一种曲面物体外表面图像采集装置论文和设计-高秀敏

全文摘要

本实用新型涉及一种曲面物体外表面图像采集装置，微型光学曲面物体外表面的图像采集装置，包括环状全照明光源系统、光学整形系统、自由曲面成像元件和光电传感器，所述环形全照明光源系统分布在检测曲面物体两侧，成环状围绕被检测物体表面，检测物体从其中心穿过；曲面物体外表面的被检测区域在环形光源作用下，光束经由光学整形系统聚拢整合；光学整形系统的聚拢光束平行于检测物体射入自由曲面成像元件；经由曲面成像元件的光束全部由光电传感器接收，由光电传感器接受最终被检测区域的成像。该装置具有结构简洁、方法简单、监测精度高、易于微小型化、抗干扰性强、信息量大、实时监测、高可靠性、适用范围广、灵活性强、功能易于扩充等特点。

主设计要求

1.一种曲面物体外表面图像采集装置，包括环形全照明光源(2)、光学整形系统(3)、自由曲面成像元件(5)、光电传感器(6)，其特征在于：所述环形全照明光源(2)分布在被检测曲面物体(1)两侧，成环状围绕所述被检测曲面物体(1)表面，所述被检测曲面物体(1)从其中心穿过；所述被检测曲面物体(1)的检测曲面(4)的被检测区域在环形全照明光源(2)作用下，光束经由光学整形系统(3)聚拢整合；光学整形系统(3)的聚拢光束平行于所述被检测曲面物体(1)射入自由曲面成像元件(5)；经由所述自由曲面成像元件(5)的光束全部由所述光电传感器(6)接收，由所述光电传感器(6)接受最终被检测区域的成像。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种曲面物体外表面图像采集装置，其特征在于：所述的环形全照明光源(2)由多个光源呈圆环状均匀分布，所所述被检测曲面物体(1)从所述环形全照明光源(2)中心穿过，使得被所述被检测曲面物体(1)在检测区域内的全部曲面外周均匀接收光源光束，使用双层全照明系统可有效避免成像缺陷。

3.根据权利要求1或2所述的一种曲面物体外表面图像采集装置，其特征在于：所述的环形全照明光源(2)光源为AOI、高亮LED、激光或冷光源中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种曲面物体外表面图像采集装置，其特征在于：所述的光电传感器(6)为半导体图像传感器件，为CCD或CMOS中的一种。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种图像采集装置，特别是一种曲面物体外表面图像采集装置，属于光学图像采集技术领域，应用于工业过程、智能制造、环境感知、无损检测、钢丝线缆、管路型材等领域中的曲面物体外表面图像采集。

背景技术

图像采集与处理技术广泛存在于工业过程、智能制造、环境感知、无损检测、钢丝线缆、管路型材等领域中。目前图像或视频采集广泛使用显微镜、照相机、望远镜等系统，例如，采用通道实时图像采集卡系统，用于交通路口电子警察、工业图像检测、大屏幕视频显示、多路图像同时抓拍，通常可以获得功能二次开发包，甚至使用者直接修改底层软件，这个用于对于检测实时性和分辨率要求不高的使用场景。在工业过程、智能制造、环境感知、无损检测、钢丝线缆、管路型材等领域中,具有非接触性的、高精度、高分辨率且快速的图像采集技术越来越引人注目。

在先技术中存在自动化的产品图像采集装置，参见市场上知名的国外自动化系统公司，例如德国西门子、瑞士ABB、日本横河和三菱以及美国的艾默生和康耐视等，占据我国自动化图像采集市场上的领导者地位。同时我国的自动化行业处于转型升级阶段，也出现了例如广东拓斯达、广州数控、沈阳新松、安徽埃夫特和智云股份等公司。在先技术和产品具有相当的优点，但是存在一些本质不足：1)采集系统均为大型采集机器，体积大，一次性投入成本高，这些光学采集装置和系统大多基于PC机，设备结构复杂、体积难于微小型化、使用过程注意事项多，不易于在工程中的实用；2)现有的图像采集和处理系统在使用过程中，一般由图像采集卡完成图像采集，再进行二次功能和软件开发。为提高图像的高精度和高分辨率，大幅度增加人力物力成本，对于现场性能要求较高的工业场合，很难满足要求；3)国内图像采集装置较国外来说，图像逼真度和可读性较差，但国外的检测装置一定程度限制了装置的后期维修和应用范围。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述技术的不足，提供一种微型光学曲面物体外表面的图像采集装置，该装置具有结构简洁、方法简单、监测精度高、易于微小型化、抗干扰性强、信息量大、实时监测、高可靠性、适用范围广、灵活性强、功能易于扩充等特点。

本实用新型的技术方案是：微型光学曲面物体外表面的图像采集装置，包括环状全照明光源系统、光学整形系统、自由曲面成像元件和光电传感器，所述环形全照明光源分布在检测曲面物体两侧，成环状围绕被检测物体表面，检测物体从其中心穿过；曲面物体外表面的被检测区域在环形光源作用下，光束经由光学整形系统聚拢整合；光学整形系统的聚拢光束平行于检测物体射入自由曲面成像元件；经由曲面成像元件的光束全部由光电传感器接收，由光电传感器接受最终被检测区域的成像。

所述的环状全照明光源系统由多个光源呈圆环状均匀分布，检测物体从圆环状光源系统中心穿过，使得被检物体在检测区域内的全部曲面外周均匀接收光源光束，使用双层全照明系统可有效避免成像缺陷。

所述的环状全照明光源系统光源为AOI、高亮LED、激光或冷光源中的一种。

所述的光学整合系统分为连接的两部分，一部分呈柱状环绕被检物体，此时平行于被检物体表面的光学整合系统将光源光束反射入检测曲面；另一部分为环形圆柱台结构环绕被检物体，经由被检曲面光束再次射入光学整合系统聚拢，此时聚拢后的光束平行于被检曲面射入自由曲面成像元件。

所述的自由曲面成像元件为楔形元器件，经由成像元件光束汇入光电传感器。

所述的光电传感器为半导体图像传感器件，为CCD或CMOS中的一种。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1)在先技术和产品具有相当的优点，但是存在一些本质不足，图像采集系统均为大型采集扫描机器，这些光学采集装置和系统大多基于PC机，体积庞大，设备结构复杂、体积难于微小型化、使用过程注意事项多，因标定过程相当复杂，只适合采集非常小的物体，不易于在工程中的实用。本实用新型采用双层环状全照明光源系统，通用的圆柱形贯穿式采集构架，具有结构简洁、方法简单、功能易于扩充等特点；

2)在先技术和产品的图像采集和处理系统使用过程中，一般由图像采集卡完成图像采集，再进行二次功能和软件开发。为提高图像的高精度和高分辨率，大幅度增加人力物力成本，对于现场性能要求较高的工业场合，很难满足要求。本实用新型利用微型光学结构，通过光学整形系统不断整合光束，使被检曲面能高精度成像，避免了采集过程中成像质量差等造成的误差，具有监测精度高、易于微小型化、灵活性强等特点；

3)国内图像采集装置较国外来说，图像逼真度和可读性较差，但国外的检测装置一定程度限制了装置的后期维修和应用范围。本实用新型采用通用式的光学采集构架，经由光学整形系统将光束多级整合后，射入自由曲面成像元件，所成像才由光电传感器采集，采集模式减少了对设备和后期数据处理的高度依赖程度，具有抗干扰性强、信息量大、高可靠性、适用范围广等特点。

附图说明

图1为本实用新型的微型光学曲面物体外表面的图像采集装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型的微型光学曲面物体外表面的图像采集装置，利用光学成像检测规律，基于机器视觉检测基本原理，在被检物体外表面设置环形全照明光源，射入被检曲面的光束经由光学整形系统聚拢，聚拢后的平行光束由自由曲面成像到光电传感器中，并由图像采集系统进行捕捉，获取高分辨率图像。

如图1所示，本实用新型的光学曲面物体外表面的图像采集装置，包括环形全照明光源2、光学整形系统3、自由曲面成像元件5、光电传感器6。

环形全照明光源2的多个均匀分布的光源呈圆环状分布在被检测曲面物体 1四周，被检测曲面物体1从双层环形全照明光源2中心穿过，其外表面充分暴露在光源中；环形全照明光源2的部分光束经由光学整形系统3射入被检测曲面物体1的检测曲面4，或是环形全照明光源2的光束直接照射在检测曲面 4外侧；检测曲面4的光束再次射入光学整形系统3，光束在光学整形系统3 中汇聚收拢，平行射入自由曲面成像元件5；光电传感器6在被检测曲面物体 1的上侧捕捉自由曲面成像物体5所呈出的检测曲面4外侧的像，并转换为数字信号输出。

本实施例中，所述的环形全照明光源2由多个光源呈圆环状均匀分布，被检测曲面物体1从圆环状光源系统中心穿过，使得被检测曲面物体1的全部曲面外周均匀接收光源光束。使用双层全照明系统可有效避免成像缺陷。这种通用的光源系统和圆柱状的光学成像系统成功实现了检测设备体积微小化，使用方法简单且功能易扩充，克服了现在技术不足。

本实用新型中光源照射系统，光学整形系统及成像检测光路均为成熟技术。本实用新型的创新在于利用光学成像检测规律，基于机器视觉检测基本原理，在被检测曲面物体1外表面设置环形全照明光源2，射入被检测曲面4的光束经由光学整形系统3聚拢，聚拢后的平行光束由自由曲面成像元件5到光电传感器6中，并由图像采集系统进行捕捉，获取高分辨率图像。给出结构简洁、方法简单、监测精度高、易于微小型化、抗干扰性强、信息量大、实时监测、高可靠性、适用范围广、灵活性强、功能易于扩充的一种曲面物体外表面的图像采集装置和方法，本质上避免在先技术的不足。

以上所述的具体实施方式对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的最优选实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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