以光學方式將三維物體轉換成二維平面圖像的設備及方法

2023-10-11 20:39:49 5

專利名稱：以光學方式將三維物體轉換成二維平面圖像的設備及方法
技術領域：
本發明通常涉及自動化的機器視覺系統。
背景技術：
在自動化的機器視覺系統中，已在準確地對三維物體及其上的表面進行成像及檢 查時經歷困難。此部分由於使用典型透鏡會使物體特性或關於物體的距離在其更遠離光學 軸時失真的緣故。當檢查不垂直於光學軸的表面時此進一步複雜化。特別難以檢查的表面 是圓柱體成形的物體的圓周表面。許多現有技術需要繞圓柱體物體旋轉相機或替代地繞物 體自己的對稱軸旋轉物體以暴露整個表面且拍攝其多個圖像。因此，將有利的是提供有效地且準確地對三維物體表面進行成像且相對於光學軸 繞整個360度提供整個三維檢查表面的準確二維或平面圖像。

發明內容
揭示一種供用於以光學方式將三維物體的表面變換成二維平面圖像的成像設備 的實施例。本發明設備的實例包括具有光學軸的圖像拍攝裝置。所述設備進一步包括繞所 述光學軸及所述三維物體定位的同心成形的反射鏡及指向所述反射鏡的照射源。所述反射 鏡將照射投射於反射性物體檢查表面上且朝向所述圖像拍攝裝置反射回所述圖像。所述圖 像拍攝裝置將繞360度成像的三維檢查表面轉換成所述物體檢查表面的二維平面圖像。然 後，可檢查所述二維平面圖像是否有表面連續性偏差或其它表面標記物及/或缺陷。在本發明的一個實例中，遠心場透鏡定位於所述照射源與所述反射鏡之間，從而 將經校準或大致平行於光學軸的照射光線提供到所述反射鏡。在本發明的另一實例中，所述照射源沿所述光學軸定位且提供所述物體檢查表面 的暗場照射或亮場照射中的至少一者以最大化所述物體檢查表面上的某些狀況的平面圖 像中的對比度。在另一實例中，所述設備採用窄角暗場照射。在本發明設備的實例性應用中，所述物體為三維、圓柱體成形的物體，其具有垂直 圓周檢查表面。揭示用於以光學方式將三維物體表面變換成二維平面圖像的方法。一種方法包括 沿圖像捕獲裝置的光學軸定位三維物體。所述方法進一步包括用照射光線照射繞所述光學 軸及所述三維物體定位的同心成形的反射鏡，所述照射光線由所述反射鏡投射到所述物體 檢查表面上且朝向所述圖像捕獲裝置反射回以用於轉換到所述整個檢查表面繞360度的 二維平面圖像。在所述方法的一個實例中，遠心場透鏡沿所述光學軸定位且定位於所述照射源與 所述反射鏡之間。在所述方法的另一實例中，使用暗場或亮場照射中的至少一者，且選擇性地允許 經反射的圖像光線傳遞到所述圖像捕獲裝置。在本發明方法的一個應用中，所述物體為具有垂直檢查表面的三維圓柱體。
下文描述本發明的這些及其它發明性實施例中的細節及變化。


本文中的說明是參照附圖，其中在數個視圖中相同的參考編號指代相同的部件， 且其中圖1是與圓柱體成形的物體及檢查表面一同使用的本發明設備的實例的示意性 部分截面圖，所述圖示意性地顯示圖像光線；圖2是圖1中所示的本發明設備的實例的示意性部分截面圖，其顯示例示性照射 光線且部分地顯示圖像光線；圖3是拍攝的圖1中的物體的平面圖像的實例的放大示意圖；及圖4是根據本發明的一個實施例的方法的實例的流程圖。
具體實施例方式參照圖1到圖4，圖解說明本發明的設備及方法的實例。在圖1及圖2中，示意性 地顯示光學設備10，其包括具有光學軸16的圖像拍攝裝置14。圖像拍攝裝置14優選地為 與計算機15及/或其它機器視覺系統組件(包括驅動器、抓幀器、顯示監視器、軟體及/或 數據存儲庫及所屬領域的技術人員已知的其它組件)電子通信的電荷耦合式裝置(CCD)相 機。圖像拍攝裝置14可包括適合於特定應用的除CCD相機之外的裝置。如圖1中示意性 地顯示，圖像拍攝裝置14以取決於所使用的光學透鏡的方式接收圖像光線18，下文將對其 更全面描述。光學設備10的此實例進一步包括沿光學軸16定位的照射源20。所示的照射源 20為以繞光學軸16的環形定位的多個發光二極體(LED) 22 (其安裝到電路板23)，其產生 光錐或光線24，如所示意性圖解說明。照射源20定位於遠心場透鏡沈與下文進一步論述 的後透鏡群組觀之間。應理解，照射源20可定位於光學設備10中的其它位置以便沿光學 軸16發射光，而此並不背離本發明。在優選實例中，LED 22以繞光學軸16的一個或一個以上同心環(顯示一個)定 位且以相對於光學軸16的小或窄的角度定向，以實現對物體檢查表面70的窄暗場型照明， 如下文所描述。一種產生窄暗場照射的光學系統的一個實例可在共同受讓的美國專利第 6，870，949號中找到，其整體內容以引用方式併入本文中。也可使用廣角暗場照射以適應應 用，而此並不背離本發明。照射源20也可以除沿光學軸16之外的方式定位且包括反射鏡 或其它裝置以將光線M引導到照射物體或檢查表面需要的地方。可使用除相對於光學軸16以窄角度定位的LED或光之外的照射源以適應特定應 用、所需檢查過程或待檢查的物體表面的圖像對比度。舉例來說，照射源20可經裝備及布 置以產生對檢查表面的亮場照射。對亮場照射的一個實例的解釋可在共同受讓的美國專利 第5，737，122號中找到，其整體內容以引用方式併入本文中。仍參照圖1及圖2，光學設備10的實例進一步包括沿光學軸16定位的透鏡26。 透鏡沈可進一步伴隨後透鏡群組觀，其如圖1及圖2中大體所示及美國專利第6，870，949 號中所述來定位。在優選實例中，透鏡26為沿光學軸16中心定位以從照射源20接收主光 照射光線M的遠心場透鏡。遠心場透鏡沈可進一步包括後透鏡群組28及遠心光闌30以形成遠心透鏡系統，如大體所示。在經過透鏡沈之後，遠心場透鏡沈將傾斜主照射光線M 轉換或校準為與光學軸16大致平行，最佳見於圖2中。當被提供以來自照射源20的照射 時(最佳見於圖2中)，例示性遠心場透鏡沈及後透鏡群組觀操作以使用圖像光線18在 圖像拍攝裝置14處形成圖像。儘管顯示為遠心透鏡，但也可使用鏡或者透鏡及/或鏡的其 它形式或組合來適應特定應用、所需的照射形式及下文描述的所得圖像的對比度要求。如所描述，具有例示性遠心場透鏡沈的光學設備10的實例可進一步包括鄰近照 射源20電路板23定位的遠心光闌30。遠心光闌30及電路板23優選地包括允許圖像光線 18及選定照射光線M穿過電路板23及遠心光闌30的光圈34，如下文更詳細描述。儘管 顯示為單獨的組件，但電路板23可經配置以包括合適的光圈34以使得可不需要遠心光闌 30。或者，LED 22可只是以向LED 22供應電力的方式固定到光闌30。例示性光學設備10進一步包括支撐固定件42及反射鏡50的支撐結構40，如圖1 及圖2中的截面中示意性所示。支撐結構40可以是典型機器視覺系統中的任何物體支撐 表面且可為固定的或可沿任何數目個方向移動(包括可繞光學軸16旋轉)。在本發明的一 個實例中，支撐件40既不可移動，也不可旋轉。在此實例中，反射鏡50為具有繞光學軸16的第一直徑開口 52及反射鏡基底55 處的小於所述第一直徑開口 52的第二直徑開口 M的圓錐形成形的反射鏡。基底55與第 一直徑開口 52界定反射鏡50沿光學軸16的高度56。在優選但非必需的方面中，第一直 徑開口 52在圖像拍攝裝置14的視場或視界內。反射鏡50包括傾斜定位於第一直徑開口 52與第二直徑開口 M之間的反射性表面58。反射性表面58為適合於待檢查的檢查過程 或表面的敏感度的高度拋光、低缺陷表面。在一個實例中，反射鏡50由鋁製成，其經金剛石 車削以產生大致無缺陷、具高度反射性的表面58。替代材料可包括無電極鎳塗層及/或具 備本文中的教示的所屬領域的技術人員可選擇的其它材料及塗層。在待檢查的物體表面垂直及/或平行於光學軸16的情況下，期望反射性表面58 相對於光學軸16以45度角度定位。應理解，可使用反射性表面58的其它角度及反射鏡50 的幾何形狀以適應特定應用及檢查要求。如圖1及圖2中所示，形成為圓柱體成形的物體60的例示性三維物體定位於固定 件42及支撐結構40上。物體60優選地定位為與光學軸16軸向對準，其中反射鏡50繞物 體60 360度同心定位。在一個實例中，物體60包括平行於光學軸16且具有高度72的物 體或檢查表面70。物體60進一步包括沿光學軸16布置的第一非檢查表面74及第二非檢 查表面80。如所示，表面70、74及80繞光學軸16具有不同直徑。例示性物體60及表面 70、74及80繞物體60及光學軸16延伸360度。在一個實例中，檢查表面70為待由光學設 備10檢查是否有表面連續性、表面缺陷及/或其它標記物或記號的高度拋光、大致鏡面表 面。應進一步理解，物體60可採取除圓柱體物體60 (如所示)之外的其它稜柱形式或幾何 形狀。在其中物體60及/或檢查表面70的幾何形狀從圓柱體實例改變的替代實例中，反 射鏡50及反射性表面58也將改變以使得對檢查表面70及/或物體60的照射將通過圖像 光線18從物體60到圖像拍攝裝置14的傳輸產生平面圖像。類似地，固定件42可採取適 合於物體60及所需成像過程的其它形式及幾何形狀。在此實例中，反射鏡50且更特定來說反射性表面58的高度56超過檢查表面70 的高度72以便捕獲檢查表面70的整個高度72的圖像，如下文更全面描述。
在操作中，圖像捕獲裝置14如圖1及圖2中大體所示及上文所述來定位及激活。 照射源20經激活以沿朝向遠心場透鏡沈的方向通過LED 22產生照射光線24。場透鏡沈 將傾斜主照射光線M變換為大致平行於光學軸16且垂直於支撐件40。也就是說，遠心場 透鏡沈為準直透鏡的一個實例。場透鏡沈進一步朝向反射鏡50及圓柱體物體60引導照 射光線M。大致平行於光學軸16撞擊於反射鏡反射性表面58上的照射光線M由圓錐形成 形的反射鏡50以垂直角度繞整個360度再引導到檢查表面70。大致鏡面檢查表面70跨越 檢查表面70的全高度72以相對於檢查表面70的相同垂直方向將圖像光線18反射回到反 射性表面58。光線18由反射性表面58朝向照射源20及圖像拍攝裝置14穿過遠心場透鏡 26引導回其來源地。在呈如圖2中大體所示且如美國專利第6，870，949號中進一步所述的窄暗場照射 形式的照射的實例中，遠心光闌30包括優選地以光學軸16為中心的小光圈34。在此實例 中，任何返回圖像光線M將由遠心光闌30阻擋以便不準許其穿過後透鏡群組觀到達圖像 拍攝裝置14。在使用圖2中所示的照射方案的此實例中，只要不存在表面不規則性，則檢查 表面70將被成像為大致暗的。在所檢測表面不連續性的例示中，圖像光線18將反射回到反 射表面56且因此以傾斜角度朝向圖像捕獲裝置14反射回，其中一些將穿過遠心光闌光圈 34且在所得圖像中呈現為下文所論述的光學圖像90的另外暗區域上的亮點或區域。如上 文所論述，應理解，給予本文中的教示，所屬領域的技術人員可在光學設備10中使用照射、 透鏡及/或反射鏡的其它形式及/或位置以適應特定應用，而此並不背離本發明。參照圖3，圖解說明圖1及圖2中所示的三維物體60的例示性所得二維平面圖像 90。使用窄暗場照射產生物體60的平面圖像90。如所示，第二非檢查表面80的經對準垂 直表面簡單地顯示為圓圈81。第一非檢查表面74顯示為平面圖像90中的區域76。第一 非檢查表面74的部分(其最小程度地由同心反射性表面58覆蓋，接近第一直徑5 呈現 為朝向圖像90上的外部部分的亮區域75 (實際上通過暗場照明)。實際外觀亮還是暗取決 於表面74的特性(光潔度及角度)。在圖像拍攝裝置14的視場內的固定件42及支撐表 面40的不重要部分呈現為(舉例來說)相對暗的區域43(僅出於圖解說明的目的而適當 暗化)，其中固定件42的邊緣呈現為線或區域61 (僅出於圖解說明的目的而顯示為虛線)。 如果固定件42及支撐表面40像檢查表面70那樣高度拋光，那麼這些區域在例示性照明下 將呈現為暗的。換句話說，對固定件42及支撐表面40使用的特定表面處理或工藝規定這 些表面在所選擇的照射方案下在光學圖像中如何呈現。圖像90的區域71表示三維圓柱體檢查表面70繞360度的二維平面圖像。在圖 2的窄暗場照射實例下，此區域71呈現為暗的(在圖3中僅出於圖解說明的目的而顯示為 暗化為幾乎完全黑色)，因為反射離開表面70的返回成像光線18由光闌30大致阻擋，僅剩 下圖像拍攝裝置14可見的暗區域。在光學設備10的特定敏感度內，完全暗的區域表示合 適的或無缺陷的表面。如果呈現局部化的亮點，那麼這些將是可包括缺陷或其它表面不連 續性(例如，在半導體晶片上使用的「軟」識別標記)的區域。應理解，如果需要對物體60 的其它區域(舉例來說，第二非檢查表面80)進行檢查，那麼可重新配置及/或重新定位反 射鏡50，使得反射性表面58相對於所述表面而非表面70來引導圖像及照射光線。光學設備10的有利特徵在於檢查表面70的平面圖像90為整個表面70繞360度的單個圖像，而不必旋轉圖像拍攝裝置14或支撐物體60的支撐件40及/或固定件42。另 一優點為遠心透鏡沈的圖像光線18與圓柱體物體60以光學方式映射到其中的平面之間 的共面及正交關係。在光學設備10的一個實例中，可使用除窄暗場照射之外的多於一個形式的照射 或照明或者除窄暗場照射外還使用多於一個形式的照射或照明。舉例來說，也可採用及連 續使用傳統暗場照射及/或亮場照射產生組件來針對更徹底的檢查過程產生不同光學圖 像90。舉例來說，使用窄暗場照射可能無法識別某些缺陷或物體表面標記物，但可使用亮場 照射容易地識別。參照圖1到圖4，圖解說明用於以光學方式將三維表面轉換成二維平面圖像的例 示性方法100。參照圖4，在第一步驟110中，提供圖像拍攝或捕獲裝置14，其可為C⑶相機 或其它裝置，如前文所論述。在步驟120處，將物體(舉例來說，三維圓柱體60)沿光學軸 軸向定位於固定件42上。在步驟130中，繞光學軸16定位同心成形的反射鏡50，其經成 形及定向以與物體的所需檢查表面70同心。優選但為任選的步驟140定位遠心場透鏡沈 及後透鏡群組觀，如上文大體描述及圖解說明。可替代地使用其它透鏡。在步驟150處，提 供照射源20以通過使用如上文所描述的例示性遠心透鏡沈來照射反射鏡50的反射性表 面58。在步驟160中，捕獲圖像拍攝裝置14的視場內的圖像，從而產生物體60且特定來說 檢查表面70繞360度的二維平面圖像90，而不必旋轉圖像拍攝裝置14、支撐件40、固定件 42及/或物體60。然後可通過計算機15使用任何數目的已知圖像分析技術來分析所得圖 像區域71 (其為對應於檢查表面70的一部分)看是否有缺陷、識別標記或其它所關心的特 徵。如上文所描述，可使用除窄暗場照射之外的不同形式的照射以及不同地成形及配 置的透鏡及反射鏡以適應檢測物體60的特定檢查表面上的缺陷或者其它標記物或記號所 需的特定應用及敏感度，物體60本身可為除所描述及圖解說明的圓柱體物體之外的其它 幾何形狀。雖然已結合某些實施例描述了本發明，但應理解，本發明並不限於所揭示實施例， 而相反，本發明既定涵蓋包括在所附權利要求書的範圍內的各種修改及等效布置，所述範 圍與最廣義的解釋一致以便在法律的許可下囊括所有此類修改及等效結構。
權利要求
1.一種供用於以光學方式將三維物體的表面變換成二維平面圖像的成像設備，所述成 像設備包含圖像拍攝裝置，其用於捕獲沿光學軸定位的三維物體的二維光學圖像； 照射源，其用於朝向所述物體引導入射照射光線；及反射鏡，其在所述物體周圍繞所述光學軸同心成形及定位以最初朝向所述物體的檢查 表面引導所述照射光線且朝向所述圖像拍攝裝置重新引導回從所述檢查表面反射的圖像 光線。
2.根據權利要求1所述的設備，其進一步包含透鏡，其定位於所述照射源與所述照射光線及經反射的圖像光線經過的圓錐形反射鏡 之間。
3.根據權利要求2所述的設備，其中所述透鏡為遠心場透鏡，所述設備進一步包含 後透鏡群組，其定位於所述圖像拍攝裝置與所述照射源之間；及遠心光闌，其定位於所述後透鏡群組與所述遠心場透鏡之間。
4.根據權利要求1或權利要求3所述的設備，其中所述三維物體為圓柱體成形的。
5.根據權利要求4所述的設備，其中所述二維平面圖像包含所述檢查表面的360度圖像。
6.根據權利要求4所述的設備，其中所述同心反射鏡繞所述光學軸圓錐形成形，其具 有界定所述反射鏡的高度及反射性表面的第一直徑及小於所述第一直徑的第二直徑。
7.根據權利要求6所述的設備，其中所述反射鏡的所述高度至少與所述檢查表面的沿 所述光學軸的高度一樣長。
8.根據權利要求4所述的設備，其中所述反射鏡的所述反射性表面相對於所述光學軸 以45度角度布置。
9.根據權利要求1或權利要求2所述的設備，其中所述照射源經布置以相對於所述圖 像拍攝裝置產生所述檢查表面的暗場照射及亮場照射中的至少一者。
10.一種供用於以光學方式將三維物體表面成像為二維平面圖像的方法，所述方法包含沿成像捕獲裝置的光學軸定位三維物體，所述物體具有檢查表面； 在將所述物體及所述成像捕獲裝置固持於固定位置中的同時，以照射光線照射繞所述 光學軸定位且指向所述檢查表面的同心成形的反射鏡；在所述圖像捕獲裝置處接收圖像光線，所述圖像光線由所述反射鏡從所述照射光線所 照射的所述物體反射而來；及使用所述經反射的圖像光線產生所述物體的至少所述檢查表面的平面圖像。
11.根據權利要求10所述的方法，其中照射所述反射鏡進一步包含使用準直透鏡將大 致平行於所述光學軸的所述照射光線投射到所述反射鏡上。
12.根據權利要求10所述的方法，其中照射所述反射鏡進一步包含使用暗場照射及亮 場照射中的至少一者來照射所述反射鏡。
13.根據權利要求10或權利要求11所述的方法，其進一步包含 選擇性地準許所述經反射的圖像光線傳遞到所述圖像捕獲裝置。
14.根據權利要求10或權利要求11所述的方法，其中所述物體包括三維圓柱體形狀且所述檢查表面具有沿所述光學軸的高度。
15.根據權利要求13所述的方法，其中所述經反射的圖像光線包含所述檢查表面的 360視圖。
16.根據權利要求14所述的方法，其中所述反射鏡具有至少與所述檢查表面的所述高 度一樣高的高度。
17.根據權利要求10所述的方法，其進一步包含 分析所述平面圖像看所述檢查表面中是否有連續性偏差。
全文摘要
一種用於以光學方式將三維物體轉換成二維平面圖像的設備及方法，其包括相機、照明源及繞所述物體的檢查表面定位的同心成形的反射鏡。當使用亮場或暗場照射時，在不必旋轉所述相機及/或物體的情況下產生所述檢查表面的約360度的平面圖像，且可檢查所述平面圖像是否有缺陷、標記記號或其它所關心的質量。
文檔編號G03B41/06GK102144187SQ200980134567
公開日2011年8月3日 申請日期2009年8月27日 優先權日2008年9月9日
發明者利奧·B·鮑德溫 申請人:電子科學工業有限公司