專利名稱：相位分析測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在不接觸物體的情況下測量物體的方法和裝置，具體地，涉及一種可以通過分析投影在物體上的光學(xué)圖案的相位來確定物體的表面地形的方法和裝置。
背景技術(shù)：
用于通過對物體上的周期性光學(xué)圖案進(jìn)行相位分析來測量表面地形的非接觸性 光學(xué)測量系統(tǒng)是已知的。這些系統(tǒng)典型地包括投影儀和照相機(jī)，所述投影儀將結(jié)構(gòu)性光學(xué) 圖案投射到表面上，所述照相機(jī)與所述投影儀呈一個(gè)角度，所述照相機(jī)對表面上的結(jié)構(gòu)性 光學(xué)圖案進(jìn)行檢測。表面上的高度變化使得圖案中存在失真。可以從這個(gè)失真中計(jì)算出表 面的幾何形狀。這種系統(tǒng)通常已知為結(jié)構(gòu)性光學(xué)分析、相位輪廓術(shù)、相位漂移分析或條紋分 析系統(tǒng)。美國專利No. 6，100, 984公開了一種用于這種系統(tǒng)中的投影儀。激光束入射在透 鏡上，所述透鏡將激光束發(fā)散到液晶系統(tǒng)上，從而在要測量的表面上產(chǎn)生至少一個(gè)條紋圖 案。計(jì)算機(jī)被用于控制由所述液晶系統(tǒng)產(chǎn)生的條紋圖案的間距和相位。照相裝置被定位以 拍攝表面上條紋圖案的圖像。然后計(jì)算機(jī)和液晶系統(tǒng)執(zhí)行相位漂移技術(shù)，并且獲取新圖像 的另一幅圖片。通過使用這兩個(gè)圖像，可以獲得表面地形的精確地圖。使用液晶系統(tǒng)需要 復(fù)雜的接頭，從而導(dǎo)致相對高的能量消耗并且之后會(huì)產(chǎn)生熱量。這種系統(tǒng)可能會(huì)比較昂貴。WO 0151887還公開了一種結(jié)構(gòu)性光分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有包括內(nèi)部折射透鏡的條 紋投影儀，所述內(nèi)部折射透鏡可被操作來改變物體上投影條紋的位置，從而改變物體表面 上條紋的相位，該專利還公開了移動(dòng)物體以便對物體上的條紋進(jìn)行重新定位。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明描述一種通過相位分析對投射到待檢查物體上的光學(xué)圖案進(jìn)行相位漂移 的方法，其中，通過將光學(xué)圖案源相對于物體進(jìn)行移動(dòng)從而使得相位發(fā)生漂移。一種用于通過相位分析檢查物體的非接觸方法，包括i)投影儀將光學(xué)圖案投射 到待檢查物體的表面上；以及ii)獲取所述光學(xué)圖案投射到其上的所述表面的至少第一圖 像和第二圖像，其中，通過相對于所述物體移動(dòng)所述投影儀，所述表面上的所述光學(xué)圖案的 相位在所述第一圖像和所述第二圖像之間改變。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，物體上光學(xué)圖案的相位可以通過移動(dòng)投影儀而改變。在某些 情況下，這可以避免需要在投影儀中提供用于獲取物體上光學(xué)圖案的位置變化的昂貴的和 /或復(fù)雜的設(shè)備。例如，可以提供沒有內(nèi)部移動(dòng)部件的投影儀。當(dāng)移動(dòng)投影儀時(shí)，可以容易 地測量大的和/或重的物體。另外，它可以在機(jī)械加工期間進(jìn)行物體的現(xiàn)場測量，從而不需 要為了繼續(xù)進(jìn)行機(jī)械加工而進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新整理。將會(huì)理解，投影儀投射的光學(xué)圖案對于 所述至少第一相位漂移圖像和第二相位漂移圖像而言是相同的。優(yōu)選地，光學(xué)圖案在兩維空間中延伸。這能夠從物體上光學(xué)圖案的單個(gè)圖像確定兩維空間中物體表面的地形。光學(xué)圖案可以基本上是全視野光學(xué)圖案。在基本上全視野的 光學(xué)圖案中，圖案可以在參考平面上(下面將更加詳細(xì)地描述)在成像裝置的至少50%的 視野上延伸，用于獲取至少第一圖像和第二圖像中的至少一個(gè)圖像，優(yōu)選地至少在75%的 視野上延伸，特別優(yōu)選地在至少95 %的視野上延伸，例如基本上在參考平面上在成像裝置 的整個(gè)視野上延伸。參考平面可以是距離成像裝置已知距離的平面。可選擇地，參考平面 可以是包含投影儀和成像裝置的光軸交叉的點(diǎn)的平面。參考平面可以垂直于成像裝置的光 軸延伸。優(yōu)選地，光學(xué)圖案是基本上周期性的光學(xué)圖案。將會(huì)理解，周期性的光學(xué)圖案可以 是在某個(gè)有限距離之后重復(fù)的圖案。每個(gè)重復(fù)之間的最小距離可以是圖案的周期。優(yōu)選地， 光學(xué)圖案在至少一個(gè)維度上是周期性的?？蛇x擇地，光學(xué)圖案可以在至少二個(gè)維度上是周 期性的。所述至少兩個(gè)維度之間可以相互垂直。優(yōu)選地，成像在至少第一圖像和第二圖像中的光學(xué)圖案在物體的一個(gè)區(qū)域上被投 影。優(yōu)選地，圖案在物體的一個(gè)區(qū)域上延伸，從而有利于使用本發(fā)明的方法在該區(qū)域上測量 物體的多個(gè)點(diǎn)。用于本發(fā)明的適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)圖案包括同心圓圖案和具有變化的顏色、色度和/或色 調(diào)的線條圖案。顏色、色度和/或色調(diào)可以在兩個(gè)或多個(gè)不同數(shù)值之間交替?？蛇x擇地，顏 色、色度和/或色調(diào)可以在多個(gè)離散數(shù)值之間變化。 優(yōu)選地，顏色、色度和/或色調(diào)在光學(xué) 圖案上連續(xù)地變化。優(yōu)選地，周期性光學(xué)圖案是條紋圖案。例如，周期性光學(xué)圖案是一組正 弦條紋。在這種情況下，本發(fā)明的方法包括獲取多個(gè)條紋漂移圖像。光學(xué)圖案可以在紅外線到紫外線的范圍中。優(yōu)選地，光學(xué)圖案是可見的光學(xué)圖案。 將會(huì)理解，用于例如本發(fā)明的方法中的光學(xué)圖案還可以統(tǒng)一地稱為結(jié)構(gòu)性光學(xué)圖案。用于光學(xué)圖案的合適的投影儀包括數(shù)字光投影儀，其被構(gòu)造成用于投射從處理器 裝置輸入的圖像。這個(gè)投影儀能夠改變所投射的圖案。合適的投影儀可以包括光源和用于 產(chǎn)生光學(xué)圖案的一個(gè)或兩個(gè)衍射光柵。衍射光柵可以移動(dòng)從而能夠改變由投影儀投射的圖 案。例如，衍射光柵可以安裝在壓電傳感器上?？蛇x擇地，衍射光柵可以是固定的，從而不 能改變投影儀投射的光學(xué)圖案?？蛇x擇地，投影儀可以包括光源和全息圖。另外，投影儀可 以包括光源和壓花幻燈片。另外，投影儀可以包括兩個(gè)彼此相干光源。相干光源可以移動(dòng) 以便改變由投影儀投射的圖案。例如，相干光源可以安裝在壓電傳感器上。可選擇地，相干 光源可以是固定的，從而不能改變由投影儀投射的光學(xué)圖案。方法可以包括獲取表面上光學(xué)圖案的至少第三個(gè)相位漂移圖像。所獲得的圖像越 多，則可用于分析的圖像就越多，從而計(jì)算地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和可靠度能夠隨著 所獲得圖像的數(shù)量而提高。投影儀可移動(dòng)任何距離，這提供了被投射光學(xué)圖案相對于物體的位置的變化。優(yōu) 選地，投影儀的移動(dòng)使得圖案在物體上的位置至少名義地移動(dòng)非整數(shù)倍的圖案周期。例如， 當(dāng)光學(xué)圖案是條紋圖案時(shí)，投影儀的移動(dòng)可以使得圖案在物體上的位置至少名義地移動(dòng)非 整數(shù)倍的條紋周期。例如，投影儀的移動(dòng)使得圖案在物體上的位置至少名義地移動(dòng)1/4的 條紋周期。將會(huì)理解，相對地移動(dòng)投影儀以便獲取圖案在物體上的這種漂移的投影儀的實(shí) 際移動(dòng)距離可以依賴于多個(gè)因素，包括所投影的周期性光學(xué)圖案的周期以及物體和投影儀 之間的距離。
將會(huì)理解，移動(dòng)投影儀將導(dǎo)致光學(xué)圖案在物體上的位置的變化。但是從移動(dòng)前后獲得的物體上的光學(xué)圖案的圖像上看光學(xué)圖案好像沒有移動(dòng)。這可以稱為名義移動(dòng)。移動(dòng) 是否是名義移動(dòng)或?qū)嶋H移動(dòng)將依賴于多個(gè)因素，包括所投射的光學(xué)圖案的形式以及物體表 面相對于投影儀的形狀和/或方位。例如，對于一個(gè)給定的移動(dòng)來說，光學(xué)圖案在表面上的 位置變化對于不同形狀和方位的表面是不同的?？赡軙?huì)出現(xiàn)這樣的情形，即，當(dāng)實(shí)際情況是 光學(xué)圖案已經(jīng)移動(dòng)并且該移動(dòng)在不同形狀或定位的物體上會(huì)很明顯時(shí)，由于表面的形狀和 /或方位，可能看起來光學(xué)圖案沒有改變位置。重要的是，已知移動(dòng)將導(dǎo)致光學(xué)圖案相對于 投影儀在已知形狀和方位的參考平面上的位置發(fā)生改變。因此，可以通過有效地確定所成 像的光學(xué)圖案的位置如何與已知的參考不相同而確定所述表面的形狀和方位。投影儀的移動(dòng)可以使得在測量空間中光學(xué)圖案相對于預(yù)先確定的參考平面的位 置發(fā)生改變。投影儀的移動(dòng)可以使得在測量空間中光學(xué)圖案相對于預(yù)先確定的參考平面的 位置改變非整數(shù)倍的圖案周期。預(yù)先確定的參考平面可以是圖像傳感器的參考平面。然后， 通過有效地比較光學(xué)圖案在表面上的位置和它在參考平面上可能的位置，可以確定物體表 面的形狀和/或方位。至少第一圖像和第二圖像可以由至少一個(gè)合適的成像裝置獲取。合適的成像裝置 可以包括至少一個(gè)圖像傳感器。例如，合適的成像裝置可以包括光學(xué)電磁輻射(EMR)靈敏 檢測器，例如電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)。合適的成像裝置可選擇 地配置為將光聚焦在圖像平面上。將會(huì)理解，圖像平面可以由圖像傳感器限定。例如，合適 的成像裝置可以包括至少一個(gè)光學(xué)組件，其設(shè)置為將光學(xué)EMR聚焦在圖像平面上?？蛇x擇 地，所述至少一個(gè)光學(xué)組件包括透鏡。合適的成像裝置可以基于包括一針孔的針孔照相機(jī)模型，其也被稱為成像裝置的 視角中心，光學(xué)EMR射線被假定為在與圖像平面相交之前通過該視角中心。將會(huì)理解，不包 括針孔而包括透鏡以便聚焦光學(xué)EMR的成像裝置也具有視角中心，它可能是與圖像平面相 交的所有光學(xué)EMR射線假設(shè)要通過的點(diǎn)。將會(huì)理解，視角中心可以使用校準(zhǔn)過程相對于圖像傳感器被找到，例如描述在以 下文獻(xiàn)中在計(jì)算機(jī)視覺和圖案識別(CVPR’ 97) 1997年會(huì)議的會(huì)議錄中由J. Heikkila 禾口 0. Silven 發(fā)表的文章"A four-step cameracalibration procedure with implicit image correction"( “具有隱含圖像校正的四步驟照相機(jī)校準(zhǔn)過程”)；Whittles出版 公司于 1996 年出版的由 K. B. Atkinson 編輯的書籍“Close range photogrammetry and machinevision"( “近范圍照相測量法和機(jī)器視覺”)中J. G Fryer所著的文章“Camera Calibration”(“照相機(jī)校準(zhǔn)”)?？梢蕴峁┲T如用于校正透鏡象差的校準(zhǔn)參數(shù)，所述校準(zhǔn) 參數(shù)是已知的并且例如被描述在這兩個(gè)文獻(xiàn)中。所述至少第一圖像和第二圖像可以由成像裝置單元獲取，所述成像裝置單元包括 至少一個(gè)成像裝置。成像裝置單元可以包括單個(gè)成像裝置。所述至少一個(gè)第一圖像和至少 一個(gè)第二圖像可以由單個(gè)成像裝置獲取。所述單個(gè)成像裝置可以包括單個(gè)圖像傳感器。因 此，第一圖像和第二圖像可以由單個(gè)圖像傳感器獲取。步驟ii)可以包括將投影儀和成像裝置相對于物體移動(dòng)。當(dāng)成像裝置和投影儀相 互具有固定的空間關(guān)系時(shí)尤其是這樣。例如，當(dāng)成像裝置和投影儀作為單個(gè)單元提供時(shí)，可 能也是這樣。例如，成像裝置和投影儀可以作為單個(gè)探頭裝置提供。
當(dāng)物體和成像裝置相對于彼此發(fā)生移動(dòng)時(shí)，相對移動(dòng)量應(yīng)當(dāng)足夠的小，從而使得 成像裝置在每個(gè)圖像中獲得的物體的視角基本上相同。具體而言，移動(dòng)量優(yōu)選地足夠的小， 從而使得圖像基本上將相同的點(diǎn)成像在物體上。例如，在步驟ii)中獲取的圖像可以重疊 至少50 %，優(yōu)選地至少重疊75 %，更優(yōu)選地至少重疊90 %，特別優(yōu)選地至少重疊95 %，例如 至少重疊97%。優(yōu)選地，移動(dòng)量足夠小，從而使得圖像傳感器在每個(gè)圖像中獲取的物體的視 角基本上相同，從而多個(gè)圖像之間的視角的任何變化都可以在分析多個(gè)圖像的步驟中得到 補(bǔ)償(下面將更加詳細(xì)地對此進(jìn)行描述)。將會(huì)理解，視角可以是物體的特定的視點(diǎn)。視角可以由圖像傳感器相對于物體的 位置和/或方位限定。投影儀可以相對于物體在橫向方向上發(fā)生位移，從而在表面上移動(dòng)光學(xué)圖案?？?選擇地，投影儀相對于物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)。在優(yōu)選的實(shí)施例中，通過繞著成像裝置的視角中心旋 轉(zhuǎn)投影儀和成像裝置，投影儀和成像裝置在圖像之間移動(dòng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，繞著成像裝置的視角 中心旋轉(zhuǎn)能夠使得處理圖像以補(bǔ)償物體與成像裝置之間的任何相對移動(dòng)更加容易(以下 將更加詳細(xì)地描述)。具體地，它能夠使得在多個(gè)圖像上匹配對應(yīng)的像素更加容易。例如， 可以使用獨(dú)立于物體和成像裝置之間距離的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來匹配對應(yīng)的像素。因此，不是必須 知道物體和成像裝置之間的距離才能處理圖像以便補(bǔ)償物體和成像裝置之間的任何相對 移動(dòng)。
地，本發(fā)明的方法還包括對相位漂移圖像進(jìn)行處理，從而獲取地形表面數(shù)據(jù)。因 此，該方法可用于獲取有關(guān)物體表面的地形數(shù)據(jù)。將會(huì)理解，物體可以是未知的。也就是說， 物體可以是未知的大小。將會(huì)理解，處理可以由處理器裝置執(zhí)行，該處理器裝置獨(dú)立于控制 投影儀和/或成像裝置的裝置。本發(fā)明的方法可以包括在第一圖像和第二圖像中的一個(gè)圖像的整體上確定地形 數(shù)據(jù)。可選擇地，該方法可以包括僅在第一圖像和第二圖像中的一個(gè)圖像的一部分上確定 地形數(shù)據(jù)。具體地，該方法包括確定投射有光學(xué)圖案的物體的連續(xù)部分的地形數(shù)據(jù)。物體 的連續(xù)部分可以是由光學(xué)圖案中多個(gè)不規(guī)則點(diǎn)或斷裂點(diǎn)封閉的物體的一部分，下面將詳細(xì) 進(jìn)行描述。將會(huì)理解，地形表面數(shù)據(jù)可以是表示至少部分物體表面的地形的數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù) 可以是表示在物體的至少一個(gè)點(diǎn)上(優(yōu)選地，在物體的多個(gè)點(diǎn)上)物體表面相對于成像裝 置的高度的數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)可以是表示在物體的至少一個(gè)點(diǎn)上(優(yōu)選地，在物體的多個(gè)點(diǎn) 上)物體表面梯度的數(shù)據(jù)。將會(huì)理解，地形數(shù)據(jù)可以通過有效地分析表面上的光學(xué)圖案的相位進(jìn)行確定。存 在許多用于從一組相位漂移圖像中確定地形數(shù)據(jù)的已知技術(shù)，它們經(jīng)常被稱為相位步進(jìn)算 法。例如，期刊Proc. SPIE 680,19-28(1986)中由 Creath，K.所著的"Comparison of phase measurement algorithms"( “相位測量算法的比較”)描述了合適的相位步進(jìn)算法。已知的相位步進(jìn)算法可以要求圖像上的對應(yīng)點(diǎn)對應(yīng)于物體上的相同點(diǎn)。將會(huì)理 解，在成像裝置相對于物體發(fā)生移動(dòng)的實(shí)施例中將不是這種情況。因此，本發(fā)明方法可以包 括對至少第一圖像和第二圖像進(jìn)行處理以便補(bǔ)償物體和成像裝置之間的相對移動(dòng)。一旦進(jìn) 行了補(bǔ)償，多個(gè)圖像上的對應(yīng)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)表示物體上的相同點(diǎn)。處理圖像的步驟可以包括對由 所述第一圖像和第二圖像覆蓋的公共圖像區(qū)域進(jìn)行識別。處理圖像的步驟可以包括調(diào)整第一圖像和第二圖像中的至少一個(gè)圖像的圖像坐標(biāo)。處理圖像的步驟可以包括將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用 于第一圖像和第二圖像中的至少一個(gè)圖像。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以是線性平移。這可以具有剪裁圖 像的效果?？蛇x擇地，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可以是非線性函數(shù)，該非線性函數(shù)可以依賴于照相機(jī)的內(nèi)部 參數(shù)(包括透鏡象差)、被轉(zhuǎn)換的點(diǎn)的圖像坐標(biāo)、物體和感測裝置之間的相對移動(dòng)、與物體 之間的距離以及其它系統(tǒng)參數(shù)。將會(huì)理解，最合適的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是在物體和成像裝置的相對 移動(dòng)下最準(zhǔn)確地使得物體位置在轉(zhuǎn)換后的圖像中保持不變。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以對至少第一圖像和第二圖像進(jìn)行處理以便獲得地形表面數(shù) 據(jù)，而不用在至少第一圖像和第二圖像之間補(bǔ)償物體和成像裝置之間的任何相對移動(dòng)。已 經(jīng)發(fā)現(xiàn)這是有利的，因?yàn)樗聊軌蛟诓荒軠?zhǔn)確地對成像裝置和物體的相對移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償 的情況下執(zhí)行本發(fā)明的方法。例如，在成像裝置已經(jīng)在橫向方向上移動(dòng)并且相隔距離與測 量空間的深度相比并不大的情況。例如，至少第一圖像和第二圖像可以在測量空間的深度 與相隔距離的比率小于10 1的情況下可以獲取至少第一圖像和第二圖像，例如比率小 于5 1，例如1 1。因此，步驟iii)可以包括處理至少第一圖像和第二圖像，其中，至 少第一圖像和第二圖像上的對應(yīng)點(diǎn)表示物體上的不同點(diǎn)。這可以例如通過在至少第一圖 像和第二圖像上的對應(yīng)點(diǎn)上有效地分析光學(xué)圖案的相位變化來實(shí)現(xiàn)。換句話說，這可以 通過在至少第一圖像和第二圖像上的相同像素上分析光學(xué)圖案的相位變化來實(shí)現(xiàn)。用于 處理未經(jīng)處理的至少第一圖像和第二圖像以便補(bǔ)償相對移動(dòng)的合適的算法包括Carr6算 法和五幀算法，Carr6算法是非常著名的并且例如期刊Metrologia 2 13-23(1996)中由 Carre, P. PJf^^JCM" Installation et utilisation du comparateur photoelectrique etinterferential du Bureau International des Podis et Mesure，，進(jìn)了描述，五中 算法則在期刊 Optics and Lasers in Engineering28,61-69 (1997)中由 G. Stoilov 和 Τ. Dragostinov 所著白勺文章"Phase-stepping interferometry :five-frame algorithm with an arbitrarystep"( “相位步進(jìn)干涉測量法具有任意步進(jìn)的五幀算法”)進(jìn)行了描 述。將會(huì)理解，使用Can^算法處理相位漂移圖像提供調(diào)幅和相位漂移數(shù)據(jù)以及相位數(shù)據(jù)。處理至少第一圖像和第二圖像的步驟可以包括從所述至少第一圖像和第二圖像 計(jì)算相位圖。將會(huì)理解，相位圖包含對于圖像中的多個(gè)像素投射到物體表面上的圖案的相 位。具體而言，這個(gè)步驟可以包括從至少第一圖像和第二圖像計(jì)算包絡(luò)相位圖。因此，步驟 iii)可以包括使用相位步進(jìn)算法來計(jì)算包絡(luò)相位圖。步驟iii)還可以包括對包絡(luò)相位圖 進(jìn)行展開并且從展開的相位圖獲取地形數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)可以是高度數(shù)據(jù)的形式。將會(huì)理解， 高度數(shù)據(jù)可以詳細(xì)描述表面上多個(gè)點(diǎn)相對于成像裝置的位置。將會(huì)理解，當(dāng)物體和成像裝置一起相對于彼此移動(dòng)時(shí)，步驟iii)可以包括a)處 理第一圖像和第二圖像中的至少一個(gè)圖像以便補(bǔ)償物體和成像裝置之間的移動(dòng)；b)使用 補(bǔ)償后的圖像來計(jì)算(例如包絡(luò)的)相位圖。步驟iii)還可以包括c)對包絡(luò)相位圖進(jìn)行 展開并且獲取有關(guān)物體表面的地形數(shù)據(jù)。因此，步驟a)可以包括識別出由多個(gè)圖像覆蓋的公共圖像區(qū)域，步驟b)可以包括 僅使用公共圖像區(qū)域計(jì)算相位圖。具體地，步驟a)可以包括調(diào)整圖像坐標(biāo)以便補(bǔ)償物體和 成像裝置之間的相對移動(dòng)。分析至少第一圖像和第二圖像的步驟可以包括確定表面的梯度。這可以是相對于 成像裝置的梯度。
確定表面梯度的步驟可以包括從多個(gè)圖像計(jì)算相位漂移圖。有許多合適的算法來 從多個(gè)圖像產(chǎn)生相位漂移圖。例如，Can^算法可用于產(chǎn)生相位漂移圖。確定相關(guān)表面的 梯度的步驟還可以包括基于相位漂移圖獲取梯度圖。梯度圖可以通過將相位漂移圖上的每 個(gè)點(diǎn)的值轉(zhuǎn)換為梯度值來獲取。相位漂移圖中的點(diǎn)的值可以使用預(yù)先確定的映射過程轉(zhuǎn)換 為梯度值。將會(huì)理解，相位漂移圖可以詳細(xì)描述由于被投射條紋在物體表面上的位置變化 而導(dǎo)致的表面上多個(gè)點(diǎn)的相位漂移。相位漂移可以被限定在360度的范圍中。梯度圖可以 詳細(xì)描述表面上多個(gè)點(diǎn)的表面梯度。本發(fā)明的方法還可以包括對梯度圖求積分以便獲取高度數(shù)據(jù)。如前所述，高度數(shù) 據(jù)可以詳細(xì)描述表面上的多個(gè)點(diǎn)相對于成像裝置的位置。投影儀和成像裝置可以安裝在坐標(biāo)定位設(shè)備上。這可以獲取有關(guān)投影儀和成像裝 置的位置和/或方位的準(zhǔn)確的位置信息。物體可以置于測量空間中并且所述方法還可以包括確定該測量空間中的地形數(shù) 據(jù)的三維坐標(biāo)。如前所述，優(yōu)選地從相同的第一視角獲得至少第一圖像和第二圖像。因此，本發(fā)明 的方法包括獲取第一組多個(gè)圖像。本發(fā)明的方法還可能包括，成像裝置從不同于第一視角 的至少第二視角獲取物體的至少第二組多個(gè)圖像。然后，本發(fā)明的方法還可以包括從第一 組和至少第二組多個(gè)圖像中識別出將要測量的物體上的至少一個(gè)目標(biāo)特征，然后確定物體 上該目標(biāo)特征相對于成像裝置的位置。用于識別出物體表面的地形數(shù)據(jù)以及識別和確定物 體上目標(biāo)特征的位置的方法和裝置的細(xì)節(jié)在與本申請同一天提交的未決PCT申請中進(jìn)行 了公開，該未決申請的標(biāo)題是“NON-CONTACT PROBE” ( “非接觸探頭”)，其申請人參考號碼 是743/W0/0并且要求了英國專利申請No. 0716080. 7，0716088. 0和0716109. 4的優(yōu)先權(quán)。 該申請中公開的主題并入本申請的說明書中作為參考。目標(biāo)特征可以是物體上的預(yù)先確定的標(biāo)記。所述預(yù)先確定的標(biāo)記可以是物體的一 部分，例如是形成在物體表面上的預(yù)先確定的圖案?？蛇x擇地，標(biāo)記可以被粘貼到物體上用 于標(biāo)識目標(biāo)特征。例如，標(biāo)記可以是編碼的“牛眼”，其中，“牛眼”具有唯一的中心點(diǎn)，該中 心點(diǎn)不隨視角發(fā)生變化，并且由編碼為唯一標(biāo)識符的一組同心黑白環(huán)圍繞。自動(dòng)特征識別 方法可用于定位目標(biāo)的中心并且對唯一標(biāo)識符進(jìn)行解碼。利用這樣的目標(biāo)，可以自動(dòng)地分 析圖像并且返回“牛眼”的中心的坐標(biāo)。將要測量的物體上的目標(biāo)特征可以通過特征識別技術(shù)進(jìn)行識別。例如，哈夫 (Hough)變換可用于識別出物體上的直線特征。優(yōu)選地，圖像分析儀配置為將成像在至少一個(gè)第一圖像和第二圖像的光學(xué)圖案中的至少一個(gè)不規(guī)則點(diǎn)識別為至少一個(gè)目標(biāo)特征。這是有利的，因?yàn)榭梢栽诓皇褂梦挥谖矬w 的標(biāo)記的情況下識別出目標(biāo)特征。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這能夠快速地對物體進(jìn)行高準(zhǔn)確度測量。還 發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的方法與其它已知的圖像處理技術(shù)相比較需要較少的處理資源來識別復(fù)雜形 狀物體上的點(diǎn)。一種將至少一個(gè)第一圖像和第二圖像的每個(gè)圖像的光學(xué)圖案中的不規(guī)則 點(diǎn)識別為目標(biāo)特征的方法的細(xì)節(jié)在與本申請同一天提交的未決PCT申請中進(jìn)行了公開， 該未決 PCT 申請的標(biāo)題是“NON-CONTACT MEASUREMENT APPARATUS AND METHOD”(“非 接觸測量裝置和方法”)，其申請人參考號碼是741/WO/O，并且要求了英國專利申請 No. 0716080. 7，0716088. 0, 0716109. 4的優(yōu)先權(quán)。該申請中公開的主題并入本申請的說明書中作為參考。光學(xué)圖案中的不規(guī)則點(diǎn)可能是由于物體上的不連續(xù)特征所引起的光學(xué)圖案的變 形。這種光學(xué)圖案的變形可能在物體的兩個(gè)連續(xù)部分之間的邊界上產(chǎn)生。例如，邊界可能 是立方體的兩個(gè)面相遇處的立方體邊緣。因此，物體上的不連續(xù)特征可能是物體表面的梯 度發(fā)生很大變化的位置。表面的梯度越大，則表面上該點(diǎn)上的光學(xué)圖案的變形就越大。因 此，可以通過識別出物體上光學(xué)圖案的變形超過預(yù)先確定的閾值的那些點(diǎn)從而識別出斷裂 點(diǎn)。這個(gè)預(yù)先確定的閾值將依賴于多個(gè)因素，包括將要測量的物體的尺寸和形狀。用戶可 以基于對將要測量的物體的了解在操作前確定和設(shè)置預(yù)先確定的閾值。在光學(xué)圖案是條紋圖案的實(shí)施例中，通過識別出物體上條紋圖案的相位變化超過 預(yù)先確定的閾值的那些點(diǎn)來識別出不規(guī)則點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于通過相位分析檢查物體的裝置，所述裝置 包括投影儀，設(shè)置為將光學(xué)圖案投射到將要測量的物體的表面上，所述投影儀可相對于所 述物體發(fā)生移動(dòng)；成像裝置，設(shè)置為獲取將所述光學(xué)圖案投射到其上面的物體的多個(gè)圖像， 其中，所述投影儀設(shè)置為相對于所述物體在獲得相位漂移圖像之間移動(dòng)，從而使得所述物 體上的光學(xué)圖案的相位發(fā)生改變。將會(huì)理解，所述裝置還可以包括圖像分析儀，用于對圖像 進(jìn)行分析以便獲取地形表面數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于通過相位分析檢查物體的非接觸方法，包 括以任何合適順序執(zhí)行的以下步驟i)投影儀將光學(xué)圖案投射到要檢查的物體的表面上； ii)成像裝置獲取所述表面上的光學(xué)圖案的多個(gè)相位漂移圖像，其中，所述投影儀和所述成 像裝置相互之間具有固定的空間關(guān)系，并且其中，通過繞著所述成像裝置的視角中心在所 述投影儀和所述物體之間的相對旋轉(zhuǎn)，所述物體上的光學(xué)圖案的位置在圖像之間移動(dòng)。繞 著視角中心旋轉(zhuǎn)可能是有利的，因?yàn)槌上裱b置的物體視角不發(fā)生變化，從而由于旋轉(zhuǎn)前的 阻擋而隱藏的物體上的點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)之后仍然會(huì)由于阻擋而隱藏。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，繞著成像裝置的 視角中心的旋轉(zhuǎn)使得對圖像進(jìn)行處理以便補(bǔ)償物體和成像裝置之間的任何相對移動(dòng)變得 更加容易。具體而言，它使得在多個(gè)圖像上匹配對應(yīng)的像素變得更加容易。例如，匹配對應(yīng) 的像素可以使用獨(dú)立于物體和成像裝置之間距離的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行。因此，不需要知道物體 和成像裝置之間的距離以處理圖像來補(bǔ)償物體和成像裝置之間的任何相對移動(dòng)。本方法還包括iii)處理所述相位漂移圖像以獲取地形表面數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種包括指令的計(jì)算機(jī)程序編碼，當(dāng)所述指令由控 制器執(zhí)行時(shí)，使得機(jī)器的控制器根據(jù)前面所描述的方法對投影儀、成像裝置和圖像分析儀 中的至少一個(gè)進(jìn)行控制。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上記錄如前面所述的計(jì)算 機(jī)程序代碼。因此，本申請描述了一種測量物體的非接觸方法，包括以任何合適順序排序的以下步驟i)投影儀將結(jié)構(gòu)性光學(xué)圖案投射到將要測量的物體的表面上；ii)圖像傳感器獲 得表面上結(jié)構(gòu)性光學(xué)圖案的多個(gè)圖像；以及iii)通過分析所述多個(gè)圖像獲取有關(guān)所述表 面的地形數(shù)據(jù)，其中，所述方法還包括在獲取所述多個(gè)圖像中的每個(gè)圖像的過程之間使得 物體和投影儀發(fā)生相對移動(dòng)。本申請還描述了一種用于測量位于測量空間中的物體的裝 置，所述裝置包括投影儀，設(shè)置為將結(jié)構(gòu)性光學(xué)圖案投射到將要測量的物體的表面上，其中，物體和投影儀之間相對移動(dòng)從而使得表面上結(jié)構(gòu)性光學(xué)圖案的位置可以發(fā)生變化；圖 像傳感器，設(shè)置為獲取表面上結(jié)構(gòu)性光學(xué)圖案的多個(gè)圖像；以及圖像分析儀，設(shè)置為通過分 析由所述圖像傳感器獲取的多個(gè)圖像來獲取與所述表面相關(guān)的地形數(shù)據(jù)，其中，表面上結(jié) 構(gòu)性光學(xué)圖案的位置在所述多個(gè)圖像的每個(gè)圖像中均不相同。



現(xiàn)在將僅通過示例的方式參照以下附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1示出了坐標(biāo)測量機(jī)的示意性透視圖，在所述坐標(biāo)測量機(jī)上安裝有根據(jù)本發(fā)明 的用于通過非接觸方法測量物體的探頭；圖2示出了探頭從三個(gè)不同視角獲取的圖1所示物體的不同圖像；圖3示出了對于上述三個(gè)不同視角中的每個(gè)視角的多個(gè)包絡(luò)相位圖；圖4示出了圖1所示裝置的高階操作的流程圖；圖5示出了捕獲視角圖像集的方法；圖6示出了獲取條紋漂移圖像的方法；圖7示出了分析圖像的方法；圖8示出了計(jì)算包絡(luò)相位圖的方法；圖9示出了獲取高度圖的第一方法；圖10示出了獲取高度圖的第二方法；圖11示出了圖1所示探頭的組件的示意圖；圖12示出了圖11所示探頭的成像裝置和投影儀的位置關(guān)系示意圖；圖13示出了圖11所示投影儀的示意圖；圖14示出了一組條紋漂移圖像，物體上條紋的位置在每個(gè)圖像中不相同；圖15示出了相對于物體移動(dòng)圖像傳感器的效果；圖16示出了如何從相位漂移確定物體表面的梯度；圖17示出了通過繞著圖像傳感器的視角中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而獲取條紋漂移圖像； 以及圖18示出了成像裝置的相隔距離和區(qū)域的深度。
具體實(shí)施例方式參照圖1，示出了一臺坐標(biāo)測量機(jī)(CMM) 2，在CMM 2上安裝有根據(jù)本發(fā)明的測量探 頭4。CMM 2包括支撐框架12的基座10，框架12進(jìn)而支持主軸14。提供有電動(dòng)機(jī)(圖 中未示出)以沿著三條相互正交的軸Χ、γ和ζ移動(dòng)主軸14。主軸14支持接合頭16。接合 頭16具有連接到主軸14的基部20、中間部分22和探頭保持部分24?；?0包括第一電 動(dòng)機(jī)(圖中未示出)，用于繞著第一旋轉(zhuǎn)軸18旋轉(zhuǎn)中間部分22。中間部分22包括第二電 動(dòng)機(jī)(圖中未示出)，用于繞著第二旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)探頭保持部分24，第二旋轉(zhuǎn)軸基本上垂直于 第一旋轉(zhuǎn)軸。雖然圖中未示出，但是還可以在接合頭16的可移動(dòng)部件之間提供支承件。另 夕卜，雖然圖中未示出，但是可以提供測量編碼器來測量基座10、框架12、主軸14和接合頭16 的相對位置，從而可以確定測量探頭4相對于位于基座10上的工件的位置。
探頭4可移除地安裝在探頭保持部分24上(例如，采用運(yùn)動(dòng)安裝)。探頭4可以 通過使用提供在探頭4和探頭保持部分24上或提供在探頭4和探頭保持部分24內(nèi)的相應(yīng) 的磁體(圖中未示出)由探頭保持部分24支持。接合頭16允許探頭4相對于主軸14以兩個(gè)自由度進(jìn)行移動(dòng)。接合頭16提供的 兩個(gè)自由度以及CMM 2平移的三條線性軸(X、Y、Z)相結(jié)合能夠允許探頭4繞著五條軸移動(dòng)?？刂破?6包括用于控制CMM 2的操作的CMM控制器27、用于控制探頭4的操作的 探頭控制器29以及用于分析由探頭4獲得的圖像的圖像分析儀31。控制器26可以是專用 的電子控制系統(tǒng)和/或可以包括個(gè)人電腦。CMM控制器27設(shè)置為向第一電動(dòng)機(jī)和第二電動(dòng)機(jī)提供合適的驅(qū)動(dòng)電流，從而在使 用期間每個(gè)電動(dòng)機(jī)能夠施加需要的扭矩。每個(gè)電動(dòng)機(jī)所施加的扭矩可用于導(dǎo)致繞著相關(guān)旋 轉(zhuǎn)軸的移動(dòng)或者保持某個(gè)旋轉(zhuǎn)位置。因此，可以看出，在使用時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流需要連續(xù)地施加 到接合頭16的每個(gè)電動(dòng)機(jī)上，即，即使不需要繞著相關(guān)旋轉(zhuǎn)軸移動(dòng)，也需要向每個(gè)電動(dòng)機(jī) 提供電源。應(yīng)當(dāng)注意，圖1僅給出了 CMM 2的高層次描述。針對這種裝置的更完整的描述可 以在其它地方找到，例如，參見EP 402440，該專利文獻(xiàn)的全文引入本說明書中作為參考?，F(xiàn)在參照圖11，探頭4包括投影儀40和成像裝置44，投影儀40在處理單元42的 控制下將條紋圖案投射到物體28上，成像裝置44用于在處理單元42的控制下獲取條紋圖 案投射到其上的物體28的圖像。將會(huì)理解，成像裝置44包括合適的光學(xué)器件和傳感器，用 于捕獲物體28的圖像。在所描述的實(shí)施例中，成像裝置包括圖像傳感器，特別地，CCD限定 圖像平面62。成像裝置44還包括透鏡(圖中未示出)，用于將光聚焦在圖像平面62上。處理單元42連接到控制器單元26中的探頭控制器29和圖像分析儀31，從而處理 單元42可以經(jīng)由通信線路46與它們進(jìn)行通信。將會(huì)理解，通信線路46可以是有線或無線 的通信線路。探頭4還包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)器件48，用于暫時(shí)存儲(chǔ)處理單元42所使 用的數(shù)據(jù)，例如圖像數(shù)據(jù)。將會(huì)理解，探頭4不是必須包括處理單元42和/或RAM 48。例如，所有的處理和 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可以由連接到探頭4的裝置執(zhí)行，該裝置例如是控制器26或者連接在探頭4和控 制器26之間的中間裝置。如圖12中所示，投影儀40的圖像平面60和成像裝置44的圖像平面62相互呈一 角度，使得投影儀40的光軸61和成像裝置的光軸63在參照平面64上相交。在使用時(shí)，探 頭4的位置設(shè)置為使得投射到物體表面上的條紋可以由成像裝置44清楚地成像。參照圖13，投影儀40包括用于產(chǎn)生相干光源的激光二極管50、用于對從激光二極 管50發(fā)射出來的光進(jìn)行校準(zhǔn)的校準(zhǔn)儀52、用于產(chǎn)生正弦條紋集的光柵54以及用于在參照 平面64上聚焦條紋的透鏡元件56。將會(huì)理解，其它類型的投影儀也可以用于本發(fā)明。例 如，投影儀可以包括光源和遮光板，用于選擇性地阻擋和發(fā)送圖案中來自投影儀的光。在所描述的實(shí)施例中，投影儀40投影的周期性光學(xué)圖案是一組正弦條紋集。但 是，應(yīng)當(dāng)理解，可以投射其它形式的結(jié)構(gòu)光，例如一組具有不同顏色或色調(diào)(例如交替的黑 白線、或平行的紅色、藍(lán)色和綠色線)的平行線條，或者甚至是例如一組同心圓。現(xiàn)在將參照圖2到圖10描述探頭4的操作。
首先參照圖4，當(dāng)操作人員打開CMM 2時(shí)，操作在步驟100開始。在步驟102，系統(tǒng) 進(jìn)行初始化。這包括將探頭4裝載到接合頭16上，在基座10上定位要測量的物體28，將 CMM的編碼器發(fā)送到起始位置或參照位置，從而使得接合頭16相對于CMM 2的位置是已知 的，并且對CMM 2和探頭4進(jìn)行校準(zhǔn)，從而使得探頭4的參照點(diǎn)相對于CMM 2的位置是已知 的。一旦進(jìn)行了初始化和適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，控制過程進(jìn)行到步驟104，在步驟104中，探頭4 獲得物體28的一組圖像。多次執(zhí)行這個(gè)步驟，從而獲得多組圖像，其中，每組圖像對應(yīng)于物 體28的不同視角或視點(diǎn)。在所描述的例子中，獲得對應(yīng)于三個(gè)不同視角的三組圖像。下面 參照圖5更加詳細(xì)地解釋獲得一組圖像的過程。一旦已經(jīng)獲得了所有的圖像，則在步驟106中由控制器26中的圖像分析儀31對 這些圖像進(jìn)行分析。圖像分析儀31從這些圖像中計(jì)算出相對于CMM 2的一組三維(“3D”) 坐標(biāo)，該3D坐標(biāo)描述了物體28的形狀。下面將參照圖7更加詳細(xì)地描述分析圖像的方法。 然后在步驟108中將該3D坐標(biāo)作為三維點(diǎn)集合輸出。將會(huì)理解，三維點(diǎn)集合可以存儲(chǔ)在存 儲(chǔ)器裝置上以便以后使用。三維點(diǎn)集合數(shù)據(jù)可以用于確定物體的形狀和大小，并且將其與 預(yù)先確定的閾值數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而評定物體28是否在預(yù)先確定的公差范圍中制造?？蛇x 擇地， 三維點(diǎn)集合可以顯示在圖形用戶界面上，該圖形用戶界面向用戶提供物體28的虛擬 3D模型。當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，操作終止于步驟110?？商娲兀梢酝ㄟ^重復(fù)步驟104到108開 始隨后的操作。例如，用戶可能想要獲得相同物體28的多組測量數(shù)據(jù)，或者想要獲得不同 物體的測量數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在將參照圖5描述從一個(gè)視角捕獲一組圖像的過程104。處理在步驟200開始， 在該點(diǎn)探頭4被移至第一個(gè)視角。在所描述的實(shí)施例中，使用者可以在控制CMM 2的電動(dòng)機(jī) 的操縱桿(圖中未示出)的控制下移動(dòng)探頭4，從而移動(dòng)主軸14。將會(huì)理解，第一個(gè)(以后 隨后的)視角可以預(yù)先確定并被載入到CMM控制器27中，從而在測量操作期間，探頭4被 自動(dòng)地移動(dòng)到預(yù)先確定的視角上。另外，在不同的定位設(shè)備上，使用者可以在物理上將探頭 4拖到各個(gè)視角上，其中，該定位裝置通過例如安裝在設(shè)備的移動(dòng)部件上的編碼器監(jiān)視探頭 4的位置。一旦探頭4被定位在第一個(gè)視角上，則在步驟202中獲得初始化圖像。這包括，探 頭控制器29向探頭4的處理單元42發(fā)送信號，從而使得它對成像裝置44進(jìn)行操作，從而 捕獲物體28的圖像。初始圖像被發(fā)送回圖像分析儀31，并且在步驟204中，對該圖像的圖像質(zhì)量屬性 進(jìn)行分析。這可以包括，例如，確定圖像的平均光強(qiáng)度和對比度并將它們與預(yù)先確定的閾值 水平相比較，從而確定圖像質(zhì)量是否足以執(zhí)行測量過程。例如，如果圖像過暗則可以改變成 像裝置44或投影儀40的屬性從而增加被投影的條紋圖案的亮度和/或調(diào)整成像裝置44的 曝光時(shí)間或增益。初始化圖像將不會(huì)被用于隨后的用于獲取有關(guān)物體28的測量數(shù)據(jù)的過 程中，從而諸如圖像分辨率等圖像的特定方面不需要與測量圖像的分辨率一樣高，如下所 述。另外，在可替代的實(shí)施例中，與成像裝置相分離的光傳感器(例如光敏二極管)可以提 供在探頭中，從而測量在一個(gè)視角位置上的光量，該光敏二極管的輸出用于設(shè)置投影儀40 和/或成像裝置44。
一旦設(shè)置了投影儀40和成像裝置44，則在步驟206中獲取第一測量圖像。測量圖 像是指用于“分析圖像”過程106中使用的圖像，下面將對之進(jìn)行詳細(xì)描述。獲取第一測量 圖像的步驟包括，探頭控制器29向探頭4的處理單元42發(fā)送信號，從而使得處理單元42 對投影儀40進(jìn)行操作以便將條紋圖案投射到物體28上，并且成像裝置44可以利用物體28 上的條紋圖案同時(shí)捕獲物體28的圖像。第一測量圖像被發(fā)送回圖像分析儀31，并且在步驟208中，再次對第一測量圖像 的圖像質(zhì)量屬性進(jìn)行分析。如果圖像質(zhì)量足以用于下面將要描述的“分析圖像”過程106 中，則控制被傳送至步驟210，否則，控制被傳送回步驟204。
在步驟210中，為當(dāng)前的視角獲得條紋漂移圖像。條紋漂移圖像是從大致相同視 角同時(shí)獲得的物體的多個(gè)圖像，但是在每個(gè)圖像上條紋的位置稍有不同。這個(gè)步驟中的方 法將在下面參照圖6進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。一旦已經(jīng)獲得條紋漂移圖像，則在步驟212中，所有的圖像被發(fā)送回圖像分析儀 31以便進(jìn)行分析。將會(huì)理解，有關(guān)獲得每個(gè)圖像時(shí)探頭4所在的位置及方位的數(shù)據(jù)和每個(gè) 圖像將被提供到圖像分析儀31，從而可以獲得物體28相對于CMM 2的3D坐標(biāo)，下面將對此 進(jìn)行詳細(xì)描述。然后處理在步驟214結(jié)束。如前所述，捕獲視角圖像集的過程104針對多個(gè)不同的視角重復(fù)多次。在這個(gè)描 述的例子中，捕獲視角圖像集的過程針對第一視角、第二視角和第三視角共執(zhí)行三次。如前 所述，探頭4在使用者或控制器的控制下移動(dòng)到各個(gè)視角上。對照圖6，現(xiàn)在描述用于獲取條紋漂移圖像的過程210。通過在一個(gè)方向上物理上 移動(dòng)探頭4 一個(gè)小距離，移動(dòng)投影在物體28上的條紋，從而使得物體28上條紋的位置與之 前的位置不同。當(dāng)探頭4發(fā)生移動(dòng)時(shí)，它內(nèi)部的投影儀40從而投影儀光軸61也會(huì)相對于 物體28發(fā)生移動(dòng)。這正好使得物體28的條紋的位置發(fā)生了改變。在一個(gè)實(shí)施例中，探頭4在一個(gè)平行于成像裝置44的圖像平面并且垂直于條紋長 度的方向上發(fā)生移動(dòng)。但是，情況并不必然是這樣的，只要物體上條紋的位置移動(dòng)即可。例如，可以通過 旋轉(zhuǎn)探頭4使得條紋發(fā)生移動(dòng)。例如，探頭4可以繞著垂直于投影儀的圖像平面60延伸的 軸線發(fā)生旋轉(zhuǎn)?？蛇x擇地，探頭可以繞著垂直于成像裝置44的圖像平面延伸的軸線而旋 轉(zhuǎn)。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，探頭4可以繞著成像裝置44的視角中心而旋轉(zhuǎn)。這是有利 的，因?yàn)檫@保證了由成像裝置44捕獲的特征的視角在不同圖像上是相同的。其也可以使得 任何的圖像處理都能夠彌補(bǔ)物體和圖像傳感器的相對移動(dòng)，而不需要知道物體和圖像傳感 器之間的距離。例如，參照圖17，探頭4位于相對于要檢查的物體70的第一位置上(用標(biāo)號4’表 示)。在這個(gè)例子中，探頭的投影儀40位于第一位置上(用標(biāo)號40’表示)，它將點(diǎn)條紋標(biāo) 記72’表示的條紋圖案投射到物體70上。具有條紋標(biāo)記72’的物體圖像74由位于第一位 置上的成像裝置44捕獲，該第一位置由標(biāo)號44’表示。然后，通過相對于物體70繞著成像裝置的視角中心旋轉(zhuǎn)探頭4，探頭4被移動(dòng)到標(biāo) 號4”表示的第二位置。將會(huì)理解，成像裝置的視角中心是與圖像平面相交的所有光線假設(shè) 通過的點(diǎn)。在圖示中，視角中心由標(biāo)號76表示。從圖中可以看出，在第二位置上，由標(biāo)號40”表示的投影儀已經(jīng)發(fā)生了移動(dòng)，從而使得物體70上的條紋圖案的位置也發(fā)生了移動(dòng)。物體70上的條紋圖案的新位置由物體70 上的有條形條紋標(biāo)記72”表示。物體的圖像74由成像裝置在其第二位置44”上捕獲。從 圖中可以看出，雖然物體在成像裝置44上的圖像的位置已經(jīng)在成像裝置的第一位置44’和 第二位置44”之間改變，但是成像裝置44相對于物體70的視角并沒有在不同位置之間改 變。因此，例如，一個(gè)圖像中由于阻擋而隱藏的特征在第二個(gè)圖像中也會(huì)由于阻擋而隱藏。 這由射線78示出，該射線78示出了成像裝置44捕獲的物體上高度特征80的視圖。從圖 中可以看出，由于成像裝置44繞著其視角中心旋轉(zhuǎn)，所以射線78對于兩個(gè)位置而言是相同 的，所以在不同位置之間僅有成像裝置44上的特征的位置發(fā)生改變，而特征的形式本身沒 有改變。因此，繞著視角中心的旋轉(zhuǎn)可能是有利的，這是因?yàn)閳D像傳感器相對于物體的視 角不發(fā)生改變，從而保證了物體上的相同點(diǎn)對于每個(gè)位置都是可見的。另外，對于任何看到 的點(diǎn)，其圖像點(diǎn)之間的距離在照相機(jī)和物體的相對旋轉(zhuǎn)之前和之后不依賴于它們到物體的 距離。也就是說，對于未知的物體，如果照相機(jī)繞著其自己的視角中心旋轉(zhuǎn)，就可以在旋轉(zhuǎn) 前預(yù)測每個(gè)成像點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)之后將會(huì)成像的位置。旋轉(zhuǎn)之后圖像的位置依賴于初始圖像點(diǎn)的 位置、旋轉(zhuǎn)角度(和旋轉(zhuǎn)軸)以及內(nèi)部照相機(jī)參數(shù)，這些數(shù)值均為已知。因此，正如下面將 要詳細(xì)描述的，繞著視角中心的旋轉(zhuǎn)能夠在不知道其與物體之間距離的情況下對相對移動(dòng) 進(jìn)行補(bǔ)償。
移動(dòng)探頭4的距離對應(yīng)于在成像裝置44的光軸63與參考平面64相交的點(diǎn)處1/4 周期的條紋漂移。將會(huì)理解，移動(dòng)探頭4的實(shí)際距離將依賴于所投影的條紋的周期以及例 如投影儀40的倍率等的其它因素。一旦探頭4已經(jīng)發(fā)生移動(dòng)，則在步驟302獲得另一個(gè)測量圖像。再重復(fù)執(zhí)行兩次 移動(dòng)探頭的步驟300和獲取測量圖像的步驟302。每次執(zhí)行時(shí)，探頭被移動(dòng)從而使得對于每 個(gè)測量圖像而言，物體上條紋圖案的位置與所有之前的圖像均不相同。因此，在獲取條紋漂 移圖像的過程210的最后階段，對于給定視角已經(jīng)獲得了物體的四個(gè)圖像，對于每個(gè)圖像 而言物體上的條紋圖案的位置稍有不同?，F(xiàn)在參照圖2。箭頭A表示在三個(gè)視角中的每個(gè)視角上沒有投射條紋的物體28的 視圖。箭頭B示出了對于第一視角、第二視角和第三視角中的每個(gè)視角而言的圖像1000，圖 像1000將由成像裝置44在用于捕獲視角圖像集的過程104的步驟206中獲得。示意性地 表示在這些圖像1000中的每個(gè)圖像之后的是在為第一視角、第二視角和第三視角執(zhí)行步 驟300和302期間獲得的條紋漂移圖像1002、1004和1006。圖14(a)到14(d)示出了為第 一視角獲得的圖像1000-1006的示例。如圖所示，物體和成像裝置的相對位置相對于為每 個(gè)視角獲得圖像集中的每個(gè)圖像稍有移動(dòng)，并且在下面將詳細(xì)描述的(特別是聯(lián)系圖8所 作的描述)對圖像進(jìn)行處理的過程中需要考慮到這一點(diǎn)并且/或者對之進(jìn)行補(bǔ)償。因此，一旦已經(jīng)完成了用于捕獲第一、第二和第三圖像的集合的步驟104，圖像分 析儀31將具有第一視角、第二視角和第三視角中每個(gè)視角的圖像集1000-1006?，F(xiàn)在將參照圖7描述用于分析圖像的過程106。過程開始于步驟400，在步驟400 中，為第一視角、第二視角和第三視角中的每個(gè)視角計(jì)算四個(gè)包絡(luò)相位圖。將會(huì)理解，對于 視角圖像集的一個(gè)測量圖像中的多個(gè)像素，包絡(luò)相位圖包括投射在物體表面上的條紋的相 位，其中，相位角被限制在360度的范圍中。
對于給定的視角，以特定的順序使用該視角的四個(gè)相位漂移圖像中的每個(gè)圖像獲得包絡(luò)相位圖。以不同的順序使用所述四個(gè)相位漂移圖像中的每個(gè)圖像為給定視角獲得四 個(gè)包絡(luò)相位圖。下面將參照圖8更加詳細(xì)地描述用于獲取包絡(luò)相位圖的方法。將會(huì)理解，不是必須為每個(gè)視角計(jì)算四個(gè)包絡(luò)相位圖。例如，可以為每個(gè)視角計(jì)算 二個(gè)或更多的包絡(luò)相位圖。將會(huì)理解，計(jì)算的包絡(luò)相位圖越多，則對于實(shí)際的斷裂點(diǎn)的確定 就越可靠，以下將對此進(jìn)行更加詳細(xì)的描述，但是這需要更多的處理資源。參照圖3，X、Y和Z欄為每個(gè)不同視角示出了四個(gè)不同的包絡(luò)相位圖1010、1012、 1014和1016。對于給定的視角，使用了該視角的四個(gè)不同圖像1002-1006的唯一順序?qū)@ 些包絡(luò)相位圖中的每個(gè)包絡(luò)相位圖進(jìn)行了計(jì)算。為每個(gè)視角計(jì)算四個(gè)不同的包絡(luò)相位圖 1010-1016，從而能夠在這些由物體28上的特征導(dǎo)致的斷裂點(diǎn)以及相位的包絡(luò)而導(dǎo)致的斷 裂點(diǎn)之間進(jìn)行區(qū)分，下面將更加詳細(xì)地對此進(jìn)行解釋。從圖2的B欄中的圖像可以看出，例如物體28上的邊緣或角落的特征產(chǎn)生了條紋 圖案中的斷裂點(diǎn)。例如，其上投影有條紋的物體28上的邊緣30，在物體28的圖像中沿著線 條32產(chǎn)生了條紋圖案中的斷裂。因此，可以通過識別出條紋圖案中的斷裂從而識別出物體 28的特征。在步驟402，為每個(gè)視角識別出條紋圖案中的斷裂。這通過識別出每個(gè)包絡(luò)相位 圖中的斷裂得以實(shí)現(xiàn)。包絡(luò)相位圖中的斷裂通過將每個(gè)像素的相位值與相鄰周圍的像素的 相位值進(jìn)行比較進(jìn)行識別。如果相鄰像素之間的相位值中的差別超過閾值水平，則這些像 素中的一個(gè)像素識別一斷裂點(diǎn)。將會(huì)理解，將這些像素中的哪個(gè)像素選擇為斷裂點(diǎn)并不重 要，只要選擇的標(biāo)準(zhǔn)對于所有斷裂點(diǎn)的選擇相一致即可，例如，根據(jù)相鄰像素之間的差別是 否沿著圖案的X方向或y方向而計(jì)算，總是選擇差別的左側(cè)或上側(cè)的像素。將會(huì)理解，斷裂 的位置一旦通過上述方法找到了，則在需要時(shí)可以使用圖像處理技術(shù)進(jìn)行改善，例如，通過 查看相位的梯度或是周圍區(qū)域中測量圖像中的亮度的梯度進(jìn)行改善，從而以亞像素精度找 到斷裂的位置，正如在John Wiley和Sons公司的J. R. Parker所著的〃 Algorithms for image processing and computer vision"(《(用于圖像處理的算法和計(jì)算機(jī)視覺》) (1997)中所描述的。優(yōu)選的閾值水平依賴于多個(gè)因素，包括物體形狀、圖像中的無用數(shù)據(jù)和條紋圖案 的周期。閾值水平可以由使用者在操作前設(shè)定，或者可以從對圖像本身的分析中計(jì)算出來。例如，參照第一視角的第一包絡(luò)相位圖1010 (如圖3所示)，在點(diǎn)34處識別相鄰像 素之間的斷裂，由于邊緣30而沿著條紋的線條32產(chǎn)生失真，從而導(dǎo)致相位值中的差別，并 最終形成所述斷裂。這個(gè)斷裂還可以在相同點(diǎn)34上的其它包絡(luò)相位圖1012、1014和1016 中被識別。還可以在包絡(luò)相位圖1010-1016中識別出其它的斷裂，例如始終沿著對應(yīng)于邊緣 30的線條32。還可能由于包絡(luò)相位圖而出現(xiàn)上述過程識別出錯(cuò)誤斷裂的情況。例如，相鄰的像 素可能具有例如分別接近0度和360度的相位值。如果是這樣，則看起來好像在這些像素之 間存在大的相位躍變，而這被識別為一個(gè)斷裂。但是，相位躍變只是由于相位的包絡(luò)而導(dǎo)致 的，而非由于正在測量的物體表面的斷裂引起。一個(gè)例子可以在點(diǎn)36處第一視角的第一包 絡(luò)相位圖1010中看出，在點(diǎn)36處，相位值從360度到0度(分別由深色像素和淺色像素表示)躍變。由于相位圖正發(fā)生包絡(luò)，所以相鄰像素的相位值將在點(diǎn)36處發(fā)生大的躍進(jìn)變。因此，一旦對于給定的視角已經(jīng)為四個(gè)包絡(luò)相位圖中的每個(gè)相位圖識別出所有的斷裂，則在步驟404中去除被錯(cuò)誤識別出的斷裂。這通過為給定視角比較每個(gè)包絡(luò)相位圖 的斷裂并且僅保留四個(gè)包絡(luò)相位圖中的至少兩個(gè)包絡(luò)相位圖中出現(xiàn)的斷裂得以實(shí)現(xiàn)。將會(huì) 理解，通過例如僅保留三個(gè)或四個(gè)包絡(luò)相位圖中的斷裂，可以適用更加嚴(yán)格的測試。這可以 幫助克服由圖像上的無用數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的問題。這個(gè)過程404針對第一到第三視角圖像集中 的每個(gè)圖像執(zhí)行。例如，如前所述，在第一視角的第一包絡(luò)相位圖1010中的點(diǎn)36處已經(jīng)識別出斷 裂。但是，當(dāng)觀看第一視角的其它包絡(luò)相位圖1012到1016時(shí)，在相同的點(diǎn)36處將不會(huì)識別 出斷裂。這是因?yàn)橐呀?jīng)使用了不同順序的條紋漂移圖像1000到1006來計(jì)算不同的包絡(luò)相 位圖，從而保證包絡(luò)相位圖中包絡(luò)的相位存在于不同的點(diǎn)上。因此，當(dāng)?shù)谝话j(luò)相位圖1010 中的點(diǎn)36處識別出的斷裂沒有在其它包絡(luò)相位圖1012到1016中也被識別出，則可以丟棄 該斷裂。但是，當(dāng)?shù)谝话j(luò)相位圖1010中的點(diǎn)34處的斷裂已經(jīng)被所有其它包絡(luò)相位圖 1012到1014中的相同點(diǎn)34處識別出的斷裂確認(rèn)時(shí)，點(diǎn)34被識別為真正的斷裂，即物體28 上的特征導(dǎo)致的斷裂，而不是由相位包絡(luò)導(dǎo)致。在步驟406中，識別出每個(gè)視角之間的相應(yīng)的斷裂點(diǎn)。相應(yīng)的斷裂點(diǎn)是那些在 包絡(luò)相位圖中識別出由物體28上的相同特征導(dǎo)致的斷裂的那些點(diǎn)。例如，對于每個(gè)第 一、第二和第三視角，每個(gè)第一包絡(luò)相位圖1010上的斷裂點(diǎn)38都標(biāo)識出物體28上的相 同角部39。相應(yīng)的斷裂點(diǎn)可以由已知的匹配技術(shù)進(jìn)行確定，例如，利用對極幾何技術(shù)。該 已知技術(shù)例如在Whittles Publishing公司2001年出版的、K. B. Atkinson編輯的書籍 "Close range photogrammetry and machine vision”(“近距離照相測量法和機(jī)器視覺，，) 中的、由 A. Gruen 所著的文章"Least squares matching :a fundamental measurement algorithm”(“最小平方匹配基本測量算法”)中進(jìn)行了描述。相關(guān)的斷裂點(diǎn)然后可以用作 目標(biāo)點(diǎn)，其相對于探頭4的3D坐標(biāo)可以在步驟408中通過已知的照相測量技術(shù)進(jìn)行確定， 例如在 Whittles Publishing 公司 2001 年出版的、K. B. Atkinson 編輯的書籍“Closerange photogrammetry and machine vision”(“近距離照相測量法和機(jī)器視覺”)中的、由M.A. R Cooper 禾口 S. Robson 所著的文章"Theory ofclose-range photogrammetry，，( “近距離照相 測量法的理論”)中進(jìn)行了描述。因此，在步驟408之后，物體28上的多個(gè)離散點(diǎn)將被識別并且它們相對于探頭4 的位置被測量。在步驟410中，計(jì)算物體28的連續(xù)部分的高度圖。高度圖提供有關(guān)相對于探頭4 的已知參考表面6上部的表面高度的信息。連續(xù)部分是物體被斷裂特征所封閉的區(qū)域，例 如，由四個(gè)邊緣封閉的立方體的面。連接的部分可以通過對包絡(luò)相位圖中的以下區(qū)域進(jìn)行 識別從而進(jìn)行識別，所述區(qū)域由之前在步驟402到406中識別出的斷裂點(diǎn)封閉。高度圖提 供有關(guān)這些離散點(diǎn)之間的表面形狀的測量數(shù)據(jù)。下面參照圖9和圖10更加詳細(xì)地描述用 于獲取連續(xù)部分的高度圖的方法?？梢詾橐粋€(gè)或多個(gè)不同視角的不同連續(xù)部分多次執(zhí)行步 驟 410。正如類似的條紋分析系統(tǒng)中常見的，展開相位圖僅對于2 π弧度的某些未知倍數(shù)是正確的，因此參考平面64以上的高度可能會(huì)具有對應(yīng)于這個(gè)未知相位差的高度誤差。這 經(jīng)常被稱為2 π不確定。在步驟408中獲取的實(shí)際斷裂點(diǎn)的測量3D坐標(biāo)被用來解決這些 不確定。在這個(gè)階段，步驟408中獲取的實(shí)際斷裂點(diǎn)的3D坐標(biāo)以及步驟410中獲取的高度 圖數(shù)據(jù)提供物體相對于探頭4中預(yù)定參考點(diǎn)的位置。因此，在步驟412中，這些坐標(biāo)被轉(zhuǎn)換 為相對于CMM 2的3D坐標(biāo)。這可以使用常規(guī)三角法(routine trigonometry)技術(shù)執(zhí)行， 因?yàn)镃MM 2和探頭4中的參考點(diǎn)的相對位置通過校準(zhǔn)是已知的，還因?yàn)樵讷@取每個(gè)圖像的 點(diǎn)處探頭4相對于CMM 2的位置和方位與每個(gè)圖像一起被記錄?，F(xiàn)在參照圖8描述用于計(jì)算包絡(luò)相位圖400的過程。計(jì)算包絡(luò)相位圖的過程包括 計(jì)算一組條紋漂移圖像中的一個(gè)圖像中每個(gè)像素的相位。這可以使用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這些 技術(shù)的選擇可以依賴于各種因素，包括獲取條紋漂移圖像的方法。標(biāo)準(zhǔn)相位漂移算法依賴 于這樣的情況，即物體與成像裝置44之間的相對位置在全部的條紋漂移圖像上是相同的。 但是，如果前面所述的任何一種方法(例如，橫向移動(dòng)探頭4或繞著成像裝置的視角中心旋 轉(zhuǎn)探頭4)用于獲得條紋漂移圖像，則成像裝置44相對物體移動(dòng)一段小距離。因此，對于視 角圖像集中的每個(gè)連續(xù)的圖像，每個(gè)圖像中的給定像素將標(biāo)識出物體上不同點(diǎn)的亮度。因 此，如果要使用標(biāo)準(zhǔn)的相位漂移算法，則必須在所有的條紋漂移圖像上識別出哪些像素對 應(yīng)于物體上的相同點(diǎn)，然后對此進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)成像裝置44已經(jīng)發(fā)生橫向移動(dòng)時(shí)這樣做的一 個(gè)方法是確定成像裝置44在每個(gè)圖像之間移動(dòng)多大距離以及在哪個(gè)方向上移動(dòng)，然后剪 裁圖像以使得每個(gè)圖像包含對于所有圖像均相同的圖像數(shù)據(jù)。例如，如果成像裝置44在兩 個(gè)圖像之間的移動(dòng)意味著物體上的一個(gè)點(diǎn)已經(jīng)在一個(gè)維度上移動(dòng)了 5個(gè)像素，則可以對第 一個(gè)圖像進(jìn)行剪裁從而去除5個(gè)像素寬度的數(shù)據(jù)。這可以從圖15中清楚的看出，圖15示意性地示出了第一圖像1000、第二圖像 1002、第三圖像1004和第四圖像1006中每個(gè)圖像的對應(yīng)行的像素。從圖中可以看出，由于 圖像之間成像裝置44和物體28的相對移動(dòng)，物體上的相同點(diǎn)由每個(gè)圖像中的不同像素進(jìn) 行成像。例如，物體28上的點(diǎn)X由第一圖像1000的左側(cè)第7個(gè)像素、第二圖像1002的左 側(cè)第5個(gè)像素、第三圖像1004的左起第3個(gè)像素以及第四圖像1006的左側(cè)第4個(gè)像素成 像。一種有效的補(bǔ)償圖像傳感器和物體28之間的相對移動(dòng)的方法是對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行剪裁， 從而使得每個(gè)圖像1000-1006包含表示公共區(qū)域的數(shù)據(jù)，例如圖15中由窗口 51突出顯示 的區(qū)域。剪裁圖像是一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的例子，其中，轉(zhuǎn)換是線性函數(shù)。這可能在與物體的距離是已知或者與測量空間的深度相比相隔距離較大的情況下是最準(zhǔn)確的。將會(huì)理解，參照 圖18，相隔距離是從成像裝置的視角中心76到成像裝置的測量空間之間的距離，區(qū)域65 的深度或測量空間的深度是裝置所記錄的圖像呈現(xiàn)出銳角的范圍。換句話說，相隔距離是 從探頭4到要測量物體之間的名義距離。例如，如果相隔距離與測量空間的深度之比約為 10 1，則在一些像素的補(bǔ)償中可能會(huì)出現(xiàn)最大10%的誤差。如果相隔距離與測量空間的 深度相比不大，或者如果相對移動(dòng)不是線性平移，則最適當(dāng)?shù)挠糜谘a(bǔ)償成像裝置和物體的 相對移動(dòng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換一般地依賴于與物體的距離以及實(shí)際的移動(dòng)。但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果移 動(dòng)是繞著成像裝置44的視角中心的旋轉(zhuǎn)，則能夠最好補(bǔ)償該移動(dòng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和與物體之 間的未知距離無關(guān)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)和移動(dòng)。另外，即使相隔距離與測量空間的深度相比較并不大，這也能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的補(bǔ)償，例如，在相隔距離與測量空間深度之比小于 10 1的情況下，例如小于5 1，例如1 1。因此，即使當(dāng)探頭靠近物體時(shí)，也能夠?qū)ξ?體進(jìn)行測量。一旦已經(jīng)為相對移動(dòng)對像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)償，從而每個(gè)調(diào)整后的圖像中的相同像 素表示物體上的相同點(diǎn)，則下個(gè)步驟502包括使用相位漂移算法來計(jì)算每個(gè)像素上的包絡(luò) 相位。不需要已知相位漂移的例如CarM算法的適當(dāng)?shù)南辔黄扑惴捎糜谟?jì)算包絡(luò)相 位、相位漂移和調(diào)幅。針對每個(gè)視角圖像集再次執(zhí)行三次用于計(jì)算包絡(luò)相位圖400的過程，每次使用不 同順序的相位漂移圖像，從而為每個(gè)視角獲取四個(gè)包絡(luò)相位圖。因此，總共執(zhí)行用于計(jì)算包 絡(luò)相位圖400的過程12次?，F(xiàn)在將參照圖9描述用于獲得高度圖410的第一過程。方法包括在步驟600中， 通過根據(jù)需要將整數(shù)倍的360度相位添加到各個(gè)像素的包絡(luò)相位中從而去除由于相位計(jì) 算算法而找到的斷裂點(diǎn)，對一個(gè)相位圖的連續(xù)部分進(jìn)行展開。然后方法還包括，在步驟602 中，將展開的相位圖轉(zhuǎn)換為該連續(xù)部分的高度圖。像素的相位依賴于物體表面的相對高度。 因此，在步驟602，通過使用預(yù)定的映射表和過程將每個(gè)像素的相位值直接映射為高度值， 可以從該相位生成連續(xù)部分的高度圖。與前面聯(lián)系圖8所描述的對圖像坐標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠糜谟?jì)算包絡(luò)相位圖的方法不 同的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)另外一種方法在物體和成像裝置44相對移動(dòng)時(shí)計(jì)算包絡(luò)相位，其不需要 進(jìn)行圖像的坐標(biāo)補(bǔ)償。這種方法基于這樣的事實(shí)，即成像裝置44的像素CXD將為每個(gè)不同 圖像查看物體上的不同點(diǎn)。如果在多個(gè)圖像中由單個(gè)像素查看到的點(diǎn)距離成像裝置44不 同的距離，則不同的相位將記錄在每個(gè)圖像中的該像素上。也就是說，該像素處的條紋圖案 的相位將在每個(gè)圖像之間漂移。實(shí)際的相位漂移將依賴于與物體之間的距離以及物體的梯 度，以及已知的成像裝置44和物體的相對移動(dòng)和固定的系統(tǒng)參數(shù)。因此，相位漂移將在圖 像上發(fā)生變化。作為一個(gè)例子，參照圖16，考慮到物體的點(diǎn)Xp，在照相機(jī)平面上的χ處成像。如果 成像裝置44相對于平面平移某個(gè)向量dX，則成像裝置44所成像的點(diǎn)將發(fā)生改變，如圖所 示。為了清楚起見，從圖中省去了投影儀40，但是應(yīng)當(dāng)理解，成像裝置44和投影儀40相互 固定。h是從成像裝置44的視角中心到χ處成像的物體點(diǎn)之間的距離，δ h是平移δ X 之后這個(gè)距離的變化。a是成像裝置的光軸的已知方向，X。是視覺中心的位置，它們也是已 知的。僅由于成像裝置44的移動(dòng)而導(dǎo)致的h的變化等于SX.a。如果這個(gè)數(shù)量等于零，從 而移動(dòng)垂直于成像裝置的軸線并且平行于圖像平面，則h中的任何剩余的變化必定是由物 體的形狀所導(dǎo)致的。h中的變化實(shí)際上被記錄為相位的變化δ Φ，其包括由物體形狀產(chǎn)生的分量以及 由成像裝置平行于它的軸線發(fā)生的任何移動(dòng)所產(chǎn)生的分量。為了測量給定像素上的相位，我們選取多個(gè)相位漂移圖像。圖像k中一個(gè)像素處 所記錄的亮度可以表示為Ik = A+Bcos(J)k其中
A =偏移量(即該像素記錄的投影在物體上的條紋圖案的平均亮度，包括任何背 景光)；B =該像素記錄的光亮度的調(diào)幅；以及<formula>formula see original document page 20</formula>
使用第一級Taylor級數(shù)展開，其假設(shè)平移SX較小。Cart6算法用于為圖像集中給定圖像的每個(gè)像素從四個(gè)相位漂移圖像計(jì)算相位、 相位漂移以及調(diào)幅。Carr6算法假設(shè)相位中的四個(gè)漂移是相等的。例如在所利用的移動(dòng)是 平移并且表面是平面的情況下便是如此。如果不是這樣，則可以通過選擇足夠小使得表面 梯度在移動(dòng)的范圍上不會(huì)發(fā)生巨大變化從而獲得好的近似值。相位數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換為高度數(shù)據(jù)?？蛇x擇地，使用以下結(jié)合圖10所描述的方法， 相位漂移數(shù)據(jù)可以被轉(zhuǎn)換為梯度數(shù)據(jù)并且隨后被轉(zhuǎn)換為高度數(shù)據(jù)。當(dāng)物體的反射率和表面梯度在相對移動(dòng)的范圍中基本上恒定時(shí)，前面描述的方法 提供了最優(yōu)化的結(jié)果。因此，優(yōu)選地，圖像集中的圖像之間的移動(dòng)較小。相對于成像裝置具 有太低或太高的梯度或者具有高曲率的表面區(qū)域可以通過檢查由Carr6算法返回的調(diào)幅 進(jìn)行檢測，并且隨后可以通過改變用于產(chǎn)生相位漂移的相對移動(dòng)以及在需要時(shí)通過從不同 視角觀看物體進(jìn)行測量。Carte算法為圖像中的每個(gè)像素提供了相位和相位漂移數(shù)據(jù)。前面結(jié)合圖9所述 的方法使用相位數(shù)據(jù)獲取高度數(shù)據(jù)。但是，也可以使用相位漂移數(shù)據(jù)獲取高度信息。具體 地，現(xiàn)在將參照圖10描述用于獲取高度圖410的第二個(gè)過程。這個(gè)方法在步驟700開始， 在視角圖像集中的所有圖像上使用Cart6算法為連續(xù)部分(可以從之前識別的斷裂點(diǎn)識別 出，如前所述)計(jì)算相位漂移圖。像素的相位標(biāo)移依賴于物體表面的梯度以及物體距離探 頭4有多遠(yuǎn)。因此，在步驟702，通過使用預(yù)定的映射表及程序?qū)⒚總€(gè)像素的相位漂移值直 接映射到梯度值，可以從這個(gè)相位漂移產(chǎn)生連續(xù)部分的梯度圖。在步驟704，對梯度圖求積 分以獲得連續(xù)表面相對于探頭4的高度圖。在步驟408中獲取的所測量到的實(shí)際斷裂點(diǎn)的 3D坐標(biāo)被使用以便分解積分常數(shù)，從而找到參考平面64上的高度。本發(fā)明的優(yōu)勢在于，投影儀可以簡單地包括光柵、光源和聚焦光學(xué)器件。不需要在 投影儀內(nèi)具有任何移動(dòng)部件或可編程投影儀，僅有一個(gè)圖案需要被投影。另外，不需要有關(guān) 與物體之間距離的信息，除了它(或它的一部分)位于測量空間內(nèi)之外——不需要具有與 測量空間相比具有大的相隔距離。另外，物體與探頭單元之間的移動(dòng)不是必須沿任何特定 的方向，并且可以由旋轉(zhuǎn)而非平移或兩者之組合產(chǎn)生。將會(huì)理解，前面僅對本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地描述，許多特征僅是 可選擇的或是優(yōu)選地，而非對本發(fā)明是實(shí)質(zhì)性的。在所描述的實(shí)施例中，探頭安裝在等同于CMM主軸的安裝結(jié)構(gòu)上。本發(fā)明還適用 于對安裝在其它機(jī)器類型上的測量裝置的移動(dòng)路線進(jìn)行規(guī)劃。例如，探頭4可以安裝在機(jī) 床上。另外，探頭4可以安裝在檢查機(jī)器人的遠(yuǎn)端上，所述機(jī)器人例如可以包括具有幾個(gè)關(guān) 節(jié)連接點(diǎn)的機(jī)械手。將會(huì)理解，對特定實(shí)施例的描述還包括獲取和處理圖像以便通過識別出被投射到 物體上的圖案中的斷裂點(diǎn)而獲取照相測量目標(biāo)點(diǎn)。將會(huì)理解，并不必然是這樣。例如，本發(fā) 明的系統(tǒng)和方法可以設(shè)置為完全為了照相測量的目的來確定目標(biāo)點(diǎn)。如果是這樣，則目標(biāo)點(diǎn)可以使用其它的已知方法進(jìn)行識別。例如，目標(biāo)點(diǎn)可以由位于物體上的標(biāo)記或者將標(biāo)記 投射到物體上進(jìn)行識別。 另外，雖然本發(fā)明被描述為包括投影儀和成像裝置的單個(gè)探頭，但是投影儀和圖 像傳感器可以獨(dú)立提供(例如，從而它們可以相互獨(dú)立地被實(shí)際操作)。另外，可以提供多 個(gè)成像裝置。
權(quán)利要求
一種用于通過相位分析檢查物體的非接觸方法，包括i)投影儀將光學(xué)圖案投射到待檢查物體的表面上；以及ii)獲取所述光學(xué)圖案投射到其上的所述表面的至少第一圖像和第二圖像，其中，通過相對于所述物體移動(dòng)所述投影儀，所述表面上的所述光學(xué)圖案的相位在所述第一圖像和所述第二圖像之間改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，對于所述至少第一圖像和第二圖像，所述投影儀 投射的光學(xué)圖案是相同的。
3.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述至少第一圖像和第二圖像由成像裝 置獲取，并且其中，所述成像裝置和所述投影儀之間具有固定的空間關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，通過繞著所述成像裝置的視角中心旋轉(zhuǎn)所述投 影儀和所述成像裝置，所述投影儀和成像裝置在圖像之間移動(dòng)。
5.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的方法，還包括iii)對所述至少第一圖像和第二圖像進(jìn)行處理，從而獲取地形表面數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，對所述至少第一圖像和第二圖像進(jìn)行處理的步 驟包括分析所述表面上的光學(xué)圖案的相位。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，步驟iii)包括處理所述至少第一圖像和第 二圖像中的至少一個(gè)圖像，以便補(bǔ)償所述物體和所述成像裝置之間的任何相對移動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，在步驟iii)中，所述至少第一圖像和第二圖 像中的相應(yīng)點(diǎn)表示所述物體上的不同點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，步驟iii)包括通過所述至少第一圖像和第二圖 像中的相應(yīng)點(diǎn)分析所述光學(xué)圖案的相位的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述確定地形表面數(shù)據(jù)的步 驟包括從所述多個(gè)圖像計(jì)算相位圖。
11.根據(jù)權(quán)利要求5-9中任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述分析多個(gè)圖像的步驟包 括確定所述表面的梯度。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述確定表面梯度的步驟包括從多個(gè)圖像計(jì) 算相位漂移圖并且基于所述相位漂移圖獲取梯度圖。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括對所述梯度圖求積分以便獲取地形數(shù)據(jù)。
14.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述投影儀被安裝在坐標(biāo)定位設(shè)備上。
15.根據(jù)權(quán)利要求5到14中任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述物體位于測量空間 中，并且步驟iii)包括在所述測量空間中確定所述地形數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)。
16.根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的方法，其中，所述光學(xué)圖案是周期性光學(xué)圖案。
17.一種用于通過相位分析檢查物體的裝置，所述裝置包括投影儀，其被構(gòu)造為將光學(xué)圖案投射到待測量物體的表面上，所述投影儀可相對于所 述物體發(fā)生移動(dòng)；至少一個(gè)成像裝置，其被構(gòu)造為獲取所述光學(xué)圖案投射到其上的物體的多個(gè)圖像，其中，所述投影儀被構(gòu)造為相對于所述物體在獲得所述相位漂移圖像之間移動(dòng)，從而 使得所述物體上的周期性光學(xué)圖案的相位發(fā)生改變。
18.一種用于通過相位分析檢查物體的非接觸方法，包括以任何合適的順序執(zhí)行的以下步驟i)投影儀將周期性光學(xué)圖案投射到待檢查物體的表面上；ii)至少一個(gè)成像裝置獲取所述表面上的周期性光學(xué)圖案的多個(gè)相位漂移圖像， 其中，所述投影儀和所述成像裝置之間具有固定的空間關(guān)系，并且其中，通過繞著所述成像裝置的視角中心在所述投影儀和所述物體之間的相對旋轉(zhuǎn)，所述物體上的周期性光學(xué) 圖案的位置在圖像之間移動(dòng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括iii)處理所述相位漂移圖像，從而獲取地形表面數(shù)據(jù)。
20.包括指令的計(jì)算機(jī)程序編碼，當(dāng)所述指令由控制器執(zhí)行時(shí)，機(jī)器的控制器根據(jù)權(quán)利 要求1到16或18到19中任何一個(gè)權(quán)利要求所述的方法對投影儀、成像裝置和圖像分析儀 中的至少一個(gè)進(jìn)行控制。
21.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其上承載有如權(quán)利要求20所述的計(jì)算機(jī)程序代碼。
全文摘要
一種用于通過相位分析檢查物體的非接觸方法和裝置。投影儀將光學(xué)圖案投射到待檢查物體的表面上。然后獲得所述光學(xué)圖案投射到其上的表面的至少第一圖像和第二圖像。表面上的光學(xué)圖案的相位通過將投影儀相對于物體移動(dòng)而在第一圖像和第二圖像之間改變。
文檔編號G01B11/00GK101821579SQ200880111248
公開日2010年9月1日 申請日期2008年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日
發(fā)明者伊馮娜·魯思·赫德阿特, 安德魯·約翰·穆爾, 尼古拉斯·約翰·韋斯頓, 蒂莫西·查爾斯·費(fèi)瑟斯通 申請人:瑞尼斯豪公司