蘇 涵，任永杰，楊凌輝，林嘉睿，郭 寅

（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

基于激光三角法的同步掃描形貌測(cè)量傳感器*

蘇 涵，任永杰*，楊凌輝，林嘉睿，郭 寅

（天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

為了克服傳統(tǒng)的激光三角非同步物體形貌測(cè)量傳感器，在深度方向的測(cè)量精度和橫向測(cè)量視場(chǎng)相互制約的固有缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器。傳感器以激光三角測(cè)量法為基本原理，通過(guò)所設(shè)計(jì)的光路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光投射方向與相機(jī)成像方向的同步掃描。本文研制了基于高速旋轉(zhuǎn)的十二面轉(zhuǎn)鏡和線陣CCD相機(jī)為主體的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量深度方向和橫向視場(chǎng)的相互獨(dú)立，并結(jié)合精密電控位移導(dǎo)軌和激光跟蹤儀等搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)。在傳統(tǒng)非參數(shù)標(biāo)定方法基礎(chǔ)上，提出了一種適用于該傳感器的映射標(biāo)定方法，能夠準(zhǔn)確快速的標(biāo)定該傳感器。系統(tǒng)利用激光跟蹤儀進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：?jiǎn)吸c(diǎn)重復(fù)性小于0.07 mm，測(cè)量精度優(yōu)于0.25 mm。測(cè)量傳感器具有精度高、速率快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于物體表面形貌快速精密測(cè)量有著廣泛的應(yīng)用前景。

激光三角法；形貌檢測(cè)；非參數(shù)化模型標(biāo)定方法；線陣CCD；同步掃描

隨著現(xiàn)代工業(yè)制造業(yè)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，智能制造對(duì)精密測(cè)量提出了新的要求。在現(xiàn)代工業(yè)的大環(huán)境下，在線檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其中物體表面形貌檢測(cè)更是成為一個(gè)重要的環(huán)節(jié)［1］?，F(xiàn)行廣泛使用的表面測(cè)量?jī)x器可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是接觸式測(cè)量?jī)x器，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，這類(lèi)儀器測(cè)量精度高，測(cè)量速度慢，可能破環(huán)被測(cè)物表面特性，同時(shí)會(huì)造成接觸測(cè)頭的變形，從而影響測(cè)量的穩(wěn)定性；另一類(lèi)是非接觸式測(cè)量?jī)x器，如光學(xué)干涉測(cè)量、共焦顯微技術(shù)等，主要以光電、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)，這類(lèi)儀器不會(huì)損傷物體表面，測(cè)量效率高，但與接觸式測(cè)量?jī)x器相比測(cè)量精度低［2-3］。其中激光三角測(cè)量方法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，非接觸式測(cè)量，測(cè)量精度高，測(cè)量速度快，測(cè)量范圍可調(diào)控而得到廣泛應(yīng)用。最近幾年，激光三角測(cè)量方法在質(zhì)量監(jiān)控、產(chǎn)品的三維重構(gòu)等方面更是發(fā)揮了重要的作用。

傳統(tǒng)的激光三角測(cè)量方法一般采用單點(diǎn)激光和線結(jié)構(gòu)光兩種方式［4］。單點(diǎn)激光三角法位移傳感器的測(cè)量距離是可選的，其測(cè)量精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但靜態(tài)一維單點(diǎn)測(cè)量的靈活性不高，測(cè)量范圍受到了極大的限制。線結(jié)構(gòu)光法由于被測(cè)物體表面的深度變化而受到調(diào)制，并且需要搭載二維的面陣CCD來(lái)獲取發(fā)生畸變的激光條圖像，這種傳感器測(cè)量視場(chǎng)大，量程大，但是其存在固有局限性，傳感器深度方向的測(cè)量精度和橫向測(cè)量視場(chǎng)受傳感器本身幾何結(jié)構(gòu)限制而相互制約［5-6］。

為了克服線結(jié)構(gòu)光方式的缺點(diǎn)，并結(jié)合單點(diǎn)激光方式的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到更好的測(cè)量效果和更強(qiáng)的適應(yīng)性，本文以激光三角同步掃描物體形貌測(cè)量方法為基礎(chǔ)，研制了一種新型的激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器，以滿(mǎn)足了高速率、高穩(wěn)定性、高精度的先進(jìn)測(cè)量要求?；诩す馊欠y(cè)量原理，設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足Scheimpflug理想成像條件的光路，建立了機(jī)械結(jié)構(gòu)模型；通過(guò)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)十二面轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到擴(kuò)大出射光束角度和實(shí)現(xiàn)激光三角法出射光束和散射成像光束的精準(zhǔn)同步［7］；運(yùn)用一種改進(jìn)的非參數(shù)標(biāo)定方法來(lái)標(biāo)定傳感器，并運(yùn)用FPGA精準(zhǔn)控制線陣CCD；搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了整套測(cè)量系統(tǒng)的可行性、穩(wěn)定性和精度。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器由線陣CCD相機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)、高速旋轉(zhuǎn)的十二面棱鏡和控制系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示為轉(zhuǎn)置的核心。出射激光束的質(zhì)量影響了測(cè)量精度，傳感器選用半導(dǎo)體激光器作為光源，利用光纖準(zhǔn)直器對(duì)出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直，具有出射光束發(fā)散角小、亮度穩(wěn)定等特點(diǎn)。激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，先后被反射鏡1和十二面棱鏡兩次反射，照射到物體表面形成光斑，構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的出射部分。光斑在物體表面發(fā)生散射后，又先后經(jīng)過(guò)十二面棱鏡、反射鏡1和反射鏡2的三次反射后，匯聚到鏡頭成像于線陣CCD相機(jī)，構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)的接收部分。傳感器對(duì)光路一共進(jìn)行了五次折疊，不僅節(jié)省了光路空間，而且達(dá)到了激光投射方向與相機(jī)光軸方向橫向同步掃描的目的。同步掃描具有瞬時(shí)視場(chǎng)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)激光三角法、抗環(huán)境光能力強(qiáng)的特點(diǎn)，從而被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜的空間光環(huán)境下的測(cè)量［8］。成像器件選用工業(yè)線陣CCD傳感器，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，較于面陣CCD傳感器由二維空間變成一維空間，因而受激光的多重反射和環(huán)境光的影響小，同時(shí)像元數(shù)量和成像視場(chǎng)寬度都優(yōu)于面陣CCD傳感器。

圖1 傳感器系統(tǒng)示意圖

對(duì)于二維表面形貌測(cè)量，一種快速、穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)性好的掃描機(jī)構(gòu)是非常重要的［9］。傳感器中的十二面棱鏡與一個(gè)高速度高穩(wěn)定性的電機(jī)緊密配合，通過(guò)2 500線的碼盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)十二面棱鏡角度的精準(zhǔn)定位。傳感器采用激光三角法橫向同步掃描技術(shù)，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步地掃描系統(tǒng)投影光線和成像光軸［10］。對(duì)于某一時(shí)刻，棱鏡的同一面可以精準(zhǔn)的同步掃描出射激光束和物體反射的成像光束，在電機(jī)帶動(dòng)下，每個(gè)時(shí)刻都有一個(gè)點(diǎn)光束陸續(xù)地射出，同時(shí)被線陣CCD傳感器一一捕獲。測(cè)量傳感器的水平視場(chǎng)和豎直視場(chǎng)相互獨(dú)立，水平視場(chǎng)由線陣CCD傳感器和光學(xué)幾何機(jī)構(gòu)決定，豎直視場(chǎng)由十二面棱鏡和電機(jī)構(gòu)成的掃描機(jī)構(gòu)決定，從而解決了傳感器深度方向的測(cè)量精度和橫向測(cè)量視場(chǎng)受傳感器本身幾何結(jié)構(gòu)的限制相互約束的問(wèn)題，適合針對(duì)于各種特殊測(cè)量場(chǎng)合的需求進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1，測(cè)量視場(chǎng)示意圖如圖2所示。

表1 測(cè)量系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 測(cè)量視場(chǎng)示意圖

系統(tǒng)的控制部分包括基于FPGA的信號(hào)控制電路、圖像采集卡的圖像采集電路、電機(jī)控制器的電機(jī)模塊以及相關(guān)的輔助電路組成，能夠?qū)崟r(shí)采集光斑圖像，完成光斑信息的提取和識(shí)別，以及物體表面光斑坐標(biāo)的解算。

2 測(cè)量原理分析

在測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)線陣CCD傳感器來(lái)獲得一維方向上的位置坐標(biāo)，利用非參數(shù)標(biāo)定方法對(duì)每條掃描激光束進(jìn)行標(biāo)定，得到激光束在系統(tǒng)坐標(biāo)系下的直線方程，再通過(guò)已知一維方向上的坐標(biāo)和激光束直線方程，進(jìn)而可以求得物體表面激光點(diǎn)的位置坐標(biāo)。

2.1 三角法測(cè)量原理

該傳感器的基本測(cè)量原理為激光三角法。激光三角法［11］結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量實(shí)時(shí)性好，在工業(yè)中的長(zhǎng)度、距離和三維形貌等檢測(cè)中應(yīng)用廣泛［12］。圖3闡明了激光三角法的幾何關(guān)系，激光二極管發(fā)射出激光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)以一定的角度聚焦到被測(cè)物體表面，激光在被測(cè)物體表面上發(fā)生散射。從另一角度上，物體表面上的散射激光經(jīng)過(guò)接收透鏡進(jìn)行匯聚，最終散射光斑成像在線陣CCD上［13］。當(dāng)被測(cè)物體表面的位置沿著激光軸方向發(fā)生改變時(shí)，在其表面上的散射光斑的位置也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在線陣CCD上成像的位置發(fā)生變化，在CCD上的位移距離和物體實(shí)際的位移是一一映射的關(guān)系。通過(guò)計(jì)算線陣CCD上的光斑位移，來(lái)計(jì)算出物體的實(shí)際位移距離，從而實(shí)現(xiàn)用激光測(cè)量物體位移的目的。投影光束方向上的位移變化Δz可以通過(guò)計(jì)算成像點(diǎn)在線陣CCD上的位置變化Δp而得到。

圖3 激光三角法原理圖

圖3中，α是入射激光束DA與反射激光束AA′的夾角，β是反射激光束與線陣CCD感光面的夾角，l1是目標(biāo)光點(diǎn)和接收透鏡主平面之間的距離AO（物距），l2是目標(biāo)光點(diǎn)在傳感器上的物象和接收透鏡主平面之間的距離A′O（像距），Δz為物體表面的位移距離，Δp為光點(diǎn)在傳感器上對(duì)應(yīng)成像點(diǎn)的位移距離。由圖3可得幾何關(guān)系：

又知BC=AB·sinα=Δz?sinα，B′C′=A′B′?sinβ= Δp?sinβ，AC=AB·cosα=Δz?cosα，A′C′=A′B′?cosβ=Δp?cosβ，代入式（1）中，可得：

根據(jù)幾何光學(xué)中的高斯定理，理想光學(xué)系統(tǒng)的成像條件滿(mǎn)足：

其中l(wèi)1為物距，l2為像距，f為透鏡的焦距。將式（3）代入式（2）中，可得：

光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好后，式（4）中的α、β、θ、f、l1、l2都是已知量，通過(guò)計(jì)算像點(diǎn)在線陣CCD上的位移量Δp，就可得到投影光束方向上的物體位移Δz，而且Δz和Δp之間的變化關(guān)系是非線性的。

成像的清晰程度對(duì)數(shù)據(jù)的提取精度起著本質(zhì)的影響，圖像越清晰，提取出來(lái)的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好。為了達(dá)到理想成像效果，使被測(cè)物體表面在移動(dòng)過(guò)程中，成像光點(diǎn)在線陣CCD上始終成清晰的物象點(diǎn)，系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)上，必須滿(mǎn)足Scheimpflug理想成像條件。如圖3所示，當(dāng)激光束出射方向BD、接收透鏡主平面OD、線陣CCD的感光面A′D的延長(zhǎng)線交于一點(diǎn)D時(shí)，一定景深范圍內(nèi)的被測(cè)物點(diǎn)均可以在線陣CCD上清晰成像。

2.2 傳感器標(biāo)定方法

測(cè)量系統(tǒng)的精度依賴(lài)于系統(tǒng)的標(biāo)定精度和穩(wěn)定性。非參數(shù)標(biāo)定方法非常適合影響系統(tǒng)精度的參數(shù)和模型難以確定的情況，本傳感器中棱鏡表面的缺陷、光學(xué)的幾何畸變、環(huán)境光影響等其他非線性的未知影響因素，都是難以估量的。激光三角法同步掃描測(cè)量傳感器的標(biāo)定是指精確建立線陣CCD上光斑質(zhì)心位置、掃描光束的索引值與傳感器自身空間的坐標(biāo)系之間的二維空間坐標(biāo)映射關(guān)系［14］。

2.2.1Z軸方向上的標(biāo)定

傳感器Z軸方向上的標(biāo)定方法如圖4（a）。如圖2中所示建立系統(tǒng)參考坐標(biāo)系，定義激光掃描平面為OXZ坐標(biāo)系平面，傳感器的Z軸方向平行于傳感器視場(chǎng)中央，X軸則在傳感器的掃描平面內(nèi)且垂直于Z軸。激光束的位置由電機(jī)碼盤(pán)產(chǎn)生的脈沖來(lái)確定，碼盤(pán)發(fā)出第i個(gè)脈沖時(shí)，激光器所發(fā)射的掃描光束li的索引值標(biāo)記為i。在傳感器視場(chǎng)內(nèi)，利用一個(gè)垂直于Z軸的參考平面以一定的位移間隔依次移動(dòng)到mj的位置，掃描光束li和參考平面mj處的交點(diǎn)為Pij，由于參考平面每次的位移量精確已知，所以交點(diǎn)Pij的Z坐標(biāo)已知。此時(shí)再將交點(diǎn)Pij在線陣CCD上像點(diǎn)質(zhì)心的坐標(biāo)求出，即可得到質(zhì)心坐標(biāo)和交點(diǎn)Pij的Z坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。兩個(gè)參考平面之間的Z值坐標(biāo)通過(guò)線性插值的方法得到。

圖4 系統(tǒng)標(biāo)定原理圖

2.2.2 傳感器掃描光束方程的標(biāo)定

掃描光束li和參考平面mj交點(diǎn)Pij的X軸方向坐標(biāo)通過(guò)求解掃描光束li在OXZ坐標(biāo)系的方程，根據(jù)確定的Z軸坐標(biāo)，進(jìn)而求得出X軸坐標(biāo)。相比于傳統(tǒng)的建立數(shù)學(xué)模型的標(biāo)定方式，直接標(biāo)定的方法更加精確［15］。如圖4（b），將參考平面傾斜一定的角度θ，設(shè)定參考平面的初始位置m0的延長(zhǎng)線交于原點(diǎn)O。對(duì)于掃描光束li和參考平面m0的交點(diǎn)Pi0，其Z軸坐標(biāo)可以通過(guò)2.2.1節(jié)的方法得到，X軸坐標(biāo)可以通過(guò)參考平面m0在OXZ坐標(biāo)系的方程確定。參考平面m0的方程為：

同理，將參考平面在視場(chǎng)平面內(nèi)沿Z軸方向平移j次，每次平移間隔Δj精確可知，則參考平面mj的方程為：

對(duì)于掃描光束li（i=1，2，…）在OXZ坐標(biāo)系中共有j+1個(gè)已知坐標(biāo)點(diǎn)Pij（j=0，1，…），通過(guò)最小二乘法擬合即可得到掃描光束li的直線方程。

Z軸坐標(biāo)得到后，代入相應(yīng)的光束方程中，可以得到X軸坐標(biāo)，這樣就建立好了二維空間坐標(biāo)映射關(guān)系。如果想要獲取三維空間坐標(biāo)，還需要借助垂直于線陣CCD視場(chǎng)方向的一維精密導(dǎo)軌，提供Y軸方向上的位移作為坐標(biāo)量；或者通過(guò)其他定位系統(tǒng)來(lái)得到傳感器自身的位姿，進(jìn)而得到測(cè)量時(shí)刻線陣CCD視場(chǎng)所在的Y軸坐標(biāo)。Y軸方向的坐標(biāo)是后期傳感器和其他系統(tǒng)配合使用時(shí)，進(jìn)一步需要研究的問(wèn)題。就傳感器自身而言，本文只研究X、Z軸二維空間。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)搭建

為了有效的驗(yàn)證激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器，在隔振平臺(tái)上搭建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以有效的降低外界因素的干擾。整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器、電控位移導(dǎo)軌、激光跟蹤儀、計(jì)算機(jī)、標(biāo)定參考平面等。電控位移導(dǎo)軌固定在平臺(tái)上，將一維轉(zhuǎn)臺(tái)和激光跟蹤儀的靶鏡固定在位移導(dǎo)軌上，一維回轉(zhuǎn)平臺(tái)分辨精度為1′，激光跟蹤儀的空間長(zhǎng)度最大測(cè)量不確定度為10 μm。在一維回轉(zhuǎn)平臺(tái)上將參考平面固定，這樣參考平面不僅可以隨著電控位移導(dǎo)軌直線運(yùn)動(dòng)，而且可以在一維回轉(zhuǎn)平臺(tái)的控制下，轉(zhuǎn)動(dòng)確定角度，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。激光掃描物體形貌測(cè)量傳感器固定于一個(gè)三腳架上，并置于電控位移導(dǎo)軌的末端，通過(guò)調(diào)節(jié)三腳架，使激光掃描物體形貌測(cè)量傳感器激光掃描線基本全部位于參考平面的中部，便于標(biāo)定過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

具體的實(shí)驗(yàn)流程如下：電控位移導(dǎo)軌步進(jìn)到指定位置上，用激光跟蹤儀進(jìn)行位移精密測(cè)量，然后采用激光掃描物體形貌測(cè)量傳感器進(jìn)行位置測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行解算，將實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比較。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)激光掃描物體形貌測(cè)量傳感器進(jìn)行標(biāo)定，參考平面分別以垂直于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向和傾斜15°兩種姿態(tài)下，讓電控位移導(dǎo)軌以2 mm的步長(zhǎng)做單步進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，對(duì)每個(gè)位置分別進(jìn)行測(cè)量，解算出光束方程，再對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)量，得到被測(cè)物體的表面信息。

3.2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

基于圖5所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先運(yùn)用本文的標(biāo)定方法建立激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器坐標(biāo)系下的Z軸和激光光束方程。為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)心定位穩(wěn)定性，讓系統(tǒng)運(yùn)行后，每間隔2 h對(duì)同一位置的參考平面進(jìn)行多次測(cè)量，對(duì)于索引值為1 200～1 320激光束的測(cè)量數(shù)據(jù)的Z軸坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，求取質(zhì)心位置的方差（見(jiàn)圖6）。

圖6 光束索引值為1200～1320激光束測(cè)得質(zhì)心位置的方差分布圖

然后將參考平面分別置于測(cè)量范圍的4個(gè)位置，進(jìn)行多次測(cè)量求平均，計(jì)算前后兩個(gè)位置（Z1、Z2）的距離差DS與激光跟蹤儀測(cè)量的值TS進(jìn)行比較，此差值Δd作為衡量系統(tǒng)Z軸方向的精度參考。

表2Z軸精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) （mm）

圖7X軸精度實(shí)驗(yàn)

按照?qǐng)D7所示的方法，利用跟蹤儀的標(biāo)準(zhǔn)靶鏡作為基準(zhǔn)，放置于一個(gè)一維微調(diào)系統(tǒng)上，利用激光同步掃描物體形貌測(cè)量傳感器多次測(cè)量該位置的靶鏡，對(duì)多次測(cè)量值求均值，得到第一組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后微調(diào)靶鏡高度，再次測(cè)量此時(shí)調(diào)整位置后的靶鏡，得到第二組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，多次調(diào)解高度后，根據(jù)多組測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出球如圖8所示。其中Y軸方向上的坐標(biāo)通過(guò)一維微調(diào)系統(tǒng)和每組測(cè)點(diǎn)擬合出的圓直徑求得。擬合球的半徑為19.283 mm，球心XZ坐標(biāo)為（53.296，42.498），與靶鏡的半徑標(biāo)準(zhǔn)值19.05 mm進(jìn)行比較，誤差為0.233 mm，此誤差作為衡量X軸方向上的精度參考。

圖8 擬合球

最初設(shè)計(jì)傳感器模型時(shí)，理論的設(shè)計(jì)精度小于0.05 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際精度與理論精度相比有一定差距，主要是由于激光光強(qiáng)非實(shí)時(shí)調(diào)制帶來(lái)的目標(biāo)光斑的提取誤差、機(jī)械加工精度和安裝過(guò)程帶來(lái)的誤差、質(zhì)心提取誤差和球形擬合誤差等造成。針對(duì)于這些誤差，有待進(jìn)行更深一步的研究，例如將現(xiàn)有恒定激光源改進(jìn)成實(shí)時(shí)激光點(diǎn)能量追蹤的自適應(yīng)激光源，提高機(jī)械件加工精度，增設(shè)更多的微調(diào)機(jī)構(gòu)來(lái)精確調(diào)整光路和對(duì)圖像提取算法進(jìn)行優(yōu)化等。

4 結(jié)論

本文基于激光三角法的原理，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)滿(mǎn)足光路的需求，設(shè)計(jì)了一種新型的物體形貌測(cè)量傳感器，介紹了傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并給出了傳感器的標(biāo)定方法，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。為了驗(yàn)證傳感器，搭建了基于激光掃描橫向同步的物體形貌測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并且利用跟蹤儀進(jìn)行精度驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的穩(wěn)定性強(qiáng)，在80 mm×90 mm的視場(chǎng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)的測(cè)量精度優(yōu)于0.25 mm。傳感器裝置基本滿(mǎn)足最初設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)方案可行。

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蘇 涵（1990-），男，湖北棗陽(yáng)人，天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生，主要從事激光及光電測(cè)試技術(shù)的研究，suhan@tju.edu.com；

任永杰（1975-），男，河北河間人，博士，天津大學(xué)副教授，主要從事激光及光電檢測(cè)、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器人控制及機(jī)器人測(cè)量技術(shù)方面的研究，yongjieren@ tju.edu.cn。

Synchronously Scanning Sensor Based on Laser Triangulation for Measuring Surface Profile*

SU Han，REN Yongjie*，YANG Linghui，LIN Jiarui，GUO Yin
（State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin300072，China）

A novel synchronized laser scanning sensor is designed to alleviate the trade-off between the field of view and the range precision，which is the inherent deficiency of the conventional triangulation measuring sensor.With the design of optical system，sensor based on laser triangulation achieves to synchronously scan in laser projection direction and the camera optical axis direction.On the basis of that，experimental prototype consisted of a highspeed rotating polygon mirror and linear CCD camera is developed to solve the problem of restriction between the depth direction and the transverse field.The experimental platform combined with electronically controlled precision displacement guide and laser tracker is established.A rapid and accurate calibration method based on the traditional non-parametric model is proposed using lookup tables.Compared with the laser tracker for verification，the single point repeatability accuracy is within 0.07 mm and measurement accuracy is better than 0.25 mm.This results show that measurement sensor has the advantages of high precision，fast speed and good stability and it has a broad application prospect for fast surface profile precision measurement.

Laser triangulation method；Shape measurement；Non-parametric model calibration method；Linear CCD；Synchronized scanner

TH741

A

1004-1699（2016）12-1791-06

??7320P

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.002

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)子任務(wù)項(xiàng)目（2013YQ35074702）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51475329）

2016-05-24修改日期：2016-06-27