CN1074754A - 小型高分辨三维外形光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的三维外形光学传感器通过用至少一个 摄象机对由片状平面光束照射物体所形成的亮迹进 行扫描，得到象元坐标的数据信息，该传感器的光匣 装有一个产生平行直线光束的激光源，一个将平行直 线光束变换成片状平面光束的光学装置，以及一个包 括两个面对面安装的平面反射镜的装置。由于光束 经这两个反射镜多次反射，增长了光束的光学路径， 因此形成的虚拟光学距离克服了传感器与物体之间 机械距离小所引起的光束可用区场深小的缺点。

Description

本发明与获取各种物体的三维外形并将之数字化的技术有关，所使用的系统是一个具有一个激光辐射源和一个或几个对所考察物体上的激光束亮迹进行扫描的摄象机的光学传感器。

这种技术在文件FR-A-2    627    047，FR-A-2    642    833及FR-A-2    629    198中有详细说明。

具体地说，这种技术是产生一个“激光平面”，也就是一个扇形的片状光束，这个片状光束十分薄，但宽度复盖了要扫描的整个物体，而用一个或两个摄象机以两个不同的倾角对这个单面进行考察。系统安装在可移动的操纵臂（如数控机床的操纵臂）的端部，使激光平面可以对整个工件进行扫描，逐步获取工件的三维表面。扫描可以采用转动传感器来实现，也可以采用使传感器相对工件作平移运动、或保持传感器固定不动而使工件相对运动（例如工件安装在遥控三轴平台上）来实现。

在这种技术中所使用的传感器至今还是比较笨重，易于损坏，并且结构也复杂。

本发明的一个目的是推出一种可以使传感器显著小型化而其精度和分辨力保持不变、甚至有所提高的传感器结构。所谓“分辨力”是指系统的象元大小，而“精度”则是对数字化级和复现级而言的。下面将会看到，如果给定了在激光亮迹分析阶段所执行的各种处理操作，定位精度能够高于一个象元。

小型化的传感器除了一般所说的方便以外，其主要优点是：甚至在空间严格受限的场合、小工件场合、表面难以够及的场合等需要在一个缩小的区域内获得很高精度的情况下可以使用这种传感器。

然而，当传感器十分靠近需要扫描的工件时，会产生一系列新问题。特别是，随着传感器移近物体，场深（depth    of    field）越来越小。

在本发明中，氦-氖激光传感器可以调整到使其焦点离激光源1米左右，因此离物体的距离（backoff）很大（这在给定氦-氖激光器及其各种有关组件具有较大体积的情况下是必然的。

这个大距离与长焦距相配合，就能使所产生的亮迹非常精细，场深也大，通常可以达到在整个100毫米的场深范围内片状光束的厚度小于0.2毫米。

此外，由于片状光束是通过固定不动的装置（通常是一个柱状透镜）形成的，再加上大距离的影响，所产生的光束是散开的，因此局部能量密度较低（大致为每平方毫米1微瓦量级），这意味着这光束不会对操作人员构成威胁。

另一方面，虽然能够实现传感器的小型化（特别是用激光二极管来代替氦氖激光器），然而，如果不能或不希望将传感器退离物体，则就产生了场深问题，因为聚焦的距离非常短（通常为10厘米，而不是1米）。这就对光迹的厚度，从而也就对分辨力和精度产生相应的不利影响。

由于能量密度与距离成反比，因此随着距离的减小，能量密度大大增大，这样的激光束会投射到物体附近的操作人员的眼睛上，造成危害。

本发明的一个目的是提供一种相对物体的机械距离十分小的小型化传感器，这种传感器保持了现行传感器的各种优点。

本发明的基本原理是在传感器内建立一个虚拟的光源距离，以形成与长焦点光束充分相同的条件，从而补偿了由于传感器-物体系统结构所决定的机械距离小的不足。

本发明的三维外形光学传感器有一个激光源，它所产生的片状平面光束照射在物体表面上，在物体表面上形成一条曲线亮迹。至少有一个电视摄象机对这条亮迹进行扫描，得到变换成数字数据的表示象元坐标的信息。传感器有一个装在一个公共外壳内的光匣，光匣安置在需要加以扫描的物体上方，离物体距离很近，光匣内装有：

产生平行直线光束的激光源;

将平行直线光束变换成片状片面光束的光学装置;以及

增长片状平面光束光学路径的装置，该装置有两个固定成面对面的平面反射镜，使光束在一个光束入口转辙器和一个光束出口转辙器之间产生多次反射。

由于用一个虚拟的光学距离补偿了外壳与物体之间的非常小的机械距离，因此增加了从外壳射出的片状光束可使用区的场深。

入口和出口转辙器都是光学装置，用来调整投射光束的角度，以有效地改变在两个面对面的反射镜之间的反射次数，而将直线光束变换成片状平面波束的光学装置则是固定不动的装置。

传感器还有至少一个检测器组件，检测器组件邻接在光匣旁，其中各装有一个光电图象分析装置和物镜装置，物镜装置处在图象分析装置的前面。

在检测器组件的外壳内还装有使图象分析装置相对物镜倾斜的装置，这是本发明的一个优越的特点。

本发明的另一个优越的特点是还装有一个电子电路，用来提取表示在图象分析装置所产生的各图象行上激光束亮迹位置的数据，这个电路包括一个积分级、一个分压级、一个迟延级和一个比较级。一个表示所接收的亮度、随在所扫描的行上的位置变化的电信号加到积分级的输入端上，积分级输出一个表示所接收到的积累光能量的递增信号，分别加到分压给和迟延级的输入端，而分压级和迟延级的输出信号则分别加到级的两个输入端上。这样，根据比较级状态的改变情况就可确定在图象扫描行上激光束亮迹中点的位置。

现在参照附图举例说明本发明的一个实施例。在这些附图中：

图1为本发明的一个传感器的正视图，一个光匣和两个与之邻接的检测器组装在一个可移动的操纵臂的端部;

图2为图1所示系统的Ⅱ-Ⅱ向侧视图;

图3为传感器光匣的图示性剖视图;

图4为示出光匣的各个光学器件的透视图;

图5为传感器的一个检测器的图示性剖视图;

图6为图5所示检测器的物镜/扫描装置的图示性剖视图;

图7示出了通过一个使检测器的光电装置倾斜的系统补偿清晰度和场深不足的情况;

图8示出了光电装置输出端上一个扫描行的电视信号的一般形状;

图9为用来分析电视信号以提取表示激光束光迹位置的数据的电路的方框图;

图10为说明图9所示电路中各个信号的定时图;以及

图11和12示出了图9所示模拟的信号分析系统的数字实施例。

图1示出了按照本发明实施的一个传感器1。

传感器1安置在一个工件2的附近，对工件2进行扫描，以便得到它的表面形状并将之数字化。传感器1装在一个操纵臂3（例如数控机床的操纵臂）的端部，其中心构件100是一个发射片状平面激光束4的光匣。片状平面激光束4就是一个宽度较大（见图2）的薄光束（见图1）。光束投射到工件2的表面上，在那里就出现一条曲线亮迹5。这条亮迹是由一个或最好是二个检测器200扫描。每个检测器有一个摄象机和一些对摄象机所取得的图象进行数字化和分析的电子电路。最好两个检测器200邻接光匣100，配置在光匣100的两侧，构成一个独立的系统（即传感器1），用操纵臂3承载。用两个摄象机可以显著地减少获取三维外形所需的时间，但对本发明而言这并非是实质性的，传感器只用一个摄象机也是可以的。

传感器通过执行一次扫描来获取工件的整个外形。在所示的这个例子中，这扫描是通过使操纵臂3在垂直片状波束平面的方向（如箭头6所示）移动实现的平移扫描。通常每秒前进二至三步，每步的步长在0.1毫米至0.5毫米的量级，视所要求的获取精度而定。象元的大小通常为50×50（微米），通过电子平滑能够减小到20×20（微米）。

当然，也可以通过移动工件而使传感器位置保持固定来实现传感器工件之间的相对运动，或者通过平移和旋转组合运动来实现扫描。

本发明非常在意解决各种光学问题，特别是当传感器非常接近工件时，亦即当有效场7的深度d（图2）与传感器和工件之间的最小距离x的比值d/x较高时所发生的场深问题。下面将可以看到这个比值d/x能大大超过1，然而在直至目前所采用的现有技术中，这个值大致为0.1至0.2。

图3和4示出了光匣100的结构，而图4只示出了与形成光束有关的光学器件。

光匣主要有一个激光源110（如激光二极管），用来辐射出一个窄的柱形可见光平行光束，其标称功率大致为3毫瓦。投射到柱面透镜120上的窄柱形光束被变换成一个扁平光束（见图4）。安装在光匣内的装置111沿两个成正交的轴调整激光源110的精确位置，使激光源110精确定位到光斑正落在柱面透镜120的中心。柱面透镜120是一个可绕其光轴旋转作精细调整（调整量为±5°或±10°左右）的装置，对经展宽的光束（片状光束）相对其轴的倾斜度予以调整。

光束从反射镜130反射，射向光学系统140。光学系统140使光束的光学路径增长，下面将详细加以说明。

光学系统140有一个可调反射镜141，它将由上述光学器件产生的片状光束折向由两个平行的反射镜142、143组成的反射镜组中的第一反射镜142。根据众所周知的“平行反射镜”现象，光束被来回反射了好几次，这就增加了光束的路径长度，同时也逐渐增加了光束的宽度，如图4所示。在图4中，虚线所示为片状光束的中心，两片状波束只在来回反射的开始和终了处画出，这样图面就比较清晰。

在最后一次反射后，反射镜144将光束折向窗口150。光束穿过窗口150投射到需要扫描的物体上。

可调反射镜141通过改变光束首次投射到反射镜142上的入射角来改变相继来回反射的次数。通常，该系统调整到至少能相继反射四次，虽然这个数目并不是对本发明有所限制。

反射镜144对从光匣射出的光束的垂直度进行调整。

顺便要说明的是，片状光束完全是静止地产生的，一点也不需要移动反射镜或其它有关构件，这有许多优点，消除了对操作人员的威胁（光能散布在较宽的光束内，而不是集中在一个高强度的移动光点上），没有容易损坏的机械零件，不需要同步，精度很高（不受振动影响，脱离调整的零件）等等。

光匣中所使用的各个反射镜当然都是经光学级校正的反射镜，而光匣是密封的，以防光束所经过的路径上出现灰尘和烟雾。

在一个已经完成的实际实施例中，光匣为70×85×140（毫米），离工件的距离x＝100毫米，所产生的激光场深d＝150毫米（均使用图2中的标记）。而得到的如图2所示的梯形场7的短边为65毫米，长边为95毫米。由于光学路径的增长而形成的虚拟光学距离大致为1米，这就是所调整的激光束焦点的焦距。精确的焦点位置接近于梯形场的下三分之一处，这样在场的开始部分和终止部分，光束厚度近似相同，为0.3毫米左右，而在焦点处，则减小到0.2毫米。因此，尽管该传感器离物体的机械距离很短，而激光束又很宽，但场深却是十分令人满意的。

下面将说明传感器的检测部件。

图5示出了检测器200的内部结构。检测器200有一个入口窗210，通过这个窗可以直接看到投射到工件2上的激光束所产生的亮迹。这条亮迹的图象通过反射镜221、222输入到分析组件230。分析组件230将图象变换成一个数字化的电子信号，经电路240处理后通过连接电缆250送至电子数据处理系统，进行处理和复现这个图象。每个检测器的各向尺寸例如为100×100×70（毫米）。

图6较为详细地示出了组件230的结构。组件230主要有一个包括一个透镜、一个光圈和一个滤光镜的物镜系统231，安装在一个诸如电荷耦合器件（CCD）那样的光电成象装置232的前面。通过使物镜系统231在其套筒233内平移运动（如箭头234所示）来调整聚焦。

CCD（或其它成象装置）可以围绕与光轴△垂直的轴235俯仰运动，这个俯仰运动如箭头236所示。

如图7所示，这个可俯仰运动的装置能够补偿由于传感器与物体距离很近而造成的聚焦不良。物体上处于相同水平标高的两点A和B形成的象分别为A′和B′，较远的点A形成的象A′落在传感器的正常焦平面P（即与光轴△垂直的焦平面）的前面，而较近的点B形成的象B则落在这个焦平面P的后面。

俯仰装置的作用就是通过使CCD倾斜到含有点A′和B′的平面P′来补偿这种异常情况。这种补偿的效果是增加了光学系统的总场深，因为相应的聚焦不良情况得到了补偿。

如果光轴与垂直线的夹角α（见图1和图7）为45°，则最佳倾斜角β大约为7°，这个值取决于透镜、CCD的长短、场的深浅和其它一些参数。

图8至图10示出本发明在分析CCD232所提供的信号方面的一些情况。

图8示出了在两个同步脉冲之间（相应于CCD的扫描行）所产生的模拟视频信号V（t），其幅度随所接收到的光能量而变化。因此这个信号表示了激光束的亮迹。

图9所示的电路作用是确定激光亮迹相对行起始的位置，也就是表示亮迹的能量峰值的位置（换句话说，表示在视频信号的行同步脉冲后所经过的时间的值α）。问题是，由于光束投射到工件并非垂直、散射现象、各种干扰等等，实际上亮迹不是呈尖峰形，而是有些展宽。

业已推出了各种清楚地确定亮迹位置的技术。

例如，有一种技术是：设定一个门限T，而将亮迹的位置定为两次穿越门限（一次正向，一次反向）的时间的平均值。然而这种技术假设信号的展宽或多或少是对称的，由于这种技术要求门限高度可变，因此实施非常困难。

另一种技术是：对视步信号进行微分，而将亮迹的位置定为经微分后的信号的符号发生改变的那一点。与以上的技术一样，这种技术也有假设信号展宽基本对称的缺点，此外还有所有涉及微分处理的信号处理所固有的缺点，噪声和各种干扰的影响大大增加了。

本发明提出使用的技术的实质是：通过对视频信号的积分，将亮迹位置定为视频信号能量的中点，也就是面积S₁和S₂相等的那个位置（见图10a）。

这种技术的第一个优点是：由于采用了积分处理，这种技术具有很强的抗干扰性能。

此外，这种技术可以采用如图9所示的极为简单的模拟电子电路来实现。

这个电路主要有一个积分级241，视频信号V（t）（见图10a）加到这个积分级的输入端，而在其输出端即可得到一个经积分的信号S（t）＝∫V（t）dt（积分器由视频信号行同步脉冲复位）。

信号S（t）加到两个独立的支路242和243上。支路242是一个简单的分压器，其输出信号S（t）/2的幅度为信号S（t）的幅度的一半。支路243有一条使信号S（t）延迟时间τ的延迟线，因此该支路的输出信号为信号S（t-τ）。两个这样得到的信号分别示于图10b和图10c。这两个信号分别加到比较器244的两个输入端，一旦S（t）/2＝S（t-τ），亦即面积S₁和S₂相等，比较器244立即改变状态。图10d示出了比较器244输出端上的信号∑（t）。

延迟线243的延迟时间τ至少要选择为等于表示激光亮迹的视频信号的可能出现的最宽宽度，也就是说必需根据可预见到的亮迹最大展宽来选择延迟时间τ，通常取为50毫微秒至100毫微秒就能得到满意的结果。

也可以采用数字技术来实现这种处理，这将在下面结合图11和图12加以说明。

在数字处理的情况下，模拟视频信号V（t）（例如，如图11a所示）首先由模数变换器245数字化。变换器245可以安装在传感器内（改善抗噪性能），或者甚至可以就安装在摄象机内，形成一个具有直接数字输出的部件。

所得到的数字信号Bi（t）（如图11b所示），对于每一视频行来说，是一列相继的数字化采样值Bi（通常为8位）。第一个非零采样为第P次采样，而最后一个非零采样为第Q次采样。所执行的处理是：确定与视频信号能量中点（即面积S₁和S₂在数字化后相等的那一点）对应的那次采样（图11b中示为第M次采样），和确定这个能量中点在这次采样中的位置（即图11b中所示的值m，其范围在0至1之间）。

值m的确定方法如下。

总能量∑，即图11b中的阴影区Ⅰ至Ⅳ的面积，为：

$\mathrm{\sum =}\underset{P}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i.$

如果能量中点是在第M次采样上（其中：P≤M≤Q），则等式表示了区域Ⅰ+Ⅱ的面积等于区域Ⅲ+Ⅳ的面积。这个等式可以改写成：

$\underset{P}{\overset{\mathrm{M\; -1}}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i\mathrm{+m.B}{}_M\mathrm{=(1-m).B}{}_M+\underset{\mathrm{M+1}}{\overset{Q}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i$

${\mathrm{m.B}}_M\mathrm{=\sum /2-}\underset{P}{\overset{\mathrm{M-1}}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i$

从而确定了值m。

变换器245输出端上的数字信号Bi加到一个由实时加法器构成的累加器241（其功能与模拟实施例中标号相同的积分级的功能类似）上，其输出信号是一个随时间增长的能量信号∑（与模拟实施例中图10b所示信号类似）。应该注意，只有在接收到一个非零采样时才开始进行一系列操作，也就是说当变换器245的输出端上出现第P次采样时才起动触发控制该电路的各数字级定时的时序电路246。

累加器241输出端上的能量信号∑加到除2的除法器242和构成延迟级的移位寄存器243。除法器242输出信号∑/2（在本数字实施例中，除2是用在移一位来实现的，十分简单，因此可用简单的适当硬件实施）。移位寄存器的容量至少要选得等于可能遇到的视频亮迹象元的最大数目，以免可能出现饱和。

除法器242的输出和移位寄存器243的输出分别加到作为比较器使用的减法器电路244的两个输入端，一旦相减结果变为负数，立即有：

${\mathrm{m.B}}_M\mathrm{>\sum /2-}\underset{P}{\overset{\mathrm{M-1}}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i$

也就是立即通过能量中点。

换句话说，在这个时间（相对由移位寄存器243所产生的最近时间延迟）现行采样就是第M次采样。

这个状态变化由一个状态位S检测，状态位S的翻转表明在减法器244的输出端上有符合要求的值

$\mathrm{\sum /2-}\underset{P}{\overset{\mathrm{M-1}}{\mathrm{\Σ}}}{B}_i$

由方程（1）可见，这个值就是值m·B_M。

可以从其它地方得到值B_M，例如从移位寄存器248的输出端上得到。移位寄存器248具有与移位寄存器243相同的容量，在输入端接收相继的采样Bi。

从乘积m·B_M得到所需值m（另一个所需值M，也就是含有能量中点的采样的序号，由时序电路246的计数逻辑直接得出）不采用数字除法求解，因为这种求解实时实现既困难，成本又高，而是利用一个具有64K字节的存储器247来实现。存储器247含有216个m的可能值，每个可能值都编成1个字节的代码，既是m·B_M的函数，又是B_M的函数。数据m·B_M都是一个字节的代码，分别加到存储器247的地址输入端A₁和A₂。

当电路244改变状态时，该电路输出端上的值m·B_M加到输入端A₁，而值B_M加到输入端A₂，从而在数据输出端D上立即直接得到所需值m。

可以看出，采用这种独特方式构成的电路能够以相当高的精度（大致为一个分辨象元的十分之一、甚至更高一些）实时计算出视频信号能量中点的位置。

Claims (6)

1、一种三维外形光学传感器，所述传感器具有一个激光源，可用来产生一个照射一个物体表面的扯状平面光束，使得在该物体表面上产生一条曲线亮迹，至少有一个电视摄象机对这条亮迹进行扫描，从而得到变换成数字数据在表示象元坐标的信息，所述传感器的特征是：所述传感器有一个安装在可以配置在需要扫描的物体上方的一个短距离上的公共外壳中的光匣，所述光匣包括：

用来产生一个平行直线光束的激光源；

将所述平行直线光束变换成一个片状平面光束的光学装置；以及

增长所述光束的光学路径的装置，该装置有两个固定成面对面的平面反射镜，以便在一个光束入口转辙器和一个光束出口转辙器之间引起多次反射；

因此外壳与物体之间很小的机械距离被一个虚拟的光学距离所补偿，从而相应地增加了从外壳出口处射出的片状平面光束可用区域的场深。

2、一种按权利要求1所提出的传感器，其特征是：其中所述入口转辙器和出口转辙器都是用来调整光束投射角以改变在两个面对面的反射镜之间的反射次数的光学装置。

3、一种按权利要求1所提出的传感器，其特征是：其中所述将直线光束变换成一个片状平面光束的光学装置是固定不动的装置。

4、一种按权利要求1所提出的传感器，其特征是：所述传感器还有至少一个与所述光匣邻接的检测器组件，所述检测器组件配有一个光电图象分析装置和安装在所述图象分析装置前面的物镜装置。

5、一种按权利要求4所提出的传感器，其特征是：所述传感器还有使所述图象分析装置相对物镜装置倾斜的装置。

6、一种按权利要求4所提出的传感器，其特征是：所述传感器还有一个电子电路，用来提取表示在由图象分析装置形成的每一图象行上激光束亮迹位置的数据，所述电路包括：

一个积分级，该级在其输入端接收一个表示所接收的亮度、随后受扫描行上的位置变化的电信号，而在其输出端输出一个表示所接收的积累光能的递增信号;

一个除法级，该级在其输入端接收由积分级送来的能量信号;

一个时间延迟级，该级在其输入端接收由积分级送来的能量信号;以及

一个比较级，该级在其两个输入端分别接收除法级和时间延迟级的输出信号，该级的状态的改变确定了在这个图象行上激光束亮迹中点的位置。

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