自调心伪双CCD光切360°三维轮廓测量系统

　　0　引言

　　光切三维轮廓测量法在主动式光学三维面形测量技术中占有重要地位,它基于双基点三角测角原理,因而也必须解决三角测量系统的共性问题—纵向分辨率与测量死点之间的矛盾,即为了提高纵向分辨率,必须适当增大光切面与图象传感器光轴之间的夹角,但大夹角又增加了测量死点.

　　众所周知,人类是用双眼观察物体的,当眼睛注视到空间中某个物体时,则在左右两眼中各成一个象,由于成象角度不同以及左右眼视场部分重叠,因此在两象上既有重合点又有差异点,大脑通过匹配处于视网膜中心凹同侧的对应点,将左右两象汇合为单一象,从而消除了单目观察的死角.根据人眼的双目立体视觉机制,光切法中,在光切面两侧布置两个图象传感器,并精心设计其几何位置,在满足视场互补的前提下,适当拉开两个图象传感器之间距,增大成象光轴夹角,实践证明这是解决纵向分辨率与测量死点之间矛盾的有效途径1.利用光线的可逆性原理,将两个图象传感器与光源位置互换,也能实现上述目的2～4.总之,双图象传感器光切法和双光源光切法应用上各有优势,双图象传感器光切法系统标定及后序数据融合较为简单,但若在测量中采用高分辨率的专业数字CCD,则系统造价将大幅度提高(多用一台CCD和切换电路),双光源光切法成本较低,但系统标定及后序数据融合较为繁琐.

　　双图象传感器光切法和双光源光切法都属于双三角并联的三基点测量方案,实际测量中,两个双基点测量系统并行运作,为了实现后序测量数据的融合,两个双基点测量系统的物空间坐标必须归一化,因而涉及到图象传感器光轴与光切面之间几何位置的调整.对于CCD光切测量系统,要求两个CCD主光轴之交点位于光切面上,且两主光轴所在面与光切面垂直,这就是双CCD光切测量系统的调心要求.实际测量系统由于受到系统结构及人为因素的限制,系统调心的随意性很大,往往存在较大的偏心,由此导致数据融合错位及测量误差5.本文在常规单CCD双基点光切测量系统中引入一种机械回转机构,这种系统除具有双CCD光切测量系统的全部优点外,还进一步简化了调心程式,提高了测量精度,降低了测量系统成本.

　　1　测量原理及系统结构

　　如图1,在利用双CCD实现的光切360°三维测量系统中,物体被放置在回转工作台上,光刀平面垂直于工作台并通过工作台的回转O,α为CCD1的成象镜头主光轴OI1与光切面的夹角,β为CCD2的成象镜头主光轴OI2与光切面的夹角,f1、f2分别为CCD1和CCD2的镜头焦距,物空间坐标系选用柱面坐标系(r,θ,z),z坐标与工作台回转轴O重合,三维物面可描述为r=r(θ,z).回转工作台由计算机控制的步进电机驱动,光刀投影在物体上经物面调制后,变形线分别成象于CCD1和CCD2的象面上,通过确定变形光刀象上各能量分布中心象点在图象空间中位置x1、x2,就可分别求得光刀面与物面交线上的点A处的径向距离