CN102305588B - 一种双激光复合式影像测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明介绍了一种集成两种不同测量特性激光测头的影像测量仪系统，两种激光测头与影像测头相结合组成复合式测头，复合测头互相补充，可满足不同材质、不同表面特性复杂工件的测量需求，有效的解决客户的测量难题。系统由三轴移动工作台、复合式测头、电气控制卡、个人计算机组成；个人计算机中包括三测头装配位置关系标定模块以及三测头测量数据实时补偿模块。两个激光测头与影像测头采用同光轴装配，两个激光测头与影像测头的半透反射镜片之间还固定有一个半透反射的镜片和一个反射镜片，两个激光测头与影像测头同光路测量；三个测头采用分时操作方式交替进行测量。

Description

一种双激光复合式影像测量系统

技术领域

本发明涉及一种复合式测头的影像测量系统，特别是一种具备双激光与影像测头的影像测量系统。

背景技术

影像测量仪是一种新兴的几何量测量仪器，它以光学镜头和CCD捕获工件图像，通过数字图像处理技术，计算工件几何尺寸和形位公差等参数，具备非接触、放大倍率高、测量可编程、自动化程度高等优点。作为一种通用测量仪器，影像测量仪的应用面越来越广，市场接受程度越来越高，为企业的产品质量提升作出了巨大的贡献。

影像测量仪可实现工件的三维测量，尤其是在二维高速测量中，比其他测量仪器具备非常显著的优势，但是在高度测量方面，其测量速度、测量精度、应用范围则受到很大的限制。尤其是工件表面的材质、粗糙度等表面特性直接影响着光学影像方式的测量精度。针对这种情况，有厂家推出了集成激光测头的影像测量仪，这种复合式的影像测量仪可借助激光测量方式，有效的解决上述问题，获得可靠的检测结果。

目前的激光测量技术，无论是三角法还是共聚焦方式，都对被测工件的表面材质有很大的依赖，还没有一种激光测头可以满足各种不同材质的测量要求。为此，要满足作为通用测量设备的影像测量仪的广泛测量需求，仅配备一种激光测头是远不能满足需求的。

随着制造业产品复杂度的增加，同一工件/部件上出现不同表面特性材质的情况越来越常见，常见的有：对于在透明玻璃上镀涂的半透明薄膜，需要管控其镀层厚度，此时的两个测量端面具备不同的性质，只依靠单个特性的激光测头，无法对两个端面进行很好的测量；摄像头固定环和镜头高度差的测量；手机面板和外壳高度差；高反光表面和粗糙表面组装配合的精度控制等。

针对这种情况，本发明提供了一种集成两种不同测量特性激光测头的影像测量仪系统，针对不同表面特性的材质，使用不同的激光测头，可满足更广泛工件的测量需求，有效的解决客户的测量难题。

发明内容

本发明提供了一种集成了两种具备不同测量特性激光测头的影像测量系统，可对各种不同材质、不同特性的工件表面进行可靠的测量。

本发明的双激光复合式影像测量系统的结构包括：XYZ三轴移动工作台[1]、显微镜、CCD、漫反射表面测量激光测头、镜面反射表面测量激光测头、电气控制卡[3]和个人计算机[4]；显微镜和CCD组合构成了影像测头；影像测头、漫反射表面测量激光测头和镜面反射表面测量激光测头一起构成了影像测量仪的复合式测头；个人计算机[4]中配备图像采集卡，图像采集卡接收由影像测头获取的图像数据。

漫反射表面测量激光测头和镜面反射表面测量激光测头分别配备各自的数据采集盒，个人计算机[4]通过数据接口与两个数据采集盒相连，接收数据采集盒获取的激光测头测量数据。

为了实现高精度的测量，显微镜、漫反射表面测量激光测头、镜面反射表面测量激光测头三个测头采用同轴设计，确保两个激光测头的测量激光光束都沿着显微镜的光轴射向被测工件表面。影像测头可选用带同轴光照明机构的镜头，镜头中包括一片半透半反射镜片。两个激光测头安装在同轴光固定位置，并使用一个半透反射的镜片和一个反射镜片，并借助镜头中的半透半反射镜片，改变两个激光测头的光路，实现两个激光测头与影像测头的同光路测量。

为了实现三个测头获取测量数据的统一性，还需要对三个测头的位置、光轴进行标定，获取相互之间的位置关系，并在测量中使用这些数据，对测量数据进行实时补偿，就可将这三个测头的测量数据统一到相同的坐标空间中。

具体实现上，以影像测头获取的坐标数据为基准，标定两种激光测头坐标数据相对于该基准坐标的偏差，在测量过程中，以该数据对激光测量数据进行补偿即可。

首先在装配过程中的严格控制装配位置，调整两种激光光斑到影像测头画面的中央，再通过标定方式获取光斑离理想位置的偏差。在装配过程中，按照以下方式逐个调整激光测头的安装位置、角度：调节光源到合适亮度，确保激光光斑在影像画面中的成像清晰，打开测量软件中的十字线，将激光光斑的中心调节到十字线中心。在装配调节完成后，再使用测量软件计算两种激光光斑中心相对于影像画面中心的偏移，并保存该偏移值，将其作为测量过程中激光测头XY坐标的补偿数据。

在完成激光测头XY坐标数据的标定后，方可对激光测头的Z坐标数据进行标定，将标定用标准件立于测量仪工作台上，将影像测头的镜头调节到最大倍率下，对标定用标准件上表面的中心区域测量高度，得到Z轴坐标。再分别使用两个激光测头测量标定用标准件上表面的高度，得到Z轴坐标，计算两个激光测头的Z轴坐标与影像测头Z坐标的差值，并保存该差值，将其作为测量过程中激光测头Z坐标的补偿数据。

附图说明

图1是本发明的测量系统整体示意图。

图2是本发明的双激光及影像复合测头结构示意图。

图中主要结构为：1-XYZ三轴移动工作台、2-双激光及影像复合测头、3-电气控制卡、4-个人计算机、11-CCD、12-激光测头1、13-激光测头2、14-45度反射镜、15-45度半透半反镜、16-显微镜、17-45度半透半反镜、18-被测工件。

具体实施方式

本发明的实施例介绍了一种集成双激光的复合式影像测量系统。采用以色列CopyMate公司的Cono激光测头作为漫反射表面测量激光测头，以其Nano激光测头作为镜面反射表面测量激光测头。

本实施例的影像测量系统结构包括：XYZ三轴移动工作台[1]、显微镜、CCD、Cono激光测头、Nano激光测头、照明系统、电气控制卡[3]和个人计算机[4]。其中，显微镜和CCD组合构成了影像测头；影像测头、Cono激光测头和Nano激光测头则一起构成了复合式测头；个人计算机[4]配备图像采集卡，图像采集卡可接收影像测头获取的图像数据；个人计算机[4]通过数据接口与Cono激光测头和Nano激光测头的两个数据采集盒相连，接收数据采集盒获取的两个激光测头的测量数据。

三轴移动工作平台包括XYZ三个可独立运动的运动轴，运动轴的台板和基座以花岗岩制作，每个轴由导轨承载，用滚珠丝杠进行传动。以直流伺服电机为驱动，通过编码器反馈电机转速，光栅尺反馈平台位置，由此构成全闭环系统。采用高精度的直线导轨，以及高分辨率的光栅尺，在依靠精细的调校，可确保整个三轴移动工作平台达到很高的精度和重复性。

应用于漫反射表面的Cono激光测头、应用于镜面反射的Nano激光测头，以及适合于高效二维测量的影像测头集成到一起，形成了一种应用范围广、测量效率高、精度可靠的复合式测头。三个测头采用同光轴装配方式，两个激光测头的测量激光光束都沿着显微镜的光轴射向被测工件表面。影像测头选用带同轴光照明机构的镜头，镜头中包括一片半透半反射镜片。

Nano激光测头[13]相对于影像测头中镜头[16]的半透半反镜[17]固定安装，两者之间还按斜45度固定安装有一的半透半反镜[15]，Nano激光测头[13]发射出的激光，透射经过半透半反镜[15]之后，再通过半透半反镜[17]反射向下照射到工件[18]的表面，激光在工件[18]上反射的激光按照原路返回，通过半透半反镜[17]反射、半透半反镜[15]透射后，回到Nano激光测头[13]，可计算得到工件表面的Z轴高度数据。

Cono激光测头[12]在Nano激光测头[13]的上方固定并排安装，在前方按斜45度固定安装反射镜[14]，Cono激光测头[12]发射出的激光，依次经过反射镜[14]、半透半反镜[15]、半透半反镜[17]的反射，最后向下照射到工件[18]的表面，激光在工件[18]上反射的激光按照原路返回，通过三次反射后，回到Cono激光测头[12]，可计算得到工件表面的Z轴高度数据。

影像测量仪中照明光源的光线照射到工件[18]后，反射光线透射通过半透半反镜[17]后，进入CCD[11]表面成像，计算机获取成像数据，通过数字图像处理算法，计算工件表面特征的图像坐标，再结合机台中光栅尺的读数，可计算得到工件表面特征点的几何坐标，完成影像测量。

两种激光测头同时工作时，光斑会相互干扰，这些激光光斑同时也会影响到影像测头的成像，因此在实际测量中，三个测头采用分时操作的方式进行测量，即同一时刻只有一个测头工作。由于目前采用的Nano和Cono激光测头可以达到3000Hz的采样率，相对于影像测量仪200mm/s的移动速度，这种分时操作的方式完全不影响测量效率。

三个测头直接获取的数据是相互独立的，还需通过标定获取三个测头之间的位置关系，将三个测头得到的数据统一到一个相同的坐标系下，这样才能充分发挥三个测头各自的优势，互相补充，完成各种复杂测量需求。本实施例以影像测头测量数据为基准，分别标定出测量相同工件的同一几个特征时，两个激光测头测量数据相对于影像测头测量数据的偏差，保存这些偏差数据为标定参数。在测量过程中，以各激光测头的标定参数各自进行补偿，就可将两个激光测头的测量数据统一到影像测头的坐标空间中。

根据激光测头与影像测头的特点，将激光测头的标定分为XY坐标偏差标定与Z坐标偏差标定两个部分。

(1)激光测头的XY坐标偏差标定：

两种激光的XY坐标数据偏差，首先通过在装配过程中的控制来实现对齐。在装配过程中，按照以下方式逐个调整激光测头的安装位置、角度：调节光源到合适亮度，确保激光光斑在影像画面中的成像清晰，打开测量软件中的十字线，将激光光斑的中心调节到十字线中心。在完成装配调节后，再使用测量软件计算两种激光光斑中心相对于影像画面中心的偏移，保存该偏移值，将其作为测量过程中激光测头XY坐标的补偿数据。

(2)激光测头的Z坐标偏差标定：

在完成激光测头XY坐标数据的标定后，方可对激光测头的Z坐标数据进行标定。Nano测头的特性决定了它无法和Cono测头及影像测头在相同材质的工件表面进行标定，为此本实施例设计了一种半粗糙面半玻璃镶嵌研磨的特制标定用标准件。

将影像测头的镜头调节到最大倍率下，对标定标准件的粗糙表面中心区域进行自动聚焦，测量Z轴坐标。不移动工作台，使用Cono测头测量同一位置的Z坐标。移动工作台，使用Nano测头测量标定标准件上玻璃表面的Z坐标。计算两个激光测头的Z轴读数与影像测头Z读数的差值，保存该差值，将其作为测量过程中激光测头Z坐标的补偿数据。

测量数据补偿：

本实施例的标定方式就决定了在激光测头测量时，光栅尺的XY读数在进行了标定参数补偿后就是激光测头测量数据的XY坐标值。

在激光测头获得测量数据以后，都需要使用标定过程中得到的标定参数，对于所有由激光测头获取的测量数据进行实时补偿，就可以将激光测头得到的测量数据统一到影像测头的坐标空间中。

使用双激光测量透明玻璃上镀膜厚度的典型流程：

(1)通过影像测头获取的实时影像画面寻找激光测头的测量位置；

(2)在透明玻璃表面的适当位置设定测量点，并以Nano测头进行测量，得到测量位置的XYZ坐标；

(3)在半透明镀膜表面的适当位置设定测量点，并以Cono测头进行测量，得到测量位置的XYZ坐标；

(4)直接计算两个测量点数据中的Z坐标高度差，即可获得镀膜的厚度；

(5)根据需要可在多个位置进行高度差测量，以这些数据的统计值作为最终的镀膜厚度值。

在必要的情况下，以上的第(2)步或第(3)步也可采用在一个测量平面上测量多个点，以这些点构建平面，再使用点到面的距离或者面到面的距离来计算镀膜的厚度。

Claims (1)

1.一种双激光复合式影像测量系统，由三轴移动工作台(1)、复合式测头(2)、电气控制卡(3)、个人计算机(4)组成，其特征在于：所述的复合式测头(2)由影像测头、适用于漫反射表面测量的激光测头和适用于镜面反射表面测量的激光测头三个测头组成；所述个人计算机(4)中包括三测头装配位置关系标定模块以及三测头测量数据实时补偿模块；

所述影像测头的镜头具备同轴光照明机构，该机构包括一片半透半反射镜片；

所述三轴移动工作台包括XYZ三个可独立运动的运动轴，每个轴由导轨承载，用滚珠丝杠传动，以光栅尺反馈平台位置；

所述两个激光测头与影像测头采用同光轴方式装配，两个激光测头与影像测头的所述半透半反射镜片之间还固定有一个半透半反射的镜片和一个反射镜片，两个激光测头与影像测头同光路测量；三个测头采用分时操作方式交替进行测量；

所述的三测头装配位置关系标定模块分为XY坐标参数标定模块和Z坐标参数标定模块；XY坐标参数标定模块计算两种激光光斑中心相对于影像测头的影像画面中心偏移，将该偏移值作为激光测头XY标定参数；Z坐标参数标定模块记录两个激光测头对标准器表面高度测量值分别与影像测头对标准器表面高度测量值之差，将这两个差值作为两个激光测头Z标定参数；

所述的三测头测量数据实时补偿模块以XY标定参数实时修正激光测头的光栅尺坐标数据，以Z标定参数修正激光测头返回的Z坐标数据。