CN108180868A - 一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统 - Google Patents

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陈钱
左超
孙佳嵩
张玉珍
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胡岩
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陶天阳
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Abstract

本发明公开了一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统，包括光栅图像投影单元、光栅图像采集单元、载物单元、支架单元以及图像处理单元，光栅图像采集单元包括第一高速相机、双远心镜头、第二高速相机、双远心镜头；光栅图像投影单元包括DMD投影模块与长工作距离镜头；载物单元包括被测样品、精密倾斜位移台、精密升降位移台；支架单元包括系统底座、横向支撑臂、纵向支撑臂；图像处理单元由计算机构成。本发明通过采用条纹投影，主动地用相位作为纹理对被测物体表面进行编码，因此本发明可用于表面颜色均匀的物体测量，适用面更广。

Description

一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统。
背景技术
中国目前是全世界最大的工业产品制造和加工基地。产品质量往往决定了一个企业自身的国际、国内形象和长期发展战略，是企业的核心竞争力之一，目前多数全球知名企业均是以高质量的产品在消费者中形成了其自身的品牌形象，实现了其产品的高附加值、高利润。因此，工业产品质量的出厂前在线自动检测是产品质量控制的关键一环，一直是工业界关注的热点问题之一。特别是产品表面三维形貌及缺陷检测已经成为亟待解决的问题，并制约着整个国家的工业制造和工艺水平的提升。随着电子信息技术和计算机软件、硬件水平的不断提升，多数大型企业的工业产品的出厂前检测已经由最初的人工抽查发展到现在的在线自动化监测。为了进一步严格控制产品质量，提高企业的国际、国内地位，需要开发更加先进、完善的产品质量检测和控制体系。工程结构和在线成型产品的表面质量检测的主要目的是为了寻找在产品加工或使用过程中在其表面存在的缺陷和早期破坏。如果能够精确地自动识别，并快速测量出这些缺陷和早期破坏的几何位置、分布状况以及缺陷或破坏的三维尺寸大小，将对企业有效地改进产品的生产、加工工艺，并做出适时科学的表面健康状况评估，提出维护决策具有十分重要的实用价值。目前，我国已经成为第二大集成电路生产国家，但是集成电路的测试技术还相对落后，缺乏高水平的集成电路测试装备的设计能力。集成电路测试是促进集成电路产业发展必不可少的环节。随着表面封装技术(Surface Mount Technology,SMT)的普及，SMT元器件的密集化及细小化，三维面型测量技术被广泛用于集成电路生产过程监测和保证产品质量。它可有效的检测锡膏印刷质量、元器件贴装质量以及焊点质量。
目前用于实现微小物体的三维显微系统包括双目显微镜(晏浩.双目立体显微测量的研究[J].计量学报，2008，29(z1))、共聚焦显微镜(陈木旺.浅谈共聚焦显微技术[J].光学仪器，2013,35(1))与全息显微镜(周文静，于瀛洁，徐强胜.基于数字显微全息技术的相位光栅结构测量[J].光子学报，2008,37(11))。首先，双目显微镜又称体视显微镜，通过光路设计使用两个物镜对样品进行成像，每个物镜分别对样品成一个视角像，把两物镜所成的像通过光路引导至两目镜后用双眼直接接受，双眼同时接收到样品的两不同视角图像，就会产生立体效果。也可用两台相机记录两物镜所成的像，然后通过立体匹配技术还原出样品的三维形貌得到样品的模型。双目显微镜已在工业、医学等领域得到广泛应用。但是双目成像原理依赖于被测物表面的纹理识别，对于颜色均匀的物体，双目显微镜通常很难提取被测物体的三维坐标。其次，共聚焦扫描显微镜用激光作扫描光源，逐点扫描成像，扫描用激光与收集荧光共用一个物镜，物镜的焦点即扫描激光的焦点，也是瞬时成像的物点。系统经一次调焦，扫描一个平面内样品的像，调焦深度不一样时，就可以获得样品不同深度的图像。然而共聚焦显微镜由于其逐点扫描的特征，导致其测量速度十分受限，无法迅速地完成全视场下的三维显微成像。最后，全息显微镜采用全息显微术进行三维的显微成像，与传统显微术相比，其优点是能存储样品整体，无须制备样品的切片。尤其是对一些活的样品，它可以用高功率的连续激光或脉冲激光拍照全息图，长期保存，并且能够再现和样品一样的三维效果，能显示样品的细节。但是，由于需要使用激光来作为光源，该方法对测量环境的稳定性提出了很高的要求，需严格地隔绝环境的微小震动与干扰，通常工业上的在线测量环境难以达到这一要求。综上所述，目前对于工业在线检测，尚缺乏一套适用面广、全视场、稳定性好的三维显微成像系统。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统，可实现快速、全视场且稳定性好的实时三维显微成像。
实现本发明的技术解决方案为：一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统，包括光栅图像投影单元、光栅图像采集单元、载物单元、支架单元以及图像处理单元，光栅图像采集单元包括第一高速相机、双远心镜头、第二高速相机、双远心镜头；光栅图像投影单元包括DMD投影模块与长工作距离镜头；载物单元包括被测样品、精密倾斜位移台、精密升降位移台；支架单元包括系统底座、横向支撑臂、纵向支撑臂；图像处理单元由计算机构成；
所述被测样品放置于精密倾斜位移台与精密升降位移台的组合平台之上，DMD投影模块通过长工作距离镜头向被测样品投影光栅条纹；同时DMD投影模块产生同步信号，控制第一高速相机与第二高速相机同步拍摄被测样品；第一高速相机与第二高速相机将采集的图像信息传输至计算机，由计算机进行图像处理与三维重建。
本发明与传统系统相比，其显著优点为：(1)通过采用条纹投影，主动地用相位作为纹理对被测物体表面进行编码，因此本发明可用于表面颜色均匀的物体测量，适用面更广。(2)每一次的三维测量都可覆盖整个视场，因此其效率更高、测量速度更快。(3)由于未采用激光作为纹理编码光源，因此其对测量环境的扰动不敏感，测量稳定性更好。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明基于条纹投影的实时三维显微成像系统结构示意图。
图2是本发明DMD投影模块投射的光栅图案。
具体实施方式
结合图1，本发明基于条纹投影的实时三维显微成像系统包括光栅图像投影单元、光栅图像采集单元、载物单元、支架单元以及图像处理单元，光栅图像采集单元包括第一高速相机1、双远心镜头2、第二高速相机3、双远心镜头4。光栅图像投影单元包括DMD投影模块5与长工作距离镜头6。载物单元包括被测样品7、精密倾斜位移台8、精密升降位移台9。支架单元包括系统底座10、横向支撑臂11、纵向支撑臂12。图像处理单元由计算机13构成。被测样品7放置于精密倾斜位移台8与精密升降位移台9的组合平台之上，DMD投影模块5通过长工作距离镜头6向被测样品7投影光栅条纹。同时DMD投影模块5产生同步信号，控制第一高速相机1与第二高速相机3同步拍摄被测样品7。第一高速相机1与第二高速相机3将采集的图像信息传输至计算机13，利用计算机13进行图像处理与三维重建。
结合图1，首先安装支架单元：将纵向支撑臂12上部分安装于横向支撑臂11的中心对称轴上，纵向支撑臂12的下部分安装于系统底座10的中心对称轴上。
其次，安装载物单元：将精密升降位移台9固定于系统底座10的中心对称轴上。精密倾斜位移台8固定于精密升降位移台9之上。将被测样品7放置于精密倾斜位移台8之上。测量过程中，精密升降位移台9通过上下移动可调节被测样品7的垂直高度，精密倾斜位移台8通过左右倾斜，可调节被测样品7的观察角度。通过对被测样品7的上下与左右倾斜调节，光栅图像采集单元可从更多角度采集由被测样品7反射而来的光栅条纹信息，因此从这些光栅条纹信息中可恢复被测样品7更多角度且更为丰富的表面三维轮廓细节。此外，对于本成像系统的标定过程，将标定板放置于精密倾斜位移台8之上后，通过本载物单元可方便实现对标定板的上下与左右倾斜调节需求，有利于测量空间的快速、准确标定。相比于传统情况下，单纯依靠手动地升高与倾斜被测样品7与标定板的方式，本发明采用精密倾斜位移台8与精密升降位移台9可稳定地、便捷地、高精度地调节样品与标定板位置。
然后安装光栅图像投影单元：对商品DMD投影模块5进行改装，即拆除其自带的光学投影镜头与附属在光学投影镜头上的投影焦距调节装置。原因在于DMD投影模块5自带的光学投影镜头与焦距调节装置会对投影条纹图像进行放大，而对于本发明而言投影面积过大的条纹图像不利于对微小的被测样品7进行高密度的主动编码，会降低从采集条纹图像中恢复的三维显微模型的精度。因此，对于本成像系统的光栅图像投影单元，需要去除DMD投影模块5自带的光学投影镜头与附属在光学投影镜头上的投影焦距调节装置。
将改装后的DMD投影模块5固定于纵向支撑臂12上，使该模块的投影方向竖直向下。随后在DMD投影模块5正下方5mm至15mm的位置处，放置长工作距离镜头6，其参数为：工作距离105mm至115mm，放大率0.5倍至1倍。DMD投影模块5工作时发出投影光，该投影光通过长工作距离镜头6汇聚于被测样品7的表面之上。长工作距离镜头6到被测样品7的距离为40mm至60mm。由于DMD投影模块5自带的光学投影镜头与焦距调节装置被移除，且DMD投影模块5到长工作距离镜头6为5mm至15mm、长工作距离镜头6到被测样品7的距离为40mm至60mm，在此条件下，DMD投影模块5投射的条纹图像在被测样品7上的投影面积才可被有效缩小，缩小后面积大小约为6mm×4mm。该小面积的高密度条纹编码确保了本发明三维显微成像的高精度目标。
再安装光栅图像采集单元：在第一高速相机1和第二高速相机3机身上分别安装双远心镜头2和双远心镜头4。双远心镜头2与双远心镜头4具有相同的参数：光学放大率0.4倍，工作距离105mm至120mm。随后，将第一高速相机1放置于横向支撑臂11左侧，其距离横向支撑臂11中心轴距离65mm至75mm左右。将第二高速相机3放置于横向支撑臂11的右侧，其位置与第一高速相机1关于横向支撑臂11中心轴对称。结合双远心镜头2与双远心镜头4的放大倍率参数，该设置有利于本成像系统的光栅图像采集单元从左右对称的视角拍摄被测样品7，以及确保针对小面积条纹图像的高分辨率采集。固定两台高速相机的横向位置后，调节它们的拍摄角度。调节第一高速相机1和第二高速相机3拍摄角度时，将它们相对于垂直方向的角度调节为θ，θ的取值范围为20°至25°之间。对于本发明而言，当θ角小于20°时，第一高速相机1和高速相机3拍摄的条纹图像公共区域面积会减少，因此不利于恢复全视场的三维显微模型。而且，当θ角大于25°后，利用第一高速相机1和第二高速相机3采集的条纹图像进行相位信息计算时，相位精度会由于条纹对比度下降问题而有所降低。因此当相位信息转换至三维信息时，三维成像结果的准确度将受到影响。因此，本发明为实现全视场高精度的三维显微成像，第一高速相机1和第二高速相机3的垂直方向角度θ的取值范围为20°至25°之间。
本系统构建完成后，利用图像处理单元计算机13进行图像分析与三维坐标计算：首先对该系统进行标定。将标定板放置于载物单元之上，通过调节载物单元的高度与左右倾斜位置，第一高速相机1与第二高速相机3可快速稳定地拍摄不同高度与角度的标定板图像。随后利用相机标定方法，标定单个高速相机参数以及两台相机构成的整体测量系统参数。随后进行三维重建。DMD投影模块5向被测样品7投影四幅光栅图案，图案如图2所示。由于DMD投影模块5自带的光学投影镜头与焦距调节装置被移除，且DMD投影模块5到长工作距离镜头6为5mm至15mm、长工作距离镜头6到被测样品7的距离为40mm至60mm，保证了被测样品7表面之上的四幅光栅图像具有小面积高密度的编码特性。同时，DMD投影模块5产生两个同步触发信号，发送至第一高速相机1和第二高速相机3，使它们同时拍摄被测样品7。最后，第一高速相机1和第二高速相机3将拍摄得到图像传输至计算机，进行图像分析。对于第一高速相机1，利用其拍摄的四幅光栅图案，通过快速相位计算方法，求解绝对相位Φ1(x1,y1)，其中(x1,y1)为第一高速相机1的像素坐标，下标1表示与第一高速相机1相关的变量。同理对于第二高速相机3，利用其拍摄的四幅光栅图案，根据相同计算方法，可求解其对应的绝对相位Φ2(x2,y2)，其中(x2,y2)为第二高速相机3的像素坐标，下标2表示与第二高速相机3相关的变量。由于第一高速相机1和第二高速相机3的位置对称并且它们的垂直方向角度为20°至25°之间，确保了两台相机将拍摄足够的公共区域以及针对小面积条纹图像的高分辨率采集，使得相位计算不受条纹对比度下降问题的影响，保证了相位Φ1(x1,y1)与Φ2(x2,y2)的全视场高精度恢复。由于绝对相位分布具有空间唯一性，因此利用Φ1(x1,y1)与Φ2(x2,y2)可以唯一确定第一高速相机1与第二高速相机3拍摄的目标点。当满足条件Φ1(x1,y1)＝Φ2(x2,y2)时，像素(x1,y1)与像素(x2,y2)将对应于被测样品7表面上的同一点。结合系统的标定参数，像素(x1,y1)与像素(x2,y2)对应的空间点三维坐标(X,Y,Z)T可通过联立以下两个方程计算：
u1(x1,y1,1)T＝P1(X,Y,Z,1)T
u2(x2,y2,1)T＝P2(X,Y,Z,1)T
其中u1与u2分别为空间点(X,Y,Z)T投影至第一高速相机1与第二高速相机3过程中的投影标量。P1表示第一高速相机1的投影矩阵，P2表示第二高速相机3投影矩阵，系统标定后P1与P2都可被确定。该三维坐标的计算方法具体可参考书籍“Multiple View Geometryin Computer Vision”(作者Richard Hartley等)中的第二部分。

Claims (8)

1.一种基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于包括光栅图像投影单元、光栅图像采集单元、载物单元、支架单元以及图像处理单元，光栅图像采集单元包括第一高速相机(1)、双远心镜头(2)、第二高速相机(3)、双远心镜头(4)；光栅图像投影单元包括DMD投影模块(5)与长工作距离镜头(6)；载物单元包括被测样品(7)、精密倾斜位移台(8)、精密升降位移台(9)；支架单元包括系统底座(10)、横向支撑臂(11)、纵向支撑臂(12)；图像处理单元由计算机(13)构成；
所述被测样品(7)放置于精密倾斜位移台(8)与精密升降位移台(9)的组合平台之上，DMD投影模块(5)通过长工作距离镜头(6)向被测样品(7)投影光栅条纹；同时DMD投影模块(5)产生同步信号，控制第一高速相机(1)与第二高速相机(3)同步拍摄被测样品(7)；第一高速相机(1)与第二高速相机(3)将采集的图像信息传输至计算机(13)，由计算机(13)进行图像处理与三维重建。
2.根据权利要求1所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于支架单元中，将纵向支撑臂(12)上部分安装于横向支撑臂(11)的中心对称轴上，纵向支撑臂(12)的下部分安装于系统底座(10)的中心对称轴上。
3.根据权利要求1所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于载物单元中，将精密升降位移台(9)固定于系统底座(10)的中心对称轴上，精密倾斜位移台(8)固定于精密升降位移台(9)之上，将被测样品(7)放置于精密倾斜位移台(8)之上，精密升降位移台(9)通过上下移动可调节被测样品(7)的垂直高度，精密倾斜位移台(8)通过左右倾斜，可调节被测样品(7)的观察角度。
4.根据权利要求1所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于光栅图像投影单元中，拆除DMD投影模块(5)自带的光学投影镜头与附属在光学投影镜头上的投影焦距调节装置，并将DMD投影模块(5)固定于纵向支撑臂(12)上，使该DMD投影模块(5)的投影方向竖直向下，在DMD投影模块(5)正下方5-15mm的位置处，放置长工作距离镜头(6)。
5.根据权利要求4所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于DMD投影模块(5)的参数为：工作距离105-115mm，放大率0.5倍至1倍，DMD投影模块(5)工作时发出投影光，该投影光通过长工作距离镜头(6)汇聚于被测样品(7)的表面之上，长工作距离镜头(6)到被测样品(7)的距离为40-60mm。
6.根据权利要求1所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于光栅图像采集单元中，在第一高速相机(1)和第二高速相机(3)机身上分别安装双远心镜头(2)和双远心镜头(4)；双远心镜头(2)与双远心镜头(4)具有相同的参数：光学放大率0.4倍，工作距离105-120mm。
7.根据权利要求1所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于光栅图像采集单元中，将第一高速相机(1)和第二高速相机(3)分别放置于横向支撑臂(11)上的对称位置，它们分别距离横向支撑臂(11)中心轴距离为65-75mm左右，即将第一高速相机(1)放置于横向支撑臂(11)左侧，其距离横向支撑臂(11)中心轴距离65-75mm，将第二高速相机(3)放置于横向支撑臂(11)的右侧，其位置与第一高速相机(1)关于横向支撑臂(11)中心轴对称。
8.根据权利要求1所述的基于条纹投影的实时三维显微成像系统，其特征在于光栅图像采集单元中，调节第一高速相机(1)和第二高速相机(3)拍摄角度时，将它们相对于垂直方向的角度调节为θ，θ的取值范围是20°-25°之间。
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