RU2782368C2

RU2782368C2 - Retrographic sensors

Info

Publication number: RU2782368C2
Application number: RU2021109187A
Authority: RU
Inventors: Эдвард Х. ЭДЕЛЬСОН; Ф. Ричард КОТТРЕЛЛ
Original assignee: Джелсайт, Инк.
Priority date: 2018-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2022-10-26

Abstract

FIELD: image formation.

SUBSTANCE: retrographic sensor includes transparent elastomeric substrate, a deformable reflecting layer, and a contact surface with a matrix of rigid non-flat elements formed of material or with a particle structure for weakening adhesion to an object surface and at the same time for providing a possibility for captured air of releasing from an area of interest.

EFFECT: this combination of elements allows for a contact surface of a sensor for more accurate coordination with an object surface and at the same time physical transmission of topography of the object surface to a deformable layer for the formation of an image through substrate.

69 cl, 12 dwg

Description

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИCROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

[01] По этой заявке испрашивается приоритет предварительной заявки № 62/727816 на патент США, поданной 6 сентября 2018 года, все содержание которой включено в эту заявку путем ссылки.[01] This application claims priority to U.S. Provisional Application No. 62/727816, filed September 6, 2018, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

[02] В общем, настоящее раскрытие относится к ретрографическим датчикам, а более конкретно, к контактным датчикам со специализированными поверхностями, которые облегчают использование в случаях различных поверхностей объектов.[02] In General, the present disclosure relates to retrographic sensors, and more specifically, to contact sensors with specialized surfaces that facilitate use in cases of different surfaces of objects.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

[03] Ретрографический датчик включает в себя подложку из прозрачного эластомера, покрытую деформируемым слоем, содержащим отражающие частицы, наряду с оптической системой для захвата изображений слоя, когда он искажается при прижатии к объекту. Чтобы датчик точно соответствовал топографически сложной поверхности объекта, деформируемый слой должен растягиваться, скользить и искажаться, чтобы согласоваться с поверхностью объекта. Если поверхность датчика имеет высокий коэффициент трения (КТ), что справедливо для большей части эластомеров, поверхность датчика не будет легко направляться на элементах поверхности объекта и скользить по ним, и не будет легко согласовываться с поверхностью объекта. Кроме того, из большей части эластомеров исключается выход захваченного воздуха. Например, когда эластомерный датчик вжимают в ямку, он образует уплотнение по ободку ямки, вследствие чего захваченный воздух остается в ямке. Захваченный воздух предотвращает достижение датчиком дна ямки и поэтому точное измерение исключается. Поэтому остается необходимость в усовершенствованных датчиках, в которых при формировании изображения исключаются дефекты, связанные с этими свойствами.[03] The retrographic sensor includes a transparent elastomer substrate coated with a deformable layer containing reflective particles, along with an optical system for capturing images of the layer as it is distorted when pressed against an object. In order for the sensor to accurately match the topographically complex surface of an object, the deformable layer must stretch, slide, and distort to conform to the surface of the object. If the sensor surface has a high coefficient of friction (CT), which is true of most elastomers, the sensor surface will not easily guide and slide over the surface features of the object and will not readily conform to the surface of the object. In addition, most elastomers are prevented from escaping entrapped air. For example, when an elastomeric sensor is pressed into a pit, it forms a seal around the rim of the pit, whereby entrapped air remains in the pit. Entrained air prevents the probe from reaching the bottom of the pit and therefore an accurate measurement is precluded. Therefore, there remains a need for improved sensors that eliminate the defects associated with these properties during imaging.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

[04] Ретрографический датчик включает в себя прозрачную эластомерную подложку, деформируемый отражающий слой и контактную поверхность с матрицей жестких неплоских элементов, образованных из материала, или со структурой частиц, для уменьшения сцепления с поверхностью объекта и в то же время для предоставления возможности захваченному воздуху выходить из представляющей интерес области. Это сочетание элементов позволяет иметь контактную поверхность датчика, более точно согласующуюся с поверхностью объекта, и в то же время позволяет физически передавать топографию поверхности объекта деформируемому слою для формирования изображения через подложку.[04] The retrographic sensor includes a transparent elastomer substrate, a deformable reflective layer, and a contact surface with a matrix of rigid non-planar elements formed from a material or particle structure to reduce adhesion to the surface of an object while at the same time allowing entrapped air to escape. from the region of interest. This combination of elements allows the sensor contact surface to be more closely aligned with the surface of the object, while at the same time allowing the topography of the object's surface to be physically transferred to the deformable layer for imaging through the substrate.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[05] Упомянутые выше и другие объекты, признаки и преимущества устройств, систем и способов, описанных в этой заявке, станут очевидными из нижеследующего описания конкретных вариантов осуществления его, показанных на сопровождающих чертежах. Чертежи необязательно выполнены в масштабе и приданы для иллюстрации принципов устройств, систем и способов, описанных в этой заявке. На чертежах:[05] The above and other objects, features and advantages of the devices, systems and methods described in this application will become apparent from the following description of specific embodiments of it, shown in the accompanying drawings. The drawings are not necessarily drawn to scale and are provided to illustrate the principles of the devices, systems and methods described in this application. On the drawings:

[06] фиг. 1 - иллюстрация системы формирования изображения и ретрографического датчика;[06] FIG. 1 is an illustration of an imaging system and a retrographic sensor;

[07] фиг. 2 - иллюстрация ретрографического датчика, расположенного для использования;[07] FIG. 2 is an illustration of a retrographic sensor positioned for use;

[08] фиг. 3 - иллюстрация ретрографического датчика, наложенного на поверхность объекта;[08] FIG. 3 is an illustration of a retrographic sensor superimposed on the surface of an object;

[09] фиг. 4 - иллюстрация контактной поверхности ретрографического датчика;[09] FIG. 4 is an illustration of the contact surface of a retrographic sensor;

[10] фиг. 5 - вид сбоку ретрографического датчика;[10] Fig. 5 is a side view of the retrographic sensor;

[11] фиг. 6 - вид сбоку ретрографического датчика;[11] Fig. 6 is a side view of the retrographic sensor;

[12] фиг. 7 - вид сбоку ретрографического датчика;[12] Fig. 7 is a side view of the retrographic sensor;

[13] фиг. 8 - блок-схема последовательности действий способа изготовления ретрографического датчика;[13] Fig. 8 is a flow chart of a method for manufacturing a retrographic sensor;

[14] фиг. 9 - блок-схема последовательности действий способа метрологии поверхности с использованием ретрографического датчика;[14] Fig. 9 is a flow chart of a surface metrology method using a retrographic sensor;

[15] фиг. 10 - иллюстрация полученного оптическим микроскопом изображения матрицы 6-микрометровых микросфер первого типа;[15] Fig. 10 is an illustration of an optical microscope image of an array of 6 micrometer microspheres of the first type;

[16] фиг. 11 - иллюстрация полученного оптическим микроскопом изображения матрицы 6-микрометровых микросфер второго типа; и[16] Fig. 11 is an illustration of an optical microscope image of an array of 6 micrometer microspheres of the second type; and

[17] фиг. 12 - средний радиальный спектр мощности для матриц микросфер из фиг. 10 и 11.[17] Fig. 12 shows the average radial power spectrum for the microsphere arrays of FIG. 10 and 11.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

[18] Теперь варианты осуществления будут описаны с обращением к сопровождающим чертежам. Однако изложенное выше может быть осуществлено многими различными способами и не должно толковаться как ограниченное показанными вариантами осуществления, изложенными в этом разделе.[18] Embodiments will now be described with reference to the accompanying drawings. However, the foregoing may be practiced in many different ways and should not be construed as being limited to the illustrated embodiments set forth in this section.

[19] Все документы, упомянутые в этой заявке, являются тем самым полностью включенными в нее путем ссылки. Ссылки на элементы в единственном числе следует понимать включающими элементы во множественном числе и наоборот, если иное явно не оговорено или ясно не следует из текста. Грамматические объединения предполагаются выражающими любые и все дизъюнктивные и конъюнктивные комбинации объединенных предложений, суждений, слов и т.п., если иное не оговорено или ясно не следует из контекста. Таким образом, термин «или» следует обычно понимать означающим «и/или» и т.д.[19] All documents referred to in this application are hereby incorporated by reference in their entirety. References to elements in the singular should be understood to include elements in the plural and vice versa, unless otherwise expressly stated or clear from the text. Grammatical associations are intended to express any and all disjunctive and conjunctive combinations of combined sentences, judgments, words, etc., unless otherwise specified or clearly follows from the context. Thus, the term "or" should generally be understood to mean "and/or", etc.

[20] В этой заявке изложение пределов значений не предполагается ограничивающим, а предполагается относящимся индивидуально к любому и всем значениям, попадающим в пределы, если в этой заявке не указано иное, а каждое отдельное значение в таких пределах включается в описание изобретения, как если бы оно было индивидуально приведено в этой заявке. Слова «около», «приблизительно» или подобные при численном значении специалисту в данной области техники следует понимать как показывающие отклонение, при котором обеспечивается удовлетворительная работа в предполагаемой области применения. Аналогично этому, слова, относящиеся к приближенному значению, такие как «приблизительно» или «по существу», при использовании относительно физических характеристик специалисту в данной области техники следует понимать как выражающие пределы отклонения, при которых обеспечивается удовлетворительная работа в случае соответствующего использования, функционирования, целевого назначения или чего-либо подобного. Пределы значений и/или числовых значений приводятся в этой заявке только для примера и не накладывают ограничений на объем описанных вариантов осуществления. Когда пределы значений приводятся, они предполагаются включающими каждое значение в пределах, как если бы оно было представлено индивидуально, однако если иное особо не оговорено. Использование любого или всех примеров, или вводного слова перед примером («например», «такой как» или подобного), приводимого в этой заявке, предназначено только для лучшего освещения вариантов осуществления и не является ограничением объема вариантов осуществления. Никакую формулировку в описании не следует толковать как показывающую какой-либо незаявленный элемент существенным при практическом применении вариантов осуществления.[20] In this application, the statement of the limits of values is not intended to be limiting, but is intended to apply individually to any and all values falling within the limits, unless otherwise indicated in this application, and each individual value within such limits is included in the description of the invention, as if it has been individually cited in this application. The words "about", "approximately" or the like, when numerical, should be understood by one of ordinary skill in the art to indicate the variation that provides satisfactory performance in the intended application. Likewise, words referring to an approximation, such as "approximately" or "substantially", when used in relation to physical characteristics, a person skilled in the art should be understood as expressing the limits of variation under which satisfactory operation is provided in the case of appropriate use, operation, intended purpose or the like. Limits of values and/or numerical values are given in this application for example only and do not impose restrictions on the scope of the described embodiments. When ranges of values are given, they are intended to include each value within the range as if it were presented individually, unless otherwise noted. The use of any or all of the examples, or an introductory word before an example ("for example", "such as" or the like), provided in this application is only intended to better illuminate the embodiments and is not a limitation on the scope of the embodiments. No wording in the description should be construed as showing any unclaimed element to be essential in the practice of the embodiments.

[21] Следует понимать, что в нижеследующем описании термины, такие как «первый», «второй», «верх», «низ», «вверх», «вниз» и т.п., являются обычными словами и не должны толковаться как ограничивающие термины.[21] It should be understood that in the following description, terms such as "first", "second", "top", "bottom", "up", "down", etc., are ordinary words and should not be construed as limiting terms.

[22] На фиг. 1 показаны система формирования изображения и ретрографический датчик. В общем случае ретрографический датчик 100 можно использовать вместе с системой 150 формирования изображения, чтобы образовать контактную систему формирования изображения для количественных или качественных топографических измерений при метрологии поверхности или при других практических применениях системы формирования трехмерного изображения.[22] FIG. 1 shows an imaging system and a retrographic sensor. In general, retrographic sensor 100 may be used in conjunction with imaging system 150 to form a contact imaging system for quantitative or qualitative topographic measurements in surface metrology or other practical applications of the 3D imaging system.

[23] Ретрографический датчик 100 может включать в себя подложку 102 с первой поверхностью 104, обращенной к поверхности (непоказанной) объекта, и второй поверхностью 106, обращенной к системе 150 формирования изображения. Вторая поверхность 106 может примыкать, например, к защитному покрытию 108 подложки 102, при этом защитное покрытие 108 образовано из жесткого, оптически прозрачного материала, такого как стекло, поликарбонат или акриловое соединение. Обычно защитное покрытие 108 пропускает свет к подложке 102 и принимает свет из нее для формирования изображения и в то же время обеспечивает приложение силы для сцепления ретрографического датчика 100 с поверхностью объекта способом, при котором обеспечивается формирование изображения топографии поверхности объекта с помощью ретрографического датчика 100.[23] The retrographic sensor 100 may include a substrate 102 with a first surface 104 facing a surface (not shown) of an object and a second surface 106 facing the imaging system 150. The second surface 106 may be adjacent, for example, to the protective coating 108 of the substrate 102, wherein the protective coating 108 is formed from a rigid, optically transparent material such as glass, polycarbonate, or an acrylic compound. Typically, the protective coating 108 transmits light to and receives light from the substrate 102 to form an image, while at the same time applying force to adhere the retrographic sensor 100 to the surface of an object in a manner that allows the retrographic sensor 100 to image the topography of the object's surface.

[24] Подложка 102 может быть образована из любого оптически прозрачного деформируемого материала, удовлетворяющего требованиям прохождения света через него, для содействия формированию изображения и в то же время для согласования с поверхностью объекта, когда при использовании ретрографический датчик 100 помещают против поверхности объекта. Например, подложка 102 может быть образована из эластомера, способного пропускать изображение и имеющего твердость, подходящую для согласования с контактной поверхностью. Твердость эластомера по Шору А может быть меньше чем 40 или любой другой твердостью, подходящей для согласования с представляющими интерес материалами объекта. Например, эластомер подложки 102 может быть оптически прозрачным эластомером, таким как силиконовый каучук, полиуретан, пластизоль, натуральный каучук, полиизопрен и поливинилхлорид или любой другой термопластичный эластомер, или что-либо подобное. Согласно одному аспекту эластомер включает в себя стирольный блоксополимер, например около 20 мас.% стирольного блоксополимера и до 80 мас.% пластификатора или стирольный блоксополимер и пластификатор в соотношении 1:4. В более общем случае в такой ситуации целесообразно использовать полимер и пластификатор в соотношении от около 1:2 до около 1:9. Пластификатор может включать в себя масло и реагент, придающий клейкость, или любые другие подходящие добавки, или другие компоненты.[24] Substrate 102 may be formed from any optically transparent deformable material that satisfies the requirements for light to pass through to facilitate image formation and at the same time to match the surface of an object when, in use, retrographic sensor 100 is placed against the surface of an object. For example, the substrate 102 may be formed from an elastomer capable of transmitting an image and having a hardness suitable for matching with the contact surface. The Shore A hardness of the elastomer may be less than 40 or any other hardness suitable to match the object materials of interest. For example, the elastomer of substrate 102 may be an optically transparent elastomer such as silicone rubber, polyurethane, plastisol, natural rubber, polyisoprene, and polyvinyl chloride, or any other thermoplastic elastomer, or the like. In one aspect, the elastomer comprises a styrenic block copolymer, for example, about 20 wt.% styrenic block copolymer and up to 80 wt.% plasticizer, or styrenic block copolymer and plasticizer in a ratio of 1:4. More generally, in such a situation, it is advantageous to use a polymer and plasticizer in a ratio of about 1:2 to about 1:9. The plasticizer may include an oil and a tackifier or any other suitable additives or other components.

[25] Хотя первая поверхность 104 показана как по существу плоская, должно быть понятно, что другие формы могут быть также или взамен использованы. Например, первая поверхность 104 может быть выпуклой (от системы 150 формирования изображения), например для обеспечения большей степени свободы ориентации ручного датчика или чего-либо подобного.[25] Although the first surface 104 is shown as essentially flat, it should be understood that other shapes may also or instead be used. For example, the first surface 104 may be convex (from the imaging system 150), for example, to provide a greater degree of freedom in the orientation of a hand sensor or the like.

[26] Кроме того, ретрографический датчик 100 может включать в себя деформируемый слой 110, который может быть расположен на первой поверхности 104 подложки 102. В общем случае деформируемый слой 110 может включать в себя материал или может быть образован из материала, который отражает свет, проходящий через подложку 102 и падающий на первую поверхность 104, показанный первой стрелкой 112, чтобы облегчить захват изображений из света, отраженного от первой поверхности 104, показанного второй стрелкой 114, для использования при обработке изображения, такой как построение двумерного или трехмерного изображения.[26] In addition, the retrographic sensor 100 may include a deformable layer 110 that may be located on the first surface 104 of the substrate 102. In general, the deformable layer 110 may include a material or may be formed from a material that reflects light, passing through the substrate 102 and incident on the first surface 104, indicated by the first arrow 112, to facilitate the capture of images from light reflected from the first surface 104, indicated by the second arrow 114, for use in image processing such as 2D or 3D imaging.

[27] Деформируемый слой 110 может быть образован из любого из ряда деформируемых материалов, таких как любой из эластомеров, описанных в этой заявке. Однако в отличие от подложки 102 деформируемый слой 110 необязательно должен быть оптически прозрачным и предпочтительно, чтобы отражение осуществлялось на его поверхности, обращенной к первой поверхности 104 подложки 102, чтобы облегчалось формирование изображения деформированного слоя ретрографического датчика 100 в течение использования. Например, деформируемый слой 110 может включать в себя отражающие частицы, такие как металлические частицы, расположенные во втором эластомере. Деформируемый слой 110 может также или взамен включать в себя неметаллические частицы, которые придают надлежащие поверхностные свойства деформируемому слою 110, когда он соприкасается с первой поверхностью 104 подложки 102. Например, деформируемый слой 110 может отражать свет ненаправленно или по существу равномерно, по всем направлениям для исключения смещений, которые могут в ином случае возникать при оценивании нормалей к поверхности или градиентов на основании интенсивности отраженного света.[27] Deformable layer 110 may be formed from any of a number of deformable materials, such as any of the elastomers described in this application. However, unlike the substrate 102, the deformable layer 110 need not be optically transparent and it is preferable that the reflection be on its surface facing the first surface 104 of the substrate 102 to facilitate imaging of the deformed layer of the retrographic sensor 100 during use. For example, the deformable layer 110 may include reflective particles, such as metal particles, located in the second elastomer. The deformable layer 110 may also or instead include non-metallic particles that impart proper surface properties to the deformable layer 110 when it contacts the first surface 104 of the substrate 102. For example, the deformable layer 110 may reflect light non-directionally or substantially evenly, in all directions for eliminating biases that may otherwise occur when estimating surface normals or gradients based on reflected light intensity.

[28] Согласно одному аспекту деформируемый слой 110 может включать в себя диоксид титана. Деформируемый слой 110 может также включать в себя углеродную сажу, например, в количестве, достаточном для придания нейтрального серого цвета диоксиду титана в деформируемом слое 110. Согласно другому аспекту деформируемый слой 110 может включать в себя красный оксид железа. Согласно еще одному аспекту материал деформируемого слоя 110 может включать в себя хлопья, которые проявляют по меньшей мере одно свойство из шероховатости поверхности, нерегулярной формы и случайного выравнивания относительно друг друга, что является причиной умеренно направленного отражения света материалом, или материал деформируемого слоя 110 может включать в себя хлопья, которые являются по существу плоскими, имеют поверхность, подобную зеркальной поверхности, и по существу хорошо выровнены относительно друг друга, что является причиной высоконаправленного отражения света материалом. В этом последнем варианте осуществления хлопья целесообразно, чтобы хлопья включали в себя алюминиевые хлопья, бронзовые хлопья или любые другие подходящие металлические или иные хлопья.[28] According to one aspect, the deformable layer 110 may include titanium dioxide. The deformable layer 110 may also include carbon black, for example, in an amount sufficient to impart a neutral gray color to the titanium dioxide in the deformable layer 110. In another aspect, the deformable layer 110 may include red iron oxide. According to another aspect, the material of the deformable layer 110 may include flakes that exhibit at least one of surface roughness, irregular shape, and random alignment relative to each other, which causes moderately directional light reflection by the material, or the material of the deformable layer 110 may include flakes that are substantially flat, have a mirror-like surface, and are substantially well aligned with each other, which causes highly directional light reflection by the material. In this latter embodiment, the flakes suitably include aluminum flakes, bronze flakes, or any other suitable metal or other flakes.

[29] Кроме того, ретрографический датчик 100 может включать в себя контактную поверхность 120 для помещения в соприкосновение с изображаемым объектом. В общем случае контактная поверхность 120 может включать в себя частицы 122, расположенные в виде структуры на деформируемом слое 110 и отделенные от подложки 102 деформируемым слоем 110. Предпочтительно, чтобы частицы 122 имели твердость, которая больше, чем твердость первого эластомера в подложке 102, с тем, чтобы частицы 122 сохраняли форму, когда ретрографический датчик 100 прикладывают к поверхности объекта с силой, достаточной для деформирования подложки 102. Таким образом, матрица частиц 122 может создавать воздушные каналы для перераспределения и выхода воздуха или других захваченных газов, когда ретрографический датчик 100 прикладывают к поверхности объекта. Для поддержания строения воздушных каналов и в то же время минимизации влияния на разрешающую способность получаемого изображения полезно, чтобы структура была образована одним слоем частиц на деформируемом слое 110, например, как это показано на фиг. 1.[29] In addition, the retrographic sensor 100 may include a contact surface 120 for placing in contact with the imaged object. In general, contact surface 120 may include particles 122 arranged in a structure on deformable layer 110 and separated from substrate 102 by deformable layer 110. Preferably, particles 122 have a hardness that is greater than the hardness of the first elastomer in substrate 102, with so that the particles 122 retain their shape when the retrographic sensor 100 is applied to the surface of an object with sufficient force to deform the substrate 102. Thus, the matrix of particles 122 can create air channels to redistribute and release air or other trapped gases when the retrographic sensor 100 is applied to the surface of the object. To maintain the structure of the air channels and at the same time minimize the effect on the resolution of the resulting image, it is useful that the structure is formed by a single layer of particles on the deformable layer 110, for example, as shown in FIG. one.

[30] Частицы могут иметь твердость по Шору А больше чем 40 или в более общем случае большую, чем соответствующая твердость эластомера подложки 102. Например, эластомер подложки 102 может иметь твердость по Шору А по меньшей мере 10, меньшую, чем твердость по Шору А частиц. Аналогично этому, твердость по Шору А деформируемого слоя 110 может быть меньше, чем твердость по Шору А частиц 122, и может быть больше или равна твердости по Шору А подложки 102. Следует понимать, что модуль упругости или подобные показатели описывают объемные свойства материалов и в некоторых случаях могут быть полезными для обнаружения отличия относительно гибких материалов, используемых для подложки 102 или деформируемого слоя 110, от относительно жестких материалов частиц 122, расположенных на деформируемом слое 110. Однако твердость, измеряемая, например, с использованием шкалы твердости по Шору А, описанной в этой заявке, может изменяться в соответствии с местом в пределах изделия. В этом случае твердость по Шору А подложки 102 может быть полезно измерять на поверхности подложки 102 без деформируемого слоя 110, наносимого на нее, и можно измерять в центре первой поверхности 104 подложки 102 или на любом другом подходящем месте. В более общем случае твердость по Шору А различных материалов или компонентов ретрографического датчика 100 можно измерять любым способом, который обеспечивает получение полезного сигнала, гарантирующего, что относительные твердости подложки 102, деформируемого слоя 110 и частиц 122, действующие совместно, позволят получать деформацию ретрографического датчика 100 по отношению к поверхности объекта при поддержании предпочтительных свойств контактной поверхности 120, описанных в этой заявке.[30] The particles may have a Shore A hardness greater than 40, or more generally greater than the corresponding hardness of the substrate 102 elastomer. For example, the substrate 102 elastomer may have a Shore A hardness of at least 10, less than the shore A hardness particles. Similarly, the Shore A hardness of the deformable layer 110 may be less than the Shore A hardness of the particles 122, and may be greater than or equal to the Shore A hardness of the substrate 102. It should be understood that the modulus of elasticity or the like describes the bulk properties of materials and in may be useful in some cases to distinguish the relatively flexible materials used for substrate 102 or deformable layer 110 from the relatively rigid materials of particles 122 located on deformable layer 110. However, hardness, as measured, for example, using the Shore A hardness scale described in this application may vary according to location within the product. In this case, the Shore A hardness of the substrate 102 may be usefully measured on the surface of the substrate 102 without deformable layer 110 deposited thereon, and may be measured at the center of the first surface 104 of the substrate 102 or any other suitable location. More generally, the Shore A hardness of various materials or components of the retrographic sensor 100 can be measured in any manner that provides a useful signal that ensures that the relative hardnesses of the substrate 102, the deformable layer 110, and the particles 122, acting together, will produce a deformation of the retrographic sensor 100 with respect to the surface of the object while maintaining the preferred properties of the contact surface 120 described in this application.

[31] Система 150 формирования изображения может быть связана с второй поверхностью 106 подложки 102, например, через защитное покрытие 108 и с помощью любого отдельного крепежного средства, предназначенного для закрепления системы 150 формирования изображения в положении захвата изображений, отраженных от деформируемого слоя 110, через подложку 102. В общем случае система 150 формирования изображения может включать в себя одну или несколько камер 152 с использованием, например, оптических датчиков, таких как приборы с зарядовой связью, датчики изображения на основе комплементарного металло-оксидного полупроводника, датчики изображения на основе металло-оксидного полупроводника N-типа или подобные, наряду с любыми подходящими линзами и другими оптическими элементами для фокусировки света, падающего на эти датчики, для содействия захвату изображения. В общем случае одна или несколько камер 152 могут быть выполнены с возможностью захвата множества изображений деформируемого слоя 110 через первый эластомер подложки 102 для получения изображений из падающего света. В камере 152 могут использоваться поэлементные цветные фильтры или другие регулируемые фильтры, или подобные для избирательного отображения падающего света конкретной длины волны или диапазона длин волн.[31] The imaging system 150 may be coupled to the second surface 106 of the substrate 102, for example, through the protective cover 108 and any separate fastener designed to secure the imaging system 150 in position to capture images reflected from the deformable layer 110 via substrate 102. In general, imaging system 150 may include one or more cameras 152 using, for example, optical sensors such as CCDs, complementary metal oxide semiconductor image sensors, metal- an N-type oxide semiconductor or the like, along with any suitable lenses and other optical elements to focus the light incident on these sensors to assist in image capture. In general, one or more cameras 152 may be configured to capture a plurality of images of the deformable layer 110 through the first elastomer of the substrate 102 to obtain images from the incident light. The camera 152 may use elemental color filters or other adjustable filters or the like to selectively display incident light of a particular wavelength or range of wavelengths.

[32] Кроме того, может иметься осветительная система 160, включающая один или несколько источников 162 света, таких как светоизлучающие диоды. Осветительная система 160 может быть, например, выполнена с возможностью освещения деформируемого слоя 110 через эластомер подложки 102, например, скользящим освещением или любым другим направленным освещением, которое способствует обнаружению изменений по нормали к поверхности деформируемого слоя 110. Согласно одному аспекту осветительная система может обеспечивать освещение двумя или большим количеством источников 162 света, при этом каждый из источников 162 света создает освещение в диапазоне длин волн, отличающемся от диапазона длин волн с другого направления. При использовании в сочетании с одной или несколькими камерами 152, которые захватывают изображения в соответствующих диапазонах длин волн, освещение этого вида можно использовать для освещения деформируемого слоя 110 с разных направлений при различных длинах волн и можно одновременно захватывать отдельные изображения, каждое из которых освещается с иного направления. Например, три источника 162 света, излучающих в диапазонах длин волн красного, зеленого и голубого света, можно использовать вместе с камерой для цветной съемки, имеющей аналогичным образом фильтруемые каналы формирования изображений, для одновременного отображения поверхности при освещении с трех разных направлений.[32] In addition, there may be a lighting system 160 that includes one or more light sources 162, such as light emitting diodes. The illumination system 160 may be, for example, configured to illuminate the deformable layer 110 through the elastomer of the substrate 102, for example, with sweeping illumination or any other directional illumination that aids in detecting changes normal to the surface of the deformable layer 110. In one aspect, the lighting system may provide illumination two or more light sources 162, each of the light sources 162 providing illumination in a wavelength range different from the wavelength range from the other direction. When used in conjunction with one or more cameras 152 that capture images in the respective wavelength ranges, illumination of this kind can be used to illuminate the deformable layer 110 from different directions at different wavelengths and separate images can be simultaneously captured, each of which is illuminated from a different wavelength. directions. For example, three light sources 162 emitting in the red, green, and blue wavelength ranges can be used with a color camera having similarly filtered imaging channels to simultaneously display a surface under illumination from three different directions.

[33] Контроллер 170, такой как микропроцессор, микроконтроллер, или другие программируемые или специализированные схемы (или комбинация их) могут быть использованы для координации работы системы 150 формирования изображения и осветительной системы 160 при захвате изображений освещенного деформируемого слоя 110 и обработке получающихся изображений для реконструкции топографии нижележащей поверхности объекта, например, путем оценивания нормалей к поверхности на основании интенсивности освещения, воспринимаемого на камерах 154, и использования нормалей к поверхности для реконструкции топографии поверхности.[33] A controller 170 such as a microprocessor, microcontroller, or other programmable or dedicated circuitry (or a combination thereof) may be used to coordinate the operation of the imaging system 150 and the illumination system 160 in capturing images of the illuminated deformable layer 110 and processing the resulting images for reconstruction. topography of the underlying surface of the object, for example, by estimating the surface normals based on the intensity of illumination perceived by the cameras 154 and using the surface normals to reconstruct the surface topography.

[34] На фиг. 2 показан ретрографический датчик, расположенный для использования. Ретрографический датчик 200, который может быть любым из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке, может быть расположен для использования выше поверхности 202 объекта, топографическое изображение или другое количественное или качественное изображение которого является желательным.[34] FIG. 2 shows a retrographic sensor positioned for use. The retrographic sensor 200, which may be any of the retrographic sensors described in this application, may be positioned for use above the surface 202 of an object whose topographic image or other quantitative or qualitative image is desired.

[35] На фиг. 3 показан ретрографический датчик, наложенный на поверхность объекта. Когда ретрографический датчик 300, который может быть любым из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке, располагают для получения изображения, опуская на поверхность 302 объекта, как это схематично показано стрелкой 304, контактная поверхность 320 ретрографического датчика 300, такая как любая из контактных поверхностей, описанных в этой заявке, может деформироваться и прилегать к поверхности 302 объекта. Для получения значительного преимущества контактную поверхность 320 можно выполнять имеющей низкий коэффициент трения, например путем выбора материала или введения частиц, описанных в этой заявке, чтобы контактная поверхность 320 могла скользить по поверхности 302 объекта и легче прилегать к поверхности 302 объекта без артефактов, привносимых сцеплением и упругой деформацией, когда контактная поверхность 320 встречается с поверхностью 302 объекта. Для получения еще одного значительного преимущества контактную поверхность 320 можно выполнять, как описано в этой заявке, с возможностью образования воздушных каналов для выпуска воздуха или других газов, или текучих сред, когда контактная поверхность 320 окружает поверхность 302 объекта и перемещается по топографически изменяющимся участкам, таким как выемка 322, на которых в противном случае газ может захватываться, создавая помехи точным измерениям поверхности при использовании ретрографического датчика 300.[35] FIG. 3 shows a retrographic sensor superimposed on the surface of an object. When the retrographic sensor 300, which may be any of the retrographic sensors described in this application, is positioned for imaging by dropping onto the object surface 302, as shown schematically by arrow 304, the contact surface 320 of the retrographic sensor 300, such as any of the contact surfaces, described in this application may deform and adhere to the surface 302 of the object. To obtain a significant advantage, the contact surface 320 can be made to have a low coefficient of friction, for example, by choosing a material or introducing particles described in this application, so that the contact surface 320 can slide on the object surface 302 and more easily adhere to the object surface 302 without artifacts introduced by adhesion and elastic deformation when the contact surface 320 meets the surface 302 of the object. To obtain another significant advantage, the contact surface 320 can be configured, as described in this application, with the possibility of forming air channels for the release of air or other gases, or fluids, when the contact surface 320 surrounds the surface 302 of the object and moves through topographically changing areas, such like notch 322, which could otherwise trap gas, interfering with accurate surface measurements when using retrographic sensor 300.

[36] Когда контактная поверхность 320 ретрографического датчика 300 геометрически изменяется в ответ на соприкосновение с поверхностью 302 объекта, изменения геометрии вызывают локализованные изменения по нормали к поверхности и связанные с ними локализованные изменения в количестве света, отраженного от деформируемого слоя (непоказанного) к устройствам формирования изображения, таким как камеры 152, описанные выше с обращением к фиг. 1. Эти данные изображения могут быть проанализированы для реконструкции трехмерной формы поверхности 302 объекта, соприкасающейся с деформируемым слоем 110, или в ином случае данные изображения могут быть обработаны для извлечения и/или представления двумерных или трехмерных данных. Ряд соответствующих конфигураций и способов формирования изображения возможен при использовании ретрографических датчиков и связанных с ними технических средств, описанных в этой заявке. Например, что касается фиг. 1, то контроллер 170 может реализовывать функции фотометрического стереоскопического анализатора, выполненного с возможностью оценивания по меньшей мере одной из нормали к поверхности и высоты поверхности деформируемого слоя 110 на множестве мест при использовании первого изображения деформируемого слоя 110, захваченного камерой (камерами) 152 в первом цвете, и второго изображения деформируемого слоя 110, захваченного камерой (камерами) 152 во втором цвете, или в более общем случае с возможностью извлечения трехмерных данных при использовании двух или большего количества изображений деформируемого слоя, захваченных в двух или большем количестве различных диапазонах длин волн. Контроллер 170 может реализовывать функции контроллера освещения, например, при использовании компьютерного кода, исполняемого контроллером 170, для последовательного освещения первой поверхности 104 через подложку 102 двумя или большим количеством различных источников 162 света, каждый из которых находится на отдельном месте.[36] When the contact surface 320 of the retrographic sensor 300 changes geometrically in response to contact with the object surface 302, the geometry changes cause localized changes along the normal to the surface and associated localized changes in the amount of light reflected from the deformable layer (not shown) to the forming devices. images, such as the cameras 152 described above with reference to FIG. 1. This image data may be analyzed to reconstruct the 3D shape of the object surface 302 in contact with the deformable layer 110, or otherwise the image data may be processed to extract and/or represent 2D or 3D data. A number of appropriate configurations and imaging techniques are possible using the retrographic sensors and related hardware described in this application. For example, with reference to FIG. 1, the controller 170 may implement the functions of a photometric stereoscopic analyzer configured to estimate at least one of the surface normal and the surface height of the deformable layer 110 at a plurality of locations using a first image of the deformable layer 110 captured by the camera(s) 152 in a first color. , and a second warp layer image 110 captured by the camera(s) 152 in a second color, or more generally capable of extracting three-dimensional data using two or more warp layer images captured at two or more different wavelength ranges. The controller 170 may implement the functions of a lighting controller, for example, by using computer code executed by the controller 170 to sequentially illuminate the first surface 104 through the substrate 102 with two or more different light sources 162, each in a separate location.

[37] На фиг. 4 показана контактная поверхность ретрографического датчика. В общем случае ретрографический датчик 400, который может быть любым из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке, может включать в себя некоторое количество частиц 402, расположенных в виде структуры, для образования части или всей контактной поверхности 420 ретрографического датчика 400. Такая структура показана на фиг. 4 как нормальная проекция в плоскости x-y, параллельной контактной поверхности 420. Следует понимать, что, хотя частицы 402 показаны как окружности, эти окружности необязательно имеют такой размер, и размер и форму частиц можно изменять в соответствии с предполагаемым использованием. Например, диаметр частиц 402 может быть от одного до двадцати пяти микрометров или в более общем случае размеры находятся на уровне или ниже заданной разрешающей способности формируемого изображения для ретрографического датчика 400.[37] FIG. 4 shows the contact surface of the retrographic sensor. In general, the retrographic sensor 400, which may be any of the retrographic sensors described in this application, may include a number of particles 402 arranged in a structure to form part or all of the contact surface 420 of the retrographic sensor 400. Such a structure is shown in fig. 4 as a normal projection in the x-y plane parallel to the contact surface 420. It should be understood that although the particles 402 are shown as circles, these circles are not necessarily of this size, and the size and shape of the particles can be changed in accordance with the intended use. For example, the diameter of the particles 402 may be from one to twenty-five micrometers, or more generally, the dimensions are at or below the specified image resolution for the retrographic sensor 400.

[38] В общем случае структура может образовывать матрицу с малым шагом, которая может быть регулярной матрицей, такой как квадратная или гексагональная матрица, или нерегулярной матрицей. Согласно одному аспекту матрица может быть по существу гексагональной матрицей, например, в основном гексагональной с различными промежуточными нерегулярностями, которые не исключают соприкосновения большей части частиц 402 с шестью другими соседними частицами 402. Структура также может или взамен включать в себя множество локально гексагональных матриц, связанных с другими матрицами частиц 402, которые заполняют области между другими гексагональными областями. Предложен ряд объективных показателей регулярности, таких как расстояния между ближайшими соседями. Согласно одному аспекту регулярность гексагональной матрицы частиц 402 по существу одинакового размера можно оценивать на основании среднего количества контактов с соседними частицами 402 (например, около шести контактных точек означают более регулярную матрицу).[38] In general, the structure may form a fine-pitch matrix, which may be a regular matrix, such as a square or hexagonal matrix, or an irregular matrix. In one aspect, the matrix may be a substantially hexagonal matrix, for example, mostly hexagonal with various intervening irregularities that do not preclude most of the particles 402 from contacting six other neighboring particles 402. The structure may also or instead include a plurality of locally hexagonal matrices connected with other matrices of particles 402 that fill the regions between other hexagonal regions. A number of objective measures of regularity have been proposed, such as distances between nearest neighbors. In one aspect, the regularity of a hexagonal matrix of particles 402 of substantially the same size can be judged based on the average number of contacts with neighboring particles 402 (eg, about six contact points means a more regular matrix).

[39] Хотя предполагается, что регулярность должна быть хорошей для согласованного покрытия контактной поверхности 420 способом, способствующим формированию изображения, любую другую структуру из близкорасположенных частиц 402, например нерегулярную структуру, можно также или взамен использовать при условии, что частицы 402 находятся достаточно близко друг к другу со строгим поддержанием физических каналов между ними для выпуска газа, когда контактную поверхность 420 прижимают к поверхности объекта. То есть, предпочтительно, чтобы в структуре из частиц 402 могли успешно формироваться промежуточные каналы, которые позволяют протекать воздуху между частицами 402 на стороне, противолежащей деформируемому слою ретрографического датчика 400, например на контактной поверхности 420, для исключения захваченных пузырьков воздуха или другого газа, которые в ином случае могут препятствовать точному формированию изображения поверхности объекта. Кроме того, в общем случае частицы 402 могут соприкасаться друг с другом в структуре, например, могут находиться в непосредственном контакте, или частицы 402 могут быть отделены, либо вследствие низкой плотности расположения, либо вследствие физического отделения частиц 402 слоем адгезива или промежуточного эластомера, например, от деформируемого слоя.[39] While regularity is expected to be good for consistent coverage of the contact surface 420 in an imaging-enhancing manner, any other structure of closely spaced particles 402, such as an irregular structure, can also or instead be used, provided that the particles 402 are close enough to each other. to each other with strict maintenance of physical channels between them for the release of gas when the contact surface 420 is pressed against the surface of the object. That is, it is preferable that intervening channels can be successfully formed in the particle structure 402 that allow air to flow between the particles 402 on the side opposite the deformable layer of the retrographic sensor 400, such as on the contact surface 420, to eliminate trapped air or other gas bubbles that otherwise, they may interfere with the accurate formation of an image of the surface of the object. In addition, in general, the particles 402 may come into contact with each other in the structure, for example, may be in direct contact, or the particles 402 may be separated, either due to a low density or due to the physical separation of the particles 402 by a layer of adhesive or intermediate elastomer, for example , from the deformable layer.

[40] Частицы 402 могут иметь различные размеры и распределения. Согласно одному аспекту частицы 402 являются монодисперсными или по существу монодисперсными. Более конкретно, частицы 402 могут быть монодисперсными сферами, так что частицы 402 будут склонны располагаться в плоскости с образованием по существу гексагональной матрицы. Согласно одному аспекту частицы 402 могут иметь средний диаметр около пяти микрометров. Согласно другому аспекту частицы 402 могут иметь средний диаметр в пределах от трех до десяти микрометров или от одного до двадцати пяти микрометров. Как отмечалось выше, предпочтительно, чтобы диаметр частиц 402 был не больше, чем заданная разрешающая способность изображения, формируемого устройством с использованием ретрографического датчика 400. Согласно еще одному аспекту частицы 402 могут включать в себя несферические частицы с наибольшим диаметром, находящемся в пределах, упомянутых выше. В общем случае любая такая форма может быть использована при условии, что не создается плотное размещение, при котором промежуточные каналы для выхода воздуха закупориваются.[40] Particles 402 may have different sizes and distributions. In one aspect, the particles 402 are monodispersed or substantially monodispersed. More specifically, particles 402 may be monodisperse spheres such that particles 402 will tend to lie flat to form a substantially hexagonal matrix. In one aspect, particles 402 may have an average diameter of about five micrometers. In another aspect, particles 402 may have an average diameter in the range of three to ten micrometers, or one to twenty-five micrometers. As noted above, it is preferred that the diameter of the particles 402 be no greater than the predetermined resolution of the image generated by the device using the retrographic sensor 400. In yet another aspect, the particles 402 may include non-spherical particles with a largest diameter within the ranges mentioned above. . In general, any such form may be used, provided that a tight arrangement is not created that obstructs the intermediate air outlet passages.

[41] Полидисперсные частицы могут быть также или взамен использованы. Например, частицы 402 могут быть полидисперсными с первым стандартным отклонением в отношении среднего размера частиц, определяющим диапазон, попадающий в пределы от одного до десяти микрометров. Степень полидисперсности можно характеризировать другими способами. Например, можно использовать безразмерные показатели, такие как вариация (c_v) или относительное стандартное отклонение:[41] Polydisperse particles can also be used or alternatively used. For example, particles 402 may be polydisperse with a first standard deviation in terms of average particle size defining a range that falls within the range of one to ten micrometers. The degree of polydispersity can be characterized in other ways. For example, you can use dimensionless indicators such as variation (c _v ) or relative standard deviation:

,

[Уравнение 1]

,

[Equation 1]

где σ является стандартным отклонением распределения частиц по размерам и µ является средним значением. Эти значения обычно предоставляются промышленными поставщиками объемных микросфер и других представляющих интерес частиц.where σ is the standard deviation of the particle size distribution and µ is the mean. These values are typically provided by commercial suppliers of bulk microspheres and other particles of interest.

[42] В общем случае частицы, имеющие более единообразную форму, должны образовывать более регулярные матрицы, чем при других распределениях (за исключением некоторых случаев бимодальных распределений и других специфических распределений, которые потенциально могут приводить к получению регулярно скомпонованных матриц), и должны обеспечивать подавление соответствующих дефектов при формировании изображения. Поэтому низкий коэффициент вариации (например, 0% для случая совершенно монодисперсных частиц) служит показателем качества, который связывает распределения частиц по размерам с характеристиками ретрографических датчиков. Эмпирически установлено, что для микросфер размером порядка от одного до десяти микрометров является предпочтительным коэффициент вариации, который составляет около 0%. Однако коэффициенты вариации от 15 до 25% также приводят к получению приемлемых результатов, при этом характеристики формируемого изображения могут различаться в пределах 15-25%. Конечно, также могут использоваться более дисперсные частицы 402, и такие распределения частиц могут все еще приводить к получению определенных преимуществ, таких как наличие промежуточных каналов для выпуска воздуха и низкий коэффициент трения. Однако следствием использования этих более дисперсных частиц 402 может быть также ухудшение разрешающей способности формируемого изображения, непропорциональное среднему размеру частиц, а также другие артефакты формируемого изображения, которые снижают точность изображений и реконструкций при использовании получающегося ретрографического датчика.[42] In general, particles having a more uniform shape should form more regular matrices than other distributions (with the exception of some cases of bimodal distributions and other specific distributions that can potentially lead to regularly arranged matrices), and should provide suppression corresponding defects in the formation of the image. Therefore, a low coefficient of variation (eg, 0% for perfectly monodisperse particles) serves as a quality indicator that relates particle size distributions to retrographic sensor performance. It has been empirically found that for microspheres in the order of one to ten micrometers, a coefficient of variation of about 0% is preferred. However, coefficients of variation from 15 to 25% also lead to acceptable results, while the characteristics of the image being formed can vary within 15-25%. Of course, finer particles 402 can also be used, and such particle distributions can still result in certain advantages such as intermediate air outlets and a low coefficient of friction. However, the use of these more dispersed particles 402 can also result in degradation of image resolution that is disproportionate to the average particle size, as well as other image artifacts that reduce the accuracy of images and reconstructions when using the resulting retrographic sensor.

[43] Частицы 402 могут быть образованы из ряда материалов, включая полимеры, природные полимеры и минералы. Например, частицы 402 могут быть успешно образованы из полиметилсилсесквиоксана или могут включать его. Полиметилсилсесквиоксан (PMSQ) обеспечивает определенные преимущества, когда используется для частиц 402 в контактной поверхности 420. Полиметилсилсесквиоксан имеет относительно низкий коэффициент трения, он является жестким (по сравнению с эластомером подложки), а микросферы из полиметилсилсесквиоксана с узкими распределениями частиц по размерам легко доступны для приобретения. Однако несферические частицы могут быть также или взамен использованы, а частицы 402 могут быть успешно образованы из материалов других видов. Например, частицы 402 могут быть образованы из диоксида кремния, стекла, меламина, полистирола, полиметилметакрилата, полибутилметакрилата, сополимера стирола и акрилата, целлюлозы и полимолочной кислоты. Частицы 402 могут быть также или взамен образованы из нейлона или политетрафторэтилена. В более общем случае любой жесткий материал, который является подходящим по размерам и формам, может быть использован в качестве частиц 402 в контактной поверхности 420, рассмотренной в этой заявке. Другие подходящие и доступные для приобретения микрочастицы включают в себя, но без ограничения ими, микросферы, образованные из метилметакрилатного сшитого полимера, полибутилакрилата и диоксида кремния, сшитого лаурилметакрилатного и гликольдиметакрилатного полимера, сополимера акрилатов, этилгексилакрилата и диметиконметакрилата, сшитого гексаметилендиизоцинатного и триметилолгексиллактонового полимера вместе с диоксидом кремния, сополимера этилена и акриловой кислоты, полиэтилена, нейлона-6, нейлона-12, силиката кальция, винилдиметиконового и метиконсилсесквиоксанового сшитого полимера и сочетания упомянутых выше.[43] Particles 402 can be formed from a number of materials, including polymers, natural polymers, and minerals. For example, particles 402 may advantageously be formed from or include polymethylsilsesquioxane. Polymethylsilsesquioxane (PMSQ) provides certain advantages when used for particles 402 in the contact surface 420. Polymethylsilsesquioxane has a relatively low coefficient of friction, it is rigid (compared to the substrate elastomer), and polymethylsilsesquioxane microspheres with narrow particle size distributions are readily available commercially. . However, non-spherical particles can also be used or instead, and particles 402 can be successfully formed from other types of materials. For example, particles 402 may be formed from silica, glass, melamine, polystyrene, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, styrene-acrylate copolymer, cellulose, and polylactic acid. Particles 402 may also or instead be formed from nylon or polytetrafluoroethylene. More generally, any rigid material that is suitable in size and shape can be used as particles 402 in the contact surface 420 discussed in this application. Other suitable and commercially available microparticles include, but are not limited to, microspheres formed from a crosslinked methyl methacrylate polymer, polybutyl acrylate and silica, a crosslinked lauryl methacrylate and glycol dimethacrylate polymer, a copolymer of acrylates, ethylhexyl acrylate and dimethicone methacrylate, a crosslinked hexamethylene diisocyanate and trimethylolhexyl lactone dioxide polymer. silicon, ethylene-acrylic acid copolymer, polyethylene, nylon-6, nylon-12, calcium silicate, vinyl dimethicone and methiconsilsesquioxane cross-linked polymer, and combinations of those mentioned above.

[44] На фиг. 5 показан вид сбоку ретрографического датчика. Ретрографический датчик 500 может быть любым из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке, за исключением тех случаев, когда указано иное. Хотя частицы 522 ретрографического датчика 500 могут быть по меньшей мере частично внедрены в деформируемый слой 510, например, как описано выше, частицы 522 могут быть также или взамен прикреплены к деформируемому слою 510 адгезивом 580, таким как полиуретан, или же косвенно связаны с деформируемым слоем 510 с помощью одного или нескольких промежуточных слоев. В общем случае частицы 522 могут быть вытянуты от адгезива 580 для получения связанного с этим преимущества низкого коэффициента трения, а также возникающих в связи с этим промежуточных каналов, хотя количество частиц 522, вытянутых от адгезива 580, может зависеть от ряда факторов, таких прочность адгезива 580 и форма частиц 522. Согласно одному аспекту частицы 522 могут быть сферическими частицами и могут быть вытянуты на по меньшей мере половину диаметра над слоем адгезива 580, соединяющего частицы 522 с деформируемым слоем 510.[44] FIG. 5 shows a side view of the retrographic sensor. Retrographic sensor 500 may be any of the retrographic sensors described in this application, except where otherwise indicated. Although the particles 522 of the retrographic sensor 500 may be at least partially embedded in the deformable layer 510, for example, as described above, the particles 522 may also or instead be attached to the deformable layer 510 with an adhesive 580, such as polyurethane, or indirectly associated with the deformable layer. 510 with one or more intermediate layers. In general, particles 522 can be drawn from adhesive 580 to obtain the associated low friction advantage as well as the resulting intermediate channels, although the number of particles 522 drawn from adhesive 580 may depend on a number of factors, such as the strength of the adhesive. 580 and the shape of the particles 522. In one aspect, the particles 522 may be spherical particles and may be drawn at least half a diameter over the layer of adhesive 580 connecting the particles 522 to the deformable layer 510.

[45] На фиг. 6 показан вид сбоку ретрографического датчика. Ретрографический датчик 600 может быть любым из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке, за исключением тех случаев, когда указано иное. Хотя частицы, описанные в этой заявке, могут создавать одну возможную контактную поверхность, в более общем случае ретрографический датчик 600 может включать в себя контактную поверхность 620, расположенную на деформируемом слое 610, имеющем неплоские элементы 622, образующие промежуточные каналы 622, которые позволяют воздуху протекать между неплоскими элементами 622. Полезно, чтобы эти неплоские элементы 622 могли иметь более высокую твердость, чем твердость подложки 602, для согласованной передачи топографии поверхности объекта в деформируемый слой 610 и подложку 602 при соприкосновении, а также меньший коэффициент трения, чем коэффициент трения деформируемого слоя 610, для содействия перемещению контактной поверхности 620 по поверхности объекта, когда при использовании ретрографический датчик 600 располагают на поверхности объекта.[45] FIG. 6 shows a side view of a retrographic sensor. Retrographic sensor 600 may be any of the retrographic sensors described in this application, except where otherwise indicated. Although the particles described in this application may create one possible contact surface, in a more general case, the retrographic sensor 600 may include a contact surface 620 located on a deformable layer 610 having non-planar elements 622 defining intermediate channels 622 that allow air to flow between the non-planar features 622. Advantageously, these non-planar features 622 can have a higher hardness than the substrate 602 to coherently convey the topography of the object surface to the deformable layer 610 and the substrate 602 when in contact, as well as a lower friction coefficient than the deformable layer friction coefficient. 610 to facilitate movement of the contact surface 620 over the surface of an object when the retrographic sensor 600 is placed on the surface of an object in use.

[46] Неплоские элементы 622 могут включать в себя частицы, расположенные на деформируемом слое 610, описанном в этой заявке. Неплоские элементы 622 могут также или взамен включать в себя стойки, вытянутые от деформируемого слоя 610. Твердость неплоских элементов 622 может быть более высокой, чем твердость деформируемого слоя 610. В общем случае неплоские элементы 622 могут продолжаться под прямым углом к поверхности подложки 602, например, как вертикальные стенки, или неплоские элементы 622 могут быть криволинейными, наклонными или же различными по форме вдоль оси, параллельной нормали к подложке. Хотя ряд таких элементов может быть образован путем внедрения частиц или других дискретных объектов в деформируемый слой 610 (или адгезив 680, связанный с деформируемым слоем 610), неплоские элементы 622 могут быть также или взамен образованы на деформируемом слое 610. Например, матрица выступов может быть образована формовкой непосредственно на деформируемом слое 610, например, путем выполнения в форме матрицы небольших углублений и заполнения углублений материалом, который отверждают для получения относительно твердой поверхности с относительно низким коэффициентом трения. Затем эти заполненные углубления могут быть перемещены и прикреплены к поверхности датчика, и на этом месте они образуют матрицу неплоских элементов 622, обеспечивающую такие же преимущества, какие обеспечивают частицы, описанные в этой заявке.[46] Non-planar elements 622 may include particles located on the deformable layer 610 described in this application. The non-planar elements 622 may also or instead include posts extending from the deformable layer 610. The hardness of the non-planar elements 622 may be higher than the hardness of the deformable layer 610. In general, the non-planar elements 622 may extend at right angles to the surface of the substrate 602, for example , as vertical walls, or non-planar elements 622 may be curved, inclined, or different in shape along an axis parallel to the normal to the substrate. Although a number of such features may be formed by embedding particles or other discrete objects in the deformable layer 610 (or adhesive 680 associated with the deformable layer 610), non-planar features 622 may also or instead be formed on the deformable layer 610. For example, a matrix of protrusions may be formed by molding directly on the deformable layer 610, for example, by making small depressions in the form of a matrix and filling the depressions with a material that is cured to provide a relatively hard surface with a relatively low coefficient of friction. These filled recesses can then be moved and affixed to the surface of the sensor, where they form an array of non-planar elements 622 providing the same benefits as the particles described in this application.

[47] На фиг. 7 показан вид сбоку ретрографического датчика. Ретрографический датчик 700 может быть любым из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке, за исключением тех случаев, когда указано иное. Ретрографический датчик 700 может включать в себя некоторое количество неплоских элементов 722 для формирования изображения повышенного качества, описанного в этой заявке. Согласно одному аспекту неплоские элементы 722 могут включать в себя конические структуры, вытянутые от деформируемого слоя. Конические структуры могут включать в себя, например, пирамиды, конусы, усеченные конусы или другие конические структуры, или подобные. Структуры с большим отношением размеров могут вызывать артефакты, обусловленные сдвиговыми силами, действующими на контактную поверхность 720 ретрографического датчика 700, и их предпочтительно исключать, если только не предполагается обнаружение таких сил или они не считается полезными при конкретном применении для формирования изображения.[47] FIG. 7 shows a side view of the retrographic sensor. Retrographic sensor 700 may be any of the retrographic sensors described in this application, except where otherwise indicated. The retrographic sensor 700 may include a number of non-planar elements 722 to form the enhanced image quality described in this application. In one aspect, the non-planar elements 722 may include conical structures extending from the deformable layer. Conical structures may include, for example, pyramids, cones, truncated cones, or other conical structures, or the like. Structures with a large aspect ratio can cause artifacts due to shear forces acting on the contact surface 720 of the retrographic sensor 700 and are preferably excluded unless such forces are expected to be detected or considered useful in a particular imaging application.

[48] На фиг. 8 показана блок-схема последовательности действий способа изготовления ретрографического датчика.[48] FIG. 8 shows a flow chart of a method for manufacturing a retrographic sensor.

[49] Как показано, на этапе 802 способ может начинаться с подготовки подложки, образованной из эластомера, способного, как описано в этой заявке, пропускать изображение. Она может представлять собой подложку, образованную из блока прозрачного полистиролового сополимерного эластомера толщиной около 3 мм, или подложку с любыми другими размерами и из материала, пригодного для формирования изображения, рассмотренного в этой заявке.[49] As shown, at step 802, the method may begin with the preparation of a substrate formed from an elastomer capable of transmitting an image as described in this application. It can be a substrate formed from a block of transparent polystyrene copolymer elastomer with a thickness of about 3 mm, or a substrate with any other dimensions and from a material suitable for forming the image discussed in this application.

[50] Как показано, на этапе 804 способ 800 может включать в себя формирование деформируемого слоя на подложке, такого как 2,33-микрометровый слой деформируемого материала, включающего красный железоокисный пигмент, или любого материала из других деформируемых материалов, описанных в этой заявке, таких как деформируемый материал, который ненаправленно отражает свет, проходящий через подложку и падающий на поверхность подложки, прилегающей к деформируемому слою. Деформируемый слой может быть образован, например, нанесением центрифугированием деформируемого материала на подложку, или же размещением слоя деформируемого материала на подложке, или формовкой подложки на предварительно образованном слое деформируемого материала. Деформируемый слой может быть также или взамен покрыт 1-микрометровым слоем защитного термопластичного эластомера (на стороне, противоположной подложке), который эффективно создает липкую поверхность для прилипания микросфер или других частиц.[50] As shown, at step 804, method 800 may include forming a deformable layer on the substrate, such as a 2.33 micrometer layer of a deformable material including red iron oxide pigment, or any material from other deformable materials described in this application, such as a deformable material that non-directionally reflects light passing through the substrate and incident on the surface of the substrate adjacent to the deformable layer. The deformable layer can be formed, for example, by spin coating a deformable material onto a substrate, or by placing a layer of deformable material on a substrate, or by forming a substrate on a previously formed layer of deformable material. The deformable layer can also or instead be coated with a 1 µm protective thermoplastic elastomer layer (on the side opposite the substrate) which effectively provides a tacky surface for microspheres or other particles to adhere to.

[51] Как показано, на этапе 806 способ может включать в себя формирование контактной поверхности, такой как любая из контактных поверхностей, описанных в этой заявке, на деформируемом слое. Например, контактная поверхность может быть выполнена с возможностью соприкосновения с поверхностью объекта для формирования изображения с помощью ретрографического датчика. Например, контактная поверхность может включать в себя частицы, более твердые, чем подложка, и расположенные в виде структуры на деформируемом слое, и отделенные от подложки деформируемым слоем.[51] As shown, at step 806, the method may include forming a contact surface, such as any of the contact surfaces described in this application, on the deformable layer. For example, the contact surface may be configured to contact the surface of an object to form an image with a retrographic sensor. For example, the contact surface may include particles harder than the substrate and structured on the deformable layer and separated from the substrate by the deformable layer.

[52] Согласно одному аспекту этот этап может включать в себя нанесение порошка из 6-микрометровых монодисперсных микросфер из полиметилсилсесквиоксана на деформируемый слой способом, при использовании которого порошок распределяется с образованием плотно уложенного монослоя. Формирование контактной поверхности может также или взамен включать в себя нанесение водной суспензии полиуретана или другого адгезива на поверхность и обеспечение возможности растекания адгезива и смачивания деформируемого слоя и микросфер. Например, нанесение покрытия центрифугированием может быть использовано для нанесения водного полиуретана на деформируемой слой, при условии соответствующей координации скорости вращения установки для нанесения покрытия центрифугированием и вязкости суспензии (или концентрации микросфер при сгущении или любого другого показателя вязкости или потока).[52] In one aspect, this step may include applying a powder of 6 micrometer polymethylsilsesquioxane monodisperse microspheres to the deformable layer in a manner that spreads the powder to form a closely packed monolayer. Forming the contact surface may also or instead include applying an aqueous slurry of polyurethane or other adhesive to the surface and allowing the adhesive to flow and wet the deformable layer and microspheres. For example, spin coating can be used to apply aqueous polyurethane to a deformable layer, provided there is appropriate coordination between spin coater rotation speed and slurry viscosity (or concentration of microspheres during thickening or any other indicator of viscosity or flow).

[53] Согласно другому аспекту формирование контактной поверхности может включать в себя нанесение частиц в водном растворе полиуретана на деформируемый слой. Согласно еще одному аспекту это может включать в себя нанесение центрифугированием покрытия из смеси адгезива и частиц, таких как монодисперсные частицы полиметилсилсесквиоксана, на деформируемый слой. В любом случае формирование контактной поверхности может также включать в себя сушку адгезива для получения матрицы частиц с открытыми верхними поверхностями и нижними участками, сцепленными с термопластичным эластомерным материалом деформируемого слоя.[53] According to another aspect, the formation of the contact surface may include applying particles in an aqueous solution of polyurethane to the deformable layer. According to another aspect, this may include spin-coating a mixture of adhesive and particles, such as polymethylsilsesquioxane monodisperse particles, onto the deformable layer. In any case, the formation of the contact surface may also include drying the adhesive to form a matrix of particles with exposed top surfaces and bottom areas bonded to the thermoplastic elastomeric material of the deformable layer.

[54] Как отмечалось выше, деформируемый слой или эластомер подложки может включать в себя придающий липкость реагент, который способствует сцеплению частиц. В этом случае, как описывалось выше, формирование контактной поверхности может включать в себя нанесение слоя частиц на деформируемый слой и затем заливку водного полиуретана или другого подходящего адгезива на частицы. В качестве неограничивающего примера частицы могут иметь размеры в пределах от около одного до около двадцати пяти микрометров. Согласно одному аспекту частицы включают в себя монодисперсные частицы полиметилсилсесквиоксана. Согласно другому аспекту частицы включают в себя полидисперсный полиметилсилсесквиоксан. В более общем случае частицы могут включать в себя любые частицы, описанные в этой заявке, включая частицы, имеющие различные формы, размерности, материалы, размеры и распределения по размерам.[54] As noted above, the deformable layer or substrate elastomer may include a tackifier that promotes particle adhesion. In this case, as described above, forming the contact surface may include applying a layer of particles to the deformable layer and then pouring aqueous polyurethane or other suitable adhesive onto the particles. As a non-limiting example, the particles may have sizes ranging from about one to about twenty-five micrometers. In one aspect, the particles include monodisperse particles of polymethylsilsesquioxane. According to another aspect, the particles include polydisperse polymethylsilsesquioxane. More generally, the particles may include any of the particles described in this application, including particles having various shapes, dimensions, materials, sizes, and size distributions.

[55] На фиг. 9 показана блок-схема последовательности действий способа метрологии поверхности с использованием ретрографического датчика.[55] FIG. 9 shows a flow chart of a surface metrology method using a retrographic probe.

[56] Как показано, на этапе 902 способ 900 может включать в себя подготовку ретрографического датчика, такого как любой из ретрографических датчиков, описанных в этой заявке. В качестве неограничивающего примера ретрографический датчик может включать в себя подложку, деформируемый слой и контактную поверхность. Подложка может быть образована из первого эластомера, способного пропускать изображения и имеющего первую твердость. Деформируемый слой может быть расположен на первой поверхности подложки и может включать в себя материал, отражающий свет, падающий на первую поверхность подложки. Контактная поверхность может представлять собой поверхность, предназначенную для помещения в соприкосновение с изображаемым объектом, и может быть образована матрицей частиц, расположенных на деформируемом слое и отделенных от подложки деформируемым слоем. Частицы контактной поверхности могут иметь вторую твердость, более высокую, чем первая твердость первого эластомера подложки.[56] As shown, at 902, method 900 may include preparing a retrographic sensor, such as any of the retrographic sensors described in this application. As a non-limiting example, a retrographic sensor may include a substrate, a deformable layer, and a contact surface. The substrate may be formed from a first image-transmitting elastomer having a first hardness. The deformable layer may be located on the first surface of the substrate and may include a material that reflects light incident on the first surface of the substrate. The contact surface may be a surface intended to be placed in contact with the imaged object and may be formed by a matrix of particles located on a deformable layer and separated from the substrate by a deformable layer. The contact surface particles may have a second hardness higher than the first hardness of the first substrate elastomer.

[57] Как показано, на этапе 904 способ 900 может включать в себя освещение материала деформируемого слоя источником света, таким как светоизлучающий диод или матрица светоизлучающих диодов, со стороны, обращенной к подложке.[57] As shown, at 904, method 900 may include illuminating the deformable layer material with a light source, such as a light emitting diode or an array of light emitting diodes, from the side facing the substrate.

[58] Как показано, на этапе 906 способ 900 может включать в себя соприкосновение контактной поверхности ретрографического датчика с поверхностью объекта для изменения геометрии деформируемого слоя.[58] As shown, at 906, method 900 may include contacting a retrographic sensor contact surface with an object surface to change the geometry of the deformable layer.

[59] Как показано, на этапе 908 способ 900 может включать в себя захват изображения деформируемого слоя со стороны, обращенной к подложке, при освещении материала и соприкосновении контактной поверхности с поверхностью объекта. Это может также или взамен включать в себя захват некоторого количества изображений при боковом освещении под различными углами, что может повышать точность, обеспечивать дополнительную информацию относительно загороженной поверхности или же повышать количественную точность получающихся реконструированных трехмерных изображений.[59] As shown, at step 908, method 900 may include capturing an image of the deformable layer from the side facing the substrate, when the material is illuminated and the contact surface is in contact with the surface of the object. This may also or instead include capturing a number of side-lit images from various angles, which may improve accuracy, provide additional information about the obstructed surface, or increase the quantitative accuracy of the resulting reconstructed 3D images.

[60] Как показано, на этапе 910 способ 900 может включать в себя обработку изображений для извлечения информации о поверхности объекта, такой как топография поверхности, или другой двумерной или трехмерной информации. Согласно одному аспекту это включает в себя анализ изображения (или множества изображений) для определения трехмерной геометрии поверхности объекта, например, получение нормалей к поверхности на основании интенсивности отраженного света и объединение нормалей к поверхности для определения высоты поверхности объекта на местах в пределах изображения. Это может также или взамен включать в себя анализ множества изображений, получаемых, например, при различных углах или направлениях скользящего освещения. Поэтому, например, способ 900 может включать в себя освещение деформируемого слоя с двух или большего количества направлений, захват изображения деформируемого слоя при освещении с каждого из двух или большего количества различных направлений и анализ получающегося множества изображений для определения трехмерной геометрии поверхности объекта.[60] As shown, at 910, method 900 may include image processing to extract information about the surface of an object, such as surface topography, or other two-dimensional or three-dimensional information. In one aspect, this includes analyzing an image (or multiple images) to determine the 3D geometry of an object's surface, such as deriving surface normals from reflected light intensity and combining the surface normals to determine the object's surface height at locations within the image. This may also or instead include the analysis of a plurality of images obtained, for example, at different angles or directions of the sliding illumination. Therefore, for example, method 900 may include illuminating the deformable layer from two or more directions, capturing an image of the deformable layer under illumination from each of two or more different directions, and analyzing the resulting plurality of images to determine the three-dimensional geometry of the object's surface.

[61] Согласно другому аспекту система формирования изображения может быть канализирована при использовании цвета, например, для поддержания одновременного формирования изображений при освещении с различных направлений. Поэтому способ 900 может включать в себя, например, освещение деформируемого слоя одновременно первым источником света первого цвета и вторым источником света второго цвета, отличающегося от первого цвета. Согласно этому аспекту способ 900 может также включать в себя захват многоцветного изображения деформируемого слоя, проведение различия между картиной освещения от первого источника света и второго источника света и анализ многоцветного изображения для определения трехмерной геометрии поверхности объекта на основании картины освещения от первого источника света и второго источника света. В более общем случае можно использовать несколько различных цветов и в частности, три различных цвета, таких как красный, зеленый и голубой, могут без труда различаться имеющимися в продаже оптическими системами, такими как камера для цветной съемки или датчики цветного изображения, и могут использоваться для канализации системы формирования изображения, чтобы поддерживать одновременное формирование изображения при освещении с трех различных направлений в одно и то же время, например, в виде одного цветного изображения.[61] According to another aspect, the imaging system can be channeled using color, for example, to support simultaneous imaging under illumination from different directions. Therefore, method 900 may include, for example, illuminating the deformable layer simultaneously with a first light source of a first color and a second light source of a second color different from the first color. According to this aspect, the method 900 may also include capturing a multi-color image of the deformable layer, distinguishing between the illumination pattern from the first light source and the second light source, and analyzing the multi-color image to determine the three-dimensional geometry of the surface of the object based on the illumination pattern from the first light source and the second light source. Sveta. More generally, several different colors can be used, and in particular, three different colors, such as red, green, and cyan, can be easily distinguished by commercially available optical systems, such as a color camera or color image sensors, and can be used to channeling the imaging system to support simultaneous imaging under illumination from three different directions at the same time, for example, as a single color image.

[62] На фиг. 10 показано изображение, полученное с помощью оптического микроскопа, матрицы 6-микрометровых микросфер первого типа и на фиг. 11 показано изображение, полученное с помощью оптического микроскопа, матрицы 6-микрометровых микросфер второго типа. В общем случае микросферы из фиг. 11 (типа А) известны как более монодисперсные, например, с более единообразным диаметром, чем микросферы из фиг. 10 (типа В), и поэтому можно ожидать более регулярной структуры при компоновке в двумерную матрицу, например, при нанесении в качестве монослоя на контактную поверхность ретрографического датчика.[62] FIG. 10 shows an optical microscope image of an array of 6 micrometer first type microspheres, and FIG. 11 shows an optical microscope image of an array of 6 micrometer microspheres of the second type. In general, the microspheres of FIG. 11 (type A) are known to be more monodisperse, eg more uniform in diameter, than the microspheres of FIG. 10 (type B), and therefore a more regular structure can be expected when arranged in a two-dimensional matrix, for example, when applied as a monolayer to the contact surface of a retrographic sensor.

[63] На фиг. 12 показан средний радиальный спектр мощности для микросферных матриц из фиг. 10 и 11. Хотя некоторое количество способов можно использовать для измерения регулярности геометрических структур, спектр мощности изображаемых поверхностей представляет собой полезный показатель для оценивания пригодности структуры частиц для формирования высокоразрешающего свободного от ошибок изображения. Чтобы получать этот количественный показатель, изображения контактной поверхности, получаемые с помощью оптического микроскопа, можно ограничивать по полосе и уровню для повышения контраста, чтобы создавать изображения, показанные на фиг. 10-11. Ограниченные по полосе и уровню изображения (такие как изображения на фиг. 10-11) затем можно умножать на окно Гаусса для минимизации краевых артефактов (от черных краев изображений), что приведет к свертыванию представления в частотной области изображений с окном Гаусса. После этого величины представления в частотной области могут быть возведены в квадрат для получения двумерного спектра мощности. В общем случае следует ожидать, что спектр мощности менее регулярной структуры частиц будет иметь более низкую частоту и более широкую полосу интенсивных частот, чем более регулярная структура. Эти характеристики могут быть выражены количественно путем оценивания формы полосы частотной области, представляющей доминирующую частоту матрицы.[63] FIG. 12 shows the average radial power spectrum for the microsphere arrays of FIG. 10 and 11. While a number of methods can be used to measure the regularity of geometric structures, the power spectrum of imaged surfaces is a useful metric for evaluating the suitability of particle structure for high resolution error-free imaging. To achieve this score, optical microscope images of the contact surface can be band and level limited to increase contrast to produce the images shown in FIG. 10-11. Band and level limited images (such as the images in FIGS. 10-11) can then be windowed to a Gaussian to minimize edge artifacts (from the black edges of the images), which will convolve the frequency domain representation of the Gaussian windowed images. The frequency domain representation values can then be squared to obtain a two-dimensional power spectrum. In general, one would expect the power spectrum of a less regular structure of particles to have a lower frequency and a wider band of intense frequencies than a more regular structure. These characteristics can be quantified by evaluating the shape of the frequency domain band representing the dominant frequency of the matrix.

[64] В общем случае двумерный спектр мощности должен иметь радиальную симметрию, чтобы сигнал можно было усреднять по радиусу, а постоянный ток и другие очень низкочастотные составляющие можно было исключать. Получающиеся спектры мощности для структур из фиг. 10 (типа А) и фиг. 11 (типа В) показаны на фиг. 12. В случае этих спектров мощности пиковая мощность ν_p может располагаться на пиковой частоте f_p. В таком случае частоты f_a и f_b, соответствующие половинной мощности, определяются как частоты выше и ниже пиковой частоты f_p, где мощность составляет 50% пиковой мощности ν_p. Эти значения обозначены на фиг. 12 для частиц типа В. При этих значениях, определенных для спектра мощности конкретной структуры частиц, Q-показатель (показатель качества) для полосы доминирующих частот может быть определен как:[64] In general, the 2D power spectrum should have radial symmetry so that the signal can be averaged over the radius, and direct current and other very low frequency components can be eliminated. The resulting power spectra for the structures of FIG. 10 (type A) and FIG. 11 (type B) are shown in FIG. 12. In the case of these power spectra, the peak power ν _p may be located at the peak frequency f _p . In such a case, the half power frequencies f _a and f _b are defined as the frequencies above and below the peak frequency f _p , where the power is 50% of the peak power v _p . These values are indicated in Fig. 12 for type B particles. With these values, defined for the power spectrum of a particular particle structure, the Q-factor (quality factor) for the dominant frequency band can be defined as:

.

[Уравнение 2]

.

[Equation 2]

[65] Этот Q-показатель выполняет функцию показателя регулярности, при этом более высокий показатель означает более регулярную матрицу частиц на контактной поверхности. В случае применения этой формулы для структур из фиг. 10-11 частицы типа В имеют Q-показатель около 4,7 и являются очень хорошими для формирования изображения. Частицы типа А имеют Q-показатель около 3,9 и также являются пригодными для формирования изображения.[65] This Q-score functions as a regularity score, with a higher score indicating a more regular matrix of particles on the contact surface. In the case of applying this formula to the structures of FIG. 10-11 Type B particles have a Q-value of about 4.7 and are very good for imaging. Type A particles have a Q-value of about 3.9 and are also suitable for imaging.

[66] Опытным путем установлено, что Q-показатель выше 2 для микросфер размером 1-20 мкм означает структуру, которая является достаточно регулярной при использовании в ретрографическом датчике, не вносящей существенных артефактов в изображение, которые ограничивают точность или разрешающую способность. Поэтому согласно одному аспекту полезно, чтобы контактная поверхность ретрографического датчика имела структуру из микросфер с усредненным по радиусу двумерным спектром мощности, имеющим Q-показатель по меньшей мере 2, где Q-показатель равен пиковой частоте, деленной на разность частот, соответствующих половинной мощности (из усредненного по радиусу двумерного спектра мощности). При Q-показателе выше 3 обычно получается значительно улучшенная характеристика, а при Q-показателе выше 4,5 появляется возможность получения наиболее точного изображения через монослой частиц. Кроме того, при Q-показателе, равном 4,5, предполагается более регулярная упаковка, согласующаяся с микросферами, имеющими сравнительно одинаковый размер и форму (например, с монодисперсными). Однако следует понимать, что очень монодисперсные частицы также могут иметь плохой Q-показатель при определенных условиях, таких как, когда частицы распределены неравномерно или когда частицы только частично покрывают поверхность и остаются относительно большие открытые участки. В таких случаях контактная поверхность может быть причиной низкого Q-показателя (возможно, необычно низкого Q-показателя) несмотря на высокую геометрическую регулярность отдельных частиц.[66] It has been empirically found that a Q-value greater than 2 for 1-20 µm microspheres indicates a structure that is fairly regular when used in a retrographic sensor without introducing significant image artifacts that limit accuracy or resolution. Therefore, according to one aspect, it is useful that the contact surface of the retrographic sensor has a structure of microspheres with a radius-averaged two-dimensional power spectrum having a Q-value of at least 2, where the Q-value is equal to the peak frequency divided by the frequency difference corresponding to half the power (from radius-averaged two-dimensional power spectrum). A Q-value greater than 3 typically results in significantly improved performance, while a Q-value greater than 4.5 enables the most accurate imaging through a monolayer of particles. In addition, a Q-value of 4.5 suggests more regular packing, consistent with microspheres that are relatively uniform in size and shape (eg, monodisperse). However, it should be understood that very monodisperse particles can also have a poor Q-value under certain conditions, such as when the particles are unevenly distributed or when the particles only partially cover the surface and relatively large open areas remain. In such cases, the contact surface may be responsible for a low Q-value (perhaps an unusually low Q-value) despite the high geometric regularity of the individual particles.

[67] Описанные выше системы, устройства, способы, процессы и т.п. могут быть реализованы в виде технических средств, программных средств или любого сочетания их, пригодного для конкретного применения. Технические средства могут включать в себя компьютер общего назначения и/или специализированное вычислительное устройство. Они включают в себя один или несколько микропроцессоров, микроконтроллеров, встроенных микроконтроллеров, программируемых цифровых процессоров сигналов, или других программируемых устройств, или схем обработки наряду с внутренним и/или внешним запоминающим устройством. Они могут также или взамен включать в себя интегральные схемы прикладной ориентации, программируемые вентильные матрицы, программируемые матричные логические компоненты или другое устройство или устройства, которые могут быть сконфигурированы для обработки электронных сигналов. Кроме того, следует понимать, что реализация процессов или устройств, описанных выше, может включать в себя исполняемый компьютером код, созданный при использовании структурированного языка программирования, такого как С, объектно-ориентированного языка программирования, такого как С++, или любого другого языка программирования высокого уровня или низкого уровня (включая языки ассемблера, языки описания технических средств и языки программирования, ориентированные на работу с базами данных), которые могут сохраняться, согласовываться или интерпретироваться, чтобы выполняться при использовании одного из упомянутых выше устройств, а также неоднородных комбинаций процессоров, процессорных архитектур или комбинаций различных технических и программных средств. Согласно другому аспекту способы могут быть осуществлены посредством систем, которые выполняют этапы способа, и могут быть распределены по устройствам различным образом. В то же время обработка может быть распределена по устройствам, таким как различные системы, описанные выше, или все выполняемые функции могут быть сведены в специализированное автономное устройство или другое техническое средство. Согласно еще одному аспекту средства для выполнения этапов, связанных с процессами, описанными выше, могут включать в себя любое из технических средств и/или программных средств. Все такие перестановки и комбинации предполагаются попадающими в объем настоящего раскрытия.[67] The systems, devices, methods, processes, and the like described above may be implemented as hardware, software, or any combination thereof suitable for a particular application. The hardware may include a general purpose computer and/or a dedicated computing device. They include one or more microprocessors, microcontrollers, embedded microcontrollers, programmable digital signal processors, or other programmable devices or processing circuits along with internal and/or external storage. They may also or instead include application-oriented integrated circuits, field-programmable gate arrays, programmable logic array components, or other device or devices that can be configured to process electronic signals. In addition, it should be understood that an implementation of the processes or devices described above may include computer executable code created using a structured programming language such as C, an object-oriented programming language such as C++, or any other language. high-level or low-level programming (including assembly languages, hardware description languages, and database-oriented programming languages) that can be stored, matched, or interpreted to run using one of the devices mentioned above, as well as heterogeneous combinations of processors , processor architectures or combinations of various hardware and software. According to another aspect, the methods may be implemented by systems that perform the steps of the method and may be distributed across devices in various ways. At the same time, processing may be distributed across devices, such as the various systems described above, or all functions performed may be consolidated into a dedicated stand-alone device or other technical means. According to another aspect, the means for performing the steps associated with the processes described above may include any of the hardware and/or software. All such permutations and combinations are intended to be within the scope of the present disclosure.

[68] Варианты осуществления, описанные в этой заявке, могут включать в себя компьютерные программные продукты, содержащие исполняемый компьютером код или используемый компьютером код, при исполнении которого на одном или нескольких вычислительных устройствах выполняется любой и/или все этапы. Код может сохраняться энергонезависимым способом в запоминающем устройстве компьютера, которое может быть запоминающим устройством, благодаря которому программа выполняется (таким как оперативное запоминающее устройство, связанное с процессором), или устройством хранения данных, таким как дисковый накопитель, флэш-память, или любое другое оптическое, электромагнитное, магнитное, инфракрасное или другое устройство или комбинация устройств. Согласно другому аспекту любая из систем и способов, описанных выше, может быть осуществлена в любой подходящей среде передачи или распространения сигнала, переносящей исполняемый компьютером код и/или любые входные данные или выходные данные.[68] The embodiments described in this application may include computer program products containing computer executable code or computer usable code that performs any and/or all of the steps when executed on one or more computing devices. The code may be stored in a non-volatile manner in a computer storage device, which may be the storage device by which the program is executed (such as random access memory associated with the processor) or a data storage device such as a disk drive, flash memory, or any other optical , electromagnetic, magnetic, infrared or other device or combination of devices. According to another aspect, any of the systems and methods described above may be implemented in any suitable transmission or signal propagation medium carrying computer executable code and/or any input or output.

[69] Реализации этапов способов, описанных в этой заявке, предполагаются охватывающими любой подходящий порядок выполнения таких этапов способов, согласующийся с патентоспособностью нижеследующей формулы изобретения, за исключением случаев, когда другой смысл прямо следует или же ясен из контекста. Таким образом, например, выполнение этапа X включает в себя любой подходящий порядок, обусловленный другим участником, таким как удаленный пользователь, удаленный ресурс обработки (например, сервер или компьютер в облаке или машины для выполнения этапа X. Аналогично этому, выполнение этапов X, Y и Z может включать любой порядок управления или регулирования любой комбинации таких других индивидуализированных объектов или ресурсов для выполнения этапов X, Y и Z, чтобы получать эффект от этих этапов. Таким образом, реализации этапов способов, описанных в этой заявке, предполагаются охватывающими любой подходящий порядок выполнения этапов, согласующийся с одним или несколькими другими участниками или субъектами, согласующийся с патентоспособностью нижеследующей формулы изобретения, за исключением случаев, когда другой смысл прямо следует или же ясен из контекста. Такие участники или субъекты не обязательно должны направляться или управляться любым другим участником или субъектом и не обязательно должны находиться в конкретной правовой сфере.[69] The implementations of the method steps described in this application are intended to cover any suitable order in which such method steps are consistent with the patentability of the following claims, unless otherwise expressly follows or is clear from the context. Thus, for example, the execution of step X includes any suitable order stipulated by another participant, such as a remote user, a remote processing resource (e.g., a server or computer in the cloud, or machines to perform step X. Similarly, the execution of steps X, Y and Z may include any order of controlling or regulating any combination of such other individualized objects or resources to perform steps X, Y, and Z to obtain the effect of those steps.Thus, implementations of the steps of the methods described in this application are intended to cover any suitable order. steps consistent with one or more other contributors or entities consistent with the patentability of the following claims, except where otherwise expressly follows or is clear from the context Such contributors or entities need not be directed or controlled by any other contributor or entity and no obligation should definitely be in a specific legal area.

[70] Следует понимать, что устройства, системы и способы, описанные выше, изложены для примера, а не для ограничения. При отсутствии ясного указания на противоположное раскрытые этапы могут быть модифицированы, дополнены, опущены и/или переупорядочены без отступления от сущности этого раскрытия. Многочисленные изменения, дополнения, исключения и другие модификации должны быть очевидными для специалиста в данной области техники. Кроме того, представление или порядок выполнения этапов способов в описании и на чертежах, изложенный выше, не предполагается требующим выполнения изложенных этапов в этом порядке за исключением случаев, когда конкретный порядок определенно требуется или же ясен из контекста. Таким образом, хотя показаны и описаны конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что различные изменения и модификации по форме и в деталях могут быть сделаны без отступления от сущности объема этого раскрытия и предполагаются образующими часть изобретения, определенного в нижеследующей формуле изобретения.[70] It should be understood that the devices, systems, and methods described above are by way of example and not limitation. In the absence of a clear indication to the contrary, the disclosed steps may be modified, added, omitted and/or rearranged without departing from the spirit of this disclosure. Numerous changes, additions, deletions and other modifications should be obvious to a person skilled in the art. Furthermore, the presentation or order of performing the method steps in the description and drawings set forth above is not intended to require the set forth steps to be performed in that order, unless a particular order is specifically required or is clear from the context. Thus, while specific embodiments are shown and described, it should be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications in form and detail may be made without departing from the spirit of the scope of this disclosure and are intended to form part of the invention as defined in the following claims. inventions.

Claims

1. A retrographic sensor, comprising: a substrate with a first surface, wherein the substrate is formed from a first elastomer capable of transmitting an image and having a first hardness; a deformable layer disposed on a first surface of the substrate, the deformable layer including a material that reflects light passing through the substrate and incident on the first surface; and a contact surface to be placed in contact with the depicted object, wherein the contact surface includes particles arranged in a structure on a deformable layer and separated from the substrate by a deformable layer, wherein the particles have a second hardness higher than the first hardness of the first elastomer.

2. The retrographic sensor of claim 1, wherein the structure forms a single layer of particles on the deformable layer.

3. The retrographic sensor according to claim 1, wherein the structure is a fine pitch matrix.

4. Retrographic sensor according to claim 1, wherein the structure is a regular matrix.

5. The retrographic sensor of claim 1, wherein the structure includes a plurality of locally hexagonal arrays.

6. The retrographic sensor of claim 1, wherein the structure is a substantially hexagonal array.

7. The retrographic sensor of claim 6, wherein the particles are in contact with each other in a structure.

8. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first surface of the substrate is convex.

9. The retrographic sensor of claim 1, wherein the structure of the particles forms intermediate channels that allow air to flow between the particles on the side opposite the deformable layer.

10. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are monodisperse.

11. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are monodisperse microspheres.

12. The retrographic sensor of claim 11, wherein the particles have an average diameter of about 5 microns.

13. The retrographic sensor of claim 11, wherein the particles have an average diameter in the range of 3 to 10 microns.

14. The retrographic sensor of claim 11, wherein the particles have an average diameter in the range of 1 to 25 microns.

15. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles include non-spherical particles.

16. The retrographic sensor according to claim 1, wherein the particles are polydisperse with a first standard deviation relative to the average particle size falling within 1-10 microns.

17. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are formed from polymethylsilsesquioxane.

18. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are formed from one or more of silica, glass, melamine, polystyrene, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, styrene-acrylate copolymer, cellulose, and polylactic acid.

19. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are formed from one or more of nylon and polytetrafluoroethylene.

20. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first Shore A hardness of the first elastomer is less than 40.

21. A retrographic sensor according to claim 1, wherein the second particle hardness Shore A is greater than 40.

22. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are at least partially embedded in the deformable layer.

23. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first elastomer has a first Shore A hardness of at least 10 less than the second Shore A hardness of the particles.

24. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are bonded to a deformable adhesive layer.

25. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are bonded to a deformable polyurethane layer.

26. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles protrude at least half a diameter above a layer of adhesive bonding the particles to the deformable layer.

27. The retrographic sensor of claim 1, wherein the particles are indirectly connected to the deformable layer via the intermediate layer.

28. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first elastomer is an optically transparent elastomer.

29. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first elastomer includes silicone rubber.

30. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first elastomer includes a styrenic block copolymer.

31. The retrographic sensor of claim 30, wherein the first elastomer comprises 20% by weight hydrogenated styrene block copolymer.

32. The retrographic sensor of claim 30, wherein the first elastomer includes 80% by weight of a plasticizer.

33. The retrographic sensor of claim 32, wherein the plasticizer includes a tackifier.

34. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first elastomer includes a thermoplastic elastomer.

35. The retrographic sensor of claim 1, wherein the first elastomer includes one or more of polyurethane, plastisol, natural rubber, polyisoprene, and polyvinyl chloride.

36. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer includes reflective particles located in the second elastomer.

37. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer includes metal particles.

38. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer includes non-metallic particles.

39. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer includes titanium dioxide.

40. The retrographic sensor of claim 39, wherein the deformable layer includes carbon black in an amount sufficient to impart a neutral gray color to the titanium dioxide in the deformable layer.

41. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer includes red iron oxide.

42. The retrographic sensor of claim 1, wherein the material of the deformable layer reflects light non-directionally.

43. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer material reflects light substantially uniformly in all directions.

44. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer material includes flakes that exhibit at least one of surface roughness, irregular shape, and random alignment with each other that causes the material to moderately directional light reflection.

45. The retrographic sensor of claim 1, wherein the deformable layer material includes flakes that are substantially flat, have a mirror-like surface, and are substantially well aligned with each other, which causes highly directional light reflection by the material.

46. The retrographic sensor of claim 45, wherein the flakes include at least one of aluminum flakes and bronze flakes.

47. The retrographic sensor of claim 1 further comprising an imaging system coupled to a second surface of the substrate opposite the first surface, wherein the imaging system is configured to capture a plurality of images of the deformable layer through the first elastomer.

48. The retrographic sensor of claim 47, further comprising an illumination system configured to illuminate the deformable layer through the first elastomer.

49. The retrographic sensor of claim 48, wherein the illumination system provides sweeping illumination to facilitate detection of changes normal to the surface of the deformable layer.

50. The retrographic sensor of claim 48, wherein the lighting system provides illumination from two or more light sources, each of the two or more light sources illuminating in a different wavelength range from a different direction.

51. The retrographic sensor according to claim 48, further comprising a photometric stereoscopic analyzer configured to estimate at least one surface normal and surface height of the deformable layer at a plurality of locations using two or more images of the deformable layer captured in two or more different wavelength ranges.

52. The retrographic sensor of claim. 1, further comprising a lighting controller for successively illuminating the first surface with two or more light sources, each at a different location.

53. Retrographic sensor, containing: a substrate of optically transparent elastomer; a deformable layer disposed on a surface of the substrate, the deformable layer including a material that reflects light passing through the substrate and incident on the deformable layer; and a contact surface located on the deformable layer, wherein the contact surface has non-planar elements with a greater hardness than the hardness of the substrate, and a friction coefficient less than that of the deformable layer, the non-planar elements form intermediate channels that allow air to flow between the non-planar elements of the contact surface .

54. The retrographic sensor of claim 53, wherein the hardness of the non-planar features is greater than the hardness of the deformable layer.

55. The retrographic sensor of claim 53, wherein the non-planar features are extended perpendicular to the surface of the substrate.

56. The retrographic sensor of claim 53, wherein the non-planar features include particles located on the deformable layer.

57. The retrographic sensor of claim 53, wherein the non-planar elements include posts extending from the deformable layer.

58. The retrographic sensor of claim 53, wherein the non-planar features include one or more pyramids and cones extending from the deformable layer.

59. The retrographic sensor of claim 53, wherein the non-planar features include conical structures extending from the deformable layer.

60. A method for manufacturing a retrographic sensor, comprising the steps of: providing an elastomer substrate capable of transmitting an image; positioning a deformable layer on a first surface of the substrate, wherein the deformable layer non-directionally reflects light passing through the substrate and incident on the first surface of the substrate; and forming a contact surface on the deformable layer, wherein the contact surface is made with the possibility of contact with the surface of the object for imaging by a retrographic sensor, the contact surface includes particles located in the form of a structure on the deformable layer and separated from the substrate by the deformable layer, the particles have a second hardness higher than the hardness of the substrate.

61. The method according to claim 60, further comprising applying the particles to the deformable layer in the form of an aqueous solution of polyurethane.

62. The method of claim 60, wherein at least one of the elastomer and the deformable layer includes a tackifier, and wherein forming the contact surface includes applying a layer of particles to the deformable layer and pouring aqueous polyurethane onto the particles.

63. The method of claim 60, wherein the particles comprise monodisperse particles of polymethylsilsesquioxane.

64. The method of claim 60 wherein the particles comprise polydisperse polymethylsilsesquioxane.

65. The method of claim. 60, in which the formation of the contact surface includes applying by spin coating a mixture of adhesive and monodisperse particles of polymethylsilsesquioxane.

66. The method of surface metrology, comprising the steps in which: provide a retrographic sensor according to one of paragraphs. 1-52; illuminate the material of the deformable layer with a light source from the side facing the surface; carry out the contact of the contact surface with the surface of the object to change the geometry of the deformable layer; capture the image of the deformable layer from the side facing the substrate, when the material is illuminated and the contact surface is in contact with the surface of the object; and analyzing the image to determine the three-dimensional geometry of the surface of the object.

67. The method of claim 66 further comprising illuminating the deformable layer from two or more different directions, capturing an image of the deformable layer when illuminated from each of two or more different directions, and analyzing the resulting set of images to determine the three-dimensional geometry of the object's surface.

68. The method of claim 66 further comprising illuminating the deformable layer simultaneously with a first light source of a first color and a second light source of a second color different from the first color.

69. The method of claim. 68, further comprising capturing a multi-color image of the deformable layer, distinguishing between the illumination pattern from the first light source and the second light source, and analyzing the multi-color image to determine the three-dimensional geometry of the surface of the object based on the illumination pattern from the first light source and second light source.