CN111982010A - 一种孔的光学成像和扫描装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种孔的光学成像和扫描装置，一种在由复合物或金属材料制成的基板上机加工、钻孔或以其他方式形成的孔的光学成像和扫描的方法和设备。该方法利用光学仪器成像和扫描孔，并结合图像处理器，图像处理器配置(例如，编程)为对图像数据进行后处理，以生成一个完整的平面化图像，而没有锥形光学畸变。该光学仪器包括具有共焦照明的光学显微镜和轴向定位以产生具有锥形畸变的全360度子图像的锥形镜。在后处理步骤中，使用计算机可执行代码形式的数学变换将原始锥形子图像转换为平面子图像。平面化子图像可以缝合在一起以形成孔的完整的平面化图像。

Description

一种孔的光学成像和扫描装置
技术领域
本发明一般涉及用于检查工件或结构中机加工的孔的方法和装置，尤其涉及用于检查设计用于容纳紧固件的孔的方法和装置。
背景技术
轻质复合材料(如纤维增强的塑料材料)在针对商用和军用飞机以及其他航空航天飞行器的航空航天工业以及其他工业中的应用越来越广泛。使用这些复合材料的结构可以使用多层片或多层材料构成，这些材料可以被层压在一起以形成高强度结构。将多层材料紧固在一起的至少一种方法是夹紧这些层，钻孔，然后将某种类型的紧固件插入这些孔中，从而将这些层固定在一起。
在制造领域中，经常进行测量和检查，以确保制造的零件符合设计规范。这包括检查孔，如钻孔，以确保孔具有期望的形状和配置，如直径和对齐在工程公差内。确保生产零件符合设计规范是保持严格的生产标准的例如航空航天制造业等行业特别关注的问题。
为了确保钻孔符合其设计规范，通常做法是由质量控制或质量保证检查员检查每个孔，或使用统计技术分析采样的孔数。可通过将孔径探头(如基于电容的探头、气压孔探头、激光孔探头或球形探头)手动插入到孔中进行检查，以检验其是符合设计规范还是与设计规范有偏差。由于标准显微镜沿光学轴线(与孔的Z轴相同)的视场非常窄，一种对复合材料或金属孔进行光学成像的技术只能以相对于孔中心线(以下称为“Z轴”)的偏移角获取浅层图像。这样的光学成像也不能在一个焦平面上产生孔的完整的360度平面图像。
提供一种能够沿着结构中的孔内侧的Z轴扫描以评估孔的状况的装置是有利的。
发明内容
下面详细公开的主题涉及在由复合材料或金属材料制成的基底中机加工、钻孔或以其他方式形成的孔的光学成像和扫描的方法和设备。本文描述的方法利用光学仪器成像和扫描孔并结合图像处理器，图像处理器配置(例如，编程)为对图像数据进行后处理以生成一个完整的平面化图像，而不产生锥形光学失真。根据一些实施例，光学仪器包括具有共焦照明的光学显微镜和轴向定位为产生具有锥形失真的全360度子图像的锥形镜。在后处理步骤中，使用具有计算机可执行代码形式的数学变换将原始圆锥子图像转换为平面子图像。子图像的平面化是使用图像位的简单数学变换来完成的。平面化的子图像可以缝合在一起以形成孔的完整平面化图像。
通过设计，显微镜使用透镜和/或镜子将光聚焦到图像传感器上，例如光电元件的焦平面阵列，其将入射光转换为表示图像的像素数据的电信号(以下称为“光电探测器阵列”)。如本文所使用的，术语“光电探测器”是指能够响应于光子入射在装置的表面上而发射电子的装置。该设备包括安装在移动台上的90度“锥形镜”，移动台在与孔的Z轴平行的方向上可移动，同时锥体的轴线与所述孔的Z轴同轴。然而，应当理解，也可以使用截头的锥形镜(即“截头锥形镜(frusto-conical mirror)”)。反射面为锥形或截头锥形的镜子在此将被称为“锥形镜”。
下面详细公开的主题进一步涉及用于检查待紧固的结构中的孔的自动高速方法和用于执行该检查方法的计算机控制设备。根据各种实施例，该设备包括安装在扫描桥上的多运动检查头、机械臂的末端或机器人履带式车辆。多运动检查头包括上述光学仪器和机动化的多行程探针放置头，其可操作以沿X、Y和Z轴移动光学仪器以实现多个顺序的运动。光学仪器被附连到心轴，该心轴可旋转地耦连到X轴(或Y轴)行程以绕Z轴旋转。使用带有反馈控制的智能伺服或步进电机将光学仪器移动到位，然后连续扫描每个孔的内部。根据一个实施例，该设备包括各种方向性机动行程，其按顺序排列并被控制以用于检查成排孔的所需的特定运动。
根据一些实施例，光学仪器的显微镜和光源包含在由多运动检查头携带的壳体内。光学仪器还包括从壳体向下延伸的光学探针(例如，锥形镜和相关联的支撑结构)。光学探针的尺寸和形状被设置成适配在待检查的孔的内部。多运动检查头被配置为移动显微镜，直到光学探针的光学轴线与孔的中心线(Z轴)对准，并且然后将探针插入孔中，直到光学探针位于孔内的起始深度。显微镜的图像传感器然后获取不同深度的孔的内表面的子图像。根据所提出的一种实施方式，多运动检查头将光学探针间歇地沿孔的Z轴移动，并且图像传感器在光学探针静止的时间间隔内获取原始的锥形子图像。在对一个孔进行全面检查后，将光学探针从该孔中移除，并且然后插入到下一个待检查的孔中。以这种方式，可以连续检查一排孔中的多个孔。
根据一些实施例，在图像获取期间，来自光源的光被轴向(或几乎轴向)引导到孔中。轴向传播的光被径向地向外定向到孔的面对部分(confrontingportion)。使用锥形镜实现照明光线的这种径向重新定向。该锥形镜具有锥形(或截头锥形)表面，其顶点沿显微镜的光学轴线设置。锥形镜从光源接收轴向(或近轴向)传播的光，并径向向外反射光，以照亮插入光学探针的孔的面对的360度部分。
本文提出的方法提供了一种简单而彻底的光学检查。此外，孔表面粗糙度和孔径变化可以在一次扫描中得到全面评估。本文公开的光学检查技术不是仅提供探针曲率半径内的局部信息，而是产生完整的360度视图。
尽管本文后面在一些细节中描述了用于光学成像和孔的扫描的方法和设备的各种实施例，但是这些实施例中的一个或多个可以由以下一个或多个方面来表征。
下面详细公开的主题的一个方面是成像装置，其包括：壳体；设置在壳体内的光源；设置在壳体内的图像传感器；设置在壳体外并具有锥形轴线的锥形镜；锥形镜支撑结构，其在相对于壳体的固定位置支撑锥形镜；以及光学子组件，其由壳体支撑并且配置为使得来自光源的光入射在锥形镜上，并且被锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射在锥形镜上的光被引导到图像传感器上。
根据前一段所述光学仪器的一些实施例，该锥形镜支撑结构包括中心柱；并且该锥形镜被截头并附连到中心柱的一端。根据其他实施例，该锥形镜支撑结构包括具有柱形轴线的圆柱玻璃管；并且所述锥形镜设置在圆柱玻璃管内，使得锥形轴线与柱形轴线同轴。
以下详细公开的主题的另一个方面是一种用于对基板中的孔进行成像的方法，该方法包括：(a)将锥形镜置于孔中，该孔具有与孔中心线同轴的锥形轴线并且具有在第一深度处的锥形镜的顶点或截头部分，第一深度小于锥形镜的基座的第二深度；(b)用聚焦在孔内部的焦平面上的光照射锥形镜；(c)使用锥形镜将步骤(b)中所述的光径向向外反射向孔；(d)使用锥形镜将返回光轴向向上反射向开口；(e)将在步骤(d)中由锥形镜轴向向上反射的光引导到图像传感器上；以及(f)将入射在图像传感器上的光转换为电信号，该电信号表示具有锥形光学畸变的孔的第一部分的第一畸变子图像的像素数据。该方法还包括处理第一畸变子图像的像素数据，以产生表示第一平面化子图像的像素数据，而不产生锥形光学畸变。
前一段所述的方法还可包括：(g)沿孔中心线将锥形镜移动到锥形镜的顶点或截头部分所处的第三深度的位置，第三深度比第一深度更接近第二深度；(h)用聚焦在孔内部的焦平面上的光照射锥形镜；(i)使用锥形镜将步骤(h)中所述的光径向向外反射向孔；(j)使用锥形镜将步骤(i)中所述的光的返回光轴向向上反射向开口；(k)将在步骤(j)中由锥形镜轴向向上反射的光引导到图像传感器上；以及(l)将入射在图像传感器上的光转换为电信号，该电信号表示具有锥形光学畸变的孔的第二部分的第二畸变子图像的像素数据。在这种情况下，该方法还包括：处理第一畸变子图像的像素数据以产生表示第一平面化子图像的像素数据，而不产生锥形光学畸变；处理第二畸变子图像的像素数据以产生表示第二平面化子图像的像素数据而不产生锥形光学畸变；将第一和第二平面化子图像缝合在一起；并且在显示装置上呈现平面化图像，其中平面化图像包括至少第一和第二平面化子图像。
下面详细公开的主题的另一方面是用于成像基板中的孔的设备，其包括：多行程探针放置头，其包括块组件、沿第一轴线相对于所述块组件可平移的第一行程、沿着与所述第一轴线正交的第二轴线相对于该块组件可平移的第二行程，以及沿与所述第一轴线和第二轴线正交的第三轴线相对于所述块组件可平移的第三行程，所述第三行程可平移地耦连到所述第二行程，并且所述第二行程可平移地耦连到所述第一行程；以及由第三行程支撑并依赖于第三行程的光学仪器，其中光学仪器包括：与第三行程耦连并可与第三行程平移的壳体；设置在壳体内部的光源；设置在壳体内部的图像传感器；设置在壳体外部并且具有平行于第一轴线的锥形轴线的锥形镜；锥形镜支撑结构，其将锥形镜支撑在相对于壳体的固定位置；以及光学子组件，其由壳体支撑并且被配置为使得来自光源的光入射在锥形镜上并被锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射在锥形镜上的光被引导到图像传感器上。
下面详细公开的主题的另一方面是用于成像基底中的孔的系统，其包括：配置为通过电机的操作移动末端执行器的自动设备、安装到末端执行器的光学仪器和图像处理器，其配置为接收由光学仪器获得的锥形光学畸变图像并且然后处理锥形光学畸变图像的像素数据，以产生表示平面化图像的像素数据，而不产生锥形光学畸变。光学仪器包括：耦连到末端执行器的壳体；设置在壳体内部的光源；设置在壳体内部的图像传感器；设置在壳体外部并且具有与第一轴线平行的锥形轴线的锥形镜；锥形镜支撑结构，其在相对于壳体的固定位置支撑锥形镜；以及光学子组件，其由壳体支撑并且配置为使得来自光源的光入射在锥形镜上并被锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射在锥形镜上的光被引导到图像传感器上。
下面公开了用于光学成像和孔扫描的方法和设备的其它方面。
附图说明
在前面的部分中讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现，或者可以在另一些实施例中组合。为了示出上述和其他方面，以下将参考附图描述各种实施例。本节中简要描述的图表都没有按比例绘制。
图1是示出根据一个实施例的适于使用锥形镜成像孔的光学仪器的操作原理的图示。
图2是示出当向下轴向传播的光被锥形镜径向向外反射向孔的环形部分时将被照亮的孔的图示。
图3是示出将图2的一部分放大的图示。
图4是描述了根据一个示例性实施例的适于使用由中心杆支撑的锥形镜成像孔的光学仪器的结构和功能方面的图示。
图5是描述了根据另一示例性实施例的适于使用由玻璃管支撑的锥形镜成像孔的光学仪器的结构和功能方面的图示。
图6A是示出插入孔中的孔和锥形镜的圆柱参考框架的几何关系的图示，并且进一步示出了孔表面上的点和由图像传感器检测到的图像上的对应点。
图6B是示出了以孔的圆柱参考框架为中心的极坐标系中的图像点的位置的图示。
图6C是示出从孔表面上的点发射的光线被锥形镜反射并且然后在图像传感器上产生图像点的图示。
图7是表示适于使用由中心杆支撑的锥形镜成像孔的光学仪器的三维视图的图示，该锥形镜被显示在孔的内部。
图8是表示根据另一示例性实施例的适于使用由玻璃管支撑的锥形镜成像孔的光学仪器的三维视图的图示。
图9是表示搭载有图8所示类型的光学仪器的履带式车辆的侧视图的图示。
图10是示出根据一个实施例的用于光学成像和扫描孔的计算机控制的设备的一些部件的框图。
图11是表示安装到机器人的图8所示类型的光学仪器的正视图的图示。
在下文中将参考附图，其中不同附图中的相似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
下面详细描述了用于孔的光学成像和扫描的方法和设备的说明性实施例。然而，本说明书并没有描述实际实施方式的所有特征。本领域技术人员将意识到，在任何此类实际实施例的开发中，必须做出许多实施方式专用的决策以实现开发人员的特定目标，例如遵从与系统相关和与业务相关的约束，这些约束将因实施方式的不同而不同。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂和耗时的，但是对于获得了本发明的益处的本领域普通技术人员来说，这将是一项例行的工作。
为了说明的目的，现在将对在由复合材料或金属材料制成的基板上机加工、钻孔或以其他方式形成的孔的光学成像和扫描的方法和设备进行一些详细的描述。该方法涉及在孔内插入具有锥形镜的光学探针，捕获孔的一部分的360度子图像，并且然后将子图像数据发送到图像处理器，该图像处理器被配置(例如，编程)以生成无锥形光学畸变的平面化子图像。可以将多个平面化子图像缝合在一起以形成孔的完整的平面化图像。
图1是示出适于成像由复合材料(例如，碳纤维增强塑料)制成的基板2中的孔6的光学仪器50的操作原理的图示。光学仪器50包括显微镜10，显微镜10具有壳体部分16a和壳体部分16b内的光源18。光学仪器壳体的其他部分在图1中未示出。图像传感器(图1中未示出)设置在显微镜10的壳体部分16a内部。光源18设置在壳体部分16b内部。根据一些实施例，光源18是单色点光源。
光学仪器50还包括锥形镜8，其大小适配于孔6的内部。锥形镜8设置在光学仪器50的壳体外部并且具有锥形轴线。通过锥形镜支撑结构(图1中未示出)将锥形镜支撑在相对于光学仪器50的壳体的固定位置中。锥形镜8具有通过围绕锥形轴线转动一条线来定义的几何形状，该线被设置成相对于锥形轴线具有等于45度的角度。根据图1中部分描绘的实施方式，锥形镜8具有顶点8a和基部8c。然而，应当理解，在替代实施例中，锥形镜8可以被截头。
图1中部分描绘的光学仪器50还包括由壳体支撑的光学子组件。光学组件包括由壳体部分16a支撑的物镜12、由壳体部分16b支撑的透镜20以及由未示出的壳体部分支撑的分色镜14和镜22。分色镜14和镜22均以相对于物镜12的光学轴线成45度的角度设置。光学子组件配置为使得来自光源18的光(由虚线箭头L1指示)入射到锥形镜8上。锥形镜8向孔6的面对部分径向向外反射入射光。此外，从孔6返回并且入射到锥形镜8上的径向向内传播的光被锥形镜8反射到物镜12。为了避免附图中的混乱，图1仅示出了返回到显微镜10的一条光线L2。
根据一些实施例，在图像获取期间，来自光源18的光L1被镜22和分色镜14轴向(或几乎轴向)引导向锥形镜8。更具体地，入射在镜22上的光被反射到分色镜14上。然后，分色镜14以平行于显微镜10的光学轴线的角度反射来自光源的光。入射在锥形镜8上的轴向传播的光被径向地向外反射到孔6的面对部分。锥形镜8的顶点8a沿显微镜10的光学轴线设置。锥形镜8接收轴向(或几乎轴向)传播的光，并径向向外反射该光以照亮孔6的面对360度环形部分。该光的一部分被孔6散射回到锥形镜8。然后，锥形镜8将该径向向内传播的光轴向向上反射到分色镜14，分色镜14将该光传输到物镜12。
分色镜14允许波长在一定范围内的光的传输并且反射波长在该范围外的光。分色镜14可被设计成反射来自光源18的光并发射从锥形镜8接收的光。分色镜14相对于显微镜10的光学轴线以大约45度(在±5度内)的角度设置。为了最大化分色镜的效率并以直角反射入射光，45度取向是优选的。分色镜的一个示例是具有硼硅酸盐冠玻璃涂层的PYREXTM基板。选择的将被反射或穿过的特定波长可以通过仔细选择镜子和涂层来控制。通常，在环形孔部分6a吸收由锥形镜8径向向外反射的光之后，光的重新发射(散射)发生在较长的波长处。因此，必须在较短波长处选择照明，以更好地辨别返回到图像传感器30的散射光。例如，使用设置为发射红光和反射蓝光的分色镜，来自光源18的蓝光由分色镜14向锥形镜8反射。蓝光照射环形孔部分6a将导致CFRP表面产生散射的红光(其波长比蓝光的波长更长)。红光将由分色镜朝向显微镜10内部的图像传感器30发射。
图像传感器30将入射光子转换成电子并输出表示具有锥形光学畸变的孔6的环形部分6a的完整360度子图像的图像数据。在后处理步骤中，原始的锥形子图像被变换为无锥形光学畸变的平面化子图像。然后，可以进一步处理平面化图像以评估孔6的形状和配置。因此，实现图1所示的操作原理的系统可用于沿深度方向扫描孔并产生包含特定孔的信息特征的孔的平面化图像。例如，可以对平面化图像进行处理，以确定孔的形状和配置(例如直径、取向和表面粗糙度)是否在工程公差内。
图2是示出孔6的图示，当向下轴向传播的光入射并且通过锥形镜8的反射面朝向孔6的环形部分6a径向向外反射时，该孔6将被照亮。根据图2所示的实施例，在相对于壳体部分16a的固定位置支撑锥形镜8的锥形镜支撑结构是具有线性轴线和圆形截面的中心杆24。在一个提出的实施方式中，中心杆24的轴线与显微镜10的光学轴线同轴。X-Y旋转对准的中心由图2中的点28表示。
在图2所示的示例中，锥形镜8的截头部分8b附连到中心杆24的一端。显微镜10还包括图像传感器30和图像建立透镜32(以下称为“第二透镜32”)，其在物镜12和图像传感器30之间的位置处由壳体部分16a支撑。图像传感器30可以包括凝视焦平面阵列，例如对可见光或红外波长敏感的电荷耦合器件(CCD)。
如前所述，孔6的环形部分6a被沿轴向传播到孔中的光照亮，入射在锥形镜8的反射面上，并且然后被该反射面径向向外反射。反射到孔6的环形部分6a上的一些光被反射或散射回锥形镜8的反射面，锥形镜8的反射面进而将返回的光反射向物镜12。显微镜10的物镜12在垂直于显微镜10的光学轴线的第一图像平面中形成图像。第二透镜32接收来自物镜12的光，并将该光聚焦以在与图像传感器30的光电导表面一致的第二图像平面中形成图像。结果，图像传感器30(例如，光电探测器阵列)获取孔6的环形部分6a的原始锥形子图像。
图3是将图2的一部分以放大比例示出的图示。锥形镜8的倾斜的反射面设置为相对于基座8c成锥角ω。由锥形镜8的反射面反射的光照亮孔6的环形部分6a的高度。在锥角ω等于45度的情况下，孔6的被照亮的环形部分6a的高度等于图3中所示的分离两条光线L1的距离，在该示例中，这两条光线L1表示平行于锥形轴线传播并入射在锥形镜8的反射面上的径向最内侧光线和径向最外侧光线。在图3中未示出的替代示例中，孔6的被照亮的环形部分6a的高度可以等于锥形镜的高度(例如，截头部分8b和基座8c之间的距离)。照明灯的焦平面F(由图3中的水平虚线指示)位于锥形镜8的基座8c下方的距离处。
根据一种建议的实施方式，锥形镜8沿孔6的中心线(Z轴)间歇地平移预定距离，并且在每个垂直位置捕获相应的原始锥形子图像。在每次运动之后的时间间隔中，锥形镜8是静止的，同时图像传感器30(参见图2)获取原始锥形子图像。在沿孔的整个深度对一个孔进行全面检查后，将光学探针从该孔中移除，并且然后插入到下一个要检查的孔中。以这种方式，可以连续地检查一排孔中的多个孔。
图4是示出根据一个示例性实施例的光学仪器50A的结构和功能方面的图示，该光学仪器50A适于使用由中心杆24支撑的具有同轴成像和共焦照明的锥形镜8成像孔6。中心杆24和锥形镜8的轴线与显微镜10的光学轴线同轴。光学仪器50A还包括光源18、透镜20和45度小镜42。透镜20被配置成将来自光源18的光聚焦到45度小镜42上。光圈板40设置在透镜20和45度小镜42之间。45度小镜42将入射光反射到显微镜10的物镜12。来自光源18的光通过物镜12朝向孔6的开口4发射并且到达锥形镜8的反射表面上，以照亮将被成像的孔6的环形部分。
在图4所示的示例实施例中，显微镜10还包括第二透镜32和电荷耦合器件图像传感器38(以下称为“CCD图像传感器38”)。(尽管图4中未示出，但CCD图像传感器38由显微镜10的壳体部分16a支撑。)在CCD图像传感器中，光电探测器是掺磷金属氧化物半导体电容器。当图像采集开始时，这些电容器被偏置到高于反转阈值，从而允许在半导体氧化物界面处将入射光子转换成电子电荷；然后使用CCD读出这些电荷。45度小镜42的大小不妨碍光从物镜12传播到第二透镜32。例如，45度小镜42的尺寸可以适配在由中心杆24产生的阴影内。因此，由锥形镜8向上反射的光穿过物镜12，绕过45度小镜42，并穿过第二透镜32，并且然后入射在CCD图像传感器38上。物镜12具有位于点f处的第一图像平面。第二透镜32具有位于CCD图像传感器38处的第二图像平面。
图5是示出根据另一示例性实施例的光学仪器50B的结构和功能方面的图示，该光学仪器50B适于使用由玻璃支撑管36支撑的具有同轴照明和共焦成像的锥形镜8对孔6进行成像。玻璃支撑管36在其内表面和外表面上具有各自的防反射涂层。光学仪器50B包括光源18、透镜20、光圈板40、分色镜14和物镜12。来自光源18的光通过透镜20、光圈板40、分色镜14和物镜12传播到孔6中。来自光源18的光被传输到锥形镜8的反射面上，用于照亮要成像的孔6的环形部分。
在图5所示的示例性实施例中，显微镜10还包括第二透镜32和CCD图像传感器38。由锥形镜8向上反射的光穿过物镜12，并且然后由分色镜14朝向第二透镜32反射。然后，第二透镜32将入射光聚焦到CCD图像传感器38的光电导表面上。
根据一个实施例，用于成像基板上的孔的系统还包括图像处理器，该图像处理器配置为(例如，被编程为)接收由光学仪器获取的锥形光学畸变图像，并且然后处理锥形光学畸变图像的像素数据，以产生表示无锥形光学畸变的平面化图像的像素数据。在一个提出的实施方式中，图像处理器被编程以执行平面化算法，该平面化算法包括以下步骤：将具有图像传感器坐标的像素数据转换为具有与孔表面对应的柱形坐标的像素数据，并且然后将孔表面的柱形壳展开为具有X轴和Y轴的平坦的二维表面(不同于图2所示的X-Y-Z坐标系的X轴和Y轴；平坦的二维坐标系的新Y轴与X-Y-Z坐标系的Z轴平行)。这种变换将从锥形镜8记录的孔表面的反射图像的平面二维笛卡尔系统(即图像传感器像素位置)转换为新的展开的平面二维笛卡尔系统，该新的展开的平面二维笛卡尔系统表示已变平坦的孔表面。结果表明，锥形光学畸变图像被变换为无锥形光学畸变的平面化图像。
图6A是示出孔的圆柱参考系44和具有与孔的Z轴同轴的锥形轴线的锥形镜8的几何关系的图示。已成像的孔表面上的点由图6A中的点P0表示。由图像传感器检测到的图像上的相应点由图6A中的点P1表示，并且在图像传感器的参考系中的坐标等于(imx，imy)。图6B是示出以孔的圆柱参考系44为中心的极坐标系中的图像点的位置的图示。
图6C是示出首先从点P0沿垂直于Z轴的路径46径向向内传播的光线的图示，该光线被锥形镜反射90度，并且然后沿着路径48向上传播，直到光线入射在图像传感器上，从而产生图像点P1。如图6C最佳地显示，锥形镜8的最大半径等于R0，而从Z轴到光线入射在锥形镜8上的点的距离等于r。在图6B中，X轴和将图像传感器的X-Y坐标系的原点连接到图像点P1的向量之间的角度用θ表示。
平面化算法的第一步是将点P1的图像坐标(imx，imy)和高度h转换为图6B所示的极坐标r和θ：
Figure BDA0002478421160000101
平面化算法的第二步是将圆柱参考系44展平，并且然后将极坐标r和θ转换为平面化图像中P0点的图像坐标(imx'，imy')，其中imx'等于从基准点O到点P0的弧长θR0(如图6B所示)，而imy'等于点P0(如图6A所示)的高度h＝R0-r：
Figure BDA0002478421160000102
Figure BDA0002478421160000111
对从孔中获取的每个图像点执行上述二次曲线到平面的变换，以产生孔的平面化图像。然后将该图像显示给技术人员，以实现对孔进行视觉检查的目的。本文公开的平面化算法可与具有不同配置的光学仪器一起使用，但是具有共同的特征，即要插入每个孔中的光学探针包括锥形镜。
图7是表示具有锥形镜8的光学仪器50C的三维视图的图示，锥形镜8由基板2中的孔6内部的中心杆24支撑。双头箭头指示光学仪器50C沿与孔6的轴线同轴的Z轴垂直移动。光学仪器50C的壳体包括：(a)容纳显微镜10的部件的壳体部分16a；(b)容纳光源18的壳体部分16b；以及壳体部分16c，该壳体部分16c容纳光学子组件，该光学子组件包括分色镜14和镜子22(由虚椭圆线表示)，二者均设置为相对于物镜12的轴线成45度角。物镜12由壳体部分16a支撑。透镜20由壳体部分16b支撑。来自光源18的光由透镜20透射，由镜子22反射，由分色镜向下反射，并且然后入射在锥形镜8上。从孔6返回的光被锥形镜8向上反射，由分色镜14和物镜12透射，并且然后入射在显微镜10内部的图像传感器(图7中未示出)上。
图8是表示具有由中心玻璃管36而不是中心杆24支撑的锥形镜8的光学仪器50D的三维视图的图示。图8中所示的其它部件具有与图7中所示并在前一段中所述的类似编号的部件相同的结构和功能。
图9是表示根据一个实施例的具有安装在其前端上的多行程探针放置头140的履带式车辆130的侧视图的图示。多行程探针放置头140支撑光学仪器50D，其可用于成像基板2(例如机身蒙皮)中的孔6。尽管仅示出了一个孔6，但多个孔6通常布置成多行。光学仪器50D显示在光学探针26与孔6垂直对准的位置，例如，光学探针26的光学轴线与孔6的中心线同轴。在检查过程中，光学仪器50D被放置在孔内的不同深度处，并且被启动以在每个深度处捕获各自的图像。
履带式车辆130可以采用远程操作的真空使能的机器人的形式，该机器人能够使用轮子和抽吸装置(例如，由安装在履带式车辆130的框架上的马达驱动的风扇)沿着非水平表面完整地运动。在图9所示的实施例中，一组四个轮子中只有两个轮子122a和122b可见；未示出抽吸装置。安装在履带式车辆130的框架上的由其各自的马达(未示出)驱动的麦克纳姆型(Mecanum-type)车轮的旋转能够实现完整的运动。完整的运动，其中转动和平移是分离的，能够在X-Y平面内的任何方向上进行扫描。履带式车辆130可以在X-Y平面中被操纵以移动，其中X轴与被检查的一排孔6平行。履带式车辆130沿一排孔6的移动由图9中标记为“Y平移”的长双头箭头指示。
摄像机90安装在履带式车辆130上。摄像机90可以被取向为使得其视野将包括多行程探针放置头140下的空间的体积。摄像机90捕获成像数据并将该成像数据发送到计算机(图9中未示出)。摄像机90和计算机之间的通信信道可以经由电缆或无线。计算机将使用由摄像机90提供的成像反馈来控制光学仪器50D与待检查的孔6的精确对准。
仍参考图9，多行程探针放置头140包括附连到履带式车辆130的块组件132、可平移地耦连到块组件132的Z轴行程142、可平移地耦连到Z轴行程142的X轴行程144和可平移地耦连到X轴行程144的Y轴行程146。心轴148可旋转地耦连到Y轴行程146。光学仪器50D附连到心轴148，即心轴148和光学仪器50D一起旋转。探针放置头140的三个行程可由马达驱动，以使光学仪器50D分别在X、Y或Z方向上移动。Z轴行程142用于升高或降低光学仪器50D。X轴行程144和Y轴行程146提供用于使光学仪器50D在孔6上居中的精确运动。X轴、Y轴和Z轴是履带式车辆130的参考坐标系中相互正交的轴线。在理想的检查情况下，履带式车辆130的Z轴将与被检查的孔6的中心线平行。使用具有反馈控制(基于由摄像机90获取的成像数据)的智能伺服或步进马达(图9中未示出)的多个运动用于相对于孔6精确定位光学仪器50D。当实现了适当的放置时，光学仪器50D然后可以被降低，以便将光学探针26插入孔6中。为了使光学仪器50D能够旋转(例如，为了避免光学仪器50D与障碍物之间的干扰)，可以通过步进马达驱动芯轴148旋转(图9中未示出)。
图9所示的系统能够使用连续地从一个孔移动到另一个孔的光学仪器50D来检查例如在飞机机身上布置成行的孔6。当光学仪器50D接近下一个孔6时，摄像机90捕获用于确定光学仪器50D相对于孔6的位置的成像数据。然后，可以操作多行程探针放置头140上的X行程马达和Y行程马达(未示出)，以在X和/或Y方向上平移光学仪器50D，直到光学仪器50D和孔6对准为止。然后，可以将玻璃支撑管36降低到孔6内的起始位置，并且可以扫描孔6。
在图9所示的场景中，光学仪器50D被显示为处于光学仪器50D的中心线与孔6的中心线大致同轴的起始位置。图9中的双头箭头指示导致图9所示的场景的各种移动。首先，履带式车辆从光学仪器50D不接近孔6的位置移动到光学仪器50D接近孔6但尚未与孔6对准的位置(该位置在图9中未示出)。在所描述的场景中，履带式车辆130沿X轴平移，X轴平行于孔6所属的那排孔。当孔6在摄像机90的视野内时，履带式车辆130被命令停止。当履带式车辆130和光学仪器50D静止时，启动摄像机90以获取表示视野的图像数据，其中包括孔6的开口4。然后由计算机(图9中未示出)使用模式识别软件处理该图像数据，以确定履带式车辆130的参考系中的孔6的中心线的位置。计算机然后使用孔中心线的位置来确定当前位置和履带式车辆130的参考系中的光学仪器50D的期望起始位置(如图9所示)之间的差。此后，当履带式车辆130静止时，光学仪器50D在X和/或Y方向上从其当前位置移动到起始位置(在图9中，Y方向上的移动由双头箭头指示；在X方向上的移动未被指示)。然后，通过启动机械地耦连到Z轴行程142的马达(未示出)，将光学仪器50D从起始位置下降到孔6中(图9中的双头箭头指示Z方向上的移动)。
根据图9所示的系统的实施例，X轴行程、Y轴行程和Z轴行程可以通过各自的线性运动轴承被可平移地耦连。这些可平移的行程可以通过本领域已知的任何合适的驱动机构机械地耦连到相应的步进马达(参见图10中的探针放置头马达54)。例如，每一行程都可以具有相应的附连的螺母，该螺母可螺纹接合由相应的步进马达驱动以旋转的相应丝杠，从而将马达输出轴的旋转转换为该行程的平移。
图10是根据一个实施例的识别用于光学成像和孔扫描的计算机控制的履带式车辆122平台的一些部件的框图。履带式车辆130包括安装到摇摄-倾斜单元(未示出)的摄像机90和安装到多行程探针放置头140的光学仪器50。摇摄-倾斜单元和多行程探针放置头140都安装到履带式车辆122的框架。如前所述，光学仪器包括显微镜10和光源18。光学仪器50和摄像机90的操作由计算机系统72控制，计算机系统72可以配置有存储在非暂时性有形计算机可读存储介质(未示出)中的程序。
履带式车辆130携带四个车轮马达124，它们分别驱动四个车轮122的旋转。在履带式车辆配备有粘附到倾斜表面的真空吸附装置的情况下，履带式车辆还可配备有多个EDF马达(图中未示出)，其用于驱动相应多个电动管道风扇的旋转。探针放置头140支撑多个探针放置头马达54，其中的三个探针放置头马达分别驱动光学仪器50D沿X轴、Y轴和Z轴的平移，并且一个探针放置头马达驱动光学仪器50D绕Z轴的旋转。摇摄-倾斜单元包括摇摄-倾斜马达76，其分别驱动摄像机90围绕摇摄和倾斜轴线的旋转。
所有马达通过继电器板上的开关从电源接收电力(图中未显示)。这些开关的状态由履带式车辆130上的车载计算机系统72控制。计算机系统72可以包括用运动控制应用软件编程的通用计算机，该运动控制应用软件包括用于控制各种步进马达的相应的软件模块。计算机系统72向马达控制器70输出控制信号，马达控制器70根据这些控制信号选择性地启用/停用每个马达。
具体地，计算机系统72可被编程为执行从基于地面的计算机系统80接收的射频命令。这些射频命令由收发器82发送，收发器82通信地耦连到基于地面的计算机系统80，这些射频命令由履带式车辆122上车载的收发器74接收，转换成恰当的数字格式，并且然后前向传送到车载计算机系统72。计算机系统72然后控制：(a)履带式车辆122相对于基板的运动；(b)光学仪器50和摄像机90相对于履带式车辆122的框架的运动；以及(3)光学仪器50和摄像机90对图像的采集。因此，履带式车辆122上车载的装置的操作可以由与基于地面的计算机系统80交互的操作员控制。
特别地，可以控制驱动Z轴行程142的位移的探针放置头马达(以下称为“Z轴行程马达”)，以将玻璃支撑管36放置在垂直位置，使得锥形镜的顶点或截头部分位于孔6中的第一深度处。当锥形镜在第一深度处静止时，采集孔6的第一360度图像。然后，控制Z轴行程马达以将玻璃支撑管36放置在垂直位置，使得锥形镜的顶点或截头部分位于孔6中的第二深度(不同于第一深度)。例如，分离第一深度和第二深度的距离可以等于光学镜的高度。当锥形镜在第二深度处静止时，采集孔6的第二360度图像。这些处理步骤可以被重复，直到孔6已沿其整个深度成像为止。在该处理结束时，将采集的子图像平面化；然后将平面化的子图像缝合在一起，以提供整个孔6的一个平面化图像。
根据一种提出的实施方式，基于地面的计算机系统80包括中央处理器86和图像处理器88。中央处理器86被配置(例如，被编程)为经由收发器82向计算机系统72发送命令，以控制光学仪器50和摄像机90的移动以及光学仪器50和摄像机90对图像数据的采集。中央处理器还被配置成经由收发器82接收由光学仪器50和摄像机90采集的图像数据，并将该图像数据发送到图像处理器88。图像处理器88被配置(例如，被编程)以处理图像数据。具体地，图像处理器88被编程以执行将由光学仪器50采集的锥形光学畸变的子图像转换为相应的平面化子图像的算法。图像处理器88进一步编程以执行将平面化的子图像缝合在一起以形成适于在显示监视器84上显示的平面化图像的算法。显示监视器84包括显示处理器，其可被配置成在一个窗口中显示孔6的平面化图像和在另一个窗口中显示围绕开口4的基板2的区域的视频图像。
图11是表示安装到机器人100的光学仪器50D的正视图的图示。通过将工具侧连接器板60附连到机器人100的连接器114，光学仪器50D被附连到机器人100。当光学探针26在孔内静止时，图像数据被发送到数据采集系统进行处理。通常，机器人100被自动控制以将光学探针26移动到与孔对准的位置，并且然后移动到孔中。
图11是表示安装在机器人100上的光学仪器50D的俯视图的图。通过将工具侧连接器板60连接到机器人100的连接器114，将光学仪器50D连接到机器人100。当光学探针26在孔内静止时，图像数据被发送到数据采集系统进行处理。通常，机器人100被自动控制以将光学探针26移动到与孔对准的位置，然后移动到孔中。
机器人100具有多轴移动能力，并且使用软件支撑来生成用于扫描孔的线性廓线。特别地，图11所示的机器人100包括机器人基座102、传送带104、摇杆106(也称为枢轴臂)、延伸臂108、机器人手110和附连有连接器114的构件112。机器人基座102和传送带104通过枢轴联轴器116可旋转地耦连。传送带104和摇杆106通过枢轴联轴器118可旋转地耦连。摇杆106和延伸臂108通过枢轴联轴器120可旋转地耦连。摇杆延伸臂108和机器人手110通过枢轴联轴器122可旋转地耦连。这些部件的组合提供了多个自由度，进而允许光学仪器50D被移动到不同的位置和在不同的方向中移动。机器人100包括一个或多个位置传感器(未示出)，其位于每个枢轴处或以其他方式与每个枢轴关联，每个枢轴向数据采集系统提供位置数据(三维空间中的X、Y和Z)，以精确定位光学仪器50D。可与本文公开的光学仪器一起使用的机器人100的示例是KukaRoboter GmbH(德国奥格斯堡)制造的KR-150型机器人，但是可以使用能够插入光学仪器超声检查工具头并与数据采集系统通信的任何机器人或其他操纵器。
机器人100通常与数据采集系统通信，以处理由光学仪器50D采集的图像数据并显示经处理的数据。在许多情况下，(一个或多个)通信电缆(图11中未示出)在机器人100和数据采集系统之间传输数据。在其他实施例中，可以通过无线通信在机器人100和数据采集系统之间传输数据。机器人100可以直接连接到图10中标识的计算机系统80，或者间接连接，例如经由网络。
虽然已经参考各种实施例描述了用于光学成像和扫描孔的方法和设备，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且可以用等价物代替其元素而不偏离本文的教导。此外，可以进行许多修改以使本文中公开的概念和简化适应于实践以适应特定情况。因此，意图的是由权利要求覆盖的主题不限于所公开的实施例。
此外，本发明包括根据以下条款所述的实施例：
条款1.一种光学仪器(50)，包括：
壳体(16a-c)；
设置在壳体内部的光源(18)；
设置在壳体内部的图像传感器(30)；
锥形镜(8)，其设置在壳体的外部并且具有锥形轴线；
锥形镜支撑结构(24，36)，其将锥形镜支撑在相对于壳体的固定位置中；以及
光学子组件(12，14，20，22)，该光学子组件由壳体支撑并配置为使得来自光源的光入射在锥形镜上并被锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射到锥形镜上的光被引导到图像传感器上。
条款2.如权利要求1所述的光学仪器，其中所述锥形镜具有几何形状，所述几何形状是通过围绕锥形轴线旋转一条线来定义的，所述线设置为相对于锥形轴线成等于45度的角度。
条款3.如权利要求1所述的光学仪器，其中：
锥形镜支撑结构包括中心柱(24)；以及
锥形镜被截头并附连到中心柱的一端。
条款4.如权利要求3所述的光学仪器，其中所述光学子组件包括沿与所述锥形轴线同轴的光学轴线设置的镜子(22)以及第一和第二透镜(12、32)以及设置在所述镜子和所述光源之间的第三透镜(20)，所述镜子的尺寸使得从所述锥形镜传播到图像传感器的光穿过第一透镜、围绕所述镜子并且穿过所述第二透镜。
条款5.如权利要求1所述的光学仪器，其中：
锥形镜支撑结构包括具有柱形轴线的圆柱玻璃管(36)；以及
锥形镜设置在圆柱玻璃管内，使得锥形轴线与柱形轴线同轴。
条款6.如权利要求1所述的光学仪器，其中所述光学子组件包括分色镜(14)和第一、第二和第三透镜(12，20，32)，所述第一、第二和第三透镜被布置为使得从光源传播到锥形镜的光穿过第三透镜(20)，并且然后被分色镜反射，并且从锥形镜传播到图像传感器的光穿过分色镜，并且然后穿过第一和第二透镜(12、32)。
条款7.如权利要求1所述的光学仪器，其中所述光学子组件包括分色镜(14)和第一、第二和第三透镜(12，20，32)，所述第一、第二和第三透镜被布置为使得从光源传播到锥形镜的光穿过第三透镜(20)，并且然后穿过分色镜，并且从锥形镜传播到图像传感器的光被分色镜反射并穿过第一和第二透镜(12，32)。
条款8.如权利要求1所述的光学仪器，还包括光圈板(40)，其中第三透镜(20)设置在光圈板和光源之间。
条款9.一种用于成像基板(2)中的孔(6)的方法，该方法包括：
(a)将锥形镜(8)放置到孔(6)中，其中锥形轴线与孔中心线同轴，并且锥形镜的顶点(8a)或截头部分(8b)处于第一深度，所述第一深度小于锥形镜的基座所处的第二深度；
(b)用聚焦到孔内的焦平面上的光照射锥形镜；
(c)使用锥形镜将步骤(b)中所述的光径向向外反射向所述孔；
(d)使用锥形镜将返回的光轴向向上反射向孔的开口(4)；
(e)将在步骤(d)中由锥形镜轴向向上反射的光引导到图像传感器(30)上；以及
(f)将入射在图像传感器上的光转换成电信号，该电信号表示具有锥形光学畸变的孔的第一部分的第一畸变子图像的像素数据。
条款10.如权利要求9所述的方法，还包括将第一畸变子图像的像素数据存储在非暂时性有形计算机可读存储介质(72)中。
条款11.如权利要求10所述的方法，还包括：
从非暂时性有形计算机可读存储介质中检索第一畸变子图像的像素数据；以及
处理第一畸变子图像的像素数据，以产生表示第一平面化子图像的像素数据，而不产生锥形光学畸变。
条款12.如权利要求11所述的方法，还包括在显示装置(84)上呈现平面化的第一子图像。
条款13.如权利要求9所述的方法，其中孔的第一部分是从第一深度延伸到第二深度的环形表面。
条款14.如权利要求9所述的方法，其中在步骤(c)中径向向外反射的光包含360度角。
条款15.如权利要求9所述的方法，还包括：
(g)沿孔中心线移动锥形镜至锥形镜的顶点或截头部分位于第三深度的位置，该第三深度比第一深度更接近第二深度；
(h)用聚焦在孔内的焦平面上的光照射锥形镜；
(i)使用锥形镜将步骤(h)中所述的光径向向外反射向所述孔；
(j)使用锥形镜将步骤(i)中所述的光的返回光轴向向上反射向所述开口；
(k)将步骤(j)中由锥形镜轴向向上反射的光引导到图像传感器(30)上；以及
(l)将入射在图像传感器上的光转换为电信号，该电信号表示具有锥形光学畸变的孔的第二部分的第二畸变子图像的像素数据。
条款16.如权利要求15所述的方法，还包括：
处理第一畸变子图像的像素数据，以产生表示第一平面化子图像的像素数据，而不产生锥形光学畸变；
处理第二畸变子图像的像素数据，以产生表示第二平面化子图像的像素数据，而无锥形光学畸变；
将第一和第二平面化子图像缝合在一起；以及
在显示装置(84)上呈现平面化图像，该平面化图像包括至少第一和第二平面化子图像。
条款17.一种用于成像基板(2)中的孔(6)的设备(130)，包括：
多行程探针放置头(140)，其包括块组件(132)、相对于所述块组件沿第一轴线可平移的第一行程(144)、相对于所述块组件沿与所述第一轴线正交的第二轴线可平移的第二行程(146)和相对于所述块组件沿着与所述第一和第二轴线正交的第三轴线可平移的第三行程(142)，所述第三行程可平移地耦连到所述第二行程，并且所述第二行程可平移地耦连到所述第一行程；以及
由第三行程支撑并依赖于第三行程的光学仪器(50)，其中光学仪器包括：
耦连至第三行程并且可与第三行程平移的壳体(16a-c)；
设置在壳体内部的光源(18)；
设置在壳体内部的图像传感器(30)；
锥形镜(8)，其设置在壳体的外部并且具有平行于第一轴线的锥形轴线；
锥形镜支撑结构(24，36)，其将锥形镜支撑在相对于壳体的固定位置中；以及
光学子组件(12，14，20，22)，该光学子组件由壳体支撑并且配置成使得来自光源的光入射在锥形镜上，并且被锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射到锥形镜上的光被引导到图像传感器上。
条款18.如权利要求17所述的设备，其中：
锥形镜支撑结构包括中心柱(24)；以及
锥形镜被截头并附连到中心柱的一端。
条款19.根据权利要求17所述的设备，其中：
锥形镜支撑结构包括具有柱形轴线的圆柱玻璃管(36)；以及
锥形镜设置在圆柱玻璃管内部，使得锥形轴线与柱形轴线同轴。
条款20.一种用于成像基板中的孔的系统，包括：
自动化设备(130)，其被配置为通过马达(54)的操作来移动末端执行器(60)；
安装到末端执行器(60)的光学仪器(50)，并且其中该光学仪器包括：
耦连到末端执行器的壳体(16a-c)；
设置在壳体内部的光源(18)；
设置在壳体内部的图像传感器(30)；
锥形镜(8)，其设置在壳体的外部并且具有平行于第一轴线的锥形轴线；
锥形镜支撑结构(24，36)，其将锥形镜支撑在相对于壳体的固定位置中；以及
光学子组件(12，14，20，22)，其由壳体支撑并且被配置为使得来自光源的光入射在锥形镜上，并被锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射在该锥形镜上的光被引导到图像传感器上，以及
图像处理器(88)，其被配置为接收由光学仪器采集的锥形光学畸变图像，并且然后处理锥形光学畸变图像的像素数据以产生表示平面化图像而没有锥形光学畸变的像素数据。
如本文所使用的，术语“计算机系统”应广义地解释为包括具有至少一台计算机或处理器的系统，并且其可以具有通过网络或总线通信的多台计算机或处理器。如前文所用，术语“计算机”和“处理器”均指包括处理单元(例如中央处理单元)和某种形式的存储器(例如计算机可读介质)的装置，以用于存储由处理单元可读的程序。
本文描述的方法可以被编码为实施在非暂时性有形计算机可读存储介质中的可执行指令，包括但不限于存储装置和/或存储器装置。这些指令在由处理器或计算机执行时，使处理器或计算机执行本文所述方法的至少一部分。
本文提出的方法权利要求不应被解释为要求以字母顺序执行其中所叙述的步骤(权利要求中的任何字母顺序仅用于引用先前叙述的步骤的目的)或以叙述它们的顺序来执行，除非权利要求语言明确指定或声明了指示执行某些或所有这些步骤的特定顺序的条件。除非权利要求语言明确指出排除这种解释的条件，否则方法权利要求也不应被解释为排除同时或交替执行的两个或多个步骤的任何部分。

Claims (15)

1.一种光学仪器(50)，其包括：
壳体(16a-c)；
设置在所述壳体的内部的光源(18)；
设置在所述壳体的内部的图像传感器(30)；
锥形镜(8)，其设置在所述壳体的外部并且具有锥形轴线；
锥形镜支撑结构(24，36)，其将所述锥形镜支撑在相对于所述壳体的固定位置中；以及
光学子组件(12，14，20，22)，所述光学子组件由所述壳体支撑并配置为使得来自所述光源的光入射在所述锥形镜上并被所述锥形镜径向向外反射，并且径向向内传播并入射到所述锥形镜上的光被引导到所述图像传感器上。
2.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述锥形镜具有几何形状，所述几何形状是通过围绕所述锥形轴线旋转一条线来定义的，所述线设置为相对于所述锥形轴线成等于45度的角。
3.根据权利要求1所述的光学仪器，其中：
所述锥形镜支撑结构包括中心柱(24)；并且
所述锥形镜被截头并附连到所述中心柱的一端。
4.根据权利要求3所述的光学仪器，其中所述光学子组件包括沿与所述锥形轴线同轴的光学轴线设置的镜子(22)和第一透镜(12)和第二透镜(32)以及设置在所述镜子和所述光源之间的第三透镜(20)，所述镜子的尺寸使得从所述锥形镜传播到所述图像传感器的光穿过所述第一透镜、围绕所述镜子并且穿过所述第二透镜。
5.根据权利要求1所述的光学仪器，其中：
所述锥形镜支撑结构包括具有柱形轴线的圆柱玻璃管(36)；以及
所述锥形镜设置在所述圆柱玻璃管内，使得所述锥形轴线与所述柱形轴线同轴。
6.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述光学子组件包括分色镜(14)和第一透镜(12)、第二透镜(20)和第三透镜(32)，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜被布置为使得从所述光源传播到所述锥形镜的光穿过所述第三透镜(20)并且然后被所述分色镜反射，并且从所述锥形镜传播到所述图像传感器的光穿过所述分色镜，并且然后穿过所述第一透镜(12)和第二透镜(32)。
7.根据权利要求1所述的光学仪器，其中所述光学子组件包括分色镜(14)和第一透镜(12)、第二透镜(20)和第三透镜(32)，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜被布置为使得从所述光源传播到所述锥形镜的光穿过所述第三透镜(20)，并且然后穿过所述分色镜，并且从所述锥形镜传播到所述图像传感器的光被所述分色镜反射并穿过所述第一透镜(12)和第二透镜(32)。
8.根据权利要求1所述的光学仪器，还包括光圈板(40)，其中所述第三透镜(20)设置在所述光圈板和所述光源之间。
9.一种包括根据权利要求1所述的光学仪器的用于成像基板(2)中的孔(6)的设备(130)，所述设备包括：
多行程探针放置头(140)，其包括块组件(132)、相对于所述块组件沿着第一轴线可平移的第一行程(144)、相对于所述块组件沿着与所述第一轴线正交的第二轴线可平移的第二行程(146)以及第三行程(142)，所述第三行程(142)相对于所述块组件沿与所述第一轴线和第二轴线正交的第三轴线可平移，所述第三行程可平移地耦连到所述第二行程，并且所述第二行程可平移地耦连到所述第一行程；以及
由所述第三行程支撑并依赖于所述第三行程的所述光学仪器(50)。
10.一种用于成像基板(2)中的孔(6)的方法，所述方法包括：
(a)将锥形镜(8)放置到孔(6)中，其中所述锥形轴线与孔中心线同轴，并且其中所述锥形镜的顶点(8a)或截头部分(8b)处于第一深度，所述第一深度小于所述锥形镜的底座所处的第二深度；
(b)用聚焦到所述孔内的焦平面上的光照射所述锥形镜；
(c)使用所述锥形镜将步骤(b)中所述的光径向向外反射向所述孔；
(d)使用所述锥形镜将返回的光轴向向上反射向所述孔的开口(4)；
(e)将在步骤(d)中由所述锥形镜轴向向上反射的光引导到图像传感器(30)上；以及
(f)将入射在所述图像传感器上的光转换成电信号，所述电信号表示具有锥形光学畸变的所述孔的第一部分的第一畸变子图像的像素数据。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述第一畸变子图像的所述像素数据存储在非暂时性有形计算机可读存储介质(72)中。
12.根据权利要求1 0至11中任一权利要求所述的方法，还包括：
从所述非暂时性有形计算机可读存储介质中检索所述第一畸变子图像的所述像素数据；以及
处理所述第一畸变子图像的所述像素数据，以产生表示第一平面化子图像而不产生锥形光学畸变的像素数据。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括在显示装置(84)上呈现所述平面化第一子图像。
14.根据权利要求10至13中任一权利要求所述的方法，还包括：
(g)沿所述孔中心线移动所述锥形镜至所述锥形镜的所述顶点或截头部分位于第三深度的位置，所述第三深度比所述第一深度更接近所述第二深度；
(h)用聚焦在所述孔内的所述焦平面上的光照射所述锥形镜；
(i)使用所述锥形镜将步骤(h)中所述的光径向向外反射向所述孔；
(j)使用所述锥形镜将步骤(i)中所述的光的返回光轴向向上反射向所述开口；
(k)将步骤(j)中由所述锥形镜轴向向上反射的光引导到图像传感器(30)上；以及
(l)将入射在所述图像传感器上的光转换为电信号，所述电信号表示具有锥形光学畸变的所述孔的第二部分的第二畸变子图像的像素数据。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
处理所述第一畸变子图像的所述像素数据，以产生表示第一平面化子图像而不产生锥形光学畸变的像素数据；
处理所述第二畸变子图像的所述像素数据，以产生表示第二平面化子图像而无锥形光学畸变的像素数据；
将所述第一平面化子图像和所述第二平面化子图像缝合在一起；以及
在显示装置(84)上呈现平面化图像，所述平面化图像包括至少所述第一平面化子图像和第二平面化子图像。
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