专利名称：一种基于光纤传像束的新型微三维形貌测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种微三维形貌测量仪器，具体的说是一种基于光纤传像束的新型微三维形貌测量装置。
技术背景随着微电子工业的迅猛发展以及MEMS、MOEMS和光通信等技术的不断兴起，出现了大量的微米、毫米级器件。因此，微三维测量的市场需求越来越旺盛。但是，目前已有的微三维测量仪器要么是针对厘米以上器件的，如台湾智泰公司、西安交大及清华大学推出的微三维测量仪，其测量精度一般都在几十微米左右；要么是针对微纳米级器件的，其测量精度一般能达到几个或几十纳米。所以开发适合测量毫米量级器件且具有微纳米量级精度的仪器已成为众多研究者的共同目标。
常见的三维测量方法主要有结构光法和共焦法。
结构光法的关键是向被测物体投射结构光条纹，该条纹可以是由固定光栅片产生的干涉条纹，也可以通过DLP投影仪投射事先在电脑里编制生成的结构光条纹。被测物体的表面形貌会对所投射的结构光进行调制，调制结果是结构光条纹会依被测物体的表面起伏而发生扭曲，而这个扭曲变形中即包涵了物体的高度信息，调制图像可以用CCD摄像机从与投射光轴有一定夹角的方向去拍摄，然后用三角法或相移法即可解算出被测物体上每一点的三个坐标值。
共焦法的核心是向被测物体表面投射微小光点，光点可以是单点，也可以由微透镜阵列产生点阵，还可以通过DLP投影仪投射事先在电脑里编制生成的点阵。微小光点照到被测物体的表面后会发生反射，通过探测反射光的光强大小即可判断出被测物体上每一点距探测器的距离，从而实现了三维形貌的测量。
结构光法测量微三维形貌的仪器中，数字条纹投影技术因具有无刻画误差、易于调整、无需运动配合、测量速度快等优点而被广泛采用，相移法因重建精度较高也被经常采用。
但是，目前已有的微三维测量系统大多都采用台架式结构，被测物体必须被放置在特定的工作台上才能进行测量，因此难以对一个较大物体上的某一局部进行测量(如难以对人的牙齿测量)，也难以实现远距离测量。这不仅大大限制了系统的应用范围，同时也给测量带来了诸多不便。
实用新型内容本实用新型的目的是在结构光法测量微三维形貌的仪器和数字条纹投影技术基础上，利用光纤传像束所具有的自由度大、能弯曲、易实现长光路等优点，提出了一种基于光纤传像束和数字条纹投影技术的新型微三维测量系统。突破传统三维形貌测量仪器的不能移动的缺陷。
本实用新型的技术方案如下一种基于光纤传像束的新型微三维形貌测量装置，包括有计算机(1)，与计算机(1)数据线连接的DLP投影仪(2)，其特征在于DLP投影仪(2)的投射光出口连接有物方像方远心成像镜组(3)的入射口，物方像方远心成像镜组(4)的入射口与物方像方远心成像镜组(3)出射口之间连接有光纤传像束(5)，CCD摄像机(6)通过数据线与计算机(1)连接。
上述所述的装置，其特征在于所述的CCD摄像机的镜头前连接物方像方远心成像镜组(7)的出射口，物方像方远心成像镜组(8)出射口与物方像方远心成像镜组(7)的入射口之间通过光纤传像束(9)连接；物方像方远心成像镜组(8)与物方像方远心成像镜组(4)固定在探头支架(9)上，二者光轴夹角为45度。
本实用新型采用面结构光测量原理，首先根据不同的测量需要，通过电脑编程的方法生成正弦光栅条纹、二元光栅条纹、点光源阵列或同心圆条纹等各种需要的面结构光；然后由DLP投影器将该结构光图像投射出去。由于从DLP投影出来的图像范围较大，通常都在50厘米见方以上。由于光纤传像束的有效截面直径却通常只有几个毫米，因此为了将从DLP投射出来的结构光图像完全耦合到光纤传像束中去，在DLP投影器与光纤传像束间加一个物方像方远心成像镜组，DLP投影器出来的结构光图像经过物方像方远心成像镜组，完全成在光纤传像束的输入端面上。光纤传像束会非常清晰的将其输入端面上的图像传输到输出端面上；在光纤传像束的输出端连接有另一组物方像方远心成像镜组，该物方像方远心成像镜组将输出端面上的结构光图像以一定的像距成在被测物体上。
经被测物体表面调制后的结构光图像由CCD摄像机采集。
为了方便测量，可以在CCD摄像机的镜头前安装由二组物方像方远心成像镜组和光纤传像束组成的物镜成像系统，其工作原理是投射到被测物体表面的结构光，扭曲后的光信息由物方像方远心成像镜组接收，并在光纤传像束的输入端面成像，并经传输到达光纤传像束的输出端面，再经物方像方远心成像镜组成像，由CCD摄像机接收，经过图像采集卡存储，并通过数据线传输到计算机进行图像信息处理。
和投影仪连接的光纤传像束输出端和CCD摄像机可以集成固定在一起，由于光纤传像束和CCD摄像机后端的电缆都可任一弯曲，因而本实用新型可适应被测物体的方位。
以下对光纤传像束的结构作一简介普通的光导纤维主要是由具有较大折射率的纤芯和具有相对较小折射率的外包层组成的，当满足入射角大于临界角的条件时，光线即可从光纤的一端传到另外一端。单根光纤只能传递一个点信号，而当大量的(一万至几十万)光纤被按正方形或六角形规则一一对应的排列在一起的时候就构成了光纤传像束，图像就可以从光纤传像束的一个端面完全不变的传输到另外一个端面，其中的每一根子光纤就相当于CCD摄像机的一个象素。
本实用新型的效果本实用新型突破了传统三维形貌测量仪器的限制，利用光纤传像束所具有的自由度大、能弯曲、易实现长光路等优点，提出了一种基于光纤传像束和数字条纹投影技术的新型测量装置，解决了局部测量、远距离测量等一系列问题，方便了现场测量。
图1本实用新型的结构示意图。
图2本实用新型的另一结构示意图。
具体实施方式
实例1参见图1。
本实用新型是一种基于光纤传像束的新型微三维形貌测量装置，有计算机1，与计算机1数据线连接的DLP投影仪2；根据不同的测量需要，通过编程的方法在计算机1内生成正弦光栅条纹、二元光栅条纹、点光源阵列或同心圆条纹等各种需要的面结构光；计算机1通过数据线将向DLP投影器2输出信号，通过DLP投影器将该结构光图像投射出去。DLP投影仪2的投射光出口连接有物方像方远心成像镜组3的入射口，物方像方远心成像镜组3由安装在镜筒10内的凸透镜11、12组成，镜筒10入射口与投影仪2投射光出口之间通过螺纹连接，镜筒10出射口与光束传像束5的接头之间通过螺纹连接。凸透镜11、12之间距离为二者的焦距之和，其入射口与出射口均在各端透镜的焦点之外，物方像方远心成像镜组4入射口与物方像方远心成像镜组3出射口之间连接有光纤传像束5，CCD摄像机6通过数据线与计算机1连接。
上述的物方像方远心成像镜组3、4结构相同，物方像方远心成像镜组和光束传像束之间的连接结构也相同，但所选用的透镜的参数根据需要有所不同，原理相同。
实例2参见图2。
本实用新型的面结构光出光部分同实例1所述结构。其不同之处在于在CCD摄像机增加了图像信息传输结构，该结构是CCD摄像机的镜头前连接物方像方远心成像镜组7的出射口，物方像方远心成像镜组8出射口与物方像方远心成像镜组7的入射口之间通过光纤传像束9连接；物方像方远心成像镜组8与物方像方远心成像镜组4固定在探头支架10上，二者光轴夹角为45度。物方像方远心成像镜组7、8结构同物方像方远心成像镜组3，也由安装在镜筒内的二组凸透镜组成，但所选用的凸透镜的参数根据需要有所不同。物方像方远心成像镜组7、8和光束传像束9之间接头、CCD摄像机的镜头之间也是通过螺纹连接。
本实用新型中物方像方远心成像镜组构成物方像方双远心光路。
权利要求1.一种基于光纤传像束的新型微三维形貌测量装置，包括有计算机(1)，与计算机(1)数据线连接的DLP投影仪(2)，其特征在于DLP投影仪(2)的投射光出口连接有物方像方远心成像镜组(3)的入射口，物方像方远心成像镜组(4)的入射口与物方像方远心成像镜组(3)出射口之间连接有光纤传像束(5)，CCD摄像机(6)通过数据线与计算机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的CCD摄像机的镜头前连接物方像方远心成像镜组(7)的出射口，物方像方远心成像镜组(8)出射口与物方像方远心成像镜组(7)的入射口之间通过光纤传像束(9)连接；物方像方远心成像镜组(8)与物方像方远心成像镜组(4)固定在探头支架(9)上，二者光轴夹角为45度。
专利摘要本实用新型公开了一种基于光纤传像束的新型微三维形貌测量装置，包括有计算机(1)，与计算机(1)数据线连接的DLP投影仪(2)，其特征在于DLP投影仪(2)的投射光出口连接有物方像方远心成像镜组(3)的入射口，物方像方远心成像镜组(4)的入射口与物方像方远心成像镜组(3)出射口之间连接有光纤传像束(5)，CCD摄像机(6)通过数据线与计算机(1)连接。本实用新型突破了传统三维形貌测量仪器的限制，利用光纤传像束所具有的自由度大、能弯曲、易实现长光路等优点，提出了一种基于光纤传像束和数字条纹投影技术的新型测量装置，解决了局部测量、远距离测量等一系列问题，方便了现场测量。
文档编号G01B11/24GK2784875SQ20052007007
公开日2006年5月31日 申请日期2005年3月22日 优先权日2005年3月22日
发明者范光照, 李瑞君 申请人:范光照, 李瑞君