基于无衍射姿态探针和全站仪组合测量空间隐藏坐标

针对大尺度空间中构件特征隐藏区的空间坐标测量,提出了一种基于无衍射光束的测量探针,并将该探针与全站仪结合构成了空间坐标组合测量系统。介绍了探针姿态测量系统和组合测量系统的结构与原理。测量时,首先将探针测头接触于被测点,并用全站仪或激光跟踪仪瞄准探针的光学系统,测得探针的空间位置坐标。接着,使用探针将测距激光通过axicon透镜变换为无衍射光,并由CCD摄像机获得图像。由无衍射光的中心一对一映射激光的入射方向,通过无衍射光图像定中计算,获得探针的水平角和俯仰角。最后,通过电子倾角仪测得探针滚动角;联合测得各姿态角和位置坐标,通过坐标变换,计算得出被测点的空间坐标。实验显示,该探针的姿态角测量精度为1mrad,组合测量空间位置偏差为±1mm,表明基于无衍射光束的探针与全站仪所构成的组合测量系统可满足大尺度空间中特征隐藏区空间坐标测量的要求。     

大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

一种基于激光点阵的板形测量新方法

提出一种利用结构光三维视觉技术进行板形测量的新方法。首先,用面阵CCD摄像机采集标定板的图像进行系统物像放大系数标定;其次,将倾斜一定角度的激光器投射到被测钢板表面,形成的7×7点阵光斑作为被测点;然后对采集到的点阵光斑图像进行图像处理,提取光斑中心,并进行49条激光束入射角度的标定;最后确定该板形测量方法的测量精度及测量范围。试验结果表明,该板形测量方法的测量范围为0mm~40mm时,测量误差小于±0.5mm。     

无衍射光束理论与实现

无衍射光束具有中心光斑直径小且传播距离远的特点。将其应用于光学精密测量可以解决许多传统光学无法解决的难题。本文给出零阶及高阶贝塞耳无衍射光束理论及实现方法,并给出各种实现方法的比较及无衍射光束的应用范围。     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数.方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数.本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法.首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型.然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑.在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标.沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像.利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标.由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束.拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角.实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型.测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证.结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°.     

基于激光视觉的石英摆片厚度精密测量方法

石英摆片厚度的检测能够提供产品生产过程中的重要信息,通过实时检测石英摆片的厚度,可以生产出高质量的产品,并能够识别和排除有缺陷的产品。为了提高石英摆片厚度参数检测的精度和效率,提出了一种利用激光视觉技术进行石英摆片厚度测量的非接触测量方法。该方法根据斯涅尔的基本光学定律,通过视觉测量系统获取激光光斑的图像;利用改进的Zern ike矩边缘定位算法及优化的激光光斑中心定位算法计算石英摆片的厚度。设计了半导体激光器恒功率驱动控制系统和激光光束准直系统,分析了激光入射角角度的选取原则。实验结果表明:该方法稳定性好,测量精度高,可以实现石英摆片厚度的非接触精密测量。     

分焦平面偏振图像传感器信噪比标定

为了标定分焦平面偏振图像传感器的信噪比,设计了分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比标定实验。对分焦平面偏振图像传感器信噪比参数对偏振角度测量结果的影响程度、信噪比标定原理、标定实验流程等进行了研究。根据分焦平面偏振传感器的结构和数字图像传感器的数学模型得到信噪比的标定原理。在不同信噪比、不同入射角度线偏振光情况下,对偏振角度测量结果进行了仿真。然后,根据标定原理设计标定实验的装置结构和实验流程。最后,进行实际标定并对实验数据进行了分析。信噪比-偏振角度测量精度仿真结果表明：分焦平面偏振图像传感器的信噪比越大,偏振角度测量精度越高,且入射偏振光角度也会影响测量精度。分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比参数的实际测试结果表明：标定值与指标值相差不超过0.55 dB。实验结果证明,该方法是准确有效的,能够较好地完成分焦平面偏振图像传感器各通道信噪比的标定任务。     

齿轮倒角轮廓协同高精度测量方法的研究

为实现对制造业中复杂工件(如汽车变速箱中的倒角齿轮)表面轮廓的快速、精密测量,研制了协同视觉表面轮廓测量系统。对该系统中采用的图像处理、测量路径的规划进行了研究。首先使用面阵图像传感器拍摄齿轮图像,对图像进行边缘处理,利用齿轮的边缘点拟合齿轮的中心,在结合标定算法定位齿轮倒角的待测局部区域。然后,根据测量要求规划测量路径,驱动XY电动平台携带高精密的点视觉激光位移传感器沿测量路径完成对带测量区域的测量。最后,使用计算机对激光位移传感器所测得数据进行处理,输出测量报告。该系统经工厂实际测量验证,对齿轮倒角表面轮廓的高度方向(Z方向)测量精度为1μm,对X和Y方向的测量精度达到5μm以上。结合图像传感器测速快,激光传感器精度高的优点,提出一种利用图像传感器实现高速定位,激光传感器实现精密测量的协同高精度视觉测量方法,并将其用于了齿轮倒角轮廓的测量。     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究（英文）

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数。方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数。本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法。首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型。然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑。在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标。沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像。利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标。由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束。拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角。实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型。测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证。结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°。     

基于球形目标的激光位移传感器光束方向标定

搭建了非接触式的三坐标测量系统以便精密测量三维型面。将激光位移传感器通过具有两个回转轴的回转体安装在测量机的Z轴上,从而可根据待测表面的形状来调整传感器的方位。为了使传感器在各个方位上实现测量功能,提出了基于球形目标的光束方向标定方法,并详细阐述了其数学原理。标定时,驱动测量机使传感器分别沿测量机的X,Y和Z轴做等间距步进,根据步长和激光束长度的变化建立方程组求解出激光束所在直线的单位方向向量。最后,多次测量尺寸参数已知的六面体标准块规,检验了该测量系统的重复性。结果显示,该系统的测量不确定度为0.048mm;测量另一直径已知的被测球时,传感器在各个方位上的误差小于0.05mm,表明所提出的标定方法使测量系统达到了逆向工程的使用要求。得到的数据表明,本文所提出的方法有较高的标定精度和较好的重复性,为实现三维型面的快速扫描测量奠定了基础。     

基于成像光线空间追踪的摄像机标定方法研究

摄像机测量模型和标定方法是视觉测量的关键,直接影响视觉测量系统的测量精度。针对这个问题,借鉴非成像模型的摄像机校准的思想,提出了基于成像光线追踪的摄像机标定方法。分析测量点经摄像机镜头成像的规律,通过空间直线确定摄像机图像坐标与测量空间的映射关系。使用像平面和两个空间平面的映射关系,建立空间直线表达方式,完成基于成像追踪方法的摄像机测量参数标定。通过噪声分析和精度测量实验对基于成像追踪的摄像机标定方法进行精度验证,实验结果表明该方法可以有效抑制标定数据噪声对测量结果的影响,提高摄像机标定精度。     

激光速在视觉检测中的标定方法研究

计算机视觉检测技术在测绘、工业、军事、导航等领域已得到广泛的应用。而标定是视觉检测的关键技术之一。本文介绍一种用激光束对系统进行标定的新方法，即将激光器发出的平行光束投射到被测物表面上的光斑作为标定物，通过采集光斑图像并对图像进行预处理，包括噪声处理、图像分割技术等得到光斑图像，最后计算出图像象素与实际尺寸的对应关系。该方法能够在不便于或者不能使用常规标准件法的环境下进行快速标定。试验结果验证了该方法在一定精度下的稳定性和可用性。     

移动机器人的超声波传感器发散角标定及应用

为了提高移动机器人在作业站点的定位精度,在考虑入射角的基础上,分析了发散角对超声波传感器测距的影响,建立了同时考虑发散角及入射角的超声波传感器测距函数关系表达式;提出了超声波传感器发散角的标定方法,并通过实验对发散角进行了标定;通过对比实验可以看出,所提出的关系表达式提高了超声波传感器距离测量精度。在此基础上提出了利用自动导航车(AGV)单个侧面两个超声波传感器实现移动机器人在作业站点侧向、前向及姿态3个方向的位姿定位方法,最后将该方法用于自主研发的移动机器人的定位试验,验证了该方法的正确性和有效性。     

自动气象站蒸发传感器校准系统的研究

为了解决自动气象站蒸发传感器的电信号故障排除问题,对自动气象站蒸发传感器电信号进行了分析和研究,设计出一种模拟电信号校准系统,该系统以电流变送器XTR116、高精度AD/DA转换器和单片机MSP430为核心,采用软硬件校准相结合的方法,设计了软件程序和硬件电路。实验结果表明,该系统工作稳定,可靠性高,测量精度可达0.9%,可用于对自动气象站蒸发传感器输出电流信号的准确校准。     

无衍射光莫尔条纹法直线度测量仪

提出用无衍射光和环光栅重叠产生环状莫尔条纹的技术来进行空间直线度测量的技术 ,给出了理论分析、仪器结构和原理实验 ,并对该方法在同时实现高分辨力和大量程直线度测量的可能性 ,以及抗激光器漂移等方面的特点进行了讨论     

无执行机构的曲面形状精密测量装置与方法

针对目前三维表面形貌测量存在测量精度低与测量速度慢等问题,研发设计了一种无执行机构的曲面形状精密测量装置与方法,它具有测量精度高、速度快的优势。采用液晶空间光调制器改变照明角度,以及改变被测样品的探测深度,只需计算机控制即可完成,无需执行元件,测量速度快。综合运用了图像传感器成像技术和图像高清晰三维处理技术,使得整个测量过程智能化。     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

基于传感器联合测量的车载POS精度检测系统设计

POS系统是移动测量系统的重要组成部分,其位置姿态精度一直受到广泛关注。结合全站仪、激光跟踪仪、GNSS授时装置等传感器,设计了动态精度检测系统,开展了POS系统动态精度检测方法研究。主要采用单次测量时间统计、平滑曲线拟合等方法探测检测系统的测量误差,并在误差剔除的基础上,结合ICP算法,利用跟踪仪高精度测量数据,对全站仪数据进行修正,提高检测系统整体测量精度。最后,在某实验区,进行车载POS系统动态跟踪实验,分别采用整体轨迹对比和实时点位对比方法进行POS系统事后处理精度检测和实时导航精度检测。实验结果表明:采用该种检测方法,动态检测系统能检测出POS实时和事后处理的动态定位精度。