CN104296652A - 一种基于离散式旋转三角法的光学测头 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于离散式旋转三角法的光学测头。它包括相机、反射镜、激光器、外45°反射镜、内45°反射镜、聚焦透镜和接收透镜。所述相机、反射镜、激光器、外45°反射镜、内45°反射镜、聚焦透镜和接收透镜的相对安装位置，使得所述激光器发出的激光通过外45°反射镜、内45°反射镜反射，并经过聚焦透镜聚焦被测物体表面，被测物体表面发生漫反射，接收透镜接收部分漫反射光线，并通过反射镜成像在相机上。本发明将加工复杂的光学零件转化为加工简单的机械零件，因此价格低廉。测量结构简单，测头体积较小，使用可靠性高。又具有旋转对称三角法的特点，即对待测表面要求低，分辨率高，测量速度快、精度高。

Description

一种基于离散式旋转三角法的光学测头

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于离散式旋转三角法的光学测头，可用于复杂物体的测量。 

背景技术

随着测量需求的不断提高，开发更快速更精确的测量系统迫在眉睫；另一方面，随着测量环境的不断改变，传统的测量系统无法有效的满足测量要求，因此开发新的测量系统成为必须。 

在非接触式的测量方法中，传统的激光三角法具有良好的特性，因此它被广泛的应用于工业领域。然而，传统三角测量方法的最大缺陷在于当工件表面倾斜或者表面不连续，如孔、台阶等，在测量时会造成困难。轻则造成信噪比降低，测量精度下降，或者是需要额外的机械自由度来保证测头与工件表面的角度；重则因为反射光束被遮挡，引起传感器失效，严重影响三维信息的获取效果，如当激光扫描到沟槽中时，由于散射光线被物体本身所遮挡，使得接收器无法检测到信号，导致传感器在某些位置上无法工作。 

针对传统三角法的缺陷，国内学者提出了新的测量方法，发表的文献有《激光与红外》的《基于图像处理的激光双三角法测量的三维曲面》。该方法主要采用声光调制器（AOD）发出的衍射光从两个方向对物体进行扫描，以及使用单光源，双检测器，最后进行数据融合。其方法作为一个较成熟的方案在一定程度上缓解三角法的方向依懒的问题，但无法彻底解决该问题。 

离轴旋转对称的光学系统是解决传统三角法缺陷的理想方案。相比国外的旋转对称三角法测量，目前市场上有款来自Wolf&Beck公司研发的基于折射原理OTM系列传感器，其基本原理是采用大面积的旋转对称PSD作为信号检测设备，并且为了使光线通过光学系统后能够清晰成像，产生折射的透镜将被设计成具有特定的球面偏差。由此，该传感器具有两个主要的问题：1、采用了大面积专门的环形检测器以及特殊的光学器件；2、透镜的要求使得透镜的设计无法采用通用的光学设计。这两个问题都导致该系统是一个非常昂贵的系统。 

以色列Nextech公司B.Weiss也提出类似的折射式光学系统，该系统由两组环形成像透镜将物点成像成一个圆环，然后由一个圆锥面反射镜折返光路，将该圆环成像于旋转对称轴附近的检测器上。但是由于高精度的环状光学镜片加工十分困难，所以价格非常昂贵。 

以上几种测量方法，要么无法彻底解决传统三角法的缺陷，要么价格非常昂贵。 

发明内容

本发明的目的是为了解决传统三角法的缺陷，并降低加工成本，而提供一种基于离散式旋转三角法的光学测头。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

一种基于离散式旋转三角法的光学测头，包括相机、反射镜、激光器、外45°反射镜、内45°反射镜、聚焦透镜和接收透镜，其特征在于所述相机、反射镜、激光器、外45°反射镜、内45°反射镜、聚焦透镜和接收透镜使得所述激光器发出的激光通过外45°反射镜、内45°反射镜反射，并经过聚焦透镜聚焦被测物体表面，被测物体表面发生漫反射，接收透镜接收部分漫反射光线，并通过反射镜成像在相机上。 

所述的光学测头，其特征在于激光束经过被测物体表面发生的漫反射光线，共被n条光路所接收，n条光路的光轴交于一点，每条光路皆由接收透镜与反射镜组成。 

所述的接收透镜和反射镜各有n个，构成n条光路接收和被测物体表面发生漫反射，n条光路的光轴分别与激光投射轴成20°角，且绕该投射轴在空间中轴对称均匀分布n个，构成离散式旋转对称结构。

所述的光学测头，其特征在于n=5，围绕激光投射轴，在空间中轴对称均匀分布5条光路。 

所述的光学测头，其特征在于激光光束经过该离散式旋转对称结构的光学系统，成像在相机（26）上，且有两种成像结果，一种是成像聚焦于一点，一种是成像为五边形的五个顶点。 

所述的光学测头，，其特征在于有一个反射镜支架，其上有5个均匀分布槽，用来放置5块反射镜，并分别通过5个反射镜压板压紧；反射镜支架上部开有5个螺纹孔，通过螺钉连接外部设备。 

所述的光学测头，其特征在于有一个接受透镜支架，其上有5个均匀分布的槽，用来放置5块接受透镜，并分别通过接收透镜挡圈压紧。 

所述的光学测头，其特征在于所述相机可进行上下移动，调节成像面位置，达到清晰成像。 

所述的光学测头，其特征在于所述聚焦透镜可进行上下移动，提高激光光束在物体表面的成像质量。 

所述的光学测头，其特征在于所述相机是CMOS相机，或者是CCD相机，或者是PSD位置探测器。

本发明对比已有技术有益效果体现在： 

1.         可随时调节CMOS与聚焦透镜，获取更加清晰的像。

2.         将加工复杂的光学镜头转化为加工简单的机械零件，使用的透镜与反射镜是现成的，无需加工，因此价格低廉。 

3.         测量结构简单，测头体积较小，使用可靠性高。 

4.         采用同轴光路，对被测表面的遮挡要求低，能测量高反射、大倾斜角的表面。 

5.         测量速度快，精度高。 

附图说明

图1为本发明的光学示意图 

图2为图1的剖面结构图

图3为本发明反射镜支架结构图

图4为本发明接收透镜支架结构图

图5为本发明一条光路的光学系统图

图6为本发明光学系统图

图7（a）为本发明在0m处CMOS所成的像；图7（b）为本发明在0m处光斑灰度图

图8（a）为本发明在-3mm处CMOS所成的像；图8（b）为本发明在-3mm处光斑灰度图

其中：1.激光器支架、2.激光器支架固定螺钉、3.激光器、4.激光器固定螺钉、5.外45°反射镜固定螺钉、6.外45°反射镜固定压板、7.外45°反射镜、8.外45°反射镜支架、9.外45°反射镜支架固定螺钉、10.接收透镜支架、11.内45°反射镜支架、12.内45°反射镜、13.聚焦透镜支架、14.聚焦透镜、15.聚焦透镜挡圈、16.内45°反射镜固定压板、17.内45°反射镜固定螺钉、18.内45°反射镜支架固定螺钉、19.接收透镜挡圈、20.接收透镜、21.支撑杆、22.反射镜、23.反射镜压板、24.相机固定支架、25.相机固定螺钉、26.相机、27.反射镜支架。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下： 

实施例一：

       参见图1-图6，基于离散式旋转三角法的光学测头，包括相机（26）、反射镜（22）、激光器（3）、外45°反射镜（7）、内45°反射镜（12）、聚焦透镜（14）和接收透镜（20），其特征在于所述相机（26）反射镜（22）、激光器（3）、外45°反射镜（7）、内45°反射镜（12）、聚焦透镜（14）和接收透镜（20）的相对安装位置，使得所述激光器（3）发出的激光通过外45°反射镜（7）、内45°反射镜（12）反射，并经过聚焦透镜（14）聚焦被测物体表面，被测物体表面发生漫反射，接收透镜（20）接收部分漫反射光线，并通过反射镜（22）成像在相机（26）上。

实施例二： 

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述接收透镜（20）和反射镜（22）各有5个，构成5条光路接收被测物体表面发生的漫反射光线，所述激光器（3）产生的激光束经过被测物体表面发生的漫反射光线，被该5条光路所接收，5条光路的光轴交于一点，每条光路皆各由一个接收透镜（20）与一个反射镜（22）组成。 n条光路的光轴分别与激光投射轴成20°角，且绕该投射轴在空间中轴对称均匀分布n个，构成离散式旋转对称结构。激光光束经过该离散式旋转对称结构的光学系统，成像在相机（26）上，且有两种成像结果，一种是成像聚焦于一点，一种是成像为五边形的顶点。

反射镜支架（27），其上有5个均匀分布槽，用来放置5块反射镜（22），并分别通过5块反射镜压板（23）压紧；所述反射镜支架（27）上部开有5个螺纹孔，通过螺钉连接外部设备。接受透镜支架（10），其上有5个均匀分布的槽，用来放置5块接受透镜（20），并分别通过5块接收透镜挡圈（19）压紧。所述相机（26）可进行上下移动，调节成像面位置，达到清晰成像。聚焦透镜（14）可进行上下移动，调节激光光束在物体表面的光斑大小，获得最小光斑尺寸。相机（26）是CMOS相机，或者是CCD相机，或者是PSD位置探测器。 

实施例三： 

在图1、图2实施例中，相机（26）通过固定螺钉（25）与固定支架（24）相连接，并与反射镜支架（27）螺纹连接，可进行上下调节。激光器固定螺钉（4）使激光器（3）固定在激光器支架（1）上，激光器支架固定螺钉（2）使激光器支架（1）固定在反射镜支架（27）上。外45°反射镜（7）装在外45°反射镜支架（8）中，通过外45°反射镜固定压板（6）压紧。外45°反射镜支架固定螺钉（9）固定外45°反射镜支架（8）于接收透镜支架（10）上。内45°反射镜（12）装在内45°反射镜支架（11）中，通过内45°反射镜固定压板（16）压紧。内45°反射镜支架固定螺钉（18）固定内45°反射镜支架（11）于接收透镜支架（10）上。接收透镜支架（10）和反射镜支架（27）之间通过支撑杆（21）连接。

在图3实施例中，5块反射镜（22）分别装在反射镜支架（27）的5个槽内，并通过反射镜压板（23）螺纹接连压紧。反射镜支架（27）表面有5个分布均匀的螺纹孔，可连接外部设备。 

在图4实施例中，5块接收透镜（20）分别装在接收透镜支架（10）的5个槽内，并通过接收透镜挡圈（19）从下往上旋紧，压紧接收透镜。聚焦透镜（14）装在聚焦透镜支架（13）上，通过聚焦透镜挡圈（15）拧紧，聚焦透镜支架（13）与接收透镜支架（10）螺纹连接，可进行上下调节。

在图5、图6实施例中，650nm的激光器（3）发出的激光束通过外45°反射镜（7），内45°反射镜（12），经过聚焦透镜（14）聚焦与被测表面，被测表面发生漫反射，光线被5条光路接收，并通过反射镜（7）成像于相机（26）上。 

在图7（a）、图7（b）实施例中，相机（26）成像一个点像，表示本发明的测量零点，标定时的参考点。在图8（a）、图8（b）实施例中，向下移动被测物体3mm，相机（26）成像5个均匀分布的光点。被测物体表面深度的变化，使得相机（26）上光点位置变化，从而可获得被测物体表面的深度信息。 

本发明采用IDS的相机，分辨率为1280×1024，像素大小5.3μm；激光器为650nm，功率5mw，发散角1mrad；使用的透镜，反射镜均采购于Edmund。 

Claims (10)

1.一种基于离散式旋转三角法的光学测头，包括相机（26）、反射镜（22）、激光器（3）、外45°反射镜（7）、内45°反射镜（12）、聚焦透镜（14）和接收透镜（20），其特征在于所述相机（26）反射镜（22）、激光器（3）、外45°反射镜（7）、内45°反射镜（12）、聚焦透镜（14）和接收透镜（20）的相对安装位置，使得所述激光器（3）发出的激光通过外45°反射镜（7）、内45°反射镜（12）反射，并经过聚焦透镜（14）聚焦在被测物体表面，被测物体表面发生漫反射，接收透镜（20）接收部分漫反射光线，并通过反射镜（22）成像在相机（26）上。

2.根据权利要求1所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于所述接收透镜（20）和反射镜（22）各有n个，构成n条光路接收被测物体表面发生的漫反射光线，所述激光器（3）产生的激光束经过被测物体表面发生的漫反射光线，被该n条光路接收，n条光路的光轴交于一点，每条光路皆各由一个接收透镜（20）与一个反射镜（22）组成，其中n为3以上的奇数个数。

3.根据权利要求2所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于n条光路的光轴分别与激光投射轴成20°角，且绕该投射轴在空间中轴对称均匀分布n个，构成离散式旋转对称结构。

4.根据权利要求3所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于所述n=5，围绕激光投射轴，在空间中轴对称均匀分布5条光路。

5.根据权利要求4所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于激光光束经过该离散式旋转对称结构的光学系统，成像在相机（26）上，有两种成像结果，一种是成像聚焦于一点，一种是成像为五边形的五个顶点。

6.根据权利要求4所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于有一个反射镜支架（27），其上有5个均匀分布槽，用来放置5块反射镜（22），并分别通过5块反射镜压板（23）压紧；所述反射镜支架（27）上部开有5个螺纹孔，通过螺钉连接外部设备。

7.根据权利要求4所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于有一个接受透镜支架（10），其上有5个均匀分布的槽，用来放置5块接受透镜（20），并分别通过5块接收透镜挡圈（19）压紧。

8.根据权利要求1所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于所述相机（26）可进行上下移动，调节成像面位置，达到清晰成像。

9.根据权利要求1所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于所述聚焦透镜（14）可进行上下移动，调节激光光束在物体表面的光斑大小，获得最小光斑尺寸。

10.根据权利要求1所述的一种基于离散式旋转三角法的光学测头，其特征在于所述相机（26）是CMOS相机，或者是CCD相机，或者是PSD位置探测器。