CN104034258A - 具有可变焦距的检流计扫描相机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可变焦距的检流计扫描相机及方法。用于生成在工件上感兴趣区域的高分辨率图像的相机组件，包括传感器阵列以及将从工件反射的光聚焦到传感器阵列上的光学透镜。传感器阵列相对于由安装在固定位置的所述光学透镜定义的光轴，相对于所述光学透镜倾斜。检流计驱动反射镜组件将光学透镜的视场引导向工件上的感兴趣区域，将从工件上的感兴趣区域反射的光平移到传感器阵列上。传感器阵列的倾斜相对于从相机组件到工件的感兴趣区域的距离提供了不同级别的分辨率，使得相机组件能在与所述相机组件不同距离上生成高分辨率图像，而无需相对于传感器阵列调整光学透镜。

Description

具有可变焦距的检流计扫描相机及方法

在先申请

本申请要求2013年3月8日申请的美国临时申请号为No.61/774,656的优先权。

技术领域

本申请总体上涉及一种用于检查工件的方法。更具体地，本申请涉及生成工件的感兴趣区域的高分辨率图像。

背景技术

用于检查所制造的构件的质量的视觉系统在工业环境中正变得越来越普遍，以确保所制造的产品的质量。例如，航空航天领域中用于减轻飞机重量的复合材料需要高度的完整性。在使用视觉系统从远处对这些航空航天构件结构中使用的碳纤维材料的纤维方向和位置进行检查还有未实现的需求。此外，焊接质量、尺寸稳定性以及所制造产品中需要质检的其它区域正越来越多地通过视觉系统或组件方式进行监控。一个典型的视觉系统包括相机和透镜组件，其通常可以例如使用广角镜头对宽视场进行低分辨率成像，或例如使用长焦镜头对特定的感兴趣区域进行精确聚焦从而对窄视场进行高分辨率成像。然而，诸如以足够分辨材料中所使用的纤维的水平对大型航空航天构件成像的应用需要高分辨率和宽视场以涵盖大规模的构件，这样会使分辨率降低到使得这种类型的视觉系统不切实际的水平。解决这些系统的局限性的一种尝试是借助使用如图1所示的检流计扫描镜10的视觉系统组件。相机12的定向使得其视场14朝向第一反射镜(mirror)16，所述第一反射镜16将视场14导向第二反射镜18，并随后到达工件(workpiece)20上。

第一反射镜16相对于相机12的视场14的角度定向由第一检流计22控制。同样地，第二反射镜18相对于相机12的视场14的角度定向由第二检流计24控制。

这样的布置方式结合了相机分辨率和透镜视场的适当选择，能够提供任意的理论分辨率级别。例如，可以选定长焦镜头，使得高分辨率相机传感器的单个部件的分辨率可对应于跨度为若干英尺的整个零部件上的千分之几英寸的分辨率。然而，如果在传感器上的图像不被精确地聚焦且使得传感器上的大量像素模糊，则这种传感器空间分辨率是无效的，使得这种替换方式对于那些本应最大受益的应用种类变得不切实际。这种布置的另一个问题是使相机12聚焦在特别是三维表面上已经被证明较慢，从而使得这种类型的布置在快速制造过程中无效。虽然已知检流计在二维(X，Y)环境中移动相机12的视场14，相机12的焦点在三维环境中是无效的。这种类型的布置总体被公开在授予与本申请同一发明人的美国专利第5,615,013号中，该申请的内容在此引入作为参考。

图2示出了利用类似的检流计和反射镜布置来在三维方向上调整相机12的焦距的尝试。在该布置中，CCD或CMOS传感器阵列26用来捕捉沿相机的视场14的图像。透镜28借助平移机构30沿着相机12的视场14的轴移动。然而，用于移动透镜28以提高沿三维面的Z轴的图像清晰度的平移机构30非常昂贵，且太慢而无法满足现代制造系统的要求。此外，该透镜平移机构30是笨重的且不能被包装到小区域内。另外，透镜在位置上与平移的轴的任何偏差，即使是微米的距离，都会在由相机12生成的成像位置中产生偏移量，使得准确测量变得不可能。因此，期望提供一种沿工件的3个轴生成高分辨率图像的更为始终精确、快速及经济有效的方法。

发明内容

用于生成工件的高分辨率图像的检查组件，包括传感器阵列和光学透镜，所述光学透镜界定用于将工件的视图聚焦到传感器阵列上的光轴。定向反射镜组件来重新定向传感器阵列的视图。使传感器阵列相对于光学透镜的光轴倾斜。调整反射镜组件的定向，将所述传感器阵列的视图引导到工件上的感兴趣区域。基于传感器阵列相对于光轴的倾斜角度，所述光学透镜将感兴趣区域的视图引导到被确定为产生精确聚焦的图像以提高对工件上感兴趣区域所生成的图像的分辨率的传感器阵列部分。

这种布置仅需调整反射镜组件从而将相机的视场引导到工件的感兴趣区域，即可提供工件的感兴趣区域的快速聚焦。本发明相机的光学透镜将视场引导到传感器阵列上已知与为工件的感兴趣区域生成的聚焦最精确、分辨率最高的图像相关的区域。因此，光学透镜的位置相对于传感器阵列基本上保持恒定，无需移动零部件以沿工件深度移动相机的焦点来获得高分辨率、精确聚焦的图像。在本发明的组件中，由于除检流计外不包括其他运动零部件，因而实现了对工件低成本、快速、精确聚焦的检查。

附图说明

本发明的其它优点容易领会，当连同附图一起考虑时，参考以下详细描述将更容易理解所述优点：

图1示出视觉系统的现有技术实施例；

图2示出视觉系统的第二个现有技术实施例；

图3示出了本发明的检流计扫描相机组件；

图4a和4b示出本发明的检流计扫描相机的焦点的检流计调整的示意图；

图5示出通过在与相机透镜不同距离处对两个光学测试目标进行成像来证明倾斜传感器的可变聚焦效果的布置方式示意图；

图6示出对应于图5的布置方式由传感器阵列所产生的图像；

图7示出借助其将多个图像合并形成复合图像的过程的示意图；以及

图8示出本发明的一个替换实施例，其中照明源包含本发明的检流计扫描相机。

具体实施方式

本发明的检流计扫描相机总体如图3中所示的32。相机组件34包括光学透镜36和传感器阵列38。传感器阵列可以是电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列，每个都包含能够从反射光捕捉图像的像素阵列，这是本领域技术人员公知的。光学透镜36限定光轴a。传感器阵列38被布置成与光轴有角度的偏移，这将在下文进一步说明。光学透镜36限定从第一反射镜42和第二反射镜44反射离开的视场40。第一反射镜42由检流计46致动，第二反射镜44由第二检流计48致动，用于沿笛卡儿坐标系的x和y轴重定向相机34的焦点。因此，透镜的视场40被反射离开第一反射镜42，并随后离开第二反射镜44并投射到工件50的表面上。本领域的普通技术人员能够理解，在一些应用中也可使用单个检流计扫描反射镜。

距工件50的预期距离用来确定传感器阵列38到光学透镜36的轴的最佳倾斜角。因此，传感器阵列38相对于轴a的倾斜角与工件距相机34的预期距离范围相关。工件50距相机34的预期距离范围越大，实现期望的焦距范围所需的来自传感器阵列38的倾斜角就越大。较大的传感器阵列不要求像较小的传感器那样的倾斜度，因为它以较小的倾斜角度就能覆盖较大的距离范围。

相机组件34还与被扫描工件50的CAD数据相接口(interface)。因此，相机就更加能够迅速地生成工件50的感兴趣区域的高分辨率图像。例如，详细描述感兴趣区域(例如，飞机上的铆钉)的位置的CAD数据被发送信号到检流计46，48，从而基于与感兴趣区域的预期距离，将相应的反射镜42，44移动到能确保将感兴趣的特征定位于传感器阵列38上已知提供聚焦最精确、分辨率最高的图像的一位置和定向。

本发明的检流计扫描相机组件32的布置方式使得仅通过相对于光学透镜36的光轴旋转所述第一反射镜42和第二反射镜44的定向，就能沿着三个轴生成图像。协同枢轴旋转(pivot)第一反射镜42和第二反射镜44，沿着x和y方向将焦点52移动到工件50的感兴趣的位置上。由于传感器阵列38与光轴a的角度关系，其中图像被接收到传感器阵列38的像素(未示出)上的位置现在沿着z轴方向聚焦焦点52，使得该组件能在三个轴上生成工件的感兴趣区域的高分辨率图像。

通过参照图4a和图4b，将进一步理解在传感器阵列38上生成高分辨率图像的方法。为了生成三维工件50的高分辨率图像，两个检流计驱动反射镜42，44中的至少一个按已知方式绕着检流计轴g枢轴旋转。为了便于理解，下面采用单个检流计驱动反射镜42进行描述。然而，本领域普通技术人员应当理解，第二反射镜42也可以用于移动相机34的焦点52的目的。在图4a和4b中表示的工件50包括第一表面54和第二表面56。第二表面56距相机34比第一表面54距相机34要远。

围绕检流计轴g从光轴a旋转第一反射镜42至角度b，将相机34的焦点投射在工件50的第一表面54上。基于所述光学透镜36的光学特性(optics)及传感器阵列38的角度关系，其中精确最聚焦、分辨率最高的图像由设置在所述传感器阵列38上距光学透镜36最远的像素产生。距相机34更远的工件50的感兴趣区域用第二表面56表示。在此示例中，第一反射镜42围绕检流计轴g枢轴旋转，使高分辨率投射移动到传感器阵列38上更靠近光学透镜36的像素上。以这种方式，仅仅通过绕检流计轴g枢轴旋转第一反射镜42，布置在工件50的第二表面56上的更远的焦点52被投射在传感器阵列38的提供感兴趣区域的最高分辨率图像的那部分上。围绕检流计轴g快速旋转第一反射镜42和第二反射镜44，可让相机34的图像在只需要几百微秒来产生所希望高分辨率图像的操作中，任意地重新定位到期望的感兴趣区域，同时被精确地聚焦。

本领域技术人员应当理解，焦点的范围在整个传感器阵列中是连续的。在图5中很好的示出了这一点。在这个例子中，为简单起见，检流计扫描镜被移除。如以上详细说明，该光学透镜36限定光轴a。传感器阵列38偏离光轴a一个角度，使设置在传感器阵列38中的不同像素与光学透镜36的距离不同。为清楚起见，该相机包括布置在两个光学分辨率测试图案上的视场，测试图案定位在期望的检查距离范围边界处，生成如图6所示的图像。当布置在图6所示的测试图案62上时，第一位置58比第二位置60更远。当从第一和第二位置58，60反射的光穿过光学透镜36时，它被投射在该传感器阵列38的不同位置上。例如，设置在传感器阵列38上的邻近光学透镜36的像素，生成较远的第一位置58的最高分辨率图像。设置在传感器阵列38上的距光学透镜36更远的像素生成较近的第二位置60的最高分辨率图像。参照图6，设置在第一和第二位置58，60之间的低分辨区基于其相对于光学透镜36的各自布置是失焦的。图像的失焦区域可以被裁剪，如下解释。

图像失焦区域也是感兴趣的。在上面的例子中，生成工件50的感兴趣区域的失焦图像。当计算校正测量以使感兴趣的区域成为所期望的分辨率时，工件50距相机组件34的距离是可确定的。以这种方式，检流计组件32和相机组件34针对其运行的工作区校准。

本领域的普通技术人员应当理解，相机组件34迅速地捕捉具有较高分辨率的多个图像，并且基于该检流计46，48的速度能够快速生成感兴趣区域的多个图像。因此，该组件能够创建不同的条带的复合图像，能够模拟图像捕捉作为指定的焦点设置。将来自所有图像区域的高对比度数据进行整合可以产生多焦点图像，其提供了使用任何其它光学技术不容易获得的跨大的场深度的分辨率和细节。因此，多个图像被组合以创建感兴趣区域的高分辨率的聚焦复合图像。这在图7中很好地示出。第一图像62，第二图像63和第三图像64是三维工件感兴趣区域的图像，由传感器阵列38产生。基于传感器阵列38与光轴a的角度关系，由传感器阵列38产生的图像的分辨率足够高的部分在每个图像元件编号68，70和72中识别。这些部分68，70和72被编译形成复合图像，生成大范围的高分辨率图像，为工件50的提供了更宽的检查区域。

本发明的另一个实施方案总体如图8的70所示，其中将保留在先前实施例中的类似元件的类似附图标记。在某些应用中，理想的是包括光源72。发明人预期的光源采取由非球面聚光透镜收集的Cree Xlamp XP-E高强度LED形式。然而，本领域技术人员应当理解，在本发明的保护范围之内也考虑等效的光源。分束器74以计算为使得与相机组件34的视场40一致(coincidcent)地透射由光源72产生的光的角度，被定位在相机组件34的视场40内。因此，光源72通过使光反射离开第一反射镜42和第二反射镜44到工件50的感兴趣区域上，沿相机的视场40引导光。因此，照明的面积总是适于相机34的视场。这种布置提供了高度集中的照明，允许短的相机曝光间隔以进一步提高超过环境光条件的图像分辨率。在另一个增强方案中，光源7可以是单色的。另外，滤光器可以布置在相机的视场40之间来过滤环境光，而只允许具有光源72的波长的照明光进入相机组件34。

本发明的相机组件32也可与扫描激光系统组合，扫描激光系统使用与反射镜42，44和检流计46，48协同工作的检流计驱动反射镜，用于通过三角测量快速重聚焦。因此，从由激光扫描器生成的工件50的失焦图像获得采用激光扫描器进行的最佳高分辨率聚焦的范围估计，允许计算机计算出传感器阵列38所需的偏移位置，以使感兴趣区域52形成所需的高分辨率聚焦。这种配置提供连续、精确的调焦，而不需要除检流计46，48以外的可移动零部件。

显然，根据上述教导许多改进和变化是可能的。上述发明已经根据相关法律标准进行描述，因此，该描述是示例性的，而非在本质上限制。所公开的实施例的变化和修改，对于本领域技术人员来说是明显的且落入本发明的范围之内。相应地，给予本发明的法律保护范围只能通过研究以下权利要求确定。

Claims (22)

1.一种用于通过生成高分辨率图像来检查工件的方法，包括以下步骤：

提供传感器阵列和光学透镜，所述光学透镜定义用于在所述传感器阵列上聚焦工件的视图的光轴；

提供具有用于重新定向所述传感器阵列的视图的定向的反射镜组件；

相对于所述光学透镜的所述光轴倾斜所述传感器阵列；

改变所述反射镜组件的定向，用于将所述传感器阵列的视图引导到工件的感兴趣区域，所述光学透镜基于所述传感器阵列相对于所述光轴的倾斜角度，将感兴趣区域的视图引导到所述传感器阵列的、被确定为提高为工件的感兴趣区域生成的图像的分辨率的部分。

2.根据权利要求1的方法，其中通过提供检流计定向反射镜来进一步限定提供反射镜组件的步骤。

3.根据权利要求1的方法，其中通过提供多个检流计定向反射镜来进一步限定提供反射镜组件的步骤。

4.根据权利要求1的方法，进一步包括引导与所述图像传感器的视图的路径一致的光的步骤。

5.根据权利要求4的方法，其中通过引导由LED光源产生、借助聚光器汇集的光来进一步限定引导光的步骤。

6.根据权利要求4的方法，其中通过用分束器来滤出一束所述光和所述图像传感器的视图的路径，来进一步限定所述引导与所述图像传感器的视图的路径一致的光的步骤。

7.根据权利要求1的方法，其中通过调整所述反射镜组件同时把所述光学透镜和所述传感器阵列保持在位置固定，来进一步限定将工件的视图聚焦到所述传感器阵列上的步骤。

8.根据权利要求1的方法，进一步包括将由所述传感器阵列感测到的多个图像组合成复合图像，从而得到增大的检查场的步骤。

9.根据权利要求1的方法，进一步包括将所述传感器阵列聚焦到工件的多个位置的步骤，其中所述工件的多个位置与所述传感器阵列之间的距离不同。

10.根据权利要求1的方法，进一步包括提供从与所述传感器阵列和工件不同的位置发光的照明源，以增强为工件的感兴趣区域生成的图像的分辨率的步骤。

11.根据权利要求1的方法，进一步包括如下步骤：提供工件的CAD数据，用于预先确定光学透镜的所需视场，并基于由所述CAD数据确定的所述传感器阵列相对于所述光轴的倾斜角度，引导反射镜组件，以将光学透镜的视场聚焦到被确定为提高为工件的感兴趣区域生成的图像的分辨率的所需视场。

12.根据权利要求1的方法，进一步包括如下步骤：将激光图案投射到工件上，距工件有一已知偏移位置，用于计算与投射的激光图案的偏移距离，并通过调整反射镜组件重新定位所述传感器阵列上的图像，用于提供投射的激光图案的正确聚焦的图像。

13.一种相机组件，用于生成工件的感兴趣区域的高分辨率图像，包括：

传感器阵列，用于接收从工件反射的光；

光学透镜，用于将从工件反射的光聚焦到所述传感器阵列上，以生成工件的感兴趣区域的图像，所述光学透镜定义光轴；

反射镜组件，被定向用于引导所述光学透镜的视场朝向工件的感兴趣区域，从而将从工件的感兴趣区域反射的光平移到所述传感器阵列上；并且

所述传感器阵列被设置在相对于所述光学透镜的固定位置并相对于所述光轴倾斜，从而相对于从工件的感兴趣区域到所述相机组件的距离提供不同程度的分辨率，使得所述相机组件在距离所述相机组件的不同距离处生成高分辨率图像，而无需相对于所述传感器阵列调整所述光学透镜。

14.如权利要求13所述的组件，其中所述反射镜组件包括检流计控制反射镜，用于沿着工件的表面移动所述光学透镜的所述视场。

15.如权利要求13所述的组件，其中所述反射镜组件包括相配合的检流计控制反射镜，用于沿着工件的表面在两个方向上移动所述光学透镜的所述视场。

16.如权利要求13所述的组件，其中所述反射镜组件包括一对检流计控制反射镜，相配合地移动所述光学透镜的焦点的焦距。

17.如权利要求13所述的组件，其中所述传感器阵列包括与从工件到所述相机组件的距离相关的倾斜角度。

18.如权利要求13所述的组件，还包括基本上与所述光学透镜的视场一致的光源。

19.如权利要求18所述的组件，还包括分束器，用于在与所述光学透镜的所述视场一致的方向上引导由所述光源产生的光。

20.如权利要求18所述的组件，其中所述光源包括激光器或集中的、高亮度发光二极管之一。

21.权利要求13所述的组件，其中所述传感器阵列生成多个重叠的图像，用于生成具有光学聚焦的组合区域的复合图像。

22.权利要求13所述的组件，其中所述传感器阵列包括电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体之一。