本發(fā)明涉及光學檢測領(lǐng)域，具體涉及一種對目標檢測物形狀進行三維檢測的系統(tǒng)，該三維檢測系統(tǒng)包括投影系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，該三維檢測系統(tǒng)基于相移法進行三維檢測。
背景技術(shù)：
：在機器視覺領(lǐng)域，傳統(tǒng)的二維檢測只能解決平面性質(zhì)的缺陷檢測。而對于各種復(fù)雜的精密零部件的輪廓和表面形狀尺寸、角度及位置，二維檢測已經(jīng)遠遠不能滿足這樣全自動微觀檢測與質(zhì)量控制的需求。光學方法的三維檢測，具有非接觸性、高準確度與高分辨率的特點，在多媒體技術(shù)、機器視覺等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。比如錫膏印刷的檢測，除了二維面積、位置缺陷外，還包括三維高度、體積、形狀缺陷。錫膏印刷的檢測作為電子產(chǎn)品表面貼裝技術(shù)工藝流程的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)檢測方法速度慢、可靠性差，而電子產(chǎn)品80％的缺陷都是由于錫膏的印刷質(zhì)量引起的。因此對錫膏印刷質(zhì)量的快速、實時、準確的自動檢測成為提高電子制造業(yè)水平和電子產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)。目前，錫膏的三維檢測方法主要采用激光三角測量法和相位測量輪廓術(shù)。激光三角測量法主要是利用激光發(fā)射器投影激光線，錫膏對激光線產(chǎn)生調(diào)制，根據(jù)這一調(diào)制變化測出錫膏高度。相移法是在目標物面投影有一定相位差的正余弦光柵，通過獲得的多幅相位圖計算相位，在通過相應(yīng)的相位-高度映射算法，獲得目標物的三維信息。相較之下，相移測量法精度高，效率快，多被用于高端在線的3D-SPI檢測中。而相移法的關(guān)鍵技術(shù)在于保證精準的相移和正確的相位展開。由此可見，在相移法的3D檢測中，起到關(guān)鍵性的作用的器件在于投影系統(tǒng)。設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速、精準相移的投影系統(tǒng)，對實現(xiàn)最終三維檢測的精確度至關(guān)重要。結(jié)合精準的采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，才能實現(xiàn)高速控制并獲得高質(zhì)量的圖片，在實現(xiàn)3D重建的過程中，相關(guān)解包裹等算法的選擇，也決定了最后的3D重建的精確性。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)品3D檢測系統(tǒng)及相應(yīng)檢測方法。具體而言，一方面，本發(fā)明提供一種產(chǎn)品3D檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述產(chǎn)品3D檢測系統(tǒng)包括：投影系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其中所述投影系統(tǒng)包括照明光源、勻光裝置、起偏器、偏振分束器、空間光調(diào)制器和投影物鏡。所述照明光源對向所述勻光裝置并發(fā)出照明光束；所述勻光裝置接收所述照明光源發(fā)出的光束并對其進行勻化；所述起偏器設(shè)置在所述勻光裝置前方，透射輸出偏振方向為第一方向的偏振光；所述偏振分束器傾斜設(shè)置于所述起偏器前方并且所述偏振分束器的偏振方向與所述起偏器平行，進而透射偏振方向為第一方向的偏振光；所述空間光調(diào)制器位于偏振分束器前方并且能夠在所述控制系統(tǒng)的控制下對入射于其上的偏振光進行空間調(diào)制，并將經(jīng)調(diào)制的光束經(jīng)由所述偏振分束器反射至所述投影物鏡，其中，經(jīng)所述空間光調(diào)制器所調(diào)制的光束中包含偏振方向與所述第一方向垂直的偏振光；所述投影物鏡將經(jīng)調(diào)制的偏振光投射在被檢產(chǎn)品上；所述采集系統(tǒng)對經(jīng)照射的所述被檢產(chǎn)品進行圖像采集；所述控制系統(tǒng)基于所述采集系統(tǒng)采集的圖像進行產(chǎn)品檢測。進一步地，所述空間光調(diào)制器是反射式空間光調(diào)制器，所述反射式空間光調(diào)制器與所述偏振分束器成預(yù)定夾角，以使得所述反射式空間光調(diào)制器關(guān)于所述偏振分束器的鏡像所在平面與所述投影物鏡所在平面以及所述被檢產(chǎn)品所在物平面相交于一點。進一步地，所述偏振分束器與經(jīng)過所述勻光裝置勻化后的入射光夾角在35°到55°之間。進一步地，所述控制系統(tǒng)包括：光源控制器、圖像采集電路、調(diào)制器控制電路、觸發(fā)信號發(fā)生器和同步信號發(fā)生器。進一步地，所述空間光調(diào)制器將光束調(diào)制成條紋光。進一步地，所述勻光裝置前方還設(shè)置透鏡，用以對勻光裝置的出射光進行準直。進一步地，所述起偏器為線偏振膜；所述偏振分束器為偏振平板分光器、偏振分光棱鏡、線柵式偏振分束器或者雙折射晶體。另一方面，本發(fā)明提供一種用于3D檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟，步驟S1、生成沿第一方向的線偏振光；步驟S2、利用空間光調(diào)制器對所述線偏振光進行空間調(diào)制；步驟S3、將經(jīng)空間調(diào)制的偏振光投影到被檢產(chǎn)品的物面；步驟S4、采集所述被檢產(chǎn)品的物面上的光場，并提取相位場的分布；步驟S5、對步驟S4獲得的相位場分布進行解包裹，獲得包含物體高度信息的相位信息；步驟S6，提取參考平面的相位場，并差分得到被檢產(chǎn)品的物面與參考平面的相位差；步驟S7，選取標準高度物體進行測試，獲得相位差-高度轉(zhuǎn)換關(guān)系，進而基于當前被檢產(chǎn)品的物面與參考平面的相位差獲得被檢物面的高度分布；步驟S8、將所獲得的高度分布與標準產(chǎn)品的高度分布進行比較。進一步地，所述方法還包括：改變所述空間光調(diào)制器輸出的偏振光，獲取多幅被檢產(chǎn)品物面的圖像，相鄰兩幅圖之間相隔預(yù)定相位差，基于所獲得的多幅圖像計算圖像上每點處的相位。進一步地，在所述步驟S5中對獲得的相位場分布解包裹相位的過程包括以下步驟：步驟S501，獲得相位場分布中的不連續(xù)殘差點；步驟S502，連接鄰近殘差點對或多個殘差點形成的枝切線；步驟S503，對于不經(jīng)過枝切線的相位場通過flood-fill算法解包裹，再展開枝切線上的相位。在一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述空間光調(diào)制器將線偏振光調(diào)制成正弦或余弦條紋光。這里的正弦或余弦條紋光指的是光強呈正、余弦分布。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述勻光裝置前方還設(shè)置透鏡，用以對勻光裝置的出射光進行準直，以減小勻光裝置引起的擴散角，提高光束的平行性。在另一種優(yōu)選實現(xiàn)方式中，所述偏振分束器采用金屬線柵。本發(fā)明檢測系統(tǒng)中的投影系統(tǒng)是基于相移法的投影系統(tǒng)。該投影系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)高速切換不同周期、含有一定相位差的正余弦光柵，還能用于投影其他用于校準的任意圖案。本發(fā)明提出的檢測方法能夠提高在相位場分布解包裹過程的準確性，提高重建的精度。本發(fā)明的優(yōu)點是：通過勻光裝置，可以提高照明裝置的光利用率和光均勻度；通過在勻光裝置與準直透鏡之間添加反射鏡，可以減小光路長度，縮小整體光路結(jié)構(gòu)的體積。本發(fā)明選用反射式空間光調(diào)制器，在控制系統(tǒng)中，能夠存儲多幅圖像，實現(xiàn)高速切換，對于不同高度目標物的測量，可以投影不同周期的正余弦條紋光。在目標物投影的正余弦條紋需要有固定的相位差，該反射式空間光調(diào)制器對相移的實現(xiàn)是靠空間光調(diào)制器上調(diào)制圖案的像素移動來完成，沒有誤差。相比傳統(tǒng)的機械式移動，精準度更高。該反射式空間光調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)0-255完整灰階的顯示，提高三維高度重建的精度。在光路中，該空間光調(diào)制器傾斜放置，滿足該空間光反射器、物鏡平面與投影物面交匯于一點，能夠?qū)崿F(xiàn)在傾斜面上清晰投影。控制系統(tǒng)使得投影系統(tǒng)與采集系統(tǒng)能夠高速配合，滿足很多在線3D檢測的高速需求。在檢測方法上，選用本發(fā)明實施例中所述的方法進行解相位包裹，提高了相位求取的速度和精度，提高最后3D重建的精度。附圖說明圖1是簡化的本發(fā)明的3D產(chǎn)品檢測系統(tǒng)的示意圖。圖2是本發(fā)明的3D檢測系統(tǒng)中的投影裝置的組成示意圖。圖3是反射式空間光調(diào)制器的鏡像與投影鏡面以及物面的關(guān)系說明。具體實施方式實施例1整個檢測系統(tǒng)如圖1所示，其包括投影系統(tǒng)100、采集系統(tǒng)90和控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可以集成在采集系統(tǒng)內(nèi)。投影系統(tǒng)100將條紋光投射到被測物面上，采集系統(tǒng)90對包含有條紋光的目標物面進行圖像采集。當在有一定高度信息的目標物面101投影有一定相位差的正余弦條紋光，獲得的多幅含有條紋光的目標物面的圖像，采集系統(tǒng)的相機連接電腦對獲得的圖像進行處理，就能夠最終獲得目標物面的三維信息。在本實施例中，如圖2所示，用于3D檢測的投影系統(tǒng)包括：LED燈珠10、勻光裝置20、偏振分束器30、反射式空間光調(diào)制器40、物鏡50。LED燈珠10、勻光裝置20、偏振分束器30和反射式空間光調(diào)制器40順序排列。LED燈珠10發(fā)出的光束經(jīng)均光裝置20勻化后入射至起偏器20。勻光裝置20可以是復(fù)眼透鏡形式的，或者是勻光管，或者是透鏡組形式的。在實際設(shè)計中，該LED燈珠10選用白色的，可以適應(yīng)不同顏色的目標物體。起偏器20的偏振方向與偏振分束器30的透射光偏振方向平行。在本實施例中，二者的偏振方向均沿垂直(或稱豎直)方向。起偏器20僅透射垂直偏振光，在本實施例中起偏器20為線偏振膜。偏振分束器30透射來自起偏器的偏振光并反射偏振方向為其他方向的光。偏振分束器30可以是偏振平板分光器、偏振分光棱鏡、線柵式偏振分束器，也可以是晶體鍍膜形式的。所述偏振分束器的入射光角度在35°到55°之間。選擇該角度可以讓反射型空間光調(diào)制器出射的影像傾斜入射也能在水平面內(nèi)的清晰成像，會對成像質(zhì)量帶來質(zhì)的提升。該偏振分束器30可以是片狀的，也可以是塊狀的，但要滿足一定的角度。經(jīng)偏振分束器30透射的垂直偏振光隨后照射在反射式空間光調(diào)制器40上。反射式空間光調(diào)制器40對該偏振光進行空間調(diào)制，空間光調(diào)制器的角度可以是垂直于入射光軸方向，或者與垂直入射光軸方向有一定角度。反射式空間光調(diào)制器40能夠在控制系統(tǒng)的控制下形成各種調(diào)制圖案。在本實施例中，形成垂直的黑白灰相間的條紋，進而能夠?qū)⒉糠执怪逼窆庹{(diào)制成條紋狀分布的水平偏振光，而其余部分則不改變光的偏振方向，這樣經(jīng)空間光調(diào)制器反射的偏振光中則既包含了垂直偏振光又包含水平偏振光，經(jīng)調(diào)制的光束經(jīng)偏振分束器30分束，垂直偏振光透射出去，而水平偏振光被反射至投影物鏡。經(jīng)偏振分束器反射的光由投影物鏡放大或者縮小投影到被測物面上。照射在被檢產(chǎn)品上的調(diào)制光會由于被檢產(chǎn)品自身的凹凸而改變其相位分布。然后利用采集系統(tǒng)對被檢產(chǎn)品上的圖像進行采集，該采集系統(tǒng)要能夠分辨出反射光的相位信息。本實施例中，采集系統(tǒng)包括相機和遠心鏡頭。然后，控制系統(tǒng)基于采集系統(tǒng)所采集的圖像信息對被檢產(chǎn)品進行分析檢測?？刂葡到y(tǒng)包括LED控制電路、觸發(fā)信號板卡、相機采集板卡、空間光調(diào)制器控制板卡和同步信號電路。同步信號電路用于對LED控制電路與空間光調(diào)制器電路進行時序同步，觸發(fā)信號板卡發(fā)送觸發(fā)信號給LED和相機，進而協(xié)調(diào)發(fā)光和圖像采集。對于每一個產(chǎn)品，本發(fā)明的檢測系統(tǒng)調(diào)節(jié)空間光調(diào)制器的調(diào)制相位，采集4幅圖像，每幅圖像之間相差π/2的相位。下面詳細介紹利用本發(fā)明的檢測系統(tǒng)進行3D檢測的檢測方法。該方法分為以下步驟：步驟S1、生成沿第一方向的線偏振光；步驟S2、利用空間光調(diào)制器對所述線偏振光進行空間調(diào)制；步驟S3、將經(jīng)空間調(diào)制的偏振光投影到被檢產(chǎn)品的物面；步驟S4、采集所述被檢產(chǎn)品的物面上的光場，并提取相位場的分布；步驟S5、對步驟S4獲得的相位場分布進行解包裹，獲得包含物體高度信息的相位信息；步驟S6，提取參考平面的相位場，并差分得到被檢產(chǎn)品的物面與參考平面的相位差；步驟S7，選取標準高度物體進行測試，獲得相位差-高度轉(zhuǎn)換關(guān)系，進而基于當前被檢產(chǎn)品的物面與參考平面(事先標定的)的相位差獲得被檢物面的高度。檢測過程中，改變所述空間光調(diào)制器輸出的偏振光的圖案，獲取四幅被檢產(chǎn)品物面的圖像，各個圖像在(x,y)點處的光強度分別表示為：I1(x,y)=IB(x,y)+IR(x,y)cos[θ(x,y)]I2(x,y)=IB(x,y)+IR(x,y)cos[θ(x,y)+π/2]I3(x,y)=IB(x,y)+IR(x,y)cos[θ(x,y)+π]I4(x,y)=IB(x,y)+IR(x,y)cos[θ(x,y)+3π/2]---(1)]]>其中Ii(x,y)(i＝1,2,3,4)表示第i幅相移圖上(x,y)點處的灰度值，IB(x,y)為結(jié)構(gòu)光圖的背景值，IR(x,y)為調(diào)制強度函數(shù)，θ(x,y)為待求相位，通過方程(1)計算出圖像上每一點(x,y)處的相位：θ(x,y)=arctanI4(x,y)-I2(x,y)I1(x,y)-I3(x,y)---(2).]]>其中，在步驟S5中解包裹的步驟包括：步驟S501，獲得相位場分布中的不連續(xù)殘差點。殘差點判斷方法為：非殘差點：殘差點：或-1。這樣生成值為1，-1或0的殘差。步驟S502，生成枝切線。連接極性達到平衡的最鄰近的殘差點對或多個殘差點，所形成的連接線就是枝切線。步驟S503，對于不經(jīng)過枝切線的相位場通過flood-fill算法解包裹，再展開枝切線上的相位。由式(2)反正切求得的相位總是在[-π,π]之間的包裹相位。如圖3所示，在本實施例中，采用了一種優(yōu)選的投影方式，即空間光調(diào)制器40關(guān)于偏振分束器30的鏡像60所在平面與投影物鏡50的物鏡平面以及被檢產(chǎn)品所在的物面80相交于一點。采用這種投影方式，在傾斜投影時，在目標投影平面上都能夠?qū)崿F(xiàn)清晰投影。雖然上面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明的原理進行了詳細的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實施例僅僅是對本發(fā)明的示意性實現(xiàn)方式的解釋，并非對本發(fā)明包含范圍的限定。實施例中的細節(jié)并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均落在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3