CN105890547B - 三维轮廓测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及三维轮廓测量技术领域，尤其是公开了一种三维轮廓测量仪，包括测量仪本体，设置测量仪本体上的用于安置待测物体的载物台和可获取待测物体三维轮廓的同轴光学模组，所述同轴光学模组位于载物台的正上方；其特征在于：所述同轴光学模组的光轴方向垂直于所述载物台的载物平面；同轴光学模组包括从上向下依次设置的光源、透镜、液晶光栅、第一远心光路透镜组、第一光阑、与所述光轴方向呈一定夹角的分光镜及第二远心光路透镜组，在垂直于所述光轴方向的一侧由近到远依次设有第二光阑、第三远心光路透镜组及工业相机。本发明尤其适用于对于具有深孔，深槽类的表面特征的被测物体的测量，测量精度高、效果好。
Description
技术领域
本发明涉及三维轮廓测量技术领域，尤其是涉及一种三维轮廓测量仪，尤其适用于对对于具有深孔，深槽类的表面特征的被测物体的测量。
背景技术
三维测量技术一直是工业精密测量领域具有挑战性的问题。到目前为止呈现了各种三维的测量方法和技术，其中许多已经具备工业实用性，例如三坐标测量仪，基于结构光的三维测量技术已经有成熟的产品。
基于结构光的三维轮廓测量由于其精度高，速度快的特点，在诸多领域得到了广泛的关注和发展。然后现有的基于结构光的三维轮廓测量仪器或者传感器均采用工业相机垂直于载物台安装，光源与工业相机镜头的垂直光轴呈一定的夹角安装。这种方式具有一个显著的缺点，由于光源与载物台呈锐角夹角，造成待测物体的部分表面无法被光源照射，进而该部分的表面轮廓信息无法获取，虽然通过旋转待测物体的方式能够部分客服该类缺陷，但是使得整体结构复杂化，并且由于旋转平台代替了平面移动平台，无法测量尺寸较大的物体。更为重要的是，现有的三维轮廓仪对于深孔，深槽等常见的结构形态无法测量。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提供一种三维轮廓测量仪，测量精度高、效果好。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维轮廓测量仪，包括测量仪本体，设置在测量仪本体上的用于安置待测物体的载物台和可获取待测物体三维轮廓的同轴光学模组，所述同轴光学模组位于载物台的正上方；所述同轴光学模组的光轴方向垂直于所述载物台的载物平面；同轴光学模组包括从上向下依次设置的光源、透镜、液晶光栅、第一远心光路透镜组、第一光阑、与所述光轴方向呈一定夹角的分光镜及第二远心光路透镜组，在垂直于所述光轴方向的一侧由近到远依次设有第二光阑、第三远心光路透镜组及工业相机；所述光源发出的光线经过透镜折射，成为与透主轴平行的一组平行光线，所述液晶光栅将所述平行光线调制形成编码结构光，所述编码结构光经过第一远心光路透镜组折射后形成细小光束，所述细小光束穿过第一光阑，所述细小光束自上而下透过分光镜，经过第二远心光路透镜组后形成横截面扩大的平行编码结构光，平行编码结构光照射到放置于载物台的被测物体上形成反射，其中平行于竖直方向光轴的反射光进入第二远心光路透镜组后经过分光镜反射，再通过第二光阑和第三远心光路透镜组形成平行光束，最后，该平行光束成像于工业相机，从而测得被测物体的表面轮廓。本发明通过采用液晶光栅与光源构建编码结构光，同时，通过采用第一远心光路透镜组、第二远心光路透镜组及第三远心光路透镜组可形成双侧远心光路，对光源与图像采集均设计了双侧远心光路，使得编码结构光的信息和进入工业相机的图像信息不随着Z轴高低的调整或者被测物体厚度的变化而变化，使得光源入射与被测物反射光光路相同，方向相反，避免了由于光源与反射光路形成一定夹角而出现光线遮挡，从而对于具有深孔，深槽类的表面特征的被测物体具有更灵敏的测量效果和更高的测量精度，从而显著提高三维测量的精度。
进一步地，所述分光镜的平面与光轴方向的夹角为45°。
进一步地，所述光源为LED白色光源。
进一步地，所述载物台为可调整待测物体沿X轴、Y轴及Z轴方向位置的X-Y-Z三轴运动载物平台。该设置可精确同时方便地调整待测物体的位置。
进一步地，所述X-Y-Z三轴运动载物平台包括：X轴平台以及驱动所述X轴平台运动的第一动力装置；Y轴平台以及驱动所述Y轴平台运动的第二动力装置；Z轴平台以及驱动所述Z轴平台运动的第三动力装置；X轴平台与第一动力装置共同设置于Y轴平台上，Y轴平台及第二动力装置共同设置于Z轴平台上，Z轴平台通过一固定板安装于测量仪本体上，并使得所述同轴光学模组的垂直光轴与X轴平台载物平面垂直；Z轴平台与固定板之间通过滑轨与滑块的配合滑动连接。该设置结构简单，控制方便、精确，容易实现。
进一步地，所述测量仪本体底部设有底座。增强测量仪本体的稳定性。
进一步地，还包括一连接所述同轴光学模组的控制计算处理器。同轴光学模组根据控制计算处理器的指令发光并采集图像，根据图像通过预先设定的方法获取待测物体表面三维轮廓信息，控制计算处理器根据操作员的设定测量任务计算出测量结果；控制计算处理器还可连接所述驱动部件，根据操作员的指令控制载物台的移动，使得同轴光学模组能够采集待测物体的不同位置的表面轮廓信息。
进一步地，所述控制计算处理器连接显示设备。控制计算处理器可将信息输出到显示设备，方便操作者使用。
综上所述，本发明通过采用液晶光栅与光源构建编码结构光，同时，通过使用三组透镜组两两组成两组远心光路，对光源与图像采集均设计了双侧远心光路，使得光源入射与被测物反射光光路相同，方向相反，避免了由于光源与反射光路形成一定夹角而出现光线遮挡，从而对于具有深孔，深槽类的表面特征的被测物体具有更灵敏的测量效果和更高的测量精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的同轴光学模组结构示意图；
图3为本发明X-Y-X三轴运动载物平台结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
如图1-3所示，一种三维轮廓测量仪，包括载物台2、同轴光学模组1、测量仪本体3、底座4及控制计算处理器5，所述同轴光学模组1和所述载物台2均固定于测量仪本体3上，所述同轴光学模组1位于载物台2的正上方，且同轴光学模组1的光轴方向垂直于载物台2的载物平面。如图2所示，图中虚线方向代表同轴光学模组1的光轴方向。
所述底座4设于测量仪本体3的底部，载物台2则用于安置待测物体，同轴光学模组1可获取待测物体三维轮廓，控制计算处理器5连接所述同轴光学模组1。所述控制计算处理器5连接显示设备。
具体的，所述同轴光学模组1的光轴方向垂直于所述载物台2的载物平面；同轴光学模组1包括从上向下依次设置的光源11、透镜12、液晶光栅13、第一远心光路透镜组14、第一光阑15、与所述光轴方向呈一定夹角的分光镜16及第二远心光路透镜组17，在垂直于所述光轴方向的一侧由近到远依次设有第二光阑18、第三远心光路透镜组19及工业相机10。
为了方便对载物台2上的待测物体位置进行调节，于是所述载物台为X-Y-Z三轴运动载物平台，该X-Y-Z三轴运动载物平台可调整待测物体沿X轴、Y轴及Z轴方向位置。所述X-Y-Z三轴运动载物平台包括X轴平台22以及驱动所述X轴平台运动的第一动力装置221；Y轴平台23以及驱动所述Y轴平台运动的第二动力装置231；Z轴平台24以及驱动所述Z轴平台运动的第三动力装置241；X轴平台22与第一动力装置共同设置于Y轴平台23上，Y轴平台及第二动力装置共同设置于Z轴平台上，Z轴平台24通过一固定板21安装于测量仪本体3上，并使得所述同轴光学模组的垂直光轴与X轴平台22载物平面垂直；Z轴平台与固定板21之间通过滑轨与滑块的配合滑动连接；如图3所示。
所述第一动力装置221、第二动力装置231以及第三动力装置241可以采用伺服电机、气缸、油缸的现有动力装置，在此不赘述。
同轴光学模组1通过光源发光，经过液晶光栅13控制所用结构光的形态，通过同轴光学模组1形成远心光路照射到待测物体表面，待测物体表面图像信息通过远心光路被工业相机10采集，控制计算处理器5控制X-Y-Z三轴运动载物台2的移动和三维数据的计算处理。
使用时，将待测物体放置于X-Y-Z三轴运动载物台上，控制计算处理器5根据操作员的指令控制X-Y-Z三轴运动载物台的移动，使得同轴光学模组1能够采集待测物体的不同位置的表面轮廓信息。
然后同轴光学模组1根据控制计算处理器5的指令发光并采集图像，获取待测物体表面三维轮廓信息，控制计算处理器5根据操作员的设定测量任务计算出测量结果，输出到显示设备。
本发明的工作过程和原理如下：
光源11发出的光线经过透镜12折射，成为与透镜主轴平行的一组平行光线，所述液晶光栅13在可编程控制器的控制下，将所述平行光线根据算法要求调制，形成编码结构光，所述编码结构光经过第一远心光路透镜组14折射后形成细小光束，所述细小光束穿过第一光阑15，所述细小光束自上而下透过分光镜16，经过第二远心光路透镜组17后形成横截面扩大的平行编码结构光，该平行编码结构光照射到放置于载物台2的被测物体上形成反射，其中平行于竖直方向光轴的反射光进入第二远心光路透镜组17后经过分光镜16反射，通过第二光阑18和第三远心光路透镜组19形成平行光束，最后，该平行光束成像于工业相机10，从而测得被测物体的表面轮廓。
本发明通过三组透镜组(即：第一远心光路透镜组、第二远心光路透镜组、第三远心光路透镜组)两两组成的两组远心光路，其中，第一远心光路透镜组和第三远心光路透镜组组成一个远心光路，对投射过来的光源方向调制，使其变成平行光束；第二远心光路透镜组和第三远心光路透镜组组成另一个远心光路，其作用在于过滤其他方向的光线，只接受平行于第三远心光路透镜组光轴方向的光，从而使得本发明的三维轮廓测量仪对被测物体的高低(厚薄)不敏感，能够大大提高对物体表面测量的精度。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种三维轮廓测量仪，包括测量仪本体(3)，设置在测量仪本体(3)上的用于安置待测物体的载物台(2)和可获取待测物体三维轮廓的同轴光学模组(1)，所述同轴光学模组(1)位于载物台(2)的正上方；其特征在于：所述同轴光学模组(1)的光轴方向垂直于所述载物台(2)的载物平面；同轴光学模组(1)包括从上向下依次设置的光源(11)、透镜(12)、液晶光栅(13)、第一远心光路透镜组(14)、第一光阑(15)、与所述光轴方向呈一定夹角的分光镜(16)及第二远心光路透镜组(17)，在垂直于所述光轴方向的一侧由近到远依次设有第二光阑(18)、第三远心光路透镜组(19)及工业相机(10)；所述光源(11)发出的光线经过透镜(12)折射，成为与透镜 主轴平行的一组平行光线，所述液晶光栅(13)将所述平行光线调制形成编码结构光，所述编码结构光经过第一远心光路透镜组(14)折射后形成细小光束，所述细小光束穿过第一光阑(15)，所述细小光束自上而下透过分光镜(16)，经过第二远心光路透镜组(17)后形成横截面扩大的平行编码结构光，平行编码结构光照射到放置于载物台(2)的被测物体上形成反射，其中平行于竖直方向光轴的反射光进入第二远心光路透镜组(17)后经过分光镜(16)反射，再通过第二光阑(18)和第三远心光路透镜组(19)形成平行光束，最后，该平行光束成像于工业相机(10)，从而测得被测物体的表面轮廓。
2.根据权利要求1所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：所述分光镜(16)的平面与光轴方向的夹角为45°。
3.根据权利要求1所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：所述光源(11)为LED白色光源。
4.根据权利要求1所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：所述载物台(2)为可分别调整待测物体在X轴、Y轴及Z轴方向位置的X-Y-Z三轴运动载物平台。
5.根据权利要求4所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：所述X-Y-Z三轴运动载物平台包括：X轴平台(22)以及驱动所述X轴平台运动的第一动力装置(221)；Y轴平台(23)以及驱动所述Y轴平台运动的第二动力装置(231)；Z轴平台(24)以及驱动所述Z轴平台运动的第三动力装置(241)；X轴平台(22)与第一动力装置共同设置于Y轴平台(23)上，Y轴平台及第二动力装置共同设置于Z轴平台上，Z轴平台(24)通过一固定板(21)安装于测量仪本体(3)上，并使得所述同轴光学模组的垂直光轴与X轴平台(22)载物平面垂直；Z轴平台与固定板(21)之间通过滑轨与滑块的配合滑动连接。
6.根据权利要求1所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：所述测量仪本体(3)的底部设有底座(4)。
7.根据权利要求1所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：还包括一连接所述同轴光学模组(1)的控制计算处理器(5)。
8.根据权利要求7所述的三维轮廓测量仪，其特征在于：所述控制计算处理器(5)连接显示设备。
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