高速3d工业数字显微镜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于检测设备技术领域，具体涉及一种高速3D工业数字显微镜。
【背景技术】
[0002] 目前，3D测量被广泛应用于工业产品的在线检测和测量，例如一部手机在装配过 程中常需要近30次的3D尺寸确认。通常，为了保证生产效率和在线功能，产线往往采取抽 检的方式，仅在非常关键的工位设置3D在线检测。除了 3D数据外，工业生产过程中有时还 需要进行物体表面微观缺陷检测和2D尺寸的测量，以此来获取清晰、准确的图像数据。
[0003] 现有的工业3D在线测量手段主要有：一、基于线激光扫描和三角测量技术的表 面3D数据测量，该技术的优势是实现方便，成本较低，且可以进行大范围检测，但其缺点是 速度较慢，常需要另外配设运动装置，并且精度较低，通用产品的3D重复精度在0. 015mm 左右，另外，该技术只能测量3D信息而无法同时获得微观影像数据；二、基于点激光的3D 测量，该技术通过在激光反射后计算光程距离来获取3D信息，测量精度很高，通常能达 0. 0005mm，但该技术只能用于测量某点位置的深度信息，无法实现测量，并且也只能测量3D 信息而无法同时获得微观影像数据；三、基于cbpth from focus (对焦测距）技术的经典 3D显微镜，其能够在获取3D数据的同时，得到清晰的微观影像数据，经典3D显微镜通过改 变物距来实现不同深度焦平面聚焦，并间接获取3D信息，而3D信息的获取需要能动态调整 相机和镜头的整体高度，或是改变被测物体到镜头的距离，但由于重量载荷的制约，其运动 效率不高，因此在实际工业检测中的在线应用很少，而多用于实验室抽样检测，另外，经典 3D显微镜也不能进行有效地大范围测量；四、基于结构光栅技术的3D测量，该技术通过条 纹相位的变化重建出3D信息，速度快并可实现大范围测量，但针对微观测量时精度较低， 因此应用场合有限；五、光场相机和TOF(英文全称为：time of fly ;中文名称为：时间飞跃 法）相机，光场相机由于3D测量精度和空间分辨率达不到工业精度的要求，因此至今还没 有在工业应用的案例，而TOF相机由于空间分辨率受限，同时对于透明物体无法测量，因此 目前还只是局限在视频分析、人机交互等领域。
[0004] 鉴于上述已有技术，有必要对现有的3D测量技术加以改进，为此，本申请人作了 有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种高速3D工业数字显微镜，能够进行微观3D测量，成像 清晰度高，处理速度快。
[0006] 本发明的目的是这样来达到的，一种高速3D工业数字显微镜，包括底座、支架、目 镜、物镜以及载物台，所述的支架安装在底座上，所述的目镜固定在支架高度方向的近上 部，所述的物镜设置在目镜镜筒的正下方，所述的载物台固定在支架高度方向的近下部且 位于物镜的下方，其特征在于：还包括电机，所述的电机通过一物镜定位支架与物镜驱动连 接，物镜随电机运转而沿支架作上下运动。
[0007] 在本发明的一个具体的实施例中，所述的显微镜还包括相机，所述的相机固定在 支架高度方向的顶部，且与显示及成像系统电连接。
[0008] 在本发明的另一个具体的实施例中，所述的相机为高快门帧曝光的数字相机。
[0009] 在本发明的又一个具体的实施例中，所述的电机为直线电机。
[0010] 在本发明的再一个具体的实施例中，所述的电机与上位控制计算机连接。
[0011] 在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的载物台在背离物镜一侧表面的中央 位置设有聚光镜，在该聚光镜的正下方设有光源，所述的光源固定在底座上。
[0012] 本发明由于采用了上述结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：兼具微观3D 测量和微观高清数据获取的功能；物镜独立设置，只对物镜进行位置控制，而不是对整个光 学系统进行运动控制，使用方便，聚焦精准；单独的物镜由于质量较轻，可由小型直线电机 驱动作上下运动，运动速度快；同时还配设高快门帧曝光的数字相机来匹配物镜的快速运 动，由此能提高整个成像系统的数据获取速度，实现快速成像。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的结构示意图。
[0014] 图2为数据3D重建的原理示意图。
[0015] 图3为非线性映射函数模型f(g)建立的原理示意图。
[0016] 图中：1.底座；2.支架；3.目镜；4.物镜；5.载物台、51.聚光镜；6.电机；7.物 镜定位支架；8.相机；9.光源。
【具体实施方式】
[0017] 为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图 对本发明的【具体实施方式】详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任 何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。
[0018] 请参阅图1，本发明涉及一种高速3D工业数字显微镜，包括底座1、支架2、目镜3、 物镜4以及载物台5。所述的支架2安装在底座1上，所述的目镜3固定在支架2高度方向 的近上部，所述的物镜4设置在目镜3镜筒的正下方。所述的载物台5固定在支架2高度 方向的近下部且位于物镜4的下方，载物台5在背离物镜4 一侧表面的中央位置设有聚光 镜51，在该聚光镜51的正下方设有光源9,所述的光源9固定在底座1上。所述的显微镜 还包括电机6,所述的电机6通过一物镜定位支架7与物镜4驱动连接，物镜4随电机6运 转而沿支架2作上下运动。由于只是驱动质量较轻的物镜4运动，因此电机6采用小型直 线电机，就能保证物镜4以很快的速度完成上下运动，运动效率高。电机6与上位控制计算 机连接，所述的上位控制计算机用于对图像数据进行计算。支架2在高度方向的顶部还设 有相机8,所述的相机8为高快门帧曝光的数字相机，其与显示及成像系统电连接。相机8 匹配物镜4的快速运动，可保证整个成像系统具有很好的数据读取速度，实现快速成像。该 显微镜兼具微观3D测量和微观高清数据获取的功能，物镜4与目镜3分离，只对物镜4进 行位置控制，而不是对整个光学系统进行运动控制，使用简单，聚焦精准。
[0019] 如业界所知，3D显微镜采集的是一系列不同焦平面下的图像数据，不同焦平面对 应不同物距。3D重建的精度，除软件算法外主要取决于物镜4的运动精度即本发明中电机 6的性能，获取数据后再通过软件算法重建高清图像并抽取3D数据信息。一般地，在上述两 步骤之前还需要进行设备参数的校正，即物镜4的Z轴坐标与实际深度坐标的非线性映射 函数的估计。
[0020] 以下，对本发明的成像原理进行详细的说明。
[0021] 首先，是进行数据采集。物镜4通过电机6完成一次上下运动，其最大有效行程决 定3D测量的动态范围，在该行程里关注N个离散点。假设电机6未运动之前的马达位置对 应物镜4镜头的原点坐标，坐标的最小单位为一个运动脉冲即理论上的系统最高精度。当 镜头变化时其对应的最优焦平面也会发生变化，因此镜头所在深度坐标（用I i表示，i表 示不同焦平面序列）的不同都会对应一个不同深度（用Iii表示，i表示不同焦平面序列） 的最优焦平面，处于该焦平面上的待测物体上点的3D信息即为tv Ii的绝对数值只可以从 电机6所反馈的数据中直接得到，而此时比的值是未知的，但每个h i都会对应一个I i。系 统参数的估计过程即是得到一个非线性映射函数模型f(g)的过程，此处的非线性映射函 数f(U =比。对于行程里的N个离散点i = 0，l，…N-1，都会通过外触发方式曝光一帧 图像，离散点个数N的大小取决于相机8的快门时间以及后续对处理数据计算负担的考虑。 任意两个离散点之间的时间间隔应大于单帧图像一次曝光所需的时间，由于后续3D重建 需要N张图像参与计算，离散点个数N的数值越小，计算量也会越小，但同时精度也会随之 下降，因此离散点个数N的选择是一个速度与性能平衡考虑的问题。上述的数据采集不是 传统的边采集边处理，而是通过外触发以及与运动机构协作联动的方式一次性采集N张单 帧图像数据。3D数据的获取是先计算每一个位置处的焦平面序号，然后计算深度信息，最后 合成一张3D数据图。
[0022] 其次，是进行3D重建。数据采集完成后将得到一些列不同焦平面的2D图像，该2D 图像对应的函数可以表示为Imi (x，y)，对所有空间坐标（x，y)求得3D数据3D(x，y)。假设 已知当前位置（X，y)的最优焦平面序号j，则有3D(x，y) = Ilj= f (I p，即问题转化为求解 j，可通过下述快速算子计算获得：
【主权项】
1. 一种高速3D工业数字显微镜，包括底座（I)、支架（2)、目镜（3)、物镜（4)以及载物 台（5)，所述的支架⑵安装在底座⑴上，所述的目镜（3)固定在支架⑵高度方向的近 上部，所述的物镜（4)设置在目镜（3)镜筒的正下方，所述的载物台（5)固定在支架（2)高 度方向的近下部且位于物镜（4)的下方，其特征在于：还包括电机（6)，所述的电机（6)通 过一物镜定位支架（7)与物镜（4)驱动连接，物镜（4)随电机（6)运转而沿支架（2)作上 下运动。
2. 根据权利要求1所述的高速3D工业数字显微镜，其特征在于所述的显微镜还包括相 机（8)，所述的相机（8)固定在支架（2)高度方向的顶部，且与显示及成像系统电连接。
3. 根据权利要求2所述的高速3D工业数字显微镜，其特征在于所述的相机（8)为高快 门帧曝光的数字相机。
4. 根据权利要求1所述的高速3D工业数字显微镜，其特征在于所述的电机（6)为直线 电机。
5. 根据权利要求4所述的高速3D工业数字显微镜，其特征在于所述的电机（6)与上位 控制计算机连接。
6. 根据权利要求1所述的高速3D工业数字显微镜，其特征在于所述的载物台（5)在 背离物镜（4) 一侧表面的中央位置设有聚光镜（51)，在该聚光镜（51)的正下方设有光源 (9)，所述的光源（9)固定在底座1上。
【专利摘要】一种高速3D工业数字显微镜，属于检测设备技术领域。包括底座、支架、目镜、物镜、载物台以及电机，支架安装在底座上，目镜固定在支架高度方向的近上部，物镜设置在目镜镜筒的正下方，载物台固定在支架高度方向的近下部且位于物镜的下方，电机通过一物镜定位支架与物镜驱动连接，物镜随电机运转而沿支架作上下运动。优点：兼具微观3D测量和微观高清数据获取的功能，只对物镜进行位置控制，而不是对整个光学系统进行运动控制，使用方便，聚焦精准；单独的物镜由于质量较轻，可由小型直线电机驱动作上下运动，运动速度快；同时还配设高快门帧曝光的数字相机来匹配物镜的快速运动，由此能提高整个成像系统的数据获取速度，实现快速成像。
【IPC分类】G01B11-24, G02B21-36, G01B9-04
【公开号】CN104729404
【申请号】CN201510141284
【发明人】卢宗庆, 仝武军, 程祥力, 毛绍宁, 王肇
【申请人】苏州汉基视测控设备有限公司
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月27日