一种三维线成像装置及方法制造方法及图纸

一种三维线成像装置及方法，属于光学检测技术领域，结合色差技术和谱域干涉技术实现扫描成像，具有纵向及横向分辨率高、动态测量范围大的特点。针对色差效应需要线宽较大的光源而造成谱域干涉的深度测量范围较小的矛盾，本发明专利技术引入了四参考臂用以增大检测深度，同时为了消除谱域干涉四参考臂之间的干扰，首先利用色差技术确定低精度深度值，并确定参与干涉的参考臂，然后利用谱域干涉技术计算高精度深度相对值，并对谱域干涉的结果进行偏移量补偿，进而得到精确深度信息，从而有效增大了谱域干涉的测量范围，通过得到样品位于光谱测量范围之间任意点的深度，进而得到流水线上样品的线轮廓分布，最终实现运动物体的三维线成像测量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种三维线成像装置及方法


[0001]本专利技术属于光学检测
，特别是涉及一种三维线成像装置及方法。

技术介绍

[0002]在工业生产过程中，经常有对流水线上的物品进行三维表面轮廓检测的需要，由于流水线上的物品属于运动中的物体，而传统的点扫描成像和面扫描成像需要物体静止进行扫描，因此传统的点扫描成像和面扫描成像无法满足检测需要。由于线成像能够一次性完成一条线上的轮廓分布成像，可以配合流水线完成对物体的扫描成像，因此线成像能够满足对流水线上的物品进行轮廓检测的需要。
[0003]公告号为US8786836B2的美国专利申请，公开了基于色差共焦方法的三维线成像技术，该方案基于色差共焦原理利用色差透镜放大色差，将探测光中不同波长的探测光聚焦于不同位置，形成一系列的单色光焦点，将距离和波长之间一一对应，同时以线状光聚焦于样品表面，实现三维线成像。但是，该专利仍存在物镜成像质量差、光源光谱幅值抖动、系统性无效色差干扰等技术问题，影响测量精度，其纵向分辨率受探测范围限制，对于较大的位移测量范围无法实现高分辨率测量，同时由于波长和距离的关系是非线性的，受色差透镜参数的影响，波长和位移的关系需要复杂的高精度定标实现，而且探测光的入射光和反射光有一定夹角，因此并不适合于具有较陡结构的样品。
[0004]公告号为CN113654482A的中国专利申请，公开了一种基于色差和谱域干涉的光学3D成像装置及方法，其提出了结合谱域干涉技术和色差共焦技术进行扫描成像。但是，该方案基于点测量结合振镜扫描，需要样品静止，因此其无法应用于流水线。同时，其色差共焦需要较大光源线宽以增强色差效应，用以实现纵向大测量范围，然而谱域干涉技术的理论纵向测量范围的表达式为式中，N为光谱仪像素点数，Δλ为光源线宽，λ
C
为光源中心波长，通过该表达式可知，谱域干涉技术需要较小线宽实现大测量范围，显然上述方案与谱域干涉技术中对光源的要求存在矛盾，导致上述方案无法实现高精度和纵向大测量范围。
[0005]公告号为CN113251945A的中国专利申请，公开了一种线轮廓成像的解调方法及成像装置，该方案基于谱域干涉技术，通过获取被测物品上的干涉光谱并计算幅度谱获取极大值点的横坐标序数，计算干涉光谱的分光谱的相位，进而计算线轮廓分布并进行修正，使用相对较窄的低相干光源产生线形光，实现测量及成像。但是，该方案与色差共焦技术相比，存在横向分辨率较低且可测量范围较小的缺点，同时无法解决测量范围和精度相互矛盾的问题。此外，传统的谱域白光干涉的探测深度较小，通常使用多个参考臂进行拼接来增大测量范围，但传统的多参考臂会导致多个干涉信号叠加而难以处理，需要每次单独控制一个参考臂工作，进而造成测量时间较长，且只能测量静止样品。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供一种三维线成像装置及方法，结合色差技
术和谱域干涉技术实现扫描成像，具有纵向及横向分辨率高、动态测量范围大的特点。针对色差效应需要线宽较大的光源而造成谱域干涉的深度测量范围较小的矛盾，本专利技术引入了四参考臂用以增大检测深度，同时为了消除谱域干涉四参考臂之间的干扰，首先利用色差技术确定低精度深度值，并确定参与干涉的参考臂，然后利用谱域干涉技术计算高精度深度相对值，并对谱域干涉的结果进行偏移量补偿，进而得到精确深度信息，从而有效增大了谱域干涉的测量范围，满足了运动物体的测量。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种三维线成像装置，包括宽带光源、第一透镜、第一柱面透镜、第一狭缝、第一分光镜、色差透镜、第二柱面透镜、第二透镜、第二分光镜、第三分光镜、第一滤波片、第三透镜、第一反射镜、第二滤波片、第四透镜、第二反射镜、第四分光镜、第三滤波片、第五透镜、第三反射镜、第四滤波片、第六透镜、第四反射镜、第七透镜、第二狭缝、第八透镜、光栅、第九透镜、面阵相机、计算机及第五反射镜；所述宽带光源发出的光由第一透镜准直后射向第一柱面透镜，由第一柱面透镜射出线状光，线状光聚焦于第一狭缝，由第一狭缝过滤掉杂散光后射向第一分光镜，由第一分光镜分别射出样品光和参考光；由所述第一分光镜射出的样品光射向色差透镜，由色差透镜射出线状光聚焦于样品；由所述第一分光镜射出的参考光射向第二柱面透镜，由第二柱面透镜射出的参考光由第二透镜准直后射向第二分光镜；所述第二分光镜射出的参考光分别射入第三分光镜和第四分光镜；由所述第三分光镜射出的参考光分别射入第一滤波片和第二滤波片；由所述第四分光镜射出的参考光分别射入第三滤波片和第四滤波片；所述第一滤波片射出的参考光通过第三透镜聚焦后射向第一反射镜；所述第二滤波片射出的参考光通过第四透镜聚焦后射向第二反射镜；所述第三滤波片射出的参考光通过第五透镜聚焦后射向第三反射镜；所述第四滤波片射出的参考光通过第六透镜聚焦后射向第四反射镜；由所述第一滤波片、第三透镜及第一反射镜构成第一参考臂；由所述第二滤波片、第四透镜及第二反射镜构成第二参考臂；由所述第三滤波片、第五透镜及第三反射镜构成第三参考臂；由所述第四滤波片、第六透镜及第四反射镜构成第四参考臂；经所述样品反射出的样品光原路返回第一分光镜；经所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜反射出的参考光原路返回第一分光镜；经反射后的样品光和参考光由第一分光镜汇合后射向第七透镜，由第七透镜聚焦后射向第二狭缝，由第二狭缝过滤掉杂散光后射向第八透镜，由第八透镜准直后经第五反射镜反射进入光栅，由光栅分光后经第九透镜聚焦后射向面阵相机，面阵相机与计算机电连接，由面阵相机采集干涉图像，由计算机对干涉图像进行解调。
[0008]一种三维线成像方法，采用了所述的三维线成像装置，包括如下步骤：
[0009]步骤S1：确定色差与深度的关系；首先将光谱测量范围设定为AE，再将光谱测量范围AE进行四等分，分别记为AB光谱段、BC光谱段、CD光谱段及DE光谱段，且AB＝BC＝CD＝DE；其中，AB、BC、CD、DE的深度对应的光谱位置依次设为λ
A
‑
λ
B
、λ
B
‑
λ
C
、λ
C
‑
λ
D
、λ
D
‑
λ
E
；
[0010]步骤S2：确定四个参考臂的位置；反射镜深度位置基准点依次由A、B、C及D表示；首先，确定第一参考臂中的第一反射镜的位置，选择一个调试用反射镜，将调试用反射镜至于色差透镜下方A1深度位置处，再移动第一滤波片、第三透镜及第一反射镜的位置，直到第一反射镜反射的参考光与调试用反射镜反射的样品光达到等光程；然后，确定第二参考臂中的第二反射镜的位置，将调试用反射镜至于色差透镜下方B1深度位置处，再移动第二滤波片、第四透镜及第二反射镜的位置，直到第二反射镜反射的参考光与调试用反射镜反射的
样品光达到等光程；之后，确定第三参考臂中的第三反射镜的位置，将调试用反射镜至于色差透镜下方C1深度位置处，再移动第三滤波片、第五透镜及第三反射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维线成像装置，其特征在于：包括宽带光源、第一透镜、第一柱面透镜、第一狭缝、第一分光镜、色差透镜、第二柱面透镜、第二透镜、第二分光镜、第三分光镜、第一滤波片、第三透镜、第一反射镜、第二滤波片、第四透镜、第二反射镜、第四分光镜、第三滤波片、第五透镜、第三反射镜、第四滤波片、第六透镜、第四反射镜、第七透镜、第二狭缝、第八透镜、光栅、第九透镜、面阵相机、计算机及第五反射镜；所述宽带光源发出的光由第一透镜准直后射向第一柱面透镜，由第一柱面透镜射出线状光，线状光聚焦于第一狭缝，由第一狭缝过滤掉杂散光后射向第一分光镜，由第一分光镜分别射出样品光和参考光；由所述第一分光镜射出的样品光射向色差透镜，由色差透镜射出线状光聚焦于样品；由所述第一分光镜射出的参考光射向第二柱面透镜，由第二柱面透镜射出的参考光由第二透镜准直后射向第二分光镜；所述第二分光镜射出的参考光分别射入第三分光镜和第四分光镜；由所述第三分光镜射出的参考光分别射入第一滤波片和第二滤波片；由所述第四分光镜射出的参考光分别射入第三滤波片和第四滤波片；所述第一滤波片射出的参考光通过第三透镜聚焦后射向第一反射镜；所述第二滤波片射出的参考光通过第四透镜聚焦后射向第二反射镜；所述第三滤波片射出的参考光通过第五透镜聚焦后射向第三反射镜；所述第四滤波片射出的参考光通过第六透镜聚焦后射向第四反射镜；由所述第一滤波片、第三透镜及第一反射镜构成第一参考臂；由所述第二滤波片、第四透镜及第二反射镜构成第二参考臂；由所述第三滤波片、第五透镜及第三反射镜构成第三参考臂；由所述第四滤波片、第六透镜及第四反射镜构成第四参考臂；经所述样品反射出的样品光原路返回第一分光镜；经所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜及第四反射镜反射出的参考光原路返回第一分光镜；经反射后的样品光和参考光由第一分光镜汇合后射向第七透镜，由第七透镜聚焦后射向第二狭缝，由第二狭缝过滤掉杂散光后射向第八透镜，由第八透镜准直后经第五反射镜反射进入光栅，由光栅分光后经第九透镜聚焦后射向面阵相机，面阵相机与计算机电连接，由面阵相机采集干涉图像，由计算机对干涉图像进行解调。2.一种三维线成像方法，采用了权利要求1所述的三维线成像装置，其特征在于包括如下步骤：步骤S1：确定色差与深度的关系；首先将光谱测量范围设定为AE，再将光谱测量范围AE进行四等分，分别记为AB光谱段、BC光谱段、CD光谱段及DE光谱段，且AB＝BC＝CD＝DE；其中，AB、BC、CD、DE的深度对应的光谱位置依次设为λ
A
‑
λ
B
、λ
B
‑
λ
C
、λ
C
‑
λ
D
、λ
D
‑
λ
E
；步骤S2：确定四个参考臂的位置；反射镜深度位置基准点依次由A、B、C及D表示；首先，确定第一参考臂中的第一反射镜的位置，选择一个调试用反射镜，将调试用反射镜至于色差透镜下方A1深度位置处，再移动第一滤波片、第三透镜及第一反射镜的位置，直到第一反射镜反射的参考光与调试用反射镜反射的样品光达到等光程；然后，确定第二参考臂中的第二反射镜的位置，将调试用反射镜至于色差透镜下方B1深度位置处，再移动第二滤波片、第四透镜及第二反射镜的位置，直到第二反射镜反射的参考光与调试用反射镜反射的样品光达到等光程；之后，确定第三参考臂中的第三反射镜的位置，将调试用反射镜至于色差透镜下方C1深度位置处，再移动第三滤波片、第五透镜及第三反射镜的位置，直到第三反射镜反射的参考光与调试用反射镜反射的样品光达到等光程；最后，确定第四参考臂中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王毅，张鑫超，马振鹤，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：