專利名稱：可同時(shí)投射多相移圖案而對(duì)物體進(jìn)行三維檢測(cè)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維檢測(cè)物體的方法。本發(fā)明具體涉及可同時(shí)將多相移圖案投射到物體上以便對(duì)其進(jìn)行的三維檢測(cè)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，可采用干涉方法來進(jìn)行物體的三維測(cè)量或測(cè)量物體的高度(凹凸度)的變化。一般說來，這些方法在于在物體的表面上產(chǎn)生干涉圖案，然后分析得到的干涉測(cè)量圖像(或干涉圖)，可得到物體的凹凸度。該干涉測(cè)量圖像一般包括一系列的黑白條紋。
需要應(yīng)用激光來產(chǎn)生干涉測(cè)量條紋的干涉測(cè)量法一般稱作“經(jīng)典干涉測(cè)量法”。在這種經(jīng)典方法中，激光的波長(zhǎng)和測(cè)量組件的結(jié)構(gòu)一般決定得到的干涉圖的周期。經(jīng)典干涉測(cè)量法一般用在可見光譜中，測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的高度變化。
然而在可見光譜中用這種方法測(cè)量表面上的為0.5～1mm的高度變化時(shí)將會(huì)產(chǎn)生困難。因?yàn)闇y(cè)量得到的干涉圖的黑白條紋的密度增加，造成分析非常麻煩。
經(jīng)典干涉測(cè)量法的另一缺點(diǎn)是，這些方法需要對(duì)噪音和震動(dòng)特別敏感的測(cè)量組件。
與經(jīng)典干涉測(cè)量方法的準(zhǔn)確度相比，基于Moire干涉測(cè)量法的三維檢測(cè)方法在可見光譜范圍內(nèi)可以更準(zhǔn)確地測(cè)量物體。這些方法是基于分析1)在配置于待測(cè)物體上面的格柵和物體上的陰影之間得到的拍頻(Moire陰影法)或2)在格柵于物體上的投影和另一格柵之間得到的拍頻(Moire投射法)，該另一格柵配置在物體和用來照相最后干涉圖的照像機(jī)之間。在兩種情況下，在兩個(gè)格柵之間的拍頻將產(chǎn)生所得到的干涉圖的條紋。
具體是，Moire陰影法包括將格柵配置在待測(cè)物體附近的步驟、并從與物體平面形成的第一角度(例如45°)進(jìn)行照明，然后用配置在第二角度(例如與物體的平面成90°)照相機(jī)照相該干涉圖。
因?yàn)楦駯藕臀矬w之間的距離變化，所以高度的這種變化將使干涉圖的圖案發(fā)生變化?？梢苑治鲞@種圖案的變化，得到物體的凹凸度。
應(yīng)用Moire陰影法來測(cè)量物體凹凸度的缺點(diǎn)是格柵必須很靠近物體配置，以便獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣對(duì)測(cè)量組件安裝造成限制。
Moire的投射法類似于Moire的陰影法，因?yàn)榕渲迷谡障鄼C(jī)和物體之間的格柵其作用類似于Moire陰影法中格柵陰影的作用。然而Moire投射法的另一個(gè)缺點(diǎn)是它需要很多調(diào)節(jié)，因此一般造成不準(zhǔn)確的結(jié)果，因?yàn)樗枰ㄎ缓透檭蓚€(gè)格柵。另外，第二格柵趨向于阻擋照相機(jī)，從而妨礙照相機(jī)同時(shí)用來攝取其它測(cè)量像。
應(yīng)用基于“相移”干涉測(cè)量法的方法可以在將圖案投射到物體以后通過分析許多物體像的相位變化來測(cè)量物體的凹凸度。每個(gè)像對(duì)應(yīng)于格柵相對(duì)于物體的位置變化，或?qū)?yīng)于產(chǎn)生圖案的任何其它裝置相對(duì)于物體的位置變化。
在干涉測(cè)量圖像上每個(gè)像元(x、y)的強(qiáng)度I(x，y)由以下方程確定I(x，y)＝A(x，y)+B(x，y)·cos(Δφ(x，y))(1)其中Δφ是相位變化(或相位調(diào)制)，而A和B是對(duì)每個(gè)像元計(jì)算的系數(shù)，在Coulombe等的題為“測(cè)量物體凹凸度的方法和系統(tǒng)”的PCT申請(qǐng)NO.W0 01/06210中說明一種采用至少三個(gè)干涉像來測(cè)量物體高度的方法和系統(tǒng)。實(shí)際上，因?yàn)榉匠?1)包含三個(gè)未知數(shù)即A、B和Δφ，所以需要每個(gè)像元的三個(gè)強(qiáng)度I1、I2和I3即需要三個(gè)像來計(jì)算相位變化Δφ。由于已知相位變化，所以可以用以下公式計(jì)算在每個(gè)點(diǎn)h(x，y)相對(duì)于基準(zhǔn)表面的物體高度分布(凹凸度)(見

圖1)h(x，y)＝Δφ(x，y)·p/2π·tan(θ)(2)式中p是格柵的節(jié)距，而θ是如上所述的投射角。
由Coulombe等用的三個(gè)像對(duì)應(yīng)于格柵相對(duì)于物體表面的小平移。格柵的位移這樣選擇，使得在像中產(chǎn)生相位變化。Coulombe等提出用一種系統(tǒng)獲得像，該系統(tǒng)可使格柵相對(duì)于待測(cè)物體運(yùn)動(dòng)。這種系統(tǒng)的一個(gè)小缺點(diǎn)是，它需要使格柵在像的各次攝像之間移動(dòng)，從而增加了拍攝像的時(shí)間。在例如用這種系統(tǒng)來檢測(cè)生產(chǎn)線上的運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，這是特別有害的。更一般地講，在這種系統(tǒng)中，任何運(yùn)動(dòng)部件將增加不準(zhǔn)確的可能性以及損壞的可能性。
因此，需要一種沒有上述先有技術(shù)缺點(diǎn)的三維檢測(cè)物體的方法和系統(tǒng)。
發(fā)明概要具體是，本發(fā)明提供一種三維圖象攝取裝置(grabber)，該裝置包括用于將至少兩個(gè)相移圖案投射到物體上的圖案投射組件；各個(gè)投射像的特征在于預(yù)定的帶寬；以及對(duì)預(yù)定帶寬敏感的像獲取裝置，用于同時(shí)攝取在物體上各個(gè)投射圖案的像。
本發(fā)明的另一方面提供一種測(cè)量物體凹凸度的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于同時(shí)將至少三個(gè)相移圖案投射到物體上的圖案投射組件；各個(gè)投射組件的特征在于預(yù)定帶寬；對(duì)該預(yù)定帶寬敏感的像獲取裝置，用于攝取在物體上至少三個(gè)相移投射圖案中各個(gè)圖案的像；各個(gè)像包括許多具有強(qiáng)度值的像元；控制器，該控制器構(gòu)成為可以a)從該像獲取裝置接受至少三個(gè)投射在物體上的圖案像；b)采用相應(yīng)像元的至少三個(gè)物體強(qiáng)度值計(jì)算各個(gè)像元的物體相位；c)采用在相應(yīng)像元位置的物體相位計(jì)算在各個(gè)像元位置的物體凹凸度。
本發(fā)明的系統(tǒng)最好用于檢測(cè)鉛的共面性(lead coplanarity)。
本發(fā)明再一方面是提供一種測(cè)量物體凹凸度的方法，該方法包括以下步驟同時(shí)將至少三個(gè)相移圖案投射到物體上a)攝取物體上至少三個(gè)相移圖案中各個(gè)圖案的像，從而收集像上各個(gè)像元位置的強(qiáng)度值；b)用相應(yīng)像元的至少三個(gè)物體強(qiáng)度值計(jì)算各個(gè)像元位置的物體相位；c)用在相應(yīng)像元位置的物體相位計(jì)算在各個(gè)像元位置的物體的凹凸度。
本發(fā)明實(shí)施例的用于測(cè)量物體凹凸度的系統(tǒng)和方法是有利的，因?yàn)檫@種系統(tǒng)和方法能夠用固定部件檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的物體。
下面參考附圖，閱讀以下僅作為舉例的優(yōu)選實(shí)施例的非限制性說明可以明顯看出本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)要說明這些附圖是圖1是示意圖，示出將格柵投射到物體上；圖2是示意圖，示出本發(fā)明實(shí)施例的用于測(cè)量物體凹凸度的系統(tǒng)；圖3是示意圖，示出本發(fā)明第一實(shí)施例的圖2所示的三維圖象攝取裝置；圖4是示意圖，示出本發(fā)明實(shí)施例的光譜分離裝置；圖5是示意圖，示出本發(fā)明第二實(shí)施例的圖2所示的三維圖象攝取裝置；圖6是示意圖，示出本發(fā)明第三實(shí)施例的圖2所示的三維圖象攝取裝置；圖7是示意圖，示出本發(fā)明第四實(shí)施例的圖2所示的三維圖象攝取裝置；圖8是方塊圖，示出本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量物體凹凸度的方法。
優(yōu)選實(shí)施例說明回到附圖的圖2和3，說明本發(fā)明實(shí)施例的用于測(cè)量物體凹凸度的系統(tǒng)10。
用于測(cè)量物體10凹凸度的系統(tǒng)包括格柵投射組件11、像獲取裝置12和形為計(jì)算機(jī)14的控制器，該控制器最好裝有存儲(chǔ)裝置16、輸出裝置18和輸入裝置20，這些裝置和格柵投射組件11與像獲取裝置12一起構(gòu)成三維圖象攝取裝置(以后稱作為“3D攝取裝置”)15。下面詳細(xì)說明這種攝取裝置。
該計(jì)算機(jī)14最好設(shè)計(jì)成可以處理由系統(tǒng)15得到的像，并通過分析這些像來測(cè)量物體30的凹凸度(見例如圖3)。
如要進(jìn)一步說明的，最好用本發(fā)明實(shí)施例的方法來進(jìn)行像的處理和物體30凹凸度的測(cè)量。然而，也可以采用其它方法而不會(huì)違背本發(fā)明三維圖象攝取裝置的精神和特征。
該計(jì)算機(jī)14最好裝有存儲(chǔ)器裝置，這些存儲(chǔ)裝置可以在用計(jì)算機(jī)14處理這些像時(shí)儲(chǔ)存這些像，從而增加處理速度。
儲(chǔ)存裝置16可以是例如硬盤、可讀寫的CD-ROM驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)盤或其它已知的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置。這些儲(chǔ)存裝置可以直接連接于計(jì)算機(jī)14，或可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)例如因特網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離連接。按照本發(fā)明的實(shí)施例，儲(chǔ)存裝置16可用來儲(chǔ)存由像獲取裝置12攝取的像、物體30的凹凸度以及其它的中間結(jié)果。這些文件可以以計(jì)算機(jī)14能讀出的很多格式和分辨率儲(chǔ)存起來。
輸出裝置20可以使像變成可目視的像，并且使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)變成可目視的數(shù)據(jù)，這種輸出裝置20可以為各種形式，從顯示器到印刷裝置。
輸入裝置18可以是常規(guī)的鼠標(biāo)器、鍵盤或其它任何已知的輸入裝置，或?yàn)檫@些輸入裝置的聯(lián)合裝置，這些輸入裝置可以將數(shù)據(jù)和指令輸入到計(jì)算機(jī)14。
計(jì)算機(jī)14可以是常規(guī)個(gè)人計(jì)算機(jī)，或是包含處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出口(未示出)的其它任何處理機(jī)。該輸入/輸出口可以包括網(wǎng)絡(luò)的連接，以便將像傳送到存儲(chǔ)裝置16或從存儲(chǔ)裝置16中輸出。
當(dāng)然，計(jì)算機(jī)14可以運(yùn)行測(cè)量物體凹凸度方法的軟件，如下面將說明的。
下面具體參考附圖的圖3，更詳細(xì)說明本發(fā)明第一實(shí)施例的3D攝取裝置15。
格柵投射組件11包括照明組件22、裝在支承件(未示出)上的格柵24以及投射器28。
該照明組件22最好包括通過格柵24投射的白光光源34。光源34例如是輸送白光光源(未示出)白光的光導(dǎo)纖維(未示出)的端部。在光源34和格柵24之間最好還應(yīng)用非球面透鏡36或其它任何聚光鏡?？梢韵嘈牛夹g(shù)人員可以想象出其它的在本發(fā)明精神范圍內(nèi)的照明組件?；蚩梢杂醚b在框架內(nèi)的任何圖案替代該格柵。
按照本發(fā)明的第一實(shí)施例，照明組件22還包括位于照明組件22和格柵24(見圖4)之間的光譜分離器(或“分光器”)35。光譜分離器35被設(shè)計(jì)成可以將光源34產(chǎn)生的白光37分光成至少兩個(gè)不同的單色光(在圖4中三種形式虛線中的各種虛線代表單色光)，或?qū)⒐夥殖蓛蓚€(gè)不重疊的帶寬。
當(dāng)然，如果要采用相移方法應(yīng)用3D像攝取裝置15、17、19和21的其中一個(gè)裝置來測(cè)量物體的凹凸度，則它們應(yīng)當(dāng)被改變成可以同時(shí)投射至少三個(gè)相移的格柵，如上面說明的那樣。
或還可以應(yīng)用能將白光分解成許多單色光或兩個(gè)不重疊帶寬的任何裝置。
另外，也可以用包含許多單色光的非白光光源來替代白光光源。
因?yàn)楫a(chǎn)生這些結(jié)果的裝置被認(rèn)為在這種技術(shù)中是眾所周知的，所以在本文中將不再詳細(xì)說明這些裝置。
格柵24的結(jié)構(gòu)可以隨適合于測(cè)量物體30凹凸度所需的分辨率的變化而改變。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有250條刻線/英寸的ronchi格柵(ronchiruling)可以測(cè)量電路板的鉛共面性，其中，要求的分辨率約為1mm。
最好應(yīng)用形狀為50mm的電視透鏡的投射器28來將格柵投射在物體36上。
使白光光源34投射通過光譜分離器35和格柵24這種方法有利于可以同時(shí)將至少兩個(gè)單色相移的格柵投射到物體30上。
光譜分離器35可以用將白光分解成連續(xù)光譜的棱鏡式裝置取代。在本例子中，像獲取裝置12可以作成為對(duì)單個(gè)的波長(zhǎng)敏感。
在光的入射方向(圖2的虛線42)和像獲取裝置的視線(圖2的虛線44)之間的角度θ可以根據(jù)待測(cè)量物體的特性。
我們認(rèn)為，技術(shù)人員有能力相對(duì)于物體30定位該照明組件22、格柵24和格柵投射器28，從而在物體30上形成具有要求節(jié)距p的投射格柵。
例如具有250條刻線/英寸密度的在物體30和投射器28之間的距離43為22cm的角度θ為30°ronchi格柵可以形成節(jié)距p為0.5mm投射格柵。這種節(jié)距相當(dāng)于在物體30表面上約1mm的高度變化。
很明顯，投射格柵的節(jié)距隨格柵24的節(jié)距變化。
應(yīng)當(dāng)注意到，該系統(tǒng)10在照相機(jī)46和物體30之間不需要格柵。這種優(yōu)點(diǎn)下面說明。
或者格柵投射組件11可以作成能夠投射取代格柵24的包含特有設(shè)計(jì)半透明板的任何其它圖案。
像獲取裝置12包括具有像元陣列的攝像機(jī)46，該攝像機(jī)最好為彩色CCD(電荷耦合器件)攝像機(jī)，該攝像機(jī)被作成為對(duì)投射格柵的波長(zhǎng)敏感。這種攝像機(jī)中的各種攝像機(jī)可以提供例如1300×1024個(gè)像元的分辨率。
該像獲取裝置12可以包括遠(yuǎn)心透鏡48，該透鏡48最好通過可選擇性伸縮管50裝在攝像機(jī)46上。
該像獲取裝置12的結(jié)構(gòu)以及在該裝置12和物體30之間的距離決定該像獲取裝置12的視場(chǎng)。或可以通過使攝像機(jī)46與物體30分開適當(dāng)?shù)木嚯x達(dá)到要求的視場(chǎng)，而不用伸縮管50。
像獲取裝置12允許同時(shí)攝取投射在物體30上的許多相移投射格柵的像。
應(yīng)當(dāng)注意到，系統(tǒng)10包括調(diào)節(jié)支承裝置(未示出)，以便使像獲取裝置12和格柵投射組件11彼此相對(duì)定位和相對(duì)于定位物體30定位?；蚩梢圆捎闷渌臏?zhǔn)直裝置，這不超出本發(fā)明的特征和精神。
現(xiàn)在參考圖5，說明3D攝取裝置17的第二實(shí)施例。因?yàn)樵诘诙偷谝粚?shí)施例之間的唯一差別是像獲取組件，為了簡(jiǎn)明起見，下面只說明這種差別。
該像獲取裝置12′包括三個(gè)攝像機(jī)46，每一個(gè)均為CCD攝像機(jī)。
應(yīng)用半透明的反射鏡和濾光器52～56可使物體在θ角反射的光變向，射到三個(gè)CCD攝像機(jī)46中的一個(gè)攝像機(jī)。該濾光器可以分別對(duì)待對(duì)應(yīng)于三個(gè)投射格柵的波長(zhǎng)。
具體是，第一半透明反射鏡52被結(jié)構(gòu)成可以反射預(yù)定投射在第一攝像機(jī)46上的第一波長(zhǎng)，而使其余的包含第二和第三波長(zhǎng)的光穿過它。第二波長(zhǎng)的光由第二半透明反射鏡反射到第二攝像機(jī)46上，該第二半透明反射鏡被選擇為可以讓第三波長(zhǎng)的光通過它。第三反射鏡56將具有第三波長(zhǎng)的光反射到第三攝像機(jī)46上。
這些CCD攝像機(jī)46中各種攝像機(jī)最好包括允許獲得上述結(jié)果的濾光器。
還應(yīng)當(dāng)注意到，在兩種像獲取裝置12和12′中該CCD攝像機(jī)可以用CMoS(互補(bǔ)金屬-氧化物-硅)裝置代替。
雖然像獲取裝置12和12′已經(jīng)說明為作為可以分別對(duì)待單色光，但是可以認(rèn)為，改變這些裝置來分別對(duì)待具有預(yù)定帶寬的光是在技術(shù)人員可以想出的范圍內(nèi)。
下面參考圖6，說明獲得相移像的系統(tǒng)19的第三實(shí)施例。因?yàn)樵诘谌偷诙?shí)施例的唯一區(qū)別是投射組件，為簡(jiǎn)明起見，下面更詳細(xì)說明這些唯一的差別。
投射組件11′包含三個(gè)格柵投射裝置，各個(gè)投射裝置包括具有格柵24的光源以及類似于圖3或圖5組件的投射器28，差別在于光源34′、34″和34不是白光光源，而是發(fā)射具有彼此不同預(yù)定波長(zhǎng)光線的光源。
光源產(chǎn)生的各個(gè)光線沿入射方向(虛線42′、42″和42)入射，然后用反射裝置使入射線改變到沿著入射路徑42，該反射裝置包括反射鏡58和62以及半透明的反射鏡60和64。因?yàn)檫@種反射鏡裝置被認(rèn)為是技術(shù)人員可以想到的，所以下面不詳細(xì)說明。
為了使各個(gè)投影格柵的節(jié)距p保持恒定，可以改變各個(gè)圖案投射裝置與物體的縱向距離?；虍?dāng)不能保持這種恒定節(jié)距p時(shí)，在應(yīng)用得到的像來計(jì)算物體的凹凸度時(shí)，必須考慮列入射線的程差。
很明顯，投射組件11′和像獲取裝置12可以組合成本發(fā)明3D攝取裝置21的第四實(shí)施例(見圖7)。如上述頭三個(gè)實(shí)施例的情況那樣，該系統(tǒng)21仍可以將三個(gè)相移圖案同時(shí)投射在物體上，然后可以同時(shí)攝取這三個(gè)投射圖案的像。
雖然系統(tǒng)15、17、19和21被說明為作成可以同時(shí)投射三個(gè)圖案，但是本發(fā)明的3D攝取裝置可以作成和用來同時(shí)投射兩個(gè)以上任何數(shù)目的圖案。
應(yīng)當(dāng)注意到，即使圖6和7例示出三個(gè)圖案投射裝置，但是可以認(rèn)為，改變本發(fā)明的3D攝取裝置使其可以同時(shí)投射超過兩個(gè)的任何數(shù)目圖案是技術(shù)人員可以想出的。
下面參照附圖的圖8，詳細(xì)說明用于測(cè)量物體凹凸度的本發(fā)明實(shí)施例的方法。
一般說來，用以下的步驟來測(cè)量物體30的凹凸度100-同時(shí)將至少三個(gè)相移的格柵投射到基準(zhǔn)物體上；102-同時(shí)攝取在基準(zhǔn)物體上各個(gè)相移格柵的像，以收集像的各個(gè)像元的強(qiáng)度值；104-用這些強(qiáng)度值計(jì)算基準(zhǔn)像各個(gè)像元的相位；106-用待測(cè)物體30取代基準(zhǔn)物體，然后重復(fù)步驟100～104；108-利用每個(gè)像元的相應(yīng)相位對(duì)各個(gè)像元計(jì)算物體30和基準(zhǔn)物體之間的高度差；110-用在各個(gè)像元的高度差確定各個(gè)像元的物體的凹凸度。
下面參照第一例子進(jìn)一步說明這些一般步驟，在該第一例子中待測(cè)的物體是結(jié)合于板上的鉛球。然而，還應(yīng)當(dāng)注意到，本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量物體凹凸度的方法可以測(cè)量其它三維物體的凹凸度。
由于選擇平滑的板作基準(zhǔn)物體，所以在物體和基準(zhǔn)物體之間的高度差別將是該鉛球的高度。物體62和基準(zhǔn)物體的共同部件在此例子中是板。
在步驟100中，可利用系統(tǒng)10同時(shí)將三個(gè)相移的格柵投射到平滑的板上。如上面說明的，該系統(tǒng)10包括使格柵(或多個(gè))24和攝像機(jī)(或多個(gè))46相對(duì)于基準(zhǔn)物體(以及隨后的物體)對(duì)準(zhǔn)和固定的裝置。
還可以應(yīng)用系統(tǒng)10同時(shí)攝取在基準(zhǔn)物體上的三個(gè)相移格柵的各個(gè)像(步驟102)。
各個(gè)像包括像的各個(gè)像元的強(qiáng)度值。計(jì)算機(jī)14儲(chǔ)存用于將來處理要用的三個(gè)強(qiáng)度值。
應(yīng)當(dāng)注意到，由系統(tǒng)10得到的相移像的最小數(shù)目是三個(gè)，因?yàn)楣?1)包括三個(gè)未知數(shù)即A、B和Δφ，因此需要各個(gè)像元的三個(gè)強(qiáng)度值I1、I2和I3來計(jì)算相位變化Δφ。
用系統(tǒng)10特別是3D攝取裝置15(或17、或19、或21)可以獲得投射在物體上的相移格柵的像，該像類似于在每次攝像之間平移格柵所成功獲得的像。
這樣便產(chǎn)生攝像機(jī)46像元陣列各個(gè)像元的三個(gè)類似于方程(1)的方程In＝A+B·cos(Δφ+Δφn) (2)其中n＝1，3解方程組(2)可以得到Δφ的值，三個(gè)投射格柵的波長(zhǎng)被選擇為最好提供不同的Δφ1、Δφ2和Δφ3。
在步驟104中，相位用各個(gè)像元的三個(gè)強(qiáng)度值通過解方程(2)進(jìn)行計(jì)算。利用常規(guī)的例如數(shù)值方法可以解此方程。解這種方程組的數(shù)值方法可以認(rèn)為在這種技術(shù)中是周知的，因此不再詳細(xì)說明。
因?yàn)閳D8所示的方法需要至少三個(gè)像來測(cè)量物體的凹凸度，所以得到三個(gè)以上的像則允許在每個(gè)像元的四個(gè)可利用值之中選出三個(gè)最好值來計(jì)算相位。實(shí)際上，大多數(shù)計(jì)算物體凹凸度的方法需要四個(gè)值，但在可利用四個(gè)像和其中一個(gè)是最大的或有噪音時(shí)，則沒有機(jī)會(huì)選擇最佳值。
當(dāng)用圖8的方法來檢測(cè)一系列的物體時(shí)，最好在檢測(cè)之前對(duì)基準(zhǔn)物體只執(zhí)行一次100～104的步驟。這樣可以提高檢測(cè)速度。
可以在對(duì)物體進(jìn)行任何測(cè)量之前首先攝取基準(zhǔn)物體的像。
用待測(cè)物體取代基準(zhǔn)物體后重復(fù)步驟100～104(步驟106)。
因?yàn)橛梦矬w和基準(zhǔn)物體時(shí)執(zhí)行步驟100～104沒有差別，為清楚起見，下面不再針對(duì)物體說明這些步驟。
或可以應(yīng)用計(jì)算物體和/或基準(zhǔn)物體相位的其它方法，這不違背本發(fā)明的精神，這些可替代的方法被認(rèn)為在這種技術(shù)中是周知的，因此不再進(jìn)一步說明。
在步驟108中，對(duì)于如步驟104中得到對(duì)每個(gè)像元計(jì)算物體30和基準(zhǔn)物體之間高度的差別，方法是從已受檢物體的相位減去基準(zhǔn)物體的相位，如從步驟104得到的相位。
還應(yīng)當(dāng)注意到，在步驟104中計(jì)算的物體和基準(zhǔn)物體相位相當(dāng)于想象投影面的表面相位。
當(dāng)進(jìn)行格柵(或多個(gè))24的非平行投射時(shí)，這種想象的投影面變得稍微彎曲。但是，這對(duì)測(cè)量物體凹凸度的本發(fā)明的方法無害，因?yàn)槲矬w和基準(zhǔn)物體的兩種像是用同樣系統(tǒng)10攝取的。
因?yàn)槲矬w和基準(zhǔn)物體在各個(gè)像元的相位對(duì)應(yīng)于物體(或基準(zhǔn)物體)和同一想象投影平面之間的高度差(因?yàn)椴捎镁哂型瑯庸鈱W(xué)裝置的同樣系統(tǒng))，所以這種相位相減便產(chǎn)生物體和基準(zhǔn)物體之間高度的差別。這樣便允許在不同的照明條件下獲取物體和基準(zhǔn)物體的像。
在選擇性步驟110中，可以利用物體和基準(zhǔn)物體之間每個(gè)像元的高度差以及根據(jù)基準(zhǔn)物體的尺寸來確定各個(gè)像元的物體的凹凸度即其高度。
對(duì)于普通技術(shù)人員可以明顯看出，可以利用本發(fā)明實(shí)施例的方法來測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體(一個(gè)是基準(zhǔn)物體)之間的高度差。在這種情況下，可以明顯地不執(zhí)行步驟110。
在某些應(yīng)用中，最好在測(cè)量期間用放置待測(cè)物體的平表面作基準(zhǔn)物體。
在某些應(yīng)用中，最好提供具有準(zhǔn)直系統(tǒng)的系統(tǒng)10，以便有助于將物體和基準(zhǔn)物體相對(duì)于攝像機(jī)定位到已知的位置。實(shí)際上，因?yàn)閷?duì)每個(gè)像元進(jìn)行物體和基準(zhǔn)物體之間的比較，所以準(zhǔn)直系統(tǒng)可以確保比較相應(yīng)的點(diǎn)。
這種準(zhǔn)直系統(tǒng)可以為各種形式，包括在平表面、支柱上的標(biāo)記，或在計(jì)算機(jī)中執(zhí)行的軟件程序。
還應(yīng)當(dāng)注意到，可以首先攝取像，然后在未來的時(shí)間進(jìn)行處理，這不違背本發(fā)明的精神。
閱讀本發(fā)明可以明顯看出，本發(fā)明實(shí)施例的方法可以用白光測(cè)量物體的凹凸度。
雖然已通過測(cè)量球形物體的例子說明本發(fā)明，但是本發(fā)明可以用于檢測(cè)和測(cè)量具有其它形狀的物體。
當(dāng)用系統(tǒng)10來研究物體凹凸度隨時(shí)間變化時(shí)，同一物體也可用作基準(zhǔn)物體。
或者可以利用物體的計(jì)算模式，例如用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)產(chǎn)生的計(jì)算模型取代基準(zhǔn)物體，該計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)實(shí)際上已按照系統(tǒng)10的組合進(jìn)行配置。
雖然上面已通過其優(yōu)選實(shí)施例說明本發(fā)明，但是該實(shí)施例可以修改而不超出如所附權(quán)利要求書確定的本發(fā)明的精神和特征。
權(quán)利要求
1.一種三維圖象攝取裝置，包括用于將至少兩個(gè)相移圖案同時(shí)投射到物體上的圖案投射組件；各個(gè)上述投射圖案的特征在于預(yù)定的帶寬；以及一種像獲取裝置，該獲取裝置對(duì)于上述預(yù)定帶寬是敏感的，用于同時(shí)攝取投射在物體上各個(gè)上述投射圖案的像。
2.如權(quán)利要求1所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，至少一個(gè)上述預(yù)定帶寬包括單一波長(zhǎng)。
3.如權(quán)利要求1所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述圖案投射組件包括含有由照明組件照明的圖案的半透明板、配置在上述板和上述照明組件之間的光譜分離器以及用于將上述照明板投射到上述物體上的投影器；上述照明組件包括白光光源，該光源配置成光可投射通過上述板。
4.如權(quán)利要求3所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述照明組件還包括用于將上述白光光源的光聚光到上述板上的光導(dǎo)纖維和聚光鏡。
5.如權(quán)利要求3所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述半透明板是格柵。
6.如權(quán)利要求1所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述圖案投射組件包括至少兩個(gè)圖案投射裝置和反射裝置；各個(gè)上述圖案投射裝置結(jié)構(gòu)成可以投射具有預(yù)定帶寬的光通過圖案；上述反射裝置結(jié)構(gòu)成可以使上述投射圖案變相向到沿著共同的入射方向。
7.如權(quán)利要求6所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，至少一個(gè)上述圖案投射裝置包括半透明板和投射器，前者包括由照明組件照明的圖案，后者用于將上述照明的板投射到上述反射裝置上；上述照明裝置包括光源，該光源具有預(yù)定的帶寬，并配置成可以投射通過上述板。
8.如權(quán)利要求6所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述投射裝置包括上述反射鏡和上述半透明反射鏡中的至少一種反射鏡。
9.如權(quán)利要求6所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述板是格柵。
10.如權(quán)利要求6所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述圖案投射裝置彼此相對(duì)配置，使得各個(gè)裝置從上述相應(yīng)板到物體具有相同距離。
11.如權(quán)利要求1所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述像獲取裝置包括至少一個(gè)對(duì)上述預(yù)定帶寬敏感的照相機(jī)。
12.如權(quán)利要求11所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述像獲取裝置包括遠(yuǎn)心透鏡。
13.如權(quán)利要求1所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述像獲取裝置包括至少兩個(gè)照相機(jī)，各個(gè)照相機(jī)對(duì)于上述預(yù)定帶寬中的至少一個(gè)帶寬是敏感的。
14.如權(quán)利要求11所述的三維圖象攝取裝置，其特征在于，上述照相機(jī)是從一組攝像機(jī)中選出的，這組攝像機(jī)由電荷耦合器件(CCD)攝像機(jī)和互補(bǔ)金屬-氧化物-硅(CMOS)器件攝像機(jī)組成。
15.一種測(cè)量物體凹凸度的系統(tǒng)，上述系統(tǒng)包括用于同時(shí)將至少三個(gè)相移圖案投射到物體上的圖案投射組件；各個(gè)上述投射圖案的特征在于預(yù)定帶寬；像獲取裝置，該裝置對(duì)于上述預(yù)定帶寬是敏感的，用于攝取在物體上的上述至少三個(gè)相移投射圖案中各個(gè)圖案的像；各個(gè)上述像包括許多具有強(qiáng)度值的像元；以及控制器，該控制器構(gòu)成為a)從像獲取裝置接收上述至少三個(gè)投射到物體上的投射圖案的像；b)用相應(yīng)像元的該至少三個(gè)物體強(qiáng)度值計(jì)算各個(gè)像元的物體相位；c)采用對(duì)應(yīng)像元位置的上述物體相位計(jì)算在各個(gè)像元位置的物體的凹凸度。
16.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述圖案投射組件包括由照明組件照明的格柵、配置在上述格柵和上述照明組件之間的光譜分離器以及用于將上述照明格柵投射到上述物體上的投影器；上述照明組件包括白光光源，該光源配置成光可以投射通過上述格柵。
17.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述圖案投射組件包括至少兩個(gè)圖案投射裝置和反射裝置；各個(gè)上述圖案投射裝置被結(jié)構(gòu)成可以投射具有預(yù)定帶寬的光通過圖案；上述反射裝置配置成可以使上述已投射圖案沿共同的入射方向投射。
18.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述像獲取裝置包括至少一個(gè)對(duì)上述預(yù)定帶寬敏感的照相機(jī)。
19.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述計(jì)算機(jī)包括用于在像處理期間貯存上述像的儲(chǔ)存器裝置。
20.如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其特征在于，上述計(jì)算機(jī)包括至少一個(gè)儲(chǔ)存裝置、輸入裝置和輸出裝置。
21.采用如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)來檢測(cè)鉛錘的共面性。
22.一種用于測(cè)量物體凹凸度的方法，該方法包括以下步驟a)同時(shí)將至少三個(gè)相移圖案投射到物體上；b)攝取投射到物體上的上述至少三個(gè)相移圖案中各個(gè)圖案的像，以采集上述像上像元位置的強(qiáng)度值；c)用相應(yīng)像元的至少三個(gè)物體強(qiáng)度值計(jì)算各個(gè)上述像元位置的物體相位；以及d)用在相應(yīng)像元位置的上述物體相位計(jì)算在各個(gè)像元位置的物體的凹凸度。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，可以同時(shí)攝取上述至少三個(gè)像。
24.一種三維圖象攝取裝置，包括用于將至少兩個(gè)相移圖案同時(shí)投射到物體上的裝置；各個(gè)上述投射圖案的特征在于預(yù)定寬度；以及用于同時(shí)攝取投射到物體上的上述投射圖案中各個(gè)圖案像的裝置；上述像攝取裝置對(duì)于上述預(yù)定帶寬是敏感的。
全文摘要
本發(fā)明說明了一種三維圖象攝取裝置，該裝置可以將多相移圖案同時(shí)投射到物體上，并可以同時(shí)獲取這些相移圖案的像。該三維圖象攝取裝置包括圖案投射組件和像獲取組件。該圖案投射組件包括例如用于在不同單色光的條件下同時(shí)投射許多圖案的光譜分離器或許多光源以及格柵和投射器。該像獲取組件包括例如對(duì)不同單色光敏感的CCD攝像機(jī)或許多具有濾光器的CCD攝像機(jī)，以便采集從物體射來的入射光，該物體由許多相移圖案同時(shí)照明。本文還公開了用上述方法測(cè)量物體凹凸度的方法和系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01BGK1419647SQ01807117
公開日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2001年3月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月24日
發(fā)明者阿蘭·庫(kù)隆布, 米歇爾·坎廷, 亞歷山大·尼基廷 申請(qǐng)人:索爾維森公司