MX2014005207A - Dispositivo y metodo para la medicion tridimensional simultanea de superficies con varias longitudes de onda. - Google Patents

Dispositivo y metodo para la medicion tridimensional simultanea de superficies con varias longitudes de onda.

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Abstract

La invención se refiera a un aparato para la medición tridimensional de un objeto comprende un sistema de proyección para proyectar un patrón sobre una superficie por medio de radiación electromagnética que tenga por lo menos dos diferentes longitudes de onda o por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda; y un sistema detector para detectar el patrón proyectado a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda; la invención se refiere además a un método para la medición tridimensional de un objeto.

Description

DISPOSITIVO Y MÉTODO PARA LA MEDICIÓN TRIDIMENSIONAL SIMULTÁNEA DE SUPERFICIES CON VARIAS LONGITUDES DE ONDA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un dispositivo y a un método para la medición tridimensional de objetos por medio de un método topométrico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Se conoce adecuadamente la medición tridimensional de superficies de objetos por medio de sensores ópticos de triangulación de acuerdo con el principio de topometría. Por ejemplo, se proyectan diferentes patrones de franjas sobre el objeto a medir, son observadas por una o más cámaras y son evaluadas subsiguientemente por una computadora. Los métodos de evaluación son, por ejemplo, el método de desplazamiento de fase, el planteamiento ligero codificado o el método heterodino.
El proyector proyecta, sucesivamente en el tiempo, patrones de franjas paralelas claras y oscuras, de ancho idéntico o diferente, sobre el objeto de medición. Además, se usan métodos que implican patrones aleatorios. El patrón de franjas proyectado se deforma según la configuración del objeto y la dirección visual. La cámara, respectivamente, las cámaras registran el patrón de franjas proyectado a un ángulo de visión conocido en relación con la dirección de proyección. Cada cámara toma una imagen para cada patrón de proyección. Para la evaluación de las mediciones, por ejemplo, línea (el borde) límite entre una franja clara y una oscura es pertinente. Con patrones aleatorios se realiza la evaluación sobre la base de las superficies proyectadas, y en los métodos de desplazamiento de fase se evalúa la distribución de intensidades.
Para permitir la medición del objeto completo se mueve el patrón a través del objeto (exploración). Así, se crea una secuencia en el tiempo de diferentes valores de brillantez para cada punto de imagen de todas las cámaras. Las coordenadas de imagen para un punto de objeto son conocidas en la imagen de cámara. Se puede calcular el número de la franja a partir de la secuencia de los valores de brillantez que se hayan medido de la secuencia de imágenes para cada punto de imagen de cámara. En el caso más simple se efectúa esto mediante un código binario (v.gr. un código Gray) el cual distingue el número de la franja como una coordenada discreta en el proyector. Se puede lograr mayor precisión con el llamado método de desplazamiento de fase el cual es capaz de determinar una coordenada no discreta. Se determina la posición de fase de una señal modulada mediante mediciones de intensidad punto por punto. La posición de fase de la señal es desplazada por lo menos dos veces por un valor conocido, mientras que la intensidad es medida en un punto. Se puede calcular la posición de fase a partir de tres o más valores. Se puede usar el método de desplazamiento de fase ya sea para complementar un código Gray, o un método heterodino de medición absoluta (con varias longitudes de onda).
Se describen con detalle las bases y las aplicaciones prácticas de tales métodos topométricos de medición, por ejemplo, en Bernd Breuckmann: "Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis", 1993, Franzis-Verlag GmbH, Munich.
En la mayoría de los casos, sin embargo, los objetos técnicamente pertinentes constan de varias superficies. Los métodos de medición que se aplican deberían cubrir la superficie total con una calidad comparable. Dependiendo de la longitud de onda y el método hay superficies que son cooperativas y superficies que no son cooperativas, de modo que es consecuentemente imposible lograr una calidad uniforme para todo el objeto, respectivamente, la medición es incierta.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En vista de las desventajas de la técnica anterior, la invención se basa en el problema para vencer estas desventajas. Mediante la presente invención se describe un método y se expone un aparato, los cuales crean condiciones cooperativas para las diferentes superficies haciendo uso de varías longitudes de onda.
Se resuelve el problema mencionado mediante el aparato de conformidad con la reivindicación 1 y mediante el método de conformidad con la reivindicación 9.
El aparato de acuerdo con la invención para la medición tridimensional de un objeto comprende un sistema de proyección para proyectar un patrón sobre una superficie por medio de radiación electromagnética que tenga por lo menos dos diferentes longitudes de onda o por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda; y un sistema detector para detectar el patrón proyectado a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda. Algunos ejemplos de intervalos de longitudes de onda ventajosamente aplicados son luz ultravioleta (UV), luz visible y/o luz infrarroja (IR). El uso simultáneo de luz que tenga por lo menos dos diferentes longitudes de onda o intervalos de longitudes de onda permite la detección de materiales que no son, por ejemplo, cooperativos para una de las longitudes de onda usadas por medio de la otra longitud de onda. Cooperativo implica en este sentido que si se absorbe el patrón de calor aplicado a la superficie por proyección, una porción sustancial de la radiación que incide se absorbe para ser radiada de nuevo como radiación calorífica. En contraste con esto el significado de cooperativo, en el casa de las mediciones de reflexión, es que una gran porción de la radiación incidente se refleja difusamente sin absorberse. El uso de por lo menos dos diferentes longitudes de onda o por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda produce además una buena separación de la radiación detectada por el sistema detector para la detección simultánea del patrón proyectado de acuerdo con las longitudes de onda.
Según se requiera, se pueden usar dos, tres, cuatro o cinco, o incluso más de cinco diferentes longitudes de onda o intervalos de longitudes de onda. En el caso de un uso simultáneo de luz que tenga por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda, estos intervalos preferiblemente no se traslapan en realidad, sino que son enteramente diferentes/separados uno de otro, de modo que se obtiene una separación completa de la información de superficie con respecto a las dos diferentes longitudes de onda.
De acuerdo con una modalidad del aparato de acuerdo con la invención, el sistema detector puede estar configurado para la detección simultánea o para la detección sucesiva del patrón proyectado a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o a las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda.
De acuerdo con un desarrollo adicional del aparato de acuerdo con la invención, el sistema de proyección puede comprender por lo menos dos fuentes de radiación para generar la radiación a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o a los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda, en particular por lo menos dos láseres que tengan diferente longitud de onda de radiación. Por lo tanto, es posible generar la radiación con la respectiva longitud de onda independientemente una de otra, de modo que la posición de la misma es independientemente determinable. Asimismo, por ejemplo, no se tienen que usar filtros lustrosos de color. Si se usan fuentes de luz láser, se obtienen altas intensidades de radiación a la respectiva longitud de onda. Algunos ejemplos ventajosos de fuentes de radiación son, en este contexto, fuentes de luz láser, pero se pueden usar también otras fuentes de luz, tales como LED, lámparas de descarga de deuterio, lámparas de descarga de gas de alta presión y lámparas de descarga de gas de muy alta presión.
De acuerdo con otro desarrollo adicional, el sistema de proyección puede comprender un combinador de longitudes de onda y/o un sistema óptico guiador de haces y/o medios para mover el patrón proyectado en relación con la superficie. Un combinador de longitudes de onda permite la generación de un haz luminoso que contenga las porciones de las por lo menos dos fuentes de radiaciones (con dos o más colores), que puedan ser pasadas luego en el sistema óptico guiador de haces. Se puede detectar luego el haz luminoso, por ejemplo, a una pantalla que tenga el patrón a proyectar (v.gr. un patrón de franjas). Los medios para mover el patrón proyectado en relación con la superficie mueven el patrón a través del objeto, respectivamente, la superficie del objeto a detectar (exploración) para rastrear diferentes regiones de la superficie.
De acuerdo con otro desarrollo adicional las por lo menos dos fuentes de radiación pueden comprender respectivos elementos de ajuste para ajustar individualmente la respectiva intensidad de radiación. Este desarrollo adicional permite la adaptación de las intensidades de radiación a las respectivas condiciones de los materiales, por ejemplo, para lograr una distribución de brillantez tan homogénea como sea posible de la radiación retro-dispersada de la superficie a las diferentes longitudes de onda si el objeto está formado de diferentes materiales.
De acuerdo con otro desarrollo adicional, el sistema detector comprende una cámara o un grupo de cámaras para cada longitud de onda o cada intervalo de longitudes de onda, en donde, si se provee un grupo de cámaras, se proveen respectivamente en particular diferentes direcciones de detección con respecto a la superficie. Por lo tanto, se pueden detectar las diferentes longitudes de onda independientemente una de otra y se puede optimizar la sensibilidad de cada cámara con respecto a la respectiva longitud de onda. Además, el uso de varias cámaras para cierta longitud de onda permite la detección simultánea de la superficie a varios ángulos de triangulación.
En una modalidad, se puede usar una cámara que sea sensible a diferentes longitudes de onda, v.gr. una cámara RGB junto con láseres/diodos rojos, verdes y azules como fuentes de radiación.
De acuerdo con otro desarrollo adicional, las longitudes de onda o los intervalos de longitudes de onda se encuentran en el intervalo espectral ultravioleta, óptico y/o e infrarrojo. Mediante la extensión de las longitudes de onda usadas al intervalo infrarrojo, también es posible medir, por ejemplo, combinaciones de materiales, incluyendo vidrio, por medio del método de triangulación.
De acuerdo con otro desarrollo adicional, el respectivo patrón es un patrón de franjas que se genera en particular mediante una correspondiente pantalla de secciones transparentes y no transparentes en el sistema de proyección. Esto constituye una forma de patrón que es particularmente fácil de medir y evaluar. Alternativamente, se puede generar también el patrón mediante un microcircuito DLP (Digital Light Processing - procesamiento digital de luz).
De acuerdo con otro desarrollo adicional, el aparato puede comprender además un dispositivo de evaluación para generar datos de superficie tridimensionales selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el sistema detector de acuerdo con el método de triangulación y para intercalar los datos selectivos de longitudes de onda; o un dispositivo de evaluación para intercalar datos selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el sistema detector y para generar datos de superficie tridimensionales de acuerdo con el método de triangulación. Dependiendo de la alternativa utilizada, por lo tanto, se generan primero datos de superficie tridimensionales selectivos de longitudes de onda, los cuales se intercalan luego o, viceversa, se intercalan primero los datos selectivos de longitudes de onda y se generan luego los datos de superficie tridimensionales.
Se resuelve además el problema mencionado anteriormente mediante el método de acuerdo con la invención para la detección tridimensional de una superficie, que comprende los pasos de: proyectar un patrón sobre una superficie por medio de radiación electromagnética que tiene por lo menos dos diferentes longitudes de onda o por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda; y simultáneamente detectar el patrón proyectado a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o a las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda. Las ventajas del aparato de acuerdo con la invención y los desarrollos adicionales del mismo aplican correspondientemente al método y a los desarrollos adicionales descritos adelante.
De acuerdo con un desarrollo adicional del método de acuerdo con la invención, el paso adicional de proyectar el patrón puede ser realizado por lo menos por dos fuentes de radiación para generar la radiación a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o a los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda, en particular por lo menos por dos láseres que tengan diferente longitud de onda de radiación. Como ya se explicó anteriormente, también se pueden usar ventajosamente otras fuentes de radiación.
Otro desarrollo adicional es que se lleva a cabo el paso adicional de combinar la radiación que tiene diferentes longitudes de onda y/o guiar la radiación y/o mover el patrón proyectado en relación con la superficie.
Oe acuerdo con otro desarrollo adicional, el método comprende el paso adicional de ajusfar individualmente la respectiva intensidad de radiación de las por lo menos dos fuentes de radiación.
De acuerdo con otro desarrollo adicional, el respectivo patrón puede ser un patrón de franjas que se genera en particular mediante una correspondiente pantalla de secciones transparentes y no transparentes en el sistema de proyección.
Otro desarrollo adicional comprende el paso adicional de generar datos de superficie tridimensionales selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el sistema detector de acuerdo con el método de triangulación e intercalar los datos selectivos de longitudes de onda; o de intercalar datos selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el sistema detector y se puede llevar a cabo las generación de datos de superficie tridimensionales de acuerdo con el método de triangulación.
Se pueden aplicar los varios desarrollos adicionales independientemente uno de otro, o se pueden combinar uno con otro.
Se describirán a continuación modalidades preferidas adicionales de la invención con referencia a los dibujos.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra una primera modalidad del aparato de acuerdo con la invención.
La figura 2 muestra una segunda modalidad del aparato de acuerdo con la invención.
La figura 3 ilustra el método de acuerdo con la invención en relación con el aparato de acuerdo con la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Mediante la presente invención se describe un método y se expone un aparato, los cuales crean condiciones cooperativas para las diferentes superficies haciendo uso de varias longitudes de onda. La invención se refiere a un método y a un dispositivo para la detección 3D de superficies por medio de un método óptico de medición de superficies. Se genera simultáneamente una iluminación estructurada con varias longitudes de onda y se detecta selectivamente en cuanto a longitudes de onda a un ángulo de triangulación.
La figura 1 muestra una primera modalidad del aparato de acuerdo con la invención.
El aparato 100 para la medición tridimensional de una superficie 110 comprende un sistema de proyección 120 para proyectar un patrón 140 sobre la superficie 110 por medio de radiación electromagnética. La radiación en esta modalidad es generada, por ejemplo, por dos lámparas 121 , 122. La lámpara 121 radia radiación en un primer intervalo de longitudes de onda, y la lámpara 122 radia radiación en un segundo intervalo de longitudes de onda. El primero y el segundo intervalo de longitudes de onda son diferentes uno de otro. Preferiblemente, los intervalos están enteramente separados. Además, se provee un sistema detector 130 para la detección simultánea del patrón proyectado 140 a dos diferentes longitudes de onda respectivas de las por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda.
Por ejemplo, la primera lámpara 121 puede radiar en el intervalo espectral rojo, y la segunda lámpara 122 puede radiar en el intervalo espectral azul. Las lámpara pueden comprender, por ejemplo, varios LED con las correspondientes longitudes de onda de radiación, respectivamente, el intervalo de longitudes de onda de radiación. El sistema detector 130 consiste en esta modalidad, por ejemplo, en una cámara digital con un microcircuito sensor que es sensible a las dos diferentes longitudes de onda / intervalos de longitudes de onda. Por ejemplo, el microcircuito sensor puede ser un llamado sensor Bayer que tenga un patrón Bayer y, por lo tanto, que pueda detectar separadamente en particular luz roja y azul con los respectivos pixeles de colores filtrados.
La figura 2 muestra una segunda modalidad del aparato de acuerdo con la invención para la detección tridimensional de una superficie. Los correspondientes números de referencia en la figura 1 y la figura 2 denotan elementos similares. Simplemente el dígito de los cientos se incrementa de 1 a 2.
Al contrario de la primera modalidad de acuerdo con la figura 1 , la segunda modalidad incluye una tercera fuente de luz 223 que radia luz que tiene una tercera longitud de onda que es diferente de la primera y la segunda longitudes de onda. Las fuentes de luz pueden ser, por ejemplo, láseres con tres diferentes longitudes de onda de radiación. El aparato comprende además un sistema óptico guiador de haces 250, el cual dirige la luz de las diferentes fuentes de luz combinadas sobre el patrón 240. Asimismo, se proveen tres cámaras 231 , 232, 233 en esta modalidad, cada una siendo sensible a una de las tres longitudes de onda radiadas.
La figura 3 ilustra el método de acuerdo con la invención en relación con el aparato de acuerdo con la invención. Los correspondientes números de referencia denotan elementos similares. Simplemente el dígito de los cientos se incrementa a 3.
Las fuentes de radiación 321 , 322, 323 generan radiación, cada una de diferente longitud de onda. En el combinador de longitudes de onda 360 estas longitudes de onda se combinan en un fascículo de radiación. El sistema óptico guiador de haces y conformador de haces guía el fascículo de radiación sobre el patrón a proyectar (respectivamente, la pantalla que tiene el patrón). Allí, se genera y se dirige el patrón proyectado con las tres diferentes longitudes de onda a la superficie del tridimensional objeto a detectar. El patrón proyectado de diferentes longitudes de onda es esparcido por la superficie y detectado por los detectores 331 , 332, 333, cada uno siendo sensible a la respectiva longitud de onda. Con base en los datos detectados, se generan luego los datos de superficie tridimensionales selectivos de longitudes de onda a partir del patrón proyectado detectado por el sistema detector de acuerdo con el método de triangulación y se intercalan los datos selectivos de longitudes de onda.
Alternativamente, es posible intercalar datos selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el detector en primer lugar, y generar datos de superficie tridimensionales de acuerdo con el método de triangulación subsiguientemente.
En particular, el sistema óptico guiador de haces puede comprender también medios para mover el patrón a través de la superficie, lo cual permite llevar a cabo una exploración.
En pocas palabras, el sistema entero puede incluir las siguientes características. El detector de una respectiva longitud de onda puede ser una sola cámara o un grupo de cámaras (dos o más). La determinación 3D se realiza por triangulación. La detección de puntos con respecto a las diferentes longitudes de onda se lleva a cabo simultáneamente. Por lo tanto, es posible superar las desventajas de las longitudes de onda individuales. También se lleva a cabo simultáneamente una calibración del sistema. Una exploración simultánea efectúa condiciones idénticas y, por lo tanto, una simple fusión de datos. La detección simultánea produce beneficios significativos en tiempo. Una coincidencia automática (correspondencia exacta) de diferentes vistas se simplifica claramente ya que las características son más fáciles de identificar a diferentes longitudes de onda. Si se mueve el patrón a través de la superficie, la detección de los patrones con respecto a las áreas de proyección es, desde luego, consecutiva en términos de tiempo.

Claims (15)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES
1. Un aparato para la detección tridimensional de una superficie, que comprende: un sistema de proyección para proyectar un patrón sobre una superficie por medio de radiación electromagnética que tiene por lo menos dos diferentes longitudes de onda o por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda, preferiblemente separados; y un sistema detector para detectar el patrón proyectado en las por lo menos dos diferentes longitud de onda o en las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda.
2. El aparato de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el sistema de proyección comprende por lo menos dos fuentes de radiación para generar la radiación a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o a los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda, en particular por lo menos dos láseres que tengan diferente longitud de onda de radiación.
3. El aparato de conformidad con la reivindicación 1 o 2, caracterizado además porque el sistema de proyección comprende un combinador de longitudes de onda y/o un sistema óptico guiador de haces y/o medios para mover el patrón proyectado en relación con la superficie.
4. El aparato de conformidad con la reivindicación 2, o la reivindicación 3 en combinación con la reivindicación 2, caracterizado además porque las por lo menos dos fuentes de radiación comprende respectivos elementos de ajuste para ajustar individualmente la respectiva intensidad de radiación.
5. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el sistema detector comprende una cámara o un grupo de cámaras para cada longitud de onda o cada intervalo de longitudes de onda, en donde, si se provee un grupo de cámaras, se proveen respectivamente en particular diferentes direcciones de detección con respecto a la superficie.
6. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque las longitudes de onda o los intervalos de longitudes de onda se encuentran en el intervalo espectral ultravioleta, óptico y/o e infrarrojo.
7. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el respectivo patrón es un patrón de franjas que se genera en particular mediante una correspondiente pantalla de secciones transparentes y no transparentes en el sistema de proyección.
8. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque comprende adicionalmente: un dispositivo de evaluación para generar datos de superficie tridimensionales selectivos de longitudes de onda a partir del patrón proyectado detectado por el sistema detector de acuerdo con el método de triangulación y para intercalar los datos selectivos de longitudes de onda; o un dispositivo de evaluación para intercalar datos selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el sistema detector y para generar datos de superficie tridimensionales de acuerdo con el método de triangulación.
9. El aparato de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado además porque el sistema detector está configurado para la detección simultánea o para la detección sucesiva del patrón proyectado a las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o a las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda.
10. Un método para la detección tridimensional de una superficie, que comprende los pasos de: proyectar un patrón sobre una superficie por medio de radiación electromagnética que tiene por lo menos dos diferentes longitudes de onda o por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda; detectar simultáneamente el patrón proyectado en las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o en las por lo menos dos diferentes respectivas longitudes de onda de los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda.
11. El método de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque comprende el paso adicional de: proyectar el patrón por lo menos mediante dos fuentes de radiación para generar la radiación en las por lo menos dos diferentes longitudes de onda o en los por lo menos dos diferentes intervalos de longitudes de onda, en particular mediante por lo menos dos láseres que tengan diferente longitud de onda de radiación.
12. El método de conformidad con la reivindicación 10 u 11 , caracterizado además porque comprende el paso adicional de: combinar la radiación que tiene diferentes longitudes de onda y/o guiar la radiación y/o mover el patrón proyectado en relación con la superficie.
13. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 10 a 12, caracterizado además porque comprende el paso adicional de: ajustar individualmente la respectiva intensidad de radiación de las por lo menos dos fuentes de radiación.
14. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 10 a 13, caracterizado además porque el respectivo patrón es un patrón de franjas que se genera en particular mediante una correspondiente pantalla de secciones transparentes y no transparentes en el sistema de proyección.
15. El método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones precedentes 10 a 14, caracterizado además porque comprende el paso adicional de: generar datos de superficie tridimensionales selectivos de longitudes de onda a partir del patrón proyectado detectado por el sistema detector de acuerdo con el método de triangulación e intercalar los datos selectivos de longitudes de onda; o intercalar datos selectivos de longitudes de onda del patrón proyectado detectado por el sistema detector y generar datos de superficie tridimensionales de acuerdo con el método de triangulación.
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