CN2588324Y - 并行像散三维光聚焦探测装置 - Google Patents
并行像散三维光聚焦探测装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN2588324Y CN2588324Y CN 02293069 CN02293069U CN2588324Y CN 2588324 Y CN2588324 Y CN 2588324Y CN 02293069 CN02293069 CN 02293069 CN 02293069 U CN02293069 U CN 02293069U CN 2588324 Y CN2588324 Y CN 2588324Y
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lens
- ccd
- astigmatic
- optical axis
- beam splitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Abstract
并行像散三维光聚焦探测装置,由光学探头、CCD图象采集处理和位移机构组成,所述光学探头以中心点同处在光轴线a上、自一侧至另一侧依次设置为点光源、准直透镜、微透镜阵列、针孔阵列、分束镜、物镜和可轴向移动的被测物件,其特征是在垂直于光轴线a的方向上、位于所述CCD探测面前方,设置像散透镜,像散透镜及CCD探测面的中心点在光轴线b上,中心点连线垂直并相交于光轴线a、交点在分束镜中心,像散透镜、CCD探测面所在平面均垂直于光轴线b、与分束镜的反射面相对。本实用新型结构简单,具有高精度、高速度的优异性能。
Description
技术领域:
本实用新型涉及一种光学三维形貌检测技术,特别是光聚焦检测技术。
背景技术:
随着现代科技的高速发展,使得零件的特征尺寸越来越小,精度也越来越高。对这些零件的三维形貌进行快速准确的检测,成为现代测试方法和仪器研究的重要课题。共焦测量方法由于其高精度、高分辨率及易于实现三维成像数字化的独特优势而被广泛应用。但是传统的共焦测量大多采用单点瞄准加扫描的方法来实现二维瞄准,不但扫描机构较为复杂,而且振动的影响限制了测量精度和速度的提高。
近年来出现了一种基于微光学器件的非扫描全场共焦技术。这种方法通过微光学器件,实现对光束的分割,从单点扫描变为多路并行探测,同步对被测表面的不同点进行瞄准检测,从而实现全场同步测量。采用CCD面阵上的像元代替小孔光阑来截取共焦点像的光强。但是这种方法由于光源的漂移,会造成测量过程中的光强基准误差;应用在全场并行测量时,光源的噪声又会造成不同探测点的光源基准不同,造成测量平面误差;CCD器件也存在灵敏度问题,这些都影响了测量结果的精度;传统的共焦方法中,要提高轴向分辨率,就要减小纵向采样间隔,但这样会造成测量速度的减慢。
发明内容:
本实用新型所要解决的技术问题是避免上述现有技术中所存在的不足之处,提供一种结构简单、高精度、高速度的并行像散三维光聚焦探测装置。实现在较大采样间距下获得高的轴向分辨率,有效解决测量分辨率和测量速度之间的矛盾;同时可以有效抑制光源噪声和漂移产生的影响,提高测量精度。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是:
本实用新型由光学探头、CCD图象采集处理和位移机构组成,所述光学探头以中心点同处在光轴线a上、自一侧至另一侧依次设置为点光源、准直透镜、微透镜阵列、针孔阵列、分束镜、物镜和可轴向移动的被测物件。
本实用新型的结构特点是在垂直于光轴线a的方向上、位于所述CCD探测面前方,设置像散透镜,像散透镜及CCD探测面的中心点在光轴线b上,中心点连线垂直并相交于光轴线a、交点在分束镜中心,像散透镜、CCD探测面所在平面均垂直于光轴线b、与分束镜的反射面相对。
本实用新型中光学探头的测量原理是利用像散元件产生的像散,在焦点附近像散光束轴向不对称性,在最佳焦点的两边出现水平方向或垂直方向的像散线。把被测点离焦量的变化转变为光斑不同方向的光能的变化,经过光电探测元件探测,就可得到离焦量。当被测物体沿轴向扫描移动时,由于物体上各点的高度不同,相应的各点到达焦平面的距离也不同,物体上各点到焦平面的距离就可以表征物体的轮廓高度。
与已有技术相比,本实用新型在并行全场检测中使用像散法,可以采用同光斑光强差动算法,光源的噪声和漂移同时作用在光斑的四个象限,故差动后的输出信号可以有效抑制光源噪声和漂移产生的影响。采用像散法的另外一个优点是可大大提高测量速度,而在传统的共焦方法中,要提高轴向分辨率,就要减小纵向采样间隔,但这样会造成测量速度的减慢。本实用新型利用像散法,由于它具有独特的S曲线,中间有很好的线性段,只要纵向采样间隔在线性范围内,就可以根据输出信号与离焦量的线性关系算出实际的高度值,这样就可以获得小于采样间隔的分辨率。
图1为本实用新型被测点处在正焦位置像散法原理图。
图2为本实用新型被测点处在近焦位置像散法原理图。
图3为本实用新型被测点处在远焦位置像散法原理图。
图4为本实用新型探测单元光强差动输出与离焦量关系曲线图。
图5为本实用新型结构示意图。
具体实施方式:
像散法测量原理如图1所示。
参见图1、图2和图3,当被测面上的被测点处在正焦距离时,被测点对应的反射光斑在CCD敏感面上为圆形,被测面的各点在不同离焦情况下,CCD上对应的光斑形状发生不同的变化。
按每个光斑的大小,将CCD敏感面的象素分为一个个探测单元,一个探测单元对应一个光斑。将探测单元分为一个以45度分离线分离的四个象限,若四个象限接受的光强分别为A1、A2、A3、A4。以(A1+A3)-(A2+A4)为探测单元光强差动输出信号T。则对于图1(a)中被测点处在焦平面上时,探测单元上的光斑为圆形,探测器输出T=0;图2所示,当被测点位置偏向物镜时,反射光的成像面离远,探测单元上的光斑成椭圆,且长轴在y轴,T<0。反之,如图3所示,当被测点偏离物镜时,椭圆光斑长轴在X轴,探测单元输出T>0。由此可见,待测面高度变化,CCD探测单元输出变化。被测物体由高精度位移驱动器作轴向运动。当经过焦平面的时候,CCD上对应的探测单元的输出信号过零。这样,被测物体的三维轮廓提取就可以表征为求取各采样点序列中输出信号T过零点的采样位置。
根据光学系统的参数,可计算出与被测点离焦量相对应的探测器输出信号变化,得到如图4所示的S曲线特性图。
由此输出曲线可看出较大的线性段,且在焦点过零。只要纵向采样间隔在线性范围内,就可以根据输出信号与离焦量的线性关系算出实际高度值,这样就可以获得小于采样间隔的分辨率,实现在较大采样间距下获得较高的轴向分辨率,有效解决测量分辨率和测量速度之间的矛盾。曲线的线性范围和灵敏度与光学系统的参数有关。
参见图5,本实施例具体由光学探头、CCD图象采集处理和位移机构组成。其中,光学探头以中心点同处在光轴线a1上、自一侧至另一侧依次设置为点光源3、准直透镜4、微透镜阵列5、针孔阵列6、分束镜7、物镜8和可轴向移动的被测物件9。其中准直透镜4、微透镜阵列5、针孔阵列6及物镜8所在平面均垂直于光轴线a1,且相互平行,分束镜7的中心点位于光轴线a1上;分束镜7上的反射面与物镜8所在平面成45度角。点光源3位于准直透镜4的焦点位置上,微透镜阵列5位于准直透镜4的另外一侧。针孔阵列6位于微透镜阵列5的焦点位置上。
本实施例中,在垂直于光轴线1的方向上、位于CCD探测面前方,设置像散透镜10,像散透镜10及CCD探测面的中心点在光轴线b2上,中心点连线垂直并相交于光轴线a1、交点在分束镜7的中心,像散透镜10、CCD探测面所在平面均垂直于光轴线b2、与分束镜7的反射面相对。
具体实施中,像散透镜10、CCD面可以位于分束镜7的上方、下方、左方或右方,对应设置的分束镜7的反射面与物镜8所在平面的夹角位于光轴线a1的上方、下方、左方或右方。
该系统光学探头中采用一个微透镜阵列来实现一个二维点光源阵列。单色点光源经过准直透镜后变成平行光,照射到微透镜阵列上。利用微透镜阵列将光束分割会聚,提高了光能利用率;在微透镜阵列的焦平面固定一小孔阵列,小孔与透镜一一对应,且小孔口径与对应的微透镜焦斑大小相近。采用小孔光阑阻挡了杂散光的通过,提高了信噪比。微透镜阵列产生的点光源的光束通过分束镜,由物镜聚焦到被测物表面,反射光经过分束镜,被反射到像散透镜,使得反射光产生像散,最后成像到黑白CCD探测面上。图像采集系统中以黑白CCD作为信号探测元件,探测经过像散透镜后的像散光斑阵列,图像采集卡将CCD图像采集入计算机,由计算机程序进行计算。位移机构由位移平台和位移驱动电路组成,带动被测物在纵向步进位移。
本实用新型的工作过程如下:
1、将被测物固定在位移平台上,打开光源开关、CCD电源和计算机,运行测量程序;
2、通过位移驱动电路控制位移平台在纵向(Z轴方向)步进位移,每步进一步,CCD采集一幅图象;
3、对采集图像进行数据处理,获得各光斑点所对应的CCD单元的灰度值,计算出该探测单元光强差动输出T(i,j)。得到每剖面的信号列阵为:
|xi,yj,T(i,j)|(i=1,2,.........n;j=1,2,.......m)
式中,n和m分别为点光源阵列的列数和行数
4、光源阵列在纵向(Z轴方向)形成并行剖面n次,设各剖面的间距均为ΔZ,此值由微位移驱动器的的步进距离决定。采样点的(i,j)处的采样列阵为:
[Z1,T1(i,j)],[Z2,T2(i,j)],.....,[Zn,Tn(i,j)]
式中,T为CCD探测单元输出信号,Zn为纵向扫描高度。
5、对以上n剖面的输出信号值进行比较处理,找到过零值Tk(i,j)=0,确定所处的剖面层k,则该点高度为:Zk=kΔZ。若没有过零值,则可以根据落在S曲线线性段的采样点所在剖面位置算出高度值。
6、用Zk替换T(i,j),得到测量面的三维值为:
|xi,yj,Zk|(i=1,2,......n;j=1,2,......m)
7、用计算机图像处理软件画出三维形貌。
Claims (2)
1、并行像散三维光聚焦探测装置,由光学探头、CCD图象采集处理和位移机构组成,所述光学探头以中心点同处在光轴线a(1)上、自一侧至另一侧依次设置为点光源(3)、准直透镜(4)、微透镜阵列(5)、针孔阵列(6)、分束镜(7)、物镜(8)和可轴向移动的被测物件(9),其特征是在垂直于光轴线a(1)的方向上、位于所述CCD探测面前方,设置像散透镜(10),像散透镜(10)及CCD探测面的中心点在光轴线b(2)上,中心点连线垂直并相交于光轴线a(1)、交点在分束镜(7)中心,像散透镜(10)、CCD探测面所在平面均垂直于光轴线b(2)、与分束镜(7)的反射面相对。
2、根据权利要求1所述的并行像散三维光聚焦探测装置,其特征是像散透镜(10)、CCD面位于分束镜(7)的上方、下方、左方或右方,对应设置的分束镜(7)的反射面与物镜(8)所在平面的夹角位于光轴线a(1)的上方、下方、左方或右方。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 02293069 CN2588324Y (zh) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 并行像散三维光聚焦探测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN 02293069 CN2588324Y (zh) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 并行像散三维光聚焦探测装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN2588324Y true CN2588324Y (zh) | 2003-11-26 |
Family
ID=33751178
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN 02293069 Expired - Fee Related CN2588324Y (zh) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 并行像散三维光聚焦探测装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN2588324Y (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101520313B (zh) * | 2009-03-24 | 2011-02-02 | 哈尔滨工业大学 | 基于二维微焦准直的微小内腔尺寸与三维坐标传感方法与装置 |
CN103744059A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-04-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器 |
CN109974583A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-05 | 南京信息工程大学 | 一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法 |
US10952827B2 (en) | 2014-08-15 | 2021-03-23 | Align Technology, Inc. | Calibration of an intraoral scanner |
-
2002
- 2002-12-25 CN CN 02293069 patent/CN2588324Y/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101520313B (zh) * | 2009-03-24 | 2011-02-02 | 哈尔滨工业大学 | 基于二维微焦准直的微小内腔尺寸与三维坐标传感方法与装置 |
CN103744059A (zh) * | 2014-01-03 | 2014-04-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器 |
US10952827B2 (en) | 2014-08-15 | 2021-03-23 | Align Technology, Inc. | Calibration of an intraoral scanner |
CN109974583A (zh) * | 2019-04-11 | 2019-07-05 | 南京信息工程大学 | 一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法 |
CN109974583B (zh) * | 2019-04-11 | 2024-03-26 | 南京信息工程大学 | 一种非接触光学元件表面面形测量装置及方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN109253989A (zh) | 一种激光差动共焦层析定焦方法与装置 | |
CN105758336B (zh) | 反射式激光差动共焦曲率半径测量方法与装置 | |
CN101793500B (zh) | 差动共焦透镜中心厚度测量方法与装置 | |
CN104848802B (zh) | 法线跟踪式差动共焦非球面测量方法与系统 | |
CN101788271A (zh) | 共焦透镜中心厚度测量方法与装置 | |
CN202101652U (zh) | 一种自准直测量仪 | |
CN206146626U (zh) | 基于五棱镜扫描法的大口径红外准直系统校准装置 | |
CN101995230A (zh) | 一种基于泰伯效应的非球面检测系统 | |
CN105181298A (zh) | 多次反射式激光共焦长焦距测量方法与装置 | |
CN108344381A (zh) | 一种非接触式三维面形测量方法 | |
CN111288927B (zh) | 基于法向跟踪的自由曲面差动共焦测量方法及装置 | |
KR101891182B1 (ko) | 자동초점 조절장치 | |
CN108344383A (zh) | 一种非接触式坐标测量机 | |
CN103123251B (zh) | 差动共焦内调焦法透镜光轴及厚度测量方法 | |
US6927864B2 (en) | Method and system for determining dimensions of optically recognizable features | |
CN105910799A (zh) | 无限兼有限共轭寻焦光电像分析器及其方法 | |
CN103411555B (zh) | 基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量方法 | |
CN2588324Y (zh) | 并行像散三维光聚焦探测装置 | |
CN1247956C (zh) | 并行像散三维光聚焦探测方法及装置 | |
CN103411561A (zh) | 基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法 | |
CN103411558B (zh) | 一种角谱扫描照明阵列式共焦微结构测量装置与方法 | |
CN103411559B (zh) | 基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法 | |
CN2398613Y (zh) | 光电自准直仪 | |
CN2600814Y (zh) | 差动离焦并行全场三维检测装置 | |
CN111288926B (zh) | 基于法向跟踪的自由曲面共焦测量方法及装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
AV01 | Patent right actively abandoned |
Effective date of abandoning: 20060329 |
|
C25 | Abandonment of patent right or utility model to avoid double patenting | ||
C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |