激光三角測量技術(shù)的應(yīng)用與前景

作者簡介

陶衛(wèi)（1975—），女，博士，研究員，上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，主要從事光電傳感器與檢測技術(shù)、生物信息檢測技術(shù)方向的研究，E-mail:taowei@sjtu.edu.cn

摘要：

在中國制造2025的大背景下，隨著智能制造與裝備、高新精密加工及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，對非接觸精密測量的要求不斷提高。激光三角測量法以其精度高、穩(wěn)定性好、壽命長、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各個不同的測量場景。針對激光三角測量技術(shù)展開調(diào)研，介紹激光三角測量技術(shù)的原理及關(guān)鍵技術(shù)。詳述激光三角測量技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、航天軍工、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用，重點涉及高精度、高速度、復(fù)雜物面與環(huán)境的智能測量。結(jié)合激光三角測量技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)潮流趨勢，簡析激光三角測量技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用前景。

0  引言

進入21世紀(jì)以來，隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)科學(xué)研究的突破、材料加工水平的提高以及計算機信息技術(shù)的應(yīng)用改變了人們的生活。近年來，人工智能技術(shù)的飛躍，促使工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物、物流、軍事以及社會服務(wù)等諸多領(lǐng)域不斷走向自動化與智能化。精準(zhǔn)的信息感知是自動化與智能化的前提和基礎(chǔ)，其對精密測量技術(shù)提出了更高的要求。其中，接觸式測量由于操作復(fù)雜、易產(chǎn)生形變誤差、耐久性差等原因，無法滿足一些測量場景的需求，逐漸被非接觸式測量方法替代。

激光具有單向性好、亮度高、能量集中且穩(wěn)定的特性，被廣泛應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域?；诩す獾姆墙佑|測量方法有干涉法[1-2]、脈沖法[3-4]、相位法[5-6]和三角法。干涉法利用反射條紋的明暗變化測量距離，精度高（可達nm量級），但僅適用于微距離測量。脈沖法對測時技術(shù)及電子元器件要求較高，且測量誤差較大（精度m級），僅適用于大場景測量。相位法利用激光往返相位差計算測量距離，適用于中距離測量(精度mm級)。相較而言，三角法具有測量速度快、精度高（μm級）、穩(wěn)定性好、成本低的特點，目前可以實現(xiàn)中、短距離的測量，應(yīng)用場景更為廣泛。

本文重點圍繞激光三角測量方法在不同場景的應(yīng)用進行了調(diào)研。首先，介紹激光三角測量法的原理及關(guān)鍵技術(shù)難點；接著，詳述激光三角測量法在高精度、高速度、復(fù)雜物面及環(huán)境下的測量應(yīng)用；最后，結(jié)合激光三角測量技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及科技發(fā)展趨勢，簡要剖析激光三角測量法的應(yīng)用前景?；趯す馊菧y量技術(shù)的應(yīng)用與前景調(diào)研總結(jié)，為研究人員或工程人員在實際應(yīng)用中選擇合理的方法提供參考。這將有助于明確激光三角測量技術(shù)的進一步發(fā)展方向。

1  激光三角測量技術(shù)原理

激光三角測量技術(shù)原理如圖1所示。

（a）一維點激光三角測量法     （b）二維線激光三角測量法

圖1  激光三角測量技術(shù)原理圖

Fig.1  Principle of laser triangulation technology

由圖1可知：將點激光或線激光投射到被測物表面，經(jīng)過發(fā)射鏡組調(diào)制后，在物體表面形成具有一定大小和形狀的光斑或激光條紋；接收鏡組將激光光斑或條紋成像到光電成像器件上，采用相關(guān)圖像處理技術(shù)得到光斑像素中心或條紋中心線；將被測目標(biāo)的位移或形狀變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娞綔y器上成像點（線）的位置變化，通過幾何三角關(guān)系可以準(zhǔn)確計算出一維位移、二維輪廓或三維表面形貌[7-8]。

光源和成像器件是激光三角測量中兩個主要光電器件。考慮到成本、質(zhì)量以及連續(xù)發(fā)光等要求，現(xiàn)有激光三角測量系統(tǒng)主要以半導(dǎo)體激光二極管作為光源。常用成像器件有光電位置傳感器（position sensitive detector，PSD)、互補金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）和電荷耦合元件（charge coupled device，CCD）。PSO、CMOS和CCD性能比較如表1所示。現(xiàn)階段主要以CMOS和CCD為主。

表1  PSD、CMOS和CCD性能比較

Tab.1  Performance comparison of PSD，CMOS and CCD

2  激光三角測量關(guān)鍵技術(shù)

激光三角測量技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展，雖已趨于成熟，但由于技術(shù)手段的不斷革新，仍存在許多有待解決的問題。其中，涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)。

①光學(xué)建模技術(shù)。

對于激光三角測量系統(tǒng)而言，光學(xué)模型在源頭上決定了測量系統(tǒng)的精度。現(xiàn)有激光三角測量技術(shù)大多基于理想的幾何光學(xué)模型，光束在傳輸?shù)膶嶋H過程中由于反射、透射和漫射造成能量的損失，最終在光敏器件上的成像結(jié)果與理論存在一定的偏差。建立接近實際的光學(xué)模型，能夠從本質(zhì)上提高激光三角測量系統(tǒng)的精度。所以，光學(xué)建模是一項核心技術(shù)[9]。

②電路信號處理技術(shù)。

電路信號處理模塊對成像器件的信號進行整流、濾波和放大，對激光成像光斑或條紋進行初步的濾噪，減輕了后續(xù)頂層算法的工作量，進一步提高了測量精度。

③成像圖像處理技術(shù)。

通過頂層算法，對激光三角法得到的激光光斑或條紋進行處理，準(zhǔn)確獲取光斑的中心點深度信息或激光的條紋中心線。在實際場景中，往往難以獲得理想的中心點或中心線。因此，兼顧精度、速度和魯棒性的智能提取算法是激光三角測量中的一大技術(shù)難點[10]。

④標(biāo)定及誤差補償技術(shù)。

通過標(biāo)定的方法進行誤差補償，是確保系統(tǒng)測量精度的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對于一維激光三角測量系統(tǒng)的標(biāo)定工作，可以采取非線性方程求解、插值和擬合的方式。而二維激光三角測量系統(tǒng)的標(biāo)定工作就復(fù)雜得多。技術(shù)人員分別采取了平面、鋸齒形、凹凸量塊作為標(biāo)定物進行標(biāo)定[11-13]。但這些方法或過于復(fù)雜，或難以保證標(biāo)定物的加工精度。因此，需要研究操作簡單且可靠的標(biāo)定方法[14]。

3  激光三角測量技術(shù)的應(yīng)用

3.1  高精度微位移測量

隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各領(lǐng)域?qū)ξ⑽灰频母呔葴y量需求不斷增大，例如航天軍工、超精密工業(yè)生產(chǎn)以及生物信息檢測等。激光三角法測量分辨力可達μm量級，適用于超精密微位移測量的場合。

工業(yè)精密測量與裝配中，小尺寸器件（膠片、芯片、微軸承等）的高精度檢測對產(chǎn)品的質(zhì)量起到重要的作用。在汽車制造工業(yè)中，汽車輪胎膠片兩端搭接牢固程度決定了輪胎的質(zhì)量，關(guān)系到汽車的行駛安全。馮召東[15]基于線激光三角測量，根據(jù)采集到的激光點云數(shù)據(jù)，通過投影進行三維重建，獲得輪胎膠片的三維形貌。此外，馮召東通過主成分分析的方法提取激光條紋中心線，進一步提高了測量精度。在電路板芯片貼片工業(yè)流程中，需要保證芯片引腳具有較高的共面度。這對精密測量及定位提出了更高要求。同時，為了保證芯片在檢測過程中不受磨損，非接觸式三角測量法成為了首選。魏澤等[16]基于線激光三角法實現(xiàn)對芯片引腳共面度高精度檢測，利用隨機抽樣一致(random sample consensus，RANSAC)算法對芯片引腳進行分割，并通過均值聚類確定激光點云數(shù)據(jù)中引腳位置，對數(shù)據(jù)平面進行最小二乘擬合，以實現(xiàn)對芯片引腳的共面度評價。上海交通大學(xué)陳家興等[17]研究了光斑的高精度定位算法，應(yīng)用于自主研發(fā)的激光位移傳感器中，解決了3C等領(lǐng)域的高精度在線測量問題。

在生物檢測與醫(yī)療領(lǐng)域中，激光三角法主要用于對物體表面三維結(jié)構(gòu)信息的獲取或精確定位，例如對牙齒的三維形貌掃描以輔助進行牙齒矯正治療，在微創(chuàng)手術(shù)過程中也可利用激光三角法進行實時定位導(dǎo)航[18]。近年來，國內(nèi)外諸多不同領(lǐng)域研究學(xué)者將激光三角測量與原子力顯微鏡相結(jié)合，進行細胞操作或納米材料合成的相關(guān)基礎(chǔ)研究工作[19]。

3.2  高速動態(tài)測量

激光三角測量法具有較快的響應(yīng)速度，被廣泛應(yīng)用于各種高速動態(tài)測量及安全監(jiān)測場景中。

在工業(yè)生產(chǎn)線中，靜態(tài)檢測往往耗時長。動態(tài)檢測能夠大大提高產(chǎn)品檢測的效率，提升生產(chǎn)線的自動化程度。點膠機對電路板或相關(guān)元器件進行點膠工作時，需要快速移動點膠機針頭進行相關(guān)定位操作。其中，接觸式點膠機分液時需要對Z方向間隙高度進行精準(zhǔn)的動態(tài)控制。大連理工大學(xué)張青青[20]利用激光三角原理制成的測距傳感器，實現(xiàn)對點膠機高度間隙精準(zhǔn)控制,在動態(tài)移動過程中的測量精度可達5 μm。

激光三角測量法近年來被廣泛應(yīng)用于鐵路交通運輸行業(yè)的動態(tài)安全監(jiān)測[21]。輪緣厚度和輪緣寬度是保證列車安全的關(guān)鍵參數(shù)。Jian等[22]提出了一種基于激光位移傳感器的輪對輪緣厚度和輪緣寬度實時測量方法，將三個激光位移傳感器夾在鋼軌上，光線穿過鋼軌之間的縫隙。輪緣厚度和輪緣寬度可由三個激光位移傳感器進行動態(tài)實時測量。Gigada等[23]利用激光三角測量法對車輛在行駛過程中的道路紋理進行實時檢測，以獲得路面與輪胎之間的摩擦因數(shù)，為車輛速度的控制提供寶貴的提示信息。上海交通大學(xué)在國家863項目的支持下，基于線激光和視覺檢測技術(shù)，成功研制我國首臺高速鐵路扣件在軌探測系統(tǒng)[24]。

3.3  復(fù)雜物面測量

實際測量物面往往未必規(guī)則，性狀比較復(fù)雜，例如曲面、粗糙度以及顏色變化等。激光三角測量法可通過光路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和相關(guān)補償算法，實現(xiàn)對復(fù)雜物面的普適應(yīng)性測量。

曲面測量容易產(chǎn)生遮擋、成像光斑漂移等現(xiàn)象。Clark J.等[25]利用偏振光作為激光三角測量系統(tǒng)的光源，實現(xiàn)對金屬曲面的精準(zhǔn)測量。為了進一步提高激光三角測量法對曲面的測量速度，Liu等[26]利用線激光三角測量法在曲面投影出形貌特征并進行三維測量，實現(xiàn)了曲面的高精度高速度測量。

對粗糙度較大的物面進行測量時，由于其表面特性存在大量微小凹凸，導(dǎo)致激光束達到物面后形成不規(guī)則的反射。對于激光三角法測量而言，多重不規(guī)則反射將導(dǎo)致成像器件出現(xiàn)多個光斑造成干擾并影響測量精度。Keyence提出一種多重反射消除算法（multiple reflection cancel，MRC），通過比較成像器件兩幀波形的相關(guān)性，濾除了由于多重反射造成的成像干擾，實現(xiàn)了對粗糙物面的精準(zhǔn)測量。

物體表面由于顏色的變化將導(dǎo)致折射率的不同，使得激光三角法成像系統(tǒng)獲得的光斑強度發(fā)生變化，導(dǎo)致輸出位移值偏差。Jung等[27]提出了一種基于三角測量的PSD強度控制方法，實現(xiàn)了對目標(biāo)顏色變化的高度線性控制。上海交通大學(xué)現(xiàn)代傳感與光電檢測研究室提出了一種光強自適應(yīng)算法以適應(yīng)目標(biāo)物不同顏色造成的光強變化，同時采用光學(xué)系統(tǒng)建模的方法對成像光斑形狀進行修正，以提高普遍適用性[28-29]。

3.4  復(fù)雜環(huán)境測量

環(huán)境的不可抗因素對測量精度的影響不可忽視?，F(xiàn)代智能制造及裝備要求測量系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境變化，激光三角測量技術(shù)可適應(yīng)多種復(fù)雜測量環(huán)境[30]。

水面環(huán)境由于流體的運動，會導(dǎo)致測量面的不穩(wěn)定。Liu等[31]采用單點激光三角法實現(xiàn)水面油膜厚度的在線測量。激光入射到被測油膜的上下表面并形成光斑，兩個光斑經(jīng)光學(xué)鏡組在CCD上成像。通過成像點的位移和成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以得到被測油膜的厚度。

激光三角測量法也被應(yīng)用于各類高溫場測量場景中。玻璃生產(chǎn)環(huán)境溫度最高達600 ℃。Wang等[32]基于激光三角測量法并利用溫度補償曲線進行修正，對玻璃厚度進行實時監(jiān)測，提高了生產(chǎn)效率。孫德榮[28]利用單點激光三角法，提出一種二值化處理方法，實現(xiàn)了對高溫超導(dǎo)磁懸浮列車懸浮高度的測量。

太空環(huán)境因輻射、溫度等因素影響而尤為復(fù)雜，航天器對大型空間站進行表面巡檢，是保證空間站長期安全、穩(wěn)定工作的前提，巡檢航天器與空間站的相對導(dǎo)航需以超高精密測量技術(shù)為基礎(chǔ)。王振宇等[33]利用線激光三角測量系統(tǒng)與慣性位姿推算系統(tǒng)組合的方式，以獲取巡檢飛行器與空間站的相對導(dǎo)航參數(shù)；利用噴氣動力裝置適時調(diào)整激光器與相機的相對位置，以確保成像圖像的質(zhì)量；通過與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的進一步融合，提高了巡檢導(dǎo)航系統(tǒng)的整體精度。上海交通大學(xué)陶衛(wèi)等在該方面做了大量的工作，通過激光三角位移傳感器實現(xiàn)了空間飛行器姿態(tài)的精確測量。

4  激光三角測量技術(shù)的發(fā)展前景

激光三角測量技術(shù)經(jīng)國內(nèi)外研究人員多年積累，技術(shù)逐漸趨于成熟，但仍有許多關(guān)鍵技術(shù)待解決。激光三角測量技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用前景及趨勢如下。

①微型化。光學(xué)鏡片、電路集成以及微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system,MEMS)加工技術(shù)的進步，為激光三角測量系統(tǒng)的微型化提供了技術(shù)支撐，實現(xiàn)了激光三角技術(shù)在極小空間的測量。

②智能化。在計算機和人工智能技術(shù)不斷突破創(chuàng)新的時代浪潮下，智能算法提高了激光三角測量系統(tǒng)的工作效率和普遍適用性。通過“以軟代硬”的方式，實現(xiàn)了復(fù)雜物面及復(fù)雜環(huán)境的自主適應(yīng)并完成測量工作。

③大量程?，F(xiàn)階段激光三角測量法主要應(yīng)用于中短距離測量，由于接收鏡組邊緣成像畸變及成像器件的非線性導(dǎo)致量程遠端誤差較大。隨著光學(xué)理論研究及技術(shù)的不斷發(fā)展，利用光學(xué)模型進行系統(tǒng)誤差補償，進一步擴大了激光三角測量法的工作量程。

④多參數(shù)。隨著復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)水平不斷提高，激光三角測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)多個子系統(tǒng)嵌套組合的模式，以實現(xiàn)多參數(shù)同步測量。以機器人位姿測量為例，激光三角測量系統(tǒng)將實現(xiàn)對機器人位置及姿態(tài)參數(shù)同步輸出。

⑤多傳感融合。多傳感器融合技術(shù)運用于激光三角測量系統(tǒng)，利用激光、視覺圖像與慣導(dǎo)技術(shù)的深度融合實現(xiàn)信息全方位檢測，可廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、公共安全監(jiān)測等一系列大樣本數(shù)據(jù)智能感知應(yīng)用場景。

5  結(jié)束語

激光三角測量技術(shù)是一種經(jīng)典的非接觸高精度測量方法。隨著現(xiàn)代光電技術(shù)、MEMS加工技術(shù)、計算機智能技術(shù)的進步，激光三角測量技術(shù)在光學(xué)模型、電路集成、軟件算法等各個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)不斷發(fā)展，多年來一直被廣泛應(yīng)用于各種測量場景。激光三角測量法被應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空航天、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域，既可進行靜態(tài)超高精度測量，又可進行高速動態(tài)跟蹤測量；同時，通過各種算法融合，可實現(xiàn)對復(fù)雜物面和復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性測量。

未來，激光三角測量技術(shù)依舊具有廣闊前景和研發(fā)價值，它將朝著微型化、智能化、大量程、多參數(shù)以及多傳感融合的方向不斷發(fā)展。