專利名稱：雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，采用光學系統(tǒng)中遠心(telecentic)光學構(gòu)架特性，將遠近分辨率均勻化，為一種分辨率高且均勻的取像裝置。
現(xiàn)有的方法已經(jīng)可以在投射光方向得到較高的分辨率，但是并不能解決隨著距離光源愈來愈遠，其分辨率會愈來愈低的事實，分辨率不均勻的問題發(fā)生在當近距離處分辨率足夠時，遠距離處分辨率卻不足；此外，現(xiàn)有技術(shù)中，在垂直于投射光方向的分辨率由CCD照相機的參數(shù)決定，因此選用的焦距與物距已經(jīng)決定了該方向的分辨率。若欲改變垂直于投射光方向的分辨率，只能夠改變物距或焦距而已，但是通常一部形狀測定裝置都有它在操作上的期望物距，因此所能調(diào)整的物距范圍較為有限，所以多半會改變物鏡的焦距；無論是改變物距或是焦距，投射光方向的分辨率也會隨之改變，因此又要改變非等向性(anisotropic)或調(diào)變影像(anamorphic)的鏡組參數(shù)。由于物鏡焦距直接決定一軸的分辨率，而實際上基于成本考慮，取像鏡頭大多采用市售定焦鏡頭，如監(jiān)視器鏡頭，其焦距值只有某些特定值，故在設(shè)計上要同時符合兩軸分辨率較不易。
如

圖1所示為現(xiàn)有無調(diào)變影像放大倍率的分辨率示意圖，以一投射光平面11投射至一待測物體20表面，其等間距CCD像素所攝得的反射光線7所呈現(xiàn)的情形，在完全沒有調(diào)變影像放大倍率下，投射光方向有相當大的視野，但是在遠程的分辨率急速下降，而且由于一般的取像物鏡的景深非常有限，所以遠程的測量精度非常差，幾乎沒有利用價值。
如圖2所示為現(xiàn)有的美國專利(第6046812號)使用柱面鏡來提高分辨率示意圖，以一投射光平面11投射至一待測物體20表面，其等間距CCD像素所攝得的反射光線7所呈現(xiàn)的情形，其中使用柱面鏡縮短投射光方向的視野，可以提高分辨率，但是遠程的分辨率仍遠低于近端的分辨率。
為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，利用一投射光源，投射出平面光或線光至待測物表面，于該待測物表面呈現(xiàn)一條交線或交點，產(chǎn)生一反射光并進入一曲面反射鏡(也可用遠心柱面透鏡組)與一柱面透鏡組，最后通過一電子取像裝置(CCD照相機)并成像于影像傳感裝置如電荷耦合組件上，進而計算該激光上各點的坐標位置。
其中，本發(fā)明使用一曲面反射鏡或一遠心柱面透鏡組來調(diào)變激光投射方向的影像縮放倍率，該曲面反射鏡，為一連續(xù)變化曲率的凹面曲面，可反射來自待測物表面的反射光，改變光線視角；該遠心柱面透鏡組，由一柱面透鏡組及一平面反射鏡所組成，可縮小投射光方向的視野，且其聚焦位置接近于取像物鏡組的主平面；并使用一柱面透鏡組來改變光交線寬度方向的影像放大倍率，最后成像于一電子取像裝置的影像傳感裝置如電荷耦合組件上。
圖2為現(xiàn)有使用柱面鏡來提高分辨率示意圖。
圖3為本發(fā)明的分辨率原理示意圖。
圖4為本發(fā)明形狀測定裝置立體圖。
圖5為本發(fā)明形狀測定裝置示意圖。
圖6為本發(fā)明采用遠心柱面透鏡的形狀測定裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，也即在一投射光源外設(shè)置一取像裝置即可測得光點投射在物體表面相對位置，為一種分辨率高且均勻的取像裝置，如圖3所示為本發(fā)明的分辨率原理示意圖，其中使用一曲面反射鏡以縮短投射光方向的視野，并且使得近端至遠程的分辨率一致，若與現(xiàn)有技術(shù)(圖1、圖2)作一比較，可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明(圖3)無論近端或遠程，由電子取像裝置60所攝得的反射光線分辨率較均勻，解決遠距離分辨率不足的問題。
現(xiàn)以實施例并配合附圖對本發(fā)明的目的、特征及功效詳細說明如下。第一實施例為了改善現(xiàn)有技術(shù)中在投射光方向分辨率遠近不均的問題，本發(fā)明提供一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，采取光學系統(tǒng)提供一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，采用光學系統(tǒng)中遠心光學構(gòu)架特性，將遠近分辨率均勻化。
如圖4所示，為本發(fā)明形狀測定裝置立體圖，利用一光源10投射出平面光(或線光束)至物體20表面上，其與物體20表面的交線(或點)21可以用三角測距原理算出其三維坐標。首先，光線21會反射至一曲面反射鏡40再反射進入一柱面透鏡組50，最后成像在電子取像裝置60?；旧想娮尤∠裱b置60(CCD照相機)是由一個固定焦距的取像物鏡組61和一個影像傳感裝置(如電荷耦合組件62)及其驅(qū)動電路所組成，并可于取像物鏡組61前增加一濾鏡來過濾特定波長的光線，依照電荷耦合組件62的大小和取像物鏡組61的焦距，可以決定此電子取像裝置60水平及垂直視角，水平視角在光平面的含蓋方向為垂直于光投射方向，而垂直視角在光平面的含蓋方向則為光投射方向；因此經(jīng)過柱面透鏡組50可以改變水平視角，而經(jīng)過曲面反射鏡40又可以改變垂直視角，垂直視角上極限平面31和垂直視角下極限平面32代表在垂直視角的上下極限。
如圖5所示，依照曲面反射鏡40與電子取像裝置60在空間的幾何關(guān)系位置，曲面反射鏡40的表面可以為一連續(xù)變化的曲面，其曲率形成近乎遠心光學構(gòu)架特性，也即曲面每部位焦距接近其與電子取像裝置60的距離，目的在于使得介于垂直視角上極限平面31和垂直視角下極限平面32的反射平面接近于平行，而且相對于電荷耦合組件62陣列的每一個垂直方向像素(pixel)都在投射光平面11的投射方向維持相等的間隔距離。相較于以往沒有反射鏡或僅用平面反射鏡，顯然在投射光方向的視野可以獲得壓縮，因此提高該方向的分辨率；而且因為連續(xù)曲面反射以遠心光學特性的關(guān)系，該方向的分辨率不會隨著光源距離的增加而遞減，反而呈現(xiàn)均勻的分辨率；為了讓成像品質(zhì)提高，電子取像裝置60的成像面(電荷耦合組件62)必須做適度的調(diào)整，而且其調(diào)整角度將隨著投光與取像的夾角、曲面反射鏡40A的曲率變化及其位置變化而改變。參照圖5，柱面透鏡組50至少包括一凹柱面透鏡51與一凸柱面透鏡52，其柱面軸不必與電子取像裝置60光軸垂直，為了獲得較佳的成像品質(zhì)，可以做適度的傾斜。當凹柱面透鏡51置于近物體20端，而凸柱面鏡52置于近電子取像裝置60端的時候，可以得到較大的水平視角，因此影像縮小了；反之，若兩個位置對調(diào)，水平視角將會變小，影像因此放大了。至于如何改變影像的放大倍率，則可以調(diào)整柱面鏡的位置或改變參數(shù)。第二實施例如圖6所示，為本發(fā)明的另一實施例，采用遠心柱面透鏡組40B(由柱面透鏡401B與平面反射鏡402B所組成)來取代曲面反射鏡40A；提供一光源10形成一投射光平面11至物體20上，交于物體20上為點或線，由光路30經(jīng)柱面透鏡42及平面反射鏡40A，在經(jīng)過柱面透鏡組50(凹柱面透鏡51、凸柱面透鏡52)，由取像物鏡組61(鏡頭)成像于電荷耦合組件62上。為了讓遠近分辨率均勻化，柱面透鏡401B的焦距接近其與取像物鏡組61(鏡頭)的光程距，光圈位于取像物鏡組61上，如此即形成遠心光學構(gòu)架，光偶合組件62上等間隔影像所對應(yīng)物空間在柱面鏡前就形成接近等間隔平行光路30，在圖6中可清楚看出光路30呈現(xiàn)近乎等間隔平行現(xiàn)象，所以大大改善遠近距離分辨率不均的問題。雖然現(xiàn)有技術(shù)中也用柱面鏡組，但在光路30中與鏡頭靠近，為了維持掃描范圍，只能提高分辨率，而無法應(yīng)用遠心的特性，故仍存在遠近分辨率不均的問題。本發(fā)明掌握此一特性，利用柱面透鏡401B與平面反射鏡402B來搭配組合，改善遠近分辨率不均的問題，其中柱面透鏡401B與平面反射鏡402B可前后對調(diào)，柱面透鏡401B也可為柱面透鏡組50，不過該柱面透鏡組50必須與取像物鏡組61有相當?shù)木嚯x及足夠體積，方能發(fā)揮遠心光學構(gòu)架特性又能保有足夠取像范圍。
本發(fā)明特別披露并描述了所選擇的較佳實施例，不能以其限定本發(fā)明實施的范圍，即凡熟悉本技術(shù)的人均可明了，依本發(fā)明申請專利范圍所作任何形式或是細節(jié)上可能的變化，均未脫離本發(fā)明專利涵蓋的精神與范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于一曲面反射鏡(40A)，為一連續(xù)變化曲率的凹面曲面，可反射來自待測物表面的反射光，改變光線視角；一柱面透鏡組(50)，光路(30)經(jīng)由曲面反射鏡(40A)反射后，直接進入該柱面透鏡組(50)，改變光交線寬度方向的影像放大倍率；及一電子取像裝置(60)，由一驅(qū)動電路、一取像物鏡組(61)與一影像傳感裝置所構(gòu)成，當光線通過柱面透鏡組(50)后，借由一取像物鏡組(61)，成像于該影像傳感裝置上，經(jīng)由上述組件組成一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其中光行進路徑由一投射光源(10)投射出平面光或線光至待測物體(20)表面后，產(chǎn)生一反射光并進入一曲面反射鏡(40A)及一柱面透鏡組(50)，最后通過一電子取像裝置(60)并成像于影像傳感裝置上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于該曲面反射鏡(40A)可為一單調(diào)圓柱面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于該柱面透鏡組(50)至少包含一凹柱面透鏡(51)和一凸柱面透鏡(52)，影像放大或縮小的倍率會隨著凹柱面透鏡(51)、凸柱面透鏡(52)的前后順序及相關(guān)位置與個別焦距而改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于該柱面透鏡組(50)中的每一片透鏡與取像物鏡組(61)的光軸不必垂直，成一適當夾角，以得到最佳成像品質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于該電子取像裝置(60)中的影像傳感裝置成像面不必垂直于取像物鏡組(61)的光軸，以獲得最佳成像測量精度及分辨率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于可于電子取像裝置(60)中的取像物鏡組(61)前緣加上一濾鏡，過濾固定波長的光線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于曲面反射鏡(40A)可以一遠心柱面透鏡組(40B)來取代。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，其特征在于該遠心柱面透鏡組(40B)可由柱面透鏡(401B)與平面反射鏡(402B)所組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙軸向調(diào)變影像放大倍率的形狀測定裝置，利用一光源投射于待測物上，再以電子取像裝置如電荷偶合組件(Charge Coupled Device，CCD)照相機攝取該激光影像后，計算該激光上各點的坐標位置，其中，本發(fā)明使用一曲面反射鏡或一遠心柱面透鏡組來調(diào)變激光投射方向的影像縮放倍率，并借由一柱面透鏡組來調(diào)變激光寬度方向的影像縮放倍率，改善測量時因距離增加而降低分辨率的問題，并在精密光學分析設(shè)計后，可將CCD照相機的可視范圍變?yōu)橛行У臏y量深度。
文檔編號G01B21/20GK1437002SQ0210342
公開日2003年8月20日 申請日期2002年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月5日
發(fā)明者林明慧, 胡杰 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院