CN103308149A - 机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，属于冲击与振动的精密测量技术领域。装置由机器视觉测量单元、位置解算及控制单元、扫描调焦控制单元、扫描激光测振光学组件、干涉信号解调单元、控制及信息处理单元组成；该装置同步对焦由机器视觉测量单元完成，实现测量空间坐标与扫描式激光测振仪的焦距信息关联管理。本发明结构简单，操作方便，便于测量及控制，能够有效提高冲击振动测量精度，通过机器视觉测量单元实现同步对焦，提高了扫描测振的测量速度与准确度。

Description

机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置
技术领域
本发明涉及机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，属于冲击与振动参数场扫描的精密测量技术领域。
背景技术
冲击与振动测量在国民经济建设、武器装备研制生产中具有十分重要的作用，在工业生产和测试中具有普遍性需求。扫描式激光测振仪作为目前全场振动测试中重要的测量仪器，具有适应性好、准确度高、动态响应快等优点。
然而扫描激光测振仪在使用中受测量对象表面形貌的影响，测量时扫描激光测振仪需要频繁对焦，由于其对焦原理限制导致测量周期过长，使得扫描式激光测振仪无法满足目前快速准确的振动测量要求，因此提高扫描式激光测振仪的对焦速度相关技术研究具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的是为解决冲击与振动精密测量中由于测量对象表面形貌不规则导致测量效率低、适应性差的问题，提出一种机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，由机器视觉测量模块1、位置解算及控制模块2、扫描调焦控制模块3、扫描激光测振光学模块4、干涉信号解调模块5、控制及信息处理模块6组成；其中，扫描调焦控制模块4、扫描激光测振光学模块4、干涉信号解调模块5构成扫描激光测振系统；
测量对象7为具有不规则形状物体冲击与振动；
机器视觉测量模块1至少由两个或两个以上摄像机、至少一个结构光照明系统组成，水平放置于扫描激光测振系统的测量光两侧，并与扫描激光测振系统固定安装在同一基体之上，定义扫描激光测振系统为Z轴方向，机器视觉测量模块两摄像机连线方向为X轴方向，垂直于X、Z轴方向为Y轴方向，以此共同组成空间直角坐标系；机器视觉测量模块向被测对象投射结构光，用于测量被测对象的表面形貌。机器视觉测量模块中的多部摄像机成固定角度拍摄，扫描激光测振系统用于被测对象的冲击与振动的测量，机器视觉测量模块与扫描激光测振系统建立在统一的坐标系之内；机器视觉测量模块将结构光投射于测量对象表面，通过摄像机及图像处理技术在视场内将被测对象的各点的表面形貌坐标值计算存储，测量结果用于确定扫描激光测振系统的扫描测量焦点信息，实现扫描激光测振系统的快速同步对焦与扫描测量；
位置解算及控制模块2、由计算机及数据输出数字电路接口组成，利用计算机对机器视觉摄像机测量图像进行处理计算，确定测量点位置激光测振仪的工作焦距，通过数据输出电路接口提供工作焦距信号给扫描调焦控制模块。
扫描调焦控制模块3、通过数字接口接受测量点激光测振仪的工作焦距，驱动扫描执行器件实现测量时的扫描调焦。
扫描激光测振光学模块4、主要包括声光调制器、偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、光电接收器等必要的光学元件，用于参考光频率调制和测量的光学干涉实现。
干涉信号解调模块5、主要包括相关干涉信号采集用AD变换电路及同步控制电路，用于激光干涉信号的同步测量。
控制及信息处理模块6将机器视觉测量模块测量的表面形貌信息与扫描激光测振系统测量位置关联，利用各点表面形貌坐标值进行调焦变换计算，并按照计算结果控制扫描伺服机构调整扫描动作，实现扫描测量及数据输出；
上述机器视觉测量模块所用的结构光源为可见光或红外光、紫外光等，其使用决定于摄像机及系统的测量精度要求；
上述机器视觉测量模块的结构光测量面尺寸均大于其对应的测量对象的几何尺寸或具有足够的测量分辨力。
机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，由9为测量光源，10为准直扩束系统，11第一偏振分光棱镜，12声光调制器，13为第一反射镜、14为第二反射镜，15为1/2波片，16为第二偏振分光棱镜，17为1/4波片，18为调焦光学系统，19第一机器视觉测量模块、20为第二机器视觉测量模块，21为测量对象，22为起偏器，23为光电接收器组成；
测量光源9通过准直扩束系统10，经偏振分光棱镜11，形成参考和测量光；参考光通过声光调制器12形成光学频率调制，用于振动测量时判别速度方向；调制后的参考光经过13为第一反射镜、14为第二反射镜，通过1/2波片15，透过偏振分光棱镜16在干涉面与测量光汇合；测量光通过偏振分光棱镜16及1/4波片17后变为圆偏振光，进入调焦镜组18，出射汇聚于测量点，漫反射后再次通过调焦镜组18及1/4波片17，变为线偏振光经偏振分光棱镜16反射与参考光汇合形成振动的干涉信号，干涉信号经起偏器22后在光电接收器23接收；19第一机器视觉测量模块、20为第二机器视觉测量模块将激光通过几何阵列形成结构光透射到被测表面上，利用视觉系统的摄像机拍摄的图像还原测量对象的空间表面形貌信息，并通过控制系统换算成扫描伺服系统控制量，用于扫描激光测振装置的扫描与测量；
有益效果
1、本发明的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，通过机器视觉形貌测量功能，实现了激光测振装置的测量点对焦信息同步获取，解决了冲击与振动的精密测量中由于测量对象表面形貌不规则，导致测量时间加长、测量难度加大、测量结果不准确的问题。
2、本发明的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，结构简单，操作方便，便于测量及控制，能有效提高扫描测振的测量效率与精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置工作原理图；
其中，1为机器视觉测量模块，2为位置解算及控制模块，3为扫描调焦控制模块，4为扫描激光测振光学模块，5为干涉信号解调模块，6为控制及信息处理模块，7为测量对象，8为测量系统；9为测量光源，10为准直扩束系统，11为第一偏振分光棱镜，12为声光调制器，13为第一反射镜、14为第二反射镜，15为1/2波片，16为第二偏振分光棱镜，17为1/4波片，18为调焦光学系统，19为第一机器视觉测量模块、20为第二机器视觉测量模块，21为测量对象，22为起偏器，23为光电接收器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，应用于振动对象的振动参数场扫描的精密测量，如图1所示，测量装置由机器视觉测量模块、位置解算及控制模块、扫描调焦控制模块、扫描激光测振光学组件、干涉信号解调模块、控制及信息处理模块组成，其中，扫描调焦控制模块、扫描激光测振光学组件、干涉信号解调模块构成扫描激光测振系统；
机器视觉测量模块由摄像机和一个结构光照明系统组成，水平放置于扫描激光测振系统的测量光两侧，并与扫描激光测振系统固定安装在同一基体之上，定义扫描激光测振系统为Z轴方向，机器视觉测量模块两摄像机连线方向为X轴方向，垂直于X、Z轴方向为Y轴方向，以此共同组成空间直角坐标系；
机器视觉测量模块向被测对象投射的结构光，用于测量被测对象的表面形貌。机器视觉测量模块中的多部摄像机成固定角度拍摄，扫描激光测振系统用于被测对象的冲击与振动的测量，机器视觉测量模块与扫描激光测振系统建立在统一的坐标系之内；
机器视觉测量模块将结构光透射于测量对象表面，通过摄像机及图像处理技术在视场内将被测对象的各点的表面形貌坐标值计算存储，测量结果用于扫描激光测振系统的扫描测量焦点信息，实现扫描激光测振系统的快速对焦与扫描测量；
控制及信息处理模块将机器视觉测量模块测量的表面形貌信息与扫描激光测振系统测量位置关联，利用各点表面形貌坐标值进行调焦变换计算并按照计算结果控制扫描伺服机构调整扫描动作，实现扫描测量及数据输出；
上述机器视觉测量模块所用的结构光源为波长为650nm激光二极管，使用的摄像机为20倍光学变焦，测量距离范围为（0.5～10）m，机器视觉测量模块的结构光测量面尺寸为（0.2～4）m2；
机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置由激光光源，准直扩束系统，偏振分光棱镜，声光调制器，反射镜，1/2波片，1/4波片，调焦光学系统，机器视觉测量模块构成，其工作原理如图2所示，其中机器视觉测量模块11、12工作原理，将波长为650nm的激光通过几何阵列形成结构光透射到被测表面上，利用视觉系统的两台摄像机拍摄的图像还原测量对象的空间表面形貌信息，并通过控制系统换算成扫描伺服系统控制量，用于扫描激光测振装置的扫描与测量；其中扫描激光测振干涉工作原理，测量光源1通过准直扩束系统2，经偏振分光棱镜3，形成参考和测量光。其中参考光通过声光调制器4形成光学频率调制，用于振动测量时判别速度方向，调制后的参考光经过反射镜5、6，通过1/2波片7，透过偏振分光棱镜8在干涉面与测量光汇合；测量光通过偏振分光棱镜8及1/4波片9后变为圆偏振光，进入调焦镜组10，出射汇聚于测量点，漫反射后再次通过调焦镜组10及1/4波片9，变为线偏振光经偏振分光棱镜8反射与参考光汇合形成振动的干涉信号，经起偏器14后在光电接收器15接收；
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (8)

1.机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：由机器视觉测量模块（1）、位置解算及控制模块（2）、扫描调焦控制模块（3）、扫描激光测振光学模块（4）、干涉信号解调模块（5）、控制及信息处理模块（6）组成；其中，扫描调焦控制模块（4）、扫描激光测振光学模块（4）、干涉信号解调模块（5）构成扫描激光测振系统；机器视觉测量模块（1）至少由两个或两个以上摄像机、至少一个结构光照明系统组成，水平放置于扫描激光测振系统的测量光两侧，并与扫描激光测振系统固定安装在同一基体之上，定义扫描激光测振系统为Z轴方向，机器视觉测量模块两摄像机连线方向为X轴方向，垂直于X、Z轴方向为Y轴方向，以此共同组成空间直角坐标系；机器视觉测量模块向被测对象投射结构光，用于测量被测对象的表面形貌；机器视觉测量模块中的多部摄像机成固定角度拍摄，扫描激光测振系统用于被测对象的冲击与振动的测量，机器视觉测量模块与扫描激光测振系统建立在统一的坐标系之内；机器视觉测量模块将结构光投射于测量对象表面，通过摄像机及图像处理技术在视场内将被测对象的各点的表面形貌坐标值计算存储，测量结果用于确定扫描激光测振系统的扫描测量焦点信息，实现扫描激光测振系统的快速同步对焦与扫描测量。
2.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：位置解算及控制模块（2）、由计算机及数据输出数字电路接口组成，利用计算机对机器视觉摄像机测量图像进行处理计算，确定测量点位置激光测振仪的工作焦距，通过数据输出电路接口提供工作焦距信号给扫描调焦控制模块。
3.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：扫描调焦控制模块（3）、通过数字接口接受测量点激光测振仪的工作焦距，驱动扫描执行器件实现测量时的扫描调焦。
4.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：扫描激光测振光学模块（4）、主要包括声光调制器、偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、光电接收器等必要的光学元件，用于参考光频率调制和测量的光学干涉实现。
5.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：干涉信号解调模块（5）、主要包括相关干涉信号采集用AD变换电路及同步控制电路，用于激光干涉信号的同步测量。
6.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：控制及信息处理模块（6）将机器视觉测量模块测量的表面形貌信息与扫描激光测振系统测量位置关联，利用各点表面形貌坐标值进行调焦变换计算，并按照计算结果控制扫描伺服机构调整扫描动作，实现扫描测量及数据输出。
7.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：所述机器视觉测量模块所用的结构光源为可见光或红外光、紫外光等，其使用决定于摄像机及系统的测量精度要求；所述机器视觉测量模块的结构光测量面尺寸均大于其对应的测量对象的几何尺寸或具有足够的测量分辨力。
8.如权利要求1所述的机器视觉同步对焦扫描式激光测振装置，其特征在于：由测量光源（9），准直扩束系统（10），第一偏振分光棱镜（11），声光调制器（12），第一反射镜（13）、第二反射镜（14），1/2波片（15），第二偏振分光棱镜（16），1/4波片（17），调焦光学系统（18），第一机器视觉测量模块（19）、第二机器视觉测量模块（20），测量对象（21），起偏器（22），光电接收器组成（23）；
测量光源（9）通过准直扩束系统（10），经偏振分光棱镜（11），形成参考和测量光；参考光通过声光调制器（12）形成光学频率调制，用于振动测量时判别速度方向；调制后的参考光经过（13）为第一反射镜、（14）为第二反射镜，通过1/2波片（15），透过偏振分光棱镜（16）在干涉面与测量光汇合；测量光通过偏振分光棱镜（16）及1/4波片（17）后变为圆偏振光，进入调焦镜组（18），出射汇聚于测量点，漫反射后再次通过调焦镜组（18）及1/4波片（17），变为线偏振光经偏振分光棱镜（16）反射与参考光汇合形成振动的干涉信号，干涉信号经起偏器（22）后在光电接收器（23）接收；（19）第一机器视觉测量模块、（20）为第二机器视觉测量模块将激光通过几何阵列形成结构光透射到被测表面上，利用视觉系统的摄像机拍摄的图像还原测量对象的空间表面形貌信息，并通过控制系统换算成扫描伺服系统控制量，用于扫描激光测振装置的扫描与测量。
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