CN209764029U - 一种用于检测物体三维形状的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于检测物体三维形状的检测装置，属于光学成像技术领域。该检测装置包括投影单元和成像采集单元，所述成像采集单元包括相机和配置于所述相机上的远心镜头，所述远心镜头设于对象物的正上方；所述投影单元包括至少三个投影光机；至少三个所述投影光机以所述远心镜头的光轴为中心轴，在所述远心镜头的***呈周向均匀分布；每个所述投影光机的出光面的下方均设置一个所述反射镜总成；所述投影光机产生的光栅条纹经由所述反射镜总成进行光路的反射，直至到达对象物。本实用新型实现了对对象物多方向的投影，以去除由于对象物形状复杂造成的阴影区域，提高对象物三维成像的完整性。

Description

一种用于检测物体三维形状的检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种用于检测物体三维形状的检测装置。

背景技术

在电子制造业，常常需要对电路板、元器件以及固定元器件的锡膏的三维形状进行检测，检查各项尺寸是否满足标准，提高成品率。常用的三维形状的检测方法为相位测量法，即通过投影光机对待检测的对象物投影正弦光栅，并利用镜头进行图像采集，然后移动光栅的相位1/4周期，再采集图像；以此类推，总共进行四次不同相位下的图像采集，并将采集的图像数据传递至相关软件进行处理，完成对象物三维形状的完整成像。

利用现有检测装置的投影光机对对象物投影，对于形状结构复杂的三维对象物来说，在对象物上极易产生阴影区域，影响对象物呈现完整的三维图像。

因此，亟待提供一种用于检测物体三维形状的检测装置解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于检测物体三维形状的检测装置，能够从多个方向对对象物进行投影，有效去除由于对象物形状复杂造成的阴影区域。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

一种用于检测物体三维形状的检测装置，包括投影单元和成像采集单元，所述成像采集单元包括相机和配置于所述相机上的远心镜头，所述远心镜头设于对象物的正上方；

所述投影单元包括至少三个投影光机；至少三个所述投影光机以所述远心镜头的光轴为中心轴，在所述远心镜头的***呈周向均匀分布。

进一步地，所述投影单元还包括光路转换机构；所述光路转换机构包括至少三个反射镜总成，每个所述投影光机的出光面的下方均设置一个所述反射镜总成；所述投影光机产生的光栅条纹经由所述反射镜总成进行光路的反射，直至到达所述对象物。

进一步地，所述反射镜总成包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜靠近所述远心镜头的光轴设置，所述第二反射镜远离所述远心镜头的光轴设置；

所述第一反射镜的反射面背离所述远心镜头的光轴设置，所述第二反射镜的反射面朝向所述远心镜头的光轴设置，所述投影光机的所述光栅条纹依次经由所述第一反射镜的反射面和所述第二反射镜的反射面的反射，投至所述对象物上。

进一步地，所述第一反射镜的反射面与所述远心镜头的光轴之间的夹角范围为[68°，72°]；所述第二反射镜的反射面与所述远心镜头的光轴之间的夹角范围为[43°，47°]。

进一步地，所述投影单元还包括调节架，每个所述投影光机均通过光机支架设于所述调节架的上部，每个所述反射镜总成均通过反射镜支架设于所述调节架的下部。

进一步地，所述光机支架相对于所述调节架的位置可调。

进一步地，所述反射镜支架包括第一分支架和第二分支架，所述第一反射镜设于所述第一分支架上，所述第二反射镜设于第二分支架上；所述第一分支架固设于所述调节架的下部；

所述第二分支架相对于所述调节架的位置可调。

进一步地，所述反射镜支架还包括连接杆，所述连接杆固定连接所述第一分支架和所述第二分支架；所述连接杆设置有两个，两个所述连接杆对称地设置于所述第一分支架和所述第二分支架的两侧。

进一步地，所述连接杆相对于所述第二分支架的位置可调，以适应所述第二分支架在所述调节架的位置的改变。

进一步地，所述远心镜头与所述对象物之间还设有二维光源；所述二维光源包括上部的顶置光源和下部的环形光源，所述环形光源与所述顶置光源配合使用，用于获取所述对象物的彩色二维图像。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

1)本实用新型通过设置至少三个投影光机，实现对对象物多方向的投影，以去除由于对象物形状复杂造成的阴影区域，提高对象物三维成像的完整性；

2)本实用新型的相机配置有远心镜头，远心镜头在一定的物距范围内得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，拍摄有高度的对象物时也不存在斜视与遮挡，提高了对象物三维数据的准确性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中检测装置的立体图；

图2为本实用新型实施例中检测装置的主视图；

图3为本实用新型实施例中投影单元的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中投影光机设于调节架上的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中反射镜总成设于调节架上的结构示意图。

附图标记：

1-成像采集单元；11-相机；12-远心镜头；

2-投影单元；21-投影光机；22-反射镜总成；221-第一反射镜；222-第二反射镜；23-光机支架；231-第一条形孔；24-反射镜支架；241-第一分支架；242-第二分支架；243-连接杆；2431-第三条形孔；25-调节架；251-第一螺纹孔；252-第二条形孔；

3-二维光源；31-顶置光源；32-环形光源；

4-对象物。

具体实施方式

为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，本实施例公开了一种用于检测物体三维形状的检测装置，包括投影单元2和成像采集单元1，成像采集单元1包括相机11和配置于相机11上的远心镜头12，远心镜头12设于对象物4的正上方，对对象物4进行图像采集。远心镜头12依据其独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变以及独有的平行光设计等，使得远心镜头12在一定的物距范围内得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，拍摄有高度的对象物4时也不存在斜视与遮挡，提高了对象物4三维数据的准确性。

投影单元2设于远心镜头12的***，为对象物4提供光源；具体地，投影单元2包括投影光机21和光路转换机构，投影光机21产生光栅条纹，光栅条纹利用光路转换机构进行光路的反射，直至到达对象物4，在对象物4上形成光斑，远心镜头12接受由对象物4反射来的光线，实现图像的采集。若对象物4的三维形状较复杂，投影光机21在对象物4上只形成一个光斑，这显然会造成物体上较多阴影的产生，使成像采集单元1无法准确采集物体的三维形状，影响对象物4的准确成像。因此如图1-2所示，本实施例中，投影单元2设置有至少三个投影光机21；为了提高投射到对象物4上的光线的均匀性，设置投影光机21以远心镜头12的光轴为中心轴，在远心镜头12的***呈周向均匀分布，从而保证了多个方向的光栅条纹得以投射到对象物4上，减少对象物4上的阴影。

具体地，投影光机21包括光机光源、透镜、棱镜和数字微镜晶片，透镜位于光机光源与棱镜之间，棱镜位于透镜与数字微镜晶片之间，光机光源发出的光依次经过透镜、棱镜和数字微镜晶片后产生光栅条纹，采用数字微镜晶片能够直接对光栅条纹进行移相处理，相比于传统的物理光栅来说更容易控制，且产生的光栅条纹也更为清楚可见。

为了实现每个投影光机21的光栅条纹都能准确到达对象物4上，光路转换机构包括了至少三个反射镜总成22，反射镜总成22的数量与投影光机21的数量为一一对应的关系，每个投影光机21的出光面的正下方均设置一个反射镜总成22，则反射镜总成22也在远心镜头12的***呈周向均匀分布。具体地，反射镜总成22包括第一反射镜221和第二反射镜222，第一反射镜221靠近远心镜头12的光轴设置，第二反射镜222远离远心镜头12的光轴设置；第一反射镜221的反射面背离远心镜头12的光轴设置，第二反射镜222的反射面朝向远心镜头12的光轴设置，投影光机21的光栅条纹依次经由第一反射镜221的反射面和第二反射镜222的反射面的反射，最终投影至对象物4上(如图2中虚线所示)。本实施例中每个投影光机21及相应的两个反射镜均位于远心镜头12***的同一方位设置，由于远心镜头12的精度高，要求的光斑尺寸小，上述同一方位的设置能够缩短光程，减小投射到对象物4上光斑的大小，因此可以满足远心镜头12的使用要求。

如图2所示，本实施例中，设置第一反射镜221的反射面与远心镜头12的光轴之间的夹角为α₁，第二反射镜222的反射面与远心镜头12的光轴之间的夹角为β₁，α₁的角度范围为[68°，72°]，β₁角度范围为[43°，47°]。

具体实施时，检测装置可选地设置四个、五个、六个或者更多的投影光机21，从更多的方向投射光斑，尽可能地避免对象物4复杂三维形状造成的阴影；同时，要保持多个投影光机21在远心镜头12的外周均匀分布，且每个投影光机21均能对应设置位于同一方位的一个反射镜总成22，完成光路的转换。

每个投影光机21投射的光栅条纹均通过其下方设置的反射镜总成22完成投射，在对象物4上形成光斑。在设置多个投影光机21的情况下，只有多个投影光机21在对象物4上形成的光斑得以重合，才能保证远心镜头12可以准确获取对象物4的图像信息；为了克服由于装配误差导致的投影光机21的光斑不能完全重合的问题，设置投影光机21、以及设于投影光机21下方的反射镜总成22的第二反射镜222的位置在安装过程中可微调，进而改变光线的传播路径，实现光斑位置的调节。为实现上述目的，如图3-5所示，投影单元2还包括调节架25，每个投影光机21均通过光机支架23设于调节架25的上部，每个反射镜总成22均通过反射镜支架24设于调节架25的下部。将投影光机21、反射镜总成22通过支架结构集成在一起，可以提高整个检测装置的紧凑性，降低了装置的制造成本。

对于投影光机21来说，为了实现投影光机21相对于调节架25的位置可调，可选地，调节架25上开设有第一螺纹孔251，光机支架23的底部设有第一条形孔231，螺栓依次穿过第一条形孔231和第一螺纹孔251，将投影光机21固定至调节架25上，通过调节螺栓在第一条形孔231的不同位置，可以调节投影光机21相对于调节架25位置。可选地，本实施例中，可以设置第一条形孔在调节架25上设置，同时第一螺纹孔在光机支架23上设置，同样也能实现光机支架23的位置可调。光机支架23还可采用其他结构实现相对于调节架25的位置调节，这里不再赘述。

对于反射镜总成22来说，反射镜支架24包括第一分支架241和第二分支架242，第一反射镜221设于第一分支架241上，第二反射镜222设于第二分支架242上；第一分支架241可选地通过螺栓结构固设于调节架25的下部。第二分支架242的顶部设有第二螺纹孔，调节架25上开设有第二条形孔252，螺栓依次穿过第二条形孔252和第二螺纹孔，将第二分支架242固定于调节架25上；通过调节螺栓在第二条形孔252的不同位置，可以调节第二分支架242相对于调节架25以及第一分支架241的位置，即调节第二反射镜222相对于第一反射镜221的位置。可选地，本实施例中，可以设置第二条形孔在第二分支架242上设置，同时第二螺纹孔在调节架25上设置，同样也能实现第二分支架242的位置可调。第二分支架242还可采用其他结构实现相对于调节架25的位置调节，这里不再赘述。

进一步地，在投影光机21、反射镜总成22的位置调节完成后，检测装置不可避免会发生移动、或者受到外部撞击等，进而造成内部结构的振动，为了避免反射镜总成22中两个反射镜的相对位置在这个过程中发生改变，造成光斑投射错位，设置反射镜支架24还包括连接杆243，连接杆243固定连接第一分支架241和第二分支架242，使得在检测装置发生振动时，第一反射镜221和第二反射镜222的相对位置不发生变化，光线能够按照原始的发射角度进行投影。具体地，连接杆243设置有两个，两个连接杆243对称地设置于第一分支架241和第二分支架242的两侧。对于每个连接杆243来说，连接杆243的一端与第一分支架241固定连接，另一端与第二分支架242可选地通过螺栓结构固定连接。连接杆243与第二分支架242连接的一端设有第三条形孔2431，第二分支架242的侧壁上开设有第三螺纹孔，螺栓依次穿过第三条形孔和第三螺纹孔将连接杆243固定至第二分支架242上。当第二分支架242在调节架25上的位置发生改变后，螺栓在第三条形孔2431的位置可以对应改变，以适应第二分支架242与第一分支架241相对位置的改变。

由上述可知，该检测装置既可以通过调节投影光机21调节光斑位置，也能够通过调节第二反射镜222调节光斑位置。为了提高调节效率，简化调节步骤，使光斑调节有一定的基准，将投影光机21分组，设定某一组的投影光机21固定不动，但相应的第二反射镜222可调，另一组的投影光机21可调，但相应的第二反射镜222固定不动，用尽可能少的操作实现光斑重合的迅速调节。以设置四个投影光机21的检测装置为例，四个投影光机21包括沿着顺时针方向依次设置的第一投影光机、第二投影光机、第三投影光机和第四投影光机；相应地，反射镜总成22的数量也为四个，分别为沿着顺时针方向依次设置的第一反射镜总成、第二反射镜总成、第三反射镜总成和第四反射镜总成，第一反射镜总成设于第一投影光机的正下方。调节光斑重合时，设置第一投影光机和第三投影光机相对于调节架25的位置可调，第二投影光机和第四投影光机相对于调节架25的位置固定，第一反射镜总成的第二反射镜222和第三反射镜总成的第二反射镜222相对于调节架25的位置固定，第二反射镜总成的第二反射镜222和第四反射镜总成的第二反射镜222相对于调节架25的位置可调。如此，先通过调节第一投影光机和第三投影光机的位置，使二者的光斑能够重合，再以该光斑为基准，调节第二反射镜总成的第二反射镜222和第四反射镜总成的第二反射镜222，实现第二投影光机和第四投影光机光斑的重合。

上述相对于调节架25的位置不可调的投影光机21，光机支架23上可选地不再设置第一条形孔231，而是直接开设螺纹孔完成光机支架23和调节架25的连接，或者采用其他固接结构进行连接；同理，相对于调节架25的位置不可调的第二反射镜222，调节架25上可选地不再设有第二条形孔252，也直接通过开设螺纹孔完成调节架25与第二分支架242的连接，或者采用其他固接结构进行连接。

本实施例中的检测装置还能够实现对对象物4二维图像的采集，为了实现这一功能，设置远心镜头12与对象物4之间还设有二维光源3。拍摄二维图像时，投影光机21关闭，二维光源3为远心镜头12获取对象物4的二维图像提供光源。具体地，二维光源3包括上部的顶置光源31和下部的环形光源32。顶置光源31排布有三色灯，具有红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)三个通道，通过选择不同的通道组合可以照射出不同的颜色的光，当其照射铜箔及低角度物体时，能够使图像颜色均匀不失真。环形光源32的内表面排布有四层灯，分别为由下而上设置的第一层灯、第二层灯、第三层灯和第四层灯，第一层灯、第二层灯和第三层灯均为单色灯，且第一层灯、第二层灯和第三层灯共包括了红色、绿色和蓝色三种颜色。可选地，本实施例中可设置第一层灯的颜色为红色，第二层灯的颜色为绿色，第三层灯的颜色为蓝色；或者可选地，设置第一层灯的颜色绿色，第二层灯的颜色为红色，第三层灯的颜色为蓝色，其他类型的颜色分布这里不再赘述。第四层灯为三色灯，具有R、G、B三个通道，通过选择不同的通道组合可以照射出不同的颜色的光。环形光源32与顶置光源31配合使用，以获取对象物4的彩色二维图像。进一步地，在顶置光源31的中间开设有透光孔(图中未示出)，二维光源3的光线照射至对象物4后，经由对象物4的表面反射，并从透光孔穿出后到达远心镜头12，实现物体成像。对于远心镜头12来说，其要求入射至远心镜头12内的光线与远心镜头12的光轴相平行，因此顶置光源31的透光孔的直径尺寸要保证至少比远心镜头12的外径大，才能保证对象物4反射的光线平行地到达远心镜头12。可选地，顶置光源31可为平板光源，平板光源朝向下方照射。当采用平板光源时，由于需要在平板光源上开设较大尺寸的透光孔，这无疑会减少平板光源上灯的数量，进而减少了平板光源的亮度，使得照射到对象物4上的光线变少，导致成像偏暗。因此，优选地，本实施例中的顶置光源31采用锥形光源，锥形光源为上窄下宽的喇叭状结构，如此设置，虽然仍需要在顶置光源31上开设透光孔，但是相对于平板光源，锥形光源的内表面可以布置更多的灯，且喇叭状结构可以起到聚集光线的作用，更多的光线得以照射至对象物4上，使得成像不再偏暗。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种用于检测物体三维形状的检测装置，其特征在于，包括投影单元(2)和成像采集单元(1)，所述成像采集单元(1)包括相机(11)和配置于所述相机(11)上的远心镜头(12)，所述远心镜头(12)设于对象物(4)的正上方；

所述投影单元(2)包括至少三个投影光机(21)；至少三个所述投影光机(21)以所述远心镜头(12)的光轴为中心轴，在所述远心镜头(12)的***呈周向均匀分布。

2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述投影单元(2)还包括光路转换机构；所述光路转换机构包括至少三个反射镜总成(22)，每个所述投影光机(21)的出光面的下方均设置一个所述反射镜总成(22)；所述投影光机(21)产生的光栅条纹经由所述反射镜总成(22)进行光路的反射后到达所述对象物(4)。

3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述反射镜总成(22)包括第一反射镜(221)和第二反射镜(222)，所述第一反射镜(221)靠近所述远心镜头(12)的光轴设置，所述第二反射镜(222)远离所述远心镜头(12)的光轴设置；

所述第一反射镜(221)的反射面背离所述远心镜头(12)的光轴设置，所述第二反射镜(222)的反射面朝向所述远心镜头(12)的光轴设置，所述投影光机(21)产生的所述光栅条纹依次经由所述第一反射镜(221)的反射面和所述第二反射镜(222)的反射面的反射，投至所述对象物(4)上。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述第一反射镜(221)的反射面与所述远心镜头(12)的光轴之间的夹角范围为[68°，72°]；所述第二反射镜(222)的反射面与所述远心镜头(12)的光轴之间的夹角范围为[43°，47°]。

5.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述投影单元(2)还包括调节架(25)，每个所述投影光机(21)均通过光机支架(23)设于所述调节架(25)的上部，每个所述反射镜总成(22)均通过反射镜支架(24)设于所述调节架(25)的下部。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述光机支架(23)相对于所述调节架(25)的位置可调。

7.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述反射镜支架(24)包括第一分支架(241)和第二分支架(242)，所述第一反射镜(221)设于所述第一分支架(241)上，所述第二反射镜(222)设于第二分支架(242)上；所述第一分支架(241)固设于所述调节架(25)的下部；

所述第二分支架(242)相对于所述调节架(25)的位置可调。

8.根据权利要求7所述的检测装置，其特征在于，所述反射镜支架(24)还包括连接杆(243)，所述连接杆(243)固定连接所述第一分支架(241)和所述第二分支架(242)；所述连接杆(243)设置有两个，两个所述连接杆(243)对称地设置于所述第一分支架(241)和所述第二分支架(242)的两侧。

9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述连接杆(243)相对于所述第二分支架(242)的位置可调，以适应所述第二分支架(242)在所述调节架(25)的位置的改变。

10.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述远心镜头(12)与所述对象物(4)之间还设有二维光源(3)；所述二维光源(3)包括上部的顶置光源(31)和下部的环形光源(32)，所述环形光源(32)与所述顶置光源(31)配合使用，用于获取所述对象物(4)的彩色二维图像。