CN109579747B - 基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法，包括：搭建生成二维光学点阵的光路系统，由此光路系统生成的二维光学点阵被整体放大后照射到被测物体表面，经由充当“小孔成像”的“小孔”的漫反射成像透镜后由相机完成图像采集，保存的图像用于后续的表面形貌解算；将标准平面样品放置在被测物体位置上，二维光学点阵会投射到其表面并进行漫反射成像，利用相机采集成像结果；采集完标准平面的点阵图像后，将被测物体放在同样位置，利用相同方法对被测物体表面进行测量；经过图像处理提取出二维光学点阵中各个点元素的位置偏移量；求解出被测形貌。

Description

基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法

技术领域

本发明涉及光学表面形貌测量领域，特别是针对漫反射表面的高精度形貌检测。

背景技术

表面形貌是指物体与周围介质分界面处呈现出的几何形态，由表面的基本形状和波纹度、纹理、表面粗糙度等表面缺陷参数共同构成了物体表面形貌的特征。RichardLeach也在《表面轮廓的光学测量方法》一书中提到：10％的元件损伤都是由于表面效应造成的，表面轮廓信息可以对一个国家的GDP做出巨大贡献。表面形貌测量技术的研究具有重要意义，而漫反射型表面在生产中较为常见，是表面形貌测量的重要领域。

现有表面形貌测量方法主要可分为接触式测量与非接触式测量。人们最先是利用触针扫描的接触式测量方法实现了面形测量，凭借触针的位移追迹解算出表面形貌。但由于非接触式测量的高效性、无损伤等优势，非接触式测量很快得到了更广泛的应用。目前主流的非接触式测量方法主要有激光共聚焦法、显微干涉法、结构光法等，这些方法对表面形貌测量的发展具有重要影响，但每种测量方法仍有不足。

激光共聚焦法分辨力高，具有抗杂散光等能力，但是测量时间长、光学结构复杂。显微干涉法优点在于精度高，技术成熟，缺点在于光路调试难度大，系统受环境影响较大，且需要至少三幅图像才能获取足够的测量信息。线结构光法具有信息量大、测量快速等优点，但也存在提取图像时受阴影影响、测量效率低等不足。

基于结构光测量优势，又因点、线、多线结构光的性能限制，国内外专家学者一直致力于新型结构光场的研究。例如利用光栅产生的正弦结构光场等，但大部分新型光场测量时仍需处理相位信息，相位展开受面形不连续、噪声等影响严重。目前也有利用结构光投影法测量面形的研究，避免了相位的复杂处理，但多数无法实现结构光的高度细分，只能应用于较大尺度测量，无法进行高分辨力的微观测量。

与此同时，二维光学点阵技术早已有所发展。由于二维光学点阵严密的空间周期、规则的图案等空间特性，使其广泛应用于如原子的捕获和冷却、超高分辨显微技术、光通信、微流体筛选以及三维形貌测量等多个领域。

考虑到面结构光的潜能以及二维光学点阵的性质，让人意识到将二维光学点阵作为一种新型结构光场的可能。二维光学点阵针对表面形貌测量问题具有以下优势：具有高精度的空间周期，且空间周期灵活可调，可针对多种测量情况；在离焦平面一定范围内电场分布不变，点阵的图案规则简单，方便利用几何光学解算。

目前在表面形貌测量领域，已有利用二维光学点阵针对反射性表面的研究，本发明拓展了二维光学点阵对漫反射型表面的测量，提供了一种高效率、稳定性强、高精度、较大范围、可应对多种测量情况的表面形貌测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率、稳定性强、高精度、较大范围、可应对多种测量情况的漫反射型表面形貌测量方法。技术方案如下：

一种基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法，包括下列步骤：

(1)搭建生成二维光学点阵的光路系统，由此光路系统生成的二维光学点阵被整体放大后照射到被测物体表面，经由充当“小孔成像”的“小孔”的漫反射成像透镜后由相机完成图像采集，保存的图像用于后续的表面形貌解算；

(2)将标准平面样品放置在被测物体位置上，二维光学点阵会投射到其表面并进行漫反射成像，利用相机采集成像结果；

(3)采集完标准平面的点阵图像后，将被测物体放在同样位置，利用相同方法对被测物体表面进行测量；

(4)经过图像处理提取出二维光学点阵中各个点元素的位置偏移量Δx；

(5)设u为物距，v为像距，θ为预先标定的相机的观测角度，利用激光三角法对被测形貌进行解算，将各点的偏移量带入到下式中的位置偏移量Δx之中，求解出各点的高度变化量h，再利用插值拟合求解出被测形貌：

从上述技术方案可以看出，本发明基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法至少具有以下有益效果：

(1)本发明是利用激光三角法针对漫反射型表面形貌的测量方法，是根据几何光学原理对表面形貌进行解算，解算过程中应用的数学模型较为简单，不涉及处理复杂相位信息。且数学模型仅需一幅图像就可解得表面形貌，提高了测量效率，可以实现快速测量。

(2)同样，本发明由于不涉及到相位解算，测量过程受环境的影响较小，系统具有一定的稳定性。

(3)本发明所采用的二维光学点阵具有高精度空间周期排列，使得测量具有较高的分辨力，甚至可达微米级，保证了测量精度。

(4)本发明可归属为面结构光测量方法，相较于点、线、多线具有更大的测量范围，不需扫描机构就可以应对毫米甚至厘米尺度的测量范围。

(5)本发明所采用的二维光学点阵还具有空间周期可调的优势，改变空间光调制器的内置参数或者调整透镜焦距等硬件参数，都可实现二维光学点阵空间周期的调整，从而应对多种测量情况。

附图说明

图1基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法的流程图

图2基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法的数学模型原理图

图3基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统输入到空间光调制器中的二维光学晶格相位图

图4基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统的光路示意图

图5基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统的使用流程

图6基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统所采用的二维光学点阵：(a)为相机采集原图；(b)标记图中点元素的质心位置

图7基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统测量时采集到的图像：(a)标准平面图像；(b)被测面图像。

图8基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统中所得图像经图像处理后的效果图

图9基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法所得标准平面图像经图像处理后的结果

图10基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法所得被测圆柱体平面图像经图像处理后的结果

图11基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统恢复的被测形貌：(a)观察角度一；(b)观察角度二图12被测圆柱体的实际尺寸图示

附图标记说明如下：扩束透镜L1、扩束透镜L2、扩束透镜L3、扩束透镜L4、傅里叶变换透镜L5、傅里叶变换透镜L6、放大透镜L7、放大透镜L8、漫反射成像透镜L9

具体实施方式

基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法的发明思路如图1所示：目前已具备成熟的二维光学点阵制备技术，本发明利用基于空间光调制器的光场调控方法来制得二维光学点阵。由于被测物体表面的高度变化会对二维光学点阵的漫反射成像产生调制，首先将二维光学点阵投射到没有高度变化的标准平面，进行漫反射成像，完成标定。再将二维光学点阵投射到被测物体表面，进行同样的漫反射成像。比较被测物体表面的图像和标准平面的图像，会发现被测物体表面的二维光学点阵图案相较于标准平面发生了变形，利用激光三角法对变形进行解算，便可得到被测物体表面的高度变化，再经插值拟合之后便可恢复被测形貌。

本发明在进行表面形貌解算时采用激光三角法，其原理如下：

图2为激光三角法的几何模型图，其中h为被测点物体表面相较于标准平面的高度变化量，u为物距，v为像距，θ为预先标定的相机的观测角度，Δx为相机探测器上二维光学点阵中点元素因高度调制产生的位置偏移量。根据图1中的几何关系可以很容易推导出：

上式为激光三角法的计算公式，其中，物距u、像距v、角度θ都为已知量，位置偏移量Δx的具体数值可通过图像处理得出。二维光学点阵的点元素在被测物体表面的投射位置即为物体被测点，因此根据式(1)利用对应的Δx便可解算出该被测点的高度变化量h。通过此方法，可以一次计算出二维光学点阵中各个点元素投射位置的高度变化量。将图3所示相位图输入到空间光调制器后，所得到的二维光学点阵中点元素间的距离即为空间周期，是严格相等的，在各点元素之间的高度进行插值拟合就可以复原出这个被测物体的形貌。需要提出的是，对二维光学点阵中各个点元素同时使用激光三角法，会使得测量结果存在一定误差，越远离光轴中心的点元素误差越大，但在本发明的测量范围之内误差是可接受的。

为使本发明的目的、方案以及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用二维光学点阵实现漫反射型表面形貌的测量，系统装置包含如图4所示的测量光路，首先对该测量光路作具体说明。基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统主要由激光光源(Laser)、扩束透镜L1/L2/L3/L4、偏振分光棱镜(PBS)、半波片(HWP2)、空间光调制器(SLM)、傅里叶变换透镜L5/L6、掩膜板(Annular Mask)、转折反射镜(Mirror)、放大透镜L7/L8、漫反射成像透镜L9、相机(Camera)共同组成。激光光源出射激光，为了在测量时获得更大的测量范围，需要对该激光进行扩束处理。扩束透镜L1/L2和扩束透镜L3/L4为两组4f系统，激光光束经过这两组4f系统之后实现扩束放大。从扩束透镜L4出射的激光束经过偏振分光棱镜，保证只有水平方向的偏振光可以经过，然后再经过半波片变成竖直方向的偏振光，照射到空间调制器上。空间光调制器预先设置好了参数，其中烧入了二维光学点阵对应的相位图，对光束进行相位调制，使其具有二维光学点阵的图案，并将光束反射回分光棱镜，光束又被分光棱镜反射到后面的光路之中。此时二维光学点阵的图案虽然已经被调制到光束中，但是由于高频杂散信息的影响，此时二维光学点阵并不清晰，还需要后面光路进行滤波处理。光束继续经过傅里叶变换透镜L5，在掩膜板处完成从空间域变换到空间频域的傅里叶变换，此时掩膜板处存在着各个级次的频域信息。掩膜板将其他级次频域信息过滤，只保留基频信息进入后面的光路，完成滤波。光束到达反射镜处由于空间的问题，利用反射镜对其进行光路转折。之后利用傅里叶变换透镜L6对基频信息进行反傅里叶变换，将光束由空间频域变回空间域，此时便可得到清晰规则的二维光学点阵。此时虽然得到二维光学点阵，但是其空间周期过小，进行漫反射测量时图像质量差，并不适用于漫反射测量，所以后面的光路还要对二维光学点阵进行整体放大。放大透镜L7/L8构成了一组4f放大系统，当二维光学点阵光束经过时实现有效的整体放大。漫反射成像透镜L9是根据漫反射成像的需要，放置这一透镜来充当“小孔成像”的“小孔”。相机完成最后的图像采集，保存的图像用于后续的表面形貌解算过程中。

基于上述基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量系统，本发明提供了基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法，以下进行详细说明。图5为本发明实施例的基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法的流程图，包括以下步骤：

步骤A：首先将已经仿真好的二维光学点阵相位图烧入到空间光调制器中，完成空间光调制器的设置。启动激光器，发射的激光经扩束照射到空间光调制器上，再经傅里叶滤波与4f系统放大得到测量所需的二维光学点阵。为了后续的测量计算需要，首先需要获知二维光学点阵的空间周期大小。将相机摆放到二维光学点阵可以直射的位置上，采集图像。利用MATLAB计算出二维光学点阵中各个点元素之间的平均距离，即为二维光学点阵的空间周期，如图6所示。本实施例中计算的空间周期289.31微米。步骤B：将标准平面样品放于图4中被测物体位置上，二维光学点阵会投射到其表面并进行漫反射成像，利用相机采集成像结果。本实施例将一平面反射镜作为标准平面，利用相机采集到的图像如图7(a)所示。

步骤C：采集完标准平面的点阵图像后，将被测物体放在同样位置，利用相同方法对被测物体表面进行测量。本实施例采用的被测样品为中性笔笔杆的一部分，其表面可进行有效的漫反射，采集图像质量较好，如图7(b)所示。与上图7(a)进行对比，仔细观察会发现图像中二维光学点阵的图案发生了改变。

步骤D：由于漫反射采集到的图像质量较差，在进行数据计算前需进行图像处理的工作，经过图像处理后得到如图8所示的结果。分别对标准平面与被测平面进行图像处理，如图9、图10所示。提取出二维光学点阵中各个点元素的位置偏移量Δx。

步骤E：得到点元素的位置偏移量Δx之后，就可以利用激光三角法对被测形貌进行解算。将各点的偏移量带入到式(1)中的位置偏移量Δx之中，求解出各点的高度变化量h，再利用插值拟合便可求解出被测形貌，恢复效果如图11所示。图12为被测物体尺寸图。

Claims (1)

1.一种基于二维光学点阵的漫反射型表面形貌测量方法，包括下列步骤：

(1)搭建生成二维光学点阵的光路系统，光路系统包括激光光源、扩束透镜、偏振分光棱镜、半波片、空间光调制器、傅里叶变换透镜、掩膜板、反射镜、待检测漫反射表面、漫反射成像透镜和相机，

由激光光源出射的激光光束经两组扩束透镜进行扩束后，在偏振分光棱镜和半波片的帮助下，成功携带上空间光调制器中所编辑的二维光学点阵图案，并被反射到后续光路中，反射的光束再经过傅里叶变换透镜和掩膜板得到清晰的二维光学点阵，该二维光学点阵被反射镜转折到另一组扩束透镜构成的4f放大系统处，完成放大，最后将此时生成的二维光学点阵照射到待测漫反射表面上，漫反射光线经过充当“小孔”的漫反射成像透镜后被相机采集，保存的图像用于后续的表面形貌解算；

(2)将标准平面样品放置在被测物体位置上，二维光学点阵会投射到其表面并进行漫反射成像，利用相机采集成像结果；

(3)采集完标准平面的点阵图像后，将被测物体放在同样位置，利用相同方法对被测物体表面进行测量；

(4)经过图像处理提取出二维光学点阵中各个点元素的位置偏移量Δx；

(5)设u为物距，v为像距，θ为预先标定的相机的观测角度，利用激光三角法对被测形貌进行解算，将各点的偏移量代入到下式中的位置偏移量Δx之中，求解出各点的高度变化量h，再利用插值拟合求解出被测形貌：

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