雙三角光學(xué)測頭的光路系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明與其他的雙三角測頭中的光學(xué)系統(tǒng)相比，對于成像系統(tǒng)，所得到的是放大的實像，實現(xiàn)了理論上的高靈敏度，并且由于成放大的實像使得整個系統(tǒng)的后截距較長，設(shè)計在光路中添加了兩片全反射鏡來改變成像光束的方向，減小測頭外形尺寸。
【專利說明】雙三角光學(xué)測頭的光路系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于工業(yè)測量領(lǐng)域的雙三角光學(xué)測頭的光路系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)測量領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展以及對測量精度和測量速度的不斷提高，傳統(tǒng)的接觸式測量已經(jīng)無法滿足工業(yè)界的需求。光學(xué)三角法作為一種非接觸測量法，具有良好的精確性和實時性，測量距離大，結(jié)構(gòu)簡單，測量采樣點小，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高并可用于實時在線快速測量等特點，已經(jīng)成為測量領(lǐng)域的熱點，已經(jīng)在工業(yè)測量中的長度、距離以及三維形貌等檢測中有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]參見圖1，光學(xué)三角測量法的工作原理是這樣的:由測頭光源I發(fā)出的光束通過照明光束系統(tǒng)2照射在待測物體表面3上，通過漫反射或者散射，該光束通過成像光學(xué)系統(tǒng)4在檢測器5上成像，當(dāng)移動物體，使得光束在物體表面的位置發(fā)生改變時，其所成的像在檢測器5上也發(fā)生相應(yīng)的位移，再通過標(biāo)定得到像移和對應(yīng)物體實際位移之間的非線性關(guān)系，這樣就可以在知道像移后計算出實際的位移。
[0004]測量范圍、測量精度、測量分辨率是光學(xué)三角測頭的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對這些技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生直接影響的因素包括:一個是物體表面上的聚焦光點的大小、形狀以及亮度均勻性，投射光點應(yīng)該是小而圓并且亮度均勻；另一個是光敏器件接收到的光斑質(zhì)量和光斑位置，光斑質(zhì)量決定著光點像移的計算，進(jìn)而影響測量精度，光斑位置決定著系統(tǒng)的測量范圍和分辨率。所以對于光束聚焦光路設(shè)計和成像光路設(shè)計等內(nèi)容顯得尤其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種雙三角光學(xué)測頭的光路系統(tǒng)，包括:在待測物體表面上方垂直布置的光源和光束準(zhǔn)直和聚焦透鏡組，以及在待測物體表面上方呈左右對稱布置的兩個成像透鏡組、兩個第一全反射鏡片和兩個第二全反射鏡片和大致垂直布置的兩個線陣CCD，系統(tǒng)工作過程中，光源發(fā)出白光，垂直向下通過光束準(zhǔn)直和聚焦透鏡組后，垂直投射到待測物體表面上，通過漫反射或者散射，光束反射回到測頭，分別從左右兩側(cè)，通過各自的成像透鏡組成為放大的像，像光在各自的反射鏡上全反射后并在各自的線陣CCD上成像，然后以其中一個線陣CCD獲得的信號為基準(zhǔn)，用另一個線陣CCD獲得的信號做校正，其中，第一片全反射鏡位于各自對應(yīng)的成像透鏡組的出射端附近，將成像透鏡組所成的放大的像光全反射到第二片全反射鏡上，并再次全反射到位于各自對應(yīng)的成像透鏡組附近的線陣CCD上，并且接收圖像信號的線陣C⑶布置在成像透鏡組和光源的物理輪廓范圍內(nèi)。
[0006]優(yōu)選的，像光經(jīng)過對應(yīng)的第一和第二全反射鏡片被折轉(zhuǎn)超過180°，并且從垂直方向向外傾斜的角度小于等于20°，使得線陣CXD布置在光源周圍，成像透鏡組的物理輪廓范圍內(nèi)。
[0007]優(yōu)選的，所述聚焦光路系統(tǒng)在距離為聚焦透鏡組80mm位置的聚焦平面得到直徑大約10微米的微小光點。[0008]優(yōu)選的，所述成像光路系統(tǒng)成放大至少3倍的像。
[0009]本發(fā)明還提供一種雙三角光學(xué)測頭的成像方法，包括:系統(tǒng)工作過程中，在待測物體表面上方垂直布置的光源發(fā)出光，通過光束準(zhǔn)直和聚焦透鏡組后，垂直投射到待測物體表面上，通過待測物體表面的漫反射或者散射作用，光束反射回到測頭，分別從左右兩側(cè)，通過在待測物體表面上方呈左右對稱布置的兩個成像透鏡組中對應(yīng)的成像透鏡組后，在各自的全反射鏡片組上發(fā)生全反射，在左右對稱布置的兩個線陣CCD中對應(yīng)的線陣CCD上成像，然后以其中一個線陣CCD獲得的信號為基準(zhǔn)得到測量數(shù)值，用另一個線陣CCD獲得的信號做校正，其中，第一片全反射鏡位于各自對應(yīng)的成像透鏡組的出射端附近，將成像透鏡組所成的放大的像光全反射到第二片全反射鏡上，并再次全反射到位于各自對應(yīng)的成像透鏡組附近的線陣CXD上，并且接收圖像信號的線陣CXD布置在成像透鏡組和光源的物理輪廓范圍內(nèi)。
[0010]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0012]圖1是二角測量法的原理不意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明的光路系統(tǒng)中的聚焦光路系統(tǒng)。
[0014]圖3是本發(fā)明的光路系統(tǒng)中的成像光路系統(tǒng)。
[0015]圖4是光學(xué)雙三角測頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。
[0016]圖5 (a)-5(b)是傾斜角度分別為30°和-30°時的雙三角光學(xué)測頭的誤差補(bǔ)償原理圖。
【具體實施方式】
[0017]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0018]通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0019]針對本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實際制作中應(yīng)包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0020]以下參考附圖，分別介紹根據(jù)本發(fā)明一實施例的光學(xué)三角位移測頭的白光光源聚焦光路和成像光路系統(tǒng)。
[0021]本發(fā)明中的設(shè)計內(nèi)容都是針對白光三角測頭展開的，但該光路系統(tǒng)同樣可以適用于采用激光三角測頭的測量系統(tǒng)。
[0022]簡要介紹本發(fā)明中的光學(xué)三角測頭結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化方法:
[0023](I)光學(xué)三角測頭數(shù)學(xué)測量模型。
【權(quán)利要求】
1.一種雙三角光學(xué)測頭的光路系統(tǒng)，包括: 在待測物體表面上方垂直布置的光源以及光束準(zhǔn)直和聚焦透鏡組，以及 在待測物體表面上方呈左右對稱布置的兩個成像透鏡組、兩個第一全反射鏡片和兩個第二全反射鏡片和大致垂直布置的兩個線陣CCD， 系統(tǒng)工作過程中，光源發(fā)出白光，垂直向下通過光束準(zhǔn)直和聚焦透鏡組后，近似垂直投射到待測物體表面上，通過漫反射或者散射，光束反射回到測頭，分別從左右兩側(cè)，通過各自的成像透鏡組成放大的像，像光在各自的反射鏡上全反射后并在各自的線陣CCD上成像，然后以其中一個線陣CCD獲得的信號為基準(zhǔn)，用另一個線陣CCD獲得的信號做校正， 其中，第一片全反射鏡位于各自對應(yīng)的成像透鏡組的出射端附近，將成像透鏡組所成的放大的像光全反射到第二片全反射鏡上，所述第二片全反射鏡上再次將像光全反射到線陣CXD上，其中，所述線陣CXD靠近光源布置在成像透鏡組的物理輪廓范圍內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的光路系統(tǒng)，其中像光經(jīng)過對應(yīng)的第一和第二全反射鏡片被折轉(zhuǎn)超過180°，并且從光源垂直向外傾斜小于等于20°。
3.如權(quán)利要求1所述的光路系統(tǒng)，其中所述聚焦光路系統(tǒng)在距離為聚焦透鏡組80mm位置的聚焦平面得到直徑大約10微米的微小光點。
4.如權(quán)利要求1所述的光路系統(tǒng)，其中所述成像光路系統(tǒng)成放大至少3倍的像。
5.一種雙三角光學(xué)測頭的成像方法，包括: 系統(tǒng)工作過程中，在待測物體表面上方垂直布置的光源發(fā)出光，通過光束準(zhǔn)直和聚焦透鏡組后，垂直投射到待測物體表面上， 通過待測物體表面的漫反射或者散射作用，光束反射回到測頭，分別從左右兩側(cè)，通過在待測物體表面上方呈左右對稱布置的兩個成像透鏡組中對應(yīng)的成像透鏡組后，在各自的全反射鏡片組上發(fā)生全反射，在左右對稱布置的兩個線陣CXD中對應(yīng)的線陣CXD上成像，然后以其中一個線陣CCD獲得的信號為基準(zhǔn)得到測量數(shù)值，用另一個線陣CCD獲得的信號做校正， 其中，第一片全反射鏡位于各自對應(yīng)的成像透鏡組的出射端附近，將成像透鏡組所成的放大的像光全反射到第二片全反射鏡上，所述第二片全反射鏡再次將像光全反射到線陣CXD上，其中，所述線陣CXD靠近光源布置在成像透鏡組的物理輪廓范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的成像方法，其中，像光經(jīng)過對應(yīng)的第一和第二全反射鏡片被折轉(zhuǎn)超過180°，并且從光源垂直向外傾斜小于等于20°。
7.如權(quán)利要求5所述的成像方法，其中所述聚焦光路系統(tǒng)在距離為聚焦透鏡組80mm位置的聚焦平面得到直徑大約10微米的微小光點。
8.如權(quán)利要求5所述的成像方法，其中所述成像光路系統(tǒng)成放大至少3倍的像。
【文檔編號】G01B11/02GK103673884SQ201310731031
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月26日
【發(fā)明者】婁小平, 郭陽寬, 董明利, 牛春暉, 周哲海, 祝連慶, 王君 申請人:北京信息科技大學(xué)