一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统和检测方法

摘要

本发明公开了一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统。该测量系统包括照明光路、水平运动平台、反射光路、采集光路和计算模块。水平运动平台上能安装被测物。照明光路的入射光部分聚焦至被测物表面，再反射至所述发射光路，再在反射光路上反向射回，并经过反射光路上的分光镜侧向射出反射光路，射向所述采集光路。所述计算模块连接于所述采集光路和所述水平运动平台。本发明以倾斜射入测试光波的方式对被测物表面信息进行采集，采集光路采集到的波长信息代表当前测量物表面的相对轴向高度，计算模块通过结合水平运动平台扫描测量被测物整个表面的高度变化值，生成表面三维形貌图。本发明不仅适用于水平表面的探测，也适用于竖直表面的探测。

说明书

技术领域

本发明涉及非接触式表面三维形貌检测领域，具体而言，涉及一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统和检测方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，物体表面三维形貌测量领域受到越来越多学者的广泛关注，彩色共聚焦技术作为物体表面三维形貌重构技术之一，近几年也有了很大的发展。与传统的激光共聚焦技术相比，彩色共聚焦技术无需依赖位移平台的轴向扫描即可实现测量，对测量精度和测量效率都有了很大的提高。

然而，现有的一些彩色共聚焦技术只能实现对物体水平表面的测量，不能够实现对物体竖直表面的测量。应用范围具有一定的局限性。

发明内容

为了解决现有彩色共聚焦技术只能实现对物体水平表面的测量，不能够实现对物体竖直表面的测量技术问题，本发明提出了一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统，本发明的技术方案如下。

本发明首先提出一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统。该测量系统包括照明光路、水平运动平台、反射光路、采集光路和计算模块。水平运动平台上能安装被测物。照明光路的入射光部分聚焦至被测物表面，再反射至所述发射光路，再在反射光路上反向射回，并经过反射光路上的分光镜侧向射出反射光路，射向所述采集光路。所述计算模块连接于所述采集光路和所述水平运动平台。其中，照明光路的中心线与反射光路的中心线关于水平运动平台的法线对称，且与水平运动平台均呈夹角θ，且0<θ≤θ

本发明的方案利用彩色共聚焦距离测量方法以倾斜射入测试光波的方式对被测物表面信息进行采集，测量光线由于倾斜角度偏转到其他方向无法直接由样品表面反射回光线采集器，故添加反射光路将聚焦光全反射回接收系统(即采集光路)进行光束信息采集。采集光路采集到的波长信息代表当前测量物表面的相对轴向高度，计算模块通过结合水平运动平台扫描测量被测物整个表面的高度变化值，生成表面三维形貌图。本发明不仅适用于水平表面的探测，也适用于竖直表面的探测。将本发明的整个测量系统沿逆时针旋转90度即可完成对竖直表面的探测。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述照明光路包括复色光源、光纤、照明小孔机构、第一色散管镜和第一聚焦透镜；光纤的一端连接到复色光源，另一端朝向照明小孔机构上的照明小孔，指向照明小孔后端的第一色散管镜；复色光源发出的光通过光纤和照明小孔，成为点光源，点光源的光通过第一色散管镜成为准直光，再通过第一聚焦透镜成为沿照明光路的中心线依次聚焦的多光束。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述水平运动平台为二维运动平台，由纵向分移动和横向分移动合成水平方向的运动；测量系统还包括能驱动水平运动平台沿水平横向和水平纵向移动的驱动模块，所述计算模块连接于所述驱动模块，实现对被测物的位移精确控制和记录，以进行后续的三维模型计算。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述反射光路包括第二聚焦透镜、分光镜、准直镜和角锥棱镜；经过被测物后的反射光依次通过第二聚焦透镜、分光镜和准直镜到达角锥棱镜，并在角锥棱镜上反向射回，经过分光镜的反射，侧向射至所述采集光路。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述采集光路包括：第二色散管镜、探测小孔机构和彩色相机；从分光镜反射出的光束，依次通过所述第二色散管镜、探测小孔机构上的探测小孔，到达彩色相机。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的进一步改进，所述计算模块包括计算机，计算机分别连接于所述彩色相机和水平运动平台的驱动机构，控制和记录二维运动平台的扫描路径。

本发明不仅适用于水平表面的探测，也适用于竖直表面的探测。将本发明的整个测量装置沿竖直面旋转90度即可完成对竖直表面的探测。

本发明其次还提出一种改进的斜照明式彩色共聚焦检测方法，应用于上述的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统，本检测方法包括以下步骤：

P1，在照明光路上：先发出复色入射光，再将光束色散，然后将光束按波长沿照明光路中心线依次聚焦。

P2，将被测物移动至步骤P1的光束聚焦线上，使被测物表面出现聚焦光斑，计算模块控制水平运动平台的水平移动路径，使被测物表面各个测试位置均经过光束聚焦线。水平运动平台主要用于带动被测物进行二维扫描运动，结合对水平运动平台的二维扫描从而完成对整个被测物表面的测量。

P3，在光斑的反射路径上设置反射光路，在反射光路上，将光线汇聚为准直光，再透过分光镜，最后被反射光路末端的回射器件反向射回，再次经过分光镜，在分光镜上反射向所述采集光路。

P4，采集光路采集光波信息，计算模块进行图像处理得到物体表面三维形貌特征。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦检测方法的进一步改进，步骤P1具体包括：复色光源发出复色光，通过光纤和照明小孔形成复色点光源，复色点光源经过所述第一色散管镜形成色散光，色散之后的光经过第一聚焦透镜聚焦到被测物表面。这里，色散就是将一束复色光色散成具有不同波长的多束光线，使得不同波长的光线分别聚焦于光轴(照明光路中心线)的不同轴向高度位置处，随着光线波长的增加，光线的孔径角变小，即波长越长的光线聚焦位置越远离第一聚焦透镜。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦检测方法的进一步改进，步骤P3具体包括：被测物上的光斑反射后，依次通过第二聚焦透镜、分光镜和准直镜后，到达角锥棱镜，角锥棱镜将光线沿原方向反射，先透过准直镜到达分光镜，经过分光镜的反射，侧向射至所述采集光路。

作为本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦检测方法的进一步改进，步骤P4具体包括：从分光镜反射向采集光路的光线，依次通过第二色散管镜、探测小孔机构上的探测小孔，到达彩色相机；彩色相机作为光学传感器，其接收光波信号，并将光信号转化为电信号，接着将电信号传输至计算机；计算机根据该电信号以及水平运动平台的扫描路径，进行数字图像处理得到物体表面三维形貌特征。这里，需要说明的是，只有聚焦于被测物表面的光线经反射后才能够通过探测小孔，非聚焦于被测物表面的光线会被探测小孔滤除。也就是说，照明小孔、被测物焦点以及探测小孔三者具有共轭的关系。

本测量系统和检测方法适用于在检测如航空发动机转子叶片的表面形貌等几何空间受到限制的情况下，检测样品表面形貌、台阶高度、表面粗糙度、平面度和透明材料的厚度等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的整体结构图；

图2是本发明的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统的针对竖直表面测量的整体示意图。

图中标记：复色光源1、光纤2、照明小孔机构3-1、探测小孔机构3-2、第一色散管镜4-1、第二色散管镜4-2、第一聚焦透镜5-1、第二聚焦透镜5-2、被测物6、水平运动平台7、分光镜8、准直镜9、角锥棱镜10、彩色相机11、计算机12。

具体实施方式

本发明的一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统，目的在于实现对水平表面和竖直表面的同时检测。以下结合附图对本发明技术方案装置结构及操作步骤进行详细描述，以便于更容易理解和掌握本发明的目的、结构和功能，但不作为对本发明要求的保护范围的限制。

图1为本发明的一种改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统，其处于针对水平表面的探测状态。总体而言，本测量系统包括照明光路、水平运动平台7、反射光路、采集光路和计算模块。水平运动平台7用于安装被测物6。照明光路的入射光部分聚焦至被测物6表面，再反射至所述发射光路，再在反射光路上反向射回，并经过反射光路上的分光镜8侧向射出反射光路，射向所述采集光路。所述计算模块连接于所述采集光路和所述水平运动平台7。采集光路采集光波信息，将光信号转化为电信号输送至计算模块，计算模块结合该电信号和水平运动平台7的位置信息，计算出被测物6的三维表面形貌。

本测量系统中，照明光路的中心线与反射光路的中心线关于水平运动平台7的法线对称，且与水平运动平台7均呈夹角θ，且0<θ≤θ

本实施方式利用彩色共聚焦距离测量方法以倾斜射入测试光波的方式对被测物表面信息进行采集，测量光线由于倾斜角度偏转到其他方向无法直接由样品表面反射回光线采集器，故添加反射光路将聚焦光全反射回接收系统(即采集光路)进行光束信息采集。采集光路采集到的波长信息代表当前测量物表面在竖直方向(图1中垂直于水平运动平台7方向)的相对轴向高度，计算模块通过结合水平运动平台7扫描测量被测物6整个表面的高度变化值，生成表面三维形貌图。本发明不仅适用于水平表面的探测(如图1)，也适用于竖直表面的探测(如图2)，将图1的整个测量系统沿逆时针旋转90度即可得到图2的对竖直表面探测的测量系统。

如图1所示，本测量系统中，所述照明光路包括复色光源1、光纤2、照明小孔机构3-1、第一色散管镜4-1和第一聚焦透镜5-1。光纤2的一端连接到复色光源1，另一端朝向照明小孔机构3-1上的照明小孔，指向照明小孔后端的第一色散管镜4-1。所述复色光源1为海洋光学公司的HL-2000-fhsa卤钨灯光源，复色光源1发出的复色光束是具有连续光谱信息的白光，光谱波长为可见光波长。光纤2由石英材料构成包括了纤芯、包层和涂覆层。复色光源1发出的光通过光纤2和照明小孔，成为点光源，点光源的光通过第一色散管镜4-1成为准直光并被色散，再通过第一聚焦透镜5-1成为沿照明光路的中心线依次聚焦的多光束，可以聚焦到被测物6的表面。这里，色散就是将一束复色光色散成具有不同波长的多束光线，使得不同波长的光线分别聚焦于光轴的不同轴向高度位置处，随着光线波长的增加，光线的孔径角变小，即波长越长的光线聚焦位置越远离第一聚焦透镜5-1。

所述水平运动平台7为二维运动平台，由纵向y分移动和横向x分移动合成水平方向的运动。本测量系统还包括能驱动水平运动平台7沿水平横向和水平纵向移动的驱动模块，如电机，所述计算模块连接于所述驱动模块，实现对被测物6的位移精确控制和记录，以能结合反射光波信号进行三维模型计算。

图1中，被测物6上的两个聚焦点表示在两次测试过程中，在左右移动所述水平运动平台7后，在被测物6的表面高、低台阶处分别形成的光斑，两个光斑在同一聚焦倾斜轴线上。

所述反射光路包括第二聚焦透镜5-2、分光镜8、准直镜9和角锥棱镜10。经过被测物6后的反射光依次通过第二聚焦透镜5-2、分光镜8和准直镜9到达角锥棱镜10。角锥棱镜10为一种反射器，由三面相互垂直的平面镜构成的内部全反射器，光线会经角锥棱镜10沿原方向再次反射回分光镜8，再经过分光镜8的反射，侧向射至所述采集光路。由于照明光路产生的光线因为倾斜角度偏转到其他方向无法直接由采集光路进行采集，故添加反射光路中的分光镜8、准直镜9和角锥棱镜10将光线重新聚焦并全反射回分光镜8，再由采集光路进行光点颜色信息采集。

所述采集光路包括：第二色散管镜4-2、探测小孔机构3-2和彩色相机11。从分光镜8反射出的光束，依次通过所述第二色散管镜4-2、探测小孔机构3-2上的探测小孔，到达彩色相机11。

所述计算模块包括计算机12，计算机12分别连接于所述彩色相机11和水平运动平台7的驱动机构，控制和记录二维运动平台7的扫描路径。

本实施方式中还提出一种改进的斜照明式彩色共聚焦检测方法，应用于上述的改进的斜照明式彩色共聚焦测量系统，本检测方法包括以下步骤：

P1，在照明光路上：复色光源1发出复色光，通过光纤2和照明小孔形成复色点光源，复色点光源经过所述第一色散管镜4-1形成色散光，色散之后的光经过第一聚焦透镜5-1聚焦到被测物6表面。这里，色散就是将一束复色光色散成具有不同波长的多束光线，使得不同波长的光线分别聚焦于光轴(照明光路中心线)的不同轴向高度位置处，随着光线波长的增加，光线的孔径角变小，即波长越长的光线聚焦位置越远离第一色散管镜。

P2，将被测物6移动至步骤P1的光束聚焦线上，使被测物6表面出现聚焦光斑，计算模块控制水平运动平台7的水平移动路径，使被测物表面各个测试位置均经过光束聚焦线。水平运动平台7主要用于带动被测物6进行二维扫描运动，结合对水平运动平台7的二维扫描从而完成对整个被测物表面的测量。

P3，在光斑的反射路径上设置反射光路，被测物6上的光斑反射后，依次通过第二聚焦透镜5-2将光线准直，再透过分光镜8，接着透过准直镜9将光线汇聚至角锥棱镜10，角锥棱镜10将光线沿原方向反射，先透过准直镜9将光线准直，再到达分光镜8，经过分光镜8的反射，侧向射至所述采集光路。

P4，从分光镜8反射向采集光路的光线，先通过第二色散管镜4-2将光线汇聚，再通过探测小孔机构3-2上的探测小孔过滤非目标光波，然后到达彩色相机11。彩色相机11作为光学传感器，其接收光波信号，并将光信号转化为电信号，接着将电信号传输至计算机12。计算机12根据该电信号以及水平运动平台7的扫描路径，进行数字图像处理得到物体表面三维形貌特征。这里，需要说明的是，只有聚焦于被测物表面的光线经反射后才能够通过探测小孔，非聚焦于被测物表面的光线会被探测小孔滤除。也就是说，照明小孔、被测物焦点以及探测小孔三者具有共轭的关系。

本测量系统和检测方法适用于在检测如航空发动机转子叶片的表面形貌等几何空间受到限制的情况下，检测样品表面形貌、台阶高度、表面粗糙度、平面度和透明材料的厚度等。本发明不仅适用于水平表面的探测，也适用于竖直表面的探测。将本发明的整个测量装置沿逆时针旋转90度即可完成对竖直表面的探测。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。