物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量裝置及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種物體微觀表面形貌的測量裝置及方法，特別涉及一種物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量裝置及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高精度物體微觀表面形貌的測量方法分為接觸式測量方法和非接觸式測量方法。接觸式測量方法采用接觸式探針逐行掃面樣本表面，雖然該方法技術(shù)成熟，精度較高，但是容易損傷被測表面。非接觸測量方法可行性更高，種類豐富:激光相移干涉法、掃描白光干涉法、離焦檢測法、共焦顯微測量法、變焦顯微測量法、掃描電子顯微鏡測量法，等等。其中，基于光干涉原理的測量方法和離焦檢測法都具有對測量環(huán)境要求高、抗干擾能力差的缺點，共焦顯微測量法具有機構(gòu)復(fù)雜、測量速度慢、測量范圍小的缺點，掃描電子顯微鏡測量法的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作復(fù)雜且測量效率低。本發(fā)明的測量原理基于變焦顯微測量法，該方法的測量精度低于其他方法，縱向分辨率能達到10納米，橫向分辨率能達到0.5微米，但具有測量范圍大、測量速度快、適用于測量具有大傾角被測物的優(yōu)點。
[0003]中國專利CN101050949A公開了一種大視場物體微觀表面三維形貌的測量系統(tǒng)及其測量方法，該專利基于相移干涉技術(shù)，不具有變焦顯微測量法的所有優(yōu)點。中國專利CN2804794Y公開了一種微觀物體三維形貌光學(xué)測量裝置，該專利使用普通光學(xué)顯微鏡記錄平面圖像并重構(gòu)被測物表面的高度信息，實現(xiàn)了使用二維圖像記錄物體的三維信息，但該測量裝置無法對被測物進行360度全方位測量，更不能在軟件中生成被測物的高精度全景模型。
[0004]從科學(xué)發(fā)展和經(jīng)濟實用的角度都要求物體微觀表面形貌的光學(xué)測量設(shè)備不僅能夠?qū)Ρ粶y物進行多自由度的全方位測量，還能夠快速地、精確地重現(xiàn)被測物的360度全方位模型并從中提取各項表面參數(shù)，便于測量人員對被測物進行高精度的快速測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量裝置及測量方法，可對被測物進行大視場、360度全方位測量，通過基于圖像融合技術(shù)、三維模型重構(gòu)技術(shù)和三維模型拼接技術(shù)的軟件算法生成高精度立體全景模型，并從中提取被測物的表面參數(shù)，提高了測量效率，提升了測量的自動化程度。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量裝置，包括電荷耦合器件CCD，光學(xué)顯微鏡，環(huán)形光源，被測物夾持裝置，精密運動平臺，電機，電機驅(qū)動器，計算機和圖像采集卡；所述電荷耦合器件CCD位于光學(xué)顯微鏡的上方，所述光學(xué)顯微鏡的物鏡鏡筒上設(shè)置有環(huán)形光源，在光學(xué)顯微鏡的下方設(shè)置有精密運動平臺，精密運動平臺表面設(shè)置有被測物夾持裝置，用以夾持被測物；所述電荷耦合器件CCD通過圖像采集卡與計算機相連，所述計算機通過電機驅(qū)動器與電機相連，所述電機與精密運動平臺相連，控制精密運動平臺沿參考坐標系的X、Y、Z方向運動。
[0007]所述被測物夾持裝置包括被測物旋轉(zhuǎn)模塊及被測物擺動模塊；所述被測物旋轉(zhuǎn)模塊包括被測物夾持裝置外殼，軸承，被測物夾持器，卡爪，旋轉(zhuǎn)電機及旋轉(zhuǎn)齒輪組；兩個軸承固定在被測物夾持裝置外殼上，所述被測物夾持器安裝在軸承上，所述旋轉(zhuǎn)電機固定在被測物夾持裝置外殼上，通過旋轉(zhuǎn)齒輪組將動力傳動給被測物夾持器，所述卡爪固定在被測物夾持器上，用以卡緊并固定被測物；所述被測物擺動模塊包括擺動電機，擺動齒輪組及底部支承，所述被測物旋轉(zhuǎn)模塊安裝在底部支承上，所述擺動電機固定在底部支承內(nèi)，通過擺動齒輪組將動力傳動給被測物旋轉(zhuǎn)模塊；所述旋轉(zhuǎn)電機和擺動電機均通過電機驅(qū)動器與計算機相連。
[0008]一種物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量方法，包含如下步驟:
1)將被測物放置在被測物夾持裝置中固定，通過計算機控制精密運動平臺沿參考坐標系X方向、y方向及Z方向上的位移量，并通過電機控制被測物的旋轉(zhuǎn)角度，直到被測物按照合適的位置和角度出現(xiàn)在電荷耦合器件CCD的視場中心；
2)根據(jù)觀測效果調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡光學(xué)參數(shù)，并根據(jù)測量需要調(diào)節(jié)環(huán)形光源安裝在物鏡鏡筒上的位置和光源亮度；
3)計算機控制精密運動平臺沿參考坐標系z方向進行單方向運動，直到被測物接近光學(xué)顯微鏡的景深，精密運動平臺停止運動，該位置作為測量的基準位置，采集第一幅圖像；從第一幅圖像開始，沿參考坐標系z軸單方向控制精密運動平臺運動，每運動一定步距，計算機通過電荷耦合器件CCD拍攝一幅圖像，直到被測物遠離光學(xué)顯微鏡的景深，停止圖像采集，即得到變焦圖像序列；
4)對變焦圖像序列的圖像進行基于頻率域的圖像融合處理，生成高清的二維融合圖像，如果單一視野不能包含被測物上所有待測區(qū)域，則重復(fù)第I)到3)步驟，對不同拍攝場景內(nèi)的二維融合圖像進行圖像拼接處理，生成大尺寸的二維融合圖像；
5)對變焦圖像序列的圖像進行三維模型重構(gòu)處理，生成被測物的三維模型，如果單一視野不能包含被測物上所有待測區(qū)域，則重復(fù)第I)到3)步驟，對不同拍攝場景內(nèi)的三維模型進行三維模型拼接處理，生成大尺寸的三維重構(gòu)模型；
6)在三維模型上提取被測物的表面信息。
[0009]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有以下實質(zhì)性特點和優(yōu)點:
該測量裝置具有五個自由度，其中被測物夾持裝置能實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)，并可上下擺動，可對被測物進行大視場、360度全方位測量，并生成全景模型；測量精度高，不損傷被測物表面；測量范圍大，顯微鏡單視野的測量范圍是毫米級的；測量速度快，效率高，可以快速生成被測表面的三維形貌。
[0010]該測量方法適用于測量具有大傾角的被測物，尤其適合測量鉆刀、螺栓等具有螺旋形大傾角的表面。生成的彩色三維模型可由測量人員在軟件中進行旋轉(zhuǎn)，從不同角度進行觀測，同時從三維模型表面計算出各項表面參數(shù)，極大簡便了測量過程，提高了自動化程度。
【附圖說明】
[0011]圖1是物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是被測物旋轉(zhuǎn)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3是被測物擺動模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4是本發(fā)明方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0015]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施作詳細說明。
[0016]如圖1所示，一種物體微觀表面形貌的光學(xué)五自由度測量裝置，包括電荷耦合器件CXDl，光學(xué)顯微鏡2，環(huán)形光源3，被測物夾持裝置7，精密運動平臺8，電機9，電機驅(qū)動器10，計算機11和圖像采集卡12 ;所述電荷耦合器件CCDl位于光學(xué)顯微鏡2的上方，所述光學(xué)顯微鏡2的物鏡鏡筒上設(shè)置有環(huán)形光源3，在光學(xué)顯微鏡2的下方設(shè)置有精密運動平臺8，精密運動平臺8表面設(shè)置有被測物夾持裝置7，用以夾持被測物4 ;所述電荷耦合器件CCDl通過圖像采集卡12與計算機11相連，所述計算機11通過電機驅(qū)動器10與電機9相連，所述電機9與精密運動平臺8相連，控制精密運動平臺8沿參考坐標系的x、y、z方向運動。