CN1965222A - 用于控制透明或反射元件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来测量或控制光学元件(3)的设备，包括照明部件(1)和相关的人工视觉系统(2)，其中，所述光学元件(3)可以插入在照明部件(1)和人工视觉系统(2)之间，所述照明部件(1)包括用于产生亮度可随空间和时间改变的发光背景的可编程光电部件。本发明的设备的特征在于，所述可编程光电部件以这种方式体现：连续生成多个照准标，每个包括在统一背景上以每毫米0.01和100个图案之间的高空间频率以对比方式重复的图案，或者使得两个相邻的图案被分开0.1和30度之间的角，从在其上观测到图案的物体的点测量所述角。所述生成的照准标以这种方式在空间上连续交错，使得相应于照准标的多个图像在被光学元件(3)反射或透射后由人工视觉系统捕获，并且以单个复合图像的形式被重组。

Description

用于控制透明或反射元件的设备

技术领域

本发明涉及一种器件，用于：

-检测缺陷或定位存在于透明或反射光学部件中的半可见标记，

例如，检测变形和外观缺陷(“美观控制”)。

-测量这种光学部件的光学特性(例如，发散、折射、透射率、功率或聚散度、曲率、扩散率等特性)

本发明的一个示例应用是对眼镜行业(ophthalmic industry)中的光学透镜和所有透明和/或反射产品的控制。

反射产品被推理地定义为具有根据镜面反射定律对入射光作出反应的表面的产品。

本发明还涉及半透明产品和/或具有漫反射的产品的外观控制。

背景技术

已知许多方法，并且它们被用在人工视觉中用于缺陷的自动检测，它们采用具有适合于待检测的特定类型缺陷的特性的照明系统。应该提到，例如具有明场和暗场的器件、投影系统、例如黑白条形式的替代观测系统、被称为“刀口(knife edge)”的纹影法，等等。

此处考虑可能同时出现的三种主要类型的缺陷(非排它的)：

-扩散缺陷：可见，即使影响较小的区域；在通常的意义上“散射”光；

-偏转缺陷：不引起扩散，但局部修改折射效应(例如“放大”效应)；

-吸收缺陷：局部减少透射。

已知器件的特征通常在于移动需求，不论对于被观测部件还是对于照明器件(FR-A-98 14417，EP-A-556655，法国Le Creusot，2001年5月21-23日，QCAV-时期，Le2i实验室，R.SEULIN等人的“Machine Vision System for Specular Surface Inspection：Use ofSimulation Process as a Tool for Design and Optimization”)，或此外适合的投影器件(EP-A-856728)。任何人因此可以获得具有由要实现的目标和由所采用的机械的、几何的或光学部件确定的配置的系统。

许多照明系统的配置由被观测物体的大小和形状确定，例如在文档US-B-6,476,909中描述的器件。它提出了用来检查光学部件的器件，其中，扩散部件被插入光源和待检查的部件之间。扩散元件最好是具有扩散传输因数不同的三个区域的两维LCD板：具有较弱扩散率的中心区域、具有较高扩散率的外围区域、和包围这两个区域并且拦截光的外部遮光板(mask)。这前两个区域形状取决于待检查的物体的形状。中心区域的大小取决于物体的大小。物体的图像在CCD照相机上被接收。当没有任何缺陷时，物体的图像仅由从同质中心区域发出的光形成。因此，吸收缺陷或灰尘，也就是黑色或暗色，比其余图像具有更弱的亮度。相对照，任何扩散微粒散射发自中心区域的直接光和发自周外围区域的间接光，其增加了缺陷位置的局部亮度。该器件因此允许同时检测若干类型的缺陷。该文档实质上描述了在同质中心背景上光学部件的观测。这是“暗场”方法，其中背景是灰色而不是黑色，因此会出现吸收缺陷。容易理解，这种器件在用来分类或甚至检测具有(很小)偏转的缺陷或甚至大的缺陷的限制是由于这两种缺陷的对抗效应而同时吸收和扩散。

此外，并且尤其对于“大尺寸”物体，使用这种类型的器件，物体的不同点不会以相同的方式被照亮。这使得缺陷检测的灵敏度取决于位置，并且还取决于缺陷的方向，当后者以各向异性方式散射光时。例如位于被检查物体边缘的诸如刮痕的缺陷可以根据它的方向来不同地偏转光。因此，使用上述器件，可以很好地检测切向刮痕，但是很可能无法观测到相同的径向刮痕。

已知可以通过“纹影技术”以较高灵敏度方便地检测到偏转缺陷和以小角度或窄锥形扩散光的缺陷，尽管如此，纹影技术几乎不适合具有可变表面特征的物体或从物体的一种模型切换到另一种。

测量光学特征的情形非常相似。因此可以发现许多类型的器件：

a)例如，提供有投影系统的第一类设备具有适当形状的遮光板，用于根据所谓的“哈特曼”技术来测量光功率(与焦距相反)，并且包括用来测量投影到屏幕或直接到传感器上的光的器件。通过基于与遮光板相关的图案的变形的计算，这些器件允许分析在被研究元件上传输和反射之后获得的波前。后者可以被置于投影器件中，在光被遮光板截断之前或之后；

b)此外，器件尤其允许通过根据物体是透明的还是反射的，来分析通过被检查物体表面的折射或反射观测到的图案的图像(被称为“定义图(definition chart)”)的通常是各向异性和非均匀的放大，简单地计算光学特性。因此，申请人开发了用来确定透镜的光功率的映射的器件。该产品，被称为Lensmapper^TM，自1994年以来就被出售给眼镜行业。该器件的原理与由Innomess GmbH、Marl(DE)持有的用于反射表面的专利US-A-6,392,754的主题，以及与由独立于申请人并且实质上为眼镜行业工作的公司持有的欧洲专利申请EP-A-1061329相似。

因此，在检测光学部件的缺陷和确定元件的光学特性两方面出现的问题是，由于其相对严格的配置，现有测量器件被限制在申请的有限范围内。

因此需要用于精确测量或用于检测外观缺陷的器件，根据在较宽范围内选择的应用(例如在物体的整个表面检测多种类型的不同缺陷)，它应该是灵活的，并且它应该允许不同照明方法的“挑选和支付”执行(例如暗场或明场、黑/白条纹、斑点或具有点的定义图的交替，等等)。

发明内容

本发明旨在提供一种允许检测精密或高质量光学部件中的任何类型的缺陷的器件，所述缺陷的特征大小在很宽的范围内延伸，对于大多数透镜通常在1微米和若干毫米之间。

本发明尤其旨在提供一种用来加亮诸如标记、轮廓等多种外观缺陷或结构不连续性的器件，由于它们特定的交互作用，很可能与光各向异性，并且由于它们的方向，可能需要使用非常可变的照明器件配置并因此需要后者的高度适应性。

本发明还旨在提供一种灵活的器件，尤其在眼镜行业中，用来测量光学元件的特征。

本发明的第一方面涉及一种用于光学检查或用于测量光学部件，也就是透明、半透明或反射物体，包括具有扩散反射的光学部件的光学、几何或色度特性的器件。

根据本发明的器件包括照明部件和相关的人工视觉系统，所述被检查和测量的物体在空间上被置于照明部件和人工视觉系统之间。

根据权利要求1的术语，所述照明部件包括可编程光电部件，以便产生亮度可在空间和时间改变的发光背景。所述可编程光电部件被设计用来连续生成多个定义图，每一个定义图包括在均匀背景上通过每毫米0.01和100个图案之间的高空间频率对比重复的图案，或使得两个相邻图案被分开0.1和30度之间的角，从在其上观测到图案的物体的点测量所述角，所述连续生成的定义图被空间移动，使得对应于所述定义图的多个图像在被光学部件反射或透射后，被人工视觉系统收集并以单个复合图像的形式被重组。根据情况，图案的空间频率和大小被选择，以便适合被检查物体的特征，无论是缺陷还是光功率。

在本发明中的器件的优选实施例在第二权利要求2到16中有描述。

本发明的第二方面涉及使用上述器件来检查光学部件、读取模制或雕刻的标记、观测物体表面上的不连续性或描画物体的轮廓。

本发明的第三方面涉及使用上述器件来测量物体的光学或几何特性，尤其用来测量光学部件可能各向异性的光功率或曲率。

本发明允许该使用与所使用的诸如暗场或明场方法(至少部分)、刀口方法的类型方法的灵活和快速变化或与基本点形的发光区域的使用相兼容。

附图说明

图1非常示意地示出了本发明的设备在通过例如透镜的物体的折射进行检测的情况。

图2示出了在两维定义图背景上具有外观缺陷的透镜的示例图像，借助于本发明的设备的优选实施例，所述示例图像选自通过在两个主要方向上被移动恒定间距的定义图取得的连续图像的集合。

图3示出了通过图像处理来重组如图2所示类型的图像获得的结果图像。

具体实施方式

如在图1中非常示意地示出的，本发明涉及空间光调制器或SLM1的使用，例如以灵活、可变和精确方式提供与照相机2相关的照明器件的液晶显示器(LCD)屏幕，例如CCD或CMOS照相机，具有或没有物镜，以便检测光学物体3，尤其例如用来检测缺陷、读取标记(模制或雕刻的)、观察不连续性(透镜边缘)或描画多焦点透镜段的轮廓、测量光学特性，并且通过在特别选择的位置生成适当的定义图或适当大小的点来这样做。

在广义上，SLM是照明器件，它很可能在确定的方向上，允许对在任何点产生、传输或反射的光强度和局部色彩进行数字或模拟控制。

SLM通常是光电器件，包括1D或2D并且很可能是3D的像素网络，可以被用在反射或透射中，并且可以单独和即刻地被光、电等部件激活。这些像素的每一个可以调制通过它传播或反射到它上面的相位和/或光强度。通常，通过使用液晶显示器(LCD)来产生SLM，但是本发明还可以通过使用模拟照明器件来实现。

根据本发明的优选实施例，安装包括人工视觉系统，该人工视觉系统包括可能与物镜相关的照相机、用于图像数字化的系统和图像处理器，如果需要，为了延伸观察视野，该人工视觉系统与可能提供有镜子的可编程LCD显示器相连。显示器的图像在反射或透射之后，经过照相机由人工视觉系统察看。

例如，将使用提供有焦距为50毫米的物镜、具有752×582像素的CCIR CCD照相机。SLM可以是具有800×600像素的SVGA LCD显示器，显示诸如网纹图案的周期图案或通过可变位移对比交错黑线和白线。应该注意到，至少选择定义图，使得生成的图案和照明部件的背景之间的对比度较高，并且使得该生成的图案具有净转换。对于捕获和处理，包括图像的最大、最小或平均的计算等，将使用具有图形卡和诸如在技术领域中发现的LCD显示卡的PC。

图2示出了使用上述类型的器件取得的透镜的图像，并且具有外观缺陷(使用毡笔标记的圆圈、刮痕、指纹等)。在强烈对比的黑和白网纹图案形式的两维定义图的背景上取得每个特定图像。透镜和定义图的支撑物之间的距离大约50毫米，并且透镜和照相机之间的距离大约500毫米。

在该特定情况下，以大约1秒的间隔连续取得9个不同的图像。在一个图像和下一个图像之间，所述定义图被移动对应于两个主方向上的图案重复的三分之一的间距。

通过保留每个位置(像素)的9个可能值中的最小灰度级，可以获得如图3所示的重组的图像。

当该器件被正确使用时，由于通过适当定义图获得的多个图像的逻辑、简单、快速使用，它可以为检测外观缺陷提供非常高、甚至无与伦比的质量结果。

可以容易地创建用来取得图像的系统和显示器之间的同步，而无须额外的器件。使用该器件，有可能改变所使用方法的类型(部分暗场、明场、黑和白的替代对比、使用具有根据产品的光功率或缺陷的类型调整的若干位置点，等等)

对于给定类型的方法，可以随意对于对比定义图和这些定义图(分析)的图像重组进行的各种调整允许修改各种参数，首先影响检测灵敏度并且其次根据缺陷图像的类型而影响其外观。该技术允许灵敏的分类、识别和检测。

还可以通过使用下述原理a)或通过使用下述原理b)来实现光学控制：a)上述关于光源的形状和位置在灵活性方面具有优势，b)上述关于一个或若干图案的产生和调整定义图的间距的机会在灵活性方面具有优势，以显示特定参考点以便识别被观测图像的绝对位移，此外，已知它仅是在周期图案的情况下图案间距的整数倍以内。

还可以通过采用莫尔技术来实现部件的光学控制，选择定义图以便允许一方面单独的网络或控制照相机的CCD传感器和另一方面显示的图案之间的干扰现象。

最后，可以通过分析获得的显示器的不同色彩的灰度级和显示器所发出的光的任何极化性来确定涉及色彩信息的特性，例如在LCD显示器的情况下，可以用来检验作为其方向的函数的产品的特性。

根据本发明，任何类型的缺陷因此可以被方便地检测，尤其根据不连续性的等级或表面的不完整性来选择所述定义图：对于扩散缺陷而言极小，对于由于内含物或标记的表面变形的大多数缺陷，大小大约为0.1毫米，或对于特定表面变形，甚至大约几毫米或更大。

Claims (20)

1.一种用于测量或控制光学部件(3)的设备，包括照明部件(1)和相关的人工视觉系统(2)，其中，所述光学部件(3)可以插入照明部件(1)和人工视觉系统(2)之间，所述照明部件(1)包括用来产生亮度可在空间和时间改变的发光背景的可编程光电部件，其中，所述可编程光电部件被设计成连续地生成多个定义图，每一个定义图包括统一背景上的重复和对比图案，具有每毫米0.01和100个图案之间的高空间频率，或使得两个相邻图案被分开0.1和30度之间的角，从观测到图案的物体上的点测量所述角，所述连续生成的定义图被空间移动，使得对应于所述定义图的多个图像在被光学部件(3)反射或透射后，被所述人工视觉系统收集并以单个复合图像的形式被重组。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图案在所述定义图的至少一个方向上有规律地重复，并且被从包括点、斑点、规则或不规则几何形状、水平、垂直或斜线以及至少两个这些元素的任何组合的组中选择。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述定义图具有中心对称，每个图案包括对称中心，并且被移动相对于相邻图案恒定的一个角间距。

4.根据权利要求1、2或3所述的设备，其中，所述连续生成的定义图的移动是平移或旋转移动。

5.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，所述定义图被选择，使得生成的图案具有净转换。

6.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，所述可编程光电部件包括1D、2D或3D空间光调制器(SLM)。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述空间光调制器(SLM)是液晶显示器类型(LCD TFT)。

8.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，所述人工视觉系统包括图像传感器或与图像处理系统相连的线性或矩阵照相机，或甚至直接或间接投影屏。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述照相机是前面具有物镜的CCD或CMOS类型的数字照相机。

10.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，它包括例如通过确定各向异性曲率、表面的倾斜或距离来计算反射效应，或例如通过分析局部或全局放大或移动来确定光功率来计算折射效应的部件。

11.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，它包括具有周期网络作为附加辅助光学设备的遮光板或镜。

12.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，它包括用于取得各种对比定义图的多个图像以及目的在于在被检查物体的任意点组合它们的处理的部件。

13.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，它包括用于分析在对至少一小部分图案重复进行完整的一、二或三维扫描之后获得的图像的部件。

14.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，在空间和时间上具有可变亮度的图案的颜色可以被调整。

15.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，所述图像处理被配置以便组合所收集的定义图的移动的图像的特征，并且获得和分析有关检查的数据或所述物体的光学特性。

16.根据前面的任何一个权利要求所述的设备，其中，它包括用于调整定义图的类型、参数和移动，允许通过分析获得的图像来提供与缺陷相关的参数的特征，例如扩散率或变形幅度的部件。

17.使用权利要求1到16任何一个所述的设备，用于透明、半透明或反射物体的光学检查，包括通过扩散反射，最好用于检测偏转或散射光的缺陷，用于读取模制或雕刻的标记，观测物体表面的不连续性或描画物体的轮廓。

18.使用权利要求1到16任何一个所述的设备，用来测量透明、半透明或反射物体的光学或几何特性，可能地，各向异性。

19.使用权利要求18所述的设备来测量光学部件的光功率或曲率。

20.在暗场或明场方法(至少部分)、刀口方法或使用实质上点形的发光区域的情况下，使用权利要求16到19任何一个所述的设备。

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