CN101029819B - 光学边折测量仪 - Google Patents

Abstract

一种投射装置，将结构化光图案沿着第一光轴投射到表面。附于该投射装置的观察器接收该结构化光图案从该表面沿着第二光轴的反射，并数字化二维快照。这些光轴不平行，并且它们在该投射装置和该观察器的公共视场中相遇。连接到该观察器的计算机接收数字化快照，并分析它以便为表面建立数学模型，供显示和探查。该投射装置和附连的观察器设计成具有手柄和触发快照的触发按钮的手持单元。位于该单元上的引导端部在两个光轴旁边延伸至公共视场以定位该手持单元。

Description

光学边折测量仪

本发明涉及美国专利申请号.11/274,579，(代理人文档号.179872-1(34446))，题为“Computer-Implemented Techniques And System ForCharacterizing Geometric Parameters Of An Edge Break In A Machined Part(用于表征机械加工部件中的边折几何参数的计算机实现的技术及系统)”，共同转让给本发明相同的受让人，与本申请同时提交并引入其全文以供参考。

技术领域

本发明主要涉及基于光学测量的领域，并且，更特别的，涉及光学投射到表面上以获得三维(3-D)测量的干涉图案(fringe pattern)的使用，可在制造部件中用于边折(edge break)的轮廓测量(profiling)。

背景技术

各种应用-例如涡轮螺旋桨、压缩机风扇、刀片根部等的机械部件，可具有用于实现包括避免或减少应力集中的规定的机械特性的边缘形状。能够导致边缘锋利的特征和/或几何不连续性(例如可能会在斜面、斜角、圆角(fillet)和其它部件特征中遇到的)在本上下文的描述中称为“边折”。

用于生产质量控制或部件磨损判定的边折检查是耗时和烦琐的。在过去的作法中，一直利用蜡或边缘的软金属印痕来测量边折。然后利用铁笔或绘图工具型机械测量仪来测量印痕，或该印痕被在垂直于边缘线的平面上截取并利用光学比较仪观察。由于在制造边折的准确复制品以及获得正确的截面图中碰到的困难的原因，导致此作法通常耗时且不确切。

对于在制造安装中执行快速测量而言，已知的利用结构化光图案执行非接触3D表面轮廓测量的装置，由于这种装置缺乏便携性和与操作这种装置相关联的困难的原因，总体上一致都不是用户容易掌握使用的。例如，这种装置的重量和尺寸通常不利于操作人员快速并准确地检查可能位于制造厂地板的多个位置中的多个部件。因此，期望提供一种没有前述缺点的边折测量仪(edge breakgage)。

附图说明

下面将结合由下列图组成的附图对本发明的各个方面进行描述。

图1为根据本发明一示范性实施例的手持式边折测量仪的示意图。

图2为一示范性伦奇(Ronchi)线光栅的示意图。

图3为反射一示范性结构化光图案的表面的透视图。

图4为图2的表面在垂直于该表面边缘的平面上的截面轮廓显示。

图5为图3中的利用适合该边缘轮廓形状的弧计算的边缘圆角弧的截面轮廓显示。

具体实施方式

根据本发明的示范性实施例，图1示出了手持式投射装置20和附连观察器50的示意图。该投射装置具有光源22，例如发光二极管(LED)，具有电源24，例如电池或连接到插座的软线。该投射装置20包括一光学系统，其可包括具有聚光光圈30的聚光透镜28、和具有成像光圈40的成像透镜42。不透明和透明区域交替的光栅34安装在位于或靠近该成像透镜的焦平面处。如图2中所示，可使用伦奇刻线(Ronchi ruling)。如图3中所示，光栅34投射结构化光图案46到表面80上。

该光源22产生发散光线26，其被聚光透镜28聚集和导向形成聚集的光线32。这些光线穿过阻挡部分光束的光栅34，得到结构化光图案46。例如，如果使用伦奇光栅，这将得到平面光束的投射。光强在垂直于这些光束的线上作为方波变化，其具有限定该方波中强度的急剧变化的基本正弦曲线成分36和谐波成分38。该谐波成分38被角度随频率增加的该光栅衍射，从而被成像光圈40移除。由于谐波交叉，这会除去另外会出现在该表面80上的无关的干涉图案。该成像光圈40可包括例如平行于该伦奇线的裂缝。观察器50附于该投射装置20，并包括具有不平行于该投射装置光轴44的光轴54的光学系统52。该观察系统50中的数字照相机元件57可包括图像传感器58-例如电荷耦合器件阵列，模-数转换器59，和在数字照相机领域中本领域技术人员会知道的其它电子装置。这些元件数字化沿着观察光路54看到的、来自该表面80的结构化光图案的漫反射46的图像。该照相机电子装置可与内部电池和存储器连接，所述存储器用于存储数据以供以后处理(未示出)，或者它们可与外部计算机61利用有线或无线手段经由接口电路60连接，该接口电路60例如是在计算机输入装置领域所知道的通用串行总线接口。该计算机接口电路可被包括在照相机电子装置中，如在数字照相机领域所知道的照相机电子装置。

在所图示的实施例中，一个或多个手柄66可附连于该投射装置和/或观察器的任何希望的区域，用于手持操作。触发按钮68可提供来触发快照，这在数字照相机领域中是已知的。因为数字快照的获得可能只花费仅仅几毫秒，所以不需要在相对长的时间段上有相当大的稳定性。在另一个实施例(未示出)中，该测量仪组装件可附连于机械手，用于在机器人组装和探查领域中已经知道的自动操作。为了手持操作，引导端部70可在光路44、54旁边或者围绕光路44、54向该观察系统50前方延伸，以稳定和定位该边折测量仪单元在离开该表面80一定距离处，从而使该表面充分靠近该光轴44、54的相交点，并落在该投射装置和观察器的公共视场内。

观察器的光学系统52可以设计成具有被优化来查看90度或更大的视场。用于涡轮成分的边折分析的合适观察器的光学规格的一个例子如下：

-视场＝大约3.5mm²

-景深＝2mm或更大，具有<50％的对比度损失

-空间分辨率＝.005mm或更小，具有<2％的失真

-深度分辨率＝005mm

本领域技术人员可以理解的是：该投射装置和观察器光学系统中任一个或二者都可以包括远心透镜系统或被配置成改进该光或图像场的均匀性和/或改进到达该边缘表面的光路的其它光学系统。本领域人员可以理解的是：远心透镜系统使对该表面的所有观察都基本上平行。在该观察器的情况中，这会更均匀地聚集来自该边折两边的光。配置成改进光的均匀性的光学系统的一个例子可包括反射镜系统，被布置成将照明更均匀地导向边缘两侧。

正在被轮廓测量的边缘可以以基本上垂直于观察系统光轴并离开来自该照明系统的镜面反射的角度定向，以观察漫反射光不受任何镜面反射光的干扰。然而，该视角的确切定向对于该装置的操作并不是关键的。

如图1所示，考虑到上述表面定向，该光栅34可以与发射光轴44成一角度定位，以提供该光栅图像的焦平面，该焦平面在被轮廓测量的该区域上以一平均深度交叉该表面80。被轮廓测量的边缘优选这样定向，以便该光图案线交叉该边缘，而不是沿着它。然而，为了满足操作，该图案的轮廓不需要垂直于边缘线。

波纹干涉测量法可用于此系统，在该观察系统50中附加次光栅(未示出)。如果读者希望知道有关波纹干涉测量法的背景信息，请参考美国专利5,835,218(K.Harding)。计算机61可实现各种已知的分析方法或处理技术，例如相移分析。本领域技术人员应该理解的是：相移分析采用三个或多个周期图案的图像的组合(每个图像具有图案的微小位移或相移)，来计算在该图像中每个点处的该图案的有效相位，接着进一步利用该信息来计算该部件表面的整体形状。还应该理解的是，这种相移分析可对单个图像依靠能够数学移位以执行该相同分析的偏置干涉图案执行。

可以使用的附加示范性分析或处理技术包括傅立叶变换轮廓术(Fourierprofilometry)、用于利用投射到表面上的周期图案中的失真来测量表面轮廓的数学分析方法。本领域技术人员可以理解的是，傅立叶变换轮廓术可使用来基于由数字化结构光图像提供的轮廓信息而为该表面建立数学模型。该方法利用具有二维快速傅立叶变换的傅立叶分析来确定在弯曲表面上的局部斜面。这允许从已经被失真图案覆盖的单个图像产生该表面的x、y、z坐标系。

可以使用的附加示范性分析或处理技术包括光学三角测量技术，这也是本领域技术人员所熟知的。通常，三角测量是一种到目标的距离是基于角关系而计算的测量方法。光学三角测量用于将距离或范围信息与被测量表面的2D图像上的每个点关联，提供第三维，或z坐标。为了计算该距离信息，投射到表面上的结构化光图案中变化的测量被在一些基准状态中相对于相同图案进行分析。

光学三角测量方法利用光束以与表面成一角度照射到该表面。随着到该表面的距离被改变，该光的一个给定的反射光斑将移动到该表面上的不同位置。此效果假设以某一不同于该光束的入射角的角度来观察该表面。投射平面光束照亮该表面上的一条线而不是照亮光斑，产生一个连续系列的描绘该表面轮廓的照亮点，看起来该部件就像已经被该平面光束切掉了一样。因此，平面光束将产生该表面的轮廓，它是从观察者在该平面光束平面外看到的。

不管使用的是哪种特定处理技术，产生的数学模型然后能够产生垂直于边缘线的表面截面的轮廓形状，用于与部件规格比较以此来探查所制造的部件。

沿着任何所关心的截面的轮廓都能够以任何角度从该数学模型中提供出来，这种数学模型在3D计算机辅助设计(CAD)程序领域中是熟知的。如图4和5所示，这种轮廓可在计算机显示器62上显示，和/或自动就与规格的一致性而做出分析。曲率半径49可利用公知的弧拟合公式从建模的圆角(fillet)轮廓计算出，并显示，如图5所示，和/或指定的曲率半径可以文本或图形显示在该轮廓上以用于比较。为了从视觉上确认总体上是否正确地建模，可以显示该建模的表面的放大3D线框图。如果读者想了解有关用于以自动方式定量地表征一个或多个边折几何参数的创新的计算机实现技术的背景信息，请参考美国专利号11/274,579(代理人文档号179872-1(34446))。

本发明各方面还体现为在计算机可读介质上的计算机可读代码。该计算机可读介质可以是任何能够存储数据的数据存储装置，所述数据以后可由计算机系统读取。计算机可读介质的实施例包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、磁带、光学数据存储装置。该计算机可读介质还可以在连接计算机系统的网络上分发，以便以分布的方式存储并执行该计算机可读代码。

基于前述说明，本发明的各方面可使用计算机编程或工程技术来实现，这些技术包括计算机软件、固件、硬件或它们的任何组合或子集。任何这种作为结果的具有计算机可读代码装置的程序可体现为或提供在一个或多个计算机可读介质中，由此制造出计算机程序产品，即，根据该发明的制造物品。该计算机可读介质可以是例如固定(硬)驱动器、软盘、光盘、磁带、例如只读存储器(ROM)之类的半导体存储器等，或者任何传输/接收介质，例如因特网或其它通信网络或链路。包括该计算机代码的该制造物品可已被制造出和/或通过直接从一介质执行该代码、从一介质到另一个介质拷贝该代码、或在网络上传输该代码来使用。

用于制造、使用或销售本发明的设备可以是一个或多个处理系统，包括但不限于中央处理单元(CPU)、存储器、存储装置、通信链路和装置、服务器、I/O装置、或任何一个或多个处理系统的子元件，包括软件、固件、硬件或它们的任何组合或子集，其体现权利要求中提出的本发明。

用户输入可从键盘、鼠标、笔、声音、触摸屏或者人类能够是用来向计算机输入数据的其它装置中接收，包括通过诸如应用程序之类的其它程序来接收。

计算机科学领域的技术人员将能够容易将所述创建的软件与适当的通用或者专用计算机硬件结合以创建体现本发明各方面的计算机系统或计算机子系统。

虽然已经在此展示并描述了本发明的各实施例，但很明显，这种实施例仅仅是为了举例。在不脱离本发明的情况下，可以作出许多变化、改变和置换。因此，目的在于本发明仅仅限于附加权利要求的精神和范围。

部件列表

20    手持投射装置

22    光源

24    电源

26    发散光线

28    聚光透镜

30    聚光光圈

32    聚集的光线

34    光栅

36    正弦曲线成分

38    谐波成分

40    成像光圈

42    成像透镜

44，54光轴

46    光图案

48    轮廓

49    曲率半径

50    观察器

52    光学系统

54    光轴

56    观察光路

57    数字照相机元件

58    图像传感器

59    模-数转换器

60    接口电路

61    外部计算机

62  计算机显示器

64  支架

66  手柄

68  触发按钮

70  引导端部

80  表面

Claims (10)

1.一种用于3D表面轮廓测量的光学边折测量仪，包括：

投射装置(20)，包括光源(22)和沿着投射光路引导来自该光源的光的投射光学系统；

光栅装置(34)，位于该投射光路中，用于修改该投射光路以便将结构化光图案投射到正在被测量轮廓的表面上；

观察器(50)，附连于该投射装置，包括具有与该投射光路不平行的观察光路的观察光学系统、光检测阵列(58)，位于该观察光路中，用于检测来自该表面的结构化光图案的漫反射的图像、和数字化器(59)，与该光检测阵列连接，用于数字化该图像；以及

计算机(61)，包括与该数字化器通信的数据输入和用于基于由数字化的反射图像所提供的表面轮廓信息为正在被轮廓测量的表面建模的处理器。

2.根据权利要求1所述的边折测量仪，其中该观察光学系统包括远心透镜系统。

3.根据权利要求1所述的边折测量仪，其中该投射光学系统包括远心透镜系统。

4.根据权利要求1所述的边折测量仪，其中，包括手持单元，所述手持单元还包括：

手柄(66)，附连于所述投影装置和/或观察器的任何希望的区域，用于该单元的手动定位；

数字照相机电路(57)，电连接到该光检测阵列和数字化器电路，用于收集数字图像快照；

触发按钮(68)，电连接到该数字照相机电路，用于触发图像快照；以及

计算机接口电路(60)，连接到该数字照相机电路，用于将数字图像快照转送到该计算机。

5.根据权利要求4所述的边折测量仪，其中该投射和观察光路在该投射装置和观察器的公共视场中近似彼此相交，所述边折测量仪还包括引导端部，附连于该手持单元，该引导端部在该投射光路旁边和该观察光路旁边延伸至该公共视场中的终点，以在一快照周期期间相对于正被轮廓测量的表面定位该边折测量仪并使该边折测量仪稳定。

6.根据权利要求3所述的边折测量仪，其中该光栅装置以与该投射光路成一角度安装在该投射装置中，用以产生近似位于该投射和观察光路相交处并近似与被轮廓测量的边的顶点共面的投射图像焦平面。

7.一种光学边折测量仪，包括：

投射装置(20)，用于沿着第一光轴将结构化光图案投射到表面上；

观察器(50)，附连于该投射装置，用于接收该结构化光图案从该表面沿着第二光轴的反射，并在触发信号被提供时数字化该反射的二维快照；

该第一和第二光轴不平行，在该投射装置和观察器的公共视场中近似相互交叉；

计算机(61)，对接于该观察器，用以接收该数字化快照；

处理器，位于该计算机中，用于分析该数字化快照并为该表面建立数学模型；

可自由移动的手持组装件；

手柄(66)，位于该手持组装件上，具有触发按钮(68)，用于提供该触发信号；以及

引导端部(70)，位于该手持组装件上，该引导端部在该两个光轴旁边或周围延伸至该公共视场，以相对于该表面定位该手持组装件。

8.根据权利要求7所述的边折测量仪，其中该结构化光图案由光栅(34)产生，光栅(34)与该第一光轴成一角度地安装在该投射装置内且用以产生近似与被轮廓测量的边的顶点共面的投射图像面。

9.根据权利要求7所述的边折测量仪，其中所述观察器包括远心透镜系统。

10.根据权利要求7所述的边折测量仪，其中所述投射装置包括远心透镜系统。

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