CN1115546C - 表面三维形貌检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量待测物表面形貌的检测方法和装置。本发明包括光路***、调焦及扫描***、控制和数据处理***。照明光路产生一条光带，接收成像光路接收后成像在面阵CCD摄像机上得到一幅二维图像；调焦及扫描***对光路***进行调焦和接受计算机指令后将光路***移动一个位移，得到另一幅二维图像，重复进行直至扫描完毕；控制及数据处理***包括图像卡和计算机，计算机收到经图像卡转换的多个二维图像数字信号后经计算处理得到三维图像。

Description

表面三维形貌检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量待测物体表面形貌的检测方法和装置。

技术背景

目前各种用于测量待测物体表面三维形貌的检测装置，可分为两大类，一类是将传统的二维触针式轮廓仪加上一维横移，即在测量一次二维轮廓后，平移一个相应位移再测一次二维轮廓，综合多次测量形成三维检测结果。这种方法测量精度高，抗干扰能力强，但测量速度较慢，装置复杂，而且其检测头容易划伤被测件表面，无法进行高质量与软质材料表面的测量。另一类是非接触式测量法，其中以光学测量为主，测量方法非常丰富：激光三角法、离焦检测法、激光相移干涉法、扫描白光干涉法，等等，这些光学测量法克服了接触式轮廓仪的缺点，提高了测量速度和测量精度。中国专利CN1179535A公开了一种用来检测电路板等表面零件轮廓的三维测量装置和方法。该方法以激光束打在多角镜上反射到被检测物体表面，驱动多角镜和被检测物体，使光线沿X轴和被测物体沿Y轴移动，被测物体反射后得到的图像运用三角测量原理即可确定被测物体表面的凹凸量。CN1177733A公开了一种变换平行光的入射角，以获得最大光强的方法。使用该方法将使得测量过程复杂，测量时间长。运用光干涉原理的三维检测装置，其共有的缺点是对测量环境要求很高，(比如测量需要隔振平台等)，抗干扰能力差，所以一般只能在计量室内应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光带扫描式的表面三维形貌的检测方法和装置，该发明测量速度较快，对测量环境要求不高，装置的调试使用方便，适用于在生产现场进行表面三维形貌测量。

本发明是这样实现的：一种表面三维形貌检测方法，包括将照明光路上的一条窄光带以一入射角照射被测件表面，在被测件表面上方有接收成像光路和电荷耦合摄像机，照明光路和接收成像光路组成光路***，电荷耦合摄像机获取一幅二维轮廓图像并经图像卡输入计算机；计算机收到二维图像数据后输出指令驱动光路***进给一个扫描步距，使得光带在被测件表面上移动一个步距，电荷耦合摄像机又获取一幅二维轮廓图像并经图像卡输入计算机；重复进行直到扫描完整个被测件表面，即可获得所有扫描位置的二维轮廓数据，经计算机处理后得到三维图像，其特征是光路***的光路由两组共面光路构成，一组为照明光路，用来产生一条明亮细窄的光带，照射到被测件上，另一组为接收成像光路，用来接收从被测件反射回来的，反映工件表面微观轮廓的光带，将其成像在面阵电荷耦合摄像机上；对光路***进行调焦，调焦可对光路***沿着与被测件表面上下调节，将被测件上以基面为基准的某点作为基点，使照明光带聚焦在被测件上；光路***和调焦装置沿导轨移动，使光路***已聚焦的测量光带扫描被测件表面获得一幅幅二维图像。

上述表面三维形貌检测方法中，所述对图像卡采集到的一幅图像的二维轮廓数据的处理方法是：经计算机数字图像处理技术得到图像边缘轮廓数据，即得到每一点的h″，然后根据公式h＝h″cosα/β计算出各点的相对表面高度h，其中h是被测件以基面为基准的某点表面高度，h″是接收成像光路接收并经电荷耦合摄像机采集到的某点距离；多个数目图像的各点相对表面高度组成三维图像。

实施上述表面三维形貌检测方法的装置，包括光路***、调焦装置、扫描装置、电荷耦合摄像机以及控制和数据处理***，光路***包括照明光路和接收成像光路，照明光路产生一条窄光带，电荷耦合摄像机接收成像光路信号后输出信号至控制和数据处理***，控制和数据处理***包括图像卡和计算机，计算机与扫描装置相连，光路***被安装在扫描装置上，扫描装置为步进电机和驱动器，驱动器接收计算机发出的信号后带动步进电机驱动光路***移动，其特征是照明光路由产生一条窄光带的光源和物镜组成，与照明光路对称装有包括物镜的接收成像光路，照明光路物镜包括辅助物镜和物镜，接收成像光路物镜包括成像物镜和辅助成像物镜，在接收成像光路成像面上装有电荷耦合摄像机；调焦装置为可对光路***沿着与被测件表面上下调节的升降装置；扫描装置还包括导轨和丝杠，丝杠带动光路***和调焦装置沿导轨移动，导轨设置为与光路***中的照明光路物镜和接收成像光路物镜的光轴组成的平面与被测件基面相交线平行。

工作原理：表面三维形貌检测方法包括光路***、调焦及扫描***、控制及数据处理***。光路***的光路采用了光切显微镜机理，由两组共面光路构成，一组为照明光路，用来产生一条明亮细窄的光带，照射到被测工件上；另一组为接收成像光路，用来接收从被测工件反射回来的，反映工件表面微观轮廓的光带，将其成像在面阵电荷耦合摄像机上，这样得到了一幅二维图像。调焦及扫描***包括调焦和扫描，调焦是将整个光路***沿与被测工件表面垂直方向上下调节，使照明光带聚焦在工件上，从而经电荷耦合摄像机得到最清晰的图像；扫描是将整个光路***由步进电机驱动沿着(与照明光线和调焦方向组成的平面与被测工件的基面相交线的平行线)水平方向移动，使已经聚焦的测量光带扫描被测工件表面，得到又一幅二维图像，重复进行扫描，可以二维的轮廓光线扫描出三维微观轮廓。控制及数据处理***为图像卡和计算机，计算机协调整个***工作，计算机处理好一幅二维图像后输出指令给步进电机驱动器。根据测量的分辨率大小要求，驱动器可以控制步进电机以不同的单步步距角转动，或者以相同的小步距角分组构成大的步距角。在电荷耦合摄像机采集完一幅图像后，计算机迅速进行处理，获得该次扫描中光带边缘的二维轮廓，然后计算机控制步进电路转动一个合适的步距角，驱动光路***一段位移，电荷耦合摄像机又获取一幅图像后，计算机迅速处理完后又输出转动一个步距角的指令，这样重复进行直至完毕(步进电机走完相应的步数)后，计算机将所获得的所有二维轮廓数据处理形成三维图形，并可根据表面各点高度数据计算得到三维表面特征参数。也可以获得轮廓算术平均偏差Ra，轮廓最大高度Ry等二维粗糙度参数。

附图说明

下面结合附图对本发明进行描述，可以进一步理解本发明的目的、特征和优点。

图1为本发明表面三维形貌检测装置实施例的结构示意图。

图2为本发明实施例光路***示意图。

图3为本发明实施例照明光路产生光带照射被测工件表面的光路示意图。

图4为本发明实施例电荷耦合摄像机采集到的图像。

具体实施方式

参见图1，表面三维形貌检测装置包括光路***、调焦装置12、扫描装置13、电荷耦合摄像机14、以及控制和数据处理***。光路***包括照明光路10和接收成像光路11，参见图2，照明光路10由光源1，滤光片2，聚光镜3、狭缝4以及辅助物镜5和物镜6组成，光源1产生的白光经滤光片2、聚光镜3和狭缝4成为一条窄光带，也可以使用激光扩束后作为光源经狭缝成为一条窄光带。实施例以白光为例。光带经辅助物镜5和物镜6后，以一入射角(如45度角)聚焦被测件17表面，在同一平面内，对称装有成像物镜9和辅助成像物镜8(与照明光路光轴成90度角的位置)，接收成像光路11将被测件17反射后的光带放大后投射在面阵电荷耦合摄像机14的成像面7上，成像面应位于成像物镜9、辅助成像物镜8的焦平面上。电荷耦合摄像机14采集到的光学图像，经电缆输入到图像卡15进行处理转换成数字信息存储在计算机16内存中。

光路***10被安装在调焦装置12和扫描装置13上，调焦装置12为上下可移动的升降装置，可以对光路***沿着与被测件17表面垂直方向上下调节，使照明光带聚焦在被测件17上。扫描装置13由步进电机20及步进电机驱动器、导轨和丝杠21组成，步进电机驱动器接收计算机16发出的指令后使步进电机20转动一个合适的步距角，经丝杠21带动光路***和调焦装置12沿导轨移动一段位移，电荷耦合摄像机14即又获得一幅二维轮廓图像并经图像卡15输入计算机16；导轨的设置方向为与光路***中照明光路物镜6和接收成像光路物镜9的光轴组成的平面与被测件17基面相交线平行，这样保证了光路***能逐一扫描完成整个被测件17表面。

对于本发明的控制及数据处理***及对数据处理方法参见图3、图4。光源经狭缝4形成光平面P，P以α角与被测件17表面相切并沿B方向发生反射，通过电荷耦合摄像机采集到的图像如图4所示，在被测件17以基面为基准的某点A，其表面高度为h，入射光线进入A点的距离为h′，接收成像光路接收并经电荷耦合摄像机采集到的A点的距离为h″，在h，h′，h″之间存在如下的几何关系：

h＝h′cos α＝h″cosα/β

其中β为物镜放大倍率、α为入射角。

所以只要求得h″就能得到表面A点的高度值h。

图像卡将采集的图像转换成数字信号后输入计算机内存，通过计算机数字图像处理技术可以容易地提取出图像边缘轮廓数据，即可得到每一点的h″，然后可以计算出各点的相对表面高度h，这样便完成了一幅图像的处理过程；之后，计算机指令步进电机驱动器驱动步进电机走一步距，采集处理下一幅图像。

以一定的扫描步距采集完预定数目的图像(如300帧)后，以三维图形处理软件(如MATLAB)将所有的数据处理成三维图像，计算出三维参数，也可以计算Ra、微观不平度十点高度Rz等二维参数。

本发明的关键在于将采集的轮廓边缘提取出来，因此光源的光强可以很强，以便更容易地区别轮廓和背景，其对杂散光的干扰也不是很敏感。

本发明的扫描装置采用驱动器、步进电机、丝杠和导轨实现第三维的移动，由于光路简单，结构紧凑，所以对外界的振动干扰不敏感，抗干扰性能强，整体尺寸小，适合于生产现场的测量。

Claims (3)

1.一种表面三维形貌检测方法，包括将照明光路上的一条窄光带以一入射角照射被测件表面，在被测件表面上方有接收成像光路和电荷耦合摄像机，照明光路和接收成像光路组成光路***，电荷耦合摄像机获取一幅二维轮廓图像并经图像卡输入计算机；计算机收到二维图像数据后输出指令驱动光路***进给一个扫描步距，使得光带在被测件表面上移动一个步距，电荷耦合摄像机又获取一幅二维轮廓图像并经图像卡输入计算机；重复进行直到扫描完整个被测件表面，即可获得所有扫描位置的二维轮廓数据，经计算机处理后得到三维图像，其特征是光路***的光路由两组共面光路构成，一组为照明光路，用来产生一条明亮细窄的光带，照射到被测件上，另一组为接收成像光路，用来接收从被测件反射回来的，反映工件表面微观轮廓的光带，将其成像在面阵电荷耦合摄像机上；对光路***进行调焦，调焦可对光路***沿着与被测件表面上下调节，将被测件上以基面为基准的某点作为基点，使照明光带聚焦在被测件上；光路***和调焦装置沿导轨移动，使光路***已聚焦的测量光带扫描被测件表面获得一幅幅二维图像。

2.根据权利要求1所述的表面三维形貌检测方法，其特征是对图像卡采集到的一幅图像的二维轮廓数据的处理方法是：经计算机数字图像处理技术得到图像边缘轮廓数据，即得到每一点的h″，然后根据公式h＝h″cosα/β计算出各点的相对表面高度h，其中h是被测件以基面为基准的某点表面高度，h″是接收成像光路接收并经电荷耦合摄像机采集到的某点距离；多个数目图像的各点相对表面高度组成三维图像。

3.一种实施权利要求1所述的表面三维形貌检测方法的装置，包括光路***、调焦装置、扫描装置、电荷耦合摄像机以及控制和数据处理***，光路***包括照明光路和接收成像光路，照明光路产生一条窄光带，电荷耦合摄像机接收成像光路信号后输出信号至控制和数据处理***，控制和数据处理***包括图像卡和计算机，计算机与扫描装置相连，光路***被安装在扫描装置上，扫描装置为步进电机和驱动器，驱动器接收计算机发出的信号后带动步进电机驱动光路***移动，其特征是照明光路由产生一条窄光带的光源和物镜组成，与照明光路对称装有包括物镜的接收成像光路，照明光路物镜包括辅助物镜和物镜，接收成像光路物镜包括成像物镜和辅助成像物镜，在接收成像光路成像面上装有电荷耦合摄像机；调焦装置为可对光路***沿着与被测件表面上下调节的升降装置；扫描装置还包括导轨和丝杠，丝杠带动光路***和调焦装置沿导轨移动，导轨设置为与光路***中的照明光路物镜和接收成像光路物镜的光轴组成的平面与被测件基面相交线平行。

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