CN112611338A - 基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪 - Google Patents

基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪 Download PDF

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陈曾沁
何志成
刘广建
尚继辉
陈小虎
王重阳
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Abstract

本发明提供了一种基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，包括激光发射装置，激光偏转装置，激光线性漫射镜，工业镜头，移轴镜头模块，工业相机，嵌入式处理单元，防尘镜快换组件，设备外壳，航空插头。使用移轴镜头模块将相机成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合，从而确保本激光轮廓仪视野内激光线完全对焦，确保激光线在视野不同位置粗细一致，提高图像成像质量，提高激光轮廓仪测量景深，可以用于大景深高精度3维轮廓测量以及机器人高精度高动态跟踪引导领域。

Description

基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪
技术领域
本发明涉及一种基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪。
背景技术
传统的单激光照射装置发射激光束至待测物体表面，由于物体表面不能达到绝对光滑会形成散斑效应，极大影响系统精度。
激光经由线性漫反射镜，线性漫反射器包括具有自由光谱范围的衍射光栅，平面光扇中的衍射线间距随着入射相干光的扫描角变化而变化，激光线性漫射镜将扇形激光光路矫正为同轴激光光路，大大减少散斑效应带来的影响。
同时传统相机受制于景深的影响不能很好的识别阶梯状等复杂类型工件，导致图像不能聚焦和识别，后续算法不能友好处理。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪。
为解决上述问题，本发明提供一种基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，包括：
激光发射装置、激光偏转装置、激光线性漫射镜、工业镜头、移轴镜头模块、工业相机、嵌入式处理单元、防尘镜快换组件和设备外壳，其中，
所述激光发射装置的发射线激光作为主动光源，所述激光发射装置、激光偏转装置、激光线性漫反射器组合形成平面光扇投射到待测物体表面；
所述工业镜头的光轴与工业相机的感光芯片中心重合；移轴镜头模块通过改变工业镜头与工业相机的成像面夹角，改变工业相机的成像面位置；嵌入式处理单元，用于获取工业相机的图像并提取激光特征，通过TCP/IP对外发送测量结果；
所述激光发射装置、激光偏转装置、激光线性漫射镜、工业镜头、移轴镜头模块、工业相机、嵌入式处理单元和防尘镜快换组件封闭在所述设备外壳内；
所述防尘镜快换组件设置于所述设备外壳外的靠近所述激光线性漫射镜和工业镜头的一侧。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述移轴镜头模块将工业相机的成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述激光线性漫射镜，用于将扇形激光光路矫正为同轴激光光路。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述激光线性漫射镜包括具有自由光谱范围的衍射光栅，所述平面光扇中的衍射线间距随着入射相干光的扫描角变化而变化。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述激光偏转装置，用于调节角度和位置，通过偏转激光将激光平面与对焦面重合。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述设备外壳达到IP65防护等级。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述防尘镜快换组件，包括：供手工拧开螺丝打开镜头盖板和设置于镜头盖板下的内防尘镜和滤光片。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述大景深激光轮廓仪的聚焦平面由铰链定律确定，以唯一确定对焦面位置，使对焦面与激光平面重合，使视野内所有激光束均可对焦。
进一步的，在上述基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪中，所述大景深激光轮廓仪通过TCP/IP协议与机器人通信。
与现有技术相比，本发明包括激光发射装置，激光偏转装置，激光线性漫射镜，工业镜头，移轴镜头模块，工业相机，嵌入式处理单元，防尘镜快换组件，设备外壳，航空插头。使用移轴镜头模块将相机成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合，从而确保本激光轮廓仪视野内激光线完全对焦，确保激光线在视野不同位置粗细一致，提高图像成像质量，提高激光轮廓仪测量景深，可以用于大景深高精度3维轮廓测量以及机器人高精度高动态跟踪引导领域。
附图说明
图1是本发明一实施例的大景深激光轮廓仪的示意图；
图2是本发明一实施例的线性漫反射器的示意图；
图3是本发明一实施例的传统相机模型的示意图；
图4是本发明一实施例的传统相机拍摄图片；
图5是本发明一实施例的移轴相机结构原理图；
图6是本发明一实施例的移轴相机拍摄图片；
其中，1-激光发射装置，2-激光偏转装置，3-激光线性漫射镜，4-工业镜头，5-移轴镜头模块，6-工业相机，7-嵌入式处理单元，8-防尘镜快换组件，9-设备外壳，10-航空插头；
22-扇形激光光路，24-同轴激光光路；
33-成像面，A-B为景深范围，C-D为景深范围。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，包括：激光发射装置1、激光偏转装置2、激光线性漫射镜3、工业镜头4、移轴镜头模块5、工业相机6、嵌入式处理单元7、防尘镜快换组件8和设备外壳9、航空插头10，其中，
所述激光发射装置1的发射线激光作为主动光源，所述激光发射装置1、激光偏转装置2、激光线性漫反射器3组合作用形成平面光扇投射到待测物体表面；
所述工业镜头4的光轴与工业相机6的感光芯片中心重合；移轴镜头模块5通过改变工业镜头4与工业相机6的成像面夹角，改变工业相机6的成像面位置；嵌入式处理单元7，用于获取工业相机6的图像并提取激光特征，通过TCP/IP对外发送测量结果；
所述激光发射装置1、激光偏转装置2、激光线性漫射镜3、工业镜头4、移轴镜头模块5、工业相机6、嵌入式处理单元7和防尘镜快换组件8封闭在所述设备外壳9内；
所述防尘镜快换组件8设置于所述设备外壳9外的靠近所述激光线性漫射镜3和工业镜头4的一侧。
在此，散斑是由粗糙被照射物体表面引起的，由相同频率的具有不同相位和幅度的多种波的干涉的结果。散斑的增加会导致激光系统进行的剖面测量不准确并且精确度下降。
本发明的激光发射系统可有效减少散斑效应带来的影响，同时移轴相机使成像面、透镜面以及聚焦平面相交于同一直线，激光面和聚焦面重合，极大的提高了相机景深，可以高精度高动态的可靠测量。本发明的激光轮廓仪景深大，聚焦范围广，可应用于大景深工业场景。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述移轴镜头模块5将工业相机6的成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合。从而确保本激光轮廓仪视野内激光线完全对焦，确保激光线在视野不同位置粗细一致，提高图像成像质量，提高激光轮廓仪测量景深。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述激光线性漫射镜3，用于将扇形激光光路矫正为同轴激光光路。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述激光线性漫射镜3包括具有自由光谱范围的衍射光栅，所述平面光扇中的衍射线间距随着入射相干光的扫描角变化而变化。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述激光偏转装置2可调节角度和位置，通过偏转激光将激光平面与对焦面重合。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述设备外壳9达到IP65防护等级，可用于大多数工业环境。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述防尘镜快换组件8，包括：供手工拧开螺丝打开镜头盖板和设置于镜头盖板下的内防尘镜和滤光片。
在此，当手工拧开螺丝打开镜头盖板后，考核快速替换内防尘镜和滤光片，当用于工业作业时，可对复杂外部环境下的弧光和飞溅具有较强的抗干扰性。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述大景深激光轮廓仪的聚焦平面由铰链定律确定，以唯一确定对焦面位置，使对焦面与激光平面重合，使视野内所有激光束均可对焦。
本发明的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪一实施例中，所述大景深激光轮廓仪通过TCP/IP协议与机器人通信，从而达到和机器人协同合作的目的。
如图1所示，本发明包括：激光发射装置1、激光偏转装置2、激光线性漫射镜3、工业镜头4、移轴镜头模块5、工业相机6、嵌入式处理单元7、防尘镜快换组件8和设备外壳9、航空插头10，本发明使用移轴镜头组件将相机成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合，从而确保本激光轮廓仪视野内激光线完全对焦，确保激光线在视野不同位置粗细一致，提高图像成像质量，提高激光轮廓仪测量景深，可以用于大景深高精度3维轮廓测量以及机器人高精度高动态跟踪引导领域。
如图2所示，本发明激光发射装置1发射线激光作为主动光源；激光偏转装置2可以调节角度和位置，通过偏转激光将激光平面与对焦面重合；激光线性漫射镜3将扇形激光光路22矫正为同轴激光光路24；工业镜头4光轴需要与工业相机6感光芯片中心重合；移轴工业镜头4通过改变工业镜头4与工业相机6成像面夹角，改变工业相机6的成像面位置；嵌入式处理单元7获取相机图像并提取激光特征，通过TCP/IP对外发送测量结果。
如图3所示的为传统相机模型，包括成像面33，拍摄等距台阶块，每个台阶间距9.5mm，拍摄图片为图4，景深范围为A-B距离为19mm，当需要拍摄的物体范围较大时会失焦，导致标定测量不准确，从而导致后续工作无法展开。
如图5所示为本发明所采用的相机模型，包括成像面33，使用与图一相同的阶梯状工件，可以得到良好的原始图像，如图6所示，景深范围为C-D距离为38mm，可以明显看出后者景深更大，图像特征点更显著。
综上所述，本发明包括激光发射装置，激光偏转装置，激光线性漫射镜，工业镜头，移轴镜头模块，工业相机，嵌入式处理单元，防尘镜快换组件，设备外壳，航空插头。使用移轴镜头模块将相机成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合，从而确保本激光轮廓仪视野内激光线完全对焦，确保激光线在视野不同位置粗细一致，提高图像成像质量，提高激光轮廓仪测量景深，可以用于大景深高精度3维轮廓测量以及机器人高精度高动态跟踪引导领域。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，包括：激光发射装置、激光偏转装置、激光线性漫射镜、工业镜头、移轴镜头模块、工业相机、嵌入式处理单元、防尘镜快换组件和设备外壳，其中，
所述激光发射装置的发射线激光作为主动光源，所述激光发射装置、激光偏转装置、激光线性漫反射器组合形成平面光扇投射到待测物体表面；
所述工业镜头的光轴与工业相机的感光芯片中心重合；移轴镜头模块通过改变工业镜头与工业相机的成像面夹角，改变工业相机的成像面位置；嵌入式处理单元，用于获取工业相机的图像并提取激光特征，通过TCP/IP对外发送测量结果；
所述激光发射装置、激光偏转装置、激光线性漫射镜、工业镜头、移轴镜头模块、工业相机、嵌入式处理单元和防尘镜快换组件封闭在所述设备外壳内；
所述防尘镜快换组件设置于所述设备外壳外的靠近所述激光线性漫射镜和工业镜头的一侧。
2.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述移轴镜头模块将工业相机的成像平面由水平变换为倾斜，且成像平面与激光平面重合。
3.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述激光线性漫射镜，用于将扇形激光光路矫正为同轴激光光路。
4.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述激光线性漫射镜包括具有自由光谱范围的衍射光栅，所述平面光扇中的衍射线间距随着入射相干光的扫描角变化而变化。
5.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述激光偏转装置，用于调节角度和位置，通过偏转激光将激光平面与对焦面重合。
6.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述设备外壳达到IP65防护等级。
7.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述防尘镜快换组件，包括：供手工拧开螺丝打开镜头盖板和设置于镜头盖板下的内防尘镜和滤光片。
8.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述大景深激光轮廓仪的聚焦平面由铰链定律确定，以唯一确定对焦面位置，使对焦面与激光平面重合，使视野内所有激光束均可对焦。
9.如权利要求1所述的基于移轴镜头的大景深激光轮廓仪，其特征在于，所述大景深激光轮廓仪通过TCP/IP协议与机器人通信。
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