CN112033308B - 3d轮廓测量仪中cmos与光轴夹角的测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法，包括：移动装置，所述移动装置包括可带动CMOS、镜头夹具、标定板沿着滑轨长度方向移动并带有磁读表以读出CMOS、镜头夹具、标定板位于滑轨上位置的滑块，还包括：转动装置，所述转动装置包括可带动CMOS和标定板转动的旋转云台，所述旋转云台中设有可消除旋转云台转动时产生的振动力的振动力消除单元，可测量标定板与镜头光轴之间的夹角值大小，从而获得CMOS与镜头光轴的夹角大小值，保证了成像清晰度，便于快速调节确定夹角大小，保证了成像画面的清晰度，且旋转云台可稳定平稳旋转，不会出现动力机构工作时振动而引起旋转云台振动的现象。

Description

3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，具体涉及一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法。

背景技术

在测量仪的光路初步设计中，因镜头的主面位置不确定(定焦镜头的主面位置随工作距离的变化而变化，主面位置只有一个大概的范围)，故根据沙姆定律：当被摄体平面、影像平面和镜头平面这三个面的延长面相交于一直线时，即可得到全面清晰的影像。可知：CMOS与镜头光轴的夹角也因之较难确定。而CMOS与镜头光轴之间的夹角大小会影响成像清晰度，所以需要对CMOS与镜头光轴之间的夹角大小进行测量。

为此我们提供一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法，可测量标定板与镜头光轴之间的夹角值大小，从而获得CMOS与镜头光轴的夹角大小值，保证了成像清晰度，便于快速调节确定夹角大小，保证了成像画面的清晰度，且旋转云台可稳定平稳旋转，不会出现动力机构工作时振动而引起旋转云台振动的现象。

为了实现上述目的，本发明采用的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，包括依次设置于滑轨上方的CMOS、用于放置镜头的镜头夹具和标定板，还包括：

移动装置，所述移动装置包括可带动CMOS、镜头夹具、标定板沿着滑轨长度方向移动并带有磁读表以读出CMOS、镜头夹具、标定板位于滑轨上位置的滑块；

转动装置，所述转动装置包括可带动CMOS和标定板转动的旋转云台，所述旋转云台中设有可消除旋转云台转动时产生的振动力的振动力消除单元。

作为上述方案的进一步优化，所述滑块包括设置在CMOS下方带动CMOS沿着滑轨长度方向滑动的第一滑块、设置在镜头夹具下方带动镜头夹具沿着滑轨长度方向滑动的第二滑块和设置在标定板下方带动标定板沿着滑轨长度方向滑动的第三滑块。

作为上述方案的进一步优化，所述旋转云台包括设置于CMOS下方并可带动CMOS转动的第一旋转云台和设置于标定板下方可带动标定板转动的第二旋转云台。

作为上述方案的进一步优化，所述第一旋转云台设置于第一滑块的上方，且第一旋转云台的上方固定有用于连接CMOS的第一转接件和第二转接件。

作为上述方案的进一步优化，所述第二滑块的上方固定有用于连接镜头夹具的第三转接件。

作为上述方案的进一步优化，所述第二旋转云台设置于第三滑块的上方，所述第二旋转云台上固定有用于连接标定板的第四转接件。

作为上述方案的进一步优化，所述旋转云台呈下端开口的圆筒状结构，旋转云台的内壁中设有齿槽，所述旋转云台下方对应的滑块上表面设置有转动单元，所述转动单元的上端的转轴上传动连接有与齿槽啮合连接的齿轮。

作为上述方案的进一步优化，所述振动力消除单元包括设置于旋转云台上下方的上压环和下压环，所述上压环和下压环均呈截面为L字形并包覆于旋转云台的边角处的圆环结构，所述上压环和下压环的两侧内壁上均活动镶嵌有贴合在旋转云台表面以使旋转云台在上压环、下压环之间转动的滚珠，所述上压环和下压环之间设有将旋转云台压紧在上压环、下压环之间的调节机构，所述调节机构包括固定在上压环、下压环外圈端部的固定边、固定设置在下方一组固定边上并活动穿过上方一组固定边上表面的刻度杆和通过螺纹配合连接在刻度杆的端部以将上方一组固定边朝向下方一组固定边压紧的螺母。

作为上述方案的进一步优化，所述振动力消除单元还包括设置于转动单元下方呈L字形的限位框，所述限位框固定在对应的滑块上表面，所述限位框的一侧内壁固定有可弹性变形并使转动单元沿着滑轨平面方向振动缓冲的侧面连接垫，所述限位框的另一侧内壁上设有避让滑槽，所述转动单元的底部设有可在避让滑槽中滑动以使转动单元沿着滑轨平面方向振动时移动的避让滑块，所述避让滑块和转动单元之间固定设有可弹性变形并使转动单元沿着滑轨垂直方向振动缓冲的底部连接垫，所述转轴的外圈通过螺纹配合连接有两组设置于齿轮两端的固定环，且固定环的表面固定设有提供弹力的弹簧，所述弹簧的端部设有接收弹簧弹力并通过弹力压紧在齿轮端部的压环。

本发明还公开了一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量方法，包括如上任一所述的3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，还包括：

S1：记录像距，通过调节滑块间的距离使标定板与镜头之间的距离固定在滑轨上，然后调整CMOS与镜头之间的相对位置使标定板图像清晰，固定CMOS下的滑块位置并读数记录得到像距；

S2：记录夹角值，通过旋转第二旋转云台使标定板与镜头之间形成夹角，此时CMOS上的标定板图像模糊，缓慢调节CMOS下的第一旋转云台使CMOS上的标定板图像重回清晰，读出并记录第一旋转云台角度变化值，得到CMOS与光轴之间的夹角值；

S3：重复试验，通过继续旋转第二旋转云台使标定板与镜头之间形成不同大小的夹角，重复S2中步骤，记录并整理数据，得到标定板、镜头之间光轴夹角与CMOS、镜头之间光轴夹角的对应关系的数据库，因此，在标定板与镜头光轴夹角确定后，即确定了CMOS与镜头光轴的夹角。

本发明的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法，具备如下有益效果：

本发明的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法，可测量标定板与镜头光轴之间的夹角值大小，从而获得CMOS与镜头光轴的夹角大小值，保证了成像清晰度，便于快速调节确定夹角大小，保证了成像画面的清晰度，且旋转云台可稳定平稳旋转，不会出现动力机构工作时振动而引起旋转云台振动的现象。

参照后文的说明与附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式，应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制，在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的CMOS、镜头主面、标定板三面面面平行的状态结构示意图；

图3为本发明的CMOS、标定板转动时的状态结构示意图；

图4为本发明的旋转云台内部结构示意图；

图5为本发明的图4中A处结构放大示意图；

图6为本发明的图4中B处结构放大示意图；

图7为本发明的图4中C处结构放大示意图。

图中：CMOS1、镜头夹具2、标定板3、滑轨4、第一滑块5、第一旋转云台6、第一转接件7、第二转接件8、第二滑块9、第三转接件10、第三滑块11、第二旋转云台12、第四转接件13、镜头14、镜头主面15、上压环16、下压环17、固定边18、刻度杆19、齿槽20、齿轮21、滚珠22、螺母23、轴孔24、键槽25、压环26、弹簧27、固定环28、花键29、转轴30、转动单元31、避让滑槽32、底部连接垫33、避让滑块34、限位框35、侧面连接垫36、旋转云台37。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于、设有”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接、相连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件，“固连”为固定连接的含义，固定连接的方式有很多种，不作为本文的保护范围，本文中所使用的术语“垂直的”“水平的”“左”“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在限制本发明，本文中所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合；

请参阅说明书附图1-7，本发明提供一种技术方案：一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置和方法，包括：

依次设置于滑轨4上方的CMOS1、用于放置镜头14的镜头夹具2和标定板3，装置中CMOS1即为相机，CMOS1处的光轴通过镜头14并于标定板3上成像，还包括：

移动装置，移动装置包括可带动CMOS1、镜头夹具2、标定板3沿着滑轨4长度方向移动并带有磁读表以读出CMOS1、镜头夹具2、标定板3位于滑轨4上位置的滑块；

磁读表可精准读出滑块位于滑轨4上的位置，方便确定CMOS1、镜头夹具2、标定板3三者之间的间距。

本实施例中，滑块的一侧设有可旋紧的压紧螺钉，通过旋转压紧螺钉从而将滑块固定在滑轨4上，滑块上的磁读表可读出滑块位置滑轨4上的位置；

转动装置，转动装置包括可带动CMOS1和标定板3转动的旋转云台37，旋转云台37中设有可消除旋转云台37转动时产生的振动力的振动力消除单元。

需要说明的是，滑块包括设置在CMOS1下方带动CMOS1沿着滑轨4长度方向滑动的第一滑块5、设置在镜头夹具2下方带动镜头夹具2沿着滑轨4长度方向滑动的第二滑块9和设置在标定板3下方带动标定板3沿着滑轨4长度方向滑动的第三滑块11。

本实施例中，CMOS1、镜头夹具2、标定板3之间通过单独的滑块可滑动的设置在滑轨4上，方便调节CMOS1、镜头夹具2、标定板3之间的间距。

进一步的，旋转云台37包括设置于CMOS1下方并可带动CMOS1转动的第一旋转云台6和设置于标定板3下方可带动标定板3转动的第二旋转云台12。

需要说明的是，CMOS1和标定板3通过单独的旋转云台37旋转调节，方便角度的调节，且旋转云台37上设有角度测量装置，如广角尺等，方便观察旋转云台37旋转的角度，以便快速确定CMOS1、标定板3与镜头14光轴之间夹角的对应关系。

具体的，第一旋转云台6设置于第一滑块5的上方，且第一旋转云台6的上方固定有用于连接CMOS1的第一转接件7和第二转接件8。

进一步的，第一转接件7和第二转接件8可使用普通的板材，主要起到安装在CMOS1和第一旋转云台6之间的目的，可使用螺钉将第一转接件7、第二转接件8、CMOS1和第一旋转云台6之间固定。

其中，第二滑块9的上方固定有用于连接镜头夹具2的第三转接件10。

具体的，第三转接件10可使用螺钉固定在第二滑块9和镜头夹具2之间。

本实施例中，第二旋转云台12设置于第三滑块11的上方，第二旋转云台12上固定有用于连接标定板3的第四转接件13。

其中，第四转接件13可使用螺钉固定在第二旋转云台12和第三滑块11之间。

需要说明的是，旋转云台37呈下端开口的圆筒状结构，旋转云台37的内壁中设有齿槽20，旋转云台37下方对应的滑块上表面设置有转动单元31，转动单元31的上端的转轴30上传动连接有与齿槽20啮合连接的齿轮21。

本实施例中，转动单元31可使用小型直流电机等装置，转动单元31通过转轴30上的齿轮21与齿槽20啮合，从而在转动单元31启动时带动旋转云台37转动。

进一步的，振动力消除单元包括设置于旋转云台37上下方的上压环16和下压环17，上压环16和下压环17均呈截面为L字形并包覆于旋转云台37的边角处的圆环结构，上压环16和下压环17的两侧内壁上均活动镶嵌有贴合在旋转云台37表面以使旋转云台37在上压环16、下压环17之间转动的滚珠22，上压环16和下压环17之间设有将旋转云台37压紧在上压环16、下压环17之间的调节机构，调节机构包括固定在上压环16、下压环17外圈端部的固定边18、固定设置在下方一组固定边18上并活动穿过上方一组固定边18上表面的刻度杆19和通过螺纹配合连接在刻度杆19的端部以将上方一组固定边18朝向下方一组固定边18压紧的螺母23。

旋转螺母23，将旋转云台37压紧在上压环16和下压环17之间，保持旋转云台37的压合程度位于旋转圆台37可在上压环16和下压环17之间由可转动变为被压紧不可转动的靠近值，而下压环17固定在第一滑块5上，既保证了旋转圆台37始终保持第一滑块5上表面平行转动，而不会上下振动而出现旋转结构不稳存在角度值有所偏差的现象，上压环16和下压环17的两侧内壁上均活动镶嵌有贴合在旋转云台37表面以使旋转云台37在上压环16、下压环17之间转动的滚珠22，保证了旋转云台37在被上压环16和下压环17压紧时，旋转云台37通过与上压环16和下压环17之间经过滚珠22点接触，而易于转动。

具体的，振动力消除单元还包括设置于转动单元31下方呈L字形的限位框35，限位框35固定在对应的滑块上表面，限位框35的一侧内壁固定有可弹性变形并使转动单元31沿着滑轨4平面方向振动缓冲的侧面连接垫36，限位框35的另一侧内壁上设有避让滑槽32，转动单元31的底部设有可在避让滑槽32中滑动以使转动单元31沿着滑轨4平面方向振动时移动的避让滑块34，避让滑块34和转动单元31之间固定设有可弹性变形并使转动单元31沿着滑轨4垂直方向振动缓冲的底部连接垫33，转轴30的外圈通过螺纹配合连接有两组设置于齿轮21两端的固定环28，且固定环28的表面固定设有提供弹力的弹簧27，弹簧27的端部设有接收弹簧27弹力并通过弹力压紧在齿轮21端部的压环26。

齿轮21的中部设有供转轴30通过的轴孔24，轴孔24一侧设有键槽25，而转轴30一侧设有滑动配合在键槽25中的花键29，使得转轴30与齿轮21之间通过键槽25和花键29连接可以实现相互传动。

且在转动单元31启动时，由于机械动力设备本身存在振动，所以会引起旋转云台37振动而影响角度调节值的准确性，为了解决此项弊端，在转动单元31下方设置有限位框35，在转动单元31启动并具有相对滑轨4上表面平面方向振动的趋势时，侧面连接垫36相应的弹性变形进行缓冲，而避让滑块34在避让滑槽32中移动供转动单元31振动时在一定范围内移动而抵消振动力，抵消转动单元31的振动力，使得转动单元31产生的振动力不会传递到旋转云台37上而使旋转云台37转动，保证了旋转云台37转动时具有稳定转动的状态；

需要说明的是，侧面连接垫36可弹性变形的距离小于齿槽20中槽体的深度，避免齿轮21与齿槽20分离，保证了转动单元31可在有效通过齿轮21与齿槽20之间啮合而带动旋转云台37转动的前体下进行移动而抵消振动力。

在转动单元31启动并具有相对滑轨4垂直方向振动的趋势时，底部连接垫33相应的弹性变形进行缓冲，抵消转动单元31的振动力，使得转动单元31产生的振动力不会传递到旋转云台37上而使旋转云台37转动，保证了旋转云台37转动时具有稳定转动的状态。

需要说明的是，底部连接垫33相应的弹性变形进行缓冲时，齿轮21相应在上下两组压环26之间上下移动，且上下移动时齿轮21与齿槽20之间保持啮合，不会影响传动。

本发明还公开了一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量方法，包括如上任一所述的3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，还包括：

S1：记录像距，通过调节滑块间的距离使标定板3与镜头14之间的距离固定在滑轨4上，然后调整CMOS1与镜头14之间的相对位置使标定板3图像清晰，固定CMOS1下的滑块位置并读数记录得到像距；

获得像距的好处：

因3D测量仪是非接触式精密测量装置，一般测量精度优于0.1mm。所以为保证高精度，首先需要保证成像画面清晰度。而为保证成像清晰度，在设定物距下，CMOS1应恰好放置在镜头14相应的像距处。而通过此方法可以得到精度为0.01mm的像距值。

S2：记录夹角值，通过旋转第二旋转云台12使标定板3与镜头14之间形成夹角，此时CMOS1上的标定板3图像模糊，缓慢调节CMOS1下的第一旋转云台6使CMOS1上的标定板3图像重回清晰，读出并记录第一旋转云台6角度变化值，得到CMOS1与光轴之间的夹角值；

获得CMOS1与镜头14光轴的夹角大小值的好处：

同上，为保证成像清晰度，因在测量仪光路系统中，物面和像面非垂直于镜头光轴，而是满足沙姆定律，定律内容如图2和图3所示：“物面、镜头主面15、像面三面交于一条线”，所以在物面与镜头14光轴夹角确定后，即确定了CMOS1与镜头14光轴的夹角。所以成像画面清晰度是由两方面保证的：像距的测量精确值以及CMOS1与镜头14光轴的夹角。

物面为成像于标定板3上的图像，像面为CMOS1所形成的图像，镜头14光轴为CMOS1、镜头14、标定板3之间的连线这句话是否需要修改。

S3：重复试验，通过继续旋转第二旋转云台12使标定板3与镜头14之间形成不同大小的夹角，重复S2中步骤，记录并整理数据，得到标定板3、镜头14之间光轴夹角与CMOS1、镜头14之间光轴夹角的对应关系的数据库，因此，在标定板3与镜头14光轴夹角确定后，即确定了CMOS1与镜头14光轴的夹角。

标定板3上图像清晰的判断可通过清晰度评价软件实现，如专利申请号为：CN201810758155.X名为一种图像清晰度评价方法及装置的发明专利中所公开的方法等，为现有常见技术，在此不做赘述。

为得到精确的数值，而结合定焦镜头的放大倍率与物像距的对应关系：

镜头14的放大倍率是决定测量仪的测量精度的重要参数，在此系统中，放大倍率的测量是由像距测量这一步完成的，在测量出设计的物距对应的像距时，最终可以得到标定板3的清晰图像。其中，标定板3使用棋盘格标定板，其单格的长度为：a，测出单格在CMOS1上所占像素个数：N(CMOS 1像元尺寸为P)，则放大倍率M＝P*N/a。

仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，包括依次设置于滑轨上方的CMOS、用于放置镜头的镜头夹具和标定板，其特征在于，还包括：

移动装置，所述移动装置包括可带动CMOS、镜头夹具、标定板沿着滑轨长度方向移动并带有磁读表以读出CMOS、镜头夹具、标定板位于滑轨上位置的滑块；

转动装置，所述转动装置包括可带动CMOS和标定板转动的旋转云台，所述旋转云台中设有可消除旋转云台转动时产生的振动力的振动力消除单元；

所述振动力消除单元包括设置于旋转云台上下方的上压环和下压环，所述上压环和下压环均呈截面为L字形并包覆于旋转云台的边角处的圆环结构，所述上压环和下压环的两侧内壁上均活动镶嵌有贴合在旋转云台表面以使旋转云台在上压环、下压环之间转动的滚珠，所述上压环和下压环之间设有将旋转云台压紧在上压环、下压环之间的调节机构，所述调节机构包括固定在上压环、下压环外圈端部的固定边、固定设置在下方一组固定边上并活动穿过上方一组固定边上表面的刻度杆和通过螺纹配合连接在刻度杆的端部以将上方一组固定边朝向下方一组固定边压紧的螺母；

所述振动力消除单元还包括设置于转动单元下方呈L字形的限位框，所述限位框固定在对应的滑块上表面，所述限位框的一侧内壁固定有可弹性变形并使转动单元沿着滑轨平面方向振动缓冲的侧面连接垫，所述限位框的另一侧内壁上设有避让滑槽，所述转动单元的底部设有可在避让滑槽中滑动以使转动单元沿着滑轨平面方向振动时移动的避让滑块，所述避让滑块和转动单元之间固定设有可弹性变形并使转动单元沿着滑轨垂直方向振动缓冲的底部连接垫，转轴的外圈通过螺纹配合连接有两组设置于齿轮两端的固定环，且固定环的表面固定设有提供弹力的弹簧，所述弹簧的端部设有接收弹簧弹力并通过弹力压紧在齿轮端部的压环。

2.根据权利要求1所述的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，其特征在于：所述滑块包括设置在CMOS下方带动CMOS沿着滑轨长度方向滑动的第一滑块、设置在镜头夹具下方带动镜头夹具沿着滑轨长度方向滑动的第二滑块和设置在标定板下方带动标定板沿着滑轨长度方向滑动的第三滑块。

3.根据权利要求2所述的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，其特征在于：所述旋转云台包括设置于CMOS下方并可带动CMOS转动的第一旋转云台和设置于标定板下方可带动标定板转动的第二旋转云台。

4.根据权利要求3所述的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，其特征在于：所述第一旋转云台设置于第一滑块的上方，且第一旋转云台的上方固定有用于连接CMOS的第一转接件和第二转接件。

5.根据权利要求4所述的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，其特征在于：所述第二滑块的上方固定有用于连接镜头夹具的第三转接件。

6.根据权利要求5所述的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，其特征在于：所述第二旋转云台设置于第三滑块的上方，所述第二旋转云台上固定有用于连接标定板的第四转接件。

7.根据权利要求6所述的一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，其特征在于：所述旋转云台呈下端开口的圆筒状结构，旋转云台的内壁中设有齿槽，所述旋转云台下方对应的滑块上表面设置有转动单元，所述转动单元的上端的转轴上传动连接有与齿槽啮合连接的齿轮。

8.一种3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量方法，其特征在于：包括权利要求1-7任一所述的3D轮廓测量仪中CMOS与光轴夹角的测量装置，还包括：

S1：记录像距，通过调节滑块间的距离使标定板与镜头之间的距离固定在滑轨上，然后调整CMOS与镜头之间的相对位置使标定板图像清晰，固定CMOS下的滑块位置并读数记录得到像距；

S2：记录夹角值，通过旋转第二旋转云台使标定板与镜头之间形成夹角，此时CMOS上的标定板图像模糊，缓慢调节CMOS下的第一旋转云台使CMOS上的标定板图像重回清晰，读出并记录第一旋转云台角度变化值，得到CMOS与光轴之间的夹角值；

S3：重复试验，通过继续旋转第二旋转云台使标定板与镜头之间形成不同大小的夹角，重复S2中步骤，记录并整理数据，得到标定板、镜头之间光轴夹角与CMOS、镜头之间光轴夹角的对应关系的数据库，因此，在标定板与镜头光轴夹角确定后，即确定了CMOS与镜头光轴的夹角。

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