专利名称：一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于三维测量领域，更具体地涉及一种基于激光探针阵列的三维测量方法，还涉及一种基于激光探针阵列的三维测量装置。适用于机器人、智能驾驶和障碍物探测的快速三维坐标测量，静态高精度工业零部件三维测量等。
背景技术：
普通相机通过光学镜头把物体投影到像面，并采用胶片或(XD/CM0S图像传感器进行记录，由此拍摄的照片是二维的，深度信息丢失了。但是随着智能机器人、安全无人驾驶等领域的快速发展，对深度信息的需求越来越大，迫切需要快速采集场景的三维坐标信息。目前有很多深度信息或三维坐标的测量方法，但是在测量速度、或测量范围、或测量精度、或抗干扰性等方面还不能充分地满足上述需求。例如，基于激光三角法的测量技术和基于飞行时间的激光扫描技术一般采用点对点测量方式，不能快速提供大面积的三维坐标； 激光干涉测量技术尽管精度很高，但易于受激光噪声和振动干扰，而且测量面积较小；再如各种结构光投影测量技术尽管具有较好的测量精度，但测量深度和宽度一般不超过5米， 同时经常产生阴影遮断间题；基于双镜头的立体视觉测量技术简单易行，不需要主动发光， 但立体匹配复杂、处理时间长，特别是对于结构特征不明显的区域，立体匹配无法进行，导致三维重建噪声大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，在于提供了一种基于激光探针阵列的三维测量方法，还提供了一种基于激光探针阵列的三维测量装置，能够快速采集深度信息，能耗低。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于激光探针阵列的三维测量方法，包括以下步骤步骤1、设置二维相机的光学镜头的光学中心为坐标原点，二维相机的光学镜头的光轴为Z轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上设置第一激光探针发生器，第一激光探针发生器的光轴平行于Z轴，二维相机监测第一激光探针发生器发出的激光探针在被测物体表面的反射，其中第一激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；步骤2、设定第一激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；步骤3、根据预定聚焦点坐标把第一激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；步骤4、利用第一激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对二维相机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，二维相机所拍摄的反射像斑的位置即为第一激光探针发生器发出的激光探针的预定成像位置；
步骤5、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射待测物体，并用步骤4中标定后的二维相机拍摄记录激光探针在待测物体表面的反射，得到检测图片；步骤6、根据步骤4中得到的每根激光探针的预定成像位置对步骤5得到的检测图片进行反射激光探针像斑的搜索，如果存在反射激光探针像斑，则根据反射激光探针像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z，对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。如上所述步骤2中的设定预定聚焦点包括以下步骤步骤2. 1、设定Z轴最近测量点和Z轴最远测量点，预定聚焦平面的数目至少为一个，设置第1个预定聚焦平面的Z轴坐标，使其二分之一小于等于Z轴最近测量点的Z轴坐标，其余预定聚焦平面设置在Z轴最近测量点和Z轴最远测量点之间；步骤2. 2、设置最小探测物体宽度Wmin ；步骤2. 3、将每个预定聚焦平面上的预定聚焦点在二维相机的视场范围内沿Y轴方向分为N行，每行的预定聚焦点沿平行于X轴方向按固定间隔△ X排列，每行预定聚焦点的数量等于二维相机在该预定聚焦平面位置的视场宽度W除以固定间隔ΔΧ后取整数并加一，而预定聚焦点的行数N等于固定间隔ΔΧ除以最小探测物体宽度Wmin后取整数并加一；所述固定间隔△ X大于第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离的二倍；步骤2. 4、在每个预定聚焦平面上将每行预定聚焦点沿X轴方向均勻错开排列；步骤2. 5、若步骤2. 1至步骤2. 4所设定的预定聚焦点的总数目大于激光探针发生器所能产生的总的激光探针数目，则减少步骤2. 1中设定的预定聚焦平面的数目，或者增大步骤2. 2中的最小探测物体宽度Wmin，并返回步骤2. 3。如上所述步骤6中对检测图片进行反射激光探针像斑的搜索的步骤为依次以每个激光探针预定成像位置为搜索中心、范围不超过预定成像位置与相邻的激光探针预定成像位置的间隔的一半进行搜索，同时搜索范围与相邻两个激光探针预定成像位置的间隔之比不超过第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离与同一行相邻两个预定聚焦点的间隔之比。如上所述步骤1中还包括以下步骤在X轴上与第一激光探针发生器对称的位置设置第二激光探针发生器，第二激光探针发生器的光轴平行于Z轴，第二激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；所述的步骤2中还包括以下步骤设定第二激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点和第一激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点重合；所述的步骤3还包括以下步骤根据预定聚焦点坐标把第二激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚隹占.焦点。所述的步骤6还包括以下步骤根据每根激光探针的预定成像位置对第二激光探针发生器的反射激光探针像斑进行搜索，如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值小于等于预定设置的容许值，则分别根据上述两个反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z ；如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值大于预定设置的容许值，则认为该预定成像位置无反射激光探针像斑；对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。—种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第一激光探针发生器、第二激光探针发生器，第一二维相机和第一支架，第一激光探针发生器、第一二维相机和第二激光探针发生器依次等距离固定在第一支架上，第一激光探针发生器的光轴、第二激光探针发生器的光轴和第一二维相机的光轴相互平行并位于同一平面，第一激光探针发生器和第二激光探针发生器的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第一二维相机的镜头的光学中心位于第一激光探针发生器和第二激光探针发生器的光学中心的连线上，使得第一激光探针发生器和第二激光探针发生器发出的激光探针经过物体反射后能够被第一二维相机拍摄到。如上所述的第一激光探针发生器和第二激光探针发生器发出的光为红外光，第一二维相机前放置有用于遮挡可见光、透过红外光的红外滤光镜。作为一种优选方案，一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第三激光探针发生器、第四激光探针发生器，第二二维相机、第二可移动支架和第三可移动支架，第三激光探针发生器和第四激光探针发生器固定在第二可移动支架上，第三激光探针发生器和第四激光探针发生器的光轴互相平行，且它们的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第二二维相机固定在第三可移动支架上，第二可移动支架和第三可移动支架上均设置有用于将第二二维相机的光轴、第三激光探针发生器光轴和第四激光探针发生器光轴对准在同一平面且相互平行，同时使得第二二维相机的镜头的光学中心分别到第三激光探针发生器光学中心和第四激光探针发生器光学中心的距离相等的对准标记，第三激光探针发生器和第四激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或者全息再现装置。该装置还包括中心重合的第一环形导轨、第二环形导轨和可升降载物台，第二可移动支架安装在第一环形导轨上，第三可移动支架安装在第二环形导轨上。作为再一种优选方案，一种基于激光探针阵列的三维测量装置，包括第五激光探针发生器、第三二维相机和第四支架，第五激光探针发生器、第三二维相机固定在第四支架上，第五激光探针发生器和第三二维相机的光轴相互平行，并垂直于第五激光探针发生器的光学中心和第三二维相机的镜头的光学中心的连线，使得第五激光探针发生器发出的激光探针经过物体反射后能够被第三二维相机拍摄到，第五激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置。如上所述的第四支架包括一个活动部件，通过调节活动部件的位置来调整第五激光探针发生器的光学中心和第三二维相机的镜头的光学中心之间的距离。本说明书中所用术语说明(1)数字光学位相共轭装置它主要由激光光源、复振幅空间光调制器1、耦合器 2、绝热锥形光波导3和光学镜头4组成，它基于光路可逆性原理实现光学波前的实时数字再构(如
图1所示)，更详细解释参见发明(专利号ZL2006101M657. 4)中的说明。(2)全息再现装置它主要由激光参考光源、全息元件和固定支架组成；全息元件可以是全息干板，也可以是可重写聚合物记录介质等；全息元件上载有参考光与物光的干涉条纹，干涉条纹可以是用全息干板或CCD/CMOS相机实际拍摄的，也可以是计算机计算产生的；用激光参考光源照明载有干涉条纹的全息元件，并用固定支架调节全息元件的位置， 可准确再现出所记录的物体。(3)激光探针采用数字光学位相共轭装置或全息再现装置可以精确地把激光束聚焦在自由空间任意位置，这样的激光束看上去像一个光锥，锥底为数字光学位相共轭装置的出瞳或全息再现装置的全息元件，而锥尖为聚焦焦点，我们称该激光光锥为激光探针。 当激光探针锥尖离数字光学位相共轭装置或全息再现装置很远时，由于锥角很�。す馓秸肟山莆桓毕�。(4) 二维相机普通相机通过光学镜头把物体投影到的像面，并采用胶片或CXD/ CMOS图像传感器进行记录，由此拍摄的照片是二维的，为了与本发明提出的三维测量装置相区别，我们把上述普通相机统称为二维相机。本发明的原理本发明的核心思想是把成千上万根激光探针投射到空中预定位置，然后通过普通相机观察记录激光探针在什么地方与物体表面相遇，并借助已知的激光探针的三维坐标确定物体表面的坐标。该方法的最大挑战在于如何同时产生成千上万根激光探针，而且每根激光探针的预定位置独立精确可调。用传统方法很难同时产生上述巨大数量的激光探针，例如，通过光学镜头聚焦可以产生激光探针，再通过机械扫描可以改变激光探针的横向位置，但它很难快速对激光探针的纵深位置进行调节。如果把每根激光探针所形成的光场叠加起来，上述激光探针的产生也可看成一个光学波前重建问题，但成千上万根激光探针所形成的总光场异常复杂，很难用常规方法进行实时数字重建。例如自适应光学只能对缓变光场进行调节，而全息技术由于需要采用高分辨率全息干板，只能用于静态光波场重建，传统光学位相共轭反射只能借助光学非线性效应原样恢复高能入射光场。 发明人的前一项发明“主动光学位相共轭方法及装置(专利号ZL2006101M657.4)”提出了一种新的光学波前实时数字再构方法，其基本原理基于光路的可逆性。该发明借助一个绝热锥形光波导把复杂入射光波分解并逐步引导到一系列彼此互相隔离的单模光波导， 然后采用空间光调节器在这些彼此隔离的单模光波导中再构出与输入光波共轭的光波，这些共轭光波逆向通过同一绝热锥形光波导，就可重建出与原始光学波前形状完全相同的光波。一个基于数字光学位相共轭原理的激光探针发生器，其结构如图1所示。它主要由相干照明光源、复振幅空间光调节器1、耦合器2、绝热锥形光波导束3和放大透镜4组成，波长为λ的相干照明光源经过空间光调节器1的逐像素振幅和位相调节后，通过微透镜阵列耦合器2进入绝热锥形光波导束3的粗端，在彼此隔离的每根单模光波导中产生特定复振幅的共轭光�。庑┕查罟獠嫦虼ィ⒋幼缎尉裙獠ǖ�3的细端出射，再经放大透镜4聚焦后，在空间预定位置产生激光探针。一个基于数字光学位相共轭原理的激光探针发生器工作前需要进行标定，即把单根激光探针从不同预定位置射向激光探针发生器前端的放大透镜4，并测量从绝热锥形光波导束3的粗端的每根单模光波导中出射的基模光场的复振幅，记录备用。当需要在特定位置产生一根激光探针时，调出预先记录的针对该位置的基模光场的复振幅，对其取共轭，并通过复振幅空间光调节器2在每根单模光波导中产生上述共轭基模光�。诠饴房赡嫘栽恚纯稍谥付ㄎ恢弥亟ǔ鲆桓す馓秸�。当需要同时产生许多根激光探针时，利用系统的线性性，把针对每根激光探针的复振幅累加再取共轭即可。计算分析表明，采用8位精度空间光调制器可同时产生1万根以上激光探针，且每根激光探针的空间位置独立调节。利用数字光学位相共轭原理产生激光探针的一大好处是精度高。由于光路的可逆性，它不存在普通光学透镜系统的像差，仅受衍射极限的限制，其分辨率，也就是激光探针的最小聚焦光斑直径可用下式表示，
权利要求
1.一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于包括以下步骤步骤1、设置二维相机的光学镜头的光学中心为坐标原点，二维相机的光学镜头的光轴为Z轴，X轴垂直于Z轴，X轴Z轴平面为水平面，Y轴垂直于X轴Z轴平面；在X轴上设置第一激光探针发生器，第一激光探针发生器的光轴平行于Z轴，二维相机监测第一激光探针发生器发出的激光探针在被测物体表面的反射，其中第一激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；步骤2、设定第一激光探针发生器发出的激光探针阵列在垂直于Z轴的预定聚焦平面上的预定聚焦点，得到激光探针阵列中每根激光探针的预定聚焦点坐标；步骤3、根据预定聚焦点坐标把第一激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦点；步骤4、利用第一激光探针发生器发出的聚焦在预定聚焦点的激光探针对二维相机进行标定，将一平面物体垂直于Z轴放置在预定聚焦点所在聚焦平面，二维相机所拍摄的反射像斑的位置即为第一激光探针发生器发出的激光探针的预定成像位置；步骤5、利用步骤3中聚焦产生的激光探针阵列照射待测物体，并用步骤4中标定后的二维相机拍摄记录激光探针在待测物体表面的反射，得到检测图片；步骤6、根据步骤4中得到的每根激光探针的预定成像位置对步骤5得到的检测图片进行反射激光探针像斑的搜索，如果存在反射激光探针像斑，则根据反射激光探针像斑偏离设定为搜索中心的预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离 Z，对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于所述步骤2中的设定预定聚焦点包括以下步骤步骤2. 1、设定Z轴最近测量点和Z轴最远测量点，预定聚焦平面的数目至少为一个，设置第1个预定聚焦平面的Z轴坐标，使其二分之一小于等于Z轴最近测量点的Z轴坐标，其余预定聚焦平面设置在Z轴最近测量点和Z轴最远测量点之间；步骤2. 2、设置最小探测物体宽度Wmin ；步骤2. 3、将每个预定聚焦平面上的预定聚焦点在二维相机的视场范围内沿Y轴方向分为N行，每行的预定聚焦点沿平行于X轴方向按固定间隔ΔΧ排列，每行预定聚焦点的数量等于二维相机在该预定聚焦平面位置的视场宽度W除以固定间隔ΔΧ后取整数并加一， 而预定聚焦点的行数N等于固定间隔ΔΧ除以最小探测物体宽度Wmin后取整数并加一；所述固定间隔ΔΧ大于第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离的二倍；步骤2. 4、在每个预定聚焦平面上将每行预定聚焦点沿X轴方向均勻错开排列；步骤2. 5、若步骤2. 1至步骤2. 4所设定的预定聚焦点的总数目大于激光探针发生器所能产生的总的激光探针数目，则减少步骤2. 1中设定的预定聚焦平面的数目，或者增大步骤2. 2中的最小探测物体宽度Wmin，并返回步骤2. 3。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于所述步骤6中对检测图片进行反射激光探针像斑的搜索的步骤为依次以每个激光探针预定成像位置为搜索中心、范围不超过预定成像位置与相邻的激光探针预定成像位置的间隔的一半进行搜索，同时搜索范围与相邻两个激光探针预定成像位置的间隔之比不超过第一激光探针发生器的光学中心离二维相机的光学镜头的光学中心的距离与同一行相邻两个预定聚焦点的间隔之比。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光探针阵列的三维测量方法，其特征在于所述步骤1中还包括以下步骤在X轴上与第一激光探针发生器对称的位置设置第二激光探针发生器，第二激光探针发生器的光轴平行于Z轴，第二激光探针发生器为数字光学位相共轭装置或全息再现装置；所述的步骤2中还包括以下步骤设定第二激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点和第一激光探针发生器发出的激光探针阵列的预定聚焦点重合；所述的步骤3还包括以下步骤根据预定聚焦点坐标把第二激光探针发生器发出的激光探针阵列聚焦到预定聚焦占.所述的步骤6还包括以下步骤根据每根激光探针的预定成像位置对第二激光探针发生器的反射激光探针像斑进行搜索，如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值小于等于预定设置的容许值，则分别根据上述两个反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离计算待测物体表面到X轴Y轴平面的纵向距离Z ；如果第一激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离预定成像位置的像素距离和第二激光探针发生器的反射激光探针像斑偏离同一预定成像位置的像素距离之差的绝对值大于预定设置的容许值，则认为该预定成像位置无反射激光探针像斑；对所有预定成像位置搜索完毕后返回步骤5。
5.一种使用权利要求4所述方法的基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于 包括第一激光探针发生器(5)、第二激光探针发生器(6)，第一二维相机(7)和第一支架 (8)，第一激光探针发生器(5)、第一二维相机(7)和第二激光探针发生器(6)依次等距离固定在第一支架(8)上，第一激光探针发生器(5)的光轴、第二激光探针发生器(6)的光轴和第一二维相机(7)的光轴相互平行并位于同一平面，第一激光探针发生器(5)和第二激光探针发生器(6)的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第一二维相机(7)的镜头的光学中心位于第一激光探针发生器(5)和第二激光探针发生器(6)的光学中心的连线上，使得第一激光探针发生器(5)和第二激光探针发生器(6)发出的激光探针经过物体反射后能够被第一二维相机(7)拍摄到。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于所述的第一激光探针发生器(5)和第二激光探针发生器(6)发出的光为红外光，第一二维相机 (7 )前放置有用于遮挡可见光、透过红外光的红外滤光镜(9 )。
7.一种使用权利要求4所述方法的基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于 包括第三激光探针发生器(10)、第四激光探针发生器(11)，第二二维相机(13)、第二可移动支架(12)和第三可移动支架(14)，第三激光探针发生器(10)和第四激光探针发生器 (11)固定在第二可移动支架(12)上，第三激光探针发生器(10)和第四激光探针发生器 (11)的光轴互相平行，且它们的光学中心的连线垂直于它们的光轴，第二二维相机(13)固定在第三可移动支架(14)上，第二可移动支架(12)和第三可移动支架(14)上均设置有用于将第二二维相机(13)的光轴、第三激光探针发生器(10)光轴和第四激光探针发生器 (11)光轴对准在同一平面且相互平行，同时使得第二二维相机(13)的镜头的光学中心分别到第三激光探针发生器(10)光学中心和第四激光探针发生器(11)光学中心的距离相等的对准标记，第三激光探针发生器(10)和第四激光探针发生器(11)为数字光学位相共轭装置或者全息再现装置。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于还包括中心重合的第一环形导轨(15)、第二环形导轨(16)和可升降载物台(17)，第二可移动支架(12)安装在第一环形导轨(15)上，第三可移动支架(14)安装在第二环形导轨(16)上。
9.一种使用权利要求1所述方法的基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于 包括第五激光探针发生器(20)、第三二维相机(21)和第四支架(22)，第五激光探针发生器(20)、第三二维相机(21)固定在第四支架(22)上，第五激光探针发生器(20)和第三二维相机(21)的光轴相互平行，并垂直于第五激光探针发生器(20)的光学中心和第三二维相机(21)的镜头的光学中心的连线，使得第五激光探针发生器(20)发出的激光探针经过物体反射后能够被第三二维相机(21)拍摄到，第五激光探针发生器(20)为数字光学位相共轭装置或全息再现装置。
10.根据权利要求9所述的一种基于激光探针阵列的三维测量装置，其特征在于所述的第四支架(22)包括一个活动部件(23)，通过调节活动部件(23)的位置来调整第五激光探针发生器(20)的光学中心和第三二维相机(21)的镜头(26)的光学中心之间的距离。
全文摘要
本发明涉及一种基于激光探针阵列的三维测量方法及装置，属于三维测量领域。它通过数字光学位相共轭原理把成千上万根激光探针投射到空间预定位置，通过普通相机监测激光探针在物体表面的反射，实现三维坐标测量。针对不同应用场合，激光探针三维相机可采用不同的结构形式和参数，通过分区测量可提高测量精度，同时通过合并所有分区测量结果可得到大区域或360o范围的精密三维坐标。适用于机器人、智能驾驶、障碍物快速探测、高精度工业零部件自动测量等领域。
文档编号G01B11/00GK102506748SQ20111032256
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者李志扬 申请人:李志扬
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
