CN1154836C - 表面图象读出装置和三维结构的表面检查 - Google Patents

Abstract

一种用来提供三维物体(101)的二维图象的装置，它用光源(102)照射物体的表面(111)。通过平板(105)中的窗口(112)，表面部分(106)被成像到矩阵传感器(103)的一部分(107)上。此物体绕其主轴旋转，同时被移动，而且，窗口也同时旋转。借助于使这些移动和旋转运动同步，物体表面的逐个部分能够成像到矩阵传感器的各个逐个部分上，从而提供物体表面的改进了的二维图象。

Description

表面图象读出装置和三维结构的表面检查

本发明涉及到用于自动检查和其它应用的三维结构图象读出装置。

在已知的成像系统中，基于诸如采用读出元件构成的二维阵列的电荷耦合器件(CCD)之类的传感器而使用矩阵摄象机(亦即面扫描摄象机)。矩阵摄象机被广泛地使用于摄象机、闭路TV摄象机(CCTV)、以及便携式摄象机中，并可以用来拍摄三维结构的图象。

使用阵列摄象机的一个问题是摄象机仅仅能够看到部分三维结构。例如，当成像圆柱或球的表面时，摄象机仅仅看到最靠近它的表面而无法看到侧面和背面。这意味着为了建立此结构四面八方的完整图象而需要多个图象。在诸如自动检查系统之类的实际应用中，比之单个图象的情况，由于拍摄和处理多个图象使工艺负担加重，因而影响系统的成本，故这是一个缺点。

使用阵列摄象机的第二个问题是结构的任何不平坦区域将以畸变了的方式投影到传感器上。例如，圆柱形或球形结构的侧壁在表面从摄象机弯曲离开时将产生图象畸变。这意味着在检查含有表面细节的图象，例如印刷在表面上的字符时，图象处理系统必须修正这一畸变。这种类型的修正意味着明显地增加复杂性，从而提高了图象处理系统的成本。

使用阵列摄象机的第三个问题是必须将多个图象铺贴在一起。这应用于被成像的表面含有可能骑跨多个图象中的二个或更多个的图形的情况，而且需要铺贴(亦即拼接到一起)这些图象以重新构成完整的图象。这导致图象处理系统额外的明显复杂性，并引入了在重新构成的图象中可能产生乱真“拼接复制品”的危险。

在另一种已知的图象读出系统中，用行扫描摄象机来拍摄三维结构的图象。行扫描摄象机被安置来形成结构窄长部分的图象。在使图象能够建立在行扫描传感器上的适当汇集时间之后，以图象象素(亦即图片元件)行的形式从摄象机读出行图象，并被传送到图象存储和图象处理系统。此结构被安置成相对于摄象机运动，致使能够在结构相邻的窄长部分上重复此过程，最终通过多个部分而获得象素的二维阵列。

行扫描成像的一个典型的例子是形成圆柱形表面的图象，从而圆柱形结构被安置成绕其主轴旋转，同时行扫描摄象机沿平行于主轴的圆柱壁拍摄一系列行图象。

行扫描成像的一个问题是光学效率不高。摄象机的透镜能够使宽于结构窄小部分的区域成像，且照明系统也会照亮结构的更宽部分。行扫描摄象机仅仅使用了一小部分可得到的图象而放弃了其余部分。这一光学效率不高导致对整个成像系统的限制，限制了图象拍摄速度，并需要更加复杂的高强度照明。

行扫描成像的第二个问题是图象模糊。在典型的实际系统中，结构被安置成以恒定的速度相对于摄象机运动，致使围绕结构以规则的物理间距得到逐个象素行。这意味着结构表面上的任何零件都相对于摄象机运动，从而倾向于在摄象机所用的汇集时间范围内使图象模糊。对于诸如尺寸相似于或1-5倍大于结构被成像的象素的尺寸的小点或线之类的结构表面上的精细细节来说，这一点最为严重。图象模糊的总效果是拍摄的图象的质量被降低，损失了反差和图象清晰度，特别是影响点和线之类的精细细节。

在行扫描摄象机的一种已知的变种(延时汇集(TDI)摄象机)中，克服了行扫描成像的某些问题。在TDI行扫描摄象机中，多个平行的象素行被同时成像。依赖于所使用的特定成像器件，这意味着成像区域的宽度被增大到例如8、16、32或96个平行象素行。在TDI系统中，用移位寄存器方法来使正汇集在传感器上的图象移位，使部分地汇集在传感器上的图象跟随结构的运动。因此，读出的各个象素将被曝光8、16、32或96个时钟周期。这提高了系统的光学效率。

TDI成像的问题是，由于与基本的行扫描摄象机相同的原因而仍然存在图象模糊，导致精细细节上图象清晰度和反差的损失。TDI摄象机的第二个问题是，由于其用途特殊从而制造的数量少而使成本比较高。

一般行扫描摄象机和TDI行扫描摄象机的另一个问题是，成像局限于摄象机能够沿三维结构被聚焦在一条线上的应用。如果实际地考虑标准透镜和景深(为了保持图象的适当的清晰度)，这意味着行扫描系统最适合于诸如圆柱体之类的侧壁平坦的结构，而不很适合于例如球形结构那样的更复杂的表面。

根据本发明，提供了一种用来提供三维物体表面的二维表示的装置，它包含用来沿一个路径移动物体的装置以及用来同时绕其至少一个轴旋转物体的装置、用来读出二维表示的装置、用来将一部分物体表面成像到一部分读出装置上的装置，此成像装置可沿平行于物体路径的路径移动，其中该物体路径是弧形路径，物体移动装置和成像装置的移动速率以及物体的旋转速率，被选择成使物体和成像装置的旋转与移动的组合引起物体表面相邻部分的逐个图象在物体沿部分物体路径行进时，被成像在读出装置的逐个部分上，其中该物体路径是弧形路径，从而拍摄物体表面的二维图象。

下面参照附图，仅仅用举例的方法来描述本发明，在这些附图中：

图1是用来读出圆柱体表面的本发明的实施方案的示意剖面图；

图2是图1实施方案的示意透视图；

图3(a)、(b)和(c)是一系列示意剖面图，用来说明如何使用图1和2的实施方案来建立随时间变化的图象；

图4是示意方框图，示出了图1和2的实施方案在物体自动检查操作中的主要步骤；

图5是通过用来处置被检查的物体的机械处置装置实施方案区段的示意纵向剖面图；而

图6是用来读出复杂的非圆柱形结构的图象的另一个实施方案的示意透视图。

圆柱形物体101被光源102照射，致使圆柱体表面111的106部分被照明。矩阵图象传感器103经由透镜104及平板105中的窗口112，在传感器表面115的107部分接收106部分的图象114。窗口112是一种细长的有平行边的窗口，它具有基本上平行于圆柱体101主轴的纵轴。因此，待要成像在矩阵传感器103上的圆柱体表面111的106部分是沿基本上平行于圆柱体主轴113的沿圆柱体101侧边的窄长部分。而且，矩阵传感器103所接收的图象114，也是对应于被照明部分106的窄长部分107。

物体101的整个圆柱形表面111被扫描，并借助于安排物体101的同时机械移动和旋转，并同时机械移动平板105，同时安排矩阵传感器103使其视野汇集周期与机械移动和旋转的这一周期同步，从而被矩阵传感器103成像。

机械周期的细节如下：

安排圆柱形物体101以基本上线性的速度108移动，同时以转速110旋转。转速110被安排成使被成像部分106相对于透镜104和矩阵传感器103的瞬时表面速度基本上为0。同时，平板105(因而也是窗口112)被安排成以线性速度109移动，致使被照明部分106的中心、窗口112和透镜104的中心保持基本上共线。

借助于旋转和移动圆柱体101，并移动窗口112，能够将圆柱体1的整个表面111成像到矩阵传感器103上。图3说明了如何达到这一点。矩阵传感器103在时间Ta处于静止，此时圆柱体表面111被照明。此圆柱体表面111的A部分则通过处于第一位置的窗口112被成像到矩阵传感器103上的相应部分A’上。在圆柱体101连续旋转并将表面111的其它部分，例如时间Tb时将B部分，时间Tc时将C部分分别连续成像在矩阵传感器表面115上的B’部分和C’部分上的情况下，在其它时间内，矩阵传感器103被保持在连续汇集模式中。由于同时移动窗口112，故这些B’部分和C’部分在空间上被分隔开。一旦圆柱体101完成一圈旋转，部分A将再次被读取。

借助于进行这种旋转和移动的组合，圆柱体表面111的逐个部分被成像到矩阵传感器103的相应的逐个部分上，因此，这些机械和传感器安排的总效果是圆柱体表面按照围绕圆柱体侧壁的连续增量被曝光，且表面的匹配图象按照矩阵传感器103处的连续增量被接收。

为了在自动应用中进行整个表面的扫描，可以根据图4所列的步骤S来运行装置。待要扫描和成像的物体，亦即上述圆柱体101，被第一机械处置装置120旋转和移动，而平板105被第二机械处置装置121移动。用同步装置122使第一和第二机械处置装置120和121同步，致使保持所需成像部分106、窗口112和透镜104的中心的共线性。同步装置122还控制矩阵传感器103的曝光周期，致使新周期开始时施加复位并在周期的其余时间内保持曝光，同时读取所需的圆柱体表面111。

如上所述，图5示出了用来扫描诸如圆柱体的物体的装置的机械

实施方案。

圆柱体101和窗口112的移动和旋转如下进行：

为了绕其纵向主轴旋转，圆柱体101被自由地安装在圆柱形笼罩133上，其表面111位于制造成沿图5中箭头方向绕其主轴(未示出)旋转的圆柱形滚筒130上。滚筒130的外表面131与圆柱体表面111接触，致使当滚筒130旋转时，将旋转力加于圆柱形笼罩133，使之旋转。图5中的箭头也示出了这一点。圆柱体101被圆柱形笼罩中的窗口134容纳。笼罩133被制造成绕其与滚筒主轴重合的主轴旋转。也被制造成绕其与前述其它轴重合的主轴旋转的开缝的滚筒135，实现了前述的平板105的功能，以开缝滚筒135中的窗口136对应于上述的窗口112，且开缝滚筒135的旋转影响着窗口136的移动。圆柱形滚筒130和笼罩133与其相关的驱动装置一起，对应于第一机械处置装置。开缝滚筒135由第二处置装置121旋转。然后可以容易地安排机械驱动，例如本技术熟练人员熟知的马达和齿轮，来同步连接三个旋转元件(摩擦滚筒130、笼罩133和开缝的滚筒135)，以便产生被检查物体的所需旋转。例如本技术熟练人员所知的旋转译码器之类的电器，可以容易地被安排来使机械周期与摄象机曝光同步。然后在图象存储和处理装置123中，用任何适当的图象处理技术，对矩阵传感器103拍摄到的二维图象进行处理。若此图象被用来与参考图象进行比较，则若图象随参考图象变化，就能够用认可/废弃装置124来认可或废弃物体。

参照图6，示出了本发明的另一优选实施方案，表明本发明不局限于圆柱形结构的图象读出，而是也能够扩展到三维结构的许多其它的形状。为了读出诸如图6所示那样的更复杂的三维结构，结构201沿水平方向被扫描，以产生大量图象区段204，各个区段成水平条的形式，每个条沿垂直方向被相继扫描，亦即，借助于首先沿水平方向扫描，然后垂直移动以便沿垂直相邻的条204’再次水平扫描，等等，直至全部结构被扫描和成像，从而建立结构201的完整图象。为提供图象而使表面“不弯曲”的实际方法与上述相同，但此时，大量“不弯曲的”图象则被组合以产生整个表面的最终图象。在这方面，窗口平板105不仅沿水平方向移动，而且必须能够也沿垂直方向移动，以便沿垂直方向相继扫描。为了扫描更复杂的结构，结构201需要绕和沿比上述第一实施方案更多的轴旋转和移动。对于更复杂的结构，如图6所示，将要绕三个正交轴203、205、206旋转，还要沿这些轴移动。对于较不复杂的结构，例如圆锥体或阶梯形圆柱体，结构不必绕或沿所有这些轴旋转和移动。在图6中，窗口平板105具有带羽毛状顶部和底部边沿的正方形或矩形窗口112。借助于建立图象与周围象素之间的过渡边界，使图象在边沿处逐渐淡出，羽毛状边沿使区段204的图象边沿模糊。于是，当二个相邻的水平成像区段被处理到一起时，相邻条的重叠边沿就没有突然的间隙或双重曝光重叠。

显然，对于本技术的熟练人员，本发明范围内的各种各样的修正都是可能的。例如，能够使用任何适当的图象处理技术，以及其它适当的图象传感器。可以用任何适当的装置来实现各个元件的移动和旋转。

Claims (13)

1.一种用来提供三维物体表面的二维表示的装置，它包含：

用来沿一个路径移动物体的装置以及用来同时绕该物体的至少一个轴旋转物体的装置；

用来读出二维表示的装置；

用来将一部分物体表面成像到一部分读出装置上的装置，此成像装置可沿平行于物体路径的路径移动，物体移动装置和成像装置的移动速率以及物体的旋转速率，被选择成使物体和成像装置的旋转与移动运动的组合引起物体表面相邻部分的逐个图象，在物体沿部分物体路径行进时，被成像在读出装置的逐个部分上，从而拍摄物体表面的二维图象。

2.根据权利要求1的装置，其中的装置还包括用来比较被拍摄的图象与参考图象，以便探测物体表面相对于参考图象表面的偏离，从而根据这一比较来确定认可还是废弃此物体的装置。

3.根据权利要求1或2的装置，其中的物体路径是弧形路径，且物体可绕其纵轴旋转。

4.根据权利要求1的装置，还包含用来使物体的移动与旋转、成像装置的移动、和读出装置的工作速度同步，以便提供二维表示的装置。

5.根据权利要求1的装置，其中的读出装置能够被用来接收物体表面的成像部分并提供代表图象的信号，此装置还包含耦合到读出装置的用来处理来自读出装置的信号的装置。

6.根据权利要求5的装置，其中的图象处理装置包括图象存储装置。

7.根据权利要求1的装置，其中的成像装置包含其中提供有窄矩形窗口的掩蔽装置。

8.根据权利要求1的装置，其中的物体可绕和可沿至少二个正交的轴旋转和移动，而读出装置可沿二个正交的方向移动，从而产生图象表面相邻部分的多个图象，这些多个相邻的图象被组合以提供物体表面的总图象。

9.根据权利要求8的装置，其中的成像装置包含其中提供有带羽毛状顶部和底部边沿的窗口的掩蔽装置。

10.一种用来产生三维物体表面的二维表示的方法，此方法包含下列步骤：

沿一个路径移动物体，同时绕该物体的至少一个轴旋转物体；

利用成像装置，将部分物体表面成像到用来读出二维表示的装置的一部分上；

沿平行于物体路径的路径移动成像装置；以及

选择物体移动装置与成像装置的移动速率以及物体的旋转速率，使当物体沿部分物体路径行进时，物体与成像装置的旋转与移动运动的组合，引起物体表面相邻部分的逐个图象被成像在读出装置的逐个部分上，从而拍摄物体表面的二维图象。

11.根据权利要求10的方法，还包含将拍摄到的图象与参考图象进行比较，以探测物体表面从参考图象表面的偏离的步骤，以及根据这一比较而认可或废弃此物体的步骤。

12.根据权利要求10的方法，其中的物体路径是弧形路径，且物体绕其纵轴旋转。

13.根据权利要求10的方法，还包含使物体的移动与旋转、成像装置的移动、和读出装置的工作速度同步，以便提供二维表示的步骤。

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