CN104913734B

CN104913734B - 一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法

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Publication number: CN104913734B
Application number: CN201510337487.7A
Authority: CN
Inventors: 杨树明; 刘涛; 王通; 赵楠; 时新宇; 蒋庄德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2015-06-17
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2035-06-17
Also published as: CN104913734A

Abstract

本发明公开了一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法，该测量装置包括照明激光器、X扫描镜片、Y扫描镜片、光阑、镜头、CCD传感器以及、定位激光器；该测量方法是由照明激光器产生的激光依次经过X扫描镜片、Y扫描镜片和光阑后投射到被测物体表面，CCD传感器捕捉激光发出的散射光；所述X扫描镜片、Y扫描镜片的旋转均由伺服电机控制，X扫描镜片与竖直平面成45°角，在测量过程中X扫描镜片位置保持不变，Y扫描镜片可在水平面正负θ角度内旋转；所述定位激光器用于确定被测物体距离CCD传感器的最佳距离；所述光阑可控制线激光长度。本发明所述的一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置结构简单，扫描速度快，可用于工业在线实时监测。

Description

一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法

技术领域：

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法。

背景技术：

随着现代精密测量技术及高端装备制造业的快速发展，包括机械制造、航空航天、微纳制造、文物修复及影像医学等领域都对物体三维形貌精密测量技术提出了更高要求。基于上述背景，物体三维形貌测量技术得到了快速发展，依据其检测方式包括接触式测量和非接触式测量；其中，接触式测量对物体表面有一定的划伤并且检测速度较慢，限制了其应用场合；非接触测量主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理进行物体三维坐标点的数据采集，由于非接触测量对物体表面无损害，并且测量速度快，应用场合广泛。

非接触式测量中常用的光学三维测量技术主要包括飞行时间法、干涉法和三角法。其中，飞行时间法要求测量系统必须有极高的时间分辨率，干涉法由于受到光波波长的限制，只能测量物体微观表面的形貌，不适合于宏观物体三维形貌的检测，而激光三角法的物体三维形貌测量装置及方法由于其简单可靠的性能而取得了广泛的应用。

目前，基于激光三角法的物体三维形貌测量装置多采用机械扫描法，即利用较大的机械结构移动物体或者移动激光光源实现扫描，而且在工业实时检测中，被测物体距离摄像机的距离要通过反复装调及严格计算才能确定，上述问题限制了现有激光三角法三维形貌测量装置的测量速度和精度，也限制了其实现工程应用。因此，为有效提高物体三维形貌成像及测量装置的检测效率及精度，有必要提出一种能消除上述缺陷的检测技术。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有三维形貌测量装置存在的问题，提出了一种结构简单、扫描速度快、性能可靠以及精度较高的振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现的：

一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置，包括照明激光器、X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片、可变光阑以及由镜头和CCD传感器组成的CCD摄像机；其中，

由照明激光器产生的激光依次经过X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片和可变光阑后投射到被测物体表面，CCD摄像机中CCD传感器通过镜头探测激光发出的散射光。

本发明进一步的改进在于，还包括定位激光器，定位激光器用于确定被测物体距离CCD摄像机的最佳距离。

本发明进一步的改进在于，X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片的旋转均由伺服电机控制；其中，X轴扫描镜片与水平面成45°夹角，在测量过程中X轴扫描镜片位置保持不变，Y轴扫描镜片可在水平面上下θ_m角度内快速旋转扫描。

本发明进一步的改进在于，可变光阑能够控制线激光的长度。

一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置的测量方法，

以Y轴扫描镜片中心轴的中点为原点，建立世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，以CCD摄像机镜头的光心为中心建立CCD摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c，以CCD摄像机像面中心为原点建立像面坐标系o-uv；基于测量装置各部件形成的坐标系的几何关系，CCD摄像机坐标系中的点到图像坐标系的点的变换关系如下

式中，P为被测物体表面的点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P(x_p,y_p,z_p)，P'为P点在CCD摄像机中的像点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P′(x_p′，y_p′，z_p′)，(u,v)为像点P'在像面坐标系下的坐标，(u₀,v₀)为相面与光轴的交点坐标，N_x、N_y为CCD摄像机相面单位尺寸上的像素，f为CCD摄像机的焦距。

本发明进一步的改进在于，建立被测物体表面特征点的测量模型，其计算过程如下

Y轴扫描镜片转角φ的表达式为

式中，i＝1、2、3…….n，n为正整数，φ为Y扫描镜片构成的平面与世界坐标系y轴负方向之间的夹角，φ₀为初始角度；V₀、V_z分别为控制Y扫描镜片的伺服电机的初始控制电压和扫描增加电压；

已知Y轴扫描镜片的中心线与投射到其上的线激光之间的位置关系，则反射光所构成的平面方程为

式中，h为Y轴扫描镜片的厚度；

世界坐标系到CCD摄像机坐标系的转换关系为

根据公式(5)，得

式中，L＝r₁₁r₂₂r₃₃+r₁₂r₂₃r₃₁+r₁₃r₂₁r₃₂-r₁₁r₂₃r₃₂-r₁₂r₂₁r₃₃-r₁₃r₂₂r₃₁，

因此，反射光所构成的平面在CCD摄像机坐标系下的方程为

K₁x+K₂y+K₃z+K₄＝0 (7)

式中，

联立上述方程得

式中，a＝-(u-u₀)/f·Κ₃·Ν_x，b＝-(v-v₀)/f·Κ₃·Ν_y，(x,y,z)为被测物体表面任意点的坐标。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置采用伺服电机驱动控制具有轻巧惯量特性的振镜来产生线激光扫描，以完成对物体的非接触检测。本发明所述装置和现有装置相比较，结构简单紧凑、无须物体机械扫描、抗干扰振动能力强，成本低廉，扫描速度快，可用于工程样品在线实时三维形貌光学检测。

本发明一种振镜式线激光扫描三维形貌测量方法，由照明激光器产生的激光依次经过X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片和可变光阑后投射到被测物体表面，CCD传感器探测激光发出的散射光；所述X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片的旋转均由伺服电机控制，X轴扫描镜片与水平面成45°角，在测量过程中X轴扫描镜片位置保持不变，Y轴扫描镜片可在水平面上下θ_m角度内快速旋转扫描；所述定位激光器用于确定被测物体距离CCD传感器的最佳距离；所述可变光阑控制线激光长度。

附图说明：

图1为本发明一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置的示意图；

其中：1—照明激光器，2—X轴扫描镜片，3—Y轴扫描镜片，4—可变光阑，5—镜头、6—CCD传感器，7—定位激光器，8—被测物体。

图2为本发明装置各部件所确立的坐标系示意图。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置，包括以下结构单元：照明激光器1、X轴扫描镜片2、Y轴扫描镜片3、可变光阑4、由镜头5和CCD传感器6组成的CCD摄像机以及定位激光器7；其中，由照明激光器1产生的激光依次经过X轴扫描镜片2、Y轴扫描镜片3和可变光阑4后投射到被测物体8表面，CCD传感器用于6探测激光发出的散射光，定位激光器7用于确定被测物体距离CCD摄像机的最佳距离。

为了实现对物体三维形貌的测量，本发明采用的测量方法为，首先由照明激光器产生的激光依次经过X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片和可变光阑后投射到被测物体表面，然后，CCD传感器探测照明激光发出的散射光；本发明所述的X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片的旋转均由伺服电机控制；其中，X轴扫描镜片与水平面成45°夹角，在测量过程中X轴扫描镜片位置保持不变，Y轴扫描镜片可在水平面上下θ_m角度内快速旋转扫描，Y轴扫描镜片的旋转是通过控制伺服电机的输入电压大小实现的；测量过程中，Y轴扫描镜片的角度由伺服电机输入电压的最小值控制到上极限位置，通过逐步增加伺服电机的输入电压控制其轴的旋转，并带动Y轴扫描镜片旋转直到下极限位置，Y轴扫描镜片在旋转过程中促使照明激光从上极限位置逐步移动到下极限位置，基于照明激光的移动，完成对物体的扫描；CCD摄像机拍摄通过上位机程序控制，线激光每移动一个位置，CCD摄像机拍摄一次，具体测量过程如下。

首先，建立坐标系，以Y轴扫描镜片中心轴的中点为原点，建立世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，以CCD摄像机镜头的光心为原点建立摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c，以CCD摄像机像面中心为原点建立像面坐标系o₀-uv。由测量装置各部件建立的坐标系之间的几何关系可知，CCD摄像机坐标系中的点与图像坐标系中的点的变换关系为

式中，P为被测物体表面的点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P(x_p,y_p,z_p)，P'为P点在CCD摄像机中的像点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P'(x_p',y_p',z_p')，(u,v)为像点P'在像面坐标系下的坐标，(u₀,v₀)为相面与光轴的交点坐标，N_x、N_y为CCD摄像机相面单位尺寸上的像素，f为CCD摄像机的焦距。

其中，建立被测物体表面特征点的测量模型，计算过程如下

Y轴扫描镜片转角φ的表达式为

式中，i＝1、2、3…….n，n为正整数，φ为Y轴扫描镜片构成的平面与世界坐标系y轴负方向之间的夹角，φ₀为初始角度；V₀、V_z分别为控制Y扫描镜片的伺服电机的初始控制电压和扫描增加电压。

式中，h为Y轴扫描镜片的厚度。世界坐标系到CCD摄像机坐标系的转换关系为

根据公式(5)，得

因此，反射光所构成的平面在CCD摄像机坐标系下的方程为

K₁x+K₂y+K₃z+K₄＝0 (7)

式中：

联立上述方程得

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置的测量方法，其特征在于，测量方法采用的测量装置包括照明激光器(1)、X轴扫描镜片(2)、Y轴扫描镜片(3)、可变光阑(4)以及由镜头(5)和CCD传感器(6)组成的CCD摄像机；其中，

由照明激光器(1)产生的激光依次经过X轴扫描镜片(2)、Y轴扫描镜片(3)和可变光阑(4)后投射到被测物体(8)表面，CCD摄像机中CCD传感器(6)通过镜头(5)探测激光发出的散射光；

还包括定位激光器(7)，定位激光器(7)用于确定被测物体(8)距离CCD摄像机的最佳距离；

X轴扫描镜片(2)、Y轴扫描镜片(3)的旋转均由伺服电机控制；其中，X轴扫描镜片(2)与水平面成45°夹角，在测量过程中X轴扫描镜片(2)位置保持不变，Y轴扫描镜片可在水平面上下θ_m角度内快速旋转扫描；

可变光阑(4)能够控制线激光的长度；

该测量方法包括：

以Y轴扫描镜片(3)中心轴的中点为原点，建立世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，o_w为原点，x_w、y_w和z_w分别为世界坐标系的坐标轴；以CCD摄像机镜头(5)的光心为中心建立CCD摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c，o_c为原点，x_c、y_c和z_c分别为摄像机坐标系的坐标轴；以CCD摄像机像面中心为原点建立像面坐标系o-uv，o为原点，u和v分别为像面坐标系的坐标轴；基于测量装置各部件形成的坐标系的几何关系，CCD摄像机坐标系中的点到图像坐标系的点的变换关系如下：

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式中，P为被测物体表面的点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P(x_p,y_p,z_p)，P'为P点在CCD摄像机中的像点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P'(x_p',y_p',z_p')，(u,v)为像点P'在像面坐标系下的坐标，(u₀,v₀)为像面与光轴的交点坐标，N_x、N_y为CCD摄像机像面单位尺寸上的像素，f为CCD摄像机的焦距。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，建立被测物体表面特征点的测量模型，其计算过程如下

Y轴扫描镜片转角的表达式为

式中，i＝1、2、3…….n，n为正整数，为Y扫描镜片构成的平面与世界坐标系y轴负方向之间的夹角，为初始角度；V₀、V_z分别为控制Y扫描镜片的伺服电机的初始控制电压和扫描增加电压；

已知Y轴扫描镜片(3)的中心线与投射到其上的线激光之间的位置关系，则反射光所构成的平面方程为

式中，h为Y轴扫描镜片(3)的厚度；

世界坐标系到CCD摄像机坐标系的转换关系为

根据公式(5)，得

因此，反射光所构成的平面在CCD摄像机坐标系下的方程为

K₁x+K₂y+K₃z+K₄＝0 (7)

式中，

联立上述方程得

式中，a＝-(u-u₀)/f·K₃·N_x，b＝-(v-v₀)/f·K₃·N_y，(x,y,z)为被测物体表面任意点的坐标。