專利名稱：非接觸式物體檢查的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于非接觸式物體檢查的方法和設備，尤其涉及通過分析投映到物體表面上的圖案來進行物體檢查的方法和設備。
背景技術：
非接觸式光學測量系統用于通過物體上的光學圖案的相位分析來測量表面的表面狀況是已知的。非接觸式光學測量系統通常包括投影儀和照相機，該投影儀向物體上投映結構光圖案，該照相機記錄物體上的結構光圖案，例如使物體上的結構光圖案成像。物體引起圖案的扭曲，并且與物體有關的表面狀況(topographical)數據可以利用通過照相機成像的該扭曲進行計算。國際專利申請PCT/GB2008/002759(公開號為W02009/0M757)中描述了這種系統的具體示例。利用這種系統，可能難以確定所投映的圖案的哪個部分落到物體的哪個部分上 (對于重復性圖案的情況而言尤其是這樣)，因此可能難以確定物體的絕對位置，即物體和照相機之間的距離。由于2 π模糊問題，該問題在結構光分析領域通常是已知的。克服這種問題的一種已知方式包括投映標記特征以便識別圖案中的獨特的點。該系統可以校準，使得可以根據該標記特征在照相機的傳感器上的位置來確定標記特征落到物體上的點與照相機之間的距離。然后可將其用作基準點以便確定標記特征所落的面的其余部分的絕對尺寸。然而，在復雜物體的情況下，標記特征可能未落到感興趣的面上并且/ 或者可能存在不同的未知相對高度的多個面。其它已知解決方案包括投映一系列不同圖案，具有偽隨機變動以便允許各種點的獨特識別的圖案，或者(如W02009/0M757中所描述的)使用攝影測量技術以便建立物體上的至少一個點的絕對位置。然而，視物體和/或觀察點而定，可能不能識別用于攝影測量的合適點。例如，在延伸的光滑表面的情況下，可能不能從一個以上的視角中看到邊界。
發明內容
本發明提供了一種用于檢查物體的方法，取得光線圖案投映到其上的物體的圖像，從該圖像確定描繪物體的表面狀況的數據，其中使用物體的取自第二視角的第二圖像解決任何2 π模糊，在物體上，所述光線圖案在落到物體上時不同于第一圖像的光學圖案。根據本發明的第一方面，提供了一種通過分析投映到物體上的圖案的相位來檢查物體的一區域的表面狀況的非接觸式方法，包括i)取得物體的第一圖像，該第一圖像從第一視角獲得，光線圖案投映到物體上；ii)取得物體的第二圖像，該第二圖像從第二視角獲得，光線圖案投映到物體上，第二圖像中的光線圖案在落到物體上時不同于第一圖像中的光線圖案；以及iii)基于與在第一圖像中成像時的光學圖案的至少一個區域的相位有關的相位數據確定描繪物體的至少一個區域的表面狀況的數據，其中，從物體的在第二圖像中成像時的對應區域獲得的相位數據用于解決從第一圖像獲得的表面狀況數據或相位中的任何模糊。
相應地，本發明使得能通過分析物體的從不同視角獲得的圖像來獲得物體表面狀況數據，其中光學圖案投映到圖像中的物體上。使用從不同視角獲得的第二圖像解決整個區域的任何2 π模糊。如W02009/0M757中描述的，使用攝像測量方法來識別與區域相連的一個或多個離散特征點的絕對高度，然后將該絕對高度數據用在區域表面狀況數據的生成中。相比之下，在本發明的方法中，在單個處理中生成針對整個區域的絕對表面狀況(高度)數據，即， 不需要獨立地識別和測量離散特征點。源自針對區域的第一圖像的數據可以與源自針對至少一個區域的第二圖像的數據相比較，以便識別相互關聯(例如相互匹配)的區域數據，從而解決任何模糊。特別地， 該方法可以包括迭代比較源自第一和第二圖像的數據、尤其是區域數據，以便通過推導解決任何模糊。相應地，可以通過迭代比較法推導正確的表面狀況數據。所比較的數據可以直接或間接地與從圖像獲得的相位數據、尤其是如下面更詳細地說明的解包裹相位數據相關聯。可選的是，所比較的數據可以包括源自相位數據的表面狀況數據相應地，該方法包括使用來自圖像的數據的區域，例如相位數據的區域，以便解決任何2 π模糊。如可以理解的，數據區域區別于數據點。例如，任何這種區域都可以包括在圖像傳感器上基本以二維延伸的范圍(area)。例如這可以包括至少一個高度和寬度的至少約10像素、優選至少一個高度和寬度的至少約100像素的一組彼此相鄰的像素。這可以是圖像的高度或寬度的至少1%。相應地，該2D范圍可以是圖像的總范圍的至少0.01%。可選的是，該2D范圍可以是圖像的總范圍的至少0. 1%、優選為至少1%。如可以理解的，該 2D范圍可以遠大于整個圖像范圍的1%、例如至少10%以及甚至是不大于整個圖像范圍的任何值。由于不同光學圖案被投映，光學圖案在落到物體上時就第一圖像而言可以不同于第二圖像。也就是說，第一和第二圖像中投映到物體上的光學圖案可以不同。相應地，光學圖案的合適投影儀可以構造成使得通過該投影儀投映的光學圖案可以改變。這不僅有助于第二圖像中的光學圖案在落到物體上時改變該光學圖案，而且當從給定的視角獲得多個圖案時也是有幫助的，其中表面處的光學圖案的相位在多個圖像之間變化，如在下文詳細說明的。例如，這種投影儀可以包括構造成從處理器裝置投映圖像輸入的數字光線投影儀以及包括可移動的衍射光柵的投影儀。可選的是，光學圖案在落到物體上時可以因為光學圖案的投影儀的相對位置和方位中的至少一個以及針對第一和第二圖像的物體不同而有區別。在這種情況下，所投映的光學圖案對于第一和第二圖像而言可以是相同的，但它們從不同的位置和/或方位投映。 (雖然，可以理解，投映到物體上的光學圖案對于第一和第二圖像而言可以是不同的，即使它們從不同的位置和/或方位投映)。投影儀的位置和/或方位以及針對第一和第二圖案的物體的不同可以通過使用具有不同位置和/或方位的多個投影儀實現。在第一圖像中成像的光學圖案的投影儀和在第二圖像中成像的光學圖案的投影儀可以由包括至少一個投影儀的公共光學圖案投影儀單元提供。該方法可以包括在第一和第二圖像之間相對移動物體和光學圖案投影儀單元。特別地，該方法可以包括相對于物體移動光學圖案投影儀單元。第一和第二圖像中的投影到物體上的光學圖案可以通過同一投影儀投映。相應地，該光學圖案投影儀單元可以包括單個投影儀。
相應地，物體和獲得第一圖像的點處的光學圖案的投影儀的相對位置和相對方位中的至少一個可以不同于物體和獲得第二圖像的點處的光學圖案的投影儀的相對位置和相對方位。例如當第一和第二圖像通過相同的成像器裝置獲得時就是這樣，該成像器裝置處于與光學圖案投影儀的固定的空間關系(如下面將更詳細地說明的)。可以優選用于本發明的投影儀具有單個固定的光學圖案。這經常可以簡化投影儀的設計，從而使之與有利于光學圖案的變化的投影儀相比更便宜、更輕和/或更緊湊。例如，投影儀可以包括固定的衍射光柵，或者兩個固定的相互干涉的光源，以使得通過投影儀投映的圖案不能改變。在其中需要從給定視角-在該視角中表面處的光學圖案的相位在多個(例如第一)圖像之間變化-獲得多個圖像的實施例中，這則可以通過在多個(第一) 圖像的每個之間相對位移物體和投影儀來實現。這種方法的更多細節在國際專利申請PCT/ GB2008/002759 (公開號為W02009/0M757)中進行了描述，該國際專利申請的內容結合在本說明書中以作為參考。所述至少第一和第二圖像可以通過至少一個合適的成像器裝置獲得。合適的成像器裝置可以包括至少一個圖像傳感器。例如，合適的成像器裝置可以包括光學電磁輻射 (EMR)敏感探測器，例如電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CM0Q。合適的光學成像器裝置可以在光學方面構造成在圖像平面處聚集光線。可以理解，圖像平面可以由圖像傳感器限定。例如，適當的成像器裝置可以包括構造成在圖像平面處聚集光學EMR的至少一個光學部件。可選的是，所述至少一個光學部件包括透鏡。所述第一圖像和所述至少第二圖像可以通過包括至少一個光學傳感器的公共光學成像器裝置獲得。該方法可以包括從第一視角向第二視角移動光學成像器裝置。在這種情況下，第一和第二圖像可以通過同一圖像傳感器獲得。相應地，成像器裝置可以包括單個圖像傳感器。光學圖案投影儀單元和成像器裝置可以彼此處于固定的空間關系。光學圖案投影儀單元和成像器裝置單元可以作為單個探針提供。已經發現，使得光學固定圖案投影儀和成像器裝置彼此處于固定的空間關系會導致同一平面的多個等效測量結果，這些測量結果可以一起進行平均計算以便提供對表面的更精確的表征。特別地，圖像的高分辨率的相位基本相同。相應地，該方法可以進一步包括對從第一和至少第二圖像獲得的表面狀況數據進行平均計算，以便提供經平均計算的表面狀況數據組。相應地，在一個具體的實施方式中，該方法可以包括獲取物體的第一圖像的探針， 在物體上通過該探針投映光學圖案。該方法然后可以包括移動探針，該探針隨后獲取物體的第二圖像，在物體上通過該探針投映光學圖案。與上述相符的是，探針可以包括至少一個圖像傳感器以及至少一個投影儀。優選地，探針可以包括單個圖像傳感器。優選地，探針可以包括單個投影儀。優選地，投影儀投映固定的圖案，即，投影儀可以是固定圖案投影儀。光學圖案投影儀單元和成像器裝置可以安裝在坐標定位設備上，例如坐標測量機(CMM)。在其中探針設置為單個探針的實施方式中，優選該探針可以安裝在坐標定位設備、例如CMM上。步驟iii)可以包括確定與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況相關的多個不同數據組，然后根據從第二圖像獲得的數據選擇哪個數據組最精確地表征物體的所述至少一個區域。可選的是，一旦已經識別數據組，就可以使用高度信息由所述第一和所述至少第二圖像中的任意一個來產生表征物體的表面狀況數據。可選的是，步驟iii)可以包括確定與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況相關的多個不同數據組，然后根據從第二圖像獲得的數據選擇要使用的數據組。本發明因此可以利用模糊來從圖像之一確定與不同可能的表面狀況相關的多個不同數據組，但是然后確定要選擇哪個數據組例如根據其他圖像確定是表征物體的至少一個區域的表面狀況的數據組。例如，這可以通過與從第二圖像數據獲得的數據相比來核查數據組實現。因此可以在不需要一個(或多個)特定標記特征或使用攝影測量技術的情況下解決模糊。選擇以后，就可以在各種隨后的處理中使用該數據組。例如，數據組可以用于測量物體的所述至少一個區域，和/或用于核查物體的至少一個區域的尺寸、形式、位置、方位中的至少一個。可以理解，所確定的不同數據組的數量可以從(例如可以是其因數)成像裝置的景深和視場以及投影儀的景深和視場和條紋的間距之間的重疊的體積推導出來。可以理解，本文中術語“第一圖像”、“第二圖像”等的使用用于區別從不同視角獲得的不同圖像，而不用于暗示可能已經獲得的圖像的順序。相應地，根據特定實施方式，第一圖像可以在第二圖像之前、之后或者甚至同時獲得。可以理解，第一和第二圖像可以作為該方法的一部分獲得，例如捕獲。可選的是，所述圖像可以在本發明的方法之前已經經由成像器裝置、例如照相機獲得。相應地，在這種情況下，該方法可以包括例如從儲存器裝置或其它源取回圖像。此外，可以理解，并且如下面將詳細說明的，取得第一圖像可以包括從第一視角取得多個第一圖像，與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況有關的多個不同數據組可以基于成像在多個第一圖像的至少一個中的光學圖案確定。而且，取得第二圖像可以包括從第二視角取得多個第二圖像，并且可以基于多個第二圖像的至少一個選擇要使用的數據組。可以理解，該方法可以包括取得物體的從至少一個第三視角得到的至少一個第三圖像。步驟iii)然后可以包括基于第二和第三圖像的至少一個選擇至少一個數據組。使用來自不同視角的三個或更多個圖像提供了更大的冗余，并且可以使得能更精確地確定實際表面狀況。所述至少第三圖像可以包括光學圖案投映在其上的物體的圖像。優選地，光學圖案在兩個維度中延伸。優選光學圖案是基本上具有周期性的光學圖案。可以理解，周期性光學圖案可以是經過確定的有限距離之后重復的圖案。重復之間的最小距離可以是圖案的周期。優選光學圖案在至少一個維度中是周期性的。可選的是， 光學圖案可以在至少兩個維度中是周期性的。所述至少兩個維度可以彼此垂直。優選在至少第一圖像中成像時的光學圖案投映在物體的一范圍上。優選該圖案在物體的一范圍上延伸，以便有利于使用本發明的方法在該范圍上對物體的多個點進行測量。適用于本發明的合適光學圖案包括同心圓圖案，具有變化的顏色、陰影和/或色調的線的圖案。顏色、陰影和/或色調可以在兩個或更多不同值之間交替。可選的是，顏色、 陰影和/或色調可以在多個離散值之間變化。優選地，顏色、陰影和/或色調橫跨光學圖案連續變化。優選地，周期性光學圖案是條紋圖案。例如，周期性光學圖案是一組正弦曲線條紋。光學圖案可以處于紅外和紫外的范圍內。優選地，光學圖案是可視光學圖案。可以理解，在例如本發明的方法等方法中使用的光學圖案也統稱為結構光圖案。可以理解，物體的至少一個區域的表面狀況(例如，表面狀況數據)可以包括物體的一區域的形狀和尺寸中的至少一個。可以理解，形狀可以包括物體的至少一個區域的表面形狀。優選地，表面狀況至少包括物體的一區域的形狀和尺寸。表面狀況也可以包括與物體的區域有關的其他信息，例如位置、方位和質地(texture)中的至少一個。高度數據是表面狀況數據的一個例子。也就是說，至少一個區域的表面狀況可以包括描述其相對于一些已知基準的高度的數據，該已知基準例如為成像裝置，尤其是成像裝置的成像平面。步驟iii)可以包括確定所述多個不同數據組的哪一個最佳地對應于從第二圖像獲得的數據。步驟iii)可以包括確定所述多個不同數據組的哪一個最佳地對應于從第二圖像獲得的與物體的區域相關的數據。一個數據組可以直接描述物體的區域的表面狀況。例如，它可以包括指征橫跨物體的所述至少一個區域的物體表面相對于成像器裝置的高度的數據。該數據組可以包括指征橫跨物體的所述至少一個區域的物體表面的梯度的數據。可選的是，數據組可以包括由其確定表面狀況的數據。例如，數據組可以包括與成像的光學圖案相關的數據。例如，數據組可以包括描述成像的光學圖案的數據。特別地，數據組可以包括描述成像的光學圖案的變動或變形的數據。例如，數據組可以包括與成像的光學圖案的相位有關的數據。步驟iii)可以包括針對不同數據組的至少一些確定第二圖像的對應于已經針對其獲得數據組的物體區域的部分。這可以提高該方法的效率，因為它只需要使用第二圖像的選擇部分。對第二圖像的對應于已經針對其獲得數據組的物體的該區域的部分的確定可以基于對第一和第二視角的了解確定。所述視角可以從報告獲得數據的裝置的位置和/或方位的測量設備獲知。例如，在其中通過安裝在坐標定位機上例如坐標測量機(CMM)上的成像器裝置獲得圖像的實施方式中，所述視角可以從機器的測量傳感器確定。可選的是，所述視角可以從基于攝影測量或其它圖像的技術相對于彼此推導出。步驟iii)可以包括確定所述多個不同數據組的哪一個最佳地對應于從第二圖像獲得的數據的形式。相應地，被認為最佳地對應于從第二圖像獲得的數據的數據組可以是這樣的數據組，即，該數據組具有與從第二圖像獲得的數據不同但以相同的方式變化的值。 也就是說，它們的絕對值可以彼此不同，其差值為某一基本恒定的量。該方法可以包括根據成像在第二圖像中的光學圖案確定與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況有關的多個不同的數據組，然后將基于第二圖像的不同可能的數據組與基于第一圖像的那些數據組相比較以便識別匹配最緊密的那些數據組。可選的是，該方法包括，針對基于第一圖像的與不同可能的表面狀況相關的數據的至少一些，預測預期可能從第二圖像獲得的數據，然后將所預測的數據與從第二圖像實際獲得的數據相比較。可以選擇從第一圖像獲得的、使得所預測的數據最緊密地匹配表征從第二圖像獲得的數據的數據組。這可以是與這樣的表面狀況相關的數據組的良好指征， 所述表面狀況可能反應物體的區域的實際表面狀況。該方法可以避免需要確定基于第二圖像的與不同可能的表面狀況相關的多個不同數據組。特別地，這可以意味著只需要從第二圖像獲得一個數據組。相應地，該方法可以包括，針對至少一些不同的數據組，從中推斷與物體的該區域有關的數據，該數據本應該是從第二視角獲得時的數據。所推導的數據然后可以和與從第二圖像實際獲得的物體的區域相關的數據相比較。該數據可以從對第一和第二視角的了解來推斷。從第二圖像獲得的數據可以包括直接描述物體的表面狀況的數據。例如，它可以包括指征橫跨物體的至少一個區域的相對于成像器裝置的物體表面的高度的數據。該數據可以包括指征橫跨物體的至少一個區域的物體表面的梯度的數據。可選的是，該數據可以包括可以從其確定表面狀況的數據。可選的是，從第二圖像獲得的數據可以涉及從第二視角成像的光學圖案。例如，它可以涉及從第二視角成像的光學圖案的扭曲。特別地，它可以涉及從第二視角成像的光學圖案的相位。同樣的，所推測的數據可以直接描述所預期的表面狀況數據，或者可以從其確定表面狀況的所預期數據，例如從第二圖像獲得的期望的光學圖案(例如，它可以涉及光學圖案的所期望的扭曲，或甚至相位)。在一種特別的實施例中，該方法可以包括比較從第一和第二圖像的每一個獲得的相位圖信息。可以理解，相位圖是這樣的數據圖，該數據圖包含投影到物體表面上的圖案的針對圖像中的多像素的相位。相應地，該方法可以包括從第一圖像獲得多個不同可能的相位圖(每個相位圖給出不同可能的表面狀況)，以及使用第二圖像確定哪個相位圖最精確。特別地，步驟iii)可以包括a)從第一圖像計算至少一個相位圖。這可以包括計算至少一個包裹相位圖。該方法可以包括確定多個不同可能的解包裹相位圖。這可以通過將至少一個包裹相位圖進行解包裹來實現。該方法還可以包括b)從所述至少一個相位圖計算針對物體的至少一個區域的與可能的表面狀況相關的多個不同的數據組。步驟 i)可以包括取得基本從相同的第一視角獲得的多個第一圖像，其中表面處的光學圖案的相位在多個圖像之間改變。在這種情況下，所述至少一個相位圖可以使用已知的相位階躍測算法從多個圖像計算。例如，所述至少一個相位圖可以使用在P.Carre/qnstallation et utilization du comparateur upotoelectrique et interferential du Bureau Interantional des Poids et Mesures”，Metrologia 2，13-23 (1966)中描述的 Carr 算法計算。步驟iii)還可以包括從第二圖像計算相位圖。這可以包括解包裹相位圖。該解包裹相位圖可以從第二圖像的包裹相位圖生成。步驟iii)還可以包括針對在步驟b)中確定的多個不同數據組的至少一些，從中推斷針對第二視角的對應相位圖數據；識別所計算的相位圖數據中哪個最緊密地對應于第二圖像的相位圖的對應區域的形式。從第二圖像獲得的相位圖的絕對值可能因某些因素(如弧度)而不正確，但這不影響相位圖的形式，因此仍然可以可靠地確定從第一圖像獲得的正確的相位圖。步驟W可以包括取得基本從相同的第二視角獲得的多個第二圖像，其中表面處的光學圖案的相位在多個圖像之間改變。在這種情況下，相位圖可以使用例如已知的相位階躍測算法從多個第二圖像計算。例如所述至少一個相位圖可以使用Carr6算法計算。如所理解的，步驟i)，ii)和iii)可以在適當電路的控制下執行。適當電路可以包括處理器。適當處理器包括數字和/或模擬處理器。該處理器可以包括單個處理器單元或彼此配合的多個不同的處理器單元。它們可以基本上共同定位或者遠離彼此的定位在不同物理殼體中。各個步驟可以在公共處理器單元或分離的處理器單元的控制下執行。特別地，步驟iii)可以通過與用于執行步驟i)和ii)的處理器單元分離的處理器單元執行。這種處理器單元可以僅專用于上述方法。例如，處理器單元可以包括場可編程門陣列(FPGA)。 可選的是，處理器單元包括多用途處理器。例如，任何或所有步驟i)至iii)可以在在至少一個通用處理器上運行的軟件的控制下執行。例如，任何或所有步驟i)至iii)可以通過在通用個人計算機(PC)上運行的軟件執行。相應地，如上所述，并且下面也將更詳細的說明，提供了一種檢查物體的方法，包括i)取得物體的從第一視角獲得的第一圖像，光學圖案投映在物體上；ii)取得物體的從第二視角獲得的第二圖像以及iii)基于在第一圖像中成像時的光學圖案確定與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況有關的多個不同數據組，然后基于從第二圖像獲得的數據選擇要使用的數據組。根據本發明的第二方面，提供了一種用于物體的非接觸式檢查的設備，包括至少一個投影儀，用于在待檢查的物體上投映光學圖案至少一個成像器裝置，用于從第一和至少第二視角獲得物體的第一和至少第二圖像，該光學圖案投映在物體上；以及分析器，該分析器構造成基于在第一圖像中成像時的光學圖案確定物體的至少一個區域的表面狀況，其中從物體的在第二圖像中成像時的對應區域獲得的相位數據用于解決從第一圖像獲得的相位或表面狀況數據中的任何模糊，以及其中第二圖像中的光學圖案，當它落在物體上時， 不同于第一圖像中的光學圖案。相應地，如上所述，并且下面也將詳細說明的，提供了一種用于物體的非接觸式檢查的設備，包括至少一個投影儀，用于在待檢查的物體上投映光學圖案；至少一個成像器裝置，用于從第一和至少第二視角獲得物體的第一和至少第二圖像，光學圖案至少在第一圖像中投映在物體上；以及分析器，該分析器構造成基于在第一圖像中成像時的光學圖案確定與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況有關的多個不同的數據組，以及基于第二圖像選擇一個數據組。
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施方式，其中圖1示出坐標測量機的示意性軸測視圖，該機器上安裝有用于通過本發明的非接觸式方法測量物體的探針；圖2是圖1中所示探針的部件的示意圖；圖3是圖2中所示探針的投影儀和成像器裝置的位置關系的示意圖；圖4是圖2中所示投影儀的示意圖；以及圖5示出展示圖1中所示設備的高水平操作(high-level operation)的流程圖；圖6示出捕獲視角圖像組的方法；圖7示出分析圖像的方法；圖8示出選擇最精確的表面狀況數據組的方法；圖9示出通過探針從兩個不同視角獲得的圖1所示物體的不同圖像；圖10示出一組條紋位移圖像，在各個圖像中條紋在物體上的位置是不同的；圖11示出第一視角的多個包裹相位圖；圖12(a)示出針對第一視角的可能的解包裹相位圖12(b)示出針對從第一視角獲得的圖像的特定區域的一組可能的解包裹相位圖；圖13示出不同的表面狀況數據組，每個組都從圖12(b)中所示多個可能的解包裹相位圖中的一個獲得；圖14(a)_(e)將從圖13所示不同的表面狀況數據組計算的預測的解包裹的相數據的重疊示出在用于從第二視角獲得的圖像的解包裹相位圖上；以及圖15示出可能的解包裹相位圖和投影儀/照相機設置之間的關系。
具體實施例方式參照圖1，其中示出坐標測量機(CMM)2，其上安裝根據本發明的測量探針4。CMM2包括基座10，該基座支撐一框架12，該框架則保持一緯管14。設有馬達(未示出)以便沿著三個相互垂直的軸X，Y，ζ移動該緯管14。緯管14保持一鉸接頭16。該鉸接頭16具有附裝在緯管14上的基部部分20，中間部分22和探針維持部分M。基部部分 20包括第一馬達(未示出)，以用于使中間部分22圍繞第一旋轉軸線18旋轉。中間部分 22包括第二馬達(未示出)，以用于使探針維持部分M圍繞基本垂直于第一旋轉軸線的第二旋轉軸線旋轉。盡管未示出，但也可以在鉸接頭16的可活動部件之間設置軸承。此外， 盡管未示出，但可以設置測量編碼器，以用于測量基座10，框架12，緯管14和鉸接頭16的相對位置，以便能確定測量探針4相對于位于基座10上的工件的位置。探針4可拆裝地安裝(例如使用可調安裝件)在探針維持部分M上。探針可以利用設置在探針4和探針維持部分M上或內的相應磁體(未示出)由探針維持部分M保持。頭16允許探針4相對于緯管14以兩個自由度移動。由頭16提供的兩個自由度和CMM2的三個線性軸(X，Y，Z)的平移的組合允許探針4以五個自由度移動。還設有控制器沈，它包括用于控制CMM2的運行的CMM控制器27，用于控制探針4 的運行的探針控制器29，以及用于分析從探針4獲得的圖像的圖像分析器31。控制器沈可以是專用的電子控制系統和/或可以包括個人計算機。此外，CMM控制器27、探針控制器四和圖像分析器31不必如圖1所示的為同一物理單元的一部分，例如它們可以通過分離的物理裝置提供。應當指出，圖1僅提供了 CMM2的頂部水平說明。這種裝置的更完整的說明可以從其它地方找到，例如，見EP0402440，它的整個內容結合在此以作參考。現在參照圖2，探針4包括用于在處理單元42的控制下向物體28上投映條紋圖案的投影儀40，以及用于在處理單元42的控制下獲得其上投映有條紋圖案的物體觀的圖像的成像器裝置44。可以理解，成像器裝置44包括用于捕獲物體觀的圖像的合適光學器件和傳感器。在所描述的實施方式中，成像器裝置包括圖像傳感器，特別是限定圖像平面的 CXD 62。成像器裝置44還包括用于在圖像平面62處聚集光線的透鏡(未示出)。處理單元42連接到控制器單元沈中的探針控制器四和圖像分析器31，以便該處理單元42能經由通信線路46與它們通信。可以理解，通信線路46可以是有線的或無線的通信線路。探針4還包括隨機存取存儲器(RAM)裝置48，以用于暫時存儲被處理單元42 使用的數據，例如圖像數據。
可以理解，探針4無需包含處理單元42和/或RAM 48。例如，所有的處理和數據存儲都可以由與探針4相連的裝置實現，例如由控制器沈或連接在探針4和控制器沈之間的中間裝置實現。如圖3中所示，投影儀40的圖像平面60和成像器裝置44的圖像平面62彼此成角度，從而投影儀40和成像器裝置的光學軸線61、63在基準平面64處相交。在使用中，探針4定位成使得投映到物體表面上的條紋可以通過成像器裝置44清楚地成像。參照圖4，投影儀40包括用于產生光線的干涉源的激光二極管50，用于準直由激光二極管50發出的光線的準直器52，用于產生正弦曲線的條紋組的光柵54，以及用于在基準平面64處聚焦條紋的透鏡組件56。可以理解，其它類型的投影儀也可以適用于本發明。 例如，投影儀可以包括光源和掩模，該掩模用以選擇性地阻擋和傳輸由圖案中的投影儀所發出的光線。在所描述的實施方式中，由投影儀40投映的周期性光學圖案是一組正弦曲線的條紋。然而，可以理解，可以投映其它形式的結構光，像例如一組具有不同顏色或色調的平行的線(例如，交替的黑線和白線，或平行的紅色、藍色和綠色線)，一組同心圓，或甚至點、 正方形或其它規則或不規則形狀的圖案。此外，在所描述的實施方式中，投影儀40可以僅投映一個光學圖案。也就是說，它可投映的光學圖案是固定的。相應地，如下面將更詳細說明的，光學圖案當落到物體上時對于第一和第二圖像是不同的，這僅是由于投影儀在正在獲取的第一和第二圖像之間的移動的緣故。參照圖5-14，下面將說明探針4的操作。首先參照圖5，操作在步驟100當操作員打開CMM2時開始。在步驟102，系統初始化。這包括在鉸接頭16上裝載探針4，在基座10上安放待測量的物體28，向原位置或基準位置傳送CMM的編碼器以便獲知鉸接頭16相對于CMM2的位置，并且校準CMM2和探針4以便獲知探針4的基準點相對于CMM2的位置。初始化步驟102的至少部分可以在控制器沈的控制下執行。一旦初始化并且適當校準，控制進行到步驟104，在該步驟中，在控制器沈中的 CMM控制器27和探針控制器四的控制下通過探針4獲得物體28的一組圖像。該步驟執行多次，以便獲得多個圖像組，其中各個組對應于物體觀的觀察點或不同視角。在所描述的示例中，獲得與兩個不同視角相對應的兩個圖像組。下面參照圖6更詳細地說明一組圖像的獲得過程。如下面將更詳細說明的，取決于獲得包裹相位圖所用的具體方法，針對每個視角獲得的一組圖像是不必須的。本發明有可能通過在每個視角僅獲得一個圖像來實施。一旦已經獲得所有圖像，就通過控制器沈中的圖像分析器31在步驟106處分析圖像。圖像分析器31從所述圖像計算一組相對于CMM2的三維(3D)坐標，所述坐標描述了 3D測量空間中物體觀的至少一部分的形狀。下面將參照圖7更詳細地說明分析圖像的方法。然后在步驟108處將3D坐標作為3D點云輸出。可以理解，3D點云可以存儲在存儲裝置中以便隨后使用。3D點云數據可用于確定物體的形狀和維度，并將它與預定閾值數據相比較以便評價物體觀是否已經在預定誤差內制得。可選的是，3D點云可以在圖形使用者界面上顯示，該圖形使用者界面為使用者提供物體觀的虛擬3D模型。該操作在步驟110處當系統關閉時結束。或者可以通過重復步驟104至108開始后續操作。例如，使用者可能希望針對同一物體觀獲得多組測量數據，或者針對不同物體獲得測量數據。現在參照圖6，下面將說明捕獲針對視角的圖像組的過程104。該過程在步驟200 處開始，在該步驟處，探針40移動到第一視角。在所描述的實施方式中，使用者可以在操縱桿(未示出)的控制下移動探針4，該操縱桿控制CMM2的馬達以便移動緯管14。可以理解， 第一(以及隨后的)視角可以預先確定并且裝載到CMM控制器27中，以便在測量操作期間探針4自動移動到預定的視角。此外，在不同的定位設備上，使用者可以將探針4物理地拖曳到該視角，其中該定位設備通過例如安裝在該設備的活動部件上的編碼器監測探針4的位置。一旦將探針4定位在第一視角，就在步驟202獲得初始化圖像。這包括探針控制器 29向探針4的處理單元42發送信號以使它操作成像器裝置44從而捕獲物體觀的圖像。將初使化圖像送回圖像分析器31，并且在步驟204分析該圖像的圖像質量特征。 這可以包括例如確定圖像的光線和對比度的平均強度以及將它們與預定的閾值水平相比較以便確定圖像質量是否足以執行測試過程。例如，如果圖像太暗，則可以改變成像器裝置 44或投影儀40的特征以便增加所投映的條紋圖案的亮度和/或調節成像器裝置44的曝光時間或增益。在所描述的實施方式中，初始化圖像將不在隨后的用于獲得關于物體觀的測量數據的過程中被使用，因此圖像的某些方面例如圖像的分辨率不必像下面所述的用于測量圖像的分辨率那么高。然而，可以理解，如果需要，可以在“圖像分析”過程106期間使用初始化圖像以便獲得測量數據。此外，在替代性實施方式中，可以在探針中設置與成像器裝置分離的光敏感元件例如光敏二極管，以便測量視角位置的光量，光敏二極管的輸出用于設定投影儀40和/或成像器裝置44。可以理解獲得初使化圖像的步驟202和設定探針參數的步驟204是可選的。例如， 探針4可以在操作之前設定，和/或探針4可以以其它方式設定。例如，使用者可以在操作之前或期間通過手動配置探針來設定該探針。一旦已經設定投影儀40和成像器裝置44，就在步驟206獲得第一測量圖像。測量圖像是指在下面將更加詳細地說明的“分析圖像”過程106中使用的圖像。獲得第一測量圖像包括探針控制器四向探針4的處理單元42發送信號，以便處理單元42隨后操作投影儀40從而向物體觀上投映條紋圖案以及用于使成像器裝置44同時利用物體觀上的條紋圖案捕獲物體的圖像。將第一測量圖像送回圖像分析器31，并且在步驟208再次分析第一測量圖像的圖像質量特征。如果圖像質量足以在下面說明的“分析圖像”過程106中使用，則控制進行到步驟210，否則控制返回步驟204。可以理解，核查圖像質量的步驟208是可選的-可以假設圖像質量足以在“分析圖像”過程106中使用。在步驟210，針對當前視角獲得相位移圖像。相位移圖像是來自基本相同視角的多個圖像，但各個圖像中條紋的位置略微不同。存在許多獲得相位移圖像的已知方式。例如，美國專利6100984公開了一種投影儀，它使用計算機控制的液晶系統以便改變所獲得的圖片之間發出的條紋圖案的間距和相位。W00151887也公開了一種結構光分析系統，該系統具有包括內部折射器的條紋投影儀， 該內部折射器可被操縱以便改變物體上所投映的條紋的位置并由此改變物體表面的條紋的相位，W00151887還公開了移動物體以便在物體上重新定位條紋。國際專利申請PCT/GB2008/002759(公開號為W02009/0M757)也公開了用于獲得相位移圖案的方法，該方法包括相對于物體移動投影儀以便將物體上所投映的條紋的位置改變一點條紋間距，同時仍基本維持物體的相同視角(perspective view)。這種方法特別適合用于現在說明的實施方式中的探針4，因為它不要求投影儀改變所投映的條紋。W02009/024757的整個內容結合在本說明書中以作為參考。如下面將更加詳細地說明的，相位移圖案用在相位圖的生成中，該相位圖針對給定視角的一個圖案的至少一部分描繪所成像的條紋圖案的相位。可以理解，不必獲得一組相位移圖案以便這樣做。例如，相位圖可以通過僅在條紋圖案的一個圖像上執行傅里葉變換(Fourier transform)獲得。相應地，視所使用的方法而定，獲得相位移圖像的步驟210 是可選的。一旦已經獲得相位移圖像，就在步驟212將所有圖像送回圖像分析器31以進行分析。可以理解，將每個圖像和與獲得每個圖像時探針4所在的位置和方位相關的數據一起提供給圖像分析器31，以便可以獲得物體觀的相對于CMM2的3D坐標，如下面將更加詳細說明的。該過程然后在步驟214結束。如上面說明的，針對多個不同的視角捕獲視角圖像組過程104重復多次。在該所述實施例中，捕獲視角圖像組過程針對第一和第二視角執行兩次。如上所述的在使用者或控制器沈的控制下將探針4移動到每個視角。圖9和圖10示出在上述步驟中獲得的圖像的類型的示例。特別地，圖9的箭頭A 示出物體觀的其上沒有投映條紋的兩個視角的視圖。箭頭B示出，針對第一和第二視角的每一個，在過程的步驟206處通過成像器裝置44獲得圖像1000以用于捕獲視角圖像組 104。這些圖像1000的每個后面示意性地示出條紋位移圖像1002、1004和1006，這些條紋位移圖像是在步驟300和302的執行期間針對第一和第二視角的每一個獲得的。圖10(a) 至10(d)示出針對第一視角獲得的條紋位移圖像1000至1006的示例。下面將參照圖7說明用于分析圖像的過程106。該過程在步驟400處開始，在該步驟處，針對第一視角計算至少一個包裹相位圖。可以理解，包裹相位圖是含有投映到物體表面上以用于在視角圖像組中的測量圖像之一中的多個像素的條紋的相位的圖，其中相位角界定在360度(即弧度。可以理解，360度和2 π弧度是可互換的)的范圍內。圖 11(a)是針對第一視角所計算的包裹相位圖的示意圖。有許多計算包裹相位圖的已知方法。這些方法包括僅在物體上的條紋的一個圖像上執行傅里葉變換，或者使用已知的相位移算法來計算每個相素處的包裹相位。 適當的相位移算法例如 P. Carre, "Installation et utilization du comparateur photoelectrique et interferential du Bureau International des Poids et Mesures”，Metrologia 2，13-23 (1966)中所述的Carr6算法可以用于計算包裹相位，相位移和調制幅度。在步驟402，識別待分析的圖像的區域。視物體和所期望的結果而定，該區域可以包括整個圖像。這可以為例如當圖像僅為基本平坦的或者形狀平滑變動的物體的一部分時。可選的是，可能希望僅分析圖像的一部分。這可以是例如當僅對物體的特定區域感興趣時。這也可以為例如當物體包括多個面并且按單個對它們分析時。下面說明的實施方式涉及后面的狀況，尤其涉及識別和確定與物體觀的中間頂表面37相對應的區域37的表面狀況數據。在其中不同的面被單個地分析的情況下，這可以包括識別這些面在圖像中的位置。實現這的一種方式可以包括在成像的條紋圖案中尋找不連續(discontinuity)。這是因為尖銳的特征部將引起條紋圖案中的階躍變化。這從而導致解包裹相位圖中的不連續。 這在圖11(a)中示出，其中可以看到沿著物體的邊緣存在階躍變化(例如見點34處的邊緣上的相位的階躍變化)。然而，不連續也因為相位圖的包裹特性而存在。例如，相鄰相素可以具有例如分別接近0度和360度的相位值。如果是這樣，其將呈現為似乎在這些相素之間已經具有大的相位跳變，并且這將被識別為不連續。然而相跳變僅僅是由圍繞相位包裹引起的，而不是由于所測量物體的表面的不連續。其一個示例可以參照圖11(a)中的點36處，在該處，相位值從360度跳變到0度(分別通過深色相素和淺色相素示出)。相鄰相素的相位值將由于相位圖被包裹而在點36處顯著跳變。相應地，可以有利地確定哪些不連續是被物體的特征部引起的以及哪些不連續是被相位圖的包裹特性引起的。一種實現方式可以是使用圖像處理技術，例如像 J. R. Parker,"Algorithms for image processing and computer vision”，Wiley Computer Publishing(1997)中所述的Carmy邊緣檢測來識別物體邊緣處于圖像中的哪個位置和/或識別哪些不連續是由物體引起的不連續。相應地，在這種情況下，僅需要一個包裹相位圖。 另一方法，如W02009/0M757中所述，包括以不同的順序針對該視角使用每個相位移圖像獲得多個包裹相位圖。然后可以比較所述包裹相位圖以便識別公共不連續，由此指示出物體的邊緣。圖ll(b)-(d)示出使用與用于生成圖11(a)中包裹相位圖相同的4個圖像但以不同的順序生成的包裹相位圖。可以看出，圖11(a)中點36處的不連續位置不存在于其它包裹相位圖中，因此可以有把握地作為“假的”不連續放棄。相應的一旦已經識別所有真的不連續，就有可能將包裹相位圖劃分成數個區域。下一階段包括解包裹所識別的區域中的包裹相位圖以便形成針對該區域的解包裹相位圖。這包括根據需要增加或減少選定單個相素的包裹相位的360度的整數倍，以便去除由于相位計算算法而發現的不連續。然而，可以理解，獲得正確的解包裹相位圖包括獲知至少一個點處的解包裹相位圖的正確值，或者獲知針對至少一個點的照相機和物體之間的絕對距離(以便能計算針對至少一個點的正確相位)。這是需要知道的，以便確定應當從哪里開始進行360度的增加或減少。如果這是未知的，那么解包裹相位圖可能存在任意倍數的2 π弧度(即360度)的錯誤。在所述過程的該階段，正確的絕對相位和絕對距離都是未知的。相應地，該示例方法包括計算所有可能的解包裹相位圖-所述解包裹相位圖中的一個將是正確的，而其它將存在2 π的某些倍數的錯誤。參照圖12(a)，其中示出針對在第一視角獲得的圖像的一個可能的解包裹相位圖。 圖12(a)中的解包裹相位圖是針對每個感興趣的區域通過如下方法進行計算的，即，依次對于每個區域，通過將該區域中表征包裹相位圖上的具體給定相位值的起點(例如，相位從360度到0度變化處的線表征0度相位，例如圖11 (a)中的朝向區域37的左手側的整個第一條白線)，然后在適當的點處向每個相素處的相位值增加360度的某些倍，以便避免每次相位包裹時相位圍繞0度包裹。在圖12(a)中示出的解包裹相位圖中，針對物體觀的中間頂表面37、物體觀的頂部表面39以及物體觀所在的表面計算解包裹相位。圖12(b)中
16的數據組i)示出針對圖12(a)中所示的中間頂表面區域37計算的解包裹相位圖。該方法還包括針對感興趣的特定區域計算所有其它可能的解包裹相位圖。這些簡單地通過向第一解包裹相位圖中的數據增加(或減少)360度的倍數生成。相應地，圖12(b) 中示出的數據組ii)至iv)示出用這種方式生成的針對區域37的其它可能的解包裹相位圖。盡管在所述過程的該階段是未知的，但為了解釋本發明的方法，解包裹相位圖ii)是正確的解包裹相位圖。可以理解，可能的解包裹相位圖的數量由條紋投映探針的測量體積的維度和所投映的條紋的間距限制。可以認為，光學系統可在其上操作的體積由光學系統的視場投映通過該光學系統的景深界定。探針結合兩個光學系統以便產生測量結果。測量體積的維度因此可以從照相機的視場和景深以及投影儀的視場和景深之間的重疊的體積推導出。便如在圖15中，總相位范圍是-1440度至1080度，因此對于任何包裹相位值存在至多8(= (1080-1440)/360+1)個可能的解包裹相位值。該范圍之外的任何解包裹相位對應于照相機和投影儀的測量體積以外的3D點。相應地，可能的解包裹相位圖的數量由條紋投映探針的測量體積和所投映的條紋的間距限制。步驟404包括針對在步驟402生成的每個解包裹相位圖創建表面狀況數據組。在所述方法中，這包括將解包裹相位圖轉換成針對所識別區域的高度圖。針對相素的相位取決于到物體的表面的距離。因此有可能通過使用預定的繪圖表和方法直接將每個相素的相位值繪制成高度值來從該相位圖創建針對該區域的高度圖。相應地，創建的表面狀況數據取決于解包裹相位圖。不僅所計算的3D空間中的表面狀況數據的位置取決于解包裹相位圖，而且通過表面狀況數據描述的物體的形式(例如形狀)也將取決于解包裹相位圖。相應地，在步驟404之后，將有一定數量的不同可能的表面狀況數據組已經針對特定區域進行了計算。圖13中的數據組i)至iv)分別表示針對物體的中間頂表面區域 37針對圖13(b)中所示的每個不同解包裹相位圖獲得的表面狀況數據組。相應地，數據組 ii)可能是物體的中間頂表面區域37的實際表面狀況的最精確的表征，因此被選定用于隨后的使用。下面的說明解釋了如何使用本發明的方法建立該圖。步驟406包括通過使用從第二視角獲得的圖像確定這些不同可能的表面狀況數據組中的哪個應當被選擇。下面將結合圖8更詳細地描述這么做所涉及的步驟。該方法在步驟500處開始，在該點從第二圖像獲得解包裹相位圖。可以理解，這將涉及使用任何上述方法生成包裹相位圖，然后通過根據需要向單個相素的包裹相位增加 (或減少)360度(即弧度)的整數倍以便去除由于相位計算算法而發現的不連續來解包裹該包裹相位圖。圖14(a)是針對第二視角的解包裹相位圖的示例。就像針對第一視角的相位圖的解包裹一樣，正確的的絕對相位是未知的。相應地，同樣存在可被生成的多個可能的相位圖，其中僅一個是正確的。無論如何，只需要針對第二視角創建一個解包裹的相位圖，如果它存在弧度(即360度)的某些倍數的錯誤，則與在此說明的實施方式的目的沒有關系。這是因為，如下所述，正確的表面狀況數據通過將所預測的解包裹相位形式與針對第二視角的解包裹相位圖的形式相比較而進行選擇。解包裹相位圖的形式不受2π誤差的影響-僅絕對值是這樣。下一步驟502包括取得在步驟404期間獲得的表面狀況數據組中的一個，假設選定的表面狀況數據組是從正確的解包裹相位圖生成的，針對該表面狀況數據組預測其對應的在第二視角的解包裹相位圖中的解包裹相位和解包裹相位的位置。這可以基于對照相機在每個視角的位置和方位的了解來進行。在步驟506，預測的解包裹相位圖的形式然后與預定位置處的實際解包裹相位圖的形式相比較，以便確定它們的形式匹配的緊密程度。這針對每個不同的所計算的表面狀況數據組重復進行。不僅從不正確的表面狀況數據(這繼而又基于不正確的解包裹相位圖)生成的預測的解包裹的相位圖的形式不匹配于從第二圖像獲得的實際解包裹相位圖的與中間頂表面37相對應的部分，而且不匹配于從第二圖像實際獲得的解包裹相位圖的部分相對應的預測位置，與它們所進行的比較將也是錯誤的。相應地，僅從最精確的表面狀況數據獲得的(即從第一圖像的正確的解包裹相位圖獲得的)預測的解包裹相位圖與實際對應于中間頂表面區域37的從第二圖像獲得的解包裹相位圖的部分相比較。該過程在圖14(b)至(e)中示意性地示出，在所述圖中，針對給定表面狀況數據組的預測的解包裹數據(以黑色示出)在其預定部位覆蓋到產生自從第二視角獲得的圖像的實際解包裹相位圖上。圖14(b)至(e)中示出的預測的解包裹相位圖i)至iv)分別對應于圖13中示出的表面狀況數據組i)至iv)。如可以看出的，預測的解包裹相位圖ii)的預測位置實際上與第二圖像的表征中間頂表面37的部分一致。然而，其它預測的相位圖i)、 iii)和iv)的預測位置對應于不完全與中間頂表面對應的從第二圖像獲得的解包裹相位圖中的點。此外，預測的解包裹相位圖ii)將是唯一一個具有與第二圖像的在第二圖像的該部分處的解包裹相位緊密匹配的形式。相應地，圖14(b)中的數據組ii)將從所有預測的數據組i)至iv)中提供最密切的匹配。在步驟508，然后將具有與第二圖像的解包裹相位圖匹配最緊密的形式的“預測的”解包裹相位圖相關聯的表面狀況數據組選定為最精確表征物體的該區域的實際表面狀況的表面狀況數據。在所述示例中，這將是圖13的數據組ii)。如上所述，該表面狀況數據作為3D點云輸出。可以理解，可以基于已通過該過程衍生出的絕對高度信息生成新的數據組，而不是僅選擇已經生成的數據組。該新的數據組可以從第一圖像、第二圖像、或實際上在該過程中使用的物體的任何其它圖像生成。此外，該方法在步驟508處可以可選地還包括針對該區域從第二圖像(和/或該過程中使用的任何其它圖像)計算表面狀況數據，然后對從全部兩個圖像獲得的表面狀況數據進行平均計算以便獲得平均表面狀況數據組，該平均表面狀況數據組可以比僅從一個圖像獲得的數據更精確地表征該區域的實際表面狀況。上述實施方式使用光學條紋圖案。然而，這實際上不是必需的。例如，光學圖案可以包括一組線或點。在這些情況下，不是創建從其獲得表面狀況數據的相位圖，而是可以校準該系統以便其上投映特定線(或點)的物體上的點的3D位置可以從圖像中的線(或點) 的探測位置計算。然而，特別是對于相同的線(或點)的重復圖案，給定位置處哪個線(或點)成像可能不是已知的。然而由于僅投映有限數量的線(或點)，因此每個所考慮的點僅存在有限數量的可能的3D位置。然后有可能從在圖像之一中成像的光學圖案計算一定數量的不同可能的表面狀況。該方法然后可以包括針對這些表面狀況的每一個推測第二圖像的圖案的位置和形式，將它們與成像在第二圖像中的光學圖案相比較，以及選擇從中推斷出給出最佳匹配的光學圖案的表面狀況形式。
在上述方法中，獲得并使用僅來自兩個視角的圖像。然而，有可能獲得模糊的結果，例如當所考慮的范圍很小時或者當該范圍包含在相位解包裹之前未通過邊緣檢測處理檢測到的階躍時。如果該范圍很小，則預測的相位圖的形式可能比第二圖像的解包裹相位圖中的一個預測的范圍匹配得更緊密。如果該范圍含有未檢測到的階躍，則預測的解包裹相位圖的形式將不緊密地匹配第二解包裹相位圖中的任何預測的范圍的形式。在任何情況下，模糊都可以通過以相似的方式分析來自一個或更多個附加視角的圖像解決。相應地，有可能執行三次或更多次圖5的步驟104以便獲得物體的圖像，從至少三個視角向物體上投映光學圖案，步驟406包括利用所獲得的其它圖像的每一個重復圖8的方法，以便確定選擇哪個數據組。使用所有可能退化的數據組的計算結果的上述方法無需是用于計算最佳描繪物體表面的表面狀況數據的唯一方式。作為計算所有退化數據組的替代方案，可以使用已知的優化技術從多個視角計算表面狀況數據，從針對每個視角的2 π倍的任意選擇值開始。 用于最小化的函數可以是從不同視角生成的表面狀況數據中的差異的量度。該函數可以例如為源自不同視角之間的最接近點之間的RMS距離，或者它可以為擬合到來自不同視角的點的表面之間的距離和角度的量度，或者與來自多個視角的針對所考慮的區域的形狀或絕對相位中的距離相關的任何其它合適函數。這種函數可以是整體上非線性的和離散的，具有多個最小值。可能的優化技術包括整數編程技術例如分枝定界法或割平面法，非線性優化算法，例如梯度下降法，其具有多個不同的起點并與分枝定界法的組合以考慮解空間的離散特性，和元啟發式算法和隨機技術例如模擬或量子退火。有可能的是，這些優化技術將僅優先用于核查如上詳細說明的所有可能的不同2π調節值，如果存在大量可能的解-也就是說，如果探針的測量體積大，條紋間距小，和/或使用大量視角從而導致大量可能的 2 π調節值的組合。
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權利要求
1.一種通過分析投映在物體上的圖案的相位檢查物體的一范圍的表面狀況的非接觸式方法，包括i)取得物體的第一圖像，該第一圖像從第一視角獲得，光學圖案投映在物體上； )取得物體的第二圖像，該第二圖像從第二視角獲得，光學圖案投映在物體上，但其中所述第二圖像中的光學圖案當落到物體上時不同于所述第一圖像中的光學圖案；以及iii)基于相位數據確定描繪物體的至少一個區域的表面狀況的數據，所述相位數據與在所述第一圖像中成像時的光學圖案的至少一個區域的相位相關，其中使用從在所述第二圖像中成像時物體的對應區域獲得的相位數據來解決從所述第一圖像中獲得的相位或表面狀況數據中的任何模糊。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，步驟i)中的物體和光學圖案的投影儀的相對位置和相對方位中的至少一個不同于步驟ii)中的物體和光學圖案的投影儀的相對位置和相對方位。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其中，通過公共光學圖案投影儀單元提供在步驟 i)中成像的光學圖案的投影儀和在步驟ii)中成像的光學圖案的投影儀，該公共光學圖案投影儀單元包括至少一個投影儀，以及該方法還包括在步驟i)和ii)之間相對地移動物體和所述光學圖案投影儀單元。
4.根據權利要求3所述的方法，包括相對于物體移動所述光學圖案投影儀單元。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其中，在步驟ii)成像的所述光學圖案的所述投影儀是在步驟i)成像的所述光學圖案的所述投影儀。
6.根據前述權利要求之一所述的方法，其中，步驟i)和步驟ii)中投映到物體上的所述光學圖案是相同的。
7.根據前述權利要求之一所述的方法，其中，第一圖像和至少第二圖像通過公共成像器裝置獲得，該公共成像器裝置包括至少一個圖像傳感器，并且該方法包括從第一視角向第二視角移動所述成像器裝置。
8.根據權利要求3或7所述的方法，其中，所述光學圖案投影儀單元和成像器裝置相對于彼此處于固定的空間關系。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，光學圖案投影儀單元和成像器裝置安裝在坐標定位設備上。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其中，光學圖案投影儀單元和成像器裝置單元作為單個探針提供。
11.根據前述權利要求之一所述的方法，包括將來自針對所述區域的所述第一圖像的數據與源自針對至少一個區域的所述第二圖像的數據相比較，以便識別相關區域數據，從而解決相位或表面狀況數據中的任何模糊。
12.根據權利要求11所述的方法，其中，該方法包括迭代比較源自所述第一圖像和所述第二圖像的數據，以便通過推導解決相位或表面狀況數據中的任何模糊。
13.根據前述權利要求之一所述的方法，其中，步驟iii)包括確定與物體的至少一個區域的不同可能的表面狀況相關的多個不同數據組。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，步驟iii)包括基于從所述第二圖像獲得的數據識別哪個數據組最精確地表征物體，以便解決相位或表面狀況數據中的任何模糊。
15.根據權利要求13或14所述的方法，包括基于從所述第二圖像獲得的數據選擇要使用的數據組。
16.根據權利要求13-15之一所述的方法，其中，步驟iii)包括確定所述多個不同數據組中的哪個數據組與從所述第二圖像獲得的數據最為吻合。
17.根據權利要求16所述的方法，其中，步驟iii)包括確定所述多個不同數據組中的哪個數據組與從所述第二圖像獲得的與物體的所述區域相關的數據最為吻合。
18.根據權利要求13-17之一所述的方法，其中，步驟iii)包括基于對所述第一視角和所述第二視角的了解，針對至少一些所述不同的數據組確定所述第二圖像的、與物體的已經獲得所述數據組所針對的區域相對應的部分。
19.根據權利要求13-17之一所述的方法，其中，步驟iii)包括確定所述多個不同數據組中的哪個數據組與從所述第二圖像獲得的數據的形式最為吻合。
20.根據權利要求13-19之一所述的方法，包括針對不同數據組中的至少一些數據組，從中推斷與物體的所述區域相關的數據，所述與物體的所述區域相關的數據本應該是從所述第二視角獲得時的數據；以及將所推斷的數據與從所述第二圖像實際獲得的與物體的所述區域相關的數據相比較。
21.根據權利要求20所述的方法，其中，所推導的數據就如同從所述第二圖像獲得的數據那樣與所期望的光學圖案相關。
22.根據權利要求20或21所述的方法，其中，所推導的數據和實際的數據與光學圖案的扭曲相關。
23.根據權利要求20或21所述的方法，其中，所推導的數據和實際的數據與光學圖案的相位相關。
24.根據前述權利要求之一所述的方法，其中，步驟iii)包括a)從第一圖像計算至少一個相位圖；以及b)從所述至少一個相位圖計算多個不同的數據組，所述多個不同的數據組與針對物體的所述至少一個區域的可能的表面狀況相關。
25.根據權利要求M所述的方法，其中，步驟i)包括取得基本從相同的第一視角獲得的多個第一圖像，以及步驟a)包括從多個圖像計算所述至少一個相位圖。
26.根據權利要求M或25所述的方法，其中，步驟iii)還包括x)從第二圖像計算相位圖；y)針對在步驟b)確定的多個不同數據組中的至少一些數據組，從中推斷針對第二視角的對應相位圖數據；以及ζ)識別所計算的相位圖數據中的哪個相位圖數據與第二圖像的相位圖的對應區域的形式最為吻合。
27.根據權利要求沈所述的方法，其中，步驟ii)包括取得基本從相同的第二視角獲得的多個第二圖像，以及步驟χ)包括從所述多個圖像計算所述至少一個相位圖。
28.一種用于物體的非接觸式檢查的設備，包括至少一個投影儀，用于向待檢查的物體上投映光學圖案；至少一個成像器裝置，用于從第一視角和至少第二視角獲得物體的第一圖像和至少第二圖像，光學圖案投映在物體上；以及分析器，構造成基于在第一圖像中成像時的光學圖案確定物體的至少一個區域的表面狀況，其中從在第二圖像中成像時的物體的對應區域獲得的相位數據用于解決從第一圖像中獲得的相位或表面狀況數據的任何模糊，其中第二圖像中的光學圖案當落在物體上時不同于第一國像中的光學圖案。
全文摘要
本發明一種通過分析投映在物體上的圖案的相位來檢查物體的一范圍的表面狀況的非接觸式方法。該方法包括取得物體的從第一視角獲得的第一圖像，光學圖案投映在物體上；以及取得物體的從第二視角獲得的第二圖像，光學圖案投映在物體上，但第二圖像中的光學圖案當落到物體上時不同于第一圖像中的光學圖案。該方法還包括基于與在第一圖像中成像時的光學圖案的至少一個區域的相位相關的相位數據確定描述物體的至少一個區域的表面狀況的數據。使用在第二圖像中成像時的物體的對應區域獲得的相位數據解決從第一圖像獲得的相位或表面狀況數據中的任何模糊。
文檔編號G01B11/00GK102483319SQ201080040329
公開日2012年5月30日 申請日期2010年9月6日 優先權日2009年9月11日
發明者伊馮娜·魯思·赫德阿特, 尼古拉斯·約翰·韋斯頓 申請人:瑞尼斯豪公司