專利名稱：三維圖像測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種三維圖像測量裝置，尤其涉及這樣一種三維圖像測量裝置，其中當對測量對象的三維圖像進行測量時，光柵圖像被分配，然后分配的圖像被交替掃描到測量對象的一側(cè)和另一側(cè)，從而能夠消除在測量三維圖像時產(chǎn)生的陰影區(qū)。
背景技術(shù)：
在第4,794,550號美國專利(于1986年10月15日提交，申請人伊斯門柯達公司(Eastmen Kodak Company))中公開了一種涉及三維圖像測量裝置的現(xiàn)有技術(shù)，其將在下面參照附圖對進行描述。


圖1是按照現(xiàn)有技術(shù)的三維圖像測量裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，從光源1產(chǎn)生的光作為具有光柵圖像的周期“d”的水平光束1a通過光柵2(它通過光柵移動元件4向著箭頭的“a”方向移動)和鏡頭3照射到測量對象的表面9上。照射的光以角度1b散射且通過鏡頭5照射到具有圖像傳感器6的照相機7，由此可獲取采樣圖像。獲取的采樣圖像被計算機8處理以獲取測量對象的表面3的三維圖像，然后獲取的三維圖像通過顯示裝置8b被顯示。這里，鍵盤8a被用于輸入幾個信息，以達到測量莫阿干涉圖樣(moirépattern)的目的。
如上所述，在使用傳統(tǒng)的莫阿干涉圖樣測量三維圖像時存在幾個缺陷由于在測量對象的任意位置存在不可測量的陰影區(qū)，因此不能對測量對象的三維圖像進行精確測量。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的主要目的是提供一種三維圖像測量裝置，其中，在對測量對象的三維圖像進行測量時，光柵圖像被分配，隨后通過掃描分配的圖像劍測量對象的一側(cè)和另一側(cè)N次來獲取被測量對象改變的三維圖像以獲取三維圖像，這樣就消除了陰影區(qū)，并由此能夠進一步提高三維圖像的測量精度。
本發(fā)明的另一目的是提供一種三維圖像測量裝置，其中投射部分和三維照相機被排列為直線，從而將三維圖像測量裝置構(gòu)建得更緊湊。
在本發(fā)明的一個方面，為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種三維圖像測量裝置，包括XYZ軸移動裝置，其安裝于基底元件上；工作臺，其安裝于所述基底元件上，用于將測量對象移動到測量位置并隨后支撐所述測量對象，所述工作臺具有設(shè)置在其一側(cè)的預定的基準面；圖像獲取裝置，其中，所述圖像獲取裝置被所述XYZ軸移動裝置向著X、Y和Z軸移動，以N次的次數(shù)將光柵圖像掃描到被支撐和固定于所述工作臺的所述測量對象的一側(cè)，獲取被所述測量對象N次改變的光柵圖像，并且交替地以N次的次數(shù)將所述光柵圖像掃描到所述測量對象的另一側(cè)，獲取被所述測量對象N次改變的光柵圖像；發(fā)光裝置，其安裝于所述圖像獲取裝置的一側(cè)，用于產(chǎn)生和發(fā)射具有預定波長的光；以及控制單元，通過控制所述工作臺和所述XYZ軸移動裝置，所述控制單元將從安裝于所述圖像獲取裝置的一側(cè)的所述發(fā)光裝置產(chǎn)生的光照射到設(shè)定于所述工作臺的一側(cè)的基準面，隨后通過所述圖像獲取裝置接收反射光的圖像，測量垂直距離，從而恒定地維持所述測量對象和所述圖像獲取裝置之間的焦距，并且接收從所述圖像獲取裝置獲取的所述被改變的光柵圖像，從而產(chǎn)生三維圖像。
所述圖像獲取裝置包括投射部分，其通過發(fā)光的光源以及衍射光柵來產(chǎn)生光柵圖像，并且使所產(chǎn)生的光柵圖像穿過安裝于所述衍射光柵下側(cè)的光學投射系統(tǒng)，其中，所述衍射光柵安裝于所述光源下側(cè)，用來接收從光源發(fā)出的光，并且被光柵移動裝置移動；分配器，其安裝于所述投射部分的下側(cè)，利用由鏡移動裝置移動的第一鏡和第二鏡來對透過所述投射部分的光學投射系統(tǒng)照射的光柵圖像進行分配，并且通過分別水平安裝在所述第一鏡和第二鏡的左/右側(cè)的第三鏡和第四鏡以及第一濾光器和第二濾光器來分配所述光柵圖像；以及成像單元，其安裝于所述分配器的下側(cè)，通過成像鏡使被改變的光柵圖像水平地反射，并通過成像鏡頭和成像裝置獲取所述改變的光柵圖像到照相機，其中所述被改變的光柵圖像是穿過分配器的第一和第二濾光器并照射到所述測量對象然后被反射的。
附圖的簡要說明本發(fā)明將參照附圖而變得更加易于理解，附圖僅以示例的方式給出，因此不應作為對本發(fā)明的限制，其中圖1是按照現(xiàn)有技術(shù)的三維圖像測量裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖2是表示按照本發(fā)明的三維圖像測量裝置的整體結(jié)構(gòu)的立體圖；圖3和4是圖2中所示的圖像獲取裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖5是圖3中所示的分配器的放大的立體圖；圖6和7是表示圖3中所示的分配器的一個實施方案的圖；圖8和9是表示圖3中所示的分配器的另一個實施方案的圖。
實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式現(xiàn)在將參照附圖詳細描述按照本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的三維圖像測量裝置。
圖2是表示按照本發(fā)明的三維圖像測量裝置的整體結(jié)構(gòu)的立體圖。如圖2所示，工作臺20安裝于基底元件30的上部，XYZ軸移動裝置10安裝于工作臺20的上部，圖像獲取裝置40安裝于自由地向著X、Y和Z軸移動的XYZ軸移動裝置10，以用于對測量對象100(如圖3所示)的三維圖像進行測量，并且控制單元50(如圖3所示)安裝于基底元件30的一側(cè)以用于整體地控制圖像獲取裝置40、工作臺20和XYZ軸移動裝置10。
線性電機或滾珠絲杠(ball screw)之間的任意之一適合作為XYZ軸移動裝置10，以便使得圖像獲取裝置40分別向著X、Y和Z軸移動。將測量對象100移動到測量位置(如圖2到圖4所示)的工作臺20包括第一引導裝置21、第二引導裝置22和引導傳動裝置23。
第一引導裝置21安裝于基底元件30以被固定，并且具有位于其一側(cè)的預定基準。該基準面被設(shè)置在距第一引導裝置21的上部適當距離的任意位置或者距基底充件30適當距離的任意位置，使得圖像獲取裝置40可接收光。第二引導裝置22，其被安裝成用來在第一引導裝置21的基礎(chǔ)上根據(jù)測量對象100的尺寸而被移動。為了移動第二引導裝置22，引導傳動裝置23被安裝為使第一和第二引導裝置21和22分別與其以直角相交。與電機23a配合的滾珠絲杠23b適用于引導傳動裝置23，且電機24a和傳送帶24b被分別安裝在第一和第二引導裝置21和22的內(nèi)側(cè)，以用于移動測量對象100。
為了對測量對象進行測量，控制單元50首先檢查測量對象100和圖像獲取裝置40之間的聚焦是否正確。為此，控制單元50利用發(fā)光裝置48產(chǎn)生具有預定波長的光以使光到達設(shè)置在工作臺20的一側(cè)的預定基準面，其中發(fā)光裝置48安裝于圖像獲取裝置40的一側(cè)，也就是說，當從Y軸方向看見圖像獲取裝置40時，可看見發(fā)光裝置48在前側(cè)。
采用激光指示器(laser pointer)作為用于產(chǎn)生具有預定的波長的光的發(fā)光裝置48。在對測量對象100進行測量之前，控制單元50將從發(fā)光裝置48產(chǎn)生的光照射到參考面、接收通過圖像獲取裝置40的反射光圖像、計算基準面和圖像獲取裝置40之間的垂直距離，并且根據(jù)結(jié)果通過控制XYZ軸移動裝置10來控制圖像獲取裝置40的Z軸方向距離，從而維持測量對象100和圖像獲取裝置40的焦距。
當測量對象100和圖像獲取裝置40之間的焦距維持恒定時，控制單元50通過控制圖像獲取裝置40來測量三維圖像。為此，控制單元50首先通過控制XYZ軸移動裝置10使圖像獲取裝置40朝向X、Y和Z軸移動，然后使其移動至被支撐和固定于工作臺20的測量對象100。當完成移動過程時，圖像獲取裝置40將光柵圖像掃描到測量對象100的一側(cè)N次，獲取被測量對象N次改變的光柵圖像，交替地將光柵圖像掃描到測量對象的另一側(cè)，并且獲取被測量對象N次改變的光柵圖像。
控制單元50接收被改變的光柵圖像(它是通過在圖像獲取裝置40中交替地掃描到測量對象100的一側(cè)和另一側(cè)N次并由此獲得的)，從而產(chǎn)生測量對象100的三維圖像。這里，控制單元50通過控制圖像獲取裝置40以交替地將光柵圖像掃描到測量對象100的一側(cè)和另一側(cè)N次，之后接收對應于各個光柵圖像的被改變的光柵圖像以測得測量對象100的三維圖像，由此通過消除陰影區(qū)來獲取更精確的三維圖像。
交替地掃描到測量對象100的一側(cè)和另一側(cè)并隨后獲取被改變的光柵圖像的圖像獲取裝置40的結(jié)構(gòu)將參照附圖的圖3和4進行描述。
圖3是在前面從Y軸方向觀察到的圖像獲取裝置的結(jié)構(gòu)圖。圖4是在前面從X軸方向觀察到的圖像獲取裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖3和4所示，圖像獲取裝置40可被緊湊地構(gòu)建為由虛線表示的圖像獲取裝置的外殼40a。也就是說，獲取裝置包括投射部分41、安裝于投射部分41的垂直下部的分配器44、安裝于分配器44的垂直下部的成像單元45。
投射部分41通過發(fā)光的光源41a以及衍射光柵41b(其安裝于光源41a下側(cè)以用來接收從光源發(fā)出的光，并且被光柵移動裝置41c移動)來產(chǎn)生光柵圖像，并且使所產(chǎn)生的光柵圖像穿過安裝于衍射光柵41b下側(cè)的光學投射系統(tǒng)41d。穿過投射部分41的光學投射系統(tǒng)41d的光柵圖像被傳遞到分配器44。這里，液晶衍射光柵可適合作為衍射光柵41b，并且PZT(壓電)致動器適合作為光柵移動裝置41d。
安裝于投射部分41的光學投射系統(tǒng)41d下側(cè)的分配器44通過光柵圖像分配鏡42(其包括通過鏡移動裝置移動的第一和第二鏡42a和42b)對從光學投射系統(tǒng)41d照來的光柵圖像進行分配，然后使光柵圖像透射到第三和第四鏡44a和44c(它們被分別水平地安裝在第一和第二鏡的左/右側(cè))并隨后使光柵圖像經(jīng)過第一和第二濾光器44b和44d(它們分別安裝于第三和第四鏡44a和44c的下側(cè))的過濾，然后分別掃描到測量對象100的一側(cè)和另一側(cè)N次。
掃描到測量對象100的光柵圖像形成了被測量對象100改變的光柵圖像，并且被改變的光柵圖像被接收到成像單元45。成像單元45安裝于分配器44的下側(cè)，它使被改變的光柵圖像水平反射(其中，該被改變的光柵圖像是穿過分配器44的第一和第二濾光器44b和44d、分別掃描到測量對象100的一側(cè)和另一側(cè)N次、并且通過成像鏡45a而形成的)，并且通過成像鏡頭和成像裝置45c獲取被改變的光柵圖像到照相機45d。這里，照相機45d獲取具有2×N幀的測量對象100的被改變的光柵圖像并且將其傳送給控制單元50。
控制單元50利用各個傳送來的改變的光柵圖像以及通過使用從測量對象100的一側(cè)和另一側(cè)獲取的改變的光柵圖像來獲取相位值，并且利用所獲取的相位值消除陰影區(qū)和飽和區(qū)，從而能夠更精確地測量三維圖像。
為了獲取測量對象100的準確的三維圖像，如圖5所示，在用于分配光柵圖像的光柵圖像分配鏡42中，第一鏡42a和第二鏡42b的各傾斜鏡面的中心線是相交、接觸并成形的。光柵圖像被第一鏡42a掃描到測量對象的一側(cè)N次，隨后，它被鏡移動裝置43朝向Y軸方向移動，并且光柵圖像被分配且被第二鏡42b掃描到測量對象100的另一側(cè)N次。
作為光柵圖像分配鏡42的一個實施方案，如圖6和7所示，可以采用其中第一和第二鏡46a和46b形成各自傾斜面的三角鏡46。利用第一鏡46a，光柵圖像通過第三鏡44a和第一濾光器44b被掃描到測量對象100(如圖3所示)的一側(cè)N次，隨后，三角鏡46被鏡移動裝置43向著X軸方向移動，光柵圖像被第二鏡46b分配，并且分配的光柵圖像交替地通過第四鏡44c和第二濾光器44d掃描到測量對象100的另一側(cè)N次。
作為光柵分配鏡42的另一實施方案，如圖8和9所示，可采用旋轉(zhuǎn)鏡47a。通過旋轉(zhuǎn)鏡47a，光柵圖像通過第三鏡44a和第一濾光器44b被掃描到測量對象的一側(cè)N次，隨后，如圖8所示，旋轉(zhuǎn)鏡47a被例如電控鏡儀(galvano mirror meter)47b的旋轉(zhuǎn)元件旋轉(zhuǎn)預定的角度(如圖9所示)，并且光柵圖像被第四鏡44c和第二濾光器44d分配，并且分配的光柵圖像被掃描到測量對象100的另一側(cè)N次。這里，氣缸、線性電機和滾珠絲杠之一可適合用作鏡移動裝置42a以作為用來移動光柵圖像分配鏡42的直線移動元件。電控鏡儀被用作旋轉(zhuǎn)裝置47b，其作為使旋轉(zhuǎn)鏡47a進行旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)元件而使用。
如上所述，當對測量對象的三維圖像進行測量時，光柵圖像被交替地掃描到測量對象的一側(cè)和另一側(cè)N次，然后獲取被改變的光柵圖像，從而可通過利用分別從一側(cè)和另一側(cè)獲取的相位值來消除陰影區(qū)和飽和區(qū)，由此能夠更精確地測量三維圖像。
工業(yè)應用性如上所述，本發(fā)明具有如下有益效果光柵圖像被交替地掃描到測量對象的一側(cè)和另一側(cè)N次，然后獲取改變的光柵圖像，從而能夠通過利用分別從一側(cè)和另一側(cè)獲取的相位值來消除陰影區(qū)和飽和區(qū)，由此能夠更精確地測量三維圖像，并且由于投射部分、分配器和成像單元是以垂直方向排成直線的，因此更緊湊地構(gòu)成三維圖像測量裝置。
權(quán)利要求
1.一種三維圖像測量裝置，包括XYZ軸移動裝置，其安裝于基底元件上；工作臺，其安裝于所述基底元件上，用于將測量對象移動到測量位置并隨后支撐所述測量對象，所述工作臺具有設(shè)置在其一側(cè)的預定的基準面；圖像獲取裝置，其中，所述圖像獲取裝置被所述XYZ軸移動裝置向著X、Y和Z軸移動，以N次的次數(shù)將光柵圖像掃描到被支撐和固定于所述工作臺的所述測量對象的一側(cè)，獲取被所述測量對象N次改變的光柵圖像，并且交替地以N次的次數(shù)將所述光柵圖像掃描到所述測量對象的另一側(cè)，獲取被所述測量對象N次改變的光柵圖像；發(fā)光裝置，其安裝于所述圖像獲取裝置的一側(cè)，用于產(chǎn)生和發(fā)射具有預定波長的光；以及控制單元，通過控制所述工作臺和所述XYZ軸移動裝置，所述控制單元將從安裝于所述圖像獲取裝置的一側(cè)的所述發(fā)光裝置產(chǎn)生的光照射到設(shè)定于所述工作臺的一側(cè)的基準面，隨后通過所述圖像獲取裝置接收反射光的圖像，測量垂直距離，從而恒定地維持所述測量對象和所述圖像獲取裝置之間的焦距，并且接收從所述圖像獲取裝置獲取的所述被改變的光柵圖像，從而產(chǎn)生三維圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，其中，線性電動機或滾珠絲杠之中的任意一個適合用作所述XYZ軸移動裝置，以便將所述圖像獲取裝置分別向著X、Y和Z軸移動。
3.如權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，其中，第一引導裝置，其安裝于所述基底元件以被固定，并且具有位于其一側(cè)的預定基準；第二引導裝置，其被安裝成用來在所述第一引導裝置的基礎(chǔ)上根據(jù)所述測量對象的尺寸而被移動；以及引導傳動裝置，其被安裝為使所述第一和第二引導裝置21和22分別與其以直角相交，并且用于在所述第一引導裝置的基礎(chǔ)上移動所述第二引導裝置。
4.如權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，其中，滾珠絲杠適合用作所述引導傳動裝置。
5.如權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，所述圖像獲取裝置包括投射部分，其通過發(fā)光的光源以及衍射光柵來產(chǎn)生光柵圖像，并且使所產(chǎn)生的光柵圖像穿過安裝于所述衍射光柵下側(cè)的光學投射系統(tǒng)，其中，所述衍射光柵安裝于所述光源下側(cè)，用來接收從光源發(fā)出的光，并且被光柵移動裝置移動；分配器，其安裝于所述投射部分的下側(cè)，利用由鏡移動裝置移動的第一鏡和第二鏡來對透過所述投射部分的光學投射系統(tǒng)照射的光柵圖像進行分配，并且通過分別水平安裝在所述第一鏡和第二鏡的左/右側(cè)的第三鏡和第四鏡以及第一濾光器和第二濾光器來分配所述光柵圖像；以及成像單元，其安裝于所述分配器的下側(cè)，通過成像鏡使被改變的光柵圖像水平地反射，并通過成像鏡頭和成像裝置獲取所述改變的光柵圖像到照相機，其中所述被改變的光柵圖像是穿過分配器的第一和第二濾光器并照射到所述測量對象然后被反射的。
6.如權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，液晶衍射光柵可適合用作所述衍射光柵。
7.如權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，PZT(壓電)致動器適合用作所述投射部分的所述光柵移動裝置。
8.如權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，所述分配器的所述第一鏡和第二鏡的各傾斜鏡面的中心線是交叉、接觸和成形的。
9.如權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，三角鏡適合用作所述分配器的第一鏡和第二鏡。
10.如權(quán)利要求5或6所述的三維測量裝置，氣缸、線性電動機和滾珠絲杠之一適合用作所述鏡移動裝置。
11.如權(quán)利要求5所述的三維測量裝置，旋轉(zhuǎn)鏡47a可適合用作所述分配器的第一鏡和第二鏡。
12.如權(quán)利要求11所述的三維測量裝置，其中，所述裝置進一步包括用于使所述旋轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)預定角度的旋轉(zhuǎn)裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的三維測量裝置，電控鏡儀適合用作旋轉(zhuǎn)裝置。
14.如權(quán)利要求1所述的三維測量裝置，激光指示器被用作所述發(fā)光裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種三維圖像測量裝置，一種三維圖像測量裝置，包括XYZ軸移動裝置，其安裝于基底元件上；工作臺，其安裝于所述基底元件上，用于將測量對象移動到測量位置并隨后支撐所述測量對象，所述工作臺具有設(shè)置在其一側(cè)的預定的基準面；圖像獲取裝置，其中，所述圖像獲取裝置被所述XYZ軸移動裝置向著X、Y和Z軸移動，以N次的次數(shù)將光柵圖像掃描到被支撐和固定于所述工作臺的所述測量對象的一側(cè)，獲取被所述測量對象N次改變的光柵圖像，并且交替地以N次的次數(shù)將所述光柵圖像掃描到所述測量對象的另一側(cè)，獲取被所述測量對象N次改變的光柵圖像；發(fā)光裝置，其安裝于所述圖像獲取裝置的一側(cè)，用于產(chǎn)生和發(fā)射具有預定波長的光；以及控制單元，通過控制所述工作臺和所述XYZ軸移動裝置，所述控制單元將從安裝于所述圖像獲取裝置的一側(cè)的所述發(fā)光裝置產(chǎn)生的光照射到設(shè)定于所述工作臺的一側(cè)的基準面，隨后通過所述圖像獲取裝置接收反射光的圖像，測量垂直距離，從而恒定地維持所述測量對象和所述圖像獲取裝置之間的焦距，并且接收從所述圖像獲取裝置獲取的所述被改變的光柵圖像，從而產(chǎn)生三維圖像。
文檔編號G01B11/25GK1748120SQ200480003759
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月6日
發(fā)明者高光一, 成銀瑩, 全文榮 申請人:株式會社高永科技