光栅投影轮廓测量的系统标定技术

　　1　引　言

　　光栅投影自动轮廓测量技术是把光栅投影到被测物体表面。光栅投影场由于受物体三维形状的调制而发生变形,通过对变形的光栅场进行处理,解调出代表物体高度的相位信息,再经过相展开和系统标定就可以获得物体的三维几何信息。目前人们对解相和相展开技术的研究相当深入,而对系统标定问题研究不多,这在很大程度上影响了该技术的实用化。本文分析了系统在标定中精度不高、可操作性不强的问题,对传统结构进行了改进,提出了一套方便实用的标定方法。

　　2　光栅投影轮廓测量系统在标定中的主要问题

　　2.1　测量系统的传统结构和物相关系

　　光栅投影轮廓测量系统根据摄像机光轴和投影装置光轴的空间位置不同,可分为相交轴系统和平行轴系统。由于平行光轴系统不容易构成,所以很少被采用。相交轴光学系统的结构原理如图1所示。在图1中,R为参考平面;Ec为摄像机镜头光心;Ep为投影系统镜头光心;H为被测物体上的任一点,它在参考面上的投影为H′,线段HH′的长度为h,即H点的高度;A,B点分别是H点与两光心连线的反向延长线与参考面的交点。

　　入射光线照射到参考平面R上的A点,放上被测物体后照射到被测物体表面的H点,此时从成像面观察,A点就移到新的位置B点,距离AB携带了高度信息h(x,y),即受到了表面形状的调制。

　　因此,将光栅投影到被测物体表面,由于受调制而发生变形,表现为参考面上A、B点的相位差Δφ(x,y)。

　　经分析,物体高度轮廓h(x,y)和光栅变形的相位差Δφ(x,y)之间存在如下关系:

　　式中,l、d、P是系统的几何参数。其中l为摄像机光心到参考面的距离;d为投影系统光心与摄像机光心的距离;P是栅线节距。

　　2.2　传统的系统标定及存在的问题

　　从上面的系统结构不难看出,整个系统的建立基于以下两个明显的约束条件:

　　(1)投影光源镜头光心和摄像机镜头光心的连线平行于参考面;

　　(2)摄像机镜头光轴垂直于参考面。因此,对测量系统的标定来说,传统方法包括平行度、垂直度、物面与成像面间的比例关系和系统几何参数的标定几个方面。通常的做法是[1,2]:

　　(1)系统垂直度的标定和比例关系的确定:由几何光学原理可知,只有与摄像机成像面平行的物方平面在摄像机的成像平面上所成的像才与原物体成固定的比例关系。摄像机的成像平面与其光轴在几何上是严格垂直的,这就为调节系统垂直度提供了一般方法,即调节成像平面与放物平台(参考面)平行。