CN114322844B - 一种高速激光轮廓仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开的高速激光轮廓仪包括激光发射器、透镜单元、扫描器、角度反馈装置、算法控制单元、成像镜头、光电探测器、主控、计时模块、激光脉冲控制单元，激光投射至透镜单元上，再投射到摆动的扫描器，对物体轮廓进行扫描，角度反馈装置将扫描器的摆动角度反馈至算法控制单元，算法控制单元控制扫描器的摆动角度，并通过激光脉冲控制单元控制激光发射器的驱动电流。激光经过扫描器投射至物体上，反射后经过成像镜头，投射至光电探测器上，进行光电转换，传输给主控；计时模块接收到激光发射器的初始时间和单点探测器的接收时间并将时间间隔传输至主控中完成求解相位及计算功能。本发明结构紧凑、响应度高、波长不受限制且装配难度低、成本低。

Description

一种高速激光轮廓仪

技术领域

本发明属于非接触三维测量技术领域、机器视觉技术领域，尤其涉及一种高速激光轮廓仪。

背景技术

在三维测量领域中，其测量方法分为接触测量和非接触测量。非接触测量具有不会破坏物体表面且不会产生因人而异的测量偏差等优点，在三维测量领域研究中备受关注。而非接触测量方法可分为光学法和非光学法，常用的光学法有结构光法和激光法。激光法是由光源发出的一束激光照射在待测物体上，经过反射后在探测器上成像，当物体表面发生改变时，探测器所成的像也会发生对应的变化，再根据标定即可获取物体表面真实的三维形貌。该方法结构简单、测量速度快、精度高，适合测量表面形貌复杂的物体。激光扫描技术被广泛应用在建筑领域、工业领域、公共安全等各个机器视觉领域。目前的激光测量法仍存在一些问题，如受环境以及物体表面特性的影响较大，仍需要继续研究。

激光轮廓仪的主要技术是激光扫描技术，应用领域非常广泛。国内外的研究机构及行业公司都有研发激光轮廓仪；常规的激光轮廓仪以面阵探测器作为接收端的激光轮廓仪的原理如图1所示，激光发射器通过透镜单元后，对物体进行扫描；CMOS面阵探测器通过透镜单元接收扫描的结果。其中基恩士的LJ-V7000系列采用了GP-64的处理器，其扫描频率达到了64kHz的高速测量。该系列相机采用的高速阵列探测器为HSE³-CMOS，可稳定且超高速的测量目标物体表面；但其结构复杂、价格相对昂贵、阵列面积大、计算成本高，导致在很多应用领域不能完全普及。

对此，本发明提出了采用MEMS扫描器和单点探测技术，形成一种低成本、高采集速度的激光轮廓仪，其结构更加简易，体积更小，可更广泛的覆盖到机器视觉领域中。

发明内容

为了实现一种低成本、高采集速度的激光轮廓仪，本发明提出了一种基于MEMS扫描器和单点探测技术，实现一种全新技术方案的激光轮廓仪。本发明采用一维MEMS扫描器作为激光的扫描机构，实现点激光在被测物体上的逐点扫描，然后通过单点光电探测器获取对应不同时刻反射回来的点激光光强并记录一个MEMS扫描器的扫描周期所对应的光强信息，形成一维方向(MEMS扫描方向)上的激光图案，再根据编码结构光算法，可精确的恢复出物体表面的轮廓形貌。单点光电探测器相比阵列探测器，成本要低且可选择性更加丰富。

本发明公开的高速激光轮廓仪包括激光发射器和透镜单元，还包括一维MEMS扫描器、MEMS角度反馈装置、算法控制单元、成像镜头、单点光电探测器、主控、计时模块和激光脉冲控制单元；

所述激光发射器发出的点激光投射至所述透镜单元上，再投射到所述一维MEMS扫描器上，所述一维MEMS扫描器的镜面产生摆动，形成均匀的线激光，线激光对物体目标的轮廓进行扫描；

所述MEMS角度反馈装置将所述一维MEMS扫描器的摆动角度实时反馈至所述算法控制单元进行判断，从而所述算法控制单元调整所述一维MEMS扫描器的摆动角度；

所述一维MEMS扫描器将激光投射到物体上，激光在物体上产生的反射光经过所述成像镜头后，投射至所述单点光电探测器上；

所述单点光电探测器将光信号转换为电信号，传输给所述主控；

所述计时模块同时获得的所述激光发射器发射激光时间至所述单点光电探测器接收信号的时间间隔，将所述时间间隔传输至所述主控；所述主控求解相位，完成标定功能。

进一步的，所述成像镜头的视场角能够覆盖激光扫描的视场角。

进一步的，所述透镜单元对激光发射器发出的光束具有整形功能，形成均匀线光束；所述透镜单元是一个透镜或者由多个透镜组合形成的透镜组。

进一步的，所述光电探测器为单点光电探测器，能够探测到微弱光子，将光信号转换为电信号，包括PD型光电探测器或APD型光电探测器。

进一步的，所述算法控制单元通过激光脉冲控制单元来控制激光发射器的驱动电流，在激光发射器中的电流根据N步相移的公式原理计算：

其中，I代表驱动电流，

t＝(im+j)Δt

其中，i＝0～(m-1)，j＝1～m；m为激光发射器经一维MEMS扫描器后投影至物体上的横向分辨率，为初始相位，f为光栅频率，N为N步相移中的步长，A为激光发射器的阈值电流，B为激光发射器工作电流；

同时所述算法控制单元接收到所述MEMS角度反馈装置反馈的角度信息，并进行判断；得到角度α，进行判断：

若

则表示误差过大，所述算法控制单元调整驱动电压来校正所述一维MEMS扫描器的摆动角度，其中，Δα表示角度误差；P_x表示单点光电探测器的x方向尺寸大小；相对的，P_y表示单点光电探测器的y方向尺寸大小，而由于狭缝的约束，其y方向上的尺寸大小一定；F代表成像镜头的焦距。

进一步的，所述光电探测器采用如下的光强公式检测光信号：

其中，代表每一行的光强值，S为单点光电探测器的敏感系数；Δt代表激光发射器进行一次强度变化的响应时间；α代表被测物体表面的反射率，f代表光栅频率。

进一步的，所述主控获得时间间隔进行解相位求得包裹相位θ，具体公式如下：

其中I_i代表的是将参数SΔtα进行约分的结果，N为N步相移的相移步长，i∈N,N≥3。

进一步的，所述主控使用一维编码结构光方法，根据相位值计算出相位差，进行解相位得到某点的包裹相位θ后，再通过标定得到时间t和展开相位的关系，根据相位之间的关系计算求解将该点的高精度的展开相位φ，进行相位φ与高度H的标定从而转换成一个空间坐标值，进而实现三维重建。

进一步的，所述计时模块将时间间隔反馈至所述主控，所述主控根据飞行时间测距原理，经过如下标定，即主控通过最小二乘法拟合，得到时间t和展开相位的关系；

其中，A_i表示多项式拟合的系数，i∈(0,5)，采用五次多项式拟合。

所述主控根据所述包裹相位θ和低精度的展开相位得到最终的高精度的展开相位φ，求解过程如下：

其中，round()为四舍五入。

进一步的，在所述主控中进行标定的具体步骤如下：

首先拍摄一幅平板相位，获得一幅完全展开的相位图；在测量中，相机拍摄物体，得到一幅展开相位图，计算同像素下相位变化大小，推断出所述高度H，完成相机的标定；

所述高度H为：

H＝h+l

其中l为相机到平板的距离，d为基线长度即探测器与相机之间的距离，f为光栅频率，φ为高精度的展开相位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用一维MEMS扫描器作为激光的扫描机构，实现点激光在被测物体上的逐点扫描，然后通过单点光电探测器获取对应不同时刻反射回来的点激光光强并记录一个一维MEMS扫描器的扫描周期所对应的光强信息，形成一维方向(MEMS扫描方向)上的激光图案，再根据编码结构光算法，可精确的恢复出物体表面的轮廓形貌。单点光电探测器相比阵列探测器，成本要低且可选择性更加丰富。

附图说明

图1传统的面阵探测器的激光轮廓仪的原理图；

图2本发明的MEMS激光轮廓仪系统结构图；

图3本发明的MEMS激光轮廓仪原理图；

图4本发明的标定关系的数学关系原理图；

图5本发明的探测器和激光同步示意图。

其中1-激光发射器、2-透镜单元、3-一维MEMS扫描器、4-MEMS角度反馈装置、5-算法控制单元、6-成像镜头、7-单点光电探测器、8-主控、9-被测物体，10-计时模块，11激光脉冲控制单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明的高速激光轮廓仪，系统结构如图2所示，包括：

激光发射器(1)，用于发射激光；

透镜单元(2)，激光发射器(1)将点激光投射至透镜单元(2)上，透镜单元(2)将激光进行准直调节；透镜单元(2)可以是一个单独的透镜，也可以是多个透镜的组合。

一维MEMS扫描器(3)，产生高频、微小的摆动；透镜单元(2)将调节后的激光投射到一维MEMS扫描器上，一维MEMS扫描器(3)的镜面产生高频、微小幅度的摆动，对目标物体的轮廓进行扫描；

MEMS角度反馈装置(4)，用于将一维MEMS扫描器(3)的摆动角度，实时反馈至算法控制单元(5)。

算法控制单元(5)经过判断后，采用驱动电压控制一维MEMS扫描器(3)的振动角度及频率，并反馈给激光脉冲控制单元(11)，控制激光发射器(1)驱动电流。

一维MEMS扫描器(3)振动后的光投射到被测物体(9)上后，成像镜头(6)将被测物体(9)反射的光进行汇聚至单点光电探测器(7)的有效面上。

单点光电探测器(7)，将成像镜头(6)汇聚的光信号转换为电信号，以电的形式给光计量。在单点光电探测器(7)前方设置狭缝，用于约束Y方向上的成像线宽，狭缝大小决定了纵向分辨率的大小。本实施例中，单点光电探测器(7)包括PD型或APD型光电探测器。成像镜头的视场角需要保证覆盖激光扫描的视场角。

单点光电探测器(7)将信号存储至主控(8)中，主控(8)进行运算解相位。

计时模块(10)得到激光发射器(1)的发射时间和单点光电探测器(7)接收的时间，计算两个时间间隔，反馈至主控(8)后，主控(8)采用N步相移展开式来解相位，并进行相位和高度的标定。

本发明中接收端的单点探测器代替传统的面阵探测器，接收扫描物体的结果，该单点光电探测器敏感度极高，能够探测到微弱光子。

优选的，本实施例中单点光电探测器采用如下的光强公式将光信号转换为电信号：

I_P＝SΔtα(I)+αβ₁+β₂ (1)

其中，S为探测器的敏感系数；Δt代表激光发射器进行一次强度变化的响应时间；α代表被测物体表面的反射率；β₁表示的是经物体反射后进入探测器的光强值；β₂代表的是直接进入探测器接收的光强值。由于SΔtα(I)＞＞αβ₁＞＞β₂，所以这里我们用以下公式表示光强：

I_P＝SΔtα(I) (2)

将上述的I带入该式可得到：

其中，i∈N,N≥3。

单点光电探测器接收到光信息后，将光信号转换为电信号。

主控(8)保存单点光电探测器(7)发送的电信号。主控(8)使用一维编码结构光方法，根据相位值计算出相位差，进行解相位得到某点的包裹相位θ后，再通过标定得到时间t和展开相位的关系，根据相位之间的关系计算求解将该点的高精度的展开相位φ，进行相位φ与高度H的标定从而转换成一个空间坐标值，进而实现三维重建。

将MEMS角度反馈装置(4)得到的一维MEMS扫描器的角度信息反馈至算法控制单元(5)。

算法控制单元(5)计算MEMS振镜摆动角度，并判断：

若

其中，Δα表示角度误差；P_x表示单点光电探测器的x方向尺寸大小；相对的，P_y表示单点光电探测器的y方向尺寸大小，而由于狭缝的约束，其y方向上的尺寸大小一定；F表示成像镜头的焦距；

则表示误差过大，算法控制单元(5)会控制驱动电压来校正一维MEMS扫描器的摆动角度。

根据图2～3激光轮廓仪的原理图及系统图，算法控制单元(5)通过激光脉冲控制单元(11)，激光发射器(1)驱动电流，根据N步相移的公式原理有：

其中，

t＝(im+j)Δt

其中，i＝0～(m-1)，j＝1～m；m为激光发射器经一维MEMS扫描器后投影至物体上的横向分辨率；为初始相位，N为N步相移的相移步长。

主控(8)获得图像进行重建，并进行解相位，求得包裹相位θ，具体公式如下：

根据上述对光强I_P表示的式中，可以将SΔtα进行分子分母的约分。得到公式：

得到未展开的包裹相位θ。

计时模块(10)将激光发射器(1)发射激光至单点光电探测器(7)接收信号的时间间隔反馈至主控(8)，主控(8)根据TOF(飞行时间)测距原理，经过如下标定，即主控通过最小二乘法拟合，得到时间t和展开相位的关系。

其中，A_i表示多项式拟合的系数，i∈(0,5)，采用五次多项式拟合。

主控(8)根据上述两个相位，得到最终高精度的展开相位φ：

其中，round()为四舍五入。

在主控中(8)中进行标定的具体步骤为：

首先拍摄一幅平板相位，获得一幅完全展开的相位图；在测量中，相机拍摄物体，得到一幅展开相位图，计算同像素下相位变化大小，即推断出高度变化。

建立光路元件之间的光学关系，如图4所示。其中P为投影仪，C为相机，d为投影仪和相机之间的距离；Plane为平板。根据图中建立数学关系式：

将公式进行化简得到：

又根据：

其中，f为光栅频率。

联立上述两式，可得：

真实的高度H为：

H＝h+l (13)

完成相机的标定，其中φ为高精度的展开相位，也是标定的关系相位。

本发明采用一维编码结构光，而得到物体真实高度信息从而进行3D重建的关键就是获得高精度的相位值。解相位并根据相位关系得到某点的高精度展开相位后，进行标定计算转换成一个空间坐标值，进而实现三维重建。

本发明的特点如图5所示，其中，单点光电探测器在每个周期接收每一点的时序与一维MEMS扫描器的震动对应。一维MEMS扫描器对物体进行扫描，得到对应的时序图；单点光电探测器会实时接收相应的时序信号，从而实现两者的同步。

现有的激光轮廓仪通常采用CCD、CMOS等阵列探测器作为相机的传感器。这种高速的二维探测器制作十分困难，成本高导致其价格昂贵、可选性差、波长受限(不能更改波长)、体积较大并且在高速扫描的过程中产生庞大的数据量而实际处理能力有限等，这些因素都大大限制了成像技术的发展和应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提出的采用单像素扫描成像的方式，选择单点光电探测器代替阵列探测器，不仅结构紧凑(体积小)、高速(响应度高)、灵敏度高、波长不受限制(可根据需求，选择对应的波长)且在工程实施时较容易实现(装配难度低)、具有低成本的巨大优势，并且这种单像素成像技术突破了传统的二维阵列探测器的方式，降低了对探测器的要求，具有很好的应用前景。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。

综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速激光轮廓仪，包括激光发射器和透镜单元，其特征在于，还包括一维MEMS扫描器、MEMS角度反馈装置、算法控制单元、成像镜头、单点光电探测器、主控、计时模块和激光脉冲控制单元；

所述激光发射器发出的点激光投射至所述透镜单元上，再投射到所述一维MEMS扫描器上，所述一维MEMS扫描器的镜面产生摆动，形成均匀的线激光，线激光对物体目标的轮廓进行扫描；

所述MEMS角度反馈装置将所述一维MEMS扫描器的摆动角度实时反馈至所述算法控制单元进行判断，从而所述算法控制单元调整所述一维MEMS扫描器的摆动角度；

所述一维MEMS扫描器将激光投射到物体上，激光在物体上产生的反射光经过所述成像镜头后，投射至所述单点光电探测器上；

在所述单点光电探测器前方设置狭缝，用于约束Y方向上的成像线宽，狭缝大小决定了Y方向的分辨率的大小；

所述单点光电探测器将光信号转换为电信号，传输给所述主控；

所述计时模块同时获得的所述激光发射器发射激光时间至所述单点光电探测器接收信号的时间间隔，将所述时间间隔传输至所述主控；所述主控求解相位，完成标定功能；

所述算法控制单元通过激光脉冲控制单元来控制激光发射器的驱动电流，在激光发射器中的电流根据N步相移的公式原理计算：

其中，I代表驱动电流，

t＝(im+j)Δt

其中，i＝0～(m-1)，j＝1～m；m为激光发射器经MEMS扫描器后投影至物体上的横向分辨率，为初始相位，f为光栅频率，N为N步相移中的步长，A为激光发射器的阈值电流，B为激光发射器工作电流；

同时所述算法控制单元接收到所述MEMS角度反馈装置反馈的角度信息，并进行判断；得到角度α，进行判断：

若

则表示误差过大，所述算法控制单元调整驱动电压来校正所述一维MEMS扫描器的摆动角度，其中，Δα表示角度误差；P_x表示单点光电探测器的x方向尺寸大小；相对的，P_y表示单点光电探测器的y方向尺寸大小，而由于狭缝的约束，其y方向上的尺寸大小一定；F代表成像镜头的焦距。

2.根据权利要求1所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述成像镜头的视场角能够覆盖激光扫描的视场角。

3.根据权利要求1所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述透镜单元对激光发射器发出的光束具有准直整形功能，形成均匀点光束；所述透镜单元是一个透镜或者由多个透镜组合形成的透镜组。

4.根据权利要求1所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述光电探测器为单点光电探测器，能够探测到微弱光子，将光信号转换为电信号，包括PD型光电探测器或APD型光电探测器。

5.根据权利要求1所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述单点光电探测器采用如下的光强公式检测记录光信号：

其中，代表每一行的光强值，S为单点光电探测器的敏感系数；Δt代表激光发射器进行一次强度变化的响应时间；α₁代表被测物体表面的反射率，f为光栅频率。

6.根据权利要求5所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述主控获得时间间隔进行解相位求得包裹相位θ，具体公式如下：

其中I_i代表的是将参数SΔtα进行约分的结果，N为N步相移的相移步长，i∈N,N≥3。

7.根据权利要求6所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述主控使用一维编码结构光方法，根据相位值计算出相位差，进行解相位得到某点的包裹相位θ后，再通过标定得到时间t和展开相位的关系，根据相位之间的关系计算求解将该点的高精度的展开相位φ，进行相位φ与高度H的标定从而转换成一个空间坐标值，进而实现三维重建。

8.根据权利要求7所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，所述计时模块将激光发射器发射激光至单点光电探测器接收信号的时间间隔反馈至所述主控，所述主控根据飞行时间测距原理，经过如下标定，即主控通过最小二乘法拟合，得到时间t和展开相位的关系；

其中，A_i表示多项式拟合的系数，i∈(0,5)，采用五次多项式拟合；

所述主控根据所述包裹相位θ和低精度的展开相位得到最终的高精度的展开相位φ，求解过程如下：

其中，round()为四舍五入。

9.根据权利要求7所述的高速激光轮廓仪，其特征在于，在所述主控中进行标定的具体步骤如下：

首先拍摄一幅平板相位，获得一幅完全展开的相位图；在测量中，相机拍摄物体，得到一幅展开相位图，计算同像素下相位变化大小，推断出所述高度H，完成相机的标定；

所述高度H为：

H＝h+l

其中l为相机到平板的距离，d为基线长度即投影仪与相机之间的距离，f为光栅频率，φ为高精度的展开相位。