CN105136063A - 一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其包括安装固定单元、线性调节单元和图像获取单元，安装固定单元包括水平设置的支撑板和垂直设置在支撑板上的安装板，支撑板上设置有三轴位移台，三轴位移台上放置有待测的微小样块；线性调节单元包括线性平移台和安装在其上的导轨，线性平移台通过安装底板安装在安装板上；图像获取单元共有两组，其关于安装板中轴线对称安装，其包括远心物镜、CCD图像传感器、旋转平台和滑块，远心物镜通过C接口与CCD图像传感器相连，CCD图像传感器安装在旋转平台上，旋转平台通过滑块安装在导轨上。本发明使得测量装置的光路夹角可调，具有测量精度高、准确性好等优点。

Description

一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置

技术领域

本发明属于显微立体视觉三维测量装置领域，更具体地，涉及一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置。

背景技术

双目立体视觉技术作为一种非接触的测量方法，被广泛应用于物体常规尺寸的三维测量中。目前三维测量系统大多应用于宏观物体的双目立体视觉三维测量，针对微小物体的双目立体视觉三维测量研究较少，主要由于微小物体尺度小，用传统的办法很难对其进行观测，必须借助显微物镜等设备进行放大，而显微物镜视场狭窄且景深小，其视场、景深与分辨能力存在着相互矛盾的关系，多用于显微系统中进行观察，不易满足立体视觉所需的两个或多个相机的条件。

目前，对微小物体的双目立体视觉测量研究较为成熟的是基于双目体视显微镜改造而来的数码显微双目立体视觉测量法。数码显微双目立体视觉测量法将双目体视显微镜中的两个显微目镜通过引入适配镜后换成CCD或CMOS图像传感器，接收两个子光路中的图像对，并将其传输到计算机中，通过图像处理后，获得待测样品的三维尺寸数据。

然而，进一步的研究，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：由于数码显微双目立体视觉测量直接由双目体视显微镜改造而来，图像获取单元的主体没变，而双目体视显微镜为方便使用者进行大范围、大深度的观察，采用常规变焦镜头，同时为满足人们用双目观察一个物体时所形成一定视角的习惯，双目镜筒中的左右两光束的体视角一般在12^o～15^o之间，因此整个系统存在镜头畸变大、体视角小的问题，并且由于双目体视显微镜的双目镜筒已安装固定，使其无法调整、测量误差大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其中结合显微双目立体视觉测量装置自身的特点，相应设计了光路夹角可调的测量装置，并对其关键组件如线性调节单元、图像获取单元的具体结构及相互装配关系进行研究和设计，相应的可有效解决光路夹角难以调节的问题，同时采用远心物镜作为显微物镜探头，并采用旋转平台调整双目立体视觉两光路的夹角，提高了微小零件三维测量结果的精度和准确性。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其特征在于，包括安装固定单元、线性调节单元和图像获取单元，其中：

所述安装固定单元包括水平设置的支撑板和垂直设置在该支撑板上的安装板，所述支撑板上设置有三轴位移台，所述三轴位移台上放置有待测的微小样块；

所述线性调节单元包括线性平移台和水平安装在该线性平移台上的导轨，所述线性平移台通过安装底板安装在所述安装板上；

所述图像获取单元共有两组，两组所述图像获取单元关于所述安装板的中轴线对称安装，每组所述图像获取单元均包括远心物镜、CCD图像传感器、旋转平台和滑块，所述远心物镜通过C接口与所述CCD图像传感器相连以组成光学臂，所述CCD图像传感器通过螺纹转接件安装在所述旋转平台上，所述旋转平台通过所述滑块安装在所述导轨上；通过调节所述旋转平台和滑块，以使两个所述光学臂成一定夹角对称放置，同时使其对准待测的微小样块，以获取待测微小样块同一区域的清晰图像，进而实现待测微小样块的显微双目立体视觉测量。

作为进一步优选的，所述支撑板和安装板均为面包板。

作为进一步优选的，所述安装板通过安装支架固定在所述支撑板上。

作为进一步优选的，所述安装支架共有两个，其关于所述安装板的中轴线对称设置。

作为进一步优选的，所述CCD图像传感器通过USB3.0接口与计算机连接，以快速的将所述光学臂获取的待测微小样块的图像传输至所述计算机中，便于后续处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用远心物镜在景深和焦深内具有相同的放大倍率的特点，消除了单个镜头产生的透视误差，提高了尺寸测量的精度，更适合基于CCD的测量；同时，基于远心物镜畸变小、分辨率高的特点，在硬件上获得小畸变、高分辨率的图像，减少了后续图像处理的难度；另外，由于远心物镜在小放大倍率、大景深、大视场范围的同时，仍然有较高的分辨能力，因此在一定程度上调和了景深、视场、分辨能力之间的矛盾。

2.本发明通过对称设置两个旋转平台，将远心物镜和CCD图像传感器组成的两个光学臂分别安装于其上，使得显微双目立体视觉测量装置的光路夹角可调，同时基于远心物镜的大景深特点，旋转平台具有更大的角度旋转范围，可调整的光路夹角区域增大，通过获取最佳的显微成像光路夹角，进一步在硬件上提高微小样块显微双目立体视觉测量结果的精度和准确性。

3.本发明还对关键组件如安装固定单元、线性调节单元和图像获取单元的具体结构及其相互间的装配关系进行研究与设定，使得各单元之间相互配合，实现微小样块显微双目立体视觉的精确测量。

附图说明

图1是本发明基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置结构示意图；

图2是图1的侧视图；

图3是本发明基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的基本原理是待测微小样块经某一所需光源均匀照明后，由远心物镜将其放大，并在CCD图像传感器中的受光面上聚焦成像，CCD图像传感器通过USB3.0接口将接收到的图像传输到计算机中，计算机通过对两个CCD图像传感器中的图像进行标定、匹配等处理后，得到待测微小样块的三维尺寸数据。采用远心物镜作为显微物镜探头，具有畸变小、分辨率高的特点，在景深和焦深内具有相同的放大倍率，消除了单个镜头产生的透视误差，适合基于CCD的尺寸测量，因此CCD图像传感器收集到的图像具有小畸变、高分辨率的特点，减少了图像处理的困难，提高了尺寸测量的精度。

图1是本发明实施例的一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置的结构示意图，其包括安装固定单元、线性调节单元和图像获取单元，其中安装固定单元为线性调节单元、图像获取单元提供竖直方向上的安装和固定空间，便于对待测微小样块的测量。

下面将对本发明的关键组件逐一进行更为具体的说明。

作为本发明的关键组件之一，安装固定单元包括水平设置的支撑板10和垂直设置在该支撑板10上的安装板9，支撑板10上设置有三轴位移台7，三轴位移台7上放置有待测的微小样块，该微小样块为形状规则、各尺寸皆在3mm左右的标准微小样块；线性调节单元包括线性平移台5和水平安装在该线性平移台5上的导轨4，线性平移台5可提供竖直上下的位移，其通过安装底板6安装在安装板9上。本实施例中，支撑板10和安装板9均为面包板。

作为本发明的另一关键组件，图像获取单元包括远心物镜1、CCD图像传感器2、旋转平台3和滑块8，远心物镜1通过C接口与CCD图像传感器2相连以组成测量光学臂，CCD图像传感器2通过螺纹转接件安装在旋转平台3上，CCD图像传感器2通过USB3.0接口与计算机连接，以快速的将光学臂获取的待测微小样块的图像传输至计算机中，供图像处理软件进行后续处理，旋转平台3通过滑块8安装在导轨4上。本实施例中，图像获取单元共有两组，其关于安装板9的中轴线对称安装，旋转平台3为精密旋转单元，能进行360°高精度旋转，并具有锁死功能，能够带动光学臂在竖直空间旋转至空间允许范围内的所需角度，控制旋转平台3可调整双目显微立体视觉装置的两条光路夹角，使两个光学臂成一定夹角，获取最佳的测量角度，提高待测微小样块的尺寸测量精度，同时使其对准待测的微小样块，以获取待测微小样块同一区域的清晰图像，进而实现待测微小样块的显微双目立体视觉测量，其中两个旋转平台3对称放置，对称调节。

具体的，由于旋转平台3安装在滑块8上，滑块8安装在导轨4上，导轨4安装在线性平移台5上，且导轨4水平安装，滑块8可带动旋转平台3在导轨4上进行较高精度的水平移动，线性平移台5带动导轨4在竖直方向上进行高精度移动，通过滑块8和线性平移台5的高精度平移，为两个旋转平台3提供旋转空间，保证了显微双目立体视觉测量装置光路夹角的可调整性和对称性，同时结合三轴位移台7，为远心物镜提供正确的测量距离，保证了测量图像的清晰度。导轨4及两个滑块8、线性平移台5、三轴位移台7组成精密线性位移单元，为精密旋转单元提供旋转空间，为图像获取单元提供正确的测量距离，获取清晰的测量图像，其中，导轨4及两个滑块8提供水平x方向位移，线性平移台5提供竖直z方向位移，三轴位移台7提供x-y-z三方向位移。

进一步的，线性平移台5通过安装底板6固定在安装板9上，安装板9通过两个安装支架11固定在支撑板10上，保证了前述线性调节单元、图像获取单元在竖直方向上的安装和固定，使得显微双目立体视觉测量装置能在竖直方向上进行操作，方便了待测微小样块的放置和测量，同时也为整个显微双目立体视觉装置位置需要变动的情况提供了应对方法，其中两个安装支架11关于安装板9的中轴线对称设置。

下面将具体解释本发明的基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置的操作过程及其优点。

如图3所示，本发明测量装置的工作流程如下：

将待测微小样块放置于三轴位移台7上，使用某一所需光源对待测样品进行均匀照明，先将安装在旋转平台3上的由远心物镜1和CCD图像传感器2组成的光学臂镜头入瞳口竖直朝下放置，锁死旋转平台3，记下此时左右两边旋转平台的角度示数，分别为θ_L1、θ_R1；松开旋转平台3，将左边光学臂向右旋转一定角度，同时水平移动安装在导轨4上的左边滑块，使左边光学臂大致对准微小待测样品，锁死左边旋转平台，记下此时左边旋转平台的角度示数为θ_L2，则左边光学臂与待测微小样块之间的夹角为|θ_L1-θ_L2|；调节线性平移台5和三轴位移台7，其中线性平移台5调节方向为竖直方向、三轴位移台7的调节方向为x-y-z方向，通过计算机中的图像获取软件对获取的经远心物镜1放大后的微小待测样品的图像进行观察，直到调节出最清晰的微小待测样品图像，记下此时的线性平移台5和三轴位移台7的位移数值，分别为h₀、(x₀,y₀,z₀)，保持这两组数据不变；然后将右边光学臂向左旋转至θ_R2角，使得|θ_R1-θ_R2|＝|θ_L1-θ_L2|，锁死右边旋转平台，此时，只需要水平移动安装在导轨4上的右边滑块，使其对准微小待测样品，便可在计算机中的图像获取软件得到清晰的微小待测样品图像；这时左右两光学臂之间的夹角为β＝2|θ_R1-θ_R2|＝2|θ_L1-θ_L2|，即显微双目立体视觉测量装置的两光路夹角为β＝2|θ_R1-θ_R2|＝2|θ_L1-θ_L2|；利用计算机中的显微双目立体视觉软件对左右两光学臂获取的二维图像进行图像预处理、标定、匹配后，获得微小待测样品的三维尺寸数据。

本实例中，采用绿色LED光源均匀照明后，2倍远心物镜获取的图像分辨率能达到3.56μm，景深能达到2.6mm，最大畸变为0±0.01％，结合500万CCD图像传感器，视场范围可达4.22mm×3.53mm。通过精密旋转单元和精密线性位移单元的调节，显微双目立体视觉测量装置的光路夹角调整范围在36°～80°之间。

总体而言，本发明通过采用远心物镜和旋转平台，从硬件上优化了获取的待测微小样块二维图，能够获取不同光路夹角下的测量结果，得到显微双目立体视觉测量技术的最佳光路夹角，提高了待测微小样块的三维尺寸测量精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其特征在于，包括安装固定单元、线性调节单元和图像获取单元，其中：

所述安装固定单元包括水平设置的支撑板(10)和垂直设置在该支撑板(10)上的安装板(9)，所述支撑板(10)上设置有三轴位移台(7)，所述三轴位移台(7)上放置有待测的微小样块；

所述线性调节单元包括线性平移台(5)和水平安装在该线性平移台(5)上的导轨(4)，所述线性平移台(5)通过安装底板(6)安装在所述安装板(9)上；

所述图像获取单元共有两组，两组所述图像获取单元关于所述安装板(9)的中轴线对称安装，每组所述图像获取单元均包括远心物镜(1)、CCD图像传感器(2)、旋转平台(3)和滑块(8)，所述远心物镜(1)通过C接口与所述CCD图像传感器(2)相连以组成光学臂，所述CCD图像传感器(2)通过螺纹转接件安装在所述旋转平台(3)上，所述旋转平台(3)通过所述滑块(8)安装在所述导轨(4)上；通过调节所述旋转平台(3)和滑块(8)，以使两个所述光学臂成一定夹角对称放置，同时使其对准待测的微小样块，以获取待测微小样块同一区域的清晰图像，进而实现待测微小样块的显微双目立体视觉测量。

2.如权利要求1所述的基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其特征在于，所述支撑板(10)和安装板(9)均为面包板。

3.如权利要求1或2所述的基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其特征在于，所述安装板(9)通过安装支架(11)固定在所述支撑板(10)上。

4.如权利要求3所述的基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其特征在于，所述安装支架(11)共有两个，其关于所述安装板(9)的中轴线对称设置。

5.如权利要求4所述的基于远心物镜的显微双目立体视觉测量装置，其特征在于，所述CCD图像传感器(2)通过USB3.0接口与计算机连接，以快速的将所述光学臂获取的待测微小样块的图像传输至所述计算机中，便于后续处理。