[發明專利]基于同軸結構光的鏡面零件三維形貌測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 201510089586.8
• 申請日: 2015-02-27
• 公開（公告）號: CN104729428B
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 王中任;萬仁全;劉海生;周岳斌;雷海燕
• 申請（專利權）人: 湖北文理學院
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

本發明公開了一種基于同軸結構光的鏡面零件三維形貌測量系統，包括投影儀、工業相機、中央處理器和光路系統；還公開了該測量系統的測量方法，包括標定階段和測量階段。本發明從結構和測量算法上解決反射率較強的鏡面零件光學三維形貌測量的精度、效率和數據完整性問題。

技術領域

本發明屬于光學三維測量技術領域，涉及一種基于同軸結構光的鏡面零件三維形貌測量系統，本發明還涉及該測量系統的測量方法。

背景技術

隨著計算機和信息處理技術的高速發展，基于結構光的三維測量技術日趨成熟。多線結構光三維測量是種非接觸式的測量方式，具有自動化程度高、速度快、精度高等特點，目前在逆向工程、產品質量實時監測、服裝設計等領域得到廣泛的應用。但是對精加工的金屬原色零件表面進行多線結構光三維測量時候，多線結構光投射到零件表面會產生局部的鏡面反射、互反射，在這些鏡面反射區域，觀察不到反射物體自身，只能看到其周圍物體在其表面形成的像，這個像是變形的并且會隨觀察角度的變化而變化。另外，鏡面反射還會導致在圖像中形成高光，這種高光的區域包含條紋信息極少，其顏色與物體表面本身的顏色不同。這些因素對后續光學非接觸測量中的圖像處理帶來很大干擾，直接影響到測量精度，甚至無法進行測量。因此，在強反光金屬結構件的實時三維測量中，金屬表面強反光問題和多次反光問題是必須解決的瓶頸問題，測量基礎理論和關鍵技術還有待突破。

針對這一問題，國內外提出了不同的解決方法。傳統的方法是在被測鏡面零件表面噴涂一層反光率低的化學試劑，如顯像劑等。通過涂層來改善零件表面的反射特性方法可大大提高光學測量的精度，但是存在著測量工序長，破壞工件表面性能等缺點。文獻1(專利：日本，特開2010-185820號公報)提出一種新穎的照明方式，使得照明光源所發出的光線不會直接照射到被測物體上，從而降低了金屬零件的鏡面反射率，但是該文獻涉及的方法只是使用二維圖像處理技術，無法測量出高度等三維信息。劉元坤(劉元坤,蘇顯渝，吳慶陽，基于條紋反射的類鏡面三維面形測量方法[J].光學學報.2006.2(11)：1636-1640.)等提出一種類鏡面物體表面的三維形貌測量方法，他將薄膜晶體管作為投射光源，利用單個工業相機觀測物體表面所反射的投射光源的像來進行測量，但這種方法的測量范圍較小，測量精度也不高。Christopher(Christopher Waddington,Jonathan Kofman.Analysis ofmeasurement sensitivity to illuminance and fringe-pattern gray levels forfringe-pattern projection adaptive to ambient lighting[J].Opt Laser Eng.2010；48(2):251–256.)等針對物體照明和條紋灰度級做出了條紋投射測量精度的敏感性分析。此方法只調整了最大條紋圖案的灰度級用于消除環境光的影響，并且避免了圖像的飽和。當環境光的亮度較高時，圖像飽和會降低條紋圖像的信噪比。專利US7092094B2中公開了一種基于偏振結構光的線結構光三角測量方法，利用偏振片來抑制鏡面反射和互反射的光，具有一定的效果。但是這種方法在測量過程需要不斷的調整偏振片的角度，造成測量過程負責，效率低下，無法用于工業現場的實時性測量要求。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于同軸結構光的鏡面零件三維形貌測量系統，解決反射率較強的鏡面零件光學三維形貌測量的精度、效率和數據完整性問題。

本發明的另一目的是提供上述測量系統的測量方法。

本發明所采用的技術方案是，一種基于同軸結構光的鏡面零件三維形貌測量系統，包括投影儀、工業相機、中央處理器和光路系統；投影儀旁設置光路系統，光路系統由菲涅爾透鏡、分光鏡、第一增透鏡與第二增透鏡組成，投影儀平行安裝在菲涅爾透鏡一側的焦點處，分光鏡水平呈45度角設置在菲涅爾透鏡另一側，菲涅爾透鏡上方水平設置第一增透鏡，菲涅爾透鏡下方水平設置第二增透鏡，第二增透鏡下方設置棋盤標定板，第一增透鏡的上方設置工業相機，中央處理器分別與投影儀和工業相機連接。