CN108240800A

CN108240800A - 表面形貌的量测方法

Info

Publication number: CN108240800A
Application number: CN201611204915.XA
Authority: CN
Inventors: 张巍耀; 杨蘭昇; 翁義龙
Original assignee: Chroma ATE Suzhou Co Ltd
Current assignee: Chroma ATE Suzhou Co Ltd
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-07-03
Anticipated expiration: 2036-12-23
Also published as: CN108240800B

Abstract

一种表面形貌的量测方法，包含：(a)决定多个投影像素与多个影像感测像素之间于待测面上的对应关系。(b)利用投影像素提供校正光至待测面。(c)决定至少一投影像素于第一曝光时间的亮度调整幅度。投影像素利用亮度调整幅度能够让影像感测像素于待测面上感测到亮度实质均匀的校正光。(d)提供具亮度调整幅度的第一结构光至待测面以测量表面形貌。第一结构光是由投影像素所产生，且投影像素产生至少二幅不同的投影图案以叠加成第一结构光。本揭露的表面形貌的量测方法可防止影像感测像素处于饱和状态，同时提供足够调制解析度的第一结构光，以提高形貌量测的解析度与准确度。

Description

表面形貌的量测方法

技术领域

本揭露是有关于一种表面形貌的量测方法。

背景技术

三维扫描技术是分析物体的外观(或几何形状)，其扫描到的信号会进行三维重建计算，以得出实际物体的数字信息。在一些量测方法中，可利用光源提供结构光以照射一物体，再通过影像撷取装置得到物体上的光束信息。由结构光的相位信息、间距或宽度变化，以分析出表面形貌。然而，因物体表面的反射率可能会不同，其量测到的结构光强度可能会不均匀，使得感测元件部分呈饱和状态，同时另一部分的感测强度十分弱，因此大幅降低表面形貌量测的解析度与准确性。

发明内容

本揭露提供一种表面形貌的量测方法，包含(a)决定多个投影像素与多个影像感测像素之间于待测面上的对应关系。(b)利用投影像素提供校正光至待测面。(c)决定至少一投影像素于第一曝光时间的亮度调整幅度。投影像素利用亮度调整幅度能够让影像感测像素于待测面上感测到亮度实质均匀的校正光。(d)提供具亮度调整幅度的第一结构光至待测面以测量表面形貌。第一结构光是由投影像素所产生，且投影像素产生至少二幅不同的投影图案以叠加成第一结构光。

在一或多个实施方式中，每一幅投影图案具有一光束调制时间，第一曝光时间大于光束调制时间。

在一或多个实施方式中，步骤(c)包含：(c1)将待测面上的校正光的暗区的亮度调整至预定灰阶值，并得出第一曝光时间与预定灰阶值的关系式。

在一或多个实施方式中，步骤(b)包含：(b1)提供光束至投影像素。(b2)投影像素调制光束以形成校正光。

在一或多个实施方式中，量测方法还包含(e)提高光束的亮度以缩短第一曝光时间。

在一或多个实施方式中，步骤(a)包含：(a1)提供第二结构光至待测面，其中第二结构光是由投影像素所产生。(a2)根据待测面的第二结构光以定义投影像素与影像感测像素之间的对应关系。

在一或多个实施方式中，步骤(d)包含：(d1)根据亮度调整幅度以决定至少一的投影像素的可调制灰阶深度。(d2)决定第一结构光的灰阶调制深度。(d3)根据可调制灰阶深度与灰阶调制深度以决定投影图案的张数与灰阶值。(d4)叠加投影图案以形成第一结构光。(d5)提供第一结构光至待测面。

在一或多个实施方式中，步骤(d3)包含：(d31)调整投影图案的调制方式以减少投影图案的数量。

通过上述实施方式所提供的表面形貌的量测方法，可防止影像感测像素处于饱和状态，同时提供足够解析度的第一结构光，以提高形貌量测的解析度与准确度。

附图说明

图1为本揭露一实施方式的表面形貌的量测方法的流程图；

图2为本揭露一实施方式的量测系统的示意图；

图3为图2的调制元件、感测元件与待测面的示意图；

图4与图5为图1的步骤Sa的方法示意图；

图6至图8分别为校正时各阶段的影像感测像素感测待测面的灰阶值分布图；

图9为曝光时间与灰阶值的关系图；

图10为图1的步骤Sd的流程图；

图11A与图11B为本揭露二实施方式的多个投影图案的灰阶值的示意图；

图12为本揭露一实施方式的调整第一曝光时间的流程图。

具体实施方式

以下将以附图揭露本揭露的多个实施方式，为明确说明起见，许多实务上的细节将在以下叙述中一并说明。然而，应了解到，这些实务上的细节不应用以限制本揭露。也就是说，在本揭露部分实施方式中，这些实务上的细节是非必要的。此外，为简化附图起见，一些已知惯用的结构与元件在附图中将以简单示意的方式绘示。

在一些实施方式中，可使用结构光以量测待测物表面的起伏，借此得知待测物的三维形貌。结构光可以是条纹光，通过感测到被表面所反射的条纹之间的间距、宽度或随时间的相位变化，可分析出表面的起伏状态。然而有些待测物各处的反射率不同，使得感测到的影像有些位置可能有过曝的情况产生。若将结构光的整体亮度调暗，则原本没有过曝的位置的反射光亮度反而会过低，难以被分析，因此可把对应过曝位置的结构光亮度调低，同时维持未过曝位置的结构光亮度，以感测出亮度均匀的结构光。不过如此一来，调低亮度的部分结构光就会牺牲条纹的可调制解析度，亦会影响后续影像分析的解析度与准确度。

因此，本揭露提供一种改善的量测方法，在感测到亮度均匀的结构光同时，亦能够维持条纹的可调制解析度，以增加形貌量测的解析度与准确度。图1为本揭露一实施方式的表面形貌的量测方法的流程图。在图1中，先如步骤Sa所示，决定多个投影像素与多个影像感测像素之间于待测面上的对应关系。之后，如步骤Sb所示，利用投影像素提供校正光至待测面。接着，如步骤Sc所示，决定至少一投影像素于第一曝光时间的亮度调整幅度。其中投影像素利用亮度调整幅度能够让影像感测像素于待测面上感测到亮度实质均匀的校正光。而后，如步骤Sd所示，提供具亮度调整幅度的第一结构光至待测面以测量表面形貌。其中第一结构光是由投影像素所产生，且投影像素产生至少二幅不同的投影图案以叠加成第一结构光。经由上述的方法，影像感测像素即可得到亮度均匀且调制解析度与准确度高的第一结构光，以提高形貌量测的解析度与准确度。

详细而言，请参照图2，其为本揭露一实施方式的量测系统的示意图。在图2中，量测系统包含投影装置110与影像撷取装置120。投影装置110用以将第一结构光投射至待测面200，而影像撷取装置120用以感测自待测面200反射的第一结构光。待测面200可为一待测物200’的表面，因此通过上述方法，即可测得待测物200’的表面形貌。

在本实施方式中，投影装置110可为投影机或其他能够提供结构光的光源，例如，投影装置110可包含光源112与调制元件114，光源112用以提供光束至调制元件114，而调制元件114用以将光束调制为第一结构光。调制元件114包含多个投影像素，投影像素可呈矩阵排列。通过控制各个投影像素的开关，可将光束调制为第一结构光。在一些实施方式中，调制元件114可为数字微型反射镜元件(Digital Micromirror Device，DMD)、液晶光阀或其他合适的元件。

另外，影像撷取装置120可为相机，然而本揭露不以此为限。影像撷取装置120可包含感测元件122与至少一透镜(或镜头)124。透镜124用以将自待测面200散射的光成像至感测元件122，而感测元件122用以感测自待测面200成像的光。感测元件122包含多个影像感测像素。影像感测像素可呈矩阵排列，借此分别感测光束的亮度。在一些实施方式中，感测元件122可为感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或其他合适的元件。

请一并参照图1与图2。在步骤Sa中，决定投影像素与影像感测像素之间于待测面200上的对应关系。此处的“对应”指的是在固定的待测面200上，通过某一投影像素的光束投射至待测面上200，并通过透镜124成像至某一影像感测像素，则此投影像素便对应至此影像感测像素。

举例而言，请参照图3，其为图2的调制元件114、感测元件122与待测面200的示意图。在图3中，调制元件114包含多个投影像素P1、P2至Pn，而影像撷取装置120包含多个影像感测像素C1、C2至Cn。通过投影像素P1的光投射到待测面200后，成像到影像感测像素C1，而被影像感测像素C1所感测，因此投影像素P1对应于影像感测像素C1。同样的，通过投影像素P2的光投射到待测面200后，光束成像到影像感测像素C2，而被影像感测像素C2所感测，因此投影像素P2对应于影像感测像素C2。另外，投影像素Pn对应于影像感测像素Cn，依此类推。不过，在其他的实施方式中，单一投影像素可对应至多个影像感测像素、多个投影像素可对应至单一影像感测像素、或者多个投影像素可对应至多个影像感测像素，本揭露不以此为限。

图4与图5为图1的步骤Sa的方法示意图。在图4中，待测面200上有一散射点S。投影装置110可先提供一第二结构光至待测面200上，此第二结构光例如为垂直的正弦条纹光。自散射点S反射的第二结构光会到达感测元件122中的一影像感测像素C，若散射点S的反射率非常强，则影像感测像素C可能会饱和，此时可降低投影装置110的亮度，以让影像感测像素C测得的亮度降低。如此一来，影像感测像素C可得到对应到散射点S的相位信息。不过因投影装置110为提供垂直的条纹光，因此影像感测像素C此时为对应到调制元件114的线段L1。

接着请参照图5。投影装置110提供旋转后的第二结构光至待测面200上，此旋转后的第二结构光与图4的第二结构光相交，例如为水平的正弦条纹光。接着重复图4的步骤，影像感测像素C可得到对应到散射点S的相位信息。因投影装置110为提供水平的条纹光，因此影像感测像素C此时为对应到调制元件114的线段L2。由线段L1与L2，即可得知影像感测像素C对应至调制元件114的投影像素P，亦即通过投影像素P的光会到达散射点S，之后被成像至影像感测像素C。之后再重复图4与图5的步骤，即可得到感测元件122的各影像感测像素C与调制元件114的各投影像素P的对应关系。在其他的实施方式中，可使用其他合适的方式(如格雷码(Gray Code)法)以得到影像感测像素C与投影像素P的对应关系，本揭露不以此为限。

接着请回到图1。如步骤Sb所示，利用投影像素提供校正光至待测面，在此处的校正光例如为亮度均匀的光束。在图2中，投影装置110的光源112是提供光束至调制元件114的投影像素。接着，投影像素再调制光束以形成校正光。在此的调制元件114以数字微型反射镜元件(DMD)为例，投影像素即为微型反射镜。每一微型反射镜具有调制深度(Modulation Depth)，调制深度越深，微型反射镜所反射的亮度对比度就越高。在一些实施方式中，微型反射镜具有8位字符(8-bit)的灰阶度，调制深度范围为0-255，然而本揭露不以此为限。当灰阶值为0时，微型反射镜所反射的亮度最低；当灰阶值为255时，微型反射镜所反射的亮度最亮。

请参照图6至图8，其分别为校正时各阶段的影像感测像素感测待测面的灰阶值分布图。横轴为待测面位置，纵轴为灰阶值。影像感测像素感测到的光强度越强，灰阶值越高，反之则越低。在此为了清楚起见，以一维空间的灰阶值分布示意之。请先参照图6。在一些实施方式中，因待测面的反射率不同，当亮度均匀的光束投射至待测面上时，各区域的反射率不尽相同。待测面上反射率较低(在本实施方式为最低)的区域定义为暗区，而反射率较高(在本实施方式为最高)的区域定义为亮区，感测元件122所感测到的灰阶值分布可如图6所示。其中影像感测像素具有灰阶饱和值Gs，当影像感测像素感测到的灰阶值高于灰阶饱和值Gs时，影像感测像素便处于饱和状态。

接着请参照图1与图7。如步骤Sc所示，决定至少一投影像素于第一曝光时间的亮度调整幅度，因此投影像素利用亮度调整幅度能够在待测面上形成亮度实质均匀的校正光。详细而言，先提高感测元件122的收光量，以将待测面上的校正光的暗区的亮度调整至预定灰阶值G，此时感测元件122的曝光时间为第一曝光时间。预定灰阶值G为影像感测像素所感测到的灰阶值，且预定灰阶值G小于灰阶饱和值Gs，以防止对应暗区的影像感测像素呈饱和状态。在一些实施方式中，灰阶饱和值Gs可为255，而预定灰阶值G的值可为240，然而本揭露不以此为限。在此情况下，除了感测待测区的暗区的影像感测像素之外，其他的影像感测像素(例如感测待测区的亮区的影像感测像素)皆呈现饱和状态，如图7所示。

请先参照图9，其为曝光时间与灰阶值的关系图。接下来为决定(对应至亮区的)投影像素于第一曝光时间的亮度调整幅度，以将(对应至亮区的)影像感测像素所感测到的灰阶值降为约预定灰阶值G。在图9中，线段OC表示对应至暗区的影像感测像素随曝光时间而改变的灰阶值。曝光时间越长，灰阶值越高，而当曝光时间为第一曝光时间时，对应至暗区的影像感测像素的灰阶值为预定灰阶值G，因此线段OC即为第一曝光时间与预定灰阶值G的关系式。

另外，线段OB、OB’表示对应至亮区两处的影像感测像素随曝光时间而改变的灰阶值。当在第一曝光时间时，对应至亮区的影像感测像素皆呈饱和状态。此时，将感测元件122的曝光时间缩短为第二曝光时间，使得对应至亮区的影像感测像素皆呈未饱和状态，但对应至亮区的影像感测像素的灰阶值GB、GB’仍高于对应至暗区的影像感测像素的灰阶值GC。接下来，利用对应至亮区的投影像素作为衰减器，例如调整投影像素的调制深度，以衰减对应至亮区的影像感测像素的灰阶值GB、GB’，使得对应至亮区的影像感测像素的灰阶值GB、GB’衰减至灰阶值GC，而由灰阶值GB(GB’)至灰阶值GC的衰减幅度即为亮度调整幅度。如此一来，当曝光时间再拉长至第一曝光时间时，对应至亮区与暗区的影像感测像素皆感测到预定灰阶值G。

接着，如图8所示，当投影像素皆经过亮度调整幅度的调整后，在第一曝光时间下，感测元件122的各影像感测像素的灰阶值皆为约预定灰阶值G。换言之，投影像素利用亮度调整幅度能够让影像感测像素于待测面上感测到亮度实质均匀的校正光。如此一来，光束的校正步骤即完成。

在此情况下，不同的投影像素具有不同的调制深度。举例而言，对应至暗区的投影像素的调制深度例如为255，亦即此部分的校正光未经过衰减。对应至亮区的投影像素因经过衰减，因此调制深度小于255。不同的投影像素衰减的程度可不同，因此调制深度亦不同。

接着请回到图1。如步骤Sd所示，提供具亮度调整幅度的第一结构光至待测面以测量表面形貌，其中第一结构光是由投影像素所产生，且投影像素产生至少二幅不同的投影图案以叠加成第一结构光。详细的步骤如图10所示，其为图1的步骤Sd的流程图。首先，如步骤Sd1所示，根据亮度调整幅度以决定投影像素的可调制灰阶深度。如上所示，对应至亮区的投影像素的调制深度为小于255，例如为199，表示此投影像素的可调制的最大灰阶值为199，其余的调制深度(即56)已作为衰减光束亮度之用，以防止对应的影像感测像素饱和。因此，此投影像素的可调制灰阶深度的范围为0-199。

之后，如步骤Sd2所示，决定第一结构光的灰阶调制深度，例如为255，亦即最亮点(255)与最暗点(0)之间具有256个阶级可调制。因此，当第一结构光为条纹光时，最亮点的灰阶值为255，最暗点的灰阶值为0，如此一来即可得到解析度较佳的结构光。

接着，如步骤Sd3所示，根据可调制灰阶深度与灰阶调制深度以决定投影图案的张数与灰阶值。如上所述，对应至亮区的投影像素的可调制灰阶深度小于255(亦即小于第一结构光的灰阶调制深度)，因此可利用两幅以上不同的投影图案来叠加成第一结构光。举例而言，若对应至亮区的投影像素的可调制灰阶深度范围为0-199(共200个阶级)，则两幅(灰阶值)不同的投影图案的可调制灰阶深度即可增加到400个阶级，因此便足够形成灰阶调制深度为255的第一结构光。在其他的实施方式中，若投影像素的可调制灰阶深度更少，则可再增加不同投影图案的张数。

接着，如步骤Sd4所示，叠加投影图案以形成第一结构光。之后，如步骤Sd5所示，提供第一结构光至待测面。如此一来，不但感测元件122的各影像感测像素皆处于未饱和状态，且第一结构光的解析度并不会因此而降低。之后，在下一时期，可提供具亮度调整幅度的另一结构光至待测面，因此每一影像感测像素即可通过该影像感测像素随时间的变化所感测到的灰阶值相位变化而分析出待测面的形貌。

接着请参照图11A与图11B，其为本揭露二实施方式的多个投影图案D1-D8的灰阶值的示意图。举例而言，在此二实施方式中，以8个投影图案D1-D8形成第一结构光。另外，为了方便起见，在此仅绘示三个投影像素P1-P3于各投影图案D1-D8的灰阶值。其中，在每一投影图案D1-D8的每一投影像素P1-P3(即图中的一格)中，灰阶值以网点部分与空白部分之间的比例表示。若网点部分占满一格，则灰阶值最高，若空白部分占满一格，则灰阶值最低。

在一些实施方式中，可利用调整投影图案D1-D8的调制方式以减少投影图案的数量。在图11A中，仅投影图案D5与D6为相同的投影图案，因此调制元件114需产生七种(D1-D5与D7-D8)不同的投影图案才能形成第一结构光，其所需的记忆容量较大。然而，在图11B中，投影像素P3的灰阶值调制方式被重新调整，而调整过后的投影图案D5-D8为相同的投影图案，因此调制元件114可仅产生五种(D1-D5)不同的投影图案即能形成第一结构光。如此一来，即可减少调制元件114的储存容量。

接着请参照图12，其为本揭露一实施方式的调整第一曝光时间的流程图。在一些实施方式中，若第一曝光时间过长，则第一结构光所需形成的时间会增加，亦即增加表面形貌的量测时间；反之，若过短则不足以形成解析度够高的第一结构光，因此可利用图12的方法以决定合适的第一曝光时间的长度。

首先，如步骤Se1所示，先决定一起始曝光时间T₁。接着，如步骤Se2所示，每一幅投影图案皆具有一光束调制时间t_D，判断起始曝光时间T₁与光束调制时间t_D的大小。其中光束调制时间t_D为产生每一投影图案所需的时间。若起始曝光时间T₁≦光束调制时间t_D，表示起始曝光时间T₁内不足以产生一幅以上的投影图案，因此需增加曝光时间。在一些实施方式中，可以步骤Se3所示，降低光源112(如图2所示)的亮度，以让曝光时间得以拉长成第一曝光时间T₀，如步骤Se4所示，亦即第一曝光时间T₀大于光束调制时间t_D。另一方面，在步骤Se2中，若起始曝光时间T₁＞光束调制时间t_D，则可直接到步骤Se4。在一些实施方式中，第一曝光时间T₀为光束调制时间t_D的整数倍。举例而言，若第一结构光由两张投影图案所叠加而成，则第一曝光时间T₀为光束调制时间t_D的两倍。

之后，再度检查第一曝光时间T₀是否过长。如步骤Se5所示，可判断是否需减少量测时间或者减少投影图案的张数，若是，则如步骤Se6所示，提高光源112(如图2所示)的亮度，以让第一曝光时间T₀减少，之后再回到步骤Se1重新检视调整后的第一曝光时间T₀的长度是否小于光束调制时间t_D。另一方面，于步骤Se5中若为否，则可确定第一曝光时间T₀的长度，如步骤Se7所示。之后便可回到图1的步骤Sb以开始决定每一投影像素的亮度调整幅度。

综合上述，通过本揭露各实施方式所提供的表面形貌的量测方法，可在防止影像感测像素处于饱和状态下，同时提供足够解析度的第一结构光，以提高形貌量测的解析度与准确度。

虽然本揭露已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本揭露，任何熟悉此技艺者，在不脱离本揭露的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本揭露的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种表面形貌的量测方法，其特征在于，包含：

(a)决定多个投影像素与多个影像感测像素之间于一待测面上的对应关系；

(b)利用所述多个投影像素提供一校正光至该待测面；

(c)决定至少一的所述投影像素于一第一曝光时间的亮度调整幅度，其中所述投影像素利用该亮度调整幅度能够让所述影像感测像素于该待测面上感测到亮度实质均匀的校正光；以及

(d)提供具该亮度调整幅度的一第一结构光至该待测面以测量表面形貌，其中该第一结构光是由所述多个投影像素所产生，且所述多个投影像素产生至少二幅不同的投影图案以叠加成该第一结构光。

2.根据权利要求1所述的量测方法，其特征在于，其中每一幅所述投影图案具有一光束调制时间，该第一曝光时间大于该光束调制时间。

3.根据权利要求1所述的量测方法，其特征在于，其中步骤(c)包含：

(c1)将该待测面上的该校正光的一暗区的亮度调整至一预定灰阶值，并得出该第一曝光时间与该预定灰阶值的关系式。

4.根据权利要求1所述的量测方法，其特征在于，其中步骤(b)包含：

(b1)提供一光束至所述多个投影像素；以及

(b2)所述多个投影像素调制该光束以形成该校正光。

5.根据权利要求4所述的量测方法，其特征在于，还包含：

(e)提高该光束的亮度以缩短该第一曝光时间。

6.根据权利要求1所述的量测方法，其特征在于，其中步骤(a)包含：

(a1)提供一第二结构光至该待测面，其中该第二结构光是由所述多个投影像素所产生；以及

(a2)根据该待测面的该第二结构光以定义所述多个投影像素与所述多个影像感测像素之间的对应关系。

7.根据权利要求1所述的量测方法，其特征在于，其中步骤(d)包含：

(d1)根据该亮度调整幅度以决定至少一的所述投影像素的一可调制灰阶深度；

(d2)决定该第一结构光的一灰阶调制深度；

(d3)根据该可调制灰阶深度与该灰阶调制深度以决定所述多个投影图案的张数与灰阶值；

(d4)叠加所述多个投影图案以形成该第一结构光；以及

(d5)提供该第一结构光至该待测面。

8.根据权利要求7所述的量测方法，其特征在于，其中步骤(d3)包含：

(d31)调整所述投影图案的调制方式以减少所述投影图案的数量。