CN104976967B - 用于测量系统的投影装置和图像捕获装置 - Google Patents

用于测量系统的投影装置和图像捕获装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于测量系统的投影装置和图像捕获装置。投影装置(101)用于测量系统，并且在物体(104)上投射投影光。图像捕获装置(102)通过成像光学系统对其上投射有投影光的物体执行图像捕获。该投影装置包括满足条件|EXP0‑EXP1|/BL≤0.0015的投影光学系统。EXP0表示投影光学系统的出射光瞳位置，EXP1表示针对通过成像光学系统对物体的可测量范围内的最大视场角的光线，该投影光学系统的实际出射光瞳位置，并且BL表示投影光学系统和成像光学系统之间的基线长度。

Description

用于测量系统的投影装置和图像捕获装置
技术领域
本发明涉及通过使用通过对物体的图像捕获而获取的捕获的图像来测量物体的测量系统，并且特别地涉及将测量光学图像投影到物体上的投影装置，以及捕获物体的图像的图像捕获装置。
背景技术
在上述测量系统中，投影装置的投影光学系统的失真以及图像捕获装置的成像光学系统的失真使物体的测量结果的精度劣化。因此，通常执行基于表示失真的函数的对捕获的图像中所包含的失真的分量(以下简称为“失真分量”)的校正。
日本专利公开No.07-264577公开了一种通过使用针孔模型校正失真分量的方法，其中进入成像光学系统的所有光线都穿过一个点。日本专利公开No.2001-133225公开了一种根据到物体的距离产生将被用于校正失真分量的多个函数，并且根据到物体的距离改变将被使用的函数的方法。日本专利公开No.2008-298589公开了一种校正失真分量的方法，该方法不使用针孔模型，而是使用一种光学系统模型，其中针对各个场角改变成像光学系统的入射光瞳位置。
然而，因为投影光学系统的出射光瞳位置和成像光学系统的入射瞳位置对于各个场角的光线一般是不同的，所以根据从物体到光学系统的距离，包含于被投射在物体上的测量光学图像中的失真分量和包含于捕获的图像中的失真分量具有不同的形状。因此，日本专利公开No.07-264577中公开的通过使用针孔模型校正失真分量的方法不能根据到物体的距离考虑失真分量的不同形状而执行校正。结果，该方法不足以在三维方向中的深度方向(即，光学系统的光轴方向)的整个范围上校正失真分量。
为了存储为根据到物体的距离进行的对失真分量的校正而提供的多个函数，日本专利公开No.2001-133225中公开的方法需要大存储器容量。另外，该方法还需要准确地测量到物体的距离的装置，这使得系统配置变复杂。
此外，日本专利公开No.2008-298589中公开的使用针对各个场角改变入射光瞳位置的光学系统模型的方法需要大量输入图像，以获取用于产生该模型的许多参数，并且还需要复杂的计算处理以获取所述参数。
发明内容
本发明提供了用于构造测量系统的投影装置和图像捕获装置，该测量系统能够充分地校正投影光学系统和成像光学系统中的每一个在包括光轴方向的整个可测量范围上的失真影响，并且从而能够实现高的测量精度。
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种用于测量系统的投影装置，该测量系统包括：投影装置，其被配置为在物体上投射投影光；以及图像捕获装置，其被提供有成像光学系统，并且被配置为通过成像光学系统执行其上投射了投影光的物体的图像捕获。该投影装置包括投影光学系统，通过该投影光学系统，投影光被投射在物体上。该投影光学系统满足针对投影光的下列条件:
|EXP0-EXP1|/BL≤0.0015
其中EXP0表示投影光学系统的出射光瞳位置，EXP1表示针对在通过成像光学系统对物体的可测量范围内的最大视场角的光线，投影光学系统的实际出射光瞳位置，并且BL表示所述投影光学系统和所述成像光学系统之间的基线长度。
作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种测量系统，该测量系统包括：上述的投影装置；图像捕获装置，其被提供有成像光学系统，并被配置为通过该成像光学系统，执行对其上投射了投影光的物体的图像捕获；以及处理装置，其被配置为执行处理，以通过使用图像捕获装置获取的捕获的图像来测量物体。
作为本发明的另一个方面，本发明提供了用于测量系统的图像捕获装置，所述测量系统包括该图像捕获装置和处理装置，该图像捕获装置被配置为执行物体的图像捕获，并且该处理装置被配置为执行处理，以通过使用由该图像捕获装置获取的捕获的图像来测量物体。该图像捕获装置包括成像光学系统，通过该成像光学系统执行图像捕获。对于从物体进入的图像捕获光，该成像光学系统满足下列条件:
|ENP0-ENP1|/BL≤0.0015
其中ENP0表示成像光学系统的入射光瞳位置，ENP1表示针对通过成像光学系统对物体的可测量范围内的最大视场角的光线，成像光学系统的实际入射光瞳位置，并且BL表示以下之一：(a)从一个位置执行物体的图像捕获的图像捕获装置的成像光学系统和从另一个位置执行物体的图像捕获的图像捕获装置的成像光学系统之间的基线长度和(b)当投影光通过投影光学系统被投射在物体上时，投影光学系统和成像光学系统之间的基线长度。
作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种测量系统，包括一个或多个上述图像捕获装置，以及处理装置，该处理装置被配置为执行处理，以通过使用由每一个图像捕获装置获取的捕获的图像来测量物体。
根据参考附图对示例性实施例的以下描述，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
图1示出了作为本发明的实施例1的三维形状测量系统的配置。
图2示出了用于实施例1的针孔模型的光学系统。
图3示出了实施例1中的实际光学系统。
图4示出了实际光学系统和针孔模型之间的误差。
图5示出了用于实施例1的三维形状测量系统的投影装置的投影光学系统的配置。
图6A示出了实施例1中投影光学系统的出射光瞳位置的移动量和场角之间的关系。
图6B示出了实施例1中投影光学系统的光轴方向上的误差和场角之间的关系。
图7示出了实施例1内的投影光学系统的失真。
图8示出了作为本发明的实施例2的三维形状测量系统的配置。
图9示出了用于实施例2的三维形状测量系统的图像捕获装置的成像光学系统的配置。
图10A示出了实施例2中成像光学系统的入射光瞳位置的移动量和场角之间的关系。
图10B示出了实施例2中成像光学系统的光轴方向上的误差和场角之间的关系。
图11示出了实施例2中的成像光学系统的失真。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例。
[实施例1]
图1示出了作为本发明的第一实施例(实施例1)的三维形状测量系统的配置。该实施例的三维形状测量系统由投影装置101、图像捕获装置102和控制/处理装置103构成。
投影装置101将光学图案作为测量光学图像投射到要被测量的物体104上。图像捕获装置102执行其上投射有光学图案的物体104的图像捕获。控制/处理装置103由个人计算机构成并且控制投影装置101和图像捕获装置102的操作。控制/处理装置103还执行处理，以通过使用图像捕获装置102产生(获取)的捕获的图像，测量物体104的三维形状。
该实施例的三维形状测量系统使用空间编码方法执行三维形状测量。具体地，投影装置101在物体104上投射光学图案，该光学图案是亮和暗图案。图像捕获装置102执行对其上投射有亮和暗图案的物体104的图像捕获。控制/处理装置103执行处理，以通过使用由图像捕获装置102产生的包括亮和暗图案的捕获的图像来测量物体104的三维形状。更具体地，控制/处理装置103根据正负交叉检测方法检测捕获的图像中的亮和暗图案的亮和暗边缘位置，并且然后根据在检测到的边缘位置处由投影装置101的投影光学系统的光轴与图像捕获装置102的成像光学系统的光轴所形成的角度，根据三角测量原理计算从该投影和图像捕获装置101和102到物体104的距离。
在该形状测量中，因为投影装置101的投影光学系统和图像捕获装置102的成像光学系统各自具有失真，为了准确地测量物体104的形状，必须校正包含于捕获的图像内的失真分量；所述失真分量是对应于失真的图像分量。因此，本实施例中的控制/处理装置103执行处理，以通过假设投影光学系统和成像光学系统中的每一个是图2所示的针孔模型的光学系统105来校正失真分量。
针孔模型假设从投影装置101的投影光学系统向着物体104行进的所有场角的光线是从所述投影光学系统中的某一个点射出的，并且从物体104进入图像捕获装置102的成像光学系统的所有场角的光线被引到成像光学系统中的某个点。不同于使用其它模型的情况，使用这种针孔模型便于光学系统的建模，消除计算许多参数的复杂处理，并且增强了处理的稳定性。
如图2所示，因为在针孔模型中所有场角的光线射出自或被引到光学系统105内的一个点，不论光学系统105的光轴106在其上延伸的光轴方向上的距离如何，失真分量具有相同的形状。因此，对于失真分量的校正，仅提供一个函数就足够。
然而，实际上，如图3所示，投影光学系统的出射光瞳的位置(以下简称为“出射光瞳位置”)和成像光学系统的入射光瞳的位置(以下简称为“入射光瞳位置”)对于各个场角是不同的。因此，针孔模型中假设的每一个场角的光线(在图3中以虚线示出)与实际光学系统中的每一个场角的光线(以实线示出)之间具有间隙。结果，当以光轴方向上的后侧为基准执行失真分量的校正时，虽然可以充分地执行针对后侧的校正，但是在光轴方向上的前侧处产生误差。
如图4所示，当假设针对场角θ的光线的投影光学系统的实际出射光瞳位置EXP1相对于针孔模型中的出射光瞳位置(EXP0)偏移了偏移量Δ时，以下列表达式(1)表示在可测量深度范围内比基准面靠前d的平面处(该平面的位置在下文中还被称为"偏前d的位置")的失真的校正残余(以下简称为“失真校正残余”)，该可测量深度范围是深度方向(光轴方向)上的在其中可以通过成像光学系统测量物体104的形状的可测量范围：
Δtanθ×d/WD (1)
其中WD表示从针孔模型中的出射光瞳位置到所述基准面的距离。
该实施例使用是存在于形成场角的光束的中心处的光线的主光线作为“场角的光线”，并且通过使用主光线作为基准，计算出射光瞳位置。然而，存在于上述光束的质心处的光线可被用作主光线。这也适用于后面描述的实施例2。
上述的失真校正残余在光轴方向上产生误差。当BL表示三角测量中的基线长度，即，投影光学系统的光轴和成像光学系统的光轴的距离(间隔)时，以下列的表达式(2)表示光轴方向上的误差：
Δtanθ×d/WD×(WD-d)/BL≈Δtanθ×d/BL (2)
该实施例假设在可测量面内范围内投影光学系统的最大视场角(以下简称为“可测量最大视场角”)是26度，距离WD是2000mm，可测量深度范围是±300mm，并且基线长度BL是200mm，所述可测量面内范围是在投影面内方向(其是与投影光学系统的光轴方向正交的平面的面内方向)上可以通过成像光学系统测量物体104的形状的可测量范围。
根据这个假设，当针对26度的视场角的光线的投影光学系统的实际出射光瞳位置相对于针孔模型中的出射光瞳位置偏移1mm时，通过使用表达式(1)计算偏前300mm的位置处的失真校正残余为0.07mm，并且使用表达式(2)计算光轴方向上的误差是0.7mm。
在三维形状测量中，不仅产生了由于投影光学系统的失真校正残余引起的误差，而且产生了由于投影光学系统和成像光学系统中的每一个所产生的模糊、图像捕获装置中产生的噪声和环境光的影响引起的误差。失真校正残余是与测量环境以及被测量的物体无关地产生的误差，并且其是被系统地添加的误差，从而希望失真校正残余是小的，具体地，希望其为目标测量精度的10％或者更小。
本实施例将物体104的深度方向上的目标测量精度设置为1mm或者更小。在这种情况下，当针对可测量最大视场角的光线的实际出射光瞳位置相对于针孔模型的出射光瞳位置偏移1mm时，由于失真校正残余引起的光轴方向上的误差是0.7mm，这对应于目标测量精度的70％。针孔模型中的出射光瞳位置一般位于投影光学系统的出射光瞳位置和针对可测量最大视场角的光线的实际出射光瞳位置之间。因此，有必要将针对可测量最大视场角的光线的实际出射光瞳位置相对于本实施例中的投影装置101的投影光学的出射光瞳位置的偏移量Δ抑制为0.15mm或者更小。
在这种情况下，将针对可测量最大视场角的光线的实际出射光瞳位置EXP1相对于投影光学系统的出射光瞳位置EXP0的偏移量Δ(该偏移量Δ在下文中被简称为"出射光瞳位置偏移量")除以基线长度BL得到值0.00075。
该实施例要求该值是0.0015或者更小，换言之，对于投射光学图案的投影光(投影波长)，需要满足以下面的表达式(3)表示的条件：
|EXP0-EXP1|/BL≤0.0015 (3)
通过将过大的出射光瞳位置偏移量Δ除以基线长度BL获得的大于0.0015的值增加了针对可测量最大视场角的光线的失真校正残余，这不合需要地导致光轴方向上的误差的增加。另一方面，通过将出射光瞳位置偏移量Δ除以过短的基线长度BL获得的大于0.0015的值增加了失真校正残余对光轴方向上的误差的贡献，这也不合需要地导致光轴方向上的误差的增加。
此外，对于投影光(投影波长)，希望本实施例满足以下面的表达式(4)表示的条件，其中EXP2表示针对可测量面内范围内的中间视场角的光线，投影光学系统的实际出射光瞳位置：
|EXP0-EXP1|<|EXP0-EXP2| (4)
这是因为，如从表达式(2)理解地，当出射光瞳位置偏移量Δ固定时，光轴方向上的误差随着视场角增加而增加。因此，希望针对可测量面内范围内的可测量最大视场角的光线的出射光瞳位置偏移量Δ小于针对其中的中间视场角的光线的出射光瞳位置偏移量。
图5示出了投影装置101的投影光学系统107的具体配置。图5还示出了穿过投影光学系统107的光线的光路。投影光学系统107从物侧(图中的左侧)起依次包括，第一透镜108、第二透镜109、第三透镜110和第四透镜111。投影光学系统107还包括第五透镜112、第六透镜113、第七透镜114、孔径光阑115、第八透镜116、第九透镜117、第十透镜118、棱镜119和盖玻璃120。第五透镜112和第六透镜113构成粘合透镜。
附图标记121表示光调制器，其对来自光源(未示出)的光调制以形成光学图案。可以使用数字微镜装置(DMD)、液晶显示元件和有机电致发光(EL)器件等等作为光调制器121。
在本实施例中，投影光学系统107具有12mm的焦距和2.4的F数(Fno)。棱柱119分离从光源向着光调制器121前进的光和从光调制器121向着投影光学系统107前进的光。当使用DMD作为光调制器121时，可以使用利用全内反射的TIR棱镜或者其它棱镜作为棱镜119。
表1示出了投影光学系统107的数值示例的光学数据。在表1中，SURF表示从物侧(投影表面侧)开始计数的每一个表面的序号i，dst表示第i个表面和第(i+1)个表面的距离，并且r表示第i个表面的曲率半径。此外，typ表示表面形状，并且SPH表示该表面形状是球面形状。在本实施例中，第一到第十透镜108到118中的每一个是球面透镜。Nd和νd分别表示第i个表面和第(i+1)个表面之间的材料的折射率和色散系数。
[表1]
SURF dst r typ Nd νd
投影表面 2000
1 1.20 -2038.69 SPH 1.620 60.3
2 12.49 20.45 SPH
3 3.77 69.67 SPH 1.755 27.6
4 0.50 -45.06 SPH
5 2.49 31.87 SPH 1.755 27.6
6 1.88 72.98 SPH
7 1.20 23.65 SPH 1.487 70.4
8 6.95 7.94 SPH
9 5.00 -18.15 SPH 1.742 45.0
10 0.01 -9.48 SPH 1.742 45.0
11 1.20 -9.48 SPH 1.755 27.6
12 1.50 -58.97 SPH
13 2.31 228.53 SPH 1.487 70.4
14 -0.50 -15.19 SPH
光阑 14.72
16 1.20 ∞ SPH 1.755 27.6
17 1.62 41.86 SPH
18 3.30 -191.32 SPH 1.744 44.9
19 0.50 -23.82 SPH
20 3.65 32.72 SPH 1.744 44.9
21 2.13 -88.66 SPH
22 23.64 ∞ SPH 1.517 64.2
23 2.00 ∞ SPH
24 1.05 ∞ SPH 1.507 63.4
25 1.11 ∞ SPH
光调制器
在这个数值示例中，针孔模型中的投影光学系统107的出射光瞳位置位于与投影光学系统107的出射光瞳位置相同的位置；该位置向着光调制器121与第一透镜108的物侧表面相距19.58mm。投影光学系统107针对可测量最大视场角的光线的实际出射光瞳位置位于向着光调制器121与第一透镜108的物体侧表面相距19.66mm的位置。因此，针对可测量最大视场角的光线的出射光瞳位置偏移量Δ是0.08mm，其小于0.15mm。
在这个数值示例中，按照表达式(2)计算的由于针对可测量最大视场角的光线的失真校正残余引起的光轴方向上的误差是0.06mm，其被抑制为低于目标测量精度1mm的10％，并且表达式(3)提供0.0004的值。这个值小于0.0015，从而由于失真校正残余引起的光轴方向上的误差是小的。
图6A示出了针对可测量面内范围内的各个视场角的光线，投影光学系统107的出射光瞳位置偏移量。如从图6A可以理解地，出射光瞳位置偏移量Δ随着视场角增加而减小。
图6B示出了针对可测量面内范围内的各个视场角的光线，光轴方向上的误差。如从图6B可以理解地，在视场角的整个范围上，光轴方向上的误差被抑制为0.1mm或者更小。
图7示出了投影光学系统107的失真。因为包括在投影光学系统107内的所有透镜是球面透镜，所以失真随着视场角(像高)的增加而单调地增加。因此，当以函数拟合失真并且校正该函数时，可以用低阶函数拟合失真，这使得能够减少用于拟合的函数的参数的数量，并且因此使得能够迅速地和稳定地计算参数。
这个实施例充分地校正失真，同时将针对可测量最大视场角的光线的出射光瞳位置偏移量抑制到小的值。因此，这个实施例分别向第一和第二透镜108和109的对以及第三和第四透镜110和111的对提供关系以消除它们的失真。
第一透镜108具有双凹形状和负光焦度(光焦度是焦距的倒数)。第二透镜109具有双凸形状和正光焦度。第一和第二透镜108和109通过使用它们的负光焦度和正光焦度来消除它们的失真。第一透镜108具有-32.11mm的焦距f1，并且第二透镜109具有35.48mm的焦距f2；这些焦距的比f1/f2是-0.905。以在具有近似等于第一透镜108的光焦度的光焦度的第二透镜109处产生的失真消除大视场角的光线从其出射的第一透镜108处产生的失真使得能够将在第一和第二透镜108和109处产生的作为结果的失真抑制为小。
希望第一和第二透镜108和109的焦距的比f1/f2在-1.1和-0.9之间，即，满足以下列表达式(5)表示的条件:
-1.1<f1/f2<-0.9 (5)
低于表达式(5)的下限的f1/f2的值过度增加第一透镜108的正光焦度，这不合需要地使得不可以以第二透镜109校正第一透镜108处产生的失真。高于表达式(5)的上限的f1/f2的值过度增加第二透镜109的负光焦度，这导致以第二透镜109过度校正第一透镜108处产生的失真。结果，第二透镜109处产生的失真被保持，这是不被希望的。
第三透镜110是具有面对物侧的凸表面并且具有正光焦度的弯月透镜。第四透镜111是具有面对物侧的凸表面并且具有负光焦度的弯月透镜。第三和第四透镜110和111通过使用它们的正光焦度和负光焦度来消除它们的失真。此外，如图5所示，第三透镜110对于进入它的光线具有同心(concentric)形状，其通过在不显著地折射进入光线的情况下允许进入光线的通过来抑制第三透镜110处的像差的产生。
第三透镜110的物侧凸表面具有31.87mm的曲率半径r5，并且其光调制器侧凹表面(其是物侧表面的相反侧表面)具有72.98mm的曲率半径r6。第三透镜110的形状因子(r6+r5)/(r6-r5)是2.55。
为了向第三透镜110提供同心形状，希望第三透镜110的形状因子在2.5和3.5之间，换言之，满足以下列表达式(6)表示的条件:
2.5<(r6+r5)/(r6-r5)<3.5 (6)
低于表达式(6)的下限的形状因子不仅不可以向第三透镜110提供用于进入光线的同心形状，而且过度减小第三透镜110的物侧凸表面的曲率半径，从而不合需要地使得难以制造第三透镜110。另一方面，高于表达式(6)的上限的形状因子过度减小第三透镜110的正光焦度，这不合需要地破坏了第三和第四透镜110和111之间的失真消除关系。
第四透镜111以及第三透镜110对于进入它的光线具有同心形状。第四透镜111的物侧凸表面具有23.65mm的曲率半径r7，并且其光调制器侧凹表面具有7.94mm的曲率半径r8。第四透镜111的形状因子(r8+r7)/(r8-r7)是-2.01。
为了向第四透镜111提供同心形状，希望第四透镜110的形状因子在-3和-2之间，换言之，满足以下列表达式(7)表示的条件:
-3<(r8+r7)/(r8-r7)<-2 (7)
低于表达式(7)的下限的形状因子不仅不可以向第四透镜111提供用于进入光线的同心形状，而且过度减小第四透镜111的负光焦度，这不合需要地破坏了第三和第四透镜110和111之间的失真消除关系。另一方面，高于表达式(7)的上限的形状因子过度减小第四透镜111的光调制器侧凹表面的曲率半径，并且从而不合需要地使得难以制造第四透镜111。
虽然本实施例向投影装置的投影光学系统提供了针对可测量最大视场角的光线的小的出射光瞳位置偏移量，但是本投影光学系统可被用作图像捕获装置的成像光学系统。
即，当对于从光学图案投射到其上的物体104入射成像光学系统的图像捕获光，ENP0表示成像光学系统的入射光瞳位置，并且ENP1表示针对可测量最大视场角的光线的成像光学系统的实际入射光瞳位置时，希望成像光学系统满足以下列表达式(8)表示的条件:
|ENP0-ENP1|/BL≤0.0015 (8)
与投影装置的投影光学系统一样，成像光学系统针对可测量最大视场角的光线的实际入射光瞳位置相对于针孔模型中的入射光瞳位置的小的偏移量可以减小光轴方向上的误差。
除了满足表达式(8)的条件之外，更希望该成像光学系统满足表达式(4)到(7)的上述条件。
虽然本实施例描述了使用正负交叉检测法检测亮和暗图案中的边缘位置的情况，但是可以使用其它边缘位置检查法，诸如使用差分滤波器的方法和检测亮度分布的质心的方法。另外，测量三维形状的方法不限于上述的空间编码方法，并且可以使用在物体上投射正弦光学图案的相移法或者在其上投射线性光学图案的光学切割法。
[实施例2]
图8示出了作为本发明的实施例2的三维形状测量系统的配置。该实施例的三维形状测量系统由第一图像捕获装置201、第二图像捕获装置202和控制/处理装置203构成。
第一和第二图像捕获装置201和202从互相不同的两个位置(即，从两个方向)执行物体204的图像捕获。控制/处理装置203由个人计算机构成并且控制第一和第二图像捕获装置201和202的操作。控制/处理装置203还执行处理，以便通过使用由第一和第二图像捕获装置201和202产生(获取)的捕获的图像，测量物体204的三维形状。
该实施例的三维形状测量系统根据立体方法执行三维形状测量。在形状测量中，因为第一和第二图像捕获装置201和202的成像光学系统中各自具有失真，所以为了精确地测量物体204的形状，有必要校正失真分量，该失真分量是对应于包含在每一个捕获的图像中的失真的图像分量。因此，如实施例1，该实施例中的控制/处理装置203执行处理以通过假设每一个成像光学系统是针孔模型的光学系统来校正失真分量。
本实施例假设在可测量面内范围内每一个成像光学系统的最大视场角(以下简称为“可测量最大视场角”)是18度，该可测量面内范围是在图像捕获面内方向(其是与成像光学系统的光轴方向正交的平面的面内方向)上可以通过成像光学系统测量物体204的形状的可测量范围，作为从针孔模型中的入射光瞳位置到基准面的距离WD是1000mm，作为深度方向(光轴方向)上的可以通过成像光学系统测量物体204的形状的可测量范围的可测量深度范围是±200mm，并且作为第一和第二图像捕获装置201和202的成像光学系统的光轴之间的距离的基线长度BL是300mm。
根据这个假设，当针对18度的视场角的光线的成像光学系统的实际入射光瞳位置相对于针孔模型中的入射光瞳位置偏移1mm时，通过使用表达式(1)计算偏前200mm的位置处的失真校正残余是0.06mm，并且通过使用表达式(2)计算的光轴方向上的误差是0.22mm。
该实施例将物体204的深度方向上的目标测量精度设置为0.5mm或者更小。在这种情况下，当针对可测量最大视场角的光线的实际入射光瞳位置相对于针孔模型的入射光瞳位置偏移1mm时，由于失真校正残余引起的光轴方向上的误差是0.22mm，这对应于目标测量精度的40％。针孔模型中的入射光瞳位置一般位于成像光学系统的入射光瞳位置和针对可测量最大视场角的光线的实际入射光瞳位置之间。因此，有必要将针对可测量最大视场角的光线的实际入射光瞳位置相对于第一和第二图像捕获装置201和202中的每一个的成像光学系统的入射光瞳位置的偏移量Δ抑制到0.23mm或者更小。
在这种情况下，将针对可测量最大视场角的光线的实际出射光瞳位置ENP1相对于成像光学系统的入射光瞳位置ENP0的偏移量(以下简称为“入射光瞳位置偏移量”)Δ除以基线长度BL得到值0.00077。这个实施例要求该值是0.0015或者更小，换言之，对于从物体204入射的图像捕获光(图像捕获波长)，需要满足以下列表达式(9)表示的条件：
|ENP0-ENP1|/BL≤0.0015 (9)
其理由与在实施例1中针对表达式(3)解释的相同。
此外，对于图像捕获光(图像捕获波长)，希望该实施例满足以下面的表达式(10)表示的条件，其中ENP2表示针对可测量面内范围内的中间视场角的光线，成像光学系统的实际入射光瞳位置：
|ENP0-ENP1|<|ENP0-ENP2| (10)
其理由与在实施例1中针对表达式(4)解释的相同。
图9示出了第一和第二图像捕获装置201和202共有的成像光学系统205的具体配置。图9还示出了穿过成像光学系统205的光线的光路。成像光学系统205从物侧(图中的左侧)起依次包括：第一透镜206、第二透镜207、第三透镜208和第四透镜209。成像光学系统205还包括第五透镜210、第六透镜211、孔径光阑212、第七透镜213、第八透镜214和盖玻璃215。附图标记216表示将由成像光学系统205形成的物体204的光学图像转换为电信号的图像传感器。可以使用CCD传感器和CMOS传感器等作为图像传感器216。
在该实施例中，成像光学系统205具有25mm的焦距和2.4的F数(Fno)。
表2示出了成像光学系统205的数值示例的光学数据。在表2中，SURF表示从物侧(图像捕获表面侧)计数的每一个表面的序号i，并且dst，r，typ(SPH)，Nd和νd表示与表1中相同的数据。
[表2]
SURF dst r typ Nd νd
图像捕获表面 1000
1 5.00 -50.90 SPH 1.487 70.4
2 7.31 52.28 SPH
3 10.00 97.15 SPH 1.745 42.8
4 16.01 -57.80 SPH
5 5.08 15.84 SPH 1.653 54.6
6 0.78 28.77 SPH
7 2.14 16.64 SPH 1.755 27.6
8 5.00 8.11 SPH
9 4.27 14.65 SPH 1.755 27.6
10 6.37 10.77 SPH
11 5.72 -15.52 SPH 1.542 65.3
12 1.00 -10.68 SPH
光阑 21.86
14 3.30 62.16 SPH 1.487 70.4
15 1.99 -39.64 SPH
16 4.16 29.17 SPH 1.487 70.4
17 17.29 759.66 SPH
18 1.05 ∞ SPH 1.507 63.4
19 1.11 ∞ SPH
图像传感器面
在该数值示例中，针孔模型中成像光学系统205的入射光瞳位置位于与成像光学系统205的入射光瞳位置相同的位置；该位置向着图像传感器216与第一透镜206的物侧表面相距53.12mm。成像光学系统205针对可测量最大视场角的光线的实际入射光瞳位置也位于向着图像传感器216与第一透镜206的物侧表面相距53.12mm的位置。因此，针对可测量最大视场角的光线的入射光瞳位置偏移量是0mm，其小于0.23mm。
在这个数值示例中，按照表达式(2)计算的由于针对可测量最大视场角的光线的失真校正残余引起的光轴方向上的误差是0mm，其被抑制为低于目标测量精度1mm的10％，并且表达式(9)提供0的值。这个值小于0.0015，从而由于失真校正残余引起的光轴方向上的误差是小的。
图10A示出了针对可测量面内范围内的各个视场角的光线，成像光学系统205的入射光瞳位置偏移量。如从图10A中将理解地，针对可测量面内范围内的最大视场角的光线的入射光瞳位置偏移量小于针对可测量面内范围内的中间视场角的光线的入射光瞳位置偏移量。图10B示出了针对可测量面内范围内的各个视场角的光线的光轴方向上的误差。如从图10B可以理解地，在视场角的整个范围上,光轴方向上的误差被抑制为0.05mm或者更小。
图11示出了成像光学系统205的失真。因为包括在成像光学系统205内的所有透镜是球面透镜，所以失真随着视场角(像高)的增加而单调地增加。因此，如实施例1中地，可以用低阶函数拟合失真，这使得能够减小用于拟合的函数的参数的数量，并且因此使得能够迅速地并且稳定地计算参数。
与实施例1相同，这个实施例也充分地校正失真，同时将针对可测量最大视场角的光线的入射光瞳位置偏移量抑制到小的值。因此，本实施例分别向第二透镜206和207的对以及第三和第四透镜208和209的对提供关系以消除它们的失真。
第一透镜206具有双凹形状和负光焦度。第二透镜207具有双凸形状和正光焦度。第一和第二透镜206和207通过使用它们的负光焦度和正光焦度来消除它们的失真。第一透镜206具有-51.38mm的焦距f1，并且第二透镜207具有48.94mm的焦距f2；这些焦距的比f1/f2是-1.05。以在具有近似等于第一透镜206的光焦度的光焦度的第二透镜207处产生的失真消除在大视场角的光线进入的第一透镜206处产生的失真，使得能够将在第一和第二透镜206和207处产生的作为结果的失真抑制为小。
希望第一和第二透镜206和207的焦距的比f1/f2满足以实施例1中描述的表达式(5)表示的条件。
第三透镜208是具有面对物侧的凸表面并且具有正光焦度的弯月透镜。第四透镜209是具有面对物侧的凸表面并且具有负光焦度的弯月透镜。第三和第四透镜208和209通过使用它们的正光焦度和负光焦度来消除它们的失真。此外，如从图9理解地，第三透镜208对于进入它的光线具有同心形状，其通过在不显著地折射进入光线的情况下允许进入光线的通过来抑制第三透镜208处的像差的产生。
第三透镜208的物侧凸表面具有15.84mm的曲率半径r5，并且其图像传感器侧凹表面(其是物侧表面的相反侧表面)具有28.77mm的曲率半径r6。第三透镜208的形状因子(r6+r5)/(r6-r5)是3.45。为了向第三透镜208提供同心形状，希望第三透镜208的形状因子满足以实施例1中描述的表达式(6)表示的条件。
第四透镜209以及第三透镜208对于进入它的光线具有同心形状。第四透镜209的物侧凸表面具有16.64mm的曲率半径r7，并且其图像传感器侧凹表面具有8.11mm的曲率半径r8。第四透镜209的形状因子(r8+r7)/(r8-r7)是-2.9。为了向第四透镜209提供同心形状，希望第四透镜209的形状因子满足以实施例1中描述的表达式(7)表示的条件。
虽然该实施例描述了通过使用两个图像捕获装置的立体法执行三维形状测量的情况，但是可以采用另一种立体法，其将一个图像捕获装置移动到多个(两个或更多)地点，并且使用该图像捕获装置在该多个地点执行物体的图像捕获而产生的多个捕获的图像。
上述实施例中的每一个使得能够在使用针孔模型的同时，减小投影光学系统或者成像光学系统的失真在包括光轴方向的整个可测量范围内的影响。因此，每一个实施例可以实现能够充分地校正包含于捕获的图像内的失真分量并且从而能够非常准确地测量物体的三维形状的三维形状测量系统。
虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解本发明并不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被给予最宽泛的解释，以便包括所有这些修改以及等效的结构与功能。

Claims (14)

1.一种用于测量系统的投影装置(101)，所述测量系统包括：被配置为在物体(104)上投射投影光的所述投影装置(101)和图像捕获装置(102)，所述图像捕获装置被提供有成像光学系统，并被配置为通过所述成像光学系统来执行对其上投射有投影光的物体的图像捕获，所述投影装置包括：
投影光学系统，投影光通过所述投影光学系统被投射在物体上，
其特征在于，对于投影光，所述投影光学系统满足下列条件：
|EXP0-EXP1|/BL≤0.0015
其中EXP0表示所述投影光学系统的出射光瞳位置，EXP1表示针对通过成像光学系统对物体的可测量范围内的最大视场角的光线，所述投影光学系统的实际出射光瞳位置，并且BL表示所述投影光学系统和所述成像光学系统之间的基线长度。
2.根据权利要求1所述的投影装置，其中对于投影光，所述投影光学系统满足下列条件：
|EXP0-EXP1|＜|EXP0-EXP2|
其中EXP2表示针对所述可测量范围内的中间视场角的光线，所述投影光学系统的实际出射光瞳位置。
3.根据权利要求1所述的投影装置，其中所述投影光学系统从物侧依次包括：
具有负光焦度的第一透镜；
具有正光焦度的第二透镜；
具有正光焦度的第三透镜；和
具有负光焦度的第四透镜。
4.根据权利要求3所述的投影装置，其中第一透镜和第二透镜满足下列条件：
-1.1＜f1/f2＜-0.9
其中f1表示第一透镜的焦距，并且f2表示第二透镜的焦距。
5.根据权利要求3所述的投影装置，其中第三透镜是具有面对所述物侧的凸表面并且具有正光焦度的弯月透镜，以及
第三透镜满足下列条件：
2.5＜(r6+r5)/(r6-r5)＜3.5
其中r5表示第三透镜的所述凸表面的曲率半径，并且r6表示第三透镜的凹表面的曲率半径，第三透镜的所述凹表面是所述凸表面的相反侧表面。
6.根据权利要求3所述的投影装置，其中第四透镜是具有面对所述物侧的凸表面并且具有负光焦度的弯月透镜，以及
第四透镜满足下列条件：
-3＜(r8+r7)/(r8-r7)＜-2
其中r7表示第四透镜的所述凸表面的曲率半径，并且r8表示第四透镜的凹表面的曲率半径，第四透镜的所述凹表面是所述凸表面的相反侧表面。
7.一种测量系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1到6中任一个所述的投影装置(101)；
图像捕获装置(102)，所述图像捕获装置被提供有成像光学系统，并且被配置为通过所述成像光学系统对其上投射有投影光的物体(104)执行图像捕获；以及
处理装置(103)，所述处理装置被配置为执行处理以通过使用由所述图像捕获装置获取的捕获的图像来测量物体。
8.一种用于测量系统的图像捕获装置(201，202)，所述测量系统包括被配置为执行物体(204)的图像捕获的所述图像捕获装置，和处理装置(203)，所述处理装置(203)被配置为执行处理以通过使用由所述图像捕获装置获取的捕获的图像来测量物体，所述图像捕获装置包括：
成像光学系统，通过所述成像光学系统执行图像捕获，
其特征在于，对于从物体进入的图像捕获光，所述成像光学系统满足下列条件：
|ENP0-ENP1|/BL≤0.0015
其中ENP0表示成像光学系统的入射光瞳位置，ENP1表示针对通过成像光学系统对物体的可测量范围内的最大视场角的光线，所述成像光学系统的实际入射光瞳位置，并且BL表示以下之一：(a)从一个位置执行物体的图像捕获的图像捕获装置的成像光学系统和从另一个位置执行物体的图像捕获的图像捕获装置的成像光学系统之间的基线长度，以及(b)当投影光通过投影光学系统被投射在物体上时，所述投影光学系统和成像光学系统之间的基线长度。
9.根据权利要求8所述的图像捕获装置，其中对于所述图像捕获光，所述成像光学系统满足下列条件：
|ENP0-ENP1|＜|ENP0-ENP2|
其中ENP2表示针对所述可测量范围内的中间视场角的光线，所述成像光学系统的实际入射光瞳位置。
10.根据权利要求8所述的图像捕获装置，其中所述成像光学系统从物侧依次包括：
具有负光焦度的第一透镜；
具有正光焦度的第二透镜；
具有正光焦度的第三透镜；以及
具有负光焦度的第四透镜。
11.根据权利要求10所述的图像捕获装置，其中所述第一透镜和第二透镜满足下列条件：
-1.1＜f1/f2＜-0.9
其中f1表示所述第一透镜的焦距，并且f2表示所述第二透镜的焦距。
12.根据权利要求10所述的图像捕获装置，其中所述第三透镜是具有面对所述物侧的凸表面并且具有正光焦度的弯月透镜，以及
所述第三透镜满足下列条件：
2.5＜(r6+r5)/(r6-r5)＜3.5
其中r5表示第三透镜的所述凸表面的曲率半径，并且r6表示第三透镜的凹表面的曲率半径，第三透镜的所述凹表面是所述凸表面的相反侧表面。
13.根据权利要求10所述的图像捕获装置，其中所述第四透镜是具有面对所述物侧的凸表面并且具有负光焦度的弯月透镜，以及
第四透镜满足下列条件：
-3＜(r8+r7)/(r8-r7)＜-2
其中r7表示第四透镜的所述凸表面的曲率半径，并且r8表示第四透镜的凹表面的曲率半径，第四透镜的所述凹表面是所述凸表面的相反侧表面。
14.一种测量系统，其特征在于，包括：
一个或多个根据权利要求8到13中的任意一个所述的图像捕获装置(201，202)；以及
处理装置(203)，被配置为执行处理以通过使用由每一个图像捕获装置获取的捕获的图像来测量物体。
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