CN104848803B - 一种检测物体表面轮廓的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测物体表面轮廓的方法和系统。该方法包括提供偏振方向不同的一束第一偏振光和一束第二偏振光；将所述第一偏振光和所述第二偏振光分别图案化；将图案化的所述第一偏振光和所述第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域；透过检偏器捕获所述第一区域和所述第二区域的图像，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角；根据捕获的图像分析所述第一区域和所述第二区域的表面轮廓。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测物体表面轮廓的方法和系统。
背景技术
现有的检测物体表面轮廓的方法和系统速度较慢、精度较低。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种检测物体表面轮廓的方法和系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种检测物体表面轮廓的方法，包括以下步骤：
a.提供偏振方向不同的一束第一偏振光和一束第二偏振光；
b.将所述第一偏振光和所述第二偏振光分别图案化；
c.将图案化的所述第一偏振光和所述第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域；
d.透过检偏器捕获所述第一区域和所述第二区域的图像，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角；
e.根据捕获的图像分析所述第一区域和所述第二区域的表面轮廓。
在一个实施例中，步骤c和d重复执行多次，每次对所投射的第一区域和第二区域进行移位。
在一个实施例中，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域至少部分重叠，步骤e中，综合使用前后两次捕获的图像的重叠部分，来分析该重叠部分所对应的区域的表面轮廓。
在一个实施例中，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域完全重叠。
在一个实施例中，所述第一区域和所述第二区域大小相同。
在一个实施例中，所述第一区域和所述第二区域是被测物体上的两个相邻区域。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有不同的夹角。
在一个实施例中，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向基本上彼此正交。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光的偏振方向具有小于45°的夹角，所述检偏器的偏振化方向与所述第二偏振光的偏振方向具有大于45°的夹角。
在一个实施例中，所述第一区域和所述第二区域的图像是同时捕获的。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角关系是根据被测物体表面对于光线的反射属性预先确定的。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角各自适于采集所述物体的高反射性表面和低反射性表面的灰阶信息。
本发明还提供了一种检测物体表面轮廓的系统，其特征在于，包括：
投射单元，其可操作以将经过图案化的第一偏振光和所述第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域，其中所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向不同；
图像捕获单元，其可操作以捕获所述第一区域和所述第二区域的图像；
检偏器，其设置于所述图像捕获单元前，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角；
处理单元，其根据捕获的图像分析所述第一区域和所述第二区域的表面轮廓。
在一个实施例中，所述投射单元可操作以对所投射的第一区域和第二区域进行移位。
在一个实施例中，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域至少部分重叠，所述处理单元综合使用前后两次捕获的图像的重叠部分，来分析该重叠部分所对应的区域的表面轮廓。
在一个实施例中，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域完全重叠。
在一个实施例中，所述第一区域和所述第二区域大小相同。
在一个实施例中，所述第一区域和所述第二区域是被测物体上的两个相邻区域。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有不同的夹角。
在一个实施例中，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向基本上彼此正交。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光的偏振方向具有小于45°的夹角，所述检偏器的偏振化方向与所述第二偏振光的偏振方向具有大于45°的夹角。
在一个实施例中，所述第一区域和所述第二区域的图像是同时由所述图像捕获单元捕获的。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角关系是根据被测物体表面对于光线的反射属性预先确定的。
在一个实施例中，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角各自适于采集所述物体的高反射性表面和低反射性表面的灰阶信息。
在一个实施例中，所述投射单元包括：
第一偏振分束单元，其经配置将输入光分成所述第一偏振光和所述第二偏振光；
至少两个调制单元，其经配置将所述第一偏振光和所述第二偏振光图案化并反射回所述第一偏振分束单元，图案化的所述第一偏振光和所述第二偏振光由所述第一偏振分束单元重新定向到相同的引导路径；
第二偏振分束单元，其经配置从所述引导路径接收混合的所述第一偏振光和所述第二偏振光，并将所述第一偏振光和所述第二偏振光分离到两条不同光路以分别投射到所述第一区域和所述第二区域。
在一个实施例中，至少两个调制单元包括第一调制单元和第二调制单元，所述第一偏振分束单元将所述第一偏振光透射到所述第一调制单元，经所述第一调制单元图案化的所述第一偏振光经过所述第一偏振分束单元反射后定向到所述引导路径，所述第一偏振分束单元将所述第二偏振光反射到所述第二调制单元，经所述第二调制单元图案化的所述第二偏振光经过所述第一偏振分束单元透射后定向到所述引导路径。
在一个实施例中，所述第二偏振分束单元经配置将所述第一偏振光反射/透射到所述两条不同光路中的一条上，将所述第二偏振光透射/反射到所述两条不同光路中的另一条上。
在一个实施例中，所述两条不同光路中的一条设置有补偿光学元件以使所述第一偏振光和所述第二偏振光分别并同时投射到所述第一区域和所述第二区域。
在一个实施例中，所述至少两个调制单元为LCoS器件。
本发明的有益效果包括：
本发明的系统和方法在检测物体表面时，一次投射即投射两个不同方向的偏振光图案到两个区域，这样可以同时捕获两个区域的表面轮廓。使用两个方向的偏振光图案，可以实现对不同反射性表面的物体进行全面检测。本发明的检测速度更快、效率更高。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图。
图2为使用本发明对物体进行检测的原理示意图。
图3为本发明另一种实施例的结构示意图。
图4为本发明再一种实施例的结构示意图。
图5示出了本发明的检偏器的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角。
具体实施方式
以下对本发明的实施作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1，在一种实施例中，一种检测物体表面轮廓的系统，包括投射单元10、图像捕获单元20、检偏器30和处理单元。投射单元10可操作以将经过图案化的第一偏振光和第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域，其中第一偏振光和第二偏振光的偏振方向不同。图像捕获单元20可操作以捕获第一区域和第二区域的图像。检偏器30设置于图像捕获单元20前，如图5所示，检偏器30的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角θ。处理单元根据捕获的图像分析第一区域和第二区域的表面轮廓。第一区域和第二区域的图像可以同时由图像捕获单元20捕获的。
光学投射和图像捕获可以是同步的，从而提高物体检测的速度。
第一偏振光和第二偏振光的偏振方向基本上彼此正交。第一偏振光是S偏振，第二偏振光是P偏振。不同的偏振模式可以提高测量动态范围。第一偏振光投射到第一区域，第二偏振光投射到第二区域。第一区域可被认为是S偏振模式、第二区域可被认为是P偏振模式。第一区域和第二区域大小可以相同。第一区域和第二区域可以是被测物体上的两个相邻区域。彼此相邻的第一区域和第二区域可以放大检测范围。这可实现高速和高精确度地测量物体(例如：电路板)上所有部件的表面信息(例如：高度信息)。在图1中，Lin＝Lout_P+Lout_S
其中，Lin为入射自然光，Lout_p为出射P偏振光，Lout_s为出射S偏振光。
参阅图2，在一个实施例中，投射单元可操作以对所投射的第一区域和第二区域进行移位。每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域至少部分重叠，处理单元综合使用前后两次捕获的图像的重叠部分，来分析该重叠部分所对应的区域的表面轮廓。
例如，第一次投射的第一区域为F1、第二区域为F2。第二次投射的第一区域为F3、第二区域为F4。第三次投射的第一区域为F5、第二区域为F6。第四次投射的第一区域为F7、第二区域为F8。每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域完全重叠。即，第二次投射的第一区域F3与第一次投射的第二区域F2重叠。第三次投射的第一区域F5与第二次投射的第二区域F4重叠。第四次投射的第一区域F7与第三次投射的第二区域F6重叠。
这样区域1的表面轮廓通过第一次投射的第二区域F2和第二次投射的第一区域F3的捕获及处理即可确定。区域2的表面轮廓通过第二次投射的第二区域F4和第三次投射的第一区域F5的捕获及处理即可确定。区域3的表面轮廓通过第三次投射的第二区域F6和第四次投射的第一区域F7的捕获及处理即可确定。以此类推，进行重复，直到物体的全部表面都被检测到。如果物体的全部表面为N个区域的话，经过N+1次投射、捕获即可实现全面地物体检测。相对于现有的物体表面检测需经过2N次投射、捕获，本发明的系统和方法速度更快、效率更高。本发明使用更少的时间可以得到详细的三维信息。上面描述的仅是一个示例。本领域技术人员应当理解移位不限于一维，可以前后上下二维移位(任意移位)，直至检测出所需检测的全部面积。任意移位时，只要两块相邻检测区域有重叠面。本领域技术人员还应当理解也可以选择性检测，比如检测一块板上的指定若干个区域。第一区域检测完之后再跳转检测第二区域。
在一个实施例中，检偏器30的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向具有不同的夹角。例如：检偏器30的偏振化方向与第一偏振光的偏振方向具有小于45°的夹角，检偏器30的偏振化方向与第一偏振光的偏振方向具有大于45°的夹角。检偏器30可以是圆形的或线性的偏光片。
在一个实施例中，检偏器30的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向的夹角关系是根据被测物体表面对于光线的反射属性预先确定的。检偏器30的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向的夹角各自适于采集物体的高反射性表面和低反射性表面的灰阶信息。使用不同偏振光可以得到更多的灰度级的细节。当待检测物体为电路板时，可以有关于闪亮的引脚和黑色表面更详细的立体信息。
图3为本发明另一种实施例的结构示意图。如图3所示，投射单元包括第一偏振分束单元11、第二偏振分束单元13和至少两个调制单元。第一偏振分束单元11经配置将LED发出的输入光分成第一偏振光和第二偏振光。在LED与第一偏振分束单元11之间可以设置照射棱镜组12。至少两个调制单元经配置将第一偏振光和第二偏振光图案化并反射回第一偏振分束单元11，图案化的第一偏振光和第二偏振光由第一偏振分束单元11重新定向到相同的引导路径。第一偏振光图案和第二偏振光图案可以是相同的或不同的。第二偏振分束单元13经配置从引导路径接收混合的第一偏振光和第二偏振光，并将第一偏振光和第二偏振光分离到两条不同光路以分别投射到第一区域和第二区域。在第一偏振分束单元11和第二偏振分束单元13之间还可设置投射棱镜组14。
至少两个调制单元包括第一调制单元15和第二调制单元17，第一偏振分束单元11将第一偏振光透射到第一调制单元15，经第一调制单元15图案化的第一偏振光经过第一偏振分束单元11反射后定向到引导路径，第一偏振分束单元11将第二偏振光反射到第二调制单元17，经第二调制单元17图案化的第二偏振光经过第一偏振分束单元11透射后定向到引导路径。第一调制单元15和第二调制单元17可以是硅基液晶(Liquid Crystal onSilicon，简称LCOS)。第一调制单元15是倾斜设置的LCoS-L，第二调制单元17是倾斜设置的LCoS-R。通过LCoS-L和LCoS-R生成两个数字图案可以是相同的或者根据应用是不同的。LCoS-L和LCoS-R的倾斜角可以确保在投影光学系统满足Scheimpflug原理。
第二偏振分束单元13经配置将第一偏振光反射/透射到两条不同光路中的一条上，将第二偏振光透射/反射到两条不同光路中的另一条上。即：当第一偏振光反射时，第二偏振光透射；当第一偏振光透射时，第二偏振光反射。两个光路是独立的，这两个光路的倾斜角度可以是相同的或者根据应用是不同的。系统还设置有第一反射镜18，其将被第二偏振分束单元13反射出的偏振光进行进一步的反射，使偏振光最终射向待检测物体表面。
如图3所示，两条不同光路中的一条设置有补偿光学元件19以使第一偏振光和第二偏振光同时投射到第一区域和第二区域。补偿光学元件19的折射率可在1～2之间。这可保障同时投影两个偏振光图案到两个目标区域，从而实现高效、准确地对物体表面进行检测。
图4为本发明再一种实施例的结构示意图。如图4所示，其与图3所示的实施例的主要不同之处在于其还包括第二反射镜16。设置第二反射镜16可以使得第一偏振分束单元11和第二偏振分束单元13无需在一个直线的光路上。这种设计可以进一步减小系统的尺寸，使得系统结构更紧凑。在本实施例中，两条光路的光学长度(即光程)是相同的，并且可以表示为：L1+L2＝L3+N*L4+L5。其中，L1为第二偏振分束单元13和第一反射镜18沿光轴方向的光程，L2为第一反射镜18到被测物体沿光轴方向的光程，L3为第二偏振分束单元13到投射棱镜组14上表面沿光轴方向的光程，L4为补偿光学元件19的厚度，L5为补偿光学元件19下表面到被测物体沿光轴方向的光程，N为补偿光学元件19的折射率。
在本发明中，投影区域的两个视场的图案具有不同的偏振方向，设置一个检偏器在图像捕获单元的前面可以在一个视场测量黑色物体，并同时在其它视场测量闪亮的物品。当测量闪光管脚和黑色表面时，不需要旋转放置在图像捕获单元前面的检偏器，并且也没有必要多次曝光。整个系统更稳定。当检测发亮的引脚和黑色表面时，尤其是一次曝光，使用不同的偏振模式可以得到更多的灰度级的信息。相反，传统的方法如果想得到相同的详细信息，需要曝光很多次。
一种检测物体表面轮廓的方法，包括以下步骤：
a.提供偏振方向不同的一束第一偏振光和一束第二偏振光；
b.将第一偏振光和第二偏振光分别图案化；
c.将图案化的第一偏振光和第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域；
d.透过检偏器捕获第一区域和第二区域的图像，检偏器的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角；
e.根据捕获的图像分析第一区域和第二区域的表面轮廓。
步骤c和d可重复执行多次，每次对所投射的第一区域和第二区域进行移位。每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域至少部分重叠，步骤e中，综合使用前后两次捕获的图像的重叠部分，来分析该重叠部分所对应的区域的表面轮廓。每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域完全重叠。、
第一区域和第二区域大小可以相同。第一区域和第二区域是被测物体上的两个相邻区域。检偏器的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向具有不同的夹角。第一偏振光和第二偏振光的偏振方向基本上彼此正交。检偏器的偏振化方向与第一偏振光的偏振方向具有小于45°的夹角，检偏器的偏振化方向与第一偏振光的偏振方向具有大于45°的夹角。第一区域和第二区域的图像是同时捕获的。检偏器的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向的夹角关系是根据被测物体表面对于光线的反射属性预先确定的。检偏器的偏振化方向与第一偏振光和第二偏振光的偏振方向的夹角各自适于采集物体的高反射性表面和低反射性表面的灰阶信息。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (29)
1.一种检测物体表面轮廓的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.提供偏振方向不同的一束第一偏振光和一束第二偏振光；
b.将所述第一偏振光和所述第二偏振光分别图案化；
c.将图案化的所述第一偏振光和所述第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域；
d.图像捕获单元透过检偏器捕获所述第一区域和所述第二区域的图像，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角；
e.根据捕获的图像分析所述第一区域和所述第二区域的表面轮廓。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c和d重复执行多次，每次对所投射的第一区域和第二区域进行移位。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域至少部分重叠，步骤e中，综合使用前后两次捕获的图像的重叠部分，来分析该重叠部分所对应的区域的表面轮廓。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域完全重叠。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域大小相同。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域是被测物体上的两个相邻区域。
7.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有不同的夹角。
8.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向基本上彼此正交。
9.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光的偏振方向具有小于45°的夹角，所述检偏器的偏振化方向与所述第二偏振光的偏振方向具有大于45°的夹角。
10.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的图像是同时捕获的。
11.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角关系是根据被测物体表面对于光线的反射属性预先确定的。
12.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角各自适于采集所述物体的高反射性表面和低反射性表面的灰阶信息。
13.一种检测物体表面轮廓的系统，其特征在于，包括：
投射单元，其可操作以将经过图案化的第一偏振光和第二偏振光分别投射到被测物体上的第一区域和第二区域，其中所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向不同；
图像捕获单元，其可操作以捕获所述第一区域和所述第二区域的图像；
检偏器，其设置于所述图像捕获单元前，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有各自的夹角；
处理单元，其根据捕获的图像分析所述第一区域和所述第二区域的表面轮廓。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述投射单元可操作以对所投射的第一区域和第二区域进行移位。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域至少部分重叠，所述处理单元综合使用前后两次捕获的图像的重叠部分，来分析该重叠部分所对应的区域的表面轮廓。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，每次移位后所投射的第一区域与前一次所投射的第二区域完全重叠。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域大小相同。
18.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域是被测物体上的两个相邻区域。
19.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向具有不同的夹角。
20.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向基本上彼此正交。
21.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光的偏振方向具有小于45°的夹角，所述检偏器的偏振化方向与所述第二偏振光的偏振方向具有大于45°的夹角。
22.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述第一区域和所述第二区域的图像是同时由所述图像捕获单元捕获的。
23.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角关系是根据被测物体表面对于光线的反射属性预先确定的。
24.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述检偏器的偏振化方向与所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向的夹角各自适于采集所述物体的高反射性表面和低反射性表面的灰阶信息。
25.根据权利要求13至17任一项所述的系统，其特征在于，所述投射单元包括：
第一偏振分束单元，其经配置将输入光分成所述第一偏振光和所述第二偏振光；
至少两个调制单元，其经配置将所述第一偏振光和所述第二偏振光图案化并反射回所述第一偏振分束单元，图案化的所述第一偏振光和所述第二偏振光由所述第一偏振分束单元重新定向到相同的引导路径；
第二偏振分束单元，其经配置从所述引导路径接收混合的所述第一偏振光和所述第二偏振光，并将所述第一偏振光和所述第二偏振光分离到两条不同光路以分别投射到所述第一区域和所述第二区域。
26.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，至少两个调制单元包括第一调制单元和第二调制单元，所述第一偏振分束单元将所述第一偏振光透射到所述第一调制单元，经所述第一调制单元图案化的所述第一偏振光经过所述第一偏振分束单元反射后定向到所述引导路径，所述第一偏振分束单元将所述第二偏振光反射到所述第二调制单元，经所述第二调制单元图案化的所述第二偏振光经过所述第一偏振分束单元透射后定向到所述引导路径。
27.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述第二偏振分束单元经配置将所述第一偏振光反射/透射到所述两条不同光路中的一条上，将所述第二偏振光透射/反射到所述两条不同光路中的另一条上。
28.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述两条不同光路中的一条设置有补偿光学元件以使所述第一偏振光和所述第二偏振光分别并同时投射到所述第一区域和所述第二区域。
29.根据权利要求25所述的系统，其特征在于，所述至少两个调制单元为LCoS器件。
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2015
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