CN113587814A - 适用于曲面检测的三维激光相机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种适用于曲面检测的三维激光相机包括：平行光源装置，用于产生并输出位于一个激光平面内且出射方向均平行第一方向的激光光线；第一光学装置，用于改变所述激光光线的方向以使所述激光光线在通过所述第一光学装置后相交于多个内部光线交点；第二光学装置，用于再次改变所述激光光线的方向以使所述激光光线在通过所述第二光学装置后具有逐渐变化且相异的出射方向；其中，所述第一光学装置设置在平行光源装置和所述第二光学装置之间以使最终从所述第二光学装置出射的位于边缘的部分所述激光光线向靠近中央的方向倾斜。本申请的有益之处在于提供了一种既能使曲面检测时成像获得足够反射光线的适用于曲面检测的三维激光相机。

Description

适用于曲面检测的三维激光相机

技术领域

本申请涉及三维激光相机领域，具体而言，涉及一种适用于曲面检测的三维激光相机。

背景技术

三维激光相机在工业生产中应用广泛，比如在手机等消费类电子产品中，越来越多的显示屏出现了弧面玻璃。这对弧面玻璃在生产和制造过程中对质量检测提出了更高的要求。此类检测要求主要包含对于弧面边缘表面质量的检测如划痕，和弧面边缘切割质量的检测如缺角和边缘尺寸公差超限。

一般物体表面的反射光分为环境光，镜面反射光和漫反射光。一般粗糙无光泽的表面主要呈现漫反射，而玻璃等表面光泽度较高的物体除透射光外主要呈现为镜面反射。

如图1所示，镜面反射由Phong模型可知，随着α角度的增大，观察点可观察的光强度逐渐变弱。

在现有的三维激光相机中，激光方向为单方向出光，如平行出光。因为被扫描物体的局部法向并不确定，所以扫描镜面反射系数比较高的物体时如果观察点（CMOS相机）角度偏离θ大的话（也就是α角度太大）会导致相机端收到的光线太弱而不能成像。

比如扫描弧面玻璃为例，如果平行光入射时，激光线两侧（对应弧面两侧）的光会被玻璃表面反射到相机两侧，并不能很好被CMOS传感器接收。

再如图2所示，因为激光为单色光，在物体表面容易发生局部干涉而导致散斑严重。如下图所示，严重影响激光线的图像处理和提取。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本申请提供了一种适用于曲面检测的三维激光相机包括：平行光源装置，用于产生并输出位于一个激光平面内且出射方向均平行第一方向的激光光线；第一光学装置，用于改变所述激光光线的方向以使所述激光光线在通过所述第一光学装置后相交于多个内部光线交点；第二光学装置，用于再次改变所述激光光线的方向以使所述激光光线在通过所述第二光学装置后具有逐渐变化且相异的出射方向；其中，所述第一光学装置设置在平行光源装置和所述第二光学装置之间以使最终从所述第二光学装置出射的位于边缘的部分所述激光光线向靠近中央的方向倾斜。

进一步地，所述第一光学装置具有或形成有若干第一类出射界面，所述第一类出射界面为母线垂直于所述激光平面的曲面。

进一步地，所述第一类出射界面沿第二方向重复设置，所述第一方向垂直于所述第二方向。

进一步地，所述第一类出射界面具有相同的曲面形状。

进一步地，所述第一光学装置具有或形成有一个第一类入射界面，所述第一类入射界面为垂直于所述激光平面的平面。

进一步地，一个所述第一类入射界面对应多个所述出射界面。

进一步地，所述第一类出射界面的曲面向所述第二光学装置的方向凸出以使所述激光光线的内部光线交点位于所述第一类光学装置和所述第二类光学装置之间。

进一步地，所述第二光学装置具有或形成有第二类出射界面，所述第二类出射界面为母线垂直于所述激光平面的曲面。

进一步地，所述第二光学装置具有或形成有第二类入射界面，所述第二类入射界面为垂直于所述激光平面的平面。

进一步地，在所述第二方向上，所述第二类入射界面的尺寸大于等于两个以上所述第一类出射界面的尺寸。

本申请的有益之处在于：提供了一种既能使曲面检测时成像获得足够反射光线的适用于曲面检测的三维激光相机。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是Phong模型的原理示意图；

图2是检测曲面时产生干涉导致散斑示意图；

图3是根据本申请一种实施例的适用于曲面检测的三维激光相机与被检测物的立体结构示意图；

图4是图3所示的适用于曲面检测的三维激光相机内部结构示意图；

图5是图3所示的适用于曲面检测的三维激光相机中激光模组的光学结构以及激光光线的示意图；

图6是根据本申请一种实施例的激光模组的尺寸示意图；

图7是根据本申请第二种实施例的激光模组的部分结构示意图；

图8是根据本申请第三种实施例的激光模组的部分结构示意图；

图9是根据本申请第四种实施例的激光模组的部分结构示意图；

图10是根据本申请第五种实施例的激光模组的部分结构示意图。

附图标记的含义：

适用于曲面检测的三维激光相机100，相机外壳101，激光模组102，镜头模组103，图像传感器104，平行光源装置105，第一光学装置106，第二光学装置107，激光源108，准直透镜109，扩束透镜110，平行光透镜111，单元透镜112，汇聚透镜113，第一类出射界面114，第一类入射界面115，第二类出射界面116，第二类入射界面117；

曲面物体200；

第一光学装置301，第二光学装置302，第二类出射界面303，出射弧面3031，出射平面3032；

第一光学装置401，第二光学装置402，中心透镜4021，边缘透镜4022；

第一光学装置501，第二光学装置502，第二类出射界面503，出射斜面5031，出射平面5032；

第一光学装置601，第二光学装置602，第二类入射界面603，第二类出射界面604。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请的适用于曲面检测的三维激光相机包括：相机外壳、激光模组、镜头模组和图像传感器。其中，激光模组、镜头模组和图像传感器固定安装在所述相机外壳中。激光模组的中轴线和镜头模组的中轴线倾斜相交，即布置成一般三维激光相机的三角结构以实现激光线扫描成像检测的功能。

如图3至图5所示，本申请的具体改进在于激光模组，具体而言，本申请的激光模组包括：平行光源装置、第一光学装置和第二光学装置。

其中，平行光源装置用于产生并输出位于一个激光平面内且出射方向均平行第一方向（图5中的左右方向）的激光光线；第一光学装置用于改变激光光线的方向以使激光光线在通过第一光学装置后相交于多个内部光线交点；第二光学装置用于再次改变激光光线的方向以使激光光线在通过第二光学装置后具有逐渐变化且相异的出射方向。

作为一种优选方案，平行光源装置包括：激光源、准直透镜、扩束透镜和平行光透镜。

激光源产生的激光经过准直透镜形成激光束，激光束经过扩束透镜被扩散为散射的激光线，散射的激光线经过所述平行光透镜后形成平行的激光光线。平行光源装置中的激光源准直透镜、扩束透镜和平行光透镜均为本领域人员所熟知的技术，在此不加赘述。作为进一步的优选方案，平行光透镜被构造为一个柱面镜。

作为可选方案，激光源、准直透镜、扩束透镜可以被构造为一个整体，而平行光透镜与第一光学装置和第二光学装置构成一个整体。

参照图5所示，第一光学装置设置在平行光源装置和第二光学装置之间以使从第二光学装置出射的位于边缘的部分激光光线向靠近中央的方向倾斜。

具体而言，所述第一光学装置具有或形成有若干第一类出射界面，所述第一类出射界面为母线垂直于所述激光平面的曲面。第一类出射界面沿第二方向（图5中的上下方向）重复设置，第一方向垂直于第二方向。第一类出射界面具有相同的曲面形状。第一光学装置具有或形成有一个第一类入射界面，第一类入射界面为垂直于激光平面的平面。

作为具体实施的方案，第一光学装置由多个单元透镜在第二方向上重复排列组成，每个单元透镜被构造为柱面镜（指整体圆柱）的一部分，具体而言，用一个平行柱面镜中心轴线的剖切平面（垂直于图5的纸面的平面）去切分柱面镜后，弧度较小部分即为单元透镜（也可以为弧度均分的情况），该单元透镜的柱面作为前述的第一类出射界面，剖切之后所成断面作为第一类入射界面的一部分。多个单元透镜的端面对齐为一个整体平面从而构成前述的第一类入射界面，这样一来，相当于一个第一类入射界面对应多个出射界面。

具体而言，第一类出射界面的曲面向第二光学装置的方向凸出以使激光光线的内部光线交点位于第一类光学装置和第二类光学装置之间。

另外，通过设置第一类出射界面到第二类入射界面的距离，使激光光线第一次相交的交点（内部光线交点）位于第一类出射界面到第二类入射界面之间。如图5所示，这样入射到第二类入射界面的激光光线是发散的。

作为优选方案，如图6所示，在第一方向上，第一类出射界面到第二类入射界面的距离L3的取值范围为10毫米至100毫米。

作为可选方案，L3取值范围为10毫米至20毫米、20毫米至30毫米、30毫米至40毫米、40毫米至50毫米。

作为可选方案，L3取值范围为20毫米至80毫米、30毫米至70毫米、40毫米至60毫米。

作为优选方案，L3取值范围为10毫米至15毫米，L3具体取值为13.2毫米。

另一方面，第二光学装置具有或形成有第二类出射界面，第二类出射界面为母线（垂直于图5所示的纸面）垂直于激光平面的曲面。第二光学装置具有或形成有第二类入射界面，第二类入射界面为垂直于激光平面的平面。

作为具体方案，第二光学装置被构造为一个与单元透镜相形状相类似的汇聚透镜，即柱面镜的一部分，区别在于，汇聚透镜的尺寸较大。

作为优选方案，在第二方向上，第二类入射界面的尺寸大于等于两个以上第一类出射界面的尺寸。作为优选方案，在第二方向上，所有的单元透镜均落在汇聚透镜范围中。

作为优选方案，如图5和图6所示，汇聚透镜的断面在第二方向上的尺寸L1(即第二类入射界面在第二方向上的尺寸)取值范围为5毫米至50毫米。

作为可选方案，L1取值范围为10毫米至20毫米、20毫米至30毫米、30毫米至40毫米、40毫米至50毫米。

作为可选方案，L1取值范围为10毫米至50毫米、20毫米至40毫米、25毫米至35毫米。

作为优选方案，L1取值范围为25毫米至30毫米，L3具体取值为26毫米。

汇聚透镜在第一方向的尺寸L2取值范围为5毫米至50毫米。

作为可选方案，L2取值范围为10毫米至20毫米、20毫米至30毫米、30毫米至40毫米、40毫米至50毫米。

作为可选方案，L2取值范围为10毫米至50毫米、20毫米至40毫米、25毫米至35毫米。

作为优选方案，L2取值范围为5毫米至10毫米，L3具体取值为5毫米。

作为优选方案，单元透镜的断面在第二方向上的尺寸L5取值范围为0.5毫米至5毫米。

作为可选方案，L5取值范围为0.5毫米至1毫米、1毫米至2毫米、2毫米至3毫米、3毫米至4毫米、4毫米至5毫米。

作为可选方案，L5取值范围为1毫米至5毫米、2毫米至4毫米、2.5毫米至3.5毫米。

作为优选方案，L5取值范围为3毫米至3.5毫米，L3具体取值为3.2毫米。

作为进一步地优选方案，第一类入射界面在第二方向上的尺寸L4的取值范围为5毫米至50毫米。

作为可选方案，L4取值范围为5毫米至20毫米、20毫米至30毫米、30毫米至40毫米、40毫米至50毫米。

作为可选方案，L4取值范围为10毫米至50毫米、20毫米至40毫米、25毫米至35毫米。

作为优选方案，L4取值范围为20毫米至25毫米，L4具体取值为22.4毫米。

另外，单元透镜在第一方向上的尺寸L6的取值范围为0.2毫米至3毫米。

作为可选方案，L4取值范围为0.2毫米至0.5毫米、0.55毫米至1.0毫米、1.05毫米至1.5毫米、1.6毫米至3毫米。

作为可选方案，L4取值范围为0.25毫米至2.8毫米、0.3毫米至2毫米、0.35毫米至1.5毫米。

作为优选方案，L4取值范围为0.25毫米至0.37毫米，L4具体取值为0.3毫米。

作为可选方案，单元透镜的柱面的曲率半径取值范围为1毫米至10毫米；作为进一步的可选方案，单元透镜的曲率半径取值范围为1毫米至2毫米、2.1毫米至3.5毫米、3.7毫米至5毫米、5.5毫米至7毫米、7.5毫米至8毫米、8.5毫米至10毫米。

作为可选方案，单元透镜的曲率半径取值范围为1毫米至9毫米、2毫米至8毫米、3毫米至7毫米、4毫米至6毫米、5毫米至5.5毫米。

作为优选方案，单元透镜的曲率半径取值范围为1.1毫米至1.8毫米，单元透镜的曲率半径更具体的取值为1.6毫米。

作为可选方案，汇聚透镜的柱面的曲率半径取值范围为5毫米至100毫米；作为进一步的可选方案，汇聚透镜的曲率半径取值范围为5毫米至15毫米、16毫米至24毫米、25毫米至40毫米、41毫米至55毫米、56毫米至70毫米、71毫米至80毫米、80毫米至100毫米。

作为有限方案，汇聚透镜的柱面的曲率半径取值范围为7毫米至20毫米、9毫米至15毫米、10毫米至14毫米、11毫米至13.5毫米、12.5毫米至13毫米；汇聚透镜的柱面的曲率半径取值具体取值为13毫米。

汇聚透镜的作用在于使激光光线产生一定的收束和汇聚，同时汇聚透镜使激光光线出射角度是逐渐变化的。这里所形成的收束和汇聚主要是因为汇聚透镜边缘的柱面的界面使汇聚透镜出射激光光线集合中位于边缘的激光光线以不同的角度向靠近中央的方向倾斜从而产生收束和汇聚的效果。

这样在比如图5中箭头所示的激光光线会以更垂直曲面物体表面的方式投射到曲面物体。并且，激光光线平均照射在物体表面上，对于曲面物体而言，多个激光光线的光路是叠加的，并且每个投线点都可以被不同角度激光光线照射，从而解决以上提及的技术问题。

如图7所示，作为一种优选方案，该方案中第一光学装置仍采用以上介绍的技术方案，该方案的区别在于，第二光学装置的第二类出射界面由中央部分的出射平面和其两侧的出射弧面所组成，出射平面区别于以上方案，出射平面为平行于第一方向的平面，相对于该区域为弧形时，平面的方案可以降低激光光线的发散程度，从而在预设检测区域内，使通过出射平面激光线能更多的与通过两侧的出射弧面的激光线在待检测的弧面区域相交。

如图8所示，作为第二种优选方案，该方案中第一光学装置仍采用以上介绍的技术方案，其区别在于第二光学装置，相较于图7所示的方案，图8所示方案中的第二光学装置可以由多个光学元件组成，具体而言，原有一整块透镜，可以改由一个中心透镜和两侧的边缘透镜组成。这样的好处在于，便于零件的生产和加工。

如图9所示，作为第三种优选方案，该方案中第一光学装置仍采用以上介绍的技术方案，其区别在于第二光学装置，相较于图7所示的方案，图9所示方案中的第二光学装置的第二类出射界面由出射平面和两侧的出射斜面组成，出射斜面为平面与第一方向左右相交，相较于图7中出射弧面的弧形出射面，出射斜面的平面首先便于加工，其次，由于第一光学装置以及具有一定弧度角度，所以倾斜的出射平面相较于弧形平面激光线的偏转更为规则便于建立算法模型。当然，两侧的出射弧面更有利与消除散斑以及适应更不规则弧形检测面。

如图10所示，作为第四种优选方案，该方案中第一光学装置仍采用以上介绍的技术方案，该方案的第二光学装置的第二类出射界面仍采用以上所介绍的方案，区别在于，第二类光学装置的第二类入射界面采用向靠近第一光学装置凸出的弧面，当然也可以采用类似于图9所示的第二类出射界面形式构成图10所示方案中的第二类入射界面，当然此时凸出的方向是相反的。采用向靠近第一光学装置凸出的的第二类光学装置，可以使中央和两侧光线更多的重叠于预设检测区域。

图9和图10所示的方案也可以采用诸如图8所示的分体式方案。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述适用于曲面检测的三维激光相机包括：

平行光源装置，用于产生并输出位于一个激光平面内且出射方向均平行第一方向的激光光线；

第一光学装置，用于改变所述激光光线的方向以使所述激光光线在通过所述第一光学装置后相交于多个内部光线交点；

第二光学装置，用于再次改变所述激光光线的方向以使所述激光光线在通过所述第二光学装置后具有逐渐变化且相异的出射方向；

其中，所述第一光学装置设置在平行光源装置和所述第二光学装置之间以使最终从所述第二光学装置出射的位于边缘的部分所述激光光线向靠近中央的方向倾斜。

2.根据权利要求1所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第一光学装置具有或形成有若干第一类出射界面，所述第一类出射界面为母线垂直于所述激光平面的曲面。

3.根据权利要求2所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第一类出射界面沿第二方向重复设置，所述第一方向垂直于所述第二方向。

4.根据权利要求3所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第一类出射界面具有相同的曲面形状。

5.根据权利要求4所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第一光学装置具有或形成有一个第一类入射界面，所述第一类入射界面为垂直于所述激光平面的平面。

6.根据权利要求5所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

一个所述第一类入射界面对应多个所述出射界面。

7.根据权利要求6所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第一类出射界面的曲面向所述第二光学装置的方向凸出以使所述激光光线的内部光线交点位于所述第一类光学装置和所述第二类光学装置之间。

8.根据权利要求7所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第二光学装置具有或形成有第二类出射界面，所述第二类出射界面为母线垂直于所述激光平面的曲面。

9.根据权利要求8所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

所述第二光学装置具有或形成有第二类入射界面，所述第二类入射界面为垂直于所述激光平面的平面。

10.根据权利要求9所述的适用于曲面检测的三维激光相机，其特征在于：

在所述第二方向上，所述第二类入射界面的尺寸大于等于两个以上所述第一类出射界面的尺寸。

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