TWI449878B - 用於光學地將一三維物體轉換一二維平面影像的裝置與方法 - Google Patents

Description

用於光學地將一三維物體轉換一二維平面影像的裝置與方法

本發明一般係關於自動化的機器視覺系統。

在自動化的機器視覺系統中，已遭受難以準確地成像並檢測三維物體及其上之表面的困難。此在某種程度上係由於使用一般透鏡所致，該等一般透鏡使物體特性或一物體至光學軸的距離變形。此在檢測不垂直於該光學軸的表面時進一步被複雜化。一特別難以檢測的表面係圓柱狀物體之圓周表面。諸多先前技術已要求圍繞該圓柱物體轉動相機或者圍繞其自身之對稱軸轉動該物體以暴露整個表面，並拍攝其之多影像。

因此提供一種裝置與方法將為有利，該裝置與方法有效及準確地使一三維物體表面成像並提供相關於該光學軸轉全360度的該整個三維檢測表面之一準確的二維或平面影像。

本發明揭示用於光學地將一三維物體之一表面轉變為一二維平面影像的一成像裝置之實施例。本裝置之一實例包含一具有一光學軸的取像器件。該裝置進一步包含一圍繞該光學軸與該三維物體定位的同心狀反射鏡與一導向該反射鏡的照明源。該反射鏡將該照明投射在反射的物體檢測表面上並將該影像反射回該取像器件。該取像器件將轉360度的成像三維檢測表面轉換為該物體檢測表面之一二維平面影像。接著可檢測該二維平面影像之表面連續性的偏差或其他表面標記及/或瑕疵。

在本發明之一實例中，一遠心物鏡經定位介於該照明源與該反射鏡之間，其將準直的或大體上平行於該光學軸的照明光線提供給該反射鏡。

在本發明之另一實例中，該照明源沿該光學軸方向定位並提供該物體檢測表面之暗場照明或亮場照明之至少一者以最大化該物體檢測表面上特定狀態之該平面影像的對比度。在另一實例中，該裝置採用窄角暗場照明。

在本裝置之一實例應用中，該物體係一三維、圓柱狀的物體，其具有一垂直的圓周檢測表面。

亦揭示用於光學地將一三維物體表面轉變為一二維平面影像之方法。一方法包含將一三維物體沿一影像擷取器件之一光學軸方向定位。該方法進一步包含照亮一圍繞該光學軸定位的同心狀反射鏡並用照明光線照亮該三維物體，該等照明光線藉由該反射鏡被投射至該物體檢測表面上並被反射回該影像擷取器件以轉換為旋轉360度的整個檢測表面之一二維平面影像。

在該方法之一實例中，一遠心物鏡沿該光學軸方向定位且被定位於該照明源與該反射鏡之間。

在本方法之另一實例中，使用暗場或亮場照明之至少一者，且有選擇地容許該等反射影像光線通過而到達該影像擷取器件。

在本方法之一應用中，該物體係一具有一垂直檢測表面的三維圓柱體。

在本發明之此等及其他發明實施例中的詳細資訊與變動在下文中加以描述。

本文之描述參考附圖，其中在所有視圖中相同參考數字表示相同的部件。

參考圖1至圖4，繪示本發明之一裝置與方法之實例。在圖1與圖2中，示意性地顯示一光學裝置10，其包含一具有一光學軸16的取像器件14。取像器件14較佳地係一電荷耦合器件(CCD)相機，其與一電腦15及/或其他機器視覺系統組件保持電子通訊，該等組件包含驅動器、訊框抓取器、監視器、軟體及/或資料儲存庫，及其他熟習此項技術者已知的組件。取像器件14可包含除CCD相機以外的適於特定應用的器件。如圖1中示意性所示，取像器件14以一取決於所使用的該等光學透鏡之方式接收影像光線18，該等光學透鏡下文中更加全面地加以描述。

光學裝置10之此實例進一步包含一沿該光學軸16方向定位的照明源20。如所示之照明源20係複數個發光二極體(LED)22，其等圍繞光學軸16定位形成一安裝至一電路板23的環形，該等LED 22產生如示意性所繪示的光錐或光線24。照明源20定位於下文中進一步論述的一遠心物鏡26與一後透鏡組28之間。應瞭解照明源20可在不背離本發明的情況下定位於光學裝置10中之其他位置以便沿光學軸16方向發射光。

在一較佳的實例中，作為該物體檢測表面70之窄暗場型光源的該等LED 22圍繞光學軸16定位形成一或多個同心環(未顯示)且經定向相對於該光學軸16成一小或窄角，如下文中所描述。可在共同讓與之美國專利案第6,870,949號(該案之全文以引用的方式併入本文中)中找到產生窄暗場照明的一光學系統之一實例。亦可在不背離本發明的情況下使用廣角暗場照明以適合於該應用。照明源20亦可不沿光學軸16方向定位並包含反射鏡或其他器件以將光線24導向期望的位置用於物體或檢測表面之照明。

可使用除LED或燈光以外的相對於該光學軸16成窄角定位的照明源以適合於該特定應用、期望檢測處理或待檢測的該物體表面之影像對比度。例如，照明源20可經裝配及配置以產生一檢測表面之亮場照明。可在共同讓與之美國專利案第5,737,122號(該案之全文以引用的方式併入本文中)中找到亮場照明之一實例之一解釋。

亦參考圖1與圖2，光學裝置10之一實例進一步包含一沿光學軸16方向定位的透鏡26。透鏡26可進一步伴隨一後透鏡組28，該後透鏡組28經定位如圖1與圖2中一般所示及如在美國專利案第6,870,949號中所描述。在一較佳的實例中，透鏡26係一遠心物鏡，其沿該光學軸16方向中心地定位以接收來自照明源20的主體光照明光線24。遠心物鏡26可進一步包含後透鏡組28與遠心光闌30以形成一遠心透鏡系統，如一般所示。遠心物鏡26轉換或準直傾斜的主體照明光線24以大體上與光學軸16平行，沿通道通過透鏡26，如圖2最佳所示。當擁有來自照明源20的照明時，例示性遠心物鏡26與後透鏡組28操作以使用影像光線18在取像器件14處形成一影像。雖然圖示為一遠心透鏡，但可使用反射鏡或其他形式或組合的透鏡及/或反射鏡以適合於下文中所描述的該特定應用、期望的照明形狀及合成影像之對比度要求。

如所描述，含例示性遠心物鏡26的光學裝置10之一實例可進一步包含一遠心光闌30，其經定位毗鄰照明源20之電路板23。遠心光闌30與電路板23較佳地包含一孔34，該孔34容許影像光線18與經選擇的照明光線24通過電路板23與遠心光闌30，如下文中更詳細之描述。雖然圖示為一獨立組件，但電路板23可經組態以包含一合適的孔34使得一獨立遠心光闌30為非必要。或者，可以一方式將LED 22簡單地牢固至供電給LED 22的光闌30。

例示性光學裝置10進一步包含一支承一夾具42與一反射鏡50的支承結構40，如圖1與圖2中之截面示意性所示。支承結構40可為在一一般機器視覺系統中的任一物體支承表面，並可以任何方向(包含圍繞該光學軸16轉動)固定或移動。在本發明之一實例中，支承40既不可移動也不可轉動。

在此實例中，反射鏡50係一圓錐狀反射鏡，其具有圍繞光學軸16的一第一直徑開口52與在反射鏡底座55處的一第二直徑開口54，該第二直徑開口54小於該第一直徑開口52。底座55與第一直徑開口52定義沿光學軸16方向的反射鏡50之一高度56。在一較佳的但非必然之態樣中，第一直徑開口52係在取像器件14之視域或視野內。反射鏡50包含一反射表面58，其有角度地定位於第一直徑開口52與第二直徑開口54之間。反射表面58係一高度磨光、低瑕疵的表面，其適於該檢測處理或待檢測表面之靈敏度。在一實例中，反射鏡50係由鋁製成，該鋁經金剛石切削以產生一大體上無瑕疵、高度反射的表面58。替代材料可包含無電鍍鎳及/或其他材料與塗層，熟習此項技術者可選擇具有本文之教示的該等材料。

在待檢測的該物體表面與該光學軸16垂直及/或平行處，反射表面58經定位相對於光學軸16成45度角為較好。應瞭解可使用其他角度的反射表面58與其他幾何形狀的反射鏡50以適合於該特定應用與檢測要求。

如在圖1與圖2中所示，一形成為一圓柱狀物體60的例示性三維物體定位於夾具42與支承結構40上。物體60經較佳地定位與光學軸16軸向對準，且反射鏡50經同心定位而360度圍繞物體60。在一實例中，物體60包含平行於該光學軸16且具有一高度72的物體或檢測表面70。物體60進一步包含沿該光學軸16方向配置的一第一非檢測表面74與一第二非檢測表面80。如所示，表面70、74及80具有圍繞光學軸16的不同直徑。例示性物體60與表面70、74及80圍繞物體60與光學軸16延伸360度。在一實例中，檢測表面70係一高度磨光、大體上反射的表面，將藉由光學裝置10檢測該表面之表面連續性、表面瑕疵及/或其他標記或記號。進一步應瞭解除如所示的圓柱物體60以外，物體60亦可採用其他稜柱狀的外形或幾何體。在替代實例中，如果物體60及/或檢測表面70之幾何形狀變換該圓柱實例，那麼反射鏡50與反射表面58亦將改變使得該檢測表面70及/或物體60之照明通過自物體60至取像器件14的影像光線18之透射產生一平面影像。類似地，夾具42可採用的其他外形與幾何形狀，其等適於物體60及期望的成像處理。

在此實例中，反射鏡50，特別是反射表面58之高度56超出檢測表面70之高度72以便擷取檢測表面70之整個高度72之一影像，如下文中更加全面之描述。

在操作中，如圖1與圖2中之一般所示及如上文所描述地定位並啟動影像擷取器件14。啟動照明源20以產生照明光線24，其等以一朝向遠心物鏡26的方向通過LED 22。物鏡26轉變該等傾斜的主體照明光線24以大體上平行於該光學軸16及垂直於支承40。更確切地說，遠心物鏡26為一準直透鏡之一實例。物鏡26進一步將該等照明光線24導向反射鏡50與圓柱物體60。

該圓錐狀反射鏡50將大體上平行於該光學軸16且撞擊反射鏡之反射表面58的照明光線24以一垂直角度重新導向環繞全360度的檢測表面70。大體上反射的檢測表面70將檢測表面70之高度72上的所有影像光線18以相對於檢測表面70垂直的相同方向反射回反射表面58。反射表面58將該等光線18導回它們的出處，通過遠心物鏡26而朝向照明源20與取像器件14。

在具有窄暗場照明形式的照明之一實例中，如圖2中一般所示及如美國專利案第6,870,949號中進一步所描述，遠心光闌30包含較佳地以光學軸16為中心的小孔34。在此實例中，任何返回的影像光線24都將被該遠心光闌30阻擋使得它們不被允許通過後透鏡組28而到達取像器件14。在此實例中，使用如圖2所示的一照明架構，如果不存在不平整的表面，那麼將使檢測表面70成像為大體上的暗色。如果偵測的表面不連續，那麼影像光線18將反射回反射表面58並因此以傾斜角反射回影像擷取器件14，該等影像光線18之部分將通過遠心光闌孔34並作為下文中論述的光線影像90之不同暗區上的一亮點或亮區而呈現在該合成影像中。如上文所論述，應瞭解熟習此項技術者可在光學裝置10中使用本文給定的該等教示且不背離本發明的其他外形及/或位置的照明、透鏡及/或反射鏡以適合於該特定應用。

參考圖3，繪示圖1與圖2中所示的該三維物體60之一例示性的合成二維平面影像90。使用窄暗場照明產生物體60之平面影像90。如所示，第二非檢測表面80之該對準垂直表面簡單地顯示為一圓周81。該第一非檢測表面71在平面影像90內被顯示為區76。第一非檢測表面74之部分，其被第一直徑52附近的同心反射表面58最低程度地覆蓋，呈現為影像90上之朝向外部的一亮區75，實際上是通過暗場光源。實際外觀是亮還是暗取決於表面74之特性(光潔度與角度)。夾具42與支承表面40的非重要部分，其在取像器件14之視域內，呈現為(例如)一相對的暗區43(將其適度遮蔽，僅為說明之目的)且夾具42之邊緣呈現為線或區61(顯示為虛線，僅為說明之目的)。如果夾具42與支承表面40與檢測表面70一樣被高度磨光，那麼此等區在該例示性光源下將呈現為暗色。換而言之，在夾具42與支承表面40上使用的特定表面之處理或製程指示在選擇的照明架構中如何將此等表面呈現在該光學影像中。

影像90之一區71代表轉360度的該三維圓柱檢測表面之一二維平面影像。在圖2之該窄暗場照明實例中，此區71呈暗色(在圖3中顯示為遮蔽的幾乎完全的黑色，僅為說明之目的)，因為表面70之該等返回成像光線18反射中斷，大體上被光闌30阻擋，僅留下一藉由取像器件14可視的暗區。在光學裝置10之該特定靈敏度內，一完全的暗區代表一合適的或無瑕疵的表面。如果呈現局部的亮點，那麼此等亮點將為可包含瑕疵或其他表面不連續的區，如在半導體晶圓上使用的「軟」識別標記。應瞭解如果需要檢測物體60之其他區，例如第二非檢測表面80，那麼反射鏡50可經組態及/或重新定位使得反射表面58引導取代表面70之相關表面的影像及照明光線。

光學裝置10之一有利特徵為檢測表面70之平面影像90係轉360度的整個表面70的一單一影像，不必轉動取像器件14或支承物體60的支承40及/或夾具42。另一優點為遠心透鏡26之影像光線18與一平面(該圓柱物體60被光學地映射於其中)之間的共面且標準正交關係。

在光學裝置10之一實例中，不同於或除了窄暗場照明，可使用多種形式的照明或光源。例如，產生組件的習知暗場照明及/或亮場照明亦可被採用並為一更加徹底的檢測處理而繼續被使用以產生不同的光學影像90。例如，使用窄暗場照明不可識別某些瑕疵或物體表面標記，但使用亮場照明可容易地識別。

參考圖1至圖4，繪示一用於光學地將一三維表面轉換為一二維平面影像的例示性方法100。參考圖4，在第一步驟110中，提供一取像或影像擷取器件14，其可為如先前所論述的一CCD相機或其他器件。在步驟120中，沿該光學軸方向將一物體，例如一三維圓柱體60，軸向地定位於一夾具42上。在步驟130中，圍繞光學軸16定位一同心狀反射鏡50，其經定形與定位而與一物體之一期望檢測表面70同心。一較佳的但可選的步驟140係定位一遠心物鏡26與後透鏡組28，如上文之一般描述與繪示。可取代使用其他透鏡。在步驟150中，提供一照明源20以通過使用例示性的遠心透鏡26照亮反射鏡50之反射表面58，如上文所描述。在步驟160中，擷取在取像器件14之視域內的一影像，導致物體60之一二維平面影像90，且在轉360度的特定檢測表面70內不必轉動該取像器件14、支承40、夾具42及/或物體60。接著可藉由電腦15使用許多已知的影像分析技術分析該合成影像區71(其為對應檢測表面70的一部分)之瑕疵、識別標記或其他關注的特徵。

如上文所描述，可使用除窄暗場照明以外的不同照明外形及不同形狀與組態的透鏡與反射鏡以適合於該特定應用與所需的靈敏度以偵測在物體60之該特定檢測表面上的瑕疵或其他標記或記號，該物體60自身可為除所描述與所繪示的圓柱物體以外的其他幾何體。

雖然本發明已連同某些實施例加以描述，但應瞭解本發明不限於所揭示之實施例，相反本發明意欲覆蓋包含在附加請求項範圍內的各種修飾及等效物配置，此範圍被給與最廣的解釋以便涵蓋法律允許的所有此等修飾及等效結構。

10．．．裝置

14．．．取像器件

16．．．光學軸

18．．．影像光線

20．．．照明源

22．．．LED

23．．．電路板

24．．．照明光線

26．．．遠心物鏡

28．．．後透鏡組

30．．．遠心光闌

34．．．孔

40．．．支承結構

42．．．夾具

43．．．暗區

50．．．反射鏡

52．．．第一直徑開口

54．．．第二直徑開口

55．．．底座

56．．．高度

58．．．反射表面

60．．．物體

61．．．區

70．．．檢測表面

71．．．區

72．．．高度

74．．．第一非檢測表面

75．．．亮區

76．．．區

80．．．第二非檢測表面

81．．．圓周

90．．．平面影像

100．．．方法

110．．．步驟

120．．．步驟

130．．．步驟

140．．．步驟

150．．．步驟

160．．．步驟

圖1係本裝置配合一圓柱狀物體與檢測表面之一實例之一示意性、部分橫截面，該圖示意性地顯示該等影像光線；

圖2係圖1中所示之本裝置之一實例的一示意性、部分橫截面，其顯示例示性的照明光線並部分顯示該等影像光線；

圖3係圖1中之該物體之一平面影像之一實例的一放大示意圖；及

圖4係根據本發明之一實施例之一方法的一實例之一流程圖。

10．．．裝置

14．．．取像器件

15．．．電腦

16．．．光學軸

18．．．影像光線

20．．．照明源

22．．．LED

23．．．電路板

24．．．照明光線

26．．．遠心物鏡

28．．．後透鏡組

30．．．遠心光闌

34．．．孔

40．．．支承結構

42．．．夾具

50．．．反射鏡

52．．．第一直徑開口

54．．．第二之間開口

55．．．底座

56．．．高度

58．．．反射表面

60．．．物體

70．．．檢測表面

72．．．高度

74．．．第一非檢測表面

80．．．第二非檢測表面

Claims (17)

1. 一種用於將一三維物體之一表面光學地轉變為一二維平面影像的成像裝置，該成像裝置包括：一取像器件，其用於擷取沿一光學軸定位的一三維物體之一二維光學影像；一照明源，其用於將入射照明光線導向該物體；及一反射鏡，其經同心地定形並圍繞該光學軸定位在該物體周圍，且經定向以首先將該等照明光線導向該物體之一檢測表面並將反射影像光線自該檢測表面重新引導回該取像器件。
2. 如請求項1之裝置，其進一步包括：一透鏡，其定位於該照明源與該圓錐反射鏡之間，該等照明光線與反射影像光線經由該透鏡而通過。
3. 如請求項2之裝置，其中該透鏡係一遠心物鏡，該裝置進一步包括：一後透鏡組，其定位於該取像器件與該照明源之間；及一遠心光闌，其定位於該後透鏡組與該遠心物鏡之間。
4. 如請求項1或請求項3之裝置，其中該三維物體為圓柱狀。
5. 如請求項4之裝置，其中該二維平面影像包括該檢測表面之一360度影像。
6. 如請求項4之裝置，其中該同心反射鏡係圍繞該光學軸而呈圓錐狀，該反射鏡具有一第一直徑與一比該第一直徑小的第二直徑並定義該反射鏡之一高度與一反射表面。
7. 如請求項6之裝置，其中該反射鏡之該高度係至少與沿該光學軸的該檢測表面之一高度一樣長。
8. 如請求項4之裝置，其中該反射鏡之該反射表面係相對於該光學軸配置成一45度角。
9. 如請求項1或請求項2之裝置，其中該照明源係經配置以產生關於該取像器件的該檢測表面之暗場照明與亮場照明之至少一者。
10. 一種使一三維物體表面光學地成像為一二維平面影像的方法，該方法包括：沿一影像擷取器件之一光學軸定位一三維物體，該物體具有一檢測表面；在將該物體與該影像擷取器件固持在固定位置的同時用照明光線照亮一同心狀反射鏡，該反射鏡圍繞該光學軸定位並被導向該檢測表面；在該影像擷取器件處接收影像光線，該等影像光線藉由被該等照明光線照亮的該物體從該反射鏡反射；及使用該等反射影像光線產生該物體之至少該檢測表面之一平面影像。
11. 如請求項10之方法，其中照亮該反射鏡進一步包括使用一準直透鏡將大體平行於該光學軸的該等照明光線投射至該反射鏡上。
12. 如請求項10之方法，其中照亮該反射鏡進一步包括使用暗場照明與亮場照明之至少一者照亮該反射鏡。
13. 如請求項10或請求項11之方法，其進一步包括：有選擇地允許該等反射影像光線通過而到達該影像擷取器件。
14. 如請求項10或請求項11之方法，其中該物體包含一三維圓柱形狀且該檢測表面具有沿該光學軸的一高度。
15. 如請求項13之方法，其中該等反射影像光線包括該檢測表面之一360視線。
16. 如請求項14之方法，其中該反射鏡具有一與該檢測表面之該高度至少一樣高的高度。
17. 如請求項10之方法，其進一步包括：分析在該檢測表面中的該平面影像之連續性偏差。