[發明專利]基于結構光照明的面形測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201711238219.5
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108007382B
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 劉辰光;劉儉;趙一軒;陳剛;李勇;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學;北京銳馳恒業儀器科技有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B11/25
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 崔自京

1.基于結構光照明的面形測量裝置，其特征在于：包括科勒照明模塊、軸向掃描模塊和探測模塊；

所述科勒照明模塊按照光線傳播方向依次為：科勒照明模塊一(1)、振幅型正弦光柵(2)和管鏡一(3)；

所述軸向掃描模塊按照光線傳播方向依次為：分光鏡一(4)、物鏡一(5)、平面反射鏡(6)、管鏡二(7)、管鏡三(8)、分光鏡二(9)和物鏡二(10)；

所述探測模塊按照光線傳播方向依次為：管鏡四(11)和CCD(12)；

物鏡二(10)的下方設置被測樣品(13)；

所述科勒照明模塊一(1)發出白光，白光經過所述振幅型正弦光柵(2)調制后，依次經過管鏡一(3)、分光鏡一(4)和物鏡一(5)出射到平面反射鏡(6)，反射后的光依次經過物鏡一(5)、分光鏡一(4)、管鏡二(7)、管鏡三(8)、分光鏡二(9)和物鏡二(10)后出射到被測樣品(13)表面；照射在所述被測樣品(13)表面正弦分布的光經樣品表面反射后，依次經過物鏡二(10)和分光鏡二(9)反射，最后被管鏡四(11)會聚在所述CCD(12)上，獲得圖像。

2.根據權利要求1所述的基于結構光照明的面形測量裝置，其特征在于：所述平面反射鏡(6)軸向最大移動范圍等于物鏡一(5)的焦深。

3.根據權利要求1所述的基于結構光照明的面形測量裝置，其特征在于：所述管鏡一(3)和管鏡二(7)焦距相等。

4.基于結構光照明的面形測量方法，該方法是基于權利要求1～3中任一所述基于結構光照明的面形測量裝置實現的，其特征在于：具體步驟：

數據采集步驟：

步驟a、科勒照明模塊一(1)發出白光，白光經過振幅型正弦光柵(2)調制后，依次經過管鏡一(3)、分光鏡一(4)和物鏡一(5)出射到平面反射鏡(6)，反射后的光依次經過物鏡一(5)、分光鏡一(4)、管鏡二(7)、管鏡三(8)、分光鏡二(9)和物鏡二(10)后出射到被測樣品(13)表面；

步驟b、照射在樣品表面正弦分布的光經樣品表面反射后，依次經過物鏡二(10)和分光鏡二(9)反射，最后被管鏡四(11)會聚在CCD(12)上，獲得圖像；

步驟c、設置平面反射鏡(6)初始位置位于物鏡一(5)的準焦面②，則共軛正弦光位于物鏡二(10)的準焦面②’，設置平面反射鏡(6)軸向掃描范圍D₁+D₂，則對應共軛正弦光軸向掃描范圍為D₁’+D₂’，平面反射鏡(6)位置與共軛正弦光位置對應關系為D₁/D₁’＝D₂/D₂’＝(M₁M₂)²；所述D₁為平面反射鏡(6)遠焦位移，D₁’為共軛正弦光近焦位移，D₂為平面反射鏡(6)近焦位移，D₂’為共軛正弦光遠焦位移，M₁為物鏡一(5)與管鏡二(7)的焦距比值，M₂為管鏡三(8)與物鏡二(10)的焦距比值；

步驟d、設置掃描層數為N，則平面反射鏡(6)掃描步進為(D₁+D₂)/N，共軛正弦光軸向掃描步進為(D₁’+D₂’)/N，在每個軸向位置CCD(12)進行一次圖像采集，最終獲得N幅圖像；

數據處理步驟：

步驟e、圖像分割：將CCD采集的每幅M×M大小的圖像分割為J×J個L×L大小的子圖；

步驟f、軸向響應計算：將相同橫向位置的N個子圖分別進行L階離散傅里葉變換，求得每幅子圖在頻率f處的分量，得到該橫向位置的軸向響應；

所述步驟f中子圖在頻率f處分量計算方法為其中f(x,y)為圖像在(x,y)處的像素值，m、n分別為x、y所對應的頻率分量；

步驟g、峰值位置擬合：以高斯函數為目標函數，擬合軸向響應得到峰值位置，即為該點的相對高度；

步驟h、對J組子圖集進行步驟b和步驟c的操作，最終可以得到每個橫向位置處樣品的相對高度，獲得樣品面形。