CN100395517C - 一种三维形状测量的传感装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维形状测量的传感装置及其测量方法。所述传感装置包括投影装置、观测装置、投影***、观测***以及处理数据的计算机。通过投影装置、观测装置的相对运动，投影装置、观测装置的调焦使投影装置光轴和观测装置光轴在被测物体表面相交叉，确定全场测量的视场和零级条纹的位置，通过所测定的该视场下的投影装置物距和像距、观测装置物距和像距，自动调焦投影装置、观测装置。观测装置内的摄像机分别记录相移后的条纹图、计算机计算出物体的三维表面形状。本发明实现了三维物体形状的可变视场的全场高精度、高速度绝对测量。

Description

一种三维形状测量的传感装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维形状测量的传感装置及其测量方法，特别是采用结构光绝对测量物体的三维形状的传感装置及采用该传感装置的测量方法。

背景技术

结构光三维形状测量技术是一种可以全场测量物体形状的三维测量技术，可以采用平行光轴结构或交叉光轴结构。其中所述的结构光包括投影栅线和投影云纹，但由于其区别仅仅在于采用光栅的数量不同，因此二者并没有明确的界定，常常混用。

Takade等人在Applied Optics(vol.22，No.24，Dec.15，1983，P3977-3982)中公开了“Fourier Transform Profilometry For The Automatic Measurement Of 3-DObject Shapes”(用于自动测量三维物体形状的付氏变换轮廓仪)，以及Opton公司在其网站发布的“MoiréReport”(云纹报告)中分别公开了这两种结构。图1为平行光轴结构的示意图，光源1发出的光线照射于光栅2，投影成像透镜3将栅线投射到物体表面5，4为虚拟参考平面，CCD摄像机将物体表面5及其上的变形光栅条纹通过观测成像透镜6成像于CCD靶面7。这种结构的关健在于投影装置8的光轴9与CCD摄像机光轴10共面并平行，在此条件下CCD摄像机接收到的投影栅线为平面等高线。其便利之处是提供直观的高度信息，不方便之处是栅必需放置于远离投影器光轴之外，以便在观察摄像机视场范围内对栅线成像。平行光轴结构有如下问题：(1)难于保持光轴平行；(2)投影仪和摄像机光学器件的中心部分不能使用，光学器件边缘部分像差较大，引起较大的测量误差。

交叉光轴结构如图2所示，其构成如平行光轴，光源1发出的光线照射于光栅2，投影成像透镜3将栅线投射到物体表面5，CCD摄像机将物体表面5及其上的光栅栅线条纹通过观测成像透镜6成像于CCD靶面7。不同之处在于投影装置光轴9与CCD摄像机光轴10在虚拟参考平面4的O点相交，形成栅线的共轭像。因为在虚拟参考平面4上栅的图像已不是等间距的条纹，除非光瞳在无穷远即远心光学***，CCD摄像机接收到的投影栅线为非平面等高线。交叉光轴结构的优点是易于生成，有效地利用了投影装置、CCD摄像机视场，减小了测量误差。

美国专利US 5,175,601公开了一种高速三维表面测量、表面检测以及反向CAD***，采用交叉光轴投影栅线，在一固定视场下测量物体的三维形状。

三维形状位相测量技术中通常采用FFT法和相移法处理数据。采用FFT方法时，参考平面上的初始位相调制可以自动去掉，因此FFT方法既可以用于平行光轴结构也可以用于交叉光轴结构。但是FFT法因为滤掉了高频分量，所以对小的形状变化如孔、边缘等位置处的分辩率较低。

上述现有技术的相移法与FFT法相比，不但有更高的深度方向分辩率，而且具有更高的水平分辩率，可以测量表面上的小的形状变化如孔、边缘等细节。但相移法只被用于平行光轴结构。

长期困扰相移法应用于交叉光轴三维形状测量技术的问题有两个。(1)如Masanori Idesawa等人在Applied Optics(vol.16，No.8 Aug.1977，pp2152-2162)中公开的“Scanning moirémethod and automatic measurement of 3-D shapes”(用扫描云纹法自动测量3-D形状)，栅线条纹所描绘的物体表面的等高线是条纹级数的函数，等高线的高度差不是等间距的，它也是条纹级数的函数。因此若要绝对测量物体的三维形状必需准确测定栅线条纹的绝对条纹级数，也就是确定零级条纹的位置，但是现有技术没有确定零级条纹位置的装置或方法。(2)作为全场测量装置其光学***应有可变的视场，在某一视场下投影光学***、观察光学***到物体的距离(物距)和到投影光栅、观察平面的距离(像距)需要精确测定，而这些恰恰是现有技术中始终没有解决的问题。由于无法解决上述问题，现有的交叉光轴测量装置以某一工作距离下的视场为固定视场，在该视场下给定参数，标定位相与高度的对应关系。由于标定误差影响测量精度，因此无法高精度全场测量物体的三维形状。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的采用交叉光轴的结构光物体形状测量方法和装置的缺憾，提供一种新的三维形状测量的传感装置，所述传感装置中的投影装置和观测装置可以调焦并通过二者的相对运动实现光轴的交叉并改变投影物距和像距、现测物距和像距，准确确定零级条纹的位置，在保持结构光技术实时测量的前提下实现变视场的全场高精度测量。

本发明的另一目的在于提供采用上述三维形状测量传感装置测量物体三维形状的方法，所述方法采用交叉光轴，通过改变投影物距和像距、观测物距和像距等工作距离以测定不同大小的物体，由于准确确定了零级条纹的位置，大大提高了测量精度，在保持结构光技术实时测量的前提下实现对物体的高精度、全场测量。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种三维形状测量的传感装置，包括投射光栅或标志点的投影装置和接收光栅或标志点的观测装置，所述投影装置和观测装置分别置于可以相对运动使投影装置和观测装置的光轴交叉以测量投影物距和像距、观测物距和像距的投影***、观测***上。

其中投影装置和观测装置的相对运动至少包括调整投影***、观测***的相对位置以改变投影装置、观测装置的相对距离。

上述投影装置和观测装置之间位置的改变可以通过至少移动投影***、观测***之一实现。

其中投影装置和观测装置的相对运动还包括相对旋转投影装置、现测装置以调整投影装置和观测装置光轴之间的夹角。所述相对旋转为至少投影装置或观测装置之一转动。

其中投影装置和观测装置分别以投影装置标志点、观测装置标志点为旋转中心相对一维转动。

本发明的投影***、观测***至少包括：投影滑块、观测滑块和直线运动轴；投影滑块、观测滑块可滑动地安装在直线运动轴上。

也可以投影***、观测***至少包括：投影旋转定位台、观测旋转定位台和直线运动轴；投影旋转定位台、观测旋转定位台设置在直线运动轴上。

还可以投影***、观测***包括：投影滑块、观测滑块、直线运动轴、投影旋转定位台、观测旋转定位台，投影滑块、观测滑块可滑动地安装在至少一个直线运动轴上，滑块上分别设置投影或观测旋转定位台，旋转定位台上分别设置投影装置和观测装置。

本发明的投影装置和观测装置的相对运动中，位移前后投影装置的标志点和观测装置的标志点在同一直线上。在这种情况下，投影滑块、观测滑块可滑动地安装在一个直线运动轴上。

其中两个旋转定位台的转动中心连线平行于直线运动轴。

其中投影标志点与投影旋转定位台的旋转中心重合，观测标志点与观测旋转定位台的旋转中心重合，

其中投影装置、观测装置为可调焦的投影装置、观测装置，通过调焦使标志点清晰成像。

本发明的投影装置包括：光源，汇聚光源发出的光线的投射聚光镜，可移动的光栅，用于使投影装置和观测装置的光轴交叉的标志点，对光栅或标志点成像的、可移动以便调焦的投影透镜。

其中投影装置还包括使投影透镜沿光轴方向移动聚焦的投影线性***。

投影装置还包括使光栅在栅线所在平面内移动的光栅相移线性***。

本发明的观测装置包括：使投影装置投射到物体上的标志点投影点或栅线条纹成像的、可移动以便调焦的观测成像透镜，与投射到物体表面的标志点投影点对准的观测标志点，接收观测透镜所成之像的摄像机成像透镜，以及接收图像信号的CCD摄像机。

观测装置还包括：使投影装置投射到物体上的标志点投影点或栅线条纹成像的、可移动的观测成像透镜，与投射到物体表面的标志点投影点对准的观测标志点，用于与投影栅线干涉的观测光栅，接收观测光栅所成干涉条纹的摄像机成像透镜，以及接收图像信号的CCD摄像机。

其中观测装置还进一步包括使观测透镜沿光轴方向移动聚焦的观测线性***。

本发明的标志点可以为十字丝、圆环或光斑的一种。

进一步本发明的传感装置还包括将图像信号数字化的图像采集板，以及进行数据处理的计算机。

上述技术方案之间可以互相组合，形成新的技术方案。

采用上述三维形状测量传感装置测量物体三维形状的方法，包括如下步骤：

1)通过投影装置、观测装置的相对运动，投影装置、观测装置的调焦使投影装置光轴和观测装置光轴在被测物体表面相交叉，确定全场测量的视场和零级条纹的位置；

2)利用投影装置的投影标志点、观测装置的观测标志点、光轴交叉点所形成的三角形间接测量投影工作距、观测工作距；

3)计算投影物距、投影像距及观测物距、观测像距；

4)投影装置将光栅自动调焦成像于物体表面，观测装置对物体表面上的光栅条纹自动调焦成像；

5)数据处理；

步骤1)中，通过投影装置的投影标志点清晰成像于被测物体上，观测装置对被测物体上的标志点投影点清晰成像并与观测装置的观测标志点重合实现所述光轴的交叉。

其中投影装置投射到物体表面上的标志点投影点为所述零级条纹的位置。

步骤2)中，所述的投影工作距为投影装置的投影标志点到光轴交叉点的距离BC；所述观测工作距为观测装置的观测标志点到光轴交叉点的距离AC，所述的三角形ABC由BC、AC和投影装置标志点和观测装置标志点之间的连线AB构成，μ为观测***测量的观测光轴与投影装置标志点和观测装置标志点之间连线AB的夹角，v为投影***测量的投影光轴与投影装置标志点和观测装置标志点之间连线AB的夹角，AB为投影装置***、观测装置***测量的AB距离，θ为投影装置与观测装置光轴夹角，观测工作距AC、投影工作距BC由公式(2)(3)间接测量：

θ＝180-μ-v            (1)

AC＝AB×sinv÷sinθ     (2)

BC＝AB×sinμ÷sinθ    (3)

步骤3)中，所述的观测透镜的焦长为F₂、观测物距为Z_C、观测像距为Z_CF；投影透镜的焦长为F₁、投影物距L_P、投影像距为L_PF，A为投影装置标志点到光栅中心点的距离，B为观测装置标志点到观测成像透镜像面中心点的距离，A、B为投影装置、观测装置内的参数，一旦装置确定，该参数为定值，由公式(6)(7)计算投影物距、投影像距，观测物距、观测像距。

L_P+L_PF±A＝BC    (4)

Z_C+Z_CF±B＝AC    (5)

$\frac{1}{L_P}+\frac{1}{L_{\mathrm{PF}}}=\frac{1}{F_1}---\left(6\right)$

$\frac{1}{Z_C}+\frac{1}{Z_{\mathrm{CF}}}=\frac{1}{F_2}---\left(7\right)$

步骤4)中所述的自动调焦是根据投影物距、投影像距和观测物距、观测像距，调焦投影装置使投影装置的光栅清晰成像于被测物体的表面上，调焦观测装置将被测表面上的投影光栅栅线条纹清晰成像。

步骤5)中所述的数据处理包括采集相移的条纹图、计算位相分布和高度分布。

本发明的传感装置及其测量方法中，通过传感装置中投影装置和观测装置相对运动和调焦使其光轴交叉并改变投影物距和像距、观测物距和像距，准确确定零级条纹的位置，实现了对不同大小的物体的变视场、全场三维高精度测量。

采用本发明的装置及其方法，实现了高精度、全场物体表面形状的绝对测量，在测量视场300*300mm时，测量精度为±0.01mm，是现有测量装置的10～5倍。可以在30s时间内完成测量。适用于复杂形状的三维物体如发动机叶片的高精度、高速度全场测量。

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明，所述的实施例用于描述本发明，而不是限制本发明。

附图说明

图1.是现有技术平行光轴三维形状测量装置原理示意图；

图2.是现有技术交叉光轴三维形状测量装置原理示意图；

图3.是本发明三维形状测量装置一个实施例的示意图；

图4.是本发明投影装置的一个实施例的示意图；

图5.是本发明观测装置的一个实施例的示意图；

图6.是本发明三维形状测量的传感装置的参数计算示意图；

图7.是本发明三维形状测量的传感装置的测量原理示意图；

图8.是本发明三维形状测量的传感装置的方法流程图；

图9.是本发明三维形状测量传感装置一个实施例的示意图；

图10.是本发明三维形状测量传感装置一个实施例的示意图；

图11.是本发明投影装置的另一个实施例的示意图；

图12.是本发明观测装置的另一个实施例的示意图；

图13.是本发明具有观测光栅的观测装置的一个实施例的示意图；

图14.是本发明三维形状测量装置另一个实施例的示意图；

图15.是本发明三维形状测量传感装置另一个实施例的示意图；

图16.是本发明三维形状测量传感装置改变视场示意图。

详细描述

参见图15，在本发明的一个实施例中，投影***、观测***包括投影滑块41、观测滑块42和直线运动轴40，投影滑块41、观测滑块42可滑动地安装在直线运动轴40上。投影装置70安装在投影滑块41上，观测装置80设置在滑块42上，通过滑块41、42在直线运动轴40上的移动改变投影装置、观测装置的相对距离，使投影装置70和观测装置80的光轴在被测物体表面交叉并调整视场和工作距离，以测定不同大小的物体。在这种情况下，投影装置70、观测装置80在直线运动轴40上设置时，需要保证二者的光轴不平行。

参见图10，在本发明的另一个实施例中，投影***、观测***包括直线运动轴40和投影旋转定位台50、观测旋转定位台60；投影旋转定位台50、观测旋转定位台60以一固定距离直接设置在直线运动轴40上，投影装置70设置在投影旋转定位台50上，观测装置80设置在观测旋转定位台60上；通过投影旋转定位台50或观测旋转定位台60带动其上的投影装置70或观测装置80的转动，使投影装置70和观测装置80的光轴在被测物体表面交叉并调整视场。当然，也可以通过投影旋转定位台50和观测旋转定位台60的同时转动，使投影装置70和观测装置80的光轴在被测物体表面交叉并调整视场和工作距离，以测定不同大小的物体。

参见图9，在本发明的另一个实施例中，投影***、观测***同时设置有投影滑块41、观测滑块42、直线运动轴40，在这种情况下，所述投影滑块41上进一步设置一个投影旋转定位台50，观测滑块42上进一步设置一个观测旋转定位台60；投影装置70安装在旋转投影定位台50上，观测装置80安装在观测旋转定位台60上；通过投影旋转定位台50和/或观测旋转定位台60的转动、以及滑块的移动，分别带动投影装置70和/或观测装置80的移动或转动，使投影装置70和观测装置80的光轴在被测物体表面交叉并调整视场，以测定不同大小的物体。

其中投影装置70的标志点与投影旋转定位台50的旋转中心重合，观测装置80的标志点与观测旋转定位台60的旋转中心重合。

进一步投影旋转定位台50与观测旋转定位台60转动中心的连线与直线运动轴40平行。

旋转定位台50、60可以分别在0-360度转动，优选在相对于被测物体一面180度转动。

本发明的三维形状测量的传感装置可以置于一、二或三坐标移动装置上，如三坐标测量机的移动臂、三角架或平台等。通过一、二、三维运动改变视场，对不同大小的物体测量投影工作距离、观测工作距。

投影装置70如图4所示，光源71发出的光线经聚光镜72汇聚后，照射到光栅73或位于光栅后的投影标志点74上。投影透镜线性***76控制投影透镜75沿光轴方向移动聚焦，对光栅73或标志点74成像。通过投影光栅线性***77控制光栅73在光栅栅面内的移动，以进行精确的相移。

投影装置70中的投影标志点74和光栅73也可以置于标志点和光栅切换器79上，将投影标志点或光栅分别切换到光路内。如图11所示。

观测装置80如图5所示，观测线性***89A控制观测透镜89沿光轴方向移动以聚焦投影装置投射到物体上的标志点投影点或栅线条纹。观测标志点切入器83可将标志点83A切入光路中，以便与投射到物体表面的标志点投影点精确对准，使光轴交叉并确定零级条纹的位置。投射到物体表面上的标志点投影点或栅线条纹经过观测成像透镜89，成像于观测成像透镜89的像面，并通过摄像机成像透镜82被摄像机81接收。

观测装置80也可以如图12所示，分别设置观察光路B和测量光路A。测量光路A与图5的不同之处仅仅在于光路中不包括观测标志点切入器83及其上的标志点83A。观察光路包括测量光路中的观测透镜89，控制观测透镜89沿光轴方向移动的观测透镜线性***89A，此外还有从测量光路中垂直分光的、位于观测透镜89后的方棱镜84，位于方棱镜84和反射镜86之间的标志点85，90度改变光路方向的反射镜86，将标志点85成像的观察摄像机88和位于其之前的观察摄像机成像透镜87。图12中的85A为标志点的共轭点。

观测装置80也可以如图13所示，分别设置观察光路B和测量光路A。测量光路A与图5的不同之处仅仅在于光路中不包括观测标志点切入器83及其上的标志点83A，而包括观测光栅83B。观察光路包括测量光路中的观测透镜89，控制观测透镜89沿光轴方向移动的观测透镜线性***89A，此外还有从测量光路中垂直分光的、位于观测透镜89后的方棱镜84，位于方棱镜84和反射镜86之间的标志点85，90度改变光路方向的反射镜86，将标志点85成像的观察摄像机88和位于其之前的观察摄像机成像透镜87。图13中的85A为标志点的共轭点。

图8为本发明三维形状测量的传感装置测量方法流程图。测量时，将被测物体放置于观测装置80能对其全场成像处。调整投影装置70的成像透镜并转动或移动投影装置70使投影标志点74清晰成像于被测物体表面。如果投影装置70中的投影标志点和光栅置于标志点和光栅切换器79上，需要首先将投影标志点切换到光路内，再进行上述过程。

当观测装置80通过观测标志点切换器83的切换实现观察和测量时，首先将观测标志点83A切入光路中，调整观测装置80的成像透镜，对标志点投影点调焦，使被测物体上的标志点投影点在观测成像透镜89的像面及摄像机81像面上清晰成像；转动或移动观测装置80，使被测物体上的标志点投影点与观测装置80内的观测标志点83A重合对准。此时投影装置、观测装置的光轴相交，并由投影装置标志点74、观测装置标志点83A、被测物体上的标志点投影点组成三角形ΔABC，如图6所示。

当观测装置80分别设置有观察光路B和测量光路A时，同样调整观测装置80的成像透镜使被测物体上的标志点投影点在观测成像透镜89的像面清晰成像。该像经方棱镜84分光，反射镜86和观察摄像机成像透镜87，将标志点85及被测物体上的标志点投影点成像于观察摄像机88，转动或移动观测装置80，使被测物体上的标志点投影点与观测装置80内的标志点85重合(对准)。此时投影装置、观测装置的光轴相交，并由投影装置标志点74、观测装置标志点共轭点85A、被测物体上的标志点投影点组成三角形ΔABC，如图6所示。

实际上，本发明的三维形状测量的传感装置中，投影装置和观测装置的相对位置的改变并不限于在一个直线运动轴上的移动；为了检测不同大小物体的三维形状，投影装置和观测装置也可以任意改变其相对位置。如图16所示的三维形状测量传感装置改变视场的示意图，检测物体时，投影装置、观测装置和物体分别位于图中所示的A’、B’、C处，如果该位置不能满足所测大小物体，移动投影装置和/或观测装置至满足测量要求的位置A、B进行测量；这种移动可以采用另外的至少一个直线运动轴B’B和/或A’A以及现有技术公开的其他方法实现，这对于本领域的技术人员是公知的。在每个位置上对物体表面形状的测量都是分别通过投影装置标志点、观测装置标志点或标志点共轭点，以及被测物体上的标志点投影点所形成的三角形ΔA’B’C、ΔABC进行测量的。

三角形确定后，可以间接测量投影工作距和观测工作距。以ΔABC为例：投影光轴、观测光轴与投影装置内标志点74和观测装置内的标志点83A或标志点共轭点85A之间连线AB的夹角v、μ可以由旋转定位台分别测出；投影装置内标志点74和观测装置内的标志点83A或标志点共轭点85A之间连线AB的距离通过带有光栅尺的直线运动轴40测量或多直线运动轴间接测量，投影装置与观测装置光学中心的夹角θ，以及投影装置标志点74、观测装置标志点83A或标志点共轭点85A与被测物体上的标志点投影点的距离BC、AC，也就是投影工作距、观测工作距可以分别通过下述公式(2)、(3)得出。

θ＝180-μ-v            (1)

AC＝AB×sinv÷sinθ     (2)

BC＝AB×sinμ÷sinθ    (3)

为了消除人为因素可能造成的误差，且使光栅73在被测物体上清晰成像，需要精确给出观测物距、观测像距；投影物距、投影像距。本发明中通过计算精确给出观测物距、观测像距；投影物距、投影像距的值，再根据计算值进行自动调焦，并用摄像机81记录被测物体上清晰的栅线图像。

如图7所示，设观测透镜的焦长为F₂、观测物距为Z_C、观测像距为Z_CF；投影透镜的焦长为F₁、投影物距为L_P、投影像距为L_PF，A，B为投影装置、观测装置内已知的参数，一旦装置确定，该参数为定值；则有：

L_P+L_PF±A＝BC    (4)

Z_C+Z_CF±B＝AC    (5)

$\frac{1}{L_P}+\frac{1}{L_{\mathrm{PF}}}=\frac{1}{F_1}---\left(6\right)$

$\frac{1}{Z_C}+\frac{1}{Z_{\mathrm{CF}}}=\frac{1}{F_2}---\left(7\right)$

透镜选定后，透镜的焦长F₁、F₂为定值，本发明中，透镜的焦长范围为16-50mm。根据方程(4)、(5)、(6)、(7)解出Z_C，Z_CF，L_PF，L_P。

根据计算值进行自动调焦：

采用图4的投影装置即通过投影线性***移动投影装置70的投影透镜75使投影装置70光源所发出光线通过光栅73后清晰成像于被测物体的可视表面上；

采用图11的投影装置当投影装置70中的投影标志点74和光栅73置于标志点和光栅切换器79上，需要将光栅切换到光路内；

采用图12的观测装置时，通过观测线性***89A移动观测装置80的成像透镜89使被测表面上的投影光栅栅线条纹清晰成像。观测装置80内的摄像机81记录光栅条纹图像；

采用图5的观测装置时，观测装置80中的投影标志点置于标志点切换器83上，需要将标志点83A切换出光路。观测装置80内的摄像机81记录被测物体表面上的光栅栅线条纹图像。

采用图13的观测装置时，通过观测线性***89A移动观测装置80的成像透镜89使被测表面上的投影光栅栅线条纹清晰成像。观测装置80内的摄像机81记录观测光栅面上的光栅干涉条纹图像。

观测装置80的CCD摄像机81将记录的图像输入图像采集板(图中未示)将图像数字化。数字化的条纹图像输入计算机(图中未示)。这样得到一幅数字化的条纹图。通过移动投影装置光栅使光栅在垂直光轴的方向移动四分之一栅距、四分之二栅距、四分之三和一个栅距处时，CCD摄像机81分别采集4幅条纹图，经图像采集板送入计算机。利用相移算法求出0-2π的相位图。

其中I₀为背景光强，A为条纹对比度，

为物体表面上每点的位相。

再利用去包裹算法或解出相位图其原理如下：

相移后的相位图利用判据

则

则 判断，可以去包裹成连续变化的位相分布。

如果已知观测物距Z_C、观测像距Z_CF、投影像距L_PF、投影物距L_P、在被测物体处投影装置与观测装置光学中心夹角θ、光栅栅距P，利用Masanori Idesawa等人在Applied Optics(vol.16，No.8 Aug.1977，pp2152-2162)中公开的“Scanningmoirémethod and automatic measurement of 3-D shapes”(用扫描云纹法自动测量3-D形状)的投影栅线/云纹高度与位相公式可以计算被测物体的高度分布，即可以得到三维物体的表面形状。

下面是本发明的具体实施例。

实施例1

如图3、15所示。将投影装置70安装在带有光栅尺的双滑块直线运动轴40的投影滑块41上，将观测装置80安装在带有双滑块的直线运动轴40的观测滑块42上。带有双滑块的直线运动轴40吊挂在可以三维移动的三坐标移动臂30上，并与三坐标移动臂的Z轴垂直。观测装置80和投影装置70的光学中心在同一水平面上，被测物体安装在可以360度旋转的旋转定位台(德国PI公司旋转***M039)上。投影装置70通过电缆与电源相连。观测装置80的测量摄像机81、观察摄像机88通过电缆与Matrox Pulser 4通道图像采集板相连(图中未示)，图像采集板***计算机(图中未示)。投影装置70的投影成像透镜线性***76是德国PI公司的线性***M224.20，光栅线性***77为德国PI公司线性***M222.20。观测装置80的观测成像透镜线性***89A是德国PI公司的线性***M224.20。线性***和旋转***分别通过电缆与德国PI公司1块4通道直流电机控制板C-842.40相连，后者***计算机。

投影装置70如图4所示，包括聚光镜72前的产生白光的光源71，位于标志点---本实施例中为十字丝74前的光栅73和投影透镜75。光栅73在光栅栅面内的移动由光栅线性***77控制，投影透镜75沿光轴方向的移动由投影透镜线性***76控制。

观测装置80如图12所示，包括测量光路和观察光路。所述观察光路包括观测透镜89，控制观测透镜89沿光轴方向移动的观测透镜线性***89A，从测量光路中垂直分光的、位于观测透镜89后的方棱镜84，位于方棱镜84和反射镜86之间的标志点-一十字丝85，90度改变光路方向的反射镜86，将标志点，也就是本实施例中的十字丝85成像的观察摄像机88和位于其之前的观察摄像机成像透镜87。通过观察光路中标志点与投影装置70投射于被测物体上的标志点投影点完全对准，实现投影装置70与观测装置80光轴的交叉，以确定零级条纹的位置。所述测量光路包括观测成像透镜89，控制观测透镜89沿光轴方向移动的线性***89A，用于接收物体表面栅线条纹的摄像机81和位于其之前的摄像机成像透镜82。投射到物体表面上的栅线条纹成像于观测成像透镜89的像面，并通过摄像机成像透镜82被摄像机81接收。投影透镜75的焦长为50mm，观测透镜89焦长为50mm。

参照图8，测量时，首先三维调整三坐标移动臂30、投影滑块41和/或观测滑块42，使投影装置70、观测装置80的视场适合被测物体的大小。然后移动投影成像透镜线性***77，使投影透镜76对十字丝74清晰成像，使十字丝在被测物体表面上清晰成像，得到一个十字丝投影点。调整观测装置成像透镜线性***89A，使通过投影成像透镜75成像于被测物体上的十字丝投影点清晰成像于观察摄像机88的靶面上，调整直线运动轴40的滑块41或42使物体上的十字丝投影点与观测装置的十字丝85重合。这时投影装置70和观测装置80的光轴相交。带有光栅尺的直线运动轴测量出投影装置内标志点和观测装置内的标志点共轭点85A之间连线AB的值，根据测量的投影装置、观测装置与投影装置内标志点和观测装置内的标志点共轭点85A之间连线AB的夹角v、μ及AB的值，计算机按照公式(4)-(7)精确给出观测物距、观测像距；投影物距、投影像距的值，根据上述值进行自动调焦，即调整投影成像透镜线性***76，使投影透镜75对栅线73清晰成像。微调观测成像透镜线性***89A，使观测透镜89对栅线73投射在物体上的像清晰成像；然后移动投影光栅73使光栅在垂直光轴的方向移动四分之一栅距、四分之二栅距、四分之三栅距处时，观察摄像机分别采样4幅条纹图，摄像机将栅线条纹图像输入图像采集板，数字化的条纹图像输入计算机。这样得到一幅数字化的条纹图。利用相移算法求出0-2π的相位图，最后以标志点投影点为零相位展开位相，按照公式计算物体的高度分布，如此重复求出视场内各个点的Xz、Yz、Z；转动旋转载物台改变测试面并重复上述过程，即可以得到三维物体的表面形状。

实施例2

如图3所示。可将传感装置安装在三坐标移动臂上。其传感装置如图10所示，投影旋转定位台50为德国PI公司的旋转***M039，将其安装在直线运动轴40上，观测旋转定位台60为德国PI公司的旋转***M039，将其安装直线运动轴40上。投影装置70安装在投影旋转定位台50上，观测装置80安装在观测旋转定位台60上。投影装置70的标志点73与投影旋转定位台50的旋转中心重合，观测装置80的标志点83A与旋转定位台60的旋转中心重合。观测装置80的光轴与直线运动轴40相交成μ角，投影装置70的光轴与直线运动轴40相交成v角，投影装置光轴与观测装置光轴相交成θ角。被测物体安装在(德国PI公司的旋转***M039)旋转定位台上。投影装置70通过电缆与电源相连，观测装置80的测量摄像机81通过电缆与4通道图像采集板相连(图中未示)，图像采集板***计算机(图中未示)。投影装置70的投影透镜线性***76是德国PI公司的线性***M224.20，光栅线性***77为德国PI公司线性***M222.20。观测装置80的观测成像透镜线性***89A是德国PI公司的线性***M224.20。线性***和旋转***分别通过电缆与德国PI公司2块4通道直流电机控制板C-842.40相连，后者***计算机。其他需要自动控制的部件也分别与计算机连接。

投影装置70如图11所示，包括光源71，聚光镜72，标志点---圆环74和光栅73置于光栅圆环切换器79上，投影透镜75，投影透镜线性***76，光栅线性***77。

观测装置80如图5所示，包括观测摄像机81，测量摄像机成像透镜82，标志点-一圆环83A置于圆环切换器83上，观测成像透镜89，观测成像透镜线性***89A。

投影透镜75的焦长为50mm，观测透镜89焦长为50mm，观察摄像机成像透镜82焦长为30mm。

参照图8，测量时，首先三维调整三坐标移动臂30使投影装置70、观测装置80的视场适合被测物体的大小。然后将投影装置光栅圆环切换器79的圆环74切入光路。移动投影成像透镜线性***76，使成像透镜75对圆环清晰成像。将观测装置圆环切换器83的圆环83A切入光路。调整观测成像透镜线性***89A，调整投影定位台50或观测定位台60，使通过测量摄像机成像透镜89成像于测量摄像机81靶面上的投影圆环与观察装置圆环83A重合。此时参照图8及实施例1的步骤测量，计算机读取投影装置70、观测装置80与AB的夹角v、μ输入定值AB的值计算投影物距和像距、观测物距和像距。根据计算数据进行自动调焦，同时将投影装置70的光栅圆环切换器79的光栅73切入光路。将观测装置80的圆环切换器的圆环83A移出光路。然后移动投影光栅73使光栅在垂直光轴的方向移动四分之一栅距、四分之二栅距、四分之三栅距处时，观察摄像机分别采样4幅条纹图，具体参见实施例1的各个步骤，即可以得到三维物体的表面形状。

实施例3

如图3所示。可将传感装置安装在三坐标移动臂上。其传感装置参见图9，投影***、观测***同时设置有投影滑块41、观测滑块42、直线运动轴40。在这种情况下，所述投影滑块41上进一步设置一个投影旋转定位台50，投影旋转定位台50为德国PI公司的旋转***M039，观测滑块42上进一步设置一个观测旋转定位台60，观测旋转定位台60为德国PI公司的旋转***M039，投影装置70(如图11)安装在旋转投影定位台50上，观测装置80(如图5)安装在观测旋转定位台60上。通过投影旋转定位台50和/或观测旋转定位台60、以及滑块的移动，分别带动投影装置70和/或观测装置80的移动或转动，使投影装置70和观测装置80的光轴在被测物体表面交叉并调整视场，以测定不同大小的物体。

投影装置70通过电缆与电源相连。观测装置80的测量摄像机81通过电缆与4通道图像采集板相连(图中未示)，图像采集板***计算机(图中未示)。投影装置70的投影透镜线性***76是德国PI公司的线性***M224.20，光栅线性***77为德国PI公司线性***M222.20。观测装置80的观测成像透镜线性***89A是德国PI公司的线性***M224.20。线性***和旋转***分别通过电缆与德国PI公司2块4通道直流电机控制板C-842.40相连，后者***计算机。其他需要自动控制的部件也分别与计算机连接。

投影透镜75的焦长为50mm，观测透镜89焦长为50mm，观察摄像机成像透镜82焦长为30mm。

工作过程与实施例2相同。

实施例4

如图14所示，可将传感装置安装在具有直线运动轴的大理石平台上。通过传感器的移动、以及投影装置70和观测装置80距离的改变使投影装置70、观测装置80的视场适合被测物体的大小，其它与实施例1相同，所不同的是观测装置具有观测光栅，参见图13。测量摄像机81接收的图像为光栅干涉条纹，采用前述的公式计算。

Claims (28)

1.一种三维形状测量的传感装置，包括投射光栅或标志点的投影装置和接收光栅或标志点的观测装置，其特征在于，所述投影装置和观测装置分别放置在可以相对运动使投影装置和观测装置的光轴交叉以测量投影物距和像距、观测物距和像距的投影***、观测***上，所述的投影装置和观测装置的相对运动包括调整投影***、观测***的相对位置以改变投影装置、观测装置的相对距离，所述的投影装置、观测装置为可调焦的投影装置、观测装置，所述投影装置光轴和观测装置光轴在被测物体表面相交叉。

2.根据权利要求1所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置和观测装置的相对运动还包括分别相对旋转投影装置、观测装置以调整投影装置和观测装置光轴之间的夹角。

3.根据权利要求1或2所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置和观测装置分别以投影装置标志点、观测装置标志点为旋转中心相对一维旋转。

4.根据权利要求1所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影***、观测***包括投影滑块、观测滑块和直线运动轴，投影滑块、观测滑块可滑动地安装在一个直线运动轴上，滑块上分别设置投影装置和观测装置。

5.根据权利要求1所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置和观测装置的相对运动中，投影装置的标志点和观测装置的标志点在同一直线上。

6.根据权利要求1或4所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影***、观测***包括：投影旋转定位台、观测旋转定位台和直线运动轴，投影旋转定位台、观测旋转定位台分别固定在直线运动轴的两端，投影旋转定位台上设置投影装置、观测旋转定位台上设置观测装置。

7.根据权利要求4所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影***、观测***还包括投影旋转定位台和观测旋转定位台，投影旋转定位台设置在投影装置和投影滑块之间，观测旋转定位台设置在观测装置和观测滑块之间。

8.根据权利要求6所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的两旋转定位台的转动中心连线平行于直线运动轴。

9.根据权利要求7所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的两旋转定位台的转动中心连线平行于直线运动轴。

10.根据权利要求7或8所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置包括投影装置标志点，投影装置标志点与投影旋转定位台的旋转中心重合，所述的观测装置包括观测装置标志点，观测装置标志点与观测旋转定位台的旋转中心重合。

11.根据权利要求1或2或4或5所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置、观测装置为可调焦的投影装置、观测装置。

12.根据权利要求1或2或4或5所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置包括：光源，汇聚光源发出的光线的投射聚光镜，可移动的光栅，用于使投影装置和观测装置的光轴交叉的标志点，对光栅或标志点成像的、可移动以便调焦的投影透镜。

13.根据权利要求12所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置还包括使投影透镜沿光轴方向移动聚焦的投影线性***。

14.根据权利要求12所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置还包括使光栅在栅线所在平面内移动的光栅相移线性***。

15.根据权利要求13所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的投影装置还包括使光栅在栅线所在平面内移动的光栅相移线性***。

16.根据权利要求1或2或4或5所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的观测装置包括：使投影装置投射到物体上的标志点投影点或栅线条纹成像的、可移动以便调焦的观测成像透镜，与投射到物体表面的标志点投影点对准的观测标志点，接收观测成像透镜所成之像的摄像机成像透镜，以及接收图像信号的CCD摄像机。

17.根据权利要求1或2或4所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的观测装置包括：使投影装置投射到物体上的标志点投影点或栅线条纹成像的、可移动的观测成像透镜，与投射到物体表面的标志点投影点对准的观测标志点，用于与投影栅线干涉的观测光栅，接收观测光栅所成干涉条纹的摄像机成像透镜，以及接收图像信号的CCD摄像机。

18.根据权利要求16所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的观测装置还包括使观测成像透镜沿光轴方向移动聚焦的观测线性***。

19.根据权利要求17所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的观测装置还包括使观测成像透镜沿光轴方向移动聚焦的观测线性***。

20.根据权利要求1所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的标志点为十字丝、圆环或光斑的一种。

21.根据权利要求1所述的三维形状测量的传感装置，其中所述的传感装置还包括将图象信号数字化的图象采集板，以及进行数据处理的计算机。

22.采用权利要求1-21所述的三维形状测量传感装置测量物体三维形状的方法，包括如下步骤：

1)通过投影装置、观测装置的相对运动，投影装置、观测装置的调焦使投影装置光轴和观测装置光轴在被测物体表面相交叉，确定全场测量的视场和零级条纹的位置；

2)利用投影装置内的投影标志点、观测装置内的观测标志点、光轴交叉点所形成的三角形间接测量从投影装置的投影标志点到光轴交叉点的投影工作距以及从观测装置的观测标志点到光轴交叉点的观测工作距；

3)计算投影物距、投影像距及观测物距、观测像距；

4)投影装置将光栅自动调焦成像于物体表面，观测装置对物体表面上的光栅条纹自动调焦成像；

5)数据处理。

23.根据权利要求22所述的三维形状测量方法，通过投影装置内的投影标志点清晰成像于被测物体上，观测装置对被测物体上的标志点投影点清晰成像并与观测装置内的观测标志点重合实现所述光轴的交叉。

24.根据权利要求22或23所述的三维形状测量方法，其中光轴交叉时投影装置投射到物体表面上的标志点投影点为所述零级条纹的位置。

25.根据权利要求22所述的三维形状测量方法，其中所述的投影工作距为投影装置内的投影标志点到光轴交叉点的距离BC；所述观测工作距为观测装置内的观测标志点到光轴交叉点的距离AC，所述的三角形ABC由BC、AC和投影标志点和观测标志点之间的连线AB构成，μ为观测***测量的观测光轴与投影标志点和观测标志点之间连线AB的夹角，v为投影***测量的投影光轴与投影标志点和观测标志点之间连线AB的夹角，AB为投影装置***、观测装置***测量的距离，θ为投影装置与观测装置光轴夹角，观测工作距AC、投影工作距BC由公式(2)(3)间接测量：

θ＝180-μ-v              (1)

AC＝AB×sinv÷sinθ       (2)

BC＝AB×sinμ÷sinθ      (3)

26.根据权利要求22所述的三维形状测量方法，其中所述的投影装置包括：光源，汇聚光源发出的光线的投射聚光镜，可移动的光栅，用于使投影装置和观测装置的光轴交叉的标志点，对光栅或标志点成像的、可移动以便调焦的投影透镜，观测装置包括使投影装置投射到物体上的标志点投影点或栅线条纹成像的、可移动以便调焦的观测成像透镜，其中观测成像透镜的焦长为F2、观测物距为ZC、观测像距为ZCF；投影透镜的焦长为F1、投影物距LP、投影像距为LPF，A为已知的投影装置标志点到光栅中心点的距离，B为已知的观测装置标志点到观测成像透镜像面中心点的距离，由公式(6)(7)计算投影物距、投影像距，观测物距、观测像距

L_P+L_PF±A＝BC    (4)

Z_C+Z_CF±B＝AC    (5)

$\frac{1}{L_P}+\frac{1}{L_{\mathrm{PF}}}=\frac{1}{F_1}---\left(6\right)$

$\frac{1}{Z_C}+\frac{1}{Z_{\mathrm{CF}}}=\frac{1}{F_2}---\left(7\right)$

27.根据权利要求22所述的三维形状测量方法，其中所述的自动调焦是根据投影物距、投影像距和观测物距、观测像距，调焦投影装置使投影装置的光栅清晰成像于被测物体的表面上，调焦观测装置将被测表面上的投影光栅栅线条纹清晰成像。

28.根据权利要求22所述的三维形状测量方法，其中所述的数据处理包括采集相移的条纹图、计算位相分布和高度分布。

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