專利名稱：利用光傳播的光學定律，通過單視角光學逆光照相法測量三維物體的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種三維物體，更具體地對可見光透明或至少對這種光半透明的三維物體的不接觸式測量或表征方法。
本發(fā)明尤其適用于-空心且透明的球狀物體(更簡單地稱為“球體”)或者空心且透明的圓柱形物體(更簡單地稱為“圓柱體”)的厚度的無接觸測量；-置于這樣的球體或這樣的圓柱體內的透明層或透明沉積物的厚度的無接觸測量；-這樣的球體或這樣的圓柱體的內表面的變形或粗糙度的無接觸測量；-置于這樣的球體或這樣的圓柱體內的透明層或透明沉積物的變形或粗糙度的無接觸測量；以及-已經形成的這樣的球體或這樣的圓柱體的構成材料的折射率的測量。
背景技術：
為了不接觸地測量三維物體，已知可以使用三維層析X射線照相法(tomography)。
然而，該技術要求在多個入射角下觀察物體，如果物體被置于復雜的底層結構中，這種觀測是不可能的。
如果物體是三維的，已知還可以使用稱為“單視角層析X射線照相法(single-view tomography)”的技術。
根據(jù)后一種技術，通過基于預先選擇的物體模型的計算代碼來形成圖像。
將這樣獲得的圖像與模擬的射線照相術的圖像進行比較，接著將模型重復變形直到模擬的圖像與實驗圖像一致。
重顯(或稱“再現(xiàn)”，reconstruction)是基于物體的旋轉對稱的假設。
因此，單視角層析X射線照相法是一種復雜并難以實施的技術。
另外，為了測量中空球體的厚度和直徑，已知可以使用干涉測量法(interferometry)和X射線照相法。
干涉測量法是一種可以用于復雜底層結構的精確方法，但是其相對難于實施。
當待測量的物體被置于復雜的底層結構中，并且從所述底層結構的外部無法對其進行處理時，無法使用X射線照相法。
因此，對三維且透明(或半透明)物體的尺寸的不接觸式測量面臨很多困難，尤其當測量物體的內部特征時。
背照射逆光照相法(backlit shadowgraphy)描述在下面的文獻中由F.Lamy等人發(fā)明，提交于2003年3月12目的法國專利申請第03 50045號。
然而，該方法要求建立基于通過合適的軟件程序進行的模擬的數(shù)據(jù)表，而該表必須覆蓋待觀察的物體的全部尺寸范圍。數(shù)據(jù)使得可以通過內插法獲得所研究物體的尺寸測量；但是，如果要保持特定的精度，由數(shù)據(jù)表所覆蓋的尺寸范圍越寬，則建立這種表(的時間)越長。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在克服上述缺點。
為此，本發(fā)明采用了一種光學逆光照相測量技術，該技術用于在單視角下表征可觀察的物體，尤其在難以接近這些物體的情況下。另外，本發(fā)明優(yōu)選使用聚焦于所研究物體的平面上的圖象獲取系統(tǒng)。
另外，通過本發(fā)明的方法待表征的物體實質上是中空球體或中空圓柱體。然而，制造球體或圓柱體的方法可以涉及相對于制造所述球體或所述圓柱體的塊狀材料的光學指數(shù)的修正。
本發(fā)明還使得可以克服這個缺點如將要看到的，與合適的方法結合，使得可以確定具有球對稱或圓柱對稱性的物體的折射率。
本發(fā)明的方法具有利用關于光傳播的斯涅耳-笛卡爾(Snell-Descartes)光學定律的優(yōu)點。因此，借助于與光學特征(折射率)以及在物體的逆光照相圖像上的物體尺寸相關聯(lián)的簡單公式直接使用逆光照相觀測。
該方法具有快速和精確的優(yōu)點，使得可以在所使用的測量裝置的分辨率限度內測量尺寸(dimension)變化大的物體，無需考慮物體的大小(size)。
更準確地說，本發(fā)明涉及一種用于三維物體的不接觸測量方法，所述三維物體對可見光是透明或半透明的，所述方法的特征在于-通過與可見光穿過物體傳播相關的斯涅耳-笛卡爾定律，建立將物體的光學幾何參數(shù)與對物體的圖像進行直接觀察得到的結果相關聯(lián)的方程，所述圖像通過單視角光學逆光照相法(或單視角光學逆光攝影法，single-view optical shadowgraphy)用可見光觀察所述物體獲得；-獲取該物體的這種圖像；-進行觀察；以及-使用方程和觀察結果，確定物體的至少一個幾何參數(shù)或光學參數(shù)。
優(yōu)選地，通過使所述圖像獲取系統(tǒng)在所研究物體的剖面上聚焦，利用可見光通過圖像獲取系統(tǒng)獲得圖像。
根據(jù)本發(fā)明，基于物體的平剖面的圖像可以確定中空物體的幾何參數(shù)或光學參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明方法的一種具體實施方式
，物體是中空球體或中空圓柱體，因此，所述物體具有壁；物體的幾何參數(shù)是該壁的厚度，中空球體或中空圓柱體的圖像包括光環(huán)，方程為π2+arcsin(Ran1.R2)-arcsin(Ran1.R1)+arcsin(RaR1)-2.arcsin(RaR2)=0]]>其中n1、R1、R2和Ra分別表示球體或圓柱體的折射率、外半徑、內半徑以及光環(huán)的半徑，其中，球體或圓柱體的外半徑以及光環(huán)的半徑根據(jù)物體的圖像加以確定，n1是已知的，壁的厚度R1-R2根據(jù)球體或圓柱體的外半徑并根據(jù)光環(huán)的半徑借助于方程來確定。
根據(jù)本發(fā)明的一種具體實施方式
，物體是中空的并包含透明或半透明的材料的層或沉積物，確定所述沉積物或所述層的厚度。
在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明方法的另一具體實施方式
，物體是中空球體或中空圓柱體，物體的幾何參數(shù)是層或沉積物的厚度，中空球體或中空圓柱體的圖像包括光環(huán)，方程為π2-arcsin(RaR1)+arcsin(Ran1.R1)-arcsin(Ran1.R2)+arcsin(Ran2.R2)-arcsin(Ran2.R3)=0]]>其中n1、n2、R1、R2、R3和Ra分別表示球體或圓柱體的折射率、層或沉積物的折射率、球體或圓柱體的外半徑、球體或圓柱體的內半徑、層或沉積物的內半徑以及光環(huán)的半徑，其中，球體或圓柱體的外半徑以及光環(huán)的半徑根據(jù)物體的圖像加以確定，而n1、n2、R2是已知的，層或沉積物的厚度R2-R3根據(jù)球體或圓柱體的外半徑以及根據(jù)光環(huán)的半徑借助于方程來確定。
外半徑可以利用方向導數(shù)法確定。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施方式
，物體是中空的并且包括內壁，確定該內壁的變形或粗糙度。
根據(jù)本發(fā)明的另一具體實施方式
，物體是中空球體或中空圓柱體，物體的光學參數(shù)是所述物體的折射率，中空球體或中空圓柱體的圖像包括光環(huán)，方程為π2+arcsin(Ran1.R2)-arcsin(Ran1.R1)+arcsin(RaR1)-2.arcsin(RaR2)=0]]>其中n1、R1、R2和Ra分別表示球體或圓柱體的折射率、外半徑、內半徑以及光環(huán)的半徑，其中，光環(huán)的半徑根據(jù)物體的圖像加以確定，確定R1和R2并在觀察物體的可見光波長處借助于方程來確定折射率n1。
R1和R2通過射線照相法可以確定。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選具體實施方式
，使用了一種光學逆光照相裝置(optical shadowgraphy device)，該裝置包括可見光源、用于準直該光源的裝置以及圖像獲取裝置，該圖像獲取裝置包括光學元件和圖像傳感器，所述光學元件被置于物體與圖像傳感器之間，使得可以在圖像傳感器上形成所研究物體的剖面圖像，并調節(jié)光源的準直。
圖像傳感器可以包括電荷轉移裝置。
本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點其實施成本低，并且實施所必需的材料相對容易地用在復雜的底層結構中，這是由于所述材料限于光源(設置有準直裝置)、光學元件和照相機。


參照附圖，通過閱讀下面具體實施方式
實施例的描述可以更好地理解本發(fā)明，所提供的實施例僅用于說明目的而不是用于限制目的，在附圖中-圖1A和圖1B分別示出了中空球體的實像和模擬圖像；-圖1C示出了圖1B的模擬圖像的半線分布圖(線圖，profile)；-圖2A圖解地示出了光線穿過中空球體的優(yōu)選傳播路徑，該光線是形成存在于圖1A和1B的圖像中的光環(huán)的光源；-圖2B圖解地示出了在中空球體的情況下用于計算各種參數(shù)Ra、R1、R2和n1(其在下面定義)之間關系的幾何學；-圖2C圖解地示出了在涂敷有內層的中空球體的情況下計算Ra、R1、R2、R3、n1、n2之間關系的幾何學；-圖3示出了待處理圖像的徑向分布圖；-圖4是使得可以實施根據(jù)本發(fā)明的方法的裝置的示意圖；-圖5A示出了中空圓柱體的逆光照相圖像；以及-圖5B示出了圖5A的圖像的分布圖。
具體實施例方式
在本發(fā)明中所使用的用于測量物體的測量原理是基于通過可見光逆光照相法對物體的觀察，并結合了用于光傳播的光學模型。
這種測量原理考慮了光在物體所包含的半透明或透明的不同材料中、尤其在物體的不同界面處傳播的物理現(xiàn)象，使得可以將在逆光照相的圖像上進行的直接測量與所研究物體的內部物理尺寸量聯(lián)系起來。
實際上，對于研究平面物體而言，逆光照相法是一種廉價且簡單的測量方法。通過對物體圖像的直接測量，可以知道例如物體的大小。
然而，為了通過逆光照相法研究三維物體，對圖像的直接分析并不提供足夠的信息，這是因為對物體剖面觀察到的圖像不僅是穿過所使用的逆光照相裝置的物鏡的剖面的圖像，也是穿過物鏡和物體本身的剖面的圖像。
如果物體對入射光束的傳播的影響是已知的，有可能發(fā)現(xiàn)所研究剖面的特征。這種影響可以通過幾何光學的方程來描述，其涉及斯涅耳-笛卡爾定律。
我們應該注意，通常用于研究三維物體的層析X射線照相法必須在多個入射角下觀察物體，如果物體被置于復雜的底層結構中，則無法進行這種觀測。
本發(fā)明人尤其對中空球體進行了研究。因為光線在這樣的球體的不同內界面和外界面上被折射和反射，所以難以通過對它們的逆光照相圖像的直接測量來獲知其厚度。
在中空球體的逆光照相圖像上會出現(xiàn)光環(huán)，該光環(huán)由球體中特定光傳播路徑產生。該光環(huán)是根據(jù)本發(fā)明的測量方法所依據(jù)的基本要素。
本發(fā)明人已經發(fā)展了對由多層組成的球體的研究，并且已經證明由于其它尺寸特征已知，可以通過逆光照相法測量最內部層的厚度。
下面，描述本發(fā)明的實施例，由解釋說明在中空球體的圖像中的高亮度白色帶(其是通過單視角光學逆光照相法獲得的)開始。
圖1A圖解地示出了真實中空球體的圖像2。該球體的外半徑為578μm，其厚度為66μm。
也可以形成這樣的中空球體的模擬圖像3(圖1B)。在所考慮的實施例中，模擬球體的外半徑為1000μm，其厚度為100μm。
在圖1A中，觀察到存在光環(huán)4和黑色區(qū)域6(圖1B中的對應部分具有相同的標號)。發(fā)現(xiàn)-白色環(huán)的半徑與中空球體的厚度相關；-黑色區(qū)域的寬度取決于所使用的逆光照相裝置的圖像獲取系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。
為了更好地估計白色帶(或光環(huán))的位置，可以形成模擬圖像的分布圖(或線圖)，所述分布圖以模擬圖像的中心C為其原點，以球體外部的點M為終點，如圖1B的箭頭F所示。在所示的實施例中，距離CM為1.25mm。
圖1C示出了模擬圖像的半線分布圖，以像素(Pix)的數(shù)目為x軸，以振幅(灰階)為y軸(Ampl)。
在該圖1C中，已經確定了光環(huán)4和黑色區(qū)域6。
現(xiàn)在，將考慮幾何光學關系在本發(fā)明中的應用。
由準直的光束穿過透明(或半透明)中空球體的內部產生的光環(huán)可以具有非常復雜的軌跡。像彩虹一樣，每個環(huán)表征為穿過所遇到的屈光面?zhèn)鞑サ哪Ｊ?，其中能量分布根?jù)發(fā)生折射和反射的數(shù)目而變化。
由于所用的觀察物鏡聚焦在中空球體的赤道面中，僅僅需要通過幾何作圖獲得射出光線與所述赤道之間的著點(point of impact)，以便發(fā)現(xiàn)對于給定的傳播路徑所觀察的光環(huán)的位置。
首先，考慮中空“單層”球體，即不含有內層的簡單中空球體的情況。
通過模擬，示出了光線穿過中空球體的傳播路徑，優(yōu)選地示于圖2A中，所述光線是形成存在于圖1A和圖1B的圖像中的光環(huán)的光源。
該圖示出了準直的光源8、所研究的透明中空球體9以及聚焦透鏡10。球體位于光源與所述透鏡之間。球體的圖像借助于透鏡形成在屏幕11上。
圖解地示出對于距透鏡距離2f處的觀測輪廓(observationconfiguration)的光線跟蹤，f為所述透鏡的焦距。
還示出了屏幕11的主視圖，球體的圖像標記為12。在該圖像中所觀察到的光環(huán)標記為13。該環(huán)的半徑表示為Ra。該半徑由透鏡的光軸X計算，該光軸還構成光源8的發(fā)射軸。屏幕11垂直于該軸。球體9的赤道面垂直于軸X，標記為Eq。
如果我們采用相對光源的發(fā)射軸沒有偏離的觀察到的光線作為特定光線，由于對稱性，用于分析確定光環(huán)的半徑Ra、球體的外半徑R1、其內半徑R2以及其折射率n1之間的關系的計算被簡化。
通過用光線跟蹤軟件模擬，可以看出，圖2A的光線跟蹤(raytracing)是所觀察的最強的光環(huán)的特征。
可以簡單地認為光環(huán)的半徑等于來自準直光源的光線的高度，該光源在球體赤道水平處到達球體的內表面。
圖2B示出了用于計算光環(huán)的半徑Ra、中空球體9的外半徑R1、其內半徑R2以及制成所述球體的材料的折射率n1之間的關系的圖示。
然后如下所示，根據(jù)R1、R2和n1進行環(huán)的半徑的計算。
在入射光線遇到的每個屈光面水平應用斯涅耳-笛卡爾折射定律。
通過寫下圖2B中的角度i、θ1和θ2的總和等于90°而獲得R1、R2、n1以及Ra之間的關系。在這種情況下，平行于觀察方向的光線被反射到球體內的屈光面上，準確地說反射到其赤道上。
由此非常容易地得到以下關系π2+arcsin(Ran1.R2)-arcsin(Ran1.R1)+arcsin(RaR1)-2.arcsin(RaR2)=0---(1)]]>考慮到當構成球體材料的特性以及由光源8發(fā)射的光的波長已知則n1已知，當通過逆光照相法測量Ra和R1時，方程(1)的數(shù)值解析(numerical resolution)使得可以確定厚度R1-R2的值。
現(xiàn)在，將考慮中空“雙層”球體的情況。這樣的球體的實施例圖解地示于圖2C中。它是透明或半透明的中空球體14，中空球體14為圖2A中的球體9類型，但是其內壁另外涂敷有半透明或透明的層16。
在這樣的雙層球體的情況下，光線穿過球體的傳播路徑(光線是形成光環(huán)的光源)優(yōu)選為在圖2C中所示的傳播路徑，標記為CP2。
該圖2C圖解地示出了在雙層中空球體情況下，用于計算Ra、R1、R2、R3、n1以及n2之間關系的幾何學，所有這些參數(shù)定義如下。
如上所述，球體14的外半徑R1、所述球體的內半徑R2、層16的內半徑R3、光環(huán)的半徑Ra、球體的折射率n1以及層的折射率n2之間的關系如下π2-arcsin(RaR1)+arcsin(Ran1.R1)-arcsin(Ran1.R2)+arcsin(Ran2.R2)-arcsin(Ran2.R3)=0---(2)]]>考慮到當已知分別構成球體14和層16的材料、用于逆光照相法的光源發(fā)出的光的波長和半徑R2，則n1以及n2已知，當通過逆光照相法測量Ra和R1時，方程(2)的數(shù)值解析使得可以確定厚度R2-R3的值。
后者(半徑R2)例如通過將應用到球體9的方法應用到與球體14相同但沒有層16的球體上，使用方程(1)加以確定。
現(xiàn)在，將考慮用于實施根據(jù)本發(fā)明的方法的圖像處理算法。
在中空球體通過單視角逆光照相法獲得的圖像(初始圖像和直方圖均衡后的圖像)上，可測得球體的外半徑，繼而發(fā)現(xiàn)白色帶的位置。
為了確定外半徑，優(yōu)選使用方向導數(shù)法。關于這一問題，可以參考以下文獻R.M.Haralick，“Digital Step Edges from Zero Crossing of SecondDirectional Derivatives”，IEEE Transaction on pattern analysis andmachine intelligence，vol.PAMI-6，No.1，Jan.1984，p.58-68。
該方法基于消除圖像梯度(gradient)和使二階導數(shù)最大化。
這樣，獲得對應于球體外表面的中心和半徑。從該中心出發(fā)，繪制所有度數(shù)的徑向分布圖(或線圖)。
圖3示出了這些分布圖中的一個。像素數(shù)示于x軸上，振幅(灰階)示于y軸(Ampl)上。
在每一個分布圖上，可以找到表示外表面位置的點(點A)和白色帶位置的點(點B)。
通過消去二階導數(shù)獲得點A。通過縮小剖視圖的研究區(qū)域(縮小至由所示實施例中的圓圈C所限定的區(qū)域)和尋找局部最大值來獲得點B。為了得到子像素(sub-pixel)坐標，根據(jù)高斯定理(Gaussianlaw)局部地調整分布圖。
一旦完成這些操作，通過使用模型方程獲得該半徑的球體的厚度。重建球體的內表面和外表面，因此可以得知球體在其赤道上的平均厚度。
關于本發(fā)明的方法，認為外半徑的測定具有±3像素級的誤差，對于確定白色帶位置而言具有±0.5像素級的誤差。
根據(jù)本發(fā)明用于測量中空球體的厚度的逆光照相法具有成本不高以及能夠非常容易并快速地實施的優(yōu)點。
使用該方法需要合理地選擇在所使用的逆光照相裝置中包括的圖像獲取系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，并要求合理地選擇包括在該裝置中的光源的發(fā)光圖(emission diagram)，以便獲得用于正確顯示白色帶或光環(huán)的最佳條件。
測量誤差主要取決于圖像的空間分辨率。在本發(fā)明所考慮的實施例中，觀察球體的中心以便能夠跟蹤徑向分布圖。因此，球體的半徑越大，則微米每像素轉化系數(shù)越大，因而測量的誤差越大。因此，該測量誤差取決于所研究球體的半徑。
用于逆光照相法的裝置是常規(guī)的。該裝置包括經過準直的光源，其發(fā)射可見光，并與用于聚焦于所研究物體的平面上的圖像獲取系統(tǒng)相關。
圖4是用于實施本發(fā)明的方法的逆光照相裝置的示意圖。
該裝置包括可見光源18；用于所述光源的可調節(jié)準直裝置20；以及圖像獲取裝置，該圖像獲取裝置包括光學元件22，該光學元件設置有用于改變該光學元件的數(shù)值孔徑的裝置24(或者具有合適的數(shù)值孔徑)。
光學元件跟有CCD傳感器26，CCD傳感器26設置有圖像處理裝置28，顯示裝置30與該圖像處理裝置28相連。
待研究的中空球體32被置于光源18和光學元件22之間。利用光學元件22，可以在CCD傳感器26上形成中空球體32的剖面的圖像。
本發(fā)明主要涉及用于確定中空球體厚度的方法，即-確定有利于容易地測定光環(huán)的半徑的實驗條件(圖像獲取系統(tǒng)的數(shù)值孔徑、光源的準直)；-根據(jù)所研究物體的特征和在圖像上觀察到的現(xiàn)象(球體的外半徑、厚度、光環(huán)的半徑以及物體的折射率)建立數(shù)學方程；以及-處理相關圖像，以確定原始參數(shù)(光束的半徑和球體的外半徑)，從而最終確定期望的物體尺寸(所考慮實施例中的中空球體的厚度)。
可以實施相同的方法來表征中空圓柱體的厚度。對于這種實施方案，還可以使用圖4的裝置(相同的光源以及相同的圖像獲取裝置)，同時將圓柱體放置在球體32的位置。
在所獲得的逆光照相圖像中出現(xiàn)白色帶，該白色帶與圓柱體的厚度和外半徑有關。
方程(1)也應用于中空圓柱體。類似地，將方程(2)用于中空圓柱體，該圓柱體的內壁涂敷有半透明或透明的層(或沉積物)。
圖5A示出了外半徑為1000μm和厚度為300μm的中空圓柱體的逆光照相圖像34。該圖像的分布圖示于圖5B中。沿圖5A中的線X畫出該分布圖。
觀察圖5A中的白色帶B。該白色帶對應于圖5B中的區(qū)域C。在圖5B中，通過箭頭D確定圓柱體的邊緣。白色帶的位置與中空圓柱體的外半徑和厚度相關。
在觀察平面(垂直于光學觀察軸)上，沿著圓柱體的赤道或兩條母線，得知光環(huán)的中心和光環(huán)上每一點之間的距離，就能夠確定中空圓柱體的內壁的表面情況，即變形或粗糙度。
在雙層物體，即在其內壁形成有稱為內層的層的中空物體的情況下，利用本發(fā)明的方法，可以測量內層的厚度，條件是通過預先測量而已知物體的稱為外壁的壁的厚度。同樣可以測量雙層物體的內表面的粗糙度和變形。
上述內容既適用于圓柱體也適用于球體。
無論是對于球體的直徑還是圓柱體的直徑都可以使用本發(fā)明的方法。實際上，通過使用具有合適放大系數(shù)的光學元件系列(optical chain)，使得可以在6.6mm×8.8mm的CCD傳感器上觀察到整個物體。甚至可以觀察僅僅一部分物體，條件是要使用合適的光學系統(tǒng)。
對中空球體的厚度測量的唯一限制是，它應該足夠厚，以使得在給定光學系統(tǒng)的分辨率的情況下能夠很容易地區(qū)分白色帶。
當根據(jù)本發(fā)明測量中空物體例如中空球體的厚度時，應該考慮用于該測量的光學系統(tǒng)的分辨率對于給定的分辨率，球體應該足夠厚，以便可以容易地區(qū)分白色帶。
本發(fā)明還涉及透明或半透明物體，更具體地是球體或圓柱體這樣的物體的折射率的表征。
通過使用關系式(1)，利用逆光照相法并以非破壞性方式可以確定球體或圓柱體的折射率，該球體或圓柱體的尺寸將借助于另一測量系統(tǒng)，優(yōu)選射線照相系統(tǒng)(radiography system)進行表征。
然后該折射率在用于逆光照相測量的光源的波長處給出。
通常，折射率測量通過橢圓對稱法進行，但是其僅僅涉及平面物體。因為本發(fā)明應用于三維物體，所以本發(fā)明可以克服該缺點。
另外，在制造物體(更具體地球形或圓柱形物體)時產生的機械應力可以導致這樣的物體的折射率的改變。本發(fā)明使得可以有利地確定新的折射率。
權利要求
1.一種用于三維物體(9，14，32)的不接觸式測量的方法，所述三維物體對可見光是半透明或透明的，所述方法的特征在于-通過與可見光穿過物體傳播相關的斯涅耳-笛卡爾定律，建立將所述物體的光學幾何參數(shù)與對所述物體的圖像進行直接觀察得到的結果相關聯(lián)的方程，所述圖像通過單視角光學逆光照相法用可見光觀察所述物體而獲得；-獲取所述物體的這種圖像；-進行觀察；以及-利用所述方程以及所述觀察結果，確定所述物體的至少一個幾何或光學參數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述圖像通過使所述圖像獲取系統(tǒng)在所研究的物體的剖面上聚焦、利用可見光通過圖像獲取系統(tǒng)而獲得。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述物體(9，14，32)是中空的，并且基于所述物體的平剖面的圖像確定所述中空物體的幾何參數(shù)或光學參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述物體(9，14)是中空球體或中空圓柱體，因此所述物體具有壁，所述物體的幾何參數(shù)是該壁的厚度，所述中空球體或所述中空圓柱體的圖像包括光環(huán)(13)，所述方程為π2+arcsin(Ran1·R2)-arcsin(Ran1·R1)+arcsin(RaR1)-2.arcsin(RaR2)=0]]>其中n1、R1、R2和Ra分別表示所述球體或所述圓柱體的折射率、外半徑、內半徑以及所述光環(huán)的半徑，其中，根據(jù)所述物體的圖像確定所述球體或圓柱體的外半徑以及所述光環(huán)的半徑，n1已知，根據(jù)所述球體或圓柱體的外半徑并根據(jù)所述光環(huán)的半徑借助于所述方程來確定所述壁的厚度R1-R2。
5.根據(jù)權利要求2至4中任一項所述的方法，其特征在于，所述物體(14)是中空的，并包含透明或半透明的材料的層(16)或沉積物，確定所述沉積物或所述層的厚度。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述物體是中空球體或中空圓柱體，所述物體的幾何參數(shù)是所述層(16)或所述沉積物的厚度，所述中空球體或中空圓柱體的所述圖像包括光環(huán)，方程為π2-arcsin(RaR1)+arcsin(Ran1·R1)-arcsin(Ran1·R2)+arcsin(Ran2·R2)-arcsin(Ran2·R3)=0]]>其中n1、n2、R1、R2、R3和Ra分別表示所述球體或圓柱體的折射率、所述層或沉積物的折射率、所述球體或圓柱體的外半徑、所述球體或圓柱體的內半徑、所述層或沉積物的內半徑以及所述光環(huán)的半徑，其中，所述球體或圓柱體的外半徑以及所述光環(huán)的半徑根據(jù)所述物體的所述圖像來確定，n1、n2和R2已知，根據(jù)所述球體或圓柱體的外半徑并根據(jù)所述光環(huán)的半徑借助于所述方程確定所述層或沉積物的厚度R2-R3。
7.根據(jù)權利要求4和6中任一項所述的方法，其特征在于，利用方向導數(shù)法確定所述外半徑(R1)。
8.根據(jù)權利要求2至7中任一項所述的方法，其特征在于，所述物體是中空的并且包括內壁，確定該內壁的變形或粗糙度。
9.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述物體(9，14)是中空球體或中空圓柱體，所述物體的光學參數(shù)是所述物體的折射率，所述中空球體或中空圓柱體的所述圖像包括光環(huán)(14)，所述方程為π2+arcsin(Ran1·R2)-arcsin(Ran1·R1)+arcsin(RaR1)-2.arcsin(RaR2)=0]]>其中n1、R1、R2和Ra分別表示所述球體或圓柱體的折射率、外半徑、內半徑以及所述光環(huán)的半徑，其中，根據(jù)所述物體的所述圖像確定所述光環(huán)的半徑，確定R1和R2并借助于所述方程在用于觀察所述物體的可見光波長處確定折射率n1。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，通過射線照相術確定R1和R2。
11.根據(jù)權利要求2至10中任一項所述的方法，其特征在于，使用了光學逆光照相裝置，所述光學逆光照相裝置包括可見光源、該光源的準直裝置(20)以及圖像獲取裝置(22，24，26)，所述圖像獲取裝置包括光學元件(22)和圖像傳感器(26)，所述光學元件置于所述物體與所述圖像傳感器之間，并使得可以在所述圖像傳感器上形成所研究物體的剖面的圖像，并調節(jié)所述光源的準直。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，所述圖像傳感器包括電荷轉移裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種通過單視角光學逆光照相法、利用光傳播的光學定律測量三維物體的方法。根據(jù)本發(fā)明，為了測量物體(32)，例如對可見光半透明或透明的中空球體，運用與光穿過物體傳播相關的斯涅耳－笛卡爾定律，建立將物體的光學幾何參數(shù)與對物體的圖像進行直接觀察得到的結果相關聯(lián)的方程，所述圖像是使用單視角光學逆光照相法通過觀察所述物體獲得的；獲取所述圖像；進行觀察；以及利用方程和觀察結果，確定物體的至少一個幾何參數(shù)或光學參數(shù)。
文檔編號G01B11/08GK101014828SQ200580030097
公開日2007年8月8日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權日2004年9月10日
發(fā)明者洛朗·讓諾, 弗朗西斯·拉米 申請人:法國原子能委員會