光电自动测量三维曲面仪的研究

　　1引言

　　三维曲面测量技术发展至今，常用的方法还是采用接触式三坐标机测量。这种传统的测量技术，主要存在着测量速度慢，测头触针易磨损，软体表面不易 测，测量过程难于实现智能化和自动化等问题。本文研究的光电非接触三维曲面自动测量仪，能够克服接触式测量机所存在的缺点。这项新技术，国外已有少数国家 应用，我国正在研究开发阶段。今后，三维曲面测量技术的趋势，必将朝着机械、光电和计算机技术一体化的方向发展。

　　2测量仪的系统设置

　　这种光电自动测量三维曲面仪的系统设置主要有以下几个方面:

　　①激光和CCD光电系统测头。它主要包括一个小功率激光器(功率为4~6mw的He一Ne激光器)，激光聚焦准直镜头，物镜摄像机镜头(焦距为 f=50的标准镜头)，CCD (charge coupling device一电荷藕合器)光电图像传感器(光敏元像素为7μm，共4096相元的线阵CCD)及驱动器。

　　②三维扫描测量平台机电系统。它主要包括X,Y,Z三维坐标扫描测量行走机构，步进电机及驱动器，精密传动测微机构，导轨支架机构，物体支承平台，直流稳压电源，示波器。

　　③计算机测控系统。它主要包括一台586PC机，UPS电源，打印机，计算机测控和数据采集处理计算各种软件，各种硬件接口电路和计数器。

　　3测量仪的光学三角测量原理

　　如图1所示，激光器射出的激光束与CCD相机镜头的主光轴相交成e角。当激光束投射到被测体曲面上0点时，0点光斑经透镜成像在CCD左端O' 处光敏相元上(设定该相元为零点参考位置);若激光点位于曲面仁P点时，同理，在CCD上P'，处相元成像。经CCD光电转换输出图像脉冲数字信号到计算 机，根据有关光学三角测量原理计算出曲面上O,P两点间的位移L。为了确保激光斑在相元上清晰地成像，像点位置都能精确地表示曲面的位置，必须将光电传感 器的线阵相元区域放置在激光束成像的共扼像平面上。所以，先要找出共扼像面的位置，建立激光器、光学镜头和光电传感器CCD三者之间的几何关系。

　　根据图1建立如图2所示的光学三角测量原理图的坐标系。激光束的直线方程:

　　激光束方向上设有一物点p(x,y)，其对应的像点为p'(x',y')，镜头焦距为f，激光与主光轴交点的物距b，像距d，由光学三角原理可得:

　　求解以上三式，消去x,y后获得像点的共扼像线的方程〔1〕:

　　从图2中可以得到曲面位移L与CCD相元上光斑像点位移a之间的关系式[1]