CN111373873B - 非接触式高度测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种非接触式测量装置及测量方法，通过光学系统对被测物体进行“直瞄”方式，结合其他高精度测量装置对其进行高度差测量。本发明所涉及的测量装置主要由支撑系统、照明系统、光学系统、被测量系统、滑台系统、显示系统与测量系统组成，结构简单、布局合理，可以很好的支撑本发明所提到的非接触式高度测量方法，对不同规格的被测物体进行高精度的高度测量；操作简单易行，系统柔性好、成本低、精度高，快速高效。

Description

非接触式高度测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于计算机视觉技术领域，涉及一种用于不同物体(投影面与光学系统光轴垂直，可在光学系统内成边缘轮廓线)高度差测量的非接触式高度测量装置及测量方法。

背景技术

以圆柱体(一端为光学元件)为例，其主要由光学元件与机械结构件组成，光学元件位于顶部且为球面或非球面元件，要求对其整个高度进行高精度测量(测量精度约为0.01mm)。现有测量方法为接触式测量，此方法需要进行多点测量，最高点选取极为困难，操作繁琐，测量误差大，精度偏低。对于一些较大口径物体的高度测量，此方法没有相应的测量工具。此外，接触式测量很容易造成顶部光学元件的划伤，进而影响产品的成像品质与性能。

为避免划伤现象的发生，拟采用非接触式测量方法对物体高度进行精确测量。非接触式测量，即以光电、电磁、超声波等技术为基础，在仪器的感受元件不与被测物体表面接触的情况下得到物体表面参数信息的测量方法，主要分为光学法与非光学法。查阅相关资料，结构光法即投影法虽测量速度快、系统柔性好且精度适中，但由于其原理的制约不适用于测量表面结构复杂的物体；激光三角法虽测量精度高，但常用于短程测量且也不适用于测量球面或非球面光学元件；激光测距法与超声波法虽可用于长程测量，但测量精度偏低。

清华大学林德教提出了一种外差干涉与共焦显微技术融合用于微电子掩膜板台阶高度的测量方法，同时实现了高分辨率(亚纳米)与较大量程(5μm)测量，但量程偏低；天津大学孔晓东基于图像测量技术把图像当作检测与传递信息的手段或载体，通过提取图像的特征信号最终从图像中获取被测对象的实际信息，具有高精度、稳定性好、非接触性测量等特点，若再结合图像处理技术即可构成自动化程度较高的实时测量系统，但测量过于复杂，视场较小；华南理工大学张舞杰建立了自动影像测量系统，在分析能量谱等聚焦评价方法的性能基础上说明了采用自动聚焦原理进行高度测量的算法，测量精度达0.035mm，相较而言精度略偏低，处理也过于繁琐；吉林大学齐刚基于计算机视觉技术在测量场景中放置棋盘纸获取其角点坐标，利用图像处理方法获得绝对高点的测量值与前景绝对低点所对应的世界坐标系中点间距离值，应用勾股定理计算出前景物体高度，但环境适应性要求较高，不适用于静物测量。

综合考虑，由于所测物体涉及光学元件，其面形较为复杂且透光性良好，且鉴于其他测量方法不能够很好满足大量程、大视场、高精度与低成本之间的关系，拟采用基于计算机视觉技术的非接触式高度测量方法。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是针对现有技术中各种高度测量方法存在的不足，提供一种低成本、快速高效、高精度的非接触式高度测量装置及测量方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种非接触式高度测量装置，其包括：支撑系统1、照明系统2、光学系统3、被测量系统4、滑台系统5、显示系统6与测量系统7；

支撑系统1包括光学平台8与支撑柱12，光学平台8用于整个装置的结构支撑，支撑柱12垂直设置在光学平台8上，用于固定照明系统2，照明系统2的固定高度可调；

照明系统2包括远心平行光源13，平行光源13安装在支撑柱12上，用于对光学系统3进行背光照明，

光学系统3包括光学远心镜头14与CCD相机16，远心镜头14与CCD相机16安装在测量系统7上，与照明系统2相对设置，远心镜头14上设置有十字线，CCD相机16采集光学远心镜头14接收到的信号并将其反馈至显示系统6进行显示；

被测量系统4为不同规格的被测物体11，放置在滑台系统5上；

滑台系统5位于照明系统2和光学系统3之间，包括X轴向滑台9与Y轴向滑台10，以带动被测物体11进行X、Y轴向移动，X轴向移动实现光学系统3调焦并能清晰成像，Y轴向移动与测量系统7配合完成十字压线操作；

显示系统6主体为显示器17，通过数据线与CCD相机16连接，显示CCD相机16采集到的图像信息，并以此为基础进行十字压线操作；

测量系统7包括光栅尺15，利用光学系统3内部十字线对被测物体11进行底部轮廓线重合、顶部外廓线最高点相切操作进行被测物体11的高度测量。

其中，所述平行光源13固定在支撑柱12上时，平行光源13的光轴与其安装面标准正交；光学系统3的光轴与测量基面标准正交。

其中，所述远心镜头14的焦点与被测物体11轴线在X方向上的距离与远心镜头14的景深相当。

其中，所述滑台系统5利用手动方式进行两轴向的短距离调整。

本发明还提供了一种基于上述任一项所述非接触式高度测量系统的测量方法，其包括以下步骤：

步骤一：装置上电，保证各系统正常工作；

步骤二：将被测物体11放置于Y轴向滑台10上，调节光栅尺15观测被测物体11与Y轴向滑台10的接触面，以此为测量基面，置零光栅尺15；

步骤三：调节远心镜头14与平行光源13高度至光学系统3光轴与被测物体11顶部平齐，由平行光源13对光学系统3进行背光照明；

步骤四：调节X轴向滑台9，使被测物体11在显示器17上清晰成像；

步骤五：调节Y轴向滑台10与光栅尺15，至显示器17中所成像满足光学系统3内十字线与被测物体11顶部外圆弧最高点相切；

步骤六：读取光栅尺15数显值，即为被测物体11的高度值。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的非接触式高度测量装置及测量方法，结构简单，各组成系统间紧密合理配合，操作简单易行，可对不同规格物体进行高精度的高度测量，系统柔性好，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例非接触式高度测量装置的测量原理图。

图2是本发明实施例非接触式高度测量装置的结构示意图。

图3是本发明实施例非接触式高度测量装置的成像显示示意图。

图中，1-支撑系统、2-照明系统、3-光学系统、4-被测量系统、5-滑台系统、6-显示系统、7-测量系统、8-光学平台、9-X轴向滑台、10-Y轴向滑台、11-被测物体、12-支撑柱、13-平行光源、14-远心镜头、15-光栅尺、16-CCD相机、17-显示器。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例所提供的非接触式高度测量装置主要由支撑系统1、照明系统2、光学系统3、被测量系统4、滑台系统5、显示系统6与测量系统7组成。

参照图2所示，支撑系统1主要由光学平台8与支撑柱12组成。光学平台8主要用于整个装置的结构支撑，隔振性能良好，为整个装置提供了高精度的基准面。支撑柱12垂直设置在光学平台上，用于固定远心平行光源13，平行光源13的高度可根据不同规格的被测物体11进行任意调节，配置时要求平行光源13的光轴与其安装面标准正交。

照明系统2选取远心平行光源13，安装在支撑柱12上，用于对光学系统3进行背光照明，可消除由于光源漫反射所造成的边缘模糊等现象，可获得边缘清晰、锐利的图像，改善光学系统3成像，进而大大提高测量精度。

光学系统3主要由光学远心镜头14与CCD相机16组成，远心镜头14与CCD相机16安装在测量系统7上，与照明系统2相对设置，其主要基于双远心镜头14的诸多优点，如超大景深、高分辨率、高远心度、畸变极低、成像清晰等，已在高精度检测与测量领域颇具影响力。考虑到测量精度与视场的关系，拟选取低倍率的光学远心镜头14。此外，光学系统3的精度定位在设计测量系统7时至关重要，因而要考虑到光学系统3的稳定性，在配置时要注意光学系统3光轴要与测量基面标准正交。CCD相机16为光学耦合器件，采集光学远心镜头14接收到的信号并将其反馈至显示系统6的显示器17上。此外，为保证光学系统3调焦的可操作性，远心镜头14焦点与被测物体11轴线在X方向上的距离应大致与远心镜头14的景深相当。

被测量系统4为不同规格的被测物体11，放置在滑台系统5上。

滑台系统5主要由X轴向滑台9、Y轴向滑台10组成，可进行X、Y两个轴向(如图2所示)的调整，以带动被测物体11进行X、Y轴向移动，X轴向光学系统3调焦并能清晰成像；Y轴向与测量系统7配合完成十字压线操作。滑台系统5采取手动方式进行两轴向的短距离调整。

显示系统6主体为显示器17，通过数据线与光学系统3连接，显示光学系统3采集到的图像信息，并以此为基础进行十字压线操作。

测量系统7主要为高精度光栅尺15，用于测量被测物体11的高度，其采用光栅移动产生的莫尔条纹与电子电路相结合进行位移量的自动测量，具有判别光栅移动方向、预置初值、误差修正、精确限位、可自动定位控制及过限报警、自检与掉电保护等功能，分辨率可达0.1μm，可数显测量值，测量行程满足不同规格物体的高度测量需求。此外，光栅尺的精度在很大程度上决定了高度测量装置的测量精度。

本实施例所涉及的非接触式高度测量方法以大口径且一端为球面或非球面光学元件物体为例进行高度测量，选取成熟的计算机视觉技术，并辅以精密的机械结构系统进行精确的高度测量。所涉及的高度测量为高度差测量，即先测量基准面，之后测量被测物体最高点，两测量值之差即为被测物体高度。为减少计算之累，基准面测量时置零。此外，测量过程中测量点的选取采用十字压线法，即使光学系统3内的十字线与被测物体外廓重合或相切。本测量方法对被测物体进行“直瞄”，仅显示图像采集结果，不涉及到复杂的图像处理方法与软件，可实时测量，测量难度较低。

本发明所涉及的非接触式高度测量装置具体操作方法如下：

1、装置上电，保证各系统正常工作；

2、将被测物体11放置于Y轴向滑台10上，调节光栅尺15观测被测物体11与Y轴向滑台10的接触面，以此为测量基面，置零光栅尺15。鉴于光栅尺15具有很高的测量与重复精度，则对于以后的物体高度测量均可以此测量基面为基准零面；

3、调节远心镜头14与平行光源13高度至合适位置，即光学系统3光轴大致与被测物体11顶部平齐，远心平行光源13可对光学系统3进行背光照明；

4、调节X轴向滑台9，使被测物体11可在显示器17上清晰成像；

5、调节Y轴向滑台10与光栅尺15，若如图3左图所示，则可向上Y轴正向移动使十字线至外轮廓中部，再向上调节光栅尺15，在保证成像质量的前提下利用显示器17的所成像使光学系统3内十字线与被测物体11顶部外圆弧最高点相切，如图3右图所示。如若被测物体11顶部外轮廓线不清晰，可继续调节X轴向滑台9直至清晰成像；

6、利用光栅尺15数显值即可读取被测物体11的高度值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种非接触式高度测量装置，其特征在于，包括：支撑系统(1)、照明系统(2)、光学系统(3)、被测量系统(4)、滑台系统(5)、显示系统(6)与测量系统(7)；

支撑系统(1)包括光学平台(8)与支撑柱(12)，光学平台(8)用于整个装置的结构支撑，支撑柱(12)垂直设置在光学平台(8)上，用于固定照明系统(2)，照明系统(2)的固定高度可调；

照明系统(2)包括远心平行光源(13)，平行光源(13)安装在支撑柱(12)上，用于对光学系统(3)进行背光照明，

光学系统(3)包括光学远心镜头(14)与CCD相机(16)，远心镜头(14)与CCD相机(16)安装在测量系统(7)上，与照明系统(2)相对设置，远心镜头(14)上设置有十字线，CCD相机(16)采集光学远心镜头(14)接收到的信号并将其反馈至显示系统(6)进行显示；

被测量系统(4)为不同规格的被测物体(11)，放置在滑台系统(5)上；

滑台系统(5)位于照明系统(2)和光学系统(3)之间，包括X轴向滑台(9)与Y轴向滑台(10)，以带动被测物体(11)进行X、Y轴向移动，X轴向移动实现光学系统(3)调焦并能清晰成像，Y轴向移动与测量系统(7)配合完成十字压线操作；

显示系统(6)主体为显示器(17)，通过数据线与CCD相机(16)连接，显示CCD相机(16)采集到的图像信息，并以此为基础进行十字压线操作；

测量系统(7)包括光栅尺(15)，利用光学系统(3)内部十字线对被测物体(11)进行底部轮廓线重合、顶部外廓线最高点相切操作进行被测物体(11)的高度测量。

2.如权利要求1所述的非接触式高度测量装置，其特征在于，所述平行光源(13)固定在支撑柱(12)上时，平行光源(13)的光轴与其安装面标准正交；光学系统(3)的光轴与测量基面标准正交。

3.如权利要求1所述的非接触式高度测量装置，其特征在于，所述远心镜头(14)的焦点与被测物体(11)轴线在X方向上的距离与远心镜头(14)的景深相当。

4.如权利要求1-3中任一项所述的非接触式高度测量装置，其特征在于，所述滑台系统(5)利用手动方式进行两轴向的短距离调整。

5.基于权利要求1-4中任一项所述非接触式高度测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：装置上电，保证各系统正常工作；

步骤二：将被测物体(11)放置于Y轴向滑台(10)上，调节光栅尺(15)观测被测物体(11)与Y轴向滑台(10)的接触面，以此为测量基面，置零光栅尺(15)；

步骤三：调节远心镜头(14)与平行光源(13)高度至光学系统(3)光轴与被测物体(11)顶部平齐，由平行光源(13)对光学系统(3)进行背光照明；

步骤四：调节X轴向滑台(9)，使被测物体(11)在显示器(17)上清晰成像；

步骤五：调节Y轴向滑台(10)与光栅尺(15)，至显示器(17)中所成像满足光学系统(3)内十字线与被测物体(11)顶部外圆弧最高点相切；

步骤六：读取光栅尺(15)数显值，即为被测物体(11)的高度值。

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