一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统技术方案

本发明专利技术是一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，由计算机、准直激光束、数字微镜阵列（DMD）、数字光栅、物理光栅、三个透镜组、待测物体、载物台、CCD图像探测器组成。计算机生成明暗相间图形传输到DMD，准直激光束照射DMD反射后通过一透镜组生成数字光栅，然后通过二透镜组到达载物台上待测物体表面,经待测物体调制后的数字光栅像通过二、三透镜组成像于物理光栅表面，数字光栅像与物理光栅以一定间隙重叠，发生多次衍射，形成放大的莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器上，通过计算机进行图像采集与处理，即可获得待测物体的三维信息。本发明专利技术精度高、操作简单、抗干扰能力强，具有很高的应用价值。

Three dimensional measurement system for micro object surface combined with digital grating and physical grating

The present invention relates to a digital grating and grating physical combination of 3D measurement system of micro object surface by computer, collimated laser beam, digital micromirror array (DMD), digital grating, physical grating, three lens group, object, stage, CCD image detector. Computer generated graphics from the transmission to DMD, collimated laser beam irradiation DMD reflected through a lens to generate digital grating, and then through the two lens group to reach the stage to be measured on the surface, the digital grating modulated by the object as the two or three lens group on imaging physical surface of grating to be tested, like digital grating and physics grating with clearance overlap, multiple diffraction, formation of amplification of the moire fringe, and then imaged on CCD image detector, image acquisition and processing by computer, you can get the 3D information of the object to be tested. The invention has the advantages of high precision, simple operation, strong anti-interference ability and high application value.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，属于测量

技术介绍
在工业设计检测与和微纳加工领域，通过传统的光学显微镜或扫描电镜，我们只能获得被测物体的二维信息。但是，在一些对需要做定量分析的特定场合，如电子元件的实时检测，微纳器件的三维尺寸获取等领域，传统的二维信息测量则不能满足测量需求，而二维信息之外的高度或深度信息测量显得尤其重要。近年来，非接触式测量以其测量速度快，测量精度高，易自动化处理等优点获得了广泛的应用。现行的非接触测量方法有立体视觉测量法、干涉测量法、结构光测量法等。其中，立体视觉测量通过多幅二维强度图像的计算机立体视觉重构，根据被测空间点在不同位置所拍摄的像面上的相互匹配关系，通过特征提取、匹配、重建、三角化及融合等步骤，恢复生成目标物体的三维结构信息。然而此类方法系统结构与算法复杂、处理速度慢，不能达到三维测量中方便、快捷与高精度的要求。干涉测量法的基本原理是运用物波波前和参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹的变形情况判读出被测物的几何形状，此类方法是常用的高精度、高分辨力测量方法之一，但是其对测量环境的要求非常高，系统测量稳定性易受到光学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响。结构光法通过主动投射光场，经被测物体调制后由CCD等传感器接收，然后从携带有三维面形信息的观察光场中解调得到三维结构信息，此类方法测量速度快，测量精度高，在工业检测，产品设计中有较大的应用前景。然而在对微小物体的测量，其光场投射和成像系统结构容易对测量精度造成一定的影响。本专利技术立足于双光栅空间相位干涉成像原理及图像处理相位解析原理，通过提取相移干涉莫尔条纹的相位来获取微小物体的三维信息测量。理论上具有较好抗干扰能力，能实现微小物体高精度三维测量。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统。该系统不易受到光学散斑影响，气压以及温度等因素，测量精度较高，且操作简单易行。为达成所述目的，本专利技术提供一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，其特征在于包括计算机、准直激光束、数字微镜阵列（简称DMD）、数字光栅、物理光栅、3个透镜组、待测物体、载物台、CCD图像探测器。其中，由计算机生成明暗相间的图形传输到DMD，然后准直激光束以一定角度照明DMD后形成图形反射，并沿着第一透镜组的光轴在第二透镜组的表面生成数字光栅，数字光栅经第二透镜组，然后以一定角度入射到位于载物台上的待测物体表面生成数字光栅像，由于待测物体表面的反射,经待测物体调制后的数字光栅像通过第二透镜组与第三透镜再次成像在物理光栅的表面上，当经过第三透镜组后数字光栅的像与物理光栅的两个光栅周期接近时，数字光栅的像与物理光栅以一定间隙重叠，则发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在物理光栅的表面形成周期相对于物理光栅被放大的相移莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器上并通过计算机对图像进行采集处理。通过计算机生成多幅具有一定相移的明暗相间的图形，形成多幅相移数字光栅投射，最终采集多幅相移莫尔干涉条纹进行处理可提取莫尔干涉条纹的相位，进而计算出待测物体的三维信息。优选实施例：所述的一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，其特征在于，数字光栅为由计算机生成明暗相间的图形传输到DMD，然后通过准直激光束照明DMD后形成图形反射，并沿着第一透镜组缩小成与物理光栅周期相接近的虚拟光栅图像。优选实施例：所述的一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，其特征在于，所述的数字光栅周期P1与物体光栅周期P2之间的比例系数为K(0.75<K<1.3)。优选实施例：所述的一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，其特征在于，所述的数字光栅的相移为通过计算机对明暗相间条纹图形的分布进行平行移动获得。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：（1）本专利技术根据空间相位特征直接进行微小物体三维信息测量，不需要机械运动形成相移，可以避免光学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响，达到纳米级高精度，抗干扰能力强。（2）本专利技术通过设计的数字光栅与物理光栅发生衍射成像，再通过简单的图像处理，即能直接实现三维测量，具有成本低，生产效率高等优点。附图说明图1为本专利技术总体结构示意图；图2为本专利技术总体流程框图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。本专利技术提出一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统,如图1所示，由计算机1、准直激光束2、数字微镜阵列（简称DMD）3、第一透镜组4、数字光栅5、第二透镜组6、待测物体7、载物台8、第三透镜组9、物理光栅10、CCD图像探测器11组成。其中，由计算机1生成明暗相间的图形传输到DMD3，然后准直激光束2(本实施实例中入射光波长为550nm)以一定角度（本实施实例中入射角为）照明DMD3后形成图形反射，并沿着第一透镜组4的光轴在第二透镜组6的表面形成数字光栅（5），数字光栅经进入第二透镜组6以一定角度（入射角范围为到，本实施实例中入射角选为）入射到位于载物台8上的待测物体7表面生成数字光栅像，由于待测物体7表面的反射,经待测物体7调制后的数字光栅像通过第二透镜组6与第三透镜组9再次成像在物理光栅10的表面上，当经过第三透镜组9后数字光栅的像与物理光栅10的两个光栅周期接近时，数字光栅的像与物理光栅10以一定间隙(间隙大小为100nm到200μm)重叠，则发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在物理光栅10的表面形成周期相对于物理光栅10被放大的相移莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器10上；最后，通过计算机1对变形条纹图像进行采集处理提取莫尔干涉条纹的相位，进而计算出待测物体的三维信息。如图2所示，本实施实例的测量流程为：首先通过计算机1生成多幅具有相移的明暗相间的图形传输到DMD3，经准直激光束2投射到第一透镜组4后生成相移数字光栅5（本实施实例中，数字光栅像的周期P1为6.8μm）再次经过第二透镜组6后到达待测物体7，由于待测物体7的高度起伏对数字光栅相位进行调制，经调制后的数字光栅像经第二透镜组6与第三透镜组9后与物理光栅10（本实施实例中，物理光栅的周期P2为6μm，周期P1与P2的比例系数K为1.13）叠加干涉，形成放大的多幅相移变形莫尔条纹，然后成像于CCD探测器10上，通过计算机1计算机采集相移变形条纹并进行相位解析获得与待测物体7三维信息相关的相位信息，最终通过三维重构算法获得待测物体7三维信息。本实施实例中通过计算机1控制DMD3并最终生成三幅相移数字光栅，三幅相移数字光栅图使得最终的相移变形莫尔条纹强度为I1,I2和I3，他们之间的相位差分别为0，π/3和2π/3；然后通过三步相移公式对变形莫尔条纹强度为I1,I2和I3，进行处理可获得与待测物体7三维信息相关的相位信息。本专利技术未详细阐述部分属于本领域公知技术。以上所述，仅为本专利技术中的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本专利技术所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，其特征在于由计算机（1）、准直激光束（2）、数字微镜阵列（简称DMD）（3）、第一透镜组（4）、数字光栅（5）、第二透镜组（6）待测物体（7）、载物台（8）、第三透镜组（9）、物理光栅（10）、CCD图像探测器（11）组成；其中，由计算机（1）生成明暗相间的图形传输到DMD（3），然后准直激光束（2）以一定角度照明DMD（3）后形成图形反射，并沿着第一透镜组（4）的光轴在第二透镜组表面生成数字光栅（5），数字光栅经第二透镜组（6）以一定角度入射到位于载物台（8）上的待测物体（7）表面生成数字光栅像，由于待测物体（7）表面的反射,经待测物体（7）调制后的数字光栅像通过第二透镜组（6）与第三透镜组（9）再次成像在物理光栅（10）的表面上，当经过第三透镜组（9）后数字光栅的像与物理光栅（10）的两个光栅周期接近时，数字光栅的像与物理光栅（10）以一定间隙重叠，则发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在物理光栅（10）的表面形成周期相对于物理光栅（10）被放大的莫尔干涉条纹，然后成像于CCD图像探测器（11）上并通过计算机（1）对图像进行采集处理；通过计算机（1）生成多幅具有一定相移的明暗相间的图形，形成多幅相移数字光栅（5）进行投射，最终采集多幅相移莫尔干涉条纹进行处理可提取莫尔干涉条纹的相位，进而计算出待测物体的三维信息。...

【技术特征摘要】
1.一种数字光栅与物理光栅相结合微小物体表面三维测量系统，其特征在于由计算机（1）、准直激光束（2）、数字微镜阵列（简称DMD）（3）、第一透镜组（4）、数字光栅（5）、第二透镜组（6）待测物体（7）、载物台（8）、第三透镜组（9）、物理光栅（10）、CCD图像探测器（11）组成；其中，由计算机（1）生成明暗相间的图形传输到DMD（3），然后准直激光束（2）以一定角度照明DMD（3）后形成图形反射，并沿着第一透镜组（4）的光轴在第二透镜组表面生成数字光栅（5），数字光栅经第二透镜组（6）以一定角度入射到位于载物台（8）上的待测物体（7）表面生成数字光栅像，由于待测物体（7）表面的反射,经待测物体（7）调制后的数字光栅像通过第二透镜组（6）与第三透镜组（9）再次成像在物理光栅（10）的表面上，当经过第三透镜组（9）后数字光栅的像与物理光栅（10）的两个光栅周期接近时，数字光栅的像与物理光栅（10）以一定间隙重叠，则发生多次衍射，某两束同级衍射光发生干涉叠加，在物理光栅（10）的表面形成周期相对于物理光栅（10）被...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐锋，姜磊，楚红雨，
申请(专利权)人：西南科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51