CN100401012C - 对物体外形进行三维测量的装置 - Google Patents

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Abstract

一种对物体外形进行三维测量的装置。该装置包括阵列式有共焦外形荫罩的共焦成像系统，用于把光源产生的光变换为小的光斑阵列。该荫罩安装在扫描单元上，该扫描单元用于在预定距离的相继位置上移动该荫罩。该装置还包括共焦的物镜，用于在相继的焦点对准的物体位置上，把小的光斑阵列的输出，影像在所述相继位置上。该共焦物镜可以安装在所述装置内固定的位置上。

Description

对物体外形进行三维测量的装置
技术领域
本发明涉及一种用于对物体外形进行三维测量的装置，所述装置包括阵列式有照明所述物体的光源的共焦成像系统，和使所述光源输出的照明光光路与所述物体反射的反射光光路分离的光路分离光学单元；所述共焦成像系统还包括共焦外形荫罩，用于把从所述光路分离光学单元出射的照明光，转换为小的光斑阵列；所述共焦成像系统还包括共焦物镜，用于使所述照明光转向所述物体和使所述反射光转向所述共焦外形荫罩，以便形成共焦像；所述装置还包括光电传感器单元，用于接收已经通过所述共焦外形荫罩的所述反射光，并用所述光路分离光学单元使之偏转，还用于把后者的光转换成强度值；所述装置还包括扫描单元，在其上安装所述共焦外形荫罩，所述扫描单元用于在预定距离的相继位置上移动所述共焦外形荫罩，以便沿预定方向改变所述物体与焦点对准的物体位置之间的相对距离；所述装置还包括与所述光电传感器单元连接的像处理器，用于形成共焦响应信号，并从所述共焦像计算所述物体形状，所述共焦像是沿所述预定方向、在所述物体与焦点对准的物体位置之间不同相对距离上，用所述光电传感器单元获取的；所述共焦物镜用于在相继的焦点对准的物体位置上，把所述小光斑阵列的输出，影像在所述相继位置上。
本发明还涉及一种用于对物体外形进行三维测量的方法。
背景技术
这样的装置和方法可从EP-A-0679864获悉。在该已知的装置和方法中，光源输出照明光光路，该照明光光路越过由全息图形成的光路分离光学单元和透镜阵列，到达由针孔阵列构成的共焦外形荫罩。该照明光光路由通过荫罩后的小的光斑阵列形成，终止在待测量的物体上。入射光的光斑在物体位置上被反射，且反射光越过荫罩，到达光路分离单元。后者使反射光向着光电传感器单元偏转，入射光在光电传感器单元上被检测，并被像处理器进一步处理，以便确定被研究物体的三维形状。为了确定该三维形状，要有沿z方向改变物体与焦点对准的物体位置之间相对距离的装置。在已知的装置中，后一装置是由包括扫描单元的一整套装置形成的，在扫描单元上安装共焦外形荫罩、光路分离光学单元、传感器单元、和共焦物镜。整套装置沿z方向运动，使焦点对准的物体位置沿z方向在预定距离上移动。物体与焦点对准的物体位置之间沿z方向的相对距离因此变化，从而能确定该该第三维。
已知装置和方法的缺点在于，为了改变物体与焦点对准的物体位置之间的相对距离，共焦外形荫罩连同光路分离光学单元、传感器单元、和共焦透镜，全都一起沿z方向运动。如此比较重的整套装置的运动，需要一定的功率，且对高速的在线确定，这不是最适当的选择。
发明内容
本发明的一个目的，是实现一种用于对物体外形进行三维测量的装置和/或方法，该装置使用以高速工作的阵列式共焦成像系统，从而能进行快速的测量。
为此，按照本发明的装置，特征在于所述共焦物镜是3D共焦物镜，安装在所述装置中不动的位置上。通过使用不动的3D物镜，只有外形荫罩在相继的位置上运动。因为外形荫罩比整套装置轻得多，运动时需要的功率，比现有技术的整套装置低得多。因此可以获得更快速的运动，这更适合于高速的在线确定。应当指出，现有技术没有建议熟练人员使共焦物镜保持不动。相反，现有技术的图11中，画出的另外的实施例，是教导要保持荫罩不动而使共焦透镜部分运动。该现有技术从一开始，就把熟练人员的思路从固定共焦物镜引开。
所述3D物镜最好按限制球面像差和慧形像差设计，以便保持所述共焦像中的成像误差，在两个像素的极大上。为了在像处理器级获得良好的像质量，必须对共焦物镜施加某些约束。这些约束可以通过对共焦透镜的球面像差和慧形像差设置限制而满足。
按照本发明的装置的第一优选实施例，特征在于，所述共焦外形荫罩是由微透镜阵列形成的，安装在所述扫描单元上，且上述装置还包括单个针孔，位于所述光电传感器单元的焦点。
所述照明光源最好包括高强度LED阵列，在LED阵列顶部还粘接微透镜。据此提供足够的光强。
按照本发明的装置的第二优选实施例，特征在于，所述分离光学单元照明侧的光路中，插入线偏振器，在另一侧插入四分一波片及起偏器。据此，对被测量的反射光没有作用的来源于反射的“噪声”光，能显著减少。
按照本发明的装置的第三优选实施例，特征在于，所述扫描单元包括：扫描信号发生器，用于产生指示所述相继位置的扫描信号序列；所述扫描信号发生器与所述像处理器连接，以便向之提供所述扫描信号；所述光电传感器单元包括第一检测单元阵列；所述像处理器包括第二处理单元阵列，所述第二阵列的每一处理单元，每次与所述第一阵列的许多检测单元连接；所述像处理器用于每次在同一扫描信号序列中，接收相继各个所述强度值；每一个所述处理单元，用于把所述相继强度值彼此区分，并保留那些形成所述共焦响应信号的强度值；所述像处理器，用于把那些形成所述共焦响应信号的强度值，与那些代表已经产生所述共焦响应信号的那些位置的扫描信号关联起来。通过把扫描信号提供给处理单元，后者与扫描单元同步地操作，能实现快速的处理。有了检测单元的第一阵列和处理单元的第二阵列，可以把入射光的检测与被检测光的处理分开，从而增加整体的处理速度，并使该装置更适合快速测量。通过区分各强度值，可以保留有最高强度值的共焦响应信号。需要处理的数据量因而减少。由于扫描单元与像处理器的同步操作，因而与最高值对应的扫描信号容易被识别，所以物体形状能够被快速确定。
按照本发明的装置的第四优选实施例，特征在于，在所述检测单元的第一阵列和所述处理单元的第二阵列之间，安装了抽样单元；所述抽样单元，用于按预定抽样速率，对所述检测单元产生并在并行读出门输出的强度信号抽样；每一个所述处理单元有存储单元，用于存储同一扫描信号序列中被抽样的每一个强度值；每一个所述处理单元，用于通过把每次存储的强度值插入同一所述存储单元，确定最大的强度值。这样能显著降低要处理的强度值的量，又基本不影响可靠性。
按照本发明的装置的第五优选实施例，特征在于，所述第一和第二阵列至少有相同数量的单元；每一处理单元用于存储一初始的强度值，作为在相关联的存储单元中存储的强度值；所述处理单元在后继的扫描信号控制下，用于比较目前的强度值是否高于存储的强度值，并在后者低于目前的强度值时，盖写存储的强度值；所述处理单元还用于在每一存储操作时，存储目前扫描信号之一。最高的强度值容易并能快速地和可靠地确定。
所述扫描单元最好包括与所述共焦外形荫罩连接的音圈致动器，用于迫使所述荫罩作垂直运动。音圈能使荫罩精确地和可靠地运动。
附图说明
现在参考附图更详细地说明本发明，这些附图表明本发明的装置不同的实施例。
附图中：
图1按照本发明，画出装置中使用的光学原理；
图2对一个检测单元，画出作为荫罩运动函数的入射传感器单元的反射光光强，；
图3示意画出由微透镜阵列和单个针孔形成荫罩的装置；
图4示意画出使用偏振器、四分之一波片、和起偏器的装置；
图5画出可能的共焦z响应信号；
图6和7画出像检测单元和处理单元的实施例；
图8借助流程图，表明一种方法，用于局部的和全局的极大的相互区别；
图9示意画出作为装置部件的由两部分组成的物镜；和
图10举例画出存储器内容的表。
在各图中，相同的参考数字已经指定给相同的或类似的单元。
具体实施方式
本发明涉及一种装置和方法，用于对物体外形进行三维即3D表面轮廓测量，具有工业制造过程中使用的装置相容的速度。为了在制造过程中的在线应用，这种测量规定的时间约0.1秒，最好更小。待测量的物体一般尺寸是xyz＝50×50×3mm，这里z表示高度方向。要求的精度，特别是对电子部件，在数微米的范围。但是应当指出，本发明不限于前面给出的例子。然而，也为清楚起见，该参考例子将在本说明中自始至终使用。
按照本发明的装置，包括阵列式共焦成像系统。共焦成像系统的基本原理，在T.R.Corle和G.S.Kino的“Confocal Scanning OpticalMicroscopy and Related Imaging Systems”中有说明，该书由Academic Press 1996出版。由针孔定义的点光源，通过物镜照明物体。从物体上一点反射的光，被物镜成像，返回针孔。如果针孔与样品点上的光斑，都在它们的共焦点，那么反射光有效地通过针孔，到达位于另一侧的检测器。如果物体运动离开焦点，共焦关系不再成立，反射光在针孔散焦，从而不能通过针孔到达另一侧的检测器。
共焦成像系统与表面轮廓、结构、纹理、粗糙度、反射率、或颜色变化等细节无关，无线机械xy扫描也能实现。按照本发明的装置，不是改变物体表面与物镜之间的光路距离，而是保持光路距离不变，但让共焦外形荫罩在z方向上下运动。再有，本装置借助光电传感器单元，进行2D的像序列检测和处理，最好使用CMOS技术和像处理器。
本发明要克服的基本问题，是对付巨大的数据速率。作为数值例子，假定在xy中有1000×1000平行的共焦阵列。为了获得数微米的精度，必须把上述3mm的z区间分割为约1000或至少100个像。为了达到0.1秒的最大时间，人们必须在该0.1秒内获取并处理所述100到1000个像，即，要面对每个像包括1M像素的10,000个像/秒或更多。这是最小每秒1-10千兆像素的数据速率，最好是更多。本发明给出的系统，能在该数据速率内获取并处理像。
图1画出按照本发明的装置和方法使用的光学原理。光源1发射光束10，用于照明物体6。光束10越过第一投影物镜2，该物镜用于把光束10转换为平行照明光束11。光路分离光学单元3，例如由光束分束器构成，置于照明光束11的光路内，用于把光束11的光路和物体反射光的光路14分离。从图1可见，照明光束11不受单元3的影响。
照明光束11均匀地照明针孔阵列4，它是共焦外形荫罩的一部分，用于把离开单元3的照明光束11转换为小的光斑阵列。针孔阵列4包括许多针孔，例如1000×1000个针孔的正方形矩阵，在50×50mm的平板上，每一针孔直径为5μ，即孔距为50μ。从每一针孔出射的小光斑(为清楚起见，只画出单个光斑)借助大孔径物镜5聚焦，聚焦的方式能使聚焦的光束13入射在物体6上。由于那些小光斑入射在物镜5上，后者把它们影像在物体上。该物镜5最好具有远心性质，以便在物体的xy方向上(图中的水平方向)获得相同的照明性质。如果针孔阵列4、物镜5、和物体6表面的点，三者z位置(图内的垂直位置)的排列是共焦的，即，光斑被影像在特定物体表面位置上的尖点，那么大量反射的光从物体表面6返回同一光路，即13和12，进入原来的针孔。从针孔4另一侧出射的光束14，被光束分束器3偏转，进入摄像机物镜7。然后，光被聚焦成15，落在光电传感器单元上。传感器8被像处理器的电子电路9控制和读出。
如果由于物体6的表面轮廓，没有表面在焦点位置，那么，只有极少量的光被散焦的表面面积6反射回针孔。因此，传感器8中的像素，在针孔阵列4、物镜5、和表面6的相对位置满足共焦关系的地方，接收最大的光并形成共焦响应信号(共焦光学原理)。这一关系在图2中以实线表示。
为了获得第三维，必须在预定方向上(在所示的例子中是z方向)改变物体6和焦点对准的物体位置之间的相对距离。
用于改变相对距离的那些装置，包括在其上安装了共焦外形荫罩4的扫描单元16。扫描单元16能使荫罩或针孔阵列作箭头17所示的上下运动。因此，扫描单元16沿预定方向并在预定的例如3mm的距离上，在相继的位置上移动荫罩。
应当指出，按照本发明的装置或方法中，在扫描运动时，只有共焦外形荫罩是运动的。其他部件如物镜则保持不动。
扫描单元还包括扫描信号发生器18，用于在扫描单元运动时，产生指示荫罩到达的相继位置的扫描信号序列。因此，扫描信号序列中不同的扫描信号表示不同的位置。扫描发生器还连接至传感器单元和像处理器，以便向它们提供扫描信号。
从图1可见，按照运动的荫罩的照明光路方向，物镜5位于下游。由于荫罩的运动，荫罩输出的小光斑阵列，也沿预定方向运动。因此物镜将把不同高度的不同小光斑，影像在物体不同的焦点对准的物体位置上。
借助扫描单元改变共焦透镜5与荫罩4之间的光学距离，其优点是，荫罩的质量比例如US-A 5,737,084中说明的Nipkow盘更低。该更低的质量能实现更高的加速度，得到更快的直线运动而不是旋转。此外，按照本发明的装置，因为共焦透镜5与物体6之间的工作距离保持不动，还由于共焦透镜5在装置内是不动的，所以易于制造。扫描单元整个封闭在装置内，且共焦透镜容易更换，以改变视场。
在本实施例中，扫描单元用例如音圈构成。由于针孔阵列的质量小，所以能作快速的运动。因此，只要几毫秒内就能跨过数mm。这样能实现在线测量要求的快速z扫描，以便达到快的测量时间。由于使用较小孔径的物镜7，针孔阵列4的所有运动，保持在焦深之内，从而收集进传感器像素8的光，不受该运动的影响。
针孔阵列最好经受连续的上下运动，且在该序列中的每一信号，对应于针孔阵列4的特定z位置。
光源输出的照明光束10，将因此越过投影物镜2和光束分束器3，到达荫罩4。属于光束12和离开针孔之一的光斑，将被物镜5聚焦。如果荫罩3在它运动时的实际位置，和聚焦光斑入射的物体6上的点P，都在焦点上，则聚焦的光斑将在点P被全部反射。如果相反，它们不在焦点上，那么只有一小部分甚至没有光被反射。反射光被光束分束器3分离，并到达物镜7和传感器单元8。
考虑传感器单元8内一固定的像素，从该像素看到的光强一般是非常低的。除非当针孔阵列4的z位置、物镜5、和表面6之间的共焦条件被满足时，才形成共焦响应信号，因为这时该像素将看到光的极大。通过在时间上记录针孔阵列4在传感器像素8观察到极大光强时的位置，获得对应表面点P的z坐标的测量。从给定像素观察到的作为z坐标函数的光强，类似于图2实线所示。
替代针孔阵列作共焦外形荫罩4，也可以在光源一侧把微透镜放在每一针孔中。这样将改进装置的光的效率。这些微透镜将把所有入射光聚焦进针孔，并把通过针孔返回的所有光对准传感器方向。没有适当对准的光、在微透镜之间入射的光、或被物体或针孔阵列下游光学单元反射的噪声光，都将被针孔阵列阻挡。
按照另一个实施例，共焦外形荫罩由在针孔阵列4位置上的微透镜阵列构成。在该实施例中，单个针孔20位于摄像机物镜7-1和7-2的焦点，如图3所示。任何不通过各微透镜焦点的光线25，将落在该单个针孔板20的针孔之外，不能到达传感器。为讨论的目的，图3的摄像机物镜被成像为两级物镜，成像在焦点上的第一半7-1，和从该焦点到传感器单元8(远心物镜)的第二半7-2。该物镜的有限孔径，取代微透镜板上针孔阵列的功能。如果用微透镜，可以省去针孔阵列，因为照明/摄像机物镜小的数值孔径导致微透镜小的接受范围，将产生有效针孔的作用。
正如上一段的论述，定义光滤波作用的光源和由微透镜定义的检测单元，最终与附加的针孔组合，可以产生许多种(静态的和非静态的)配置，对此几乎没有人曾经描述。它可以作为确定物体表面形状的扫描单元使用。
共焦物镜5必须适合整个光学扫描的操作，例如，通过扫描单元在约3mm深的3D体积上实施，以便不影响成像的质量。这一点要求透镜5有适当的设计，使它能在3D体积内保持低的透镜畸变。通常设计透镜是在垂直于光轴的2D平面内，并在离透镜固定的光学距离上优化畸变的。然而，物体表面的扫描，大多通过在z方向上移动物体，或通过改变物体与物镜之间的光学距离实施。
因此，按照本发明的装置或方法使用的共焦物镜，是用3D共焦物镜构成的。平的2D物体的锐成像，要求满足Abbe正弦条件。在理想的傍轴几何光学中，无限大的物体体积能够适当地影像成无限大的像体积。但是，这一性质在较大数值孔径时不能保持，除非放大率等于1。这些条件在Delft，1997年举行的Fifth International TopicalMeeting on Education and Training in Optics会议上，Joseph Braat的论文“The Abbe sine condition and related imaging condition ingeometrical optics”中说明。该论收入本说明，供参考。
为了以较大数值孔径获得适当大的3D成像，必须遵照Abbe正弦条件和Herschel条件。但除放大率等于1的情形外，它们是冲突的。但是，为了实用的目的，一些球面像差是可接受的。详细的数值模拟表明，高达放大率+/-5和数值孔径+/-0.3，能使球面像差和慧形像差保持足够小，以保持成像误差高达传感器级两个像素的极大。
回头参考Braat的论文，加在3D共焦透镜5的约束，能够用把慧形像差和球面像差保持在设定极限内的方式，通过优化成像体积的轴向和横向范围导出，如该论文的方程式(19)所示。优化可以用计算机完成。可用于调节的参数是最大数值孔径和使用光源的波长。为了使3D共焦物镜的成像体积最大化，较长的波长是有帮助的。
一个另外的实施例包括，使用一组两个2D优化的标准透镜和使用固定位置的微透镜板4和物体6。该两级共焦透镜示于图9，包括焦距f1的运动部分70和焦距f2的不动部分71，在它们中间有远心孔径72。该套装置能通过移动最接近物体的透镜70，即通过改变物体与透镜70之间的光学距离，扫描物体表面。从物体表面反射回去的光，被该透镜70转换为准直光束。该准直的反射光束，能够被位置不动的第二透镜71成像，落在不动的微透镜板4上。该共焦透镜布局的优点是，与单个3D共焦透镜相比，可以获得非常简化的光学设计(可以用标准的2D优化透镜)、不动的物体位置、和不动的微透镜位置。但代价是需要移动更高的质量，和该运动是在装置之外，因而暴露在环境中。此外，如果例如需要不同的视场而更换透镜时，则更为困难。
在图9所示的实施例中，共焦外形荫罩用微透镜阵列构成，与图3画出的微透镜阵列相当。因此，利用图9的实施例，选取一套仿照的成套装置，如图3所示，用作摄像机物镜(未画出)，即位于两级物镜之间的单个针孔。
装置对光的能量有很高要求。需要提供的光量随物体移动的速度，即更短的曝光时间而增加，还随检验的体积而增加。还有，“信号”光的量，即从物体表面反射并经13、12、14、和15标记的光路，到达传感器单元8的光量，强烈依赖于物体的反射性质。对准直光束11，考虑到光路上各个部件的光损耗，需要的最大光功率量，在上述检验速度和体积要求下，能达数十Watt的量级。由于要求非常低的停顿时间，即传感器单元需要操作的积分时间很短，所以需要用高光强来克服该问题。
现有技术使用的普通光源是Halogen(卤素)灯泡。但是，可能要求极强的光源(数百Watt)来传送需要的光能。只有一小部分发射的光能够用于产生适当的准直光束11。为了在微透镜4上提供十分确定的焦点，照明的光学装置以及摄像机的光学装置的数值孔径比较小，约为0.01。如此极其低效的光源，将是低工作寿命的。
光源1的另一种设计，是高密度的LED阵列。这是通过把裸的LED管心粘结在基片上，基片又粘结在散热片上制造的。据此，可以把极大数量，例如10,000个LED管心放进50mm乘50mm的面积中，提供要求的非常大的光强。为了增加该光源的光效率，可以用透明的黏合剂或成型物质，把第二微透镜板粘结在LED阵列顶部。该第二微透镜板的作用是把大部分LED发射的光对准测量光路。
提供甚至更高光强和效率的第三种光源，是把光耦合进光纤束的激光二极管阵列。光纤束的另一端用作高强度的点光源，它能有效地转换为适当规定的准直光束。但是，激光散斑是大多数普通激光器光源带来的缺点。通过控制然而是激光介质较大的温度变化，用各自增益控制的激光二极管光源阵列，可以降低输出光源的相干性(导致加宽的波长范围)，然后把光耦合进光纤束，这种光源能有效地把不同光线光路长度混合。
其他再降低光源发射光的相干性的可能性，是对激光二极管进行电流调制，诱发跳模，或把压电或音圈振荡器粘结在光纤束上并使之振荡。光纤束的连续运动也改变光线的光路长度。频率范围的选择，要能在记录一段z分段时，获得足够的平均。在像的曝光时间，即在记录扫描单元一个完整的运动时，音圈致动器16连续地沿z方向运动。像，是通过在摄像机8、9中的光积分形成的，并且该像本身也已经构成相位平均。
主要的“噪声”光源，包括从光路中各个单元不需要的反射。噪声光的较大部分，来自微透镜和/或针孔阵列4的反射。该噪声光源能够如图4所示，利用紧接物镜2后面照明光路中的偏振器21、针孔阵列4物体一侧的四分之一波片(λ/4)22、和摄像机光路中的起偏器23消除。偏振器21位于光束分束器3的照明一侧。它产生例如y方向的线偏振光。
光束分束器能够通过适当的光学膜优化，该光学膜对y方向的线偏振光是高透射的，而对x方向的线偏振光是高反射的。反射光维持其偏振方向。从偏振器21下游和四分之一波片22前的光学单元反射的光，是沿y方向偏振的。因为光束分束器对该偏振是高透射的，它不会显著地向摄像机8、9反射。
在摄像机前的线起偏器23，透射性质已经对x方向的线偏振光优化，将进一步减少具有该偏振的光。从物体表面反射的光经四分之一波片22，是圆偏振的。该光的一部分沿光路13传播回去，并第二次但沿相反方向通过四分之一波片。信号光将经受偏振变化，从圆偏振到沿x方向的线偏振。光束分束器3有效地把该光向摄像机8、9反射。反射光有合适的偏振取向，以便以最小的衰减通过起偏器。这一套装置(偏振器、光束分束器、四分之一波片板和起偏器)的作用，是减少不需要的反射直接从微透镜阵列或针孔阵列4的照明侧进入摄像机8、9，并且还增强信噪比。偏振器和起偏器可以组合在光束分束器3内。
再减少不需要的反射，可以从下面的方法获得：
排列各种光学单元时，尽量小地偏离光轴垂直方向；
在光学单元上涂敷抗反射膜。
另一种噪声源是从相邻针孔或微透镜来的光之间的串扰。这种效应，例如能够通过在摄像机前使用小孔径物镜而减少。
现在回到图1，物体6反射光的处理，是通过传感器单元8和相关的像处理器9实现的。虽然传感器单元8和像处理器9的操作，将参照如在前面所述获得的反射光说明，但应当明确，传感器单元和像处理器也能用于处理另一个共焦成像系统获得的反射光。传感器单元和像处理器，必须处理离开荫罩4每一针孔或微透镜的反射光。在1000×1000个针孔阵列矩阵的数值例子中，传感器单元8必须是1000×1000的传感器阵列，最好由CMOS传感器构成，以便同时处理反射光。此外，因为荫罩4是运动的，在扫描单元的单个扫描操作中，产生100到1000个z分段的像的序列。因为荫罩4的整个扫描路径约3mm长，这一操作能够容易在100毫秒内完成，导致像处理器要处理的数据速率为每秒1到10千兆像素。要求每秒10到100千兆像素的数据速率，结合还要更高数据速率的甚至更快的获取是可能的，借助快速致动器和极其强的光源，可以获得又一个10倍的因子。在本例中，假定用1∶1的物镜5。
为了处理荫罩扫描操作时获取的不同的像，光电传感器单元包括第一检测单元阵列811-8nm，而像处理器包括第二处理单元阵列9，如图6和7所示。第二阵列每一个处理单元，每次与第一阵列的许多检测单元连接。在图6所示的例子中，检测单元8ij(1≤i≤n；1≤j≤m)与处理单元9ij之间有1-1对应关系，即，对每一检测单元，有一个处理单元与之连接，而在图7所示的例子中，每一处理单元9-l(1≤l≤p)与一组检测单元连接。
现在考虑由反射光束独立地入射检测单元之一产生的每一像素，并假定每一像素对应一个检测单元。在本例中，在扫描单元16的一次扫描中，例如在约100毫秒中，该像素在大部分时间中看到的是低的光强，并在z扫描的时间间隔内的某处看到一个强度极大。处理操作要求确定扫描出现极大时的时刻，从而确定何时形成共焦响应信号。每像素得到的结果不是任何灰度值或光强，而是指示何时出现极大的时间标记。该时间标记指出扫描单元的位置。对每一像素，有充分的时间用于处理：假定1000段z分段，数据速率是每100微秒一个值，或10kHz，因为每一像素可以认为是独立的。大体上，为了每秒处理10千兆像素的数据速率，使用1百万并行处理单元。由于高的z抽样速率，以数微秒的精度确定极大强度的位置，不需要用专门的算法(如内插法)。
实现该并行处理，有许多途径。所要求的是，扫描信号发生器18向处理单元9提供产生的扫描信号。扫描信号发生器包括，例如时钟或时间寄存器，和把该时钟输出的时钟脉冲，转换为能实现扫描单元16的受时间控制运动的扫描信号。通过把扫描信号送至处理单元和扫描单元，处理单元能追随荫罩的运动，并在获得的极大光强与荫罩位置之间建立联系。扫描信号例如以数字形式提供，举例说，是10比特信号，能识别至少1000个荫罩的z位置。
每一像处理单元可用的处理算法，例如包括如下步骤：
1.把滚动的极大值初始化为零，或者另一个初始强度值，并把该初始强度值作为存储的强度值，存储在处理单元的存储器单元中；
2.在同一个扫描信号序列中的每一个相继的扫描信号控制下，比较存储的强度值与目前检测单元提供的强度值。在本例中，比较是每100微秒执行一次。比较本身例如根据灰度值实施；
3.如果目前强度值高于存储的强度值，则把目前的强度值存储进存储器单元，从而盖写存储的强度值。每次在比较之后执行存储操作，然后还存储目前的扫描信号，以便对存储的强度值打上时间标记。如果相反，目前的强度值低于，或者等于存储的强度值，则存储的强度值保留不变；
4.扫描结束时，从每一个处理单元读出存储的扫描信号。因为那些扫描信号与获得的极大强度值的位置对应，所以容易确定物体上不同点的位置；
5.可供选择地，也可以读出存储的极大强度值。该值可以提供物体表面6在远心光条件下拍摄的标准视频像。
有若干可能性在物理上实施处理单元和传感器单元。但是，至少要求1000个处理单元。能以每100纳秒一个像素的数据速率，即10MHz，处理一列像素的灰度值。以时钟速率数百MHz工作，有1000滚动极大值的数据存储器和1000时间标记寄存器工作的数字处理器，可以执行前述算法。用高于10MHz的像素时钟速率，则可以使若干列检测单元共享同一处理单元。
也可以使用其他的实施方案。例如，代替作为数字值存储极大强度值，可以考虑使用模拟存储器，如存储在电容器的电压。于是，输入的与光强对应的像素灰度值，是作为电压值提供的。诸如步骤2给出的比较操作，将执行模拟电压比较。提供时间标记的的扫描信号的存储器，应是动态的，即每比特一个电容器。判定步骤(3)于是作为一组受比较器控制的开关实施。如果滚动的极大需要更新，这些开关把滚动灰度值的电流引向电容器，同时把电流扫描信号引向局部时间标记寄存器。
另一种前述方法并使用智能CMOS传感器的解决途径，是使用并行读出、不带片上处理的超快标准CMOS传感器。该另一种途径示于图7。举例说，假定64个并行读出通道，每通道速率为50MHz，累积数据速率是每秒3.2千兆像素。在本文中，这是被认为比较慢的。使用上述检测原理，缩减物镜5的数值孔径将削弱共焦原理。这样将加宽作为针孔阵列4的z位置函数的每像素光强极大，如图2的虚线所示。由于是更宽的极大，z位置较少的抽样是可行的，利用计算上在抽样的z位置间内插，可以获得需要的数微米的精度。这里要指出，对z间隔30μ的约100个抽样，用数值内插也可以获得数微米的精度。以每秒3.2千兆像素的100个抽样，需时约32毫秒。这是符合在线测量的要求的。这个方法的缺点，是需要巨大的电子设备体积，以安排64个并行读出通道：必须有64个数字转换器、64个存储体、和64个处理器，以便完成要求的极大计算和内插。就是说，基本上必须64个完整的像处理系统；否则，在该解决途径中要求的100百万像素的处理，要用太长的时间，违背在线测量的要求。设备的复杂性可以与获取时间折衷。在上述例子中，用16通道并行读出，仍可达到128微秒，这个时间是可充分接受的。存储体必须包含对每一独立像素数值内插需用的数据。存储体的大小由存储的内容限制，对每一像素的存储内容有：只有极大强度邻域的强度值、极大值本身、和与极大值对应时间标记(在本例中因为z分段数是100，只需1字节)需要存储。
为了获得与表面z值对应的极大强度值，假定用5个抽样点(不同z位置的像素灰度值)作为数据进行内插。因为扫描单元是机械操作的，像素值是作为时间序列到达的。假定是100个像的z扫描，那么，在该一百个的值系列中，必须与每一x-y像素位置无关地，围绕全局极大强度值找出5个抽样点。
图5画出单个x-y像素共焦z响应曲线的例子。从该图5可见，在扫描序列内的z2全局极大之前，在z1有一局部极大。因为共焦响应曲线中的旁瓣，该局部极大不是例外，并应处理。
因为时间序列对应于z序列或扫描方向，偶有5个灰度值(a-e)和它们对应的时间标记(z1)存储在存储器中，但它们与局部的而不是全局的极大对应。于是，随后的两个灰度值(f和g)引起问题，因为不清楚它们是否属于全局的极大。如果它们不属于全局极大，可以忽略它们，因为它们比灰度值b、c、或d有更低的值。但是，如果灰度值f和g是全局极大(f-k，z2)的一部分，则它们是需要的，所以不能忽略。因此，即使只用5个抽样点，还必须预先知道至少9个存储器地址(A、B、C、D、E、F、G、Z、J)，5个(A、B、C、D、E)用于目前的滚动局部极大，2个(F、G)用于时间序列中最后两个，一个用于z-比特(Z)，还有另一个(J)用于历史标志，本文后面还将说明。像处理单元还需要像序列计数器i，它是视场内所有xy像素共用的。
像处理器施行处理时使用的算法，在图8画出，并用图10的表I说明。
如图8所示，算法包括如下步骤：
50.NSS：每次开始新的扫描信号系列，算法由每一个像处理单元初始化。
51.A＝...＝J＝0；i＝0：每一存储器存储位置A、B、C、D、E、F、G、Z、和J，连同像系列计数器i，被赋以初始值，例如0。如表I第二行所示。
52RDGV＝p：实际提供的，例如由检测单元提供的灰度值p，被像处理单元读出，供进一步处理。
53i＝i+1：计数器i递增一个单位，如表I列1所示。
54RDC：读出存储在存储器位置c的值。
55p＞cont c：把实际的灰度值p与存储在存储器位置c的灰度值比较。如果p的值(y)比存储在存储器位置c的值更高，则前进至步骤56。如果相反，p的值(N)低于或等于存储在存储器位置c的值，则执行步骤57。
56ST NM：因为实际的灰度值p比存储在存储器位置c的值更高，这表明很可能已经识别新的极大值，它表示向存储器位置c的写入操作。于是施行下述写入操作A＝F、B＝G、C＝p、Z＝i、J＝2、F＝G、和G＝p。关于这一操作及后面步骤中说明的写入操作，将在下面并参考图5和表I举例说明。
57STNNM：因为实际的灰度值比存储在存储器位置c的值更低，该实际的灰度值不能考虑为极大。于是施行如下的写入操作F＝G、G＝p。
58J＝2？：执行验证，如果J＝2，表示前一存储步骤中，发现一假定的极大。
59ST1：p存储进存储器位置D(D＝p)，且如果在步骤58，J＝2，则把J递减。
60ST2：p存储进存储器位置E(E＝p)，且如果在步骤58，J≠2，则把J递减J＝J-1。
61LST SC？：执行验证，实际扫描信号是否扫描信号系列的最后一个。
62STP：如果实际扫描信号是该系列的最后一个，执行算法的程序结束。
现在回头参考图5和表I第三行，可以看到，如果实际接收的值p＝a，即，图5所示第一灰度值，计数器i＝1，因为它是接收的第一像素值。因为在存储位置C存储的灰度值是0(C＝0)，又因为a＞0(步骤55)，于是执行步骤56。这意味着在存储位置C，存储了值a(C＝a)。存储在F和G的值分别移到A和B，即A＝0、B＝0。因为假定极大J＝2，和存储在G的值被移至F，即F＝0，实际灰度值a也存储在G(G＝a)。G被移至F和G＝p这一事实，是为了在局部和全局极大之间作出区别。因此，除了5个存储器位置A到E外，也要保留F和G。最后，Z＝1表明，假定极大在扫描信号的第一个。
现在考虑下一个灰度值即灰度值b，和计数器i递增到i＝2的情形，如表I第四行所示。分别由于C＝a和由于b＞a(步骤55)，灰度值被存储在C，G被b盖写(C＝b)。存储在G的灰度值a被存储在B(B＝a)和F＝a。因为灰度值b再次被假定为极大Z＝i，从而Z＝2和J＝2。
在表I的第五行，考虑后继的灰度值c。因为C＝b和c＞b，执行如前所述的模拟操作，得到：i＝3、A＝a、B＝b、C＝c、F＝b、G＝c、Z＝3、J＝2。
现在考虑接着的灰度值d(见表I的第六行)。计数器i被赋值为i＝4和因为C＝c和d＜c(见图5)，不把d考虑为极大，并据此前进到步骤57，在步骤57，F＝G和G＝p，即F＝c和G＝d。之后在步骤58，在J＝2建立实际的存储值，以便转移到步骤59，在步骤59，D＝p作为后来的灰度值，并令J＝J-1，得到D＝d和J＝1。由于没有发现新的极大灰度值，Z保持不变。
接着灰度值d的灰度值e也小于存储在存储位置C的灰度值c。由此再执行步骤57，得到F＝d和G＝e。但是，在步骤58，现在建立的是J≠2(J＝1)，以便在步骤60继续。在该步骤，J递减到J＝0并令E＝e作为随后的灰度值。因为没有识别到新的极大，Z再次保持不变。
到下一个灰度值f(i＝6)，建立了f＜c，所以F＝e和G＝f。因为J≠2和J＝0，J不能再递减，因为只考虑两个超过实际极大值(在本例中是c)的灰度值。J有标志函数，能用于识别考虑的灰度值相对于实际极大的位置。因为没有识别到新的极大，字节Z再次保持不变。
考虑接着的灰度值是g(i＝7)。虽然g＞f，g仍然小于存储在C的灰度值c。因此，F＝f、G＝g、J＝0和z保持Z＝3(步骤57、58、和60)。但到灰度值h(i＝8)，该灰度值大于存储在存储位置C的灰度值c，所以在步骤55转移到步骤56，得到：A＝f、B＝g、C＝h、J＝2、F＝g、和G＝h。因为没有发现新的极大，Z必须改为Z＝8。
接着的灰度值J(i＝9)小于存储在存储位置C的实际极大h。在步骤57，F＝h和G＝j，而在步骤58，建立J＝2。因此转移到步骤59，在步骤59，J＝2-1或J＝1和D＝j。Z保持Z＝8表明没有识别到新的极大。最后对灰度值k(i＝10)建立k＜h和J≠2。因此J递减到J＝0和F＝j、G＝k、和E＝k。
以上所述表明，在位置A到E，现在存储了代表全局极大的灰度值f到k，不是代表局部极大的a到e。因此，本算法能从相互之间识别局部和全局极大，并只保留全局极大作为共焦响应信号。此外，通过Z值的存储，还能保留被考虑的系列中的扫描信号，该扫描信号已经导出考虑的极大，并据此确定荫罩的位置，还从该位置导出物体6需要的Z位置。
一旦确定扫描操作和在存储器位置A到E存储了必须的灰度值，及在2的极大，那么需要内插操作以获得校正的极大值。不同的算法可以用于该目的。一种可能的算法是重心平方加权(power-weighted-center-of-gravity)。
Z max = Σ u = 1 5 ( gv ( u ) ) 2 · u Σ u = 1 5 ( gv ( u ) ) 2
这里u表示存储在5个存储位置A到E(A＝1，...E＝5)的灰度值gv。
该方法提供的输出，与每检测单元都使用处理单元的方法类似。每一像素一字节用于极大值，两字节用于对应的内插z位置(因为内插需要2字节)。类似于前面的方法，把两个影像传送到像处理板，该像处理板可以是外接的，也可以集成在摄像机之内。一个影像包含每一像素的极大值，另一个影像包含表面外形。
另一种可能的变化是增加3D摄像机作为标准的2D摄像机的使用。不管极大的形成而简单地在某一时间周期上对像素强度积分，可能是颇为有用的，该时间周期对应于标准积分的CMOS摄像机。在某些制造设备内的同一安装位置，可以在需要时获取2D或3D像。
相反的选择也是可能的。如果上述极大灰度值的读出是不需要的(例如，因硅片线路图或其他与特定实施方案有关的理由)，且智能CMOS传感器只产生极大的位置，那么，可以在图1的安排中增加第二光束分束器，和在该第二光束分束器之后，增加标准的CMOS或CCD。该摄像机在整个z扫描时间上，对光进行积分。如此，通过该额外的标准摄像机，可以获得标准的2D像。
如果光源1由靠近物体6的光源取代，可以获得测量装置的再一种变化。在该变化中，整套装置失去它的共焦性质，变成一种“深度全焦距(depth through focus)”传感器。还有，对该第二照明形式，包括z扫描时的极大灰度值的像，与普通的2D像对应。因为这种方式的物体6的像，可以用不同类型的照明获取，所以可能是有用的。

Claims (18)

1.一种用于对物体外形进行三维测量的装置，所述装置包括阵列式有照明所述物体的光源的共焦成像系统，和使所述光源输出的照明光光路与所述物体反射的反射光光路分散的光路分散光学单元；所述共焦成像系统还包括共焦外形荫罩，用于把从所述光路分散光学单元出射的照明光，转换为小的光斑阵列；所述共焦成像系统还包括共焦物镜，用于使所述照明光转向所述物体和使所述反射光转向所述共焦外形荫罩，以便形成共焦像；所述装置还包括光电传感器单元，用于接收已经通过所述共焦外形荫罩的所述反射光，并用所述光路分散光学单元使之偏转，还用于把后者的光转换成强度值；所述装置还包括扫描单元，在其上安装所述共焦外形荫罩，所述扫描单元用于在预定距离的相继位置上，移动所述共焦外形荫罩，以便沿预定方向改变所述物体与焦点对准的物体位置之间的相对距离；所述装置还包括与所述光电传感器单元连接的像处理器，用于形成共焦响应信号，并从所述共焦像计算所述物体形状，所述共焦像是沿所述预定方向、在所述物体与焦点对准的物体位置之间不同相对距离上，用所述光电传感器单元获取的；所述共焦物镜用于在相继的焦点对准的物体位置上，把所述小光斑阵列的输出，影像在所述相继位置上；所述装置的特征在于：所述共焦物镜是安装在所述装置内固定位置上的3D共焦物镜。
2.按照权利要求1的装置，特征在于：所述3D共焦物镜要按限制球面像差及慧形像差的方式设计，以便把所述共焦像中的成像误差，保持在两个像素的极大上。
3.按照权利要求1或2的装置，特征在于：所述共焦外形荫罩是用安装在所述扫描单元上的微透镜阵列形成的，且所述装置还包括单个针孔，位于所述光电传感器单元焦点。
4.按照权利要求3的装置，特征在于：所述单个针孔位于所述光电传感器之前的两级摄像机物镜的焦点，所述单个针孔安装在所述两级摄像机物镜之间。
5.按照权利要求3的装置，特征在于：所述单个针孔被置于形成传感器物镜的两级透镜之间的所述反射光光路中。
6.按照权利要求1的装置，特征在于：所述共焦外形荫罩是用针孔阵列形成的，每一针孔配有一微透镜。
7.按照权利要求1的装置，特征在于：所述照明光源包括高强度的LED阵列，在LED阵列顶部还粘接微透镜。
8.按照权利要求1的装置，特征在于：所述照明光源包括把输出耦合进光纤束的激光二极管阵列。
9.按照权利要求1的装置，特征在于：在所述分散光学单元照明侧的光路中，插入线偏振器，而在另一侧插入四分一波片及起偏器。
10.按照权利要求1的装置，特征在于：所述扫描单元包括扫描信号发生器，用于产生指示所述相继位置的扫描信号序列；所述扫描信号发生器与所述像处理器连接，以便向之提供所述扫描信号；所述光电传感器单元包括第一检测单元阵列；所述像处理器包括第二处理单元阵列，所述第二阵列的每一处理单元，每次与所述第一阵列的许多检测单元连接；所述像处理器用于每次在同一扫描信号序列中，接收相继各个所述强度值；每一个所述处理单元，用于把所述相继强度值彼此区分，并保留那些形成所述共焦响应信号的强度值；所述像处理器，用于把那些形成所述共焦响应信号的强度值，与那些代表已经产生所述共焦响应信号的那些位置的扫描信号关联起来。
11.按照权利要求10的装置，特征在于：在所述检测单元第一阵列与所述处理单元第二阵列之间安装抽样单元；所述抽样单元，用于按预定抽样速率，对所述强度值和在所述检测单元并行读出门的输出抽样；每一个所述处理单元有存储单元，用于存储同一扫描信号序列中抽样的强度值；每一个所述处理单元，用于通过把每次存储的强度值插入同一所述存储单元，确定最大的强度值。
12.按照权利要求10的装置，特征在于：所述第二阵列至少与所述第一阵列有相同数量的单元，每一处理单元用于存储一初始的强度值，作为在相关联的存储单元中存储的强度值；所述处理单元在后继的扫描信号控制下，用于比较目前的强度值是否高于存储的强度值，并在后者低于目前的强度值时，盖写存储的强度值；所述处理单元还用于在每一存储操作时，存储目前扫描信号之一。
13.按照权利要求1的装置，特征在于：所述扫描单元包括与所述共焦外形荫罩连接的音圈致动器，用于迫使所述荫罩作直线运动。
14.按照权利要求13的装置，特征在于：所述音圈致动器与用于监控所述运动并产生其位移信号的光学编码器连接；所述光学编码器与所述扫描信号发生器连接，后者用于从所述位移信号产生所述扫描信号。
15.一种用于对物体外形进行三维测量的装置，所述装置包括阵列式有照明所述物体的光源的共焦成像系统，和使所述光源输出的照明光光路与所述物体反射的反射光光路分散的光路分散光学单元；所述共焦成像系统还包括共焦外形荫罩，用于把从所述光路分散光学单元出射的照明光，转换为小的光斑阵列；所述共焦成像系统还包括共焦物镜，用于使所述照明光转向所述物体和使所述反射光转向所述共焦外形荫罩，以便形成共焦像；所述装置还包括光电传感器单元，用于接收已经通过所述共焦外形荫罩的所述反射光，并用所述光路分散光学单元使之偏转，还用于把后者的光转换成强度值；所述装置还包括扫描单元，用于沿预定方向改变所述物体与焦点对准的物体位置之间的相对距离；所述装置还包括与所述光电传感器单元连接的像处理器，用于形成共焦响应信号，并从所述共焦像计算所述物体形状，所述共焦像是沿所述预定方向、在所述物体与焦点对准的物体位置之间不同相对距离上，用所述光电传感器单元获取的；所述共焦物镜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装在所述扫描单元上，所述扫描单元用于沿所述方向在预定距离的相继位置上移动所述第一部分；所述第一部分靠近所述物体安装；所述共焦物镜用于在相继的焦点对准的物体位置上，把所述小光斑阵列的输出，影像在所述相继位置上；所述装置的特征在于：所述共焦外形荫罩是由微透镜阵列形成的，且所述装置还包括单个位于所述光电传感器单元焦点上的针孔。
16.按照权利要求15的装置，特征在于：在所述第一与第二部分之间，安装一远心孔径。
17.一种借助阵列式共焦成像系统，对物体外形进行三维测量的方法，所述方法包括：通过用于使照明光光路与所述物体反射的反射光光路分散的光路分散光学单元，照明所述物体；越过共焦成像系统的所述照明光光路，包括共焦外形荫罩，用于把从所述光路分散光学单元出射的照明光，转换为小的光斑阵列；所述小光斑通过共焦物镜，指向所述物体，该共焦物镜还使所述反射光指向所述共焦外形荫罩，以便形成共焦像；所述共焦像在通过所述共焦外形荫罩并被所述光路分散光学单元偏转之后，传输至光电传感器单元；所述光电传感器单元，把后者的光转换成强度值；所述方法还包括：沿预定方向并在预定距离的相继位置上，移动所述共焦外形荫罩的操作，以便沿所述预定方向改变所述物体与焦点对准的物体位置之间的相对距离；所述方法还包括像处理操作，其中，从所述光电传感器单元提供的数据，形成共焦响应信号，又其中，从所述共焦像计算所述物体形状，所述共焦像是沿所述预定方向、在所述物体与焦点对准的物体位置之间不同相对距离上，由所述光电传感器单元获取的；所述共焦物镜在相继的焦点对准的物体位置上，把所述小光斑阵列的输出，影像在所述相继位置上；所述方法的特征在于：在所述扫描操作中，保持所述共焦物镜不动。
18.按照权利要求17的方法，特征在于：所述扫描操作包括产生指示所述相继位置的扫描信号序列并把它提供给所述像处理器；所述像处理操作包括每次在同一扫描信号序列中，接收相继各个所述强度值；所述处理操作包括把所述相继强度值彼此区分，和保留那些形成所述共焦响应信号的强度值；所述像处理器还包括与那些信号强度值结合，形成那些扫描信号的所述共焦响应信号，那些扫描信号代表那些已经导致所述共焦响应信号的位置。
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