一种基于光学三角法的形貌测量系统

　　1　引　言

　　光学三角法是一种非接触式物体形貌测量方法。它与现代电子技术相结合,可广泛应用于工业测量、医疗诊断、计算机视觉等行业。该方法具有测量速度快、精度高、非接触等优点[1]。

　　利用光学三角法原理测量物体形貌特征的技术早已被提出。目前,基于此原理测量物体形貌的方法有:扫描法,条纹投影法,编码法,相位测量法等。这些方法都需要对系统参数(光源与摄像机的相对位置、光源与被测物体的相对位置、摄像机与被测物体的相对位置等)进行测量,过程非常繁琐,再加上投影器和摄像机本身的光学系统像差,致使测量精度难以得到保证[1]。本文提出了一种基于光学三角原理的几何形貌测量方法,通过实验推导出了被测量与观察量的线性关系,并用此关系式对系统进行了描述。在对被测物体进行测量时,只需要简单地把观察量带入关系式就可以求出被测量。利用这种方法,一旦确定了被测量与观察量之间的关系式,就可以很简单的对被测物体进行三维形貌测量,不需要知道测量系统的各项几何参数,避免了系统像差对测量的影响。

　　2　工作原理

　　该测量方法是借助于光学三角法原理的[2~4]。基本原理如图1所示。

　　图1中,I1和I2分别是投影中心和成像透镜中心。不放被测物体时,入射光线I1OR照明参考点OR,O′R是OR经成像物镜所成的像点。当测量物点A时,A成像于A′点。由于ΔABI2∽ΔA′B′I2,所以可得到如下关系:

　　式中各参数如图1所示。若求出h,则必须先测出式(3)中各未知量的值,测量繁琐,且影响精度。由式(3)可知,经过推导得到的被测物高h与像面上的像素距离Δx′之间的关系为

　　对于一个确定的系统来说,如果成像平面和光线入射系统不变,则式(5)中的系数是固定不变的。通过已知的s和p求出关系式(5)中的系数a和b。当用这个系统去测量被测物体时,可以仅仅测量图像接收屏幕上的Δx′,换算出s,带入式(5)求出p,从而得到物体表面某点的相对高度值h。

　　3　实际测量系统

　　3.1　测量系统的组成

　　该测量系统采用了光学_精密机械_CCD_计算机处理的总体方案,其组成包括计算机、摄像机(CCD)、条纹投影器、导轨(带有光栅测距系统)、平台、标准屏幕等,如图2所示。

　　条纹投影器将一定密度的条纹投影到标准屏幕上。屏幕下端固定着一个平台,平台可以带动屏幕沿导轨的Y方向移动(移动距离可由光栅测距系统精确读出)。投影在屏幕上的条纹最后成像在CCD屏面上,并传送到计算机进行处理。