[发明专利]一种用于高反射率零件的面结构光三维测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维光学测量领域，具体涉及一种应用面结构光对表面存在镜面反射、方向反射的金属和非金属零件实现无涂覆光学三维测量装置与方法。

背景技术

随着计算机和电子信息技术的飞速发展，面结构光三维测量技术日趋成熟。由于面结构光测量技术具有非接触、测量速度快、精度高等特点。目前在产品质量检测、逆向工程等领域得到了广泛的应用。但是在对精加工的金属原色表面零件进行测量时，当面结构光投射到零件表面时，在其表面产生的局部镜面反射、互反射会造成图像传感器过饱和，而方向反射会造成所拍摄图像特征过暗，噪声过大等问题，使得测量精度下降，甚至无法进行测量。

针对这一问题，国内外提出了不同的解决方法。传统的方法是在被测零件的表面喷涂一层可以减小零件反光的化学物质，如白色的显像剂、钛白粉等物质。其目的是通过涂层改变零件表面的反射特性，使零件变成均匀的漫反射，以便对零件进行光学测量，大大提高测量效率。但是这样做的不利之处是：1)、增加了测量的工序：测量前需要很长的准备时间，测量后要将涂层除去；2)、影响测量精度(涂层的厚度约为0.01-0.04mm)；3)、最重要的是某些具有高性能表面的零件，例如航空发动机叶片，不允许在其表面喷涂任化学物质。

针对于结构光在测量有光泽的金属零件时，专利US7092094B2中公开了一种基于偏振光的线结构光三角测量方法，在一定程度上解决了互反射造成的测量问题。但是这种方法在测量过程中需要不断的调整偏振片的角度，测量过程繁琐，效率低很难实现现场测量。Hu等提出了一种基于颜色分离和掩膜分割的方法解决该问题，用彩色光源照射被测零件，通过在不同的相机前加装滤光片，只允许特定颜色的光被相机接收来测量叶片的不同的区域，再将所有的测量结果融合到一起。该方法既需要多颜色的光源，还需要多个测量相机，不利于系统的集成。Zhang等提出了一种多曝光序列图像融合的方法对具有不同反射率零件进行测量。专利CN101694375B公开了一种强反射表面三维形貌测量的立体视觉检测方法，但是上述两种方法需要额外的投射大量的图像，降低了测量速度。Nayar等提出了一种散射结构光的方法，通过在投射光源与被测量零件间放置线性散射镜消除局部反光和阴影给测量带来的问题，获得了较好的测量结果，但是这种方法不适合现场测量。专利US20110279656A1中公开了一种基于颜色不变量的线结构光对高反射率表面的测量方法，该方法需要额外的控制系统、测量效率低。

总结现有的结构光三维测量装置和方法，存在以下不足：

一、结构光投射装置：现有的结构光投射装置多采用DLP、LCD和LCOS等投影技术的成品投影机或是经改造的投影机，其不足为：1)、投影技术为了投射层次感强的图像加入了伽马系数，造成面结构光三维测量过程中存在伽马非线性，导致相位误差，影响测量精度；2)、不能更换镜头，只能测量固定幅面；3)、多为偏轴投射，不利于系统集成；4)、采用卤素灯的设备体积庞大，采用LED等的设备亮度不高，易受环境光影响；5)、投射图像频率低，一般为60帧。

二、现有的反光零件测量方法的不足为：1)、需要投射多幅不同曝光时间的图像，图像数量多，融合算法复杂；2)、传统的正弦光栅条纹方法需要投射多幅不同频率图像，应用多步相移进行相位解包裹，这就要求被测量物体在测量过程中要保持静止；3)、偏振光和颜色不变量的方法需要偏振片和控制系统等额外的硬件设备。

因此，国内外在应用面结构光对高反射率表面测量的问题上还没有一个完备的解决方案。

发明内容

本发明是为了解决现有装置的结构复杂导致体积大、测量速度慢的问题，从而提供一种用于高反射率零件的面结构光三维测量装置与方法。

一种用于高反射率零件的面结构光三维测量装置，它包括蓝色激光系统(1)、结构光生成系统(2)、同步电路(3)、图像采集系统(4)和计算机(5)；

蓝色激光系统(1)包括激光二极管驱动电路(21)、一号蓝色激光模组(22)、二号蓝色激光模组(23)、反光镜(24)、汇聚透镜镜(25)和扩散片组(26)；

结构光生成系统(2)包括伺服马达(27)、带有图案的圆形光栅片(28)和聚焦镜头(29)；

一号蓝色激光模组(22)竖直设置，二号蓝色激光模组(23)水平设置；

蓝色激光系统(1)经一号蓝色激光模组(22)发出的水平方向的光入射至汇聚透镜(24)；