用于测量表面的三维结构的方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种方法，所述方法包括使用至少一个成像传感器来对表面进行成像，其中表面和成像传感器处于相对平移运动中。成像传感器包括透镜，所述透镜具有相对于表面坐标系的x-y平面以非零角度对准的焦平面。将表面的图像序列进行配准并且沿相机坐标系的z方向进行堆叠以形成体。确定体中的每个(x,y)位置的聚焦锐度值，其中(x,y)位置位于与相机坐标系的z方向垂直的平面中。利用聚焦锐度值，确定体中的每个(x,y)位置沿相机坐标系中的z方向的最大聚焦深度zm，并且可基于最大聚焦深度zm来确定表面上的每个点的三维位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本专利技术公开了一种方法，所述方法包括使用至少一个成像传感器来对表面进行成像，其中表面和成像传感器处于相对平移运动中。成像传感器包括透镜，所述透镜具有相对于表面坐标系的x-y平面以非零角度对准的焦平面。将表面的图像序列进行配准并且沿相机坐标系的z方向进行堆叠以形成体。确定体中的每个(x,y)位置的聚焦锐度值，其中(x,y)位置位于与相机坐标系的z方向垂直的平面中。利用聚焦锐度值，确定体中的每个(x,y)位置沿相机坐标系中的z方向的最大聚焦深度zm，并且可基于最大聚焦深度zm来确定表面上的每个点的三维位置。【专利说明】用于测量表面的三维结构的方法和设备相关申请的交叉引用本申请要求2012年I月31日提交的美国临时申请N0.61/593，197的权益，该临时申请的公开内容全文以引用方式并入本文。
本专利技术涉及用于确定表面的三维结构的方法和光学检测设备。在另一方面，本公开涉及材料检测系统，例如用于检测材料幅材移动的计算机化系统。
技术介绍
当在生产线上制造产品时，已使用在线测量和检测系统来连续地监测产品质量。检测系统可提供实时反馈，以使操作员能够快速地识别有缺陷产品并且评价工艺变量变化的影响。还已使用基于成像的检测系统来监测通过制造工艺进行的已制造产品的质量。 检测系统使用诸如CCD或CMOS相机之类的传感器来捕获产品材料的选定部分的数字图像。检测系统中的处理器应用算法来快速地评价材料样本的捕获的数字图像，以确定样本或其选定区域是否适于无缺陷地出售给顾客。 在线检测系统可分析制造工艺中的幅材材料的移动表面的二维(2D)图像特征，并且可检测例如相对大级别的不均匀的因素，例如化妆点缺陷和条痕。诸如三角点传感器之类的其他技术可在生产线速度下实现微米级的表面结构的深度分辨率，但仅覆盖幅材表面上的单个点(因为它们为点传感器)，并且由此提供出有关表面特征的极其有限数量的可用三维(3D)信息。诸如激光线三角系统之类的其他技术可在生产线速度下实现幅材表面的全3D覆盖，但具有低空间分辨率，并且由此仅可用于监测大级别表面偏差，例如幅材卷曲和浮置。 诸如激光轮廓法、干涉测量法和3D显微镜法(基于对焦深度法(DFF))之类的3D检测技术已用于表面分析。DFF表面分析系统使用具有窄视野深度的相机和透镜来对物体进行成像。当物体保持静止时，相机和透镜在沿z轴(即，平行于透镜的光轴)的不同位置上的进行深度扫描，由此捕获每个位置处的图像。当相机通过多个z轴位置进行扫描时，物体表面上的点聚焦在不同的图像切片处，这取决于其在表面上方的高度。使用这种信息，可相对精确地估计物体表面的3D结构。
技术实现思路
在一个方面，本公开涉及一种方法，所述方法包括使用至少一个成像传感器来对表面进行成像，其中表面和成像传感器处于相对平移运动中，并且其中传感器包括具有相对于表面坐标系中的x-y平面以非零视角对准的焦平面的透镜；配准表面的图像序列?’沿着相机坐标系中的z方向来堆叠配准的图像以形成体；确定体中的每个(x，y)位置的聚焦锐度值，其中(X，y)位置位于与相机坐标系中的z方向垂直的平面中；使用聚焦锐度值来确定体中的每个(X，y)位置沿相机坐标系中的z方向的最大聚焦深度Zm;以及基于最大聚焦深度Zm来确定表面上的每个点的三维位置。 在另一方面，本公开涉及一种方法，所述方法包括使用成像传感器来捕获表面的图像序列，其中表面和成像传感器处于相对平移运动中，并且其中成像传感器包括具有相对于表面坐标系中的x-y平面以非零视角对准的焦平面的远心透镜；在序列中的每个图像中对准表面上的基准点以形成配准的图像序列；沿着相机坐标系中的z方向来堆叠配准的图像序列以形成体，其中配准的图像序列中的每个图像包括体中的层；计算体内的每个像素的聚焦锐度值，其中像素位于与相机坐标系中的z方向垂直的平面中；基于聚焦锐度值来计算体内的每个像素的最大聚焦深度值zm;基于最大聚焦深度\来确定表面上的每个点的三维位置；以及基于三维点位置来构造表面的三维模型。 在另一方面，本公开涉及一种设备，所述设备包括具有远心透镜的成像传感器，其中透镜具有相对于表面坐标系中的x-y平面以非零视角对准的焦平面，其中表面和成像传感器处于相对平移运动中，并且其中传感器对表面进行成像以形成其图像序列；处理器，所述处理器:在序列中的每个图像中对准表面上的基准点以形成配准的图像序列；沿着相机坐标系中的z方向来堆叠配准的图像序列以形成体，其中配准的图像序列中的每个图像包括体中的层；计算体内的每个像素的聚焦锐度值，其中像素位于与相机坐标系中的Z方向垂直的平面中；基于聚焦锐度值来计算体内的每个像素的最大聚焦深度值Zm ;基于最大聚焦深度Zm来确定表面上的每个点的三维位置；以及基于三维位置来构造表面的三维模型。 在另一方面，本公开涉及一种方法，所述方法包括相对于移动的幅材材料以非零视角定位静止成像传感器，其中成像传感器包括远心透镜以对移动幅材的表面进行成像并且形成其图像序列；处理所述图像序列以:配准图像；沿着相机坐标系中的Z方向来堆叠配准的图像以形成体；确定体中的每个(x，y)位置的聚焦锐度值，其中(x，y)位置位于与相机坐标系中的z方向垂直的平面中；确定体中的每个(X，y)位置沿相机坐标系中的z方向的最大聚焦深度Zm ；以及基于最大聚焦深度Zm来确定移动幅材的表面上的每个点的三维位置。 在另一方面，本公开涉及一种用于实时检测幅材材料的移动表面并且计算表面的三维模型的方法，所述方法包括使用静止传感器来捕获表面的图像序列，其中成像传感器包括相机和具有相对于表面坐标系中的x-y平面以非零视角对准的焦平面的远心透镜；在序列中的每个图像中对准表面上的基准点以形成配准的图像序列；沿着相机坐标系中的z方向来堆叠配准的图像序列以形成体，其中配准的图像序列中的每个图像包括体中的层；计算体内的每个像素的聚焦锐度值，其中像素位于与相机坐标系中的Z方向垂直的平面中；基于聚焦锐度值来计算体内的每个像素的最大聚焦深度值Zm ;基于最大聚焦深度\来确定表面上的每个点的三维位置；以及基于三维位置来构造表面的三维模型。 在另一方面，本公开涉及一种用于实时检测幅材材料的在线计算机化检测系统，所述系统包括静止成像传感器，所述静止成像传感器包括相机和远心透镜，其中透镜具有相对于移动表面的平面以非零视角对准的焦平面，并且其中传感器对表面进行成像以形成其图像序列；处理器，所述处理器:在序列中的每个图像中对准表面上的基准点以形成配准的图像序列；沿着相机坐标系中的z方向来堆叠配准的图像序列以形成体，其中配准的图像序列中的每个图像包括体中的层；计算体内的每个像素的聚焦锐度值，其中像素位于与相机坐标系中的Z方向垂直的平面中；基于聚焦锐度值来计算体内的每个像素的最大聚焦深度值Zm ;基于最大聚焦深度Zm来确定表面上的每个点的三维位置；以及基于三维位置来构造表面的三维模型。 在另一方面，本专利技术涉及一种非瞬时性计算机可读介质，所述非瞬时性计算机可读介质包括软件指令，所述软件指令用于使计算机处理器:使用在线计算机化检测系统来接收幅材材料的移动表面的图像序列，其中使用包括相机和远心透镜的静止成像传感器来捕获图像序列，所述远心透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，包括：使用至少一个成像传感器来对表面进行成像，其中所述表面和所述成像传感器处于相对平移运动中，并且其中所述传感器包括透镜，所述透镜具有相对于表面坐标系中的x‑y平面以非零视角对准的焦平面；配准所述表面的图像序列；沿着相机坐标系中的z方向来堆叠所述配准的图像以形成体；确定所述体中的每个(x,y)位置的聚焦锐度值，其中所述(x,y)位置位于与所述相机坐标系中的z方向垂直的平面中；利用所述聚焦锐度值来确定所述体中的每个(x,y)位置沿所述相机坐标系中的z方向的最大聚焦深度zm；以及基于所述最大聚焦深度zm来确定所述表面上的每个点的三维位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃文·J·瑞博尼克，乔轶，杰克·W·莱，大卫·L·霍费尔特，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US