CN214666659U - 一种多光束共焦三维轮廓检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多光束共焦三维轮廓检测系统，包括光源分光结构、准直透镜和载物台，准直透镜处理后的平行光经偏振分光镜分光，一部分偏振光透过偏振分光镜损失掉，另一部分偏振光向下照射到针孔阵列，形成多个点光源，这些点光源再次经过检测透镜以及λ/4玻片，汇聚于检测透镜的焦平面；放置在载物台上的被测物的反射光经过λ/4玻片、检测透镜、针孔阵列、偏振分光镜以及成像透镜汇聚于摄像机的成像靶面；通过调整光源分光结构实现不同颜色的检测光源，从而实现Z轴方向的上下扫描。本发明不需要额外的Z轴扫描机构就可以实现实现整个物体的三维轮廓信息测量，且精度高。

Description

一种多光束共焦三维轮廓检测系统

技术领域

本发明属于车载通信技术，具体涉及一种多光束共焦三维轮廓检测系统。

背景技术

目前光学轮廓测量方法的种类很多，包括普通光学干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、共焦显微镜、激光逐点扫描法、光切法、莫尔等高法、傅氏变换法、移相法等等。在以上方法中，干涉测量方法具有高分辨率和高测量精度的特点，但对被测表面质量要求很高，通常需要精密制造的参考镜，而且测量范围偏小；逐点扫描法及其后的几种都是以光学投影为基础的，主要用于散射物体的宏观轮廓测量。

共焦显微镜从原理上讲具有较广的纵向检测范围，目前主要适用于微米至毫米之间的深度测量，Z轴可以达到微米甚至亚微米的测量精度。这个范围恰是当今微细加工、微电子技术以及生物医学研究的一重要区域，正好弥补上述两类方法的不足。

但是目前的共焦检测技术存在以下问题：

单光束的共焦系统需要结合三维扫描系统(XYZ轴扫描)，才能实现物体轮廓的三维测量，具体过程：先X,Y扫描到一个位置(x,y)，然后Z轴扫描，同步记录光强信号的变化，最大光强处的Z位置试做当前(x,y)点的高度信息Z(x,y)。重复上述过程，实现物体三维轮廓的测量。很显见，这种检测方法效率低，而且对X,Y,Z轴的扫描精度要求比较高。

而现有的多光束共焦测量系统则需要在Z轴扫描过程中，同步记录各个位置的图像信息，针对每个像素点(相当于XY信息)查找最大光强时对应的Z轴位置，才能够实现整个物体的三维轮廓信息测量，也就是说需要高精度的Z轴扫描机构，除了扫描机构价格昂贵以外，同时也影响检测速度。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种多光束共焦三维轮廓检测系统，无须Z轴扫描显著提高检测效率。

技术方案：本发明的一种多光束共焦三维轮廓检测系统，包括光源分光结构、准直透镜和载物台，所述准直透镜处理后的平行光经偏振分光镜分光，一部分偏振光透过偏振分光镜损失掉，另一部分偏振光向下照射到针孔阵列，形成多个点光源，这些点光源再次经过检测透镜以及λ/4玻片，汇聚于检测透镜的焦平面；所述载物台上放置被测物，该被测物的反射光依次经过λ/4玻片、检测透镜、针孔阵列、偏振分光镜以及成像透镜，然后汇聚于摄像机的成像靶面；通过调整光源分光结构来实现不同颜色的光源，从而实现Z轴方向的高精度上下扫描。

进一步地，光源分光结构采用滤光片转盘或者分叉光纤，当采用滤光片转盘时，光源分光结构则安装于偏振分光镜和准直透镜之间，白光点光源经过准直透镜后再穿过滤光片转盘；当采用分叉光纤时，分叉光纤安装于准直透镜之前，且其公共端位于准直透镜的焦点处，分叉光纤中的各单色点光源穿过准直透镜。

为使用方便，便于调整光源分光，所述滤光片转盘的圆心位置处设置有转轴，通过转轴连接电机实现转动和调整，转盘上沿其圆周方向均匀安装有多个带通滤光片，且各滤光片的中心波长在可见光范围内均匀分布。在实际使用过程中，当采用滤光片转盘时，白光点光源经过准直透镜变为平行光，通过滤光片转盘上的对应滤光片后再经过偏振分光镜分光。也即是指整个光源分光结构是设置于准直透镜与偏振分光镜之间，只需要用过旋转转动就可以实现不同颜色的筛选。

其中，当滤光片转盘转动到不同的滤光片时，根据成像公式，焦平面也会发生偏移(相当于焦平面在做Z轴扫描)。

为使用方便，采用分叉光纤时，该一分多分叉光纤的分叉处采用不同波长的点光源(比如采用LED点光源)耦合到光纤内，点光源通过分叉光纤的公共端口出射后再经过准直透镜形成平行光源，并经过偏振分光镜分光。也就是指此时整个光源分光结构是设置于准直透镜作用之前，先区分各色点光源。只需要控制分叉光纤中不同的点光源(即分时点亮不同波长的单色点光源，即可实现不同颜色照明)，就可以实现焦平面扫描，相当于做Z轴扫描，提高了测量效率，减小了测量成本。

进一步地，所述载物台上被测物的端面位于焦平面，且该焦平面位置处的反射光源原路返回，所述发射光先后两次通过λ/4玻片，偏振角度发生90°偏转沿偏振分光镜向上前进，所述针孔阵列上针孔表面或检测透镜表面直接反射的光线则不通过偏振分光镜前行，这样能够提高信号信噪比，并且有效信号光再次通过成像透镜汇聚于摄像机的成像靶面。

进一步地，所述检测透镜采用非消色差的光学玻璃透镜或石英透镜，该检测透镜的焦距为：

其中，f为透镜焦距，r₁，r₂为透镜两侧曲率半径，n_L为透镜的折射率。

有益效果：本发明不需要额外的Z轴扫描机构就可以实现实现整个物体的三维轮廓信息测量，且精度高。本发明中的光源分光结构(滤光片转盘)只需要一系列不同中心波长的滤光片即可，带通滤光片的使用和拆装比较灵活，易于安装。或者只需要一系列不同波长的LED光源，就能实现不同光源的照明，检测速度比较快。无需高精度的Z轴扫描。

附图说明

图1为实施例中一种检测系统示意图；

图2为实施例中另一种检测系统示意图；

图3为实施例的针孔阵列示意图；

图4为实施例的调整校正示意图；

图5为实施例中针孔、成像透镜和焦平面之间的示意图；

图6为实施例中滤光片转盘示意图；

图7为实施例中的曲线示意图；

图8为实施例中检测透镜注射率与光波长示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：

如图1所示，本实施例的多光束共焦三维轮廓检测系统，包括滤光片转盘10、准直透镜9和载物台8，准直透镜9处理后的平行光经偏振分光镜3分光，一部分偏振光透过偏振分光镜3损失掉，另一部分偏振光向下照射到针孔阵列4，形成多个点光源，这些点光源再次经过检测透镜5以及λ/4玻片6，汇聚于成像透镜2的焦平面13；载物台8上的被测物7的反射光依次经过λ/4玻片6、检测透镜5、针孔阵列4、偏振分光镜3以及成像透镜2汇聚于摄像机1的成像靶面；通过调整光源分光结构就能够实现不同颜色的光源，从而实现Z轴的高精度上下扫描。其中，滤光片转盘10安装于偏振分光镜3和准直透镜9之间，白光点光源12经过准直透镜9后再经过滤光片转盘10。

本实施例中，滤光片转盘10的圆心位置处设置有转轴10-3，通过转轴10-3 连接电机实现转动和调整，转盘支架10-1上沿其圆周方向均匀安装有多个带通滤光片10-2，且各滤光片10-2的中心波长在可见光范围内均匀分布。白光点光源12经过准直透镜9变为平行光，通过滤光片转盘10上的对应滤光片10-2后再经过偏振分光镜3分光。

本实施的载物台8上被测物7的端面位于焦平面13，且该焦平面13位置处的反射光源原路返回，该发射光先后两次通过λ/4玻片6，偏振角度发生90°偏转沿偏振分光镜3向上前进，再加上针孔阵列4上针孔4-1表面或透镜表面直接反射的光线则不通过偏振分光镜3前行来提高信号信噪比，有效信号光再次通过成像透镜2汇聚于摄像机1的成像靶面。

为提高检测精度，还可以在使用本实施多光束共焦三维轮廓检测系统前，对整个系统统一进行一次校准，以消除焦平面13的变形以及归一化光电器件对波长的响应。由于本发明的结构设置，整个校准过程简单高效，具体校准过程如下：

步骤1、将一个平面镜(相当于检测过程中的被测物7)水平放置在一个高精度Z轴扫描平台15上；但在实际使用检测三维轮廓过程中，是无需Z轴扫描平台的，使用便捷；

步骤2、启动电机旋转滤光片转盘10，使得其第一个滤光片10-2位于光路系统；

步骤3、上下扫描Z轴，同时记录图像信息；

步骤4、针对图像上的每个像素点，记录最大的光强信息I_max，以及对应的 Z_foc轴位置；

步骤5、接着旋转滤光片转盘10到下一个滤光片10-2位置(可根据带通滤光片10-2的数量以及相互之间的角度来设定)；

步骤6、重复步骤3至5，直到滤光片转盘10上所有的滤光片10-2完成一遍测量。

经过上述校准过程，针对摄像机1每个像素点(x,y)，以及每个滤光片k，最终得到焦平面13位置Z_foc(k,x,y),以及归一化光强I_max(k,x,y)。

经过上述校准后，本实施的多光束共焦三维轮廓检测系统的具体检测方法如下：

步骤1、将被测物7放在载物台8上；

步骤2、旋转滤光片转盘10，使得滤光片转盘10的第一个滤光片10-2位于光路系统；

步骤3、记录图像信息；

步骤4、旋转滤光片转盘10到下一个滤光片10-2位置；

步骤5、重复步骤3,4，直到所有的滤光片10-2完成一遍测量；

步骤6、针对每帧图像的每个像素点(x,y)的光强I(i,x,y)进行亮度归一下处理，I_norm(i,x,y)＝I(i,x,y)/I_max(i,x,y),其中i＝1,2,...,k；

步骤7、针对每个像素点(x,y)的所有焦平面13位置Z_foc(i,x,y)以及归一化光强I_norm(i,x,y)绘制曲线，如图7所示，查找到归一化光强最高的点，并以结合前后两个点，形成如下三个点对：

(Z_foc(p-1,x,y)，I_norm(p-1,x,y))，(Z_foc(p,x,y)，I_norm(p,x,y))， (Z_foc(p+1,x,y)，I_norm(p+1,x,y))。

通过上述三个点对做高斯曲线拟合，可得到曲线的中心位置Z(x,y)，该参数即为对应像素点的高度信息，公式如下：

通过上述过程可以完成对待测物的三维轮廓检测。

实施例：

如图2所示，本实施例的多光束共焦三维轮廓检测系统，包括分叉光纤11、准直透镜9和载物台8，准直透镜9处理后的平行光经偏振分光镜3分光，一部分偏振光透过偏振分光镜3损失掉，另一部分偏振光向下照射到针孔阵列4，形成多个点光源，这些点光源再次经过检测透镜5以及λ/4玻片6，汇聚于成像透镜2的焦平面13；载物台8上的被测物7的反射光经过λ/4玻片6、检测透镜5、针孔阵列4、偏振分光镜3以及成像透镜2汇聚于摄像机1的成像靶面；通过调整光源分光结构(控制点亮分叉光纤11的单色点光源)实现不同颜色的光源。其中，分叉光纤11安装于准直透镜9之前，分叉光纤11中的各单色点光源经过准直透镜9。

本实施例中，由于采用的是一分多的分叉光纤11，在其分叉处采用不同波长的点光源(比如采用LED点光源)耦合到光纤内，点光源通过分叉光纤11的公共端口出射后再经过准直透镜9形成平行光源，并经过偏振分光镜3分光。

本实施的载物台8上被测物7的端面位于焦平面13，且该焦平面13位置处的反射光源原路返回，上述发射光先后两次通过λ/4玻片6，偏振角度发生90°偏转沿偏振分光镜3向上前进，而针孔阵列4上针孔4-1表面或透镜表面直接反射的光线则不通过偏振分光镜3前行，这样能够提高信号信噪比，有效信号光再次通过成像透镜2汇聚于摄像机1的成像靶面。

实施例：

本实施例的针孔阵列4如图3所示，针孔阵列4(m,n)数目与摄像机1成像靶面像素相当，各个孔径D为分布间距dx和dy的1/8左右，本实施例取值为 1um～100um。

实施例；

本实施例的其他技术特征如上述实施例，其区别在于检测透镜5，本实施例的检测透镜5采用非消色差的光学玻璃透镜或石英透镜，在23℃下该检测透镜5 的O光在石英晶体内的注射率n_O与光波λ_i长的关系如下：

其曲线如图8所示。

该检测透镜5薄透镜的焦距公式为：

其中，f为检测透镜5焦距，r₁，r₂为检测透镜5两侧曲率半径，n_L为检测透镜5的折射率。

若检测透镜5采用平凸薄透镜，则其焦距公式为：

其中r为检测透镜5曲面侧的曲率半径。

因此，通过光源分光结构采用不同颜色的光线，经过薄透镜后会形成不同的焦距。

实施例：

本实施例的检测透镜5采用石英材质的平凸透镜。

该平凸透镜的球面曲率半径为11mm，滤光片转盘10上共设有9片滤光片，带通模式，中心波长从400nm到640nm等距分布。如图5所示，本实施例仅考虑针孔成像部分，针孔4-1到成像透镜2的距离u(即物距)为40mm，针孔4-1 的成像点即为焦平面13，到透镜的距离v(像距)满足物像关系公式

根据以上条件，可以得到采用不同滤光片的焦平面13位置如下表1。

表1 九片滤光片的波长及焦平面13对比

从表1可以看到，这些滤光片的焦平面13具有2.27mm的偏差，也就是可以测量高度偏差在2.27mm范围内的物体轮廓，根据拟合公式得到的高度信息可以得到采样间隔高1个数量级的精度，测量精度约为40um。

为得到更精准的检测效果，本实施进一步优化滤光片转盘10上各带通滤光片的参数：根据焦平面13的偏差D进对各滤光片惊喜等分，通过这种结构设置使其偏差约为0.284mm，通过拟合可以得到20um的测量精度。更进一步，通过透镜结合滤光片选型设计，采用该系统可以得到更高精度的测量结果。

Claims (6)

1.一种多光束共焦三维轮廓检测系统，其特征在于：包括光源分光结构、准直透镜和载物台，所述准直透镜处理后的平行光经偏振分光镜分光，一部分偏振光透过偏振分光镜损失掉，另一部分偏振光向下照射到针孔阵列，形成多个点光源，这些点光源再次经过检测透镜以及λ/4玻片，汇聚于检测透镜的焦平面；所述载物台上放置被测物，被测物的反射光依次经过λ/4玻片、检测透镜、针孔阵列、偏振分光镜以及成像透镜汇聚于摄像机的成像靶面；通过调整光源分光结构实现不同颜色的光源，从而实现Z轴方向的上下扫描。

2.根据权利要求1所述的多光束共焦三维轮廓检测系统，其特征在于：所述光源分光结构采用滤光片转盘或者分叉光纤，

当采用滤光片转盘时，光源分光结构则安装于偏振分光镜和准直透镜之间，白光点光源经过准直透镜后再穿过滤光片转盘；

当采用分叉光纤时，分叉光纤安装于准直透镜之前，且其公共端位于准直透镜的焦点处，分叉光纤中的各单色点光源穿过准直透镜。

3.根据权利要求2所述的多光束共焦三维轮廓检测系统，其特征在于：所述滤光片转盘的圆心位置处设置有转轴，通过转轴连接电机实现转动和调整，转盘上沿其圆周方向均匀安装有多个带通滤光片，且各滤光片的中心波长在可见光范围内均匀分布。

4.根据权利要求2所述的多光束共焦三维轮廓检测系统，其特征在于：采用滤光片转盘时，白光点光源经过准直透镜变为平行光，通过滤光片转盘上的对应滤光片后再经过偏振分光镜分光。

5.根据权利要求2所述的多光束共焦三维轮廓检测系统，其特征在于：采用分叉光纤时，该一分多分叉光纤的分叉处采用不同波长的点光源耦合到光纤内，点光源通过分叉光纤的公共端口出射后再经过准直透镜形成平行光源，并经过偏振分光镜分光。

6.根据权利要求1所述的多光束共焦三维轮廓检测系统，其特征在于：所述载物台上被测物的端面位于焦平面，且该焦平面位置处的反射光源原路返回，点光源先后两次通过λ/4玻片，偏振角度发生90°偏转沿偏振分光镜向上前进，所述针孔阵列上针孔表面或检测透镜表面直接反射的光线则不通过偏振分光镜前行。

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