專利名稱：用于光學(xué)測量物體的形狀和表面的設(shè)備的制作方法
用于光學(xué)測量物體的形狀和表面的設(shè)備本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)檢測和/或者判定物體和表面形狀的裝置。用于光學(xué)檢測 和/或者判定物體和表面形狀的大部分方法和裝置可以分為兩種類型 圖像處理，特別是工業(yè)圖像處理的裝置。這些方法的特征在于，在最短的時(shí)間 內(nèi)拍攝物體的一個(gè)或多個(gè)圖像并隨后將其通過電子計(jì)算單元自動(dòng)判定和檢驗(yàn)。對(duì)此為 包括判定在內(nèi)的圖像拍攝通常需要幾分之一秒的時(shí)間?，F(xiàn)有技術(shù)測量圖像平面上的二 維(2D)特征，如長度、角度、面積等。三維特征的測量和檢驗(yàn)則造成很多困難，因 為所拍攝的圖像只能不充分地反映與圖像平面垂直的第三維。 與此相反，光學(xué)SD測量技術(shù)(三維測量技術(shù))專門用于除了圖像平面上的特征 外還測量與圖像平面垂直的第三維特征。此方面的缺點(diǎn)是，這些方法需要比圖像處理 花費(fèi)大得多的時(shí)間。在這里通常需要一秒直至數(shù)秒和數(shù)分鐘的時(shí)間。在許多情況下， 測量結(jié)果通常也不能進(jìn)行自動(dòng)分析處理。目標(biāo)是結(jié)合這兩種類型的優(yōu)點(diǎn)并消除缺點(diǎn)。因此可以在最短的時(shí)間內(nèi)檢驗(yàn)、測量 和自動(dòng)判定二維以及三維特征。因此在圖像處理和光學(xué)3D測量技術(shù)領(lǐng)域之間搭建一座 橋梁。在這種情況下，特別是考慮在本技術(shù)領(lǐng)域中非常頻繁使用的金屬、塑料等光亮的 物體和表面。這些表面無論是在圖像處理還是在光學(xué)3D測量技術(shù)上，由于定向的光反 射均造成很大困難。但同時(shí)也考慮整體上不會(huì)造成困難的擴(kuò)散散射的物體。2D和/或3D特征的檢驗(yàn)和/或者測量、以及選擇性的自動(dòng)分析處理可以根據(jù) WO2004/051186所介紹的方法進(jìn)行。在這種稱為光度測量偏轉(zhuǎn)的方法中，將光度測量 的立體方法、偏轉(zhuǎn)測量的方法和散射體S組合，以使散射體表面上的位置平面編碼。例如一種用于實(shí)施該公知方法的裝置結(jié)構(gòu)如下。具有物鏡Obj的照相機(jī)K根據(jù)物 體G定向。該物體由一個(gè)散射體S照明，對(duì)于其部分由至少一個(gè)、優(yōu)選多個(gè)可獨(dú)立開 關(guān)的光源或者光源l、 2、 3、...的組進(jìn)行照明(圖l)。

圖1示出三個(gè)光源1、 2、 3。這些光源優(yōu)選處于一個(gè)與圖1的圖平面垂直分布的平 面上。但它們并非全部處于圖1的圖平面上。例如中間的光源3向后從圖3的圖平面 偏移。在實(shí)現(xiàn)這種裝置時(shí)，對(duì)于專業(yè)人員來說出現(xiàn)一系列問題1.為達(dá)到最佳的測量和檢驗(yàn)結(jié)果，光源l、 2、 3...在哪個(gè)位置上定位？ 2. 如何達(dá)到明亮照明物體的目的？3. 光源的光線通過鏡組在物體上集束是有利的嗎？4. 照相機(jī)K在哪個(gè)位置上定位有利？5. 散射體S上哪些尺寸的觀察口是有利的？6. 散射體由何種材料制成是有利的和其表面應(yīng)怎樣產(chǎn)生？7. 如何避免散射體的污染和機(jī)械損傷以及由此引起的不利結(jié)果？找到一種同時(shí)針對(duì)所有問題的技術(shù)解決方案是特別困難的。這一點(diǎn)之所以特別困 難，是因?yàn)闉榻鉀Q這些問題需要采取相反的措施。例如，如果認(rèn)為問題1具有特殊的重要性，那么將光源在與散射體相距足夠的距 離上定位(圖2)。因此從光源的每個(gè)點(diǎn)均產(chǎn)生與散射體近似相同的距離和近似平行的 照明。對(duì)于這種情況來說，根據(jù)WO 2004/051186中所介紹的方法存在計(jì)算機(jī)上可以很 好控制的關(guān)系，因?yàn)闊o論是光源的方向還是距離均可以視為恒定。這一點(diǎn)是特別重要 的，因?yàn)樯⑸潴w的平面編碼從散射體傾斜度和照明方向的相互配合中產(chǎn)生。照明對(duì)散 射體各自平面部分的垂直入射產(chǎn)生高亮度的編碼，條形入射則亮度最小。同樣非常重 要的是光源從哪個(gè)方向照射散射體。如果這些方向彼此靠近，那么編碼時(shí)差異較小(相 對(duì)于所要測量的傾斜度測量裝置的靈敏度較小)，如果這些方向彼此遠(yuǎn)離，那么差異較 大(高靈敏度)。該裝置于是對(duì)局部物體傾斜度的少量變化作出非常良好的反應(yīng)。當(dāng)然， 根本不能完全照明散射體的大區(qū)域。對(duì)于問題2來說，光源的大距離則相反產(chǎn)生不利的影響。在距離增加一倍時(shí)，必 須考慮到散射體以及物體的照度減少4倍。這一點(diǎn)導(dǎo)致了問題3，即，光是否可以有利地被集束。即使在更大距離時(shí)也可以保 持照度。與此相反，重新需要提到的是，集束所需的光學(xué)裝置和反射器大多不能進(jìn)行 這樣均勻的照明，正如沒有它們一樣。在此方面需要考慮的還有問題4。照相機(jī)的位置應(yīng)這樣選擇，使其在散射體上不產(chǎn) 生陰影投射。但在照相機(jī)靠近散射體定位時(shí)尤其會(huì)出現(xiàn)這種情況(圖3)。另一方面， 值得期望的是照相機(jī)盡可能靠近散射體和物體定位，以獲得良好的物體分辨率。該問題的解決方案與問題5相關(guān)。在照相機(jī)距離較小時(shí)，散射體上的觀察口可以 選擇小尺寸，在距離較大時(shí)，必須加大選擇觀察口，以便可以檢測物體的全部區(qū)域。 這些區(qū)域然后不供照明物體使用。如果物體的表面這樣傾斜，使光只能從散射體的這 些缺陷部位反射到照相機(jī)內(nèi)，那么該裝置對(duì)相關(guān)的所有傾斜度均是模糊的(圖4)。在問題6和7中，涉及到散射體的材料、其表面特性、污染和可能的機(jī)械損傷。
例如可以設(shè)想，粗糙的透明塑料(表面散射體)或者乳白色的透明塑料(體積散射體)。 在所有空間方向上有利的均勻散射可以在體積散射體上實(shí)現(xiàn)，但非常多的光在此方面 未被利用。此外，在光滑表面上產(chǎn)生不希望的光反射。表面散射體也將光的行程在較 小程度上偏轉(zhuǎn)，從而更多的光可以利用。與此相反，值得一提的是，沒有在所有方向 中達(dá)到均勻的反射和粗糙表面更易于受到灰塵和指紋的污染并且很難被清除。如果為 散射體選擇玻璃代替塑料，那么可以在機(jī)械強(qiáng)度方面和清潔方面達(dá)到更好的特性。另 一方面，形狀精確的散射體的精密加工在玻璃上比在塑料上復(fù)雜得多。玻璃還有破碎 的危險(xiǎn)。所有這些問題依據(jù)本發(fā)明由此得以解決取代透明的散射體使用不透明的散射體， 此外，光源設(shè)置在散射體內(nèi)部。這種解決方案尤其是在考慮到特別重要的問題1的情 況下，而其他所有問題都是容易解決的。光源越靠近散射體，在極端情況下甚至設(shè)置 在散射體的內(nèi)部，可以設(shè)想散射體受到平行光束的照射越少。替代地可以設(shè)想，即光 源例如反射到全部半球內(nèi)(圖5)。根據(jù)與方向相關(guān)的光源和反射特性，在散射體上產(chǎn)生另一種照明分布。計(jì)算機(jī)的全部分析處理-如從WO 2004/051186中得出的那樣-因此是不需要的。光源與散射體每個(gè)點(diǎn)的距離在很大程度上根據(jù)光源的位置變化。排 除光源在球形散射體中心上的定位，因?yàn)橹行募捌渲車艚o所要檢査的物體。依據(jù)本發(fā)明該問題由此得以解決，即綜合影響因素，例如對(duì)散射體的照明方向、 散射體及其被照明表面與光源的各自距離和光源的空間反射特性以適當(dāng)?shù)姆绞竭@樣進(jìn) 行補(bǔ)償，即模擬照明分布，正如它在從外部利用平行的光入射產(chǎn)生的那樣(圖2)。這 種意圖借助大量彼此無關(guān)的參數(shù)幾乎是沒有指望的。但依據(jù)本發(fā)明可以為參數(shù)的特定 組合找到一種解決方案。根據(jù)計(jì)算機(jī)上復(fù)雜的相關(guān)性借助模擬確定一種解決方案并在 這里僅介紹結(jié)果。作為照明裝置，優(yōu)選的是由朗伯光輻射器構(gòu)成的光源。這意味著，輻射強(qiáng)度隨著 輻射角的余弦變化。這種分布通常在被照明體上，但不是在自發(fā)光的物體和光源上出 現(xiàn)。最常見的是，向所有空間方向上恒定的輻射(例如白熾燈、氣體放電燈)或者很 強(qiáng)的定向輻射是利用激光器和LED。但朗伯光方式輻射的特殊情況卻可以利用專門為 此設(shè)計(jì)的LED來實(shí)現(xiàn)。散射體的形狀優(yōu)選采用球體、半球體或者其中部分的形狀構(gòu)成。作為材料優(yōu)選金 屬、不透明的塑料或者加工技術(shù)上易于控制的其他材料。主要問題在于正確選擇光源 的位置和方向。為在一個(gè)半球形散射體的表面上定向，為半球照相機(jī)側(cè)的頂點(diǎn)選擇概 念北極并為半球的閉合邊緣選擇赤道。概念北極和赤道也在其他形狀的散射體上使用。 光源優(yōu)選在一個(gè)靠近赤道平面的平面上定位。其主射束相對(duì)于散射體定向，例如以-90 °和+90°之間的角度相對(duì)于與赤道平面的垂直線定向。與垂直線的角度優(yōu)選為-30°至 +30° 。特別有利的照明條件是處于0°或者接近0°的角度。光源的主射束然后或者 精確地與赤道平面的垂直線重合，或者與該平面具有一個(gè)非常小的角度。使用多個(gè)，但優(yōu)選四個(gè)光源，其優(yōu)選以例如"+ "或者"X"的十字方式設(shè)置。十 字的中心優(yōu)選處于在赤道平面上垂直并通過其中心延伸的一條線上。光源以與散射體 的中心相距特定的距離設(shè)置，例如為散射體與其內(nèi)表面之間距離的20%-80%，優(yōu)選為 30%-70%。這個(gè)距離在球形散射體上相當(dāng)于球半徑。特別有利的比例接近于球半徑的 50% (圖6)。為說明光源1、 2、 3等，在這里也可做如下規(guī)定優(yōu)選具有設(shè)置在一個(gè)平面上的 四個(gè)光源?？梢栽O(shè)想光源設(shè)置在散射體S的赤道平面上或者略高于或略低于該平面。 在圖6中，光源僅看似成排設(shè)置。實(shí)際上例如光源1和2處于赤道平面的直徑線上。 光源3相對(duì)于圖6的圖平面向后偏移，并對(duì)于它那部分優(yōu)選與一個(gè)這里未示出的光源4 共同設(shè)置在一條直徑線上。如果例如從照相機(jī)K的角度從上面垂直觀察光源，那么可以看到，光源與散射體 與通過十字標(biāo)注的中心相距一定距離而設(shè)置在一個(gè)平面上，并例如處于一個(gè)優(yōu)選等邊 三角形的角上或者處于"+ "或者"X"方式的十字末端上。在圖6中， 一方面光源1和2與另一方面物體G之間的光程上具有防止直接照明 物體的陰影A。在圖6中，分配給光源3的陰影出于簡化的原因沒有示出。這里所示和其他實(shí)施方式中具有的陰影A隨機(jī)設(shè)置。關(guān)鍵是避免物體直接通過光 源照明。因此陰影可以安裝在光源的支架上或者安裝在物體的支架上。最后也可以具 有陰影的單獨(dú)支架。利用參數(shù)的選擇達(dá)到散射體的點(diǎn)平面編碼的目的。編碼和照明分布的類型盡可能 地對(duì)應(yīng)于來自外部的距離很大的照明，雖然光源實(shí)際上從內(nèi)部最小的距離照明散射體。 因此可以根據(jù)己經(jīng)由WO 2004/051186公開的方法計(jì)算傾斜度。但作為選擇，光源也可以在赤道的附近定位并照明赤道上散射體相對(duì)的面。在這種情況下，散射體遠(yuǎn)離光源的點(diǎn)比靠近光源的點(diǎn)受到更亮的照明。對(duì)于具有以散射為主的表面和/或者發(fā)亮和散射表面組合的物體來說，物體的直接照明也是有意義的。為此可以將光源例如固定在散射體的內(nèi)表面上，或者通過內(nèi)部空 間的孔優(yōu)選沿光線方向?qū)χ矬w伸出。有利的是，在所稱的所有情況下，光源均可移動(dòng)地被固定，以便可以根據(jù)使用改 變位置(圖6)。關(guān)于問題2，實(shí)現(xiàn)了一種非常好的照明，因?yàn)楣饪梢赃_(dá)到散射體的內(nèi)部各處。不需 要聚束光的鏡組(問題3)。照相機(jī)有利地可以直接在散射體的外表面定位，它與陰影投影無關(guān)(問題4)。 觀察口因此可以保持最小(問題5)。作為材料可以使用所有不透射的材料，例如金屬、塑料等(問題6)?？傮w上不需要清潔，因?yàn)楸Ｗo(hù)了散射體的內(nèi)部區(qū)域防止被污染和接觸。同樣盡可能地將損壞排除在外(問題7)。此外，光源的這種設(shè)置還提供了其他優(yōu)點(diǎn)?？梢源_保該裝置的使用者不因?yàn)槠渌?光源而導(dǎo)致眩目。這一點(diǎn)首先在例如像大功率LED的大功率光源上具有重要意義，對(duì) 此也已經(jīng)應(yīng)用了激光器保護(hù)規(guī)定。此外可以避免環(huán)境光導(dǎo)致的測量失真。此外，該裝置優(yōu)選按如下構(gòu)成 照相機(jī)作為照相機(jī)優(yōu)選使用電子照相機(jī)，特別是CCD或者CMOS照相機(jī)。其圖像為進(jìn)一 步處理可以被傳送到一個(gè)電子算術(shù)邏輯單元上，或者在所謂的人工智能照相機(jī)本身的 內(nèi)部進(jìn)行處理。既可以使用矩陣照相機(jī)，也可以使用行掃描照相機(jī)。物鏡物鏡優(yōu)選作為宏觀物鏡構(gòu)成，因?yàn)槲矬w優(yōu)選處于與物鏡相距很小的工作距離內(nèi)。 同樣可以使用具有多個(gè)物鏡的照相機(jī)。如果需要很高的放大率也可以設(shè)想宏觀物鏡。 散射體-該散射體優(yōu)選以半球體、球體、半圓柱體、圓柱體、橢圓體、長方六面體、自由 形狀面或者其中的部分構(gòu)成(圖6)。在使用矩陣照相機(jī)的情況下優(yōu)選半球體，在使用 行掃描照相機(jī)的情況下優(yōu)選半圓柱體或者半球體。公知設(shè)備的散射體在從外部照明時(shí)可以由透明材料，如磨砂玻璃、磨砂透射塑料 等組成(圖7)。但依據(jù)本發(fā)明也可以使用不透明的材料，如金屬、不透明塑料等(圖 6)。散射體可以不進(jìn)行涂覆，例如利用粗糙的并因此散射的表面構(gòu)成。但散射體優(yōu)選 采用反射的散射顏色涂層，其無定向散射入射的光線。優(yōu)選的顏色為白色，但同樣可 以是其他顏色。特別有利的是，顏色具有發(fā)熒光或者發(fā)磷光的特性。散射體本身的材 料也可以表現(xiàn)出這種特性，在這種情況下，不一定非得需要涂層。由此光線可以從例 如像藍(lán)光或者紫外光的優(yōu)選短波長轉(zhuǎn)換成長波光，但特別是白光。此外特別有利的是， 照相機(jī)或物鏡裝備有對(duì)于特定波長，優(yōu)選對(duì)于小波長的抑止濾光片。因此防止光源的 光直接入射到照相機(jī)內(nèi)，但通過熒光和/或者磷光散射的光可以通過。散射體的內(nèi)表面由一個(gè)或者多個(gè)光源照明。物體G優(yōu)選設(shè)置在散射體的中心內(nèi)或 者附近。散射體的優(yōu)選形狀是半球體。為更簡單地用符號(hào)標(biāo)出，在這里也將概念北極
用于半球的頂點(diǎn)并將概念赤道用于半球的邊緣。為了可以將物體G簡單地在沿赤道平 面的運(yùn)動(dòng)中導(dǎo)入散射體的中心，有利的是，僅讓散射體從北極一直到達(dá)赤道略微靠北 的一個(gè)區(qū)域，至少到達(dá)需要裝入物體的位置。對(duì)于優(yōu)選處于散射體外部的照相機(jī)和物鏡來說，散射體可以具有一個(gè)也稱為觀察 口的可以看到物體的孔B (圖6)?？譈也起到物鏡光闌的作用?？譈的大小應(yīng)這樣選 取，使其可以無干擾地觀察所要檢驗(yàn)的物體或者還有其中的部分。大孔使更多的光到 達(dá)照相機(jī)。這一點(diǎn)特別是對(duì)短曝光時(shí)間來說是值得期望的。此外，在寬孔上提高限制 衍射的分辨率。另一方面，孔B應(yīng)盡可能地小，以便使盡可能大部分的散射體表面可 以利用。景深范圍同時(shí)可以在小孔B上得到延伸，從而物體G也可以大高度差在各處 清晰地成像。如果孔B的位置和物鏡入射瞳孔EP的位置相同的話，這些要求可以達(dá)到 一致。出于技術(shù)原因的選擇另外有利的是，孔B的平面僅設(shè)置在入射瞳孔EP的附近。 這一點(diǎn)特別是在入射瞳孔的位置因?yàn)槠涮幱谖镧R的內(nèi)部而使身體不能接近的情況下。 觀察口的直徑優(yōu)選選擇等于或者小于物鏡入射瞳孔的直徑，以便使未被利用的散射體 表面盡可能小。如果觀察口的直徑小于物鏡的入射瞳孔，那么觀察口是由物鏡和觀察 口組成的光學(xué)總系統(tǒng)的光闌。特別是在照相機(jī)光闌的寬孔和小觀察口的情況下，總系 統(tǒng)入射瞳孔EP的位置可以強(qiáng)制處于觀察口的位置上。另一種有益的效應(yīng)有助于使散射體可利用的面積盡可能大。首先，假設(shè)物體非常 光亮并可以視為處于赤道平面上的平面反射鏡。物鏡在反射鏡上，也就是在赤道平面 上聚焦。反射鏡上看不清觀察口。由此產(chǎn)生了模糊的小圓盤到底有多大的問題。根據(jù) 對(duì)稱的考慮得出結(jié)論，模糊的小圓盤的直徑完全相當(dāng)于光學(xué)總系統(tǒng)入射瞳孔的直徑。 觀察口的邊緣因此一直到觀察口的中心均是模糊的，就好像散射體沒有孔。如果在赤 道略微靠北的平面上聚焦，這種效應(yīng)會(huì)更強(qiáng)，模糊的小圓盤因此大于觀察口并保證了 可靠重疊。到目前為止是從一個(gè)作為提供清晰圖像的物體反射鏡進(jìn)行的。對(duì)于粗糙光 亮的表面來說，觀察口的圖像進(jìn)一步模糊，對(duì)擴(kuò)散散射的表面來說完全模糊。有利的 是，散射體的觀察口作為可更換的部件構(gòu)成。這樣根據(jù)要求可以使用更大的或者更小 的觀察口 。作為對(duì)圓形觀察口的選擇，可以設(shè)想僅釋放一部分圓面積。例如一個(gè)或者多個(gè)圓 弓。也可以設(shè)想在徑向上劃分，優(yōu)選與圓弓組合。但也可以是其他形狀，例如像一個(gè) 與物鏡的光軸相關(guān)直至向任意形狀偏移的孔。該觀察口優(yōu)選可環(huán)繞物鏡的光軸轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu) 成，例如作為齊平裝入散射體內(nèi)的可轉(zhuǎn)動(dòng)球缺構(gòu)成。照相機(jī)成像的曝光期間，轉(zhuǎn)動(dòng)的 觀察口然后從物鏡的入射瞳孔掃過。特別有利的是，觀察口在曝光期間僅一次、兩次 或者以其他整數(shù)的倍數(shù)掃過入射瞳孔，以達(dá)到在入射瞳孔的內(nèi)部均勻曝光的目的。
如果檢驗(yàn)一個(gè)透明物體，例如透明玻璃、塑料等，那么照相機(jī)及物鏡優(yōu)選從南極 向北望設(shè)置。照相機(jī)穿過所要檢驗(yàn)的物體觀察散射體(圖8)。在這種情況下，觀察口 不是強(qiáng)制必須的。光源作為光源可以設(shè)想例如白熾燈、氣體放電燈，具有光導(dǎo)纖維、閃光燈的光源，激 光器光源以及半導(dǎo)體輻射源。特別是發(fā)光二極管(LED)非常有益，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)尺寸 小，可迅速開關(guān)并具有很長的使用壽命。特別是高發(fā)射功率的大功率LED是有利的。 光源可以彼此獨(dú)立接通并產(chǎn)生不同的照明狀態(tài)。光源或者光源組可以彼此獨(dú)立開關(guān)。 根據(jù)所接通的光源或者光源組，產(chǎn)生另一種照明狀態(tài)。目標(biāo)是將光源l、 2、 3…這樣定 位，使散射體表面上的所有位置均可以編碼。為將這些面積編碼，例如從赤道的一個(gè) 點(diǎn)出發(fā)，沿向北極方向上的一條線并繼續(xù)向赤道的相對(duì)點(diǎn)，值得期望的是照明沿這條 線增強(qiáng)或減弱。這一點(diǎn)優(yōu)選由此實(shí)現(xiàn)，即光源在散射體的中心外部定位，優(yōu)選在赤道 平面上，至少靠近赤道平面，采用與其垂直的光線方向。光源主射束其他可能的定向 在上文中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。光源距中心越近，分布就越加均勻，位于越遠(yuǎn)的邊緣， 就越不均勻。對(duì)編碼來說，期望該線段的一個(gè)終點(diǎn)與另一個(gè)終點(diǎn)之間照明的差別盡可 能大，但其中過渡應(yīng)盡可能均勻。同時(shí)光源應(yīng)為所要檢驗(yàn)的物體在散射體的中心釋放 一個(gè)盡可能大的區(qū)域。對(duì)于所有這些標(biāo)準(zhǔn)方面的一種很好的折衷方案是，光源在散射 體的中心與其內(nèi)表面，在這里為球半徑之間距離的約20%-80%，優(yōu)選約30%-70%上 定位。50%范圍內(nèi)的位置特別有利(圖6)。但光源也可以選擇在赤道的附近定位并照射散射體的相對(duì)面。在這種情況下，散 射體遠(yuǎn)離光源的點(diǎn)比靠近光源的點(diǎn)受到更亮的照明。有利的是，在所稱的所有情況下，光源均可移動(dòng)和/或轉(zhuǎn)動(dòng)固定，以便可以根據(jù)使 用改變位置(圖6)。在光源移動(dòng)和/或者轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，優(yōu)選注意保持其對(duì)稱設(shè)置。對(duì)于具有散射為主的表面和/或者光亮和散射表面組合的物體來說，物體的直接照 明也是具有意義的。光源為此例如可以固定在散射體的內(nèi)表面上或者通過內(nèi)腔中的孔 發(fā)光或者伸入里面，優(yōu)選采用對(duì)著物體的光線方向。除了光源的位置和由此產(chǎn)生的與散射體表面每個(gè)位置的距離外，重要的是還涉及 散射體表面與照明方向的各自傾斜度，以及在取決于不同的空間方向情況下光源的反 射特性。有利的是，例如散射體的球形形狀，其中每個(gè)表面點(diǎn)的傾斜度不同并可以明 確編碼。同時(shí)傾斜度從一個(gè)點(diǎn)向一個(gè)相鄰點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)不斷的過渡，從而照度可以均勻 增加或者減少。光源的一種有利的輻射特性是朗伯光或者其他寬輻射特性，因?yàn)樵谶@ 里從赤道平面出發(fā)，例如整個(gè)北半球均可以得到照明 。作為對(duì)此的選擇，也可以使
用側(cè)面輻射的光源，例如將其在散射體表面的附近定位。例如可與散射體的中心相關(guān)對(duì)稱地設(shè)置一個(gè)第二光源。在第二光源上，散射體表 面可以沿一個(gè)方向，即沿從一個(gè)赤道點(diǎn)到相對(duì)的赤道點(diǎn)的設(shè)想方向編碼。因此只能檢 測一個(gè)傾斜方向。如果使用三個(gè)光源，那么它們優(yōu)選設(shè)置在一個(gè)等邊三角形的角上，但也可以采用 其他設(shè)置。利用三個(gè)光源就己經(jīng)可以對(duì)散射體表面上的兩個(gè)方向編碼。三個(gè)光源因此 是最小數(shù)量的光源，利用其可以對(duì)散射體表面進(jìn)行平面編碼。對(duì)這里所談到的光源相應(yīng)地適用上述內(nèi)容它們?cè)O(shè)置在一個(gè)平面上，該平面例如 與散射體的赤道平面相對(duì)應(yīng)或者與該平面相距一定距離平行設(shè)置。三角形具有一個(gè)處 于一條線上的中心，該線與散射體的中心相切并垂直處于散射體的赤道平面上。但特別有利的是使用四個(gè)光源，它們一一在俯視圖上所見一_以"X"或者"+ " 的方式設(shè)置。在這種設(shè)置中各自兩個(gè)光源相對(duì)。如果僅關(guān)心編碼方向的話，例如可以 激活這樣一對(duì)，如果査詢兩個(gè)方向的話，也可以激活另外一對(duì)。對(duì)于所要檢驗(yàn)物體的 輸送來說，這種設(shè)置也是有利的，因?yàn)樗壤缛齻€(gè)光源的對(duì)稱設(shè)置提供更多的中間 空隙。同樣可以采用更多數(shù)量的光源，但不一定是必要的。在使用四個(gè)光源的情況下，原則上相應(yīng)地適用上述內(nèi)容光源設(shè)置在一個(gè)平面上， 該平面例如與赤道平面相對(duì)應(yīng)或者與該平面平行設(shè)置。光源各自彼此相對(duì)并優(yōu)選對(duì)稱 設(shè)置。在十字方式的設(shè)置中，其處于"X"或者"+ "的方式中，從而十字的中心處于 與赤道平面的中心相切并與其垂直的一條線上。作為光源可能的位置到目前稱為赤道平面。但對(duì)于簡單輸送檢驗(yàn)件具有意義的是， 光源例如繼續(xù)向北在另一個(gè)平面上定位，以便完全釋放作為測量平面的赤道平面。為防止光源的光直接入射到所要檢驗(yàn)的物體上需要陰影A，其例如與光源的支架 或者與檢驗(yàn)物體的支架連接。陰影A也可以具有單獨(dú)的支架。陰影A這樣選擇大小， 使其沒有光入射，但同時(shí)又盡可能小，以便從物體出發(fā)所見不遮蓋散射體部分。散射體S在孔B的區(qū)域內(nèi)外表面可以具有一個(gè)圓柱形的凸緣，其作為不同光闌的 支架使用，以便為照相機(jī)實(shí)現(xiàn)觀察口 (孔B)的不同尺寸和形狀。立體系統(tǒng)除了光源的數(shù)量外，照相機(jī)或物鏡的數(shù)量也可以變化(圖9)。如果使用兩個(gè)照相 機(jī)，那么利用該裝置也可以執(zhí)行一種雙目立體方法。為兩個(gè)照相機(jī)或物鏡優(yōu)選具有兩 個(gè)觀察口，其可以從兩個(gè)不同的位置向所要檢驗(yàn)的物體方向觀察。兩個(gè)照相機(jī)視圖中 對(duì)應(yīng)點(diǎn)的失配說明物體點(diǎn)與第三維，也就是垂直于赤道平面的位置。雙目立體方法因 此是一種不同于光度測量偏轉(zhuǎn)的傾斜測量方法的高度測量方法。兩種方法可以有利地
加以組合，例如US 6.590.669中所介紹的那樣。在這種情況下，高度測量方法在檢測 物體的全程三維構(gòu)成方面是有利的，傾斜測量方法在檢測局部三維構(gòu)成方面是有利的。 照相機(jī)的數(shù)量可以進(jìn)一步增加，例如增加到三個(gè)或者四個(gè)照相機(jī)。特別地，照相機(jī)的 數(shù)量大于或者等于光源的裝置提供的優(yōu)點(diǎn)是，單個(gè)照相機(jī)可供每個(gè)光源使用，這樣可 以大大降低圖像的拍攝時(shí)間(圖9)。在典型的電子照相機(jī)(例如CCD和CMOS照相 機(jī))的情況下，最小曝光時(shí)間與包括圖像傳感器讀出在內(nèi)的全部圖像周期的最小時(shí)間 之間存在巨大差別。曝光時(shí)間可以毫無問題地調(diào)整到低于100毫秒的數(shù)值上，而對(duì)于 全部圖像周期來說時(shí)間通常從IO毫秒起。這是因?yàn)閳D像傳感器的讀出和數(shù)據(jù)傳輸所需 的時(shí)間比固有曝光大得多。如果使用單個(gè)照相機(jī)，那么圖像周期的時(shí)間是關(guān)鍵，因?yàn)?同一照相機(jī)必須連續(xù)拍攝多個(gè)圖像。如果照相機(jī)的數(shù)量等于光源的數(shù)量，那么關(guān)鍵的 是純曝光時(shí)間。圖像拍攝在照明的節(jié)奏中以非常短的延遲啟動(dòng)，因此稱為觸發(fā)級(jí)聯(lián)。 與其他高度測量方法相組合作為選擇，該裝置也可以用于將光度測量偏轉(zhuǎn)與作為雙目立體方法的另一種高度 測量方法相組合，例如與條形投影、干涉、白光干涉的方法，渡越時(shí)間方法或者優(yōu)選 激光切割方法相組合(圖IO)。為此優(yōu)選為照明的激光器在散射體上具有一個(gè)觀察口。 特別有利的是半導(dǎo)體激光器L，特別是那種用于產(chǎn)生一條或者多條激光輻射束具有一 體化物鏡的激光器。這些光源結(jié)構(gòu)非常緊湊并可以時(shí)間上極短的扭曲進(jìn)行電子開關(guān)。 激光切割方法通常采用一種機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作，該機(jī)構(gòu)將試樣與單個(gè)激光輻射束彼此相對(duì) 運(yùn)動(dòng)，并這樣從輪廓剖面到輪廓平面依次掃描試樣。對(duì)每個(gè)輪廓剖面需要進(jìn)行單個(gè)的 照相機(jī)拍攝，這樣因此耗費(fèi)時(shí)間。此外的缺點(diǎn)是，需要精確的并與照相機(jī)拍攝同步的 移動(dòng)單元。因此有利的是，同時(shí)投影多條激光輻射束(圖11)。因此可以同時(shí)檢測所要 檢驗(yàn)物體的多個(gè)輪廓剖面，例如10個(gè)或者20個(gè)。在依據(jù)本發(fā)明與光度測量偏轉(zhuǎn)的組 合中，唯一的照相機(jī)圖像足夠使用，從而可以取消移動(dòng)單元并無需花費(fèi)更多的時(shí)間。 這一點(diǎn)之所以可能，是因?yàn)楦叨葴y量方法僅需提供全程形狀數(shù)據(jù)，但全程形狀數(shù)據(jù)由 光度測量偏轉(zhuǎn)提供。校準(zhǔn)依據(jù)本發(fā)明的設(shè)備可以圍繞校準(zhǔn)物Kal進(jìn)行補(bǔ)充(圖12)。它用于將所測量的斜度 值借助公知的參照物與真實(shí)的斜度值進(jìn)行比較。由此其中可以補(bǔ)償光源空間照明分布、 其輻射功率、其位置和定向、散射體的形狀和位置、其表面或者涂層的反射特性以及 照相機(jī)的位置和定向等的公差。作為參照物可以使用公知形狀的物體，特別是其表面 反射并具有大量不同傾斜度的物體。在這種情況下，優(yōu)選精密加工的光亮金屬球，因 為在這里存在所有可能的傾斜度。如果研究無光澤的或者部分無光澤的物體，那么有利的是可以具有一種無光澤的校準(zhǔn)物，例如一個(gè)無光澤的或者部分無光澤的球。對(duì)于 這種校準(zhǔn)物來說，平面測量斜度值并隨后與已知的數(shù)值進(jìn)行比較。將所測量的數(shù)值分 配給實(shí)際值說明校準(zhǔn)。此外，也可以在物體檢驗(yàn)期間監(jiān)測校準(zhǔn)，特別是光源輻射功率 可能的變化。為此可將參照物與校準(zhǔn)物附加裝入照相機(jī)的視野內(nèi)(圖13)，例如平面反 射的面或者反射球、完全或者部分無光澤的面或者球?？梢允瞧渌男螤詈捅砻嫣匦?。 圖17舉例示出散射體S上沿一個(gè)設(shè)想的平面通過光源1和2的照明分布。水平所 示為從北極測量的角度 。垂直軸線表示各自光源1或者2在散射體S內(nèi)表面上的照 度。下面的第二圖示示出光源1的照度。如果激活該光源，那么照度從-90°至90°的 角度0直線上升。最下面的圖示示出光源2在散射體S內(nèi)表面上的照度。顯然，在這里照度從-90° 至90°的角度O直線下降。由此散射體S上的點(diǎn)以不同的角度0編碼并可以有所區(qū)別。如上所述，光源可以按時(shí)間順序接通和斷開，從而依次產(chǎn)生多個(gè)不同的照明狀態(tài)。 這一點(diǎn)可以進(jìn)行這里所談到的編碼和區(qū)分散射體S上的點(diǎn)。從對(duì)前面附圖的說明可以看出，可以檢測不同的物體和表面的形狀。在這里所示 的實(shí)施例中，照相機(jī)K設(shè)置在物體G的上面，只要如上所述涉及到觀察透明的物體。但這里所介紹的用于光學(xué)檢測物體和表面形狀的裝置也可以用于觀察物體與外部 相關(guān)的圓周面積或者物體上空隙的內(nèi)表面。在檢測和檢驗(yàn)圓柱體或者近似圓柱體物體 的外周表面時(shí)，使用一種具有錐面形狀特殊構(gòu)成的反射鏡。照相機(jī)以及依據(jù)本發(fā)明的 檢驗(yàn)裝置根據(jù)所要觀察的物體端面定向。借助一種一一從照相機(jī)所見一一具有在物體 的方向上變細(xì)成錐形內(nèi)表面的反射鏡，可以觀察物體的外表面，在這里也就是一個(gè)圓 柱形或者近似圓柱形物體G的外周表面。對(duì)于照相機(jī)來說，這些面似乎為包圍部件端 面的圓圈。因此一個(gè)物體的端面和外周表面以同一視角進(jìn)行檢驗(yàn)。借助這里所介紹的反射鏡因此可以根據(jù)簡單方式產(chǎn)生外周表面的一種展開。在傳 統(tǒng)的方法中， 一個(gè)物體的端面和外周表面必須單獨(dú)檢驗(yàn)。此外，為掃描一個(gè)物體需要 實(shí)現(xiàn)照相機(jī)與物體之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，例如讓其環(huán)繞一個(gè)軸線旋轉(zhuǎn)。外周表面然后可以 例如借助行掃描照相機(jī)進(jìn)行掃描。此外，借助錐面反射鏡可以仔細(xì)檢查特別是圓柱形或者近似圓柱形孔徑的空隙。 為此使用一種反射鏡，其具有向照相機(jī)的方向上變細(xì)的錐形外表面。圖15示出一種用 于檢査圓柱形或者近似圓柱形物體外周表面的裝置的第一實(shí)施例。該裝置的基本結(jié)構(gòu)與上述內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。在散射體S的內(nèi)部設(shè)置物體G。該物體通 過至少一個(gè)光源照明。在這里示出三個(gè)光源l、 2和3，此外還示出一個(gè)上述防止物體 G直接照明的陰影A。 圓柱形物體G直立，從而其中軸線通過拍攝物體G端面Ss照相機(jī)K的物鏡Obj分布。物體G設(shè)置在一個(gè)專門構(gòu)成的反射鏡，在這里為具有錐形內(nèi)表面的反射鏡Ko的 內(nèi)部，其這樣定向，使物體G外周表面M的投影可以通過散射體S上的孔B由照相機(jī) K檢測。該投影因此幾乎是物體G的端面Ss并作為環(huán)形面為連續(xù)的外周表面M。在圖15所示的實(shí)施例中，物體G處于具有錐形內(nèi)表面的環(huán)形反射鏡Ko內(nèi)。圖16示出圖15所示裝置的一種變化的實(shí)施例。相同和功能相同的部件因此具有 相同的附圖標(biāo)記。圖16所示的實(shí)施例與圖15的區(qū)別在于專門構(gòu)成的反射鏡Ko的結(jié)構(gòu)。 在這里，其內(nèi)表面同樣以錐形構(gòu)成，但傾斜以便使在這里設(shè)置在反射鏡Ko下面的物體 G的外周表面M投影并可以由照相機(jī)K檢測。該照相機(jī)因此也檢測物體G的端面Ss 和作為連續(xù)環(huán)形面的其外周表面M。圖n示出一種裝置的另一實(shí)施例。在這里相同和功能相同的部件也具有相同的附 圖標(biāo)記，因此可以避免重復(fù)。該裝置用于檢測物體G的端面Ss，但也用于檢測內(nèi)部外周表面M。為此這里在物體G的內(nèi)腔I內(nèi)插入一個(gè)專門構(gòu)成的反射鏡Ko，其具有錐形的外部 反射鏡面，該鏡面在照相機(jī)K的方向上收縮變尖并因此反射內(nèi)腔I的外周表面M在物 鏡Obj方向上的投影。照相機(jī)K因此一方面檢測物體G的端面Ss，并同時(shí)檢測物體G內(nèi)腔I的外周表面 M。為獲得清晰的圖像，使用具有反射外表面錐形構(gòu)成的反射鏡Ko，其優(yōu)選用于檢測 圓柱形或者近似圓柱形的外周表面M。在圖17所示的實(shí)施例中，物體G的底面和反射 鏡Ko處于一個(gè)設(shè)想的共同平面上。但原則上在錐形構(gòu)成的反射鏡Ko傾斜角的相應(yīng)配 合下，該反射鏡也可以設(shè)置在物體G的下面。此外，最后圖17所示的裝置也可與借助圖15和16所介紹的反射鏡組合。根據(jù)這 種方式，在環(huán)形物體G的情況下，僅拍攝一次其端面Ss檢測內(nèi)部外周表面，并也可以 利用適當(dāng)?shù)姆瓷溏R檢測外部外周表面。 '這里所介紹的也稱為錐面鏡的反射鏡Ko因此具有反射面，其作為內(nèi)錐面(參見圖 15和16)或者作為外錐面(參見圖17)構(gòu)成。該裝置如15 - 17中所示實(shí)施例的特征在于，所要觀察的物體G內(nèi)表面或者外表面 也通過專門構(gòu)成的反射鏡Ko照明。因此不需要用于照明所要觀察的物體內(nèi)部或者外部 側(cè)面的附加照明器材。據(jù)此表明，這里所介紹的裝置可以非常靈活地應(yīng)用，因此不僅可以觀察物體的上 面和表面，而且也可以構(gòu)成在這里稱為外周表面M的外表面或者內(nèi)表面。在此方面，
特別是如借助圖17所介紹的那樣，在檢測過程中無論是內(nèi)部還是外部的外周表面均可 與物體疊放端面Ss共同檢測。在此方面顯而易見的是，該裝置整體上結(jié)構(gòu)非常簡單，其中，有利的是現(xiàn)有的光 源也可以用于照明外部和內(nèi)部外周表面。
權(quán)利要求
1. 一種用于物體的光學(xué)形狀測量和/或檢驗(yàn)的設(shè)備，具有至少一個(gè)照相機(jī)、至少一 個(gè)物鏡、 一個(gè)散射體以及具有至少兩個(gè)光源，其特征在于，該散射體是不透明的，并 且所述至少兩個(gè)光源被布置在該散射體的內(nèi)部并且照亮該散射體的內(nèi)側(cè)，并且僅使用 在所設(shè)想的直徑線上彼此相對(duì)地布置的兩個(gè)光源，或者將光源布置在優(yōu)選等邊的三角 形的角上或十字上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，四個(gè)光源以"x"或"+ "的形式被布置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源具有朗伯輻射特性或 另外的寬輻射特性。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源與所述散射體的中 心的間距為所述散射體的中心與所述散射體的內(nèi)表面之間的間距的20%—80%、優(yōu)選 地30%—70%、尤其是大約50%。
5. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源被布置在赤道平面 中，或被布置在該赤道平面之上或之下與該赤道平面相距某一間距。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源的主射束相對(duì)于所述赤道 平面的垂線具有在一90。和+ 90。之間、優(yōu)選地在一30。和+30。之間、尤其是大約0。的 角度。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源能夠相互分離地被 激活。
8. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述散射體具有半球體、球 體、半圓柱體、圓柱體、橢圓體、長方六面體、自由形狀面或其一部分的形狀。
9. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于多個(gè)照相機(jī)。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，設(shè)置有多個(gè)照相機(jī)，其中 照相機(jī)的數(shù)目對(duì)應(yīng)于能夠獨(dú)立開關(guān)的光源的數(shù)目或超過該數(shù)目。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于多個(gè)觀察口。
12. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于用于高度測量的照明裝置。
13. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于能夠投射至少一條線的照明 裝置。
14. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于能夠投射至少一條線的激光
15，根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于能夠同時(shí)投射多條線的激光源。
16. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于用于條形投射的照明裝置。
17. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于干涉測量系統(tǒng)。
18. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)光源可移動(dòng)地和/ 或可轉(zhuǎn)動(dòng)地被固定。
19. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于光源，該光源直接對(duì)所述物 體進(jìn)行照明并且優(yōu)選地被布置在所述散射體的內(nèi)部，或者通過所述散射體中的開口照 亮所述散射體的內(nèi)部空間或伸出到所述散射體中。
20. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于具有觀察口的散射體，該觀 察口與由觀察口和物鏡組成的光學(xué)總系統(tǒng)的入射瞳孔相同。
21. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述散射體中的觀察口的 大小是可變的。
22. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述散射體中的觀察口的 形狀是可變的。
23. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于，觀察口是可移動(dòng)的。
24. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于旋轉(zhuǎn)的觀察口。
25. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于包括參考物體的校準(zhǔn)裝置。
26. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于包括作為參考物體的球體的 校準(zhǔn)裝置。
27. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于包括作為參考物體的反射鏡 的校準(zhǔn)裝置。
28. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于包括作為參考物體的平坦反 射鏡的校準(zhǔn)裝置。
29. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于熒光和/或磷光散射體和/或具 有該特性的涂層。
30. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于對(duì)于特定光波長的抑止濾光片。
31. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于對(duì)于所述光源中的至少一個(gè) 光源的波長的抑止濾光片。
32. 根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的設(shè)備，其特征在于具有被構(gòu)造為錐形的反射內(nèi) 表面和/或外表面的反射鏡，其中所述反射鏡的反射表面被構(gòu)造并且被定向，使得該反 射表面將物體的內(nèi)部和/或外部外周表面朝照相機(jī)的方向反射，以致該照相機(jī)檢測物體 的端面、物體的內(nèi)部和/或外部外周表面。
33. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，所述反射鏡和要觀察的物體被布 置在一個(gè)平面中。
34. 根據(jù)權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其特征在于，所述反射鏡和所述物體被布置在 不同的平面中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光學(xué)形狀測量和/或者檢驗(yàn)物體的設(shè)備，其具有至少一個(gè)照相機(jī)、至少一個(gè)物鏡、散射體和至少兩個(gè)光源。該設(shè)備的特征在于，散射體是不透明的，并且至少兩個(gè)光源固定在散射體內(nèi)部，由此照射其內(nèi)部，并且僅使用在設(shè)想直徑線上彼此相對(duì)的兩個(gè)光源，或者將光源固定在優(yōu)選等邊三角形的角上或者十字上。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101147042SQ200680009574
公開日2008年3月19日 申請(qǐng)日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月24日
發(fā)明者克里斯托夫·瓦格納 申請(qǐng)人:Obe-工廠翁瑪赫特與鮑姆蓋特納公司