利用狭缝的共焦测量系统

　　1　引　　言

　　由于共焦系统具有独特的纵向分辨能力[1,2],使其在三维轮廓测量中成为一个重要的手段。采用单点共焦系统进行三维轮廓测量时需要进行二维扫描,因此大大降低了测量速度。本文提出了采用狭缝的共焦测量方法,一次可以实现多点测量,提高了测量速度。本文采用单缝试验装置验证了这种方法的可行性。

　　2　试验装置及三维轮廓测量

　　2.1　试验装置

　　试验装置原理示意图如图1所示。狭缝上P处的点光源,经过成像系统成像到的P′点,当被测物处于P′点时,反射回的光线经同一个物镜聚焦到针孔P,成像到探测器P″点,此时探测器信号达到最大值。当被测物沿轴向移动时,照射光将在被测物表面弥散开来,反射回来通过狭缝P的光通量减少,导致探测器接收到的信号减少。为了提高信噪比,在本系统中采用了偏振立方棱镜作为分光器件,加入1/4波片使返回的信号光振动方向偏转90°从而到达探测器。

　　2.2　三维轮廓测量

　　图2为采用该系统测量平面镜时在采样点(305,300)处的轴向光强分布曲线。取光强最大点Pm(Zm,Im),及其两侧的点Pm-1(Zm-1,Im-1),Pm+1(Zm+1,Im+1)采用内插值方法来计算该点的高度,高度计算公式如下[3]:

　　利用狭缝实现三维测量中有效采样点的标记是一个关键问题。由于共焦测量中当被测物沿轴向扫描时,CCD靶面上对应的共焦点仅仅发生光强的变化,而不会发生位置的移动,因此有效采样点一旦确定下来,在以后的测量中,仅仅对标记过的点进行计算获取高度信息。确定有效点时,我们采用平镜面进行标记,在标记过程中,引入了光强变化图像和标记图像两个概念。光强变化图像表征了采样图像序列g1,g2,…,gn的光强变化程度;标记图像是对实际有效采样点进行标记的图像。标记过程表述为,求取光强变化图像,对其二值化求取标记图像。

　　光强变化图像定义如下:

其中,Var为光强变化图像,(i,j)表示图像坐标。

　　标记图像按照下式来确定:

　　其中域值Thr可根据经验或标定图像的平均值确定。

　　3　试验结果

　　图3(a)为光强变化图像,有效采样点对应的灰度值比较大,相应的图像也比较亮,(b)为标记图像,在此域值Thr采用标定图像的平均值加10。图4是对一角硬币花样图案的测量结果,(a)为测量位置,即图中所示黑线部分,(b)(c)分别对应不同采样位置时的情况,(d)图为计算的图案轮廓高度曲线。

　　4　结　论

　　提出了利用共焦狭缝进行三维轮廓测量的方法,　并进行了试验验证,解决了利用狭缝测量中的有效点标定问题。由于存在大量的无效点,因此可采用多条狭缝,增加有效采样点,提高测量速度。