專利名稱：表面圖象讀出裝置和三維結(jié)構(gòu)的表面檢查的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于自動檢查和其它應(yīng)用的三維結(jié)構(gòu)圖象讀出裝置。
在已知的成像系統(tǒng)中，基于諸如采用讀出元件構(gòu)成的二維陣列的電荷耦合器件(CCD)之類的傳感器而使用矩陣攝象機(jī)(亦即面掃描攝象機(jī))。矩陣攝象機(jī)被廣泛地使用于攝象機(jī)、閉路TV攝象機(jī)(CCTV)、以及便攜式攝象機(jī)中，并可以用來拍攝三維結(jié)構(gòu)的圖象。
使用陣列攝象機(jī)的一個問題是攝象機(jī)僅僅能夠看到部分三維結(jié)構(gòu)。例如，當(dāng)成像圓柱或球的表面時，攝象機(jī)僅僅看到最靠近它的表面而無法看到側(cè)面和背面。這意味著為了建立此結(jié)構(gòu)四面八方的完整圖象而需要多個圖象。在諸如自動檢查系統(tǒng)之類的實(shí)際應(yīng)用中，比之單個圖象的情況，由于拍攝和處理多個圖象使工藝負(fù)擔(dān)加重，因而影響系統(tǒng)的成本，故這是一個缺點(diǎn)。
使用陣列攝象機(jī)的第二個問題是結(jié)構(gòu)的任何不平坦區(qū)域?qū)⒁曰兞说姆绞酵队暗絺鞲衅魃?。例如，圓柱形或球形結(jié)構(gòu)的側(cè)壁在表面從攝象機(jī)彎曲離開時將產(chǎn)生圖象畸變。這意味著在檢查含有表面細(xì)節(jié)的圖象，例如印刷在表面上的字符時，圖象處理系統(tǒng)必須修正這一畸變。這種類型的修正意味著明顯地增加復(fù)雜性，從而提高了圖象處理系統(tǒng)的成本。
使用陣列攝象機(jī)的第三個問題是必須將多個圖象鋪貼在一起。這應(yīng)用于被成像的表面含有可能騎跨多個圖象中的二個或更多個的圖形的情況，而且需要鋪貼(亦即拼接到一起)這些圖象以重新構(gòu)成完整的圖象。這導(dǎo)致圖象處理系統(tǒng)額外的明顯復(fù)雜性，并引入了在重新構(gòu)成的圖象中可能產(chǎn)生亂真“拼接復(fù)制品”的危險。
在另一種已知的圖象讀出系統(tǒng)中，用行掃描攝象機(jī)來拍攝三維結(jié)構(gòu)的圖象。行掃描攝象機(jī)被安置來形成結(jié)構(gòu)窄長部分的圖象。在使圖象能夠建立在行掃描傳感器上的適當(dāng)匯集時間之后，以圖象象素(亦即圖片元件)行的形式從攝象機(jī)讀出行圖象，并被傳送到圖象存儲和圖象處理系統(tǒng)。此結(jié)構(gòu)被安置成相對于攝象機(jī)運(yùn)動，致使能夠在結(jié)構(gòu)相鄰的窄長部分上重復(fù)此過程，最終通過多個部分而獲得象素的二維陣列。
行掃描成像的一個典型的例子是形成圓柱形表面的圖象，從而圓柱形結(jié)構(gòu)被安置成繞其主軸旋轉(zhuǎn)，同時行掃描攝象機(jī)沿平行于主軸的圓柱壁拍攝一系列行圖象。
行掃描成像的一個問題是光學(xué)效率不高。攝象機(jī)的透鏡能夠使寬于結(jié)構(gòu)窄小部分的區(qū)域成像，且照明系統(tǒng)也會照亮結(jié)構(gòu)的更寬部分。行掃描攝象機(jī)僅僅使用了一小部分可得到的圖象而放棄了其余部分。這一光學(xué)效率不高導(dǎo)致對整個成像系統(tǒng)的限制，限制了圖象拍攝速度，并需要更加復(fù)雜的高強(qiáng)度照明。
行掃描成像的第二個問題是圖象模糊。在典型的實(shí)際系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)被安置成以恒定的速度相對于攝象機(jī)運(yùn)動，致使圍繞結(jié)構(gòu)以規(guī)則的物理間距得到逐個象素行。這意味著結(jié)構(gòu)表面上的任何零件都相對于攝象機(jī)運(yùn)動，從而傾向于在攝象機(jī)所用的匯集時間范圍內(nèi)使圖象模糊。對于諸如尺寸相似于或1-5倍大于結(jié)構(gòu)被成像的象素的尺寸的小點(diǎn)或線之類的結(jié)構(gòu)表面上的精細(xì)細(xì)節(jié)來說，這一點(diǎn)最為嚴(yán)重。圖象模糊的總效果是拍攝的圖象的質(zhì)量被降低，損失了反差和圖象清晰度，特別是影響點(diǎn)和線之類的精細(xì)細(xì)節(jié)。
在行掃描攝象機(jī)的一種已知的變種(延時匯集(TDI)攝象機(jī))中，克服了行掃描成像的某些問題。在TDI行掃描攝象機(jī)中，多個平行的象素行被同時成像。依賴于所使用的特定成像器件，這意味著成像區(qū)域的寬度被增大到例如8、16、31或96個平行象素行。在TDI系統(tǒng)中，用移位寄存器方法來使正匯集在傳感器上的圖象移位，使部分地匯集在傳感器上的圖象跟隨結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。因此，讀出的各個象素將被曝光8、16、32或96個時鐘周期。這提高了系統(tǒng)的光學(xué)效率。
TDI成像的問題是，由于與基本的行掃描攝象機(jī)相同的原因而仍然存在圖象模糊，導(dǎo)致精細(xì)細(xì)節(jié)上圖象清晰度和反差的損失。TDI攝象機(jī)的第二個問題是，由于其用途特殊從而制造的數(shù)量少而使成本比較高。
一般行掃描攝象機(jī)和TDI行掃描攝象機(jī)的另一個問題是，成像局限于攝象機(jī)能夠沿三維結(jié)構(gòu)被聚焦在一條線上的應(yīng)用。如果實(shí)際地考慮標(biāo)準(zhǔn)透鏡和景深(為了保持圖象的適當(dāng)?shù)那逦?，這意味著行掃描系統(tǒng)最適合于諸如圓柱體之類的側(cè)壁平坦的結(jié)構(gòu)，而不很適合于例如球形結(jié)構(gòu)那樣的更復(fù)雜的表面。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種用來提供三維物體表面的二維表示的裝置，它包含用來沿一個路徑移動物體的裝置以及用來同時繞其至少一個軸旋轉(zhuǎn)物體的裝置、用來讀出二維表示的裝置、用來將一部分物體表面成像到一部分讀出裝置上的裝置，此成像裝置可沿平行于物體路徑的路徑移動，物體移動裝置和成像裝置的移動速率以及物體的旋轉(zhuǎn)速率，被選擇成使物體和成像裝置的旋轉(zhuǎn)與移動的組合引起物體表面相鄰部分的逐個圖象在物體沿部分物體路徑行進(jìn)時，被成像在讀出裝置的逐個部分上，從而拍攝物體表面的二維圖象。
下面參照附圖，僅僅用舉例的方法來描述本發(fā)明，在這些附圖中

圖1是用來讀出圓柱體表面的本發(fā)明的實(shí)施方案的示意剖面圖；圖2是圖1實(shí)施方案的示意透視圖；圖3(a)、(b)和(c)是一系列示意剖面圖，用來說明如何使用圖1和2的實(shí)施方案來建立隨時間變化的圖象；圖4是示意方框圖，示出了圖1和2的實(shí)施方案在物體自動檢查操作中的主要步驟；圖5是通過用來處置被檢查的物體的機(jī)械處置裝置實(shí)施方案區(qū)段的示意縱向剖面圖；而圖6是用來讀出復(fù)雜的非圓柱形結(jié)構(gòu)的圖象的另一個實(shí)施方案的示意透視圖。
圓柱形物體101被光源102照射，致使圓柱體表面111的106部分被照明。矩陣圖象傳感器103經(jīng)由透鏡104及平板105中的窗口112，在傳感器表面115的107部分接收106部分的圖象114。窗口112是一種細(xì)長的有平行邊的窗口，它具有基本上平行于圓柱體101主軸的縱軸。因此，待要成像在矩陣傳感器103上的圓柱體表面111的106部分是沿基本上平行于圓柱體主軸113的沿圓柱體101側(cè)邊的窄長部分。而且，矩陣傳感器103所接收的圖象114，也是對應(yīng)于被照明部分106的窄長部分107。
物體101的整個圓柱形表面111被掃描，并借助于安排物體101的同時機(jī)械移動和旋轉(zhuǎn)，并同時機(jī)械移動平板105，同時安排矩陣傳感器103使其視野匯集周期與機(jī)械移動和旋轉(zhuǎn)的這一周期同步，從而被矩陣傳感器103成像。
機(jī)械周期的細(xì)節(jié)如下安排圓柱形物體101以基本上線性的速度108移動，同時以轉(zhuǎn)速110旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)速110被安排成使被成像部分106相對于透鏡104和矩陣傳感器103的瞬時表面速度基本上為0。同時，平板105(因而也是窗口112)被安排成以線性速度109移動，致使被照明部分106的中心、窗口112和透鏡104的中心保持基本上共線。
借助于旋轉(zhuǎn)和移動圓柱體101，并移動窗口112，能夠?qū)A柱體1的整個表面111成像到矩陣傳感器103上。圖3說明了如何達(dá)到這一點(diǎn)。矩陣傳感器103在時間Ta處于靜止，此時圓柱體表面111被照明。此圓柱體表面111的A部分則通過處于第一位置的窗口12被成像到矩陣傳感器103上的相應(yīng)部分A’上。在圓柱體101連續(xù)旋轉(zhuǎn)并將表面111的其它部分，例如時間Tb時將B部分，時間Tc時將C部分分別連續(xù)成像在矩陣傳感器表面115上的B’部分和C’部分上的情況下，在其它時間內(nèi)，矩陣傳感器103被保持在連續(xù)匯集模式中。由于同時移動窗口112，故這些B’部分和C’部分在空間上被分隔開。一旦圓柱體101完成一圈旋轉(zhuǎn)，部分A將再次被讀取。
借助于進(jìn)行這種旋轉(zhuǎn)和移動的組合，圓柱體表面111的逐個部分被成像到矩陣傳感器103的相應(yīng)的逐個部分上，因此，這些機(jī)械和傳感器安排的總效果是圓柱體表面按照圍繞圓柱體側(cè)壁的連續(xù)增量被曝光，且表面的匹配圖象按照矩陣傳感器103處的連續(xù)增量被接收。
為了在自動應(yīng)用中進(jìn)行整個表面的掃描，可以根據(jù)圖4所列的步驟S來運(yùn)行裝置。待要掃描和成像的物體，亦即上述圓柱體101，被第一機(jī)械處置裝置120旋轉(zhuǎn)和移動，而平板105被第二機(jī)械處置裝置121移動。用同步裝置122使第一和第二機(jī)械處置裝置120和121同步，致使保持所需成像部分106、窗口106和透鏡104的中心的共線性。同步裝置122還控制矩陣傳感器103的曝光周期，致使新周期開始時施加復(fù)位并在周期的其余時間內(nèi)保持曝光，同時讀取所需的圓柱體表面111。
如上所述，圖5示出了用來掃描諸如圓柱體的物體的裝置的機(jī)械圓柱體101和窗口112的移動和旋轉(zhuǎn)如下進(jìn)行
為了繞其縱向主軸旋轉(zhuǎn)，圓柱體101被自由地安裝在圓柱形籠罩133上，其表面111位于制造成沿圖5中箭頭方向繞其主軸(未示出)旋轉(zhuǎn)的圓柱形滾筒130上。滾筒130的外表面131與圓柱體表面111接觸，致使當(dāng)滾筒130旋轉(zhuǎn)時，將旋轉(zhuǎn)力加于圓柱形籠罩133，使之旋轉(zhuǎn)。圖5中的箭頭也示出了這一點(diǎn)。圓柱體101被圓柱形籠罩中的窗口134容納?；\罩133被制造成繞其與滾筒主軸重合的主軸旋轉(zhuǎn)。也被制造成繞其與前述其它軸重合的主軸旋轉(zhuǎn)的開縫的滾筒135，實(shí)現(xiàn)了前述的平板105的功能，以開縫滾筒135中的窗口136對應(yīng)于上述的窗口112，且開縫滾筒135的旋轉(zhuǎn)影響著窗口136的移動。圓柱形滾筒130和籠罩133與其相關(guān)的驅(qū)動裝置一起，對應(yīng)于第一機(jī)械處置裝置。開縫滾筒135由第二處置裝置121旋轉(zhuǎn)。然后可以容易地安排機(jī)械驅(qū)動，例如本技術(shù)熟練人員熟知的馬達(dá)和齒輪，來同步連接三個旋轉(zhuǎn)元件(摩擦滾筒130、籠罩133和開縫的滾筒135)，以便產(chǎn)生被檢查物體的所需旋轉(zhuǎn)。例如本技術(shù)熟練人員所知的旋轉(zhuǎn)譯碼器之類的電器，可以容易地被安排來使機(jī)械周期與攝象機(jī)曝光同步。然后在圖象存儲和處理裝置123中，用任何適當(dāng)?shù)膱D象處理技術(shù)，對矩陣傳感器103拍攝到的二維圖象進(jìn)行處理。若此圖象被用來與參考圖象進(jìn)行比較，則若圖象隨參考圖象變化，就能夠用認(rèn)可/廢棄裝置124來認(rèn)可或廢棄物體。
參照圖6，示出了本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方案，表明本發(fā)明不局限于圓柱形結(jié)構(gòu)的圖象讀出，而是也能夠擴(kuò)展到三維結(jié)構(gòu)的許多其它的形狀。為了讀出諸如圖6所示那樣的更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)201沿水平方向被掃描，以產(chǎn)生大量圖象區(qū)段204，各個區(qū)段成水平條的形式，每個條沿垂直方向被相繼掃描，亦即，借助于首先沿水平方向掃描，然后垂直移動以便沿垂直相鄰的條204’再次水平掃描，等等，直至全部結(jié)構(gòu)被掃描和成像，從而建立結(jié)構(gòu)201的完整圖象。為提供圖象而使表面“不彎曲”的實(shí)際方法與上述相同，但此時，大量“不彎曲的”圖象則被組合以產(chǎn)生整個表面的最終圖象。在這方面，窗口平板105不僅沿水平方向移動，而且必須能夠也沿垂直方向移動，以便沿垂直方向相繼掃描。為了掃描更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)201需要繞和沿比上述第一實(shí)施方案更多的軸旋轉(zhuǎn)和移動。對于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如圖6所示，將要繞三個正交軸203、205、206旋轉(zhuǎn)，還要沿這些軸移動。對于較不復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，例如圓錐體或階梯形圓柱體，結(jié)構(gòu)不必繞或沿所有這些軸旋轉(zhuǎn)和移動。在圖6中，窗口平板105具有帶羽毛狀頂部和底部邊沿的正方形或矩形窗口112。借助于建立圖象與周圍象素之間的過渡邊界，使圖象在邊沿處逐漸淡出，羽毛狀邊沿使區(qū)段204的圖象邊沿模糊。于是，當(dāng)二個相鄰的水平成像區(qū)段被處理到一起時，相鄰條的重疊邊沿就沒有突然的間隙或雙重曝光重疊。
顯然，對于本技術(shù)的熟練人員，本發(fā)明范圍內(nèi)的各種各樣的修正都是可能的。例如，能夠使用任何適當(dāng)?shù)膱D象處理技術(shù)，以及其它適當(dāng)?shù)膱D象傳感器?？梢杂萌魏芜m當(dāng)?shù)难b置來實(shí)現(xiàn)各個元件的移動和旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1．一種用來提供三維物體表面的二維表示的裝置，它包含用來沿一個路徑移動物體的裝置以及用來同時繞其至少一個軸旋轉(zhuǎn)物體的裝置；用來讀出二維表示的裝置；用來將一部分物體表面成像到一部分讀出裝置上的裝置，此成像裝置可沿平行于物體路徑的路徑移動，物體移動裝置和成像裝置的移動速率以及物體的旋轉(zhuǎn)速率，被選擇成使物體和成像裝置的旋轉(zhuǎn)與移動的組合引起物體表面相鄰部分的逐個圖象，在物體沿部分物體路徑行進(jìn)時，被成像在讀出裝置的逐個部分上，從而拍攝物體表面的二維圖象。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中的裝置還包括用來比較被拍攝的圖象與參考圖象，以便探測物體表面相對于參考圖象表面的偏離，從而根據(jù)這一比較來確定認(rèn)可還是廢棄此物體的裝置。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其中的物體路徑是弧形路徑，且物體繞其縱軸旋轉(zhuǎn)。
4．根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求的裝置，還包含用來使物體的移動與旋轉(zhuǎn)、成像裝置的移動、和讀出裝置的工作速度同步，以便提供二維表示的裝置。
5．根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求的裝置，其中的讀出裝置能夠被用來接收物體表面的成像部分并提供代表圖象的信號，此裝置還包含耦合到讀出裝置的用來處理來自讀出裝置的信號的裝置。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中的圖象處理裝置包括圖象存儲裝置。
7．根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求的裝置，其中的圖象投影裝置包含其中提供有窄矩形窗口的掩蔽裝置。
8．根據(jù)權(quán)利要求1-6中任何一個的裝置，其中的物體繞和沿至少二個正交的軸旋轉(zhuǎn)和移動，而讀出裝置沿二個正交的方向移動，從而產(chǎn)生圖象表面相鄰部分的多個圖象，這些多個相鄰的圖象被組合以提供物體表面的總圖象。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中的成像裝置包含其中提供有帶羽毛狀頂部和底部邊沿的窗口的掩蔽裝置。
10．一種用來產(chǎn)生三維物體表面的二維表示的方法，此方法包含下列步驟沿一個路徑移動物體，同時繞其至少一個軸旋轉(zhuǎn)物體；利用成像裝置，將部分物體表面成像到用來讀出二維表示的裝置的一部分上；沿平行于物體路徑的路徑移動成像裝置；以及選擇物體移動裝置與成像裝置的移動速率以及物體的旋轉(zhuǎn)速率，使當(dāng)物體沿部分物體路徑行進(jìn)時，物體與成像裝置的旋轉(zhuǎn)與移動的組合，引起物體表面相鄰部分的逐個圖象被成像在讀出裝置的逐個部分上，從而拍攝物體表面的二維圖象。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包含將拍攝到的圖象與參考圖象進(jìn)行比較，以探測物體表面從參考圖象表面的偏離的步驟，以及根據(jù)這一比較而認(rèn)可或廢棄此物體的步驟。
12．根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求的方法，其中的物體路徑是弧形路徑，且物體繞其縱軸旋轉(zhuǎn)。
13．根據(jù)前述任何一個權(quán)利要求的方法，還包含使物體的移動與旋轉(zhuǎn)、成像裝置的移動、和讀出裝置的工作速度同步，以便提供二維表示的步驟。
全文摘要
一種用來提供三維物體(1)的二維圖象的裝置,它用光源(2)照射物體的表面(11)。通過平板(5)中的窗口(12),表面部分(6)被成像到矩陣傳感器(3)的一部分(7)上。此物體繞其主軸旋轉(zhuǎn),同時被移動,而且,窗口也同時旋轉(zhuǎn)。借助于使這些移動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動同步,物體表面的逐個部分能夠成像到矩陣傳感器的各個逐個部分上,從而提供物體表面的改進(jìn)了的二維圖象。
文檔編號G06T1/00GK1325487SQ99813130
公開日2001年12月5日 申請日期1999年7月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月10日
發(fā)明者A·J·克隆肖, M·R·胡姆夫里斯, C·J·霍德格斯, J·H·菲舍爾 申請人:沃納-蘭伯特公司