三维图像测量装置

1.一种三维图像测量装置，包括：
XYZ轴移动装置，其安装于基底元件上；
工作台，其安装于所述基底元件上，用于将测量对象移动到测量位 置并随后支撑所述测量对象，所述工作台具有设置在其一侧的预定的基 准面；
图像获取装置，其中，所述图像获取装置被所述XYZ轴移动装置向 着X、Y和Z轴移动，以N次的次数将光栅图像扫描到被支撑和固定于 所述工作台的所述测量对象的一侧，获取被所述测量对象N次改变的光 栅图像，并且交替地以N次的次数将所述光栅图像扫描到所述测量对象 的另一侧，获取被所述测量对象N次改变的光栅图像；
发光装置，其安装于所述图像获取装置的一侧，用于产生和发射具 有预定波长的光；以及
控制单元，通过控制所述工作台和所述XYZ轴移动装置，所述控制 单元将从安装于所述图像获取装置的一侧的所述发光装置产生的光照射 到设定于所述工作台的一侧的基准面，随后通过所述图像获取装置接收 反射光的图像，测量垂直距离，从而恒定地维持所述测量对象和所述图 像获取装置之间的焦距，并且接收从所述图像获取装置获取的所述被改 变的光栅图像，从而产生三维图像。
2.如权利要求1所述的三维测量装置，其中，所述XYZ轴移动装置 是线性电动机或滚珠丝杠之中的任意一个，以便将所述图像获取装置分 别向着X、Y和Z轴移动。
3.如权利要求1所述的三维测量装置，其中，
第一引导装置，其安装于所述基底元件以被固定，并且具有位于其 一侧的预定基准；
第二引导装置，其被安装成用来在所述第一引导装置的基础上根据 所述测量对象的尺寸而被移动；以及
引导传动装置，其被安装为使所述第一和第二引导装置分别与其以 直角相交，并且用于在所述第一引导装置的基础上移动所述第二引导装 置。
4.如权利要求3所述的三维测量装置，其中，所述引导传动装置是 滚珠丝杠。
5.如权利要求1所述的三维测量装置，其中，所述图像获取装置包 括：
投射部分，其通过发光的光源以及衍射光栅来产生光栅图像，并且 使所产生的光栅图像穿过安装于所述衍射光栅下侧的光学投射系统，其 中，所述衍射光栅安装于所述光源下侧，用来接收从光源发出的光，并 且被光栅移动装置移动；
分配器，其安装于所述投射部分的下侧，利用由镜移动装置移动的 第一镜和第二镜来对透过所述投射部分的光学投射系统照射的光栅图像 进行分配，并且通过分别水平安装在所述第一镜和第二镜的左/右侧的第 三镜和第四镜以及第一滤光器和第二滤光器来分配所述光栅图像；以及
成像单元，其安装于所述分配器的下侧，通过成像镜使被改变的光 栅图像水平地反射，并通过成像镜头和成像装置获取所述改变的光栅图 像到照相机，其中所述被改变的光栅图像是穿过分配器的第一和第二滤 光器并照射到所述测量对象然后被反射的。
6.如权利要求5所述的三维测量装置，其中，所述衍射光栅是液晶 衍射光栅。
7.如权利要求5所述的三维测量装置，其中，所述投射部分的所述 光栅移动装置是PZT致动器。
8.如权利要求5所述的三维测量装置，其中，所述分配器的所述第 一镜和第二镜的各倾斜镜面的中心线是交叉、接触和成形的。
9.如权利要求5所述的三维测量装置，其中，所述分配器的第一镜 和第二镜分别是三角镜。
10.如权利要求5所述的三维测量装置，其中，所述镜移动装置是气 缸、线性电动机和滚珠丝杠之一。
11.如权利要求5所述的三维测量装置，其中，所述分配器的第一镜 和第二镜分别是旋转镜。
12.如权利要求1所述的三维测量装置，其中，所述三维测量装置进 一步包括用于使所述旋转镜旋转预定角度的旋转装置。
13.如权利要求12所述的三维测量装置，其中，所述旋转装置是电 控镜仪。
14.如权利要求1所述的三维测量装置，其中，所述发光装置是激光 指示器。

技术领域
本发明涉及一种三维图像测量装置，尤其涉及这样一种三维图像测 量装置，其中当对测量对象的三维图像进行测量时，光栅图像被分配， 然后分配的图像被交替扫描到测量对象的一侧和另一侧，从而能够消除 在测量三维图像时产生的阴影区。
背景技术
在第4,794,550号美国专利(于1986年10月15日提交，申请人： 伊斯门柯达公司(Eastmen Kodak Company))中公开了一种涉及三维图 像测量装置的现有技术，其将在下面参照附图对进行描述。
图1是按照现有技术的三维图像测量装置的结构图。如图1所示， 从光源1产生的光作为具有光栅图像的周期“d”的水平光束1a通过光栅 2(它通过光栅移动元件4向着箭头的“a”方向移动)和镜头3照射到测 量对象的表面9上。照射的光以角度1b散射且通过镜头5照射到具有图 像传感器6的照相机7，由此可获取采样图像。获取的采样图像被计算机 8处理以获取测量对象的表面3的三维图像，然后获取的三维图像通过显 示装置8b被显示。这里，键盘8a被用于输入几个信息，以达到测量莫阿 干涉图样(moiré pattern)的目的。
如上所述，在使用传统的莫阿干涉图样测量三维图像时存在几个缺 陷：由于在测量对象的任意位置存在不可测量的阴影区，因此不能对测 量对象的三维图像进行精确测量。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种三维图像测量装置，其中，在 对测量对象的三维图像进行测量时，光栅图像被分配，随后通过扫描分 配的图像到测量对象的一侧和另一侧N次来获取被测量对象改变的三维 图像以获取三维图像，这样就消除了阴影区，并由此能够进一步提高三 维图像的测量精度。
本发明的另一目的是提供一种三维图像测量装置，其中投射部分和 三维照相机被排列为直线，从而将三维图像测量装置构建得更紧凑。
在本发明的一个方面，为了实现本发明的上述目的，提供一种三维 图像测量装置，包括：XYZ轴移动装置，其安装于基底元件上；工作台， 其安装于所述基底元件上，用于将测量对象移动到测量位置并随后支撑 所述测量对象，所述工作台具有设置在其一侧的预定的基准面；图像获 取装置，其中，所述图像获取装置被所述XYZ轴移动装置向着X、Y和 Z轴移动，以N次的次数将光栅图像扫描到被支撑和固定于所述工作台 的所述测量对象的一侧，获取被所述测量对象N次改变的光栅图像，并 且交替地以N次的次数将所述光栅图像扫描到所述测量对象的另一侧， 获取被所述测量对象N次改变的光栅图像；发光装置，其安装于所述图 像获取装置的一侧，用于产生和发射具有预定波长的光；以及控制单元， 通过控制所述工作台和所述XYZ轴移动装置，所述控制单元将从安装于 所述图像获取装置的一侧的所述发光装置产生的光照射到设定于所述工 作台的一侧的基准面，随后通过所述图像获取装置接收反射光的图像， 测量垂直距离，从而恒定地维持所述测量对象和所述图像获取装置之间 的焦距，并且接收从所述图像获取装置获取的所述被改变的光栅图像， 从而产生三维图像。
所述图像获取装置包括：投射部分，其通过发光的光源以及衍射光 栅来产生光栅图像，并且使所产生的光栅图像穿过安装于所述衍射光栅 下侧的光学投射系统，其中，所述衍射光栅安装于所述光源下侧，用来 接收从光源发出的光，并且被光栅移动装置移动；分配器，其安装于所 述投射部分的下侧，利用由镜移动装置移动的第一镜和第二镜来对透过 所述投射部分的光学投射系统照射的光栅图像进行分配，并且通过分别 水平安装在所述第一镜和第二镜的左/右侧的第三镜和第四镜以及第一滤 光器和第二滤光器来分配所述光栅图像；以及成像单元，其安装于所述 分配器的下侧，通过成像镜使被改变的光栅图像水平地反射，并通过成 像镜头和成像装置获取所述改变的光栅图像到照相机，其中所述被改变 的光栅图像是穿过分配器的第一和第二滤光器并照射到所述测量对象然 后被反射的。
附图的简要说明
本发明将参照附图而变得更加易于理解，附图仅以示例的方式给出， 因此不应作为对本发明的限制，其中：
图1是按照现有技术的三维图像测量装置的结构图；
图2是表示按照本发明的三维图像测量装置的整体结构的立体图；
图3和4是图2中所示的图像获取装置的结构图；
图5是图3中所示的分配器的放大的立体图；
图6和7是表示图3中所示的分配器的一个实施方案的图；
图8和9是表示图3中所示的分配器的另一个实施方案的图。
实现本发明的最佳方式
现在将参照附图详细描述按照本发明的优选实施方案的三维图像测 量装置。
图2是表示按照本发明的三维图像测量装置的整体结构的立体图。 如图2所示，工作台20安装于基底元件30的上部，XYZ轴移动装置10 安装于工作台20的上部，图像获取装置40安装于自由地向着X、Y和Z 轴移动的XYZ轴移动装置10，以用于对测量对象100(如图3所示)的 三维图像进行测量，并且控制单元50(如图3所示)安装于基底元件30 的一侧以用于整体地控制图像获取装置40、工作台20和XYZ轴移动装 置10。
线性电机或滚珠丝杠(ball screw)之间的任意之一适合作为XYZ轴 移动装置10，以便使得图像获取装置40分别向着X、Y和Z轴移动。将 测量对象100移动到测量位置(如图2到图4所示)的工作台20包括第 一引导装置21、第二引导装置22和引导传动装置23。
第一引导装置21安装于基底元件30以被固定，并且具有位于其一 侧的预定基准。该基准面被设置在距第一引导装置21的上部适当距离的 任意位置或者距基底元件30适当距离的任意位置，使得图像获取装置40 可接收光。第二引导装置22，其被安装成用来在第一引导装置21的基础 上根据测量对象100的尺寸而被移动。为了移动第二引导装置22，引导 传动装置23被安装为使第一和第二引导装置21和22分别与其以直角相 交。与电机23a配合的滚珠丝杠23b适用于引导传动装置23，且电机24a 和传送带24b被分别安装在第一和第二引导装置21和22的内侧，以用 于移动测量对象100。
为了对测量对象进行测量，控制单元50首先检查测量对象100和图 像获取装置40之间的聚焦是否正确。为此，控制单元50利用发光装置 48产生具有预定波长的光以使光到达设置在工作台20的一侧的预定基准 面，其中发光装置48安装于图像获取装置40的一侧，也就是说，当从Y 轴方向看见图像获取装置40时，可看见发光装置48在前侧。
采用激光指示器(laser pointer)作为用于产生具有预定的波长的光 的发光装置48。在对测量对象100进行测量之前，控制单元50将从发光 装置48产生的光照射到参考面、接收通过图像获取装置40的反射光图 像、计算基准面和图像获取装置40之间的垂直距离，并且根据结果通过 控制XYZ轴移动装置10来控制图像获取装置40的Z轴方向距离，从而 维持测量对象100和图像获取装置40的焦距。
当测量对象100和图像获取装置40之间的焦距维持恒定时，控制单 元50通过控制图像获取装置40来测量三维图像。为此，控制单元50首 先通过控制XYZ轴移动装置10使图像获取装置40朝向X、Y和Z轴移 动，然后使其移动至被支撑和固定于工作台20的测量对象100。当完成 移动过程时，图像获取装置40将光栅图像扫描到测量对象100的一侧N 次，获取被测量对象N次改变的光栅图像，交替地将光栅图像扫描到测 量对象的另一侧，并且获取被测量对象N次改变的光栅图像。
控制单元50接收被改变的光栅图像(它是通过在图像获取装置40 中交替地扫描到测量对象100的一侧和另一侧N次并由此获得的)，从 而产生测量对象100的三维图像。这里，控制单元50通过控制图像获取 装置40以交替地将光栅图像扫描到测量对象100的一侧和另一侧N次， 之后接收对应于各个光栅图像的被改变的光栅图像以测得测量对象100 的三维图像，由此通过消除阴影区来获取更精确的三维图像。
交替地扫描到测量对象100的一侧和另一侧并随后获取被改变的光 栅图像的图像获取装置40的结构将参照附图的图3和4进行描述。
图3是在前面从Y轴方向观察到的图像获取装置的结构图。图4是 在前面从X轴方向观察到的图像获取装置的结构图。如图3和4所示， 图像获取装置40可被紧凑地构建为由虚线表示的图像获取装置的外壳 40a。也就是说，获取装置包括投射部分41、安装于投射部分41的垂直 下部的分配器44、安装于分配器44的垂直下部的成像单元45。
投射部分41通过发光的光源41a以及衍射光栅41b(其安装于光源 41a下侧以用来接收从光源发出的光，并且被光栅移动装置41c移动)来 产生光栅图像，并且使所产生的光栅图像穿过安装于衍射光栅41b下侧 的光学投射系统41d。穿过投射部分41的光学投射系统41d的光栅图像 被传递到分配器44。这里，液晶衍射光栅可适合作为衍射光栅41b，并 且PZT(压电)致动器适合作为光栅移动装置41d。
安装于投射部分41的光学投射系统41d下侧的分配器44通过光栅 图像分配镜42(其包括通过镜移动装置移动的第一和第二镜42a和42b) 对从光学投射系统41d照来的光栅图像进行分配，然后使光栅图像透射 到第三和第四镜44a和44c(它们被分别水平地安装在第一和第二镜的左 /右侧)并随后使光栅图像经过第一和第二滤光器44b和44d(它们分别 安装于第三和第四镜44a和44c的下侧)的过滤，然后分别扫描到测量对 象100的一侧和另一侧N次。
扫描到测量对象100的光栅图像形成了被测量对象100改变的光栅 图像，并且被改变的光栅图像被接收到成像单元45。成像单元45安装于 分配器44的下侧，它使被改变的光栅图像水平反射(其中，该被改变的 光栅图像是穿过分配器44的第一和第二滤光器44b和44d、分别扫描到 测量对象100的一侧和另一侧N次、并且通过成像镜45a而形成的)， 并且通过成像镜头和成像装置45c获取被改变的光栅图像到照相机45d。 这里，照相机45d获取具有2×N帧的测量对象100的被改变的光栅图像 并且将其传送给控制单元50。
控制单元50利用各个传送来的改变的光栅图像以及通过使用从测量 对象100的一侧和另一侧获取的改变的光栅图像来获取相位值，并且利 用所获取的相位值消除阴影区和饱和区，从而能够更精确地测量三维图 像。
为了获取测量对象100的准确的三维图像，如图5所示，在用于分 配光栅图像的光栅图像分配镜42中，第一镜42a和第二镜42b的各倾斜 镜面的中心线是相交、接触并成形的。光栅图像被第一镜42a扫描到测量 对象的一侧N次，随后，它被镜移动装置43朝向Y轴方向移动，并且光 栅图像被分配且被第二镜42b扫描到测量对象100的另一侧N次。
作为光栅图像分配镜42的一个实施方案，如图6和7所示，可以采 用其中第一和第二镜46a和46b形成各自倾斜面的三角镜46。利用第一 镜46a，光栅图像通过第三镜44a和第一滤光器44b被扫描到测量对象100 (如图3所示)的一侧N次，随后，三角镜46被镜移动装置43向着X 轴方向移动，光栅图像被第二镜46b分配，并且分配的光栅图像交替地 通过第四镜44c和第二滤光器44d扫描到测量对象100的另一侧N次。
作为光栅分配镜42的另一实施方案，如图8和9所示，可采用旋转 镜47a。通过旋转镜47a，光栅图像通过第三镜44a和第一滤光器44b被 扫描到测量对象的一侧N次，随后，如图8所示，旋转镜47a被例如电 控镜仪(galvano mirror meter)47b的旋转元件旋转预定的角度(如图9 所示)，并且光栅图像被第四镜44c和第二滤光器44d分配，并且分配的 光栅图像被扫描到测量对象100的另一侧N次。这里，气缸、线性电机 和滚珠丝杠之一可适合用作镜移动装置42a以作为用来移动光栅图像分 配镜42的直线移动元件。电控镜仪被用作旋转装置47b，其作为使旋转 镜47a进行旋转的旋转元件而使用。
如上所述，当对测量对象的三维图像进行测量时，光栅图像被交替 地扫描到测量对象的一侧和另一侧N次，然后获取被改变的光栅图像， 从而可通过利用分别从一侧和另一侧获取的相位值来消除阴影区和饱和 区，由此能够更精确地测量三维图像。
工业应用性
如上所述，本发明具有如下有益效果：光栅图像被交替地扫描到测 量对象的一侧和另一侧N次，然后获取改变的光栅图像，从而能够通过 利用分别从一侧和另一侧获取的相位值来消除阴影区和饱和区，由此能 够更精确地测量三维图像，并且由于投射部分、分配器和成像单元是以 垂直方向排成直线的，因此更紧凑地构成三维图像测量装置。