[发明专利]用于具有适合相移分析的强度调制元件的探头的条纹投影系统

说明书

技术领域

本申请是于2008年10月10日提出的、题为“用于使用结构化光的探头系统的系统方面”的美国申请No.12/249,513的部分继续，并要求其优先权，美国申请No.12/249,513是于2008年3月5日提出并于2010年10月26日公开且题为“用于适于相移分析的探头的条纹投影系统和方法”的美国申请No.12/042,821(现在为美国专利No.7,821,649)的部分继续并要求其优先权，上述申请的每一个的整体通过引用结合于本文中。

本文所述的主题通常涉及管道镜和内窥镜，并且更具体地，涉及利用强度调制元件提供3D表面映射和尺寸测量的管道镜/内窥镜。

背景技术

管道镜和内窥镜一般用于在远程腔中的检查。在本文中称为探头的大多数管道镜和内窥镜，采用耦合到探头中的光纤束的外部光源来提供对远程对象或远端表面的照明。在对象被照亮时，由图像传感器上的透镜系统形成内部图像，并且图像被传递到连接的显示器，诸如视频屏。图像传感器可如光学刚性管道镜或纤维镜那样位于探头的近端，或者如视频管道镜或内窥镜那样位于远端。这样的系统经常用于检查不可达的损坏位置或磨损位置，或者验证部件已正确制造或组装。其中，期望获得尺寸测量以验证损坏或磨损未超过操作限制，或者制造的部件或套件符合其规范。可能还期望产生3D模型或表面图用于与参照进行比较、3D观察、逆向工程或详细表面分析。

示出于连接的显示器上的图像在放大和外观尺寸中有所不同，取决于对象和探头远端的距离。这导致难以直接确定尺寸测量，尤其是在三维空间内。

存在通过探头提供3D数据的许多已知方式，包括：分割视图来得到立体图像(立体观察)，向远程对象投影圆点的粗图案，或使用单线获得单一图像轮廓。立体方法可用于创建3D视图，但是只能提供图像上的两个点能被关联起来的信息。当存在很少的表面细节时，这可能是有问题的。关联过程也可能需要大量的处理，因而产生全3D表面图可能是耗时的。更典型的是仅仅关联基本测量所需要的少数点。投影圆点的粗图案允许在这些圆点的点处得到测量。但是，这些圆点之间的区域需要被插值，因而它们之间的任何表面变化都丢失。最后，单线轮廓提供了沿该单一轮廓的有用信息，但是将单线恰当地定位在感兴趣对象上可能是困难的，并且如果表面不是平坦的或者观察不垂直于表面，则需要不共线的点(诸如对于线或区域测量的点)的测量易于产生误差。由于尺寸约束，经常在商业系统中用于产生3D表面图的、单个轮廓线的扫描在小探头中通常是不实用的。

关于上文讨论的方式还存在其它的限制。例如，实现该解决方案通常需要较大的计算容量，并且需要高度熟练的技术人员来操作设备。并且，当期望密集的3D全表面图或全场(full-field)对象测量时，上述方式可能并不适当。没有全场数据，表面或者对象上的缺陷可能完全失去。由此，期望提供进行全场表面映射的探头。

能通过相移来获得全场对象数据。相移是用于非接触式光学计量应用的分析技术。相移通常包括投影穿过摄像机的视野(FOV)的一个或多个平行线集。当对象距离改变时，该平行线(或条纹集)移动穿过FOV。需要确定哪条线是哪条或绝对相位，以进行精确测量并获得精确的表面图。图像中的给定点处的绝对相位定义为给定点与所投影的线图案中参照点之间的总相位差(为线周期数的2π倍)。参照点能任意定义。

存在多种已知的方式用于译解哪条线是哪条并确定绝对相位。一些方式包括：采用具有物理水平偏移的多个条纹集，从而产生随距离改变的相对相位，或者使用具有物理轴向偏移的多个条纹集，以根据距离改变周期。多数技术使用附加的投影。例如，为帮助确定绝对相位，可投影额外的线来给出开始参照点。确定的绝对相位结合FOV中的条纹集位置通常用于确定绝对对象距离。

相移方法对在诸如管道镜和内窥镜的装置中使用并不是使用的。投影用于相移方法的合适线图案所需的设备通常包括投影仪、扫描仪、压电镜或类似项。其中，探头的尺寸限制使得典型设备的使用在机械上具有挑战性。

因此，期望提供探头的实用机械构造，其能够基于相移分析执行测量和3D表面映射。

仅为一般的背景信息而提供上述讨论，并不意于用作确定要求保护的主题的范围的辅助。

发明内容

公开了一种用于探头的强度调制元件，该探头具有用于相移分析和测量的多个光发射器。该强度调制元件包括由两个相向图案形成的多个光栅元件的多个列。在强度调制元件的一些公开实施例的实践中可以认识到的优点在于更精确的相移分析。