[发明专利]三维坐标扫描仪和操作方法

说明书

技术领域

本文所公开的主题涉及三维坐标扫描仪，并且更特别地涉及具有多个数据获取模式的三角测量型扫描仪。

背景技术

已知对对象或环境的三维坐标的获取。可以使用各种技术，例如飞行时间方法或三角测量方法。飞行时间系统(例如激光跟踪仪、全站仪或飞行时间扫描仪)可以将光束(例如激光光束)朝向对象的表面上的回射器目标或点引导。绝对距离测量仪用于基于光行进至目标或点并且返回所花费的时间长度来确定到目标或点的距离。通过将激光光束或目标相对于对象的表面移动，可以确定对象的坐标。飞行时间系统的优势在于具有相对高的精度，但是，在一些情况下，因为飞行时间系统通常必须分别测量表面上的每个点，所以飞行时间系统与一些其他系统相比会较慢。

相比之下，使用三角测量来测量三维坐标的扫描仪将为线状的光的图案(例如，来自激光线型探针的激光线)投影到表面或者将覆盖区域的光的图案(例如，结构光)投影到表面上。例如通过将相机和投影仪附接至共同的支架来将相机以固定的关系耦接至投影仪。从投影仪发射的光从表面反射并且被相机检测到。由于相机和投影仪以固定关系被布置，因此可以使用三角原理来确定到对象的距离。与使用接触式探针的坐标测量设备相比，三角测量系统提供的优势在于：在较大区域上快速地获取坐标数据。如本文所使用的，由三角测量系统提供的三维坐标值的结果集合被称为点云数据或简单地被称为点云。

当使用激光扫描仪时，许多问题会妨碍对高精度的点云数据的获取。这些问题包括但是不限于：例如，由于对象表面的反射率的变化或表面相对于投影光的入射角的变化而引起的在相机像面上接收到的光的水平的变化；边缘(例如孔的边缘)附近的低分辨率；以及多路干涉。在一些情况下，操作员可能未意识到问题或不能消除问题。在这些情况下，结果是丢失点云数据或者错误的点云数据。

因此，虽然现有的扫描仪适合用于其意图的目的，但是仍然需要改善，特别是在提供可以适应于不利状况并且提供改善的数据点获取的扫描仪方面。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种确定对象的表面上的点的三维坐标的方法，所述方法包括：设置组件，该组件包括第一投影仪和第一相机，第一投影仪和第一相机相对于彼此固定，在第一投影仪与第一相机之间存在有基线距离，第一投影仪具有光源，第一相机具有镜头和光敏阵列；设置处理器，该处理器电耦接至第一投影仪和第一相机；设置对表面上的特征的形状的数学表示；设置可接受的拟合优度的值；将第一发射光从第一投影仪发送至对象上；通过第一相机获取第一反射光以及将第一信号发送至处理器作为响应，第一反射光是从表面反射的第一发射光的一部分；通过处理器确定表面上的第一点的三维(3D)坐标的第一测量集合，第一测量集合至少部分地基于第一发射光、第一信号以及基线距离；通过处理器确定点的第一测量子集，点的第一测量子集是表面上的第一点的子集，点的第一测量子集是与特征对应的测量点；通过处理器将点的第一测量子集的3D坐标拟合成所设置的对特征的形状的数学表示，拟合包括将点的第一测量子集的3D坐标与点的第一导出子集的3D坐标进行比较以获得残差的集合，点的第一导出子集是位于特征的形状上的点的集合，来自残差的集合中的每个残差是对来自第一测量子集与第一导出子集的对应3D坐标的分离的度量，拟合还包括根据最小化规则来数学上调整形状的位置和取向以使残差的集合最小化；通过处理器确定测量的拟合优度，测量的拟合优度是根据残差的集合获得的数学上导出的量；通过处理器至少部分地基于测量的拟合优度与可接受的拟合优度的比较来确定点的第一测量子集的3D坐标是否可接受；通过处理器至少部分地基于点的第一测量子集的3D坐标是否可接受来确定3D坐标的第一测量集合是否可接受；如果3D坐标的第一测量集合可接受，则存储3D坐标的第一测量集合；如果3D坐标的第一测量集合不可接受，则采取下述步骤(a)至步骤(e)：(a)通过处理器选择要采取的至少一个动作以及采取所述动作，至少一个动作选自：改变组件的姿态、改变光源的照度水平、改变发射光的图案、以及通过照射机械探针并且使用第一相机对探针上的光点进行成像来测量特征；(b)将第二发射光从第一投影仪发送至对象上或者照射与对象保持接触的机械探针上的光点；(c)通过第一相机获取第二反射光以及将第二信号发送至处理器作为响应，第二反射光是从表面或机械探针反射的第二发射光的一部分；(d)通过处理器确定表面上的第二点的3D坐标的第二测量集合，3D坐标的第二测量集合至少部分地基于第二发射光、第二信号以及基线距离；以及(e)存储3D坐标的第二测量集合。