[发明专利]一种物体表面三维坐标测量系统以及测量方法

说明书

本发明公开了一种物体表面三维坐标测量系统以及测量方法，属于激光测距领域，其包括激光测距装置、二维位移平台以及处理器，测距装置包括光源、光隔离器、F‑P滤波器、光谱仪、第一、二耦合器、第一、二参考臂和测量臂，第一、二参考臂间具有固定的光程差，光隔离器设置在光源出射光方向上，光谱仪连接处理器，处理器用于对测量臂、第一参考臂和第二参考臂返回的激光之间的干涉信号进行分析处理，以获得待测物体在Z轴方向的深度，同时还用于结合二维位移平台反应的待测物体在XY平面坐标生成待测物体三维坐标。本发明还提供物体表面三维坐标测量方法。本发明方法和装置结构简单，价格低廉，还解决了死区问题，还能进行高精度和大幅面测量。

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，更具体地，涉及一种物体表面三维坐标测量系统以及测量方法。

背景技术

目前，光学三维坐标测量技术已经有了长足的发展，可以分类为主动视觉法和被动视觉法两大类，它们各自又可以细分出许多具体小类。

可以使用三个重要指标来评价三维坐标测量方案：测量精度、测量范围和重建速度。其中，激光TOF测距技术测量速度快，量程大但精度只能达到数厘米级别^[1,2]；结构光法量程较大，精度可达亚毫米级，但是其受环境光的影响较大^[3,4]；双目视觉法视场较大，测量精度可达毫米至亚毫米级，但因其数据量大，测量速度受到限制^[5,6]。总之，三维坐标测量时如何同时保持较高精度、较大的测量范围以及较快的测量速度仍然是个难题，现有技术还难以满足高精密工业生产对工件、产品等物体的形貌进行在线精确测量的需求。

目前的传统光源难以同时达到高精度测量与大量程测量要求，20世纪末期出现了新型飞秒激光器，使得激光测距技术获得革命性转机，成为国际上的一大研究热点。区别于双飞秒激光测距，单飞秒激光测距仅需要使用一台飞秒激光器，而一台飞秒激光器成本达数十万人民币，因此单飞秒激光测距系统具有更低的成本。

单飞秒激光测距主要是利用了宽光谱干涉测距的原理，而SLD作为一种更低成本的相干光源，同样具有宽光谱的特性，所以SLD也可以用于宽光谱干涉测距系统，从而实现比飞秒激光测距系统更低的成本。

在宽光谱干涉测距的原理中，有着两大主要问题限制着其实际应用：一是在信号的变换谱上，有一个固定存在的干扰峰P_b，当信号峰P_p与干扰峰P_b重叠时，测量将会变得不准确。即使得信号峰与干扰峰重叠的这段距离范围是“不可测”的，这个不可测量的区域也被称为死区^[7]；另一个问题是由于傅里叶变换的限制，测量距离存在一个非模糊距离^[8]。当被测物点从原点开始向远处运动，信号峰P_p将在轴上向右移动，直至物体运动至非模糊距离处，然后开始向左移动。同理，当物体从一倍非模糊距离之外向原点移动时，信号峰P_p将在轴上先右移动，再向左移动。因此在物体的运动范围可能超过一倍非模糊距离时，通过信号峰的移动方向无法判定物体是在靠近还是远离原点。这就是非模糊距离带来的方向模糊性。

为了实现物体大范围高精度三维坐标测量，需要扩展测量的范围、提高测量的精度，并解决上述死区和方向模糊性问题。为此，需要开发一种新型的表面三维坐标测量系统和方法，以克服现有技术中宽光谱干涉测量自身的缺陷，同时能实现高精度测量和大量程测量。

[1]Amann M C,Bosch T,Lescure M,et al.Laser ranging:a critical reviewof usual techniques for distance measurement[J].Optical Engineering,2001,40(1):10-19.

[2]刘子伟，许廷发，王洪庆，等.深度成像理论与实现[J].红外与激光工程,2016,45(07):242-246.