光学非接触廓形测量技术研究进展

　　1　引　言

　　随着科学技术和工业生产的发展,对表面轮廓、几何尺寸、各种模具及自由曲面的测量工作越来越多,精度要求越来越高,特别是航空航天、汽车工业和模具工业的发展对自由曲面的高精度、高速测量的要求越来越迫切[1]。非接触式形廓测量法测距精度高、抗干扰性能强,实时性强,应用领域非常广泛[2]。因此研究非接触式的测量方法是十分重要的,也是测量工作所迫切需要的[3]。

　　非接触的测量方法主要有电子方法、光学方法和其他方法[4—6]。电子方法受电磁场影响大[7];超声检测方法在测试过程中,其探头和测试表面需要一种耦合介质,耦合情况的好坏直接影响到检测的结果[8~10]。随着半导体激光器和光电探测器的长足发展,光学非接触测量方法越来越被人们所重视。通常光学非接触形廓测量系统分辨力高、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量准确度高,还可测量非金属面并可在线进行测量[11—14]。本文对光学非接触测量方法及其关键技术进行分析。

　　2　光学非接触形廓测量方法分类

　　光学非接触形廓测量方法可以分为两大类:光学被动式形廓测量法和光学主动式形廓测量法。

　　2.1　光学被动式形廓测量法

　　光学被动式形廓测量法指不向被测物体发射可控制的光束,而是直接利用自然光得到的图像来获取物体三维信息[15]。该方法得到的深度数据精度较低,某些方法只能得到景物相对距离的一些模糊概念。如遮挡分析法,它以颜色、纹理等为依据,将图像分割成诸区域并分析其相互遮挡关系。被动式方法中较有前途的方法是立体视觉法,主要可分为单目视觉方法、双目立体视觉方法和三目视觉方法[16]。双目视觉方法是人类获取距离信息的主要方式,它是根据立体视差,即被测点在左右摄像机CCD像面上成像点位置的差异来进行测距,其中立体匹配问题始终是双目视觉测量的一个主要难点所在[17]。

　　2.2　光学主动式形廓测量法

　　光学主动式形廓测量法是指向场景发射能量(如激光、超声波、X射线等)、利用特别光源所提供的结构信息来获取深度信息的技术[18]。该方法测距精度高、抗干扰性能强,实时性强,应用领域非常广泛,较易直接得到被测物体三维轮廓信息。

　　常用的方法有相位测量法、飞行时间法、主动三角法、光栅投射法、激光扫描法和激光光目遮挡法等[19]。

　　 3　光学非接触形廓测量常用方法

　　3.1　相位测量法

　　是将基准栅板投影到被测物表面,形成被测物表面调制的变形栅线图像,变形栅线图像中的相位值与被测表面高度值建立起一一对应的函数关系,通过相位值求得曲面三维信息[20]。