小型高分辨三维外形光学传感器制造技术

本发明专利技术的三维外形光学传感器通过用至少一个摄象机对由片状平面光束照射物体所形成的亮迹进行扫描，得到象元坐标的数据信息，该传感器的光匣装有一个产生平行直线光束的激光源，一个将平行直线光束变换成片状平面光束的光学装置，以及一个包括两个面对面安装的平面反射镜的装置。由于光束经这两个反射镜多次反射，增长了光束的光学路径，因此形成的虚拟光学距离克服了传感器与物体之间机械距离小所引起的光束可用区场深小的缺点。（*该技术在2012年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术与获取各种物体的三维外形并将之数字化的技术有关，所使用的系统是一个具有一个激光辐射源和一个或几个对所考察物体上的激光束亮迹进行扫描的摄象机的光学传感器。这种技术在文件FR-A-2627047，FR-A-2642833及FR-A-2629198中有详细说明。具体地说，这种技术是产生一个“激光平面”，也就是一个扇形的片状光束，这个片状光束十分薄，但宽度复盖了要扫描的整个物体，而用一个或两个摄象机以两个不同的倾角对这个单面进行考察。系统安装在可移动的操纵臂(如数控机床的操纵臂)的端部，使激光平面可以对整个工件进行扫描，逐步获取工件的三维表面。扫描可以采用转动传感器来实现，也可以采用使传感器相对工件作平移运动、或保持传感器固定不动而使工件相对运动(例如工件安装在遥控三轴平台上)来实现。在这种技术中所使用的传感器至今还是比较笨重，易于损坏，并且结构也复杂。本专利技术的一个目的是推出一种可以使传感器显著小型化而其精度和分辨力保持不变、甚至有所提高的传感器结构。所谓“分辨力”是指系统的象元大小，而“精度”则是对数字化级和复现级而言的。下面将会看到，如果给定了在激光亮迹分析阶段所执行的各种处理操作，定位精度能够高于一个象元。小型化的传感器除了一般所说的方便以外，其主要优点是甚至在空间严格受限的场合、小工件场合、表面难以够及的场合等需要在一个缩小的区域内获得很高精度的情况下可以使用这种传感器。然而，当传感器十分靠近需要扫描的工件时，会产生一系列新问题。特别是，随着传感器移近物体，场深(depthoffield)越来越小。在本专利技术中，氦-氖激光传感器可以调整到使其焦点离激光源1米左右，因此离物体的距离(backoff)很大(这在给定氦-氖激光器及其各种有关组件具有较大体积的情况下是必然的。这个大距离与长焦距相配合，就能使所产生的亮迹非常精细，场深也大，通常可以达到在整个100毫米的场深范围内片状光束的厚度小于0.2毫米。此外，由于片状光束是通过固定不动的装置(通常是一个柱状透镜)形成的，再加上大距离的影响，所产生的光束是散开的，因此局部能量密度较低(大致为每平方毫米1微瓦量级)，这意味着这光束不会对操作人员构成威胁。另一方面，虽然能够实现传感器的小型化(特别是用激光二极管来代替氦氖激光器)，然而，如果不能或不希望将传感器退离物体，则就产生了场深问题，因为聚焦的距离非常短(通常为10厘米，而不是1米)。这就对光迹的厚度，从而也就对分辨力和精度产生相应的不利影响。由于能量密度与距离成反比，因此随着距离的减小，能量密度大大增大，这样的激光束会投射到物体附近的操作人员的眼睛上，造成危害。本专利技术的一个目的是提供一种相对物体的机械距离十分小的小型化传感器，这种传感器保持了现行传感器的各种优点。本专利技术的基本原理是在传感器内建立一个虚拟的光源距离，以形成与长焦点光束充分相同的条件，从而补偿了由于传感器-物体系统结构所决定的机械距离小的不足。本专利技术的三维外形光学传感器有一个激光源，它所产生的片状平面光束照射在物体表面上，在物体表面上形成一条曲线亮迹。至少有一个电视摄象机对这条亮迹进行扫描，得到变换成数字数据的表示象元坐标的信息。传感器有一个装在一个公共外壳内的光匣，光匣安置在需要加以扫描的物体上方，离物体距离很近，光匣内装有产生平行直线光束的激光源;将平行直线光束变换成片状片面光束的光学装置;以及增长片状平面光束光学路径的装置，该装置有两个固定成面对面的平面反射镜，使光束在一个光束入口转辙器和一个光束出口转辙器之间产生多次反射。由于用一个虚拟的光学距离补偿了外壳与物体之间的非常小的机械距离，因此增加了从外壳射出的片状光束可使用区的场深。入口和出口转辙器都是光学装置，用来调整投射光束的角度，以有效地改变在两个面对面的反射镜之间的反射次数，而将直线光束变换成片状平面波束的光学装置则是固定不动的装置。传感器还有至少一个检测器组件，检测器组件邻接在光匣旁，其中各装有一个光电图象分析装置和物镜装置，物镜装置处在图象分析装置的前面。在检测器组件的外壳内还装有使图象分析装置相对物镜倾斜的装置，这是本专利技术的一个优越的特点。本专利技术的另一个优越的特点是还装有一个电子电路，用来提取表示在图象分析装置所产生的各图象行上激光束亮迹位置的数据，这个电路包括一个积分级、一个分压级、一个迟延级和一个比较级。一个表示所接收的亮度、随在所扫描的行上的位置变化的电信号加到积分级的输入端上，积分级输出一个表示所接收到的积累光能量的递增信号，分别加到分压给和迟延级的输入端，而分压级和迟延级的输出信号则分别加到级的两个输入端上。这样，根据比较级状态的改变情况就可确定在图象扫描行上激光束亮迹中点的位置。现在参照附图举例说明本专利技术的一个实施例。在这些附图中附图说明图1为本专利技术的一个传感器的正视图，一个光匣和两个与之邻接的检测器组装在一个可移动的操纵臂的端部;图2为图1所示系统的Ⅱ-Ⅱ向侧视图;图3为传感器光匣的图示性剖视图;图4为示出光匣的各个光学器件的透视图;图5为传感器的一个检测器的图示性剖视图;图6为图5所示检测器的物镜/扫描装置的图示性剖视图;图7示出了通过一个使检测器的光电装置倾斜的系统补偿清晰度和场深不足的情况;图8示出了光电装置输出端上一个扫描行的电视信号的一般形状;图9为用来分析电视信号以提取表示激光束光迹位置的数据的电路的方框图;图10为说明图9所示电路中各个信号的定时图;以及图11和12示出了图9所示模拟的信号分析系统的数字实施例。图1示出了按照本专利技术实施的一个传感器1。传感器1安置在一个工件2的附近，对工件2进行扫描，以便得到它的表面形状并将之数字化。传感器1装在一个操纵臂3(例如数控机床的操纵臂)的端部，其中心构件100是一个发射片状平面激光束4的光匣。片状平面激光束4就是一个宽度较大(见图2)的薄光束(见图1)。光束投射到工件2的表面上，在那里就出现一条曲线亮迹5。这条亮迹是由一个或最好是二个检测器200扫描。每个检测器有一个摄象机和一些对摄象机所取得的图象进行数字化和分析的电子电路。最好两个检测器200邻接光匣100，配置在光匣100的两侧，构成一个独立的系统(即传感器1)，用操纵臂3承载。用两个摄象机可以显著地减少获取三维外形所需的时间，但对本专利技术而言这并非是实质性的，传感器只用一个摄象机也是可以的。传感器通过执行一次扫描来获取工件的整个外形。在所示的这个例子中，这扫描是通过使操纵臂3在垂直片状波束平面的方向(如箭头6所示)移动实现的平移扫描。通常每秒前进二至三步，每步的步长在0.1毫米至0.5毫米的量级，视所要求的获取精度而定。象元的大小通常为50×50(微米)，通过电子平滑能够减小到20×20(微米)。当然，也可以通过移动工件而使传感器位置保持固定来实现传感器工件之间的相对运动，或者通过平移和旋转组合运动来实现扫描。本专利技术非常在意解决各种光学问题，特别是当传感器非常接近工件时，亦即当有效场7的深度d(图2)与传感器和工件之间的最小距离x的比值d/x较高时所发生的场深问题。下面将可以看到这个比值d/x能大大超过1，然而在直至目前所采用的现有技术中，这个值大致为0.1至0.2。图3和4示出了光匣100的结构，而图4只示出了与形成光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维外形光学传感器，所述传感器具有一个激光源，可用来产生一个照射一个物体表面的扯状平面光束，使得在该物体表面上产生一条曲线亮迹，至少有一个电视摄象机对这条亮迹进行扫描，从而得到变换成数字数据在表示象元坐标的信息，所述传感器的特征是：所述传感器有一个安装在可以配置在需要扫描的物体上方的一个短距离上的公共外壳中的光匣，所述光匣包括：用来产生一个平行直线光束的激光源；将所述平行直线光束变换成一个片状平面光束的光学装置；以及增长所述光束的光学路径的装置，该装置有两个固定成面对面的平面反射镜，以便在一个光束入口转辙器和一个光束出口转辙器之间引起多次反射；因此外壳与物体之间很小的机械距离被一个虚拟的光学距离所补偿，从而相应地增加了从外壳出口处射出的片状平面光束可用区域的场深。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克柯斯纳德，简斯图帕拉特，
申请(专利权)人：克隆恩工业公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]