CN107957249A - 一种测量工件表面形貌的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量工件表面形貌的方法和装置，包括：对于待测工件的每个面，将该面划分为多个待测子表面；对于每个待测子表面，分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像；根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌；根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件的表面形貌。本方案将投影成像结果的量程大、精度低的特点以及全息成像结果量程小、精度高的特点相结合，宜于获得符合测量需求的工件表面形貌。
Description
技术领域
本发明涉及高精度测量技术领域，尤其涉及一种测量工件表面形貌的方法和装置。
背景技术
在不使用其他额外的成像技术前提下，10nm以下的超分辨率区域一般技术无法实现，需要专用技术，成本较高；数字全息技术(包括单波长和多波长)在表面形貌变化超过60μm(理论极限)的时候都无法再进行测量；而投影法只能实现对于表面形貌变化大于11μm的对象进行成像，基于现有技术无法实现对常规尺寸的工件的表面形貌的测量。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种测量工件表面形貌的方法和装置，以解决上述问题或者至少部分地解决上述问题。
依据本发明的一个方面，提供了一种测量工件表面形貌的方法，该方法包括：
对于待测工件的每个面，将该面划分为多个待测子表面；
对于每个待测子表面，分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像；根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；
根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌；
根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件的表面形貌。
可选地，所述分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像包括：
对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，得到该待测子表面上的指定区域的投影成像结果；
对该待测子表面进行全息照明，得到该待测子表面的全息成像结果；
其中，所述投影照明的照明方向与所述全息照明的照明方向之间呈预定角度。
可选地，所述根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌包括：
根据该待测子表面上的指定区域的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置；
根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌。
可选地，所述对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，得到该待测子表面上的指定区域的投影成像结果包括：采用透射式照明方式对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，对携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光进行成像，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果；
所述对待测子表面进行全息照明，得到该待测子表面的全息成像结果包括：采用反射式照明方式对该待测子表面进行投影照明，对携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光进行成像，得到该待测子表面的全息成像结果；
其中，所述投影照明的照明方向与所述全息照明的照明方相互垂直。
可选地，所述根据该待测子表面上的指定区域的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置包括：
根据该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置。
可选地，所述根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌包括：
当位置相邻的两个待测子表面之间具有重合的区域时，对于重合的区域，选取两个待测子表面中任一待测子表面中的该重合的区域对应的表面形貌进行拼接，或者，将该重合的区域划分为两个连续无重合的子区域，分别从两个待测子表面中选取两个子区域对应的表面形貌进行拼接。
依据本发明的另一个方面，提供了一种测量工件表面形貌的装置，该装置包括：置物台、照明光源、图像采集器和图像处理器；
所述置物台包括旋转台和平移台，用于放置待测工件；
所述照明光源输出用于进行投影照明的第一照明光和用于进行全息照明的第二照明光；
所述置物台每隔预定时间间隔带动放置在其上的待测工件进行旋转和/或平移；对于待测工件的每个面上的每个待测子表面，经过所述置物台的旋转和/或平移后，所述第一照明光对该待测子表面进行投影照明，所述第二照明光对该待测子表面进行全息照明；
所述图像采集器，用于采集待测工件的每个面上的每个待测子表面的投影成像结果和全息成像结果；
所述图像处理器，用于对于待测工件的每个面上的每个待测子表面，根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌；根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件的表面形貌。
可选地，所述照明光源为激光光源；
该激光光源输出用于进行投影照明的第一激光和用于进行全息照明的第二激光；
对于待测工件的每个面上的每个待测子表面，
第一激光入射到该待测子表面上的指定区域上，出射携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光；第二激光入射到该待测子表面上，出射携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光；
所述图像采集器，用于采集所述携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果；以及，用于采集携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光，得到该待测子表面的全息成像结果。
可选地，第一激光入射到待测工件的入射方向与第二激光入射到待测工件的入射方向相互垂直。
可选地，所述图像处理器，用于根据待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果，得到待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置；根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌。
可选地，该装置进一步包括：第一扩束准直镜和第二扩束准直镜；
所述第一扩束准直镜放置于第一激光的入射光路中；
所述第二扩束准直镜放置于第二激光的入射光路中；
第一激光经过所述第一扩束准直镜后入射到待测子表面上的指定区域上；
第二激光经过所述第二扩束准直镜后入射到待测子表面上。
可选地，该装置进一步包括：分光镜；
所述分光镜放置于第二激光的入射光路中；
第二激光经过所述分光镜分为测量光和参考光，测量光入射到待测子表面上，出射携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光；
所述图像采集器，还用于采集携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光和参考光，得到该待测子表面的全息成像结果。
可选地，所述图像处理器，用于当位置相邻的两个待测子表面之间具有重合的区域时，对于重合的区域，选取两个待测子表面中任一待测子表面中的该重合的区域对应的表面形貌进行拼接，或者，将该重合的区域划分为两个连续无重合的子区域，分别从两个待测子表面中选取两个子区域对应的表面形貌进行拼接。
由上述可知，本发明提供的技术方案在对待测工件的表面形貌进行测量时，依次对待测工件的每个面进行测量，通过投影成像和全息成像获得待测工件的每个面上的各个待测子表面对应的表面形貌，将同一面上的各个待测子表面对应的表面形貌拼接为所在的面的表面形貌，再依据各个面的表面形貌获得待测工件的表面形貌。本方案将对于待测工件的表面形貌的测量转化为对于工件上的各个小的待测子表面对应的表面形貌的单独测量，解决了对待测工件整体进行测量难度较大的问题，且在对各个小的待测子表面进行测量时，将投影成像技术与全息成像技术相结合，将投影成像结果的量程大、精度低的特点以及全息成像结果量程小、精度高的特点充分结合起来，根据投影成像结果在大量程范围内确定各个待测子表面的空间位置及位置关系，基于此再根据全息成像结果能高精度地确定每个待测子表面对应的表面形貌，宜于获得符合测量需求的工件表面形貌。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的一种测量工件表面形貌的方法的流程图；
图2示出了根据本发明一个实施例的第一照明光和第二照明光对螺栓的侧表面进行照明的俯视图；
图3A示出了根据本发明一个实施例的螺栓的侧表面上的一个待测子表面的投影成像结果的示意图；
图3B示出了根据本发明一个实施例的螺栓的侧表面上的一个待测子表面的全息成像结果的示意图；
图4示出了根据本发明一个实施例的测量螺栓的侧表面的表面形貌的方法的流程示意图；
图5示出了根据本发明一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置的俯视图；
图6A示出了根据本发明另一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置的俯视图；
图6B示出了根据本发明另一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置中进行投影成像的光路图；
图6C示出了根据本发明另一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置中进行全息成像的光路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
先对本发明中出现的术语进行解释：投影成像又称为投影法，投影法是借助光只能延直线传播这个原理，设计出的对于物体外轮廓进行成像的测量方法，单纯的投影法(不使用任何数值处理过程)的成像精度在11μm以上，从理论上来说，投影法无法实现11μm以下的成像。全息成像又称为全息法，是使用如光电耦合器件(CCD等)等记录全息图的成像方式，除了成像的功能之外，全息法还可以用于测量，使用全息法进行测量最大的优点就是深度方向上可以实现准确的成像(区别于传统照相技术只能对平面进行成像)，然后这个深度信息的成像并不是万能的，它首先于记录光源的波长，记录光源波长越长，测量的范围越大。举例说明，如果使用632nm的激光光源进行数字全息记录，那么可以对深度信息从0～1264nm区域内的物体进行准确尺寸成像，而超过这个区间，全息成像结果就不准确了。
本方案采用投影成像和全息成像结合的方法测量工件的表面形貌，能够实现从1微米级到1毫米级的跨尺度、高精度测量。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种测量工件表面形貌的方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
步骤S110，对于待测工件的每个面，将该面划分为多个待测子表面。
步骤S120，对于每个待测子表面，分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像；根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌。
步骤S130，根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌。
步骤S140，根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件的表面形貌。
可见，图1所示的方法在对待测工件的表面形貌进行测量时，依次对待测工件的每个面进行测量，通过投影成像和全息成像获得待测工件的每个面上的各个待测子表面对应的表面形貌，将同一面上的各个待测子表面对应的表面形貌拼接为所在的面的表面形貌，再依据各个面的表面形貌获得待测工件的表面形貌。本方案将对于待测工件的表面形貌的测量转化为对于工件上的各个小的待测子表面对应的表面形貌的单独测量，解决了对待测工件整体进行测量难度较大的问题，且在对各个小的待测子表面进行测量时，将投影成像技术与全息成像技术相结合，将投影成像结果的量程大、精度低的特点以及全息成像结果量程小、精度高的特点充分结合起来，根据投影成像结果在大量程范围内确定各个待测子表面的空间位置及位置关系，基于此再根据全息成像结果能高精度地确定每个待测子表面对应的表面形貌，宜于获得符合测量需求的工件表面形貌。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S120分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像包括：对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，得到该待测子表面上的指定区域的投影成像结果；对该待测子表面进行全息照明，得到该待测子表面的全息成像结果；其中，所述投影照明的照明方向与所述全息照明的照明方向之间呈预定角度。
则步骤S120根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌包括：根据该待测子表面上的指定区域的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置；根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌。
具体地，上述对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，得到该待测子表面上的指定区域的投影成像结果包括：采用透射式照明方式对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，对携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光进行成像，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果。上述对待测子表面进行全息照明，得到该待测子表面的全息成像结果包括：采用反射式照明方式对该待测子表面进行投影照明，对携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光进行成像，得到该待测子表面的全息成像结果。其中，所述投影照明的照明方向与所述全息照明的照明方相互垂直。
则步骤S120根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌包括：根据该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌。
在本发明一个实施例中，上述步骤S130根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌包括：当位置相邻的两个待测子表面之间具有重合的区域时，对于重合的区域，选取两个待测子表面中任一待测子表面中的该重合的区域对应的表面形貌进行拼接，或者，将该重合的区域划分为两个连续无重合的子区域，分别从两个待测子表面中选取两个子区域对应的表面形貌进行拼接。
以一个具体的例子来说明本方案的实施过程，在本例中，待测工件为螺栓，以对该螺栓的侧表面的表面形貌进行测量的过程为例说明对待测工件的一个面进行测量的过程。将该螺栓固定放置于置物台上，使该螺栓的中心轴与置物台的中心轴重合，置物台由旋转台和平移台组合构成，旋转台的转轴与置物台的中心轴重合，平移台能够沿x轴方向、y轴方向和z轴方向平移，其中，z轴方向平行于置物台的中心轴方向，x轴方向和y轴方向均垂直于z轴方向，x轴、y轴和z轴构成右手直角坐标系，则置物台能够带动螺栓沿x轴方向、y轴方向和z轴方向平移以及带动螺栓绕中心轴旋转，在测量过程中，螺栓的旋转和平移使得螺栓的侧表面上的每个待测子表面均有机会被进行投影成像和全息成像。预先将螺栓的侧表面划分为多个待测子表面以方便进行测量，以垂直于螺栓的中心轴的方向为划分方向，将螺栓的侧表面划分为多个子侧表面，再以平行于螺栓的中心轴的方向为划分方向，将每个子侧表面划分为多个待测子表面，即将螺栓的侧表面被划分为多个待测子表面，则后续过程要分别对每个待测子表面的表面形貌进行测量。
利用照明光源输出用于进行投影照明的第一照明光和用于进行全息照明的第二照明光，图2示出了根据本发明一个实施例的第一照明光和第二照明光对螺栓的侧表面进行照明的俯视图，由图2可以看到，第一照明光和第二照明光相互正交地照明螺栓的侧表面，第一照明光采用透射式照明方式对螺栓的侧表面进行投影照明，得到携带被照明区域的轮廓信息的透射光，对该透射光进行采集记录即得到投影成像结果，说明该投影成像结果中记录有被照明区域的轮廓信息；第二照明光采用反射式照明方式对螺栓的侧表面进行全息照明，得到携带被照明区域的表面形貌信息的反射光，对该反射光进行采集记录即得到全息成像结果，说明该全息成像结果中记录有被照明区域的表面形貌信息。在测量过程中，第一照明光和第二照明光的入射方向不变，每次螺栓在置物台的带动下进行旋转和/或平移后，螺栓的侧表面上的一个待测子表面被第一照明光和第二照明光进行照明，得到该待测子表面的投影成像结果和全息成像结果，以此类推，螺栓经过多次旋转和/或平移后，螺栓的侧表面上的各个待测子表面均能够被第一照明光和第二照明光遍历照明，得到各个待测子表面的投影成像结果和全息成像结果。
具体地，对于螺栓的侧表面上的每个待测子表面，一方面，第一照明光照射到该待测子表面上的指定区域上，出射携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光，该透射光进入到图像采集器如CCD光电耦合器件中成像，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影图，即上文所述的投影成像结果，依据投影成像的原理，投影图中记录的轮廓与实际该待测子表面上的指定区域的轮廓成一定比例，该比例与透射光从出射至进入到CCD中所传播光程相关，则在已知该比例的情况下，可以根据投影图中的轮廓信息获知实际该待测子表面上的指定区域的轮廓的空间位置信息，即获知该待测子表面上的指定区域的轮廓上的每一点的空间位置信息。另一方面，第二照明光照射到该待测子表面上，出射携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光，该反射光经过一定光程的自由空间衍射传播后进入到图像采集器如CCD光电耦合器件中成像，得到该待测子表面的全息图，即上文所述的全息成像结果，依据投影成像的原理，全息图中所记录的全息表面形貌信息是待测子表面的表面形貌受到一定光程的自由空间衍射传播效应影响后的结果，因此若要根据全息图中记录的全息表面形貌得到待测子表面的表面形貌，需要预先获知第二照明光的反射光的传播光程，该传播光程被称为再现距离。
则本方案利用待测子表面的投影成像结果来获取该待测子表面的全息成像结果对应的再现距离，根据投影图中的轮廓信息获知实际该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置信息，即获得待测子表面上的指定点的空间位置，根据该指定点的空间位置计算得到再现距离，进一步地根据再现距离和该待测子表面的全息成像结果，以及根据自由空间衍射传播规律，在该指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的表面形貌。
例如，图3A示出了根据本发明一个实施例的螺栓的侧表面上的一个待测子表面的投影成像结果的示意图，如图3A所示，该投影图中记录了待测子表面上的指定区域的轮廓的投影，以及记录了螺栓的中心轴的投影，则从该投影图中可以获知待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点a到螺栓的中心轴的投影距离r’，再根据投影比例可以知道实际该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点a到螺栓的中心轴的距离r，即螺栓的侧表面上的指定点a到螺栓的中心轴的距离r，这个测量是10um级精度的；图3B示出了根据本发明一个实施例的螺栓的侧表面上的一个待测子表面的全息成像结果的示意图，如图3B所示，该全息图能够反映在一定再现距离的自由空间衍射传播效应影响后的待测子表面的表面形貌，该全息成像结果分布在600×600像素范围内，标示了待测子表面的表面形貌的深度在[-30λ/π，30λ/π]范围内变化，这个测量是1um级精度的，在已知螺栓的中心轴到全息成像结果的采集位置(CCD的位置)之间的距离1的前提下，以及，由前文中图3A所示的投影图获知螺栓的侧表面上的指定点a到螺栓的中心轴的距离r的前提下，可以得到全息成像结果对应的再现距离d，d＝1-r，d表示螺栓的侧表面上的指定点a到CCD之间的距离，以全息成像结果中对应于螺栓的侧表面上的指定点a及包含该指定点a的待测子表面的全息图为基准，在再现距离d处重现出包含该指定点a的待测子表面的表面形貌，既包含10um级的信息也包含1um级的信息。以此类推，螺栓的侧表面上的每个待测子表面的表面形貌均可以依据上述原理测量得到。图4示出了根据本发明一个实施例的测量螺栓的侧表面的表面形貌的方法的流程示意图，如图4所示，圆柱体标示作为待测工件的螺栓，螺栓的中心轴与置物台的中心轴一致，步骤①-②，通过置物台带动螺栓的旋转和/或平移，使得螺栓的侧表面上的每个待测子表面依次被第二照明光照射，得到每个待测子表面的全息成像结果；③-④，通过置物台带动螺栓的旋转和/或平移，使得螺栓的侧表面上的每个待测子表面的指定区域被第一照明光照射，得到每个待测子表面的投影成像结果；⑤-⑥，对于每个待测子表面，根据该待测子表面的全息成像结果和投影成像结果，得到该待测子表面的表面形貌，从图中可以看出，待测子表面包括待测子表面1、待测子表面2、待测子表面3、待测子表面4、待测子表面5、待测子表面6、待测子表面7、待测子表面8、......，这多个待测子表面均在螺栓的侧表面上，根据这多个待测子表面的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成螺栓的侧表面的表面形貌。
需要说明的是，上述例子中以螺栓的侧表面的表面形貌的测量过程为例进行说明，旨在说明对待测工件的面的表面形貌进行测量的原理，不对待测工件进行限定。
图5示出了根据本发明一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置的俯视图。如图5所示，该装置包括：置物台510、照明光源520、图像采集器530和图像处理器540。
待测工件(标记为550)固定放置于置物台510上，置物台510包括旋转台和平移台，用于带动放置在其上的待测工件550进行旋转和/或平移。照明光源520包括第一照明光源521和第二照明光源522，第一照明光源521输出用于进行投影照明的第一照明光，第二照明光源522输出用于进行全息照明的第二照明光；置物台510每隔预定时间间隔带动放置在其上的待测工件550进行旋转和/或平移；对于待测工件550的每个面上的每个待测子表面，经过置物台510的旋转和/或平移后，第一照明光对该待测子表面进行投影照明，第二照明光对该待测子表面进行全息照明；图像采集器530包括第一图像采集器531和第二图像采集器532，第一图像采集器531用于采集待测工件550的每个面上的每个待测子表面的投影成像结果，第二图像采集器532用于采集待测工件550的每个面上的每个待测子表面的全息成像结果。图像处理器540与图像采集器530连接，用于对于待测工件550的每个面上的每个待测子表面，根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌；根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件550的表面形貌。
在本发明的另一个实施例中，第一照明光和第二照明光可以由同一个照明光源输出，投影成像结果和全息成像结果也可以由同一个图像采集器采集。
图6A示出了根据本发明另一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置的俯视图，如图6A所示，该装置包括：置物台510、照明光源520、图像采集器530和图像处理器540，此外，该装置还包括：第一分光镜611、第二分光镜612、第三分光镜613、第四分光镜614、第一反射镜621、第二反射镜622、第三反射镜623、第四反射镜624、第一扩束准直镜631和第二扩束准直镜632。
在本实施例中，待测工件(标记为550)固定放置于置物台510上，照明光源520为激光光源，该激光光源输出的激光经过第一分光镜611后被分为用于进行投影照明的第一激光和用于进行全息照明的第二激光，图6B示出了根据本发明另一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置中进行投影成像的光路图，如图6B所示，用于进行投影照明的第一激光经过第一反射镜621的反射后传播方向发生变化，接着第一激光入射到第一扩束准直镜631中，经过第一扩束准直镜631的扩束准直后入射到待测工件550上，输出携带待测工件550上的待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光，透射光经过第二反射镜622和第三反射镜623的反射后入射到第三分光镜613中，经过第三分光镜613的反射以及第四分光镜614的透射后进入到图像采集器530中，图像采集器530采集携带待测工件550上的待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光，得到相应待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果；图6C示出了根据本发明另一个实施例的一种测量工件表面形貌的装置中进行全息成像的光路图，如图6C所示，用于进行全息照明的第二激光入射到第二扩束准直镜632中，经过第二扩束准直镜632的扩束准直后入射到第二分光镜612中，被第二分光镜612分为测量光和参考光，测量光入射到第三分光镜613中，一部分测量光经第三分光镜613的反射后入射到待测工件550上，出射携带待测工件550上的待测子表面的表面形貌信息的反射光，反射光经过第三分光镜613的透射以及第四分光镜614的透射后进入到图像采集器530中，参考光经第四反射镜624的反射后入射到第四分光镜614中，经第四分光镜614反射进入图像采集器530中，图像采集器530采集携带待测工件550上的待测子表面的表面形貌信息的反射光和参考光，得到相应待测子表面的全息成像结果。其中，第三分光镜613和第四分光镜614为半透半反棱镜，第一激光入射到待测工件550的入射方向与第二激光入射到待测工件550的入射方向相互垂直，置物台510包括旋转台和平移台，用于带动放置在其上的待测工件550进行旋转和/或平移，使得待测工件550的每个面上的每个待测子表面均能够有机会被第一激光和第二激光照射，以得到待测工件550上的各个待测子表面的投影成像结果和全息成像结果；图像采集器530为CCD光电耦合器件，图像处理器540与图像采集器530连接，用于根据待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果，得到待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置；根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；最后根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件550的表面形貌。
在本发明的一个实施例中，图像处理器540，用于当位置相邻的两个待测子表面之间具有重合的区域时，对于重合的区域，选取两个待测子表面中任一待测子表面中的该重合的区域对应的表面形貌进行拼接，或者，将该重合的区域划分为两个连续无重合的子区域，分别从两个待测子表面中选取两个子区域对应的表面形貌进行拼接。
在本发明的一个实施例中，照明光源520为输出632.8nm波长的红光激光的激光器。
需要说明的是，图5-图6所示装置的各实施例与图1-图4所示各实施例对应相同，上文中已经详细说明，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的技术方案在对待测工件的表面形貌进行测量时，依次对待测工件的每个面进行测量，通过投影成像和全息成像获得待测工件的每个面上的各个待测子表面对应的表面形貌，将同一面上的各个待测子表面对应的表面形貌拼接为所在的面的表面形貌，再依据各个面的表面形貌获得待测工件的表面形貌。本方案将对于待测工件的表面形貌的测量转化为对于工件上的各个小的待测子表面对应的表面形貌的单独测量，解决了对待测工件整体进行测量难度较大的问题，且在对各个小的待测子表面进行测量时，将投影成像技术与全息成像技术相结合，将投影成像结果的量程大、精度低的特点以及全息成像结果量程小、精度高的特点充分结合起来，根据投影成像结果在大量程范围内确定各个待测子表面的空间位置及位置关系，基于此再根据全息成像结果能高精度地确定每个待测子表面对应的表面形貌，宜于获得符合测量需求的工件表面形貌。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种测量工件表面形貌的方法，其特征在于，该方法包括：
对于待测工件的每个面，将该面划分为多个待测子表面；
对于每个待测子表面，分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像；根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；
根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌；
根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件的表面形貌。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分别对该待测子表面进行投影成像和全息成像包括：
对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，得到该待测子表面上的指定区域的投影成像结果；
对该待测子表面进行全息照明，得到该待测子表面的全息成像结果；
其中，所述投影照明的照明方向与所述全息照明的照明方向之间呈预定角度。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌包括：
根据该待测子表面上的指定区域的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置；
根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，
所述对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，得到该待测子表面上的指定区域的投影成像结果包括：采用透射式照明方式对该待测子表面上的指定区域进行投影照明，对携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光进行成像，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果；
所述对待测子表面进行全息照明，得到该待测子表面的全息成像结果包括：采用反射式照明方式对该待测子表面进行投影照明，对携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光进行成像，得到该待测子表面的全息成像结果；
其中，所述投影照明的照明方向与所述全息照明的照明方相互垂直。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据该待测子表面上的指定区域的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域上的指定点的空间位置包括：
根据该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，将多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌包括：
当位置相邻的两个待测子表面之间具有重合的区域时，对于重合的区域，选取两个待测子表面中任一待测子表面中的该重合的区域对应的表面形貌进行拼接，或者，将该重合的区域划分为两个连续无重合的子区域，分别从两个待测子表面中选取两个子区域对应的表面形貌进行拼接。
7.一种测量工件表面形貌的装置，其特征在于，该装置包括：置物台、照明光源、图像采集器和图像处理器；
所述置物台包括旋转台和平移台，用于放置待测工件；
所述照明光源输出用于进行投影照明的第一照明光和用于进行全息照明的第二照明光；
所述置物台每隔预定时间间隔带动放置在其上的待测工件进行旋转和/或平移；对于待测工件的每个面上的每个待测子表面，经过所述置物台的旋转和/或平移后，所述第一照明光对该待测子表面进行投影照明，所述第二照明光对该待测子表面进行全息照明；
所述图像采集器，用于采集待测工件的每个面上的每个待测子表面的投影成像结果和全息成像结果；
所述图像处理器，用于对于待测工件的每个面上的每个待测子表面，根据该待测表面的投影成像结果得到该待测子表面的空间位置，根据该待测子表面的全息成像结果在该待测子表面的空间位置处重现全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌；根据同一个面上的各待子表面之间的位置关系，多个待测子表面的表面形貌拼接成该多个待测子表面所在的面的表面形貌；根据待测工件的各个面的表面形貌，获得待测工件的表面形貌。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述照明光源为激光光源；
该激光光源输出用于进行投影照明的第一激光和用于进行全息照明的第二激光；
对于待测工件的每个面上的每个待测子表面，
第一激光入射到该待测子表面上的指定区域上，出射携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光；第二激光入射到该待测子表面上，出射携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光；
所述图像采集器，用于采集所述携带该待测子表面上的指定区域的轮廓信息的透射光，得到该待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果；以及，用于采集携带该待测子表面的表面形貌信息的反射光，得到该待测子表面的全息成像结果。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，
第一激光入射到待测工件的入射方向与第二激光入射到待测工件的入射方向相互垂直。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，
所述图像处理器，用于根据待测子表面上的指定区域的轮廓的投影成像结果，得到待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置；根据该待测子表面的全息成像结果和自由空间衍射传播规律，在该待测子表面上的指定区域的轮廓上的指定点的空间位置处重现包含该指定点的待测子表面的全息表面形貌，作为该待测子表面的表面形貌。
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