CN100473945C - 一种用于设计线激光三维扫描仪的方法及装置 - Google Patents

一种用于设计线激光三维扫描仪的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于设计线激光三维扫描仪的方法及装置，其特征在于，一种用于设计线激光三维扫描仪的方法，其是在一按照实际产品的镜头光轴方向和激光出射面之间夹角设计的支架上，固定连接一激光出射面平板来代替激光出射面，并将最佳成像位置，测量范围标记在激光出射面平板上，然后通过调节设置在与所述激光出射面平板一侧相对的所述支架另一侧的成像设备微动平台，精确测量得到成像设备和光学镜头的夹角、成像设备与光学镜头中心距离的数据，以确定激光三维扫描仪的设计参数。本发明方法及装置使用方法简单、方便、直观、快捷，可保证获得设计参数的准确性。

Description

一种用于设计线激光三维扫描仪的方法及装置
技术领域
本发明涉及的是一种用于设计扫描仪的装置，特别是关于一种基于三角法原理的用于设计线激光三维扫描仪的方法及装置。
背景技术
基于三角法的线激光三维扫描仪，其设计和生产过程中主要是根据扫描仪的性能指标进行理论计算，初步选择扫描仪主要元器件的参数和结构参数。有些采用光学仿真软件进行仿真实验，如ZEMAX软件，确定需求是否合理，选择的元件参数是否满足扫描仪需求，安装空间是否发生干涉等。
如图1所示，扫描仪要得到的参数包括：1、镜头焦距f；2、镜头光轴和激光出射面的夹角θ；3、镜头中心延长线与和激光出射面的交点到镜头中心的距离F；4、CCD(电荷耦合器件，CMOS，或其它成像设备)和镜头的夹角γ；5、CCD和镜头中心的距离d；6、最佳测量距离D等。扫描仪性能指标包括：测量范围内的分辨率和最佳测量距离D。
根据线激光三维扫描仪主要元器件的参数和结构参数，确定上述两个性能指标的原理如下：
光轴和激光出射面的夹角θ与测量的分辨率和测量范围，最佳测量距离D之间的关系是：夹角θ越大，测量分辨率就越大，测量范围就越小；对于给定了最佳测量距离D、测量范围和CCD成像面的情况下，夹角θ存在一个最大值，当夹角θ超过此值，则不能满足测量范围的要求；同时夹角θ存在一个最小值，当夹角θ小于此值，也不能满足测量精度的要求。夹角θ角同时影响扫描头的尺寸，对于同样的最佳测量距离D，夹角θ越大，距离F越大，因此夹角θ值要在上述条件制约下进行选择。
对于镜头的焦距f与测量的分辨率和测量范围有关的参数为：焦距f越大，测量分辨率越大，而测量范围越小；根据要测量的最佳测量距离D，可以计算得出镜头中心延长线与激光出射面交点到镜头中心的距离F。
从以上描述可以看出，由于在计算或者仿真测试过程中，很难保证所有光学几何参数的准确值，如镜头光心的位置、CCD成像面的准确位置等，同时CCD分辨率和焦深在仿真中也很难体现，所以成像位置不能准确定位出来，特别是CCD的参数不能准确仿真得到。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供可以精确、方便的得到扫描仪的所有参数的用于设计线激光三维扫描仪的方法及装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于设计线激光三维扫描仪的方法，其是在一按照实际产品的镜头光轴方向和激光出射面之间夹角设计的支架上，固定连接一激光出射面平板来代替激光出射面，并将最佳成像位置，测量范围标记在激光出射面平板上，然后通过调节设置在与所述激光出射面平板一侧相对的所述支架另一侧的成像设备微动平台，精确测量得到成像设备和光学镜头的夹角、成像设备与光学镜头中心距离的数据，以确定激光三维扫描仪的设计参数。
一种用于设计线激光三维扫描仪的装置，其特征在于：它包括一镜头-激光支架、一激光出射面平板和一具有三维自由度的成像设备微动平台；所述激光出射面平板与实际产品的激光出射面位置对应连接在所述支架上，所述激光出射面平板上标记有最佳成像位置，测量范围，所述成像设备微动平台设置在与所述激光出射面平板一侧相对的所述支架的另一侧，其包括相互连接的左右微动平台、前后微动平台和水平旋转微动平台。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于设置了一具有平面和折弯面的支架，因此安装在平面上的光学镜头与安装在折弯面背部的激光器射出的激光出射面的夹角θ即为一定数，且二者之间的相对位置可以保证固定不变，从而可以保证在获得参数的准确性。2、本发明采用激光出射面平板替代激光出射面，一旦其与光学镜头之间的角度确定后，在移动和测量过程中，这种位置关系不会发生变换，因此可以保证最终确定的产品的位置关系准确有效。3、本发明在激光出射面平板上设置最佳测量距离和测量范围标记，同时设置了一个可以三维运动的成像设备微动平台，因此可方便地调节和确定成像设备与光学镜头的夹角γ、成像设备与光学镜头中心0的距离d这两个参数，操作非常简单、直观、快捷。本发明可以广泛用于各种基于三角法原理的线激光三维扫描仪的设计过程中。
附图说明
图1是基于三角法的线激光三维扫描仪设计原理示意图
图2是本发明结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细地描述。
如图2所示，本发明装置包括一镜头-激光支架10，一激光出射面平板20和一成像设备微动平台30，镜头-激光支架10上的平面11和折弯面12是根据最终产品的参数精确设计加工制作为一个零件。在镜头-激光的平面11上设置一光学镜头13，折弯面12上设置激光出射面平板20，激光出射面平板20上设置有测量范围21的标记。成像设备微动平台30为市场上购买的三维运动平台，它包括左右微动平台31、前后微动平台32和旋转微动平台33，水平旋转微动平台33内设置有一成像设备34。成像设备34可以是电荷耦合器件(CCD)，也可以是互补型金属氧化物半导体器件(CMOS)，还可以是其它现有技术的成像设备。
成像设备微动平台30为一具有三维自由度的平台，其中左右微动平台31可以左右调动，使得测量范围21覆盖整个成像设备34；前后微动平台32可以前后调动，使得成像设备34的成像距离为实际测量到的距离；旋转微动平台33可以进行360度的水平调动，使得成像平面在激光出射面上。
如图1、图2所示，本发明方法的原理与上述基于三角法的线激光三维扫描仪设计原理相同，图2中的激光出射面平板20代替图1中的激光出射面。
如图1所示，CCD对激光成像时，一次只得到测量范围内一个位置的图像，CCD与镜头1的夹角γ、CCD与镜头中心0的距离d这两个参数的调节仅能针对当前的测量位置，并不能保证满足下一个测量位置，当变动测量位置时，则必须重新调节CCD的这两个参数以得到最佳参数，前一个测量位置得到的结果将被改变，不能同时得到对于整个测量范围都适合的参数。
如图2所示，本发明采用激光出射面平板20代替激光出射面4来作为被检测物，在激光出射面平板20设置一个物体标记，就可以同时对整个测量范围21内进行成像，在激光出射面平板20上标记出最佳测量距离，在设计、试验、组装中，要保证最佳测量距离成像在成像设备34的中心。调节成像设备34与光学镜头13的夹角γ、成像设备34与镜头13中心0的距离d这两个参数，使成像设备34对测量范围21中的激光出射面平板20都清晰成像时，也就表明成像设备34可以对激光都清晰成像，也就找到了最优的成像设备34的位置。此方法将要调节的最终目标进行量化，可得到整个测量范围21都均衡的参数信息。
本发明将成像设备34安装在一个具有三维自由度的成像设备微动平台30上，成像设备34的位置可以进行左右、前后方向平移和旋转运动来调节。调节成像设备34的转角使得成像平面在激光出射面上；调整成像设备34的前后位置使得成像设备34的成像距离为实际测量距离；左右调节成像设备34的位置使得测量范围21覆盖整个成像设备34面积。成像设备34在成像设备微动平台30上方便调节，找到将整个测量范围21都清晰成像的位置，这个位置就是要得到的准确位置。通过精确测量得到成像设备34和光学镜头13的夹角γ、成像设备34和光学镜头13中心0的距离d这两个设计参数的数据。
通过本发明可以精确得到成像设备34的转角和位置信息，并验证线激光三维扫描仪测量性能满足最初的要求，结果准确有效。

Claims (2)

1、一种用于设计线激光三维扫描仪的方法，其是在一按照实际产品的镜头光轴方向和激光出射面之间夹角设计的支架上，固定连接一激光出射面平板来代替激光出射面，并将最佳成像位置，测量范围标记在激光出射面平板上，然后通过调节设置在与所述激光出射面平板一侧相对的所述支架另一侧的成像设备微动平台，精确测量得到成像设备和光学镜头的夹角、成像设备与光学镜头中心距离的数据，以确定激光三维扫描仪的设计参数。
2、一种用于设计线激光三维扫描仪的装置，其特征在于：它包括一镜头-激光支架、一激光出射面平板和一具有三维自由度的成像设备微动平台；所述激光出射面平板与实际产品的激光出射面位置对应连接在所述支架上，所述激光出射面平板上标记有最佳成像位置，测量范围，所述成像设备微动平台设置在与所述激光出射面平板一侧相对的所述支架的另一侧，其包括相互连接的左右微动平台、前后微动平台和水平旋转微动平台。
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基于激光三角法的三维扫描光探测系统. 尤政，杨韧，刘兴占，董斌，贺慧玲.宇航计测技术，第18卷第5期. 1998
基于激光三角法的三维扫描光探测系统. 尤政，杨韧，刘兴占，董斌，贺慧玲.宇航计测技术，第18卷第5期. 1998 *

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