專利名稱：探測三維物體外形的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種探測三維物體外形的方法和設(shè)備。
探測物體外形的方法已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，尤其應(yīng)用于質(zhì)量控制的許多領(lǐng)域中。其將物體的幾何數(shù)據(jù)通過合適的測量設(shè)備在計算機中轉(zhuǎn)換為數(shù)字化數(shù)據(jù)，然后通過程序?qū)崿F(xiàn)對尺寸精確性和其他參數(shù)的控制。
為探測物體的外形，公知有各種不同的機械和光學(xué)方法。在機械方法中，典型的方式是借助傳感器逐點探測測量物體，然后通過逐點測量結(jié)果的彼此連接，確定物體的三維外形。該方法的缺點是，一方面，必須要機械地接觸被測物體；另一方面，為了得到高精確性，需要很長的測量時間。
光學(xué)方法的最大優(yōu)點在于，其是無接觸探測的，并由此對物體不產(chǎn)生機械影響。這樣便可以排除由于測量本身引起的物體形變。光學(xué)外形探測方法特別的優(yōu)點在于，被測物體的表面是可變形的，比如是彈性材料的情況。無接觸工作的外形探測方法的另一個優(yōu)點在于，能同時測量大量的目標點這樣的微小面積單元。同機械探測方法相比，其真正地實現(xiàn)了更短的測量時間。因此其也可以測量出，機械探測方法通常難于測出的具有高度等級的物體結(jié)構(gòu)。
公知的光學(xué)外形探測方法是基于三角測量法或干涉技術(shù)原理進行的。
在三角測量法中，一光點投射到待測物體的表面上，并在偏離照明設(shè)備的方向上，觀測該光點。從在空間中投射光的取向和被觀察的觀測點的方向，就可以計算出被照射點的空間坐標。該方法相對來講很準確，并具有唯一性。但是，因為必須對待測物體表面進行逐點測量，所以對物體完整形狀的探測需要很長的時間。因為通過這種方法不能測量在空間中運動的或變化的物體，而由此成為該方法的缺點。所以在該三角測量法的基礎(chǔ)上，進一步開發(fā)了光散射技術(shù)(Lichtschnitt-Technik)和光帶投射技術(shù)(Streifenprojektion)。
在光散射技術(shù)中，代替單個光點，光線以一條線投射到待測物體的表面上。該光線可在偏離照明方向上由一照相機觀測或記錄，以同上述三角測量法中一樣的方式得到該被照射點的空間坐標。該線投射技術(shù)方法盡管比逐點方式的三角測量法快，但仍然比一次可以更大面積進行探測的其它方法慢。
光帶投射技術(shù)是線投射技術(shù)的進一步發(fā)展，即以多條光線同時投射到待測物體的表面上。光線強度在橫向方向上周期性變化，并使觀測相機能區(qū)別出單個光線。因為該方法一次可以探測更大的表面范圍，因此其比線投射技術(shù)更快。但是其不能區(qū)分相同強度的光線，因此至少測量結(jié)果的唯一性會有部分損失。
為了更準確地進行測量，常常采用光干涉測量方法，比如白光干涉測量方法。但所有上述方法的缺陷是，都需要很長的測量時間，典型的是需要很多秒鐘，而在高精度要求下，其測量需要持續(xù)很多分鐘。在此，可達到的最小探測時間，并非受限于數(shù)值計算的速度，而是受限于大量必要的光學(xué)測量。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)探測三維外形的設(shè)備和方法，該方法只需極短的測量時間，與公知的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的方法相比，其特別明顯地具有更短的測量時間。因此，也可以對快速運動的或快速變化的物體進行三維外形的探測。
本發(fā)明的目的是通過在權(quán)利要求1(方法權(quán)利要求)特征部分中的特征和權(quán)利要求18(設(shè)備權(quán)利要求)特征部分中的特征及其前序部分的特征一起實現(xiàn)的。其從屬權(quán)利要求中包含有一些實用的技術(shù)方案。
本發(fā)明的突出優(yōu)點是，采用本發(fā)明的設(shè)備或本發(fā)明的方法，能夠在幾個毫秒或甚至少于皮秒的極短的時間內(nèi)，實現(xiàn)光學(xué)探測三維外形。為此，由待測物體散射的和/或反射的和/或發(fā)射的光的傳播時間作為光強調(diào)制被編碼，并測量光強或光強分布。由光強分布的測量數(shù)據(jù)，可以求得三維對象/物體的外形。在此特別有益的是，在對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行編碼和測量光強或光強分布之前，附加使用一合適的光源照射該待測物體。這里優(yōu)選使用一脈沖激光光源。對光的傳播時間作為光強調(diào)制的編碼是通過至少一個轉(zhuǎn)換器進行的，該轉(zhuǎn)換器具有與時間相關(guān)的光的吸收、反射、透射和/或極化的變化。借此，具有一較長光程而較晚地通過該轉(zhuǎn)換器的光，受到該轉(zhuǎn)換器不同的吸收或透射、反射和/或極化，并將就這方面產(chǎn)生另外一個光強分布。因此，由光強分布就能得出光的傳播時間，然后從光的傳播時間就能確定三維物體的外形。測量物體以不同的方式反射照明光，比如通過在三維表面的不同反射系數(shù)反射，其反射的分布可以借助由一分光器實現(xiàn)的第二個光路來探測。然后物體的三維高度或表面輪廓，由在轉(zhuǎn)換器后面測量得到的光強分布(無量綱)和無轉(zhuǎn)換器的光路的光強分布，通過相關(guān)合適的數(shù)學(xué)運算(比如，除法)后得出。從這些分布中便可以得到光的傳播時間，進而求得待測物體的三維外形。
轉(zhuǎn)換器優(yōu)選為一以染料為基礎(chǔ)的非線性吸收體、一染料溶液、一濾光器和/或一半導(dǎo)體開關(guān)。作為染料優(yōu)選的實施形式是使用三苯甲烷染料。該半導(dǎo)體開關(guān)優(yōu)選具有一GaAs結(jié)構(gòu)。而該轉(zhuǎn)換器也可以是一光閘，比如一克爾盒或者一泡克耳斯盒。為了測量光強，在優(yōu)選的實施方式中，采用CCD照相機或CMOS照相機。另外，本發(fā)明的設(shè)備中還有一反射鏡和/或一部分透射反射鏡，光學(xué)成像系統(tǒng)和/或光閘。
下面借助于附圖中示出的至少部分實施例，對本發(fā)明做進一步的解釋，其中

圖1是本發(fā)明用于光學(xué)探測外形的設(shè)備的示意圖；圖2是第一個測量物體的照片；圖3是采用本發(fā)明的方法測量后，計算得到的第一個測量物體的高度輪廓圖；圖4是作為灰度圖進行編碼的對第一個測量物體測量得到的強度分布；圖5是第二個測量物體的照片；圖6是采用本發(fā)明的方法測量后，計算得到的第二個測量物體的高度輪廓圖；圖7是作為灰度圖進行編碼的對第二個測量物體測量得到的強度分布。
圖1示意性示出了本發(fā)明的帶有雙測量通道的光學(xué)探測三維外形的設(shè)備，一個飛秒激光14照射到測量物體10上。激光14的光從分光器16輸出后，被引向測量物體10，通過分光器16的另一部分光將以合適的延遲通過高反射鏡20，被偏轉(zhuǎn)到用于強度編碼的轉(zhuǎn)換器12上。該轉(zhuǎn)換器12涉及一非線性快速開關(guān)的濾光器，這樣的濾光器例如可以采用RG-系列產(chǎn)品(肖特公司(Firma Schott)，德國)。在測量物體10上散射的光借助透鏡系統(tǒng)18被引導(dǎo)通過非線性吸收體(轉(zhuǎn)換器12)的被激發(fā)而褪色的區(qū)域(Volumen)。測量物體10的散射光通過該轉(zhuǎn)換器12后，借助一透鏡系統(tǒng)22成像于CCD照相機的表面上。結(jié)果顯示，借助CCD照相機26可以觀測測量物體10上的散射光。通過非線性吸收體(轉(zhuǎn)換器12)依賴于光傳播時間的非線性特征曲線，對光的光強進行調(diào)制。在使用轉(zhuǎn)換器12(RG-濾光器)時，產(chǎn)生吸收的對數(shù)返回時間，因此光強將依賴于延遲時間的對數(shù)標尺來對測量物體的形狀進行編碼。通過非線性吸收體(轉(zhuǎn)換器12)，被強度編碼的光的光強度分布將在CCD照相機26上產(chǎn)生相應(yīng)的圖像。因為第一個測量物體以各種不同的方式反射照明光，比如通過三維表面的不同反射系數(shù)反射光，所以該反射可以借助在分光器32、高反射鏡30和透鏡系統(tǒng)24后面的第二個CCD照相機28來探測，或者在沒有轉(zhuǎn)換器時(比如移開轉(zhuǎn)換器12或者合適的光線轉(zhuǎn)向)對照相機26進行第二次曝光探測。然后測量物體10的高度輪廓由在轉(zhuǎn)換器12后面的借助CCD照相機26測得的強度除以同樣由CCD照相機26在移開轉(zhuǎn)換器12后測量到的第二個光強分布而得到。可變化的是，該第二個光強分布(沒有光線通過轉(zhuǎn)換器12)可以借助第二個CCD照相機28來測量。對以一非線性吸收體(轉(zhuǎn)換器12)中的褪色壽命為函數(shù)的光強編碼求對數(shù)并在校準之后，得出高度輪廓的標準(Normierung)。
圖2示出了第一個測量物體的照片，該照片涉及一用于玻璃圓器皿的特氟隆(Teflon)器皿塞，該器皿塞具有大約為10毫米的實際延伸(Ausdehnung)。
圖3示出了第一個測量物體的高度外形輪廓，其能夠按本發(fā)明的方法測量后被計算出來，但該高度外形輪廓的標度同其實際數(shù)值并不相符。實際的總的延伸在X方向約為10毫米，在Y方向約為7.5毫米。借助本發(fā)明的方法，只從在圖2中給出的透視照片僅能測出該器皿塞的直徑。而圍繞該器皿塞的背景是由CCD照相機的噪聲引起的。
圖4示出了作為灰度圖進行編碼的對第一個測量物體測量得到的強度分布。
本發(fā)明方法的突出優(yōu)點是，其可以時間分辨率在亞納秒范圍內(nèi)，重復(fù)速率在千赫范圍內(nèi)，以及優(yōu)于1/1000的相對精度，測量快速變化的物體。
為了進行測量，所用的轉(zhuǎn)換器是電觸發(fā)的，或者為了得到更高的測量精度，其是采用光觸發(fā)的。因為在透射變化效應(yīng)(或反射/極化變化效應(yīng))的起伏(Flanke)中才能進行測量，并由此對該測量總是指定一個預(yù)定的時間間隔，所以其對于精度的要求不是非常高。基本上，不僅可以使用透射變化效應(yīng)(或反射/極化變化效應(yīng))的上升沿，而且還可以使用其下降沿。在上述與圖2至圖7相應(yīng)的實施例中，使用的是其下降沿。
在最簡單的情況下，使用具有已知吸收逆轉(zhuǎn)時間的非線性吸收體。通過相應(yīng)的激發(fā)光，優(yōu)選一脈沖激光使該吸收體褪色，在此過程中，激發(fā)光同測量光同步。然后在三維測量物體上被散射的和/或被反射的和/或發(fā)射的光，隨傳播時間的增加而變?nèi)酢?br> 一這樣的非線性吸收體，可以在快速開關(guān)濾光器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，比如可供使用的RG-系列產(chǎn)品(肖特公司，德國)，或通過合適的染料，如三苯甲烷染料來實現(xiàn)，或者通過合適的半導(dǎo)體開關(guān)來實現(xiàn)。由于有系列可使用的標準組件，可以有利成本地生產(chǎn)本發(fā)明的設(shè)備。除了CCD照相機，特別是具有對數(shù)特征曲線的CMOS照相機，也適合計算光強分布，因為該照相機能夠很好地充分利用非線性吸收體的特征曲線。
由照明或者轉(zhuǎn)換器的透射截面的不均勻特性限制的測量精度，可以通過一參考通道或一參考測量，而顯著地提高。此外，為了提高測量精度，還可以同時在不同的測量通道中或者依次作為附件安裝不同的轉(zhuǎn)換器。在每次激活較慢的轉(zhuǎn)換器過程中，可以通過合適的設(shè)備(如共振器)，加倍增強對較快轉(zhuǎn)換器的激活。由此便可以在一個大的(被擴大的)測量范圍內(nèi)，達到一個非常高的測量精度。
可以將不同觀測得到的不同的測量結(jié)果進行組合，例如可將三維測量物體的數(shù)學(xué)描述轉(zhuǎn)換成CAD格式。
按本發(fā)明，還可以在測量設(shè)備中附加安裝柵格，使得只用來對事先已確定的深度范圍進行物體三維外形探測。這樣就有可能在例如散射的物體內(nèi)部，進行三維形狀探測。該方法可特別適合用于生物和/或醫(yī)學(xué)中。
本發(fā)明的方法除可以對三維外形進行探測外，還可以進行一維或者二維外形的探測。在探測二維外形的情況下，比如可以操作照相機在帶狀模式下測量光強，或通過一線性行或者一PIN二極管取代照相機。通過對一個像點進行數(shù)值計算，就可以進行距離的測量。
圖5示出了第二個測量物體的照片。該照片涉及的是一個可固定CD的CD護套內(nèi)部區(qū)域和設(shè)于其后的彈性橄欖狀卡口(Schlaucholive)的組合。
圖6示出了第二個測量物體的高度輪廓外形，其可在按本發(fā)明的方法測量之后進行計算。在該圖中，該第二個測量物體的不同高度等級明顯可見。但僅根據(jù)相應(yīng)圖6的測量圖形，只能測量到彈性卡口(Klammern)的前面部分，不能測出其深處的延伸部分。因此，在圖6中只顯示出了CD護套彈性卡口在Z方向(深度)的延伸。另外的一個效果是，由于在該橄欖狀卡口上的一彈性卡口齒的陰影使得這一區(qū)域也是不能測量的。因此在位于CD護套后面的橄欖狀卡口的三維輪廓中，示出的一部分是不符合真實情況的，但是該效果顯然可以通過一個合適的照明而被消除掉。該例子只是用來說明本發(fā)明的方法，另外在圖6中，如在圖3、4和7中一樣也沒有給出一個最終的標度。盡管如此，第二個測量物體的三維結(jié)構(gòu)還是能很好地被辨認出來。
圖7示出了作為灰度圖進行編碼的對第二個測量物體測量得到的強度分布。
通過使用優(yōu)質(zhì)元件可基本上提高該測量方法的性能，從已有的測量可以估算出，對一個在厘米區(qū)域延伸的物體的深度測量，其測量精度可以達到小于10μm。
連續(xù)測量的速度只由數(shù)據(jù)計算的速度決定，由此，在有足夠的計算效率的條件下，可以實現(xiàn)對三維的快速變化的物體進行實時測量。
由于上述優(yōu)點，本發(fā)明的方法可被應(yīng)用于很多領(lǐng)域，例如對快速運動部分的測量，如渦輪機，或者快速進行質(zhì)量控制，如在微電子中，特別是對芯片、DVD和CD的質(zhì)量控制。另外還可以用來測量透明物質(zhì)，比如光纖的質(zhì)量控制，或者用來測量液體和氣體的流動過程。另外，本發(fā)明的方法還允許測量一個物體的通過其橫截面分配的光強的時間順序。因此，該方法可以實現(xiàn)對例如激光的光束形狀進行質(zhì)量控制。
本發(fā)明并不局限于上述實施例。在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以通過所述方法和特征的組合及修改，實現(xiàn)更多實施方式的變換。
附圖標記一覽表10 測量物體12 轉(zhuǎn)換器14 脈沖激光16 分光器18 透鏡系統(tǒng)20 高反射鏡22 透鏡系統(tǒng)24 透鏡系統(tǒng)26 CCD照相機28 CCD照相機30 高反射鏡32 分光器
權(quán)利要求
1.探測三維物體外形的方法，包括步驟a)對由待測物體散射的和/或反射的和/或發(fā)射的光的傳播時間作為光強調(diào)制進行編碼，b)測量光強或光強分布，c)對測量數(shù)據(jù)進行計算并求得該三維物體的外形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行編碼和對光強進行測量之前，采用一合適的光源照射該待測物體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行的編碼通過至少一個具有與時間相關(guān)的吸收、反射、透射和/或極化變化的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，光的傳播時間在光強調(diào)制中的編碼借助至少一以染料為基礎(chǔ)的非線性吸收體、一染料溶液、一濾光器和/或一半導(dǎo)體開關(guān)產(chǎn)生。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該染料是三苯甲烷染料。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，該半導(dǎo)體開關(guān)具有一GaAs結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行的編碼是借助至少一個以極化效應(yīng)為基礎(chǔ)的光閘而產(chǎn)生的。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，該光閘是一克爾盒或一泡克耳斯盒。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，極化旋轉(zhuǎn)擴散是通過所用液體的粘滯度的變化而發(fā)生變化的。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該光源是一脈沖激光光源。
11.根據(jù)權(quán)利要求3至9中任一項所述的方法，其特征在于，該透射或吸收變化的轉(zhuǎn)換器由一脈沖激光光源照射。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的方法，其特征在于，光強的測量是借助一膠片，一CCD照相機，一CMOS照相機，一CCD行照相機或一CMOS行照相機實現(xiàn)的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的方法，其特征在于，對未通過一轉(zhuǎn)換器的，由物體散射的和/或反射的和/或發(fā)射出來的光的光強，附加地進行至少一次測量。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的方法，其特征在于，在大量時間移位地對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行編碼和測量光強的基礎(chǔ)上，和/或在大量同時地對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行編碼和通過多個測量通道測量光強的基礎(chǔ)上，對測量數(shù)據(jù)進行計算。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的方法，其特征在于，借助至少一個光閘，使由物體散射的和/或反射的和/或發(fā)射的光，對測量設(shè)備的影響在時間上受到限制。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的方法，其特征在于，只對一維或者二維進行測量和/或計算。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的方法，其特征在于，在大量對光的傳播時間作為光強調(diào)制進行編碼和測量光強的基礎(chǔ)上，對測量數(shù)據(jù)進行計算，這時多個轉(zhuǎn)換器被同時或依次地使用于不同的測量通道中。
18.一種用于探測三維物體外形的設(shè)備，具有至少一個用于測量由待測物體發(fā)射的光線光強的單元和至少一個用于計算測量數(shù)據(jù)的單元，其特征在于，該設(shè)備具有至少一個轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器具有與時間相關(guān)的吸收、反射、透射和/或極化的變化。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器是一以染料為基礎(chǔ)的非線性吸收體、一染料溶液、一濾光器和/或一半導(dǎo)體開關(guān)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于，該染料是三苯甲烷染料，并且該半導(dǎo)體開關(guān)具有一GaAs結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，該轉(zhuǎn)換器是一光閘，比如一克爾盒或一泡克耳斯盒。
22.根據(jù)權(quán)利要求18至21中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備附加有一光源。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其特征在于，該光源是一脈沖激光器。
24.根據(jù)權(quán)利要求18至23中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該用于測量光強的單元是一CCD照相機、一CMOS照相機、一CCD行照相機或一CMOS行照相機。
25.根據(jù)權(quán)利要求18至24中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備具有多個測量通道。
26.根據(jù)權(quán)利要求18至25中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，該設(shè)備附加有反射鏡、部分透射反射鏡、光學(xué)成像系統(tǒng)和/或光閘。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種探測三維物體外形的設(shè)備和方法，該方法探測時間極短，尤其比目前技術(shù)條件下已知方法的探測時間明顯要短，因此該方法另外也適用于探測快速運動的或者快速變化的被測物體的三維外形。根據(jù)本發(fā)明，由待測物體散射的和/或反射的和/或發(fā)射的光線的傳播時間作為光強調(diào)制被編碼，并測量光強或光強分布。以光強分布的測量數(shù)值可以求得該三維物體的外形。
文檔編號G01B11/24GK1613001SQ02826772
公開日2005年5月4日 申請日期2002年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月27日
發(fā)明者拉爾夫·門策爾 申請人:科利迪尤斯精密系統(tǒng)有限公司