用于具有适合相移分析的强度调制元件的探头的条纹投影系统的制作方法

专利名称：用于具有适合相移分析的强度调制元件的探头的条纹投影系统的制作方法
技术领域：
本申请是于2008年10月10日提出的、题为“用于使用结构化光的探头系统的系统方面”的美国申请No. 12/249,513的部分继续，并要求其优先权，美国申请No. 12/249,513是于2008年3月5日提出并于2010年10月26 日公开且题为“用于适于相移分析的探头的条纹投影系统和方法”的美国申请No. 12/042，821 (现在为美国专利No. 7,821,649)的部分继续并要求其优先权，上述申请的每一个的整体通过引用结合于本文中。本文所述的主题通常涉及管道镜和内窥镜，并且更具体地，涉及利用强度调制元件提供3D表面映射和尺寸测量的管道镜/内窥镜。
背景技术：
管道镜和内窥镜一般用于在远程腔中的检查。在本文中称为探头的大多数管道镜和内窥镜，采用耦合到探头中的光纤束的外部光源来提供对远程对象或远端表面的照明。在对象被照亮时，由图像传感器上的透镜系统形成内部图像，并且图像被传递到连接的显示器，诸如视频屏。图像传感器可如光学刚性管道镜或纤维镜那样位于探头的近端，或者如视频管道镜或内窥镜那样位于远端。这样的系统经常用于检查不可达的损坏位置或磨损位置，或者验证部件已正确制造或组装。其中，期望获得尺寸测量以验证损坏或磨损未超过操作限制，或者制造的部件或套件符合其规范。可能还期望产生3D模型或表面图用于与参照进行比较、3D观察、逆向工程或详细表面分析。示出于连接的显示器上的图像在放大和外观尺寸中有所不同，取决于对象和探头远端的距离。这导致难以直接确定尺寸测量，尤其是在三维空间内。存在通过探头提供3D数据的许多已知方式，包括分割视图来得到立体图像(立体观察)，向远程对象投影圆点的粗图案，或使用单线获得单一图像轮廓。立体方法可用于创建3D视图，但是只能提供图像上的两个点能被关联起来的信息。当存在很少的表面细节时，这可能是有问题的。关联过程也可能需要大量的处理，因而产生全3D表面图可能是耗时的。更典型的是仅仅关联基本测量所需要的少数点。投影圆点的粗图案允许在这些圆点的点处得到测量。但是，这些圆点之间的区域需要被插值，因而它们之间的任何表面变化都丢失。最后，单线轮廓提供了沿该单一轮廓的有用信息，但是将单线恰当地定位在感兴趣对象上可能是困难的，并且如果表面不是平坦的或者观察不垂直于表面，则需要不共线的点(诸如对于线或区域测量的点)的测量易于产生误差。由于尺寸约束，经常在商业系统中用于产生3D表面图的、单个轮廓线的扫描在小探头中通常是不实用的。关于上文讨论的方式还存在其它的限制。例如，实现该解决方案通常需要较大的计算容量，并且需要高度熟练的技术人员来操作设备。并且，当期望密集的3D全表面图或全场(full-field)对象测量时，上述方式可能并不适当。没有全场数据，表面或者对象上的缺陷可能完全失去。由此，期望提供进行全场表面映射的探头。
能通过相移来获得全场对象数据。相移是用于非接触式光学计量应用的分析技术。相移通常包括投影穿过摄像机的视野(FOV)的一个或多个平行线集。当对象距离改变时，该平行线(或条纹集)移动穿过F0V。需要确定哪条线是哪条或绝对相位，以进行精确测量并获得精确的表面图。图像中的给定点处的绝对相位定义为给定点与所投影的线图案中参照点之间的总相位差(为线周期数的2 π倍)。参照点能任意定义。存在多种已知的方式用于译解哪条线是哪条并确定绝对相位。一些方式包括采用具有物理水平偏移的多个条纹集，从而产生随距离改变的相对相位，或者使用具有物理轴向偏移的多个条纹集，以根据距离改变周期。多数技术使用附加的投影。例如，为帮助确定绝对相位，可投影额外的线来给出开始参照点。确定的绝对相位结合FOV中的条纹集位置通常用于确定绝对对象距离。相移方法对在诸如管道镜和内窥镜的装置中使用并不是使用的。投影用于相移方法的合适线图案所需的设备通常包括投影仪、扫描仪、压电镜或类似项。其中，探头的尺寸限制使得典型设备的使用在机械上具有挑战性。 因此，期望提供探头的实用机械构造，其能够基于相移分析执行测量和3D表面映射。仅为一般的背景信息而提供上述讨论，并不意于用作确定要求保护的主题的范围的辅助。

发明内容
公开了一种用于探头的强度调制元件，该探头具有用于相移分析和测量的多个光发射器。该强度调制元件包括由两个相向图案形成的多个光栅元件的多个列。在强度调制元件的一些公开实施例的实践中可以认识到的优点在于更精确的相移分析。在一个示例性实施例中，公开了一种探头。该探头包括插入管；多个光发射器，在插入管远端上并行设置，其中多个光发射器沿垂直于光发射器的轴间隔开；至少一个强度调制元件，其包括具有光栅周期的多个光栅元件的多个列，其中多个光栅元件的多个列平行于多个光发射器，且其中来自多个光发射器的光经过至少一个强度调制元件，以投影多个条纹集到表面上，多个条纹集中的每个包括当多个光发射器的至少一个的一个发射器组在发射时投影的结构化光图案；成像器，用于获得表面的至少一个图像；处理单元，配置成对至少一个图像执行相移分析；检查光传递系统，传递来自检查光源的光至表面；其中在检查模式期间，检查光传递系统输出来自插入管远端的光，其中在测量模式期间，从检查光传递系统输出的光的强度自动降低，并且其中当多个条纹集的至少一个投影至表面时，探头在测量模式中操作。在另一个示例性实施例中，公开了一种强度调制元件。该强度调制元件包括具有光栅周期的多个光栅元件的多个列，其中该多个光栅元件的多个列平行于多个光发射器；第一连续正弦图案，垂直于多个光发射器而延伸，形成多个光栅元件的每个的顶侧；第二连续正弦图案，垂直于多个光发射器延伸，形成多个光栅元件的每个的底侧，其中第二连续正弦图案与第一连续正弦图案相对并且为其镜像，并且其中多个光栅元件形成光栅元件的多个行，其延续垂直于多个光发射器的第一连续正弦图案的若干光栅周期。在另一个示例性实施例中，该强度调制元件包括具有光栅周期的多个光栅元件的多个列，其中多个光栅元件的多个列平行于多个光发射器；第一间断正弦图案，垂直于多个光发射器而延伸，形成多个光栅元件的每个的顶侧；第二间断正弦图案，垂直于多个光发射器而延伸，形成多个光栅元件的每个的底侧，其中第二间断正弦图案与第一间断正弦图案相对并且为其镜像；左侧和右侧，对多个光栅元件的每一个截断第一间断正弦图案和第二间断正弦图案，其中多个列中的多个光栅元件通过连接板连接，该连接板由一个光栅元件的顶侧延伸至相邻光栅元件的底侧，并且其中多个光栅元件形成光栅元件的多个行，其延续垂直于多个光发射器的第一间断正弦图案的若干光栅周期，在行中的一个光栅元件的左侧和相邻光栅元件的右侧间形成间隙。根据一个或多个示例性实施例，对本发明的简要说明仅仅意于提供对本文所公开的主题的简要概述，并不用作解释权利要求或限定或限制本发明的范围的指导，本发明的范围仅由所附权利要求限定。提供该简要的描述以用简化形式介绍说明性的概念选择，这在下文的详细描述中将进一步描述。该简要的描述并不意于标识要求保护的主题的关键特 征或者实质特征，也不意于用作确定要求保护的主题的范围的辅助。要求保护的主题不限于解决在背景技术中指出的任意或所有缺陷的实现。


为了能够理解本发明的特征，可参照某些实施例(其中的一些在附图中示出)来进行本发明的详细描述。然而，要注意的是，附图仅示出本发明的某些实施例，并且因此不认为是对本发明范围的限制，因为本发明的范围包含其它等效实施例。附图并不一定成比例，强调通常置于对本发明某些实施例的特征的说明上。在附图中，观察各种视图使用相同的标号来指示相同部件。由此，为进一步理解本发明，可参照下文的详细描述，结合以下附图进行阅读，在附图中图I为一示例性探头(管道镜/内窥镜)系统的示意图；图2为在使用细长的管芯(die)制成的光发射器模块上的示例性发光二级管(LED)阵列的顶视图；图3为包括线光栅(line grating)的示例性强度调制元件的顶视图；图4为在光发射器模块上的示例性LED阵列的顶视图，其中每个光发射器包括串联连接的四个LED ；图5为示出串联连接的图4的示例性LED阵列的顶视图。图6为示例性探头系统的一般示意图；图7为图6所示的可分离末端(tip)的示例性实施例的透视图；图8A为可分离侧视末端的示例性实施例的透视图；图8B为图8A的示例性可分离侧视末端的侧视图；图9A为可分离侧视末端的另一示例性实施例的透视图；图9B为图9A中的示例性可分离侧视末端的侧视图；以及图10为另一示例性强度调制元件的顶视图；图11为又一示例性强度调制元件的顶视图；图12为图11所示的示例性强度调制元件的放大视图；图13为使光穿过强度调制元件而创建的结构化光图案的示例性图像；
图14为示例性结构化光图案的正弦强度轮廓图；图15为另一示例性强度调制元件的顶视图；图16为又一示例性强度调制元件的顶视图；图17为图15所示的示例性强度调制元件的放大视图。
具体实施例方式在图I中，示出了一示例性管道镜/内窥镜探头或系统10。插入管40包括细长部分46和可分离末端42。细长部分46包括主要的长柔性部分、弯曲颈部和摄像头。轮廓 线41示出摄像头开始于细长部分46上的何处。细长部分46的摄像头通常至少包括成像器12、电子器件13和探头光学器件15。可分离末端42通常附连到上述细长部分46的摄像头。可分离末端42包含观察光学器件44，该光学器件44与探头光学器件15结合使用以将从表面或对象(未示出)接收的光引导和聚焦到成像器12上。观察光学器件44可选地包括诸如透镜或光纤系统的传递光学器件，以使摄像头远离末端42。成像器12可包括例如光敏像素的二维阵列，其响应于在每个像素所感测的光级输出视频信号。成像器12可包括电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，或类似功能的其它装置。视频信号由电子器件13缓冲并经由信号线14传输到成像器接口电子器件31。成像器接口电子器件31可包括例如电源，用于生成成像器时钟信号的定时发生器，用于使成像器视频输出信号数字化的模拟前端，以及用于将数字化的成像器视频数据处理成对视频处理器50更有用的格式的数字信号处理器。视频处理器50执行不限于图像获取、图像增强、图形叠加合并和视频格式转换的各种功能，并在视频存储器52中存储与那些功能有关的信息。视频处理器50可包括现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)或其它处理元件，并提供信息到中央处理单元(CPU) 56并从其接收信息。所提供和接收的信息可与命令、状态信息、视频、静态图像和/或图形叠加有关。视频处理器50还输出信号到诸如计算机监视器22、视频监视器20和集成显示器21的各种监视器。在已连接时，计算机监视器22、视频监视器20和/或集成显示器21的每个通常显示在检查中的表面或对象的图像、菜单、光标和测量结果。计算机监视器22通常是外部计算机型监视器。类似地，视频监视器20通常包括外部视频监视器。集成显示器21被集成并内置到探头或系统10中，并且通常包括液晶显示器(LCD)。CPU 56优选使用程序存储器58和非易失性存储器60 二者，其可包括可移动存储装置。CPU 56也可使用诸如RAM的易失性存储器用于程序执行和临时存储。小键盘64和操纵杆62将用户输入传达到CPU56以用于诸如菜单选择、光标移动、滑动块调整和清晰度控制之类的功能。计算机I/O接口 66对CPU 56提供各种计算机接口，该接口诸如USB、火线、以太网、音频I/O及无线收发器。诸如键盘或鼠标的附加的用户I/O装置可连接到计算机I/O接口 66以提供用户控制。CPU 56生成用于显示的图形叠加数据，提供恢复功能和系统控制，被配置成执行相移分析和测量处理，以及提供图像、视频和音频存储。探头或系统10还包括通过摄像头将细长部分46电稱合到末端42的触点36。触点36可以是装载了弹簧的，并且还将电功率从驱动导体35提供到包括多个光发射器的光发射器模块37。驱动导体35将功率从发射器驱动32输送到并行设置在插入管40的远端上的多个光发射器。驱动导体35包括一个或多个导线，并且可与信号线14结合在共同的外护层(未示出)中。驱动导体35也可与信号线14共享导体和/或利用插入管40结构来输送电流。发射器驱动32包括，例如可调整的电流源，其具有时间上的变量以补偿具有不同功率容量和效率的光发射器。发射器驱动32还包括亮度或条纹反差(fringe contrast)确定功能39。备选地，上文讨论的视频处理器50可包括条纹反差确定功能39。末端42上的至少一个光发射器模块37包括多个光发射器，以及可选地包括用于光发射器的控制/定序、感测温度以及校准数据的存储/取回的其它电子器件。至少一个光发射器模块37可包括由陶瓷或金属制成的散热器例如以减少多个光发射器的温度上升。来自设置在末端42上的多个光发射器的光经过至少一个强度调制元件38，以改变光的分布并投影至少一个结构化光图案到适合于相移分析的表面上。条纹集包括当多个光发射器的至少一个的一个光发射器组在发射光时投影的结构化光图案。来自多个光发射器的光经过至少一个强度调制元件38以在表面投影多个条纹集。当多个条纹集中的至少一个被投影到表面上时，探头在测量模式中操作。在测量 模式期间，光发射器模块37被启动，且获取包括表面上的结构化光图案的至少一个数字图 像。可直接在至少一个所获取的数字图像上执行相移分析。相移分析还可在从至少一个所获取的数字图像得出的数据上进行。例如，可使用从YCrCb、RGB或任何其它获取的图像格式得出的亮度分量。由此，对于在本文生成的图像上执行相移分析的任何引用，可能包括在实际引用的图像上或在从所引用图像得出的任何数据上执行相移分析。当至少一个结构化光图案缺少时，探头在检查模式中操作。在检查模式期间，检查光源23被启动并且输出来自插入管40远端的光。在检查模式期间产生和传递光的兀件可统称为检查光传递系统。在一个实施例中，检查光传递系统包括检查光源23、源光纤束24、快门机构34、探头光纤束25以及通光元件43。在其它实施例中，检查光传递系统可包括大不相同的元件，诸如，在位于远端的白色LED的情况下，能被禁用或提供可调整的输出电流的LED驱动电路，用于传递电力到LED的导线，LED本身及保护LED的保护元件。在测量模式期间，例如，从检查光传递系统输出的光的强度自动降低，以避免降低至少一个结构化光图案的反差(contrast)。检查光源23通常是白光源，但可包括用于探头的任何适当光源，诸如汞灯或金属卤化物弧光灯、卤素灯、激光/荧光体系统或能位于近处或远处的基于LED的光源。在使用基于光纤的光源时，探头或系统10中包括源光纤束24。源光纤束24包括非相干或半相干光纤束，并将光传送到快门机构34。快门机构34在检查模式或常规检查期间允许光从检查光传递系统输出，并且在测量模式或测量图案投影期间阻止或抑制光从检查光传递系统输出。快门机构34包括例如螺线管或马达驱动机械快门或电光源阻塞器。快门机构34的位置能基于其实现而变化。当快门机构34允许光经过时，探头光纤束25经由通光元件43将光传递至表面或检查部位。探头光纤束25包括非相干光纤束。通光兀件43包括玻璃棒、成形光纤和/或诸如透镜或扩散器之类的分布控制特征。上文讨论的成像器接口电子器件31、发射器驱动32和快门机构34包括在探头电子器件48中。探头电子器件48可从主控制单元或者CPU56物理分离，以提供对探头相关的操作的更多本地控制。探头电子器件48还包括校准存储器33。校准存储器33存储与末端42和/或细长部分46的光学系统相关的信息，该信息诸如放大数据、光学失真数据和图案投影几何结构数据。同样包括在探头电子器件48中的微控制器30与成像器接口电子器件31通信以确定和设定增益设置以及曝光设置，控制发射器驱动32电路，存储校准数据并从校准存储器33读取校准数据，控制快门34，并与CPU56通信。参照回末端42,在末端42中示出的元件可备选地位于细长部分46。这些元件包括上文讨论的观察光学器件44、至少一个光发射器模块37、至少一个强度调制元件38以及通光元件43。并且，包括多个光发射器的至少一个光发射器模块37可固定地附连到插入管40，而至少一个强度调制元件38设置在末端42。在此情况下，需要末端42和细长部分46之间的精确且可重复的对齐，但这是有利的，因为允许不同的视野，同时消除了对于细长部分46和末端42之间的触点的需要。上文已经提到，通过使光经过改变光的分布的至少一个强度调制元件38，来在表面上创建结构化光图案。该结构化光图案优选地包括具有正弦强度轮廓的平行的亮线和暗 线。当用于适当的相移分析以确定图案的相位时，具有方形、梯形、三角形或其它轮廓的线图案也可以投影到该表面上。图案还可以包括除了平行直线以外的情形。例如，可将曲线、波状线、Z形线或其它这种图案用于适当的分析。在一个实施例中，如图3所示，至少一个强度调制元件38包括线光栅90。并且，至少一个光发射器模块包括多个光发射器。特别地，至少一个光发射器模块包括多个LED或LED阵列。条纹集包括当多个光发射器的至少一个的光发射器组发射光时所投影的结构化光图案。光发射器模块37中的多个光发射器被定位，使得当至少一个光发射器的一个组在发射时投影的结构化光图案，展现出相对于当至少一个光发射器的其他组在发射时投影的结构化光图案的空间或相位移动。换句话说，一个条纹集的结构化光图案展现出相对于其它条纹集的结构化光图案的空间或相位移动。图2示出了 LED阵列80采用细长管芯制成时的示例性情况。在图2中，线光栅90(此处未不出，但在图3中不出)具有光栅周期P。每个光发射器81具有小于光栅周期P的1/3的宽度，并且每个光发射器81彼此相邻地排列，中心到中心的间隔为p/3。在这一构造中，当一个光发射器81在发射时投影的线图案相对于当相邻的光发射器81在发射时投影的线图案具有为大约1/3线周期或120°的空间或者相位移动。以8周期/mm的光栅周期P使用的每个光发射器81的示例性发射区尺寸可为35μπιΧ500μπι。备选地，有效的120°相移能够采用其中光发射器81间隔不同于1/3光栅周期的构造来达到。例如，利用2/3光栅周期的光发射器81间距，当一个光发射器81在发射时投影的光图案相对于当相邻的光发射器81在发射时的线图案可具有240°的相移。在这一构造中，每个光发射器81的宽度小于该光栅周期P的2/3，并且每个光发射器81彼此相邻地排列，中心到中心的间距为2ρ/3。由于多条线投影成各具有0°至360°的相位范围，所以240°的相移等同于120°的相移。总的来说，通过将光发射器81定位成具有光栅周期的大约p/3的中心到中心间距，其中P为不是3的倍数的整数，当一个光发射器81在发射时投影的线图案可能具有相对于当相邻的光发射器81在发射时投影的线图案的大约为120°的有效相移。参照回图2，多个光发射器81间隔开一个光栅周期而创建三个独立的光发射器组。仅为清楚起见，包括图2中三个光发射器组的每个的光发射器81采用不同的图案示出。LED阵列80包括相同颜色的独立光发射器81。但包括一个光发射器组的光发射器81的颜色可不同于包括其它光发射器组的光发射器81的颜色。包括每个光发射器组的多个光发射器81沿垂直于光发射器81以及垂直于线光栅上的线的轴间隔开，间隔的距离大约等于该线光栅整数周期。因此，当包括一个光发射器组的多个光发射器81同时发射光时，由多个光发射器81的每个产生的结构化光图案加在一起。这形成了比由单个光发射器元件所生成的线图案更明亮的线图案。增加光发射器宽度能增加亮度，但是线光栅周期必须成比例地增加，从而引起针对图像噪声的成比例变高的灵敏度。通过使用所描述的多个窄的光发射器81，能够增加图案亮度，而无需增加线光栅周期。图I中的发射器驱动32包括亮度或条纹反差确定功能39，以确定一个光发射器81或多个光发射器81是否应该对于每个光发射器组启动。由于来自光发射器81的光未 被校准，所以随着离线光栅的距离的增加，投影的条纹集扩张。当光发射器组的多个光发射器81同时发射时，各自的条纹集偏移恒定距离(如图2和图3的示例性所示的一个光栅周期P)，而不是恒定相位，从而随着它们扩张，它们的相位也变得更加对齐。这随着离光栅的距离增加而产生逐渐变得更高的反差。由此，当测量表面需要更大的强度以达到较低的图像噪声时，来自相同条纹集的多个光发射器81能同时打开以在高反差下提供更大亮度。但是，在近距离下，正弦强度的不是相位对齐的且条纹集反差下降。并且在近距离需要更少强度，因此当观察更近表面时，可打开一个光发射器81来达到足够的强度和高反差。根据亮度或条纹反差确定功能39的估计，每个光发射器组中的一个光发射器81或多个光发射器81对每个条纹集启动。在一个实施例中，驱动导体35对于每个LED包括一个或多个驱动导线(未示出)。亮度或条纹反差确定功能39经由驱动导体35的特定驱动导线选择性地传送电流，对每个条纹集点亮合适数量的LED。备选地，亮度或条纹反差确定功能39可独立于发射器驱动32定位并且可包括，例如，模拟检测电路或视频处理器。利用该套件，驱动导体35的一条驱动导线连接发射器驱动32到光发射器模块37，且由亮度或条纹反差确定功能39控制的一条或多条控制导线(未不出)同样连接到光发射器模块37。包含于光发射器模块37上的电路(未不出)可选择性地连接一个或多个LED至驱动导线来响应控制导线(一条或多条)上的信号。通过使用对于每个条纹集的多个光发射器81和亮度或条纹反差确定功能39，LED阵列80在图像获取和测量期间提供了足够的亮度和反差。LED阵列80还提供一致且均匀的明度、无斑点以及条纹集间的快速切换。快速切换允许条纹集图像在连续帧中被获取，这降低了图像获取时间之间的移动的可能性。至少出于这些原因，LED阵列在这一构造中是实用的。但是，提供了上述品质的任何光发射源都足够在探头或系统10中使用。其它的此类光源包括但并不限于有机LED、等离子体元件、光纤耦合的激光器以及激光器阵列。在另一个实施例中，LED阵列80采用包括光发射器组的一个光发射器81的多个串联LED制成。在这种构造中，光发射器81被称为串。图4示出一示例性情况，在该情况下每个光发射器或串83包括串联连接的4个LED。图5示出了该串联连接。每个光发射器或串83大约偏移p/3周期，其中P为不是3的倍速的整数。类似于图2，仅为清楚起见，包括光发射器组的一个光发射器81的多个LED用不同图案指示。多个光发射器81的每个可以包括至少两个LED的串联串(series string)。在图4中，三个串示出为各包括4个LED，每个串包括其自身的光发射器组。但是，如图2中所描述的，一个光发射器组也可包括多个光发射器81或串。LED输出通常正比于驱动电流。但是，采用细导线向远端定位的LED提供高电流是非常低效的。通过采用多个串联连接的LED来包括一个光发射器或串83，需要较少的电流来达到给定的组合的LED输出电平。例如，如图4所示的4个LED的串联串能够使用1/4的电流达到与单个LED相同的输出。现参照图6，示出了一般根据另一实施例的管道镜/内窥镜探头或系统100。探头或系统100包括插入管140、探头电子器件148和工 作站160。工作站160包括与在图I中详细描述并示出的探头电子器件48连接的元件类似的元件。探头或系统100作为整体还包括与图I中的探头或系统10相似的元件并以相似的方式操作。插入管140包括细长部分146和可分离末端142。可分离末端142包括两个光发射器模块137、前向观察光学器件144和触点136。触点136向末端142提供电力，电耦合细长部分146至末端142，且可以是装有弹簧的。插入管140还可包括至少一个强度调制区(未示出)。现参照图7，示出了图6的末端142的示例性实施例。类似图6，包括多个光发射器的两个光发射器模块137定位于前向观察光学器件144的每一侧。定位于观察光学器件144 一侧的多个光发射器包括第一光发射器模块137a，而定位于观察光学器件144另一侧的多个光发射器包括第二光发射器模块137b。并且，强度调制元件138包括两个强度调制区138a和138b，前向观察光学器件144的每一侧定位一个强度调制区。来自第一光发射器模块137a的光经由路径170a经过强度调制区138a，这形成第一投影集，而来自第二光发射器模块137b的光经由路径170b经过强度调制区138b，这形成第二投影集。强度调制元件138包括线光栅190,其改变光的分布并在适于相移分析的表面创建结构化光图案。成像器(未示出)获得第一图像集和第二图像集。第一图像集包括至少一幅图像，该图像是到第一投影集的多个条纹集的至少一个的表面的投影的图像，并且第二图像集包括至少一幅图像，该图像是到第二投影集的多个条纹集的至少一个的表面的投影的图像。与第一强度调制区138a关联的第一光发射器模块137a定位于观察光学器件144的一侧，而与第二强度调制区138b关联的第二光发射器模块137b定位于该观察光学器件144的另一侧，使得从表面反射的至少一个结构化光图案经过观察光学器件144到达成像器(未不出)。该两个光发射器模块137各包含细长的LED阵列180，其又包含至少三个光发射器。备选地，该两个光发射器模块137可以各包含多个光发射器,多个光发射器的每个包括至少两个LED的串联串。传递来自检查光源23 (图I)的光至表面的通光元件(未示出)，也可以包括在末端142中。位于末端142的可选电路150可以控制LED的定序、在单个或多个LED间的选择、感测温度以及存储/检索校准数据。可选电路150可通过图I所示的CPU56或微控制器30控制。在探头或系统100中，第一投影集包括多个条纹集，且第二投影集包括多个条纹集。多个光发射器定位成使得从第一光发射器模块的一个光发射器组投影的第一投影集的一个条纹集的结构化光图案，展现出相对于从第一光发射器模块的其它光发射器组投影的第一投影集的其它条纹集的结构化光图案的相移。类似地，从第二光发射器模块的一个光发射器组投影的第二投影集的一个条纹集的结构化光图案，展现出相对于从第二光发射器模块的其它光发射器组投影的第二投影集的其它条纹集的结构化光图案的相移。多个光发射器被定位成使得第一投影集的一个条纹集的结构化光图案展现出相对于第一投影集的其它条纹集的结构化光图案的相对空间或相位移动。类似的，第二投影集的一个条纹集的结构化光图案展现出相对于第二投影集的其它条纹集的结构化光图案的空间或相位移动。在一个实施例中，第一光发射器模块包括三个光发射器组并且第二光发射器模块包括三个光发射器组。因此，包括第一投影集的三个条纹集从观察光学器件144的一侧产生，而包含第二投影集的三个条纹集从观察光学器件144的另一侧产生。由此，探头或系统100能投影总共六个条纹集，FOV的每侧都有三个条纹集。为了提高亮度和反差，光发射器模块137a和137b可包括多于三个LED，连同上文详细描述的亮度确定功能。进一步地，光发射器模块137a和137b中的多个光发射器可各包括至少两个LED的串联串。
采用结构化光投影和相移分析的系统的精确度很大程度决定于其基线间距。在典型系统的情况下，其中条纹集的绝对相位结合其在FOV中的位置被用于确定绝对对象距离，基线间距为投影原点(origin)与摄像机视野原点之间的距离。在该实施例中，其中两个独立条纹集的绝对相位之间的差被用于确定绝对对象距离，基线间距为光发射器模块137a和137b之间的距离。由此，当两个光发射器模块137a和137b之间的距离大于观察光学器件144和单个光发射器模块137之间的距离时，精确度得到提高。小直径探头的机械约束使得难于使观察光学器件144从插入管140中心充分偏移，采用两个光发射器模块137a和137b的所描述的实施例，通常能达到比在前向观察系统中的单个光发射器模块可达到的基线间距更大的基线间距。并且，末端142在插入管上的定位的可变性导致起源于末端的投影相对于FOV移动。如果使用绝对相位结合在FOV中的位置计算出对象距离，则该移动在计算的对象距离中引起误差。在这一实施例中，这种误差是可消除的，因为绝对相位差并不受末端在插入管上的定位的影响。在备选方式中，两个LED阵列还可以位于具有较大光栅的观察光学器件的一侧，其中第一投影集比第二投影集从观察光学器件偏移稍多。在一些应用中，希望得到垂直于探头轴的方向的视图，称为侧视图。为得到这样的视图，末端142可用包括诸如侧视棱镜210的元件的可分离的侧视末端242(图8和9)替代，通过该元件，从表面反射的多个条纹集经过观察光学器件244到达该成像器(未示出)。图8A和图8B示出了侧视末端242的示例性实施例。在图8A中看出，多个光发射器被定位成沿基本垂直于探头轴的方向发射光。在这种情况下，光发射器模块237a和237b设置在侧视棱镜210的每一侧，并且旋转90° (相对于图7所示的多个光发射器模块的位置)来引导多个条纹集至该侧。特别地，光发射器模块237a设置于侧视棱镜210—侧，而光发射器模块237b设置于侧视棱镜210的另一侧。而且，强度调制区238a设置于侧视棱镜210的一侧，而强度调制区237b设置于侧视棱镜210的另一侧，使得从光发射器模块237a发射的光经过强度调制区238a，而从光发射器模块237b发射的光经过强度调制区238b。图SB示出了侧视端242的侧视图。在图9A和9B示出的备选的示例性实施例中，光发射器模块237a和237b以及强度调制区238a和238b设置在侧视棱镜210的顶边之上并且垂直于侧视棱镜210的顶边而定向。光发射器模块237a和237b定位成沿基本上垂直于探头轴的方向发射光。图9A不出位于侧视棱镜210 —侧以将光从检查光源(未示出)引导至该侧的通光元件243。图9B示出根据该示例性实施例的侧视末端242的侧视图。备选地，光发射器模块和强度 调制区可平行于棱镜顶边的方向而定向。利用该定向，一个光发射器模块和强度调制区可设置成在侧视棱镜顶边正上方，而另一个光发射器模块和强度调制区隔开更远，在棱镜更上方，远离成像器。这样，该可分离的侧视末端可制成更长以达到光发射器模块间的更大间距，而无需增加插入管的直径。图10为另一示例性强度调制元件600的顶视图。该强度调制元件600包括具有光栅周期(P)的多个光栅元件610的多个列604，其中多个光栅元件610的多个列604平行于多个光发射器81 (参照图2)。在一个实施例中，垂直于多个光发射器81而延伸的第一连续正弦图案620 (例如余弦、正弦)形成多个光栅元件610的每一个的顶侧612，而垂直于多个光发射器81而延伸的第二连续正弦图案630形成多个光栅兀件610的每个的底侧614。第二连续正弦图案630与第一连续正弦图案620相对并且为其镜像。每个光栅元件610延续一个光栅周期(P)。多个光栅元件610可形成光栅元件610的多个行602，其延续垂直于多个光发射器81的第一连续正弦图案620的若干个光栅周期(P)。图11是又一示例性强度调制元件700的顶视图。图12为如图11所示的示例性强度调制元件700的放大图。该强度调制元件700包括具有光栅周期(P)的多个光栅元件710的多个列704，其中多个光栅元件710的多个列704平行于多个光发射器81 (参照图2)。在一个实施例中，垂直于多个光发射器81而延伸的第一间断正弦图案720形成多个光栅元件710的每个的顶侧712，而垂直于多个光发射器81而延伸的第二间断正弦图案730形成多个光栅元件710的每个的底侧714。该第二间断正弦图案730与第一间断正弦图案720相对并且为其镜像。每个光栅元件710延续一个光栅周期(P)的一部分(P’)。该光栅周期(P)的一部分(P’ )可限定为开始于光栅元件710的左侧716，并且结束于光栅元件710的右侧718，截断第一间断正弦图案720和第二间断正弦图案730以提高得到的结构化光图案的反差。多个光栅元件710能形成光栅元件710的多个行702，其延续垂直于多个光发射器81的第一间断正弦图案720的若干个光栅周期(P)，其中在行702中的光栅元件710之间具有间隙(g)。在光栅元件710的列704中的相邻光栅元件710可通过连接板(web)719连接，该连接板719从一个光栅元件710的顶侧712延伸至相邻光栅元件710的底侧714。通过使光经过改变光的分布的至少一个强度调制元件600、700，在表面上创建例如图13所示的结构化光图案400。如图14所示，结构化光图案400可包括平行的亮线和暗线，其包括在垂直于线的方向上的正弦强度轮廓500。如图13和14所示，亮线的中心具有高亮度值，而暗线的中心具有低亮度或没有亮度。参照图10和11中的强度调制元件600、700，图11所示的结构化光图案400的暗线以及图12所示的正弦强度轮廓500的零亮度值，通过光栅元件610、710的列604、704形成。光栅周期(p)示出为从一条亮线中心到下一条亮线中心的距离。可以理解，光栅周期可限定为从沿正弦强度轮廓500的多个点开始(和结束)。在一个实施例中，强度调制元件600、700上的第一正弦图案620、720的光栅周期(P)的长度(例如，O. 125毫米(O. 0049英寸))可为光发射器81(图2中示出)的宽度(例如为O. 05毫米(O. 00197英寸))的至少二倍，以达到好的反差，同时在获取的图像中提供合理数目的亮线和暗线。在一个实施例中，光栅元件710的左侧716和光栅元件710的右侧718可为O. 0020毫米(O. 00008英寸)长(或厚)，而连接板719也可为O. 0020毫米(O. 00008英寸)长(或厚)。通过减小光栅周期(P)的长度，增加了亮线和暗线的数量，并减小了对于给定光发射器81宽度的图像的反差。在一个实施例中，第一正弦图案620、720的幅值可为远小于(例如，至少小到五分之一)光发射器81 (在图2中示出)的长度，从而在所投影图案中的独立正弦幅值(O. 015毫米(O. 00118英寸))相对较小，最小化图12所示的正弦强度轮廓500的降级，但是已足够大到以可制造特征尺寸(例如，大于O. 001毫米(O. 0000394英寸))达到好的反差。更高的图案反差可提供与较低图案反差相比更低的噪声。在一个实施例中，强度调制元件600、700可具有光栅元件610、710的大约100行602、702以及大约15列604,704ο在一个实施例中，强度调制元件600、700的基板可由青玉制成以最大化耐用性。在一个实施例中，该光栅元件610、710通过使用涂层对强度调制元件600、700进行光刻来形成，该涂层对从光发射器81发射的波长具有高吸收性以最小化反射。例如，如果该光发 射器81发射红色波长,可将对红色波长具有高吸收性(例如,在750nm处小于百分之五)的蓝铬用于光栅元件610、710。可以理解，能使用其它的涂层和颜色来提供对由光发射器81发射的波长的高吸收(例如黑色阳极化)。在一个实施例中，光栅元件610、710可只被应用于前侧(即，强度调制元件600、700的面向光发射器81的一侧)，来避免如果位于强度调制元件600、700的暴露的后侧时对光栅元件610、710的擦伤或损坏。在另一个实施例中，光栅元件610、710可只被应用于强度调制元件600、700的后侧，而在又一个实施例中，光栅元件610、710可应用于强度调制元件600、700的前侧和后侧二者。在一个实施例中，抗反射涂层可应用于光栅元件610、710的顶部。可以理解，具有接近正弦图案的非正弦图案(例如三角形图案，六边形图案)的光栅元件，也可用来产生近似正弦强度轮廓，该正弦强度轮廓可通过软件在相移分析中补偿。图15为另一示例性强度调制元件800的顶视图。该强度调制元件800包括具有光栅周期(P)的多个光栅元件810的多个列804，其中多个光栅元件810的多个列804平行于多个光发射器81 (参照图2)。在一个实施例中，垂直于多个光发射器81而延伸的第一连续三角形图案820形成多个光栅元件810的每个的顶侧812，而垂直于多个光发射器81而延伸的第二连续三角形图案830形成多个光栅元件810的每个的底侧814。第二连续三角形图案830与第一连续三角形图案820相对并且为其镜像。每个光栅元件810延续一个光栅周期(P)。多个光栅元件810可形成光栅元件810的多个行802，其延续垂直于多个光发射器81的第一连续三角形图案820的若干光栅周期(P)。图16为又一个示例性强度调制元件900的顶视图。图17为图16中示出的示例性强度调制元件900的放大图。强度调制元件900包括具有光栅周期(P)的多个光栅元件910的多个列904，其中多个光栅元件910的多个列904平行于多个光发射器81 (见图2)。在一个实施例中，垂直于多个光发射器81而延伸的第一间断三角形图案920形成多个光栅元件910的每个的顶侧912，而垂直于多个光发射器81而延伸的第二连续三角形图案930形成多个光栅元件910的每个的底侧914。第二连续三角形图案930与第一连续三角形图案920相对并且为其镜像。每个光栅元件910延续一个光栅周期(P)的一部分(p’)。该光栅周期(P)的一部分(P’)可限定为开始于光栅元件910的左侧916，并且结束于该光栅元件910的右侧918，截断第一间断三角形图案920和第二间断三角形图案930并形成六边形以提高得到的结构化光图案的反差。多个光栅元件910能形成多个光栅元件910的多个行902，其延续垂直于多个光发射器81的第一间断三角形图案920的若干个光栅周期(P)，其中行902中的光栅元件910之间具有间隙(g)。在光栅元件910的列904中的相邻的光栅元件910可通过连接板919连接，该连接板919从一个光栅元件910的顶侧912延伸至相邻光栅元件910的底侧914。如本文中所述并在附图中示出的那样，条纹投影系统和方法的构造和布置只是说明性的。虽然在此公开中仅详细描述了本发明的少数实施例，但阅读此公开的本领域技术人员将容易意识到，在本质上不脱离所附权利要求中记载的主题的优点和新颖教导的情况下，多个修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数的值，安装布置，材料的使用，定向等方面的变化)。因此，所有此类修改意于包括在如所附权利要求中限 定的本发明的范围内。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据备选实施例进行改变或重新定序。在权利要求中，任何单元加功能子句意于覆盖在本文中描述为执行所记载的功能的结构，以及不仅覆盖结构等效物，而且还覆盖等效结构。在不脱离如所附权利要求中表达的本发明的实施例的精神的情况下，可在优选和其它示例性实施例的设计、操作条件和布置方面进行其它替代、修改、更改和省略。因此，本发明的技术范围不但涵盖上述那些实施例，而且涵盖属于所附权利要求的范围的那些实施例。如本文所述和附图中示出的那样，成像器系统和方法的构造和布置只是说明性的。在不背离本发明描述的方法的功能的情况下，本领域技术人员能够认识到成像器系统可包括常规的管道镜中继系统、成像束或用于移动摄像头的其它单元。虽然在此公开中只详细描述了本发明的几个实施例，但阅读此公开的本领域技术人员将容易理解，在本质上不脱离所附权利要求中记载的主题的优点和新颖教导的情况下，多个修改是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数的值，安装布置，材料的使用，定向等方面的变化)。因此，所有此类修改意于包括在如所附权利要求中限定的本发明的范围内。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域任何技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构元件，则该示例意于在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种探头，包括 插入管； 多个光发射器，平行于所述插入管的远端而设置，其中所述多个光发射器沿着垂直于所述光发射器的轴间隔开； 至少一个强度调制元件，包括具有光栅周期的多个光栅元件的多个列，其中所述多个光栅元件的所述多个列平行于所述多个光发射器，并且其中来自所述多个光发射器的光经过所述至少一个强度调制元件以投影多个条纹集到表面上，所述多个条纹集中的每个包括当所述多个光发射器的至少一个的一个光发射器组在发射时投影的结构化光图案， 成像器，用于获得所述表面的至少一个图像；处理单元，配置成对所述至少一个图像执行相移分析； 检查光传递系统，从检查光源传递光至表面； 其中，在检查模式期间所述检查光传递系统从所述插入管远端输出光； 其中，从所述检查光传递系统输出的光的强度在测量模式期间自动降低；以及 其中，当所述多个条纹集的至少一个投影到所述表面时，探头在测量模式中操作。
2.如权利要求I所述的探头，其中所述多个光栅元件包括 第一连续正弦图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的顶侧； 第二连续正弦图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的底侧，其中所述第二连续正弦图案与所述第一连续正弦图案相对并为其镜像；并且 其中所述多个光栅元件形成光栅元件的多个行，其延续垂直于所述多个光发射器的所述第一连续正弦图案的若干光栅周期。
3.如权利要求I所述的探头，其中所述多个光栅元件中的每个包括 第一间断正弦图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的顶侧； 第二间断正弦图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的底侧，其中所述第二间断正弦图案与所述第一间断正弦图案相对并且为其镜像； 左侧和右侧，对于所述多个光栅元件的每个截断所述第一间断正弦图案和所述第二间断正弦图案； 其中，所述多个列中的所述多个光栅元件通过连接板连接，所述连接板从一个光栅元件的顶侧延伸至相邻光栅元件的底侧；并且 其中，所述多个光栅元件形成光栅元件的多个行，其延续垂直于所述多个光发射器的所述第一间断正弦图案的若干光栅周期，在所述行中一个光栅元件的左侧和相邻光栅元件的右侧之间形成间隙。
4.如权利要求I所述的探头，其中所述多个光栅元件包括 第一连续三角形图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的顶侧； 第二连续三角形图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的底侧，其中所述第二连续三角形图案与所述第一连续三角形图案相对并且为其镜像；并且其中所述多个光栅元件形成光栅元件的多个行，其延续垂直于所述多个光发射器的所述第一连续三角形图案的若干光栅周期。
5.如权利要求I所述的探头，其中所述多个光栅元件中的每个包括 第一间断三角形图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的顶侧； 第二间断三角形图案，垂直于所述多个光发射器而延伸，形成所述多个光栅元件的每个的底侧，其中所述第二间断三角形图案与所述第一间断三角形图案相对并且为其镜像； 左侧和右侧，对所述多个光栅元件的每个截断所述第一间断三角形图案和所述第二间断三角形图案； 其中，所述多个列中的所述多个光栅元件通过连接板连接，所述连接板从一个光栅元件的顶侧延伸至相邻光栅元件的底侧；并且 其中，所述多个光栅元件形成光栅元件的多个行，其延续垂直于所述多个光发射器的所述第一间断三角形图案的若干光栅周期，在所述行中一个光栅元件的左侧和相邻光栅元件的右侧之间形成间隙。
6.如权利要求I所述的探头，其中所述结构化光图案包括平行的亮线和暗线，并且其中所述平行的亮线和暗线包括正弦强度轮廓。
7.如权利要求I所述的探头，其中当将所述多个条纹集的至少一个投影到所述表面时，所述探头在测量模式中操作。
8.如权利要求I所述的探头，其中所述多个光发射器定位成使得一个条纹集的所述结构化光图案展现出相对于其他条纹集的所述结构化光图案的相移。
9.如权利要求I所述的探头，其中所述多个光发射器中的每个包括至少两个发光二极管的串。
10.如权利要求I所述的探头，还包括包括所述至少一个强度调制元件的可分离末端，其中所述多个光发射器固定地附连于所述插入管。
全文摘要
本发明用于具有适合相移分析的强度调制元件的探头的条纹投影系统，公开了一种强度调制元件，用于具有多个光发射器的探头以进行相移分析和测量。该强度调制元件包括由两个相向图案形成的多个光栅元件的多个列。
文档编号G02B27/48GK102778198SQ20121024919
公开日2012年11月14日 申请日期2012年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者C·A·本达尔, T·A·基勒克 申请人:通用电气公司