CN103189714A - 用于测量镜子形状或镜表面形状的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量表面形状的设备。所述设备包括：具有单向设计的第一测试图案（4），所述第一测试图案被第一照明装置（7）照明，这使得形状能够沿第一方向被测量；以及第二测试图案（9），其具有垂直于第一测试图案的设计的单向设计，这使得形状能够沿垂直于第一方向的第二方向被测量。第二测试图案在与第一测试图案相同的平面上由附加照明装置（8）形成，所述第二测试图案仅在第一照明装置关闭时被照明。

Description

用于测量镜子形状或镜表面形状的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于测量镜子形状或镜表面（反射表面）形状的设备。

本发明更具体地针对不是平面而是展现出拱曲形状的表面，所述拱曲形状的凹进关于一个方向（后文称为“主要方向”）强烈显现，而在垂直于主要方向的方向（称为“次要方向”）上明显较弱显现。更准确而言，“凹进的方向”被这样理解、并如图1a和1b所示：当将表面A以拱曲部分面向平面支撑件的方式定位到水平的平面支撑件B上时，在一个平面方向上的参照支撑件平面的凹进程度相对于其在另一个平面方向上的参照所述平面的对照凹进程度被发现是不同的，其中所述平面方向对应于二维正交参考坐标系中的X轴和Y轴。相对于其它凹进而言，最显著的凹进是最不平行于平面支撑件的凹进。以图1a和1b为例，凹进相对于X轴比相对于Y轴更显著，因此X轴称为主要方向，Y轴称为次要方向。

此外，表述“测量形状”应理解成为，沿着对应于拱曲的主要方向和次要方向的两个测量方向，参照参考表面估算待测量表面的众多点的斜率和高度。

本发明将更具体地参照拱曲的玻璃制品来描述，然而并非限制于此。所述设备也应用于由层合玻璃或钢化玻璃制成的非常轻微变形的平面。所述设备的另一有用的应用方式涉及抛物线形太阳能反射镜的形状测量，其表面凹进更加突出。

背景技术

根据不同应用，测量镜表面形状确实是适宜的，例如以便检测在汽车玻璃外表面这一层次上的玻璃缺陷。对所述缺陷进行检测和测量使得可以提供美学再现，如果从其所关联的机动车辆外面通过反射来观察汽车玻璃。此外，在为构建用作风挡的层合玻璃而组装了玻璃板之后，某些缺陷可能变得非常麻烦，因为所述缺陷将引起光学畸变现象，该现象由于与第二块玻璃板的组装而变得明显。因此，实践中期望在上游阶段在玻璃制造厂内充分检测所述缺陷，以在缺陷过于明显的情况下丢弃和报废这些玻璃表面。

确定玻璃的形状以知晓其周缘是否完美地匹配其所针对的车身也是很明智的。

在抛物线形镜子的应用中，通常优选在镜子刚完成制造之后，就通过将所述镜子与参考镜子的完美形状相比较来确定所述镜子的形状。确实，镜子的能效取决于所述镜子对光线的良好聚焦。现在，聚焦直接与镜子凹进的合适轮廓有关，所述轮廓通过测量表面众多点的斜率和高度来准确评估。

多种形状测量技术已被熟知，诸如基于探针的方法、摄影测量法、偏转测量法、抑或激光扫描法。

基于探针的方法在于：在机械臂的端部安装探针，所述探针在多个点（对于1500x1500mm的玻璃而言一般有规律地分布有1000个点）处接触玻璃表面。这种测量设备可以直接得到每个点的高度。然后，基于所述高度通过数值微分计算出局部斜率。获取及处理过程的持续时间大约100分钟。

摄影测量法在于：将量规附着在待测量的整个表面上，所述量规包括描绘有大量准确定位的黑点的白板。从多个角度（一般是八个角度）为这个量规拍摄数张照片，而后这些照片被适宜软件处理以重建所述表面两维的形状，并因此提供高度的绘图。基于所述高度通过微分计算出局部斜率。获取及处理信息过程的持续时间大约120分钟。

然而，前述两种技术所展现出的缺点在于：当需要将这两种技术应用到其速度要求每20秒到30秒通过一个物体（volume）的工业生产线时，处理时间过长。

另一方面，偏转测量技术则快速很多，大约5分钟。偏转测量法在于：分析量规在待测量表面上反射之后的变形。通过确认未变形的量规的状态，并且以已知方式基于光线跟踪，可以计算出在这个表面的任意点处的局部表面斜率。在连续点处的局部斜率的数学积分得出这多个点的高度。

同样更快速的激光扫描技术在于：用沿两个垂直的方向中每一个精确对准的激光来沿着所述两个方向扫描待分析的表面。相机观察光束在位于所述表面的聚焦平面中的目标上反射之后的照射点（point of impact），并验证光束照射点在这个目标上的集中质量。对于具有1500x1500mm区域的表面来说，测量的持续时间一般是5分钟。

然而，偏转测量法和激光扫描技术难于在工业生产线上实施，因为当需要测量新的表面时，需要对测量系统进行极其精细的调整、定位或校准。特别地，激光的对准或倾斜误差，例如1毫弧度，即在1m的距离上误差为1mm，将完全错误地得出测量和估算结果。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于测量镜表面形状的设备，所述镜表面与诸如玻璃制品或镜子的物体（volume）相关联，这种设备不会展现出前述缺点，并且将在实施时间以及数据获取和处理的时间二者上的性能与在工业生产线上测量的可重复性结合起来。

根据本发明，用于测量镜子形状或镜表面形状的设备包括：第一单向图案平面量规，其与待测量表面有一定距离；相机，用于拍摄将被在镜表面中反射出的像；处理装置，用于处理由相机记录下的信息；第一照明装置，用于照明整个量规，其特征在于，所述设备还包括附加照明装置，其布置成紧密靠近且平行于量规的平面或布置在量规的实际平面中，并面向待测量表面，第一照明装置和附加照明装置交替地照明，以分别仅观察第一量规抑或仅观察第二单向图案量规，所述第二量规基于附加照明装置形成。

附加照明装置通过其布置而将在量规的平面中朝着待测量表面的方向照明。

因此，基于两个不同的量规，所述设备使得可能的是，在同一时间提供了在引起最高准确度和分辨率的主要方向（即变形较大的方向）上的测量以及在垂直于主要方向的次要方向上的测量。

因此，交替照明要么显现出第一单向图案量规，其确保在主要方向上的形状测量，要么显现出第二量规，其具有单向图案且垂直于第一量规的图案，以在其次要方向上测量表面变形。

这种设备避免使用具有双向图案的量规，诸如呈棋盘形式的量规，所述量规难于处理且展现出很低的空间分辨率。因此，通过使两个不同的量规共存于支撑第一量规的同一表面上，其中所述两个不同的量规仅根据照明条件的适当实施而变得可见，本发明的设备从而规避了这些困难。

根据一个特性，第一照明装置和附加照明装置各自的照明时间持续相机拍摄相应的整个表面所需的时间。

因此，根据至多20秒的信息获取和处理的时间，所述设备允许极其快速地测量表面形状，这特别适用于工业生产线。

根据另一特性，第一量规包括交替的宽度相同的暗平行线条和亮平行线条，所述宽度为例如10mm。线条的“宽度”理解成线条的最小尺寸。

优选地，由附加照明装置形成的第二量规包括发光二极管或光纤终端类型的多个点光源，所述多个点光源依照与第一量规的线条平行的线而有规律地隔开。

更特别地，点光源以在至少一根暗线条的宽度内居中的方式对齐。

根据另一特性，所述设备包括携载第一量规的面板，所述面板包括容纳相机的物镜的中央孔口，优选地，孔口定尺寸成所述孔口的面积与量规的总面积的比率小于1/1000。

第一量规与待测量表面之间的距离以及量规的尺寸如此构造，使得整个量规在整个待测量表面上被反射，并且相机的物镜构造成将整个待测量表面记录在单一照片中。

所述设备有利地与携载待测量表面的平面支撑件相关联，所述支撑件平行于第一量规延伸，并且待测量表面以参照相机物镜光轴对中的方式布置。待测量表面的垂直于主要方向的相反边缘放置成基本距支撑件的相同距离，以使得在主要方向上的弯曲关于由相机轴线构成的光轴基本对称。

为了确保依照拱曲表面的主要方向和次要方向的测量，所述表面的凹进必须指向量规，并且所述表面被这样布置在所述支撑件上，使得第一量规的单向图案定向成垂直于拱曲的主要方向。

表面如此放置在支撑件上，使得相机能在单一照片中拍摄整个表面，但无需表面的准确对中，也无需任何校准或者基准测试步骤，由此非常有利地使得在工业生产线上节省时间成为可能。

附图说明

现在，将借助于仅为说明性且完全非限制性的本发明范围的实施例、以及基于附图来描述本发明，其中：

-图1a和1b示意性地示出了拱曲表面分别关于两个垂直方向的轮廓；

-图2表示了本发明的测量设备的示意性剖视图，其中所述测量设备与携载着待测量表面的支撑件相关联；

-图3是图2的支撑件的透视图；

-图4是本发明设备所使用的第一单向图案量规的实施例的正视图；

-图5是本发明所使用的第二量规的实施例的局部正视图。

具体实施方式

图2示意性示出了用于估量镜表面2形状的本发明测量设备1，所述镜表面2诸如是玻璃制品的主要表面的其中之一，所述玻璃制品具有主要关于两个方向而展现出不同曲率的拱曲的形状，拱曲在其中一个方向上更为明显。

所述设备包括：支撑件3，其上放置玻璃制品，并且其更详细的视图示出在图3中；单向图案量规（gauge）4，其更特别参照图4示出，其中玻璃制品的表面2面向量规；相机5；处理装置6，其链接到相机，并能够处理由相机记录下的照片；照明量规的第一照明装置7；和在第一照明装置关闭时实施的附加照明装置8。附加照明装置8配置和设计成通过形成第二量规9而在量规的平面中朝着待测量表面2的方向照明，所述第二量规具有与第一量规的图案相垂直的单向图案。

本发明的设备使得可能的是，凭借第一量规4以高分辨率在表面中生成像，并且借由起初在附加照明装置关闭时隐蔽的第二量规来产生低分辨率的像，但是所述低分辨率的像就测量结果足以满足要求。照明条件和相机捕捉照片的改变确保了从一个量规到另一个量规的准瞬时切换以及确保了连续拍摄两张照片，其中每个量规的像由一张照片反射出。

考虑到拱曲程度最大的形状肯定是以相比拱曲程度最小的形状高的精度被测量的，抑或考虑到已知在次要方向上的形状可忽略或者所述形状在所述方向上是平坦的，测量因此关于两个垂直的方向完成。

参照图3和4的支撑件3形成桌台，所述桌台具有平坦表面并且在所述桌台上布置有多个支承垫30（此处透过表面可见且数量为四个）、以及侧向抵接件31和32。拱曲玻璃制品以与待测量表面2相反的其中一个主要面20放置在支撑件3上，其中玻璃制品的凸部21翻转朝向支撑件3。

因此，玻璃制品通过其面20而搁置在支承垫30上，所述支承垫30合适地隔开以使玻璃制品的重量适宜地分布，从而将玻璃制品保持在稳定平衡状态中。侧向抵接件31和32使得可能的是，通过玻璃制品的侧向边缘20和22楔紧所述玻璃制品。

垫30和抵接件31和32还用于相对于量规4正确地定位玻璃制品、从而正确地定位表面2，所述量规4将在所述表面中被反射。玻璃制品在测量支撑件上的定位可以通过机械手完成。这也可以更简单地通过两个操作员完成。更普遍地，在生产线上输送玻璃制品时，玻璃制品在量规下方的定位如此完成：使玻璃制品停靠在量规下方，接着借由担当抵接件31和32的可移除滑枕而将玻璃制品对正（使玻璃制品对中），所述可移除滑枕与升举系统相关联，所述升举系统确保竖直的上下平移并且位于玻璃窗下方代替支承垫30，以将玻璃制品带至距量规的正确距离。在拍摄照片之后，玻璃制品被重新放置到输送器上，并在随后的玻璃制品到达之前移出。然而，所述定位不必极其精确，只要量规的像在整个表面上被反射出，并且相机能通过单次拍照捕捉到整个表面即可。

图4所示的第一量规4是形成规则的周期信号的具有单向图案的量规。量规包括规则交替的暗线条或暗虚线40以及亮线条或亮虚线41，并优选为黑色线条和白色线条，以提供强烈的相互对比。每根线条的宽度是恒定的、例如10mm。

每根线条构成一个光学意义上的物体。每根线条展现出上游边缘和下游边缘，在处理装置6中它们的定位被作为参照。相机5将拍摄量规在表面上的反射像，从而拍摄线条的上游边缘和下游边缘各自的像；已知每根线条的光学放大率，处理装置将在像和参照之间对每根线条的边缘的定位进行比较。这种处理方法将在后文中更详细看到。

量规4面向待测量表面2，并布置成以一定距离隔开。量规4依照正方形表面或矩形表面延伸。量规的尺寸及其与表面2的分隔距离配置成使得整个量规能在表面2中被反射出，这些量还取决于配置给相机的物镜类型（照片的拍摄角度）。例如，对于尺寸为1700x1600mm的玻璃制品的形状测量而言，量规与表面之间的距离是2500mm，量规的尺寸是3600x1800mm。

相机5的物镜50（图2）位于与量规4所在平面相同的平面上，并指向表面2的方向。物镜的类型以及物镜到表面的距离允许全场（full-field）测量，即通过单次拍照对整个表面上进行测量。

量规4例如由白色PVC刚性面板42支撑，在所述面板42上丝网印刷有宽度相同、规律隔开的黑色线条。

面板42在其中央包括容纳相机物镜的孔口43。所述孔口应尽可能小，因为不可能测量表面2的面向该孔口的那一部分。实践中，为了把在这个观察区域的层次上的测量损失视作可忽略不计，将采取措施使孔口面积与量规面积的比率小于1/1000。然而，可能的是，通过适当的技术而人为地重建量规对应于所述孔口的缺失部分，以便不影响在这个区域内的测量结果。

量规经由（面向表面的2）前面借助于诸如幻灯器（projector）的第一照明装置7被照明。照明装置的数目和布置适合于均匀地照明整个量规。

当量规4被第一照明装置7照明时，在镜表面2中反射出的整个量规4的像将在相机的单次拍摄中被拍成照片，所述相机通过其物镜覆盖玻璃制品的整个面积。

相机5例如是已知类型的矩阵相机，其包括分解成1700列乘1200行的方形像素。每个像素都与用于参照的量规的像的精确区域相关联，由此可以参照量规的线条的每个边缘的位置。每个像素还对应于待测量表面的区域（点）。把在完美玻璃制品或平面玻璃制品上、且在与待测量玻璃制品相同的测量几何条件下所获得的量规像，与在待测量玻璃制品上反射出的量规像进行比较，所述比较使得可能的是，推算出每根线条在每个像素的层次上的光学放大率，因而推算出其在表面2每个点的层次上的光学放大率。凭借处理装置6，每个点处的斜率以及高度将从测出的光学放大率中推算出，以最终建立表面的轮廓（表面的形状）。

根据本发明，为了具有测量与最显著凹进（主要方向）相对应的形状的最佳分辨率，玻璃制品应该相对于量规定向成量规的线条布置得垂直于主要方向。因此，根据图3，如果最显著的凹进具有主要方向X，那么与表面2相对布置的量规4将使得线条40和41垂直于轴线X并平行于正交轴线Y。这种具有平行线条图案的量规的使用，对应于测量相对于每根线条的宽度所观察到的变形，由此确保测量分辨率比用另一类型的量规（其图案将会进一步描述）高，并且因此适合于最显著凹进的轮廓。

量规像的照片拍摄及其处理以依照拱曲主要方向推算表面2的形状是在非常短的时间内完成的，大约10s。

根据本发明，所述设备还使得可能的是，在不移动玻璃制品的情况下极其快速地测量出对应于拱曲次要方向的形状。

根据本发明，第二量规因此依照垂直于第一量规图案的单向图案而形成，第一量规此时好像被“擦除”（不再显现）了，以单独拍摄第二量规在表面2上的反射像。

为了不再显现第一量规并且形成第二量规，附加照明装置8被提供并且被控制装置80设置进入工作状态，同时第一照明装置7被控制装置70操纵以关闭。控制装置70和80以通常的方式驱动以确保亮起和同时熄灭。特别地，还可能的是，使相机的曝光时间适应第二量规的光强，所述第二量规明显比不再被照明的第一量规亮，以更有效地“擦除”所述第一量规。

附加照明装置8在量规平面的层次上布置，具体布置在量规的正面平面中或布置成紧密靠近所述正面平面。此外，这个照明装置位于第一单向量规4的暗线条的空间中。

例如，根据图5，附加照明装置8包括沿量规4的每根暗线条41有规律隔开的多个发光点，所述多个发光点形成第二量规9。这些附加照明装置例如包括多个点光源90，诸如发光二极管或光纤终端。

由此形成的第二量规的图案生成了众多物体，所述众多物体从光学意义来说通过每根线条上的两个连续发光点之间的间隔宽度形成。所述第二量规一旦在表面2中被反射，就会反馈出影像，在平行于次要方向的方向上针对所述影像测量出发光点彼此的间隔距离的可能有的变形（光学放大率）。这种量规9使得沿拱曲的次要方向（即Y方向）测量形状成为可能。由于其分辨率比第一量规的图案的低，所以这种量规的图案确实用于拱曲程度最小的表面轮廓。

在测量方法中，一旦相机5拍摄完被照明的第一量规4的照片，第一照明装置7就关闭，同时附加照明装置8开启。然后，相机再拍摄第二单向量规9在其中被反射时的该表面2的另一张照片，确保沿拱曲次要方向的形状测量。

处理和计算装置6连接于相机5，以执行在两次照片拍摄之后的数学处理操作和分析。

本处理方法在于：基于在表面一点（对应于相机的像素i）处测得的光学放大率γ_i、并且已知量规到待测量表面的距离d_sm，计算出等效球面镜的焦距f_i′，所述等效球面镜具有量规在距离d_sm处的放大率γ_i。

以下数学关系提供在与像素i相关联的点处的焦距f_i′的计算公式：

对于反射像，f_i′=γ_i*d_sm/（1-γ_i）。

应该注意到，仅涉及能够容易测出的表面到量规的距离d_sm的这种关系使得能够直接获得在与相机的每个像素相关联的镜子任意点处的焦距。这种测量方案因此是绝对的，即不需要任何预先校准，也不涉及任何相机感光系数。仅需要确定光学装置的几何条件，这不成问题。这种测量方案为所述设备确保了非常高的工业稳定性。

基于在每个点所计算出的焦距，可能的是，以已知方式推算出（在每个点处的）局部曲率，并且通过将局部曲率一次积分，局部斜率自此推算出，由此在又一次数学积分之后，可以获得表面每个点的高度，以及因此获得所述表面的形状。

因此，本发明的设备借由两个快速交替可视化的单向量规、仅两个像的拍摄、以及容易的计算方案就提供极其快速、可重复的测量系统，当玻璃制品沿工业生产线前进时，所述测量系统仅需要玻璃制品停靠一段短暂的时间（至多10秒），停靠以后接着进行至多10秒的测量处理。

Claims (15)

1.一种用于测量镜子形状或镜表面（2）形状的设备（1），包括：第一单向图案平面量规（4），其将与待测量表面相距一定距离；相机（5），用于拍摄将在镜表面中反射出的像；处理装置（6），用于处理由相机记录下的信息；第一照明装置（7），用于照明整个量规，其特征在于，所述设备（1）还包括附加照明装置（8），其布置成紧密靠近且平行于量规的平面或布置在量规的实际平面中，并面向待测量表面，第一照明装置（7）和附加照明装置（8）交替地照明，以分别仅观察第一量规（4）或仅观察第二单向图案量规（9），所述第二单向图案量规基于附加照明装置（8）形成。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，第一照明装置（7）和附加照明装置（8）各自的照明时间持续相机（5）拍摄相应的整个表面（2）所需的时间。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，第一量规（4）包括交替的宽度相同的暗平行线条（40）和亮平行线条（41），所述宽度为例如10mm。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，由附加照明装置形成的第二量规（9）包括发光二极管或光纤终端类型的多个点光源（90），所述多个点光源依照与第一量规的线条平行的线而有规律地隔开。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，点光源（90）以在至少一根暗线条的宽度内居中的方式对齐。

6.如前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，所述设备包括携载第一量规（4）的面板（42），所述面板包括容纳相机（5）的物镜（50）的中央孔口（43），优选地，孔口定尺寸成所述孔口的面积与量规的总面积的比率小于1/1000。

7.如前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，第一量规（4）与待测量表面（2）之间的距离以及量规的尺寸构造成使得整个量规在整个待测量表面上被反射出，并且其中，相机的物镜（50）构造成将整个待测量表面记录在单一照片中。

8.如前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，所述设备与携载待测量表面（2）的平面支撑件（3）相关联，支撑件平行于第一量规（4）延伸，并且待测量表面（2）将以关于相机的物镜（50）的光轴对中的方式布置。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，当待测量表面（2）是拱曲的时，表面的凹进指向量规（4），并且表面将被这样布置在支撑件（3）上，使得第一量规的单向图案定位成垂直于拱曲的主要方向。

10.如前述权利要求任一所述的设备，其特征在于，所述设备应用于包括弯曲表面的玻璃的形状测量，或者抛物形太阳能镜子的形状测量。

11.一种用于测量镜子形状或镜表面形状的方法，所述镜子或镜表面具有关于主要方向明显突显、而关于垂直于所述主要方向的次要方向明显较少突显的凹进，所述方法包括交替照明，所述交替照明交替地显现出：

-第一量规，其具有垂直于主要方向的单向图案，并用于借由第一照明装置沿所述主要方向测量形状，

-第二量规，其具有垂直于所述第一量规的图案的单向图案，并用于借由第二照明装置沿所述次要方向测量形状，其中所述第一照明装置关闭，

其中，附加照明装置经过所述第一量规的暗区域来照明并因此形成所述第二量规的图案。

12.如权利要求11所述的方法，其中，当所述第一照明装置开启且所述第二照明装置关闭时，所述第二量规隐蔽在所述第一量规中。

13.如权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一照明装置照明所述第一量规的前面，所述第二照明装置从所述第一量规的后面经过所述第一量规来照明。

14.如权利要求11至13任一所述的方法，其中，所述第二量规的图案包括布置在垂直于所述次要方向的行中的发光点，所述第一量规的图案包括交替的暗线条和亮线条，并且所述第二量规的点状图案出现在暗线条中。

15.如权利要求11至14任一所述的方法，其中，在所述第一量规和所述第二量规的相应曝光过程中，所述第二量规的光强显著大于所述第一量规的光强。

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