專利名稱：對物體外形進(jìn)行三維測量的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對物體外形進(jìn)行三維測量的裝置，所述裝置包括陣列式有照明所述物體的光源的共焦成像系統(tǒng)，和使所述光源輸出的照明光光路與所述物體反射的反射光光路分離的光路分離光學(xué)單元；所述共焦成像系統(tǒng)還包括共焦外形蔭罩，用于把從所述光路分離光學(xué)單元出射的照明光，轉(zhuǎn)換為小的光斑陣列；所述共焦成像系統(tǒng)還包括共焦物鏡，用于使所述照明光轉(zhuǎn)向所述物體和使所述反射光轉(zhuǎn)向所述共焦外形蔭罩，以便形成共焦像；所述裝置還包括光電傳感器單元，用于接收已經(jīng)通過所述共焦外形蔭罩的所述反射光，并用所述光路分離光學(xué)單元使之偏轉(zhuǎn)，還用于把后者的光轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度值；所述裝置還包括掃描單元，在其上安裝所述共焦外形蔭罩，所述掃描單元用于在預(yù)定距離的相繼位置上移動(dòng)所述共焦外形蔭罩，以便沿預(yù)定方向改變所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間的相對距離；所述裝置還包括與所述光電傳感器單元連接的像處理器，用于形成共焦響應(yīng)信號(hào)，并從所述共焦像計(jì)算所述物體形狀，所述共焦像是沿所述預(yù)定方向、在所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間不同相對距離上，用所述光電傳感器單元獲取的；所述共焦物鏡用于在相繼的焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置上，把所述小光斑陣列的輸出，影像在所述相繼位置上。
本發(fā)明還涉及一種用于對物體外形進(jìn)行三維測量的方法。
背景技術(shù)：
這樣的裝置和方法可從EP-A-0679864獲悉。在該已知的裝置和方法中，光源輸出照明光光路，該照明光光路越過由全息圖形成的光路分離光學(xué)單元和透鏡陣列，到達(dá)由針孔陣列構(gòu)成的共焦外形蔭罩。該照明光光路由通過蔭罩后的小的光斑陣列形成，終止在待測量的物體上。入射光的光斑在物體位置上被反射，且反射光越過蔭罩，到達(dá)光路分離單元。后者使反射光向著光電傳感器單元偏轉(zhuǎn)，入射光在光電傳感器單元上被檢測，并被像處理器進(jìn)一步處理，以便確定被研究物體的三維形狀。為了確定該三維形狀，要有沿z方向改變物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間相對距離的裝置。在已知的裝置中，后一裝置是由包括掃描單元的一整套裝置形成的，在掃描單元上安裝共焦外形蔭罩、光路分離光學(xué)單元、傳感器單元、和共焦物鏡。整套裝置沿z方向運(yùn)動(dòng)，使焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置沿z方向在預(yù)定距離上移動(dòng)。物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間沿z方向的相對距離因此變化，從而能確定該該第三維。
已知裝置和方法的缺點(diǎn)在于，為了改變物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間的相對距離，共焦外形蔭罩連同光路分離光學(xué)單元、傳感器單元、和共焦透鏡，全都一起沿z方向運(yùn)動(dòng)。如此比較重的整套裝置的運(yùn)動(dòng)，需要一定的功率，且對高速的在線確定，這不是最適當(dāng)?shù)倪x擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的，是實(shí)現(xiàn)一種用于對物體外形進(jìn)行三維測量的裝置和/或方法，該裝置使用以高速工作的陣列式共焦成像系統(tǒng)，從而能進(jìn)行快速的測量。
為此，按照本發(fā)明的裝置，特征在于所述共焦物鏡是3D共焦物鏡，安裝在所述裝置中不動(dòng)的位置上。通過使用不動(dòng)的3D物鏡，只有外形蔭罩在相繼的位置上運(yùn)動(dòng)。因?yàn)橥庑问a罩比整套裝置輕得多，運(yùn)動(dòng)時(shí)需要的功率，比現(xiàn)有技術(shù)的整套裝置低得多。因此可以獲得更快速的運(yùn)動(dòng)，這更適合于高速的在線確定。應(yīng)當(dāng)指出，現(xiàn)有技術(shù)沒有建議熟練人員使共焦物鏡保持不動(dòng)。相反，現(xiàn)有技術(shù)的圖11中，畫出的另外的實(shí)施例，是教導(dǎo)要保持蔭罩不動(dòng)而使共焦透鏡部分運(yùn)動(dòng)。該現(xiàn)有技術(shù)從一開始，就把熟練人員的思路從固定共焦物鏡引開。
所述3D物鏡最好按限制球面像差和慧形像差設(shè)計(jì)，以便保持所述共焦像中的成像誤差，在兩個(gè)像素的極大上。為了在像處理器級獲得良好的像質(zhì)量，必須對共焦物鏡施加某些約束。這些約束可以通過對共焦透鏡的球面像差和慧形像差設(shè)置限制而滿足。
按照本發(fā)明的裝置的第一優(yōu)選實(shí)施例，特征在于，所述共焦外形蔭罩是由微透鏡陣列形成的，安裝在所述掃描單元上，且上述裝置還包括單個(gè)針孔，位于所述光電傳感器單元的焦點(diǎn)。
所述照明光源最好包括高強(qiáng)度LED陣列，在LED陣列頂部還粘接微透鏡。據(jù)此提供足夠的光強(qiáng)。
按照本發(fā)明的裝置的第二優(yōu)選實(shí)施例，特征在于，所述分離光學(xué)單元照明側(cè)的光路中，插入線偏振器，在另一側(cè)插入四分一波片及起偏器。據(jù)此，對被測量的反射光沒有作用的來源于反射的“噪聲”光，能顯著減少。
按照本發(fā)明的裝置的第三優(yōu)選實(shí)施例，特征在于，所述掃描單元包括掃描信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生指示所述相繼位置的掃描信號(hào)序列；所述掃描信號(hào)發(fā)生器與所述像處理器連接，以便向之提供所述掃描信號(hào)；所述光電傳感器單元包括第一檢測單元陣列；所述像處理器包括第二處理單元陣列，所述第二陣列的每一處理單元，每次與所述第一陣列的許多檢測單元連接；所述像處理器用于每次在同一掃描信號(hào)序列中，接收相繼各個(gè)所述強(qiáng)度值；每一個(gè)所述處理單元，用于把所述相繼強(qiáng)度值彼此區(qū)分，并保留那些形成所述共焦響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度值；所述像處理器，用于把那些形成所述共焦響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度值，與那些代表已經(jīng)產(chǎn)生所述共焦響應(yīng)信號(hào)的那些位置的掃描信號(hào)關(guān)聯(lián)起來。通過把掃描信號(hào)提供給處理單元，后者與掃描單元同步地操作，能實(shí)現(xiàn)快速的處理。有了檢測單元的第一陣列和處理單元的第二陣列，可以把入射光的檢測與被檢測光的處理分開，從而增加整體的處理速度，并使該裝置更適合快速測量。通過區(qū)分各強(qiáng)度值，可以保留有最高強(qiáng)度值的共焦響應(yīng)信號(hào)。需要處理的數(shù)據(jù)量因而減少。由于掃描單元與像處理器的同步操作，因而與最高值對應(yīng)的掃描信號(hào)容易被識(shí)別，所以物體形狀能夠被快速確定。
按照本發(fā)明的裝置的第四優(yōu)選實(shí)施例，特征在于，在所述檢測單元的第一陣列和所述處理單元的第二陣列之間，安裝了抽樣單元；所述抽樣單元，用于按預(yù)定抽樣速率，對所述檢測單元產(chǎn)生并在并行讀出門輸出的強(qiáng)度信號(hào)抽樣；每一個(gè)所述處理單元有存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)同一掃描信號(hào)序列中被抽樣的每一個(gè)強(qiáng)度值；每一個(gè)所述處理單元，用于通過把每次存儲(chǔ)的強(qiáng)度值插入同一所述存儲(chǔ)單元，確定最大的強(qiáng)度值。這樣能顯著降低要處理的強(qiáng)度值的量，又基本不影響可靠性。
按照本發(fā)明的裝置的第五優(yōu)選實(shí)施例，特征在于，所述第一和第二陣列至少有相同數(shù)量的單元；每一處理單元用于存儲(chǔ)一初始的強(qiáng)度值，作為在相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的強(qiáng)度值；所述處理單元在后繼的掃描信號(hào)控制下，用于比較目前的強(qiáng)度值是否高于存儲(chǔ)的強(qiáng)度值，并在后者低于目前的強(qiáng)度值時(shí)，蓋寫存儲(chǔ)的強(qiáng)度值；所述處理單元還用于在每一存儲(chǔ)操作時(shí)，存儲(chǔ)目前掃描信號(hào)之一。最高的強(qiáng)度值容易并能快速地和可靠地確定。
所述掃描單元最好包括與所述共焦外形蔭罩連接的音圈致動(dòng)器，用于迫使所述蔭罩作垂直運(yùn)動(dòng)。音圈能使蔭罩精確地和可靠地運(yùn)動(dòng)。


現(xiàn)在參考附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明，這些附圖表明本發(fā)明的裝置不同的實(shí)施例。
附圖中圖1按照本發(fā)明，畫出裝置中使用的光學(xué)原理；圖2對一個(gè)檢測單元，畫出作為蔭罩運(yùn)動(dòng)函數(shù)的入射傳感器單元的反射光光強(qiáng)，；圖3示意畫出由微透鏡陣列和單個(gè)針孔形成蔭罩的裝置；圖4示意畫出使用偏振器、四分之一波片、和起偏器的裝置；圖5畫出可能的共焦z響應(yīng)信號(hào)；圖6和7畫出像檢測單元和處理單元的實(shí)施例；圖8借助流程圖，表明一種方法，用于局部的和全局的極大的相互區(qū)別；圖9示意畫出作為裝置部件的由兩部分組成的物鏡；和圖10舉例畫出存儲(chǔ)器內(nèi)容的表。
在各圖中，相同的參考數(shù)字已經(jīng)指定給相同的或類似的單元。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種裝置和方法，用于對物體外形進(jìn)行三維即3D表面輪廓測量，具有工業(yè)制造過程中使用的裝置相容的速度。為了在制造過程中的在線應(yīng)用，這種測量規(guī)定的時(shí)間約0.1秒，最好更小。待測量的物體一般尺寸是xyz＝50×50×3mm，這里z表示高度方向。要求的精度，特別是對電子部件，在數(shù)微米的范圍。但是應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明不限于前面給出的例子。然而，也為清楚起見，該參考例子將在本說明中自始至終使用。
按照本發(fā)明的裝置，包括陣列式共焦成像系統(tǒng)。共焦成像系統(tǒng)的基本原理，在T.R.Corle和G.S.Kino的“Confocal Scanning OpticalMicroscopy and Related Imaging Systems”中有說明，該書由Academic Press 1996出版。由針孔定義的點(diǎn)光源，通過物鏡照明物體。從物體上一點(diǎn)反射的光，被物鏡成像，返回針孔。如果針孔與樣品點(diǎn)上的光斑，都在它們的共焦點(diǎn)，那么反射光有效地通過針孔，到達(dá)位于另一側(cè)的檢測器。如果物體運(yùn)動(dòng)離開焦點(diǎn)，共焦關(guān)系不再成立，反射光在針孔散焦，從而不能通過針孔到達(dá)另一側(cè)的檢測器。
共焦成像系統(tǒng)與表面輪廓、結(jié)構(gòu)、紋理、粗糙度、反射率、或顏色變化等細(xì)節(jié)無關(guān)，無線機(jī)械xy掃描也能實(shí)現(xiàn)。按照本發(fā)明的裝置，不是改變物體表面與物鏡之間的光路距離，而是保持光路距離不變，但讓共焦外形蔭罩在z方向上下運(yùn)動(dòng)。再有，本裝置借助光電傳感器單元，進(jìn)行2D的像序列檢測和處理，最好使用CMOS技術(shù)和像處理器。
本發(fā)明要克服的基本問題，是對付巨大的數(shù)據(jù)速率。作為數(shù)值例子，假定在xy中有1000×1000平行的共焦陣列。為了獲得數(shù)微米的精度，必須把上述3mm的z區(qū)間分割為約1000或至少100個(gè)像。為了達(dá)到0.1秒的最大時(shí)間，人們必須在該0.1秒內(nèi)獲取并處理所述100到1000個(gè)像，即，要面對每個(gè)像包括1M像素的10,000個(gè)像/秒或更多。這是最小每秒1-10千兆像素的數(shù)據(jù)速率，最好是更多。本發(fā)明給出的系統(tǒng)，能在該數(shù)據(jù)速率內(nèi)獲取并處理像。
圖1畫出按照本發(fā)明的裝置和方法使用的光學(xué)原理。光源1發(fā)射光束10，用于照明物體6。光束10越過第一投影物鏡2，該物鏡用于把光束10轉(zhuǎn)換為平行照明光束11。光路分離光學(xué)單元3，例如由光束分束器構(gòu)成，置于照明光束11的光路內(nèi)，用于把光束11的光路和物體反射光的光路14分離。從圖1可見，照明光束11不受單元3的影響。
照明光束11均勻地照明針孔陣列4，它是共焦外形蔭罩的一部分，用于把離開單元3的照明光束11轉(zhuǎn)換為小的光斑陣列。針孔陣列4包括許多針孔，例如1000×1000個(gè)針孔的正方形矩陣，在50×50mm的平板上，每一針孔直徑為5μ，即孔距為50μ。從每一針孔出射的小光斑(為清楚起見，只畫出單個(gè)光斑)借助大孔徑物鏡5聚焦，聚焦的方式能使聚焦的光束13入射在物體6上。由于那些小光斑入射在物鏡5上，后者把它們影像在物體上。該物鏡5最好具有遠(yuǎn)心性質(zhì)，以便在物體的xy方向上(圖中的水平方向)獲得相同的照明性質(zhì)。如果針孔陣列4、物鏡5、和物體6表面的點(diǎn)，三者z位置(圖內(nèi)的垂直位置)的排列是共焦的，即，光斑被影像在特定物體表面位置上的尖點(diǎn)，那么大量反射的光從物體表面6返回同一光路，即13和12，進(jìn)入原來的針孔。從針孔4另一側(cè)出射的光束14，被光束分束器3偏轉(zhuǎn)，進(jìn)入攝像機(jī)物鏡7。然后，光被聚焦成15，落在光電傳感器單元上。傳感器8被像處理器的電子電路9控制和讀出。
如果由于物體6的表面輪廓，沒有表面在焦點(diǎn)位置，那么，只有極少量的光被散焦的表面面積6反射回針孔。因此，傳感器8中的像素，在針孔陣列4、物鏡5、和表面6的相對位置滿足共焦關(guān)系的地方，接收最大的光并形成共焦響應(yīng)信號(hào)(共焦光學(xué)原理)。這一關(guān)系在圖2中以實(shí)線表示。
為了獲得第三維，必須在預(yù)定方向上(在所示的例子中是z方向)改變物體6和焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間的相對距離。
用于改變相對距離的那些裝置，包括在其上安裝了共焦外形蔭罩4的掃描單元16。掃描單元16能使蔭罩或針孔陣列作箭頭17所示的上下運(yùn)動(dòng)。因此，掃描單元16沿預(yù)定方向并在預(yù)定的例如3mm的距離上，在相繼的位置上移動(dòng)蔭罩。
應(yīng)當(dāng)指出，按照本發(fā)明的裝置或方法中，在掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有共焦外形蔭罩是運(yùn)動(dòng)的。其他部件如物鏡則保持不動(dòng)。
掃描單元還包括掃描信號(hào)發(fā)生器18，用于在掃描單元運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生指示蔭罩到達(dá)的相繼位置的掃描信號(hào)序列。因此，掃描信號(hào)序列中不同的掃描信號(hào)表示不同的位置。掃描發(fā)生器還連接至傳感器單元和像處理器，以便向它們提供掃描信號(hào)。
從圖1可見，按照運(yùn)動(dòng)的蔭罩的照明光路方向，物鏡5位于下游。由于蔭罩的運(yùn)動(dòng)，蔭罩輸出的小光斑陣列，也沿預(yù)定方向運(yùn)動(dòng)。因此物鏡將把不同高度的不同小光斑，影像在物體不同的焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置上。
借助掃描單元改變共焦透鏡5與蔭罩4之間的光學(xué)距離，其優(yōu)點(diǎn)是，蔭罩的質(zhì)量比例如US-A 5,737,084中說明的Nipkow盤更低。該更低的質(zhì)量能實(shí)現(xiàn)更高的加速度，得到更快的直線運(yùn)動(dòng)而不是旋轉(zhuǎn)。此外，按照本發(fā)明的裝置，因?yàn)楣步雇哥R5與物體6之間的工作距離保持不動(dòng)，還由于共焦透鏡5在裝置內(nèi)是不動(dòng)的，所以易于制造。掃描單元整個(gè)封閉在裝置內(nèi)，且共焦透鏡容易更換，以改變視場。
在本實(shí)施例中，掃描單元用例如音圈構(gòu)成。由于針孔陣列的質(zhì)量小，所以能作快速的運(yùn)動(dòng)。因此，只要幾毫秒內(nèi)就能跨過數(shù)mm。這樣能實(shí)現(xiàn)在線測量要求的快速z掃描，以便達(dá)到快的測量時(shí)間。由于使用較小孔徑的物鏡7，針孔陣列4的所有運(yùn)動(dòng)，保持在焦深之內(nèi)，從而收集進(jìn)傳感器像素8的光，不受該運(yùn)動(dòng)的影響。
針孔陣列最好經(jīng)受連續(xù)的上下運(yùn)動(dòng)，且在該序列中的每一信號(hào)，對應(yīng)于針孔陣列4的特定z位置。
光源輸出的照明光束10，將因此越過投影物鏡2和光束分束器3，到達(dá)蔭罩4。屬于光束12和離開針孔之一的光斑，將被物鏡5聚焦。如果蔭罩3在它運(yùn)動(dòng)時(shí)的實(shí)際位置，和聚焦光斑入射的物體6上的點(diǎn)P，都在焦點(diǎn)上，則聚焦的光斑將在點(diǎn)P被全部反射。如果相反，它們不在焦點(diǎn)上，那么只有一小部分甚至沒有光被反射。反射光被光束分束器3分離，并到達(dá)物鏡7和傳感器單元8。
考慮傳感器單元8內(nèi)一固定的像素，從該像素看到的光強(qiáng)一般是非常低的。除非當(dāng)針孔陣列4的z位置、物鏡5、和表面6之間的共焦條件被滿足時(shí)，才形成共焦響應(yīng)信號(hào)，因?yàn)檫@時(shí)該像素將看到光的極大。通過在時(shí)間上記錄針孔陣列4在傳感器像素8觀察到極大光強(qiáng)時(shí)的位置，獲得對應(yīng)表面點(diǎn)P的z坐標(biāo)的測量。從給定像素觀察到的作為z坐標(biāo)函數(shù)的光強(qiáng)，類似于圖2實(shí)線所示。
替代針孔陣列作共焦外形蔭罩4，也可以在光源一側(cè)把微透鏡放在每一針孔中。這樣將改進(jìn)裝置的光的效率。這些微透鏡將把所有入射光聚焦進(jìn)針孔，并把通過針孔返回的所有光對準(zhǔn)傳感器方向。沒有適當(dāng)對準(zhǔn)的光、在微透鏡之間入射的光、或被物體或針孔陣列下游光學(xué)單元反射的噪聲光，都將被針孔陣列阻擋。
按照另一個(gè)實(shí)施例，共焦外形蔭罩由在針孔陣列4位置上的微透鏡陣列構(gòu)成。在該實(shí)施例中，單個(gè)針孔20位于攝像機(jī)物鏡7-1和7-2的焦點(diǎn)，如圖3所示。任何不通過各微透鏡焦點(diǎn)的光線25，將落在該單個(gè)針孔板20的針孔之外，不能到達(dá)傳感器。為討論的目的，圖3的攝像機(jī)物鏡被成像為兩級物鏡，成像在焦點(diǎn)上的第一半7-1，和從該焦點(diǎn)到傳感器單元8(遠(yuǎn)心物鏡)的第二半7-2。該物鏡的有限孔徑，取代微透鏡板上針孔陣列的功能。如果用微透鏡，可以省去針孔陣列，因?yàn)檎彰?攝像機(jī)物鏡小的數(shù)值孔徑導(dǎo)致微透鏡小的接受范圍，將產(chǎn)生有效針孔的作用。
正如上一段的論述，定義光濾波作用的光源和由微透鏡定義的檢測單元，最終與附加的針孔組合，可以產(chǎn)生許多種(靜態(tài)的和非靜態(tài)的)配置，對此幾乎沒有人曾經(jīng)描述。它可以作為確定物體表面形狀的掃描單元使用。
共焦物鏡5必須適合整個(gè)光學(xué)掃描的操作，例如，通過掃描單元在約3mm深的3D體積上實(shí)施，以便不影響成像的質(zhì)量。這一點(diǎn)要求透鏡5有適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，使它能在3D體積內(nèi)保持低的透鏡畸變。通常設(shè)計(jì)透鏡是在垂直于光軸的2D平面內(nèi)，并在離透鏡固定的光學(xué)距離上優(yōu)化畸變的。然而，物體表面的掃描，大多通過在z方向上移動(dòng)物體，或通過改變物體與物鏡之間的光學(xué)距離實(shí)施。
因此，按照本發(fā)明的裝置或方法使用的共焦物鏡，是用3D共焦物鏡構(gòu)成的。平的2D物體的銳成像，要求滿足Abbe正弦條件。在理想的傍軸幾何光學(xué)中，無限大的物體體積能夠適當(dāng)?shù)赜跋癯蔁o限大的像體積。但是，這一性質(zhì)在較大數(shù)值孔徑時(shí)不能保持，除非放大率等于1。這些條件在Delft，1997年舉行的Fifth International TopicalMeeting on Education and Training in Optics會(huì)議上，Joseph Braat的論文“The Abbe sine condition and related imaging condition ingeometrical optics”中說明。該論收入本說明，供參考。
為了以較大數(shù)值孔徑獲得適當(dāng)大的3D成像，必須遵照Abbe正弦條件和Herschel條件。但除放大率等于1的情形外，它們是沖突的。但是，為了實(shí)用的目的，一些球面像差是可接受的。詳細(xì)的數(shù)值模擬表明，高達(dá)放大率+/-5和數(shù)值孔徑+/-0.3，能使球面像差和慧形像差保持足夠小，以保持成像誤差高達(dá)傳感器級兩個(gè)像素的極大。
回頭參考Braat的論文，加在3D共焦透鏡5的約束，能夠用把慧形像差和球面像差保持在設(shè)定極限內(nèi)的方式，通過優(yōu)化成像體積的軸向和橫向范圍導(dǎo)出，如該論文的方程式(19)所示。優(yōu)化可以用計(jì)算機(jī)完成?？捎糜谡{(diào)節(jié)的參數(shù)是最大數(shù)值孔徑和使用光源的波長。為了使3D共焦物鏡的成像體積最大化，較長的波長是有幫助的。
一個(gè)另外的實(shí)施例包括，使用一組兩個(gè)2D優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)透鏡和使用固定位置的微透鏡板4和物體6。該兩級共焦透鏡示于圖9，包括焦距f1的運(yùn)動(dòng)部分70和焦距f2的不動(dòng)部分71，在它們中間有遠(yuǎn)心孔徑72。該套裝置能通過移動(dòng)最接近物體的透鏡70，即通過改變物體與透鏡70之間的光學(xué)距離，掃描物體表面。從物體表面反射回去的光，被該透鏡70轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)直光束。該準(zhǔn)直的反射光束，能夠被位置不動(dòng)的第二透鏡71成像，落在不動(dòng)的微透鏡板4上。該共焦透鏡布局的優(yōu)點(diǎn)是，與單個(gè)3D共焦透鏡相比，可以獲得非常簡化的光學(xué)設(shè)計(jì)(可以用標(biāo)準(zhǔn)的2D優(yōu)化透鏡)、不動(dòng)的物體位置、和不動(dòng)的微透鏡位置。但代價(jià)是需要移動(dòng)更高的質(zhì)量，和該運(yùn)動(dòng)是在裝置之外，因而暴露在環(huán)境中。此外，如果例如需要不同的視場而更換透鏡時(shí)，則更為困難。
在圖9所示的實(shí)施例中，共焦外形蔭罩用微透鏡陣列構(gòu)成，與圖3畫出的微透鏡陣列相當(dāng)。因此，利用圖9的實(shí)施例，選取一套仿照的成套裝置，如圖3所示，用作攝像機(jī)物鏡(未畫出)，即位于兩級物鏡之間的單個(gè)針孔。
裝置對光的能量有很高要求。需要提供的光量隨物體移動(dòng)的速度，即更短的曝光時(shí)間而增加，還隨檢驗(yàn)的體積而增加。還有，“信號(hào)”光的量，即從物體表面反射并經(jīng)13、12、14、和15標(biāo)記的光路，到達(dá)傳感器單元8的光量，強(qiáng)烈依賴于物體的反射性質(zhì)。對準(zhǔn)直光束11，考慮到光路上各個(gè)部件的光損耗，需要的最大光功率量，在上述檢驗(yàn)速度和體積要求下，能達(dá)數(shù)十Watt的量級。由于要求非常低的停頓時(shí)間，即傳感器單元需要操作的積分時(shí)間很短，所以需要用高光強(qiáng)來克服該問題。
現(xiàn)有技術(shù)使用的普通光源是Halogen(鹵素)燈泡。但是，可能要求極強(qiáng)的光源(數(shù)百Watt)來傳送需要的光能。只有一小部分發(fā)射的光能夠用于產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臏?zhǔn)直光束11。為了在微透鏡4上提供十分確定的焦點(diǎn)，照明的光學(xué)裝置以及攝像機(jī)的光學(xué)裝置的數(shù)值孔徑比較小，約為0.01。如此極其低效的光源，將是低工作壽命的。
光源1的另一種設(shè)計(jì)，是高密度的LED陣列。這是通過把裸的LED管心粘結(jié)在基片上，基片又粘結(jié)在散熱片上制造的。據(jù)此，可以把極大數(shù)量，例如10,000個(gè)LED管心放進(jìn)50mm乘50mm的面積中，提供要求的非常大的光強(qiáng)。為了增加該光源的光效率，可以用透明的黏合劑或成型物質(zhì)，把第二微透鏡板粘結(jié)在LED陣列頂部。該第二微透鏡板的作用是把大部分LED發(fā)射的光對準(zhǔn)測量光路。
提供甚至更高光強(qiáng)和效率的第三種光源，是把光耦合進(jìn)光纖束的激光二極管陣列。光纖束的另一端用作高強(qiáng)度的點(diǎn)光源，它能有效地轉(zhuǎn)換為適當(dāng)規(guī)定的準(zhǔn)直光束。但是，激光散斑是大多數(shù)普通激光器光源帶來的缺點(diǎn)。通過控制然而是激光介質(zhì)較大的溫度變化，用各自增益控制的激光二極管光源陣列，可以降低輸出光源的相干性(導(dǎo)致加寬的波長范圍)，然后把光耦合進(jìn)光纖束，這種光源能有效地把不同光線光路長度混合。
其他再降低光源發(fā)射光的相干性的可能性，是對激光二極管進(jìn)行電流調(diào)制，誘發(fā)跳模，或把壓電或音圈振蕩器粘結(jié)在光纖束上并使之振蕩。光纖束的連續(xù)運(yùn)動(dòng)也改變光線的光路長度。頻率范圍的選擇，要能在記錄一段z分段時(shí)，獲得足夠的平均。在像的曝光時(shí)間，即在記錄掃描單元一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)時(shí)，音圈致動(dòng)器16連續(xù)地沿z方向運(yùn)動(dòng)。像，是通過在攝像機(jī)8、9中的光積分形成的，并且該像本身也已經(jīng)構(gòu)成相位平均。
主要的“噪聲”光源，包括從光路中各個(gè)單元不需要的反射。噪聲光的較大部分，來自微透鏡和/或針孔陣列4的反射。該噪聲光源能夠如圖4所示，利用緊接物鏡2后面照明光路中的偏振器21、針孔陣列4物體一側(cè)的四分之一波片(λ/4)22、和攝像機(jī)光路中的起偏器23消除。偏振器21位于光束分束器3的照明一側(cè)。它產(chǎn)生例如y方向的線偏振光。
光束分束器能夠通過適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)膜優(yōu)化，該光學(xué)膜對y方向的線偏振光是高透射的，而對x方向的線偏振光是高反射的。反射光維持其偏振方向。從偏振器21下游和四分之一波片22前的光學(xué)單元反射的光，是沿y方向偏振的。因?yàn)楣馐质鲗υ撈袷歉咄干涞?，它不?huì)顯著地向攝像機(jī)8、9反射。
在攝像機(jī)前的線起偏器23，透射性質(zhì)已經(jīng)對x方向的線偏振光優(yōu)化，將進(jìn)一步減少具有該偏振的光。從物體表面反射的光經(jīng)四分之一波片22，是圓偏振的。該光的一部分沿光路13傳播回去，并第二次但沿相反方向通過四分之一波片。信號(hào)光將經(jīng)受偏振變化，從圓偏振到沿x方向的線偏振。光束分束器3有效地把該光向攝像機(jī)8、9反射。反射光有合適的偏振取向，以便以最小的衰減通過起偏器。這一套裝置(偏振器、光束分束器、四分之一波片板和起偏器)的作用，是減少不需要的反射直接從微透鏡陣列或針孔陣列4的照明側(cè)進(jìn)入攝像機(jī)8、9，并且還增強(qiáng)信噪比。偏振器和起偏器可以組合在光束分束器3內(nèi)。
再減少不需要的反射，可以從下面的方法獲得排列各種光學(xué)單元時(shí)，盡量小地偏離光軸垂直方向；在光學(xué)單元上涂敷抗反射膜。
另一種噪聲源是從相鄰針孔或微透鏡來的光之間的串?dāng)_。這種效應(yīng)，例如能夠通過在攝像機(jī)前使用小孔徑物鏡而減少。
現(xiàn)在回到圖1，物體6反射光的處理，是通過傳感器單元8和相關(guān)的像處理器9實(shí)現(xiàn)的。雖然傳感器單元8和像處理器9的操作，將參照如在前面所述獲得的反射光說明，但應(yīng)當(dāng)明確，傳感器單元和像處理器也能用于處理另一個(gè)共焦成像系統(tǒng)獲得的反射光。傳感器單元和像處理器，必須處理離開蔭罩4每一針孔或微透鏡的反射光。在1000×1000個(gè)針孔陣列矩陣的數(shù)值例子中，傳感器單元8必須是1000×1000的傳感器陣列，最好由CMOS傳感器構(gòu)成，以便同時(shí)處理反射光。此外，因?yàn)槭a罩4是運(yùn)動(dòng)的，在掃描單元的單個(gè)掃描操作中，產(chǎn)生100到1000個(gè)z分段的像的序列。因?yàn)槭a罩4的整個(gè)掃描路徑約3mm長，這一操作能夠容易在100毫秒內(nèi)完成，導(dǎo)致像處理器要處理的數(shù)據(jù)速率為每秒1到10千兆像素。要求每秒10到100千兆像素的數(shù)據(jù)速率，結(jié)合還要更高數(shù)據(jù)速率的甚至更快的獲取是可能的，借助快速致動(dòng)器和極其強(qiáng)的光源，可以獲得又一個(gè)10倍的因子。在本例中，假定用1∶1的物鏡5。
為了處理蔭罩掃描操作時(shí)獲取的不同的像，光電傳感器單元包括第一檢測單元陣列811-8nm，而像處理器包括第二處理單元陣列9，如圖6和7所示。第二陣列每一個(gè)處理單元，每次與第一陣列的許多檢測單元連接。在圖6所示的例子中，檢測單元8ij(1≤i≤n；1≤j≤m)與處理單元9ij之間有1-1對應(yīng)關(guān)系，即，對每一檢測單元，有一個(gè)處理單元與之連接，而在圖7所示的例子中，每一處理單元9-l(1≤l≤p)與一組檢測單元連接。
現(xiàn)在考慮由反射光束獨(dú)立地入射檢測單元之一產(chǎn)生的每一像素，并假定每一像素對應(yīng)一個(gè)檢測單元。在本例中，在掃描單元16的一次掃描中，例如在約100毫秒中，該像素在大部分時(shí)間中看到的是低的光強(qiáng)，并在z掃描的時(shí)間間隔內(nèi)的某處看到一個(gè)強(qiáng)度極大。處理操作要求確定掃描出現(xiàn)極大時(shí)的時(shí)刻，從而確定何時(shí)形成共焦響應(yīng)信號(hào)。每像素得到的結(jié)果不是任何灰度值或光強(qiáng)，而是指示何時(shí)出現(xiàn)極大的時(shí)間標(biāo)記。該時(shí)間標(biāo)記指出掃描單元的位置。對每一像素，有充分的時(shí)間用于處理假定1000段z分段，數(shù)據(jù)速率是每100微秒一個(gè)值，或10kHz，因?yàn)槊恳幌袼乜梢哉J(rèn)為是獨(dú)立的。大體上，為了每秒處理10千兆像素的數(shù)據(jù)速率，使用1百萬并行處理單元。由于高的z抽樣速率，以數(shù)微秒的精度確定極大強(qiáng)度的位置，不需要用專門的算法(如內(nèi)插法)。
實(shí)現(xiàn)該并行處理，有許多途徑。所要求的是，掃描信號(hào)發(fā)生器18向處理單元9提供產(chǎn)生的掃描信號(hào)。掃描信號(hào)發(fā)生器包括，例如時(shí)鐘或時(shí)間寄存器，和把該時(shí)鐘輸出的時(shí)鐘脈沖，轉(zhuǎn)換為能實(shí)現(xiàn)掃描單元16的受時(shí)間控制運(yùn)動(dòng)的掃描信號(hào)。通過把掃描信號(hào)送至處理單元和掃描單元，處理單元能追隨蔭罩的運(yùn)動(dòng)，并在獲得的極大光強(qiáng)與蔭罩位置之間建立聯(lián)系。掃描信號(hào)例如以數(shù)字形式提供，舉例說，是10比特信號(hào)，能識(shí)別至少1000個(gè)蔭罩的z位置。
每一像處理單元可用的處理算法，例如包括如下步驟1.把滾動(dòng)的極大值初始化為零，或者另一個(gè)初始強(qiáng)度值，并把該初始強(qiáng)度值作為存儲(chǔ)的強(qiáng)度值，存儲(chǔ)在處理單元的存儲(chǔ)器單元中；2.在同一個(gè)掃描信號(hào)序列中的每一個(gè)相繼的掃描信號(hào)控制下，比較存儲(chǔ)的強(qiáng)度值與目前檢測單元提供的強(qiáng)度值。在本例中，比較是每100微秒執(zhí)行一次。比較本身例如根據(jù)灰度值實(shí)施；3.如果目前強(qiáng)度值高于存儲(chǔ)的強(qiáng)度值，則把目前的強(qiáng)度值存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)器單元，從而蓋寫存儲(chǔ)的強(qiáng)度值。每次在比較之后執(zhí)行存儲(chǔ)操作，然后還存儲(chǔ)目前的掃描信號(hào)，以便對存儲(chǔ)的強(qiáng)度值打上時(shí)間標(biāo)記。如果相反，目前的強(qiáng)度值低于，或者等于存儲(chǔ)的強(qiáng)度值，則存儲(chǔ)的強(qiáng)度值保留不變；4.掃描結(jié)束時(shí)，從每一個(gè)處理單元讀出存儲(chǔ)的掃描信號(hào)。因?yàn)槟切呙栊盘?hào)與獲得的極大強(qiáng)度值的位置對應(yīng)，所以容易確定物體上不同點(diǎn)的位置；5.可供選擇地，也可以讀出存儲(chǔ)的極大強(qiáng)度值。該值可以提供物體表面6在遠(yuǎn)心光條件下拍攝的標(biāo)準(zhǔn)視頻像。
有若干可能性在物理上實(shí)施處理單元和傳感器單元。但是，至少要求1000個(gè)處理單元。能以每100納秒一個(gè)像素的數(shù)據(jù)速率，即10MHz，處理一列像素的灰度值。以時(shí)鐘速率數(shù)百M(fèi)Hz工作，有1000滾動(dòng)極大值的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和1000時(shí)間標(biāo)記寄存器工作的數(shù)字處理器，可以執(zhí)行前述算法。用高于10MHz的像素時(shí)鐘速率，則可以使若干列檢測單元共享同一處理單元。
也可以使用其他的實(shí)施方案。例如，代替作為數(shù)字值存儲(chǔ)極大強(qiáng)度值，可以考慮使用模擬存儲(chǔ)器，如存儲(chǔ)在電容器的電壓。于是，輸入的與光強(qiáng)對應(yīng)的像素灰度值，是作為電壓值提供的。諸如步驟2給出的比較操作，將執(zhí)行模擬電壓比較。提供時(shí)間標(biāo)記的的掃描信號(hào)的存儲(chǔ)器，應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，即每比特一個(gè)電容器。判定步驟(3)于是作為一組受比較器控制的開關(guān)實(shí)施。如果滾動(dòng)的極大需要更新，這些開關(guān)把滾動(dòng)灰度值的電流引向電容器，同時(shí)把電流掃描信號(hào)引向局部時(shí)間標(biāo)記寄存器。
另一種前述方法并使用智能CMOS傳感器的解決途徑，是使用并行讀出、不帶片上處理的超快標(biāo)準(zhǔn)CMOS傳感器。該另一種途徑示于圖7。舉例說，假定64個(gè)并行讀出通道，每通道速率為50MHz，累積數(shù)據(jù)速率是每秒3.2千兆像素。在本文中，這是被認(rèn)為比較慢的。使用上述檢測原理，縮減物鏡5的數(shù)值孔徑將削弱共焦原理。這樣將加寬作為針孔陣列4的z位置函數(shù)的每像素光強(qiáng)極大，如圖2的虛線所示。由于是更寬的極大，z位置較少的抽樣是可行的，利用計(jì)算上在抽樣的z位置間內(nèi)插，可以獲得需要的數(shù)微米的精度。這里要指出，對z間隔30μ的約100個(gè)抽樣，用數(shù)值內(nèi)插也可以獲得數(shù)微米的精度。以每秒3.2千兆像素的100個(gè)抽樣，需時(shí)約32毫秒。這是符合在線測量的要求的。這個(gè)方法的缺點(diǎn)，是需要巨大的電子設(shè)備體積，以安排64個(gè)并行讀出通道必須有64個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換器、64個(gè)存儲(chǔ)體、和64個(gè)處理器，以便完成要求的極大計(jì)算和內(nèi)插。就是說，基本上必須64個(gè)完整的像處理系統(tǒng)；否則，在該解決途徑中要求的100百萬像素的處理，要用太長的時(shí)間，違背在線測量的要求。設(shè)備的復(fù)雜性可以與獲取時(shí)間折衷。在上述例子中，用16通道并行讀出，仍可達(dá)到128微秒，這個(gè)時(shí)間是可充分接受的。存儲(chǔ)體必須包含對每一獨(dú)立像素?cái)?shù)值內(nèi)插需用的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)體的大小由存儲(chǔ)的內(nèi)容限制，對每一像素的存儲(chǔ)內(nèi)容有只有極大強(qiáng)度鄰域的強(qiáng)度值、極大值本身、和與極大值對應(yīng)時(shí)間標(biāo)記(在本例中因?yàn)閦分段數(shù)是100，只需1字節(jié))需要存儲(chǔ)。
為了獲得與表面z值對應(yīng)的極大強(qiáng)度值，假定用5個(gè)抽樣點(diǎn)(不同z位置的像素灰度值)作為數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。因?yàn)閽呙鑶卧菣C(jī)械操作的，像素值是作為時(shí)間序列到達(dá)的。假定是100個(gè)像的z掃描，那么，在該一百個(gè)的值系列中，必須與每一x-y像素位置無關(guān)地，圍繞全局極大強(qiáng)度值找出5個(gè)抽樣點(diǎn)。
圖5畫出單個(gè)x-y像素共焦z響應(yīng)曲線的例子。從該圖5可見，在掃描序列內(nèi)的z2全局極大之前，在z1有一局部極大。因?yàn)楣步鬼憫?yīng)曲線中的旁瓣，該局部極大不是例外，并應(yīng)處理。
因?yàn)闀r(shí)間序列對應(yīng)于z序列或掃描方向，偶有5個(gè)灰度值(a-e)和它們對應(yīng)的時(shí)間標(biāo)記(z1)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，但它們與局部的而不是全局的極大對應(yīng)。于是，隨后的兩個(gè)灰度值(f和g)引起問題，因?yàn)椴磺宄鼈兪欠駥儆谌值臉O大。如果它們不屬于全局極大，可以忽略它們，因?yàn)樗鼈儽然叶戎礲、c、或d有更低的值。但是，如果灰度值f和g是全局極大(f-k，z2)的一部分，則它們是需要的，所以不能忽略。因此，即使只用5個(gè)抽樣點(diǎn)，還必須預(yù)先知道至少9個(gè)存儲(chǔ)器地址(A、B、C、D、E、F、G、Z、J)，5個(gè)(A、B、C、D、E)用于目前的滾動(dòng)局部極大，2個(gè)(F、G)用于時(shí)間序列中最后兩個(gè)，一個(gè)用于z-比特(Z)，還有另一個(gè)(J)用于歷史標(biāo)志，本文后面還將說明。像處理單元還需要像序列計(jì)數(shù)器i，它是視場內(nèi)所有xy像素共用的。
像處理器施行處理時(shí)使用的算法，在圖8畫出，并用圖10的表I說明。
如圖8所示，算法包括如下步驟50.NSS每次開始新的掃描信號(hào)系列，算法由每一個(gè)像處理單元初始化。
51.A＝...＝J＝0；i＝0每一存儲(chǔ)器存儲(chǔ)位置A、B、C、D、E、F、G、Z、和J，連同像系列計(jì)數(shù)器i，被賦以初始值，例如0。如表I第二行所示。
52 RDGV＝p實(shí)際提供的，例如由檢測單元提供的灰度值p，被像處理單元讀出，供進(jìn)一步處理。
53 i＝i+1計(jì)數(shù)器i遞增一個(gè)單位，如表I列1所示。
54 RDC讀出存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器位置c的值。
55 p＞cont c把實(shí)際的灰度值p與存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器位置c的灰度值比較。如果p的值(y)比存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器位置c的值更高，則前進(jìn)至步驟56。如果相反，p的值(N)低于或等于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器位置c的值，則執(zhí)行步驟57。
56 ST NM因?yàn)閷?shí)際的灰度值p比存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器位置c的值更高，這表明很可能已經(jīng)識(shí)別新的極大值，它表示向存儲(chǔ)器位置c的寫入操作。于是施行下述寫入操作A＝F、B＝G、C＝p、Z＝i、J＝2、F＝G、和G＝p。關(guān)于這一操作及后面步驟中說明的寫入操作，將在下面并參考圖5和表I舉例說明。
57 STNNM因?yàn)閷?shí)際的灰度值比存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器位置c的值更低，該實(shí)際的灰度值不能考慮為極大。于是施行如下的寫入操作F＝G、G＝p。
58 J＝2？執(zhí)行驗(yàn)證，如果J＝2，表示前一存儲(chǔ)步驟中，發(fā)現(xiàn)一假定的極大。
59 ST1p存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)器位置D(D＝p)，且如果在步驟58，J＝2，則把J遞減。
60 ST2p存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)器位置E(E＝p)，且如果在步驟58，J≠2，則把J遞減J＝J-1。
61 LST SC？執(zhí)行驗(yàn)證，實(shí)際掃描信號(hào)是否掃描信號(hào)系列的最后一個(gè)。
62 STP如果實(shí)際掃描信號(hào)是該系列的最后一個(gè)，執(zhí)行算法的程序結(jié)束。
現(xiàn)在回頭參考圖5和表I第三行，可以看到，如果實(shí)際接收的值p＝a，即，圖5所示第一灰度值，計(jì)數(shù)器i＝1，因?yàn)樗墙邮盏牡谝幌袼刂?。因?yàn)樵诖鎯?chǔ)位置C存儲(chǔ)的灰度值是0(C＝0)，又因?yàn)閍＞0(步驟55)，于是執(zhí)行步驟56。這意味著在存儲(chǔ)位置C，存儲(chǔ)了值a(C＝a)。存儲(chǔ)在F和G的值分別移到A和B，即A＝0、B＝0。因?yàn)榧俣O大J＝2，和存儲(chǔ)在G的值被移至F，即F＝0，實(shí)際灰度值a也存儲(chǔ)在G(G＝a)。G被移至F和G＝p這一事實(shí)，是為了在局部和全局極大之間作出區(qū)別。因此，除了5個(gè)存儲(chǔ)器位置A到E外，也要保留F和G。最后，Z＝1表明，假定極大在掃描信號(hào)的第一個(gè)。
現(xiàn)在考慮下一個(gè)灰度值即灰度值b，和計(jì)數(shù)器i遞增到i＝2的情形，如表I第四行所示。分別由于C＝a和由于b＞a(步驟55)，灰度值被存儲(chǔ)在C，G被b蓋寫(C＝b)。存儲(chǔ)在G的灰度值a被存儲(chǔ)在B(B＝a)和F＝a。因?yàn)榛叶戎礲再次被假定為極大Z＝i，從而Z＝2和J＝2。
在表I的第五行，考慮后繼的灰度值c。因?yàn)镃＝b和c＞b，執(zhí)行如前所述的模擬操作，得到i＝3、A＝a、B＝b、C＝c、F＝b、G＝c、Z＝3、J＝2。
現(xiàn)在考慮接著的灰度值d(見表I的第六行)。計(jì)數(shù)器i被賦值為i＝4和因?yàn)镃＝c和d＜c(見圖5)，不把d考慮為極大，并據(jù)此前進(jìn)到步驟57，在步驟57，F(xiàn)＝G和G＝p，即F＝c和G＝d。之后在步驟58，在J＝2建立實(shí)際的存儲(chǔ)值，以便轉(zhuǎn)移到步驟59，在步驟59，D＝p作為后來的灰度值，并令J＝J-1，得到D＝d和J＝1。由于沒有發(fā)現(xiàn)新的極大灰度值，Z保持不變。
接著灰度值d的灰度值e也小于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)位置C的灰度值c。由此再執(zhí)行步驟57，得到F＝d和G＝e。但是，在步驟58，現(xiàn)在建立的是J≠2(J＝1)，以便在步驟60繼續(xù)。在該步驟，J遞減到J＝0并令E＝e作為隨后的灰度值。因?yàn)闆]有識(shí)別到新的極大，Z再次保持不變。
到下一個(gè)灰度值f(i＝6)，建立了f＜c，所以F＝e和G＝f。因?yàn)镴≠2和J＝0，J不能再遞減，因?yàn)橹豢紤]兩個(gè)超過實(shí)際極大值(在本例中是c)的灰度值。J有標(biāo)志函數(shù)，能用于識(shí)別考慮的灰度值相對于實(shí)際極大的位置。因?yàn)闆]有識(shí)別到新的極大，字節(jié)Z再次保持不變。
考慮接著的灰度值是g(i＝7)。雖然g＞f，g仍然小于存儲(chǔ)在C的灰度值c。因此，F(xiàn)＝f、G＝g、J＝0和z保持Z＝3(步驟57、58、和60)。但到灰度值h(i＝8)，該灰度值大于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)位置C的灰度值c，所以在步驟55轉(zhuǎn)移到步驟56，得到A＝f、B＝g、C＝h、J＝2、F＝g、和G＝h。因?yàn)闆]有發(fā)現(xiàn)新的極大，Z必須改為Z＝8。
接著的灰度值J(i＝9)小于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)位置C的實(shí)際極大h。在步驟57，F(xiàn)＝h和G＝j(luò)，而在步驟58，建立J＝2。因此轉(zhuǎn)移到步驟59，在步驟59，J＝2-1或J＝1和D＝j(luò)。Z保持Z＝8表明沒有識(shí)別到新的極大。最后對灰度值k(i＝10)建立k＜h和J≠2。因此J遞減到J＝0和F＝j(luò)、G＝k、和E＝k。
以上所述表明，在位置A到E，現(xiàn)在存儲(chǔ)了代表全局極大的灰度值f到k，不是代表局部極大的a到e。因此，本算法能從相互之間識(shí)別局部和全局極大，并只保留全局極大作為共焦響應(yīng)信號(hào)。此外，通過Z值的存儲(chǔ)，還能保留被考慮的系列中的掃描信號(hào)，該掃描信號(hào)已經(jīng)導(dǎo)出考慮的極大，并據(jù)此確定蔭罩的位置，還從該位置導(dǎo)出物體6需要的Z位置。
一旦確定掃描操作和在存儲(chǔ)器位置A到E存儲(chǔ)了必須的灰度值，及在2的極大，那么需要內(nèi)插操作以獲得校正的極大值。不同的算法可以用于該目的。一種可能的算法是重心平方加權(quán)(power-weighted-center-of-gravity)。
Zmax=Σu=15(gv(u))2·uΣu=15(gv(u))2]]>這里u表示存儲(chǔ)在5個(gè)存儲(chǔ)位置A到E(A＝1，...，E＝5)的灰度值gv。
該方法提供的輸出，與每檢測單元都使用處理單元的方法類似。每一像素一字節(jié)用于極大值，兩字節(jié)用于對應(yīng)的內(nèi)插z位置(因?yàn)閮?nèi)插需要2字節(jié))。類似于前面的方法，把兩個(gè)影像傳送到像處理板，該像處理板可以是外接的，也可以集成在攝像機(jī)之內(nèi)。一個(gè)影像包含每一像素的極大值，另一個(gè)影像包含表面外形。
另一種可能的變化是增加3D攝像機(jī)作為標(biāo)準(zhǔn)的2D攝像機(jī)的使用。不管極大的形成而簡單地在某一時(shí)間周期上對像素強(qiáng)度積分，可能是頗為有用的，該時(shí)間周期對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)積分的CMOS攝像機(jī)。在某些制造設(shè)備內(nèi)的同一安裝位置，可以在需要時(shí)獲取2D或3D像。
相反的選擇也是可能的。如果上述極大灰度值的讀出是不需要的(例如，因硅片線路圖或其他與特定實(shí)施方案有關(guān)的理由)，且智能CMOS傳感器只產(chǎn)生極大的位置，那么，可以在圖1的安排中增加第二光束分束器，和在該第二光束分束器之后，增加標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或CCD。該攝像機(jī)在整個(gè)z掃描時(shí)間上，對光進(jìn)行積分。如此，通過該額外的標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)，可以獲得標(biāo)準(zhǔn)的2D像。
如果光源1由靠近物體6的光源取代，可以獲得測量裝置的再一種變化。在該變化中，整套裝置失去它的共焦性質(zhì)，變成一種“深度全焦距(depth through focus)”傳感器。還有，對該第二照明形式，包括z掃描時(shí)的極大灰度值的像，與普通的2D像對應(yīng)。因?yàn)檫@種方式的物體6的像，可以用不同類型的照明獲取，所以可能是有用的。
權(quán)利要求
1.一種用于對物體外形進(jìn)行三維測量的裝置，所述裝置包括陣列式有照明所述物體的光源的共焦成像系統(tǒng)，和使所述光源輸出的照明光光路與所述物體反射的反射光光路分散的光路分散光學(xué)單元；所述共焦成像系統(tǒng)還包括共焦外形蔭罩，用于把從所述光路分散光學(xué)單元出射的照明光，轉(zhuǎn)換為小的光斑陣列；所述共焦成像系統(tǒng)還包括共焦物鏡，用于使所述照明光轉(zhuǎn)向所述物體和使所述反射光轉(zhuǎn)向所述共焦外形蔭罩，以便形成共焦像；所述裝置還包括光電傳感器單元，用于接收已經(jīng)通過所述共焦外形蔭罩的所述反射光，并用所述光路分散光學(xué)單元使之偏轉(zhuǎn)，還用于把后者的光轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度值；所述裝置還包括掃描單元，在其上安裝所述共焦外形蔭罩，所述掃描單元用于在預(yù)定距離的相繼位置上，移動(dòng)所述共焦外形蔭罩，以便沿預(yù)定方向改變所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間的相對距離；所述裝置還包括與所述光電傳感器單元連接的像處理器，用于形成共焦響應(yīng)信號(hào)，并從所述共焦像計(jì)算所述物體形狀，所述共焦像是沿所述預(yù)定方向、在所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間不同相對距離上，用所述光電傳感器單元獲取的；所述共焦物鏡用于在相繼的焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置上，把所述小光斑陣列的輸出，影像在所述相繼位置上；所述裝置的特征在于所述共焦物鏡是安裝在所述裝置內(nèi)固定位置上的3D共焦物鏡。
2.按照權(quán)利要求1的裝置，特征在于所述3D共焦物鏡要按限制球面像差及慧形像差的方式設(shè)計(jì)，以便把所述共焦像中的成像誤差，保持在兩個(gè)像素的極大上。
3.按照權(quán)利要求1或2的裝置，特征在于所述共焦外形蔭罩是用安裝在所述掃描單元上的微透鏡陣列形成的，且所述裝置還包括單個(gè)針孔，位于所述光電傳感器單元焦點(diǎn)。
4.按照權(quán)利要求3的裝置，特征在于所述單個(gè)針孔位于所述光電傳感器之前的兩級攝像機(jī)物鏡的焦點(diǎn)，所述單個(gè)針孔安裝在所述兩級攝像機(jī)物鏡之間。
5.按照權(quán)利要求3或4的裝置，特征在于所述單個(gè)針孔被置于形成傳感器物鏡的兩級透鏡之間的所述反射光光路中。
6.按照權(quán)利要求1的裝置，特征在于所述共焦外形蔭罩是用針孔陣列形成的，每一針孔配有一微透鏡。
7.按照權(quán)利要求1到6任一項(xiàng)的裝置，特征在于所述照明光源包括高強(qiáng)度的LED陣列，在LED陣列頂部還粘接微透鏡。
8.按照權(quán)利要求1到7任一項(xiàng)的裝置，特征在于所述照明光源包括把輸出耦合進(jìn)光纖束的激光二極管陣列。
9.按照權(quán)利要求1到8任一項(xiàng)的裝置，特征在于在所述分散光學(xué)單元照明側(cè)的光路中，插入線偏振器，而在另一側(cè)插入四分一波片及起偏器。
10.按照權(quán)利要求1到9任一項(xiàng)的裝置，特征在于所述掃描單元包括掃描信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生指示所述相繼位置的掃描信號(hào)序列；所述掃描信號(hào)發(fā)生器與所述像處理器連接，以便向之提供所述掃描信號(hào)；所述光電傳感器單元包括第一檢測單元陣列；所述像處理器包括第二處理單元陣列，所述第二陣列的每一處理單元，每次與所述第一陣列的許多檢測單元連接；所述像處理器用于每次在同一掃描信號(hào)序列中，接收相繼各個(gè)所述強(qiáng)度值；每一個(gè)所述處理單元，用于把所述相繼強(qiáng)度值彼此區(qū)分，并保留那些形成所述共焦響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度值；所述像處理器，用于把那些形成所述共焦響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度值，與那些代表已經(jīng)產(chǎn)生所述共焦響應(yīng)信號(hào)的那些位置的掃描信號(hào)關(guān)聯(lián)起來。
11.按照權(quán)利要求10的裝置，特征在于在所述檢測單元第一陣列與所述處理單元第二陣列之間安裝抽樣單元；所述抽樣單元，用于按預(yù)定抽樣速率，對所述強(qiáng)度值和在所述檢測單元并行讀出門的輸出抽樣；每一個(gè)所述處理單元有存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)同一掃描信號(hào)序列中抽樣的強(qiáng)度值；每一個(gè)所述處理單元，用于通過把每次存儲(chǔ)的強(qiáng)度值插入同一所述存儲(chǔ)單元，確定最大的強(qiáng)度值。
12.按照權(quán)利要求10的裝置，特征在于所述第二陣列至少與所述第一陣列有相同數(shù)量的單元，每一處理單元用于存儲(chǔ)一初始的強(qiáng)度值，作為在相關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的強(qiáng)度值；所述處理單元在后繼的掃描信號(hào)控制下，用于比較目前的強(qiáng)度值是否高于存儲(chǔ)的強(qiáng)度值，并在后者低于目前的強(qiáng)度值時(shí)，蓋寫存儲(chǔ)的強(qiáng)度值；所述處理單元還用于在每一存儲(chǔ)操作時(shí)，存儲(chǔ)目前掃描信號(hào)之一。
13.按照權(quán)利要求1到12任一項(xiàng)的裝置，特征在于所述掃描單元包括與所述共焦外形蔭罩連接的音圈致動(dòng)器，用于迫使所述蔭罩作直線運(yùn)動(dòng)。
14.按照權(quán)利要求13的裝置，特征在于所述音圈致動(dòng)器與用于監(jiān)控所述運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生其位移信號(hào)的光學(xué)編碼器連接；所述光學(xué)編碼器與所述掃描信號(hào)發(fā)生器連接，后者用于從所述位移信號(hào)產(chǎn)生所述掃描信號(hào)。
15.一種用于對物體外形進(jìn)行三維測量的裝置，所述裝置包括陣列式有照明所述物體的光源的共焦成像系統(tǒng)，和使所述光源輸出的照明光光路與所述物體反射的反射光光路分散的光路分散光學(xué)單元；所述共焦成像系統(tǒng)還包括共焦外形蔭罩，用于把從所述光路分散光學(xué)單元出射的照明光，轉(zhuǎn)換為小的光斑陣列；所述共焦成像系統(tǒng)還包括共焦物鏡，用于使所述照明光轉(zhuǎn)向所述物體和使所述反射光轉(zhuǎn)向所述共焦外形蔭罩，以便形成共焦像；所述裝置還包括光電傳感器單元，用于接收已經(jīng)通過所述共焦外形蔭罩的所述反射光，并用所述光路分散光學(xué)單元使之偏轉(zhuǎn)，還用于把后者的光轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度值；所述裝置還包括掃描單元，用于沿預(yù)定方向改變所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間的相對距離；所述裝置還包括與所述光電傳感器單元連接的像處理器，用于形成共焦響應(yīng)信號(hào)，并從所述共焦像計(jì)算所述物體形狀，所述共焦像是沿所述預(yù)定方向、在所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間不同相對距離上，用所述光電傳感器單元獲取的；所述共焦物鏡包括第一和第二部分，所述第二部分固定而所述第一部分安裝在所述掃描單元上，所述掃描單元用于沿所述方向在預(yù)定距離的相繼位置上移動(dòng)所述第一部分；所述第一部分靠近所述物體安裝；所述共焦物鏡用于在相繼的焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置上，把所述小光斑陣列的輸出，影像在所述相繼位置上；所述裝置的特征在于所述共焦外形蔭罩是由微透鏡陣列形成的，且所述裝置還包括單個(gè)位于所述光電傳感器單元焦點(diǎn)上的針孔。
16.按照權(quán)利要求15的裝置，特征在于在所述第一與第二部分之間，安裝一遠(yuǎn)心孔徑。
17.一種借助陣列式共焦成像系統(tǒng)，對物體外形進(jìn)行三維測量的方法，所述方法包括通過用于使照明光光路與所述物體反射的反射光光路分散的光路分散光學(xué)單元，照明所述物體；越過共焦成像系統(tǒng)的所述照明光光路，包括共焦外形蔭罩，用于把從所述光路分散光學(xué)單元出射的照明光，轉(zhuǎn)換為小的光斑陣列；所述小光斑通過共焦物鏡，指向所述物體，該共焦物鏡還使所述反射光指向所述共焦外形蔭罩，以便形成共焦像；所述共焦像在通過所述共焦外形蔭罩并被所述光路分散光學(xué)單元偏轉(zhuǎn)之后，傳輸至光電傳感器單元；所述光電傳感器單元，把后者的光轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度值；所述方法還包括沿預(yù)定方向并在預(yù)定距離的相繼位置上，移動(dòng)所述共焦外形蔭罩的操作，以便沿所述預(yù)定方向改變所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間的相對距離；所述方法還包括像處理操作，其中，從所述光電傳感器單元提供的數(shù)據(jù)，形成共焦響應(yīng)信號(hào)，又其中，從所述共焦像計(jì)算所述物體形狀，所述共焦像是沿所述預(yù)定方向、在所述物體與焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置之間不同相對距離上，由所述光電傳感器單元獲取的；所述共焦物鏡在相繼的焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置上，把所述小光斑陣列的輸出，影像在所述相繼位置上；所述方法的特征在于在所述掃描操作中，保持所述共焦物鏡不動(dòng)。
18.按照權(quán)利要求17的方法，特征在于所述掃描操作包括產(chǎn)生指示所述相繼位置的掃描信號(hào)序列并把它提供給所述像處理器；所述像處理操作包括每次在同一掃描信號(hào)序列中，接收相繼各個(gè)所述強(qiáng)度值；所述處理操作包括把所述相繼強(qiáng)度值彼此區(qū)分，和保留那些形成所述共焦響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度值；所述像處理器還包括與那些信號(hào)強(qiáng)度值結(jié)合，形成那些掃描信號(hào)的所述共焦響應(yīng)信號(hào)，那些掃描信號(hào)代表那些已經(jīng)導(dǎo)致所述共焦響應(yīng)信號(hào)的位置。
全文摘要
一種對物體外形進(jìn)行三維測量的裝置。該裝置包括陣列式有共焦外形蔭罩的共焦成像系統(tǒng)，用于把光源產(chǎn)生的光變換為小的光斑陣列。該蔭罩安裝在掃描單元上，該掃描單元用于在預(yù)定距離的相繼位置上移動(dòng)該蔭罩。該裝置還包括共焦的物鏡，用于在相繼的焦點(diǎn)對準(zhǔn)的物體位置上，把小的光斑陣列的輸出，影像在所述相繼位置上。該共焦物鏡可以安裝在所述裝置內(nèi)固定的位置上。
文檔編號(hào)G06T1/00GK1662790SQ03813947
公開日2005年8月31日 申請日期2003年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月15日
發(fā)明者約翰·扎波里特茲克, 卡爾·斯美特斯, 魯多·沃魯廷, 奧古斯特·斯梅耶斯 申請人:Icos影像系統(tǒng)股份有限公司