光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法及装置

摘要

本发明涉及大曲率面形的复杂曲面零件的高精度原位检测。为提供对前述零件非接触，对零件表面的检测，本发明采取的技术方案是，光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法及装置：使用光栅投影装置对被测物体表面投影正弦光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的变形条纹图，送入计算机恢复出被测物体表面三维形貌；用白光扫描干涉测头对被测物体局部特征进行纳米级精度扫描测量，由白光扫描图像采集装置获取干涉条纹图，送入计算机得到测量区域的三维形貌数据；将光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉测量单元测量得到的数据通过多传感器海量数据融合算法和相应的误差分离与补偿措施得到结果。本发明主要应用于零件的高精度原位检测。

说明书

技术领域

本发明涉及大曲率面形的复杂曲面零件的高精度原位检测，具体讲涉及光学自由曲面三 维形貌高精度非接触测量方法及装置。

背景技术

精密/超精密加工技术已经成为先进加工制造技术的主要发展方向和重要研究领域，特别 是诸如光学自由曲面等复杂曲面零件的超精密切削加工技术在航空航天、国防、生物医学、 通讯、微电子等高科技领域中的应用越来越广泛。作为复杂曲面超精密加工的一个重要组成 部分，高精度原位检测及补偿控制技术是提高超精密加工零件尺寸、形状精度及表面粗糙度 的基础，也是实现复杂曲面零件表面完整性控制和评价的关键技术。国内外研究人员开发了 多种不同类型的超精密原位测量系统，但目前的研究主要基于接触式测量原理，测量速度慢， 不利于快速获取被测物体的三维形貌数据。

光学自由曲面等复杂曲面零件对面形精度要求很高，而且要求表面及表层无损伤。光学 测量方法如光学显微测量法、光学干涉测量法、条纹投影法等以其快速、高精度、非接触等 优点在微纳级精度尺寸测量领域获得了广泛应用。其中，白光扫描干涉测量具有纳米级甚至 亚纳米级的测量分辨力，重复性好，然而，受到光学系统的数值孔径和视场范围的限制，不 适合进行具有大曲率面形的复杂曲面的测量。而且在无辅助扫描装置的条件下，其测量范围 远不能达到毫米量级。条纹投影法以其测量范围大、测量速度快等优异性能，已经在尺寸测 量领域得到广泛应用，可用于复杂曲面零件的三维形貌测量。然而，条纹投影方法的测量精 度无法达到纳米级的精度要求。

如何实现光学自由曲面等复杂曲面零件三维形貌的高精度非接触原位测量成为精密测量 领域的一个重点研究方向。针对单一测量方法难以完成复杂曲面零件超精密加工原位测量问 题，研究开发一种能够满足测量范围、分辨力、精度和测量效率等多重要求的多光学传感器 融合测量方法，成为当前超精密测量领域的研究焦点。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供用于光学自由曲面等具有大曲率面形的复杂曲面零件的高 精度原位检测过程的方法及装置，非接触，对零件表面及表层无损伤。为达上述目的，本发 明采取的技术方案是，光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法，包括以下步骤：

借助于高精度定位运动控制系统实现被测物体三自由度运动；

使用光栅投影装置对被测物体表面投影光栅条纹，由光栅投影视觉检测图像采集装置获 取经被测物体表面调制的变形条纹图，送入计算机中经后续处理后，恢复出被测物体表面三 维形貌；

根据恢复出的被测物体表面三维形貌，进行被测物体位姿自动识别，规划白光扫描干涉 测量路径，自动引导更精密的白光扫描干涉测头对被测物体局部特征进行纳米级精度扫描测 量，由白光扫描图像采集装置获取干涉条纹图，送入计算机中经后续处理，得到测量区域的 三维形貌数据；

将光栅投影视觉检测和白光扫描干涉测量得到的数据通过多传感器海量数据融合算法和 相应的误差分离与补偿措施，精确测量出光学自由曲面等复杂曲面零件的三维形貌特征。

高精度定位运动控制系统由高精度电动位移平台、高精度电动旋转平台和高精度电动角 位台组成，借助于该平台控制被测物体实现三自由度运动。

光栅投影视觉检测图像采集装置为两个科学级数字CCD摄像机，两个科学级数字CCD 摄像机沿高精度定位运动控制系统的高精度电动位移平台轴线方向以光栅投影装置中心对称 放置。

光栅投影装置对被测物体表面投影的光栅条纹，是幅值、相位和投射方向可调的正弦光 栅条纹、余弦光栅条纹、频率和方向不同的两种光栅条纹组合形成的复合光栅条纹、莫尔条 纹、灰度编码光栅条纹及彩色光栅条纹中的一种。

白光扫描干涉测头采用显微干涉物镜，扫描时采用白光光源照射，将显微干涉物镜和光 学成像系统间通过转接器连接，通过一个高精度压电陶瓷定位器带动显微干涉物镜完成垂直 扫描，将显微干涉物镜光轴倾斜、高精度定位运动控制系统带动被测物体沿水平方向按一定 步长运动的方式完成水平扫描，由白光扫描图像采集装置通过光学成像系统接收干涉条纹图。

一种光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量装置，由高精度定位运动控制系统、光栅 投影视觉检测单元、白光扫描干涉测量单元和计算机构成；

高精度定位运动控制系统由高精度电动位移平台、高精度电动旋转平台和高精度电动角 位台组成，借助于该平台控制被测物体实现三自由度运动；

光栅投影视觉检测单元由光栅投影装置、图像采集装置组成，由计算机产生的光栅条纹 通过光栅投影装置投影到被测物体表面形成变形条纹，被测物体沿高精度位移平台运动到图 像采集装置的视场范围内，被测物体在高精度角位台和高精度旋转平台作用下进行运动，使 被测物体旋转一定的角度，以使经被测物体表面调制的变形条纹图被图像采集装置以最佳方 式接收；

白光扫描干涉测量单元由显微干涉物镜、光学成像系统、白光光源和图像采集装置组成， 显微干涉物镜用于：通过一个高精度压电陶瓷定位器带动显微干涉物镜完成垂直扫描，将显 微干涉物镜光轴倾斜、高精度定位运动控制系统带动被测物体沿水平方向按一定步长运动的 方式完成水平扫描，和光学成像系统间通过转接器连接；

计算机用于：产生光栅条纹；由收到的变形条纹图恢复出被测物体表面三维形貌；针对 需要更精密测量的被测物体局部区域信息，选择合适的白光扫描干涉测量方式，规划白光扫 描干涉测量路径，自动引导白光扫描干涉测头对被测物体局部特征进行纳米级精度扫描测量； 将光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉测量单元测量得到的数据通过多传感器海量数据融 合算法和相应的误差分离与补偿措施，精确测量出光学自由曲面复杂曲面零件的三维形貌特 征。

光栅投影视觉检测单元的图像采集装置为两个科学级数字CCD摄像机，两个科学级数字 CCD摄像机沿高精度电动位移平台轴线方向以光栅投影视觉检测单元的光栅投影装置中心 对称放置。

光栅投影装置为LCD液晶显示屏，LCD液晶显示屏采用水平向下投射方式。

本发明具有以下技术效果：

由于本发明采用在同一运动控制系统框架内融合光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉 测量单元的方式，使用光栅投影视觉检测单元获得大视场全局轮廓数据，使用白光扫描干涉 测量单元对零件局部细节特征进行纳米级精度扫描测量，因而本发明能显著提高光学自由曲 面等具有大曲率面形的复杂曲面零件在加工检测过程中的检测精度和分辨力，测量速度快， 非接触，对零件表面及表层无损伤。

附图说明

图1为基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量基本原理图。 图中：1为用于正弦光栅投影的LCD液晶屏，2为高精度位移平台，3为高精度角位台和高 精度旋转平台组合，4为被测物体，5为用于接收变形条纹图的科学级数字CCD摄像机，6 为白光扫描干涉测头。

图2为光栅投影测量原理图。图中：7为计算机，8为微控制器，9为电机。

图3为白光扫描干涉测量原理图。图中：21为高品质白光LED光源，31为分光镜，41 为压电驱动器，10为用于接收白光扫描干涉条纹图的科学级数字CCD摄像机。

图4为本发明一实施例实物图。

具体实施方式

一种基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法：在同一高 精度定位运动控制系统框架内构建光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉测量单元，使用光 栅投影装置对被测物体表面投影正弦光栅条纹，由图像采集装置获取经被测物体表面调制的 变形条纹图，送入计算机中经后续处理后，恢复出被测物体表面三维形貌。根据光栅投影视 觉检测单元测量得到的被测物体表面三维形貌数据，进行零件位姿自动识别，规划白光扫描 干涉测量路径，自动引导更精密的白光扫描干涉测头对被测物体局部特征进行纳米级精度扫 描测量，由图像采集装置获取干涉条纹图，送入计算机中经后续处理，得到测量区域的三维 形貌数据。将光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉测量单元测量得到的数据通过多传感器 海量数据融合算法和相应的误差分离与补偿措施，精确测量出光学自由曲面等复杂曲面零件 的三维形貌特征。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中的高精度定位运动控制系统由高精度电动位移平台、高精度电动旋转平台和高精 度电动角位台组成，可控制被测物体实现三自由度运动。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中光栅投影视觉检测单元的光栅投影装置为LCD液晶显示屏。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中光栅投影视觉检测单元的用于投影光栅条纹的LCD液晶显示屏采用水平向下投射 方式。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中光栅投影视觉检测单元的图像采集装置为两个科学级数字CCD摄像机。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中光栅投影视觉检测单元的两个科学级数字CCD摄像机沿高精度电动位移平台轴线 方向以LCD液晶屏中心对称放置。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中光栅投影视觉检测单元投射的是由软件编程实现的幅值、相位和投射方向可调的 正弦光栅条纹。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中光栅投影视觉检测单元的两个科学级数字CCD摄像机在各自视场范围内分别接收 经被测物体表面调制的正弦光栅条纹。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中白光扫描干涉测量单元由显微干涉物镜、光学成像系统、白光光源和图像采集装 置组成。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中白光扫描干涉测量单元的显微干涉物镜和光学成像系统间通过转接器连接。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中白光扫描干涉测量单元的扫描方式为垂直扫描和水平扫描。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中白光扫描干涉测量单元中的显微干涉物镜通过一个高精度压电陶瓷定位器带动它 完成垂直扫描。

在上述基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量方法中，其特 征是：其中白光扫描干涉测量单元中的水平扫描方式采用光学系统光轴倾斜、高精度定位运 动控制系统带动被测物体沿水平方向按一定步长运动的方式。

综上所述，本发明提出的测量方法进而能够精确解算出被测物体表面各点的空间坐标位 置，实现对光学自由曲面等复杂曲面零件的三维形貌特征的高精度非接触测量。

下面结合附图进一步详细说明本发明。

图1为基于多传感器融合技术的光学自由曲面三维形貌高精度非接触测量基本原理图。 (a)图中1为用于正弦光栅投影的LCD液晶屏，2为高精度位移平台，3为高精度角位台和 高精度旋转平台组合，4为被测物体，5为用于接收变形条纹图的科学级数字CCD摄像机。 首先光栅投影视觉检测单元开始工作，由计算机产生的正弦光栅条纹通过LCD液晶屏投影到 被测物体表面，被测物体沿高精度位移平台运动到CCD摄像机的视场范围内，受LCD液晶 屏尺寸的限制并参照被测物体表面形貌的复杂程度，控制高精度角位台和高精度旋转平台运 动，使被测物体旋转一定的角度，以使经被测物体表面调制的变形条纹图被CCD摄像机以最 佳方式接收。相交于被测物体表面各点的入射光线和反射光线均遵守反射定律，如点W处所 示。从采集得到的变形条纹图中解调出被测物体表面各点的高度信息，采用三维重建技术恢 复被测物体的三维形貌特征。光栅投影视觉检测可实现被测物体表面三维形貌的微米级测量。 如需对点W附近区域进行更高精度检测，可根据光栅投影视觉检测单元的测量结果重新规划 测量路径，使被测物体沿高精度位移平台运动到6所代表的白光扫描干涉测头的视场范围内， 控制高精度角位台和高精度旋转平台运动，调整被测物体的角度以获得最佳测量结果。从采 集得到的干涉条纹图中解调出测量区域各点的高度信息，采用三维重建技术恢复测量区域的 三维形貌特征。白光扫描干涉测量可实现对被测物体局部区域的纳米级高精度检测。针对光 栅投影视觉检测和白光扫描干涉测量各自得到的测量数据，采用多传感器海量数据融合算法， 精确恢复出被测物体表面三维形貌特征。白光扫描干涉测量有两种测量方式，如图(b)和图 (c)所示。图(b)为垂直扫描测量方式，被测物体表面上各点根据其自身相对工作台平面 的高度，在白光扫描干涉测量装置移动到一定位置时与相干平面相交达到最佳干涉，由各点 到达最佳干涉时对应工作台的位置(或相对移动距离)可推导出各点相对高度信息。白光垂 直扫描干涉测量范围受视场限制，引入图像拼接会造成测量误差，若白光扫描干涉测头需要 测量的被测物体表面区域较大，则采用图(c)所示的白光水平扫描干涉测量装置，光轴相对 水平面倾斜，工作台带动被测样品沿水平方向按一定步长完成干涉条纹的扫描，根据被测物 体表面各点的最佳干涉在图像中的位置可确定各点的相对高度信息。

图2为光栅投影测量原理图。1为LCD液晶屏，用于投影由软件编程产生的正弦光栅条 纹。对余弦光栅、复合光栅(频率、方向不同的两种光栅条纹的组合)、莫尔条纹及灰度编码 光栅条纹(如格雷码光栅)、彩色光栅条纹等也进行了测试，效果大致相同，不再分别赘述。 5为科学级数字CCD摄像机，用于接收经被测物体表调制的变形条纹图，4为被测物体，3 为高精度角位台和高精度旋转平台组合，2为高精度位移平台，2和3组成高精度定位运动控 制系统。7为计算机，8为微控制器，9为电机。受LCD液晶屏尺寸限制，考虑被测物体表 面曲率变化较大时，用单一CCD摄像机无法获得被测物体表面全局三维形貌，因此采用双 CCD摄像机进行测量。首先被测物体4(实线所示)在高精度定位运动系统控制下运动到5 所代表的CCD摄像机视场范围内，旋转适当的角度，完成测量，然后被测物体4(虚线所示) 运动到5所代表的另一CCD摄像机视场范围内，旋转适当的角度，完成测量。将两CCD摄 像机分别测量得到的被测物体表面三维形貌数据通过图像拼接技术恢复出被测物体完整三维 形貌。

图3为白光扫描干涉测量原理图。21为高品质白光LED光源，31为分光镜，41为压电 驱动器。由高品质白光LED光源产生的白光经透镜组到达分光镜，分成参考光束和测量光束， 通过压电陶瓷驱动参考镜进给实现对被测物体表面的扫描，CCD摄像机接收干涉图像，从干 涉图样中提取出最佳干涉点所在位置得到各点的相对高度，描绘出被测物体表面的三维形貌。

在同一高精度定位运动控制系统框架内构建光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉测量 单元，整套测量装置安放在高精度光学隔振平台上。

所述的高精度定位运动控制系统由高精度电动位移平台、高精度电动旋转平台和高精度 电动角位台组成，可控制被测物体实现三自由度运动。其中高精度电动位移平台行程为 300mm，高精度电动旋转台可实现360°旋转，高精度电动角位台可实现±45°角度调整。

所述的光栅投影视觉检测单元由正弦光栅投影装置和图像采集装置组成，其中光栅投影 装置可选用屏幕尺寸为478mm×300mm的LCD液晶屏，水平向下投影由计算机编程产生的正 弦光栅条纹，该正弦光栅条纹的幅值、相位和投射方向可通过软件进行调整，LCD液晶屏相 对于载物面可进行400mm高度调整。图像采集装置选用两个分辨率为2456×2058像素的高分 辨力数字CCD摄像机，两CCD摄像机沿高精度电动位移平台轴线方向以LCD液晶屏中心对 称放置，其高度和角度均可调整。

所述的白光扫描干涉测量单元由显微干涉物镜、光学成像系统、高品质白光LED光源和科学 级数字CCD摄像机组成。其中显微干涉物镜可选用Mirau型显微干涉物镜(10X，20X，50X)， 通过一个高精度压电陶瓷定位器(PI P-721.CL，电容传感器反馈闭环控制，最小分辨力0.7nm， 范围100um)带动物镜完成垂直扫描。光学成像系统可选用Ultra-Zoom系列镜头。Ultra-Zoom 系列镜头提供了非常高的分辨率和突出的对比度，可选用它的微调对焦功能和/或同轴照明功 能，选用同轴照明功能，可在高放大倍率应用场合中提供均匀照明，在使用高分辨率摄像机 时，提供清晰的分辨率。在本实施例中，Ultra-Zoom放在最下方，然后上面是迷你型转接器 和C-型连接器，以实现与科学级CCD摄像机相连。最上面是用作图像采集装置的CCD摄像 机。白光光源也要通过转接器连入以提供照明。照明装置选用中心波长为580nm的高品质白 光LED光源。图像采集装置可选用分辨力为1534×1024像素的科学级CCD摄像机，进行采 集后由采集卡传输给计算机进行后续处理。

计算机从采集得到的变形条纹图中解调出被测物体表面各点的梯度信息，通过波前重构 算法可恢复被测物体三维形貌特征，获得被测物体大视场全局三维轮廓后，提取被测物体的 几何特征信息，与CAD加工模型进行匹配处理，实现无显式参考基准的零件位姿自动识别， 为后续的局部高精度扫描测量的整体路径规划提供依据。基于得到的零件位姿信息和测量系 统各单元的空间布局结果，针对需要更精密测量的被测物体局部区域信息，选择合适的白光 扫描干涉测量方式，规划白光扫描干涉测量路径，自动引导白光扫描干涉测头对被测物体局 部特征进行纳米级精度扫描测量。白光扫描图像采集装置获得白光扫描干涉条纹图，通过采 集卡传输到计算机中进行后续处理，从干涉条纹图中解调出测量区域的相对高度信息，得到 测量区域的三维形貌数据。针对光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉测量单元测量得到的 海量数据，采用最小平方估计算法进行不等精度不等密度的数据对齐，实现异类光学传感器 海量数据的空间配准，基于数据层和特征层融合原则，建立海量数据融合结构模型，利用贝 叶斯方法完成多传感器海量数据的融合，并进行多向运动误差的检测与补偿，精确测量出光 学自由曲面的三维形貌特征。

可实现对200mm×200mm×20mm测量范围内的光学自由曲面等复杂曲面零件三维形貌的高 精度非接触测量。首先，正弦光栅条纹通过LCD液晶屏投射到被测物体表面，被测物体在高 精度定位运动控制系统控制下运动到某一CCD摄像机的视场范围内，调整被测物体的角度以 获得最佳测量结果，CCD摄像机采集经被测物体表面调制的正弦光栅条纹，送入计算机中进 行后续处理，然后被测物体在高精度定位运动控制系统控制下运动到另一CCD摄像机的视场 范围内，进行相同操作。从采集得到的变形条纹图中解调出被测物体表面各点的高度信息， 采用三维重建技术恢复被测物体的三维形貌特征。根据光栅投影视觉检测单元对被测物体的 重建结果，对被测物体位姿进行自动识别，规划白光扫描干涉测量路径，自动引导更精密的 白光扫描干涉测头对工件局部细节特征进行纳米级精度扫描测量，图像采集装置获得干涉条 纹图，进行采集后由采集卡传输给计算机中进行后续处理，从干涉条纹图中解调出测量区域 的相对高度信息，得到测量区域的三维形貌数据。将光栅投影视觉检测单元和白光扫描干涉 测量单元测得的数据通过多传感器海量数据融合算法和相应的误差分离与补偿措施，精确测 量出光学自由曲面的三维形貌特征。