一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法与流程

1.本发明属于光测量技术领域，尤其是指一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法。


背景技术：

2.三角激光测量方法是普遍的一种3d光学测量方式，具有成本低、效率高等优势。然而三角激光测量对于光源的要求较高，其采用准直激光（窄光谱，光谱宽度小于10nm）作为光源，光束的发散角非常小，这就导致对镜面反射物体成像不佳的问题。因为光束发散角小，反射光能量随角度变化十分敏感，对于成像质量和能量探测不利。
3.光谱共焦成像测量方法是一种新型的3d光学测量方式，具有成像质量好、测量精度高的优势。并且，由于光谱共焦使用的是聚焦光束而非准直光束，其角度兼容性和成像质量较好。其光谱共焦传感器的接收镜头和发射镜头相同，可以补偿发射镜头的色散，然后再用光谱仪分析反射光的光谱，从而计算反射物体的高度。但是光谱共焦模型采用的是色散共焦加光谱测量的方案，光路十分复杂，光谱仪的设置也导致体积较大成本较高。一般的光谱共焦的产品，售价达到三角激光的三倍以上。
4.宽光谱，通常是指光谱宽度大于10nm的光谱，区别于小于10nm的窄光谱，宽光谱的获取条件相对更容易，因此根据上述缺陷，本发明人提出一种基于宽光谱的三角激光测量方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，具有容忍角大、兼容性高、测量精度高的特点，大大减少体积和成本。
6.为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，包括以下步骤：s1：布置三角激光测量模型：在色散区中布置好三角激光测量模型，模型包括：宽光谱光源，发出发散光束；色散镜头，将发散光束不同颜色的色光聚焦到被测物面的不同高度以形成聚焦光束；被测物面，将聚焦光束呈一角度反射到高分辨率成像镜头；高分辨率成像镜头，将反射光束聚焦到成像探测器及数据处理系统上成像；所述色散镜头将宽光谱光源发出的光进行色散处理，所述高分辨率成像镜头为不含色散的普通成像镜头；s2：使用标定物：先将标定物代替被测物置入三角激光测量模型中，然后可以借助测量仪器测得标定物的物面坐标（x，z），其中x坐标表示聚焦光束方向的坐标， z坐标表示竖向坐标，再然后，获取在成像探测器的像面坐标（u，v），其中，u为对应x坐标的元，v为对应z的元；
在色散区内通过移动标定物可以建立物面坐标与像面坐标的映射关系，生成二元一次函数关系式进行计算：x0=au+bv+δ1（1）z0=cu+dv+δ2（2）其中，a、b、c、d、δ1、δ2都为系数，通过多次移动标定物获得多组标定物的物面坐标和对应的像面坐标，从而将该多组物面坐标和像面坐标代入公式（1）和（2）中，求得a、b、c、d、δ1、δ2的值，最终得到系数确定的二元一次函数关系式；s3：测量被测物面：将被测物置入三角激光测量模型中，由成像探测器获取被测物面的像面坐标（u，v），通过二元一次函数关系式计算出被测物面的z坐标，即被测物面的高度。
7.作为优选方案，所述宽光谱光源为点光谱，所述成像探测器为线阵探测器。
8.作为优选方案，所述宽光谱光源为多点光谱，所述成像探测器为多线阵探测器。
9.作为优选方案，所述宽光谱光源为线光源，所述成像探测器为面阵探测器。
10.作为优选方案，所述被测物面位于色散镜头和高分辨率成像镜头之间。
11.作为优选方案，所述成像探测器及数据处理系统位于高分辨率成像镜头的焦面。
12.采用上述方案后，本发明的增益效果在于：由于宽光谱光源发出的光是色散的会聚光束，不同波长的光会聚在不同高度，这样每一个高度都有一个会聚波长的光，物体反射的主要波长就是这个会聚波长。由于不同波长的光束都具有会聚性，因此光束在不同高度光束宽度变化不大。这样就解决了会聚光束在离焦状态下光束变宽的问题，使得该测量方法在较大高度范围内都能保持较好的测量精度。
13.现有技术中，光谱共焦传感器的接收镜头和发射镜头相同，可以补偿发射镜头的色散，然后再用光谱仪分析反射光的光谱，从而计算反射物体的高度。而本发明接收端采用三角激光的接收镜头，而并非采用光谱测量的方式，且接收端采用普通镜头，无需补偿色散，直接成像，并且后端无需光谱仪，实现了光路的简化。这样系统的结构相对简单，可以大大减少体积和成本。本发明所述的色散镜头，可以将所述宽光谱光源不同波长的光聚焦到物面不同高度。对于聚焦光束，反射光具有一定的发散角，提升了模型对于物体表面倾斜程度的容忍度，测量精度也会有提升。因此，本发明模型能够测量镜面反射物体如金属、玻璃，也可以测量表面有弧度或者有台阶的物体，例如3d玻璃、凹槽、焊缝等等。
14.与现有技术相比，本发明的优势还在于：宽光谱光束具有一定的发散角，这样即使在被测目标表面发生镜面反射，反射光束也具有一定发散角，减小了测量方法的角度敏感性，提升了测量方法对于镜面反射目标的探测能力。对于漫反射目标，这种宽光谱照明方式仍然存在优势，即提升了测量方法对于弯曲及倾斜表面的探测能力。相比于线激光系统，该系统容忍角较大测量精度较高。相比于光谱共焦系统，该系统可以大大减少体积和成本。这样的结构结合了光谱共焦和三角激光的优点，并且克服了两者的缺点，可以扩大测量系统的应用场景和范围。
附图说明
15.图1是现有光谱共焦模型的原理示意图；图2是本发明采用宽光谱光源的三角激光测量模型的结构示意图一；图3是本发明采用宽光谱光源的三角激光测量模型的结构示意图二（成像变化）；图4是本发明采用宽光谱光源的三角激光测量模型的原理示意图。
16.标号说明：光谱光源1、色散镜头2、被测物面3、高分辨率成像镜头4、成像探测器5。
具体实施方式
17.在下文中，将更全面地描述本发明的实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本发明保护范围限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本发明理解为涵盖落入本发明的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。
18.本发明提供一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，如图4所示，涉及一种三角激光测量模型，该三角激光测量模型包括宽光谱光源1、色散镜头2、被测物面3、高分辨率成像镜头4、成像探测器5及数据处理系统。
19.所述宽光谱光源1发出发散光束，所述宽光谱光源1位于色散镜头2之前，所述色散镜头2将宽光谱光源1的光进行色散处理，所述色散镜头2将发散光束不同颜色的色光聚焦到所述被测物面3不同高度以形成聚焦光束，所述被测物面位于色散镜头和高分辨率成像镜头之间，所述被测物面3将聚焦光束反射到所述高分辨率成像镜头4，所述高分辨率成像镜头4将反射光束聚焦到所述成像探测器5上成像，所述成像探测器及数据处理系统位于高分辨率成像镜头的焦面，如图2和图3所示的是被测物面上有凹陷等瑕疵时反射光束发生改变，使成像探测器5上的成像也发生改变，成像探测器5将光信号转换为电信号至数据处理系统，数据处理系统产生3d测量所需的被测物面的高度。
20.数据处理系统可通过以下测量方法实现测量，具体包括以下步骤：s1：布置模型：在色散区中布置好上述三角激光测量模型；s2：使用标定物：先将标定物代替被测物置入三角激光测量模型中，然后可以借助高精度测量仪器（可以是红外激光测距仪、干涉仪等）测得标定物的物面坐标（x，z），其中x坐标表示聚焦光束方向的坐标， z坐标表示竖向坐标，再然后，获取在成像探测器的像面坐标（u，v），其中，u为对应x坐标的元，v为对应z的元；在色散区内通过移动标定物可以建立物面坐标与像面坐标的映射关系，生成《uv-xz对照表》或者二元一次函数关系式进行计算：x0=au+bv+δ1（1）z0=cu+dv+δ2（2）其中，a、b、c、d、δ1、δ2都为系数，通过多次移动标定物获得多组标定物的物面坐标和对应的像面坐标，从而将该多组物面坐标和像面坐标代入公式（1）和（2）中，求得a、b、c、d、δ1、δ2的值，最终得到系数确定的二元一次函数关系式，组数越多，拟合越准确；s3：测量被测物面：将被测物置入三角激光测量模型中，通过查询《uv-xz对照表》或通过二元一次函数关系式计算出被测物面的z坐标，即被测物面的高度；《uv-xz对照表》
中，通过u、v值可以查找到对应点的物面坐标（x，z），只要知道每个点的高度，不管是凸面还是凹面都可以测量出深度或高度。
21.所述标定物可以是任意形状的物体，比如标定块、标定板等。
22.本发明所述的宽光谱光源，可以是单点光谱，从而得到一个单点测量模型；可以是多点光谱，从而得到一个多点测量模型；也可以是线光源，从而得到一个线测量模型；相应的，所述成像探测器可以是线阵探测器也可以是多线阵探测器或者面阵探测器。根据测量需求，扫描可以得到目标的横截线、多截线或者表面轮廓以及多层结构。
23.本发明所述的色散镜头，可以将所述宽光谱光源不同波长的光聚焦到物面不同高度。对于聚焦光束，反射光具有一定的发散角，提升了模型对于物体表面倾斜程度的容忍度，测量精度也会有提升。因此，本发明模型能够测量镜面反射物体如金属、玻璃，也可以测量表面有弧度或者有台阶的物体，例如3d玻璃、凹槽、焊缝等等。
24.本发明所述的高分辨率成像镜头，是校正色差的普通成像镜头，依靠测量聚焦光束高度而非颜色进行测量。由于不需要区分颜色，因而省去了后续的光谱测量模型，从而节省了较大的成本和空间。正因为如此，该模型将会比普通三角激光测量模型具备更高的精度，而比光谱共焦模型具备更优的性价比。
25.本发明所述的成像探测器及数据处理系统包括成像探测器和数据处理系统两部分组成。根据光源的不同，成像探测器可以是单线、多线或者面阵，从而构成单点、多点或者线测量模型。数据处理系统将成像探测器探测到的信号转换成数据信息并且保存起来，其具备高速信号处理和传输功能。
26.本发明由于宽光谱光源发出的光是经过色散镜头色散后的会聚光束，不同波长的光会聚在不同高度，这样每一个高度都有一个会聚波长，物体反射的主要波长就是这个会聚波长。由于不同波长的光束都具有会聚性，因此光束在不同高度光束宽度变化不大。这样就解决了会聚光束在离焦状态下光束变宽的问题，使得系统在较大高度范围内都能保持较好的测量精度。在接收端由于采用三角激光的接收镜头，而并非采用光谱测量的方式。这样系统的结构相对简单，可以大大减少体积和成本。这样的结构结合了光谱共焦和三角激光的优点，并且克服了两者的缺点，可以扩大测量系统的应用场景和范围。
27.以上对本专利实施例所提供的一种采用宽光谱光源的三角激光测量系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本专利的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本专利的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本专利的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本专利的限制。

技术特征：
1.一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，其特征在于：包括以下步骤：s1：布置三角激光测量模型：在色散区中布置好三角激光测量模型，模型包括：宽光谱光源，发出发散光束；色散镜头，将发散光束不同颜色的色光聚焦到被测物面的不同高度以形成聚焦光束；被测物面，将聚焦光束呈一角度反射到高分辨率成像镜头；高分辨率成像镜头，将反射光束聚焦到成像探测器及数据处理系统上成像；所述色散镜头将宽光谱光源发出的光进行色散处理，所述高分辨率成像镜头为不含色散的普通成像镜头；s2：使用标定物：先将标定物代替被测物置入三角激光测量模型中，然后借助测量仪器测得标定物的物面坐标（x，z），其中x坐标表示聚焦光束方向的坐标，z坐标表示竖向坐标，再然后，获取在成像探测器的像面坐标（u，v），其中，u为对应x坐标的元，v为对应z的元；在色散区内通过移动标定物可以建立物面坐标与像面坐标的映射关系，生成二元一次函数关系式进行计算：x0=au+bv+δ1（1）z0=cu+dv+δ2（2）其中，a、b、c、d、δ1、δ2都为系数，通过多次移动标定物获得多组标定物的物面坐标和对应的像面坐标，从而将该多组物面坐标和像面坐标代入公式（1）和（2）中，求得a、b、c、d、δ1、δ2的值，最终得到系数确定的二元一次函数关系式；s3：测量被测物面：将被测物置入三角激光测量模型中，由成像探测器获取被测物面的像面坐标（u，v），通过二元一次函数关系式计算出被测物面的z坐标，即被测物面的高度。2.如权利要求1所述的一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，其特征在于：所述宽光谱光源为点光谱，所述成像探测器为线阵探测器。3.如权利要求1所述的一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，其特征在于：所述宽光谱光源为多点光谱，所述成像探测器为多线阵探测器。4.如权利要求1所述的一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，其特征在于：所述宽光谱光源为线光源，所述成像探测器为面阵探测器。5.如权利要求1所述的一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，其特征在于：所述被测物面位于色散镜头和高分辨率成像镜头之间。6.如权利要求1所述的一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，其特征在于：所述成像探测器及数据处理系统位于高分辨率成像镜头的焦面。

技术总结
本发明公开一种采用宽光谱光源的三角激光测量方法，包括以下步骤：首先布置三角激光测量模型；然后将标定物代替被测物置入三角激光测量模型中，借助测量仪器测得标定物的物面坐标（x，z），在色散区内通过移动标定物可以建立物面坐标与像面坐标的完备关系，通过多次移动标定物获得多组标定物的物面坐标和对应的像面坐标，得到系数确定的二元一次函数关系式；最终将被测物置入三角激光测量模型中，由成像探测器获取被测物面的像面坐标（u，v），通过二元一次函数关系式计算出被测物面的z坐标，即被测物面的高度。本发明结合了光谱共焦和三角激光的优点，并且克服了两者的缺点，可以扩大测量系统的应用场景和范围。以扩大测量系统的应用场景和范围。以扩大测量系统的应用场景和范围。


技术研发人员：刘浩伟
受保护的技术使用者：厦门宇星光智能科技有限公司
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/7/22