CN103389048B - 激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法 - Google Patents

激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103389048B
CN103389048B CN201310169757.9A CN201310169757A CN103389048B CN 103389048 B CN103389048 B CN 103389048B CN 201310169757 A CN201310169757 A CN 201310169757A CN 103389048 B CN103389048 B CN 103389048B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
camera
component
camera lens
lens base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201310169757.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103389048A (zh
Inventor
L·努恩宁克
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cognex Corp
Original Assignee
Cognex Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cognex Corp filed Critical Cognex Corp
Publication of CN103389048A publication Critical patent/CN103389048A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103389048B publication Critical patent/CN103389048B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/0002—Arrangements for supporting, fixing or guiding the measuring instrument or the object to be measured
    • G01B5/0004—Supports
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49826—Assembling or joining

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Structure And Mechanism Of Cameras (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Studio Devices (AREA)

Abstract

本发明提供了用于激光轮廓探测的系统和方法，其通过提供包括具有预定布置的镜头和几何形状以及校准参数为预定的隔开的激光器简化了安装和使用激光轮廓探测系统的任务和相关应用。所述轮廓仪组件适于直接安装入传统视觉系统照相机的照相机架（通常以螺纹形式）。所有需要执行轮廓探测任务的部件均可被集成到所述轮廓仪组件中。将部件集成在单个可互换/可交换的组件中使得针对特定轮廓探测应用可简单直接地优化/适配组件。

Description

激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法
技术领域
本发明涉及视觉系统照相机，更具体地涉及适于对表面轮廓成像的视觉系统照相机。
背景技术
激光束轮廓仪(亦简单地称为“激光轮廓仪”)捕捉并确定激光束在横向于光束传播路径的特定平面的空间强度分布。照相机位于平面之上，且照相机镜头轴与该平面成锐角。用户想要通过三角测量来测量并表征平面物体的表面细节时，激光轮廓仪在大范围检查和制造操作方面是有用的。一个示例是检查键盘，其中仿形任务确定是否所有的键均处于相似高度。激光轮廓仪的一种形式使用具有可基于CCD或CMOS设计的图像传感器(或“成像器”)的视觉系统照相机。成像器限定通过镜头从成像场景接收集中的光线的像平面上的灰度或颜色感知象素的预定范围。轮廓仪使用将反射的激光从平面场景引导至与照相机传感器的光轴(其与像平面垂直)成锐角的传感器特定镜头组件。以此方式，激光轴、镜头轴和传感器像平面之间的不垂直角度可满足所谓的沙姆普弗鲁克原理以确定每个测量距离的激光线的清晰图象(下面进一步地描述了)。即，通常当以不垂直的角度将照相机轴引导至平面场景时，所获得图像的总高度的仅一小部分跨越宽度成锐聚焦，且在该区域之上和之下聚焦会减弱。
执行精确的激光轮廓探测的重要挑战是激光轴相对于镜头轴的相对角度应高度精确。同样地，隔开的激光器和镜头之间的距离应具有高精确度。为照相机和激光器设置安装固定装置的布置，然后校准该布置很费时间且可导致系统的总精确度和性能发生变化。
因此，理想的是提供与允许花费少量时间和努力便可对激光轮廓探测布置进行精确和可重复设置的视觉系统照相机一起使用的激光轮廓探测系统。
发明内容
本发明通过提供用于激光轮廓探测的系统和方法克服了现有技术的缺点，该系统和方法简化了安装和使用激光轮廓探测系统任务，且通过提供包括具有预定布置的镜头和几何形状以及校准参数为预定的隔开的激光器简化了相关应用。轮廓仪组件适于直接安装入传统视觉系统照相机的照相机架(通常以螺纹形式)。所有需要执行轮廓探测任务的部件均可被集成到轮廓仪组件中。将部件集成在单个可互换/可交换的组件中使得针对特定轮廓探测应用优化/适配组件简单直接。
在说明性实施例中，提供了使用具有与照相机轴同轴的支架的视觉系统照相机对物体表面进行激光轮廓探测的组件。该组件包括镜头底座，所述镜头底座包括具有镜头光轴的镜头，镜头底座还包括具有被构造和设置为相对于照相机轴以预定的旋转定向可拆卸地将镜头底座固定至支架的安装结构的后端。杆从镜头底座延伸至远端。远端被构造和设置为支撑激光器以便激光器的投影轴相对于镜头光轴向预定方向被引导。组件可以是激光轮廓探测系统的一部分，激光轮廓探测系统包括具有(说明性地)允许与至少一个第二整体激光轮廓仪组件交换的传统支架的视觉系统照相机。两个激光轮廓仪组件可限定不同的几何形状，例如焦距、镜头类型和/或镜头轴的相对角度，针对不同的轮廓探测任务投影激光轴可不同。
说明性地，镜头光轴被定向为与照相机轴成锐角。后端可包括滑动安装的安装环，其螺纹旋入照相机架。同样地，后端具有外螺纹且包括位于安装环后面的焦环。焦环与后端的外螺纹螺纹啮合为允许其轴向位置可变。当安装环紧靠支架的径向向内壁时，这提供了阻挡。如此，沿后端设置焦环的轴向位置可提供镜头和照相机传感器的像平面之间所期望的焦距。在实施例中，镜头底座和杆包括用低热膨胀材料制成的单一结构。
在说明性实施例中，用于布置激光轮廓仪的方法包括提供具有与照相机轴同轴的支架的视觉系统照相机和像平面与照相机轴垂直的传感器。第一整体轮廓仪组件可拆卸地安装至照相机架。该组件包括镜头底座和激光器在远端的杆，其中镜头光轴和激光器的投影轴沿杆间隔开。在可拆卸地安装组件的过程中，第一整体轮廓仪组件的安装结构通过沿镜头底座的后端滑动的安装环与照相机架螺纹啮合。
在另一个步骤中，该方法包括将有关连接的集成激光轮廓仪组件的几何数据和校准参数传输至可操作地与视觉系统照相机连接的视觉系统处理器以便与轮廓探测任务相关的视觉系统处理在执行轮廓探测任务时可使用该数据。
附图说明
下面参照附图描述本发明，其中：
图1是激光轮廓探测系统的透视图，根据说明性实施例，所述激光轮廓探测系统包括连接至示例性视觉系统照相机支架的激光轮廓仪组件；
图2是沿图1的线2-2的系统的部分侧视剖面图；
图2A是说明性激光组件的示意性俯视图，所述激光组件产生用于图1中的激光轮廓仪组件的发散扇形束；
图3是图1中的轮廓仪组件的局部侧视图，图示了在从与激光轴对齐的场景获取图像以及通过成角度镜头将图像聚焦到照相机传感器的像平面上时的沙姆普弗鲁克原理(Scheimpflug principle)的操作；
图4是图1中的轮廓仪组件的侧视图；
图5是图1中的轮廓仪组件的前透视图；
图6是图1中的轮廓仪组件的后透视图；
图7是沿图5中的线7的轮廓仪组件的部分剖面图；以及
图8是照相机表面和与包括用于将轮廓仪组件相对于照相机垂直对准的导销的照相机主体分离的支架的后透视图；
图9出示了轮廓仪组件的另一实施例。
具体实施方式
图1示出根据说明性实施例的激光轮廓探测系统100。系统包括可以是具有带有(说明性地)二维阵列图像象素的图像传感器的任何可接受的照相机的示例性视觉系统照相机110。照相机110可以是具有执行一些或所有多个视觉系统任务(例如，边缘检测、斑点分析、旋转和标度不变搜索等)的内部处理器，比如可从Natick MA的Cognex公司购买的Insight系统的照相机110。可替代地，照相机可具有少数处理功能，并将捕捉的图像(通过有线或无线链路)传输至远程处理装置，比如安装有合适的视觉系统软件(未示出)的个人计算机(PC)。应注意，如此处所使用，任何处理或过程均可由电子硬件、由程序指令的永久性计算机可读介质组成的软件或硬件和软件的组合来执行。
照相机110包括在其主体正面114上的镜头安装底座(或“支架”)112，其可以是传统的螺纹支架，比如C支架、CS支架或F支架。照相机主体的示例性C支架结构112采用本领域已知的传统的1英寸内径内螺纹。还参照图2的剖面图，图1所示沿着剖面线2-2，示例性照相机110包括确定像平面SP和垂直的照相机光轴COA的传统传感器210。传感器是根据示例性照相机排列与进一步处理和接口部件216和218互相连接的电路板组件212的一部分。这些电路和处理部件的具体实施和功能是高度可变的。通常，传感器210和相连像平面SP的位置与说明性实施例的示教相关，更具体地相对于连接的说明性激光轮廓仪组件120而言。
激光轮廓仪组件120由镜头底座130、臂140和激光组件150组成，其相对于镜头底座130而言安装在臂140的末/远端。在说明性实施例中，镜头底座130单独形成，具有作为用于增加刚度的铸造或机加工结构(利用实心钢坯)的臂。在实施例中，该结构可由低热膨胀材料，比如因瓦合金形成。根据本领域的技术人员，可用其它具有足够强度和刚度的低热膨胀材料来替代。如此，照相机的变热和/或周围环境的温度变化不会明显地使臂140变长或缩短。这确保校正和使用过程中组件在尺寸上保持稳定，如下面进一步描述的那样。
镜头底座130容纳限定镜头光轴LOA(图2)的尺寸适当镜头160，该镜头光轴LOA(说明性地)向下与传感器/照相机光轴COA成锐角。在实施例中，角度AA大约为13度，但是显然可预见AA可能的角度范围很大(例如，大约为5-45度)。激光组件150包括具有通常很传统的半导体(例如，可见二极管)激光器，其具有可限定沿水平方向成扇形散开的投射的发散线的束(以下特别参考图2A进一步描述)。激光器的投影轴LA向上与臂140的垂直轴VAB使成一定角度(角度AL)。这允许激光器与平面物体表面位于一条线上，且允许照相机位于场景之上的预定距离处，来自场景的光线返回至与镜头光轴LOA对齐的镜头160。在实施例中，杆的高度HB(激光轴LA和照相机光轴COA之间)大约为5至20厘米，且相关的角度AL大约为80度。在说明性实施例中，高度HB大约为8-9厘米。下面结合图3进一步描述了说明性实施例中该高度更具体的值。该几何形状在镜头光轴LOA和激光轴LA之间形成了大约25度的角ALPHA，且该角在其它实施例中可说明性地改变大约5度至50度。这些几何参数在可替代实施例中是高度可变的。更一般地，支架112和镜头底座组件130被设置为与照相机轴COA同轴，照相机轴COA与传感器210处的像平面垂直。镜头160通常限定与照相机轴COA成锐角AA的镜头光轴LOA。
应注意，如此处所使用，各种方向和定向术语(比如垂直、水平、上、向下、底部、顶部、侧面、前面、后面等)仅作为相对规定使用，并不作为相对于固定坐标系(比如，重力)的绝对定向。
进一步参考图2A，激光组件由多个从部件发射尖端的激光产生发散“线”的组件组成。该线(表示为元件260)位于与图2的剖视图的平面垂直的平面内(即，在与由镜头光轴LOA和激光轴LA限定的且包含激光轴LA的平面垂直的平面内)，并以如所示的扇形束262向外扩展以便该线在距激光组件150更远处在长度上增大。在实施例中，扇形束262通常绕激光轴LA对称，且扇角AF大约为30度。在说明性实施例中，角AF可改变。激光组件150(显示为虚线盒)由激励电子激光二极管驱动电路280的合适电源270供电。这些部件270、280可以是传统设计。电源270可安装在激光组件150上/内，或通常作为由壁电流供电且使用一个或多个引线/导线与组件可操作地互相连接的独立单元。在各种实施例中，电池电力还可用于为激光器供电。驱动电路280以传统方式驱动激光二极管282工作。激光二极管282可以是任何可接受的发射可见或几乎可见波长激光的单元。激光二极管282发出的光束进入瞄准仪镜头284时分散。瞄准仪镜头284包括使发散光束准直的传统光学器件。然后，发射的光束被再成形镜头286(或其它光学部件)接收，再成形镜头从准直光束产生发散光束扇形束262。再成形镜头286可包括各种光学装置(或分立装置的组合)，包括(但不局限于)柱面透镜、全息元件或所谓的鲍威尔透镜。
结合图3，成角度的镜头轮廓仪组件120显示为满足沙姆普弗鲁克(Scheimpflug)原理。在许多典型的成像应用中，镜头平面(与镜头光轴LOA垂直)和图像或传感器平面SP是平行的，且焦平面(PoF)与镜头和像平面平行。如果平面对象(例如，建筑物的侧面)也平行于像平面，则其能够与PoF重合，且整个对象可被清晰地呈现。然而，如果对象平面与像平面不平行，如图3所示，则具有同轴对齐的镜头和照相机光轴(LOA和COA，即平行的镜头平面和像平面)的典型照相机排列将仅沿与PoF交叉的线真正聚焦。然而，根据沙姆普弗鲁克原理，当斜切线从像平面(图3中的SP)延伸，且另一条斜切线从镜头平面(图3中的LP)延伸时，这些线在PoF也通过的线(图3中的310)处相遇。该交叉点314被称为沙姆普弗鲁克交叉。基于该原理，不与像平面平行的平面表面可横跨给定视场完全聚焦。
物体表面(正被测量轮廓)310沿激光轴LA的线放置。垂直视场中的各点320、322、324沿着表面310被显示。这些点320、322和324分别与长度不同的交叉射线330(LOA)、332和334相连。射线330、332、334还在交点340(即，成像器入射光孔)的相对侧的点350、352和354处射到传感器SP的像平面上。在示例性实施例中，使用限定大约10.32X 7.74毫米的矩形区域的示例性传感器进行合适的(众所周知的)计算来实施沙姆普弗鲁克原理。镜头从交点340(镜头平面LP)至传感器像平面SP的焦距为大约21.2毫米。镜头光轴LOA上的交点340和组件的发射器端344的激光轴LA之间的距离DA为大约88.59毫米。镜头光轴LOA和传感器像平面SP之间相对的角度BETA为大约77.1度。如上所述，镜头光轴LOA和激光轴LA之间的角度ALPHA为大约25度。射线332和334分别限定最大的视场和沿Z方向(箭头Z)的工作范围。基于以上描述的示例性参数，射线332和334的每一个均在镜头光轴LOA的任一侧限定出大约9.6度的相对角。这在表面(从穿过交点340的射线DA)提供了大约321.04毫米的最大视距ZMAX和大约128.55毫米的最小距离ZMIN，中间距离ZM在距射线DA大约189.98毫米处。这在Z方向提供了大约129-321毫米(距照相机外壳110-115毫米)的总的工作范围，沿物体表面的距离ZRANGE大约为192.49毫米。点324和322之间在X方向的范围(轴X，显示为与页面的平面垂直)从大约65.74毫米分散至162.25毫米(X距离为97毫米)。因此，该范围之上的Z距离是X距离的两倍多，但是由于该原理仍保持聚焦。如下面进一步所述，在本实施例中描述的角和几何形状用于说明值的范围很大，这取决于具体的轮廓探测任务和所需的三角测量参数。例如，激光轴LA和镜头光轴LOA之间的角ALPHA可在大约5度至50度之间变化。同样地，所描绘的镜头光轴LOA和激光轴LA之间的距离D可在大约5至20厘米之间变化。此外，镜头的焦距(其限定照相机系统的测量范围)可在大约7至50毫米之间变化。在根据此处的实施例的轮廓仪组件中的部件的适当排列可通过使用这三个特征的值进行已知的计算来确定。
在说明性实施例中，镜头160可包括具有大约5毫米直径的传统、低失真、大孔径类型。其通过M12 X 0.5型螺纹安装在镜头底座130内。可提供各种其它镜头装置，包括那些包括将光线从一个轴弯曲至另一个非平行轴的棱镜部件(未示出)的装置。更具体地，镜头参数和组件的几何形状(即，镜头轴相对于照相机轴的角度、激光轴的角度、坐标轴之间的间距)可根据特定的轮廓探测任务变化。在一些任务中，焦距可以是10厘米至1米。在其它任务中，焦距可以仅仅是几厘米，或者对于高精度测量任务而言更少。组件可以是为所期望的焦距和精度等级而组建，且可根据任务从生产商处购买大范围的轮廓仪组件型号。所有组件能够可交换地安装至给定的视觉系统照相机。
在说明性实施例中，在实施例中镜头160固定在镜头底座内以便焦距通常由镜头底座的螺纹安装结构170提供。结合图4-7更详细地描述了结构170。安装结构170包括与安装底座112的内螺纹相匹配的外螺纹410(如图2所示)。在说明性实施例中，外螺纹410和安装底座112的内螺纹是根据传统C支架配置设置的，但是在可替代实施例中，很明显可预期其它传统或非传统的支架装置。如果需要，使用C支架或CS支架)允许组件120与另一种类型的镜头交换，这允许对照相机再分配任务以用于不同功能。
如图所示，镜头底座130包括螺纹向前扩展至背肩422的单一、外螺纹式后端420。对背肩进行了倒角处理，如图7所示。在说明性实施例中，后端420包括M20 X 0.75型螺纹，该几何形状在可替代实施例中高度可变。通常，在某种程度上将螺纹尺寸选择为使足够大的(有角度的)内部开口610能够允许来自镜头160的光线完全遮盖传感器而不会中断内螺纹。应注意在图6中，后端420的内表面620的底部包括凹形坡道以在镜头160的后侧提供完整的圆柱形。后端螺纹的外部尺寸也选择为允许后端420的最后部分穿过由支架112后端的径向向内指向的壁250(图2)形成的孔口。换句话说，后端420的外直径至少略微小于支架的后部内壁250的内径。
参考图7，镜头系统可包括减弱光线而非激光的波长的合适带通滤波器750(以虚线显示为可选择的附件或涂层)。如此，系统仅对所观察的场景的被照明的特征部成像。
后端420支撑两个螺纹部件。安装环430(其包括外部C支架螺纹410)设置在端部，与肩角422相对。该环包括(可选择地)被倒角以与肩角422相配的前凸缘432，并为用户提供方便的结构以便当调整安装环相对于后端420(和相连的镜头底座)的轴向位置时抓取和旋转。后端420还支撑与安装环430的后侧相对的焦环440。显然，安装环430内部为非螺纹且滑动地跨在镜头底座130的后端420上。反过来，焦环440内部有螺纹以与后端420的外螺纹配合。因此，焦环440适于与螺纹照相机镜头支架112的后端的径向向内指向壁(在图2中为250)接合。用户将焦环移动至沿后端420的轴向位置，当焦环的后侧与镜头支架112的径向向内壁250紧靠时，轴向位置在传感器提供期望的聚焦。安装环430的后端720(图7)和焦环440的前端730的每一个均限定相配合的截头圆锥表面，当这两个部件聚在一起时截头圆锥表面提供稳固、对齐的接合。因此，当安装环430旋入照相机支架112时，其充当锁。
为了将轮廓仪组件连接至照相机，用户将焦环440(或对焦环进行预放置)沿后端420置于在传感器上为成像场景提供最好聚焦的轴向位置。这会需要在显示器上观看合成的采集图像的同时，相对于场景将照相机固定并将镜头底座安装到照相机支架上。一旦焦环440被置于合适的轴向设置以便当其紧靠支架的径向向内壁250时获得合适的聚焦，则安装环430可完全固定在支架112内。以这种方式，安装环的外螺纹和照相机支架内螺纹之间的啮合使得焦环440靠压支架112。从而，该轴向压力使得组件120相对于不进行任何旋转或轴向移动的照相机主体保持牢固啮合。由于安装环430相对于后端420可自由旋转，因此当安装环430被旋转至完全紧固的位置时，可使组件臂140和激光组件150维持所期望的垂直向下延伸的位置。应注意，安装环430和焦环440可由任何合适的材料，包括不胀钢、合金钢、铝合金等制成。
为了确保轮廓仪组件120相对于照相机轴保持在预定的旋转定向(即，向下垂直定向)，后端420包括以不中断的方式切穿螺纹的槽650(图6)。参考图8，照相机的正面114包括与槽650的宽度非常相近的说明性导销810。在组装过程中，镜头底座130与照相机主体旋转对齐以便当后端420被轴向向后驱动入支架112时，销810进入槽。该导向装置确保在附件处理以及之后的过程中，照相机主体和轮廓仪组件之间的精确和可重复垂直关系得以保持。在可替代的实施例中，销可由另一个导向机构代替，比如支架上的与轮廓仪组件的镜头底座上的相应结构接合的外部导向结构。同样地，临时性导向机构，比如夹具可用于将轮廓仪组件连接至照相机。可替代地，可使用通常不需要夹具或永久性导向结构的传统测量技术将组件连接至照相机。
虽然激光组件150可就臂140的远端而言限定各种外部形态因素和安装布置，但是一种可能是安装布置包括一旦激光器被安置与杆安装孔552内便被紧固的定位螺丝550(以虚线示出)。在可替代实施例中可使用各种可替代的永久性或可拆卸的安装布置。在该实施例中，臂140说明性地限定了前后大约6毫米的厚度TB(图5)，以及左右大约20毫米的宽度WB。根据轮廓仪组件的总尺寸和臂140的总长，这些尺寸高度可变。
如图9简要所示，可用于较小焦距的轮廓仪组件的另一个实施例包括具有合适参数和较短杆930的角度更陡的镜头920。很明显，组件910具有与其它现有组件相同的后端940和安装环950以便其可很容易地连接至具有相符照相机支架的公共照相机单元。该可互换性提高了整个系统的多功能性。
在进一步的实施例中，安装环和/或焦环在组件的公共后端可互换以便组件可适合于各种不同的支架类型。例如，特定环可容纳F支架附件而无需改变镜头底座后端几何形状或螺纹。这种支架可包括F支架外螺纹和标准后端内螺纹。
参考图1，照相机处理器或外部处理器可具备轮廓仪组件的具体几何参数(例如，坐标轴的相对角度以及激光器和镜头之间的间隔)以及任何需要的校准数据以允许视觉系统更准确地执行指定的轮廓探测任务。该信息(描述为块180)可储存于照相机存储器或另一个存储地点。可手动地或以自动方式将其提供至视觉系统处理/处理器(例如，由生产商提供的具有轮廓仪组件的安装盘)。技术人员应理解，使用组件120进行的视觉处理可以是适合轮廓探测任务的传统和/或定制的。
现在应清楚的是根据此处的说明性实施例的激光轮廓探测组件提供用于在各种表面执行激光轮廓探测的有效、简单和精确的单元。该组件避免了很长的安装时间，并允许各种几何和校准数据被预定并提供至用户，无需试验和错误实验。该组件还可设置在根据例如所需精度、表面尺寸和焦距特别适合特定轮廓探测任务的各种可互换的型号中。
上述内容为本发明说明性实施例的详细说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改和增加。以上描述的各种实施方案的每一个的特性可视情况与描述的其它实施例的特性结合以在相关的新实施例中提供许多特性结合。此外，虽然上述内容描述了许多本发明的设备和方法的单独的实施例，但是此处所描述的仅是对本发明的原理的应用的说明。例如，可使用机械紧固技术硬钎焊或焊接将杆连接至镜头底座。此外，镜头可在镜头底座内移动以允许对焦距进行微调。此外，虽然未示出，但是安装环的边缘可包括有凸边或结构化的表面以改进用户在手动旋转过程中的抓握。可替代地，安装环可适合于由专门或传统工具来旋转。此外，例如在涉及视场的垂直范围有限的轮廓探测任务中，不需要定位镜头轴相对于照相机轴不平行(成锐角)的镜头。此外，杆可以是任何允许投影的激光轴与镜头轴隔开的任何结构。此外，轮廓仪组件可包括用于将对于组件很独特的几何参数和/或校准信息通过合适的有线或无线链路直接传输至照相机和/或视觉处理器的电子部件和合适的连接。此外，虽然说明性轮廓仪组件适于相对于照相机光轴以预定的旋转定向安装在照相机上，但是可清楚预期的是旋转定向可以是任意的和/或未知的。在这种示例中，可利用已知技术采用视觉系统软件或另一种机制将获得的图像旋转至合适的旋转定向。因此，本描述意在举例说明，而非限制本发明的范围。

Claims (21)

1.一种使用具有与照相机轴同轴的支架的视觉系统照相机对物体表面进行激光轮廓探测的组件，所述组件包括：
一镜头底座，所述镜头底座包括具有镜头光轴的镜头，所述镜头底座包括具有被构造和设置为可拆卸地将所述镜头底座固定至所述支架的后端；和
一杆，所述杆从所述镜头底座延伸至远端，以及
其中，所述远端被构造和设置为支撑激光器以便激光器的投影轴相对于所述镜头光轴沿预定方向被引导。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述镜头光轴被定向为与所述照相机轴成锐角。
3.根据权利要求2所述的组件，其中，所述后端包括滑动地安装在具有外螺纹的后端之上的安装环。
4.根据权利要求3所述的组件，其中，所述后端具有外螺纹且包括位于所述安装环后面的焦环，所述焦环螺纹啮合所述后端的外螺纹以允许所述焦环的轴向定位可变。
5.根据权利要求4所述的组件，其中，所述后端包括与照相机上相应的结构配合的导向结构以保持二者之间预定的旋转定向。
6.根据权利要求4所述的组件，其中，所述安装环的外螺纹限定传统的照相机架螺纹。
7.根据权利要求2所述的组件，其中，镜头底座和杆的每一个均包括由低热膨胀材料制成的单一结构。
8.根据权利要求2所述的组件，其中，所述镜头光轴与所述激光器的投影轴所成角度在15度和50度的范围之间。
9.根据权利要求2所述的组件，其中，所述照相机轴沿所述杆与所述激光器的投影轴相隔5至20厘米。
10.根据权利要求2所述的组件，其中，所述镜头底座被构造和设置为相对于所述照相机轴以预定的旋转定向安装。
11.根据权利要求10所述的组件，其中，所述后端具有外螺纹并包括位于安装环后面的焦环，所述焦环与所述后端的外螺纹螺纹啮合以允许其轴向位置可变，所述后端还包括与所述照相机上的相应结构配合的导向结构以保持二者之间预定的旋转定向。
12.根据权利要求2所述的组件，其中，所述激光器被构造和设置为投射发散的扇形光束，其包含在与由所述镜头光轴和所述投影轴限定的且还包含所述投影轴的平面垂直的平面内的线。
13.根据权利要求2所述的组件，其中，所述镜头包括大幅减弱接收的各波长光而非由所述激光器投射的某波长光的带通滤波器。
14.一种激光器轮廓探测视觉系统，包括：
视觉系统照相机，其具有与照相机轴同轴的支架和像平面与所述照相机轴垂直的传感器；
可拆卸地安装至所述支架的第一整体轮廓仪组件，包括：
一镜头底座，所述镜头底座包括具有镜头光轴的镜头，所述镜头底座包括具有被构造和设置为可拆卸地将所述镜头底座固定至所述支架的后端；和
一杆，所述杆从所述镜头底座延伸至远端，以及
其中，所述远端被构造和设置为支撑激光器以便激光器的投影轴相对于所述镜头光轴沿预定方向被引导。
15.根据权利要求14所述的系统，其还包括被构造和设置为在具有所述第一整体轮廓仪组件的照相机上互换的第二整体轮廓仪组件，包括：
一镜头底座，所述镜头底座包括具有镜头光轴的镜头，所述镜头底座包括具有被构造和设置为相对于所述照相机轴以预定的旋转定向可拆卸地将所述镜头底座固定至所述支架的后端；和
一杆，所述杆从所述镜头底座延伸至远端，以及
其中，所述远端被构造和设置为支撑激光器以便激光器的投影轴相对于所述镜头光轴沿预定方向被引导。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一整体轮廓仪组件限定第一几何形状，所述第二整体轮廓仪组件限定与所述第一几何形状不同的第二几何形状。
17.一种用于布置激光轮廓仪的方法，包括以下步骤：
提供具有与照相机轴同轴的支架的视觉系统照相机和像平面与所述照相机轴垂直的传感器；
可拆卸地安装具有镜头底座和激光器在远端的杆的第一整体轮廓仪组件，其中镜头光轴和所述激光器的投影轴沿所述杆隔开，所述可拆卸地安装步骤包括将所述第一整体轮廓仪组件的安装结构与所述支架螺纹啮合。
18.根据权利要求17所述的方法，其还包括从所述支架上将所述第一整体轮廓仪组件移走和把具有镜头底座和激光器在远端的杆的第二整体轮廓仪组件附加到所述支架上，其中镜头光轴和所述激光器的投影轴沿所述杆隔开，其中，所述第一整体轮廓仪组件限定第一几何形状，所述第二整体轮廓仪组件限定与所述第一几何形状不同的第二几何形状。
19.根据权利要求17所述的方法，其还包括将就所述第一整体激光轮廓仪组件而言的几何数据和校准参数传输至可操作地与所述视觉系统照相机连接的视觉系统处理器。
20.根据权利要求17所述的方法，其还包括利用所述激光器投射发散的扇形光束，其包含在与由所述镜头光轴和所述投影轴限定的且还包含所述投影轴的平面垂直的平面内的线。
21.根据权利要求17所述的方法，其还包括利用带通滤波器减弱由所述视觉系统照相机接收的各波长光而非由所述激光器投射的某波长光。
CN201310169757.9A 2012-05-10 2013-05-09 激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法 Active CN103389048B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/468,704 US8675208B2 (en) 2012-05-10 2012-05-10 Laser profiling attachment for a vision system camera
US13/468,704 2012-05-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103389048A CN103389048A (zh) 2013-11-13
CN103389048B true CN103389048B (zh) 2017-10-10

Family

ID=49475657

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310169757.9A Active CN103389048B (zh) 2012-05-10 2013-05-09 激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8675208B2 (zh)
JP (1) JP5851444B2 (zh)
CN (1) CN103389048B (zh)
DE (1) DE102013104733B4 (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11366284B2 (en) * 2011-11-22 2022-06-21 Cognex Corporation Vision system camera with mount for multiple lens types and lens module for the same
JP6128902B2 (ja) * 2013-03-08 2017-05-17 株式会社ミツトヨ 形状測定装置
JP6331488B2 (ja) * 2013-10-31 2018-05-30 セイコーエプソン株式会社 光射出装置および画像表示システム
USD727905S1 (en) * 2014-04-17 2015-04-28 Faro Technologies, Inc. Laser scanning device
CN104567679B (zh) * 2015-01-08 2017-11-24 华中科技大学 一种涡轮叶片视觉检测的系统
JP6919266B2 (ja) * 2017-03-28 2021-08-18 セイコーエプソン株式会社 光射出装置および画像表示システム
JP6972609B2 (ja) 2017-03-28 2021-11-24 セイコーエプソン株式会社 光射出装置および画像表示システム
CN107422335A (zh) * 2017-06-26 2017-12-01 苏州优函信息科技有限公司 线光源地形探测沙姆激光雷达
JP6907277B2 (ja) 2018-08-30 2021-07-21 コグネックス・コーポレイション 歪みが低減された物体の３次元再構成を生成するための方法及び装置
WO2021222470A1 (en) * 2020-04-28 2021-11-04 Libsch Xerxes Maximilian Computer vision and laser based system for machine alignment
KR102399417B1 (ko) * 2020-11-06 2022-06-15 (주)엠지솔루션스 신체 영상 분석 시스템의 카메라와 레이저 마운트 장치
CN113203569A (zh) * 2021-05-07 2021-08-03 广州丰桥智能装备有限公司 一种发动机自动化质检装置
CN113791086A (zh) * 2021-09-08 2021-12-14 天津大学 基于计算机视觉的扇形段叶片表面缺陷测量方法及装置
CN115690226B (zh) * 2022-10-27 2024-02-13 合肥中科君达视界技术股份有限公司 一种基于Scheimpflug定律的大视场3D轮廓测量仪标定方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101476881A (zh) * 2009-01-23 2009-07-08 清华大学 一字激光立旋式三维形貌测量装置及其方法
CN1795363B (zh) * 2003-03-25 2010-04-21 古特霍夫农舒特拉特沙特斯股份公司 无接触动态检测固体轮廓的方法
CN102221330A (zh) * 2011-04-02 2011-10-19 清华大学 间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及曲面形貌测量方法

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4591996A (en) 1981-05-18 1986-05-27 Vachon Reginald I Apparatus and method for determining stress and strain in pipes, pressure vessels, structural members and other deformable bodies
US5001324A (en) * 1989-09-14 1991-03-19 General Electric Company Precision joint tracking laser welding system
GB9420638D0 (en) * 1994-10-13 1994-11-30 Moore John H Three-dimensional digitiser
DE19721688B4 (de) * 1997-03-06 2012-12-27 Institut Straumann Ag Oberflächenerfassungseinrichtung und Verfahren zur Oberflächenerfassung
DE29913602U1 (de) * 1999-08-04 1999-11-25 Oculus Optikgeraete Gmbh Gerät zur Augenuntersuchung mit einer Scheimpflugkamera und einem Spaltprojektor zur Aufnahme von Schnittbildern eines Auges
US6104482A (en) * 1999-12-02 2000-08-15 Owens-Brockway Glass Container Inc. Container finish check detection
JP3587303B2 (ja) * 2001-06-26 2004-11-10 オムロン株式会社 光学式変位センサ
JP2003275887A (ja) * 2002-03-20 2003-09-30 Dainippon Screen Mfg Co Ltd ビームプロファイル測定方法及びレーザビーム加工装置
US7039220B2 (en) * 2002-08-14 2006-05-02 C-Scan, L.L.P. Methods and apparatus for the dimensional measurement of livestock using a single camera
US7286697B2 (en) 2002-10-18 2007-10-23 Applied Materials, Israel, Ltd. System for imaging an extended area
US20060017720A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-26 Li You F System and method for 3D measurement and surface reconstruction
US7253908B2 (en) 2004-07-22 2007-08-07 The Boeing Company Non-destructive inspection using laser profiling and associated method
US8082120B2 (en) 2005-03-11 2011-12-20 Creaform Inc. Hand-held self-referenced apparatus for three-dimensional scanning
TW200636546A (en) 2005-04-04 2006-10-16 Pixart Imaging Inc Optical directional apparatus having light-blocking device
WO2006120759A1 (ja) 2005-05-12 2006-11-16 Techno Dream 21 Co., Ltd. 3次元形状計測方法およびその装置
US7507940B2 (en) 2006-01-20 2009-03-24 Her Majesty The Queen As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Laser underwater camera image enhancer
EP2096403B1 (en) * 2006-04-27 2011-01-26 3D Scanners Ltd Optical scanning probe with a variable aperture at the light projector
JP2008119714A (ja) * 2006-11-10 2008-05-29 Marubun Corp レーザ加工装置
JP5072337B2 (ja) * 2006-12-07 2012-11-14 株式会社キーエンス 光学式変位センサ及びその調整方法
US8035823B2 (en) 2008-09-05 2011-10-11 3Dm Devices Inc. Hand-held surface profiler
JP2012519277A (ja) * 2009-02-27 2012-08-23 ボディー サーフェイス トランスレーションズ， インコーポレイテッド 三次元表示を使用する物理パラメータの推定
KR101264225B1 (ko) * 2011-08-22 2013-05-14 한국전기연구원 레이저 다이오드 광펌핑 모듈을 이용한 펨토초 레이저 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1795363B (zh) * 2003-03-25 2010-04-21 古特霍夫农舒特拉特沙特斯股份公司 无接触动态检测固体轮廓的方法
CN101476881A (zh) * 2009-01-23 2009-07-08 清华大学 一字激光立旋式三维形貌测量装置及其方法
CN102221330A (zh) * 2011-04-02 2011-10-19 清华大学 间隙磁吸式曲面形貌检测机器人及曲面形貌测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5851444B2 (ja) 2016-02-03
DE102013104733A1 (de) 2013-11-14
CN103389048A (zh) 2013-11-13
JP2013238593A (ja) 2013-11-28
US20130301058A1 (en) 2013-11-14
DE102013104733B4 (de) 2015-04-09
US8675208B2 (en) 2014-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103389048B (zh) 激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法
US10907955B2 (en) Three-dimensional imager
US10455216B2 (en) Three-dimensional imager
CN105829828B (zh) 测量激光束到工件中的透入深度的方法及激光加工设备
JP2779242B2 (ja) 光電子工学式角度測定システム
JP2008536146A (ja) ３次元座標測定デバイス
CN103439088A (zh) 用凸透镜产生平行光的方法与装置
US10207297B2 (en) Method and system for inspecting a manufactured part at an inspection station
CN102735191B (zh) 一种蜂窝陶瓷垂直度测定装置
KR20160003729A (ko) 표면 거칠기 측정 장치
US20140340691A1 (en) Enhancements to integrated optical assembly
US20070058175A1 (en) Method and apparatus for 3-dimensional measurement of the surface of an object
CN111141767A (zh) 测量用x射线ct装置和使用该装置的ct重建方法
CN108627141A (zh) 与成像系统一起使用的调制监控系统
CN114509005A (zh) 具有自动识别目标功能的坐标测量装置及其识别方法
JP2014238295A (ja) 回折環形成システム及びｘ線回折測定システム
CN109579778B (zh) 一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法
US6924897B2 (en) Point source module and methods of aligning and using the same
JP2983673B2 (ja) 曲率半径測定方法および装置
JP5358898B2 (ja) 光学面の形状測定方法および装置および記録媒体
US20230150081A1 (en) Device and method for measuring tools
JP6507067B2 (ja) 計測方法、計測装置及びこれを用いた製造方法
Abramovich et al. Camera-based 10KHz distance gage
JP2020052004A (ja) レンズ測定装置
Eckstein et al. Rotationally symmetric triangulation sensor with integrated object imaging using only one 2D detector

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant