用于光学地形状检测和/或检查物体的方法和设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于光学地形状检测和/或检查物体的方 法，以及一种根据权利要求9所述的用于光学地形状检测和/或检查物体的设备。特别地，根 据本发明的方法和根据本发明的设备适用于形状检测和/或检查具有光学粗糙表面和/或 具有光泽表面直到光学光滑表面的物体。
【背景技术】
[0002] 用于光学地形状检测物体的设备和方法是已知的。存在许多测量原理，利用这些 测量原理可以在光学途径上检测出物体的三维形状。
[0003] ?三角测量法：
[0004] 激光切割方法
[0005] 条纹投影法
[0006] 立体方法
[0007] 摄影测量法
[0008] 光度立体法和"明暗成形法(英文:shape from shading)"
[0009] 光度偏转测量法 [0010]其他的偏转测量法
[0011] #干涉法：
[0012] 激光干涉法 [0013]白光干涉法
[0014] 全息摄影法
[0015] 籲运行时间法：
[0016]光源的尚频调制
[0017] 光学粗糙表面定义为，它们具有明显高于可见光波长(大致0.5微米)的粗糙度，而 光学光滑表面具有远低于该波长的粗糙度。由于这种特性，光学粗糙表面表现出光的不定 向的扩散式散射。对此的例子是纸、粉笔、毛玻璃等。与之相反，光学光滑表面以定向方式反 射或透射入射光。这些光学光滑表面能够产生其周围环境的光学映像。作为示例可以提到 的是平面的或成拱形的反射镜和抛光的金属和玻璃表面(透镜）。
[0018] 此外，以概念"光泽"来说明如下的表面，这些表面的光学粗糙度处于光学粗糙表 面和光学光滑表面之间的过渡区域中。
[0019] 光学粗糙表面、光泽表面和光学光滑表面均在技术上具有高度的重要性。
[0020] 对于光学粗糙表面而言，存在很多种光学3D传感器。最广泛使用的方法中的一种 方法是基于条纹图案的投影。图案从一个方向投影并从另一方向通过相机观察。对于相机 而言，这些条纹根据观察到的物体的形状的不同而表现出或多或少地变形。由条纹的变形 可以反推出物体的形状。
[0021] 对于光泽表面，特别适用的是光度偏转测量的方法(EP 1 567 827 Al)。
[0022] 同样地对于光学光滑表面而言已知多个能够实现形状检测的方法。为了测试简单 的表面形状，例如平面的或球形的面(透镜、反射镜等），主要使用干涉测量的方法。在复杂 成形的面、例如非球面的情况下使用哈特曼法和夏克哈特曼测试。在此，人们观察细的射线 束通过待测量物体的偏向。其他方法观察在物体表面上反射或透射的光栅图案或条纹图 案。根据物体表面的形状的不同，光栅或条纹或多或少表现出变形。为了分析所述光栅图案 何种程度地变形，可以在观察中使用第二光栅。这里，特别谈到的是闪光法（Moirge-Verfahren)。所有这些前面提到的方法可以总结为偏转测量方法。对它们来说共同的是:这 些偏转测量方法确定射线转向并从中推断出表面的形状。偏转测量方法基于反射定律或折 射定律，所述定律描述了入射射线、表面法线和反射或透射射线之间的关系。
[0023] 迄今为止，还无法仅利用一个设备或者说一种方法来进行光学粗糙物体、光泽物 体和光学光滑物体的形状检测和/或检查。一个在技术上重要的例子是在汽车制造中的涂 漆构件、特别是车身涂漆表面的监控。根据漆的类型的不同，在这里出现从扩散式散射(光 学粗糙表面)经过光泽部分直到镜面反射部分。
【发明内容】
[0024] 因此，本发明的目的在于提出一种方法和一种设备，它们同样地适用于具有光学 粗糙表面、光泽表面或光学光滑表面的物体的形状检测和/或检查。所述方法和所述设备特 别适用于在技术上特别重要的光泽表面和光学光滑表面。
[0025] 该目的通过提供具有权利要求1的步骤的方法来解决。在此情况下，至少一个相 机、至少一个线形照明元件和物体相对于彼此布置为，使得物体表面、即所述物体的表面可 以由至少一个照明元件来照明并且可以由相机拍摄。在至少两个元件之间产生相对运动， 其中，这些元件从包括物体、至少一个照明元件和相机的组中选出。这特别是意味着，可以 在物体与至少一个照明元件之间、在物体与相机之间、在至少一个照明元件与相机之间、在 物体与由至少一个照明元件和相机组成的固定设施之间、在至少一个照明元件与由物体和 相机组成的固定设施之间、在相机与由物体和至少一个照明元件组成的固定设施之间产生 相对运动，或者以如下方式产生相对运动，即，使所有三个元件，即物体、至少一个照明元件 和相机相对彼此相对运动。相对运动的运动方向与所述至少一个照明元件围合出不等于0° 的角度。在相对运动期间，利用相机拍摄物体表面的图像序列。在此，在相机的图像平面中 成像出物体表面。在该图像平面曝光期间，物体表面通过至少一个照明元件被照明。依据物 体表面的局部表面倾斜度和/或局部光学特性，特别是依据其散射特性来评估所拍摄的图 像序列。
[0026] 优选地，这种评估通过将图像平面中的最大照明强度的图像部位配属给物体表面 上的物体部位来实施，所述图像部位可以在图像序列中是不同的。最大照明强度的图像部 位与配属给这些图像部位的物体部位对应，这一方面是通过由相机提供的成像，并且另一 方面是通过所述配属，其方式是，给每个观察到的物体部位配属最大照明强度的图像部位。 对于每个观察到的物体部位，优选由图像平面中的对应图像部位的位置来计算出局部表面 倾斜度。
[0027]在此示出的是，在该方法的范畴中已经可以在仅使用一个照明元件的情况下获取 关于物体沿一方向的表面倾斜度的信息。此外，一个照明元件原则上足以获取关于局部光 学特性、特别是散射特性的信息，并且特别是由此能够探测出表面缺陷，例如表面的刮痕或 局部变形。如果使用至少两个照明元件，则可以获取关于沿两个方向的表面倾斜度的信息。
[0028] 该任务特别是也通过提供具有以下步骤的方法得以解决:至少一个相机、至少两 个线形照明元件和物体相对彼此布置为，使得物体表面、即所述物体的表面可以由所述照 明元件照明并且可以由相机拍摄。这些照明元件彼此围合出不等于0°的角度。在至少两个 元件之间产生相对运动，其中，这些元件从包括物体、照明元件和相机的组中选出。这特别 是意味着，可以在物体与照明元件之间、在物体与相机之间、在照明元件与相机之间、在物 体与由照明元件和相机组成的固定设施之间、在照明元件与由物体和相机组成的固定设施 之间、在相机与由物体和照明元件组成的固定设施之间产生相对运动，或者以如下方式产 生相对运动，即，所有三个元件，即物体、照明元件和相机相对彼此相对运动。相对运动的运 动方向与至少一个照明元件围合出不等于0°的角度。在相对运动期间，利用相机拍摄物体 表面的图像序列。在此，在相机的图像平面中成像出所述物体表面。在该图像平面曝光期 间，物体表面通过这些照明元件中至少一个照明元件来照明。依据物体表面的局部表面倾 斜度和/或局部光学特性，特别是依据其散射特性来评估所拍摄的图像序列。
[0029] 优选地，这种评估通过将图像平面中的最大照明强度的图像部位配属给物体表面 上的物体部位来实施，所述图像部位可以在图像序列中是不同的。最大照明强度的图像部 位与配属给图像部位的物体部位对应，这一方面是通过由相机提供的成像，并且另一方面 是通过所述配属，其方式是，给每个观察到的物体部位配属最大照明强度的图像部位。对于 每个观察到的物体部位，优选由图像平面中的对应图像部位的位置来计算出局部表面倾斜 度。
[0030] 特别优选的是该方法的一种实施方式，其中恰好使用一个并且仅使用一个线形照 明元件。在此情况下特别是可以获取关于物体沿一个方向的表面倾斜度的信息以及关于局 部光学特性、特别是散射特性的信息，并且特别是由此可以探测出表面缺陷，例如表面的刮 痕或局部变形。特别还优选的是该方法的一种替代的实施方式，在其中恰好使用两个并且 仅使用两个线形照明元件。在这种情况下可以获取关于物体沿两个方向的表面倾斜度的信 息。显然，也可以在使用两个线形照明元件的情况下，获取关于表面缺陷、例如表面的刮痕 或局部变形，特别是来自该表面的局部散射特性的信息。
[0031] 借助该方法可以鉴于物体表面的形状来检测和/或检查光学粗糙物体表面、光学 光泽物体表面和/或光学光滑物体表面。特别是借助该方法还可以关于物体表面的形状来 检测和/或检查完全扩散式散射的物体表面。这特别是可行的，因为在该方法的范畴中使用 至少一个线形照明元件。因此，至少在一个维度上的照明方向的准确认识始终是可行的，这 在面照明时或者说在使用面状照明元件时是不可行的。由于在该方法的范畴中所产生的相 对运动，朝至少一个相机的方向观察，物体表面上方的半空间的角度范围可检测。
[0032] 该方法也适用于具有或产生多次反射的物体表面，例如在例如用于眼镜、镜头或 其他光学装置的如透镜、特别是光学透镜那样的物体的情况下是该情况。
[0033] 照明元件的线形状意味着，这些照明元件被基本上一维地在如下意义上构造，即， 这些照明元件基本上沿着唯一的方向、即沿着它们的纵向方向延伸。在此，线形照明元件可 以包括多个、特别是大量的沿着线并排布置的照明子元件。可以将照明子元件构造为发光 二极管(LED)或者有机发光二极管(OLED)。替代地或附加地可以将照明子元件构造为激光 源。也可以将至少一个冷光源设置为照明元件和/或照明子元件。也可以是其他适当的光 源，特别是可脉动光源，其可以快速切换。至少一个照明元件也可以具有至少一个光导纤维 或至少一个纤维束。优选也可以是至少一个照明元件具有沿着照明元件的线性延伸部延伸 的至少一个光导纤维或至少一个纤维束，其中，光的侧向放射沿着纤维或纤维束的周边设 置。在此，光源的光优选在纤维或纤维束的一个端部上或者也在两个端部上耦入。通过散射 或其他光学效应，光在纤维/纤维束的周边上离开纤维或纤维束。优选地，纤维或纤维束具 有圆形横截面，但也可以是其他的横截面形状。优选地，纤维或纤维束沿着线形照明元件的 预期走向铺设。在此可以借助正在耦入的光源控制照明元件的亮度。照明元件可以具有多 个并排布置的照明线。在此，例如多个并排布置的线可以具有不同的亮度。通过这种方式， 在该方法的范畴中也可以实现具有限定的结构、特别是具有包络式亮度功能的照明轮廓。
[0034] 如果沿着线并排相邻地布置多个照明子元件，以用于构成一个照明元件，则这些 照明子元件彼此可以具有距离，即彼此非齐平地布置，但或者替代地也可以彼此齐平地衔 接，从而使得沿着照明元件的线形状不会产生照明线的中断。如前面已经谈到的那样可以 例如沿着线布置发光二极管作为照明子元件。在此可以将这样的线形设施布置在可弯曲 的、线形的接触层上，这也被称为"LED条"。在此，齐平和非齐平的设施都是可行的。
[0035] 也可以借助适当的光学元件使沿着照明元件线形状的亮度平衡和/或均匀化，其 中，特别是可以平衡彼此非齐平布置的照明子元件的中断，从而使得在整体上产生沿着线 形状的均匀亮度走向。这样的光学元件或散射元件可以例如由散射材料构成，所述散射材 料相对于真正的光源、即相对于照明子元件间隔开地布置。
[0036] 因此，与面照明相比，线形照明元件也是有利的，因为该线形照明元件的明亮度可 以是比较大的。特别是可以选择线形照明元件的亮度非常大并特别是远远大于面照明情况 下的亮度，这是因为由于线形状，为此需要的功率远远小于在面式扩展的照明的情况下。此 外可以非常快速地激活线形照明元件并在非常短的时间上保持激活，其中，特别是可以闪 电般地开关所述线形照明元件。这利用面照明几乎不可能、不能以相同的程度、或者仅以非 常高的耗费才可能。特别是在线形照明元件的情况下通常可以实现比在面式照明元件情况 下更快的重复速率。
[0037] 至少两个照明元件彼此围合出的角度是这样的角度，该角度是两个分别沿线形照 明元件的纵向方向延伸的虚拟线彼此围合出的角度。由此，如果这些照明元件布置在一个 平面内，则如何能够确定该角度是很明显的。但是也可以是这些照明元件相对彼此倾斜地 布置。在这种情况下，优选根据两个分别沿照明元件的纵向方向延伸的线到共同的平面中、 优选到与物体表面或与图像平面平行的平面中的投影来确定该角度。在任何情况下，这些 照明元件彼此围合出不等于0°的角度的要求排除了这些照明元件彼此平行定向。特别是这 些照明元件彼此围合出的角度优选在这样的平面中被测量，所述运动方向与该平面平行地 定向或者该平面平行于所述运动方向位于其中的平面取向。在此可以将这些照明元件自己 布置在所述平面中，但是也可以根据照明元件到该平面中的投影来确定所述角度。在弯曲 的照明元件的情况下，将所述角度确定为到所述照明元件上的、优选在这些照明元件或其 投影的交叉点上的切线之间的角度。
[0038] 可以以不同的方式来产生所述相对运动:在该方法的一种优选的实施方式中可以 在至少两个提到的元件之间产生平移式相对运动。特别优选地，产生沿着直线的线性运动， 其中，每个时间点上的运动方向可以通过恒定的向量来描述，从而使得在每个时间点上，运 动方向与至少一个照明元件围合出的角度也是恒定的。在另一实施例中，相对运动可以作 为旋转运动产生。特别是在旋转对称物体的情况下可行的是，使该物体相对于至少一个照 明元件和相机绕对称轴转动，或者所述至少一个照明元件和/或相机相对于物体绕其对称 轴枢转。在此优选地，运动方向是周向方向，因此沿着周向线进行，对于该周向线能够同样 很容易地给出该周向线与至少一个照明元件围合出的角度。在又一其他的实施例中可以根 据自由形状运动的方式来产生相对运动，例如借助机器人臂。在此，运动方向可以随时间变 化。相应地，运动方向与至少一个照明元件占有的角度也可以经历时间上的变化。在此不排 除给出运动方向的向量与至少一个照明元件围合出的角度在少许的时间点上呈现为0°的 值。在这种情况下更确切地说重要的是，在平均时间中和/或优选几乎在所有时间，除了少 许的时间点，所述角度都是不等于0°的。但是，优选是这样一种方法:在其中根据自由形状 运动的方式以如下方式产生所述相对运动，即，运动方向与至少一个照明元件之间的角度 在所有时间上均不等于〇°。
[0039] 根据该方法的一种优选的实施方式，运动方向与两个照明元件围合出不等于0°的 角度。在这种情况下，运动方向不与两个照明元件中的任一个平行地取向。这是有利的，因 为在运动方向与一照明元件平行取向的情况下，对于该照明元件而言，在该方法的范畴中 仅得到冗余信息。与之相反，如果两个照明元件与运动方向围合出不等于0°的角度，则可以 借助两个照明元件获取关于物体表面的非冗余的、重要的信息。在此，在自由形状运动的情 况下不排除在该方法的范畴中存在这样的时间点，运动方向与照明元件中的一个在这些时 间点围合出0°的角度。但是优选地，该角度在平均时间中是不等于0°的值和/或特别优选是 在除了少许时间点之外的几乎所有时间上均不等于〇°。在一种优选的实施方式中，该角度 在所有时间上均不等于〇°。
[0040] 在该方法的一种特别优选的实施方式中，相对运动的运动方向与至少一个照明元 件围合出不等于90°的角度。特别优选地，运动方向与两个照明元件围合出不等于90°的角 度。特别优选地，运动方向与两个照明元件围合出分别既不等于〇°、也不等于90°的角度。在 这种情况下毫不费力地可以借助该方法获取关于物体表面上的沿两个彼此正交定向的方 向的表面倾斜度的信息。
[0041] 在拍摄图像序列的范畴中拍摄至少两张、优选多于两张的图像。特别优选地，拍摄 大量图像，其中，图像的数量优选大于10张、优选大于15张、优选大于50张、特别优选