CN106461382B - 五轴光学检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种有效地收集检测中物体(7)的图像的检测系统。此检测系统包含(a)三轴线性运动级(10)；(b)旋转第四轴级(11)，其经配置以固持和旋转待检测的物体(7)。此旋转第四轴级(11)安装在所述三轴线性运动级(10)上；(c)第五轴相机(1)和光学系统(4)，其安装到所述三轴线性运动级(10)的轴中的一个轴上。此第五轴相机(1)具有基本上平行于线性运动的所述轴的光轴；(d)45°镜，其经配置以将所述第五轴相机(1)的所述光轴弯曲90°以指向所述物体(7)；以及(e)电动机(3)，其经配置以使所述镜子旋转一系列角度以获得检查定向的第五轴。

Description

五轴光学检测系统
技术领域
本技术领域大体上关于有效地收集检测中的物体的图像的检测系统，且详言的，关于用于光学检测的五轴运动系统。
背景技术
对于类似于印刷电路板和硅晶片的平坦部件，光学检测系统在三轴配置中良好地运行。X和Y轴用于相对于相机或传感器定位工件，而Z轴提供焦点。用于光学检测系统的相机需要直接对准待检测的特征或视差成像失真将引起测量误差。对于类似于医用内支架或机械加工活塞的一般圆柱形工件，将部件安装在旋转或第四轴上可在部件的任何区域的视图上为相机提供直线。然而，当部件具有复杂轮廓(例如，类似于子弹)时，在表面上的每个点处获得高分辨率图像同时垂直于面片对准相机需要五轴运动光学检测系统。
发明内容
用于光学检测的传统五轴运动系统具有使所述系统不够理想的缺点。一种方法具有安装在转台上的检测中部件，随后此转台安装在第二转台上以获得第五或倾斜轴。缺点是倾斜旋转移动的质量显著高于仅所述部件的质量。这样会使检测操作比四轴检测系统的检测操作慢。这样还使照明光学检测的部件更具挑战性，因为双旋转的质量目前可能会阻碍照明组件的便利放置。这种类型的五轴运动系统由美国纽约罗契斯特市的光学测量产品公司(Optical Gauging Products)和德国吉森的Werth Messtechnik制造。
第五倾斜轴的替代方法是将检测系统的相机和透镜组件安装在旋转级上，进而附接到Z轴。此方法的一个缺点是将增加的质量添加到现有级轴中的一个级轴上。另一缺点是从物体到相机处的图像的光学轨道的长度必须由系统的级行进调节。这可能显著增加系统的大小和成本。
本文所揭示的目标是提供一种用于产生高速部件的高分辨率图像的系统，所述部件具有复杂轮廓且具有最小级行进和整个系统大小。另一目标是使用轮廓照明和表面照明两者提供对检测中物体的均匀照明。
根据一个实施例，通过有效地收集检测中部件的图像的检测系统实现所述目标。此检测系统包含(a)三轴线性运动级；(b)旋转第四轴级，其经配置以固持和旋转待检测的物体。此旋转第四轴级安装在三轴线性级上；(c)第五轴相机和光学系统，其安装到三轴线性运动级的轴中的一个轴上。此第五轴相机具有基本上平行于线性运动的轴的光轴；(d)45°镜，其经配置以将第五轴相机的光轴弯曲90°以指向物体；以及(e)电动机，其经配置以使镜子旋转一系列角度以获得观察定向的第五轴。在优选实施例中，电动机还使透镜和相机与镜子一起旋转。
附图说明
图1示意性地说明根据本文所揭示的实施例的第五轴观察器。
图2示意性地说明包含图1的第五轴观察器的五轴检测系统。
具体实施方式
参考图2，本文中描述的系统包含三轴线性运动级10的常规三条正交轴X、Y、Z。如从四轴检测系统中已知，引入第四轴，所述第四轴由安装在X或Y级轴上的具有物体7的旋转第四轴级11驱动。四轴系统揭示于弗雷菲尔德(Freifeld)的标题为“血管支架检测系统(Stent Inspection System)”的第8,811,691号美国专利中。
本发明实施例的关键特征是将用于通常安装在传统机器上的观察物体7特征的透镜和第五轴相机1的光轴位于Z轴18上，其中光轴基本上平行于Z轴18。现在参考图1，随后利用受计算机数值控制的直角反射器以将传统地面向下的光轴弯曲90°，并且利用电动机3来驱动此直角分束器立方体6以向外指向物体7。
在一个优选实施例中，运动电动机3的第五轴使整个第五轴相机1、透镜4(本文中也称为“光学系统4”)和直角反射器都围绕主光轴旋转。此方法的直接优点是：反射器的质量且任选地，透镜4和第五轴相机1的质量围绕其自身的质量中心旋转，由此将惯性矩保持最小值并且将在系统级布局中获取的空间也保持最小值。这允许具有快速机械校正时间的高速运动。只要具有直径足够大中空轴的电动机3在不提供渐晕的情况下允许传播系统的完整光学路径，就可以通过将光轴配置在中心以及第五轴电动机3内而以机械方式最小化此第五轴配置的整个封装大小。如果透镜4是远心透镜，那么将光学系统良好地安置用于测量应用。
通过使用分束器立方体6来提供光轴的90°重定向，可以将照明引入到穿过分束器立方体6的部件，其中直角反射器是部分反射镜。经由光源5引入亮场照明与传统白光照明或通过物镜表面照明相比具有优势。首先，这简化了光学配置。在更传统的配置中，分束器立方体必须放置于第一透镜物镜与相机中继镜之间的准直空间中。这样会增加光学系统的大小和复杂性并且往往会将杂散照明引入到相机中，从而软化图像。此外，主物镜下方的分束器立方体处引入的照明可以覆盖更广泛角度的照明，因为所述照明受由透镜的数值孔径界定的覆盖范围角度限制。这可以提供受更广照明的物体，从而提高图像质量。将环光源9添加在分束器立方体6前方作为暗场照明源可以提供尤其广泛的照明覆盖范围。或者，如果光不需要从分束器立方体6后方引导到部件上，那么可使用简单的镜子以代替更精密的分束器立方体。部分反射镜的两侧上的两个光源可以单独地或同时地操作以产生较大面积的组合的暗场和亮场照明覆盖范围。
返回参考图2，另一方法是添加大画幅相机13和透镜12以获得检测中物体7的旋转或平面扫描。对于一般旋转对称的部件，在大画幅相机13是行扫描相机的情况下尤其有利。对于这些大面积视图，随后严格地通过经由一系列预定的受计算机数值控制的移动来驱动第五轴而在空间坐标中更容易地确定将由第五轴相机1检测的特征的位置。当检测不完全刚性(因为未必可以基于设计模型期望特征)的部件时尤其有用。
图1示意性地说明第五轴观察器。第五轴相机1观察通过导管2、透镜4以及最终分束器立方体6的物体7。在此实施例中，整个光学系统通过电动机3围绕光轴的一部分旋转。观察器模块8具有内部光源5，所述内部光源定位成使得其光线穿过分束器立方体6照射到检测中物体7上。环光源9添加在分束器立方体的前方，使得其光线也射中物体7。
图2示意性地说明五轴检测系统的完整视图，所述五轴检测系统包含直角第五轴观察器8，所述直角第五轴观察器由旋转电动机3驱动以由第五轴相机1在任何角定向上捕获物体7的图像检测中物体7安装在旋转第四轴级11(即，系统的第四轴)上，进而安装到三轴线性运动级10。所述系统还包含透镜12，所述透镜具有5mm或更长的扩展聚焦深度，用于使用大画幅相机13获取物体7的平面或旋转大面积图像。
在实施例中，检测系统包含数码相机和界定光轴的透镜。下方存在部分反射镜，透镜使光轴重定向90°以观察物体。扩展区域光源放置在后方并且经配置以引导光线穿过所述部分反射镜以在所述物体上提供具有广泛角度的覆盖范围的扩展亮场照明。检测系统光源包含发光二极管并且部分反射镜是分束器立方体。

Claims (11)

1.一种有效地收集检测中的物体(7)的图像的检测系统，其特征在于，包含：
a)三轴线性运动级(10)；
b)旋转第四轴级(11)，其经配置以固持和旋转待检测的所述物体(7)，所述旋转第四轴级(11)安装在所述三轴线性运动级(10)上；
c)第五轴相机(1)和光学系统(4)，其安装到所述三轴线性运动级(10)的轴中的一个轴上，所述第五轴相机(1)具有基本上平行于所述三轴线性运动级(10)的轴中的一个轴的光轴；
d)45°镜，其经配置以使所述第五轴相机(1)的所述光轴弯曲90°以指向所述物体(7)，其中所述45°镜是部分反射镜并且光源(5)放置于所述部分反射镜中基本上垂直于经由所述45°镜所弯曲的所述光轴的一侧上，使得使得来自所述光源(5)的光线被引导为所述检测中物体(7)处的亮场照明；
e)电动机(3)，其经配置以使所述45°镜旋转一系列角度以获得检查定向的第五轴；以及
f)第二光源，其能够照明被放置在所述45°镜前方的所述物体(7)，并且能充当暗场照明源。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述电动机(3)还使所述第五轴相机(1)和所述光学系统(4)旋转。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第二光源为环光源(9)。
4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述部分反射镜的两侧上的所述光源(5)以及所述环光源(9)可以单独地或同时地操作以产生大面积的组合的暗场和亮场照明覆盖范围。
5.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学系统(4)利用远心设计。
6.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，还包含大画幅相机(13)，所述大画幅相机(13)通过安装在所述三轴线性运动级(10)的一个轴上的大画幅镜头(12)观察所述物体(7)，所述大画幅相机(13)经配置以捕获检测中的所述物体(7)的大面积图像并且基于所述大面积图像内的所发现特征位置而将所述第五轴相机(1)引导到所述物体(7)上的特定特征位置。
7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述大画幅相机(13)是行扫描相机。
8.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述大画幅镜头(12)利用具有至少5mm的扩展聚焦深度的远心设计。
9.一种检测系统，其特征在于，包含：
多轴运动级；
旋转轴，其安装到所述多轴运动级且经配置以固持物体(7)；
第五轴相机(1)和界定光轴的透镜(4)；
部分反射镜，其将所述光轴重定向90°以观察所述物体(7)；
电动机，其经配置以使所述部分反射镜旋转；
扩展区域光源，其经配置以引导光线穿过所述部分反射镜以在所述物体(7)上提供扩展亮场照明；并且
暗场照明源，其经配置以使得所述部分反射镜介于所述暗场照明源及所述扩展区域光源之间。
10.根据权利要求9所述的检测系统，其特征在于，所述扩展区域光源包含发光二极管。
11.根据权利要求9所述的检测系统，其特征在于，所述部分反射镜是分束器立方体(6)。
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