專利名稱：數(shù)字光學比較器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及數(shù)字光學比較器。
背景技術：
光學比較器(通常簡稱為比較器，或外形投影儀，或輪廓投影儀)是對應用光學原理對制造部件的進行檢查的設備。在比較器中，放大的部件被投影到屏幕上，并相對于規(guī)定的限制來測量部件的維度和幾何形狀?，F(xiàn)有技術的比較器非常依賴于操作員的技能來將部件和參考模板進行正確對準， 以進行比較。此外，一旦部件安裝在了比較器中，現(xiàn)有技術的比較器不提供用于設定部件和參考模板的取向的直接簡單的裝置。一些現(xiàn)有技術的比較器包括光源、部件的支撐物、用于捕獲部件圖像并在顯示器上顯示該圖像的光學器件。顯示器通常顯示放大的部件圖像。在這些比較器中，實際上將部件制圖的透明片、或藍圖、或一些其它印刷/繪制的圖像以適當?shù)娜∠蛘车奖容^器的屏幕上，以對部件和制圖進行比較。應該理解，這對于操作員而言勞動強度很大。為了比較部件和制圖，制圖不僅必須是正確的比例，正如屏幕上的部件圖像也必須是正確的比例一樣， 還要非常仔細地將紙質(zhì)/印刷的制圖適當?shù)馗采w在屏幕上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供克服了現(xiàn)有技術不足的數(shù)字光學比較器。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種數(shù)字比較器，包括保持器，用于保持部件；光源，用于為部件照明；用于捕獲被照明部件的圖像的攝像機，和放置在所述攝像機前面的鏡頭；以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于接收圖像、獲得所述部件的CAD制圖、在計算器屏幕上顯示所述圖像和所述制圖，其中，將所述制圖數(shù)字地覆蓋在所述圖像上，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還包括用于將所述制圖與所述圖像對準的裝置。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種數(shù)字光學比較器，所述數(shù)字光學比較器包括一種允許對研究的部件與參考制圖進行比較的方法，所述部件是按照所述制圖中包括的規(guī)格而制造的，所述方法包括步驟(a)在支撐物上放置所述部件；(b)為所述部件照明；(c)使用攝像機捕獲所述部件的圖像，所述攝像機配置有鏡頭；以及(d)在顯示器上覆蓋所述制圖與所述部件的所述圖像。


在閱讀了參考以下附圖對優(yōu)選實施例的描述之后，將更好的理解本發(fā)明，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的數(shù)字光學比較器系統(tǒng)的示意性示圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的數(shù)字光學比較器系統(tǒng)的示意性示圖，其中， 光源和攝像機均在部件的相同側；圖3是部件保持器的示意性示圖；圖4是在多個顯示器上顯示的部件視圖，其中疊加了制圖，但是在未定向的位置上；圖5是在多個顯示器上顯示的部件視圖，其上疊加了制圖并將制圖與部件的圖像對準；以及圖6是數(shù)字光學比較器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的示意性示圖。
具體實施例方式總體描述本發(fā)明涉及數(shù)字光學比較器系統(tǒng)，為便于引述，此后稱作“D0C”。本發(fā)明的DOC是計算機化的光學儀器，其允許用戶對部件的數(shù)字實況視頻圖像與部件的CAD制圖進行實時 (即，以攝像機的全幀速)比較，而沒有關于部件尺寸的任何限制。DOC捕獲部件的分辨率很高的數(shù)字實況視頻圖像，并實時地執(zhí)行圖像校正操作，以去除由系統(tǒng)的鏡頭引入的任何畸變，并對圖像中的任何壞點像素進行校正。在這些圖像校正操作之后，對于大部件或小部件，DOC均產(chǎn)生幾何上正確的高質(zhì)量的部件圖像(即，無畸變并且沒有點缺陷)。DOC仍然實時地進行如下操作 在“已校正”圖像上執(zhí)行任何需要的圖像處理操作(例如圖像增強、不均勻照明校正、噪聲去除、顏色校正等等)·將部件的CAD制圖疊加到“已校正”和“已增強”的圖像上。DOC允許用戶使用外部設備(比如，具有X-Y- θ控件的操縱桿)或等同地用于X-Y 平移&旋轉(zhuǎn)的在屏控件，屏幕上移動(X-Y平移&旋轉(zhuǎn))CAD制圖。這允許用戶快速、容易地將部件及其制圖排列對齊，而不必移動部件。通過使用圖案匹配軟件工具，DOC還可以自動地執(zhí)行該對準操作。最后，在至少一個計算機監(jiān)視器上，DOC以攝像機的全幀速和全分辨率顯示所得到的“已校正”和“已增強”的高分辨率視頻圖像，該視像被疊加了適當縮放和對準的CAD
fn 息 ο ο對于D0C，如果部件與其CAD制圖完全匹配，則部件的圖像與CAD制圖將完美對齊。 如果在部件與其CAD制圖之間存在任何差異，則這些差異將在屏幕上輕易可見。DOC還允許操作員在屏測量多個維度，包括上述任何差異的大小。通過使用基于邊緣檢測的測量工具，DOC還可以自動地驗證部件在多個用戶指定的控制位置處于容差范圍內(nèi)。應該理解，DOC還可以包括手動或機動的架臺，以在攝像機前方移動部件。當對架臺進行了編碼時，DOC能夠(通過將架臺位移與測量點之間的特征的在屏位置相關)在超出光學視野之外進行測量。還應該理解，DOC還可以簡單地通過掃描條形碼(例如，條形碼可以與工作順序相對應)或通過手動輸入條形碼信息(在本示例中，輸入工作順序編號)，來調(diào)用部件的制圖。還應該注意，DOC能夠通過點擊單個在屏按鈕，來重新調(diào)用先前顯示的CAD制圖 (以及顯示CAD制圖的位置和取向)。DOC 包括 鏡頭 11 數(shù)字攝像機13·計算機或其它適當?shù)臄?shù)據(jù)處理系統(tǒng)15，運行適當?shù)挠布蛙浖耘c攝像機接口連接 一個或多個監(jiān)視器17，優(yōu)選的實施方式提供多個監(jiān)視器，這允許完全地顯示攝像機產(chǎn)生的高分辨率圖像(即，在監(jiān)視器組上以1 1的分辨率顯示，使得來自攝像機的每個像素與監(jiān)視器組上的像素相對應，并允許用于其它窗口的空間。) 照明裝置19 (透射的和/或反射的，分別用于背面照明和/或正面照明)。DOC的優(yōu)選實施方式提供的照明設備是可編程的和由計算機控制的，這允許可重復的照明條件。 讀者將理解，可編程的、由計算機控制的照明裝置需要存在適當?shù)慕涌诤涂刂朴布?用于安裝攝像機、鏡頭和照明裝置的裝置21，比如支架、硬件和結構性元件。讀者應該理解，可以垂直地、水平地或以任何其它任意的取向來安裝攝像機、鏡頭和照明裝置?！び糜谠跀z像機與鏡頭之間安裝部件20的裝置23?！ぴ谟嬎銠C上運行的經(jīng)適配的軟件。實施和操作圖像捕獲DOC的照明裝置、鏡頭和攝像機產(chǎn)生很高分辨率的部件的數(shù)字圖像流(也被稱作實況視頻)。這與一些現(xiàn)有技術系統(tǒng)的不同之處在于，捕獲部件的“快照”或靜止圖像。在本發(fā)明中，獲取流形式數(shù)據(jù)，使得可以對部件進行更動態(tài)的比較。優(yōu)選實施方式使用遠心鏡頭，并包括可編程的、由計算機控制的照明(對于可重復的照明條件)。圖像校ιΗDOC對圖像流執(zhí)行實時圖像校正操作。在優(yōu)選實施方式中，執(zhí)行自動圖像校正31以獲取部件的幾何上正確的圖像(艮口， 其中所有像素與相同的真實維度對應的圖像)。以下詳細描述DOC的自動畸變校正子系統(tǒng)。該方案校正由DOC的鏡頭引入的誤差。沒有任何這種校正的話，圖像相對于部件不是幾何真實的(即，一些部分會顯得比其應有的尺寸大，另一些部分會顯得比其應有的尺寸小)。在更大或更小程度上，這對于在所有的光學鏡頭導致其產(chǎn)生的圖像發(fā)生畸變的較大視野，這尤其如此。DOC還對攝像機引入的圖像中的缺陷進行校正。優(yōu)選實施方式針對被稱作死點像素的缺陷像素來校正圖像。將進一步描述DOC的自動缺陷像素校正方案。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式使用具有極高分辨率的傳感器的攝像機，這些傳感器正好就是那些其中缺陷像素更常見的傳感器。DOC自動地識別缺陷像素，并校正圖像以去除缺陷像素的影響。針對大部件和小部件，圖像校正均允許DOC產(chǎn)生幾何上正確的高質(zhì)量的部件圖像(即，無畸變且沒有點缺陷)。圖像增強在圖像校正方案之后，DOC還對實況視頻流中的每個圖像執(zhí)行實時的圖像增強 33。在DOC的優(yōu)選實施方式中，一些可用的圖像增強操作包括但不限于噪聲去除、不均勻照明校正、邊緣銳化和顏色校正。CAD文件比較DOC可以用于讀取包含部件數(shù)學定義的CAD文件。優(yōu)選實施方式包括CAD包37， 所述CAD包從數(shù)據(jù)庫45或其它存儲庫中讀取DXF格式的CAD文件，但是其它CAD文件格式 (比如DWG)也在本發(fā)明范圍內(nèi)。DOC可以自動地對CAD文件的內(nèi)容進行縮放以匹配系統(tǒng)的光學放大。然后可以將適當縮放后的CAD數(shù)據(jù)疊加到(已校正和已增強的)實況視頻圖像流上。CAD數(shù)據(jù)和部件的手動對準DOC允許用戶將CAD制圖與部件的圖像手動對準。DOC允許用戶通過使用外部設備(比如，具有X-Y- θ控件的操縱桿)、或利用例如鍵盤和鼠標43之類的X-Y平移和旋轉(zhuǎn)的等效在屏控件、或甚至通過使用軌跡球或觸摸屏， 來在屏移動(X-Y平移&旋轉(zhuǎn))CAD制圖。這允許用戶快速、容易地將部件與其制圖排列對齊，而不必移動部件。CAD數(shù)據(jù)與部件的自動對準通過使用圖案匹配軟件工具39，DOC還可以自動地執(zhí)行對準操作。優(yōu)選實施方式使用以下方法當?shù)谝淮螌AD文件讀入系統(tǒng)時(于是系統(tǒng)處于“教學”模式)，用戶將部件的制圖與所顯示的部件圖像手動對準。系統(tǒng)記住該位置和取向。將 “教學”模式中部件的位置和取向叫做標稱位置和取向。然后，當下一次將制圖讀入系統(tǒng)時，可以使用圖案匹配工具來得到部件的位置和取向。然后，可以將該位置和標稱位置之間的旋轉(zhuǎn)和平移差施加至CAD數(shù)據(jù)。這樣，CAD制圖始終“追隨該部件”另一種細化也是可能的。使用上述方法得到的位置和取向被用作用于“精細搜索”的起始位置。該“精細”搜索使用在整個CAD制圖上合理地均勻分布的特定數(shù)目的“控制點”。軟件邊緣檢測工具找到與這些“控制點”中的每個點最接近的邊緣點。通過保持所有不同邊緣點之間的距離恒定不變(即，“剛性體運動”)，DOC嘗試對制圖的位置和取向進行精細的平移和旋轉(zhuǎn)調(diào)整，以最小化每個控制點與其最近邊緣之間的距離平方和的平方根 (即，“最小平方”方法)。圖像顯示可以通過計算機以攝像機的全幀速，實時地在屏顯示得到的(具有疊加的、適當縮放的并已對準的CAD數(shù)據(jù))圖像流。在優(yōu)選實施方式中，以完全的1 1分辨率將圖像流顯示在多個監(jiān)視器上(即，使用“監(jiān)視器陣列”中的一個像素來顯示圖像中的每個像素)。對于D0C，如果部件與其CAD制圖完全匹配，那么部件的圖像與CAD制圖在屏幕上完美地對齊。另一方面，如果部件與其CAD制圖之間存在任何差異，這些不一致將在屏幕上輕易可見。M^DOC還允許操作員通過使用鼠標簡單地在屏選擇測量點，來測量多個維度，包括上述任何差異的大小。由測量包51提供坐標并對其進行解釋。DOC允許用戶執(zhí)行簡單的點到點測量、以及多種其它類型的測量角度、直徑、半徑等等。也可以進行終止于或起始于精細幾何結構的測量，諸如起始于圓中心、兩線交叉點之類的測量。通過使用基于邊緣檢測的測量工具，DOC還可以自動地驗證在用戶指定的多個控制位置上部件處于容差內(nèi)。架臺接口DOC還可以包括手動或機動的架臺23以在攝像機前方移動部件。當架臺被編碼時，DOC能夠通過將架臺位移與測量點之間的特征的在屏位置相關，在超出光學視野之外進行測量。其它功能DOC可以簡單地通過掃描條形碼(例如，條形碼可能與工作順序相對應)或通過手動輸入條碼信息(在本示例中輸入工作順序編號)，來調(diào)用部件的制圖。DOC還能夠通過點擊單個在屏按鈕，來重新調(diào)用先前顯示的CAD制圖(以及顯示的位置和取向)。光學畸變校正光學像差是由于偏離了高斯光學的理想條件而造成的。存在兩種主要類型的光學像差有色像差和單色像差。有色像差與光的不同波長有關，而即使光是高度單色的，也會發(fā)生單色像差。畸變是由1階與3階旁軸理論之間的差異造成的五個主要單色像差中的一個。另外四個是 球面像差·彗形像差(或彗差)·像散·場曲球面像差、彗差以及像散使圖像劣化并使其不清楚，而場曲以及畸變使圖像發(fā)生形變。當鏡頭的橫向放大率不恒定時發(fā)生光學畸變，光學畸變依據(jù)離軸圖像距離而改變。如果放大率隨離軸距離而增大，那么將每個點從圖像的中心向外徑向地移位，其中，最遠的點移動量最大。這稱為正畸變或枕形畸變。類似地，負畸變或桶形畸變對應于如下情況放大率隨軸向距離而減少，并且實際上圖像上的每個點朝著中心向內(nèi)徑向地移動。光學畸變的數(shù)學模型在旋轉(zhuǎn)對稱的光學系統(tǒng)的情況下，可以通過以下等式來近似徑向畸變χ' = x(l+k|x|2)(1)
權利要求
1.一種數(shù)字光學比較器，包括保持器，用于保持部件；光源，用于為部件照明；用于捕獲被照明部件的圖像的攝像機，和放置在所述攝像機前面的鏡頭；以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用于接收圖像、獲得所述部件的CAD制圖、在計算器屏幕上顯示所述圖像和所述制圖，其中，將所述制圖數(shù)字地覆蓋在所述圖像上，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還包括用于將所述制圖與所述圖像對準的裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述比較器還包括圖像增強模塊。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，用于將所述制圖與所述圖像對準的裝置包括與所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)操作性關聯(lián)的操縱桿。
4.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，用于將所述制圖與所述圖像對準的裝置包括鼠標和鍵盤、或軌跡球。
5.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，用于將所述制圖與所述圖像對準的裝置包括圖案匹配子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)適于確定所述部件的位置和取向，并基于所述位置和取向?qū)⑺鲋茍D與所述部件對準。
6.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述計算機屏幕包括多個屏幕，使得以11的分辨率顯示所述圖像。
7.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述部件安裝在可移動托架上。
8.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是通用計算機。
9.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述比較器還包括缺陷像素校正器。
10.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述制圖顯示所述部件，并且所述制圖還圖形化地顯示針對所述部件的容差，使得能夠在視覺上確定所述部件是否是在容差范圍內(nèi)制造的。
11.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)還包括使得能夠進行在屏測量的測量包。
12.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字光學比較器，其中，所述攝像機向所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供流形式視頻信號。
13.—種允許對研究的部件與參考制圖進行比較的方法，所述部件是按照所述制圖中包括的規(guī)格而制造的，所述方法包括步驟(a)在支撐物上放置所述部件；(b)為所述部件照明；(c)使用攝像機捕獲所述部件的圖像，所述攝像機配置有鏡頭；以及(d)在顯示器上覆蓋所述制圖與所述部件的所述圖像。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括步驟在所述顯示器上顯示所述圖像之前，使用圖像校正模塊對所述圖像進行校正。
15.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括步驟在所述顯示器上顯示所述圖像之前，使用圖像增強模塊對所述圖像進行增強。
16.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括步驟將所述部件與所述制圖手動或自動對準。
17.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中，所述方法還包括步驟使用畸變校正模塊對所述鏡頭引入的畸變進行校正。
18.根據(jù)權利要求13所述的方法，還包括步驟提供測量模塊以便能夠進行所述部件的在屏測量。
全文摘要
數(shù)字光學比較器具有針對要研究的部件的保持器。光源為部件照明，并將部件的圖像投射到配置有鏡頭的攝像機上。將攝像機捕獲的圖像顯示在屏幕上，并且將部件的制圖覆蓋在部件的圖像上。因此，可以容易且輕松地識別制造中的缺陷。此外，還可以在視覺上確定部件是否是在容差范圍內(nèi)制造的。
文檔編號G01B9/08GK102414536SQ201080019313
公開日2012年4月11日 申請日期2010年3月1日 優(yōu)先權日2009年3月4日
發(fā)明者帕特里克·博切明 申請人:維森股份有限公司