CN115289997A - 一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法，属于测量技术领域，第一高分辨率相机、第二高分辨率相机、平行线阵光源、第一双侧远心镜头、第二双侧远心镜头、高速图像采集装置以及分析模块、高精度多维调整机构。本发明测量原理简单、直观、可信、可靠，同时，引入的平行线阵光源，不仅成功解决了被测物表面位置标志问题，而且通过线宽分布函数，结合图像数据，可以精确计算出线宽中心位置，通过线宽中心位置就可以大大提高***的测量精度，使得***最终测量精度可以达到1μm以内。

Description

一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，更具体的说是涉及一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法。

背景技术

对于工件在出厂前的轮廓检测是一项基本的检测。

目前，现有的对于工件的轮廓的检测，通常采用限界检测的方式。而现有的限界检测的方式，无法快速定位被测物表面位置，精度较低，不能直观地、准确地进行检测。另外，且检测过程校准过程比较地繁琐，可能会对工件造成刮损。

因此，如何提供一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法，

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双目相机三维轮廓扫描仪，包括：

第一高分辨率相机；

第二高分辨率相机，与所述第一高分辨率相机对称设置，并相互成固定角度，形成被测物表面的待测点；

平行线阵光源，位于所述第二高分辨率相机与所述第一高分辨率相机之间，发出投射光用作测量光源；

第一双侧远心镜头，与所述第一高分辨率相机通过标准接口连接，用于对被测物进行某一个方向的成像；

第二双侧远心镜头，与所述第二高分辨率相机通过标准接口连接，用于对被测物进行另一个方向的成像；

第三双侧远心镜头，用于所述平行线阵光源的结构光调制；

高速图像采集与分析模块，与所述第一高分辨率相机、所述第二高分辨率相机连接，用于对所述第一高分辨率相机、所述第二高分辨率相机的图像进行高速读取和数据保存，并对图像进行处理和计算分析，显示被测物表面三维坐标信息和测量误差信息；

其中，所述第三双侧远心镜头光轴应位于所述第一双侧远心镜头光轴与所述第二双侧远心镜头光轴所成夹角的角平分线上；

高精度多维调整机构，位于测量空间区域，用于对待测物进行支撑、位姿多维高精度调整。

优选的，所述第一高分辨率相机以及所述第二高分辨率相机采用快速CCD相机。

优选的，所述平行线阵光源的线阵方向垂直于所述第一双侧远心镜头以及所述第二双侧远心镜头的光轴所在平面，用于标识被测点沿轴位置分布。

优选的，所述平行线阵光源包括：依次连接的LED、透镜组、平行线光栅以及第三双侧远心镜头，将所述LED产生的光源，通过所述透镜组、所述平行线光栅以及所述第三双侧远心镜头成像到待测物空间。

另一方面，一种双目相机三维轮廓扫描仪的使用方法，包括以下步骤：

S1：设第一双侧远心镜头的两个镜头入瞳中心之间的距离2l；

S2：分别以第一双侧远心镜头与第二双侧远心镜头的中心为原点建立测量坐标系，其中，Z轴位于第一与第二双侧远心镜头光轴角平分线上，指向被测物方向，再以所述第一高分辨率相机的传感器中心为原点，沿传感器两个边平行方向分别为u_A轴和v_A轴，以所述第二高分辨率相机的传感器中心为原点，沿传感器两个边平行方向分别为u_B轴和v_B轴，建立两个局域坐标系，其中，所述第一高分辨率相机的A_B轴与第二高分辨率相机的v_B轴均平行于全局坐标系的Y轴，被观测点在第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的传感器上所成的像点，对应的坐标分别为(u_A,v_A)、(u_B,v_B)，；

S3：计算被测物P点的坐标(ΔX，ΔY，ΔZ)分辨率；

S4：根据被测物P点的坐标得到被扫描物体表面的位置信息。

优选的，所述S3计算被测物P点的坐标包括：

S31：

其中，β为镜头的放大倍率，(u_A,u_A)为被观测点在第一高分辨率相机所成的像点在坐标系中对应的坐标，(u_B,v_B)为被观测点在第二高分辨率相机所成的像点在坐标系中对应的坐标；

S32：

其中，Δu、Δv分别表示由公式(1)中坐标系u轴、坐标系v轴的若干个像元的总尺寸，下标A、B分别代表相机第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的测量结果；

S33：得到被测物P点的坐标(ΔX，ΔY，ΔZ)分辨率。

优选的，还包括对双目相机三维轮廓扫描仪的校准，包括校准镜头放大率以及第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的远心镜头光轴之间的夹角

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种双目相机三维轮廓扫描仪及其使用方法，具有如下有益效果：

(1)测量原理简单、直观、可信、可靠；

(2)测量精度只依赖一个几何参数，即两镜头光轴之间的夹角θ，从而使得最终的测量/重复测量精度可以达到微米级别；

(3)测量精度不受外部因素影响，仪器自身校准简单，可实现自动化校准，并且无需频繁校准；

(4)单次扫描范围大，测量速度快，操作简单，自动化程度高；

(5)通过多次快速扫描实现大范围测量和轮廓外形、几何中心测量等，亦可将测量结果与图纸对应，从而给出工件加工误差等，可用于快速工件质量自动检测，因此本发明应用非常广泛。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的双目相机三维轮廓扫描仪结构示意图；

图2为本发明实施例提供的平行线阵光源结构示意图；

图3为本发明实施例提供的三维轮廓扫描仪测量基准坐标系示意图；

图4(a)为发明实施例提供的被测物表面模型示意图；

图4(b)为本发明实施例提供的第一高分辨率相机模拟成像示意图；

图4(c)为本发明实施例提供的第二高分辨率相机模拟成像示意图；

图4(d)为本发明实施例提供的第一高分辨率相机模拟成像结果图；

图4(e)为本发明实施例提供的第二高分辨率相机模拟成像结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，参见附图1所示，本发明实施例公开了一种双目相机三维轮廓扫描仪，包括：

第一高分辨率相机；

第二高分辨率相机，与所述第一高分辨率相机对称设置，并相互成固定角度，形成被测物表面的待测点；

平行线阵光源，位于所述第二高分辨率相机与所述第一高分辨率相机之间，发出投射光用作测量光源；

第一双侧远心镜头，与所述第一高分辨率相机通过标准接口连接，用于对被测物进行某一个方向的成像；

第二双侧远心镜头，与所述第二高分辨率相机通过标准接口连接，用于对被测物进行另一个方向的成像；

第三双侧远心镜头，用于所述平行线阵光源的结构光调制；

高速图像采集与分析模块，与所述第一高分辨率相机、所述第二高分辨率相机通过数据线(网线或USB线等)连接，它们一起与第一、第二双侧远心镜头集成安装在一个盒体内，共同构成测量单元，其中高速图像采集与分析模块用于对所述第一高分辨率相机、第二高分辨率相机的图像进行高速读取和数据保存，并对图像进行处理和计算分析，显示被测物表面三维坐标信息和测量误差信息；

其中，为获得尽可能大的有效测量空间范围，所述第三双侧远心镜头光轴应尽可能位于所述第一双侧远心镜头光轴与所述第二双侧远心镜头光轴所成夹角的角平分线上。

高精度多维调整机构，位于测量空间区域，用于对待测物进行支撑、位姿多维高精度调整，包括水平位移、高度调整、待测物旋转扫描。

其中，配备相同高分辨率远心镜头的两台分辨率相机，这两台分辨率相机采用相同的型号，通过精密定位，使两镜头光轴位于同一平面内并相交，设光轴之间的夹角为已知角。取两镜头入瞳中心、所在直线为轴，在平面内过两点连线中点且垂直于轴的直线为轴建立坐标系。

具体的，两台高分辨率相机的远心镜头光轴位于同一平面内，并相互成固定角度，被测物表面的待测点，例如附图1给出的P₁、P₂、P₃点，可以通过平行于相应光轴的入射光线来计算出这些点在每台相机传感器上的位置，从而通过计算得到这些点的空间坐标。

具体的，参见附图2所示，平行线阵光源为条纹光源，用作测量光源，线阵方向垂直于镜头光轴所在平面，用以标识被测点沿轴位置分布，它是通过将平行线光栅通过双侧远心镜头成像到待测物空间的原理实现的，由LED、亮度均匀性整形透镜组、平行线光栅、第二双侧远心镜头共四部分构成。

更具体的，采用的第一双侧远心镜头以及第二双侧远心镜头，从光学等效来看，它可视为由两个共焦薄透镜构成光学***。这样的光学***具有非常多的优越性，物方远心确保了当物在景深范围内移动时所形成的像高保持不变，同样，当相机适当离焦时，***在相机传感器像元上形成的像的中心是保持不变的，因此能大大提高测量精度。

其次，本发明测量用的光源选取的平行线阵光源，通过第三组双侧远心镜头来实现的，通过将线栅成像到测量区域范围，就可以得到非常理想的线阵光源，其中线阵方向平行于Y轴。这样做的目的是为了消除被测物沿v轴所成的像因高度非线性变化产生的非线性效应，这个效应在Y轴上却不存在。

在一个具体实施例中，第一高分辨率相机、第二高分辨率相机采用快速CCD相机，每秒钟可扫描15幅图像，关键位置计算时间可达到100ms以内，因此，对于芯片工艺自动化检测应用而言，可以实现每秒钟对5片以上芯片的传送带在线质量检测。

在一个具体实施例中，分析***还可提供相应的反馈信号，用于质量检测合格与不合格标记，从而为快速自动化产品合格筛选机构进行自动控制。

另一方面，参见附图3所示，本发明实施例公开了一种双目相机三维轮廓扫描仪的使用方法，包括以下步骤：

S1：设第一双侧远心镜头的两个镜头入瞳中心之间的距离2l；

S2：分别以第一双侧远心镜头与第二双侧远心镜头的中心为原点建立测量坐标系(构成全局坐标系)，其中Z轴位于第一与第二双侧远心镜头光轴角平分线上，指向被测物方向，再以所述第一高分辨率相机A的传感器中心为原点，沿传感器两个边平行方向分别为u_A轴和v_A轴，以所述第二高分辨率相机B的传感器中心为原点，沿传感器两个边平行方向分别为u_B轴和v_B轴，建立两个局域坐标系，其中，第一高分辨率相机的v_A轴与第二高分辨率相机的v_B轴均平行于全局坐标系的Y轴，被观测点在第一高分辨率相机与第二高分辨率相机传感器上所成的像点，在这两个局域坐标系上对应的坐标分别为(u_A,v_A)、(u_B,v_B)，；

S3：计算被测物P点的坐标分辨率((ΔX，ΔY，ΔZ))；

S4：根据被测物P点的坐标得到被扫描物体表面的位置信息。

在一个具体实施例中，这两台高分辨率相机采用相同的型号，配备相同高分辨率，通过精密定位，使两镜头光轴位于同一平面α内并相交，设光轴之间的夹角为已知角2θ。取两镜头入瞳中心O'、O”所在直线为X轴，在平面α内过两点连线中点且垂直于X轴的直线为Z轴建立坐标系，

具体的，设两镜头入瞳中心O'、O”之间的距离2l，再分别以第一高分辨率相机A、第二高分辨率相机B的传感器中心为原点建立相机坐标系，被观测点P在这两个传感器上所成的像点在这两个坐标系中对应的坐标分别为(u_A,v_A)、(u_B,v_B)，其中两个相机的v轴均平行于全局坐标系的Y轴，通过附图3中的几何关系即可得到P点的坐标为：

其中β为镜头的放大倍率，于是被扫描物体表面的位置信息就可以通过它在两台高分辨率相机上所成的像的坐标来计算得到。

由式(1)可以得到：

其中Δu、Δv分别表示由第一节定义的沿相机传感器坐标系u、v轴的若干个像元的总尺寸，下标A、B分别代表第一高分辨率相机A、第二高分辨率相机B的测量结果。由此可见，***的测量精度与两镜头距离参数l无关，因此l的不准确性，并不影响被测物外形轮廓的相对尺寸或坐标。

更具体的，第二双侧远心镜头具有固定放大倍率，这使得(1)式中的参数β在测量过程中始终保持为常数，不依赖测量元件选取和测量过程，从而可以大大提高测量的重复精度。

由此可见，本发明给出的轮廓扫描仪的测量精度，由(1)还可以看出，它随镜头放大倍率β的增加而增加，因此对于给定的相机，可以配置不同倍率的镜头，以满足不同应用场合对测量精度的需求。

在一个具体实施例中，参见附图4所示，给出了模拟成像结果。

附图4(a)中给出的是被测物表面模型，附图4(b)以及附图4(c)分别给出了第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的模拟成像结果，可以看到，表面被划分成了均匀的网格，网格线分别沿X轴和Y轴分布，网格线沿X轴方向，也就是长边方向发生了非线性伸缩变化，因此试图通过两相机拍摄的图像找到同一物点对应的像素，通常是一件非常困难的事，除非物体表面有明显标志，而在本发明中线阵光源的作用就是实现对被测物表面不同位置的标志，由于像在Y轴上不存在非线性效应，应使线栅沿Y轴方向布置。

附图4(d)和4(e)分别给出了由模拟成像图4(b)和图4(c)，应用公式(1)计算出的待测点X坐标与Z坐标测量值与由图4(a)的理论模型给出的相应坐标之差(测量绝对误差)，计算表明，这些测量点的绝对误差之平均值，对于X坐标与Z坐标而言，绝对值均小于1μm，而均方根值，X坐标仍然小于1μm，但Z坐标的测量误差均方根值达到1.3μm，这是因为我们只利用了像素分辨率进行计算。而对于Y坐标的测量，在理论上，则是绝对精确的，所以在模拟成像计算中，不存在测量误差。

在本发明中，通过线阵光源的引入，不仅成功解决了被测物表面位置标志问题，而且通过线宽分布函数，结合图像数据，可以精确计算出线宽中心位置，通过线宽中心位置就可以大大提高***的测量精度，从而使得***最终测量精度可以达到1μm以内。

在一个具体实施例中，本发明的***校准是非常简单的，因为只需校准镜头放大率β和两光轴之间的夹角2θ两个参数，其中β是由双侧远心镜头独特的光学性能决定的，通常是已知的并且不容易发生变化的，因此本发明的***校准，主要是校准参数θ，它可以通过标准件来实现，这样的标准件可选用高分辨鉴别率板，利用式(2)中第一式即可对θ进行校准。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种双目相机三维轮廓扫描仪，其特征在于，包括：

第一高分辨率相机；

第二高分辨率相机，与所述第一高分辨率相机对称设置，并相互成固定角度，形成被测物表面的待测点；

平行线阵光源，位于所述第二高分辨率相机与所述第一高分辨率相机之间，发出投射光用作测量光源；

第一双侧远心镜头，与所述第一高分辨率相机通过标准接口连接，用于对被测物进行某一个方向的成像；

第二双侧远心镜头，与所述第二高分辨率相机通过标准接口连接，用于对被测物进行另一个方向的成像；

第三双侧远心镜头，用于所述平行线阵光源的结构光调制；

高速图像采集与分析模块，与所述第一高分辨率相机、所述第二高分辨率相机连接，用于对所述第一高分辨率相机、所述第二高分辨率相机的图像进行高速读取和数据保存，并对图像进行处理和计算分析，显示被测物表面三维坐标信息和测量误差信息；

其中，所述第三双侧远心镜头光轴应位于所述第一双侧远心镜头光轴与所述第二双侧远心镜头光轴所成夹角的角平分线上；

高精度多维调整机构，位于测量空间区域，用于对待测物进行支撑、位姿多维高精度调整。

2.根据权利要求1所述的一种双目相机三维轮廓扫描仪，其特征在于，所述第一高分辨率相机以及所述第二高分辨率相机采用快速CCD相机。

3.根据权利要求1所述的一种双目相机三维轮廓扫描仪，其特征在于，所述平行线阵光源的线阵方向垂直于所述第一双侧远心镜头以及所述第二双侧远心镜头的光轴所在平面，用于标识被测点沿轴位置分布。

4.根据权利要求3所述的一种双目相机三维轮廓扫描仪，其特征在于，所述平行线阵光源包括：依次连接的LED、透镜组、平行线光栅以及第三双侧远心镜头，将所述LED产生的光源，通过所述透镜组、所述平行线光栅以及所述第三双侧远心镜头成像到待测物空间。

5.一种双目相机三维轮廓扫描仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设第一双侧远心镜头的两个镜头入瞳中心之间的距离2l；

S2：分别以第一双侧远心镜头与第二双侧远心镜头的中心为原点建立测量坐标系，其中，Z轴位于第一与第二双侧远心镜头光轴角平分线上，指向被测物方向，再以所述第一高分辨率相机的传感器中心为原点，沿传感器两个边平行方向分别为u_A轴和v_A轴，以所述第二高分辨率相机的传感器中心为原点，沿传感器两个边平行方向分别为u_B轴和v_B轴，建立两个局域坐标系，其中，所述第一高分辨率相机的v_A轴与第二高分辨率相机的v_B轴均平行于全局坐标系的Y轴，被观测点在第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的传感器上所成的像点，对应的坐标分别为(u_A,v_A)、(u_B,v_B)，；

S3：计算被测物P点的坐标(ΔX，ΔY，ΔZ)分辨率；

S4：根据被测物P点的坐标得到被扫描物体表面的位置信息。

6.根据权利要求5所述的一种双目相机三维轮廓扫描仪的使用方法，其特征在于，所述S3计算被测物P点的坐标包括：

S31：

其中，β为镜头的放大倍率，(u_A,v_A)为被观测点在第一高分辨率相机所成的像点在坐标系中对应的坐标，(u_B,v_B)为被观测点在第二高分辨率相机所成的像点在坐标系中对应的坐标；

S32：

其中，Δu、Δv分别表示由公式(1)中坐标系u轴、坐标系v轴的若干个像元的总尺寸，下标A、B分别代表相机第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的测量结果；

S33：得到被测物P点的坐标(ΔX，ΔY，ΔZ)分辨率。

7.根据权利要求6所述的一种双目相机三维轮廓扫描仪的使用方法，其特征在于，还包括对双目相机三维轮廓扫描仪的校准，包括校准镜头放大率以及第一高分辨率相机与第二高分辨率相机的远心镜头光轴之间的夹角。

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