專利名稱：變光源陰影莫爾測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種變光源陰影莫爾測量方法及其裝置。
陰影莫爾輪廓測量方法是一種光學(xué)全場非接觸三維測量方法，該方法于1970年由H.Takasaki首次發(fā)表在《AppliedOptics》第九卷第六期上。為了獲得被測物體形面的三維信息，把一光柵接近于物體表面放置，通過一組點(diǎn)光源(或一組線光源)照射光柵，從而在物體表面將產(chǎn)生變形光柵圖，當(dāng)通過此光柵來觀察這一變形光柵的同時(shí)，就可得到一莫爾條紋圖，這一莫爾條紋圖包含了被測物體形面的三維信息，通過求解這一莫爾條紋圖，就可得到物體的三維形面坐標(biāo)。
通常莫爾條紋圖的光場分布可表示為I(x,y)=A(x,y)+B(x,y)·COS(2πP·Φ(U,z))]]>其中A(x，y)為背景光強(qiáng)，B(x，y)/A(x，y)為莫爾條紋的對比度，P為光柵柵距，φ(U，z)為包含物體形面的信息因子。由上式可以看出，若要解出高度信息Z(x，y)，則至少必需三個(gè)方程式。現(xiàn)有的方法，一般是通過移動光柵改變光柵與被測物體間的距離來獲得新的方程式，即改變h的大小，這一方法必須進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動，如Gerard Mauvoision等人1994年在《Applied Optics》第三十三卷第十一期上公開的技術(shù)。因此其測量速度及測量可靠性將受限制。
本發(fā)明的目的是提供一種全場、非接觸、無機(jī)械運(yùn)動的快速測量方法，通過改變光源相對于光電傳感器的位置獲得新的方程式，從而解出高度信息Z(x，y)，即變光源陰影莫爾測量方法。以滿足表面外形尺寸的實(shí)時(shí)在線檢測的需要。
本發(fā)明的變光源陰影莫爾測量方法，包括如下步驟，(1)把一光柵接近于物體表面放置；(2)通過第一個(gè)點(diǎn)光源S1(或線光源L1)照射光柵，從而在物體表面將產(chǎn)生第一幅變形光柵圖J1；(3)通過此光柵來觀察第一幅變形光柵圖J1，就可得到包含了被測物體形面的三維信息的第一幅莫爾條紋圖I1；(4)保持其它相對位置不動，改變光源空間位置，通過第二個(gè)點(diǎn)光源S2(或線光源L2)照射光柵(2)，從而在物體表面將產(chǎn)生第二幅變形光柵圖J2；(5)觀察第二幅變形光柵圖J2，就可得到第二幅莫爾條紋圖I2；(6)重復(fù)上述步驟(4)、(5)n次可的到n幅莫爾條紋圖I1，I2……In(n≥3)；(7)通過求解這n幅莫爾條紋圖I1，I2……In，就可得到物體的三維形面坐標(biāo)。
本發(fā)明的變光源裝置(1)包括一系列固定在一光源座(6)上的發(fā)光光源(7)以及控制光源(7)的控制電路(8)，該控制電路為一普通的多路選一的選擇開關(guān)電路。
本發(fā)明的變光源陰影莫爾測量裝置，由以下幾部分組成，它包括改變光源空間位置的變光源裝置(1)；用于產(chǎn)生莫爾條紋的光柵(2)；用于獲取測量信息的光電傳感器(3)；放在光柵(2)之后的被測物體(4)；測量結(jié)果輸出裝置(5)組成。由變光源裝置(1)每改變光源位置一次，光電傳感器(3)就可通過光柵(2)觀察到被測物體(4)相應(yīng)的一幅莫爾條紋圖。保持其它相對位置不動，連續(xù)改變n次(n≥3)光源位置U1，U2……Un，得到相應(yīng)n次莫爾條紋光場分布I1，I2……In。求解出被測物體的三維信息。
本發(fā)明由于采用了變光源裝置實(shí)現(xiàn)了全場、非接觸、無機(jī)械運(yùn)動的快速測量方法，提高了測量速度及可靠性，為莫爾測量方法提供了一種新的解調(diào)方法。


圖1是變光源陰影莫爾測量方法和裝置的原理2是本發(fā)明的實(shí)施例一。
圖3是本發(fā)明的實(shí)施例二。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例三。
圖5是本發(fā)明變光源裝置的示意圖。
下面結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的方法和裝置如圖1所示，被測物體(4)盡可能地靠近放置在光柵(2)平面β的一側(cè)，而光電傳感器(3)和變光源裝置(1)分別放置在光柵(2)平面β的另一側(cè)，并保證光電傳感器(3)的光軸與光源光軸有一定的夾角，這一夾角由系統(tǒng)的測量分辨率決定，本發(fā)明的方法是按以下步驟實(shí)現(xiàn)的(1)把一光柵(2)接近于物體(4)表面放置；(2)通過第一個(gè)點(diǎn)光源S1(或線光源L1)照射光柵(2)，從而在物體(4)表面將產(chǎn)生第一幅變形光柵圖J1；(3)通過光柵(2)來觀察第一幅變形光柵圖J1，就可得到包含了被測物體形面的三維信息的第一幅莫爾條紋圖I1；(4)保持其它相對位置不動，改變光源空間位置，通過第二個(gè)點(diǎn)光源S2(或線光源L2)照射光柵(2)，從而在物體(4)表面將產(chǎn)生第二幅變形光柵圖J2；(5)觀察第二幅變形光柵圖J2，就可得到第二幅莫爾條紋圖I2。(6)重復(fù)上述步驟(4)、(5)n次可得到n幅莫爾條紋圖I1，I2……In(n≥3)。(7)通過求解這n幅莫爾條紋圖I1，I2……In，就可得到物體的三維形面坐標(biāo)。
圖2描述了變光源莫爾測量方法和裝置的實(shí)施例之一，其光源制作可以采用足夠亮度的點(diǎn)光源S1，S2……Sn，其空間位置分別為U1，U2……Un，也可用平行于光柵(2)條紋的線光源L1，L2……Ln完成以增強(qiáng)亮度，每個(gè)線光源的中點(diǎn)分別為U1，U2……Un，垂直于平面α且對稱分布于平面α兩邊，這時(shí)線光源與平面α的交點(diǎn)為U1，U2……Un。光源與光電傳感器均處于與光柵(2)平面β垂直的同一平面α內(nèi)。從而獲得不同的莫爾信息I1，I2……In。
圖3描述了變光源莫爾測量方法和裝置的實(shí)施例之二，點(diǎn)光源S1，S2……Sn，或線光源L1，L2……Ln與光電傳感器(3)均處于與光柵(2)平面β平行的同一平面γ內(nèi)。
圖4描述了變光源莫爾測量方法和裝置的實(shí)施例之三，即光電傳感器(3)的光軸重直于光柵平面β，而線光源L1，L2……Ln均處于光電傳感器(3)所處的平面α內(nèi)。并且各個(gè)光源到光柵(2)的距離與光電傳感器(3)到光柵(2)的距離相等。根據(jù)莫爾條紋原理，在這一特定的結(jié)構(gòu)下，為了得到更好莫爾條紋圖，可在光電傳感器(3)的另一邊對稱地布置光源，與光電傳感器(3)距離相同的線光源具有相同的莫爾條紋，并迭加為高信噪比的莫爾信息I1，I2……In。在該實(shí)施例中，光柵(2)的柵距P＝0.05mm，光電傳感器(3)與光源L到光柵(2)的距離h＝118mm，光源之間的距離Δb＝7mm，光源L1與光電傳感器(3)的距離為b＝24mm.該裝置可測物體面積為40×40mm2，測量范圍為0-0.3mm，測量精度達(dá)到10μm，每測量一次時(shí)間為1.5秒，滿足了實(shí)時(shí)在線檢測的需要。
圖5為本發(fā)明的變光源裝置(1)的基本結(jié)構(gòu)，包括一系列固定在一光源座(6)上的發(fā)光光源(7)以及控制光源(7)的控制電路(8)，該控制電路為一普通的多路選一的選擇開關(guān)電路。
由于采用了變光源技術(shù)，拓寬了陰影莫爾測量方法的運(yùn)用范圍，提高了其技術(shù)性能，測量精度提高了10倍，達(dá)到10μm，并且使測量時(shí)間由40秒縮短到1.5秒，從而達(dá)到了實(shí)時(shí)在線檢測的需要，可廣泛用于微電子工業(yè)產(chǎn)品的在線測試。
權(quán)利要求
1.一種變光源陰影莫爾測量方法，包括以下步驟，(1)把一光柵接近于物體表面放置；(2)通過第一個(gè)點(diǎn)光源S1(或線光源L1)照射光柵，從而在物體表面將產(chǎn)生第一幅變形光柵圖J1；(3)光電傳感器通過此光柵來觀察第一幅變形光柵圖J1，就可得到包含了被測物體形面的三維信息的第一幅莫爾條紋圖I1；本發(fā)明的特征是，(4)保持其它相對位置不動，改變光源空間位置，通過第二個(gè)點(diǎn)光源S2(或線光源L2)照射光柵，從而在物體表面將產(chǎn)生第二幅變形光柵圖J2；(5)觀察第二幅變形光柵圖J2，就可得到第二幅莫爾條紋圖I2。(6)重復(fù)上述(4)、(5)n次可的到n幅莫爾條紋圖I1，I2……In(n≥3)。(7)通過求解這n幅莫爾條紋圖I1，I2……In，就可得到物體的三維形面坐標(biāo)。
2.權(quán)利要求1所述測量方法的實(shí)施裝置，包括一放置在被測物體(4)一側(cè)的光柵(2)，光柵(2)平面β的另一側(cè)配置一光電傳感器(3)和一光源裝置(1)，光電傳感器(3)的光軸與光源光軸有一定的夾角，本發(fā)明的特征是，光源裝置(1)是一變光源裝置，它包括一系列固定在一光源座(6)上的發(fā)光光源(7)以及控制光源(7)的控制電路(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所說的點(diǎn)光源S1，S2……Sn，或線光源L1，L2……Ln的中點(diǎn)與光電傳感器(3)處于同一平面α內(nèi)，α平面垂直于光柵平面β。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所說的點(diǎn)光源S1，S2……Sn，或線光源L1，L2……Ln與光電傳感器(3)均處于同一平面γ內(nèi)。γ平面平行于光柵平面β。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所說的光電傳感器(3)的光軸垂直于光柵平面β，點(diǎn)光源S1，S2……Sn，或線光源L1，L2……Ln的中心均與光電傳感器(3)處于同一平面γ內(nèi)。且對稱分布于光電傳感器(3)的兩側(cè)。
全文摘要
一種變光源陰影莫爾測量方法及其裝置,包括改變光源空間位置的變光源裝置;用于產(chǎn)生莫爾條紋的光柵;用于獲取測量信息的光電傳感器;放在光柵之后的被測物體;測量結(jié)果輸出裝置組成,由變光源裝置每改變光源位置一次,光電傳感器就可通過光柵觀察到被測物體相應(yīng)的莫爾條紋圖Ⅰ,保持其它相對位置不動,連續(xù)改變n次(n≥3)光源位置,得到相應(yīng)N幅莫爾條紋圖Ⅰ
文檔編號G02B27/60GK1206845SQ9810262
公開日1999年2月3日 申請日期1998年6月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月22日
發(fā)明者趙宏, 李根乾, 陳文藝, 王昭, 宋元鶴, 譚玉山 申請人:西安交通大學(xué)