CN105190232A

CN105190232A - 三维坐标扫描器和操作方法

Info

Publication number: CN105190232A
Application number: CN201480015935.5A
Authority: CN
Inventors: 贝恩德-迪特马尔·贝克; 罗伯特·E·布里奇斯
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-05
Publication date: 2015-12-23
Also published as: JP6355710B2; WO2014149702A1; DE112014001483T5; GB2527993A; GB2527993B; GB201518275D0; JP2016514271A

Abstract

一种非接触式光学三维测量装置包括：第一投影仪、第一摄像装置、第二投影仪和第二摄像装置；处理器，其电耦合至第一投影仪、第一摄像装置、第二投影仪和第二摄像装置；以及计算机可读介质，其在由处理器执行时使得在第一时间收集第一数字信号并在与第一时间不同的第二时间收集第二数字信号，并且至少部分地基于第一数字信号和第一距离来确定表面上的第一点的三维坐标并至少部分地基于第二数字信号和第二距离来确定表面上的第二点的三维坐标。

Description

三维坐标扫描器和操作方法

背景技术

本文中所公开的主题涉及三维坐标扫描器，尤其涉及具有数据获取的多个模态的三角测量型扫描器。

物体或环境的三维坐标的获取是已知的。例如，可以使用诸如飞行时间法或三角测量法的各种技术。诸如激光跟踪器、全站仪或飞行时间扫描器的飞行时间系统可以使诸如激光束的光束导向后向反射器目标或物体的表面上的斑点。使用绝对测距仪来基于光行进至目标或斑点并返回所需的时间长度来确定到目标或斑点的距离。通过使激光束或目标移动经过物体的表面，可以确定物体的坐标。飞行时间系统的优点在于具有相对高的精度，但在一些情况下，由于飞行时间系统通常必须单独测量表面上的每个点，因此飞行时间系统相比于一些其它系统可能较慢。

相比之下，使用三角测量法来测量三维坐标的扫描器将呈线状的光(例如，来自激光线探测器的激光线)的图案投射到表面上或者将覆盖区域的光(例如，结构光)的图案投射到表面上。例如通过将摄像装置和投影仪附接至共用框架，该摄像装置以固定关系耦接至投影仪。从投影仪发出的光被表面反射并且被摄像装置检测到。由于摄像装置和投影仪以固定关系布置，因此可以使用三角原理来确定到物体的距离。与使用触觉探测器(tactileprobe)的坐标测量装置相比，三角测量系统在大的区域内快速获取坐标数据方面提供了优点。如本文中所使用的，将由此得到的由三角测量系统提供的三维坐标值的集合称为点云数据或简称为点云。

当使用激光扫描器时，许多问题可能会干扰高精度点云数据的获取。这些问题例如包括但不限于：作为物体表面的反射率的变化或相对于投射光的表面的入射角度的变化的结果而在摄像装置图像平面内所接收到的光的水平的变化；诸如孔的边缘的边缘附近的低分辨率；以及多路径干扰。在一些情况下，操作员可能并没有察觉到问题或不能消除问题。在这些情况下，结果是点云数据缺失或出错。

因此，尽管现有的扫描器适合这些扫描器的预期目的，但特别是在提供可以适应于不期望条件并提供改进的数据点获取的扫描器方面，仍存在对于改进的需要。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种非接触式光学三维测量装置。该非接触式光学三维测量装置包括：组件，其包括投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置，其中，投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置相对于彼此固定，在投影仪与第一摄像装置之间存在第一距离以及在投影仪与第二摄像装置之间存在第二距离，该投影仪具有光源，该投影仪被配置为将具有多个空间变化图案中的任一个的第一光发射到物体的表面上，第一摄像装置具有第一透镜和第一光敏阵列，第一摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第一部分并且作为响应而产生第一数字信号，第一摄像装置具有第一视场，该第一视场为第一摄像装置的第一角度观看区域，第二摄像装置具有第二透镜和第二光敏阵列，第二摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第二部分并且作为响应而产生第二数字信号，第二摄像装置具有第二视场，该第二视场为第二摄像装置的第二角度观看区域，第二视场不同于第一视场；以及处理器，其电耦合至投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置；以及计算机可读介质，其在由处理器运行时使得在第一时间收集第一数字信号并且在与第一时间不同的第二时间收集第二数字信号，并且至少部分地基于第一数字信号和第一距离来确定该表面上的第一点的三维坐标并至少部分地基于第二数字信号和第二距离来确定该表面上的第二点的三维坐标。

根据本发明的一个方面，提供一种用于确定物体的表面上的三维坐标的方法。该方法包括：提供包括投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置的组件，其中，投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置相对于彼此固定，在投影仪与第一摄像装置之间存在第一距离以及在投影仪与第二摄像装置之间存在第二距离，该投影仪具有光源，该投影仪被配置为将具有多个空间变化图案中的任一个的第一光发射到该表面上，第一摄像装置具有第一透镜和第一光敏阵列，第一摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第一部分，第一摄像装置具有第一视场，该第一视场为第一摄像装置的第一角度观看区域，第二摄像装置具有第二透镜和第二光敏阵列，第二摄像装置被配置为接收从该表面反射的第一光的第二部分，第二摄像装置具有第二视场，该第二视场为第二摄像装置的第二角度观看区域，第二视场不同于第一视场；提供电耦合至投影仪、第一摄像装置和第二摄像装置的处理器；在第一实例中，将具有从所述多个空间变化图案当中选择的第一图案的第一光从投影仪发射到该表面上；在该第一实例中，利用第一摄像装置获取该表面的第一图像，并且作为响应而将第一数字信号发送至处理器；确定该表面上的第一点的三维坐标的第一集合，其中该第一集合至少部分地基于第一图案、第一数字信号和第一距离；执行评价第一集合的质量的诊断过程；在确定从多个空间变化图案当中选择的第一光的第二图案，该第二图案至少部分地基于诊断过程的结果；在第二实例中，将具有第二图案的第二光从投影仪发射到该表面上；在第二实例中，利用第二摄像装置获取该表面的第二图像，并且作为响应而将第二信号发送至处理器；以及确定该表面上的第二点的三维坐标的第二集合，其中该第二集合至少部分地基于第二图案、第二数字信号和第二距离。

根据以下结合附图所进行的描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。

附图说明

在本说明书的结尾，在权利要求书中特别指出并且明确要求保护被视为本发明的主题。根据以下结合附图所进行的详细描述，本发明的前述以及其它特征和优点显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的扫描器的示意顶视图；

图2是示出操作图1的扫描器的方法的流程图；

图3是根据本发明的另一实施例的扫描器的示意顶视图；

图4是示出操作图3的扫描器的方法的流程图；

图5A是根据实施例的激光扫描器内的元件的示意图；

图5B是示出根据实施例的操作扫描器的方法的流程图；

图6是根据本发明的另一实施例的扫描器的示意顶视图；

图7是示出根据实施例的操作扫描器的方法的流程图；

图8A和8B是根据本发明的实施例的与远程探测器装置结合使用的扫描器的立体图；

图9是示出操作图5的扫描器的方法的流程图；

图10是根据实施例的扫描器的示意顶视图；

图11是示出操作图10的扫描器的方法的流程图；以及

图12是示出根据实施例的诊断方法的流程图。

具体实施方式部分例如参照附图来说明本发明的实施例以及优点和特征。

具体实施方式

本发明的实施例提供了提高扫描器获取的数据点云的三维坐标的可靠性和精度的优点。本发明的实施例在所获取的数据中检测异常并且自动调整扫描器的操作以获取期望结果方面提供了优点。本发明的实施例在所获取的数据中检测异常并且向需要附加数据获取的区域的操作员提供指示方面提供了优点。本发明的更进一步实施例在所获取的数据中检测异常并且向可以利用远程探测器来获取附加数据获取的操作员提供指示方面提供了优点。

扫描器装置获取物体的三维坐标数据。在一个实施例中，图1所示的扫描器20具有包括第一摄像装置24、第二摄像装置26和投影仪28的壳体22。投影仪28将光30发射到物体34的表面32上。在示例性实施例中，投影仪28使用对图案发生器进行照明的可见光源。可见光源例如可以是激光器、超发光二极管、白炽灯、氙气灯、发光二极管(LED)或其它发光装置。在一个实施例中，图案发生器是其上蚀刻有结构光图案的玻璃上铬滑动件(chrome-on-glassslide)。该滑动件可以具有单一图案或者根据需要移入和移出适当位置的多个图案。可以手动或自动将滑动件安装在操作位置。在其它实施例中，源图案可以是被数字微镜装置(DMD)(诸如，TexasInstruments公司制造的数字光投影仪(DLP)、液晶装置(LCD)、硅上液晶(LCOS)装置或在透射模式而不是反射模式下使用的相似装置)反射或透射的光。投影仪28还可以包括改变出射光以覆盖期望区域的透镜系统36。

在本实施例中，投影仪28可配置为将结构光发出到区域37上。如本文中所使用的，术语“结构光”是指传送可用于确定物体上的点的坐标的信息的、投射到物体的区域上的光的二维图案。在一个实施例中，结构光图案将包含设置在该区域内的至少三个非共线图案元素。这三个非共线图案元素中的每一个均传送可用于确定点坐标的信息。在另一实施例中，设置可配置为投射区域图案和线图案这两者的投影仪。在一个实施例中，投影仪是被配置为在这两者之间来回切换的数字微镜装置(DMD)。在一个实施例中，DMD投影仪还可以以光栅图案扫过线或扫过点。

通常，存在编码光图案和非编码光图案这两种类型的结构光图案。如本文中所使用的，编码光图案是物体的被照射表面的三维坐标是通过获取单个图像来得到的图案。利用编码光图案，可以在投影装置相对于物体正移动的情况下获得并登记点云数据。一种类型的编码光图案包含排列成线的一组元素(例如，几何形状)，其中这些元素中的至少三个元素是非共线的。这样的图案元素由于它们的排列而是可识别的。

相比之下，如本文中使用的非编码结构光图案是不允许通过单一图案进行测量的图案。一系列非编码光图案可以顺序地被投射并成像。对于该情况，通常需要保持投影仪相对于物体固定。

应当理解，扫描器20可以使用编码的或非编码的结构光图案。结构光图案可以包括JasonGeng在ProceedingsofSPIE,Vol.7932中所发表的期刊文章“DLP-BasedStructuredLight3DImagingTechnologiesandApplications”中所公开的图案。另外，在本文中下述的一些实施例中，投影仪28发送成形为扫过的光线或扫过的光点的图案。扫过的光线和扫过的光点在光的区域上在识别诸如多路径干扰的一些类型的异常方面提供了优点。在扫描器保持静止的情况下自动扫过线在提供表面点的更均匀采样方面也具有优点。

第一摄像装置24包括光敏传感器44，该光敏传感器44生成该传感器的视场内的区域48的数字图像/表示。该传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第一摄像装置24例如还可以包括诸如但不限于透镜46和其它光学器件的其它部件。透镜46具有关联的第一焦距。传感器44和透镜46进行协作以定义第一视场“X”。在示例性实施例中，第一视场“X”是16度(针对每英寸为0.28英寸)。

同样，第二摄像装置26包括光敏传感器38，该光敏传感器38生成该传感器的视场内的区域40的数字图像/表示。该传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第二摄像装置26例如还可以包括诸如但不限于透镜46和其它光学器件的其它部件。透镜42具有关联的第二焦距，该第二焦距不同于第一焦距。传感器38和透镜42进行协作以定义第二视场“Y”。在本示例性实施例中，第二视场“Y”为50度(针对每英寸为0.85英寸)。第二视场Y大于第一视场X。同样，区域40大于区域48。应当理解，较大的视场使得能够较快地获取要测量的物体表面32的给定区域；然而，如果光敏阵列44和38具有相同的像素数量，则较小的视场将提供较高的分辨率。

在本示例性实施例中，投影仪28和第一摄像装置24以使得传感器44可以接收从物体34的表面反射的光的角度按固定关系布置。同样，投影仪28和第二摄像装置26以使得传感器38可以接收从物体34的表面32反射的光的角度按固定关系布置。由于投影仪28、第一摄像装置24和第二摄像装置26具有固定的几何关系，因此表面上的点的距离和坐标可以利用它们的三角关系来确定。尽管在图1中示出摄像装置24和26的视场(FOV)没有重叠，但FOV可以部分重叠或完全重叠。

投影仪28和摄像装置24、26电耦合至设置在壳体22内的控制器50。控制器50可以包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、存储器和信号调节电路。扫描器20还可以包括可以由操作员手动启动以发起扫描器20的操作和数据捕获的致动器(未示出)。在一个实施例中，控制器50执行用以确定表示物体34的表面32的点云的X、Y、Z坐标数据的图像处理。例如，可以将坐标数据本地存储在诸如易失性或非易失性存储器54中。存储器可以是可移除的，诸如闪速驱动器或存储卡。在其它实施例中，扫描器20具有允许扫描器20将坐标数据传输至远程处理系统56的通信电路52。扫描器20和远程处理系统56之间的通信介质58可以是有线的(例如，以太网)或无线的(例如，蓝牙、IEEE802.11)。在一个实施例中，远程处理系统56可以基于扫描器20经由通信介质58传输的所获取的图像来确定坐标数据。

如双向箭头47所示，在物体表面32与扫描器20之间可以进行相对运动。有几种可以提供这种相对运动的方式。在实施例中，扫描器是手持式扫描器并且物体34是固定的。通过使该扫描器相对于在物体表面移动来提供相对运动。在另一实施例中，扫描器附接至机器人末端执行器。随着机器人相对于物体表面移动，机器人提供相对运动。在另一实施例中，扫描器20或物体34附接至移动机械机构，例如竖架坐标测量机或关节臂CMM。随着移动机械机构相对于物体表面移动扫描器20，由移动机械机构提供相对运动。在一些实施例中，通过操作员的动作来提供运动，并且在其它实施例中，由处于计算机控制下的机构来提供运动。

现在参照图2，对扫描器20根据方法1260的操作进行描述。如块1262所示，投影仪28首先将结构光图案发射到物体34的表面32的区域37上。来自投影仪28的光30从表面32反射作为第二摄像装置26接收到的反射光62。表面32的三维轮廓影响第二摄像装置26内的光敏阵列38捕获的图案的图像。使用从一个或多个图案的一个或多个图像收集的信息，控制器50或远程处理系统56确定光敏阵列38的像素与投影仪28发出的光的图案之间的一一对应关系。使用该一一对应关系，使用三角测量原理来确定表面32上的点的三维坐标。在块1264中示出三维坐标数据(点云数据)的该获取。通过使扫描器20相对于表面32移动，可以创建整个物体34的点云。

在扫描处理期间，如块1266所示，控制器50或远程处理系统56可以检测点云数据的不期望状况或问题。以下针对图12来论述用于检测这种问题的方法。所检测到的问题例如可以是在特定区域中的点云数据中有无错误。数据中有无错误可能是由于从该区域反射的光过少或过多所引起的。过少或过多的反射光可能是由于物体表面上的反射率的差而产生的，例如作为光30在物体表面32上的入射角高或可变的结果或者作为低反射率(黑色或透明)材料或光亮表面的结果。物体上的特定点可以成角度以产生已知为闪烁的非常明亮的镜面反射率。

点云数据中有无错误的另一可能原因是在具有细微特征、锋利边缘或快速深度变化的区域中缺少分辨率。这种缺少分辨率例如可能是孔的结果。

点云数据中有无错误的另一可能原因是多路径干扰。通常，来自投影仪28的光射线照到表面32上的点并且散射在角度范围内。散射光由摄像装置26的透镜42成像到光敏阵列38上的小斑点上。同样，散射光可以由摄像装置24的透镜46成像到光敏阵列44上的小斑点上。当到达表面32上的点的光不是仅仅来自于来自投影仪28的光射线、而是另外来自于从表面32的另一部分反射的辅助光时，多路径干扰发生。这样的辅助光可以包括光敏阵列38、44接收到的光的图案，由此防止准确地确定点的三维坐标。在本申请中针对图12描述用于识别多路径干扰的存在的方法。

如果在块1266中控制器确定点云良好，则该过程结束。否则，在块1268中确定扫描器是在手动模式下使用还是在自动模式下使用。如果该模式为手动，则在块1270中引导操作员将扫描器移动至期望位置。

存在多种可以指示操作员所期望的移动的方式。在实施例中，扫描器本体上的指示灯指示移动的期望方向。在另一实施例中，将光投射到指示操作员要移动经过的方向的表面。另外，投射光的颜色可以指示扫描器相对于物体是过近还是过远。在另一实施例中，进行关于操作员要将光投射至的区域的显示的指示。这样的显示可以是点云数据的图形表示、CAD模型或这两者的组合。可以将该显示呈现在计算机监视器上或内置于扫描装置中的显示器上。

在这些实施例中的任意实施例中，期望确定扫描器的大致位置的方法。在一种情况下，可以将扫描器附接至关节臂CMM，该关节臂CMM在其接合点使用角度编码器以确定附接至其端部的扫描器的位置和定向。在另一情况下，扫描器包括位于装置内的惯性传感器。惯性传感器例如可以包括陀螺仪、加速度计和磁强计。确定传感器的大致位置的另一方法是照射位于物体上或周围的摄影测量点作为标记点。这样，扫描器中的宽FOV摄像装置可以确定扫描器相对于物体的大致位置。

在另一实施例中，计算机屏幕上的CAD模型表示期望附加测量的区域，并且操作员通过使物体上的特征与扫描器上的特征匹配来相应地移动扫描器。通过在进行扫描时更新屏幕上的CAD模型，可以向操作员给出是否测量了该零件的期望区域的快速反馈。

在操作员已将扫描器移动到适当位置之后，在块1272中利用小FOV摄像装置24来进行测量。通过在块1272中观看相对小的区域，提高了如此得到的三维坐标的分辨率并且提供了用以表征诸如孔和边缘的特征的更好能力。

由于窄FOV摄像装置相比于宽FOV摄像装置观看到相对较小的区域，因此投影仪28可以对相对较小的区域进行照明。由于在物体上存在相对较少的可以将光反射回至物体的照明点，因此这在消除多路径干扰方面存在优点。具有较小的照明区域还使得更容易控制曝光以针对被测试物体的给定反射率和入射角度获得最佳光量。在块1274中，如果收集到所有的点，则该过程在块1276结束；否则，该过程继续。

在来自块1268的模式为自动的实施例中，接着，在块1278中自动机构将扫描器移动到期望位置。在一些实施例中，自动机构将具有用以提供与扫描器和被测试物体的相对位置有关的信息的传感器。对于自动机构是机器人的实施例，机器人关节内的角度传感器提供与用于保持扫描器的机器人末端执行器的位置和定向有关的信息。对于另一类型的自动机构移动物体的实施例，线性编码器或各种其它传感器可以提供关于物体和扫描器的相对位置的信息。

在自动机构已将扫描器或物体移动到适当位置之后，在块1280中，利用小FOV摄像装置来进行三维测量。借助于块1282重复这些测量，直到所有测量均完成并且过程在块1284结束为止。

在一个实施例中，当扫描器从利用第二摄像装置26获取数据切换为第一摄像装置24时，投影仪28改变结构光图案。在另一实施例中，相同的结构光图案供摄像装置24、26这两者使用。在又一实施例中，当第一摄像装置24获取数据时，投影仪28发出由扫过的线或点形成的图案。在利用第一摄像装置24获取数据之后，处理使用第二摄像装置26继续扫描。该处理继续，直到操作员已扫描零件的期望区域为止。

应当理解，尽管将图2的处理示为线性或顺序处理，但在其它实施例中，可以并行执行所示步骤中的一个或多个。在图2所示的方法中，该方法涉及首先测量整个物体、然后根据所获取的点云数据的评估来执行更详细的测量。通过使用具有小FOV的摄像装置24测量详细或关键区域来开始使用摄像装置20的替选方案。

还应当理解，通常的做法是在现有的扫描系统中提供改变摄像装置透镜或投影仪透镜的方式作为改变扫描系统中的摄像装置或投影仪的FOV的方式。然而，这样的改变耗时，并且通常需要在摄像装置或投影仪的前方放置诸如点板(dotplate)的物件以确定摄像装置或投影仪系统的像差校正参数的附加补偿步骤。因而，提供具有不同FOV的两个摄像装置(诸如，图1的摄像装置24、26)的扫描系统在测量速度方面以及在以全自动模式启用扫描器方面提供了显著的优点。

在图3中示出了扫描器20的另一实施例，该扫描器20具有包括第一坐标获取系统76和第二坐标获取系统78的壳体22。第一坐标获取系统76包括第一投影仪80和第一摄像装置82。与图1的实施例类似，投影仪80将光84发射到物体34的表面32上。在本示例性实施例中，投影仪80使用对图案发生器进行照明的可见光源。可见光源可以是激光器、超发光二极管、白炽灯、发光二极管(LED)或其它发光装置。在一个实施例中，图案发生器是其上蚀刻有结构光图案的玻璃上铬滑动件。该滑动件可以具有单一图案或根据需要移入和移出适当位置的多个图案。滑动件可以手动或自动安装在操作位置。在其它实施例中，源图案可以是被数字微镜装置(DMD)(诸如TexasInstruments公司制造的数字光投影仪(DLP)、液晶装置(LCD)、硅上液晶(LCOS)装置或在透射模式而不是反射模式下使用的相似装置)所反射或透射的光。投影仪80还可以包括将出射光改变为具有期望焦点特性的透镜系统86。

第一摄像装置82包括光敏阵列传感器88，该光敏传感器88生成该传感器的视场内的区域90的数字图像/表示。该传感器可以是例如具有像素阵列的电荷耦合器件(CCD)型传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器。第一摄像装置82例如还可以包括诸如但不限于透镜92和其它光学器件的其它部件。第一投影仪80和第一摄像装置82以使得第一摄像装置82可以检测从物体34的表面32反射的来自第一投影仪80的光85的角度、按固定关系布置。应当理解，由于第一摄像装置92和第一投影仪80以固定关系布置，因此可以使用以上所述的三角原理来确定表面32上的点在区域90内的坐标。尽管为了清楚而将图3示为使第一摄像装置82在第一投影仪80附近，但应当理解，可以将摄像装置更靠近壳体22的另一侧放置。通过使第一摄像装置82和第一投影仪80间隔得较远，预期3D测量的精度提高。

第二坐标获取系统78包括第二投影仪94和第二摄像装置96。投影仪94具有光源，该光源可以包括激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管(SLED)、氙气灯或某些其它适当类型的光源。在实施例中，透镜98用于将从激光光源接收到的光聚焦成光线100并且可以包括一个或多个柱面透镜或各种其它形状的透镜。由于透镜可以包括一个或多个独立透镜或者透镜的集合，因此本文中还将该透镜称为“透镜系统”。该光线是大致笔直的，即，相对于线的最大偏差将小于其长度的约1％。实施例可以利用的一种类型的透镜是棒形透镜。棒形透镜通常为在圆周和两端的地面被抛光的由玻璃或塑料制成的全圆筒形状。这样的透镜将通过棒的直径的准直光转换成线。可以使用的另一类型的透镜是柱面透镜。柱面透镜是具有部分圆筒形的形状的透镜。例如，柱面透镜的一个表面可以是平面的，而相对面的形式为圆筒状。

在另一实施例中，投影仪94生成覆盖表面32的区域的光的二维图案。然后，将由此得到的坐标获取系统78称为结构光扫描器。

例如，第二摄像装置96包括诸如电荷耦合器件(CCD)型传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)型传感器的传感器102。第二摄像装置96还可以包括诸如但不限于透镜104和其它光学器件的其它部件。第二投影仪94和第二摄像装置96以使得第二摄像装置96可以检测从物体34反射的来自第二投影仪94的光106的角度布置。应当理解，由于第二投影仪94和第二摄像装置96以固定关系布置，因此可以使用以上所述的三角原理来确定表面32上的点在由光100形成的线上的坐标。还应当理解，摄像装置96和投影仪94可以位于壳体22的相对侧以提高3D测量精度。

在另一实施例中，第二坐标获取系统被配置为投射各种图案，这些图案不仅可以包括固定光线而且还可以包括扫过的光线、扫过的光点、编码光图案(覆盖区域)或顺序光图案(覆盖区域)。每种类型的投射图案具有诸如速度、精度和抗多路径干扰的不同优点。通过(基于收集的扫描数据、根据CAD模型或3D重建)针对每个特定测量来评价性能要求以及/或者通过检查返回数据或预期物体形状的特性，可以选择使性能最优化的投射图案的类型。

在另一实施例中，从第二坐标获取系统78到物体表面32的距离不同于从第一坐标获取系统76到物体表面32的距离。例如，摄像装置96可以位于比摄像装置88更靠近物体32的位置。这样，第二坐标获取系统78的分辨率和精度可以相对于第一坐标获取系统76的位置和精度有所改进。在许多情况下，利用较低分辨率系统76来快速扫描相对大且平滑的物体、然后利用较高分辨率系统78来扫描包括边缘和孔的详情，这是有帮助的。

扫描器20可以以手动模式或自动模式使用。在手动模式下，提示操作员根据使用中的获取系统来移动扫描器更靠近或更远离物体表面。此外，扫描器20可以投射向操作员指示扫描器要移动的方向的光束或光图案。替选地，装置上的指示灯可以指示扫描器应移动的方向。在自动模式下，可以根据测量要求来使扫描器20或物体34相对于彼此自动移动。

与图1的实施例类似，第一坐标获取系统76和第二坐标获取系统78电耦合至设置在壳体22内的控制器50。控制器50可以包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、存储器和信号调节电路。扫描器20还可以包括可以由操作员手动启动以发起扫描器20的操作和数据捕获的致动器(未示出)。在一个实施例中，控制器50执行用以确定表现物体34的表面32的点云的X、Y、Z坐标数据的图像处理。例如，可以将坐标数据本地存储在诸如易失性或非易失性存储器54中。例如，存储器可以是可移除的，诸如闪速驱动器或存储卡。在其它实施例中，扫描器20具有允许扫描器20将坐标数据传输至远程处理系统56的通信电路52。扫描器20与远程处理系统56之间的通信介质58可以是有线的(例如，以太网)或无线的(例如，蓝牙、IEEE802.11)。在一个实施例中，坐标数据由远程处理系统56来确定并且扫描器20将所获取的图像传输到通信介质58上。

现在参照图4，将描述操作图3的扫描器20的方法1400。在块1402中，扫描器20的第一坐标获取系统76的第一投影仪80将结构光图案发射到物体34的表面32的区域90上。来自投影仪80的光84从表面32反射并且反射光85被第一摄像装置82接收。如上所述，表面32的表面轮廓的变化在第一光敏阵列88接收到的光的成像图案中产生失真。由于图案是利用结构光、光线或光点形成的，因此在一些实例中控制器50或远程处理系统56可以确定表面32上的点与光敏阵列88中的像素之间的一一对应关系。这样使得能够在块1404中使用上述的三角原理来获得点云数据，即确定表面32上的点的X、Y、Z坐标。通过将扫描器20相对于表面32移动，可以创建整个物体34的点云。

在块1406中，控制器50或远程处理系统56确定点云数据是具有期望数据质量属性还是具有潜在问题。以上参照图2论述了可能发生的问题的类型并且这里不重复该论述。如果在块1406中控制器确定点云具有期望数据质量属性，则该过程结束。否则，在块1408中确定扫描器是以手动模式使用还是以自动模式使用。如果该模式是手动的，则在块1410中引导操作员将扫描器移动至期望位置。

存在几种如以上参照图2所述的由操作员指示期望移动的方式。这里不重复该论述。

为了引导操作员获得期望移动，需要确定扫描器的大致位置的方法。如参照图2所说明的那样，方法可以包括：将扫描器20附接至关节臂CMM，使用扫描器20内的惯性传感器，对摄影测量点进行照明或者使特征与显示的图像相匹配。

在操作员已将扫描器移动到适当位置之后，在块1412中利用第二坐标获取系统78进行测量。通过使用第二坐标获取系统，可以提高分辨率和精度或者可以消除问题。在块1414中，如果已收集所有点，则该过程在块1416结束；否则，该过程继续。

如果来自块1408的操作模式是自动的，则在块1418中，自动机构将扫描器移动到期望位置。在多数情况下，自动机构将具有用以提供与扫描器和被测试物体的相对位置有关的信息的传感器。对于自动机构是机器人的情况，在机器人关节内的角度传感器提供与用于保持扫描器的机器人末端执行器的位置和定向有关的信息。对于其它类型的自动机构，线性编码器或各种其它传感器可以提供关于物体和扫描器的相对位置的信息。

在自动机构已将扫描器或物体移动到适当位置之后，在块1420中，利用第二坐标获取系统78来进行三维测量。借助于块1422重复这些测量，直到所有测量都完成为止。该过程在块1424结束。

应当理解，尽管图4的处理被示为线性或顺序处理，但在其它实施例中，可以并行执行所示的这些步骤中的一个或多个步骤。在图4所示的方法中，该方法涉及首先测量整个物体、然后根据所获取的点云数据的评估来执行更详细的测量。通过使用第二坐标获取系统78测量详细或关键区域来开始使用扫描器20的替选方案。

还应当理解，常见做法是在现有扫描系统中提供改变摄像装置透镜或投影仪透镜的方法作为改变扫描系统中的摄像装置或投影仪的FOV的方式。然而，这样的变化耗时并且通常需要将诸如点板的物件放置在摄像装置或投影仪的前方以确定摄像装置或投影仪系统的像差校正参数的附加补偿步骤。因而，诸如图3的扫描系统20的提供两个不同的坐标获取系统的系统在测量速度方面以及在以全自动模式启用扫描器方面提供了显著的优点。

作为多路径干涉的结果而在进行扫描器测量时可能发生错误。现在论述多路径干扰的起源，并且描述用于消除或减少多路径干扰的第一方法。

当照到物体表面的光中的部分在返回至摄像装置之前首先从物体的另一表面散射时，发生多路径干扰的情况。对于接收该散射光的表面上的点，发送至光敏阵列的光于是不仅对应于从投影仪直接投射的光而且还对应于发送至投影仪上的不同点并且从物体散射的光。特别是针对投射二维(结构)光的扫描器的情况，多路径干扰的结果可能会使所计算出的从投影仪到该点处的物体表面的距离不精确。

参照图5A示出多路径干扰的实例，在本实施例中，扫描器4570将光线4525投射到物体的表面451OA上。光线4525垂直于纸面。在实施例中，光敏阵列的行平行于纸面并且列垂直于纸面。每行表示投射线4525在与纸面垂直的方向上的一个点。通过首先针对每行计算重心来求出针对线上的点的从投影仪到物体的距离。对于表面点4526，光敏阵列4541上的重心由该点4526来表示。可以使用光敏阵列上的重心的位置4546来计算从摄像装置透视中心4544到物体点4526的距离。该计算基于根据三角测量原理的三角关系。为了进行这些计算，需要从摄像装置透视中心4544到投影仪透视中心4523的基线距离D。另外，需要知道投影仪系统4520到摄像装置系统4540的相对定向。

为了理解由多路径干扰引起的错误，考虑点4527。从该点反射或散射的光通过透镜4542成像到光敏阵列4541上的点4548上。然而，除了从投影仪直接接收并且从点4527散射的光外，附加光在成像到光敏阵列上之前从点4526反射到到点4527上。该光将最有可能散射至不期望位置并使两个重心形成在给定行。结果，给定行上的两个重心的观察结果是存在多路径干扰的良好指示。

对于投射到物体表面的区域上的结构光的情况，来自诸如4527的点的二次反射通常不如针对投射到线上的光那样明显，并因此更有可能引起所测量的3D表面坐标的误差。

通过使用具有显示元件4521上的可调整照明图案的投影仪，可以改变照明图案。显示元件4521可以是诸如数字光投影仪(DLP)的数字微机械镜(DMM)。这样的装置包含借助于电信号可快速调整以快速调整照明图案的多个小镜。可以产生可电调节的显示图案的其它装置包括LCD(液晶显示器)和LCOS(硅上液晶)显示器。

用于在将结构光投射到区域上的系统中检查多路径干扰的方式是改变显示以投射光线。在一行存在多个重心将表示存在多路径干扰。通过扫过光线，可以在无需操作员移动探测器的情况下覆盖区域。

可以通过可电调节显示器将光线设置成任何期望角度。通过改变所投射的光线的方向，在许多情况下可以消除多路径干扰。

对于具有许多折角和陡峭角度以使得难以避免反射的表面，可以使用可电调节显示来扫过光点。在一些情况下，可以根据单个光点产生二次反射，但通常确定哪个反射光斑点有效是相对容易的。

还可以使用可电调节显示器来在编码图案与未编码图案之间进行快速切换。在许多情况下，使用编码图案来基于摄像装置信息的单个帧进行3D测量。另一方面，可以使用多个图案(顺序或未编码图案)来获得所测量的3D坐标值的更大精度。

过去，已使用可电调节显示器来投射顺序图案内的一系列图案中的每一个—例如，在每一个均具有不同相位的正弦图案序列之后的一系列灰度线图案。

本发明的方法相对于早期方法在以下方面提供了优点：选择识别或消除诸如多路径干扰的问题并且指示是优选单拍图案(例如，编码图案)还是多拍图案(multiple-shotpattern)以尽快获得所需精度的方法。

对于线扫描器的情况，经常存在用以确定多路径干扰的存在的方式。当不存在多路径干扰时，被物体表面上的点所反射的光以单行成像到连续像素的区域上。如果存在接收大量光的行的两个或多个区域，则指示多路径干扰。图5A中示出了这种多路径干扰条件和由此产生的光敏阵列上的额外照明区域的示例。表面4510A现在在交叉点4526附近具有更大曲率。在交叉点处正交的表面是线4528，并且入射角是4531。根据等于该入射角的反射角4523来求出反射光线4529的方向。如以上所述，光线4529实际上表示在角度范围内散射的光的整体方向。散射光的中心在由透镜4544在光敏阵列的点4548上成像的点4527处照到表面4510A。在点4548附近所接收到的不可期望的高光量表示可能存在多路径干扰。对于线扫描器，多路径干扰的主要关注不是针对图5A所示的、两个斑点4546和4527间隔相当大的距离并且可以单独进行分析的情况，而是针对两个斑点彼此重叠或涂抹(smear)在一起的情况。在这种情况下，可能无法确定与在图15E中对应于点4546的期望点相对应的重心。该问题对于如通过再次参照图5A可以理解的将光投射到二维区域上的扫描器的情况变差。如果需要成像在光敏阵列4541上的所有光来确定二维坐标，则显然，点4527处的光将对应于从投影仪直接投射的光的期望图案以及从物体表面反射至点4527的不想要的光。结果，在这种情况下，将有可能针对投射到区域上的光、针对点4527计算出错误的三维坐标。

对于投射的光线，在许多情况下，可以通过改变线的方向来消除多路径干扰。一个可能性是使用具有固有的二维能力的投影仪来做出线扫描器，由此使得能够扫过线或使该线自动转动至不同方向。如以上所述，这种投影仪的示例是利用数字微镜(DMD)的投影仪。例如，如果在利用结构光所获得的特定扫描中怀疑有多路径干扰，则测量系统可以自动被配置为切换为使用扫过的光线的测量方法。

用以减少、最小化或消除多路径干扰的另一方法是在指示了多路径干扰的那些区域内扫过光点、而不是光线或光区域。通过照明单个光点，通常可以容易地识别从二次反射散射的任何光。

如以下针对图12所述，对由可电调节显示器投射的期望图案的确定受益于诊断分析。

除了在诊断并校正多路径干扰方面的用途外，改变投射光的图案还在最小时间量内获得所需精度和分辨率方面提供了优点。在实施例中，首先通过在单拍(singleshot)内将编码光图案投射到物体上来进行测量。使用所收集的数据、以及为了确定一些区域是否具有需要更详细分析的孔、边缘或特征而分析的结果来确定表面的三维坐标。例如可以通过使用图1中的窄FOV摄像装置24或图3中的高分辨率扫描器系统78来进行这样的详细分析。

如上所述，还分析这些坐标以确定到目标的大致距离，由此针对诸如将正弦相移光图案顺序地投射到表面上的方法的更精确的测量方法来提供起始距离。使用编码光图案来针对表面上的每个点获得起始距离消除了通过改变多次正弦相移扫描中的间距来获得该信息的需要，由此节省大量时间。

现在参照图5B，示出了用于克服扫描器20所获取的坐标数据的异常并提高精度的实施例。处理211通过利用扫描器20扫描诸如物体34的物体来以块212开始。扫描器20可以是例如具有至少一个投影仪和摄像装置的扫描器，诸如图1、图3、图5和图7的实施例中所描述的扫描器。在本实施例中，在块212中，扫描器20将第一光图案投射到物体上。在一个实施例中，该第一光图案是编码结构光图案。处理211在块214中获取并确定三维坐标数据。在询问块216中分析坐标数据以确定是否存在任何异常，诸如上述的多路径干扰、元件周围的低分辨率或者由于表面角度或表面反射率变化而不存在数据。当检测到异常的时，处理211进入块218，在块218中，将投影仪所发出的光图案改变为第二光图案。在实施例中，第二光图案是扫过的光线。

在投射第二光图案之后，处理211进入块220，在该块220中，针对检测到异常的区域获取并确定三维坐标数据。处理211循环回至询问块216，在该块216中，确定是否解决了异常。如果询问块216仍检测到异常或者缺乏精度或分辨率，则处理循环回至块218并且切换至第三光图案。在实施例中，第三光图案是顺序正弦相移图案。在另一实施例中，第三光图案是扫过的光点。该迭代过程继续，直到解决了异常为止。一旦确定了来自异常的区域的坐标数据，则处理211进入块222，在该块222中，将发出的图案切换回至第一结构光图案并且继续扫描处理。处理211继续，直到操作员扫描了物体的期望区域为止。在使用图11的方法所获得的扫描信息不令人满意的情况下，可以利用如本文中所述的利用触觉探测器进行测量的问题。

现在参照图6，示出安装至可动设备120的扫描器20的另一实施例。扫描器20具有至少一个投影仪122和至少一个摄像装置124，这两者以固定的几何关系布置，以使得可以使用三角原理来确定表面32上的点的三维坐标。扫描器20可以是与例如参照图1或图3所述的扫描器相同的扫描器。在一个实施例中，扫描器与具有触觉探测器的图10的扫描器相同。然而，在图6的实施例中所使用的扫描器可以是诸如结构光或线扫描器的任意扫描器，例如，2006年1月18日提交的题为“PortableCoordinateMeasurementMachinewithIntegratedLineLaserScanner”的共同拥有的美国专利7,246,030中所公开的扫描器。在另一实施例中，在图6的实施例中所使用的扫描器是将光投射到物体上的区域上的结构光扫描器。

在本示例性实施例中，可移动设备120是借助于枢转接头(pivotandswiveljoint)130所连接的臂段126、128来提供自动移动以使得臂段126、128能够移动的机器人设备，这样使扫描器20从第一位置移动至第二位置(如图6的虚线所示)。可移动设备120例如可以包括诸如电动机(未示出)的致动器，这些致动器耦合至臂段126、128以将臂段126、128从第一位置移动至第二位置。应当理解，具有关节臂的可移动设备120出于示例性目的，并且要求保护的本发明不应限于此。在其它实施例中，扫描器20可以例如安装至经由铁轨、车轮、轨道、带或线缆或者上述的组合使扫描器20移动的可移动设备。在其它实施例中，机器人具有不同数量的臂段。

在一个实施例中，可移动设备是关节臂坐标测量机(AACMM)，诸如2010年1月20日提交的共同拥有的美国专利申请第13/491,176号中所述的关节臂坐标测量机(AACMM)。在本实施例中，扫描器20从第一位置向第二位置的移动可以涉及操作员手动移动臂段126、128。

对于具有自动设备的实施例，可移动设备120还包括被配置为给致动器通电以移动臂段126、128的控制器132。在一个实施例中，控制器132与控制器134进行通信。如以下将更详细地论述，该配置使得控制器132能够响应于所获取的数据的异常来移动扫描器20。应当理解，控制器132、134可以并入单个处理单元中或者功能可以分布在几个处理单元之中。

通过参照图12执行分析，可以定位并定向扫描器20以获得期望的测量结果。在一些实施例中，测量中的特征可以受益于扫描器的期望方向。例如，通过使扫描器摄像装置124定向成大致垂直于孔，可以改进孔的直径的测量。在其它实施例中，可以定位扫描器以降低或最小化多路径干扰的可能性。这样的分析可以基于可用作诊断过程的一部分的CAD模型、或者可以基于在设备120对扫描器20进行二次移动之前由扫描器在初始位置所收集的数据。

现在参照图7，将描述扫描器20和可移动设备120的操作。该处理通过在第一位置利用扫描器20扫描物体34来以块136开始。在块138中，扫描器20针对物体34的表面32上的点获取并确定坐标数据。应当理解，可移动设备可以移动扫描器20以获取关于期望区域中的表面点的数据。在询问块140中，确定点142的坐标数据是否存在例如诸如多路径干扰的异常、或者是否需要改变用以获得提高的分辨率或测量精度的方向。应当理解，图6的点142可以表示单个点、点线或表面32上的区域。如果检测到异常或需要提高精度，则处理继续至块144，在该块144中，可移动设备120移动扫描器20的位置，诸如从第一位置到第二位置，并且在块146中重新扫描关注区域以获取三维坐标数据。处理循环回至询问块140，在该询问块140中确定坐标数据是否仍存在异常、或者是否期望提高测量精度。如果是这些情况，则再次移动扫描器20，并且处理继续，直到测量结果实现期望水平为止。一旦获得坐标数据，处理从询问块140进入块148，在该块148中，扫描处理继续，直到扫描了期望区域为止。

在扫描器20包括触觉探测器(图10)的实施例中，扫描器从第一位置向第二位置的移动可被配置为利用触觉探测器接触关注区域。由于可以根据臂段126、128的位置和定向来确定扫描器的位置并因而确定触觉探测器的位置，因此可以确定表面32上的点的三维坐标。

在一些实施例中，图8A、图8B的扫描器20所获得的测量结果可能被多路径干扰破坏。在其它情况下，测量结果可能无法提供期望分辨率或精度以适当地测量表面32的一些特性，特别是边缘、孔或复杂特征。在这些情况下，期望使操作员使用远程探测器152来查询表面32上的点或区域。在图8A、图8B所示的一个实施例中，扫描器20包括投影仪156以及摄像装置154、155，摄像装置154、155相对于投影仪156以使得投影仪156发出的光从表面32反射并且被摄像装置154、155中的一个或这两者接收到的角度布置。投影仪156以及摄像装置154、155以固定几何关系布置，使得可以使用三角原理来确定表面32上的点的三维坐标。

在一个实施例中，如图8A所示，投影仪156被配置为将可见光157发射到物体34的表面32上的关注区域159上。可以使用照明区域159在摄像装置154、155中的一个或这两者上的图像来确认所照明的关注区域159的三维坐标。

扫描器20被配置为与远程探测器152协作，使得操作员可以使探测器尖端166在所照明的关注区域159处与物体表面132相接触。在实施例中，远程探测器152包括至少三个非准直光点168。光点168可以是例如发光二极管(LED)产生的光斑点或者由来自投影仪156或图8B未示出的另一光源的红外或可见光源照射的反射光点。可以将这种情况下的红外或可见光源附接至扫描器20或者可以放置在扫描器20的外部。通过利用扫描器确定光斑点168的三维坐标并且通过使用关于探测器152的几何形状的信息，可以确定探测器尖端166的位置，由此使得能够确定物体表面32的坐标。以该方式使用的触觉探测器从多路径干扰中消除了潜在问题，并且还使得能够对孔、边缘和详细特征进行相对精确的测量。在实施例中，探测器166是可以通过按下探测器上的致动器按钮(未示出)来启动的触觉探测器，或者探测器166可以是通过与表面32相接触所启动的触摸触发探测器。响应于致动器按钮或触摸触发器探测器所产生的信号，通信电路(未示出)将信号传输至扫描器20。在实施例中，用可以包括线或曲线的光的几何图案来替换光斑点168。

现在参照图9，示出了用于使用图8A、图8B的静止扫描器20与远程探测器152来获取物体34的表面32上的点的坐标数据的处理。该处理通过扫描物体34的表面32来以块170开始。在块172中，该处理获取并确定表面32的三维坐标数据。然后，该处理在询问块174中确定区域159的坐标数据是否存在异常、或者区域159的精度或分辨率是否存在问题。异常可以是例如由于多路径干扰而丢弃的无效数据。例如，异常还可以是由于表面反射率或者在诸如开口或孔的特征周围缺少分辨率而产生的缺失数据。参照图12给出与用于检测(识别)多路径干扰的诊断过程有关的详情以及相关问题。

一旦识别出区域159，扫描器20在块176中向操作员指示可以经由远程探测器152获取区域159的坐标数据。该区域159可以是通过发出可见光157以对区域159进行照明来指示的。在一个实施例中，由投影仪156发出光157。可以改变光157的颜色以向操作员通知异常或问题的类型。例如，在发生多路径干扰的情况下，可以使光157呈红色，而可以使低分辨率呈绿色。可以在具有物体的图形表示(例如，CAD模型)的显示器上进一步指示该区域。

然后，处理进入块178，以在传感器166接触表面32时获取远程探测器152的图像。可以是例如LED或反射目标的光点168被摄像装置154、155之一接收到。使用数学家众所周知的最佳拟合技术，扫描器20在块180中确定探测器中心的三维坐标，在块180中根据探测器中心的三维坐标来确定物体表面32的三维坐标。一旦获取检测到异常的区域159中的点，处理可以进行至在块182中继续物体34的扫描，直到扫描了期望区域为止。

现在参照图10，示出操作员在操作期间可以手持的扫描器20的另一实施例。在本实施例中，壳体22可以包括使得操作员能够在操作期间持握扫描器20的手柄186。壳体22包括投影仪188和摄像装置190，这两者相对于彼此以使得投影仪所发出的光192从表面32反射并被摄像装置190接收到的角度布置。图10的扫描器20以与图1和图3的实施例大致相同的方式进行工作，并且使用三角原理来获取表面32上的点的三维坐标数据。

扫描器20还包括一体式探测器构件184。该探测器构件184在一端包括传感器194。例如，传感器194是可以对操作员按下致动器按钮(未示出)作出响应的触觉探测器，或者传感器194可以是对与表面32的接触作为响应的触摸触发探测器。如以下将更详细地论述的，探测器构件184使得操作员能够通过使传感器194接触表面32来获取表面32上的点的坐标。

投影仪188、摄像装置190和传感器194的致动器电路电耦合至设置在壳体22内的控制器50。控制器50可以包括一个或多个微处理器、数字信号处理器、存储器和信号调节电路。扫描器20还可以例如包括操作员可以手动启动以发起扫描器20的操作和数据捕获的诸如在手柄186上的致动器(未示出)。在一个实施例中，控制器50执行用以确定表示物体34的表面32的点云的X、Y、Z坐标数据的图像处理。例如，可以将坐标数据本地存储在诸如易失性或非易失性存储器54中。例如，存储器可以是可移除的，诸如闪速存储器或存储卡。在其它实施例中，扫描器20具有使得扫描器20能够将坐标数据传输至远程处理系统56的通信电路52。扫描器20与远程处理系统56之间的通信介质58可以是有线的(例如，以太网)或无线的(例如，蓝牙、IEEE802.11)。在一个实施例中，坐标数据由远程处理系统56来确定并且扫描器20将所获取的图像传输到通信介质58上。

现在参照图11，将描述图10的扫描器20的操作。该处理通过操作员通过手动移动扫描器20来扫描物体34的表面32来以块196开始。在块198中确定并获取三维坐标。在询问块200中，确定坐标数据中是否存在异常或者是否需要提高精度。如上所述，针对诸如多路径干扰、表面反射率变化或特征的低分辨率的多个原因而可能发生异常。如果存在异常，则处理进入块202，在该块202中，向操作员指示区域204。可以通过利用投影仪188将可见光192投射到表面32上来指示区域204。在一个实施例中，使光192着色以向操作员通知所检测到的异常的类型。

然后，在块206中，操作员继续将扫描器从第一位置移动至(由虚线所示的)第二位置。在第二位置，传感器194接触表面32。可以使用众所周知的最佳拟合方法、基于摄像装置190获取的图像来确定处于第二位置的扫描器20的位置和定向(六自由度)。由于与扫描器20的机械结构有关地、传感器194的尺寸和布置是已知的，因此在块208中可以确定区域204中的点的三维坐标数据。然后，处理进入块210，在该块210中，物体的扫描继续。扫描处理继续，直到扫描了期望区域为止。

可以使用一般方法来不仅评价多路径干扰而且通常还评价包括材料类型的分辨率和效果、表面质量以及几何形状的质量。还参照图12，在实施例中，可以在计算机控制下自动执行方法4600。步骤4602确定关于被测试物体的三维坐标的信息是否可用。第一种类型的三维信息是CAD数据。CAD数据通常表示被测试物体的标称尺寸。第二种类型的三维信息是测量出的三维数据—例如，先前利用扫描器或其它装置测量出的数据。在一些情况下，步骤4602可以包括将坐标测量装置(例如，激光跟踪器或六DOF扫描器配件)的参考系与物体的参考系对准的另一步骤。在实施例中，这通过利用激光追踪器测量物体的表面上的至少三个点来进行。

如果针对步骤4602中提出的问题的回答为三维信息可用，则在步骤4604中，使用计算机或处理器来计算物体测量对多路径干扰的敏感度。在实施例中，这通过投射扫描器投影仪所发出的每条光射线并且计算针对每种情况的角度或反射率来进行。计算机或软件识别对作为多路径干扰的结果的误差敏感的物体表面的每个区域。步骤4604还可以针对6-DOF探测器相对于被测试物体的各个位置执行对多路径误差的敏感度的分析。在一些情况下，如上所述，可以通过选择6-DOF探测器相对于被测试物体的适当位置和定向来避免或最小化多路径干扰。如果针对步骤4602中提出的问题的回答为三维信息不可用，则步骤4606使用任何期望或优选的测量方法来测量物体表面的三维坐标。在计算多路径干扰之后，可以执行步骤4608以评价预期扫描质量的其它方面。一个这样的质量因素是扫描的分辨率对于被测试物体的特征而言是否足够。例如，如果装置的分辨率为3mm、并且存在期望有效扫描数据的亚毫米特征，则应注意物体的这些问题区域以稍后进行修正操作。另一部分与分辨率有关的质量因素是测量物体的边缘和孔的边缘的能力。知道扫描器性能将使得能够确定扫描器分辨率对于给定边缘而言是否足够好。另一质量因素是预期从给定特征返回的光量。在可以预期例如从小孔内部或从掠射角向扫描器返回任何光的情况下，该光量少。此外，可以从特定种类和颜色的材料预期少量光。特定类型的材料针对来自扫描器的光可以具有大的穿透深度，并且在这种情况下，无法预期良好的测量结果。在一些情况下，自动程序可以向用户询问补充信息。例如，如果计算机程序正基于CAD数据执行步骤4604和4608，则可能无法知晓使用中的材料的类型或被测试物体的表面特性。在这些情况下，步骤4608可以包括获得被测试物体的材料特性的又一步骤。

在步骤4604和4608的分析之后，步骤4610判定是否应执行进一步的诊断过程。可能的诊断过程的第一示例是以优选角度投射条纹以注意是否观察到多路径干扰的步骤4612。以上参照图5论述了针对投射线条纹的多路径干扰的一般指示。诊断步骤的另一示例是步骤4614，该步骤4614将沿极线方向对齐的一组线投射到光的源图案、例如图1中的来自投影仪36的光30的源图案上。对于使光的源图案中的光线对齐至极线的情况，于是，这些线将如直线一样出现在光敏阵列上的图像平面中。在2012年4月11日提交的共同拥有的美国专利申请第13/443,946号中更详细地论述了极线的使用。如果光敏阵列上的这些图案不是直线、或者如果这些线变模糊或含噪声，则有可能作为多路径干扰的结果而指示问题。

步骤4616基于所进行的分析和诊断过程来选择优选动作的组合。如果测量速度特别重要，则可以优选使用编码光的2D(结构)图案来进行测量的步骤4618。如果较大的精度更加重要，则可以优选步骤4620，该步骤4620使用利用顺序图案(例如，相位和间距变化的正弦图案序列)的、编码光的2D(结构)图案来进行测量。如果选择方法4618或4620，则可以期望还选择步骤4628，该步骤4628重新定位扫描器、换句话说，调整扫描器相对于使通过步骤4604的分析所提供的多路径干扰和镜面反射(闪烁)最小化的这一位置的位置和定向。可以通过利用来自扫描器投影仪的光对问题区域进行照明或者通过将这样的区域显示在监视器显示器上来向用户提供这样的指示。替选地，计算机或处理器可以自动选择测量过程中的接下来的步骤。如果优选的扫描器位置无法消除多路径干扰和闪烁，则可利用几个选项。在一些情况下，可以通过重新定位扫描器并且组合有效的测量结果来重复测量。在其它情况下，可以向该过程添加可选测量步骤或者代替使用结构光而执行可选测量步骤。如前所述，扫描光条纹的步骤4622提供了在具有来自多路径干扰的问题的机会减少的情况下获得关于区域的信息的方便方式。在关注区域上扫过小光斑点的步骤4624进一步减少了来自多路径干扰的问题的机会。利用触觉探测器来测量物体表面的区域的步骤消除了多路径干扰的可能性。触觉探测器提供了基于探测器尖端的大小的已知分辨率，并且其消除了在一些被测试物体中可能发现的光的低反射率或大的光学穿透深度的问题。

在多数情况下，在步骤4630中，可以基于从测量所获得的、与先前执行的分析的结果相结合的数据来评价在步骤4618-4628的组合中所收集的数据的质量。如果在步骤4623中发现质量可接受，则在步骤4634中完成测量。否则，在步骤4604中再继续分析。在一些情况下，3D信息可能不如所期望的那样精确。在这种情况下，重复先前步骤中的一些步骤会是有帮助的。

尽管已结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但应当容易理解，本发明不限于这样公开的实施例。而是，可以对本发明进行修改，以包含迄今为止未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替换或等同配置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应当理解，本发明的各方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求书的范围来限制。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种非接触式光学三维测量装置，包括：

组件，其包括第一投影仪、第一摄像装置、第二投影仪和第二摄像装置，其中，所述第一投影仪、所述第一摄像装置、所述第二投影仪和所述第二摄像装置相对于彼此固定，所述第一投影仪具有第一光源，所述第一投影仪被配置为将具有至少一个图案的第一光发射到物体的表面上，所述第一摄像装置具有第一透镜和第一光敏阵列，所述第一摄像装置被配置为接收从所述表面反射的所述第一光的第一部分并且作为响应而产生第一信号，所述第一摄像装置具有作为所述第一摄像装置的第一角度观看区域的第一视场，所述第二投影仪具有第二光源，所述第二投影仪被配置为将第二光发射到所述物体的所述表面上，所述第二摄像装置具有第二透镜和第二光敏阵列，所述第二摄像装置被配置为接收从所述表面反射的所述第二光的第二部分并且作为响应而产生第二信号，所述第二摄像装置具有作为所述第二摄像装置的第二角度观看区域的第二视场，所述第二视场不同于所述第一视场；以及

处理器，其电耦合至所述第一投影仪、所述第二投影仪、所述第一摄像装置和所述第二摄像装置，并且执行计算机可执行程序代码，所述计算机可执行程序代码在由所述处理器执行时执行包括以下内容的操作：使得在第一时间收集所述第一信号并且使得在与所述第一时间不同的第二时间收集所述第二信号；至少部分地基于所述第一信号来确定所述表面上的第一点的三维坐标；以及至少部分地基于所述第二信号来确定所述表面上的第二点的三维坐标。

2.根据权利要求1所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述第二光是沿着与所述第二光的传播方向垂直的方向的光线。

3.根据权利要求1所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述至少一个图案包括至少三个非共线图案元素。

4.根据权利要求3所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述第二光包括第二图案，所述第二图案具有至少三个非共线图案元素。

5.根据权利要求2所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述光线是按时间扫过的线图案。

6.根据权利要求2所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述光线是按时间扫过的光斑点。

7.根据权利要求1所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述第一视场是所述第二视场的至少两倍大。

8.根据权利要求1所述的非接触式光学三维测量装置，其中，所述第一光敏阵列包括第一像素，所述第一像素被配置为捕获从所述表面的第一区域反射的光，所述第二光敏阵列包括第二像素，所述第二像素被配置为捕获从所述表面的第二区域反射的光，其中所述第二区域小于所述第一区域。

9.一种用于确定物体的表面上的三维坐标的方法，所述方法包括：

提供包括第一投影仪、第一摄像装置、第二投影仪和第二摄像装置的组件，其中，所述第一投影仪、所述第一摄像装置、所述第二投影仪和所述第二摄像装置相对于彼此固定，在所述第一投影仪与所述第一摄像装置之间存在第一距离，在所述第二投影仪与所述第二摄像装置之间存在第二距离，所述第一投影仪具有第一光源，所述第一投影仪被配置为将具有至少一个图案的第一光发射到所述表面上，所述第一摄像装置具有第一透镜和第一光敏阵列，所述第一摄像装置被配置为接收从所述表面反射的所述第一光的第一部分，所述第一摄像装置具有作为所述第一摄像装置的第一角度观看区域的第一视场，所述第二投影仪具有第二光源，所述第二投影仪被配置为将第二光发射到所述表面上，所述第二摄像装置具有第二透镜和第二光敏阵列，所述第二摄像装置被配置为接收从所述表面反射的所述第二光的第二部分，所述第二摄像装置具有作为所述第二摄像装置的第二角度观看区域的第二视场，所述第二视场不同于所述第一视场；

提供电耦合至所述第一投影仪、所述第一摄像装置、所述第二投影仪和所述第二摄像装置的处理器；

在第一实例中，从所述第一投影仪将具有所述至少一个图案的所述第一光发射到所述表面上；

在所述第一实例中，利用所述第一摄像装置获取所述表面的第一区域的第一图像，并且作为响应而将第一信号发送至所述处理器；

由所述处理器确定所述第一区域中的第一点的三维坐标的第一集合，其中所述第一集合至少部分基于所述至少一个图案、所述第一信号和所述第一距离；

在第二实例中，从所述第二投影仪将所述第二光发射到所述表面上；

在所述第二实例中，利用所述第二摄像装置获取所述表面的第二区域的第二图像，并且作为响应而将第二信号发送至所述处理器；以及

由所述处理器确定所述第二区域中的第二点的三维坐标的第二集合，其中所述第二集合至少部分基于所述第二光、所述第二信号和所述第二距离。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：

将所述组件从第一位置移动到第二位置；

其中，所述组件在所述第一实例中处于所述第一位置，而所述组件在所述第二实例中处于所述第二位置；以及

其中，所述第一区域的一部分和所述第二区域的一部分共有共同重叠区域。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述组件移动的步骤包括：通过激活所述组件上的指示灯来引导操作员将所述组件移动到所述第二位置。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述组件移动的步骤包括：将第三光投射到所述物体上以指示朝向所述第二位置移动的方向。

13.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述组件移动的步骤包括：在显示器上的图形表示上指示要扫描的所述物体的一部分。

14.(删除)。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括：

提供测量中的所述物体的计算机辅助绘图CAD模型；

基于所述CAD模型，通过确定来自所述第一投影仪的光射线从所述物体的第三点反射到所述物体的第四点上来验证多路径干扰的存在，其中所述第四点是由所述第一摄像装置进行成像的点；以及

至少部分地基于多路径干扰的存在来确定所述第二位置。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，在第二实例中从所述第二投影仪将所述第二光发射到所述表面上的步骤中，所述第二光为线或斑点的形式。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述第二实例中发射第二光的步骤中，所述第二光为按时间扫过的线或者按时间扫过的斑点的形式，所述光线沿着与所述第二光的传播方向垂直的方向。

18.根据权利要求10所述的方法，还包括：

通过扫描所述物体的所述表面的至少一部分来获得所述物体的所述表面的多个三维坐标；以及

基于所获得的多个三维坐标，通过确定来自所述第一投影仪的光射线从所述物体的第三点反射到所述物体的第四点上来验证多路径干扰的存在，其中所述第四点是由所述第一摄像装置进行成像的点；以及

至少部分地基于多路径干扰的存在来确定所述第二位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在第二实例中从所述第二投影仪将所述第二光发射到所述表面上的步骤中，所述第二光为线或斑点的形式，其中所述线沿着与所述第二光的传播方向垂直的方向。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在第二实例中从所述第二投影仪将所述第二光发射到所述表面上的步骤中，所述线或所述斑点是按时间扫过的。

21.根据权利要求9所述的方法，还包括：确定所述第一集合的三维坐标的分辨率。

22.(原始)根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个图案是时变图案。

23.根据权利要求9所述的方法，其中，在提供组件的步骤中，所述第一视场是所述第二视场的至少两倍大。

Claims

1.一种非接触式光学三维测量装置，包括：

在所述第一实例中，利用所述第一摄像装置获取所述表面的第一图像，并且作为响应而将第一信号发送至所述处理器；

确定所述表面上的第一点的三维坐标的第一集合，其中所述第一集合至少部分基于所述至少一个图案、所述第一信号和所述第一距离；

执行确定所述第一集合的质量因素的诊断过程；

在所述第二实例中，利用所述第二摄像装置获取所述表面的第二图像，并且作为响应而将第二信号发送至所述处理器；以及

确定所述表面上的第二点的三维坐标的第二集合，其中所述第二集合至少部分基于所述第二光、所述第二信号和所述第二距离。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，在第二实例中从所述第二投影仪发射所述第二光的步骤包括将所述组件从第一位置移动到第二位置的前一步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述组件移动的步骤包括：通过激活所述组件上的指示灯来引导所述操作员将所述组件移动到所述第二位置。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，将所述组件移动的步骤包括：将光投射到所述物体上以指示朝向所述第二位置移动的方向。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，执行确定所述第一集合的质量因素的诊断过程的步骤包括：质量因素至少部分基于存在多路径干扰。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，执行确定所述第一集合的质量因素的诊断过程的步骤包括：

提供测量中的所述物体的计算机辅助绘图CAD模型；

基于所述CAD模型，通过确定来自所述第一投影仪的光射线从所述物体的第一表面点反射到所述物体的第二表面点上来验证多路径干扰的存在，其中所述第二表面点是由所述第一摄像装置进行成像的点；以及

至少部分地基于多路径干扰的存在来确定所述质量因素。

18.根据权利要求14所述的方法，

还包括通过扫描所述物体的所述表面的至少一部分来获得所述物体的所述表面的多个三维坐标的步骤；以及

在执行所述诊断过程的步骤中，还包括：基于所获得的多个三维坐标，通过确定来自所述第一投影仪的光射线从所述物体的第一表面点反射到所述物体的第二表面点上来验证多路径干扰的存在，其中所述第二表面点是由所述第一摄像装置进行成像的点；以及至少部分地基于多路径干扰的存在来确定所述质量因素。

21.根据权利要求9所述的方法，其中，在确定所述第一集合的质量因素的步骤中，还包括：

确定所述第一集合的三维坐标的分辨率；以及

还至少部分地基于所述分辨率来确定所述质量因素。

22.根据权利要求9所述的方法，其中，所述至少一个图案是时变图案。