专利名称：光学检测仪器和方法
技术领域：
本发明有关检测仪器和方法，尤其是一种光学检测仪器和方法。
背景技术：
光学检测仪器和方法可用于检测物体的表面轮廓，光学检测仪器可以包 括一光源，光源投射光到被测表面，所述光经该被测表面漫反射后投射到一 照相机，照相机观测并记录该漫反射后的光，并据此测算该被测表面的几何 形貌等测量结果。
发明内容
本发明的一方面在于一种光学检测仪器，该光学检测仪器是一种小视场 光学检测仪器，用以检测一表面上微小的三维特征，该光学检测仪器包括产 生一投射光路的光学投射装置、位于投射光路中改变该投射光光强分布成为 结构光的光栅装置、将所述结构光投射到所述表面上移动一定距离的相移装 置、观察器以及计算机。观察器包括具有与该投射光路不平行的接收光路的 光学接收系统和位于该接收光路中的相机，该相机用于观察并记录所述图像。 计算机包括与相机之间的数据传输和基于反射图像所提供的表面轮廓信息进 行轮廓测量的建模的处理器。
本发明的另一个方面在于一种三维检测一表面上微小的表面特征的光学 检测方法，包括投射一结构光，用相移的方法将所述结构光进行一定的相移 后投射到所述表面上至少三个不同的位置，观察并记录所述结构光在所述表 面上至少三个位置漫反射后被接收光路上获得的三个图像，基于所述至少三 个图像所提供的表面轮廓信息为正在被测量的表面建模。
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，
在附图中图1是本发明光学检测仪器一个实施方式的示意图2示意性说明图1中光学检测仪器所依据的三角法原理；
图3A-3C所示为图1中光学检测仪器所观测并记录一组图像例子，其包
括三个有确定相移的图像；
图4为根据图3A-3C中三个连续的图像，所测算的被测表面上视角范围
内一个区域的三维点云；
图5示意根据图4中的三维点云图计算得到一个参考平面，并比较所述
三维点云上每一个点相对该参考平面上相应点的相对深度；
图6所示为在显示设备上显示的所述被测表面上视场范围内表面腐蚀情
况的观测结果。
具体实施例方式
图1所示为本发明小视场光学^^测仪器10的一个实施例的示意图，其用 于检测物体表面上几微米的三维特征，比如检测表面上的腐蚀、缺陷等，或 者用于零件刃边的三维检测。图l中所示的光学检测仪器IO为一个光学腐蚀 检测仪器，用以检测一表面80上的腐蚀情况。该光学腐蚀检测仪器10包括 光学投射装置20和观察器50。所述光学投射装置20向所述被测表面80投 射光，所述投射光经被测表面80漫反射，所述观察器50观测并记录漫反射 后的图像。
光学投射装置20具有光源22以及为该光源22供电的电源24，该光源 22可以是一个发光二极管(LED)，所述电源24可以是电池或连接到插座的 缆线。该光学投射装置20包括一投射光学系统，该投射光学系统包括具有光 圈30的聚光透镜28和具有光圈40的成像透镜42。不透明和透明区域交替 的光栅34安装在位于或靠近该成像透镜42的焦平面处。可使用伦奇刻线 (Ronchi ruling )。光栅34投射结构光46到表面80上视场范围内的一个区域。 该光学腐蚀检测仪器10进一步包括一相移装置47，该相移装置47使结构光 46在表面80上的投射移动三个间隔一定距离的不同的位置。稍后将对该相 移装置47作详细说明。
所述光源22投射发散光线26，其被聚光透镜28聚集和导向形成聚集的 光线32。这些光线穿过阻挡部分光的光栅34,得到结构光46。例如，如果 使用伦奇光栅，这将得到投射光。光强在垂直于这些光的传播方向以方波形式变化，其具有限定该方波中强度的快速变化的基本正炫曲线成分36和谐波
成分38。该谐波成分38被衍射角度随频率增加的该光栅衍射，从而被成像 光圈40移除。由于谐波交叉，这会除去可能出现在该表面80上的无关的干 涉图案。该成像光圈40可包括例如平行于该伦奇线的裂缝。
作为一种实施方式，相移装置47包括一个将所述结构光46反射到被测 表面80的反射镜48、以及转动元件49。该转动元件49将所述反射镜48转 动一定角度，从而使得结构光46经反射镜48反射后在被测表面80上形成结 构性的照射。该转动元件49可以是一个高精度的压电陶瓷驱动器。所述将照 在被测表面80上的结构光46移动一定的距离而获得多幅图像的投射也可以 通过其他的方法实现，作为本发明其他可选的实施方式，其可是通过水平移 动反射镜48,或者水平移动光栅34，或者通过棱镜的折射等等来实现。
观察器50附于所述光学投射装置20，并包括具有不平行于该投射装置 光轴64的光轴54的光学接收系统52。该观察器50中的数字照相机元件57 把沿接收光路56得到的条紋图像信息数字化，该数字照相机元件57可包括 图像传感器58—例如电荷藕合器件阵列、模-数转换器59和在数字照相机领 域中本领域技术人员知道的其它电子装置。这些元件数字化接收光路56观察 到的，来自该表面80的结构光的漫反射的图像。该照相机电子装置可与内部 电池和存储器连接，所述存储器用于存储数据以供后续处理(未图示)，或者 它们可与外部计算机61利用有线或无线手段经由接口电^各60连接，该接口 电路60可以是在计算机输入装置领域所知道的通用串行总线接口 。该计算机 接口电路可被包括在照相机电子装置中，如在数字照相机领域所知道的照相 机电子装置。
在图示的实施例中， 一个或多个手柄66可附连在该投射装置20和/或观 察器50上，用于手持操作。该手柄66上可设置一个触发开关的按钮68。因 为数字快照的获得可能只花费仅仅几毫秒，所以不需要在相对长的时间段上 有相当大的稳定性。在另一个实施例(未图示)中，该光学检测仪器可附连 于机械手，用于在机器人组装和探察领域中已经知道的自动操作。为了手持 操作，引导端部70可在光路64、 54旁边或者围绕光路64, 54向该观察器 50前方延伸，以将该光学才企测仪器稳定和定位在离开该表面80 —定距离处， 从而使该表面充分靠近该光轴64、 54的相交点，并落在该光学投射装置20 和观察器50的公共视场内。观察器50的光学接收系统52可以优化设计成来观察和测量90度或更大 的视场。用于涡轮零件的刃边分析的光学规格的一个例子如下 --视场=大约3.5mm2
-景深二2mm或更大，具有<50%的对比度损失 -空间分辨率^005mm或更小，具有<2%的失真 -深度分辨率^005mm
作为本发明的一种实施方式，光学检测方法包括首先将光源22发出的投 射光经光栅34调制成为条紋状结构光。该条紋状结构光被反射镜48反射后 沿一投射光路投射到被测表面80上，并被移动一定距离照射至少三个位置。 该条紋状结构光包含了所述至少三个位置的相位信息。所述条紋状结构光经 被测表面80漫反射后经一接收光路56在数字照相机元件57上成像，其对应 于在被测表面80上的至少三个不同位置，得到对应的至少三幅图像。所述接 收光路56与投射光路的轴线64之间呈一定的角度，形成一个图2所示的三 角关系。
可以使用三步相移分析法来分析数字照相机元件57记录的三幅图像来 计算所述表面80上观察视场内的三维几何形貌。作为一种实施方式，压电陶 瓷驱动器49转动至三个不同的位置，使得固定在该压电陶瓷驱动器49上的 反射镜48转动三个位置，每个位置对应三分之一和三分之二个条紋周期的条 紋移动，等同于相移的角度分别是O度、120度和240度。用这种方法得到的 三个连续的图像的一个例子如图3A-3C所示。利用这种三步相移分析法，数 字照相才几元件57上每一个相素感测的光的相位cp为
厂 、一12
"x,y)=arctanl 3-]
212—Ii-13
其中h、 12和13分别表示三幅图像上某一个像素的光强，则表面80上视场范 围的三维座标可以对应为
X =^~FOV_Cx sizsx
Y =^^FOV-Cy sizey
Z = Keffa(x，y)
其中sizex和sizey分别表示数字照相机元件57在X和Y方向上的像素数量， FOV是较正得到的视场，Cx和Cy分别表示起始位置座标。如图2中的三角关系可知，轴向距离与相位值成正比，有效波数可表示成L/(2兀fd)，其中L是一参考面到观察器的距离，d是观察器到投射光路的距离。用这种方法计算出每一个像素的三维座标，从而可以得到表面80的外形轮廓，如图4所观察到的三维点云。
作为本发明可选择的实施方案，也可以用其他的相移原理，比如四步相移法、五步相移法、3+3相移法、双三步相移法等。本领域技术人员可以理解的是该投射装置和观察器中任一个或二者都可以包括远心透镜系统或被配置成改进该光或图像场的均匀性和/或改进到达该边缘表面的光路的其它光学系统。本领域技术人员可以理解的是远心透镜系统使对该表面的所有观察都基本上平行。在该观察器的情况中，这会更均匀地聚集来自该表面两边的光。配置成改进光的均匀性的光学系统的一个例子可包括反射镜系统。
被测表面80可以以基本上垂直于观察系统光轴并偏离来自该才殳射系统的镜面反射的角度，以观察漫反射光不受任何镜面反射光的干扰。然而，该视场的确切定向对于该装置的操作并不是关键的。
可以用软件来进一步分析图4中的三维点云图。如图5所示，首先计算或模拟得到一个图4中三维点云的参考平面81，比如用阻尼最小二乘法，该参考平面81的平面方程为AX+BY+CZ+D=0
根据该平面方程，将三维点云上的每一个点与参考平面81上相应点进行比较，并得到三维点云上每一个点的相对深度AHi (i=l, 2, 3， 4…)。
确定一个临界深度，并将得到的每一点的相对深度AHi与该临界深度相比较，如果该点的相对深度AH大于临界深度，则这一点被初步确认为一个蚀点，相邻的蚀点连在一起，形成一个集群，每一个集群表示表面80上一个相应的腐蚀点。使用一个集群搜索算法来自动搜索所有的集群。如图6所示，用该方法，在一个显示设备上显示出两个搜索到的集群(腐蚀点)Pl、 P2。
用上面介绍的软件分析方法，可以定量的分析很多表面80在视场范围内的很多腐蚀情况的参数，比如确定该视场范围腐蚀点的多少；最深的腐蚀点以及其最大的深度；单位面积上腐蚀点的数量；腐蚀面积与视场范围内测量面积的比值等等。
本发明各方面还体现为在计算机可读介质上的计算机可读代码。该计算机可读介质可以是任何能够存储数据的数据存储装置，所述数据以后可由计算机系统读取。计算机可读介质的实施例包括只读存储器、随机存取存储器，
CD-ROM、 DVD、磁带和光学数据存储装置等等。该计算机可读介质还可以在连接计算机系统的网络上分发，以便以分布的方式存储并执行该计算机可读代码。
基于前述说明，本发明的各个方面可使用计算机编程或工程技术来实现，这些技术包括计算机软件，固件，硬件或它们的任何组合或子集。任何这种作为结果的具有计算机可读代码装置的程序可体现为或提供在一个或多个计算机可读介质中，由此制造出计算机程序产品，即，根据该发明的制造物品。该计算机可读介质可以是例如固定(硬)驱动器、软盘、光盘、磁带、只读存储器(ROM)之类的半导体存储器、或者因特网或其它通信网络或链路等任何传输/接受介质。包括该计算机代码的该制造物品可已被制造出和/或通过直接从一介质执行该代码，从一介质到另一个介质拷贝该代码，或在网络上传输代码来使用。
用于制造，使用或销售本发明的设备可以是一个或多个处理系统，包括但不限于中央处理单元(CPU)、存储器、存储装置、通信链路和装置、服务器、1/0装置，或任何一个或多个处理系统的子元件，包括软件、固件、硬件或它们的任何组合或子集，其体现权利要求中提出的本发明。
用户输入可从键盘、鼠标、笔、声音、触摸屏或者人类能够是用来向计算机输入数据的其它装置中接收，包括通过诸如应用程序之类的其它程序来接收。
计算机科学领域的技术人员将能够容易将所述创建的软件与适当的通用或者专用计算机硬件结合以创建体现本发明各方面的计算机系统或计算机子系统。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
权利要求
1. 一种小视场光学检测仪器，用以检测一表面上微小的三维特征，该光学检测仪器包括光学投射装置，包括光源和沿着投射光路引导来自该光源的投射光的投射光学系统；光栅装置，位于该投射光路中，用于改变该投射光的空间光强分布成为结构光；将所述结构光投射到被测表面上并使其移动一定距离的相移装置；观察器，包括具有与该投射光路不平行的接收光路的光学接收系统和位于该接收光路中的相机，所述相机用于观察并记录所述图像；以及计算机，包括与相机的数据输入和用于基于反射图像所提供的表面轮廓信息为进行轮廓测量的建模的处理器。
2. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中所述相移装置包括一个位于 投射光路中将结构光反射到被测表面的反射镜以及转动元件，该转动元件将 反射镜转动一定的角度，从而使得反射到被测表面上的结构光移动一定的距 离，并且为达到测量的目的至少移动三个位置。
3. 如权利要求2所述的光学检测仪器，其中所述转动元件是一个压电陶 资元件。
4. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中所述相移装置包括一个位于 投射光路中将结构光反射到被测表面的反射镜以及一个平移元件，该平移元 件将反射镜平移一定的距离，从而使得反射到被测表面上的结构光移动至少 三个不同位置。
5. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中所述相移装置包括一个位于 投射光路中将结构光折射到被测表面的反射镜以及转动元件，该转动元件将 反射镜转动一定的角度，从而使得反射到被测表面上的结构光移动至少三个 不同位置。
6. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中所述相移装置包括一个将光 栅水平移动一定距离的平移元件，使投射到被测表面上的结构光移动至少三 个不同位置。
7. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中所述接收光路与投射光路大致垂直。
8. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中所述投射光学系统包括远心 透镜系统。
9. 如权利要求1所述的光学检测仪器，其中该光学检测仪器进一步包括 至少一个手柄。
10. 如权利要求1至9中任何一项所述的光学检测仪器，其中光学检测 仪器用于检测表面上的腐蚀、缺陷等，或者用于零件刃边特征的三维检测。
11. 一种三维检测一表面上微小的表面特征的光学检测方法，包括 投射一结构光；用相移的方法将所述结构光进行一定的相移后投射到所述表面上至少三 个不同的位置；观察并记录所述结构光移动至少三个位置在所述表面上漫反射后在被接 收光路接收并记录的三个图像；以及基于所述至少三个图像所提供的表面轮廓信息为正在被测量轮廓的表面 建模。
12. 如权利要求11所述的光学检测方法，其中所述投射一结构光包括用 光栅将从光源发出的光强分布调制成为类似条紋状的结构光。
13. 如权利要求12所述的光学检测方法，其中用相移的方法将所述结构 光进行一定的相移后投射到所述表面上至少三个不同的位置，包括用一个压 电陶瓷驱动器转动一反射镜，所述结构光经该反射镜反射后投射到所述表面， 条紋状的结构光须被至少移动三个位置，每相邻两个位置对应移动条紋周期 的三分之一。
14. 如权利要求11所述的光学检测方法，其中所述光学检测方法进一步 包括依据所测得的至少三个图像计算所述平面上被测区域内的三维点云。
15. 如权利要求14所述的光学检测方法，其中所述光学检测方法进一步 包括确定所述三维点云的参考平面，将三维点云上的每一个点与参考平面相 应的点进行比较，并得到三维点云上每一个点的相对深度。
16. 如权利要求15所述的光学检测方法，其中所述光学检测方法进一步 确定一个临界深度，并将得到的每一点的相对深度与该临界深度相比较。
全文摘要
本发明涉及一种光学检测仪器和方法，该光学检测仪器是一种小视场光学检测仪器，可用以检测一表面上几微米的三维特征，该光学检测仪器包括产生一投射光路的光学投射装置、位于投射光路中改变该投射光并使其成为结构光的光栅装置、将所述结构光投射到所述表面上移动一定距离的相移装置、观察器以及计算机。观察器包括具有与该投射光路不平行的接收光路的光学接收系统和位于该接收光路中的相机，该相机用于观察并记录所述图像。计算机包括与相机之间的数据传输和基于反射图像所提供的表面轮廓信息进行轮廓测量建模的处理器。
文档编号G01B11/24GK101469975SQ20071030139
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者凯文·G·哈丁, 宋桂菊, 波 杨, 胡庆英, 明 贾, 郑建明, 立 陶 申请人:通用电气公司