技术领域
[0001] 本实用新型涉及3D测量技术领域，尤其涉及一种基于超光谱的3D测量方法和装置。
背景技术
[0002] 在现有的3D测量技术中，主要有结构光3D扫描、激光投影三
角法测量、光谱共焦测量。结构光3D扫描技术发展较早，由于是面测量，测量的效率很高，但是其
精度低的致命
缺陷，并不能应用于高精度的测量中；激光投影三角法测量，因为需要形成三角区域，所以在测量时容易形成阴影区域，阴影区域是无法测量的，该方法对透明材质无法精确测量，此外对大弧面也是无法测量的；光谱共焦测量的近来发展的高精度测量方法，该方法具有高精度，克服激光投影三角法的缺陷，但是由于其是点测量，在测量的效率上大打折扣，无法快速完成对产品的全面扫描。实用新型内容
[0003] 本实用新型的主要目的是提供一种基于超光谱的共焦测量装置，通过采用条形
光源，实现对物体的线扫描测量，加快扫描速度。
[0004] 为实现上述目的，本实用新型提供一种超光谱线扫描3D测量装置及测量方法，包括光源20，光学头30，测光器40，处理器50，所述光学头30 在所述测光器40下方，所述光源20在所述光学头30一侧；
[0005] 其中：
[0006] 所述的光源20射出多种
波长的复色条形光，其光线的形状为线形。
[0007] 所述光学头30包括物镜31，分束器32，所述物镜31使多个波长的光束汇聚于不同的
位置，使光线在不同高度位置均可形成一条完整的聚焦线；
[0008] 所述测光器40包括滤光板41，
准直透镜42，光栅43，成像透镜44和面阵
传感器45；
[0009] 所述的滤光板41为不透明材料，滤光板41的中间开有一条细缝，可以使汇聚在此的光线通过；
[0010] 所述
准直透镜42使透过滤光板41的光线可以均匀地照射在光栅43上；
[0011] 所述光栅43使均匀的光线发生衍射，不同波长的光线偏转的角度不同；
[0012] 所述成像透镜44使偏转后光成像在面阵传感器45上。
[0013] 所述处理器50通过
信号线缆46所述与测光器40的所述面阵传感器45 相连接；
[0014] 所述分束器32安装在所述物镜31和所述滤光板41的细缝之间，并且可以使从所述光源20射出的复色光束经过分束器32反射至物镜31，使物体反射的光线经过分束器32沿着同轴透射到滤光板处，实现物镜31的入射与反射光同轴的目的。
[0015] 所述的一种超光谱线扫描3D测量装置，其特征在于：所述的分束器32 为半透平面镜，与光源成45°角放置。
[0016] 所述的一种超光谱线扫描3D测量装置，其特征在于：光源20采用白色LED为光源，射出为线形散射光线；蓝色波长范围到红色波长范围，不同波长的若干个可见光束的白色光W，波长约为450nm～660nm之间，光源 20位于侧面，光线
水平照射分束器。
[0017] 所述的一种超光谱线扫描3D测量装置，其特征在于：所述面阵传感器 45可以采用CCD面阵传感器还可以CMOS面阵传感器。
[0018] 所述的一种超光谱线扫描3D测量装置的测量方法，其特征在于：测量方法具体如下：
[0019] 第一步成像L：将所需待扫描物体10放于所述物镜31下方，所述光源 20水平照射所述分束器32，一部分光线经过分束器32反射至物镜31，在物镜31的作用下，光线照射至物体10表面，在物体10表面成像L；
[0020] 第二步测量成像L的位置信息和相应位置的光谱信息：在物体表面上除了成像L光线以外还有其它波长的反射光，均会通过物镜31成像在滤光板(41)方向，根据光学理论，只有在物体表面聚焦的反射光F线，才能在滤光板41上聚焦，而在聚焦的位置设置一条细缝，就可以使成像L的反射光通过，达到滤除成像L以外其它光的目的，以此确定成像L的位置信息；
[0021] 准直透镜42使透过滤光板41的光线可以均匀地照射在光栅43上，光栅43使均匀的光线发生衍射，此处没有限制光栅43的具体结构，不同波长的光线偏转的角度不同，成像透镜44使偏转后光成像在面阵传感器上，形成一套粗糙是曲线S，根据面阵传感器45接收的位置不同可判断其光谱信息；
[0022] 第三步：面阵传感器45输出的信号经由信号线缆46发送至处理器50。处理器50作为整个装置的控制部和计算部。
[0023] 第四步：处理器50接收来自面阵传感器45的信号来计算待测成像L 处的物体10表面位置信息以及相应的高度信息。
[0024] 所述的一种超光谱线扫描3D测量装置的测量方法，其特征在于：第四步的计算方式如下
[0025] (1)
像素位置计算。根据面阵传感器45上的光谱透射，拟合一条像素点组成的曲线。在X方向上，根据成像的区域就可确定X方向的像素个数；在Z方向上，反射光经过滤光板过滤后，仍然不纯净，带有其它波长的光，因此在取Z方向的像素点时，在Z方向上找到光强的峰值点，以峰值点确定像素点；
[0026] (2)校正实际位置：由于无论是在X方向还是Z方向上，像素点的位置与实际坐标都不是成线性关系，因此需要校正，根据校正表来确定实际的坐标；至此，确定了物体表面投影线位置各个点位的高度(z)以及横向宽度(x)信息。
[0027] (3)线性扫描拼接：移动测量装置或移动待测物体，以线扫描的方式对物体表面进行3D测量，拼接各个线扫描数据，得到物体的Y方向的长度信息(y)，从而得到完整的表面
云点图，根据这些云点图了拟合成曲面。
[0028] 一种超光谱线扫描3D测量装置的测量方法，其特征在于：所述的物镜31相对于普通镜头更能产生轴向色差；具体地，物镜31是入射光汇聚于平面P上的各个位置，不同波长的光汇聚于不同高度的水平线L，同一波长的形成的聚焦线的高度是相同的；白光W中包含了若干波长的可见光，在物镜31的作用下汇聚于波长对应的互不相同的聚焦线L处，所以的L均在平面P内。
[0029] 所述的一种超光谱线扫描3D测量装置的测量方法，其特征在于：面阵传感器45的具有X、Z两个方向，其中X方向表示沿测量线L的位置信息， Z方向表示某位置的光谱信息。
[0030] 如上所述，根据本实用新型，通过移动测量装置或移动待测物体，以线扫描的方式对物体表面进行3D测量，拼接各个线扫描数据，从而得到完整的表面云点图，根据这些云点图了拟合成曲面。可以高精度地对物体实现3D测量。
附图说明
[0031] 下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
[0032] 图1为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置的结构示意图。
[0033] 图2为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置物镜线扫描示意图。
[0034] 图3为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置测光器成像光路示意图。
[0035] 图4为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置处理器根据面阵传感器信号的3D测量示意图。
[0036] 图5为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置的测量方法
流程图。
[0037] 图6为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置及测量方法处理器计算方法流程图。
具体实施方式
[0038] 面将结合参考附图来说明本实用新型的实例。
[0039] 图1是本实用新型超光谱3D测量装置的结构示意图。
[0040] 为本实用新型超光谱线扫描3D测量装置及测量包括光源20，光学头 30，测光器40，处理器50，光学头30在所述测光器40下方，光源20在所述光学头30一侧；
[0041] 所述的光源20射出多种波长的复色条形光，其光线的形状为线形。光源20采用白色LED为光源，射出为线形散射光线；蓝色波长范围到红色波长范围，不同波长的若干个可见光束的白色光W，波长约为450nm～660nm 之间，光源20位于侧面，光线水平照射分束器。
[0042] 光学头30包括物镜31，分束器32，物镜31使多个波长的光束汇聚于不同的位置，使光线在不同高度位置均可形成一条完整的聚焦线。
[0043] 分束器32安装在所述物镜31和滤光板41之间，滤光板41的细缝正对着物镜31，并且可以使从所述光源20射出的复色光束经过分束器32反射至物镜31，使物体反射的光线经过分束器32沿着同轴透射到滤光板处，实现物镜的入射与反射光同轴的目的。光源20发射光线，一部分经过分束器32反射至物镜31，在物镜31的作用下，光线照射至物体表面，在物体表面成像。分束器32为半透平面镜，与光源成45°角放置。
[0044] 如图2所示，物镜31相对于普通镜头更能产生轴向色差。具体地，物镜31是入射光汇聚于平面P上的各个位置，不同波长的光汇聚于不同高度的水平线L，同一波长的形成的聚焦线的高度是相同的。白光W中包含了若干波长的可见光，在物镜31的作用下汇聚于波长对应的互不相同的聚焦线 L处，所以的L均在平面P内。
[0045] 白色光W中若干波长的可见光束在聚焦面上彼此分离，不同波长的光分别在聚焦面是不同位置成像。注意图2中只给出了四种波长的可见光成像示意图。
[0046] 如果待测物体1表面高度不一，在表面不同位置线条成像的光线波长也就不一样，而
颜色信息也就反应了物体表面的高度信息。图2中给出四种波长的光线分别是λ1、λ2、λ3、λ4，这四种波长在聚焦面P成的像分别是 L1、L2、L3、L4，其中成像L2、L3分别在物体1的高面和低面位置，成像L1、 L4则在物体表面以外，在物体表面成像的若干Ln最终汇聚成投影线L。
[0047] 同时，物镜31使聚焦在物体表面的成像L反射的可见光汇聚到测光器 40的滤光板41上。具体地，成像L会反射散射光线，反射的光线经过物镜31发生产生汇聚，反射光F线在经过分束器32，一部分反射光F线透射至滤光板41。
[0048] 测光器40是用于测量成像L的位置信息和相应位置的光谱信息。测光器40包括滤光板41，准直透镜42，光栅43，成像透镜44和面阵传感器 45；
[0049] 所述的滤光板41为不透明材料，滤光板41的中间开有一条细缝，可以使汇聚在此的光线通过。具体地，在物体表面上车除了成像L光线以外还有其它波长的反射光，均会通过物镜31成像在滤光板41方向，根据光学理论，只有在物体表面聚焦的反射光线，才能在滤光板41上聚焦，而在聚焦的位置设置一条细缝，就可以使成像L的反射光通过，达到滤除成像L 以外其它光的目的。
[0050] 如图3所示，准直透镜42使透过滤光板41的光线可以均匀地照射在光栅43上。光栅使均匀的光线发生衍射，此处没有限制光栅43的具体结构，不同波长的光线偏转的角度不同，成像透镜44使偏转后光成像在面阵传感器上，形成一套粗糙是曲线S，根据面阵传感器45接收的位置不同可判断其光谱信息。
[0051] 如图4所示，面阵传感器45包含两个方向的若干个受光元件，各个受光元件可接收反射光F的光谱信息以及位置信息。面阵传感器可以采用CCD 面阵传感器或者CMOS面阵传感器。
[0052] 面阵传感器的具有X、Z两个方向，其中X方向表示沿测量线L的位置信息，Z方向表示某位置的光谱信息，在面阵传感器上成像的位置取决于反射光F的波长和位置参数。
[0053] 面阵传感器45输出的信号经由信号线缆46发送至处理器50。处理器 50作为整个装置的控制部和计算部，处理器55接收来自面阵传感器45的信号来计算待测物体表面L处的位置信息以及相应的高度信息。
[0054] 如图5、图6所示，一种超光谱线扫描3D测量装置的测量方法，测量方法具体如下：
[0055] 第一步成像L：将所需待扫描物体10放于所述物镜31下方，所述光源 20水平照射所述分束器32，一部分光线经过分束器32反射至物镜31，在物镜31的作用下，光线照射至物体10表面，在物体10表面成像L；
[0056] 第二步测量成像L的位置信息和相应位置的光谱信息：在物体表面上除了成像L光线以外还有其它波长的反射光，均会通过物镜31成像在滤光板(41)方向，根据光学理论，只有在物体表面聚焦的反射光F线，才能在滤光板41上聚焦，而在聚焦的位置设置一条细缝，就可以使成像L的反射光通过，达到滤除成像L以外其它光的目的，以此确定成像L的位置信息；
[0057] 准直透镜42使透过滤光板41的光线可以均匀地照射在光栅43上，光栅43使均匀的光线发生衍射，不限制光栅43的具体结构，不同波长的光线偏转的角度不同，成像透镜44使偏转后光成像在面阵传感器上，形成一套粗糙是曲线S，根据面阵传感器45接收的位置不同可判断其光谱信息；
[0058] 第三步：面阵传感器45输出的信号经由信号线缆46发送至处理器50。处理器50作为整个装置的控制部和计算部。
[0059] 第四步：处理器50接收来自面阵传感器45的信号来计算待测成像L 处的物体10表面位置信息以及相应的高度信息。
[0060] 其中第四步的计算具体如下：
[0061] (1)像素位置计算。根据面阵传感器45上的光谱透射，拟合一条像素点组成的曲线。在X方向上，根据成像的区域就可确定X方向的像素个数；在Z方向上，反射光经过滤光板过滤后，仍然不纯净，带有其它波长的光，因此在取Z方向的像素点时，在Z方向上找到光强的峰值点，以峰值点确定像素点；
[0062] (2)校正实际位置：由于无论是在X方向还是Z方向上，像素点的位置与实际坐标都不是成线性关系，因此需要校正，根据校正表来确定实际的坐标；至此，确定了物体表面投影线位置各个点位的高度(z)以及横向宽度(x)信息。
[0063] (3)线性扫描拼接：移动测量装置或移动待测物体，以线扫描的方式对物体表面进行3D测量，拼接各个线扫描数据，得到物体的Y方向的长度信息(y)，从而得到完整的表面云点图，根据这些云点图了拟合成曲面。
[0064] 此外，在以上说明中，使用白色光作为位置测量所用的包括多个可见光束的光。本实用新型不限于此，并且还可适用于使用其它宽带光。例如紫外线或红外线等也具有不同波长的情况。
[0065] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的技术工人来说，再不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本实用新型的保护范围。
