CN110612427A

CN110612427A - 表面高度测量系统

Info

Publication number: CN110612427A
Application number: CN201780087816.4A
Authority: CN
Inventors: D·莫舍; B·贝; D·A·钱皮恩; J·迈金内尔
Original assignee: University of Oregon; Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: University of Oregon; Oregon State University; Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2017-04-01
Filing date: 2017-04-01
Publication date: 2019-12-24
Also published as: EP3568665A1; US20200232785A1; WO2018182751A1; EP3568665A4

Abstract

第一相机和第二相机以不同的角度定向并且被间隔开分离距离以确定表面高度测量。相机以镜头焦距聚焦于表面区域，以记录具有表面区域的共同特征的x‑y像素的所捕获的图像对。执行使所捕获的图像对的相关，以使用用于协助的基准来测量所捕获的图像对中的共同特征之间的一组视差距离。该组视差距离被转化成具有并入分离距离、镜头焦距、该组视差距离、以及校准误差因子的分辨率的一组z高度测量值。

Description

表面高度测量系统

背景技术

质量控制、检查、以及诊断能力是现代制造系统和材料设计的许多方面。诸如纳米技术、现代冶金、三维(3D)打印、以及其它新的制作工艺的创新技术正在改变制造业局面。随着这些技术进化及其处理能力扩展，用于分析、识别、检测、以及执行取证分析的新技术将有助于使这些创新向主流制造业发展。

附图说明

关于以下附图更好地理解本公开。附图的元素不一定相对于彼此成比例。而是，代替地重点被放在图示所要求保护的主题上。更进一步地，贯穿各附图，同样的参考标号指代对应的类似部件。然而，为了简洁，可以并不总是重新描述在随后的附图中使用的重复的参考标号。

图1是使用基准和校准误差因子的具有双成角度相机的示例表面高度测量系统的示意图；

图2是图示按照一个示例可以如何使用图1的表面高度测量系统来确定高度的示图；

图3是使用多层增材处理来创建的示例三维(3D)对象的图示；

图4是示例表面高度测量系统的图示，其具有交叉极化的多个光源以帮助识别表面特征；

图5是并入图1的示例表面高度测量系统的示例增材3D打印机的示意图；

图6是图示对于示例3D对象的未处理的构建材料层和经处理的构建材料层的示例横截面视图的示例用户界面的表示；

图7A和图7B是可以被用于操作示例表面高度测量系统的示例指令的流程图；以及

图8是一组示例未处理材料层，其与3D对象的示例计算机辅助设计模型相比较以展示示例表面高度测量系统对3D多层构建过程作出预测性分析的能力。

具体实施方式

利用双目相机对来检测看似平坦或者完好的(诸如3D打印构建材料层的)表面的表面高度是非常困难的，因为完好的表面可能看起来缺乏变化的表面轮廓来允许使两个立体图像匹配和相关。诸如金属粉末的构建材料和经烧结的表面以及各种塑料粉末和经熔融或者熔化形成的表面可能看起来是平坦的并且缺乏表面对比度。可替换地，使用激光扫描计量是非常缓慢的并且可能要花数十秒来完成对整个构建材料层的分析。添加“白光散斑(speckle)”通常被用作改进用于图像相关的图像散斑对比度以允许在表面轮廓测定中进行高准确度的表面粗糙度高度测量的技术。然而，该白光散斑通常是被喷涂、沉积、或者以其它方式施加到要被测试的表面上的。尽管如此，如果立体图像内的表面特征的对比度差，则图像匹配机器可读指令也可能花费长时间来在相关上收敛，如果它甚至完全可能的话。

3D打印系统中的诸如构建材料粉末层的一些表面不能更改它们的表面，或者这样的更改可能会引起3D打印过程不正确地执行。此外，3D打印是增材多层过程，并且想要在几秒钟的每层沉积循环时间之内以高精确度、高分辨率、以及高速度来执行构建区域的检查。循环时间可以在数千层上重复。已经发现各种构建材料重涂参数(尤其是层厚度和均匀性)对完成的3D对象部分性质有影响。进一步讲，可以预期构建材料层厚度、层均匀性、以及构建材料温度和包封密度都会影响特定的3D打印过程的热传递过程。人们不能假设每个构建材料层是平滑并且一致的，特别是在扩展的用途中以及在大量生产环境中使用3D打印机时。在这样的情况下，各种机器、材料、以及过程参数可能持续地变化，并且可能难以利用单目视觉或者双目立体视觉系统来精确地测量表面高度。用于增加立体视觉系统中的分辨率的各种调整可能会不幸地反作用地影响整体精确度并且降低处理的速度。因此，难以在不使立体视觉系统的其它方面降级的情况下针对一种改进进行调整。

以下公开描述了一种表面高度测量系统，其并入其它补偿因子和技术，以在表面层成像和表面高度测量期间使高精确度、高分辨率、以及高速度这三者保持可能。进一步讲，在此描述的快速并且精确的表面高度测量系统在3D多层增材打印系统中具有特定的适用性，以允许在期望的层循环时间之内处理对于未处理的构建材料层和经处理的构建材料层这两者的表面高度测量。“循环时间”是执行3D打印操作以铺开粉末层、预热该层、并且然后选择性地固化该层的各部分所花费的时间。具有多层3D对象构建的处理前和处理后表面高度细节二者允许在制造期间和制造后二者在原位发生诊断、检查、校正、以及质量控制。更具体的细节在下面对随后的附图的详细描述中。

图1是具有双成角度的立体相机(第一相机40和第二相机41)的示例非双目表面高度测量系统100的示意图。系统100使用校准误差因子50以允许对测量可靠性的现实评估，其对确认测量结果的精确性而言是最为重要的。总体上讲，出现在双图像2、3中的每个中的任何表面特征4在此可以被称为共同表面特征4。系统100还可以包括一组基准22以允许通过协助处理所记录的立体或者双图像2、3(在此也被用作所捕获的图像对2、3)来对具有平坦或者完好表面的共同表面特征4的快速处理。为了易于描述，示出了直角{x，y，z}坐标系24，尽管可以使用其它的坐标系。在本说明书中，术语“向上和向下”与z方向相关，“向左和向右”与x方向相关，并且“进入和离开页面”与y方向相关。这些描述符并不意味着要进行限制，并且所述轴可以被不同地定向，并且可以使用其它的坐标系。对于本公开而言，z轴表示z高度尺寸，并且x轴和y轴在表面区域10的平面创建轴。在本示例中，共同表面特征4被第一相机40视为第一表面特征11并且被第二相机41视为第二表面特征13，并且定位出ΔDx 12和ΔDy 14的相对视差距离或者ΔD 17的绝对视差距离。表面特征11、13具有ΔZ 64的z高度。

可以在来自第一和第二相机40、41的第一图像2和第二图像3中成像的共同表面特征4之间的像素位移的数量方面测量“视差距离”。因为共同表面特征4可以重叠多个像素，所以图像处理例程可以被用于对准双图像2、3、使双图像2、3相关并且通过使用内插技术来确定在子像素精度内所测量的视差距离。由于光学配置、定向、误差、以及其它因素，双图像2、3可能不是相同大小的、不是被对准的、或者不是相同几何形状的。已知为“矫正”的图像处理函数可以被用于对图像重定大小和重定形状以更好地进行对准和相关。在本实例中，矫正可以意味着校正图像以匹配图像传感器几何形状，但是也可以被更广泛地定义为针对任何预期的光学畸变对图像进行校正。

为了帮助改进双图像2、3中的共同表面特征4的对比度和表面细节，双相机40、41分别以基本相似的相对的角度θ₁30和θ₂32与由检查中的表面区域10限定的x-y平面成相反的角度。例如，对于许多示例而言，相对的角度可以是45度或者更一般地在大约55度与70度之间。较低的角度一般允许较大深度提取，但是仅到达其中取决于表面特征4的高度而可能发生遮蔽或阴影和反射并且双图像2、3开始不同的点，从而使得相关困难。在其它示例中，θ₁30和θ₂32可以被以不同的角度定向。当检查中的表面区域10中的预期深表面特征4可能在相对的相机视图中引起遮蔽或者阴影时，对于两个相机40、41的不同角度的该示例可以是有用的。如在下面的如何确定表面高度测量中解释的那样，第一相机40和第二相机41可以被分离开大于表面区域10的至少一条边(或者直径，如果是圆的话)的分离距离B 48(又称立体基线)，以提高分辨率。

一般地，增加分离距离B 48可能提高精确度，但是这样做是以通过限制可以找到的最近的共同表面特征4而降低分辨率为代价。增加分离距离B 48还减少了有效视差距离像素的百分比，因为图像重叠由于诸如在双图像2、3中示出的梯形失真(key-stoning)的图像陡峭(image sheer)而不太确定。关于使相机40、41成角度的另一个问题是在表面区域10的整个视场(FOV)上保持一致的焦点或者景深(DOF)。DOF取决于所配置的系统的相机、镜头、以及几何形状。可以通过使用更大的镜头f数(焦距比数)、减小镜头的焦距、使用具有更大弥散圆的图像传感器、以及增加相机距表面区域10的距离来增加DOF。使相对的角度最小化还增加了第一相机40和第二相机41之间的共同表面特征4的外观方面的更大遮挡和更多变化的可能性。

矫正可以被用于校正诸如图像陡峭的几何畸变，但是由于材料构建层的白噪声性质，难以使图像对准或者花费很长时间使机器可读指令找出解决方案。为了帮助加速矫正和对准，可以将一组基准22添加到图像2、3，或者将它们的位置提供给相关例程45以协助由于图像偏移、放大误差、旋转误差、相机未对准、以及图像陡峭而对双图像进行的快速对准。例如，可以通过使用投影到表面区域10上的光源将基准22添加到双图像2、3，所述光源诸如激光指示器或者另一个投影设备。在其它示例中，可以将基准22打印在表面区域10上。可以利用基准22作为跟踪机构以可靠地确定对于要被执行的相关有用的起始参数。一旦已经确定了针对包含基准的区的起始参数，就可以使用构建材料层的纹理作为跟踪机构来执行双图像2、3的随后的相关。添加一组基准22还可以改进聚焦，由此改进共同表面特征4的分辨率。因此添加一组基准22协助对双图像2、3进行更快的矫正和相关，同时还协助改进精确度和分辨率。这组基准还可以被用于通过提供完整的视差测量过程能够从其进行的稳定并且一致的起始点来协助更快并且更可靠地进行视差测量过程。进一步地，改进表面区域10的照明可以降低共同表面特征4中的遮挡和变化的概率，从而进一步增强速度、精确度和分辨率。

例如，两个相机40、41可以被沿着矩形表面区域10的x轴或者y轴定向、放大、并且以镜头焦距f 18、19聚焦以在相机传感器38、39内尽可能多地对准表面区域10。如果相机传感器38、39是4∶3长宽比的传感器，其在水平轴上比在竖直轴上更宽，则相机的传感器38、39可以被沿着矩形表面区域10的x轴或者y轴中的较短轴定向和对准，以最大化较长的x轴或者y轴的传感器覆盖。增加双图像2、3中的像素覆盖进一步帮助提高分辨率。焦距f18、19对于每个相机而言可以是不同的，特别是如果在不同的相对角度30、32处或者在两个相机的光学器件中存在差异的话。然而，一般地，镜头焦距f 18、19可以是基本相同的，并且被配置为最大化图像传感器像素覆盖，以尽可能充分地利用相机的传感器38、39。在大多数示例中，镜头焦距f 18、19和焦点这两者可以被设置在表面区域10的中心处。

可以由光源20照射表面区域10以减少阴影、光散斑、以及不期望的反射，并且由此增强表面区域10的图像纹理。在一个示例中，光源20可以是自然太阳光、环境光、人造光、或者其组合。在其它示例中，针对检查中的表面区域10的类型具体设计并且配置光源20，以提供用于解析共同表面特征4的以合适的角度、(多个)频率、极化、以及强度的光。光源20可以使其强度、极化、以及颜色由处理器、CPU 42控制以提供不同的照明水平，这取决于被测量的表面区域10，例如针对未处理的构建材料层的更高的强度并且针对经处理的构建材料层的更低的强度，所述经处理的构建材料层可能由于具有更多反射表面的经烧结或者经成形的构建材料而具有更大反射。在一个示例中，光源可以是单色的，以减少相机镜头中的色差并且由此增加z测量读数的精确度。在其它示例中，光源20可以具有多个互补的不同极化的光源，其是可编程或者固定的，具有在第一相机40和第二相机41镜头上的互补的不同极化的滤波器，以减少反射并且增强表面纹理(查看图4)。

第一相机40和第二相机41可以可通信地耦合到诸如CPU 42的处理器，以将每个相机40、41的图像传感器38、39的内容记录为所捕获的图像对2、3。在其它示例中，第一相机40和第二相机41可以使所捕获的图像对2、3存储在由CPU 42可访问以读取和处理的存储器中。CPU 42可以是具有一个或多个核以及诸如x86^TM，x64^TM，ARM^TM、PowerPC^TM等的一个或多个处理器架构的一个或多个处理器。CPU 42被进一步耦合到非暂态计算机可读介质(CRM)44，所述非暂态计算机可读介质(CRM)44包含被组织为由CPU 42可读取并且可执行的模块或者例程的指令集。计算机可读介质(CRM)44允许存储表示在此描述的任何方法或者功能或者由在此描述的任何方法或者功能利用的数据结构和机器可读指令集(例如，软件、固件、逻辑)。所述指令还可以完全地或者至少部分地驻留于静态存储器、主存储器、和/或在由处理器执行期间在处理器CPU 42之内。主存储器和处理器存储器还可以构成计算机可读介质44。术语“计算机可读介质”44可以包括存储指令或者数据结构的单个或者多个介质(集中式或者分布式)。CRM 44可以被实现为包括但是不限于固态、光学、以及磁性介质，无论是易失性还是非易失性的。这样的示例包括半导体存储器设备(例如，可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、以及闪速存储器设备)、诸如内部硬盘驱动器和可移除盘的磁盘、磁光盘、以及CD-ROM(压缩盘只读存储器)和DVD(数字多功能盘)光盘。

CRM 44可以包括：1)相关模块45，其被用于使用基准22来协助使从相机40、41中的传感器38、39记录的双图像2、3相关；2)视差模块46，用于从相关的图像创建一组视差距离17；以及3)高度测量模块47，用于通过并入该组视差距离17、相机距离B 48、焦距18、19以及校准误差因子ε50以经校准的分辨率从该组视差距离17为表面区域10创建一组z高度测量ΔZ 64。

为了协助确定矫正以及表面区域10的原点，可以使用一组基准22。在一个示例中，该组基准被作为位置提供给相关例程45以帮助矫正、对准、以及加速相关搜索。例如，来自先前层循环的在矫正中使用的原点和一组固定的像素位置可以被提供，并且在当前层循环中被用作一组基准22。在其它示例中，该组基准22可以被以许多方式中的一种来定位并且由相机40、41读取，并且该组基准22的(多个)位置被相关例程45使用以对准并且加速来自相机传感器38、39的双图像2、3的相关。在一个示例中，该组基准22可以位于经校准的表面区域10的局部最小值处。在另一个示例中，特别准备的表面目标被放置或者投影到表面区域10和由每个相机40、41取得的图像2、3中。可以使用表面目标基准22来使双图像2、3快速地矫正、对准、并且相关。

利用子像素内插的视差例程46可以被用于处理图像对2、3以创建一组视差距离ΔD17。例如，第一图像传感器38的表面区域10上的第一表面高度特征11位于与第二图像传感器39上的相关的第二表面高度特征12相距距离ΔDx12和距离ΔDy14处，以创建等于((ΔDx)²+(ΔDy)²)^1/2的视差距离ΔD 17，并且使用子像素内插来提高分辨率。对于在两个图像对2、3之间检测到的每个表面高度特征进行所述视差距离计算。这创建了一组视差距离ΔD17。知道对于位于(x，y)子像素位置处的每个特征的视差距离，可以由高度测量例程47使用校准误差因子ε50来执行z高度测量ΔZ64。

图2是图示如何与所测量的一组视差距离ΔD17一起使用图1的表面高度测量系统100来确定z高度ΔZ64的示图200。假设每个相机40、41的镜头焦距f 18、19是相同的。Z₁60是从第一相机40到表面区域10上方/下方的假想表面170处的共同表面高度目标的以米为单位的垂直距离，并且Z₂62是从第二相机41到表面区域10上方/下方的假想表面272处的相同的共同表面高度目标的以米为单位的垂直距离。镜头焦距f 18、19是针对每个相机40、41的以像素为单位的相应焦距。B 48是在第一相机40和第二相机41之间的基线距离。D₁15是针对第一相机40的从原点(诸如基准22或者其它确定的原点位置)到共同高度目标的以像素为单位的距离，并且D₂16是针对第二相机41的从原点到共同高度目标的以像素为单位的距离。ΔD 17(D₁-D₂)是在图像传感器38、39中的每个中的标注共同高度目标的共同表面特征4之间的以像素为单位的视差距离。

通过三角测量，任何两个z高度测量之间的差可以被写作：

通过最小化上面的结果可以获得Z高度测量分辨率：

其中min(ΔD)是被应用于测量相机传感器38、39的双图像2、3中的共同表面特征4之间的视差距离17的子像素内插分辨率。

然而，min(ΔZ)只是理想的可实现的z高度分辨率，并且该z高度分辨率由于各种校准因子和可能的误差源而要被调整。在一个示例中，所述调整可以是单个校准误差因子ε50或者其可以是从校准过程确定的，所述校准过程要在逐像素的基础上、在局部区域的基础上、或者基于作为该组视差距离的x和y像素(或者子像素)位置中的一个或两个的函数的公式来设置。因此，校准误差因子ε50可以是统一误差因子、逐像素误差因子以及基于关于表面区域的像素位置的公式化误差因子中的至少一个。将校准误差因子ε50包括在z高度测量分辨率中允许z高度测量值ΔZ 64是实际上精确的。

通过向子像素内插添加投影的校准误差因子ε50(以像素为单位)来将Z高度测量值分辨率min(ΔZ)转换成误差近似值，其可以被写为：

然后可以根据如下等式来报告z高度测量：

z-高度＝mod((ΔZ+表面2高度)，Z_e)

其中表面2高度可以是表面区域10的局部最小值或者原点值。

可以从上面的等式推导出减少Ze高度测量误差的双相机40、41的可接受的操作角度的范围。增加B会减少Ze误差，但是如先前指出的那样，只能在其它误差发挥作用之前增加B那么多。对充分聚焦表面区域10的整个视场(FOV)的景深(DOF)要求可能远在操作相机角度θ30、32愈发逼近零之前就超过许多相机系统的能力。如早前指出的那样，遮挡和阴影误差也可以发挥作用。可以使用以下等式来计算针对相机-镜头组合的DOF：

其中N是镜头f数，c是成像传感器的弥散圆(mm)，f是镜头的焦距(mm)，并且s是相机聚焦于其处的距离(mm)。充分聚焦给定的水平FOV(HFOV)所需的DOF可以被导出为相机操作角度的函数：

DOF＝HFOVcos(θ_相机)

其中当最长维度被用于填充成像传感器的一个维度时，HFOV是表面区域10的最短维度。重新排布上面的等式以求解最小操作相机角度，以基于相机-镜头参数和系统的几何形状提供最低的Ze高度测量误差，给出如下结果：

因此，针对双相机40、41的相机角度θ30、32可以被设置在大约θ_相机，min与大约70度到90度之间，尽可能地接近θ_相机，min以增加z高度测量的精确度和分辨率。

例如，如果表面区域10的视场是6英寸(″)乘8英寸(″)的区域，则示例商用12兆像素双相机系统可以被间隔开至少大于6英寸的分离距离B 48，并且被定向、对准、缩放、和聚焦以在8″×6″的表面区域10上解析48um/像素。相机-镜头具有16的N镜头f数，0.011mm的弥散圆c、35mm的焦距、以及540mm的相机聚焦于的s距离。这提供了景深：

DOF

＝2(16)(0.011mm)(35mm)²(540mm²)/(35mm)⁴＝84.3mm

以及最小相机操作角度：

上述参数的经验系统已经能够以至少6.5微米的分辨率来解析z高度测量。

如果使用了更小的视场，诸如2″×2.5″的表面区域，则当前示例商用12兆像素双相机系统可以被间隔开大于2″的分离距离B并且被定向、对准、缩放、和聚焦，以在更小的表面区域10上解析15um/像素，并且具有上述参数的经验系统已经能够以至少1.4微米的分辨率解析z高度测量。这些经验系统二者能够在1秒之内执行表面区域10的一组z测量。

图3是使用具有构建材料302的多个层314的多层增材过程来创建的示例三维(3D)对象304的图示300。3D对象304和构建材料302的多个层314是在构建平台310上形成并且处理的，所述构建平台310是在z轴上向下可移动的，因为每个层314被沉积、展开、或者以其它方式铺设并且分散在构建材料302的先前各层和3D对象304的顶部上。在一些示例中，由相关例程45处理并且返回局部最小值306。为了帮助加速定位局部原点306，可以使用来自相机传感器38、39的具有基准22的所捕获的图像对2、3将一组基准22提交到相关例程45和/或由相关例程45处理该组基准22。例如，在一个示例中，基准22可以是被(诸如由激光指示器或者其它投影系统)投影到构建区域10上的并且由第一相机40和第二相机41中的每个进行成像的图像。在另一个示例中，基准22可以是所沉积的材料，诸如在构建3D对象304时一般远离3D对象304的区域中的着色熔剂。在又其它示例中，基准22可以是也位于远离3D对象304的位置的分离的3D对象。所投影的基准22的使用可以允许在3D打印过程中的任何时间处测量各层。所打印的基准22的使用可以在对于未处理的材料构建层的着色熔剂进行的打印通过已经发生之后限制对各层的测量的发生。在一些示例中，先前层的局部最小值306可以被用作传递到下一层的相关例程的基准22以被用作起始点，并且因此最小化找到针对下一层的局部最小值306所需的时间，因为通常局部最小值将由在多个层上可重复的重涂展开误差来限定。

3D打印过程可以是构建材料302的多层过程，所述构建材料302涂覆有用于吸收光能的聚结剂(未示出)以熔化要在其处形成3D对象304的构建材料302。在其它示例中，3D打印过程可以包括可以被利用诸如定向激光器或者其它电磁源(包括加热的铁)的能量源烧结的各种金属粉末的构建材料。在大多数示例中，构建平台310可以是可移动的，以允许3D对象下降，并且允许新一层314的构建材料302被沉积在先前的经处理的构建材料表面312的顶部上并且创建新的未处理的构建材料表面316。表面高度测量系统100可以被用于确定在经处理的构建材料表面312向下移动之前的其z高度测量ΔZ 64以及在未处理的构建材料表面316被铺设之后的其z高度测量ΔZ 64这两者。3D打印系统可以提供触发信号或者可以通过监视3D构建过程组件来确定触发信号。

图4是具有双光源420、422的示例表面高度测量系统100的图示400，所述双光源420、422具有交叉极化，以帮助区分表面区域10上的共同表面特征4。插图410是表面高度测量系统100的顶视图，其示出与双光源420、422正交地定向的第一相机40和第二相机41。第一光源420使它的光在第一方向421上极化，并且对应地，第一相机40具有定向在第一方向421上的极化滤波器412，以接收从表面区域10反射的来自第一光源420的光，并且基本上阻挡来自第二光源422的光。第二光源422使它的光在与第一方向421基本正交的第二方向423上极化，并且对应地，第二相机41具有定向在第二方向423上的第二极化滤波器414，以接收从表面区域10反射的来自第二光源422的光，并且基本上阻挡来自第一光源420的光。通过使交叉极化光源垂直于第一相机40和第二相机41的轴定向，可以通过减少反射、光散斑、以及阴影来增强表面区域10的表面纹理，从而使共同表面特征4更加明显并且允许相关例程更快地操作。第一光源420和第二光源422可以是白炽灯、LED、荧光灯、卤素灯等，并且可以具有区域泛光设计，以允许光能跨表面区域10的均匀分布。

在另一个示例中，附加的第三和第四光源424、426可以沿着第一相机40和第二相机41的轴定向，以提供进一步的照明并且防止阴影。在第一相机40下方的第三光源424的极化可以具有与极化滤波器412相同的极化定向，以仅接受来自表面区域10的反射光并且阻挡来自第二相机41下方的第四光源426的直射光和反射光。在第二相机下方的第四光源426可以使其极化定向为具有与第二极化滤波器414相同的极化，因此仅将来自表面区域10的反射光引导到第二相机41并且阻挡来自在第一相机40下面的第三光源424的光。

图5是并入图1的示例表面高度测量系统100的示例增材3D打印机500的示意图。在该示例中，外壳550包围用于构建3D对象304的构建床540。外壳可以包括一组查看端口504，用于允许相机存在于外壳550之外，以防止蒸汽、颗粒、以及其它污染物附着到第一相机40和第二相机41的镜头。查看端口504可以包括I/R、UV、极化、或者其它滤波器以帮助防止对双相机40、41的损害并且帮助增强表面区域10的表面纹理。在一些示例中，第一相机40和第二相机41可以被包裹在外壳550之内。

在本示例中的重涂器522移动进入和离开页面(在y轴方向上)以将构建材料层314放下并且分布到表面区域10上。在一些示例中，重涂器522是展开杆，并且在其它示例中，重涂器522可以是辊。重涂器522还可以包括用于保持构建材料的料斗(未示出)。辐射源520可以被用于加热构建材料。辐射源520可以是静止的或者定向和配置为在x(左和右)方向或者y(进入和离开页面)方向上移动。3D打印机500还可以包括用于涂覆构建材料302区域的聚结剂展开系统(未示出)，以允许更好地从辐射源520吸收能量。在一些3D打印系统中，辐射源520可以是被用于烧结诸如金属粉末的构建材料的激光系统。在其它示例中，激光源520可以是由被放置在构建材料上的聚结剂吸收以允许选择性地加热的红外线(I/R)、紫外线、或者其它电磁源。

构建床540在沉积和展开构建材料302的每个层之前在向下的方向530上移动。在本示例中利用第一光源510和第二光源511照射构建床540来为第一相机40和第二相机41提供表面区域10的良好的图像纹理，以捕获未处理的构建材料层314的双图像2、3。如在图4中解释的那样，第一光源510和第二光源511可以是交叉极化的，并且合适的极化滤波器与第一相机40和第二相机41一起使用。一旦在表面区域10上放置并且展开构建材料层314，就从3D打印接收第一触发信号502以创建第一组z高度测量ΔZ 64。

构建材料层314表面(无论是金属粉末还是塑料粉末)可以在光学上与白光散斑类似，这是立体双图像2、3的高准确度高度测量的基础。然而，一旦被处理，它就可能并不在光学上像白光散斑。因为用于相关的许多技术可能花费未知的时间来使立体双图像2、3相关，所以可能存在很长并且不确定的时间来执行相关例程45。为了确保立体双图像2、3的快速相关，可以将一组(包括一组中仅一个的)基准22投影、沉积、或者形成在表面区域10上的构建材料层314上，以协助相关例程45、视差例程46、以及高度测量例程47来在大约1秒钟内使双图像2、3匹配和相关、确定视差距离、以及计算z高度测量ΔZ 64。例如，可以利用这组基准22作为跟踪机构来可靠地确定用于相关例程45的起始参数。一旦已经确定了针对包含基准22的区的起始参数，就可以使用构建材料层314表面的纹理作为跟踪机构来执行双图像2、2的随后的相关。

在该图示的示例中，基准22是在构建床540中远离期望的3D构建对象形成的附加的构建对象。在该示例中，在铺设并且展开构建材料层314之后，使用特殊的染料聚结剂来光学地标记基准22要被定位在何处。在一些示例中，用于基准22的聚结剂可以被设计为不从辐射源520吸收能量，但是在其它示例中，它可以吸收能量以形成固体片，所述固体片不太易受由下一个构建材料层314的展开所引起的误差的影响。

在取得构建材料层314的z高度测量ΔZ 64之后，跨表面区域10移动辐射源520以选择性地有意熔融、熔化、或者粘着针对特定3D打印机的合适构建材料以形成3D对象304层。在利用来自辐射源520的能量辐射构建材料层314之后，从3D打印机生成或者接收第二触发信号502以针对经处理的构建材料层312创建第二组z高度测量ΔZ 64。因此，高度测量系统100捕获z高度测量ΔZ 64的未处理的构建材料表面316组和z高度测量ΔZ 64的经处理的构建材料层表面312组这两者。具有未处理的z高度测量和经处理的z高度测量这两者允许在构建3D对象304器件和之后分析、表征、比较和监视有价值的信息。

例如，图6是图示示例3D对象304的未处理的构建材料层610和经处理的构建材料层612的示例横截面视图的示例用户界面600的表示。例如，用户可以使用下拉菜单605来选择要查看的针对未处理层图像602和经处理层图像604的图像的类型。图像类型可以是3D视图、如示出的那样的2D横截面视图、与原始3D对象模型组合的图像等。用户可以从打开文件图标606、打印图标607、保存图标608、以及文件转换(诸如Excel^TM或者PDF格式)中进行选择。如果示出横截面视图，则用户可以使用前进和后退图标614来移动经过未示出的维度。例如，可以示出x轴和z轴视图，并且用户可以在y轴的方向上向前和向后扫描。在一个示例中，可以将所示出的未处理和经处理的构建材料层610、612进行链接，使得经过图像602、604中的一个的扫描与另一个图像的扫描同步自动完成，以能够查看在各种未处理层610中的改变如何影响经处理的层612。虽然示出了2D横截面图像602、604，但是其他选项可以是示出未处理层图像620和经处理层图像604的3D拓扑图。

图7A和图7B是示例指令的流程图700、750，所述示例指令可以被用于操作示例表面高度测量系统100。在图7A中，相关例程45可以包括用于使来自第一相机40和第二相机41的图像对2、3相关的指令702，所述第一相机40和第二相机41间隔开分离距离B 48、以镜头焦距18、19聚焦于表面区域10、并且通过使用基准22以不同的角度30、32定向于表面区域10。视差例程46可以包括用于测量图像对中的共同特征4之间的一组x-y视差距离ΔD 17的指令704。在一个示例中，子像素内插可以被用于测量图像对2、3中的共同表面特征4之间的一组x-y视差距离ΔD 17。存在子像素内插和视差距离测量的许多不同方法。高度测量例程47可以包括用于将该组x-y视差距离ΔD 17转换成具有一分辨率的一组z高度测量ΔZ 64的指令706，所述分辨率并入分离距离B 48、镜头焦距18、19、该组x-y视差距离ΔD 17、以及校准误差因子ε50。

图7B包括附加指令750，所述附加指令750可以与指令700组合以向示例表面高度测量系统100提供附加的功能。例如，校准指令740可以被用于确定校准误差因子ε50。指令708被用于创建构建床540的表面区域10的第一组z高度测量ΔZ 64。指令710被用于将构建床540的表面区域10移动预先确定的z距离530，其可以是向上或者向下的。指令712被用于创建构建床540的表面区域10的第二组z高度测量ΔZ 64。指令714被用于使用关于第一组z高度测量ΔZ 64和第二组z高度测量ΔZ 64之间的差的预先确定的z距离530的统计分析，基于第一组z高度测量ΔZ 64和第二组z高度测量ΔZ 64和预先确定的z距离530，来确定校准误差因子ε50。

例如，3D打印机500可以具有用于移动构建床540的精确步进马达系统。通过将构建床移动预先确定的z距离530，可以将第一组z高度测量ΔZ 64和第二组z高度测量ΔZ 64之间的一组校准差与在表面区域10上的预先确定的z高度进行比较，并且平均值或者中位值可以被用于至少部分校准误差因子ε50。通过使用该方法，由视觉系统自身引起的任何校准误差，诸如光学对准、光学畸变、聚焦、放大、矫正等，可以被并入到单个值中。然而，如果该组校准差的标准差超过预先确定的阈值，则校准误差因子ε50可以是多因子的校准误差因子ε50，诸如一组逐像素校准误差因子ε50、基于子区的一组校准误差因子ε50、或者(诸如通过由该组校准差的回归分析来确定的)基于表面区域10内的像素位置的公式化误差因子。在一些示例中，可以使用多个预先确定的z距离530来执行校准指令的多次执行，以进一步将构建床540的定位合并在高度测量系统100的校准内。

例如，3D打印机500可以包括具有表面区域10并且在z轴上可移动的构建床540，并且CRM 44可以包括确定校准误差因子ε50及其类型的指令，无论所述校准误差因子ε50是单个统一误差因子、逐像素误差因子，还是基于表面区域10内的像素位置的公式化误差因子。例如，指令可以创建表面区域10的第一组z高度测量ΔZ 64，并且然后将构建床540移动预先确定的z距离。然后指令可以创建表面区域10的第二组z高度测量ΔZ 64，并且然后确定在第一组z高度测量ΔZ 64和第二组z高度测量ΔZ 64之间的表面区域10上的一组差。然后指令可以将预先确定的z距离与表面区域10上的这组差进行比较；并且基于在表面区域10上的任何误差及其变化的分布的统计分析将校准误差因子ε50确定为统一误差因子、逐像素误差因子和基于表面区域内的像素位置的公式化误差因子中的至少一个。

在另一个示例中，一组监视指令742可以被用于将表面测量系统100并入到3D构建过程中，以在3D对象304的创建期间主动监视、诊断、校正、或者更改3D构建过程的过程流程。例如，指令716被用于主动监视未处理的构建材料层316和经处理的构建材料层312这两者的z高度测量ΔZ 64。然后指令718确定针对未处理的构建材料层316和经处理的构建材料层312中的至少一个的过程外(out-of-process)状况。然后指令718可以在过程外状况在预先确定的阈值之外时更改构建会话以对于任何所诊断的问题进行校正，诸如暂停或者终止构建会话、更改施加到未处理的构建材料316的能量的数量、重新施加未处理的构建材料316的新的层、警告操作者等。

例如，随时间的经过，重涂器522可以具有具备弹性材料的展开器杆或者辊，其在与3D对象304热接触的区域中扩张或者基于任何未处理的构建材料316和经处理的构建材料314的固体区域之间的压力差而收缩(例如参见图8)。另外，一些构建材料或者污染物可能粘贴、粘着或者以其它方式粘附于重涂器522，从而引起不平坦的展开、沟槽、或者其它展开误差。例如，基于一组z高度测量值ΔZ 64，可以确定没有3D对象304的特征上的材料粉末要被固化。一个校正动作可以是施加未处理构建材料314的新的层。另一个校正动作可以是不向缺失材料粉末的区域施加能量以防止重新加热3D对象304的各部分。在另一个示例中，如果残余的应力引起3D对象304的一部分上升到表面区域10的平面之外，则可以在该区域中施加较低能量或者不施加能量以帮助管理3D对象304内的应力。

如果3D对象构建包括数千层，则可能最好警告操作者该过程外状况，对其进行记录以用于随后的检查，或者简单地停止3D构建过程以允许过程外状况被校正或者重新启动3D构建过程。在一些示例中，诸如检测到展开层由于重涂器522发热而具有过程外状况，指令可以允许重涂器522冷却并且然后重新施加新的粉末层，取得一组z高度测量ΔZ 64，并且确认发热问题已经被解决。如果发热问题再次发生，则可以减慢构建3D对象304的速度以允许对于重涂器522的自然冷却的发生，或者用于重涂器522或者构建床540的风扇或者其它主动冷却系统可以被激活。如果基于z高度测量ΔZ 64确定重涂器522仅仅是被磨损，则系统可以暂停3D构建并且警告操作者更换并且替换重涂器522。

可以包括用户界面指令720以创建诸如在图6中图示的图形用户界面600，以允许操作者查看对于未处理的构建材料层316和经处理的构建材料层312这两者的多个z高度测量ΔZ 64的拓扑结构。所示出的拓扑结构可以是具有或者不具有3D对象304的计算机辅助设计(CAD)模型的叠加的2D横截面、3D拓扑图。可以包括各种选项以允许同步查看未处理和经处理的构建材料层316、312。图形用户界面600可以是交互式的并且与3D构建同时进行的，或者其可以在3D构建之后通过保存并且检索历史3D构建数据文件来执行。

在其它示例中，可以包括诊断指令722以在3D构建期间检测并且映射异常，诸如检测并且映射来自若干层上的多个z高度测量ΔZ64的颗粒大小。颗粒可以存在于未处理和经处理的构建材料层图像中的一个或者两个中，取决于其来源或者创建以及各种处理参数。

图8是一组800示例未处理的材料层810，其被与3D对象304的示例CAD模型850相比较以展示示例表面高度测量系统用以对3D多层构建过程进行预测分析的能力。在这些示例中，重涂器522是具有弹性材料的展开器杆。在第一示例802中，第一展开器杆810呈现扩张区820，其中在3D构建过程期间来自3D对象的热引起弹性材料扩张。这种扩张使未处理的构建材料层610在扩张区830中变得更少，从而导致3D对象304具有比其预测的高度小第一展开误差811的高度。

在第二示例804中，如在区640中示出的那样，第二展开器杆812呈现出收缩，其中弹性构件由于来自未处理的构建材料层和经处理的构建材料层的不同的力而具有压缩的区822。展开器杆的这种压缩使与如由所示出的示例CAD模型850所预期的相比沉积更多构建材料达第二展开误差813。

在第三示例806中，第三展开器杆814的弹性材料未被压缩或者扩张，但是相反，存在粘着、或者以其它方式粘附于第三展开器杆814的构建材料或者污染物的结块824、826。这些结块824、826取决于其大小和位置可能使被构建的3D对象304具有诸如示出有浅倾角817和较大的沟槽815的过程外限制的区域。因为在一个或数个层期间，结块824、826可以是在展开杆814上的，所以除非对未处理和经处理的构建材料层的层监视被完成并且检验，否则这些类型的缺陷可能依然隐藏在所制造的3D对象。在一些示例中，可以基于浅倾角817和较大的沟槽815的高度来测量结块824、826。例如，浅倾角可以被确定为是非显著的并且简单地记录其出现并且继续进行处理。然而，较大的沟槽815可以被确定为是足够显著的，其可以将结构缺陷引入该部分中。在这种情况下，可以停止3D构建过程并且警告操作者清洁和/或替换展开器杆814。在一些示例中，3D打印机可以包括服务站，在其中可以定位展开器杆814并且由服务站来对刀片进行清洁和维护。

在另一个示例中，可以在3D打印机维护操作中检验展开器杆的性能以确定其是否应该被替换。在该示例中，在表面区域10上分布未处理的构建材料层并且取得一组z高度测量ΔZ 64。可以对z高度测量ΔZ 64进行统计分析以确保z高度测量ΔZ 64的平均值和标准差落在预先确定的可接受范围之内。如果展开器杆由于磨损、污染、老化、翘曲、或者其它机械改变而被发现不满足预先确定的可接受范围，则其可以被替换或者修理。

虽然已经参照前述示例特别地示出并且描述了所要求保护的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离以下权利要求的主题的意图范围的情况下可以在其中作出许多变化。本说明书应当被理解为包括在此描述的元素的所有新颖的和非显而易见的组合，并且在本申请或者后续中请中可以存在对于这些元素的任何新颖并且非显而易见的组合的权利要求。前述示例是说明性的，并且单个特征或者元素并不是要在本申请或者后续申请中可以要求保护的所有可能的组合中使用。在权利要求记载“一个”元素或者其等同物的“第一”元素的情况下，这样的权利要求应当被理解为包括一个或许多这样的元素的合并，既不要求也不排除两个或者更多个这样的元素。

Claims

1.一种用于确定一组表面高度测量的视觉系统，包括：

第一相机和第二相机，其被以不同的角度定向并且间隔开分离距离，并且以镜头焦距聚焦于表面区域以记录具有表面区域的共同特征的x-y像素的所捕获的图像对；以及

处理器，其被用于接收所述图像对，所述处理器用于执行来自计算机可读介质的指令，所述指令用于：

使用用于协助相关的基准来测量所捕获的图像对中的共同特征之间的一组视差距离；以及

将该组视差距离转换成具有并入分离距离、镜头焦距、该组视差距离、以及校准误差因子的分辨率的一组z高度测量值。

2.如权利要求1所述的视觉系统，其中第一相机和第二相机具有互补的不同定向的极化滤波器，并且所述视觉系统进一步包括照射源，所述照射源包括位于表面区域周围的多个互补的不同定向的极化光源，以通过减少所捕获的图像对中的阴影、光散斑、以及不期望的反射来增强表面区域的图像纹理。

3.如权利要求2所述的视觉系统，进一步包括用于允许处理器控制照射源的强度、极化、以及颜色中的至少一个的指令。

4.如权利要求1所述的视觉系统，其中校准误差因子是统一误差因子、逐像素误差因子、以及基于表面区域内的像素位置的公式化误差因子中的至少一个。

5.一种具有用于确定一组表面高度测量的视觉系统的3D打印机，包括：

第一相机和第二相机，其均以不同的角度定向并且间隔开分离距离，并且以镜头焦距聚焦于表面区域以记录具有表面区域的共同特征的x-y像素的所捕获的图像对；以及

耦合到第一相机和第二相机的处理器，所述处理器用于执行来自计算机可读介质的指令，所述指令用于：

使用用于协助的基准来使所捕获的图像对相关；

测量所捕获的图像对中的共同特征之间的一组视差距离；以及

6.如权利要求5所述的3D打印机，其中计算机可读介质进一步包括用于如下的指令：

在构建会话期间，从3D打印机接收第一触发信号，以在将构建材料层沉积在表面区域上之后创建第一组z高度测量；以及

在利用能量源辐射构建材料之后，从3D打印机接收第二触发信号，以创建经处理的构建材料层的第二组z高度测量。

7.如权利要求6所述的3D打印机，其中所述组z高度测量包括未处理的构建材料层和经处理的构建材料层的多个层，并且计算机可读介质进一步包括用于允许图形用户界面查看针对未处理的构建材料层和经处理的构建材料层这两者的该组z高度测量的拓扑结构的指令。

8.如权利要求6所述的3D打印机，其中计算机可读介质进一步包括用于如下的指令：

主动监视未处理的构建材料层和经处理的构建材料层的z高度测量；

确定针对未处理的构建材料层和经处理的构建材料层中的至少一个的过程外状况；以及

当过程外状况在预先确定的阈值之外时更改构建会话。

9.如权利要求8所述的3D打印机，其中所述3D打印机包括具有在z轴上可移动的表面区域的构建床，并且计算机可读介质进一步包括用于如下的指令：

创建表面区域的第一组z高度测量；

将构建床移动预先确定的z距离；

创建表面区域的第二组z高度测量；以及

确定第一组z高度测量和第二组z高度测量之间的所述表面区域上的一组差；

将所述预先确定的z距离与所述表面区域上的该组差进行比较；以及

将校准误差因子确定为统一误差因子、逐像素误差因子、以及基于所述表面区域内的像素位置的公式化误差因子中的至少一个。

10.如权利要求5所述的3D打印机，进一步包括：

包围表面区域的外壳，并且其中第一相机和第二相机位于所述外壳外部并且包括互补的不同极化的滤波器；以及

照射源，其具有互补的不同极化的光源的多个源，所述光源位于所述外壳内部并且定向在所述表面区域周围。

11.一种用于执行表面高度测量的非暂态计算机可读介质，包括指令，所述当由处理器读取并且执行时使处理器：

使从第一相机和第二相机记录的具有共同特征的所捕获的图像对相关，所述第一相机和第二相机间隔开分离距离、以镜头焦距聚焦于表面区域、并且通过使用用于协助的基准以不同的角度定向于表面区域；

测量所捕获的图像对中的共同特征之间的一组x-y视差距离；以及

将该组x-y视差转换成具有并入分离距离、镜头焦距、该组x-y视差距离、以及校准误差因子的分辨率的一组z高度测量值。

12.如权利要求11所述的非暂态计算机可读介质进一步包括用于如下的指令：

主动监视表面区域中的未处理的构建材料层和经处理的构建材料层这两者的z高度测量；以及

确定针对未处理的构建材料层和经处理的构建材料层中的至少一个的过程外状况。

13.如权利要求12所述的非暂态计算机可读介质，其中过程外状况包括如下中的至少一个：跨经处理的构建材料的跨度检测到宽条的凹陷的构建材料；检测到未处理的构建材料层具有累积在经处理的构建材料层的一侧上的构建材料；以及在若干层上检测到与未处理的构建材料层的展开方向平行的沟槽。

14.如权利要求12所述的非暂态计算机可读介质进一步包括用于如下的指令：创建图形用户界面以查看针对未处理的构建材料层和经处理的构建材料层这两者的多个z高度测量的拓扑结构。

15.如权利要求12所述的非暂态计算机可读介质，进一步包括用于检测和映射来自多个z高度测量的颗粒大小的指令。