CN103365066A - 一种孔内照明立体像对成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔内照明立体像对成像装置，包括外壳，所述的外壳下部为透明筒状外壳，外壳顶部内壁设置有摄像装置，外壳中部的内壁设置有光源，外壳底部设置有双锥台面镜，双锥台面镜包括上锥台面镜和设置在上锥台面镜下方的下锥台面镜，上锥台面镜的锥顶角小于下锥台面镜的锥顶角，一贯穿孔贯穿上锥台面镜和下锥台面镜，贯穿孔的下方设置有罗盘。本发明提供了一种通过内置光源的利用组合式双锥台面镜技术和单一摄像部件实现的孔内全景、立体光学探测装置，实现了对360°钻孔孔壁的全景立体成像探测，提高了对目标的识别能力和探测的精度。该装置设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

Description

一种孔内照明立体像对成像装置

技术领域

本发明涉及岩土测量装置领域，更具体涉及一种孔内照明立体像对成像装置，适用于对各类工程领域中的地质钻孔进行详尽的勘察，获取其内的精细地质结构信息。

背景技术

    众所周知，由于人类的两眼处在不同位置上，在观察三维物体时，看到的是存在着差异的物体图像，正是由于这个差异的存在，人类的大脑才能感知一个三维世界，这就是所谓的立体视觉原理。根据该原理，如果以某间距布置二个相机（相当于人类的双眼），同时拍摄到同一区域的两幅照片（即为像对），而将这两幅照片同时由我们的双眼分别观看，则可感受到一个具有立体感的三维空间，因此，如何获得具有立体视觉效果的像对图像至关重要。

长期以来，获得像对图像的方法一般是通过二个相机或者单一相机在二个不同位置对同一目标的拍摄，这对于处于地面上有足够空间布置成像装置的情况下是可行的。然而，对于深入地球内部的一些勘察技术，特别是钻孔摄像勘察，由于受到复杂的条件和严格的空间限制，使得其技术和装置的发展遇到了各种障碍，因此，突破这些障碍成为这些勘察技术成败的关键。

钻孔摄像勘察是利用光学原理，通过摄影方法，使人能直接观测到钻孔内部的探测方法，其核心部件是能进入到钻孔内部的成像装置。自从钻孔摄像勘察技术诞生以来，这种孔内成像装置得到了长足的发展。原来大尺寸的装置逐渐小型或微型化，原来静态拍照状态步入到动态摄像过程，原来侧视旋转技术发展到全景观察和数字成像。值得一提的是当今钻孔摄像勘察技术的最新成果，即数字式全景钻孔摄像系统，已达到了其技术领域的高端，也已被广泛应用于实际的工程勘察之中，具有重要的现实意义和广阔的实用价值。

在数字式全景钻孔摄像系统的成像装置中，采用了锥面反射镜的关键部件，其成像原理是通过将其布置于摄像机镜头的正前方，使其轴线与摄像机中心轴线共线，组成360°钻孔孔壁的成像结构，这时全景孔壁图像经锥面反射镜进入摄像机，由此可以观察到360°钻孔孔壁的全景图像。这一原理的最显著特点是摄像机的直接目标不是钻孔孔壁而是360°钻孔孔壁经锥面反射镜反射后的像，这个像就是具有二维特征的全景图像，由此，可以认为数字式全景钻孔摄像系统仍然是一个只能反映二维特征的钻孔摄像勘察系统。然而，如何突破这一技术瓶颈，研制孔内立体像对成像装置，是钻孔摄像勘察技术跨入新一代的关键，也是该项技术发展的重要方向。

鉴于现有孔内成像装置存在的问题，本发明提出一种孔内照明立体像对成像装置，从根本上解决了孔内立体像对成像的技术难题，使钻孔摄像勘察在技术和装备上得到了突破性和实质性的进展。该装置利用内置光源提供照明，采用组合式双锥台面镜实现360°钻孔孔壁的全景像对图像的反射变换，单一摄像机摄取变换后的全景像对图像，结合实时同步的定向系统，组装于具有密封能力的外部连接壳体之中，通过外部连接壳体上的透明视窗，实现对钻孔孔壁的全景立体成像勘察。孔内照明立体像对成像装置的优点在于：1）光照均匀。由自带的环状光源提供照明，通过双锥台面镜的反射，使到达钻孔孔壁的光照更加均匀, 解决了孔内成像所需的照明问题；2）成像方式简单。仅通过一个组合式双锥台面镜和一个摄像机即能获得360°钻孔孔壁的全景立体像对图像；3）观察分辨能力强。组合式双锥台面镜提供了不同的观察方向，可形成从不同方向观察的孔壁图像，其内含信息更加丰富、更加精细；4）结构小巧，布局灵活，连接简洁，易于实施。

发明内容

本发明的目的就是为了克服以往钻孔成像技术存在的缺点和不足，提出一种自带光源的、利用组合式双锥台面镜的、单一摄像机成像的孔内立体像对成像装置，即孔内照明立体像对成像装置。该装置构思新颖、设计巧妙、尺寸合理、实施容易，是钻孔摄像勘察的新一代装置，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：

一种孔内照明立体像对成像装置，包括外壳，所述的外壳下部为透明筒状外壳，外壳顶部内壁设置有摄像装置，外壳中部的内壁设置有光源，外壳底部设置有双锥台面镜，双锥台面镜包括上锥台面镜和设置在上锥台面镜下方的下锥台面镜，上锥台面镜的锥顶角小于下锥台面镜的锥顶角，一贯穿孔贯穿上锥台面镜和下锥台面镜，贯穿孔的下方设置有罗盘。

一种孔内照明立体像对成像装置，还包括设置在外壳中部的环形的遮光罩，遮光罩外环与外壳连接，遮光罩内环处设置有环状挡光凸起，光源设置在环状挡光凸起与外壳内壁之间，双锥台面镜穿过遮光罩内环完全成像在摄像装置内。

如上所述的光源为环形光源，或者为点状光源均匀分布在环状挡光凸起与外壳内壁之间。

如上所述的摄像装置的镜头的中心到上锥台面镜的锥顶面的距离大于下锥台面镜的锥底面的直径的2倍。

如上所述的上锥台面镜和下锥台面镜均采用抗磁性的金属材质，上锥台面镜和下锥台面镜的锥面经过抛光处理，锥面的粗糙度Ra < 0.012μm。

如上所述的上锥台面镜的底部设置有圆柱形连接部，圆柱形连接部的外壁设置有外螺纹，下锥台面镜上设置有锥台连接孔，锥台连接孔的孔壁设置有与圆柱形连接部的外壁的外螺纹适配的内螺纹。

如上所述的外壳包括依次连接的筒状上部连接件、筒状的透明玻璃件和筒状下部连接件。

如上所述的透明玻璃件两端分别通过弹性部件与上部连接件和下部连接件连接。

孔内照明立体像对成像装置的光照和成像原理为：

1、光源3发出的光线31和光线32直接照射组合式双锥台面镜1的上锥台面镜11和下锥台面镜12；

2、光线31进入上锥台面镜11的中心空区内，照亮位于中心空区内的罗盘2；

3、光线32经组合式双锥台面镜1的上锥台面镜11和下锥台面镜12反射后的光线33穿过透明玻璃件6，照亮钻孔孔壁9；

4、经过照亮后的钻孔孔壁9上某一点91发出的光线34和光线35穿过透明玻璃件6，分别进入上锥台面镜11和下锥台面镜12之中；

5、当上锥台面镜11的锥顶角14小于下锥台面镜12的锥顶角15时，经过上锥台面镜11和下锥台面镜12的反射，光线34的反射光线36和光线35的反射光线37才能同时到达摄像装置5之中，形成钻孔孔壁的全景像对图像；

6、当光线34和光线35的夹角38大于6°时，才能获得具有最佳效果的立体像对图像。

通过以上方案及措施设计的孔内照明立体像对成像装置，利用了组合式双锥台面镜技术和光学成像原理，建立了单一摄像部件获取全景立体像对图像的结构体系，解决了孔内全景、立体探测的难题，实现了钻孔摄像技术的突破性和实质性进展，具有显著的科学意义和经济实用价值。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)      本发明利用单一摄像部件获取全景像对图像，使孔内全景、立体光学探测成为可能；

2)      本发明提供了从二个方向同时观察钻孔孔壁的能力，使探测的分辨力和精度得到了提高；

3)      本发明的构思严密、设计巧妙、尺寸合理；

4)      本发明的总体布局简单，易于实施。

总之，本发明提供了一种通过内置光源的利用组合式双锥台面镜技术和单一摄像部件实现的孔内全景、立体光学探测装置，实现了对360°钻孔孔壁的全景立体成像探测，提高了对目标的识别能力和探测的精度。该装置设计巧妙，构思严密，结构体系简单，易于实施。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为双锥台面镜的结构示意图

图3为摄像装置的结构示意图；

图4为本发明光源发光时的光路原理示意图；

图5为本发明成像原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施示例对本发明进一步说明：

根据图1和图2所示，孔内照明立体像对成像装置由组合式双锥台面镜1、罗盘2、光源3、遮光罩4、摄像装置5、透明玻璃件6、下部连接件7和上部连接件8组成。其中，组合式双锥台面镜1、罗盘2、光源3、遮光罩4和摄像装置5都安装在由透明玻璃件6、下部连接件7和上部连接件8构成的密封外壳内。通常，透明玻璃件6采用玻璃材料，而下部连接件7和上部连接件8采用不锈钢材料。考虑到二种材料的膨胀系数存在着差异，透明玻璃件6与下部连接件7和上部连接件8之间的连接需采用软性胶（例如704硅胶）的连接方式，其间需留有足够的伸缩缝。

上锥台面镜11通过丝扣13（即螺纹）固定于下锥台面镜12上，而下锥台面镜12则固定于下部连接件7上。罗盘2采用机械式指针罗盘，固定于下部连接件7的中央，且位于上锥台面镜11的中心空区内。上锥台面镜11和下锥台面镜12同轴，即组合式双锥台面镜1的轴线，该轴线穿过罗盘2的中心，且垂直于罗盘2的盘面。

摄像装置5固定于上部连接件8的中央，其中心轴线与组合式双锥台面镜1的轴线共线，摄像装置5的镜头52对准组合式双锥台面镜1，摄像装置5摄取组合式双锥台面镜1反射形成的孔壁像对图像和罗盘2的图像。光源3固定于遮光罩4的外缘，而遮光罩4则固定于上部连接件8上。遮光罩4的下缘要略为延长（即环状挡光凸起17），遮住光源3直射到摄像装置5的光线。

部件材料及加工要求：

组合式双锥台面镜1采用抗磁性的金属材料，例如：不锈钢1Cr18Ni9Ti、铜等，其表面需经过抛光处理形成镜面。首先，拆分组合式双锥台面镜1为上锥台面镜11和下锥台面镜12，然后，分别对上锥台面镜11和下锥台面镜12进行抛光处理。抛光过程采用多级方式，由粗抛、中抛直至精抛，使其表面粗糙度Ra < 0.012μm。

罗盘2的指针表面涂抹黑白二种颜色，即指向北的部分采用黑色，而指向南的部分采用白色。另外，罗盘2的底面也涂抹白色，使指向南的指针表面与底面同色。由于指向北的指针表面颜色与底面颜色差别较大，容易被计算机识别，并获取其方位。

透明玻璃件6采用透明的玻璃材料，形状为具有一定壁厚的园筒，其内外表面都需进行抛光处理，使其表面粗糙度Ra < 0.1μm，消除在制作过程中形成的纹波。另外，透明玻璃件6内部含渣滓、气泡等影响光学特性的物质应达到一定的要求，具体是：在成像范围内应无任何物质，确保完全透明；在非成像范围内允许少量的物质存在，不影响渗透和抗压的能力。

适用范围设计：

孔内照明立体像对成像装置是一个用于钻孔内对钻孔孔壁进行勘察的工具，而根据不同的钻探要求，会有各种不同的钻孔孔径，且变化范围较大，因此，该装置应该具有更广的适应性。然而，影响该装置的适用范围主要有如下三个方面的因素：

    1) 由透明玻璃件6、下部连接件7和上部连接件8组成的外部壳体的最大外径。由于所有部件都安装于该壳体内，因此，选择外形尺寸较小的部件和采用合理的布置方式都将有效的缩小壳体的最大外径。

2) 下锥台面镜12的锥顶角15和上锥台面镜11的锥顶角14之差。该差值越大，适用范围越小，反之亦然，因此，确定适用范围后，选择最优的锥顶角14和锥顶角15的组合方式。

3) 摄像装置5（包括摄像件51和镜头52）中镜头52的焦距。镜头52的焦距越大，其视场角越小，镜头52的中心到上锥台面镜11的顶面距离53就越大，适用范围也就越广，因此，镜头焦距的优化选择至关重要，通常，可选择12mm焦距的镜头。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (8)

1.一种孔内照明立体像对成像装置，包括外壳（18），其特征在于，所述的外壳（18）下部为透明筒状外壳，外壳（18）顶部内壁设置有摄像装置（5），外壳（18）中部的内壁设置有光源（3），外壳（18）底部设置有双锥台面镜（1），双锥台面镜（1）包括上锥台面镜（11）和设置在上锥台面镜（11）下方的下锥台面镜（12），上锥台面镜（11）的锥顶角（14）小于下锥台面镜（12）的锥顶角（15），一贯穿孔贯穿上锥台面镜（11）和下锥台面镜（12），贯穿孔的下方设置有罗盘（2）。

2.根据权利要求1所述的一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，还包括设置在外壳（18）中部的环形的遮光罩（4），遮光罩（4）外环与外壳（18）连接，遮光罩（4）内环处设置有环状挡光凸起（17），光源（3）设置在环状挡光凸起（17）与外壳（18）内壁之间，双锥台面镜（1）穿过遮光罩（4）内环完全成像在摄像装置（5）内。

3.根据权利要求2所述的一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，所述的光源（3）为环形光源，或者为点状光源均匀分布在环状挡光凸起（17）与外壳（18）内壁之间。

4.根据权利要求1所述的一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，所述的摄像装置（5）的镜头（52）的中心到上锥台面镜（11）的锥顶面的距离（53）大于下锥台面镜（12）的锥底面的直径（16）的2倍。

5.根据权利要求1所述的一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，所述的上锥台面镜（11）和下锥台面镜（12）均采用抗磁性的金属材质，上锥台面镜（11）和下锥台面镜（12）的锥面经过抛光处理，锥面的粗糙度Ra < 0.012μm。

6.根据权利要求5所述的一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，所述的上锥台面镜（11）的底部设置有圆柱形连接部，圆柱形连接部的外壁设置有外螺纹，下锥台面镜（12）上设置有锥台连接孔，锥台连接孔的孔壁设置有与圆柱形连接部的外壁的外螺纹适配的内螺纹。

7.根据权利要求1~6所述的任意一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，所述的外壳（18）包括依次连接的筒状上部连接件（8）、筒状的透明玻璃件（6）和筒状下部连接件（7）。

8.根据权利要求7所述的一种孔内照明立体像对成像装置，其特征在于，所述的透明玻璃件（6）两端分别通过弹性部件与上部连接件（8）和下部连接件（4）连接。

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