激光三角测量技术综述

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激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光 电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。    过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展。  在几乎相同的时间内，市场上出现了视觉相机，用于检测标签方向、探测表面缺陷、而近来则用于测量零部件的具体特征，如孔径、沟槽间隙或者是机加工（成形）零部件上的通道等。许多视觉相机制造厂家和系统配套厂家试图将视觉相机检测原理延伸到计量领域。但是，其他一些特征，如台阶高度、挤压轮廓形状和加工后产品的容积以及机器人的定位和导向等，要用视觉相机测量仍然是一项艰巨的任务。  台阶高度测量  激光三角测量用于台阶高度测量、确定挤压产品轮廓形状和机器人定位和控制方面，可提供良好的分辨率。但是，即使这种测量技术方法也有其局限，原因是激光传感器的点尺寸非常小，意味着需要采用多个传感器，因此使得这种解决方案既复杂又昂贵。  将激光三角测量传感器与一种控制器结合起来，可从直线上获取二维数据。但是这种三角测量传感器要能产生一条直线，而不是一个点，而这种控制器则应该能输出跨越直线的距离数值。这些系统的局限性在于它们的体积大，而且在传感器头内有移动部件，容易因为发生振动和冲击而被损坏。  Micro-Epsilon公司开发的ScanCONTROL2800传感器可克服这些局限。该系统配置有一个固体激光直线投影装置，没有移动零部件，已经按照ISO 标准进行过冲击和振动试验，可分别承受15g和2g的冲击和振动。  因为传感器是以激光三角测量为基础的，所以，可按绝对测量原理用于执行计量任务。传感器数据输出沿FireWrie接口进行，以视觉相机FireWire协议为基础，所以，用户会发现与其接口连接非常简单。  没有视觉问题  因为该技术不是以视觉相机原理为基础，所以，没有视觉相机成套时会碰到的传统问题。其特点如下：  （1）照明——ScanCONTROL-2800功能犹如Micro-Epsilon激光三角测量传感器，每次进行测量时，可调节光的强度，而无需进行平均或过滤。不需要配备外部照明光源或均匀一致的照明光源。传感器可在室外车辆上或毫无环境光源防护的工厂中工作。  （2）从相机镜头到目标的距离——ScanCONTROL2800的景深可达250mm（Z坐标），直线长度为150mm（Y坐标）。只要在这个测量视窗之内，可对目标进行准确测量。而视觉相机要求将目标反复放置在阅读镜头的前面。  （3）测量速度——常规相机系统和某些其他的三角测量系统一般只能以每秒50帧的速度运行。ScanCONTROL2800配备有高速CMOS矩阵元件，以及功能非常强大的DSP，因此可将速度增加到4000面/s。这样高速的测量速率使其能够应用于各种用途，如高速机器人定位和控制、挤压轮廓、胶珠、焊缝轮廓等的实时测量以及容积计算等。  （4）系统精度——ScanCONT ROL2800是一种绝对测量原理的装置。所表示的精度是以微米计算，而不是以像素或亚像素分辨率计算。对多数目标表面而言，分辨率可低达10um。X坐标上的分辨率可供选择的范围是64、128、256、512和1024点。将X坐标上的分辨率与特殊定制的直线长度相结合，可获得用户具体所需要的分辨率。  在线测量是非常重要的应用领域，它可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。普通的光学测量在大地测绘、建筑工程方面有悠久的应用历史，其中距离测量的方法就是利用基本的三角几何学。     在80年代末90年代初，人们开始激光与三角测量的原理相结合，形成了激光三角测距器。它的优点是精度高，不受被测物的材料、质地、型状、反射率的限制。从白色到黑色，从金属到陶瓷、塑料都可以测量。