CN111707190A - 一种用于视觉测量的主动发光标记装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于视觉测量的主动发光标记装置，包括框座和发光灯条；框座内依序叠加布置有绝缘板、电路板、反光膜、导光板、增光膜、均光膜、遮光膜、石英玻璃片，且导光板的边缘正对发光灯条；石英玻璃片上设置有通光部，在石英玻璃片上的通光部外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；在遮光膜上设置有透光部，透光部与通光部同轴布置，透光部的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。本发明能够实现微米级的超精密定位精度，使用范围广，具有很好的抗污损能力和抗磨损性，即使小幅撞击和触摸石英玻璃片的通光部也不会影响精度；能够消除镀膜镜面引起的反射亮斑，保证灯源亮度的一致性。

Description

一种用于视觉测量的主动发光标记装置

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种用于视觉测量的主动发光标记装置。

背景技术

视觉测量的标记点是机器视觉领域的关键技术，将标记点安装于测量或跟踪物件，通过图像处理技术可以快速、准确的获取物件的位置和姿态。标记点通常分为靠反射发光的被动标记点和自发光的主动标记点，然而，现有的这两类标记点精度都无法达到微米级，要将定位精度拓展到微米级以实现超精密定位一直是本领域面临的技术难题。

目前，被动标记点一般为涂以高反光材料的圆形图案或球形物体，在外部光照射下高反光,达到与环境明显区分的效果。被动标记有五个重要的缺陷：1、被动标记是被动反光，需外部光源照射，而标记点在空间中体积或面积的占比一般非常低，光源发射出的光源绝大部分照射到无效区域，功耗很高；2、光源是以锥形发散，其强度与到光源的距离成平方衰减，被动反光标记的亮度会随距离增加快速衰减；3、圆形标记点不同角度面向相机时，亮度变化很大，球形标记则在投影圆上亮度分布明显不均匀；4、圆形标记反光涂层边界无法做到高精度，球形标记需要两个半圆合并，而且反光球无法精研；5、反光涂层极易被污损和磨损，造成圆形边界破坏或亮度明显不均匀。以上缺陷造成被动反光标记在多个层面定位精度不高，功耗大，在工业高精度定位和移动便携测量场景受到限制。

而主动发光标记装置一般是利用LED灯珠直接主动发光，因LED灯珠体积很小，在图像处理中只能被视为点光源处理，且LED内部结构有反光区域和小透镜，从不同的角度拍摄，其形状和能量分布是有区别的，具有明显的中心漂移现象，这也会严重影响定位精度。

发明内容

本发明目的在于提供一种用于视觉测量的超精密主动发光标记装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种用于视觉测量的主动发光标记装置，包括框座和沿着框座内壁设置的发光灯条，其特征在于：

在框座内依序叠加布置有绝缘板、电路板、反光膜、导光板、增光膜、均光膜、遮光膜、石英玻璃片，且导光板的边缘正对发光灯条；

在石英玻璃片上设置有通光部(在本领域中通光部又称之为标记图形)，在石英玻璃片上的通光部外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；

在遮光膜上设置有透光部，透光部与通光部同轴布置，透光部的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。

其中，所述遮光膜可以卡装在均光膜与石英玻璃片之间，也可以附着在均光膜上，还可以附着在石英玻璃片背面。

作为优选方案，所述遮光膜卡装在均光膜与石英玻璃片之间。

为进一步提高视觉测量的稳定性，所述主动发光标记装置还包括用于安装石英玻璃片的盖框，只在盖框上两相邻侧壁分别设置有安装孔，在安装孔内配合设置有弹性限位件，弹性限位件用于抵紧石英玻璃片侧壁，由所有弹性限位件共同从两个相互垂直的方向对石英玻璃片进行弹性限位。

作为优选方案，盖框的同一侧壁至少设置两个安装孔。

进一步地，导光板采用散射型导光板，导光板的四个侧面均具有60-120度的导光齿；反光膜的反光率不低于98％；增光膜采用棱镜型增光膜。作为优选，导光板的四个侧面均具有90度的导光齿。

作为优选方案，石英玻璃片上的膜层为通过磁控溅射工艺或真空镀膜工艺制备的镀膜。

作为优选方案，发光灯条采用频率为近红外的LED灯条，LED灯条环绕导光板的四个侧边布置。

作为优选方案，均光膜采用高雾度均光膜，其雾度80-100％，透光率80-100％。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

(1)能够实现微米级的超精密定位精度，使用范围广，具有很好的抗污损能力和抗磨损性，即使小幅撞击和触摸石英玻璃片的通光部也不会影响精度；

(2)能够消除镀膜镜面引起的反射亮斑，保证灯源亮度的一致性，即使从不同角度观测标记时也不会挡住灯源；

(3)无需外部光源照射，能够在120度范围内不同角度面向相机时保持亮度一致，且在测量范围内随距离增加亮度衰减可忽略不计；

(4)功耗低，使用一节或两节锂电池即可满足数天的测量需求(现有的被动光源使用光源照射整个测量空间，标记点在图形中面积占比一般低于1％，典型值低于0.01％)，体积小，具有很好的便携性，适合便携测量，灯源能量利用率相比被动光标记可提升20倍以上；

(5)针对近红外光，比传统LED侧发光技术的亮度提高2倍以上，亮度均匀性达95％以上。

附图说明

图1是实施例中主动发光标记装置示意图(拆解状态)；

图2是实施例中主动发光标记装置的遮光膜示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但以下实施例的说明只是用于帮助理解本发明的原理及其核心思想，并非对本发明保护范围的限定。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，针对本发明进行的改进也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例

参见图1和图2所示，一种用于视觉测量的主动发光标记装置，包括框座1和沿着框座1内壁设置的发光灯条13；

在框座1内依序叠加布置有绝缘板2、电路板3、反光膜4、导光板6、增光膜7、均光膜8、遮光膜9、石英玻璃片10，且导光板6的边缘正对发光灯条13；

在石英玻璃片10上设置有通光部14，在石英玻璃片10上的通光部14外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；通光部14可以是一个圆形、三个圆形或四个圆形，也可是其他多个圆的组合，还可以是线条组合或矩形组合，图1中仅示意性地给出了三个圆形方案；

在遮光膜9上设置有透光部15，透光部15与通光部14同轴布置，透光部15的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部14直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。

其中，所述遮光膜9可以卡装在均光膜8与石英玻璃片10之间，也可以附着在均光膜8上(此为遮光膜9与均光膜8做成一体式结构)，还可以附着在石英玻璃片10背面(此为遮光膜9与石英玻璃片10做成一体式结构)。本实施例中：遮光膜9卡装在均光膜8与石英玻璃片10之间，如图2所示。

本实施例中，主动发光标记装置还包括用于安装石英玻璃片10的盖框12，只在盖框12上两相邻侧壁分别设置有安装孔11(可以是盖框12左侧壁与顶侧壁分别设置安装孔12，可以是盖框12左侧壁与底侧壁分别设置安装孔12，也可以是盖框12右侧壁与底侧壁分别设置安装孔12，还可以是盖框12右侧壁与定侧壁分别设置安装孔12)，在安装孔11内配合设置有弹性限位件，弹性限位件用于抵紧石英玻璃片10侧壁，未接触弹性限位件的石英玻璃片10侧壁抵紧在盖框12内壁，由所有弹性限位件共同从两个相互垂直的方向对石英玻璃片10进行弹性限位。

本实施例中，盖框12的同一侧壁至少设置两个安装孔11，图1中仅示意性地给出了盖框12的同一侧壁设置两个安装孔11。

本实施例中，导光板6采用散射型导光板，导光板的四个侧面均具有90度的导光齿；反光膜4的反光率不低于98％；增光膜7采用棱镜型增光膜。在其它实施例中，导光齿的角度可在60-120度的范围内选取。

本实施例中，石英玻璃片10上的膜层为通过磁控溅射工艺制备的镀膜。

本实施例中，发光灯条13采用频率为近红外的LED灯条，LED灯条环绕导光板6的四个侧边布置。

本实施例中，均光膜8采用高雾度均光膜，其雾度80-100％，透光率80-100％，具体值由本领域技术人员直接根据应用需求取平衡，如较佳的方案：雾度90％、透光率80％。

本实施例中，框座1材料为铝合金，保证灯源的刚性和轻便性，底座可带固定孔便于使用螺丝、夹持具、吸铁等将灯源固定到其他物理结构上；绝缘板2材料为尼龙或其他绝缘塑料，其对电路板有支撑作用，固定电线接口、对电路和框座1有绝缘保护作用；电路板3上布置灯源电路结构、灯源电路保护、焊接支撑LED灯条；盖框12材料为铝合金，带螺丝孔并通过紧固件与框座1配合，对灯源内部结构进行固定。

本实施例中的主动发光标记装置具有如下有益效果：

(1)能够实现0.002mm甚至更好的超精密定位精度，使用范围广，具有很好的抗污损能力和抗磨损性，即使小幅撞击和触摸石英玻璃片的通光部也不会影响精度；

(2)能够消除镀膜镜面引起的反射亮斑，保证灯源亮度的一致性，即使从不同角度(±45°范围内)观测标记时也不会挡住灯源；

(3)无需外部光源照射，能够在120度范围内不同角度面向相机时保持亮度一致，且在测量范围内随距离增加亮度衰减可忽略不计；

(4)功耗低，使用一节或两节锂电池即可满足数天的测量需求(现有的被动光源使用光源照射整个测量空间，标记点在图形中面积占比一般低于1％，典型值低于0.01％)，体积小，具有很好的便携性，适合便携测量，灯源能量利用率相比被动光标记可提升20倍以上；

(5)针对近红外光，比传统LED侧发光技术的亮度提高2倍以上，亮度均匀性达95％以上。

关于本实施例中主动发光标记装置的灯源能量利用率。

对比本实施例中主动发光标记装置和被动反光标记能量利用率时，二者需满足条件如下：本例中标记点和被动反光标记点到相机的距离相同，本例中标记点与被动反光标记点在图像中的面积占比相同的情况下，使用相机拍摄标记点，测量并对比两种情况下的标记点在图像中的灰度值(亮度)，考虑到两种标记亮度差异太大，本例中使用的检测方法是在测量两种标记时，分别调整相机的曝光时间，使得两种情况下标记点在图像中的亮度相同，两种情况的相机曝光时间的反比乘以两种情况灯源总功率的反比即为两种情况的能效比值。

本例中检测主要是检测双目视觉下的应用情况，由于所有被动反光涂层技术的光都是沿光照射方向返回，因此双目的两个相机都必须分别安装相同的灯源；标记点数使用比典型情况下偏多的10个灯源，共40个圆；主动发光和被动反光灯源使用同一厂家同一系列的近红外灯珠；其电压-电流特征曲线和电压-亮度曲线特征基本相同，其不同在于相同电压下电流不同，功率不同；检测近红外功率使用实际功率值，而非厂家标称值；针对近红外，实际功率值为约厂家标称值的50％。

检测数据：一个被动照射光源使用1.0W近红外灯珠36颗，照射角度60度，电压9V,总共两个灯源，即共72颗灯珠,共72.0W；一个主动光源使用0.12W近红外灯珠，共24颗，电压9.0V,电流0.32A，共10个灯源，即240颗灯珠，共28.8W；被动反光曝光时间为55ms，主动发光为5ms。因此，本例中主动发光能效/被动反光能效比＝[72.0W/28.8]*(55ms/5ms)＝27.5倍。

关于本实施例中主动发光标记装置的亮度均匀性检测。

使用相机拍摄标记点，统计同一个灯源内发光区的灰度值(亮度)分布，计算亮度的平均值A和亮度分布的标准方差sd，根据U95标准(即两倍方差值作为亮度最大误差E)，计算确定亮度均匀性a＝(1–E/A)*100％，统计结果显示亮度均匀性达95％以上。

关于本实施例中主动发光标记装置的定位精度。

将本例中主动发光标记装置安装到一物理滑动机构上，该滑动机构可沿着一直线运动，滑动前使用双目视觉设备采集灯源的初始位置X0，然后滑动灯源，并使用1级或0级哈量标准量块，其量块长度为1.0mm、5.0mm、10.0mm、20.0mm、50.0mm等，将标准量块放置与滑轨上，以确保灯源的位移行程为量块的长度。测量过程在22度恒温下完成，以确保量块的长度误差不大于1.0um，此时再使用双目视觉设备采集灯源的位置X1，使用公式d＝|X1–X0|计算灯源的行程，其中X0,X1为三维矢量，比较d与标准量块的长度之差得到定位误差。结果显示，在双目视觉不同的位置、不同角度、在行程小于50mm时，其误差不大于0.002mm。当测量行程较小时，例如5mm以内，可使用千分尺推动灯源沿直线运动来替代量块限定行程，理论行程通过读取千分尺的数值得到。

Claims (9)

1.一种用于视觉测量的主动发光标记装置，包括框座(1)和沿着框座(1)内壁设置的发光灯条(13)，其特征在于：

在框座(1)内依序叠加布置有绝缘板(2)、电路板(3)、反光膜(4)、导光板(5)、增光膜(7)、均光膜(8)、遮光膜(9)、石英玻璃片(10)，且导光板(5)的边缘正对发光灯条(13)；

在石英玻璃片(10)上设置有通光部(14)，在石英玻璃片(10)上的通光部(14)外围设置有用于阻挡光线穿透的涂层或膜层；

在遮光膜(9)上设置有透光部(15)，透光部(15)与通光部(14)同轴布置，透光部(15)的直径D’＝D*(1+2*h/a)，其中，D为通光部(14)直径、h为石英玻璃片厚度，a为石英玻璃片的折射率。

2.根据权利要求1所述的主动发光标记装置，其特征在于：所述遮光膜(9)可以卡装在均光膜(8)与石英玻璃片(10)之间，也可以附着在均光膜(8)上，还可以附着在石英玻璃片(10)背面。

3.根据权利要求1所述的主动发光标记装置，其特征在于：所述遮光膜(9)卡装在均光膜(8)与石英玻璃片(10)之间。

4.根据权利要求1、2或3所述的主动发光标记装置，其特征在于：所述主动发光标记装置还包括用于安装石英玻璃片(10)的盖框(12)，只在盖框(12)上两相邻侧壁分别设置有安装孔(11)，在安装孔(11)内配合设置有弹性限位件，弹性限位件用于抵紧石英玻璃片(10)侧壁，由所有弹性限位件共同从两个相互垂直的方向对石英玻璃片(10)进行弹性限位。

5.根据权利要求4所述的主动发光标记装置，其特征在于：盖框(12)的同一侧壁至少设置两个安装孔(11)。

6.根据权利要求5所述的主动发光标记装置，其特征在于：导光板(5)采用散射型导光板，导光板的四个侧面均具有60-120度的导光齿；反光膜(4)的反光率不低于98％；增光膜(7)采用棱镜型增光膜。

7.根据权利要求6所述的主动发光标记装置，其特征在于：石英玻璃片(10)上的膜层为通过磁控溅射工艺或真空镀膜工艺制备的镀膜。

8.根据权利要求7所述的主动发光标记装置，其特征在于：发光灯条(13)采用频率为近红外的LED灯条，LED灯条环绕导光板(5)的四个侧边布置。

9.根据权利要求8所述的主动发光标记装置，其特征在于：均光膜(8)采用高雾度均光膜，其雾度80-100％，透光率80-100％。

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