第三章 激光测试技术-3PPT课件.ppt

第四章激光测试技术，2020年6月11日，参考文献：激光测量技术，1，综述，1，激光原理与技术，激光原理概述；激光的基本物理特性；高斯光束；稳频技术；激光调制技术，2、激光准直和多自由度测量，激光准直测量盘原理；激光准直仪的组成；大气扰动和激光束漂移；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。其他激光测量技术，激光多普勒测速术；激光扫描直径测量技术：激光测距技术，2，2020/6/11，3，激光视觉三维测量系统，大部分人体信息通过视觉系统获得。本文研究利用计算机等现代工具实现视觉功能，以增加对三维世界的理解，从而形成一门新的学科计算机视觉，又称机器视觉。近年来，计算机技术和电子技术的不断进步，以及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。目前，计算机视觉技术已经广泛应用于航空航天、生物医学、物体识别、工业自动检测等领域。视觉检测技术是在计算机视觉理论的基础上发展起来的，具有非接触、速度快、精度适中、可在线实现等优点，已广泛应用于工业产品的在线检测。3.激光视觉三维测量系统根据不同的光照模式和几何结构关系，视觉检测技术可分为被动视觉检测和主动视觉检测。被动视觉采用非结构光照明，根据不同图像平面上被测空间点的相关匹配关系获得空间点的三维坐标。主动视觉利用结构光照明通过结构光在被测物体上的精确定位来获得测量信息。激光具有方向性好、亮度高的优点。它被称为激光视觉检测技术，利用激光作为光源获得结构光的主动视觉检测。本章主要介绍激光视觉检测的原理和应用。5，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，激光三角测量是激光视觉检测技术的基础。氦氖激光器在激光三角测量的早期被用作光源，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的出现及其性能的不断提高，三角学已广泛应用于位移和物体表面的测量。接下来，将以单点激光三角测量为例描述激光三角测量的原理。6，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，单点激光三角测量通常采用直接和倾斜两种结构。测量原理，直接三角形法。如果成像表面上的光点的位移是X，则测量表面的位移可以通过按下式获得，其中A是从激光束的光轴和接收透镜的光轴的交点到接收透镜的前主表面的距离；b是从接收透镜的主平面到成像平面的中心点的距离；是激光束的光轴和接收透镜的光轴之间的夹角。激光三角测量，激光视觉三维测量系统，单点激光三角测量通常采用直接和倾斜两种结构。测量原理，斜三角形法，如果光点的图像在探测器的敏感表面上移动x，物体表面沿法线方向的移动距离，其中1是激光束的光轴与被测表面的法线之间的夹角；2是成像透镜的光轴和被测表面法线之间的角度。激光三角测量，激光视觉三维测量系统，单点激光三角测量通常采用直接和倾斜两种结构。测量2)当被测物体表面发生位移X时，斜入射光斑照射物体的不同点。因此，不可能知道被测物体在某一点的位移，而直接式可以。3)倾斜传感器的分辨率比直接传感器高，但测量范围小，体积大。9，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，激光三角位移传感器，根据三角测量仪器的原理称为激光三角位移传感器。通常，半导体激光器用作功率约为5mw的光源。PSD或CCD可用作光电位置检测器。PSD是非分段式位置检测器，分辨率高，动态响应快，后续处理电路简单，但线性度差，需要精确校准。斜三角形位移传感器有日本的Keyence LD系列，直立式有Renishaw OP2、Keyence LC系列和LB系列等型号。其中，MEDAR公司生产的2101型和Renishow公司生产的0P2型是专门配置在三坐标测量机上测量物体的三维形貌。10，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，激光三角位移传感器，11，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，利用激光三角位移传感器的原理测量管内壁的形状，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进入管内壁的某一点，传感器有输出值。如果待测管内壁的尺寸沿径向发生变化，即入射光斑从点B变为点B，则激光三角位移传感器的输出值反映了这种变化。为了获得管内壁的全圆信息，步进电机3驱动激光三角位移传感器绕管中心进行全圆旋转，使光斑沿管内壁表面旋转扫描，从而可以测量管内壁某一截面的径向尺寸。小车在管内沿轴向移动，传感器的旋转角度和轴向位移可由步进电机发出的脉冲数决定，从而完成整个管内壁三维形貌的测量。12，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，激光三角位移传感器应用，Clopo超精密激光三角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；测量范围中点：90/90/160/340毫米；线性度：3/5/10/20m。重复性：2/2/3/5m；频率响应：14KHZ。输出：RS422以太网(可选模拟输出)，13，2020/6/11，激光三角测量，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。应用范围包括热元件、机床、半导体和印刷电路板、发光或反射元件以及软元件或粘合元件。该系列有三种型号，测量范围分别为25-35毫米、60-100毫米和100-200毫米。厚度测量可以通过在靶的两侧安装两个传感器并自动同步来完成。多达32个传感器可以很容易地组合成一个多轨道位移或厚度传感器的混合测量网络。激光三角测量法。激光视觉三维测量系统采用激光三角位移传感器，广泛用于测量火车轮缘轮廓和道路车辙及平整度。它还可用于位移、三维尺寸、厚度、物体变形、振动、分选和玻璃表面测量的非接触测量。15，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，应用激光三角位移传感器，16，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，应用激光三角位移传感器，这些厚度测量技术的主要优点如下：1，非接触测量2，激光功率可控，测量不受材料颜色影响，3，不受材料成分影响4，光斑小，分辨率高5，高速测量，频率高达50千赫兹热表面材料的长距离测量，17，2020/6/11，激光三角测量，3，激光视觉三维测量系统，激光三角位移传感器的应用，测量范围734144794(mm)三坐标测量机三坐标激光扫描测量系统，18，2020/6/11，结构光法激光视觉测量3。 激光视觉三维测量系统。使用激光作为光源，可以产生各种结构光：点结构光、线结构光和多线结构光，由一个或多个CCD摄像机接收，通过一定的算法可以获得结构光携带的被测物体的三维信息。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。根据激光产生的结构光的形式，激光视觉传感器可分为点结构光传感器、线结构光传感器和多线结构光传感器。结构光法激光视觉测量。激光视觉三维测量系统，点结构光传感器，采用半导激光器作为光源，其产生的光束照射到被测表面，被表面散射(或反射)后，被面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面阵面结构光法激光视觉测量。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通过柱面镜转换成线结构光，传输到被测区域形成激光带，散射光由面阵CCD摄像机接收，得到被照区域表面的截面形状或轮廓。结构光法激光视觉测量。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束扩展照射到光栅上，产生多线结构光，投射到被测表面形成多个亮带，由面阵CCD摄像机接收，获得表面三维信息。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。模型越接近实际测量，并且模型参数可以被精确地校准，可以获得更高的测量精度。CCD摄像机是视觉传感器的重要组成部分，是视觉系统获取三维信息的最直接来源。传感器的建模是建立摄像机像平面坐标系和测量参考坐标系之间的关系。结构光法激光视觉测量，3，激光视觉三维测量系统，2020/6/11，23。根据模型参数的选择，主要有以下两种建模方法。1)利用投影变换理论和没有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连接起来。这种数学模型的局部校准是计算中间参数的过程，并且对这些参数没有限制，只要它们能够组合在一起以完成正确的三维测量。结构光法激光视觉测量，3，激光视觉三维测量系统，24，2020/6/11。根据模型参数的选择，主要有以下两种建模方法。2)通过光学中心、焦距、位置和方向等物理意义明确的几何结构参数，建立图像坐标系和测量参考坐标系之间的关系。这种方法的模型参数一般分为两部分：摄像机内部参数和传感器结构参数。内部摄像机参数是指摄像机内部的几何和光学特性。传感器结构参数指的是以下位置参数从照相机获取的图像信息计算几何尺寸，例如待测量物体的位置和形状。每个点的亮度反映了空间物体表面某一点散射光的强度信息。图像中该点的位置与空间物体表面上相应点的几何位置相关。这些位置的相关性由相机成像模型确定。照相机的几何模型，即从三维物体到二维图像的变换模型，通常被定义为，在公式中，g是三维物体p=(x，y，z) t和二维图像点h=(x，y) t之间的不可逆变换函数，26，2020，6/11，通过结构光方法的激光视觉测量，3，激光视觉三维测量系统，照相机的理想透视变换模型， 摄像机的透视成像一般可以看作是针孔成像，大约27，2020/6/11，结构光法激光视觉测量，3，激光视觉三维测量系统，摄像机的理想透视变换模型，1，物体空间坐标系到摄像机坐标系的坐标变换，物体空间坐标系到摄像机坐标系的坐标变换包括平移和旋转。 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，通过透视投影变换，将摄像机坐标系下的三维坐标系转换为图像坐标系下的二维坐标系。3。图像平面坐标和计算机坐标之间的转换由摄像机拍摄的待测物体的图像最终由图像采集卡转换成数字图像并输入计算机。2020/6/11，结构光法激光视觉测量，3，激光视觉三维测量系统，实际相机模型，1。相机镜头畸变模型相机镜头是具有加工误差和装配误差的非理想光学系统，并且在相机图像表面上的物点形成的实际图像和理想图像之间存在光学畸变误差。有三种主要的畸变类型：径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变。径向畸变只会使像点产生径向位置偏差，而偏心畸变和薄棱镜畸变会使像点产生径向位置偏差和切向位置偏差。2020/6/11，结构光法激光视觉测量，3，激光视觉三维测量系统，实际相机模型，2。实际相机模型的图像表面上的理想图像点坐标值应该等于实际成像点的坐标值和失真误差值之和。目前，光学系统的设计、加工和安装可以达到相当高的精度，薄棱镜的畸变很小，可以忽略不计。对于一般的非高精度测量，偏心失真引起的切向失真也可以忽略。因此，在一般应用中，只应考虑透镜的径向畸变。复杂的畸变模型不能提高测量精度，但会使数值计算不稳定。3、激光视觉三维测量系统，点结构光视觉传感器的数学模型，点结构光视觉传感器的光发射器发射一束激光，激光束与待测物体的表面相交产生亮点，亮点通过透视成像在摄像机的像面上。点结构光传感器只是对光进行一维坐标测量。3、激光视觉三维测量系统，线结构光传感器的数学模型，线结构光传感器的光投射器在空间投射光平面，光平面通过摄像机与像平面建立透视对应关系。线结构光传感器只能完成光平面内点的二维测量。3、激光视觉三维测量系统，多线结构光传感器的数学模型，多线光传感器的光投射器投射多个光平面I当由多线结构光传感器的投影仪投影的多个光平面照射待测量物体的表面时，形成多个光带，并且被测量区域城市的表面被光带覆盖。因此，除了根据其模型测量光带上的所有物体点之外，不在光带上的物体点可以通过各种插值方法或拟合方法来测量，从而实现待测量物体表面的三维连续坐标测量。物体表面的二维测量也可以通过单线结