專(zhuān)利名稱(chēng)：用于相干照明成像系統(tǒng)的散斑噪聲減小的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及照明系統(tǒng)中的強(qiáng)度噪聲減小并且更具體地涉及相干條紋成像系統(tǒng)中的強(qiáng)度噪聲減小。
背景技術(shù)：
基于條紋干涉測(cè)量法的精確非接觸三維(“3D”)計(jì)量已經(jīng)發(fā)展用于工業(yè)應(yīng)用。典型地針對(duì)大體積以低的數(shù)據(jù)采集率執(zhí)行測(cè)量。這些系統(tǒng)探測(cè)由兩個(gè)相干光源生成并且投影在要被測(cè)量的對(duì)象表面上的干涉條紋。對(duì)于包括醫(yī)學(xué)應(yīng)用和牙齒成像的各種應(yīng)用，3D成像系統(tǒng)要求增大的分辨率；然而，使用相干照明在對(duì)象處生成條紋圖案導(dǎo)致所采集的條紋圖案的圖像中的散斑噪聲。一般而言，隨著空間分辨率提高，散斑噪聲變得更顯著。散斑發(fā)生在成像器的相干成像光學(xué)系統(tǒng)中，并且是對(duì)象的表面粗糙度、以及相干光源的波長(zhǎng)和相干長(zhǎng)度的函數(shù)。諸如孔徑大小、入射角和視覺(jué)之類(lèi)的成像幾何參數(shù)也影響散斑。由單個(gè)探測(cè)器單元(即像素)成像的對(duì)象區(qū)域內(nèi)的表面粗糙度導(dǎo)致從該區(qū)域散射的光的變化的光學(xué)路徑長(zhǎng)度。因此在該像素處接收的光會(huì)以相長(zhǎng)或相消的方式干涉，使得像素強(qiáng)度可以不同于將另外由不相干照明產(chǎn)生的像素強(qiáng)度。低分辨率光學(xué)成像系統(tǒng)將大的對(duì)象表面區(qū)域成像在每個(gè)像素上，由此通過(guò)平均在該像素上的許多在空間上變化的強(qiáng)度特征而抑制散斑效應(yīng)。相比之下，更高分辨率光學(xué)系統(tǒng)將相應(yīng)較小的對(duì)象表面區(qū)域成像在具有較少的在空間上變化的強(qiáng)度特征的每個(gè)像素上，從而導(dǎo)致具有增大的散斑噪聲的圖像。因此在條紋干涉測(cè)量法中存在對(duì)減小由于散斑噪聲引起的圖像退化以便實(shí)現(xiàn)不犧牲測(cè)量精確度的高分辨率圖像的需要。本發(fā)明解決了這種需要并且提供了附加優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面，本發(fā)明特征在于一種用于減小由結(jié)構(gòu)化照明圖案照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的方法。該方法包含利用沿著投影軸投影的相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象。在圖像采集間隔期間投影軸的角取向在角范圍上被調(diào)制，使得投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征在圖像采集間隔期間保持不變。采集在圖像采集間隔期間被照明對(duì)象的圖像。在另一方面，本發(fā)明特征在于一種用于減小由結(jié)構(gòu)化照明圖案照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的方法。該方法包含利用沿著投影軸以初始角取向投影的相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象，以及采集被照明對(duì)象的圖像。利用沿著投影軸以一個(gè)或多個(gè)后續(xù)角取向投影的相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象，使得投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征不改變。采集以每個(gè)后續(xù)角取向被照明的對(duì)象的圖像。以投影軸的初始角取向和后續(xù)角取向被照明的對(duì)象的圖像被求和，從而生成具有減小的散斑噪聲的被照明對(duì)象的圖像。在再一方面，本發(fā)明特征在于一種用于減小被照明對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的投影儀。該投影儀包含具有結(jié)構(gòu)化照明圖案的相干光學(xué)輻射的光束源。光束沿著投影軸傳播以便照明對(duì)象表面。該投影儀還包含與所述相干光學(xué)輻射的光束源光學(xué)通信的動(dòng)態(tài)光束定向器。該動(dòng)態(tài)光束定向器配置成調(diào)制投影軸的角取向，使得投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征在投影軸的角取向的調(diào)制期間保持不變。在又一方面，本發(fā)明特征在于一種用于減小利用相干輻射照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的方法。該方法包含將相干光學(xué)輻射光束分成多個(gè)子光束，其中每個(gè)子光束具有到對(duì)象的唯一光學(xué)路徑。至少一個(gè)所述子光束的光學(xué)路徑被延遲，使得每個(gè)子光束具有的光學(xué)路徑長(zhǎng)度與每個(gè)其它子光束的光學(xué)路徑長(zhǎng)度相差大于該相干光學(xué)輻射光束的相干長(zhǎng)度。每個(gè)子光束被定向以使得每個(gè)子光束的至少一部分與每個(gè)其它子光束的至少一部分在對(duì)象處交疊。在又一方面，本發(fā)明特征在于一種用于減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的設(shè)備。該設(shè)備包含具有相干長(zhǎng)度的相干光源、光學(xué)延遲板和微透鏡(Ienslet)陣列。 光學(xué)延遲板與相干光源光學(xué)通信并且具有多個(gè)光學(xué)厚度唯一的區(qū)域。每個(gè)區(qū)域具有的光學(xué)厚度與每個(gè)其它區(qū)域的光學(xué)厚度相差至少該相干光源的相干長(zhǎng)度。微透鏡陣列與光學(xué)延遲板光學(xué)通信。每個(gè)微透鏡接收透射通過(guò)光學(xué)延遲板的相應(yīng)一個(gè)區(qū)域的相干輻射并且生成發(fā)散相干輻射光束從而照明對(duì)象。每個(gè)發(fā)散相干輻射光束的相位相對(duì)于每個(gè)其它發(fā)散相干輻射光束被光學(xué)延遲板提前或延遲，使得所述光束相對(duì)于彼此在時(shí)間上不相干。每個(gè)光束在光束交疊區(qū)中對(duì)象表面上的一點(diǎn)處的入射角不同于每個(gè)其它光束的入射角。在又一方面，本發(fā)明特征在于一種用于生成均勻照明圖案的投影儀。該投影儀包含光源和動(dòng)態(tài)光束定向器。該光源生成沿著傳播軸傳播的光束。動(dòng)態(tài)光束定向器與所述光源光學(xué)通信并且配置成重定向該傳播軸以使得該光束照明對(duì)象。該動(dòng)態(tài)光束定向器在觀察時(shí)間上調(diào)制投影軸的角取向，其中照明場(chǎng)沿著對(duì)象表面平移以及其中照明場(chǎng)中的不均勻性的可見(jiàn)性在該觀察時(shí)間上減小。


通過(guò)結(jié)合附圖參考下述描述可以更好地理解本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)，在附圖中相似的數(shù)字指示各個(gè)圖中相似的結(jié)構(gòu)元件和特征。所述圖不一定按比例，反而將重點(diǎn)放在說(shuō)明本發(fā)明的原理上。圖1為基于云紋干涉測(cè)量法技術(shù)的用于獲得對(duì)象的3D圖像的測(cè)量系統(tǒng)的框圖。圖2說(shuō)明兩個(gè)相干光學(xué)輻射的虛擬源和投影在觀察平面的干涉條紋圖案之間的幾何關(guān)系。圖3A為根據(jù)本發(fā)明的具有減小的散斑噪聲的干涉條紋投影儀的實(shí)施例的示意圖。圖;3B示出由圖3A的投影儀生成的條紋圖案的實(shí)例。圖3C為以?xún)蓚€(gè)偏轉(zhuǎn)角處的掃描鏡的形式的動(dòng)態(tài)光束定向器的簡(jiǎn)化示圖，示出了對(duì)于每個(gè)偏轉(zhuǎn)角從相干光學(xué)輻射的虛擬源到對(duì)象點(diǎn)的單個(gè)光射線(xiàn)。圖4說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的用于減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的設(shè)備的實(shí)施例。圖5示出圖4的光學(xué)延遲板的前視圖。圖6說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的用于減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的設(shè)備的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式簡(jiǎn)短地概括來(lái)說(shuō)，本教導(dǎo)涉及用于減小圖像中的散斑噪聲的方法和設(shè)備，所述圖像諸如由相干光源照明的對(duì)象的圖像以及由干涉條紋圖案照明的對(duì)象的圖像。根據(jù)一種方法，利用相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象，其中結(jié)構(gòu)化照明圖案沿著投影軸投影。在圖像采集間隔期間投影軸的角取向在角范圍上被調(diào)制。有利的是，投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征在圖像采集期間保持不變，并且所采集的圖像表現(xiàn)出減小的散斑噪聲。結(jié)構(gòu)化照明圖案可以是條紋圖案，諸如由用于確定被照明對(duì)象的表面信息的3D計(jì)量系統(tǒng)生成的干涉條紋圖案?，F(xiàn)在將參考如附圖所示的本教導(dǎo)的示例性實(shí)施例更詳細(xì)地描述本教導(dǎo)。盡管本教導(dǎo)是結(jié)合各種實(shí)施例和實(shí)例予以描述的，但是并不打算將本教導(dǎo)限制于這樣的實(shí)施例。相反，本教導(dǎo)包括本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的各種可替換方案、修改和等同物。理解此處的教導(dǎo)的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到落在如此處描述的本公開(kāi)內(nèi)容的范圍內(nèi)的附加實(shí)施方式、修改和實(shí)施例、以及其它使用領(lǐng)域。本發(fā)明的方法和設(shè)備具有將結(jié)構(gòu)化照明圖案投影在對(duì)象上的系統(tǒng)中的應(yīng)用。在下文描述的實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)化照明圖案主要涉及干涉條紋投影和成像系統(tǒng)，諸如在確定對(duì)象表面上的點(diǎn)的位置信息中使用的那些干涉條紋投影和成像系統(tǒng)。這些3D測(cè)量系統(tǒng)可以在諸如牙的琺瑯質(zhì)表面、牙的牙齒子結(jié)構(gòu)、牙床組織和各種牙齒結(jié)構(gòu)(例如，柱狀物、插入物和填充物)的表面的口內(nèi)成像的牙齒應(yīng)用中使用。所述方法和設(shè)備使得能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行高精確度3D測(cè)量。應(yīng)認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的方法和設(shè)備不限于這些實(shí)施例并且可以在利用結(jié)構(gòu)化照明圖案的其它系統(tǒng)中使用。例如，所述方法和設(shè)備也適用于使用陰影掩?；驁D案掩模投影技術(shù)的系統(tǒng)。相位測(cè)量干涉測(cè)量(“PMI”)經(jīng)常在高精度非接觸3D計(jì)量系統(tǒng)中使用。將從要被測(cè)量的對(duì)象散射的相干光和來(lái)自參考源的相干光組合從而在PMI系統(tǒng)探測(cè)器處生成干涉條紋圖案。通過(guò)引用結(jié)合于此的美國(guó)專(zhuān)利No. 5，870，191描述了一種稱(chēng)為云紋干涉測(cè)量法 (AFI)的技術(shù)，該技術(shù)可以用于高精度3D測(cè)量?；贏FI的測(cè)量系統(tǒng)典型地采用兩個(gè)緊密隔開(kāi)的相干光源將干涉條紋圖案投影在對(duì)象表面上。針對(duì)該圖案的至少三個(gè)空間相位采集條紋圖案的圖像。PMI和AFI技術(shù)基于利用相干輻射照明被測(cè)量對(duì)象。兩種技術(shù)的精確度會(huì)由于所采集的圖像中存在散斑而受到限制。由于對(duì)象的表面粗糙度，散斑形成于用于采集圖像的照相機(jī)處。圖1說(shuō)明用于獲得對(duì)象22的3D圖像的基于AFI的測(cè)量系統(tǒng)10。由條紋投影儀18生成的兩個(gè)相干光束14A和14B被用于利用干涉條紋沈的圖案來(lái)照明對(duì)象22的表面。 條紋圖案在對(duì)象22處的圖像是由成像系統(tǒng)或透鏡30形成于包含光電探測(cè)器的陣列34的成像器上。例如，探測(cè)器陣列34可以是二維電荷耦合裝置(CXD)成像陣列。由探測(cè)器陣列 34生成的輸出信號(hào)被提供到處理器38。輸出信號(hào)包含關(guān)于在陣列34中每個(gè)光電探測(cè)器處接收的光的強(qiáng)度的信息?？蛇x的偏振器42被取向成與散射光的主偏振分量一致?？刂颇K46控制從條紋投影儀18發(fā)射的所述兩個(gè)相干光束14的參數(shù)?？刂颇K46包含相移控制器50以便調(diào)節(jié)兩個(gè)光束14的相位差；以及空間頻率控制器M以便調(diào)節(jié)對(duì)象22處干涉條紋沈的節(jié)距或間距。條紋圖案的空間頻率由條紋生成器18中兩個(gè)相干光學(xué)輻射的虛擬源的間距、從虛擬源到對(duì)象22的距離以及輻射的波長(zhǎng)確定。如此處所使用的那樣，虛擬源意指光學(xué)輻射似乎源于其的點(diǎn)，盡管實(shí)際的光學(xué)輻射源可能位于別處。處理器38和控制模塊46通信以協(xié)調(diào)對(duì)來(lái)自光電探測(cè)器陣列34的關(guān)于相位差和空間頻率的變化的信號(hào)的處理，并且處理器38根據(jù)條紋圖案圖像確定對(duì)象表面的三維信息。圖2說(shuō)明相干光學(xué)輻射的虛擬源58A和58B與投影在觀察平面66處的干涉條紋圖案62之間的幾何關(guān)系。虛擬源58沿著與觀察平面66相隔距離的第一水平軸70 (即 χ軸)放置。從虛擬源58傳播的一對(duì)發(fā)散光束在它們的交疊區(qū)域中干涉從而生成條紋圖案 62。如果到觀察平面66的距離R顯著大于各虛擬源58之間的間距A則條紋跨越該交疊區(qū)域基本上是線(xiàn)性的。條紋圖案62沿著與第一水平軸70正交的第二水平軸74 (即ζ軸)投影。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到平面將條紋圖案62平分并且與兩個(gè)虛擬源58等距離。 因此第二水平軸74或投影軸與觀察平面66相交于條紋圖案62的中心處。照明對(duì)象的條紋圖案62的圖像典型地表現(xiàn)出散斑。散斑的特性是根據(jù)對(duì)象的表面粗糙度、相干光學(xué)輻射的波長(zhǎng)以及成像系統(tǒng)的配置來(lái)確定的。具有增大的空間分辨率的光學(xué)成像器典型地采集具有更多散斑噪聲的圖像，因?yàn)樵趩蝹€(gè)成像單元處的強(qiáng)度變化或散斑特征不像利用較低分辨率光學(xué)成像器那樣被有效地平均，其中在較低分辨率光學(xué)成像器中，更多的散斑特征存在于成像單元上。根據(jù)一種用于減小投影在對(duì)象上的干涉條紋圖案的圖像中的散斑噪聲的方法的一個(gè)實(shí)施例，發(fā)散光束的傳播方向圍繞各虛擬源58之間的中間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)或樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得條紋圖案62沿著被照明對(duì)象的表面豎直地移動(dòng)。實(shí)際上，投影軸74的取向以如圖所示的
平面中上方虛線(xiàn)76A和下方虛線(xiàn)76B之間的角度掃過(guò)，造成被照明區(qū)沿著對(duì)象表面豎直地 (即平行于_7軸)平移。如果從虛擬源58到對(duì)象的距離相對(duì)于各虛擬源58的間距i/是大的，則入射在對(duì)象上的點(diǎn)處的來(lái)自?xún)蓚€(gè)虛擬源的光學(xué)輻射之間限定的相位差在角調(diào)制期間不改變。因此當(dāng)條紋圖案62的位置被豎直地掃過(guò)時(shí)，條紋不改變形狀。循環(huán)角運(yùn)動(dòng)的幅度被選擇為導(dǎo)致條紋圖案62的豎直位置的變化，其維持對(duì)該對(duì)象或?qū)ο笊细信d趣的區(qū)域的照明，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)條紋圖像中的散斑圖案求平均。在圖像采集間隔期間通過(guò)將散斑平移跨越多個(gè)成像單元來(lái)進(jìn)行求平均。因此所采集的圖像中的散斑噪聲顯著減小。在可替換實(shí)施例中，遍及該角范圍以離散的角位置(即角步長(zhǎng)(st印))采集多個(gè)圖像。圖像被求和從而平均或“消除”單獨(dú)圖像中存在的散斑。應(yīng)注意，本發(fā)明考慮各種配置，其中從虛擬源58延伸的投影軸74例如通過(guò)諸如折疊鏡之類(lèi)的反射光學(xué)部件被重定向，其中對(duì)在有限角范圍上掃過(guò)條紋圖案62的能力沒(méi)有負(fù)面影響，同時(shí)維持條紋的形狀。例如，當(dāng)解釋通過(guò)折疊鏡和其它光學(xué)部件來(lái)旋轉(zhuǎn)光學(xué)參考坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，投影軸74可以被折疊多次，只要角掃描維持實(shí)際上與虛擬源58的軸70正交的投影在平面內(nèi)的條紋圖案的傳播方向。參考坐標(biāo)系統(tǒng)的這種變化不改變投影軸74上任何點(diǎn)與虛擬源58之間的等距離關(guān)系。將散斑從一個(gè)探測(cè)器像素平移到相鄰探測(cè)器像素所需的角偏轉(zhuǎn)^是探測(cè)器孔徑和幾何形狀的函數(shù)。散斑減小至1/見(jiàn)其中
畏并且^等于通過(guò)給予角運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)光束定向器實(shí)現(xiàn)的光學(xué)軸偏轉(zhuǎn)的角度。例如，在
其中^約為1.0°的光學(xué)系統(tǒng)中，光束定向器的士4. 5°的光學(xué)旋轉(zhuǎn)~導(dǎo)致散斑噪聲減小至1/見(jiàn)N大約為3。圖3A說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的具有減小的散斑噪聲的干涉條紋投影儀100的實(shí)施例。條紋投影儀100包含布置在軸70上的虛擬源58A和58B。每個(gè)虛擬源58處于發(fā)散光束的頂點(diǎn)處。鏡104折疊這對(duì)光束的傳播路徑108。動(dòng)態(tài)光束定向器116重定向傳播路徑108，使得發(fā)散光束照明對(duì)象表面120。圖中所示的對(duì)象表面20為平面表面，盡管應(yīng)該認(rèn)識(shí)到表面可具有任何形狀。動(dòng)態(tài)光束定向器116在角度〃/2之間圍繞軸124 (指向頁(yè)面內(nèi))來(lái)回旋轉(zhuǎn)。圖:3B示出當(dāng)動(dòng)態(tài)光束定向器116處于在該角范圍中間的角位置時(shí)在平面表面120上的位置62A處的條紋圖案。還示出了分別在最大角位置(〃/2)和最小角位置(-〃/2)處的條紋圖案的輪廓62B和62C。通過(guò)數(shù)值實(shí)例的方式，從虛擬源58到對(duì)象的距離為115mm，其中跨越用于采集條紋圖像的照相機(jī)的視場(chǎng)存在條紋節(jié)距為400 μ m的40個(gè)條紋。對(duì)于條紋圖案的單個(gè)圖像， 動(dòng)態(tài)光束定向器116在圖像采集間隔(例如照相機(jī)積分時(shí)間)期間在5°的角范圍θ之間旋轉(zhuǎn)，使得傳播路徑被掃過(guò)整個(gè)10°的角范圍。旋轉(zhuǎn)軸1 在角掃描期間的搖擺被維持在小的值(例如，小于1毫弧度)，從而避免使條紋圖案出現(xiàn)顯著相移。在此實(shí)例中，基本上不存在由于角調(diào)制而引起的條紋結(jié)構(gòu)的畸變，并且因此測(cè)量精確度被維持。在特定實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)光束定向器是提供連續(xù)正弦角運(yùn)動(dòng)的固定頻率諧振光學(xué)掃描器，諸如從紐約的里奇伍德的電光產(chǎn)品公司(Electro-Optical Products Corporation )可獲得的型號(hào)為SC-3的掃描器。該角調(diào)制以某一速率(例如600Hz)執(zhí)行，該速率足以使在每個(gè)圖像采集間隔期間條紋圖案被掃過(guò)整個(gè)角范圍至少一次，同時(shí)維持第二軸108與第一軸70正交。為了實(shí)現(xiàn)圖像校準(zhǔn)和均勻性，角調(diào)制優(yōu)選地與條紋圖像的采集同步，例如，通過(guò)使用角位置傳感器來(lái)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)光束定向器116的角位置和圖像采集系統(tǒng)的定時(shí)。如果虛擬源58的間距i/顯著小于到條紋圖案的距離R，則即使是在圖案邊緣處(如例如由圖:3B中在平面表面120上的條紋1 所示)，投影在空間中的條紋圖案也具有基本上直的豎直條紋。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到被照明對(duì)象上條紋的形狀將根據(jù)對(duì)象的表面幾何形狀而改變，并且非平面表面將表現(xiàn)出具有通常不是線(xiàn)性的結(jié)構(gòu)的條紋。不管對(duì)象形狀如何，將意識(shí)到在對(duì)象上觀察到的條紋的形狀跨越角掃描的整個(gè)范圍保持不變。因此，可以從條紋圖案導(dǎo)出的3D信息不會(huì)通過(guò)角調(diào)制而丟失或退化。此外，由于條紋投影光學(xué)元件中光學(xué)畸變引起的初始條紋圖案中的相位誤差被達(dá)到平均并且在一個(gè)維度上照明被有效均勻化。
圖3C說(shuō)明對(duì)于對(duì)應(yīng)于兩個(gè)不同偏轉(zhuǎn)角的位置132A和132B，實(shí)施為掃描鏡132(例如電流計(jì)鏡)的動(dòng)態(tài)光束定向器。對(duì)于每個(gè)偏轉(zhuǎn)角，來(lái)自虛擬源58其中之一的單個(gè)光射線(xiàn) 136A或136B入射在對(duì)象點(diǎn)140上，從而示出了來(lái)自虛擬源58的光學(xué)路徑長(zhǎng)度如何隨著偏轉(zhuǎn)角發(fā)生改變而變化。上述各實(shí)施例利用角分集來(lái)減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲。參考圖 4，用于減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的設(shè)備150的另一實(shí)施例基于照明場(chǎng)中的角分集。設(shè)備150包含相干光學(xué)輻射源154、柱狀準(zhǔn)直透鏡158、光學(xué)延遲板162和柱狀微透鏡的線(xiàn)性陣列166。生成多個(gè)子光束(一個(gè)子光束用于陣列166中的每一個(gè)微透鏡)， 其中每個(gè)子光束具有照明子場(chǎng)。所述照明子場(chǎng)交疊，使得該區(qū)中的每個(gè)點(diǎn)接收以不同角度入射的光。結(jié)果，通過(guò)平均所有照明子場(chǎng)的散斑噪聲，減小了被照明對(duì)象的圖像中的總散斑噪聲。設(shè)備150具有不移動(dòng)部件的益處；然而，施加在透射光學(xué)部件上的容差必須被指定以防止引入顯著的光學(xué)像差。在操作中，柱狀準(zhǔn)直透鏡158從光源巧4接收相干光學(xué)輻射并將在一個(gè)維度上準(zhǔn)直的光束170提供到光學(xué)延遲板162和微透鏡陣列166。在通過(guò)標(biāo)稱(chēng)焦點(diǎn)位置之后，來(lái)自每個(gè)微透鏡的相干輻射展開(kāi)成為從自微透鏡陣列166傳播的其它發(fā)散子光束移位的發(fā)散子光束。所有四個(gè)發(fā)散子光束的公共交疊區(qū)中的對(duì)象表面174上的每個(gè)點(diǎn)接收來(lái)自每個(gè)發(fā)散子光束的貢獻(xiàn)。參考圖5，光學(xué)延遲板162的前視圖示出四個(gè)區(qū)域或階段(st印)A、B、C和D，它們中的每一個(gè)都具有唯一光學(xué)厚度，其與其它區(qū)域的光學(xué)厚度相差大于相干光源154的相干長(zhǎng)度。光學(xué)厚度是由光學(xué)襯底或玻璃的物理厚度確定的；然而，在其它實(shí)施例中，每個(gè)區(qū)域的光學(xué)厚度是基于每個(gè)區(qū)域的不同折射率或者每個(gè)區(qū)域的折射率和物理厚度的組合，使得每個(gè)區(qū)域具有不同光學(xué)厚度。因此在光學(xué)延遲板162背面離開(kāi)每個(gè)區(qū)域的光相對(duì)于離開(kāi)其它區(qū)域的光不再在時(shí)間上是相干的。對(duì)于所說(shuō)明的四區(qū)域光學(xué)延遲板162，與對(duì)象的傳統(tǒng)相干照明相比，所采集的圖像中散斑的幅度減小了 1/2。有利的是，避免了由于各對(duì)發(fā)散子光束之間的干涉引起的可能以其他方式存在于被照明對(duì)象的圖像中的不希望條紋。通過(guò)數(shù)值實(shí)例的方式，用于采用相干長(zhǎng)度為Imm的相干光源154的系統(tǒng)的光學(xué)延遲板162將具有光學(xué)厚度唯一的各階段，所述各階段的光學(xué)厚度與其它階段的光學(xué)厚度相差至少1mm。圖4的相干光源巧4可以包含一對(duì)虛擬源，從而如上文參考圖1至3所述在對(duì)象處生成條紋圖案。在這種情形中，由設(shè)備150生成的每個(gè)照明子場(chǎng)包含從其它子場(chǎng)的條紋圖案豎直地偏移的條紋圖案。有利的是，將對(duì)于單個(gè)照明子場(chǎng)在條紋圖案中可觀察到的散斑與其它照明子場(chǎng)中的條紋圖案的散斑平均，使得所有照明子場(chǎng)的單個(gè)圖像中的總散斑噪聲具有減小的散斑噪聲。圖6說(shuō)明用于減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的設(shè)備180的另一實(shí)施例。該設(shè)備180配置成類(lèi)似于圖4的設(shè)備150，并且在對(duì)象表面上每個(gè)點(diǎn)處以不同入射角產(chǎn)生多個(gè)照明子場(chǎng)；然而，柱狀準(zhǔn)直透鏡158被聚焦光學(xué)元件184替換，該聚焦光學(xué)元件184 (其與線(xiàn)性微透鏡陣列166結(jié)合)被定位為使得四個(gè)照明子場(chǎng)在對(duì)象處完全交疊。對(duì)于不具有平面表面的廣義對(duì)象，聚焦光學(xué)元件184和微透鏡陣列166配置成提供在對(duì)象的中平面處完全交疊的照明子場(chǎng)。因此設(shè)備180比圖4所示的配置在光學(xué)上更高效。盡管上述各實(shí)施例涉及相干照明，但是本發(fā)明設(shè)想利用角分集來(lái)減小相干和不相干照明光束中不均勻性的影響。由于包含光學(xué)部件內(nèi)的缺陷以及光學(xué)路徑內(nèi)的灰塵的各種原因而生成所述不均勻性。上文關(guān)于圖2和圖3描述的角調(diào)制可以用于生成均勻照明光束。 角調(diào)制導(dǎo)致在對(duì)象處的照明區(qū)在一個(gè)或兩個(gè)維度上平移。利用足夠的角幅度和調(diào)制速率， 照明中的任何空間不均勻性或強(qiáng)度特征對(duì)于觀察者是不太明顯的，并且被照明對(duì)象的圖像中不均勻性的影響被減小。 盡管已經(jīng)參考特定實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在本發(fā)明中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于減小由結(jié)構(gòu)化照明圖案照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的方法，該方法包括利用相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象，所述結(jié)構(gòu)化照明圖案被沿著投影軸投影；在圖像采集間隔期間在角范圍上調(diào)制投影軸的角取向，其中投影在對(duì)象表面上的所述結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征在所述圖像采集間隔期間保持不變；以及采集在圖像采集間隔期間被照明對(duì)象的圖像。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述調(diào)制以與圖像采集率同步的頻率發(fā)生。
3.權(quán)利要求1的方法，其中結(jié)構(gòu)化照明圖案是條紋圖案，以及其中在投影軸的角取向的調(diào)制期間，條紋的形狀不改變。
4.權(quán)利要求3的方法，其中條紋圖案由兩個(gè)相干光學(xué)輻射源的干涉生成。
5.權(quán)利要求1的方法，其中結(jié)構(gòu)化照明圖案通過(guò)利用相干光學(xué)輻射照明圖案掩模而生成。
6.一種用于減小由結(jié)構(gòu)化照明圖案照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的方法，該方法包括利用沿著投影軸以初始角取向投影的相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象； 采集被照明對(duì)象的圖像；利用沿著投影軸以一個(gè)或多個(gè)后續(xù)角取向投影的相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象，其中投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征不改變； 采集以每個(gè)后續(xù)角取向被照明的對(duì)象的圖像；以及對(duì)以投影軸的初始角取向和后續(xù)角取向被照明的對(duì)象的圖像求和，以便生成具有減小的散斑噪聲的被照明對(duì)象的圖像。
7.權(quán)利要求6的方法，其中結(jié)構(gòu)化照明圖案是條紋圖案，以及其中在每個(gè)圖像中條紋的形狀是相同的。
8.權(quán)利要求7的方法，其中條紋圖案由兩個(gè)相干光學(xué)輻射源的干涉生成。
9.權(quán)利要求6的方法，其中結(jié)構(gòu)化照明圖案通過(guò)利用相干光學(xué)輻射照明圖案掩模而生成。
10.一種用于減小被照明對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的投影儀，包括具有結(jié)構(gòu)化照明圖案的相干光學(xué)輻射的光束源，光束沿著投影軸傳播并且配置成用于照明對(duì)象表面；以及動(dòng)態(tài)光束定向器，其與所述相干光學(xué)輻射的光束源光學(xué)通信并且配置成調(diào)制投影軸的角取向，其中投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征在投影軸的角取向的調(diào)制期間保持不變。
11.權(quán)利要求10的投影儀，其中所述相干輻射的光束源包括一對(duì)相干光學(xué)輻射源，以及其中結(jié)構(gòu)化照明圖案是干涉條紋圖案。
12.權(quán)利要求11的投影儀，其中該對(duì)相干光學(xué)輻射源是一對(duì)相干光學(xué)輻射的虛擬源。
13.權(quán)利要求10的投影儀，其中所述動(dòng)態(tài)光束定向器是掃描鏡。
14.權(quán)利要求13的投影儀，其中所述掃描鏡是電流計(jì)鏡。
15.權(quán)利要求10的投影儀，還包括成像系統(tǒng)，其采集由結(jié)構(gòu)化照明圖案照明的對(duì)象的圖像。
16.權(quán)利要求10的投影儀，其中所述動(dòng)態(tài)光束定向器配置成在連續(xù)角范圍上調(diào)制投影軸的角取向。
17.權(quán)利要求10的投影儀，其中所述動(dòng)態(tài)光束定向器配置成以離散的角步長(zhǎng)調(diào)制投影軸的角取向。
18.一種用于減小利用相干輻射照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的方法，該方法包括將相干光學(xué)輻射光束分成多個(gè)子光束，其中每個(gè)子光束具有到對(duì)象的唯一光學(xué)路徑；延遲至少一個(gè)所述子光束的光學(xué)路徑，使得每個(gè)子光束具有的光學(xué)路徑長(zhǎng)度與每個(gè)其它子光束的光學(xué)路徑長(zhǎng)度相差大于該相干光學(xué)輻射光束的相干長(zhǎng)度；以及定向每個(gè)子光束，使得每個(gè)子光束的至少一部分與每個(gè)其它子光束的至少一部分在對(duì)象處交疊。
19.權(quán)利要求18的方法，還包括采集對(duì)象的圖像。
20.權(quán)利要求18的方法，其中所述相干輻射光束包括一對(duì)相干光束，以及其中條紋圖案被投影在對(duì)象上。
21.權(quán)利要求20的方法，還包括采集投影在對(duì)象上的條紋圖案的圖像。
22.一種用于減小被相干照明的對(duì)象的圖像中的散斑噪聲的設(shè)備，包括具有相干長(zhǎng)度的相干光源；光學(xué)延遲板，其與所述相干光源光學(xué)通信并且具有多個(gè)光學(xué)厚度唯一的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的光學(xué)厚度與每個(gè)其它區(qū)域的光學(xué)厚度相差至少該相干光源的相干長(zhǎng)度；以及微透鏡陣列，其與所述光學(xué)延遲板光學(xué)通信，每個(gè)微透鏡接收透射通過(guò)光學(xué)延遲板的相應(yīng)一個(gè)區(qū)域的相干輻射并且生成發(fā)散相干輻射光束從而照明對(duì)象，其中每個(gè)發(fā)散相干輻射光束的相位相對(duì)于每個(gè)其它發(fā)散相干輻射光束被光學(xué)延遲板提前或延遲，使得所述光束相對(duì)于彼此在時(shí)間上不相干，以及其中在光束交疊區(qū)中對(duì)象表面上的點(diǎn)處每個(gè)光束的入射角不同于每個(gè)其它光束的入射角。
23.權(quán)利要求22的設(shè)備，其中該微透鏡是柱狀微透鏡。
24.權(quán)利要求22的設(shè)備，還包括布置在相干光源和光學(xué)延遲板之間的聚焦光學(xué)元件。
25.權(quán)利要求對(duì)的設(shè)備，其中所述聚焦光學(xué)元件是柱狀透鏡。
26.權(quán)利要求M的設(shè)備，其中所述聚焦光學(xué)元件是準(zhǔn)直器，以及其中所述準(zhǔn)直器從相干光源接收發(fā)散相干輻射光束并且將準(zhǔn)直光束提供給光學(xué)延遲板。
27.權(quán)利要求對(duì)的設(shè)備，其中所述聚焦元件和微透鏡陣列配置為使得每個(gè)發(fā)散相干輻射光束在對(duì)象處的照明與每個(gè)其它發(fā)散相干輻射光束在對(duì)象處的照明完全交疊。
28.權(quán)利要求M的設(shè)備，其中所述聚焦元件是柱狀透鏡。
29.權(quán)利要求22的設(shè)備，其中在每個(gè)區(qū)域的光學(xué)延遲板的厚度不同于在每個(gè)其它區(qū)域的光學(xué)延遲板的厚度。
30.一種用于生成均勻照明圖案的投影儀，包括光源，其生成沿著傳播軸傳播的光束；以及動(dòng)態(tài)光束定向器，其與所述光源光學(xué)通信并且配置成重定向傳播軸以使得光束照明對(duì)象，該動(dòng)態(tài)光束定向器在觀察時(shí)間上調(diào)制投影軸的角取向，其中照明場(chǎng)沿著對(duì)象表面平移以及其中照明場(chǎng)中不均勻性的可見(jiàn)性在該觀察時(shí)間上減小。
31.權(quán)利要求30的投影儀，其中光學(xué)觀察時(shí)間是成像系統(tǒng)的圖像采集時(shí)間。
全文摘要
描述了用于減小圖像中的散斑噪聲的方法和設(shè)備，所述圖像諸如由相干光源照明的對(duì)象的圖像以及由干涉條紋圖案照明的對(duì)象的圖像。根據(jù)一種方法，利用沿著投影軸投影的相干輻射的結(jié)構(gòu)化照明圖案來(lái)照明對(duì)象。在圖像采集間隔期間投影軸的角取向在角范圍上被調(diào)制。有利的是，投影在對(duì)象表面上的結(jié)構(gòu)化照明圖案的形狀特征在圖像采集期間保持不變，并且所采集的圖像表現(xiàn)出減小的散斑噪聲。結(jié)構(gòu)化照明圖案可以是條紋圖案，諸如由用于確定被照明對(duì)象的表面信息的3D計(jì)量系統(tǒng)生成的干涉條紋圖案。
文檔編號(hào)G06K7/10GK102326169SQ201080008662
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2010年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者H. K. 朱德?tīng)?N., F. 狄龍 R., I. 菲利昂 T., 依然 申請(qǐng)人:立體光子國(guó)際有限公司