表面细节的快速和精确的高精度测量——林肯先生会怎么说？

2023-06-02 10:54

您是否知道使用干涉测量法进行的 3D 测量可以非常精确且速度极快？这种双重能力对于高精度行业的在线检测至关重要。

为说明此功能，我们使用 Novacam SURFACEINSPECT ^TM 3D 计量系统扫描一美分硬币的细节。表面测量系统该系统基于低相干干涉测量法，测量精度为微米级，但其典型测量周期仅为几秒，通常可满足具有挑战性的车间应用。

当然，测量周期时间将取决于两个参数：a) 测量区域的大小和 b) 所需的测量密度。出于这个原因，我们比较了同一区域的两种测量场景——一种场景具有高密度，另一种场景具有较低的 3D 点测量密度。

在美国便士的背面输入林肯先生

美国一美分硬币是北美熟悉的物品。一分钱宽约 21 毫米，厚 1.52 毫米。这枚硬币的背面有一个鲜为人知的细节——一个测量起来很有趣的小数字。大多数人从来没有注意到它。

要找到这个数字，请仔细观察硬币背面的林肯纪念碑中心。在两个中央柱子之间，您会看到美国第 16 任总统亚伯拉罕林肯先生的小坐像。我们想要测量和可视化最小的细节——林肯的头部，它大约有 0.25 毫米（250 微米）宽和 0.018 毫米（18 微米）高。

之前测过

虽然像林肯头部这样小的特征可以快速轻松地拍摄，但在 3D 中测量并不容易。最近的一项小型比较研究通过比较 3 种光学测量技术说明了这一困难：

3D激光线扫描仪，
结构光系统，以及
白光干涉仪。

有趣的是，在研究中比较的 3 种技术中，只有白光干涉测量系统提供的精度和准确度能够提供清晰且无伪影的林肯形象可视化。

然而奇怪的是，干涉测量技术被认为是缓慢的。缓慢的原因是该研究中使用的干涉测量系统所需的拼接。事实上，这个特殊的系统需要六 (6) 个面积测量来覆盖硬币的小表面！

但这种耗时的拼接是不可避免的吗？“慢”是对干涉测量作为测量技术的公平判断吗？

我们会断然拒绝。

美国便士背面的照片，一枚直径为 21 毫米的硬币，上面有 18 微米高的亚伯拉罕林肯坐姿浮雕

加速光学干涉测量

并非所有干涉测量系统在系统设计方面都是平等的。例如，使用低相干干涉测量法的 NOVACAM 3D 计量系统可实现 <=1 µm 的轴向精度，但它们的测量速度比上述研究中使用的白光干涉测量系统快得多。速度优势归功于系统设计。由于 Novacam 的目标是高精度工业应用，该公司已推动并逐步微调其系统的性能，以提供：

以每秒高达 100,000 个 3D 点的速度逐点采集表面，以及
可选择快速扫描区域探头，例如视场 (FOV) 高达 84×84 毫米（标准型号）的光栅扫描振镜扫描仪。自定义模型中提供更大的 FOV。

在振镜扫描仪 FOV 内，扫描光束以逐行光栅模式极快地穿过表面，快速为 FOV 内的指定区域提供 3D 点云。当要测量的区域适合 FOV 时，不需要拼接。测量时间很大程度上取决于用户指定的数据点密度。

振镜扫描仪由一个振镜头和一个为应用选择的镜头组成。它以高效的光栅模式获取 3D 表面或材料厚度。

振镜扫描仪以高效的光栅模式获取 3D 表面。间距可达 215 毫米。标准 FOV 选项范围高达 84×84 mm。

为了显示数据点密度与生成的扫描时间之间的关系，我们运行了几个扫描场景。

周期时间场景

让我们回到美国便士的林肯先生。为了测量硬币的背面，我们使用了SURFACEINSPECT 3D 计量系统，其镜头 FOV 为 54 x 54 mm，工作距离（间距）为 125 mm，光斑尺寸为 6 µm (FHM)。

我们扫描了硬币两次：一次是高密度，一次是低密度。此处的表格显示了与两次扫描相关的结果。

	扫描一：高密度扫描	扫描2：低密度扫描
扫描区域	25 x 25 毫米
对峙	125 毫米
X&Y方向的点密度	6 微米	37.5 微米
# 每条扫描线的数据点	4,167	666
数据点总数	17,363, 889	443,556
周期	5.8 分钟	9秒

如表所示：

扫描 1 是高密度扫描，涉及每 6 微米获取一个 3D 点测量值。它提供了超过 1700 万个数据点并花费了几分钟时间。需要注意的是，我们的工业客户很少需要这么多测量。
扫描 2 是一种低密度扫描，涉及每 37.5 微米获取一次测量值。它在 9 秒内提供了近 1/2 百万个数据点。此扫描代表我们的工业客户所需的更典型的点密度。甚至比这低得多的密度通常也足以进行 3D 几何分析。

可以肯定的是，使用 NOVACAM 3D 计量系统，用户可以试验并选择满足他们需要的采集点密度。一般来说，