專利名稱：非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)的制作方法
非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高精度的測量設(shè)備，更具體地說是一種非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)。背景技術(shù)：
三維精密測量常用的設(shè)備是使用三坐標測量機，其使用的測量部件是探針，屬于接觸式的部件，該種接觸式的部件對于軟性材料的被測物體無能為力，并且對于被測物體擁有的復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)獲取效率非常低下。為了解決這一難題，市場上也出現(xiàn)了非接觸式的測量設(shè)備，如三維激光掃描儀，但是該設(shè)備所測量的數(shù)據(jù)精度不高，并且該設(shè)備對被測物體的邊界也顯得無能為力。如果使用三坐標測量機或者三維激光掃描儀來獲取物體輪廓，再利用測量邊界的設(shè)備(如影像式測量儀)來測量物體的邊界，由于多次測量的儀器并不是一個儀器，則所測物體的三維坐標值難以統(tǒng)一。鑒于以上弊端，實有必要研發(fā)一種新的非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)以克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能實現(xiàn)物體三維數(shù)據(jù)的多種測量，并將多種測量的數(shù)據(jù)高精度的統(tǒng)一在一個坐標系統(tǒng)中的非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)， 其包括點激光器、雙面反射鏡、數(shù)字相機、目鏡及反射鏡，其中，所述數(shù)字相機和目鏡自上向下平行安裝，其二者的安裝中心線大致重合，所述點激光器發(fā)出的光線經(jīng)雙面反射鏡的第一表面反射至被測物體，被測物體發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡反射至雙面反射鏡的第二表面后通過目鏡進入數(shù)字相機。優(yōu)先的是，所述非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)設(shè)有切換裝置和柱面透鏡，。優(yōu)先的是，所述非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)還設(shè)有切換裝置和高倍率物鏡，所述切換裝置可使得點激光器、柱面透鏡、雙面反射鏡及反射鏡不參與測量。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1.結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；2.在同一個坐標系統(tǒng)中測量，多種測量方式所得數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一在一個坐標系中， 測量速度快捷；3.測量所得的數(shù)據(jù)精度高。
圖1是非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是本發(fā)明處于點激光精密測量的原理示意圖；圖3是本發(fā)明處于點激光精密測量的光路等效圖4是本發(fā)明采用的三角法測量原理圖；圖5是本發(fā)明處于線激光高速掃描的原理示意圖；圖6是本發(fā)明處于線激光高速掃描的光路等效圖；圖7是本發(fā)明處于影像測量的原理示意圖。
具體實施方式下面通過具體實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的具體說明。請參考圖1所示，圖1為非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理示意圖。非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)100，其包括高倍率物鏡10、點激光器20、柱面凹透鏡30、雙面反射鏡 40、數(shù)字相機50、目鏡60、反射鏡70以及一套切換裝置(未圖示)，其中點激光器20產(chǎn)生的點激光經(jīng)過雙面反射鏡40之后所反射的方向和目鏡60的光軸線重合。該切換裝置根據(jù)工作需求，切換其中的組件，從而達到不同的工作狀態(tài)。下述是所描述的三種工作狀態(tài)。請參考圖2所示，圖2是該系統(tǒng)處于點激光高精密測量工作狀態(tài)。點激光精密測量與探針測量的操作類似，需要說明的是，探針頭部一般為球型，為了準確測量物體的三維數(shù)據(jù)值，需要正對著物體的被測表面，而點激光無此現(xiàn)象，可以不正對著物體的測量表面； 但是為了使用探針式測量的程序以及操作的習慣性，一般正對著物體的被測量表面。該種工作狀態(tài)的光路如圖2所示，點激光器20發(fā)出的點狀激光，到達雙面反射鏡40反射后正對著被測物體90，然后經(jīng)過反射鏡70到達雙面反射鏡40的另一面，最后經(jīng)過目鏡30到達數(shù)字相機50。此時切換裝置將移開柱面凹透鏡30和高倍率物鏡10，該圖2中帶箭頭的線代表點激光的飛行路線。而數(shù)字相機50和目鏡60，則通過一組雙面反射鏡40和反射鏡70， 鏡像到圖中的第二數(shù)字相機50’和第二目鏡60’的位置，其等效光路圖為圖3所示。通過三角法測量原理，便可以精確測量物體的三維數(shù)據(jù)。三角法測量的原理如圖 4所示尺寸L為激光照射到被測物體90表面的距離，此時的激光剛好被反射在數(shù)字相機 50的靶面的中心。a為激光與第二目鏡60’光軸線的夾角，即設(shè)計安裝的角度。當被測物體90處于位置L’時，則計算過程如下激光在數(shù)字相機50中的成像偏移的靶面中心dX，圖中dX，與dX是成正比的，設(shè)K =dX，/dX,即 K 為放大比例。則 L，= L+dX，/sin (a) = L+K*dX/sin (a)。圖5是該系統(tǒng)處于線激光高速掃描測量的工作狀態(tài)，即三維激光掃描工作狀態(tài)。 其工作的光路如圖5所示。點激光器20發(fā)出的點狀激光，經(jīng)過柱面凹透鏡30變成線激光， 然后到達雙面反射鏡40，被反射后照射到被測物體90，然后經(jīng)過反射鏡70到達雙面反射鏡 40的另一面，最后經(jīng)過目鏡60到達數(shù)字相機50。此時切換裝置將移開高倍率物鏡10。該圖5中帶箭頭的線代表激光的飛行路線。與圖2相似的是，數(shù)字相機50和目鏡60，通過一組雙面反射鏡40和反射鏡70，鏡像到圖5中的第三數(shù)字相機51，和第三目鏡61，的位置， 其等效光路圖為圖6。該狀態(tài)同樣利用了三角測量法的原理，不同的是，點激光通過柱面凹透鏡30后，變成了光刀，在物體上形成了一道激光線，從而達到高速掃描被測物體的三維曲面的目的，相對于傳統(tǒng)的探針式掃描，極大的提高了效率，并且不存在劃傷物體表面的現(xiàn)象。圖7是該系統(tǒng)處于影像式高精密測量工作狀態(tài)。影像測量是根據(jù)鏡頭的放大比例，通過人工或計算機來識別物體的邊界輪廓，來達到測量的目的。此時切換裝置將移開雙面反射鏡40，同時激光器20關(guān)閉。其工作的光路如圖7所示被測物體的邊界輪廓，通過高倍率物鏡10，到達目鏡60，最后到達數(shù)字相機50。然而影像式測量只能獲取物體的平面外形，對于高度信息，則需要通過自動聚焦來獲得。自動聚焦的原理為當物體處于焦距位置時，其成像最清晰，這時候，相鄰像素的差值之和最大。為了讓坐標系統(tǒng)一起來，我們必須使用同一個標定器來確定不同狀態(tài)下的內(nèi)部參數(shù)值?？梢圆捎萌缦滤龅倪^程設(shè)標定平面垂直于Z軸，點激光垂直照射到標定平面。由于在上述工作狀態(tài)中，點激光經(jīng)過雙面反射鏡40后，與鏡頭的光軸線重合，則上述工作狀態(tài)中的XY坐標是統(tǒng)一的，其偏差在于二者之間的重合度，實際應(yīng)用中，可以通過微調(diào)裝置， 達到很高的重合精度。那么我們需要校正的是Z軸方向上的坐標統(tǒng)一，即點激光測量狀態(tài) (或線激光掃描狀態(tài))時圖4中的L與影像測量時的焦距之間的距離。首先，將系統(tǒng)切換到點激光測量狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)與校正塊之間的距離，使得點激光成像在數(shù)字相機的靶面的中心。記下坐標值。然后切換到影像測量狀態(tài)，調(diào)整系統(tǒng)與校正塊之間的距離，在校正塊上的點陣成像比較清晰時，再根據(jù)自動聚焦原理，由程序來自動聚焦，以達到最佳的聚焦位置， 記下坐標值；則二者之間的坐標差，即為補償量。以點激光測量狀態(tài)下為基準，影像測量時， 其高度信息要加上這個補償量，就可以統(tǒng)一 Z軸的坐標。本發(fā)明非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)在上述不同的工作狀態(tài)，由于處于同一個測量機上，無需多次裝夾被測物體的情況，不存在多次裝夾定位等誤差；同時由于多種測量手段有機的結(jié)合在一起，形成了一個整體，可以使用同一個標定器，來標定該系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)的內(nèi)部參數(shù)。綜上所述，各狀態(tài)下測量的數(shù)據(jù)就可以高度統(tǒng)一在一個坐標系中。經(jīng)過多次實驗證明，可達微米級的精度；由于被測物體無需多次裝夾，并且高速掃描與高精度測量均根據(jù)需要進行選擇，極大的提高了工作效率。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)，其包括點激光器、雙面反射鏡、數(shù)字相機、目鏡及反射鏡，其特征在于所述數(shù)字相機和目鏡自上向下平行安裝，其二者的安裝中心線大致重合，所述點激光器發(fā)出的光線經(jīng)雙面反射鏡的第一表面反射至被測物體，被測物體發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡反射至雙面反射鏡的第二表面后通過目鏡進入數(shù)字相機。
2.如權(quán)利要求1所述的非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)，其特征在于所述非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)設(shè)有切換裝置和柱面透鏡。
3.如權(quán)利要求1所述的非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)，其特征在于所述非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)還設(shè)有高倍率物鏡，所述切換裝置可使點激光器、柱面透鏡、雙面反射鏡及反射鏡移開使之不參與測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式復(fù)合掃描測量系統(tǒng)，其包括點激光器、柱面透鏡、雙面反射鏡、數(shù)字相機、目鏡及反射鏡，其中，所述數(shù)字相機和目鏡自上向下平行安裝，其二者的安裝中心線大致重合，所述點激光器發(fā)出的光線經(jīng)雙面反射鏡的第一表面反射至被測物體，被測物體發(fā)出的光線經(jīng)反射鏡反射至雙面反射鏡的第二表面后通過目鏡進入數(shù)字相機。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明型具有如下優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，操作方便快捷，不損傷物體表面；可實現(xiàn)多種非接觸式測量；在同一個坐標系統(tǒng)中測量，測量數(shù)據(jù)精確，多種測量方式所得數(shù)據(jù)可以統(tǒng)一在同一個坐標系中。
文檔編號G01B11/00GK102192705SQ20101011985
公開日2011年9月21日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者劉納平 申請人:劉納平