采用二元光学元件的三维轮廓测量方法

　　1　引　言

　　物体的三维轮廓测量在高速在线检查、质量控制、机器/机器人视觉、反求工程以及医疗诊断[1,2]等领域的应用日益重要。具有非接触特性的光学测量方法由于其高分辨率、无破坏、数据获取速度快等优点而被公认为是最具有前途的三维测量轮廓方法[3]。目前在三维轮廓测量中以三角测量法和光栅投影法的应用最为广泛。

　　在三角测量方法(又称结构光测量方法)中一般用激光作为光源,用光学方法产生各种形式的结构光对待测物体进行逐行、逐列(或逐点)扫描,测量精度较高(可达微米量级),但测量速度较慢,且大多采用台架式结构,缺乏随意性,只能对放置在特定的载物平台上的物体进行测量[4]。光栅投影法将光栅结构投影到物体表面,变形光栅像可理解为三维物体对投影栅像的位相和振幅进行调制,即由解调求得相位的变化,并由相位与高度的关系求出相对参考面的高度。由于采用的是多帧图像,所以精度高,只需计算强度值和反正切,处理简单,即使是较粗的条纹也可以达到很高的灵敏度,但不能消除高频噪声误差,图像采集时间长。对于不连续的物体来说,所得到的相位还得经过解相位(去包裹)处理。

　　为了解决上述方法所带来的局限,本文提出了一种新的三维测量方法,用二元光学元件产生二维点阵式结构光照射物体,只需一次采样即可得到物体的三维轮廓信息,大大简化了数据获取的程序,提高了测量速度,且测量不易受物面不连续等干扰的影响。信号的处理简单可靠,无须复杂的条纹分析就能确定各个测量点的绝对高度信息,可自动分辨物体的凹凸,即使物体上的物理间断点(台阶、孔等)使图像不连续也不会影响测量;系统无需载物平台,数据获取不受测量环境的约束,使用灵活、便捷。

　　2　系统构成和测量方法

　　复杂曲面三维信息获取系统的结构如图1所示,由激光发射器(半导体激光器和二元光学元件)、数码相机、一维移动导轨、手动转台构成。相机光轴与导轨垂直,手动转台固定在导轨滑块上,能随滑块在导轨上左右滑动,激光发射固定在手动转台上,能随转台在水平面内作顺(逆)时针旋转。滑动滑块可改变相机和激光发射器间的距离d,转动手动转台图1　实验系统结构示意图可调节测量距离L的大小。被测范围由测量距离L和二元光学元件的衍射角θ决定,激光通过二元光学元件产生的二维点阵结构光按一定规律遍部测量范围,用相机获取经物面调制的结构光图像,利用结构光成像原理,可以求出结构光上各点的三维空间坐标。这样的话,只需要一次获取信息就可以得到物体被测面的三维空间坐标,重构出物体的三维轮廓模型。