具有用于聚焦和对准的双作用标线投影仪的视频测量系统的制作方法

本发明涉及用于捕获和处理测试对象的图像的视频测量机，并且特别地涉及用于对这样的测量机进行聚焦和校准的系统。

背景技术：

通常需要视频测量机来测量具有不同高度（包括以不同放大倍率）的特征的测试对象，这可能需要进行调节以捕获适当焦点的图像。尽管许多此类机器都包括远心成像系统以避免放大倍率通过焦深发生变化，但通常需要进行调节以将测试对象或测试对象的特征保持在远心成像系统的最佳或至少可接受的聚焦方位以进行准确的测量。

可以用各种方式完成聚焦，该方式包括通过相对于测试对象相对地移动成像系统的全部或一部分。也可以用各种方式完成识别合适的聚焦方位，该方式包括通过对所捕获图像内的图像对比度进行一次或多次测量。例如，可以通过测量强度变化或较高空间频率的能量含量来评估图像对比度。

然而，某些测试对象的表面可能是反射性差的或者甚至是过于镜面的，这会减少所捕获图像内的对比度变化，并且由此减小依赖于对比度变化进行聚焦调节的准确性。为了克服此类型的障碍，向视频测量机添加了栅格投影仪，以用于将标线栅格投影到测试对象上。投影的栅格可以很容易地在相机内成像，其提供了进行适当的聚焦调节所需的必需对比度变化。

已知的视频测量机可以被布置有各种照明系统，包括同轴或透镜穿透照明系统、倾斜照明系统和背光照明系统。尽管可以使用led（发光二极管）和其他有效的光源，但是有时需要大量的能量才能达到适当的照明水平，而这可能会加热成像系统的光学元件或其支撑件。由热引起的材料膨胀以及不同设置之间的调节（诸如不同的放大倍率）可能会影响光学系统对准以及其他机器校准问题。

为了监视和校正这种未对准和相关校准问题，已经使用另一种类型的栅格投影仪来将栅格通过成像系统的至少一部分投影到相机的像平面检测器上。该栅格包括居中特征（诸如同心圆），其可以被用于监视相机检测器上的图像方位和大小。

用于在相反方向上通过成像系统投影不同栅格的附加装置增加了成像系统的成本、复杂性和体积。

技术实现要素：

在一个或多个实施例中，视频测量机的单个投影仪将标线片图像通过成像系统投影到测试对象的表面上作为第一操作模式的一部分，并且在第二操作模式中，将相同或不同的标线片图像通过同一成像系统的一部分投影至反射器，该反射器将标线片图像通过成像系统的同一部分往回反射到相机检测器上。作为第一操作模式的另外的部分，被投影到测试部分表面上的标线片图像由成像系统成像到相机检测器上。具有重叠的光学路径的两种操作模式简化并关联了聚焦和校准功能，以确保视频测量机正常运行。

根据一个或多个实施例的视频测量系统包括成像系统、用于将标线片的图像通过成像系统投影到测试对象上的标线投影仪，以及用于捕获测试对象的图像和通过成像系统投影到测试对象上的标线片图像的相机。选择性反射器将标线片图像从测试对象之前沿成像系统的方位反射到相机中。模式选择器可在第一模式下操作以用于将标线片图像引导至测试对象并从测试对象引导至相机，并且可在第二模式下操作以用于将标线片图像引导至选择性反射镜并从选择性反射器引导至相机。

模式选择器可以包括：布置标线投影仪，以用于利用分别与第一模式和第二模式相关联的第一和第二类型的光来选择性地照射标线片；以及布置选择性反射器，以用于仅将两种类型的光中的第二种引导至相机。例如，选择性反射器可以表现出分束特性，以用于将两种类型的光中的第一种透射通过选择性反射器，并且用于将两种类型的光中的第二种从选择性反射器朝向相机反射。

标线投影仪可以包括：照明器，其发射由第一波长带区分的第一类型的光，并且发射由第二不同的波长带区分的第二类型的光。就这一点而言，选择性反射器可以包括二向色分束器或反射镜以及阻挡第一类型的光的彩色滤光片。

替换地，选择性反射器可以包括反射镜和快门，该快门被布置成在第二模式下打开，以用于支持第二类型的光的反射，以将标线片图像从选择性反射器引导至相机，并且被布置成在第一模式下关闭，以用于阻挡第一类型的光从选择性反射镜到相机的反射。

计算机处理单元，用于解译由相机捕获的标线片的图像，以测量相机内的图像对比度和图像对准。该标线片可以包括在第一模式下对于测量图像对比度有效的第一图案，和在第二模式下对于测量相机内的图像对准有效的第二不同的图案。

第一分束器可以被用来将标线片图像从成像系统引导到选择性反射器中，并且从选择性反射器往回引导到成像系统中。第二分束器可以被用来将标线片图像从标线投影仪引导到成像系统中，并且用以将测试对象的图像从成像系统引导至相机。第一分束器还可以被用来将标线片图像引导至测试对象，并且从测试对象朝向相机引导。

根据一个或多个实施例的另一个视频测量系统包括：具有第一放大倍率相机的第一放大倍率成像系统和具有第二放大倍率相机的第二放大倍率成像系统。该第一放大倍率成像系统以与第二放大倍率系统不同的放大倍率进行操作。共同物镜为第一放大倍率成像系统和第二放大倍率成像系统两者收集照射测试对象的光。第一分束器将由共同物镜收集的光引导到第一放大倍率成像系统和第二放大倍率成像系统两者中。标线投影仪将标线片的图像投影到第二放大倍率成像系统中。第二分束器将来自标线投影仪的光引导到第二放大倍率成像系统中，并且将第二放大倍率成像系统内的光引导至第二放大倍率相机。选择性反射器通过第一分束器将标线片图像反射到第一放大倍率成像系统和第二放大倍率成像系统中。模式选择器可在第一模式下操作以用于将标线片图像引导至测试对象并从测试对象引导至第一放大倍率相机和第二放大倍率相机，并且其可在第二模式下操作以用于将标线片图像引导至选择性反射镜并从选择性反射镜引导至第一放大倍率相机和第二放大倍率相机。

模式选择器可以包括：布置标线投影仪，以用于利用分别与第一模式和第二模式相关联的第一和第二类型的光来选择性地照射标线片；以及布置选择性反射器，以用于仅将两种类型的光中的第二种引导至第一放大倍率相机和第二放大倍率相机。

附图说明

图1是具有双用途标线投影仪的双重放大系统的示意性布局。

图2是用于双用途使用的标线片的平面图。

图3是标线片的放大脱离的（broken-away）中心部分。

具体实施方式

如图1所示的双重放大的视频放大系统10提供于利用低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统16来同时或顺序地测量测试对象12。可以由常规照明系统来照射测试对象12，该常规照明系统在图1中被描绘为背光系统18，但是也可以被布置为同轴或透镜穿透照明系统或被布置为倾斜的照明系统。在这里，背光系统包括光源20和准直透镜22。

共同物镜24为低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统16两者收集照射测试对象12的光。分束器26将收集的光引导到低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统16两者中。收集的光的一部分被分束器26反射到低放大倍率成像系统14中，并且收集的光的另一部分通过分束器26透射到高放大倍率成像系统16中。低放大倍率成像系统14包括折叠镜27、低放大倍率光学器件28和低放大倍率相机30，该低放大倍率相机30可通过可单独控制的致动器沿其光轴（z）和在横向像平面（xy）中（由箭头32和34示意性指示的）进行调节。折叠镜27可由致动器36垂直于其反射表面（由箭头36示意性地指示的）进行调节，以针对低放大倍率漂移进行调节。高放大倍率成像系统16包括高放大倍率光学器件38和高放大倍率相机40，该高放大倍率相机40可通过可单独控制的致动器沿其光轴（z）和在横向像平面（xy）中（由箭头42和44示意性地指示的）进行调节。低放大倍率相机30和高放大倍率相机40包括：用于捕获图像的检测器，诸如ccd（电荷耦合器件）或cmos（互补金属-氧化物-半导体）图像传感器。

出于对表现出低对比度的测试对象特征的高度进行测量并校准低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统16的所捕获视频图像的目的，将标线投影仪50通过分束器52光学耦合到高放大倍率成像系统16中。标线投影仪50包括：照明器54、标线片56和投影光学器件58，其可以被布置成用于将标线片56定位成至少大致与高放大倍率6相机40共轭。可以起到模式选择器的一部分作用的照明器54可以包括两个不同的彩色光源（例如，绿色和红色led），或者可以将宽带源与不同的彩色滤光片组合。不同类型的光与不同的操作模式相关联。标线片56可通过可独立控制的致动器沿其光轴（z）和在横向平面（xy）中（由箭头62和64示意性指示的）进行调节。被示为立方分束器的分束器52将从测试对象12收集的光朝向高放大倍率相机40透射，并且将来自标线投影仪50的光朝向测试对象12反射。

所参考的标线片56的一个示例在图2中和图3的放大脱离视图中描绘。所描绘的标线片56包括：被间隙环72包围的中间环70（被示为黑圈），它们的组合投影允许在相机30内进行居中并确定低放大倍率成像系统14的放大倍率。类似地，所描绘的标线片56包括：被间隙环76包围的较小的同心内环74（被示为黑圈），它们的组合投影允许在相机40内进行居中并确定高放大倍率成像系统16的放大倍率。除了中间环70和间隙环72之外，以六边形栅格图案80来布置小环形78的图案。被投影到测试对象12的表面上的小环形78在所有方向上具有周围的边缘，根据这些边缘可以在低放大倍率成像系统14的像平面上进行对比度测量。在中间环70内以及在较小的内环74和间隙环76的两侧上，以更精细的六边形图案84的甚至更小的环形82在高放大倍率成像系统16的像平面上提供类似的进行增强的对比度测量。

在用于增强测试对象12的高度测量的第一操作模式中，标线片56可以由照明器54用第一类型的光（例如，给定波长带内的光，诸如绿光）照射，并且被照射的标线片56的图像可以通过高放大倍率成像系统16和共同物镜24中继至测试对象12。分束器52将投影的光反射到高放大倍率成像系统16中，并且分束器26将投影的光透射到共同物镜24中。标线片56到测试对象12的表面上的中继图像产生了遵循测试对象表面的轮廓的人工对比的图案。因此，测试对象12起到具有不规则表面的投影仪屏幕的作用，与常规照射的测试对象12的表面相比，该不规则表面对于低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统16二者都更容易看到。低放大倍率成像系统14将测试对象12连同其表面上的投影的标线片图案80一起成像到低放大倍率相机30，并且高放大倍率成像系统16将测试对象12连同在较小视场上方的其表面上的投影的标线片图案84一起成像到高放大倍率相机40。

像以不同放大倍率进行操作的常规视频测量系统一样，低放大倍率成像系统14提供大视野和大景深两者，以用于识别被呈现用于测量的一个或多个测试对象12的类型和位置，例如，一个或多个测试对象12被安装在视频测量系统10的可平移的运动平台上。此外，低放大率成像系统14可以以给定的准确度范围提供对一系列测试对象特征大小的视频测量，特别是用于测量所捕获像平面内的特征的大小和相对位置。高放大倍率成像系统16在较小的视野和较小的景深两者上进行操作，其诸如通过利用自动聚焦方法来测量较小的测试对象特征以及测试对象表面中的高度变化，在该自动聚焦方法中，表面高度等于最佳聚焦方位。例如，由高放大倍率相机40捕获的、作为测试对象12的表面上的照明图案84的标线片56的图像允许更准确地确定在测试对象12的表面上的不同点处的最佳聚焦方位，在那里最大对比度是明显的。可以通过相对于测试对象12相对地平移光学组装件以识别最佳聚焦方位并诸如通过使用线性编码器或其他距离测量设备测量该平移来进行该测量。也可以通过沿光轴（z）平移高放大倍率相机40并类似地测量相机位移来进行自动聚焦测量，该测量相机位移诸如通过将电位计并入用于相机支架或其他距离测量设备的压电平台中来进行。为了获得更好的可重复性和准确性，高放大倍率相机40的f/数（例如，f/2.5）优选地低于物平面处的f/数（例如，f/5.0）。出于更高的准确性和可重复性的目的，高放大倍率相机40可以在进行每次测量之前返回其标称方位。然而，当认为更短的测量时间更重要时，可以在不返回标称方位的情况下顺序地进行利用高放大倍率相机40的测量。

在用于监视和校准低放大倍率成像系统14与高放大倍率成像系统16之间的对准的第二操作模式中，标线片56可以由照明器54用第二种类型的光（例如，不同波长带内的光，诸如红光）照射。被不同地照射的标线片56的图像通过高放大倍率成像系统16中继，并且被分束器26反射到选择性反射器90中，该选择性反射器对由照明器54发射的照明类型敏感，并且照此可以被认为是模式选择器的一部分。选择性反射器90包括分束镜92（诸如二向色镜），以及光学器件94，其进一步中继标线片56的图像。分束镜92透射由照明器54发射的第一类型的光，如果不另外使用，该光可以被丢弃，并且将第二类型的光往回反射到分束器26。因此，由分束器26反射到选择性反射器90中的任何第一类型的光都可以被丢弃，并且仅第二类型的光返回到分束器26。返回的第二类型光的第一部分通过分束器26透射到低放大倍率成像系统14中，以用于将标线片56成像到低放大倍率相机30上。返回的第二类型的光的第二部分被分束器26反射到高放大倍率成像系统16中，以用于将标线片56成像到高放大倍率相机40上。物镜24可以包括彩色滤光片，以防止第二类型的光到达测试对象12。类似地，代替用于丢弃来自选择性反射器90的第一类型的光的分束镜92，可以将常规反射镜与彩色滤光片进行组合以排除来自选择性反射器90的第一类型的光的传播。替换地，常规反射镜可以在选择性反射器90内与快门86进行组合，其中该快门86在第一类型的光从标线投影仪50发射以用于测量测试对象12时可以被关闭，而在第二类型的光从标线投影仪50发射以用于测量低放大倍率成像系统14与高放大倍率成像系统16内的光学关系时可以打开。另一个快门88可以被用来阻挡第二类型的光到达物镜24或通过物镜24返回到分束器26的通过。

光学器件94连同采用轴向方位调节器形式的轴向致动器96有助于将标线片56沿着受到来自分束镜92的反射的影响的光路定位成与低放大倍率相机30和高放大倍率相机40两者共轭。第二类型的光中的反射标线片56可以被用来校准、测量和监视低放大倍率成像系统14与高放大倍率成像系统16之间的变化。

在初始校准期间，标线片56的投影图案可以在低放大倍率相机30和高放大倍率相机40两者内居中。出于此目的，如图2所示的标线片56可以包括被间隙环72包围的中间环70和被间隙环76包围的同心设置的内环74，它们均具有已知尺寸的相应直径。例如，中间环70的直径可以在低放大倍率成像系统14的给定放大倍率下以适当的大小出现在低放大倍率相机30中，并且较小的内环74的直径例如可以在高放大倍率成像系统16的给定倍率下以适当的大小出现在高放大倍率相机40中。此外，可以由相机30和40记录在像平面中的投影的环形78和82的表观（apparent）中心点，以用于在其整个视场中测量相应的放大倍率和取向。标线投影仪50的轴向致动器62和选择性反射器90的轴向致动器96可以与一个或两个轴向致动器32和42一起调节，以用于以给定的放大倍率将第二类型的光中的标线片56的投影图案聚焦到低放大倍率相机30和高放大倍率相机40两者上。标线片56的该方位可以被用来建立所谓的“原位（home）”方位，相对于该方位可以测量随后的高度调节。类似地，标线投影仪50的横向致动器64可以与一个或两个横向致动器34和44一起调节，以用于在低放大倍率相机30和高放大倍率相机40内将第二类型的光中的标线片56的投影图案居中。

伴随视频测量系统10的使用，低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统14之内及其之间的变化可以通过将第二类型的光中的标线片56周期性地投影到低放大倍率相机30和高放大倍率相机40两者中来进行监视。所投影图案中的任何变化的量度都可以被用来重新校准或以数值方式补偿这些变化，从而为以与低放大倍率成像系统14和高放大倍率成像系统16两者相协调的方式来测量测试对象12提供方便且可重复的基线。

计算机100可以连接到低放大倍率相机30和高放大倍率相机40两者，以处理捕获的视频图像，其包括由从标线投影仪50发射的两种类型的光产生的标线片56的图像。例如，计算机100可以被布置成用于解译由相机30和40捕获的标线片56的图像，以测量相机30和40内的图像对比度、图像大小和图像对准。各种致动器中的任何一个（包括致动器32和34、42和44、62和64以及96）、特别是被用于自动聚焦目的的致动器都可以由计算机100控制。然而，出于校准的目的，可以手动调节致动器，特别是用于进行横向调节的致动器34、44和64。

尽管标线投影仪50被描述为具有作为模式选择器的一部分的照明器54，但是单色照明器与可控快门86和88的组合也可以被用来提供不同的可选操作模式。例如，快门86可以与选择性反射器90相关联，并且另一个快门88可以与物镜24相关联。在第一操作模式中，可以关闭与选择性反射器90相关联的快门86，以阻挡标线片图像从选择性反射器90到相机30和40的传送，并且与物镜24相关联的快门88可以打开，以允许将标线片图像传送到测试对象12并从测试对象12传送到相机30和40。在第二操作模式中，可以打开与选择性反射器90相关联的快门86，以将标线片图像传送到选择性反射器90并从选择性反射器90传送到相机30和40，并且与物镜24相关联的快门88可以关闭，以阻挡标线片图像从测试对象12到相机30和40的传送。

代替快门86或色差，由箭头98示意性指示的致动器可以被用来将反射镜92移入或移出选择性反射器90内的回射方位。例如，致动器98可以将反射镜92倾斜或平移出能够将标线片58的图像反射到相机30和40的方位。

虽然标线片56被描述为具有针对两种操作模式优化的特征的双用途标线片，但是可以使用不同照明器中的相同照明器将不同的标线片用于不同的模式。此外，尽管将标线投影仪50描述为耦合至高放大倍率成像系统16，但是标线投影仪50可以替换地耦合至低放大倍率成像系统14，特别是如果两个放大系统的方位为相对于分束器26相反的话。