CN108775863A - 光谱共焦位移传感器定位装置及定位方法 - Google Patents

光谱共焦位移传感器定位装置及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光谱共焦位移传感器定位装置及定位方法，所述定位装置包括：载物台、标定板、相机和处理器；所述标定板设置在载物台上，所述相机设置在所述标定板的上方，所述相机与所述处理器电连接，所述相机用于对投射了光斑的标定板进行拍摄，所述处理器用于对拍摄的图像进行处理以获取所述光谱共焦位移传感器的检测点在所述图像上的位置。采用本发明可以对所述光谱共焦位移传感器的检测点进行准确定位，以便将需要检测物体移动到该检测点上进行高度或厚度检测。

Description

光谱共焦位移传感器定位装置及定位方法
技术领域
本发明涉及视觉测量领域，尤其涉及一种光谱共焦位移传感器定位装置及定位方法。
背景技术
光谱共焦位移传感器是一种新型的具有超高精度和超高稳定性的光电位移传感器，代表了先进位移传感器的发展方向，并在工业、医疗等许多领域得到了广泛的应用。
目前，在工业检测上，通常采用相机拍照来测量工件尺寸，在一般情况下，只能测量产品的平面尺寸，但是不能测量产品的高度和厚度，此时需要使用测距传感器来测量物体的高度或厚度，但在现有技术中，往往是直接通过移动测距传感器，以使得所述测距传感器的检测点照射到所述待测物体上进行测量，但该方法需要人眼观察来进行对准定位，对于微小的结构，无法确保检测点能够精准地落在所述待测点上，造成测量误差，此外，通过人工定位，检测效率低，成本高。
发明内容
本发明实施例提出了一种光谱共焦位移传感器定位装置及定位方法，可以精确地对光谱共焦位移传感器的检测点进行定位，以便将待测物体移动到所述检测点上实现待测物体高度或厚度的测量。
本发明实施例提供了一种光谱共焦位移传感器定位装置，包括：载物台、标定板、相机和处理器；所述标定板设置在载物台上，所述相机设置在所述标定板的上方，所述相机与所述处理器电连接，所述相机用于对投射了光斑的标定板进行拍摄，所述处理器用于对拍摄的图像进行处理以获取所述光谱共焦位移传感器的检测点在所述图像上的位置。
进一步地，所述标定板为棋盘格标定板。
进一步地，所述棋盘格标定板的尺寸为30×30cm，所述棋盘格标定板的格子的尺寸为2.5×2.5mm。
进一步地，所述相机为CCD相机。
与现有技术相比，本发明实施例所述光谱共焦位移传感器定位装置利用标定板，将所述光谱共焦位移传感器的光束投射到所述标定板的某一角点上，采用相机对投射了光斑的标定板进行拍摄，并将所拍摄的图像传输给所述处理器进行处理，以获取所述光谱共焦位移传感器的光束投射光斑在所述图像上的位置，对所述光谱共焦位移传感器的检测点进行定位，以便将待测物体移动到所述检测点上实现待测物体高度或厚度的测量
本发明实施例对应提供了一种定位方法，所述定位方法包括以下步骤：
使用光谱共焦位移传感器发射光束至所述标定板，以形成光斑，其中，所述光斑落在所述标定板的角点上；
通过相机对标定板进行拍摄，将拍摄的图像传输给处理器；
所述处理器对所述图像进行以下处理：
根据所述图像建立图像坐标系x0y和标定板坐标系x`0`y`，标出所述图像的中心点并获取所述图像中心点O的图像坐标O图(x0、y0)；
标记标定板上位于同一行的第一角点A和第二角点B，并获取所述第一角点A和第二角点B的图像坐标A图(x1、y1)、B图(x2、y2)；
根据所述第一角点A和第二角点B的图像坐标值A图(x1、y1)、B图(x2、y2)，计算所述标定板坐标系和所述图像坐标系的夹角α：
在标定板上标记一辅助角点C，与该辅助角点位于标记板的同一行上的第三角点D和与该辅助角点位于标记板的同一列上的第四角点E，并获取所述辅助角点C、第三角点D和第四角点E的图像坐标；
建立辅助角点C与第三角点D的连线CD在图像坐标系中的直线方程：a1x+b1y+c1＝0，a1、b1、c1为CD直线方程系数；
建立辅助角点C与第四角点E的连线CE在图像坐标系中的直线方程：a2x+b2y+c2＝0，a2、b2、c2为CE直线方程系数；
计算所述图像中心O到直线CD的距离L1，以及所述图像中心O到直线CE的距离L2；
根据所述标定板的格子的尺寸，分别获取所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F与直线CD和与直线CE的距离L3、L4；
计算所述图像中心点O与所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F之间的直线距离：
计算直线OF与所述标定板的x`轴的夹角：
根据标定板坐标系与图像坐标系夹角为α，获得直线OF与图像坐标系的x轴夹角β：
β＝θ+α
计算直线OF在所述图像坐标系x轴上和y轴上的投影t1和t2：
t1＝|OF|cosβ
t2＝|OF|sinβ
根据所述光斑所在角点F与所述图像中心点O的相对位置以及所述图像中心点的图像坐标O图(x0、y0)，计算所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F的图像坐标，即所述光谱共焦位移传感器的检测点的图像坐标。
进一步地，所述根据所述图像建立图像坐标系x0y和标定板坐标系x`0`y`，具体包括：
以所述图像的左下角为图像坐标系的原点0、所述图像的横边为图像坐标系的x轴、所述图像的竖边为所述图像坐标系的y轴建立图像坐标系x0y；
以位于所述图像中的标定板的左下角为标定板坐标系的原点0`、标定板的横边为标定板坐标系的x`轴、标定板的竖边为标定板坐标系的y`轴建立标定板坐标系x`0`y`。
进一步地，所述处理器上安装有图像处理软件，用以对所述图像进行处理，所述图像处理软件为OpenCV或Halcon。
进一步地，所述根据所述光斑所在角点F与所述图像中心点O的相对位置以及所述图像中心点的图像坐标O图(x0、y0)，计算所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F的图像坐标，具体包括：
以所述图像中心点为交叉点，分别作平行于所述图像坐标系的x轴和y轴的正交直线，将所述图像划分为四个区间，分别记为左上区间、左下区间、右上区间和右下区间；
当光斑所在角点F位于所述左上区间，则计算得到角点F的图像坐标为F左上(x0-t1、y0+t2)；
当光斑所在角点F位于所述左下区间，则计算得到角点F的图像坐标为F左下(x0-t1、y0-t2)；
当光斑所在角点F位于所述右上区间，则计算得到角点F的图像坐标为F右上(x0+t1、y0+t2)；
当光斑所在角点F位于所述右下区间，则计算得到角点F的图像坐标为F右下(x0+t1、y0-t2)。
与现有技术相比，本发明实施例所述光谱共焦位移传感器定位方法利用标定板，将所述光谱共焦位移传感器的光束投射到所述标定板的某一角点上，采用相机对投射了光斑的标定板进行拍摄，并将所拍摄的图像传输给所述处理器进行处理，以建立图像坐标系和标定板坐标系并获取辅助点，根据辅助点的图像坐标信息以及图像坐标系和标定板坐标系之间的夹角，计算得到所述光谱共焦位移传感器的光束投射光斑在所述图像上的位置，即可准确地对所述光谱共焦位移传感器的检测点进行定位，以便将待测物体移动到所述检测点上实现待测物体高度或厚度的测量。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的光谱共焦位移传感器定位装置的结构示意图。
图2是本发明第二实施例提供的光谱共焦位移传感器定位方法的流程图。
图3为本发明第二实施例所述的图像坐标系与标定板坐标系的结构示意图。
图4为本发明第二实施例所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点的图像坐标的计算原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1是本发明第一实施例提供的一种光谱共焦位移传感器定位装置，包括：载物台1、标定板2、相机3和处理器4；所述标定板2设置在载物台1上，所述相机3设置在所述标定板2的上方，所述相机3与所述处理器4电连接，所述相机3用于对投射了光斑的标定板2进行拍摄，所述处理器4用于对拍摄的图像进行处理以获取所述光谱共焦位移传感器I的检测点在所述图像上的位置。
在本实施例中，所述标定板2为棋盘格标定板，所述棋盘格标定板的尺寸为30×30cm，所述棋盘格标定板的格子的尺寸为2.5×2.5mm，所述相机3为CCD相机。
与现有技术相比，本发明实施例所述光谱共焦位移传感器定位装置利用标定板，将所述光谱共焦位移传感器的光束投射到所述标定板的某一角点上，采用相机对投射了光斑的标定板进行拍摄，并将所拍摄的图像传输给所述处理器进行处理，以获取所述光谱共焦位移传感器的光束投射光斑在所述图像上的位置，对所述光谱共焦位移传感器的检测点进行定位，以便将待测物体移动到所述检测点上实现待测物体高度或厚度的测量。
请参阅图2，为本发明第二实施提供的光谱共焦位移传感器定位方法的流程图，所述定位方法包括以下步骤：
S101、使用光谱共焦位移传感器发射光束至所述标定板，以形成光斑，其中，所述光斑落在所述标定板的角点上。
在本实施例中，所述光斑可落在所述所述标定板上的任一个角点上。
S102、通过相机对标定板进行拍摄，将拍摄的图像传输给处理器。
在本实施例中，所述处理器上安装在图像处理软件，用以对所述图像进行处理，所述图像处理软件为OpenCV或Halcon，但不限于此。
S103、所述处理器对所述图像进行处理，所述对所述图像进行处理包括以下步骤：
根据所述图像建立图像坐标系x0y和标定板坐标系x`0`y`，标出所述图像的中心点并获取所述图像中心点O的图像坐标O图(x0、y0)，如图3所示，为本发明实施例所述的图像坐标系与标定板坐标系的结构示意图。
在本实施例中，所述根据所述图像建立图像坐标系x0y和标定板坐标系x`0`y`，具体包括：
以所述图像的左下角为图像坐标系的原点0、所述图像的横边为图像坐标系的x轴、所述图像的竖边为所述图像坐标系的y轴建立图像坐标系x0y；
以位于所述图像中的标定板的左下角为标定板坐标系的原点0`、标定板的横边为标定板坐标系的x`轴、标定板的竖边为标定板坐标系的y`轴建立标定板坐标系x`0`y`。
在所述图像中，标记标定板上位于与所述标定板坐标系的x`轴平行的同一行上的第一角点A和第二角点B，并获取所述第一角点A和第二角点B的图像坐标A图(x1、y1)、B图(x2、y2)，根据所述第一角点A和第二角点B的图像坐标值A图(x1、y1)、B图(x2、y2)，计算所述标定板坐标系和所述图像坐标系的夹角α：
请参阅图4，为本发明第二实施例所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点的图像坐标的计算原理图。
在所述图像中，标记标定板上一辅助角点C，与该辅助角点位于标记板的同一行上的第三角点D和与该辅助角点位于标记板的同一列上的第四角点E，并获取所述辅助角点C、第三角点D和第四角点E的图像坐标；
建立辅助角点C与第三角点D的连线CD在图像坐标系中的直线方程l1：a1x+b1y+c1＝0，a1、b1、c1为CD直线方程系数；
建立辅助角点C与第四角点E的连线CE在图像坐标系中的直线方程l2：a2x+b2y+c2＝0，a2、b2、c2为CE直线方程系数。
根据所述图像中心O的图像坐标，以及连线CD的直线方程和连线CE的直线方程，计算所述图像中心O到直线CD的距离L1，以及所述图像中心O到直线CE的距离L2。
在本实施例中，所述图像中心点的图像坐标，连线CD的直线方程l1和连线CE的直线方程l2均为已知，即可求得所述图像中心O到直线CD的距离L1，以及所述图像中心O到直线CE的距离L2。
根据所述标定板的格子的尺寸，分别获取所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F与直线CD和与直线CE的距离L3、L4；
在本实施例中，所述标定板的格子的尺寸为2.5×2.5mm，也可选用其他规格尺寸的标定板定性标定，本发明对此不作具体的限定。
计算所述图像中心点O与所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F之间的直线距离：
计算直线OF与所述标定板的x`轴的夹角θ：
根据标定板坐标系x`0`y`与图像坐标系x0y的夹角α，获得直线OF与图像坐标系的x轴夹角β：
β＝θ+α
计算直线OF在所述图像坐标系x轴上和y轴上的投影t1和t2：
t1＝|OF|cosβ
t2＝|OF|sinβ
根据所述光斑所在角点F与所述图像中心点O的相对位置以及所述图像中心点的图像坐标O图(x0、y0)，计算所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F的图像坐标，即所述光谱共焦位移传感器的检测点的图像坐标。
在本实施例中，所述根据所述光斑所在角点F与所述图像中心点O的相对位置以及所述图像中心点的图像坐标O图(x0、y0)，计算所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F的图像坐标，具体包括：
以所述图像中心点为交叉点，分别作平行于所述图像坐标系的x轴和y轴的正交直线，将所述图像划分为四个区间，分别记为左上区间、左下区间、右上区间和右下区间，如图3所示，为本发明实施例所述左上区间a、左下区间b、右上区间c和右下区间d的分区结构示意图；
当光斑所在角点F位于所述左上区间a，则计算得到角点F的图像坐标为F左上(x0-t1、y0+t2)；
当光斑所在角点F位于所述左下区间b，则计算得到角点F的图像坐标为F左下(x0-t1、y0-t2)；
当光斑所在角点F位于所述右上区间c，则计算得到角点F的图像坐标为F右上(x0+t1、y0+t2)；
当光斑所在角点F位于所述右下区间d，则计算得到角点F的图像坐标为F右下(x0+t1、y0-t2)。
与现有技术相比，本发明实施例所述光谱共焦位移传感器定位方法利用标定板，将所述光谱共焦位移传感器的光束投射到所述标定板的某一角点上，采用相机对投射了光斑的标定板进行拍摄，并将所拍摄的图像传输给所述处理器进行处理，以建立图像坐标系和标定板坐标系并获取辅助点，根据辅助点的图像坐标信息以及图像坐标系和标定板坐标系之间的夹角，计算得到所述光谱共焦位移传感器的光束投射光斑在所述图像上的位置，即可准确地对所述光谱共焦位移传感器的检测点进行定位，以便将待测物体移动到所述检测点上实现待测物体高度或厚度的测量。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光谱共焦位移传感器定位装置，其特征在于，包括：载物台、标定板、相机和处理器；所述标定板设置在载物台上，所述相机设置在所述标定板的上方，所述相机与所述处理器电连接，所述相机用于对投射了光斑的标定板进行拍摄，所述处理器用于对拍摄的图像进行处理以获取所述光谱共焦位移传感器的检测点在所述图像上的位置。
2.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器定位装置，其特征在于：所述标定板为棋盘格标定板。
3.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感器定位装置，其特征在于：所述棋盘格标定板的尺寸为30×30cm，所述棋盘格标定板的格子的尺寸为2.5×2.5mm。
4.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器定位装置，其特征在于：所述相机为CCD相机。
5.一种定位方法，所述定位方法适用于权利要求1-3任一项所述的光谱共焦位移传感器定位装置，其特征在于，包括以下步骤：
使用光谱共焦位移传感器发射光束至所述标定板，以形成光斑，其中，所述光斑落在所述标定板的角点上；
通过相机对标定板进行拍摄，将拍摄的图像传输给处理器；
所述处理器对所述图像进行以下处理：
根据所述图像建立图像坐标系x0y和标定板坐标系x`0`y`，标出所述图像的中心点并获取所述图像中心点O的图像坐标O图(x0、y0)；
标记标定板上位于同一行的第一角点A和第二角点B，并获取所述第一角点A和第二角点B的图像坐标A图(x1、y1)、B图(x2、y2)；
根据所述第一角点A和第二角点B的图像坐标值A图(x1、y1)、B图(x2、y2)，计算所述标定板坐标系和所述图像坐标系的夹角α：
在标定板上标记一辅助角点C，与该辅助角点位于标记板的同一行上的第三角点D和与该辅助角点位于标记板的同一列上的第四角点E，并获取所述辅助角点C、第三角点D和第四角点E的图像坐标；
建立辅助角点C与第三角点D的连线CD在图像坐标系中的直线方程：a1x+b1y+c1＝0，a1、b1、c1为CD直线方程系数；
建立辅助角点C与第四角点E的连线CE在图像坐标系中的直线方程：a2x+b2y+c2＝0，a2、b2、c2为CE直线方程系数；
计算所述图像中心O到直线CD的距离L1，以及所述图像中心O到直线CE的距离L2；
根据所述标定板的格子的尺寸，分别获取所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F与直线CD和与直线CE的距离L3、L4；
计算所述图像中心点O与所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F之间的直线距离：
计算直线OF与所述标定板的x轴的夹角：
根据标定板坐标系与图像坐标系夹角为α，获得直线OF与图像坐标系的x轴夹角β：
β＝θ+α
计算直线OF在所述图像坐标系x轴上和y轴上的投影t1和t2：
t1＝|OF|cosβ
t2＝|OF|sinβ
根据所述光斑所在角点F与所述图像中心点O的相对位置以及所述图像中心点的图像坐标O图(x0、y0)，计算所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F的图像坐标，即所述光谱共焦位移传感器的检测点的图像坐标。
6.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于，所述根据所述图像建立图像坐标系和标定板坐标系，具体为：
以所述图像的左下角为图像坐标系的原点0、所述图像的横边为图像坐标系的x轴、所述图像的竖边为所述图像坐标系的y轴建立图像坐标系x0y；
以位于所述图像中的标定板的左下角为标定板坐标系的原点0`、标定板的横边为标定板坐标系的x`轴、标定板的竖边为标定板坐标系的y`轴建立标定板坐标系x`0`y`。
7.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于：所述处理器上安装有图像处理软件，用以对所述图像进行处理，所述图像处理软件为OpenCV或Halcon。
8.根据权利要求5所述的定位方法，其特征在于：所述根据所述光斑所在角点F与所述图像中心点O的相对位置以及所述图像中心点的图像坐标O图(x0、y0)，计算所述光谱共焦位移传感器的光斑所在角点F的图像坐标，具体包括：
以所述图像中心点为交叉点，分别作平行于所述图像坐标系的x轴和y轴的正交直线，将所述图像划分为四个区间，分别记为左上区间、左下区间、右上区间和右下区间；
当光斑所在角点F位于所述左上区间，则计算得到角点F的图像坐标为F左上(x0-t1、y0+t2)；
当光斑所在角点F位于所述左下区间，则计算得到角点F的图像坐标为F左下(x0-t1、y0-t2)；
当光斑所在角点F位于所述右上区间，则计算得到角点F的图像坐标为F右上(x0+t1、y0+t2)；
当光斑所在角点F位于所述右下区间，则计算得到角点F的图像坐标为F右下(x0+t1、y0-t2)。
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Denomination of invention: Positioning device and method of spectral confocal displacement sensor

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