一种基于双光路的微位移视觉测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于双光路的微位移视觉测量装置与方法，其用于精密定位过程的测量。该装置包括成像系统支撑装置、精密定位滑台、双光路分光模块、工业相机、显微镜头、相机光源、标志板、标志图案、微位移定位平台等部分。两个相机在双光路分光模块的两个出光口处成正交布置，分别捕获定位过程中标志图案在X方向和Y方向的图像信号，同时每个相机减少冗余的像素显示，增加单位时间的视频采样频率，提高对精密定位过程测量的动态性能；同时利用X和Y两个方向的图像特征分别进行基于灰度信息的模板匹配，提高了视觉测量的测量范围；最后在模板匹配的过程中引入了亚像素插值技术，实现了对精密定位过程的高精度测量。实现了对精密定位过程的高精度测量。实现了对精密定位过程的高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双光路的微位移视觉测量装置与方法


[0001]本专利技术属于精密测量
，尤其涉及一种基于双光路的微位移视觉测量装置与方法。

技术介绍

[0002]精密定位是指将一个目标准确定位到某个给定坐标系下的参考点的技术，广泛应用于半导体制备、纳米测量、微纳加工和微纳操作等领域。随着各领域科学研究的不断推进，对精密定位的动态响应性能和定位精度都有了更高的要求。
[0003]要实现高速高精度的精密定位，必须有相应的测量技术，以实现对精密定位过程的实时监测和反馈控制，视觉技术以其非接触、可视化、全场测量、测量精度与范围动态可调等优点在测量领域应用广泛。虽然视觉技术具有众多优点，但要将其应用于精密定位过程的位移测量，还需要满足如下要求：第一，为了提高精密定位过程的精度，必须提高对其进行测量的视觉测量分辨率；第二，由于精密定位过程通常是在平面或空间中进行的，在满足测量精度的前提下需要提供一种测量范围更大的视觉测量技术；第三，需要提高视觉测量的采样频率，以便于及时的获取当前时刻的精密定位距离。为了提高视觉测量的分辨率，可以增加视觉系统的放大倍率或者提高相机的分辨率。然而，受限于显微镜的成像原理，增加放大倍率会导致视场(有效测量范围)缩小；提高相机的分辨率会导致图像采集帧率下降。显然，在视觉测量中存在测量精度、测量范围和测量频率之间相互制约的问题。
[0004]现有的视觉测量方法主要可以分为基于区域灰度的方法和基于相位相关的方法，对于基于区域灰度的视觉测量方法，主要原理是利用初始模板各个像素处的灰度值直接在测量过程当前帧的输入图像中进行搜索，以实时确定在当前图像中初始模板的位置。在我们先前的研究中，开发了一个基于面阵相机和单光路显微镜的平面二自由度微运动测量装置，并提出了一种基于逆加速优化搜索算法的测量算法。在所提算法中，由于采用了亚像素插值，因此测量分辨率得到了大力提升(测量范围与测量分辨率由103提升到了104～105)。此外，由于算法中将模板匹配问题转化为逆向加速迭代优化求解问题，因此图像处理速度得到了大幅提升，且计算量只与初始化中模板大小相关。然而，由于面阵相机采集频率与采集图像的分辨率成负相关关系，在提高了采集图像分辨率的情况下无法兼顾较高速度的相机采集帧率，导致所提测量方法的测量频率只能达到数百Hz，无法实现超高频率的视觉测量(Li H,Zhu B,Chen Z,Zhang X.Realtime in
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plane displacements tracking of the precision positioning stage based on computer micro
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vision[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2019,124:111
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123.)；对于基于相位相关的视觉测量方法，主要是将测量过程中任意时刻前后两帧图像的位移变化经傅里叶变换在频域中转化为线性相位差进行测量。Guelpa等人通过将不同周期网格排列形成的特殊图案添加到被测量物体上，利用网格的周期性在频域内进行相位计算以得到高分辨率的视觉测量。此外，为了获得较高的视觉采样频率，该种测量方法减少了获取图像的曝光时间(18μs)，减小了捕获图像的尺寸大小(320
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26pixel)，使得该种测量方法的采样频率达到1389Hz，实现了高频
率的视觉测量。然而，较小的图像尺寸导致视觉测量的有效范围随之减小，并且由于标志图案仅在单个方向上具有周期性，使得该种测量方法仅适用于单自由度方向的位移测量，无法实现大范围的视觉测量(Guelpa V,Laurent G J,Sandoz P,et al.Subpixelic Measurement of Large 1D Displacements:Principle,Processing Algorithms,Performances and Software[J].Sensors,2014,14(3):5056
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73.)。以上这些现有的视觉测量方法存在的共性问题就是视觉测量系统的测量范围、测量精度和测量速度之间相互矛盾。
[0005]因此现有精密定位技术需要一种提高视觉采样频率、减少视觉测量过程数据冗余的测量装置，来提高精密定位过程中视觉测量的采样频率和动态响应性能，并且需要一种高精度大范围的视觉测量方法，来提高精密定位过程的定位精度以及满足精密定位过程对测量范围的需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于双光路的高速高精度微位移视觉测量装置与方法，该装置和方法可以有效解决精密定位过程中视觉测量采样频率低，定位精度低，测量范围小的问题，为后续视觉测量引导的精密定位研究和应用提供新的思路。为达到上述目的，本专利技术申请提出了一种基于双光路的高速高精度微位移视觉测量装置与方法，
[0007]本专利技术至少通过如下技术方案之一实现。
[0008]一种基于双光路的微位移视觉测量装置，包括成像系统支撑装置、定位滑台、双光路分光模块、第一工业相机、第二工业相机、显微镜头、相机光源、标志板、定位平台；
[0009]所述成像系统支撑装置位于定位平台上方，定位滑台设置在成像系统支撑装置前方，双光路分光模块连接在定位滑台上，第一工业相机、第二工业相机、显微镜头、相机光源分别通过第一接口、第二接口、第三接口、第四接口与双光路分光模块的不同接口连接，标志板上设有标志图案，标志板置于定位平台上方。
[0010]进一步地，所述的双光路分光模块内部含有分光镜，第一反射镜、第二反射镜，入射光经过显微镜头进入双光路分光模块后被分光镜分为两束，其中一束直接穿透分光镜射向双光路分光模块的第一接口，另一束经过分光镜反射射向第一反射镜，再由第一反射镜反射到双光路分光模块的第二接口。
[0011]进一步地，所述的相机光源为同轴光源，发出的光进入双光路分光模块后通过第二反射镜的反射经分光镜射到标志图案上。
[0012]进一步地，所述第一工业相机在双光路分光模块的第一接口处成水平方向布置，主要用于接收标志图案在X方向的图像特征；所述第二工业相机在双光路分光模块的第二接口处成纵向方向布置，主要用于接收标志图案在Y方向的图像特征。
[0013]进一步地，所述标志图案是正方型白色块，或者是携带有编码信息的二维图案。
[0014]进一步地，所述成像系统支撑装置为龙门架结构。
[0015]一种实现所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置的视觉测量方法，主要包括以下步骤：
[0016]S1、调节定位滑台使显微镜头下方的标志图案成像清晰；
[0017]S2、第一工业相机和第二工业相机获取标志图案在初始位置X、Y两个正交方向上
的图像信号并传输到计算机；
[0018]S3、计算机获取初始图像信号后，通过图像处理算法对图像进行预处理操作提取初始模板；
[0019]S4、定位平台进行精密定位，第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双光路的微位移视觉测量装置，其特征在于：包括成像系统支撑装置(1)、定位滑台(2)、双光路分光模块(3)、第一工业相机(4)、第二工业相机(5)、显微镜头(6)、相机光源(7)、标志板(8)、定位平台(10)；所述成像系统支撑装置(1)位于定位平台(10)上方，定位滑台(2)设置在成像系统支撑装置(1)前方，双光路分光模块(3)连接在定位滑台(2)上，第一工业相机(4)、第二工业相机(5)、显微镜头(6)、相机光源(7)分别通过第一接口、第二接口、第三接口、第四接口与双光路分光模块(3)的不同接口连接，标志板(8)上设有标志图案(9)，标志板(8)置于定位平台(10)上方。2.根据权利要求1所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置，其特征在于：所述的双光路分光模块(3)内部含有分光镜，第一反射镜、第二反射镜，入射光经过显微镜头(6)进入双光路分光模块(3)后被分光镜分为两束，其中一束直接穿透分光镜射向双光路分光模块(3)的第一接口，另一束经过分光镜反射射向第一反射镜，再由第一反射镜反射到双光路分光模块(3)的第二接口。3.根据权利要求1所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置，其特征在于：所述的相机光源(7)为同轴光源，发出的光进入双光路分光模块(3)后通过第二反射镜的反射经分光镜射到标志图案(9)上。4.根据权利要求1所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置，其特征在于：所述第一工业相机(4)在双光路分光模块(3)的第一接口处成水平方向布置，主要用于接收标志图案(9)在X方向的图像特征；所述第二工业相机(5)在双光路分光模块(3)的第二接口处成纵向方向布置，主要用于接收标志图案(9)在Y方向的图像特征。5.根据权利要求1所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置，其特征在于：所述标志图案(9)是正方型白色块，或者是携带有编码信息的二维图案。6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置，其特征在于：所述成像系统支撑装置(1)为龙门架结构。7.实现权利要求1所述的一种基于双光路的微位移视觉测量装置的视觉测量方法，其特征在于，主要包括以下步骤：S1、调节定位滑台(2)使显微镜头(6)下方的标志图案(9)成像清晰；S2、第一工业相机(4)和第二工业相机(5)获取标志图案(9)在初始位置X、Y两个正交方向上的图像信号并传输到计算机；S3、计算机获取初始图像信号后，通过图像处理算法对图像进行预处理操作提取初始模板；S4、定位平台(10)进行精密定位，第一工业相机(4)和第二工业相机(5)获取微位移运动平台10上标志图案(9)在当前位置X、Y两个正交方向上的图像信号并传输到计算机；S5、对于第一工业相机(4)所采集的X方向的图像特征，利用基于区域灰度特征的模板匹配算法，对标志图案在X方向的运动进行测量追踪；S6、对于第二工业相机(5)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海，许诺，张宪民，沈楠，廖祝，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：