CN107407555A

CN107407555A - 光学测量布置

Info

Publication number: CN107407555A
Application number: CN201580071630.0A
Authority: CN
Inventors: P.勒托恩; C.霍母伦德
Original assignee: Hull Close Optical Detection Co
Current assignee: Hull Close Optical Detection Co
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2017-11-28
Also published as: EP3240993B1; JP2018500576A; EP3240993A1; FI126498B; FI20146152A; US20180003486A1; WO2016107969A1

Abstract

根据本发明的3D测量设备的布置包括图像源（1）以便在对象（106、300）的表面上产生连续图像，相机（8）以拍摄表面的照片，以及处理器单元（111）以便比较相机的照片与所述图像。该布置还包括图像上的第一区域（2）和第二区域（3）。该布置进一步包括至少一个双检测器（5）以便检测被照明的第一区域（2）和被照明的第二区域（3），以及驱动单元（6）以便触发至少一个相机（8）。该驱动单元被布置成在双检测器（5）指示第一区域的状态改变和第二区域的状态改变的情况下触发相机。

Description

光学测量布置

技术领域

本发明涉及光学测量的布置。所述光学测量用在例如二维测量或三维测量中。

现有技术

光学测量可以例如用于测量二维对象（比如平面）或三维对象（比如曲面）。根据要测量的对象的特征而存在不同的测量设备。

例如，测量与各种对象相关联的高曲率有光泽的表面（即，三维表面）的形貌已经在许多情况下被证明是困难的。传统的光学方法仅限于平面。对于小且平坦的表面，可以使用例如干涉仪，但是它们昂贵、缓慢且提供无法接受的精确度。并入了与目标对象的物理接触的不同方法也常常是冗长的，提供差的水平分辨率以及甚至刮擦或以其它方式损坏分析中的可能精致的表面。鉴于通常应用的逐点扫描方法，这样的缺点相当可以理解。基于交替机器视觉的布置也没有太好的表现，尤其是与有光泽的表面有关时。

至少可以这样说，高曲率有光泽的对象的形状测量确实一般要求苛刻。目前，例如有光泽的对象的质量控制是在明亮的照明中使用目检来手动进行的。这样的检查的结果与负责的特定人类检查员的专门知识高度相关，并且还随时间以及制造工艺其本身而变化。使用手动检查仅可以得到相当模糊的定性结果；在实践上仍未揭示出表示缺陷或3d形状的更表征性的、或至少更精确的数值。然而，许多有光泽的产品被视为是高质量产品或“高端”产品，于是优选地应当在其制造期间或紧接在其制造之后就识别甚至小的缺陷。WO 2013/102572说明了一种适用于测量有光泽的对象的已知布置。

适用于追踪有光泽的表面的另一光学方法是基于平坦数字显示器（例如，TFT监视器）和相机的使用。该显示器可以被布置成示出条纹图样并且该相机可以观察如经由被测表面反射的图样。关于原始版本与反射版本之间的图样相位变化的分析然后可以以合理的精确度和总体执行时间来揭示出该表面的斜度，但是可适用的对象最大曲率仍然相当有限。

一般来说，还已知使用数字光处理（DLP）投影器或液晶显示器（LCD）投影器来在三维（3D）对象的表面上创建具有期望图样的图像，并使用相机以便捕获该表面上的该图像。可以通过分析所捕获的图像与所投影的图像来确定该表面的形状。

存在数种不同方式来处理投影图像与显示图像的创建之间或者照明图样与由相机捕获图像之间的定时。创建图像（比如照明图样）与捕获图像之间的时段可以足够长以便保证在相机捕获之前确实创建了图像。当使用显示器来创建图像图样时，可以使用显示器的刷新率来触发相机。当庞大的计算能力可用时，可以捕获巨大数量的图像，并且可以选择最好的一个。还已经使用在触发相机时的长的照度时段。还可以使用到投影器或显示器的模拟传输的V同步信号。还已经制造了设备特定的定时信号生成电路。这些已知解决方案大部分都是设备特定的布置，其相当难以生成并且不方便使用。已知的解决方案还可能缓慢。

发明内容

本发明的目的在于缓和或甚至消除关于由投影器或另一图像源创建图像与由相机捕获图像之间的定时的上文所述问题。借助于在独立权利要求中说明的内容来实现该目的。从属权利要求公开了本发明的不同实施例。

根据本发明的3D测量设备的布置包括至少一个图像源或照明源1以便在对象106、300的表面上产生连续图像4、4'、4''，相机8以拍摄表面的照片，以及处理器单元111以便比较相机的照片与所述图像。该布置还包括图像4、4'、4''上的第一区域2和第二区域3。以如下方式来在交替图像上照明第一区域2和第二区域3：当在图像上照明第一区域时不照明第二区域，以及在后续的图像上照明第二区域而不照明第一区域。该布置进一步包括至少一个双检测器5以便检测被照明的第一区域2和被照明的第二区域3，以及驱动单元6以便触发至少一个相机8。该驱动单元被布置成在双检测器5指示第一区域的状态改变和第二区域的状态改变的情况下触发相机。

附图说明

在下文中，通过参考附图来更详细地描述本发明，其中，

图1图示出已知测量设备的示例，

图2图示出根据本发明的后续图像的示例，

图3A和3B图示出根据本发明的测量布置的示例，

图4图示出本发明的设备的示例，

图5图示出驱动单元电路的示例，

图6图示出另一驱动单元电路的示例，

图7A到7D图示出不同的图像信号，

图8图示出不同的触发时刻，

图9图示出当使用若干图像源时适合的触发时刻的示例，

图10图示出驱动单元电路的另一示例，

图11图示出驱动单元电路的又一示例，

图12图示出根据本发明的方法的示例。

具体实施方式

在图1中，示出了照明结构（尤其是圆顶结构）102的实施例，其用于将由数个嵌入的或至少部分耦合的光源提供的光投影朝向部署在预定载体表面（诸如普通工作台或板）上、且被照明结构102近似半球形地（即，在载体表面的水平面上方）环绕的基本上自由形式的目标对象（或“样本”106）。因此，该圆顶提供了照明显示。替换地，在圆顶上方的投影器1在圆顶上投影图像，该圆顶进而将相同图像提供在对象106的表面上。在一些其它实施例中，对象106可例如从绳带悬挂或通过诸如底座之类的特定的支撑结构来支撑，这取决于照明结构的性质。

对象106可以已经基本上相对于照明结构102居中。照明结构102一般可以承受如图中所示的对称形状。在该实施例中，已经相对于照明结构102放置了两个光敏传感器设备（或“成像设备”）104（诸如在许多实施例中的数字相机），以便捕获由光源发射以及由样本106朝向结构102反射回的光射线。有利地，使成像设备104已经从不同角度对齐成对相同的样本区域（或样本空间）成像。例如，可以已经为结构102提供称为光圈的小开口以使得光传输能够通过其朝向成像设备104。成像设备104可以各自包含基本上平面的多个成像元件（通常称为“像素”）的光敏矩阵。该矩阵可以包含例如 1000 x 1000个像素或者更多。该布置进一步包括处理器单元111以便比较相机照片与所述图像。

在一些其它实施例中，从本发明的立场来说，单个外壳或单个主机装置可包含多个成像设备104，诸如多个相机传感器。出于图示目的，在附图中已将由结构102发射以及从样本106的表面朝向结构102（并且尤其是朝向相关联的成像设备104）反射回的各种光射线描绘为实线和点线。

可以由所述布置通过识别和分析在照明结构与成像设备102的光敏传感器表面之间传播的射线来测量明确标识在样本106上表面（其大致面向照明结构102）中的基本上全部或至少大部分的点（诸如点e、a、b），所述传播包含在样本106表面处的反射现象。

为了适用于形状检测，由样本106的表面提供的反射率优选地为镜面的或包括至少足够的镜面反射分量。其还可以包含漫反射分量。甚至可以在有限的意义上通过如后文中呈现的布置来分析强散射表面（无光泽面）。

因此，图1图示出其中可以使用本发明的测量布置的示例，并且图3A和3B示出可以如何将本发明添加到测量布置中的示例。本发明的3D测量设备的布置包括至少一个图像源1以便在对象106、300的表面上产生连续图像4、4'、4''（参见图2），相机8以拍摄表面的照片，以及处理器单元111以便比较相机的照片与所述图像。该布置进一步包括图像4、4'、4''上的第一区域2和第二区域3，如图2中所示。以如下方式来在交替图像上照明第一区域2和第二区域3：当在图像4上照明第一区域2时不在同一图像4中照明第二区域3以及在后续的图像4'上照明第二区域3而不照明第一区域2，接下来的图像4''以此类推。

该布置进一步包括至少一个双检测器5以便检测被照明的第一区域2和被照明的第二区域3，驱动单元6以便触发至少一个相机8。该驱动单元被布置成在双检测器5指示第一区域的状态改变和第二区域的状态改变的情况下触发相机。可以指出，也隐含地检测未被照明的第一区域和第二区域2、3，如果不检测所述区域的照明的话。

如在图3A的示例中可见，该布置可以具有多于一个图像源1，在该情况下为三个图像源1、1'、1''。在该示例中，每个源提供在对象300的一部分上的图像。附加地，圆顶102可以在图像源与对象之间，如上文描述的那样。因此，可以使用例如漫射圆顶102直接或间接地向对象的某一扇区7提供图像。在图3A的示例中使用一个相机8。

图3B示出其中使用了一个图像源和一个相机的另一示例。替换地，可以使用圆顶102。图像源1可以是投影器、TV或可以在对象表面上创建图像的任何显示器。相机还可以能够拍摄视频。

双检测器5包括两个光检测器11、12，其中，第一检测器11用于检测第一区域2的照明状态，并且第二检测器12用于检测第二区域3的照明状态。双检测器可以位于投影图像的扇区7中（即在图像源将图像投影到其上的区域上）、或者在镜子301位于该区域上以便将第一区域2和第二区域3反射到双检测器5上的情况中在该区域之外。双检测器5的第一检测器11和第二检测器12可以例如是光电二极管或光电晶体管。该布置可以包括附加的检测器。附加检测器可以例如给出更多信息，比如当前投影的后续图像中的哪一图像。例如，如果使用四个检测器，那么可以对投影图像实现四个位序列代码。

图4示出驱动单元6、检测器5、11、12、相机和检测器与驱动单元之间的连接9以及驱动单元与相机之间的连接10的示意图。驱动单元6被布置成将（一个或多个）第一区域2的（一个或多个）第一检测器11指示与（一个或多个）第二区域12的（一个或多个）第二检测器12指示与参考值相比较以便确定第一区域2与第二区域3的状态；检测第一区域与第二区域的状态改变；以及形成用于（一个或多个）相机8的触发信号162作为对检测到的状态改变的响应。

图5以更详细的方式图示出可以如何制造驱动单元的示例。图5的驱动单元6包括操作放大器13，其被布置成将（一个或多个）第一区域2的（一个或多个）第一检测器11指示和（一个或多个）第二区域3的（一个或多个）第二检测器12指示与参考值相比较以便确定第一区域2和第二区域3的所述状态。参考值可以例如是6V。该图图示出若干检测器，因此存在要检测的若干图像（若干图像源）。比较器在两个组中，第一组用于第一区域的状态并且第二组用于第二区域的状态，每一组都具有至少一个运算放大器13。运算放大器的数量取决于检测器的数量。在该示例中，驱动单元6包括逻辑电路布置14、15以便检测第一区域2和第二区域3的状态改变。逻辑电路14是OR电路，因此当该组中的放大器13中的任何一个指示该区域（第一区域或第二区域）被照明时，特定OR电路的输出14A、14B为1。如果未检测到照明，则输出为0。另一类型的逻辑电路15（诸如触发器（Flip-Flop）SR电路）给出指示所述区域中的哪一个被照明而哪一个未被照明的输出0或1。输出15A的改变（0到1或1到0）触发脉冲形成电路16中的一个。如果脉冲形成电路中的一个形成了脉冲161，则另一OR电路14'给出触发脉冲162，将触发脉冲162发送到（一个或多个）相机8以便触发它/它们。如果照这样的触发脉冲不适用于相机，那么可以进一步通过修改电路18（示意性地图示为运算放大器）来修改该触发脉冲，比如提供适当的电压水平等。如可以看到的，该电路还在另一脉冲形成电路16之前具有逆变器17。

如可以指出的，应在执行触发信号并将其传输给一个或多个相机之前检测两个区域的状态改变。所述状态是可以被指示为例如1和0、或者高和低的被照明或未被照明。因此，当第一区域的状态从被照明状态变成未被照明状态并且第二区域的状态从未被照明状态变成被照明状态时执行触发信号。还当第一区域的状态从未被照明状态变成被照明状态并且第二区域的状态从被照明状态变成未被照明状态时执行触发信号。关于第一区域和第二区域的图像数据确定所述区域在投影图像时被照明还是未被照明。

图6图示出图5的电路的修改。图6的电路可能更适用于在图像源之间的延迟大于一个图像的周期的情况下触发（一个或多个）相机。并联地连接第一检测器11以便产生到该组中的放大器13的一个输入。在该情况中的参考值是不同的，例如是10V，并且需要全部的第一检测器来指示第一区域的照明以便运算放大器给出指示照明的输出。类似地，并联地连接第二检测器。在其它方面，该电路的运转类似于图5的电路。

图10和11示意性地图示出如图5和6的相应电路，但是在这些实施例中，以另外的方式来制造这些电路。驱动单元6具有运算放大器电路布置100以便检测第一区域的状态改变并且其次负责图5的实施例的电路14、15、16、14'的任务。如果需要的话，该电路还可以包括电路107以便进一步修改触发信号162。如可以指出的，可以以许多形式来制造驱动单元的电路。触发相机的定时相对于投影图像的定时是重要的。图7A到7D图示出不同的图像信号。图7A示出由脉宽调制（PWM）技术形成的图像信号。脉冲宽度指示信号值。在该示例中，第一脉冲70A示出白色（100%），第二脉冲70B示出相对于白色的75%灰色，并且第三脉冲70C示出相对于白色的50%灰色。图7B图示出脉冲密度调制（PDM）技术，其中，在一图像周期中的脉冲数71指示所述值。在该示例中，第一图像是白色，第二图像是75%灰色，并且第三图像是50%灰色。图7C图示出自DLP投影器（数字光投射投影器）投影的图像的颜色是什么样的示例。在这种信号中，在图像的时间序列中分离地投影图像颜色。在图7C中，R意指红色，G是绿色并且B是蓝色，并且W意指白色。可以在每一颜色中使用PWM或PDM。图7D示出LCD（液晶显示器）投影器如何执行图像。同时投影全部颜色。可以通过PWM或PDM来提供光强度。

如在图7A到7D中可以指出的，每个图像具有较长的（一个或多个）暗时段，通常在图像周期的末端。这意味着由（一个或多个）相机拍摄的照片强度可以取决于何时触发相机而显著变化。该强度变化降低了处理器单元111所处理的照片质量。图8图示出触发定时的效果。如果触发时间80是在图像周期中在照明开始的时刻处（如周期A）所示）或者紧接在其之前（如周期B）所示），那么触发定时是很好的。这是预期的，因为在周期末端81之前图像的全部照明都在图像周期之内。然而，如果触发时间在照明开始之后（如周期C）所示），那么照明的一部分在周期（即，相机的曝光时间）之外，这意味着相机拍摄了较暗的照片。

如可以指出的，来自图像源的图像光在每个图像内具有脉动性质。如果使用一个检测器，那么将会在一个图像期间创建若干触发脉冲。因此，使用形成了双检测器的两个检测器。

图9图示出其中使用了三个图像源（比如投影器）的情况。因为不同图像源之间的延迟通常都相当小，因此一个或多个相机的触发时间被布置成在所述图像中的任何中照明首次开始时的时刻执行是好的。在该示例中，投影器3是开始照明的第一投影器。如果所述延迟比图像周期更长，那么可以使用比如图6和11中所示的电路布置。

图12示出根据本发明的用于3D测量设备的方法的示例。该方法是用于包括至少一个图像源以便在对象的表面上产生连续图像、相机以拍摄表面的照片以及处理器单元以便比较相机的照片与所述图像的设备的。该方法包括以下步骤：在图像上提供120第一区域和第二区域，以如下方式来在交替图像上照明第一区域和第二区域：当在图像上照明第一区域时不照明第二区域，以及在后续的图像上照明第二区域而不照明第一区域；检测121被照明的第一区域和被照明的第二区域；作为对检测的响应，指示122第一区域的状态改变和第二区域的状态改变；以及作为对状态改变的指示的响应，触发123至少一个相机。

此外，指示阶段可以包括以下步骤：将一个或多个第一区域和一个或多个第二区域的指示与参考值相比较以便确定第一区域和第二区域的状态；以及检测第一区域和第二区域的状态改变。

如上文已经说明的，存在许多方式来执行本发明。图像源可以例如是上述漫射且半透明的圆顶，其中，诸如LED（可选地至少在功能上被组织为LED矩阵）的多个光源被布置成可选地耦合到该照明结构，使得可以建立期望的照明图样并通过该圆顶传送朝向样本以用于后续成像。可选地，LED芯片或LED封装可以嵌入在圆顶材料中。替换地或附加地，可以利用数据投影器（比如LCD或DLP投影器）或例如幻灯片投影系统可以用作光源或显示器、TV、监视器。

可以使用诸如CMOS或CCD相机之类的相机来通过感测从对象206反射的光来对样本成像。处理单元1'可以包括处理器件、存储器和I/O元件（例如，用于数据传输或通信接口、数据可视化元件，诸如显示器、打印机或绘图仪，数据输入元件，诸如键盘、鼠标等）。处理器单元111可以形成或形成自也适用于其它用途的更广义的计算机设备。处理单元可以例如包括微处理器、微控制器、DSP、可编程逻辑阵列、或期望的多个那些中的任何。存储器可以包括例如至少一个专用存储器芯片或与处理器集成的存储器。存储器可以被配置成容纳包括以计算机可执行指令形式的代码元素以及用于控制该布置的相关的其它数据的计算机程序。此外，可以利用存储器来托管测量数据和相关联的分析结果。

计算机程序可以体现在载体介质（诸如存储卡或光盘）上。鉴于不同的样本尺寸和例如光源，本发明的布置的尺寸可以是可扩缩的。

例如，可以利用例如电流控制或更精确的脉宽调制或脉冲密度调制来实现由图像源发射的光强度的控制。可以通过例如基于行和列的光源矩阵扫描来灵活实现诸如LED专用控制的光源。

例如可以相对于相机的触发来同步涉及到光源控制的照明图样改变以提高测量速度。触发速度可以等于图像源的刷新率。本发明关注了关于连续图像的强度改变以及若干图像源之间的延迟的问题。

本发明可以与一个或多个图像源或与一个或多个相机一起使用。本发明的布置独立于所使用的设备（比如投影器或相机），并且其还是划算的且相对简单的布置。

从上文中显而易见，本发明不受限于此文本中描述的实施例，而是在本发明构思的范围内可以在许多其它不同的实施例中实现。

Claims

1.一种光学测量设备的布置，该设备包括至少一个图像源（1）以便在对象（106、300）的表面上产生连续图像（4、4'、4''），相机（8）以拍摄表面的照片，以及处理器单元（111）以便比较相机的照片与所述图像，其特征在于，该布置包括图像（4、4'、4''）上的第一区域（2）和第二区域（3），以如下方式来在交替图像上照明第一区域（2）和第二区域（3）：当在图像上照明第一区域时不照明第二区域，以及在后续的图像上照明第二区域而不照明第一区域，

该布置进一步包括至少一个双检测器（5）以便检测被照明的第一区域（2）和被照明的第二区域（3），驱动单元（6）以便触发至少一个相机（8），该驱动单元被布置成在双检测器（5）指示第一区域的状态改变和第二区域的状态改变的情况下触发相机。

2.根据权利要求1所述的布置，其特征在于，双检测器（5）包括两个光检测器（11、12），其中，第一检测器（11）用于检测第一区域（2）的照明状态，并且第二检测器（12）用于检测第二区域（3）的照明状态。

3.根据权利要求2所述的布置，其特征在于，驱动单元（6）被布置成将一个或多个第一区域（2）的一个或多个第一检测器（11）指示与一个或多个第二区域（3）的一个或多个第二检测器（12）指示与参考值相比较以便确定第一区域（2）与第二区域（3）的状态；检测第一区域与第二区域的状态改变；以及形成用于一个或多个相机（8）的触发信号（162）作为对检测到的状态改变的响应。

4.根据权利要求3所述的布置，其特征在于，驱动单元（6）还被布置成进一步修改触发信号（162）。

5.根据权利要求3或4所述的布置，其特征在于，双检测器（5）位于图像源将图像投影到其上的区域上或者在镜子（301）位于该区域上以便将第一区域（2）和第二区域（3）反射到双检测器（5）上的情况中在该区域之外。

6.根据权利要求5所述的布置，其特征在于，双检测器（5）的第一检测器（11）和第二检测器（12）是光电二极管或光电晶体管。

7.根据权利要求5或6所述的布置，其特征在于，图像源（1）是投影器、TV或任何显示器。

8.根据权利要求5到7中的任一项所述的布置，其特征在于，漫射且半透明的圆顶（102）存在于图像源（1）与对象（106）之间。

9.根据权利要求1到8中的任一项所述的布置，其特征在于，该布置包括附加的光检测器（5）。

10.根据权利要求3到9中的任一项所述的布置，其特征在于，驱动单元（6）包括运算放大器（13），其被布置成将一个或多个第一区域（2）的一个或多个第一检测器（11）指示与一个或多个第二区域（3）的一个或多个第二检测器（12）指示与参考值相比较以便确定第一区域（2）与第二区域（3）的所述状态，比较器在两个组中，第一组用于第一区域的状态并且第二组用于第二区域的状态，每一组都具有至少一个运算放大器（13）。

11.根据权利要求10所述的布置，其特征在于，驱动单元（6）包括逻辑电路布置（14、15）以便检测第一区域（2）和第二区域（3）的状态改变。

12.根据权利要求10所述的布置，其特征在于，驱动单元（6）包括运算放大器电路布置（100）以便检测第一区域和第二区域的状态改变。

13.根据权利要求11或12所述的布置，其特征在于，驱动单元（6）包括另外的电路布置（107）以便形成触发信号（162）。

14.一种用于光学测量设备的方法，该设备包括至少一个图像源以便在对象的表面上产生连续图像，相机以拍摄表面的照片，以及处理器单元以便比较相机的照片与所述图像，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在图像上提供（120）第一区域和第二区域，以如下方式来在交替图像上照明第一区域和第二区域：当在图像上照明第一区域时不照明第二区域，以及在后续的图像上照明第二区域而不照明第一区域，

检测（121）被照明的第一区域和被照明的第二区域，

作为对检测的响应，指示（122）第一区域的状态改变和第二区域的状态改变，以及

作为对状态改变的指示的响应，触发（123）至少一个相机。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，指示阶段包括以下步骤：

将一个或多个第一区域和一个或多个第二区域的指示与参考值相比较以便确定第一区域和第二区域的状态，

检测第一区域和第二区域的状态改变。