专利名称：视觉测量探针和操作方法
技术领域：
本发明涉及一种获得待测量对象的图像的诸如视频或相机探针之类的视觉测量探针以及该视觉测量探针在测量设备中的使用方法。具体地说，本发明涉及分析由所述视觉测量探针获取的图像并且利用处理器来产生能够用于所述测量设备的实时控制的量的方法。
背景技术：
当制造诸如那些用于汽车或航空工业的零件时，经常希望确定这些零件已经在期望的公差范围内制造。传统上，通过将零件安装在坐标测量机上并使安装在坐标测量机上的接触探针接触感兴趣的特征来确定零件的特征的尺寸。坐标从特征周围的不同点获取，由此能够确定特征的尺寸、形状和/或取向。坐标定位机一般包括基座和框架，待检查的校准制件可以支撑在所述基座上，所 述框架安装在基座上，用于保持主轴，该主轴又适合于保持例如用于检查校准制件的校准制件检查装置。基座、框架和/或主轴一般被构造成使得诸如测量探针之类的检查装置以及校准制件能够沿着至少一个轴相对于彼此运动，并且更典型地能够沿着三个相互正交的轴X、Y和Z相对于彼此运动。可以设置马达来沿着这些轴来驱动由主轴保持的检查装置。还公知的是设置铰接头，所述检测装置安装在该铰接头上。铰接头一般具有一个、两个或更多个旋转自由度，从而使得安装在探头上的检查装置能够围绕一个、两个或更多个旋转轴运动。例如在EP0690286和EP0402440中描述了那些铰接头。EP0690286描述了一种分度探头，其中使用马达使检查装置在多个预定的或“分度”取向之间运动。一旦探头被设置在期望位置，则通过使机器的框架和/或主轴移动来利用所述检查装置进行零件的检查。W09007097描述了另一种类型的铰接探头，该铰接探头是连续铰接头。在这种类型的探头中，检查装置的取向可以被控制在连续位置范围中的任何位置处，即控制成与多个可分度的离散位置中的一个位置相对的位置处。结果，与分度头相比，可以对探头的取向进行非常精细的控制。通常，连续铰接头都是“主动”或“伺服”头，其中主动头的马达始终是伺服，以便控制检查装置的取向，例如，在进行测量的同时，例如保持检查装置的取向或改变检查装置的取向。然而，将理解到的是，取代始终伺服，使连续铰接头锁定在适当位置而无需始终伺服也是可能的。使用接触探针具有多个缺点。例如，接触探针的访问会受到限制(例如到达非常小的孔内)。而且，如果零件具有精密表面涂层或精整，或零件是柔性的并且在接触探针的力的作用下发生相当大地运动，则有时期望避免与零件发生物理接触。现有的非接触式成像测量探针可能受到例如精度差、视场有限、以及重量和/或大尺寸限制的困扰
发明内容
本发明提供了一种改进的视觉测量探针系统和改进的操作视觉测量系统的方法。本申请描述了一种使用视觉测量探针检查对象的方法，其中所述对象和所述视觉测量探针可相对于彼此运动。所述方法包括处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得反馈数据。所述方法还可以包括处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像，从而识别并获得关于所述对象的至少一个特征的度量数据。所述方法可以进一步包括基于所述反馈数据控制所述视觉测量探针的操作。根据本发明的第一方面，提供了一种操作用于测量对象的视觉测量探针的方法，所述视觉测量探针安装在坐标定位设备上，其中所述对象和所述视觉测量探针在测量操作过程中能够以至少一个线性自由度和/或至少一个旋转自由度相对于彼此移动，所述方法包括处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得反馈数据；以及基于所述反馈数据控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。本发明具体涉及视觉测量探针的类型，该类型的视觉测量探针获得待检查对象的图像，并且能够将图像供给第三方系统，诸如图像处理器和/或终端用户，从而在图像处理过程中能够使用例如特征识别技术之类的图像处理技术，以便获得关于所述对象的度量数 据。如将理解的是，通过视觉测量探针，关于所述对象的度量数据可以从所述视觉测量探针的至少一个图像(例如从视觉测量探针的仅一个图像)以及仅通过获知所述视觉测量探针的位置而获得。这种视觉测量探针通常称为视频测量探针或照相机测量探针，在本文中统一称为视觉测量探针。这与公知的非接触测量三角测量探针不同，所述三角测量探针将结构光束(诸如线)投射在对象上，通过获知投射器与照相机之间的位置和角度，分析由于所述对象引起的结构光的位置变形以借助于三角测量获得测量信息。具体地说，本发明使得用于非三角测量的非接触探针的反馈控制成为可能。合适的视觉测量探针一般包括窗口和布置成检测进入所述窗口的光的检测器。优选的是，所述检测器是二维检测器，即其具有沿着两个维度延伸的像素，从而可以获得二维图像。视觉测量探针通常还包括用于在所述检测器上形成图像的透镜。这种视觉测量探针一般捕获待测量对象的图像，并将所述图像供给外部系统，例如度量系统，用于进行度量分析。视觉测量探针通常还包括用于照明待检查对象的至少一个光源。所述视觉测量探针可以包括用于在所述检测器的基本全部视场上提供照明的至少一个光源。可选的是，所述视觉测量探针可以包括用于仅照明所述检测器的视场的选定区域的至少一个光源。例如，所述至少一个光源可以被构造成提供光点照明。所述方法可以包括处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像，从而识别并获得关于所述对象的至少一个特征的度量数据。如将理解的是，为了识别并获得度量数据而被处理的所述至少一个图像可以是与为了获得反馈数据而被处理的所述至少一个图像相同的图像或不同的图像。可以设置度量系统来处理至少一个图像以获得度量数据。所述度量系统可以在物理上与所述探针分离，而且可以在物理上与用于控制所述坐标定位设备的操作的任何控制器分离。度量数据可以包括关于所述对象在测量空间内例如在三维坐标空间内的至少一个点的位置的数据。例如，度量数据可以包括所述对象上的特征(诸如对象的边缘或对象中的孔)的尺寸和/或位置。度量数据还可以包括关于所述对象的表面加工(例如对象表面上的粗糙度或对象表面上是否存在缺陷)的数据。如将理解的是，所述度量数据可以通过组合从所述视觉测量探针的至少一个图像提取的数据和表示所述至少一个视觉测量探针的位置的数据来获得。如将理解的是，表示视觉测量探针的这些数据可以来自坐标定位机上的位置传感器。控制所述物理关系可以包括移动所述对象和所述视觉测量探针中的至少一个。控制所述物理关系可以包括改变所述视觉测量探针和所述对象的相对位置和取向中的至少一个。如将理解的是，所述视觉测量探针和所述对象可以保持相对彼此静止关系，并且所述方法可以用于改变所述静止关系。当所述视觉测量探针和所述对象移动至至少一个相对位置和取向，停止，然后获取能够用于测量所述对象的图像时可能会是这种情况。
改变所述物理关系可能出于度量原因而进行，即为了提高由所述视觉测量探针供给的图像的适用性，以便从所述图像获得测量信息。例如，为了提高由所述视觉测量探针获得的图像的质量，可以改变所述物理关系。例如，可以改变所述视觉测量探针的相对位置和/或取向以减小阴影范围，或以增加所述对象的至少一部分在所述视觉测量探针的视场中的聚焦程度。所述视觉测量探针可以安装在具有至少一个旋转轴线的铰接头上。在这种情况下，所述方法可以包括基于所述反馈数据围绕所述至少一个旋转轴线将所述视觉测量探针重新取向。优选的是，所述铰接头是连续铰接头。因而优选的是，所述铰接头是非分度铰接头。所述对象和所述视觉测量探针可以被构造成在测量操作过程中以预定方式相对于彼此移动。因而，控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系可以包括基于所述 反馈数据改变所述视觉测量探针和所述对象之间的预定相对运动。换言之，控制所述物理关系可以包括基于所述反馈数据调节所述预定相对运动。改变所述预定相对运动可以包括基于所述反馈数据调节所述视觉测量探针和所述对象之间的相对运动的预定轨迹。可选的是，所述改变可以包括调节所述视觉测量探针和所述对象之间的预定相对运动速度。如将理解的是，反馈数据可以是表示所述视觉测量探针的状态的数据。所述视觉测量探针的状态可以包括所述视觉测量探针的状态，诸如其相对于正被测量的对象的位置和/或取向(甚或所述对象的具体特征)。具体地说，所述测量探针的状态可以包括所述视觉测量探针正在获得的图像中的至少一个图像的质量。优选的是，所述反馈数据是定量的。具体地说，所述反馈数据优选具有量或值，该量或值能够用于确定如何控制所述对象和所述视觉测量探针之间的物理关系。与简单的两个状态(例如“好”或“不好”)不同，这例如可以是可能用于继续或暂停所述坐标定位设备的操作的反馈信号。所述反馈数据可以包括和/或涉及图像的至少一部分的至少一个特性。所述特性可以涉及所述图像的至少一部分的对比度、亮度或焦点中的至少一个。因而，所述反馈数据可以包括和/或涉及与图像的至少一部分的至少特性有关的至少一个量或值。更具体地说，所述反馈数据可以包括和/或基于所述图像的特性的至少一个参数描述。因而，所述反馈数据优选不基于所述对象的尺寸信息的确定，并且不需要计算所述对象和探针的相对几何关系。因此，优选的是，本发明使得用于非接触探针的反馈控制成为可能，并且不必确定所述对象的尺寸特性或例如所述视觉测量探针和所述待测量对象之间的几何关系，例如不必确定它们实际的相对于位置和取向。参数描述可以涉及图像的至少一部分的至少一个特性。所述特性可以涉及所述图像的至少一部分的对比度、亮度或焦点中的至少一个。所述图像的具体特性的参数描述可以包括描述例如所述图像中的高亮度、高聚焦或高对比度中的至少一个的区域的形式的至少一个参数。所述图像的参数描述可以基于原始图像数据计算。例如，所述图像可以利用滤波器进行预处理。所述图像可以利用图像处理滤波器进行预处理。所述图像可以进行预处理以给出所述图像的具体特性图。例如，所述图像可以进行预处理以给出所述图像的多个部分的，可选为基本全部的焦点、亮度或对比度(即所述图像的至少一部分的焦点、亮度或对比度图)中的至少一个的测量。描述高聚焦、亮度或对比度的参数可以根据这种预处理的图像进行计算。所述特性图可以具有比所述图像的精度低的精度。例如，可以对一组图像像素进行处理以提供一个特性值。也可以使用过滤器来对所述图像进行预处理以测量图像的每个部分内存在的对比度或亮度或其他可能感兴趣的特性的水平。所述反馈数据可以包括和/或基于描述如下至少一个的至少一个参数i)具有具 体特性的任何感兴趣区域的主轴；ii)所述感兴趣区域的第一图像矩，所述第一图像矩给出所述图像相对于具体特性的重心；iii)围绕所述主轴计算的相对于具体特性的其他图像矩。例如，所述反馈数据可以包括所述感兴趣区域的第二图像矩(即所述特性的方差)和/或第三图像矩(即所述特性分布的偏差)。如将理解的是，所述主轴(另统称为主分量向量，或主轴和短轴)是与所述感兴趣区域的最长轴和最短轴对应的最佳匹配正交向量。如上所述，所述具体特性可以包括所述图像的高亮度、对比度、焦点或其他特性中的至少一个。图像的一部分是否具有高亮度、对比度、焦点或其他特性可以使用标准图像处理技术确立，并且可以包括确定特定像素或像素处的感兴趣特性是否满足预定阈值。所述反馈数据可以包括所述光学测量装置和所述对象之间的期望运动向量。所述视觉测量探针可以包括所述至少一个处理器，并且可以被构造成处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得所述反馈数据。这可能是有利的，因为其能够避免通过通信链路将图像传送至处理器以便生成所述反馈数据的需要。反馈数据一般不如图像数据那么庞大，因此传输需要的时间较少并且消耗的带宽较小。因而，当在对象检查设备探针的实时控制中使用反馈数据时，可以有利地利用探针中的处理器获得反馈数据。所述方法可以包括控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系，以便改变由所述视觉测量探针检测到的光量。例如，这可以用来增加或减少由所述视觉测量探针检测到的光量。可选的是，这可以用于避免传感器充满过多的光，否则可能会导致能够由所述视觉测量探针捕获的细节水平下降。所述视觉测量探针可以是固定聚焦系统。具体地说，所述视觉测量探针可以具有相对于所述视觉测量探针的图像传感器的固定焦平面。可选的是，所述视觉测量探针可以具有固定景深。这与能够调节焦平面和视觉测量探针之间的距离及其景深中的至少一个的视觉测量探针不同。优选的是，所述焦平面和所述视觉测量探针的图像传感器之间的距离不大于350mm,更优选地不大于250mm,特别优选地不大于100mm。优选的是,所述焦平面和所述视觉测量探针之间的距离不小于10mm，优选不小于50mm。优选的是，所述视觉测量探针的景深不小于5μπι。如下面详细说明的那样，在一些实施方式中可以优选的是所述景深非常浅。这可能会使得能够获得关于所述视觉测量探针和表面对象之间的距离的精确信息(通常称为“高度”或“偏移”位置信息)。在这种情况下，可能优选的是，所述视觉测量探针的景深不大于1mm，优选不大于500 μ m,更优选不大于100 μ m,特别优选不大于50 μ m,例如不大于10 μ m。所述方法可以包括控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系，以便改变所述对象的状态焦点，例如所述对象在所述视觉测量探针的图像平面上的焦点的状态。具体地说,这在将所述对象的特定部分保持在焦点上和/或将焦点上区域(in-focusregion)保持在由所述视觉测量探针获得的图像的特定区域内可能 是有用的。所述方法可以包括基于所述对象的焦点的状态控制所述视觉测量探针和所述对象之间的运动速度。具体地说，所述视觉测量探针和所述对象之间的相对速度可以依赖于锐度(聚焦程度)变化率。具体地说，所述方法可以包括在所成像的对象的至少一部分的锐度变化率高(例如超过阈值)时以至少给定速度使所述视觉测量探针和所述对象相对于彼此移动，当所述锐度变化率低(例如没有达到阈值)以小于所述给定速度的速度使所述视觉测量探针和所述对象相对于彼此移动。换言之，所述方法可以包括当所成像的对象的至少一部分的锐度变化率高时使所述视觉测量探针和所述对象相对于彼此以高速移动，而当所述锐度变化率低时使所述视觉测量探针和所述对象相对于彼此以低速移动。在一个具体实施方式
中，所述相对速度可以与速度变化率成比例。该方法可以包括控制相对运动以便不超过给定速度，直到首次超过锐度阈值变化率。可选的是，所述视觉测量探针和所述对象的相对速度可以依赖于锐度的变化率的变化率(即聚焦程度的二阶导数)。具体地说，所述方法可以包括当所成像的对象的至少一部分的锐度变化率高(例如超过阈值)时，使所述视觉测量探针和所述对象以至少给定速度相对于彼此移动，当所述锐度变化率低(例如没有到达阈值)时，使所述视觉测量探针和所述对象以小于所述给定速度的速度相对于彼此移动。具体地说，当所成像的对象的至少一部分的锐度变化率高(例如超过阈值)时，可以将绝对相对速度控制成与锐度变化率成比例。另外，最佳焦点位置可以通过确定锐度变化率的变化率(即锐度的二阶导数)何时为高(例如具有一个值，可选的是，大于阈值，例如当其基本处于最大值时)和锐度变化率(锐度的一阶导数)何时为低(例如基本为零)来发现。所述反馈数据优选以比所述度量数据更高的优先级获得。因而，不仅能够从由所述视觉测量探针获得的图像获得关于所述对象的度量数据，而且还能够以更高优先级获得反馈数据。具有这种反馈数据可能是有用的，因为这可以在所述视觉测量探针的自动控制和/或监测中使用。所述反馈数据可以在基本实时的基础上获得。所述反馈数据可以在实时基础上获得，并且所述改变可以在实时基础上执行。即，所述反馈数据可以以规则时间约束方式获得。因而，所述至少一个传感器可以用于处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像，以获得实时反馈数据。这可能是有利的，因为如果期望的话，可以在对象检查设备的实时控制中使用所述数据，例如在所述视觉测量探针的实时控制中使用这些数据，如以下更详细地描述的那样。具体地说，被捕获的图像与基于从该图像获得的反馈数据控制的物理关系之间的延迟理想地不大于200ms,优选不大于100ms,更优选地不大于50ms,特别优选不大于33ms,例如不大于25ms。
可选的是，所述反馈数据可以供控制器(下面更详细地描述)使用，以自动地确定如何控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。因而，所述方法可以包括控制器，所述控制器基于所述反馈数据控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。所述反馈数据可以仅仅包括供所述控制器执行的控制指令。例如，所述反馈数据可以包括用于控制器的运动向量指令。例如，所述运动向量指令可以告知控制器如何控制所述对象检查设备从而改变所述对象和所述视觉测量探针的相对位置、取向和/或速度。所述视觉测量探针可以包括被构造成处理至少一个图像从而获得度量数据的处理器。可选的是，所述对象检查设备进一步包括被构造成从所述视觉测量探针接收至少一个图像的度量系统。所述度量系统优选包括所述至少一个处理器中的至少一个。可选的是，所述度量系统被构造成(例如利用归一化灰度相关)来执行特征识别以鉴别所测量的对象的至少一个特征，并且其中获得关于所述至少一个受鉴别的特征的度量数据。在所述视觉测量探针包括处理器的实施方式中，所述处理器可以用于将图像处理工作量在所述光学检测设备的多个处理器之间划分。 所述反馈数据可以以比所述度量数据高的优先级获得。优选的是，所述反馈数据以比图像供给度量系统以分析所述图像来获得度量数据的优先级高的优先级产生(并可选地供给控制器)。因而，在所述视觉测量探针包括至少一个用于生成所述反馈数据的处理器的实施方式中，优选的是所述视觉测量探针被构造成以比图像供给高的优先级生成和供给所述反馈数据。具体地说，优选的是，所述视觉测量探针被构造成在将所述图像供给度量系统之前开始生成所述反馈数据。例如，所述视觉测量探针可以被构造成在将所述图像传送至所述度量系统之前生成所述反馈数据并所述反馈数据传送至所述控制器。所述光学测量设备可以被构造成在图像被供给所述度量系统之前压缩所述图像。在这种情况下，所述视觉测量探针可以被构造成在压缩所述图像之前生成所述反馈数据。如将理解的是，坐标定位设备可以包括例如非笛卡尔测量设备(如并联运动系统)、笛卡尔测量系统(如坐标测量机(CMM))或其他坐标位置设备(如其上可以安装视觉测量探针的机械臂)。本发明还提供了一种对象检查设备，该对象检查设备包括用于获得待检查对象的图像的视觉测量探针；至少一个处理器，所述至少一个处理器用于处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得反馈数据。例如，本申请描述了一种对象检查设备，该对象检查设备包括用于获得待检查对象的图像的视觉测量探针；以及至少一个处理器，该至少一个处理器用于i)处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得反馈数据；和ii)处理所述对象的由所述视觉测量探针获得的至少一个图像从而鉴别并获得关于所述对象的至少一个特征的度量数据。可选的是，所述反馈数据可以供控制器(下面更详细地描述)使用以自动地确定如何在检查操作过程中控制所述对象检查设备的操作。根据本发明的第二方面，提供了一种对象检查设备，所述对象检查设备包括坐标测量机；视觉测量探针，所述视觉测量探针用于获得待检查对象的图像，并用于安装在所述坐标定位设备上，使得所述对象和所述视觉测量探针能够在测量操作过程中以至少一个线性自由度和/或至少一个旋转自由度相对于彼此运动；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器用于处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得表示所述视觉测量探针的状态的反馈数据；以及至少一个控制器，所述至少一个控制器用于基于所述反馈数据改变所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。所述对象检查设备可以包括用于在对象检查过程中控制所述对象检查设备探针的操作的控制器。优选的是，所述控制器接收所述反馈数据并利用该反馈数据控制所述对象检查设备的操作。优选的是，所述控制器是用于自动地控制所述视觉测量探针和被检查对象之间的相对运动的装置。优选的是，所述控制器在所述视觉测量探针和所述对象的相对运动的控制中使用所述反馈数据。优选的是，所述控制器被构造成基于所述反馈数据调节所述视觉测量探针和所述对象之间的相对运动的预定轨迹。这在检查具有基本已知尺寸的对象时例如在比较一对象与标称对象时可能是有用的。所述视觉测量探针可以包括被构造成处理至少一个图像从而获得所述度量数据的处理器。可选的是，所述对象检查设备进一步包括被构造成从所述视觉测量探针接收至少一个图像的度量系统。所述度量系统优选包括所述至少一个处理器中的至少一个。可选 的是，所述度量系统被构造成(例如利用归一化灰度相关)执行特征识别以鉴别所测量的对象的至少一个特征，并且其中获得关于至少一个受鉴别的特征的度量数据。如将理解的是，该说明书描述了一种光学检查设备，该光学检查设备包括具有窗口的壳体；光源；被布置成用于检测进入所述窗口的光的检测器；从所述检测器接收输入的处理器。优选的是，所述处理器被布置成提供实时反馈；该反馈可以基于所述处理器从所述检测器上的图像提取的参数描述。所述图像中的感兴趣的特性可以是图像的对比度水平、聚焦程度、亮度或其他一些属性。图像的具体特性的参数描述可以包括描述图像中的例如高亮度、高聚焦或高对比度的区域的形式的参数。图像的高亮度水平的参数描述可以根据原始图像数据进行计算。所述图像可以利用特定滤波器进行预处理以给出所述图像的每个部分的焦点的测量，并且可以基于该预处理的图像计算描述高聚焦区域的参数。类似的滤波器可以设计成处理所述图像以在所述图像的每个部分内存在的对比度水平或可能感兴趣的其他特性。所述处理器可以输出与所述检测器上的图像的位置和/或其他参数描述有关的反馈和来自所述检测器的未处理数据。可以用于描述所述图像的参数可能包括高亮度、对比度、聚焦或其他特性的任何区域的主轴；高亮度、对比度、聚焦或其他特性的区域的第一矩，所述第一矩给出所述图像相对于所述具体特性的重心；围绕所述主轴计算的所述图像相对于具体特性的其他矩。所述处理器可以将描述所述检测器上的图像的具体特性的形式的参数以及与所述表面有关的度量数据反馈给所述控制器。本说明书还描述了利用光学探针测量表面的方法，该方法包括沿着轨迹相对于所述表面移动所述光学探针；确定所述检测器上的图像的一个特性或多个特性(如亮度、对比度或聚焦)；调节所述光学探针的轨迹以将所述图像的特征保持在限定范围内。所述图像的特性的特征可以包括高亮度区域在所述图像内的位置，并且所述限定范围可以包括位于所述检测器上的区域。所述图像的特性的位置可以包括高聚焦区域的位置。所述图像的特性的位置可以包括高对比度区域。
现在将参照附图仅仅以实施例的方式描述本发明的优选实施方式，其中图I示出了具有铰接探头和安装在该铰接探头上的视频探针的坐标测量机；图2示出了图I中所示的视频探头的光学装置；图3示出了图2的视频探针的端面,显示了 LED环；图4示出了沿着轨迹相对于波状表面运动的视频探针；图5A示出了视频探针的在检测器上的图像，显示了高聚焦区域；
图5B示出了当减少基准距(stand-off)时与图5A对应的图像；图5C示出了当减少基准距并且零件的平面倾斜并围绕探针的光轴旋转时与图5A对应的图像；图6示出了视频探针的在检测器上的图像，显示了高对比区域；图7是喷嘴引导叶片模冷却孔(nozzle guide vane film cooling hole)的剖视图；图7A示出了当探针位于图7的位置A时为了给出聚焦水平的测量而被过滤的TTLI区域的图像；图7B是显示了聚焦水平相对于沿着用于图7A的图像的轴的距离的曲线图；图7C示出了当探针位于图7的位置B时为了给出聚焦水平的测量而被过滤的TTLI区域的图像；图7D是显示了聚焦水平相对于用于图7C的图像的轴的距离的曲线图；图8是高水平系统流程图；图9是示出了根据本发明的一个具体实施方式
的视觉测量探针的操作过程的流程图；以及图10 (a)、(b)和(C)示出了对象的表面的针对一系列视觉测量探针偏移距离的标称锐度(即聚焦程度)和该标称锐度的一阶导数和二阶导数。
具体实施例方式图I示出了根据本发明的对象检查设备，该对象检查设备包括坐标测量机(CMM) 10、视觉测量探针20、控制器22和主计算机23。CMM 10包括工作台12，零件16可以安装在该工作台12上；主轴14，该主轴14可以在X、Y和Z轴上相对于工作台12运动。铰接探头18安装在主轴14上，并且提供围绕至少两个轴A1、A2的旋转。视觉测量探针20安装在铰接探头18上并且被构造成用于获得位于工作台12上的零件16的图像。视觉测量探针20因而可以通过CMM 10在X、Y和Z轴运动并且能够通过铰接探头18围绕Al和Α2轴旋转。可以通过CMM或铰接探头提供额外运动，例如，铰接探头可以提供围绕视频探针A3的纵向轴线的旋转。视频探针相对于零件16的期望运动轨迹/路线由主计算机23计算并馈送至控制器22。马达(未显示)设置在CMM 10和铰接探头18中以在控制器22的控制下将视觉测量探针20驱动到期望的位置/取向，控制器22向CMM 10和铰接探头18发送驱动信号。CMM和铰接探头的位置由传感器(未显示)确定，并且该位置被反馈至控制器22。图2中更详细地显示了视觉测量探针20的构造。图2是显示视觉测量探针的内部布局的简化图。例如发光二极管(“LED”)之类的光源24产生光束并将光束投向透镜25并投射到偏振滤光器21上,设置偏振滤光器21是为了利用光源产生偏振光束。该光源然后通过穿过光圈27而减小直径并到达偏振光束分光器26。该光束分光器将光束反射向透镜28，透镜28将光聚焦在焦平面31。现在已经发散的光继续到达成像系统30的焦平面。从表面散射回来的光穿过透镜28和光束分光器26，并且聚焦在检测器32上。检测器32是二维像素化检测器，例如电荷耦合器件(“CCD ”)。如将理解的是，还可以使用CXD之外的检测器，例如互补金属氧化物半导体(“CMOS”)阵 列。有利的是，使用偏振光源，从而来自该光源的光被偏振光束分光器26选择性地反射向表面30。穿过所述光束分光器射向透镜28的光中仅有很少的一部分被面34向回反射向检测器32-大部分该寄生反射(spurious reflection)都被向回射向光源。类似地，仅有很少一部分光穿过而到达面35，从而也不会从该面发生反射。因此，减小或去除了照相机上的可由面34或35处的反射产生的任何亮点。该装置的优点还在于，仅仅被所述表面散射并因而被该表面随机偏振化的照明才返回至照相机。例如使用非立方光束分光器将反射从所述检测器引导开的另选构造也是可行的，并且在本发明的范围和精神内。该布局称为“通过透镜照明”(TTLI)。TTLI系统中的光圈是指成像系统的视场比由TTLI照明的面积大得多。这具有的优点在于，可以将光向下导向窄的孔，而不会照射到形成有该孔的零件的表面。如果光落到形成有该孔的表面上，则光将被孔的侧壁更加有效得多地反射，并且该反射光会淹没被感兴趣的特征(即来自孔的侧壁的特征)所反射的光。在相机探针具有浅景深并且零件的形成有孔的表面位于该景深之外的情况下尤其如此。每个像素在X和Y上的相对于基准点(诸如检测器中心)的位置从校准中获知，因而可以确定所检测到的图像相对于基准点位置的位置。在PCT申请No. PCT/GB2009/001260中更详细地描述了各种另选TTLI探针实施方案的更多细节。通过参考方式将该申请中公开的主题内容结合在本申请的说明书中。可以将透镜28选择成给予视频探针浅景深，例如±20μπι。如果在焦点上检测到表面，则获知其距离检测器的距离位于与该景深对应的范围内。在壳体内还设置有处理器36。该处理器从所述检测器接收数据，并向控制器22和计算机23提供输出38。如将理解的是，根据本发明的视觉测量探针20不需要包括TTLI装置。实际上，所述视觉测量探针也不需必然地包括光源。例如，对象可以利用环境光进行照明。然而，将理解的是，所述视觉测量探针也可以以环形照明模式操作。在该模式中，所述表面被LED环照明。图3是这种视觉测量探针的平面图，其中可以看到视觉测量探针的壳体的前表面40包括位于窗口 42周围的由LED 44构成的环。如所述的那样，视觉测量探针20通过铰接探头18和上面安装有其的CMM 10的运动来相对于该工件的表面运动。视觉测量探针20的位置优选被控制成保持所述表面位于焦点上(这对于浅景深来说尤其重要)，并且/或者将光点保持在该表面的正确部分上(例如对象的边缘上)。
对于未知部分或从其标称尺寸偏离的已知部分，期望的是具有来自视觉测量探针的反馈，以使得能够实时地调节视觉测量探针的位置和取向。现在将结合附图4至9来描述用于生成数据反馈的过程。首先参照图8，示出了本发明的一个示例实施方案的高水平系统流程图100。总体操作过程包括在步骤102，PC 23将描述视觉测量探针20的期望运动路线的数据供给控制器22。运动路线数据可以包括轨迹数据和速度数据。运动路线数据可以例如通过待检查对象的三维计算机模型的分析而自动地产生，或者例如通过操作者输入指令序列而手动地产生。在步骤104，控制器22控制CMM 10的操作(包括铰接头18的操作)，以根据运动路线数据相对于待测量对象16驱动视觉测量探针20。同时，控制器22将接收所述控制器使用的反馈数据(如以下将详细说明的那样)，以实时调节其对视觉测量探针20和对象16之间的相对运动的控制(如下面将更详细地描述的那样)。而且，视觉测量探针20在测量过程中获得图像并将这些图像供给控制器22。如将理解的是，视觉测量探针20可以被构造成将待发送至控制器22的图像缓存在视觉测量探针中的存储器中，然后在测量操作之后将这些图像供给控制器22。 在步骤106，控制器22将从视觉测量探针20接收的图像供给PC 23，该PC 23对这些图像进行分析以获得度量数据。如将理解的是，由PC 23进行的分析可以根据终端用户的需求而广泛地改变。一个具体实施例可以涉及对这些图像进行预处理以将感兴趣的区域中的亮度和对比度归一化。于是，所述分析可能涉及将所述图像与已知一个图案或多个图案进行二维关联，之后存储和/或报告关联数据，所述关联数据可以包括配合质量的测量以及位置、尺寸和相对于关联图案的标称值的离差。如将理解的是，本发明的许多各种其他实施方案也是可能的。例如，视觉测量探针20可以在将这些图像传送至控制器22之前存储所有图像，直到测量操作结束。而且，视觉测量探针20可以是具有与PC 23的直接连接，并且将这些图像直接供给PC 23。在其他实施方案中，PC 23和控制器22可以是一个装置。图4示出了相对于连续变化表面46以倾斜角定位的示例性视觉测量探针20。如上所述，该视觉测量探针具有浅景深。在表面46切割视频探针的焦平面48的情况下，图像将显得尖锐。图5示出了在检测器上的对应图像。图5示意性地示出了包括二维像素52的阵列的检测器50。被检查的对象的图像被捕获在整个检测器上，但是因为对象表面只有一部分位于焦平面上(如图4所示)，因此仅图像的局部位于焦点上。突出显示区域56对应于基本位于焦点上的该部分图像(即焦点值满足或超过预定焦点值阈值)。该图像可以由处理器36分析以确定焦点上区域在图像平面中位于何处(即检测器的X、Y坐标)。如图5A所示，检测器50分成多个区段54。每个区段中例如有400 (20X 20)个像素。分析每个区段中的像素来计算单个值，以便量化该区段内存在的具体特性(例如焦点)的水平。每个区段中的例如焦点的水平因而被赋予数字值，具有最高频率含量的区段具有最高数字值。这种分析可以包括观察图像中的像素之间的值的变化。这可以例如通过利用使用高通滤波器来进行。另外，可以通过使区段内的像素值通过低通滤波器(例如，矩形波滤波器(boxcar filter)、汉明滤波器或高斯曲线)来使用权重因数。一旦对所有像素区段54都使用了权重因数，则获得图像的焦点图，不过以比原始图像低的精度获得。如将理解的是，检测器不需要分成多个区段，并且可以对每个像素进行分析以获得每个像素的焦点值。因而可以从焦点图中(例如在检测器的X、Y坐标中)的数字值的扩展来确定焦点的重心。在该实施方式中，可以使用重心沿着Y坐标的位置来确定视觉测量探针和表面之间的基准距。在视觉测量探针相对于所述表面倾斜地定位的情况下，如图4所示，随着基准距的减小，重心将沿着Y轴上升，而随着基准距的增加，重心将沿着Y轴下降。图5B显示了图5A的检测器，其中基准距已经减小。高聚焦区域的重心已经沿着Y向上移动。如图像处理领域中的技术人员将理解的是，在图像的各种特性的分布的分析中，图像矩的计算可能是有用的。例如，它们能够提供关于像素在整个图像上的亮度、对比度或焦点的分布的信息。如所公知的那样，图像的第一矩对应于感兴趣的特性的重心(例如，焦点分布的重心)，图像的第二矩对应于感兴趣的特性的变化(例如，焦点分布的扩展)，并且图像的第 三矩涉及分布的偏度(例如如何在整个图像上对称地扩展焦点变化)。第一、第二和第三图像矩涉及沿着图像的一个轴的上述特性，因而对于二维图像，一般针对两个正交轴中的每个轴计算图像矩。而且，一般针对图像中的感兴趣的具体特性的主轴(通常还称为长轴和短轴或主分量)计算图像矩。如将理解的是，主轴通常是对应于感兴趣区域的最长轴和最短轴的最佳匹配正交向量。例如，参见图5A和图5B,所感兴趣的是焦点，并且图像已经被滤波以提供如上所述的焦点图。该焦点图示出了存在一区域，其中图像基本位于焦点56上，并且该焦点上区域(即感兴趣的区域)的主轴90基本沿着图像的X轴和Y轴延伸。然而在图5C中，所述表面相对于视觉测量探针20处于这样的姿态，使得所述焦点上区域倾斜地横跨所述检测器延伸。因而，在这种情况下，图5C中的焦点上区域56的主轴不与图像检测器的X轴和Y轴平行，而是相对于X轴和Y轴如箭头90所示那样倾斜地延伸。沿着主轴计算第二和第三图像矩提供了比沿着X轴和Y轴计算更相关和有用的信息，这是因为所得到的结果是它们最不相互关联的，换言之，是最独立的。因此，对这些值中的一个值的强度采取的任何动作对所感兴趣的值都将具有最大效果，而对其他值具有最小效果。如将理解的是，可以以如下方式计算图像矩
权利要求
1.一种操作用于获得和供给待测量对象的图像的视觉测量探针的方法，所述视觉测量探针安装在坐标定位设备的连续铰接头上，所述连续铰接头具有至少一个旋转轴线，并且其中所述对象和所述视觉测量探针在测量操作过程中能够围绕所述至少一个旋转轴线并以至少一个线性自由度相对于彼此移动，所述方法包括 处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得反馈数据；以及 基于所述反馈数据控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。
2.根据权利要求I所述的方法，该方法进一步包括处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像，从而鉴别并获得关于所述对象的至少一个特征的度量数据。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其中控制物理关系包括改变所述视觉测量探针和所述对象的相对位置和取向中的至少一个。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中控制物理关系包括基于所述反馈数据围绕 所述至少一个轴线对所述视觉测量探针进行重新取向。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述对象和所述视觉测量探针被构造成在测量操作过程中以预定方式相对于彼此移动，并且其中控制物理关系包括基于所述反馈数据调节预定相对运动。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述改变预定相对运动包括基于所述反馈数据调节所述视觉测量探针和所述对象之间的相对运动的预定轨迹。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述改变预定相对运动包括改变所述视觉测量探针和所述对象之间的相对预定运动速度。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述反馈数据基于所述图像的特性的至少一个参数描述。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述特性涉及所述图像的至少一部分的对比度、亮度或焦点中的至少一个。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述至少一个参数描述涉及感兴趣的特定区域的重心。
11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中所述至少一个参数描述包括涉及感兴趣的特定区域的主轴的至少一个参数。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述反馈数据包括所述光学测量装置和所述对象之间的期望运动向量。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述视觉测量探针包括所述至少一个处理器，并且被构造成处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得所述反馈数据。
14.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系以改变由所述视觉测量探针检测到的光量。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述视觉测量探针是固定聚焦系统。
16.根据任一前述权利要求所述的方法，该方法包括控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系以改变所述对象在所述视觉测量探针的图像平面上的状态焦点。
17.根据权利要求2所述的方法，其中所述反馈数据以高于所述度量数据的优先级获得。
18.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在实时基础上获得所述反馈数据，并执行所述改变。
19.一种对象检查设备，所述对象检查设备包括 坐标测量机，所述坐标测量机包括具有至少一个旋转轴线的连续铰接头； 视觉测量探针，所述视觉测量探针用于获得并供给待检查对象的图像，并用于安装在所述连续铰接头上，使得所述对象和所述视觉测量探针能够在测量操作过程中围绕所述至少一个旋转轴线并以至少一个线性自由度相对于彼此移动；和 至少一个处理器，所述至少一个处理器用于处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得表示所述视觉测量探针的状态的反馈数据；和 至少一个控制器，所述至少一个控制器用于基于所述反馈数据改变所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。
20.根据权利要求19所述的对象检查设备，所述对象检查设备还包括至少一个处理器，所述至少一个处理器用于处理所述对象的由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以鉴别并获得关于所述对象的至少一个特征的度量数据。
21.根据权利要求19或20所述的对象检查设备，其中所述视觉测量探针包括用于获得所述反馈数据的所述至少一个处理器。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的对象检查设备，其中所述控制器被构造成改变所述视觉测量探针和所述对象的相对位置和取向中的至少一个。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的对象检查设备，其中所述控制器被构造成在测量操作过程中以预定方式控制所述视觉测量探针和所述对象之间的相对运动，并且其中改变包括基于所述反馈数据改变预定的相对运动。
24.根据权利要求23所述的对象检查设备，其中所述控制器被构造成基于所述反馈数据调节所述视觉测量探针和所述对象之间的相对运动的预定轨迹。
25.根据权利要求23或24所述的对象检查设备，其中所述控制器被构造成改变所述视觉测量探针和所述对象之间的预定相对运动速度。
26.根据权利要求20所述的对象检查设备，所述对象检查设备还包括度量系统，该度量系统被构造成从所述视觉测量探针接收至少一个图像，并且该对象检查设备还包括所述至少一个处理器，该至少一个处理器被构造成处理至少一个图像以获得所述度量数据。
27.根据权利要求26所述的对象检查设备，其中所述反馈数据以比将所述至少一个图像供给所述度量系统的优先级更高的优先级产生。
28.根据权利要求19至27中任一项所述的对象检查设备，其中所述反馈数据包括基于所述图像的至少一个具体特性的至少一个参数描述。
29.根据权利要求28所述的对象检查设备，其中所述特性涉及所述图像的至少一部分的对比度、亮度或焦点中的至少一个。
30.根据权利要求28或29所述的对象检查设备，其中所述至少一个参数描述包括至少一个参数，该至少一个参数涉及具有满足预定标准的特性的图像的感兴趣区域的形式。
31.一种视觉测量探针，所述视觉测量探针用于安装在坐标定位设备的铰接头上，用于将待测量对象的图像捕获并供给外部度量系统，所述视觉测量探针被构造成还从至少一个捕获到的图像产生和供给反馈数据。
全文摘要
一种操作用于获得和供给待测量对象的图像的视觉测量探针的方法。所述视觉测量探针安装在坐标定位设备的连续铰接头上，所述连续铰接头具有具有至少一个旋转轴线。所述对象和所述视觉测量探针在测量操作过程中能够围绕所述至少一个轴线以至少一个线性自由度相对于彼此移动。该方法包括处理由所述视觉测量探针获得的至少一个图像以获得反馈数据；以及基于所述反馈数据控制所述视觉测量探针和所述对象之间的物理关系。
文档编号G01B11/00GK102803893SQ201080024969
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月4日 优先权日2009年6月4日
发明者亚历山大·戴维·麦肯德里克, 伊恩·威廉·麦克莱恩, 卡卢姆·康纳·麦克莱恩, 尼古拉斯·约翰·韦斯顿, 蒂莫西·查尔斯·费瑟斯通 申请人:瑞尼斯豪公司