CN111947602A - 一种基于多路投影的大检测范围3d形貌仪及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪及测量方法，包括多路投影照明模块，3D形貌探测模块及扫描模块；所述的多路投影照明模块用于产生一系列等间隔排列的光片（光刀）照亮待检测样品，所述的3D形貌探测模块用于捕获被待测样品表面调制的光，所述的扫描模块用于移动扫描或旋转扫描实现对待测样品的全表面探测。应用激光三角法分析多路投影照明模块与3D形貌探测模块所结合的光路结构，建立轴向高度计算模型及横向长宽计算模型，从而可以标定待测样品的空间三轴尺度。由于多路光片投影可覆盖较大检测范围，故本发明提供了一种大检测范围的3D形貌仪及其测量方法，有望用于工业样品的大范围多角度高速定量3D形貌测量分析。

Description

一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪及测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪及测量方法。

背景技术

光片扫描三维成像技术已经广泛应用于工业样品缺陷检测或生物样品层析成像等领域，因线扫描的覆盖面广、非接触式等优势，该技术有探测效率高、低光毒性、低光漂白等特性。传统光片扫描技术的实现依赖于单一光片逐行步进完成扫描，对于长度较长的一些样品，此情景下3D探测仍然显得不够高效。本发明考虑到检测范围等问题，提出一种基于多路投影技术的大检测范围3D形貌仪及其测量方法。应用多路投影技术产生多路间距及宽度可调的光片，结合激光三角法建立定量分析数学模型，实现大范围下待测样品表面全覆盖高速高精度定量3D形貌测量。该套系统结构简单，成本低，有潜力应用于工业样品流水线检测中。

发明内容

为克服现有技术在大范围扫描探测中测量效率低下的不足，本发明的目的是提供一种基于多路投影技术的大检测范围3D形貌仪及测量方法。

一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪包括多路投影照明模块，3D形貌探测模块及扫描模块；所述的多路投影照明模块用于产生一系列等间隔排列的光片（光刀）照亮待检测样品，所述的3D形貌探测模块用于捕获被待测样品表面调制的光，所述的扫描模块用于移动扫描或旋转扫描实现对待测样品的全表面探测。

在一种可选的实施方式中，所述的多路投影照明模块包括多个投影仪，以阵列形式排布，可调整投影像素块的分布及大小，从而控制投影光片的空间分布及分辨率。

在一种可选的实施方式中，所述的3D形貌探测模块包括成像透镜和CMOS相机，成像透镜和CMOS相机可以任意角度排列，成像透镜的焦距或放大倍率也决定检测的视场角及分辨率。

在一种可选的实施方式中，所述的扫描模块可完成沿垂直于光片的方向的平移扫描或以样品中心为圆心的旋转扫描，其移动的精度也决定还原3D形貌的精度。

在一种可选的实施方式中，对于部分圆柱形样品，实现360°全局扫描检测依赖于扫描模块的旋转。

第二方面，本发明还提供了一种基于多路投影技术的大检测范围3D形貌仪的测量方法，包括以下步骤：

S1：将待测样品放置在扫描模块上方；

S2:所述多路投影照明模块提供入射光，

当入射光照射到待测样品表面时，因表面高度不同，所述CMOS相机捕获的弹性散射光也会在像面上发生像素偏移，由此依据激光三角法建立计算模型：其中激光入射角为α，散射角为β，散射光与CMOS相机的夹角为θ，物点到成像透镜的距离为l，像点到成像透镜的距离为d，成像透镜的等效焦距为f，实际表面相对参考表面的高度为Δz，像点在CMOS像面上的像素偏移为Δx，则高度计算式如下：

选取光源45°斜入射，同时垂直于入射方向采集散射光，CMOS相机与成像透镜平行的光路结构，即α=β=45°，θ=90°，上述的高度计算式简化为：

即高度与像素偏移成线性关系，由此根据像素的偏移来标定系统轴向高度分辨率并计算高度值；

S3：重复以上步骤可获得多个点的高度值从而获得3D形貌。

本发明的有益效果：

本发明采用多路投影技术产生多路间距及宽度可调光片实现大范围高速高精度定量3D形貌测量，提高探测效率的同时有效避免了搭建多路光片发射器可能导致的照明不均匀或入射角度不一致等问题，同时所建立的激光三角法数学模型可实现3D形貌的定量分析。本发明有望应用于工业样品原位流水线上微结构检测等精密测量应用中。

附图说明

图1是本发明专利中基于多路投影的大检测范围3D形貌仪的示意图；

其中包括：多路光片投影仪（1）、3D形貌探测模块（2）、置于扫描模块上的待测样品（3）、水平方向平移扫描方式（4）、绕轴方向旋转扫描方式（5）。

图2是激光三角法原理图；

其中激光入射角为α，散射角为β，散射光与CMOS相机的夹角为θ，物点到成像透镜的距离为l，像点到成像透镜的距离为d，实际表面相对参考表面的高度为Δz，像点在CMOS像面上的像素偏移为Δx；A和A’是参考表面的物点和像点，B和B’是实际表面的物点和像点，O是成像透镜的中心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述。

如图1所示，多路投影照明模块1按检测需求投影生成等间隔等宽度排列的光片，斜入射至待测样品3的表面，非弹性散射光被位于另一侧的3D形貌探测模块所采集。由于探测模块以阵列形式排列，可同时采集多路光片信息，极大提高了探测的效率。

为了实现样品表面全覆盖扫描，扫描模块搭载样品沿垂直于光片的方向平移扫描，将探测模块采集的一系列切面图拼接缝合，即可实现表面3D形貌的重构。由于多路投影技术产生了一系列等间隔排列的照明光片，故扫描模块只需执行所设定光片间隔的扫描，即可实现全表面大范围的3D形貌探测。

对于部分圆柱形样品（电缆线等），扫描模块需要将样品以一定角度执行数次旋转操作，即可实现样品360°全局形貌探测。旋转的角度和次数依多路投影出射光片与3D形貌探测模块的夹角情况而定。

如图2所示，光源发出的光以入射角α斜射到待测样品的参考表面（水平面）A点，弹性散射光被成像透镜捕获以散射角β成像于CMOS相机上的A’点。当入射光照射到待测样品的实际表面（凹槽或突起，图中为凹槽面）B点，弹性散射光同样成像于CMOS相机上的B’点。根据几何关系可得三角形OCB与OC’B’相似，即存在关系：

对应于图中具体参数则有：

又因为：

结合高斯成像公式：

最终推导出样品表面起伏相对于标准平面的偏移量z遵循如下计算式：

其中“-”表示实际表面为凹槽，“+”表示实际表面为突起。

在本发明专利的实施案例中，多路投影照明模块优选DLP（Digital LightProcessing）及LCOS（Liquid Crystal on Silicon）投影仪，包括但不限于以上；3D形貌探测模块中成像透镜可根据需要调整倍率、焦距等，以适应不同视场大小及空间分辨率的需求。大大增加本发明的广泛应用性。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明专利的优选实施例进行描述，并非对本发明专利的构思和范围进行限定，在不脱离本发明专利设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明专利的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (6)

1.一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪，其特征在于，包括多路投影照明模块，3D形貌探测模块及扫描模块；所述的多路投影照明模块用于产生一系列等间隔排列的光片（光刀）照亮待检测样品，所述的3D形貌探测模块用于捕获被待测样品表面调制的光，所述的扫描模块用于移动扫描或旋转扫描实现对待测样品的全表面探测。

2.根据权利要求1所述的一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪，其特征在于：所述的多路投影照明模块包括投影仪，以阵列形式排布，可调整投影像素块的分布及大小，从而控制投影光片的空间分布及分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪，其特征在于，所述的3D形貌探测模块包括成像透镜和CMOS相机，成像透镜和CMOS相机可以任意角度排列，成像透镜的焦距或放大倍率也决定检测的视场角及分辨率。

4.根据权利要求1所述的一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪，其特征在于，所述的扫描模块可完成沿垂直于光片的方向的平移扫描或以样品中心为圆心的旋转扫描，其移动的精度也决定还原3D形貌的精度。

5.根据权利要求1所述的一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪，其特征在于，对于部分圆柱形样品，实现360°全局扫描检测依赖于扫描模块的旋转。

6.根据权利要求1所述的一种基于多路投影的大检测范围3D形貌仪测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将待测样品放置在扫描模块上方；

S2:所述多路投影照明模块提供入射光，当入射光照射到待测样品表面时，因表面高度不同，所述CMOS相机捕获的弹性散射光也会在像面上发生像素偏移，由此依据激光三角法建立计算模型：其中激光入射角为α，散射角为β，散射光与CMOS相机的夹角为θ，物点到成像透镜的距离为l，像点到成像透镜的距离为d，成像透镜的等效焦距为f，实际表面相对参考表面的高度为Δz，像点在CMOS像面上的像素偏移为Δx，则高度计算式如下：

选取光源45°斜入射，同时垂直于入射方向采集散射光，CMOS相机与成像透镜平行的光路结构，即α=β=45°，θ=90°，上述的高度计算式简化为：

即高度与像素偏移成线性关系，由此根据像素的偏移来标定系统轴向高度分辨率并计算高度值；

S3：重复以上步骤可获得多个点的高度值从而获得3D形貌。

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