CN1308655C - 一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置 - Google Patents

一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置，它包括依次位于同一光路上的激光器、扩束镜、光缝隙、柱面镜组件、CCD和控制器，光缝隙位于光缝隙直线扫描器上，并由其驱动沿X向运动；光缝隙的长度大于被测的几何形体截面Y向的宽度，其缝宽小于X向的测量分辨率；柱面镜组件由柱面镜、或柱面镜和成像透镜组构成，控制器用于运动控制和测量信号的采集和处理。本发明长方向(X)的最小测量分辨率为20μm、宽方向(Y)的最小测量分辨率为1μm，而且被测对象与测量***没有相对运动，即没有运动误差。由于运动件的质量很小，其扫描的工作极限频率大于200Hz。本发明具有光路短、简单和光噪声小的特点，且还具有结构简单、制造简便和稳定性好的特点。

Description

一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置
技术领域
本发明涉及一种投影测量装置，具体涉及一种背投平行光的不同长、宽方向测量分辨率的二维外形轮廓自扫描投影测量装置。
背景技术
二维轮廓光学扫描装置作为获取二维几何形状的一种有力的投影成像测量工具，在几何形状测量研究中获得广泛应用。近年来学者们对此技术进行了大量研究，一直以来主要以同样的长、宽方向测量分辨率的二维外形轮廓扫描装置为主。
在“车灯接触片检测方法”(见《光学仪器》，1998，20(2)：3-7)一文中提出了一种典型的二维外形轮廓的投影成像测量方法。其特点是以面阵CCD(电荷耦合器件)为传感器、同样的长、宽方向测量分辨率，有标定误差。这种测量技术效果显著，但当被测对象的长、宽方向的尺寸的比很大(＞10)且长、宽方向的测量分辨率要求不同(比率＞5)时，它的测量效果显著变差。
在“火车车轮踏面磨损量识别研究”(见《华中理工大学学报》，2000，28(7)：51-53)一文中介绍了一种扫描式二维外形轮廓的投影成像测量方法。它采用线阵CCD图像传感器，被测对象相对测量***运动来进行二维外形轮廓的测量。它的***结构大，有运动误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置，该装置没有运动误差，结构小。
本发明提供的一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置，其特征在于：该装置包括依次位于同一光路上的激光器、扩束镜、光缝隙、柱面镜组件、CCD和控制器，光缝隙位于光缝隙直线扫描器上，并由其驱动沿X向运动；光缝隙的长度大于被测的几何形体截面Y向的宽度，其缝宽小于X向的测量分辨率；柱面镜组件为柱面镜、或由柱面镜和成像透镜组构成，控制器用于运动控制和测量信号的采集和处理。
本发明采用一个背投射的大的准直激光束与光缝隙及其直线扫描器实现了被测的几何形体截面轮廓二维扫描。本发明利用光缝隙直线扫描器测量X方向的尺寸，利用光缝隙和CCD测量Y方向的尺寸，以此可解决被测对象的长、宽方向的尺寸的比很大(＞10)且长、宽方向的测量分辨率可以不同(比率＞5)的问题。与常规的二维扫描方法相比，本二维外形轮廓自扫描测量的长方向(X)的最小测量分辨率为20um、宽方向(Y)的最小测量分辨率为1um，而且被测对象与测量***没有相对运动，即没有运动误差。由于运动件的质量很小，其扫描的工作极限频率大于200Hz。本发明具有光路短、简单和光噪声小的特点，且还具有结构简单、制造简便和稳定性好的特点。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明的另一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明的控制原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
本发明定义直角坐标系为：垂直于光缝隙的方向为X(即长度方向)；光缝隙的方向为Y(即宽度方向)；背投平行光的方向为Z。
如图1所示，本发明包括依次位于同一光路上的激光器1、扩束镜2、光缝隙4、柱面镜组件6、CCD7和控制器8，光缝隙4位于光缝隙直线扫描器5上，被测几何形体3位于扩束镜2和光缝隙4之间。
光缝隙直线扫描器5用于驱动光缝隙4沿X向运动，光缝隙则自动获取了Y方向的尺寸信息。
激光器1选用小功率的激光器。
扩束镜2可采用单个扩束镜或由多个扩束镜在长度方向拼接而成，经扩束镜2扩束后的光束的长度应大于被测几何形体的长度。
光缝隙4为长形缝隙，其长度大于被测的几何形体截面Y向的宽度，其缝宽小于X向的测量分辨率。
光缝隙直线扫描器5可以采用电驱动的机械装置，其运动的重复定位精度(包括XY平面内的偏转误差)小于X向的测量分辨率。
柱面镜组件6由一个柱面镜和成像透镜组组成，当Y向成像比例为1∶1时，柱面镜组件6，可以只用一个柱面镜。
CCD7可以是线阵CCD或面阵CCD。
控制器8用于运动控制和测量信号的采集和处理。首先控制器8向激光器1提供电源，并驱动光缝隙直线扫描器5及获得其位置信号。其次控制器8驱动CCD7，并获得Y向的信号。最后控制器8进行信号处理。
激光器发射的激光束经扩束镜后，形成一个大的准直激光束并照射到被测几何形体，光源发出的光一部分被被测几何形体轮廓遮挡，另一部分则依次经光缝隙4、柱面镜组件6照射到CCD7上，形成了对应某一具体X坐标值处的被测几何形体截面轮廓的具体Y坐标值，这个具体Y坐标值对应CCD7的具体光敏单元，它由CCD7转化为光电信号输送给控制器8；同时控制器8记录对应的X坐标值。控制器8控制光缝隙直线扫描器5驱动光缝隙4沿X向运动就获得了被测的几何形体截面轮廓的对应所有具体X坐标值处的具体Y坐标值，控制器记录Y坐标值和对应的X坐标值，从而获得了被测的几何形体截面轮廓的X、y坐标值的集合，即数字化的被测的几何形体截面轮廓---二维外形轮廓。
如图2所示，被测几何形体3也可置于光缝隙4和柱面镜组件6之间。
实例：
本实施例采用功率mW级激光器，例如波长λ＝0.670μm的半导体激光器。扩束镜可以采用扩束倍数大于10倍的透镜组组成，例如由一个焦距-15mm凹透镜和一个焦距200mm的凸透镜组成，且透镜组的间距可微调。光缝隙是宽度小于1mm且直线度误差为1/10缝宽的长形缝隙；光缝隙直线扫描器可以是一对转轴。柱面镜组件可以采用一个柱面镜和一个成像透镜组组成。CCD可以是线阵CCD或面阵CCD。
本发明对同样的长、宽方向测量分辨率的二维外形轮廓的测量性能差，但对长、宽方向的尺寸的比很大(＞10)且长、宽方向的测量分辨率要求不同(比率＞5)的被测对象的测量中，本发明具有明显的优势。
本发明并不局限于上面所述的实例，本领域一般技术人员可以根据本发明公开的内容采用多种实施方式实现本发明。

Claims (1)

1、一种二维外形轮廓自扫描投影测量装置，其特征在于：该装置包括依次位于同一光路上的激光器(1)、扩束镜(2)、光缝隙(4)、柱面镜组件(6)、CCD(7)和控制器(8)，光缝隙(4)位于光缝隙直线扫描器(5)上，并由其驱动沿X向运动；光缝隙(4)的长度大于被测的几何形体截面Y向的宽度，其缝宽小于X向的测量分辨率；柱面镜组件(6)由柱面镜、或柱面镜和成像透镜组构成，控制器(8)用于运动控制和测量信号的采集和处理。
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