CN109827511B - 激光测厚对射光斑自动检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光测厚对射光斑自动检测装置和方法，在C型扫描机构上下各安装1个激光传感器之外，还在上述位置旁边各安装1个CCD相机，利用相机可视范围广的特点，通过视觉获取和图像处理的方法，通过对光斑位置的计算，自动分析和判别上下激光传感器位置，得到图像中像素与实际位移距离间数学关系，从而调节下激光传感器所在的横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维平台机构，实现上下激光光斑的对准。该方法减少人工视觉检测的误差和不科学性，具有精度高、测量快的特点。

Description

激光测厚对射光斑自动检测装置及方法

技术领域

本发明属于激光检测领域，更具体的涉及一种激光测厚对射光斑自动检测装置及方法。

背景技术

传统超薄材料厚度的测量采用诸如人工测量、射线射法和超声波测量而薄膜表面缺陷检测常采用人工视目检测。由于激光传感器和CCD相机传感器属于非接触性测量、体积小，便于集成，对安装环境要求低，不需要安全保护措施，测量精度高且可以在线实时测量，已经成为薄膜厚度和表面缺陷检测的主流。

光机电在线测控教学创新实验平台(CN201510119861)，在C型扫描机构上下各安装1个激光传感器，上方固定，下方可以三个维度调节激光传感器位置。采用差分法测量被测物厚度的不足在于，需要人工目视观察上下激光传感器是否对准，具体方法是在被测平台放置一张较薄的白纸观察两个光斑是否大小一致，并能重合。如果不能重合则通过控制下方三维调节机构实现上下激光传感器光斑的对齐。

发明内容

1、发明目的。

本发明为了提高激光传感器测厚的精度，提出了一种激光测厚对射光斑自动检测装置及方法。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明公开了一种激光测厚对射光斑自动检测装置，包括C型扫描机构上下端各安装CCD相机和激光传感器1个，数据线均连接至外部，C型扫描机构下方为滑块、丝杠，联轴器和电机，横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维调节机构，检测平台位于C型扫描机构上下激光传感器之间；

成像图与下激光传感器位移的标定：调节激光传感器、CCD相机并得到上下激光传感器光斑，保证此时光斑大小一致且不失真；激光传感器下方多维调节机构在横向或纵向移动，得到光斑实际移动固定距离，将上下CCD相机所拍摄成像图进行合并，观察图像，此时计算得到对应软件中光斑像素移动的距离以及光斑的面积，即得到像素距离与实际位移距离之间的关系，完成标定。

自动判断，调整下激光传感器多维调节机构：

1)如果光斑一致，则不需调节下激光传感器所在多维调节机构装置。

2)如果光斑不一致，则采集图像：

a)计算光斑的面积，若该面积小于或等于上述得到标定时光斑面积的2倍，则认为下激光传感器未发生倾斜，即在横向或纵向产生位移；

b)根据上述光斑不一致时得到的光斑面积，采用数字图像处理算法可以计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

c)通过上述得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

d)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像光斑重叠；

3)如果光斑变形为非圆形，则：

a)计算光斑的面积，若该面积大于步骤4.1得到标定时光斑的面积的2倍，则认为下激光传感器发生倾斜；

b)观察软件中图像，手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在倾斜方向的角度，使得光斑不重叠；

c)根据上述步骤得到的光斑面积，采用数字图像处理算法可以计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

d)通过步骤上述得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

e)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像光斑重叠。

本发明提出了一种激光测厚对射光斑自动检测方法，包括：

步骤1：搭建激光测厚和CCD相机C型扫描机构装置，C型扫描机构上下端各安装CCD相机和激光传感器1个，数据线(4)均连接至外部，C型扫描机构下方为滑块、丝杠，联轴器和电机，横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维调节机构，检测平台位于C型扫描机构上下激光传感器之间；

步骤2：激光传感器在不同位置时的检测分析

步骤2.1激光传感器在不同位置时的状态

如果上下激光传感器光斑对准，此时上下CCD相机可视成像范围内检测到一个光斑，判断光斑位置对准；

如果上下激光传感器光斑未对准，且下激光传感器倾斜照射在被测物下方，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到光斑，判断光斑位置未对准。

如果上下激光传感器光斑未对准，且下激光传感器与上激光传感器水平方向有位移，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到两个光斑，判断光斑位置未对准；

如果上下激光传感器光斑未对准，且上激光传感器有倾斜，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到光斑，判断光斑位置未对准。

步骤2.2CCD相机倾斜时的检测状态

CCD相机由于成像范围大，如果上下没有对准且在横向和纵向距离不大或者倾斜角度不大时，均不影响激光传感器光斑的视觉成像及精度；

步骤3：激光传感器在不同位置时CCD相机成像；

步骤4：激光传感器光斑分析

步骤4.1成像图与下激光传感器位移的标定

调节激光传感器、CCD相机并得到上下激光传感器光斑，保证此时光斑大小一致且不失真。激光传感器下方多维调节机构在横向或纵向移动，得到光斑实际移动固定距离。在计算机软件中，将上下CCD相机所拍摄成像图进行合并，观察图像，此时计算得到对应软件中光斑像素移动的距离以及光斑的面积，即得到像素距离与实际位移距离之间的关系，完成标定。

步骤4.2计算机软件自动判断，手工调整下激光传感器多维调节机构

1)如果光斑重叠，则不需调节下激光传感器所在多维调节机构装置。

2)如果光斑不重叠，计算机软件采集图像，

a)计算光斑的面积，若该面积小于或等于步骤4.1得到标定时光斑面积的2倍，则认为下激光传感器未发生倾斜，即在横向或纵向产生位移；

b)根据步骤4.1得到的光斑面积，采用数字图像处理算法可以计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

c)通过步骤4.1得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

d)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动；

3)如果光斑变形，则：

a)计算光斑的面积，若该面积大于步骤4.1得到标定时光斑的面积的2倍，则认为下激光传感器发生倾斜；

b)观察软件中图像，手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在倾斜方向的角度，使得光斑不重叠。

c)根据步骤4.1得到的光斑面积，采用数字图像处理算法可以计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

d)通过步骤4.1得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

e)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像光斑重叠。

3、本发明所产生的技术效果。

(1)本发明在C型扫描机构上下各安装1个激光传感器之外，还在上述位置旁边各安装1个CCD相机，利用相机可视范围广的特点，通过视觉获取和图像处理的方法，通过对光斑位置的计算，自动分析和判别上下激光传感器位置，得到图像中像素与实际位移距离间数学关系，从而调节下激光传感器所在的横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维平台机构，实现上下激光光斑的对准。该方法减少人工视觉检测的误差和不科学性，具有精度高、测量快的特点。

(2)本发明常规检测方法或者在被测平台放置一张较薄的白纸人工目视观察两个光斑，判断上下激光传感器是否对准。本发明采用激光测厚对射光斑检测校对装置，实现一种精度较高的检测方法。该方法通过计算机软件观察图像并且通过数字图像处理算法自动分析光斑未对准原因，通过计算得到图像像素与实际位移间关系，手动调节多维平台，最终实现准确对对齐。该方法图像清晰、自动化程度高、不存在视觉误差，检测效果更好。

附图说明

图1为本发明的结构图。

图2为本发明上下激光传感器光斑对准，则光束示意图。

图3为本发明上下激光传感器光斑未对准，则光束示意图。

图4为下激光传感器与上激光传感器水平方向有位移，光束示意图。

图5为上激光传感器有倾斜，光束示意图。

图6为C型扫描机构倾斜示意图。

图7为激光传感器在不同位置时成像图。

具体实施方式

本发明提供一种激光测厚对射光斑检测校对装置和方法。包括如下步骤：

步骤1：搭建激光测厚和CCD相机C型扫描机构装置

C型扫描机构1上下端各安装CCD相机2和激光传感器31个，数据线4均连接至外部，C型扫描机构下方为滑块5、丝杠6，联轴器7和电机8，横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维调节机构9，检测平台10位于C型扫描机构上下激光传感器之间。

步骤2：激光传感器在不同位置时的检测分析

步骤2.1激光传感器在不同位置时的状态

如果上下激光传感器光斑对准，则光束11如图2所示，此时上下CCD相机可视成像范围12内检测到一个光斑，判断光斑位置对准。

如果上下激光传感器光斑未对准，且下激光传感器倾斜照射在被测物下方，如图3所示，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到光斑，判断光斑位置未对准。

如果上下激光传感器光斑未对准，且下激光传感器与上激光传感器水平方向有位移，如图4所示，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到两个光斑，判断光斑位置未对准。

如果上下激光传感器光斑未对准，且上激光传感器有倾斜，如图5所示，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到光斑，判断光斑位置未对准。

步骤2.2CCD相机倾斜时的检测状态

CCD相机由于成像范围大，如果上下没有对准且在横向和纵向距离不大或者倾斜角度不大时，均不影响激光传感器光斑的视觉成像及精度。

步骤3：激光传感器在不同位置时CCD相机成像

图7(a)中为上下激光传感器完全对准时CCD相机的成像图。图7(b)中为上下激光传感器在横向或纵向未对准且未倾斜时CCD相机的成像图。图7(c)中为上下激光传感器在C型扫描机构横向或纵向完全错开且未倾斜时CCD相机的成像图。图7(d)中为上下激光传感器在横向或纵向倾斜时CCD相机的成像图。

步骤4：激光传感器光斑分析

步骤4.1成像图与下激光传感器位移的标定

调节激光传感器、CCD相机并得到上下激光传感器光斑，保证此时光斑大小一致且不失真。如图7(a)-(c)下激光传感器下方多维调节机构在横向或纵向移动，得到光斑实际移动固定距离。在计算机软件中，将上下CCD相机所拍摄成像图进行合并，观察图像，此时计算得到对应软件中光斑像素移动的距离以及光斑的面积，即得到像素距离与实际位移距离之间的关系，完成标定。

步骤4.2计算机软件自动判断，手工调整下激光传感器多维调节机构

1)如果如图7(a)所示，则不需调节下激光传感器所在多维调节机构装置。

2)如果如图7(b)(c)所示，计算机软件采集图像，

a)计算光斑的面积，若该面积小于或等于步骤4.1得到标定时光斑面积的2倍，则认为下激光传感器未发生倾斜，即在横向或纵向产生位移；

b)根据步骤4.1得到的光斑面积，采用数字图像处理算法可以计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

c)通过步骤4.1得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

d)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像如图7(a)。

3)如果如图7(d)所示，计算机软件

a)计算光斑的面积，若该面积大于步骤4.1得到标定时光斑的面积的2倍，则认为下激光传感器发生倾斜；

b)观察软件中图像，手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在倾斜方向的角度，使得如图7(b)(c)所示。

c)根据步骤4.1得到的光斑面积，采用数字图像处理算法可以计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

d)通过步骤4.1得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

e)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像如图7(a)。

Claims (2)

1.一种激光测厚对射光斑自动检测装置，其特征在于包括C型扫描机构（1）上下端各安装CCD相机（2）和激光传感器（3）1个，数据线（4）均连接至外部，C型扫描机构下方为滑块（5）、丝杠（6），联轴器（7）和电机（8），横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维调节机构（9），检测平台（10）位于C型扫描机构上下激光传感器之间；

成像图与下激光传感器位移的标定：调节激光传感器、CCD相机并得到上下激光传感器光斑，保证此时光斑大小一致且不失真；激光传感器下方多维调节机构在横向或纵向移动，得到光斑实际移动固定距离，将上下CCD相机所拍摄成像图进行合并，观察图像，此时计算得到对应软件中光斑像素移动的距离以及光斑的面积，即得到像素距离与实际位移距离之间的关系，完成标定；

自动判断，调整下激光传感器多维调节机构：

1）如果光斑一致，则不需调节下激光传感器所在多维调节机构装置；

2）如果光斑不一致，则采集图像：

a)计算光斑的面积，若该面积小于或等于上述得到标定时光斑面积的2倍，则认为下激光传感器未发生倾斜，即在横向或纵向产生位移；

b)根据上述成像图与下激光传感器位移的标定步骤得到的光斑面积，采用数字图像处理算法计算左侧圆心与右侧圆心间像素距离；

c)通过上述得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

d)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像光斑重叠；

3）如果光斑变形为非圆形，则：

a)计算光斑的面积，若该面积大于标定时光斑的面积的2倍，则认为下激光传感器发生倾斜；

b)观察软件中图像，手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在倾斜方向的角度，使得光斑不重叠；

c)根据上述成像图与下激光传感器位移的标定步骤得到的光斑面积，采用数字图像处理算法计算左侧圆心与右侧圆心间像素距离；

d)通过上述步骤得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

e)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像光斑重叠。

2.一种激光测厚对射光斑自动检测方法，其特征在于包括：

步骤1：搭建激光测厚和CCD相机C型扫描机构装置，C型扫描机构（1）上下端各安装CCD相机（2）和激光传感器（3）1个，数据线（4）均连接至外部，C型扫描机构下方为滑块（5）、丝杠（6），联轴器（7）和电机（8），横向、纵向、垂直和垂直旋转的多维调节机构（9），检测平台（10）位于C型扫描机构上下激光传感器之间；

步骤2：激光传感器在不同位置时的检测分析

步骤2.1 激光传感器在不同位置时的状态

如果上下激光传感器光斑对准，此时上下CCD相机可视成像范围（12）内检测到一个光斑，判断光斑位置对准；

如果上下激光传感器光斑未对准，且下激光传感器倾斜照射在被测物下方，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到非圆形光斑，判断光斑位置未对准；

如果上下激光传感器光斑未对准，且下激光传感器与上激光传感器水平方向有位移，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到两个光斑，判断光斑位置未对准；

如果上下激光传感器光斑未对准，且上激光传感器有倾斜，此时上下CCD相机可视成像范围内可以检测到非圆形光斑，判断光斑位置未对准；

步骤2.2 CCD相机倾斜时的检测状态

CCD相机由于成像范围大，如果上下没有对准且在横向和纵向距离不大或者倾斜角度不大时，均不影响激光传感器光斑的视觉成像及精度；

步骤3：激光传感器在不同位置时CCD相机成像；

步骤4：激光传感器光斑分析

步骤4.1 成像图与下激光传感器位移的标定

调节激光传感器、CCD相机并得到上下激光传感器光斑，保证此时光斑大小一致且不失真；激光传感器下方多维调节机构在横向或纵向移动，得到光斑实际移动固定距离；在计算机软件中，将上下CCD相机所拍摄成像图进行合并，观察图像，此时计算得到对应软件中光斑像素移动的距离以及光斑的面积，即得到像素距离与实际位移距离之间的关系，完成标定；

步骤4.2 计算机软件自动判断，手工调整下激光传感器多维调节机构

1）如果光斑重叠，则不需调节下激光传感器所在多维调节机构装置；

2）如果光斑不重叠，计算机软件采集图像，

a)计算光斑的面积，若该面积小于或等于步骤4.1得到标定时光斑面积的2倍，则认为下激光传感器未发生倾斜，即在横向或纵向产生位移；

b)根据步骤4.1得到的光斑面积，采用数字图像处理算法计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

c)通过步骤4.1得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

d)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动；

3）如果光斑变形，则：

a)计算光斑的面积，若该面积大于步骤4.1得到标定时光斑的面积的2倍，则认为下激光传感器发生倾斜；

b)观察软件中图像，手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在倾斜方向的角度，使得光斑不重叠；

c)根据步骤4.1得到的光斑面积，采用数字图像处理算法计算左图圆心与右图圆心间像素距离；

d)通过步骤4.1得到的像素距离与实际位移距离之间的关系，计算出此时下激光传感器移动方向和移动距离值；

e)根据软件计算结果手动调节下激光传感器所在多维调节机构装置在横向或纵向移动，使得调整后图像光斑重叠。

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