[发明专利]使用激光位移传感器进行有效表面测量的系统和方法

说明书

本发明提供了一种具有位移传感器的用于测量对象表面位移的方法，所述位移传感器以在高度方向上定义多个位移值的方式在对象表面投射线并在成像器接收来自投射线的光线。视觉系统处理器对成像器的像素行进行处理以确定在多个目标区域的每一个中的成像器像素列的激光线中心。每个目标区域定义了多个与投射线在对象表面上的预期位置相对应的行。GUI可用于确立所述区域。在进一步的实施例中，所述系统使用成像器来产生灰度图像。对这些灰度图像和产生的高度图像进行比较以补偿对比度引起的虚假高度读数。对图像像素和参考电压进行比较以定位所述线。

相关申请

本申请要求于2013年5月22日提交，标题为《使用激光位移传感器进行有效表面测量的系统和方法》，申请号为61/826,416的美国临时申请的权益，其全部公开内容通过引用在此并入本文。

技术领域

本发明涉及用于确定三维(3D)成像对象表面的位移的机器视觉系统。

背景技术

在制造和装配过程中，通常需要高精确度地测量对象表面的一部分或全部，并产生相对于对象表面上不同位置的总体位移的地图或“剖面(profile)”(例如，在物理z坐标方向的高度)。此剖面可以利用激光位移传感器(也被称为束“剖面仪”)形式的机器视觉系统(在本文中也被称为视觉系统)来确定。激光位移传感器使用平面幕捕获并确定被扫描对象表面的(三维)形貌，所述平面幕通过在垂直于光束传播路径的扇形形状中光学地扩散激光束形成。在传统的布置中，调整视觉系统摄像机组件的方向来观察来自平面外部光束的平面。这种布置在对象表面上捕获所述投影线的形貌(例如，沿着物理x轴延伸)，其中，由于光束(扇形)平面和摄像机之间的基线(即沿Y轴的相对间距)造成所述成像线表现为图像y轴方向的变化，其作为成像点的物理z轴高度(沿所述图像x轴)的函数。在典型的布置中所述摄像机的光轴以锐角和所述激光平面相交，以及所述激光平面、摄像机镜头和摄像图像传感器的公知Scheimpflug配置可用于形成图像，其中尽管与摄像机的距离不同，所述激光束的偏差穿过所述目标区域来焦距对准。所述偏差表示所述表面的高度轮廓。激光位移传感器在用户期望通过三角测量法测量和表征被扫描对象的表面细节的范围广泛的检查和制造业务中非常有用。一种形式的激光位移传感器采用了具有镜头组件和基于CCD或CMOS设计的图像传感器(或“成像器”)的视觉系统摄像机。所述成像器定义了在通过镜头接收来自成像场景的聚焦光的图像平面上灰度或颜色感应像素的预定域。

在典型的布置中，位移传感器和/或对象是相对运动的(通常在物理y坐标方向)，使得摄像机对所述对象表面进行扫描，以及图像序列通过以期望空间间隔的激光线来获得——典型地与编码器或其它运动测量设备联合(或者，可选择地以基于时间的间隔)。典型地每个单个轮廓线从已知包含所述被投影的线的较大视场中单个获取的图像中获得。这些线共同描述了被成像对象的表面。所述视场的特征在于工作距离——即对象的表面应该属于最高和最低高度之间，以便适当地捕捉轮廓信息。在这个工作距离内，所述线的尺寸和形状可根据多种因素而变化，包括正在被扫描表面的方位和反射率，激光平面的不同的厚度(典型地所述线在某个中间深度的“腰”处距离传感器最窄，以及在更近或更远处距离传感器较宽)和随着高度函数而在摄像机系统中改变的放大量和透视量。线的尺寸/几何形状的这种变化是在以期望的扫描速度获得表面的精确测量中的几个挑战之一。

在测量对象表面轮廓时，有时需要同时产生对象的灰度图像。虽然这样的灰度图像可提供对象的视图，所述灰度图像可能具有可防止其和派生的对象表面轮廓之间的有用比较的不同特性。例如，所述灰度图像和产生的其他图像可以具有不同的像素比例。在这方面，如果在物理空间中的对象远离摄像机，例如，在较低的高度，然后像素可以显得较宽并涵盖比靠近摄像机的对象更多的物理空间。这种影响引起结果灰度图像的失真，并且在过程中防止或反对灰度图像和产生的其他图像之间的比较。因此，在单个的灰度图像中和在分开的灰度图像中，业界期望所述灰度图像能具有均匀的像素比例。