[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

说明书

技术领域：

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法。

背景技术：

随着现代精密测量技术及高端装备制造业的快速发展，包括机械制造、航空航天、微纳制造、文物修复及影像医学等领域都对物体三维形貌精密测量技术提出了更高要求。基于上述背景，物体三维形貌测量技术得到了快速发展，依据其检测方式包括接触式测量和非接触式测量；其中，接触式测量对物体表面有一定的划伤并且检测速度较慢，限制了其应用场合；非接触测量主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理进行物体三维坐标点的数据采集，由于非接触测量对物体表面无损害，并且测量速度快，应用场合广泛。

非接触式测量中常用的光学三维测量技术主要包括飞行时间法、干涉法和三角法。其中，飞行时间法要求测量系统必须有极高的时间分辨率，干涉法由于受到光波波长的限制，只能测量物体微观表面的形貌，不适合于宏观物体三维形貌的检测，而激光三角法的物体三维形貌测量装置及方法由于其简单可靠的性能而取得了广泛的应用。

目前，基于激光三角法的物体三维形貌测量装置多采用机械扫描法，即利用较大的机械结构移动物体或者移动激光光源实现扫描，而且在工业实时检测中，被测物体距离摄像机的距离要通过反复装调及严格计算才能确定，上述问题限制了现有激光三角法三维形貌测量装置的测量速度和精度，也限制了其实现工程应用。因此，为有效提高物体三维形貌成像及测量装置的检测效率及精度，有必要提出一种能消除上述缺陷的检测技术。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有三维形貌测量装置存在的问题，提出了一种结构简单、扫描速度快、性能可靠以及精度较高的振镜式线激光扫描三维形貌测量装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现的：

一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置，包括照明激光器、X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片、可变光阑以及由镜头和CCD传感器组成的CCD摄像机；其中，

由照明激光器产生的激光依次经过X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片和可变光阑后投射到被测物体表面，CCD摄像机中CCD传感器通过镜头探测激光发出的散射光。

本发明进一步的改进在于，还包括定位激光器，定位激光器用于确定被测物体距离CCD摄像机的最佳距离。

本发明进一步的改进在于，X轴扫描镜片、Y轴扫描镜片的旋转均由伺服电机控制；其中，X轴扫描镜片与水平面成45°夹角，在测量过程中X轴扫描镜片位置保持不变，Y轴扫描镜片可在水平面上下θ_m角度内快速旋转扫描。

本发明进一步的改进在于，可变光阑能够控制线激光的长度。

一种振镜式线激光扫描三维形貌测量装置的测量方法，

以Y轴扫描镜片中心轴的中点为原点，建立世界坐标系o_w-x_wy_wz_w，以CCD摄像机镜头的光心为中心建立CCD摄像机坐标系o_c-x_cy_cz_c，以CCD摄像机像面中心为原点建立像面坐标系o-uv；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

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)为相面与光轴的交点坐标，N_x、N_y为CCD摄像机相面单位尺寸上的像素，f为CCD摄像机的焦距。

本发明进一步的改进在于，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φ的表达式为

式中，i＝1、2、3…….n，n为正整数，φ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，φ₀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