光学测量机器及方法与流程

本案为名称是“光学测量机器及方法”、申请日为“2013年3月15日”、申请号为“201310084652.3”的专利申请的分案申请。

本发明涉及光学测量机器及方法。

背景技术：

本发明涉及光学仪器的领域，光学仪器用光学电子方法确定各种参数，尤其是，用于测量主要是平面的零件。在现有技术中，公知有许多种光学(光学电子)测量机器，其包括工件支承台，工件支承台由基本上透明的材料制成，并插入在光源和图像探测器之间。

这些机器通常包括形成(玻璃质)支承台的固定的安装件，光学电子测量系统可顺着该支承台沿x-y主方向移动。

例如，文献us2005/109959描述了装备有透明测量台(支承台)的机器，待被测量的工件定位在该测量台上，固定光源位于测量台的下方并面向上，以便用光束照亮工件，视频捕捉系统装备有摄影机，该摄影机相对于测量台能够(沿两个主方向x-y)部分地移动，以捕捉(或俘获)多个帧，然后，借助于专门的软件来组合这些帧，以产生测量域(以及工件)的完整图像。

替代地，文献us5008743披露了使用可相对于光学系统移动的测量台的可能性。光学系统包括：在测量台下方的多个线性布置的led(发光二极管)，在测量台上方的构造成将光线引导到线性摄影机的菲涅耳透镜。

不利地是，上述装置具有若干个缺点。

的确，电动驱动器和光源的使用趋于使机器过热，尤其是使测量台和摄影机过热，导致视域(即画面)畸变和降低测量精度。

此外，使用多个直接面向工件的led使得光的方向不能有效地控制。

与文献us2005/109959中的装置相比，用来收集光线并将光线引导到摄影机上的菲涅耳透镜的存在，确实提高了视频捕捉质量，但却没有使其最优化。

技术实现要素：

本发明的技术目的是提供克服了上述现有技术缺点的光学测量机器及方法。

具体来说，本发明的目标是提供可纠正摄影机和部件热畸变的光学测量机器及方法。

本发明的另一目标是提供能够快速提供质量测量的高性能的光学测量机器及方法。

这些目标借助于根据本发明的光学测量系统来达到，该光学测量系统包括光学探测单元，光学探测单元装备有发光装置和视频捕捉装置，该发光装置构造成产生沿预定光路的光束，视频捕捉装置沿光路至少部分地与发光装置对齐以便接受光束；视频捕捉装置具有预定的焦距和预设的视域。该机器还包括支承件和运动装置，支承件插入在发光装置和视频捕捉装置之间，该支承件包括透明板，其形成用于待测量工件的支承台，并沿着被光束横过的光路定位，而运动装置构造成产生在透明板和光学探测单元之间的相对运动，该运动沿着运动方向，与光路成直角，以便沿着运动方向形成被捕捉的视域的多个帧，形成机器的测量区域。

根据本发明，该机器还包括连接到支承件的复查校准，其沿着彼此大致成直角的两个方向延伸，并定位在某一平面内的机器的测量区域内，该平面离视频捕捉装置的距离等于焦距，以便形成用于纠正测量误差的比较元件。

具体来说，测量机器包括处理单元，该单元与视频捕捉装置相关联并构造成组合上述视域的帧，以产生测量区域的完整图像。

该处理单元又装备有纠正模块，纠正模块构造成使代表复查校准的位置或尺寸值的参数与先前储存的参考值相比较，以便计算出用于捕捉图像的纠正因子。

有利地是，这样就能保证测量精度，排除热和系统漂移(畸变)。

附图说明

参照附图，从以下对本发明的非限制性优选实施例的描述中，上述的和其它的特征将会变得更加明晰，附图中，

图1示出根据本发明的光学测量机器实施例的立体图，其处于操作的第一步骤；

图2示出根据本发明的光学测量机器的立体图，其处于操作的第二步骤；

图3示出根据本发明的光学测量机器的立体图，其处于标定的步骤；

图4是图2的光学测量机器的示意侧视图；

图5示出根据本发明光学测量机器的优选实施例的立体图。

具体实施方式

参照附图，附图标记1表示根据本发明的光学测量机器。

光学测量机器1是光学电子型的，其构造成大多测量主要为平面的工件100，或者，形状沿着其厚度至少变化不大的工件。

测量机器1包括安装组件，该组件具有底部，该底部的形状允许机器自身可放置在支承表面上，最好是水平表面。

该底部较佳地具有多个脚(未示出)，这些脚可调节以在支承表面上精确地校平，即使支承表面的形状不规则也可调平。

该机器还包括支承件4，最好是平面形状的，以对要测量的工件100形成支承台“a”。较佳地，该支承件4相对于底部升起。

支承件4包括平面安装件5(最好是金属的)和透明板6，该透明板6平行于安装件5延伸，并形成工件100的上述支承台“a”。

较佳地，透明板6定位在支承件4的中心部分内，其被安装件5包围，它的功能较佳地是结构性的。

在优选的实施例中，透明板6用高质量的玻璃质材料制成。例如，该板可用硼硅玻璃(borosilicateglass)制成。

应该指出的是，透明板6厚度在1和10mm之间。

机器1还包括光学探测单元7，其构造成用光束照亮透明板6(因此还有待要测量的工件100)，以捕捉因工件100的存在而产生的阴影的图像(影像)。

具体来说，光学探测单元7装备有发光装置8和视频捕捉装置9，发光装置8构造成产生沿着预定光路“b”的光束，视频捕捉装置9与发光装置8对齐(沿着光路“b”)，以接受光束“f”。

因此，透明板6(更一般地说，支承件4)插入在视频捕捉装置9和发光装置8之间，以便能测量工件100。

发光装置8包括至少一个朝向透明板6的光源8a，以用光束照明透明板6。

在优选的实施例中，发光装置8包括单一光源8a。较佳地，该单一光源8a是led(发光二极管)型。

发光装置8还包括与光源8a相关联的光学系统8b，用以朝向透明板6照射光束。该特征的优点随着本描述的继续而会变得更加清楚。

视频捕捉装置9具有预定的焦距“f”和预设的视域“v”。

术语“焦距”用来指光学系统的调焦能力。具体来说，当待聚焦的物体放置在无限远处(因此，光线平行于系统的轴线)时，它与介于光学系统和聚焦平面之间的距离(单位为mm)相一致。

另一方面，“视域”是视频捕捉装置9在任何瞬时都是工作的区域，它是“视域角度”的函数，即其图像圆的角度范围。

应该指出的是，视频捕捉装置9包括装备有相应光学系统9b的摄影机9a。

因此，视域“v”和焦距“f”根据摄影机9a的规格和光学系统9b的类型组合而定义的。

在优选的实施例中，摄影机9a是线性摄影机。因此，视域“v”基本上由线性段(阵列)予以定义。

在优选的实施例中，视域“v”是长度在0和170mm之间的线段，较佳地，近似为150mm。

此外，焦距“f”在130和150mm之间，较佳地近似为140mm。

因此，较佳地，发光装置8的光学系统8b沿着光路“b”(形成操作方向)朝向视频捕捉装置9的光学系统9b并与其对齐。

透明板6沿着上述操作方向插入在光学系统8b、9b之间并横向于该方向定向，最好定向成直角。

在所示的实施例中，连接两个光学系统8b、9b的直线(对应于操作方向)大致在垂直方向上，而透明板6位于对应于工件100的支承台“a”的水平平面内。

因此，在照明装置8和视频捕捉装置9的两个光学系统8b、9b之间的伸展地带中，光路“b”大致为直线的和垂直的。

因此，有利地，待要测量的工件100可快速地和容易地定位，而且不必予以固定。

较佳地，光学系统8b、9b彼此定位成离开一距离“l”。

此外，为了提高摄影机9a捕捉的图像质量，视频捕捉装置9的光学系统9b属于远心型的。较佳地，照明装置8的光学系统8b也是远心型的。

术语“远心”是指主光线平行于光轴的光学系统。

因此，视频捕捉装置9和照明装置8的光学系统8b、9b彼此校准。

有利地是，由于光线的衍射，所以这样捕捉的图像总体上没有畸变。

机器1还包括运动装置10，其构造成产生透明板6和光学探测单元7之间的相对运动，该运动沿着运动方向“c”并与光路“b”成直角，以允许沿着运动方向“c”捕捉视域的多个帧。

因此，当运动装置10启动时，架起的摄影机9a就沿着透明板6(具体来说，沿着运动方向“c”)连续地捕捉帧。

这样，确定了机器1的测量区域“m”，这就是说，探测到要被测量的图像的区域。

测量区域“m”的大小是可变的，其根据待要测量的工件100的形状和尺寸变化。

具体来说，机器1的测量区域“m”的范围根据运动装置10的工作行程。

因此，测量区域“m”由视域“v”(在本情形中，视域是线性的)乘以运动装置10的工作行程予以定义。

然而，应该指出的是，测量区域“m”的最大尺寸由透明板6的尺寸来限定。

较佳地，运动装置10、30构造成相对于光学探测单元7来移动支承件4(以及因此的透明板6)。

具体来说，支承件4沿着运动方向“c”相对于光学单元7滑动，运动方向“c”即与光路“b”成直角。

运动装置10、30还包括电动机11、31，以及插入在电动机11、31自身和支承件4之间的运动传输装置12、32。

较佳地，(图5)，传输装置32由连接到滑轮34上的带子33形成，而滑轮34刚性地连接到电动机31。

有利地，带子传输消除了振动现象并允许更精确的运动。

替代地(图1-4)，传输装置12可由循环的球组件13和与支承件4成一体的至少一个循环的螺杆(蜗杆)14形成，以便沿着运动方向“c”运动。

代替电动型致动器，运动装置可包括(直接地或间接地)连接到支承件4上的液压缸/气动缸，以便提供沿着运动方向“c”的线性致动。

为了便于该运动，安装组件2包括至少一个轨道15，支承件4可滑动地与该轨道相连。轨道15沿着运动方向“c”延伸。在这一点上，支承件4装备有至少一个闸瓦16，其可滑动地连接于轨道15。因此，支承件4和闸瓦16一起形成可滑动的滑架17。

在所示的实施例中，安装组件2装备有两个平行轨道15，以改善平衡和提高稳定性。

有鉴于此，支承件4装备有至少两个(最好是四个)闸瓦16。

较佳地，支承件4(和因此的滑架17)可滑动地与位移传感器27相关联。

较佳地，位移传感器27由光学标尺27a组成，该光学标尺固定到安装组件2并平行于运动方向“c”设置。光学标尺27a具有多个凹痕(较佳地是定距、铬蚀刻的型式)。

视频捕捉装置9，尤其是摄影机9a，构造成：一旦到达光学标尺27a上的每个凹痕，就捕捉视域“v”的帧。

在一替代的实施例中，可移动光学单元7，同时将透明板6保持在固定位置。因此，在此情形中，运动装置10、30可在光学单元7上操作。

此外，在另一实施例中(未示出)，可加快图像的捕捉，这里，支承件4和光学单元7沿着运动方向“c”可相对于彼此移动。在此情形中，运动装置10、30在该两个部件(支承件4和光学单元7)上操作，运动装置可相对于安装组件2移动。

为了控制运动和捕捉，机器1包括与运动装置10和光学单元7相关联的控制单元18，以结合捕捉工件100的图像来驱动运动装置10和光学单元7。

具体来说，机器1(较佳地是控制单元18)包括与视频捕捉装置9相关联的处理模块19(或处理器)，以便组合在运动装置10、30的行程期间捕捉到的多个帧，从而产生测量区域“m”完整的图像。

处理模块19与视频接口28相关联，该接口28构造成与处理模块19(和控制单元)互换数据，并向操作者显示捕捉到的图像，以让操作者获得所需要的测量(测量值)。

换句话说，图像捕捉是连续的扫描过程，其中，线性位置编码器确保摄影机9a和工件100之间相对运动的同步。

根据本发明，机器1包括纠正工件100测量中误差的装置。

在这一点上，纠正装置包括复查校准器20，其连接到支承件4并沿着至少一个方向延伸，该方向横向于运动方向“c”，最好成直角。

复查校准器20至少部分地位于机器1的测量区域“m”内。

换句话说，复查校准器20至少部分地位于视频捕捉装置9的每帧中的视域“v”之内(在视频捕捉装置9的沿着运动装置10的工作行程的每个位置)。

此外，复查校准器20位于离摄影机(尤其是离开其光学系统9b)一距离处。该距离等于焦距“d”，于是，复查校准器20始终聚焦在每帧内。

较佳地，复查校准器20包括至少一段23，其装备有沿着该段23自身的延伸方向相继地定位的多个比较元件24。

较佳地，每个比较元件24基本上离邻近于其的两个比较元件24等距离。因此，比较元件24沿着该段23为等距离间距开的。

在所示的实施例中，比较元件24由多个平行于透明板6突出的隆起所形成。

较佳地，这些隆起的形状基本上为圆柱形。每个圆柱形隆起的中心轴线与两个相邻隆起的中心轴线等距离。

替代地，参考元件可以呈缺口、槽或其它形状隆起的形式。

为了计算捕捉到图像的纠正因子，处理单元19装备有纠正模块21，其构造成使代表复查校准器20的位置或尺寸值的参数与先前储存的参考值相比较。因此，处理单元21包括至少一个储存装置22，设立该装置用来接受代表一个或多个这些参考值的多个数据项。较佳地，纠正模块21构造成将代表由摄影机9a捕捉到图像中各个比较元件24位置的值与对应储存的参考值比较。

因此，有利地是，能够计算用于图像的纠正因子，由此消除由各种因素造成的热畸变，所述因素诸如是摄影机或光学系统的过热，或由外部因素造成的图像变形。此外，纠正模块21可编程以对各个比较元件24计算图像纠正因子，从而对捕捉到图像的各个区带(zone)(或分区)提供不同的纠正(即，对测量区域“m”的每个区带)。

具体来说，参考值(储存在存储装置22内)各代表着在预定大气压和工作条件下探测到的同一比较元件24的位置。

这些预定条件是标准的测量条件，即：

-温度在15℃和25℃之间，较佳地是20℃；

-湿度在50和70％之间，较佳地是60％。

在优选实施例中，使用如下公式来进行纠正：

补偿＝k*x+q

其中，“k”和q是所有偏差的(对最小二乘方)插值所获得直线的系数，该所有偏差是在复查校准器20上相对于标定步骤过程中测得的复查校准器20的位置测量的。

根据标定过程中以及测量过程中探头25提供的温度，通过假设变形沿着复查校准器20的方向是线性的基础上的近似值，该计算始终考虑到复查校准器20的热变形。

较佳地，复查校准器20还装备有温度探头25，其与纠正模块21相关联，以纠正由于复查校准器20自身中温度变化引起的测量误差。具体来说，设置纠正模块21，从温度探头25中接受代表复查校准器20温度的信号，并且该纠正模块构造成计算待供应到储存参考值的其它纠正因子。

换句话说，温度探头25的存在，阻止复查校准器20的热变形影响到纠正因子的准确计算。

的确，由于复查校准器20材料对于温度变化的特性是已知的，所以，其尺寸变化可预先进行计算。

这意味着可防止复查校准器20尺寸变化影响测量精度。

在实践中，纠正模块21根据复查校准器20的测量温度来计算第一纠正因子(对应于进一步的纠正因子)，并将其供应到储存的参考值(代表标准条件下比较元件24的位置)。

接下来，根据对复查校准器20的探测位置或尺寸和其先前储存的参考位置或尺寸之间的比较，计算第二纠正因子。

较佳地，为了使其存在相对地不具有影响性，将复查校准器20安装在测量区域“m”(以及因此摄影机9a的视域“v”)的周界处。

具体来说，复查校准器20至少部分地包围透明板6，并对每个捕捉到的帧提供比较参数。

应该指出的是，存在一个横向于运动方向“c”的复查校准器20就足够了，因为位移传感器27(即，光学标尺27a)沿着该方向安装，并且能够足够地提供精确的纠正数据。

然而，替代地，如图1-4中所示，复查校准器20可包括彼此成直角的第一段23a和第二段23b，并分别具有第一尺寸“d1”和第二尺寸“d2”。

在所示的实施例中，尺寸“d1”和“d2”对应于透明板6的主尺寸。

因此，视频捕捉装置9的视域“v”具有平行于第一段23a的主尺寸(或，由于摄影机9a是线性相机，只有唯一尺寸)，第一段23a的长度至少等于第一尺寸。

应该指出的是，运动装置10构造成覆盖平行于第二段23b的工作行程，以便确定测量区域“m”的范围。

在该实施例中，第一段23a和第二段23b形成大致l形的结构，其沿着透明板6周边布置，至少部分地界围测量区域“m”。

在任何情况下，透明板6最好连接到支承件4，以沿着平行于光路“b”的方向移向和移离复查校准器20，这样，允许机器1适于测量不同厚度的工件100。

更精确地说，透明板6位于离视频捕捉装置9(尤其是离光学系统9b)一距离处，该距离大于或等于焦距“f”，其可移离光学系统9b。

因此，如果复查校准器20位于焦平面内，则透明板6朝向和远离复查校准器20运动。

该运动最好由操作者使用调整装置(自动地或手动地)进行控制，该控制根据待要测量的工件100的厚度“s”进行。

因此，调整装置可操作地插入在支承件4(尤其是安装件5)和透明板6之间。

在优选实施例中，视频捕捉装置(以及因此摄影机9b)位于透明板6上方，而照明装置8位于其下方。

因此，通过将待要测量的工件部分定位在焦平面内，即，与复查校准器20对齐，使透明板6朝向或远离摄影机9a的运动，便能根据工件厚度“s”来改变工件100的支承台“a”的高度。

测量方法也形成本发明之目的，通过实施该测量方法，机器1因此用来测量基本上为平面形状的工件100。

然而，该方法也可用光学测量机器来实施，在某些方面，该机器的特征不同于上述机器的特征。

不管什么情况，机器必须具有至少一个光学探测单元7，其装备有照明装置8和视频捕捉装置9，透明板6则插入在它们两者之间，以让光束横过它。

该方法包括准备复查校准器20的步骤，该复查校准器20具有在机器1的测量区域“m”(以及因此摄影机9a的视域“v”)内的预定(或预先储存)的位置或尺寸。

具体来说，每个上述比较元件24的位置都是预定的。

此后，将待要测量的工件100放置在透明板6上。

如果必要的话，透明板6可朝向或远离视频捕捉装置9移动，以将待要测量的工件100的部分定位在焦平面内，即，与复查校准器20对齐。

一旦工件100定位(或必要的话，甚至在此之前)，启动光学探测单元7来捕捉视域“v”的至少一个帧(较佳地为多个帧)。

因此，照明装置8和视频捕捉装置9被致动。

还有一步骤是，沿着运动方向“c”在透明板6和光学探测单元7之间形成相对运动，运动方向“c”与将摄影机9a连接到照明装置8的直线成直角(即，与光路“b”成直角)。

这样，相继地捕捉到视域“v”的多个帧，例如，以获得机器1(和因此工件100以及复查校准器20)的测量区域“m”的完整图像。

在这一点上，该方法包括比较步骤，该步骤比较复查校准器20的测量位置或尺寸与预定的位置或尺寸，其后跟着纠正测量值的步骤，其根据比较来纠正测量工件100的捕捉到的图像的测量。纠正步骤最好包括计算至少一个纠正因子(或纠正参数)。

较佳地，该方法还包括测量复查校准器20温度的步骤，最好与图像捕捉同时进行。

在此情形中，纠正工件100图像测量的步骤还包括子步骤，该子步骤根据复查校准器20的测得的温度来计算第一纠正因子。

第一纠正因子施加到比较元件24的预定位置，比较元件24的位置由于温度变化已经改变。

接下来，根据复查校准器20的探测到的位置或尺寸和预定的参考位置或尺寸之间的比较，计算第二纠正因子。

较佳地，为了确定复查校准器20的位置(可取的)或尺寸(替代地或附加地)，该方法包括初步的标定步骤。

应该指出的是，标定步骤是在预定大气压力或工作条件下进行的，这些条件对应于上述对机器1的描述中的条件。

标定步骤包括多个子步骤。

首先，将复查校准器20放置在机器1的测量区域“m”内。

还有，将已知尺寸的标定元件26放置在透明板6上，距离视频捕捉装置9一距离，该距离对应于焦距“f”。

较佳地，标定元件26的型式限定为，对光线半透明，其尺寸可从实验室得知。

该型式对于光线是半透明的，这是因为它具有尺寸已知(通常为方形)的交替的不透明和透明部分，因此可用作标定的参考。

因此，照明装置8和视频捕捉装置9(尤其是摄影机9a)被致动，以捕捉视域的至少一个帧。

接下来，沿着运动方向“c”(即，与光路“b”成直角)，形成透明板6和光学探测单元7之间的相对运动。

这样，相继地捕捉视域“v”的多个帧，以获得机器1(和因此标定元件26和复查校准器20)的测量区域“m”的完整图像。

此后，根据标定元件26的已知尺寸，处理单元19确定复查校准器20的位置和/或尺寸。

将复查校准器(尤其是，上述每个比较元件24)的位置和/或尺寸储存起来。

此时，移去标定元件26，并可开始测量工件100。

本发明达到了预设目标并带来了重要的优点。

事实上，位置(或尺寸)特征是预定的复查校准器的存在，能够探测机器的热漂移、纠正误差和优化测量。

此外，将复查校准器放置在透明板的周边，这意味着复查校准器是非侵袭性的，尽管总是存在于摄影机的视域内。

而且，测量其温度的可能性，可防止复查校准器自身变形而降低测量精度。

还有，光学探测单元两部件的远心光学系统，使得测量在全部的测量域内极其精确，防止因光线衍射引起的图像变形。

此外，使用能直线移动的线性摄影机和支承台(透明板)使得图像的捕捉立即变得快速和精确。