[发明专利]一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统及测量方法。该方法先采用相位激光线扫描技术对被测物体进行一次粗测量，再用阴影莫尔轮廓术对被测物体进行一次精测量。并利用粗测量的测量结果辅助精测量的相位去包裹，实现对台阶的精确量。测量装置的光源采用激光微振镜投影仪，既能够实现快速的激光线扫描也能为阴影莫尔测量提供全场均匀的照明。所有测量在一个系统内完成，两次测量之间被测物体不需要做任何移动。保证了测量精度和测量速度。

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种三维轮廓测量方法，特别是激光线扫描和阴影莫尔轮廓术融合复合式测量方法与其系统。

背景技术

三维测量技术作为沟通现实世界和虚拟的数字世界的桥梁，其重要作用越来越凸显。被广泛的应用于工业检测、医疗健康、数字娱乐、电子商务、文物保护等诸多行业。光学三维测量由于具有非接触、精度高、速度快的优势，已经发展成为三维检测领域最重要的技术。

激光线扫描测量法，是以一条或多条激光光线(光刀)图像来重现物体三维形貌，即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中心逐点进行求解，来获得形面三维数据。该技术以其非接触性、灵敏度高、实时性好、抗干扰能力强、对金属物体表面同样可以进行测量等优点，被广泛的应用于工业检测和金属测量领域中。同时，激光扫描的测量精度将受到光源技术和投影设备的影响，传统的投影镜头采用DLP，LCD等数字光技术，但由于其投影像素离散、分辨率有限、光强度非线性和功耗高等缺点，会影响了三维扫描的精度。

阴影莫尔轮廓测量又称为莫尔等高线法，其原理是光源将基准光栅投影到被测物体表面从而形成光栅阴影，光栅阴影受到物体表面高度的调制成为变形光栅，然后使用另一个光栅或者光栅本身与变形光栅进行交叠从而形成莫尔条纹，由采集到的莫尔条纹绘制出等高线进而推断出物体表面的轮廓信息。传统莫尔轮廓术的测量分辨力有限，现代相位解调技术的发展特别是相移算法的发展使莫尔轮廓术的测量分辨率大大提高。然而相位轮廓术有一个缺点，那就是采用反三角函数求解条纹相位时，求解的结果会包裹在反三角函数的值域内。当物体表面存在一个超过条纹深度周期的台阶时，解调出的条纹相位和真实值相差2kπ，换算成高度信息时就会与真实的高度分布相差N*ρ(N为整数，ρ为条纹深度周期)。因此，相位莫尔轮廓术不适合测量表面有较大台阶的物体。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量相结合的测量方法。该方法先采用激光线扫描技术对被测物体进行一次粗测量，再用阴影莫尔轮廓测量对被测物体进行一次精测量，并利用粗测量的测量结果辅助精测量的相位解包裹，实现对台阶的精确量。测量装置的光源采用激光MEMS投影仪，既能用作激光线扫描的线光源也能为阴影莫尔轮廓测量提供全场均匀的照明。所有测量在一个系统内完成，两次测量之间被测物体不需要做任何移动。保证了测量精度和测量速度。

本发明的技术方案为：

一种激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统，将激光MEMS投影仪作为激光线扫描的光源和阴影莫尔测量的光源；复合式测量系统测量系统分别进行激光线扫描和阴影莫尔轮廓测量，利用激光线扫描得到的测量结果辅助阴影莫尔轮廓测量的相位解包裹。

激光MEMS投影仪首先生成线激光，利用激光线扫描对物体进行粗测量，再利用阴影莫尔轮廓测量对物体进行精测量，利用粗测量的结果辅助精测量的相位解包裹。

利用单目标定技术求解出相机和光栅的位置关系，再利用逆相机标定技术标定出光源和相机的位置关系，得到阴影莫尔测量系统中相机、光源、光栅三者的位置关系。

所述的激光线扫描与阴影莫尔的复合式测量系统的测量方法，按照如下步骤：

第一步，标定系统光学参数，阴影莫尔轮廓测量中需要标定相机、光栅、光源三者的位置关系，激光线扫描系统中需要标定投影仪和相机两者的位置关系；