CN108007365B - 三维测量***及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维测量***，用于对样品进行3D测量，包括安装架、X‑Y振镜***、激光测距仪、工业相机及反射光路***，所述X‑Y振镜***、所述激光测距仪、工业相机和所述反射光路***设于所述安装架，所述X‑Y振镜***和所述反射光路***相邻设置，所述激光测距仪发射出的激光经由所述反射光路***进入X‑Y振镜***，所述X‑Y振镜***用于调整所述激光的光路，使得所述激光依次扫描样品表面的不同位置，以测得样品表面不同位置的高度，实现3D测量；所述工业相机和所述X‑Y振镜***相配合，获取若干样品局部照片，而后拼接得到一张完整的样品照片，实现大幅面2D测量。本发明三维测量***能够对样品进行3D测量和大幅面2D测量，经济实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及测量设备技术领域，特别是涉及一种三维测量***及使用方法。
背景技术
随着制造业的快速升级发展，对产品品质的要求不断提高，产品的外观与尺寸精度要求越来越严格，相应地，产品品质控制所需的显微测量***，也面临着升级换代的巨大挑战与机遇。传统的显微测量***包括机械式，如千分尺和游标卡尺；普通光学显微式，如投影仪和工具显微镜；视觉图像测量式，如机器视觉图像尺寸测量仪，根据灰度图像处理算法进行检测计算。然而能同时进行3D测量及大幅面2D测量的经济实用可推广的显微测量***较少。
发明内容
基于此，有必要针对现有能够同时进行3D测量和大幅面2D测量的显微测量***的经济实用性低的问题，提供一种三维测量***。
一种三维测量***，用于对样品进行3D测量和大幅面2D测量，包括安装架、X-Y振镜***、激光测距仪、工业相机及反射光路***，所述X-Y振镜***、所述激光测距仪、所述工业相机和所述反射光路***设于所述安装架，所述X-Y振镜***和所述反射光路***相邻设置，所述激光测距仪发射出的激光经由所述反射光路***进入X-Y振镜***，所述X-Y振镜***用于调整所述激光的光路，使得所述激光依次扫描样品表面的不同位置，以测得样品表面不同位置的高度，实现3D测量；所述工业相机和所述X-Y振镜***相配合，获取若干样品局部照片，而后拼接得到一张完整的样品照片，实现大幅面2D测量。
上述三维测量***的激光测距仪发射出的激光经由反射光路***反射而改变传播方向，进入X-Y振镜***，再被反射至放置于测量区域的样品表面的任一点，而后沿逆方向传播并被激光测距仪接收，能够测得样品表面对应点的高度；通过控制X-Y振镜***，使得激光依次扫描样品表面，测得样品表面任意点的高度数据，根据该高度数据与相应X-Y振镜***的坐标，进行3D数据重建，实现3D测量；外界光线经由样品表面被反射进入X-Y振镜***，经由反射光路***进入工业相机，通过X-Y振镜***调整，工业相机获取多张样品局部照片，而后拼接得到一张完整的样品照片，实现大幅面2D测量；本发明三维测量***能够应用于微小型产品外观或特征检测、及品质管控等，且经济实用性强，便于推广。
在其中一个实施例中，所述X-Y振镜***包括主体和与所述主体可拆卸连接的平场镜头，所述平场镜头露出于所述安装架。
在其中一个实施例中，所述主体包括X电机、X镜片、Y电机及Y镜片，所述X电机和所述Y电机设于所述安装架上；所述X镜片与所述X电机相连，所述Y镜片与所述Y电机相连，所述X电机驱动所述X镜片摆动，所述Y电机驱动所述Y镜片摆动，以使经过所述X镜片和所述Y镜片反射的激光依次扫描样品表面的不同位置。
在其中一个实施例中，所述反射光路***包括壳体和容纳于所述壳体的第一镜片，所述第一镜片与所述壳体底壁呈45°夹角设置，所述壳体形成有相互垂直的第一光路通道和第二光路通道，所述激光测距仪正对所述第一光路通道设置，所述X-Y振镜***邻接于所述第二光路通道。
在其中一个实施例中，所述壳体开设有出光口，所述工业相机正对所述出光口，所述反射光路***还包括容纳于所述壳体的第二镜片，其中，所述第二镜片被配置为：光线经由X-Y振镜***反射进入第二光路通道内，由第一镜片透射出来，而后被第二镜片反射进入工业相机内。
在其中一个实施例中，所述反射光路***还包括防尘片，所述防尘片遮挡所述出光口。
一种所述三维测量***的使用方法，包括以下步骤：
将样品放置于测量区域内，预设M×N个X-Y振镜***的拍照位置坐标，X-Y振镜***摆动至预设拍照位置坐标，触发相机拍照，获得对应所述预设拍照位置坐标的样品局部照片；
重复上述过程，获得对应每一预设拍照位置坐标的若干样品局部照片，其中，对应每二相邻预设拍照位置坐标的样品局部照片部分重合；
将所述若干样品局部照片进行畸变校正处理后，标定并拼接成为一张完整的样品照片。
在其中一个实施例中，所述将所述若干样品局部照片标定并拼接成为一张完整的样品照片通过以下步骤完成：
将标定板放置于测量区域内，预设M×N个X-Y振镜***的拍照位置坐标，X-Y振镜***摆动至预设拍照位置坐标后，触发相机拍照，获得对应所述预设拍照位置坐标的标定板局部图片；
重复上述过程，获得对应每一预设拍照位置坐标的若干标定板局部图片，其中，对应每二相邻预设拍照位置坐标的标定板局部图片部分重叠；
对所述若干标定板局部图片进行畸变校正处理，拼接出一张完整的标定板图片，并建立所述若干标定板局部图片与所述标定板图片的映射关系；
根据所述若干标定板局部图片与所述标定板图片的映射关系，将所述若干样品局部照片标定，而后组合成为一张完整的样品照片。
一种所述三维测量***的使用方法，包括以下步骤：
将样品放置于测量区域内，激光测距仪发射的激光束经过第一镜片和X-Y振镜***，照射到样品上的任一指定点；
激光束被样品反射，依次经过X-Y振镜***和第一镜片，被激光测距仪接收，测得所述指定点的高度，读取此时X-Y振镜***的坐标值；
根据标定数据校正集对所述高度进行校正，得到所述指定点的坐标(X，Y，Z)；
激光束依次扫描样品所在区域，重复上述测量过程，得到若干坐标(X，Y，Z)；
根据所述若干坐标(X，Y，Z)，生成所述样品的3D图像。
在其中一个实施例中，所述标定数据校正集通过以下步骤获取：
将标定块放置于测量区域内的第一位置处，所述标定块包括高度不同的第一阶梯面和第二阶梯面；
打开激光测距仪和X-Y振镜***，调整X-Y振镜***使得激光测距仪发出的激光束入射到第一阶梯面，读取X-Y振镜***的坐标及激光测距仪的测量结果h1；
调整X-Y振镜***使得激光测距仪发出的激光束入射到第二阶梯面，读取X-Y振镜***的坐标及激光测距仪的测量结果h2；
将标定块移动至测量面板上的其他位置处，重复上述测量过程；
其中，第一阶梯面和第二阶梯面的高度差为A，h1和h2的差值Δh，计算A和Δh的差值，并结合X-Y振镜***的坐标，生成激光测距仪的标定数据校正集。
附图说明
图1为一实施例中三维测量***的结构示意图；
图2为图1中三维测量***去除外壳的结构示意图；
图3为一实施例中反射光路***的结构示意图；
图4为图3中反射光路***的***结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“内”、“外”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
请参阅图1和图2，在第一实施例中，三维测量***100包括安装架10、X-Y振镜***20、激光测距仪30及反射光路***40。X-Y振镜***20和反射光路***40均设于安装架10上，且X-Y振镜***20和反射光路***40相邻设置，激光测距仪30设于安装架10，并且正对反射光路***40远离X-Y振镜***20的一侧，激光测距仪30发射出的激光经由反射光路***40反射而改变传播方向，进入X-Y振镜***20，再被反射至放置于测量区域的样品表面的任一点，而后沿逆方向传播并被激光测距仪30接收，能够测得样品表面对应点的高度；通过控制X-Y振镜***20，使得激光依次扫描样品表面，测得样品表面任意点的高度数据，根据该高度数据与相应X-Y振镜***20的坐标，进行3D数据重建，实现3D测量，本发明三维测量***100能够应用于微小型产品外观或特征检测、及品质管控等。
三维测量***100还包括外壳50，外壳50罩设于安装架10上，外壳50和安装架10共同围设形成容纳空间，X-Y振镜***20、激光测距仪30、及反射光路***40均容纳于该容纳空间，外壳50的设置对X-Y振镜***20、激光测距仪30、及反射光路***40起到保护作用，并且能够防尘。
请参阅图3和图4，反射光路***40包括壳体41和容纳于壳体41的第一镜片42，具体的，壳体41内壁开设有第一安装槽413，第一镜片42设于第一安装槽413内而被固定于壳体41，第一镜片42与壳体41底壁呈45°角放置，壳体41形成有相互垂直的第一光路通道411和第二光路通道412，请参阅图2，第一光路通道411正对激光测距仪30，第二光路通道412邻接于X-Y振镜***20，第一镜片42位于第一光路通道411和第二光路通道412的交汇处，激光测距仪30发射出的激光进入第一光路通道411，照射到第一镜片42上，被反射进入X-Y振镜***20，再被反射到样品表面。
请参阅图2，X-Y振镜***20包括主体21和与主体21可拆卸连接的平场镜头22，由于平场镜头22与主体21可拆卸连接，因而可选用不同型号平场镜头22以适用不同扫描范围，增加该三维测量***100的适用性，当使用标准100型平场镜头，扫描范围可达到55x40mm；使用标准170型平场镜头，扫描范围可达到110x80mm；使用标准210型平场镜头，扫描范围可达到140x100mm，可在大幅面范围之内进行测量处理。进一步地，主体21包括X电机211、连接于X电机211转轴的X镜片212、Y电机213及连接于Y电机213转轴的Y镜片214，X电机211和Y电机213设于安装架10上，X电机211和Y电机213均与三维测量***100的控制***通讯连接，通过控制X电机211和Y电机213带动X镜片212和Y镜片214转动，使得经X镜片212和Y镜片214反射后的激光在测量区域内移动，从而实现二维扫描。
三维测量***100还包括与正对平场镜头22设置的测量面板60，测量面板60上表面为测量区域。
请参阅图2，激光测距仪30包括激光发射器31和接收器(未图示)，激光发射器31发射出的激光经过传播到达样品表面，而后被样品反射回来，并最终被接收器接收，根据三角测量原理，测得样品表面对应激光入射点的高度。激光测距仪30可用来对平场镜头22进行对焦，光线通过平场镜头22后被聚焦到一个固定平面，即聚焦平面，平场镜头22到该聚焦平面的距离称为焦距f，不同型号的平场镜头具有不同焦距f，通过激光测距仪30测量平场镜头22到测量区域的距离d，若距离d等于焦距f，可以判断测量区域位于聚焦平面，若距离d不等于焦距f，控制***可以控制驱动***调节测量面板60的高度，从而实现自动对焦。
上述三维测量***100的使用方法包括以下步骤：
S11：标定块放置于测量区域内的第一位置处，所述标定块包括高度不同的第一阶梯面和第二阶梯面；
S12：打开激光测距仪和X-Y振镜***，调整X-Y振镜***使得激光测距仪发出的激光束入射到第一阶梯面，读取X-Y振镜***的坐标及激光测距仪的测量结果h1；
S13：调整X-Y振镜***使得激光测距仪发出的激光束入射到第二阶梯面，读取X-Y振镜***的坐标及激光测距仪的测量结果h2；
S14：将标定块移动至测量面板上的其他位置处，重复上述测量过程；
S15：其中，第一阶梯面和第二阶梯面的高度差为A，h1和h2的差值Δh，计算A和Δh的差值，并结合X-Y振镜***的坐标，生成激光测距仪的标定数据校正集。
S16：将样品放置于测量区域内，激光测距仪发射的激光束经过第一镜片和X-Y振镜***，照射到样品上的任一指定点；
S17：激光束被样品反射，依次经过X-Y振镜***和第一镜片，被激光测距仪接收，测得所述指定点的高度，读取此时X-Y振镜***的坐标值；
S18：根据标定数据校正集对所述高度进行校正，得到所述指定点的坐标(X，Y，Z)；
S19：激光束依次扫描样品所在区域，重复上述测量过程，得到若干坐标(X，Y，Z)；
S20：根据所述若干坐标(X，Y，Z)，生成所述样品的3D图像。
其中，S11-S15为激光测距仪30的标定过程，S16-S20为实际测量过程。上述标定过程能够有效减少光路畸变引起的测量误差。
请参阅图2和图4，在第二实施例中，三维测量***100还包括工业相机70，壳体41开设有出光口414，工业相机70正对出光口414设置，为实现防尘作用，出光口414安装有由透明材质制成的防尘片416(请参阅图3)。反射光路***40还包括容纳于所述壳体41的第二镜片43，第二镜片43与壳体41底壁呈45°角放置，壳体41内壁开设有第二安装槽415，第二镜片43设于第二安装槽415而与壳体41固定。外界光线经由样品表面被反射进入X-Y振镜***20，经由第二光路通道412，部分透射第一镜片42，被第二镜片43反射进入工业相机70。
上述三维测量***100的使用方法，包括以下步骤：
S21：将标定板放置于测量区域内，预设M×N个X-Y振镜***的拍照位置坐标，X-Y振镜***摆动至预设拍照位置坐标后，触发相机拍照，获得对应所述预设拍照位置坐标的标定板局部图片；
S22：重复上述过程，获得对应每一预设拍照位置坐标的若干标定板局部图片，其中，对应每二相邻预设拍照位置坐标的标定图片部分重叠；
S23：对所述若干标定板局部图片进行畸变校正处理，拼接出一张完整的标定板图片，并建立所述若干标定板局部图片与所述标定板图片的映射关系；
S24：将样品放置于测量区域内，预设M×N个X-Y振镜***的拍照位置坐标，X-Y振镜***摆动至预设拍照位置坐标，触发相机拍照，获得对应所述预设拍照位置坐标的样品局部照片；
S25：重复上述过程，获得对应每一预设拍照位置坐标的若干样品局部照片，其中，对应每二相邻预设拍照位置坐标的样品局部照片部分重合；
S26：对所述若干样品照片进行畸变校正处理；
S27：根据所述若干标定板局部图片与所述标定板图片的映射关系，将所述若干样品局部照片标定，而后组合成为一张完整的样品照片。
其中，S21-S23为标定过程，S24-S27为具体测量过程，三维测量***100通过X-Y振镜***20与工业相机70相互配合，完成大幅面图像拼接与高精度标定工作。在测量面板60上放置好样品，样品表面上反射的光线，经过平场镜头22折射，到达X-Y振镜***20的X镜片212和Y镜片214，再依次经过X镜片212和Y镜片214反射到反射光路***40，最终到达工业相机70，完成图片采集任务。预设好M×N个X镜片212和Y镜片214的拍照位置坐标，X电机211和Y电机213依次按照拍照位置坐标摆动，到位之后工业相机70执行拍照任务，可获取到M×N张图片。预设的拍照位置坐标根据工业相机70的视场范围而定，保证每张照片紧密相连，相邻的照片都有一段重叠区域。对上述M×N张图片执行标定与图像拼接算法之后，得到一张样品的2D大图，实现样品的测量，可用于检测和定位等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种三维测量***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
将样品放置于测量区域内，预设M×N个X-Y振镜***的拍照位置坐标，X-Y振镜***摆动至预设拍照位置坐标，触发相机拍照，获得对应所述预设拍照位置坐标的样品局部照片；
重复上述过程，获得对应每一预设拍照位置坐标的若干样品局部照片，其中，对应每二相邻预设拍照位置坐标的样品局部照片部分重合；
将所述若干样品局部照片进行畸变校正处理后，标定并拼接成为一张完整的样品照片；
其中，所述标定并拼接成为一张完整的样品照片通过以下步骤完成：
将标定板放置于测量区域内，预设M×N个X-Y振镜***的拍照位置坐标，X-Y振镜***摆动至预设拍照位置坐标后，触发相机拍照，获得对应所述预设拍照位置坐标的标定板局部图片；
重复上述过程，获得对应每一预设拍照位置坐标的若干标定板局部图片，其中，对应每二相邻预设拍照位置坐标的标定板局部图片部分重叠；
对所述若干标定板局部图片进行畸变校正处理，拼接出一张完整的标定板图片，并建立所述若干标定板局部图片与所述标定板图片的映射关系；
根据所述若干标定板局部图片与所述标定板图片的映射关系，将所述若干样品局部照片标定，而后组合成为一张完整的样品照片。
2.一种三维测量***的使用方法，包括以下步骤：
将样品放置于测量区域内，激光测距仪发射的激光束经过第一镜片和X-Y振镜***，照射到样品上的任一指定点；
激光束被样品反射，依次经过X-Y振镜***和第一镜片，被激光测距仪接收，测得所述指定点的高度，读取此时X-Y振镜***的坐标值；
根据标定数据校正集对所述高度进行校正，得到所述指定点的坐标(X，Y，Z)；
激光束依次扫描样品所在区域，重复上述测量过程，得到若干坐标(X，Y，Z)；
根据所述若干坐标(X，Y，Z)，生成所述样品的3D图像。
3.根据权利要求2所述的三维测量***的使用方法，其特征在于，所述标定数据校正集通过以下步骤获取：
将标定块放置于测量区域内的第一位置处，所述标定块包括高度不同的第一阶梯面和第二阶梯面；
打开激光测距仪和X-Y振镜***，调整X-Y振镜***使得激光测距仪发出的激光束入射到第一阶梯面，读取X-Y振镜***的坐标及激光测距仪的测量结果h1；
调整X-Y振镜***使得激光测距仪发出的激光束入射到第二阶梯面，读取X-Y振镜***的坐标及激光测距仪的测量结果h2；
将标定块移动至测量面板上的其他位置处，重复上述测量过程；
其中，第一阶梯面和第二阶梯面的高度差为A，h1和h2的差值Δh，计算A和Δh的差值，并结合X-Y振镜***的坐标，生成激光测距仪的标定数据校正集。
4.一种用于实现权利要求1-3任一项所述的使用方法的三维测量***，其特征在于，包括安装架、X-Y振镜***、激光测距仪、工业相机及反射光路***，所述X-Y振镜***、所述激光测距仪、所述工业相机和所述反射光路***设于所述安装架，所述X-Y振镜***和所述反射光路***相邻设置，所述激光测距仪发射出的激光经由所述反射光路***进入X-Y振镜***，所述X-Y振镜***用于调整所述激光的光路，使得所述激光依次扫描样品表面的不同位置，以测得样品表面不同位置的高度，实现3D测量；所述工业相机和所述X-Y振镜***相配合，获取若干样品局部照片，而后拼接得到一张完整的样品照片，实现大幅面2D测量。
5.根据权利要求4所述的三维测量***，其特征在于，所述X-Y振镜***包括主体和与所述主体可拆卸连接的平场镜头，所述平场镜头露出于所述安装架。
6.根据权利要求5所述的三维测量***，其特征在于，所述主体包括X电机、X镜片、Y电机及Y镜片，所述X电机和所述Y电机设于所述安装架上；所述X镜片与所述X电机相连，所述Y镜片与所述Y电机相连，所述X电机驱动所述X镜片摆动，所述Y电机驱动所述Y镜片摆动，以使经过所述X镜片和所述Y镜片反射的激光依次扫描样品表面的不同位置。
7.根据权利要求4所述的三维测量***，其特征在于，所述反射光路***包括壳体和容纳于所述壳体的第一镜片，所述第一镜片与所述壳体底壁呈45°夹角设置，所述壳体形成有相互垂直的第一光路通道和第二光路通道，所述激光测距仪正对所述第一光路通道设置，所述X-Y振镜***邻接于所述第二光路通道。
8.根据权利要求7所述的三维测量***，其特征在于，所述壳体开设有出光口，所述工业相机正对所述出光口，所述反射光路***还包括容纳于所述壳体的第二镜片，
其中，所述第二镜片被配置为：光线经由X-Y振镜***反射进入第二光路通道内，由第一镜片透射出来，而后被第二镜片反射进入工业相机内。
9.根据权利要求8所述的三维测量***，其特征在于，所述反射光路***还包括防尘片，所述防尘片遮挡所述出光口。
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