專利名稱：物體表面形貌與顏色同時(shí)測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種物體表面形貌與顏色同時(shí)測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
外觀，物體表面形狀形貌與顏色的統(tǒng)稱，是物體自身的一項(xiàng)重要屬性。人類認(rèn)識(shí)外部世界80%源于視覺(jué)。在人眼看到某物體的最初瞬間，80%的信息來(lái)源于物體的色彩，在2 分鐘以后，顏色與物體外形的感知比率達(dá)到1:1。形狀形貌，某物體或產(chǎn)品的另一重要體表特征。生活用品的外觀都是影響其美觀性、使用性能、市場(chǎng)占有率的重要因素。對(duì)于工業(yè)、交通、科研、航空航天及國(guó)防等高精尖技術(shù)領(lǐng)域而言，零件的外形就更加重要，常常是該零件工作性能的主要影響因素。大型的工業(yè)產(chǎn)品或零部件，整體形狀的測(cè)量技術(shù)主要有投影云紋技術(shù)、光刀測(cè)量技術(shù)、激光三角法及接觸探針式測(cè)量技術(shù)。對(duì)于微小零件，尤其是MEMES器件而言，形貌測(cè)量要求的精度達(dá)到納米水平，目前使用的輪廓測(cè)量技術(shù)主要包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、共焦顯微輪廓術(shù)、白光干涉輪廓術(shù)、接觸式探針測(cè)量?jī)x及原子力顯微鏡等。另一方面，顏色已經(jīng)成為評(píng)定許多產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。在許多行業(yè)中，顏色的技術(shù)指標(biāo)越來(lái)越重要。產(chǎn)品顏色測(cè)量不準(zhǔn)確或者不同位置的色差識(shí)別不準(zhǔn)，將會(huì)造成次品或廢品，給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。顏色測(cè)試儀器應(yīng)用行業(yè)較廣，可應(yīng)用與國(guó)防、交通、汽車、家電、醫(yī)藥、油漆、和塑料等行業(yè)，市場(chǎng)前景十分廣闊。顏色測(cè)量的方法有目視法、密度檢測(cè)法、光電積分法及光譜光度法。其中光譜光度法的測(cè)量精度是公認(rèn)的權(quán)威方法。但是這些方法大都是單點(diǎn)測(cè)量，難以全面的反應(yīng)物體的表面顏色特征。全面的反應(yīng)樣品表面形貌及顏色信息的測(cè)量方法是非常有必要的。工業(yè)設(shè)計(jì)中外觀形貌和顏色是決定產(chǎn)品外在屬性的重要指標(biāo)；在金屬材料科學(xué)中，斷裂后斷口的形貌(包括粗糙度)、顏色等是分析材料斷裂機(jī)理的重要判據(jù)；在化學(xué)功能性顆粒制備過(guò)程中，同時(shí)控制顆粒的顏色、粒徑等，可以提高顆粒的應(yīng)用性能；國(guó)防科技中，功能化元器件或產(chǎn)品需要涂覆隱蔽色等。目前為止，學(xué)術(shù)報(bào)刊或產(chǎn)品資料中尚未有同時(shí)測(cè)量物體外觀形貌及顏色的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種物體表面形貌與顏色同時(shí)測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置及其使用方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不能同時(shí)測(cè)量形貌或顏色的不足。為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供以下的技術(shù)方案一種兼具外觀形貌和顏色測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置，包括標(biāo)準(zhǔn)白光光源，多模導(dǎo)光光纖，光纖頭端部，光纖頭夾持器，聚焦光學(xué)系統(tǒng)，樣品三維掃描平臺(tái)，白光共焦式位置測(cè)量單元，光譜式顏色識(shí)別單元及計(jì)算機(jī)，所述標(biāo)準(zhǔn)白光光源、白光共焦式位置測(cè)量單元、光譜式顏色識(shí)別單元分別通過(guò)光纖與光纖頭端部連接；光纖端部由光纖頭夾持器所夾持；光纖頭端部、聚焦光學(xué)系統(tǒng)及樣品三維掃描平臺(tái)共光路設(shè)置；所述樣品三維掃描平臺(tái)、白光共焦式位置測(cè)量單元、光譜式顏色識(shí)別單元分別與計(jì)算機(jī)連接。上述裝置的使用方法是，依次包括下述步驟
將被測(cè)樣品設(shè)置于樣品三維掃描平臺(tái)上，標(biāo)準(zhǔn)白光光源發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)光纖，被聚焦光學(xué)系統(tǒng)匯聚，在被測(cè)樣品表面聚焦成光斑并被反射；反射光原路返回，進(jìn)入光纖頭端部里的芯徑，經(jīng)光纖分光后分別進(jìn)入光譜分析單元及位置傳感單元，分別得到樣品該點(diǎn)處的顏色及微高度信息；樣品三維掃描平臺(tái)帶動(dòng)樣品做三維掃描運(yùn)動(dòng)，便可達(dá)到樣品表面的形貌及對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色信息；
在縱向掃描過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)白光光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖頭端部，由聚焦光學(xué)系統(tǒng)匯聚，此時(shí)光纖內(nèi)包芯相當(dāng)于傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)中的擴(kuò)束器針孔；物體表面A的反射光可以原路返回二次進(jìn)入光纖，而離焦面的反射光光纖包層或頭部夾持器阻擋，無(wú)法回到導(dǎo)光光纖，此時(shí)光纖包芯作為共焦探測(cè)針孔；隨聚焦點(diǎn)在表面位置以上到表面再到表面以下的改變，位置傳感單元和光譜式顏色識(shí)別單元分別得到了一組離散信號(hào)，這兩組信號(hào)具有相同的離散個(gè)數(shù)， 并且是一一對(duì)應(yīng)的，所得信號(hào)送入計(jì)算機(jī)；
計(jì)算機(jī)首先處理位置傳感單元的共焦光強(qiáng)信號(hào)，提取其信號(hào)最大值，并確認(rèn)獲得該信號(hào)的縱向位置；然后，計(jì)算機(jī)保留該位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光譜儀信號(hào)，根據(jù)不同波長(zhǎng)的顏色反射率，得到X、Y、Z三基色刺激值，再由X、Y、Z按CIE Yxy, CIE Lab公式計(jì)算色品坐標(biāo)xy， CIELAB色度參數(shù)，獲得了樣品該點(diǎn)處的顏色信息；
完成單點(diǎn)掃描后，計(jì)算機(jī)控制載物臺(tái)對(duì)物體進(jìn)行三維掃描，便實(shí)現(xiàn)了其外觀的綜合測(cè)量。本發(fā)明提供的裝置和使用方法在物體輪廓測(cè)量的同時(shí)，可以細(xì)膩地觀察不同點(diǎn)的顏色質(zhì)量，使人們快捷、準(zhǔn)確、全面的掌握樣品的外觀信息。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
1在測(cè)量物體表面輪廓的同時(shí)，測(cè)量了其顏色信息，解決了輪廓與顏色信息的匹配問(wèn)題，并且大大提高了測(cè)量效率。2本裝置保留了共焦位置傳感系統(tǒng)固有的高分辨率特性，另外可根據(jù)顏色測(cè)量分辨率需要選擇光譜光度系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的適用度。 3共焦信息采集單元采用標(biāo)準(zhǔn)光纖直插接口，可根據(jù)不同的測(cè)量對(duì)象，選配合適的采集單元，為測(cè)量裝置的系列化提供了保障。


圖1為本發(fā)明測(cè)量裝置示意圖。其中，1-標(biāo)準(zhǔn)白光光源，2-多模導(dǎo)光光纖，3-光纖頭端部，4-樣品三維掃描平臺(tái)， 5-白光共焦式位置測(cè)量單元，6-光譜式顏色識(shí)別單元，7-計(jì)算機(jī)，8-被測(cè)樣品，9-聚焦光學(xué)系統(tǒng)，10-光纖頭夾持器。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述。參見(jiàn)圖1，一種兼具外觀形貌和顏色測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置，包括標(biāo)準(zhǔn)白光光源 1，多模導(dǎo)光光纖2，光纖頭端部3，光纖頭夾持器10，聚焦光學(xué)系統(tǒng)9，樣品三維掃描平臺(tái)4，白光共焦式位置測(cè)量單元5，光譜式顏色識(shí)別單元6及計(jì)算機(jī)7，所述標(biāo)準(zhǔn)白光光源1、白光共焦式位置測(cè)量單元5、光譜式顏色識(shí)別單元6分別通過(guò)光纖2與光纖頭端部3連接；光纖端部3由光纖頭夾持器10所夾持；光纖頭端部3、聚焦光學(xué)系統(tǒng)9及樣品三維掃描平臺(tái)4 共光路設(shè)置；所述樣品三維掃描平臺(tái)4、白光共焦式位置測(cè)量單元5、光譜式顏色識(shí)別單元6 分別與計(jì)算機(jī)7連接。 本發(fā)明提供裝置的使用方法是，依次包括下述步驟
將被測(cè)樣品8設(shè)置于樣品三維掃描平臺(tái)4上，標(biāo)準(zhǔn)白光光源1發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)光纖2，被聚焦光學(xué)系統(tǒng)9匯聚，在被測(cè)樣品8表面聚焦成光斑并被反射；反射光原路返回，進(jìn)入光纖頭端部3里的芯徑，經(jīng)光纖2分光后分別進(jìn)入光譜分析單元6及位置傳感單元5，分別得到樣品該點(diǎn)處的顏色及微高度信息；樣品三維掃描平臺(tái)4帶動(dòng)樣品做三維掃描運(yùn)動(dòng)，便可達(dá)到樣品表面的形貌及對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色信息；
在縱向掃描過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)白光光源1發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖頭端部3，由聚焦光學(xué)系統(tǒng)9匯聚，此時(shí)光纖2內(nèi)包芯相當(dāng)于傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)中的擴(kuò)束器針孔；物體表面A的反射光可以原路返回二次進(jìn)入光纖2，而離焦面的反射光光纖包層或頭部夾持器10阻擋，無(wú)法回到導(dǎo)光光纖，此時(shí)光纖包芯作為共焦探測(cè)針孔；隨聚焦點(diǎn)在表面位置以上到表面再到表面以下的改變，位置傳感單元5和光譜式顏色識(shí)別單元6分別得到了一組離散信號(hào)，這兩組信號(hào)具有相同的離散個(gè)數(shù)，并且是一一對(duì)應(yīng)的，所得信號(hào)送入計(jì)算機(jī)7 ；
計(jì)算機(jī)7首先處理位置傳感單元的共焦光強(qiáng)信號(hào)，提取其信號(hào)最大值，并確認(rèn)獲得該信號(hào)的縱向位置；然后，計(jì)算機(jī)7保留該位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光譜儀信號(hào)，根據(jù)不同波長(zhǎng)的顏色反射率，得到X、Y、Z三基色刺激值，再由X、Y、Z按CIE Yxy, CIE Lab公式計(jì)算色品坐標(biāo)xy， CIELAB色度參數(shù)，獲得了樣品該點(diǎn)處的顏色信息；
完成單點(diǎn)掃描后，計(jì)算機(jī)7控制載物臺(tái)4對(duì)物體進(jìn)行三維掃描，便實(shí)現(xiàn)了其外觀的綜合測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種兼具外觀形貌和顏色測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置，其特征在于包括標(biāo)準(zhǔn)白光光源(1)，多模導(dǎo)光光纖(2)，光纖頭端部(4)，光纖頭夾持器(10)，聚焦光學(xué)系統(tǒng)(9)，樣品三維掃描平臺(tái)(4)，白光共焦式位置測(cè)量單元(5)，光譜式顏色識(shí)別單元(6)及計(jì)算機(jī)(7)，所述標(biāo)準(zhǔn)白光光源(1)、白光共焦式位置測(cè)量單元(5)、光譜式顏色識(shí)別單元(6)分別通過(guò)光纖(2)與光纖頭端部(3)連接；光纖端部(3)由光纖頭夾持器(10)所夾持；光纖頭端部(3)、聚焦光學(xué)系統(tǒng)(9)及樣品三維掃描平臺(tái)(4)共光路設(shè)置；所述樣品三維掃描平臺(tái)(4)、白光共焦式位置測(cè)量單元(5)、光譜式顏色識(shí)別單元(6)分別與計(jì)算機(jī)(7)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兼具外觀形貌和顏色測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置，其特征在于上述裝置的使用方法是，依次包括下述步驟將被測(cè)樣品(8)設(shè)置于樣品三維掃描平臺(tái)(4)上，標(biāo)準(zhǔn)白光光源(1)發(fā)出的光，經(jīng)過(guò)光纖(2)，被聚焦光學(xué)系統(tǒng)(9)匯聚，在被測(cè)樣品(8)表面聚焦成光斑并被反射；反射光原路返回，進(jìn)入光纖頭端部(3)里的芯徑，經(jīng)光纖(2)分光后分別進(jìn)入光譜分析單元(6)及位置傳感單元(5)，分別得到樣品該點(diǎn)處的顏色及微高度信息；樣品三維掃描平臺(tái)(4)帶動(dòng)樣品做三維掃描運(yùn)動(dòng)，便可達(dá)到樣品表面的形貌及對(duì)應(yīng)點(diǎn)的顏色信息；在縱向掃描過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)白光光源(1)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖頭端部(3)，由聚焦光學(xué)系統(tǒng) (9)匯聚，此時(shí)光纖(2)內(nèi)包芯相當(dāng)于傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)中的擴(kuò)束器針孔；物體表面A的反射光可以原路返回二次進(jìn)入光纖(2)，而離焦面的反射光光纖包層或頭部夾持器(10)阻擋，無(wú)法回到導(dǎo)光光纖，此時(shí)光纖包芯作為共焦探測(cè)針孔；隨聚焦點(diǎn)在表面位置以上到表面再到表面以下的改變，位置傳感單元(5)和光譜式顏色識(shí)別單元(6)分別得到了一組離散信號(hào)， 這兩組信號(hào)具有相同的離散個(gè)數(shù)，并且是一一對(duì)應(yīng)的，所得信號(hào)送入計(jì)算機(jī)(7);計(jì)算機(jī)(7)首先處理位置傳感單元的共焦光強(qiáng)信號(hào)，提取其信號(hào)最大值，并確認(rèn)獲得該信號(hào)的縱向位置；然后，計(jì)算機(jī)(7)保留該位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的光譜儀信號(hào)，根據(jù)不同波長(zhǎng)的顏色反射率，得到X、Y、Z三基色刺激值，再由Χ、Υ、Ζ按CIE Yxy, CIE Lab公式計(jì)算色品坐標(biāo)xy， CIELAB色度參數(shù)，獲得了樣品該點(diǎn)處的顏色信息；完成單點(diǎn)掃描后，計(jì)算機(jī)(7)控制載物臺(tái)(4)對(duì)物體進(jìn)行三維掃描，便實(shí)現(xiàn)了其外觀的綜合測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種物體表面形貌與顏色同時(shí)測(cè)量的共聚焦測(cè)量裝置及其使用方法，包括標(biāo)準(zhǔn)白光光源、白光共焦式位置測(cè)量單元、光譜式顏色識(shí)別單元分別通過(guò)光纖與光纖頭端部連接；光纖端部由光纖頭夾持器所夾持；光纖頭端部、聚焦光學(xué)系統(tǒng)及樣品三維掃描平臺(tái)共光路設(shè)置；樣品三維掃描平臺(tái)、白光共焦式位置測(cè)量單元、光譜式顏色識(shí)別單元分別與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)一定的使用方法，在物體輪廓測(cè)量的同時(shí)，可以細(xì)膩地觀察不同點(diǎn)的顏色質(zhì)量，使人們快捷、準(zhǔn)確、全面的掌握樣品的外觀信息。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102506754SQ20111035211
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者劉丙才, 王春慧, 王紅軍, 田愛(ài)玲 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)