白光测量技术的特点与应用

    白光测量是一种非接触式测量方法，它利用一种常见的、安全的光源——普通白光来进行测量。白光测量的简便性和精确性，使其成为许多测量应用的首选测量系统。
    结构白光测量系统通过一个二维透镜组，将一些线条的影像投射到三维表面上。这些影像由普通的覆盖幻灯片或数字投影机产生。摄像头采集这些二维线条在三维被测物体上产生的畸变，然后通过复杂的数学运算，提供整个被测表面的点云数据。
    由德国光学测量公司（GOM）生产的白光测量系统——ATOS（Advanced Topometric Sensor）于1995年首次实现了商业化应用，并通过30个国际分销商，在全球范围内销售了2,500套ATOS系统。GOM测量设备北美分销商和系统集成商Capture3D公司的Marc Demarest解释说，“这种测量设备不算什么新东西，但对许多人来说，却还很陌生。ATOS测量系统采用结构白光，利用外差相移算法来提取三维数据点。该系统采用一台中心光源投影机，在其两侧安装有两台成像摄像机。这种立体布局有利于采集深度数据，以及保护测量过程和数据安全。”
    ATOS技术提供了5种配置，每次扫描能采集800K－4M数据点，不到1秒钟就能完成一次扫描。通过调整扫描点数，可以获得不同的数据点密度和测量精度。例如，最小扫描视场为30×30mm，对应的数据点密度为0.015mm；最大扫描视场为2000×2000mm，对应的数据点密度为1.0mm。Demarest解释说，“大体来说，对于与你的手差不多大小的物体，ATOS的测量精度在25µm（1σ）左右；而对于像汽车车身大小的物体，你可以期待的测量精度约为125µm（1σ）。”
    校准靶——贴在被测物体上的带黑点白色圆环——有助于更有效地提取数据，并将多个视图合成为一组数据。“近年来，随着ATOS测量软件的发展，采集数据已不需要校准靶。系统软件利用模型数据同样能达到目的。”Capture3D公司还提供带校准靶的定位框架，可将被测工件框在其中，这样就不再需要在被测物体上粘贴校准靶。
    Demarest指出，与其它扫描测量系统（如激光扫描仪）类似，ATOS技术非常适合测量外形复杂或平滑变化的物体，如涡轮叶片、汽车车身、各种飞机零件或医疗设备——甚至各种玩具。该技术的典型应用包括首件检查、CAD比较、根源分析、逆向工程，以及冲压模具纹路识别，等等。尽管这些都是扫描测量类技术的典型应用，但结构白光测量与激光扫描仪之间仍有区别。他解释说，“结构白光测量获得的数据往往比较平滑，没有太多噪声或结构变化，而且，一般来说，其扫描速度更快。有时，人们会误以为自己看到的数据是初始设计的CAD数据。”
    根据各方面的报告，无论是在质量控制还是生产环境中，都可以使用结构白光测量系统。与许多光学扫描系统一样，由于扫描线的局限性，白光系统在测量较深的缝隙和凹腔时比较困难。为解决这个问题，GOM为其白光测量系统提供了一个带校准靶的手持接触式测头附件。
    德国的Breuckmann公司是另外一家结构白光测量系统供应商，这种系统利用一种微型投影技术（MPT），将“斑马条纹”图像转换为三维测量数据。该产品的北美分销商Exact Metrology公司将白光系统用作多种测量手段之一，公司服务部总经理Matt Cappel说，“我们使用11种不同的测量技术，包括便携式关节臂坐标测量机、激光扫描仪、光学跟踪仪，以及Breuckmann的结构白光测量系统。”
    根据这种使用经验，他认为，结构白光系统最适合测量他所说的“连续表面”零件。这些零件包括涡轮叶片，或整形外科用的植入件——为了精确定义其复杂外形，需要扫描测量许多数据点。“对于那些具有锐利直线，或明确定义的截面和凹槽的棱柱形零件，采用接触式测头坐标测量机通常测量效果更好，测量速度也更快。扫描测量方法（如激光扫描或白光测量）对锐利棱边的测量通常比较困难。”
    实际上，对于结构白光系统来说，测量具有反光表面或交替变换颜色的物体也会产生一些问题。Cappel说，“通常，任何结构白光系统都最适合测量表面为灰色或白色的物体。”他表示，Breuckmann公司提供了一种针对车间照明条件专门设计的Scan 3D-HE立体扫描装置，以适应被扫描物体表面的不同颜色。该装置提供了很大的视场范围，可覆盖从60－950mm的6种测量范围。Cappel还指出，校准靶也是Breuckmann测量设备的一个功能选项。
    Exact Metrology公司提供的测量系统通常包括由美国国家标准与技术学会（NIST）认证过的标准件，用于测量现场的经常性校准。Cappel解释说，“对于结构白光测量系统，我可以每次换班都进行校准，只要愿意，甚至可以更换每个镜头。对于其它测量系统（如激光扫描仪），你可以确定传感器是否正常，但如果其误差超出了校准值，就必须将其送回制造厂进行调校。”他介绍说，在一次全面的测量重复性与再现性研究中，Breuckmann 5.0型立体扫描仪在775mm×775mm的视场中，测量精度为50.8µm（3σ）；在42mm×42mm的视场中，精度达到12.7µm（3σ）。“Breuckmann高端测量系统每次扫描可以采集多达660万个数据点，扫描时间通常约为10秒钟，取决于不同的测量任务和所用系统。”
    德国的Steinbichler公司是另一家结构白光扫描系统制造商，其美国分销商Bolton Works公司的Mark Bliek表示，“通常，结构白光扫描装置比较适合应对高分辨率、高精度的测量要求。”他指出，由于结构白光扫描仪在测量时是静止不动的，因此一般来说，其测量精度比激光扫描仪更高。“用激光扫描仪采集数据时，需要不断跟踪记录传感器与工件之间的相对位置。”而这会导致测量精度下降。手持式激光扫描仪的优势是，它们通常使用更灵活，测量速度更快。
    然而，结构白光测量系统还无法取代三坐标测量机，Bliek解释说，“三坐标测量机仍然是几何量质量控制的主力。三坐标测量机的校准可以溯源到美国国家标准与技术学会（NIST）基准，因此，检测行业对使用三坐标测量机进行测量已经非常适应。一般来说，三坐标测量机的测量不确定度要小于扫描测量仪。有更多的不确定因素可能会影响扫描设备的测量结果——操作人员、照明条件、表面反射率、表面扫描倾角，等等。”他接着说，虽然这些评价可能会起到一定警示作用，但采用白光扫描设备的优势还是相当明显，前景光明——尤其是当价格降下来以后。在采集有用的数据时，操作者无需知道工件的关键尺寸；扫描仪采集的大量数据点不仅可用于提取尺寸，而且有助于查明尺寸超差的原因，就像一个人可以考察周边区域一样。
    干涉测量技术是可用白光替代激光的又一例证。例如，Zygo公司提供了围绕扫描白光干涉测量（SWLI）技术开发的NewView 700和NewView 7000系列表面轮廓仪。该公司主管John Roth说，“SWLI技术是在激光干涉测量技术推出以后才开发的。对于粗糙表面，激光干涉技术往往无法测量。SWLI技术非常适合测量小型精密零件，而激光干涉技术适合测量光滑平整的表面，如玻璃。”Zygo仪器适用的视场范围从小于3.5mm到25mm，测量精度达到亚纳米级，其检测的典型机械零件包括汽车精密零件（如燃油喷嘴）。
    Zygo高级应用工程师Mike Schmidt表示，“我们在全球范围的精密加工业务有很大一部分在汽车制造业，包括柴油发动机的超精加工零件或汽油发动机的密封表面。”Zygo开发了一种能测量内部深孔或进气孔（尤其是高压进气孔）的光学转换器。此外，为了提供精确的尺寸数据，还可以选择与机器视觉技术相结合，以充分利用通过SWLI技术获得的三维数据。“在某些测量中，SWLI技术能提供比机器视觉技术更好的尺寸测量，因为我们利用了高度信息。”他认为，目前的发展趋势包括，开发能在一台仪器上完成多种测量的系统。“对于各种不同的测量任务，客户认为，一次安装完成多种测量的能力极具价值。我们的测量系统就像瑞士军刀一样，配备了多种物镜，可以通过一次安装，测出工件的表面粗糙度、波度或平面度。”
    美国Optical Gaging Products（OGP）公司对白光干涉测量技术进行了改造，开发出其测量产品经理Tom Groff称为的“类白光干涉测量仪”。他解释说，“这种TeleStar TTL传感器并不完全是一种激光干涉仪，因为它利用了多种波长。”它利用干涉技术来测量距离，同时又具有该公司基于视频测头的多传感器测量系统的TTL（通过镜头取景）激光测量功能。Groff认为，它的优势包括，具有比其他精度相当的非接触式传感器更长的工作距离。该系统可用于测量透明表面，并利用跳光反射镜来检测工件的凹腔和内部特征，其工作距离范围为19－200mm，精度范围为2.5－4µm。Groff指出，“采用真正的激光或其他白光测量技术时，并不太适合使用反射镜，因为这些反射镜的失真会影响测量结果。”他认为，该技术特别适合用于测量复杂的棱形零件，如铸件上的O型环槽。它的光斑尺寸很小（2.4－10µm），使其能够检测用其他测头和传感器很难测量的小而深的孔。
    白光测量技术的另一种应用方式是，利用色差原理获得精确的测量结果。这种技术通过一组起棱镜作用的镜头，将白光分解为各种色光，每种色光聚焦于相距被测表面的不同距离处。检测装置通过确定色光来测量距离。这种传感器通常是作为多传感器测量系统的组成部分之一。
    OGP公司的Groff说，“我们提供的Rainbow测头有多种型号，如Rainbow CL3测头的轴向（高度）分辨率为0.025µm，最高精度达0.2µm（3σ）。”但他很快指出，使用该测头需要考虑测量范围——能够获得精确测量结果的Z向距离——它是调焦距离或焦点范围的函数。另一个需要考虑的因素是工作距离，即从物镜到被测工件的距离。例如，Rainbow CL3测头在工作距离为12.7mm时，测量范围为1.1mm。工作距离和测量范围较大的测头其分辨率和测量精度通常较低——Rainbow CL6测头在20mm的工作距离内，精度为3µm。“不同的Rainbow测头可应用于特定的测量。它们可以检测透明表面，如玻璃和薄膜。由于它们可以检测被测表面的顶面和底面，因此，它们可以测量没有梯度的薄膜厚度。”
    海克斯康（Hexagon）旗下的Optiv品牌也提供基于色差原理的彩色白光传感器（WLS），用于其Optiv多传感器测量系统。海克斯康的视觉测量专家Buck Burgraff介绍了这种传感器的其他优势：“与激光扫描仪相比，我们的WLS扫描仪具有更好的测量柔性。例如，它比单点激光的扫描速度更快，能够扫描更陡峭的倾斜表面，可以扫描孔隙，你不仅能检测透明表面，而且其检测光泽表面或暗黑表面的效果比激光更好。”WLS扫描仪的测量范围/工作距离范围为300µm/4.5mm－10mm/75mm，分辨率可达到0.01µm。“我们的WLS测量系统大多用于检测整形外科植入件和汽车制造业。我们有一个客户将其用于接骨螺钉的逆向设计。”