一种点扫描三维测量系统振镜标定方法

摘要

一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，它有七大步骤；首先进行系统建模得到振镜偏转角表达式；然后调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，测量此平面，由实测数据投影到标准平面得理想数据，利用该数据计算振镜偏转角，拟合其与驱动电压的关系式，利用该关系式再次测量标准平面；重复该过程，直到实测数据到标准平面的标准差小于给定值，得到振镜偏转角度和对应驱动电压的准确关系式。建立两振镜相互影响关系，描述两振镜轴线不垂直误差，修正关系式以提高标定精度。本发明在光学三维测量及激光加工技术领域里有较好的实用价值。

主权项

一种点扫描三维测量系统振镜标定方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤一：系统建模，得到振镜偏转角表达式；该系统利用双振镜偏转激光束实现二维扫描，通过探测器上光斑位置和双振镜的偏转角来获得被测点的空间三维坐标；其中，d为点P与点B沿Z轴方向的距离，通过成像光线上的点列交比不变性求得：θ表示X振镜偏转角，表示Y振镜偏转角，其它变量均为已知量；步骤二：调整标准平面位于已知位置并垂直于系统主方向，测量该平面，给定平面测量允许的实测标准差δ₀；步骤三：计算实测数据相对于标准平面的标准差δ，判断是否δ<δ₀；步骤四：将实测平面数据投影到标准平面得理想测量数据，利用式(1)计算对应的振镜偏转角；由(1)式，得X、Y振镜偏转角θ、的表达式分别为：$\theta =a\tan \frac{x_{P^{\prime }}(d+z_B)-z_{P^{\prime }}{x}_B}{z_{P^{\prime }}(d+\mathrm{AB})}/2---\left(2\right)$步骤五：对得到的振镜偏转角和驱动电压关系进行多项式拟合，采用三阶拟合方式以保证拟合残差均匀分布在零点上下，残差范数尽可能小；标定X振镜，先令Y振镜处于初始位置不动，即只令X振镜偏转来进行测量，将实测数据投影到标准平面得理想测量数据，利用该数据通过式(2)计算θ，拟合θ与对应振镜驱动电压v_x的关系；迭代进行该过程直到实测数据到标准平面的标准差δ小于给定值δ₀时，所得X振镜偏转角θ与驱动电压v_x关系式为：$\theta \left(v_x\right)=a_3{v}_x^3+a_2{v}_x^2+a_1{v}_x+a_0---\left(4\right)$其中各参数a₃＝‑0.003796，a₂＝‑0.0001835，a₁＝2.089，a₀＝‑0.001278；标定完X振镜后，以标定后的X振镜角度作为已知量，根据(3)式计算相同方法与步骤标定Y振镜，所得Y振镜与驱动电压v_y的关系式为：其中各参数b₃＝‑0.003496，b₂＝0.0007715，b₁＝2.1065，b₀＝‑0.02052；上述公式中的符号分别说明如下：a₃、a₂、a₁、a₀为X振镜关系式各次项系数；b₃、b₂、b₁、b₀为Y振镜关系式各次项系数；步骤六：将所得拟合关系式代入系统模型再次对平面进行测量，重复步骤三到步骤六，直到步骤三中δ<δ₀；步骤七：分别标定完X、Y振镜后，利用标定结果测量平面，如果实测平面仍然存在误差，说明两振镜轴线不完全垂直，X振镜和Y振镜对光束的偏转作用不独立，需要描述X振镜和Y振镜的相互关系；继续按照上述步骤三到步骤六，建立X振镜偏转角度和Y振镜驱动电压的关系以修正X振镜驱动模型；建立Y振镜偏转角度和X振镜驱动电压的关系以修正Y振镜驱动模型；由于该误差往往很小，采用二阶多项式拟合方式足以保证精度；经过修正后的X振镜和Y振镜的实际偏转角与驱动电压关系式为其中各参数c₂＝‑0.0006197，c₁＝0.012，c₀＝0.01513，d₂＝‑0.0003375，d₁＝0.0141，d₀＝0.02274；其中，P为被测点；P’——成像点；B——垂直振镜中心；A——水平振镜中心；P'点和B点的坐标值分别为z_P'、x_P'和z_B、x_B。