CN110702026A - 一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置及其处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置及其处理方法，该装置主要包括承重台、支架、XY平台、旋转台、倾斜台和复光束角度传感器。本方案的半导体激光器产生的激光束穿过第一滤光板中的针孔，由准直透镜校直之后，在分束器的作用下投射到工件表面；来自工件表面的反射光束完全通过分束器到达微透镜阵列；入射光被微透镜阵列分割成许多小样本，然后聚焦到探测器阵列上；因此，在CMOS相机上会产生许多分离的光焦点，这些焦点的位置与工件的斜度直接相关；利用算法处理从CMOS相机检测到的图像，并确定焦点的位置，最后通过与原始位置的比较来计算斜坡，并从斜坡重建轮廓。

Description

一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置 及其处理方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置及其处理方法。

背景技术

近年来，随着科学技术的迅猛发展,社会生产生活也有了很大的提高。为了更好的满足更多的生活场景以及工业生产加工，三维形貌检测技术顺势而生。三维形貌测量这门技术自从出生开始，就持续而飞速的发展与完善，在越来越多的领域有着广泛的应用。无论是实物仿形、三维重构、工业生产检测、地形绘制等传统领域,还是生物医学，半导体行业，航空航天等高新领域，处处都能看到三维形貌检测在这些行业上有着举足轻重的作用。在诸多三表面形貌检测的技术中，表面三维微观形貌检测方法按照是否与被测表面物理接触，可以划分为接触式测量和非接触式测量两大基类。

在接触式形貌检测技术中，因为需要依靠探头与被测物的接触临界点作为测量的判断依据，基于此，探头的材料需有一定的硬度与刚度，故而探头的头部需要有一定的钝性，当被测物体微观表面的半径比探头头部的曲率还大时，会造成在该点的测量数据与实际数据有较大的偏差；探头有很高的硬度与刚度，当测量物体表面的硬度较低或者有高精度需求的工件时，会严重影响测量结果以及损伤被测物体的完整性。探针与被测工件进行物理接触，无论对探针还是被测表面都可能会造成损害，从而造成测量误差甚至对工件造成不可修复的损伤。此外，接触式表面形貌检测技术测量范围通常是几十毫米以上,并不适合小尺寸的高精度测量。普通的基于接触式形貌检测技术的轮廓测量仪已经越来越难以再发挥作用。

在非接触式形貌检测技术中，测量常见的技术手段有相移干涉法，激光散斑照相法，扫描隧道显微镜，结构光三维扫描技术和光探针干涉。其本质都是通过利用光学干涉方法形成的干涉条纹，来进行被测工件的形貌检测。但是此种检测方法具有如下缺点，测量环境中人的任何小的波动与干扰都会对测量结果产生很大的影响，直接决定了最终的测量质量，这就需要对基于相移干涉原理的测量系统周围的环境因素有严格的把控。也就是说由于其自身极高的敏感性，对非球面工件的基于干涉测量的方法不易在复杂的生产环境中进行。此外，相移干涉测量法适用的测量尺度范围相对来说比较小，被测工件的形貌起伏量普遍在数十微米左右，测到上百微米的可能性微乎其微。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述检测装置的处理方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，主要包括承重台、支架、XY平台、旋转台、倾斜台、以及复光束角度传感器。

具体的，所述承重台水平固定设置。所述支架的两端卡设在承重台的两侧，并与承重台固定连接。所述XY平台安装在承重台上，与承重台固定连接。所述旋转台安装在XY平台上，由XY平台调整其位置。所述倾斜台设置在旋转台上，与旋转台的旋转端固定连接，由旋转台驱动其转动。工件设置在倾斜台上。所述复光束角度传感器安装在支架上，位于倾斜台上方，其检测端朝向工件上表面。

进一步的，所述复光束角度传感器包括半导体激光器、用于激光聚焦的凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板、分束器、微透镜阵列、以及CMOS相机。所述第一滤光板上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板上设有用于滤光的第二滤光孔。

具体的，所述半导体激光器、凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板和分束器自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器射出并依次经过凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板后从分束器的入射端射入，激光在分束器发生反射并从反射端射出后投射到圆柱体工件上。所述微透镜阵列和CMOS相机依次设置在分束器后方，且所述微透镜阵列与分束器的透射端相对并将从圆柱体工件反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机上。

作为本发明的优选方案，所述第一滤光孔的孔径设为400微米。

作为本发明的优选方案，所述第二滤光孔的孔径设为4毫米。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置的处理方法，该处理方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：将复光束角度传感器安装在工件表面的上方，并使工件以其表面上的点O为旋转中心旋转；复光束角度传感器通过CMOS相机来捕获微透镜阵列产生的光斑图案，其中，f是微透镜的焦距，r是测量半径。

步骤S2：测量角度差：A₁和B₁是工件上旋转角度t₁处的代表点，c_a1和c_b1是对应的角度；那么Δc是点A₁和B₁之间的角度差；而A₀和B₀是代表点A₁和B₁的预定表面位置，c_a0和c_b0是相应的角度；当A₁和B₁之间的间隔从x₀变为x₁时，基于自准直仪原理，角度差在Y轴方向上的梯度是不变的，故角度差的计算公式为：

步骤S3：从角度差测量计算轮廓：位置t处的工件轮廓P可以表示为一个傅立叶级数，由：

其中，a_i和b_i是傅立叶级数系数，n是傅立叶级数的最大迭代次数，m是采样点的个数；而角度差Δc可以由传感器测量，也可以表示为剖面数据P的二阶微分，由下面的公式得出：

然后，使用傅立叶变换将角度差Δc转换为系数d_i和e_i：

傅立叶级数a_i和b_i以及系数d_i和e_i之间的关系可表示为：

剖面P可用反傅立叶变换表示为傅立叶级数：

传递函数定义了角度差Δc与剖面数据P之间的关系，因此，剖面P可通过传递函数来估计。

本发明的工作过程和原理是：半导体激光器产生的激光束穿过第一滤光板中的针孔，由准直透镜校直之后，在分束器的作用下光束投射到工件表面；来自工件表面的反射光束完全通过分束器到达微透镜阵列；入射光被微透镜阵列分割成许多小样本，然后聚焦到探测器阵列上；因此，在CMOS相机上会产生许多分离的光焦点，这些焦点的位置与工件的斜度直接相关；这时采用算法处理从CMOS相机检测到的图像，并确定焦点的位置，通过与原始位置的比较来计算斜坡，并从斜坡重建轮廓。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置通过电机控制旋转台，通过倾斜台调整工件的角度，通过XY平台调整测量半径，具有结构简单、测量范围大、测量精度高等优点。

(2)本发明所提供的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置的处理方法基于复光束角度自适应光学技术，通过借助自适应光学技术的优势，通过倾斜台调整工件的角度，检测物体表面光强信息整合为角度信息的数学算法，进而通过角度检测实现整体三维形貌的测量方法，这种方法可以消除工件旋转引起的倾斜误差，提高了测量精度。

(3)本发明所提供的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置采用复光束角度传感器，与传统的接触式形貌检测方法相比，克服了传统的接触式测量方法损伤工件完整性，测量速度慢，测量精度低等弊端；与光学干涉形貌检测方法相比，克服了抗干扰性差，测量精度低等缺点。

(4)本发明所提供的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置可以用来建立被测工件的三维立体模型,实现三维形貌重构，将检测得到的形貌信息反馈到加工控制系统中，以便用于指导和修正下一个加工工序。使高精准的非球面工件加工成为了可能。

附图说明

图1是本发明所提供的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的复光束角度传感器的结构示意图。

图3a是本发明所提供的平面度测量原理图。

图3b是本发明所提供的平面度测量示意图。

图4是本发明所提供的CMOS相机拍摄的样图。

图5是本发明所提供的Y方向表面曲率与反射光束之间的关系图。

图6是本发明所提供的角差计算示意图。

图7是本发明所提供的测量流程图。

上述附图中的标号说明：

1-支架，2-XY平台，3-旋转台，4-倾斜台，5-复光束角度传感器，6-工件，7-半导体激光器，8-第一滤光板，9-准直透镜，10-第二滤光板，11-分束器，12-微透镜阵列，13-CMOS相机，14-凸透镜，16-承重台。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例公开了一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，主要包括承重台16、支架1、XY平台2、旋转台3、倾斜台4、以及复光束角度传感器5。

具体的，所述承重台16水平固定设置。所述支架1的两端卡设在承重台16的两侧，并与承重台16固定连接。所述XY平台2安装在承重台16上，与承重台16固定连接。所述旋转台3安装在XY平台2上，由XY平台2调整其位置。所述倾斜台4设置在旋转台3上，与旋转台3的旋转端固定连接，由旋转台3驱动其转动。工件6设置在倾斜台4上。所述复光束角度传感器5安装在支架1上，位于倾斜台4上方，其检测端朝向工件6上表面。

进一步的，所述复光束角度传感器5包括半导体激光器7、将激光聚焦到第一滤光板8上的凸透镜14、第一滤光板8、准直透镜9、第二滤光板10、分束器11、微透镜阵列12、以及CMOS相机13。所述第一滤光板8上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板10上设有用于滤光的第二滤光孔。

具体的，所述半导体激光器7、凸透镜14、第一滤光板8、准直透镜9、第二滤光板10和分束器11自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器7射出并依次经过凸透镜14、第一滤光板8、准直透镜9、第二滤光板10后从分束器11的入射端射入，激光在分束器11发生反射并从反射端射出。反射激光直接投射到圆柱体工件6上。所述微透镜阵列12和CMOS相机13依次设置在分束器11后方，且所述微透镜阵列12与分束器11的透射端相对并将从圆柱体工件6反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机13上。

作为本发明的优选方案，所述第一滤光孔的孔径设为400微米。

作为本发明的优选方案，所述第二滤光孔的孔径设为4毫米。

结合图3a至图7所示，本实施例还公开了一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置的处理方法，该处理方法主要包括如下具体步骤：

步骤S1：将复光束角度传感器5安装在工件6表面的上方，并使工件6以其表面上的点O为旋转中心旋转；复光束角度传感器5通过CMOS相机13来捕获微透镜阵列12产生的光斑图案，其中，f是微透镜的焦距，r是测量半径。

步骤S2：测量角度差：A₁和B₁是工件6上旋转角度t₁处的代表点，c_a1和c_b1是对应的角度；那么Δc是点A₁和B₁之间的角度差；而A₀和B₀是代表点A₁和B₁的预定表面位置，c_a0和c_b0是相应的角度；当A₁和B₁之间的间隔从x₀变为x₁时，基于自准直仪原理，角度差在Y轴方向上的梯度是不变的，故角度差的计算公式为：

步骤S3：从角度差测量计算轮廓：位置t处的工件6轮廓P可以表示为一个傅立叶级数，由：

其中，a_i和b_i是傅立叶级数系数，n是傅立叶级数的最大迭代次数，m是采样点的个数；而角度差Δc可以由传感器测量，也可以表示为剖面数据P的二阶微分，由下面的公式得出：

然后，使用傅立叶变换将角度差Δc转换为系数d_i和e_i：

傅立叶级数a_i和b_i以及系数d_i和e_i之间的关系可表示为：

剖面P可用反傅立叶变换表示为傅立叶级数：

传递函数定义了角度差Δc与剖面数据P之间的关系，因此，剖面P可通过传递函数来估计。

本发明的工作过程和原理是：半导体激光器7产生的激光束穿过第一滤光板8中的针孔，由准直透镜9校直之后，在分束器11的作用下光束投射到工件6表面；来自工件6表面的反射光束完全通过分束器11到达微透镜阵列12；入射光被微透镜阵列12分割成许多小样本，然后聚焦到探测器阵列上；因此，在CMOS相机13上会产生许多分离的光焦点，这些焦点的位置与工件6的斜度直接相关；这时采用算法处理从CMOS相机13检测到的图像，并确定焦点的位置，通过与原始位置的比较来计算斜坡，并从斜坡重建轮廓。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

实施例2：

本实施例公开了一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置包括支架1，XY平台2，旋转台3，倾斜台4,复光束角度传感器5。所述支架1用于固定复光束角度传感器5，所述XY平台2可以带动工件6沿X轴和Y轴运动用于调整工件6的测量半径，所述倾斜台4用于调整工件6的倾斜角度，所述旋转台3用于旋转工件6，所述复光束角度传感器5包括半导体激光器7,第一滤光板8，准直透镜9,第二滤光板10，分束器11,微透镜阵列12,CMOS相机13。

首先介绍复光束角度传感器5的成像原理，如图2所示，来自半导体激光器7的激光束穿过第一滤光板8，由准直透镜9校直之后，在分束器11的作用下光束投射到工件6表面。来自工件6表面的反射光束完全通过分束器11到达微透镜阵列12。入射光被微透镜阵列12分割成许多小样本，然后聚焦到探测器阵列上。因此，在CMOS相机13上会产生许多分离的光焦点，在这里，这些焦点的位置与工件6的斜度直接相关。这时采用算法处理从CMOS相机13检测到的图像(如图4所示)，并确定焦点的位置。通过与原始位置的比较来计算斜坡，并从斜坡重建轮廓。

其次介绍一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置的测量原理，主要包含以下两大内容，测量角度差以及从角度差计算轮廓。

一、测量角度差：

如图3平面度测量系统示意图所示，放置复光束角度传感器5，使其围绕以工件6表面上的点O为中心的，半径为r的圆的圆周旋转。复光束角度传感器5使用一个CMOS相机13来捕获微透镜产生的光斑图案。f是微透镜的焦距，r是测量半径。

首先介绍复光束角度传感器5测量角度差的原理，复光束角度传感器5是基于自准直仪原理的一种角度传感器，首先测量两个反射光束之间距离，再通过距离计算出工件6的角度差。如图5所示，绿色和红色光束分别来自平面P₁和P₂。两个反射激光束与P₁平面之间的距离为l。当工件6表面在Y方向上从平面P₁倾斜到P₂的角度θ时，来自平面P₂的两个反射光束的位置也会发生变化。相对于基准面P₁，平面P₂倾斜一个角度θ，但两个反射光束之间的距离仍然等于l。与自准直仪类似，距离l提供了角度差的测量。因此，角度差在Y方向上的梯度变化是不变的。因此，旋转引起的倾斜误差可以忽略不计，并且可以在每个同心圆上精确测量样品轮廓。

具体地，如图6所示，A₁和B₁是工件6上旋转角度t₁处的代表点(如图3b)，c_a1和c_b1是对应的角度。那么，Δc是点A₁和B₁之间的角度差。这里，A₀和B₀代表点A₁和B₁的预定表面位置，c_a0和c_b0是相应的角度。当A₁和B₁之间的间隔从x₀变为x₁时，基于自准直仪原理，角度差在Y轴方向上的梯度是不变的，故角度差的计算为：

二、从角度差测量计算轮廓：

如图7所示，概述了测量算法。位置t处的工件6轮廓P可以表示为一个傅立叶级数，由：

其中，a_i和b_i是傅立叶级数系数，n是傅立叶级数的最大迭代次数，m是采样点的个数。这里，角度差Δc可以由传感器测量，也可以表示为剖面数据P的二阶微分，由下式得出：

然后，使用傅立叶变换，我也可以将角度差Δc转换为系数d_i和e_i:

注意到傅立叶级数(a_i和b_i)和系数(d_i和e_i)之间的关系可以表示为:

因此，剖面P可用反傅立叶变换表示为傅立叶级数：

该算法的特点可以通过传递函数来估计，传递函数定义了角度差Δc与剖面数据P之间的关系。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，其特征在于，包括承重台、支架、XY平台、旋转台、倾斜台、以及复光束角度传感器；

所述承重台水平固定设置；所述支架的两端卡设在承重台的两侧，并与承重台固定连接；所述XY平台安装在承重台上，与承重台固定连接；所述旋转台安装在XY平台上，由XY平台调整其位置；所述倾斜台设置在旋转台上，与旋转台的旋转端固定连接，由旋转台驱动其转动；工件设置在倾斜台上；所述复光束角度传感器安装在支架上，位于倾斜台上方，其检测端朝向工件上表面。

2.根据权利要求1所述的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，其特征在于，所述复光束角度传感器包括半导体激光器、用于激光聚焦的凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板、分束器、微透镜阵列、以及CMOS相机；所述第一滤光板上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板上设有用于滤光的第二滤光孔；

所述半导体激光器、凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板和分束器自上而下依次同轴设置，激光从半导体激光器射出并依次经过凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板后从分束器的入射端射入，激光在分束器发生反射并从反射端射出后投射到圆柱体工件上；所述微透镜阵列和CMOS相机依次设置在分束器后方，且所述微透镜阵列与分束器的透射端相对并将从圆柱体工件反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机上。

3.根据权利要求3所述的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，其特征在于，所述第一滤光孔的孔径设为400微米。

4.根据权利要求3所述的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置，其特征在于，所述第二滤光孔的孔径设为4毫米。

5.一种根据权利要求1至4任一项所述的基于复光束角度自适应光学的平面度三维形貌检测装置的处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将复光束角度传感器安装在工件表面的上方，并使工件以其表面上的点O为旋转中心旋转；复光束角度传感器通过CMOS相机来捕获微透镜阵列产生的光斑图案，其中，f是微透镜的焦距，r是测量半径；

步骤S2：测量角度差：A₁和B₁是工件上旋转角度t₁处的代表点，c_a1和c_b1是对应的角度；那么Δc是点A₁和B₁之间的角度差；而A₀和B₀是代表点A₁和B₁的预定表面位置，c_a0和c_b0是相应的角度；当A₁和B₁之间的间隔从x₀变为x₁时，基于自准直仪原理，角度差在Y轴方向上的梯度是不变的，故角度差的计算公式为：

步骤S3：从角度差测量计算轮廓：位置t处的工件轮廓P可以表示为一个傅立叶级数，由：

其中，a_i和b_i是傅立叶级数系数，n是傅立叶级数的最大迭代次数，m是采样点的个数；而角度差Δc可以由传感器测量，也可以表示为剖面数据P的二阶微分，由下面的公式得出：

然后，使用傅立叶变换将角度差Δc转换为系数d_i和e_i：

傅立叶级数a_i和b_i以及系数d_i和e_i之间的关系可表示为：

剖面P可用反傅立叶变换表示为傅立叶级数：

传递函数定义了角度差Δc与剖面数据P之间的关系，因此，剖面P可通过传递函数来估计。

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