CN110044275A - 用于测量物体的表面的高度图的方法、***和数据载体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量物体的表面的高度图的方法、***和数据载体。在用于测量物体的表面的高度图的方法和***中，执行以下步骤。使用具有覆盖个体分区的视场即FOV的光学轮廓仪来测量物体的表面的不同分区的高度图，其中该高度图包括高度数据。将测量高度图分组成不同集合的高度图，其中在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及其中，各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠。在各集合内，将测量高度图拼接为子合成拼接高度图。将子合成拼接高度图组合为合成高度图。

Description

用于测量物体的表面的高度图的方法、***和数据载体
技术领域
本发明涉及测量物体的表面的高度图的领域，并且更具体地涉及用于在2.5D或3D光学计量成像或者光学剖析中使用光学轮廓仪测量这种高度图的方法和***，其包括：白光干涉测量、结构照明显微镜、聚焦点恢复/聚焦形状恢复感测、共聚焦显微镜、彩色点传感器阵列感测、相移干涉测量、激光干涉仪显微镜等。
背景技术
在使用2.5D或3D光学计量成像***来测量物体的表面的高度图时，视场(FOV)受到限制。因而，一次仅可以测量物体的表面的有限区域。为了测量大于一个视场的区域，不得不组合样本上的多个位置处的多个测量。
用以组合多个视场的常用方法是使用拼接算法。在假定测量高度图在重叠区域中重叠的情况下，在拼接算法中，通过组合各个高度图的转动和移位(shift)来使高度图的重叠区域中的偏移(offset)最小化。最常见地，这使用误差函数的最小二乘解来进行。拼接算法和方法本身是众所周知的，并且已经在例如美国专利5,343,410A、美国专利5,991,461A、美国专利5,987,189A中进行了广泛说明。
存在如下的问题：重叠区域中的丢失或错误数据可能导致拼接算法中的严重失败。作为示例，光学2.5D表面计量方法将不能应对大的步长(阴影)、孔、陡坡或局部低反射率区域。因此，对于一些物体，不可避免地发生数据中的间隙。
有鉴于此，如果一个高度图或一组高度图与物体的剩余高度图断开(即，一个高度图或一组高度图与物体的剩余高度图不存在有效重叠)，则当前的拼接算法和方法将失败。
需要改进该情形。
发明内容
将期望提供用于测量物体的表面的高度图的改进了的或替代的方法和相应***。还将期望提供用于测量物体的表面的高度图的改进了的或替代的方法和相应***，其中各个视场的一个或多个个体高度图或者高度图组与一个或多个其它个体高度图或者其它高度图组不存在有效重叠。
为了更好地解决这些担忧中的一个或多个，在本发明的第一方面中，提供一种用于测量物体的表面的高度图的方法。该方法包括：
使用具有覆盖个体分区的视场即FOV的光学轮廓仪来测量所述物体的表面的不同分区的高度图，其中各高度图包括高度数据；将测量高度图分组成高度图的不同集合，其中，在各集合内、该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠；以及在各集合内，将测量高度图拼接为子合成拼接高度图。
根据本发明的解决方案使得能够防止在物体的表面的分区的测量高度图没有通过其它测量高度图的(有效)重叠连接至另一测量高度图的情况下的拼接失败。根据本发明，对于第一测量高度图，调查是否存在与第一测量高度图重叠的任何其它测量高度图、以及同与第一测量高度图重叠的所述其它测量高度图重叠的任何另外的测量高度图。将示出这种重叠的测量高度图分组成集合，直到找不到与该集合的任何测量高度图存在重叠的更多附加的测量高度图为止。对于剩余的测量高度图(在存在的情况下)，重新开始该处理，以形成测量高度图的一个或多个另外的集合，直到不存在更多剩余的测量高度图为止。在该处理中，测量高度图的集合可以包括单个测量高度图。在该处理之后，属于测量高度图的一个集合的各测量高度图与测量高度图的任何其它集合的任何测量高度图不存在有效重叠。因而，测量高度图的集合定义物体的表面的单独部分。这里假定识别到测量高度图的至少两个集合。
然后，在测量高度图的各集合内，将高度图拼接为子合成拼接高度图。在高度图的各集合内，各高度图通过其它高度图的重叠连接至同一高度图集合中的任何其它高度图，使得在构建子合成拼接高度图时，在高度图的各集合内不会发生拼接失败。
在实施例中，测量方法在拼接步骤之后，还包括：针对测量高度图的各集合，将所述子合成拼接高度图组合为合成高度图。
该合并步骤可以基于关联坐标系(例如，笛卡尔X、Y、Z坐标系或任何其它适当坐标系)中的高度图的绝对坐标数据来进行。该拼接将通过对子合成拼接高度图的Z值求平均来减少Z(高度坐标)的任何误差。
在测量方法的实施例中，将测量高度图分组成高度图的不同集合的步骤包括：使集合的数量最小化。
由于如上所述在两步方法中形成合成高度图(即，首先将测量高度图分组成高度图的不同集合以获得子合成拼接高度图，然后将子合成拼接高度图组合为合成高度图)，因此可以通过使分组的高度图的集合的数量最小化来使确定合成高度图的处理时间最小化。
在测量方法的实施例中，将测量高度图分组成高度图的不同集合的步骤包括以下步骤：
(a)通过使各测量高度图与索引相关联来对所有测量高度图编索引；(b)针对测量高度图中的每一个测量高度图，生成与同测量的高度图中的所述每一个测量高度图共享有效重叠的其它测量高度图相关联的索引列表；(c)选择测量高度图；(d)将所选择的测量高度图的索引列表中的各索引与所有其它测量高度图的索引列表中的索引进行比较；(e)在发现了所选择的测量高度图的索引列表中的一个索引和另一测量高度图的索引列表中的一个索引之间的一致的情况下，将所述另一测量高度图的索引列表与所选择的测量高度图的索引列表合并，并且丢弃所述另一测量高度图的索引列表；(f)在合并的索引列表中，搜索出现了多于一次的索引；(g)在所述合并的索引列表中识别到出现了多于一次的索引的情况下，在所述合并的索引列表中保留该索引的一次出现，并且将该索引的所有其它出现从所述合并的索引列表中丢弃以获得精简的合并的索引列表；以及(h)对所有剩余的测量高度图重复步骤(c)～(g)，其中，各剩余的索引列表表示高度图的集合其中之一。
通过被编程为在计算机***的处理器中运行的计算机指令的算法遵循上述步骤(a)～(h)将使得形成高度图的集合并且高度图的集合由高度图的各个索引列表来定义。上述步骤(a)～(h)将进一步具有使如此形成的高度图的集合的数量保持最小的结果。
在将测量高度图分组成高度图的不同集合以获得子合成拼接高度图时，要识别重叠高度图。在识别重叠高度图时，在第一种情况下，在重叠高度图之间可能仅存在高度偏移。在第二种情况下，在重叠高度图之间可能存在高度偏移和倾斜误差。在这两种情况下，重叠需要是有效的以进行分组。为了确定高度图的重叠的有效性，针对各情况使用不同的方法。
参考第一种情况，在测量方法的实施例中，各分区包括网格位置，其中各高度图包括相应分区的网格位置处的高度数据，并且其中，在要通过将各集合内的高度图拼接为子合成拼接高度图而仅校正重叠高度图之间的高度偏移的情况下，如果在所述重叠高度图中的每一个重叠高度图中在所述重叠高度图公共的至少一个网格位置处存在有效高度数据，则发生有效重叠。
参考第二种情况，在测量方法的实施例中，各分区包括网格位置，其中各高度图包括相应分区的网格位置处的高度数据，并且其中，在要通过将各集合内的高度图拼接为子合成拼接高度图而校正重叠高度图之间的高度偏移和倾斜误差的情况下，如果在所述重叠高度图中的每一个重叠高度图中在所述重叠高度图公共的至少三个不同网格位置处存在有效高度数据，则发生有效重叠。
在测量方法的实施例中，基于至少一个预扫描高度图或扫描后高度图来补偿子合成拼接高度图之间的高度偏移。
预扫描高度图可以包括诸如定义物体的部分的相对空间位置的数据等的计算机辅助设计(CAD)数据。
预扫描高度图或扫描后高度图可以包括传感器所测量到的高度数据。该传感器可以是具有大于子合成拼接高度图之间的间隙的FOV的光学传感器。因而，该传感器所测量到的高度数据可以提供用于将子合成拼接高度图组合为合成高度图的参考数据。在另一实施例中，该传感器是被配置用于在至少在一个位置处接触物体的表面的各分区的触觉传感器。触觉传感器如此接触的各个不同位置的高度与子合成拼接高度图的各个高度数据相关联，随后可以使已获得的所有高度数据相互关联以补偿子合成拼接高度图之间的高度偏移。
在测量方法的实施例中，根据用以基于(可能变化的)环境温度估计漂移的温度漂移模型数据来补偿子合成拼接高度图之间的高度偏移。
在测量方法的实施例中，其中预扫描或扫描后高度数据(数据点)是可用的，所述测量方法还包括：
计算所述预扫描高度图或扫描后高度图的与各子合成拼接高度图存在重叠(即，在重叠的表面区域中)的数据点；计算各子合成拼接高度图的高度数据的第一平均值；计算所述预扫描高度图或扫描后高度图中的相应重叠高度数据(即，在重叠的表面区域中的高度数据)的第二平均值；通过从所述第二平均值中减去所述第一平均值来计算各子合成拼接高度图的偏移；以及在将所述子合成拼接高度图拼接为合成高度图之前，针对各子合成拼接高度图，从该子合成拼接高度图的高度数据中减去该子合成拼接高度图的相应偏移。
在测量方法的替代实施例中，其中预扫描或扫描后高度数据(数据点)是可用的，所述测量方法还包括：将所述子合成拼接高度图的数据点插值到所述预扫描高度图或扫描后高度图的网格位置；计算所述预扫描高度图或扫描后高度图的与各插值的子合成拼接高度图存在重叠(即，在重叠的表面区域中)的数据点；计算各插值的子合成拼接高度图的高度数据的第一平均值；计算所述预扫描高度图或扫描后高度图中的相应重叠高度数据(即，在重叠的表面区域中的高度数据)的第二平均值；通过从所述第二平均值中减去所述第一平均值来计算各插值的子合成拼接高度图的偏移；以及在将所述子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图组合为合成高度图之前，针对各子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图，从该子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图的高度数据中减去该子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图的相应偏移。
在测量方法的后两个实施例中的实施例中，仅在如下的值大于预定阈值的情况下，才进行偏移减法，其中该值基于高度图的各集合中的视场的数量、一个视场中的数据密度和点对点不确定性至少之一。该阈值用于示出利用偏移计算和减法改善高度计算结果的可能性。
在实施例中，所述测量方法还包括：
在所述表面的绝对高度数据丢失的情况下，通过以下操作来恢复所述表面的绝对高度数据：拟合第一面至所述子合成拼接高度图；从所述子合成拼接高度图中减去拟合的第一面；使第二面拟合至相应的测量的高度数据；以及将拟合的第二面加到所述子合成拼接高度图。
相应的测量高度数据可以是包括传感器所测量到的高度数据的预扫描或扫描后高度图。如上所述，传感器例如可以是光学传感器或触觉传感器。
在测量方法的后者变形的实施例中，拟合第一面的步骤涉及使用测量的高度数据的子集，以在保持优良结果的同时减少计算工作量。该子集可以包括视场的中心处的高度数据。替代地，拟合第一面的步骤可以涉及使用各相应视场的平均值。
在实施例中，所述测量方法还包括以下步骤：通过以下操作来针对个体分区、针对高度图的集合、针对子合成拼接高度图、针对合成高度图、或者针对所述表面来建立公共网格：计算X方向和Y方向上的平均像素大小；计算X方向和Y方向上的平均FOV大小；根据所述平均像素大小和所述平均FOV大小来计算X方向和Y方向上的平均场步长大小；以及生成所有高度数据的插值所用的公共X-Y网格。
在测量方法的后者变形的实施例中，所述场步长大小是能够变化的、特别是伪随机的。
在第二方面中，本发明提供一种用于测量物体的表面区域的高度图的***。所述***包括：
存储器，用于存储所述物体的表面的不同分区的测量高度图的高度数据；以及处理单元，其被配置用于：从所述存储器中检索测量高度图的高度数据；将测量高度图分组成高度图的不同集合，其中在各集合内、该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠；以及在各集合内，将测量高度图拼接为子合成拼接高度图。
在实施例中，所述测量***还包括：
至少一个光学轮廓仪，其具有视场即FOV，所述光学轮廓仪被配置用于测量所述物体的表面的不同分区的高度图，所述FOV覆盖个体分区，其中各高度图包括高度数据。
在测量***的实施例中，所述处理单元还被配置用于：
将所述子合成拼接高度图组合为合成高度图。
在测量***的实施例中，用于将测量高度图分组成高度图的不同集合的所述处理单元还被配置用于：(a)通过使各测量高度图与索引相关联来对所有测量高度图编索引；(b)针对测量高度图中的每一个测量高度图，生成与同测量的高度图中的所述每一个测量高度图共享有效重叠的其它测量高度图相关联的索引列表；(c)选择测量高度图；(d)将所选择的测量高度图的索引列表中的各索引与所有其它测量高度图的索引列表中的索引进行比较；(e)在发现了所选择的测量高度图的索引列表中的一个索引和另一测量高度图的索引列表中的一个索引之间的一致的情况下，将所述另一测量高度图的索引列表与所选择的测量高度图的索引列表合并，并且丢弃所述另一测量高度图的索引列表；(f)在合并的索引列表中，搜索出现了多于一次的索引；(g)在所述合并的索引列表中识别到出现了多于一次的索引的情况下，在所述合并的索引列表中保留该索引的一次出现，并且将该索引的所有其它出现从所述合并的索引列表中丢弃，以获得精简的合并的索引列表；以及(h)对所有剩余的测量高度图重复步骤(c)～(g)，其中，各剩余的索引列表表示高度图的集合其中之一。
在测量***的实施例中，所述处理单元还被配置用于将所计算出的高度数据至少输出至以下装置：
显示装置，用于显示各子合成拼接高度图；存储器装置，用于存储所述子合成拼接高度图的高度数据；以及/或者打印装置，用于打印各子合成拼接高度图。
在本发明的第一方面的测量方法或本发明的第二方面的测量***的实施例中，从如下一组光谱轮廓仪中选择光学轮廓仪，所述光谱轮廓仪包括：白光干涉仪(WLI)、相移干涉仪(PSI)、彩色点传感器(chromatic point sensor,CPS)阵列、聚焦点恢复/聚焦形状恢复(points-from-focus/shape-from-focus,PFF/SFF)传感器、共焦显微镜、结构照明显微镜(SIM)和激光干涉仪显微镜(LIM)。
在第三方面中，本发明提供一种计算机程序，其包括计算机指令，所述计算机指令使加载所述计算机指令的处理单元进行根据本发明的第一方面所述的方法的分组的步骤。
在第四方面中，本发明提供一种数据载体、特别是非易失性数据载体，其存储计算机指令，所述计算机指令使加载所述计算机指令的处理单元进行根据本发明的第一方面所述的方法的分组的步骤。
通过参考以下结合附图所进行的详细说明，能够容易地明白和更好地理解本发明的这些和其它方面，在这些附图中，相同的附图标记指定相同的部分。
附图说明
图1A和1B组合示出根据本发明的用于测量物体的表面的高度图的方法的实施例的流程图。
图1C和1D示出根据本发明的方法的实施例的步骤的流程图。
图1E示出根据本发明的***的组件的框图。
图2示出根据本发明的要测量高度图的包括非连接表面部分的物体的一部分的立体图，其中示出用于测量图2的物体的表面的方法和***中的、包括用于定义坐标的相互正交的X轴、Y轴和Z轴的轴***。
图3示出图2的物体的表面的顶视图，其示出一些视场和各自的一些重叠区域。
图4示出针对多个视场所测量到的高度图。
图5示出测量高度图至测量高度图的集合的分组。
图6A和6B示出在测量高度图的第一集合中将测量高度图拼接为子合成高度图的结果。
图6C和6D示出在测量高度图的第二集合中将测量高度图拼接为子合成高度图的结果。
图6E和6F示出在测量高度图的第三集合中将测量高度图拼接为子合成高度图的结果。
图6G和6H示出在测量高度图的第四集合中将测量高度图拼接为子合成高度图的结果。
图7示出将子合成拼接高度图组合为合成高度图的结果。
具体实施方式
图1A和1B组合示出根据本发明的用于测量物体的表面的高度图的方法的实施例的流程图。
在该方法中，作为准备步骤，如块100所示，使用具有覆盖个体分区的视场(FOV)的光学轮廓仪来测量物体的表面的不同分区的高度图。用以获得这种高度图的方法在现有技术内是众所周知的，并且这里没有详细论述。如通过参考图3更详细地所述，这里假定各高度图的表面区域与一个或多个其它高度图的表面区域重叠。换句话说，表面的各分区的表面区域与一个或多个其它分区的表面区域重叠。
作为准备步骤的结果，测量高度图的高度图数据变得可供各分区使用。如在具有相互正交的X轴、Y轴和Z轴的笛卡尔坐标系中所看到的，这种高度图数据针对各测量高度图可以包括各自具有X、Y和Z坐标的点的集合，其中Z坐标表示高度值。
如块102所示，可以使用来自多个或所有高度图的测量高度图数据来确定X轴方向和Y轴方向这两者上的平均像素大小、X方向和Y方向上的平均场大小(或分区大小)、以及X方向和Y方向上的平均场步长大小(或分区步长大小)。可以使用这些值(平均像素大小、平均场大小和平均场步长大小)来生成高度图数据可插值的公共X-Y网格。
随后，在如块104所示的下一步骤中，将测量高度图的高度图数据插值到公共X-Y网格。
高度图数据和/或插值的高度图数据可被存储在非易失性计算机存储器中，并且计算机处理***可以在该高度图数据和/或插值的高度图数据中检索要处理的高度图数据和/或插值的高度图数据。可以将针对不包含有效数据的测量高度图的高度图数据和/或插值的高度图数据从存储器中删除，以节省存储空间并缩短计算时间。
如块100、102和104所示进行的步骤根据现有的高度图拼接方法是已知的。
接着，根据本发明，将测量高度图分组成高度图的不同集合，其中在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及其中，各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠。可以将分组的测量高度图的集合拼接以形成子合成拼接高度图。
对于该分组处理，执行以下步骤。
如块106所示，通过使各测量高度图与索引相关联来向所有的测量高度图编索引。
在如块108所示的下一步骤中，针对测量高度图中的每一个测量高度图，生成与同测量高度图中的所述每一个测量高度图共享有效重叠的其它测量高度图相关联的索引列表。
如上所述，各分区包括网格位置，并且各高度图包括相应分区的网格位置处的高度数据。
在通过将各集合内的高度图拼接为子合成拼接高度图而仅要校正重叠高度图之间的高度偏移的情况下，如果在这些重叠高度图的每一个重叠高度图中在这些重叠高度图公共的至少一个网格位置处存在有效高度数据，则发生有效重叠。在该至少一个网格位置处，不同高度图的有效高度数据可以相同，或者可以不同。
在通过将各集合内的高度图拼接为子合成拼接高度图而要校正重叠高度图之间的高度偏移和倾斜误差的情况下，如果在这些重叠高度图的每一个重叠高度图中在这些重叠高度图公共的至少三个不同网格位置处存在有效高度数据，则发生有效重叠。在至少一个网格位置处，不同高度图的有效高度数据可以相同，或者可以不同。
如果高度图之间的重叠的大小小于高度图的横向大小的一半，则只有直接相邻的高度图可以具有有效重叠。通过将对有效重叠的检查仅限制到直接相邻的高度图，可以大致缩短发现有效重叠的高度图的搜索时间。
在根据块108生成索引列表之后，在如块110所示的下一步骤中，选择测量高度图。
然后，在如块112所示的下一步骤中，将所选择的测量高度图的索引列表中的各索引与所有其它测量高度图的索引列表中的索引进行比较。
在比较步骤中，采取判决步骤。在如菱形114所示的判决步骤中，如果发现了所选择的测量高度图的索引列表中的索引其中之一和另一测量高度图的索引列表中的索引其中之一之间的一致(路径“是(Y)”)，则如块116所示，将所述另一测量高度图的索引列表与所选择的测量高度图的索引列表合并(merge)。丢弃所述另一测量高度图的索引列表。如果没有发现所述一致(路径“否(N)”)，则该方法返回至块112的步骤，以将所选择的测量高度图的索引与下一其它测量高度图(在存在的情况下)的索引进行比较。
在下一步骤中，如块118所示，在合并索引列表中搜索出现了多于一次的索引。
在搜索步骤中，采取判决步骤。在判决步骤中，如菱形120所示，如果在合并索引列表中识别到出现了多于一次的索引，则如块122所示，将该索引的一次出现保留在合并索引列表中，并且如块124所示，将该索引的所有其它出现从合并索引列表中丢弃，以获得精简的合并索引列表。
如菱形126所示，针对所有剩余的测量高度图，重复根据块110、112、116、118、122和124以及菱形114和120的步骤(路径“是”)。如果不再存在剩余的测量高度图，则采取下一步骤(路径“否”)。
注意，现在将所有的测量高度图分割成测量高度图的组，其中各组由一个或多个索引的列表表示，以及其中索引的数量等于作为组的成员的测量高度图的数量。一组中的所有测量高度图与同一组中的至少一个其它高度图存在有效重叠。如此，保证了任何组内的所有测量高度图的集合的成功拼接。
在下一步骤中，如块128所示，拼接各组测量高度图中的测量高度图的集合，以针对该组获得子合成拼接高度图。可选地，可以使用品质因子作为加权因子以增加拼接算法的鲁棒性。
在利用块128所示的步骤之后，如块134所示，可以组合子合成拼接高度图以获得覆盖物体的表面的合成高度图。
可以基于物体的表面的至少一个预扫描或扫描后高度图来补偿子合成拼接高度图之间的可能高度偏移。预扫描高度图可以包括计算机辅助设计(CAD)数据。预扫描高度图还可以或替代地包括传感器所测量到的高度数据。在扫描后高度图中，也可以通过传感器测量高度数据。传感器可以是具有比关注方向上的子合成拼接高度图之间的间隙大的视场的光学传感器、或者特别地被配置为在至少一个位置处接触物体的表面的各分区的触觉传感器。此外，可以根据用以基于环境温度估计漂移的温度漂移模型数据来补偿子合成拼接高度图之间的高度偏移。
如图1C的流程图和图1D的替代流程图所示，在如块128所示的步骤和如块134所示的步骤之间，可以基于预扫描或扫描后高度图的数据点来采取不同的偏移补偿步骤。
参考图1C，在如块128所示的步骤之后，如块130a所示，可以计算预扫描或扫描后高度图的与各个子合成拼接高度图存在重叠的数据点。
然后，如块130b所示，可以计算各子合成拼接高度图的高度数据的第一平均值。
作为下一步骤，如块130c所示，可以计算预扫描或扫描后高度图中的相应重叠高度数据的第二平均值。
然后，如块130d所示，可以通过从第二平均值中减去第一平均值来计算各子合成拼接高度图的偏移，并且如块130e所示，在根据块134将子合成拼接高度图组合为合成高度图之前，对于各子合成拼接高度图，可以从子合成拼接高度图的高度数据中减去该子合成拼接高度图的相应偏移。
参考图1D，在如块128所示的步骤之后，如块132a所示，可以将子合成拼接高度图的数据点插值到预扫描或扫描后高度图的网格位置。
然后，如块132b所示，可以计算预扫描或扫描后高度图的与各个插值的子合成拼接高度图存在重叠的数据点。
作为下一步骤，如块132c所示，可以计算各插值的子合成拼接高度图的高度数据的第一平均值。
然后，如块132d所示，可以计算预扫描或扫描后高度图中的相应重叠高度数据的第二平均值。
作为下一步骤，如块132e所示，可以通过从第二平均值中减去第一平均值来计算各插值的子合成拼接高度图的偏移，并且如块132f所示，在根据块134将子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图组合为合成高度图之前，对于各子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图，可以从子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图的高度数据中减去该子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图的相应偏移。
图1E示出根据本发明的用于测量物体的表面区域的高度图的***的框图。该***至少包括：存储器152，用于存储物体的表面的不同分区的测量高度图的高度数据；以及处理单元154。高度数据可能已由具有视场(FOV)的至少一个轮廓仪150测量到，并被输出至存储器152。轮廓仪150被配置用于测量物体的表面的不同分区的高度图，其中FOV覆盖个体分区，以及其中各高度图包括高度数据。
处理单元154在执行加载到自身中的相应计算机指令时，被配置用于：
从存储器中检索测量高度图的高度数据；
将测量高度图分组成高度图的不同集合，其中在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及其中，各高度图属于一个集合且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠；以及
在各集合内将测量高度图拼接为子合成拼接高度图。
处理单元154还可被配置用于将子合成拼接高度图组合为合成高度图。
具体地，用于将测量高度图分组成高度图的不同集合的处理单元154还被配置用于：
(a)通过使各测量高度图与索引相关联来向所有的测量高度图编索引；
(b)针对测量高度图中的每一个测量高度图，生成与同测量高度图中的所述每一个测量高度图共享有效重叠的其它测量高度图相关联的索引列表；
(c)选择测量高度图；
(d)将所选择的测量高度图的索引列表中的各索引与所有其它测量高度图的索引列表中的索引进行比较；
(e)如果发现了所选择的测量高度图的索引列表中的索引其中之一和另一测量高度图的索引列表中的索引其中之一之间的一致，则将所述另一测量高度图的索引列表与所选择的测量高度图的索引列表合并，并且丢弃所述另一测量高度图的索引列表；
(f)在合并索引列表中识别出现了多于一次的索引；
(g)如果在合并索引列表中识别到出现了多于一次的索引，则将该索引的一次出现保留在合并索引列表中，并且将该索引的所有其它出现从合并索引列表中丢弃，以获得精简的合并索引列表；以及
(h)对所有剩余的测量高度图重复步骤(c)～(g)，
其中，各剩余的索引列表表示高度图的集合其中之一。
可以将所计算出的高度数据从处理单元154输出至显示装置162、存储器装置160和打印装置164至少之一，该显示装置162用于显示高度图、特别是子合成拼接高度图或合成高度图，该存储器装置160用于存储高度图、特别是子合成拼接高度图或合成高度图的高度数据，以及该打印装置164用于打印高度图、特别是子合成拼接高度图或合成高度图。
图2示意性示出物体200的具有未连接在一起的表面201、202、203和204的一部分。如图2所示，物体200与具有相互正交的X轴、Y轴和Z轴的正交坐标系相关联。物体200仅仅是作为示例所呈现的，并且本发明的方法、***和软件还能够处理具有更多甚至更加复杂的表面(例如，沿Z方向倾斜、成角度或弯曲)的物体。表面201、202和203大致为矩形并且具有部分为圆弧的凹部。表面204大致为圆形。
图3示出图2的物体200的顶视图，其中表面201、202、203和204由灰色区域示出。示出X轴[mm]和Y轴[mm]。光学轮廓仪的视场由虚线示出，其中各视场(FOV)具有在X方向上的尺寸为约0.13mm并且其在Y方向上的尺寸为约0.11mm的表面。对于物体200，示出25个视场(FOV 1～FOV 25)。作为示例，FOV 2由矩形302示出，并且FOV 19由矩形319示出。视场1～25重叠。作为示例，FOV 8与FOV 9重叠，其中重叠场由矩形389示出，并且FOV 7与FOV 12重叠，其中重叠场由矩形3712示出。
从图3看出，视场11、12、14、15、18和23没有覆盖物体200的任何表面部分。
图4以准三维视图示出如通过利用光学轮廓仪扫描根据图3的物体200的表面从而产生物体200的表面的25个重叠视场可以获得的高度图。作为示例，对于FOV 1、6、9、13、20和21，获得示出倾斜和偏移误差的各个高度图401、406、409、413、420和421。作为进一步的示例，对于FOV 5和FOV 17，获得示出偏移误差的各个高度图405、417。可以看出，由于在视场11、12、14、15、18和23中缺少有意义的Z坐标，因此不能获得这些视场的高度图。
图5示出将测量高度图分组成高度图的不同集合的结果，其中在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及其中，各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠。测量高度图的集合I包括视场1～10的高度图。测量高度图的集合II包括视场19、20、24和25的高度图。测量高度图的集合III包括视场16、17、21和22的高度图。测量高度图的集合IV包括视场13的高度图。
图6A示出集合I的高度图，而图6B示出在集合I内将测量高度图拼接为子合成拼接高度图601的结果。图6C示出集合II的高度图，而图6D示出在集合II内将测量高度图拼接为子合成拼接高度图602的结果。图6E示出集合III的高度图，而图6F示出在集合III内将测量高度图拼接为子合成拼接高度图603的结果。图6G示出集合IV的高度图，而图6H示出在集合IV内将测量高度图拼接为子合成拼接高度图604的结果。实际上，对于仅包括一个高度图的集合IV，可以省去拼接，但是可能需要对倾斜和偏移误差进行校正。
图7示出将子合成拼接高度图601、602、603和604组合为包括高度图701、702、703和704的合成高度图的结果，其中高度图701、702、703和704分别是例如使用预扫描或扫描后结果从高度图601、602、603和604计算出的。
如以上详细所述，在用于测量物体的表面的高度图的方法和***中，执行以下步骤。使用具有覆盖个体分区的视场(FOV)的光学轮廓仪来测量物体的表面的不同分区的高度图，其中各高度图包括高度数据。将测量高度图分组成高度图的不同集合，其中在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及其中，各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠。在各集合内，将测量高度图拼接为子合成拼接高度图。将子合成拼接高度图组合为合成高度图。
根据需要，本文公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅是可以以各种形式体现的本发明的例示。因此，本文公开的特定结构和功能详情不应被解释为限制性的，而是仅仅作为权利要求书的基础并且作为用于教导本领域技术人员采用几乎任何适当的详细结构以各种方式应用本发明的代表性基础。此外，本文所使用的术语和短语并不意图是限制性的，而是提供本发明的易懂描述。
如本文所使用的术语“a/an”被定义为一个或多于一个。如本文所使用的术语多个被定义为两个或多于两个。如本文所使用的术语另一个被定义为至少第二个或以上。如本文所使用的术语包括和/或具有被定义为“包含”(即，开放性语言，不排除其它要素或步骤)。权利要求书中的任何附图标记不应被解释为限制权利要求书或本发明的范围。
在相互不同的从属权利要求中陈述特定特征的仅有事实并不表明不能有利地使用这些特征的合并。
如本文所使用的术语联接(coupled)被定义为连接，但是不一定是直接连接并且不一定是机械连接。
单个处理器或其它单元可以实现权利要求书中陈述的多个项的功能。
如本文所使用的术语计算机程序等被定义为被设计成在计算机***上执行的指令序列。程序、计算机程序或软件应用程序可以包括子例程、功能、过程、对象方法、对象实现、可执行应用程序、小应用程序、小服务程序、源代码、对象代码、共享库/动态加载库、以及/或者被设计成在计算机***上(特别是在其处理单元中)执行的其它指令序列。
可以将计算机程序存储在和/或分布在合适的非易失性介质(诸如连同其它硬件一起或作为其它硬件的一部分供给的光学存储介质或固态介质等)上，而且还可以以其它形式(诸如经由因特网或者其它有线或无线电信***等)分发。

Claims (26)

1.一种用于测量物体的表面的高度图的方法，所述方法包括：
使用具有覆盖个体分区的视场即FOV的光学轮廓仪来测量所述物体的表面的不同分区的高度图，其中各高度图包括高度数据；
将测量的高度图分组成高度图的不同集合，其中，在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠；以及
在各集合内，将测量的高度图拼接为子合成拼接高度图。
2.根据权利要求1所述的方法，在所述拼接的步骤之后，还包括：将所述子合成拼接高度图组合为合成高度图。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将测量的高度图分组成高度图的不同集合的步骤包括：使集合的数量最小化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，将测量的高度图分组成高度图的不同集合的步骤包括以下步骤：
(a)通过使各测量的高度图与索引相关联来对所有测量的高度图编索引；
(b)针对测量的高度图中的每一个测量的高度图，生成与同测量的高度图中的所述每一个测量的高度图共享有效重叠的其它测量的高度图相关联的索引列表；
(c)选择测量的高度图；
(d)将所选择的测量的高度图的索引列表中的各索引与所有其它测量的高度图的索引列表中的索引进行比较；
(e)在发现了所选择的测量的高度图的索引列表中的一个索引和另一测量的高度图的索引列表中的一个索引之间的一致的情况下，将所述另一测量的高度图的索引列表与所选择的测量的高度图的索引列表合并，并且丢弃所述另一测量的高度图的索引列表；
(f)在合并的索引列表中，搜索出现了多于一次的索引；
(g)在所述合并的索引列表中识别到出现了多于一次的索引的情况下，在所述合并的索引列表中保留该索引的一次出现，并且将该索引的所有其它出现从所述合并的索引列表中丢弃，以获得精简的合并的索引列表；以及
(h)对所有剩余的测量的高度图重复步骤(c)～(g)，
其中，各剩余的索引列表表示高度图的集合其中之一。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，各分区具有网格位置，以及各高度图包括相应分区的网格位置处的高度数据，并且其中：
-在要通过将各集合内的高度图拼接为子合成拼接高度图而仅校正重叠高度图之间的高度偏移的情况下，如果在所述重叠高度图中的每一个重叠高度图中在所述重叠高度图公共的至少一个网格位置处存在有效高度数据，则发生有效重叠，以及
-在要通过将各集合内的高度图拼接为子合成拼接高度图而校正重叠高度图之间的高度偏移和倾斜误差的情况下，如果在所述重叠高度图中的每一个重叠高度图中在所述重叠高度图公共的至少三个不同网格位置处存在有效高度数据，则发生有效重叠。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，根据用以基于环境温度估计漂移的温度漂移模型数据来补偿子合成拼接高度图之间的高度偏移。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，基于至少一个预扫描高度图或扫描后高度图来补偿子合成拼接高度图之间的高度偏移。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预扫描高度图包括计算机辅助设计数据即CAD数据。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述预扫描高度图或所述扫描后高度图包括传感器所测量到的高度数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述传感器是具有大于子合成拼接高度图之间的间隙的FOV的光学传感器或者被配置用于至少在一个位置处接触所述物体的表面的各分区的触觉传感器。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，还包括：
计算所述预扫描高度图或所述扫描后高度图的与各子合成拼接高度图存在重叠的数据点；
计算各子合成拼接高度图的高度数据的第一平均值；
计算所述预扫描高度图或所述扫描后高度图中的相应重叠高度数据的第二平均值；
通过从所述第二平均值中减去所述第一平均值来计算各子合成拼接高度图的偏移；以及
在将子合成拼接高度图拼接为合成高度图之前，针对各子合成拼接高度图，从该子合成拼接高度图的高度数据中减去该子合成拼接高度图的相应偏移。
12.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，还包括：
将所述子合成拼接高度图的数据点插值到所述预扫描高度图或所述扫描后高度图的网格位置；
计算所述预扫描高度图或所述扫描后高度图的与各插值的子合成拼接高度图存在重叠的数据点；
计算各插值的子合成拼接高度图的高度数据的第一平均值；
计算所述预扫描高度图或所述扫描后高度图中的相应重叠高度数据的第二平均值；
通过从所述第二平均值中减去所述第一平均值来计算各插值的子合成拼接高度图的偏移；以及
在将子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图组合为合成高度图之前，针对各子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图，从该子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图的高度数据中减去该子合成拼接高度图或插值的子合成拼接高度图的相应偏移。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，仅在如下的值大于预定阈值的情况下，才进行偏移减法，其中该值基于高度图的各集合中的FOV的数量、一个视场中的数据密度和点对点不确定性至少之一。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，还包括：在所述表面的绝对高度数据丢失的情况下，通过以下操作来恢复所述表面的绝对高度数据：
拟合第一面至所述子合成拼接高度图；
从所述子合成拼接高度图中减去拟合的第一面；
使第二面拟合至相应的测量的高度数据；以及
将拟合的第二面加到所述子合成拼接高度图。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，拟合第一面的步骤涉及：使用测量的高度数据的子集。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述子集包括视场的中心处的高度数据。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，拟合第一面的步骤涉及：使用各相应视场的平均值。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
通过以下操作来针对个体分区、针对高度图的集合、针对子合成拼接高度图、针对合成高度图、或者针对所述表面来建立公共网格：
计算X方向和Y方向上的平均像素大小；
计算X方向和Y方向上的平均FOV大小；
根据所述平均像素大小和所述平均FOV大小来计算X方向和Y方向上的平均场步长大小；以及
生成所有高度数据的插值所用的公共X-Y网格。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述场步长大小是能够变化的。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述场步长大小是伪随机的。
21.一种用于测量物体的表面区域的高度图的***，所述***包括：
存储器，用于存储所述物体的表面的不同分区的测量的高度图的高度数据；以及
处理单元，其被配置用于：
从所述存储器中检索测量的高度图的高度数据；
将测量的高度图分组成高度图的不同集合，其中在各集合内，该集合的高度图中的每一个高度图与该集合的至少一个其它高度图存在有效重叠，以及各高度图属于一个集合并且与另一集合的任何高度图不存在有效重叠；以及
在各集合内，将测量的高度图拼接为子合成拼接高度图。
22.根据权利要求21所述的***，还包括：
至少一个光学轮廓仪，其具有视场即FOV，所述光学轮廓仪被配置用于测量所述物体的表面的不同分区的高度图，所述FOV覆盖个体分区，其中各高度图包括高度数据。
23.根据权利要求21或22所述的***，其中，所述处理单元还被配置为用于：
将所述子合成拼接高度图组合为合成高度图。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的***，其中，用于将测量的高度图分组成高度图的不同集合的所述处理单元还被配置用于：
(a)通过使各测量的高度图与索引相关联来对所有测量的高度图编索引；
(b)针对测量的高度图中的每一个测量的高度图，生成与同测量的高度图中的所述每一个测量的高度图共享有效重叠的其它测量的高度图相关联的索引列表；
(c)选择测量的高度图；
(d)将所选择的测量的高度图的索引列表中的各索引与所有其它测量的高度图的索引列表中的索引进行比较；
(e)在发现了所选择的测量的高度图的索引列表中的一个索引和另一测量的高度图的索引列表中的一个索引之间的一致的情况下，将所述另一测量的高度图的索引列表与所选择的测量的高度图的索引列表合并，并且丢弃所述另一测量的高度图的索引列表；
(f)在合并的索引列表中，搜索出现了多于一次的索引；
(g)在所述合并的索引列表中识别到出现了多于一次的索引的情况下，在所述合并的索引列表中保留该索引的一次出现，并且将该索引的所有其它出现从所述合并的索引列表中丢弃，以获得精简的合并的索引列表；以及
(h)对所有剩余的测量的高度图重复步骤(c)～(g)，
其中，各剩余的索引列表表示高度图的集合其中之一。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的***，其中，所述处理单元还被配置用于将所计算出的高度数据至少输出至以下装置：
显示装置，用于显示各子合成拼接高度图；
存储器装置，用于存储所述子合成拼接高度图的高度数据；以及/或者打印装置，用于打印各子合成拼接高度图。
26.一种非易失性数据载体，其存储计算机指令，所述计算机指令使加载所述计算机指令的处理单元进行根据权利要求1所述的方法的分组的步骤。
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