多光谱成像系统及其表面检测方法
【专利摘要】多光谱成像系统包括发射第一波长（VL）的第一光源（24）以及发射第二波长（IL）的第二光源（26），第二波长不同于第一波长。该系统进一步包括相机（18，20），该相机具有透镜（28，30），位于所述透镜下游的分光镜（32，34），以及位于所述分光镜下游的一对传感器（36，38，40，42）。所述透镜设置用于使第一波长和第二波长聚焦到独立的传感器上，并且所述分光镜允许第一波长或第二波长中的一个穿过分光镜，并且第一波长或第二波长中的另一个被分光镜反射。所述一对传感器中的一个设置用于接收第一波长以生成第一图像，并且所述传感器中的另一个设置用于接收第二波长以生成第二图像，第二图像不同于第一图像。
【专利说明】多光谱成像系统及其表面检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面检测系统及方法，更具体地涉及用于检测孔洞的检测系统和方法。
【背景技术】
[0002]在制造过程中，通常要对制造用零件，例如车辆零件(比如密封件、垫片或活塞)进行检测以确保这些零件满足某些预设规格。已知的检测系统和方法包括在制造过程中与零件物理接触的测量系统，例如表面光度仪。这些系统通过探针与零件的邻接面之间的相对运动获得数据。尽管这种检测系统可以提供精确的结果，但是会对被测表面造成损伤，并且该检测结果通常局限于被测表面的一小部分，并且还非常耗时。
[0003]其它已知检测系统包括与被检测零件非接触的成像系统。这些系统可以通过由不同波长的光生成图像而获得二维数据和三维数据。为了生成二维图像和三维图像，至少需要两个独立的相机和两个独立的光源，其中一个相机和光源设置用于生成第一图像，另一相机和光源设置用于生成第二图像。独立的相机和光源可以设置用于彼此同时获得同一图像，然而，尽管这些系统能够生成被测表面的图像，但是由于其具有多个相机和光源的特性，它们占用宝贵的生产场地，并且光源还会彼此干涉，从而产生不令人满意的图像质量。因此，为了避免光干涉，另一种已知检测系统可以设置带有独立光源的单个相机以便彼此在独立的时候获得独立的图像。然而，这些系统具有固有缺点，即在获得独立图像时要求被测表面静止。
【发明内容】
[0004]用于检测表面以获得二维和三维图像的多光谱成像系统，包括第一光源和第二光源，该第一光源用于将具有第一波长的光引导到所述表面上，该第二光源用于将具有第二波长的光引导到所述表面上，第二波长不同于第一波长。该系统包括相机，该相机具有透镜，位于所述透镜下游的分光镜，以及位于所述分光镜下游的一对传感器。所述透镜设置用于使第一波长和第二波长聚焦到各自的传感器上，并且所述分光镜允许第一光或第二光中的一个穿过分光镜，并且第一光或第二光中的另一个被分光镜反射。为通过透镜获得一对独立的聚焦图像，所述一对传感器中的一个设置用于接收第一光以生成第一图像，所述传感器中的另一个设置用于接收第二光以生成第二图像，第二图像不同于第一图像。
[0005]根据本发明的另一方面，所述传感器中的至少一个可以沿着一个轴调节以靠近和远离所述分光镜。
[0006]根据本发明的另一方面，提供一种检测零件表面的方法。该方法包括所述表面反射具有第一波长的光，并且所述表面反射具有第二波长的光，其中第二波长不同于第一波长。然后，反射的具有第一波长的光穿过相机透镜，并且反射的具有第二波长的光与具有第一波长的光一样穿过相同的相机透镜。进一步地，相机中的分光镜将具有第一波长的光或具有第二波长的光中的一个反射到第一传感器上，并且具有第一波长的光或具有第二波长的光中的另一个穿过相机中的分光镜到达第二传感器，其中第二传感器不同于第一传感器。接下来，第一传感器生成所述表面的第一图像，并且第二传感器生成所述表面的第二图像，其中第一图像不同于第二图像。
[0007]根据本发明的另一方面，该方法进一步包括沿着一个轴朝向或远离所述分光镜移动所述第一传感器或第二传感器中的至少一个。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]结合下列目前优选实施例和最佳实施方式的具体描述、所附权利要求以及附图进行考虑，根据本发明的上述及其他方面、特征和优点将会更加容易理解，其中:
[0009]图1是根据本发明构造的多光谱成像系统的一个实施例的原理侧视图。
【具体实施方式】
[0010]更详细地参阅附图，图1示出根据本发明一个方面构造的示出为10的多光谱成像系统(此后称为“系统”)。为了检测目的，无论零件表面是否位于所需参数范围内，系统10针对每个被测表面生成至少两个图像以增加用于评估的数据的数量。其中一个所得图像优选为二维图像并且另一个所得图像优选为三维图像。作为示例而非限制，该零件在此示出为密封件12，其具有凸状圆形的外围表面14以及大体平坦的侧表面16，系统10同时检测表面14，16。系统10包括至少一个相机，作为示例而非限制，在此示为具有一对相机18，20。一个相机18设置用于检测外围表面14,另一相机20设置用于同时检测侧表面16。每个相机18，20同时生成两个独立的图像，其中每个图像能够例如通过处理器22进行解析以便立即确定被测表面的特定结构是否位于所需规格范围内。单个表面的每个图像可以独立地处理，或者与每个相机18，20相关的处理器22可以设置为彼此连通从而将图像作为单个图像处理，例如通过图像彼此叠加，其中一个图像首先被镜像反射，以获得被测表面的增强图像。
[0011]系统10包括两个不同的光源，第一光源24发射具有第一波长的第一光(例如可见光)，第二光源26发射具有第二波长的第二光(例如红外光),第二波长不同于第一波长。根据被测表面的位置，每个光源24，26中的一个或多个可以包含在系统中。
[0012]每个相机18，20分别具有主透镜28，30，以及位于各透镜28，30下游的分光镜，在此不出为第一相机18中的第一分光镜32和第二相机20中的第二分光镜34。每个主透镜28,30是可操作且可调节的以使从各自的光源24，26发射的具有第一和第二波长的光聚焦。根据需要，分光镜32，34可以被提供为“热”镜和/或“冷”镜。热镜允许可见光通过并使红外光反射，而冷镜允许红外光通过并使可见光反射。例如，分光镜32示出为“热”镜而分光镜34示出为“冷”镜。应当认识到，如果需要，镜32，34可以有不同的设置，其中全部为“热”或“冷”镜。
[0013]每个相机18，20分别具有一对彼此约呈90度设置的电荷耦合器件(CXD)传感器(36，38)，(40，42)，各分光镜32，34在每个传感器之间约呈45度延伸。第一相机18的CCD传感器36，38如此设置:一个传感器(此后称为后传感器36)被放置以接收穿过分光镜32透射的光，另一传感器(此后成为侧传感器38)被放置以接收被分光镜32反射的光。第二相机20的CXD传感器40，42类似地设置:一个传感器(此后称为后传感器40)被放置以接收穿过分光镜34透射的光，另一传感器(此后成为侧传感器42)被放置以接收被分光镜34反射的光。
[0014]为了利用穿过单个透镜28，30的不同波长的光生成一对聚焦图像，各对传感器(36，38)，(40，42)中的至少一个，每对中的至少一个传感器可以沿着轴48朝向和远离各分光镜32，34调节。例如，为了由红外光源26发射的红外光获得聚焦图像，红外光需要在穿过各透镜28，30之后被聚焦，因为它具有不同于由透镜28，30聚焦的可见光的波长。于是，接收红外光的传感器被设置为可调节的。相应的，如果包含有“热”镜，各侧传感器38，42将沿着轴48可调节，因为红外光将被“热”镜反射到侧传感器上。然而，如果包含有“冷”镜，各后传感器36，40将沿着轴48可调节，因为红外光将穿过“冷”镜到达后传感器上。
[0015]系统10可以容易地适用于制造过程的任意环节，例如无论在次级检测工位或者沿着连续传输线。系统10的每个相机18，20能够生成两个独立的图像，系统所占用的生产场地被最小化。根据需要，如果单个表面被检测，系统10可以包括单个相机，反之如果两个或多个表面被检测，可以包含额外的相机。于是，如图1所示，作为示例而非限制，相机18具有“热”镜，并且因此侧传感器38是可调节的以允许红外光(IL)打到其上从而聚焦。相机20具有“冷”镜，并且因此后传感器40是可调节的以允许红外光(IL)打到其上从而聚焦。
[0016]各光源24，26发射的可见光(VL)和红外光(IL)被引导到密封件12的预期待测面积上，并且光被密封件12反射并穿过各透镜28，30。可见光(VL)和红外光(IL)穿过透镜28，30，并且此后，可见光和红外光打在各分光镜32，34上。如上所述，根据分光镜的类型，无论“热”还是“冷”，可见光(VL)和红外光(IL)要么从分光镜穿过(被折射)要么被分光镜反射。无论如何，可见光(VL)被引导到各自的传感器，在此通过示例示出，分别为后传感器36和侧传感器42,于是第一图像例如以约5-15巾贞/秒被处理,从而提供被测表面的整体图像而忽略表面高度。红外光(IL)被引导到各自的传感器，在此通过示例示出，分别为侧传感器38和后传感器40，于是第二图像例如以约150-200帧/秒被处理，从而提供详细描述包含在所生成的二维图像中的每个像素高度的图像。第一和第二图像同时生成，并且可以根据需要彼此叠加。
[0017]根据本发明另一方面，提供一种检测零件(例如密封件12)表面的方法。该方法包括同时以第一和第二光源24,26分别发射的具有第一波长的光(例如可见光VL)和具有第二波长的光(例如红外光IL)打在零件的被测表面上。当光打在被测表面上，该方法进一步包括移动位于光下的零件，例如通过旋转和/或平移位于光下的零件。在所示示例中，密封件14被旋转以使外围表面14和侧表面16都被可见光(VL)和红外光(IL)打到。该方法进一步包括当表面移动时以该被测表面反射可见光(VL)和红外光(IL)，并且引导反射光穿过至少一个相机透镜，在此通过示例示出，分别穿过两个独立相机18，20的主透镜28，30。应当意识到，如果仅仅单个表面被检测，可以使用相机18，20中的单独一个，然而，如示出的那样，两个独立表面被检测，并且因此使用两个相机18，20。当光穿过各透镜28，30，该方法包括以透镜28，30使可见光(VL)和红外光(IL)聚焦并且然后使可见光(VL)和红外光(IL)打到各分光镜32，34上。进一步地，根据所用分光镜的类型(“热”或“冷”)，该方法包括使可见光或红外光中的一个穿过分光镜被折射，并且使可见光或红外光中的另一个被分光镜反射。如图1所示，该示例包括使可见光(VL)穿过第一分光镜32并使红外光(IL)被第一分光镜32反射，以及使红外光(IL)穿过第二分光镜34并使可见光(VL)被第二分光镜34反射。再进一步地，该方法包括使可见光(VL)和红外光(IL)打到各相机18，20中的各对传感器36，38和40，42上，并且使每个传感器生成图像。该图像生成步骤进一步包括沿着轴48移动每个相机18，20中的每对传感器(36，38)，(40，42)中的至少一个，从而使传感器就位以获取聚焦图像。在图1所示的示例中，第一相机18的侧传感器38和第二相机20的后传感器40可以沿着轴48朝向和远离各分光镜32，34调节或移动。该方法进一步包括例如通过处理器22将生成的图像与预设规格进行比较，以确定被测表面是否位于所需的预期公差范围内。该方法可以进一步包括将由可见光和红外光获得的图像叠加，这可以通过在叠加步骤前将其中一个图像镜像反射实现。
[0018]于是，表面检测的系统10和方法使得可以通过单个相机同时获得同一零件表面的独立图像。如果需要，可以根据被测表面的数量和方向，利用额外的相机检测多个表面。无论所用相机的数量如何，每个相机能够生成两个图像，其中一个通过接收可见光生成表面的整体图像而忽略高度尺寸，另一个通过接收红外光生成带有被测表面高度尺寸的聚焦图像。于是，由于可以使用单个相机生成两个图像，实施表面检测所需的空间被最小化，并且检测相关的整体成本比需要多个相机的情况降低。
[0019]显然，根据上述教导，本发明的各种修改和变化都是可能的。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，本发明也可通过除了具体描述以外的方式实现。
【权利要求】
1.用于检测表面的多光谱成像系统，其特征在于，包括: 第一光源，用于将具有第一波长的一束光引导到所述表面上； 第二光源，用于将具有第二波长的一束光引导到所述表面上，所述第二波长不同于所述第一波长； 相机，该相机具有透镜，位于所述透镜下游的分光镜，以及位于所述分光镜下游的一对传感器，所述分光镜允许可见光或红外光中的一个穿过所述分光镜，并且可见光或红外光中的另一个被所述分光镜反射，所述一对传感器中的一个设置用于接收来自所述第一光源的所述光以生成一个图像，并且所述传感器中的另一个设置用于接收来自所述第二光源的所述光以生成另一图像，所述另一图像不同于所述一个图像。
2.如权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述传感器中的一个沿着一个轴朝向和远离所述分光镜可移动。
3.如权利要求2所述的多光谱成像系统，其特征在于，所述第一光源或所述第二光源中的一个发射红外光，并且所述第一光源或所述第二光源中的另一个发射可见光。
4.如权利要求3所述的多光谱成像系统，其特征在于，接收所述可见光的所述传感器以约5-15帧/秒处理，并且接收所述红外光的所述传感器以约150-200帧/秒处理。
5.如权利要求1所述的多光谱成像系统，其特征在于，进一步包括至少一个处理器，所述一对传感器与所述处理器连通。
6.如权利要求4所述 的多光谱成像系统，其特征在于，所述处理器设置用于使所述一个图像和所述另一图像彼此叠加。
7.—种检测零件表面的方法，其特征在于，包括: 所述表面反射具有第一波长的光； 所述表面反射具有第二波长的光，所述第二波长不同于所述第一波长； 反射的具有第一波长的光穿过相机透镜； 反射的具有第二波长的光与具有第一波长的光一样穿过相同的相机透镜； 相机中的分光镜将具有第一波长的光或具有第二波长的光中的一个反射到第一传感器上； 具有第一波长的光或具有第二波长的光中的另一个穿过相机中的分光镜到达第二传感器，所述第二传感器不同于所述第一传感器；以及 第一传感器生成所述表面的第一图像，并且第二传感器生成所述表面的第二图像，所述第一图像不同于所述第二图像。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,进一步包括相对分光镜移动第一传感器或第二传感器中的至少一个。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，进一步包括发射红外光形式的具有第一波长的光或具有第二波长的光中的一个，以及可见光形式的具有第一波长的光或具有第二波长的光中的另一个。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括设置至少一个与第一传感器和第二传感器连通的处理器，并且通过处理器使第一图像和第二图像彼此叠加。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括在第一图像和第二图像彼此叠加之前，使第一图像或第二图像中的一个镜像反射。
12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括设置第一传感器或第二传感器中的一个以约5-15帧/秒处理，并且第一传感器或第二传感器中的另一个以约150-200帧/秒处理。
13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括所述表面同时反射具有第一波长的光和具有第二波长的光。
14.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括在被测表面反射具有第一波长的光和具有第二波长的光的时候移动零件。
15.如权 利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括通过处理器将图像与预设规格进行比较。
【文档编号】G01N21/88GK103534581SQ201280023431
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年3月5日 优先权日:2011年3月21日
【发明者】奈杰尔·J·福尔摩斯 申请人:费德罗-莫格尔公司