CN112987288B - 具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备 - Google Patents

具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备 Download PDF

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Abstract

一种共焦成像设备，包括产生光束阵列的照明模块。聚焦光学器件将光束阵列共焦聚焦到非平坦焦面上，并且将光束阵列导向待成像的三维对象。平移机构调整至少一个透镜的位置，以使非平坦焦面沿着成像轴移位。检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束从三维对象反射，并且通过聚焦光学器件被导回。对于至少一个透镜的位置测量返回光束阵列的强度，用以确定三维对象的点在成像轴上的位置。调整一个以上的点的检测到的位置以补偿非平坦焦面。

Description

具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备
本申请是基于2015年8月17日提交的专利申请号为201580056255.2(PCT/IB2015/001400)、名为“具有弯曲焦面或目标基准元件和场补偿器的共焦成像设备”的申请(进入中国国家阶段日期：2017年4月17日)的分案申请。
相关申请
本申请根据美国法典第35条119款要求享有2014年8月15日提交的美国临时申请No.62/037,778的权利和利益。
技术领域
本发明的实施例涉及成像领域，并且特别地，涉及一种用于进行三维表面的共焦成像的系统和方法。
背景技术
已经开发了各种各样的方法和系统用于牙齿的直接光学测量以及后续的义齿的自动制造。术语“直接光学测量”意味着测量患者口腔中的牙齿。这有助于获得牙齿置换的计算机辅助设计(CAD)或者计算机辅助制造(CAM)所需的数字构造数据，而不必对牙齿进行任何铸型印模。这样的系统通常包括：光学探头，其连接到诸如电荷耦合装置(CCD)或者互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器这样的光学拾取器或者接收器；以及处理器，其实现适当的图像处理技术，以设计和实际制造期望的产品。
进行口内扫描的一种系统是使用共焦成像来对三维表面成像的系统。使用共焦成像的这样的系统通常包括场透镜，以使成像场平坦化并且能够实现发射光束的平坦的焦平面。这样平坦的焦平面确保了被扫描的三维表面的表面形貌是精确的。然而，场透镜是将光束的光线打开的发散透镜。这导致了共焦成像设备的光学器件被放大。另外，场透镜应当被对齐以确保精度。这样的对齐可能是耗时并且复杂的处理。
发明内容
本文描述了具有非平坦焦面的共焦成像设备。可以由缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件而产生不平坦的焦面。如下文将进一步详细论述的，共焦成像设备中的场透镜的缺少引起了挑战，但同时也提供了诸多优势效果。例如，不具有场透镜的共焦成像设备比具有场透镜的共焦成像设备更小、更轻并且更易于制造。本文讨论的实施例将示出如何克服设计和使用缺少场透镜的共焦成像设备时的挑战。
而且，本文描述的是具有聚焦光学器件的大区域的共焦成像设备，该聚焦光学器件利用聚焦设置的改变而改变焦面的放大率。如下文将更加具体论述的，放大率的改变引起了实施例中被克服的挑战。
在一个实施例中，共焦成像设备包括照明模块，该照明模块产生光束阵列。共焦成像设备的聚焦光学器件进行光束阵列到非平坦焦面上的共焦聚焦，并且将光束阵列朝向待成像的三维对象引导。共焦成像设备的平移机构调整至少一个透镜的位置，以使非平坦焦面沿着成像轴移位。共焦成像设备的检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束从三维对象反射，并且通过聚焦光学器件引导回来。针对至少一个透镜的位置测量返回光束阵列的强度，用以确定三维对象的点在成像轴上的位置。调整一个以上的点的检测到的位置以补偿非平坦焦面。从而，可以精确地成像对象，而与共焦成像设备的非平坦焦面无关。
附图说明
在附图中的图形中通过实例而不受限地图示了本发明。
图1A图示了根据一个实施例的共焦成像设备的功能框图。
图1B图示了连接至根据一个实施例的共焦成像设备的计算装置的框图。
图2A图示了根据一个实施例的缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件。
图2B图示了根据另一个实施例的缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件。
图2C图示了根据另一个实施例的具有场透镜的共焦成像设备的光学器件，对于该场透镜，聚焦设置的改变导致了放大率的改变。
图3A是根据本发明的实施例的包括棱镜的共焦成像设备的探测部件的顶视图。
图3B是通过图3A中的探测部件的线II-II的纵截面图。
图3C是根据一个实施例的包括内部目标件的探测部件的视图。
图3D是根据一个实施例的包括内部目标件的探测部件的侧视图。
图4是根据一实施例的共焦成像设备的光学器件的示意性图示。
图5A是示出用于校准具有假想非平坦焦面的共焦成像设备的方法的一个实施例的流程图。
图5B是示出用于校准共焦成像设备的方法的一个实施例的流程图，对于该共焦成像设备，聚焦设置的改变导致放大率的改变。
图5C图示了根据一个实施例的一个示例的校准对象。
图5D图示了示出由根据一个实施例的共焦成像设备测量的校准对象的点的分布的图。
图5E图示了根据一个实施例的在世界坐标系中的点的分布的图。
图6是示出用于基于校准到共焦成像设备的场曲率模型的应用而调整被扫描的三维对象的深度测量的方法的一个实施例的流程图。
图7图示了根据本发明的实施例的示例的计算装置的框图。
具体实施方式
图1A图示了根据一个实施例的共焦成像设备20的功能框图。图1B图示了连接至共焦成像设备20的计算装置24的框图。共焦成像设备20和计算装置24一起可以形成用于产生被扫描的对象的三维图像的系统。计算装置24可以直接或间接以及经由有线或无线连接而连接到共焦成像设备20。例如，共焦成像设备20可以包括网络接口控制器(NIC)，其能够经由如下方式通信：经由Wi-Fi、经由第三代(3G)或第四代(4G)电信协议(例如，全球移动通讯系统(GSM)、长期演进技术(LTE)、Wi-Max、码分多址(CDMA)等)、经由蓝牙、经由Zigbee或者经由其它无线协议。作为代替或者附加，共焦成像设备可以包括以太网接口控制器(NIC)、通用串行总线(USB)接口或者其它有线端口。NIC或者接口可以将共焦成像设备经由局域网(LAN)而连接到计算装置。或者，共焦成像设备20可以连接到诸如互联网这样的广域网(WAN)，或者可以经由WAN而连接到计算装置24。在代替的实施例中，共焦成像设备20可以直接连接至计算装置(例如，经由直接有线或无线连接)。在一个实施例中，计算装置24是共焦成像设备20的组成部分。
现在参考图1A，在一个实施例中，共焦成像设备20包括半导体激光单元28，该半导体激光单元28发射聚焦的光束，如箭头30所示。光束30通过偏光器32。偏光器32使通过该偏光器32的光束偏振。或者，在一些实施例中可以省略偏光器32。光束然后进入到光学扩束器34中，该扩束器34增大了光束30的数值孔径。然后光束30通过照明模块38，该照明模块38将光束30分离为入射光束阵列36，此处为了易于图示而用单线表示。照明模块38可以是例如光栅或者微透镜阵列，其将光束30分离为光束阵列36。在一个实施例中，光束阵列36是远心光束阵列。或者，光束阵列可以不是远心的。
共焦成像设备20还包括单向镜或者分束器(例如，偏振分束器)40，该分束器40使光束阵列36通过。单向镜40使得来自半导体激光单元28的光能够传递至下游光学器件，而反射在相反方向上行进的光。偏振分束器能够传递具有特定偏振的光束，并且反射具有不同(例如，相反的)的偏振的光束。在一个实施例中，单向镜或者分束器40具有小的中央孔隙。小的中央孔隙可以提高共焦成像设备20的测量精度。在一个实施例中，由于单向镜或者分束器40的结构，只要被成像的对象的照亮区域没有焦点对准，则光束阵列将在该被成像的对象的照亮区域上产生光环。此外，一旦焦点对准，则光环将变为完全照亮的光斑。这确保了焦点没对准的点与焦点对准的点的测量出的强度之间的差异将变大。
沿着光束阵列的光路，在单向镜或者分束器40之后是共焦聚焦光学器件42和内窥镜探测部件46。另外，四分之一波片可以沿着光路设置在单向镜或分束器40之后，以向光束阵列引入一定偏振。在一些实施例中，这可以确保返回光束将不会通过单向镜或者分束器40。共焦聚焦光学器件42可以另外包括中继光学器件(未示出)。共焦聚焦光学器件42在Z方向上的宽范围的距离内可以维持或者可以不维持相同的图像放大率，其中，Z方向是光束传播的方向(例如，Z方向与成像轴相对应，该成像轴与光束阵列36的光路一致)。中继光学器件使得共焦成像设备20能够维持用于传播光束阵列36的一定的数值孔径。将参考图2A-2C进一步具体地论述共焦聚焦光学器件42和内窥镜探测部件46。
内窥镜探测部件46可以包括刚性的光传输媒介，该光传输媒介可以是其内界定了光传输路径的中空的对象，或者可以是由光传输材料，例如，玻璃体或者玻璃管制成的对象。在一个实施例中，内窥镜探测部件46包括诸如折叠棱镜这样的棱镜。内窥镜探测部件46在其端部处可以包括确保全内反射这种类型的镜子。从而，镜子可以将光束阵列引向牙齿区段26或者其它对象。内窥镜探测部件46从而发射光束阵列48，该光束阵列48撞击在牙齿区段26的表面上。
在笛卡尔坐标空间50中，沿着Z轴传播的光束阵列48布置在X-Y平面中。由于入射光束到达的表面是粗糙表面，所以照亮的光斑52在不同的(Xi,Yi)位置处沿着Z轴彼此移位。从而，当在一个位置处的光斑可能是共焦聚焦光学器件42的焦点的同时，在其它位置处的光斑可能失焦。因此，聚焦的光斑的返回光束的光强将处于其峰值，而在其它光斑处的光强将不是峰值。从而，对于各个照亮的光斑，在沿着Z轴的不同的位置处，进行光强的多次测量。对于各个这样的(Xi，Yi)位置，可以求出强度对距离(Z)的导数，产生最大倒数的Zi，即Z0则为对焦距离。如上文所指出的，来自光束阵列48的入射光当失焦时在表面上形成光的圆盘，并且当对焦时在该表面上形成完整的光斑。从而，当接近对焦的位置时距离导数将变大，提高了测量精度。
从各个光斑分散的光包括这样的光束：其最初沿着与光束阵列48所行进的光路相反的方向在Z轴上行进。在返回光束阵列54中的每个返回光束都与光束阵列36中的一条入射光束相对应。由于单向镜或者分束器40的不对称性，在检测光学器件60的方向上反射返回光束。
检测光学器件60可以包括偏光器62，该偏光器62具有定向为与偏光器32的平面偏振垂直的优选的偏振平面。或者，在一些实施例中可以省略偏光器32和偏光器62。在一个实施例中，返回光束阵列54可以通过成像光学器件64。成像光学器件64可以是一个或多个透镜。或者，检测光学器件60可以不包括成像光学器件64。在一个实施例中，返回光束阵列54还通过可以是针孔的阵列的矩阵66。或者，在一些实施例中，不使用矩阵66。返回光束阵列54然后被引到检测器68。
检测器68是图像传感器，其具有分别代表图像的像素的传感元件的矩阵。如果使用矩阵66，则各个像素进一步地对应于矩阵66的一个针孔。在一个实施例中，检测器是电荷耦合装置(CCD)传感器。在一个实施例中，检测器是互补金属氧化物半导体(CMOS)型图像传感器。可以使用其它类型的图像传感器用于检测器68。检测器68检测各个像素处的光强。
在一个实施例中，检测器68向计算装置24提供数据。从而，以下面描述的方式，利用处理器24而捕捉和分析在检测器68的各个感测元件中测量出的各光强。
共焦成像设备20还包括控制模块70，该控制模块70连接到半导体激光器28和电机72、音圈或者其他平移机构。在一个实施例中，控制模块70是被配置为进行控制操作的现场可编程门阵列(FPGA)或者包括该现场可编程门阵列。电机72连接到共焦聚焦光学器件42，用于改变共焦聚焦光学器件42的聚焦设置。这可以沿着Z轴(例如，在成像轴上)调整共焦聚焦光学器件42的假想的非平坦焦面的相对位置。控制模块70可以引起电机72轴向移位共焦聚焦光学器件42的一个以上的透镜(改变所述透镜的位置)，以改变假想的非平坦焦面的焦点深度。在一个实施例中，电机72或者共焦成像设备20包括编码器(未示出)，该编码器精确地测量共焦聚焦光学器件42的一个以上的透镜的位置。编码器可以包括与编码线性位置的刻度相配对的传感器。编码器可以输出共焦聚焦光学器件42的一个以上的透镜的线性位置。编码器可以是光学编码器、磁性编码器、电感编码器、电容编码器、涡流编码器等。在接收到一个以上的透镜的位置已经改变的反馈之后，控制模块70可以使得激光器28产生光脉冲。控制模块70可以另外地使得图1B的图像捕捉模块80同时从在一个以上的透镜的特定位置(因此是关于假想的非平坦焦面的焦点深度)处的各个传感元件接收和/或存储代表光强的数据。在随后的序列中，一个以上的透镜的位置(因此为焦点深度)将以相同的方式改变，并且将在共焦聚焦光学器件42的宽的焦点范围内继续数据捕捉。
现在参考图1B，图像捕捉模块80可以响应于从控制单元70接受到的图像捕捉指令而捕捉图像。捕捉到的图像可以与特定的聚焦设置(例如，如由编码器的输出的，在共焦聚焦光学器件中的一个以上的透镜的指定位置)相关联。图像处理模块82然后处理在多个不同的聚焦设置下所捕捉的被捕捉到的图像。图像处理模块82包括用于处理图像数据的深度确定器90以及场补偿器92。
深度确定器90根据接收到的图像数据确定在共焦聚焦光学器件42的焦点设置的整个范围内的各个像素的相对强度。一旦与特定像素相关联的某些光斑焦点对焦，则针对该像素测量到的强度将是最大的。从而，通过确定与最大光强相对应的Zi或者通过针对各个像素确定光强的最大位移导数，能够对于每个像素确定各个光斑沿着Z轴的相对位置。从而，能够获得表示牙齿区段26或者其它三维对象的表面的三维图案的数据。
在实施例中，共焦成像设备20的共焦聚焦光学器件42缺少场透镜。场透镜的用途是使焦点场平坦化，并且从而对于光束阵列产生平坦的焦平面。对于具有场透镜的共焦成像设备，来自光束阵列的各个光束聚焦在相同的平坦的焦平面上。然而，不具有这样的场透镜，则光束阵列聚焦在假想的非平坦的焦面上(例如，在弯曲的焦面上)。这导致了深度确定器90计算的Z轴信息对于很多像素而言是扭曲的。
场补偿器92补偿由于缺少场透镜而导致的弯曲的场。场补偿器92还可以补偿由温度引起的弯曲的焦面的位置中的改变和/或由聚焦设置的改变而导致的放大率的改变。场补偿器92将场曲率模型94和/或其它光学补偿模型(未示出)应用到各个像素的各自的Z轴测量，以校正场曲率、温度和/或放大率的改变。在一个实施例中，不同的场曲率模型94(或者其它的光学器件补偿模型)应用于共焦成像设备20的各个聚焦设置。这是因为场曲率和/或放大率的量可以随着聚焦设置的改变而改变。或者，单一的场曲率模型94(或者其它的光学补偿模型)可以负责聚焦设置的改变所导致的场曲率的改变，以及/或者负责聚焦设置的改变所导致的放大率的改变。对于X,Y像素位置与聚焦设置(例如，聚焦光学器件的一个以上的透镜的z轴位置)的各个组合，可以基于一个或多个场曲率模型而进行特定深度调整。或者，可以基于场曲率模型和/或其它光学补偿模型而施加X位置调整和/或Y位置调整。在一个实施例中，对于X,Y位置、聚焦设置与温度读取或者其位置随着温度的改变而改变的被测量的元件的z轴位置的各个组合，可以基于一个或多个场曲率模型而施加特定的深度调整。调整后的深度(z轴上)值代表被成像的表面的实际z轴值。
可以基于矫正后的测量数据而构成三维表示，并且经由用户界面84而显示该三维表示。用户界面84可以是图形用户界面，其包括用于操纵三维表示的显示的控制(例如，从不同的角度观看、放大或者缩小等)。另外，表示被扫描的对象的表面形貌的数据可以通过通信模块而传输到远程装置，用于进一步处理或者使用(例如，用于生成被扫描的对象的三维虚拟模型)。
通过以这种方式从结构周围的两个以上的角位置捕捉图像，例如，从颊侧方向的牙齿区段、从舌侧方向的牙齿区段以及选择性地从牙齿上方的牙齿区段的情况下，可以重建牙齿区段的精确的三维表示。这可以允许计算机化环境下的三维结构的虚拟重建或者在CAD/CAM设备中的实体重建。例如，特殊的应用是具有至少一个缺失的牙齿或牙齿的缺失的一部分的牙齿区段的成型。在这样的情况下，则图像能够用于设计以及随后制造牙冠或者任意其它的人工假体，以配合在该牙齿区段中。
图2A图示了根据一个实施例的缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件200。光学器件200可以与图1A的共焦成像设备20的光学器件相对应，例如共焦聚焦光学器件42。
光学器件200包括：照明模块38；单向镜或者分束器40；可以与共焦聚焦光学器件42相对应的一系列透镜；以及折叠棱镜220，该折叠棱镜220沿着由光束阵列225所穿过的光路布置。光路被示出为直线路径。然而，在实施例中，光学器件200的组成器件中的一者以上可以改变光路的方向。例如，折叠棱镜220可以包括镜子(未示出)，该镜子可以成角度地反射光束。图3B示出了这样的折叠棱镜的实例。返回参考图2，成像轴240被示出为与由光束阵列225所穿过的光路一致。成像轴240是代表深度的Z轴。如本文所使用的，成像轴(或者Z轴)可以是与光路对应的曲线坐标轴。从而，如果光路改变方向，则成像轴对应地改变方向。
照明模块38是多个光束的源。在一个实施例中，照明模块是微透镜阵列，该微透镜阵列将入射的光束分为光束阵列225。在一个实施例中，由照明模块38输出的光束阵列是远心光束阵列。因此，光束阵列的主射线可以彼此平行。沿着光束阵列的光路而设置单向镜或者分束器40，并且使从单向镜或者分束器40接收的光束阵列通过。
在一个实施例中，共焦聚焦光学器件被分为一系列的透镜组，包括第一透镜组205、第二透镜组215和第三透镜组210。第一和/或第二透镜组205、215可以用作中继光学器件。第一和第二透镜组205、215被配置为使光束阵列聚焦，并且补偿光学像差。可以被校正的光学像差包括形状像差、彗形像差、像散等。在一个实施例中，第一透镜组205和第二透镜组215被配置为产生具有最小光学畸变的大致矩形场。第一透镜组205和第二透镜组215可以具有相对于彼此以及相对于光学器件200的其它组成器件的固定位置。第三透镜组210具有可变的位置，可以调整该位置以改变由光学器件200所产生的弯曲的焦面的位置。
第三透镜组210能够沿着成像轴(z轴)而移动，但具有与成像轴垂直的固定位置。能够通过沿着成像轴移动第三透镜组210而调整聚焦光学器件的聚焦设置。可以调整第三透镜组210以进行对象的扫描。为了扫描对象，第三透镜组210可以沿着成像轴240而移位至多个不同的位置(编码器位置)，并且可以在各个位置采集图像。在一个实施例中，聚焦光学器件的轴向增益为大约7倍。因此，第三透镜组210的位移以位移量的7倍来调整弯曲的焦面230的位置。例如，第三透镜组210的1mm的位移导致弯曲的焦面(也称为弯曲的焦平面)的7mm的位移。这使得光学器件200能够小型化，并且使得操作期间的移动最小化。
在一个实施例中，第二透镜组215使光束阵列225聚焦到可以是折叠棱镜的棱镜220。棱镜220可以被配置为提供适当的折射率(例如，与玻璃的折射率相对应的折射率)。
光学器件200缺少任何场透镜。场透镜用于使焦平面平坦化(使成像区平坦化)，以实现平坦的焦平面。如图所示，在照明模块38与单向镜或分束器40之间不存在场透镜。在棱镜220的附近或者在单向镜或分束器40与检测器(未示出)之间也不存在场透镜。缺少场透镜相比于使用场透镜的共焦成像设备产生了多种优势。场透镜是发散透镜，其使得用于聚焦光学器件和/或用于中继光学器件的透镜的半径变大。这反过来增大了在透镜中使用的材料(例如，玻璃)的量，并且从而增大了共焦成像设备的重量。另外，较大的透镜导致了共焦成像设备的厚度较大。例如，具有场透镜的示例的共焦成像设备包括最大的透镜，该最大的透镜具有从光轴到透镜的外周边的大约15mm的直径。相比之下，不具有场透镜的相同的共焦成像设备可以包括这样的最大的透镜，该最大的透镜具有从光轴到透镜的外周边的小于15mm的距离(例如，在实施例中，小于13mm或者大约9mm)。
在具有场透镜的共焦成像设备中，场透镜可以定位在照明模块38与单向镜或者分束器40之间。这导致了照明模块38与单向镜或者分束器40之间的间隔为大约7mm。另外，对应的场透镜可以以大约7mm的距离被放置在单向镜或者分束器40与检测器(未示出)之间。相比之下，通过去掉场透镜，照明模块38与单向镜或者分束器40之间的距离235可以小于7mm(例如，在实施例中，小于5mm或者大约2mm)。这进一步减小了共焦成像设备的尺寸。
如所提及的，如果在共焦成像设备中使用场透镜，则实际上使用两个场透镜。这两个场透镜应当是匹配的场透镜，并且应当精确地彼此对准。该对准可能是耗时的处理。另外，不能准确地对准这些场透镜将不准确性引入到共焦成像设备中。因此，通过去掉场透镜，能够提高共焦成像设备的准确性，并且能够提高制造共焦成像设备的容易性。
缺少场透镜使得焦面230能够是弯曲的焦面(或者其它非平坦的焦面)。弯曲的焦面230的形状可以取决于聚焦光学器件的聚焦设置(例如，第三透镜组210的位置)。弯曲的焦面可以将显著的误差引入到共焦成像设备中，这是在现有的共焦成像设备中包含场透镜的原因。然而，本发明的实施例提供了场补偿器(例如，参见图1B的场补偿器92)，该场补偿器使由于缺少场透镜而引入的误差最小化或者消除了该误差。
如所示出的，共焦聚焦光学器件是非远心光学系统。因此，被成像的对象的放大率可以随着深度的改变和/或焦点设置的改变而改变。然而，基于场曲率模型的应用，这样的放大率的改变(以及任意伴随的畸变)可以被场补偿器包容并且校正。或者，共焦聚焦光学器件可以以远心模式运行，并且可以避免由距离引入的放大率的改变。
图2B图示了根据一个实施例的缺少场透镜的共焦成像设备的光学器件250。光学器件250可以与图1A的共焦成像设备20的光学器件相对应，例如共焦聚焦光学器件42。与光学器件200相似，光学器件250包括照明模块38、单向镜(或分束器)40以及一系列透镜组。一系列透镜组包括：第一透镜组255，其具有固定的位置；以及第二透镜组265，其能够沿着与光束阵列270的传播方向相对应的成像轴280移动。
光束阵列270被聚焦到弯曲的焦面275。虽然光学器件250不是远心的，但是因为光束阵列在第一透镜组255与第二透镜组265之间是准直的，所以随着聚焦设置的改变而保持(固定)了放大率。对于光学器件250，轴向增益是1倍。因此，第二透镜组265的1mm的位移导致弯曲的焦面的1mm的位移。
可以沿着待成像的光束路径而放置对象。光束阵列285从对象返射回来，并且返回光束阵列通过一些列透镜组而返回。返回光束阵列285然后被单向镜(或分束器)40反射至检测器68上。如所示出的，光学器件250在单向镜或分束器40与照明模块38之间缺少场透镜，并且在单向镜或分束器40与检测器68之间也缺少场透镜。因此，用于光学器件250的焦面是弯曲的焦面275。
本文已经参考共焦成像设备而描述了实施例，该共焦成像设备缺少场透镜并且具有弯曲的焦面。然而，在一些实施例中，共焦成像设备包括一个以上场透镜，并且从而具有平坦的焦平面。对于这样的实施例，共焦成像设备以非远心模式运行，并且在焦平面处的放大率随着共焦成像设备的聚焦设置的改变而改变。
图2C图示了根据一个实施例的包括场透镜的共焦成像设备的光学器件285的一个实例。光学器件285可以与图1A的共焦成像设备20的光学器件相对应，例如共焦聚焦光学器件42。与光学器件200和光学器件250相似，光学器件285包括照明模块38、单向镜(或分束器)40以及一系列透镜组。然而，光学器件285还包括场透镜288，该场透镜288产生了平坦的焦平面299。一系列透镜组包括：具有固定位置的第一透镜组290；具有固定位置的第二透镜组292；以及第三透镜组294，其能够沿着与光束阵列298的传播方向相对应的成像轴297移动。
光束阵列298被聚焦到平坦的焦平面299上。在平坦的焦平面299处的放大率随着聚焦设置的改变而改变。放大率的改变可以将显著的误差引入到共焦成像设备中。因此，用于一些大的场共焦成像设备的聚焦光学器件随着聚焦设置的改变(例如，随着一个以上的透镜沿着成像轴的位置的改变)而维持相同的放大率。然而，本发明的实施例提供了场补偿器(例如，参见图1B的场补偿器92)，该场补偿器使通过改变放大率而引入的误差最小化或者消除了该误差。
图3A-3B图示了根据一个实施例的探测部件300。探测部件300由诸如玻璃这样的光传输材料制成。在一个实施例中，探测部件300用作棱镜，并且与图2的棱镜220相对应。探测部件300可以包括前部区段301和后部区段302，该前部区段与后部区段以透光的方式在303处紧密结合(例如，粘合)在一起。探测部件300可以附加地包括倾斜面304，该倾斜面304由反射镜层305覆盖。界定感测表面307的窗口306可以以留出空气间隙308的方式设置在前部区段301的底端部处。窗口306可以通过未示出的保持结构而固定就位。示意性地表示光线或者光束阵列309。如此可见，以壁部全反射的角度在探测部件的壁部处反射光束阵列309，并且光束阵列309最终穿透感测表面307在镜层305上反射出来。光束阵列309聚焦在非平坦焦面310上，能够利用聚焦光学器件(图中未示出)改变该焦面310的位置。
共焦成像设备的各种组成器件相对于该共焦成像设备的尺寸可能浪费大量的热量。例如，共焦成像设备可以包括CMOS传感器和FPGA，这两者均可以产热。因此，在使用期间共焦成像设备的内部温度可能随着时间而上升。在任意指定时间处，共焦成像设备的不同的部分可以具有不同的温度。在共焦成像设备内部的温度分布是指共焦成像设备的热状态。共焦成像设备的热状态可以影响各种光学参数。例如，由于与一个以上的光学组成器件的热膨胀系数相对应的各种组成器件的膨胀，所以热状态可以导致一个以上的光学组成器件的位置在共焦成像设备内移动。另外，共焦成像设备的一个以上的透镜的折射系数可以随着热状态的改变而改变。这样的改变导致由共焦成像设备所产生的测量随着内部的热状态的改变而改变。共焦成像设备的一些区域比其它区域对热改变更敏感(例如，由于高光学增益)。例如，在实施例中，一些光学元件可以具有高达大约7.5的轴向增益。对于这样的光学元件，由于热状态的改变导致的10μm的移动会导致高达75μm的测量偏差。因此，在一些实施例中，如图3C-3D所示，内部目标件(internal target)用于调整由于热状态的改变而导致的测量改变。或者，多个温度传感器可以设置在共焦成像设备中，并且用于确定热状态的改变。
图3C-3D图示了根据一个实施例的包括内部目标件380的探测部件370。探测部件370与探测部件300大致相似。例如，探测部件370可以由诸如玻璃这样的光传输材料制成，并且可以用作棱镜。探测部件370可以包括前部区段371和后部区段372，该前部区段与后部区段以透光的方式紧密结合(例如，粘合)在一起。探测部件370可以附加地包括倾斜面，该倾斜面由反射镜层覆盖。界定感测表面的窗口376可以设置在前部区段371的底端部处。窗口376可以是玻璃或者其它透明材料，并且可以通过未示出的保持结构而固定就位。
探测部件370在探测部件370的视野(FOV)内可以附加地包括内部目标件380，该内部目标件380固定到探测部件370的前部区段371。内部目标件380可以是将会反射光束的刚性的反射材料。内部目标件380可以固定在探测部件300内的固定位置处。由于内部目标件380是探测部件370的一部分，所以内部目标件380的位置应当维持恒定。在一个实施例中，内部目标件380占据了FOV的大约500μm至1mm。
在测量其间，光线或者光束阵列390-392从前部区段371射出。如能够看到的，内部目标件380处于光束390的路径中。因此，光束390在内部目标件380处反射，该反射提供了内部目标件380的深度(z轴)测量。由于内部目标件380处于固定的位置处，所以内部目标件380的测量出的深度不应当改变。因此，内部目标件380的位置的测量出的改变反映了与共焦成像设备的热状态相关联的内部光学器件的改变。
光束392透过窗口376投射，并且汇聚在非平坦焦面310上，能够利用聚焦光学器件(图中未示出)改变该焦面310的位置。或者，内部目标件380可以被包括在具有平坦的焦平面的成像设备中(例如，具有场透镜的设备中)。这样的成像设备可以是共焦成像设备或可以不是共焦成像设备。这些光束392可以用于测量在共焦成像设备的FOV中的对象的位置。测量出的内部目标件380的位置的改变能够用于校正由于热状态而导致的测量误差。内部目标件380的z轴位置的任意明显的改变可以用于对被成像的对象的其它z轴测量施加调整因子，用以补偿由于温度而导致的共焦光学器件的改变。另外，在实施例中，内部目标件的z轴位置的改变可以用于对X和Y像素测量施加调整。在一个实施例中，内部目标件和对象的测量点的z轴位置被输入至热状态补偿模型中以补偿热状态。在一个实施例中，热状态补偿模型是三维多项式函数。
图4是根据一个实施例的共焦成像设备450的示意性图示。在一个实施例中，共焦成像设备450与图1A的共焦成像设备20相对应。在一个实施例中，共焦成像设备20的组成器件与图2的光学器件200中图示出的相同名称的组成器件相对应。在共焦成像设备450中，母光束452可以是多个激光器454A、454B和454C所射出的光的组合。或者，母光束452可以由单个激光器(例如，454B)产生。照明模块456(例如，光学扩束器)然后将单个母束扩展至入射光束阵列458。入射光束通过单向(例如，单向的)镜或者分束器460，然后通过聚焦光学器件462而朝向待成像的对象464。
母束452可以包括多个不同的波长，从各个激光器454A-C出射不同的波长。从而，母光束452和光束阵列458中的一个以上的入射光束可以由多个不同的光组分构成。或者，在光束阵列中的各个光束可以包括来自母光束452的多个波长中的单个波长。激光器454A-C可以布置为使得各个光束分别聚焦在不同的弯曲的焦平面PA、PB和PC上。在图4所示的位置处，入射光束458A在点470A处的表面反射，在光学器件462的具体的光学布置中，该点470A处于(由激光器454A射出的)光组分A的焦点。从而，利用包括分别与像素对应的传感器的二维阵列的检测器476，测量返回光束472A。在一个实施例中，检测器是分光光度计，例如，三芯片CCD传感器的二维阵列。相似地，对于光组分B和C，分别在点470B和470C处到达不同的最大强度。从而，通过使用同时分别聚焦在不同的平面的不同的光组分，由于能够同时测量不同的焦平面范围，所以能够减少用于完成测量的时间。
在替换实施例中，(例如，利用单个激光器)发出仅单个波长的光。从而，母束452和光束阵列458可以包括单一的波长。在这样的实施例中，在光束阵列458中的各个光束聚焦在相同的弯曲的焦面PC上。从而，在图4所示的位置处，入射光束458A在斑点470A处的表面处反射，其中，在聚焦光学器件462的具体的聚焦设置中，该点470A处于聚焦光学器件462的焦点处。从而，利用检测器476测量返回光束472A，该检测器476包括传感器的二维阵列，该传感器分别对应于像素，并且被记为点470C的z轴位置。相似的，入射光束458A、458B分别在点470A、470B处从表面反射。然而，点470A、470B不位于弯曲的焦面PC上。因此，针对这些点，光以模糊的方式从对象464反射回来。通过改变聚焦光学器件462的聚焦设置，使得焦点对准点470B并且分离地对准点470A，可以分别地针对点470A和470B检测到与它们的聚焦设置相关的对应深度。
图5A是示出用于校准具有假想非平坦焦面的共焦成像设备的方法500的一个实施例的流程图。可以利用处理逻辑来执行方法500，处理逻辑可以包括硬件(例如，电路、专用逻辑电路、可编程逻辑电路、微代码等)、软件(例如，在处理装置上运行以进行硬件仿真的指令)或者硬件和软件的组合。在一个实施例中，可以利用计算装置(例如，图1B的计算装置24)来执行方法500的至少一些操作。在一个实施例中，可以利用图1A的共焦成像设备20来执行方法500的至少一些操作。
本文实施例中描述的共焦成像设备具有非平坦(例如，弯曲)的焦面。该弯曲焦面导致被扫描的对象的点的深度测量的不精确。例如，对象在共焦成像设备的成像区中心处的第一点可以对焦，并且从而产生深度Zi处的最高强度测量。然而，由于非平坦焦面，对象在成像区的边缘处的具有与第一点相同的深度的第二点可以对焦，并且产生深度Zi+X处的最高强度测量，其中，X代表在成像区的中心处的焦点与在成像区的边缘处的焦点之间的差。从而，即使第一点与第二点处于相同的深度，非平坦成像区也将导致第一点与第二点的测量产生不同的深度值。在一个实施例中，执行校准方法500，以校准共焦成像设备，使得能够消除由于非平坦的焦面而导致的误差。
在方法500的区块505，利用共焦成像设备而测量校准对象。校准对象是具有针对校准对象的每个点的已知的X、Y和Z坐标的高精度对象。校准对象的精度等级可以限定共焦成像设备的最终精度。在一个实施例中，用于校准对象的X、Y和Z坐标是精确的，并且已知其精度等级，该精度等级是比共焦成像设备的最终期望的精度高一个程度的等级。例如，如果共焦成像设备将具有5微米的最终精度，则校准对象可以精确至0.5微米。
可以使用各种校准对象，本文提出了这些校准对象的一些实例。校准对象的一个实例是在精确的X-Y-Z平台上具有非常精确的半径的球体。校准对象的另一个实例是平板，该平板具有在板的表面上印出的水平和竖直线的网格。板的平坦度和线间隔可以是非常精确的。校准对象的另一个实例是平板，该平板具有在板的表面上印出的圆形或者点。板的平坦度和圆形的尺寸及间隔可以是非常精确的。还可以使用很多其他的校准对象。图5C图示了一个示例的校准对象590，该校准对象590是具有精确地隔开的圆形或者圆点的网格的平板。
返回参考图5A，在共焦成像设备的各个聚焦设置(例如，远心位置)下测量校准对象。对于一些类型的校准对象(例如，球体)，校准对象运动至针对各个聚焦设置的多个不同的X、Y位置和/或至针对各个聚焦设置的多个不同的X、Y和Z位置。对于其他类型的校准对象(例如，板)，校准对象可以移动至针对各个聚焦设置的多个不同的Z位置。可以对校准对象的各个位置进行测量。
在一个实施例中，校准对象被安装至校准夹具，该校准夹具可以精确地在一个或多个维度移动校准对象。例如，校准对象590可以安装至校准夹具，并且校准夹具可以沿着z轴移动。在一个实施例中，校准夹具以1mm增量移动校准对象，其精度为1μm。校准夹具可以以如下方式移动校准对象：校准对象覆盖了多于共焦成像设备的全部视野(例如，校准对象可以比共焦成像设备的FOV大)，并且校准对象覆盖了多于共焦成像设备的扫描深度的范围。
在校准对象590的实例中，可以以两种方式扫描校准对象590。可以使用常规的共焦扫描而在校准对象590的各个深度位置处进行第一扫描。这将对共焦成像设备的坐标系统中的每个点提供z位置(例如，基于定位了透镜的编码器的坐标)。可以进行第二扫描以对各个焦点设置产生聚焦的点的图像。图像可以用于确定在像素坐标中的各个点的中心的X、Y位置并且具有亚像素精度。
在区块510处，校准对象的测量(校准对象的表面形貌的测量)被与校准对象的已知的表面形貌比较。在校准对象中的各个点(例如，在具有被测量的x像素、y像素和编码器值的校准对象590中的各个点)可以被配对至根据校准对象的对应的真实世界点(在世界坐标系中的点)，其中世界坐标系统与校准对象的已知的X、Y、Z坐标相对应。例如，用于校准对象590的X和Y坐标将对应于点的已知的固定位置，并且用于校准对象590的Z坐标将取决于校准夹具的设置。对于校准对象的各个点，可以确定测量出的深度值与已知的深度值之间的差。另外，对于校准对象的各个点，可以确定测量出的X和Y位置与已知的X和Y位置之间的差。这可以对共焦成像设备的各个聚焦设置进行。
在区块515，确定的多个点的差可以应用到光滑函数(例如，应用到诸如三维多项式函数这样的多项式函数)，该光滑函数可以用于对共焦成像设备的非平坦焦面的场曲率建模。本文中，该函数被称为非畸变函数。在一个实施例中，应用确定的差而解出如下形式的二元二次多项式中的常数：
ZField Curvature(object)(x，y，Zoptics)＝a1x2+a2y2+a3x+a4y+a5xy+a6 (1)
其中，x和y是与成像轴垂直的平面上的点的X、Y坐标。或者，可以使用更高阶的多项式。然后具有解出的常数的光滑函数可以用作精确的场曲率模型。每个参数可以是多项式，该多项式取决于共焦成像设备的聚焦设置(z轴值)。如果使用上述二元二次多项式，则这可以产生18个场曲率模型。
或者，可以应用确定的差以求解另一个光滑函数(例如，描述二次曲线形状的函数)中的常数。在这样的实施例中，产生的模型可以具有不同数量的参数(例如，如果使用描述二次曲线形状的函数，则为12个参数)。可以应用线性最小化方法(例如，线性最小二乘法)和/或非线性最小化方法(例如，Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)算法)以得出常数的最佳值。如所提及的，可以对每个聚焦设置进行该处理。这是因为场曲率的量可以随着共焦成像设备的不同聚焦设置而改变。因此，可以对每个聚焦设置产生分离的场曲率模型。或者，可以产生单个的场曲率模型，其考虑到由于聚焦设置的改变而导致的场曲率模型的改变。
在实施例中，在解出深度的同时解出X和Y位置。例如，不同的焦点设置的X和Y位置的差也可以用于求解光滑函数中的常数。另外，使用该技术也可以解出其它类型的几何校正。可以一起解出所有的这样的几何校正。可以使用该技术而校正的其它类型的现象包括放大率改变、光学失真(例如，x和y的非常数放大率)、光学像差等。可以一起解出所有的这样的畸变。
图5D图示了示出(在共焦成像设备的坐标系中)由共焦成像设备所测量的校准对象590的点的分布的图表594。图表594示出了在校准对象590处于三个不同的z位置的情况下进行的测量。如所示出的，点位于曲面上。图5E图示了示出在真实世界中的点的分布的图表597。图表597示出了在校准对象590处于三个不同的z位置的情况下进行的测量。如所示出的，点位于平面上。在校准后，可以确定各个点的变形以矫正光学畸变。从而，可以精确地测量各个点的真实世界位置。
在区块525，确定共焦成像设备(例如，聚焦光学器件和用于聚焦光学器件的透镜壳)与温度的关系。在一个实施例中，在共焦成像设备的温度操作范围内的多个温度处进行一个以上的区块505-515的操作，以确定与温度的关系。温度的改变可以导致测量出的深度值的差异。因此，可以确定与温度的关系并且应用至场曲率模型，以创建热状态矫正模型。例如，可以将场曲率模型从x,y,z＝F(i,j,encoder)修改至x,y,z＝F(i,j,encoder,Tstate)，其中，x、y和z代表真实世界坐标，i代表x像素，j代表y像素，encoder代表焦点设置(编码器位置)，并且Tstate代表热状态。对于这样的考虑到热状态的模型，应当对每个测量都获得热状态的评估。对于具有平坦聚焦面的成像装置，还可以使用与本文描述的用于具有弯曲焦面的成像设备相同的处理，产生热状态校正模型。
在一个实施例中，进行光-机械仿真以确定温度与聚焦光学器件的校准的调整之间的关系。该关系可以用于确定可以应用到产生的一个或多个场曲率模型的所有参数的校正，其中，校正的量基于当前温度。
在一个实施例中，由于温度而导致的聚焦光学器件的主要的改变是焦点偏移。非平坦焦面的曲率可能实际上不由于温度的改变而改变。在一个实施例中，可以通过扫描共焦成像设备的靠近光路或者沿着光路的一个以上的元件(例如，诸如图3C-3D的内部目标件380这样的内部目标件)而确定用于聚焦设置的焦点偏移。在一个实施例中，被扫描的元件位于共焦成像设备的视野(FOV)的一侧上。该元件可以被保持在相对于聚焦光学器件的一个以上组成器件的相同的距离处。利用每次扫描，当捕捉到对象的3D表面时，内部目标件所在的FOV的边缘捕捉到内部目标件的位置。由于内部目标件是共焦成像设备的一部分并且具有固定位置这一事实，导致由于热状态的改变而引起检测到的内部目标件的位置的改变。因此，如果从扫描检测到内部目标件的焦点偏移，则调整因子可以应用到场曲率模型以补偿热状态。
在一个实施例中，对于在特定聚焦设置下的共焦成像设备的各个温度值或者温度的范围，产生分开的场曲率模型。或者，可以针对作为温度的改变的原因的各个聚焦设置来产生单个的模型。或者，可以确定与温度相关的调整因子，并基于测量出的温度而将其应用到一个或多个场曲率模型。
在一个实施例中，可以使用单个模型，其假定由于热状态而引起的光学改变主要由于焦点设置的线性偏移(例如，编码器位置的向后运动)。对于这样的模型，可以通过在应用非畸变函数之前将当前测量的内部目标件位置与基准值之间的差添加至每个焦点设置(编码器值)，来校正由于热状态而导致的改变。单个模型具有如下形式：
x,y,z＝F(i,j,encoder–(内部目标件位置-基准部目标件位置))(2)
其中，F是非畸变函数，诸如以上函数(1)。
在另一个实施例中，使用更加复杂的模型，其假定由编码器的焦点偏移而导致内部目标件的效应，但是是以更加复杂的方式。这样的模型可以具有如下形式：
x,y,z＝F(i,j,f(encoder,内部目标件位置)) (3)
在另一个实施例中，校正由热状态引起的畸变的模型假定热状态以能够被线性评估的小的量而改变所有的光学器件。这样的模型可以具有如下形式：
其中，Fhot是在热条件下的非畸变函数，Fcold是在冷条件下的非畸变函数，a是在热条件下的内部目标件位置，b是在冷条件下的内部目标件位置，并且p是测量出的内部目标件位置。
在区块535，存储用于共焦成像设备的一个以上产生的场曲率模型。场曲率模型可以存储在共焦成像设备的存储器中，并且/或者存储在处理来自共焦成像设备的数据的计算装置的存储器中。在一个实施例中，场曲率模型存储在共焦成像设备的非易失存储器(例如，只读存储器(ROM)、FLASH或者其它非易失存储器)中。场曲率模型(一个或多个)可以应用于共焦成像设备的测量，以校正深度测量的误差，该误差由共焦成像设备的非平坦焦面引入。如果校准信息被存储在共焦成像设备的存储器中，则在进行测量时可以将场曲率模型与测量数据一起发送到计算装置。然后计算装置可以使用接收到的场曲率模型，以校正共焦成像设备的场曲率。
图5B是示出用于校准共焦成像设备的方法550的一个实施例的流程图，对于该共焦成像设备，聚焦设置的改变导致放大率的改变。可以利用处理逻辑来执行方法550，处理逻辑可以包括硬件(例如，电路、专用逻辑电路、可编程逻辑电路、微代码等)、软件(例如，在处理装置上运行以进行硬件仿真的指令)或者硬件和软件的组合。在一个实施例中，可以利用计算装置(例如，图1B的计算装置24)来执行方法550的至少一些操作。在一个实施例中，可以利用图1A的共焦成像设备20来执行方法550的至少一些操作。
参考方法550而描述的共焦成像设备可以具有非平坦(例如，弯曲)的焦面或者平坦的焦平面。此外，参考方法550而描述的共焦成像设备具有聚焦光学器件，该聚焦光学器件被配置为使得聚焦设置的改变引起焦面或者焦平面的放大率的改变。放大率的这种改变引入了被扫描的对象的点的X和Y位置测量不准确。例如，对象的点可能被测量为在第一聚焦设置下具有第一X和Y位置，而可以被测量为在第二聚焦设置在具有第二X和Y位置。从而，随着聚焦设置的改变，放大率改变将导致测量能够产生不同的X、Y值。在一个实施例中，执行校准方法550，以校准共焦成像设备，使得能够消除由于放大率的改变而导致的不精确。
在方法500的区块555，利用共焦成像设备测量校准对象。校准对象是高精度对象，其具有针对校准对象的每个点的已知的X、Y和Z坐标。校准对象的精度等级可以定义共焦成像设备的最终精度。在一个实施例中，用于校准对象的X、Y和Z坐标是精确的，并且已知其精度等级，该精度等级是比共焦成像设备的最终期望的精度高一个程度的等级。例如，如果共焦成像设备将具有5微米的最终精度，则校准对象可以精确至0.5微米。可以使用参考图5A描述的任意校准对象。
在共焦成像设备的各个聚焦设置(编码器值)下测量校准对象。对于一些类型的校准对象(例如，球体)，校准对象移动至针对各个聚焦设置的多个不同的X、Y位置和/或至针对各个聚焦设置的多个不同的X、Y和Z位置。对于其他类型的校准对象(例如，板)，校准对象可以移动至针对各个聚焦设置的多个不同的Z位置。
可以对校准对象的各个位置进行测量。基于这些测量，在校准对象空间(例如，现实世界)和在传感器/光学器件空间(例如，虚拟空间)两者中收集坐标列表。在校准对象空间中，用于对象的点的每组坐标都具有Xobj、Yobj和Zobj坐标。由于关于校准对象的已知的信息，所以这些坐标被已知为精确的。在传感器/光学器件空间中，用于对象的点的每组坐标都包括Xpix、Ypix、Zoptics坐标，其中，基于检测点的像素而确定Xpix和Ypix，并且Zoptics是聚焦光学器件的透镜位置(例如，聚焦设置)。
在区块560处，校准对象的测量(校准对象的表面形貌的测量)可以与校准对象的已知的表面形貌比较。对于校准对象的各个点，可以确定测量出的深度值、X值和/或Y值与已知的深度值、X值和/或Y值之间的差。这可以对共焦成像设备的各个聚焦设置进行。
在区块562，确定聚焦光学器件是否具有弯曲的焦面。如果聚焦光学器件具有弯曲的焦面，则方法前进至区块565。否则，方法前进至区块570。
在区块565，对于X、Y和/或Z坐标的多个点的确定的差可以应用到光滑函数(例如，应用到诸如三维多项式函数这样的多项式函数)，该光滑函数可以用于对共焦成像设备的非平坦焦面的场曲率建模。在一个实施例中，应用确定的差而解出如下形式的二元二次多项式中的常数：
zField Curvature(object)(x，y，zoptics)＝a1x2+a2y2+a3x+a4y+a5xy+a6 (5)
其中，x和y是传感器空间中的Xpix、YPix坐标。或者，可以应用确定的差以求解诸如较高阶的多项式这样的另一个光滑函数(例如，描述二次曲线形状的函数)中的常数。具有解出的常数的光滑函数然后可以用于精确的场曲率模型。
在区块570，X、Y和/或Z坐标的多个点的确定的差可以应用到光滑函数(例如，应用到诸如三维以上多项式函数这样的多项式函数)，该光滑函数可以用于对由于共焦设置的改变(例如，Zoptics值的改变)而引起的共焦成像设备在x轴上的放大率的改变进行建模。在一个实施例中，应用确定的差而解出如下形式的二元二次多项式中的常数：
XObject(x，y，Zoptics)＝b1x2+b2y2+b3x+b4y+b5xy+b6 (6)
其中，x和y是传感器空间中的Xpix、Ypix坐标。或者，可以应用确定的差以求解另一个光滑函数中(例如，在另一个三维多项式函数中，例如描述二次曲线形状的函数)的常数。然后具有解出的常数的光滑函数可以用作用于X坐标的精确的放大率补偿模型。
在区块575，对于X、Y和/或Z坐标的多个点的确定的差可以应用到光滑函数(例如，应用到诸如三维多项式函数这样的多项式函数)，该光滑函数可以用于对由于共焦设置的改变(例如，Zoptics值的改变)而引起的共焦成像设备在y轴上的放大率的改变建模。在一个实施例中，应用确定的差而解出如下形式的二元二次多项式中的常数：
YObject(x，y，Zoptics)＝c1x2+c2y2+c3x+c4y+c5xy+c6 (7)
其中，x和y是传感器空间中的Xpix、Ypix坐标。或者，可以应用确定的差以求解另一个光滑函数中(例如，在另一个三维多项式函数中，例如描述二次曲线形状的函数)的常数。然后具有解出的常数的光滑函数可以用作用于Y坐标的精确的放大率补偿模型。
已经描述了区块565、570和575作为三个分开的操作。然而，在一些实施例中，可以进行单个操作以求解各个x坐标、y坐标和z坐标。例如，可以求解具有以下形式的非畸变函数，以确定x、y和z坐标。
FX(x，y，z)＝a0+a1x+a2y+a3z+a4x2+asy2+a6z2+…+aixy+…+ajxnymzk
FY(x，y，z)＝b0+b1x+b2y+b3z+b4x2+b5y2+b6z2+…+bixy+…+bjxnymzk
FZ(x，y，z)＝c0+c1x+c2y+c3z+C4x2+c5y2+c6z2+…+cixy+…+cjxnymzk
(8)
其中，FX、FY和FZ是要求解其世界坐标的结果的函数，x和y是由共焦成像设备测量的像素坐标，z是焦点设置(例如，对应于焦点设置的编码器坐标)，ai、bi和ci是得到的参数，并且n、m和k是名义上的最高阶。可以选择函数，以使世界坐标与函数变换后得到的位置之间的均方差最小化。可以在拟合之前检测到并且去除异常位置。在一个实施例中，非零参数的数量是受限的。
在区块580，基于诸如等式5-8中代表的那些一维、二维和三维多项式函数(或者其它光滑函数)，产生一个以上的光学器件校正模型。用于等式5-8的每个参数可以是多项式，该多项式取决于共焦成像设备的聚焦设置(z轴值)。在一个实施例中，模拟各个参数作为对Zoptics(聚焦设置)的二次变化。例如，参数a1可以是具有如下形式的参数：
a1(zOptics)＝A+B*ZOptics+C*ZOptics 2 (9)
可以相似地代表参数a2-a6、b1-b6以及c1-c6。这可以得到54个参数模型，该参数模型校正视野(FOV)的全部曲率、放大率和畸变。
可以应用线性最小化方法(例如，线性最小二乘法)和/或非线性最小化方法(例如，Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)算法)以得出在各个区块565、570和575处的常数的最佳值。如所提及的，可以对每个聚焦设置进行这些处理。这是因为场曲率的量和放大率可以随着共焦成像设备的不同聚焦设置而改变。因此，可以对每个聚焦设置生成分离的模型。或者，可以生成单个的模型，其说明了由于聚焦设置的改变而对模型产生的改变。注意，在参考方法500的区块525所描述的模型中，也确定并且包括了与温度的关系。在一个实施例中，确定与温度的关系，并且建立校正热状态的模型，如以上参考方法500所描述的。
在区块585，存储用于共焦成像设备的一个以上生成的模型。模型可以存储在共焦成像设备的存储器中，并且/或者存储在处理来自共焦成像设备的数据的计算装置的存储器中。在一个实施例中，模型存储在共焦成像设备的非易失存储器(例如，只读存储器(ROM)、FLASH或者其它非易失存储器)中。模型(一个或多个)可以应用于共焦成像设备的测量，以校正由于非平坦焦面而引入的深度测量的误差，并且校正由于放大率的改变而导致的不精确。如果校准信息被存储在共焦成像设备的存储器中，则可以在进行测量时将模型与测量数据一起发送到计算装置。然后计算装置可以使用接收到的模型，以校正共焦成像设备的场曲率和/或放大率改变。
图6是示出用于基于将校准后的场曲率模型或其它模型(例如，热状态补偿模型)应用到共焦成像设备或者其它成像设备(例如，立体成像设备)而调整被扫描的三维对象的深度测量的方法的一个实施例的流程图。可以利用处理逻辑来执行方法600，处理逻辑可以包括硬件(例如，电路、专用逻辑电路、可编程逻辑电路、微代码等)、软件(例如，在处理装置上运行以进行硬件仿真的指令)或者硬件和软件的组合。在一个实施例中，可以利用计算装置(例如，执行图像处理模块82的图1B中的计算装置24)来执行方法600的至少一些操作。
在方法600的区块605，处理逻辑接收到由共焦成像设备的检测器的像素所产生的强度测量。检测器可以具有像素的二维阵列，并且各个像素可以接收到在检测器处定向的光束阵列的特定光束。光束阵列可以是返回光束阵列，该返回光束已经从成像的三维对象的表面反射。从而，检测器的各个像素与三维对象的指定的点相关联，并且根据返回光束阵列提供用于相关联的返回光束的强度测量。
各个接收到的强度测量与共焦成像设备的特定的聚焦设置相关联。可以在聚焦设置的范围内接收到强度测量。在区块620，对于各个像素，处理逻辑确定提供最大测量强度的共焦成像设备的聚焦设置。
对于各个聚焦设置(编码器值)，可以得知共焦成像设备的探头与共焦成像设备的焦点之间的相对距离。已知被成像的对象的点在该点的测量出的强度最大时对焦(例如，处于焦点处)。因此，在区块630，对于各个像素，处理逻辑确定与产生最大强度的聚焦设置所对应的像素相关联的三维对象的点的深度。如果成像设备在成像设备的FOV中包括内部目标件，则一些像素将与内部目标件上的点相关联。因此，还可以确定内部目标件的点的深度。
如本文之前所论述的，共焦成像设备的非平坦焦面和/或放大率的改变引入了深度测量和/或X、Y坐标测量的误差。因此，在区块640，基于将与这些点相对应的像素的确定的聚焦设置应用到场曲率模型，处理逻辑调整被成像的三维对象的点的被确定的深度。作为附加或者替代，基于将被确定的聚焦设置应用到场曲率模型或者其他模型，处理逻辑可以确定点的X、Y坐标。可以使用一个以上的场曲率模型和/或其它模型。例如，特定的场曲率模型和/或其它模型可以与各个聚焦设置相关联。可以基于对象上的点开始对焦的聚焦设置而识别适当的场曲率模型。然后通过将像素的X、Y坐标提供至被确定的场曲率模型中，可以确定对于该点的特定的深度调整。或者，可以使用单个的场曲率模型，并且可以将X、Y坐标和聚焦设置输入到场曲率模型，以确定深度位移。在一个实施例中，还测量聚焦光学器件的温度，并且/或者另外确定热状态(例如，利用内部目标件位置)，并且基于温度(例如，利用热状态补偿模型)确定额外的深度调整因子(和/或其它光学调整)。然后该额外的深度调整因子(和/或额外的光学调整)可以应用到所有点的被测量的深度(和/或X和Y坐标)。在一个实施例中，使用单个模型，其补偿了热状态和场曲率两者。
在区块650，处理逻辑可以基于被调整的深度和/或x和y坐标而确定三维对象的形状(例如，表面形貌)。然后处理逻辑可以创建被成像的对象的精确的虚拟三维模型。
图7图示了计算装置700的示例形式的机器的图示，在该计算装置700中，可以执行用于使得机器执行本文描述的一个以上的方法的一组指令。在替代实施例中，机器可以通过局域网(LAN)、内联网、外联网或者其它因特网连接(例如，联网)至其它机器。该机器可以在客户机-服务器网络环境中的服务器或客户机的能力下运行，或者作为对等(peer topeer)(或分布式)网络环境中的对等机器运行。该机器可以是个人计算机(PC)、台式计算机、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、行动电话、网络计算机、服务器、网络服务器、交换机或者桥接器，或者能够执行详细说明要由该机器进行的工作的一组(或以其他方式连续的)指令的任何机器。此外，虽然仅图示了一个机器，但是应当认为术语“机器”包括独立或者联合地执行一组(或多组)指令以执行本文论述的一个以上的方法的机器(例如，计算机)的任意集合。在一个实施例中，计算装置700对应于图1B的计算装置24。
示例的计算装置700包括：处理装置702；主存储器704(例如，只读存储器(ROM)、闪存存储器、诸如同步DRAM(SDRAM)这样的动态随机存取存储器(DRAM)等)；静态存储器706(例如，闪存存储器、静态随机存取存储器(SRAM)等)；以及经由汇流条708而彼此通信的二级存储器(例如，数据存储装置728)。
处理装置702代表诸如微型计算机、中央处理单元等这样的一个以上的通用处理器。更具体地，处理装置702可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、精简指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、完成其他指令组的处理器或者完成指令组的组合的处理器。处理装置702还可以是一个以上的专用处理装置，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。处理装置702被配置为执行处理逻辑(指令726)，用以执行本文描述的操作和步骤。
计算装置700可以还包括网络接口装置722，用于与网络764或者其它装置通信。计算装置700可以还包括视频显示单元710(例如，液晶显示器(LCD)或者阴极射线管(CRT))、字母数字输入装置712(例如，键盘)、光标控制装置714(例如，鼠标)和信号生成装置720(例如，扬声器)。
数据存储装置728可以包括机器可读存储介质(或者更具体地，非易失性计算机可读存储介质)724，其上存储了实施本文描述的任意一个以上的方法或者函数的一组或多组指令726。非易失性存储介质是指除了载波之外的存储介质。在利用计算装置700执行指令726期间，指令726还可以完全或者至少部分地驻留在主存储器704内和/或处理装置702内，主存储器704和处理装置702也构成了计算机可读存储介质。
计算机可读存储介质724还可以用于存储场补偿器750，该场补偿器750可以与图1B的场补偿器92相对应。计算机可读存储介质724还可以存储软件库，该软件库包含调用场补偿器750的方法。虽然计算机可读存储介质724在示例实施例中被示出为单个的介质，但是应当认为术语“计算机可读存储介质”包括存储一组或多组指令的单个介质或者多个介质(例如，集中式数据库或者分布式数据、和/或相关联的缓存和服务器)。还应当认为术语“计算机可读存储介质”包括能够存储或者编码由机器执行并且使得机器执行本发明的任意一个或多个方法的一组指令的任意介质。相应地应当认为术语“计算机可读存储介质”包括而不限于固态存储器以及光学和磁性介质。
应当理解为以上说明意在进行说明，而不是受限的。通过阅读并且理解以上说明，很多其他实施例将是明显的。虽然已经参考具体的示例性实施例而描述了本发明的实施例，但是将理解为本发明不限于所述实施例，而能够利用在所附权利要求的原理和范围内的修改和变更实施本发明。因此，说明书和附图应以说明性而非限制性意义来考虑。因此，应当参考所附权利要求以及与该权利要求所要求的权利等同的全部范围，来确定本发明的范围。

Claims (11)

1.一种共焦成像设备，包括：
照明模块，该照明模块产生光束阵列；
聚焦光学器件，该聚焦光学器件包括沿着所述光束阵列的光路设置的多个透镜，所述聚焦光学器件将所述光束阵列共焦聚焦到非平坦焦面上，并且将所述光束阵列向待成像的三维对象引导；
平移机构，该平移机构调整所述多个透镜中的至少一个透镜的位置，以使所述非平坦焦面沿着由所述光路定义的成像轴移位；
检测器，该检测器测量返回光束阵列的强度，该返回光束阵列从所述三维对象反射，并且通过所述聚焦光学器件被导回，其中，针对所述至少一个透镜的多个位置测量所述返回光束阵列的强度，以确定所述三维对象的多个点在所述成像轴上的位置，其中，所述多个点中的一个以上点的检测到的位置待被调整，以补偿所述非平坦焦面；以及
处理器，该处理器：
对于所述返回光束阵列中的每个返回光束，确定产生最大测量强度的至少一个透镜的位置；
对于所述返回光束阵列中的每个返回光束，确定与所述至少一个透镜的确定位置相对应的、由所述返回光束照射的所述三维对象的点在所述成像轴上的位置；以及
基于将所述至少一个透镜的所述确定位置应用到场曲率模型，调整所述三维对象的至少一个点在所述成像轴上的位置，所述场曲率模型针对所述共焦成像设备被校准，以补偿所述非平坦焦面。
2.根据权利要求1所述的共焦成像设备，其中，所述非平坦焦面包括弯曲的焦平面，并且所述多个点中的一个以上点的所述检测到的位置被调整，以补偿所述弯曲的焦平面的曲率。
3.根据权利要求1所述的共焦成像设备，还包括：
分束器，该分束器沿着所述照明模块与所述聚焦光学器件之间的所述光路设置，其中，所述分束器将所述光束阵列从所述照明模块引导至所述聚焦光学器件，并且将所述返回光束阵列从所述聚焦光学器件引导至所述检测器；
其中，所述共焦成像设备的特征在于，在所述分束器与所述照明模块之间不具有场透镜。
4.根据权利要求3所述的共焦成像设备，其中，所述共焦成像设备的特征还在于，在所述分束器与所述检测器之间不具有场透镜。
5.根据权利要求1所述的共焦成像设备，还包括：
沿着所述光束阵列的所述光路在所述聚焦光学器件之后的折叠棱镜，其中，所述折叠棱镜将所述光束阵列引导至待成像的所述三维对象上；
其中，所述多个透镜包括：
第一透镜组，该第一透镜组被设置为最接近所述照明模块；
第二透镜组，该第二透镜组被设置为最接近所述折叠棱镜，所述第二透镜组具有相对于所述第一透镜组的固定位置；以及
第三透镜组，该第三透镜组设置在所述第一透镜组与所述第二透镜组之间，所述第三透镜组具有利用所述平移机构可调整的可变位置。
6.根据权利要求3所述的共焦成像设备，其中，所述分束器与所述照明模块分开小于5毫米的距离。
7.根据权利要求1所述的共焦成像设备，其中，所述多个透镜中的最大透镜的半径小于13毫米。
8.根据权利要求1所述的共焦成像设备，其中，所述场曲率模型包括三维多项式函数。
9.根据权利要求1所述的共焦成像设备，其中，所述非平坦焦面的形状随着所述至少一个透镜的位置的改变而改变。
10.根据权利要求1所述的共焦成像设备，还包括：
靠近所述光路或者沿着所述光路的一个以上的元件，所述一个以上的元件具有与所述多个透镜中的至少一个透镜相距的固定距离，其中，所述固定距离随着温度的改变而改变，其中，所述处理器还用于：
确定所述一个以上的元件与所述至少一个透镜之间的当前距离；以及
基于所述当前距离，将调整因子应用到所述场曲率模型。
11.根据权利要求1所述的共焦成像设备，其中，由所述照明模块产生的所述光束阵列为远心光束阵列。
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