一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭。它包括相機(jī)、反射鏡、激光器、外45°反射鏡、內(nèi)45°反射鏡、聚焦透鏡和接收透鏡。所述相機(jī)、反射鏡、激光器、外45°反射鏡、內(nèi)45°反射鏡、聚焦透鏡和接收透鏡的相對安裝位置，使得所述激光器發(fā)出的激光通過外45°反射鏡、內(nèi)45°反射鏡反射，并經(jīng)過聚焦透鏡聚焦被測物體表面，被測物體表面發(fā)生漫反射，接收透鏡接收部分漫反射光線，并通過反射鏡成像在相機(jī)上。本發(fā)明將加工復(fù)雜的光學(xué)零件轉(zhuǎn)化為加工簡單的機(jī)械零件，因此價格低廉。測量結(jié)構(gòu)簡單，測頭體積較小，使用可靠性高。又具有旋轉(zhuǎn)對稱三角法的特點，即對待測表面要求低，分辨率高，測量速度快、精度高。
【專利說明】一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，可用于復(fù)雜物體的測量。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著測量需求的不斷提高，開發(fā)更快速更精確的測量系統(tǒng)迫在眉睫；另一方面，隨著測量環(huán)境的不斷改變，傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)無法有效的滿足測量要求，因此開發(fā)新的測量系統(tǒng)成為必須。
[0003]在非接觸式的測量方法中，傳統(tǒng)的激光三角法具有良好的特性，因此它被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)三角測量方法的最大缺陷在于當(dāng)工件表面傾斜或者表面不連續(xù)，如孔、臺階等，在測量時會造成困難。輕則造成信噪比降低，測量精度下降，或者是需要額外的機(jī)械自由度來保證測頭與工件表面的角度；重則因為反射光束被遮擋，引起傳感器失效，嚴(yán)重影響三維信息的獲取效果，如當(dāng)激光掃描到溝槽中時，由于散射光線被物體本身所遮擋，使得接收器無法檢測到信號，導(dǎo)致傳感器在某些位置上無法工作。
[0004]針對傳統(tǒng)三角法的缺陷，國內(nèi)學(xué)者提出了新的測量方法，發(fā)表的文獻(xiàn)有《激光與紅夕卜》的《基于圖像處理的激光雙三角法測量的三維曲面》。該方法主要采用聲光調(diào)制器(AOD)發(fā)出的衍射光從兩個方向?qū)ξ矬w進(jìn)行掃描，以及使用單光源，雙檢測器，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。其方法作為一個較成熟的方案在一定程度上緩解三角法的方向依懶的問題，但無法徹底解決該問題。
[0005]離軸旋轉(zhuǎn)對稱的光學(xué)系統(tǒng)是解決傳統(tǒng)三角法缺陷的理想方案。相比國外的旋轉(zhuǎn)對稱三角法測量，目前市場上有款來自Wolf&Beck公司研發(fā)的基于折射原理OTM系列傳感器，其基本原理是采用大面積的旋轉(zhuǎn)對稱PSD作為信號檢測設(shè)備，并且為了使光線通過光學(xué)系統(tǒng)后能夠清晰成像，產(chǎn)生折射的透鏡將被設(shè)計成具有特定的球面偏差。由此，該傳感器具有兩個主要的問題:1、采用了大面積專門的環(huán)形檢測器以及特殊的光學(xué)器件；2、透鏡的要求使得透鏡的設(shè)計無法采用通用的光學(xué)設(shè)計。這兩個問題都導(dǎo)致該系統(tǒng)是一個非常昂貴的系統(tǒng)。
[0006]以色列Nextech公司B.Weiss也提出類似的折射式光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩組環(huán)形成像透鏡將物點成像成一個圓環(huán)，然后由一個圓錐面反射鏡折返光路，將該圓環(huán)成像于旋轉(zhuǎn)對稱軸附近的檢測器上。但是由于高精度的環(huán)狀光學(xué)鏡片加工十分困難，所以價格非常曰蟲印貝ο
[0007]以上幾種測量方法，要么無法徹底解決傳統(tǒng)三角法的缺陷，要么價格非常昂貴。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)三角法的缺陷，并降低加工成本，而提供一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭。
[0009]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0010]一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，包括相機(jī)、反射鏡、激光器、外45°反射鏡、內(nèi)45°反射鏡、聚焦透鏡和接收透鏡，其特征在于所述相機(jī)、反射鏡、激光器、外45°反射鏡、內(nèi)45°反射鏡、聚焦透鏡和接收透鏡使得所述激光器發(fā)出的激光通過外45°反射鏡、內(nèi)45°反射鏡反射，并經(jīng)過聚焦透鏡聚焦被測物體表面，被測物體表面發(fā)生漫反射，接收透鏡接收部分漫反射光線，并通過反射鏡成像在相機(jī)上。
[0011]所述的光學(xué)測頭，其特征在于激光束經(jīng)過被測物體表面發(fā)生的漫反射光線，共被η條光路所接收，η條光路的光軸交于一點，每條光路皆由接收透鏡與反射鏡組成。
[0012]所述的接收透鏡和反射鏡各有η個，構(gòu)成η條光路接收和被測物體表面發(fā)生漫反射，η條光路的光軸分別與激光投射軸成20°角，且繞該投射軸在空間中軸對稱均勻分布η個，構(gòu)成離散式旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。
[0013]所述的光學(xué)測頭，其特征在于η=5，圍繞激光投射軸，在空間中軸對稱均勻分布5條光路。
[0014]所述的光學(xué)測頭，其特征在于激光光束經(jīng)過該離散式旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，成像在相機(jī)(26)上，且有兩種成像結(jié)果，一種是成像聚焦于一點，一種是成像為五邊形的五個頂點。
[0015]所述的光學(xué)測頭，，其特征在于有一個反射鏡支架，其上有5個均勻分布槽，用來放置5塊反射鏡，并分別通過5個反射鏡壓板壓緊；反射鏡支架上部開有5個螺紋孔，通過螺釘連接外部設(shè)備。
[0016]所述的光學(xué)測頭，其特征在于有一個接受透鏡支架，其上有5個均勻分布的槽，用來放置5塊接受透鏡，并分別通過接收透鏡擋圈壓緊。
[0017]所述的光學(xué)測頭，其特征在于所述相機(jī)可進(jìn)行上下移動，調(diào)節(jié)成像面位置，達(dá)到清晰成像。
[0018]所述的光學(xué)測頭，其特征在于所述聚焦透鏡可進(jìn)行上下移動，提高激光光束在物體表面的成像質(zhì)量。
[0019]所述的光學(xué)測頭，其特征在于所述相機(jī)是CMOS相機(jī)，或者是CCD相機(jī)，或者是PSD位置探測器。
[0020]本發(fā)明對比已有技術(shù)有益效果體現(xiàn)在:
1.可隨時調(diào)節(jié)CMOS與聚焦透鏡，獲取更加清晰的像。
[0021]2.將加工復(fù)雜的光學(xué)鏡頭轉(zhuǎn)化為加工簡單的機(jī)械零件，使用的透鏡與反射鏡是現(xiàn)成的，無需加工，因此價格低廉。
[0022]3.測量結(jié)構(gòu)簡單，測頭體積較小，使用可靠性高。
[0023]4.采用同軸光路，對被測表面的遮擋要求低，能測量高反射、大傾斜角的表面。
[0024]5.測量速度快，精度高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明的光學(xué)示意圖圖2為圖1的剖面結(jié)構(gòu)圖
圖3為本發(fā)明反射鏡支架結(jié)構(gòu)圖圖4為本發(fā)明接收透鏡支架結(jié)構(gòu)圖圖5為本發(fā)明一條光路的光學(xué)系統(tǒng)圖圖6為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)圖
圖7 (a)為本發(fā)明在Om處CMOS所成的像；圖7 (b)為本發(fā)明在Om處光斑灰度圖圖8 (a)為本發(fā)明在-3mm處CMOS所成的像；圖8 (b)為本發(fā)明在_3mm處光斑灰度圖其中:1.激光器支架、2.激光器支架固定螺釘、3.激光器、4.激光器固定螺釘、5.外45°反射鏡固定螺釘、6.外45°反射鏡固定壓板、7.外45°反射鏡、8.外45°反射鏡支架、9.外45°反射鏡支架固定螺釘、10.接收透鏡支架、11.內(nèi)45°反射鏡支架、12.內(nèi)45°反射鏡、13.聚焦透鏡支架、14.聚焦透鏡、15.聚焦透鏡擋圈、16.內(nèi)45°反射鏡固定壓板、17.內(nèi)45°反射鏡固定螺釘、18.內(nèi)45°反射鏡支架固定螺釘、19.接收透鏡擋圈、20.接收透鏡、21.支撐桿、22.反射鏡、23.反射鏡壓板、24.相機(jī)固定支架、25.相機(jī)固定螺釘、26.相機(jī)、27.反射鏡支架。

【具體實施方式】
[0026]本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下:
實施例一:
參見圖1-圖6，基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，包括相機(jī)(26)、反射鏡(22)、激光器(3)、外45°反射鏡(7)、內(nèi)45°反射鏡(12)、聚焦透鏡(14)和接收透鏡(20)，其特征在于所述相機(jī)(26)反射鏡(22)、激光器(3)、外45°反射鏡(7)、內(nèi)45°反射鏡(12)、聚焦透鏡(14)和接收透鏡(20)的相對安裝位置，使得所述激光器(3)發(fā)出的激光通過外45°反射鏡(7)、內(nèi)45°反射鏡(12)反射，并經(jīng)過聚焦透鏡(14)聚焦被測物體表面，被測物體表面發(fā)生漫反射，接收透鏡(20 )接收部分漫反射光線，并通過反射鏡(22 )成像在相機(jī)(26 )上。
[0027]實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下:所述接收透鏡(20)和反射鏡(22)各有5個，構(gòu)成5條光路接收被測物體表面發(fā)生的漫反射光線，所述激光器(3)產(chǎn)生的激光束經(jīng)過被測物體表面發(fā)生的漫反射光線，被該5條光路所接收，5條光路的光軸交于一點，每條光路皆各由一個接收透鏡(20)與一個反射鏡(22)組成。η條光路的光軸分別與激光投射軸成20°角，且繞該投射軸在空間中軸對稱均勻分布η個，構(gòu)成離散式旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。激光光束經(jīng)過該離散式旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，成像在相機(jī)(26)上，且有兩種成像結(jié)果，一種是成像聚焦于一點，一種是成像為五邊形的頂點。
[0028]反射鏡支架(27)，其上有5個均勻分布槽，用來放置5塊反射鏡(22)，并分別通過5塊反射鏡壓板(23)壓緊；所述反射鏡支架(27)上部開有5個螺紋孔，通過螺釘連接外部設(shè)備。接受透鏡支架(10)，其上有5個均勻分布的槽，用來放置5塊接受透鏡(20)，并分別通過5塊接收透鏡擋圈(19)壓緊。所述相機(jī)(26)可進(jìn)行上下移動，調(diào)節(jié)成像面位置，達(dá)到清晰成像。聚焦透鏡(14)可進(jìn)行上下移動，調(diào)節(jié)激光光束在物體表面的光斑大小，獲得最小光斑尺寸。相機(jī)(26)是CMOS相機(jī)，或者是CXD相機(jī)，或者是PSD位置探測器。
[0029]實施例三:
在圖1、圖2實施例中，相機(jī)(26)通過固定螺釘(25)與固定支架(24)相連接，并與反射鏡支架(27)螺紋連接，可進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。激光器固定螺釘(4)使激光器(3)固定在激光器支架(I)上，激光器支架固定螺釘(2)使激光器支架(I)固定在反射鏡支架(27)上。外45°反射鏡(7)裝在外45°反射鏡支架(8)中，通過外45°反射鏡固定壓板(6)壓緊。外45°反射鏡支架固定螺釘(9)固定外45°反射鏡支架(8)于接收透鏡支架(10)上。內(nèi)45°反射鏡(12)裝在內(nèi)45°反射鏡支架(11)中，通過內(nèi)45°反射鏡固定壓板(16)壓緊。內(nèi)45°反射鏡支架固定螺釘(18)固定內(nèi)45°反射鏡支架(11)于接收透鏡支架(10)上。接收透鏡支架(10 )和反射鏡支架(27 )之間通過支撐桿(21)連接。
[0030]在圖3實施例中，5塊反射鏡(22)分別裝在反射鏡支架(27)的5個槽內(nèi)，并通過反射鏡壓板(23)螺紋接連壓緊。反射鏡支架(27)表面有5個分布均勻的螺紋孔，可連接外部設(shè)備。
[0031]在圖4實施例中，5塊接收透鏡(20)分別裝在接收透鏡支架(10)的5個槽內(nèi)，并通過接收透鏡擋圈(19)從下往上旋緊，壓緊接收透鏡。聚焦透鏡(14)裝在聚焦透鏡支架
(13)上，通過聚焦透鏡擋圈(15)擰緊，聚焦透鏡支架(13)與接收透鏡支架(10)螺紋連接，可進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。
[0032]在圖5、圖6實施例中，650nm的激光器(3)發(fā)出的激光束通過外45°反射鏡(7)，內(nèi)45°反射鏡(12)，經(jīng)過聚焦透鏡(14)聚焦與被測表面，被測表面發(fā)生漫反射，光線被5條光路接收，并通過反射鏡(7)成像于相機(jī)(26)上。
[0033]在圖7 (a)、圖7 (b)實施例中,相機(jī)(26)成像一個點像,表示本發(fā)明的測量零點，標(biāo)定時的參考點。在圖8 (a)、圖8 (b)實施例中，向下移動被測物體3mm，相機(jī)(26)成像5個均勻分布的光點。被測物體表面深度的變化，使得相機(jī)(26)上光點位置變化，從而可獲得被測物體表面的深度信息。
[0034]本發(fā)明采用IDS的相機(jī)，分辨率為1280X1024，像素大小5.3μπι;激光器為650nm,功率5mw,發(fā)散角Imrad ;使用的透鏡，反射鏡均采購于Edmund。
【權(quán)利要求】
1.一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，包括相機(jī)(26)、反射鏡(22)、激光器(3)、外45°反射鏡(7)、內(nèi)45°反射鏡(12)、聚焦透鏡(14)和接收透鏡(20)，其特征在于所述相機(jī)(26)反射鏡(22)、激光器(3)、外45°反射鏡(7)、內(nèi)45°反射鏡(12)、聚焦透鏡(14)和接收透鏡(20)的相對安裝位置，使得所述激光器(3)發(fā)出的激光通過外45°反射鏡(7)、內(nèi)45°反射鏡(12)反射，并經(jīng)過聚焦透鏡(14)聚焦在被測物體表面，被測物體表面發(fā)生漫反射，接收透鏡(20 )接收部分漫反射光線，并通過反射鏡(22 )成像在相機(jī)(26 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于所述接收透鏡(20)和反射鏡(22)各有η個，構(gòu)成η條光路接收被測物體表面發(fā)生的漫反射光線，所述激光器(3)產(chǎn)生的激光束經(jīng)過被測物體表面發(fā)生的漫反射光線，被該η條光路接收，η條光路的光軸交于一點，每條光路皆各由一個接收透鏡(20)與一個反射鏡(22)組成，其中η為3以上的奇數(shù)個數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭,其特征在于η條光路的光軸分別與激光投射軸成20°角，且繞該投射軸在空間中軸對稱均勻分布η個，構(gòu)成離散式旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于所述η=5,圍繞激光投射軸，在空間中軸對稱均勻分布5條光路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于激光光束經(jīng)過該離散式旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)，成像在相機(jī)(26)上，有兩種成像結(jié)果，一種是成像聚焦于一點，一種是成像為五邊形的五個頂點。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于有一個反射鏡支架(27)，其上有5個均勻分布槽，用來放置5塊反射鏡(22)，并分別通過5塊反射鏡壓板(23)壓緊；所述反射鏡支架(27)上部開有5個螺紋孔，通過螺釘連接外部設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭,其特征在于有一個接受透鏡支架(10)，其上有5個均勻分布的槽，用來放置5塊接受透鏡(20)，并分別通過5塊接收透鏡擋圈(19)壓緊。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于所述相機(jī)(26)可進(jìn)行上下移動，調(diào)節(jié)成像面位置，達(dá)到清晰成像。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于所述聚焦透鏡(14)可進(jìn)行上下移動，調(diào)節(jié)激光光束在物體表面的光斑大小，獲得最小光斑尺寸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于離散式旋轉(zhuǎn)三角法的光學(xué)測頭，其特征在于所述相機(jī)(26)是CMOS相機(jī)，或者是CXD相機(jī)，或者是PSD位置探測器。
【文檔編號】G01B11/00GK104296652SQ201410068299
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】張旭, 張曦, 費凱 申請人:上海大學(xué)