一種光學(xué)三維成像裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)三維成像裝置和成像方法，特別是一種超高速光學(xué)三維成像裝置及其成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)加工生產(chǎn)、安檢、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控等各技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品加工要求的提高，各行業(yè)對(duì)檢測(cè)和監(jiān)控精度和速度的要求也越來越高。與此同時(shí)，各領(lǐng)域?qū)θS形貌的檢測(cè)需求也越來越多，因此，超高速的高精度光學(xué)三維形貌檢測(cè)技術(shù)是未來工業(yè)檢測(cè)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，快速三維成像技術(shù)還應(yīng)當(dāng)具備超高的配置靈活性和可集成性，也就是說，快速三維成像技術(shù)將被集成到各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)線中，最廉價(jià)的解決方案是在現(xiàn)有的平面檢測(cè)技術(shù)上升級(jí)，實(shí)現(xiàn)低投入高產(chǎn)出。
[0003]傳統(tǒng)白光干涉儀，利用干涉光路和(XD相機(jī)實(shí)現(xiàn)的三維表面形貌測(cè)量。通過探測(cè)干涉關(guān)系的變化來實(shí)現(xiàn)深度的測(cè)定，這種測(cè)試需要對(duì)樣品表面作XY方向的逐點(diǎn)掃描和Z方向逐層掃描，且每個(gè)掃描面都需要輸出大量的數(shù)據(jù)，因此掃描的速度很慢，且對(duì)于大面積掃描，需要做長(zhǎng)時(shí)間的圖像拼接，整個(gè)測(cè)試的時(shí)間會(huì)大大增加。這種技術(shù)對(duì)工作環(huán)境要求也比較高，特別是減震，樣品臺(tái)不能有太大振動(dòng)。
[0004]鏡頭式原子力顯微鏡，實(shí)現(xiàn)方式為在光學(xué)顯微鏡的物鏡上安裝原子力顯微模塊，該模塊包含原子力探針，微型XY壓電位移平臺(tái)和數(shù)據(jù)接收、傳輸端口，利用光學(xué)顯微鏡的成像功能對(duì)樣品進(jìn)行觀察，找到待測(cè)區(qū)域后再利用原子力顯微模塊對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行三維形貌表征，測(cè)量分辨率可高于光學(xué)成像分辨率，但由于XY方向要通過位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)作逐點(diǎn)掃描和探針式測(cè)量的限制，這種方法的測(cè)量范圍小，XY方向只有幾百個(gè)微米，Z方向只有幾十個(gè)微米，三維成像需要探針在XY方向逐點(diǎn)掃描，測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)。通常測(cè)一幅三維形貌圖的時(shí)間為幾十分鐘的時(shí)間。
[0005]共聚焦激光掃描三維成像儀，利用共聚焦光路和激光的掃描來實(shí)現(xiàn)樣品表面的三維成像，這種成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超高的分辨率。但是激光需要改變聚焦平面，逐層掃描，每次共聚焦Z方向掃描只能得到單層單點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這樣就使得成像速度大大的降低。
[0006]三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，可測(cè)量部件的三維立體表面形貌，但測(cè)量過程是對(duì)被測(cè)物件的表面進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，想要測(cè)出部件的整體的三維形貌需要的時(shí)間非常長(zhǎng)。由于體積較大，該技術(shù)集成到產(chǎn)線上需要較大的空間，而且需要精確的三維移動(dòng)控制，同時(shí)測(cè)量精度無法達(dá)到微米以下。使用于較大的零件三維立體結(jié)構(gòu)的測(cè)量。
[0007]立體光三維成像，利用立體光成像可以實(shí)現(xiàn)零件立體輪廓成像，這種技術(shù)需要反復(fù)配置光源的位置，這樣測(cè)量時(shí)間就無法縮短，同時(shí)，測(cè)量精度最高只能到達(dá)幾個(gè)微米。適合于較大的零件表面三維成像。一旦零件變小，基本無法測(cè)量，而且零件表面需要提前做標(biāo)記。
[0008]目前現(xiàn)有的高精度三維成像裝置都無法克服速度這個(gè)瓶頸，如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速高精度三維成像成為工業(yè)以及科研領(lǐng)域迫切的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種超高速光學(xué)三維成像裝置及其成像方法，在白光干涉的基礎(chǔ)上集成高速三維成像模塊，實(shí)現(xiàn)快速高精度三維成像。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光學(xué)三維成像裝置，其中，包括:
[0011]光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)，用于生成待測(cè)物體的顯微光路并獲得所述待測(cè)物體的平面坐標(biāo)信號(hào);
[0012]三維表面成像模塊，與所述光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)連接，用于生成干涉光路并通過一次掃描探測(cè)得到所述待測(cè)物體整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的高度坐標(biāo)信號(hào)，并將所述平面坐標(biāo)信號(hào)和所述高度坐標(biāo)信號(hào)經(jīng)計(jì)算處理后直接生成并輸出待測(cè)物體的三維圖像，以實(shí)現(xiàn)快速三維表面成像；以及
[0013]驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，與所述待測(cè)物體或所述三維表面成像模塊連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)所述待測(cè)物體沿光軸方向的掃描。
[0014]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)為光學(xué)顯微鏡、光學(xué)放大鏡或者物鏡。
[0015]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述三維表面成像模塊包括:
[0016]白光光源，用于提供三維表面成像的光源；
[0017]干涉光路，用于生成干涉光路并通過一次掃描探測(cè)得到所述待測(cè)物體整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的高度坐標(biāo)信號(hào)；
[0018]陣列式CMOS傳感器，用于接收所述干涉光路的信號(hào)并輸出平面坐標(biāo)信號(hào)和所述高度坐標(biāo)信號(hào)；以及
[0019]智能像素芯片，用于對(duì)所述平面坐標(biāo)信號(hào)和所述高度坐標(biāo)信號(hào)進(jìn)行背景信號(hào)補(bǔ)償、鎖相放大及高度坐標(biāo)計(jì)算后，生成所述三維圖像并輸出。
[0020]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述干涉光路包括:
[0021]發(fā)射光路，包括第一準(zhǔn)直棱鏡和分光鏡，所述第一準(zhǔn)直棱鏡設(shè)置在所述白光光源及所述分光鏡之間，所述分光鏡將經(jīng)上述第一準(zhǔn)直棱鏡的光路分為垂直向下的第一光路和水平向左的第二光路，所述第一光路用于探測(cè)所述待測(cè)物體，所述第二光路用于形成干涉光以獲得所述高度坐標(biāo)信號(hào)；
[0022]參考光路，包括參考反射鏡、第二準(zhǔn)直或聚焦棱鏡和45度反射鏡，所述第二準(zhǔn)直或聚焦棱鏡設(shè)置于所述45度反射鏡與所述參考反射鏡之間，所述45度反射鏡相對(duì)于所述分光鏡設(shè)置，所述第二光路的光經(jīng)所述45度反射鏡、第二準(zhǔn)直或聚焦棱鏡及所述參考反射鏡反射后進(jìn)入所述分光鏡；以及
[0023]探測(cè)光路，包括第三準(zhǔn)直或聚焦棱鏡，設(shè)置于所述分光鏡和所述陣列式CMOS傳感器之間，用于將所述參考光路和所述第一光路的信號(hào)輸送至所述陣列式CMOS傳感器。
[0024]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述參考光路還包括中心強(qiáng)度過濾器，設(shè)置在所述45度反射鏡與所述分光鏡之間。
[0025]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述參考光路還包括補(bǔ)償板，設(shè)置在所述45度反射鏡與所述第二準(zhǔn)直或聚焦棱鏡之間。
[0026]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述探測(cè)光路還包括用于輔助準(zhǔn)直及信號(hào)優(yōu)化的光學(xué)小孔，設(shè)置在所述分光鏡和所述第三準(zhǔn)直或聚焦棱鏡之間。
[0027]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述參考反射鏡連接，以驅(qū)動(dòng)所述參考反射鏡沿光軸移動(dòng)，或所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)與所述待測(cè)物體的位移平臺(tái)連接，以驅(qū)動(dòng)所述待測(cè)物體沿光軸移動(dòng)。
[0028]上述的光學(xué)三維成像裝置，其中，所述光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)為光學(xué)顯微鏡，包括成像光路和觀測(cè)光路，所述成像光路包括成像分光鏡和物鏡，所述觀測(cè)光路包括目鏡，所述成像分光鏡正對(duì)所述第一光路設(shè)置，所述物鏡設(shè)置在所述成像分光鏡的正下方。
[0029]為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種光學(xué)三維成像方法，其中，包括如下步驟:
[0030]S100、預(yù)備成像，在顯微鏡中用于成像的C⑶相機(jī)或者目鏡的接口處連接遮光筒，所述遮光筒的另一端與三維表面成像模塊連接；
[0031]S200、安裝用于驅(qū)動(dòng)所述三維表面成像模塊或所述待測(cè)物體移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)整并固定所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行角度以保證所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的移動(dòng)方向與待測(cè)物體的待測(cè)平面垂直；
[0032]S300、將所述三維表面成像模塊的圖像處理模塊的數(shù)據(jù)傳輸端口連接到計(jì)算機(jī)，同時(shí)連接所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端口和控制端口到直流驅(qū)動(dòng)電源和電機(jī)控制器，并將電機(jī)控制器與所述計(jì)算機(jī)相連，設(shè)置所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，以控制所述待測(cè)物體的移動(dòng)，同時(shí)設(shè)置所述圖像處理模塊的信號(hào)處理程序；以及
[0033]S400、利用所述顯微鏡的聚焦調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)所述待測(cè)物體成像的焦距，使得三維表面成像模塊可以清晰成像，將所述待測(cè)物體需要三維成像的區(qū)域移動(dòng)到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，對(duì)所述待測(cè)物體沿光軸方向掃描，通過一次掃描探測(cè)得到所述待測(cè)物體整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的高度坐標(biāo)信號(hào)