TWI386620B - 利用ｌｃｄ的三維形貌測量裝置 - Google Patents

Description

利用LCD的三維形貌測量裝置

本發明涉及利用LCD的三維形貌測量裝置，更具體地涉及在測量物上形成正弦波圖案並由攝像機獲得基于上述正弦波圖案的測量物的影像資訊之後，對它進行分析來測量測量物形貌的利用LCD的三維形貌測量裝置。

所謂利用莫爾干涉條紋的三維形貌測量裝置一般是指如下裝置：將在要檢測的測量物的表面照射具有一定形態的光而出現的網格圖案、和作為基准的網格圖案重疊來形成莫爾干涉條紋，測量及解析該干涉條紋而得到對物體的表面高度的資訊。這種測量方法可以簡單且快速地得到測量物的三維形貌，所以廣泛使用于醫學、工業領域。

這種利用莫爾干涉條紋的測量三維形貌的方式粗分為投影式和影子式。影子式是不使用透鏡而利用由出現在測量物的表面的網格圖案的影子生成的莫爾條紋來測量測量物的表面形貌的方式，投影式是利用由用透鏡投影到測量物的網格的圖像生成的莫爾條紋來測量測量物的表面形貌的方式。

第1圖示意地示出影子式測量裝置。若參照第1圖，在影子式測量裝置中，從光源100出射的光通過網格103，在測量物P的表面形成網格形態的影子，或者由于塔爾博特(Talbot)效應形成網格形態的圖像。這裏使用的網格103 具有改變所透射光的強度的功能。上述網格103的影子圖像和網格本身的圖案合成而形成莫爾條紋，將這樣形成的莫爾條紋稱為影子式莫爾。利用二維影像傳感元件陣列來測量該莫爾條紋，這時為了計算莫爾條紋的相位，需要相位偏移的多個莫爾條紋。

為得到相位偏移的莫爾條紋，通過驅動單元D向接近測量物P或遠離測量物P的方向移動上述網格103。這樣，干涉條紋的相位隨著上述網格103的移動而變化，從而能夠得到偏移3個以上相位的莫爾條紋。這樣，移動上述網格103而生成的相位偏移的莫爾條紋通過成像透鏡109而成像到影像傳感元件110上。通過上述影像傳感元件110依次重複相位偏移的莫爾條紋的圖像測量和上述網格103的移動。利用在此得到的多個相位偏移的莫爾條紋，可以通過公知的解析方法得到物體的三維形貌資訊。

這種影子式測量裝置具有設備簡單的優點，但是需要利用網格影子，因此，具有僅能夠在可以使網格圖案和測量物充分接近的情況下應用的缺點。因此，解決了上述影子式測量裝置的問題的投影式測量裝置得到人們的青睐。

第2圖示意地示出投影式測量裝置。若參照第2圖，投影式莫爾測量裝置通過第一成像透鏡113，將從光源111照射的光通過第一網格112形成的圖像成像在測量物P上，並通過第二成像透鏡114，將該測量物P的圖像成像在第二網格115上。並且，通過第三成像透鏡116，將成像在第二網格115上的圖像和第二網格115本身的圖案成像在 影像傳感元件117上，從而得到莫爾條紋。

在這種投影式莫爾測量裝置中，通過驅動單元沿上下方向移動第一網格及第二網格來得到相位偏移的莫爾條紋。並且，將在此得到的相位偏移的信號通過公知的方法解析，從而可以得到測量物的三維形貌資訊。但是，在投影式莫爾測量裝置的情況下，將成像在測量物上的網格圖案成像在第二網格上生成莫爾條紋，並為了重新將該圖案成像在影像傳感元件上，需要高價的精密光學系統，因此，要求不需要第二成像透鏡和第二網格的簡化的系統。

隨之，為了進一步簡化投影式測量裝置而提出了一種將結構化的形態的圖案投影到測量物來測量形貌的結構化的圖案投影方式的裝置。

第3圖示意地示出應用結構化的圖案投影方式的投影式測量裝置。若參照第3圖，將從光源120照射的光通過網格121而形成的圖像，通過第一成像透鏡122成像在測量物P上，將測量物P的圖像重新通過第二成像透鏡124成像在影像傳感元件127上，從而得到網格被投影的測量物P的影像。這裏，為了提取三維形貌，水平移動網格121或移動成像透鏡，從而可以得到各種相位的投影網格影像。並且，網格121可替代為具有其它周期的網格。

在這種測量裝置中，用第一成像透鏡122將網格121的圖案成像在測量物P上之後，用影像傳感元件127測量成像在測量物P上的影像，然後由該影像和在計算機中生成的基准網格生成莫爾條紋，來測量三維形貌。

但是，通過水平移動網格121而移動網格121之後，為了通過第一成像透鏡122在測量物P上形成網格121的圖像，存在需要與網格121的移動對應地移動第一成像透鏡122的不便性。

並且，成像在測量物上的網格圖像隨後在影像傳感元件獲得。而為了准確地成像影像傳感元件的上述成像圖像，從上述網格到測量物的光學性移動距離需要對應于從成像在上述測量物上的網格圖像到影像傳感元件的光學距離。但是，網格需要水平移動，存在由于隨之的第一成像透鏡的移動及第二成像透鏡的移動而難以准確對准光學移動距離的問題。

本發明的目的在于，提供一種沒有網格的移動及交替也能夠在測量物上形成具有多個相位和多種周期的正弦波圖案的利用LCD的三維形貌測量裝置。

本發明的目的還在于，提供一種沒有成像透鏡的移動也可以在測量物上形成具有多個相位的正弦波圖案的利用LCD的三維形貌測量裝置。

本發明的另一目的在于，提供一種三維形貌測量裝置，該裝置為了更容易地向測量物傳遞正弦波圖案，更容易地獲得成像的圖像而包括透鏡系統。

作為用于解決上述課題的手段，本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置，將正弦波圖案形成在測量物上後，用 攝像機獲得基于上述正弦波圖案的測量物的影像資訊，然後對它進行分析來測量測量物的形貌，其中包括LCD投影儀，該LCD投影儀具備：光源，向前方照射光；LCD板，位于所述光源的前方並根據計算機的脈沖信號而產生具有多個相位和多個周期的正弦波圖案；偏轉板，配置在上述LCD板的前方及後方；第一成像透鏡，隔開配置在上述LCD板的前方，使由上述LCD板產生的正弦波圖案成像在測量物上；以及殼體，支承上述光源、上述LCD板、上述偏轉板及上述第一成像透鏡。

這時，上述殼體最好在其內側包含用于結合上述第一成像透鏡的槽，結合在上述槽中的第一成像透鏡配置成與上述LCD板隔開一定距離。

此外，上述殼體最好包括用于設置光源的光源用殼體、用于設置上述LCD板的LCD用殼體、及用于設置上述第一成像透鏡的透鏡用殼體，這樣有利于製程。

此外，上述LCD板最好結合在上述LCD用殼體的後方表面。

另一方面，從上述LCD投影儀將正弦波圖案形成在測量物上的光學移動距離最好與從測量物到獲得測量物形貌資訊的攝像機的光學移動距離實質上相同。這樣有利于攝像機正確獲得測量物的影像資訊。

這時，較佳還包括透鏡系統，該透鏡系統向測量物傳遞由上述LCD投影儀產生的正弦波圖案，向攝像機傳遞基于上述正弦波圖案的測量物的影像資訊。

此外，上述透鏡系統最好是具有兩個鏡筒的立體型透鏡系統。

另外，上述透鏡系統最好包括可以調節為多種倍率的變焦透鏡。

本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置，具有即使不移動網格也可以在測量物上形成多個相位和多種周期的正弦波圖案的效果。

此外，具有即使不移動成像透鏡也可以在測量物上形成多個相位的正弦波圖案的效果。

此外，由于包括透鏡系統，所以具有更容易向測量物傳遞正弦波圖案、更容易獲得已成像圖像的效果。

另外，通過多種周期的圖案投影，還可以測量寬範圍的高度的測量物。

下面參照附圖詳細說明本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置的實施例。

第4圖是本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置的示意圖。如圖所示，本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置包括投影儀10、全反射鏡20、透鏡系統30、第二成像透鏡40及攝像機50。

首先，說明LCD投影儀10。第5圖是本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置的LCD投影儀殼體的立體圖。LCD投影儀10的殼體11具有圓筒形狀，分為用于設置光 源的光源用殼體11a、用于設置LCD板的LCD用殼體11b、用于設置第一成像透鏡的透鏡用殼體11c這三部分，三個殼體可以通過螺絲等結合。

光源用殼體11a由中空管體形成，以便光源的光能夠向前方照射，並形成用于在LCD用殼體上結合LCD板的被部分切除的缺口11a′。

LCD用殼體11b結合在光源用殼體11a的前方，其中央形成有孔11b′，以便從後述的光源12照射的光經由LCD板13向前方照射。

透鏡用殼體11c結合在LCD用殼體11b的前方，在前方內側形成用于結合後述的第一成像透鏡15的透鏡用槽11c′。

這樣，LCD投影儀的殼體11由三部分分別構成結合，可以容易地設置後述的光源、LCD板及第一成像透鏡。

第6圖是示出在殼體上結合光源、LCD板及第一成像透鏡後的橫截面分解圖(第5圖的A－A′向截面)，第7圖是示出在殼體上結合光源、LCD板及第一成像透鏡後的縱截面分解圖(第5圖的B－B′向截面)，第8圖示出LCD投影儀的縱截面圖。

如第7圖及第8圖所示，光源12設置在光源殼體11a的後方，以便向前方照射光。這時，光源12可以通過預定的結合手段結合，以便結合在光源用殼體11a上。

LCD板13可以結合在LCD用殼體11b的後方表面，在結合時由結合部件13a結合支承的狀態下結合于後方表 面。這時，LCD板13可以根據從控制部接收的信號生成多個相位和多種周期的正弦波圖案。

一對偏轉板14a、14b分別配置在LCD板13的前後方。後方偏轉板14a具有使從光源12照射的光偏轉為向LCD板13的前表面照射光的作用，最好與LCD板13相對而結合在結合部件13a的後方表面。

為了在測量物上很好地形成LCD板13上生成的多種正弦波圖案，前方偏轉板14b具有使光向一定方向偏轉的作用，因此與LCD板13相對地設置在LCD用殼體11b的前方表面。

第一成像透鏡15通過嵌合等結合方式設置在透鏡用殼體11c上的透鏡用槽11c′中，具有向前方傳遞正弦波圖案的作用，以便把由LCD板13生成的正弦波圖案形成在測量物上。

這時，LCD板13產生多個相位和多種周期的正弦波圖案，在透鏡用殼體11c的內側設置的透鏡用槽11c′上隔開一定間距固定第一成像透鏡15，從而在測量物上准確地形成網格圖案。此外，後述的第二成像透鏡40和攝像機50之間具有固定距離，因此，可以把兩個光學移動距離，即從LCD板13到由LCD板13生成的正弦波圖案到達的測量物的光學移動距離、和從測量物到攝像機的光學移動距離構成為實質上相同。因此可以獲得測量物准確的影像資訊。

此外，從LCD投影儀通過多種周期的圖案投影，可以 進行測量物的寬幅度和寬範圍高度的測量。

接著，說明全反射鏡。若參照第4圖，全反射鏡20位于LCD投影儀的前方，設置成可改變從LCD投影儀照射的光路。

通過設置這種全反射鏡20，可易于把兩個光學移動路徑，即從LCD投影儀10到測量物P的光學移動路徑、和從測量物P到獲得基于正弦波圖案的測量物P的影像資訊的攝像機50的光學移動路徑構成為實質上相同，並可以自由地移動LCD投影儀10的位置。

接著，透鏡系統30是由兩個鏡筒31、32和位于鏡筒前方的物鏡33構成的立體型透鏡系統，左側鏡筒31用作在測量物P上形成由LCD投影儀10生成的正弦波圖案的光移動路徑，右側鏡筒32用作由攝像機50獲得基于正弦波圖案形成的測量物P的影像資訊的光移動路徑。

物鏡33設置在其能夠使從左側鏡筒31傳遞的正弦波圖案的圖像形成在測量物P上，同時使形成在測量物P上的測量物P的影像資訊可以通過右側鏡筒32向攝像機50移動的位置上。

若使用如此具有兩個鏡筒的透鏡系統，則不同于過去那樣，可以不必單獨設置，因此可以降低測量裝置的製造成本。

並且，透鏡系統30在各鏡筒中使用變焦透鏡，可調節為多種倍率。若使用變焦透鏡，可以根據測量物P的大小及模樣來放大及縮小而形成正弦波圖案，且可以放大及縮 小而獲得由攝像機50獲得的測量物P的影像資訊，從而可以更准確地測量三維形貌。

第二成像透鏡40與攝像機50隔開預定距離，以便使通過透鏡系統30傳遞的測量物P的影像資訊能夠准確地反映到攝像機50上。在本實施例的圖中示出的第二成像透鏡40與攝像機50看似單獨構成，但為了使攝像機能夠准確地獲得測量物的影像資訊，第二成像透鏡40和攝像機50之間必須具有恒定的距離，因此兩者優選形成為一體。

攝像機50是獲得測量物P的影像資訊的裝置，可以是CCD(Charge－Coupled Device：電荷耦合器件)。

通過上述結構，由攝像機50獲得的測量物P的影像資訊傳送到預定的控制部，並通過相應的程式分析來測量三維形貌。

本發明的申請專利範圍並不局限于上述實施例，在所附的申請專利範圍內可以體現為多種方式的實施例。應當可以理解，本發明的所屬技術領域的從業者在不脫離本發明思想的前提下所進行的各種變更及修飾也屬于本發明的申請專利範圍。

P‧‧‧測量物

10‧‧‧LCD投影儀

11‧‧‧殼體

12‧‧‧光源

13‧‧‧LCD板

15‧‧‧第一成像透鏡

20‧‧‧全反射鏡

30‧‧‧透鏡系統

31、32‧‧‧鏡筒

33‧‧‧物鏡

40‧‧‧第二成像透鏡

50‧‧‧攝像機

11a‧‧‧光源用殼體

11a'‧‧‧缺口

11b‧‧‧LCD用殼體

11b'‧‧‧孔

11c‧‧‧透鏡用殼體

11c'‧‧‧透鏡用槽

13a‧‧‧結合部件

14a、14b‧‧‧偏轉板

第1圖是影子式測量裝置的示意圖。

第2圖是投影式測量裝置的示意圖。

第3圖是應用結構化的圖案投影方式的投影式測量裝置示意圖。

第4圖是本發明的利用LCD的三維形貌測量裝置的示意圖。

第5圖是本發明的LCD投影儀殼體的分解立體圖。

第6圖是本發明的LCD投影儀的分解橫截面圖。

第7圖是本發明的LCD投影儀的分解縱截面圖。

第8圖是本發明的LCD投影儀的結合縱截面圖。

12‧‧‧光源

13‧‧‧LCD板

11a‧‧‧光源用殼體

11a'‧‧‧缺口

11b‧‧‧LCD用殼體

11c‧‧‧透鏡用殼體

Claims (7)

1. 一種利用LCD的三維形貌測量裝置，將正弦波圖案形成在測量物上後，用一攝像機獲得基于上述正弦波圖案的一測量物的一影像資訊，然後對它進行分析來測量上述測量物的形貌，其中上述三維形貌測量裝置包括一LCD投影儀，該LCD投影儀具備：向前方照射光的一光源；位于上述光源的前方並根據一計算機的脈沖信號產生多個相位和多個周期的正弦波圖案的一LCD板；配置在上述LCD板的前方及後方的偏轉板；隔開配置在上述LCD板的前方，使由上述LCD板產生的正弦波圖案成像在測量物上的一第一成像透鏡；以及支承上述光源、上述LCD板、上述偏轉板及上述第一成像透鏡的一殼體，其中上述殼體在其內側包含結合上述第一成像透鏡的一槽，結合在上述槽中的上述第一成像透鏡配置成與上述LCD板隔開一預定距離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用LCD的三維形貌測量裝置，其中上述殼體包括設置上述光源的一光源用殼體、設置上述LCD板的一LCD用殼體、及設置上述第一成像透鏡的一透鏡用殼體。
3. 如申請專利範圍第2項所述之利用LCD的三維形貌測量裝置，其中上述LCD板結合在上述LCD用殼體的一後方表面。
4. 如申請專利範圍第3項所述之利用LCD的三維形貌測 量裝置，其中從上述LCD投影儀將上述正弦波圖案形成在上述測量物上的一光學移動距離與從上述測量物到獲得測量物形貌資訊的上述攝像機的光學移動距離實質上相同。
5. 如申請專利範圍第1項或第4項所述之利用LCD的三維形貌測量裝置，其中還包括一透鏡系統，該透鏡系統向上述測量物傳遞由上述LCD投影儀產生的上述正弦波圖案，以及向上述攝像機傳遞基于上述正弦波圖案的上述測量物的上述影像資訊。
6. 如申請專利範圍第5項所述之利用LCD的三維形貌測量裝置，其中上述透鏡系統是具有兩個鏡筒的一立體型透鏡系統。
7. 如申請專利範圍第5項所述之利用LCD的三維形貌測量裝置，其中上述透鏡系統包括可以調節為多種倍率的一變焦透鏡。