CN101619966B - 一种非接触式动态形貌测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式动态形貌测量方法及测量装置，将带片光源的单色光激光器设置在被测对象的前方，片光所在平面与被测对象表面平面垂直，将带有窄带滤光片的数字相机设置在被测对象的侧前方，激光能量最强的地方照射到被测对象的测量区域，相机拍摄到被测对象形貌凹凸变化的图像，将拍摄到的图像通过图像采集卡输入计算机，与带有已知深度梯度的标靶图像比较，计算出被测对象表面形貌变化的动态数据。本发明使用廉价的半导体激光器就可以实现对强光背景噪声的过滤，而不需要昂贵的高能量的脉冲激光器，抗干扰能力强，可以非接触式测量高温火焰环境下物体的动态形貌变化数据，测量、计算结果精确；所需设备简单，容易使用操作和维护。

Description

一种非接触式动态形貌测量方法及测量装置 

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，具体涉及一种非接触式动态形貌测量方法及测量装置。 

背景技术

现实工作中常常遇到形貌测量问题，例如，对某些耐高温的材料进行烧蚀试验时，需要对烧蚀情况进行动态测量；再如，对路面的平整度或汽车轮胎的磨损情况也需要进行测量，以保证其正常使用。但是，现有技术中缺少合适的测量方法及测量装置。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便、准确的非接触式动态形貌测量方法及结构简单、使用方便的测量装置，以弥补现有技术的不足。 

本发明的目的是通过如下技术方案实现的，一种非接触式动态形貌测量方法，其特征在于包括以下步骤： 

1)将带片光源的单色光激光器设置在被测对象的前方，片光所在平面与被测对象表面平面垂直，激光片光中心线直射被测对象，将带有与单色激光器波长相适配的单色光窄带滤光片的数字相机设置在被测对象的侧前方， 

2)调节激光器的俯仰角度γ，使得激光能量最强的地方照射到被测对象的测量区域，调节相机偏转角度α，使得相机拍摄到被测对象形貌凹凸变化的测量区域， 

3)调节激光能量和相机光圈，使相机拍摄到的被测对象形貌凹凸变化的测量区域图像清晰， 

4)将上述图像通过图像采集卡输入计算机，配合相机位置角度微调，以看到被测对象形貌凹凸变化测量区域清晰的实时图像， 

5)拿掉被测对象，将带有已知深度梯度的标靶放在被测对象 的位置，激光器发射片光，相机拍摄标靶图像，将图像存储到计算机，得到实际图像像素点位置和被测对象空间位置定量化的标定图像，作为后续的物体表面形貌图像的标尺使用， 

6)拿掉标靶，放置被测对象，相机实时拍摄物体表面形貌变化并将图像存储到计算机，根据实时拍摄的图像和标靶的图像计算出被测对象表面形貌变化的动态数据。 

本发明给出了一种用于上述测量方法的非接触式动态形貌测量装置，包括发射单色光的激光器、数字相机和计算机，数字相机通过图像采集卡与计算机相连接，其特征在于所说的激光器为带片光源的单色光激光器，所说的激光器设置在被测对象前方，片光所在平面与被测物体表面平面垂直，片光激光束中心线直射被测对象，所说的数字相机设置在被测对象的侧前方，数字相机镜头设有与激光器片光源波长相适配的单色光窄带滤光片。 

进一步地，上述测量装置所说的激光器与数字相机-被测对象所在平面的夹角γ不大于30°，数字相机和被测对象之间的夹角α为15°～80°，夹角α优选45°。 

进一步地，上述测量装置所说的单色光窄带滤光片透过的波长偏差范围在±20nm以内，所说的片光源为厚度不大于1mm的片状激光光源。 

进一步地，上述测量装置所说的数字相机的镜头为微距镜头，数字相机的分辨率为1600×1200像素。 

本发明的有益效果是方法简单，使用方便，抗干扰能力强，可以非接触式测量高温火焰环境下物体的动态形貌变化数据，测量、计算结果精确；所需设备简单，容易使用操作和维护。其优点是： 

a，使用廉价的半导体激光器就可以实现对强光背景噪声的过滤而不需要昂贵的高能量的脉冲激光器，同时也节省了脉冲激光器需要的同步信号设备的造价； 

b，通过标靶的标定过程来计算实际变化，比一些通过几何，光学等方法来计算在适应性、可靠性和稳定性上要强，比如通过集合方法 来计算就需要严格精确的确定一整套设备布局方案，同时对镜头的依赖性很强，设备及架子的晃动对计算带来的误差也很可观。 

C，如果拍摄高速运动目标时，调小电子快门就可以解决图像拖尾模糊问题。 

附图说明

本发明有如下附图： 

附图1动态形貌测量装置示意图 

附图2动态形貌测量装置俯视示意图 

附图3动态形貌测量装置正视示意图 

附图4动态形貌测量装置标靶示意图 

附图5动态形貌测量装置原理示意图 

附图6动态形貌测量装置软件程序示意图 

附图中，1为激光器，2为片光源，3为数字相机，4为滤光片，5为计算机，6为被测对象，7为水平导轨，8为球形云台，9为造成物体表面形变的热源，10为标靶，11为试验台，12为垂直导轨，13为样品支架，14为激光片光中心线。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。 

附图1～附图3分别为本发明动态形貌测量装置示意图、动态形貌测量装置俯视示意图和动态形貌测量装置正视示意图，包括发射单色光的激光器1、数字相机3和计算机5，数字相机通过图像采集卡与计算机5相连接，所说的激光器为片光源单色光激光器，即，带片光源2的单色光激光器，所说的激光器1设置在被测对象6的正前方，正对着被测对象，即：片光所在平面与被测物体表面平面垂直，激光片光中心线14直射被测对象(最好直射被测对象中心)，所说的数字相机镜头设有与激光器片光源波长相适配的单色光窄带滤光片4，数字相机设置在被测对象的侧前方。 

一、测量装置的安装摆放 

a.上述测量装置可以直接固定在试验台面11上；但是为了便于调节，优选的方案为激光器1和相机3可以在立体空间范围内随意移动转动，而在测量实验开始前要可以锁定位置；为此，可以采用公知的导轨7、云台8等进行定位，例如，在工作台面上设置水平导轨(圆弧形或直角形)，在水平导轨上设置两根可移动的垂直导轨，激光器1通过第一个云台8安装在一根垂直导轨12上，相机3通过另一个云台8安装在另一根垂直导轨12上，这样，激光器和相机均可以按照测量要求在立体空间范围内随意移动、转动、定位。 

b.按照常规方法，在激光器前端加上公知的片光源2，例如，安装两片圆透镜组成括束准直将光束压缩，前端柱凹透镜展成片状光(可采用市售产品，示例型号：SM-LIGHTSHEET20)；激光器设置在被测对象前方，在保证片光所在平面与被测物体表面平面垂直的大前提下，尽可能使激光片光中心线14(即激光器光束的中心轴线，)与物体表面平面的法线之间夹角尽可能小(即片光中心线14尽可能的垂直于物体表面平面)；为了得到较强的照度，在照射物体表面的片光不被遮挡(例如，不被造成物体表面形变的热源9挡住)的前提下尽可能和被测对象等高；通常，相机与被测对象设置在试验台11上，因为被测对象的正前方需要设置试验设备，例如烧蚀试验时，需要设置造成物体表面形变的热源9，所以激光器1可以设置在略高于试验台面的位置。为了得到较好的测量结果，激光器光束与数字相机-被测对象所在平面的夹角γ尽可能要小，例如可设定γ角不大于30°(即，附图3中h尽可能小，同时要保证激光光路的畅通)，其中，30°、25°、20°、15°、10°、5°乃至0°都是可以采用的角度，该角度越小测量效果越好。 

c.CCD相机按照公知技术和镜头、滤光片组装成为一个整体，和被测对象等高(即在同一水平面，附图2、3中相机和被测对象连线水平)，摆放在被测对象前方侧面，以便能够较为清晰的观测到物体表面形貌的变化；相机可以设置在被测对象侧前方15°～80°，其中15°、25°、30°、45°、50°、60°、70°、80°都是可以选择的角度，优选45°；在镜头头部直接加装或者在镜头与相机机身连接处安装滤光片，滤光片透过的波长偏差范围在±20nm以内，此偏差范围越小，对于背景光的抗干扰效果越好，例如也可以为±15nm、±10nm、±5nm；所说的数字相机的镜头可以采用公知的微距镜头，数字相机的分辨率可以采用1600×1200像素或者更高； 

d.计算机安装与本发明测量方法相适配的计算软件，该软件可以按照公知技术编写，软件程序示意图参见附图6； 

e.相机通过公知的图像采集卡连接到计算机。 

二、测量装置的调节 

a.调节激光器的俯仰角度γ，通电测试使得激光能量最强的地方(表面亮光最亮)可以照射到被测对象需要测量的区域，不被测量区域边缘遮挡； 

b.通电测试调节激光器片光源部分使所发出的片光尽可能的薄，例如片光厚度控制为不大于1mm； 

c.调节相机与被测对象之间的角度α，使得相机拍摄到被测对象的形貌凹凸变化尽可能明显，同时保证不能被形貌变化部分的边缘挡掉； 

d.激光能量和相机光圈调节，通电测试相机可以拍摄到适合计算的图像：图像既不过饱和，又可以完全看不到背景； 

e.计算机软件调节，配合相机位置角度微调，通电测试可以看到拍摄区域清晰的实时图像。 

三、测量装置的标定： 

a.确保被测对象可以固定在准确的空间位置，为此，可以采用通常的样品支架13放置被测对象，然后拿掉被测对象，放置标靶，标靶带有已知刻度梯度的一面朝向激光光源，利于模拟被测对象实际烧蚀情况。所说的标靶是经过标定的、带有与被测对象形貌变化测量范围相适配的等间隔深度梯度的标准靶件，即，物体表面形貌待计算方向的位移变化全部包含在标靶深度梯度内，用于烧蚀测量的标靶示例参见附图4，材料可以采用不锈钢，形状可以采用工字型，中间带 有已知的深度梯度刻度，本实施例标靶的具体尺寸为8cm*12cm，中间台阶尺寸是1mm*1mm(每个台阶)。标靶的设计原则为：标靶″刻度″范围要大于物体表面形变可能的深度变化范围；放置原则为：在空间位置上体现设计原则的内容。具体标定方法和测量计算方法均可以按照现有技术中常用的标定、刻度、实测、计算的方法来实现。 

b.步骤二测量装置的调节完成后，锁定激光器和相机位置，通电，激光器发射片光，相机开始拍摄标靶的静态图像，即，实际图像像素点位置和实际物空间毫米位置，作为标准刻度。 

c.同时将图像存储下来，用软件进行计算，得到定量化的标定图像，作为后续的物体表面形貌图像的标尺使用。即，根据标靶上几个标准点的已知精确尺寸及图像中对应的精确像素尺寸，利用插值算法拟合出两者(实际图像像素点位置和被测对象空间位置)的对应关系曲线。标靶及标靶上“刻度”(标靶的“刻度”即标靶的上面的小台阶，本实施例每个台阶相差1毫米)的图像尺寸根据公知的二维数字图像象素点的位置(像素值)来确定；标靶及“刻度”的实际尺寸为已知的毫米数值；下面提供三组物体形貌变化过程中4个时刻点这两者的变化数据示例： 

时刻t(s)	图像尺寸变化(pixl)	实际尺寸变化(mm)
			0	0	0
1	30	1
			2	55	1.5
3	75	1.8

d.关激光器，关相机。 

四、采图 

拿掉标靶，放置被测对象，保证相机激光器位置没有发生变化，开激光器，在造成物体表面形变的热源9对被测对象进行烧蚀试验时，相机实时拍摄物体表面形貌变化并将图像传送到计算机。 

五、通过软件计算，得出被测对象表面形貌变化的动态数据。此 步骤可以和步骤四同时进行，实现实时拍摄实时计算。 

以下是本发明给出的一个工件被烧蚀情况的非接触式动态形貌测量方法的具体实施例。 

本方法所使用的装置如附图1所示。 

步骤一：装置的安装摆放： 

a.本例采用可以互相拼接有可以自由移动的金属导轨来搭建主框架，通过光学云台最终固定相机和激光器，实验开始后可以锁定相机和激光器。 

b.CCD相机和镜头、滤光片组装成为一个整体，通过云台固定在支架导轨上，调节云台和支架导轨使相机和被测对象等高； 

c.激光器前端加上片光源(片状光源是一束激光经过片光源装置后，被空间调制成具有一定厚度，例如小于1mm，展宽为10～20mm的光束，照射到物体上就会是一条“一”字亮线)，通过云台固定在另一根支架导轨上，调节支架导轨，使得激光器正对被测对象(位于被测工件正前方)，调节云台位置使得在照射物体表面的片光不被挡的前提下尽可能和被测对象等高；本实施例为烧蚀情况的测量，试验中设有使物体表面烧蚀形变的热源9，该热源垂直正对被测工件6，片光源可设置在热源9的上方，片光源和被测对象之间的高度h尽可能小，亦即所说的激光器与数字相机-被测对象所在平面的夹角γ尽可能小，可控制在不大于30°，在激光束不被遮挡的前提下，该角度越小越好。 

d.计算机安装配套测量计算软件；该软件程序示意图参见附图6，根据本发明公开的技术内容，本领域的技术人员按照公知软件编程方法即可编写出该软件程序。 

e.按照现有技术将相机通过图像采集卡连接到计算机。 

步骤二：装置的调节： 

a.通过云台上的旋钮调节激光器的俯仰角度，通电测试使得激光能量最强的地方可以照射到被测区域； 

b.通电测试调节激光器片光源部分使所发出的片光尽可能的薄； 

c.通过支架导轨的移动使得相机偏转工件正面垂直方向45°，同时微调相机俯仰，左右视角，使可以拍摄到被测似区域； 

d.激光能量和相机光圈调节，通电测试相机可以拍摄到适合计算的图像：由于窄带滤光片和单色激光光的配合加上相机光圈的调节，在计算机显示器上的软件视窗中应该看到的是一幅黑背景，白亮线的动态图像，在白亮线清晰的前提下，调节激光能量和相机焦距，使得亮线尽可能的细。 

e.计算机软件调节，配合相机位置角度微调，通电测试可以看到清晰拍摄区域的实时图像。 

f.相机和激光器底部云台调节旋钮锁定，可移动导轨支架锁定。 

步骤三：标定： 

a.本例现场存在一固定位置的金属夹具用于固定工件(即被测对象)，从夹具上取下工件，将本例根据夹具的情况制备的标靶放入夹具内。注意标靶比实际工件偏厚，最深台阶又比工件最大灼烧深度大。 

b.步骤二完成后，锁定激光器和相机位置，通电，激光器发射片光，相机开始拍摄标靶图像。 

c.同时将图像存储下来，用软件进行计算，得到定量化的标定图像，作为后续的物体被灼烧图像的标尺使用。 

d.关激光器，关相机。 

步骤四：采图： 

拿掉标靶，放置工件，保证相机、激光器底部的云台旋钮以及导轨支架固定螺母没有被打开过，开激光器，相机实时拍摄物体表面形貌变化并记录图像到计算机。 

步骤五：通过软件计算，得出工件表面灼烧形成的坑洞随时间变化的动态数据。此步骤可以和步骤四同时进行，实现实时拍摄实时计 算。 

以下为本发明实验装置的一个具体实施例。 

本系统装置主要包含： 

A：发射单色光的激光器，例如下列型号的皆可： 

VA-I-N-532 

VA-II-N-532 

VA-III-N-532____半导体连续激光器____ 

本文以功率1500mw、单色光波长532nm的半导体激光器VA-II-N-532_(技术型号)为例。 

B：集成在激光器前端的光学调节装置，用于产生片光源。这种装置可以使激光能量集中，束状激光压缩至小于1mm的片状光源。 

C：数字相机，可采用下列型号：IPX-2M30LS；ES2020Mono。 

为求测量精确，相机镜头还可更换为微距镜头，例如下列型号的皆可：TARMON 90mm/F2.8；NIKON 200mm/F4。 

本文例子为：NIKON 200mm/F4(技术型号)的光学镜头。 

为求测量精确实时，本文例子为分辨率1600*1200的相机IPX-2M30LS(技术型号)。通过10米的Camlink线(传输速度为120MB/s)，连接到下述装置E高档计算机内的图像采集卡CAMLINKPCI-EL1(技术型号)上。 

D：对应激光器单色光的窄带滤波光学镜片，使相机只接受波长宽度范围小于50nm内的光，根据现场不同情况不同需求可更换不同的滤光片，例如下列型号的滤光片皆可使用：EDMUNDF05-532.0-2.00；EDMUND F10-532.0-2.00。 

本文例子中使用允许范围为EDMUND F05-532.0-2.00(技术型号)的滤光片。 

根据现场不同情况不同需求可更换不同的滤光片，比如现场为很强的红光，则需要滤掉红光的滤色片，比如现场光线干扰太强，可更换偏差范围更小的，例如小于5nm滤光片。 

E：高档计算机，最低配置为：CPU Core 2，1G RAM，400G HD 

操作系统中安装有与本系统装置配套的灵活准确功能丰富的计算软件，软件程序参见附图6，其程序包括：硬件控制(相机，激光器)、实时采图存储、标定图像系统、动态批处理计算、横向纵向多重滤波、批量计算过程图像输出、精确数据文件输出、形貌曲线绘制等，该程序可参照附图6的要求，按现有技术进行编写。 

主板上可插与上述CCD相机实时通信的图像采集卡(例如可采用型号为CAMLINK PCI-EL1的采集卡)，达到数据的实时采集，便于实时计算。 

F：用于给被测对象量化标定的标靶，要求为；等间隔高度台阶状的已知尺寸物体 

本发明除了可以测试计算上述实施例中的被灼烧的工件表面形貌的动态变化数据之外，还可以测量涉及到物体表面形貌、深度、高度的动态静态数据，例如公路路面、轮胎表面等数据的测试计算。由于使用了高能连续激光器配合光学窄带滤色片本系统在测量外界光干扰比较严重的情况能够轻松胜任，可以实现全天候的测量。由于是非接触式测量，本系统也擅长于测试高温的物体表面。 

以下为用于测量路面车辙深度的具体实施方案：激光片光平面的法线沿道路行进方向，片光垂直照射路面，在路面上形成一条亮线；相机放置于片光侧面，相机视角中心线与片光平面具有一定夹角，这样对于经过片光照射的车辙图像，如果车辙位置具有深浅不同时，就会在相机图像中看到是一条曲线，然后通过类似的软件标定和数据处理就可以得到车辙的实际深度数据。 

同样道理，对于局部固定位置时间连续动态变化的形貌，或者大区域不同空间位置的连续扫描，都可以通过上述方式进行形貌参数测量。 

Claims (9)

1.一种非接触式动态形貌测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将带片光源的单色光激光器设置在被测对象的前方，激光片光所在平面与被测对象表面平面垂直，激光片光中心线直射被测对象，将带有与单色激光器波长相适配的单色光窄带滤光片的数字相机设置在被测对象的侧前方，

2)调节激光器的俯仰角度γ，使得激光能量最强的地方照射到被测对象的测量区域，调节相机偏转角度α，使得相机拍摄到被测对象形貌凹凸变化的测量区域，

3)调节激光能量和相机光圈，使相机拍摄到的被测对象形貌凹凸变化的测量区域图像清晰，

4)将上述图像通过图像采集卡输入计算机，配合相机位置角度微调，以看到被测对象形貌凹凸变化测量区域清晰的实时图像，

5)拿掉被测对象，将带有已知深度梯度的标靶放在被测对象的位置，激光器发射片光，相机拍摄标靶图像，将图像存储到计算机，得到实际图像像素点位置和被测对象空间位置定量化的标定图像，作为后续的物体表面形貌图像的标尺使用，

6)拿掉标靶，放置被测对象，相机实时拍摄物体表面形貌变化并将图像存储到计算机，根据实时拍摄的图像和标靶的图像计算出被测对象表面形貌变化的动态数据。

2.一种用于权利要求1所述测量方法的非接触式动态形貌测量装置，包括发射单色光的激光器(1)、数字相机(3)和计算机(5)，数字相机通过图像采集卡与计算机相连接，其特征在于所说的激光器为带片光源(2)的单色光激光器，所说的激光器设置在被测对象前方，片光所在平面与被测物体表面平面垂直，片光激光束中心线(14)直射被测对象，所说的数字相机设置在被测对象的侧前方，数字相机镜头设有与激光器片光源波长相适配的单色光窄带滤光片(4)。

3.如权利要求2所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征于所说的激光器与数字相机-被测对象所在平面的夹角γ不大于30°，数字相机和被测对象之间的夹角α为15°～80°。

4.如权利要求2或3所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征在于所说的单色光窄带滤光片透过的波长偏差范围在±20nm以内，所说的片光源为厚度不大于1mm的片状激光光源。

5.如权利要求2或3所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征在于所说的数字相机的镜头为微距镜头，数字相机的分辨率为1600×1200像素。

6.如权利要求4所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征在于所说的数字相机的镜头为微距镜头，数字相机的分辨率为1600×1200像素。

7.如权利要求2或3所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征在于所说的测量装置设置在试验台(11)上，试验台(11)上设置有圆弧形或直角形水平导轨(7)，在水平导轨上设置两根可移动的垂直导轨(12)，激光器(1)通过第一个云台安装在一根垂直导轨上，相机(3)通过另一个云台安装在另一根垂直导轨上，试验台(11)上设有放置被测对象(6)和标靶(10)的样品支架(13)。

8.如权利要求4所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征在于所说的测量装置设置在试验台(11)上，试验台(11)上设置有圆弧形或直角形水平导轨(7)，在水平导轨上设置两根可移动的垂直导轨(12)，激光器(1)通过第一个云台安装在一根垂直导轨上，相机(3)通过另一个云台安装在另一根垂直导轨上，试验台(11)上设有放置被测对象(6)和标靶(10)的样品支架(13)。

9.如权利要求5所述的非接触式动态形貌测量装置，其特征在于所说的测量装置设置在试验台(11)上，试验台(11)上设置有圆弧形或直角形水平导轨(7)，在水平导轨上设置两根可移动的垂直导轨(12)，激光器(1)通过第一个云台安装在一根垂直导轨上，相机(3)通过另一个云台安装在另一根垂直导轨上，试验台(11)上设有放置被测对象(6)和标靶(10)的样品支架(13)。 

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