CN105203047A - 一种远心条纹相位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远心条纹相位测量装置，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被测物体；成像单元包括成像元件和成像镜头，成像镜头将被测物体上的条纹图像成像于成像元件上；所述投影单元的投影光轴和成像单元的成像光轴对称交叉，投影单元的放大倍数与成像单元的放大倍数互为倒数；投影镜头与成像镜头焦距相等。本发明在景深范围内对投影条纹等间距成像，在微观测量和宏观测量领域均实现了非远心光路上的“远心条纹”效果；提高了相位测量精度。

Description

一种远心条纹相位测量装置

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远心条纹相位测量装置。

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”，使投影的条纹图像的放大倍数和接收的条纹图像的放大倍数在景深范围内分别保持不变，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”中若匹配投影单元与成像单元的放大倍数使其在景深范围内之积保持不变，则称其为“远心条纹”光路。因为相位测量轮廓术的相位测量模型基于条纹等间距的假定，因此“远心条纹”光路可以提高相位测量精度。

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的相位测量装置。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种远心条纹相位测量装置，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被测物体；

成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将被测物体上的条纹图像成像于成像元件上；

所述投影单元的投影光轴和成像单元的成像光轴对称交叉，投影单元的放大倍数与成像单元的放大倍数互为倒数；所述的投影镜头与所述的成像镜头焦距相等。

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。

本发明的另一种方案为：一种远心条纹相位测量装置，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被测物体；

成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将被测物体上的条纹图像成像于成像元件上；

所述投影单元的投影光轴和成像单元的成像光轴对称交叉，投影单元的放大倍数与成像单元的放大倍数互为倒数；所述被测物体的高度平面与参考平面之间的距离为Δ，所述投影镜头像方焦点到物体的距离为x_p，所述成像镜头的物方焦点到物体的距离为x_i，Δ<<x_p且Δ<<x_i。

进一步的，Δ∕x_p小于0.3且Δ∕x_i小于0.3。

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图像的条纹间距相等，成像景深范围内的条纹图像的条纹间距相等，而且参考平面与景深范围内的条纹图像的条纹间距也相等，实现非远心光路上的“远心条纹”效果；由于采用非远心光路，因此本发明扩大了使用范围，不仅可以进行微小物体的高精度测量也可以进行宏观物体的高精度测量。

附图说明

图1是本发明所述的测量装置结构光路示意图；

图2是本发明所述的测量装置另一结构光路示意图；

其中：1为投影单元，10为光源，11为投影芯片，12为投影镜头，13为投影单元的投影光轴；2为被测物体，21为参考平面；22为高度平面；3为成像单元，31为成像芯片，32为成像镜头，33为成像单元的成像光轴

具体实施方式

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。

如图1和图2所示，本发明所述的测量装置包括投影单元1和成像单元3，投影单元1包括投影镜头12、光源10和投影芯片11，投影芯片11即为条纹图像发生器，投影芯片11投影的条纹图像为面结构光或者为线结构光；投影单元1利用来自光源10的光经过投影芯片11、投影镜头12将条纹图像投影至被测物体2的表面上；成像单元3包括成像芯片31和成像镜头32，成像芯片31即为成像元件，成像镜头32将被测物体2表面上的条纹图像成像于成像芯片31上。投影单元的投影光轴13与被测物体2法线的夹角为α，成像单元的成像光轴33与被测物体2法线的夹角为β。所述投影单元的投影光轴13和成像单元的成像光轴33对称交叉，即α＝β。

投影镜头12的焦距为f_p，投影镜头像方焦点到物体的距离为x_p；成像镜头32的焦距为f_i，成像镜头的物方焦点到物体的距离为x_i；物体2的高度平面22到参考平面21的距离为Δ。

参考平面21上投影单元的放大倍数k_p＝x_p∕f_p；参考平面21上成像单元的放大倍数k_i＝f_i∕x_i；

参考平面21上投影-成像放大倍数为K＝k_p×k_i＝(x_p∕f_p)×(f_i∕x_i)。

本发明投影单元1的放大倍数与成像单元1的放大倍数互为倒数，也即参考平面21上投影-成像放大倍数K＝k_p×k_i＝(x_p∕f_p)×(f_i∕x_i)＝1。

高度平面22上投影单元的放大倍数为k_p’＝(x_p+Δ)∕f_p；高度平面22上成像单元的放大倍数为k_i’＝f_i∕(x_i+Δ)；

则高度平面22上投影-成像放大倍数为K’＝k_p’×k_i’＝〔(x_p+Δ)∕f_p〕×〔f_i∕(x_i+Δ)〕＝〔x_p×(1+Δ∕x_p)×f_i〕∕〔f_p×x_i×(1+Δ∕x_i)〕＝〔(x_p×f_i)∕(f_p×x_i)〕×〔(1+Δ∕x_p)∕(1+Δ∕x_i)〕＝K×〔(1+Δ∕x_p)∕(1+Δ∕x_i)〕。

实施例一

如图1所示，本实施例所述被测物体的高度平面22与参考平面21之间的距离为Δ，所述投影镜头12像方焦点到物体的距离为x_p，所述成像镜头32的物方焦点到物体的距离为x_i，满足：Δ<<x_p且Δ<<x_i。当Δ<<x_p且Δ<<x_i时，Δ∕x_p≈0且Δ∕x_i≈0，(1+Δ∕x_p)∕(1+Δ∕x_i)≈1，则K’＝K，即参考平面21上投影-成像放大倍数近似等于高度平面22上投影-成像放大倍数，此时，景深范围内条纹图像的条纹间距保持近似不变。

由于本发明测量装置采用投影单元1投条纹图像于被测物体2表面上，再成像单元3对被测物体2及其上的条纹图像成像。根据投影透镜和成像透镜与被测物体之间测量的距离，因此，对于上述方案的进一步方案，只需要满足：Δ∕x_p小于0.3且Δ∕x_i小于0.3，如此，(1+Δ∕x_p)∕(1+Δ∕x_i)≈1，景深范围内条纹图像的条纹间距保持近似不变。

实施例二

如图2所示，本实施例所述的投影镜头与所述的成像镜头焦距相等，即，f_p＝f_i，由于参考平面21上投影-成像放大倍数K＝k_p×k_i＝(x_p∕f_p)×(f_i∕x_i)＝1，则x_p＝x_i，因此，(1+Δ∕x_p)∕(1+Δ∕x_i)＝1，则，K＝K’，即参考平面21上投影-成像的放大倍数与高度平面22上投影-成像的放大倍数相等，使得景深范围内保持条纹图像的条纹间距不变。

另外，由于投影单元1的放大倍数与成像单元1的放大倍数互为倒数，即参考平面21上投影-成像放大倍数K＝k_p×k_i＝(x_p∕f_p)×(f_i∕x_i)＝1。因此，本实施例所述的测量装置不但在参考平面上的投影条纹图像的条纹间距相等，成像景深范围内的条纹图像的条纹间距相等，而且参考平面与景深范围内的条纹图像的条纹间距也相等，实现非远心光路上的“远心条纹”效果。

上述实施例中的实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，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 (7)

1.一种远心条纹相位测量装置，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被测物体；

成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将被测物体上的条纹图像成像于成像元件上；

其特征在于：所述投影单元的投影光轴和成像单元的成像光轴对称交叉，投影单元的放大倍数与成像单元的放大倍数互为倒数；所述的投影镜头与所述的成像镜头焦距相等。

2.根据权利要求1所述的一种远心条纹相位测量装置，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。

3.根据权利要求1所述的一种远心条纹相位测量装置，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线结构光。

4.一种远心条纹相位测量装置，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被测物体；

成像单元，包括成像元件和成像镜头，成像镜头将被测物体上的条纹图像成像于成像元件上；

其特征在于：所述投影单元的投影光轴和成像单元的成像光轴对称交叉，投影单元的放大倍数与成像单元的放大倍数互为倒数；所述被测物体的高度平面与参考平面之间的距离为Δ，所述投影镜头像方焦点到物体的距离为x_p，所述成像镜头的物方焦点到物体的距离为x_i，Δ<<x_p且Δ<<x_i。

5.根据权利要求4所述的一种远心条纹相位测量装置，其特征在于：Δ∕x_p小于0.3且Δ∕x_i小于0.3。

6.根据权利要求4或5所述的一种远心条纹相位测量装置，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。

7.根据权利要求4或5所述的一种远心条纹相位测量装置，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线结构光。