CN1206845A - 变光源阴影莫尔测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种变光源阴影莫尔测量方法及其装置,包括改变光源空间位置的变光源装置;用于产生莫尔条纹的光栅;用于获取测量信息的光电传感器;放在光栅之后的被测物体;测量结果输出装置组成,由变光源装置每改变光源位置一次,光电传感器就可通过光栅观察到被测物体相应的莫尔条纹图Ⅰ,保持其它相对位置不动,连续改变n次(n≥3)光源位置,得到相应N幅莫尔条纹图Ⅰ₁,Ⅰ₂……Ⅰ_n(n≥3),通过求解莫尔条纹图,可得到物体的三维形面信息。

Description

变光源阴影莫尔测量方法及其装置

本发明涉及光电检测技术领域，更进一步涉及一种变光源阴影莫尔测量方法及其装置。

阴影莫尔轮廓测量方法是一种光学全场非接触三维测量方法，该方法于1970年由H.Takasaki首次发表在《AppliedOptics》第九卷第六期上。为了获得被测物体形面的三维信息，把一光栅接近于物体表面放置，通过一组点光源(或一组线光源)照射光栅，从而在物体表面将产生变形光栅图，当通过此光栅来观察这一变形光栅的同时，就可得到一莫尔条纹图，这一莫尔条纹图包含了被测物体形面的三维信息，通过求解这一莫尔条纹图，就可得到物体的三维形面坐标。

通常莫尔条纹图的光场分布可表示为： $I(x,y)=A(x,y)+B(x,y)\·\mathrm{COS}(\frac{2\mathrm{\π}}{P}\·\mathrm{\Φ}(U,z))$ 其中A(x，y)为背景光强，B(x，y)/A(x，y)为莫尔条纹的对比度，P为光栅栅距，φ(U，z)为包含物体形面的信息因子。由上式可以看出，若要解出高度信息Z(x，y)，则至少必需三个方程式。现有的方法，一般是通过移动光栅改变光栅与被测物体间的距离来获得新的方程式，即改变h的大小，这一方法必须进行机械运动，如：Gerard Mauvoision等人1994年在《Applied Optics》第三十三卷第十一期上公开的技术。因此其测量速度及测量可靠性将受限制。

本发明的目的是提供一种全场、非接触、无机械运动的快速测量方法，通过改变光源相对于光电传感器的位置获得新的方程式，从而解出高度信息Z(x，y)，即变光源阴影莫尔测量方法。以满足表面外形尺寸的实时在线检测的需要。

本发明的变光源阴影莫尔测量方法，包括如下步骤，(1)把一光栅接近于物体表面放置；(2)通过第一个点光源S₁(或线光源L₁)照射光栅，从而在物体表面将产生第一幅变形光栅图J₁；(3)通过此光栅来观察第一幅变形光栅图J₁，就可得到包含了被测物体形面的三维信息的第一幅莫尔条纹图I₁；(4)保持其它相对位置不动，改变光源空间位置，通过第二个点光源S₂(或线光源L₂)照射光栅(2)，从而在物体表面将产生第二幅变形光栅图J₂；(5)观察第二幅变形光栅图J₂，就可得到第二幅莫尔条纹图I₂；(6)重复上述步骤(4)、(5)n次可的到n幅莫尔条纹图I₁，I₂……I_n(n≥3)；(7)通过求解这n幅莫尔条纹图I₁，I₂……I_n，就可得到物体的三维形面坐标。

本发明的变光源装置(1)包括一系列固定在一光源座(6)上的发光光源(7)以及控制光源(7)的控制电路(8)，该控制电路为一普通的多路选一的选择开关电路。

本发明的变光源阴影莫尔测量装置，由以下几部分组成，它包括改变光源空间位置的变光源装置(1)；用于产生莫尔条纹的光栅(2)；用于获取测量信息的光电传感器(3)；放在光栅(2)之后的被测物体(4)；测量结果输出装置(5)组成。由变光源装置(1)每改变光源位置一次，光电传感器(3)就可通过光栅(2)观察到被测物体(4)相应的一幅莫尔条纹图。保持其它相对位置不动，连续改变n次(n≥3)光源位置U₁，U₂……U_n，得到相应n次莫尔条纹光场分布I₁，I₂……I_n。求解出被测物体的三维信息。

本发明由于采用了变光源装置实现了全场、非接触、无机械运动的快速测量方法，提高了测量速度及可靠性，为莫尔测量方法提供了一种新的解调方法。

图1是变光源阴影莫尔测量方法和装置的原理图

图2是本发明的实施例一。

图3是本发明的实施例二。

图4是本发明的实施例三。

图5是本发明变光源装置的示意图。

下面结合附图来详细说明本发明的方法和装置：

如图1所示，被测物体(4)尽可能地靠近放置在光栅(2)平面β的一侧，而光电传感器(3)和变光源装置(1)分别放置在光栅(2)平面β的另一侧，并保证光电传感器(3)的光轴与光源光轴有一定的夹角，这一夹角由系统的测量分辨率决定，本发明的方法是按以下步骤实现的：(1)把一光栅(2)接近于物体(4)表面放置；(2)通过第一个点光源S₁(或线光源L₁)照射光栅(2)，从而在物体(4)表面将产生第一幅变形光栅图J₁；(3)通过光栅(2)来观察第一幅变形光栅图J₁，就可得到包含了被测物体形面的三维信息的第一幅莫尔条纹图I₁；(4)保持其它相对位置不动，改变光源空间位置，通过第二个点光源S₂(或线光源L₂)照射光栅(2)，从而在物体(4)表面将产生第二幅变形光栅图J₂；(5)观察第二幅变形光栅图J₂，就可得到第二幅莫尔条纹图I₂。(6)重复上述步骤(4)、(5)n次可得到n幅莫尔条纹图I₁，I₂……I_n(n≥3)。(7)通过求解这n幅莫尔条纹图I₁，I₂……I_n，就可得到物体的三维形面坐标。

图2描述了变光源莫尔测量方法和装置的实施例之一，其光源制作可以采用足够亮度的点光源S₁，S₂……S_n，其空间位置分别为U₁，U₂……U_n，也可用平行于光栅(2)条纹的线光源L₁，L₂……L_n完成以增强亮度，每个线光源的中点分别为U₁，U₂……U_n，垂直于平面α且对称分布于平面α两边，这时线光源与平面α的交点为U₁，U₂……U_n。光源与光电传感器均处于与光栅(2)平面β垂直的同一平面α内。从而获得不同的莫尔信息I₁，I₂……I_n。

图3描述了变光源莫尔测量方法和装置的实施例之二，点光源S₁，S₂……S_n，或线光源L₁，L₂……L_n与光电传感器(3)均处于与光栅(2)平面β平行的同一平面γ内。

图4描述了变光源莫尔测量方法和装置的实施例之三，即光电传感器(3)的光轴重直于光栅平面β，而线光源L₁，L₂……L_n均处于光电传感器(3)所处的平面α内。并且各个光源到光栅(2)的距离与光电传感器(3)到光栅(2)的距离相等。根据莫尔条纹原理，在这一特定的结构下，为了得到更好莫尔条纹图，可在光电传感器(3)的另一边对称地布置光源，与光电传感器(3)距离相同的线光源具有相同的莫尔条纹，并迭加为高信噪比的莫尔信息I₁，I₂……I_n。在该实施例中，光栅(2)的栅距P＝0.05mm，光电传感器(3)与光源L到光栅(2)的距离h＝118mm，光源之间的距离Δb＝7mm，光源L₁与光电传感器(3)的距离为b＝24mm.该装置可测物体面积为40×40mm²，测量范围为0-0.3mm，测量精度达到10μm，每测量一次时间为1.5秒，满足了实时在线检测的需要。

图5为本发明的变光源装置(1)的基本结构，包括一系列固定在一光源座(6)上的发光光源(7)以及控制光源(7)的控制电路(8)，该控制电路为一普通的多路选一的选择开关电路。

由于采用了变光源技术，拓宽了阴影莫尔测量方法的运用范围，提高了其技术性能，测量精度提高了10倍，达到10μm，并且使测量时间由40秒缩短到1.5秒，从而达到了实时在线检测的需要，可广泛用于微电子工业产品的在线测试。

Claims (5)

1.一种变光源阴影莫尔测量方法，包括以下步骤，(1)把一光栅接近于物体表面放置；(2)通过第一个点光源S₁(或线光源L₁)照射光栅，从而在物体表面将产生第一幅变形光栅图J₁；(3)光电传感器通过此光栅来观察第一幅变形光栅图J₁，就可得到包含了被测物体形面的三维信息的第一幅莫尔条纹图I₁；本发明的特征是，(4)保持其它相对位置不动，改变光源空间位置，通过第二个点光源S₂(或线光源L₂)照射光栅，从而在物体表面将产生第二幅变形光栅图J₂；(5)观察第二幅变形光栅图J₂，就可得到第二幅莫尔条纹图I₂。(6)重复上述(4)、(5)n次可的到n幅莫尔条纹图I₁，I₂……I_n(n≥3)。(7)通过求解这n幅莫尔条纹图I₁，I₂……I_n，就可得到物体的三维形面坐标。

2.权利要求1所述测量方法的实施装置，包括一放置在被测物体(4)一侧的光栅(2)，光栅(2)平面β的另一侧配置一光电传感器(3)和一光源装置(1)，光电传感器(3)的光轴与光源光轴有一定的夹角，本发明的特征是，光源装置(1)是一变光源装置，它包括一系列固定在一光源座(6)上的发光光源(7)以及控制光源(7)的控制电路(8)。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所说的点光源S₁，S₂……S_n，或线光源L₁，L₂……L_n的中点与光电传感器(3)处于同一平面α内，α平面垂直于光栅平面β。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所说的点光源S₁，S₂……S_n，或线光源L₁，L₂……L_n与光电传感器(3)均处于同一平面γ内。γ平面平行于光栅平面β。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所说的光电传感器(3)的光轴垂直于光栅平面β，点光源S₁，S₂……S_n，或线光源L₁，L₂……L_n的中心均与光电传感器(3)处于同一平面γ内。且对称分布于光电传感器(3)的两侧。

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