一种线白光表面轮廓测量方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111412861A(43)申请公布日2020.07.14(21)申请号202010249008.7(22)申请日2020.03.31(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号(72)发明人张效栋朱琳琳李栾闫宁房长帅(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人程毓英(51)Int.Cl.G01B11/24(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种线白光表面轮廓测量方法(57)摘要本发明涉及一种线白光表面轮廓测量方法，在成像光路中设置狭缝光阑，透过狭缝只有一个长方形的光条照射到被测样本上，在狭缝光阑作用下CCD摄像机拍摄到的图像仅有中间一个长方形白带，其他部分为黑色。当测量系统测量时产生的干涉图像被狭缝光阑截断，在长方形白带上只有部分干涉条纹，测量不同高度的被测物时，长方形白带上的干涉条纹随着不同的被测高度发生横向平移，通过对视野内的长方形白带进行测量，将沿着长方形白带的中点视为参考点，干涉条纹的相干峰在长方形白带中的横向移动量表现为垂直方向的高度，并配合外部轴系位移平台实现表面轮廓的跟踪扫描测量。CN111412861ACN111412861A权利要求书1/1页1.一种线白光表面轮廓测量方法，基于白光干涉的干涉特性，在成像光路中设置狭缝光阑，透过狭缝只有一个长方形的光条照射到被测样本上，被测样本反射的光经干涉物镜返回视场，与干涉物镜内的参考镜反射回来的光线在成像光路中发生干涉，干涉图像由CCD摄像机接收，在狭缝光阑作用下CCD摄像机拍摄到的图像仅有中间一个长方形白带，其他部分为黑色。当测量系统测量时产生的干涉图像被狭缝光阑截断，在长方形白带上只有部分干涉条纹，测量不同高度的被测物时，长方形白带上的干涉条纹随着不同的被测高度发生横向平移，通过对视野内的长方形白带进行测量，将沿着长方形白带的中点视为参考点，干涉条纹的相干峰在长方形白带中的横向移动量表现为垂直方向的高度，并配合外部轴系位移平台实现表面轮廓的跟踪扫描测量。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，测量步骤为：第一步，将被测样本定位为使最佳聚焦点尽可能接近正在成像的长方形白带的参考点Xi；这样的最佳聚焦点被确定为聚焦算法中具有最大轴向响应点的点；第二步，在设置初始位置之后，样本沿水平X轴以恒定速度移动；当沿着X轴移动时，CCD摄像机的位置沿垂直Z轴同步联动变化；此联动的执行方式是使曲面的最佳聚焦点尽可能靠近参考点；使用聚焦算法获得该最佳聚焦点，以此方式跟踪被测样本表面轮廓；第三步，在执行跟踪时，CCD摄像机以恒定的帧频获取相应视场的一系列长方形白带图像；CCD摄像机触发X，Y和Z轴位移平台位置传感器的读取，对于每个获取的长方形白带图像都获得一个记录坐标值点(Xi,Yi,Zi)；第四步，解算出干涉条纹相干峰值点与参考点的像素坐标横纵坐标差值△Xi，△Yi，再根据物镜的放大倍率β值，恢复解算出每一帧长方形白带图像对应的测量系统中最佳聚焦点的坐标为(Xi+β△Xi，Yi+β△Yi，Zi)；从而得到被测样本轮廓和标准样本的轮廓。3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，第一步和第二步所述的聚焦算法包括下列步骤：(1)获取长方形白带图像的中心线：在以当前Z轴位置为中心的一段距离内做等间距的扫描，每一个扫描点都获取一张长方形白带图像；对每一张长方形白带图像，遍历每一列，求取一列以像素灰度值为权重的重心；为了消除背景噪音对重心计算的影响，设置一个像素灰度值阈值，为一列像素灰度值最大值与最小值的一半，对所有像素灰度值超过这个阈值的点，进行重心计算；每一列像素都计算得到一个像素重心坐标后，对这些重心坐标进行最小二乘法直线拟合，拟合的直线即认为是长方形白带图像的中心线；(2)在拟合的直线上面采样像素点，定义长方形白带图像像质评价函数为拟合的长方形白带图像的中心线上相邻像素灰度值差分的平方和，进行第一轮扫描以后，将测量系统CCD摄像机移动到像质评价函数值最大的那张长方形白带图像对应的Z轴坐标位置，以此位置为中心，在更小的范围内进行第二轮扫描，得到最终的最佳聚焦点。2CN111412861A说明书1/4页一种线白光表面轮廓测量方法技术领域[0001]本发明涉及一种新型线白光表面轮廓测量方法。背景技术[0002]众所周知，球面光学系统的性能受到像差的限制。应用非球面和自由曲面光学，可以在减少元件数量、尺寸和整个系统重量的同时，减小甚至消除几何像差。非球面和自由曲面在蓝光播放机、手机和数码相机、红外光学成像、激光二极管和LED准直光学、光纤耦合器、人工晶体等领域有着广泛的应用。近年来，由于人们对这种复杂的光学表面的需求，新的光学加工制造技术得