CN106556357B - 一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法，其中，所述装置包括底座、照明模块、电动旋转台、成像模块、运动控制器、上位机、待测物体、标定板及电源模块。本发明提供的一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法，能够减少激光宽度对测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明属于三维面形测量技术领域，具体涉及一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法。
背景技术
三维曲面或三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域，比如汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片、复杂零件等加工制造中的在线检测，牙齿、鞋楦等三维建模。高分辨高精度的三维曲面测量是保证产品加工质量、提升产品性能或者进行逆向工程必不可少的环节。
目前物体三维面形测量技术有接触式和非接触式两种。接触式的典型代表为三坐标测量仪，优点为测量精度高并且几乎能够测量任意曲面，缺点为测量精度由数控***决定，成本较高，且由于为接触式，测量物品种类受到限制。非接触式主要为光电方法，可分为结构光法及激光线扫描法。其中结构光法在物体表面投影条纹，通过反演拍摄图片中的条纹变形获得物体表面面形，一次拍摄即可获得三维表面面形数据，具有测量简单，速度快及精度高的优点，但其精度受到物体表面反射率及颜色不均匀的限制。相比之下，激光线扫描法使用激光作为光源，不受物体反射率及颜色的限制，测量范围更广，但由于一次只能测量激光照明处面形，需要手动或者自动扫描方可获得物体全貌。
现有技术中公开了一种使用亚像素技术的激光线扫描装置，使用柱面镜产生线激光，照射至物体表面后产生变形，利用红色激光黑色背景的先验知识及多次拍摄叠加减小噪声的技术，提高了条纹中心提取精度，降低了对激光条纹宽度和亮度的要求。
此外，现有技术还公开了一种结合多面棱镜及同步技术的激光线扫描装置，输出频闪线激光至多面棱镜，多面棱镜在高速电机的驱动下旋转，使线结构光扫描过整个被测物体表面，形成面结构光测量条纹，通过同步信号及延长曝光时间方式，一次曝光可测量整个表面面形，提高了测量速度。
以上两种方式均为使用一字线激光器产生线激光，但由于此线激光由柱面镜聚焦产生，在传输过程中发散，宽度产生变化，而激光宽度显著影响了测量分辨率及精度，因此物体深度不同时，分辨率与精度同样发生变化，需要对此加以解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法，能够减少激光宽度对测量结果的影响。
为实现上述目的，本发明提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置，所述装置包括底座、照明模块、电动旋转台、成像模块、运动控制器、上位机、待测物体、标定板及电源模块，其中：所述照明模块包括半导体激光器和柱面镜，所述柱面镜的平面与半导体激光器的光轴构成预设角度，经过柱面镜后的激光波前可拟合为三次多项式；所述电动旋转台受控于所述运动控制器，以预设步进角度带动所述待测物体转动；所述成像模块包括依次相连的相机、转接头、变焦镜头及滤光片，所述相机用于采集所述待测物体表面的变形激光光束图像，并与所述上位机相连；所述变焦镜头与激光光束平面构成45°角；所述标定板用于通过张正友标定法获取所述成像模块中像空间坐标系与世界坐标系之间的转换关系。
进一步地，所述电动旋转台中包括步进电机，所述运动控制器包括单片机与步进电机驱动器，所述单片机与所述上位机通过串口相连，所述步进电机驱动器与所述步进电机相连。
进一步地，每当所述电动旋转台旋转一步，所述成像模块采集一幅激光光束图像。
进一步地，所述半导体激光器的快轴方向发散角为±30°，慢轴方向发散角为±8°。
进一步地，所述待测物体由非透明材料构成且表面不抛光。
进一步地，所述上位机包括：图像采集模块，用于调节相机的感兴趣区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；标定模块，用于使用提取预设数量的网格图像中网格点的位置，并将提取的网格点作为像坐标系中的已知位置点，结合实际世界坐标系中的网格位置，使用张正友标定法由物像点位置关系计算相机的内外参数；运动控制模块，用于通过串口与所述运动控制器相连，并可设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；图像处理模块，用于对拍摄的激光变形条纹进行处理，以获取条纹处面形信息；三角化网格模块，用于对测量的三维点云数据进行三角化，获得表征所述待测物体表面的三角网格；文件及显示模块，用于使用ASCII码STL文件格式保存点云数据并在界面上显示测量的曲面结果。
为实现上述目的，本申请另一方面还提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，所述方法包括：利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准，以确保激光平面通过电动旋转台的轴心；使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数；通过上位机调整所述相机的感兴趣区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；所述上位机通过串口与运动控制器相连，并设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；所述上位机获得当前角度处的面形信息后发送旋转角度给所述运动控制器，并等待所述运动控制器返回电动旋转台旋转结束的信号，拍摄图像进行处理直至所述电动旋转台旋转360°，以处理完待测物体全貌。
进一步地，利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准包括：将标准圆柱放置在旋转台上，观察激光照射在圆柱上条纹，移动圆柱，使条纹与所述标准圆柱的侧面重合，保证激光平面与电动旋转台的端面垂直；获取激光平面在所述电动旋转台上的刻度读数，并调整激光使前后读数差为180°。
进一步地，使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数包括：关闭激光器，随机摆放标定板，并观察所述相机拍摄的标定板图像；当标定板图像全部位于成像区域内时，拍摄图像保存；重复上述步骤预设次数，并提取每一幅标定板图像的方格角点信息，根据已知的方格尺寸使用张正友标定法计算所述相机的内外参数。
进一步地，所述方法包括：保存最后两幅图时，打开激光器，拍摄标定板上的激光条纹；计算激光平面与方格的交点，获得激光平面在世界坐标系中位置；在上位机中保存标定获得的相机及激光平面参数，用于将条纹变形转化为面形信息。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用一维无衍射光束作为照明光束，在传播过程中激光光束宽度保持不变且能够达到衍射极限，克服了现有技术中线激光高斯光束随着传播光束不断发散宽度增加的缺陷，同时变焦镜头与激光光束平面构成45°角，从而能够构成Scheimpflug条件，使得测量过程中当物体深度变化时，测量分辨率与精度能够保持恒定。产生一维无衍射光束的方式简单，只需倾斜平凸柱面镜即可，无需增加任何额外元器件，易于改进现有设备实现，有助于推广该技术的应用。
此外，成像部分使用变焦镜头拍摄激光光束变形图像，能够根据实际待测物体的尺寸调整镜头焦距，调整装置的测量范围，上位机提供标定模块，使用张正友标定法实现，通过拍摄多幅随机摆放的标定板图像计算调整镜头后的相机参数，方便于测量不同尺寸的物体。同时由于使用窄带滤光片滤除杂散光干扰，提高了测量信噪比及光束主斑中心位置提取的精度。
附图说明
图1为本发明所述三维面形测量装置的示意图；
图2为一维无衍射光束产生原理示意图；
图3为柱面镜出射处光程差拟合为三次多项式示意图；
图4为成像模块原理示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都应当属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请实施方式提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置，所述装置包括底座1、照明模块2、电动旋转台3、成像模块4、运动控制器5、上位机6、待测物体7、标定板8及电源模块9。
在本实施方式中，所述照明模块2包括半导体激光器21和柱面镜22，所述柱面镜22的平面与半导体激光器21的光轴构成预设角度，所述预设角度可以是60°，经过柱面镜22后的激光波前可拟合为三次多项式。
请参阅图3，所述三次多项式的拟合曲线可以用公式表示为：
OPD/R＝a+b(y/R-c)3
其中，OPD/R表示纵坐标，a、b、c表示拟合系数，y/R表示横坐标。
所述电动旋转台3受控于所述运动控制器5，以预设步进角度带动所述待测物体转动。
在本实施方式中，所述照明模块2使用连续半导体激光器21作为点光源，波长为650nm，功率为5mW，快轴方向发散角约为±30°，慢轴方向发散角约为±8°，激光强度可由激光器电源控制盒进行控制，使用平凸柱面镜22对激光光束进行整形，柱面镜曲率方向为快轴方向，柱面镜中平面与光轴构成夹角60°，使得经过柱面镜后激光波前可拟合成三次多项式，模拟三次相位板编码方式，整形后激光出射的高斯光束成为无衍射Airy光束，获得大焦深的特点，在传播过程中径向光强分布保持不变。
所述电动旋转台3可以使用步进电机，角度分辨率高于0.0007°，可以360°连续旋转，并通过运动控制器5进行控制。
在本实施方式中，所述成像模块4包括依次相连的相机44、转接头43、变焦镜头42及滤光片41，所述相机44用于采集所述待测物体表面的变形激光光束图像，并与所述上位机6相连；所述变焦镜头42与激光光束平面构成45°角。
在本实施方式中，所述变焦镜头42、相机44与激光平面构成Scheimpflug条件，使得在物体深度变化时，相机镜头不会发生离焦，保证照明激光光束宽度及相机镜头分辨率在测量中均不会发生变化，滤光片41为窄带滤光片，中心波长为650nm，带宽为15nm，用于滤除杂散光干扰，提高测量信噪比。
所述变焦镜头42为6-10mm的变焦镜头，光圈及焦距均可调，使用C型接口，使用转接口43连接至相机44。
所述相机44为工业相机，与变焦镜头的接口为CS型接口，使用CMOS传感器，具有ROI(Region Of Interests，感兴趣区域)功能，可通过USB协议连接至上位机。
在本实施方式中，所述标定板8用于通过张正友标定法获取所述成像模块中像空间坐标系与世界坐标系之间的转换关系。
所述标定板8为具有黑白方格相间的棋盘图像，尺寸为150mm X 50mm，单个方格尺寸为5mm X 5mm，使其覆盖相机整个成像区域。
在本实施方式中，所述电动旋转台3中包括步进电机，所述运动控制器5包括单片机与步进电机驱动器，所述单片机与所述上位机通过串口相连，所述步进电机驱动器与与所述步进电机相连。
所述电源模块9可以提供24V与5V两路电源，其中24V电压用于电机运动，5V用于单片机及步进电机驱动器。
在本实施方式中，每当所述电动旋转台旋转一步，所述成像模块采集一幅激光光束图像。
在本实施方式中，所述待测物体由非透明材料构成且表面不抛光，使其反射特性为漫反射而非镜面反射。
在本实施方式中，所述上位机包括：
图像采集模块，用于调节相机的感兴趣区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；
标定模块，用于使用提取预设数量的网格图像中网格点的位置，并将提取的网格点作为像坐标系中的已知位置点，结合实际世界坐标系中的网格位置，使用张正友标定法由物像点位置关系计算相机的内外参数；
运动控制模块，用于通过串口与所述运动控制器相连，并可设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；
图像处理模块，用于对拍摄的激光变形条纹进行处理，以获取条纹处面形信息；
三角化网格模块，用于对测量的三维点云数据进行三角化，获得表征所述待测物体表面的三角网格；
文件及显示模块，用于使用ASCII码STL文件格式保存点云数据并在界面上显示测量的曲面结果。
本申请实施方式还提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，所述方法包括：
利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准，以确保激光平面通过电动旋转台的轴心；
使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数；
通过上位机调整所述相机的感兴趣区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；
所述上位机通过串口与运动控制器相连，并设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；
所述上位机获得当前角度处的面形信息后发送旋转角度给所述运动控制器，并等待所述运动控制器返回电动旋转台旋转结束的信号，拍摄图像进行处理直至所述电动旋转台旋转360°，以处理完待测物体全貌。
在本实施方式中，利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准包括：
将标准圆柱放置在旋转台上，观察激光照射在圆柱上条纹，移动圆柱，使条纹与所述标准圆柱的侧面重合，保证激光平面与电动旋转台的端面垂直；
获取激光平面在所述电动旋转台上的刻度读数，并调整激光使前后读数差为180°。
在本实施方式中，使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数包括：
关闭激光器，随机摆放标定板，并观察所述相机拍摄的标定板图像；
当标定板图像全部位于成像区域内时，拍摄图像保存；
重复上述步骤预设次数，并提取每一幅标定板图像的方格角点信息，根据已知的方格尺寸使用张正友标定法计算所述相机的内外参数。
在本实施方式中，所述方法包括：
保存最后两幅图时，打开激光器，拍摄标定板上的激光条纹；
计算激光平面与方格的交点，获得激光平面在世界坐标系中位置；
在上位机中保存标定获得的相机及激光平面参数，用于将条纹变形转化为面形信息。
在一个具体应用场景中，一维Airy光束产生原理图如图2，通过倾斜柱面镜在光路中引入像差，由于柱面镜只有一部分，因此相当于只使用了完整柱面镜的下部分，使得原本偶对称的像差可认为奇对称，从而可以使用三次多项式拟合光程差模拟三次相位板，相比单独制作相位板显著降低了成本和复杂度。
工业相机44为彩色CMOS工业相机，像素个数为2560(V)*1920(H)，支持上位机通过USB设置ROI及采集图像，滤光片41为窄带滤光片，中心波长650nm，带宽为15nm，转接口43根据实际镜头进行设计，保证光轴偏转的角度满足Scheimpflug条件，即激光平面，透镜平面及相机探测器平面在显示二维平面中相交于一点，如图4。
镜头光轴与激光平面根据测量原理构成三角，其夹角由深度方向分辨率及量程要求决定，设置为45°。对镜头调焦，调整镜头的放大率使图像覆盖待测物体的全貌，测量前首先将标准圆柱放置在旋转台上，观察激光照射在圆柱上条纹，移动圆柱，使条纹与圆柱侧面重合，保证激光平面与旋转台端面的垂直度，然后观察激光平面在旋转台上的刻度读数，调整激光使其前后读数差为180°，重复以上两个步骤，直至确保激光平面通过旋转台轴心。使用标定板标定相机内外参数，标定板为黑白方格相间的棋盘，方格尺寸为5mm×5mm，标定板需覆盖待测物体范围以提高全量程内测量精度。标定时首先关闭激光器，随机摆放标定板，并观察相机拍摄的标定板图像，当标定板图像全部位于成像区域内时，拍摄图像保存，重复6-8次，提取每一幅棋盘图像方格角点信息，根据已知的方格尺寸使用张正友标定法计算镜头的内外参数。保存最后两幅图时，打开激光器，拍摄标定板上的激光条纹，计算激光平面与方格的交点，获得激光平面在世界坐标系中位置。在上位机6中保存标定获得的相机及激光平面参数，用于将条纹变形转化为面形信息。标定完成后若未调整镜头和激光平面位置，则无需重新标定，否则测量前需进行标定。
运动控制器中单片机使用串口转USB芯片连接上位机，可发送指定数量脉冲给步进电机驱动器使电机转动一定角度，上位机自动扫描串口识别串口号，无需手动设定，减少操作过程。整个装置放置在暗室中或使用不透明黑色箱子覆盖以减小外部杂散光干扰影响。
测量面形时上位机首先自适应调整相机曝光时间，使图像中条纹强度没有饱和且不会太暗，根据测量速度要求计算步进电机每次旋转角度并保存，上位机每次处理完图像获得当前角度处的面形信息后发送此旋转角度给控制器，等待控制器返回旋转结束的信号，拍摄图像进行处理直至旋转台旋转360°，处理完物体全貌。
所述上位机运行有软件，软件可分为以下功能模块：
图像采集模块：可调节相机ROI参数、曝光时间，一次曝光，即可采集激光条纹变形图像，在测量过程中同步显示拍摄的图像，便于检查是否测量出现问题；
标定模块：使用OpenCV开源库提取6-8幅网格图像中网格点的位置，作为像坐标系中已知位置点，结合实际世界坐标系中网格位置，使用张正友标定法由物像点位置关系计算相机的内外参数；
运动控制模块：使用串口与运动控制器连接，可设置波特率，自行枚举串口连接，控制电动旋转台的运动，使得装置能够实现对待测物体360°测量；
图像处理模块：对拍摄的激光变形条纹进行处理，获取条纹处面形信息，包含Airy光束主斑中心提取，根据相机参数像空间坐标系与世界坐标系之间转换，世界坐标系与待测物体表面坐标之间转换及点云数据滤波处理；
三角化网格模块：使用Delaunay三角化方法对测量的三维点云数据进行三角化，获得表征物体表面的三角网格；
文件及显示模块：为了便于与其它三维建模或加工软件交流及对数据进行加工处理，软件可以保存点云数据，使用ASCII码STL文件格式；使用OpenGL开源库，测量过程中可直接在界面上显示测量的曲面结果，便于观察及验证。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明采用一维无衍射光束作为照明光束，在传播过程中激光光束宽度保持不变且能够达到衍射极限，克服了现有技术中线激光高斯光束随着传播光束不断发散宽度增加的缺陷，同时变焦镜头与激光光束平面构成45°角，从而能够构成Scheimpflug条件，使得测量过程中当物体深度变化时，测量分辨率与精度能够保持恒定。产生一维无衍射光束的方式简单，只需倾斜平凸柱面镜即可，无需增加任何额外元器件，易于改进现有设备实现，有助于推广该技术的应用。
此外，成像部分使用变焦镜头拍摄激光光束变形图像，能够根据实际待测物体的尺寸调整镜头焦距，调整装置的测量范围，上位机提供标定模块，使用张正友标定法实现，通过拍摄多幅随机摆放的标定板图像计算调整镜头后的相机参数，方便于测量不同尺寸的物体。同时由于使用窄带滤光片滤除杂散光干扰，提高了测量信噪比及光束主斑中心位置提取的精度。
上面对本申请的各种实施方式的描述以描述的目的提供给本领域技术人员。其不旨在是穷举的、或者不旨在将本申请限制于单个公开的实施方式。如上所述，本申请的各种替代和变化对于上述技术所属领域技术人员而言将是显而易见的。因此，虽然已经具体讨论了一些另选的实施方式，但是其它实施方式将是显而易见的，或者本领域技术人员相对容易得出。本申请旨在包括在此已经讨论过的本申请的所有替代、修改、和变化，以及落在上述申请的精神和范围内的其它实施方式。
本说明书中的各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
虽然通过实施方式描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。
Claims (5)
1.一种基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，其特征在于，基于一维无衍射光束测量三维面形的装置包括底座、照明模块、电动旋转台、成像模块、运动控制器、上位机、待测物体、标定板及电源模块，其中：
所述照明模块包括半导体激光器和柱面镜，所述柱面镜的平面与半导体激光器的光轴构成预设角度，经过柱面镜后的激光波前可拟合为三次多项式；三次多项式的拟合曲线可以用公式表示为：
其中，表示纵坐标，、、表示拟合系数，表示横坐标；
所述电动旋转台受控于所述运动控制器，以预设步进角度带动所述待测物体转动；
所述成像模块包括依次相连的相机、转接头、变焦镜头及滤光片，所述相机用于采集所述待测物体表面的变形激光光束图像，并与所述上位机相连；所述变焦镜头与激光光束平面构成45°角；
所述标定板用于通过张正友标定法获取所述成像模块中像空间坐标系与世界坐标系之间的转换关系；所述上位机包括：
图像采集模块，用于调节相机的感兴区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；
标定模块，用于使用提取预设数量的网格图像中网格点的位置，并将提取的网格点作为像坐标系中的已知位置点，结合实际世界坐标系中的网格位置，使用张正友标定法由物像点位置关系计算相机的内外参数；
运动控制模块，用于通过串口与所述运动控制器相连，并可设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；
图像处理模块，用于对拍摄的激光变形条纹进行处理，以获取条纹处面形信息；
三角化网格模块，用于对测量的三维点云数据进行三角化，获得表征所述待测物体表面的三角网格；
文件及显示模块，用于使用ASCII码STL文件格式保存点云数据并在界面上显示测量的曲面结果；基于一维无衍射光束测量三维面形的方法包括：
利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准，以确保激光平面通过电动旋转台的轴心；
使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数；
通过上位机调整所述相机的感兴区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；
所述上位机通过串口与运动控制器相连，并设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；
所述上位机获得当前角度处的面形信息后发送旋转角度给所述运动控制器，并等待所述运动控制器返回电动旋转台旋转结束的信号，拍摄图像进行处理直至所述电动旋转台旋转360°，以处理完待测物体全貌；利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准包括：
将标准圆柱放置在旋转台上，观察激光照射在圆柱上条纹，移动圆柱，使条纹与所述标准圆柱的侧面重合，保证激光平面与电动旋转台的端面垂直；
获取激光平面在所述电动旋转台上的刻度读数，并调整激光使前后读数差为180°；使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数包括：
关闭激光器，随机摆放标定板，并观察所述相机拍摄的标定板图像；
当标定板图像全部位于成像区域内时，拍摄图像保存；
重复上述步骤预设次数，并提取每一幅标定板图像的方格角点信息，根据已知的方格尺寸使用张正友标定法计算所述相机的内外参数；
保存最后两幅图时，打开激光器，拍摄标定板上的激光条纹；
计算激光平面与方格的交点，获得激光平面在世界坐标系中位置；
在上位机中保存标定获得的相机及激光平面参数，用于将条纹变形转化为面形信息。
2.根据权利要求1所述的基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，其特征在于，所述电动旋转台中包括步进电机，所述运动控制器包括单片机与步进电机驱动器，所述单片机与所述上位机通过串口相连，所述步进电机驱动器与与所述步进电机相连。
3.根据权利要求1所述的基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，其特征在于，每当所述电动旋转台旋转一步，所述成像模块采集一幅激光光束图像。
4.根据权利要求1所述的基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，其特征在于，所述半导体激光器的快轴方向发散角为，慢轴方向发散角为。
5.根据权利要求1所述的基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，其特征在于，所述待测物体由非透明材料构成且表面不抛光。
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