CN113670226A - 表面形貌测量*** - Google Patents

Abstract

形貌测量***使用成像盒，该成像盒由刚性光学元件和清澈的弹性感测表面形成，该感测表面被配置成从测量表面捕获高分辨率的形貌数据。成像盒可以被配置为***的可移除的盒，使得包括刚性光学元件和弹性感测表面的成像盒可以作为单个整体组件而被移除和更换，该组件在在多次使用期间是鲁棒/稳定的，并且在需要或期望时是可容易地由用户更换的。该盒还可以有用地结合多个光成形和其他特征以支持最佳照明和图像捕获。

Description

表面形貌测量***

相关申请

本申请要求2017年3月6日提交的美国临时专利申请号62/467,783的优先权，该临时专利申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本公开一般涉及对于表面形貌测量***的改进，该***使用具有反射涂层的清澈弹性体（elastomer）来捕获目标表面的形貌图像，并且本公开更具体地涉及用于与这样的***一起使用的可移除的盒（cartridge）。

背景技术

用于测量表面形貌的一种类型的高分辨率***使用清澈弹性体，该弹性体具有设置在刚性光学基板上的反射涂层。尽管这样的***有用地准许许多类型的精确、详细的表面测量，但是弹性体可能在多次使用的过程中脱层并且变得受损。同时，更换弹性体是易出错的，并且对于这样的***的最终用户可能是有挑战性的。仍然存在针对便于最终用户快速且方便地进行弹性体更换的经改进的表面形貌测量***的需要。

发明内容

形貌测量***使用成像盒（imaging cartridge），该成像盒由刚性光学元件和清澈的弹性感测表面形成，该感测表面被配置成从测量表面捕获高分辨率的形貌数据。该成像盒可以被配置为***的可移除的盒，使得成像盒（包括刚性光学元件和弹性感测表面）可以作为单个整体组件而被移除和更换，该组件在多次使用期间是鲁棒且稳定的，并且可由最终用户容易地更换。该盒还可以有用地结合多个光成形和其他特征以支持最佳照明和图像捕获。

在一方面，本文中公开的设备包括：光学元件，其具有包括刚性的光学透明材料的内部；光学元件的第一表面，该第一表面包括具有光学透明表面的区域，以用于通过光学元件捕获图像；光学元件的与第一表面相反的第二表面；穿过第一表面和第二表面的光学元件的中心轴；光学透明弹性体层，其被设置在第二表面上并且附接到第二表面，该层的与光学元件的第二表面相邻的第一侧具有与第二表面的第一折射率匹配的第二折射率，并且该层的与光学元件的第二表面相对的第二侧具有光学涂层，该光学涂层具有预定反射率；在第一表面与第二表面之间的光学元件的内部周围的侧壁，该侧壁包括一个或多个光成形特征，该光成形特征被配置成控制通过侧壁的对第二表面的照明；以及在光学元件的外部上的机械楔（key），以用于实施光学元件在成像***的固定装置内的预定方位，该机械楔包括围绕中心轴的至少一个径向非对称特征，以用于实施光学元件在成像***的固定装置内的独特旋转取向。

该机械楔可以包括一个或多个磁体。该机械楔可以包括多个突起，该多个突起包括至少一个突起，该至少一个突起具有与多个突起中的其他突起不同的形状，以用于实施光学元件在成像***的固定装置内的独特旋转取向。该机械楔可以包括三个突起，该三个突起被定形状和定大小以形成与成像***的固定装置的运动学耦合。该机械楔可以包括凸缘。该机械楔可以包括鸠尾榫（dovetail）。该侧壁可以包括与第一表面和第二表面形成截头圆锥形状（frustoconical shape）的连续表面。该侧壁可以包括与第一表面和第二表面形成截断半球的连续表面。该侧壁可以包括两个或更多个分立的平面表面。该一个或多个光成形特征可以包括漫射表面，以沿着侧壁漫射传入光的点源。该一个或多个光成形特征可以包括抛光表面，以折射传入光。该一个或多个光成形特征可以包括弯曲表面，以聚焦入射光。该一个或多个光成形特征可以包括中性密度滤光片（filter），该中性密度滤光片具有分度（graduated）衰减以补偿与第二表面上的侧壁的距离。该一个或多个光成形特征可以包括一个或多个彩色滤光片。该一个或多个光成形特征可以包括侧壁与第二表面的非法线角度。该一个或多个光成形特征可以包括几何特征。该一个或多个光成形特征可以包括光学薄膜。该一个或多个光成形特征可以包括微透镜阵列。该一个或多个光成形特征可以包括多个微复制的光学特征。该光学透明弹性体层可以通过保持结构附接到第二表面。该保持结构可以包括设置在光学透明弹性体层与光学元件的第二表面之间的折射率匹配（index-matched）的光学粘合剂。该保持结构可以包括围绕光学透明弹性体层的周界的保持环，该保持环将该周界机械地固定到第二表面。该保持结构可以包括在光学元件的第二表面内的凹部，以及在光学透明弹性体层的第一侧中的延伸到凹部中的对应突起。该凹部可以包括凹槽。该凹部可以是鸠尾形的，以提供远离第二表面的更宽区域。该光学透明弹性体可以被液体成形到凹部中。该光学透明弹性体可以被热成形到凹部中。光学元件的第二表面可以包括从光学元件延伸的凸形弯曲表面。光学透明弹性体层的第二侧可以包括远离光学元件延伸的凸形弯曲表面。刚性的光学透明材料可以包括玻璃、聚碳酸酯和丙烯酸中的至少一个。该设备可以进一步包括一个或多个磁体，以将该设备固定在成像***的固定装置中。成像***可以包括相对于固定装置处于预定几何配置中的一个或多个光源以及相机。该设备可以进一步包括机器人***，该机器人***被配置成从成像***的固定装置中自动移除该设备。机器人***可以进一步被配置成将第二设备***到成像***的固定装置中。机器人***可以包括至少一个磁体。机器人***可以包括机电闩锁。第一表面可以包括弯曲表面，该弯曲表面提供透镜以光学地放大来自第二表面的图像以用于成像***。第一表面可以包括非球面表面，该非球面表面被定形状以解决来自第二表面的、通过光学元件捕获的图像中的光学像差。第一表面可以包括自由形状的表面，该自由形状的表面被定形状以减轻来自第二表面的、通过光学元件捕获的图像中的几何畸变。

附图说明

在以下附图中示出了本文中描述的设备、***和方法的实施例。附图不一定按比例绘制，相反地，重点被置于图示本公开的原理。

图1示出了成像***。

图2示出了用于成像***的成像盒的横截面。

图3示出了成像盒的顶视图。

图4是用于成像***的光学元件和壳体的透视图。

图5是用于成像***的光学元件的侧视图。

图6是光学元件的透视图。

图7是光学元件的透视图。

图8是光学元件的透视图。

图9是光学元件的透视图。

图10是图9的光学元件的侧视图。

图11示出了使用成像盒的机器人***。

具体实施方式

本文中提到的所有文献都通过引用以其整体而结合。以单数形式提及的术语应该理解成包括复数的术语，反之亦然，除非以其他方式明确陈述或根据上下文清晰的。除非以其他方式陈述或根据上下文清晰的，语法连词意图表达所连接的从句、句子、词等等的任意及全部转折和连接组合。因此，术语“或者”通常应该被理解成意指“和/或”等等。

除非在本文中以其他方式指示，在本文中对值的范围的叙述并非意图进行限制，而是单独地指代落入该范围内的任意值和所有值，并且在这样的范围内的每个单独值被合并到说明书中，就好像它在本文被单独叙述那样。词语“大约”、“近似”等等当伴随数值时要被解释为指示如下偏差：如本领域普通技术人员将领会到的，该偏差令人满意地起作用以达到预期目的。值的范围和/或数值在本文中仅作为示例提供，并且不构成对所描述的实施例的范围的限制。本文中提供的任何和所有示例或示例性语言（“例如”、“诸如”等等）的使用仅仅意图更好地说明实施例，而不对实施例或权利要求的范围造成限制。说明书中的任何语言都不应该被解释为将任何未要求保护的元素指示为对实施例的实践是必不可少的。

在以下描述中，应当理解的是，诸如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“上”、“下”等等的术语是具有方便性的词语，并且不要被解释为限制性术语，除非相反地明确陈述。

本文中描述的设备、***和方法可以包括2014年3月8日提交的美国专利申请号14/201,835、2015年9月8日授予的美国专利号9,127,938以及2013年4月2日授予的美国专利号8,411,140的教导，或者可以与它们结合使用。前述各项的全部内容通过引用并入本文中。在某些方面，本文中描述的设备、***和方法可以被用来提供用于手持式或定量形貌或三维测量***的可易于互换的成像盒。然而，本文中描述的设备、***和方法还可以或替代地被包括在其他***上，或者以其他方式与其他***一起使用。例如，本文中描述的***可以有用于例如机器人末端执行器***，诸如用于部件标识和姿势估计、力反馈、机器人外科手术、医学检查等等，以及其他***和应用，其中触摸、触觉感测、表面形貌或三维测量中的一个或多个是必要或有帮助的。

图1示出了成像***。一般而言，成像***100可以是用于定量或定性形貌测量的任何***，诸如以上标识的文献中所描述的那些***中的任何***。成像***100可以包括被配置为成像***100的可移除且可更换的盒的成像盒102，连同用于保持成像盒102的固定装置104。固定装置104可以相对于成像***100（例如，相对于诸如相机之类的成像设备106和诸如一个或多个发光二极管或其他光源之类的照明源108）具有预定几何构造，以使得成像盒102当固定在固定装置104中时相对于相机和（一个或多个）光源具有已知的方位和取向。该实施的几何形状有利地准许重新使用成像盒102的校准数据，以及成像盒102在成像***100的光学序列内的可靠、可重复定位。

成像盒102可以包括光学元件110，该光学元件110至少部分地由刚性光学透明材料形成，该材料诸如玻璃、聚碳酸酯、丙烯酸、聚苯乙烯、聚氨酯、光学透明环氧树脂等等。还可以使用硅树脂，诸如硬铂固化硅树脂。作为另外的优点，光学透明弹性体层116可以由软铂固化硅树脂形成，并且在不使用粘合剂的情况下结合到硬硅树脂。因此，在一个方面，光学元件110和层116可以由便于在不使用任何粘合剂的情况下直接进行结合的材料形成。光学元件110可以包括第一表面112，该第一表面112包括具有光学透明表面的区域，以用于例如由成像设备106通过光学元件110捕获图像。光学元件110还可以包括与第一表面112相反的第二表面114，其具有穿过第一表面112和第二表面114的中心轴117。

一般而言，第一表面112可以具有适合于将图像从第二表面114通过光学元件110传送到成像设备106的光学属性。为了支持该功能，第一表面112可以例如包括弯曲表面，该弯曲表面提供透镜以光学地放大来自第二表面114的图像。在另一方面，第一表面112可以包括非球形表面，该非球形表面被定形状以解决来自第二表面114的、通过光学元件110捕获的图像中的球面像差或其他光学像差。第一表面112还可以或替代地包括自由形状的表面，该自由形状的表面被定形状以减少或以其他方式减轻通过光学元件110捕获的图像中的几何畸变。通过厚介质的成像通常可以导致球面像差，其中相差的量值取决于成像***100（或在这里更具体地说，是光学元件110）的数值孔径。因此，光学元件110的第一表面112可以是弯曲的，或以其他方式被适配成解决由通过厚介质的图像传播所导致的这样的球面像差。更一般地，第一表面112可以包括适合于以支持使用光学元件110捕获形貌数据的方式来对图像进行聚焦、定形或修改的任何形状或表面处理。第二表面114还可以或代替地被修改以改进图像捕获。例如，光学元件110的第二表面114可以包括从光学元件110（例如，朝向正被成像的目标表面130）延伸的凸形表面，以便对从目标表面130传送到成像设备106的图像进行放大或以其他方式进行定形。

光学元件110通常可以在成像***100中用于多种目的，如本文中所设想的那样。在一个方面，光学元件110用作刚性主体，以在捕获图像时相对均匀地跨目标表面130来传递压力。具体地，光学元件110的主体可以在清澈基板凝胶上施加基本上均匀的压力，以使得在清澈基板的另一侧上的反射膜涂层符合所测量的表面形貌。光学元件110还可以或代替地提供定向暗场照明。为此，足够厚的光学材料可以起到光导的作用，以从不同的方向（例如，当照明源108的一个LED段打开时）或从全部周围（例如，当照明源108的所有LED段都打开时）提供反射膜表面的受控、均匀且接近准直的暗场照明。

光学透明弹性体层116可以被设置在第二表面114上，并且使用任何合适的部件（诸如，本文中描述的那些部件中的任一个）附接到第二表面114。一般而言，层116可以由能够变形以匹配目标表面130的形貌的凝胶或其他相对柔韧的材料所形成，使得可以通过层116的相反表面来光学地捕获在层116中形成的互补形状。就柔韧性而言，具有约5-60的肖氏OO硬度值的弹性体可以有用地用作本文中预期的层116。一般而言，层116的与光学元件110的第二表面114相邻的第一侧118可以具有与第二表面114的折射率匹配的折射率。将领会的是，如本文中使用的，当涉及折射率时，术语“匹配的”不要求相同的折射率。取而代之，术语“匹配的”通常意味着具有足够接近以通过两个材料之间的对应界面来透射图像以供成像设备106捕获的折射率。因此，例如，丙烯酸具有约1.49的折射率，而聚二甲基硅氧烷具有约1.41的折射率，并且这些材料足够匹配以使得可以它们可以彼此相邻地放置，并且可以被用来透射足以用于本文中所预期的定量或定性形貌测量的图像。

层116的第二侧120可以被配置成符合目标表面130，同时提供面向成像设备106的表面，该表面便于成像***100进行形貌成像和测量。第二侧120可以例如包括不透明涂层，或更一般地包括具有适合于支持如本文中所预期的形貌成像的预定反射率的任何光学涂层。一般而言，该涂层可以便于通过光学元件110进行图像的捕获，该图像与目标表面130的光学属性无关，该光学属性可能以其他方式干扰光学成像，诸如是颜色、半透明性、光泽度、镜面反射性等等。在一个方面，第二侧120可以包括凸形表面，该凸形表面远离光学元件110（例如，朝向目标表面130）延伸。这种几何配置可以提供众多优点，诸如便于对具有大的聚集凹陷形状的表面进行成像，以及当成像盒102最初被放置得与目标表面130接触时减轻视场内的气泡的累积。

可以在从第一表面112延伸到第二表面114的光学元件110的内部124周围形成侧壁122。一般而言，侧壁122可以包括一个或多个光成形特征，该光成形特征被配置成控制例如来自照明源108的、通过侧壁122对第二表面114的照明。侧壁122可以采用具有有用的光成形特征的各种几何形状，例如，以期望的角度和均匀性来引导光进入并通过光学元件110。例如，侧壁122可以包括在第一表面112和第二表面114中形成的两个圆之间形成截头圆锥形状的连续表面。侧壁122还可以或代替地包括在第一表面112和第二表面114之间的一些或全部区域之间的截断半球。在另一方面，侧壁122可以包括两个或更多个分立的平面表面，该平面表面被布置成围绕中心轴117的规则或不规则的多边形几何形状，诸如六边形或八边形。在具有平面表面的此后面的实施例中，每个这样的表面可以具有照明源108（诸如与其相邻的一个或多个发光二极管），以便根据期望通过光学元件110提供侧面光照。

其他光成形特征还可以或代替地与侧壁122一起使用，例如以聚焦或引导来自照明源108的入射光，或者控制光学元件110和/或光学透明弹性体层116内的光的反射。例如，光成形特征可以包括漫射表面，以沿着侧壁122漫射传入光的点源。例如，这可以帮助漫射来自照明源108中的个体发光二极管元件的光，和/或从侧壁122的平面表面提供更均匀的照明场。侧壁122还可以或代替地包括抛光表面，以将传入光折射到光学元件110中。将领会的是，漫射和反射表面还可以以各种组合的形式使用，以大致地对光学元件110内的照明进行成形。侧壁122还可以或代替地包括弯曲表面，例如，在侧壁122内形成透镜以根据期望将入射光聚焦或引导到光学元件110中。

在另一方面，侧壁122可以包括中性密度滤光片，该中性密度滤光片具有分度衰减以补偿与侧壁122的距离。更具体地，为了避免对第二表面118的靠近侧壁122的区域的过度照明和/或对第二表面118的远离侧壁122（并且更靠近中心轴117）的区域的欠照明，侧壁122可以利用中性密度滤光片来提供宽带衰减，该中性密度滤光片在侧壁122的更靠近第二表面114的区中提供更大的衰减，并且在侧壁122的更靠近第一表面112的区中提供较小的衰减。以这种方式，以与侧壁122相邻的向下角度对第二表面114进行直接照明的光线可以比朝向第二表面114的中心的离开照明源108的其他光线衰减得更多。该衰减例如可以是连续的、离散的或以其他方式分度的，以提供更靠近侧壁122的大体上更大的衰减，或者以其他方式平衡视场内的照明。

在另一方面，光成形特征可以包括一个或多个彩色滤光片，该彩色滤光片可以有用地被采用，例如以将特定颜色与光学元件110内的特定照明方向相关，或者以其他方式控制来自照明源108的彩色照明的使用。在另一方面，光成形特征可以包括侧壁122与第二表面114的非法线角度。例如，如图1中图示的，侧壁122远离第二表面114成角度以与其形成钝角。该方法可以例如通过使光反射离开第一表面112并进入光学元件110中而有利地支持对第二表面118的间接照明。在另一方面，侧壁122可以朝向第二表面成角度以提供与其的锐角，例如，以便支持对第二表面118的更大的直接照明。这些方法可以单独使用或组合使用，以根据期望将光引导到光学元件110中并且通过光学元件110。

光成形特征还可以或代替地包括几何特征（诸如聚焦透镜、平面区域等等），以根据期望引导入射光。其他光学元件还可以或代替地有用形貌成在侧壁122上或形成到侧壁122中。例如，光成形特征可以包括光学薄膜，诸如用于对入射光进行过滤、衰减、偏振或以其他方式进行定形的各种商业上可得的薄膜中的任何薄膜。光成形特征还可以或代替地包括微透镜阵列等等，以引导或聚焦来自照明源108的入射光。光成形特征还可以或代替地包括多个微复制和/或衍射光学特征，诸如透镜、光栅等等。例如，微结构化的侧壁122可以包括例如微成像透镜、双凸透镜、微棱镜等等作为光成形特征，以便以如下方式将光从照明源108引导到光学元件110中：该方式改进了对在光学透明弹性体层116的第二侧120上对成像盒102的成像表面的形貌变化的成像。例如，微结构化的特征可以便于使照明图案定形以跨所测量的场提供均匀的光分布，减少光反射回到光学元件110中或反射出光学元件110等等。微结构化可以例如在光学元件110的注塑成型期间，或者通过将具有期望微结构的光学薄膜应用于侧表面来施加。例如，商业上合适的光学薄膜包括Vikuiti^TM，这是3M出售的高级光控薄膜（ALCF）。

机械楔126可以设置在光学元件110的外部上，以用于实施光学元件110（并且更一般地，成像盒102）在成像***100的固定装置104内的预定方位。机械楔126可以例如包括围绕中心轴117的至少一个径向非对称特征，以用于实施光学元件110在成像***100的固定装置104内的独特旋转取向。机械楔126可以包括适合于以预定取向将光学元件110保持在成像***100内的任何数量的机械元件等等。机械楔126还可以或代替地包括在光学元件110与固定装置104之间的匹配的几何形状。例如，机械楔126可以包括从光学元件110延伸的圆柱形结构，或者包括椭圆棱镜等等，它们可以与方位同时地来有用地实施旋转取向。

在一个方面，机械楔126可以包括一个或多个磁体128，该磁体128可以将光学元件110固定在成像***的固定装置104中。磁体128可以经由定位和/或极性而被进一步编码，以确保光学元件110仅以围绕中心轴117的特定旋转取向而被***。机械楔126还可以或代替地包括多个突起，该多个突起包括至少一个突起，该至少一个突起具有与该多个突起中的其他突起不同的形状，以用于实施围绕中心轴117的光学元件110在成像***100的固定装置104内的独特旋转取向。机械楔126还可以或代替地包括至少三个突起（例如，确切地三个突起），该至少三个突起被定形状和定大小以形成与成像***100的固定装置104的运动学耦合。机械楔126还可以或代替地包括如下特征：该特征诸如凸缘、鸠尾榫，或任何其他机械形状或特征，以使光学元件110以预定方位和/或取向与固定装置104牢固地紧密配合。本文中参照具体的光学元件设计和配置讨论了许多具体的机械楔锁（keying）***。

如本文中所预期的，成像盒102的表面可以进一步被视为对于在成像***100中使用是有必要或有帮助的。例如，光学元件110或成像盒102的其他部分的顶部、侧面和底部表面的区域可以被覆盖有光吸收层（诸如黑色涂料），例如以包含来自照明源108的光或减少环境光的渗透。

将（层116中的）柔性弹性体固定到诸如光学元件110之类的刚性表面的一个挑战可能是脱层，脱层可能是由重复的图像捕获之后的剪切力和其他边缘效应所导致的，特别是在目标表面130倾向于粘附到弹性体的情况下。为了解决这个问题，光学元件110和清澈弹性体层116可以被形成为盒，该盒作为整体的、可移除且可更换的设备而被提供给最终用户。可以根据需要或为了用具有不同光学性质的成像盒102（例如，为了不同的成像应用、分辨率等等）进行替代而由最终用户快速且容易地更换该盒。与此同时，光学元件110与层116的同时更换准许使用更鲁棒的部件来将弹性体层116机械地固定到光学元件110。作为显著的优点，这种方法可以减轻与弹性体层116的交换相关联的对最终用户的挑战，诸如在弹性体层116与光学元件110之间引入污染物或气泡。

图2示出了用于成像***的成像盒的横截面。一般而言，成像盒200可以包括耦合到光学元件204的光学透明弹性体层206。这可以包括本文中描述的弹性体层和光学元件中的任一个。一般而言，弹性体层206可以使用任何合适的保持结构来耦合到光学元件204。因为弹性体层和光学元件204作为完整的盒而被提供给最终用户，这与现有技术的类似***不同，现有技术需要定期手动更换弹性体层206，因此可以使用多种多样的技术和技术的组合来牢固地保持层206与光学元件204相邻。

保持结构可以包括任何增粘剂或其他粘合剂、胶水、环氧树脂等等，包括本文中描述的粘合剂中的任一个。在制造成像盒200以便用作整体的可消耗产品的情况下，应当通常不需要移除和更换弹性体层206，并且可以利用相对强的、刚性环氧树脂将层206附着到光学元件204。在一个方面，保持结构可以包括设置在光学透明弹性体层206与光学元件204的表面之间的折射率匹配的光学粘合剂。如上面讨论的，本上下文中的折射率匹配的指代足够接近以支持有用图像跨对应界面的光学透射的任何折射率。

保持结构还可以包括围绕光学透明弹性体层206的周界的保持环208，该保持环将周界机械地固定到光学元件204的表面。保持环208可以通过（traverse）整个周界或周界的一个或多个部分。尽管保持环208可以可选地在弹性体层206的顶部功能表面上延伸，但是这可能会干扰成像盒200在目标表面上的放置，特别是如果目标表面基本上是平面的话。因此，在一个方面，保持环208可以有用地被定位在层206的边缘内形成的凹痕（indent）210等等内，或者被定位在由保持环208抵靠层206的更柔韧的弹性体的机械力而产生的凹痕210内。将领会的是，保持环208可以具有任何形状，该任何形状通常与弹性体层206的周界的形状相对应，诸如多边形、椭圆形等等。因此，在此上下文中使用的术语“环”并非意图暗示或要求是圆形或圆形形状。另外，尽管描述了保持环208，但是保持结构还可以或代替地包括在层206上方延伸或延伸到层206中的任何数量的突片、突起、凸缘等等，以机械地固定与光学元件204相接触的层206的周界。

保持结构还可以或代替地包括在光学元件的表面内的凹部212，以及在光学透明弹性体层206中的延伸到凹部212中的对应突起214。凹部212可以包括适合于容纳突起214的凹槽或其他形状。在一个方面，凹部212可以是鸠尾形的以提供远离层206的表面的更宽区域，以改进在弹性体层206与光学元件204之间形成的结合的机械强度。更一般地，凹部212可以在结构上被配置成将层206保持在光学元件204的表面上。以这种方式，可以在层206与光学元件204之间形成机械耦合，例如以替换或增强由粘合剂、保持环208或任何其他保持结构形成的耦合。

为了在制造期间填充凹部212，可以使用任何合适的光学透明弹性体将弹性体层206液体成形或热成形到凹部212中。被合适地定形状的、可变形弹性体还可以或代替地被压合（press-fit）或以其他方式组装到凹部212中。然而，通过作为液体应用弹性体并且然后对弹性体进行固化，弹性体层206可以更完全地填充凹部212的空隙空间，并且提供与光学元件204的更强的机械结合。

图3示出了成像盒的顶视图。成像盒300可以是诸如本文中描述的成像盒或类似组件中的任一个之类的成像盒。一般而言，成像盒300可以包括被用来接触目标表面和捕获目标表面的图像的柔韧的弹性体层302。层302可以通过多种保持结构（诸如，围绕层302的周界306的保持环304）或被形成到光学元件的凹部中的突起308来固定到光学元件。一般而言，成像盒300和/或层302可以具有多种形状中的任一种。例如，层302可以包括采用下述形状的周界306，该形状具有圆形、椭圆形、正方形、矩形或任何其他多边形或其他形状。

现在将描述结合本文中描述的特征的各种成像盒。

图4是用于成像***的光学元件和壳体的透视图。光学元件402可以例如是本文中描述的光学元件402中的任一个。一般而言，光学元件402可以包括多个突起404、406，这些突起可以是轴向不对称的，以便实施在壳体408内的独特径向取向。例如，一个突起406可以大于其他突起404以便提供径向楔锁，或者突起406可以以实施独特径向取向的方式不规则地间隔开，或者这些的某种组合。壳体408可以包括多个狭槽410等等以容纳突起406、408，在这之后，光学元件402可以围绕成像***400的轴412旋转，使得突起406、408将光学元件402牢固地保持在壳体408内。突起406、408可以例如形成与壳体408的狭槽410的运动学耦合，以实施光学元件402在壳体408和相关成像***内的预定几何取向。

图5是用于成像***的光学元件的侧视图。将注意的是，在图5的实施例中，光学元件504的顶部表面502在多个突起506上方延伸，该多个突起将光学元件504固定到壳体。这准许弹性体层充分地延伸超过壳体的表面，使得壳体不会干扰弹性体层与目标表面之间的接触。如上文讨论的，可以使用任何合适的技术将透明弹性体层（未示出）附着到光学元件504的表面。

成像盒可以具有各种不同的形状，并且可以有用地共享诸如突起之类的安装接口，以使得可以在同一壳体内使用不同类型的成像盒以用于不同的成像应用。图6是具有低轮廓（profile）的光学元件602的透视图。光学元件602可以被定形状和定大小，以便牢固地装配在诸如图4的壳体408之类的壳体内，但是可以更薄，例如，以减少通过光学元件602捕获的图像中的光学像差，或者以便于在光学元件602与相机或成像***的其他成像设备之间使用附加的光学元件，诸如滤光片、成像透镜等等。该轮廓还可以有利地适应通过面朝相机（并且与弹性体层和目标表面相反）的表面604的光照，以便于对目标表面上的深高宽的负面特征（诸如，沟槽、深凹槽等等）的照明和成像。在本上下文中，术语“深高宽（high-aspect）”意图指代如下特征：它们（或者可能）从以下照明是被遮挡的，该照明以与表面法线成例如四十五度以上的掠射照明角度。

图7是光学元件的透视图。光学元件702可以包括凸形表面704，该凸形表面704被定形状成以远离光学元件702延伸的方式来支撑弹性体层，这可以有利地准许对相对凹陷的表面进行成像，并且还可以在弹性体层被放置在目标表面上以用于图像捕获时有利地减轻气泡形成。光学元件702可以被定形状和定大小，以便牢固地装配在诸如图4的壳体408之类的壳体内。

图8是光学元件的透视图。光学元件802可以有用地结合高轮廓接触表面804，该接触表面804远离光学元件802的突起806延伸，例如，以在壳体与成像表面之间提供更大的间隙。光学元件802可以被定形状和定大小，以便牢固地装配在诸如图4的壳体408之类的壳体内。一般而言，前述光学元件可以与单个壳体可互换地使用，从而便于由不同成像盒属性所支持的不同模式的操作。另外，通过提供运动学耦合或类似地取向特定的安装***，当先前使用的光学元件再一次被放置在壳体内时，针对特定光学元件的校准结果等等可以被调出和重新使用。

图9是光学元件的透视图。光学元件902可以例如具有大体矩形的构造，并且可以包括一个或多个凸缘904等等，以使得光学元件902可以线性地滑动成与壳体的固定装置接合。这种类型的接合机构可以特别地适合于机器人应用等等，诸如其中光学元件902从机器人臂的末端执行器移除以及被更换到机器人臂的末端执行器的情况。光学元件902可以例如是本文中描述的具有对应表面和侧壁属性的光学元件中的任一个。层906（诸如，本文中描述的光学透明弹性体层中的任一个）可以设置在光学元件902上，以提供用于捕获目标表面的形貌图像的接触表面。层906可以是凸形的，或者以其他方式远离光学元件902而弯曲，例如，以提供与壳体的间隙和/或在将层906放置在目标表面上使用时减轻空气气泡的形成。图10是图9的光学元件的侧视图。

图11示出了使用成像盒的机器人***。一般而言，***1100可以包括耦合到壳体1104的机器人臂1102，该机器人臂1102被配置成可移除且可更换地接收盒1106，诸如本文中描述的任何成像盒或其他光学设备。机器人臂1102（或任何其他合适的（一个或多个）机器人元件）可以被配置成将盒1106定位成与目标表面1108相接触，以便使用例如相机或壳体1104中的其他成像设备、通过盒1106来捕获目标表面1108的形貌图像。一般而言，***1100可以被配置成从成像***1100的固定装置（例如，在壳体1104中）自动移除盒1106，并且将第二盒1110***到壳体1104中。第二盒1110可以与盒1106相同，例如以在普通磨损之后提供更换，或者第二盒1110可以具有与第一盒1106不同的光学配置，例如以提供更大的放大倍数、更大的视场、更好的特征分辨率、更深的特征照明、不同的聚合表面形状、不同的目标表面1108的形状公差等等。第二盒1110可以被存储在对于***1100的机器人臂1102可进入（accessible）的箱或其他容器中。一般而言，***1100可以在壳体1104内或更一般地在***1100内包括一个或多个磁体、机电闩锁、致动器等等，以便于如本文中描述的那样进行盒1106的移除和更换。更一般地，***1100可以包括任何夹持器、夹具或其他机电末端执行器等等，它们适合于移除和更换盒1106并且对盒1106进行定位以供在成像过程中使用。

以上***、设备、方法、过程等等可以以硬件、软件或适合于特定应用的这些的任何组合来实现。硬件可以包括通用计算机和/或专用计算设备。这包括在一个或多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备或处理电路，连同内部和/或外部存储器中的实现。这还可以或代替地包括一个或多个专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑组件，或可以被配置成处理电子信号的任何其他一个或多个设备。将另外领会的是，上面描述的过程或设备的实现可以包括：使用诸如C之类的结构化编程语言、诸如C++之类的面向对象的编程语言，或任何其他高级或低级编程语言（包括汇编语言、硬件描述语言以及数据库编程语言和技术）所创建的计算机可执行代码，它们可以被存储、编译或解译，以在上述设备中的一个，以及处理器、处理器架构的异类组合，或者不同硬件和软件的组合上运行。在另一方面，该方法可以体现在实行其步骤的***中，并且可以以多种方式跨设备进行分布。同时，处理可以跨诸如上述各种***之类的设备进行分布，或者全部的功能可以集成到专用的独立设备或其他硬件中。在另一方面，用于实行与上述过程相关联的步骤的部件可以包括上述任何硬件和/或软件。所有这样的排列和组合意图落入本公开的范围内。

本文中公开的实施例可以包括计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可执行代码或计算机可用代码，该计算机可执行代码或计算机可用代码在一个或多个计算设备上执行时实行其任何和/或所有步骤。该代码可以以非临时方式存储在计算机存储器中，该计算机存储器可以是程序从其中执行的存储器（诸如，与处理器相关联的随机存取存储器），或者可以是诸如磁盘驱动器、闪速存储器或任何其他光学、电磁、磁性、红外或其他设备或设备组合之类的存储设备。在另一方面，上述任何***和方法可以体现在任何合适的传输或传播介质中，该传输或传播介质携带计算机可执行代码和/或来自计算机可执行代码的任何输入或输出。

将领会的是，上面描述的设备、***和方法是通过示例而非限制的方式阐述的。在没有相反的明确指示时，可以在不脱离本公开的范围的情况下修改、补充、省略和/或重新排序所公开的步骤。对于本领域的普通技术人员来说，众多变型、添加、省略和其他修改将是显而易见的。此外，除非明确要求特定次序或者以其他方式根据上下文清楚地得知特定次序，以上描述和附图中的方法步骤的次序或呈现不意图要求用于实行所记载步骤的这种次序。

本文中描述的实现方式的方法步骤意图包括与所附权利要求的可专利性相一致的、使这样的方法步骤得以实行的任何合适的方法，除非明确地提供了不同的含义或者以其他方式根据上下文清楚地得知不同的含义。因此，例如，实行步骤X包括用于使另一方（诸如，远程用户、远程处理资源（例如，服务器或云计算机））或机器）来实行步骤X的任何适当方法。类似地，实行步骤X、Y和Z可以包括用于指导或控制这样的其他个体或资源的任何组合来实行步骤X、Y和Z以获得这样的步骤的益处的任何方法。因此，本文中描述的实现方式的方法步骤意图包括用于使一个或多个其他方或实体来与所附权利要求的可专利性相一致地实行这些步骤的任何合适的方法，除非明确地提供了不同的含义或者以其他方式根据上下文清楚地得知不同的含义。这些方或实体不需要处于任何其他方或实体的指导或控制之下，也不需要位于特定管辖范围内。

应当进一步领会的是，上面的方法是作为示例而提供的。在没有相反的明确指示时，可以在不脱离本公开的范围的情况下修改、补充、省略和/或重新排序所公开的步骤。

将领会的是，上述方法和***是通过示例而非限制的方式阐述的。对于本领域的普通技术人员来说，众多变型、添加、省略和其他修改将是显而易见的。此外，除非明确要求特定次序或以其他方式根据上下文清楚地得知特定次序，上面的描述和附图中的方法步骤的次序或呈现不意图要求用于实行所记载步骤的这种次序。因此，尽管已经示出和描述了特定实施例，但是对于本领域技术人员而言将显而易见的是，可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下在形式和细节上进行各种改变和修改，并且这些改变和修改意图形成如所附权利要求所限定的本发明的一部分，将在法律允许的最广泛意义上对所附权利要求进行解释。

Claims (20)

1.一种用于表面形貌测量的设备，包括：

光学元件，其具有包括刚性的光学透明材料的内部；

所述光学元件的第一表面，所述第一表面包括具有光学透明表面的区域，以用于通过所述光学元件捕获图像；

所述光学元件的与所述第一表面相反的第二表面；

穿过所述第一表面和所述第二表面的光学元件的中心轴；

光学透明弹性体层，其被设置在所述第二表面上并且附接到所述第二表面，层的与所述光学元件的第二表面相邻的第一侧具有与所述第二表面的第一折射率匹配的第二折射率，并且层的与所述光学元件的第二表面相对的第二侧具有光学涂层，所述光学涂层具有预定反射率；

在所述第一表面与所述第二表面之间的光学元件的内部周围的侧壁，所述侧壁包括一个或多个光成形特征，所述光成形特征被配置成控制通过所述侧壁的对所述第二表面的照明；以及

在所述光学元件的外部上的楔，以用于实施所述光学元件在成像***的固定装置内的预定方位和取向。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述楔包括一个或多个磁体。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述楔包括多个突起，所述多个突起包括至少一个突起，所述至少一个突起具有与所述多个突起中的其他突起不同的形状，以用于实施所述光学元件在所述成像***的固定装置内的独特旋转取向。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述楔包括三个突起，所述三个突起被定形状和定大小以形成与所述成像***的固定装置的运动学耦合。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述楔包括凸缘。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述楔包括鸠尾榫。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述侧壁包括与所述第一表面和所述第二表面形成截头圆锥形状的连续表面。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述侧壁包括与所述第一表面和所述第二表面形成截断半球的连续表面。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述侧壁包括两个或更多个分立的平面表面。

10.一种用于表面形貌测量的设备，包括：

光学元件，其具有包括刚性的光学透明材料的内部；

所述光学元件的第一表面，所述第一表面包括具有光学透明表面的区域，以用于通过所述光学元件捕获图像；

所述光学元件的与所述第一表面相反的第二表面；

穿过所述第一表面和所述第二表面的光学元件的中心轴；

光学透明弹性体层，其被设置在所述第二表面上并且附接到所述第二表面，层的与所述光学元件的第二表面相邻的第一侧具有与所述第二表面的第一折射率匹配的第二折射率，并且层的与所述光学元件的第二表面相对的第二侧具有光学涂层，所述光学涂层具有预定反射率；

一个或多个光成形特征，其被配置成控制通过所述光学元件的对所述第二表面的照明；以及

在所述光学元件的外部上的机械楔，以用于实施所述光学元件在成像***的固定装置内的预定方位，所述机械楔包括围绕所述中心轴的至少一个径向非对称特征，以用于实施所述光学元件在所述成像***的固定装置内的独特旋转取向。

11.根据权利要求10所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括漫射表面，以沿着所述光学元件的侧壁漫射传入光的点源。

12.根据权利要求10所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括抛光表面，以折射传入光。

13.根据权利要求10所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括弯曲表面，以聚焦入射光。

14.根据权利要求10所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括中性密度滤光片。

15.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括一个或多个彩色滤光片。

16.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括所述光学元件的侧壁与所述第二表面的非法线角度。

17.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括几何特征。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括光学薄膜。

19.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括微透镜阵列。

20.根据权利要求1所述的设备，其中所述一个或多个光成形特征包括多个微复制的光学特征。

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