[发明专利]基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量方法

摘要

本发明公开了一种基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量方法，该测量系统包含有如下硬件：“L”型z向支承架、步进电机、滚珠丝杠、一对丝杠螺母座、上限位开关、下限位开关、滑动联结块、限位开关挡板、由光学镜头和图像传感器组成的光学探头、标尺光栅和光栅读数头；在光学探头与被测物体处于不同的z向距离下，采集从离焦到聚焦再到离焦的图像序列；通过软件编程，主要运用数字图像相关法和对焦评价函数对采集到的图像序列进行处理，并运用粗糙度计算公式得到物体表面的三维粗糙度评定参数。本发明能够测量具有多种形状，不同材质，不同表面反射率的复杂几何结构的三维表面粗糙度，且测量精度可以达到微纳米级别。

主权项

1.一种基于变焦技术的物体表面三维粗糙度测量系统的测量方法，所述物体表面三维粗糙度测量系统包括：“L”型z向支承架(1)、步进电机(2)、滚珠丝杠(3)、光学探头、一对丝杠螺母座(10)、上限位开关(11)、下限位开关(12)、滚珠螺母联结块(14)、限位开关挡板(15)、标尺光栅(16)、光栅读数头(17)；在所述“L”型z向支承架(1)的纵向面内侧左上方固定有所述步进电机(2)；所述步进电机(2)的转动轴通过联轴器和所述滚珠丝杠(3)连接，在所述滚珠丝杠(3)上安装有一对丝杠螺母座(10)；在所述一对丝杠螺母座(10)之间的“L”型z向支承架(1)上设置有所述上限位开关(11)和下限位开关(12)；在所述滚珠丝杠(3)上设置有所述滚珠螺母联结块(14)；在所述滚珠螺母联结块(14)的左侧设置有所述限位开关挡板(15)，使得所述滚珠螺母联结块(14)的运动行程限定在所述上限位开关(11)和下限位开关(12)之间的滚珠丝杠(3)上；所述滚珠螺母联结块(14)的另一侧与所述光学探头相连接；在所述“L”型z向支承架(1)上，所述滚珠丝杠(3)的右侧竖直安装有一直线导轨副，所述光学探头通过导轨滑块连接在所述直线导轨幅上，在所述滚珠螺母联结块(14)的带动下上下移动；在所述光学探头朝向所述滚珠丝杠(3)的一侧下方设置有所述光栅读数头(17)，与所述光栅读数头(17)相对应的标尺光栅(16)固定在所述“L”型z向支承架(1)上；在所述光学探头的正下方设置有被测物体；所述光学探头包括：图像传感器(4)、镜筒透镜(5)、分光镜(6)、显微物镜(7)、准直镜(8)、照明光源(9)；其中，所述图像传感器(4)、镜筒透镜(5)、分光镜(6)、显微物镜(7)是按从上到下的顺序依次排列的；所述准直镜(8)在所述分光镜(6)的右侧，所述照明光源(9)在所述准直镜(8)的右侧；所述照明光源(9)发出的光经过所述准直镜(8)后形成平行光束打到所述分光镜(6)上，由所述分光镜(6)反射的光线经过所述显微物镜(7)照射到所述被测物体的表面，经所述被测物体的表面反射后，再依次通过所述显微物镜(7)、所述分光镜(6)和镜筒透镜(5)最终到达所述图像传感器(4)上；从而通过所述图像传感器采集到一幅所述被测物体的成像图像；通过照明光源调制系统，获取具有不同曝光量的图像；由所述步进电机(2)驱动所述滚珠丝杠(3)带动所述滚珠螺母联结块(14)及所述光学探头在所述上限位开关(11)和下限位开关(12)之间上下移动，并由所述光栅读数头(17)和所述标尺光栅(16)获取所述光学探头的z向位移量，从而使得所述图像传感器采集到不同z向工作距离下的被测物体的成像图像，并构成图像序列(13)，由所述图像序列(13)通过对焦算法得到所述被测物体的表面高度信息，进而获得所述被测物体的表面三维粗糙度；其特征是，所述测量方法是按如下步骤进行：步骤1、将所述被测物体的被测区域移动到所述光学探头的成像区域内；步骤2、根据所述图像传感器采集到的图像清晰度，利用所述步进电机(2)调整所述光学探头的z向位置，使得所述光学探头移动到所述被测物体的正焦位置的偏上方；步骤3、逐步移动所述光学探头，并利用所述图像传感器获得从所述正焦位置的偏上方到所述正焦位置，再到所述正焦位置的偏下方的n幅成像图像所构成的图像序列(13)；同时，记录下每幅成像图像采集时所述光栅读数头(17)的读数，从而得到z向位移量；步骤4、采用数字图像相关算法搜索n幅成像图像的x向和y向的偏移量；步骤4.1、定义变量i，并初始化i＝1；步骤4.2、对第i幅成像图像，选取所述第i幅成像图像的中心点O_i；并以所述中心点O_i为中心获取一个P×P的小区域R_i；步骤4.3、在第i+1幅成像图像中，选取所述第i+1幅成像图像的中心点O_i+1为中心，并以所述中心点O_i+1为中心获取一个Q×Q的小区域R_i+1；且P＜Q；步骤4.4、通过数字图像相关算法在所述第i+1幅成像图像的小区域R_i+1中搜索到所述第i幅成像图像的小区域R_i的位置，从而得到所述第i+1幅成像图像的像素点相对于第i幅成像图像的像素点的偏移量D_i；步骤4.5、将i+1赋值给i，并返回步骤4.2执行，直到i＞n为止，从而获得n‑1个偏移量{D₁,D₂,…,D_i,…,D_n‑1}；步骤5、在任意一幅成像图像上选取与所述被测区域相对应的感兴趣区域，根据所述n‑1个偏移量{D₁,D₂,…,D_i,…,D_n‑1}，利用对焦评价函数和大小为M的对焦模板对所述n幅成像图像上感兴趣区域内的相应像素点进行对焦处理，得到n幅成像图像的感兴趣区域内以每个像素点为中心的M×M区域内的对焦评价函数值；步骤6、对所述感兴趣区域内的每个像素点，以所述z向位移量为横坐标，以n幅成像图像的对焦评价函数值为纵坐标，分别得到相应像素点的散点图；步骤7、分别将所述感兴趣区域内的每个像素点所对应的散点图拟合为连续曲线图；步骤8、分别对所述感兴趣区域内每个像素点所对应的连续曲线图采用最大值搜索方法进行搜索，得到每个连续曲线图的最大值所对应的z轴位移量；步骤9、利用每个连续曲线图的最大值所对应的z轴位移量重构出三维曲面，用于观察图像表面平滑度；步骤10、对步骤9所述三维曲面构造最小二乘平面h＝f(x,y)作为粗糙度评定基准面，将所述每个连续曲线图的最大值所对应的z轴位移量分别减去所述粗糙度评定基准面对应的高度值h，得到所述被测物体表面的被测区域内各点到基准面的距离，从而得到所述被测物体表面三维粗糙度的评定参数。