20年来距离探测器的发展历程[1]

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1、20年来距离探测器的发展历程Franc,ois Blais加拿大国家研究委员会信息技术研究所渥太华，安大略K1A-Or6加拿大E-mail: Francois.Blaisnrccnrc.gc.ca 摘要：我们回顾了 20年来三维激光成像领域的发展状况，其中的重点是回顾商业技术 和现在可应用的系统。它涵盖了一些无论是在加拿大国家研究委员会还是其他地方最重 要的理念，其中重点是经过多年测试能够代表这种技术的商业系统。1 前言近20年来非接触式光学表面扫描器有了很大的发展，众多公司现在纷纷推出三维 距离探测器系统说明这种基于三维的技术已经成功的通过了 1980s各个实验室最初阶段 的研究测试以及19

2、90s大量的实例验证。在强有力的算法和数据处理软件的辅助下，立 体显示在三维图像方面往往表现的比二位的更好用可靠。但是和二维成形系统相比，三 维成形系统还处于比较初级的阶段。一般来说，三维在图像质量、绘制和使用方便性上 在几年时间内仍然处于下风。Jarvis在1983年调查了多种获取激光影像的方法，Bwsl在1986年对不同的距离 测量技术和商业系统做了一个概述。在当时，这些商用系统的数量要比现在少的多，但 是他仍然提出了一种比较好的方式来比较探测器的功能。稍近些时间，Tiziani and Chen， Brown， and Song对主要用来进行物体建模的一些技术进行了全面的调查。虽 然今天

3、三维物体成形技术在快速的发展，但它们仍然只是三维探测技术的一个小方面。 这项工作表明这个技术有着良好的工业应用前景，无论是从检查监测还是进行三维物体 建模。这项工作的目的是对过去20年来这个技术的研究和实际工作做一个尽快的回顾。 为了避免产生一些历史性的错误结论，它将着重于加拿大股价研究理事会（NRC）所作 的一些研究以及用来开发距离探测器的一些关键技术和部件的发展。这种进展并不是 NRC独有的，其他的一些机构也会有类似的结论。此外，它还有助于解释当前的一些产 业发展趋势。考虑到尽管新的传新能较快的实施，但是原始技术往往要花费5到10年 来由最初的实验室技术商品化，因此工业系统是过去和近期工作

4、的一个很好的指示。虽然工作远未完成，但已经知道它包括了将近80家提供各种三维探测系统的公司弟集読片同足的反射題T轴扫描器被測物的概述。当然，并不是所有的公司都会被 列出来，但是对这些公司的挑选是基于它 们的创新，特殊设计，距离探测实现方 法以及具体应用的。附录含有更多的评论 和技术资料，以支持结论。2距离探测器的发展状况三维激光距离探测器是紧随着新兴的 电子元件光电新技术的应用而得到实际 开发的。基于三角测量法的距离测量的原 理已经有数个世纪的历史了，这个原理是 由希腊的航海领航员和天文学家论证出 来的，希腊人Eras tot henes利用阳光照 射产生的影子测量出了地球的圆周，这在 两千年

5、前是非常骄人的成绩。两次世界大 战期间，军队中开始大量使用被动式光学 测距仪。在二十世纪70年代和80年代初, 低成本的发光设施、其他光电器件的应用 以及微机的引入使得用于工业生产的成本较低的自动距离探测系统被开发出来。起初， 这些位置敏感器件大都是模拟性质的。例如，横向效应光电二极管和摄像型相机用来将 光学信息转化为电信号，然后在进行处理提取各种信息。由于偏差和漂移电子的限制， 这些技术用起来很不方便而且几乎无法进行校准。图1：采用纵向同步（顶）和横向同步（底部）的单点激光扫描。不用改变三维照相机的视 野便可实现距离放大、免受自然光干扰。2.1单点激光扫描仪在20世纪70年代，已经由少数的研

6、究实验室开始从事三维方面的研究，他们通常 采用平面光和模拟发射法来进行研究。在1983年，Jarbisl发表了对这些工作的一个评 估。在80年代初,NRC开始以基于三角测量法的三维距离探测器为重点的三维工程研究。 采用了快速扫描镜原理（如图1所示）的同步激光扫描仪被NRC和其他实验室引入研究 中。带有激光发射装置的同步光学探测器的优点是可以加载长焦距镜头变焦结构（见第 5节附录）。与成十倍的性能提高相比下，它的额外费用就是微不足道的了。一开始使用 气体激光器，获得的频率为200kHz，后来配备了新型LEPs视频率又提高到10MHz。今 天仍然在采用不同光学原理和扫描方法的研究来得到基本相当准视

7、频率用来研究电子 产品包装和焊接的自动检查。在随后几年里，数种使用几何成形LEP或者特殊设计的面板的探测器的概念被提出 来。CCD阵列的引入对于基于三角测量法的三维主动式距离探测器的研究产生了重大突 破。而NRC则开创了采用直线型2048像素CCD的新时代。采用全数字法进行激光定位 已经可以实现，同时它使距离数据更为准确和稳定。虽然处理速度比较慢，但是CCD探 测器的数据要更准确和稳定，若再加上实时像素数字高峰检测算法，它的距离分辨率为 0.1%而其他的监测器则是1%。我们可以通过操作来降低获得的速度，一般是采用更准 确的检流计型扫描装置而不是使多边形镜子快速旋转。现在最初用于光谱学应用的更快

8、更大的CCD像素阵列（例如ret icon）已经被商品 化了。如果加上较好处理设备，这些装置推射程准确性可达0.01%,，因而需要创造新的、 更准确的检流计来获得0.01%的指向精度。激光位置检测技术现在主要受到物理学和光 学发展的限制，而检测器的功能却迅速的超出了当年Besl所提出的检测器本身的那些 优点。其他的几种类型被开发用于支持对眼睛不会造成伤害的激光器（1.5“m）最初 是使用光纤光泵激光器后来是激光器二极管、飞行时间测量（TOF）、外加白色礌射源的 色彩检测（RGB）、光学色彩分离、色彩位置和强度峰值检测技术。大部分的三角测量原理、装置和技术都是在1980年代提出的，例如纵向和横向

9、同 步技术、电声和压电检流计、微透镜、棱镜全息扫描器。研究还着重于检测光斑位置 算法，新的线型探测器，并行阵列，带面板的探测器，schleimpflug条件的使用和其 他提高精度减少噪音同时维护激光散斑整体形状信息的光学和数值方法。it；CCD物体射到物体上的光点清晰。今天，单点三维激光扫描仪还有许 多技术优势。对于给定体积的测量整个 CCD的长度可以进行最优化，从而比单 缝扫描仪能有更高的分辨率和精确度。 激光调制和控制可以在像素基础上被最 优化来增加金属和其他反射面产生的反 馈信息的SNR。由于使用了如检流计和 大型线性阵列CCD像素之类扫描机械设 备和一些特制元件，价格方面单点三维 激光

10、扫描仪自然比单缝扫描仪高一些。 图2三角测量基本原则；形象的定位是直接与CCD的射程相关。重点是利用激 光并取得schleimpflug条件。图3双向测量三角测量法会增加测量数 据来提高制造精度和消除错误读取。图4采用双孔径面板即可有相同的优 点，而不需要进行双向检测。图1-4是单点三角测量探测技术的 测量过程实例。这些图片中均采用专业 光学镜片设计和光线追踪方法，说明它 的基本原理以及详细的图像生成和散焦 过程。基本原理如图2所示，当明暗相 间的激光束发射到物体的表面，由于表 面高度的不同，不同的影像被投射到CCD 上。图片中不依赖于光栅的为CCD提供 最佳影像效果的Schleiflug角度

11、被详细 的展示出来。倾斜的探测器用来保证发理增加激光散斑噪音方面的高功率（在2.3章和第6章的附录B会进行详述）。图3所示的双向测量有两个目的:测量中增加的数据能够将测量精度提高1.414倍， 并且在同一时间两个测量方向可以不等验证；激光影像会在两个CCD中对称展现，而物 体外部的点则不会对称（例如，镜面对阳光发射造成的干涉）。图4中所展示的方法可 以在只是用一个CCD来实现与图3中相同的优点。双孔径面具（Bi-Iris）插入镜头下的 隔板在CCD探测器产生P1和P2对两点和一个唯一的峰点位值/峰点分离处。图1中显 示了两个实例，使用检流计和反射镜来使单点激光器在一个物体表面扫描的同步扫描技

12、术。这种技术中，成像和投影光路是机械同步的。2.2单缝扫描器由于单缝扫描仪的机械和 光学结构简单并且价格低廉， 它是现在使用最为广泛的三角 测量型三维激光相机。单缝扫 描仪是线型单点探测器的一种 改进型，它可以在单一视频帧 中同时进行激光投影和对完整 轮廓点的检测。激光线被直接 投射到物体上并成一定角度成像，而不是使用多种单点扫描探针或昂贵的机械装置（流 计、多角形扫描器）。如图5所示，由于距离的原因，剖面将产生变形。图5狭缝扫描器是图2所示原理的一种延伸产品。由于简单的设计因此准确性和视野 不能兼顾（见第五节附录A）。1980年代，CCD阵列的使用消除了上面的问题，并且很快的淘汰了显像管和视

13、像管 摄像机。低成本的激光器在1980年代末淘汰了气体激光器，并且导致紧凑传感器头的 产生。最近推出了一种低成本的互补金属氧化物半导体（CMOS）探测器，它包含数字转换 芯片加工、高速数字总线接口、强大的电脑，从此扫描无需购置专用帧获取器和专门 电子设备。单缝扫描器最大的缺点便是视野和准确性无法进行兼顾（见第五节附录A）。视野通 常是在20到30度的角度下的，如果增加视野，那么光学变形图案度便会产生；但是通 过柱面透镜可以增加一个有趣的60度的视野。第二个缺点便是对于周围环境光的抗干物体丨丫I国您扰能力差。因激光功率随激光线的传播而 降低，同时因为传感器必须对整个场景成 像，光信噪比率也会降低

14、。即便使用低通 光学干涉滤波器，强的环境光线仍然会干 扰到测量。并不只是在室内如此，在室外 这仍然是个严重的问题，因此开始出现对 自动化设备的使用。现在已经提出了好几 种理论，例如深色帧减法和如图3和4所 示的方法进行距离数据冗余。但是这些方 法都不能消除探测器饱和的问题。使用小型的探测器和在单一集成电路上集成更多象素和功能都可以降低成本。一开始摄像型探测器是1英寸大，然后出现了 2/3和1/2英寸大的CCD,起初CMOS阵列是1/3英寸大，而现在可以达到1/4英寸大小。虽然由于像素数较大而横向分辨率得到提高，但是那些新的CMOS探测器的总体光学性 能和射程仍然没有得到改观甚至还要低些。如果在

15、理想的光线环境、斑点噪声下，那么 使用2/3英寸的CCD便可以使光学分辨率达到物理极限（见第五节的附录A）。这些物理 极限已经成为今天主要的障碍，必须要在研究新的重大创新来解决它。图6 LCD投影系统在物体便面投射一个放大的投影像素图像，这会限制横向分辨率但 是可以在一个视频帧里同步测量。焦量是由投影一和探测器的焦距共同决定的。生产商为了成本的原因必须去掉很多创意。例如，在Schleimpflug条件中很少使用单缝扫描器，这样大大降低了透视深度，当然如果不检查表面缺陷深度影响就不大。不过，由于没有在制造说明书中指明，许多用户往往惊讶测试系统有庞大的体积，可却 达不到自己期望的性能。2.3图像投

16、影和莫尔光栅图像技术使用大量的条纹或者图像同时的投射到物体上，如图6所示，而非用单一 激光点机械的在表面进行扫描然后处理独立点所形成的剖面。莫尔光栅的原理是利用两个刚好配对的光栅，对投射的光进行空间振幅调制，然后 照相机光栅对视野的图像进行解调，生成相位和距离成比例的干涉带。莫尔光栅投影算是一种基于三角测量的理论，稍后将在第五节附录a 中详述。其他的理论仅仅使用莫尔光栅投影和软件对 信号进行解调。莫尔图案善于处理有较大的平面和小 的深度变化的物体表面。为了避免产生莫尔图案（数 倍n的相位测量）难以进行相位鉴别的问题，提出了 很多的方法，最常见的是表面连续性算法。其他一些方法提出了使用投影图案和检测使用测 距系统在不同方向得到的图案。当多条激光线发射的 时候，为了确定检测有效而使用双孔径面板，而面板 会在距离测量中产生冗余数据。为了将这些冗余数据利用起来，可以使用一个圆形的