[發明專利]一種掃描式物體表面三維形貌測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201210397589.4
• 申請日: 2012-10-18
• 公開（公告）號: CN102937418A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 李旭東;趙慧潔;李成杰;邊赟;姜宏志
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種掃描式物體表面三維形貌測量方法及裝置，該裝置的基本原理是利用激光三角法，能夠實現非接觸光學測量，可用于一般物體表面的三維形貌測量。本發明屬于光學三維測量技術領域。

背景技術

激光三角法作為典型的非接觸光學主動三維測量方法，廣泛應用于三維形貌測量、逆向工程和質量檢測等諸多領域。激光三角法每次只能對一個點進行測量，因此需要采取一些措施實現對整個物體的形貌測量。常見的措施包括：光束掃描、物體位移以及光束掃描與物體位移結合等方法。常見的光束掃描方式包括：振鏡掃描法、AOD聲光器件掃描法、多面轉鏡掃描法等。振鏡掃描法掃描速度受到限制，AOD聲光器件掃描法的掃描范圍較小，都無法同時實現大范圍高速掃描。

本發明使用多面轉鏡對光束掃描，同時結合物體的運動實現了大范圍高速掃描測量。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種基于激光三角法的光束掃描與物體移動相結合的物體表面三維形貌測量裝置，該測量裝置可實現高速、大范圍、高精度物體表面三維形貌測量。

1)本發明一種掃描式物體表面三維形貌測量裝置,它是由測量頭、計算機和位移臺組成，它們之間的位置連接關系是計算機通過數據線分別與測量頭和位移臺連接。

所述測量頭是由激光器、掃描裝置和成像裝置組成，它們之間的位置連接關系是激光器與成像裝置的光軸之間保持預定夾角，放置于掃描裝置的同側。該激光器是可見光半導體激光器。該掃描裝置由電機、多面轉鏡、角度編碼器組成；其間關系是：電機帶動多面轉鏡和角度編碼器高速旋轉；利用多面轉鏡的特性，實現了對運動物體截面的高速大范圍周期性掃描，掃描方向與物體運動方向垂直；利用角度編碼器，可以實時讀出激光光束偏轉的角度。該電機是高速伺服電機；該多面轉鏡是定制的高精度多面轉鏡；該角度編碼器是高精度增量式光電編碼器；該成像裝置由透鏡和相機組成，其間關系是：為了保證裝置具有較大的景深，激光光束、相機成像平面與光軸之間的夾角滿足一定條件（參見圖1）。具體描述如下：設透鏡焦距為f，激光光點A到透鏡距離為m，A的像點A′到透鏡距離為n；激光光束、成像平面與光軸夾角分別為α、β；成像裝置光路滿足以下條件：

1m+1n=1f]]>

m·tanα=n·tanβ

該透鏡是高質量的光學玻璃透鏡；該相機是工業數字相機。

所述計算機是高性能數字計算機；計算機接收來自相機的圖像數據、來自角度編碼器的旋轉角度數據以及來自位移臺的運動速度數據；計算機對圖像數據進行處理，提取出像點的位置，再根據像點位置、旋轉角度、運動速度計算得到待測物體的三維形貌。

所述位移臺是高精度電動位移臺。

作為一種非接觸光學測量方法，發明的測量裝置光路結構如下所述：激光器發出的光線經過多面轉鏡的反射投射到待測物體上，激光光點在物體上發生漫反射，反射光經多面轉鏡反射進入成像裝置成像。這種光路結構可實現同步掃描，即多面轉鏡轉動時相機的視場能夠隨激光光線同步掃描。同步掃描的優勢在于可通過減小相機的瞬時視場來提高測量精度，而不影響裝置的整體測量范圍。發明的測量裝置的基本原理是激光三角法（參見圖2）。激光三角法通過待測點相對于光學基準線偏移產生的角度變化計算待測點的深度信息，即：成像裝置對待測物體上的激光光點成像，根據像點的位置，計算得到待測點的深度信息。再通過對像點坐標的細分，可以得到高精度的深度信息。由于每次能獲取一個點的深度信息，本發明通過光束掃描與物體運動相結合的方法實現對物體的掃描。從多面轉鏡的旋轉角度和位移臺的移動速度中可以得到待測點的方位信息，根據每個待測點的深度信息和方位信息計算得到物體表面的三維形貌。

2)本發明一種掃描式物體表面三維形貌測量方法，該方法具體步驟如下：

步驟一：將測量頭安裝在位移臺上方，被測物體放置于位移臺上；調整測量頭的姿態，使得從測量頭出射光束的掃描方向與位移臺的運動方向垂直。測量頭的高度可根據待測物體的大小和測量精度的要求進行調節。