專利名稱：用于測量基本上為兩維的物體的幾何尺寸的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過一個圖像處理傳感器來測量基本上為兩維的物體的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)的裝置，其中要被測量的物體放置在一個物體放置面上并在物體一側(cè)設(shè)置圖像處理傳感器、如CCD攝像頭。此外本發(fā)明涉及一種用于在使用一個圖像處理傳感器的條件下來測量基本上為兩維的物體的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)的方法，其中要被測量的物體放置在一個物體放置面上并在物體一側(cè)設(shè)置圖像處理傳感器、如CCD攝像頭。
背景技術(shù)：
為了測量主要是兩維物體、如工件或刀具的幾何尺寸、尤其是為了在測試技術(shù)上獲得質(zhì)量特征，最好使用具有圖像處理傳感器、如CCD攝像頭的坐標(biāo)測量儀。一般這樣建立這些測量儀，使要被測量的物體從下部被照明，通過十字臺進(jìn)行移動并且從上面通過圖像處理傳感器來測量感興趣的測量物體結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)原理的缺陷是，對于不同厚度的物體所述圖像處理傳感器必需二次聚焦。在物體上出現(xiàn)最小的高度級時同樣所必需的二次聚焦延長了測量過程。
此外為了測量確定的標(biāo)志，通常將圖像處理傳感器定位在標(biāo)志的那個地點上，然后攝取工件的輪廓，最后進(jìn)行計算。因此不獲取測量物體的整個概況。
此外多次地接近測量物體的各部位，以便先后攝取相互靠近的標(biāo)志。這同樣使測量時間延長。
還已知所謂的掃描系統(tǒng)，其中通過條形傳感器掃描一個區(qū)域的較大部分。這種系統(tǒng)的缺陷是，圖像信息由一個在第一方向上的直線掃描運(yùn)動和在一個第二方向上的傳感器幾何尺寸組合而成。傳感器的這個專用幾何尺寸同樣需要投影光學(xué)系統(tǒng)，它們基本上不能夠?qū)崿F(xiàn)精確的成像。結(jié)果是按照這個原理所制成的測量儀只具有較低的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，這樣進(jìn)一步改進(jìn)上述類形的裝置和方法，使得能夠以高測量精度非常快速地測量兩維物體或其幾何尺寸、尤其是物體棱邊和物體拐角和物體邊緣。
為了解決這個技術(shù)問題從裝置方面主要規(guī)定，所述圖像處理傳感器設(shè)置在物體下方并可以在一個平行于物體放置面延伸的平面里進(jìn)行調(diào)整。
尤其是將移動的圖像處理傳感器設(shè)置在一個封閉的外殼里面，該外殼在物體側(cè)通過一個透明的面封閉，在該面上可以放置所述物體。當(dāng)然也可以將物體與透明面間隔距離地放置在分開的載物臺上。
在一個改進(jìn)方案中規(guī)定，在物體或工件放置面的上方設(shè)置一個最好是發(fā)光面形式的照明機(jī)構(gòu)。
尤其規(guī)定，所述裝置包括一個具有一個封閉的底部和一個蓋板的外殼。封閉的底部包含具有光學(xué)系統(tǒng)以及驅(qū)動機(jī)構(gòu)的傳感器，而在蓋板側(cè)配有一個透明的遮蓋物如玻璃板，在該玻璃板上可以定位要被測量的物體。蓋板本身具有照明機(jī)構(gòu)，其中只有當(dāng)蓋板遮蓋外殼的下部件、即封閉時，才可以進(jìn)行測量。因此物體在測量時在所有周邊處被外殼、即外殼下部和蓋板所包圍，因此不會產(chǎn)生物體的不經(jīng)意的位移或其它影響測量的變化。
此外可以規(guī)定，物體聚焦地被在物體方向上輻射的光源、如發(fā)光二極管包圍，以使物體在傳感器側(cè)被照亮。
作為用于圖像處理傳感器的投影光學(xué)系統(tǒng)可以使用具有大景深的遠(yuǎn)心的物鏡。景深例如可以為50mm，對此沒有限制。
圖像處理傳感器的位置可以通過從屬的XY驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，其中位置可以通過相應(yīng)的標(biāo)尺系統(tǒng)進(jìn)行測量。
在圖像處理傳感器上可以連接一個圖像存儲器，它代表了所期望的、尤其是儀器整個測量范圍的大小。此外可以對測量范圍、尤其是整個測量范圍的圖像存儲器附設(shè)一個評價計算單元，該單元對整個圖像內(nèi)容進(jìn)行幾何計算。
所述圖像處理傳感器最好包括矩陣形的圖像處理傳感器并設(shè)計為CCD矩陣攝像頭。
一種上述類形的用于測量基本上為兩維的物體的方法，其特征在于，所述圖像處理傳感器可調(diào)整地設(shè)置在物體放置面下方的一個平面里，該平面平行于物體放置面延伸。
因此圖像處理傳感器以向上的視線在一個平面里移動地設(shè)置在測量物體的下方。
在此通過圖像處理傳感器可以在測量范圍的多個位置上攝取圖像，并將該圖像從計算技術(shù)上在圖像存儲器中組拼成一個完整圖像。也可以在整個測量范圍上分開地攝取圖像，并將該圖像組拼成一個完整測量圖像。在此完整圖像在幾何特征方面可以通過一個圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行分析。例如傳感器視場為50×80mm2而測量范圍為400×200mm2，這只是示例列舉的數(shù)值。
通過按照本發(fā)明的構(gòu)思能夠減小或避免現(xiàn)有技術(shù)中固有的缺陷。這一點按照本發(fā)明由此實現(xiàn)，使移動的圖像處理傳感器以向著物體、即向上的視線設(shè)置在物體下方并例如設(shè)置在一塊玻璃板下方。這一點使得要測量的物體范圍如測量物體的棱邊與厚度無關(guān)地分別位于相同的平面中。因此不要求傳感器調(diào)焦。
此外通過按照本發(fā)明使用一個具有足夠景深的光學(xué)系統(tǒng)能夠自動分級地部分地在一個位置中進(jìn)行測量，而無需聚焦過程。
為了優(yōu)化測量時間，按照本發(fā)明有選擇地通過相互排列圖像處理傳感器的位置來掃描整個測量范圍或測量范圍的部分。由此可能在所連接的圖像處理計算機(jī)中產(chǎn)生一個完整圖像。測量技術(shù)上的計算在整個圖像中一次性地實現(xiàn)。因此省去定位過程并獲得要被測量物體的完整全貌。
測量范圍的部分本身也可以作為局部的完整測量圖像，然后通過一個圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行計算。
尤其是通過使矩陣形的圖像處理傳感器精確地定位避免現(xiàn)有的技術(shù)缺陷。
優(yōu)選規(guī)定，為了測量物體或這個物體的部位利用一個具有不同工作間距的光學(xué)系統(tǒng)。但是尤其可以使用一個光學(xué)系統(tǒng)，它具有一個變焦距鏡組，該變焦距鏡組包括至少兩個在軸向上分別獨(dú)立地可馬達(dá)移動的鏡頭組。對此可以參閱WO 99/53268，在其公開內(nèi)容中涉及到所述內(nèi)容。
在本發(fā)明的優(yōu)選方案中規(guī)定，首先將圖像處理傳感器粗略地對準(zhǔn)到要被測量的物體的或物體部分的位置上，其中在對準(zhǔn)圖像處理傳感器時這個圖像處理傳感器以一個加速度a1＞0mm/s2運(yùn)動，以便然后使圖像處理傳感器制動，并在圖像處理傳感器以加速度a2為0mm/s2≤a2＜a1移動時測量所述位置。在此必要時可以對物體附加地供以閃光，或者將具有快門的CCD攝像頭用作圖像處理傳感器。通過與此相關(guān)的措施實現(xiàn)傳感器運(yùn)動與各待攝取的圖像之間的關(guān)聯(lián)，其中通過閃光或快門實現(xiàn)圖像處理傳感器的視在停止，其結(jié)果是這樣進(jìn)行測量，盡管圖像處理傳感器在測量期間可能處于靜止。


本發(fā)明的其它細(xì)節(jié)、優(yōu)點和特征不僅可以從權(quán)利要求、在其中得到的特征本身和/或組合中給出，而且可以從下面的對優(yōu)選的實施例附圖的描述中給出。附圖示出圖1一個用于測量一個兩維物體的裝置的原理圖，圖2a+2b一種測量方法的第一實施例的原理圖，圖3a+3b一種測量方法的第二實施例的原理圖。
具體實施例方式
在圖1中純原理地示出用于測量一個基本上為兩維的物體10的裝置，該物體設(shè)置在一個物體放置面12上。這個放置面按照本發(fā)明是透明的并尤其由玻璃板構(gòu)成，以便能夠從下面測量物體10。在物體放置面12下方在一個坐標(biāo)測量儀的X和Y方向上可調(diào)整地設(shè)置一個圖像處理傳感器14。該圖像處理傳感器最好由一個CCD矩陣攝像頭16組成，對該攝像頭前置一個尤其是遠(yuǎn)心的物鏡形式的、具有大景深的光學(xué)系統(tǒng)18。
在此物體放置面12可以是一個外殼的表面，在該外殼中可以相對于物體10在X和Y方向調(diào)整圖像處理傳感器14。在此外殼表面是透明的，其中物體10或者直接頂靠在外殼表面上，或者相對于外殼表面等距地設(shè)置。
移動的圖像處理傳感器14以向著物體10的視線設(shè)置在物體10下方并設(shè)置在尤其由玻璃板構(gòu)成的物體放置面12的下方，由此對于足夠的物鏡18的景深不再需要傳感器16的調(diào)焦，因為要被測量的物體部位-如在實施例中孔20的棱邊-與物體10的厚度無關(guān)地位于相同的平面里面，即位于物體放置面12上，該放置面與圖像處理傳感器14相對于這個放置面位置無關(guān)地具有一個相等的距離。
如果在本實施例中物體10直接設(shè)置在一個玻璃板上，則當(dāng)然也可以使物體10與這個玻璃板間隔距離、但是等距地設(shè)置。
為了對物體進(jìn)行照明，在這個物體的上方、即以圖像處理傳感器14為基準(zhǔn)在物體10對面一側(cè)上設(shè)置尤其是平面的光亮波帶22形式的照明機(jī)構(gòu)。
在此要將所述平面的光亮波帶集成到一個使外殼封閉的蓋板里面，在外殼里面設(shè)置具有光學(xué)系統(tǒng)18和驅(qū)動機(jī)構(gòu)的圖像處理傳感器14，并且外殼在照明區(qū)一側(cè)通過透明的元件、如玻璃板封閉，在玻璃板上定位要被測量的物體。在此，一般在含有光亮波帶22的蓋板完全遮蓋外殼、即封閉玻璃板一側(cè)時才進(jìn)行測量。
為了以高速精確地進(jìn)行測量，按照本發(fā)明規(guī)定，圖像處理傳感器14在要被測量物體10范圍的多個位置24、26、28、30、32、34、36、38上攝取圖像，所述位置在圖2a和3a中基本對應(yīng)于圖像處理傳感器14的各視場25、37，并通過由虛線框起的正方形表示，以便接著將每個圖像分別從計算技術(shù)上在圖像存儲器中組拼成按圖2b的完整圖像，或者對于分開攝取的圖像(圖3a)將它們組拼成按圖3b的完整測量圖像。然后分別由各完整圖像40或42可以計算出幾何特征、如測量地點44、46的位置或測量點或測量地點的距離48、50。視場24、25、26、28、30、32、34、36、37、38的大小例如可以為50×80mm2，而測量區(qū)為400×200mm2，但是不局限于此。
換句話說，為了優(yōu)化測量時間，按照本發(fā)明可以有選擇地通過相互排列的圖像處理傳感器如矩陣CCD攝像頭16的定位來掃描整個測量區(qū)(圖2a)或測量區(qū)的部分(圖3a)。由此可能在所連接的圖像處理計算器中產(chǎn)生一個完整圖像40、42，其中測量技術(shù)上的計算在整個圖像中一次性地實現(xiàn)。因此省去定位過程并獲得要被測量物體10的整個全貌。通過這個措施避免現(xiàn)有技術(shù)中由于必需精確地對于矩陣形的圖像處理傳感器進(jìn)行定位所帶來的缺陷。
所述測量方法可以獨(dú)立于此地進(jìn)行優(yōu)化，首先使圖像處理傳感器粗略地對準(zhǔn)物體要被測量的位置，其中在對準(zhǔn)圖像處理傳感器時這個圖像處理傳感器以一個加速度a1＞0mm/s2運(yùn)動，以便然后使所述圖像處理傳感器制動，并在圖像處理傳感器以加速度a2為0mm/s2≤a2＜a1移動時測量所述位置。在此可以使用具有快門的CCD攝像頭形式的圖像處理傳感器，由此產(chǎn)生的優(yōu)點是，在測量時不關(guān)注傳感器運(yùn)動地實現(xiàn)傳感器的視在的停止。通過閃光可以實現(xiàn)相同的功能。
換句話說，圖像處理傳感器只粗略地移動到要被測量的位置上，然后在圖像處理傳感器繼續(xù)移動的、但是基本上不加速的情況下進(jìn)行測量，圖像處理傳感器可以以v1例如為50至200mm/s的速度移動。在此用于測量所需的圖像存儲器可以在圖像處理傳感器中通過達(dá)到目標(biāo)部位識別。因此可以通過光學(xué)地獲得包含位置的物體部位通過圖像處理傳感器引起制動。
在此可以這樣實現(xiàn)圖像處理傳感器的運(yùn)動，在速度v1時測量物體或物體的測量部位或測量點，接著使圖像處理傳感器迅速加速，例如加速到一個數(shù)值約為5000至15000mm/s，以便然后在加速度為0mm/s2時在速度v2為400至600mm/s之間時粗略地對準(zhǔn)測量部位或測量點。然后使圖像處理傳感器制動到速度v1最好在50至150mm/s之間，以便進(jìn)行測量。在這個時間期間物體或要被測量的部位可以供以閃光，或者以所期望的頻率打開并關(guān)上圖像處理傳感器的快門。然后在完成測量后使圖像處理傳感器以上述的意義加速，以便對準(zhǔn)一個新的測量點或測量部位。
權(quán)利要求
1.一種通過圖像處理傳感器(14)來測量基本上為兩維的物體(10)的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)的裝置，其中要被測量的物體設(shè)置在一個物體放置面(12)上，并在物體一側(cè)設(shè)置圖像處理傳感器、如CCD攝像頭(16)，其特征在于，所述圖像處理傳感器(14)設(shè)置在物體(10)下方并可以在一個平行于物體放置面(12)延伸的平面里進(jìn)行調(diào)整。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述圖像處理傳感器(14)包括矩陣形圖像處理傳感器、尤其是CCD矩陣攝像頭(16)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，可以在坐標(biāo)測量儀的X和Y方向上移動的所述圖像處理傳感器(14)設(shè)置在一個封閉的外殼中，該外殼在物體側(cè)是透明的或透視的，并且是物體放置面(12)，或者所述物體放置面與該外殼平行地延伸。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在要被測量物體或物體放置面(12)的上方設(shè)置一個最好為發(fā)光面形式的照明機(jī)構(gòu)(22)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述照明機(jī)構(gòu)(22)集成在一個在物體放置面一側(cè)使外殼封閉的蓋板中。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，所述圖像處理傳感器(14)的投影光學(xué)系統(tǒng)(18)使用一個具有大景深的遠(yuǎn)心的物鏡。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述投影光學(xué)系統(tǒng)(18)最好聚焦地被照明元件如發(fā)光二極管所包圍，該照明元件用于對于位于圖像處理傳感器一側(cè)的物體(10)的表面進(jìn)行照明。
8.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述圖像處理傳感器(16)的位置可以通過從屬于該傳感器的x/y驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并且該位置可以通過相應(yīng)的標(biāo)尺系統(tǒng)進(jìn)行測量。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在所述圖像處理傳感器(16)上連接一個圖像存儲器，該存儲器代表所期望的測量區(qū)(40，42)、尤其是裝置的整個測量區(qū)的大小。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，對測量區(qū)的圖像存儲器(40，42)配置一個評價計算單元，它對整個圖像內(nèi)容進(jìn)行幾何計算。
11.在使用一個圖像處理傳感器(14)時來測量基本上為兩維的物體(10)的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)的方法，其中要被測量的物體設(shè)置在一個物體放置面(12)上，并在物體一側(cè)設(shè)置圖像處理傳感器如CD攝像頭(16)，其特征在于，所述圖像處理傳感器(14)設(shè)置在物體放置面(12)下方并在一個平面里可以進(jìn)行調(diào)整，該平面平行于物體放置面地延伸。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述圖像處理傳感器(14)在一個坐標(biāo)測量儀的X和Y方向上移動，并設(shè)置在一個位置固定的、封閉的外殼中，該外殼在物體一側(cè)通過一個透明的表面封閉，在該表面上放置物體(10)，或者使物體與這個表面間隔距離地設(shè)置在一個與這個表面平行延伸的平面上。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在物體放置面(12)或要被測量物體(10)的上方設(shè)置一個最好是發(fā)光面形式的照明機(jī)構(gòu)(22)。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述照明機(jī)構(gòu)(22)集成在一個蓋板中，通過該蓋板可以封閉外殼，其中在蓋板使物體放置面(12)外露時中斷物體(10)的測量。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，將一個具有大景深的遠(yuǎn)心的物鏡用作圖像處理傳感器(16)的投影光學(xué)系統(tǒng)(18)。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述圖像處理傳感器(16)的位置可以通過配屬于該傳感器的x/y驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并且該位置可以通過相應(yīng)的標(biāo)尺系統(tǒng)進(jìn)行測量。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在所述圖像處理傳感器(16)上連接一個圖像存儲器，該圖像存儲器代表裝置的所期望的或整個測量區(qū)(40，42)的大小。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，對所期望的或整個測量區(qū)(40，42)的圖像存儲器配置一個評價計算單元，它對尤其是整個圖像內(nèi)容進(jìn)行幾何計算。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，通過所述圖像處理傳感器(14)在測量區(qū)的多個位置(24，26，28，30，32，34，36，38)上攝取圖像，并將該圖像從計算技術(shù)上在圖像存儲器中組拼成一個完整圖像(40，42)。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，在整個測量區(qū)上分開地攝取圖像(24，26，28，30，32，34，36，38)并將該圖像組拼成一個完整圖像(40，42)。
21.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述完整圖像(40，42)在幾何特征方面通過一個圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行計算。
22.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，為了測量物體(10)或這個物體的一個部位執(zhí)行下面的方法步驟-使圖像處理傳感器(14)粗略地對準(zhǔn)要被測量的物體(10)的位置，其中在對準(zhǔn)圖像處理傳感器時使這個圖像處理傳感器以加速度a1＞0mm/s2運(yùn)動，并且-在圖像處理傳感器以加速度a2為0mm/s2≤a2＜a1移動時使圖像處理傳感器制動在測量位置中。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述物體(10)在測量期間供以閃光，或者將一個具有快門的CCD攝像頭用作為圖像處理傳感器(16)。
24.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，使用一個具有變化工作間距的投影光學(xué)系統(tǒng)、尤其是一個具有變焦距鏡組的投影光學(xué)系統(tǒng)，所述變焦距鏡組包括至少兩個在軸向上可分別獨(dú)立地可馬達(dá)移動的透鏡組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過圖像處理傳感器(14)來測量基本上為兩維的物體(10)的幾何尺寸或結(jié)構(gòu)的裝置和方法，其中要被測量的物體設(shè)置在一個物體放置面(12)上并在物體放置面一側(cè)通過一個圖像處理傳感器(14)進(jìn)行測量，所述圖像處理傳感器(14)在物體(10)下方在一個平行于物體放置面(12)延伸的平面里進(jìn)行調(diào)整。
文檔編號G01B11/00GK1643339SQ03806025
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月14日
發(fā)明者R·克里斯托夫 申請人:沃思測量技術(shù)股份有限公司