探测三维物体外形的方法和设备技术

本发明专利技术的目的是提供一种探测三维物体外形的设备和方法，该方法探测时间极短，尤其比目前技术条件下已知方法的探测时间明显要短，因此该方法另外也适用于探测快速运动的或者快速变化的被测物体的三维外形。根据本发明专利技术，由待测物体散射的和／或反射的和／或发射的光线的传播时间作为光强调制被编码，并测量光强或光强分布。以光强分布的测量数值可以求得该三维物体的外形。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种探测三维物体外形的方法和设备。探测物体外形的方法已应用于工业生产，尤其应用于质量控制的许多领域中。其将物体的几何数据通过合适的测量设备在计算机中转换为数字化数据，然后通过程序实现对尺寸精确性和其他参数的控制。为探测物体的外形，公知有各种不同的机械和光学方法。在机械方法中，典型的方式是借助传感器逐点探测测量物体，然后通过逐点测量结果的彼此连接，确定物体的三维外形。该方法的缺点是，一方面，必须要机械地接触被测物体；另一方面，为了得到高精确性，需要很长的测量时间。光学方法的最大优点在于，其是无接触探测的，并由此对物体不产生机械影响。这样便可以排除由于测量本身引起的物体形变。光学外形探测方法特别的优点在于，被测物体的表面是可变形的，比如是弹性材料的情况。无接触工作的外形探测方法的另一个优点在于，能同时测量大量的目标点这样的微小面积单元。同机械探测方法相比，其真正地实现了更短的测量时间。因此其也可以测量出，机械探测方法通常难于测出的具有高度等级的物体结构。公知的光学外形探测方法是基于三角测量法或干涉技术原理进行的。在三角测量法中，一光点投射到待测物体的表面上，并在偏离照明设备的方向上，观测该光点。从在空间中投射光的取向和被观察的观测点的方向，就可以计算出被照射点的空间坐标。该方法相对来讲很准确，并具有唯一性。但是，因为必须对待测物体表面进行逐点测量，所以对物体完整形状的探测需要很长的时间。因为通过这种方法不能测量在空间中运动的或变化的物体，而由此成为该方法的缺点。所以在该三角测量法的基础上，进一步开发了光散射技术(Lichtschnitt-Technik)和光带投射技术(Streifenprojektion)。在光散射技术中，代替单个光点，光线以一条线投射到待测物体的表面上。该光线可在偏离照明方向上由一照相机观测或记录，以同上述三角测量法中一样的方式得到该被照射点的空间坐标。该线投射技术方法尽管比逐点方式的三角测量法快，但仍然比一次可以更大面积进行探测的其它方法慢。光带投射技术是线投射技术的进一步发展，即以多条光线同时投射到待测物体的表面上。光线强度在横向方向上周期性变化，并使观测相机能区别出单个光线。因为该方法一次可以探测更大的表面范围，因此其比线投射技术更快。但是其不能区分相同强度的光线，因此至少测量结果的唯一性会有部分损失。为了更准确地进行测量，常常采用光干涉测量方法，比如白光干涉测量方法。但所有上述方法的缺陷是，都需要很长的测量时间，典型的是需要很多秒钟，而在高精度要求下，其测量需要持续很多分钟。在此，可达到的最小探测时间，并非受限于数值计算的速度，而是受限于大量必要的光学测量。因此，本专利技术的目的是提供一种光学探测三维外形的设备和方法，该方法只需极短的测量时间，与公知的根据现有技术的方法相比，其特别明显地具有更短的测量时间。因此，也可以对快速运动的或快速变化的物体进行三维外形的探测。本专利技术的目的是通过在权利要求1(方法权利要求)特征部分中的特征和权利要求18(设备权利要求)特征部分中的特征及其前序部分的特征一起实现的。其从属权利要求中包含有一些实用的技术方案。本专利技术的突出优点是，采用本专利技术的设备或本专利技术的方法，能够在几个毫秒或甚至少于皮秒的极短的时间内，实现光学探测三维外形。为此，由待测物体散射的和/或反射的和/或发射的光的传播时间作为光强调制被编码，并测量光强或光强分布。由光强分布的测量数据，可以求得三维对象/物体的外形。在此特别有益的是，在对光的传播时间作为光强调制进行编码和测量光强或光强分布之前，附加使用一合适的光源照射该待测物体。这里优选使用一脉冲激光光源。对光的传播时间作为光强调制的编码是通过至少一个转换器进行的，该转换器具有与时间相关的光的吸收、反射、透射和/或极化的变化。借此，具有一较长光程而较晚地通过该转换器的光，受到该转换器不同的吸收或透射、反射和/或极化，并将就这方面产生另外一个光强分布。因此，由光强分布就能得出光的传播时间，然后从光的传播时间就能确定三维物体的外形。测量物体以不同的方式反射照明光，比如通过在三维表面的不同反射系数反射，其反射的分布可以借助由一分光器实现的第二个光路来探测。然后物体的三维高度或表面轮廓，由在转换器后面测量得到的光强分布(无量纲)和无转换器的光路的光强分布，通过相关合适的数学运算(比如，除法)后得出。从这些分布中便可以得到光的传播时间，进而求得待测物体的三维外形。转换器优选为一以染料为基础的非线性吸收体、一染料溶液、一滤光器和/或一半导体开关。作为染料优选的实施形式是使用三苯甲烷染料。该半导体开关优选具有一GaAs结构。而该转换器也可以是一光闸，比如一克尔盒或者一泡克耳斯盒。为了测量光强，在优选的实施方式中，采用CCD照相机或CMOS照相机。另外，本专利技术的设备中还有一反射镜和/或一部分透射反射镜，光学成像系统和/或光闸。下面借助于附图中示出的至少部分实施例，对本专利技术做进一步的解释，其中附图说明图1是本专利技术用于光学探测外形的设备的示意图；图2是第一个测量物体的照片；图3是采用本专利技术的方法测量后，计算得到的第一个测量物体的高度轮廓图；图4是作为灰度图进行编码的对第一个测量物体测量得到的强度分布；图5是第二个测量物体的照片；图6是采用本专利技术的方法测量后，计算得到的第二个测量物体的高度轮廓图；图7是作为灰度图进行编码的对第二个测量物体测量得到的强度分布。图1示意性示出了本专利技术的带有双测量通道的光学探测三维外形的设备，一个飞秒激光14照射到测量物体10上。激光14的光从分光器16输出后，被引向测量物体10，通过分光器16的另一部分光将以合适的延迟通过高反射镜20，被偏转到用于强度编码的转换器12上。该转换器12涉及一非线性快速开关的滤光器，这样的滤光器例如可以采用RG-系列产品(肖特公司(Firma Schott)，德国)。在测量物体10上散射的光借助透镜系统18被引导通过非线性吸收体(转换器12)的被激发而褪色的区域(Volumen)。测量物体10的散射光通过该转换器12后，借助一透镜系统22成像于CCD照相机的表面上。结果显示，借助CCD照相机26可以观测测量物体10上的散射光。通过非线性吸收体(转换器12)依赖于光传播时间的非线性特征曲线，对光的光强进行调制。在使用转换器12(RG-滤光器)时，产生吸收的对数返回时间，因此光强将依赖于延迟时间的对数标尺来对测量物体的形状进行编码。通过非线性吸收体(转换器12)，被强度编码的光的光强度分布将在CCD照相机26上产生相应的图像。因为第一个测量物体以各种不同的方式反射照明光，比如通过三维表面的不同反射系数反射光，所以该反射可以借助在分光器32、高反射镜30和透镜系统24后面的第二个CCD照相机28来探测，或者在没有转换器时(比如移开转换器12或者合适的光线转向)对照相机26进行第二次曝光探测。然后测量物体10的高度轮廓由在转换器12后面的借助CCD照相机26测得的强度除以同样由CCD照相机26在移开转换器12后测量到的第二个光强分布而得到。可变化的是，该第二个光强分布(没有光线通过转换器12)可以借助第二个CCD照相机28来测量。对以一非线性吸收体(转换器12)中的褪色寿命为函本文档来自技高网...

【技术保护点】
探测三维物体外形的方法，包括步骤：ａ）对由待测物体散射的和／或反射的和／或发射的光的传播时间作为光强调制进行编码，ｂ）测量光强或光强分布，ｃ）对测量数据进行计算并求得该三维物体的外形。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉尔夫门策尔，
申请(专利权)人：科利迪尤斯精密系统有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]