一种平面度检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种平面度检测方法，该方法利用的检测系统由摄像元件、显示元件和图像处理元件组成。首先进行摄像元件标定，再在测量位置放置一块参考平面，在显示元件上显示标准的结构特征图样，并投影在该参考平面上，经反射后由摄像元件进行拍摄，作为参考图样。再将被测平面放在同一位置，同样采用摄像元件拍摄经其反射的图样，就是测量图样。通过测量特征图样与参考标准图样进行对比分析，结合测量系统的结构参数，就可以计算得到被测平面的面形误差分布。本发明的平面度检测方法具有检测精度高、成本低、使用方便和检测系统结构简单的优点，具有广阔的应用前景。
【专利说明】
一种平面度检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光学检测技术，特别针对平面面形检测领域，具体涉及一种平面 度检测方法。
【背景技术】
[0002] -些产品经过各种成型工序后，其表面会发生翘曲变形。尤其是随着现代工业技 术的飞速发展，电子消费品（手机、平板等)需求不断加大，对其屏幕表面的质量要求也越来 越高。精密制造需要相应的高精度检测技术，对于电子消费品屏幕，相应的表面检测技术 (主要为平面度和瑕疵检测）需求迫切。电子消费品屏幕平面度测量技术需要在保证高速 度、高精度、高稳定性的情况下能适应更多材料，更大测量范围，更便于操作。目前对于平面 度检测技术，定性的测量方式主要有3米直尺法、连续平整度仪法、颠簸累积仪法、水准仪 法，这几种测量方法对测量条件要求相当苛刻，而且测量精度受限于测量范围，只适用于对 极小面积的待测物体平面度进行测量，测量面积大的物体时精度非常低。定量的测量方法 主要有干涉面形检测和基于测距形式的点测量方法。干涉面形检测方法采用的是干涉仪进 行平面面形检测，平面面形要求在亚微米量级，且测量时对测量环境要求较高，检测调整也 比较耗时，无法满足工业在线快速测量的要求。基于测距形式的点测量方法主要采用激光 测距干涉仪进行单个采样点的测量，采样点稀疏，无法覆盖整个表面，造成测量精度低，且 随着采样点密度的增加，时间成本和设备成本也会急剧增加，无法满足现代社会对测量高 效率及低成本的要求。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种具有结构简单、使用方便、成 本低廉且测量精度高等特点的平面度检测方法。
[0004] 本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：
[0005] -种平面度检测方法，该方法利用的检测系统包括摄像元件、显示元件和图像处 理元件;该方法包括如下步骤：
[0006] 首先将摄像元件进行标定；再将一块参考平面放置于测量位置，在显示元件上显 示标准的结构特征图样，并投影到参考平面，反射后被摄像元件所记录，作为参考图样；
[0007] 然后将被测平面放置于同一测量位置，同样采用摄像元件拍摄经其反射的图样， 作为测量图样;通过对比分析参考图样与测量图样的差异，结合检测系统的结构参数，就可 以计算被测平面的面形误差。
[0008] 其中，再将一块参考平面放置于测量位置，在显示屏上显示标准的结构特征图样， 并投影到参考平面，反射后被摄像元件所记录，作为参考图样;然后将被测平面放置于同一 位置，同样采用摄像元件拍摄经其反射的图样，作为测量图样;通过对比分析参考图样与测 量图样的差异，就可以计算被测平面的面形误差。
[0009] 其中，所述的将摄像元件进行标定是通过对摄像元件标定得到摄像元件像素点与 采样点的对应关系。
[0010]其中，所述的结构特征图样可以是正弦周期条纹、圆斑、棋盘格或高斯点阵。
[0011]其中，所述的参考图样与测量图样的差异是:参考图样与测量图样分别携带了参 考平面与被测平面的面形信息，两者的差异体现了被测平面相对于参考平面的面形差异， 即被测平面的面形误差。
[0012] 其中，所述的测量系统的结构参数是显示元件与测量位置的距离。
[0013] 其中，所述的计算被测平面的面形误差是计算得到被测平面的斜率分布，再积分 得到被测平面的面形误差。
[0014] 其中，所述的摄像元件为CCD摄像机，所述的显示元件为显示屏，所述的图像处理 元件为具有图像处理软件的通用计算机。
[0015] 本发明的原理在于：
[0016] 本发明检测方法利用的检测系统包括摄像元件、显示元件和图像处理元件。首先 进行系统标定，将一块参考平面放置于测量位置，图像处理元件产生一定结构的特征图样， 显示在显示元件上，并投影到参考平面，被反射后为摄像元件所接收;也就是摄像元件通过 参考平面来观察显示元件，可以拍摄到显示元件上显示的特征图样，将拍摄的特征图样作 为参考图样。在参考平面同样位置处放置被测平面，这时摄像元件记录下该被测平面反射 的特征图样，作为测量图样。根据参考图样和测量图样的分布差异，结合测量系统的结构参 数，可计算得到被测平面与参考平面之间的面形差异，也就是被测平面的面形误差分布。 [00 17]本发明具有如下的优点：
[0018] 1.本发明检测方法利用的检测系统结构简单，无需特殊元件，成本非常低廉。
[0019] 2.本发明动态范围大，适用范围广，可用于镜面反射及类镜面反射平面面形检测。
[0020] 3.本发明检测方法具有很高的检测精度，可以达到亚微米级。
[0021] 综上所述，本发明检测方法利用的检测系统结构简单，原理清楚，直观形象，所需 要的器件制造工艺成熟，成本低廉，而且本发明检测方法具有非常高的检测精度，具有广阔 的应用前景。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明一种平面度检测方法利用的检测系统结构示意图，其中，1为摄像元 件;2为显示元件;3为被测平面;4为图像处理元件。
[0023]图2为本发明的测量原理图。
[0024]图3为典型特征图样形状及特征点，其中，图3(a)为正弦周期条纹；图3(b)为圆斑； 图3(c)为棋盘格;图3(d)为高斯点阵。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0026]以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优 选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定 的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背 离本发明的精神和范围的其他技术方案。
[0027]如图1所示，本发明一种平面度检测方法利用的检测系统主要是由摄像元件1、显 示元件2、被测平面3和图像处理元件4组成。测量原理如图2所示，显示元件2上显示由图像 处理元件4生成的特征图样，经被测样品反射后被摄像元件1所拍摄，也就是摄像元件1通过 被测平面3来观察显示元件2,可以拍摄到显示元件2上显示的特征图样。由于摄像元件1拍 摄的反射图像就携带了被测样品的面形信息，会因为发生变形而不同于显示元件2所显示 的标准特征图样，变形量取决于被测平面3的面形。通过对比分析参考平面和被测平面3的 反射图样分布差异，就可以计算得到被测平面3与参考平面之间的面形差异，也就是被测平 面3的面形误差。如图2中，当放置参考平面时，显示元件2上的B点经S点反射后入射到摄像 元件1中的A像素点；当放置被测平面3时，显示屏2上的C点经反射后入射到摄像元件1的同 一像素点A。通过分析被测图样与参考图样的差异，可以得到B、C两点的距离BC，再结合测量 位置与显示元件2的距离d，就可以得到被测平面3上S点的斜率分布，从而经积分就可得到 被测平面3的面形误差。下面以显示元件2上显示正弦周期条纹特征图样为例进行说明，当 显示其他特征图样时具有类似的测量过程，本实施例只是为了解释本发明，并不包括本专 利的所有内容。本发明主要测量步骤如下：
[0028]第一步，对摄像元件1进行标定。摄像元件标定方法很多，如Tsai和Roger提出的两 步法，张正友提出的平面标定法等。其中，张正友的平面标定法应用较为广泛。这是一种在 摄像元件成像的非线性模型下，采用多幅平面模板标定摄像元件所有内外参数的方法。该 方法中使用的平面模板上具有多个特征点，并且特征点与其图像上相应的像点之间存在一 个对应关系，这就为内部参数的求解提供了约束条件。摄像元件从不同角度拍摄平面模板 的多幅图像(三幅以上），先由线性解法求出部分参数的初始值，然后考虑径向畸变(一阶和 二阶），并以基于极大似然准则对线性结果进行非线性优化，最后利用计算好的内部参数和 平面模板映射矩阵求出外部参数。通过摄像元件标定，可以得到像素点与采样点对应关系， 即图2中A像素点与S点的对应关系。
[0029] 第二步，得到参考相位分布。将一块参考平面放置于测量位置，图像处理元件4分 别产生水平方向和垂直方向的正弦周期条纹图，显示在显示元件2上，并投影到该参考平 面。该条纹图经反射后被摄像元件1所拍摄记录;也就是摄像元件1通过参考平面来观察显 示元件2,拍摄到显示元件2上显示的条纹图样，将此作为参考条纹。如图2中，屏幕上B点经 参考平面反射后入射到摄像元件1上的A像素点。采用相移算法和相位展开算法提取得到相 位分布，即为参考相位Β(Φ〇)。
[0030] 第三步，得到测量相位分布。将被测平面3放置于同样的测量位置，图像处理元件4 分别产生水平和垂直方向的正弦周期条纹图，显示在显示元件2上，并投影到该被测平面3。 该条纹图经反射后被摄像元件1所拍摄记录，将此作为测量条纹。如图2中，此时屏幕上的C 点经被测平面3反射后入射到摄像元件1上的同一像素点Α。采用相移算法和相位展开算法 提取得到此时的相位分布，即为测量相位€((6(6+辦)。
[0031] 第四步，计算斜率分布。从参考相位分布与测量相位分布，结合测量系统结构参 数，就可以计算得到被测平面3相对于参考平面的面形差异的斜率分布，即被测平面3的面 形误差斜率分布。
[0033] 其中，免为B、C两点的相位差，p为条纹周期，d为显示屏2与测量位置的距离，x、y分 别表示相互正交的水平和垂直方向。
[0034] 第五步，由被测平面3斜率分布，积分得到被测平面3的面形误差：
[0035] h = Js(fxdx+fydy)
[0036] 由斜率分布进行积分的方法很多，如十字积分法，任意路径积分法，傅立叶变换积 分法，区域波前重构法等。
[0037]在本实施例中，所述的摄像元件为CCD摄像机，所述的显示元件为显示屏，所述的 图像处理元件为具有图像处理软件的通用计算机。
[0038]本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例 而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在 实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。
【主权项】
1. 一种平面度检测方法，其特征在于:该方法利用的检测系统包括摄像元件（1)、显示 元件(2)和图像处理元件(4)，该方法的步骤在于:首先进行摄像元件（1)标定;再将一块参 考平面放置于测量位置，在显示元件（2)上显示标准的结构特征图样，并投影到参考平面， 反射后被摄像元件（1)所记录，作为参考图样;然后将被测平面(3)放置于同一测量位置，同 样采用摄像元件（1)拍摄经其反射的图样，作为测量图样;通过对比分析参考图样与测量图 样的差异，结合检测系统的结构参数，就可以计算被测平面(3)的面形误差。2. 根据权利要求1所述的平面度检测方法，其特征在于:再将一块参考平面放置于测量 位置，在显示元件(2 )上显示标准的结构特征图样，并投影到参考平面，反射后被摄像元件 (1)所记录，作为参考图样;然后将被测平面(3)放置于同一位置，同样采用摄像元件（1)拍 摄经其反射的图样，作为测量图样;通过对比分析参考图样与测量图样的差异，就可以计算 被测平面(3)的面形误差。3. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的摄像元件标定是通 过摄像元件(1)标定得到摄像元件(1)像素点与采样点的对应关系。4. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的结构特征图样可以 是正弦周期条纹、圆斑、棋盘格或高斯点阵。5. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的参考图样与测量图 样的差异是:参考图样与测量图样分别携带了参考平面与被测平面(3)的面形信息，两者的 差异体现了被测平面(3)相对于参考平面的面形差异，即被测平面(3)的面形误差。6. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的测量系统的结构参 数是显示元件(2)与测量位置的距离。7. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的计算被测平面(3)的 面形误差是计算得到被测平面的斜率分布，再积分得到被测平面的面形误差。8. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的摄像元件（1)是CCD 摄像机。9. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的显示元件(2)是显示 屏。10. 根据权利要求1或2所述的平面度检测方法，其特征在于:所述的图像处理元件(3) 是具有图像处理软件的通用计算机。
【文档编号】G01B11/30GK105865378SQ201610191731
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】尚修森, 尚修鑫, 孙晓敏, 汪旭东
【申请人】苏州精创光学仪器有限公司