[发明专利]使用结构化光线于检测缺陷的方法与装置

说明书

技术领域

本发明是关于使用机器视觉来检测所制造物品中的局部缺陷。更特定而言，其是关于使用投射至一物品上的结构化光线来检测配合表面的对准误差，同时减少由所检验的表面中的小扰动引起的伪缺陷指示。

背景技术

许多制造物品通过两个或两个以上组件组装的外包装而区分。制造商常常想要的特征是使经组装的组件具有无缝外观。此使所述经制造组件达到当将所述组装时组件之间的接缝不可容易地辨别的容忍度来达成。不管制造零件所达到的容忍度如何，在待配合的零件中皆会出现小的变化，此时出现关于组装方法的问题。对此问题的一种解决方案为在将物品组装的后检验所述物品以判定表面是否已有可接受的精确度配合。

最简单解决方案为以肉眼人工检验制成物品以判定其是否可接受。虽然人类相对较容易训练及替换，但使用人工检验的困难包括随时间的不一致结果，及难以进行关于所检验的物品的定量判断。举例而言，可通过向一人员展示好物品及坏物品来训练其检验物品，且可接着预期该人员视类似于所展示实例的程度而接受或拒绝其它物品。然而，在人工检验员进行定性而非定量决策时，出现困难。此使得非常难以相对于特定数字容忍度检验零件，此意谓不同检验员可能会将相同零件不同地归类。此倾向使确保一致外观的检验物品目的失败。当所述零件碰巧由不同材料制成时，诸如当需要一塑料零件与一铝零件配合时，此尤其困难。

为确保一致外观且实施关于质量的定量标准，可使用机器视觉系统来检验物品。依赖于色彩或灰度阶影像的2D机器视觉系统在表面配合应用中具有与人类在定量量测异常方面相同的困难。出于此原因，有时使用3D视觉来检验表面。存在许多不同的自表面撷取3D信息的方法，所述方法中的每一者关于分辨率、精确度及速度不同。最适于解决此表面检验问题的3D量测方法的子集涉及将光线图案(「结构化光线」)投射于一表面上且量测图案的局部位移以撷取关于该表面的3D信息。

结构化光线可以若干不同方式在一物品的表面上产生。我们关注的方法是将聚焦图案投射于表面上且接着通过获取该图案的一影像或多个影像，量测该图案的部分的2D位置且以几何方式计算点的高度来撷取关于该表面的信息。在图1中展示现有技术结构化光线系统的示意图。结构化光线投射器2将结构化光线4投射至物品6上，其中由相机8成像以形成影像10，该影像10由计算机12获取并处理。图2展示现有技术结构化光线系统可如何形成具有物品上的不连续边缘的影像的一实例。在此图中，结构化光线投射器14将条带16投射至包含上表面20及下表面22的物品18上。将条带16投射至表面20及22上以形成投射图案24及26。此些图案24及26由相机28成像且随后由计算机30获取以形成待随后由计算机30处理的影像32。该影像32示意性地展示表面20与22之间的不连续性如何作为经成像的线条34及36的群之间的位移显现。计算机30典型地使用结构化光线的位移来测定一物品的一部分的相对高度。

图3为说明可如何使用现有技术结构化光线系统来基于几何学计算表面上的点的相对高度的示意图。在图3中，结构化光线投射器40投射线条，将其中之一者展示为42。此线条延伸至该图的平面中且延伸出该图的平面外，且照射具有两个表面44及46的物品52，该物品52非常类似图2中的物品。来自物品68反射的线条62的光线由相机/透镜系统(未图标)成像至一影像感应器平面54上。在此状况下，该影像感应器平面54将在点56处与自表面44反射的光线48相交且在点58处与自表面46反射的光线50相交。应注意，表面44与46之间的高度差异(在图3中标记为「B」)引起影像感应器平面54上点56与58之间的差异(在影像平面中标记为「A」)。实际上，可使用熟知机器视觉技术来测定影像平面中点56与58的位置且量测距离A。在此实例中，距离A由以下方程序与距离B相关

1)A＝B(1+tan(a)/tan(b))，

其中a及b分别为作为照明在图3中指示的角度及视角。

此方法的一实例由发明者B.Shawn Buckley等人描述于美国专利第6,064,759号中。在此实例中，使用单一相机位置获取投射至一表面上的结构化光线的影像，其后使几何模型与该表面配合。使用该表面影像中的多个点形成单一3D点，此提高量测的精确度。