CN110966953A - 物体表面轮廓的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种物体表面轮廓的检测方法，用于检测待测物体的待测面的表面轮廓，所述待测物体放置于一微位移平台上，所述待测面将由一激光光源组件产生多束激光反射至一成像组件，以在所述成像组件中形成光斑，所述方法包括：获取所述成像组件中的光斑位置；根据所述光斑位置以及经标定的拟合关系确定所述待测面的表面位置，所述拟合关系根据标准物体的表面位置和相应的光斑位置之间的关系确定；移动所述微位移平台获取所述待测面的多个表面位置；根据所述多个表面位置确定所述待测面的表面轮廓。

Description

物体表面轮廓的检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，尤其涉及一种物体表面轮廓的检测方法。

背景技术

物体表面轮廓精密测量在智能制造、自动化控制、和科学技术研究等领域有广泛的应用。在航空发动机领域，叶片的表面轮廓测量对整个航空发动机的检测至关重要。

常用的物体表面轮廓精密测量方法有三坐标测量。按照测量方式的不同，三坐标测量一般可以分为两种类型。一类为接触式测量，适用于截面尺寸、空间交点及圆柱、圆锥、台阶、孔距、精确分度等对象，它具有采集精度高、方法稳定的优点，但采集速度慢，测量头容易磨损，对薄壁件测量误差大，且不能扫描柔性物体。另一类为非接触式测量，它以大量细小的孔或槽为对象，或者以易划伤、薄壁、弹性变形大的非金属材料工件为对象，整个测量过程是非接触的，不存在机械力交互作用，但是，现有基于光学方法的三维轮廓测量装置测量系统误差较大。

激光测量目前是一种比较重要的非接触式位置测量，以激光为介质进行距离的测量。激光不易散射，在铺设光学透镜时，对材料的需求较小。激光亮度高，在测量中，尤其是需要对激光光斑进行拍摄采集时，不易被背景光照影响，利于图像中目标和背景的分离。由于激光具有不易散射、高亮度等优点，因此在距离的测量中更有效率。

然而现有的物体表面轮廓的激光测量虽然扫描和成像速度较快，但是在后期图像处理过程中，由于物体表面轮廓复杂，需要进行大量的运算才能获得物体的表面轮廓，运算量大，处理效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供物体表面轮廓的检测方法，以降低图像处理的运算量，提高处理效率。

为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种物体表面轮廓的检测方法，用于检测待测物体的待测面的表面轮廓，所述待测物体放置于一微位移平台上，所述待测面将由一激光光源组件产生多束激光反射至一成像组件，以在所述成像组件中形成光斑，所述方法包括：获取所述成像组件中的光斑位置；根据所述光斑位置以及经标定的拟合关系确定所述待测面的表面位置，所述拟合关系根据标准物体的表面位置和相应的光斑位置之间的关系确定；移动所述微位移平台获取所述待测面的多个表面位置；根据所述多个表面位置确定所述待测面的表面轮廓。

在本发明的一实施例中，所述光斑位置为光斑与基准面光斑之间的距离，所述表面位置为所述待测面与基准面之间的距离，所述基准面光斑与所述基准面相关联。

在本发明的一实施例中，所述光斑位置为光斑的质心与基准面光斑的质心之间的距离。

在本发明的一实施例中，通过激光干涉仪测量所述标准物体的表面位置。

在本发明的一实施例中，所述经标定的拟合关系为：

y＝1/(a/x±b)

其中，y表示表面位置，x表示光斑位置，a和b表示拟合因子。

在本发明的一实施例中，所述经标定的拟合关系为分段直线式拟合。

在本发明的一实施例中，移动所述微位移平台获取所述待测面的多个表面位置包括：沿第一方向移动所述微位移平台至所述待测物体的端部之后沿第二方向移动所述微位移平台，所述第二方向垂直于所述第一方向。

在本发明的一实施例中，所述激光光源组件包括激光器、聚焦透镜和衍射光栅；所述激光器产生激光；所述聚焦透镜聚焦所述激光；所述衍射光栅将正在聚焦的激光分成多束。

在本发明的一实施例中，所述激光的波长为532nm。

在本发明的一实施例中，所述成像组件包括图像传感器，所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器。

本发明的另一方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其中当计算机指令被处理器执行时，执行如上所述的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明提供了一种物体表面轮廓的检测方法，预先采用标准面的表面位置和相应的光斑位置确定二者之间的拟合关系，在检测待测物体的表面轮廓时，根据该拟合关系和光斑位置可以直接得到待测物体待测面的表面位置，由于拟合关系是提前确定的，以前可以大大降低图像处理过程中的运算量，显著提高运算速度。此外，采用了多光束激光作为检测光，增加了单次扫描的范围，可以进一步提高扫描速度。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是根据本发明的一实施例的一种物体表面轮廓的检测装置的示意图。

图2是根据本发明的一实施例的一种物体表面轮廓的检测方法的流程图

图3是根据本发明的一实施例的一种确定拟合关系的方法的流程图

图4是根据本发明的一实施例的一种物体表面轮廓的检测装置的光路图。

图5是根据本发明的一实施例的一种物体表面轮廓的检测方法绘制的茶杯底座图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。

应当理解，当一个元件被称为“在另一个元件上”、“连接到另一个元件”、“耦合于另一个元件”或“接触另一个元件”时，它可以直接在该另一个元件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个元件，或者可以存在插入元件。相比之下，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个元件时，不存在插入元件。同样的，当第一个元件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个元件，在该第一元件和该第二元件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它元件，甚至在导电元件之间没有直接接触。

考虑参照附图的下列详细说明，本发明的这些和其它特征和特点、结构的有关元件的操作方法和功能，以及部件的结合和制造的经济性将变得更加显而易见，并且所有这些都作为本发明的一部分。然而，应当清楚地理解的是，附图仅仅用于说明和描述目的，而并非意在限制本发明的范围。应当理解，所有附图不是按比例绘制的。

本发明的实施例描述一种物体表面轮廓的检测方法，该方法可用于检测待测物体的待测面的表面轮廓。

图1是本发明一实施例的一种物体表面轮廓的检测装置的结构图。参考图1所示，该检测装置包括激光光源组件10、成像组件20和微位移平台30。激光光源组件10包括激光器11、聚焦透镜12和衍射光栅13。激光器11产生激光，聚焦透镜12聚焦激光，衍射光栅13将正在聚焦的激光分成多束。在本发明的一实施例中，激光的波长可以是532nm。成像组件20包括图像传感器21。图像传感器21可以是电荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)传感器或互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)传感器。待测物体40放置于微位移平台30上，待测物体40的待测面41将激光光源组件10产生的多束激光反射至成像组件20，并在成像组件20中形成光斑。

图2是一种物体表面轮廓的检测方法的流程图。图2所示的一种物体表面轮廓的检测方法可以在图1所示的检测装置上实施。下面参考图1和图2对本发明的一种物体表面轮廓的检测方法进行说明。

步骤110，获取成像组件中的光斑位置。

在步骤110中，待测物体40被放置于微位移平台30上，该待测物体40的待测面41将激光光源组件10产生的多束激光反射至成像组件20，并在成像组件20中形成光斑。选定一基准面，并根据选定的基准面来确定光斑与基准面光斑之间的距离，进而得到成像组件20中的光斑位置x。光斑位置x可以为光斑的质心与基准面光斑的质心之间的距离。

步骤120，根据光斑位置以及经标定的拟合关系确定待测面的表面位置。

在步骤120，根据该光斑位置x以及经标定的拟合关系确定待测面41的表面位置y，该表面位置y为待测面41与基准面之间的距离。这里的基准面光斑与该基准面相关联。而上述拟合关系是根据标准物体的表面位置Y和相应的光斑位置X之间的关系确定的。拟合关系的确定方法将在下文详述。

步骤130，移动微位移平台获取待测面的多个表面位置。

在步骤130，移动微位移平台30，放置在微位移平台30上的待测物体40跟随微位移平台一起移动，该待测物体40的待测面41将激光光源组件10产生的多束激光反射至成像组件20，并在成像组件20中形成光斑，根据选定的基准面来确定每个光斑与基准面光斑之间的距离，进而得到成像组件20中的多个光斑位置x。根据该多个光斑位置x以及经标定的拟合关系可以获取待测面41的多个表面位置y。

步骤140，根据多个表面位置确定待测面的表面轮廓。

在步骤140，根据所获取的待测面41的多个表面位置y，确定待测物体40的待测面41的表面轮廓。

在本发明的一实施例中，移动微位移平台30按照第一方向和第二方向分别进行移动。该第一方向垂直于该第二方向。将微位移平台30沿第一方向移动，微位移平台30上的待测物体40的待测面41将激光光源组件10产生的多束激光反射至成像组件20，并在成像组件20中形成光斑，根据选定的基准面来确定每个光斑与基准面光斑之间的距离，进而得到成像组件20中的多个光斑位置x。沿第一方向移动微位移平台30至待测物体40的端部之后，沿第二方向移动该微位移平台30，待测物体40沿第二方向移动一定距离后，再次沿第一方向移动微位移平台30至待测物体40的端部。重复上述过程，得到成像组件20中的多个光斑位置x。根据该多个光斑位置x以及经标定的拟合关系可以获取待测面41的多个表面位置y，进而确定待测物体40的待测面41的表面轮廓，以实现对物体表面轮廓的检测。

本发明提供了一种物体表面轮廓的检测方法，预先采用标准面的表面位置和相应的光斑位置确定二者之间的拟合关系，在检测待测物体的表面轮廓时，根据该拟合关系和光斑位置可以直接得到待测物体待测面的表面位置，由于拟合关系是提前确定的，以前可以大大降低图像处理过程中的运算量，显著提高运算速度。此外，采用了多光束激光作为检测光，增加了单次扫描的范围，可以进一步提高扫描速度。

图3是确定拟合关系的方法的流程图。确定拟合关系的方法包括：

步骤210：测量标准物体的表面与基准面之间的距离Y。

选定一标准物体，放置在微位移平台30上。标准物体的表面与基准面之间的距离Y以通过激光干涉仪获得。使用激光干涉仪获取多个标准物体的表面与基准面之间的距离Y。

步骤220：获取光斑与基准面光斑之间的距离X。

移动微位移平台30，该标准物体将跟随微位移平台30一起移动，标准物体的待测面将激光光源组件10产生的多束激光反射至成像组件20，并在成像组件20中形成光斑，根据选定的基准面来获取每个光斑与基准面光斑之间的距离X。每个光斑与基准面光斑之间的距离X与标准物体的表面与基准面之间的距离Y相对应。

步骤230：根据多个X和Y进行拟合。

根据多个X和Y进行拟合，得出经标定的拟合关系。

图4示出了根据本发明的一实施例的物体表面轮廓的检测装置的光路原理图。参考图4所示，根据几何光学原理，可以得出：

式中y为表面位置，x为光斑位置，l₁为成像组件20到基准面光斑的距离，f为成像组件20的焦距，α为多光束激光的反射光与待测物体40表面法线所成的夹角，β为多光束激光的反射光与成像组件20所成的夹角，γ为多光束激光的入射光与待测物体40表面法线所成的夹角。当系统组件固定、基准面选定后，上述公式中的系数l₁，f，α，β，γ均为定量，可将拟合关系简化为：

其中，y为表面位置，x为光斑位置，a和b为拟合因子。

在本发明的较佳实施例中，为提高测量精度，可以对每个光斑位置x进行分段标定，从而得出每个光斑位置x与表面位置y的关系式。对应的，这种物体表面轮廓的检测方法中经标定的拟合关系为分段直线式拟合。

图5是根据本发明的一实施例的一种物体表面轮廓的检测方法绘制的茶杯底座图。在成像组件20的视场内放置一个待测物体——茶杯，对茶杯杯底进行表面轮廓检测。将茶杯放置在微位移平台上30上，

将激光光源组件10产生的多束激光聚焦在茶杯的杯底上，茶杯杯底将激光光源组件10产生的多束激光反射至成像组件20，并在成像组件20中形成光斑，根据选定的基准面来确定每个光斑与基准面光斑之间的距离，进而得到成像组件20中的多个光斑位置x。沿第一方向移动微位移平台30至茶杯杯底的端部之后，沿第二方向移动该微位移平台30，茶杯杯底沿第二方向移动一定距离后，再次沿第一方向移动微位移平台30至茶杯杯底的端部。其中，该第二方向垂直于该第一方向。重复上述过程，得到成像组件20中的多个光斑位置x。根据该多个光斑位置x以及经标定的拟合关系可以获茶杯杯底的多个表面位置y，进而确定茶杯杯底的待测面41的表面轮廓，以实现对茶杯杯底表面轮廓的检测。本实施例中选取的基准面在茶杯底座之前，所以绘制图像时的距离均为茶杯底座到基准面之间的距离，距离均为负值，最终所得到的茶杯杯底表面轮廓图像如图5所示。

本发明提供了一种物体表面轮廓的检测方法，预先采用标准面的表面位置和相应的光斑位置确定二者之间的拟合关系，在检测待测物体的表面轮廓时，根据该拟合关系和光斑位置可以直接得到待测物体待测面的表面位置，由于拟合关系是提前确定的，以前可以大大降低图像处理过程中的运算量，显著提高运算速度。此外，采用了多光束激光作为检测光，增加了单次扫描的范围，可以进一步提高扫描速度。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。本领域技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (11)

1.一种物体表面轮廓的检测方法，用于检测待测物体的待测面的表面轮廓，所述待测物体放置于一微位移平台上，所述待测面将由一激光光源组件产生多束激光反射至一成像组件，以在所述成像组件中形成光斑，所述方法包括：

获取所述成像组件中的光斑位置；

根据所述光斑位置以及经标定的拟合关系确定所述待测面的表面位置，所述拟合关系根据标准物体的表面位置和相应的光斑位置之间的关系确定；

移动所述微位移平台获取所述待测面的多个表面位置；

根据所述多个表面位置确定所述待测面的表面轮廓。

2.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述光斑位置为光斑与基准面光斑之间的距离，所述表面位置为所述待测面与基准面之间的距离，所述基准面光斑与所述基准面相关联。

3.根据权利要求2所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述光斑位置为光斑的质心与基准面光斑的质心之间的距离。

4.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，通过激光干涉仪测量所述标准物体的表面位置。

5.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述经标定的拟合关系为：

其中，y表示表面位置，x表示光斑位置，a和b表示拟合因子。

6.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述经标定的拟合关系为分段直线式拟合。

7.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，移动所述微位移平台获取所述待测面的多个表面位置包括：沿第一方向移动所述微位移平台至所述待测物体的端部之后沿第二方向移动所述微位移平台，所述第二方向垂直于所述第一方向。

8.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述激光光源组件包括激光器、聚焦透镜和衍射光栅；所述激光器产生激光；所述聚焦透镜聚焦所述激光；所述衍射光栅将正在聚焦的激光分成多束。

9.根据权利要求8所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述激光的波长为532nm。

10.根据权利要求1所述的物体表面轮廓的检测方法，其特征在于，所述成像组件包括图像传感器，所述图像传感器为CCD传感器或CMOS传感器。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其中当计算机指令被处理器执行时，执行如权利要求1-10任一项所述的方法。

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