一种高精度三维测量方法与测量仪器与流程

本发明属于三维测量技术领域，尤其涉及三维测量方法与仪器。

背景技术：

随着微结构表面在多领域的广泛应用，微结构样品的超精密加工和测量过程也引起了广泛关注。由于微结构的尺度较小，并且大部分具有非对称，自由度较高的特性，例如光学自由曲面，高精度的在位测量技术对于微结构表面是很重要的。

目前微结构表面的三维面形在位测量常采用非接触式的光学测量方法，较为常见的有双目视觉法和结构光测量法。结构光测量法，由于其重构过程的包裹相位现象，导致其动态范围较小。且其实际测量系统标定过程较为复杂，并不适用于在位测量。双目视觉法虽可以实现微结构表面的在位测量，但该方法测量精度较低，若提高测量精度，需要提高测量系统的复杂性。

针对超精密加工过程中的在位检测需求，申请号为201410357264.2名称为“三维测量方法和仪器”的专利申请公开了一种用于根据立体测量方法通过设置微透镜阵列和图像传感器来测量样品的特征点和三维坐标的三维测量方法和仪器，包括以下步骤：设置微透镜阵列使样品上的待测表面的特征点通过微透镜阵列形成多个像点；设置传感平面，获取样品上待测表面的特征点在传感平面上所形成的多个像点；设置映射平面，并在映射平面上设置多个映射点；使多个映射点与多个像点一一对应；设置重聚焦平面，在重聚焦平面上设置会聚点阵列，使会聚点阵列包括阵列排列的多个会聚点；连接映射点与映射点对应的会聚点，以形成特征点的多个重聚焦连线；多个重聚焦连线相交于重聚焦点；计算重聚焦点的三维坐标，并根据重聚焦点的三维坐标计算得到特征点的三维坐标；将特征点的三维坐标显示出来。并且该测量仪器，系统简单，较容易操作，可以实现三维在位测量。

该方法虽能将样品的特征点的三维坐标测量出来，但是该测量过程中，由于传感平面的像素化影响，使得某些不同的特征点记录于传感平面上的同一个像素中，这将导致这些特征点具有相同的三维坐标，从而带来了测量误差，降低了测量精度。一种新的可以在不增加系统的复杂程度的基础上实现较高测量精度的测量方法是十分重要的。

技术实现要素：

本发明目的是解决现有的基于立体测量技术测量样品特征点的三维坐标的方法中，由于传感平面像素化的问题导致的测量精度较低的问题，提出了一种高精度的测量方法和测量仪器。

本发明的技术方案如下：

一种高精度三维测量方法，包括以下步骤：

步骤1：特征点转动采集流程；包括以下步骤：

s1、设置转台，将三维样品固定在转台上，使样品能够围绕该转台的转动中心，在垂直于转动轴的平面内按照预设的角度多次转动；

s2、设置微透镜阵列，使微透镜阵列包括多个单元子透镜，并使微透镜阵列所在的平面垂直于转台的转动轴，微透镜阵列所在的平面平行于转台的转台平面，并朝向样品的待测表面；

s3、设置图像传感器，将传感器放置于微透镜阵列相对于转台的另一侧，使传感器传感平面平行于微透镜阵列所在的平面，利用图像传感器获得包含由微透镜阵列形成的待测表面特征点的多个像点的图像，并将图像传感器获得的图像传到信息处理显示部分进行保存。图像传感器传感平面与微透镜阵列平面的距离称为传感距离。

s4、将样品绕转台的转动中心沿一个方向进行多次转动，每次的转动角度为θ，转动的总次数为n，每次转动后将图像传感器采集的包含特征点像点的图像传给信息处理显示部分进行保存。将每一次转动后保存的图像称为一组元素图像ei，转动n次后可获得n组元素图像。

步骤2：特征点坐标计算流程，包括以下步骤：

s01、在计算机中设置重聚焦平面，重聚焦平面上设置会聚点阵列，会聚点和微透镜阵列中每一个单元子透镜的中心重合。设置映射平面，该映射平面和重聚焦平面平行，两平面间的距离为所述的传感距离，该映射平面的大小与元素图像的大小相同；

s02、在映射平面上放置一组元素图像，取待测表面上的特征点a在元素图像上的多个像点为映射点，每个映射点与重聚焦平面上的会聚点一一对应。连接映射平面上的每个映射点与该映射点对应的会聚点形成该特征点的重聚焦线，该多个重聚焦线相交于重聚焦点；

s03、将n组元素图像依次放置在映射面上，重复s02步，能够获得n个重聚焦点；

s04、建立样品所在空间即物空间的三维坐标系，以及重聚焦点所在空间的三维坐标系；使物空间的三维坐标与重聚焦点空间的三维坐标对应；

s05、计算出每个重聚焦点a'k，k＝1，2，3···n，在重聚焦点所在空间的三维坐标系中的三维坐标，通过标定得出转动中心在该重聚焦点所在空间内的三维坐标，将重聚焦点a'k绕着转动中心转动，转动方向与步骤1的s4中的转动方向相反，转动角度为θk，θk＝k*θ，计算出重聚焦点a'k转动后的坐标a″k,特征点a在重聚焦点所在空间的三维坐标为

步骤3：进行坐标转换，得到最终测量结果。

利用标定的方法得出重聚焦点所在的空间，和物空间的三维坐标对应关系，根据重聚焦点所在空间和物空间的三维坐标的对应关系计算出特征点在物空间的三维坐标；计算出最终的特征点的三维坐标。

重复步骤2特征点坐标计算流程以及步骤3坐标转换，能够获得三维样品的所有特征点的三维坐标；并根据所获得的所有特征点的坐标绘制出三维样品的形貌。

本发明中的转台转动时改变了样品的位置，但转动过程中转动中心的位置是不发生变化的，可以通过标定来确定转动中心的位置。

本发明还提供了一种三维测量仪器，该三维测量仪器包括三部分：第一部分为转动平台，第二部分为三维信息采集部分，包括透镜阵列和图像传感器，第三部分为信息处理显示部分；转动平台和图像传感器应分别位于微透镜阵列的两侧。

转动平台，该转动平台需要满足能够固定样品，并能够带动样品进行转动，具有固定的转动轴，能够进行指定精度的转动；转动平台可以是精密转台，也可以是超精密加工机床的转动主轴。

三维信息采集部分，位于转动平台转动轴线上且朝向样品待测表面外侧，包括，微透镜阵列和图像传感器，微透镜阵列用于样品待测表面的三维信息的获取，通过微透镜阵列获得特征点的多个像点，图像传感器用来采集微透镜阵列产生的多个像点图像，并将图像传输给信息处理显示部分；

信息处理显示部分，该部分与三维信息采集部分中的图像传感器连接，用于将三维信息采集部分获得的图像进行保存，并设置映射平面，重聚焦平面，计算出所有特征点的三维坐标，绘制出三维样品形貌，并进行显示。

本发明的优点和有益效果：

本发明与现有的技术相比，通过在三维信息采集阶段，转动转台带动样品进行多次转动，改变特征点相对于透镜阵列的位置，从而改变所有特征点在元素图像上的排列，将一定范围内的特征点进行分离，进而在特征点坐标计算阶段，可以将一定范围内不同特征点的三维坐标计算出来，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例的三维信息采集部分的仪器示意图；

图2为本发明实施例中转动时特征点a的位置变化示意图；

图3为本发明实施例中特征点a在不同位置时通过微透镜阵列的像点分布图；

图4为本发明实施例中的重聚焦过程以及重聚焦空间的三维坐标系示意图；

图5为本发明提出的测量仪器的结构方框示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例1

一种三维测量仪器，如图1和图5所示，该三维测量仪器包括三部分：第一部分为转动平台，第二部分为三维信息采集部分，包括透镜阵列和图像传感器，第三部分为信息处理显示部分；转动平台和图像传感器应分别位于微透镜阵列的两侧；

转动平台10，转动平台需要满足可以固定样品，并能够带动样品进行转动，具有固定的转动轴，能够进行高精度的转动，可以是精密转台，也可以是超精密加工机床的转动主轴。

三维信息采集部分，位于转动平台转动轴线上且朝向样品待测表面外侧，包括，微透镜阵列40，图像传感器50，微透镜阵列用于样品20待测表面的三维信息的获取，通过微透镜阵列可获得特征点的多个像点，图像传感器用来采集微透镜阵列产生的多个像点图像，并将图像传输给信息处理显示部分；

信息处理显示部分，该部分与三维信息采集部分中的图像传感器连接，可以将三维信息采集部分获得的图像进行保存，并设置映射平面，重聚焦平面，计算出所有特征点的三维坐标，绘制出三维样品形貌，并进行显示。一般情况下，信息处理显示部分可以使用计算机即可。

为了更加精确确定样品的特征点的三维坐标，三维测量仪器还应该在微透镜阵列和三维样品中间加入物镜30。

实施例2

一种高精度三维测量方法，包括以下步骤：

步骤100、特征点转动采集流程；参照图1设置整个图像采集系统：

s1、设置转台10，将三维样品20固定在转台上，使样品能够围绕转台的转动中心在垂直于转动轴的平面内按照预设的角度多次转动；

s2、设置微透镜阵列40，使微透镜阵列包括多个单元子透镜，并使微透镜阵列所在的平面垂直于转台的转动轴，微透镜阵列所在的平面平行于转台的转台平面，朝向样品的待测表面；具体的微透镜阵列的子透镜为凸透镜，个数为4*4，微透镜阵列的每个子透镜的焦距为f＝15mm，相邻两个子透镜的间隔相等，间距大小为p＝0.5mm；

s3、设置图像传感器50，传感器的传感平面为60，传感器的传感平面平行于微透镜阵列所在的平面，利用图像传感器获得包含由微透镜阵列形成的待测表面特征点的多个像点的图像，并将图像传感器获得的图像传到信息处理显示部分进行保存。图像传感器传感平面与微透镜阵列平面的距离称为传感距离，大小为g，具体的在本实例中g＝20mm，图像传感器的像素尺寸为u＝0.0035mm。

s4、将样品绕转台的转动中心沿同一个方向进行多次转动，每次的转动角度为θ，具体的在本实例中θ＝0.6°，转动的总次数为n＝5，如图2所示，特征点a转动后的位置为a1，a2····an，每次转动后将图像传感器采集的包含特征点像点的图像传给信息处理显示部分进行保存。将每一次转动后保存的图像称为一组元素图像ei，转动n次后可获得n组元素图像。如图3所示，该图为特征点成像过程中的一维示意图，可以看出特征点a在转动后形成的a1、a2相对于微透镜阵列的位置发生变化，并通过微透镜阵列所成的像点相对于传感平面的位置发生变化，m，n为会聚点在重聚焦平面上的排列顺序，在元素图像上位于不同的位置。

步骤200、特征点坐标计算流程，包括以下步骤：

s01、如图4所示，在信息处理显示部分设置重聚焦平面401，重聚焦平面上设置会聚点400阵列，会聚点和微透镜阵列中每一个子透镜的中心重合。设置映射平面402，映射平面和重聚焦平面平行，两平面间的距离为传感距离g，映射平面的大小与元素图像的大小相同；

s02、在映射平面上放置一组元素图像，特征点a在元素图像上的多个像点为映射点，每个映射点与重聚焦平面上的会聚点一一对应。连接映射平面上的每个映射点与该映射点对应的会聚点形成该特征点的重聚焦线，该多个重聚焦线相交于重聚焦点；具体的在本实例中，取第一组元素图像放置在映射平面上，取特征点a1的多个像点为映射点，在距离映射平面g＝20mm处设置重聚焦平面，该平面的会聚点个数为4*4，映射点和会聚焦点形成重聚焦线，重聚焦线的交点为特征点a1在重聚焦空间的像a′1；

s03、将n组元素图像依次放置在映射平面上，重复s02步，能够获得包含a'2在内的n个重聚焦点；

s04、建立样品所在空间即物空间的三维坐标系，以及重聚焦点所在空间的三维坐标系；使物空间的三维坐标与重聚焦点空间的三维坐标对应；

s05、计算出重聚焦点a′1在重聚焦空间的三维坐标系中的三维坐标；由成像过程中的几何关系可知，特征点a在元素图像上的多个像点中相邻像点间的距离是固定值d，从元素图像上可以知道该固定值d的大小，由于图像传感器的传感平面像素化影响，d应为像素的整数倍，即d＝j*u，j＝非零的正整数，如图4所示，重聚焦点距离映射平面的距离为在映射平面建立三维坐标系，以映射平面的其中的一个点作为原点o，以垂直于映射平面的方向建立z轴，已知特征点的每个像点的像素坐标(x1,y1,z1)与像点对应的会聚点的像素坐标(x2,y2,z2)，将两点的像素坐标转换成三维坐标系的三维坐标，由两点确定一条直线，可知重聚焦线的方程为：重聚焦点的z坐标值为l，将其代入重聚焦线方程可得出x，y坐标，得到特征点在重聚焦空间的重聚焦点a′1三维坐标(x,y,z)。具体的在此实例中j＝190，l＝80mm,z坐标为80a′1的三维坐标为(21.2,35.6,80)；

重复步骤s05，能够计算出每个重聚焦点在重聚焦空间的三维坐标系中的三维坐标a'k(x,y,z)(k＝1，2，3···n)，通过标定得出转动中心在该重聚焦空间内的三维坐标为(x0,y0,z),将a'k绕着转动中心沿物空间转动方向的相反方向转动，转动角度为θk，θk＝k*θ计算出转动后的重聚焦点a'k的坐标(x″k，y″k,z)为，

具体的在本实例中转动中心的坐标为(43.5,28.6,80)，计算出转动后的重聚焦点a'k的坐标a″k，坐标分别为(21.4,35.3,80)，(21.1,35.3,80)(21.5,35.7,80)(21.5,35.4,80)特征点a在重聚焦空间的三维坐标为a'三维坐标为(21.34,35.46,80)；

利用标定的方法得出重聚焦点所在的空间，和物空间的三维坐标对应关系，根据重聚焦空间和物空间的三维坐标的对应关系计算出特征点在物空间的三维坐标；计算出最终的特征点的三维坐标；

与现有方法的比较

现有的三维面形测量方法，如申请号为201410357264.2所提出的方法，虽能将样品的三维坐标测量出来，但是由于传感平面像素化的影响以及样品几何成像过程中放大倍率的影响导致传感平面上的一个像素对应物体空间内的一定范围，该范围的大小由样品几何成像过程中的放大倍率决定，在此范围内的所有特征点在传感平面上的像素坐标相同，从而导致该重聚焦线的方程相同，最终导致该范围内的所有特征点具有相同的坐标降低了测量精度。

本方法通过在三维信息采集阶段，转动转台带动样品进行多次转动，改变特征点相对于透镜阵列的位置，从而改变所有特征点在元素图像上的排列，将一定范围内的特征点进行分离，进而在特征点坐标计算阶段，可以将一定范围内不同特征点的三维坐标计算出来，提高了测量精度。

本发明的三维测量方法重复特征点坐标计算流程能够获得三维样品的所有特征点的三维坐标；并根据所获得的所有特征点的坐标绘制出三维样品的形貌。

本发明与现有的技术相比，通过在三维信息采集阶段，转动转台带动样品进行多次转动，改变特征点相对于透镜阵列的位置，从而改变所有特征点在元素图像上的排列，将一定范围内的特征点进行分离，进而在特征点坐标计算阶段，可以将一定范围内不同特征点的三维坐标计算出来，提高了测量精度。