光柵定位圖像掃描儀的製作方法
2023-07-07 22:39:31
專利名稱：光柵定位圖像掃描儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及物體圖像掃描技術領域，更具體地說，本發明涉及一種用於在勘探現場對鑽探樣芯進行掃描成像的可攜式圖像掃描儀器。
背景技術：
鑽探是勘測石油資源、礦產資源，考察建築物地基土壤條件的重要手段。目前國內外常用環形鑽來鑽探獲取樣芯。樣芯是地質工作人員獲取地下地質信息的第一手資料，通過分析鑽探取得的樣芯，可以了解地層的主要物理機械性質(如硬度、密度、孔隙等)以及礦產儲存。對於石油勘探從而可建立井底模式，為石油勘探和地理分析提供詳實的數據資料。在石油勘探中，所鑽取的樣芯為巖芯。傳統的巖芯處理方法是，將取得的巖芯經過整理裝盒之後，放在巖芯庫內進行保存、管理，供地質人員研究之用。但是由於頻繁的採樣、照相、觀察和自然風化等因素，造成巖心錯亂、損壞，使得巖芯資料的完整性和準確性均受到一定程度的影響，不利於巖芯資料的再利用。因此，在鑽探現場採集和永久保留巖芯的物理狀態就顯得非常重要。宏觀巖芯掃描技術就是在這種情況下提出與產生的。
巖芯掃描成像技術是通過圖像掃描實現巖芯可視化，提供詳細直觀的巖心圖像資料，藉助於應用軟體對巖心的粒度、裂縫等特徵進行分析和研究。此項技術主要是運用巖芯掃描儀對巖芯進行連續數字照相或採用掃描頭進行連續掃描，將採集到的信號送入微機進行軟體拼接處理成像，成像後可以永久保存巖芯信息。巖芯經掃描和數位化處理後，可對巖芯開展深入細緻地綜合分析和研究。從沉積學方面，可對沉積相、沉積物源、沉積環境等進行分析，以及對有機物的分布、含量和油儲進行分析研究；從構造學方面，可對結構、構造活動和變形等進行分析；從礦產資源方面，可對礦物成分、含量、成因和控礦條件等進行研究。巖芯掃描成像技術的應用，可避免建設巖芯庫，巖芯經過圖像處理和數位化處理，方便保存、調用。
巖芯掃描成像技術的核心是掃描儀。德國在20世紀80年代開發出了巖芯數字掃描儀，如德國DMT公司生產的牌名為CORDSCAN數字巖芯掃描儀。中國從1998年開始引進這種儀器。近年一些從事教學與科研的單位，如四川大學、江漢石油學院對巖芯掃描技術進行了研究開發，並生產出了型號為YXCJ-4巖芯圖像掃描儀。現有技術的巖芯掃描儀，它們的工作原理基本都如附圖1所示。圖像由CCD攝像頭(電荷偶合器件)或雷射掃描頭與圖像採集卡完成。CCD攝像頭的運動則由計算機和數控驅動系統操縱步進電機運轉，經減速機構和運動執行機構完成。由計算機發出掃描命令，通過I/O接口板、數控驅動系統操縱步進電機旋轉，再經減速器驅動運動執行機構，由位於執行機構上的CCD攝像頭完成對巖芯的掃描；CCD攝像頭掃描所得到的圖像信息返回計算機，由計算機完成圖像的拼接、縮放操作。成像機理所需的掃描運動是由數控系統、功放驅動器、步進電機、減速器、滾珠絲杆螺母和導軌滑塊組成的運動執行機構來完成。目前這些運動單元機構均有成型產品，在體積上和重量上均難以小型化、輕型化。這也就導致了掃描儀整機體積大、重量重，難以實現野外操作。生產廠家為了適應野外操作，雖然採取了用新型材料生產儀器架等元件，但由於運動成像機理的限制，卻難於實現儀器的可攜式。現有技術的巖芯掃描儀由於體積大，重量重，基本上均為固定安裝在實驗室內的臺式圖像掃描儀，野外勘探獲取的巖芯須送至遠離鑽探現場的實驗室才能進行掃描成像。野外勘探地點一般不通路，即使通路一般也十分差，再加之路途遠，因此巖芯在運送過程中易發生破碎。巖芯一旦破碎，不但掃描成像比較困難，更為重要的是掃描成像獲得的信息不夠完整與準確，從而導致在付出辛勤勞動獲得的寶貴地質信息資料的利用價值大受影響，甚至會導致得到錯誤的結論。
發明內容
針對現有技術的圖像掃描儀存在的不足，本發明的目的旨在提供一種運動成像機理不同於現有技術的圖像掃描儀，在成像效果不低於現有技術掃描儀的條件下，其重量和體積可大幅度地降低，攜帶十分方便，可在勘探現場對鑽探獲取的樣芯進行圖像掃描的新型圖像掃描儀。
本發明的發明人對現有技術的圖像掃描儀進行了深入研究，找到了導致現有技術圖像掃描儀體積大、重量重的原因是由於其圖像攝像與掃描位移為一體化處理的成像機理所產生的結果。為了避免現有技術攜帶不方便這一不足，本發明採用了完全不同於現有技術圖像掃描儀的成像機理，開創性地提出了以光柵精密定位，將圖像攝像和掃描位移分離處理的成像機理。這也是本發明的最為主要的發明點。
為了實現本發明上述發明目的，圖像掃描儀可以採取以下技術方案光柵定位圖像掃描儀，主要由儀器架、直線導軌與導軌相配置的移動構件、攝像頭，光柵定位裝置和可攜式計算機構成。直線導軌安裝在儀器架上，攝像頭安置在移動構件上，光柵定位裝置與被掃描物體對應設置，光柵定位裝置和攝像頭分別通過I/O接口和採集卡與可攜式計算機電信號連接。
上述所說的直線導軌有兩條，兩條導軌位於同一水平面內且平行安置。直線導軌與移動構件通過滑動移動運動副配置在一起。
上述所說的攝像頭，既可直接安裝在移動構件上，也可間接地安裝在移動構件上。當為間接安裝時，可通過懸臂和立柱使攝像方向向下地安裝在移動構件上。具體的安裝方式可為立柱與移動構件固定安裝在一起，攝像頭直接固定安裝在懸臂上，懸臂又與立柱固定安裝在一起。為了使攝像頭的空間位置能夠調整，可以將立柱與移動構件之間的固定安裝方式和立柱與懸臂之間的安裝方式中的至少一處設計成是可以調整的，同時最好也將攝像頭在懸臂上的安裝方式也設計成是可以調整的。
上述所說的光柵定位裝置可為通用的光柵定位裝置，即由光柵動尺、光柵定尺、讀數器和光電轉換器構成。光柵的具體安裝方式與被掃描成像物體的形狀有關，當被掃描物體為平面物體時，其光柵動尺可設置在移動構件上，光柵定尺與光柵動尺相對應地設置在儀器架上；當被掃描物體為圓柱形物體時，光柵動尺可設置在轉動結構件上，光柵定尺與光柵動尺相對應地設置在支架上。
上述所說的攝像頭可以為CCD攝像頭，即電荷偶合器件，也可以為雷射掃描頭。
本發明還設計有與圖像掃描儀配套使用的用於放置被掃描物體的工作檯。工作檯的具體結構與被掃描物體的形狀相關。當被掃描物體的形狀為平面物體時，工作檯可以採用平面結構的工作檯；當被掃描物體為圓柱形物體時，工作檯可設計成由底座和設置在底座上用於支承被掃描物體的兩個平行安置的支承轉輥構成。
本發明的光柵定位圖像掃描儀在工作時，設置在移動構件上的攝像頭的移動採用手動完成，由可攜式計算機通過光柵測量和記錄安裝攝像頭的移動構件所在的精確位置，再由I/O接口板和串行口傳給計算機。位置精度可達0.5微米。計算機通過採集卡向攝像頭髮出工作指令，攝像頭採集序列圖像。根據光柵記錄的位移量通過成像拼接軟體分別由計算機自動拼接重組巖芯圖像。這種光柵定位圖像掃描儀由於採用了光柵精密位移測量技術，實現了圖像和位移的分離處理，在成像機理上為可攜式掃描儀的研發奠定了基礎。它與原有圖像掃描儀相比較，節省了大量為完成同步掃描所需要的運動控制硬體，如數控系統、驅動器、步進電機、減速器等。因此可以大幅度地減少圖像掃描儀的體積和重量。
本發明使用的由計算機自動拼接圖像的軟體為四川大學開發出售的圖像拼接軟體。
本發明與已有技術相比具有以下比較突出的優點由於本發明的掃描儀是利用光柵精確定位掃描，實現了圖像和位移的分離處理，攝像頭的位移運動採用手動移動，從而摒棄了原有掃描儀成像機理所需掃描運動的控制系統和龐大的運動執行機構，即減少了數控系統、功放驅動器、步進電機、減速器，以及由滾珠絲杆、螺母組成的運動執行機構。使掃描儀體積減小和重量減輕，真正能作到便攜，能在野外現場使用。這一點恰好是用戶最需要的。由於結構大為簡單，製作更為容易，因此，價格也大為降低。
本發明在掃描儀的運動原理上有所創新，即利用光柵精確定位掃描，保證了攝像頭運動的準確定位，位置精度可達0.5微米，提高了掃描運動的定位精度。
採用光柵精確定位的硬體拼接技術和圖像拼接軟體進行圖像拼接，方法可靠，而且拼接過程快捷，保證巖芯掃描儀實時圖像拼接處理的要求。
本發明揭示的光柵精確定位掃描機理，它不僅可用於可攜式巖芯掃描儀，而且也可用於其它可攜式掃描儀。運動單元和控制單元均可製成分離模塊，以利於分體攜帶，現場安裝。
本發明的圖像掃描儀可用於在石油、礦藏、建築地基等勘探現場對鑽探樣芯進行圖像掃描。也可用於對其他物體進行圖像掃描。
四
附圖1是現有技術的巖芯掃描儀的原理框圖。
附圖2是本發明的圖像掃描儀的原理框圖。
附圖3是本發明的結構示意圖。
附圖4-1是附圖1的A向結構示意圖。
附圖4-2是平面掃描物體的安放示意圖。
附圖5是圓柱掃描物體的安放示意圖。
在上述附圖中，1-攝像頭；2-立柱；3-移動構件；4-直線導軌；5-支承架；6-光柵動尺；7-光柵定尺；8-電信號插座；9-底座；10-安放平面掃描物體的附件；11-平面掃描物體；12-平面結構工作檯；13-安放圓柱掃描物體的附件；14-圓柱掃描物體；15-圓光柵裝置；16-支承轉輥；17-電信號插座。
五具體實施例方式
實施例1光柵定位圖像掃描儀的原理與結構如附圖2、附圖3和附圖4所示，由儀器架、兩條直線導軌4、通過滑動移動運動副與導軌配置一起的滑動移動構件3、CCD攝像頭1、光柵定位裝置和可攜式計算機構成，CCD攝像頭通過懸臂和立柱2安裝在滑動移動構件3上。CCD攝像頭具體安裝方式為沿懸臂位置可以調整的且攝像方向向下的固定安裝在懸臂上，懸臂與立柱固定安置在一起，而立柱上下可調地與滑動移動構件固定安裝在一起，從而使CCD攝像頭的空間位置可以調整。兩條直線導軌4位於同一水平面內且相互平行地安裝在儀器架的支架5上。光柵定位裝置為直線位移光柵定位裝置，其光柵動尺6設置在滑動移動構件上，光柵定尺7與光柵動尺相對應地設置在儀器架的底座9上，讀數器讀取的光信號由光電轉換器轉換成電信號，由電信號輸出插座8經I/O接口和串行口與可攜式計算機接通。CCD攝像頭通過ISA採集卡與可攜式計算機接通。與圖像掃描儀配套使用的用的附件為安放平面被掃描物體的附件10。被掃描物體為平面物體11，安放在平面結構的工作檯12上，被掃描平面物體位於攝像頭的下方。被掃描物體的安放狀態如附圖4-2所示。操縱計算機自動進行圖像拼接的軟體採用的是四川大學開發出售的圖像拼接軟體。
實施例2本實施例的光柵定位圖像掃描儀的主體部分與實施例1基本相同，所不同的之一是光柵定位裝置為角位移圓光柵定位裝置，之二是與圖像掃描儀主體配套使用的附件，本實施例所使用的附件為安放圓柱被掃描物體的附件13。如附圖5所示。附件由支座和兩個平行安置在支座上的支承轉輥16構成，圓柱形被掃描物體14由兩個支承轉輥支承，用於測量圓柱形被掃描物體角位移動的圓光柵裝置15的光柵動尺與被掃描物體安置在一起，光柵定尺與光柵動尺相對應地安裝在工作檯上，讀數器讀取的光信號由光電轉換器轉換成電信號，由設置工作檯上電信號輸出插座17，通過I/O接口、串行口與可攜式計算機接通。
本發明的具體實施方式
不限於實施例所描述的形式。
權利要求
1.一種光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於主要由儀器架、直線導軌、與導軌相配置的移動構件、攝像頭、光柵定位裝置和可攜式計算機構成，直線導軌安裝在儀器架上，攝像頭安置在移動構件上，光柵定位裝置與被掃描物體對應設置，光柵定位裝置和攝取像頭分別通過I/O接口和採集卡與可攜式計算機電信號連接。
2.如權利要求1所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於所說的直線導軌為兩條位於同一水平面內且平行安置的導軌。
3.如權利要2所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於直線導軌與移動構件通過滑動移動運動副配置在一起。
4.如權利要求1或2或3所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於攝像頭通過懸臂和立柱攝像方向向下地安裝在移動構件上。
5.如權利要求4所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於立柱與移動構件安裝在一起，立柱與懸臂安裝在一起，攝像頭可沿懸臂調節安裝位置地安裝在懸臂上，且在立柱與移動構件之間和立柱與懸臂之間中之少一處的安裝為能使攝像頭的位置可上下調整。
6.如權利要求1或2所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於所說光柵定位裝置由光柵動尺、光柵定尺、讀數器和光電轉換器構成。
7.如權利要求6所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於當被掃描成像的物體為平面物體時，光柵動尺設置在移動構件上，光柵定尺與光柵動尺相對應地設置在儀器架上。
8.如權利要求6所述的光柵定位圖像掃描儀，其特徵在於當被掃描成像的物體為圓柱形物體時，光柵動尺設置在轉動的物體上，光柵定尺與光柵動尺相對應地設置在支架上。
9.適應於權利要求1至8中任一個光柵定位圖像掃描儀的掃描物工作檯，其特徵在於工作檯為平面結構的工作檯。
10.適用於權利要求1至8中任一個光柵定位圖像掃描儀的掃描物工作檯，其特徵在於工作檯由底座和設置在底座上用於支承圓柱形被掃描物的兩個平行安置的支承轉輥構成。
全文摘要
本發明是一種光柵定位圖像掃描儀，主要由儀器架、直線導軌、與導軌相配置的移動構件、攝像頭、光柵定位裝置和可攜式計算機等構成。攝像頭安置在移動構件上，光柵定位裝置和攝像頭分別與可攜式計算機電信號連接。本發明的主要技術特點是掃描攝像與位移運動分離處理，省去了已有技術圖像掃描儀中的數控系統、功放驅動器、步進電機、減速器及由滾珠絲杆螺母組成的運動執行機構，使儀器的重量和體積大幅度減小，製造容易，價格降低。本發明可用於石油、礦藏、建築地基等勘探過程中的鑽探樣芯的掃描成像。也可用於其他領域中的物體掃描成像。
文檔編號G01N21/17GK1554937SQ20031010410
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月23日 優先權日2003年12月23日
發明者樊慶文, 王小龍, 侯力, 李國軍, 肖華軍, 馬濟永 申請人:四川大學