激光轮廓探测组件、视觉系统及布置激光轮廓仪的方法与流程

本发明涉及视觉系统照相机，更具体地涉及适于对表面轮廓成像的视觉系统照相机。

背景技术：
激光束轮廓仪(亦简单地称为“激光轮廓仪”)捕捉并确定激光束在横向于光束传播路径的特定平面的空间强度分布。照相机位于平面之上，且照相机镜头轴与该平面成锐角。用户想要通过三角测量来测量并表征平面物体的表面细节时，激光轮廓仪在大范围检查和制造操作方面是有用的。一个示例是检查键盘，其中仿形任务确定是否所有的键均处于相似高度。激光轮廓仪的一种形式使用具有可基于CCD或CMOS设计的图像传感器(或“成像器”)的视觉系统照相机。成像器限定通过镜头从成像场景接收集中的光线的像平面上的灰度或颜色感知象素的预定范围。轮廓仪使用将反射的激光从平面场景引导至与照相机传感器的光轴(其与像平面垂直)成锐角的传感器特定镜头组件。以此方式，激光轴、镜头轴和传感器像平面之间的不垂直角度可满足所谓的沙姆普弗鲁克原理以确定每个测量距离的激光线的清晰图象(下面进一步地描述了)。即，通常当以不垂直的角度将照相机轴引导至平面场景时，所获得图像的总高度的仅一小部分跨越宽度成锐聚焦，且在该区域之上和之下聚焦会减弱。执行精确的激光轮廓探测的重要挑战是激光轴相对于镜头轴的相对角度应高度精确。同样地，隔开的激光器和镜头之间的距离应具有高精确度。为照相机和激光器设置安装固定装置的布置，然后校准该布置很费时间且可导致系统的总精确度和性能发生变化。因此，理想的是提供与允许花费少量时间和努力便可对激光轮廓探测布置进行精确和可重复设置的视觉系统照相机一起使用的激光轮廓探测系统。

技术实现要素：
本发明通过提供用于激光轮廓探测的系统和方法克服了现有技术的缺点，该系统和方法简化了安装和使用激光轮廓探测系统任务，且通过提供包括具有预定布置的镜头和几何形状以及校准参数为预定的隔开的激光器简化了相关应用。轮廓仪组件适于直接安装入传统视觉系统照相机的照相机架(通常以螺纹形式)。所有需要执行轮廓探测任务的部件均可被集成到轮廓仪组件中。将部件集成在单个可互换/可交换的组件中使得针对特定轮廓探测应用优化/适配组件简单直接。在说明性实施例中，提供了使用具有与照相机轴同轴的支架的视觉系统照相机对物体表面进行激光轮廓探测的组件。该组件包括镜头底座，所述镜头底座包括具有镜头光轴的镜头，镜头底座还包括具有被构造和设置为相对于照相机轴以预定的旋转定向可拆卸地将镜头底座固定至支架的安装结构的后端。杆从镜头底座延伸至远端。远端被构造和设置为支撑激光器以便激光器的投影轴相对于镜头光轴向预定方向被引导。组件可以是激光轮廓探测系统的一部分，激光轮廓探测系统包括具有(说明性地)允许与至少一个第二整体激光轮廓仪组件交换的传统支架的视觉系统照相机。两个激光轮廓仪组件可限定不同的几何形状，例如焦距、镜头类型和/或镜头轴的相对角度，针对不同的轮廓探测任务投影激光轴可不同。说明性地，镜头光轴被定向为与照相机轴成锐角。后端可包括滑动安装的安装环，其螺纹旋入照相机架。同样地，后端具有外螺纹且包括位于安装环后面的焦环。焦环与后端的外螺纹螺纹啮合为允许其轴向位置可变。当安装环紧靠支架的径向向内壁时，这提供了阻挡。如此，沿后端设置焦环的轴向位置可提供镜头和照相机传感器的像平面之间所期望的焦距。在实施例中，镜头底座和杆包括用低热膨胀材料制成的单一结构。在说明性实施例中，用于布置激光轮廓仪的方法包括提供具有与照相机轴同轴的支架的视觉系统照相机和像平面与照相机轴垂直的传感器。第一整体轮廓仪组件可拆卸地安装至照相机架。该组件包括镜头底座和激光器在远端的杆，其中镜头光轴和激光器的投影轴沿杆间隔开。在可拆卸地安装组件的过程中，第一整体轮廓仪组件的安装结构通过沿镜头底座的后端滑动的安装环与照相机架螺纹啮合。在另一个步骤中，该方法包括将有关连接的集成激光轮廓仪组件的几何数据和校准参数传输至可操作地与视觉系统照相机连接的视觉系统处理器以便与轮廓探测任务相关的视觉系统处理在执行轮廓探测任务时可使用该数据。附图说明下面参照附图描述本发明，其中：图1是激光轮廓探测系统的透视图，根据说明性实施例，所述激光轮廓探测系统包括连接至示例性视觉系统照相机支架的激光轮廓仪组件；图2是沿图1的线2-2的系统的部分侧视剖面图；图2A是说明性激光组件的示意性俯视图，所述激光组件产生用于图1中的激光轮廓仪组件的发散扇形束；图3是图1中的轮廓仪组件的局部侧视图，图示了在从与激光轴对齐的场景获取图像以及通过成角度镜头将图像聚焦到照相机传感器的像平面上时的沙姆普弗鲁克原理(Scheimpflugprinciple)的操作；图4是图1中的轮廓仪组件的侧视图；图5是图1中的轮廓仪组件的前透视图；图6是图1中的轮廓仪组件的后透视图；图7是沿图5中的线7的轮廓仪组件的部分剖面图；以及图8是照相机表面和与包括用于将轮廓仪组件相对于照相机垂直对准的导销的照相机主体分离的支架的后透视图；图9出示了轮廓仪组件的另一实施例。具体实施方式图1示出根据说明性实施例的激光轮廓探测系统100。系统包括可以是具有带有(说明性地)二维阵列图像象素的图像传感器的任何可接受的照相机的示例性视觉系统照相机110。照相机110可以是具有执行一些或所有多个视觉系统任务(例如，边缘检测、斑点分析、旋转和标度不变搜索等)的内部处理器，比如可从NatickMA的Cognex公司购买的Insight系统的照相机110。可替代地，照相机可具有少数处理功能，并将捕捉的图像(通过有线或无线链路)传输至远程处理装置，比如安装有合适的视觉系统软件(未示出)的个人计算机(PC)。应注意，如此处所使用，任何处理或过程均可由电子硬件、由程序指令的永久性计算机可读介质组成的软件或硬件和软件的组合来执行。照相机110包括在其主体正面114上的镜头安装底座(或“支架”)112，其可以是传统的螺纹支架，比如C支架、CS支架或F支架。照相机主体的示例性C支架结构112采用本领域已知的传统的1英寸内径内螺纹。还参照图2的剖面图，图1所示沿着剖面线2-2，示例性照相机110包括确定像平面SP和垂直的照相机光轴COA的传统传感器210。传感器是根据示例性照相机排列与进一步处理和接口部件216和218互相连接的电路板组件212的一部分。这些电路和处理部件的具体实施和功能是高度可变的。通常，传感器210和相连像平面SP的位置与说明性实施例的示教相关，更具体地相对于连接的说明性激光轮廓仪组件120而言。激光轮廓仪组件120由镜头底座130、臂140和激光组件150组成，其相对于镜头底座130而言安装在臂140的末/远端。在说明性实施例中，镜头底座130单独形成，具有作为用于增加刚度的铸造或机加工结构(利用实心钢坯)的臂。在实施例中，该结构可由低热膨胀材料，比如因瓦合金形成。根据本领域的技术人员，可用其它具有足够强度和刚度的低热膨胀材料来替代。如此，照相机的变热和/或周围环境的温度变化不会明显地使臂140变长或缩短。这确保校正和使用过程中组件在尺寸上保持稳定，如下面进一步描述的那样。镜头底座130容纳限定镜头光轴LOA(图2)的尺寸适当镜头160，该镜头光轴LOA(说明性地)向下与传感器/照相机光轴CO...