CN105698707A - 一种光栅三维形貌测量仪及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光栅三维形貌测量仪及其应用，用于微小视场的检测，包括支架以及与支架连接的投影组件、采集组件和控制处理器，所述的投影组件和采集组件分别与控制处理器连接，所述的投影组件包括由内向外依次连接的DMD芯片、LED投影光源、菲尔透镜、镜头透镜和成像板，待检测物设置在菲尔透镜和镜头透镜之间，所述的待检测物与镜头透镜之间设有中继镜头，所述的镜头透镜为短焦透镜，所述的待检测物与镜头透镜的距离大于或等于2倍镜头透镜的焦距。与现有技术相比，本发明具有测量精度高、操作便捷、测量物体范围更广、应用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量系统，尤其是涉及一种光栅三维形貌测量仪。
背景技术
三坐标测量机测量精度较高，普遍可达到微米级，并且测量稳定度较高。但其对环境要求苛刻，对温度及震动比较敏感，设备便携性差，测量方式单一，最大缺点是接触式测量，易对被测物体本身造成触碰伤害，并且设备的探针对于被测物体复杂表面(比如微米级凹槽/坑的深度)无法实现测量。
高精度的影像仪的测量精度可以到达微米级，但是影像仪只能实现二维信息的测量，无法实现三维信息整体形貌的检测和测量，具有很大的局限性。
普通的光栅扫描仪利用光栅投射装置在被测物体上投射若干编码的结构光，利用CCD相机采集编码图像，然后在计算机中进行分析计算，利用三角测量原理得到被测物体的外形三维信息。
图3为普通的光栅扫描仪的投影光路图，图中LED投影光源12发出结构光经过菲尔透镜13后变为平行光束，平行光束照射到待投影实物后的投影光经过镜头透镜15后成像，对于普通投影镜头，由于镜头透镜15焦距较长，镜头透镜15到待检测物4的距离在1倍焦距与2倍焦距之间，根据透镜成像原理，只能在2倍镜头透镜15焦距距离外获得放大的实像。但是，很多待测物体的表面形貌复杂，投射出的物像的幅面大于10mm*10mm，降低了投影分辨率。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测量精度高、操作便捷、测量物体范围更广、应用范围广的光栅三维形貌测量仪及其应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光栅三维形貌测量仪，用于微小视场的检测，包括支架以及与支架连接的投影组件、采集组件和控制处理器，所述的投影组件和采集组件分别与控制处理器连接，所述的投影组件包括由内向外依次连接的DMD芯片、LED投影光源、菲尔透镜、镜头透镜和成像板，待检测物设置在菲尔透镜和镜头透镜之间，所述的待检测物与镜头透镜之间设有中继镜头，所述的镜头透镜为短焦透镜，所述的待检测物与镜头透镜的距离大于或等于2倍镜头透镜的焦距。
所述的采集组件包括分别与控制处理器连接第一工业相机和第二工业相机，所述的第一工业相机的光轴与LED投影光源的光轴在一平面内，并且两条光轴的夹角为10-35度，所述的第一工业相机的光轴与第二工业相机的光轴设置在与前一平面垂直的平面内，并且两条光轴的夹角为5-35度。
所述的第一工业相机和第二工业相机上均设有滤光片，所述的滤光片为两层，第一层为偏振镜，第二层为蓝色滤光镜。
所述的第一工业相机和第二工业相机为工业CCD相机。
所述的LED投影光源设置在菲尔透镜一倍菲尔透镜焦距处。
所述的光栅三维形貌测量仪的投射幅面的范围为1mm*1mm-10mm*10mm。
所述的支架底部设有固定在平台上的安装孔。
光栅三维形貌测量仪在应用时，投影组件和采集组件由电源供电，控制处理器与投影组件和采集组件通信，控制处理器发出测量信号，DMD芯片接收到信号后，发出投影图形的命令，LED投影光源执行命令，将待检测物投影到成像板上，采集组件收到信号后，第一工业相机和第二工业相机采集数据，并由采集组件将采集的数据传输到控制处理器，由软件进行计算处理得到被测物体的表面三维形貌，完成一次测量。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、测量精度高，本光栅三维形貌测量仪通过增大待检测物与镜头透镜间的距离，将原来的1-2倍镜头透镜焦距增大到2倍焦距以上，在镜头透镜的另一侧获得了缩小的实像，将测量幅面范围缩小为1mm*1mm-10mm*10mm，比一般的光栅形貌测量仪的幅面更小，缩小的实像更加清晰。
二、操作便捷，本测量系统通过采集照射到微小物体上的结构光进行分析计算可以方便的得到待测物体的表面信息。
三、测量物体范围更广，本测量系统的采集组件采用了滤光片，对具有反光特性的物体也能够测量。
四、应用范围广，本测量系统的支架底部设有安装孔，可安装于支架、机械臂、生产线等。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为光栅三维形貌测量仪光路示意图。
图3为普通测量仪光路示意图。
其中：1、投影组件，2、采集组件，3、支架，4、待检测物，11、DMD芯片，12、LED投影光源，13、菲尔透镜，14、中继透镜，15、镜头透镜，21、第一工业相机，22、第二工业相机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
如图1所示，一种光栅三维形貌测量仪，用于微小视场的检测，包括支架3以及与支架3连接的投影组件1、采集组件2和控制处理器，投影组件1和采集组件2分别与控制处理器连接，投影组件1包括由内向外依次连接的DMD芯片11、LED投影光源12、菲尔透镜13、镜头透镜15和成像板16，待检测物4设置在菲尔透镜13和镜头透镜15之间，待检测物4与镜头透镜15之间设有中继镜头14，镜头透镜15为短焦透镜，待检测物4与镜头透镜15的距离大于或等于2倍镜头透镜15的焦距。
如图2所示，LED投影光源12设置在菲尔透镜13的一倍焦距处，菲尔透镜13将LED投影光源12发出的光变为平行光束。
本测量仪还可以更换投影组件1的镜头透镜15，将原来的长焦距镜头更换成短焦透镜，设置中继镜头14，可加大待检测物4与镜头透镜15间的距离，使其大于或等于2倍焦距，根据不同测量需要，还可在中继镜头14与镜头透镜15间添加接圈改变该距离，根据透镜成像原理，物体与透镜距离大于或等于2倍焦距时，只能在1倍焦距到2倍焦距之间获得缩小实像，因此本光栅三维形貌测量仪的幅面范围可缩小为1mm*1mm-10mm*10mm。
采集组件2包括分别与控制处理器连接第一工业相机21和第二工业相机22，第一工业相机21的光轴与LED投影光源12的光轴在一平面内，并且两条光轴的夹角为10-35度，第一工业相机21的光轴与第二工业相机22的光轴设置在与前一平面垂直的平面内，并且两条光轴的夹角为5-35度，第一工业相机21和第二工业相机22为工业CCD相机，均设有滤光片，滤光片为两层，第一层为偏振镜，第二层为蓝色滤光镜。
本发明采用进行微小视场测量时，按要求调节投影组件1与采集组件2的相对位置和角度，控制处理器发出测量信号，DMD芯片11接收到信号后，发出投影图形的命令，LED投影光源12执行命令，将序列正弦光栅条纹投射于待检测物4上，中继镜头14能够确保投射出的图像按照光路最终在成像板16上生成微小投影尺寸，并能够通过调整镜头透镜15的焦距或者改变成像板16相对于镜头透镜15的位置使投影清晰，投影清晰后，采集组件2通过工业相机将含有待检测物4各个部分大量信息的光栅条纹图像采集回来，工业相机的镜头通过调节焦距与光圈，使采集到的条纹图像清晰，光圈控制光通量，滤光片能够过滤掉被测物体表面的强烈反光和一些噪点，使工业相机采集的特征更明显，控制处理器利用相移技术及二进制编码技术，计算每个像素点的对应点高度值，进而重建出物体的表面形状，输出为海量三维数据点格式与深度图像格式，保存于控制处理器中。通过软件处理可将三维数据点封装成面片结构或实体结构，显示出被测物体的三维形貌。
Claims (8)
1.一种光栅三维形貌测量仪，用于微小视场的检测，包括支架(3)以及与支架(3)连接的投影组件(1)、采集组件(2)和控制处理器，所述的投影组件(1)和采集组件(2)分别与控制处理器连接，所述的投影组件(1)包括由内向外依次连接的DMD芯片(11)、LED投影光源(12)、菲尔透镜(13)、镜头透镜(15)和成像板(16)，待检测物(4)设置在菲尔透镜(13)和镜头透镜(15)之间，其特征在于，所述的待检测物(4)与镜头透镜(15)之间设有中继镜头(14)，所述的镜头透镜(15)为短焦透镜，所述的待检测物(4)与镜头透镜(15)的距离大于或等于2倍镜头透镜(15)的焦距。
2.根据权利要求1所述的一种光栅三维形貌测量仪，其特征在于，所述的采集组件(2)包括分别与控制处理器连接第一工业相机(21)和第二工业相机(22)，所述的第一工业相机(21)的光轴与LED投影光源(12)的光轴在一平面内，并且两条光轴的夹角为10-35度，所述的第一工业相机(21)的光轴与第二工业相机(22)的光轴设置在与前一平面垂直的平面内，并且两条光轴的夹角为5-35度。
3.根据权利要求2所述的一种光栅三维形貌测量仪，其特征在于，所述的第一工业相机(21)和第二工业相机(22)上均设有滤光片，所述的滤光片为两层，第一层为偏振镜，第二层为蓝色滤光镜。
4.根据权利要求2所述的一种光栅三维形貌测量仪，其特征在于，所述的第一工业相机(21)和第二工业相机(22)为工业CCD相机。
5.根据权利要求1所述的一种光栅三维形貌测量仪，其特征在于，所述的LED投影光源(12)设置在菲尔透镜(13)一倍菲尔透镜焦距处。
6.根据权利要求1所述的一种光栅三维形貌测量仪，其特征在于，所述的光栅三维形貌测量仪的投射幅面的范围为1mm*1mm-10mm*10mm。
7.根据权利要求1所述的一种光栅三维形貌测量仪，其特征在于，所述的支架(3)底部设有固定在平台上的安装孔。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的光栅三维形貌测量仪的应用，其特征在于，投影组件(1)和采集组件(2)由电源供电，控制处理器与投影组件(1)和采集组件(2)通信，控制处理器发出测量信号，DMD芯片(11)接收到信号后，发出投影图形的命令，LED投影光源(12)执行命令，将待检测物(4)投影到成像板(16)上，采集组件(2)收到信号后，第一工业相机(21)和第二工业相机(22)采集数据，并由采集组件(2)将采集的数据传输到控制处理器，由软件进行计算处理得到被测物体的表面三维形貌，完成一次测量。
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