基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置和方法

2023-09-09 19:04:05

專利名稱：基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種透明物質或反射物質形貌測量方法和裝置，特別是一種基於數字微鏡的非接觸式高解析度形貌測量方法和裝置。
背景技術：
非接觸式數位化的物體形貌測量方法，可以採用數字幹涉測量技術、條紋投射技術、數字全息技術等進行高精度的測量。這些方法由於採用了相位處理技術，深度測量解析度可以很高，達到納米量級，但橫向解析度受限於CCD的解析度和陣列尺寸。如果採用對物體先放大、後測量的方法，解析度提高了，但測量範圍縮小了，同時還受到光學系統衍射極限的限制。為了解決這個矛盾，主要的技術方法是拼接測量方法，即對較大尺寸的物體分塊多次測量，然後將測量結果拼接一起。這種方法擴展了空間測量範圍，同時保持了空間解析度，是一種折中的處理方法。該方法的缺點是需要移動工作檯，且拼接處理過程也會引入誤差。
為了獲得雙幅測量圖像，常規的方法是採用分光束，然後投射到對應的兩套測量光路中，同時，如果要對光束進行強度調製，還需加不同的調製器件，使系統複雜。

發明內容
本發明裝置的目的在於提供一種基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置和方法，可以實現透明及反射物質輪廓測量的方法和裝置，具有非接觸、待測物質非製備、高解析度的特點。該測量裝置中採用了數字微鏡的特點獲得兩束共軛光，經反射鏡調整投射方向後透過物體或從物體反射後獲得兩束測量光並由CCD接收；通過計算機控制將多幅移相條紋圖像傳輸到數字微鏡，因此經數字微鏡反射兩幅條紋圖投射到物體上，透過物體或從物體反射的條紋圖像受物體輪廓的調製變化，並由CCD接受。兩幅圖像的處理方法上採用相移數字同軸全息技術，分別獲得兩個投射方向的物體輪廓分布，最後採用數據合成技術獲得高解析度的物體輪廓信息。
根據上述的發明構思，本發明採用下述技術方案一種基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，由一個數字微鏡、一個由雷射器、準直透鏡和可調光闌構成的光源照射系統、二個帶CCD攝像機的圖像接收系統和兩個反射鏡或兩個半透反射鏡組成，其特徵在於從光源照射系統來的光束經數字微鏡的光束調製、反射和分光後，經兩個反射鏡的反射或經兩個半透半反射鏡的分光後，照射待測透明物體或反射物體，其透射光或反射光，直接或再經兩個半透半反射鏡由圖像接收系統的二個CCD攝像機接收，實現對待測物體的高解析度輪廓測量。
上述的光源照射系統的結構是從所述的雷射器出射的擴散光束經準直透鏡後變成平行光束，可調光闌控制出射光束口徑，垂直入射到數字微鏡；所述的數字微鏡的光束調製、反射和分光是數字微鏡與一個計算機相連，在計算機的控制下對光的強度進行調製，數字微鏡安裝在三維調整支架上，對數字微鏡反射面方向進行多自由度調整；光束垂直其表面照射，在兩個對稱24度方向反射兩束共軛光。
上述的帶二個CCD攝像機(7、8)的圖像接收系統的結構是光束垂直入射到數字微鏡，在兩個對稱24度方向反射兩束共軛光，分別經反射鏡反射後，投射到待測透明物體，透射至兩個CCD接收。
上述的帶二個CCD攝像機的圖像接收系統的結構是光束垂直入射到數字微鏡，在兩個對稱24度方向反射兩束共軛光，分別經兩個半透半反射鏡反射後，投射到待測反射物體，反射到兩個半透半反射鏡後再透射至兩個CCD接收。
上述的兩個CCD攝像機連接一個計算機。
一種基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量方法，採用上述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的測量裝置進行測量，其特徵在於數據處理方法分兩步進行首先分別獲得兩個分支光路的輪廓分布，然後採用坐標轉換技術將兩組輪廓數據統一到一個坐標系下，獲得物體的全部輪廓信息。
在上述的測量方法中，系統調整方法應保證兩個坐標原點相交，同時坐標系之間只有一個轉角α的旋轉，沒有其它坐標變化；進行參數標定，測量出該轉α的大小。
本發明與其他非接觸式輪廓測量方法相比較，具有如下特點發明中利用了數字微鏡的特點，在測量系統中起到反射鏡、分光鏡、光束調製器等多種作用，簡化了系統結構，提高了測量動態性。同時在單測量方向數據處理方法上，採用了相移處理技術和數字同軸全息技術，不需要一般條紋掃描方法中的複雜坐標轉換和標定。由於採用了雙幅數據合成方法，提高了系統測量解析度。


圖1是實現透明物體測量的系統原理示意圖。
圖2是實現反射物體測量的系統原理示意圖。
圖3是實現透明物體測量的系統裝置示意圖。
圖4是實現反射物體測量的系統裝置示意圖。
具體實施例方式
本發明的優選實施例結合附圖詳述如下本發明用於透明物體測量的一個優選實施例是參見圖1和圖3，半導體雷射器4發出雷射光源經準直透鏡3後成準直光源，投射到數字微鏡1上，調整數字微鏡支架，產生兩束水平共軛反射光一束經反射鏡5，調整反射鏡架，使得反射光束投射到透明待測物體6，透射至CCD8接收；另一束經反射鏡9，調整反射鏡架，使得反射光束投射到透明待測物體6，透射至CCD7接收。CCD7和CCD8同時將採集數據傳輸至計算機10，進行數據處理。
本發明用於反射物體測量的一個優選實施例是參見2和圖4，半導體雷射器4發出雷射光源經準直透鏡3後成準直光源，投射到數字微鏡1上，調整數字微鏡調整支架，產生兩束水平共軛反射光一束光經分光鏡11，調整反射鏡架，使反射光投射到反射待測物體12，產生散射；另一束光經分光鏡13，調整反射鏡架，使反射光投射到反射待測物體12，產生散射。CCD7接收來自經分光鏡11透射的散射物波光束。CCD8接收來自經分光鏡13透射的散射物波光束。CCD7和CCD8同時將採集數據傳輸至計算機10，進行數據處理。
上述實施例的數據處理方法分兩步進行首先分別獲得兩個分支光路的輪廓分布，然後採用坐標轉換技術將兩組輪廓數據統一到一個坐標系下，獲得物體的全部輪廓信息。
1、單路輪廓信息測量方法首先由條紋投射技術和相移技術獲得CCD面上的輪廓信息，然後利用數字全息技術計算出原物處的物波信息。
(1)由計算機10產生四組移相條紋圖像，通過數字微鏡1投射到物體上，由CCD7(或8)接受物體調製的條紋圖。設CCD接收到的四組條紋圖分別是 則CCD面上物波信息O0(x0，y0)
AO=[I4(x,y)-I2(x,y)]2+[I1(x,y)-I3(x,y)]24AR]]>參考光的AR通常為同一常數，其絕對數值不影響測量結果，因此可設為1。
(2)基於衍射原理獲得原物處的物波信息b(x0，y0)b(x0,y0)=1iO(x,y)exp{ik}dxdy]]>式中，=d2+(x0-x)2+(y-y0)2,]]>d為CCD與物體之間的距離。
則物體的幅值信息為|b(x0，y0)|，輪廓分布為h(x0,y0)=2atan2[b(x0,y0)].]]>2、坐標統一方法設(x1，y1，Φ1)、(x2，y2，Φ2)為測量作標系，設(x1，y1，Φ1)為基準坐標系，將(x2，y2，Φ2)統一到基準坐標系下。這個過程可以用齊次坐標變換來表示(x1，y2，Φ1，1)＝(x2，y2，Φ2，1)·T(1)式中T為變換矩陣，反映了兩個坐標系之間的變換關係。
T＝R·PP=100001000010PxPy1]]>其中Px，Py是坐標系(x2，y2，Φ2)相對於坐標系(x1，y1，Φ1)沿x、y方向的變動量。ΔΦ是沿Φ方向的平移量。
R=RxRyR]]>=coscoscossin-sin0sinsincos-cossinsinsinsin+coscossincos0cossincos+sinsincossinsin-sincoscoscos00001]]>式中α，β，γ分別是坐標系(x2，y2，Φ2)繞(x1，y1，Φ1)的轉角。
則x0=xcoscos+y(sinsincos-cossin)+(cossincos+sinsin)+Px+xy0=xcossin+y(sinsinsin+coscos)+(cossinsin-sincos)+Py+y0=-xsin+ysincos+coscos+]]>
設坐標(x2，y2，Φ2)和(x1，y1，Φ1)的坐標原點統一，且只有Φ2相對Φ1的α旋轉，沒有其他坐標變化，見圖5，即x1=x2y1=y2cos11=2cos1]]>上述實施例的系統調整方法和參數標定方法系統調整的目的是保證兩坐標系原點相交，同時坐標系之間只有α的旋轉，沒有其它坐標變化。參數標定的目的是測量出α的實際大小。
以圖1測量透射物體的測量系統為例1、將雷射光源口徑調至近似線性光束，同時可調光闌2的口徑調到最小，使光束穿過可調光闌2照射到數字微鏡；2、調整數字微鏡1的位置，使反射鏡面反射光的方向與入射方向一致，表示數字微鏡1鏡面方向法線方向與入射光束光軸方向相同，從數字微鏡1產生的兩束光與光軸方向的夾角均為24度；3、如圖1所示，將可調光闌2移至反射鏡5和待測物體6之間，調整反射鏡5，使得光束穿過光闌2，投射至待測物體6上；再將可調光闌2移至反射鏡9和待測物體6之間，調整反射鏡9，使得光束穿過光闌2，投射至待測物體6上。調整完畢，表示反射鏡5和反射鏡9的出射光束與數字微鏡的兩束共軛光束處於同一水平面。
4、將可調光闌2移回準直透鏡3和數字微鏡4之間，並調整雷射光束口徑，使投射光束充滿照射物體及CCD。
5、計算機產生一個十字叉圖形，投射到CCD上，調整兩個CCD的位置使十字叉圖象在兩個CCD上的位置一致。
6、步驟3和步驟5的過程應該重複調整，以提高調整精度。
通過上述調整，保證了兩坐標系原點相交，同時坐標系之間只有α的旋轉，沒有其它坐標變化。
7、完成兩束光束的水平調整和CCD的位置調整後，調節雷射光束口徑，重新得到近似線性的光束。記錄反射鏡5和反射鏡9的出射光束交集點的幾何位置，同時記錄CCD7和CCD8的幾何位置，三者構成一個三角形，根據三角形正弦定理，得到反射鏡5和反射鏡9的夾角，即α的大小。
權利要求
1.一種基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，由一個數字微鏡(1)、一個由雷射器(4)、準直透鏡(3)和可調光闌(2)構成的光源照射系統、二個帶CCD攝像機(7、8)的圖像接收系統和兩個反射鏡(5、9)或兩個半透反射鏡(11、13)組成，其特徵在於從光源照射系統來的光束經數字微鏡的光束調製、反射和分光後，經兩個反射鏡(5、9)的反射或經兩個半透半反射鏡的分光後，照射待測透明物體(16)或反射物體(12)，其透射光或反射光，直接或再經兩個半透半反射鏡(11、13)由圖像接收系統的二個CCD攝像機(7、8)接收，實現對待測物體的高解析度輪廓測量。
2.根據權利要求1所述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，其特徵在於所述的光源照射系統的結構是從所述的雷射器(4)出射的擴散光束來經準直透鏡(3)後變成平行光束，可調光闌(2)控制出射光束口徑，垂直入射到數字微鏡(1)；所述的數字微鏡(1)的光束調製、反射和分光是數字微鏡(1)與一個計算機(10)相連，在計算機(10)的控制下對光的強度進行調製，數字微鏡(1)安裝在三維調整支架上，對數字微鏡(1)反射面方向進行多自由度調整；光束垂直其表面照射，在兩個對稱24度方向反射兩束共軛光。
3.根據權利要求2所述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，其特徵在於所述的帶二個CCD攝像機(7、8)的圖像接收系統的結構是光束垂直入射到數字微鏡(1)，在兩個對稱24度方向反射兩束共軛光，分別反射鏡(5、9)反射後，投射到待測透明物體(6)，透射至兩個CCD(8、7)接收。
4.根據權利要求2所述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，其特徵在於所述的帶二個CCD攝像機(7、8)的圖像接收系統的結構是光束垂直入射到數字微鏡(1)，在兩個對稱24度方向反射兩束共軛光，分別經兩個半透半反射鏡(11、13)反射後，投射到待測反射物體(12)，反射到兩個半透半反射鏡(13、11)後再透射至兩個CCD(8、7)接收。
5.根據權利要求3或4所述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，其特徵在於所述的兩個攝像機CCD(8、7)連接一個計算機(10)。
6.一種基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量方法，採用根據權利要求1所述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的測量裝置進行測量，其特徵在於數據處理方法分兩步進行首先分別獲得兩個分支光路的輪廓分布，然後採用坐標轉換技術將兩組輪廓數據統一到一個坐標系下，獲得物體的全部輪廓信息。
7.根據權利要求6所述的基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置，其特徵在於系統調整方法應保證兩個坐標原點相交，同時坐標系之間只有一個轉角α的旋轉，沒有其它坐標變化；進行參數標定，測量出該轉α的大小。
全文摘要
本發明涉及了一種基於數字微鏡和數據合成技術的透明物體或反射物體的形貌測量裝置和方法。它由一個數字微鏡、一個光源照射系統、二個帶CCD攝像機的圖像接收系統和兩個反射鏡(對於透射物體測量)或兩個普通分光鏡(對於反射物體測量)組成。通過數字微鏡在測量系統中起到的反射鏡、分光鏡、光束調製器多種作用，同時採用相移數字全息技術，可以實現待測物體的高解析度輪廓測量。本發明結構合理緊湊，操作簡便，適合靜態或準動態待測物體的高解析度輪廓測量。
文檔編號G01B11/24GK101089550SQ20071004377
公開日2007年12月19日 申請日期2007年7月13日 優先權日2007年7月13日
發明者周文靜, 於瀛潔, 張之江, 倪萍, 鄭華東, 陳剛 申請人:上海大學