专利名称：一种结构光三维形貌测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种三维测量装置，尤其是一种利用透镜偏心的平行结构光三维形貌测量装置。
背景技术：
三维物体表面形貌的测量，在机械制造领域又称为逆工程，在现代加工制造及实际作业生产中起着越来越重要的作用。随着三维物体表面形状的非接触检测技术在科研、 医学诊断、工程设计、刑事侦查现场痕迹分析、自动在线检测、质量控制、机器人及许多生产过程中越来越广泛的应用，人们对三维形貌测量的要求也越来越高，其应用领域也在不断扩大。物体表面三维形貌检测可分为接触式和非接触式两类。接触式表面形貌检测技术采用触针测量物体表面轮廓，该方法有如下难以克服的缺点①由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量精度下降；②测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差；③为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一股都很高，因此不适于精密零件及软质表面的测量。非接触式的三维形貌检测技术可以避免接触式检测所遇到的困难。光学测量是非接触式测量技术中的一种常用技术，以其测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化程度高、成本低廉等优点在逆向工程、计算机辅助设计、数控加工、工业快速成型、产品质量检测、人体测量、医学诊断、刑事侦查现场痕迹分析、以及建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测等诸多领域获得了广泛的应用。非接触式三维形貌检测技术，如结构光投影，一股使用激光按事先设计的光强分布模式投影在特定区域。这种投影一股采用专门的设备进行控制，调整非常不便。另外，当投影结构光采用激光作为光源时，由于激光特有的干涉特性，投射光强分布会有散斑效应， 对测量精度产生严重影响。因此，现在大多采用非干涉光，即色光做结构光投影光源。投影仪是一种最常用的影像投影设备，可作为结构光投影。目前，结构光三维形貌测量的光路一股有两种方式，一种是平行光路即投影光路光轴与成像光路光轴平行(参阅图1)。其中R为参考平面，D为投影透镜、成像透镜工作距或物距，Lp为投影透镜，L1为成像透镜，Op为投影光路光轴，O1为成像光路光轴，B为投影光路光轴与成像光路光轴的距离，V为重叠视场。该光路的优点是投影的条纹在参考面上为等间距条纹，成像光路在被测物上无阴影区域，即能够将被测物体上的沟槽部分的形状完整地测量出来。该光路的缺点是重叠视场V小、视场有效利用率低，因此测量精度低。若增加投影光路与成像光路重叠部分，则投影光路光轴与成像光路光轴的距离变小，亦降低测量精度，因此该光路实际应用较少。非专利文献中国人民公安大学学报在2008年第4期的自然科学版发表了郭威的《立体痕迹三维数据化研究初探》，公开了另一种光路，交叉光路，即投影光轴与成像光轴呈一定的角度(参阅图2)，这种光路的优点是投影光路与成像光路重叠视场大，视场有效利用率高；投影光路光轴与成像光路光轴的距离大，测量精度高。但由于投影光路与成像光路的光轴成一定角度，被测物体上的凸起部分会遮挡光线，使投影条纹投射不到某些区域，在成像装置上形成阴影区，因此测量不出该处的数据。有鉴于此特提出本实用新型。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种利用投影透镜和/或成像透镜的偏心成像原理，使投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置重叠，以加大投影机光轴与摄像机光轴的距离，从而形成无阴影的高精度测量区域的结构光三维形貌测量装置。为解决上述技术问题，本实用新型采用技术方案的基本构思是一种结构光三维形貌测量装置，包括投影机和摄像机，投影机和摄像机设于支架上，所述投影机的投影光路和摄像机的成像光路平行，且投影机的投影透镜和摄像机的成像透镜其中至少有一透镜偏心。所述投影机的投影透镜或摄像机的成像透镜偏心。所述的投影透镜或成像透镜偏心量固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距也固定，投影透镜和成像透镜之间的距离满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。或者，所述的投影透镜或成像透镜偏心量固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调，投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。再或者，所述的投影透镜或成像透镜偏心量可调，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调，投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。所述投影机的投影透镜和摄像机的成像透镜均偏心。所述的投影透镜和成像透镜偏心量均固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距也固定，投影透镜和成像透镜之间的距离满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。或者，所述的投影透镜和成像透镜至少有一透镜偏心量固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调，投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。再或者，所述的投影透镜和成像透镜至少有一透镜偏心量可调，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调，投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。所述的投影机和摄像机在支架上滑动调节以固定投影机和摄像机之间的距离。采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。本实用新型一种结构光三维形貌测量装置，利用投影透镜和/或成像透镜的偏心成像原理，使投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置重叠，加大了投影机光轴与摄像机光轴的距离，该光路保持了平行光测量无阴影的优点，提高了视场有效利用率，进而提高了测量精度。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的描述。
图1是现有三维形貌测量平行光路示意图；图2是现有三维形貌测量交叉光路示意图；图3是本实用新型三维形貌测量装置结构光路示意图；图4是本实用新型三维形貌测量装置另一结构光路示意图；图5是本实用新型三维形貌测量装置结构示意图。其中R为参考平面，D为投影透镜、成像透镜工作距或物距，Lp为投影透镜，L1为成像透镜，Op为投影光路光轴，O1为成像光路光轴，B为投影光路光轴与成像光路光轴的距离，V为重叠视场，bP为投影透镜偏心量，bx为成像透镜偏心量，Bp为投影视场的光学中心偏移距离，B1为成像视场的光学中心偏移距离
具体实施方式
如图3-5所示，本实用新型所述的一种结构光三维形貌测量装置，包括投影机1和摄像机2，投影机1和摄像机2设于支架3上，所述的投影机1和摄像机2在支架3上滑动调节以固定两者之间距离。所述投影机1的投影光路和摄像机2的成像光路平行，且投影机的投影透镜Lp和摄像机的成像透镜L1其中至少有一透镜偏心。本实用新型所述投影机的投影透镜Lp或摄像机的成像透镜L1偏心，另一不偏心； 或者投影透镜Lp和成像透镜L1均偏心。当只有一个透镜偏心时，该透镜的偏心量固定，投影透镜Lp和成像透镜L1与被测物之间的物距也固定，投影透镜Lp和成像透镜L1之间的距离满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。或者，该透镜的偏心量可调或固定，投影透镜Lp和成像透镜L1与被测物之间的物距可调，投影透镜Lp和成像透镜1^之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。当两个透镜均偏心时，所述的投影透镜Lp和成像透镜L1偏心量均固定，投影透镜 Lp和成像透镜L1与被测物之间的物距也固定，投影透镜Lp和成像透镜L1之间的距离满足 投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。或者，所述的投影透镜Lp和成像透镜L1至少有一透镜偏心量可调或固定，投影透镜Lp和成像透镜L1与被测物之间的物距可调，投影透镜Lp和成像透镜L1之间的距离可调， 满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。实施例一如图3所示，本实施例仅仅为投影透镜偏心，所述的投影机为明基LED投影机GPl， 投影机投影透镜Lp焦长为17. 7mm，投影机靶面为0. 48英寸的DMD靶，投影透镜Lp偏心量bP为33%。当投影机工作距D为600mm时，视场为对角线长360mm，此时投影机投影视场的光学中心距离光轴Op之间的距离~为115mm。在距离投影机光轴Op —定距离处，安装一 CXD 摄像机，其靶面2/3英寸，镜头焦长为16mm，使CCD摄像机光路光轴O1与投影机光路光轴Op 的距离B为115mm。此时投影视场光学中心与摄像机的成像光学中心在物距位置即参考平面R位置重合(参阅图中的重合点C)，投影视场与成像视场在参考平面R位置完全重叠，为重叠市场V，测量精度为0. 1mm。实施例二如图4所示，本实施例所述的投影透镜Lp和成像透镜L1均偏心，投影机为明基LED 投影机GPl，投影透镜Lp焦长为17. 7mm,投影机靶面为0. 48英寸的DMD靴，投影透镜Lp偏心量bP为33 %。当投影机工作距D为600mm时，视场为对角线长360mm，此时投影机投影视场的光学中心距离光轴Op之间的距离~为115mm。在距离投影机光轴Op—定距离处，安装一 CCD摄像机，其靶面2/3英寸，镜头焦长为16mm，该摄像机成像透镜L1偏心量Idi为33%， 摄像机成像视场的光学中心距离摄像机光轴O1之间的距离&为115mm。使CXD摄像机光路光轴O1与投影机光路光轴Op的距离为230mm，即B为~与&之和。此时投影视场光学中心与摄像机的成像光学中心在物距位置即参考平面R位置重合(参阅图中的重合点C)， 投影视场与成像视场在参考平面R位置完全重叠，为重叠市场V，测量精度为0. 05mm。本实施例结构光三维形貌测量装置利用投影透镜和成像透镜的偏心成像原理，将投影透镜的光学中心偏移至bp，将成像透镜的光学中心偏移至bp将投影机视场与摄像机视场的光学中心分别平移至~、&。平移投影机与摄像机使投影机光学中心与摄像机光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场重叠，从而使投影机光轴与摄像机光轴的距离增大为B，B为4与&之和。该光路保持了平行光测量无阴影的优点，加大了投影机光轴与摄像机光轴的距离，提高了视场有效利用率，进而提高了测量精度。上述实施例仅仅是对本实用新型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种结构光三维形貌测量装置，包括投影机和摄像机，投影机和摄像机设于支架上， 其特征在于所述投影机的投影光路和摄像机的成像光路平行，且投影机的投影透镜和摄像机的成像透镜其中至少有一透镜偏心。
2.根据权利要求1所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述投影机的投影透镜或摄像机的成像透镜偏心。
3.根据权利要求1所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述投影机的投影透镜和摄像机的成像透镜均偏心。
4.根据权利要求2所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影透镜或成像透镜偏心量固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距也固定，投影透镜和成像透镜之间的距离满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。
5.根据权利要求3所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影透镜和成像透镜偏心量均固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距也固定，投影透镜和成像透镜之间的距离满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。
6.根据权利要求2所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影透镜或成像透镜偏心量固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调，投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。
7.根据权利要求3所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影透镜和成像透镜至少有一透镜偏心量固定，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调， 投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。
8.根据权利要求2所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影透镜或成像透镜偏心量可调，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调，投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。
9.根据权利要求3所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影透镜和成像透镜至少有一透镜偏心量可调，投影透镜和成像透镜与被测物之间的物距可调， 投影透镜和成像透镜之间的距离可调，满足投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置完全重叠。
10.根据权利要求1所述的一种结构光三维形貌测量装置，其特征在于所述的投影机和摄像机在支架上滑动调节以固定投影机和摄像机之间的距离。
专利摘要本实用新型公开了一种结构光三维形貌测量装置，包括投影机和摄像机，投影机和摄像机设于支架上，投影机和摄像机之间距离可调，所述投影机的投影光路和摄像机的成像光路平行，且投影机的投影透镜和摄像机的成像透镜其中至少有一透镜偏心。该测量装置利用投影镜头和/或成像镜头的偏心成像原理，使投影视场光学中心与成像视场光学中心在物距位置重合、投影视场与成像视场在物距位置重叠，加大了投影机光轴与摄像机光轴的距离，从而形成无阴影的高精度测量区域。本实用新型提高了视场有效利用率，进而提高了测量精度。
文档编号G01B11/25GK201974160SQ20112001918
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月20日 优先权日2011年1月20日
发明者万小新, 刘威, 刘浪, 庞淑屏, 战玉臣 申请人:沈阳同联集团高新技术有限公司