CN1055762C - 激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法和装置。采用向被测物体表面投射一个带有面内扫描的片状激光光束，在物体表面形成的亮线的象，被观察方向上的二维探测器阵列(CCD)摄像机)接收，并由计算机计算出物体表面一个剖面上的高度分布。装置包括在入射片光与被测物体之间安装一扫描装置。入射光的面内扫描，可使散斑噪声降低。采用本方法及装置的优点在于提高深度分辨率的同时，横向分辨率保持不变。在片光型三维传感领域具有重要的理论意义和实用价值。可用于机器视觉、实物仿形等领域。

Description

激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法和装置

本发明涉及激光照明的三维传感技术，具体地说，它涉及激光片光照明的三维传感系统中降低散斑影响的方法及其装置。

三维物体表面轮廓测量，即三维面形测量，在自动加工，实物仿形，机器视觉，生物医学体视等领域具有重要意义。采用激光片光照明的三维面形传感器，是基于三角法距离测量原理，通过投射一片状激光束(也称激光片光，或激光光刀)到被测物体表面，在物体表面形成一投影亮线，从与投影方向不同的另一个方向观察该线，由于受到物体高度的调制，该亮线发生变形，通过对象面上亮线象坐标的计算可以得到物体上一个剖面的高度数据，如果再加上一维扫描就可以得到三维面形分布【例如，见：Xian-Yu Su，BoJia，Proc.SPIE，VOL.1319，(1990)；贾波，苏显渝，郭履容，《中国激光》，19(4)，271(1992)；Xiao-Xue Cheng，Xian-Yu Su，Lu-Rong Guo，Appl.Opt. 30(10)，1274(1991)】，从而达到三维物体表面轮廓的测量。采用激光片光的三维传感系统，其测量精度主要取决于对亮线象中心的定位精度。人们曾试图通过技术上的改进，例如：减少电信号噪声，增加探测器分辨单元数目等，提高测量精度，但是后来的研究表明，测量精度的限制还来自物理上的原因，激光散斑对三角法测量精度具有重要影响【例如：见W.Dremel，G.Hausler，and M.Maul，Proc.SPIE，665，182-187(1986)】。降低散斑影响，提高激光三角测量系统精度，一直是三维传感领域国内外普遍关注的问题。为了减弱散斑的影响，人们已经研究了几种方法，包括热空气扰动法，孔径内扫描法等。例如，在热空气扰动法中，是在观察系统光路上加上随机扰动的热空气(以热的空气流喷射在观察光路上)，使得在象面上形成动态散斑光场，其时间平均的效果将使散斑对比下降，从而减弱散斑的影响。在孔径内扫描法中，可以在观察系统光瞳面上用小的随机分布的孔径在光瞳孔径上扫描，也可以使散斑对比下降。采用这些方法，虽然深度分辨率有所提高，但都以牺牲横向分辨率为代价，具有明显的局限性(例如：见Rejean Baribean，Marx Rioux，Appl.Opt，30(20)，2873(1991))。

本发明的目的正是针对上述现有技术中存在的不足之处，而提出了在激光片光照明的三维传感系统中采用投影激光片光的面内扫描来降低散斑影响的方法及装置。解决了在提高深度分辨率的同时，横向分辨率可以保持不变的问题，从而使测量精度提高。

本发明上述的目的是这样解决的：

激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法，是采用从激光器发出的细光束经一柱透镜后形成片状光束(激光片光)，投射到被测物体表面，使该光束在物体表面形成一条投影亮线，从与投影方向成一定夹角的观察系统光路上观察该亮线，由于激光片光受到被测物体表面高度的调制，观察到的亮线形状携带了物体高度信息，通过计算可以确定物体表面一个剖面上的高度分布，如果附加一维扫描，就可以测量三维物体面形的分布。本发明的要点在于，经柱透镜形成的片状光束先通过一个扫描装置，使激光片光在片光平面内作面内扫描，经面内扫描的激光片光再投射到被测物体表面，在物体表面形成一条亮线，从与投影方向成一定夹角的另一观察方向上用二维探测器阵列接收片光与物体表面交线的象，再通过计算确定物体表面一个剖面上的高度分布。

图1是采用激光片光的面内扫描装置的三角测量原理示意图。

图2是成象系统象面散斑的形成光路示意图。

图3是入射光角度改变时，光瞳平面上散斑的变化示意图。

图4是片光象在探测器阵列上的强度分布。

图5是象面散斑互相关函数曲线(理论值和实测值)图。

图6是图1中亮线6的重心线归一化方差随入射光扫描角变化的曲线(理论值和实测值)图。

下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提出采用激光片光的面内扫描，可以在保持理想几何象不变的情况下，产生空间变化的动态散斑光场，这样的光场在光瞳平面上平移，其时间平均的效果，可看作利用了多个孔径，将这些孔径的总和称之为“合成孔径”，在引入合成孔径的同时，系统的物理孔径并未改变。因此，本发明在提高深度分辨率的同时，横向分辨率可以保持不变，从而达到对三维物体表面轮廓测量的精确度的提高。

图1中，激光器1发出的激光经过一柱透镜2后，发散为片状光束4(简称片光)。带有平面反射镜的扫描装置3，能以转轴10为中心转动或振动，片光平面与反射镜垂直，使投射在被测物体5表面的激光在片光平面内进行面内扫描。经过面内扫描的片状激光束4投射到被测物体5表面，在物体表面形成一投影亮线6(片光平面与物体表面的交线)，从与投影方向成一定夹角的另一观察方向上用二维探测器阵列9接收片光与物体表面交线的象8，通过(下述)公式计算，每次可得到被测三维面形的一个剖面，剖面上一点的高度坐标Z可以从其象点的坐标P算出，然而高度分辨率(即深度分辨率)受P的测量精度δP的限制，如下式所示： $\mathrm{\δz}=\frac{1\cos \mathrm{\β}}{f_o\sin \mathrm{\γ}}\mathrm{\δp}---\left(1\right)$

式中，l是被测物体5到成象透镜7的距离；β是成象透镜7与探测器阵列平面9的夹角；f₀是成象透镜的焦距；γ是片光投射方向光轴与探测器观察方向光轴的夹角。

象面散斑的存在，限制了象点坐标p的测量精度，从而影响三维传感系统的深度分辨率。

在图2所示的成象系统中，物平面和观察平面分别用(X′，Y′)和(X，Y)表示。∑是成象透镜，∑上的坐标是(X，Y)，θ是照明的入射角。由于物体表面的微观起伏，在透镜平面∑上形成散斑结构，并通过透镜成象过程进一步在象面上形成散斑。

如图3所示，改变入射角θ在光瞳平面∑产生的效果是两方面的。(1)散斑图形在相应于θ的方向上有一个平移，(2)第一个和第二个散斑图形之间相关性随θ的增加而减少。即散斑图样发生变形，当被测物体的粗糙度在一定范围内，例如小于20微米时，散斑变形的影响较小，因而可以忽略。散斑图形的平移可以表示为：

  Δ＝l₁cosθ₁δθ            (2)

散斑光场在光瞳平面上的移动，相当于光瞳在散斑场上的移动，其时间平均效果，等于使用一个大的合成孔径，因而降低了散斑的影响。进一步的理论分析和实验结果都证实了这种合成孔径概念的正确性。

图4(a)是片光象在探测器阵列上，例如：CCD摄象机上的强度分布。(b)是强度分布的一个剖面，在理想情况下该强度剖面为高斯分布，但是象面散斑的存在破坏了其对称性，定义强度剖面沿x方向的重心为(第二个等号已做了归一化)： $X_m\left(y\right)=\frac{\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{XI}(X,Y)\mathrm{dX}}{\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}I(X,Y)\mathrm{dX}}=\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}\mathrm{XI}(X,Y)\mathrm{dX}---\left(3\right)$

由于象面散斑是随机起伏的，所以Xm(y)是一随机变量，当片光在面内扫描时，对于两个不同的入射角θ1和θ2＝θ1+δθ，片光中心线扰动的互相关函数

可表示为： ${\mathrm{\Γ}}_{X_m}\left(\mathrm{\δ\θ}\right)=\⟨X_m\left({\mathrm{\θ}}_1\right)X_m\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\⟩-\⟨X_m\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\⟩\⟨X_m\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\⟩---\left(4\right)$

表示取集平均。根据散斑统计理论，假定Xm的均值为0，并采用归一化表示，得到： ${\mathrm{\Γ}}_{X_m}\left(\mathrm{\δ\θ}\right)=\frac{\⟨X_m\left({\mathrm{\θ}}_1\right)X_m\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\⟩}{\sqrt{\⟨{X_m}^2\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\⟩\⟨{X_m}^2\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\⟩}}---\left(5\right)$

式(5)表示片光在面内扫描时，两个不同入射角度之间散斑的相关性，如果

，表示两个散斑象是完全相同的，如果

则表示它们是完全不同的。按照散斑统计理论(J.W.Goodman，Statistical Optics(Wiley，New York，1985)；J.C.Dainty，ed.″Laser Speckle and Related Phenomena″，(Springer-Verlag，NewYork，1984))最后可导出： ${\mathrm{\Γx}}_m\left(\mathrm{\δ\θ}\right)=\frac{{[2\arccos \left(\frac{l1\cos \mathrm{\θ}1\mathrm{\δ\θ}}{2r}\right)-\frac{l1\cos \mathrm{\θ}1\mathrm{\δ\θ}}{r}\sqrt{1-{\left(\frac{l1\cos \mathrm{\θ}1\mathrm{\δ\θ}}{2r}\right)}^2}]}^2}{{\mathrm{\π}}^2},$

，其他      (6)

上式表明了象面散斑互相关函数随入射角变化的规律，是本发明的理论基础。象面散斑互相关函数随入射角变化的理论曲线和实验曲线如图5所示。δθ1是入射角的改变，

是互相关函数，实线是理论值，星号是实验点。

图6是图1中亮线6的重心线归一化方差随入射光扫描角变化的曲线，实线是理论值，星号是实验点，实验结果证实了理论曲线的正确性(详见实施例)。

下面以反射型片光系统测量飞机发动机涡轮叶片为例作一个介绍。实验装置如图1所示，激光器1为氦氖激光器，探测器阵列9为CCD面阵摄像机。

激光平面4与反射镜3垂直，入射方向与反射镜法线成一角度，反射镜与片光平面垂直的轴10转动，或小角度范围内振动，使片光经反射后在片光平面内变化。

操作时，使反射镜沿转轴10振动，振动频率为50赫兹，同时应调整反射镜光轴10与入射光平面垂直，使得入射光在被测物体表面的亮线6最细(此时表示扫描是在片光平面内进行的)。在观察方向上，调整成象透镜7使亮线6成象在CCD 9靶面上。从CCD摄像机输出的光强信号经过A/D转换后，被送入计算机，计算机将计算出亮线沿x方向的重心Xm(y)。根据投影系统、观察系统的几何结构及重心线的位置坐标可以计算出涡轮叶片的高度。反射型片光测量系统的关键在于一个可振动(或转动)的反射镜，因为扫描频率(50赫兹)大于CCD采集一帧的频率(25赫兹)，使得CCD在一个采样周期内获得“合成孔径”范围内的散斑场，该散斑小于观察系统物理孔径所形成的散斑。从而使散斑降低。

实验中取θ1＝51.4°，f1＝240毫米，CCD成象透镜焦距f2＝16毫米，光圈4.0，平面粗糙度为1.80微米。在上述条件下，扫描角δθ1改变约30′相关值降为1/e，可认为是退相关。在片光面内扫描(即改变δθ1)的同时，片光理想几何象的位置保持不变，只是象面上的散斑发生变化。增大扫描角，在CCD的采集时间一定的情况下，象面散斑的变化将加大，时间积分的结果将使散斑匀化。从而大大提高片光象中心的定位精度。散斑噪声的降低同扫描角的关系如图6所示。

本发明与现有技术相比较具有如下优点：

(1)可以极大地提高片光型三维传感系统的深度分辨率。

(2)在系统深度分辨率提高的同时，横向分辨率没有改变。

激光片光照明的三维传感系统中降低散斑影响的装置，由激光器1、柱透镜2、扫描装置3、成象透镜7及观察系统9等组成，激光光束经柱透镜2后到达扫描装置3，扫描装置3带有平面反射镜，并能以转轴10为中心转动或振动，激光束经面内扫描后到达被测物体5表面，成象透镜7安放在探测器阵列9(CCD摄像机)之前，使片光平面与物体表面的交线6成象在CCD靶面上。面内扫描装置可以由反射型光学元件和相应的转动或振动机构组成(简称反射型片光系统)，也可以由折射型光学元件和相应的转动或振动机构组成(简称折射型片光系统)。

本装置具有结构简单，易于操作的特点。

Claims (4)

1、激光片光三维传感系统中降低散斑影响的方法，是采用从激光器(1)发出的细光束经一柱透镜(2)后形成片状光束(激光片光)，投射到被测物体(5)表面，使该光束在物体表面形成一条投影亮继人从与投影方向成一定夹角的观察系统光路上观察该亮线，由于激光片光受到被测物体表面高度的调制，观察到的亮线形状携带了物体高度信息，通过计算可以确定物体表面一个剖面上的高度分布，如果附加一维扫描，就可以测量三维物体面形的分布，其特征在于，在现有的形成激光片光方法的基础上，通过一个扫描装置(3)，使激光片光在片光平面内作面内扫描，经面内扫描的激光片光再投射到被测物体(5)表面，在物体表面形成一条亮线，从与投影方向成一定夹角的另一观察方向上用二维探测器阵列(9)接收片光与物体表面交线(6)的象，再通过计算确定物体表面一个剖面上的高度分布。

2、按权利要求1所述的降低散斑影响的方法，其特征在于所说的激光片光面内扫描是这样得到的：

(1)激光片光平面(4)与扫描装置(3)的反射镜垂直，入射方向与反射镜法线成一角度，反射镜与片光平面垂直的转轴(10)转动，或小角度范围内振动，使片光经反射镜后的出射方向在片光平面内发生变化；

(2)激光片光平面通过一透射型光学元件，该透射型光学元件的光轴与片光平面重合，透射元件绕与片光平面垂直的转轴(10)转动，或小角度范围内振动，使片光经透射元件后的出射方向在片光平面内发生变化。

3、按权利要求1或2所述的降低散斑影响的方法，这里所说的用二维探测器阵列(9)接收片光与物体表面交线的象，其特征在于：

(1)当片光在其光平面内扫描时，对于不同的入射光角度，二维探测器阵列可获取不同角度下交线的象，并将其存储在计算机存储单元内，然后将多个象叠加，以减弱散斑的影响；

(2)当扫描频率高于探测器获取一幅象所需时间时，利用检测器获取光强在一段时间内的平均效果，得到和多个象相叠加同样的效果。

4、用于激光片光三维传感系统中降低散斑影响的装置，其特征在于在片光出射光束处安装一扫描装置(3)，使片状光束经面内扫描后再达到被测物体(5)表面。

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