双振镜点扫描三维形貌测量系统

　　1　引　言

　　随着航空航天、汽车工业和先进制造业的飞速发展,对大尺寸自由曲面高精度实时三维形貌测量的要求越来越迫切。传统的接触式形貌测量方法测量范围有限,容易对被测物体表面造成损伤,而且测量速度慢、效率低,测量过程难以实现自动化。光学非接触三维形貌测量由于具有非接触、自动化、高精度、高效率等优点,被广泛应用于工件的加工制造、缺陷检测和文物保护等领域[1-2]。常用的光学非接触式形貌测量方法包括立体视觉法、干涉法、莫尔条纹法和激光三角法等。其中干涉法测量精度高,但测量范围小;莫尔条纹法测量精度与激光三角法测量精度相仿,但受物体表面斜率影响较大;立体视觉法测量精度高,但对多幅图像上同名点的搜索及匹配困难,且容易受环境光照条件的影响;而激光三角法由于光束能量集中,适合于远距离测量,且系统结构简单、工作范围大,因此得到了广泛的应用[3-4]。传统的三角法形貌测量系统采用激光器移动或偏转[5-6]、多面体棱镜旋转[7]实现光束二维偏转,因驱动装置负载较大,不适用于快速测量;而采用声光偏转器[8]实现光束偏转可完成快速测量,但是测量范围小。

　　基于以上问题,本文设计并实现了双振镜点扫描三维形貌测量系统。该系统测量距离远、测量范围大,可按指定模式对物体实现扫描,稳定可靠地获取物体的三维形貌信息,提高了系统测量效率。

　　2　系统组成及测量原理

　　双振镜点扫描三维形貌测量系统采用光学三角法原理实现物体表面非接触测量。系统由激光器、光束偏转子系统、图像采集子系统组成。光束偏转子系统由双振镜、电机、电机驱动板和电机控制卡组成。图像采集子系统由CCD相机和图像采集卡组成。

　　系统测量原理如图1所示。激光器发出的光束经双振镜反射后入射到物体表面形成光斑,相机将光斑成像在CCD探测器上。通过图像处理可得到光斑在探测器上的位置,结合振镜的偏转角度可求得物体表面测量点的三维坐标,重建物体三维形貌。通过控制电机电压可按指定的模式对物体表面进行扫描,为了提高系统测量效率,采用李萨如图样的扫描模式。

　　图1中,双振镜轴线成垂直布置。以相机镜头中心为原点建立世界坐标系O-XYZ及相机坐标系O-XCYCZC;像平面坐标系为O1-uv。X轴为垂直振镜轴线指向相机的方向;Y轴铅垂向下;Z轴为水平振镜轴线指向被测对象的方向(被测对象参考平面与世界坐标系XOY平面平行)。XC、YC轴平行于像平面坐标系的u、v轴;ZC轴为相机光轴。

　　振镜起始位置调整为与XOZ平面夹角45°,以保证光束经双振镜反射后传播方向与Z轴平行;调整激光器使其发出光束平行于X轴。记激光器入射到水平振镜的点为A;水平振镜处于起始位置时,光束反射到垂直振镜的点为B,在世界坐标系下坐标为B(xB,yB,zB);振镜轴线间距为AB;记水平振镜、垂直振镜相对于起始位置的偏转角分别为θ,φ,分别沿Z轴和X轴正方向看去顺时针转角为正;光束经两振镜反射后入射到物体表面上的点为P,即为待求点,在世界坐标系下坐标为P(x,y,z);P的像点为P′,在相机坐标系下坐标为PC′,在世界坐标系下坐标为P′(xP′,yP′,zP′);相机坐标系与世界坐标系转换关系由旋转矩阵R及平移矩阵T描述。