CN111947594A - 一种双波长激光三维形貌扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双波长激光三维形貌扫描装置及方法，涉及光学三维测量技术领域，装置包括激光测量单元、平移机构和控制系统，所述控制系统与所述激光测量单元以及所述平移机构电连接；所述平移机构上用于放置待测物体，所述平移机构用于带动所述待测物体移动；所述激光测量单元包括双波长激光发射器和成像装置，所述双波长激光发射器用于发射对称布置的且波长不同的两束激光，所述成像装置用于采集图像，并将图像数据传递给所述控制系统。本发明通过采用双波长、双激光测量光路，对平移机构带动下的待测物体进行表面形貌测量，从而使得光束能够全方位照射到待测物体表面，进而获得物体表面的三维结构信息。

Description

一种双波长激光三维形貌扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及光学三维测量技术领域，特别是涉及一种双波长激光三维形貌扫描装置及方法。

背景技术

激光三角测量法主要是通过将激光线以一定的角度投射到待测物体表面，激光在待测物体表面发生反射和散射，在另一个角度利用透镜对反射的激光线汇聚成像，并将得到的激光线条纹记录在图像传感器上。当待测物体沿激光方向发生移动时，位置传感器上的激光条纹将产生移动，其位移大小对应待测物体表面相对于参考平面的移动距离，因此可通过算法设计，由激光条纹上个点的位移距离计算出待测物体与参考平面的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形，对激光条纹位移的计算运用了几何三角定理，因此该类测量法被称为激光三角测量。

激光三角测量的本质是通过分析受到三维物体表面形貌调制的激光条纹信息，从而获得物体表面或其内部的三维几何信息。激光三角测量法作为典型的非接触光学主动三维形貌测量技术，其所使用的光路设备简单、测量速度快、实时处理能力强、使用灵活、适应面广，广泛应用于三维形貌测量、逆向工程、质量检测和机器视觉等诸多领域。

随着各应用领域的迅速发展，对三维物体形貌进行快速精密测量的需求日益增加。从工业应用情况来看，利用漫反射光接收的三角测量法是使用最为广泛的非接触测量手段。但常规激光三角测量法在测量过程存在盲区,因此需要采取一些措施实现对整个物体的形貌测导，常见的措施包括:光束扫描、物体位移以及光束扫描与物体位移结介等方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种双波长激光三维形貌扫描装置及方法，以解决现有技术中所存在的上述问题，通过采用双波长、双激光测量光路，对平移机构带动下的待测物体进行表面形貌测量，从而使得光束能够全方位照射到待测物体表面，进而获得物体表面的三维结构信息。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种双波长激光三维形貌扫描装置，包括激光测量单元、平移机构和控制系统，所述控制系统与所述激光测量单元以及所述平移机构电连接；所述平移机构上用于放置待测物体，所述平移机构用于带动所述待测物体移动；所述激光测量单元包括双波长激光发射器和成像装置，所述双波长激光发射器用于发射对称布置的且波长不同的两束激光，所述成像装置用于采集图像，并将图像数据传递给所述控制系统。

优选的，所述双波长激光发射器包括两个线激光器，两个所述线激光器对称设置于所述成像装置的两侧，分别从对称角度发射波长不同的线激光；两个所述线激光器发射的线激光相交。

优选的，所述线激光器为半导体线激光器，两个所述半导体线激光器发射的线激光分别为红色线激光和绿色线激光。

优选的，所述成像装置为彩色相机，用于分辨两个所述线激光器发射的线激光的颜色，通过图像分析给出不同分量。

优选的，所述双波长激光发射器和所述成像装置集成于一体。

优选的，所述控制系统为计算机，所述计算机接受来自所述成像装置的图像数据以及来自所述平移机构的运动速度数据；所述计算机对所述双波长激光发射器投射的激光条纹信息进行处理，并获取待测物体表面的高度信息。

优选的，所述平移机构为电动位移台。

本发明还公开一种双波长激光三维形貌扫描方法，包括以下步骤：

步骤一：将激光测量单元安装在平移机构上方，待测物体放置于平移机构上，调整激光测量单元的姿态；

步骤二：控制系统控制平移机构开始运动，给激光测量单元通电，使激光测量单元处于工作状态；平移机构带动待测物体平移，从而扫描待测物体的各个方位，形成一个扫描面，在此期间，成像装置实时采集图像；

步骤三：控制系统接收到成像装置的图像数据，从平移机构接收平移机构的速度数据，根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

优选的，所述步骤一中，激光测量单元的成像装置的光轴与平移机构的运动方向垂直，激光测量单元的高度根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明彩色相机竖直向下(上)对待测物体表面进行成像，双波长激光发射器中的两个线激光器在彩色相机两侧以一定的角度向待测物体表面发射两种不同波长的激光线；其中，两个线激光器关于彩色相机轴线进行对称布置，第一线激光器发射波长为λ₁的激光线，激光线达到待测物体表面，经反射后被彩色相机记录，得到一条激光条纹；同理，第二线激光器同步发射波长λ₂的激光线，并被相机记录。

本发明两种不同波长的线激光器从对称的角度对被测表面上的同一条曲线进行测量，形成的光路具有双波长、双光路的特性，这样的设计不仅可以在一次扫描测量中有效地消除硬边凸起和凹陷导致的测量盲区，还有利于提高测量精度和噪声鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明计算原理示意图；

图2为双波长双光路的示意图；

图3为双波长双光路在检测具有硬凸起的表面时的示意图；

图4为双波长双光路在检测凹陷的表面时的示意图；

图5为装置结构示意图；

图中，1为彩色相机，2为第一线激光器，3为第二线激光器。

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做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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-5所示，本实施例提供一种双波长激光三维形貌扫描装置，包括激光测量单元、平移机构和控制系统，控制系统通过数据线与激光测量单元以及平移机构电连接；平移机构上用于放置待测物体，平移机构用于带动待测物体移动；激光测量单元包括双波长激光发射器和成像装置，双波长激光发射器用于发射对称布置的且波长不同的两束激光，成像装置用于采集图像，并将图像数据传递给控制系统。

在本实施例中，双波长激光发射器包括两个线激光器，两个线激光器分别为第一线激光器2和第二线激光器3，第一线激光器2和第二线激光器3对称设置于成像装置的两侧，分别从对称角度发射波长为λ1和λ2的线激光；两个线激光器发射的线激光可以相交；其中，线激光器为半导体线激光器，两个半导体线激光器发射的波长为λ1和λ2的线激光应具有明显的可区分波长，例如分别为红色线激光和绿色线激光。

在本实施例中，成像装置为彩色相机1，优选为彩色工业数字相机，用于分辨两个线激光器发射的线激光的颜色，通过图像分析给出不同分量。其中，彩色相机1由光学镜头和彩色成像芯片以及外部的数据连接线组成；双激光发射器、光学镜头和成像芯片要根据三角测量原理进行集成为激光测量单元，使其能够固定成为一个整体，具体地，将双波长激光发射器的两个线激光器和成像装置通过螺栓扣固定在同一个硬铝合金直杆上，两个线激光器对称设置于成像装置的两侧，该直杆一般具有矩形截面，长度需要根据待测物体的大小进行调节，满足物体外表面和内表面三维形貌测量的需求。

在本实施例中，控制系统为计算机，优选为高性能数字计算机，计算机接受来自成像装置的图像数据以及来自平移机构的运动速度数据；计算机对双波长激光发射器投射的激光条纹信息进行处理，并获取待测物体表面的高度信息。

在本实施例中，平移机构为电动位移台，电动位移台根据需要从现有装置中进行选择。

本发明还公开一种双波长激光三维形貌扫描方法，包括以下步骤：

步骤一：将激光测量单元安装在平移机构上方，待测物体放置于平移机构上，调整激光测量单元的姿态；

步骤二：控制系统控制平移机构开始运动，给激光测量单元通电，使激光测量单元处于工作状态；平移机构带动待测物体平移，从而扫描待测物体的各个方位，形成一个扫描面，在此期间，成像装置实时采集图像；

步骤三：控制系统接收到成像装置的图像数据，从平移机构接收平移机构的速度数据，根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

在本实施例中，步骤一中，激光测量单元的成像装置的光轴与平移机构的运动方向垂直，激光测量单元的高度根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节。

在激光三角法中，由光源发出的一束激光照射在待测物体平面上，经过反射最后在检测器上成像；当物体表面的位置发生改变时，其所成的像在检测器上也发生相应的位移。

如图1所示，本实施例中，当待测物体的表面相对于参考面发生位置高度为z的偏移时，利用光路之间的几何关系求解物体表面的位置信息。在待测物体表面的位置高度为z的偏差时，线激光器所发射的激光线经待测物体表面反射后，在彩色相机1靶面形成激光条纹，其中心某一点相对于参考面反射的对应点的位置发生了位移；由参考面反射的激光条纹位于彩色相机1靶面的中心，因此可以使用x表示激光线上每一个中心点在位移后的图像坐标。

β表示物体表面位置高度发生变化后反射光线与彩色相机1光轴之间的角度。由彩色相机1的焦距f和激光条纹中心点坐标x的三角关系可知：

tanβ＝x/f (1)

用B表示激光器到彩色相机1焦点之间的基线长度，α表示激光线投射面与基线夹角。

利用三角函数关系，可以得到彩色相机1焦点到参考平面的垂直距离为：

H＝Btanα (2)

将位置高度为z处水平线延长并与彩色相机1光轴相交，根据正弦定理三束反射光线的汇交点与当前测量点的距离为：

D＝Bsinα/cos(β-α) (3)

两个对顶角均为β的直角三角形的相似关系有，下侧三角形的竖直方向直角边长：

h＝(Bsinα/cos(β-α))/(f/cosβ) (4)

则待测物体表面的位置高度z可表示为：

z＝Btanα–hf (5)

最终物体表面的位置高度z可表示为：

z＝Btan2αtanβ/(1+tanαtanβ) (6)

本发明采用激光扫描三维轮廓测量技术实现待测物体表面三维形貌测量，根据激光测量单元集成时标定的双激光发射器和彩色相机之间的位置关系和扫描过程中提取的激光条纹的中线点坐标，可根据三角测量原理计算出被激光条纹扫描到的表面点的三维坐标；在电动平移机构的推动下，可以得到待测物体全表面的三维形貌数据。

本发明可实现高速、高精度、无死角的待测物体三维形貌的测量。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：包括激光测量单元、平移机构和控制系统，所述控制系统与所述激光测量单元以及所述平移机构电连接；所述平移机构上用于放置待测物体，所述平移机构用于带动所述待测物体移动；所述激光测量单元包括双波长激光发射器和成像装置，所述双波长激光发射器用于发射对称布置的且波长不同的两束激光，所述成像装置用于采集图像，并将图像数据传递给所述控制系统。

2.根据权利要求1所述的双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：所述双波长激光发射器包括两个线激光器，两个所述线激光器对称设置于所述成像装置的两侧，分别从对称角度发射波长不同的线激光；两个所述线激光器发射的线激光相交。

3.根据权利要求2所述的双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：所述线激光器为半导体线激光器，两个所述半导体线激光器发射的线激光分别为红色线激光和绿色线激光。

4.根据权利要求1或2所述的双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：所述成像装置为彩色相机，用于分辨两个所述线激光器发射的线激光的颜色，通过图像分析给出不同分量。

5.根据权利要求4所述的双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：所述双波长激光发射器和所述成像装置集成于一体。

6.根据权利要求1所述的双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：所述控制系统为计算机，所述计算机接受来自所述成像装置的图像数据以及来自所述平移机构的运动速度数据；所述计算机对所述双波长激光发射器投射的激光条纹信息进行处理，并获取待测物体表面的高度信息。

7.根据权利要求1所述的双波长激光三维形貌扫描装置，其特征在于：所述平移机构为电动位移台。

8.一种双波长激光三维形貌扫描方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：将激光测量单元安装在平移机构上方，待测物体放置于平移机构上，调整激光测量单元的姿态；

步骤二：控制系统控制平移机构开始运动，给激光测量单元通电，使激光测量单元处于工作状态；平移机构带动待测物体平移，从而扫描待测物体的各个方位，形成一个扫描面，在此期间，成像装置实时采集图像；

步骤三：控制系统接收到成像装置的图像数据，从平移机构接收平移机构的速度数据，根据接收到的数据实时解算出待测物体的三维形貌数据，完成测量。

9.根据权利要求8所述的双波长激光三维形貌扫描方法，其特征在于：所述步骤一中，激光测量单元的成像装置的光轴与平移机构的运动方向垂直，激光测量单元的高度根据待测物体的大小和测量精度的要求进行调节。

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