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CN115143929A - 一种基于光纤束的内窥测距仪 - Google Patents

一种基于光纤束的内窥测距仪 Download PDF

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CN115143929A
CN115143929A CN202210309243.8A CN202210309243A CN115143929A CN 115143929 A CN115143929 A CN 115143929A CN 202210309243 A CN202210309243 A CN 202210309243A CN 115143929 A CN115143929 A CN 115143929A
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徐飞
冯浩宫
陈烨
朱润泽
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Nanjing University
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Nanjing University
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤束的内窥测距仪，包括内窥探头和与之相连的激光发射模块、图像采集和处理模块；所述内窥探头包括第一光学透镜、第二光学透镜、固定套管、光纤束和测量光纤；所述激光发射模块包含激光发射器；所述图像采集和处理模块包括第三光学透镜、图像传感器和处理器。本发明使得在狭小区域进行非接触距离测量变得十分方便，目标位置可视化使得测量更加精准，在工业监测等领域具备巨大的应用价值。

Description

一种基于光纤束的内窥测距仪
技术领域
本发明涉及测距仪，特别是一种基于光纤束的内窥测距仪。
背景技术
在线监测对于大型机械设备的日常使用和维护至关重要。实时对设备内部关键位置进行位移测量，可以有效监测待测位置表面形状的变化和振动情况。同时，测量从探头到待测位置的绝对距离还有助于温度和速度等物理量的采集模型的修正，对于设备耐温耐压性能分析和工况检查是必要的。常用的距离测量装置难以适应恶劣的工作环境且具有较大的尺寸，难以实现大型机械设备的内部测量。设备内部常常结构复杂，待测位置易被遮挡，可弯曲、耐高温、抗电磁干扰的光纤测量内窥镜具有极高的应用价值，可以实现实时的内部测量与成像。
目前，内窥测量中最常用的硬式内窥镜难以实现狭小区域的测量，基于干涉和时间飞行法的光纤测距系统常不具备成像功能，无法实现目标位置的图像监测，基于双目匹配算法的光纤内窥镜可以实现同时测量和成像，但双目匹配算法较复杂，难以实现实时测量。
现有技术的缺点：
1、对比现有激光测距仪：激光测距仪多基于激光三角法，装置尺寸较大，测量过程中受遮挡，难以实现狭小区域的距离测量。
2、对比现有光纤测距系统：光纤测距系统可以分为强度反射型、干涉型和基于时间飞行法的。这些光纤测距系统难以在实现距离测量的同时进行图像监测，无法对目标测量位置进行实时校准。
3、对比基于双目的光纤测量内窥镜：内窥镜中目标位置的距离测量常基于双目视觉，需要两根光纤分别从不同视角拍摄两张图像，再通过对特征点进行匹配计算得到每个点的距离，需要较长的计算时间，不适用于实时检测。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于光纤束的内窥测距仪，实现目标位置的可视化快速测量。
技术方案：本发明所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，包括内窥探头和与之相连的激光发射模块、图像采集和处理模块；所述内窥探头包括第一光学透镜、第二光学透镜、固定套管、光纤束和测量光纤；所述激光发射模块包含激光发射器；所述图像采集和处理模块包括第三光学透镜、图像传感器和处理器；通过同心对准装置将第一光学透镜的中心与光纤束的中心进行同心对准后用粘合剂固定在一起，通过同心对准装置将第二光学透镜的中心与测量光纤的中心进行同心对准后用粘合剂固定在一起，利用粘合剂将两个粘合体前端固定在特殊孔径的固定套管中，其中第一光学透镜和第二光学透镜前端对齐且在具有一定的夹角，内窥探头与激光发射模块通过测量光纤相连，内窥探头与图像采集和处理模块通过光纤束相连；测量时，激光发射模块发出测量光通过测量光纤、第二光学透镜出射照射在物体上，第一光学透镜和光纤束将远端图像信息收集并传回，通过第三光学透镜投影在图像传感器上，处理器通过图像处理算法将目标位置距离信息和远端图像信息分离提取，实现可视化测距。
所述第一光学透镜包括折射率梯度渐变透镜、准直透镜。
所述第二光学透镜包括球透镜、非球面透镜、折射率梯度渐变透镜。
所述第三光学透镜包括准直透镜、折射率梯度渐变透镜和显微镜物镜。
所述光纤束包括光纤传像束和多芯光纤。
所述测量光纤包括单模光纤、多模光纤和特种光纤。
所述图像传感器包括工业相机。
所述处理器包括具有图像处理功能的计算机。
所述粘合剂包括光学紫外胶、环氧树脂胶。
所述图像处理算法包括背景矫正、阈值选取、二值化、计算平均像素位置。
所述激光发射模块按需要连续或间隔输出激光，测量光照射在物体表面形成光斑，测量位置即为光斑中心所在位置。
所述的测量距离即为光斑中心位置到内窥探头前端面的距离。
基于光学三角法，通过对内窥探头中光学透镜的相关参数计算得到待测距离与测量光斑在采集图像中坐标位置关系。通过采集有无测量光出射时的两张图像，相减得到含有距离信息的图像P1。与传统基于激光三角法利用图像传感器记录得到的光斑图不同，本发明记录的图像经过光纤束传输后通过背景矫正、阈值处理后计算图像P1的二值化图像，通过计算二值化图像的质心位置得到测量光斑的中心坐标。根据计算得到的光斑坐标与距离关系，计算得到测量光斑中心到内窥探头前端面的距离。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明前端探头尺寸较小，具备在复杂、狭小的空间工作的能力；
2、本发明利用了光纤可弯曲、耐高温、抗电磁干扰等特点，使其得以在恶劣的环境下保持工作状态；
3、本发明利用光纤束和图像传感器实现远端图像传输，使测量场景可视化，便于测量位置的锁定；
4、通过主动发出测量光，记录测量光斑在视场中的位置获取距离信息，对于不同物体表面的反射率具有更好的普适性。无需复杂的算法，可以实现高速动态测量。通过设置第一光学透镜和第二光学透镜之间的间距和夹角可以改变该测距仪的量程和最小分辨率以适应不同的场景需求。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为实施例中实现可视化距离测量的原始观察图；
图3为实施例中待测距离d与光斑中心在图像中横坐标的关系图；
图4为实施例中测量光斑中心位置的提取算法流程图；
图5为实施例中测量光斑的原始图像和处理后图像，其中图5a为原始图像，图5b为处理后图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
一种基于光纤束的内窥测距仪，包括内窥探头1和与之相连的激光发射模块 2、图像采集和处理模块3；所述内窥探头1包括第一光学透镜11、第二光学透镜 12、固定套管13、光纤束14和测量光纤15；所述激光发射模块2包含激光发射器21；所述图像采集和处理模块3包括第三光学透镜31、图像传感器32和处理器33；通过同心对准装置将第一光学透镜11的中心与光纤束14的中心进行同心对准后用粘合剂固定在一起，通过同心对准装置将第二光学透镜12的中心与测量光纤15的中心进行同心对准后用粘合剂固定在一起，利用粘合剂将两粘合体前端固定在特殊孔径的固定套管13中，其中第一光学透镜11和第二光学透镜12前端对齐且在具有一定的夹角，内窥探头1与激光发射模块2通过测量光纤15相连，内窥探头1与图像采集和处理模块3通过光纤束14相连；测量时，激光发射模块 2发出测量光通过测量光纤15、第二光学透镜12出射照射在物体上，第一光学透镜11和光纤束14将远端图像信息收集并传回，通过第三光学透镜31投影在图像传感器32上，处理器33通过图像处理算法将目标位置距离信息和远端图像信息分离提取，实现可视化测距。
如图1所示，将准直透镜固定在单模光纤前端使得出射激光在一定测量区间保持较小光斑尺寸。光斑越小，测量位置更加精准。通过同心准直装置将准直透镜固定在光纤传像束的前端，以实现大景深成像，确保大动态范围的距离测量。光纤束后端通过准直透镜将光纤束近端图像信息投射在图像传感器上。
如图2所示，展示了使用本发明提供案例同时成像和距离测量的原始图像，白色圆圈标记了测量光斑位置。实时可视化成像有助于寻找目标测量位置，通过调整探头或物体位置，将测量光斑对准待测位置。通过与无测量光时拍摄的图像做差得到只含有测量光斑的图像信息。
基于激光三角法，光斑在视场中的位置随着测量距离的变化而发生变化。如图3所示，通过对内窥探头前端参数计算得到待测距离d与光斑中心在图像中的横坐标X-pixel的理论曲线(“Theory”)并在不同距离处进行验证标定 (“Experiment”)。(同样也适用于纵坐标Y-pixel。)
图像处理流程如图4所示，图像传感器记录的二维图像信息(包含距离信息) 如图5a所示散斑图，通过背景矫正、阈值选取、二值化处理和计算平均像素位置等步骤进行处理得到测量光斑中心所在图像中的坐标。二值化处理后结果如图5b 所示，计算其平均中心坐标为(X-pixel,Y-pixel)，位置在图中用红点标注，将得到的像素坐标带入如图3所示曲线，计算得到该位置的待测距离。

Claims (10)

1.一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，包括内窥探头(1)和与之相连的激光发射模块(2)、图像采集和处理模块(3)；所述内窥探头(1)包括第一光学透镜(11)、第二光学透镜(12)、固定套管(13)、光纤束(14)和测量光纤(15)；所述激光发射模块(2)包含激光发射器(21)；所述图像采集和处理模块(3)包括第三光学透镜(31)、图像传感器(32)和处理器(33)；通过同心对准装置将第一光学透镜(11)的中心与光纤束(14)的中心进行同心对准后用粘合剂固定在一起，再通过同心对准装置将第二光学透镜(12)的中心与测量光纤(15)的中心进行同心对准后用粘合剂固定在一起，利用粘合剂将两粘合体前端固定在特殊孔径的固定套管(13)中，其中第一光学透镜(11)和第二光学透镜(12)前端对齐且在具有一定的夹角，内窥探头(1)与激光发射模块(2)通过测量光纤(15)相连，内窥探头(1)与图像采集和处理模块(3)通过光纤束(14)相连；测量时，激光发射模块(2)发出测量光通过测量光纤(15)、第二光学透镜(12)出射照射在物体上，第一光学透镜(11)和光纤束(14)将远端图像信息收集并传回，通过第三光学透镜(31)投影在图像传感器(32)上，处理器(33)通过图像处理算法将目标位置距离信息和远端图像信息分离提取，实现可视化测距。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述第一光学透镜(11)包括折射率梯度渐变透镜、准直透镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述第二光学透镜(12)包括球透镜、非球面透镜、折射率梯度渐变透镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述第三光学透镜(31)包括准直透镜、折射率梯度渐变透镜和显微镜物镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述光纤束(14)包括光纤传像束、多芯光纤。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述测量光纤(15)包括单模光纤、多模光纤、特种光纤。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述图像传感器(32)包括工业相机。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述处理器(33)包括具有图像处理功能的计算机。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述粘合剂包括光学紫外胶、环氧树脂胶。
10.根据权利要求1所述的一种基于光纤束的内窥测距仪，其特征在于，所述图像处理算法包括背景矫正、阈值选取、二值化、计算平均像素位置。
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