CN104180773B - 一种三维形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维形貌测量装置，包括投影单元和成像单元，投影单元包括投影镜头、光源和条纹图像发生器；投影单元利用来自光源的光经过条纹图像发生器、投影镜头将条纹图像投影至测量对象；成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将测量对象上的条纹图像成像于成像元件上；所述投影单元的光轴和成像单元的光轴平行，投影单元的物距等于成像单元的像距，投影单元的像距等于成像单元的物距，投影镜头和成像镜头的焦距相等。本发明在参考平面上的投影条纹间距相等，且成像景深范围内的条纹间距相等，且两者条纹间距也相等，实现非远心光路上的“远心条纹图像”效果；扩大了使用范围，在微观测量和宏观测量均可以获得“远心条纹图像”效果。

Description

一种三维形貌测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其是一种不使用远心镜头实现远心效果的三维形貌测量装置。

背景技术

三维物体表面形貌的测量，在机械制造领域又称为逆向工程，在现代加工制造及实际作业生产中起着越来越重要的作用。随着三维物体表面形状的非接触检测技术在科研、医学诊断、工程设计、刑事侦查现场痕迹分析、自动在线检测、质量控制、机器人及许多生产过程中越来越广泛的应用，人们对三维形貌测量的要求也越来越高，其应用领域也在不断扩大。

物体表面三维形貌检测可分为接触式和非接触式两类。

接触式表面形貌检测技术采用触针测量物体表面轮廓，该方法有如下难以克服的缺点：①由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量精度下降；②测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差；③为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。

非接触式的三维形貌检测技术可以避免接触式检测所遇到的困难。光学测量是非接触式测量技术中的一种常用技术，以其测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化程度高、成本低廉等优点在逆向工程、计算机辅助设计、数控加工、工业快速成型、产品质量检测、人体测量、医学诊断、刑事侦查现场痕迹分析、以及建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测等诸多领域获得了广泛的应用。

非接触式三维形貌检测技术，如结构光投影，一般使用激光按事先设计的光强分布模式投影在特定区域。这种投影一般采用专门的设备进行控制，调整非常不便。另外，当投影结构光采用激光作为光源时，由于激光特有的干涉特性，投射光强分布会有散斑效应，对测量精度产生严重影响。因此，现在大多采用非干涉光，即白光做结构光投影光源。投影仪是一种最常用的影像投影设备，可作为结构光投影。

相位测量轮廓术是一种常用的结构光三维形貌测量技术。相位测量轮廓术的相位与高度 关系有线性与非线性之分，其对应的光路分别为“远心光路”与“非远心光路”。所谓“远心光路”是指投影镜头与成像镜头均采用“远心镜头”，使投影的条纹图像和接收的条纹图像在景深范围内放大倍数不变，即为“远心光路”。所谓“非远心光路”是指投影镜头与成像镜头均采用“非远心镜头”，投影的条纹图像和接收的条纹图像在景深范围内放大倍数不等。“非远心光路”相位测量轮廓系统具有如下特点：1）投影正弦条纹在参考平面上非等周期分布，即在参考平面上相位分布是坐标x的非线性函数；2）投影正弦条纹在物体表面上的位相与投影正弦条纹在参考平面上的位相沿光线方向不相等；3）位相与高度为非线性关系，高度不可用等效波长计量。“非远心光路”相位测量轮廓系统，物体表面的位相与参考平面的位相近似相等；参考平面的位相与位置、物体的位相与高度均为线性非关系，这样将大大影响测量精度。“远心光路”相位测量轮廓系统具有如下优点：1）投影正弦条纹在参考平面上等周期分布，即在参考平面上相位分布是坐标x的线性函数；2）投影正弦条纹在物体表面上的位相与投影正弦条纹在参考平面上的位相沿光线方向相等；3）位相与高度之间存在简单的线性关系，高度可用等效波长计量。测量时物体表面的位相与参考平面的位相一一对应；参考平面的位相与位置、物体的位相与高度为线性关系。因此“远心光路”相位测量轮廓系统具有测量精度高的特点。但是“远心镜头”只能对比其口径小的物体成像，所以现有的“远心光路”相位测量轮廓系统只适用于小尺寸物体的测量。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有“非远心光路”相位测量轮廓技术的不足，提供一种对被测量物体尺寸没有限制且不采用“远心光路”即能够获得“远心条纹图像”的三维形貌测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种三维形貌测量装置，包括投影单元和成像单元，

投影单元，包括投影镜头、光源和条纹图像发生器；投影单元利用来自光源的光经过条纹图像发生器、投影镜头将条纹图像投影至测量对象；

成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将测量对象上的条纹图像成像于成像元件上；

所述投影单元的光轴和成像单元的光轴平行，投影单元的物距等于成像单元的像距，投 影单元的像距等于成像单元的物距，投影镜头和成像镜头的焦距相等。

进一步的，所述的条纹图像发生器与成像元件共面，所述投影镜头的物方主面平行于条纹图像发生器，所述成像镜头的像方主面平行于成像元件，且投影镜头的物方主面到条纹图像发生器的距离等于成像镜头的像方主面到成像元件的距离。

或者，上述的替换方案为，所述投影镜头的物方主面与所述成像镜头的像方主面共面，所述的条纹图像发生器平行于投影镜头的物方主面，所述的成像元件平行于成像镜头的像方主面，且投影镜头的物方主面到条纹图像发生器的距离等于成像镜头的像方主面到成像元件的距离。

进一步的，所述投影单元的条纹图像发生器中心偏离投影单元的光轴设置和/或所述成像单元的成像元件中心偏离成像单元的光轴设置。

进一步的，所述投影单元的条纹图像发生器投影的条纹图像为面结构光。

进一步的，所述投影单元的条纹图像发生器投影的条纹图像为线结构光。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明所述的装置不但在参考平面上的投影条纹间距相等，成像景深范围内的条纹间距相等，而且参考平面与景深范围内的条纹间距也相等，实现非远心光路上的“远心条纹图像”效果；由于为非远心光路，因此本发明扩大了使用范围，不仅可以进行微小物体测量也可以进行宏观物体的测量。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明所述的三维形貌测量装置结构光路示意图；

图2是本发明所述的三维形貌测量装置另一结构光路示意图；

其中：10为投影单元，11为光源，12为投影芯片，13为投影镜头，14为投影单元的光轴，15为投影单元像距，16为投影单元物距，17为投影单元共轭距，18为投影镜头的物方主面，19为投影镜头的像方主面；20为成像单元，21为成像芯片，22为成像镜头，23为成像单元的光轴，24为成像单元物距，25为成像单元像距，26为成像单元共轭距，27为成像镜头的物方主面，28为成像镜头的像方主面；30为参考平面；40为物体表面；50为投影与成像重叠区；60为投影区域；70为成像区域

具体实施方式

本发明所述的三维形貌测量装置，包括投影单元和成像单元，投影单元包括投影镜头、光源和条纹图像发生器；投影单元利用来自光源的光经过条纹图像发生器、投影镜头将条纹图像投影至测量对象；成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将测量对象上的条纹图像成像于成像元件上；所述投影单元的光轴和成像单元的光轴平行，投影单元的物距等于成像单元的像距，投影单元的像距等于成像单元的物距，投影镜头和成像镜头的焦距相等。由于成像镜头是将测量对象上的条纹图像成像于成像元件上，因此测量对象上的条纹图像相当于成像镜头的物，成像元件上的图像相当于成像镜头的像，投影单元共轭距和成像单元共轭距相等。

本发明所述的条纹图像发生器和成像元件分别对应为下述实施例中的DMD投影芯片12和CCD成像芯片21。

实施例一

如图1所示，本实施例所述的投影单元10包括光源11、DMD投影芯片12和投影镜头13；成像单元20包括CCD成像芯片21和成像镜头22。所述投影单元的光轴14和成像单元的光轴23平行，投影单元共轭距17和成像单元共轭距26相等，共轭距即为投影镜头13或成像镜头22的物像距离；投影单元投影条纹图像到参考平面30和物体表面40上，成像单元对参考平面30和物体表面40成像，投影单元投影区域60与成像单元成像区域70部分重合，为重合区50；投影镜头13与成像镜头22的焦距相等。

将投影镜头的物方主面18与成像镜头的像方主面28共面，DMD投影芯片12平行于投影镜头的物方主面18，CCD成像芯片21平行于成像镜头的像方主面28，投影镜头的物方主面18到DMD投影芯片12的距离等于成像镜头的像方主面28到CCD成像芯片21的距离，即，投影单元物距16等于成像单元像距25；参考平面30到投影镜头的像方主面19的距离等于参考平面30到成像镜头的物方主面27的距离，即，投影单元像距15等于成像单元物距24；因此，在投影单元与成像单元的重合区50上由于投影单元10垂直于参考平面30投射的条纹为等间距条纹；在物体表面上投影单元放大倍数减小、成像单元放大倍数增加使成像单元接收的条纹图像与所接收的参考平面上的条纹图像等间距，这样成像单元接收的条纹图像为“远心效应”的条纹图像。

本实施例所述的DMD投影芯片12产生的条纹图像为面结构光或线结构光。

实施例二

如图2所示，本实施例与实施例一不同的是：投影单元中DMD投影芯片12偏心设置；成像单元的CCD成像芯片21也偏心设置，投影单元的投影区域60与成像单元的成像区域70完全重合区，因此在物体表面40上的投影区域60和成像区域70的范围相对实施例一的范围较大，测量更方便。投影镜头13与成像镜头22焦距相等。

DMD投影芯片12与CCD成像芯片21共面，所述投影镜头的物方主面18与成像镜头的像方主面28分别平行于DMD投影芯片12与CCD成像芯片21且投影镜头的物方主面18到DMD投影芯片12的距离等于成像镜头的像方主面28到CCD成像芯片21的距离；参考平面30到投影镜头的像方主面19的距离等于参考平面30到成像镜头的物方主面27的距离。

这样投影单元物距16等于成像单元像距25，投影单元像距15等于成像单元物距24；因此，在投影单元与成像单元的重合区50上由于投影单元10垂直于参考平面30投射的条纹为等间距条纹；在物体表面上投影单元放大倍数减小、成像单元放大倍数增加使成像单元接收的条纹图像与所接收的参考平面上的条纹图像等间距，这样成像单元接收的条纹图像为“远心效应”的条纹图像。

本实施例所述的DMD投影芯片12产生的条纹图像为面结构光。

实施例三

本实施例与实施例二的区别在于DMD投影芯片12和CCD成像芯片21仅有一个偏心设置。

上述实施例仅仅是对本发明的优选实施方案进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种三维形貌测量装置，包括投影单元和成像单元，

投影单元，包括投影镜头、光源和条纹图像发生器；光源照射条纹图像发生器生成条纹图像、投影镜头将条纹图像投影至参考平面和测量对象表面上；

成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将参考平面和测量对象表面上的条纹图像成像于成像元件上；

其特征在于：所述投影单元的光轴和成像单元的光轴平行，投影单元的物距等于成像单元的像距，投影单元的像距等于成像单元的物距，投影单元的像距为参考平面到投影镜头的像方主面的距离，成像单元的物距为参考平面到成像镜头的物方主面的距离，投影镜头和成像镜头的焦距相等；所述投影单元的条纹图像发生器中心偏离投影单元的光轴设置和/或所述成像单元的成像元件中心偏离成像单元的光轴设置。

2.根据权利要求1所述的一种三维形貌测量装置，其特征在于：所述的条纹图像发生器与成像元件共面，所述投影镜头的物方主面平行于条纹图像发生器，所述成像镜头的像方主面平行于成像元件，且投影镜头的物方主面到条纹图像发生器的距离等于成像镜头的像方主面到成像元件的距离。

3.根据权利要求1所述的一种三维形貌测量装置，其特征在于：所述投影镜头的物方主面与所述成像镜头的像方主面共面，所述的条纹图像发生器平行于投影镜头的物方主面，所述的成像元件平行于成像镜头的像方主面，且投影镜头的物方主面到条纹图像发生器的距离等于成像镜头的像方主面到成像元件的距离。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种三维形貌测量装置，其特征在于：所述投影单元的条纹图像发生器投影的条纹图像为面结构光。