重建技术，仪器与方法往往受限于物体的表面特性。例如光学技术不易处理闪亮(高反照率)、镜面或半透明的表面，而激光技术不适用于脆弱或易变质的表面。
对于微尺度物体，工业检测目前采用的主流方法有以下几种：多目立体视觉系统、三维激光扫描技术等。多目立体视觉系统虽然有着较为低廉的成本，但其精度以及对拍摄条件的要求很高，适用性不强，需要有较大的拍摄窗口布置相机，对于微尺度物体来说测量窗口更加不易布置。三维激光扫描技术可以快速、大量的采集空间点位信息，但存在着普遍成本过高，精度、测距与扫描速率存矛盾、不适用于精密表面等缺点，也无法满足微尺度物体较小的测量窗口要求。光场成像技术通过单台设备、单拍摄即可实现对复杂物体的三维形态测量，非常适用于在微尺度测量替代现有工业检测相机，在简化硬件系统、减低成本的同时，实现对微尺度物体的三维尺寸测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种新型基于光场相机的显微镜深度测量系统，能够在较小的测量窗口下，通过一次拍摄，实时处理得到微尺度零件的深度信息，并进行三维重构。应用于工业检测时，能够实时得到微尺度零件的精确测量结果和三维重构信息。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术来实现的，本发明包括光场显微相机系统和数据处理系统；光场显微相机系统由光场显微相机、环形光源、相机校准板构成，光场显微相机由物镜、镜筒、镜筒透镜、微透镜阵列、CCD\CMOS图像传感器构成；数据处理系统包括GPU高速图像并行处理单元、基于光场相机的深度估计算法、基于光场显微镜的三维重建算法。
优选地，本发明还包括环形光源，环形光源均匀地安装在物镜前，以提高待测物体表面的成像质量，提高重建精度。
优选地，在本发明中，物镜、镜筒透镜、微透镜三者应相互匹配，且符合以下关系：
其中F_m为微透镜阵列7焦距，D_m为微透镜阵列7通光直径，F_o为物镜5焦距，F_t为镜筒透镜6焦距，NA为物镜5数值孔径。
拍摄物体前，需要将相机校准板置测量平台上并用光场显微相机系统拍摄，之后打开环形光源，将零件放置在物镜前通过光场显微相机系统拍摄得到数据，所得的数据传入GPU高速图像并行处理单元，由深度算法得出深度信息，三维重建算法得到三维形貌。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：首先，相比于普通多目立体视觉系统，本发明采用了单相机系统，使得该系统的体积减小，满足微尺度物体对于测量窗口的要求，同时减少成本，对被拍摄物体的要求很低，装置简易。相对于激光扫描技术，本测试系统无需机械往复移动机构，减少了因机械振动带来的测量误差。同时，相比于激光扫描技术单次测量仅能提供单点三维数据的缺点，光场单相机可以通过一次拍摄提供零部件全部的深度信息和表面三维结构。
附图说明
图1是本发明实际检测工作示意图
图2是本发明的光场显微相机示意图；
图3是本发明的实例校准示意图；
附图中各部件的标记如下：1、光场显微相机，2、环形光源，3、待测物体，4、图像处理模块，5、物镜，6、镜筒透镜，7、微透镜阵列，8、CCD/CMOS图像传感器，9、相机校准板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
在本发明的描述中需要理解的是，术语“上”“下”“左”“右”指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅仅是为了方便描述本发明的结构和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必须具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解为对本发明的限制。
图1所示的是本发明的实际检测工作示意图，包括光场显微相机1、环形光源2、待测物体3、图像处理模块4，待测物体3布置在光场显微相机1的下方，环形光源2安装在光场显微相机1的末端，对待测物体3提供充足均匀的照明，图像处理模块4与光场显微相机1通过线束相连接。实时拍摄的数据经由光场显微相机1传送到图像处理模块4，经过快速的算法处理后，得到待测物体深度信息和三维重构信息。
图2所示为光场显微相机1示意图，包括物镜5、镜筒透镜6、微透镜阵列7、、CCD/CMOS图像传感器8，其中物镜5、微透镜阵列7、镜筒透镜6之间应符合以下关系：
其中F_m为微透镜阵列7焦距，D_m为微透镜阵列7通光直径，F_o为物镜5焦距，F_t为镜筒透镜6焦距，NA为物镜5数值孔径。
图3所示为光场显微相机1校准示意图，包括光场显微相机1、图像处理模块4和相机校准板9，将相机校准板依次放置在距离光场显微相机1的三个不同距离处拍摄标定照片，由图像处理模块4得到标定结果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统，其特征在于，包括光场显微相机系统和数据处理系统；光场显微相机系统由光场显微相机、环形光源、相机校准板构成，光场显微相机由物镜、镜筒、镜筒透镜、微透镜阵列、CCD\CMOS图像传感器构成；数据处理系统包括GPU高速图像并行处理单元、基于光场相机的深度估计算法、基于光场显微镜的三维重建算法。
2.根据权利要求1所述的基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统，其特征在于还包括环形光源，环形光源均匀地安装在物镜前。
3.根据权利要求2所述的基于光场显微成像的微尺度三维工业检测系统，其特征在于物镜、镜筒透镜、微透镜三者应相互匹配，且符合以下关系：
<mrow> <mfrac> <mrow> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>m</mi> </mrow> <mrow> <mi>D</mi> <mo>_</mo> <mi>m</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>t</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>F</mi> <mo>_</mo> <mi>o</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>N</mi> <mi>A</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中F_m为微透镜阵列7焦距，D_m为微透镜阵列7通光直径，F_o为物镜5焦距，F_t为镜筒透镜6焦距，NA为物镜5数值孔径。
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