CN116026257A - 一种用于随机相移全息物体三维测量解调的系统及调解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于随机相移全息物体三维测量解调的系统及调解方法，系统基于预防大离轴菲涅尔数字全息显微测量光路结构建立，采用激光光源照明，激光器发出的光经准直扩束后被第一分光镜分成两束，一束与光轴成0度角入射至被测电路板焊点表面，形成的物方光场，经显微成像镜头后，与另一束参考光场在CCD靶面干涉形成全息图，使用相移器改变光程差，可以产生一系列相移全息图；该技术因为使用了两帧条纹图，具有速度快的特点，并能降低机械振动、环境干扰及温度变化等对测量的影响。另外该方法无需精密的相移器，不用标定相移器，没有局部相位符号模糊问题，相比单帧技术具有更高的精度。

Description

一种用于随机相移全息物体三维测量解调的系统及调解方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种随机相移全息物体三维测量装置及其解调方法。

背景技术

电子元件封装连接是通过大量焊点来实现的。焊点的失效将导致器件乃至整个系统的失效。所以，焊点的可靠性测试是一个非常重要的问题。焊点的可靠性测试主要是研究焊点处应力应变高精度测量问题，通过测量焊点处三维形貌信息，可以得到焊点处变形和受力数据。目前，复杂表面微尺度形貌与变形测量方法根据测量原理分为接触式测量与非接触式测量。

接触式测量方法中，在表面形貌测量领域中应用最广泛的是触针式轮廓测量仪和三坐标测量仪。而变形测量则主要依靠电测法和机械测试法。其中电测法因其具有灵敏度高、测试精度高、测试稳定性好且可以通过测量得到多种力学信号等优点，成为工业现场应变检测的主要技术手段，但该方法只能进行点测量得到某一离散点固定方向的应变，不能得到全场应变，而且在布置应变片时布线比较复杂，测量的效率低下，由于应变片直接粘贴在应变片的表面，在一定程度上也对测量造成了误差。

相比较接触式测量，非接触式表面形貌与变形测量方法测量时不与被测样品表面接触，不会造成表面永久性破坏，且具有测量速度快、精度高、分辨率高和测量范围大等优点，具体可以分为立体视觉法、结构光方法、数字图像相关测量法、全息干涉等。前三种测量方法基于三角测量原理，精度与分辨率都受到一定限制。数字全息技术以物光和参考光干涉形成的干涉全息图的形式记录并保存与物体三维形貌相关的相位信息，并运用数字衍射重建的方式对物体形貌进行三维重建，其测量形变的方式是通过对比变形前后获取的物体形貌信息得到，该技术具有测量精度高、非接触、全场，能够实现动态测量等优势，成为各应用领域内针对被测物体形貌、形变进行高分辨率检测的重要技术之一。

数字全息技术最主要的问题是克服共轭图像和零阶衍射波与物体图像的交叠引起的图像质量退化。离轴全息在记录全息图时，通过引入参考波和物波间的大夹角实现零阶衍射波、共轭图像和物体图像的频谱在离轴角方向分离。然而该方法因为仅使用了较小的带宽，从而其测量面积非常狭窄。相移技术也可以有效地去除共轭图像和零阶衍射波。然而该技术要求引入的相移量必须事先精确地标定。然而，由于压电传感器的非线性和环境干扰，实际的引入的相移和设计的相移不可避免产生误差，从而致使相移技术不能得到精确解。另外相移技术常常需要采集三帧或以上的全息图，其过程费时费力，影响了系统测量速度的。

对此，本专利提出一种二帧随机同轴数字全息术。该技术因为使用了两帧条纹图，具有速度快的特点，并能降低机械振动、环境干扰及温度变化等对测量的影响。另外该方法无需精密的相移器，不用标定相移器，没有局部相位符号模糊问题，相比单帧技术具有更高的精度。

发明内容

本发明提供了一种随机相移全息物体变形测量装置及其解调方法，其可以有效实现针对封装焊点处应力应变的高精度测量，突破复杂微尺度表面形貌变形通用检测系统的技术难点，最终构建一套快速、高精度的随机相移全息物体变形测量系统。

为了达到的目的，本发明提供的技术解决方案的步骤为：

设计如图1所示的随机全息相移装置，并将被测封装电路板置于测量空间。

首先，开启激光光源，照射被测电路板焊点表面，形成物光波，因此可由CCD摄像机记录两帧随机相移全息图；

然后，应用随机两帧相移算法，对采集的条纹图进行处理，提取包裹相位；

进而利用上面得到的结果对条纹图进行归一化，采用参数优化的方法对获得展开的测量相位，即得到反映形貌信息的相位值；

在此基础上，利用表面轮廓高度与相位差之间的转换关系可以得到被测表面形貌轮廓信息。与现有技术相比，本发明的优点是：

本专利提出一种随机相移全息物体变形测量装置及其解调方法，有效实现针对复杂表面微尺度三维形貌变形的测量，该测量装置系统结构简单、易于实现。

1、本专利利用随机相移原理，提出利用两帧未知相移的全息图，恢复物波波前，实现被测电路板焊点的测量，无需使用昂贵的相移器，放松了严格的相移器标定要求。

2、与传统的方法不同，本专利的方法无需对条纹图预滤波，可以节约滤波时间，通过迭代逼近去除趋势项的光强，并能最大程度地消除残差背景的影响。

3、由于本方法仅需两帧全息图，相比传统的相移技术至少需要三帧条纹图的测量要求，节约了测量时间。而且本方法可以分辨被测表面的凹凸，没有相位符号模糊问题，可以克服机械振动、温度波动以及空气扰动等对测量的影响。

4、两帧数字全息技术测量形变的方式是通过变形前后获取的物体形貌信息得到的，该技术具有测量精度高、非接触、全场，能够实现动态物体或瞬变现象三维测量等优势。

附图说明

图1是本发明测量装置实施的示意图。

系统基于预防大离轴菲涅尔数字全息显微测量光路结构建立，采用激光光源照明，激光器发出的光经准直扩束后被分光镜1分成两束，一束与光轴成0度角入射至被测电路板焊点表面，形成的物方光场，经显微成像镜头后，与另一束参考光场在CCD靶面干涉形成全息图，使用相移器改变光程差，可以产生一系列相移全息图，通过对该全息图中包含的强度、相位信息分别进行处理，即可得到焊点的形貌、变形信息。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

测量时，将被测电路板移动至测量装置的测量空间，调整原理图中的四个光臂，分别垂直或平行，以减少由于图像畸变产生的测量误差。然后开启激光光源，控制摄像机和相移器，产生并记录电路板或其他形待测物体形成的相移全息图，并将其保存在计算机硬盘，由测量软件对全息图进行处理，得到测量结果。

一种随机相移全息物体三维测量解调方法具体步骤如下：

第一步：将被测物置于测量空间，开启激光光源，控制摄像机记录形成的全息图。

此时相机观察到的相移全息图光强分布可以表述为：

I_i(x,y)＝O²+R²+2ORcos(φ-Δ_i)(1)；

其中，O表示物光波，R表示参考光波，Δ_i表示相移，φ表示相位，进行适当的变量替换，重写方程(1)为：

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y)+Δ_n),(n＝1,2)(2)；

其中，a(x,y)和b(x,y)是空间变化条件的背景强度和调制振幅，其中φ(x,y)和Δ_n是两个相移条纹图之间的测量相位和未知时域载频的相移。不失一般性，假定Δ₁＝0。为了简单起见，以下省略了空间坐标(x,y)。如果从采样条纹图中减去空间平均，可以得到：

I_rn＝I_n-I_n＝a′+bcos(φ+Δ_n),(n＝1,2)(3)；

.代表所有像素均值运算。a′是滤波条纹图I_rn中的残差背景。

第二步：在忽略残差背景的情况下，将条纹图I_n重写为MN×1的矢量

(M、N为条纹图的大小)，可估计相移为：

进而估计相位为：

第三步：残差背景a′可以用下式计算：

第四步：得到残差背景后，式(3)中的背景去除图像更新为：

在这种情况下，再次迭代式(3)到式(8)，收敛准则可以表示为

其中q表示迭代次数，ε为预定义的精度要求。当满足收敛准则时，得到了待测相位分布。

第五步：在此基础上，运用下面优化的方法来展开相位。首先，用上述方法得到的背景和振幅，将方程(2)归一化为方程(11)

将相位利用泽尼可系数展开为：

其中，j为像素坐标，c_j为展开系数，Z_j为泽尼可多项式。并定义下面的惩罚函数：

f(X)＝∑[I′₁-cos(φ)]²    (13)；

设解向量为X＝[c₁,c₂,...,c_j]^T，利用差分进化算法搜索上述惩罚函数最小的解向量，可得解向量为：

X＝argminf(X)         (14)；

进而将解向量代入式(12)可得展开相位。

本专利提出的算法步骤可以总结为：

1)利用空域平均法去除全息图的趋势项。

2)利用式(4)估计相移，利用式(5)估计相位。

3)结合式(4)、式(5)的结果，估计残差背景。

4)利用式(7)更新背景去除后的图像，迭代步骤2)-4)直至收敛。

5)利用迭代过程中得到得背景和振幅，归一化采集得条纹图，然后利用步骤5展开相位。

Claims (7)

1.一种用于随机相移全息物体三维测量解调的方法，其特征在于：

1)利用空域平均法去除全息图的趋势项；

2)估计相移，估计相位；

3)结合估计相移、估计相位的结果，估计残差背景；

4)更新背景去除后的图像，迭代步骤2)-4)直至收敛；

5)利用迭代过程中得到得背景和振幅，归一化采集得条纹图，然后利用步骤5)展开相位。

2.如权利要求1所述的方法，其特征如下：

所述步骤1)：将被测物置于测量空间，开启激光光源，控制摄像机记录形成的全息图；

此时相机观察到的相移全息图光强分布可以表述为：

I_i(x,y)＝|O|²+|R|²+2|O||R|cos(φ-Δ_i)  (1)；

其中，O表示物光波，R表示参考光波，Δ_i表示相移，φ表示相位，进行适当的变量替换，重写方程(1)为：

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos(φ(x,y)+Δ_n),(n＝1,2)(2)；

其中，a(x,y)和b(x,y)是空间变化条件的背景强度和调制振幅，其中φ(x,y)和Δ_n是两个相移条纹图之间的测量相位和未知时域载频的相移；不失一般性，假定Δ₁＝0；为了简单起见，以下省略了空间坐标(x,y)；如果从采样条纹图中减去空间平均，可以得到：

I_rn＝I_n-<I_n>＝a′+bcos(φ+Δ_n),(n＝1,2)    (3)；

<.>代表所有像素均值运算；a′是滤波条纹图I_rn中的残差背景。

3.如权利要求1所述的方法，其特征如下：

所述步骤2)：在忽略残差背景的情况下，将条纹图I_n重写为MN×1的矢量

(M、N为条纹图的大小)，可估计相移为：

进而估计相位为：

4.如权利要求1所述的方法，其特征如下：

所述步骤3)：残差背景a′可以用下式计算：

5.如权利要求2所述的方法，其特征如下：

所述步骤4)：得到残差背景后，式(3)中的背景去除图像更新为：

在这种情况下，再次迭代式(3)到式(8)，收敛准则可以表示为

其中q表示迭代次数，ε为预定义的精度要求；当满足收敛准则时，得到了待测相位分布。

6.如权利要求2所述的方法，其特征如下：

所述步骤5)：在此基础上，运用下面优化的方法来展开相位；首先，用上述方法得到的背景和振幅，将方程(2)归一化为方程(11)

a＝I_n-I^* _rn,(n＝1,2)(9)；

将相位利用泽尼可系数展开为：

其中，j为像素坐标，c_j为展开系数，Z_j为泽尼可多项式；并定义下面的惩罚函数：

f(X)＝∑[I′₁-cos(φ)]²         (13)

设解向量为X＝[c₁,c₂,...,c_j]^T，利用差分进化算法搜索上述惩罚函数最小的解向量，可得解向量为：

X＝arg minf(X)            (14)；

进而将解向量代入式(12)可得展开相位。

7.一种用于随机相移全息物体三维测量解调的系统，其特征在于：系统基于预防大离轴菲涅尔数字全息显微测量光路结构建立，采用激光光源照明，激光器发出的光经准直扩束后被第一分光镜分成两束，一束与光轴成0度角入射至被测电路板焊点表面，形成的物方光场，经显微成像镜头后，与另一束参考光场在CCD靶面干涉形成全息图，使用相移器改变光程差，可以产生一系列相移全息图，通过对该全息图中包含的强度、相位信息分别进行处理，即可得到焊点的形貌、变形信息；

测量时，将被测电路板移动至测量装置的测量空间，调整原理图中的四个光臂，分别垂直或平行，以减少由于图像畸变产生的测量误差；然后开启激光光源，控制摄像机和相移器，产生并记录电路板或其他形待测物体形成的相移全息图，并将其保存在计算机硬盘，由测量软件对全息图进行处理，得到测量结果。

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