一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝 置及方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著現(xiàn)代精密測量技術(shù)及高端裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，包括機械制造、航空航天、 微納制造、文物修復(fù)及影像醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都對物體三維形貌精密測量技術(shù)提出了更高要求。 基于上述背景，物體三維形貌測量技術(shù)得到了快速發(fā)展，依據(jù)其檢測方式包括接觸式測量 和非接觸式測量；其中，接觸式測量對物體表面有一定的劃傷并且檢測速度較慢，限制了其 應(yīng)用場合；非接觸測量主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理進行物體三維坐標 點的數(shù)據(jù)采集，由于非接觸測量對物體表面無損害，并且測量速度快，應(yīng)用場合廣泛。
[0003] 非接觸式測量中常用的光學(xué)三維測量技術(shù)主要包括飛行時間法、干涉法和三角 法。其中，飛行時間法要求測量系統(tǒng)必須有極高的時間分辨率，干涉法由于受到光波波長的 限制，只能測量物體微觀表面的形貌，不適合于宏觀物體三維形貌的檢測，而激光三角法的 物體三維形貌測量裝置及方法由于其簡單可靠的性能而取得了廣泛的應(yīng)用。
[0004] 目前，基于激光三角法的物體三維形貌測量裝置多采用機械掃描法，即利用較大 的機械結(jié)構(gòu)移動物體或者移動激光光源實現(xiàn)掃描，而且在工業(yè)實時檢測中，被測物體距離 攝像機的距離要通過反復(fù)裝調(diào)及嚴格計算才能確定，上述問題限制了現(xiàn)有激光三角法三維 形貌測量裝置的測量速度和精度，也限制了其實現(xiàn)工程應(yīng)用。因此，為有效提高物體三維形 貌成像及測量裝置的檢測效率及精度，有必要提出一種能消除上述缺陷的檢測技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有三維形貌測量裝置存在的問題，提出了一種結(jié)構(gòu)簡 單、掃描速度快、性能可靠以及精度較高的振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置及方法。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：
[0007] 一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置，包括照明激光器、X軸掃描鏡片、Y軸 掃描鏡片、可變光闌以及由鏡頭和CCD傳感器組成的CCD攝像機；其中，
[0008] 由照明激光器產(chǎn)生的激光依次經(jīng)過X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片和可變光闌后投 射到被測物體表面，CCD攝像機中CCD傳感器通過鏡頭探測激光發(fā)出的散射光。
[0009] 本發(fā)明進一步的改進在于，還包括定位激光器，定位激光器用于確定被測物體距 離CCD攝像機的最佳距離。
[0010] 本發(fā)明進一步的改進在于，X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片的旋轉(zhuǎn)均由伺服電機控 制；其中，X軸掃描鏡片與水平面成45°夾角，在測量過程中X軸掃描鏡片位置保持不變，Y 軸掃描鏡片可在水平面上下91]1角度內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)掃描。
[0011] 本發(fā)明進一步的改進在于，可變光闌能夠控制線激光的長度。
[0012] 一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置的測量方法，
[0013] 以Y軸掃描鏡片中心軸的中點為原點，建立世界坐標系〇w-xwy wzw，以C⑶攝像機鏡 頭的光心為中心建立C⑶攝像機坐標系Oe-Xc^ze,以C⑶攝像機像面中心為原點建立像面 坐標系o-uv ;基于測量裝置各部件形成的坐標系的幾何關(guān)系，CCD攝像機坐標系中的點到 圖像坐標系的點的變換關(guān)系如下
[0014] (1)
[0015] (2)
[0016] 式中，P為被測物體表面的點，在C⑶攝像機坐標系下的坐標為P(xp，yp，zp)，P'為 P點在C⑶攝像機中的像點，在C⑶攝像機坐標系下的坐標為P (V，yp,，V )，（u，v)為 像點P'在像面坐標系下的坐標，（叫，％)為相面與光軸的交點坐標，Nx、NySC⑶攝像機相 面單位尺寸上的像素，f為CCD攝像機的焦距。
[0017] 本發(fā)明進一步的改進在于，建立被測物體表面特征點的測量模型，其計算過程如 下
[0018] Y軸掃描鏡片轉(zhuǎn)角Φ的表達式為
[0019] (3)
[0020] 式中，i = 1、2、3.......η，η為正整數(shù)，Φ為Y掃描鏡片構(gòu)成的平面與世界坐標系 y軸負方向之間的夾角，Φ。為初始角度；V pV,分別為控制Y掃描鏡片的伺服電機的初始控 制電壓和掃描增加電壓；
[0021] 已知Y軸掃描鏡片的中心線與投射到其上的線激光之間的位置關(guān)系，則反射光所 構(gòu)成的平面方程為
[0022] (4)
[0023] 式中，h為Y軸掃描鏡片的厚度；
[0024] 世界坐標系到CXD攝像機坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
[0025]
(5)
[0026] 根據(jù)公式（5)，得
[0027]
(6)
[0028]
[0030] 因此，反射光所構(gòu)成的平面在CCD攝像機坐標系下的方程為[0031][0032][0033]
[0029]
[0036] 聯(lián)立上述方程得
[0034]
[0035]
r π (8)
[0037]
[0038] 式中，a =-(u-u0)/f · K3 · Nx，b =-(v-v0)/f · K3 · Ny，（X，y，z)為被測物體 表面任意點的坐標。
[0039] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下的有益效果：
[0040] 本發(fā)明所述的一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置采用伺服電機驅(qū)動控制 具有輕巧慣量特性的振鏡來產(chǎn)生線激光掃描，以完成對物體的非接觸檢測。本發(fā)明所述裝 置和現(xiàn)有裝置相比較，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、無須物體機械掃描、抗干擾振動能力強，成本低廉，掃 描速度快，可用于工程樣品在線實時三維形貌光學(xué)檢測。
[0041] 本發(fā)明一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量方法，由照明激光器產(chǎn)生的激光依次 經(jīng)過X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片和可變光闌后投射到被測物體表面，CCD傳感器探測激光 發(fā)出的散射光；所述X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片的旋轉(zhuǎn)均由伺服電機控制，X軸掃描鏡片 與水平面成45°角，在測量過程中X軸掃描鏡片位置保持不變，Y軸掃描鏡片可在水平面上 下Θ 111角度內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)掃描；所述定位激光器用于確定被測物體距離CCD傳感器的最佳距 離；所述可變光闌控制線激光長度。
【附圖說明】：
[0042] 圖1為本發(fā)明一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置的示意圖；
[0043] 其中：1 一照明激光器，2-X軸掃描鏡片，3-Y軸掃描鏡片，4一可變光闌，5-鏡 頭、6- C⑶傳感器，7-定位激光器，8-被測物體。
[0044] 圖2為本發(fā)明裝置各部件所確立的坐標系示意圖。
【具體實施方式】：
[0045] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0046] 如圖1所示，本發(fā)明一種振鏡式線激光掃描三維形貌測量裝置，包括以下結(jié)構(gòu)單 元：照明激光器1、X軸掃描鏡片2、Y軸掃描鏡片3、可變光闌4、由鏡頭5和CXD傳感器6組 成的CCD攝像機以及定位激光器7 ;其中，由照明激光器1產(chǎn)生的激光依次經(jīng)過X軸掃描鏡 片2、Y軸掃描鏡片3和可變光闌4后投射到被測物體8表面，CCD傳感器用于6探測激光 發(fā)出的散射光，定位激光器7用于確定被測物體距離CCD攝像機的最佳距離。
[0047] 為了實現(xiàn)對物體三維形貌的測量，本發(fā)明采用的測量方法為，首先由照明激光器 產(chǎn)生的激光依次經(jīng)過X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片和可變光闌后投射