專利名稱：一種基于光纖傳像束的新型微三維形貌測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微三維形貌測量儀器，具體的說是一種基于光纖傳像束的新型微三維形貌測量裝置。
技術(shù)背景隨著微電子工業(yè)的迅猛發(fā)展以及MEMS、MOEMS和光通信等技術(shù)的不斷興起，出現(xiàn)了大量的微米、毫米級器件。因此，微三維測量的市場需求越來越旺盛。但是，目前已有的微三維測量儀器要么是針對厘米以上器件的，如臺灣智泰公司、西安交大及清華大學(xué)推出的微三維測量儀，其測量精度一般都在幾十微米左右；要么是針對微納米級器件的，其測量精度一般能達(dá)到幾個(gè)或幾十納米。所以開發(fā)適合測量毫米量級器件且具有微納米量級精度的儀器已成為眾多研究者的共同目標(biāo)。
常見的三維測量方法主要有結(jié)構(gòu)光法和共焦法。
結(jié)構(gòu)光法的關(guān)鍵是向被測物體投射結(jié)構(gòu)光條紋，該條紋可以是由固定光柵片產(chǎn)生的干涉條紋，也可以通過DLP投影儀投射事先在電腦里編制生成的結(jié)構(gòu)光條紋。被測物體的表面形貌會對所投射的結(jié)構(gòu)光進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制結(jié)果是結(jié)構(gòu)光條紋會依被測物體的表面起伏而發(fā)生扭曲，而這個(gè)扭曲變形中即包涵了物體的高度信息，調(diào)制圖像可以用CCD攝像機(jī)從與投射光軸有一定夾角的方向去拍攝，然后用三角法或相移法即可解算出被測物體上每一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。
共焦法的核心是向被測物體表面投射微小光點(diǎn)，光點(diǎn)可以是單點(diǎn)，也可以由微透鏡陣列產(chǎn)生點(diǎn)陣，還可以通過DLP投影儀投射事先在電腦里編制生成的點(diǎn)陣。微小光點(diǎn)照到被測物體的表面后會發(fā)生反射，通過探測反射光的光強(qiáng)大小即可判斷出被測物體上每一點(diǎn)距探測器的距離，從而實(shí)現(xiàn)了三維形貌的測量。
結(jié)構(gòu)光法測量微三維形貌的儀器中，數(shù)字條紋投影技術(shù)因具有無刻畫誤差、易于調(diào)整、無需運(yùn)動配合、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，相移法因重建精度較高也被經(jīng)常采用。
但是，目前已有的微三維測量系統(tǒng)大多都采用臺架式結(jié)構(gòu)，被測物體必須被放置在特定的工作臺上才能進(jìn)行測量，因此難以對一個(gè)較大物體上的某一局部進(jìn)行測量(如難以對人的牙齒測量)，也難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。這不僅大大限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，同時(shí)也給測量帶來了諸多不便。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是在結(jié)構(gòu)光法測量微三維形貌的儀器和數(shù)字條紋投影技術(shù)基礎(chǔ)上，利用光纖傳像束所具有的自由度大、能彎曲、易實(shí)現(xiàn)長光路等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于光纖傳像束和數(shù)字條紋投影技術(shù)的新型微三維測量系統(tǒng)。突破傳統(tǒng)三維形貌測量儀器的不能移動的缺陷。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種基于光纖傳像束的新型微三維形貌測量裝置，包括有計(jì)算機(jī)(1)，與計(jì)算機(jī)(1)數(shù)據(jù)線連接的DLP投影儀(2)，其特征在于DLP投影儀(2)的投射光出口連接有物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(3)的入射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(4)的入射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(3)出射口之間連接有光纖傳像束(5)，CCD攝像機(jī)(6)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)(1)連接。
上述所述的裝置，其特征在于所述的CCD攝像機(jī)的鏡頭前連接物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(7)的出射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(8)出射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(7)的入射口之間通過光纖傳像束(9)連接；物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(8)與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(4)固定在探頭支架(9)上，二者光軸夾角為45度。
本實(shí)用新型采用面結(jié)構(gòu)光測量原理，首先根據(jù)不同的測量需要，通過電腦編程的方法生成正弦光柵條紋、二元光柵條紋、點(diǎn)光源陣列或同心圓條紋等各種需要的面結(jié)構(gòu)光；然后由DLP投影器將該結(jié)構(gòu)光圖像投射出去。由于從DLP投影出來的圖像范圍較大，通常都在50厘米見方以上。由于光纖傳像束的有效截面直徑卻通常只有幾個(gè)毫米，因此為了將從DLP投射出來的結(jié)構(gòu)光圖像完全耦合到光纖傳像束中去，在DLP投影器與光纖傳像束間加一個(gè)物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組，DLP投影器出來的結(jié)構(gòu)光圖像經(jīng)過物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組，完全成在光纖傳像束的輸入端面上。光纖傳像束會非常清晰的將其輸入端面上的圖像傳輸?shù)捷敵龆嗣嫔?；在光纖傳像束的輸出端連接有另一組物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組，該物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組將輸出端面上的結(jié)構(gòu)光圖像以一定的像距成在被測物體上。
經(jīng)被測物體表面調(diào)制后的結(jié)構(gòu)光圖像由CCD攝像機(jī)采集。
為了方便測量，可以在CCD攝像機(jī)的鏡頭前安裝由二組物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組和光纖傳像束組成的物鏡成像系統(tǒng)，其工作原理是投射到被測物體表面的結(jié)構(gòu)光，扭曲后的光信息由物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組接收，并在光纖傳像束的輸入端面成像，并經(jīng)傳輸?shù)竭_(dá)光纖傳像束的輸出端面，再經(jīng)物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組成像，由CCD攝像機(jī)接收，經(jīng)過圖像采集卡存儲，并通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行圖像信息處理。
和投影儀連接的光纖傳像束輸出端和CCD攝像機(jī)可以集成固定在一起，由于光纖傳像束和CCD攝像機(jī)后端的電纜都可任一彎曲，因而本實(shí)用新型可適應(yīng)被測物體的方位。
以下對光纖傳像束的結(jié)構(gòu)作一簡介普通的光導(dǎo)纖維主要是由具有較大折射率的纖芯和具有相對較小折射率的外包層組成的，當(dāng)滿足入射角大于臨界角的條件時(shí)，光線即可從光纖的一端傳到另外一端。單根光纖只能傳遞一個(gè)點(diǎn)信號，而當(dāng)大量的(一萬至幾十萬)光纖被按正方形或六角形規(guī)則一一對應(yīng)的排列在一起的時(shí)候就構(gòu)成了光纖傳像束，圖像就可以從光纖傳像束的一個(gè)端面完全不變的傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)端面，其中的每一根子光纖就相當(dāng)于CCD攝像機(jī)的一個(gè)象素。
本實(shí)用新型的效果本實(shí)用新型突破了傳統(tǒng)三維形貌測量儀器的限制，利用光纖傳像束所具有的自由度大、能彎曲、易實(shí)現(xiàn)長光路等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于光纖傳像束和數(shù)字條紋投影技術(shù)的新型測量裝置，解決了局部測量、遠(yuǎn)距離測量等一系列問題，方便了現(xiàn)場測量。


圖1本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本實(shí)用新型的另一結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)例1參見圖1。
本實(shí)用新型是一種基于光纖傳像束的新型微三維形貌測量裝置，有計(jì)算機(jī)1，與計(jì)算機(jī)1數(shù)據(jù)線連接的DLP投影儀2；根據(jù)不同的測量需要，通過編程的方法在計(jì)算機(jī)1內(nèi)生成正弦光柵條紋、二元光柵條紋、點(diǎn)光源陣列或同心圓條紋等各種需要的面結(jié)構(gòu)光；計(jì)算機(jī)1通過數(shù)據(jù)線將向DLP投影器2輸出信號，通過DLP投影器將該結(jié)構(gòu)光圖像投射出去。DLP投影儀2的投射光出口連接有物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組3的入射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組3由安裝在鏡筒10內(nèi)的凸透鏡11、12組成，鏡筒10入射口與投影儀2投射光出口之間通過螺紋連接，鏡筒10出射口與光束傳像束5的接頭之間通過螺紋連接。凸透鏡11、12之間距離為二者的焦距之和，其入射口與出射口均在各端透鏡的焦點(diǎn)之外，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組4入射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組3出射口之間連接有光纖傳像束5，CCD攝像機(jī)6通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)1連接。
上述的物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組3、4結(jié)構(gòu)相同，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組和光束傳像束之間的連接結(jié)構(gòu)也相同，但所選用的透鏡的參數(shù)根據(jù)需要有所不同，原理相同。
實(shí)例2參見圖2。
本實(shí)用新型的面結(jié)構(gòu)光出光部分同實(shí)例1所述結(jié)構(gòu)。其不同之處在于在CCD攝像機(jī)增加了圖像信息傳輸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是CCD攝像機(jī)的鏡頭前連接物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組7的出射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組8出射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組7的入射口之間通過光纖傳像束9連接；物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組8與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組4固定在探頭支架10上，二者光軸夾角為45度。物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組7、8結(jié)構(gòu)同物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組3，也由安裝在鏡筒內(nèi)的二組凸透鏡組成，但所選用的凸透鏡的參數(shù)根據(jù)需要有所不同。物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組7、8和光束傳像束9之間接頭、CCD攝像機(jī)的鏡頭之間也是通過螺紋連接。
本實(shí)用新型中物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組構(gòu)成物方像方雙遠(yuǎn)心光路。
權(quán)利要求1.一種基于光纖傳像束的新型微三維形貌測量裝置，包括有計(jì)算機(jī)(1)，與計(jì)算機(jī)(1)數(shù)據(jù)線連接的DLP投影儀(2)，其特征在于DLP投影儀(2)的投射光出口連接有物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(3)的入射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(4)的入射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(3)出射口之間連接有光纖傳像束(5)，CCD攝像機(jī)(6)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)(1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述的CCD攝像機(jī)的鏡頭前連接物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(7)的出射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(8)出射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(7)的入射口之間通過光纖傳像束(9)連接；物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(8)與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(4)固定在探頭支架(9)上，二者光軸夾角為45度。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于光纖傳像束的新型微三維形貌測量裝置，包括有計(jì)算機(jī)(1)，與計(jì)算機(jī)(1)數(shù)據(jù)線連接的DLP投影儀(2)，其特征在于DLP投影儀(2)的投射光出口連接有物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(3)的入射口，物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(4)的入射口與物方像方遠(yuǎn)心成像鏡組(3)出射口之間連接有光纖傳像束(5)，CCD攝像機(jī)(6)通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)(1)連接。本實(shí)用新型突破了傳統(tǒng)三維形貌測量儀器的限制，利用光纖傳像束所具有的自由度大、能彎曲、易實(shí)現(xiàn)長光路等優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于光纖傳像束和數(shù)字條紋投影技術(shù)的新型測量裝置，解決了局部測量、遠(yuǎn)距離測量等一系列問題，方便了現(xiàn)場測量。
文檔編號G01B11/24GK2784875SQ20052007007
公開日2006年5月31日 申請日期2005年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月22日
發(fā)明者范光照, 李瑞君 申請人:范光照, 李瑞君