[發明專利]基于光場顯微成像的微尺度三維工業檢測系統

在審

• 申請號: 201710268370.7
• 申請日: 2017-04-22
• 公開（公告）號: CN107702660A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 曹后平;劉曙光;趙洲
• 申請（專利權）人: 廣州首感光電科技有限公司
• 主分類號: G01B11/22
• 分類號: G01B11/22;G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及顯微成像、機器視覺領域，特別是涉及一種帶有微透鏡陣列的基于光場顯微成像的微尺度三維工業檢測系統。

背景技術

工業制造中的工業檢測領域常常會用到機器視覺技術來解決問題。工業檢測中，對于微尺度物體，通常采用多種類型的三維檢測技術對產品做檢測。三維檢測并非仰賴單一技術，各種不同的重建技術都有其優缺點，目前并無通用重建技術，儀器與方法往往受限于物體的表面特性。例如光學技術不易處理閃亮(高反照率)、鏡面或半透明的表面，而激光技術不適用于脆弱或易變質的表面。

對于微尺度物體，工業檢測目前采用的主流方法有以下幾種：多目立體視覺系統、三維激光掃描技術等。多目立體視覺系統雖然有著較為低廉的成本，但其精度以及對拍攝條件的要求很高，適用性不強，需要有較大的拍攝窗口布置相機，對于微尺度物體來說測量窗口更加不易布置。三維激光掃描技術可以快速、大量的采集空間點位信息，但存在著普遍成本過高，精度、測距與掃描速率存矛盾、不適用于精密表面等缺點，也無法滿足微尺度物體較小的測量窗口要求。光場成像技術通過單臺設備、單拍攝即可實現對復雜物體的三維形態測量，非常適用于在微尺度測量替代現有工業檢測相機，在簡化硬件系統、減低成本的同時，實現對微尺度物體的三維尺寸測量。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種新型基于光場相機的顯微鏡深度測量系統，能夠在較小的測量窗口下，通過一次拍攝，實時處理得到微尺度零件的深度信息，并進行三維重構。應用于工業檢測時，能夠實時得到微尺度零件的精確測量結果和三維重構信息。

為了實現上述目的，本發明是通過以下技術來實現的，本發明包括光場顯微相機系統和數據處理系統；光場顯微相機系統由光場顯微相機、環形光源、相機校準板構成，光場顯微相機由物鏡、鏡筒、鏡筒透鏡、微透鏡陣列、CCD/CMOS圖像傳感器構成；數據處理系統包括GPU高速圖像并行處理單元、基于光場相機的深度估計算法、基于光場顯微鏡的三維重建算法。

優選地，本發明還包括環形光源，環形光源均勻地安裝在物鏡前，以提高待測物體表面的成像質量，提高重建精度。

優選地，在本發明中，物鏡、鏡筒透鏡、微透鏡三者應相互匹配，且符合以下關系：

其中F_m為微透鏡陣列7焦距，D_m為微透鏡陣列7通光直徑，F_o為物鏡5焦距，F_t為鏡筒透鏡6焦距，NA為物鏡5數值孔徑。

拍攝物體前，需要將相機校準板置測量平臺上并用光場顯微相機系統拍攝，之后打開環形光源，將零件放置在物鏡前通過光場顯微相機系統拍攝得到數據，所得的數據傳入GPU高速圖像并行處理單元，由深度算法得出深度信息，三維重建算法得到三維形貌。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：首先，相比于普通多目立體視覺系統，本發明采用了單相機系統，使得該系統的體積減小，滿足微尺度物體對于測量窗口的要求，同時減少成本，對被拍攝物體的要求很低，裝置簡易。相對于激光掃描技術，本測試系統無需機械往復移動機構，減少了因機械振動帶來的測量誤差。同時，相比于激光掃描技術單次測量僅能提供單點三維數據的缺點，光場單相機可以通過一次拍攝提供零部件全部的深度信息和表面三維結構。

附圖說明

圖1是本發明實際檢測工作示意圖

圖2是本發明的光場顯微相機示意圖；

圖3是本發明的實例校準示意圖；

附圖中各部件的標記如下：1、光場顯微相機，2、環形光源，3、待測物體，4、圖像處理模塊，5、物鏡，6、鏡筒透鏡，7、微透鏡陣列，8、CCD/CMOS圖像傳感器，9、相機校準板。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。

在本發明的描述中需要理解的是，術語“上”“下”“左”“右”指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位和位置關系，僅僅是為了方便描述本發明的結構和操作方式，而不是指示或者暗示所指的部分必須具有特定的方位、以特定的方位操作，因而不能理解為對本發明的限制。