CN108413872A - 基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于法布里‑珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法，透镜L2通过连接件连接使其横向移动的马达M2，在透镜L2的右侧安装分光棱镜M，在分光棱镜的右侧放置被测物体，在分光棱镜的下方设置数字相机CCD，在分光棱镜与数字相机CCD之间安装滤光片，数字相机连接计算机，各个光学器件由光学夹持器安装。通过移动马达M2驱动透镜L2，使干涉条纹在z方向对被测物纵深范围进行扫描，获取各个位置处的干涉条纹，通过找到条纹精细度最大的位置即可得到被测物的高度。

Description

基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及法布里-珀罗干涉，基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法。

背景技术

基于条纹投影的三维测量方法以其非接触、快速、全场性等优点，为表面反光特性较好的常规尺寸或大视场被测物面形貌全场测量提供了丰富的测量手段，广泛应用在三维形貌测量、机械制造、质量检测等领域。但随着精密机械加工技术、微电子技术、微光学技术、半导体技术、材料技术的快速发展，生产的产品趋向于精密小型化，越来越多的行业对小物体的三维表面尺寸的精密测量产生了需求

针对目前在工业制造中越来越多微米和中间尺度(0.01～10mm)微小器件或复杂表面特性器件(如发动机叶片、半导体表面、刀具刀刃等精密零件)的精密测量。为保证测量精度，基于条纹投影的三维测量方法中光源投射的条纹应该具有横向分辨率和深度分辨率高的特点，也就是需要光源投射的光栅条纹具有非常细密的特性。光源产生的光栅条纹的细密特性对测量精度有着决定性的影响。

法布里-珀罗干涉仪简称F-P干涉仪，是利用多光束干涉原理搭建的一种干涉仪。由于法布里－珀罗干涉仪利用多光束干涉能够形成十分细锐的等倾干涉条纹，经常用在长度计算和光谱超精细结构分析中。

因此，为满足条纹投影三维测量中针对微小尺寸零件精密测量的要求，本设计方案设计了一种基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法。利用了F-P干涉仪产生的干涉条纹精密细锐的特点，为三维尺寸的精密测量投射出细密的条纹。在此基础上，提出了结合移动马达运动实现干涉条纹的横向相移扫描和以及对被测物的深度扫描的方法，以及利用条纹精细度解析方法解算被测物体三维尺寸信息，实现精密测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法，满足条纹投影三维测量中针对微小尺寸零件精密测量的要求。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统，包括从左至右依次设置的扩展光源S，透镜L1，平面玻璃板G1，平面玻璃板G2和透镜L2，平面玻璃板G1和平面玻璃板G2内表面镀有一层高反射膜，两个镀膜的表面保持平行，构成产生多光束干涉的平行平板，透镜L2光轴垂直于平行平板的工作面，平面玻璃板G1通过连接件连接使其横向移动的马达M1，透镜L2通过连接件连接使其横向移动的马达M2，在透镜L2的右侧安装分光棱镜M，在分光棱镜的右侧放置被测物体，在分光棱镜的下方设置数字相机CCD，在分光棱镜与数字相机CCD之间安装滤光片，数字相机连接计算机，各个光学器件由光学夹持器安装。

一种基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，通过移动马达M2驱动透镜L2，使干涉条纹在z方向对被测物纵深范围进行扫描，获取各个位置处的干涉条纹，通过找到条纹精细度最大的位置即可得到被测物的高度。具体实施方式如下：

透镜L2共移动N次获取纵向扫描干涉条纹图；平面玻璃板G1共移动M次获取横向扫描干涉条纹图；共获取M×N幅干涉条纹图，在极坐标系下对扫描的每个图的每个条纹像素位置(ρ₀,α)_i i＝1,2,…N，按邻域灰度分布计算精细度K_i，按条纹位置的精细度分布曲线，找到精细度最大的扫描位置根据最大位置和移动马达M2驱动L2沿z向平移距离的线性关系，求出当前点的高度信息z(ρ₀,α)，将极坐标系下坐标值转换到直角坐标系后得到当前点最终的被测物三维尺寸(x,y,z)，在极坐标下对横向扫描的每幅图的每个条纹位置按上述方法进行三维尺寸计算，最终得到被测物全场三维尺寸信息。

而且，条纹位置的精细度分布曲线根据如下公式拟合：

式中K为精细度，β为干涉孔径角，λ为光源的波长，b为扩展光源的空间尺寸。

而且，根据被测物体的尺寸大小，选择CCD成像尺寸范围。

而且，根据被测物高度变化范围确定透镜L2纵深扫描范围。

而且，根据测量分辨率和精度确定平面玻璃板G1和透镜L2扫描移动时的步进值。

1、本系统的工作原理为：

本设计方案建立的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统示意图如图1所示。

法布里-珀罗多光束干涉仪由扩展光源S，透镜L1，平面玻璃板G1，平面玻璃板G2和透镜L2组成的，各个光学器件由光学夹持器辅助安装。其中扩展光源S为单色性较好的激光光源，平面玻璃板G1和平面玻璃板G2内表面镀有一层高反射膜，两个镀膜的表面保持平行，构成产生多光束干涉的平行平板。同时，两块平面玻璃板G1和G2做成有一个小楔角，以避免未镀膜层表面反射光的干扰。为实现干涉条纹的横向扫描，在F-P干涉仪内对平面玻璃板夹持器添加移动马达M1，通过对G1的平移实现干涉条纹的相位移动，达到干涉条纹横向扫描作用。

系统由法布里-珀罗干涉仪产生十分细锐的等倾干涉条纹，通过透镜L2聚焦、分光棱镜透射后能投射到被测物表面。L2光轴垂直于F-P干涉仪平行平板的工作面，移动马达M2驱动透镜L2移动实现投射的条纹对被测物的纵深扫描，被被测物高度调制的条纹图像会经过分光棱镜反射后，经过滤光片滤波后被数字CCD相机采集，将扫描的条纹图像送入计算机进行处理。分光棱镜使得被调制条纹投射方向和CCD相机采集方向保证了光轴的一致性，避免了被测物由于高度变化条纹图像被遮挡的问题。滤光片透光波长与扩展光源波长一致，可以避免杂散光对条纹图像的干扰。计算机通过基于条纹精细度的解析方法解算出被测物的高度信息。

2、高度信息解算:

F-P干涉仪产生的细锐的干涉条纹投射到被测物体上，被物体调制后，需要通过相应的高度信息解算算法获取物体的高度信息。本设计方案提出的基于条纹精细度的条纹解析方法解算高度的原理，是利用投射的条纹在高度方向(z方向)上随着高度的变化，投射的干涉条纹的精细度会发生变化，即被测物的精细度被被测物的高度调制。通过解析采集的条纹图像的精细度可以得到被测物体的高度。具体的原理与实现步骤如下：

a)干涉条纹精细度分布特性

F-P干涉仪在透镜L2的焦平面上投射的干涉条纹的光强分布为：

其中Iⁱ为入射光的光强，F为精细度系数，δ为干涉仪中相邻的两支光的光程差所引起的相位差。根据平板干涉原理，有

其中λ为光源的波长，n为玻璃板G1和G2内部空气介质的折射率，h为玻璃板G1和G2之间的间隔，θ为入射光束的倾角。

精细度系数F与干涉仪内部玻璃板镀的反射膜的反射率ρ有关：

ρ越大，精细度系数F越大，干涉条纹变得越细锐，实际系统使用时，使得ρ→1，可以得到暗背景下清晰细锐的亮干涉条纹，可以提高测量的分辨率和精度。

由于干涉仪系统使用的是扩展光源，扩展光源形成的干涉条纹是定域干涉，即只有在一定深度范围内是清晰可见。在焦平面上如公式(1)所形成的细锐的干涉条纹是来自F-P干涉仪投射的无限远平行光束形成的干涉条纹，因此是干涉孔径角β＝0时的干涉，若被测物体随着高度变化不在L2焦平面上时，则|β|＞0，越远离焦平面干涉孔径角|β|越大。根据干涉仪器空间相干性原理，条纹精细度随干涉孔径角的增大而下降，实际的精细度K随β按公式(4)分布，b为扩展光源的空间尺寸，精细度随β分布曲线如图2所示。

因此对采集的干涉条纹图的每个位置都进行纵向深度扫描，通过对每个位置条纹精细度的分析，可确定精细度最大时对应深度方向(z方向)的坐标，获取高度信息。

b)干涉条纹纵向深度扫描和横向扫描

为获取高度信息，干涉条纹对被测物体具体的纵向扫描方式是，通过移动马达M2驱动透镜L2，使干涉条纹在z方向对被测物纵深范围进行扫描，获取各个位置出的干涉条纹，通过找到条纹精细度最大的位置即可得到被测物的高度。沿深度方向以Δz的步进值深度扫描被测物体的纵深范围，获取N幅调制条纹图，如图3所示，图中第m幅图为条纹精细度最大的位置处，被被测物调制后，条纹精细度最大位置会随高度变化，因此最大位置处为m(x,y)，图像每个像素点坐标位置处条纹的精细度分布曲线如图4所示，通过解算出每个像素位置(x,y)处对应的精细度最大的位置为m(x,y)，根据移动马达M2移动的位置值可以得到被测物体的高度信息z(x,y),结合CCD数字相机成像特性可以结算被测物三维信息(x,y,z)。

为实现物体高分辨率、高精度、全场测量，还需要横向扫描，横向扫描实现方式是通过在F-P干涉仪内部移动马达M1驱动玻璃板G1，改变玻璃板G1和G2之间的间隔h后改变干涉相位差δ，使得干涉条纹的等相位面的倾角发生变化，体现在干涉条纹上，就是圆环的收缩或扩张。横向扫描的两组条纹如图5所示，图中虚线为改变玻璃板间隔后，向内收缩的干涉条纹，实现对被测物的扫描。通过以Δh的步进进行M次横向扫描，完成对被测物的整体扫描，获取全场数据。

c)基于精细度分析的高度信息解算

根据测量原理，高度信息的获取关键是对扫描的每幅干涉条纹图像每个条纹像素坐标位置计算条纹的精细度。针对每个条纹像素坐标位置，分析其邻域的光强分布计算精细度。F-P干涉仪是等倾干涉，因此干涉条纹是同心圆环状条纹，为使计算的精细度准确反应条纹的空间分布，将像素坐标按公式(5)变换到极坐标系下，

α＝arctan(y/x) (5)

在极坐标系下条纹精细度分析原理如图6所示，图6(a)中通过改变极径ρ和角度α实现对整幅图条纹的扫描。扫描时，针对特定条纹像素位置，沿着极径ρ方向获取其邻域区域内的灰度值。获取的邻域灰度分布图6(b)所示，通过图中灰度分布最高点定位条纹像素位置(ρ₀,α)，通过计算条纹半宽Δρ来表示条纹细锐程度。条纹半宽定义为两个半强度点对应的极径位置相差的范围，从条纹半宽定义和图6(b)可知，条纹半宽Δρ越小，条纹越精细，因此以K＝1/Δρ来描述精细度。实际采集的条纹图像会由于干扰或噪声影响，不会如图6(b)所示那样平滑和对称，可以通过高斯曲线拟合的方式定位条纹像素位置(ρ₀,α)和条纹精细度K＝1/Δρ。

对纵向扫描的每个图的每个条纹像素位置(ρ₀,α)_i i＝1,2,…N计算精细度K_i，按图4所示的分布找到精细度最大的扫描位置为提高对精细度最大扫描位置定位的精度，可以对精细度K_i随着扫描位置i按公式(4)进行曲线拟合，计算出最大扫描位置根据最大位置和移动马达M2驱动L2沿z向平移距离的线性关系，可以求出当前点的高度信息z(ρ₀,α)，将极坐标系下坐标值转换到直角坐标系后得到当前点最终的被测物三维尺寸(x,y,z)。在极坐标下对横向扫描的每幅图的每个条纹位置按上述方法进行三维尺寸计算，最终得到被测物全场三维尺寸信息。

本发明的优点和积极效果是：

本设计方案设计的一种基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量方法。利用了F-P干涉仪产生的干涉条纹精密细锐的特点，为三维尺寸的精密测量投射出细密的条纹，能提高测量分辨率和精度。提出了结合移动马达运动实现干涉条纹的横向相移扫描和以及对被测物的深度扫描的方法，可以实现全场精密测量。在此基础上，提出了利用条纹精细度解析方法解算被测物体三维尺寸信息，可以极大地抑制由于被测物表面反射特性或杂散光引起的测量误差，还能避免误差的空间传播。同时，系统分光棱镜使得条纹投射和成像同轴，可避免测量时被测物被遮挡。根据以上优点，相比传统条纹投影测量方法，该方法在微小器件或复杂表面特性器件的精密测量上有突出的优势，具有很高的测量精度和鲁棒性。

附图说明

图1为基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统；

图2为精细度随干涉孔径角分布曲线图；

图3为沿深度方向深度扫描N幅调制条纹图；

图4为任一条纹位置的精细度分布曲线图；

图5为横向扫描的两组条纹；

图6为极坐标系下条纹精细度分析。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

按照图1搭建基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统。根据被测物体的尺寸大小，选择CCD成像尺寸范围；根据被测物高度变化范围确定透镜L2纵深扫描范围；根据测量分辨率和精度确定平面玻璃板G1和透镜L2扫描移动时的步进值。透镜L2共移动N次获取如图3所示的纵向扫描干涉条纹图，平面玻璃板G1共移动M次获取如图5所示的横向扫描干涉条纹图，共获取M×N幅干涉条纹图。在极坐标系下对扫描的每个图的每个条纹像素位置(ρ₀,α)_i i＝1,2,…N按图6邻域灰度分布计算精细度K_i，按图4所示的分布找到精细度最大的扫描位置根据最大位置和移动马达M2驱动L2沿z向平移距离的线性关系，求出当前点的高度信息z(ρ₀,α)，将极坐标系下坐标值转换到直角坐标系后得到当前点最终的被测物三维尺寸(x,y,z)。在极坐标下对横向扫描的每幅图的每个条纹位置按上述方法进行三维尺寸计算，最终得到被测物全场三维尺寸信息。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (7)

1.一种基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统，包括从左至右依次设置的扩展光源S，透镜L1，平面玻璃板G1，平面玻璃板G2和透镜L2，平面玻璃板G1和平面玻璃板G2内表面镀有一层高反射膜，两个镀膜的表面保持平行，构成产生多光束干涉的平行平板，透镜L2光轴垂直于平行平板的工作面，平面玻璃板G1通过连接件连接使其横向移动的马达M1，其特征在于：透镜L2通过连接件连接使其横向移动的马达M2，在透镜L2的右侧安装分光棱镜M，在分光棱镜的右侧放置被测物体，在分光棱镜的下方设置数字相机CCD，在分光棱镜与数字相机CCD之间安装滤光片，数字相机连接计算机，各个光学器件由光学夹持器安装。

2.根据权利要求1所述的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，其特征在于：通过移动马达M2驱动透镜L2，使干涉条纹在z方向对被测物纵深范围进行扫描，获取各个位置处的干涉条纹，通过找到条纹精细度最大的位置即可得到被测物的高度。

3.根据权利要求2所述的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，其特征在于：具体实施方式如下：

透镜L2共移动N次获取纵向扫描干涉条纹图，平面玻璃板G1共移动M次获取横向扫描干涉条纹图；共获取M×N幅干涉条纹图。在极坐标系下对纵向扫描的每个图的每个条纹像素位置(ρ₀,α)_i i＝1,2,…N，按邻域灰度分布计算精细度K_i，按条纹位置的精细度分布曲线，找到精细度最大的扫描位置根据最大位置和移动马达M2驱动L2沿z向平移距离的线性关系，求出当前点的高度信息z(ρ₀,α)，将极坐标系下坐标值转换到直角坐标系后得到当前点最终的被测物三维尺寸(x,y,z)，在极坐标下对横向扫描的每幅图的每个条纹位置按上述方法进行三维尺寸计算，最终得到被测物全场三维尺寸信息。

4.根据权利要求3所述的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，其特征在于：条纹位置的精细度分布曲线根据如下公式拟合：

式中K为精细度，β为干涉孔径角，λ为光源的波长，b为扩展光源的空间尺寸。

5.根据权利要求3所述的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，其特征在于：根据被测物体的尺寸大小，选择CCD成像尺寸范围。

6.根据权利要求3所述的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，其特征在于：根据被测物高度变化范围确定透镜L2纵深扫描范围。

7.根据权利要求3所述的基于法布里-珀罗多光束干涉的三维尺寸精密测量系统的测量方法，其特征在于：根据测量分辨率和精度确定平面玻璃板G1和透镜L2扫描移动时的步进值。