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摘要： 高度信息是分析物体三维形貌的最重要信息。为了研究微小焊点的三维形貌，需要对焊点高度进行测量。针对传统测量技术的缺点，设计了一种检测系统。系统应用白光平行照射条纹板，将其像投影到被测物体上，受到物体高度轮廓的调制作用，形成变形的亮暗相间的条纹。该条纹图携带着焊点的三维信息，再用照相系统把变形的条纹图拍摄在CCD上，通过对CCD上像的处理，可以还原出高度信息。该方法可将条纹板的像等间距地投射到被测物体的表面上，避免了由于投影条纹宽度不同所带了的图像处理过程的误差。实现了测量范围大、重复性好、图像处理简单的优点，为微小高度的测量提供了新方法。
关键词： 微小高度测量； 亮暗条纹； 条纹板； 光学设计
中图分类号： O 439文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.014
引言
光学三维形貌测量具有非接触性、高准确度和高分辨力的特点，在反求工程、在线检测、医疗检测、机器视觉等领域有着广泛的应用，被认为是最有前途的三维形貌检测方法[1]。在利用光学成像原理测量物体表面形貌的方法中，常用的有移像法[2]、相息图法[3]、光切法和莫尔条纹法[4]等，其中莫尔条纹法应用较多，其原理是利用平行光照射光栅，将光栅成像在被测物体上形成变形光栅，变形光栅便携带了物体的三维形貌信息。在观察侧再用透镜对变形光栅成像，在变形光栅像的位置放置参考光栅，便可以在参考光栅表面看到莫尔条纹，通过分析莫尔条纹就可以得到物体的高度信息[5，6]。但是该方法在测量的高度值很小的时候，不同级次的条纹的像容易混淆。
文中在莫尔条纹法的基础上，提出了利用白光照射等间距的条纹板，设计了投影光学系统，实现条纹的像等间距地投射到被测物体上，再利用照相系统将等间距的像成像在CCD上，通过对CCD上像的处理，可以还原出高度信息，实现对微小高度的测量。
1系统的组成及原理
1.1系统的组成和实现过程
系统组成如图1所示。
该系统是由等间距的条纹板，投影系统，照相系统组成。通过平行光照射条纹板使其发光，将其作为投影系统的物，投影系统需要相对基板倾斜放置，将条纹板的像等间距地投射到基板上。照相系统相对基板垂直放置，将经过物体高度调制的亮暗条纹再次成像在CCD上。然后对CCD接受到的条纹图像进行分析，便可得到焊点的高度值。
1.2系统的原理
投影系统将条纹板的亮暗相间像等间距地投射到被测物焊点上，受到焊点高度的调制作用形成错位的亮暗相间条纹，再由照相系统将亮暗相间的条纹成像在CCD上。CCD上得到的条纹图像便携带了焊点的高度信息。经过图像处理，可以分析出焊点的高度值。
由以上各图可知，光学系统设计时实现了在像面相对光轴倾斜84°的情况下，点列图均方根半径最大值为7.169 μm，在衍射极限32.3 μm以内。由点扩散函数可以看出，经光学系统的衍射像的光强分布集中程度很高。由系统能量分布曲线可知，在衍射极限7.169 μm范围内的能量大约占总能量的80%左右。经以上分析可以说明该系统满足使用要求。
3结论
针对焊点高度的检测，提出了一种检测装置的设计方法，并设计了该检测装置的投影光学系统部分。该系统实际讨论了如何对高度信息进行测量，以及根据设计要求，如何确定投影系统的参数，并完成了设计。解决了目前对微小高度测量方法中存在的由于投影条纹亮暗间距不等给图像处理过程带来的难题，实现了测量范围大、重复性好、图像处理简单的优点，为反求工程、在线检测、医疗检测、机器视觉等领域中对微小高度的测量提供了新方法。
参考文献：
[1]李永怀，冯其波.光学三维轮廓测量技术进展[J].激光与红外，2005.35（3）：143-147.
[2]徐建强，王蕴栅.三维形貌测量的扫描相移法研究[J].光子学报，2005，33（10）：1210-1212.
[3]曹召良，胡五生.液晶相息图用于光学检测[J].光子学报，2006，35（12）：1941-1945.
[4]段存丽，陈芳，祁瑞利，等.利用莫尔条纹测量物体三维形貌新方法研究[J].光子学报，2008，37（7）：1425-1427.
[5]曾爱军，王向朝.基于光栅成像投影的微位移检测方法[J].中国激光，2005，32（3）：394-398.
[6]伏燕军，杨坤涛.三维形貌测量的莫尔条纹的理论分析[J].光电工程，2006，33（7）：63-66.
[7]杨志文.光学测量[M].北京：机械工业出版社，2009：171-177.
[8]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2005：146-147.
关键词： 微小高度测量； 亮暗条纹； 条纹板； 光学设计
中图分类号： O 439文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.014
引言
光学三维形貌测量具有非接触性、高准确度和高分辨力的特点，在反求工程、在线检测、医疗检测、机器视觉等领域有着广泛的应用，被认为是最有前途的三维形貌检测方法[1]。在利用光学成像原理测量物体表面形貌的方法中，常用的有移像法[2]、相息图法[3]、光切法和莫尔条纹法[4]等，其中莫尔条纹法应用较多，其原理是利用平行光照射光栅，将光栅成像在被测物体上形成变形光栅，变形光栅便携带了物体的三维形貌信息。在观察侧再用透镜对变形光栅成像，在变形光栅像的位置放置参考光栅，便可以在参考光栅表面看到莫尔条纹，通过分析莫尔条纹就可以得到物体的高度信息[5，6]。但是该方法在测量的高度值很小的时候，不同级次的条纹的像容易混淆。
文中在莫尔条纹法的基础上，提出了利用白光照射等间距的条纹板，设计了投影光学系统，实现条纹的像等间距地投射到被测物体上，再利用照相系统将等间距的像成像在CCD上，通过对CCD上像的处理，可以还原出高度信息，实现对微小高度的测量。
1系统的组成及原理
1.1系统的组成和实现过程
系统组成如图1所示。
该系统是由等间距的条纹板，投影系统，照相系统组成。通过平行光照射条纹板使其发光，将其作为投影系统的物，投影系统需要相对基板倾斜放置，将条纹板的像等间距地投射到基板上。照相系统相对基板垂直放置，将经过物体高度调制的亮暗条纹再次成像在CCD上。然后对CCD接受到的条纹图像进行分析，便可得到焊点的高度值。
1.2系统的原理
投影系统将条纹板的亮暗相间像等间距地投射到被测物焊点上，受到焊点高度的调制作用形成错位的亮暗相间条纹，再由照相系统将亮暗相间的条纹成像在CCD上。CCD上得到的条纹图像便携带了焊点的高度信息。经过图像处理，可以分析出焊点的高度值。
由以上各图可知，光学系统设计时实现了在像面相对光轴倾斜84°的情况下，点列图均方根半径最大值为7.169 μm，在衍射极限32.3 μm以内。由点扩散函数可以看出，经光学系统的衍射像的光强分布集中程度很高。由系统能量分布曲线可知，在衍射极限7.169 μm范围内的能量大约占总能量的80%左右。经以上分析可以说明该系统满足使用要求。
3结论
针对焊点高度的检测，提出了一种检测装置的设计方法，并设计了该检测装置的投影光学系统部分。该系统实际讨论了如何对高度信息进行测量，以及根据设计要求，如何确定投影系统的参数，并完成了设计。解决了目前对微小高度测量方法中存在的由于投影条纹亮暗间距不等给图像处理过程带来的难题，实现了测量范围大、重复性好、图像处理简单的优点，为反求工程、在线检测、医疗检测、机器视觉等领域中对微小高度的测量提供了新方法。
参考文献：
[1]李永怀，冯其波.光学三维轮廓测量技术进展[J].激光与红外，2005.35（3）：143-147.
[2]徐建强，王蕴栅.三维形貌测量的扫描相移法研究[J].光子学报，2005，33（10）：1210-1212.
[3]曹召良，胡五生.液晶相息图用于光学检测[J].光子学报，2006，35（12）：1941-1945.
[4]段存丽，陈芳，祁瑞利，等.利用莫尔条纹测量物体三维形貌新方法研究[J].光子学报，2008，37（7）：1425-1427.
[5]曾爱军，王向朝.基于光栅成像投影的微位移检测方法[J].中国激光，2005，32（3）：394-398.
[6]伏燕军，杨坤涛.三维形貌测量的莫尔条纹的理论分析[J].光电工程，2006，33（7）：63-66.
[7]杨志文.光学测量[M].北京：机械工业出版社，2009：171-177.
[8]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社，2005：146-147.