專利名稱：一種無參考平面的測量三維形狀的光學(xué)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬領(lǐng)域為光學(xué)計量技術(shù)。
測量物體表面三維形狀的光學(xué)方法及裝置，目前國際上有兩大類，一類是采用影子云紋法，第二類是采用和本發(fā)明相似的投射條紋法。影子云紋法有關(guān)文獻(xiàn)登在1984年應(yīng)用光學(xué)雜志第10期及1989年光學(xué)工程第11期上。由于該方法需要在被測表面前方放置一光柵，給使用帶來不便，且云紋技術(shù)測量形狀尺寸精度不高。第二種方法即已有技術(shù)的投射條紋法，它需要一個實際參考平面，測量時把被測物體放在參考面上，用以比較物體和參考平面的條紋級數(shù)位置差，獲得物體相對高度，測量精度低，只適用測量小的物體，其文章發(fā)表在1985年應(yīng)用光學(xué)雜志第二期上。
本發(fā)明的目的，為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺點(diǎn)，而發(fā)明一種無需設(shè)置一個實際參考平面的投射條紋方法來測量物體表面三維形狀的光學(xué)方法及其裝置。
本發(fā)明測量三維形狀的光學(xué)方法及裝置的基本點(diǎn)。其發(fā)明的方法是首先提出虛參考平面投射方法測量物體的絕對高度，即通過投射中心線(1)與攝象機(jī)中心線(2)的交點(diǎn)(3)，并與攝象機(jī)中心線(2)垂直的平面作為坐標(biāo)系統(tǒng)XY平面稱謂虛參考平面(4)，在測量物體三維形狀時，無需放置實際參考平面，物體只要放在投射條紋空間即可，見圖2。并采用自動相移方法求相位時間較常用的快速傅里葉變換要快，再根據(jù)條紋相位與物體(5)空間幾何關(guān)系經(jīng)過計算機(jī)處理求出物體絕對高度。
本方法的測量裝置見圖1。它有一個自動位相移動光柵結(jié)構(gòu)的投射光源(6)，電視攝象機(jī)(7)，計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)(8)，整個裝置設(shè)有多種輸出，能自動地，精確地，準(zhǔn)實時地測量物體(5)表面的三維絕對坐標(biāo)值。
附圖圖1 一種無參考測量平面的三維形狀的光學(xué)方法及裝置的示意圖。
圖2 自動位相移動光柵結(jié)構(gòu)的投射光源及虛參考平面的示意圖。
下面結(jié)合


本發(fā)明的方法及其裝置。
本發(fā)明的方法摒棄現(xiàn)有技術(shù)中的被測物體放在一個實際參考平面上測量物體形狀與相對高度的投射方法，而提出虛參考平面(4)測量物體(5)形狀絕對高度的投射方法。其虛參考平面(4)是通過投射光源的中心線(1)與攝象機(jī)中心線(2)的交點(diǎn)(3)，并與攝象機(jī)中心線(2)垂直的平面，并將該平面作為坐標(biāo)系統(tǒng)XY平面，其交點(diǎn)(3)是坐標(biāo)原點(diǎn)。該交點(diǎn)(3)或虛參考平面(4)可以位于被測物體(5)表面或被測物體(5)前，后某一位置。該虛參考平面(4)由輸入?yún)?shù)經(jīng)計算而得，因而在測量物體形狀時無需放置一個實際參考平面。該方法可以測量較大物體的表面形狀，并且可以實現(xiàn)對大物體的分塊測量后聯(lián)接而得到整個物體的三維尺寸。本方法采用自動相移方法使求相位時間較過去常用的快速傅里葉變換要快且精確。
本發(fā)明的測量裝置是采用一種專門設(shè)計具有自動位相移動光柵結(jié)構(gòu)的投射光源(6)，見圖2。它是由白光光源(9)經(jīng)光纖，兩個半凸透鏡(10)投射到石英玻璃刻制的正弦光柵片(11)，再經(jīng)透鏡(12)將條紋投射到被測物體(5)上，光柵片(11)置于自動相移調(diào)節(jié)架上，由計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)(8)控制步進(jìn)電機(jī)(13)使絲杠(14)移動，而帶動?xùn)牌?11)移動，每次移動1/3或1/4條紋間距。這個投射系統(tǒng)均勻地把條紋圖投向放在定位架(15)上的被測物體(5)表面，攝象機(jī)(7)仔細(xì)對焦到投射光源中心線(1)和攝象機(jī)中心線(2)交點(diǎn)(3)所在的虛參考平面(4)(兩中心線之間的夾角為θ)，被測物體(5)放在該坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，物體(5)在投射空間所占位置決定了條紋在投射坐標(biāo)系統(tǒng)相位值，根據(jù)空間幾何關(guān)系同樣建立了在觀察(攝象機(jī))系統(tǒng)中條紋相位與物體(5)高度的關(guān)系。攝象機(jī)(7)攝取記錄物體(5)條紋圖，相移的多幅條紋圖輸入到計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)(8)，經(jīng)濾波和相移處理求解得到物體(5)表面各點(diǎn)的條紋相位值，再根據(jù)條紋相位與物體(5)空間幾何關(guān)系，經(jīng)計算機(jī)處理求出物體(5)表面各點(diǎn)絕對高度。除此之外，本裝置對由于物體(5)偏離攝象機(jī)焦平面而產(chǎn)生誤差進(jìn)行補(bǔ)償。該裝置設(shè)有多種輸出，即物體(5)表面三維坐標(biāo)打印輸出(16)，任意截面形狀曲線最大，最小高度及周長輸出，三維立體示圖，假彩色輪廓圖及數(shù)控機(jī)床相聯(lián)的接口(17)。
本發(fā)明一種無參考平面的測量三維形狀光學(xué)方法及裝置，設(shè)有虛參考平面，因此測量不受物體大小的限制，測量精度高，有多種信息輸出，適用于工業(yè)生產(chǎn)在位檢測。
權(quán)利要求
1.一種無需參考平面的測量三維形狀的光學(xué)方法，其特征在于a、它設(shè)一個虛參考平面(4)，即通過投射光源中心線(1)與攝象機(jī)中心線(2)交點(diǎn)(3)，并與攝象機(jī)中心線(2)垂直的平面，交點(diǎn)(3)為參考平面(4)坐標(biāo)系統(tǒng)原點(diǎn)，b根據(jù)條紋相位與物體(5)在空間所占位置的幾何關(guān)系，經(jīng)計算機(jī)處理，求出物體(5)表面絕對高度，c本方法采用自動相移方法求相位。
2.按照權(quán)利要求1所說的光學(xué)方法，其特征在于交點(diǎn)(3)，虛參考平面(4)可在被測物體表面，也可在被測物體(5)的前、后。
3.按照權(quán)利要求1所說的一種無參考平面的測量三維形狀的光學(xué)方法，其特征在于對被測物體(5)偏離攝象機(jī)焦平面而產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償;
4.一種用于權(quán)利要求1所說的無需參考平面的測量三維形狀的光學(xué)方法的裝置，其特征在于該裝置它具有一個自動位相移動光柵結(jié)構(gòu)的投射光源(6)，電視攝象機(jī)(7)，計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)(8)，打印輸出(16)和數(shù)控機(jī)床相聯(lián)接口(17)構(gòu)成，整個裝置設(shè)有多種輸出。
5.按照權(quán)利要求4所說的裝置，其特征在于所說的投射光源(6)，它由白光光源(9)，經(jīng)光纖，兩個半凸透鏡(10)，光柵片(11)，透鏡(12)及絲杠(14)，步進(jìn)電機(jī)(13)組成的，計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)(8)控制步進(jìn)電機(jī)(13)使絲杠(14)移動從而帶動?xùn)牌?11)精確位移;
6.按照權(quán)利要求4所說的裝置其特征在于所說的多種輸出，即表面三維坐標(biāo)打印輸出(16)，任意截面形狀曲線最大，最小高度及周長輸出，三維立體示圖，假彩色輪廓圖與數(shù)控機(jī)床相聯(lián)接口(17)。
全文摘要
一種無參考平面的測量三維形狀的光學(xué)方法及裝置，它具有一個自動位相移動光柵結(jié)構(gòu)的投射光源，電視攝象機(jī)，計算機(jī)圖象處理系統(tǒng)，并設(shè)有多種輸出。本發(fā)明首次提出虛參考平面測量物體表面絕對高度的投射方法。并采用自動相移，使求相位時間較常用的快速傅里葉變換要快且精確。本發(fā)明的方法及裝置測量精度高，測量物體大小不受限制，方便用戶，適用于工業(yè)生產(chǎn)在位檢測實時處理。
文檔編號H04N7/18GK1059791SQ90107529
公開日1992年3月25日 申請日期1990年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1990年9月13日
發(fā)明者金觀昌 申請人:清華大學(xué)