目标物体的3D轮廓测量装置的制作方法

本申请涉及三维轮廓测量技术领域，尤其涉及一种目标物体的3D轮廓测量装置。

背景技术：

随着科技发展，用户对产品的精度和一致性要求也越来越高。借助机器视觉方案获得产品的3D轮廓信息，在生产加工中实时判定产品的性能，能够有效提高产品的生产效率。

3D轮廓测量一般可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量一般是利用探针进行测量，由于其精度会受到探针尺寸的限制，所以在工业应用中越来越倾向于利用非接触式测量的方法。

现有技术中非接触式的3D轮廓测量装置，通常需要外接控制器，导致成本较高。

技术实现要素：

本申请实施例提供一种目标物体的3D轮廓测量装置，用于降低3D轮廓测量装置的成本。

本申请实施例采用下述技术方案：一种目标物体的3D轮廓测量装置，包括：发射线激光的激光模块；获取目标物体反射的线激光的成像模块，其中，所述目标物体反射的线激光是所述激光模块发射的线激光在所述目标物体表面反射形成；所述成像模块包括镜头，所述镜头的光轴和所述激光模块的光轴之间夹角固定；与所述成像模块连接的图像处理控制模块，输出所述目标物体的3D轮廓数据或深度图数据；以及装置本体，其中，所述激光模块、所述成像模块和所述图像处理控制模块集成在所述装置本体内部。

可选地，所述激光模块和所述成像模块之间的相对位置固定。

可选地，所述激光模块的光轴、垂直于所述镜头的光轴且经过所述镜头中心点的直线，和经过所述成像模块成像面的延长线相交于一点。

可选地，所述镜头的光轴的垂线和所述成像模块成像面之间的夹角为：

其中，θ2是所述镜头的光轴的垂线和所述成像模块成像面之间的夹角；θ1是所述镜头的光轴和所述激光模块的光轴之间的夹角；β是所述镜头的放大倍数。

可选地，所述镜头的光轴和所述激光模块的光轴之间的夹角为30度。

可选地，所述图像处理控制模块还用于接收触发信号，并根据接收到的触发信号控制所述成像模块，其中，所述图像处理控制模块接收的触发信号包括连续触发信号、编码器触发信号和随机触发信号。

可选地，所述激光模块包括激光驱动电路、半导体激光器和激光光束整形单元，其中，所述激光驱动电路用于驱动所述半导体激光器发射激光；所述激光光束整形单元用于将所述半导体激光器发射的激光整形为线激光。

可选地，所述激光模块发射的线激光的波长在405纳米到450纳米之间。

可选地，所述图像处理控制模块包括电路板，所述电路板为多层电路板，且所述多层电路板的结构为异形。

可选地，所述装置还包括有标定工具。

本申请实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置，激光模块朝目标物体发射线激光，成像模块获取目标物体反射的线激光，图像处理控制模块输出目标物体的3D轮廓数据或深度图数据，采用基于线激光扫描的非接触式测量方式，能够快速获得目标物体的3D轮廓数据或深度图数据，由于激光模块、成像模块和图像处理控制模块集成在装置本体内部，无需外接控制器，安装简单，减少了外接处理器所需要的部件，便于降低成本；并且，图像处理控制模块能够直接输出目标物体的3D轮廓数据，便于用户二次开发。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本说明书的一个实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置结构示意图；

图2为本说明书的一个实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置中激光模块的结构示意图；

图3为本说明书的一个实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置成像原理示意图；

图4为本说明书的一个实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置成像原理另一示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本说明书的一个实施例提供一种目标物体的3D轮廓测量装置100，主要包括有激光模块110，成像模块120，图像处理控制模块130以及装置本体(未图示)，其中，激光模块110主要用于产生的线激光，激光模块110产生的线激光经过目标物体表面漫反射后由成像模块120成像，图像处理控制模块130能够通过内置的高精度算法对获取的图像进行处理，根据用户的设置输出目标物体的3D轮廓数据或目标物体的深度图数据，激光模块110、成像模块120和图像处理控制模块130集成在装置本体内部，以下将对上述各个模块的功能和结构进行详细介绍。

上述激光模块110主要用于产生线激光，具体地，如图2所示，在一个优选的实施例中，激光模块110包括有激光驱动电路111、半导体激光器112和激光光束整形单元113，其中，激光光束整形单元113又包括激光准直光路1131和线激光成形光路1132，以下将首先对激光模块110进行详细介绍。

激光驱动电路111可以采用恒定功率或者是恒电流的方式驱动半导体激光器112发射激光，该实施例中，半导体激光器112可以是任何能够发射特定激光的器件，半导体激光器112发射的激光的波长范围可以涵盖近紫外光-可见光-红外光，由于涵盖的波长范围较广，提高了本说明书实施例提供的3D轮廓测量装置100的应用范围。

激光光束整形单元113主要用于将半导体激光器112发出的激光整形为平行的线激光。如图2所示，激光光束整形单元113包含激光准直光路1131和线激光成形光路1132，同时也涵盖包含此功能的组合光路或器件。

激光准直光路1131包括有单透镜或多透镜光学器件，能够将半导体激光器112发射的激光光束准直。

线激光成形光路1132包括的光学器件不限于柱面镜、衍射器件或带有非球面的柱面镜等。线激光成形光路1132能够将准直之后的激光光束转变为平行的线激光出射。

上述激光模块110的结构设计，改善发射的激光的均匀度和直线度，提高了线激光的整体精度；另外，采用的线激光为蓝光，提高激光信噪比，进一步提高了成像模块120的成像精度。

优选地，在图2所示的实施例中，激光模块110可以用来发射平行的线激光，平行的线激光的长度基本保持不变。在其他的实施例中，激光模块110还可以用来发射发散的线激光，发散的线激光距离激光模块110的出光口越远线激光越长。由于激光模块110可以用来发射不同波束的线激光，进一步提高了本说明书实施例提供的3D轮廓测量装置100的应用范围。

如图3所示，激光模块110产生的线激光光束沿光轴O1O'对称分布，线激光长度与成像模块120的镜头122的视场相匹配，在图3中，激光模块110发射的线激光的扇角固定，线激光的扇角与镜头122的视场角匹配。

激光模块110发射的线激光优选为蓝光，波长在405纳米到450纳米之间，采用蓝光能够进一步提高成像的精度。当然，可选地，激光模块110发射的线激光可选绿光、红光、红外等典型波长的光。

结合图1和图3所示，成像模块120主要包括有滤光片121、镜头122和图像传感器123。

滤光片121可以采用窄带滤光片，该窄带滤光片只透过激光模块110发射的线激光，过滤环境光干扰。例如，激光模块110发射的线激光为蓝光时，滤光片121仅透过蓝光，过滤掉其它波长的光，避免其它波长的光的干扰，提高成像模块120的成像精度。

镜头122的焦距可选。在图3中，镜头122的光轴O'O2与激光模块110的光轴O1O'呈一个固定的角度θ1，θ1的可选角度0-90°，优选为30°。当镜头122的光轴O'O2与激光模块110的光轴O1O'之间的夹角为30°时，不仅能够精确地成像，并且激光模块110和成像模块120成像模块之间的间距较小，减小了本说明书实施例提供的3D轮廓测量装置100的体积，从而使3D轮廓测量装置100的结构更加紧凑。

成像模块120的图像传感器123的成像面与镜头122的光轴O'O2的垂线呈一个夹角θ2。普通的成像模块，图像传感器的成像面AA’垂直于镜头光轴O'O2，本说明书实施例中，镜头122的光轴O'O2与激光模块110的光轴O1O'呈一个固定的角度θ1，图像传感器123的成像面与镜头122的光轴O'O2的垂线之间的夹角优化为θ2，使得镜头122视野范围内不同位置均能清晰成像，提高了成像精度。

上述夹角θ2的大小可以由镜头122的工作距离、焦距以及夹角θ1确定，关于夹角θ2的大小，本说明书后续再作详细介绍。

回见图1所示，图像处理控制模块130包括有供电模块131，集成电路132和处理器133。

优选地，供电模块131可以为激光模块110和成像模块120通过光耦隔离的方式供电。

集成电路132具体可以是现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)，处理器133具体可以是ARM处理器。该实施例中，图像处理控制模块130包含FPGA电路和高性能ARM处理器及外围模块。

图像处理控制模块130能够获取成像模块120的图像传感器123采集的激光光束分布图像，并进行处理得到与目标物体200对应的3D轮廓数据和深度图数据。

优选地，考虑到工业应用环境中，常常受限于安装空间及位置，该实施例中，图像处理控制模块130的电路板采用多层板的紧凑设计，并根据3D轮廓测量装置100的外形获取他部件的结构设计为异形，最大化减小3D轮廓测量装置100体积。

图像处理控制模块130可以采用嵌入式开发技术，通过FPGA完成目标物体200的图像采集与处理，还可以选用高性能ARM处理器集成多种算法，包含但不限于激光中心线提取、滤波、图像增强等算法，提取目标物体200的3D轮廓数据；同时内置的深度图算法、矫正算法等能够将获取的多条激光轮廓转换为目标物体200的深度图数据。

如图1所示，图像处理控制模块130能够接收多路触发信号，包含但不限于编码器信号、软件触发按钮、光电开关类传感器触发信号灯等。图像处理控制模块130支持用户设置图像的多种采集和输出模式，包含但不限于连续触发、编码器触发、外部触发等。在连续触发模式下，成像模块120以固定频率自动执行采样；编码器触发模式，成像模块120可根据编码器输出的脉冲信号，根据设定的脉冲个数，触发采集；外部触发模式，成像模块120根据外部的触发信号，执行单次或多次采集。

该实施例中，图像处理控制模块130支持目标物体200的3D轮廓数据和深度图数据的输出，用户可根据需要选择相应的数据输出模式。

在3D轮廓数据输出模式下，用户可获取到实时的目标物体200的轮廓信息；深度图数据输出模式下，用户可自定义深度图的宽度和高度，获取物体的深度数据。

具体应用例如，在自动产线挤压类产品生产中，需要时时获取产品的宽度和高度，则可设置为3D轮廓数据输出模式，通过获取的3D轮廓数据实时进行判定。

对于PCB板电阻有无的检查，可设置为深度图像数据输出，根据输出的深度图像数据中固定位置的深度信息，判断生产的PCB板是否满足要求。

本说明书实施例提供的3D轮廓测量装置100可以包括有标定工具，能够对架设好的3D轮廓测量装置100进行标定，消除安装带来的不一致性，确保深度图像数据的准确性和一致性，用户可便捷获取到高精度的3D轮廓数据和深度图数据。

上述激光模块110、成像模块120和图像处理控制模块130可以集成在装置本体内部，装置本体具体可以呈壳状结构，能够容纳并固定激光模块110、成像模块120和图像处理控制模块130。

本说明书实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置，激光模块110朝目标物体200发射线激光，成像模块120获取目标物体反射的线激光，图像处理控制模块130输出目标物体200的3D轮廓数据或深度图像数据，采用基于线激光扫描的非接触式测量方式，能够快速获得目标物体的3D轮廓数据或深度图像数据，由于激光模块、成像模块和图像处理控制模块集成在装置本体内部，无需外接控制器，安装简单，减少了外接处理器所需要的部件，便于降低成本；并且，图像处理控制模块130能够直接输出目标物体的3D轮廓数据，便于用户二次开发。

本说明书实施例提供的目标物体的3D轮廓测量装置100，能够应用于电子产品的生产加工、汽车制造、激光焊接等行业。本实用新型采用一体化设计，内置高性能ARM处理器，搭载高精度轮廓与深度图算法，能够直接输出3D轮廓数据或深度图数据，方便用户进行后续的应用开发。

图像处理控制模块130搭载运行高精度算法，可接收外界触发信号，完成激光图像的采集与处理，直接根据用户需求输出3D轮廓数据或深度图数据；同时，图像处理控制模块130的PCB板采用多层板的紧凑设计，并设计为异形，最大化减小装置的体积。

激光模块110与成像模块120光轴夹角固定，且成像模块120中的图像传感器123成像面与镜头122光轴夹角特别优化，最大程度确保在整个激光平面内成像清晰，提高产品精度。

此外，3D轮廓测量装置100可以通过标定工具预先标定，用户可直接获取高精度3D轮廓数据；同时，提供便捷的系统标定工具，方便用户安装与架设。

可选地，激光模块110和成像模块120之间的相对位置固定，能够保证激光模块110和成像模块120的相对位置，一致性强，易于确保检测测量精度，适合产品化需求；同时，激光模块110和成像模块120集成为一体，相关3D算法内置于ARM处理器，成本低，安装简便，便于用户二次开发。

结合图3和图4所示，所述激光模块110的光轴、垂直于所述镜头的光轴且经过所述镜头中心点的直线、和经过所述成像模块成像面的延长线线相交于一点，这样，成像模块120中的图像传感器123与镜头122光轴夹角特别优化，最大程度确保在整个激光平面内成像清晰，提高产品精度。

具体地，成像模块120的图像传感器123的成像面与镜头122的光轴O'O2的垂线呈一个夹角θ2，镜头122的光轴O'O2与激光模块110的光轴O1O'呈一个固定的角度θ1，具体如下：

镜头122的光轴O'O2与激光模块110的光轴O1O'呈一个固定的角度θ1时，θ'1与θ1之间的关系如下所示：

镜头122的工作距离固定后，相应的放大倍数β率也固定，因此如图4所示，可得：

其中，θ2是所述镜头的光轴的垂线和所述成像模块成像面之间的夹角；

θ1是所述镜头的光轴和所述激光模块的光轴之间的夹角；

β是所述镜头的放大倍数。

成像模块120中的图像传感器123与镜头122光轴夹角特别优化，最大程度确保在整个激光平面内成像清晰，提高产品精度。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。