[实用新型]一种大口径精密轮廓测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种测量系统，尤其涉及一种大口径精密轮廓测量系统。

背景技术

基于光学的精密轮廓测量技术主要包括散射法、衍射法、图像法、透射法等，因具有不接触样品的优点，已被广泛采用。散射法和衍射法对微小物体的测量非常有效，公开专利US007528959B2、CN1664501A、WO8904472A1、JP2007298327A，CN102323191A等中分别都对上述方法做出了一定的介绍，但其显著的缺点是造价昂贵、量程范围很窄，一般用途为科研，很少用于企业生产。图像法测量技术应用最为广泛。公开专利CN105546412A、CN105890558A、CN102834689A、CN102692364A中对图像测量法进行了描述，能够测量的参量较多，成本较低，但其对被测物体的材料有较高要求，测量精度不高，大口径高精度的测量系统加工难度较大。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出了一种大口径精密轮廓测量系统，此方法兼有高精度，高稳定性，口径较大、成本较低及非接触测量等优点。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种大口径精密轮廓测量系统，包括光源、发射镜头、成像镜头、光电探测器和信号处理单元，所述光源、发射镜头、成像镜头和光电探测器垂直于主光轴依次排列；所述光源与发射镜头位于被测物体的前端，形成发射端；所述成像镜头和光电探测器位于被测物体后端，形成反射端；所述光电探测器与信号处理单元相连，所述光源发射的光线经过发射镜头匀光和准直后，照射到被测物体上后发生反射、散射和吸收之后，未被被测物体遮挡的光线被成像镜头接收，在光电探测器上形成物体的轮廓信号并传输至信号处理单元处理。

作为优选，所述光源为半导体激光器，所述半导体激光器采用VCSEL垂直腔面发射激光器。

作为优选，所述发射镜头由三片镜片、一片滤光片和一片窗口玻璃组成，在本专利中发射镜头优选由第一透镜、第二透镜、第三透镜以及滤光片A以同轴方式依次排列组成。同时，也可以根据实际应用的具体情况和使用需要，采用其他数量的镜片组成发射镜头。

作为优选，所述成像镜头为远心镜头，其包括四片镜片、一片滤光片和一片窗口玻璃组成。在本专利中成像镜头优选由滤光片B、第一成像透镜、第二成像透镜、第三成像透镜和第四成像透镜以同轴方式依次排列组成。在实际应用中也可以根据具体情况和使用需要，采用其它数量的镜片组成成像镜头。

作为优选，所述光电探测器为线阵感光元件。采用线阵感光元件，其像素高、像元尺寸小、重量轻而且速度快。

作为优选，所述用于对光电探测器输出的电信号进行处理并得到被测物体的轮廓的信号处理单元，其包括DSP/ARM处理器、信号调理单元、模拟/数字转换单元、串/并转换传输单元；所述信号调理单元和光电探测器连接以处理光电探测器的电信号，其输出端和模拟/数字转换单元连接用以将模拟信号转换为数字信号，DSP/ARM处理器用于对上述信号进行处理并得到被测物体的边缘轮廓。

本专利的投射法属于光学法，容易受到周围环境光噪声、光学镜头和电路噪声的影响，因此需要对测量设备进行高精度的边缘检测及校准，因此提出了一种基于高斯拉普拉斯法的边缘检测方法，其具体步骤包括：

(1)初始化：取CCD像元的峰值信号为标准，对原始的背景信号进行补偿，记录各像素对应的比例因子并保存；

(2)差分处理：由差分处理测量到的信号与背景信号得出有效信号；

(3)信号增强：将步骤(2)中各像素的差分信号乘以对应的比例因子，得出较锐利信号；

(4)边缘提取：先用高斯滤波对上述步骤(3)中得出的信号进行处理，然后用拉普拉斯算法对被测物体边缘进行提取，记录边缘数据；

(5)标定：使用步骤(4)中采集到的数据和标准金属线纹尺进行比对建立一元二次多项式，并求出其系数，使用时，将步骤(4)中得到的数据代入次二次多项式即可算出物体的轮廓大小。

本实用新型的有益效果：本专利的大口径精密轮廓测量系统，能实现对50mm以下的物体进行快速实时的同步测量，轮廓测量的光学分辨率为2μm，重复精度可达0.15μm。发射镜头整形出均匀、准直的光线，提高了照明的质量，使光电探测器上的光束边缘更加清晰，从而提高了整个系统的信噪比；成像镜头采用远心光学系统，此镜头对被测物体成像时，成像大小与物体远近无关，可提高物体轮廓的测量精度；发射镜头与成像镜头同轴，能最大程度的利用发射光能量，提高光学对比度，进一步提高了光电探测器的信噪比。