CN111238383B - 基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法和***，包括光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块；通过光谱共焦结合三轴移动平台采集微件涂胶胶体的纳米级距离数据结合形成有序的三维点云数据，对点云数据进行校正无效点、Z轴翻转、伪彩映射、网格化和平滑的处理并更新三维点云，计算检测到的光的焦点到紫光的焦点之间的距离，实现了实时、直观地测量所需微件胶体的厚度的功能，且经过试验验证，测量精度达到了纳米级。
Description
技术领域
本发明属于高精度测量技术领域，具体涉及基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法和***。
背景技术
现阶段随着设备的微型化，对工艺制作的精度要求越来越高。目前的LED产业中，LED胶带批量涂胶的位置和厚度均需要严格控制，测量精度需要达到纳米级且能够实时测量。
对于微型部位的测量方法有激光三角法和显微镜测量法等。运用激光三角法来可获得LED胶带的涂胶表面的高度，但因为激光自身的宽度达十几微米，获得数据的误差就会高达十几微米，这个精度不能满足测量要求；且因为线激光检测是通过光线的粗细和凸起程度来换算为高度值，对于透明的部件，容易发生散色导致聚焦效果较差，会进一步影响测量精度。显微镜测量法可以满足测量精度要求，但测量流程繁琐，且主要由人工完成，不适于智能化批量实时处理。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法和***，用于实时、直观地测量微件胶体的厚度，且测量精度达到纳米级。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，包括以下步骤：
S1：通过基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***采集待测的胶体的距离数据；距离数据为基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***的光谱共焦传感器检测的胶体反射的光的焦点与胶体反射的紫光的焦点之间的距离；
S2：根据距离数据和光谱共焦传感器检测距离数据时所处的位置数据建立有序的三维点云；位置数据包括X轴坐标和Y轴坐标；
S3：对三维点云的数据进行包括校正无效点、Z轴翻转、伪彩映射、网格化和平滑的处理并更新三维点云；
S4：在处理后的三维点云的数据中选择待测位置，解算该位置的胶体的厚度值。
按上述方案，所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：将光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块组装为基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***；其中光谱共焦传感器对准固定在三轴移动平台上的待测的胶体，光谱共焦传感器的信号输出端和三轴移动平台的信号输出端分别与点云模块的信号输入端连接，点云模块的信号输出端与点云数据处理模块的信号输入端连接，点云数据处理模块的信号输出端与输入输出模块的信号输入端连接；
S12：操作人员通过输入输出模块输入指令，操作三轴移动平台移动光谱共焦传感器扫描待测的胶体；
S13：光谱共焦传感器将扫描得到的距离数据发送给点云模块；
S14：三轴移动平台将光谱共焦传感器每次扫描时所处的位置数据发送给点云模块。
进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：
S31：去掉三维点云的无效点后进行线性插值补值；无效点为三维点云中的Z轴坐标为0的点；
S32：翻转三维点云的Z轴数据，在步骤S31得到的三维点云中获取Z轴数据的最大值，用Z轴数据的最大值减去每个三维点的Z轴数据得到的值作为对应三维点的Z轴坐标；
S33：将三维点云的Z轴数据归一化到0-255的区间，再根据伪彩映射公式对归一化数据进行线性映射，得到带有RGB颜色信息的点云热力图；
S34：将三维点云投影到XOY平面，按照最近邻原则连接相邻最近的点得到平面三角网格，然后映射为三维点云的拓扑结构形成三维网格数据；
S35：运用一维高斯平滑模板分别沿着X、Y方向平滑三维网格数据，根据得到的结果调整模板长度和平滑次数；循环本步骤直至生成平滑的实体；保存处理后的数据并更新三维点云。
进一步的，所述的步骤S33中，具体步骤为：
S331：统计三维点云的Z轴数据的最大值和最小值；
S332：将Z轴数据的最大值和最小值归一化到0-255的区间；
S333：设三维点云中任意一点的X轴坐标为x、Y轴坐标为y，归一化后的Z轴数据为f(x，y)，根据伪彩映射公式对归一化数据进行伪彩线性映射得到RGB颜色信息R(x，y)、G(x，y)、B(x，y)分别为：
S334：将映射得到的RGB颜色信息赋值给三维点云，得到带有RGB颜色信息的点云热力图。
进一步的，所述的步骤S35中，具体步骤为：
S351：对三维点云沿X方向进行剖面处理，从每个剖面横向提取待处理的数据；
S352：对每个X向剖面的数据按照(0.05，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1，0.05)的平滑模板进行平滑处理；
S353：将三维点云沿Y方向进行剖面处理，从每个剖面纵向提取待处理的数据；
S354：将每个Y向剖面的数据按照(0.05，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1，0.05)的平滑模板进行平滑处理。
进一步的，所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：点击平滑后的三维点云的实体，获得对应点的剖面数据；注册回调函数，通过vtk交互的方法拾取被点击的三维点，计算所获得实体对应的剖面数据并绘制剖面曲线；
S42：通过框选操作分别获得胶体的被框选处与基准面的被框选处的平均高度，计算两者的差值得到胶体的厚度；基准面为与胶体相邻的平坦区域，斜率为0。
进一步的，所述的步骤S42后还包括如下步骤：
S43：从步骤S41开始循环直至测量完所有的被框选处的胶体的厚度。
基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***，包括光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块；待测的胶体固定在三轴移动平台上，光谱共焦传感器对准待测的胶体，光谱共焦传感器的信号输出端和三轴移动平台的信号输出端分别与点云模块的信号输入端连接，点云模块的信号输出端与点云数据处理模块的信号输入端连接，点云数据处理模块的信号输出端与输入输出模块的信号输入端连接。
进一步的，点云数据处理模块包括串联的校正无效点模块、Z轴翻转模块、伪彩映射模块、网格化模块和平滑模块；输入输出模块包括操作输入单元和信息输出单元。
一种计算机存储介质，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1～6中任一项所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法。
本发明的有益效果为：
1.本发明的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法和***通过光谱共焦结合三轴移动平台采集纳米级距离数据形成有序的三维点云，并对三维点云进行去杂、翻转、网格化、伪彩映射、网格化和平滑等处理获得平滑的实体，并通过点击、框选等操作方式实现了实时、直观地测量所需微件胶体的厚度的功能，且经过试验验证，经试验验证测量精度达到了纳米级。
2.本发明能够对人眼不可见的微型透明涂胶部位进行测量，不受透明物件的影响，且指定测量部位方便，获得的信息更丰富；本发明精度误差低于3um,比激光测量以及相机成像测量的精度更高。
3.本发明的***根据固化的流程文件测量LED软板的指定位置的胶体厚度，其中三角网格化和实体平滑是针对有序三维点云的快速处理步骤，处理速度相对于pcl自带的函数有显著的提升，实现了显微镜测量无法实现的快速、自动化的测量功能。
4.本发明将定位的问题部位通过三维重建的方式直观展现出来，便于查找问题的原因。
5.本发明运行稳定，自适应性好，鲁棒性强，自动测量时无需人工干预，涂胶检测效果经试验验证满足要求。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例的功能框图。
图3是本发明实施例的安装图。
图4是本发明实施例的涂胶的LED软板的示意图。
图5是本发明实施例的光谱共焦传感器扫描LED软板的涂胶示意图。
图6是本发明实施例的采集得到的有序的三维点云图。
图7是本发明实施例的伪彩映射后的点云热力图。
图8是本发明实施例的平滑后的三维实体图。
图9是本发明实施例的胶体剖面数据曲线图。
图10是本发明实施例的胶体的框选位置的厚度信息图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，包括以下步骤：
S1：通过基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***采集待测的胶体的距离数据；距离数据为基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***的光谱共焦传感器检测的胶体反射的光的焦点与胶体反射的紫光的焦点之间的距离：
S11：将光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块组装为基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***；将待测的LED软板固定在三轴移动平台上，光谱共焦传感器对准LED软板上的待测的胶体，光谱共焦传感器的信号输出端和三轴移动平台的信号输出端分别与点云模块的信号输入端连接，点云模块的信号输出端与点云数据处理模块的信号输入端连接，点云数据处理模块的信号输出端与输入输出模块的信号输入端连接；
S12：操作人员通过输入输出模块输入指令，操作三轴移动平台移动光谱共焦传感器扫描待测的胶体，扫描过程参见图5；
S13：光谱共焦传感器将扫描得到的距离数据发送给点云模块；
S14：三轴移动平台将光谱共焦传感器每次扫描时所处的位置数据发送给点云模块。
S2：根据距离数据和光谱共焦传感器检测距离数据时所处的位置数据建立三维点云，参见图6；位置数据包括X轴坐标和Y轴坐标；由于X、Y轴位置数据是有序的，三维点云向XOY平面的投影形状为矩形，因此生成的三维点云数据为有序点云；
S3：对三维点云的数据进行包括校正无效点、Z轴翻转、伪彩映射、网格化和平滑的处理并更新三维点云：
S31：去掉三维点云的无效点后进行线性插值补值；无效点为三维点云中的Z轴坐标为0的点；
S32：翻转三维点云的Z轴数据，在步骤S31得到的三维点云中获取Z轴数据的最大值，用Z轴数据的最大值减去每个三维点的Z轴数据得到的值作为对应三维点的Z轴坐标；
S33：将三维点云的Z轴数据归一化到0-255的区间，再根据伪彩映射公式对归一化数据进行线性映射，得到带有RGB颜色信息的点云热力图，参见图7：
S331：统计三维点云的Z轴数据的最大值和最小值；
S332：将Z轴数据的最大值和最小值归一化到0-255的区间；
S333：设三维点云中任意一点的X轴坐标为x、Y轴坐标为y，归一化后的Z轴数据为f(x，y)，根据伪彩映射公式对归一化数据进行伪彩线性映射得到RGB颜色信息R(x，y)、G(x，y)、B(x，y)分别为：
S334：将映射得到的RGB颜色信息赋值给三维点云中pointCloudRGB类型的点云数据，得到带有RGB颜色信息的点云热力图；
S34：将三维点云投影到XOY平面，按照最近邻原则连接相邻最近的点得到平面三角网格，然后映射为三维点云的拓扑结构形成三维网格数据；
S35：运用一维高斯平滑模板分别沿着X、Y方向平滑三维网格数据，根据得到的结果调整模板长度和平滑次数；循环本步骤直至生成平滑的实体，参见图8；保存处理后的数据并更新三维点云：
S351：对三维点云沿X方向进行剖面处理，从每个剖面横向提取待处理的数据；
S352：对每个X向剖面的数据按照(0.05，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1，0.05)的平滑模板进行平滑处理；
S353：将三维点云沿Y方向进行剖面处理，从每个剖面纵向提取待处理的数据；
S354：将每个Y向剖面的数据按照(0.05，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1，0.05)的平滑模板进行平滑处理。
S4：在处理后的三维点云的数据中选择待测位置，解算该位置的胶体的厚度值：
S41：点击平滑后的三维点云的实体，获得对应点的剖面数据；注册回调函数，通过vtk交互的方法拾取被点击的三维点，计算所获得实体对应的剖面数据并绘制剖面曲线，参见图9；
S42：通过框选操作分别获得胶体的被框选处与基准面的被框选处的平均高度，计算两者的差值得到胶体的厚度，参见图10；基准面为与胶体相邻的平坦区域，斜率接近或为0。
S43：从步骤S41开始循环直至测量完所有的被框选处的胶体的厚度。
参见图2和图3，基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***，包括光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块；待测的胶体固定在三轴移动平台上，光谱共焦传感器对准待测的胶体，光谱共焦传感器的信号输出端和三轴移动平台的信号输出端分别与点云模块的信号输入端连接，点云模块的信号输出端与点云数据处理模块的信号输入端连接，点云数据处理模块的信号输出端与输入输出模块的信号输入端连接。点云数据处理模块包括串联的校正无效点模块、Z轴翻转模块、伪彩映射模块、网格化模块和平滑模块；输入输出模块包括操作输入单元和信息输出单元。
本发明采用光谱共焦结合三轴移动平台采集纳米级距离数据，并将距离数据与三轴移动平台的X、Y轴位置数据结合，形成有序的三维点云数据；线阵光谱共焦利用不同光的焦距差值来测量物体的微表面到光谱共焦下方紫光焦点的距离，然后转化为三维点云数据。
通过对点云数据进行如下处理，包括：采用线性插值的方法对三维点云中的杂乱点进行校正；通过对点云高度进行线性伪彩映射给点云上色形成点云热力图；将三维点云按照投影最近邻方法快速连接为三角网格，然后映射为三维点云的拓扑结构；利用二维高斯滤波平滑网格数据，形成平滑的实体。本发明高效重建了待测的微件的微观表面，并形成实体图，不仅可在三维实体图上手动交互测量微小部位，如点击三维实体，获得该点所在剖面的数据；还可以定位问题部位并分析原因，方便准确地测量待测部位；实现了通过交互方式提取和测量微件上的涂胶厚度的功能。由图10可知，所测得的胶体厚度为74.0412um，满足测量精度要达到纳米级的要求。
将本发明的测量流程固化在计算机存储介质中，其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1～6中任一项所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法；使得本发明可以对三维实体直接进行交互以获得待测的信息，也可以将测量步骤保存为流程文件，使***根据流程文件快速自动测量，实现了显微镜测量无法实现的快速、自动化的测量功能。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：通过基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***采集待测的胶体的距离数据；距离数据为基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***的光谱共焦传感器检测的胶体反射的光的焦点与胶体反射的紫光的焦点之间的距离；
S2：根据距离数据和光谱共焦传感器检测距离数据时所处的位置数据建立有序的三维点云；位置数据包括X轴坐标和Y轴坐标；
S3：对三维点云的数据进行包括校正无效点、Z轴翻转、伪彩映射、网格化和平滑的处理并更新三维点云，具体步骤为：
S31：去掉三维点云的无效点后进行线性插值补值；无效点为三维点云中的Z轴坐标为0的点；
S32：翻转三维点云的Z轴数据，在步骤S31得到的三维点云中获取Z轴数据的最大值，用Z轴数据的最大值减去每个三维点的Z轴数据得到的值作为对应三维点的Z轴坐标；
S33：将三维点云的Z轴数据归一化到0-255的区间，再根据伪彩映射公式对归一化数据进行线性映射，得到带有RGB颜色信息的点云热力图；
S34：将三维点云投影到XOY平面，按照最近邻原则连接相邻最近的点得到平面三角网格，然后映射为三维点云的拓扑结构形成三维网格数据；
S35：运用一维高斯平滑模板分别沿着X、Y方向平滑三维网格数据，根据得到的结果调整模板长度和平滑次数；循环本步骤直至生成平滑的实体；保存处理后的数据并更新三维点云；
S4：在处理后的三维点云的数据中选择待测位置，解算该位置的胶体的厚度值。
2.根据权利要求1所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤S1中，具体步骤为：
S11：将光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块组装为基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***；其中光谱共焦传感器对准固定在三轴移动平台上的待测的胶体，光谱共焦传感器的信号输出端和三轴移动平台的信号输出端分别与点云模块的信号输入端连接，点云模块的信号输出端与点云数据处理模块的信号输入端连接，点云数据处理模块的信号输出端与输入输出模块的信号输入端连接；
S12：操作人员通过输入输出模块输入指令，操作三轴移动平台移动光谱共焦传感器扫描待测的胶体；
S13：光谱共焦传感器将扫描得到的距离数据发送给点云模块；
S14：三轴移动平台将光谱共焦传感器每次扫描时所处的位置数据发送给点云模块。
3.根据权利要求2所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤S33中，具体步骤为：
S331：统计三维点云的Z轴数据的最大值和最小值；
S332：将Z轴数据的最大值和最小值归一化到0-255的区间；
S333：设三维点云中任意一点的X轴坐标为x、Y轴坐标为y，归一化后的Z轴数据为f(x，y)，根据伪彩映射公式对归一化数据进行伪彩线性映射得到RGB颜色信息R(x，y)、G(x，y)、B(x，y)分别为：
S334：将映射得到的RGB颜色信息赋值给三维点云，得到带有RGB颜色信息的点云热力图。
4.根据权利要求3所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤S35中，具体步骤为：
S351：对三维点云沿X方向进行剖面处理，从每个剖面横向提取待处理的数据；
S352：对每个X向剖面的数据按照(0.05，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1，0.05)的平滑模板进行平滑处理；
S353：将三维点云沿Y方向进行剖面处理，从每个剖面纵向提取待处理的数据；
S354：将每个Y向剖面的数据按照(0.05，0.1，0.2，0.3，0.2，0.1，0.05)的平滑模板进行平滑处理。
5.根据权利要求4所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤S4中，具体步骤为：
S41：点击平滑后的三维点云的实体，获得对应点的剖面数据；注册回调函数，通过vtk交互的方法拾取被点击的三维点，计算所获得实体对应的剖面数据并绘制剖面曲线；
S42：通过框选操作分别获得胶体的被框选处与基准面的被框选处的平均高度，计算两者的差值得到胶体的厚度；基准面为与胶体相邻的平坦区域，斜率为0。
6.根据权利要求5所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法，其特征在于：所述的步骤S42后还包括如下步骤：
S43：从步骤S41开始循环直至测量完所有的被框选处的胶体的厚度。
7.基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***，其特征在于：包括光谱共焦传感器、三轴移动平台、点云模块、点云数据处理模块和输入输出模块；待测的胶体固定在三轴移动平台上，光谱共焦传感器对准待测的胶体，光谱共焦传感器的信号输出端和三轴移动平台的信号输出端分别与点云模块的信号输入端连接，点云模块的信号输出端与点云数据处理模块的信号输入端连接，点云数据处理模块的信号输出端与输入输出模块的信号输入端连接。
8.根据权利要求7所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量***，其特征在于：点云数据处理模块包括串联的校正无效点模块、Z轴翻转模块、伪彩映射模块、网格化模块和平滑模块；输入输出模块包括操作输入单元和信息输出单元。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于：其内存储有可被计算机处理器执行的计算机程序，该计算机程序执行如权利要求1～6中任一项所述的基于光谱共焦的胶体三维重建与厚度测量方法。
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