CN106813574A - 一种基于偏振光的关节臂测头光学系统 - Google Patents

一种基于偏振光的关节臂测头光学系统 Download PDF

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祝连庆
娄小平
潘志康
李伟仙
董明利
孟晓辰
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，该光学系统包括激光器、偏振光发生器、线激光发生器、成像透镜偏振片和探测器，偏振光发生器改变出射激光的偏振态，线激光发生器产生线激光照明被测物体，成像透镜将被测物体成像在探测器上，其中偏振片可以使选定偏振态的光通过。本发明对偏振光进行照明，对其进行成像和探测，并对成像光束进行偏振态选择，可极大幅度的减小自然光对成像光条的干扰，降低后续图像处理的难度和提高测量精度，可广泛用于基于照明成像原理的光学测量设备中。

Description

一种基于偏振光的关节臂测头光学系统
技术领域
本发明涉及关节臂非接触式测头领域，具体涉及一种基于偏振光的关节臂测头光学系统。
背景技术
随着计算机技术的更新换代以及数字化成像设备和光电组件的发展，近些年在实际应用中出现了基于结构光(Structured Light)技术的三维测量方法。结构光测量系统由一台摄像机和一个结构光源构成，依据结构光的投射模式不同，将结构光测量分类为：点结构光测量、单线结构光测量(简称线结构光)、多线结构光测量和网格结构光测量。
目前，在国外结构光视觉测量已经是一项比较成熟的技术了，有很多优秀的三维测量公司都推出了激光扫描测头。利用点结构光测量技术的点激光三维扫描测头产品中比较优秀的有：德国的Werth公司近年推出的点激光扫描测头Laser Probe WLP，精度可以达到2.5μm；日本的基恩士(Keyence)公司的IL-030点扫描测头，在工作范围为20～45mm时，测量精度可以达到1μm；NEXTEC公司推出的WIZ probe，该测头通过独特的实时自适应控制，可以测量很广范围材料类型的测量对象，它的测量范围是5mm，工作距离为50mm，单点精度在1sigma的标准下可达6μm。
利用线结构光测量技术的线激光三维扫描测头产品中比较优秀的有：日本尼康(Nikon)公司推出的LC15Dx线激光扫描测头该产品独有的ESP3技术可实时智能针对每个测量点调整激光光强，它可以更高效地测量更多材质的物体(包括混合材料的物体)和各种形状的连接体(包括小尺寸和易碎部件)，且无需表面喷粉、手动调节等人工干预，它还具有先进的滤光软件过滤若干非测量所需的反射光，再采用高级日光滤光片吸收环境杂散光，在有效光条为15mm时可以达到的精度为2.5μm；德国温泽(Wenzel)公司推出Phoneix激光扫描测头，通过数字式光投影以及绿光、蓝光或红光的单独投影可得得出被测物真实的颜色，并进行三维重现，它的有效光条为40mm，测量精度低于20μm；瑞典的海克斯康(Hexagon)公司推出的CMS108线激光扫描测头，利用其首创的智能全自动曝光技术克服了业界激光扫描头对不同材质自适应的难点，且该测头的激光条纹可变线宽、可变点距，在有效光条为40mm时，测量精度在2sigma的标准下可达到20μm；美国的法如(Faro)公司最新推出的EdgeScanArm HD线激光扫描测头，该测头采用了抗干扰性更好的蓝光激光器，提高了光条的成像质量，在有效光条为100mm时，该测头的精度可以达到25μm。
以上大多数公司的测头产品都有实时自适应调整的功能，以克服不同环境光和不同材质被测物的光条成像质量不佳的问题。不管是点激光扫描测头还是线激光扫描测头，都具有测量精度高、测量速度快、体积小(大多数的最大边长在150mm以内)和鲁棒性高等优点，但是国外测头价格较昂贵，根据测量范围和测量精度的不同在几十万到一百万人民币不等，让很多国内企业望而却步。
国内在开展结构光视觉测量技术的研究比国外晚了20多年。直到1995年，单激光点式三角法测头才在国内首次被天津大学的张吉华等研究制造出来，该测头是由位置敏感压件和激光器构成，在测量范围为10mm时，测头的测量分辨率为2μm，适用于实时检测工件、模型表面的形状或位移量。此后的二十年间，国内的光学非接触式测量技术被逐渐应用开来。
目前，个别专业公司已经开展了对结构光三维测量设备和软件的研究开发，并已有了自己的产品，如北京荣创兴业科技发展有限公司的VLH系列三维激光扫描头，在测量范围为50mm×50mm时，测量精度为20μm，且其尺寸较大，最大边长达到了200mm。可见，在测量精度、测头尺寸和测头应用范围方面与国外相比仍具有一定差距，总体来说我国对结构光测量技术方面的研究和应用起步较晚，缺少有自主知识产权的产品，基于结构光的激光扫描测头至今还未形成成熟的产业化经济实体。激光扫描三维测量设备90％以上依靠进口，但国外进口的这类产品价格十分昂贵，使许多国内企业无法承受。
发明内容
本发明一种基于偏振光的关节臂侧头光学系统，采用偏振光学系统，避免了关节臂测头对测量环境中自然光对测量结果的影响。
本发明的技术方案是：一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，所述光学系统包括：
激光器，用于至少发出一种波长的激光束，产生线偏振光或光斑；
偏振态发生器，置于所述1/4波晶片前方；
线激光发生器，置于所述偏振态发生器前方；
成像透镜，置于所述线激光条或光斑的水平对立面；
偏振片，置于所述成像系统后方，对偏振光再次进行选择和鉴别；
探测器，置于所述成像透镜的后方，对达到的线偏振光或光斑进行探测。
优选的，所述激光器和偏振态发生器之间还包括1/4波晶片。
优选的，所述线激光发生器还设置于偏振态发生器后方。
优选的，所述偏振片还设置于成像透镜的前方。
优选的，所述激光器产生的光斑包括圆形偏振光或椭圆形偏振光。
本发明的有益效果是：一种基于偏振光的关节臂侧头光学系统采用光学系统，避免了关节臂测头对测量环境中自然光对测量结果的影响。本发明对偏振光进行照明，再对其进行成像和探测，并对成像光束进行偏振态选择，可极大幅度的减小自然光对成像光条的干扰，降低后续图像处理的难度和提高测量精度。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出本发明一种基于偏振光的关节臂侧头光学系统的结构示意图；
图2示出本发明一种基于偏振光的关节臂侧头光学系统实施例2结构示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
实施例1
图1为本发明一种基于偏振光的关节臂侧头光学系统的结构示意图。如图1所示光学系统包括激光器101、偏振光发生器102、线激光发生器103、线激光条104，成像透镜105、偏振片106和探测器107。
本实施例中采用的偏振光发生器为偏振光发生器PSG-101。
激光器101发出的激光束为线偏振光，例如FU650AX100-GD16型线光斑激光器。
激光器101发射的激光束经过偏振光发生器102，偏振光发生器102的波片的e轴与o轴与偏振方向一致，线偏振光仍是线偏振光，偏振光入射至线激光发生器103后形成具有一定偏振态的线激光104，线激光条104通过成像透镜105与偏振片106后成像在探测器107上。
激光器101发出的激光束为圆形光斑，例如正圆光斑红光点状激光器。
激光器101发射的激光束经过偏振光发生器102，偏振光发生器102的波片的e轴与o轴与偏振方向呈任何角度时，圆形光斑经过偏振光发生器102形成线偏振光，线偏振光入射至线激光发生器103后形成具有一定偏振态的线激光104，线激光条104通过成像透镜105与偏振片106后成像在探测器107上。
激光器101发出的激光束为椭圆形光斑，例如半导体激光器。
激光器101发射的激光束经过偏振光发生器102，偏振光发生器102的波片的e轴与o轴与椭圆主轴一致时，椭圆形光斑经过偏振光发生器102形成线偏振光，线偏振光入射至线激光发生器103后形成具有一定偏振态的线激光104，线激光条104通过成像透镜105与偏振片106后成像在探测器107上。
其中，激光器101和偏振态发生器102之间还可以设置1/4波晶片，通过改变1/4波晶片与偏振方向的位置，改变激光束的偏振态。这时偏振态发生器102的作用相当于检偏器，用于鉴别光的偏振状态。
线激光发生器103还可以设置于偏振态发生器102后方。
偏振片106还可以设置于成像透镜的前方。
偏振片106用于对光的偏振状态再次进行选择和鉴别，减小自然光对成像光条的干扰，降低后续图像处理的难度和提高测量精度。
实施例2
图2示出本发明实施例2一种基于偏振光的关节臂侧头光学系统的结构示意图。如图2所示，本实施例与实施例1相比较区别在于，激光器201发射的激光束经过偏振光发生器202入射至线激光发生器203后形成具有一定偏振态的光斑208。
本实施例中采用的偏振光发生器为偏振光发生器PSG-101。
激光器201产生线偏振光，例如FU650AX100-GD16型线光斑激光器。
激光器201发射的激光束经过偏振光发生器202，偏振光发生器202的波片的e轴与o轴与偏振方向非一致情况下，线偏振光经过偏振光发生器202形成圆形偏振光或椭圆偏振光，圆形偏振光或椭圆偏振光入射至线激光发生器203后形成具有一定偏振态的光斑208，光斑208通过成像透镜205与偏振片206后成像在探测器207上。
激光器101发出的激光束为椭圆形光斑，例如半导体激光器。
激光器201发射的激光束经过偏振光发生器202，偏振光发生器202的波片的e轴与o轴与偏振方向非一致情况下，椭圆形光斑经过偏振光发生器202形成椭圆偏振光，椭圆偏振光入射至线激光发生器203后形成具有一定偏振态的光斑208，光斑208通过成像透镜205与偏振片206后成像在探测器207上。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (5)

1.一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，所述光学系统包括：
激光器，用于发出至少一种波长的激光束，产生线偏振光或光斑；
偏振态发生器，置于所述激光器前方；
线激光发生器，置于所述偏振态发生器前方，用于照明被测物体；
成像透镜，置于所述线偏振光或光斑的水平对立面；
偏振片，置于所述成像系统后方；
探测器，置于所述成像透镜的后方，对达到的线偏振光或光斑进行探测。
2.根据权利要求1所述的一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，其特征在于：所述激光器和偏振态发生器之间还包括1/4波晶片。
3.根据权利要求1所述的一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，其特征在于：所述线激光发生器还设置于偏振态发生器后方。
4.根据权利要求1所述的一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，其特征在于：所述偏振片还设置于成像透镜的前方。
5.根据权利要求1所述的一种基于偏振光的关节臂测头光学系统，其特征在于：所述激光器产生的光斑包括圆形偏振光或椭圆形偏振光。
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