到被測(cè)物體表面，然 后，CCD傳感器探測(cè)照明激光發(fā)出的散射光；本發(fā)明所述的X軸掃描鏡片、Y軸掃描鏡片的旋 轉(zhuǎn)均由伺服電機(jī)控制；其中，X軸掃描鏡片與水平面成45°夾角，在測(cè)量過(guò)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9"1角度內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)掃描，Y軸掃描鏡片的 旋轉(zhuǎn)是通過(guò)控制伺服電機(jī)的輸入電壓大小實(shí)現(xiàn)的；測(cè)量過(guò)程中，Y軸掃描鏡片的角度由伺 服電機(jī)輸入電壓的最小值控制到上極限位置，通過(guò)逐步增加伺服電機(jī)的輸入電壓控制其軸 的旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)Y軸掃描鏡片旋轉(zhuǎn)直到下極限位置，Y軸掃描鏡片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中促使照明激 光從上極限位置逐步移動(dòng)到下極限位置，基于照明激光的移動(dòng)，完成對(duì)物體的掃描；CCD攝 像機(jī)拍攝通過(guò)上位機(jī)程序控制，線(xiàn)激光每移動(dòng)一個(gè)位置，CCD攝像機(jī)拍攝一次，具體測(cè)量過(guò) 程如下。
[0048] 首先，建立坐標(biāo)系，以Y軸掃描鏡片中心軸的中點(diǎn)為原點(diǎn)，建立世界坐標(biāo)系 ow-xwywzw，以(XD攝像機(jī)鏡頭的光心為原點(diǎn)建立攝像機(jī)坐標(biāo)系O e-XcJciZc^以(XD攝像機(jī)像面 中心為原點(diǎn)建立像面坐標(biāo)系Oci-UV。由測(cè)量裝置各部件建立的坐標(biāo)系之間的幾何關(guān)系可知， CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系中的點(diǎn)與圖像坐標(biāo)系中的點(diǎn)的變換關(guān)系為
[0049] (1)
[0050] ⑵
[0051] 式中，P為被測(cè)物體表面的點(diǎn)，在C⑶攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P(xp，y p，zp)，P'為 P點(diǎn)在C⑶攝像機(jī)中的像點(diǎn)，在C⑶攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P'（Xp，，yp，，V)，（u，V)為像點(diǎn) P'在像面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（Uc^vtl)為相面與光軸的交點(diǎn)坐標(biāo)，Nx、N y為(XD攝像機(jī)相面單 位尺寸上的像素，f為C⑶攝像機(jī)的焦距。
[0052] 其中，建立被測(cè)物體表面特征點(diǎn)的測(cè)量模型，計(jì)算過(guò)程如下
[0053] Y軸掃描鏡片轉(zhuǎn)角Φ的表達(dá)式為
[0054]
(3)
[0055] 式中，i = 1、2、3…….η，η為正整數(shù)，Φ為Y軸掃描鏡片構(gòu)成的平面與世界坐標(biāo) 系y軸負(fù)方向之間的夾角，Φ C1為初始角度；^義分別為控制Y掃描鏡片的伺服電機(jī)的初始 控制電壓和掃描增加電壓。
[0056] 已知Y軸掃描鏡片的中心線(xiàn)與投射到其上的線(xiàn)激光之間的位置關(guān)系，則反射光所 構(gòu)成的平面方程為
[0057]
(4)
[0058] 式中，h為Y軸掃描鏡片的厚度。世界坐標(biāo)系到CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為
[0059]
(^)
[0060] 根據(jù)公式（5)，得
[0064]因此，反射光所構(gòu)成的平面在CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程為[0065][0066][0067]
[0061]
[0062]
[0063]
[0068]
[0069]
[0070] 聯(lián)立上述方程得 Γ π (8)
[0071]
[0072] 式中，a =-(u-u0)/f · K3 · Νχ，b =-(v-v0)/f · K3 · Ny，（X，y，ζ)為被測(cè)物體 表面任意點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0073] 以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了說(shuō)明，但這些說(shuō)明不能被理解為限制 了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書(shū)限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基 礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，包括照明激光器（1)、X軸 掃描鏡片（2)、Y軸掃描鏡片（3)、可變光闌⑷以及由鏡頭（5)和CCD傳感器（6)組成的 C⑶攝像機(jī)；其中， 由照明激光器（1)產(chǎn)生的激光依次經(jīng)過(guò)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(cè)物體（8)表面，CCD攝像機(jī)中CCD傳感器（6)通過(guò)鏡頭（5)探測(cè)激光 發(fā)出的散射光。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于，還 包括定位激光器（7)，定位激光器（7)用于確定被測(cè)物體（8)距離CCD攝像機(jī)的最佳距離。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于， X軸掃描鏡片（2)、Y軸掃描鏡片（3)的旋轉(zhuǎn)均由伺服電機(jī)控制；其中，X軸掃描鏡片（2)與 水平面成45°夾角，在測(cè)量過(guò)程中X軸掃描鏡片（2)位置保持不變，Y軸掃描鏡片可在水平 面上下9 ^角度內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)掃描。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置，其特征在于， 可變光闌（4)能夠控制線(xiàn)激光的長(zhǎng)度。5. 權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置的測(cè)量方 法，其特征在于， 以Y軸掃描鏡片（3)中心軸的中點(diǎn)為原點(diǎn)，建立世界坐標(biāo)系〇w-Xwywzw，以C⑶攝像機(jī)鏡 頭（5)的光心為中心建立(XD攝像機(jī)坐標(biāo)系〇。1。7^。，以(XD攝像機(jī)像面中心為原點(diǎn)建立 像面坐標(biāo)系o-uv;基于測(cè)量裝置各部件形成的坐標(biāo)系的幾何關(guān)系，CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系中的 點(diǎn)到圖像坐標(biāo)系的點(diǎn)的變換關(guān)系如下式中，P為被測(cè)物體表面的點(diǎn)，在C⑶攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P(Xp，yp，zp)，P'為P點(diǎn) 在C⑶攝像機(jī)中的像點(diǎn)，在C⑶攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為P'（Xp，，yp，，V)，（u，v)為像點(diǎn)P' 在像面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，（叫，V(l)為相面與光軸的交點(diǎn)坐標(biāo)，Nx、Ny為(XD攝像機(jī)相面單位尺 寸上的像素，f為CCD攝像機(jī)的焦距。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的測(cè)量方法，其特征在于，建立被測(cè)物體表面特征點(diǎn)的測(cè)量模 型，其計(jì)算過(guò)程如下 Y軸掃描鏡片轉(zhuǎn)角巾的表達(dá)式為式中，i= 1、2、3…….n，n為正整數(shù)，巾為Y掃描鏡片構(gòu)成的平面與世界坐標(biāo)系y軸 負(fù)方向之間的夾角，為初始角度；分別為控制Y掃描鏡片的伺服電機(jī)的初始控制電 壓和掃描增加電壓； 已知Y軸掃描鏡片（3)的中心線(xiàn)與投射到其上的線(xiàn)激光之間的位置關(guān)系，則反射光所 構(gòu)成的平面方程為式中，h為Y軸掃描鏡片（3)的厚度； 世界坐標(biāo)系到(XD攝像機(jī)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為根據(jù)公式（5)，得@中,L-r11r22r33+r12r23r31+r13r21r32_r11r23r32_r12r21r33_r13r22r31?因此，反射光所構(gòu)成的平面在CCD攝像機(jī)坐標(biāo)系下的方程為K1x+K2y+K3z+K4= 0 (7)聯(lián)立上述方程得式中，a= - (u-uj/f?K3?Nx，b=- (v-vj/f?K3?Ny，（X，y,z)為被測(cè)物體表面 任意點(diǎn)的坐標(biāo)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置及方法，該測(cè)量裝置包括照明激光器、X掃描鏡片、Y掃描鏡片、光闌、鏡頭、CCD傳感器以及、定位激光器；該測(cè)量方法是由照明激光器產(chǎn)生的激光依次經(jīng)過(guò)X掃描鏡片、Y掃描鏡片和光闌后投射到被測(cè)物體表面，CCD傳感器捕捉激光發(fā)出的散射光；所述X掃描鏡片、Y掃描鏡片的旋轉(zhuǎn)均由伺服電機(jī)控制，X掃描鏡片與豎直平面成45°角，在測(cè)量過(guò)程中X掃描鏡片位置保持不變，Y掃描鏡片可在水平面正負(fù)θ角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)；所述定位激光器用于確定被測(cè)物體距離CCD傳感器的最佳距離；所述光闌可控制線(xiàn)激光長(zhǎng)度。本發(fā)明所述的一種振鏡式線(xiàn)激光掃描三維形貌測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，掃描速度快，可用于工業(yè)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
【IPC分類(lèi)】G01B11/24
【公開(kāi)號(hào)】CN104913734
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510337487
【發(fā)明人】楊樹(shù)明, 劉濤, 王通, 趙楠, 時(shí)新宇, 蔣莊德
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年6月17日