[发明专利]基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，包括投影仪、工业相机、中央处理器和光路系统；还公开了该测量系统的测量方法，包括标定阶段和测量阶段。本发明从结构和测量算法上解决反射率较强的镜面零件光学三维形貌测量的精度、效率和数据完整性问题。

技术领域

本发明属于光学三维测量技术领域，涉及一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，本发明还涉及该测量系统的测量方法。

背景技术

随着计算机和信息处理技术的高速发展，基于结构光的三维测量技术日趋成熟。多线结构光三维测量是种非接触式的测量方式，具有自动化程度高、速度快、精度高等特点，目前在逆向工程、产品质量实时监测、服装设计等领域得到广泛的应用。但是对精加工的金属原色零件表面进行多线结构光三维测量时候，多线结构光投射到零件表面会产生局部的镜面反射、互反射，在这些镜面反射区域，观察不到反射物体自身，只能看到其周围物体在其表面形成的像，这个像是变形的并且会随观察角度的变化而变化。另外，镜面反射还会导致在图像中形成高光，这种高光的区域包含条纹信息极少，其颜色与物体表面本身的颜色不同。这些因素对后续光学非接触测量中的图像处理带来很大干扰，直接影响到测量精度，甚至无法进行测量。因此，在强反光金属结构件的实时三维测量中，金属表面强反光问题和多次反光问题是必须解决的瓶颈问题，测量基础理论和关键技术还有待突破。

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镜面零件表面喷涂一层反光率低的化学试剂，如显像剂等。通过涂层来改善零件表面的反射特性方法可大大提高光学测量的精度，但是存在着测量工序长，破坏工件表面性能等缺点。文献1(专利：日本，特开2010-185820号公报)提出一种新颖的照明方式，使得照明光源所发出的光线不会直接照射到被测物体上，从而降低了金属零件的镜面反射率，但是该文献涉及的方法只是使用二维图像处理技术，无法测量出高度等三维信息。刘元坤(刘元坤,苏显渝，吴庆阳，基于条纹反射的类镜面三维面形测量方法[J].光学学报.2006.2(11)：1636-1640.)等提出一种类镜面物体表面的三维形貌测量方法，他将薄膜晶体管作为投射光源，利用单个工业相机观测物体表面所反射的投射光源的像来进行测量，但这种方法的测量范围较小，测量精度也不高。Christopher(Christopher Waddington,Jonathan Kofman.Analysis ofmeasurement sensitivity to illuminance and fringe-pattern gray levels forfringe-pattern projection adaptive to ambient lighting[J].Opt Laser Eng.2010；48(2):251–256.)等针对物体照明和条纹灰度级做出了条纹投射测量精度的敏感性分析。此方法只调整了最大条纹图案的灰度级用于消除环境光的影响，并且避免了图像的饱和。当环境光的亮度较高时，图像饱和会降低条纹图像的信噪比。专利US7092094B2中公开了一种基于偏振结构光的线结构光三角测量方法，利用偏振片来抑制镜面反射和互反射的光，具有一定的效果。但是这种方法在测量过程需要不断的调整偏振片的角度，造成测量过程负责，效率低下，无法用于工业现场的实时性测量要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，解决反射率较强的镜面零件光学三维形貌测量的精度、效率和数据完整性问题。

本发明的另一目的是提供上述测量系统的测量方法。

本发明所采用的技术方案是，一种基于同轴结构光的镜面零件三维形貌测量系统，包括投影仪、工业相机、中央处理器和光路系统；投影仪旁设置光路系统，光路系统由菲涅尔透镜、分光镜、第一增透镜与第二增透镜组成，投影仪平行安装在菲涅尔透镜一侧的焦点处，分光镜水平呈45度角设置在菲涅尔透镜另一侧，菲涅尔透镜上方水平设置第一增透镜，菲涅尔透镜下方水平设置第二增透镜，第二增透镜下方设置棋盘标定板，第一增透镜的上方设置工业相机，中央处理器分别与投影仪和工业相机连接。