光学三坐标测量机的基本测量原理

陈旭杰

摘 要：因为三维测量技术结合的为光学技术具有的新发展应用，其打破了传统的接触式三维测量方法的优势，使得人们可以更为快捷与准确的获得可观物体的单位轮廓数据信息。而本文则对光学三坐标的探测原理做一个介绍和分析比较，来讨论不同测量方法的优劣势，以及所适用的不同被测物体。

关键词：光学三坐标测量机;测量法;原理

1 直射式测量法的测量原理

直射式测量方法具有的基本原理为在测量系统内部通过激光器法射出激光光束，垂直投射在被检测物体表面的时候，产生光点或者是光线，光点通过反射进入接收透镜的时候，将像于视觉传感器的感光之上。

因为被检测的物体表面的轮廓出现形态变化的时候，入射光点则是会沿着入射光轴的移动进而出现变化，为此视觉传感器的成像也是会产生相应的移动，通过视觉传感器成像位置的关系可以推测得到被检测物体表面轮廓的信息。视觉传感器的感光面与接收镜光轴为垂直的，使得成像透镜工作接近于轴状态，其测量的光路原理如图1所示。

在上图中，L为被检测物体相对于基准平面的移动距离，l’为成像的光点相对于成像平面基准点的移动距离。O为被检测物体所存在的基准平面，O’为被检测物体移动之后的平面位置。U为工作距离，也就是投射光轴同接收透镜光轴的交点到接收透镜主平面的实际距离，V为像距，也就是接收透镜的主平面到成像基准点的实际距离。为工作角，也就是投射光光轴同成像光轴的夹角，H为透镜中心到投射光束光轴的实际距离。如图1所示，透镜焦距为f，通过正弦定理可以得到，对于△ABC内部：

2 斜射式测量法的测量原理

斜射式的测量方法与直射式的测量方法具有的测量原理基本相同，不过激光器的投射位置具有较大的区别，激光器的投射光束光轴同被测量物体表面的法线方向构成一定的角度，其具有的测量光路的原理如图2所示。

其中L为被检测物体相对于基准平面的移动距离，L’为成像的光点相对于成像平面基准点的移动距离;O为被测量物体所在的基准平面，O’为被检测物体的移动之后的平面位置。U为工作距离，也就是投射光轴以及接收透镜光轴的交点到接收透镜主平面的距离，V为像距，也就是接收透镜的主平面到成像基准点的距离。是投射光源光轴同被测物体表面法线的方向夹角，成像光轴以及被测量物体表面法线方向的夹角，H为透镜中心点到投射光源光轴的距离。如图2所示，透镜的焦距为f，通过正弦定理可以得到，对于△ABC内部：

3 Scheimpflug验证条件

Scheimpflug的条件为目前成像的平面、透镜平面以及被检测物体平面相交得到一個共同的位置上面，对于成像平面上的像为清晰的，其光学含义指的是成像的平面、被检测物体的表面以及透镜平面三个平面需要相交于同一条的直线上面的时候，才可以在成像平面上得到较为清晰的像，如图3所示。

a为入射轴同成像平面光轴的交点到透镜中心点的距离，b为入射光轴与被检测物体表面交点到透镜中心点的距离，c为视觉传感器的光轴与成像面光轴的交点到透镜中心点的距离，α为入射光轴与成像面光轴的夹物，β为视觉传感器光轴与成像面光轴的夹角，通过透镜成像的原理可以知道：

4 小结

在本文中，主要针对于非接触式的三维测量激光三角法测量的原理开展较为详细的分析，同时对激光三角法测量内部较为常见的两种三维测量系统搭建模式开展较为具体的分析说明，并通过Scheimpflug条件对于测量系统开展验证分析，进而可以确保光路能产生比较清晰的图像。最后归纳总结得到测量结构以及斜射式测量结构各自的特征，并提出所选择的三维测量结构以及其选取的原理。

参考文献：

[1]卜昆，刘维伟，单晨伟，等.计算机辅助制造[M].北京：科学出版社，2014.11.