具有改進的激光光斑的非接觸傳感器的制造方法
【專利摘要】一種用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，包括激光光源和產(chǎn)生高斯光束的光纖。可移動的鏡被角度調(diào)整以將該束掃描到照射區(qū)域。在該光源和該可移動的鏡之間的透鏡封裝件聚焦該光束，欠填充該可移動的鏡的光學表面且控制光束掃描體積。使用折疊鏡將由該可移動的鏡反射的光束重定向為正交于光束取向。通過鏡和透鏡將該光束維持為高斯的。具有與該照射區(qū)域相交的視場的成像設(shè)備接收從該照射區(qū)域反射的光束圖像數(shù)據(jù)。與該成像設(shè)備通信的控制模塊從該圖像數(shù)據(jù)接收成像設(shè)備視場中的物體位置且將物體位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
【專利說明】具有改進的激光光斑的非接觸傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及激光投射系統(tǒng)以及用于使用微機電系統(tǒng)(MEMS)或其他可移動的鏡以及多個透鏡或鏡部件對被掃描體積中的物體的坐標進行測量以感測結(jié)構(gòu)化的光輪廓的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]通過使用可見光或紅外光測量與初始光束或投射光束相比較的反射光束來確定物體表面的表面尺寸或輪廓的系統(tǒng)是已知的。這樣的系統(tǒng)可以包含一個或多個鏡，以引導投射光和將入射光反射回接收設(shè)備。
[0003]將必要的部件結(jié)合成系統(tǒng)所要求的空間罩(諸如，傳感器頭)常常太大而不能在不引起束聚焦問題、且因此不引起有缺陷的表面映射的前提下提供預(yù)期束尺寸。由于難于在控制束寬度的同時使失真最小化，因此減小用于光學部件的空間罩成為問題。在空間限制不允許將鏡傾斜到預(yù)期角度的情形下，聚焦光學部件的能力也可以成為問題。
[0004]此部分提供涉及本公開內(nèi)容的背景信息，該背景信息不必然是現(xiàn)有技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)若干方面，用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)包含生成激光束的激光光源。光纖接收該激光束且形成高斯分布的光束?？梢苿拥溺R接收該光束。該可移動的鏡被角度調(diào)整，以將該光束掃描到照射區(qū)域。定位在該激光光源和該可移動的鏡之間的透鏡封裝件(lens package)從該光纖接收該光束且設(shè)定該光束的尺寸，以欠填充(under-fill)該可移動的鏡的光學表面。成像設(shè)備從返回自照射區(qū)域的光束中接收該照射區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)。與該成像設(shè)備數(shù)據(jù)通信的控制模塊運行以由該圖像數(shù)據(jù)確定物體的位置數(shù)據(jù)且在一個坐標系中報告該位置數(shù)據(jù)。
[0006]根據(jù)另一些方面，用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)包含生成橢圓形激光束的激光光源。輸出光纖接收該激光束且形成高斯分布的光束。可移動的鏡接收該光束且被角度調(diào)整以將該光束掃描到照射區(qū)域。定位在該激光光源和該可移動的鏡之間的透鏡封裝件從該輸出光纖接收該光束且聚焦該光束以欠填充該可移動的鏡的光學表面。固定的折疊鏡從該可移動的鏡接收該光束。該折疊鏡和該可移動的鏡一起使該光束相對于由該激光光源生成的光束的取向正交地重定向。成像設(shè)備具有與照射區(qū)域相交的視場，從而接收從該照射區(qū)域反射的光束的圖像數(shù)據(jù)。與該成像設(shè)備數(shù)據(jù)通信的控制模塊運行以由該圖像數(shù)據(jù)確定物體在該成像設(shè)備的視場中的位置且將該物體的位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
[0007]根據(jù)其他若干方面，用戶獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)包含一個二極管，該二極管限定運行以發(fā)出激光束的激光光源。接收該激光束的輸出光纖形成高斯分布的光束。透鏡封裝件接收并聚焦該光束。該透鏡封裝件依次包含:準直透鏡；以及限定縮束器的第一透鏡和第二透鏡?？梢苿拥溺R從透鏡封裝件接收該光束，該光束被該準直透鏡準直且具有由該第一透鏡和該第二透鏡減小的直徑，以欠填充該可移動的鏡的表面面積(呈現(xiàn)比該可移動的鏡的表面面積小的面積)。固定的折疊鏡從該可移動的鏡接收該光束。該可移動的鏡和該折疊鏡運行以將該光束掃描到照射區(qū)域。成像設(shè)備具有與該照射區(qū)域相交的視場，從而接收從該照射區(qū)域反射的光束的圖像數(shù)據(jù)。與該成像設(shè)備數(shù)據(jù)通信的控制模塊從該圖像數(shù)據(jù)接收物體在該成像設(shè)備的視場中的位置且將該物體的位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
[0008]根據(jù)又另一些方面，提供了一種用于使用非接觸感測系統(tǒng)獲取三維信息的方法，該非接觸感測系統(tǒng)包含:光纖耦合激光器；透鏡封裝件，包含準直透鏡和限定縮束器的第一透鏡和第二透鏡；可移動的鏡；折疊鏡；成像設(shè)備；以及控制模塊。該方法包含:使用該光纖耦合激光器生成高斯分布的光束；使用該透鏡封裝件通過改變該第一透鏡和該第二透鏡之間的間隔來接收和聚焦該光束，從而減小該光束的直徑以對應(yīng)于該可移動的鏡的表面面積；使用該可移動的鏡將該光束引導到該折疊鏡；角度調(diào)整該可移動的鏡，以從該折疊鏡反射該光束，從而將該光束掃描到一個照射區(qū)域；運行該成像設(shè)備以接收從該照射區(qū)域反射的光束的圖像數(shù)據(jù)；以及使用該控制模塊由該圖像數(shù)據(jù)確定物體在該成像設(shè)備的視場中的位置。
[0009]此部分提供了本公開內(nèi)容的總體概述，并且不是其全部范圍或其所有特征的全面公開。
[0010]根據(jù)本文提供的描述，另一些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒆兊妹黠@。該
【發(fā)明內(nèi)容】
中的描述和具體實施例僅是出于例示目的而非旨在限制本公開內(nèi)容的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本公開內(nèi)容的非接觸傳感器的圖解；
[0012]圖2是圖1的區(qū)域2的圖解；
[0013]圖3是非接觸傳感器系統(tǒng)的方框圖，其中進一步示出控制模塊和圖像處理單元；
[0014]圖4是用于在機動車輛測量站中示例性使用的多傳感器系統(tǒng)的左前立體視圖；
[0015]圖5是采用了本公開內(nèi)容的兩個非接觸傳感器的車輛和機器人系統(tǒng)的右前立體視圖；以及
[0016]圖6是由傳感器在物體表面處發(fā)出的光束的高斯分布的前正視圖。
[0017]在此描述的附圖僅是為了例示所選擇的實施方案而非所有可能的實施方式，且并不意在限制本公開內(nèi)容的范圍。
[0018]在附圖的全部視圖中相應(yīng)的參考數(shù)字指示相應(yīng)的部分。

【具體實施方式】
[0019]現(xiàn)參照附圖更充分地描述示例性實施方案。
[0020]參照圖1，用于獲取三維輪廓信息的傳感器系統(tǒng)10包含傳感器頭12，該傳感器頭含有5個光學部件。這些光學部件包含透鏡封裝件13，該透鏡封裝件具有準直透鏡14、第一縮束器透鏡16和第二縮束器透鏡18，第一縮束器透鏡和第二縮束器透鏡共同限定縮束器(beam reducer) 19。所述光學部件還包含精密可移動的鏡20，諸如微機電系統(tǒng)(MEMS)鏡、靜電驅(qū)動鏡、壓電驅(qū)動鏡或在角度方面可訓練的鏡。最后，所述光學部件包含固定就位的折疊鏡22 (諸如，折疊鏡)以及發(fā)散透鏡24。這五個光學部件調(diào)適且掃描由光源28生成且從光源28 (諸如，光纖耦合激光器)接收的高斯分布的光束26，光源28結(jié)合成像設(shè)備30起作用，以獲得物體32在限定掃描區(qū)域34的指定照射區(qū)域中的三維坐標測量。掃描區(qū)域34的總表面面積和任何物體或不規(guī)則處限定光束掃描體積。根據(jù)若干實施方案，成像設(shè)備30是CCD攝像機。為了獲取三維坐標測量，傳感器系統(tǒng)10充當“非接觸”系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中傳感器頭12保持遠離物體32且因此不直接物理地接觸該物體。精密“可移動的”鏡20可以被移動(諸如，通過角旋轉(zhuǎn)或移位)，以使得精密可移動的鏡20的反射表面的取向可以被調(diào)整和/或被訓練。
[0021]準直透鏡14去除由光纖耦合激光光源28生成的光束26中固有的發(fā)散。光纖耦合激光光源28包含二極管35，該二極管形成橢圓形激光束。二極管35被光學地耦合到光纖，諸如輸出光纖36，該光纖擾亂該橢圓形激光束的能量且遞送限定高斯分布的光束26的圓形高斯光或光斑，此后高斯分布的光束26被傳感器頭12的光學部件引導和控制。輸出光纖36在準直透鏡14的焦點38處發(fā)出光束26，準直透鏡14使光束26準直，以將其作為經(jīng)準直的光束40發(fā)出，經(jīng)準直的光束40具有近似1.0至1.5毫米的直徑“A”。此后，經(jīng)準直的光束40通過縮束器19重新聚焦，以約束光束尺寸且將經(jīng)準直的光束40維持在經(jīng)準直狀況下，從而完全配合在精密可移動的鏡20的表面上，同時也在由成像設(shè)備30視場和光束的掃描區(qū)域34的交集所限定的整個掃描體積內(nèi)具有受控的尺寸。
[0022]本公開內(nèi)容設(shè)想了多個不同尺寸的傳感器頭12，傳感器頭12可以根據(jù)可用的空間罩且到測量掃描區(qū)域34的束相隔距離而變化。該標準要求使用短焦距且因此寬視場的透鏡。為了將傳感器頭12的部件約制在多個不同尺寸的傳感器頭12的包裝約束中，整個光學系42被維持為盡可能小。光學系42包含準直透鏡14、第一縮束器透鏡16和第二縮束器透鏡18、精密可移動的鏡20和折疊鏡22。為了維持光束26的焦點，由兩個固定地接合的透鏡組成的消色差雙合透鏡44被用來形成縮束器19的單個透鏡。根據(jù)若干實施方案，消色差雙合透鏡被用于第一縮束器透鏡16。根據(jù)若干實施方案，第二縮束器透鏡18是單透鏡(singlet lens)。消色差雙合透鏡的使用使球面像差最小化，球面像差可以形成光學缺陷，該光學缺陷導致光束26在遠處的增加的束直徑和退化的高斯特性。
[0023]第一縮束器16和第二縮束器18從準直透鏡14接收經(jīng)準直的束40且將經(jīng)準直的束40的設(shè)定尺寸成為直徑減小的輸出束46，該直徑減小的輸出束46具有小于直徑“A”的減小的直徑“B”，因此該束將欠填充精密可移動的鏡20的光學表面48。期望保持直徑減小的輸出束46的減小的直徑“B”小于精密可移動的鏡20的表面面積“Z”，以欠填充精密可移動的鏡20的表面面積“Z” (呈現(xiàn)比表面面積“Z”更小的面積)，從而使得從可移動的支撐表面50周圍散射的光最小化。來自支撐表面50的散射光可潛在地導致虛假的或錯誤的傳感器測量。根據(jù)若干實施方案，減小的直徑“B”的最大值在精密可移動的鏡20處是0.5_。
[0024]就準直透鏡14而言，直徑減小的輸出束46以準直或接近準直的狀況離開第一縮束器透鏡16和第二縮束器透鏡18，以使得直徑減小的輸出束46的減小的直徑“B”隨后隨著遠離第二縮束器透鏡18的距離而增長的速率最小化。在第一縮束器透鏡16和第二縮束器透鏡18之后，為進一步使得直徑減小的輸出束46的直徑隨距離的增加最小化，還期望直徑減小的輸出束46中的少量會聚。在傳感器頭12的組裝期間通過手動調(diào)整實現(xiàn)第一縮束器透鏡16和第二縮束器透鏡18之間的間隔“C”的改變，且然后間隔“C”被固定。在組裝期間對間隔“C”的調(diào)整允許束腰52的位置被調(diào)整且然后在組裝期間被固定，從而優(yōu)化傳感器系統(tǒng)10的性能。束腰52將直徑減小的輸出束46的最窄的直徑限定為對應(yīng)于小于光學表面48的表面面積的面積。如上所述，根據(jù)若干實施方案，束腰52的直徑是< 0.5mm。將束腰52處的直徑控制到< 0.5mm提供了待要在給定的掃描區(qū)域34上任何位置實現(xiàn)的從近似1.0mm到1.5mm范圍的平均束光斑尺寸“D”。
[0025]與準直透鏡14 一起，傳感器頭12的包裝約束包含使用短焦距透鏡。如先前所述，消色差雙合透鏡可以被使用以使球面像差最小化且維持準確測量所必須的束特性。在包裝不是主要設(shè)計動機的傳感器系統(tǒng)10中，較長焦距的單透鏡(未示出)也可以代替第一縮束器透鏡16中的消色差雙合透鏡44。
[0026]參見圖2且再次參見圖1，精密可移動的鏡20提供兩個正交的角掃描軸線“E”、“F”(如在圖2中看到的，掃描軸線“F”被引導朝向觀看者和遠離觀看者)，其將直徑減小的輸出光束46掃掠過傳感器測量掃描區(qū)域34。精密可移動的鏡20的“精密”移動被定義為在一個限定的旋轉(zhuǎn)范圍或移動范圍上使用限定的掃描頻率控制鏡移動的能力。根據(jù)若干實施方案，使用在一個約6度的角度范圍上掃描頻率約IkHz至3kHz的可移動的鏡。操作上，精密可移動的鏡20被視為近平面鏡，鏡20繞其光學表面48的至少一個軸線樞轉(zhuǎn)，然而，由于精密可移動的鏡20的制造技術(shù)中的限制，在制造期間可能在光學表面48中引起少量的光學功率。當有必要使該少量的功率無效時，還使用通過第一縮束器透鏡16和第二縮束器18之間的間隔“C”的調(diào)整提供的焦點調(diào)整，否則該少量的功率可能使得在測量掃描區(qū)域34上的束尺寸和質(zhì)量退化。精密可移動的鏡20在被設(shè)為MEMS鏡時優(yōu)選地采用靜電致動以定位該鏡，從而將光束26引向物體32。示例性精密可移動的鏡是可購自MirrorcleTechnologies, Inc.1n Richmond, California的雙軸掃描微型鏡設(shè)備。如本文中提到的,本公開內(nèi)容還設(shè)想了多種類型的可移動的鏡設(shè)備。
[0027]繼續(xù)參照圖1和2，折疊鏡22連同精密可移動的鏡20使得出射束54、56、58相對于直徑減小的輸出束46折疊或取向通過一直角。通過向后朝向第二縮束器透鏡18定位折疊鏡22，出射束的該正交折疊提供了減小總體光學包裝長度的額外益處。折疊鏡22不僅將從精密可移動的鏡20反射的直徑減小的輸出束46重定向，而且還幫助維持光束26的圓形光點和高斯能量分布。折疊鏡22的使用還允許精密可移動的鏡20最初以相對于直徑減小的輸出束46的最淺(約5至20度)的傾斜角度(α )傾斜，因此直徑減小的輸出束46不被反射回到其自身上。以比傾斜角度(α)更大的角度(即，大于20° )翻轉(zhuǎn)精密可移動的鏡20會增大光學系42所要求的空間罩，且會將掃描失真引入到測量數(shù)據(jù)中。該失真是非線性的且將需要在系統(tǒng)級被映射出，并且被從每次測量中去除。在整個傳感器系統(tǒng)10的光學系42中通過所述鏡和透鏡維持光束26為高斯的。
[0028]通過使精密可移動的鏡20的傾斜角度α最小化以及對于直角折疊的大部分使用折疊鏡22的傾斜角度β (傾斜角度β = 45° -傾斜角度α )，為光學系42實現(xiàn)了緊湊的光學包裝，同時使掃描失真最小化。根據(jù)一個實施方案，傳感器系統(tǒng)10的不例性尺寸包含約62mm的光學系42長度、約100mm(10mmX 10mm)的折疊鏡22的表面面積以及直徑減小的輸出束46到發(fā)散透鏡24的輸出的約23mm的間隔。這些尺寸是示例性的且可以在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)被修改。與使用大于傾斜角度α的傾斜角度相比，該方法改進系統(tǒng)準確度且減小了測量后的數(shù)據(jù)處理時間。
[0029]當精密可移動的鏡20的角程不能夠獨自提供掃描區(qū)域34的預(yù)期掃描測量而有必要增加出射束54、58的掃描角度(δ)時，發(fā)散透鏡24被提供以用于應(yīng)用。對于傳感器頭12和物體32之間具有最大相隔距離(約1200至1600mm)的應(yīng)用，發(fā)散透鏡24可以被省去。在發(fā)散透鏡24的安裝期間，發(fā)散透鏡24是手動地可調(diào)整的，以允許改變掃描角度δ，且此后發(fā)散透鏡24被固定就位。因為發(fā)散透鏡24對溫度變化是敏感的，因此發(fā)散透鏡24會隨距離引起束減小的直徑“B”中的一些額外的不希望的增長(散焦)。如先前本文中所描述的，因此通過移動第一縮束器透鏡16和/或第二縮束器透鏡18來進行對間隔“C”的小調(diào)整，以減輕該散焦效應(yīng)。當精密可移動的鏡20以其運行頻率被掃描時，出射束54、56、58的直徑“G”在發(fā)散透鏡24處足夠小，使得球面像差不被認為是問題，因此在該位置處不要求消色差雙合透鏡。
[0030]參見圖3且再次參見圖1和2，本公開內(nèi)容的用于獲取三維輪廓信息的非接觸傳感器系統(tǒng)10包含:光源子系統(tǒng)60,該光源子系統(tǒng)具有精密可移動的鏡20 (被表不為例如MEMS鏡)和可運行以投射光點的光源28 ;且非接觸傳感器系統(tǒng)10包含成像設(shè)備30，該成像設(shè)備運行以掃描在掃描區(qū)域34的照射區(qū)域中的光點。在一個不例性實施方案中，光源子系統(tǒng)60是光纖耦合激光器(被定義為輸出激光束的激光器，其中該激光束被耦合到用于傳輸該激光束的光纖)，其引導光束通過準直透鏡14和縮束器19至精密可移動的鏡20 ;且還包含折疊鏡22。
[0031]繼續(xù)參照圖3，通過控制模塊62經(jīng)由通信路徑57來提供對精密可移動的鏡20的掃掠角度和掃掠頻率的控制。由成像設(shè)備30接收的圖像數(shù)據(jù)也經(jīng)由通信路徑59被通信到控制模塊62?？刂颇K62進而經(jīng)由通信路徑61被連接到圖像處理單元64，圖像處理單元64運行以計算工件表面相對于Z-軸的輪廓角度(Θ)?？刂颇K62還經(jīng)由通信路徑63被連接到光源28且起到如下作用:在精密可移動的鏡20掃描(鏡角旋轉(zhuǎn))開始時接通光源28，在精密可移動的鏡20掃描結(jié)束時斷開光源28，以及在精密可移動的鏡20掃描期間調(diào)整系統(tǒng)功率。
[0032]繼續(xù)參照圖1-3，如先前提到的，精密可移動的鏡20的掃描角度δ可以被限制。為了使含有傳感器頭12的殼體65的空間罩(體積和/或表面面積)最小，折疊鏡22被定位在精密可移動的鏡20的透鏡側(cè)上，而經(jīng)準直的減小直徑輸出束46被精密可移動的鏡20重定向返回朝向折疊鏡22。另外，為了滿足短相隔傳感器的視場，期望的是將精密可移動的鏡20的角掃描能力放大。為了做到這一點，如先前提到的，來自精密可移動的鏡20、反射離開折疊鏡22的光被引導朝向發(fā)散透鏡24，發(fā)散透鏡24根據(jù)若干實施方案是平凹透鏡。由發(fā)散透鏡24提供的角放大的量是發(fā)散透鏡24的曲率半徑以及光源28、精密可移動的鏡20和折疊鏡22之間的各自的幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。
[0033]繼續(xù)參照圖3，在運行期間，由光源子系統(tǒng)60投射的光點被相關(guān)聯(lián)的控制模塊62控制，其中光源子系統(tǒng)60至少包含精密可移動的鏡20、準直透鏡14和縮束器19加上光源
28。在成像設(shè)備30的曝光周期期間優(yōu)選地以非常高的頻率掃描來自光源子系統(tǒng)60的光。光源子系統(tǒng)60的掃描速度比成像設(shè)備30的快門速度顯著更快(例如，快約100倍)。通過使用掃描速度和快門速度的組合，成像設(shè)備30可以獲得行數(shù)據(jù)、多行數(shù)據(jù)或區(qū)域照射。區(qū)域照射的質(zhì)量與通過泛光照射源(諸如，LED)獲得的質(zhì)量相似。該照射方法的優(yōu)點是，它使用能夠執(zhí)行可復(fù)制的精確路徑的經(jīng)準直的MEMS或可移動的鏡設(shè)備的能力。因此，在掃描期間，精密可移動的鏡20的每個位置連同折疊鏡22的固定位置/方向是對相關(guān)聯(lián)的控制模塊62精確已知的和/或被報告給相關(guān)聯(lián)的控制模塊62。在一個示例性實施方案中，傳感器系統(tǒng)10的部件被集成到單個殼體65中。為了減小部件之間的間隔和光學系42的長度，且因此減小殼體65的總體尺寸，所述部件被安排成如圖1中所示出的使得直徑減小的輸出束46被精密可移動的鏡20在返回朝向縮束器19的方向上重定向到折疊鏡22。
[0034]每個部件相對于其他部件的實際位置被定制以在整個成像設(shè)備30景深(從近場至遠場)上匹配最好的視野覆蓋范圍(field coverage)配置。容易理解的是，傳感器系統(tǒng)10的部件(在殼體65內(nèi))的精確布置取決于預(yù)期視野覆蓋范圍和圖像分辨率。
[0035]成像設(shè)備30被校準到外部參考系(reference frame)。假定成像設(shè)備30被校準以在本地參考系中報告測量數(shù)據(jù)。用于相對于外部參考系校準成像設(shè)備的技術(shù)是本領(lǐng)域容易已知的。例如，可在美國專利N0.6，134，507中發(fā)現(xiàn)與采用激光跟蹤器的合適的校準程序相關(guān)的其他細節(jié)，該美國專利以引用的方式納入本文。無論校準技術(shù)為何，該步驟都為成像設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換將測量從其本地參考系映射到外部參考系。該外部參考系指的是公共坐標系且可以是與被測量的工件、總體測量站或某個其他參考系相關(guān)聯(lián)。
[0036]參照圖4，用于獲取工件(諸如，機動車輛零件102)的測量數(shù)據(jù)的典型測量站100可以采取示出的形式。在測量站100處待被計量的工件停留在運輸貨盤104上，運輸貨盤104經(jīng)由貨盤導引件106沿著組裝線移動，貨盤導引件106穿過貨盤104中的導引槽108。在測量站100處，傳感器安裝框架110(圖1中僅示出傳感器安裝架110的一半)圍繞待被計量的工件(諸如，機動車輛零件102)且為從112-1到112-n的一系列非接觸傳感器提供多個安裝位置。
[0037]可以上文所描述的方式配置從112-1到112-n的每個非接觸傳感器。換言之，每個傳感器包括以緊湊方式安排在單個殼體65中的光源子系統(tǒng)60和成像設(shè)備30，如關(guān)于圖1所描述的。由每個傳感器捕獲的圖像數(shù)據(jù)可以在該傳感器處或在遠程計算機處被翻譯成到測量數(shù)據(jù)，遠程計算機114具有視覺讀取板116，視覺讀取板116提供數(shù)據(jù)，諸如指示機動車輛零件102的特征或表面的依從(compliant)狀況或非依從狀況的信號。無論在哪種情況下，數(shù)據(jù)從傳感器發(fā)送到遠程計算機114，以用于進一步處理和/或儲存。在一些實施方案中，兩個或更多個傳感器可以具有重疊的視場且因此可以被校準到一個公共坐標系117中。用于輸入校準傳感器所要求的代碼的或用于輸入運行測量站100的系統(tǒng)命令的輸入設(shè)備118可以被定位在測量站100附近。如果所述傳感器之一需要被替換或以其他方式被重新校準，則給定的傳感器可以被校準到該公共坐標系。
[0038]參照圖5且再次參照圖1，替代于使工件移動經(jīng)過本公開內(nèi)容的固定位置傳感器頭，可以使用具有例如機器臂120的可移動的機器人系統(tǒng)，機器臂120可以將第一傳感器頭122和第二傳感器頭124 (類似于傳感器頭12)移置到繞工件(諸如，機動車輛126)的預(yù)定位置。在這些實施方案中，在掃描期間該工件可以保持在靜止位置中。機器臂120使第一傳感器頭122和第二傳感器頭124相對于表面或掃描區(qū)域128 (在該實施例中被示出為車輛門板)移動。機器臂120還可以被配置以允許第一傳感器頭122和/或第二傳感器頭124的重定向，以適合車輛126的不同的表面幾何結(jié)構(gòu)。在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)，機器臂120還可以提供單個或多于兩個的傳感器頭。
[0039]參照圖6且再次參照圖1和2，在已知的系統(tǒng)中，未使用本公開內(nèi)容的傳感器頭12準直和聚焦的出射束在具有物體的束反射位置處具有非圓形、橢圓形或不規(guī)則形狀的束面或光斑。因為準確的位置數(shù)據(jù)要求在物體表面處形成束中心或束光斑，所以該不規(guī)則性在形成該束中心時導致誤差和/或不準確，且因此導致反射/接收信號中的誤差和/或不準確。通過使用準直透鏡14的準直能力以及在控制精密可移動的鏡20處的束腰52時使用傳感器頭12的可調(diào)整的縮束器19而實現(xiàn)的聚焦/縮減特性，且使用折疊鏡22來控制光學系42的總體長度，對于出射束54、56、58中的每一個(在該視圖中僅示出了束56)，當出射束延伸到物體32的表面時，形成且維持出射束的高斯分布130。
[0040]由輸出光纖36形成高斯分布130,輸出光纖36接收從激光光源28輸出的橢圓形束，擾亂輸出光纖36中的激光能量,且輸出圓形高斯光斑。傳感器頭12的光學部件此后在整個掃描路徑和測量體積上控制高斯分布130的尺寸和位置。在使用發(fā)散透鏡24或未使用發(fā)散透鏡24的情況下，當在精密可移動的鏡20的運行頻率上掃描該精密可移動的鏡時，為所述束中的每一個維持高斯分布130。通過本公開內(nèi)容的傳感器頭12形成的出射束的高斯分布130在物體32處形成基本圓形的束面132，從而增大了識別束面32的中心134的準確度和隨后在成像設(shè)備30處接收的信號的準確度。
[0041]傳感器系統(tǒng)10的示例性運行如下。限定激光光源28的二極管運行以發(fā)出激光束。輸出光纖36接收該激光束且形成高斯分布的光束26。透鏡封裝件接收光束26且將其聚焦。該透鏡封裝件依次包含準直透鏡14、第一透鏡16和第二透鏡18，第一透鏡16和第二透鏡18 二者限定縮束器19。精密可移動的鏡20從該透鏡封裝件接收光束26。光束26被準直透鏡14準直且具有由第一透鏡16和第二透鏡18減小的直徑“A”，以對應(yīng)于精密可移動的鏡20的表面面積“ Z ”。固定的折疊鏡22接收從精密可移動的鏡20反射的光束26。精密可移動的鏡20和折疊鏡22被用來將光束26掃描到照射區(qū)域或掃描區(qū)域34。成像設(shè)備30具有與該照射區(qū)域或掃描區(qū)域34相交的視場，且接收從該照射區(qū)域反射的光束26的圖像數(shù)據(jù)。與成像設(shè)備30數(shù)據(jù)通信的控制模塊62從圖像數(shù)據(jù)接收物體32在成像設(shè)備30的視場中的位置且將物體32的位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
[0042]如本文中所使用的，術(shù)語“模塊”可指下列各項的一部分或者包括下列各項:專用集成電路(ASIC);電子電路；組合邏輯電路；現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA);執(zhí)行代碼的處理器(共享的、專用的或群組)；其它提供所述功能的合適的部件；或上述的若干或所有的組合，例如在片上系統(tǒng)中。術(shù)語“模塊”可以包含存儲由處理器執(zhí)行的代碼的存儲器(共享的、專用的或群組)。術(shù)語“代碼”可包含軟件、固件和/或微碼，并且可以指程序、例程、函數(shù)、類和/或?qū)ο?。上文使用的術(shù)語“共享”意味著可以使用單個(共享的)處理器執(zhí)行來自多個模塊的若干或全部代碼。此外，來自多個模塊的若干或全部代碼可以由單個(共享的)存儲器存儲。上文使用的術(shù)語“群組”意味著可以使用一組處理器執(zhí)行來自單個模塊的若干或全部代碼。此外，可以使用一組存儲器存儲來自單個模塊的若干或全部代碼。
[0043]提供了若干示例實施方案，以使得本公開內(nèi)容將是透徹的，且會把本公開內(nèi)容的范圍傳達給本領(lǐng)域技術(shù)人員。闡明了眾多具體細節(jié)(諸如，具體部件、設(shè)備以及方法的實施例)，以提供對本公開內(nèi)容的實施方案的透徹理解。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了的是:不需要采用具體細節(jié)，可以許多不同形式實現(xiàn)示例性實施方案且不應(yīng)被認為限制本公開內(nèi)容的范圍。在某些示例性實施方案中，未詳細描述公知的工藝、公知的設(shè)備結(jié)構(gòu)以及公知的技術(shù)。
[0044]本文所使用的術(shù)語僅僅是為了描述特定的示例實施方案而并不旨在限制。如本文所用的，單數(shù)形式“一”，“一個”和“該”可旨在包含復(fù)數(shù)形式，除非上下文另有明確指示。術(shù)語“包括”、“包括(comprising) ”、“包含”及其“具有”是包容性的，且因此指定聲明的特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但是不排除一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或上述各項組成的組的存在或添加。本文所描述方法步驟、過程以及操作不應(yīng)當被理解成必然地要求按所討論的或所例示的特定順序執(zhí)行它們，除非具體地指定為順序執(zhí)行。還應(yīng)該理解的是可以采用附加的或替代的步驟。
[0045]出于例示和描述目的提供了實施方案的前述描述。并非旨在窮舉或限制本公開內(nèi)容。特定實施方案的個體元件或特征通常不限制于此特定的實施方案，而是在可應(yīng)用的情況下是互換的且可以被用在選擇的實施方案中，即使未被具體地示出或描述。同樣也可以多種方式進行改變。這樣的變化不被認為脫離本公開內(nèi)容，且所有這樣的改型旨在被包括在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，包括: 一個激光光源，生成激光束； 一個光纖，接收該激光束并形成高斯分布的光束； 一個可移動的鏡，其接收該光束，該可移動的鏡被角度調(diào)整以將該光束掃描到一個照射區(qū)域； 一個透鏡封裝件，被定位在該激光光源和該可移動的鏡之間，該透鏡封裝件從該光纖接收該光束且將該光束的尺寸設(shè)定為欠填充該可移動的鏡的一個光學表面； 一個成像設(shè)備，從返回自該照射區(qū)域的光束中接收該照射區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)；以及 一個控制模塊，其與該成像設(shè)備數(shù)據(jù)通信，運行以由該圖像數(shù)據(jù)確定物體的位置數(shù)據(jù)且在一個坐標系中報告該位置數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該透鏡封裝件依次包括: 一個準直透鏡，運行以將該光束轉(zhuǎn)換成經(jīng)準直的光束；以及 一個縮束器，從該準直透鏡接收該經(jīng)準直的光束且運行以減小該經(jīng)準直的光束的直徑，從而欠填充該可移動的鏡的該光學表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該縮束器包括: 第一透鏡，從該準直透鏡接收該經(jīng)準直的光束；以及 第二透鏡，從該第一透鏡接收該經(jīng)準直的光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該第一透鏡和該第二透鏡之間的間隔是可調(diào)整的，以改變該經(jīng)準直的光束的直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該第一透鏡和該第二透鏡中的至少一個限定一個消色差雙合透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該激光光源被耦合到一個光纖，該光纖具有一個被定位在該準直透鏡的焦點處的輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，還包括一個運動設(shè)備，該運動設(shè)備運行以改變該可移動的鏡的一個面的相對于該光束的進入取向路徑測量的角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該運動設(shè)備被運行以在從約I度至約6度的范圍內(nèi)改變該可移動的鏡面的角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，還包括一個折疊鏡，該折疊鏡被定向以相對于在該可移動的鏡處接收的光束的取向路徑正交地重定向從該可移動的鏡接收的光束，且維持該光束為圓形形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，還包括一個發(fā)散透鏡，該發(fā)散透鏡從該可移動的鏡接收光束且增大該光束的掃描角度，該發(fā)散透鏡的位置能夠調(diào)整以改變該照射區(qū)域，從而實現(xiàn)預(yù)期的掃描測量體積。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該發(fā)散透鏡的焦距被選擇以增大或減小該照射區(qū)域，從而改變掃描測量體積。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該透鏡封裝件包括限定一個消色差雙合透鏡的至少一個透鏡。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該成像設(shè)備包括一個CXD攝像機。
14.一種用于獲取三維信息的非接觸系統(tǒng)，包括: 一個激光光源，產(chǎn)生橢圓形激光束； 一個輸出光纖，接收該激光束并形成高斯分布的光束； 一個可移動的鏡，其接收該光束，該可移動的鏡被角度調(diào)整以將該光束掃描到一個照射區(qū)域； 一個透鏡封裝件，被定位在該激光光源和該可移動的鏡之間，該透鏡封裝件從該輸出光纖接收該光束且聚焦該光束，以欠填充該可移動的鏡的一個光學表面； 一個固定的折疊鏡，從該可移動的鏡接收該光束，該折疊鏡和該可移動的鏡共同地將該光束相對于由該激光光源產(chǎn)生的光束的取向正交地重定向； 一個成像設(shè)備，具有與該照射區(qū)域相交的視場，從而接收從該照射區(qū)域反射的光束的圖像數(shù)據(jù)；以及 一個控制模塊，其與該成像設(shè)備數(shù)據(jù)通信，運行以由該圖像數(shù)據(jù)確定物體在該成像設(shè)備的視場中的位置且將該物體的位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該可移動的鏡的角度相對于該光束最大被調(diào)整至20度的角度α。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中通過函數(shù)β=45° _α來確定該折疊鏡的角度取向β。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中角度α相對于該光束具有從約5度到最大20度的角度范圍。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中一個光學系包括該激光光源、該透鏡封裝件、該可移動的鏡和該折疊鏡，該光學系具有通過相對于該光束的一個取向正交地重新取向該光束來最小化的長度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該光學系長度是約62mm。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該折疊鏡被定位在該可移動的鏡和該透鏡封裝件之間且相對于該光束偏移。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中被該透鏡封裝件減小的該光束的腰直徑在該可移動的鏡處是< 0.5mm。
22.一種用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，包括: 一個二極管，限定一個運行以發(fā)出激光束的激光光源； 一個輸出光纖，接收該激光束并形成高斯分布的光束； 一個透鏡封裝件，接收且聚焦該光束，該透鏡封裝件依次包括: 一個準直透鏡；以及 第一透鏡和第二透鏡，限定一個縮束器； 一個可移動的鏡，從該透鏡封裝件接收該光束，該光束被該準直透鏡準直且具有被該第一透鏡和該第二透鏡減小以對應(yīng)于該可移動的鏡的表面面積的直徑； 一個固定的折疊鏡，從該可移動的鏡接收該光束，該可移動的鏡和該折疊鏡運行以將該光束掃描到一個照射區(qū)域； 一個成像設(shè)備，具有與該照射區(qū)域相交的視場，從而接收從該照射區(qū)域反射的光束的圖像數(shù)據(jù)；以及 一個控制模塊，其與該成像設(shè)備通信，運行以從該圖像數(shù)據(jù)接收物體在該成像設(shè)備的視場中的位置且將該物體的位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，還包含與該控制模塊通信的一個成像處理系統(tǒng)，其運行以將該圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至一個坐標系。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該第一透鏡和該第二透鏡中的至少一個包括消色差雙合透鏡。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的用于獲取三維信息的非接觸感測系統(tǒng)，其中該可移動的鏡和該折疊鏡共同被角度調(diào)整，以相對于由該光纖耦合激光器發(fā)出的光束的取向正交地取向該光束。
26.一種用于使用非接觸感測系統(tǒng)獲取三維信息的方法，該非接觸感測系統(tǒng)包括:一個光纖耦合激光器；一個透鏡封裝件，其包括一個準直透鏡以及限定一個縮束器的第一透鏡和第二透鏡；一個可移動的鏡；一個折疊鏡；一個成像設(shè)備以及一個控制模塊，該方法包括: 使用該光纖耦合激光器產(chǎn)生高斯分布的光束； 使用該透鏡封裝件通過改變該第一透鏡和該第二透鏡之間的間隔來接收和聚焦該光束，從而減小該光束的直徑，以欠填充該可移動的鏡的表面面積； 角度調(diào)整該可移動的鏡，使得該光束反射離開該折疊鏡，從而將該光束掃描到一個照射區(qū)域； 運行該成像設(shè)備以接收從該照射區(qū)域反射的光束的圖像數(shù)據(jù)；以及 由該圖像數(shù)據(jù)確定物體在該成像設(shè)備的視場中的位置。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包含將該物體的位置數(shù)據(jù)報告給一個坐標系。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括使用該可移動的鏡和該折疊鏡相對于由該光纖耦合激光器產(chǎn)生的光束的取向正交地引導該光束。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括緊鄰該可移動的鏡和該透鏡封裝件之間定位該折疊鏡，以減小包括該透鏡封裝件、該可移動的鏡和該折疊鏡的光學系長度。
【文檔編號】G01B11/03GK104136882SQ201280069987
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2012年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月19日
【發(fā)明者】W·E·肖, D·克勞瑟 申請人:感知器股份有限公司