CN102144187B - 以光学方式将三维物体转换成二维平面图像的设备 - Google Patents

Abstract

一种用于以光学方式将三维物体转换成二维平面图像的设备及方法，其包括相机、照明源及绕所述物体的检查表面定位的同心成形的反射镜。当使用亮场或暗场照射时，在不必旋转所述相机及/或物体的情况下产生所述检查表面的约360度的平面图像，且可检查所述平面图像是否有缺陷、标记记号或其它所关心的质量。

Description

以光学方式将三维物体转换成二维平面图像的设备

技术领域

本发明通常涉及自动化的机器视觉系统。 

背景技术

在自动化的机器视觉系统中，已在准确地对三维物体及其上的表面进行成像及检查时经历困难。此部分由于使用典型透镜会使物体特性或关于物体的距离在其更远离光学轴时失真的缘故。当检查不垂直于光学轴的表面时此进一步复杂化。特别难以检查的表面是圆柱体成形的物体的圆周表面。许多现有技术需要绕圆柱体物体旋转相机或替代地绕物体自己的对称轴旋转物体以暴露整个表面且拍摄其多个图像。 

因此，将有利的是提供有效地且准确地对三维物体表面进行成像且相对于光学轴绕整个360度提供整个三维检查表面的准确二维或平面图像。 

发明内容

揭示一种供用于以光学方式将三维物体的表面变换成二维平面图像的成像设备的实施例。本发明设备的实例包括具有光学轴的图像拍摄装置。所述设备进一步包括绕所述光学轴及所述三维物体定位的同心成形的反射镜及指向所述反射镜的照射源。所述反射镜将照射投射于反射性物体检查表面上且朝向所述图像拍摄装置反射回所述图像。所述图像拍摄装置将绕360度成像的三维检查表面转换成所述物体检查表面的二维平面图像。然后，可检查所述二维平面图像是否有表面连续性偏差或其它表面标记物及/或缺陷。 

在本发明的一个实例中，远心场透镜定位于所述照射源与所述反射镜之间，从而将经校准或大致平行于光学轴的照射光线提供到所述反射镜。 

在本发明的另一实例中，所述照射源沿所述光学轴定位且提供所述物体检查表面的暗场照射或亮场照射中的至少一者以最大化所述物体检查表面上的某些状况的平面图像中的对比度。在另一实例中，所述设备采用窄角暗场照射。 

在本发明设备的实例性应用中，所述物体为三维、圆柱体成形的物体，其具有垂直圆周检查表面。 

揭示用于以光学方式将三维物体表面变换成二维平面图像的方法。一种方法包括沿图像捕获装置的光学轴定位三维物体。所述方法进一步包括用照射光线照射绕所述光学轴及所述三维物体定位的同心成形的反射镜，所述照射光线由所述反射镜投射到 所述物体检查表面上且朝向所述图像捕获装置反射回以用于转换到所述整个检查表面绕360度的二维平面图像。 

在所述方法的一个实例中，远心场透镜沿所述光学轴定位且定位于所述照射源与所述反射镜之间。 

在所述方法的另一实例中，使用暗场或亮场照射中的至少一者，且选择性地允许经反射的图像光线传递到所述图像捕获装置。 

在本发明方法的一个应用中，所述物体为具有垂直检查表面的三维圆柱体。 

下文描述本发明的这些及其它发明性实施例中的细节及变化。 

附图说明

本文中的说明是参照附图，其中在数个视图中相同的参考编号指代相同的部件，且其中： 

图1是与圆柱体成形的物体及检查表面一同使用的本发明设备的实例的示意性部分截面图，所述图示意性地显示图像光线； 

图2是图1中所示的本发明设备的实例的示意性部分截面图，其显示例示性照射光线且部分地显示图像光线； 

图3是拍摄的图1中的物体的平面图像的实例的放大示意图；及 

图4是根据本发明的一个实施例的方法的实例的流程图。 

具体实施方式

参照图1到图4，图解说明本发明的设备及方法的实例。在图1及图2中，示意性地显示光学设备10，其包括具有光学轴16的图像拍摄装置14。图像拍摄装置14优选地为与计算机15及/或其它机器视觉系统组件(包括驱动器、抓帧器、显示监视器、软件及/或数据存储库及所属领域的技术人员已知的其它组件)电子通信的电荷耦合式装置(CCD)相机。图像拍摄装置14可包括适合于特定应用的除CCD相机之外的装置。如图1中示意性地显示，图像拍摄装置14以取决于所使用的光学透镜的方式接收图像光线18，下文将对其更全面描述。 

光学设备10的此实例进一步包括沿光学轴16定位的照射源20。所示的照射源20为以绕光学轴16的环形定位的多个发光二极管(LED)22(其安装到电路板23)，其产生光锥或光线24，如所示意性图解说明。照射源20定位于远心场透镜26与下文进一步论述的后透镜群组28之间。应理解，照射源20可定位于光学设备10中的其它位置以便沿光学轴16发射光，而此并不背离本发明。 

在优选实例中，LED 22以绕光学轴16的一个或一个以上同心环(显示一个)定位且以相对于光学轴16的小或窄的角度定向，以实现对物体检查表面70的窄暗场型照明，如下文所描述。一种产生窄暗场照射的光学系统的一个实例可在共同受让的美 国专利第6,870,949号中找到，其整体内容以引用方式并入本文中。也可使用广角暗场照射以适应应用，而此并不背离本发明。照射源20也可以除沿光学轴16之外的方式定位且包括反射镜或其它装置以将光线24引导到照射物体或检查表面需要的地方。 

可使用除相对于光学轴16以窄角度定位的LED或光之外的照射源以适应特定应用、所需检查过程或待检查的物体表面的图像对比度。举例来说，照射源20可经装备及布置以产生对检查表面的亮场照射。对亮场照射的一个实例的解释可在共同受让的美国专利第5,737,122号中找到，其整体内容以引用方式并入本文中。 

仍参照图1及图2，光学设备10的实例进一步包括沿光学轴16定位的透镜26。透镜26可进一步伴随后透镜群组28，其如图1及图2中大体所示及美国专利第6,870,949号中所述来定位。在优选实例中，透镜26为沿光学轴16中心定位以从照射源20接收主光照射光线24的远心场透镜。远心场透镜26可进一步包括后透镜群组28及远心光阑30以形成远心透镜系统，如大体所示。在经过透镜26之后，远心场透镜26将倾斜主照射光线24转换或校准为与光学轴16大致平行，最佳见于图2中。当被提供以来自照射源20的照射时(最佳见于图2中)，例示性远心场透镜26及后透镜群组28操作以使用图像光线18在图像拍摄装置14处形成图像。尽管显示为远心透镜，但也可使用镜或者透镜及/或镜的其它形式或组合来适应特定应用、所需的照射形式及下文描述的所得图像的对比度要求。 

如所描述，具有例示性远心场透镜26的光学设备10的实例可进一步包括邻近照射源20电路板23定位的远心光阑30。远心光阑30及电路板23优选地包括允许图像光线18及选定照射光线24穿过电路板23及远心光阑30的光圈34，如下文更详细描述。尽管显示为单独的组件，但电路板23可经配置以包括合适的光圈34以使得可不需要远心光阑30。或者，LED 22可只是以向LED 22供应电力的方式固定到光阑30。 

例示性光学设备10进一步包括支撑固定件42及反射镜50的支撑结构40，如图1及图2中的截面中示意性所示。支撑结构40可以是典型机器视觉系统中的任何物体支撑表面且可为固定的或可沿任何数目个方向移动(包括可绕光学轴16旋转)。在本发明的一个实例中，支撑件40既不可移动，也不可旋转。 

在此实例中，反射镜50为具有绕光学轴16的第一直径开口52及反射镜基底55处的小于所述第一直径开口52的第二直径开口54的圆锥形成形的反射镜。基底55与第一直径开口52界定反射镜50沿光学轴16的高度56。在优选但非必需的方面中，第一直径开口52在图像拍摄装置14的视场或视界内。反射镜50包括倾斜定位于第一直径开口52与第二直径开口54之间的反射性表面58。反射性表面58为适合于待检查的检查过程或表面的敏感度的高度抛光、低缺陷表面。在一个实例中，反射镜50由铝制成，其经金刚石车削以产生大致无缺陷、具高度反射性的表面58。替代材料可包括无电极镍涂层及/或具备本文中的教示的所属领域的技术人员可选择的其它材料及涂层。 

在待检查的物体表面垂直及/或平行于光学轴16的情况下，期望反射性表面58 相对于光学轴16以45度角度定位。应理解，可使用反射性表面58的其它角度及反射镜50的几何形状以适应特定应用及检查要求。 

如图1及图2中所示，形成为圆柱体成形的物体60的例示性三维物体定位于固定件42及支撑结构40上。物体60优选地定位为与光学轴16轴向对准，其中反射镜50绕物体60 360度同心定位。在一个实例中，物体60包括平行于光学轴16且具有高度72的物体或检查表面70。物体60进一步包括沿光学轴16布置的第一非检查表面74及第二非检查表面80。如所示，表面70、74及80绕光学轴16具有不同直径。例示性物体60及表面70、74及80绕物体60及光学轴16延伸360度。在一个实例中，检查表面70为待由光学设备10检查是否有表面连续性、表面缺陷及/或其它标记物或记号的高度抛光、大致镜面表面。应进一步理解，物体60可采取除圆柱体物体60(如所示)之外的其它棱柱形式或几何形状。在其中物体60及/或检查表面70的几何形状从圆柱体实例改变的替代实例中，反射镜50及反射性表面58也将改变以使得对检查表面70及/或物体60的照射将通过图像光线18从物体60到图像拍摄装置14的传输产生平面图像。类似地，固定件42可采取适合于物体60及所需成像过程的其它形式及几何形状。 

在此实例中，反射镜50且更特定来说反射性表面58的高度56超过检查表面70的高度72以便捕获检查表面70的整个高度72的图像，如下文更全面描述。 

在操作中，图像捕获装置14如图1及图2中大体所示及上文所述来定位及激活。照射源20经激活以沿朝向远心场透镜26的方向通过LED 22产生照射光线24。场透镜26将倾斜主照射光线24变换为大致平行于光学轴16且垂直于支撑件40。也就是说，远心场透镜26为准直透镜的一个实例。场透镜26进一步朝向反射镜50及圆柱体物体60引导照射光线24。 

大致平行于光学轴16撞击于反射镜反射性表面58上的照射光线24由圆锥形成形的反射镜50以垂直角度绕整个360度再引导到检查表面70。大致镜面检查表面70跨越检查表面70的全高度72以相对于检查表面70的相同垂直方向将图像光线18反射回到反射性表面58。光线18由反射性表面58朝向照射源20及图像拍摄装置14穿过远心场透镜26引导回其来源地。 

在呈如图2中大体所示且如美国专利第6,870,949号中进一步所述的窄暗场照射形式的照射的实例中，远心光阑30包括优选地以光学轴16为中心的小光圈34。在此实例中，任何返回图像光线24将由远心光阑30阻挡以便不准许其穿过后透镜群组28到达图像拍摄装置14。在使用图2中所示的照射方案的此实例中，只要不存在表面不规则性，则检查表面70将被成像为大致暗的。在所检测表面不连续性的例示中，图像光线18将反射回到反射表面56且因此以倾斜角度朝向图像捕获装置14反射回，其中一些将穿过远心光阑光圈34且在所得图像中呈现为下文所论述的光学图像90的另外暗区域上的亮点或区域。如上文所论述，应理解，给予本文中的教示，所属领域的技术人员可在光学设备10中使用照射、透镜及/或反射镜的其它形式及/或位置以适应特 定应用，而此并不背离本发明。 

参照图3，图解说明图1及图2中所示的三维物体60的例示性所得二维平面图像90。使用窄暗场照射产生物体60的平面图像90。如所示，第二非检查表面80的经对准垂直表面简单地显示为圆圈81。第一非检查表面74显示为平面图像90中的区域76。第一非检查表面74的部分(其最小程度地由同心反射性表面58覆盖，接近第一直径52)呈现为朝向图像90上的外部部分的亮区域75(实际上通过暗场照明)。实际外观亮还是暗取决于表面74的特性(光洁度及角度)。在图像拍摄装置14的视场内的固定件42及支撑表面40的不重要部分呈现为(举例来说)相对暗的区域43(仅出于图解说明的目的而适当暗化)，其中固定件42的边缘呈现为线或区域61(仅出于图解说明的目的而显示为虚线)。如果固定件42及支撑表面40像检查表面70那样高度抛光，那么这些区域在例示性照明下将呈现为暗的。换句话说，对固定件42及支撑表面40使用的特定表面处理或工艺规定这些表面在所选择的照射方案下在光学图像中如何呈现。 

图像90的区域71表示三维圆柱体检查表面70绕360度的二维平面图像。在图2的窄暗场照射实例下，此区域71呈现为暗的(在图3中仅出于图解说明的目的而显示为暗化为几乎完全黑色)，因为反射离开表面70的返回成像光线18由光阑30大致阻挡，仅剩下图像拍摄装置14可见的暗区域。在光学设备10的特定敏感度内，完全暗的区域表示合适的或无缺陷的表面。如果呈现局部化的亮点，那么这些将是可包括缺陷或其它表面不连续性(例如，在半导体晶片上使用的“软”识别标记)的区域。应理解，如果需要对物体60的其它区域(举例来说，第二非检查表面80)进行检查，那么可重新配置及/或重新定位反射镜50，使得反射性表面58相对于所述表面而非表面70来引导图像及照射光线。 

光学设备10的有利特征在于检查表面70的平面图像90为整个表面70绕360度的单个图像，而不必旋转图像拍摄装置14或支撑物体60的支撑件40及/或固定件42。另一优点为远心透镜26的图像光线18与圆柱体物体60以光学方式映射到其中的平面之间的共面及正交关系。 

在光学设备10的一个实例中，可使用除窄暗场照射之外的多于一个形式的照射或照明或者除窄暗场照射外还使用多于一个形式的照射或照明。举例来说，也可采用及连续使用传统暗场照射及/或亮场照射产生组件来针对更彻底的检查过程产生不同光学图像90。举例来说，使用窄暗场照射可能无法识别某些缺陷或物体表面标记物，但可使用亮场照射容易地识别。 

参照图1到图4，图解说明用于以光学方式将三维表面转换成二维平面图像的例示性方法100。参照图4，在第一步骤110中，提供图像拍摄或捕获装置14，其可为CCD相机或其它装置，如前文所论述。在步骤120处，将物体(举例来说，三维圆柱体60)沿光学轴轴向定位于固定件42上。在步骤130中，绕光学轴16定位同心成形的反射镜50，其经成形及定向以与物体的所需检查表面70同心。优选但为任选的步 骤140定位远心场透镜26及后透镜群组28，如上文大体描述及图解说明。可替代地使用其它透镜。在步骤150处，提供照射源20以通过使用如上文所描述的例示性远心透镜26来照射反射镜50的反射性表面58。在步骤160中，捕获图像拍摄装置14的视场内的图像，从而产生物体60且特定来说检查表面70绕360度的二维平面图像90，而不必旋转图像拍摄装置14、支撑件40、固定件42及/或物体60。然后可通过计算机15使用任何数目的已知图像分析技术来分析所得图像区域71(其为对应于检查表面70的一部分)看是否有缺陷、识别标记或其它所关心的特征。 

如上文所描述，可使用除窄暗场照射之外的不同形式的照射以及不同地成形及配置的透镜及反射镜以适应检测物体60的特定检查表面上的缺陷或者其它标记物或记号所需的特定应用及敏感度，物体60本身可为除所描述及图解说明的圆柱体物体之外的其它几何形状。 

虽然已结合某些实施例描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所揭示实施例，而相反，本发明既定涵盖包括在所附权利要求书的范围内的各种修改及等效布置，所述范围与最广义的解释一致以便在法律的许可下囊括所有此类修改及等效结构。 

Claims (6)

1.一种供用于以光学方式将三维物体的表面变换成二维平面图像的成像设备，所述成像设备包含：

图像拍摄装置，其用于捕获沿光学轴定位的三维物体的二维平面图像；

环形照射源，其用于朝向所述物体引导倾斜照射光线；

远心场透镜，其定位于所述照射源与所述物体之间，所述倾斜照射光线在经过所述远心场透镜之后，通过所述远心场透镜被校准为与所述光学轴大致平行；

后透镜群组，其定位于所述图像拍摄装置与所述环形照射源之间；

远心光阑，其定位于邻近于所述环形照射源，所述环形照射源位于所述后透镜群组与所述远心场透镜之间；及

反射镜，其在所述物体周围绕所述光学轴同心成形，且经定位以朝向所述物体的检查表面引导来自所述远心场透镜的经校准的照射光线，且经由穿过所述远心场透镜，朝向所述图像拍摄装置重新引导回从所述检查表面反射的图像光线。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述三维物体为圆柱体成形的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述二维平面图像包含所述检查表面的360度图像。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述反射镜绕所述光学轴圆锥形成形，其具有界定所述反射镜的高度及反射性表面的第一直径及小于所述第一直径的第二直径。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述反射镜的所述高度至少与所述检查表面的沿所述光学轴的高度一样长。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中所述反射镜的反射性表面相对于所述光学轴以45度角度布置，所述检查表面与所述光学轴平行。