第三章-激光测试技术-3

第四章激光测试技术2/28/2020参考文献：《激光测量技术》内容提要1、激光原理及技术激光原理概述；激光的基本物理性质；高斯光束；稳频技术；激光调制技术2、激光准直及多自由度测量激光准直测量盘原理；激光准直仪的组成；大气扰动及激光束漂移；激光准直测量的应用；激光多自由度测量技术3、激光视觉三维测量技术激光三角法测量原理；激光视觉测量的基本原理；激光视觉三维测量技术的应用4、其它激光测量技术激光多普勒测速技术；激光扫描测径技术；激光测距技术3、激光视觉三维测量系统人类的大部分信息是通过视觉系统来获取的。研究了利用计算机等现代化工具来实现视觉功能，以增加对三维世界的理解，由此形成了一门崭新的学科―计算机视觉（Computervision)，又称机器视觉（MachineVision）。近年来，计算机技术及电子技术的不断进步及CCD等光电器件的完善和发展，推动了计算机视觉技术的快速发展。3、激光视觉三维测量系统目前，计算机视觉技术已被广泛地应用于航空航天、生物医疗、物体识别、工业自动检测等领域。计算机视觉理论基础上发展起来的视觉检测（VisionInspection）技术具有非接触、速度快、精度适中、可实现在线等优点，已广泛地应用于工业产品的在线检测。3、激光视觉三维测量系统视觉检测技术根据照明方式和几何结构关系的不同分为被动视觉（PassiveVIsion）检测和主动视觉（ActiveVision）检测两大类。被动视觉采用非结构光照明，它是根据被测空间点在不同像面上的相关匹配关系，来获得空间点的三维坐标。主动视觉是采用结构光照明，通过结构光在被测物体上的精确定位来获取被测信息。激光具有方向性好、高亮度等优点，利用激光做光源来获取结构光的主动视觉检测，称之为激光视觉检测技术。本章主要讲述激光视觉检测的原理及应用。激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角法是激光视觉检测技术的基础。激光三角法早期使用He-Ne激光器作光源，体积庞大。近年来，随着半导体激光器、光电位置探测器PSD和CCD的出现及性能的不断完善，三角法在位移和物体表面的测量中得以广泛应用。下面以单点式激光三角法为例讲述激光三角法测量原理。θxθbxaxcossin激光三角法3、激光视觉三维测量系统单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。测量原理直射式三角法若光点在成像面上的位移为x，按下式可求出被测面的位移:式中，a为激光束光轴和接收透镜光轴的交点到接收透镜前主面的距离；b为接收透镜后主面到成像面中心点的距离；θ为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角。激光三角法3、激光视觉三维测量系统单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。测量原理斜射式三角法若光点的像在探测器敏感面上移动x'，则物体表面沿法线方向的移动距离)cos()sin(cos21211θθxθθbθxax式中，θ1为激光束光轴和被测面法线的夹角；θ2为成像透镜光轴和被测面法线的夹角。激光三角法3、激光视觉三维测量系统单点式激光三角法测量常采用直射式和斜射式两种结构。测量原理直射式和斜射式有如下特点：1）斜射式可接收来自被测物体的正反射光，当被测物表面为镜面时，不会由于散射光过弱而导致光电探测器输出信号太小，使测量无法进行：直射式由于其接收散射光的特点，适合于测量散射性能好的表面。2）在被测物体表面发生位移x时，斜射式入射光光点照射在物体不同的点上。因此，无法知道被测物体某点的位移情况，而直射式却可以。3）斜射式传感器分辨力高于直射式，但它测量范围小、体积大。激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器根据三角法测量原理制成的仪器被称为激光三角位移传感器。一般采用半导体激光器（LD）作光源，功率在5mw左右，光电位置探测器可采用PSD或CCD。PSD属于非分割型位置探测器，分辨力高，动态响应快，后续处理电路简单，但线性差，需要精确标定。斜射式三角位移传感器有日本Keyence公司的LD系列，而直射式有Renishaw公司生产的OP2、Keyence生产的LC系列和LB系列等多种型号。其中美国MEDAR公司生产的2101型及Renishow公司生产的0P2型是专门配置在三坐标测量机上用于测量物休三维形貌。激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器厂家型号工作距离（mm）测量范围（mm）分辨力（微米）线性（微米）MEDAR210125±2.521.5KEYENCELC-22030±30.23KEYENCELB7240±102±1%REISHAWOP220±2110PANASONIC3ALA7575±2550±1%激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器测量管内壁形貌原理激光三角位移传感器固定在管内行走的小车上，使传感器发出的光束垂直入射于管内壁某一点上，传感器有一输出值。若被测管内壁尺寸沿径向有一个变化量，即入射光点从B点变化到B’点，此时激光三角位移传感器的输出值反映了该变化量。为了获得管内壁的整周信息，步进电机3带动激光三角位移传感器绕管中心做整周回转，使光点沿管内壁表面转动扫描，这样就可测量出管内壁某截面径向的尺寸。小车在管内沿轴向移动，传感器的转角和轴向位移可由步进电机发出的脉冲数求出，这样就完成整个管内壁三维形貌测量。激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器应用Cyclop超精密激光三角反射位移传感器线性精度高达0.015%激光位移传感器：量程：20/38/70/130mm；量程中点：90/90/160/340mm；线性：3/5/10/20µm；重复性：2/2/3/5µm；频响：14KHZ；输出：RS422以太网（可选模拟输出）激光三角法3、激光视觉三维测量系统激光三角位移传感器应用LH系列传感器可提供精确的距离、厚度和对准测量。其应用范围包括热部件、机床加工件、半导体和印刷电路板、发光或反射部件以及柔软或粘性部件。该系列有三种型号，测量范围分别为25-35mm、60-100mm和100-200mm。通过将两个传感器安装在目标的两侧并自动同步，可进行厚度测量。可将最多32个传感器轻松组合至多轨位移或厚度传感器的混合测量网络。激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器广泛用于火车轮轮缘轮廓测量，公路车辙、平整度测量。也可用于非接触测量位移、三维尺寸、厚度、物体形变、振动、分拣及玻璃表面测量等。激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器这些厚度测量技术主要优势体现如下：1、非接触测量2、可控制激光功率，测量不受材料颜色影响，3、不受材料成分影响4、小光斑、高分辨率5、高速测量，频率达50KHz6、对热表面材料，可以远距离测量激光三角法3、激光视觉三维测量系统应用激光三角位移传感器测量范围734×144×794（mm）三坐标测量机三坐标激光扫描式测量系统,结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统用激光作光源可产生各种结构光：点结构光、线结构光及多线结构光，用一个或多个CCD摄像机来接收，通过一定算法来获取结构光所携带的被测物体的三维信息。把由结构光和CCD摄像机组成的测量装置称为激光视觉传感器。按激光产生结构光的形式，激光视觉传感器可分为点结构光传感器、线结构光传感器及多线结构光传感器。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统点结构光传感器以半导休激光器作光源，其产生的光束照射被测表面，经表面散射（或反射）后，用面阵CCD摄像机接收，光点在CCD敏感面上的位置将反映出表面在法线方向上的变化。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统线结构光传感器半导体激光器产生的激光经柱面镜变成线结构光，透射到被测区域形成一激光带，用面阵CCD摄像机接收散射光，从而获得表面被照区域的截面形状或轮廓。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统多线结构传感器半导体激光器发出的激光扩束后照射到光栅上，便产生多条线结构光，投射到被测表面上形成多条亮带，用面阵CCD摄像机接收，可获得表面的三维信息。激光视觉传感器的数学模型是激光视觉测量技术的核心内容，所建模型越接近测量实际且模型参数能较准确地标定出来，则可获得较高的测量精度。视觉传感器中，CCD摄像机是重要的组成部分，是视觉系统获取三维信息最直接的来源，传感器的建模就是建立摄像机像面坐标系与测量参考坐标系之间的关系。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统根据模型的参数选择，建模方法主要有以下两种。1）完全利用投影变换理论，通过无任何物理意义的中间参数，将图像坐标系与测量参考坐标系联系起来。对该类数学模型的局部标定就是计算中间参数的过程，且对这些参数无任何约束，只要它们结合在一起能完成正确的三维测量就行。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统根据模型的参数选择，建模方法主要有以下两种。2）通过具有明确物理意义的几何结构参数，如光学中心、焦距、位置以及方向等．建立图像坐标系与测量参考坐标系的关系；这类方法的模型参数一般分为摄像机内部参数和传感器结构参数两部分。摄像机内部参数指摄像机内部的几何和光学特性；传感器结构参数指图像坐标系相对于测量参考坐标系的位置参数。这种模型直观，可根据使用场合及要求达到的精度不同。建立不同复杂程度的数学模型。因此，在视觉检测技术中被广泛使用。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统摄像机理想透视变换模型摄像机是视觉传感器的主要功能元件。被测物体的位置、形状等几何尺寸是从摄像机获取的图像信息中计算出来的，每一点的亮度反映了空间物体表面某点散射光的强度信息，而该点在图像的位置与空间物体表面相应点的几何位置有关，这些位置的相互关系，由摄像机成像模型决定。摄像机的几何模型，即三维物体到二维图像的变换模型，一般定义为()PgH式中，g是三维物体P=(x,,y,z)T到二维图像点H=(X,Y)T之间的不可逆变换函数。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统摄像机理想透视变换模型摄像机的透视成像通常可以近似地看做是一个针孔成像结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统摄像机理想透视变换模型1，物空间坐标系到摄像机坐标系的坐标变换•物空间坐标系中的坐标转换为摄像机坐标系的坐标包含平移和旋转两种变换。2，摄像机坐标系和像平面坐标系的针孔透视变换•在理想情况下，根据针孔摄像机的几何结构，用透视投影变换将摄像机坐标系下的三维坐标变换为图像坐标系下的二维坐标。3，像平面坐标与计算机坐标之间的变换•由摄像机摄取的被测物体图像，最终要由图像采集卡变换成数字图像并输入计算机。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统实际摄像机模型1．摄像机镜头畸变模型摄像机镜头是非理想光学系统，存在加工误差和装配误差，物点在摄像机像面上实际所成的像与理想成像之间存在光学畸变误差。主要的畸变类型有三种：径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变。径向畸变仅使像点产生径向位置偏差，而偏心畸变和薄棱镜畸变使像点既产生径向位置偏差，又产生切向位置偏差。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统实际摄像机模型2．实际摄像机模型像面上的理想像点坐标值应等于实际成像点的坐标值和畸变误差值之和。目前光学系统的设计、加工以及安装都可以达到相当高的精度，薄棱镜畸变很小，可以忽略。一般非高精度的测量，偏心畸变引起的切向畸变也可以不考虑。因此，在一般应用中，只要考虑镜头的径向畸变。复杂的畸变模型不但不能提高测量精度，反而会使数值计算产生不稳定现象。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统点结构光视觉传感器数学模型点结构光视觉传感器的光透射器发射出一束激光，激光束与被侧物体表而相交产生亮点，亮点经透视成像到摄像机像平面上。点结构光传感器只是在光线上的一维坐标测量。结构光法的激光视觉测量3、激光视觉三维测量系统线结构光传感器数学模型线结构光传感器的光投射器在空间投射出一个光平面，此光平面通过摄像机建立与像平面的透视对应关系。线结构光传感器只能完成光平