CN112888913A - 具有对列通道的三维传感器 - Google Patents

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Abstract

一种光学相位轮廓测定系统(1300)包括第一可操作同轴相机‑投影仪对(1302)和第二可操作同轴相机‑投影仪对(1304)，第一可操作同轴相机‑投影仪对被对准为相对于目标表面(1318)成第一角度，将第一照明投射在所述目标表面上；第二可操作同轴相机‑投影仪对被对准为相对于所述目标表面成第二角度，投射第二照明在目标表面上。第一角度和第二角度为相等且相对于目标表面为彼此相反，使得第二可操作同轴相机‑投影仪对(1304)被配置为捕捉来自第一照明的第一反射，且第一可操作同轴相机‑投影仪对(1302)被配置为捕捉来自第二照明的第二反射。光学相位轮廓测定系统(1300)还包括控制器(1356)，其被配置为：基于所捕捉的第一反射和第二反射产生目标表面(1318)的第一估计和第二估计，并结合第一估计和第二估计以产生目标表面(1318)的尺寸轮廓。

Description

具有对列通道的三维传感器
背景技术
取得关于表面或物体的精确尺寸信息对于许多行业及过程至关紧要。例如，在电子组装行业中，关于电路板上的电气部件的精确尺寸信息可以用于判断该部件是否被适当地放置。再者，尺寸信息也对于在部件安装之前对电路板上的焊锡沉积的检测很有用，以确保将适量的焊锡沉积在该电路板的适当位置。此外，尺寸信息也对于半导体晶圆和平面显示器的检测很有用。
光学相位轮廓测定系统已被利用来准确地测量和取得关于物体表面的精确尺寸信息。然而，某些新的电子组件包括具有反射镜面的部件。一般被配置成测量漫射的且非反射表面的传统系统难以对这类部件取得精确尺寸信息。另外，某些技术正在减少尺寸(例如电路板及其上的部件或装置)并且需要更高倍率和更高分辨率光学以取得准确的尺寸信息。传统光学测量系统因各种因素，如应用的尺寸和表面反射率的提高和改变，而遭遇各种测量误差。
随着这类部件的尺寸信息的精确度对于各种行业及过程变得愈来愈至关紧要，准确测量并取得这样的信息以及对于所测量的表面轮廓的测量误差的各种原因的校正变得愈来愈重要。
以上的讨论仅提供用于一般背景信息而非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题并不限于解决背景技术中所指出的任一或全部缺点的实现方式。
以上的讨论仅提供用于一般背景信息而非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
发明内容
一种光学相位轮廓测定系统，包括：第一可操作同轴相机-投影仪对，所述第一可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于目标表面成第一角度，所述第一可操作同轴相机-投影仪对将第一照明投射在所述目标表面上；以及第二可操作同轴相机-投影仪对，所述第二可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于所述目标表面成第二角度，所述第二可操作同轴相机-投影仪对将第二照明投射在所述目标表面上。其中，所述第一角度和所述第二角度是彼此相等的并且相对于所述目标表面是彼此相对的，使得所述第二可操作同轴相机-投影仪对被配置为捕捉来自所述第一照明的第一反射，并且所述第一可操作同轴相机-投影仪对被配置为捕捉来自所述第二照明的第二反射。所述光学相位轮廓测定系统还包括控制器，所述控制器被配置为：基于所捕捉的第一反射和第二反射产生所述目标表面的第一估计和第二估计，并将所述第一估计和所述第二估计结合以产生所述目标表面的尺寸轮廓。
提供此发明内容以简化形式介绍精选概念，这些概念会在下面的实施方式中进一步描述。此发明内容的记载并非旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
附图说明
图1是示出典型的光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图2A至图2B是示出示例性光学相位轮廓测定系统的示意图。
图2C至图2D是示出示例性光学检查环境的示意图。
图3A至图3B是示出示例性操作同轴的成像系统-照明源对的示意图。
图4A至图4B是示出示例性光学相位轮廓测定系统的示意图。
图5A至图5B是示出示例性光学相位轮廓测定系统的示意图。
图6是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图7是示出迭代联合点云精化的一个示例性方法的流程图。
图8是示出迭代联合点云精化的一个迭代的示意图。
图9是合并来自对列通道的点云的一个示例性方法的流程图。
图10A至图10C是示出合并来自对列通道的点云的一个示例的示意图。
图11A是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图11B至图11C是示出球形目标的示例性的所产生的三维轮廓的示意图。
图12是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图13A至图13C是示出示例性光学相位轮廓测定系统的示意图。
图14是示出产生目标表面和/或物体的三维轮廓的一个示例性方法的流程图。
图15A至图15B是示出产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的一个示例的示意图。
图16是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图17是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图18A是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图18B是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。
图19是示出对于光学相位轮廓测定系统中的误差进行动态补偿的一个示例性方法的流程图。
图20是示出动态补偿的一个示例的示意图。
图21是示出动态补偿的一个示例性方法的流程图。
图22A是示出数字光处理投影仪系统的一个示例的示意图。
图22B是示出光学低通滤波器的一个示例的框图。
图23是示出投射光至目标表面上的一个示例的流程图。
图24至图25是示出示例性光学相位轮廓测定系统的示意图。
图26是示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的框图。
具体实施方式
光学相位轮廓测定系统经常用于各种行业及过程中以取得关于表面或物体的精确尺寸信息。例如，这些系统可以被用于测量物体表面上的各种部件的高度和位置。在电子行业中，例如，许多电子组件包括安装在电路板上的各种部件和/或装置。为了确保这些部件和/或装置的正确尺寸及放置，照明源(例如投影仪)投射图案化照明至目标表面或物体上。从目标表面或物体反射的图案化照明由相对于照明角度(例如三角测量角度)成已知角度的观察该目标表面的成像系统(例如相机)所捕捉。光学相位轮廓测定系统通过测量在由成像系统所捕捉的图像(例如像素)的特定点处所投射的照明的相位或位置、以及传感器的几何构造，来计算目标表面或物体的尺寸。
在典型的光学相位轮廓测定系统中，通常具有采用结构化图案来对表面进行照明的单一投影仪、和观察该表面的多个倾斜相机(即，相对于该表面以一角度倾斜于该投影仪放置的相机)。或者，在相反但等同的结构中，使用单一相机观察由多个倾斜投影仪(即，相对于该表面以一角度倾斜于该相机放置的投影仪)所照明的表面。
待测量的表面的估计(例如点云)是典型地独立于每个相机-投影仪对而生成的，然后这些估计一起取平均以形成该表面的近似重建。通常，这些估计可以通过投射正弦条纹至该表面上以及估计图像中每个像素处的正弦曲线的相位而形成。
图1为示出典型的光学相位轮廓测定系统10的一个示例的示意图。系统10包括投影仪12、倾斜相机14、倾斜相机16、照明18、表面20、反射22及反射24。如上所述，系统10具有单一投影仪12和多个倾斜相机14、16。投影仪12投射照明18至表面20上，该照明18被反射成为反射22及反射24，该些反射被多个倾斜相机14、16所捕捉。虽然图1显示单一投影仪/多个倾斜相机的配置，如上所述，等同但相反的配置也可以被用于典型的光学相位轮廓测定系统，其中单一相机对有多个倾斜投影仪投射照明至其上的表面进行观察。
这些典型的系统具有许多限制，特别是当观察具有镜面表面和/或难以处理的表面轮廓(例如“圆形”和/或“弯曲的”反射表面、倾斜的目标表面、反射率变化等)的物体时。
一个挑战涉及由于镜面反射造成的测量不准确。在光学检查期间，通常遭遇到的情况是，从一个成像系统的视角来看，在目标表面上的某些位置处存在反光(即，明亮的镜面反射)。当高反射表面的表面法线平分由相机-投影仪对所限定的角度时，会发生反光。由于成像系统的点扩散函数的非零宽度(其是图像光学器件中的实际情况，且由光学相位轮廓测定所使用)，由于在反光处的反射远强于该表面上相邻点的反射，在相邻像素处的相位估计可能会因在反光处被观察的相位而扭曲。这会导致不准确的点被加入测试表面的相位轮廓测定系统的点云表示。
图2A为示出光学相位轮廓测定系统50的一个示例的示意图。图2描绘了仅一个倾斜相机的视角。系统50包括照明52、目标表面54、反射56、反光58、实际表面点60、错误表面点62、投影仪64和第一倾斜相机66。如图2A所看到的，投影仪64投射照明52至目标表面54上，该照明52被反射成为反射65，该反射65朝向第一倾斜相机66并被该第一倾斜相机66所捕捉。然而，目标表面54含有至少一些镜面部分，该镜面部分在所述照明52到达目标表面54时会引起反光58。由于反射反光58的强度以及相机66的图像性质的点扩散函数，照明52的相位信息出现在相机66的表面点60的图像中。由于相机66经由反射56而从表面点60所接收的信息是反光58和表面点60的相位信息的结合，该表面点60的重建的点会被不准确地测量。如图2A所示，相机66的测量位置表面点在反光58的方向中沿着反射56的射线被移动，从而造成例如错误的表面点62。
图2B为示出光学相位轮廓测定系统50的一个示例的示意图。图2B描绘了(与图2A相反的)系统50的其他倾斜相机的视角。系统50包括照明52、目标表面54、反射57、重建的表面点63、投影仪64和第二倾斜相机68。如图2B所看到的，投影仪64投射照明52至目标表面54上，该照明52被反射成为反射57，该反射57朝向第二倾斜相机68并被所述第二倾斜相机68所捕捉。然而，不同于图2A，从第二倾斜相机68的视角来看，邻近的表面点63不会发生反光。从而相机68的重建的表面点63为真实表面点的准确表示。
然而，在第二倾斜相机68准确地重建所述表面点时，如上所述，因为通过相机66和68二者所产生的估计在目标表面54的最终表面估计的重建期间被结合，将会存在由第一倾斜相机66所测量的不准确的点(62)所导致的错误。该最终表面估计因此将会受到第一倾斜相机66的点云中的错误而被偏动。
当在目标表面上存在任何强度梯度和/或反射率梯度(例如亮度变化)时，与图2A至图2B所描述的相似的作用会发生。由于图像光学器件(例如相机66、68)的点扩散函数，较暗点处的相位将会受到邻近的较亮点处的相位影响。这会导致最终重建的不准确(例如最终重建将会沿各自的反射(成像系统)射线而朝向较亮点偏动)。
图2C为光学检查环境70的一个示例的示意图。环境70包括投射72、反射74、目标表面76、箭头77及测量表面点78。目标表面76具有如箭头77所示的自左至右、自“较亮”至“较不亮”的强度和/或反射率梯度。一般而言，这意味着目标表面76从左至右为由多到少的反射率和/或由多到少的镜面反射。投射72由投影仪或其他照明源所投射至目标表面76上，并且被反射成为反射74，该反射74由相机或其他成像系统所捕捉。然而，由于梯度，相机会将高度译码为低于实际表面高度，如测量表面点78所指示的，这是因为目标76的左侧上的增加的亮度使测量表面点78沿反射(成像系统)射线朝向目标76的较亮部分偏动。从而，相机的测量输出将会错误。该错误倾向于在表面76的法线(例如垂直的)平分所述投射72与反射74之间的角度时发生。
图2D为示出光学检查环境80的一个示例的示意图。环境80包括投射82、反射84、目标表面86、箭头87及测量表面点88。环境80类似于环境70，除了投射84是来自目标表面86的右侧(“较不亮侧”/较少镜面反射侧)而投射72是来自目标表面76的左侧(“较亮侧”/较多镜面反射侧)。目标表面86具有如箭头87所示的自左至右、从“较亮”至“较不亮“的强度和/或反射率梯度。一般而言，这意味着目标表面86自左至右为由多到少的反射率和/或由多到少的镜面反射。投射82被投影仪或其他照明源投射至目标表面86上，并且被反射成为反射84，该反射84由相机或其他成像系统所捕捉。然而，由于梯度，相机会将高度译码为高于实际表面高度，如测量表面点88所指示的，这是因为目标86的左侧上的增加的亮度使测量表面点88沿反射(成像系统)射线朝向目标表面86的较亮部分偏动。从而，相机的测量输出将会错误。该错误倾向于在表面86的法线(例如垂直的)平分所述投射82与反射84之间的角度时发生。
为了克服上述问题，使用具有对列通道配置的多个同轴的照明源/成像系统(例如投影仪/相机)对的系统。
为了清楚起见，应理解的是，术语“通道”(“channel”)是指特定的照明源-成像系统对，以及术语“对列通道”(“counterposed channels”)是指除了照明源与成像系统位置互换之外为相同的一对通道。还应理解的是，术语“通道”可以包括来自一个操作对(例如操作同轴的成像系统-照明源对)的照明源和来自另一操作对的成像系统。还应理解的是，术语“通道”可以包括来自第一相机-投影仪对的相机以及来自第二相机-投影仪对的投影仪。
图3A为示出操作同轴的成像系统-照明系统对的一个示例的示意图。系统100包括照明源102、成像系统104、分束器106、照明108、目标表面110和反射112。照明源102(例如投影仪)朝向目标表面110投射照明并击中该分束器106。部分的照明108继续朝向目标表面110并被反射返回朝向分束器106，以及作为反射112而被反射朝向成像系统104。通过利用分束器106，系统100被配置为具有共享公共的光学路径的照明源102和成像系统104。即是，照明源102和成像系统104为大致同轴且从相同的视角/视角有效地观察目标表面110。
被显示为平板分束器的分束器106以45°角度放置，该分束器106由已涂布(例如半镀银)在面向照明源102的表面上的薄的平坦的玻璃板所组成。分束器106将照明108“分光”成两半，一部分继续(例如被传输)朝向目标表面110(如图所示)，而另一部分被反射(为清楚起见而未示于图3A中)，通常朝向在成像系统104的视场中的参考表面(例如反射镜)，该参考表面反射参考光束(返回通过分束器106)朝向成像系统104(通常用于将经分光的光束在进入成像系统104之前进行重组的目的)。虽然为清楚起见而也未示于图3A，但系统100也可以包括许多透镜(例如准直透镜、物镜、复合透镜组件、远心透镜组件等)、通孔、传感器、附加的分束器、反射镜、及其他合适部件和/或装置。另外，虽然示出了平板分束器，但可以使用其他类型的分束器，例如但不限于相叠分束器。
虽然为了说明的目的，照明源102和成像系统104在图3A中显示为彼此分离，但该照明源102和成像系统104为操作对，该操作对可以被容纳在单一壳体内。为了说明的目的，某些将来的描述会将各个照明源/成像系统对显示为单一组件，如图3B所示。
图3B为示出操作同轴的照明源/成像系统对的一个示例的示意图。图3B为图3A所示系统100的简略版本且类似于图3A，并且相似的元件以相同的符号编号。系统101包括操作照明源/成像系统对103，其包括但未以标号显示：照明源102、成像系统104和分束器106。系统100进一步包括照明108、目标110和反射112。虽然在图3A及图3B中照明108和反射112共享线，但应理解的是，该线同等地表示照明108及反射112，如箭头所示。照明源102在一个示例中包括投影仪。成像系统104在一个示例中包括相机。
图4A为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统200包括第一照明源/成像系统操作对202和第二照明源/成像系统操作对204。操作对202和204为同轴的对，如上面参考图3A至图3B所描述的。系统200进一步包括目标表面206、照明208和214及反射212和216。图4A所示配置(例如对准几何构造)利用两个操作对202和204，每个操作对从不同角度观察目标表面206并且形成两个对列通道(将在下面进一步说明)。
图4B为示出光学相位轮廓测定系统200的一个示例的示意图。图4B类似于图4A，并且因此相似的元件将被类似地编号。为了说明由系统200的配置所形成的两个对列通道，图4B说明性地将系统200分成其相应的照明部件和成像部件。在左侧，操作对204中的照明源将照明214投射至目标表面206上，该照明214从该目标表面206被反射成为反射216，并由操作对202的成像系统所捕捉。此光学路径(例如通道)(214和216)形成第一对列通道218。
在右侧，操作对202中的照明源将照明208投射至目标表面206上，该照明208从该目标表面206反射成为反射212，并由操作对204的成像系统所捕捉。此光学路径(例如通道)(208和214)形成第二对列通道220。
使用对列通道是有利的。通道218和220二者观察/暴露相同的视场且共享所述照明与反射之间相同的相对角度，因此在光学覆盖范围没有差异。更重要地，在参照出现反光或强度梯度时的成像系统的点扩散函数的作用上，通道218和220更加健全于消除和/或减少先前(图2A至图2B)的测量误差。具体地，当这些误差发生在系统200中，来自两个通道218和220的估计(例如点云)的对应点以几乎相等且相反的方向移动。通过使用适当的算法，可以结合所述通道218和220的估计以使得误差大部分和/或实质地彼此抵消。在此意义上，对列通道218和220为彼此补偿且自我补偿。在以下的附图中对此更充分地说明这一点。
图5A为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。图5A类似于图4A，并因此相似的特征被相同地编号。系统200包括操作照明源/成像系统对202、操作照明源/成像系统对204、目标表面206、照明214以及反射216，它们形成第一对列通道218。系统200进一步包括反光222、实际表面点224以及错误表面点226。类似于图2A中的现象，反光222造成操作对202的成像系统产生错误表面点226。实际表面点224在反光222的方向中沿反射216的射线移动。
图5B为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。图5B类似于图4A，并因此相似的特征被相同地编号。系统200包括操作照明源/成像系统对202、操作照明源/成像系统对204、目标表面206、照明208以及反射212，它们形成第二对列通道220。系统200进一步包括反光222、实际表面点228以及重建的表面点230。再次于此，反光222造成测量误差。操作对204的成像系统产生错误重建的表面点230。实际表面点228沿着反射212的射线移动(就如同图5A和图2A中的错误重建的点)。然而，因为操作对202和204为同轴的，以及因为操作对202和204被配置形成两个对列通道，误差为相反地相等，并因此能够被补偿。
如上面所讨论的，每个所述对列通道218和220产生目标表面206的估计(点云)。这些估计会含有在存在反光(例如222)或强度梯度时的成像系统的点扩散函数的作用所造成的误差。然而，因为对列通道218和220，重建的表面点226和230中的误差沿所述反射216和212的相应的射线为相等且相反的，并因此能够彼此补偿。
图6为示出光学相位轮廓测定系统250的一个示例的示意图。系统250包括操作对252和254、目标表面256、照明258和254、反射262和266、对列通道268和270、反光272、错误重建的表面点276和280、正确重建的表面点282、以及箭头284和286。通过将错误的表面点276和280沿其各自相应的反射266和262的射线移动(如箭头284和286所指示)，直至它们相交并限定表面目标位置的新的且更准确的表示，可以使在重建的表面点276和280中的误差被改正以创建所述重建的表面点282。在一个实施例中，通过使用成像系统校准技术将视场内的成像系统的像素位置映射至接收角度而导出反射射线的方向。
在其他实施例中，可以使用算法来接近所述对列通道的错误重建的点的交点。一般而言，该算法迭代地精化来自对列通道的每个相应的估计(点云)，将每个点沿其反射射线(成像系统射线)以小步进朝向其他点云顺利地移动。
图7为示出迭代联合点云精化的一个示例性方法的流程图。方法300在框310处开始，其中，使用光学轮廓测定系统沿目标表面在第一对列通道点云和第二对列通道点云中生成重建的表面点。表面点对于第一对列通道点云和第二对列通道点云二者来说是被重建的(估计的)。在一个示例中，使用诸如系统250之类的光学轮廓测定系统。
该方法在框320处继续，其中，对于第一通道的点云中的每个重建的表面点，识别用于第一通道的点云中的每个重建的表面点的邻近于相应的反射(成像系统)射线的第二通道的点云中的重建的表面点。此识别步骤识别邻近于所选择的第一通道的重建的表面点的反射(成像系统)射线的第二通道的点云上的一组“候选”点。
该方法在框330处继续，其中，计算第二通道的点云的每个邻近(候选)点到第一通道的反射(成像系统)射线上的投射。换句话说，沿着第一通道反射(成像系统)射线的第二通道的每个邻近(候选)点的距离将会被计算。或者换种说法，计算沿着第一通道的反射(成像系统)射线的每个邻近(候选)点应被定位的位置。
该方法在框340处继续，其中，计算出在第一通道的反射(成像系统)射线上每个第二通道的邻近(候选)点的被计算的投射(位置)的平均投射(位置)。换句话说，计算反射射线上的邻近点的平均位置。
该方法在框350处继续，其中，使第一通道的重建的表面点沿其反射(成像系统)射线移动所述距离的一部分而至反射(成像系统)射线上的邻近(候选)点的被计算出的平均位置。
方法300在框360处继续，其中，对于第二通道的点云中的每个重建的表面点，识别用于第二通道的点云中的每个重建的表面点的邻近于相应的反射(成像系统)射线的第一对列通道中的重建的表面点。此识别步骤识别出邻近于所选择的第二通道的重建的表面点的反射(成像系统)射线的第一通道的点云上的一组“候选”点。
方法300在框370处继续，其中，计算第一通道的点云的每个所述邻近(候选)点到第二通道的反射(成像系统)射线上的投射。换句话说，沿着第二通道反射(成像系统)射线的第一通道的每个所述邻近(候选)点的距离将会是每个所述邻近(候选)点。
该方法在框380处继续，其中，计算出在第二通道的反射(成像系统)射线上的每个第一通道的邻近(候选)点的被计算的投射(位置)的平均投射(位置)。换句话说，计算所述反射射线上的邻近点的平均位置。
该方法在框390处继续，其中，将第二通道的重建的表面点沿其反射(成像系统)射线移动所述距离的一部分至所述反射(成像系统)射线上的邻近(候选)点的被计算出的平均位置。
图8为示出所述方法300的一个迭代的示意图。特别地，图8描述了框310至框350。迭代301包括操作照明源/成像系统对252、形成第一对列通道268的一部分的反射266(或，反射/成像系统射线)、第一通道表面点276、邻近(候选)点288、平均投射点290、再定位(精化)点292、以及箭头294。识别出邻近于反射266的邻近(候选)点288。计算沿反射266的邻近点288的平均投射(位置)点，如290所表示的。一旦平均投射点290被计算出，如箭头294所指示的，通过将再计算的表面点276朝向平均投射点290沿反射266移动路径的一部分，从而识别出再定位(精化)重建点292。
图9为示出合并来自对列通道的点云的一个示例性方法的流程图。方法400在框410处开始，通过至少具有第一对列通道和第二对列通道的光学相位轮廓测定系统来生成第一点云和第二点云。其中第一对列通道和第二对列通道分别产生各自相应的第一点云和第二点云。并且，其中，所述第一点云和第二点云分别具有与沿目标表面的测量表面点相对应的多个表面点。
方法400在框420处继续，其中，将对应于目标表面的待测量的体积划分成体素的集合。方法400在框430处继续，对于每个第一点云和第二点云中的每个表面点，沿着第一对列通道的反射(成像系统)射线和第二对列通道的反射(成像系统)射线中的每个射线而将该点的符号距离函数(SDF)和对应的权重加入所述体素的集合的体积。符号距离是从点至指定方向中测量的参考表面的距离。例如，海拔是距海平面的符号距离，对于海平面之上的点为正值，而对于海平面之下的点为负值。符号距离函数是如下一种函数：该函数对于指定的点计算此距离，在此情况中，该符号距离表示从各个体素至点云中点的距离。
方法400在框440处继续，其中，通过识别对于第一点云和第二点云中的每个点云的该SDF的水平集合(例如理论零交叉)而产生表面轮廓地图，该表面轮廓地图对应于体素的体积中的目标表面。
图10A至图10C为示出合并来自对列通道的点云的一个示例的示意图。更特别地，图10A至图10C示出了执行方法400的一个示例。应理解的是，图10A至图10C所示的体积和体素为3D物体，该3D物体限定了光学相位轮廓测定系统的整个测量空间。为了明确说明的目的，体积及体素以2D显示。
图10A为示出体素的体积中的第一对列通道所对应的点云的一个示例的示意图。体素体积300包括待测量的体积302、(一个或多个)体素304、(一个或多个)表面点306、以及(一个或多个)反射(成像系统)射线308。一般而言，体素体积300显示具有多个体素304的待测量的体积302，其中，多个表面点306、以及每个相应点的沿其相应的反射(成像系统)射线308的SDF以及对应的权重，被加入到待测量的体积302。
图10B为示出体素的体积中的第二对列通道所对应的点云的一个示例的示意图。体积体素310包括待测量的体积312、(一个或多个)体素314、(一个或多个)表面点316、以及(一个或多个)反射(成像系统)射线318。一般而言，体素体积310显示具有多个体素304的待测量的体积302，其中，多个表面点316、以及每个相应点的沿其相应的反射(成像系统)射线318的SDF以及对应的权重，被加入至待测量的体积312。
图10C为示出合并来自第一对列通道的点云和第二对列通道的点云的一个示例的示意图。体素体积320包括待测量的体积322、(一个或多个)体素324、第一对列通道的(一个或多个)反射(成像系统)射线326、第二对列通道的(一个或多个)反射(成像系统)射线328、以及目标表面近似330。一般而言，体素体积320显示目标表面轮廓地图，该目标表面轮廓地图是通过识别对于第一点云和第二点云中的每个点云的SDF的水平集合(例如理论零交叉)而产生的，如目标表面近似330所表示，该目标表面轮廓地图对应于待测量体积322中的目标表面。
对于典型的光学相位轮廓测定系统的另一特定挑战是对具有圆形/球形轮廓的目标表面和/或物体(例如球)的准确测量。特别地，当这些目标表面和/或物体具有能造成反光的镜面部分。
如上面所述，典型的光学相位轮廓测定系统通常具有以结构化图案照明该表面的单一投影仪以及观察该表面的多个倾斜相机。或者，使用相反但等同的配置，其中具有单一相机和两个倾斜投影仪。
图11A为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统350包括第一倾斜投影仪352、第二倾斜投影仪354、相机356、球形目标358、投射360和362、第一倾斜投影仪测量364、第二倾斜投影仪测量366、以及高度误差368。系统350遭受如图2A及图2B所述的现象的影响，即，由于反光导致的测量误差。如图11A中所看到的，第一倾斜投影仪352与相机356结合来产生测量364，该测量364显示球形目标358的顶部上的高度误差368(例如高度草痕误差)。相似地，第二倾斜投影仪354与相机356结合来产生测量366，该测量366显示球形目标358的顶部上的高度误差368(例如高度草痕误差)。如前所述，此误差是由每个相应的投影仪的倾斜角度和相机的视角与其点扩散函数的组合所引起的反光的发生而造成的。每个相应的投影仪受到来自球形目标358上的不同位置的反光的影响。在三角测量系统中，诸如本发明的实施例，特征的测量位置受反光扰动。扰动的强度由两个因素的乘积来调整：1)到反光的距离；以及2)反光的点扩散函数(PSF)。从而，扰动图倾向于在对应于PSF的宽度的局部区域之上具有倾斜。我们称此为“草痕(divot)”，因为其类似于由随意的高尔夫挥杆所产生的草痕。
图11B为示出使用系统350的球形目标358的被生成的三维轮廓的一个示例的示意图。如轮廓370中所看到的，发生了高度误差368，其显示为“高度草痕误差”。可以看出，在高度测量中有明显的减少，如在球形目标358的顶部的高度测量单元374所反映的，其应该在其高度的顶点处。例如，将目标358的外部372处的高度读数与被指示为高度误差368的区域处的高度读数进行比较。
此高度草痕误差使用单一投影仪与多个倾斜相机的系统无法解决，如图11C所将会显示。
图11C为示出球形目标358的三维轮廓的一个示例的示意图。左侧是目标358的测量Z高度，其显示了目标358的实际高度轮廓。能够看出，目标358是在图像的中央(其对应于目标358的顶部)处的其高度的顶点处，如高度测量单元376所反映的。右侧则是由单一投影仪/两个倾斜相机的系统所产生的球形目标358的三维轮廓。能够看出，高度误差368发生在图像的中央(其对应于目标358的顶部)处，如高度测量单元378所反映的。
图12为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统500包括操作同轴的照明源/成像系统对502、倾斜操作同轴的照明源/成像系统对504和506、球形目标508、以及通道510。系统500被配置为消除或减少测量误差，诸如参考图11A至图11C所述的测量误差。在一个示例中，由于反光导致的测量误差由系统500的对准几何构造所补偿，例如，当使用四通道对准几何构造(其中有2对对列通道)时，反光造成的误差倾向于几乎相等且相反(从而互相抵消)。在一个示例中，系统500被配置为具有对准几何构造，该对准几何构造创建6个通道(例如4个漫射通道(被配置为捕捉漫反射的光学通道)和2个镜面通道(被配置为捕捉镜面反射的光学通道))。在一个示例中，通过创建被配置为捕捉镜面反射和漫反射的对准几何构造，并由此补偿由镜面反射和漫反射中任一者所引起的误差，所述系统500补偿由镜面的或部分镜面的目标和/或物体造成的测量误差。该对准几何构造将会在图13A至图13C中更详细说明。
图13A为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。具体地，图13A示出了由系统500的对准几何构造所创建的6个通道的2个通道。第一通道为由投射512和反射514所形成。投射512为由操作对502的照明源所投射，该投射512自目标508反射成为反射514并且被操作对504的成像系统所捕捉。第二通道由投射516和反射518所形成。投射516为由操作对504的照明源所投射，该投射516自目标508反射成为反射518，并且被操作对502的成像系统所捕捉。第一通道和第二通道形成第一对对列通道。
图13B为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。具体地，图13B示出了由系统500的对准几何构造所创建的6个通道的2个通道。第三通道由投射512和反射520所形成。投射512由操作对502的照明源所投射，该投射512自目标508反射成为反射520并且被操作对506的成像系统所捕捉。第四通道由投射522和反射524所形成。投射522由操作对506的照明源所投射，且自目标508反射成为反射524，并且被操作对502的成像系统所捕捉。第三通道和第四通道创建第二对对列通道。
图13C为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。具体地，图13C示出了由系统500的对准几何构造所创建的6个通道的2个通道。第五通道由投射516和反射526所形成。投射516由操作对504的照明源所投射，该投射516自目标508反射成为反射526并且被操作对506的成像系统所捕捉。第六通道由投射522和反射528所形成。投射522由操作对506的照明源所投射且自目标508反射成为反射528，并且由操作对504的成像系统所捕捉。
在一个示例中，操作对502、504、506的光学配置为远心的。在一个示例中，操作对502、504、506的透镜组件包括带有无限远的入射或出射光瞳的多元件/复合透镜组件。远心光学配置确保了标称投射方向(如512、516及522所表示的)和反射方向(如514、518及520所表示的)在操作对502、504、506的整个视场中是相同的。在整个视场中投射及反射角度相等的情况下，维持对列通道的优点在于：每个通道的相应的反射由每个操作对的相应的成像系统所接收。在一个示例中，由照明源所生成的照明进入多元件/复合远心透镜组件，变成实质平行并从而在离开操作对时被高度集中。从而照明源所生成的几乎全部的光击中目标表面，并且所造成的反射由成像系统所捕捉。
图14为示出了产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的一个示例性方法。方法600在框610开始，其中，产生目标表面和/或物体的第一尺寸轮廓。这能够通过框612所表示的联合点云精化、框614所表示的合并来自对列通道的点云(例如使用SDF)、和/或其他616而完成。其他616可以包括方法300和/或方法400。其他616可以包括截面。其他616可以包括用于产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的任何合适技术。
方法600在框620处继续，其中，产生目标表面和/或物体的第二尺寸轮廓。这能够通过框622所表示的联合点云精化、框624所表示的合并来自对列通道的点云(例如使用SDF)、和/或其他626而完成。其他626可以包括方法300和/或方法400。其他626可以包括截面。其他626可以包括用于产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的任何合适技术。
方法600在框630处继续，其中，产生目标表面和/或物体的第三尺寸轮廓。这能够通过框632所表示的第一尺寸轮廓与第二尺寸轮廓的比对而完成。这能够通过框634所表示的第一尺寸轮廓与第二尺寸轮廓的结合而完成。这能够由如框636所表示的其他技术而完成。例如，其他636可以包括取第一尺寸轮廓与第二尺寸轮廓的平均(例如加权平均)。其他636可以包括用于基于第一尺寸轮廓与第二尺寸轮廓而产生第三尺寸轮廓的任何其他合适技术。
仅管图14中为了说明目的而显示出步骤的特定顺序，但应理解，这些步骤的部分或全部的步骤能够以任何符号数字的顺序执行，其包括而不限于同步地、同时地、连续地、非同时地、非连续地以及其任何组合。该说明并不暗示和/或解释用于方法600的步骤的特定顺序。
图15A至图15B为示出产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的一个示例的示意图。更特别地，图15A至图15B示出了执行方法600的步骤的一些示例。
图15A为示出使用迭代联合点云精化而产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的一个示例的示意图。尺寸轮廓650为对于多个目标物体652的尺寸轮廓的表示，其在此显示为球形物体。尺寸轮廓650显示多个目标物体652的尺寸信息，包括以微米测量的y坐标(例如长度和/或宽度)、以微米测量的x坐标(例如长度和/或宽度)、以及由656所表示的高度(例如z坐标)。尺寸轮廓658为线654所指示的所选定的目标物体的截面。尺寸轮廓658显示所选定的目标物体654的尺寸信息，包括以微米测量的x坐标(例如长度和/或宽度)以及由657所表示的高度(例如z坐标)。在一个示例中，尺寸轮廓650和/或658可以由方法300所产生。
图15B为示出使用以SDF合并来自对列通道的点云而产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓的一个示例的示意图。尺寸轮廓660为对于多个目标物体662的尺寸轮廓的表示，其在此显示为球形物体。尺寸轮廓660显示多个目标物体662的尺寸信息，包括以微米测量的y坐标(例如长度和/或宽度)、以微米测量的x坐标(例如长度和/或宽度)、以及由666所表示的高度(例如z坐标)。尺寸轮廓668为线664所指示的所选定的目标物体的截面。尺寸轮廓668显示所选定的目标物体664的尺寸信息，包括以微米测量的x坐标(例如长度和/或宽度)以及由657所表示的高度(例如z坐标)。在一个示例中，尺寸轮廓660和/或668可以由方法400所产生。
根据沙姆普弗鲁克定理(Scheimpflug theorem)，如果物体平面没有垂直于光学轴线，则图像平面也会倾斜。图16为示出倾斜的物体和图像平面的几何构造的一个示例的示意图。布置在平面716中的物体708具有法线714，该法线714相对于光学轴线712以角度718倾斜。射线束712进入透镜706并被聚焦至图像传感器704处，其布置成相对于光学轴线成角度720，角度720以θ表示。透镜706垂直于光学轴线。根据沙姆普弗鲁克定理：
tan(θ)＝m*tan(30) 等式1
其中，m为成像系统702的倍率，以及30°为图16中的角度718。
如果倍率m大，则沙姆普弗鲁克定理所需的图像平面的倾斜会大。例如，如果m＝1.5，则θ为40.9°。此所需角度完全超出典型的(尤其是使用微透镜的)成像系统的可用范围。
如美国专利号US 397254A中所教导，图像平面倾斜720能够通过在光学路径中引入棱镜而实质减少。不幸的是，伴随图像平面倾斜的减少，引入各种像差，尤其是像散以及横向色像差。为了避免该问题，如本领域所公知的，可以将附加的棱镜引入到光学路径中，以及通过透镜设计程序来优化性能。在优选的实施例中，如本领域所公知的，使用三个棱镜来适当控制像差，以及使用至少两种类型的玻璃来控制横向色像差，这类似于在消色透镜中需要两种类型的玻璃。棱镜的数量取决于倍率、视场及倾斜度，以及能够在不背离本发明的范围下进行选择。
图17为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统760包括透镜756、焦点平面754、出射射线束758以及棱镜组件752，所述棱镜组件752包括棱镜761、762、763和楔形角764、765、766。自透镜756的后表面出射的光被棱镜组件752折射，并且会聚至焦点平面754，该焦点平面754几乎垂直于光学轴线。
在一个示例中，系统750通过使用多个棱镜(例如棱镜761、762和/或763)减少所需的图像传感器倾斜角度(例如沙姆普弗鲁克角度，Scheimpflug angle)以在光通过成像系统并到达焦点平面时补偿、减少和/或消除像差(例如色像差)，从而允许高分辨率和/或高倍率的光学相位轮廓测定。在一个示例中，棱镜761、762和/或763的至少一个棱镜包括与其他棱镜的至少一个不同的玻璃类型。在另一示例中，所述棱镜761、762、763中的每个棱镜包括与其他棱镜中的每个棱镜不同的玻璃类型。在一个示例中，棱镜761、762和/或763包括楔形棱镜。在一个示例中，棱镜761、762和/或763中的至少一个棱镜包括与其他棱镜的至少一个棱镜不同的楔形角。在一个示例中，棱镜761、762和/或763的至少一个棱镜具有朝向与其他棱镜的至少一个棱镜不同的方向的楔形角(例如楔形顶角)。在一个示例中，棱镜组件760包括：具有朝向第一方向的楔形角(例如楔形顶角764)的第一棱镜、具有朝向第二方向的楔形角(例如楔形顶角765)的第二棱镜、以及具有朝向第二方向的楔形角(例如楔形顶角766)的第三棱镜。仅管图17显示了三个棱镜，但能够使用任何数量的棱镜，包括任何数量的材料以及具有朝向任何数量的方向的楔形角。
对于典型的光学相位轮廓测定系统的另一挑战为由于传感器或传感器的环境的改变所引起的测量误差。例如，热缩放、机械性飘移以及各种其他因素会造成测量输出误差。如上面所述，典型的光学相位轮廓测定系统具有多个图像路径，其从不同视角(例如单一相机/多个投影仪、单一投影仪/多个相机等)观察目标表面。每个相机/投影仪对形成通道(成像/光学路径)并提供待测量表面的独特视角。该表面通常通过各个通道(例如在点云中)而单独地重建，并且这些重建结合成目标表面的最终尺寸轮廓(例如高度地图)。
图18A为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统800包括相机802、投影仪804和806、目标表面808、投射810和812、以及反射814。投射810和反射814形成第一通道816，以及投射812和反射814形成第二通道818。仅管反射814为了在图18中说明清楚的目的而显示为单一的线，但应理解，由投影仪804所投射的投射创建与由投影仪806所投射的投射相分离的反射。从每个所述第一通道和第二通道产生点云，该点云包括目标表面808的尺寸重建。第一通道816产生第一点云820，以及第二通道818产生第二点云822。因为投影仪804和806的对准几何构造以及目标表面808的相对高度，在每个点云中存在盲点/阴影，如824、826所指示的。从而，结合点云以产生如828所指示的目标表面808的完整尺寸轮廓。
结合这些单独的点云需要它们彼此之间完全对准，这典型地通过图像传感器的校准程序而被确保。然而，随着时间推移，如上面所述的传感器的变化(例如热缩放、机械性飘移等)会造成各个点云发生移位(例如变得失准)。在这样的情况下，最终结合的尺寸轮廓最终可能会比具有仍然处于精确对准的通道时较少准确和可重复性。
图18B为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。图18B类似于图18A，并因此相似的部件被类似的编号。图18B示出了与投影仪806的实际对准相比，由精确对准807所表示的处于失准位置的(例如移位的)投影仪806。这造成如表面点819所指示的测量误差。该失准造成第二通道818的点云823相对于第一通道816的点云820移位。点云820与点云823的结合导致目标表面808的错误尺寸轮廓，如829所指示的。
这些类型的误差能够通过对传感器进行重校准而解决，例如，通过依循现场校准程序。然而，这些现场校准程序经常需要光学相位轮廓测定系统停止进行测量，以让操作员使系统工作。这可能对生产造成极大干扰，并降低在线检测操作的处理能力。需要一种较少干扰的技术。下面提供这种技术的一个示例。
通过使用动态补偿的方法，通常能够实时(例如当系统继续操作时)解决误差。各个点云之间的相对误差能够被动态地估计，并然后在将它们结合成目标表面的最终尺寸轮廓之前被补偿。一般方法是通过计算最能使它们在3D中对准的变换来估计各个点云之间相对误差。通常，此变换可以由旋转、平移、缩放或任何其他形式的变换组成，所述任何其他形式的变换对于因成像传感器的改变所预期的变化(例如热缩放、机械性飘移等)进行建模。在一个示例中，3D中的平移足以对系统的对准几何构造的小变化进行建模。
图19为示出对于光学相位轮廓测定系统中的误差的动态补偿的一个示例性方法的流程图。方法900在框910开始，其中，使用第一通道和第二通道(例如成像/光学路径)产生第一点云和第二点云。仅管上面描述来自两个独立通道的两个独立点云，在其他示例中，可使用任意数量的通道以及可以产生任意数量的点云。在其他示例中，在特定光学相位轮廓测定系统中的每个通道可以产生关于目标表面和/或物体的独立点云。
方法900在框920处继续，其中，判断视场的哪部分是非空的。在一个示例中，该判断包括判断(一个或多个)点云的哪部分具有表面点而哪部分不具有表面点。在一个示例中，该判断由光学相位轮廓测定系统进行，该光学相位轮廓测定系统可以具有多个控制器和/或处理器(例如微处理器)，所述控制器和/或处理器被配置为(例如从图像传感器)接收表示任意数量的特征(例如关于目标表面和/或物体的尺寸信息)的(一个或多个)传感器信号，并且基于该传感器信号判断视场的哪部分(例如各自的区域、待测量体积、系统观察的环境等)是非空的(例如具有对应表面点的那些部分)。
方法900在框930处继续，其中，在视场的经判断的非空部分(例如点云的非空部分)中对准第一点云和第二点云。该对准能够以各种方式完成。在一个示例中，计算用于每个点云的最佳变换，如框932所示。在一个示例中，执行旋转，如框933所示。在一个示例中，执行平移，如框934所示。在另一示例中，执行缩放，如框935所示。在另一示例中，执行加权，如框936所示。在一个示例中，框936处的加权包括：通过点云的表面点的置信值(例如它们的信噪比)对点云的表面点进行加权。在另一示例中，点云能够通过执行任何其他数量的变换而被对准，所述其他变换特别地是那些对于成像传感器的改变(例如热缩放、机械性飘移等)进行建模的变换，如框937所示。
方法900在框940处继续，其中，判断每个点云的相对误差。在一个示例中，判断每个点云的相对误差包括：识别每个点云的最佳变换的相反状态。方法900在框950处继续，其中，产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓。在一个示例中，产生目标表面和/或物体的尺寸轮廓包括：减去该相对误差。在一个示例中，产生尺寸轮廓包括：计算每个点云的最佳变换；识别每个点云(例如最佳变换的相反状态)的相对误差；以及从每个点云减去其相应的相对误差，以及将被补偿的和/或被校正的点云结合。
图20为示出动态补偿的一个示例的示意图。在图20的上侧，显示有第一点云962和第二点云964。在一个示例中，点云962和964是通过第一通道和第二通道(例如816和818)而产生。每个所述第一点云和第二点云具有如以小圆点所指示的多个相应的表面点。如图20所示，点云962和964均具有由于对图像传感器的改变(例如如图18A所示的机械性飘移)而导致的测量误差。所产生的点云不能准确地表示正被测量的目标表面(例如808)。然而，通过动态补偿，如上(例如方法900)，每个点云的测量误差能够被补偿和/或被校正并且创建目标表面的尺寸轮廓，该尺寸轮廓正确地或实质正确地表示目标表面的实际尺寸轮廓，如对准的尺寸轮廓966所指示的。
在一个示例中，动态补偿包括：从观察目标表面的光学相位轮廓测定系统的相应的第一通道和第二通道产生第一点云和第二点云，其中，第一点云和第二点云为表示关于光学相位轮廓测定系统的视场的尺寸信息；判断该视场的哪部分是非空的(例如视场的哪部分具有表面点)；通过计算每个点云的最佳变换和识别(例如计算)每个点云的相对误差而在非空区域中对准第一点云和第二点云；从每个点云减去相对误差；以及通过从每个所述第一点云和第二点云减去相对误差和结合被校正的和/或被补偿的第一点云和第二点云而产生尺寸轮廓(例如高度地图)。在一个示例中，计算最佳变换包括：通过每个所述第一点云和第二点云的表面点的置信值(例如信噪比)而将每个所述第一点云和第二点云的表面点加权。在一个示例中，计算最佳变换包括：执行旋转、平移、缩放、或任何其他变换、或其组合。
在一些情况中，判断每个点云的相对误差可以是计算密集型的、并且可以减慢目标表面和/或物体的整体重建(例如高度地图的生成)。特别是在连续地进行三维获取(例如在电子组装处理中的电路板的自动光学检查期间)的在线检测环境中，可以不需要或不期望在每一帧处判断相对误差。在一个示例中，周期性地判断相对误差，并然后将该相对误差应用在每个获取(例如尺寸轮廓、高度地图等)。另外，由于相对误差的每个判断可能含有一些噪声，该判断结果可以通过保持相对误差判断的运行平均而能够在时间上被平滑处理。
图21为示出动态补偿的一个示例性方法的流程图。方法1000在框1010开始，其中，对于目标表面和/或物体的每个独立的三维获取，判断从相对误差平均的最近的判断以来的时间是否超过阈值。如果在框1010处判断出从最近的相对误差平均被判断以来的时间并未超过阈值，则将最近一次的相对误差平均应用到每个点云。方法1000在框1025处继续，其中，对于目标表面和/或物体产生尺寸轮廓(例如高度地图)。
回到框1010，如果判断出从最近的相对误差平均以来的时间超过阈值，则方法1000在框1030处继续，在框1030中，判断新的相对误差平均。在一个示例中，通过判断变换(例如最佳变换)的平均来判断新的相对误差平均。在一个示例中，变换的平均根据以下而被判断：
Tavg＝αTnew+(1-α)Told 等式2
其中，α是介于0与1之间的常数。
方法1000在框1040处继续，其中，从每个点云减去相对误差平均(例如Tavg)。方法1000在框1050处继续，其中，结合被校正的和/或被补偿的(例如相对误差平均已被减去的)点云。方法1000在框1060处继续，其中，基于被校正的和/或被补偿的点云而产生尺寸轮廓(例如高度地图)。方法1000能够对于每个三维获取继续进行，直至该光学检查操作完成。
在一些情况中，对于多少误差能够被补偿可以有限制。当相对误差判断开始接近此该限制，可能需要执行全场或工厂校准。在一个示例中，光学相位轮廓测定系统可以判断所述相对误差是否已超过阈值(例如误差量、迭代数量等)，并且在判断出所述相对误差已超过阈值时，该光学相位轮廓测定系统可以产生需要校准的通信、警告、警报、或一些其他指示(例如在用户界面出现显示)。
面对典型的光学相位轮廓测定系统的挑战是由系统限制所造成的，所述系统限制限制了目标表面和/或物体的所获取的图像的质量及准确性。
光学相位轮廓测定受到所投射的正弦波质量的限制。数字光处理(DLP)系统具有灵活性但像素大小有限，其在所投射的正弦波的相位中产生阶梯状图案。DLP系统也具有有限的动态范围。例如，典型的DLP系统使用8位的图像，这导致正弦波被量化为256阶。不幸的是，这种数字模拟(例如光学光阶)转换不是完全线性的。实际应用可以具有明显的积分和/或微分线性度误差，该微分线性度误差更难以处理(例如校正、补偿等)。另一方面，积分误差以及偏移及增益误差，能够以多相重建来消除。例如，三相重建对于偏移增益误差不灵敏，而四相重建对于二次积分误差不灵敏，以及高阶重建将补偿更高阶的积分误差。而微分线性度误差在正弦波的所有部分添加“随机的”(例如难以预测的)相位噪声。
DLP系统通过时间分割法产生多灰度级。为了产生灰度级，DLP系统中的各个反射镜被翻转开闭，类似于脉冲宽度调变(PWM)。由于反射镜是机械装置，在切换时间上受到限制，因此增加被投射的灰度级的数量(例如增加图像中的位数)也增加了用于图像的帧时间。例如，单一位图可能看起来不像正弦波，但相对于较高的位图，单一位图能够非常快速地被投射，并因此改善系统输出时间。
图22A为示出DLP投影仪系统的一个示例的示意图。系统1100包括光源1102、数字微镜装置1104、光学低通滤波器(OLPF)1106、数字投射透镜组件1108，该数字投射透镜组件1108进一步包括透镜1110和1112。系统1100进一步包括源射线束1114、投射1116以及目标表面1118。一般而言，系统1100的操作如下。源射线束1114从光源1102(例如LED)发出，并通过聚光透镜1103，该聚光透镜1103会聚所述源射线束1114，以便有效地照明数字微镜装置1104。源射线束1114在通过聚光透镜1103之后，落在数字微镜装置上，并从该数字微镜装置被投射成为数字投射1116。数字投射1116通过OLPF 1106(其将在下面(图22B)进一步详细讨论)，如上面所述，OLPF 1106被配置为减少和/或消除典型的DLP系统的问题。投射1116继续到投影仪透镜组件1108上，该投影仪透镜组件1108包括透镜1110和1112，所述透镜1110和1112被配置为将投射1116聚焦至目标表面1118上至期望的阶。投射1116接着到目标表面1118上，自该目标表面1118反射并接着被成像系统(例如相机)所捕捉，该成像系统将会使用传感器(例如图像传感器)而生成目标表面1118的尺寸轮廓。虽然图22中为了说明的目的而显示部件的特定配置，但系统1100可以包括任何数量的附加的部件和/或装置，包括但不限于：附加的数字微镜装置；附加的透镜(例如成形透镜)，包括在投影仪透镜组件1108中以各种方式布置的附加的透镜；(一个或多个)滤色器；附加的光源；以及对于这类系统所必须或期望的其他部件和/或装置。
图22B为示出OLPF的一个示例的简化框图。OLPF 1106包括(一个或多个)双折射材料1120和其他1128。(一个或多个)双折射材料1120包括(一个或多个)石英片1122、(一个或多个)波长延迟器1124和其他1126。在一个示例中，OLPF 1106由双折射材料层所组成。在一个示例中，(一个或多个)石英片1122包括：第一石英片，其将来自数字微镜装置的点分成一对点；以及第二石英片，其将该两个点分成四个点。在一个示例中，该四个点以正方形图案布置。在一个示例中，(一个或多个)波长延迟器1124包括：第一四分之一波长延迟器，其将(由数字微镜装置所投射的)图像的每个副本的偏振光转换成圆偏振光；以及第二四分之一波长延迟器，其将图像的每个副本的偏振光转换成圆偏振光。在一个示例中，所述第二四分之一波长延迟器确保了由OLPF 1106输出的光为圆偏振的。在一个示例中，OLPF 1106包括四个双折射材料层，其中第一层包括第一石英片，第二层包括第一四分之一波长延迟器，第三层包括第二石英片，以及第四层包括第二四分之一波长延迟器。
(一个或多个)双折射材料1120也可以包括任何其他数量的双折射材料，包括但不限于任何其他数量的晶体结构。OLPF 1106也可以包括成像系统中的光学低通滤波和/或重建滤波所必须或期望的任何其他数量的材料和/或部件。
由于光学相位轮廓测定系统的竖向分辨率受被投射的最高频率的限制。对于DLP相位轮廓测定系统，所述频率典型地为每周期约4个数字微镜装置像素。每个像素四分之一循环的频率实际上为方波。通过将OLPF 1106应用至DLP相位轮廓测定系统，所述方波可以被转换成正弦波。以方波开始的好处在于，方波为二进制图像(例如只有两阶)。与其他典型的DLP相位轮廓测定系统相比，使用二进制图案改善了系统1100的速度。例如，八位的DLP图像每图像需要数十毫秒，而单一位图，如系统1100的情况，能够在1毫秒以下良好投射，从而改善尺寸轮廓输出及图像获取的速度。
在需要较低频率的正弦波的情况中，可以将附加的位阶添加至正弦波，例如，每循环6个像素的正弦波能够以仅3个灰度级(例如0、0.5和1.0)而被充分投射。在一个示例中，对于每n个像素重复的正弦波，提供n/2个灰度级。系统1100被配置为对于期望投射频率将信号水平最大化，以及将不希望的假影(例如“纱窗效应”(screen-door effects)或投射频率的谐波)最小化。
图23为示出投射光到目标表面上的一个示例的流程图。方法1200在框1210开始，其中，使用光源将光投射到数字微镜装置(DMD)上。光在到达DMD表面之前，光可以首先通过透镜组件1211，该透镜组件1211在一个示例中可以包括聚光透镜。光在到DMD的途中也可以通过任何其他装置和/或部件。光源可以包括LED 1214。光源可以包括合适于将光投射到DMD上的任何其他类型的光源1215。
方法1200在框1220处继续，其中，从DMD将被投射的光(投射)反射朝向目标表面和/或物体。方法1200在框1230处继续，其中，被投射的光在从DMD反射之后、但在到达目标表面和/或物体之前，被过滤。该过滤能够使用OLPF 1231完成。该过滤能够使用其他类型的滤波器1232完成。滤波器可以包括任何数量的波片1233，例如石英波片。滤波器可以包括任何数量的波长延迟器1234，例如四分之一波长延迟器。滤波器可以包括任何其他数量的材料、部件、和/或装置，包括但不限于：双折射材料、晶体结构、以及对于过滤和/或重建所必须和/或期望的任何其他材料、部件和/或装置。在一个示例中，滤波器为由多层所组成的OLPF，其中第一层包括第一石英波片，第二层包括第一四分之一波长延迟器，第三层包括第二石英波片，以及第四层包括第二四分之一波长延迟器。在一个示例中，在框1230处的滤波器可以包括OLPF 1106。
方法1200在框1240处继续，其中，将经过滤的投射聚焦到目标表面和/或物体上。经过滤的投射可以首先通过透镜组件1241。在一个示例中，在该框处的透镜组件1241为投影仪透镜组件1108。经过滤的投射可以首先通过(一个或多个)通孔1242。滤波器投射可以在到目标表面和/或物体的途中通过任何数量的其他装置和/或部件。
在一个示例中，方法1200包括通过LED将一投射投射到DMD，该DMD被配置为以每像素四分之一循环的频率反射光(例如将投射反射成为方波)。来自DMD的光接着由OLPF过滤，该OLPF被配置为将方波“重建”成正弦波。OLPF包括：第一石英波片，被配置为将来自DMD的点分成一对点；第一四分之一波长延迟器，被配置为将图像的每个副本的偏振光转换成圆偏振光；第二石英波片，被配置为将该两个点分成四个点，其中该四个点以正方形图案布置；以及第二四分之一波长延迟器，被配置为将输出光(例如通过并离开OLPF且朝向目标表面和/或物体的光)转换成圆形偏振光。经过滤的光然后通过投影仪透镜组件，该投影仪透镜组件被配置为将经过滤的光聚焦到目标表面和/或物体上，其中透镜组件包括具有第一凸面的第一透镜、以及具有第二凸面的第二透镜，其中第一凸面和第二凸面面向相反方向。
与典型的光学相位轮廓测定系统相关联的另一挑战涉及目标倾斜，特别是镜面目标表面的目标倾斜。在典型的系统中，照明源具有数值孔径，该数值孔径限定从目标表面上每个点出射的射线束的边界。通常，系统会被对准，使得对于非倾斜的目标，使照明源瞳孔的中心会与成像系统瞳孔的中心相交。然而，目标表面的任何倾斜都会干扰该对准，例如，当目标表面倾斜，来自所述源的射线束(从目标反射成为反射)透过接收器的通孔。例如，当目标表面从理想平面倾斜并改变三角测量角度时，会发生挠度计误差。在反射在边缘重叠时会加剧该误差，也称为渐晕(vignetting)。在一些情况中，诸如当目标处于极度倾斜时，反射不再重叠而是对于成像系统为不可见，并从而无法产生目标表面的尺寸信息。由于目标表面倾斜所引起的误差在US 2019-0226835-A1中被进一步解释。
作为挠度计误差的示例，当非零高度处的镜面目标(例如理想平面)被倾斜时，成像系统所测量的高度发生改变。例如，在具有60°夹角的相位轮廓测定系统中，距倾斜1°的相机最佳焦距1毫米的目标会具有约40微米的高度误差。
图24为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统1300包括第一操作同轴的成像系统/照明源对1302，该第一操作同轴的成像系统/照明源对1302包括成像系统1306、照明源1308和分束器1310。系统1300进一步包括第二操作同轴的成像系统/照明源对1304，所述第二操作同轴的成像系统/照明源对1304包括成像系统1312、照明源1314及分束器1316。操作对1302和1304被配置为使得它们各自的成像系统(1306和1312)与它们各自的照明源(1308和1314)共享光学路径。操作对1302和1304利用各自的分束器1310和1316，在一个示例中，所述分束器1310和1316被配置为相对于它们各自的成像系统(1306和1312)及各自的照明源(1308和1314)成45°角度。在一个示例中，成像系统1306和/或1312可以包括相机。在一个示例中，成像系统1306和/或1312可以包括(一个或多个)图像传感器。在一个示例中，照明源1308和/或1314可以包括投影仪。在一个示例中，照明源1308和/或1314可以包括DLP投影仪，该DLP投影仪可以包括数字微镜装置(DMD)和OLPF。系统1300进一步包括目标表面1318、照明1320和1324、以及反射1322和1326。
系统1300被配置为使操作对1302、1304包括倾斜对(例如被放置成相对于目标表面1318和(例如垂直的)法线成倾斜角度)。系统1300进一步被布置成使操作对1302和1304为相对于彼此对称。换句话说，它们相对于目标表面1318及法线的倾斜角度是相等的但在相反的方向(例如在法线的相反侧)。以此方式，操作对1302和1304形成对列通道。在一个示例中，操作对1302和1304形成第一镜面通道和第二镜面通道。第一通道包括：从照明源1308投射的照明1320、以及从目标表面1318所反射的反射1322。在一个示例中，反射1322包括镜面反射。第二通道包括：从照明源1314投射的照明1324、以及从目标表面1318所反射的反射1326。在一个示例中，反射1326包括镜面反射。
系统1300的对准几何构造具有如下优点：由于镜面目标表面的倾斜或尖端所引起的高度重建误差被补偿。对于系统1300，目标倾斜所造成的误差对于每个所述操作对1302和1304将会是相等且相反的。从而，当由操作对1302和1304所产生的点云被结合时，由目标倾斜所造成的镜面误差被校正。进一步地，在一个示例中，成像系统以及照明源的光学孔径(未显示)为相等的(例如每个相应的通道的数值孔径是等同的)，镜面误差被最小化，并且目标表面的结果表示更为准确。
图25为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的示意图。系统1400包括第一操作同轴的成像系统/照明源对1402，该第一操作对1402包括成像系统1408、照明源1410和分束器1412。系统1400进一步包括第二操作同轴的成像系统/照明源对1404，所述第二操作对1404包括成像系统1414、照明源1416和分束器1418。系统1400进一步包括第三操作同轴的成像系统/照明源对1406，该第三操作对1406包括成像系统1420、照明源1422和分束器1424。操作对1402、1404、1406被配置为使它们各自的成像系统(1408、1414和1420)与它们各自的照明源(1410、1416和1422)共享光学路径。操作对1402、1404和1406利用各自的分束器1412、1418和1424，在一个示例中，所述分束器1412、1418和1424被配置为相对于它们各自的成像系统(1408、1414和1420)及各自的照明源(1410、1416和1422)成45°角度。在一个示例中，成像系统1408、1414和/或1420可以包括相机。在一个示例中，成像系统1408、1414和/或1420可以包括(一个或多个)图像传感器。在一个示例中，照明源1410、1416和/或1422可以包括投影仪。在一个示例中，照明源1410、1416和/或1422可以包括DLP投影仪，该DLP投影仪可以包括数字微镜装置(DMD)和OLPF。系统1400进一步包括目标表面1426、照明1428、1434和1438、以及反射1430/1440/1450、1432/1442和1436/1446。
系统1400被布置成使该系统形成6个对列通道。在一个示例中，有4个漫射通道和2个镜面通道。在一个示例中，4个对列通道被配置为捕捉标称漫射反射，以及2个对列镜面通道被配置为捕捉镜面反射。系统1400被配置为使操作对1402和1406包括倾斜对(例如相对于目标表面1426和“法线”成一倾斜角度放置/对准，(例如垂直的，和/或在一个示例中，操作对1404)。系统1400被布置成使操作对1402和1406为相对于彼此对称。换句话说，它们相对于目标表面1426及法线的倾斜角度为相等的但在相反的方向(例如在法线的相反侧)。以此方式，操作对1402和1406形成第一对列镜面通道和第二对列镜面通道。第一通道包括：从照明源1410所投射的照明1428、以及从目标表面1426所反射的反射1432。在一个示例中，反射1432包括镜面反射。第二通道包括：从照明源1422所投射的照明1438、以及从目标表面1426所反射的反射。在一个示例中，反射1436包括镜面反射。
系统1400进一步被布置成形成另外4个对列通道，在每个倾斜对(1402和1406)与操作对1404之间有两个对列通道。操作对1404相对于目标表面1426以近似法向(例如垂直)来布置/对准。第三对列通道包括：从照明源1410所投射的照明1428、以及从目标表面1426所反射的反射1440。在一个示例中，反射1440为漫反射。第四对列通道包括：从照明源1416所投射的照明1434、以及从目标表面1426所反射的反射1446。在一个示例中，反射1446为漫反射。第五对列通道包括：从照明源1422所投射的照明1438、以及从目标表面1426所反射的反射1450。在一个示例中，反射1450为漫反射。第六对列通道包括：从照明源1416所投射的照明1434、以及反射1442。在一个示例中，反射1442为漫反射。
在一个示例中，为了使获取所述系统1400的所有六个通道所需的时间最小化，可以使各个成像系统-照明源对的时机交错。典型地，成像系统1408、1414、1420被配置有CMOS区矩阵探测器。这些类型的图像仪具有能力去控制曝光时间，以使用于该图像仪的曝光时间为图像仪的帧时间(例如获取及读出以及成像的时间)的一小部分。例如，如果成像系统(例如1408、1414和1420)能够以每秒50帧来获取图像，则在获取之间的时间为1/50秒或20毫秒。为了以从一个成像系统获取至少两个图像的串行模式来从6个通道中的每个通道获取至少一个图像，获取完整图像集的时间为120毫秒(6个图像×20毫秒)。然而，如果在反射(例如1436、1446、1430、1440、1450、1432和1442)中有足够强度，曝光时间能够大幅短于20毫秒，并且图像获取的顺序能够在三个成像系统之间交错。对于该特定示例，通过交错三个成像系统的获取顺序，一个成像系统的曝光可以被定时成与另一成像系统完成其帧时间所需的读出时间为相同时间，从而得到120/3或40毫秒的总获取时间。
以下为用于从六个通道获取图像的交错的触发顺序的示例，其能够利用系统1400的对准几何构造(例如配置)以最小化获取时间：
触发时间1：照明源1410曝光成像系统1414；
触发时间2：照明源1416曝光成像系统1420；
触发时间3：照明源1422曝光成像系统1408；
触发时间4：照明源1422曝光成像系统1414；
触发时间5：照明源1410曝光成像系统1420；
触发时间6：照明源1416曝光成像系统1408。
在该示例中，触发事件之间的时间为20/3＝6.6毫秒。触发任何单一个成像系统之间的时间为20毫秒，而用于所有6个图像的总获取时间为6.6毫秒×6＝40毫秒。应理解的是，这仅是交错顺序的一个示例，并且在不脱离本发明的精神及范围的情况下能够使用其他交错顺序。
图26为示出光学相位轮廓测定系统的一个示例的简化框图。系统1500包括(一个或多个)照明源1502、(一个或多个)成像系统1504、电子设备1550、对准几何构造1562、(一个或多个)电源1564、(一个或多个)内存1565、(一个或多个)用户接口1566、(一个或多个)分束器1567、(一个或多个)远程装置1568、(一个或多个)壳体、(一个或多个)显示器1570及其他1571。系统1500可以包括任何实施例并且可以结合本文所述的任何方法。
(一个或多个)照明源1502包括(一个或多个)照明产生器1512、透镜组件1514、(一个或多个)滤波器1515、(一个或多个)通孔1516、(一个或多个)壳体1518及其他1522。(一个或多个)照明源1502可以包括本文所述的任何实施例。(一个或多个)照明产生器1512被配置为产生待投射至目标上的照明(例如结构化的或图案化的照明)。(一个或多个)照明产生器1512可以包括空间光调制器、结构光产生器、DLP投影仪、透射式液晶、硅基液晶(LCOS)或用于投射结构光图案的任何其他合适技术、数字微镜装置(DMD)、或任何其他数量的合适照明产生器。
透镜组件1514一般被配置为将照明从(一个或多个)照明源1402引导朝向目标，并且可以包括远心透镜组件、入射透镜和出射透镜、无限远的入射或出射光瞳、两个或更多个透镜、以及由各种材料制成的透镜，所述各种材料包括但不限于：聚碳酸酯、塑料、聚合物、玻璃、液态透镜材料、及任何其他合适材料。透镜组件1514可以包括：聚光透镜、投影仪透镜组件，其中投影仪透镜组件包括：具有第一凸面的第一透镜和具有第二凸面的第二透镜，其中第一凸面和第二凸面面向相反方向。
(一个或多个)滤波器1515一般被配置为过滤/或重建照明。(一个或多个)滤波器1515可以包括OLPF，其中OLPF包括任何数量的双折射材料。OLPF可以包括四层，其中第一层包括波片(例如石英波片)，第二层包括四分之一波长延迟器，第三层包括第二波片(例如石英波片)，以及第四层包括第二四分之一波长延迟器。(一个或多个)滤波器1515可以包括任何其他数量的材料、部件和/或装置，包括但不限于：晶体结构、片等。
(一个或多个)通孔1516被配置为将照明从照明源1502引导朝向目标表面。(一个或多个)通孔1516可以在整个光学相位轮廓测定系统中包括尺寸上的任何变化，所述光学相位轮廓测定系统诸如是在本文中所述的实施例及系统。在一个示例中，每个操作同轴的成像系统-照明源对的数值孔径为等同的。在一个示例中，这些数值孔径为不同尺寸。在一个示例中，用于通道(例如对列通道、镜面通道、漫射通道等)、接收器(例如成像系统)的数值孔径小于源(例如照明源)数值孔径。在一个示例中，用于通道(例如对列通道、镜面通道、漫射通道等)、接收器(例如成像系统)的数值孔径大于源(例如照明源)数值孔径。在一个示例中，对于通道(例如对列通道、镜面通道、漫射通道等)、接收器(例如成像系统)的数值孔径与源(例如照明源)数值孔径为等同的。
(一个或多个)壳体1518被配置为限定(一个或多个)照明源1502的本体并且容置该(一个或多个)照明源1502的部件。(一个或多个)壳体1518可以包括任何数量的材料，包括但不限于：塑料、聚合物、金属或任何其他合适材料。(一个或多个)壳体1518可以包括本文所述的任何实施例。其他1522可以包括适合于被照明源使用以将结构化照明投射在目标上的任何其他部件。
(一个或多个)成像系统1504包括透镜组件1528、(一个或多个)通孔1530、(一个或多个)相机1532、(一个或多个)图像平面1534、(一个或多个)调节机构1540、(一个或多个)壳体1542、(一个或多个)传感器1546以及其他1548。(一个或多个)成像源1504被配置为接收从(一个或多个)照明源1402投射的且从目标反射的照明。透镜组件1528被配置为将从目标所反射的照明引导朝向(一个或多个)成像系统1504的内部部件(例如(一个或多个)相机1532、(一个或多个)图像平面1534、(一个或多个)传感器1546)，并且可以包括远心透镜组件、入射及出射透镜、无限远的入射或出射光瞳、两个或更多个透镜、可调透镜、以及由各种材料制成的透镜，所述各种材料包括但不限于：聚碳酸酯、塑料、聚合物、玻璃、液态透镜材料、及任何其他合适材料。透镜组件1528可以包括棱镜组件(例如棱镜组件760)，所述棱镜组件可以包括任何数量的棱镜(例如761、762和/或763)。
(一个或多个)通孔1530被配置为将从目标所反射的照明引导朝向(一个或多个)成像系统1504的(一个或多个)内部部件。(一个或多个)通孔1530可以在整个光学相位轮廓测定系统中包括尺寸上的任何变化，所述光学相位轮廓测定系统是诸如在本文中所述的实施例及系统。在一个示例如，每个操作同轴的成像系统-照明源对的数值孔径为等同的。在一个示例中，这些数值孔径为不同尺寸。在一个示例中，用于通道(例如对列、镜面通道、漫射通道等)、接收器(例如成像系统)的数值孔径小于源(例如照明源)数值孔径。在一个示例中，用于通道(例如对列通道、镜面通道、漫射通道等)、接收器(例如成像系统)的数值孔径大于源(例如照明源)数值孔径。在一个示例中，用于通道(例如对列通道、镜面通道、漫射通道等)、接收器(例如成像系统)数值孔径与源(例如照明源)数值孔径为等同的。
在一个示例中，(一个或多个)通孔1516的数值孔径与(一个或多个)通孔1530的数值孔径为等同的，并因此被配置为减少、补偿、和/或消除由于目标倾斜所引起的测量误差(例如挠度计误差、渐晕等)。
(一个或多个)相机1532被配置为接收(一个或多个)照明源1502所投射的并从目标反射朝向(一个或多个)成像系统1504的照明。(一个或多个)相机1532可以包括(一个或多个)传感器1546(例如图像传感器)，所述传感器1546被配置为基于所接收的表示目标的图像的照明而产生传感器信号。(一个或多个)图像平面1534为(一个或多个)相机1532的部分，并且限定该相机的所述被反射的照明在通过(一个或多个)成像系统1504的内部部件(例如透镜组件1528、(一个或多个)通孔1530等)之后聚焦于其上的表面。
(一个或多个)调节机构1540是被配置为改变(一个或多个)成像系统1504的透镜组件1528或另一部件的位置或特征的装置。(一个或多个)调节机构1540可以包括被配置为改变透镜的位置以使透镜的聚焦点被改变的机械装置。(一个或多个)调节机构1540可以包括电光学透镜，所述电光学透镜在图像捕捉之间改变形状，以使聚焦位置被改变。在这样的系统中，透镜的曲率是通过施加电流来被调节。(一个或多个)调节机构1540可以包括可变放大率透镜，例如，液晶透镜组件。(一个或多个)调节机构可以包括被配置为改变(一个或多个)图像平面1534的位置的装置。(一个或多个)调节机构1540可以包括被配置为改变(一个或多个)相机1532的位置的装置。(一个或多个)调节机构1540可以包括任何合适装置、部件和/或技术，以使成像系统的聚焦位置可以改变。
(一个或多个)壳体1542被配置为限定(一个或多个)成像系统1504的本体并且容置(一个或多个)成像系统1504的部件。(一个或多个)壳体1542可以包括任何数量的材料，包括但不限于：塑料、聚合物、金属或任何其他合适材料。(一个或多个)壳体1542可以包括本文所述的任何实施例。(一个或多个)传感器1546可以包括任何数量的传感器，所述传感器被配置为产生被捕捉的图像、目标尺寸信息、所接收的照明的特征所表示的信号等。其他1548可以包括被配置为允许(一个或多个)成像系统1504接收照明或取得关于目标的尺寸信息的任何其他合适部件。
电子设备1550包括通信电路1552、(一个或多个)处理器1554、(一个或多个)控制器1556及其他1560。通信电路1552被配置为与系统1500的其他部件((一个或多个)照明源1502和(一个或多个)成像系统1504)、外部部件(例如(一个或多个)用户接口1566、(一个或多个)远程装置1568、及(一个或多个)显示器1570)、以及电子设备1550的其他部件通信。通信电路1552可以包括有线电路(例如有线回路)和/或无线电路(WiFi、蓝牙等)。(一个或多个)处理器1554被配置为接收信号(例如来自(一个或多个)传感器1546的传感器信号)和关于目标的其他输入，并且基于这些信号及输入而判断、计算、和/或产生关于目标的尺寸信息和/或特征(例如高度、坡度、x位置、y位置、z位置等)。在一个示例中，(一个或多个)处理器1554被配置为产生点云，所述点云具有关于目标的由系统的相应通道(例如光学路径)所捕捉的多个表面点，其中，所述通道包括至少一个照明源和至少一个成像系统。(一个或多个)处理器1554可以经由硬件、软件、或其组合而被调适用于接收来自(一个或多个)成像系统1504的所获取的图像、以及执行包括本文中所述的那些在内的大量的计算、方法和/或技术。例如，(一个或多个)处理器1554可以执行点云合并、迭代联合点云精化、符号距离函数、加权平均、动态补偿、组合、比对以及任何其他数量的计算、方法和/或技术、或是本文中所述的那些的任意组合。
(一个或多个)控制器1556被配置为从(一个或多个)处理器1554及其他部件(例如(一个或多个)用户接口1566)接收信号，以及产生控制信号至系统1500的部件。在一个示例中，(一个或多个)控制器1556可以包括任何数量的处理器或微处理器，包括(一个或多个)处理器1554。例如，(一个或多个)控制器1556可以接收来自(一个或多个)处理器1554的表示需要启动校准处理的输出(例如相对误差判断已超出限制，并且需要现场或工厂校准)。(一个或多个)控制器1556然后可以产生控制信号而使外部部件(例如(一个或多个)用户接口1566、(一个或多个)远程装置1568和/或(一个或多个)显示器1570)出现显示、警告、警报、或系统1500的状态的任何其他指示(例如需要校准)。在其他示例中，(一个或多个)控制器1556可以产生控制信号以使(一个或多个)处理器1554判断新的相对误差，以及产生控制信号使通信电路1552将该新的相对误差储存于内存1565。(一个或多个)控制器1556可以产生任何数量的控制信号，包括用于任何本文所述的方法和/或技术的控制信号。
在另一示例中，(一个或多个)控制器1556被配置为操作该系统1500的时机(例如投射及获取时机、曝光时机等)。在一个示例中，系统1500的时机被交错(例如交错的触发顺序)。在一个示例中，一个成像系统的曝光可以被定时为与另一成像系统完成其帧时间所需的读出时间为相同时间。在一个示例中，交错的触发顺序可以导致系统1500的40毫秒的总获取时间。在一个示例中，触发事件之间的时间为6.6毫秒。
对准几何构造1562为系统1500的位置及对准结构。对准几何构造1562可以包括(一个或多个)照明源1502和/或(一个或多个)成像系统1504的竖直位置或水平位置。对准几何构造1562可以包括方位角、或(一个或多个)照明源1502和/或(一个或多个)成像系统1504的光学轴线。对准几何构造1562可以包括本文中所述的系统、方法、技术或实施例的任一者，例如但不限于：图3A至图3B、图4A至图4B、图12、图13A至图13C、图24和图25所示的对准几何构造。
(一个或多个)电源1564被配置为供电至系统1500的部件。(一个或多个)电源1564可以包括电池、对电路的有线连接、或任何其他合适技术，从而使系统1500的部件会被供电。另外，系统1500的各个子系统中的每一个子系统(例如(一个或多个)照明源1502、(一个或多个)成像系统1504、和(一个或多个)电子设备1550)可以包括它们自己的(一个或多个)电源(例如电池、或对电路的独立连接)，从而使它们彼此独立地被供电。(一个或多个)电源1564也可以包括这些的任何组合。
内存1565被配置为储存数据(例如关于目标的尺寸信息、计算、判断、指令等)、校准信息、系统状态信息等。内存1565可以包括RAM、ROM、电脑高速缓冲存储器、动态RAM、静态RAM、闪存、虚拟内存、视频存储器、BIOS、或任何其他合适形式的内存。内存1565优选地电耦接于系统1500。
(一个或多个)分束器1567被配置为将来自(一个或多个)照明源1502的照明“分光”以及将从目标所反射的反射“分光”，从而使得在一个示例中(一个或多个)照明源1502和(一个或多个)成像系统1504可以包括如本文所述的操作同轴的对。(一个或多个)壳体1569可以被配置为将(一个或多个)照明源1502和(一个或多个)成像系统1504两者容置在单一壳体中，特别是在本文所述的某些实施例的使用操作同轴的照明源/成像系统对的情况下。(一个或多个)壳体1569被配置为限定(一个或多个)照明源1502与(一个或多个)成像系统1504的本体，并且容置每一者的内部部件以及在一个示例中的(一个或多个)分束器1567。(一个或多个)壳体1569可以包括任何数量的材料，包括但不限于：塑料、聚合物、金属或其他任何合适材料。系统1500可以包括任何数量的合适部件和/或装置，如1571所示。
(一个或多个)用户接口1566被配置为接收使用者或操作者输入。(一个或多个)用户接口可以包括触控屏幕显示器、开关、杠杆、电控板、按钮、或用于接收使用者或操作者输入的其他任何合适技术。(一个或多个)远程装置1568可以包括电耦接于系统1500但远离该系统1500的装置，诸如有线回路上的控制室中的计算机。(一个或多个)远程装置1568也可以包括无线耦接于系统1500的装置，诸如手持装置、膝上型计算机、平板计算机、异地计算机等。(一个或多个)远程装置1568可以被配置为显示、接收及发送关于系统1500的信息(例如关于目标的尺寸信息、性能分析、警告、警报、通知、系统状态等)。(一个或多个)显示器1570被配置为显示关于系统的信息。(一个或多个)显示器1500可以包括可视化显示器，诸如，屏幕显示器、或被配置为显示该系统1500的状态的灯(例如警告灯)。(一个或多个)显示器1570可以包括音响显示器，所述音响显示器被配置为产生噪音以传达关于系统1500的信息(例如音响警报)。
系统1500的任一或全部的部件和/或装置可以包括本文所述的部件、装置、技术、方法、和/或实施例的任一者、或其任何组合。
在一个示例中，本文所述的特定实施例也被配置为减少、消除、补偿和/或校正误差(例如测量误差)，诸如本文所述的那些误差。这些误差包括但不限于：由目标表面的反射率梯度、反光、目标的倾斜等所引起的误差。
仅管在本文所述的方法中为了说明目的而显示步骤的特定顺序，但当理解这些步骤的一些或全部步骤可以以任何数量的顺序执行，包括但不限于：同步地、同时地、连续地、非同时地、非连续地以及其任何组合。该说明并不暗示和/或解释用于本文所述的方法的步骤的特定顺序。
虽然已参考优选实施例而说明本发明，本领域技术人员将认识到可以在不背离本发明的精神及范围下在形式及细节上进行改变。应注意，本文中所述的不同示例能够以不同方式组合。即，可以将一个多个示例的部分与一个或多个其他示例的部分组合。本文考虑到这些全部。
虽然已用特定于结构特征和/或方法动作的语言说明了主题，但应理解，所附权利要求书中所限定的主题并不必限于上述特定特征或动作。而是，上述特定特征及动作是作为实现权利要求的示例形式而被披露。

Claims (32)

1.一种光学相位轮廓测定系统，包括：
第一可操作同轴相机-投影仪对，所述第一可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于目标表面成第一角度，所述第一可操作同轴相机-投影仪对将第一照明投射在所述目标表面上；以及
第二可操作同轴相机-投影仪对，所述第二可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于所述目标表面成第二角度，所述第二可操作同轴相机-投影仪对将第二照明投射在所述目标表面上，
其中，所述第一角度和所述第二角度是彼此相等的并且相对于所述目标表面是彼此相对的，使得所述第二可操作同轴相机-投影仪对被配置为捕捉来自所述第一照明的第一反射，并且所述第一可操作同轴相机-投影仪对被配置为捕捉来自所述第二照明的第二反射；以及
控制器，所述控制器被配置为：基于所捕捉的第一反射和第二反射产生所述目标表面的第一估计和第二估计，并将所述第一估计和所述第二估计结合以产生所述目标表面的尺寸轮廓。
2.根据权利要求1所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述目标表面的所述第一估计和所述第二估计的所述结合被配置为：减少由镜面反光所引起的测量误差。
3.根据权利要求1所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述目标表面的所述第一估计和所述第二估计的所述结合被配置为：减少由所述目标表面的反射率梯度所引起的测量误差。
4.根据权利要求1所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述目标表面的所述第一估计和所述第二估计的所述结合被配置为：减少由所述目标表面的倾斜所引起的测量误差。
5.根据权利要求1所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述第二可操作同轴相机-投影仪对中的至少一个包括棱镜组件，所述棱镜组件被配置且被定向成：减少所述目标表面的最佳聚焦的平面的倾斜。
6.根据权利要求5所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述棱镜组件包括多个楔形棱镜，其中，所述多个楔形棱镜中的至少一个相比于其余楔形棱镜中的至少一个具有处于不同方向的楔形顶角。
7.根据权利要求6所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述多个楔形棱镜包括第一楔形棱镜、第二楔形棱镜和第三楔形棱镜，所述第一楔形棱镜、所述第二楔形棱镜和所述第三楔形棱镜分别具有楔形顶角，其中，所述第一楔形棱镜的楔形顶角朝向第一方向，所述第二楔形棱镜的楔形顶角和所述第三楔形棱镜的楔形顶角朝向第二方向。
8.根据权利要求7所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述多个楔形棱镜中的至少一个包括与其余楔形棱镜中的至少一个不同类型的玻璃。
9.根据权利要求1所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述第二可操作同轴相机-投影仪对中的至少一个包括数字光处理投影仪系统。
10.根据权利要求9所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述数字光处理投影仪系统包括光学低通滤波器(OLPF)。
11.根据权利要求10所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述光学低通滤波器包括至少一个双折射材料层。
12.根据权利要求11所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述光学低通滤波器包括：
第一石英波片；
第一四分之一波长延迟器；
第二石英波片；以及
第二四分之一波长延迟器。
13.根据权利要求12所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述第二可操作同轴相机-投影仪对包括远心透镜组件。
14.根据权利要求13所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对的数值孔径与所述第二可操作同轴相机-投影仪对的数值孔径相等。
15.一种光学相位轮廓测定系统，包括：
第一可操作同轴相机-投影仪对，所述第一可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于目标表面成垂直视角，所述第一可操作同轴相机-投影仪对将第一照明投射到所述目标表面上；
第二可操作同轴相机-投影仪对，所述第二可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述目标表面成第一倾斜角度，所述第二可操作同轴相机-投影仪对将第二照明投射到所述目标表面上；
第三可操作同轴相机-投影仪对，所述第三可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述目标表面成第二倾斜角度，所述第三可操作同轴相机-投影仪对将第三照明投射到所述目标表面上，
其中，所述第一倾斜角度与所述第二倾斜角度是相等的并且相对于所述第一可操作同轴相机-投影仪对是彼此相对的，从而使得所述第三可操作同轴相机-投影仪对被配置为接收来自所述第二照明的第一镜面反射，并且所述第二可操作同轴相机-投影仪对被配置为接收来自所述第三照明的第二镜面反射；以及
控制器，所述控制器被配置为：基于所接收的第一镜面反射和第二镜面反射产生所述目标表面的第一估计和第二估计，以及将所述第一估计和所述第二估计结合以产生所述目标表面的尺寸轮廓。
16.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一估计和所述第二估计的所述结合被配置为：减少由镜面反光所引起的测量误差。
17.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一估计和所述第二估计的所述结合被配置为：减少由所述目标表面的反射率梯度所引起的测量误差。
18.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一估计和所述第二估计的所述结合被配置为：减少由所述目标表面的倾斜所引起的测量误差。
19.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对被配置为：接收来自所述第二照明的第一漫反射和来自所述第三照明的第二漫反射。
20.根据权利要求19所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第二可操作同轴相机-投影仪对和所述第三可操作同轴相机-投影仪对中的至少一个包括棱镜组件，所述棱镜组件被配置且被定向成：减少所述目标表面的最佳聚焦的平面的倾斜。
21.根据权利要求20所述的光学相位轮廓测定系统，其中，每个所述棱镜组件包括多个楔形棱镜，其中，所述多个楔形棱镜中的至少一个相比于其余楔形棱镜中的至少一个具有处于不同方向的楔形顶角。
22.根据权利要求21所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述多个楔形棱镜包括第一楔形棱镜、第二楔形棱镜和第三楔形棱镜，所述第一楔形棱镜、所述第二楔形棱镜和所述第三楔形棱镜分别具有楔形顶角，其中，所述第一楔形棱镜的楔形顶角朝向第一方向，所述第二楔形棱镜的楔形顶角和所述第三楔形棱镜的楔形顶角朝向第二方向。
23.根据权利要求22所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述多个楔形棱镜中的至少一个包括与其余楔形棱镜中的至少一个不同类型的玻璃。
24.根据权利要求23所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对、所述第二可操作同轴相机-投影仪对和所述第三可操作同轴相机-投影仪对中的至少一个包括数字光处理投影仪系统，所述数字光处理投影仪系统具有光学低通滤波器(OLPF)，所述光学低通滤波器包括至少一个双折射材料层。
25.根据权利要求24所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述光学低通滤波器包括：
第一石英波片；
第一四分之一波长延迟器；
第二石英波片；以及
第二四分之一波长延迟器。
26.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对的数值孔径、所述第二可操作同轴相机-投影仪对的数值孔径和所述第三可操作同轴相机-投影仪对的数值孔径相等。
27.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述控制器被配置为产生控制信号，从而以交错的时机顺序操作所述光学相位轮廓测定系统。
28.根据权利要求15所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对、所述第二可操作同轴相机-投影仪对和所述第三可操作同轴相机-投影仪对包括远心透镜组件。
29.一种光学相位轮廓测定系统，包括：
第一可操作同轴相机-投影仪对，所述第一可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于目标表面成垂直视角；
第二可操作同轴相机-投影仪对，所述第二可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述目标表面成第一倾斜角度；以及
第三可操作同轴相机-投影仪对，所述第三可操作同轴相机-投影仪对被对准为相对于所述第一可操作同轴相机-投影仪对和所述目标表面成第二倾斜角度，
其中，所述第一可操作同轴相机-投影仪对与所述第二可操作同轴相机-投影仪对相对于彼此的对准形成第一对列通道和第二对列通道，所述第一可操作同轴相机-投影仪对与所述第三可操作同轴相机-投影仪对相对于彼此的对准形成第三对列通道和第四对列通道，以及所述第二可操作同轴相机-投影仪对与所述第三可操作同轴相机-投影仪对相对于彼此的对准形成第五对列通道和第六对列通道。
30.根据权利要求29所述的光学相位轮廓测定系统，其中，所述第一倾斜角度和所述第二倾斜角度是相等的并且相对于所述目标表面和所述第一可操作同轴相机-投影仪对是彼此相对的，以及其中，所述第二可操作同轴相机-投影仪对和所述第三可操作同轴相机-投影仪对被配置为接收来自所述目标表面的镜面反射。
31.根据权利要求30所述的光学相位轮廓测定系统，其中：
所述第一可操作同轴相机-投影仪对产生所述目标表面的第一估计，所述第二可操作同轴相机-投影仪对产生所述目标表面的第二估计，所述第三可操作同轴相机-投影仪对产生所述目标表面的第三估计；以及
控制器，被配置为：接收所述目标表面的所述第一估计、所述第二估计和所述第三估计，以及将所述第一估计、所述第二估计和所述第三估计结合以产生所述目标表面的尺寸轮廓。
32.根据权利要求31所述的光学相位轮廓测定系统，其中，四射目标表面的所述第一估计、所述第二估计和所述第三估计的所述结合被配置为：减少由所述目标表面的倾斜所引起的测量误差。
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