[實用新型]一種光學三維成像裝置

有效

• 申請號: 201521030458.8
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN205192445U
• 公開（公告）日: 2016-04-27
• 發明（設計）人: 周向前;瞿鑫
• 申請（專利權）人: 常州雷歐儀器有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京律誠同業知識產權代理有限公司 11006
• 代理人: 梁揮;尚群

技術領域

本實用新型涉及一種光學三維成像裝置，特別是一種超高速光學三維成像裝置。

背景技術

隨著工業加工生產、安檢、產品質量監控等各技術領域對產品加工要求的提高，各行業對檢測和監控精度和速度的要求也越來越高。與此同時，各領域對三維形貌的檢測需求也越來越多，因此，超高速的高精度光學三維形貌檢測技術是未來工業檢測的技術發展趨勢。對于不同的應用領域，快速三維成像技術還應當具備超高的配置靈活性和可集成性，也就是說，快速三維成像技術將被集成到各個領域的生產線中，最廉價的解決方案是在現有的平面檢測技術上升級，實現低投入高產出。

傳統白光干涉儀，利用干涉光路和CCD相機實現的三維表面形貌測量。通過探測干涉關系的變化來實現深度的測定，這種測試需要對樣品表面作XY方向的逐點掃描和z方向逐層掃描，且每個掃描面都需要輸出大量的數據，因此掃描的速度很慢，且對于大面積掃描，需要做長時間的圖像拼接，整個測試的時間會大大增加。這種技術對工作環境要求也比較高，特別是減震，樣品臺不能有太大振動。

鏡頭式原子力顯微鏡，實現方式為在光學顯微鏡的物鏡上安裝原子力顯微模塊，該模塊包含原子力探針，微型XY壓電位移平臺和數據接收、傳輸端口，利用光學顯微鏡的成像功能對樣品進行觀察，找到待測區域后再利用原子力顯微模塊對待測區域進行三維形貌表征，測量分辨率可高于光學成像分辨率，但由于XY方向要通過位移平臺的運動作逐點掃描和探針式測量的限制，這種方法的測量范圍小，XY方向只有幾百個微米，Z方向只有幾十個微米，三維成像需要探針在XY方向逐點掃描，測量時間很長。通常測一幅三維形貌圖的時間為幾十分鐘的時間。

共聚焦激光掃描三維成像儀，利用共聚焦光路和激光的掃描來實現樣品表面的三維成像，這種成像技術可以實現超高的分辨率。但是激光需要改變聚焦平面，逐層掃描，每次共聚焦Z方向掃描只能得到單層單點的數據，這樣就使得成像速度大大的降低。

三坐標測量儀，可測量部件的三維立體表面形貌，但測量過程是對被測物件的表面進行逐點測量，想要測出部件的整體的三維形貌需要的時間非常長。由于體積較大，該技術集成到產線上需要較大的空間，而且需要精確的三維移動控制，同時測量精度無法達到微米以下。使用于較大的零件三維立體結構的測量。

立體光三維成像，利用立體光成像可以實現零件立體輪廓成像，這種技術需要反復配置光源的位置，這樣測量時間就無法縮短，同時，測量精度最高只能到達幾個微米。適合于較大的零件表面三維成像。一旦零件變小，基本無法測量，而且零件表面需要提前做標記。

目前現有的高精度三維成像裝置都無法克服速度這個瓶頸，如何在現有技術的基礎上實現快速高精度三維成像成為工業以及科研領域迫切的需求。

實用新型內容

本實用新型所要解決的技術問題是針對現有技術的上述缺陷，提供一種超高速光學三維成像裝置，在白光干涉的基礎上集成高速三維成像模塊，實現快速高精度三維成像。

為了實現上述目的，本實用新型提供了一種光學三維成像裝置，其中，包括：

光學顯微鏡系統，用于生成待測物體的顯微光路并獲得所述待測物體的平面坐標信號；

三維表面成像模塊，與所述光學顯微鏡系統連接，用于生成干涉光路并通過一次掃描探測得到所述待測物體整個視場內每個像素點的高度坐標信號，并將所述平面坐標信號和所述高度坐標信號經計算處理后直接生成并輸出待測物體的三維圖像，以實現快速三維表面成像；以及驅動機構，與所述待測物體或所述三維表面成像模塊連接，用于實現對所述待測物體沿光軸方向的掃描。

上述的光學三維成像裝置，其中，所述光學顯微鏡系統為光學顯微鏡、光學放大鏡或者物鏡。

上述的光學三維成像裝置，其中，所述三維表面成像模塊包括：

白光光源，用于提供三維表面成像的光源；

干涉光路，用于生成干涉光路并通過一次掃描探測得到所述待測物體整個視場內每個像素點的高度坐標信號；

陣列式CMOS傳感器，用于接收所述干涉光路的信號并輸出平面坐標信號和所述高度坐標信號；以及

智能像素芯片，用于對所述平面坐標信號和所述高度坐標信號進行背景信號補償、鎖相放大及高度坐標計算后，生成所述三維圖像并輸出。

上述的光學三維成像裝置，其中，所述干涉光路包括：