CN101147042B - 用于光学测量物体的形状和表面的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学形状测量和/或者检验物体的设备，其具有至少一个照相机、至少一个物镜、散射体和至少两个光源。该设备的特征在于，散射体是不透明的，并且至少两个光源固定在散射体内部，由此照射其内部，并且仅使用在设想直径线上彼此相对的两个光源，或者将光源固定在优选等边三角形的角上或者十字上。

Description

用于光学测量物体的形状和表面的设备

技术领域

本发明涉及一种用于光学检测和/或者判定物体和表面形状的装置。

背景技术

用于光学检测和/或者判定物体和表面形状的大部分方法和装置可以分为两种类型：

·图像处理，特别是工业图像处理的装置。这些方法的特征在于，在最短的时间内拍摄物体的一个或多个图像并随后将其通过电子计算单元自动判定和检验。对此为包括判定在内的图像拍摄通常需要几分之一秒的时间。现有技术测量图像平面上的二维(2D)特征，如长度、角度、面积等。三维特征的测量和检验则造成很多困难，因为所拍摄的图像只能不充分地反映与图像平面垂直的第三维。

·与此相反，光学SD测量技术(三维测量技术)专门用于除了图像平面上的特征外还测量与图像平面垂直的第三维特征。此方面的缺点是，这些方法需要比图像处理花费大得多的时间。在这里通常需要一秒直至数秒和数分钟的时间。在许多情况下，测量结果通常也不能进行自动分析处理。

目标是结合这两种类型的优点并消除缺点。因此可以在最短的时间内检验、测量和自动判定二维以及三维特征。因此在图像处理和光学3D测量技术领域之间搭建一座桥梁。

在这种情况下，特别是考虑在本技术领域中非常频繁使用的金属、塑料等光亮的物体和表面。这些表面无论是在图像处理还是在光学3D测量技术上，由于定向的光反射均造成很大困难。但同时也考虑整体上不会造成困难的扩散散射的物体。

2D和/或3D特征的检验和/或者测量、以及选择性的自动分析处理可以根据WO2004/051186所介绍的方法进行。在这种称为光度测量偏转的方法中，将光度测量的立体方法、偏转测量的方法和散射体S组合，以使散射体表面上的位置平面编码。

例如一种用于实施该公知方法的装置结构如下。具有物镜Obj的照相机K根据物体G定向。该物体由一个散射体S照明，对于其部分由至少一个、优选多个可独立开关的光源或者光源1、2、3、...的组进行照明(图1)。

图1示出三个光源1、2、3。这些光源优选处于一个与图1的图平面垂直分布的平面上。但它们并非全部处于图1的图平面上。例如中间的光源3向后从图3的图平面偏移。

在实现这种装置时，对于专业人员来说出现一系列问题：

1.为达到最佳的测量和检验结果，光源1、2、3...在哪个位置上定位？

2.如何达到明亮照明物体的目的？

3.光源的光线通过镜组在物体上集束是有利的吗？

4.照相机K在哪个位置上定位有利？

5.散射体S上哪些尺寸的观察口是有利的？

6.散射体由何种材料制成是有利的和其表面应怎样产生？

7.如何避免散射体的污染和机械损伤以及由此引起的不利结果？

找到一种同时针对所有问题的技术解决方案是特别困难的。这一点之所以特别困难，是因为为解决这些问题需要采取相反的措施。

例如，如果认为问题1具有特殊的重要性，那么将光源在与散射体相距足够的距离上定位(图2)。因此从光源的每个点均产生与散射体近似相同的距离和近似平行的照明。对于这种情况来说，根据WO 2004/051186中所介绍的方法存在计算机上可以很好控制的关系，因为无论是光源的方向还是距离均可以视为恒定。这一点是特别重要的，因为散射体的平面编码从散射体倾斜度和照明方向的相互配合中产生。照明对散射体各自平面部分的垂直入射产生高亮度的编码，条形入射则亮度最小。同样非常重要的是光源从哪个方向照射散射体。如果这些方向彼此靠近，那么编码时差异较小(相对于所要测量的倾斜度测量装置的灵敏度较小)，如果这些方向彼此远离，那么差异较大(高灵敏度)。该装置于是对局部物体倾斜度的少量变化作出非常良好的反应。当然，根本不能完全照明散射体的大区域。

对于问题2来说，光源的大距离则相反产生不利的影响。在距离增加一倍时，必须考虑到散射体以及物体的照度减少4倍。

这一点导致了问题3，即，光是否可以有利地被集束。即使在更大距离时也可以保持照度。与此相反，重新需要提到的是，集束所需的光学装置和反射器大多不能进行这样均匀的照明，正如没有它们一样。

在此方面需要考虑的还有问题4。照相机的位置应这样选择，使其在散射体上不产生阴影投射。但在照相机靠近散射体定位时尤其会出现这种情况(图3)。另一方面，值得期望的是照相机尽可能靠近散射体和物体定位，以获得良好的物体分辨率。

该问题的解决方案与问题5相关。在照相机距离较小时，散射体上的观察口可以选择小尺寸，在距离较大时，必须加大选择观察口，以便可以检测物体的全部区域。这些区域然后不供照明物体使用。如果物体的表面这样倾斜，使光只能从散射体的这些缺陷部位反射到照相机内，那么该装置对相关的所有倾斜度均是模糊的(图4)。

在问题6和7中，涉及到散射体的材料、其表面特性、污染和可能的机械损伤。例如可以设想，粗糙的透明塑料(表面散射体)或者乳白色的透明塑料(体积散射体)。在所有空间方向上有利的均匀散射可以在体积散射体上实现，但非常多的光在此方面未被利用。此外，在光滑表面上产生不希望的光反射。表面散射体也将光的行程在较小程度上偏转，从而更多的光可以利用。与此相反，值得一提的是，没有在所有方向中达到均匀的反射和粗糙表面更易于受到灰尘和指纹的污染并且很难被清除。如果为散射体选择玻璃代替塑料，那么可以在机械强度方面和清洁方面达到更好的特性。另一方面，形状精确的散射体的精密加工在玻璃上比在塑料上复杂得多。玻璃还有破碎的危险。

发明内容

所有这些问题依据本发明由此得以解决：取代透明的散射体使用不透明的散射体，此外，光源设置在散射体内部。这种解决方案尤其是在考虑到特别重要的问题1的情况下，而其他所有问题都是容易解决的。光源越靠近散射体，在极端情况下甚至设置在散射体的内部，可以设想散射体受到平行光束的照射越少。替代地可以设想，即光源例如反射到全部半球内(图5)。根据与方向相关的光源和反射特性，在散射体上产生另一种照明分布。计算机的全部分析处理-如从WO 2004/051186中得出的那样-因此是不需要的。光源与散射体每个点的距离在很大程度上根据光源的位置变化。排除光源在球形散射体中心上的定位，因为中心及其周围留给所要检查的物体。

依据本发明该问题由此得以解决，即综合影响因素，例如对散射体的照明方向、散射体及其被照明表面与光源的各自距离和光源的空间反射特性以适当的方式这样进行补偿，即模拟照明分布，正如它在从外部利用平行的光入射产生的那样(图2)。这种意图借助大量彼此无关的参数几乎是没有指望的。但依据本发明可以为参数的特定组合找到一种解决方案。根据计算机上复杂的相关性借助模拟确定一种解决方案并在这里仅介绍结果。

附图说明

图1为具有散射体的外侧的照明的设备的示意图。

图2为远离的光源的示意图。

图3为阴影投射照相机的示意图。

图4为大的观察口的示意图。

图5为内部的光源的示意图。

图6为具有内侧的照明的设备的示意图。

图7为具有外侧的照明的设备的示意图。

图8为用于透明物体的设备的示意图。

图9为具有多个照相机的设备的示意图。

图10为具有一条线的投影仪设备的示意图。

图11为具有多条线的投影仪设备的示意图。

图12为具有校准物体的设备的示意图。

图13为在检验期间的校准的示意图。

图14为具有内侧的照明的设备的示意图。

图15为用于检查圆柱形物体的外周表面的设备的示意图。

图16为用于检查圆柱形物体的外周表面的设备的示意图。

图17为用于检查圆柱形物体的内部外周表面的设备的示意图。

具体实施方式

作为照明装置，优选的是由朗伯光辐射器构成的光源。这意味着，辐射强度随着辐射角的余弦变化。这种分布通常在被照明体上，但不是在自发光的物体和光源上出现。最常见的是，向所有空间方向上恒定的辐射(例如白炽灯、气体放电灯)或者很强的定向辐射是利用激光器和LED。但朗伯光方式辐射的特殊情况却可以利用专门为此设计的LED来实现。

散射体的形状优选采用球体、半球体或者其中部分的形状构成。作为材料优选金属、不透明的塑料或者加工技术上易于控制的其他材料。主要问题在于正确选择光源的位置和方向。为在一个半球形散射体的表面上定向，为半球照相机侧的顶点选择概念北极并为半球的闭合边缘选择赤道。概念北极和赤道也在其他形状的散射体上使用。光源优选在一个靠近赤道平面的平面上定位。其主射束相对于散射体定向，例如以-90°和+90°之间的角度相对于与赤道平面的垂直线定向。与垂直线的角度优选为-30°至+30°。特别有利的照明条件是处于0°或者接近0°的角度。光源的主射束然后或者精确地与赤道平面的垂直线重合，或者与该平面具有一个非常小的角度。

使用多个，但优选四个光源，其优选以例如“+”或者“X”的十字方式设置。十字的中心优选处于在赤道平面上垂直并通过其中心延伸的一条线上。光源以与散射体的中心相距特定的距离设置，例如为散射体与其内表面之间距离的20％-80％，优选为30％-70％。这个距离在球形散射体上相当于球半径。特别有利的比例接近于球半径的50％(图6)。

为说明光源1、2、3等，在这里也可做如下规定：优选具有设置在一个平面上的四个光源。可以设想光源设置在散射体S的赤道平面上或者略高于或略低于该平面。在图6中，光源仅看似成排设置。实际上例如光源1和2处于赤道平面的直径线上。光源3相对于图6的图平面向后偏移，并对于它那部分优选与一个这里未示出的光源4共同设置在一条直径线上。

如果例如从照相机K的角度从上面垂直观察光源，那么可以看到，光源与散射体与通过十字标注的中心相距一定距离而设置在一个平面上，并例如处于一个优选等边三角形的角上或者处于“+”或者“X”方式的十字末端上。

在图6中，一方面光源1和2与另一方面物体G之间的光程上具有防止直接照明物体的阴影A。在图6中，分配给光源3的阴影出于简化的原因没有示出。

这里所示和其他实施方式中具有的阴影A随机设置。关键是避免物体直接通过光源照明。因此阴影可以安装在光源的支架上或者安装在物体的支架上。最后也可以具有阴影的单独支架。

利用参数的选择达到散射体的点平面编码的目的。编码和照明分布的类型尽可能地对应于来自外部的距离很大的照明，虽然光源实际上从内部最小的距离照明散射体。因此可以根据已经由WO 2004/051186公开的方法计算倾斜度。

但作为选择，光源也可以在赤道的附近定位并照明赤道上散射体相对的面。在这种情况下，散射体远离光源的点比靠近光源的点受到更亮的照明。

对于具有以散射为主的表面和/或者发亮和散射表面组合的物体来说，物体的直接照明也是有意义的。为此可以将光源例如固定在散射体的内表面上，或者通过内部空间的孔优选沿光线方向对着物体伸出。

有利的是，在所称的所有情况下，光源均可移动地被固定，以便可以根据使用改变位置(图6)。

关于问题2，实现了一种非常好的照明，因为光可以达到散射体的内部各处。不需要聚束光的镜组(问题3)。

照相机有利地可以直接在散射体的外表面定位，它与阴影投影无关(问题4)。

观察口因此可以保持最小(问题5)。

作为材料可以使用所有不透射的材料，例如金属、塑料等(问题6)。

总体上不需要清洁，因为保护了散射体的内部区域防止被污染和接触。同样尽可能地将损坏排除在外(问题7)。

此外，光源的这种设置还提供了其他优点。可以确保该装置的使用者不因为其他光源而导致眩目。这一点首先在例如像大功率LED的大功率光源上具有重要意义，对此也已经应用了激光器保护规定。此外可以避免环境光导致的测量失真。

此外，该装置优选按如下构成：

照相机：

作为照相机优选使用电子照相机，特别是CCD或者CMOS照相机。其图像为进一步处理可以被传送到一个电子算术逻辑单元上，或者在所谓的人工智能照相机本身的内部进行处理。既可以使用矩阵照相机，也可以使用行扫描照相机。

物镜：

物镜优选作为宏观物镜构成，因为物体优选处于与物镜相距很小的工作距离内。同样可以使用具有多个物镜的照相机。如果需要很高的放大率也可以设想宏观物镜。

散射体：

该散射体优选以半球体、球体、半圆柱体、圆柱体、椭圆体、长方六面体、具有与前述形体不同形状的自由形状面或者其中的部分构成(图6)。在使用矩阵照相机的情况下优选半球体，在使用行扫描照相机的情况下优选半圆柱体或者半球体。

公知设备的散射体在从外部照明时可以由透明材料，如磨砂玻璃、磨砂透射塑料等组成(图7)。但依据本发明也可以使用不透明的材料，如金属、不透明塑料等(图6)。散射体可以不进行涂覆，例如利用粗糙的并因此散射的表面构成。但散射体优选采用反射的散射颜色涂层，其无定向散射入射的光线。优选的颜色为白色，但同样可以是其他颜色。特别有利的是，颜色具有发荧光或者发磷光的特性。散射体本身的材料也可以表现出这种特性，在这种情况下，不一定非得需要涂层。由此光线可以从例如像蓝光或者紫外光的优选短波长转换成长波光，但特别是白光。此外特别有利的是，照相机或物镜装备有对于特定波长，优选对于小波长的抑止滤光片。因此防止光源的光直接入射到照相机内，但通过荧光和/或者磷光散射的光可以通过。

散射体的内表面由一个或者多个光源照明。物体G优选设置在散射体的中心内或者附近。散射体的优选形状是半球体。为更简单地用符号标出，在这里也将概念北极用于半球的顶点并将概念赤道用于半球的边缘。为了可以将物体G简单地在沿赤道平面的运动中导入散射体的中心，有利的是，仅让散射体从北极一直到达赤道略微靠北的一个区域，至少到达需要装入物体的位置。

对于优选处于散射体外部的照相机和物镜来说，散射体可以具有一个也称为观察口的可以看到物体的孔B(图6)。孔B也起到物镜光阑的作用。孔B的大小应这样选取，使其可以无干扰地观察所要检验的物体或者还有其中的部分。大孔使更多的光到达照相机。这一点特别是对短曝光时间来说是值得期望的。此外，在宽孔上提高限制衍射的分辨率。另一方面，孔B应尽可能地小，以便使尽可能大部分的散射体表面可以利用。景深范围同时可以在小孔B上得到延伸，从而物体G也可以大高度差在各处清晰地成像。如果孔B的位置和物镜入射瞳孔EP的位置相同的话，这些要求可以达到一致。出于技术原因的选择另外有利的是，孔B的平面仅设置在入射瞳孔EP的附近。这一点特别是在入射瞳孔的位置因为其处于物镜的内部而使身体不能接近的情况下。观察口的直径优选选择等于或者小于物镜入射瞳孔的直径，以便使未被利用的散射体表面尽可能小。如果观察口的直径小于物镜的入射瞳孔，那么观察口是由物镜和观察口组成的光学总系统的光阑。特别是在照相机光阑的宽孔和小观察口的情况下，总系统入射瞳孔EP的位置可以强制处于观察口的位置上。

另一种有益的效应有助于使散射体可利用的面积尽可能大。首先，假设物体非常光亮并可以视为处于赤道平面上的平面反射镜。物镜在反射镜上，也就是在赤道平面上聚焦。反射镜上看不清观察口。由此产生了模糊的小圆盘到底有多大的问题。根据对称的考虑得出结论，模糊的小圆盘的直径完全相当于光学总系统入射瞳孔的直径。观察口的边缘因此一直到观察口的中心均是模糊的，就好像散射体没有孔。如果在赤道略微靠北的平面上聚焦，这种效应会更强，模糊的小圆盘因此大于观察口并保证了可靠重叠。到目前为止是从一个作为提供清晰图像的物体反射镜进行的。对于粗糙光亮的表面来说，观察口的图像进一步模糊，对扩散散射的表面来说完全模糊。有利的是，散射体的观察口作为可更换的部件构成。这样根据要求可以使用更大的或者更小的观察口。

作为对圆形观察口的选择，可以设想仅释放一部分圆面积。例如一个或者多个圆弓。也可以设想在径向上划分，优选与圆弓组合。但也可以是其他形状，例如像一个与物镜的光轴相关直至向任意形状偏移的孔。该观察口优选可环绕物镜的光轴转动构成，例如作为齐平装入散射体内的可转动球缺构成。照相机成像的曝光期间，转动的观察口然后从物镜的入射瞳孔扫过。特别有利的是，观察口在曝光期间仅一次、两次或者以其他整数的倍数扫过入射瞳孔，以达到在入射瞳孔的内部均匀曝光的目的。

如果检验一个透明物体，例如透明玻璃、塑料等，那么照相机及物镜优选从南极向北望设置。照相机穿过所要检验的物体观察散射体(图8)。在这种情况下，观察口不是强制必须的。

光源：

作为光源可以设想例如白炽灯、气体放电灯，具有光导纤维、闪光灯的光源，激光器光源以及半导体辐射源。特别是发光二极管(LED)非常有益，因为其结构尺寸小，可迅速开关并具有很长的使用寿命。特别是高发射功率的大功率LED是有利的。光源可以彼此独立接通并产生不同的照明状态。光源或者光源组可以彼此独立开关。根据所接通的光源或者光源组，产生另一种照明状态。目标是将光源1、2、3…这样定位，使散射体表面上的所有位置均可以编码。为将这些面积编码，例如从赤道的一个点出发，沿向北极方向上的一条线并继续向赤道的相对点，值得期望的是照明沿这条线增强或减弱。这一点优选由此实现，即光源在散射体的中心外部定位，优选在赤道平面上，至少靠近赤道平面，采用与其垂直的光线方向。光源主射束其他可能的定向在上文中已经进行了详细介绍。光源距中心越近，分布就越加均匀，位于越远的边缘，就越不均匀。对编码来说，期望该线段的一个终点与另一个终点之间照明的差别尽可能大，但其中过渡应尽可能均匀。同时光源应为所要检验的物体在散射体的中心释放一个尽可能大的区域。对于所有这些标准方面的一种很好的折衷方案是，光源在散射体的中心与其内表面，在这里为球半径之间距离的约20％-80％，优选约30％-70％上定位。50％范围内的位置特别有利(图6)。

但光源也可以选择在赤道的附近定位并照射散射体的相对面。在这种情况下，散射体远离光源的点比靠近光源的点受到更亮的照明。

有利的是，在所称的所有情况下，光源均可移动和/或转动固定，以便可以根据使用改变位置(图6)。在光源移动和/或者转动时，优选注意保持其对称设置。

对于具有散射为主的表面和/或者光亮和散射表面组合的物体来说，物体的直接照明也是具有意义的。光源为此例如可以固定在散射体的内表面上或者通过内腔中的孔发光或者伸入里面，优选采用对着物体的光线方向。

除了光源的位置和由此产生的与散射体表面每个位置的距离外，重要的是还涉及散射体表面与照明方向的各自倾斜度，以及在取决于不同的空间方向情况下光源的反射特性。有利的是，例如散射体的球形形状，其中每个表面点的倾斜度不同并可以明确编码。同时倾斜度从一个点向一个相邻点进行持续不断的过渡，从而照度可以均匀增加或者减少。光源的一种有利的辐射特性是朗伯光或者其他宽辐射特性，因为在这里从赤道平面出发，例如整个北半球均可以得到照明Θ。作为对此的选择，也可以使用侧面辐射的光源，例如将其在散射体表面的附近定位。

例如可与散射体的中心相关对称地设置一个第二光源。在第二光源上，散射体表面可以沿一个方向，即沿从一个赤道点到相对的赤道点的设想方向编码。因此只能检测一个倾斜方向。

如果使用三个光源，那么它们优选设置在一个等边三角形的角上，但也可以采用其他设置。利用三个光源就已经可以对散射体表面上的两个方向编码。三个光源因此是最小数量的光源，利用其可以对散射体表面进行平面编码。

对这里所谈到的光源相应地适用上述内容：它们设置在一个平面上，该平面例如与散射体的赤道平面相对应或者与该平面相距一定距离平行设置。三角形具有一个处于一条线上的中心，该线与散射体的中心相切并垂直处于散射体的赤道平面上。

但特别有利的是使用四个光源，它们——在俯视图上所见——以“X”或者“+”的方式设置。在这种设置中各自两个光源相对。如果仅关心编码方向的话，例如可以激活这样一对，如果查询两个方向的话，也可以激活另外一对。对于所要检验物体的输送来说，这种设置也是有利的，因为它比例如三个光源的对称设置提供更多的中间空隙。同样可以采用更多数量的光源，但不一定是必要的。

在使用四个光源的情况下，原则上相应地适用上述内容：光源设置在一个平面上，该平面例如与赤道平面相对应或者与该平面平行设置。光源各自彼此相对并优选对称设置。在十字方式的设置中，其处于“X”或者“+”的方式中，从而十字的中心处于与赤道平面的中心相切并与其垂直的一条线上。

作为光源可能的位置到目前称为赤道平面。但对于简单输送检验件具有意义的是，光源例如继续向北在另一个平面上定位，以便完全释放作为测量平面的赤道平面。

为防止光源的光直接入射到所要检验的物体上需要阴影A，其例如与光源的支架或者与检验物体的支架连接。阴影A也可以具有单独的支架。阴影A这样选择大小，使其没有光入射，但同时又尽可能小，以便从物体出发所见不遮盖散射体部分。

散射体S在孔B的区域内外表面可以具有一个圆柱形的凸缘，其作为不同光阑的支架使用，以便为照相机实现观察口(孔B)的不同尺寸和形状。

立体系统：

除了光源的数量外，照相机或物镜的数量也可以变化(图9)。如果使用两个照相机，那么利用该装置也可以执行一种双目立体方法。为两个照相机或物镜优选具有两个观察口，其可以从两个不同的位置向所要检验的物体方向观察。两个照相机视图中对应点的失配说明物体点与第三维，也就是垂直于赤道平面的位置。双目立体方法因此是一种不同于光度测量偏转的倾斜测量方法的高度测量方法。两种方法可以有利地加以组合，例如US 6.590.669中所介绍的那样。在这种情况下，高度测量方法在检测物体的全程三维构成方面是有利的，倾斜测量方法在检测局部三维构成方面是有利的。照相机的数量可以进一步增加，例如增加到三个或者四个照相机。特别地，照相机的数量大于或者等于光源的装置提供的优点是，单个照相机可供每个光源使用，这样可以大大降低图像的拍摄时间(图9)。在典型的电子照相机(例如CCD和CMOS照相机)的情况下，最小曝光时间与包括图像传感器读出在内的全部图像周期的最小时间之间存在巨大差别。曝光时间可以毫无问题地调整到低于100毫秒的数值上，而对于全部图像周期来说时间通常从10毫秒起。这是因为图像传感器的读出和数据传输所需的时间比固有曝光大得多。如果使用单个照相机，那么图像周期的时间是关键，因为同一照相机必须连续拍摄多个图像。如果照相机的数量等于光源的数量，那么关键的是纯曝光时间。图像拍摄在照明的节奏中以非常短的延迟启动，因此称为触发级联。

与其他高度测量方法相组合

作为选择，该装置也可以用于将光度测量偏转与作为双目立体方法的另一种高度测量方法相组合，例如与条形投影、干涉、白光干涉的方法，渡越时间方法或者优选激光切割方法相组合(图10)。为此优选为照明的激光器在散射体上具有一个观察口。特别有利的是半导体激光器L，特别是那种用于产生一条或者多条激光辐射束具有一体化物镜的激光器。这些光源结构非常紧凑并可以时间上极短的扭曲进行电子开关。激光切割方法通常采用一种机构进行工作，该机构将试样与单个激光辐射束彼此相对运动，并这样从轮廓剖面到轮廓平面依次扫描试样。对每个轮廓剖面需要进行单个的照相机拍摄，这样因此耗费时间。此外的缺点是，需要精确的并与照相机拍摄同步的移动单元。因此有利的是，同时投影多条激光辐射束(图11)。因此可以同时检测所要检验物体的多个轮廓剖面，例如10个或者20个。在依据本发明与光度测量偏转的组合中，唯一的照相机图像足够使用，从而可以取消移动单元并无需花费更多的时间。这一点之所以可能，是因为高度测量方法仅需提供全程形状数据，但全程形状数据由光度测量偏转提供。

校准：

依据本发明的设备可以围绕校准物Kal进行补充(图12)。它用于将所测量的斜度值借助公知的参照物与真实的斜度值进行比较。由此其中可以补偿光源空间照明分布、其辐射功率、其位置和定向、散射体的形状和位置、其表面或者涂层的反射特性以及照相机的位置和定向等的公差。作为参照物可以使用公知形状的物体，特别是其表面反射并具有大量不同倾斜度的物体。在这种情况下，优选精密加工的光亮金属球，因为在这里存在所有可能的倾斜度。如果研究无光泽的或者部分无光泽的物体，那么有利的是可以具有一种无光泽的校准物，例如一个无光泽的或者部分无光泽的球。对于这种校准物来说，平面测量斜度值并随后与已知的数值进行比较。将所测量的数值分配给实际值说明校准。此外，也可以在物体检验期间监测校准，特别是光源辐射功率可能的变化。为此可将参照物与校准物附加装入照相机的视野内(图13)，例如平面反射的面或者反射球、完全或者部分无光泽的面或者球。可以是其他的形状和表面特性。

图14举例示出散射体S上沿一个设想的平面通过光源1和2的照明分布。水平所示为从北极测量的角度Θ。垂直轴线表示各自光源1或者2在散射体S内表面上的照度。下面的第二图示示出光源1的照度。如果激活该光源，那么照度从-90°至90°的角度Θ持续上升。

最下面的图示示出光源2在散射体S内表面上的照度。显然，在这里照度从-90°至90°的角度Θ持续下降。由此散射体S上的点以不同的角度Θ编码并可以有所区别。

如上所述，光源可以按时间顺序接通和断开，从而依次产生多个不同的照明状态。这一点可以进行这里所谈到的编码和区分散射体S上的点。

从对前面附图的说明可以看出，可以检测不同的物体和表面的形状。在这里所示的实施例中，照相机K设置在物体G的上面，只要如上所述涉及到观察透明的物体。

但这里所介绍的用于光学检测物体和表面形状的装置也可以用于观察物体与外部相关的圆周面积或者物体上空隙的内表面。在检测和检验圆柱体或者近似圆柱体物体的外周表面时，使用一种具有锥面形状特殊构成的反射镜。照相机以及依据本发明的检验装置根据所要观察的物体端面定向。借助一种——从照相机所见——具有在物体的方向上变细成锥形内表面的反射镜，可以观察物体的外表面，在这里也就是一个圆柱形或者近似圆柱形物体G的外周表面。对于照相机来说，这些面似乎为包围部件端面的圆圈。因此一个物体的端面和外周表面以同一视角进行检验。

借助这里所介绍的反射镜因此可以根据简单方式产生外周表面的一种展开。在传统的方法中，一个物体的端面和外周表面必须单独检验。此外，为扫描一个物体需要实现照相机与物体之间的相对转动，例如让其环绕一个轴线旋转。外周表面然后可以例如借助行扫描照相机进行扫描。

此外，借助锥面反射镜可以仔细检查特别是圆柱形或者近似圆柱形孔径的空隙。为此使用一种反射镜，其具有向照相机的方向上变细的锥形外表面。图15示出一种用于检查圆柱形或者近似圆柱形物体外周表面的装置的第一实施例。

该装置的基本结构与上述内容相对应。在散射体S的内部设置物体G。该物体通过至少一个光源照明。在这里示出三个光源1、2和3，此外还示出一个上述防止物体G直接照明的阴影A。

圆柱形物体G直立，从而其中轴线通过拍摄物体G端面Ss照相机K的物镜Obj分布。

物体G设置在一个专门构成的反射镜，在这里为具有锥形内表面的反射镜Ko的内部，其这样定向，使物体G外周表面M的投影可以通过散射体S上的孔B由照相机K检测。该投影因此几乎是物体G的端面Ss并作为环形面为连续的外周表面M。

在图15所示的实施例中，物体G处于具有锥形内表面的环形反射镜Ko内。

图16示出图15所示装置的一种变化的实施例。相同和功能相同的部件因此具有相同的附图标记。图16所示的实施例与图15的区别在于专门构成的反射镜Ko的结构。在这里，其内表面同样以锥形构成，但倾斜以便使在这里设置在反射镜Ko下面的物体G的外周表面M投影并可以由照相机K检测。该照相机因此也检测物体G的端面Ss和作为连续环形面的其外周表面M。

图17示出一种装置的另一实施例。在这里相同和功能相同的部件也具有相同的附图标记，因此可以避免重复。

该装置用于检测物体G的端面Ss，但也用于检测内部外周表面M。

为此这里在物体G的内腔I内插入一个专门构成的反射镜Ko，其具有锥形的外部反射镜面，该镜面在照相机K的方向上收缩变尖并因此反射内腔I的外周表面M在物镜Obj方向上的投影。

照相机K因此一方面检测物体G的端面Ss，并同时检测物体G内腔I的外周表面M。为获得清晰的图像，使用具有反射外表面锥形构成的反射镜Ko，其优选用于检测圆柱形或者近似圆柱形的外周表面M。在图17所示的实施例中，物体G的底面和反射镜Ko处于一个设想的共同平面上。但原则上在锥形构成的反射镜Ko倾斜角的相应配合下，该反射镜也可以设置在物体G的下面。

此外，最后图17所示的装置也可与借助图15和16所介绍的反射镜组合。根据这种方式，在环形物体G的情况下，仅拍摄一次其端面Ss检测内部外周表面，并也可以利用适当的反射镜检测外部外周表面。

这里所介绍的也称为锥面镜的反射镜Ko因此具有反射面，其作为内锥面(参见图15和16)或者作为外锥面(参见图17)构成。

该装置如15-17中所示实施例的特征在于，所要观察的物体G内表面或者外表面也通过专门构成的反射镜Ko照明。因此不需要用于照明所要观察的物体内部或者外部侧面的附加照明器材。

据此表明，这里所介绍的装置可以非常灵活地应用，因此不仅可以观察物体的上面和表面，而且也可以构成在这里称为外周表面M的外表面或者内表面。在此方面，特别是如借助图17所介绍的那样，在检测过程中无论是内部还是外部的外周表面均可与物体叠放端面Ss共同检测。

在此方面显而易见的是，该装置整体上结构非常简单，其中，有利的是现有的光源也可以用于照明外部和内部外周表面。

Claims (45)

1.一种用于物体的光学形状测量和/或检验的设备，具有

-一个不透明散射体，所述散射体限定其外侧和内侧，所述散射体包括顶点；

-至少一个照相机，其配置和设置为查看所述散射体的内部；

-至少一个物镜，其配置和设置为在所述至少一个照相机中对要检验的物体成像，所述物体设置为由所述散射体的所述内部照明；

-至少两个光源，其设置为照明所述散射体的所述内部；

其中所述至少两个光源设置为使得

-当从沿着从所述散射体的所述顶点测量的角度θ明确限定的方向看时，由所述至少两个光源的第一个对所述散射体的照明持续地沿着在所述散射体和通过所述至少两个光源的设想的平面之间的交叉线增加照明强度水平；以及

-当从相同方向看时，由所述至少两个光源的第二个对所述散射体的照明持续地沿着所述交叉线减少照明强度水平。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个光源包括在设想的直径线上彼此相对地布置的第一和第二光源。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个光源布置在三角形的角上或十字上。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少两个光源能够相互分离地被激活。

5.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源布置在等边三角形的角上。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，四个光源以“x”或“+”的形式被布置。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源具有朗伯辐射特性或另外的宽辐射特性。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源布置在与所述散射体的中心相距某一间距处。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述间距为所述散射体的中心与所述散射体的内表面之间的间距的20％-80％。

10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述间距为所述散射体的中心与所述散射体的内表面之间的间距的30％-70％。

11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述间距为所述散射体的中心与所述散射体的内表面之间的间距的大约50％。

12.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源被布置在赤道平面中，或被布置在该赤道平面之上或之下与该赤道平面相距某一间距。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源的至少一个的主射束相对于所述赤道平面的垂线具有在-90°和+90°之间的角度。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述光源的主射束相对于所述赤道平面的垂线具有在-30°和+30°之间的角度。

15.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述光源的主射束相对于所述赤道平面的垂线具有0°的角度。

16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述散射体具有半球体、球体、半圆柱体、圆柱体、椭圆体、长方六面体、具有与前述形体不同形状的自由形状面或其一部分的形状。

17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述设备包括多个照相机。

18.根据权利要求4所述的设备，其特征在于所述设备包括多个照相机。

19.根据权利要求18所述的设备，其特征在于，照相机的数目对应于能够独立开关的光源的数目或超过该数目。

20.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少一个观察口。

21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述设备包括多个观察口。

22.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于高度测量的照明装置。

23.根据权利要求22所述的设备，其特征在于所述照明装置能够投射至少一条线。

24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述照明装置是激光器。

25.根据权利要求24所述的设备，其特征在于，所述激光器能够同时投射多条线。

26.根据权利要求22所述的设备，其特征在于，所述照明装置被配置用于条形投射。

27.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括干涉测量系统。

28.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源的至少一个可移动地和/或可转动地被固定。

29.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个光源的至少一个直接对所述物体进行照明。

30.根据权利要求29所述的设备，其特征在于，直接对所述物体进行照明的所述至少一个光源被布置在所述散射体的内部，或者通过所述散射体中的观察口照亮所述散射体的内部空间或伸出到所述散射体中。

31.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，该至少一个观察口与由所述至少一个观察口和所述至少一个物镜组成的光学总系统的入射瞳孔相同。

32.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述散射体中的所述至少一个观察口的大小是可变的。

33.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述散射体中的所述至少一个观察口的形状是可变的。

34.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述至少一个观察口是可移动的。

35.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述至少一个观察口是可旋转的。

36.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括校准装置，所述校准装置包括参照物。

37.根据权利要求36所述的设备，其特征在于，所述参照物被构造成球体。

38.根据权利要求36所述的设备，其特征在于，所述参照物被构造成反射镜。

39.根据权利要求36所述的设备，其特征在于，所述参照物被构造成平坦反射镜。

40.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括荧光和/或磷光散射体和/或具有该特性的涂层。

41.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括对于特定光波长的抑止滤光片。

42.根据权利要求41所述的设备，其特征在于，所述抑制滤光片被构造成对于所述至少两个光源中的至少一个的波长的抑止滤光片。

43.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括具有被构造为锥形的反射内表面和/或外表面的反射镜，其中所述反射镜的反射表面被构造并且被定向，使得该反射表面将物体的内部和/或外部外周表面朝照相机的方向反射，以致该照相机检测物体的端面、物体的内部和/或外部外周表面。

44.根据权利要求43所述的设备，其特征在于，所述反射镜和要检验的物体被布置在一个平面中。

45.根据权利要求43所述的设备，其特征在于，所述反射镜和要检验的物体被布置在不同的平面中。

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