CN211740141U - 一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，涉及非接触激光精密测量技术领域；其包括激光位移传感器、激光位移处理器、光学成像导航模块、xyz轴电动位移平台以及控制模块和PC处理器；控制模块包括xyz电动控制单元和电源模块，控制模块与PC处理器连接，光学成像导航模块配置有光学镜头和图像采集单元，图像采集单元与PC处理器连接，xyz轴电动位移平台包括xy轴平移台和z轴升降模块，光学镜头和激光位移传感安装在z轴升降模块上；通过实施本技术方案，采用光学导航模块结合激光位移传感器会去实时检测获得光学图像，快速精准确定检测区域，尤其是微小的检测区域，在保证z方向测量精度不变的同时，将xy方向测量精度提升至亚微米级别。

Description

一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统

技术领域

本实用新型涉及非接触激光精密测量技术领域，更具体地讲，涉及一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统。

背景技术

三维精密检测分为接触式与非接触式检测两种方式。接触式工作方式作为一种传统的工作方式，在生产、科研中已经得到大量的应用；但接触式工作方式有其固有缺陷，例对柔性样品、液体样品、气态样品、高速移动式样品、超精密光滑表面样品的检测，都无法适应。非接触式三维检测技术描述了在天然或加工物体表面上，通过使用非破坏性技术捕获物体表面上点的3D空间坐标，实现样品表面轮廓的测量和表征。从而与接触式表面检测技术相比，非接触式3D检测技术具有重大优势，其不会损坏待测物体，并且能够穿过透明介质进行测量，因此应用领域已取得快速发展，广泛应用于MEMS、半导体、纳米材料、光学材料、生物医学、工业探测及计量等技术领域；常见的非接触式3D光学精密检测技术主要包括激光位移检测技术、白光干涉轮廓仪技术、光纤位移检测技术、激光共聚焦技术，光谱共聚焦技术等，以上技术都存在着自己的特定的优缺点。上述技术当中，激光位移检测技术成本最低，同时其技术最为成熟；当前，在我国工业检测领域和科研领域中，激光位移检测技术，以其优良的性价比和稳定性，得到了最为广泛的应用。

现有激光位移测量技术的现状：主要应用激光轮廓仪，它利用激光位移传感器获取z 方向的高度数据，通过XY电动运动工作平台的运动，获取样品表面对应的XY坐标数据，实现对样品表面的3D轮廓扫描，实现无需制样，快速扫描机微观形貌准确测量；其中，激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它由激光发生器、激光检测器、光学器件、测量电路组成；激光位移传感器采用激光作为激发光源，激光具有良好的直线性，能实现无接触远近距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强；同时，激光位移传感器具有较好的可靠性和测量重复性，其在z方向的测量精度可以达到0.1微米；并且，激光位移传感器所测目标范围极为广泛，具有良好的适应性，激光位移传感器常用三角法，飞行时间法、共焦法、干涉法等不同的工作原理，其作为成熟现有技术，故在此不做赘述。

但利用现有激光轮廓仪进行检测，其至少存在以下不足之处：在确定检测区域的时候，完全凭操作者的经验估计，为防止丢失所关注的目标信息，检测人员一般会设定远大于实际需要检测区域的选区作为最终的扫描范围，但过大的选区，往往会存在以下两种结果：一是如果要保证扫描精度，扫描的时间会成倍增加，造成大量的无效劳动；二是如果需要节约时间，则要增加移动步进设备，降低采集点数量，则扫描结果的精度会下降。

且现有激光位移传感器包含发射激光与反射激光，为保证反射激光信号强度，激光在样品表面最细处或激光光斑直径一般》10微米，该原理决定了激光位移传感器为数据采集核心的激光轮廓仪，其XY方向的分辨率受限，无法满足XY方向实现亚微米级别的更高精度检测要求；针对上述技术问题，在当前我国迈向科技强国的过程中，亟需研究设计一种低成本的非接触高精度轮廓检测系统，以适应MEMS、半导体、纳米材料、生物医学及智能制造等检测行业高速发展，进而满足日益复杂的精密检测要求。

实用新型内容

为解决上述现有技术问题，本实用新型的在于提供一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其目的一在于采用增加光学成像导航模块结合激光位移传感器会去实时检测获得光学图像，快速精准确定检测区域，尤其是微小的检测区域。其目的二在于对样品三维轮廓尺寸进行精密测量3D测量，其目的三在于将现有激光轮廓仪在保证z方向测量精度不变的同时，将xy方向测量精度提升至亚微米级别；其目的四在于通过光学图像与激光轮廓数据结合，得到有真实颜色的轮廓3D模型，除了测量功能，还能对样品局部进行定性分析，其目的五在于通过成本控制，提供一种低成本检测方案，为我国众多企事业单位尤其是中小型企业，提供一种适合的精密检测手段。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，包括激光位移传感器、激光位移处理器、光学成像导航模块、xyz轴电动位移平台以及控制模块和PC处理器；所述控制模块包括xyz 电动控制单元和电源模块；

所述控制模块与所述PC处理器连接，PC处理器内具有轮廓3D成像检测分析软件；

所述光学成像导航模块配置有光学镜头和图像采集单元，所述图像采集单元与所述PC 处理器连接，用于采集物体目标检测区域的光学图像信息，并将图像信息传输给所述PC处理器；

所述激光位移传感器是以激光为光源，至少是点激光器位移传感器、线激光器位移传感器或面激光器位移传感器中的一种，所述激光位移传感器与激光位移处理器连接，所述激光位移处理器与所述PC处理器连接，所述激光位移传感器用于采集目标检测区域的轮廓信息，并将轮廓信息传输给所述激光位移处理器，再由激光位移处理器输入进PC处理器；

所述xyz电动控制单元与所述xyz轴电动位移平台的驱动器电连接，用于快速查找目标，设置检测起点、终点及扫描行进方式，并将检测点的坐标信息反馈给所述PC处理器；

所述xyz轴电动位移平台包括xy轴平移台和z轴升降模块，所述光学镜头和所述激光位移传感器安装在z轴升降模块上，通过z轴升降模块调节确保激光位移传感器和光学镜头处于适当的工作距离，以使所述光学镜头和所述激光位移传感器在xyz轴方向构成的三维空间内对物体进行检测；

所述PC处理器用于接收、分析和储存所述图像采集单元采集的光学图像信息、所述激光位移传感器采集的物体表面z向的坐标数据、所述xy轴平移台移动的实时xy坐标数据。

本技术方案中所述激光位移传感器是指以激光为激发光源，通过相应光路设计与光电转换，能够精准测定传感器与目标距离的装置，按其焦点形状可分为点激光器位移传感器、线激光器位移传感器、面激光器位移传感器；按其工作原理可分为三角法激光器位移传感器、飞行时间法激光器位移传感器、共焦法激光器位移传感器、干涉法激光器位移传感器等不同的类型，具体不局限于此，均在本实用新型的保护范围之内。

本技术方案中在PC处理器中配置有激光轮廓成像3D测量软件，该激光轮廓成像3D测量软件的工作原理如下：所述激光轮廓成像3D测量软件通过光学成像导航模块实时成像，对所测量区域准确快速定位；所述激光轮廓成像3D测量软件通过控制xyz轴电动位移平台移动，实时采集激光位移传感器得到的目标样品的表面轮廓三维坐标信息，并在软件中实时重建表面轮廓形态；所述激光轮廓成像3D测量软件通过光学成像导航模块，能大面积采集目标样品定位区域的光学图像；所述激光轮廓成像3D测量软件能将光学成像导航模块采集的光学图像与激光位移传感器采集的3D模型融合，在保证z方向精度不变的同时，提升3D模型在XY方向的实际分辨率，并提供真实颜色的3D模型功能；所述激光轮廓成像3D测量软件具有图像三维测量分析功能，能够对3D模型和光学图像进行精准测量、保存、导出结果。

进一步地，所述激光位移传感器是三角法激光器位移传感器、飞行时间法激光器位移传感器、共焦法激光器位移传感器或干涉法激光器位移传感器中的一种。

进一步地，所述激光位移传感器的光轴与所述光学镜头的光轴之间相互平行。

本技术方案中激光位移传感器的光轴定义如下：以激光射出部分的光轴为激光位移传感器光轴，具体为：激光射出部分中镜片光轴与激光射出部分中心轴重合，且激光经样品反射回到射出部分、最先到达的镜片为传感器第一镜片，当激光位移传感器第一镜片靠近样品一侧无光学反射镜时，激光位移传感器第一镜片的光轴为激光位移传感器的光轴；当激光位移传感器第一镜片靠近样品一侧有光学反射镜时，与激光位移传感器第一镜片的光轴重合的光线通过光学反射镜形成镜面反射，按照光学原理反射出的直线为激光位移传感器的光轴。

本技术方案中光学成像导航模块中光学镜头的光轴定义如下：光学镜头镜片光轴与镜头实际中心轴重合、样品反射回的光线最先到达的镜片为物镜第一镜片，当镜头第一镜片靠近样品一侧无光学反射镜时，物镜第一镜片光轴为光学镜头的光轴；当物镜第一镜片靠近样品一侧有光学反射镜时，与物镜第一镜片的光轴重合的光线通过光学反射镜形成镜面反射，按照光学原理反射出的直线为光学镜头的光轴。

进一步地，所述激光位移传感器的光轴与所述光学镜头光轴之间不平行；当两者不平行时，具有一直线L和与直线L垂直的投影面，所述直线L垂直于光学显微镜的光轴，所述直线L垂直于激光位移传感器的光轴，所述光学显微镜的光轴与激光位移传感器的光轴投影在所述投影面上形成的两条相交直线产生的锐角在0°-60°之间。

进一步地，所述激光位移传感器的光轴与所述xyz轴电动位移平台在xy方向所在的实际运动平面相垂直。

进一步地，所述激光位移传感器的光轴与所述xyz轴电动位移平台在xy方向所在的实际运动平面不垂直；当两者不垂直时，以其垂直方向为基准线，所述激光位移传感器的光轴的偏转角度在-90°至90°之间。

上述xy轴平移台与z轴升降模块可以设计为分离式，所述光学镜头与所述激光位移传感器安装在所述z轴升降模块上，以使所述z轴升降模块不随所述xy轴平移台同步移动，如此本技术方案将xy轴平移台设计为一体式，被检测物体放置于xy轴平移台上移动。

上述xy轴平移台与z轴升降模块也可以设计为一体式，以使所述z轴升降模块随所述 xy轴平移台同步移动，所述光学镜头与所述激光位移传感器通过支撑装置安装在所述xyz 轴电动位移平台外侧或通过支撑架安装在xyz轴一体平移台上方。如此将xy轴平移台与z 轴升降模块设计为一体式，将待检测物体放置于一体式xyz轴电动位移平台上随其同步运动进行检测，待检测物体处于运动状态；而将光学镜头和激光位移传感器安装在z轴升降模块上时，待检测物体处于静止状态。

进一步地，所述z轴升降模块配置有电动z轴升降控制模块和手动z轴升降控制模块，以使所述激光位移传感器和所述光学成像导航模块的工作距离的调整由所述电动z轴升降控制模块或手动z轴升降控制模块进行控制。

进一步地，还包括主控箱体，所述xyz电动控制单元、激光位移处理器和电源模块安装在同一主控箱体内，在所述主控箱体上配设有相应的通讯接口，用于连接所述光学镜头配置的照明光源、xyz轴电动位移平台、激光位移传感器以及PC处理器。

进一步地，所述xy轴平移台配置有位移反馈装置，以实时采集xy轴平移台的位置信息并将获得的位置数据反馈给所述PC处理器，用于精确控制所述xy轴电动位移平台移动距离；位移反馈装置可以选择现有磁栅或者光栅中的一种。

进一步地，所述xy轴平移台上设置有多角度辅助夹紧装置，用于夹紧样品。如此可实现对圆柱面、弧面和不规则表面进行有效检测。

如上所述，本实用新型相对于现有技术至少具有如下有益效果：

1.本实用新型激光轮廓检测系统的光学成像导航模块中光学镜头单元配置有实时图像采集装置，图像采集装置通过软件控制发出指令，并将采集的图像信息反馈给PC处理器，显示成供检测工作者观察的直观光学图像，能够快速精准的确定样品表面检查区域，可有效解决传统激光轮廓仪完全凭操作这经验估计选择检查区域，导致大量无效劳动的难题。

2.本实用新型激光轮廓检测系统巧妙的结合了激光位移测量技术与光学成像技术的优点，传统激光轮廓仪仅仅能够做尺寸检测，而且主要是针对z方向进行高度检查，以解决现有激光轮廓仪由于XY方向精度不足而极大限制其应用的技术问题；而本实用新型利用激光位移传感器与光学镜头相结合的原理，利用光学镜头在XY方向能精确到亚微米，通过运行于PC处理器中的三维轮廓测量软件，能够大面积的精准测量样品的尺寸，将现有激光轮廓仪整体的测量精度提升了一个量级。

3.本实用新型激光轮廓检测系统在实现高精度检测尺寸的同时并保有真实色3D模型，利于观察细节部位，并充分考虑了激光位移传感器的光轴与光学镜头的光轴具有平行方式和不平行方式，通过确定激光位移传感器的光轴与光学镜头的光轴延伸在物体检测表面交点的相对坐标，用于标定，确保两者的目标检测区域相同，以使两者的融合信息相匹配；同时考虑激光位移传感器的光轴与xyz轴电动位移平台在xy方向所在的实际运动平面具有垂直方式和不垂直方式，用以针对不同形状的高低起伏样品现场3D成像以及特殊样品缺陷部位3D尺寸等，具有较好的实用性。

4.本实用新型激光轮廓检测系统的xyz轴电动位移平台中设置有高精度位移反馈装置，高精度位移反馈装置可以选择磁栅或者光栅中的一种，用于实时精确采集xyz轴电动位移平台的位置数据并将其反馈给PC处理器，选择的光栅的实际精度应《200纳米，以保证能够实时精确采集位移平台的位置信息，同时PC处理器配置的激光轮廓成像3D测量软件具有xy轴平移台z向跳动的矫正功能，即通过算法对xy轴平移台平移过程中产生的z轴微小跳动进行实时补偿，最大可能的减小系统的运动误差，以提高检测精度。

5.利用本实用新型激光轮廓检测系统进行物体测量，其检测方法使用操作简单，具有一键快速操作的特点，可以检测样品表观空间点、直线、面的位置关系，如表面粗糙度、空间面与面的夹角、台阶高度、微孔深度等所需参数；同时实现高低起伏样品现场3D轮廓尺寸等，能够在绝大部分场合替代现有的接触式测量设备，且具有相邻采集点之间无干扰、抗震性强的特点，对安装环境无特殊需求，成本低，具有很好的应用前景。

附图说明

本实用新型将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中

图1是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统的连接示意图；

图2是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中光学镜头的光轴与激光位移传感器的光轴平行设置的示意图；

图3是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中光学镜头的光轴与激光位移传感器的光轴不平行设置的示意图；

图4是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中z轴升降模块可摆动设置的示意图；

图5是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中另一激光位移传感器的安装示意图；

图6A是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中三角法激光器位移传感器的光学原理反射图；

图6B和图6C是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统图1中激光位移传感器的光轴示意图；

图7A和图7B是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统图1中光学成像导航模块中光学镜头的光轴示意图；

图8是利用本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统进行检测其检测方法中双线性差值算法的原理图；

图9是本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中多角度辅助夹紧装置的结构示意图；

图10是利用本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统进行检测的具体工作流程图。

附图标记说明：1-基座；2-xy轴平移台；3-多角度辅助夹紧装置；4-照明光源；5-光学镜头；51-光学镜头的光轴；6-图像采集单元；7-激光位移传感器；71-激光位移传感器的光轴；8-z轴升降模块；9-安装板；10-横向支撑板；11-支撑立柱；12-激光位移处理器； 13-xyz电动控制单元；14-电源模块；15-主控箱体；16-PC处理器；17-旋转摆动机构；18- 样品；19-光学反射镜；20-三角法激光器位移传感器；21-旋转支撑块；22-水平转轴；23- 锁紧螺钉；24-四爪卡盘；25-四爪卡盘支撑块。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1

实施例基本如图1和图5所示：本实施例提供了一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统；包括激光位移传感器7、激光位移处理器12、光学成像导航模块、xyz轴电动位移平台以及控制模块和PC处理器16；控制模块包括xyz电动控制单元13和为系统提供电源的电源模块14，控制模块与PC处理器16连接，PC处理器16内具有轮廓3D成像检测分析软件；具体地，本实施例提供的激光位移传感器7指的是以激光为光源，通过相应光路设计与光电转换，能够精准测定传感器与目标距离的装置，按其焦点形状可分为点激光器位移传感器、线激光器位移传感器、面激光器位移传感器，本实施例中激光器位移传感器7 至少是点激光器位移传感器、线激光器位移传感器或面激光器位移传感器中的一种；按其工作原理可分为三角法激光器位移传感器、飞行时间法激光器位移传感器、共焦法激光器位移传感器、干涉法激光器位移传感器等不同的类型，具体不局限于此，其目的在于以激光为光源的激光位移传感器结合光学成像导航模块去实时检测获得光学图像，均在本实用新型的保护范围之内；本实施例以三角法激光器位移传感器为例，所述激光位移传感器7 与激光位移处理器12连接，激光位移处理器12与所述PC处理器16连接，激光位移传感器7用于采集目标检测区域z轴空间内的轮廓信息，并将轮廓信息传输给激光位移处理器 12，再由激光位移处理器12输入进PC处理器16，由PC处理器16设置激光位移传感器7 的工作采样频率。

其中，xyz轴电动位移平台包括xy轴平移台2和z轴升降模块8，xy轴平移台2和z 轴升降模块8的驱动器分别与xyz电动控制单元13连接，光学镜头5和激光位移传感器7 安装在z轴升降模块8上，通过z轴升降模块8调节确保激光位移传感器7和光学镜头5 处于适当的工作距离，以使光学镜头5和激光位移传感器7在xyz轴方向构成的三维空间内对物体进行检测，xyz电动控制单元13与PC处理器16连接，用于快速查找目标，设置检测起点、终点及扫描行进方式，并将检测点的坐标信息反馈给PC处理器16；作为本实施例优选，xyz轴电动位移平台中设置有位移反馈装置，位移反馈装置可以是磁栅或者光栅中的一种，具体可安装在xy轴平移台2上，用于实时精确采集xy轴平移台2的位置信息并将获得的信息数据反馈给PC处理器16，用于精确控制xy轴平移台2移动距离；具体地，具体地，选择的光栅的实际精度应《500纳米，用于确保最小步进匹配激光位移采集和光学镜头5采集的最小分辨率。

本实施例提供的PC处理器16用于接收、分析和储存图像采集单元6采集的光学图像信息，以及激光位移传感器7采集的物体表面z向的坐标数据、xy轴平移台2移动的实时xy坐标数据，用于实时三维建模和存储相应区域的光学图像。

具体地，本实施例提供的光学成像导航模块配置有光学镜头5和图像采集单元6，图像采集单元6与PC处理器16连接，用于采集物体目标检测区域的光学图像信息，并将图像信息传输给PC处理器16；本实施例光学成像导航模块中的光学镜头5具体采用的是现有工业光学镜头5，工业光学镜头5作为现有成熟技术，应用极为广泛，具有多种倍数可选，镜头的极限分辨率可低于0.5微米，其具体结构及工作原理为现有技术，并不为本专利公开的发明点，故在此不作赘述；在工业光学镜头5上配设有照明光源4，具体地，工业光学镜头5上安装有为其提供照明光源4的照明器，照明器的选择可以是同轴光照明器、环形光照明器、倾斜入射照明器或偏光照明器之中的一种，本实施例提供的照明光源4为高亮度长寿命LED光源；由上所述，本实施例提供的光学成像导航模块是以工业高倍镜头、环形照明器和实时图像采集单元6为一体的高倍率光学成像导航模块，能够对样品的检测区域进行精准的导航与定位。

本实施例提供的激光位移传感器7和光学成像导航模块通过安装板9与z轴升降模块8 连接，z轴升降模块8通过横向支撑板10连接在支撑立柱11，支撑立柱11固定安装在基座1上，在z轴升降模块8上配置有用于调整激光位移传感器7和光学成像导航模块沿z 轴方向移动的升降驱动器，该驱动器直接与xyz电动控制单元13连接，通过升降模块中的升降驱动器带动安装板9以及安装在安装板9上的激光位移传感器7和光学成像导航模块沿z轴方向上升或下降移动，以确保激光位移传感器7和光学成像导航模块处于有效的工作距离范围内。

具体地，本实施例提供的xy轴平移台2可以为手动xy轴平移台，也可以是电动直线xy轴平移台，本实施例选用的xy轴平移台2是采用基于步进电机技术的直线位移台，例如现有压电纳米位移台；其中，xy轴平移台2与z轴升降模块8也可以设计为分离式，也可以设计为一体式，本实施例优选采用分离式设计，将激光位移传感器7和光学成像导航模块安装在z轴升降模块8上，z轴升降模块8通过横向支撑板10与支撑立柱11安装在大理石基座1上，以使z轴升降模块8不随xy轴平移台2同步移动，xy轴平移台2直接安装与大理石基座1上。

本实施例光学成像导航模块显微系统提供的图像采集单元6内置有控制电路板，控制电路板与PC处理器16连接，图像采集单元6可由PC处理器16直接供电，也可有控制模块中的电源模块14独立供电，图像采集单元6位于光学镜头5的上端，图像采集单元6被配置为用于采集光学镜头5下方的样品光学图像，本实施例提供的图像采集单元6具体选用现有彩色CCD感光芯片或彩色CMOS感光芯片确保得到样品颜色，例如sony IMX415的感光芯片，能够获得真实彩色的样品表面纹理结构，图像采集单元6将图像信息反馈给PC处理器16并在显示器上实时展现，显示成供检测工作者导航与观察的图像。

本实施例中样品表面轮廓，在实际生产与科研中，往往不会是一个理想中的平面，样品表面高低起伏范围有可能超越光学镜头的景深范围，采集单张图片可能造成图像局部模糊，可通过本技术方案中z轴升降模块8的扫描，结合EDoF景深扩展技术，能够快速形成一张没有局部模糊，最高最低点全清晰的平面合成图像，所述EDoF景深扩展技术，其英文全称为----Extend Depth of Field，是上世纪90年代兴起，基于电脑运算，通过多层图像叠加增大景深的一种图像处理技术，经过多年发展，已经非常成熟，在此不做赘述，通过上述方案，检测人员能够精准确实现微区导航观察与定位。

其中，z轴升降模块配置有电动z轴升降控制模块和手动z轴升降控制模块，以使激光位移传感器和光学成像导航模块的工作距离的调整由电动z轴升降控制模块或手动z轴升降控制模块进行控制，本实施例提供z轴升降模块8的驱动器具体选用五相步进电机，并与xyz电动控制单元连接，升降传动结构可具体选用齿轮齿条结构，以保证显微镜头移动的平稳性；具体不限于此，本实施例中五相步进电机能防止移动过程中出现丢步的现象，并能准确记录光学成像导航模块身或下降移动的距离，确保合成图像没有失焦，如此能够动态地对高低起伏较大的大型样品进行实时观察；通过z轴升降模块8带动光学成像导航模块寻找到高低起伏样品最高点与最低点，以及平面方向的起点和终点，再通过光学成像导航模块确定起点和终点后，利用PC处理器16发出指令，以使xyz轴电动位移平台按照预先校正的距离移动，确保激光位移传感器7的焦点中心与起点重合。

同时，本实施例提供的PC处理器16能够执行激光位移传感器7在xy方向的扫描，以及发出指令触发图像采集单元6和激光位移传感器7进行数据采集，从起点按照预设的路径行进至终点，PC处理器16同时记录xy方向的实时位置数据与激光位移传感器7传回的 z方向数据，通过现有罗阔三维软件进行三维建模，进而进行有效的测量。

本实施例提供的检测系统还包括有主控箱体15，其中xyz电动控制单元13、激光位移处理器12和电源模块14安装在同一主控箱体15内，在所述主控箱体15上配设有相应的通讯接口，用于连接所述光学镜头5配置的照明光源4、xyz轴电动位移平台、激光位移传感器7以及PC处理器16；PC处理器16被配置为用于接收、分析和储存图像采集单元6采集的图像信息、激光位移传感器7采集的物体轮廓信z方向坐标以及XY电动平台反馈的的 xy轴坐标数据并对样品表面进行3D建模。

本实施例在PC处理器16中安装有激光轮廓成像3D测量软件，PC处理器16接收处理图像采集单元6采集的光学图像信息、激光位移传感器7获得的样品轮廓z轴高度数据、 XY电动平台反馈的的xy轴坐标数据，实现对检测样品表面轮廓的的3D建模，进而准确表述样品表面轮廓的实际数据，最后实现准确的轮廓3D测量，从而能够实现对现场高低起伏样品无损的同时进行细微缺陷实时观察。

另一方面，图10示出了利用本实用新型实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统进行检测的具体工作流程图，其具体检测方法包括步骤：

步骤一：PC处理器16接收光学成像导航模块获得的实时清晰光学图像，并设图像中心为始点位置，确定检测起点、终点；具体操作方法为：

1.向z轴升降模块8发出上升/下降指令，在PC处理器16屏幕中观察光学图像，直到显微图像出现全部清晰或局部清晰，结合EDoF景深扩展技术，以图像中心设为平面运动起点；

2.向xyz轴电动位移平台发出上升指令，xyz电动控制单元13中的控制器控制相应的驱动器执行该指令，以使z轴升降模块8上升，z轴升降模块8带动光学成像导航模块上升，并结合xy轴平移台2运动，通过光学成像导航模块找到目标检测区域起伏样品的最高点，在PC处理器16确定最高点的位置：即z轴扫描最高点；

3.向xyz轴电动位移平台发出下降指令，xyz电动控制单元13中的控制器控制相应的驱动器执行该指令，以使z轴升降模块8下降，z轴升降模块8带动光学成像导航模块下降，并结合xy轴平移台2运动，通过光学成像导航模块找到目标检测区域起伏样品的最低点，在PC处理器16确定最低点的位置：即z轴扫描最低点；

步骤二：在PC中确定目标检测区域的平面xy方向的移动检测起点、终点及扫描间距、扫描路径、扫描速度；

步骤三：触发xyz轴电动位移平台，通过xyz轴电动位移平台使激光位移传感器7与设定起点位置重合，激光位移传感器7按照预设的扫描路径在预设的目标检测区域内实现扫描，并将得到的每点的高度z轴数据与该点对应的xy轴坐标数据导入激光轮廓成像3D 测量软件进行实时重建，获得目标检测区域的三维模型，既可对待测样品3D观察与3D测量；该项目过程完成后，光学成像导航模块镜头轴心自动运动到预设起点位置。

步骤四：结合待检测区域面积与光学镜头5的实际视野范围大小，软件通过计算，确认最终需要扫描的光学视野个数，并设置光学成像导航模块在xy方向的扫描方向、扫描步距、扫描路径，触发光学成像导航模块和xyz轴电动位移平台，光学成像导航模块按照预设的扫描路径在预设的目标检测区域内实现光学扫描；

以起点计为第一视野，执行z方向扫描，结合所述EDoF景深扩展技术，快速得到第一张没有失焦，最高最低点全清晰的平面景深合成图像并保存；驱动xy轴平移台2移动，进入第二视野，第二视野与第一视野图像有局部重叠，执行z方向扫描，结合所述EDoF景深扩展技术，快速得到第二张没有失焦，最高最低点全清晰的平面景深合成图像并保存，依此类推，直至终点最后一张全清晰的平面景深合成图像并保存，采集完成，软件将所有保存图像拼接为一张完整的大视野光学图像，快速图像拼接技术，作为已有的成熟技术，不属于本专利的发明点，在此不做赘述。

以上过程完成，xy轴平移台2返回光学扫描起点；所得到的大视野光学图像与激光位移传感器7所得到的三维模型具有同样的面积，并与样品表面轮廓实际面积保持一致，且起点、终点保持一致，大视野光学图像在xy方向有较高的分辨率，三维模型在z方向有较高的分辨率，计算融合二者，即可得到x/y/z方向上高分辨率数据,具体过程如下：

计算大视野光学图像平面图像上每一点图像像素所对应的xy轴实际坐标位置；得(X1,Y1)；

计算三维模型上每一点在XY方向投影所对应的xy轴实际坐标位置；得到(X2,Y2)；

其中，x2,y2位置对应的每个点不一定完全重合于大视野光学图像中像素点x1，y1，故通过双线性差值算法计算光学图像每个像素点的最终精确高度Z3，计算方法如图8所示：其中，P为大视野光学图像图像上的一个像素点所对应的实际x1，y1坐标，Q₁₁，Q₁₂，Q₂₁，Q₂₂分别为P点最近的4个邻接点；

对于P点，取相邻的4个激光位移传感器7扫描的3D数据，分别为Q₁₁，Q₁₂，Q₂₁，Q₂₂，分别为从激光位移传感器7和xy轴平移台2上的光栅传感器获得的被测物3D数据；

首先，在X方向上进行两次线性插值计算，得到R1，R2的高度值。

然后在y方向上进行一次插值计算，获得该像素点所对应xy坐标位置的实际高度。

由上所述，将大视野光学图像所有像素所对应的点(X1,Y1)通过以上的计算方法结合激光传感器扫描得到的3D高度数据计算出所对应的高度z3，在新的三维坐标体系中代入 X1、Y1、Z3建模，最终得到同时具有高精准三维数据模型。

每一个像素点，其颜色均由R/G/B颜色要素组成，上述代入过程中将X1、Y1像素点对应的R/G/B值同时带入，可以得到色彩真实，细节丰富的三维数据模型。

上述过程为点激光位移传感器7的一个完整扫描流程。该原理同样适用与线激光位移传感器7与面激光位移传感器7，差异仅仅是在于调整激光扫描器的起点与终点，确保激光位移传感器7扫描区域与光学导航镜头扫描区域保持一致，在此不做进一步阐述。

通过本实施例，能够更加精准物体表面轮廓的真实数据，也能够对一些细小瑕疵做定性判断，系统的整体精度提升了一个数量级。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：如图2和图3所示，实施例1中激光位移传感器的光轴71与所述光学镜头的光轴51之间相互平行，作为实施例1的优选方案，本实施例激光位移传感器的光轴71与光学成像导航模块中光学镜头的光轴51之间不平行；当两者不平行时，具有一直线L和与直线L垂直的投影面，直线L垂直于激光位移传感器7光轴，直线垂直于L光学成像导航模块镜头的光轴，激光位移传感器的光轴71与光学成像导航模块镜头光轴投影在所述投影面上形成的两条相交直线产生的锐角在0°-60°之间；在进行检测前需确定激光位移传感器7光轴与光学成像导航模块镜头的光轴延伸在标准表面交点的相对坐标，用于标定校正，确保两者的目标检测区域相同，以使两者的融合信息相匹配；其中激光位移传感器7光轴角度倾斜带来的系统性偏差，由PC软件自动校正，确保最终数据为正确的三维数据。

本实施例中激光位移传感器的光轴71定义如下：6A示出了本实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中三角法激光器位移传感器的光学原理反射原理图，其中，S1为激光发射部位镜片，S2为激光接受部位镜片；图6B示出了本实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中激光位移传感器7镜头前无光学反射镜19的光轴示意图，图6C示出了本实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中激光位移传感器7镜头前有光学反射镜19的光轴示意图，以激光射出部分的光轴为激光位移传感器7光轴，具体为：激光射出部分中镜片光轴与激光射出部分中心轴重合，且激光经样品18反射回射出部分、最先到达的镜片为传感器第一镜片，当激光位移传感器7第一镜片靠近样品18一侧无光学反射镜时，激光位移传感器7第一镜片的光轴为激光位移传感器的光轴71；当激光位移传感器7第一镜片靠近样品18一侧有光学反射镜19时，与激光位移传感器7第一镜片的光轴重合的光线通过光学反射镜19形成镜面反射，按照光学原理反射出的直线为激光位移传感器的光轴71。

同理，本实施例光学成像导航模块中光学镜头的光轴51定义如下：图7A示出了本实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中光学成像导航模块中光学镜头5前无光学反射镜19的光轴示意图；图7B示出了本实施例具有光学导航功能的激光轮廓检测系统中光学成像导航模块中光学镜头5前有光学反射镜19的光轴示意图，光学镜头5镜片光轴与镜头实际中心轴重合、样品18反射回的光线最先到达的镜片为物镜第一镜片，当镜头第一镜片靠近样品18一侧无光学反射镜19时，物镜第一镜片光轴为光学镜头的光轴51；当物镜第一镜片靠近样品18一侧有光学反射镜19时，与物镜第一镜片的光轴重合的光线通过光学反射镜19形成镜面反射，按照光学原理反射出的直线为光学镜头的光轴51。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：作为实施例1的优选方案，实施例1中激光位移传感器的光轴71与xyz轴电动位移平台在xy方向所在的实际运动平面相垂直，而作为实施例1的优选方案，本实施例提供的激光位移传感器的光轴71与xyz轴电动位移平台xy方向所在的实际运动平面不垂直，如图4所示，在安装z轴升降模块8的两根支撑立柱11底部设置有旋转摆动机构17，旋转摆动机构17具体可采用现有可摆动支撑架，其包括与支撑立柱11连接的转轴、固定安装在基座1上的转轴支撑座以及锁紧机构，通过使得支撑立柱11摆动，带动安装在支撑立柱11上的z轴升降模块8，以及通过连接块安装在 z轴升降模块8上的激光位移传感器7和光学成像导航模块同时摆动，以垂直方向为基准线，光学显微镜的摆动角度在-90°至90°之间，以实现能够检测复杂结构的多面体样品，如用于检测样品大角度倾斜面或样品的侧面，其角度倾斜所带来的系统偏差由PC处理器16自动校正，确保最终数据为真实形貌三维数据，具有较好的实用性。

实施例4

实施例4与实施例1基本相同，与实施例1相比，其主要区别在于：如图1所示，本实施例在xy轴电动平移台上增加了多角度辅助夹紧装置3，用于夹紧圆柱形样品或不规则样品，可实现对圆柱面、弧面和不规则表面进行有效检测；如图9所示，本实施例提供的多角度辅助夹紧装置包括旋转支撑块21、安装在旋转支撑块21上的水平转轴22以及通过四爪卡盘支撑块25套设在水平转轴22上的四爪卡盘24，四爪卡盘支撑块可以与水平转轴通过螺纹连接固定，在旋转支撑块21上设置有沿水平转轴22径向对其进行锁紧的锁紧结构，该锁紧结构具体可以是锁紧螺钉23，由此四爪卡盘24本身能绕其轴心转动，四爪卡盘 24通过支撑块与水平转轴22相连接，水平转轴22与xy平面相平行，并呈水平安装在旋转支撑块21上的轴孔内，使得四爪卡盘24、四爪卡盘支撑块25以及水平转轴22能够绕水平转轴22轴向转动，由此形成两个自由度的旋转，并结合xy轴平移台的移动，能够多角度的看清样品表面，利于提升检测效率，实现全方位检测目标。

综上所述，本实用新型轮廓检测系统通过将激光位移传感技术与光学成像技术巧妙的结合，能够快速精准确定检测区域，尤其是微小的检测区域，对样品三维轮廓尺寸进行精密测量3D测量，在将现有激光轮廓仪在保证z方向测量精度不变的同时，将xy方向测量精度提升至亚微米级别；并通过光学图像与激光轮廓数据结合，得到有真实颜色的轮廓3D 模型，具有测量精准、适用范围广泛、成本低等特点，能够为我国众多企事业单位尤其是中小型企业，提供一种适合的精密检测手段，具有很好的应用前景和实用价值。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：包括激光位移传感器、激光位移处理器、光学成像导航模块、xyz轴电动位移平台以及控制模块和PC处理器；所述控制模块包括xyz电动控制单元和电源模块；

所述控制模块与所述PC处理器连接，PC处理器内具有激光轮廓成像3D测量软件；

所述光学成像导航模块配置有光学镜头和图像采集单元，所述图像采集单元与所述PC处理器连接，用于采集物体目标检测区域的光学图像信息，并将图像信息传输给所述PC处理器；所述激光位移传感器是以激光为光源，至少是点激光器位移传感器、线激光器位移传感器或面激光器位移传感器中的一种，所述激光位移传感器与激光位移处理器连接，所述激光位移处理器与所述PC处理器连接，所述激光位移传感器用于采集目标检测区域的轮廓信息，并将轮廓信息传输给所述激光位移处理器，再由激光位移处理器输入进PC处理器；

所述xyz电动控制单元与所述xyz轴电动位移平台的驱动器电连接，用于快速查找目标，设置检测起点、终点及扫描行进方式，并将检测点的坐标信息反馈给所述PC处理器；

所述xyz轴电动位移平台包括xy轴平移台和z轴升降模块，所述光学镜头和所述激光位移传感器安装在z轴升降模块上，以使所述光学镜头和所述激光位移传感器在xyz轴方向构成的三维空间内对物体进行检测；

所述PC处理器用于接收、分析和储存所述图像采集单元采集的光学图像信息、所述激光位移传感器采集的物体表面z向的坐标数据、所述xy轴平移台移动的实时xy坐标数据。

2.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述激光位移传感器是三角法激光器位移传感器、飞行时间法激光器位移传感器、共焦法激光器位移传感器或干涉法激光器位移传感器中的一种。

3.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述激光位移传感器的光轴与所述光学镜头的光轴之间相互平行。

4.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述激光位移传感器的光轴与所述光学镜头光轴之间不平行；当两者不平行时，具有一直线L和与直线L垂直的投影面，所述直线L垂直于光学显微镜的光轴，所述直线L垂直于激光位移传感器的光轴，所述光学显微镜的光轴与激光位移传感器的光轴投影在所述投影面上形成的两条相交直线产生的锐角在0°-60°之间。

5.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述激光位移传感器的光轴与所述xyz轴电动位移平台在xy方向所在的实际运动平面相垂直。

6.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述激光位移传感器的光轴与所述xyz轴电动位移平台在xy方向所在的实际运动平面不垂直；当两者不垂直时，以其垂直方向为基准线，所述激光位移传感器的光轴的偏转角度在-90°至90°之间。

7.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述z轴升降模块配置有电动z轴升降控制模块和手动z轴升降控制模块，以使所述激光位移传感器和所述光学成像导航模块的工作距离的调整由所述电动z轴升降控制模块或手动z轴升降控制模块进行控制。

8.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：还包括主控箱体，所述xyz电动控制单元、激光位移处理器和电源模块安装在同一主控箱体内，在所述主控箱体上配设有相应的通讯接口，用于连接所述光学镜头配置的照明光源、xyz轴电动位移平台、激光位移传感器以及PC处理器。

9.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述xy轴平移台配置有位移反馈装置。

10.根据权利要求1所述的具有光学导航功能的激光轮廓检测系统，其特征在于：所述xy轴平移台上设置有多角度辅助夹紧装置，用于夹紧样品。

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