[发明专利]一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法

摘要

本发明提供一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法，其中，所述装置包括底座、照明模块、电动旋转台、成像模块、运动控制器、上位机、待测物体、标定板及电源模块。本发明提供的一种基于一维无衍射光束测量三维面形的装置及方法，能够减少激光宽度对测量结果的影响。

主权项

1.一种基于一维无衍射光束测量三维面形的方法，其特征在于，基于一维无衍射光束测量三维面形的装置包括底座、照明模块、电动旋转台、成像模块、运动控制器、上位机、待测物体、标定板及电源模块，其中：所述照明模块包括半导体激光器和柱面镜，所述柱面镜的平面与半导体激光器的光轴构成预设角度，经过柱面镜后的激光波前可拟合为三次多项式；三次多项式的拟合曲线可以用公式表示为：其中，表示纵坐标，、、表示拟合系数，表示横坐标；所述电动旋转台受控于所述运动控制器，以预设步进角度带动所述待测物体转动；所述成像模块包括依次相连的相机、转接头、变焦镜头及滤光片，所述相机用于采集所述待测物体表面的变形激光光束图像，并与所述上位机相连；所述变焦镜头与激光光束平面构成45°角；所述标定板用于通过张正友标定法获取所述成像模块中像空间坐标系与世界坐标系之间的转换关系；所述上位机包括：图像采集模块，用于调节相机的感兴区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；标定模块，用于使用提取预设数量的网格图像中网格点的位置，并将提取的网格点作为像坐标系中的已知位置点，结合实际世界坐标系中的网格位置，使用张正友标定法由物像点位置关系计算相机的内外参数；运动控制模块，用于通过串口与所述运动控制器相连，并可设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；图像处理模块，用于对拍摄的激光变形条纹进行处理，以获取条纹处面形信息；三角化网格模块，用于对测量的三维点云数据进行三角化，获得表征所述待测物体表面的三角网格；文件及显示模块，用于使用ASCII码STL文件格式保存点云数据并在界面上显示测量的曲面结果；基于一维无衍射光束测量三维面形的方法包括：利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准，以确保激光平面通过电动旋转台的轴心；使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数；通过上位机调整所述相机的感兴区域参数和曝光时间，使得所述相机一次曝光即可采集激光条纹变形图像；所述上位机通过串口与运动控制器相连，并设置波特率以及自行枚举串口连接，以控制所述电动旋转台运动；所述上位机获得当前角度处的面形信息后发送旋转角度给所述运动控制器，并等待所述运动控制器返回电动旋转台旋转结束的信号，拍摄图像进行处理直至所述电动旋转台旋转360°，以处理完待测物体全貌；利用标准圆柱对照明模块和电动旋转台的位置进行校准包括：将标准圆柱放置在旋转台上，观察激光照射在圆柱上条纹，移动圆柱，使条纹与所述标准圆柱的侧面重合，保证激光平面与电动旋转台的端面垂直；获取激光平面在所述电动旋转台上的刻度读数，并调整激光使前后读数差为180°；使用标定板标定所述照明模块中相机的内外参数包括：关闭激光器，随机摆放标定板，并观察所述相机拍摄的标定板图像；当标定板图像全部位于成像区域内时，拍摄图像保存；重复上述步骤预设次数，并提取每一幅标定板图像的方格角点信息，根据已知的方格尺寸使用张正友标定法计算所述相机的内外参数；保存最后两幅图时，打开激光器，拍摄标定板上的激光条纹；计算激光平面与方格的交点，获得激光平面在世界坐标系中位置；在上位机中保存标定获得的相机及激光平面参数，用于将条纹变形转化为面形信息。