本發(fā)明屬于三維形貌測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種物體三維形貌測(cè)量裝置，具體涉及基于數(shù)字全息掃描的三維形貌測(cè)量，利用三軸龍門(mén)式位移平臺(tái)或者六軸機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)掃描的裝置及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

在航空航天、武器裝備以及大型工業(yè)制造領(lǐng)域，隨著增材制造以及激光制造水平的飛速發(fā)展，工件表面精細(xì)加工能力得到了顯著提升，同時(shí)對(duì)工件加工水平的高精度檢測(cè)需求迫切，需要采用測(cè)量設(shè)備對(duì)工件表面的三維形貌進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量。三維形貌測(cè)量主要分為微觀三維形貌測(cè)量和宏觀三維形貌測(cè)量，兩者的不同點(diǎn)在于微觀物體的表面結(jié)構(gòu)是由很多微觀結(jié)構(gòu)單元組成，其形貌特征比宏觀物體復(fù)雜得多。微觀物體形貌測(cè)量需要間接或者直接借助顯微測(cè)量，典型的測(cè)量設(shè)備有ZYGO公司生產(chǎn)的NewView800系列3D表面輪廓儀、美國(guó)vecco公司的Dektak系列探針式輪廓儀和NT系列的光學(xué)輪廓儀以及瑞士Lyncee Tec SA公司的數(shù)字全息顯微鏡，以上測(cè)量方式可以得到微米級(jí)甚至納米級(jí)橫向及縱向分辨率，測(cè)量范圍較小；宏觀物體形貌測(cè)量主要采用機(jī)械探針或者光學(xué)探針的方式通過(guò)測(cè)量物體表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，該類(lèi)型測(cè)量設(shè)備主要包括Frao公司、Lecia公司的六自由度機(jī)械臂、蔡司公司的龍門(mén)三坐標(biāo)以及V-STARS的工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)，此類(lèi)測(cè)量設(shè)備可以對(duì)幾米甚至十幾米的物體三維形貌進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度一般為幾微米或幾十微米。為了擴(kuò)大測(cè)量范圍的同時(shí)保證系統(tǒng)測(cè)量精度，部分產(chǎn)品將光學(xué)探針集成于高精度的三軸龍門(mén)式位移平臺(tái)，通過(guò)移動(dòng)探針對(duì)大型物體的三維輪廓進(jìn)行逐點(diǎn)掃描測(cè)量，最終擬合出物體三維形貌，該方案需要采集大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且物體橫向分辨率同時(shí)受到點(diǎn)云采集間隔以及位移平臺(tái)位移精度的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于數(shù)字全息掃描的三維形貌測(cè)量裝置及測(cè)量方法。該方法用數(shù)字全息測(cè)量模塊替代三軸龍門(mén)式位移平臺(tái)或者六自由度機(jī)械臂的測(cè)量探針，通過(guò)三軸位移平臺(tái)或者機(jī)械臂帶動(dòng)數(shù)字全息測(cè)量模塊對(duì)大型工件表面進(jìn)行逐區(qū)域掃描測(cè)量，通過(guò)全息再現(xiàn)方法對(duì)各測(cè)量區(qū)域進(jìn)行數(shù)字重建，采用圖像拼接算法對(duì)子區(qū)域三維重建模型進(jìn)行立體拼接，最終復(fù)原出高精度的工件表面三維形貌。

作為一種三維形貌測(cè)量的方法，本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

提供一種基于數(shù)字全息掃描的三維形貌測(cè)量裝置，包括一個(gè)移動(dòng)測(cè)量裝置和數(shù)字全息檢測(cè)模塊，所述數(shù)字全息檢測(cè)模塊裝配在一個(gè)測(cè)量裝置上，數(shù)字全息檢測(cè)模塊在測(cè)量裝置的帶動(dòng)下對(duì)大型工件表面區(qū)域進(jìn)行測(cè)量；

所述數(shù)字全息檢測(cè)模塊包括一激光器，激光器出射激光束面上設(shè)有一塊半透半反棱鏡，在半透半反棱鏡和激光器之間設(shè)置有空間濾波器；在所述半透半反棱鏡半透射方向設(shè)置有一塊波長(zhǎng)選擇分光棱鏡，波長(zhǎng)選擇分光棱鏡上方設(shè)有一激光測(cè)距儀；在所述半透半反棱鏡上方設(shè)有一CCD/CMOS光電耦合器，在所述半透半反棱鏡下方設(shè)有一平面反射鏡，波長(zhǎng)選擇分光棱鏡的反射光路上設(shè)有待測(cè)工件。

進(jìn)一步，所述移動(dòng)測(cè)量裝置為龍門(mén)三坐標(biāo)或六自由度機(jī)械臂。

進(jìn)一步，所述移動(dòng)測(cè)量裝置與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連。

進(jìn)一步，所述波長(zhǎng)選擇分光棱鏡鍍有一層選擇性透反射膜，能夠使全數(shù)字息模塊激光器發(fā)出的光波透射，使激光測(cè)距儀發(fā)出的光波反射。

進(jìn)一步，所述空間濾波器包括顯微物鏡和設(shè)在顯微物鏡上的針孔，空間濾波器的出射光路上設(shè)有一個(gè)準(zhǔn)直鏡頭。

相應(yīng)地，本發(fā)明給出了一種基于數(shù)字全息掃描的三維形貌測(cè)量方法，包括下述步驟：

1)移動(dòng)龍門(mén)三坐標(biāo)位移平臺(tái)或六軸機(jī)械臂，將數(shù)字全息檢測(cè)模塊對(duì)準(zhǔn)待測(cè)工件表面區(qū)域；

2)激光器經(jīng)過(guò)空間濾波器濾除激光器出射光的高頻成分，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭之后以平行光束入射至半透半反棱鏡；

3)經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡的反射光經(jīng)過(guò)平面反射鏡的反射，再次經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡；

4)經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡的透射光經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇分光棱鏡后，經(jīng)過(guò)待測(cè)物體的反射，再次經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇分光棱鏡和半透半反棱鏡；

5)步驟2)、3)所述兩路光束在CCD/CMOS圖像傳感器的表面形成全息干涉圖像；

6)利用激光測(cè)距儀可測(cè)量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距離，即記錄距離d，將該記錄距離d代入到物光波公式中，得到CCD/CMOS圖像傳感器上物光波和參考光波的干涉強(qiáng)度信息；

7)CCD/CMOS圖像傳感器將其獲取的物光波和參考光波的干涉強(qiáng)度信息傳遞至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)所述CCD/CMOS圖像傳感器采集到的圖像進(jìn)行去噪、頻譜變換、解包裹相位、三維重建以及圖像拼接，即可獲取大型工件表面的三維圖案。

本發(fā)明的有益效果是：

此掃描式三維形貌測(cè)量裝置采用數(shù)字全息測(cè)量模塊，逐區(qū)域掃描檢測(cè)，利用激光測(cè)距儀測(cè)量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距離，得到CCD/CMOS圖像傳感器上物光波和參考光波的干涉強(qiáng)度信息；采用圖像拼接算法對(duì)各子區(qū)域三維重建模型完成立體拼接，最終復(fù)原出工件表面的三維形貌。相比于上述逐點(diǎn)掃描測(cè)量效率較高，可快速完成大型工件的表面形貌測(cè)量，通過(guò)對(duì)子測(cè)量區(qū)域三維模型進(jìn)行圖像拼接處理，記錄距離的實(shí)時(shí)測(cè)量使此裝置對(duì)掃描距離無(wú)需嚴(yán)格控制即可快速重建工件表面的三維形貌，降低了儀器對(duì)三軸龍門(mén)式位移平臺(tái)以及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)精度的要求。

附圖說(shuō)明

圖1是裝載全息模塊的龍門(mén)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x裝置圖；

圖2是裝載全息模塊的六自由度機(jī)械臂測(cè)量?jī)x裝置圖；

圖3是本發(fā)明用于三維形貌測(cè)量裝置的數(shù)字全息模塊示意圖。

圖1中：1是移動(dòng)測(cè)量裝置(龍門(mén)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的三軸位移平臺(tái))，2是數(shù)字全息測(cè)量模塊，3是待測(cè)工件。

圖2中：1是移動(dòng)測(cè)量裝置(六自由度機(jī)械臂)，2是數(shù)字全息檢測(cè)模塊，3是待測(cè)工件。

圖3中：2-1是激光器，2-2是空間濾波器，2-3是準(zhǔn)直物鏡，2-4是半透半反棱鏡，2-5是平面反射鏡，2-6是波長(zhǎng)選擇分光棱鏡，2-7是CCD/CMOS光電耦合器，2-8是激光測(cè)距儀。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

如圖1、圖2所示，該基于數(shù)字全息掃描的三維形貌測(cè)量裝置，包括一個(gè)移動(dòng)測(cè)量裝置1(龍門(mén)三坐標(biāo)或六自由度機(jī)械臂)和數(shù)字全息檢測(cè)模塊2。數(shù)字全息檢測(cè)模塊2裝配在移動(dòng)測(cè)量裝置1上，移動(dòng)測(cè)量裝置與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連，數(shù)字全息檢測(cè)模塊2在移動(dòng)測(cè)量裝置1的帶動(dòng)下對(duì)大型工件表面各個(gè)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

如圖3所示，數(shù)字全息檢測(cè)模塊2包括一激光器2-1，一空間濾波器2-2，一準(zhǔn)直物鏡2-3，一半透半反棱鏡2-4，一平面反射鏡2-5，一波長(zhǎng)選擇分光棱鏡2-6，一個(gè)CCD/CMOS光電耦合器2-7和一個(gè)激光測(cè)距儀2-8。在激光器出射激光束面上設(shè)有一塊半透半反棱鏡2-4，在半透半反棱鏡2-4和激光器2-1之間設(shè)置有空間濾波器2-2；在半透半反棱鏡2-4半透射方向設(shè)置有一塊波長(zhǎng)選擇分光棱鏡2-6，在半透半反棱鏡2-4上方設(shè)有一CCD/CMOS光電耦合器2-7，在半透半反棱鏡2-4下方設(shè)有一平面反射鏡2-5，波長(zhǎng)選擇分光棱鏡2-6的反射光路上設(shè)有待測(cè)工件3。

波長(zhǎng)選擇分光棱鏡2-6鍍有一層波長(zhǎng)選擇性透反射膜，使全息模塊激光器1發(fā)出的光波透射，使激光測(cè)距儀2-8發(fā)出的光波反射，以分離兩光波，以免互相影響?？臻g濾波器2-2包括顯微物鏡和設(shè)在顯微物鏡上的針孔，空間濾波器的出射光路上設(shè)有一個(gè)準(zhǔn)直鏡頭2-3，準(zhǔn)直鏡頭焦距選擇視具體要求決定。

激光器2-1發(fā)出一光波，經(jīng)空間濾波器2-2擴(kuò)束，準(zhǔn)直鏡頭2-3準(zhǔn)直后，進(jìn)入半透半反棱鏡2-4，反射光傳播至平面反射鏡2-5，經(jīng)其反射后，再進(jìn)入半透半反棱鏡2-4，透射光經(jīng)波長(zhǎng)選擇分光棱鏡2-6后進(jìn)入待測(cè)物體3，反射后再次透過(guò)波長(zhǎng)選擇分光棱鏡2-6，進(jìn)入半透半反棱鏡2-4，兩束光在CCD/CMOS光電耦合器2-7面上相互干涉，形成全息干涉圖。

數(shù)字全息檢測(cè)模塊裝配在移動(dòng)測(cè)量裝置上，作為測(cè)量探針對(duì)大型工件表面某一區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，在龍門(mén)三坐標(biāo)位移平臺(tái)或六軸機(jī)械臂帶動(dòng)下，完成對(duì)大型工件表面進(jìn)行逐區(qū)域掃描測(cè)量。測(cè)量完成后，在三軸位移平臺(tái)或者機(jī)械臂的帶動(dòng)下，移動(dòng)數(shù)字全息測(cè)量探針的位置，對(duì)大型工件表面另一區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)掃描和測(cè)量，完成大型工件的表面檢測(cè)，然后通過(guò)數(shù)字全息的再現(xiàn)方法對(duì)各個(gè)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行數(shù)字重建，并采用圖像拼接算法對(duì)各子區(qū)域三維重建模型完成立體拼接，最終高精度復(fù)原出工件表面的三維形貌。

本發(fā)明具體方案的實(shí)現(xiàn)步驟：

1)移動(dòng)龍門(mén)三坐標(biāo)位移平臺(tái)(或六軸機(jī)械臂)將全息模塊對(duì)準(zhǔn)所需測(cè)量大型工件表面區(qū)域。

2)激光器經(jīng)過(guò)空間濾波器濾除激光器出射光的高頻成分，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭之后以平行光束入射至半透半反棱鏡。

3)經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡的反射光經(jīng)過(guò)平面反射鏡的反射，再次經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡。

4)經(jīng)過(guò)半透半反棱鏡的透射光經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇分光棱鏡后，經(jīng)過(guò)待測(cè)物體的反射，再次經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)選擇分光棱鏡和半透半反棱鏡。

5)上文步驟2)、3)兩路光束在CCD/CMOS圖像傳感器的表面形成全息干涉圖像。

6)利用激光測(cè)距儀可測(cè)量物平面到CCD/CMOS窗口平面的距離，即記錄距離d，將該記錄距離d代入到物光波公式中，得到CCD/CMOS圖像傳感器上物光波和參考光波的干涉強(qiáng)度信息；

由再現(xiàn)物光波公式，

U(x',y')＝F^-1{F{R(x,y)I_H(x,y)}G(f_x,f_y)}

其中，R(x,y)為參考光波，F(xiàn)為傅里葉變換的數(shù)學(xué)符號(hào)，I_H(x,y)為CCD/CMOS圖像傳感器上物光波和參考光波的干涉強(qiáng)度信息，G(f_x,f_y)為衍射傳播在頻域效應(yīng)的傳遞函數(shù)，

式中，λ為重建光波長(zhǎng)，一般與參考光波長(zhǎng)一致，d′為重建距離；

重建距離d′的確定依賴(lài)于記錄距離d的取值，根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量到的記錄距離信息作為上式中d′的取值依據(jù)，即可完成數(shù)字全息掃描的實(shí)時(shí)再現(xiàn)，降低了儀器對(duì)三軸龍門(mén)式位移平臺(tái)或機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)精度的要求。

7)CCD/CMOS圖像傳感器將其獲取的物光波和參考光波的干涉強(qiáng)度信息傳遞至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)所述CCD/CMOS圖像傳感器采集到的圖像進(jìn)行去噪、頻譜變換、解包裹相位、三維重建以及圖像拼接，即可獲取大型工件表面的三維圖案。

移動(dòng)測(cè)量裝置中，不局限于龍門(mén)三坐標(biāo)位移平臺(tái)或六自由度機(jī)械臂測(cè)量裝置，與本發(fā)明相關(guān)的可移動(dòng)裝置都在本發(fā)明的保護(hù)權(quán)限內(nèi)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，在此僅僅給出了較佳的實(shí)施例，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。