一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置

《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》是蘇州江奧光電科技有限公司於2014年3月11日申請的專利，該專利的公布號為CN103900489A，申請公布日為2014年7月2日，發明人是林斌、張汝婷。

《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》有益之處在於：該方法中，物體無需運動，利用磁致伸縮微位移控制器控制雷射器擺動從而對物體輪廓進行完整掃描，經物體表面輪廓漫反射後的光線由成像模組接收後即可得到物體表面輪廓上各點的高度信息進而重構物體表面的表面三維輪廓，雷射掃描面的範圍及角度都可以根據物體大小靈活變化，測量準確快速精度高，適用範圍廣，而且該發明的三維輪廓測量裝置結構簡單，操作方便。

2017年12月11日，《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置
• 申請人：蘇州江奧光電科技有限公司
• 申請日：2014年3月11日
• 申請號：2014100872132
• 公布號：CN103900489A
• 公布日：2014年7月2日
• 發明人：林斌、張汝婷
• 地址：江蘇省蘇州市崑山市玉山鎮元豐路232號
• 分類號：G01B11/24(2006.01)I
• 代理機構：南京縱橫智慧財產權代理有限公司
• 代理人：董建林
• 類別：發明專利

專利背景

2014年前，在眾多的工業套用領域，比如航空航天、仿形加工、機器視覺等，都需要獲得物體的三維輪廓信息。三維輪廓測量技術一般可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量一般是利用探針進行測量，由於其精度會受到探針尺寸的限制，而且探針易磨損、探針對測量物體也會造成損傷，所以在工業套用中越來越傾向於利用非接觸式輪廓測量方法。利用光電檢測實現物體三維輪廓的非接觸式測量方法又可分為莫爾條紋法、飛行時間法、雷射三角法等。

傳統的線雷射三角法三維輪廓測量裝置一般包含一個線雷射器、相機和帶動物體運動的電機導軌等，雷射器與相機成固定角度，投射到物體表面的線雷射經反射或散射後在相機成像面上成像，根據與基準面成像的偏差，得到物體的深度信息。但是在實際套用中，很多情況下物體並不能自由運動，或者利用電機等帶動物體運動也會帶來機械誤差，影響測量精度與效率，增加不穩定性，限制了其套用範圍。

發明內容

專利目的

為解決2014年3月之前技術的不足，該發明的目的在於提供一種靈活、結構簡單、精度高、速度快、效率高、適用範圍廣的線雷射掃描三維輪廓測量方法及相應的裝置。

技術方案

《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》所述測量方法其特徵在於，包括如下步驟：

S1、將物體置於水平參考面上，一字線雷射器在磁致伸縮微位移控制器的控制下擺動，形成對被檢測物體的掃描面，擺動角度ω由物體的大小決定，保證一字線雷射器完整掃描被檢測物體的輪廓；

S2、獲取各輪廓點的高度信息，重建物體的三維表面輪廓，包括如下子步驟：

a、將雷射器和相機的位置固定，對雷射器以及相機進行位置和角度關係的標定，確定雷射器和相機相對於水平參考面的距離以及雷射器和相機之間的位置關係；

b、跟蹤垂直於水平參考面的光線OAF：光線OAF經水平參考面漫反射後，其反射光經成像透鏡中心在成像平面上成像於點C，OAF與CF之間的夾角為α；

c、一字線雷射器轉過θ角，光線OD經物體輪廓漫反射後，經成像透鏡中心在成像平面上成像於點E；

d、從點B向線OD作垂線交OD於點J，根據標定關係得到角θ、α，再由標定關係結合E、C兩點在成像面上的距離差|EC|，得到角β、γ，雷射器與水平參考面之間的距離|OF|=h1，相機的成像透鏡中心與水平參考面之間的距離|BL|=h2，J點與水平參考面之間的距離|JK|=h3，h1、h2、h3均為已知的，B點與J點之間的距離記為|BJ|=H（B），則由幾何關係，點D與參考面之間的距離差，即|DG|=|JK|-H（B）tan（β+γ）cosθ=h3-H（B）tan（β+γ）cos（θ），根據系統各參數標定後的結果，提取該點絕對高度信息；

e、重複步驟子步驟a-d，得到表面輪廓的其他各點的高度信息，重建物體的三維表面輪廓。

前述方法中，磁致伸縮微位移控制器控制一字線雷射器勻速沿同一方向擺動，形成雷射線掃描面，確保雷射線完整橫掃描過物體表面輪廓。進一步地，在步驟S2中，光線經物體表面輪廓漫反射後，由相機拍攝接收，相機的光軸與一字線雷射器之間的位置和角度關係根據掃描範圍變化，確保經物體表面輪廓漫反射的雷射都能被相機接收。

更進一步地，磁致伸縮微位移控制器控制一字線雷射器擺動的速度與相機的拍攝速度一致。該發明還公開了一種線雷射掃描三維輪廓測量方法的裝置，包括：線雷射發射模組、控制線雷射發射模組運動的磁致伸縮微位移控制器以及成像模組，所述線雷射發射模組發出的線雷射沿同一方向擺動形成雷射線掃描面，橫掃過物體表面輪廓，成像模組接收經物體輪廓面漫反射的光線。前述線雷射發射模組為一字線雷射器，所述成像模組為相機。

改善效果

《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》的有益之處在於：該發明的線雷射掃描三維輪廓測量方法，物體無需運動，利用磁致伸縮微位移控制器控制雷射器擺動從而對物體輪廓進行完整掃描，反射後的光線由成像模組接收後即可得到物體表面輪廓上各點的高度信息進而重構物體表面的表面三維輪廓，雷射掃描面的範圍及角度都可以根據物體大小靈活變化，測量準確快速精度高，適用範圍廣，而且該發明的三維輪廓測量裝置結構簡單，操作方便。

附圖說明

圖1是該發明的一種線雷射掃描三維輪廓測量方法的原理示意圖；

圖2是使用該發明的方法的裝置的結構示意圖。

圖中附圖示記的含義：1、一字線雷射器，2、磁致伸縮微位移控制器，3、物體，4、成像透鏡，5、成像平面，6、相機。

權利要求

1.一種線雷射掃描三維輪廓測量方法，其特徵在於，包括如下步驟：

S1、將物體置於水平參考面上，一字線雷射器在磁致伸縮微位移控制器的控制下擺動，形成對被檢測物體的掃描面，擺動角度ω由物體的大小決定，保證一字線雷射器完整掃描被檢測物體的輪廓；

S2、獲取各輪廓點的高度信息，重建物體的三維表面輪廓，包括如下子步驟：

a、將雷射器和相機的位置固定，對雷射器以及相機進行位置和角度關係的標定，確定雷射器和相機相對於水平參考面的距離以及雷射器和相機之間的位置關係；

b、跟蹤垂直於水平參考面的光線OAF：光線OAF經水平參考面漫反射後，其反射光經成像透鏡中心在成像平面上成像於點C，OAF與CF之間的夾角為α；

c、一字線雷射器轉過θ角，光線OD經物體輪廓漫反射後，經成像透鏡中心在成像平面上成像於點E；

d、從點B向線OD作垂線交OD於點J，根據標定關係得到角θ、α，再由標定關係結合E、C兩點在成像面上的距離差|EC|，得到角β、γ，雷射器與水平參考面之間的距離|OF|=h1，相機的成像透鏡中心與水平參考面之間的距離|BL|=h2，J點與水平參考面之間的距離|JK|=h3，h1、h2、h3均為已知的，B點與J點之間的距離記為|BJ|=H（B），則由幾何關係，點D與參考面之間的距離差，即|DG|=|JK|-H（B）tan（β+γ）cosθ=h3-H（B）tan（β+γ）cos（θ），根據系統各參數標定後的結果，提取該點絕對高度信息；

e、重複步驟子步驟a-d，得到表面輪廓的其他各點的高度信息，重建物體的三維表面輪廓。

2.根據權利要求1所述的一種線雷射掃描三維輪廓測量方法，其特徵在於，磁致伸縮微位移控制器控制一字線雷射器勻速沿同一方向擺動，形成雷射線掃描面，確保雷射線完整橫掃描過物體表面輪廓。

3.根據權利要求1所述的一種線雷射掃描三維輪廓測量方法，其特徵在於，步驟S2中，光線經物體表面輪廓漫反射後，由相機拍攝接收，相機的光軸與一字線雷射器之間的位置和角度關係根據掃描範圍變化，確保經物體表面輪廓漫反射的雷射都能被相機接收。

4.根據權利要求3所述的一種線雷射掃描三維輪廓測量方法，其特徵在於，磁致伸縮微位移控制器控制一字線雷射器擺動的速度與相機的拍攝速度一致。

5.適用於權利要求1的一種線雷射掃描三維輪廓測量方法的裝置，其特徵在於，包括：線雷射發射模組、控制線雷射發射模組運動的磁致伸縮微位移控制器以及成像模組，所述線雷射發射模組發出的線雷射沿同一方向擺動形成雷射線掃描面，橫掃過物體表面輪廓，成像模組接收經物體輪廓面漫反射的光線。

6.根據權利要求5所述的一種線雷射掃描三維輪廓測量方法的裝置，其特徵在於，所述線雷射發射模組為一字線雷射器，所述成像模組為相機。

實施方式

如圖1所示，將物體3置於水平參考面上，一字線雷射器1在磁致伸縮微位移控制器2的控制下擺動，形成對被檢測物體3的掃描面，擺動角度ω由物體3的大小決定，擺動角度的選取原則是確保一字線雷射器1完整掃描被檢測物體3的輪廓。掃描過程中，裝置獲取到物體3的表面各輪廓點的高度信息，即可重建物體3的三維表面輪廓。

具體來說，如圖1所示，假設垂直於水平參考面所在光線OAF經水平參考面漫反射後（理想狀態下），經成像透鏡4中心在成像平面5上成像於點C；然後，將物體3置於水平參考面上，控制一字線雷射器1轉過θ角，光線OD經物體3輪廓反射後，經成像透鏡4中心在成像平面5上成像於點E；根據標定可得到一字線雷射器1與水平參考面之間的距離差，相機6與水平參考面之間的距離差和一字線雷射器1與相機6之間的位置關係，由成像平面5上的偏差E、C之間的距離，以及已知角度θ、α、β、γ，得到物體3表面輪廓上點D與水平參考面之間的垂直距離差Δh=|DG|=|JK|-H（B）tan（β+γ）cosθ=h3-H（B）tan（β+γ）cosθ，由此方法得到表面輪廓的其他各點的高度信息，當一字線雷射器1對物體3輪廓整個掃描完全後，便可重建物體3的三維表面輪廓。

作為一種優選，磁致伸縮微位移控制器2控制一字線雷射器1勻速沿同一方向擺動，形成雷射線掃描面，確保雷射線完整橫掃描過物體表面輪廓。磁致伸縮微位移控制器2可以精確控制雷射器擺動的方向和角度，驅動操作簡單，掃描速度快，無滯後回響等，有利於快速處理計算。

具體地，如圖2所示，該發明的測量裝置結構簡單，包括：線雷射發射模組、控制線雷射發射模組運動的磁致伸縮微位移控制器2以及成像模組，如前所述，線雷射發射模組發出的線雷射以一定的速度沿同一方向擺動，形成雷射線掃描面，確保雷射線完整橫掃描過物體表面輪廓。成像模組接收經物體3輪廓面漫反射的光線。優選地，線雷射發射模組為一字線雷射器1，成像模組為相機6。光線經物體3表面輪廓反射後，由相機6拍攝接收成像，相機6的光軸與一字線雷射器1之間的位置和角度關係根據掃描範圍變化，確保經物體3輪廓面發射的雷射都能被相機6接收。在拍攝過程中，由磁致伸縮微位移控制器2控制一字線雷射器1擺動的速度與相機6的拍攝速度一致，進而提高測量的穩定性和精度。

榮譽表彰

2017年12月11日，《一種線雷射掃描三維輪廓測量方法及裝置》獲得第十九屆中國專利優秀獎。