并行像散三维光聚焦探测方法及装置

摘要

并行像散三维光聚焦探测方法及装置，其特征是在并行全场检测中使用像散法，并采用同光斑光强差动算法。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、位于探测面前方，设置像散透镜，像散透镜及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、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。本发明能有效抑制光源噪声和漂移产生的影响，提高测量精度；可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。

说明书

技术领域：

本发明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：

本发明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，提供一种高精度、高速度的并行像散三维光聚焦探测方法，并提供实现该方法的装置。以期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。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

本发明并行像散三维光聚焦探测方法的特点是：

在并行全场检测中使用像散法，并采用同光斑光强差动算法。

实施本发明方法的装置是由光学探头、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。

该装置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。

本发明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，本发明是在并行全场检测中使用像散法，并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。本发明利用像散法，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，这样就可以获得小采样间隔的分辨率。

图1为本发明被测点处在正焦位置像散法原理图。

图2为本发明被测点处在近焦位置像散法原理图。

图3为本发明被测点处在远焦位置像散法原理图。

图4为本发明探测器的光强差动输出与离焦量关系曲线图。

图5为本发明结构示意图。

具体实施方式：

本实施例中并行像散三维光聚焦探测方法是，在并行全场检测中使用像散法，并采用同光斑光强差动算法。

具体为：

a、二维点光源分束后聚焦到被测物表面，被测物表面的反射光经过分束后被反射到探测面；

b、对来自被测物表面、经过分束的反射光进行像散，探测像散光斑阵列，获得各光斑点对应探测单元的灰度值，计算探测单元光强差动输出T值；

c、被测物在Z轴方向步进位移，使光源阵列在Z方轴方向形成并行剖面n次，各剖面的间距为ΔZ；采样点的(i，j)处的采样列阵为：

      [Z₁，T₁(i，j)]，[Z₂，T₂(i，j)]，.....，[Z_n，T_n(i，j)]

式中，T为探测单元光强差动输出信号，Z_n为纵向扫描高度。

d、对以上n剖面的输出信号值进行比较处理，找到过零值T_k(i，j)＝0，确定所处的剖面层k，则该点高度为：Z_k＝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。

e、用Z_k替换T(i，j)，得到测量面的三维值为：

|x_i，y_j，Z_k|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)。

测量原理如图1、图2和图3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该曲线具有较大的线性段，且在正焦位置点过零。只要保证纵向采样点有两点落在线性范围内(即纵向采样间隔保证小于线性范围的一半即可)，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，像散透镜实际上是一种在水平和在垂直方向的焦距不同的透镜，如柱面镜。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。

本发明的工作过程如下：

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，计算出该单元的光强差动输出T(i，j)。得到每剖面的信号列阵为：

|x_i，y_j，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)]，.....，[Z_n，T_n(i，j)]

式中，T为CCD探测单元光强差动输出信号，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T_k(i，j)＝0，确定所处的剖面层k，则该点高度为：Z_k＝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Z_k替换T(i，j)，得到测量面的三维值为：

|x_i，y_j，Z_k|(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。