CN101036045B - 测试表面的光学检验 - Google Patents

Abstract

一方面，根据确定的强度变化，通过改变分辨率减小了存储从比如Parousiameter的散射计(100)获得的图像强度数据所需的数据量，强度数据以此分辨率在网格的不同区域中使用。另一方面，散射计设置有非球面镜(170，900，1000)，用于对测试样品(180)成像，以校正由于反射镜相对于测试样品的偏心放置所引入的失真。另一方面，光学表面检验装置在测试表面(1420)和照亮的图形网格(1410)间使用了辅助透镜(1440)，以将图形网格(1610)投影在测试表面上。相机(1450)聚焦在作为实像的测试表面的网格上。

Description

测试表面的光学检验

发明领域

本发明总体涉及测试表面，例如制造品的表面的光学检验，以评价它们的质量和均匀性；并且更具体地，涉及一种散射测量技术，该技术具有提高的动态范围和减小的失真；以及涉及另一种提高了测量范围的技术。

技术背景

产品和包装的外观对于吸引消费者很重要。例如，在生产过程的最后阶段小心地控制产品的颜色和色泽是很重要的。一般地，产品的表面材质影响了光如何从表面反射并被观察者所接收。已经开发了散射计，作为一种工具用来测量来自物体的光反射。例如，这里结合了S.Wadman的6,577,397号美国专利作为参考，它描述了一种称为Parousiameter的装置，用于执行半球式散射测量。该装置以光学控制的方法照亮测试表面，并测量在整个半球屏幕内、或球体其他部分内的反射和/或透射。这种装置允许精确地进行亮度测量和异色效应(flop effect)，例如，当从不同的方向观看或照亮表面时，显现出亮度或颜色的变化。参考图1，在可能包括漫射灰表面的反射圆顶或屏130下，样品180放置在例如漫射黑表面的表面150的中心，并从一个或多个入射角被光源145发出的准直光束140照亮。光束140穿过屏130上的孔142。样品180散射的光120照射在半球形屏上。屏130成像在数码相机110上，该相机比如使用如球面镜170的广角光学器件的CCD相机。采集的图像随后被传输到计算机，通过执行数据处理112(块112为“数据处理”)和数值表面特征描述114(块114为“数值表面特征描述”)来进行分析，来为材质和颜色测量提供有价值的因素(merit factors)。该光可以是在3-10mm的点上的白光或者有色光，来模拟人类视觉。典型地，这里使用了平的样品，但是也可以采用非常细的光束，比如0.5mm，来测量弯曲的表面。小的样品和大的产品都可以进行测量。特别地，通过使用可以产生整个半球体图像的相机，已经发现Parousiameter与其它装置相比，比如可移动探测器的测角光度计而言，可以缩短测量表面反射所需的时间。光束190是对于半透明性的探测光束。

然而，由Parousiameter获得的数据量会非常大。例如，图2显示了获得的一幅典型图像(该例子中是塑料制成的产品表面)。图像的中心是半球体的顶点，且边缘是地平线(horizon)。黑点是为照明和相机所开孔的赝像。具体地说，最左边的黑点是相机开孔所在的位置，而一个接一个排列的不同的点是用来通过它们提供光束的开孔。半球形圆顶内充满了漫射光，中间亮，并朝地平线方向逐渐变暗，并且在中心处以下的亮点代表了直接表面反射。图片中的每一点代表了不同的反射角，并且具有不同的强度。现在的任务是以表格形式描述这种强度分布。典型图像可以很容易地在一个规则网格上包含一百万个数据点，因此，如果考虑到所有存在的角度，会产生一个非常大的文件。

特别地，使用数学函数，如双向反射率分布函数(BRDF)，典型地处理相机获得的数据，以产生作为结果的图像。这类函数描述了表面反射光和/或透射光的方式。例如，在用于光学产品设计的光线追迹程序中使用BRDF，这些光学产品如照明附件、发光器或光学系统，比如透镜。然而，如前所述，例如，定义BRDF所需的数据通常会导致不能如制造业应用中所要求的被快速地处理的非常大的文件。

对于包括Parousiameter在内的散射计而言，另一个问题是半球形视场的图像失真是非常严重的。

此外，在偏转测量检验(deflectometric inspection)的相关领域内，偏转测量原理对光滑形状，如汽车部件上的微小扰动非常敏感。另一方面，如果测量到测试样品上一个较大的扰动，反射网格的变形可能变得复杂，并且由于凹形的屈光力也会造成相机的离焦。因此，这种检验的问题是，对所能测量的变形的有限测量动态范围。

发明内容

本发明关注以上的问题和其它问题。

一方面，本发明提供了一种技术，它能不损失重要数据而减小定义散射测量函数所需的数据量，该函数描述了在半球体上不同点上目标材料的光强度分布。

特别地，由计算机实现的处理散射测量数据的方法包括将光朝向散射计中的目标材料；在它从目标材料反射后测量远场中光的强度，其中穿过在散射计屏幕上设置的视场中的点的网格来测量该强度，以获得代表着穿过视场的强度的数据；确定穿过视场的强度的变化；并通过改变分辨率，穿过视场来至少定义一个以数学或表格形式描述光强度分布的函数，其中根据确定的强度变化以所述分辨率将强度数据用于网格的不同区域。每个不同的区域包含至少一个网格点。

本发明的另一个方面提出了一种技术，用于减小散射计中半球形视场的图像失真。

特别地，散射计包括光源，用于将光朝向目标材料；球形屏，用于接收从目标样品反射的光；以及凸球面或非球面镜，设置为将球形屏上反射光的图像提供给相机。

本发明的另一个方面提出了一种技术，用于提高光学检验系统中测量的动态范围，使得测试样品上小的和大的扰动均可以被精确地测量。采用一个近场结构的光机构，可以扩展偏转测量具有的高灵敏远场探测，通过在照明光路中增加一个额外的透镜组，该机构提供了大规模的纵览。

特别地，光学表面检验装置包括测试表面，照亮的图形网格(pattemed grid)，设置在测试表面和照亮的图形网格之间的辅助透镜，用于将照亮的图形网格投影在测试表面上，以及相机，它聚焦于作为实像的测试表面上照亮的图形网格上，以获得测试表面的至少第一图像。

附图简述

在附图中，对应的部分使用同样的附图标记来标识。

图1说明了用于测量测试样品的散射计；

图2说明了使用图1的散射计获得的测试样品的图像；

图3说明了根据本发明的基于强度的变化的网格密度；

图4说明了根据本发明的描述压缩的视场中强度变化的方法；

图5说明了失真的Parousiamerter位置校准图像；

图6说明了图5的失真图像，逆时针旋转了90度，并增加了30度远半径(distant radii)和15度平行圈；

图7说明了软件校正之后的图6的图像；

图8说明了散射计中使用的球面镜；

图9说明了根据本发明的散射计中使用的非球面镜；

图10说明了根据本发明的散射计中使用的倾斜非球面镜；

图11说明了使用图8的球面镜获得的失真图像；

图12说明了根据本发明的使用图9的非球面镜获得的图像；

图13说明了根据本发明的使用图10的倾斜非球面镜获得的图像；

图14说明了配置成偏转计的光学表面检验仪器，其中相机聚焦在图形网格的虚像上；

图15说明了使用图14的仪器获得的有小凹痕的汽车面板的图像；

图16说明了根据本发明的配置为通过三角测量成像的光学表面检验装置，其中相机聚焦在图形网格的实像上；

图17说明了使用图14的装置获得的有小凹痕的汽车面板的图像；

图18说明了根据本发明的使用图16的装置获得的有小凹痕的汽车面板的图像；

图19说明了根据本发明使用按图14和图16配置的装置所获得的有小凹痕的汽车面板的合成图像；

图20说明了使用图14的装置获得的有较大凹痕的汽车面板的图像；以及

图21说明了根据本发明的使用图16的装置获得的有较大凹痕的汽车面板的图像。

发明详述

I.以高动态范围对于散射测量函数的可变密度网格

如开头中所述，从如Parousimeter的散射计获得的成像数据会产生非常大的文件，它们不能依照例如制造业的很多应用所要求的被快速地处理。例如，在这些应用中，可以从生产线上周期性地获得测试样品来评价制造产品的质量。必须快速获得结果以避免生产线上不必要的延误。此外，增加的数据存储和处理需求会导致成本的增加。

特别地，该函数，比如BRDF用于描述一幅图像，该函数含有很多的系数或分量，它们必须在宽动态范围内精确地描述测试样品的显著特征，其中在该宽动态范围内经历了反射光或透射光强度的较小变化和较大变化。实际上，强度测量是在半球形或其它视场中点的网格中获得的。一个可行的解决办法是采用较粗的网格降低函数的分辨率。然而，这会导致图像模糊和重要信息的丢失。例如，在视场的漫射外层场中，在多数情况中不存在显著的强度差异，即没有高空间频率。因此，降低这些区域的分辨率是可行的。然而，当降低的分辨率应用于有高空间频率的视场的区域时，例如强度的快速变化，会导致重要细节丢失所产生的问题。具体的说，在没有细节的那些区域，这不成为问题，但是在镜面反射周围(或在全息图的Parousiagram图中，这可能非常复杂)，图像会变模糊并且会丢失重要信息。这使得通过采用较粗网格来减小数据量是不能接受的。

根据本发明，网格的构成由测量的内容决定。就是说，在函数中被使用的网格点之间的距离在没有细节的区域内变大，且在靠近细节区域的位置变得比较小，其中该函数描述了整个视场的强度。有一些可行的方法使网格点之间的距离可变。例如，网格密度可以与强度分布的导数成反比。这样，当强度分布有大的变化时使用高网格密度，例如在网格的邻近点中或点的区域中。另一种方案是，下一个数据点可以放置在强度改变了固定因子的位置，该固定的因子如10％或因子2.5，或任何合适的值。可以使用相对差和绝对差。例如，有一个沿视场中路径的(位置，强度值)对序列，如(x1，10.0)，(x2，10.2)，(x3，10.4)，(x4，10.7)，(x5，10.9)，(x6，11.1)，...，采用10％改变准则它可以减小为(x1，10.0)，(x6，11.1)，...。这样，BRDF可以包含声明了数据点位置及其强度的数据线，而不是假设一个固定分辨率的网格。实质上，函数通过改变分辨率描述光强度分布，通过改变的分辨率，强度数据用于屏130的不同区域/位置中。

图3给出了变化的数据网格的总体概念，它显示了强度与屏位置的关系。特别地，曲线是强度的轮廓，且竖直的箭头指向可变网格的假想位置。竖直箭头间变化的间隔表明了变化的数据分辨率。数据压缩取决于数据的内容。估计能够容易地获得因子为100的数据压缩。实质上，不同区域中使用强度数据的分辨率在最大分辨率和最小分辨率之间变化，使得相对于这样的情况可以减小定义函数所需的数据量：即该函数仅使用最大分辨率描述光强度分布。

图4说明了描述使用压缩的视场中强度变化的方法。块400为“将光朝向目标材料”；块410为“测量屏上所有网格点处反射光的强度”；块420为“确定强度分布的变化量”；块430为“根据强度分布的变化，确定网格点不同区域的变化的分辨率”；块440为“根据变化的分辨率定义描述强度分布的函数”。

在块400中，将光朝向目标材料。在块410中，视场中散射计屏上所有网格点处的反射光强度分布被测量。在块420中，贯穿视场的强度分布的变化被确定。这一点可以通过以下方式来完成，例如，通过关注点对点的变化；每个第n点之间的变化，其中n＝1，2，3...；或通过对强度数据进行空间变换，来确定强度数据变化的频率。在块430中，根据强度分布的变化，确定网格的不同区域上变化的分辨率。该分辨率或密度表明该区域中有多少点要被滤除，并且不在函数中使用。高分辨率表明没有或很少的点要被滤除。低分辨率表明很多的点要被滤除。因此，压缩处理这样来执行：分配相对较少的数据来描述冗余的网格点，同时分配相对较多的数据来采集网格点中较快的变化。在块440中，使用变化的分辨率，定义一个函数，如BRDF来描述贯穿视场不同区域的强度分布。

此概念可以在各种应用中实现，包括光线追迹软件，例如，使Parousiameter具有直接产生在光线追迹软件中可读取的BRDF的能力。在这些应用中，没有这里描述的数据减少技术，会导致关于文件尺寸的严重问题。当实现了依赖于数据的柔性可变网格时，可以通过例如因子100来减小文件尺寸，同时仍旧大量地保留所有的相关信息。其它的使用示例范围包括光学测量、产品设计、功能性光学产品设计和用于设计应用的CAD渲染，也可用于电视游戏、电影和其他图形的用途。

注意到Parousiameter仅作为一个实例来讨论，因为本发明也适用于其它类型的散射计和其它类型的光学测量装置。此外，虽然在实例中设置了一个半球形视场，但是也可以使用其它的形状。此外，本发明通过提供一个程序存储装置，可以在通用计算机或其它处理资源上实现，该存储装置例如为存储器、如硬盘或便携式数据存储介质，举例来说，它包括由处理器执行以实现上述功能的软件指令。也可以使用专用电路，如ASIC。

II.对于改进的半球形成像的非球面镜

本发明的这一方面可能被用于不同的应用，包括半球形(或更大)视场的成像，特别是Parousiameter或其它散射计的屏。再次参考图1，为了对散射计中的半球形(180度或更大)视场成像，需要广角光学系统，如所谓的鱼眼物镜，诸如透镜或反射镜170，它典型地放置在靠近样品180的位置。然而，球面镜类型，如全天空照相机或常规Parousiameter中使用的球面凸镜，就经受了严重的图像失真和像散以及场边缘处的彗差。全天空照相机使用特殊的光学元件，如鱼眼透镜或球面镜，以立即获得整个天空的图像。

特别地，由于偏心(不在中心)放置的反射镜170及其球面的形状，不可避免地会产生严重的图像失真。图像失真是一个仪器常数(instrumental constant)并且对于圆顶、反射镜和相机的特定几何布局来说是典型的。使用在已知位置上有标记的校准半球形圆顶，可以测量这种图像失真，并且在所有后续的图像测量中，可以在计算机中通过软件图像处理来校正。

常规地由以下方法获得图像失真的校正。图5给出了来自校准测量的典型的Parousiameter位置校准图像。图像已经经过预处理，使得可以清楚地显示出圆顶上的标记。周界上模糊的圆是90度地平线。图像被旋转并进一步处理以显示有30度远半径和15度远平行圈的变形的网格。图6显示了这种变形的网格。如测量所说明的，由于成像镜的球面形状，纬度(高度)度数沿半径方向存在压缩。这就是余弦效应，它沿图像比例的边缘处最强。

Parousiameter装置固有的偏心设置，导致了明显的偏向一侧的变形。对于Parousiameter的情况，如果反射镜放置在要成像的半球形的中心或圆顶屏的中心，这种影响会变小，甚至完全消失。然而，反射镜和测试样品180不能放置在同一个位置。所有合成的失真导致了图像比例或放大率在图像的不同区域内变化非常显著(例如，相差因子2)。这样对图像亮度分布及相机像素规模有影响。通过进一步的图像处理(去失真)，必须使图像成为图7所示的立体图形投影。然而，在校正处理中，会产生平均误差，它们会模糊或扰乱图像并导致信息的丢失。对非常接近圆形的圆顶形状，用于测量标定的一种可选去失真方法是使用从头(ab initio)去失真，它通过将所有图像元素重新计算回到“理想的”半球形，并随后将它们重新投影到反射镜的有利位置上。

根据本发明，可以确定的是正确选择非球面轮廓以减小图像失真，使得图像比例的变化减小。因此需要较小的(有损的)图像处理校正，这样会减小信息的总损失量。特别地，图像失真校正的一部分从软件转移到硬件。软件图像校正是有损耗的并且耗时，然而硬件校正是无损的并且是即时的。图像失真和其它偏差会受凸面镜形状的影响。在多数情况中，Parousiameter的成像镜是全金属镜，它通过在具有可编程CNC轨迹控制的高精度车床(表面粗糙度1-3nm)上旋转的金刚石制造而成。该反射镜是裸露的金属，没有由MgO或SiO₂的硬层制成的“增强涂层”的保护，因为它们有波长依赖性，并因此会导致测量中的色移。这使得通过简单的软件编程，可以非常容易地制造任何反射镜的形状。另一个光学设计的自由是反射镜安装的位置和角度调整。这样通过硬件处理校正部分图像失真后，在计算机中通过图像处理的剩余的必须校正就变得非常小，因此引入的误差也会很小。

图8说明了球面镜800，它会导致非常严重的失真，而图9和图10分别说明了非球面900和倾斜的非球面1000，根据本发明它们可以减小失真。与球面形状的作用相比，反射镜做成这样的形状：它在朝向其边界的方向通常有更大的曲率半径，从而放大它边缘上的图像。通过对特定配置的整个光学系统的光线追迹，可以精确地计算出来最优的非球形形状。该最优形状可以通过普通的形状来逼近，如反余弦、圆锥截面或多项式、或任何其它方便的形状。此外，如以上定性的实例所表明的，在同一个或分开的操作中，这个反射镜形状可以做成偏心和/或有倾斜轴的。可以设置反射镜来形成完全去失真的图像，但是这样的选择需要复杂的非球面和不对称的反射镜形状，这对制造来说是相对昂贵的。

图11说明了使用图8的球面镜得到的变形的图像网格。根据本发明，图12和13是较少失真的图像网格造成的计算实例。特别地，图12说明了使用图9的非球面镜校正的图像。图13说明了使用图10的倾斜非球面镜校正的图像。正如所见，非球面镜的使用极大地减小了对散射计屏成像的失真。

III.结合的远场偏转计和近场结构光轮廓计

光学表面检验系统(OSIS)可以用于各种应用，如汽车质量监控和维修，以评价目标材料的表面。特别地，对于在表面寻找缺陷的偏转测量原理是众所周知的。一种使用偏转测量的装置被称为“deukometer”。图14提供了一个OSIS 1400的配置，它有反射到测试表面上的照亮的图形网格。特别地，光源(未示出)照明图形网格1410，使得网格的图像被测试表面1420反射，以提供作为虚像的网格的反射图像1430。辅助透镜1440位于一个不活动的位置上。相机1450聚焦到虚像1430上以提供测试表面1420的图像。然而，以这种方法，测试表面1420上的任何变形会严重地使照亮的网格1410的反射1430变形。例如，图15给出了这种变形一个实例，它显示了汽车面板上的一个小凹痕。可以清晰地看到，面板的常规形状以面板的大曲率表示，而小的扰动会导致轮廓中出现问题。

如前所述，偏转原理对光滑形状，如汽车部件上小的扰动非常敏感。另一方面，如果测量到测试样品上的较大扰动，反射网格的变形就可能变得复杂，并且由于凹形的屈光力也会造成相机的离焦。因此，偏转测量的问题是测量动态范围的限制。

根据本发明，图16的改进的OSIS 1600提供了一种有效的方法来扩大测量范围。特别地，通过将虚的网格像1430设置在测试表面1420上改进装置1400，即，将实的网格图像1610投影在表面1420上来替代无限远处虚的反射图像。这限制了灵敏度但扩大了范围。有利地，这种改进可以通过使用照明光路中的简单附加透镜组以及相机1450的重聚焦来实现。特别地，对原始OSIS装置1400的添加包括将辅助透镜1440移动到照亮的图形网格1410和测试表面1420之间的活动位置，以将照亮的图形网格1410投影在测试表面1420上。如果透镜1440放置在活动的位置上，则网格1410成像在表面1420上，并且相机1450重新聚焦在测试表面上。这种重聚焦可以在相机的透镜中和/或通过在相机的光路中增加第二个辅助透镜来完成。在装置1600中，采用三角测量法测量表面1420上的实际投影网格线条的曲率。这种方法不如装置1400灵敏，但会带来更大的范围。

图17是如图15所示的汽车面板上同样小凹痕的图像，它是根据图14的装置使用偏转测量获得的。该凹痕大约为1cm宽和0.5mm深。图18是根据图16的装置使用三角测量法获得的相应的图像，其中该凹痕更加清晰可见。图19是将使用图14和图16的装置所获得图像合成在一起的图像。数据处理112功能可以执行必要的处理，以提供合成的图像。此外，自动装置可以用于在非活动和活动的位置之间移动透镜1440，来获得由可以合成的两种技术得到的图像。在图14的非活动位置上，透镜1440是不能活动的。在图19中，暗带是投影出的图形，其上具有实际上直着延伸的线条。然而，反射的网格显示了严重的变形。

单一地使用偏转测量装置1400来描绘更深的凹痕是困难的，因为偏转测量的反射趋向于形成封闭的环或在一些情况中形成严重失真的图像。通过改变几何形状和装置的入射角，能够减小灵敏度，使得能够描绘出更深的凹痕，但损失了高灵敏度。例如，图20和图21是有大约6cm宽和6mm深凹痕的汽车面板的图像。图20以虚反射图像显示了使用“粗糙的”偏转测量装置1400的变形，而图21以使用装置1600投影在表面上的网格实像显示了对同样凹痕的三角测量法。

虽然这里显示和描述的是作为本发明的优选实施例，但是，当然应该明白，在不违背本发明精神的条件下，可以容易地做出各种形式或细节上的改进和变化。因此，本发明不局限于以上描述和说明的具体形式，而是应该解释为包含落入附加权利要求范围内的所有改进。

Claims (11)

1.一种计算机执行的处理散射测量数据的方法，包括：

将光束(140)导向散射计(100)中的目标材料(180)；

在光(120)从所述目标材料反射后，测量其强度，其中在穿过所述散射计屏(130)上所提供的视场中的点的网格上测量所述强度，以获得表示穿过所述视场的强度的数据；

确定穿过所述视场的强度的变化；以及

根据所确定的强度变化，定义至少一个函数，该函数通过改变分辨率描述了穿过所述视场的所述光强度分布，其中使得所述强度数据以所述分辨率在所述网格的不同区域中使用；

其中，每个所述不同区域包括至少一个网格点。

2.如权利要求1的方法，其中：

对所述至少一个函数的定义包括，通过改变所述分辨率来描述所述光强度分布，其中所述强度数据以所述分辨率在所述不同区域使用，使得较低的分辨率用于具有较低强度变化的区域。

3.如权利要求1的方法，其中：

对所述至少一个函数的定义包括，通过改变所述分辨率来描述所述光强度分布，其中所述强度数据以所述分辨率在最大分辨率和最小分辨率之间的不同区域中使用，使得相对于仅使用所述最大分辨率来描述所述光强度分布的至少一个函数的情况而言，减少了定义所述至少一个函数所需的数据量。

4.如权利要求1的方法，其中：

对所述至少一个函数的定义包括，通过改变所述分辨率来描述所述光强度分布，其中所述强度数据以所述分辨率用于不同的区域，使得用于每个所述不同区域的分辨率与其中强度的变化率成反比。

5.如权利要求1的方法，其中：

对所述至少一个函数的定义包括，从沿所述视场的路径的一个点到另一个点，通过使用位于所述路径上并展现出预定强度变化的不同点的子集，来描述沿所述路径的光强分布。

6.如权利要求5的方法，其中：

所述预定强度变化包括绝对强度差。

7.如权利要求5的方法，其中：

所述预定强度变化包括相对强度差。

8.如权利要求1的方法，其中：

所述至少一个函数包括双向反射分布函数。

9.如权利要求1的方法，其中：

所述视场包括球形视场，它由两个分离的半球组成。

10.如权利要求1的方法，其中：

所述视场包括半球形视场。

11.一种处理散射测量数据的设备，包括：

将光束(140)导向散射计(100)中的目标材料(180)的装置；

在光(120)从所述目标材料反射后，测量其强度的装置，其中在穿过所述散射计屏(130)上提供的视场中的点的网格上测量所述强度，以获得表示穿过所述视场的强度的数据；

确定穿过所述视场的强度的变化的装置；以及

根据所确定的强度变化，定义至少一个函数的装置，该函数通过改变分辨率描述穿过所述视场的所述光强度分布，其中所述强度数据以所述分辨率在所述网格的不同区域中使用；

其中，每个所述不同区域包含至少一个网格点。

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