CN111692991B - 一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，属于激光板条的质量检测领域，白光干涉系统通过光纤探头对键合面进行光斑点式探测，配合位移调节架实现扫描测试，提出一种改进的点云数据获取方法，尤其涉及双曲率参数加权平均值评估，经过粗测和精测两次点云数据获取的技术方法，具体是：首先粗测采点，获取键合面初步点云，包括键合面三维位置点云，和对应点反射率信息点云；然后构建邻域，求解两种点云对应的曲率分布；最后根据两曲率加权值的值域分级别对键合面区域分割，插值补测。本发明创新性提出改进的加权平均合曲率参数作为键合面缺陷评价指标，并针对合曲率大的区域插值补测，有效节省检测成本。

Description

一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法

技术领域

本发明涉及一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，属于键合激光板条的质量检测领域。

背景技术

板条是位于固体激光器增益模块中的晶体介质，现常用的是各类掺杂稀土元素的YAG晶体。自1972年美国GE公司开始提出板条晶体结构，由于其良好的光学特性以及配套的散热措施，板条取代原有晶体棒成为激光器增益介质的主流趋势。其中尤其重要的是，涉及到扩散键合技术制备复合结构激光板条，Lee等人[Proc.SPIE.1992,1624:2-10.]率先将半导体加工技术中的热扩散键合制备方法应用到复合激光晶体生产过程中，特别是掺杂YAG与纯YAG键合的精密加工时，不同类型晶体键合在一起，难免因为晶格等结构的不匹配产生不利于光传输的键合面。除了键合面本身打磨不平整的缺陷以外，还可能因为键合面处意外引入的杂质或气泡，造成键合面局部缺陷，这些问题会严重影响激光器发光性能。

随着高功率激光器的迅速发展，对键合板条的质量要求也越来越高，因此键合面缺陷检测成为激光器生产过程中尤其重要的前提保障。现有键合面检测手段包括显微放大的检测方法和透射光束反映板条整体性能的两种主要方法，对于显微放大检测方法包括侧面显微层析、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(ARM)、电子显微探针检测(EPMA)等，这些方法基本都是图像化定性检测，不利于定量分析，测试成本昂贵且具有破坏性；对于透射光束测量法主要是通过双折射[IEEE Journal of Selected Topics inQuantum Electronics,1997,3(1):0-18.]和波前畸变[LASER PHYSICS-LAWRENCE,2005,15(9):1338.]反映板条整体的均匀性，但无法对缺陷位置精确溯源。本发明基于光纤白光干涉测量系统，采用光纤探头汇聚光斑点式探测键合面的方法，获取键合面的加权平均合曲率分布情况，作为初步评价键合面质量的指标参数，提出一种新颖的光斑点云数据获取方法。

点云数据获取以及处理方法主要来源于“逆向工程”，尤其是三维坐标机对于工件的表面扫描过程，由于三维点云数据庞大的体系，衍生出一系列针对点云的数据处理方法以及表面拟合重建技术。但是不同于“逆向工程”中的点云数据采集，运用光纤白光干涉测量系统，尤其利用其高灵敏度、超大动态范围的特性，进行光斑点式的板条键合面检测过程中，探测位置的扫描采用了更加简便经济的电动位移调节架控制的方法，并针对待测物的特殊性制定改进的点云数据获取方法设计，简便高效获取板条键合面的质量缺陷信息，提高效率的同时极大地降低检测成本。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，针对键合激光板条的质量检测需求，基于光纤白光干涉测量系统光斑点式探测键合面技术，改善现有的板条键合面检测技术缺点，并结合“逆向工程”点云数据处理的技术并进一步改进，提出一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法。本发明的目的还在于配合电动位移调节架控制探头移动，极大提高键合面点云数据获取效率并降低检测成本。。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：测试系统根据待测键合板条的尺寸进行调试，调整探头扫描部分的软件和硬件结构；

步骤二：通过驱动位移调节架对键合面初步的随机采点粗测，获取待测键合板条的键合面上采点位置随机分布的粗测点云；

步骤三：筛选粗测点云中每个点邻域点集，运用抛物面方程求解每个点的曲率，获取键合面空间位置曲率以及对应点反射率曲率分布的双点云粗测结果；

步骤四：对得到的粗测结果加权平均，得到合曲率分布，完成键合面缺陷分布的初步评价；

步骤五：根据合曲率值域范围，对键合面进行区域分割；

步骤六：对合曲率大的区域三角剖分，插值补测，获取键合面的全面点云数据。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.步骤一中的测试系统采用光纤白光干涉光路，配合光纤探头，探头前端包括自聚焦微透镜对光束进行准直，准直光垂直打在激光板条上，经过键合面反射回光纤探头，进入迈克尔逊干涉光路，被测量探测，测量结果体现键合面距离板条表面的光程位置以及键合面处反射率大小，配合探头扫描部分的软硬件获得板条截面方向上的二维坐标。

2.步骤二具体是：初步的键合面粗测点云获取，点云密度稀疏，测量点光斑之间距离大，为10至100倍光斑直径的距离，且通过软件驱动控制扫描的位移调节架，实现截面方向上的随机采点；粗测点云数据信息包括截面上的二维坐标以及深度方向光程大小和反射率大小，拆分为三维空间位置和“截面二维坐标+反射率”两个三维点云数据。

3.步骤三具体是：根据三维空间位置点云进行邻域划分，计算机筛选获取距离每个点最近的三个点，作为邻域点集，四个点的数据信息求解该点的高斯曲率，进一步获得键合面的曲率分布粗测结果，这其中包括三维空间位置点云曲率和对应点反射率曲率分布的两个点云粗测结果。

4.步骤四具体是：键合面三维坐标点云和“截面二维坐标+反射率”点云，两者在截面方向二维坐标一致，取两个曲率加权平均值的方法，获得键合面的合曲率分布，此指标参数包含了键合面的物理位置波动和测量点反射率变化情况，以此评估键合面粗测位置的缺陷分布情况。

5.步骤五具体是：将合曲率按照值域范围划分成大、中、小三个级别，依照邻域划分时的三角形边界实现三个类型的区域划分，每个区域包含若干个邻域三角区域。

6.步骤六具体是：曲率值小的区域按照原本邻域划分的三角形分区域进行分割，更大的曲率值则在邻域划分三角区域的基础上进一步三角剖分原有大三角形区域，最大的曲率值区域则进行两次三角剖分，以获取更小范围的区域，并进行更高密度点云数据获取。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.提出一种基于光纤白光干涉测量系统光斑点式测量板条键合面的点云数据获取方法，有效提高检测效率。2.创新性地提出将“逆向工程”中涉及到的点云数据处理技术改进应用到键合激光板条质量检测领域，尤其是与光纤白光干涉测量技术相匹配，将两种技术的优势有效结合。3.根据白光干涉测量系统的双点云测量结果，首次创新性提出改进的加权平均合曲率指标参数，并以此作为板条键合面缺陷表征的评价指标，在板条键合质量检测领域具有一定的参考意义。

附图说明

图1是键合板条的测试装置示意图；

图2是板条上的初步随机采点三维位置坐标点云示意图；

图3是键合面测量点的“截面坐标+反射率”点云示意图；

图4是邻域点集筛选展示以及初始三角划分区域示意图；

图5是三维位置坐标点云曲率分布结果示意图；

图6是“截面二维坐标+反射率”点云曲率分布结果示意图；

图7是加权平均的合曲率分布结果示意图；

图8是根据合曲率值分区域插值补测点云示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明包括：

步骤1.测试系统调试，根据待测键合板条的尺寸，调整探头扫描部分的软件和硬件结构。

测试系统采用光纤白光干涉光路，配合光纤探头，探头前端包括自聚焦微透镜对光束进行准直，准直光垂直打在激光板条上，经过键合面反射回光纤探头，进入迈克尔逊干涉光路，被测量探测，测量结果可以体现键合面距离板条表面的光程位置，以及键合面处反射率大小，配合探头扫描部分的软硬件可以获得板条截面方向上的二维坐标。

步骤2.初步随机采点的粗测，由软件程序驱动位移调节架，获取键合面上采点位置随机分布的粗测点云。

初步的键合面粗测点云获取，点云密度较为稀疏，测量点光斑之间距离较大，为10至100倍光斑直径的距离，且通过软件驱动控制扫描的位移调节架，实现截面方向上的随机采点；粗测点云数据信息包括截面上的二维坐标以及深度方向光程大小和反射率大小，将其拆分为三维空间位置和“截面二维坐标+反射率”两个三维点云数据。

步骤3.筛选粗测点云中每个点邻域点集，运用抛物面方程求解每个点的曲率，获取键合面空间位置曲率以及对应点反射率曲率分布的双点云粗测结果。

根据三维空间位置点云进行邻域划分，计算机筛选获取距离每个点最近的三个点，作为邻域点集，这样四个点的数据信息求解该点的高斯曲率，进一步获得键合面的曲率分布粗测结果，这其中包括三维空间位置点云曲率和对应点反射率曲率分布的两个点云粗测结果。

步骤4.对双曲率参数分布的粗测结果加权平均，获得合曲率分布，初步评价键合面缺陷分布。

键合面三维坐标点云和“截面二维坐标+反射率”点云，两者在截面方向二维坐标一致，取两个曲率加权平均值的方法，获得键合面的合曲率分布，此指标参数包含了键合面的物理位置波动和测量点反射率变化情况，以此可以评估键合面粗测位置的缺陷分布情况。

步骤5.根据合曲率值域范围，对键合面进行区域分割。

将合曲率按照值域范围划分成大、中、小三个级别，依照邻域划分时的三角形边界实现三个类型的区域划分，每个区域包含若干个邻域三角区域。

步骤6.对合曲率大的区域三角剖分，插值补测，获取键合面的全面点云数据。

曲率值小的区域按照原本邻域划分的三角形分区域进行分割，更大的曲率值则在邻域划分三角区域的基础上进一步三角剖分原有大三角形区域，最大的曲率值区域则进行两次三角剖分，以获取更小范围的区域，并进行更高密度点云数据获取。

基于光纤白光干涉测量系统的检测，配合自聚焦光纤探头，可将光斑点式探测信号光垂直入射至键合激光板条的键合面，然后反射光返回光纤探头并进入干涉光路实现干涉检测。检测结果包含键合面测量点的深度光程信息和测量点的反射率，配合探头扫描部分的软硬件结合，可以获取得到键合面测量点的三维位置坐标和对应该测量点的反射率值。

待测的激光板条主要是未经后续封装处理的键合板条，且键合面与外部表面相平行。根据待测板条的尺寸，进行探头扫描部分的软硬件结构，保证光纤探头能够扫描全部键合面区域。

针对键合面的大小，制定相应的初步采点计划，尤其涉及单位面积需要初步采点的个数，这一步骤由软件程序控制扫描位移调节架进行随机位置采点，采集获取第一遍粗测得到的三维位置坐标点云，以及对应点的反射率，以此建立两个点云，分别是：三维位置坐标点云和“截面二维坐标+反射率”。

筛选每个点的邻域点集，这一步骤主要依赖于计算机处理，通过程序寻找每个点相邻的最近的三个点作为邻域点集，并将两个点云带入抛物面方程，由抛物面方程系数求解出两个点云的曲率。

鉴于两种点云的曲率，提出一种改进的评价指标参数，即双曲率加权平均值来计算键合面的综合曲率分布情况，进而评价键合面的缺陷分布情况。

根据合曲率值域范围，将其划分为大、中、小三个级别，合曲率最小的测量点，其测量点的疏密程度不变，还保持邻域划分时的区域位置，且区域分割的边界就是邻域三角形的边。合曲率属于中等级别范畴内的测量点，在其邻域三角形内部再做三角剖分，同理合曲率最大级别范畴内的测量点，在其三角形内部三角剖分的基础上进一步三角剖分，以获取更加密集的采点位置。

根据三角剖分的区域位置，再对其进行随机插值补测，因此可获得合曲率大的位置更加高密度的点云数据，进而实现高效且完整的键合面缺陷信息点云数据测量获取。

结合具体数值的实施例：

以120mm×35mm×4mm尺寸大小的键合激光板条为例，基于白光干涉测量系统进行光斑点式探测，对键合面检测点云数据获取的方法做进一步阐述。

步骤1，针对板条的尺寸，对光纤白光干涉测量系统进行调试，涉及到干涉仪扫描臂的范围调整以及探头控制部分的位移调节架调试，对于探头扫描部分的调整要根据板条截面方向尺寸120mm×35mm，具体装置示意如图1所示，其中包括1光纤探头，2键合激光板条，3板条待测键合面，4位移调节架；保证有效扫描此截面范围内任意一点，尤其涉及到软硬件匹配问题；而干涉仪扫描臂的调整要根据晶体键合面距离光纤探头的深度光程来调整，保证能够检测到键合面光程深度位置。

步骤2，对板条键合面初步的随机采点粗测，主要为了快速获取键合面的大致曲率分布情况，具体采用位移调节架的驱动软件程序实现，设定截面方向两个维度的随机步进位移量，实现对键合面的随机采点粗测。尤其涉及到初测点云采点数量的判定问题，这里主要以截面方向上随机点平均距离为界定参量，平均距离设定为光斑直径的10至100倍，此具体实施例鉴于探头出射光斑直径为100微米，设定光斑的平均距离为2mm，所以针对截面尺寸为120mm×35mm的键合板条，初步随机粗测采点数量约为1050个点。获取的点云包括三维位置坐标点云和“截面二维坐标+反射率”点云，如图2和图3示意所示，点云为了清晰便于观看，示意图只展示了500个点。

步骤3，根据步骤2获得的初步粗测点云，筛选点云中每个点的邻域点集，此过程通过matlab筛选三维位置坐标点云，即对于点云中的每个点来说，计算周围点到该点的距离最小的三个点作为该点的邻域点集，如图4所示邻域三角形划分，两种点云的邻域点集相一致。然后将邻域点集中四个点的三维位置坐标依据最小二乘法拟合出抛物面方程：

z＝ax²+bxy+cy²

求解出抛物面方程中的三个未知参数a、b、c，然后将其带入高斯曲率K计算公式：

K＝4ac-b²

求出该点的高斯曲率。同理将“截面二维坐标+反射率”点云的邻域点集的四个点的信息带入抛物面方程求出抛物面方程后，带入高斯曲率公式求得其高斯曲率K’的值。最后逐次计算初测点云所有点的曲率值，获得键合面三维坐标点云曲率分布和“截面二维坐标+反射率”点云的曲率分布，鉴于两个Z轴参量单位不一致，可将其归一化求解，如图5和图6所示。

步骤4，两个点云，即键合面三维坐标点云和“截面二维坐标+反射率”点云获得的两个点云的曲率分布，鉴于两者的截面方向二维坐标一致，取两个曲率加权平均值的方法，来获得键合面的综合曲率分布，如图7，即此指标参数包含了键合面的物理位置波动和测量点反射率变化情况，以此可以评估键合面粗测位置的缺陷分布大致情况。具体的加权平均值需要根据待测板条的具体情况而定，此实施例确定三维坐标点云曲率分布和“截面二维坐标+反射率”点云的加权平均比例是3：7。

步骤5，根据合曲率的值域范围，将其划分为大、中、小三个级别，合曲率最小的测量点，其测量点的疏密程度不变，还保持邻域划分时的区域位置，且区域分割的边界就是邻域三角形的边。合曲率属于中等级别范畴内的测量点，在其邻域三角形内部再做三角剖分，同理合曲率最大级别范畴内的测量点，在其三角形内部三角剖分的基础上进一步三角剖分，以获取更加密集的采点位置。

步骤6，由步骤5中的区域位置，设定探头扫描位移调节架的驱动程序，根据合曲率大的位置区域，限定调节架的驱动范围，设定随机量进行高密度插值补测，如图8所示，进而实现高效且完整的键合面缺陷信息点云数据测量获取。

综上，本发明属于激光板条的质量检测领域，具体涉及一种基于白光干涉系统检测键合面点云数据的获取方法。白光干涉系统通过光纤探头对键合面进行光斑点式探测，配合位移调节架实现扫描测试，提出一种改进的点云数据获取方法，尤其涉及双曲率参数加权平均值评估，经过粗测和精测两次点云数据获取的技术方法，具体是：首先粗测采点，获取键合面初步点云，包括键合面三维位置点云，和对应点反射率信息点云；然后构建邻域，求解两种点云对应的曲率分布；最后根据两曲率加权值的值域分级别对键合面区域分割，插值补测。本发明提高键合面的大面积点云检测过程中的测试效率，创新性提出改进的加权平均合曲率参数作为键合面缺陷评价指标，并针对合曲率大的区域插值补测，有效节省检测成本。

Claims (4)

1.一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：测试系统根据待测键合板条的尺寸进行调试，调整探头扫描部分的软件和硬件结构；

测试系统采用光纤白光干涉光路，配合光纤探头，探头前端包括自聚焦微透镜对光束进行准直，准直光垂直打在激光板条上，经过键合面反射回光纤探头，进入迈克尔逊干涉光路，干涉光信号被测量探测，测量结果体现键合面距离板条表面的光程位置以及键合面处反射率大小，配合探头扫描部分的软硬件获得板条截面方向上的二维坐标；

步骤二：通过驱动位移调节架对键合面初步的随机采点粗测，获取待测键合板条的键合面上采点位置随机分布的粗测点云；

初步的键合面粗测点云获取，点云密度稀疏，测量点光斑之间距离大，为10至100倍光斑直径的距离，且通过软件驱动控制扫描的位移调节架，实现截面方向上的随机采点；粗测点云数据信息包括截面上的二维坐标以及深度方向光程大小和反射率大小，拆分为三维空间位置和“截面二维坐标+反射率”两个三维点云数据；

步骤三：筛选粗测点云中每个点邻域点集，运用抛物面方程求解每个点的曲率，获取键合面空间位置曲率以及对应点反射率曲率分布的双点云粗测结果；

步骤四：对得到的粗测结果加权平均，得到合曲率分布，完成键合面缺陷分布的初步评价；

键合面三维坐标点云和“截面二维坐标+反射率”点云，两者在截面方向二维坐标一致，取两个曲率加权平均值的方法，获得键合面的合曲率分布，此指标参数包含了键合面的物理位置波动和测量点反射率变化情况，以此评估键合面粗测位置的缺陷分布情况；

步骤五：根据合曲率值域范围，对键合面进行区域分割；

步骤六：对合曲率大的区域三角剖分，插值补测，获取键合面的全面点云数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，其特征在于：步骤三具体是：根据三维空间位置点云进行邻域划分，计算机筛选获取距离每个点最近的三个点，作为邻域点集，四个点的数据信息求解该点的高斯曲率，进一步获得键合面的曲率分布粗测结果，这其中包括三维空间位置点云曲率和对应点反射率曲率分布的两个点云粗测结果。

3.根据权利要求2所述的一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，其特征在于：步骤五具体是：将合曲率按照值域范围划分成大、中、小三个级别，依照邻域划分时的三角形边界实现三个类型的区域划分，每个区域包含若干个邻域三角区域。

4.根据权利要求3所述的一种基于白光干涉测量板条键合面的点云数据获取方法，其特征在于：步骤六具体是：曲率值小的区域按照原本邻域划分的三角形分区域进行分割，更大的曲率值则在邻域划分三角区域的基础上进一步三角剖分原有大三角形区域，最大的曲率值区域则进行两次三角剖分，以获取更小范围的区域，并进行更高密度点云数据获取。

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