CN101802545B - 利用lcd的三维形貌测量装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种利用LCD的三维形貌测量装置，将正弦波图案形成在测量物上，借此用摄像机及上述正弦波图案获得测量物的影像信息，然后分析影像信息来测得测量物的形貌，所述装置包括LCD投影仪，该LCD投影仪包括：向前方照射光的光源；位于光源的前方，产生具有多个相位和多个周期的正弦波图案的LCD面板；配置在LCD面板的前方及后方的偏转板；隔开配置在LCD面板的前方，使由LCD面板产生的正弦波图案成像在测量物上的第一聚焦透镜；以及支承上述光源、LCD面板、偏转板及第一聚焦透镜的壳体。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用LCD的三维形貌测量装置，更具体地涉及一种在测量物上形成正弦波图案，借此用由摄像机及上述正弦波图案获得测量物的影像信息，分析影像信息来测得测量物形貌的利用LCD的三维形貌测量装置。
背景技术
所谓利用穆尔干涉条纹的三维形貌测量装置一般是指如下装置：将在要检测的测量物的表面照射具有一定形态的光而出现的网格图案和作为基准的网格图案重迭来形成穆尔干涉条纹，并测量及解析该干涉条纹而得到物体的表面高度的信息。这种测量方法可以简单且快速地得到测量物的三维形貌，所以被广泛应用在医学、工业领域。
这种利用穆尔干涉条纹的测量三维形貌的方式大致可分为投影式和影子式。影子式是不使用透镜而利用由出现在测量物表面的网格图案的影子生成的穆尔条纹来检测测量物的表面形貌的方式。投影式是利用由通过透镜投影到测量物的网格的图像生成的穆尔条纹来测量测量物的表面形貌的方式。
图1为传统的影子式测量装置的示意图。参照图1，在影子式测量装置中，从光源100出射的光通过网格103在测量物P的表面形成网格形态的影子，或者由于塔尔博特(Talbot)效应形成网格形态的图像。这里使用的网格103具有改变所透射光的强度的功能。上述网格103的影子图像和网格103本身的图案合成而形成穆尔条纹，将这样形成的穆尔条纹称为影子式穆尔。利用二维影像传感元件排列来检测所述穆尔条纹，此时为了计算穆尔条纹的相位，需要相位偏移的多个穆尔条纹。
为得到相位偏移的穆尔条纹，通过驱动单元D向接近测量物P或远离测量物P的方向移动上述网格103。此时由于干涉条纹的相位随着上述网格103的移动而变化，可以得到至少偏移3个相位的穆尔条纹。如此移动上述网格103而生成的相位偏移的穆尔条纹通过聚焦透镜109而成像到影像传感元件110上。通过上述影像传感元件110依次重复进行相位偏移的穆尔条纹的图像检测及上述网格103的移动。利用在此得到的多个相位偏移的穆尔条纹，可以通过公知的解析方法得到物体的三维形貌信息。
这种影子式测量装置具有设备简单的优点，但是需要利用网格影子，因此，具有仅能够在可以使网格图案和测量物充分接近的情况下应用的缺点。为了解决上述影子式测量装置的缺点，投影式测量装置得到人们的青睐。
图2为传统的投影式测量装置的示意图。参照图2，投影式穆尔测量装置通过第一聚焦透镜113将从光源111照射的光通过第一网格112形成的图像成像在测量物P上，并通过第二聚焦透镜114，将该测量物P的图像成像在第二网格115上。通过第三聚焦透镜116，将成像在第二网格115上的图像和第二网格115本身的图案成像在影像传感元件117上而得到穆尔条纹。
在这种投影式穆尔测量装置中，通过驱动单元D上下移动第一网格112及第二网格115来得到相位偏移的穆尔条纹。将在此得到的相位偏移的信号通过公知的方法解析，从而可以得到测量物的三维形貌信息。然而在投影式穆尔测量装置下，为了把成像在测量物P上的网格图案成像在第二网格115上生成穆尔条纹，并将该穆尔条纹成像在影像传感元件上117，需要高价的精密光学系统。因此，亟待提出一种不需要第二聚焦透镜114和第二网格115的简化的系统。
为此，提出了一种将结构化形态的图案投影到测量物来测量形貌的结构化的图案投影方式的装置，以便进一步简化投影式测量装置。
图3为传统的应用结构化的图案投影方式的投影式测量装置示意图。如图3所示，将从光源120照射的光通过网格121而形成的图像，通过第一聚焦透镜122成像在测量物P上，将测量物P的图像通过第二聚焦透镜124成像在影像传感元件127上，从而得到网格121投影其上的测量物P的影像。这里，为了提取三维形貌，可通过水平移动网格121或移动第一聚焦透镜122或第二聚焦透镜124来获得各种相位的投影网格影像。并且，网格121可替代为具有其它周期的网格。
在这种测量装置中，用第一聚焦透镜122将网格121的图案成像在测量物P上后，用影像传感元件127测量成像在测量物P上的影像，然后由该影像和在计算器中生成的基准网格生成穆尔条纹后检测测量物P的三维形貌。
但是，由于网格121的水平移动网格121，为了在网格121移动之后通过第一聚焦透镜122在测量物P上形成网格121的图像，需要与网格121的移动对应地移动第一聚焦透镜122。
并且，成像在测量物P上的网格图像随后在影像传感元件127获得。而为了在影像传感元件127上准确地成像上述成像图像，从上述网格121到测量物P的光学移动距离必须对应于从成像在上述测量物P上的网格图像到影像传感元件127的光学移动距离。但此时需要水平移动网格121，而由于随之产生的第一聚焦透镜122的移动或第二聚焦透镜124的移动而难以准确对准光学移动距离。
发明内容
技术问题
本发明提供一种没有网格的移动及替换也可以在测量物上形成具有多个相位和多种周期的正弦波图案的利用LCD的三维形貌测量装置。
本发明还提供一种没有聚焦透镜的移动也可以在测量物上形成具有多个相位的正弦波图案的利用LCD的三维形貌测量装置。
本发明还提供一种三维形貌测量装置，该装置为了更容易地向测量物传递正弦波图案，并为了更容易地获得成像的图像而包括透镜系统。
技术方案
作为用于解决上述课题的手段，提供了一种利用LCD的三维形貌测量装置，将正弦波图案形成在测量物上，借此用摄像机及上述正弦波图案获得测量物的影像信息，然后分析影像信息来测量测量物的形貌，其中包括LCD投影仪，该LCD投影仪包括：光源，向前方照射光；LCD面板，位于所述光源的前方，产生具有多个相位和多个周期的正弦波图案；偏转板，配置在上述LCD面板的前方及后方；第一聚焦透镜，隔开配置在上述LCD面板的前方，使由上述LCD面板产生的正弦波图案成像在测量物上；以及壳体，固定支承上述光源、上述LCD面板、上述偏转板及上述第一聚焦透镜。
上述壳体可在其内侧包含插入上述第一聚焦透镜的槽，插入上述槽中的第一聚焦透镜与上述LCD面板隔开一定距离设置。
上述壳体可包括在其内设置光源的光源用壳体、在其内设置液态LCD面板的LCD用壳体、及在其内设置上述第一聚焦透镜的透镜用壳体，这样有利于制造工艺。
上述LCD面板可与上述LCD用壳体的后方表面结合。
从上述LCD投影仪到测量物的光学移动距离与从测量物到摄像机的光学移动距离基本相同。这样摄像机正确获得测量物的影像信息。
该装置还包括透镜系统，该透镜系统将上述LCD投影仪产生的正弦波图案传递到测量物，将基于上述正弦波图案的测量物的影像信息传递到摄像机。
上述透镜系统可包括具有两个镜筒的立体型透镜系统。
另外，上述透镜系统可包括可以调节为多种倍率的变焦透镜。
有益效果
本发明的利用LCD的三维形貌测量装置，具有即使不移动网格也可以在测量物上形成多个相位和多种周期的正弦波图案的效果。
此外，具有即使不移动聚焦透镜也可以在测量物上形成多个相位的正弦波图案的效果。
此外，由于包括透镜系统，具有更可容易地向测量物传递正弦波图案，并且更容易地获得成像图像的效果。
另外，通过多种周期的正弦波图案投影，可以测量宽范围高度的测量物。
附图说明
通过参照附图详细地描述其典型的实施方式，本发明的上述特征和优点将更显而易见，其中：
图1是传统的影子式测量装置的示意图；
图2是传统的投影式测量装置的示意图；
图3是传统的应用结构化的图案投影方式的投影式测量装置示意图；
图4是依据本发明一种实施方式的利用LCD的三维形貌测量装置的示意图；
图5是依据本发明一种实施方式的图4装置的LCD投影仪壳体的分解立体图；
图6是图5的LCD投影仪沿A-A”线的分解横截面图；
图7是图5的LCD投影仪沿B-B’线的分解纵截面图；以及
图8是依据本发明一种实施方式的图5的LCD投影仪的结合纵截面图。
具体实施方式
下面参照示出了本发明的典型的实施方式的附图详细说明本发明的利用LCD的三维形貌测量装置。
图4是依据本发明一种实施方式的利用LCD的三维形貌测量装置的示意图。如图4所示，依据本发明的利用LCD的三维形貌测量装置包括LCD投影仪10、全内反射棱镜20、透镜系统30、第二聚焦透镜40及摄像机50。
首先，说明LCD投影仪10。图5是依据本发明一种实施方式的图4装置的LCD投影仪10壳体11的分解立体图。如图5所示，LCD投影仪10的壳体11具有圆筒形状，包括在其内设置光源的光源用壳体11a、在其内设置液晶显示器(LCD)面板的LCD用壳体11b、在其内设置第一聚焦透镜的透镜用壳体11c这三部分，三个壳体可以通过预定的螺丝等结合。
光源用壳体11a由中空管体形成，以便光源的光能够照射在将在后面描述的第一聚焦透镜15一侧，并包括将在后面描述的与LCD用壳体11b的LCD面板部分结合的穿孔的缺口11a′。
LCD用壳体11b结合光源用壳体11a，其中央设有孔11b′，以便光源照射的光能够通过LCD面板13向前方照射(参照图6)。
透镜用壳体11c结合LCD用壳体11b，在其前方内侧设有将在后面描述的在其中插入第一聚焦透镜15(参照图6)的透镜用槽11c′。
这样，LCD投影仪10的壳体11由彼此结合的三部分构成，可以容易地分别在这三部分中设置将在后面描述的光源、LCD面板及第一聚焦透镜。
图6是示出在图5的壳体11中结合光源12、LCD面板13及第一聚焦透镜15后的分解横截面图(图5的A-A′向截面)。图7是示出在图5的壳体11中结合光源12、LCD面板13及第一聚焦透镜15后的分解纵截面图(图5的B-B′向截面)。图8示出根据本发明一种实施方式的图5的LCD投影仪10的组合纵截面图。
如图7及图8所示，光源12设置在光源用壳体11a的后方，以便向前方照射光。这时，光源12可以通过预定的结合部件设置在光源用壳体11a上。
LCD面板13可以结合在LCD用壳体11b的后方面，结合时由结合部件13a结合并被支承在后方面。这时，LCD面板13可以根据从控制部接收的信号生成具有多个相位和多种周期的正弦波图案。
一对偏转板14a、14b分别配置在LCD面板13的前后方。后方偏转板14a具有能够使从光源12照射的光偏转为向LCD面板13照射光的作用，可与LCD面板13相对而结合在结合部件13a的后方面。
为了在测量物上很好地形成LCD面板13生成的多种正弦波图案，前方偏转板14b具有能够使光线向一定方向偏转的作用，因此与LCD面板13相对向地设置在LCD用壳体11b的前方面。
第一聚焦透镜15通过装配等结合方式插入透镜用壳体11c上的透镜用槽11c′中，向前方传递LCD面板13生成的正弦波图案以使其形成在测量物上。
这时，LCD面板13产生多个相位和多种周期的正弦波图案，在透镜用壳体11c的内侧设置的透镜用槽11c′上与LCD面板13彼此隔开一定间距固定第一聚焦透镜15，从而在测量物上准确地形成网格图案。此外，将在后面描述的第二聚焦透镜40和摄像机50之间的距离是固定的，因此，形成两个光学移动距离使得LCD面板13上生成的正弦波图案到测量物移动的光学移动距离和从测量物到摄像机50之间的光学移动距离基本相同。以便获得测量物准确的影像信息。
此外，通过投射由LCD投影仪10生成的具有多种周期的正弦波图案，不仅可以测量较宽幅度的测量物，也可以测量具有较宽范围高度的测量物。
接着说明全内反射棱镜20。如图4所示，全内反射棱镜20位于LCD投影仪10的前方，被配置成可以改变从LCD投影仪10投射的光路。
通过使用这种全内反射棱镜20，易于调整两个光学移动路径，使得从LCD投影仪10到测量物P的光学移动路径和从测量物P到摄像机50的光学移动路径基本相同，以获得测基于正弦波图案的测量物P的影像信息，并可以自由地变更LCD投影仪10的位置。
透镜系统30是由两个镜筒31、32和位于镜筒前方的物镜33构成的立体型透镜系统，左侧镜筒31作为LCD投影仪10所生成的正弦波图案投影到测量物P上的光学移动路径来使用，右侧镜筒32作为基于正弦波图案形成的测量物P的影像信息投影到摄像机50的光移动路径来使用。
物镜33设置以在在测量物P上形成由左侧镜筒31传递的正弦波图案的图像，且设置以使得在测量物P上形成的测量物P的影像信息通过右侧镜筒32传递到摄像机50上。
如上所述，通过使用如此具有两个镜筒的透镜系统，就不像以往技术那样单独配置，因此可以降低测量装置的制造成本。
并且，透镜系统30通过在每个镜筒中设置变焦透镜，可调整至多种倍率。通过使用变焦透镜，可以根据测量物P的大小及形状来放大或缩小正弦波图案，且可以放大或缩小摄像机50所获得的测量物P的影像信息，因此可以更准确地测量三维形貌。
第二聚焦透镜40与摄像机50隔开预定距离设置，以便使通过透镜系统30传递的测量物P的影像信息能够准确地反映到摄像机50上。如图4所示，第二聚焦透镜40与摄像机50单独构成，但为了使摄像机50能够准确地获得测量物P的影像信息，第二聚焦透镜40和摄像机50之间必须具有恒定的距离，因此两者优选形成为一体。
摄像机50是用于获得测量物P的影像信息的装置，可以是电荷耦合器件(CCD)。
由摄像机50获得的测量物P的影像信息传送到预定的控制部，并通过相应的程序分析，从而测量测量物P的三维形貌。
本发明并不限于上述实施例，所附的权利要求书范围内可以有各种不同的实施方式。所属技术领域的技术人员应该可以理解，在不脱离本发明精神的范围内所进行的各种变更及修饰均属于本发明的保护范围内。
工业实用性
根据本发明的利用LCD的三维形貌测量装置，即使不移动网格也能够在测量物上形成具有多个相位和多种周期的正弦波。
Claims (7)
1.一种利用LCD的三维形貌测量装置，将正弦波图案形成在测量物上，借此用摄像机及上述正弦波图案获得上述测量物的影像信息，对上述影像信息进行分析来测得上述测量物的形貌，
上述装置包括LCD投影仪，该LCD投影仪包括：向前方照射光的光源；位于上述光源的前方，产生具有多个相位和多个周期的正弦波图案的LCD面板；分别配置在上述LCD面板的前方及后方的偏转板；隔开配置在上述LCD面板的前方，使由上述LCD面板产生的上述正弦波图案成像在上述测量物上的第一聚焦透镜；以及支承上述光源、上述LCD面板、上述偏转板及上述第一聚焦透镜的壳体；
其中上述壳体在其内侧包含上述第一聚焦透镜插入其中的槽，插入在上述槽中的上述第一聚焦透镜配置成与上述LCD面板隔开预定距离。
2.根据权利要求1所述的装置，其中上述壳体包括在其中安装光源的光源用壳体、在其中安装液态LCD面板的LCD用壳体、及在其中安装上述第一聚焦透镜的透镜用壳体。
3.根据权利要求2所述的装置，其中上述LCD面板与上述LCD用壳体的后方表面相结合。
4.根据权利要求3所述的装置，其中从上述LCD投影仪到上述测量物的光学移动距离与从上述测量物到上述摄像机的光学移动距离基本相同。
5.根据权利要求1或4所述的装置，还包括透镜系统，该透镜系统将由上述LCD面板产生的上述正弦波图案传递到上述测量物，并将基于上述正弦波图案的上述测量物的影像信息传递到上述摄像机。
6.根据权利要求5所述的装置，其中上述透镜系统包括具有两个镜筒的立体型透镜系统。
7.根据权利要求5所述的装置，其中上述透镜系统包括可以调节为多种倍率的变焦透镜。
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