激光三角法综述
第25卷第4期增刊
仪器仪表学报
2004年8月
激光三角法综述
王晓嘉
高
隽
王磊
(合肥工业大学计算机与信息学院图像信息处理研究室
合肥
230009)
(中科院合肥分院智能机械研究所合肥230031)
摘要
激光三角法属于主动塑堂型量方法,是非接触光学测量的重要形式。文章从堡堡銎垫和笪呈丝垄两个方面对该方法进
行系统性的解释。文章还分析了光学三角法的优点、存在的问题以及相应的当前国内外的研究现状,并对激光三角法的发展
趋势作出了预测。关键词
激光三角法:非接触测量)光电检测
Survey
on
theLaserTriangulation
WangXiaojia
Gao
Jun
Wang
Lei
(Lab.of
Image
InformationProcessing,School
ofComputer
and
Information,He知iUniversityofTechnology,Hef8i230009,China)
(Institute
ofIntelligentMachines,Chinese
Academy
ofSciences,Hefei
230031,China)
Abstract
Asystematicintroductionforlasertriangulationisproposedfromitshardwareconstructionandpro—
cess
flow.Furthermoretheadvantage,existingproblemsoflasertriangulationand
recent
internalandaboard
re—
search
to
theproblems
are
analyzedand
a
prospectofthelasertriangulationisproposed.
KeywordsLasertriangulation
Non—contactmeasurement
Photoelectricitymeasurement
章介绍激光三角法的基本原理;第三章从激光三角传
1
引言
感器的硬件架构和工作流程两个角度,对其做了系统
性的介绍;第四章分析了激光三角传感器的优点、存在
随着工业测量领域的不断扩展以及对测量精度和的问题及相应的研究进展,并对激光三角法的发展趋
测量速度的不断提高,传统的接触式测量已经无法满
势做出了预测;第五章为总结。
足工业界的需求。而非接触测量由于其良好的精确性
和实时性,已经成为测量领域的热点。同时由于电子学2激光三角法的基本原理
和光学技术的飞速发展,光电检测已经成为非接触测
量的一种主要方法。激光三角法(LaserTriangulation)
在激光三角法中,由光源发出的一束激光照射在是光电检测技术的一种,由于该方法具有结构简单、测待测物体平面上,通过反射最后在检测器上成像。当物试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等优点在工
体表面的位置发生改变时,其所成的像在检测器上也业中的长度、距离以及三维形貌等检测中有着广泛的
发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式,应用…。
真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。激作为当前研究和需求的热点,国内现在缺少专门光三角法的框图如图1所示。
对于激光三角法的综述性文章,因此对于激光三角法其中:旺是投影光轴与成像物镜光轴的夹角;p是的综述性文章是必要的。文章以下章节安排如下:第二
光电探测器受光面与成像物镜光轴的夹角,而S和S’
*本文系国家自然科学基金(60175011,60375011)、安徽省优秀青年科技基金(03042044)资助项目。
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仪器仪表学报
第25卷
分别是物距和像距,d是传感器上的成像点的偏移,而
8为实际的物体表面的偏移。系统的相关参数为:偏置距离(Stand—offDistance)D为从传感器到被测表面参
考点的距离;测量范围(MeasurementRange)为最大能检测到的物体表面的偏移,即l6l的最大值;测量精度,传感器的最小测量单位;分辨率(Resolution)一般指测量的纵向分辨率(VerticalResolution),为测量精度和测量范围之比;横向分辨率(Horizontal
Resolu—
tion)为待测物体表面上所取测量点的最小间距。
图1
激光三角法的原理框图
为了实现完美聚焦,光路设计必须满足斯凯普夫
拉格条件(ScheimpflugCondition);成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线,如图1中X点所示。系统的非线性的输入输出函数为:
8一五S”一’
sin岽--坚d
a
s犏in
(a+13)
(1)、“
又可以写为:
其中:A一蒜,B一揣为三角测量系统的
。dA
o—B-d
(2)
固定参数。当物体偏移6较小时,(1)式可以近似为线
性关系:
(3)
激光三角法的另一项重要的参数为线性度(Lin—earity),就是三角测量法输入和输出关系的线性近似程度。可以证明,在三角测量中,可以通过缩小测量范围,增大接收透镜的共轭矩,增大三角测量系统的角
度,缩小接收透镜的放大倍率,达到线性测量的结
果‘1“。
此外,由(1)式对d求导,得到输入输出曲线的斜
率,即激光三角法的放大倍率p:
p一丽一—[△8
s'sinS’S
a-ssinasinl3
i—n(a+13)]2
,、
(4)
系统的放大倍率决定了系统的分辨率,而放大倍
率不但取决于系统参数,还是像移d的函数。
3激光三角传感器的硬件架构和信号处理
3.1硬件结构
激光三角传感器从光路设计上主要可以分为以下两种:(1)直射式:投射激光束垂直于待测物体表面,检测器主要接收散射(Scatter)和漫反射光(Diffuse
Re—
flection)适用于表面粗糙度较高的被测面,特点是分辨率低,体积小,测量范围大,信噪比低;(2)斜射式,投射光束和待测物体表面的法线成一个夹角,检测器主要接收镜面反射光(SpecularReflection),适用于表面粗糙度近于镜面的被测面,特点是分辨率高,体积大,测量范围小&3。下面介绍激光三角传感器的主要硬件
组成:
光源一般采用激光二级管n1,它具有超小型,重量轻,效率高和发射激光的高度的连续性和可见性等优
点。
激光准直系统可以是:(1)采用焦距为2毫米以下
的准直透镜;(2)先用焦距为几十毫米的单透镜准直,然后用光阑控制光斑直径大小;(3)光纤自准直棒心1。
检测器主要采用以下两种:电荷耦合器件CCD
(ChargeCoupled
Device)和位置敏感器件PSD(Posi—
tionSensitive
Device)。两者的区别主要如下:(1)分辨
率:CCD分辨率受限于其像素间的间距(通常为4~
6pm)通常只能达到肛m级,低于PSD分辨率(可以达
到0.2~0.3弘m);(2)响应速度:CCD的响应速度比
PSD慢;(3)后续处理:CCD的后续处理比PSD的复杂;(4)线性方面:CCD的线性优于PSD[3“1。
当检测器采用PSD时,需要设置光电信号输出前
置处理电路。PSD属于半导体器件,具有高灵敏度、高
分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点,其弱点主
要是非线性。作为新型器件,PSD已经被广泛应用在
位置坐标的精确测量上,如:兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域上。前置处理电路主要
目的是在多方面干扰和噪声中提取微弱信号,同时要
考虑消除光源以及目标反射特性的不同对精度造成的影响。在消除暗电流和外界杂散光的影响中,可以考虑
调制法电路和采样保持法电路口]。
当检测器采用CCD时,获取的信号是一副图像。其处理主要是图像处理软件过程和算法。与普通的图像处理不同的是,其处理需要对激光在CCD上的投影
点的位置做到亚像素(Sub—pixel)级的精度的估计。
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激光三角法综述
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而根据系统所采用的光源和检测器,激光三角法又可以做如下改进:(1)由激光投射光条与一个面阵探测器一起组成,一次获取一条扫描线上的数据,具有快速、简单和因工件在生产线上移动而实现自扫描的优越性。具有较快的速度;(2)采用对二维图像进行编码将一个光面直接投射到物体表面上,完成三维在线测
量,具有高速、高密度等优点,但该系统信号处理较繁
琐,结构复杂,价格昂贵口]。而在以上的两种改进中一般采用CCD为检测器,这也就是CCD在现在的三角
测量中被广泛应用的原因。3.2信号处理
一
激光三角法的信号处理流程为:首先,由光源投射
可控制的光点、光条或光面结构光到物体表面形成特
征点,并由检测器获取信号;其次,对检测器获取的信
号进行处理,获得特征点在像平面上的位移;最后,利用三角法测量原理可求得特征点的深度信息口]。而实
际的激光三角传感器在投入使用前还必须进行标定。
当检测器采用PSD时,其输出为电流量的模拟值,后续处理主要由前文所述的硬件电路进行较为简
单的信息处理。其处理框图如图2所示。图2中,信号的运算包括对电流信号的求和,相减以及用除法电路计算信号和与差的比值;信号的传送中可以采用上文中提到的调制法电路和采样保持法电路。
舢—{至j—臣匐
图2
PSD前置电路框图
当检测器采用CCD时,获取的信号是一副图像。
而图像处理就成为决定激光三角传感器的精度和速度
的重要步骤,其处理目的主要是得到图像传感器上像移的精确值。一般采取的图像处理步骤有阈值变换(--值化),图像增强,图像的细化。与一般的图像处理不同的是,其处理需要对激光在CCD上的投影点的位置做到亚像素(Subpixel)级的精度的估计。通常是获得图像边缘的像素级信息(粗定位),之后通过插值拟合的方法得到亚像素级的精度(细定位),主要方法有
Laplacianof
Gaussian(LoG)技术口1,灰阶矩量法
(GreyLevelMomentEdge
Operator)口们和双边指数法
(twosidedexponentialedgeoperator)u“。
标定的目的是补偿光学传感器部分的几何扭曲,
镜面象差以及电子系统方面的残余非线性,以确定三
角测量系统的参数,如(1)式中的A和B。标定的方法有:(1)测量几个特定点对应的物体表面位移和像位移
的数值,求解非线性方程组确定其系数;(2)用查表和线性内插的方法相结合确定参数凹1;(3)文献[8]中提
出了一种基于曲线拟合的标定方法。系统通过标定后通常可以建立一个像移和物体位移的对应的查找表
(Look—Up
Table,LUT),在实际运行中将获得的像移
值通过查找表得到最后的物体表面的实际偏移。
4激光三角传感器特性分析及研究现状
激光三角传感器的主要优点有:(1)与非接触测量相比,它解决了接触测量中接触侧头与工件之间的接触压力;解决了接触侧头半径较大带来的横向分辨率
问题n“;提高了检测速度(kHz极,而接触式测量为
1Hz左右)。(2)与其它非接触方法相比:具有大的偏置
距离和大的测量范围,对待测表面要求较低,而离焦检
测法和光干涉法等通常只能测量非常光滑的表面n“。此外,三角测量法还具有如下特点:采用半导体激光器,测量仪器体积较小;激光方向性好,光功率高,从而使测量仪器分辨率高、稳定性,测量精度高;与计算机结合,形成智能测试系统;在生产现场实现在线检测;
适用范围广心o。
激光三角传感器的主要问题及相应的解决方法:
在传感器系统方面:
(1)入射光束的焦深限制:一般的高斯光束聚焦为
人射光时,会出现光斑尺寸随测量范围变大而离焦变大的情况,使系统很难满足高分辨率和大测量范围的要求。当采用CCD为检测器时,相应的改进方法是采用重心法取CCD输出矩形脉冲的中心位置口“;而采用仍会影响系统的分辨率。在文献[-15]中提出采用无衍
射光束作为光源解决这个问题。
(2)光学系统的像差使得物体上任一点发出的光束通过光学系统后,不能汇聚于一点,而是形成一个弥
散斑或者使像不能严格表现出原物的形状口“。相应的
改进方法是在接收透镜的设计中考虑像差的因素。
(3)非线性的输入和输出之间的关系。改进的方法有,通过较优的标定方法制作查找表,之后在测量过程
中查表得到具体的物体位移值口]。
在待测物体方面:
(1)由于被测表面倾斜产生的阴影和死区对测量
产生的影响,相应的方法有,采用声光调制器(AOD)
PSD为检测器时可以较好的避免光斑形状的影响,但
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仪器仪表学报
第25卷
发出的衍射光从两个方向对被测物进行扫描的双向扫
描三角测量法n”,使用单光源,双检测器,最后进行数
据融合的激光双三角法口“。
(2)由于被测表面的阶越,比如孔或者缝,使得传感器无法接受到反射或漫反射光。解决方法有采用旋转对称性的光学三角传感器口…。
(3)被测面由于颜色、材料、粗糙度、光学性质以及
表面形状等方面的差异导致同一光源入射时,物体表面对光的反射和吸收程度不同,特别是由于物体表面
的粗糙度和折射率等因素引起的成像光斑或光条有像差。改进的方法有,使测量工作平面(由传感器的入射透镜和接收透镜的光轴决定的平面)平行于待测表面
的纹理,可接受到足够的光强,有利于提高测量分辨率。
(4)高度镜面反射使得像点会被散斑噪声腐蚀。解
决方法,1)在金属表面喷上一层不光滑的涂料降低金属表面的反射率口…;2)采用线性偏振光作为光源,利用了线性偏振光的参数随着金属表面的镜面反射改变的现象¨…。
在外界环境影响方面:
(1)温度,湿度和机械振动等环境噪声,会影响三角测量法中的系统参数n””]。除了通过较好的标定方法提高系统的精度,还可以采用双无衍射光束作为光
源提高系统的抗噪性心“;采用完全对称双面双光路系统设计D“。
(2)外界和环境光线的干扰,解决方法有采用PSD
检测器时使用调制法电路口1;使用偏振光为光源;使用
窄带滤光片隔离环境光。
根据激光三角法的问题以及改进,作者认为激光
三角测量的发展趋势主要可以概括为以下几个方面:(1)通过引入新的光学器件、先进的传感器技术以及精确的测量算法,不断提高其测量精度和测量速度,同时
进一步增强测量系统的稳健性;(2)改进系统的硬件架构,如采用多传感器信息融合,通过多光源,多传感器的信息融合,更好的实现深度信息获取;(3)通过和智
能控制系统的联合,同时开发更好更快的处理算法,以求最大程度的实现光电三角法的柔性(Flexibility)测量,在德国的米铱测试技术公司所提出的采用激光三
角位移传感器optoNCDT2200中已经实现了实时被测物体表面特性差异补偿口“。
5
总
结
分析了激光三角法的系统组成、工作流程和特性,
介绍当前的研究现状并对其主要发展方向做了展望。
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608
仪器仪表学报
第25卷
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2
(C)≤mins-∈NoTH(s)maxc,出理在s.中
order(C’))。
(2)若charge(S)一事,则关闭S。
否则,对每一个C∈charge(S),且对于关于C的每一个溯因文字a(C),若U(C)是NOTH(S)中某个集
ConsoleL,DressierO.Model—baseddiagnosisinthe
re—
alworld:lessonslearnedandchallengesremaining.In。ThomasDeaned.Proc.16thIJCAI,Stockholm,Swe—
合S’中的一个元素,且不存在S’∈HS,使得S’至SU
{a(c)),则
3
den:Morgan—KaufmannPublishers,1999.1393~1400.
Struss
P.Knowledge—baseddiagnosis:an
important
如果SU{a(C))是一个碰集,那么将SU{a(C))
添加入HS中;
4
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deKleer
J,Mackworth
AK,ReiterR.Characterizingdi—
否则,将SU{口(C))添加到CONSIDER中。
(3)返回Step2。
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S1(I:),ok(I。),sO(I。),S1(I。)))。
F’一{I,,12)。不妨设order(12)<order(11)。图4中标识为“√”的结点为F的极小碰集,即极小诊断,这与直观上的解释也是一致的。
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激光三角法综述
作者:作者单位:
王晓嘉, 高隽, 王磊
合肥工业大学计算机与信息学院图像信息处理研究室(合肥);中科院合肥分院智能机械研究所(合肥)
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