[发明专利]基于LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统及方法。

背景技术

随着科学技术的发展和工业制造水平的不断提高，人们对产品加工及测量提出了新的要求，传统的测量方法已经很难满足现代测量的需求。在众多测量方法中，光学测量法具有着高精度、快速、无损伤等优点已经被广泛应用工业检测、虚拟现实等各行各业。在光学测量方法中，基于条纹投影的测量方法因其具有非接触、全场、高精度等优点而被广泛应用。

现有的基于条纹投影的测量方法是由DLP投影仪产生数字条纹，然后投射到被测物体表面，通过相位轮廓术(PMP)技术进行形貌恢复。由于投影仪投射出的条纹不易缩小投射到小尺寸物体表面，因此该项技术主要应用在测量大尺寸三维形貌。

对于小尺寸三维形貌物体的测量，有人提出一些方法将DLP投影仪投射出的光路缩小投射到被测物体表面，主要方法有：1)利用投影仪和长工作距离物镜将DLP投射出的条纹进行缩小；2)利用投影仪和双目体视显微镜将DLP投射出的条纹进行缩小。

虽然很多学者提出了一些方法将DLP投影仪投射出的条纹进行缩小，但这些方法都比较复杂，光路调节困难。由DLP投影仪投射出的条纹经过多次处理后得到的条纹对比度也会降低。

发明内容

本发明提出了一种直接利用简单器件即可产生高对比度的干涉条纹的系统及方法，不需要复杂的光路将光束压缩，可以直接测量微小尺寸的三维形貌。本发明采用LED低相干光源产生剪切移相干涉得到高对比度条纹，同时也抑制了相干噪声影响。本发明光路调节简单、可获得高对比度条纹、使用器件价格低廉，易于推广。相比于用DLP投影仪将光束压缩测量小尺寸的方法，本发明有很大潜在优势。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量系统包括LED光源(1)、透镜(2)、针孔滤波器(3)、透镜(4)、起偏器(5)、硬膜干涉滤光片(6)、双折射单轴晶体(7)、准直透镜(8)、1/4波片(9)、检偏器(10)、可调光阑(11)、显微物镜(12)、双胶合透镜(14)、工业相机(15)；系统光路包括LED剪切光路、移相干涉光路、显微条纹投影光路、图像数据采集光路；

LED剪切光路：LED光源(1)发出的发散光经过透镜(2)会聚，针孔滤波器(3)对光源进行空间滤波、发散光线经过透镜(4)再一次会聚成为球面波，经过起偏器(5)将自然光变为线偏振光；线偏振光经过硬膜干涉滤光片(6)进行滤波，再经过双折射单轴晶体(7)和准直透镜(8)将线偏振光分为两束平行的、两束偏振方向互相垂直、有一定剪切量的线偏振光；

移相干涉光路：两束线偏振光经过1/4波片(9)和检偏器(10)，产生移相干涉得到高对比度的正弦干涉条纹；

显微条纹投影光路：正弦干涉条纹经过可调光阑(11)、显微物镜(12)缩小投射到被测物体表面；

图像数据采集光路：正弦干涉条纹经过被测物体(13)反射，最后经过双胶合透镜(14)和工业相机(15)采集反射条纹。

进一步地，线偏振光的光轴方向和所述双折射单轴晶体(7)的剪切方向成45度角。

另一方面，一种基于低相干LED显微条纹投影的微小三维形貌测量方法，基于本发明的测量系统，所述方法包括：

步骤1：首先利用LED剪切干涉光路和移相干涉光路获得正弦干涉条纹；发散球面波W(x,y)经过剪切量为s的横向剪切后为W(x+s,y)，两束相互垂直的线偏振光重叠部分的光程差为ΔW(x,y)＝W(x+s,y)-W(x,y)，相位差为φ(x,y)＝2πΔW(x,y)/λ；

步骤2：两束相互垂直的线偏振光经过1/4波片(9)和检偏器(10)进行移相干涉得到高对比度的正弦干涉条纹，β为检偏器每次旋转角度：

I(x,y)＝I₀(x,y)(1+cos(2β+φ(x,y)))

步骤3：由相位轮廓术PMP可知，被测物体表面形貌为φ(x,y)，正弦干涉条纹经过被测物体表面反射后得到的反射条纹为：

步骤4：采用五部移相法提取相位，得到五幅反射条纹：

I₁(x,y)＝I₀(x,y)(1-cos(ψ(x,y)))

I₂(x,y)＝I₀(x,y)(1+sin(ψ(x,y)))