基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法和装置。本发明专利技术提出对被测样品表面先采用立体视觉形貌测量方法进行大范围的三维形貌快速测量；基于该测量数据，得到需高精度测量的局部区域的位置信息；并引导显微三维形貌测量技术对需高精度测量的局部区域表面的形貌进行高精度的测量；最后将两组测量结果进行数据融合，得到被测样品表面的整体全局测量结果和局部高精度测量结果。本发明专利技术首次将立体视觉三维形貌测量技术和显微三维形貌测量技术进行融合，具有测量精度高、测量速度快、抗环境干扰能力强等优点，可用于需要对局部区域进行高精度检测的样品的三维形貌测量。部区域进行高精度检测的样品的三维形貌测量。部区域进行高精度检测的样品的三维形貌测量。

【技术实现步骤摘要】
基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法和装置


[0001]本专利技术属于光学精密测量
，可用于物体表面三维形貌和粗糙度等参数的高精度测量。

技术介绍

[0002]高精度三维形貌测量技术已广泛应用于光学元件、芯片和微电子器件、微机械部件等产品的形貌及形变量测试，在精密机械、精密仪器、光学、半导体等领域具有重要应用。随着社会和科技发展，一些大口径的精密加工器件被广泛应用于社会的各行各业，测量和评价这些器件的表面形貌，对于研究精密加工器件的表面特性、提高加工质量和产品性能具有重要意义。因此，迫切需要测量精度更高、测量速度更快、测量灵活性更大的三维形貌测量仪器。
[0003]三坐标仪是目前最常用的三维形貌测量仪器，测量精度高。但三坐标仪采用接触式测量方法，在测试过程中容易损伤被测样品表面，在使用过程中需要逐点扫描，测量速度慢，不能满足快速、高精度、无损的工业生产测量要求。显微定焦形貌测量技术采用共聚焦定焦等方法对被测样品表面上的各位置点进行精确非接触定位，结合三维扫描的方式实现对被测样品表面三维形貌的高精度测量。但是显微定焦三维形貌测量技术需要电机带动测量系统进行扫描，与三坐标仪一样也存在测量速度慢的问题。显微干涉测量技术可以快速得到表面的三维形貌和纹理信息，且测量精度很高，但是其对测量环境要求苛刻，且视场范围非常小、无法对大尺寸的被测样品进行快速高精度的三维形貌测量。立体视觉技术能够用于复杂物体面形测量，它是通过相机拍摄在散射物体表面的投影图案并进行图像解析，获得物体形貌信息，但受相机分辨率、成像系统像差等因素的限制，其精度最高仅能达到几十微米量级，无法满足亚微米精度量级的测量需求。
[0004]综上可以发现，对于三维形貌测量，目前现有的三维形貌测量方法无法同时满足高精度、快速和大视场这几个特点。但在实际情况中，通常仅需要在某些需要重点控制的局部表面上进行高精度形貌检测，对其他区域表面测量精度可以适当放宽。在这种测量情况下，如果可以把具有十微米级测精度的立体视觉三维形貌测量技术和具有亚微米测量精度的显微三维形貌测量技术相结合，根据立体视觉三维形貌测量系统的测量结果，引导显微三维形貌测量系统精确定位到需要高精度测量的区域，进行该局部区域的高精度测量，获得被测样品表面的整体全局测量结果和局部高精度测量结果。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提出了一种基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，将立体视觉三维形貌测量技术和显微三维形貌测量技术进行融合，提出对被测样品表面先采用立体视觉形貌测量方法进行大范围的三维形貌快速测量；基于该测量数据，得到需高精度测量的局部区域的位置信息；并引导显微三维形貌测量技术对需高
精度测量的局部区域表面的形貌进行高精度的测量；最后将两组测量结果进行数据融合，得到被测样品表面的整体全局测量结果和局部高精度测量结果。
[0006]一方面，本专利技术提供了一种基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，其特征在于：步骤a、将显微三维形貌测量系统安装在空间位移台上，将立体视觉系统与显微三维形貌测量系统安装在被测样品的同一侧；步骤b、将标定板放置在系统的测试区域内，通过所述标定板定义世界坐标系的位置；由所述立体视觉系统对所述标定板上的标记点进行三维成像，得到所述立体视觉系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系；然后由所述显微三维形貌测量系统对所述标定板上的标记点进行三维成像，得到所述显微三维形貌测量系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系；进而通过所述立体视觉系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系，结合所述显微三维形貌测量系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系，得到所述立体视觉系统测量坐标系到所述显微三维形貌测量系统测量坐标系的变换关系；步骤c、利用所述立体视觉系统测得被测样品的全局三维形貌，然后结合需高精度测量的局部区域在被测样品上的位置关系，找到其在所述立体视觉系统坐标系下的位置；通过步骤b中所得到的所述立体视觉系统测量坐标系到所述显微三维形貌测量系统测量坐标系的变换关系计算出需高精度测量的局部区域在所述显微三维形貌测量系统坐标系下的位置；步骤d、根据步骤c中确定的需高精度测量的局部区域在所述显微三维形貌测量系统坐标系下的位置，通过所述空间位移台将所述显微三维形貌测量系统移动至该位置附近；然后通过所述空间位移台带动所述显微三维形貌测量系统扫描需高精度测量的局部区域，得到该区域表面的高精度三维形貌数据。
[0007]另一方面，本专利技术还提供了一种基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量装置，其特征在于：包括立体视觉系统，显微三维形貌测量系统，空间位移台和计算机；立体视觉系统用来测量被测样品的全局三维形貌；显微三维形貌测量系统用来测量需高精度测量的局部区域的三维形貌；空间位移台用来移动显微三维形貌测量系统，进而完成对需高精度测量的局部区域的三维形貌测量；计算机用来控制所述立体视觉系统和所述显微三维形貌测量系统采集数据、控制所述空间位移台移动所述显微三维形貌测量系统以及处理采集数据。
[0008]本专利技术对比已有技术具有以下创新点：1.把具有十微米级测精度的立体视觉三维形貌测量技术和具有亚微米测量精度的显微三维形貌测量技术相结合，根据立体视觉三维形貌测量系统的测量结果，引导显微三维形貌测量系统精确定位到需要高精度测量的区域，进行高精度形貌测量；2.根据被测部件的检测需求，在不需要微米级高精度检测的区域，使用立体视觉三维形貌测量方法，能够快速完成对被测部件的微米级形貌测量；3.根据被测部件的检测需求，在需要微米级高精度检测的区域，使用显微三维形貌测量方法，实现对被测部件的局部微米级高精度形貌测量；4.利用带有标记点的标定板精确实现被测部件与立体视觉三维形貌测量系统的空间坐标系匹配，同时利用立体视觉三维形貌测量数据和显微三维形貌测量数据比对融
合，高精度实现两种形貌测量系统的空间坐标系匹配。
[0009]本专利技术对比已有技术具有以下显著优点：1.对于仅在部分区域表面有高精度测量要求的器件，既能保证对重点区域的高精度形貌检测，又能保证整器件的快速、大视场检测，满足工业生产线上的高速测量要求；2.使用目标标定、数据融合等方式，高精度实现被测部件空间坐标系、立体视觉三维形貌测量坐标系、显微三维形貌测量坐标系的相互匹配，避免由坐标不一致导致的检测误差；3.本专利技术为非接触式测量，无需对表面进行任何处理，可直接对被测样品表面进行三维形貌精确测量，不会对被测样品表面造成损伤；4.在测量过程中不需任何其他辅助设备，结构简单，操作方便，并且测量速度快，适合用于被测样品表面的在线快速检测。
附图说明
[0010]图1为基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法示意图；图2为主动式余弦条纹投影三维形貌测量系统示意图；图3为主动式随机图案投影三维形貌测量系统示意图；图4为共焦显微三维形貌测量系统图；图5为差动共焦显微三维形貌测量系统示意图；图6为色散共焦显微三维形貌测量系统示意图；图7为基于立体视觉引导的目标位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，其特征在于：步骤a、将显微三维形貌测量系统安装在空间位移台上，将立体视觉系统与显微三维形貌测量系统安装在被测样品的同一侧；步骤b、将标定板放置在系统的测试区域内，通过所述标定板定义世界坐标系的位置；由所述立体视觉系统对所述标定板上的标记点进行三维成像，得到所述立体视觉系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系；然后由所述显微三维形貌测量系统对所述标定板上的标记点进行三维成像，得到所述显微三维形貌测量系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系；进而通过所述立体视觉系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系，结合所述显微三维形貌测量系统测量坐标系和世界坐标系之间的转换关系，得到所述立体视觉系统测量坐标系到所述显微三维形貌测量系统测量坐标系的变换关系；步骤c、利用所述立体视觉系统测得被测样品的全局三维形貌，然后结合需高精度测量的局部区域在被测样品上的位置关系，找到其在所述立体视觉系统坐标系下的位置；通过步骤b中所得到的所述立体视觉系统测量坐标系到所述显微三维形貌测量系统测量坐标系的变换关系计算出需高精度测量的局部区域在所述显微三维形貌测量系统坐标系下的位置；步骤d、根据步骤c中确定的需高精度测量的局部区域在所述显微三维形貌测量系统坐标系下的位置，通过所述空间位移台将所述显微三维形貌测量系统移动至该位置附近；然后通过所述空间位移台带动所述显微三维形貌测量系统扫描需高精度测量的局部区域，得到该区域表面的高精度三维形貌数据。2.根据权利要求1所述的基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，其特征在于：所述立体视觉系统为主动式余弦条纹投影三维形貌测量系统，具体为：（a）由主动式余弦条纹投影三维形貌测量系统的条纹投影模块投影两组不同方向的余弦条纹图到被测样品表面，每组余弦条纹图均由不同初始相位的条纹图构成，所述余弦条纹图由被测样品表面漫反射后被所述主动式余弦条纹投影三维形貌测量系统的条纹拍摄模块拍摄，得到所述余弦条纹图和被测样品表面相互作用的结果；（b）通过移相相位解算算法和相位解包裹算法，结合所述余弦条纹图上的条纹周期得到由被测样品作用后所述条纹投影模块上的像素点和所述条纹拍摄模块上的像素点的对应关系；（c）通过所述条纹投影模块上的像素点和所述条纹拍摄模块上的像素点的对应关系，结合所述条纹投影模块的镜头的主点坐标、光轴方向、焦距值、畸变量和所述条纹拍摄模块的镜头的主点坐标、光轴方向、焦距值、畸变量，计算得到被测样品表面的三维形貌数据。3.根据权利要求1所述的基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，其特征在于：所述立体视觉系统为主动式随机图案投影三维形貌测量系统，具体为：（a）由主动式随机图案投影三维形貌测量系统的随机图案投影模块投影随机图案到被测样品表面，所述随机图案由被测样品表面漫反射后被所述主动式随机图案投影三维形貌测量系统的随机图案拍摄模块拍摄，得到所述随机图案和被测样品表面相互作用的结果；（b）通过随机图案解算算法，得到由被测样品作用后所述随机图案投影模块上的像素点和所述随机图案拍摄模块上的像素点的对应关系；（c）通过所述随机图案投影模块上的像素点和所述随机图案拍摄模块上的像素点的对
应关系，结合所述随机图案投影模块的镜头的主点坐标、光轴方向、焦距值、畸变量和所述随机图案拍摄模块的镜头的主点坐标、光轴方向、焦距值、畸变量，计算得到被测样品表面的三维形貌数据。4.根据权利要求1所述的基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，其特征在于：所述立体视觉系统为被动式立体视觉系统，具体为：由被动式立体视觉系统的多个拍摄模块从不同角度和位置拍摄被测样品，通过所述各所述拍摄模块上的像素点的对应关系，结合所述各拍摄模块的镜头的主点坐标、光轴方向、焦距值、畸变量，计算得到被测样品表面的三维形貌数据。5.根据权利要求1所述的基于立体视觉引导的目标位置三维形貌高精度快速测量方法，其特征在于：所述显微三维形貌测量系统为共焦显微三维形貌测量系统，具体测量方法如下：步骤a、激光光源发出激光，经过准直透镜准直后透过分光镜，然后由物镜会聚成测量光束；步骤b、测量光束由所述物镜出射后，照射到被测样品中需高精度测量的局部区域上，由需高精度测量的局部区域反射，经所述物镜接收后由所述分光镜反射，最后被共焦显微传感器接收；步骤c、所述共焦显微传感器安装在所述分光镜的另一路，测...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨佳苗，沈阳，刘林仙，童强，何巧芝，邵荣君，陈成，邹高宇，马奎，
申请(专利权)人：绍兴钜光光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：