CN1195968C - 双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，利用一光源投射于待测物上，再以电子取像装置如电荷偶合组件(Charge Coupled Device，CCD)照相机摄取该激光影像后，计算该激光上各点的坐标位置，其中，本发明使用一曲面反射镜或一远心柱面透镜组来调变激光投射方向的影像缩放倍率，并借由一柱面透镜组来调变激光宽度方向的影像缩放倍率，改善测量时因距离增加而降低分辨率的问题，并在精密光学分析设计后，可将CCD照相机的可视范围变为有效的测量深度。

Description

双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置

技术领域

本发明涉及一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，采用光学系统中远心(telecentic)光学构架特性，将远近分辨率均匀化，为一种分辨率高且均匀的取像装置。

背景技术

一般测定形状的取像装置中，通常使用定焦镜头配合固定分辨率和固定尺寸的CCD照相机在垂直和水平方向皆有其固定的视角，因此当距离物体愈近的时候，所看到的范围愈小，分辨率愈大；反之，当距离物体愈远的时候，所看到的范围愈大，分辨率愈小。当CCD照相机在投射光方向所能看到的光线(或面)的范围较垂直于光线(或面)的时候来得大，自然地其分辨率会降低；而且距离光源愈远的位置其分辨率愈低，为了提高投射光方向的分辨率，如美国专利第6,046,812号使用非等向性倍率(anisotropic magnification)的柱面镜来放大投射光方向的影像，以提高该方向的分辨率，而另一垂直方向的影像放大倍率则维持不变。为了达到相同的目的，也可以用棱镜组合来获得非等向性的倍率，如美国专利第4,872,747号所述。

现有的方法已经可以在投射光方向得到较高的分辨率，但是并不能解决随着距离光源愈来愈远，其分辨率会愈来愈低的事实，分辨率不均匀的问题发生在当近距离处分辨率足够时，远距离处分辨率却不足；此外，现有技术中，在垂直于投射光方向的分辨率由CCD照相机的参数决定，因此选用的焦距与物距已经决定了该方向的分辨率。若欲改变垂直于投射光方向的分辨率，只能够改变物距或焦距而已，但是通常一部形状测定装置都有它在操作上的期望物距，因此所能调整的物距范围较为有限，所以多半会改变物镜的焦距；无论是改变物距或是焦距，投射光方向的分辨率也会随之改变，因此又要改变非等向性(anisotropic)或调变影像(anamorphic)的镜组参数。由于物镜焦距直接决定一轴的分辨率，而实际上基于成本考虑，取像镜头大多采用市售定焦镜头，如监视器镜头，其焦距值只有某些特定值，故在设计上要同时符合两轴分辨率较不易。

如图1所示为现有无调变影像放大倍率的分辨率示意图，以一投射光平面11投射至一待测物体20表面，其等间距CCD像素所摄得的反射光线7所呈现的情形，在完全没有调变影像放大倍率下，投射光方向有相当大的视野，但是在远程的分辨率急速下降，而且由于一般的取像物镜的景深非常有限，所以远程的测量精度非常差，几乎没有利用价值。

如图2所示为现有的美国专利(第6046812号)使用柱面镜来提高分辨率示意图，以一投射光平面11投射至一待测物体20表面，其等间距CCD像素所摄得的反射光线7所呈现的情形，其中使用柱面镜缩短投射光方向的视野，可以提高分辨率，但是远程的分辨率仍远低于近端的分辨率。

发明内容

本发明的主要目的，在于解决上述的缺陷，避免上述缺陷的存在，本发明提供一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，无论在垂直或平行于投射光方向皆能调变影像放大倍率，使得满足3D测量在此两方向的分辨率需求，且分辨率不会随着与光源距离增加而递减，同时在调变影像放大倍率的光学设计下，仍能维持一定的成像品质，达到较高的分辨率，可将CCD照相机的可视范围变为有效的测量深度。

为实现上述的目的，本发明提供一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，利用一投射光源，投射出平面光或线光至待测物表面，于该待测物表面呈现一条交线或交点，产生一反射光并进入一曲面反射镜(也可用远心柱面透镜组)与一柱面透镜组，最后通过一电子取像装置(CCD照相机)并成像于影像传感装置如电荷耦合组件上，进而计算该激光上各点的坐标位置。

其中，本发明使用一曲面反射镜或一远心柱面透镜组来调变激光投射方向的影像缩放倍率，该曲面反射镜，为一连续变化曲率的凹面曲面，可反射来自待测物表面的反射光，改变光线视角；该远心柱面透镜组，由一柱面透镜组及一平面反射镜所组成，可缩小投射光方向的视野，且其聚焦位置接近于取像物镜组的主平面；并使用一柱面透镜组来改变光交线方向的影像放大倍率，最后成像于一电子取像装置的影像传感装置如电荷耦合组件上。

根据本发明的一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，包括：一曲面反射镜，为一连续变化曲率的凹面曲面，可反射来自待测物表面的反射光，改变光线视角；一柱面透镜组，光路经由所述曲面反射镜反射后，直接进入该柱面透镜组，改变沿光交线方向的影像放大倍率；及一电子取像装置，由一驱动电路、一取像物镜组与一影像传感装置所构成，当光线通过所述柱面透镜组后，借由所述取像物镜组，成像于该影像传感装置上，经由上述组件组成一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其中光行进路径由一投射光源投射出平面光或线光至待测物体表面后，产生一反射光并进入所述曲面反射镜及所述柱面透镜组，最后通过所述电子取像装置并成像于所述影像传感装置上。

一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，包括：一远心柱面透镜组，改变投射光方向视野，其聚焦位置接近一取像物镜组；一柱面透镜组，光路经由所述远心柱面透镜组后，直接进入该柱面透镜组，改变沿光交线方向的影像放大倍率；及一电子取像装置，由一驱动电路、该所述取像物镜组与一影像传感装置所构成，当光线通过该所述柱面透镜组后，经由该取像物镜组，成像于该影像传感装置上；经由上述组件组成一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其中光行进路径由一投射光源投射出平面光或线光至待测物体表面后，产生一反射光并进入所述远心柱面透镜组及该所述柱面透镜组，最后通过所述电子取像装置并成像于所述影像传感装置上。

附图说明

图1为现有无调变影像放大倍率的分辨率示意图。

图2为现有使用柱面镜来提高分辨率示意图。

图3为本发明的分辨率原理示意图。

图4为本发明形状测定装置立体图。

图5为本发明形状测定装置示意图。

图6为本发明采用远心柱面透镜的形状测定装置示意图。

具体实施方式

本发明提供一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，也即在一投射光源外设置一取像装置即可测得光点投射在物体表面相对位置，为一种分辨率高且均匀的取像装置，如图3所示为本发明的分辨率原理示意图，其中使用一曲面反射镜以缩短投射光方向的视野，并且使得近端至远程的分辨率一致，若与现有技术(图1、图2)作一比较，可发现本发明(图3)无论近端或远程，由电子取像装置60所摄得的反射光线分辨率较均匀，解决远距离分辨率不足的问题。

现以实施例并配合附图对本发明的目的、特征及功效详细说明如下。

第一实施例

为了改善现有技术中在投射光方向分辨率远近不均的问题，本发明提供一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，采取光学系统提供一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，采用光学系统中远心光学构架特性，将远近分辨率均匀化。

如图4所示，为本发明形状测定装置立体图，利用一光源10投射出平面光(或线光束)至物体20表面上，其与物体20表面的交线(或点)21可以用三角测距原理算出其三维坐标。首先，光线21会反射至一曲面反射镜40再反射进入一柱面透镜组50，最后成像在电子取像装置60。基本上电子取像装置60(CCD照相机)是由一个固定焦距的取像物镜组61和一个影像传感装置(如电荷耦合组件62)及其驱动电路所组成，并可于取像物镜组61前增加一滤镜来过滤特定波长的光线，依照电荷耦合组件62的大小和取像物镜组61的焦距，可以决定此电子取像装置60水平及垂直视角，水平视角在光平面的含盖方向为垂直于光投射方向，而垂直视角在光平面的含盖方向则为光投射方向；因此经过柱面透镜组50可以改变水平视角，而经过曲面反射镜40又可以改变垂直视角，垂直视角上极限平面31和垂直视角下极限平面32代表在垂直视角的上下极限。

如图5所示，依照曲面反射镜40与电子取像装置60在空间的几何关系位置，曲面反射镜40的表面可以为一连续变化的曲面，其曲率形成近乎远心光学构架特性，也即曲面每部位焦距接近其与电子取像装置60的距离，目的在于使得介于垂直视角上极限平面31和垂直视角下极限平面32的反射平面接近于平行，而且相对于电荷耦合组件62阵列的每一个垂直方向像素(pixel)都在投射光平面11的投射方向维持相等的间隔距离。相较于以往没有反射镜或仅用平面反射镜，显然在投射光方向的视野可以获得压缩，因此提高该方向的分辨率；而且因为连续曲面反射以远心光学特性的关系，该方向的分辨率不会随着光源距离的增加而递减，反而呈现均匀的分辨率；为了让成像品质提高，电子取像装置60的成像面(电荷耦合组件62)必须做适度的调整，而且其调整角度将随着投光与取像的夹角、曲面反射镜40A的曲率变化及其位置变化而改变。参照图5，柱面透镜组50至少包括一凹柱面透镜51与一凸柱面透镜52，影像放大或缩小的倍率会随着凹柱面透镜(51)、凸柱面透镜(52)的前后顺序及相关位置与参数而改变，其柱面轴不必与电子取像装置60光轴垂直，为了获得较佳的成像品质，可以做适度的倾斜。当凹柱面透镜51置于近物体20端，而凸柱面镜52置于近电子取像装置60端的时候，可以得到较大的水平视角，因此影像缩小了；反之，若两个位置对调，水平视角将会变小，影像因此放大了。至于如何改变影像的放大倍率，则可以调整柱面镜的位置或改变参数。

第二实施例

如图6所示，为本发明的另一实施例，采用远心柱面透镜组40B(由柱面透镜401B与平面反射镜402B所组成)来取代曲面反射镜40A；提供一光源10形成一投射光平面11至物体20上，交于物体20上为点或线，由光路30经柱面透镜42及平面反射镜40A，在经过柱面透镜组50(凹柱面透镜51、凸柱面透镜52)，由取像物镜组61(镜头)成像于电荷耦合组件62上。为了让远近分辨率均匀化，柱面透镜401B的焦距接近其与取像物镜组61(镜头)的光程距，光圈位于取像物镜组61上，如此即形成远心光学构架，光偶合组件62上等间隔影像所对应物空间在柱面镜前就形成接近等间隔平行光路30，在图6中可清楚看出光路30呈现近乎等间隔平行现象，所以大大改善远近距离分辨率不均的问题。虽然现有技术中也用柱面镜组，但在光路30中与镜头靠近，为了维持扫描范围，只能提高分辨率，而无法应用远心的特性，故仍存在远近分辨率不均的问题。本发明掌握此一特性，利用柱面透镜401B与平面反射镜402B来搭配组合，改善远近分辨率不均的问题，其中柱面透镜401B与平面反射镜402B可前后对调，柱面透镜401B也可为柱面透镜组50，不过该柱面透镜组50必须与取像物镜组61有相当的距离及足够体积，方能发挥远心光学构架特性又能保有足够取像范围。

本发明特别披露并描述了所选择的较佳实施例，不能以其限定本发明实施的范围，即凡熟悉本技术的人均可明了，依本发明申请专利范围所作任何形式或是细节上可能的变化，均未脱离本发明专利涵盖的精神与范围。

Claims (8)

1.一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：

 一曲面反射镜(40A)，为一连续变化曲率的凹面曲面，可反射来自待测物表面的反射光，改变光线视角；

一柱面透镜组(50)，光路(30)经由所述曲面反射镜(40A)反射后，直接进入该柱面透镜组(50)，改变沿光交线方向的影像放大倍率；及

一电子取像装置(60)，由一驱动电路、一取像物镜组(61)与一影像传感装置所构成，当光线通过所述柱面透镜组(50)后，借由所述取像物镜组(61)，成像于该影像传感装置上，经由上述组件组成一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其中光行进路径由一投射光源(10)投射出平面光或线光至待测物体(20)表面后，产生一反射光并进入所述曲面反射镜(40A)及所述柱面透镜组(50)，最后通过所述电子取像装置(60)并成像于所述影像传感装置上。

2.根据权利要求1所述的双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：该曲面反射镜(40A)为一单调圆柱面。

3.根据权利要求1所述的双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：该柱面透镜组(50)至少包含一凹柱面透镜(51)和一凸柱面透镜(52)，影像放大或缩小的倍率会随着凹柱面透镜(51)、凸柱面透镜(52)的前后顺序及相关位置与参数而改变。

4.根据权利要求1所述的双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：该柱面透镜组(50)中的每一片透镜与取像物镜组(61)的光轴成一夹角，以得到最佳成像品质。

5.根据权利要求1所述的双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：该电子取像装置(60)中的影像传感装置成像面与取像物镜组(61)的光轴成一夹角，以获得最佳成像测量精度及分辨率。

6.根据权利要求1所述的双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：于电子取像装置(60)中的取像物镜组(61)前缘加上一滤镜，过滤固定波长的光线。

7.一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：一远心柱面透镜组(40B)，改变投射光方向视野，其聚焦位置接近一取像物镜组(61)；

一柱面透镜组(50)，光路(30)经由所述远心柱面透镜组(40B)后，直接进入该柱面透镜组(50)，改变沿光交线方向的影像放大倍率；及

一电子取像装置(60)，由一驱动电路、该所述取像物镜组(61)与一影像传感装置所构成，当光线通过该所述柱面透镜组(50)后，经由该取像物镜组(61)，成像于该影像传感装置上；经由上述组件组成一种双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其中光行进路径由一投射光源(10)投射出平面光或线光至待测物体(20)表面后，产生一反射光并进入所述远心柱面透镜组(40B)及该所述柱面透镜组(50)，最后通过所述电子取像装置(60)并成像于所述影像传感装置上。

8.根据权利要求7所述的双轴向调变影像放大倍率的形状测定装置，其特征在于：该远心柱面透镜组(40B)由柱面透镜(401B)与平面反射镜(402B)所组成。