專利名稱：并行像散三維光聚焦探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)三維形貌檢測技術(shù)，特別是光聚焦檢測技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代科技的高速發(fā)展，使得零件的特征尺寸越來越小，精度也越來越高。對這些零件的三維形貌進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測，成為現(xiàn)代測試方法和儀器研究的重要課題。共焦測量方法由于其高精度、高分辨率及易于實(shí)現(xiàn)三維成像數(shù)字化的獨(dú)特優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的共焦測量大多采用單點(diǎn)瞄準(zhǔn)加掃描的方法來實(shí)現(xiàn)二維瞄準(zhǔn)，不但掃描機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，而且振動的影響限制了測量精度和速度的提高。
近年來出現(xiàn)了一種基于微光學(xué)器件的非掃描全場共焦技術(shù)。這種方法通過微光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)對光束的分割，從單點(diǎn)掃描變?yōu)槎嗦凡⑿刑綔y，同步對被測表面的不同點(diǎn)進(jìn)行瞄準(zhǔn)檢測，從而實(shí)現(xiàn)全場同步測量。采用CCD面陣上的像元代替小孔光闌來截取共焦點(diǎn)像的光強(qiáng)。但是這種方法由于光源的漂移，會造成測量過程中的光強(qiáng)基準(zhǔn)誤差；應(yīng)用在全場并行測量時(shí)，光源的噪聲又會造成不同探測點(diǎn)的光源基準(zhǔn)不同，造成測量平面誤差；CCD器件也存在靈敏度問題，這些都影響了測量結(jié)果的精度；傳統(tǒng)的共焦方法中，要提高軸向分辨率，就要減小縱向采樣間隔，但這樣會造成測量速度的減慢。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是避免上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高速度的并行像散三維光聚焦探測裝置。實(shí)現(xiàn)在較大采樣間距下獲得高的軸向分辨率，有效解決測量分辨率和測量速度之間的矛盾；同時(shí)可以有效抑制光源噪聲和漂移產(chǎn)生的影響，提高測量精度。
本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本實(shí)用新型由光學(xué)探頭、CCD圖象采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成，所述光學(xué)探頭以中心點(diǎn)同處在光軸線a上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點(diǎn)光源、準(zhǔn)直透鏡、微透鏡陣列、針孔陣列、分束鏡、物鏡和可軸向移動的被測物件。
本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在垂直于光軸線a的方向上、位于所述CCD探測面前方，設(shè)置像散透鏡，像散透鏡及CCD探測面的中心點(diǎn)在光軸線b上，中心點(diǎn)連線垂直并相交于光軸線a、交點(diǎn)在分束鏡中心，像散透鏡、CCD探測面所在平面均垂直于光軸線b、與分束鏡的反射面相對。
本實(shí)用新型中光學(xué)探頭的測量原理是利用像散元件產(chǎn)生的像散，在焦點(diǎn)附近像散光束軸向不對稱性，在最佳焦點(diǎn)的兩邊出現(xiàn)水平方向或垂直方向的像散線。把被測點(diǎn)離焦量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣獍卟煌较虻墓饽艿淖兓?jīng)過光電探測元件探測，就可得到離焦量。當(dāng)被測物體沿軸向掃描移動時(shí)，由于物體上各點(diǎn)的高度不同，相應(yīng)的各點(diǎn)到達(dá)焦平面的距離也不同，物體上各點(diǎn)到焦平面的距離就可以表征物體的輪廓高度。
與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在并行全場檢測中使用像散法，可以采用同光斑光強(qiáng)差動算法，光源的噪聲和漂移同時(shí)作用在光斑的四個(gè)象限，故差動后的輸出信號可以有效抑制光源噪聲和漂移產(chǎn)生的影響。采用像散法的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可大大提高測量速度，而在傳統(tǒng)的共焦方法中，要提高軸向分辨率，就要減小縱向采樣間隔，但這樣會造成測量速度的減慢。本實(shí)用新型利用像散法，由于它具有獨(dú)特的S曲線，中間有很好的線性段，只要縱向采樣間隔在線性范圍內(nèi)，就可以根據(jù)輸出信號與離焦量的線性關(guān)系算出實(shí)際的高度值，這樣就可以獲得小于采樣間隔的分辨率。


圖1為本實(shí)用新型被測點(diǎn)處在正焦位置像散法原理圖。
圖2為本實(shí)用新型被測點(diǎn)處在近焦位置像散法原理圖。
圖3為本實(shí)用新型被測點(diǎn)處在遠(yuǎn)焦位置像散法原理圖。
圖4為本實(shí)用新型探測單元光強(qiáng)差動輸出與離焦量關(guān)系曲線圖。
圖5為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
像散法測量原理如圖1所示。
參見圖1、圖2和圖3，當(dāng)被測面上的被測點(diǎn)處在正焦距離時(shí)，被測點(diǎn)對應(yīng)的反射光斑在CCD敏感面上為圓形，被測面的各點(diǎn)在不同離焦情況下，CCD上對應(yīng)的光斑形狀發(fā)生不同的變化。
按每個(gè)光斑的大小，將CCD敏感面的象素分為一個(gè)個(gè)探測單元，一個(gè)探測單元對應(yīng)一個(gè)光斑。將探測單元分為一個(gè)以45度分離線分離的四個(gè)象限，若四個(gè)象限接受的光強(qiáng)分別為A1、A2、A3、A4。以(A1+A3)-(A2+A4)為探測單元光強(qiáng)差動輸出信號T。則對于圖1(a)中被測點(diǎn)處在焦平面上時(shí)，探測單元上的光斑為圓形，探測器輸出T＝0；圖2所示，當(dāng)被測點(diǎn)位置偏向物鏡時(shí)，反射光的成像面離遠(yuǎn)，探測單元上的光斑成橢圓，且長軸在y軸，T＜0。反之，如圖3所示，當(dāng)被測點(diǎn)偏離物鏡時(shí)，橢圓光斑長軸在X軸，探測單元輸出T＞0。由此可見，待測面高度變化，CCD探測單元輸出變化。被測物體由高精度位移驅(qū)動器作軸向運(yùn)動。當(dāng)經(jīng)過焦平面的時(shí)候，CCD上對應(yīng)的探測單元的輸出信號過零。這樣，被測物體的三維輪廓提取就可以表征為求取各采樣點(diǎn)序列中輸出信號T過零點(diǎn)的采樣位置。
根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，可計(jì)算出與被測點(diǎn)離焦量相對應(yīng)的探測器輸出信號變化，得到如圖4所示的S曲線特性圖。
由此輸出曲線可看出較大的線性段，且在焦點(diǎn)過零。只要縱向采樣間隔在線性范圍內(nèi)，就可以根據(jù)輸出信號與離焦量的線性關(guān)系算出實(shí)際高度值，這樣就可以獲得小于采樣間隔的分辨率，實(shí)現(xiàn)在較大采樣間距下獲得較高的軸向分辨率，有效解決測量分辨率和測量速度之間的矛盾。曲線的線性范圍和靈敏度與光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)有關(guān)。
參見圖5，本實(shí)施例具體由光學(xué)探頭、CCD圖象采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成。其中，光學(xué)探頭以中心點(diǎn)同處在光軸線a1上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點(diǎn)光源3、準(zhǔn)直透鏡4、微透鏡陣列5、針孔陣列6、分束鏡7、物鏡8和可軸向移動的被測物件9。其中準(zhǔn)直透鏡4、微透鏡陣列5、針孔陣列6及物鏡8所在平面均垂直于光軸線a1，且相互平行，分束鏡7的中心點(diǎn)位于光軸線a1上；分束鏡7上的反射面與物鏡8所在平面成45度角。點(diǎn)光源3位于準(zhǔn)直透鏡4的焦點(diǎn)位置上，微透鏡陣列5位于準(zhǔn)直透鏡4的另外一側(cè)。針孔陣列6位于微透鏡陣列5的焦點(diǎn)位置上。
本實(shí)施例中，在垂直于光軸線1的方向上、位于CCD探測面前方，設(shè)置像散透鏡10，像散透鏡10及CCD探測面的中心點(diǎn)在光軸線b2上，中心點(diǎn)連線垂直并相交于光軸線a1、交點(diǎn)在分束鏡7的中心，像散透鏡10、CCD探測面所在平面均垂直于光軸線b2、與分束鏡7的反射面相對。
具體實(shí)施中，像散透鏡10、CCD面可以位于分束鏡7的上方、下方、左方或右方，對應(yīng)設(shè)置的分束鏡7的反射面與物鏡8所在平面的夾角位于光軸線a1的上方、下方、左方或右方。
該系統(tǒng)光學(xué)探頭中采用一個(gè)微透鏡陣列來實(shí)現(xiàn)一個(gè)二維點(diǎn)光源陣列。單色點(diǎn)光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后變成平行光，照射到微透鏡陣列上。利用微透鏡陣列將光束分割會聚，提高了光能利用率；在微透鏡陣列的焦平面固定一小孔陣列，小孔與透鏡一一對應(yīng)，且小孔口徑與對應(yīng)的微透鏡焦斑大小相近。采用小孔光闌阻擋了雜散光的通過，提高了信噪比。微透鏡陣列產(chǎn)生的點(diǎn)光源的光束通過分束鏡，由物鏡聚焦到被測物表面，反射光經(jīng)過分束鏡，被反射到像散透鏡，使得反射光產(chǎn)生像散，最后成像到黑白CCD探測面上。圖像采集系統(tǒng)中以黑白CCD作為信號探測元件，探測經(jīng)過像散透鏡后的像散光斑陣列，圖像采集卡將CCD圖像采集入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算。位移機(jī)構(gòu)由位移平臺和位移驅(qū)動電路組成，帶動被測物在縱向步進(jìn)位移。
本實(shí)用新型的工作過程如下1、將被測物固定在位移平臺上，打開光源開關(guān)、CCD電源和計(jì)算機(jī)，運(yùn)行測量程序；2、通過位移驅(qū)動電路控制位移平臺在縱向(Z軸方向)步進(jìn)位移，每步進(jìn)一步，CCD采集一幅圖象；3、對采集圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得各光斑點(diǎn)所對應(yīng)的CCD單元的灰度值，計(jì)算出該探測單元光強(qiáng)差動輸出T(i，j)。得到每剖面的信號列陣為
|xi，yj，T(i，j)|(i＝1，2，.........n；j＝1，2，.......m)式中，n和m分別為點(diǎn)光源陣列的列數(shù)和行數(shù)4、光源陣列在縱向(Z軸方向)形成并行剖面n次，設(shè)各剖面的間距均為ΔZ，此值由微位移驅(qū)動器的的步進(jìn)距離決定。采樣點(diǎn)的(i，j)處的采樣列陣為[Z1，T1(i，j)]，[Z2，T2(i，j)]，.....，[Zn，Tn(i，j)]式中，T為CCD探測單元輸出信號，Zn為縱向掃描高度。
5、對以上n剖面的輸出信號值進(jìn)行比較處理，找到過零值Tk(i，j)＝0，確定所處的剖面層k，則該點(diǎn)高度為Zk＝kΔZ。若沒有過零值，則可以根據(jù)落在S曲線線性段的采樣點(diǎn)所在剖面位置算出高度值。
6、用Zk替換T(i，j)，得到測量面的三維值為|xi，yj，Zk|(i＝1，2，......n；j＝1，2，......m)7、用計(jì)算機(jī)圖像處理軟件畫出三維形貌。
權(quán)利要求1.并行像散三維光聚焦探測裝置，由光學(xué)探頭、CCD圖象采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成，所述光學(xué)探頭以中心點(diǎn)同處在光軸線a(1)上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點(diǎn)光源(3)、準(zhǔn)直透鏡(4)、微透鏡陣列(5)、針孔陣列(6)、分束鏡(7)、物鏡(8)和可軸向移動的被測物件(9)，其特征是在垂直于光軸線a(1)的方向上、位于所述CCD探測面前方，設(shè)置像散透鏡(10)，像散透鏡(10)及CCD探測面的中心點(diǎn)在光軸線b(2)上，中心點(diǎn)連線垂直并相交于光軸線a(1)、交點(diǎn)在分束鏡(7)中心，像散透鏡(10)、CCD探測面所在平面均垂直于光軸線b(2)、與分束鏡(7)的反射面相對。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并行像散三維光聚焦探測裝置，其特征是像散透鏡(10)、CCD面位于分束鏡(7)的上方、下方、左方或右方，對應(yīng)設(shè)置的分束鏡(7)的反射面與物鏡(8)所在平面的夾角位于光軸線a(1)的上方、下方、左方或右方。
專利摘要并行像散三維光聚焦探測裝置，由光學(xué)探頭、CCD圖象采集處理和位移機(jī)構(gòu)組成，所述光學(xué)探頭以中心點(diǎn)同處在光軸線a上、自一側(cè)至另一側(cè)依次設(shè)置為點(diǎn)光源、準(zhǔn)直透鏡、微透鏡陣列、針孔陣列、分束鏡、物鏡和可軸向移動的被測物件，其特征是在垂直于光軸線a的方向上、位于所述CCD探測面前方，設(shè)置像散透鏡，像散透鏡及CCD探測面的中心點(diǎn)在光軸線b上，中心點(diǎn)連線垂直并相交于光軸線a、交點(diǎn)在分束鏡中心，像散透鏡、CCD探測面所在平面均垂直于光軸線b、與分束鏡的反射面相對。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，具有高精度、高速度的優(yōu)異性能。
文檔編號G01B21/20GK2588324SQ02293069
公開日2003年11月26日 申請日期2002年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月25日
發(fā)明者王永紅, 余曉芬, 俞建衛(wèi), 黃其圣 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)