一种新型光纤传像微三维测量系统

　　随着微电子工业的迅猛发展以及MEMS、MOEMS和光通信等技术的不断兴起,出现了大量的微米及毫米级器件.因此,微三维测量的市场需求越来越旺盛.但是,目前已有的3D测量仪器要么是针对厘米以上器件的,如台湾智泰公司、西安交通大学及清华大学推出的3D测量仪,其测量精度一般都在几十微米左右;要么是针对微纳米级器件的,如ATM和STM,其测量精度一般能达到几个或几十个纳米.所以开发适合测量毫米量级器件且具有微纳米量级精度的仪器已成为众多研究者的共同目标.

　　目前,有关专家提出了许多微三维测量方法及系统,有的甚至已商品化. 1997年,W indeckerRobert等人[1]采用投影光栅条纹的方法成功地将一架双目立体观察显微镜改造成了立体测量显微镜,分辨率达到了4μm,但是所投影的光栅条纹是由固定光栅片产生的,因而存在着刻画误差且不易调整,条纹投射与摄取光路间的夹角也较小. 1999年,Huang P S等人[2]开发的系统和2001年ZhangChengping等人[3]开发的系统均克服了这两个缺点. 1999年,Yin Shizhuo等人[4]提出了一种基于共焦原理的单点扫描系统,最高分辨率可达40 nm,但须二维运动配合,速度较慢. 2001年,Bitte F等人[5]以DMD(digitalmicro2mirrordevice)代替微透镜阵列开发了一套基于共焦原理的并行测量系统,与Yin Shizhuo等人的系统相比,测量速度得到了有效的提高. 2001年,范光照[6]等人以普通商用DVD自动聚焦探头代替三坐标测量机的接触式探头开发了一套超高精度的三坐标测量机,测量范围为20 mm×20 mm×10 mm(x×y×z),x轴、y轴和z轴测量不确定度分别为10 nm×10 nm×30 nm,但运动及控制部分比较复杂. 2001年, Pennington Timothy L等人[7]先用一个一进两出的光纤耦合器制成了一个杨氏双缝干涉计来产生干涉条纹,再借助于相移法计算三维高度,此法结构简单,系统体积较小,但干涉条纹的宽度和间距不易调整. 2001年,KreisThomas等人[8]提出了基于DMD的全息干涉测量方法,但结构复杂,精度较差.

　　综合前人的研究结果可知,数字条纹投影技术因具有无刻画误差、易于调整、无需运动配合及测量速度快等优点而被广泛采用,相移法因重建精度较高也被经常采用.但是,目前已有的系统大多采用台架式结构,被测物体必须被放置于特定的工作台上才能进行测量,因此难以对一个较大物体上的某一局部进行测量, 也难以实现远距离测量.这不仅大大限制了系统的应用范围,同时也给测量带来了诸多不便.为此,本文在前人的基础上提出了一种基于光纤传像束和数字条纹投影技术的新型测量系统.

　　1　系统架构

　　系统原理如图1所示.该系统由计算机、光纤传像束、DLP(digital light processing)投影仪、光学系统、CCD摄像机及图像采集卡等六部分构成.本系统采用面结构光测量原理,首先根据不同的测量需要,通过电脑编程的方法生成正弦光栅条纹、二元光栅条纹、点光源阵列或同心圆条纹等各种需要的面结构光;然后由DLP投影仪将该结构光图像投射出去.由于从DLP投影出来的图像范围较大,通常都在50 cm×50 cm以上;而光纤传像束的有效截面直径却通常只有几个毫米,所以要将从DLP投射出来的结构光图像完全耦合到光纤传像束中去,必须在DLP与光纤传像束间加一个适当的光学系统.该光学系统的作用是将从DLP投影器出来的结构光图像完全成在光纤传像束的输入端面上.光纤传像束会非常清晰地将其输入端面上的图像传输到输出端面上.加在光纤传像束输出端的物镜系统会将其输出端面上的结构光图像以一定的像距成在被测物体上.物体表面凹凸不平的形貌对结构光图像有调制作用,如果从偏离投射光路一定角度的方向去观察被测物体,就会发现结构光图像会发生扭曲,被扭曲后的结构光图像中即包含了物体表面的高度信息.被物体调制后的结构光图像可以用CCD摄像机拍摄并经图像采集卡采集到计算机里.经必要的图像处理后,就可以用三角法及相位移法等方法从扭曲图像中解算出被测物体的三维尺寸.