Устройство и способ трехмерного оптического обмера сильно отражающих или прозрачных объектов

Изобретение относится к устройствам трехмерного обмера объектов при помощи топометрического способа измерения. Устройство для трехмерного обмера объекта включает первое проекционное устройство, содержащее первый источник инфракрасного излучения для проецирования на объект подвижного первого узора, причем проецируемый узор проявляется на объекте в виде распределения нагревания; по меньшей мере одно съемочное устройство для съемки изображений распределения нагревания, проявляющееся на объекте, в инфракрасной области спектра; а также анализирующее устройство для анализа изображений, снятых съемочным устройством, и определения формы поверхности объекта. Способ трехмерного обмера объекта включает проецирование первого инфракрасного узора на объект при помощи первого проекционного устройства; съемку изображений распределения нагревания объекта при помощи по меньшей мере одного съемочного устройства, чувствительного к инфракрасному излучению, при этом узор между снимками смещают; анализ изображений при помощи топометрического способа анализа и определение формы поверхности объекта. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения контраста проецируемого узора на прозрачных для видимого света или сильно отражающих свет объектах. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к устройству и способу трехмерного обмера объектов при помощи телеметрического способа измерения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Трехмерная регистрация поверхностей объектов при помощи оптических триангуляционных датчиков согласно принципу топометрии в достаточной степени известна. Для этого, например, на обмеряемый объект проецируют различные содержащие полосы узоры, производят наблюдение при помощи одной или нескольких камер, а затем анализируют при помощи компьютера. Способами анализа являются, например, способ сдвига фаз, использование кодированного света или гетеродинный способ.

Проецирующее устройство последовательно во времени освещает обмеряемый объект узорами с параллельными светлыми и темными полосами одинаковой или различной ширины. В зависимости от формы объекта и направления взгляда проецируемый содержащий полосы узор деформируется. По меньшей мере одна камера регистрирует проецируемый содержащий полосы узор под определенным углом зрения по отношению к направлению проецирования. Для каждого проецируемого узора при помощи каждой камеры делают снимок. Для анализа измерений решающей является граничная линия (кромка) между светлой и темной полосами.

Чтобы обмерить весь объект, узор перемещают по объекту, т.е. сканируют. Таким образом, для каждой точки изображения каждой камеры возникает временная последовательность различных значений яркости. Для данной точки объекта известны координаты изображения на снимке камеры. На основании последовательности уровней яркости, которые измеряют из последовательности изображений для каждой точки снимка камеры, может быть вычислен номер полосы. В простейшем случае это осуществляют посредством двоичного кода, например, кода Грея, который обозначает номер полосы в виде дискретной координаты в проецирующем устройстве.

Более высокая точность может быть достигнута при помощи так называемого способа сдвига фаз, так как указанным способом можно определять координату, не являющуюся дискретной, при этом положение фазы модулированного сигнала определяют путем измерений интенсивности в точке за точкой. При этом в то время, когда измеряют интенсивность в одной точке, положение фазы сигнала по меньшей мере дважды сдвигают на определенную величину. На основании по меньшей мере трех измеренных значений может быть вычислено положение фазы. Способ сдвига фаз может применяться в качестве дополнения к коду Грея или в качестве производящего абсолютные измерения гетеродинного способа (с несколькими длинами волн).

Основы и практическое применение таких топометрических способов измерения подробно описаны, например в книге: Bernd Breuckmann: "Bildverarbeitung und optische Messtechnik in der industriellen Praxis", 1993, Franzis-Verlag GmbH, Munchen.

Если необходимо обмерить объекты, которые являются сильно отражающими, например окрашенный кузов автомобиля, или которые прозрачны для видимого света, например стеклянные поверхности, то предшествующие измерительные системы, базирующиеся на проецировании полос, не в состоянии топометрически регистрировать такие объекты, так как на поверхности таких объектов проецируемые узоры не видны.

Из DE 20216852 U1 известен способ проверки сильно отражающих поверхностей, благодаря которому посредством рефлектометрии или дефлектомерии можно определять, например, выпуклости или углубления. Однако вследствие самого принципа измерения известное устройство оказывается непригодным для регистрации объекта с достаточной точностью или с необходимым разрешением, так как поперечное разрешение является слишком низким.

Качество результатов измерения при трехмерном обмере объектов посредством проецирования полос сильно зависит от контраста проекции по отношению к окружающему свету.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принимая во внимание недостатки предшествующего уровня техники, в основе изобретения лежит задача предложить устройство для трехмерного оптического обмера объектов, прозрачных для видимого света или сильно отражающих свет, при помощи топометрического способа измерения, которое обеспечивает хороший контраст проецируемого узора на объектах.

Указанная задача решена посредством устройства по п.1 и способа по п.10 формулы изобретения.

Устройство согласно изобретению для трехмерного обмера объекта содержит первое проекционное устройство, содержащее первый источник инфракрасного излучения для проецирования подвижного первого узора на объект, и по меньшей мере одно съемочное устройство для съемки изображений объекта в инфракрасном диапазоне спектра.

Применение инфракрасного излучения для проецирования узора имеет преимущество, заключающееся в том, что проецируемый узор проявляется на обмеряемом объекте в виде распределения нагревания, то есть соответствующие поверхности объекта, облучаемые инфракрасным излучением проекционного устройства, отличаются от необлучаемых таким способом поверхностей объекта разностью температур. Эта разность температур проявляется, в свою очередь, в различной интенсивности излучения в инфракрасном диапазоне длин волн, в частности, в так называемом тепловом излучении, которое может быть снято, например, посредством инфракрасной камеры.

При этом следует принять во внимание, что диапазон длин волн излучаемого инфракрасного узора не обязательно совпадает с диапазоном длин волн, которые излучает объект. То же самое относится к диапазону длин волн, в котором чувствительно съемочное устройство.

Проецируемый узор может быть выполнен, в частности, точечным, линейным или двухмерным.

Одно усовершенствование устройства согласно изобретению состоит в том, что оно может включать в себя второе проекционное устройство, содержащее второй источник инфракрасного излучения для проецирования второго подвижного узора на объект. Таким способом могут быть получены комбинации первого и второго узоров, причем, в частности, второе проекционное устройство может быть расположено таким образом, что второй узор проецируется в другом направлении и под другим углом.

Следующее усовершенствование состоит в том, что первый источник инфракрасного излучения первого проекционного устройства имеет первую излучающую поверхность и/или второй источник инфракрасного излучения второго проекционного устройства может иметь при этом вторую излучающую поверхность. Благодаря высокой излучающей способности нагретой излучающей поверхности вырабатываемое тепло быстро и эффективно выпускается в виде инфракрасного излучения.

Следующее усовершенствование состоит в том, что соответствующая излучающая поверхность выполнена с возможностью нагревания посредством соответствующего резистивного нагревателя. Посредством электрического нагревания обеспечена возможность быстрого прямого модулирования инфракрасного излучения.

Следующее усовершенствование состоит в том, что соответствующая излучающая поверхность сама может задавать проецируемый узор или соответствующий узор может быть задан посредством соответствующего узорчатого элемента, содержащего проницаемые и непроницаемые для инфракрасного излучения поверхности, причем соответствующий узорчатый элемент может быть расположен между соответствующей излучающей поверхностью и объектом.

Следующее усовершенствование состоит в том, что соответствующий узор содержит полосы. Преимущество состоит в том, что кромка между полосами является прямой линией, деформирование которой на объекте может быть снято при помощи съемочного устройства.

Следующее усовершенствование состоит в том, что устройство дополнительно может содержать анализирующее устройство для анализа изображений, снятых при помощи съемочного устройства. Это анализирующее устройство может быть реализовано, например, при помощи вычислительного блока, который выполняет соответствующую программу топометрического анализа снятых изображений. В частности, например, на основании деформации линейной кромки можно вычислить соответствующую форму поверхности объекта.

Следующее усовершенствование состоит в том, что соответствующее проекционное устройство может содержать цилиндр, имеющий излучающую поверхность и выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси. Преимущество состоит в том, что подвижный узор (например, содержащий полосы узор излучающей поверхности или узорчатого элемента) может проецироваться на объект простым образом.

Следующее усовершенствование состоит в том, что съемочное устройство может быть чувствительным к инфракрасному излучению с длиной волны в диапазоне от 1 мкм до 1 мм, предпочтительно в диапазоне от 3 мкм до 50 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 3 мкм до 15 мкм и наиболее предпочтительно в диапазоне от 3 мкм до 5 мкм или от 8 мкм до 14 мкм. В частности, это обеспечивает возможность применения инфракрасных камер, которые используют для термографии, и которые являются чувствительными в среднем инфракрасном диапазоне (3-15 мкм). Для спектральной области от 8 до 14 мкм могут применяться, например, детекторы на основе арсенида галлия или на основе теллуридов кадмия и ртути.

Кроме того, упомянутая выше задача решена согласно изобретению посредством способа трехмерного обмера объекта, включающего в себя следующие шаги: проецирование первого инфракрасного узора на объект посредством первого проекционного устройства, содержащего первый источник инфракрасного излучения; и съемку изображений объекта при помощи по меньшей мере одного съемочного устройства, чувствительного к инфракрасному излучению; при этом между снимками узор смещают.

Одно усовершенствование способа согласно изобретению состоит в том, что он может включать в себя дополнительный шаг - проецирование второго инфракрасного узора на объект при помощи второго проекционного устройства, содержащего второй источник инфракрасного излучения.

Следующее усовершенствование состоит в том, что соответствующий узор может содержать полосы.

Следующее усовершенствование состоит в том, что каждый узор может перемещаться по объекту при помощи соответствующего проекционного устройства с соответствующей заданной скоростью. Таким образом объект сканируют, причем при помощи съемочного устройства (камеры) производят смещенные по времени снимки.

Следующее усовершенствование состоит в том, что соответствующее проекционное устройство может содержать цилиндр, имеющий соответствующую излучающую поверхность и выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси.

Следующее усовершенствование состоит в том, что по меньшей мере одно съемочное устройство может быть приведено в действие посредством проекционного устройства. Таким способом могут быть образованы определенные последовательности комбинаций узоров, проецируемых на поверхность.

Следующее усовершенствование состоит в том, что способ может включать в себя дополнительный шаг - анализ изображений, снятых съемочным устройством, при помощи анализирующего устройства с использованием топометрического способа анализа. Таким образом может подвергаться анализу трехмерная структура поверхности объекта.

Различные усовершенствования могут применяться независимо друг от друга или в комбинации друг с другом.

Следующие предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны ниже со ссылками на чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - первый вариант осуществления устройства согласно изобретению,

фиг.2 - второй вариант осуществления устройства согласно изобретению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан первый вариант осуществления согласно изобретению устройства для трехмерного оптического обмера прозрачного или сильно отражающего объекта 5 при помощи телеметрического способа измерений, которое содержит по меньшей мере одно проецирующее устройство 1 с высокой интенсивностью инфракрасного излучения, которое необходимо для получения хороших условий контрастности.

Источник 1а инфракрасного излучения проецирующего устройства 1 имеет в основе резистивный нагреватель, который нагревает излучающую поверхность 1а. Благодаря высокой излучающей способности нагретой излучающей поверхности вырабатываемое тепло быстро и эффективно выпускается в виде инфракрасного излучения. Кроме того, при помощи электрического нагрева обеспечена возможность быстрой прямой модуляции инфракрасного излучения. При этом в данном примере излучающая поверхность непосредственно образует проецируемый содержащий полосы узор. Другая возможность заключается в том, что между излучающей поверхностью и объектом располагают маску с узором.

Так как содержащий полосы узор должен перемещаться по поверхности объекта 5, то устройство согласно изобретению содержит подвижный содержащий полосы узор, который, например, имеет форму цилиндра 1, имеющего излучающую поверхность и выполненного с возможностью вращения вокруг своей оси.

Объект 5 с проецируемым узором снимают при помощи инфракрасной камеры 3. Сигналы или данные от камеры затем подают в анализирующее устройство 4 (например, компьютер), в котором выполняется программа топометрического анализа.

В зависимости от материала объекта 5 и его теплопроводности интенсивность инфракрасного излучения проекционного устройства 1 может быть выбрана таким образом, чтобы разность температур с одной стороны, была достаточно велика, чтобы зарегистрировать кромку (различие) между облучаемой и необлучаемой поверхностями при помощи съемочного устройства (камеры) 3, а с другой стороны, достаточно мала, чтобы указанная кромка во время съемки существенно не размывалась вследствие тепловой диффузии. Это основано на том, что продолжительность тепловой диффузии по существу обратно пропорциональна разности температур. При выборе подходящей интенсивности инфракрасного излучения и подходящей продолжительности между ближайшими по времени снимками может быть достигнут хороший уровень контраста между облучаемыми и необлучаемыми областями объекта.

На фиг.2 показан второй вариант осуществления устройства согласно изобретению. Одинаковые элементы обозначены на фиг.1 и фиг.2 одинаковыми номерами позиций.

По сравнению с первым вариантом осуществления изобретения согласно фиг.1, второй вариант содержит второе проецирующее устройство 2, также в форме цилиндра. Два излучающих цилиндра, вращающиеся под определенным углом по отношению друг к другу, проецируют узоры на поверхность объекта. Причем каждый цилиндр вращается вокруг своей оси с определенной скоростью. Образующийся вследствие чего проецируемый узор обладает свойствами, которые позволяют произвести анализ быстрее и с более высоким разрешением. Например, на поверхности возникают специфические узоры, которые зависят от скорости вращения и от угла между цилиндрами 1, 2, и которые могут быть определенным образом подобраны, чтобы получить возможность лучшего анализа специфических особенностей поверхностей объекта.

Кроме того, камера 3 (съемочное устройство) приводится в действие посредством проецирующих устройств 1, 2 таким образом, что вариация приведения в действие проецирующего устройства достаточна для того, чтобы можно было анализировать дополнительные специфические узоры на поверхности.

1. Устройство для трехмерного обмера объекта (5), содержащее
первое проекционное устройство (1), содержащее первый источник (1а) инфракрасного излучения для проецирования на объект подвижного первого узора, причем проецируемый первый узор проявляется на обмеряемом объекте в виде распределения нагревания, и
по меньшей мере одно съемочное устройство (3) для съемки изображений распределения нагревания, проявляющегося на объекте, в инфракрасной области спектра, и
анализирующее устройство (4) для анализа изображений, снятых съемочным устройством, и определения соответствующей формы поверхности объекта.

2. Устройство по п.1, содержащее второе проекционное устройство (2), содержащее второй источник (2а) инфракрасного излучения для проецирования второго подвижного узора на объект.

3. Устройство по п.2, в котором первый источник инфракрасного излучения первого проекционного устройства имеет первую излучающую поверхность, и/или второй источник инфракрасного излучения второго проекционного устройства имеет вторую излучающую поверхность.

4. Устройство по п.3, в котором соответствующая излучающая поверхность выполнена с возможностью нагревания посредством соответствующего резистивного нагревателя.

5. Устройство по п.3 или 4, в котором соответствующая излучающая поверхность сама задает проецируемый узор, или соответствующий узор задан посредством соответствующего узорчатого элемента, содержащего проницаемые и непроницаемые для инфракрасного излучения поверхности, причем соответствующий узорчатый элемент расположен между соответствующей излучающей поверхностью и объектом.

6. Устройство по пп.1-4, в котором соответствующий узор является содержащим полосы узором.

7. Устройство по пп.3 и 4, в котором соответствующее проекционное устройство содержит цилиндр, имеющий излучающую поверхность, причем указанный цилиндр выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.

8. Устройство по пп.1-4, в котором съемочное устройство является чувствительным к инфракрасному излучению с длиной волны в диапазоне от 1 мкм до 1 мм, предпочтительно в диапазоне от 3 мкм до 50 мкм, более предпочтительно в диапазоне от 3 мкм до 15 мкм и наиболее предпочтительно в диапазоне от 3 мкм до 5 мкм или от 8 мкм до 14 мкм.

9. Способ трехмерного обмера объекта (5), включающий в себя следующие шаги:
проецирование первого инфракрасного узора на объект при помощи первого проекционного устройства (1), содержащего первый источник (1а) инфракрасного излучения, причем проецируемый первый узор проявляется на обмеряемом объекте в виде распределения нагревания;
съемку изображений распределения нагревания, проявляющегося на объекте, при помощи по меньшей мере одного съемочного устройства (3), чувствительного к инфракрасному излучению,
причем узор между снимками смещают, а способ дополнительно включает анализ изображений, снятых при помощи съемочного устройства, в анализирующем устройстве (4) при помощи топометрического способа анализа и определение соответствующей формы поверхности объекта.

10. Способ по п.9, включающий в себя дополнительный шаг:
проецирование второго инфракрасного узора на объект при помощи второго проекционного устройства (2), содержащего второй источник (2а) инфракрасного излучения.

11. Способ по п.10, в котором соответствующим узором является содержащий полосы узор.

12. Способ по п.10 или 11, в котором каждый узор перемещают по объекту при помощи соответствующего проекционного устройства с соответствующей заданной скоростью.

13. Способ по п.12, в котором соответствующее проекционное устройство содержит цилиндр, имеющий излучающую поверхность, причем указанный цилиндр выполнен с возможностью вращения вокруг своей оси.

14. Способ по пп.10, 11 или 13, в котором по меньшей мере одно съемочное устройство приводят в действие посредством указанных проекционных устройств.