CN100376865C - 通过单视角背照射逆光照相法测量三维物体的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于通过单视角背照射逆光照相法测量三维物体的方法。根据本发明，可以测量这种对可见光半透光或透光的物体(32)的至少一个几何参数，例如中空球体的厚度，确定该物体的光学特征，借助该光学特征建立光线穿过物体的至少一个光学传播模型，所述模型包括使所述参数与对物体图像进行直接观察的结果相关联的方程。所述图像通过用单视角背照射逆光照相法观察该物体获得，获得所述图像，进行观察，并借助方程和观察结果确定参数。

Description

通过单视角背照射逆光照相法测量三维物体的方法
技术领域
本发明涉及一种三维物体的不接触式测量或表征方法，具体而言，本发明涉及对可见光透光或至少对这种光半透光的三维物体的不接触式测量或表征方法。
本发明尤其适用于：
-透光中空球体或透光中空圆柱体的厚度的不接触式测量，
-位于这种球体或圆柱体内部的透光层或透光涂层的厚度的不接触式测量，
-这种球体或圆柱体的内表面的变形或粗糙度的不接触式测量，以及
-位于这种球体或圆柱体内部的透光层或透光涂层的变形或粗糙度的不接触式测量。
背景技术
为了不接触地测量三维物体，已知可以使用三维层析X射线照相法(tomography)。
然而，该技术要求从多个入射角观察物体，当物体放置在复杂的底层结构中的情况下，这无法做到。
如果物体是三维的，已知还可以使用一种称为“单视角层析X射线照相法(single view tomography)”的技术。
根据后一种需要X射线的技术，通过以先验选择的物体模型为基础的计算规则来形成图像。
将这样获得的图像与模拟的射线照相图像比较，接着将模型重复变形，直到模拟图像与实验图像一致。
这种重显(reconstruction，或叫“再现”)依赖于物体的旋转对称假设。
因而，单视角层析X射线照相法是一种复杂而难以实施的技术。
此外，为了测量中空球体的厚度和直径，已知可以使用干涉测量法(interferometry)和X射线照相法(Xradiography)。
干涉测量法是一种很精确的方法，它可用在复杂的底层结构中，但过于精密而不易实施。
至于X射线照相法，当要测量的物体放置在复杂的底层结构中，并且从该底层结构的外部无法对其进行处理时，无法使用该方法。
因此，对三维且透光(或半透光)物体的尺寸的不接触式测量面临很多困难，尤其当要测量物体的内部特征的时候。
发明内容
本发明的目的在于弥补前述的这些缺陷。
为此，使用了一种利用背照射逆光照相法(backlitshadowgraphy)的测量技术，它被用来在单视角下表征可观察物体，尤其在难以接触该物体的情况下。此外，本发明优选使用聚焦于所研究物体的平面上的图像获取系统。
具体而言，本发明的目的在于提供一种用于三维物体的至少一个几何参数的不接触式测量方法，该三维物体对可见光是半透光或透光的，该方法的特征在于：
-确定物体的光学特征；
-利用这些光学特征，建立可见光穿过物体的光学传播模型，该模型包括使物体的几何参数与对物体的图像进行直接观察得到的结果相关联的方程，该图像通过单视角背照射逆光照相法用可见光观察该物体获得；
-获取该物体图像；
-进行观察；以及
-通过方程和观察结果确定物体的几何参数。
优选地，通过实验进一步建立光学模型，以及，通过使图像获取系统在所研究物体的剖面(sectional plane，或叫“截面”)上聚焦，利用可见光通过图像获取系统获得图像。
根据作为本发明主题的方法的优选实施例，使用了用于获得物体图像的光线跟踪软件(ray tracing software)来确定模型，该软件能够获知物体对可见光的传播的影响。
优选地，还进行对辅助物体的背照射逆光照相图像的模拟，以建立模型，这些辅助物体具有各不相同的几何特征，通过多元线性回归综合(combine，结合)这些模拟的图像。
该多元线性回归优选使用使例如最小平方(最小二乘)的误差最小的标准(criterion，判据)。
可以使用光线跟踪软件来进行模拟。
根据本发明，尤其可以根据物体的剖面图像测量中空物体的至少一个几何参数。
根据作为本发明主题的方法的第一具体实施例，物体是中空球体，它具有壁，物体的几何参数是该壁的厚度，中空球体的图像包括白色环，确定球体的外半径，测量物体图像上白色环的半径，根据球体外半径和白色环的半径确定壁的厚度。
根据本发明的方法主题的第二具体实施例，物体是中空圆柱体，它具有壁，该物体的几何参数是该壁的厚度，中空圆柱体的图像包括白色环，确定圆柱体的外半径，测量物体图像上白色环的半径，根据圆柱体的外半径和白色环的半径来确定壁的厚度。
外半径可以借助方向导数法确定。
根据本发明的一个具体实施例，物体是中空的，并包括透光或半透光物质(材料)层或涂层，确定该涂层或该层的厚度。
根据本发明的另一具体实施例，物体是中空的，并包括内壁，确定该内壁的变形或粗糙度。
根据本发明的优选实施例，所使用的背照射逆光照相装置包括可见光源、用于该光源的准直装置和图像获取装置，该图像获取装置包括光学元件、图像传感器和光学元件的数值孔径调节装置，光学元件放置在物体和图像传感器之间，使得在图像传感器上形成所研究物体的剖面图像，调节光源的准直和光学元件的数值孔径。
图像传感器可包括电荷转移装置。
本发明的方法主题具有如下优点：实施成本低，以及由于该设备仅限于使用光源和照相机，因而实施该方法所必需的设备相对容易安装在复杂的底层结构中。
附图说明
参照附图，通过阅读下面给出的典型实施例的描述可以更好地理解本发明，这些实施例纯粹用于说明而不是用于限制本发明，在附图中：
图1A和图1B示意性地示出了分别具有不同厚度的壁的中空球体的白色带的形成；
图2A和图2B分别示出了中空球体的实像和模拟图像；
图2C示出了图2B的模拟图像的半线剖视图；
图3示出了待处理图像的径向剖视图；
图4是实施根据本发明的方法的装置的示意图；
图5A示出了中空圆柱体的背照射逆光照相图；以及
图5B示出了图5A的图像的剖视图。
具体实施方式
在本发明中使用的测量物体的测量原理是以可见光利用背照射逆光照相法对物体的观察为基础，并结合了光传播的光学模型。
该测量原理考虑了光在物体所包括的半透光或透光的不同材料中、尤其在物体的不同界面上传播的物理现象，使得在背照射逆光照相的图像上进行的直接测量通过模型方程与所研究物体的内部物理尺寸大小联系起来。
当然，对于研究平面物体而言，背照射逆光照相法是一种成本不高并易于使用的测量方法。通过对物体图像的直接测量，可以知道例如物体的大小。
但是，为了通过背照射逆光照相法研究三维物体，对图像的直接分析并不能提供足够的信息，这是因为针对物体剖面观察到的图像不仅仅是穿过所使用的背照射逆光照相装置的物镜的图像，它也是穿过物镜和物体本身的剖面的图像。
如果物体对入射光束的传播的影响是已知的，有可能重新发现所研究剖面的特征。该影响可以通过几何光学的方程来描述，但是该方程只在一定范围(高斯近似，特别是小的光线折射角)内是有效的。
在通过本发明的方法来研究小曲率半径的物体的情况下，不满足使用该几何物体光学方程的必要条件。
为了了解所研究物体对光传播的影响，可以使用光线跟踪软件。该软件应用的是光线穿过多个光学屈光面(optical dioptre)传播的方程，这多个光学屈光面以具有不同光学指数的材料区分。
知道了待研究物体的光学特征后，即可创建数学模型，该数学模型将对所获得图像观察到的现象与所研究物体的真实大小，或者概括地说，与该物体的几何参数联系起来。
借助多元线性回归，通过结合对模拟的背照射逆光照相图像的测量结果来获得该数学模型。关于此问题，请参考以下文献：
G.Sado，M.C.Sado，《Les plans d’expériences.Del’expérimentation àl’assurance qualité》，AFNOR 1991.
采用本发明的方法，研究了中空球体。因为光线在球体的不同内外界面上折射，所以难以通过对背照射逆光照相图像的直接测量来获知该球体的厚度。
在中空球体的背照射逆光照相图像上会显现出白色环。该白色环由好像来自同一点的光线的重叠而形成。
图1A(和图1B分别)以剖面图示意性地示出了在外半径为1000μm和厚度为100μm(对1B而言为200μm)的中空球体或滚珠(ball)4的情况下，环或带在点A处的形成。标号6、8和10分别指用于形成图像的背照射逆光照相装置的光源、该装置的物镜、和源自光源6并与球体4和物镜8相互作用的光线。
在多次模拟之后，证明了该白色环的半径与所研究物体的厚度和外半径直接相关。建模的目的就在于使该厚度和该外半径与白色环的半径相关联。
这样，当知道了环或带的半径以及球体的外半径(如果将背照射逆光照相装置的光学系统聚焦于球体赤道上，则在图像上很容易测得球体的外半径)，即可通过使用预先确定的模型方程来确定球体的厚度。
接下来描述根据本发明的方法的不同步骤。使用该方法测量中空球体的厚度。
图2A示意性地示出了实际中空球体的图像12。该球体的外半径是578μm，其厚度是66μm。
同样可以形成该中空球体的模拟图像13(图2B)。
在图2A中，观察到存在白色环14和黑色区域16(图2B中的对应部分具有相同标号)。观察发现：
●白色环的半径与中空球体的厚度相关，
●黑色区域的宽度取决于所使用的背照射逆光照相装置包括的图像获取系统的数值孔径。
为了更好地估计白色带(或白色环)的位置，可以形成模拟图像的剖视图，该剖视图以模拟图像的中心C为起点，以球体外部的点M为终点，如图2B的箭头F所示。
图2C示出了模拟图像的半线(half-line)剖视图，像素数为横坐标(Pix)，振幅(灰阶)为纵坐标(Ampl)。
白色环14以及黑色区域16位于该图2C中。
通过多元线性回归获得模型，该多元线性回归依赖用于使最小平方的误差最小的标准(参照上述文献)。
多元线性回归可以表达为以下方程：
y＝tXA+E
Y是响应向量
tX是试验矩阵(test matrix)的转置矩阵
A是系数向量
E是建模和试验之间的误差向量。
问题在于通过使tEE最小化以得到A。
通过使用光线跟踪软件，可模拟多个不同半径和厚度的球体的背照射逆光照相照片。
接下来，因为球体的厚度和其外半径与对应的白色环相关，所以能够在每一张照片上测量该环的半径。
这样，可获得试验矩阵X(对应于各模拟球体的厚度和外半径)和响应向量Y(对应于白色环的半径)。因此可使用多元线性回归获得以下模型：
Rbde＝a0+a1Rext+a2e
其中，Rext是白色带的半径，Rbde是中空球体的外半径，e是该中空球体的厚度。
在给出的纯粹用于说明而绝非用于限制本发明的实施例中，获得：
Rbde＝0.0089+0.9871Rext-1.156e
Rext属于区间[800μm；1400μm]，e属于区间[25μm；250μm]。
该结果用于根据真实的背照射逆光照相照片，通过测量外半径和对应白色环的半径，来确定中空球体的厚度。
接下来考虑处理图像的算法。
基于获得的图像(初始图像和直方图均衡之后的图像)，可测得球体的外半径，继而发现白色带的位置。
为了确定外半径，优选使用方向导数法。关于这一问题，请参考以下文献：
R.M.Haralick，“Digital Step Edges from Zero Crossing ofSecond Directional Derivatives”，IEEE Transactions on PatternAnalysis and Machine Intelligence，vol.PAMI-6，N°1，Jan.1984，pp58-68.
该方法依赖于消去图像梯度(gradient)和使二阶导数最大。
这样，获得对应球体外表面的中心和半径。从该中心出发，绘制所有度数的径向剖视图。
图3示出了这些剖视图中的一个。像素数(Pix)为横坐标，振幅(灰阶)为纵坐标(Ampl)。
在每一个剖视图上，可以找到表示外表面位置的点(点A)和白色带位置的点(点B)。
通过消去二阶导数获得点A。通过缩小剖视图的研究区域(缩小至由所示实施例中的圆圈C限定的区域)和寻找局部最大值来获得点B。为了得到子像素坐标，可根据高斯定理局部调整剖视图。
完成这些运算后，通过使用模型方程获得该半径的球体的厚度。重建球体的内外表面，因此可得知球体在外表面赤道上的平均厚度。
为了验证本发明的方法，比较通过该方法、X射线照相法和白光干涉测量法(利用移动条纹的显微镜法)获得的结果。将获得的结果总结在表1中。
表1
 由X射线照相法获得的厚度(μm)   由干涉测量法获得的厚度(μm)   由本发明的方法获得的厚度(μm)
  13.3   13.7   15.9
  14.8   14.3   17.9
  18.3   17.9   20.6
  18.0   17.4   20.8
  38.2   39.4   39.2
  55.9   59.6   54.5
  67.9   无法测量   67.8
对测得的球体的平均厚度进行比较。所获得的测量值对于X射线照相法为2σ±3μm，对于干涉测量法则为2σ±2μm。
关于本发明的方法，认为外半径的测定具有±3μm像素级的误差，对于确定白色带位置而言具有±0.5像素的误差。
根据本发明的测量中空球体的厚度的背照射逆光照相法的优点在于成本不高以及能够非常容易快速地实施。使用该方法需要合理地选择所使用的背照射逆光照相装置包括的图像获取系统的数值孔径，并要求合理地选择该装置所包括的光源的发光图(emissiondiagram)，以便获得正确观察白色带的最佳条件。
对于给定的中空球体，计算的模型只在一定的射线范围内和一定的厚度范围内有效。该模型可通过提高构成球体的材料的光学特征的精确度来改进。
测量的误差主要取决于图像的空间分辨率。在本发明的相关实施例中，观察球体的中心以便能够跟踪径向剖视图。这样，球体的半径越大，则微米每像素转化系数越大，因而测量的误差越大。因此，该测量误差取决于所研究球体的半径。
用于背照射逆光照相的设备是常规的。它包括经过校准的光源，该准直光源发射可见光，并与用于聚焦于所研究物体的平面上的图像获取系统相关，并且其数值孔径是可调节的。
实际上，如果增加该数值孔径，白色环的亮度会更强，但是如果数值孔径太大，环会隐没到图像的中心斑点中。因而，能够改变图像获取系统的数值孔径有助于测定白色环的半径。
图4是用于实施本发明方法主题的背照射逆光照相装置的示意图。
该装置包括可见光源18、该光源的可调节准直装置20和图像获取装置，该图像获取装置包括光学元件22，其配备有用于改变该光学元件的数值孔径的装置24。
光学元件跟有接收器CCD 26，其配备有图像处理装置28，显示装置30与该图像处理装置相连。
将要研究的中空球体32放置在光源18和光学元件22之间。利用光学元件22，可在CCD传感器上形成中空球体32的剖面的图像。
本发明主要涉及用于确定中空球体的厚度的方法，即：
-确定便于测定白色环的半径的有利实验条件(图像获取系统的数值孔径、光源的准直)；
-根据所研究物体的特征和在图像上观察到的现象(球体的外半径、厚度、和白色环的半径)建立数学模型方程；以及
-处理相关图像，以确定模型的原始参数(白色环的半径和球体的外半径)，从而最终确定期望的物体尺寸(相关实例中的中空球体的厚度)。
可以实施相同的方法来表征中空圆柱体的厚度。对于这种情况，仍可以使用图4的装置(相同的光源和相同的图像获取装置)，同时将圆柱体放置在球体32的位置。
在获得的背照射逆光照相图像上出现白色带，该白色带与圆柱体的厚度和外半径相关。寻找新的模型并将之应用于获得的图像。
图5A示出了外半径为1000μm和厚度为300μm的中空圆柱体36的背照射逆光照相图像。该图像的剖视图由图5B表示。沿图5A的线X画出该剖视图。
观察图5A中的白色带B。该白色带对应图5B中的区域C。在图5B中，通过箭头D确定圆柱体的边缘的位置。白色带的位置与中空圆柱体的外半径和厚度相关。
在观察平面(垂直于观察光学轴)上，沿着圆柱体的赤道或两条母线，得知白色带的中心和带上每一点之间的距离就能够确定中空圆柱体的内壁表面情况，即变形和粗糙度。
在双层物体，就是说，在中空物体内壁上形成称为内层的一层的情况中，利用本发明的方法，可测定内层的厚度，条件是通过预先测量已知物体的称为外壁的壁的厚度。同样可以测定双层物体的内表面的粗糙度和变形。
上述内容既适用于圆柱体也适用于球体。
如果期望确定所研究物体的多个几何参数，则可使用多个模型，同时利用物体的背照射逆光照相图像上的多个可测量细节。然后，解出具有多个未知数的方程组。
无论对于球体的直径还是圆柱体的直径，都可以使用本发明的方法。实际上，通过使用具有合适放大系数的光学元件系列，可在6.6mm×8.8mm的CCD传感器上观察到整个物体。甚至能够观察仅仅一部分物体，条件是要有合适的光学系统。
对测量中空球体的厚度的唯一限制在于它应该足够厚，以使在给定光学系统的分辨率的情况下，能够很容易地区分白色带。
当根据本发明测量中空物体例如中空球体的厚度时，应该考虑用于该测量的光学系统的分辨率：对于给定的分辨率，球体应该足够厚以便能够轻易区分白色带。

Claims (13)

1.一种用于三维物体(4，32)的至少一个几何参数的不接触式测量方法，所述三维物体对可见光是半透光或透光的，所述方法的特征在于：
-确定所述物体的光学特征；
-利用所述光学特征，建立可见光穿过所述物体的至少一个光学传播模型，所述模型包括使所述物体的几何参数与对所述物体的图像进行直接观察的结果相关联的方程，所述图像通过单视角背照射逆光照相法用可见光观察所述物体获得；
-获取所述物体的所述图像；
-进行观察；以及
-通过所述方程和所述观察结果确定所述物体的几何参数，其中，通过实验进一步建立所述光学模型，通过使图像获取系统聚焦于所研究物体的剖面上，利用可见光通过所述图像获取系统获得图像，
其中，还进行对辅助物体的背照射逆光照相图像的模拟，以建立所述模型，所述辅助物体具有各不相同的几何特征，通过多元线性回归综合模拟的图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用用于获得物体图像的光线跟踪软件来确定所述模型，所述软件能够获知所述物体(4，32)对所述可见光的传播的影响。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多元线性回归使用使最小平方的误差最小的标准。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用光线跟踪软件进行模拟。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体(4，32)是中空的，所述中空物体的至少一个几何参数通过所述物体的剖面图像测量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述物体是中空球体(4，32)，所述球体具有壁，所述物体的几何参数是所述壁的厚度，所述中空球体的图像包括白色环(14)，确定所述球体的外半径，测量所述物体的图像上所述白色环的半径，根据所述球体的外半径和所述白色环的半径确定所述壁的所述厚度。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述物体是中空圆柱体，所述圆柱体具有壁，所述物体的几何参数是所述壁的厚度，所述中空圆柱体的图像包括白色环(14)，确定所述圆柱体的外半径，测量所述物体的图像上的所述白色环的半径，根据所述圆柱体的外半径和所述白色环的半径确定所述壁的所述厚度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，通过方向导数法确定所述外半径。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，通过方向导数法确定所述外半径。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体是中空的，并包括透光或半透光物质层或涂层，确定所述涂层或者所述层的厚度。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物体是中空的，并包括内壁，确定所述内壁的变形或粗糙度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，使用背照射逆光照相装置，所述背照射逆光照相装置包括可见光源(18)、所述光源的准直装置(20)和图像获取装置(22，24，26)，所述图像获取装置包括光学元件(22)、图像传感器(26)和所述光学元件的数值孔径调节装置(24)，所述光学元件放置在所述物体和所述图像传感器之间，使得在所述图像传感器上形成所研究物体的剖面图像，并调节所述光源的准直和所述光学元件的数值孔径。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述图像传感器包括电荷转移装置。
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