CN112461141A - 结构光3d测高装置及测高方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及精密光学仪器测量***技术领域，公开了一种结构光3D测高装置，包括结构光光路和主镜光路，所述结构光光路与主镜光路之间形成一个夹角，两者交点位置为待测物位置，所述结构光光路包括依次排布的光源、与结构光光路呈一定角度的光栅和结构光镜头，所述主镜光路包括主镜和CMOS相机，所述结构光镜头为小视场的双远心镜头，所述待测物的表面、结构光镜头的主面和光栅的表面，三者满足沙姆定律；所述光栅能够沿其倾斜方向移动，所述主镜为大NA远心镜头，使所述待测物与CMOS相机呈共轭关系。本发明还公开了对应的测高方法。本发明实现更大检测范围和更高的检测精度和更快的检测速度。

Description

结构光3D测高装置及测高方法

技术领域

本发明涉及精密光学仪器测量***技术领域，尤其涉及一种结构光3D测高装置及测高方法。

背景技术

参见附图1,结构光测高采用三角测高原理，激光器发射出激光，通过聚光透镜，入射到被测物件，反射的光束通过成像透镜入射到接收器CCD，移动被测物件，通过在接受面上的像点的位移变化，再通过计算公式h=x'*cosα/β（其中β为成像透镜放大倍率）计算出被测物件表面的高度信息。

中国专利 “形状测量装置和形状测量方法”（申请号： CN201910318789.8）利用此原理对物体进行测量，其装置主要包括载物台，光投射部，光接受部和控制部。光投射部中光源发出光束，达到样品表面，反射的光线通过光接受部到达探测器，完成一个视场的数据采集，移动载物台到下一个视场，采集数据，直至完成整个样品的检测。该装置检测精度为1um，检测区域为20*10*5cm，适用于精度要求高，体积小的待测物。

但是，其反映出来的问题是测量速度慢，因为结构光亮度低，主镜NA小，这样就会导致测量过程中单次扫描曝光时间长，影响测量速度。同时，载物台移动速度慢，只适用于实验室测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种结构光3D测高装置及测高方法，实现更大检测范围和更高的检测精度和更快的检测速度。

本发明采取的技术方案是：

一种结构光3D测高装置，其特征是，包括结构光光路和主镜光路，所述结构光光路与主镜光路之间形成一个夹角，两者交点位置为待测物位置，所述结构光光路包括依次排布的光源、与结构光光路呈一定角度的光栅和结构光镜头，所述主镜光路包括主镜和CMOS相机，所述结构光镜头为小视场的双远心镜头，所述待测物的表面、结构光镜头的主面和光栅的表面，三者满足沙姆定律；所述光栅能够沿其倾斜方向移动，所述主镜为大NA远心镜头，使所述待测物与CMOS相机呈共轭关系。

进一步，所述光栅的移动速度和CMOS的帧率匹配，移动总位移是光栅的两个条纹间隔。

进一步，所述光源为LED光源，在LED光源与光栅之间还设置准直透镜。

进一步，所述光栅上线条纹的长宽尺寸及间隔是可变的。

进一步，所述结构光光路为两路，设置于主镜光路的两侧。

进一步，所述主镜光路设置于待测物的表面的上方，与待测物的表面垂直，两个结构光光路对称于主镜光路设置。

进一步，所述结构光3D测高装置连接至控制器和处理器，所述控制器控制光路调焦和光栅位移，所述处理器对CMOS相机采集的数据检测获得待测物的三维信息。

一种结构光3D测高方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）配置安装结构光3D测高装置；

（2）主镜沿其光轴方向移动，每移动一次，CMOS相机采集一次数据，输入至处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号至控制器，控制器控制主镜移动到相应的位置，完成主镜自动聚焦；

（3）结构光镜头沿着光轴方向移动，每移动一次，CMOS相机采集一次数据，输入至处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号至控制器，控制器控制结构光镜头移动到相应的位置，完成结构光自动聚焦；

（4）自动聚焦完成后，COMS相机采集一次数据，输入至处理器；

（5）控制器控制移动光栅，CMOS相机采集数据，输入至处理器，处理器根据算法获得待测物的三维信息。

进一步，所述步骤（4）中，多次移动光栅，所述CMOS相机采集多次数据，输入至处理器。

进一步，对于待测物尺寸大于视场的待测物，还包括如下步骤：

（6）移动结构光3D测高装置，重复步骤（4），对待测物的另外部分进行测高，直至所有部位都测量完成。

本发明的有益效果是：

（1）实现更大检测范围和更高的检测精度；

（2）通过远心镜头，使待测物表面反射的光可以更多的进入到主镜并成像到CMOS中，这样就会降低曝光时间，从而提高检测速度；

（3）待测物不需要发生位移，通过移动光栅和移动整体装置就可以实现扫描完成检测，灵活性强大；

（4）可根据需求集成到检测设备中，对工业3D检测更友好；

（5）检测精度高达3um，检测速度最快20ms完成。

附图说明

附图1是三角测高原理结构示意图；

附图2是本发明的测高装置原理结构示意图；

附图3是本发明的测高方法流程示意图。

附图中的标号分别为：

1.LED光源； 2.准直透镜；

3.光栅； 4.结构光镜头；

5.LED光源； 6.准直透镜；

7.光栅； 8.结构光镜头；

9.待测物； 10.主镜；

11.CMOS相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明结构光3D测高装置及测高方法的具体实施方式作详细说明。

参见附图2，结构光3D测高装置包括结构光光路和主镜光路，结构光光路与主镜光路之间形成一个夹角，两者交点位置为待测物位置。

为了避免检测过程中结构光阴影的影响，在主镜光路的另一侧也设置一个结构光光路，主镜光路设置于待测物的表面的上方，与待测物的表面垂直，两个结构光光路对称于主镜光路设置。

结构光光路包括依次排布的LED光源1、准直透镜2、与结构光光路呈一定角度的光栅3和结构光镜头4，主镜光路包括主镜10和CMOS相机11，结构光镜头4为小视场的双远心镜头，待测物9的表面、结构光镜头4的主面和光栅3的表面，三者满足沙姆定律。光栅3上设有不同数量和不同宽度的线条纹，光栅3能够沿其倾斜方向移动，光栅3的移动速度和CMOS相机11的帧率匹配，移动总位移是光栅3的两个条纹间隔。主镜10为大NA远心镜头，使待测物9与CMOS相机6呈共轭关系。

结构光3D测高装置连接至控制器和处理器，控制器控制光路调焦和光栅位移，处理器对CMOS相机采集的数据检测获得待测物9的三维信息。

具体如下：LED光源1、5，是整个***的光源，可发出白色光束，有一定的发散角；准直透镜2、6，用于LED光源的发散角矫正，LED光源1、5位于准直透镜2、6的焦点位置。光栅3、7用于根据需求生成不同数量和不同宽度的线条纹，同时，可沿着光栅的倾斜方向向上步进移动，实现线条纹移动。

结构光镜头4、8用于把从光栅发出的线光束成像到待测物表面，结构为双远心镜头，保证光栅倾斜的时候，成像端的线条纹的放大率不变。待测物9是需要被检测的物体，其表面，结构光镜头4、8主面和光栅3、7表面，三者满足沙姆定律。

主镜10用于把待测物9表面的条纹成像到检测器上，为大NA的远心镜头。CMOS相机11为***检测装置，其位置和待测物9呈共轭关系。

工作时，由LED光源1、5发出光束，到达准直透镜2、6表面，经过透镜准直后，到达光栅3、7表面，光束经过光栅3、7反射分成多束线光，然后通过结构光镜头4、8照射到待测物9上，在待测物表面呈现明亮线条纹，然后待测物反射的光线通过主镜10到达检测装置CMOS相机11上，沿着光栅表面的方向，向上移动光栅3、7，移动速度和CMOS相机的帧率匹配，移动总位移是两个条纹间隔。最后根据CMOS相机成像结果，分析待测物表面上的特征的条纹的位置变化，从而得到表面的三维信息。

本发明的测高装置的主要部分之一是结构光镜头，一般镜头在沙姆成像的过程中，由于物方截距和像方截距发生变化，倍率也会产生变化，这样就会导致成像端的条纹宽度放大倍率不一样，对成像精度检测造成一定的干扰。本装置的结构光镜头为双远心镜头，可保证结构光条纹成像的过程中，条纹宽度和长度不变，对图像检测十分友好。同时，该装置中有两个结构光模组，对称分布于主镜两侧，避免了检测过程中结构光阴影的影响，可得到被测物全部的三维检测信息，更全面的检测分析待测物的特征要求。

参见附图3,根据不同的待测物，采用不同的检测方法。其共同部分为对主镜的自动聚焦和结构光模块自动聚焦，然后针对不同的待测物进行不同的检测。下面举三个不同的待测物的实例。

实例一：

针对尺寸大小小于视场的待测物，将待测物放置于主镜头正下方中间位置，LED光源1、5发出光束，到达准直透镜2、6表面，经过准直透镜准直后，到达光栅3、7表面，光束经过光栅3、7反射分成多束线光，然后通过结构光镜头4、8照射到待测物9上，在待测物表面呈现明亮线条纹，然后待测物反射的光线通过主镜10到达检测装置CMOS相机11上，主镜上下移动，每移动一次采集一次数据，输入到处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号给控制器，移动到相应的位置，完成主镜自动聚焦。结构光镜头沿着光轴方向移动，每移动一次采集一次数据，输入到处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号给控制器，移动到相应的位置，完成结构光模块自动聚焦。然后进行待测物数据采集，移动光栅，采集数据，移动3次，一共采集4次数据，输入到处理器，根据算法获得检测的三维信息。

实例二：

针对较高的待测物，将待测物放置于主镜头正下方中间位置，LED光源1、5发出光束，到达准直透镜2、6表面，经过透镜准直后，到达光栅3、7表面，光束经过光栅3、7反射分成多束线光，然后通过结构光镜头4、8照射到待测物9上，在待测物表面呈现明亮线条纹，然后待测物反射的光线通过主镜10到达检测装置CMOS相机11上，主镜上下移动，每移动一次采集一次数据，输入到处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号给控制器，移动到相应的位置，完成主镜自动聚焦到待测物底部。结构光镜头沿着光轴方向移动，每移动一次采集一次数据，输入到处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号给控制器，移动到相应的位置，完成结构光模块自动聚焦。然后进行待测物数据采集，移动光栅，采集数据，移动3次，一共采集4次数据，完成底部的数据采集，输入到处理器，处理器输出信号给控制器，整个检测装置整体上移，然后进行第二个高度位置的数据采集，移动光栅，采集数据，移动3次，一共采集4次数据，完成第二个高度位置上的数据采集，重复以上过程，完成其他高度位置上的数据采集，处理器根据算法获得检测的三维信息。

实例三：

针对较长的待测物，将物体左端放置于主镜头正下方中间位置，LED光源1、5发出光束，到达准直透镜2、6表面，经过透镜准直后，到达光栅3、7表面，光束经过光栅3、7反射分成多束线光，然后通过结构光镜头4、8照射到待测物9上，在待测物表面呈现明亮线条纹，然后待测物反射的光线通过主镜10到达检测装置CMOS相机11上，主镜上下移动，每移动一次采集一次数据，输入到处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号给控制器，移动到相应的位置，完成主镜自动聚焦。结构光镜头沿着光轴方向移动，每移动一次采集一次数据，输入到处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号给控制器，移动到相应的位置，完成结构光模块自动聚焦。然后进行待测物数据采集，移动光栅，采集数据，移动3次，一共采集4次数据，输入到处理器，完成第一个视场的数据采集，输入到处理器，处理器输出信号给控制器，整个检测装置整体向右移动，然后进行第二个视场的数据采集，移动光栅，采集数据，移动3次，一共采集4次数据，完成第二个视场上的数据采集，重复以上过程，完成其他视场的数据采集，处理器根据算法获得检测的三维信息。

三个实例中的光栅移动和数据采集的次数可根据检测要求进行修改。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种结构光3D测高装置，其特征在于：包括结构光光路和主镜光路，所述结构光光路与主镜光路之间形成一个夹角，两者交点位置为待测物位置，所述结构光光路包括依次排布的光源、与结构光光路呈一定角度的光栅和结构光镜头，所述主镜光路包括主镜和CMOS相机，所述结构光镜头为小视场的双远心镜头，所述待测物的表面、结构光镜头的主面和光栅的表面，三者满足沙姆定律；所述光栅能够沿其倾斜方向移动，所述主镜为大NA远心镜头，使所述待测物与CMOS相机呈共轭关系。

2.根据权利要求1所述的结构光3D测高装置，其特征在于：所述光栅的移动速度和CMOS的帧率匹配，移动总位移是光栅的两个条纹间隔。

3.根据权利要求1所述的结构光3D测高装置，其特征在于：所述光源为LED光源，在LED光源与光栅之间还设置准直透镜。

4.根据权利要求1所述的结构光3D测高装置，其特征在于：所述光栅上线条纹的长宽尺寸及间隔是可变的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的结构光3D测高装置，其特征在于：所述结构光光路为两路，设置于主镜光路的两侧。

6.根据权利要求5所述的结构光3D测高装置，其特征在于：所述主镜光路设置于待测物的表面的上方，与待测物的表面垂直，两个结构光光路对称于主镜光路设置。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的结构光3D测高装置，其特征在于：所述结构光3D测高装置连接至控制器和处理器，所述控制器控制光路调焦和光栅位移，所述处理器对CMOS相机采集的数据检测获得待测物的三维信息。

8.一种结构光3D测高方法，应用如权利要求1至7中任一项所述的结构光3D测高装置，其特征在于：包括如下步骤：

（1）配置安装结构光3D测高装置；

（2）主镜沿其光轴方向移动，每移动一次，CMOS相机采集一次数据，输入至处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号至控制器，控制器控制主镜移动到相应的位置，完成主镜自动聚焦；

（3）结构光镜头沿着光轴方向移动，每移动一次，CMOS相机采集一次数据，输入至处理器，处理器根据自动聚焦算法，输出信号至控制器，控制器控制结构光镜头移动到相应的位置，完成结构光自动聚焦；

（4）自动聚焦完成后，COMS相机采集一次数据，输入至处理器；

（5）控制器控制移动光栅，CMOS相机采集数据，输入至处理器，处理器根据算法获得待测物的三维信息。

9.根据权利要求8所述的结构光3D测高方法，其特征在于：所述步骤（5）中，多次移动光栅，所述CMOS相机采集多次数据，输入至处理器。

10.根据权利要求8所述的结构光3D测高方法，其特征在于：对于待测物尺寸大于视场的待测物，还包括如下步骤：

（6）移动结构光3D测高装置，重复步骤（5），对待测物的另外部分进行测高，直至所有部位都测量完成。

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