用于确定物体的距离、表面厚度和光学特性的设备及相关方法与流程

通常，本公开涉及光学测量和成像。更特别地，但不排他地，本公开涉及物体的位置和光学特性的确定。

背景技术：

1、非接触式光电测量设备提供了一种非破坏性和相对高速的方法用于提供表面轮廓和表面表征。存在多种不同的技术来感知深度信息以测量物体和表面的距离和取向，诸如共焦、结构光或激光三角测量、白光干涉测量、条纹投影或焦深成像技术。

2、三角测量设备被广泛用于将深度信息添加到不同类型的工业机器视觉系统中，部分原因是它们相对简单并且易于使用。在基于三角测量的设备中，通常将激光束或led投射到被测物体上，并且由光传感器以取决于光源和物点之间的距离的成像角度来检测从物点反射的光。成像角度、光源和光传感器之间的基线以及从光源投射的光的角度定义了三角测量几何结构，从该三角测量几何结构可提取深度信息和表面轮廓。通常还提取所检测到的光的强度以提供揭示有关重要材料光学特性的信息的表面反射比。

3、目前三角测量设备中的一个已知问题是，测量速度受限于光传感器的帧速率。

4、目前激光三角测量设备中的一个已知问题是不可避免的散斑噪声(由于相干照明光子，散斑噪声被视为光传感器上的干涉图样)，从而损害表面位置和表面光学特性的提取。

5、目前激光三角测量设备中的另一个已知问题来自于仅使用小数值孔径光学器件的限制，这严重限制了为有光泽的倾斜表面产生表面轮廓的能力。

技术实现思路

1、本发明的目的是在确定被测物体的表面位置和表面光学特性的背景下至少缓解与现有解决方案相关联的一个或多个问题。特别地，本发明的一个目的是提供一种用于确定表面位置和表面光学特性的测量设备，该测量设备允许提高测量速度。另外，本发明的一个目的是提供这样一种测量设备，该测量设备也适用于确定有光泽的倾斜表面的表面位置和表面光学特性。另外，本发明的一个目的是简化测量设备的布置。本发明的另外的目的是提供一种能够同时确定表面位置以及表面的选自由以下项组成的组的特性中的至少一者的设备和方法：反射比、反射率、透射比和对一种或多种不同波长的光的透射。

2、下文呈现了简化的概述，从而以简化的形式提供对本发明的一些概念的基本理解，作为对本发明的例示性和非限制性实施例的更详细描述的前序。

3、本发明的目的可以通过独立权利要求的特征来实现。

4、根据本发明的一个方面，提供了一种用于确定物体的位置和/或光学特性的新设备。根据本发明的设备包括：

5、–点状或线状输出元件，其用于提供光；

6、–照明光学器件，其用于将光从输出元件引导至物体；

7、–光传感器，其用于检测光的强度值；以及

8、–成像光学器件，其用于将来自物体的光收集到光传感器。

9、照明光学器件被配置成将光从输出元件的定位点聚焦在多个照明聚焦点或聚焦区域上，该多个照明聚焦点或聚焦区域沿照明坐标轴定位在距照明光学器件不同距离处，该照明坐标轴与照明光学器件的针对输出元件的定位点的主光线相关联，其中该主光线对于从输出元件的定位点聚焦的多个照明聚焦点或聚焦区域是共有的，并且其中沿同一照明坐标轴的照明聚焦点或聚焦区域中的每一者至少在主波长或形状上彼此不同，并且/或者用照明光学器件的不同光学孔径形成。

10、成像光学器件被配置成从光传感器的定位点中的每一者形成多个成像聚焦点或聚焦区域，该多个成像聚焦点或聚焦区域沿成像坐标轴定位在距成像光学器件不同距离处，该成像坐标轴与成像光学器件的针对光传感器的对应定位点的对应主光线相关联，其中对应主光线对于从光传感器的对应定位点形成的多个成像聚焦点是共有的，并且其中沿同一成像坐标轴的成像聚焦点或聚焦区域中的每一者至少在主波长或形状上彼此不同，并且/或者用成像光学器件的不同光学孔径聚焦。

11、照明光学器件和成像光学器件被配置成形成多个重合聚焦点或聚焦区域，使得来自沿同一照明坐标轴的多个照明聚焦点或聚焦区域的各个聚焦点或聚焦区域中的每一者在重合聚焦点或聚焦区域处与沿不同成像坐标轴定位的成像聚焦点或聚焦区域重合，其中照明坐标轴的取向与成像坐标轴的取向不同。此外，照明光学器件和成像光学器件被配置成形成多个重合聚焦点或聚焦区域，使得重合聚焦点或聚焦区域中的每一者由与共同主波长或形状相关联的照明聚焦点或聚焦区域和成像聚焦点或聚焦区域组成，并且/或者用照明光学器件和成像光学器件的相关光学孔径形成。

12、该设备被配置成从由光传感器检测到的光的强度分布的局部最大值来确定物体的物点的位置和/或光学特性，使得：

13、–从该局部最大值的定位来确定物点的位置；和/或

14、–从该局部最大值的强度或波长确定物点的光学特性，

15、其中所述局部最大值是由从物点与重合聚焦点或聚焦区域中的一者的交点收集的光所产生的。

16、根据本发明，还提供了一种用于确定物体的位置和/或光学特性的新方法。根据本发明的方法包括：

17、–提供从不同方向进行的对物体的光学照明和光学检测，使得：

18、■将光从输出元件的定位点聚焦在多个照明聚焦点或聚焦区域上，该多个照明聚焦点或聚焦区域沿照明坐标轴定位在距照明光学器件不同距离处，该照明坐标轴与照明光学器件的针对输出元件的定位点的主光线相关联，其中该主光线对于从输出元件的定位点聚焦的多个照明聚焦点或聚焦区域是共有的，并且其中沿同一照明坐标轴的照明聚焦点或聚焦区域中的每一者至少在主波长或形状上彼此不同，并且/或者用照明光学器件的不同光学孔径形成，以及

19、■从光传感器的定位点中的每一者形成多个成像聚焦点或聚焦区域，该多个成像聚焦点或聚焦区域沿成像坐标轴定位在距成像光学器件不同距离处，该成像坐标轴与成像光学器件的针对光传感器的对应定位点的对应主光线相关联，其中对应主光线对于从光传感器的对应定位点形成的多个成像聚焦点或聚焦区域是共有的，并且其中沿同一成像坐标轴的成像聚焦点或聚焦区域中的每一者至少在主波长或形状上彼此不同，并且/或者用成像光学器件的不同光学孔径聚焦；

20、–形成多个重合聚焦点，使得来自沿照明坐标轴的多个照明聚焦点或聚焦区域的各个聚焦点中的每一者在重合聚焦点或聚焦区域处与沿不同成像坐标轴定位的成像聚焦点或聚焦区域重合，其中照明坐标轴的取向与成像坐标轴的取向不同，并且重合聚焦点或聚焦区域中的每一者由与共同主波长或形状相关联的照明聚焦点或聚焦区域和成像聚焦点或聚焦区域组成，并且/或者用照明光学器件和成像光学器件的相关光学孔径形成；

21、–由光传感器检测由成像光学器件从物体收集的光的强度值；以及

22、–确定物体的物点的位置和/或光学特性，使得从所检测到的光的强度分布的局部最大值的定位来确定物点的位置，并且/或者从所检测到的光的强度分布的局部最大值的强度或波长来确定物点的光学特性，其中所述局部最大值是由从物点与重合聚焦点或聚焦区域中的一者的交点收集的光所产生的。

23、根据本发明，还提供了该设备用于确定物体的第一表面与第二表面之间的厚度的用途，其中物体对于被引导至该物体的光至少部分地透明或半透明。

24、本发明提供优于现有技术的优点，例如，本发明：

25、–可允许利用大的照明数值孔径和成像数值孔径来实现对有光泽的倾斜表面的测量；

26、

27、–可允许在照明和成像中使用高数值孔径光学器件，并仍然保持大的景深，并因

28、此保持大的深度(z方向)测量范围；

29、–可允许使用完整测量空间来实现物体的聚焦测量；

30、–可允许使用单个图像帧同时测量多个(例如数十个)表面轮廓，并且因此提高

31、测量速度；

32、–可允许提供非相干光照明，并且因此能够将光收集到光传感器上而没有散斑噪声；

33、

34、–可允许准确地确定物点的位置，而不管物体的漫反射或光泽度如何；

35、–可允许利用相同种类的光学器件进行照明和成像。

36、在所附的从属权利要求中描述了各种例示性和非限制性实施例。除非另外明确陈述，否则从属权利要求中所述的特征可相互自由组合。

37、在本文中，词语“多个”是指两个或更多个的数量。此外，应当理解，贯穿本文使用“一个”或“一”(即单数形式)并不排除复数。

38、在本文中，词语“轴(axis)”表示假想线，并且词语“轴(axes)”是“轴(axis)”的复数形式。

39、动词“包括”和“包含”在本文中用作开放式限制，既不排除也不要求存在未列举的特征。

40、在所附权利要求中特别阐述了被视为本发明的特性的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，将根据对具体示例实施例的以下描述最佳地理解本发明本身的构造和操作方法以及其另外的目的和优点。

41、如技术人员所理解的，关于设备的各种实施例的考虑可以经过必要的修正而灵活地应用于方法的实施例，反之亦然。

42、以下具体实施方式中的实施例仅作为实例给出，并且本领域的技术人员还可通过一些不同于说明书中所描述的其他方式来实现本发明的基本思想。大多数实施例可以以与其他实施例的各种组合来实现。尽管本说明书可在多个地方引用某个实施例或某些实施例，但这并不意味着该引用仅针对一个所描述的实施例，或者所描述的特性仅在一个所描述的实施例中可用。可组合多个实施例的单个特性并且因此可提供本发明的新实施例。