三维测量工业内窥镜系统的光机设计与研究

【摘要】针对国内工业内窥镜无法满足工件三维尺寸测量的现状,设计了一种探头直径为6mm并且可以向任意方向弯曲的三维测量工业内窥镜系统,并加工出系统样机,实现了三维尺寸测量的功能。本文重点介绍了该内窥镜的双目光学系统及总体机械结构的设计方法,主要研究内容包括：1.详细介绍了国内外工业内窥镜的研究及发展现状,指出了国内工业内窥镜产品不具有三维测量功能的缺点,并分析了造成这一缺点的主要技术难度在于亚毫米级零件(包括光学零件)的装配工艺。2.介绍了三维立体测量技术基本理论依据,并提出了系统的总体设计方案包括系统的总体技术指标和主要工作原理。3.通过分析国外内窥镜系统中两种常用的成像方案的优缺点,提出了一种双物镜、单图像传感器,图像传感器靶面分区成像方案。该方案采用两组光学参数相同的透镜,并在其后方分别放置两块相互交错180°的棱镜,从而将两组物镜接收的图像分别成像至同一图像传感器靶面上左右的两个均分区域,通过图像处理软件读取并分隔成左右两幅图像,然后通过计算机软件进行三维重建。4.根据系统的主要技术目标及要求,将整个内窥镜系统的结构分成四个功能性组成部分来设计,分别是：头部结构、头部弯曲结构、后端控制机构、手柄外形结构四部分。其中头部结构的作用是搭建光学成像系统；头部弯曲结构的作用是保证内窥镜工作探头可以向任意方向弯曲,从而消除了视觉上的盲区；后端控制机构作用是通过控制两个舵机的转动来带动头部弯曲结构进行工作；手柄外形结构主要作用是使系统更加便携及稳定。5.对系统样机进行性能测试,包括成像试验,探头弯曲角度试验,以及三维尺寸测量试验,试验结果表明：内窥镜成像效果较好,图片比较清晰；内窥镜探头在四个方向的弯曲角度均大于120°；总体测量结果显示,其中面积、长度、距离测量的误差较低,而深度的测量误差则相对较大。
【作者】刘鹏；
【导师】郭俊锋；
【作者基本信息】兰州理工大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】工业内窥镜；三维测量；双目光学系统；结构设计；图像传感器；

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