专利名称：小型非接触对称输入式三维外形扫描头的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种测量仪器，特别是涉及一种非接触方式测量物体表面形状的扫描头。
精确测量物体表面轮廓的仪器一直是十分需要的，尤其是感光技术和电子计算机的发展，也在这一领域中得到了应用，例如用摄像机和电脑连接组成的即时打印出摄像机所摄到的景象、人像或人头像等等，但是这种摄像方法有相当的误差和畸变，也不能取得被摄物体的三维数据，因此不适合科研和生产上的应用，而误差小和畸变小的非接触式三维外形的扫描仪器是十分需要的。
本实用新型的目的在于提供一种测量误差小和畸变小而且体积小结构简单的三维外形扫描头。
本实用新型的目的是这样实现的，一种扫描头，用于对物体表面进行非接触式三维外形测量，包括有光源，电子感应器，反光镜，光源采用了将点光源转化为线光源的一组准直和柱面透镜，电子感应器和反光镜沿光源的光轴轴线镜像对称设置。本实用新型采用单色激光点光源作为光源，尤其是采用了对称设置的光路和信息采集的器件，构成扫描头。这种结构，使得测量误差和畸变减小，且体积小和结构简单，这样就实现了本实用新型的目的。
本实用新型装置的优点在于，本扫描头结构简单，小巧轻便，扫描光线的长度宽度粗细度可利用与点光源配合的柱面透镜进行调节，由于利用了光线的多次反射，把光路所需的实质空间大量缩减而保持影像的质素，配合倾斜及离轴电子感应器的布置，对景深及畸度的缺点大大改善，因此，它会有广泛被利用的场合，可配合多种仪器和支架使用，非接触式地测量物体的三维外形的表面坐标数据。
以下结合附图，详细说明本实用新型的实施例，其中
图1是本扫描头的各部件被设置在薄平板上的设置说明图；图2是将图1中的底板去掉后的各部件空间位置说明图；图3是从顶面向下观察时的平面视图4是本扫描头被安在一机架上使用的实施例说明图。
参阅图1，图1是用立体方式说明本实用新型的扫描头的主要构成及设置情况。图中示出，各个部件都安置在一块薄平板8的上面，薄平板8可以看成是扫描头框架的主要部分，代表整个框架，图中可以看出，本扫描头主要包括有一个光源3，两个沿光源轴线的倾斜及离轴偏置对称设置的电子感应器1和2，两组每一组两块的相对同一光轴轴线对称摆放及相对应构造完全相同的反光镜4，5，和6，7，其中，反光镜4和7对称设置，构造相同，反光镜5和6对称设置，构造相同，反光镜4至7都是平面反光镜，光源3采用单色激光点光源，例如用红色激光点光源，利用一组准直和柱面透镜，把光点转换为线状光束，该组准直和柱面透镜的结构是由五个准直透镜和一个柱面透镜所组成，光束垂直投射在物体表面，例如投射到物体9上P点的垂直光束，为方便说明，图中建立坐标系，是X、Y、Z直角坐标系，图中示出，以光源3正中的光轴作为坐标系的Z轴，这Z轴与下面的薄平板8的外边互相垂直相交的Z轴上点为原点，经过原点的与Z轴垂直与薄平板8的平面相平行的直线为X轴，过原点与XZ平面相垂直的轴为Y轴，X轴向右为正方向，Z轴指向光源为正方向，Y轴以远离薄平板(8)向上为正方向，以下的图2和图3，都采用在这里确定的坐标系。
图中示出，薄平板8在与XZ相平行的平面内，由光源3发出的光线垂直射到被测物体表面后被反射和散射，是非接触式三维外形测量，其中带有被测物体表面形状坐标尺寸信息的部分光线沿角度相等的角11和角12射向沿Z轴对称设置反光镜4和7，分别再被沿角度相等的角13和14射向反光镜5和6，经反光镜5和6反射的光线射到电子感应器1和2，由电子感应器接收，然后送至由数据线连接的电脑进行数据处理，显示、储存和打印等等。
由于光学系统即反光镜沿光源3的光轴轴线镜像对称设置，以及电子感应器也同样的对称设置，使得对同一点的测量误差，理论上算出，可以减少至少一半，这是本扫描头的主要特点。
角11和角12的角度选择和确定，可以使得本扫描头可以接收到较大范围的反射和散射光线。由于采用两组镜片对称近距离设置，使光路所需空间缩减，这也是本结构的一个特点。
反光镜可用平面镜，电子感应器可采用各种摄像机中的相应部件，例如采用CCD电子感应器，或直接采用摄像机的摄像头。
所有这些部件都可以是小型的，因此整个装置可以制成一个尺寸是长17厘米宽12厘米高6厘米以内的框体内，在框体即扫描头框架的外侧加设简单的固定用零部件，例如薄平板底面上设有螺纹孔，例如薄平面8底面外安有螺钉等之类的简单方式，可方便地随处安装。反光镜采用平面镜，价格低廉。利用一组准直和柱面透镜，把光源3被变换成线状光束，方便地看到被测部位，选择光源的功率，使其光线在对人眼人体都安全的范围内。
参阅图2，图2中仍采用图1中设立的坐标系和各个部件的编号，以标出坐标方式说明位置，坐标系原点的坐标为(0，0，0)顺序是x坐标，y坐标，z坐标，电子感应器1的中心点坐标是(-49.5，0，85)，电子感应器2的中心点坐标是(49.5，0，85)，反光镜4的中心坐标是(-69，0，15)，反光镜5的中心点坐标是(-15，0，15)，反光镜6的中心点坐标是(15，0，15)，其单位可以是1毫米，或按比例放大，光源3在Z轴上，在Z轴的+值的位置，它可以调整，根据被测物的具体情况可以调整，也可以固定，例如其中心点坐标为(0，0，50)。
标出坐标相对数值十分方便说明对称设置这一特征，所有器件的中心点的Y坐标都是0，说明所有器件的中心点都在由X轴Z轴所确定的平面内，两个电子感应器1和2的中心点的X坐标数值相同符号相反，说明以Z轴对称，反光镜4和7，反光镜5和6的x坐标数值也是数值相等符号相反，所以也都以Z轴对称，各反光镜和电子感应器都可看成是平面器件，只要确定它们在XZ平面内所设置的角度，本扫描头的各器件的相位置就可完全被确定。因此，用图3的平面图进行说明更加方便和清楚。
参阅图3，图3是对扫描头各器件布设的正面说明图，由于各器件的中心点在同一平面内，且各器件都是平面器件，因此确定各器件的角度设置即可确定其位置。
在Z轴上取P点，其坐标(X，Z)为(0，-125)，两电子感应器1和2的中心点为A和B，反光镜4和7的中心点为M和N，反光镜5和6的中心点为C和D，原点为O，点光源3为Q，∠OPM为∠11，OPN为∠12，∠11＝∠12，取∠PMC为∠13，∠PND为∠14，则∠13＝∠14，反光镜4的平面是经过M点的与∠13的角平分线垂直的平面，同样，反光镜7的平面是过N点的与∠14的角平分线相垂直的平面，反光镜5的平面是过C点与反光镜4相平行的平面，反光镜6的平面是过D点的与反光镜7相平行的平面，对于电子感应器1，连接CA，过A点做CA的垂线，然后将此垂线沿顺时针方向转动∠15的角度，这时的A平面，就是电子感应器1的平面，同样，连接DB，过B点做DB的垂线，并将此垂线沿逆时针方向转动∠16，取∠15＝∠16这时的平面就是电子感应器2的平面。
由于A与B点对称，∠15＝∠16，所以电子感应器1和2沿Z轴镜像对称，由于M和N点对称，∠13＝∠14，所以反光镜4和7沿Z轴镜像对称，反光镜5与反光镜4平行，反光镜6与反光镜7平行，C点和D点对称，所以反光镜5与6沿Z轴镜像对称，这样，整个扫描头是相对于Z轴镜象对称的结构，这个结构确保了本扫描头在扫描时的误差小。
一个实际的扫描头内部件位置的数据作为最佳实施例，取∠11＝∠26度，∠13＝64度，∠15＝20度，点光源3的位置在Z轴上，可以取Z值在50至100之间，点光源经一组准直和柱面透镜转化为细的线状光束，例如长约2公分的线状光束，进行扫描操作，倾斜及离轴设置的电子感应器1和2同时得到被测物表面同一点的数据，由电脑处理得到结果，在确定了扫描头的这七个部件的相对位置以后，扫描头的结构就被确定了。扫描光线从光源经一组上述透镜转化为例如20毫米长的扫描光线扫在物件表面，反射光射分别经反光镜4和5进入电子感应器1，和经反光镜7和6进入电子感应器2，之后，进入电脑被处理，得到被测物表面形状数据。
图4是本扫描头的一个应用的例子，它被安装在一个支架的悬吊的外端，扫描头可沿支架的导轨上下移动进行位置调整，被测物件9被放置在扫描头下面的移动平台上，固定扫描头后，移动平台带着被测物件9移动，扫描头对物件9表面进行扫描，扫描结果被即时显示在与扫描头相连接和配合的电脑上，扫描头与被测物件9的距离可以先调整在一个大致的距离，例如是15厘米，或是25厘米，等等，可根据被测物件表面的凸凹程度而定。对被测物件的大小和形状没有限制，能对激光进行反射的物件皆可被测，但是有激光扫描不到的表面部位则不适用。
被测物件例如是照相机壳，一个树叶的表面形状，等等，皆可。
权利要求1.一种扫描头，用于对物体表面进行非接触式三维外形测量，包括有光源，电子感应器，反光镜，其特征在于，光源(3)采用了将点光源转化为线光源的一组准直和柱面透镜，电子感应器和反光镜沿光源(3)的光轴轴线镜像对称设置。
2.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述电子感应器采用两个，是对称、倾斜并离轴偏置设置。
3.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述反光镜采用了四块，都是平面反射镜。
4.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述反光镜每两块为一组，共两组对称设置。
5.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述光源(3)、电子感应器(1和2)、反光镜(4，5，6，7)的中心点坐标在一平面内。
6.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，其各器件配置的相对位置，在XZ平面内，以(X，Z)顺序表示，光源(3)在Z轴上，取+值，电子感应器(1)的中心点A坐标为(-49.5，85)，电子感应器(2)的中心点B坐标为(49.5，85)，反光镜4的中心点M的坐标为(-69，15)，反光镜7的中心点N的坐标为(69，15)，反光镜5的中心点C坐标为(-15，15)，反光镜6的中心点D的坐标为(15，15)，∠15取20度，∠13取64度，∠14＝∠13，∠16＝∠15。
7.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述光源(3)是单色激光光源。
8.如权利要求1所述的扫描头，其特征在于，所述光源(3)中的一组准直和柱面透镜是由5个准直透镜和一个柱面透镜所组成。
专利摘要一非接触式三维数据扫描头,包括光源,电子感应器,反光镜,光源采用将点光源转化为线光源的一组准直和柱面透镜,电子感应器和反光镜沿光源的光轴轴线镜像对称设置。使用一个单色激光点光源透过准直和柱面透镜转换为线状光束垂直投射在物体表面,反射出光线,通过反光镜与电子感应器,把光线接收在感应器上,经电脑运算后获得三维外形表面坐标点据,接收光线,因被多次反射,把光路所需的实质空间大量缩减而保持影像质量。
文档编号G06K9/20GK2364507SQ9920153
公开日2000年2月16日 申请日期1999年3月18日 优先权日1999年3月18日
发明者李利民, 钟志强 申请人:香港生产力促进局