CN112097745A - 一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法 - Google Patents

一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法 Download PDF

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马经纬
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Abstract

一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法涉及线结构光视觉测量技术领域，解决了激光线成像亮度不均匀的问题，包括检测结构光相机光学镜头不同角度的能量数据；根据得到的能量数据调整鲍威尔棱镜的夹角和屋脊宽度，使激光线经过鲍威尔棱镜再经过光学镜头成像时激光线能量分布均匀；根据激光器指标制作线激光器，所述线激光器包括步骤二得到的鲍威尔棱镜；调整结构光相机与制作的线激光器的相对位置使结构光相机的光学中心与激光线的中心重合。本发明以结构光相机镜头能量数据为依据对鲍威尔棱镜参数进行精确调整，再通过精确确定线激光器与结构光相机的位置关系，改善激光线在图像中的亮度均匀性，提高了线结构光视觉测量系统的测量精度。

Description

一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法
技术领域
本发明涉及线结构光视觉测量技术领域，具体涉及一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法。
背景技术
线结构光视觉测量是目前应用广泛的非合作目标、非接触测量方法。线结构光视觉测量的主要过程为：
a)发出与相机已知位置角度的线结构光；
b)结构光线打到被测物体发生反射；
c)反射光线通过相机采集成像；
d)对结构光图像进行计算确定被测物体位姿。
常见的线结构光发生单元为线激光器。常用的线激光器的光线慢轴分布为中间强两端弱或者中间和两端能量基本一致。结构光相机的光学镜头由于其几何特性决定了其存在能量衰减，距离镜头中心越远，能量衰减越大。这种线激光器与光学镜头配合后，线结构光视觉测量系统由于光学系统本身存在中间强两端弱的情况，在图像上表现为越靠近中心亮度越高，越靠近两端亮度越低。
与结构光相机配合使用的线激光器由于自身或者相机光学系统原因带来相机图像中激光线能量的不均匀很难通过调整相机的曝光时间来克服，曝光时间过短两端光线亮度太弱不利于图像识别，曝光时间过长中心区域光线亮度过度饱和，不利于中心线计算。因此，常见的线激光器很难满足对激光线要求很高的结构光测量相机的应用需求，线结构光视觉测量系统的线激光器与结构光相机配合使用过程中出现激光线成像亮度不均匀问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
用于线结构光视觉测量系统的线激光器的设计方法，包括：
步骤一、检测结构光相机光学镜头不同角度的能量数据；
步骤二、根据步骤一得到的能量数据调整鲍威尔棱镜的夹角和屋脊宽度，使激光线经过鲍威尔棱镜再经过光学镜头成像时激光线能量分布均匀；
步骤三、根据激光器指标制作线激光器，所述线激光器包括步骤二得到的鲍威尔棱镜。
一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法，调整结构光相机与制作的线激光器的相对位置，使结构光相机的光学中心与激光线的中心重合。
本发明的有益效果是：
本发明以结构光相机镜头能量数据为依据，对鲍威尔棱镜参数进行精确调整，得到用于线结构光视觉测量系统的线激光器。再通过精确确定线激光器与结构光相机的位置关系，改善激光线在图像中的亮度均匀性，克服了传统线激光器成像时激光线能量中间强两端弱的缺点，实现了激光线成像亮度均匀，改善了线结构光质量，提高了线结构光视觉测量系统的测量精度。
附图说明
图1为光学镜头能量衰减曲线示意图。
图2为鲍威尔棱镜光学模拟图。
图3为线激光器的激光线能量分布示意图。
图4为图3能量分布与图1衰减曲线叠加示意图。
图5为线结构光质量改善前激光线成像效果示意图。
图6为线结构光质量改善后激光线成像效果示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
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他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法，包括制作线激光器的步骤和调整结构光相机与制作的线激光器相对位置的步骤，调整后的结构光相机与制作的线激光器的相对位置满足：结构光相机的光学中心与激光线的中心重合。
用于线结构光视觉测量系统的线激光器的设计方法，包括如下步骤：
步骤一、检测结构光相机光学镜头不同角度的能量数据；
步骤二、根据步骤一得到的能量数据调整鲍威尔棱镜的夹角和鲍威尔棱镜的屋脊宽度，使激光线经过鲍威尔棱镜分配再经过光学镜头成像时激光线能量分布均匀；
步骤三、根据激光器指标制作线激光器，所述线激光器包括步骤二得到的鲍威尔棱镜。
下面具体描述一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法的原理和步骤。
结构光相机的光学镜头由于其几何特性决定了其存在能量衰减，距离镜头中心越远，能量衰减越大。对于线结构光激光线成像来说，这种衰减的影响更加明显，常常导致激光线成像时中间部分能量较强，两端能量很弱。为了对这一现象进行补偿，采用上述步骤一，需要对光学镜头不同角度的能量进行检测，检测得到能量数据，也就检测光学镜头能量衰减曲线，结构光相机光学镜头能量衰减曲线如图1所示，横坐标为检测点与光学镜头光轴的夹角角度，纵坐标为检测点的激光能量相对强度。
现有线激光器的输出光束通常是中心处的功率最强，而光功率随着光斑扩散逐渐减弱，其光功率分布是服从高斯分布的。线激光器包括鲍威尔棱镜，鲍威尔棱镜是一种非球面柱面镜，它顶部是复杂的二维非球面曲面，激光通过时会产生大量球面像差，从而重新分配光路，减少中心区域的光，增加两端的光，形成一条均匀的直线。鲍威尔棱镜的面型可由以下公式表示：
Figure BDA0002693744090000031
其中r代表圆对称情况下非球面透镜的半径，c为非球面透镜的曲率半径，k是非球面透镜的圆锥系数。鲍威尔棱镜光学系统的光功率分布函数由以下公式表示:
Figure BDA0002693744090000032
其中P0为线激光器初始功率值，p(λ)为吸收系数。鲍威尔棱镜光学模拟如图2所示。
线激光器发光单元发出的高斯分布的激光会经过鲍威尔棱镜进行光束的重新分配，使出射的激光线能量分布均匀，但由于结构光相机镜头的特性，最后线激光器的成像效果依旧会出现中间强两端弱的情况。此时将步骤一得到的结构光相机的光学镜头能量衰减曲线作为输入，来调整鲍威尔棱镜的参数，参数包括夹角和屋脊宽度，通过调整鲍威尔棱镜参数使经过鲍威尔棱镜的激光线能够与结构光相机的光学镜头进行匹配，达到光学镜头成像时激光线能量分布均匀的目的，以此来提高结构光检测的精度。优化鲍威尔棱镜的夹角和屋脊宽度后，经过鲍威尔棱镜后的激光线能量分布如图3所示。将鲍威尔棱镜调整后的激光线能量分布与结构光相机光学镜头能量衰减曲线进行叠加，得到激光线成像的能量分布如图4所示，可以看到激光线成像后能量分布均匀，不存在两端能量衰减严重的现象。激光线先经过鲍威尔棱重新分配激光线能量、再经过光学镜头成像，成像时激光线能量分布均匀，成像时激光线两端的能量不低于成像时激光线中间的能量，优选的是成像时激光线两端的能量高于成像时激光线中间的能量，通常，成像时激光线的最低能量不低于成像时激光线的最高能量的75％。
根据结构光相机光学镜头能量衰减曲线完成鲍威尔棱镜设计后，进行步骤三：根据激光器指标完成线激光器的制作。激光器指标包括功率、线宽、快轴发散角等。线激光器主要包括发光单元、快轴准直镜、鲍威尔棱镜以及反射镜组，发光单元、快轴准直镜、鲍威尔棱镜和反射镜组顺次设置。发光模块主要实现激光束的产生，发出特定波长及能量的激光束，传输至快轴准直镜。快轴准直镜主要用来压缩快轴发散角度，使激光线线宽达到指标要求，传输至鲍威尔棱镜。鲍威尔棱镜主要将激光线光束进行重新分配，使激光线能量分布均匀，发散角度满足要求，重新分配的激光线传输至反射镜组；激光线经过鲍威尔棱镜重新分配能量后，激光线两端的能量高于激光线中间的能量。反射镜组用来调整激光线最终出射的角度，满足不同场景的需求。
完成结构光相机光学镜头与激光线的能量分布匹配后，进行步骤四：对线激光器与结构光相机的相对位置进行精确调整，保证结构光相机的光学中心与激光线的中心重合，也就是从线激光器出射的激光线进入结构光相机，进入结构光相机的激光线经过结构光相机的光学中心，当激光线经过结构光相机的光学中心时，激光线的中心和结构光相机的光学中心重合。保证激光线的中心和结构光相机的光学中心在同一位置，这样在成像时才能够保证激光线中间处于结构光相机视场中央，完成激光线能量分布与结构光相机镜头能量衰减之间的匹配，得到能量分布均匀的激光线成像图片。保证线激光器与结构光相机的位置关系主要通过相应工装来实现，在进行结构光测量时将结构光相机与线激光器安装在特定工装上，保证它们之间的相对位置关系。
采用本发明进行了实际成像测试，图5为改善前激光线成像效果示意图，图6为采用上述改善方法改善后的激光线成像效果示意图。由图5和图6可知，改善后的激光线成像质量明显提高，亮度分布更加均匀。
本发明采用结构光相机镜头衰减曲线与线激光器鲍威尔棱镜设计相匹配的方式，以结构光相机镜头能量衰减数据为依据，对鲍威尔棱镜参数进行精确调整，得到用于线结构光视觉测量系统的线激光器。在通过精确确定线激光器与结构光相机的位置关系，改善激光线在图像中的亮度均匀性，克服了传统线激光器成像时激光线能量中间强两端弱的缺点，实现了激光线成像亮度均匀，提高了线结构光视觉测量系统测量方法的精度，满足应用的需求。

Claims (5)

1.用于线结构光视觉测量系统的线激光器的设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、检测结构光相机光学镜头不同角度的能量数据；
步骤二、根据步骤一得到的能量数据调整鲍威尔棱镜的夹角和屋脊宽度，使激光线经过鲍威尔棱镜再经过光学镜头成像时激光线能量分布均匀；
步骤三、根据激光器指标制作线激光器，所述线激光器包括步骤二得到的鲍威尔棱镜。
2.如权利要求1所述的用于线结构光视觉测量系统的线激光器的设计方法，其特征在于，经过所述光学镜头成像时，激光线两端的能量不低于激光线中间的能量。
3.如权利要求1所述的用于线结构光视觉测量系统的线激光器的设计方法，其特征在于，经过所述光学镜头成像时，激光线的最低能量不低于激光线的最高能量的75％。
4.如权利要求1所述的用于线结构光视觉测量系统的线激光器的设计方法，其特征在于，所述步骤一具体为检测结构光相机光学镜头能量衰减曲线。
5.一种视觉测量系统的线结构光质量改善方法，其特征在于，调整结构光相机与所述权利要求1制作的线激光器的相对位置，使结构光相机的光学中心与激光线的中心重合。
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