[发明专利]一种高精度三维测量方法与测量仪器

说明书

一种高精度三维测量方法与测量仪器，本发明测量方法包括：特征点转动采集流程；特征点坐标计算流程；和最终测量结果。通过在特征点转动采集流程，转动转台带动样品进行多次转动，改变特征点相对于微透镜阵列的位置，以及所有特征点在元素图像上的排列，使得在三维坐标计算阶段，所有特征点能够被分辨，并能用于其三维坐标的计算，解决了由图像传感器像素化导致的特征点无法分辨的问题，提高了测量精度。

技术领域

本发明属于三维测量技术领域，尤其涉及三维测量方法与仪器。

背景技术

随着微结构表面在多领域的广泛应用，微结构样品的超精密加工和测量过程也引起了广泛关注。由于微结构的尺度较小，并且大部分具有非对称，自由度较高的特性，例如光学自由曲面，高精度的在位测量技术对于微结构表面是很重要的。

目前微结构表面的三维面形在位测量常采用非接触式的光学测量方法，较为常见的有双目视觉法和结构光测量法。结构光测量法，由于其重构过程的包裹相位现象，导致其动态范围较小。且其实际测量系统标定过程较为复杂，并不适用于在位测量。双目视觉法虽可以实现微结构表面的在位测量，但该方法测量精度较低，若提高测量精度，需要提高测量系统的复杂性。

针对超精密加工过程中的在位检测需求，申请号为201410357264.2名称为“三维测量方法和仪器”的专利申请公开了一种用于根据立体测量方法通过设置微透镜阵列和图像传感器来测量样品的特征点和三维坐标的三维测量方法和仪器，包括以下步骤：设置微透镜阵列使样品上的待测表面的特征点通过微透镜阵列形成多个像点；设置传感平面，获取样品上待测表面的特征点在传感平面上所形成的多个像点；设置映射平面，并在映射平面上设置多个映射点；使多个映射点与多个像点一一对应；设置重聚焦平面，在重聚焦平面上设置会聚点阵列，使会聚点阵列包括阵列排列的多个会聚点；连接映射点与映射点对应的会聚点，以形成特征点的多个重聚焦连线；多个重聚焦连线相交于重聚焦点；计算重聚焦点的三维坐标，并根据重聚焦点的三维坐标计算得到特征点的三维坐标；将特征点的三维坐标显示出来。并且该测量仪器，系统简单，较容易操作，可以实现三维在位测量。

该方法虽能将样品的特征点的三维坐标测量出来，但是该测量过程中，由于传感平面的像素化影响，使得某些不同的特征点记录于传感平面上的同一个像素中，这将导致这些特征点具有相同的三维坐标，从而带来了测量误差，降低了测量精度。一种新的可以在不增加系统的复杂程度的基础上实现较高测量精度的测量方法是十分重要的。

发明内容

本发明目的是解决现有的基于立体测量技术测量样品特征点的三维坐标的方法中，由于传感平面像素化的问题导致的测量精度较低的问题，提出了一种高精度的测量方法和测量仪器。

本发明的技术方案如下：

一种高精度三维测量方法，包括以下步骤：

步骤1：特征点转动采集流程；包括以下步骤：

S1、设置转台，将三维样品固定在转台上，使样品能够围绕该转台的转动中心，在垂直于转动轴的平面内按照预设的角度多次转动；

S2、设置微透镜阵列，使微透镜阵列包括多个单元子透镜，并使微透镜阵列所在的平面垂直于转台的转动轴，微透镜阵列所在的平面平行于转台的转台平面，并朝向样品的待测表面；

S3、设置图像传感器，将传感器放置于微透镜阵列相对于转台的另一侧，使传感器传感平面平行于微透镜阵列所在的平面，利用图像传感器获得包含由微透镜阵列形成的待测表面特征点的多个像点的图像，并将图像传感器获得的图像传到信息处理显示部分进行保存。图像传感器传感平面与微透镜阵列平面的距离称为传感距离。

S4、将样品绕转台的转动中心沿一个方向进行多次转动，每次的转动角度为θ，转动的总次数为N，每次转动后将图像传感器采集的包含特征点像点的图像传给信息处理显示部分进行保存。将每一次转动后保存的图像称为一组元素图像EI，转动N次后可获得N组元素图像。