【自有技术大讲堂】浅谈3D量测技术原理

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3D视觉检测,是相对于2D视觉检测而言的。随着机器视觉技术的发展,2D视觉检测因其自身局限性无法提供高度信息、严重依赖被测物体表面的对比度等缘由,越来越难以适应企业对精确度和自动化的要求,3D视觉检测技术也因此越来越受欢迎。

 

常见的3D量测技术原理主要为以下几种:结构光三角测量法、光谱共焦法、光场成像法、飞行时间法等。

 

结构光三角测量法,其基本思想是光源将一定模式的结构光投射于物体表面,在表面上形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。该图像由另一位置的探测器探测,从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于光源与探测器之间的相对位置和物体表面形状轮廓情况。当光源与探测器之间的相对位置一定时,由探测器接收的畸变图像坐标即可复现物体表面三维形状轮廓。

 

1 结构光三维视觉原理

 

根据光源模式不一,又可以分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式、面结构光模式、相位法等。其中点光模式、线光模式、多线光模式、面模式均原理均大同小异,均为坐标上的点点对应关系。相位法则是将光栅图案投射到物体表面后,受到物体高度的调制,光栅条纹发生形变,这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。通过采集变形条纹并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化,最后根据三角法原理极端出高度。

 

光谱共焦法,其实质是在共焦显微技术中利用了位置色差。如图所示,一束白光照射到色散透镜组上,并分解成各个波段的单色光。每种单色光对应一个距离值。分离的单色光打在待测物体表面,通过对其打在物体表面的反射光进行接收,计算反射光波长对应的距离值,从而获取到测量数据。

 

2 光谱共焦原理

 

光场成像法:光场是表示光辐射分布的函数,反映了光波动强度与光波分布位置和传播方向之间的映射关系。在几何光学中,光场指的是光线强度在空间中的位置和方向分布,该分布函数可用光线与两个平行平面交点坐标来进行参数化表征。如下图所示,L(u,v,s,t)表示光场的一个采样,L为光线强度,(u,v)(s,t)分别为光线与两个平面的交点坐标。在该四维坐标中,一条光线对应光场的一个采样点。

 

3 四维光场的参数表征

 

传统成像系统所探测到的光场只能记录光线所经过的位置信息,而丢失了与场景深度、目标几何形态、场景遮挡关系等光线角度信息,即三维信息。为了从根本上解决光线角度信息的采集问题,目前常采用在CCD所在平面处添加微透镜阵列的形式,通过记录光辐射在传播过程中的位置和方向信息,构成光场采样。如下图所示,每个宏像素对应于光场的一个位置采样。宏像素内的每一点对应光场在该位置的一个方向采样。

 

4 基于微透镜阵列的光场采样

 

飞行时间法,其基本原理是通过连续发射光脉冲到被测物体上,然后用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行时间/相位偏移量来得到目标物距离,一般用于激光雷达、无人驾驶领域。根据探测量的不同可分为以脉冲发射接收的飞行时间差测算的脉冲调制、以接收和发射的正弦波的相位偏移量推算的连续波调制。如下图为对应二者原理图。

 

5 脉冲调制飞行时间法原理

6 连续波调制飞行时间法原理

 

除上述各项技术原理外,随着研究不断深入,3D量测领域技术日新月异,在此就不一一列举。

 

【参考资料】

[1] https://blog.csdn.net/tyfwin/article/details/89110067

[2] 刘乾王洋杨维川线性色散设计的光谱共焦测量技术[J].强激光与粒子束,2014 26(5).

[3] 武芃樾光谱共焦位移传感器设计技术研究[D]. 北京中科院物理研究所, 2012.

[4] 柳晓飞邓文怡牛春晖一种新型光谱共焦位移测量系统研究[J].传感器与微系统,2013, 32(4): 34-40.

[5] 闫凯光谱共焦厚度检测系统研究[D]. 杭州浙江大学, 2018.

[6] https://blog.csdn.net/qq_28796453/article/details/81154186

[7] 周志良. 光场成像技术研究[D]. 中国科学技术大学, 2012.

2023年1月6日 09:20