CN100437026C - 物体表面三维形貌信息测量装置 - Google Patents

Abstract

物体表面三维形貌信息测量装置，涉及一种几何量测量装置，尤其是涉及一种物体表面三维形貌信息测量装置。提供一种基于无衍射光的概念，利用新的激光三角测量法，解决被测物面倾斜给测量带来的问题，采用单光束、单光电探测器件的物体表面三维形貌信息测量装置。设有激光器、准直光学系统、等腰直角棱镜、2个旋转棱镜、环状内反射镜和光电探测器阵列，准直光学系统设于激光器发出的单光束正前方；等腰直角棱镜的直角部分对准经准直的单光束的入射方向；2个旋转棱镜的中心轴同轴；环状内反射镜的球心与对称轴位于旋转圆锥棱镜的中心轴上；光电探测器阵列设于旋转圆锥棱镜的成像基准点。

Description

物体表面三维形貌信息测量装置

技术领域

本发明涉及一种几何量测量装置，尤其是涉及一种物体表面三维形貌信息测量装置。

背景技术

由于激光三角法具有非接触、不易损伤表面、材料适应性广、结构简单、抗干扰能力强、测量点小、测量准确度高和可用于实时在线快速测量等特点，因此在几何量测量领域中得到广泛的应用，人们一直在探索用最现代的科学技术丰富和完善它，力求进一步简化结构，提高准确度，拓宽应用范围，满足工业生产的需要。

激光三角法按检测方式分为反射型与透射型，按入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式。传统的直射式激光三角法的光电接收器平面与激光器的出射光束平行，被测点的位移与光电接收器上光斑的位移为线性关系，但这种方式的测量精确度不高，且可测量的位移范围受到限制。改进后的直射式激光三角法的光电接收器平面与成像透镜光轴垂直，但可测量的位移范围同样受到限制，否则在光电接收器上无法清晰成像。经过进一步改进，当直射式激光三角法的光电接收器平面与成像透镜光轴的夹角和激光束与成像透镜光轴的夹角满足斯凯普夫拉格条件(成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线)时，就可以达到完美聚焦。由于直射式激光三角法接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面，否则可能由于光线大多被反射而存在测量盲区。斜射式激光三角法中入射激光束与被测物面法线成一定角度，可接收来自被测物体的正反射光，比较适合测量表面接近镜面的物体，且信噪比和灵敏度都比较高，但也存在以下问题：斜射式入射光光点是照射在物体的不同点上，无法直接得到被测物体某点的位移情况，而直射式可以；斜射式分辨率高于直射式，但测量范围较小，体积较大，光斑较大，且对安装的精度要求很高，而直射式光斑小，光强集中，体积小，对于安装的精度要求较低。

以上方法都存在问题，如由于安装的角度问题，光电接收器的信号受被测物表面形态影响较大的缺点。在理论上要求必须保证激光束始终和被测量物体表面垂直，但在实际应用中是不可能达到的，特别是在测量物体表面形貌的应用中。双三角法在一定程度上解决了这一问题，由于在激光束的两侧对称地安装了光电接收器，在入射光轴与两光电接收器法线组成的主平面内，可以消除由于被测量物体的表面在测量系统平面内的倾斜所带来的无法测量或较大误差的现象，但物面形貌所产生的散射光若不在此主平面内，光电接收器仍无法探测到信号。还有一些工业测量中采用了多激光束和多光电检测器结合的方法，虽然直观、方便、快捷，但明显地增加了成本的投入。

目前的激光三角法都仍然要求激光束、被测点和光电接收器必须在同一个平面内，当被测量物面与测量系统平面成一定空间立体角度倾斜或任意表面形貌时，往往会使光电接收器接收到的光强信号产生误导信息，甚至无法接收到散射光的信号，若要接受到信号，必须采用多个光电探测器360°阵列，显然这个结构是不实用的。因此，现有的激光三角法无法实现对自由曲面和任意表面形貌提取真实相关信息，只能用于较有规则物体表面形状与较平坦表面形貌的测量。解决这些问题对激光三角法在几何测量等方面上的应用有很重要的意义。

近年来华中科技大学周莉萍等人(1、周莉萍，赵斌，等.无衍射光束在激光三角测量系统中的应用研究[J].激光技术，1998，22(1)：22-25；2、周莉萍，高咏生，等.双无衍射光束三角测量系统[J].华中科技大学学报，2001，29(1)：11-13；3、周莉萍，高咏生，等.基于无衍射光及虚拟探测器的三角测量系统[J].华中科技大学学报，2001，29(1)：8-10)将无衍射光应用于激光三角法中，在入射光束中采用一个旋转圆锥棱镜产生无衍射光束，并证明了无衍射光使用在几何测量领域可能实现高精度测量。无衍射光束在一定距离内其光强及尺寸稳定，即焦深长，中心斑点小，这些都有利于大范围准直和高精表面微观形貌测量。将无衍射光与激光三角法结合，实现表面微观形貌高精度测量，不仅纵向测量范围大，横向分辨率高，而且结构简单，不需调焦。但整个激光三角法的测量光学系统的结构仍未突破现有的形式。

发明内容

本发明的目的在于针对利用现有激光三角法测量物体表面三维形貌信息所存在的不足，提供一种基于无衍射光的概念，利用新的激光三角测量法，解决被测物面倾斜给测量带来的问题，采用单光束、单光电探测器件的物体表面三维形貌信息测量装置。

本发明设有：

激光器，用于发出单光束；

准直光学系统，用于对激光器发出的单光束准直，设于激光器发出的单光束正前方；

等腰直角棱镜，用于将经准直的单光束耦合进入旋转圆锥棱镜，等腰直角棱镜的直角部分对准经准直的单光束的入射方向；

2个旋转棱镜，1个用于形成无衍射光，并垂直入射被测物面以产生漫反射，另1个用于将经环状内反射镜折射的反射光聚焦于光电探测器阵列，2个旋转棱镜的中心轴同轴；

环状内反射镜，用于将被测物面产生的漫反射光反射并再次进入旋转圆锥棱镜成像到光电探测器阵列上，环状内反射镜的球心与对称轴位于旋转圆锥棱镜的中心轴上；

光电探测器阵列，用于接收成像信息，光电探测器阵列设于旋转圆锥棱镜的成像基准点。

所述的2个旋转棱镜可由1个旋转圆锥棱镜沿垂直于中心轴的方向(横向)切割后的旋转圆锥棱镜底部部分与倒装的顶部部分分别组成，旋转圆锥棱镜的顶部即为1个旋转棱镜，旋转圆锥棱镜的底部即为另一个旋转棱镜，将后1个旋转棱镜的锥顶向下与前1个旋转棱镜中心轴重合，将两底面进行粘合，即构成2个旋转棱镜。

所述的2个旋转棱镜也可由1个旋转圆锥棱镜中央按轴对称开孔，即孔的中心轴为旋转圆锥棱镜的中心轴，将中间挖出的部分锥顶向下重新插回入孔，对齐后粘合。

所述的环状内反射镜为内侧为球面反射镜或抛物面反射镜的环状内反射镜。内侧为球面反射镜或抛物面反射镜的环状内反射镜的球心与对称轴位于旋转圆锥棱镜的中心轴上；

与现有的类似测量装置相比，本发明的突出优点与效果在于：

①本发明由一个旋转圆锥棱镜的底部部分与顶部部分倒装构成光束的透射传光部分，并结合了一个特殊的环状内反射镜完成光束的反射传光部分，将入射、反射和成像部分一体化，结构紧凑，减少了使用时的调整定位工作。

②入射光束与成像光束均采用无衍射光技术，使用了旋转圆锥棱镜产生无衍射光，方便了光束的调焦、对准和定位，成像更清晰，误差更小。

③采用了环状内反射镜，消除了被测物面倾斜带来的误差，使来自被测物面任意方向的成像光束的光斑均可落在一个光电探测器感光面，被光电探测器所接收，可以反映真实的三维形貌，而无需用两个或多个光电探测器作为信号接收器。

④结构可多样化，可根据需要和技术支持，将旋转圆锥棱镜部分改成从棱镜中央开孔，倒插再装入原位置，也可构成与相关元件(参见图2中给出的元件4、5)整合的另一个变形；在特殊的环状内反射镜部分可采用旋转抛物内反射镜的平行截取部分或内球面内反射镜的平行截取部分来替代；测量光束可以是点光束，也可用结构光束，如线状光束等；图2中的旋转圆锥棱镜4也可用球面透镜来代替。

⑤本发明提出由特殊环状内反射镜、旋转圆锥棱镜以及与入射光轴垂直放置的光电探测器组成独特的激光三角测量光学系统，能实现对任意曲面、任意表面形貌的三维测量，拓宽激光测量技术的应用领域和极大提高了激光三角测量法的可靠性、适应性和精确度；且结构紧凑、灵巧。

附图说明

图1为本发明实施例1的光学系统结构示意图。

图2为本发明实施例2的光学系统结构示意图。

在图1和2中，A点为原物面上处于中心轴上的物点，O点为相应的成像点；B点为平移后物面上处于中心轴上的物点，O₁点为相应的成像点。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明的结构与工作原理作详细的说明。

实施例1的光学系统结构可参见图1，激光器1发出的光束经准直光学系统2准直后，由等腰直角棱镜3将光束耦合进入旋转棱镜4和旋转棱镜5，形成无衍射光垂直入射被测物面7，由被测物面7产生漫反射，漫反射光经内侧为反射面的空心球状反射镜6反射再次进入旋转棱镜4，成像到光电探测器阵列8上。其中，旋转棱镜4和旋转棱镜5可由同一个旋转圆锥棱镜沿垂直于中心轴的方向(横向)切割后的旋转圆锥棱镜底部部分与倒装的顶部部分分别组成，旋转圆锥棱镜的顶部即为旋转棱镜5，旋转圆锥棱镜的底部即为旋转圆锥棱镜4，将旋转棱镜5的锥顶向下与旋转棱镜4中心轴重合，将两底面进行粘合，即构成2个旋转棱镜。也可按实施例2的结构方式(如图2所示)，2个旋转棱镜4和5由1个旋转圆锥棱镜中央按轴对称开孔，即孔的中心轴为旋转圆锥棱镜的中心轴，将中间挖出的部分锥顶向下重新插回入孔，对齐后粘合。内侧为反射面的空心球状反射镜6是一个特殊环状反射镜，内侧为反射面的空心球状反射镜6为一个倒装的球台，球台的一个底面为过直径的平面，另一面为与其平行的台面，并使球反射镜焦点处于球台之外。

测量时，先定基准点，使基准点成像在光电探测器的中心点O。当被测物面位移或整个光学系统平移时，被测物面点的成像位置发生改变，偏离光电探测器中心点O。如图1和2中的O₁处，随着被测物体的移动，或激光测量头的扫描，在光电探测器上获得与被测物体表面一一对应的成像信息，并可通过计算机重构出被测物的三维形貌。由此可见，本发明的物方(入射光)光学系统光轴、像方光学系统光轴与光电检测器中心轴三者重合共轴，即光电检测器与测量光学系统光轴垂直放置，构成一个轴对称激光三角测量系统。

本发明采用旋转棱镜(圆锥棱镜)取代传统的入射光的聚焦透镜，可实现宽范围的调焦量；采用一个特殊的环状内反射镜(如球面镜、抛物面镜等)与一块旋转棱镜(也可以是凸透镜)构成成像光学系统，把来自被测物面的散射(或反射)光束会聚投射在光电检测器上，提取测量信息。该测量系统容易实现入射光学系统与成像光学系统焦点重合，降低系统装调要求。本发明的入射光学系统、成像光学系统采用轴对称积木式叠装，结构紧凑小巧，稳定性和精度高的测量系统，仅用单个面阵光电检测器件即可实现光电信号的转换，而无需采用多个面阵光电检测器件，获取被测任意自由曲面形貌信息，重构三维图形。

Claims (1)

1.物体表面三维形貌信息测量装置，其特征在于设有：

激光器，用于发出单光束；

准直光学系统，用于对激光器发出的单光束准直，设于激光器发出的单光束正前方；

等腰直角棱镜，用于将经准直的单光束耦合进入2个旋转棱镜，等腰直角棱镜的直角部分对准经准直的单光束的入射方向；

所述2个旋转棱镜由1个旋转圆锥棱镜沿垂直于中心轴的方向切割后的旋转圆锥棱镜底部部分与倒装的顶部部分组成，旋转圆锥棱镜的顶部部分即为1个旋转棱镜，记为旋转棱镜A，旋转圆锥棱镜的底部部分即为另一个旋转棱镜，记为旋转棱镜B，将旋转棱镜A的锥顶向下与旋转棱镜B的中心轴重合，将两底面粘合；或2个旋转棱镜由1个旋转圆锥棱镜中央按轴对称开孔，即孔的中心轴为旋转圆锥棱镜的中心轴，将中间挖出的部分锥顶向下重新插回入孔，对齐后粘合，2个旋转棱镜的中心轴同轴；

环状内反射镜为一个倒装的球台，球台的一个底面为过直径的平面，另一面为与过直径的平面平行的台面，环状内反射镜焦点处于球台之外；

光电探测器阵列，用于接收成像信息，光电探测器阵列设于2个旋转棱镜的成像基准点。

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