[发明专利]一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法

权利要求书

1.一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置的测量方法，其特征在于，测量方法采用的测量装置包括照明激光器(1)、X轴扫描镜片(2)、Y轴扫描镜片(3)、可变光阑(4)以及由镜头(5)和CCD传感器(6)组成的CCD摄像机；其中，

由照明激光器(1)产生的激光依次经过X轴扫描镜片(2)、Y轴扫描镜片(3)和可变光阑(4)后投射到被测物体(8)表面，CCD摄像机中CCD传感器(6)通过镜头(5)探测激光发出的散射光；

还包括定位激光器(7)，定位激光器(7)用于确定被测物体(8)距离CCD摄像机的最佳距离；

X轴扫描镜片(2)、Y轴扫描镜片(3)的旋转均由伺服电机控制；其中，X轴扫描镜片(2)与水平面成45°夹角，在测量过程中X轴扫描镜片(2)位置保持不变，Y轴扫描镜片可在水平面上下θ_m角度内快速旋转扫描；

可变光阑(4)能够控制线激光的长度；

该测量方法包括：

以Y轴扫描镜片(3)中心轴的中点为原点，建立世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，o_w为原点，x_w、y_w和z_w分别为世界坐标系的坐标轴；以CCD摄像机镜头(5)的光心为中心建立CCD摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c，o_c为原点，x_c、y_c和z_c分别为摄像机坐标系的坐标轴；以CCD摄像机像面中心为原点建立像面坐标系o-uv，o为原点，u和v分别为像面坐标系的坐标轴；基于测量装置各部件形成的坐标系的几何关系，CCD摄像机坐标系中的点到图像坐标系的点的变换关系如下：

xp′yp′zp′=(u-u0)/Nx(v-v0)/Nyf---(1)]]>

xpyp=zp·xp′/zp′zp·yp′/zp′---(2)]]>

式中，P为被测物体表面的点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P(x_p,y_p,z_p)，P'为P点在CCD摄像机中的像点，在CCD摄像机坐标系下的坐标为P'(x_p',y_p',z_p')，(u,v)为像点P'在像面坐标系下的坐标，(u₀,v₀)为像面与光轴的交点坐标，N_x、N_y为CCD摄像机像面单位尺寸上的像素，f为CCD摄像机的焦距。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，建立被测物体表面特征点的测量模型，其计算过程如下

Y轴扫描镜片转角的表达式为

式中，i＝1、2、3…….n，n为正整数，为Y扫描镜片构成的平面与世界坐标系y轴负方向之间的夹角，为初始角度；V₀、V_z分别为控制Y扫描镜片的伺服电机的初始控制电压和扫描增加电压；

已知Y轴扫描镜片(3)的中心线与投射到其上的线激光之间的位置关系，则反射光所构成的平面方程为

式中，h为Y轴扫描镜片(3)的厚度；

世界坐标系到CCD摄像机坐标系的转换关系为

xyz=Rxwywzw+T=r11r12r13r21r22r23r31r32r33xwywzw+txtytz---(5)]]>

根据公式(5)，得

xwywzw=1LKx-txy-tyz-tz---(6)]]>

式中，L＝r₁₁r₂₂r₃₃+r₁₂r₂₃r₃₁+r₁₃r₂₁r₃₂-r₁₁r₂₃r₃₂-r₁₂r₂₁r₃₃-r₁₃r₂₂r₃₁，

KK11K12K13K21K22K23K31K32K33=r22r33-r23r32r23r31-r21r33r21r32-r22r31r13r32-r12r33r11r33-r22r31r12r31-r11r32r12r23-r13r22r13r21-r11r23r11r22-r12r21]]>

因此，反射光所构成的平面在CCD摄像机坐标系下的方程为

K₁x+K₂y+K₃z+K₄＝0(7)

式中，

联立上述方程得

x=aK41-aK1-bK2y=bK41-aK1-bK2z=-K1x+K2y+K4K3---(8)]]>

式中，a＝-(u-u₀)/f·K₃·N_x，b＝-(v-v₀)/f·K₃·N_y，(x,y,z)为被测物体表面任意点的坐标。