CN102937418A - 一种扫描式物体表面三维形貌测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种扫描式物体表面三维形貌测量装置，该装置由测量头、位移台、计算机组成，计算机通过数据线分别与测量头和位移台连接；其中，测量头由激光器、扫描装置和成像装置组成，激光器与成像装置的光轴之间保持预定夹角，放置于扫描装置的同侧；扫描装置包括电机、多面转镜，角度编码器，电机带动多面转镜和角度编码器高速旋转；成像装置包括成像透镜和相机。一种扫描式物体表面三维形貌测量方法，它有三大步骤。该测量方法具有速度快、测量范围大、精度高等优点，可用于一般物体表面的三维形貌测量。

Description

一种扫描式物体表面三维形貌测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种扫描式物体表面三维形貌测量方法及装置，该装置的基本原理是利用激光三角法，能够实现非接触光学测量，可用于一般物体表面的三维形貌测量。本发明属于光学三维测量技术领域。

背景技术

激光三角法作为典型的非接触光学主动三维测量方法，广泛应用于三维形貌测量、逆向工程和质量检测等诸多领域。激光三角法每次只能对一个点进行测量，因此需要采取一些措施实现对整个物体的形貌测量。常见的措施包括：光束扫描、物体位移以及光束扫描与物体位移结合等方法。常见的光束扫描方式包括：振镜扫描法、AOD声光器件扫描法、多面转镜扫描法等。振镜扫描法扫描速度受到限制，AOD声光器件扫描法的扫描范围较小，都无法同时实现大范围高速扫描。

本发明使用多面转镜对光束扫描，同时结合物体的运动实现了大范围高速扫描测量。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于激光三角法的光束扫描与物体移动相结合的物体表面三维形貌测量装置，该测量装置可实现高速、大范围、高精度物体表面三维形貌测量。

1)本发明一种扫描式物体表面三维形貌测量装置,它是由测量头、计算机和位移台组成，它们之间的位置连接关系是计算机通过数据线分别与测量头和位移台连接。

所述测量头是由激光器、扫描装置和成像装置组成，它们之间的位置连接关系是激光器与成像装置的光轴之间保持预定夹角，放置于扫描装置的同侧。该激光器是可见光半导体激光器。该扫描装置由电机、多面转镜、角度编码器组成；其间关系是：电机带动多面转镜和角度编码器高速旋转；利用多面转镜的特性，实现了对运动物体截面的高速大范围周期性扫描，扫描方向与物体运动方向垂直；利用角度编码器，可以实时读出激光光束偏转的角度。该电机是高速伺服电机；该多面转镜是定制的高精度多面转镜；该角度编码器是高精度增量式光电编码器；该成像装置由透镜和相机组成，其间关系是：为了保证装置具有较大的景深，激光光束、相机成像平面与光轴之间的夹角满足一定条件（参见图1）。具体描述如下：设透镜焦距为f，激光光点A到透镜距离为m，A的像点A′到透镜距离为n；激光光束、成像平面与光轴夹角分别为α、β；成像装置光路满足以下条件：

$\frac{1}{m}+\frac{1}{n}=\frac{1}{f}$

m·tanα=n·tanβ

该透镜是高质量的光学玻璃透镜；该相机是工业数字相机。

所述计算机是高性能数字计算机；计算机接收来自相机的图像数据、来自角度编码器的旋转角度数据以及来自位移台的运动速度数据；计算机对图像数据进行处理，提取出像点的位置，再根据像点位置、旋转角度、运动速度计算得到待测物体的三维形貌。

所述位移台是高精度电动位移台。

作为一种非接触光学测量方法，发明的测量装置光路结构如下所述：激光器发出的光线经过多面转镜的反射投射到待测物体上，激光光点在物体上发生漫反射，反射光经多面转镜反射进入成像装置成像。这种光路结构可实现同步扫描，即多面转镜转动时相机的视场能够随激光光线同步扫描。同步扫描的优势在于可通过减小相机的瞬时视场来提高测量精度，而不影响装置的整体测量范围。发明的测量装置的基本原理是激光三角法（参见图2）。激光三角法通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算待测点的深度信息，即：成像装置对待测物体上的激光光点成像，根据像点的位置，计算得到待测点的深度信息。再通过对像点坐标的细分，可以得到高精度的深度信息。由于每次能获取一个点的深度信息，本发明通过光束扫描与物体运动相结合的方法实现对物体的扫描。从多面转镜的旋转角度和位移台的移动速度中可以得到待测点的方位信息，根据每个待测点的深度信息和方位信息计算得到物体表面的三维形貌。

2)本发明一种扫描式物体表面三维形貌测量方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：将测量头安装在位移台上方，被测物体放置于位移台上；调整测量头的姿态，使得从测量头出射光束的扫描方向与位移台的运动方向垂直。测量头的高度可根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节。

步骤二：计算机控制位移台开始运动；给测量头通电，使测量头内的激光器、扫描装置和成像装置处于工作状态。即，电机带动多面转镜高速转动，角度编码器测量多面镜转动的角度；激光器发出激光光束，光束经多面转镜反射后形成一个扫描面；相机实时采集图像。

步骤三：计算机从测量头接收到相机的图像数据、角度编码器的角度数据；从位移台接收位移台的速度数据；计算机根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

装置的测量过程为：位移台带动待测物体直线运动，多面转镜在电机的带动下高速转动；激光器发出的光线经多面转镜反射后对物体周期性扫描，扫描方向与物体运动方向垂直；激光光点反射的光线经多面转镜反射进入成像装置成像；计算机接收相机的图像数据、角度编码器的角度数据、位移台运动速数据，自动计算得到物体的三维形貌数据。

测量坐标系如图3所示，坐标原点O建立在测量头上，Z轴与位移台运动方向平行，X轴与位移台平面平行，建立右手坐标系。被测点P到O点距离记为d，三维坐标记为（x，y，z）。具体计算公式为：

$d=l+\frac{\mathrm{ap}\sin {\mathrm{\θ}}_2}{b\sin {\mathrm{\θ}}_1-p\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}$

z=vt

其中，p为投射在P点的激光光点成像的像点坐标，a、b、θ₁、θ₂是测量头的结构参数，

为多面转镜的偏转角度，v为位移台移动速度，t从开始测量到测量P点的时间间隔。

优点及功效：本发明测量装置的主要优点是扫描速度快、范围大，具有较大的景深，测量精度高。本方法的优点是操作简单，几乎不需人工干预。

附图说明

图1为透镜所在平面、相机成像平面及出射的激光光束之间的位置关系。

图2为激光三角法原理图。

图3为测量坐标系。

图4为装置结构框图。其中，实线方框表示测量头，黑线表示机械或电器连接，虚线箭头表示测量头出射的光线，点划线箭头表示测量头入射的光线。

图中符号说明如下：

A激光光点；A′激光光点在相机上所成像点；α激光光束与光轴夹角；β相机成像平面与光轴夹角；m激光光点A到透镜距离；n像点A′到透镜距离；

多面转镜的偏转角度；X坐标系X轴；Y坐标系Y轴；Z坐标系Z轴；O坐标系原点；P被测点。

1激光器；2多面转镜；3成像透镜；4相机；5电机；6角度编码器；7计算机；8位移台；9成像装置；10扫描装置；11测量头；12待测物体。

具体实施方式

下面结合附图，对测量装置的具体实施方式进行说明。

1）如图4所示，本发明一种扫描式物体表面三维形貌测量装置,它是由测量头、计算机和位移台组成，它们之间的位置连接关系是计算机通过数据线分别与测量头和位移台连接。

所述测量头是由激光器、扫描装置和成像装置组成，它们之间的位置连接关系是激光器与成像装置之间保持预定夹角，并放置于扫描装置的同侧。

该激光器是可见光半导体激光器。该扫描装置由电机、多面转镜、角度编码器组成；其间关系是：电机带动多面转镜和角度编码器高速旋转；利用多面转镜的特性，实现了对运动物体截面的高速大范围周期性扫描，扫描方向与物体运动方向垂直；利用角度编码器，可以实时读出激光光束偏转的角度。该电机是高速伺服电机；该多面转镜是定制的高精度多面转镜；该角度编码器是高精度增量式光电编码器；该成像装置由透镜和相机组成，其间关系是：为了保证装置具有较大的景深，激光光束、相机成像平面与光轴之间的夹角满足一定条件（参见图1）。具体描述如下：设透镜焦距为f，激光光点A到透镜距离为m，A的像点A′到透镜距离为n；激光光束、成像平面与光轴夹角分别为α、β；成像装置光路满足以下条件：

$\frac{1}{m}+\frac{1}{n}=\frac{1}{f}$

m·tanα=n·tanβ

该透镜是高质量的光学玻璃透镜；该相机是工业数字相机。

所述计算机是高性能数字计算机；计算机接收来自相机的图像数据、来自角度编码器的旋转角度数据以及来自位移台的运动速度数据；计算机对图像数据进行处理，提取出像点的位置，再根据像点位置、旋转角度、运动速度计算得到待测物体的三维形貌。

所述位移台是高精度电动位移台。

作为一种非接触光学测量方法，发明的测量装置光路结构如下所述：激光器发出的光线经过多面转镜的反射投射到待测物体上，激光光点在物体上发生漫反射，反射光经多面转镜反射进入成像装置成像。这种光路结构可实现同步扫描，即多面转镜转动时相机的视场能够随激光光线同步扫描。同步扫描的优势在于可通过减小相机的瞬时视场来提高测量精度，而不影响装置的整体测量范围。发明的测量装置的基本原理是激光三角法（参见图2）。激光三角法通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算待测点的深度信息，即：成像装置对待测物体上的激光光点成像，根据像点的位置，计算得到待测点的深度信息。再通过对像点坐标的细分，可以得到高精度的深度信息。由于每次能获取一个点的深度信息，本发明通过光束扫描与物体运动相结合的方法实现对物体的扫描。从多面转镜的旋转角度和位移台的移动速度中可以得到待测点的方位信息，根据每个待测点的深度信息和方位信息计算得到物体表面的三维形貌。

2)本发明一种扫描式物体表面三维形貌测量方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：将测量头安装在位移台上方，被测物体放置于位移台上；调整测量头的姿态，使得从测量头出射光束的扫描方向与位移台的运动方向垂直。测量头的高度可根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节。

步骤二：计算机控制位移台开始运动；给测量头通电，使测量头内的激光器、扫描装置和成像装置处于工作状态。即，电机带动多面转镜高速转动，角度编码器测量多面镜转动的角度；激光器发出激光光束，光束经多面转镜反射后形成一个扫描面；相机实时采集图像。

步骤三：计算机从测量头接收到相机的图像数据、角度编码器的角度数据；从位移台接收位移台的速度数据；计算机根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

装置的测量过程为：位移台带动待测物体直线运动，多面转镜在电机的带动下高速转动；激光器发出的光线经多面转镜反射后对物体周期性扫描，扫描方向与物体运动方向垂直；激光光点反射的光线经多面转镜反射进入成像装置成像；计算机接收相机的图像数据、角度编码器的角度数据、位移台运动速数据，自动计算得到物体的三维形貌数据。

测量坐标系如图3所示，坐标原点O建立在测量头上，Z轴与位移台运动方向平行，X轴与位移台平面平行，建立右手坐标系。被测点P到O点距离记为d，三维坐标记为（x，y，z）。具体计算公式为：

$d=l+\frac{\mathrm{ap}\sin {\mathrm{\θ}}_2}{b\sin {\mathrm{\θ}}_1-p\sin ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}$

z=vt

其中，p为投射在P点的激光光点成像的像点坐标，a、b、θ₁、θ₂是测量头的结构参数，为多面转镜的偏转角度，v为位移台移动速度，t从开始测量到测量P点的时间间隔。

测量前，首先将测量头安装在位移台上方，调整测量头的姿态，使得从测量头出射光束的扫描方向与位移台的运动方向垂直。测量头的高度可根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节。

给测量头通电，使测量头内的激光器、扫描装置和成像装置处于工作状态。即，电机带动多面转镜高速转动，角度编码器测量多面镜转动的角度；激光器发出激光光束，光束经多面转镜反射后形成一个扫描面；相机实时采集图像。

将待测物体放置在位移台上，位移台带动待测物体运动，开始测量。

测量头出射的激光扫描面对待测物体进行一维扫描，位移台带动待测物体运动形成了第二维扫描。

计算机从测量头接收到相机的图像数据、角度编码器的角度数据；从位移台接收位移台的速度数据；计算机根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

Claims (2)

1.一种扫描式物体表面三维形貌测量装置,其特征在于：它是由测量头、计算机和位移台组成，计算机通过数据线分别与测量头和位移台连接；

所述测量头是由激光器、扫描装置和成像装置组成，激光器与成像装置的光轴之间保持预定夹角，放置于扫描装置的同侧；该激光器是可见光半导体激光器，该扫描装置由电机、多面转镜、角度编码器组成；电机带动多面转镜和角度编码器高速旋转；利用多面转镜的特性，实现了对运动物体截面的高速大范围周期性扫描，扫描方向与物体运动方向垂直；利用角度编码器，实时读出激光光束偏转的角度；该电机是高速伺服电机；该多面转镜是定制的高精度多面转镜；该角度编码器是高精度增量式光电编码器；该成像装置由透镜和相机组成，为了保证装置具有较大的景深，激光光束、相机成像平面与光轴之间的夹角满足预定条件；具体描述如下：设透镜焦距为f，激光光点A到透镜距离为m，A的像点A′到透镜距离为n；激光光束、成像平面与光轴夹角分别为α、β；成像装置光路满足以下条件：

$\frac{1}{m}+\frac{1}{n}=\frac{1}{f}$

m·tanα=n·tanβ

该透镜是高质量的光学玻璃透镜；该相机是工业数字相机；

所述计算机是高性能数字计算机；计算机接收来自相机的图像数据、来自角度编码器的旋转角度数据以及来自位移台的运动速度数据；计算机对图像数据进行处理，提取出像点的位置，再根据像点位置、旋转角度、运动速度计算得到待测物体的三维形貌；

所述位移台是高精度电动位移台。

2.一种扫描式物体表面三维形貌测量方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：将测量头安装在位移台上方，被测物体放置于位移台上；调整测量头的姿态，使得从测量头出射光束的扫描方向与位移台的运动方向垂直，测量头的高度根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节；

步骤二：计算机控制位移台开始运动；给测量头通电，使测量头内的激光器、扫描装置和成像装置处于工作状态；即，电机带动多面转镜高速转动，角度编码器测量多面镜转动的角度；激光器发出激光光束，光束经多面转镜反射后形成一个扫描面；相机实时采集图像；

步骤三：计算机从测量头接收到相机的图像数据、角度编码器的角度数据；从位移台接收位移台的速度数据；计算机根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

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