專利名稱：激光片光三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光照明的三維傳感技術(shù)，具體地說，它涉及激光片光照明的三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的方法及其裝置。
三維物體表面輪廓測量，即三維面形測量，在自動加工，實物仿形，機器視覺，生物醫(yī)學(xué)體視等領(lǐng)域具有重要意義。采用激光片光照明的三維面形傳感器，是基于三角法距離測量原理，通過投射一片狀激光束(也稱激光片光，或激光光刀)到被測物體表面，在物體表面形成一投影亮線，從與投影方向不同的另一個方向觀察該線，由于受到物體高度的調(diào)制，該亮線發(fā)生變形，通過對象面上亮線象坐標的計算可以得到物體上一個剖面的高度數(shù)據(jù)，如果再加上一維掃描就可以得到三維面形分布例如，見Xian-Yu Su，BoJia，Proc.SPIE，VOL.1319，(1990)；賈波，蘇顯渝，郭履容，《中國激光》，19(4)，271(1992)；Xiao-Xue Cheng，Xian-Yu Su，Lu-Rong Guo，Appl.Opt.30(10)，1274(1991)，從而達到三維物體表面輪廓的測量。采用激光片光的三維傳感系統(tǒng)，其測量精度主要取決于對亮線象中心的定位精度。人們曾試圖通過技術(shù)上的改進，例如減少電信號噪聲，增加探測器分辨單元數(shù)目等，提高測量精度，但是后來的研究表明，測量精度的限制還來自物理上的原因，激光散斑對三角法測量精度具有重要影響例如見W.Dremel，G.Hausler，and M.Maul，Proc.SPIE，665，182-187(1986)。降低散斑影響，提高激光三角測量系統(tǒng)精度，一直是三維傳感領(lǐng)域國內(nèi)外普遍關(guān)注的問題。為了減弱散斑的影響，人們已經(jīng)研究了幾種方法，包括熱空氣擾動法，孔徑內(nèi)掃描法等。例如，在熱空氣擾動法中，是在觀察系統(tǒng)光路上加上隨機擾動的熱空氣(以熱的空氣流噴射在觀察光路上)，使得在象面上形成動態(tài)散斑光場，其時間平均的效果將使散斑對比下降，從而減弱散斑的影響。在孔徑內(nèi)掃描法中，可以在觀察系統(tǒng)光瞳面上用小的隨機分布的孔徑在光瞳孔徑上掃描，也可以使散斑對比下降。采用這些方法，雖然深度分辨率有所提高，但都以犧牲橫向分辨率為代價，具有明顯的局限性(例如見Rejean Bibean Marx Rioux，Appl.Opt，30(20)，2873(1991))。
本發(fā)明的目的正是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，而提出了在激光片光照明的三維傳感系統(tǒng)中采用投影激光片光的面內(nèi)掃描來降低散斑影響的方法及裝置。解決了在提高深度分辨率的同時，橫向分辨率可以保持不變的問題，從而使測量精度提高。
本發(fā)明上述的目的是這樣解決的激光片光三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的方法，是采用從激光器發(fā)出的細光束經(jīng)一柱透鏡后形成片狀光束(激光片光)，投射到被測物體表面，使該光束在物體表面形成一條投影亮線，從與投影方向成一定夾角的觀察系統(tǒng)光路上觀察該亮線，由于激光片光受到被測物體表面高度的調(diào)制，觀察到的亮線形狀攜帶了物體高度信息，通過計算可以確定物體表面一個剖面上的高度分布，如果附加一維掃描，就可以測量三維物體面形的分布。本發(fā)明的要點在于，經(jīng)柱透鏡形成的片狀光束先通過一個掃描裝置，使激光片光在片光平面內(nèi)作面內(nèi)掃描，經(jīng)面內(nèi)掃描的激光片光再投射到被測物體表面，在物體表面形成一條亮線，從與投影方向成一定夾角的另一觀察方向上用二維探測器陣列接收片光與物體表面交線的象，再通過計算確定物體表面一個剖面上的高度分布。


圖1是采用激光片光的面內(nèi)掃描裝置的三角測量原理示意圖。
圖2是成象系統(tǒng)象面散斑的形成光路示意3是入射光角度改變時，光瞳平面上散斑的變化示意圖。
圖4是片光象在探測器陣列上的強度分布。
圖5是象面散斑互相關(guān)函數(shù)曲線(理論值和實測值)圖。
圖6是圖1中亮線6的重心線歸一化方差隨入射光掃描角變化的曲線(理論值和實測值)圖。
下面結(jié)合附圖、工作原理及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
本發(fā)明提出采用激光片光的面內(nèi)掃描，可以在保持理想幾何象不變的情況下，產(chǎn)生空間變化的動態(tài)散斑光場，這樣的光場在光瞳平面上平移，其時間平均的效果，可看作利用了多個孔徑，將這些孔徑的總和稱之為“合成孔徑”，在引入合成孔徑的同時，系統(tǒng)的物理孔徑并未改變。因此，本發(fā)明在提高深度分辨率的同時，橫向分辨率可以保持不變，從而達到對三維物體表面輪廓測量的精確度的提高。
圖1中，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過一柱透鏡2后，發(fā)散為片狀光束4(簡稱片光)。帶有平面反射鏡的掃描裝置3，能以轉(zhuǎn)軸10為中心轉(zhuǎn)動或振動，片光平面與反射鏡垂直，使投射在被測物體5表面的激光在片光平面內(nèi)進行面內(nèi)掃描。經(jīng)過面內(nèi)掃描的片狀激光束4投射到被測物體5表面，在物體表面形成一投影亮線6(片光平面與物體表面的交線)，從與投影方向成一定夾角的另一觀察方向上用二維探測器陣列9接收片光與物體表面交線的象8，通過(下述)公式計算，每次可得到被測三維面形的一個剖面，剖面上一點的高度坐標Z可以從其象點的坐標P算出，然而高度分辨率(即深度分辨率)受P的測量精度δP的限制，如下式所示δz=lcosβf0sinγδp----(1)]]>式中，1是被測物體5到成象透鏡7的距離；β是成象透鏡7與探測器陣列平面9的夾角；f0是成象透鏡的焦距；γ是片光投射方向光軸與探測器觀察方向光軸的夾角。
象面散斑的存在，限制了象點坐標P的測量精度，從而影響三維傳感系統(tǒng)的深度分辨率。
在圖2所示的成象系統(tǒng)中，物平面和觀察平面分別用(X′，Y′)和(X，Y)表示?！剖浅上笸哥R，∑上的坐標是(X，Y)，θ是照明的入射角。由于物體表面的微觀起伏，在透鏡平面∑上形成散斑結(jié)構(gòu)，并通過透鏡成象過程進一步在象面上形成散斑。
如圖3所示，改變?nèi)肷浣铅仍诠馔矫妗飘a(chǎn)生的效果是兩方面的。(1)散斑圖形在相應(yīng)于θ的方向上有一個平移，(2)第一個和第二個散斑圖形之間相關(guān)性隨θ的增加而減少。即散斑圖樣發(fā)生變形，當(dāng)被測物體的粗糙度在一定范圍內(nèi)，例如小于20微米時，散斑變形的影響較小，因而可以忽略。散斑圖形的平移可以表示為Δ＝l1cosθ1cδθ(2)散斑光場在光瞳平面上的移動，相當(dāng)于光瞳在散斑場上的移動，其時間平均效果，等于使用一個大的合成孔徑，因而降低了散斑的影響。進一步的理論分析和實驗結(jié)果都證實了這種合成孔徑概念的正確性。
圖4(a)是片光象在探測器陣列上，例如CCD攝象機上的強度分布。(b)是強度分布的一個剖面，在理想情況下該強度剖面為高斯分布，但是象面散斑的存在破壞了其對稱性，定義強度剖面沿X方向的重心為(第二個等號已做了歸一化)Xm(y)=∫-∞+∞XI(X,Y)dX∫-∞+∞I(X.Y)dX=∫-∞+∞XI(X,Y)dX----(3)]]>
由于象面散斑是隨機起伏的，所以Xm(y)是一隨機變量，當(dāng)片光在面內(nèi)掃描時，對于兩個不同的入射角θ1和θ2＝θ1+δθ，片光中心線擾動的互相關(guān)函數(shù) 可表示為Γxm(δθ)=<Xm(θ1)Xm(θ2)>-<Xm(θ1)><Xm(θ2)>----(4)]]><...>表示取集平均。根據(jù)散斑統(tǒng)計理論，假定Xm的均值為0，并采用歸一化表示，得到Γxm(δθ)=<Xm(θ1)Xm(θ2)><Xm2(θ1)><Xm2(θ2)>----(5)]]>式(5)表示片光在面內(nèi)掃描時，兩個不同入射角度之間散斑的相關(guān)性，如果Γxm(δθ)=1]]>表示兩個散斑象是完全相同的，如果Γxm(δθ)=0]]>則表示它們是完全不同的。按照散斑統(tǒng)計理論(J.W.Goodman，Statistical Optics(Wiley，New York，1985)；J.C.Dainty，ed.″Laser Speckle and Related Phenomena″，(Springer-Verlag，NewYork，1984))最后可導(dǎo)出Γxm(δθ)=[2arccos(l1cosθ1δθ2r)-l1cosθ1δθr1-(l1cosθ1δθ2r)2]2π2,]]> 上式表明了象面散斑互相關(guān)函數(shù)隨入射角變化的規(guī)律，是本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。象面散斑互相關(guān)函數(shù)隨入射角變化的理論曲線和實驗曲線如圖5所示。δθ1是入射角的改變， 是互相關(guān)函數(shù)，實線是理論值，星號是實驗點。
圖6是圖1中亮線6的重心線歸一化方差隨入射光掃描角變化的曲線，實線是理論值，星號是實驗點，實驗結(jié)果證實了理論曲線的正確性(詳見實施例)。
下面以反射型片光系統(tǒng)測量飛機發(fā)動機渦輪葉片為例作一個介紹。實驗裝置如圖1所示，激光器1為氦氖激光器， 探測器陣列9為CCD面陣攝像機。
激光平面4與反射鏡3垂直，入射方向與反射鏡法線成一角度，反射鏡與片光平面垂直的軸10轉(zhuǎn)動，或小角度范圍內(nèi)振動，使片光經(jīng)反射后在片光平面內(nèi)變化。
操作時，使反射鏡沿轉(zhuǎn)軸10振動，振動頻率為50赫茲，同時應(yīng)調(diào)整反射鏡光軸10與入射光平面垂直，使得入射光在被測物體表面的亮線6最細(此時表示掃描是在片光平面內(nèi)進行的)。在觀察方向上，調(diào)整成象透鏡7使亮線6成象在CCD 9靶面上。從CCD攝像機輸出的光強信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，被送入計算機，計算機將計算出亮線沿X方向的重心Xm(y)。根據(jù)投影系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)及重心線的位置坐標可以計算出渦輪葉片的高度。反射型片光測量系統(tǒng)的關(guān)鍵在于一個可振動(或轉(zhuǎn)動)的反射鏡，因為掃描頻率(50赫茲)大于CCD采集一幀的頻率(25赫茲)，使得CCD在一個采樣周期內(nèi)獲得“合成孔徑”范圍內(nèi)的散斑場，該散斑小于觀察系統(tǒng)物理孔徑所形成的散斑。從而使散斑降低。
實驗中取θ1＝51.4°，f1＝240毫米，CCD成象透鏡焦距f2＝16毫米，光圈4.0，平面粗糙度為1.80微米。在上述條件下，掃描角δθ1改變約30′相關(guān)值降為1/e，可認為是退相關(guān)。在片光面內(nèi)掃描(即改變δθ1)的同時，片光理想幾何象的位置保持不變，只是象面上的散斑發(fā)生變化。增大掃描角，在CCD的采集時間一定的情況下，象面散斑的變化將加大，時間積分的結(jié)果將使散斑勻化。從而大大提高片光象中心的定位精度。散斑噪聲的降低同掃描角的關(guān)系如圖6所示。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較具有如下優(yōu)點(1)可以極大地提高片光型三維傳感系統(tǒng)的深度分辨率。
(2)在系統(tǒng)深度分辨率提高的同時，橫向分辨率沒有改變。
激光片光照明的三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的裝置，由激光器1、柱透鏡2、掃描裝置3、成象透鏡7及觀察系統(tǒng)9等組成，激光光束經(jīng)柱透鏡2后到達掃描裝置3，掃描裝置3帶有平面反射鏡，并能以轉(zhuǎn)軸10為中心轉(zhuǎn)動或振動，激光束經(jīng)面內(nèi)掃描后到達被測物體5表面，成象透鏡7安放在探測器陣列9(CCD攝像機)之前，使片光平面與物體表面的交線6成象在CCD靶面上。面內(nèi)掃描裝置可以由反射型光學(xué)元件和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動或振動機構(gòu)組成(簡稱反射型片光系統(tǒng))，也可以由折射型光學(xué)元件和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動或振動機構(gòu)組成(簡稱折射型片光系統(tǒng))。
本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作的特點。
權(quán)利要求
1.激光片光三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的方法，是采用從激光器1發(fā)出的細光束經(jīng)一柱透鏡2后形成片狀光束(激光片光)，投射到被測物體5表面，使該光束在物體表面形成一條投影亮線6，從與投影方向成一定夾角的觀察系統(tǒng)光路上觀察該亮線，由于激光片光受到被測物體表面高度的調(diào)制，觀察到的亮線形狀攜帶了物體高度信息，通過計算可以確定物體表面一個剖面上的高度分布，如果附加一維掃描，就可以測量三維物體面形的分布，其特征在于，經(jīng)柱透鏡2形成的片狀光束4先通過一個掃描裝置3，使激光片光在片光平面內(nèi)作面內(nèi)掃描，經(jīng)面內(nèi)掃描的激光片光再投射到被測物體5表面，在物體表面形成一條亮線，從與投影方向成一定夾角的另一觀察方向上用二維探測器陣列9接收片光與物體表面交線6的象8，再通過計算確定物體表面一個剖面上的高度分布。
2.按權(quán)利要求1所述的降低散斑影響的方法，其特征在于所說的激光片光面內(nèi)掃描是這樣得到的(1)激光片光平面4與反射鏡3垂直，入射方向與反射鏡法線成一角度，反射鏡與片光平面垂直的轉(zhuǎn)軸10轉(zhuǎn)動，或小角度范圍內(nèi)振動。使片光經(jīng)反射鏡后的出射方向在片光平面內(nèi)發(fā)生變化。(2)激光片光平面通過一透射型光學(xué)元件，例如平行平鏡，該透射型光學(xué)元件的光軸與片光平面重合，透射元件繞與片光平面垂直的轉(zhuǎn)軸10轉(zhuǎn)動，或小角度范圍內(nèi)振動，使片光經(jīng)透射元件后的出射方向在片光平面內(nèi)發(fā)生變化。
3.按權(quán)利要求1或2所述的降低散斑影響的方法，這里所說的用二維探測器陣列9接收片光與物體表面交線的象8，其特征在于(1)當(dāng)片光在其光平面內(nèi)掃描時，對于不同的入射光角度，二維探測器陣列可獲取不同角度下交線的象，并將其存儲在計算機存儲單元內(nèi)，然后將多個象疊加，以減弱散斑的影響。(2)當(dāng)掃描頻率高于探測器獲取一幅象所需時間時，利用檢測器獲取光強在一段時間內(nèi)的平均效果，得到和多個象相疊加同樣的效果。
4.用于激光片光三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的裝置，由激光器1、柱透鏡2、成象透鏡7及探測器9等組成，其特征在于在柱透鏡2出射光束處安裝一掃描裝置3，使經(jīng)柱透鏡2出射的光束經(jīng)面內(nèi)掃描后再達到被測物體5表面。
5.按權(quán)利要求4所說裝置，其特征在于掃描裝置可以是帶有平面反射鏡的光學(xué)元件和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動或振動機構(gòu)組成，也可以是折射型光學(xué)元件和相應(yīng)的轉(zhuǎn)動或振動機構(gòu)組成。
6.按權(quán)利要求4或5所說裝置，其特征在于反射型或折射型光學(xué)元件的轉(zhuǎn)軸10與片光平面4垂直。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光片光三維傳感系統(tǒng)中降低散斑影響的方法和裝置。采用向被測物體表面投射一個帶有面內(nèi)掃描的片狀激光光束，在物體表面形成的亮線的象，被觀察方向上的二維探測器陣列(CCD攝像機)接收，并由計算機計算出物體表面一個剖面上的高度分布。裝置包括在入射片光與被測物體之間安裝一掃描裝置。入射光的面內(nèi)掃描，可使散斑噪聲降低。采用本方法及裝置的優(yōu)點在于提高深度分辨率的同時，橫向分辨率保持不變。在片光型三維傳感領(lǐng)域具有重要的理論意義和實用價值。可用于機器視覺、實物仿形等領(lǐng)域。
文檔編號G01B11/24GK1147626SQ95111390
公開日1997年4月16日 申請日期1995年6月2日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月2日
發(fā)明者蘇顯渝, 李杰林, 周文勝, 向立群 申請人:四川聯(lián)合大學(xué)