CN102506748A - 一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置，属于三维测量领域。它通过数字光学位相共轭原理把成千上万根激光探针投射到空间预定位置，通过普通相机监测激光探针在物体表面的反射，实现三维坐标测量。针对不同应用场合，激光探针三维相机可采用不同的结构形式和参数，通过分区测量可提高测量精度，同时通过合并所有分区测量结果可得到大区域或360o范围的精密三维坐标。适用于机器人、智能驾驶、障碍物快速探测、高精度工业零部件自动测量等领域。

Description

一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置

技术领域

本发明属于三维测量领域，更具体地涉及一种基于激光探针阵列的三维测量方法，还涉及一种基于激光探针阵列的三维测量装置。适用于机器人、智能驾驶和障碍物探测的快速三维坐标测量，静态高精度工业零部件三维测量等。

背景技术

普通相机通过光学镜头把物体投影到像面，并采用胶片或CCD/CMOS图像传感器进行记录，由此拍摄的照片是二维的，深度信息丢失了。但是随着智能机器人、安全无人驾驶等领域的快速发展，对深度信息的需求越来越大，迫切需要快速采集场景的三维坐标信息。目前有很多深度信息或三维坐标的测量方法，但是在测量速度、或测量范围、或测量精度、或抗干扰性等方面还不能充分地满足上述需求。例如，基于激光三角法的测量技术和基于飞行时间的激光扫描技术一般采用点对点测量方式，不能快速提供大面积的三维坐标；激光干涉测量技术尽管精度很高，但易于受激光噪声和振动干扰，而且测量面积较小；再如各种结构光投影测量技术尽管具有较好的测量精度，但测量深度和宽度一般不超过5米，同时经常产生阴影遮断间题；基于双镜头的立体视觉测量技术简单易行，不需要主动发光，但立体匹配复杂、处理时间长，特别是对于结构特征不明显的区域，立体匹配无法进行，导致三维重建噪声大。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，在于提供了一种基于激光探针阵列的三维测量方法，还提供了一种基于激光探针阵列的三维测量装置，能够快速采集深度信息，能耗低。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光探针阵列的三维测量方法，包括以下步骤：

步骤1、设置二维相机的光学镜头的光学中心为坐标原点，二维相机的光学镜头的光轴为Z轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上设置第一激光探针发生器，第一激光探针发生器的光轴平行于Z轴，二维相机监测第一激光探针发生器发出的激光探针在被测物体表面的反射，其中第一激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；

步骤2、设定第一激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；

步骤3、根据预定聚焦点坐标把第一激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；

步骤4、利用第一激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对二维相机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，二维相机所拍摄的反射像斑的位置即为第一激光探针发生器发出的激光探针的预定成像位置；

步骤5、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射待测物体，并用步骤4中标定后的二维相机拍摄记录激光探针在待测物体表面的反射，得到检测图片；

步骤6、根据步骤4中得到的每根激光探针的预定成像位置对步骤5得到的检测图片进行反射激光探针像斑的搜索，如果存在反射激光探针像斑，则根据反射激光探针像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。

如上所述步骤2中的设定预定聚焦点包括以下步骤：

步骤2.1、设定Z轴最近测量点和Z轴最远测量点，预定聚焦平面的数目至少为一个，设置第1个预定聚焦平面的Z轴坐标，使其二分之一小于等于Z轴最近测量点的Z轴坐标，其余预定聚焦平面设置在Z轴最近测量点和Z轴最远测量点之间；

步骤2.2、设置最小探测物体宽度Wmin；

步骤2.3、将每个预定聚焦平面上的预定聚焦点在二维相机的视场范围内沿Y轴方向分为N行，每行的预定聚焦点沿平行于X轴方向按固定间隔ΔX排列，每行预定聚焦点的数量等于二维相机在该预定聚焦平面位置的视场宽度W除以固定间隔ΔX后取整数并加一，而预定聚焦点的行数N等于固定间隔ΔX除以最小探测物体宽度Wmin后取整数并加一；所述固定间隔ΔX大于第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离的二倍；

步骤2.4、在每个预定聚焦平面上将每行预定聚焦点沿X轴方向均匀错开排列；

步骤2.5、若步骤2.1至步骤2.4所设定的预定聚焦点的总数目大于激光探针发生器所能产生的总的激光探针数目，则减少步骤2.1中设定的预定聚焦平面的数目，或者增大步骤2.2中的最小探测物体宽度Wmin，并返回步骤2.3。

如上所述步骤6中对检测图片进行反射激光探针像斑的搜索的步骤为依次以每个激光探针预定成像位置为搜索中心、范围不超过预定成像位置与相邻的激光探针预定成像位置的间隔的一半进行搜索，同时搜索范围与相邻两个激光探针预定成像位置的间隔之比不超过第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离与同一行相邻两个预定聚焦点的间隔之比。

如上所述步骤1中还包括以下步骤：

在X轴上与第一激光探针发生器对称的位置设置第二激光探针发生器，第二激光探针发生器的光轴平行于Z轴，第二激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；

所述的步骤2中还包括以下步骤：

设定第二激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点和第一激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点重合；

所述的步骤3还包括以下步骤：

根据预定聚焦点坐标把第二激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；

所述的步骤6还包括以下步骤：

根据每根激光探针的预定成像位置对第二激光探针发生器的反射激光探针像斑进行搜索，如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值小于等于预定设置的容许值，则分别根据上述两个反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z；如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值大于预定设置的容许值，则认为该预定成像位置无反射激光探针像斑；对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。

一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第一激光探针发生器、第二激光探针发生器，第一二维相机和第一支架，第一激光探针发生器、第一二维相机和第二激光探针发生器依次等距离固定在第一支架上，第一激光探针发生器的光轴、第二激光探针发生器的光轴和第一二维相机的光轴相互平行并位于同一平面，第一激光探针发生器和第二激光探针发生器的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第一二维相机的镜头的光学中心位于第一激光探针发生器和第二激光探针发生器的光学中心的连线上，使得第一激光探针发生器和第二激光探针发生器发出的激光探针经过物体反射后能够被第一二维相机拍摄到。

如上所述的第一激光探针发生器和第二激光探针发生器发出的光为红外光，第一二维相机前放置有用于遮挡可见光、透过红外光的红外滤光镜。

作为一种优选方案，一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第三激光探针发生器、第四激光探针发生器，第二二维相机、第二可移动支架和第三可移动支架，第三激光探针发生器和第四激光探针发生器固定在第二可移动支架上，第三激光探针发生器和第四激光探针发生器的光轴互相平行，且它们的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第二二维相机固定在第三可移动支架上，第二可移动支架和第三可移动支架上均设置有用于将第二二维相机的光轴、第三激光探针发生器光轴和第四激光探针发生器光轴对准在同一平面且相互平行，同时使得第二二维相机的镜头的光学中心分别到第三激光探针发生器光学中心和第四激光探针发生器光学中心的距离相等的对准标记，第三激光探针发生器和第四激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或者全息再现装置。该装置还包括中心重合的第一环形导轨、第二环形导轨和可升降载物台，第二可移动支架安装在第一环形导轨上，第三可移动支架安装在第二环形导轨上。

作为再一种优选方案，一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第五激光探针发生器、第三二维相机和第四支架，第五激光探针发生器、第三二维相机固定在第四支架上，第五激光探针发生器和第三二维相机的光轴相互平行，并垂直于第五激光探针发生器的光学中心和第三二维相机的镜头的光学中心的连线，使得第五激光探针发生器发出的激光探针经过物体反射后能够被第三二维相机拍摄到，第五激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置。

如上所述的第四支架包括一个活动部件，通过调节活动部件的位置来调整第五激光探针发生器的光学中心和第三二维相机的镜头的光学中心之间的距离。

本说明书中所用术语说明：

(1)数字光学位相共轭装置：它主要由激光光源、复振幅空间光调制器1、耦合器2、绝热锥形光波导3和光学镜头4组成，它基于光路可逆性原理实现光学波前的实时数字再构(如图1所示)，更详细解释参见发明(专利号：ZL200610124657.4)中的说明。

(2)全息再现装置：它主要由激光参考光源、全息元件和固定支架组成；全息元件可以是全息干板，也可以是可重写聚合物记录介质等；全息元件上载有参考光与物光的干涉条纹，干涉条纹可以是用全息干板或CCD/CMOS相机实际拍摄的，也可以是计算机计算产生的；用激光参考光源照明载有干涉条纹的全息元件，并用固定支架调节全息元件的位置，可准确再现出所记录的物体。

(3)激光探针：采用数字光学位相共轭装置或全息再现装置可以精确地把激光束聚焦在自由空间任意位置，这样的激光束看上去像一个光锥，锥底为数字光学位相共轭装置的出瞳或全息再现装置的全息元件，而锥尖为聚焦焦点，我们称该激光光锥为激光探针。当激光探针锥尖离数字光学位相共轭装置或全息再现装置很远时，由于锥角很小，激光探针可近似为一根直线。

(4)二维相机：普通相机通过光学镜头把物体投影到的像面，并采用胶片或CCD/CMOS图像传感器进行记录，由此拍摄的照片是二维的，为了与本发明提出的三维测量装置相区别，我们把上述普通相机统称为二维相机。

本发明的原理：本发明的核心思想是把成千上万根激光探针投射到空中预定位置，然后通过普通相机观察记录激光探针在什么地方与物体表面相遇，并借助已知的激光探针的三维坐标确定物体表面的坐标。该方法的最大挑战在于如何同时产生成千上万根激光探针，而且每根激光探针的预定位置独立精确可调。用传统方法很难同时产生上述巨大数量的激光探针，例如，通过光学镜头聚焦可以产生激光探针，再通过机械扫描可以改变激光探针的横向位置，但它很难快速对激光探针的纵深位置进行调节。如果把每根激光探针所形成的光场叠加起来，上述激光探针的产生也可看成一个光学波前重建问题，但成千上万根激光探针所形成的总光场异常复杂，很难用常规方法进行实时数字重建。例如自适应光学只能对缓变光场进行调节，而全息技术由于需要采用高分辨率全息干板，只能用于静态光波场重建，传统光学位相共轭反射只能借助光学非线性效应原样恢复高能入射光场。发明人的前一项发明“主动光学位相共轭方法及装置(专利号：ZL200610124657.4)”提出了一种新的光学波前实时数字再构方法，其基本原理基于光路的可逆性。该发明借助一个绝热锥形光波导把复杂入射光波分解并逐步引导到一系列彼此互相隔离的单模光波导，然后采用空间光调节器在这些彼此隔离的单模光波导中再构出与输入光波共轭的光波，这些共轭光波逆向通过同一绝热锥形光波导，就可重建出与原始光学波前形状完全相同的光波。

一个基于数字光学位相共轭原理的激光探针发生器，其结构如图1所示。它主要由相干照明光源、复振幅空间光调节器1、耦合器2、绝热锥形光波导束3和放大透镜4组成，波长为λ的相干照明光源经过空间光调节器1的逐像素振幅和位相调节后，通过微透镜阵列耦合器2进入绝热锥形光波导束3的粗端，在彼此隔离的每根单模光波导中产生特定复振幅的共轭光场，这些共轭光波逆向传播，并从锥形绝热光波导3的细端出射，再经放大透镜4聚焦后，在空间预定位置产生激光探针。一个基于数字光学位相共轭原理的激光探针发生器工作前需要进行标定，即把单根激光探针从不同预定位置射向激光探针发生器前端的放大透镜4，并测量从绝热锥形光波导束3的粗端的每根单模光波导中出射的基模光场的复振幅，记录备用。当需要在特定位置产生一根激光探针时，调出预先记录的针对该位置的基模光场的复振幅，对其取共轭，并通过复振幅空间光调节器2在每根单模光波导中产生上述共轭基模光场，基于光路可逆性原理，即可在指定位置重建出一根激光探针。当需要同时产生许多根激光探针时，利用系统的线性性，把针对每根激光探针的复振幅累加再取共轭即可。计算分析表明，采用8位精度空间光调制器可同时产生1万根以上激光探针，且每根激光探针的空间位置独立调节。

利用数字光学位相共轭原理产生激光探针的一大好处是精度高。由于光路的可逆性，它不存在普通光学透镜系统的像差，仅受衍射极限的限制，其分辨率，也就是激光探针的最小聚焦光斑直径可用下式表示，

$\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

式(1)中θ是成像激光束的锥角，如图1所示，它可由绝热光波导的临界入射角θ_c确定，tg(θ)/tg(θ_c)＝L₁/L₂＝|A₁B₁|/|A₂B₂|＝1/β_x，这里β_x是光学系统的横向放大倍率。如果采用具有1920×1080个像素的空间光调节器，在1毫米距离内，激光探针的聚焦斑点直径一般小于1微米；在100毫米以内，激光探针的聚焦斑点直径一般小于10微米；即使在100米远处，激光探针的聚焦斑点直径也大约只有10毫米。而传统激光三角法中，采用平行激光束，激光束的直径自始至终都在数毫米量级，这对高精度测量非常不利。

另外在一些应用场合，如果所有激光探针的预定位置固定不变，对激光探针的聚焦精度要求不是太高，激光探针数目不是太多，也可以考虑采取全息技术来静态产生所需激光探针，即激光探针发生器由全息再现装置组成。把激光探针一根一根或一组一组或同时从预定位置射向全息记录介质，如全息干板，与参考光发生干涉，可制作得到一块全息干涉图案。采用计算全息技术也可产生符合需要的全息干涉图案，而且可避免在干涉实验记录中的各种麻烦，如振动，同时还可通过滤波处理抑制零级光。用参考光照明制作好的上述全息干涉图案即可在预定位置再现出激光探针。当然对一块制作好的全息干板，它只能在固定位置产生静态激光探针，如果采用可重写和擦除的记录介质，如聚合物，也可把新的干涉图案重新写入记录介质，从而改变激光探针的预定位置。目前可重写的聚合物记录介质的写入时间需要几分钟，达不到实时性要求，而且重写装置复杂，成本高。总体而言，基于数字光学位相共轭原理的激光探针发生器无论在聚焦精度还是实时性方面都优于基于激光全息再现装置的激光探针发生器，而且前者不存在零级像干扰、衍射效率低等全息技术中常见的问题，不过后者结构简单、成本低廉是一大优点。

把两个激光探针发生器和一个普通二维相机相组合就可构成一套基于激光探针阵列的三维测量装置。为了获得好的测量精度，可让两个激光探针发生器相互平行且相隔较大距离。分别来自两个激光探针发生器的一对激光探针在空间预定位置相遇，当物体正好位于激光探针的预定相遇位置时，通过普通二维相机拍摄到的两个激光像斑相互重合，而当物体偏离激光探针的预定位置时，通过普通二维相机拍摄到的两个激光像斑相互分开，且物体偏离激光探针的预定相遇位置越远，激光像斑分开的距离越大，它们呈线性关系，由此可以准确确定物体的位置。把成千上万对激光探针聚焦在空间不同预定位置，就可实现对整个大场景的快速三维测量，及时发现场景内的障碍物。

一般基于激光探针阵列的三维测量精度取决于相机的像素数目、两个激光探针发生器之间的间隔、待测物体远近和视场角等因素，详见后面的理论分析。为了提高测量精度可以缩小测量面积，如果零部件较大，或需要360度测量，则需要把整个测量区域分成很多子区域，对每个子区域进行精密测量后，再把所有子区域的测量结果整合成一个完整的整体。为了便于整合对准，每个子区域可相互有一定程度的交叠，相应地需要对激光探针三维相机的结构做一定调整，详见后面实施例说明。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

1、借助绝对坐标已知的激光探针实现了采用普通二维相机对三维坐标的采集；

2、由于激光能量聚焦到每根激光探针，而不是覆盖整个测量区域，因此与其他主动光学测量方法相比，可以采用较低的激光能量。

附图说明

图1为数字光学位相共轭装置结构示意图。

图2为一种基于激光探针阵列的三维测量装置的原理示意图。

图3为激光探针的空间排列示意图，其中：(a)为正视图；(b)为俯视图；(c)为第一种排列方式侧视图；(d)为第二种排列方式侧视图。

图4为另一种基于激光探针阵列的三维测量装置的原理示意图。

图5为再一种基于激光探针阵列的三维测量装置的原理示意图。

图6为一种简化的基于激光探针阵列的三维测量装置的实施例示意图。

图7为再一种简化的基于激光探针阵列的三维测量装置的实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明：

实施例1：

一种基于激光探针阵列的三维测量方法，包括以下步骤：

步骤1、设置二维相机的光学镜头的光学中心为坐标原点，二维相机的光学镜头的光轴为Z轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上设置第一激光探针发生器，第一激光探针发生器的光轴平行于Z轴，二维相机监测第一激光探针发生器发出的激光探针在被测物体表面的反射，其中第一激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；

步骤2、设定第一激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；

步骤3、根据预定聚焦点坐标把第一激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到在预定聚焦点；

步骤4、利用第一激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对二维相机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，二维相机所拍摄的反射像斑的位置即为第一激光探针发生器发出的激光探针的预定成像位置；

步骤5、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射待测物体，并用步骤4中标定后的二维相机拍摄记录激光探针在待测物体表面的反射，得到检测图片；

步骤6、根据步骤4中得到的每根激光探针的预定成像位置对步骤5得到的检测图片进行反射激光探针像斑的搜索，如果存在反射激光探针像斑，则根据反射激光探针像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。

如上所述步骤2中的设定预定聚焦点包括以下步骤：

步骤2.1、设定Z轴最近测量点和Z轴最远测量点，预定聚焦平面的数目至少为一个，设置第1个预定聚焦平面的Z轴坐标，使其二分之一小于等于Z轴最近测量点的Z轴坐标，其余预定聚焦平面设置在Z轴最近测量点和Z轴最远测量点之间；

步骤2.2、设置最小探测物体宽度Wmin；

步骤2.3、将每个预定聚焦平面上的预定聚焦点在二维相机的视场范围内沿Y轴方向分为N行，每行的预定聚焦点沿平行于X轴方向按固定间隔ΔX排列，每行预定聚焦点的数量等于二维相机在该预定聚焦平面位置的视场宽度W除以固定间隔ΔX后取整数并加一，而预定聚焦点的行数N等于固定间隔ΔX除以最小探测物体宽度Wmin后取整数并加一；所述固定间隔ΔX大于第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离的二倍；

步骤2.4、在每个预定聚焦平面上将每行预定聚焦点沿X轴方向均匀错开排列，使得所有行的第一个预定聚焦点相互之间错开Wmin，且每行中间的任意一个预定聚焦点与位于相邻行的左右相邻两列的预定聚焦点沿X轴方向的距离之差最小；

步骤2.5、若步骤2.1至步骤2.4所设定的预定聚焦点的总数目大于激光探针发生器所能产生的总的激光探针数目，则减少步骤2.1中设定的预定聚焦平面的数目，或者增大步骤2.2中的最小探测物体宽度Wmin，并返回步骤2.3。

如上所述步骤6中对检测图片进行反射激光探针像斑的搜索的步骤为依次以每个激光探针预定成像位置为搜索中心、范围不超过预定成像位置与相邻的激光探针预定成像位置的间隔的一半进行搜索，同时搜索范围与相邻两个激光探针预定成像位置的间隔之比不超过第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离与同一行相邻两个预定聚焦点的间隔之比。

如上所述步骤1中还包括以下步骤：

在X轴上与第一激光探针发生器对称的位置设置第二激光探针发生器，第二激光探针发生器的光轴平行于Z轴，第二激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；

所述的步骤2中还包括以下步骤：

设定第二激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点和第一激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点重合；

所述的步骤3还包括以下步骤：

根据预定聚焦点坐标把第二激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；

所述的步骤6还包括以下步骤：

根据每根激光探针的预定成像位置对第二激光探针发生器的反射激光探针像斑进行搜索，如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值小于等于预定设置的容许值，则分别根据上述两个反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z；如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值大于预定设置的容许值，则认为该预定成像位置无反射激光探针像斑；对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。

对于上述激光探针阵列的三维测量方法的理论依据和细节请参见下面实施例2的理论分析和实施例5中给出的实例。

实施例2：

如图2、图3所示，一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第一激光探针发生器5、第二激光探针发生器6，第一二维相机7和第一支架8，第一激光探针发生器5、第一二维相机7和第二激光探针发生器6依次等距离固定在第一支架8上，第一激光探针发生器5的光轴、第二激光探针发生器6的光轴和第一二维相机7的光轴相互平行并位于同一平面，第一激光探针发生器5和第二激光探针发生器6的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第一二维相机7的镜头的光学中心位于第一激光探针发生器5和第二激光探针发生器6的光学中心的连线上，使得第一激光探针发生器5和第二激光探针发生器6发出的激光探针经过物体反射后能够被第一二维相机7拍摄到。第一激光探针发生器5和第二激光探针发生器6发出的光为红外光，第一二维相机7前放置有用于遮挡可见光、透过红外光的红外滤光镜9。

为了其阐明工作原理，在图2a中，两个激光探针发生器5、6各发出一根激光探针，它们在预定聚焦位置A点相遇。当物体位于A点前面的P₁平面时，二维相机7拍摄到两个激光光斑，如图2b所示。当物体位于A点后面的P₂平面时，二维相机7同样拍摄到两个激光光斑，但两个激光光斑的位置互换，如图2d所示，为了区分两个激光器发出的激光探针，可以让一根激光探针的垂直高度稍高于另一根激光探针。当物体恰好位于A点时，二维相机7拍摄到的两个激光像斑在X方向重合，如图2c所示。在图2a中，从二维相机7的光学镜头的中心作一根射线穿过A点，如图中虚线所示。沿该射线的所有物点经二维相机7成像后都落在同一像点A’。物体偏离预定聚焦A点的纵向距离ΔZ正比于激光探针与上述辅助射线在Z处的沿X方向的距离Δd₁(或Δd₂)，

$\frac{{\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{1,2}}}{\mathrm{\ΔZ}}=\frac{D}{{2Z}_0}---\left(2\right)$

式(2)中D是两个激光探针发生器5、6的光学中心的间距，Z₀是A点的预定纵向距离。当二维相机7的光学镜头的中心不在两个激光探针发生器5、6的光学中心连线的中点时，式(2)中的D/2需分别换成二维相机7的光学镜头的中心离两个激光探针发生器5、6的光学中心的距离。

在式(2)中Δd₁(或Δd₂)正比于二维相机7拍摄到的激光像斑的位置偏离预定像点A’的像素距离Δj₁(或Δj₂)，

${\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{W}{N}{\mathrm{\Δj}}_{\mathrm{1,2}}=\frac{2\mathrm{Ztg\α}}{N}{\mathrm{\Δj}}_{\mathrm{1,2}}---\left(3\right)$

式(3)中W是Z处的视场宽度，它覆盖了二维相机7的图像传感器的N个像素，α是半视场角。由式(2-3)可以推出，

$Z=Z_0+\mathrm{\ΔZ}=\frac{{\mathrm{DNZ}}_0}{\mathrm{DN}-4Z_0\mathrm{tg\α}{\mathrm{\Δj}}_{\mathrm{1,2}}}---\left(4\right)$

另外式(2)也可写成(Δd₁+Δd₂)/ΔZ＝D/Z₀的形式，相应地式(4)可写为Z＝DNZ₀/(DN-2Z₀tgα(Δj₁+Δj₂))，这样直接通过两个激光探针的反射像斑之间的距离就可求出平面物体相对预定纵向距离Z₀的偏离距离，而不必知道预定像点A’的准确成像位置。对式(4)取微分再经过简单整理可以发现

$\mathrm{dZ}=\frac{{4Z}^2\mathrm{tg\α}}{\mathrm{DN}}{\mathrm{dj}}_{\mathrm{1,2}}---\left(5\right)$

式(5)中dZ和dj_1，2分别表示ΔZ和Δj_1，2的测量精度。可见物体位置的测量精度与距离Z的平方成正比，而与两个激光探针发生器的间距D和相机的总像素N成反比，但与A点的预定距离Z₀无关。因此要提高测量精度，可增加两个激光探针发生器之间的间距D和相机的总像素N，不过最方便的方法是缩小半视场角α，即拍摄时采用放大特写。

在对一个大场景进行测量时，两个激光探针发生器需要发出成千上万根激光探针，为了阐明原理和推导公式方便，图2只画出了一对激光探针。图3b画出了两个激光探针发生器5、6各发出6根激光探针时的情况。如果每个激光探针发生器发出N_P根激光探针，这些激光探针相互相交，总共可产生N_P×N_P个相交点，其中仅有N_P个交点是激光探针的预定聚焦交点。其他(N_P-1)×N_P个交点会引起测量错误。在图3b中，很难区分物体是位于预定聚焦交点附近，还是位于用小圆圈标出的Z₁处的2个交点或Z₂处的4个交点附近，因为它们都分别位于从二维相机镜头中心发出的同一根射线上，因此它们的预定像素位置完全相同。为了克服这种不确定性，我们首先需要找出Z₁、Z₂的准确位置。假设二维相机镜头的光学中心位于坐标原点(0，0)，而两个激光探针发生器的光学中心分别位于(D/2，0)和(-D/2，0)，它们发出的激光探针在预定空间位置A_i相遇，记A_i点的坐标为(X_i，Z₀)，i＝1，2，...，N_p，则两个激光探针发生器发出的2N_P根激光探针，以及二维相机镜头的光学中心与预定空间位置A_i的连线的直线方程分别可写为，

$X=\frac{D}{2}+(X_i-\frac{D}{2})\frac{Z}{Z_0},i=\mathrm{1,2},...,N_p---\left(6\right)$

$X=X_j\frac{Z}{Z_0},j=\mathrm{1,2},...,N_p---\left(7\right)$

$X=-\frac{D}{2}+(X_k+\frac{D}{2})\frac{Z}{Z_0},k=\mathrm{1,2},...,N_p---\left(8\right)$

这里i，j，k是相互独立的激光探针预定位置A_i，A_j和A_k的编号。连立方程(6-8)可以解出，

$Z=\frac{D}{D+X_k-X_i}{Z}_0---\left(9a\right)$

$X=X_j\frac{Z}{Z_0}---\left(9b\right)$

$X_j=\frac{X_k+X_i}{2}---\left(9c\right)$

当X＝X_i＝X_j＝X_k时，Z＝Z₀，它对应N_p个预定交点；当X_i≠X_k时，Z≠Z₀它对应那些引起混淆的(N_P-1)×N_P个交点。类似于图3b中小圆圈标出的交点，它们的像点位置与N_p个预定交点的像点位置重合。为了克服这种可能发生的测量错误，我们可以再安排一些激光探针，使它们位于不同预定距离Z₀，不同预定距离的激光探针的测量结果互相验证就可排除上述测量错误。

根据公式(2-3)，ΔZ与Δj_1，2成正比，即物体偏离激光探针的预定位置越远，被物体反射的激光探针的像斑偏离预定成像位置也越远。当ΔZ充分大时，Δj_1，2甚至会超过相邻两根激光探针的预定成像位置之间的间隔，即某一根激光探针的成像像斑会跑到另一根激光探针的预定成像位置附近，显然这种情况是不允许的，它会导致严重错误测量结果。因此我们需要限制Δj_1，2，使其至少小于相邻两根激光探针的预定成像位置之间的间隔的二分之一，当然三分之一，四分之一更安全。转换到实际空间，就是要求控制ΔZ，使得Δd_1，2至少小于在Z处二维相机镜头的光学中心发出的穿过相邻两个预定空间位置A_i和A_i+1的射线之间的水平距离的二分之一，也就是小于相邻两根激光探针之间的水平距离的二分之一，因为两者相等。

参考图3b，假设在预定距离Z＝Z₀处相邻两根激光探针A_i和A_i+1的水平距离为ΔX，则在距离Z＝Z₀+ΔZ，相邻两根激光探针的水平距离变为ΔX’，且存在几何关系，

$\frac{\mathrm{\ΔX}}{Z_0}=\frac{{\mathrm{\ΔX}}^{\′}}{Z_0+\mathrm{\ΔZ}}---\left(10\right)$

由公式(10)求出ΔX’，再与公式(2)相除可以发现，

$\frac{{\mathrm{\Δd}}_{\mathrm{1,2}}}{{\mathrm{\ΔX}}^{\′}}=\frac{D}{2\mathrm{\ΔX}}\frac{\mathrm{\ΔZ}}{Z_0+\mathrm{\ΔZ}}---\left(11\right)$

由公式(11)可以看出，在非常远的地方，由于ΔZ＞＞Z₀，Δd_1，2/ΔX’＝D/2ΔX。而在ΔZ＝-Z₀/2处，Δd_1，2/ΔX’＝-D/2ΔX。根据上述讨论，|Δd_1，2/ΔX’|应该小于二分之一，因此要求ΔX≥D。如果取ΔX＝2D，根据(11)式，则物体处于Z₀/2到无穷远处范围内时，激光探针被物体反射后产生的像斑位置偏离其预定成像位置的像素距离不会超过相邻两根激光探针的预定成像位置之间的间距的四分之一。换句话说，在此范围内任意两根激光探针之间没有交叉的机会，因此如果用预定距离为Z₀的激光探针检测从Z₀/2到无穷远之间的物体，不会发生前述混淆情况。

在图2所示基于激光探针阵列的三维测量装置中，为了避免对人眼的干扰，可以让激光探针发生器5、6发出波长为0.7～1.2微米的近红外光激光探针，这样它们仍然能被CCD或CMOS图像传感器探测到。另一方面为了抑制环境光对二维相机7的干扰，在二维相机7前放置有一块红外滤光镜9，用于遮挡可见光，仅透过红外激光探针。

在上述用于快速测量的激光探针三维相机中，需要同时检测从1米近处到100米远处的物体，在必要时可以考虑采用两个二维相机，一个焦距长，一个焦距短，分别拍摄近处和远处的物体，两个光学镜头可简单地并排放置，或通过一个半透半反分光镜组合起来。当然由于目前图像传感器的灵敏度在不断提高，如果采用小光圈也可以同时保证近处与远处物体同时准确成像。

实施例3：

如图4、图5所示，一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第三激光探针发生器10、第四激光探针发生器11，第二二维相机13、第二可移动支架12和第三可移动支架14，第三激光探针发生器10和第四激光探针发生器11固定在第二可移动支架12上，第三激光探针发生器10和第四激光探针发生器11的光轴互相平行，且它们的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第二二维相机13固定在第三可移动支架14上，第二可移动支架12和第三可移动支架14上均设置有用于将第二二维相机13的光轴、第三激光探针发生器10光轴和第四激光探针发生器11光轴对准在同一平面且相互平行，同时使得第二二维相机13的镜头的光学中心分别到第三激光探针发生器10光学中心和第四激光探针发生器11光学中心的距离相等的对准标记，第三激光探针发生器10和第四激光探针发生器11为数字光学位相共轭装置或者全息再现装置。

在进行工业零部件精密测量时对精度的要求高于对速度的要求。根据公式(5)为了提高精度，可以增加两个激光探针发生器10、11之间的距离和二维相机的总像素。为了进一步提高精度，还需要减小视场角，但这样测量面积也相应缩小，如果零部件较大，或需要360度测量，则需要把整个测量区域分成很多子区域，对每个子区域进行精密测量后，再把所有子区域的测量结果整合成一个完整的整体。为了便于在相邻子区域之间移动，图4所示的用于精密测量的基于激光探针阵列的三维测量装置采用了两个可移动支架12，14，两个激光探针发生器10、11固定在第二个支架12上，而二维相机13固定在第三个支架14上。如图4所示，当从一个子区域S₁移动到另一个子区域S₂时，首先安排两个子区域S_1，2有一定程度重叠，然后分别移动两个支架12、14，把两个激光探针发生器10、11和二维相机13依次移动到子区域S₂，在移动过程中的每一步，都记录拍摄一幅照片，以便检测出实际移动量。例如，如图4b所示，可以先移动第三个支架14，把二维相机13搬运到子区域S₂，通过移动前后拍摄的两张照片，比对在两个子区域的重叠区域激光探针的像斑位置的变化，可以测量出二维相机13的实际移动量，因为此时激光探针的位置是固定不变的。下一步，如图4c所示，移动第二个支架12，把两个激光探针发生器10、11搬运到子区域S₂，通过移动前后拍摄的两张照片，比对同一激光探针的像斑位置的变化，可以测量出两个激光探针发生器10、11的实际移动量，因为此时二维相机13的位置是固定不变的。然后，在子区域S₂就可以开始新的测量了。

实施例4：

如图5所示，给出了一种用于360°分区精密测量的基于激光探针阵列的三维测量装置，其基本结构同图4所示装置，但增加了中心重合的第一环形导轨15、第二环形导轨16和可升降载物台17。第二可移动支架12安装在第一环形导轨15上，第三可移动支架14安装在第二环形导轨16上。

同上述原理，可分两步把激光探针发生器10、11和二维相机13依次移动到新的角度，在每一步移动前后都拍摄一幅照片，以测量激光探针发生器10、11和二维相机13分别实际移动了多少，这样方便把局部坐标转换为全局坐标。否则，需要采用额外措施，精密监测激光探针发生器10、11和二维相机13的移动量。进一步还可以给激光探针发生器10、11和二维相机13分别装上俯仰移动装置，以实现对物体18的不同俯仰角度的测量，激光探针发生器10、11和二维相机13的俯仰移动也可以采取上述策略分别移动。

实施例5：

根据实施例1中给出的激光探针阵列的三维测量方法和实施例2给出的装置及理论分析，下面针对汽车自动导航和安全驾驶辅助系统的需求给出具体的设计参数。首先根据车载设备的特点，设置第一激光探针发生器5的光学中心和二维相机7的光学镜头的光学中心的距离D/2＝0.5米，即D＝1米。下一步设定Z轴最近测量点为汽车前方1米，Z轴最远测量点为汽车前方100米，而二维相机7的半视场角α＝26.6度，这样tgα＝0.5。再下一步设置第一预定聚焦平面的Z轴坐标为Z轴的一半等于最近测量点的Z轴坐标，即Z₀＝2米。根据前述分析，因为预定聚焦平面的Z轴坐标为Z₀的激光探针可以正确地检测从Z₀/2到无穷远之间的物体，因此聚焦到第一预定聚焦平面的激光探针的有效测量范围为1米到无穷远处，覆盖了整个预定测量区域。而且Z₀越大，二维相机7在Z₀处的视场宽度W越大，能够容纳的激光探针越多，因此接下来，把预定聚焦平面的Z轴坐标值依次增加一倍，并在其附近设置第二至第七预定聚焦平面的Z轴坐标值，即Z₀＝4，8，14，26，50，100米。由于第七预定聚焦平面的Z轴坐标值已经等于最远测量距离100米，停止设置预定聚焦平面。

进一步设置最小探测物体宽度Wmin＝20mm；同时设置相邻两根激光探针预定聚焦点沿平行于X轴方向的固定间隔ΔX等于第一激光探针发生器5的光学中心离二维相机7的光学镜头的光学中心的距离的四倍，即ΔX＝4×D/2＝2米。由于在预定距离Z₀的视场宽度为W＝2tgαZ₀＝Z₀，这样在每个水平行可以设置W/ΔX+1＝Z₀/2+1根激光探针，即在预定距离Z₀＝2，4，8，14，26，50，100米，每个水平行分别设置2，3，5，8，14，26和51根激光探针。根据上述讨论，可以用这些激光探针正确检测从Z₀/2到无穷远的物体。例如当激光探针预定距离为Z₀＝100米时，它可正确检测从50米到无穷远处的物体，不会发生误测。对于50米以内的物体，可以采用预定距离Z₀更小的激光探针来检测，等等，当相邻激光探针检测结果发生冲突时，以预定距离Z₀较小的激光探针的检测结果为准，这样从1～100米内的任何障碍物都能够被正确地检测到。

在上述方案中，如果物体的宽度小于ΔX＝2米，则该物体很可能漏检。为了及时检测宽度小于ΔX的物体，如图3c所示，在同样的预定距离Z₀处共安排N＝ΔX/Wmin+1＝101行同样的激光探针，每行激光探针之间的水平位置错开Wmin。同时如图3a所示，这些激光探针安排在不同倾角的平面，且垂直于Y-Z平面，这样它们的像斑位于不同像素行，因此这些激光探针之间不会相互交叉。通过上述安排，一个宽度大于Wmin＝20毫米的长条形障碍物，例如图3c中的O₁，可以毫无疑义地被检测到。但如果物体高度比较小，例如图3c中的O₂，不能覆盖多行激光探针，它仍有可能检测不到。为了方便检测高度小的物体，需要在每个预定聚焦平面上将每行预定聚焦点沿X轴方向均匀错开排列，使得每行中间的任意一个预定聚焦点与位于相邻行的左右相邻两列的预定聚焦点沿X轴方向的距离之差最小。例如，在图3c中，激光探针的水平位置是逐行平移20毫米，某一行中间的任意一个预定聚焦点离其相邻行中左右相邻两列的两个预定聚焦点沿X轴方向的距离分别为20mm和1.98米，两者相差很大。如图3d所示，如果把图3c中的下半部分激光探针依次逐行插入上半部分，则任一偶数行中间的任意一个预定聚焦点离上一行中左右相邻两列的两个预定聚焦点沿X轴方向的距离相等，而离下一行中左右相邻两列的两个预定聚焦点沿X轴方向的距离分别减小为980mm和1.20米，两者相差达到最小。此时高度和宽度都很小的物体O₂也可以被检测到。

在上述方案中，总共需要101×(2+3+5+8+14+26+51)＝11009根激光探针，没有超过一个数字光学位相共轭装置所能产生的激光探针的数目。如果总的激光探针数目超过一个数字光学位相共轭装置所能产生的激光探针的数目，则可以减少预定聚焦平面的数目。例如取消Z₀＝100米聚焦平面，从而降低总的激光探针数目。如果要进一步减小总的激光探针数目，还可以增加最小探测物体宽度Wmin。反过来，如果总的激光探针数目远远小于激光探针发生器所能产生的激光探针的数目，造成激光探针稀疏，则一帧图像内所能测量的物体三维坐标的数目较小，此时则可以增加预定聚焦平面的数目，或减小最小探测物体宽度Wmin。

在图3a中，当二维相机7的光学镜头的中心不在两个激光探针发生器5、6的光学中心的连线上时，例如沿Z轴退后或前进一定距离，如果物体偏离激光探针预定成像位置的距离不同，它们除了在水平方向偏离预定成像位置Δd_1，2，还会在垂直方向也偏离激光探针像斑预定成像位置，增加后续搜索处理的工作量，因此二维相机7的光学镜头的中心应该尽可能地位于或靠近两个激光探针发生器5、6的光学中心的连线。

在对二维相机7拍摄到的图像进行处理时，只需要在每根激光探针的预定成像位置左右两侧一定范围内搜索有无激光光斑。首先，搜索范围不超过预定成像位置与相邻的激光探针预定成像位置的间隔的一半，以免引起混淆；进一步根据公式(3)和(11)，搜索范围Δj_1，2与相邻两个激光探针预定成像位置的间隔之比不超过第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离D/2与相邻两个预定聚焦点的间隔之比ΔX，在上述参数下，搜索范围不超过相邻两个预定像素位置之间的间隔的四分之一，如果发现一对相对于预定成像位置对称的激光光斑，即第一激光探针发生器5的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离Δj₁和第二激光探针发生器6的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离Δj₂之差的绝对值|Δj₁-Δj₂|小于等于预定设置的容许值，例如1～3个像素距离，则分别根据上述两个反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离Δj₁和Δj₂，按照公式(4)计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z。反之，如果第一激光探针发生器5的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离Δj₁和第二激光探针发生器6的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离Δj₂之差的绝对值|Δj₁-Δj₂|大于预定设置的容许值，则认为所拍摄到的反射激光探针像斑可能是干扰噪声，相当于说该预定成像位置无来自于自身的激光探针发生器的反射激光探针像斑。在上述计算中最多需要对11009个像斑进行计算，每次计算操作不超过10次，而目前很多FPGA、ARM等嵌入式系统的工作频率已达到500MHz以上，单次计算时间可小于100纳秒，因此对11009个像斑的处理时间小于11009×10×100ns≈0.01秒，也就是说采用上述基于激光探针阵列三维测量装置，可以在百分之一秒以内，或单帧图像内，快速测量出1～100米，56.2度视场角内，宽度大于20毫米的物体。考虑到物体或车辆本身在运动，而且距离越近，激光探针之间的水平间隔越小，10毫米或更窄的物体也可以在单帧或多帧内被检测到。

实施例6：

如图6、图7所示，一种简化的基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第五激光探针发生器20、第三二维相机21和第四支架22，第五激光探针发生器20、第三二维相机21固定在第四支架22上，第五激光探针发生器20和第三二维相机21的光轴相互平行，并垂直于第五激光探针发生器20的光学中心和第三二维相机21的镜头的光学中心的连线，使得第五激光探针发生器20发出的激光探针经过物体反射后能够被第三二维相机21拍摄到，第五激光探针发生器20为数字光学位相共轭装置或全息再现装置。

根据公式(4)，实际上根据单根激光探针的反射像斑偏离其预定成像位置的像素距离Δj₁或Δj₂都可以进行物体位置检测，因此如图6所示，我们可以在图2a装置的基础上去掉一个激光探针发生器，仅用一个激光探针发生器20、一个二维相机21和一个支架22组成一个简化的激光探针阵列的三维测量装置。这样做的好处是可以增加激光探针发生器20和二维相机21之间的间距，提高测量精度，坏处是不方便激光探针预定成像位置校准，且抗干扰性减弱。如果只采用一个激光探针发生器，则在对二维相机21进行校准时，必须把平面物体严格放在预定聚焦平面，一次放在一个预定聚焦平面，下一次放在下一个预定聚焦平面，直到对所有预定聚焦平面上的激光探针的预定成像位置都一一标定完毕。而在采用两个激光探针发生器时，平面物体不需要放在预定聚焦平面，而且一次就对所有预定聚焦平面上的激光探针的预定成像位置全部标定完毕，这是因为，虽然平面物体不在预定聚焦平面，但二维相机拍摄到的来自第一激光探针发生器和第二激光探针发生器的激光光斑相对于预定成像位置的偏离是对称的，因此它们的对称中心就是激光探针的预定成像位置。不必一定要把平面物体放在预定聚焦平面使得来自第一激光探针发生器和第二激光探针发生器的激光光斑重合，这个重合点实际上与上述对称中心是同一点。在抗干扰方面，两者的差别同样明显。例如，当多台基于激光探针阵列的三维测量装置同时工作时，很难区分拍摄到的激光光斑是来自自身发射的激光探针，还是来自其他测量装置的激光探针。相反，当每台基于激光探针阵列的三维测量装置都采用两个激光探针发生器时，根据所拍摄的激光像斑相对于预定像素位置的对称性可以判断它们是否来自自身发出的激光探针。当然通过连续主动重复关闭和打开激光探针发生器，也可在一定程度上判断某一激光像斑是否来自自身发出的激光探针。

实施例7：

如图7所示，一种简化的基于激光探针阵列的三维测量装置，其基本结构与图6所示装置相同，但第四支架22包括一个活动部件23，通过调节活动部件23的位置来调整第五激光探针发生器20的光学中心和第三二维相机21的镜头26的光学中心之间的距离。

对于激光探针预定位置固定不变的应用场合，也可采用基于全息再现装置的激光探针发生器，如图7所示，激光器25发出的平行参考光照射记录有特定全息干涉图案的全息干板24，再现产生所需激光探针，为了调节光学镜头26的中心与全息干板24的中心的垂直距离，图7所示装置还采用了一个可伸展的套筒式支架23来改变全息干板24的高度。一般可伸展的套筒式支架23需要通过特定锁定装置卡在某几个固定高度位置，并对图像传感器27所拍摄的激光探针反射像斑预定成像位置一一进行标定。如果套筒式支架23的位置连续变化，则很难实时确定图像传感器27所拍摄的激光探针反射像斑的预定成像位置。

Claims (10)

1.一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、设置二维相机的光学镜头的光学中心为坐标原点，二维相机的光学镜头的光轴为Z轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上设置第一激光探针发生器，第一激光探针发生器的光轴平行于Z轴，二维相机监测第一激光探针发生器发出的激光探针在被测物体表面的反射，其中第一激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置； 

步骤2、设定第一激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；

步骤3、根据预定聚焦点坐标把第一激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点； 

步骤4、利用第一激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对二维相机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，二维相机所拍摄的反射像斑的位置即为第一激光探针发生器发出的激光探针的预定成像位置； 

步骤5、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射待测物体，并用步骤4中标定后的二维相机拍摄记录激光探针在待测物体表面的反射，得到检测图片；

步骤6、根据步骤4中得到的每根激光探针的预定成像位置对步骤5得到的检测图片进行反射激光探针像斑的搜索，如果存在反射激光探针像斑，则根据反射激光探针像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于：所述步骤2中的设定预定聚焦点包括以下步骤：

步骤2.1、设定Z轴最近测量点和Z轴最远测量点，预定聚焦平面的数目至少为一个，设置第1个预定聚焦平面的Z轴坐标，使其二分之一小于等于Z轴最近测量点的Z轴坐标，其余预定聚焦平面设置在Z轴最近测量点和Z轴最远测量点之间；

步骤2.2、设置最小探测物体宽度Wmin；

步骤2.3、将每个预定聚焦平面上的预定聚焦点在二维相机的视场范围内沿Y轴方向分为N行，每行的预定聚焦点沿平行于X轴方向按固定间隔ΔX排列，每行预定聚焦点的数量等于二维相机在该预定聚焦平面位置的视场宽度W除以固定间隔ΔX后取整数并加一，而预定聚焦点的行数N等于固定间隔ΔX除以最小探测物体宽度Wmin后取整数并加一；所述固定间隔ΔX大于第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离的二倍；

步骤2.4、在每个预定聚焦平面上将每行预定聚焦点沿X轴方向均匀错开排列；

步骤2.5、若步骤2.1至步骤2.4所设定的预定聚焦点的总数目大于激光探针发生器所能产生的总的激光探针数目，则减少步骤2.1中设定的预定聚焦平面的数目，或者增大步骤2.2中的最小探测物体宽度Wmin，并返回步骤2.3。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于：所述步骤6中对检测图片进行反射激光探针像斑的搜索的步骤为依次以每个激光探针预定成像位置为搜索中心、范围不超过预定成像位置与相邻的激光探针预定成像位置的间隔的一半进行搜索，同时搜索范围与相邻两个激光探针预定成像位置的间隔之比不超过第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离与同一行相邻两个预定聚焦点的间隔之比。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于：所述步骤1中还包括以下步骤：

在X轴上与第一激光探针发生器对称的位置设置第二激光探针发生器，第二激光探针发生器的光轴平行于Z轴，第二激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；

所述的步骤2中还包括以下步骤：

设定第二激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点和第一激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点重合；

所述的步骤3还包括以下步骤：

根据预定聚焦点坐标把第二激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点； 

所述的步骤6还包括以下步骤：

根据每根激光探针的预定成像位置对第二激光探针发生器的反射激光探针像斑进行搜索，如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值小于等于预定设置的容许值，则分别根据上述两个反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z；如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值大于预定设置的容许值，则认为该预定成像位置无反射激光探针像斑；对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。

5.一种使用权利要求4所述方法的基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于：包括第一激光探针发生器（5）、第二激光探针发生器（6），第一二维相机（7）和第一支架（8），第一激光探针发生器（5）、第一二维相机（7）和第二激光探针发生器（6）依次等距离固定在第一支架（8）上，第一激光探针发生器（5）的光轴、第二激光探针发生器（6）的光轴和第一二维相机（7）的光轴相互平行并位于同一平面，第一激光探针发生器（5）和第二激光探针发生器（6）的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第一二维相机（7）的镜头的光学中心位于第一激光探针发生器（5）和第二激光探针发生器（6）的光学中心的连线上，使得第一激光探针发生器（5）和第二激光探针发生器（6）发出的激光探针经过物体反射后能够被第一二维相机（7）拍摄到。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于：所述的第一激光探针发生器（5）和第二激光探针发生器（6）发出的光为红外光，第一二维相机（7）前放置有用于遮挡可见光、透过红外光的红外滤光镜（9）。

7.一种使用权利要求4所述方法的基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于：包括第三激光探针发生器（10）、第四激光探针发生器（11），第二二维相机（13）、第二可移动支架（12）和第三可移动支架（14），第三激光探针发生器（10）和第四激光探针发生器（11）固定在第二可移动支架（12）上，第三激光探针发生器（10）和第四激光探针发生器（11）的光轴互相平行，且它们的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第二二维相机（13）固定在第三可移动支架（14）上，第二可移动支架（12）和第三可移动支架（14）上均设置有用于将第二二维相机（13）的光轴、第三激光探针发生器（10）光轴和第四激光探针发生器（11）光轴对准在同一平面且相互平行，同时使得第二二维相机（13）的镜头的光学中心分别到第三激光探针发生器（10）光学中心和第四激光探针发生器（11）光学中心的距离相等的对准标记，第三激光探针发生器（10）和第四激光探针发生器（11）为数字光学位相共轭装置或者全息再现装置。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于：还包括中心重合的第一环形导轨（15）、第二环形导轨（16）和可升降载物台（17），第二可移动支架（12）安装在第一环形导轨（15）上，第三可移动支架（14）安装在第二环形导轨（16）上。

9.一种使用权利要求1所述方法的基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于：包括第五激光探针发生器（20）、第三二维相机（21）和第四支架（22），第五激光探针发生器（20）、第三二维相机（21）固定在第四支架（22）上，第五激光探针发生器（20）和第三二维相机（21）的光轴相互平行，并垂直于第五激光探针发生器（20）的光学中心和第三二维相机（21）的镜头的光学中心的连线，使得第五激光探针发生器（20）发出的激光探针经过物体反射后能够被第三二维相机（21）拍摄到，第五激光探针发生器（20）为数字光学位相共轭装置或全息再现装置。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于：所述的第四支架（22）包括一个活动部件（23），通过调节活动部件（23）的位置来调整第五激光探针发生器（20）的光学中心和第三二维相机（21）的镜头（26）的光学中心之间的距离。

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