表面三维形貌检测方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于测量待测物表面形貌的检测方法和装置。本发明专利技术包括光路系统、调焦及扫描系统、控制和数据处理系统。照明光路产生一条光带，接收成像光路接收后成像在面阵ＣＣＤ摄像机上得到一幅二维图像；调焦及扫描系统对光路系统进行调焦和接受计算机指令后将光路系统移动一个位移，得到另一幅二维图像，重复进行直至扫描完毕；控制及数据处理系统包括图像卡和计算机，计算机收到经图像卡转换的多个二维图像数字信号后经计算处理得到三维图像。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于测量待测物体表面形貌的检测方法和装置。目前各种用于测量待测物体表面三维形貌的检测装置，可分为两大类，一类是将传统的二维触针式轮廓仪加上一维横移，即在测量一次二维轮廓后，平移一个相应位移再测一次二维轮廓，综合多次测量形成三维检测结果。这种方法测量精度高，抗干扰能力强，但测量速度较慢，装置复杂，而且其检测头容易划伤被测件表面，无法进行高质量与软质材料表面的测量。另一类是非接触式测量法，其中以光学测量为主，测量方法非常丰富激光三角法、离焦检测法、激光相移干涉法、扫描白光干涉法，等等，这些光学测量法克服了接触式轮廓仪的缺点，提高了测量速度和测量精度。中国专利CN1179535A公开了一种用来检测电路板等表面零件轮廓的三维测量装置和方法。该方法以激光束打在多角镜上反射到被检测物体表面，驱动多角镜和被检测物体，使光线沿X轴和被测物体沿Y轴移动，被测物体反射后得到的图像运用三角测量原理即可确定被测物体表面的凹凸量。CN1177733A公开了一种变换平行光的入射角，以获得最大光强的方法。使用该方法将使得测量过程复杂，测量时间长。运用光干涉原理的三维检测装置，其共有的缺点是对测量环境要求很高，(比如测量需要隔振平台等)，抗干扰能力差，所以一般只能在计量室内应用。本专利技术的目的在于提供一种光带扫描式的表面三维形貌的检测方法和装置，该专利技术测量速度较快，对测量环境要求不高，装置的调试使用方便，适用于在生产现场进行表面三维形貌测量。本专利技术是这样实现的将照明光路上的一条窄光带以一入射角照射被测件表面，在被测件表面上方有接收成像光路和电荷耦合摄像机(CCD摄像机)，照明光路和接收成像光路组成光路系统，对光路系统调焦后，CCD摄像机获取一幅二维轮廓图像并输入计算机；计算机收到二维图像数据后输出指令驱动光路系统进给一个扫描步距，使得光带在被测件表面上移动一个步距，CCD摄像机又获取一幅二维轮廓图像并输入计算机；重复进行直到扫描完整个被测件表面，即可获得所有扫描位置的二维轮廓数据，经计算机处理后得到三维图像。表面三维形貌检测装置包括光路系统、调焦装置、扫描装置、CCD摄像机以及控制和数据处理系统，照明光路由产生一条窄光带的光源和物镜组成，与照明光路对称装有包括物镜的接收成像光路，在成像光路成像面上装有CCD摄像机，CCD摄像机输出信号至控制和数据处理系统，控制和数据处理系统包括图像卡和计算机，计算机与扫描装置相连，光路系统被安装在调焦装置和扫描装置上，调焦装置为上下可移动的升降装置，扫描装置为步进电机以及驱动器和导轨，驱动器接收计算机发出的信号后带动步进电机驱动光路系统和调焦装置沿导轨移动。在所述的表面三维形貌检测装置中，扫描装置中的导轨与光路系统中的照明光路物镜和接收成像光路物镜的光轴组成的平面与被测件基面相交线平行。工作原理表面三维形貌检测方法包括光路系统、调焦及扫描系统、控制及数据处理系统。光路系统的光路采用了光切显微镜机理，由两组共面光路构成，一组为照明光路，用来产生一条明亮细窄的光带，照射到被测工件上；另一组为接收成像光路，用来接收从被测工件反射回来的，反映工件表面微观轮廓的光带，将其成像在面阵CCD摄像机上，这样得到了一幅二维图像。调焦及扫描系统包括调焦和扫描，调焦是将整个光路系统沿与被测工件表面垂直方向上下调节，使照明光带聚焦在工件上，从而经CCD摄像机得到最清晰的图像；扫描是将整个光路系统由步进电机驱动沿着(与照明光线和调焦方向组成的平面与被测工件的基面相交线的平行线)水平方向移动，使已经聚焦的测量光带扫描被测工件表面，得到又一幅二维图像，重复进行扫描，可以二维的轮廓光线扫描出三维微观轮廓。控制及数据处理系统为图像卡和计算机，计算机协调整个系统工作，计算机处理好一幅二维图像后输出指令给步进电机驱动器。根据测量的分辨率大小要求，驱动器可以控制步进电机以不同的单步步距角转动，或者以相同的小步距角分组构成大的步距角。在CCD摄像机采集完一幅图像后，计算机迅速进行处理，获得该次扫描中光带边缘的二维轮廓，然后计算机控制步进电路转动一个合适的步距角，驱动光路系统一段位移，CCD摄像机又获取一幅图像后，计算机迅速处理完后又输出转动一个步距角的指令，这样重复进行直至完毕(步进电机走完相应的步数)后，计算机将所获得的所有二维轮廓数据处理形成三维图形，并可根据表面各点高度数据计算得到三维表面特征参数。也可以获得轮廓算术平均偏差Ra，轮廓最大高度Ry等二维粗糙度参数。下面结合附图对本专利技术进行描述，可以进一步理解本专利技术的目的、特征和优点。附图说明图1为本专利技术表面三维形貌检测装置实施例的结构示意图。图2为本专利技术实施例光路系统示意图。图3为本专利技术实施例照明光路产生光带照射被测工件表面的光路示意图。图4为本专利技术实施例CCD摄像机采集到的图像。参见图1，表面三维形貌检测装置包括光路系统、调焦装置12、扫描装置13、CCD摄像机14、以及控制和数据处理系统。光路系统包括照明光路10和接收成像光路11，参见图2，照明光路10由光源1，滤光片2，聚光镜3、狭缝4以及辅助物镜5和物镜6组成，光源1产生的白光经滤光片2、聚光镜3和狭缝4成为一条窄光带，也可以使用激光扩束后作为光源经狭缝成为一条窄光带。实施例以白光为例。光带经辅助物镜5和物镜6后，以一入射角(如45度角)聚焦被测件17表面，在同一平面内，对称装有成像物镜9和辅助成像物镜8(与照明光路光轴成90度角的位置)，接收成像光路11将被测件17反射后的光带放大后投射在面阵CCD摄像机14的成像面7上，成像面应位于成像物镜9、辅助成像物镜8的焦平面上。CCD摄像机14采集到的光学图像，经电缆输入到图像卡15进行处理转换成数字信息存储在计算机16内存中。光路系统10被安装在调焦装置12和扫描装置13上，调焦装置12为上下可移动的升降装置，可以对光路系统沿着与被测件17表面垂直方向上下调节，使照明光带聚焦在被测件17上。扫描装置13由步进电机20及步进电机驱动器、导轨和丝杠21组成，步进电机驱动器接收计算机16发出的指令后使步进电机20转动一个合适的步距角，经丝杠21带动光路系统和调焦装置12沿导轨移动一段位移，CCD摄像机14即又获得一幅二维轮廓图像并经图像卡15输入计算机16；导轨的设置方向为与光路系统中照明光路物镜6和接收成像光路物镜9的光轴组成的平面与被测件17基面相交线平行，这样保证了光路系统能逐一扫描完成整个被测件17表面。对于本专利技术的控制及数据处理系统及对数据处理方法参见图3、图4。光源经狭缝4形成光平面P，P以α角与被测件17表面相切并沿B方向发生反射，通过CCD摄像机采集到的图像如图4所示，在被测件17以基面为基准的某点A，其表面高度为h，入射光线进入A点的距离为h′，接收成像光路接收并经CCD摄像机采集到的A点的距离为h″，在h，h′，h″之间存在如下的几何关系h＝h′cosα＝h″cosα/β其中β为物镜放大倍率、α为入射角。所以只要求得h″就能得到表面A点的高度值h。图像卡将采集的图像转换成数字信号后输入计算机内存，通过计算机数字图像处理技术可以容易地提取出图像边缘轮廓数据，即可得到每一点的h″，然后可以计算出各点的相对表面高度h，这样便完成了一幅图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表面三维形貌检测方法，其特征是将照明光路上的一条窄光带以一入射角照射被测件表面，在被测件表面上方有接收成像光路和电荷耦合摄像机（ＣＣＤ摄像机），照明光路和接收成像光路组成光路系统，对光路系统调焦后，ＣＣＤ摄像机获取一幅二维轮廓图像并输入计算机；计算机收到二维图像数据后输出指令驱动光路系统进给一个扫描步距，使得光带在被测件表面上移动一个步距，ＣＣＤ摄像机又获取一幅二维轮廓图像并输入计算机；重复进行直到扫描完整个被测件表面，即可获得所有扫描位置的二维轮廓数据，经计算机处理后得到三维图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何永辉，颜永根，赵万生，蒋剑峰，徐耀寰，刘泊，孙忠林，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]