UC3D线激光轮廓传感器工作原理及参数说明

2022-11-21 16:51:50 admin 144

UC3D线激光轮廓测量传感器实际就是由特殊光源(激光)、特殊的高速图像采集系统、特殊的结构、特殊的视觉算法集成在一起的、专为检测物体轮廓而设计的一种视觉系统。

线激光轮廓测量传感器是通过线激光光源与高速工业相机组合,得到被测物体的一个切面轮廓图像,通过图像处理提取图像上的轮廓,根据三角测量原理,计算出轮廓的物理坐标信息,同时可通过运动控制,得到物体的连续轮廓(Profile)并进行合成形成物体外观轮廓的3D点云(3D Cloud Point)数据。

1) 工作原理

Ø 1.1 切面

如下图所示,切面是指线激光照射在物体上,光线轮廓所包围的截面。在切面上的点可以用(xz)来表示。

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如果这个切面在我们相机的视场范围内,那么这个切面上的任意一个点(x,z)的坐标都会对应到图像上的一个像素坐标(c,r),如下图所示。反之也成立,也就是我们可以通过图像上的一个点的像素坐标(c,r)计算出对应点的(x,z)坐标,这个就是“三角测量法”。

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Ø 1.2 轮廓(Profile

轮廓是指线激光照射在物体上,光线所形成的线条。反映在图像上是一组离散的像素点。为了便于拍摄到有利于轮廓提取的图像,一般我们在相机的镜头前加上滤光片,只让激光波段的光进入相机,所以相机所采集到的图像,是由一组比较亮的像素来代表轮廓的图片,其他物体没有被激光照到的部分,在图像上都是很暗的(因为没有反射光),如下图所示。这样我们从这张图上很容易提取出轮廓上的一组像素坐标(c0,r0),(c1,r1,再根据“三角测量法”从而计算出这个切面轮廓的一组坐标(x0,z0),(x1,z1

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Ø 1.3 3D点云(3D Cloud Point

当物体与轮廓传感器发生相对运动时(运动方向沿Y轴运动),如果我们已知采集每个轮廓时Y方向位置,由于同一个轮廓上所有点的Y坐标值相同,那么当前轮廓信息变成了一组xyz坐标组成的点,所有的连续轮廓不断进行合成,最后就组成了被检测物体的点云信息,如下图所示。

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2) 参数说明

Ø 2.1 激光轮廓点数

线激光轮廓测量传感器实际就是线激光和工业相机组成的特殊视觉系统,这个参数代表了一条激光轮廓线条对应工业相机水平方向像素数。理论上这个值越高,X方向分辨率也越高,当然也和视野有关系,相同水平视野下,激光轮廓点数越高,X方向的分辨率也会越高。

Ø 2.2 近端视野和远端视野

对于线激光轮廓传感器,视野是指相机X方向可成像的物理宽度范围,也可以理解为相机水平方向的视场。由于线激光轮廓传感器内部相机的光轴与线激光切面有一个夹角,我们知道物体离拍摄距离越近,视野就会越小;距离越远,视野会越大,这样在一定测量范围内就会出现两个视野,高度高的地方(线激光切面向上的部分)离相机拍摄距离近,视野会小(称之为近端视野),高度低的地方(激光切面向下的部分)离相机拍摄距离远,视野会大一些(称之为远端视野)。

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视野这个参数可以根据所选镜头的水平视场角度、工业相机所使用的图像传感器的靶面尺寸、物距以及设计结构计算出来。由于特定型号的3D线激光轮廓传感器这些因素都是固定的,所以视野也是固定的。

Ø 2.3 安装距离

也可以称为净距离。不同厂家定义的标准有可能不同。UC3D系列线激光轮廓测量传感器以外壳激光侧的下表面为基准平面,此基准平面到最高测量高度平面的距离。

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⚠️注意:如果安装距离不正确,那么需要检测的轮廓有可能在视场之外,那么就不会得到正确的测量高度信息。

Ø 2.4 X方向分辨率

近端视野和远端视野的示例图中,我们可以看出近端视野和远端视野具有相同的激光轮廓点数,由于近端视野比远端视野要小,所以X方向分辨率要高一些,越往远端视野去,分辨率会越低。所以表示X方向分辨率可以用“远端视野的X方向分辨率~近端视野的X方向分辨率”范围来表示。这个分辨率如果按像素精度计算的话,应该就是视野除以激光轮廓点数得到的,如果不是,那有可能使用了后期的算法处理提高到了亚像素精度。UC3D系列线激光轮廓传感器的X方向分辨率指的是远端视野的X方向分辨率。

Ø 2.5 Z方向分辨率

3D线激光轮廓传感器在某种特定实验室环境下,所能检测的最小高度差。如下图所示,Z方向分辨率在不同的高度上是不同的,越高位置的测量分辨率也会越高,这主要是由于在采集的图像上高处所代表的像素分辨率要比低处的像素分辨率高,导致计算结果在高处分辨率也会更好。注意下面图示中oe的距离与of的物理距离是相同的,但所代表的像素数不同。UC3D系列线激光轮廓传感器的Z方向分辨率指的是在特定的实验室环境下,使用标准的量块所得到远端视野(低位置)Z方向分辨率。

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Ø2.6 测量量程

也可称为测量范围,3D线激光轮廓传感器主要应用就是测量物体的高度,这个参数就是表示轮廓测量传感器可以测量的最高高度。由于3D线激光轮廓传感器一般有设置ROI的功能,也就是设置工业相机图像传感器的感兴趣区域,如下图所示,如果ROI的高度变小(图像传感器灰色区域),那么测量范围也会变小,但是由于ROI变小之后会提高图像的采集速度,也就是后面要讲到的扫描速度,所以还需要根据实际应用场景进行合理设置。一般厂家标注的测量范围都是在全视场情况下最大的测量高度。

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Ø 2.7 扫描速度

这个参数反应了3D线激光轮廓传感器获取轮廓的速度,一秒钟能输出多少个轮廓数据。在介绍测量量程参数时我们提到过通过设置ROI可以提高扫描速度,所以这个扫描速度一般会给出全量程测量范围下(全视场)的扫描速度,也会给出特定ROI设置条件下的扫描速度。在需要获取被测物体轮廓点云数据的应用中,这个速度决定了最后点云的轮廓密度。

Ø 2.8 Z方向重复精度

不同厂家的测试标准不同,一般是指在实验室环境下,将一个厂家指定的标准物体平面,放置在某一指定位置(z=0)进行一定次数(几千次)的测量,所得出的平均值。由于各家的测试标准不同,这个参数的横向比较不确定,这个参数可以作为对成像系统稳定性的一个考量指标。

Ø 2.9 Z方向线性度(+/-%ofMR

Z线性度为偏差值(参考值与测量值的差值)与测量范围的比值。偏差值最佳拟合线的斜率百分比即为Z线性度。那么这个值表达了:全量程测量范围内测量精度的差异,也就是不同高度上的测量精度的差异,线性度越小,不同高度上的精度越一致。请参考下图。

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Ø 2.10 激光波长

一般常采用的是405nm蓝光或650nm红光。激光的选择一般有如下考量:

A、理论上,波长越短,衍射极限越高,精度会越好,所以蓝激光的精度会好于红激光。

B、理论上,波长越短,越容易反射而不容易透射,所以蓝激光的反射率要更好一些。

C、蓝激光线通常可以比红激光线宽更细一些。

D、蓝激光波长短,通常的相机响应曲线相对于红激光要弱,要求曝光时间长,会降低采集帧率,所以红激光通常用于高速采集应用,蓝激光用于高精度采集应用。

E、采用带通滤色片时,蓝激光中心亮度和边缘亮度一致性好,红光相对差一些。