CN112729165A - 一种基于机械视觉的三维扫描系统及测试方法 - Google Patents

一种基于机械视觉的三维扫描系统及测试方法 Download PDF

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杨平
李越
戴斌
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Abstract

本发明公开了一种基于机械视觉的三维扫描系统及测试方法，该系统包括上而下设置的光源、条纹平行狭缝光栅和两组对称设置的光路放大转向模组，还包括光电探测器；所述的条纹平行狭缝光栅，用于获取具有条纹的被投影图案；所述的光路放大转向模组，用于将被投影图案中的条纹宽度进行放大，从左右两个方向投影到检测物体的表面；所述光电探测器中，用于从物品表面的反射光线获取检测从左右两侧投影到物品表面的红蓝条纹重合图案。相比于现有技术本发明不仅能够有效的还原三维形貌，且具有速度快、一致性高的特点。

Description

一种基于机械视觉的三维扫描系统及测试方法
技术领域
本发明属于工业用光学检测设备领域，具体涉及一种基于机械视觉的三维扫描系统及测试方法。
背景技术
机器视觉是使用光源照射到待检产品上，然后使用镜头收集待检产品反射出的光线，最后通过相机把镜头收集的光线转化为数据信号。机器视觉的快速、准确的检验模式能够完全满足自动化生产的需求，所以机器视觉技术已经获得了大量的研究与应用。是工业制造中，实现对产品表面瑕疵检验的一种重要的手段。
现有的机器视觉检查，主要采用直接采集产品表面图片，通过图片的灰度值转化找出产品表面的瑕疵，但是该方法对应于凹陷或者凸起检验的效果极差，因为凹陷或者凸起很多情况下产生的灰度值变化很小，而且因为凹陷和凸起的形状不同，导致的灰度值变化也不一致，所以普通的机器视觉很难分辨出来。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于机械视觉的三维扫描系统及测试方法。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，包括上而下设置的光源、条纹平行狭缝光栅和两组对称设置的光路放大转向模组，还包括光电探测器；
所述的条纹平行狭缝光栅，用于获取具有条纹的被投影图案；
所述的光路放大转向模组，用于将被投影图案中的条纹宽度进行放大，从左右两个方向投影到检测物体的表面；
所述光电探测器中，用于从物品表面的反射光线获取检测从左右两侧投影到物品表面的重合图案。
作为本发明的进一步改进，所述的光路放大转向模组自上而下依次设置的第一凸透镜、平面镜和第二凸透镜，所述的第一凸透镜和所述的第二凸透镜对称的设置在所述平面镜的两侧，所述的第一凸透镜用于将透过条纹平行狭缝光栅的发散的出射光线转换为平行光，所述的平面镜用于改变光线的传播方向，使转向后的平行光照射到所述的第二凸透镜上，所述的第二凸透镜用于将平行的光线进行汇聚照射到物品表面。
作为本发明的进一步改进，所述的第一凸透镜和所述的第二凸透镜还用于将传播光线中所包含的条纹宽度进行放大，经两次凸透镜，条纹宽度的放大倍率在10-20倍。
作为本发明的进一步改进，所述的条纹平行狭缝光栅包括等间距设置的、宽度均一的线条，所述的线条宽度最小为3um。
作为本发明的进一步改进，所选用的光电探测器的物方分辨率在30μm以下。
作为本发明的进一步改进，所述第一凸透镜和所述第二凸透镜选用具有相同焦距的透镜。
作为本发明的进一步改进，所述的光源、条纹平行狭缝光栅和所述光电探测器设置在所述的光路放大转向模组的对称面上。
本发明还提供了一种基于机械视觉完成三维扫描的方法，
步骤一：应用上述系统获对检测物品进行自上而下的扫描，获取扫描图像；
步骤二：检测投影图案中的线条的重合度，对于非重合的位置根据公式计算对应检测点位的高度信息，计算公式为：
H＝L/2*tan θ
式中：L为左右两条光线的距离，θ为光线角度，H为最后算出的该点高度；
步骤三：综合所有扫描点的高度信息获取扫描物品的三维信息。。
本发明的有益效果：本发明通过采用从左右对称设置的光学组件对同一图形进行投影，根据投影图形的重合度判断物件表面的凹凸性，并根据非重合区域的弯曲度等情况计算凹凸缺陷的形貌。相比于现有技术本发明不仅能够有效的检测出缺陷模，且具有速度快、一致性高的特点。
附图说明
图1为本发明的装置结构和光路图；
图2为本装置的测试原理图；
图3为装置的扫描方式图；
图4本发明的一种实施例中对半球形物体扫到不同高度时所获得的扫描图像；
图5为对应于半球形物体点的云三维信息；
其中：1-光源，2-入射光线，3-纹平行狭缝光栅，4-第一凸透镜，5-平面镜，6-第二凸透镜，7-物品，8-光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所述的一种基于机械视觉三维检测检测的系统，包括上而下设置的光源1、条纹平行狭缝光栅3和光路放大转向模组，还包括光电探测器8。
所述的条纹平行狭缝光栅3，从光源1所发出的均匀性在95％以上的入射光线2经条纹平行狭缝光栅3可以获取具有条纹的被投影图案。所述的条纹平行狭缝光栅3中包括等间距设置的、宽度均一的线条，所述的线条宽度最小可以做到3um，光栅整体尺寸为100mm*80mm大小，可根据待测物件大小调整。
其中，所述的光源1、条纹平行狭缝光栅3和所述光电探测器8设置在所述的光路放大转向模组的对称面上。被投影图案经下方的光路放大转向模组投影到待检测的物品7的表面。
对应的包括两组对称设置的光路放大转向模组，用于将所述的出射光线所包含的条纹进行放大，从左右两个方向投影到检测物体的表面。之后所述的光电探测器8用于检测从左右两侧投影到物体表面的重合后的图案，并根据图案的重合度判断表面的凹凸缺陷。
具体的，所述的光路放大转向模组自上而下依次设置的第一凸透镜4、平面镜5和第二凸透镜6，通过调节使得所述的第一凸透镜4和所述的第二凸透镜6对称的设置在所述平面镜5的两侧，所述的第一凸透镜4用于将透过条纹平行狭缝光栅3的发散的出射光线转换为平行光，所述的平面镜5用于改变光线的传播方向，使转向后的平行光照射到所述的第二凸透镜6上，所述的第二凸透镜6用于将平行的光线进行汇聚照射到物品表面。
同时经所述的第一凸透镜4和所述的第二凸透镜6的放大作用，在光线传播的过程中将条纹宽度进行放大，经两次凸透镜，最终投射到物品7表面的条纹宽度是原始线条宽度的10-20倍。
在检测过程中，条纹平行狭缝光栅3经过左右两个光路放大转向模组后投影的图案在正常的物品7表面上是完全重合的。但是如果物品7的表面如果出现了凹凸不平的情况，那么在凹凸不平的位置处投影出的红蓝线条图案会发生变形，条纹会出现弯曲、交错、模糊等情况。光电探测器8根据所条纹的弯曲程度及交错距离相应的计算凹凸的高度差及距离，从而获得凹凸缺陷的具体形貌学结构。具体的可如图2所显示的亮条纹在不同平面上的成像情况，在焦平面上显示为重叠的、清晰单条线，失焦面上为虚化两条模糊的红蓝条纹。
计算的公式如下：
H＝L/2*tan θ
式中，L为红蓝条纹的距离，θ为光线角度，H为最后算出的该点高度。
测试时，如图3所示，扫描装置自上而下扫过待测物体，获取每个点的高度信息，随即将所有点的数据综合即可得到该物体整体的三维结构信息。
本发明以扫描半球形物体为例，获得如图4所示的扫描图像，图中所示蓝红条纹重合为焦平面的成像效果，蓝红条纹分开为失焦面的模糊条纹。之后通过以下步骤对图像进行分析，获取高度信息。
步骤一：将图像中条纹进行配对，确定相邻的两条条纹之间的间距小于光栅的狭缝间隙的红蓝条纹判定为一对，否则继续寻找下一条纹配对。
步骤二：确定明亮条纹所显示的红蓝线对为焦平面的位置，对于产生模糊条纹的非焦平面按如下公式计算非焦平面相对于焦平面的落差高度。
步骤三：对测量的数据进行汇总，可以得到该物体的整体三维点云信息，如图5所示，从而还原完整的三维形貌。
基于本发明的所使用的条纹平行狭缝光栅2，在本发明的实施例中所选用的的光电探测器8的物方分辨率在30μm以下，例如海康威视的MV-CH050-10UC型号相机搭配奥普特的OPT-C2514-5M镜头，最小分辨率约为28um，该光电探测器8包括带有定焦或变焦镜头的CMOS相机。
另外，所述第一凸透镜4和所述第二凸透镜6选用具有相同焦距的透镜。
另，从检测精度的角度考虑，本发明适用于检测尺寸在60mm*60mm的物品。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：包括上而下设置的光源(1)、条纹平行狭缝光栅(3)和两组对称设置的光路放大转向模组，还包括光电探测器(8)；
所述的条纹平行狭缝光栅(3)，用于获取具有条纹的被投影图案；
所述的光路放大转向模组，用于将被投影图案中的条纹宽度进行放大，从左右两个方向投影到检测物体的表面；
所述光电探测器(8)中，用于从物品表面的反射光线获取检测从左右两侧投影到物品表面的重合图案。
2.根据权利要求1所述的一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：所述的光路放大转向模组自上而下依次设置的第一凸透镜(4)、平面镜(5)和第二凸透镜(6)，所述的第一凸透镜(4)和所述的第二凸透镜(6)对称的设置在所述平面镜(5)的两侧，所述的第一凸透镜(4)用于将透过条纹平行狭缝光栅(3)的发散的出射光线转换为平行光，所述的平面镜(5)用于改变光线的传播方向，使转向后的平行光照射到所述的第二凸透镜(6)上，所述的第二凸透镜(6)用于将平行的光线进行汇聚照射到物品表面。
3.根据权利要求2所述的一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：所述的第一凸透镜(4)和所述的第二凸透镜(6)还用于将传播光线中所包含的条纹宽度进行放大，经两次凸透镜，条纹宽度的放大倍率在10-20倍。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：所述的条纹平行狭缝光栅(3)包括等间距设置的、宽度均一的线条，所述的线条宽度最小为3um。
5.根据权利要求4所述的一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：所选用的光电探测器(8)的物方分辨率在30μm以下。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：所述第一凸透镜(4)和所述第二凸透镜(6)选用具有相同焦距的透镜。
7.根据权利要求1所述的一种基于机械视觉的三维扫描检测系统，其特征在于：所述的光源(1)、条纹平行狭缝光栅(3)和所述光电探测器(8)设置在所述的光路放大转向模组的对称面上。
8.一种基于机械视觉完成三维扫描的方法，其特征在于：
步骤一：应用权利要求1-7任一项所述的系统获对检测物品进行自上而下的扫描，获取扫描图像；
步骤二：检测投影图案中的线条的重合度，对于非重合的位置根据公式计算对应检测点位的高度信息，计算公式为：
H＝L/2*tanθ
式中：L为左右两条光线的距离，θ为光线角度，H为最后算出的该点高度；
步骤三：综合所有扫描点的高度信息获取扫描物品的三维信息。
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