一種平面度檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平面度檢測方法，該方法利用的檢測系統(tǒng)由攝像元件、顯示元件和圖像處理元件組成。首先進行攝像元件標定，再在測量位置放置一塊參考平面，在顯示元件上顯示標準的結構特征圖樣，并投影在該參考平面上，經(jīng)反射后由攝像元件進行拍攝，作為參考圖樣。再將被測平面放在同一位置，同樣采用攝像元件拍攝經(jīng)其反射的圖樣，就是測量圖樣。通過測量特征圖樣與參考標準圖樣進行對比分析，結合測量系統(tǒng)的結構參數(shù)，就可以計算得到被測平面的面形誤差分布。本發(fā)明的平面度檢測方法具有檢測精度高、成本低、使用方便和檢測系統(tǒng)結構簡單的優(yōu)點，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
一種平面度檢測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光學檢測技術，特別針對平面面形檢測領域，具體涉及一種平面 度檢測方法。
【背景技術】
[0002] -些產(chǎn)品經(jīng)過各種成型工序后，其表面會發(fā)生翹曲變形。尤其是隨著現(xiàn)代工業(yè)技 術的飛速發(fā)展，電子消費品（手機、平板等)需求不斷加大，對其屏幕表面的質(zhì)量要求也越來 越高。精密制造需要相應的高精度檢測技術，對于電子消費品屏幕，相應的表面檢測技術 (主要為平面度和瑕疵檢測）需求迫切。電子消費品屏幕平面度測量技術需要在保證高速 度、高精度、高穩(wěn)定性的情況下能適應更多材料，更大測量范圍，更便于操作。目前對于平面 度檢測技術，定性的測量方式主要有3米直尺法、連續(xù)平整度儀法、顛簸累積儀法、水準儀 法，這幾種測量方法對測量條件要求相當苛刻，而且測量精度受限于測量范圍，只適用于對 極小面積的待測物體平面度進行測量，測量面積大的物體時精度非常低。定量的測量方法 主要有干涉面形檢測和基于測距形式的點測量方法。干涉面形檢測方法采用的是干涉儀進 行平面面形檢測，平面面形要求在亞微米量級，且測量時對測量環(huán)境要求較高，檢測調(diào)整也 比較耗時，無法滿足工業(yè)在線快速測量的要求。基于測距形式的點測量方法主要采用激光 測距干涉儀進行單個采樣點的測量，采樣點稀疏，無法覆蓋整個表面，造成測量精度低，且 隨著采樣點密度的增加，時間成本和設備成本也會急劇增加，無法滿足現(xiàn)代社會對測量高 效率及低成本的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有結構簡單、使用方便、成 本低廉且測量精度高等特點的平面度檢測方法。
[0004] 本發(fā)明解決上述現(xiàn)有技術的不足所采用的技術方案是：
[0005] -種平面度檢測方法，該方法利用的檢測系統(tǒng)包括攝像元件、顯示元件和圖像處 理元件;該方法包括如下步驟：
[0006] 首先將攝像元件進行標定；再將一塊參考平面放置于測量位置，在顯示元件上顯 示標準的結構特征圖樣，并投影到參考平面，反射后被攝像元件所記錄，作為參考圖樣；
[0007] 然后將被測平面放置于同一測量位置，同樣采用攝像元件拍攝經(jīng)其反射的圖樣， 作為測量圖樣;通過對比分析參考圖樣與測量圖樣的差異，結合檢測系統(tǒng)的結構參數(shù)，就可 以計算被測平面的面形誤差。
[0008] 其中，再將一塊參考平面放置于測量位置，在顯示屏上顯示標準的結構特征圖樣， 并投影到參考平面，反射后被攝像元件所記錄，作為參考圖樣;然后將被測平面放置于同一 位置，同樣采用攝像元件拍攝經(jīng)其反射的圖樣，作為測量圖樣;通過對比分析參考圖樣與測 量圖樣的差異，就可以計算被測平面的面形誤差。
[0009] 其中，所述的將攝像元件進行標定是通過對攝像元件標定得到攝像元件像素點與 采樣點的對應關系。
[0010]其中，所述的結構特征圖樣可以是正弦周期條紋、圓斑、棋盤格或高斯點陣。
[0011]其中，所述的參考圖樣與測量圖樣的差異是:參考圖樣與測量圖樣分別攜帶了參 考平面與被測平面的面形信息，兩者的差異體現(xiàn)了被測平面相對于參考平面的面形差異， 即被測平面的面形誤差。
[0012] 其中，所述的測量系統(tǒng)的結構參數(shù)是顯示元件與測量位置的距離。
[0013] 其中，所述的計算被測平面的面形誤差是計算得到被測平面的斜率分布，再積分 得到被測平面的面形誤差。
[0014] 其中，所述的攝像元件為CCD攝像機，所述的顯示元件為顯示屏，所述的圖像處理 元件為具有圖像處理軟件的通用計算機。
[0015] 本發(fā)明的原理在于：
[0016] 本發(fā)明檢測方法利用的檢測系統(tǒng)包括攝像元件、顯示元件和圖像處理元件。首先 進行系統(tǒng)標定，將一塊參考平面放置于測量位置，圖像處理元件產(chǎn)生一定結構的特征圖樣， 顯示在顯示元件上，并投影到參考平面，被反射后為攝像元件所接收;也就是攝像元件通過 參考平面來觀察顯示元件，可以拍攝到顯示元件上顯示的特征圖樣，將拍攝的特征圖樣作 為參考圖樣。在參考平面同樣位置處放置被測平面，這時攝像元件記錄下該被測平面反射 的特征圖樣，作為測量圖樣。根據(jù)參考圖樣和測量圖樣的分布差異，結合測量系統(tǒng)的結構參 數(shù)，可計算得到被測平面與參考平面之間的面形差異，也就是被測平面的面形誤差分布。 [00 17]本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
[0018] 1.本發(fā)明檢測方法利用的檢測系統(tǒng)結構簡單，無需特殊元件，成本非常低廉。
[0019] 2.本發(fā)明動態(tài)范圍大，適用范圍廣，可用于鏡面反射及類鏡面反射平面面形檢測。
[0020] 3.本發(fā)明檢測方法具有很高的檢測精度，可以達到亞微米級。
[0021] 綜上所述，本發(fā)明檢測方法利用的檢測系統(tǒng)結構簡單，原理清楚，直觀形象，所需 要的器件制造工藝成熟，成本低廉，而且本發(fā)明檢測方法具有非常高的檢測精度，具有廣闊 的應用前景。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明一種平面度檢測方法利用的檢測系統(tǒng)結構示意圖，其中，1為攝像元 件;2為顯示元件;3為被測平面;4為圖像處理元件。
[0023]圖2為本發(fā)明的測量原理圖。
[0024]圖3為典型特征圖樣形狀及特征點，其中，圖3(a)為正弦周期條紋；圖3(b)為圓斑； 圖3(c)為棋盤格;圖3(d)為高斯點陣。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]以下描述用于揭露本發(fā)明以使本領域技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。以下描述中的優(yōu) 選實施例只作為舉例，本領域技術人員可以想到其他顯而易見的變型。在以下描述中界定 的本發(fā)明的基本原理可以應用于其他實施方案、變形方案、改進方案、等同方案以及沒有背 離本發(fā)明的精神和范圍的其他技術方案。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明一種平面度檢測方法利用的檢測系統(tǒng)主要是由攝像元件1、顯 示元件2、被測平面3和圖像處理元件4組成。測量原理如圖2所示，顯示元件2上顯示由圖像 處理元件4生成的特征圖樣，經(jīng)被測樣品反射后被攝像元件1所拍攝，也就是攝像元件1通過 被測平面3來觀察顯示元件2,可以拍攝到顯示元件2上顯示的特征圖樣。由于攝像元件1拍 攝的反射圖像就攜帶了被測樣品的面形信息，會因為發(fā)生變形而不同于顯示元件2所顯示 的標準特征圖樣，變形量取決于被測平面3的面形。通過對比分析參考平面和被測平面3的 反射圖樣分布差異，就可以計算得到被測平面3與參考平面之間的面形差異，也就是被測平 面3的面形誤差。如圖2中，當放置參考平面時，顯示元件2上的B點經(jīng)S點反射后入射到攝像 元件1中的A像素點；當放置被測平面3時，顯示屏2上的C點經(jīng)反射后入射到攝像元件1的同 一像素點A。通過分析被測圖樣與參考圖樣的差異，可以得到B、C兩點的距離BC，再結合測量 位置與顯示元件2的距離d，就可以得到被測平面3上S點的斜率分布，從而經(jīng)積分就可得到 被測平面3的面形誤差。下面以顯示元件2上顯示正弦周期條紋特征圖樣為例進行說明，當 顯示其他特征圖樣時具有類似的測量過程，本實施例只是為了解釋本發(fā)明，并不包括本專 利的所有內(nèi)容。本發(fā)明主要測量步驟如下：
[0028]第一步，對攝像元件1進行標定。攝像元件標定方法很多，如Tsai和Roger提出的兩 步法，張正友提出的平面標定法等。其中，張正友的平面標定法應用較為廣泛。這是一種在 攝像元件成像的非線性模型下，采用多幅平面模板標定攝像元件所有內(nèi)外參數(shù)的方法。該 方法中使用的平面模板上具有多個特征點，并且特征點與其圖像上相應的像點之間存在一 個對應關系，這就為內(nèi)部參數(shù)的求解提供了約束條件。攝像元件從不同角度拍攝平面模板 的多幅圖像(三幅以上），先由線性解法求出部分參數(shù)的初始值，然后考慮徑向畸變(一階和 二階），并以基于極大似然準則對線性結果進行非線性優(yōu)化，最后利用計算好的內(nèi)部參數(shù)和 平面模板映射矩陣求出外部參數(shù)。通過攝像元件標定，可以得到像素點與采樣點對應關系， 即圖2中A像素點與S點的對應關系。
[0029] 第二步，得到參考相位分布。將一塊參考平面放置于測量位置，圖像處理元件4分 別產(chǎn)生水平方向和垂直方向的正弦周期條紋圖，顯示在顯示元件2上，并投影到該參考平 面。該條紋圖經(jīng)反射后被攝像元件1所拍攝記錄;也就是攝像元件1通過參考平面來觀察顯 示元件2,拍攝到顯示元件2上顯示的條紋圖樣，將此作為參考條紋。如圖2中，屏幕上B點經(jīng) 參考平面反射后入射到攝像元件1上的A像素點。采用相移算法和相位展開算法提取得到相 位分布，即為參考相位Β(Φ〇)。
[0030] 第三步，得到測量相位分布。將被測平面3放置于同樣的測量位置，圖像處理元件4 分別產(chǎn)生水平和垂直方向的正弦周期條紋圖，顯示在顯示元件2上，并投影到該被測平面3。 該條紋圖經(jīng)反射后被攝像元件1所拍攝記錄，將此作為測量條紋。如圖2中，此時屏幕上的C 點經(jīng)被測平面3反射后入射到攝像元件1上的同一像素點Α。采用相移算法和相位展開算法 提取得到此時的相位分布，即為測量相位€((6(6+辦)。
[0031] 第四步，計算斜率分布。從參考相位分布與測量相位分布，結合測量系統(tǒng)結構參 數(shù)，就可以計算得到被測平面3相對于參考平面的面形差異的斜率分布，即被測平面3的面 形誤差斜率分布。
[0033] 其中，免為B、C兩點的相位差，p為條紋周期，d為顯示屏2與測量位置的距離，x、y分 別表示相互正交的水平和垂直方向。
[0034] 第五步，由被測平面3斜率分布，積分得到被測平面3的面形誤差：
[0035] h = Js(fxdx+fydy)
[0036] 由斜率分布進行積分的方法很多，如十字積分法，任意路徑積分法，傅立葉變換積 分法，區(qū)域波前重構法等。
[0037]在本實施例中，所述的攝像元件為CCD攝像機，所述的顯示元件為顯示屏，所述的 圖像處理元件為具有圖像處理軟件的通用計算機。
[0038]本領域的技術人員應理解，上述描述及附圖中所示的本發(fā)明的實施例只作為舉例 而并不限制本發(fā)明。本發(fā)明的目的已經(jīng)完整并有效地實現(xiàn)。本發(fā)明的功能及結構原理已在 實施例中展示和說明，在沒有背離所述原理下，本發(fā)明的實施方式可以有任何變形或修改。
【主權項】
1. 一種平面度檢測方法，其特征在于:該方法利用的檢測系統(tǒng)包括攝像元件（1)、顯示 元件(2)和圖像處理元件(4)，該方法的步驟在于:首先進行攝像元件（1)標定;再將一塊參 考平面放置于測量位置，在顯示元件（2)上顯示標準的結構特征圖樣，并投影到參考平面， 反射后被攝像元件（1)所記錄，作為參考圖樣;然后將被測平面(3)放置于同一測量位置，同 樣采用攝像元件（1)拍攝經(jīng)其反射的圖樣，作為測量圖樣;通過對比分析參考圖樣與測量圖 樣的差異，結合檢測系統(tǒng)的結構參數(shù)，就可以計算被測平面(3)的面形誤差。2. 根據(jù)權利要求1所述的平面度檢測方法，其特征在于:再將一塊參考平面放置于測量 位置，在顯示元件(2 )上顯示標準的結構特征圖樣，并投影到參考平面，反射后被攝像元件 (1)所記錄，作為參考圖樣;然后將被測平面(3)放置于同一位置，同樣采用攝像元件（1)拍 攝經(jīng)其反射的圖樣，作為測量圖樣;通過對比分析參考圖樣與測量圖樣的差異，就可以計算 被測平面(3)的面形誤差。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的攝像元件標定是通 過攝像元件(1)標定得到攝像元件(1)像素點與采樣點的對應關系。4. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的結構特征圖樣可以 是正弦周期條紋、圓斑、棋盤格或高斯點陣。5. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的參考圖樣與測量圖 樣的差異是:參考圖樣與測量圖樣分別攜帶了參考平面與被測平面(3)的面形信息，兩者的 差異體現(xiàn)了被測平面(3)相對于參考平面的面形差異，即被測平面(3)的面形誤差。6. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的測量系統(tǒng)的結構參 數(shù)是顯示元件(2)與測量位置的距離。7. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的計算被測平面(3)的 面形誤差是計算得到被測平面的斜率分布，再積分得到被測平面的面形誤差。8. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的攝像元件（1)是CCD 攝像機。9. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的顯示元件(2)是顯示 屏。10. 根據(jù)權利要求1或2所述的平面度檢測方法，其特征在于:所述的圖像處理元件(3) 是具有圖像處理軟件的通用計算機。
【文檔編號】G01B11/30GK105865378SQ201610191731
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】尚修森, 尚修鑫, 孫曉敏, 汪旭東
【申請人】蘇州精創(chuàng)光學儀器有限公司