一種光學三維成像裝置及其成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學三維成像裝置和成像方法，特別是一種超高速光學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)對檢測和監(jiān)控精度和速度的要求也越來越高。與此同時，各領(lǐng)域?qū)θS形貌的檢測需求也越來越多，因此，超高速的高精度光學三維形貌檢測技術(shù)是未來工業(yè)檢測的技術(shù)發(fā)展趨勢。對于不同的應用領(lǐng)域，快速三維成像技術(shù)還應當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)將被集成到各個領(lǐng)域的生產(chǎn)線中，最廉價的解決方案是在現(xiàn)有的平面檢測技術(shù)上升級，實現(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相機實現(xiàn)的三維表面形貌測量。通過探測干涉關(guān)系的變化來實現(xiàn)深度的測定，這種測試需要對樣品表面作XY方向的逐點掃描和Z方向逐層掃描，且每個掃描面都需要輸出大量的數(shù)據(jù)，因此掃描的速度很慢，且對于大面積掃描，需要做長時間的圖像拼接，整個測試的時間會大大增加。這種技術(shù)對工作環(huán)境要求也比較高，特別是減震，樣品臺不能有太大振動。
[0004]鏡頭式原子力顯微鏡，實現(xiàn)方式為在光學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壓電位移平臺和數(shù)據(jù)接收、傳輸端口，利用光學顯微鏡的成像功能對樣品進行觀察，找到待測區(qū)域后再利用原子力顯微模塊對待測區(qū)域進行三維形貌表征，測量分辨率可高于光學成像分辨率，但由于XY方向要通過位移平臺的運動作逐點掃描和探針式測量的限制，這種方法的測量范圍小，XY方向只有幾百個微米，Z方向只有幾十個微米，三維成像需要探針在XY方向逐點掃描，測量時間很長。通常測一幅三維形貌圖的時間為幾十分鐘的時間。
[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現(xiàn)樣品表面的三維成像，這種成像技術(shù)可以實現(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的數(shù)據(jù)，這樣就使得成像速度大大的降低。
[0006]三坐標測量儀，可測量部件的三維立體表面形貌，但測量過程是對被測物件的表面進行逐點測量，想要測出部件的整體的三維形貌需要的時間非常長。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控制，同時測量精度無法達到微米以下。使用于較大的零件三維立體結(jié)構(gòu)的測量。
[0007]立體光三維成像，利用立體光成像可以實現(xiàn)零件立體輪廓成像，這種技術(shù)需要反復配置光源的位置，這樣測量時間就無法縮短，同時，測量精度最高只能到達幾個微米。適合于較大的零件表面三維成像。一旦零件變小，基本無法測量，而且零件表面需要提前做標記。
[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瓶頸，如何在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上實現(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)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種超高速光學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，實現(xiàn)快速高精度三維成像。
[0010]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種光學三維成像裝置，其中，包括:
[0011]光學顯微鏡系統(tǒng)，用于生成待測物體的顯微光路并獲得所述待測物體的平面坐標信號;
[0012]三維表面成像模塊，與所述光學顯微鏡系統(tǒng)連接，用于生成干涉光路并通過一次掃描探測得到所述待測物體整個視場內(nèi)每個像素點的高度坐標信號，并將所述平面坐標信號和所述高度坐標信號經(jīng)計算處理后直接生成并輸出待測物體的三維圖像，以實現(xiàn)快速三維表面成像；以及
[0013]驅(qū)動機構(gòu)，與所述待測物體或所述三維表面成像模塊連接，用于實現(xiàn)對所述待測物體沿光軸方向的掃描。
[0014]上述的光學三維成像裝置，其中，所述光學顯微鏡系統(tǒng)為光學顯微鏡、光學放大鏡或者物鏡。
[0015]上述的光學三維成像裝置，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得到所述待測物體整個視場內(nèi)每個像素點的高度坐標信號；
[0018]陣列式CMOS傳感器，用于接收所述干涉光路的信號并輸出平面坐標信號和所述高度坐標信號；以及
[0019]智能像素芯片，用于對所述平面坐標信號和所述高度坐標信號進行背景信號補償、鎖相放大及高度坐標計算后，生成所述三維圖像并輸出。
[0020]上述的光學三維成像裝置，其中，所述干涉光路包括:
[0021]發(fā)射光路，包括第一準直棱鏡和分光鏡，所述第一準直棱鏡設(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所述待測物體，所述第二光路用于形成干涉光以獲得所述高度坐標信號；
[0022]參考光路，包括參考反射鏡、第二準直或聚焦棱鏡和45度反射鏡，所述第二準直或聚焦棱鏡設(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、第二準直或聚焦棱鏡及所述參考反射鏡反射后進入所述分光鏡；以及
[0023]探測光路，包括第三準直或聚焦棱鏡，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輸送至所述陣列式CMOS傳感器。
[0024]上述的光學三維成像裝置，其中，所述參考光路還包括中心強度過濾器，設(shè)置在所述45度反射鏡與所述分光鏡之間。
[0025]上述的光學三維成像裝置，其中，所述參考光路還包括補償板，設(shè)置在所述45度反射鏡與所述第二準直或聚焦棱鏡之間。
[0026]上述的光學三維成像裝置，其中，所述探測光路還包括用于輔助準直及信號優(yōu)化的光學小孔，設(shè)置在所述分光鏡和所述第三準直或聚焦棱鏡之間。
[0027]上述的光學三維成像裝置，其中，所述驅(qū)動機構(gòu)為驅(qū)動電機，所述驅(qū)動電機與所述參考反射鏡連接，以驅(qū)動所述參考反射鏡沿光軸移動，或所述驅(qū)動電機與所述待測物體的位移平臺連接，以驅(qū)動所述待測物體沿光軸移動。
[0028]上述的光學三維成像裝置，其中，所述光學顯微鏡系統(tǒng)為光學顯微鏡，包括成像光路和觀測光路，所述成像光路包括成像分光鏡和物鏡，所述觀測光路包括目鏡，所述成像分光鏡正對所述第一光路設(shè)置，所述物鏡設(shè)置在所述成像分光鏡的正下方。
[0029]為了更好地實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種光學三維成像方法，其中，包括如下步驟:
[0030]S100、預備成像，在顯微鏡中用于成像的C⑶相機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)動所述三維表面成像模塊或所述待測物體移動的驅(qū)動電機，調(diào)整并固定所述驅(qū)動電機的運行角度以保證所述驅(qū)動電機的移動方向與待測物體的待測平面垂直；
[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)傳輸端口連接到計算機，同時連接所述驅(qū)動電機的驅(qū)動端口和控制端口到直流驅(qū)動電源和電機控制器，并將電機控制器與所述計算機相連，設(shè)置所述驅(qū)動電機的驅(qū)動程序，以控制所述待測物體的移動，同時設(shè)置所述圖像處理模塊的信號處理程序；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，將所述待測物體需要三維成像的區(qū)域移動到目標區(qū)域內(nèi)，對所述待測物體沿光軸方向掃描，通過一次掃描探測得到所述待測物體整個視場內(nèi)每個像素點的高度坐標信號