CN111412863B - 一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，包括：从上至下依次排列的复色光源、分光模块、色散模块、载物模块以及位于分光模块一侧的成像模块，被测物位于色散模块和载物模块之间，复色光源发出的复色光经分光模块分光后传播至色散模块进行并行色散，使得不同波长的光线按照波长规律聚焦在各自轴向的不同高度位置处，光线到达被测物表面并由被测物表面反射至分光模块中，再由分光模块对光线进行再次反射，聚焦在被测物表面的波长的光线经反射后到达成像模块成像。本发明的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，使用方便，测量效率和测量精度高。

Description

一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别是涉及一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***。

背景技术

随着科学技术和生产力的发展，对物体表面三维形貌测量的要求也越来越高，越来越多的精密测量技术应用于三维形貌测量，并且有许多领域对物体三维形貌测量产生很大的需求，诸如机械汽车等制造业、医疗影像测量、空间遥感等。在医学领域，口腔科使用三维测量仪器对牙齿进行测量，整形美容科利用对人体皮肤外观的三维成像进行方案设计和手术实施，心脏外科利用探测监视仪器实时观察心脏动态；在工业制造领域，对生成的产品进行表面粗糙度检测提高产品质量，通过三维成像进行逆向工程直接从成品分析，推导出产品的设计原理，利用三维形貌测量对印刷电路板的质量进行。因此，怎样获取物体的三维形貌信息来为各个领域服务越来越被重视。

物体表面三维形貌测量技术主要分为接触式和非接触式两类，接触式技术发展较早，且长期以来局限于二维检测，因此随着激光技术、计算机技术以及图像处理技术等高新技术的发展，非接触测量技术得到广泛的应用。非接触式测量技术大多都是采用光学测量技术，因此科研工作者投入的大量的时间和精力来研发各种各样的光学三维形貌测量技术，以满足实际的工业测量和检测等要求。

光栅投影技术作为以结构光投影为代表的三维形貌光学测量技术，具有一定的发展前途。在2008年发表的《三维形貌测量及显示技术研究》一文中，天津理工大学肖健等人提出基于光栅投影技术的物体三维形貌测量方法。光栅投影三维形貌测量技术的基础是空间几何关系，也就是光源、被测物体和观察点三者之间的三角形关系。位相测量法作为光栅投影法的一种，利用光学投影仪将光栅投影到被测物体表面，光栅的相位被物体高度调制形成变形光栅，物体的高度信息包含在变形光栅的相位信息中，因此，只要求出变形光栅和参考光栅之间的相位差，就可以从中提取物体的高度信息。

目前，彩色共聚焦技术作为物体三维形貌测量领域的新兴技术的一种，正在得到越来越广泛的应用。传统的彩色共聚焦测量***，一般是单点的彩色共聚焦测量***，通过建立不同光谱聚焦光点的轴向位置和该光束中心波长的对应关系，再结合位移台的二维扫描以得到整个被测物面的三维形貌。但是这种单点测量***测量速度慢，效率低。而并行彩色共聚焦测量***作为单点测量***的发展和衍生，可以大大提高测量效率，缩短测量时间。

现有的彩色共聚焦三维形貌测量技术，如中国台湾专利CN 102749027B公开了一种线性彩色共焦显微***，以量测待测物表面轮廓信息。在该技术中，分别利用两共轭光纤模块，作为传导光源产生的检测光和待测物反射的测物光，藉由两光纤模块在空间中为互相光学共轭对应的关系，因此光从其中一光纤模块投射至待测物后，反射回来的光即入射至相对应的另一光纤模块上得到滤波光，光谱影像单元与第二光纤模块相耦接感测该滤波光形成一光谱影像，最后由运算处理单元接收该光谱影像并经由运算产生一线剖面轮廓形貌信息。

上述发明中，由于光纤模块内每一条光纤丝将滤除失焦光和杂散光只允许聚焦光通过，达成共轭焦的显微技术，可大幅降低因光点重迭而产生横向干扰的噪声，使得***不仅可以取得较高深度量测准确度的待测物表面轮廓信息，同时具有高解析的量测效果。

然而，上述发明也存在这样的不足：第一光纤模块和第二光纤模块之间的对准很难实现，操作难度大，使得该***的可行性降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，使用方便，测量效率和测量精度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，包括：从上至下依次排列的复色光源、分光模块、色散模块、载物模块以及位于所述分光模块一侧的成像模块，被测物位于所述色散模块和所述载物模块之间，所述复色光源发出的复色光经所述分光模块分光后传播至所述色散模块进行并行色散，使得不同波长的光线按照波长规律聚焦在各自轴向的不同高度位置处，光线到达所述被测物表面并由所述被测物表面反射至所述分光模块中，再由所述分光模块对光线进行再次反射，聚焦在所述被测物表面的波长的光线经反射后到达成像模块成像。

可选的，所述分光模块包括光纤束和分光镜，所述复色光源发出的复色光经所述光纤束分光后，通过所述分光镜将光传播至色散模块进行并行色散。

可选的，所述光纤束由若干根石英光纤排列构成，所述光纤束和所述复色光源相耦接的截面呈圆形排列，所述光纤束和所述分光镜相耦接的截面呈线形排列。

可选的，所述色散模块采用色散管镜。

可选的，所述色散管镜的线性色散范围为160mm以上。

可选的，所述载物模块采用二维运动载物台，所述被测物放置在所述二维运动载物台上，所述被测物跟随所述二维运动载物台运动。

可选的，所述成像模块包括小孔阵列和彩色相机，所述彩色相机的输入端与所述小孔阵列相耦接，聚焦在所述被测物表面的波长的光线经反射后通过所述小孔阵列，并由所述彩色相机拍照得到相应的彩色图像。

可选的，所述小孔阵列和所述光纤束线性端成像在所述彩色相机上的光点具有一一对应的关系。

可选的，还包括：上位机，所述上位机与所述彩色相机的输出端连接，所述上位机用于根据各所述彩色图像还原物体表面三维形貌特征。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，通过分光模块实现并行色散，避免了轴向扫描，大大提高了测量效率。另外，本发明还采用小孔阵列滤除杂散光和干扰光的影响，避免了相邻光纤光点之间的横向串扰，提高了测量精度和测量分辨率。综上，本发明的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***具有使用方便、测量效率高，测量精度高，分辨率高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***组成图；

图2为光纤束与光源耦接端的截面图；

图3为光纤束与分光镜耦接端的截面图；

图4为现有的单点彩色共聚焦测量***的原理图；

图5为本发明的光纤束与小孔阵列共轭关系示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，使用方便，测量效率和测量精度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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。

图1为本发明并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***组成图。如图1所示，一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***包括：从上至下依次排列的复色光源1、分光模块、色散模块、载物模块以及位于分光模块一侧的成像模块，被测物8位于色散模块和载物模块之间，复色光源1发出的复色光经分光模块分光后传播至色散模块进行并行色散，使得不同波长的光线按照波长规律聚焦在各自轴向的不同高度位置处，光线到达被测物8表面并由被测物8表面反射至分光模块中，再由分光模块对光线进行再次反射，聚焦在被测物8表面的波长的光线经反射后到达成像模块成像。

作为一种优选的实施方式，本发明的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***还包括：上位机(图中未标注)，上位机与彩色相机7的输出端连接，上位机7用于根据各彩色图像还原物体表面三维形貌特征。

作为一种优选的实施方式，复色光源采用的是海洋光学的HL-2000-fhsa卤钨灯光源。

作为一种优选的实施方式，图2为光纤束与光源耦接端的截面图，图3为光纤束与分光镜耦接端的截面图。分光模块包括光纤束2和分光镜3，复色光源1发出的复色光经光纤束2分光后，通过分光镜3将光传播至色散模块进行并行色散。光纤束2由若干根石英光纤排列构成，光纤束2和复色光源1相耦接的截面呈圆形排列，光纤束2和分光镜3相耦接的截面呈线形排列。

作为一种优选的实施方式，色散模块采用色散管镜4。色散管镜4具有色散的作用，即将分束后的不同波长的光聚焦在各自光轴的不同轴向高度处。本发明的色散管镜4是基于纯球面折射透镜设计而成的，可以得到160mm以上的线性色散范围。

作为一种优选的实施方式，载物模块采用二维运动载物台5，被测物8放置在二维运动载物台5上，被测物8跟随二维运动载物台5运动。即，二维运动载物台5用于带动被测物进行二维方向上的运动。二维运动载物台5每运动一次，彩色相机7会拍照得到相应的彩色图像，直至运动实现对被测物8表面的全覆盖。最后，上位机通过计算机相关软件进行相应的图像处理，还原物体表面三维形貌特征。

作为一种优选的实施方式，成像模块包括小孔阵列6和彩色相机7，彩色相机7的输入端与小孔阵列6相耦接，聚焦在被测物8表面的波长的光线经反射后通过小孔阵列6，并由彩色相机7拍照得到相应的彩色图像。小孔阵列6和光纤束2线性端成像在彩色相机7上的光点具有一一对应的关系，主要用来滤除杂散光和干扰光的影响，避免相邻光纤之间的横向串扰。

复色光源1发出的复色光经光纤束2分光后，通过分光镜3传光至色散管镜4进行并行色散，使得不同波长的光线按照波长规律聚焦在各自轴向的不同高度位置处，这些光线到达被测物8表面并由被测物表面反射回分光镜3中，再由分光镜3对光线进行再次反射。其中，只有聚焦在被测物8表面的波长的光线经反射后能够通过小孔阵列6，并由彩色相机7成像，而其他波长的光线则会被小孔阵列6相应的小孔滤除。这里的载物台为二维运动载物台5，带动被测物8进行二维运动，二维运动载物台5每运动一次，彩色相机7会拍照得到相应的彩色图像，直至运动实现对被测物表面的全覆盖。最后，通过计算机相关软件进行相应的图像处理，还原物体表面三维形貌特征。

图4为单点彩色共聚焦测量***的原理图。复色光源1通过色散管镜4后，沿光轴方向被色散开，不同波长的光线聚焦在不同轴向高度上，通过分析检测端得到的聚焦在被测物8表面的波长信息，可获取被测物面的高度信息。其中，第一小孔9和第二小孔10主要是用来滤除杂散光的影响。本发明的并行彩色共聚焦测量***与图4相比，不同的是，本发明的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，利用光纤束2作为光分束器件实现并行测量，大大提高了测量效率；本发明还应用到了小孔阵列16来滤除杂散光和干扰光的影响，同时也提高了测量精度。

图5为本发明的光纤束与小孔阵列共轭关系示意图。在本发明中，在彩色相机7前设置了小孔阵列6，用来滤除杂散光和干扰光，避免相邻光纤之间的横向串扰，该小孔阵列与光纤束分光后的光束具有一一对应的关系，最后，通过相关软件进行图像处理，还原物体表面三维形貌特征。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的***及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，包括：从上至下依次排列的复色光源、分光模块、色散模块、载物模块以及位于所述分光模块一侧的成像模块，被测物位于所述色散模块和所述载物模块之间，所述复色光源发出的复色光经所述分光模块分光后传播至所述色散模块进行并行色散，使得不同波长的光线按照波长规律聚焦在各自轴向的不同高度位置处，光线到达所述被测物表面并由所述被测物表面反射至所述分光模块中，再由所述分光模块对光线进行再次反射，聚焦在所述被测物表面的波长的光线经反射后到达成像模块成像；

所述分光模块包括光纤束和分光镜，所述复色光源发出的复色光经所述光纤束分光后，通过所述分光镜将光传播至色散模块进行并行色散；所述光纤束由若干根石英光纤排列构成，所述光纤束和所述复色光源相耦接的截面呈圆形排列，所述光纤束和所述分光镜相耦接的截面呈线形排列。

2.根据权利要求1所述的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，所述色散模块采用色散管镜。

3.根据权利要求2所述的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，所述色散管镜的线性色散范围为160mm以上。

4.根据权利要求1所述的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，所述载物模块采用二维运动载物台，所述被测物放置在所述二维运动载物台上，所述被测物跟随所述二维运动载物台运动。

5.根据权利要求1所述的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，所述成像模块包括小孔阵列和彩色相机，所述彩色相机的输入端与所述小孔阵列相耦接，聚焦在所述被测物表面的波长的光线经反射后通过所述小孔阵列，并由所述彩色相机拍照得到相应的彩色图像。

6.根据权利要求5所述的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，所述小孔阵列和所述光纤束线性端成像在所述彩色相机上的光点具有一一对应的关系。

7.根据权利要求5所述的并行彩色共聚焦三维形貌光学测量***，其特征在于，还包括：上位机，所述上位机与所述彩色相机的输出端连接，所述上位机用于根据各所述彩色图像还原物体表面三维形貌特征。

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