[发明专利]一种斜照明式的彩色共聚焦测量系统及检测方法

说明书

本发明涉及一种斜照明式的彩色共聚焦测量系统及检测方法，测量系统包括光源模块、色散镜头模块、运动载物模块、反射镜头模块和采集计算模块。光源模块射出复色光束通过色散镜头模块，色散成不同波长的多个光束，再聚焦至运动载物模块上的被测物，移动运动载物模块以进行被测物表面各位置图像信息采集，光纤再反射至反射镜头模块又180度反射回来，射向采集计算模块。采集计算模块采集被测物表面反射的聚焦光斑的波长和颜色信息，通过波长信息计算出被测物表面的相对轴向高度数据，将采样点信息的轴向高度与对应的水平位置坐标信息进行三维点云建模生成表面形貌图像。本测量系统和检测方法适用于在几何空间受限时，检测样品表面形貌。

技术领域

本发明涉及非接触式表面三维形貌检测领域，具体而言，涉及一种斜照明式的彩色共聚焦测量系统及检测方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，同时带动了制造业的产业升级使得生产加工的产品越来越精密，社会对高精度产品的表面三维形貌检测技术也提出了更高的要求。表面测量技术跨越了科学和工业等许多不同领域，在生物医学、地质样品、加工材料、机械零部件、集成电路、微机电系统和光学元件等领域得到广泛的应用。目前在表面三维形貌检测领域，光学检测方法因其具有非接触、高精度、高速度、适应性强等优势已经超越了传统的接触式测量成为主流的表面检测方式。获取三维形貌的方法通常需要利用光学传感器结合三维移动平台扫描被测对象表面不同的点信息来实现高精度的微观形貌还原。光学检测方法通常包括白光干涉法、激光三角法、像散法、激光共焦法等，以上检测方法由于需要轴向扫描，时间较长无法适应现代生产生活的高效率需求。为了减少机械扫描的时间，同时提高传感器的环境适应能力，基于光谱编码原理的彩色共聚焦技术被提出。

彩色共聚焦技术原理通过结合机械位移装置对被测物表面扫描，传感器采集到的波长信息变化反映位移信息，相比较于传统的激光共焦测量方法不需要轴向扫描节约检测时间，提高了检测速度，彩色共聚焦技术可以实现亚微米级别的检测精度。

常规的彩色共聚焦测量系统通常垂直于被测物进行测量，但是现实生产生活中存在一些特殊情况限制了垂直方向上的测量方案，例如应用于航空发动机转子叶片的表面形貌的检测时，由于两片叶片之间的空间非常狭小压缩了在竖直方向测量的几何空间，这种情况在其他的工业检测领域也经常会发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有彩色共聚焦测量系统垂直于被测物进行测量，应用于狭小空间等特定场景时空间受限的情况。

为了解决以上技术问题，本发明提出了一种斜照明方式采集物体表面信息的彩色共聚焦测量系统，可以实现在不同几何角度的测量，该方案可以应用推广到其他相关的表面形貌测量领域。本发明的技术方案如下。

一种斜照明式的彩色共聚焦测量系统，包括光源模块、色散镜头模块、运动载物模块、反射镜头模块和采集计算模块。所述光源模块朝向所述色散镜头模块；所述色散镜头模块具有直线型的入射光通道，所述反射镜头模块具有直线型的反射光通道；入射光通道和反射光通道的中心延长线相交于所述运动载物模块上装载的被测物的表面；入射光倾斜射入运动载物模块上装载的被测物的表面；入射光中心线与载物面法线的夹角为入射角，入射角大于所述色散镜头模块的信号收集角。为了防止采集计算模块受到被测物表面直接反射的光线干扰，需要保证在测量倾斜角(即入射角)大于色散镜头模块的信号收集角情况下进行测试。所述反射镜头模块的末端为角锥棱镜；所述色散镜头模块的侧向设置光线采集通道，所述光线采集通道朝向所述采集计算模块。所述采集计算模块还连接于所述运动载物模块。

本发明的方案利用彩色共聚焦距离测量方法以倾斜方式对被测物表面信息进行采集，测量光线由于倾斜角度偏转到其他方向无法直接由样品表面反射回传感器，故添加反射镜头模块将聚焦光全反射回接收系统进行光束信息采集。光学传感器采集到的波长信息代表当前测量物表面的相对轴向高度，系统通过结合运动载物模块扫描测量被测物整个表面的高度变化值，生成表面三维形貌图。

作为本发明的斜照明式的彩色共聚焦测量系统的进一步改进，入射光通道的中心线和反射光通道的中心线相互垂直。