SYSTEMS FOR MEASURING SURFACE TOPOGRAPHY
СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ

Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] Эта заявка заявляет преимущество по отношению к предварительной заявке США № 62/467,783, зарегистрированной 6 марта 2017 года, полное содержимое которой, таким образом, содержится по ссылке.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение, в целом, относится к улучшениям для систем измерения топографии поверхности, которые используют прозрачный эластомер с отражающим покрытием, чтобы захватывать топографические изображения целевой поверхности, а более конкретно, к съемному картриджу для использования с такими системами.
Уровень техники
[0003] Один тип системы высокого разрешения для измерения топографии поверхности использует прозрачный эластомер с отражающим покрытием, расположенный на жесткой оптической подложке. В то время как такие системы эффективно предоставляют возможность множества типов точных, детализированных измерений поверхности, эластомер может отслаиваться и становиться поврежденным в ходе многократных использований. В то же самое время, замена эластомера подвержена ошибкам и может быть проблемой для конечных пользователей таких систем. Остается необходимость в улучшенных системах измерения топографии поверхности, которые облегчают быстрые и удобные замены эластомера конечными пользователями.
Сущность изобретения
[0004] Топографическая измерительная система использует картридж для формирования изображения, сформированный из жесткого оптического элемента и прозрачной эластомерной контактирующей поверхности, сконфигурированной, чтобы захватывать топографические данные высокого разрешения с поверхности измерения. Картридж для формирования изображения может быть сконфигурирован как съемный картридж для системы, так что картридж для формирования изображения, включающий в себя жесткий оптический элемент и эластомерную контактирующую поверхность, может быть снят и заменен как единый, цельный компонент, который является надежным и стойким в течение многократных использований и является легко заменяемым конечными пользователями. Картридж может также эффективно объединять множество придающих форму свету и других элементов, чтобы поддерживать оптимальное освещение и захват изображения.
[0005] В одном аспекте устройство, описанное в данном документе, включает в себя оптический элемент, имеющий внутреннюю часть, включающую в себя жесткий, оптически прозрачный материал, первую поверхность оптического элемента, первая поверхность включает в себя область с оптически прозрачной поверхностью для захвата изображений через оптический элемент, вторую поверхность оптического элемента, противоположную первой поверхности, центральную ось оптического элемента, проходящую через первую поверхность и вторую поверхность, слой оптически прозрачного эластомера, расположенный на второй поверхности и присоединенный ко второй поверхности, первая сторона слоя рядом со второй поверхностью оптического элемента имеет второй коэффициент преломления, совпадающий с первым коэффициентом преломления второй поверхности, а вторая сторона слоя, противоположная второй поверхности оптического элемента, имеет оптическое покрытие с предварительно определенной отражающей способностью, боковую стенку вокруг внутренней части оптического элемента между первой поверхностью и второй поверхностью, боковая стенка включает в себя один или более придающих форму свету элементов, сконфигурированных, чтобы управлять освещением второй поверхности сквозь боковую стенку, и механический ключ на внешней стороне оптического элемента для принудительного установления предварительно определенной позиции оптического элемента в арматуре системы формирования изображения, механический ключ включает в себя, по меньшей мере, один радиально асимметричный элемент относительно центральной оси для принудительного установления уникальной угловой ориентации оптического элемента в арматуре системы формирования изображения.
[0006] Механический ключ может включать в себя один или более магнитов. Механический ключ может включать в себя множество выступов, включающих в себя, по меньшей мере, один выступ, имеющий форму, отличную от других, из множества выступов для принудительного установления уникальной угловой ориентации оптического элемента в арматуре системы формирования изображения. Механический ключ может включать в себя три выступа, имеющих форму и размер, чтобы формировать кинетическое соединение с арматурой системы формирования изображений. Механический ключ может включать в себя фланец. Механический ключ может включать в себя "ласточкин хвост". Боковая стенка может включать в себя непрерывную поверхность, формирующую форму усеченного конуса с первой поверхностью и второй поверхностью. Боковая стенка может включать в себя непрерывную поверхность, формирующую отсеченную полусферу с первой поверхностью и второй поверхностью. Боковая стенка может включать в себя две или более отдельных плоских поверхности. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя рассеивающую поверхность, чтобы рассеивать точечные источники падающего света по боковой стенке. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя полированную поверхность, чтобы преломлять падающий свет. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя изогнутую поверхность, чтобы фокусировать падающий свет. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя нейтральный светофильтр с градуированным ослаблением, чтобы компенсировать расстояние от боковой стенки на второй поверхности. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя один или более цветных фильтров. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя ненормальный угол боковой стенки по отношению ко второй поверхности. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя геометрический элемент. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя оптическую пленку. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя микролинзовую матрицу. Один или более придающих форму свету элементов могут включать в себя множество микрореплицируемых оптических элементов. Слой оптически прозрачного эластомера может быть присоединен ко второй поверхности через удерживающую структуру. Удерживающая структура может включать в себя оптический клей с совпадающим коэффициентом, расположенный между слоем оптически прозрачного эластомера и второй поверхностью оптического элемента. Удерживающая структура может включать в себя удерживающее кольцо по периметру слоя оптически прозрачного эластомера, механически прикрепляющее периметр ко второй поверхности. Удерживающая структура может включать в себя углубление во второй поверхности оптического элемента и соответствующий выступ в первой стороне слоя оптически прозрачного эластомера, который протягивается в углубление. Углубление может включать в себя канавку. Углубление может иметь форму "ласточкиного хвоста", чтобы предоставлять более широкую область от второй поверхности. Оптически прозрачный эластомер может быть сформирован в жидком состоянии в углублении. Оптически прозрачный эластомер может быть термически сформирован в углублении. Вторая поверхность оптического элемента может включать в себя выпуклую изогнутую поверхность, протягивающуюся от оптического элемента. Вторая сторона слоя оптически прозрачного эластомера может включать в себя выпуклую изогнутую поверхность, протягивающуюся от оптического элемента. Жесткий, оптически прозрачный материал может включать в себя, по меньшей мере, одно из стекла, поликарбоната и акрилового полимера. Устройство может дополнительно включать в себя один или более магнитов, чтобы закреплять устройство в арматуре системы формирования изображений. Система формирования изображений может включать в себя камеру и один или более источников света в предварительно определенной геометрической конфигурации относительно арматуры. Устройство может дополнительно включать в себя роботизированную систему, сконфигурированную, чтобы автоматически удалять устройство из арматуры системы формирования изображений. Роботизированная система может быть дополнительно сконфигурирована, чтобы вставлять второе устройство в арматуру системы формирования изображений. Роботизированная система может включать в себя, по меньшей мере, один магнит. Роботизированная система может включать в себя электромеханическую защелку. Первая поверхность может включать в себя изогнутую поверхность, предусматривающую линзу, чтобы оптически увеличивать изображение от второй поверхности для системы формирования изображений. Первая поверхность может включать в себя асферическую поверхность, чтобы устранять оптические аберрации в изображении, захваченном через оптический элемент со второй поверхности. Первая поверхность может включать в себя поверхность произвольной формы, сформированную, чтобы смягчать геометрическое искажение в изображении, захваченном через оптический элемент со второй поверхности.
Краткое описание чертежей
[0007] Варианты осуществления устройств, систем и способов, описанных в данном документе, показаны на следующих чертежах. Чертежи необязательно начерчены по масштабу, вместо этого упор сделан на иллюстрировании принципов этого изобретения.
[0008] Фиг. 1 показывает систему формирования изображений.
[0009] Фиг. 2 показывает поперечное сечение картриджа для формирования изображений для системы формирования изображений.
[0010] Фиг. 3 показывает вид сверху картриджа для формирования изображений.
[0011] Фиг. 4 – это вид в перспективе оптического элемента и корпуса для системы формирования изображений.
[0012] Фиг. 5 – это вид сбоку оптического элемента для системы формирования изображений.
[0013] Фиг. 6 – это вид в перспективе оптического элемента.
[0014] Фиг. 7 – это вид в перспективе оптического элемента.
[0015] Фиг. 8 – это вид в перспективе оптического элемента.
[0016] Фиг. 9 – это вид в перспективе оптического элемента.
[0017] Фиг. 10 – это вид сбоку оптического элемента на фиг. 9.
[0018] Фиг. 11 показывает роботизированную систему, использующую картридж для формирования изображений.
Подробное описание изобретения
[0019] Все документы, упомянутые в данном документе, содержатся по ссылке в своей полноте. Ссылки на элементы в единственном числе должны пониматься как включающие в себя элементы во множественном числе, и наоборот, пока явно не установлено иное или не ясно из контекста. Грамматические конъюнкции предназначаются, чтобы выражать любое и все дизъюнктивные и конъюнктивные сочетания соединяемых выражений, предложений, слов и т.п., пока иное не установлено или не ясно из контекста. Таким образом, выражение "или" следует, как правило, понимать как означающее "и/или" и т.д.
[0020] Перечисление диапазонов значений в данном документе не предназначено быть ограничивающим, вместо этого ссылаясь отдельно на какое–либо и все значения, попадающие в диапазон, пока иное не указано в данном документе, и каждое отдельное значение в таком диапазоне включено в спецификацию, как если бы оно был отдельно перечислено в данном документе. Слова "примерно", "приблизительно" или т.п., когда сопровождают числовое значение, должны истолковываться как указывающие отклонения, как будет понятно обычному специалисту в области техники, чтобы действовать удовлетворительно для предназначенной цели. Диапазоны значений и/или числовые значения предоставляются в данном документе только как примеры, и не составляют ограничение рамок описываемых вариантов осуществления. Использование любого и всех примеров, или примерный язык ("например", "такой как" или т.п.), предусмотренный в данном документе, предназначается просто для лучшего освещения вариантов осуществления и не представляет ограничение рамок вариантов осуществления или формулы изобретения. Язык в спецификации не должен истолковываться как указывающий какой–либо незаявленный элемент как неотъемлемый для практического применения вариантов осуществления.
[0021] В последующем описании является понятным, что выражения, такие как "первый", "второй", "верхний", "нижний", "верх", "низ" и т.п., являются словами для удобства и не должны истолковываться как ограничивающие выражения, пока специально не установлено обратное.
[0022] Устройства, системы и способы, описанные в данном документе, могут включать в себя, или могут быть использованы вместе, с учениями патентной заявки США № 14/201,835, зарегистрированной 8 марта 2014 года, патента США № 9,127,938, выданного 8 сентября 2015 года и патента США № 8,411,140, выданного 2 апреля 2013 года. Полное содержимое каждой из вышеупомянутых заявок, таким образом, содержится по ссылке. В некоторых аспектах, устройства, системы и способы, описанные в данном документе, могут быть использованы, чтобы предоставлять легко взаимозаменяемые картриджи для формирования изображений для ручных или количественных топографических или трехмерных измерительных систем. Однако, устройства, системы и способы, описанные в данном документе, могут также или вместо этого быть включены, или иначе использованы, вместе с другими системами. Например, системы, описанные в данном документе, могут быть полезны, например, для роботизированных систем конечных устройств, например, для идентификации части и оценки положения, обратной связи по усилию, роботизированной хирургии, медицинского обследования и т.п., также как других систем и прикладных задач, где одно или более из касания, тактильного восприятия, топографии поверхности или трехмерных измерений являются необходимыми или полезными.
[0023] Фиг. 1 показывает систему формирования изображений. В целом, система 100 формирования изображений может быть любой системой для количественных или качественных топографических измерений, таких как какое–либо из измерений, описанных в документах, идентифицированных выше. Система 100 формирования изображений может включать в себя картридж 102 для формирования изображений, сконфигурированный как съемный и заменяемый картридж для системы 100 формирования изображений, вместе с арматурой 104 для удержания картриджа 102 для формирования изображений. Арматура 104 может иметь предварительно определенную геометрическую конфигурацию относительно системы 100 формирования изображений, например, относительно устройства 106 формирования изображений, такого как камера, и источника 108 освещения, такого как один или более светоизлучающих диодов или других источников света, так что картридж 102 для формирования изображений, когда закреплен в арматуре 104, имеет известную позицию и ориентацию относительно камеры и источника(ов) света. Эта вынужденная геометрия предпочтительно предоставляет возможность повторного использования калибровочных данных для картриджа 102 формирования изображений, и надежного, повторяемого позиционирования картриджа 102 для формирования изображений в оптической схеме системы 100 формирования изображений.
[0024] Картридж 102 для формирования изображений может включать в себя оптический элемент 110, сформированный, по меньшей мере, частично из жесткого, оптически прозрачного материала, такого как стекло, поликарбонат, акриловый полимер, полистирол, полиуретан, оптически прозрачная смола и т.д. Силикон может также быть использован, такой как твердый вулканизированный платиной силикон. В качестве дополнительного преимущества, слой 116 оптически прозрачного эластомера может быть сформирован из мягкого вулканизированного платиной силикона и связан с твердым силиконом без использования клеев. Таким образом, в одном аспекте, оптический элемент 110 и слой 116 могут быть сформированы из материалов, которые облегчают непосредственное связывание без какого–либо использования клеев. Оптический элемент 110 может включать в себя первую поверхность 112, включающую в себя область с оптически прозрачной поверхностью для захвата изображений через оптический элемент 110, например, посредством устройства 106 формирования изображения. Оптический элемент 110 может также включать в себя вторую поверхность 114 напротив первой поверхности 112, с центральной осью 117, проходящей через первую поверхность 112 и вторую поверхность 114.
[0025] В целом, первая поверхность 112 может иметь оптические свойства, подходящие для передачи изображения от второй поверхности 114 через оптический элемент 110 к устройству 106 формирования изображения. Чтобы поддерживать эту функцию, первая поверхность 112 может, например, включать в себя изогнутую поверхность, предусматривающую линзу, чтобы оптически увеличивать изображение со второй поверхности 114. В другом аспекте, первая поверхность 112 может включать в себя асферическую поверхность, сформированную, чтобы устранять сферические аберрации или другие оптические аберрации в изображении, захваченном посредством оптического элемента 110 со второй поверхности 114. Первая поверхность 112 может также или вместо этого включать в себя поверхность произвольной формы, сформированную, чтобы уменьшать или иначе смягчать геометрическое искажение в изображении, захваченном посредством оптического элемента 110. Формирование изображения сквозь толстую среду может, как правило, вести к сферической аберрации с величиной, зависящей от числовой апертуры системы 100 формирования изображений (или более конкретно здесь, оптического элемента 110). Таким образом, первая поверхность 112 оптического элемента 110 может быть изогнута или иначе приспособлена, чтобы устранять такие сферические аберрации, получающиеся в результате распространения изображения сквозь толстую среду. Более конкретно, первая поверхность 112 может включать в себя любую форму или обработку поверхности, подходящую для фокусировки, формирования или модификации изображения способом, который поддерживает захват топографических данных с помощью оптического элемента 110. Вторая поверхность 114 может также или вместо этого быть модифицирована, чтобы улучшать захват изображения. Например, вторая поверхность 114 оптического элемента 110 может включать в себя выпуклую поверхность, протягивающуюся от оптического элемента 110 (например, к изображаемой целевой поверхности 130) для того, чтобы увеличивать или иначе формировать изображение, передаваемое от целевой поверхности 130 к устройству 106 формирования изображения.
[0026] Оптический элемент 110 может, в целом, служить множеству целей в системе 100 формирования изображений, как предполагается в данном документе. В одном аспекте оптический элемент 110 служит в качестве жесткого тела для переноса давления относительно равномерно по целевой поверхности 130 при захвате изображений. В частности, основная часть оптического элемента 110 может прикладывать практически равномерное давление на прозрачный гель подложки, так что отражающее покрытие мембраны на другой стороне прозрачной подложки соответствует измеренной топографии поверхности. Оптический элемент 110 может также или вместо этого обеспечивать направленное темнопольное освещение. Для этого, достаточно толстый оптический материал может функционировать в качестве световода, чтобы обеспечивать управляемое, равномерное и близкое к коллимированному темнопольное освещение отражающей поверхности мембраны с отдельных направлений (например, когда один LED–сегмент источника 108 освещения является включенным) или со всех сторон (например, когда все LED–сегменты источника 108 освещения являются включенными).
[0027] Слой 116 оптически прозрачного эластомера может быть расположен на второй поверхности 114 и присоединен ко второй поверхности 114 с помощью любого подходящего средства, такого как какое-либо из средств, описанных в данном документе. В целом, слой 116 может быть сформирован из геля или другого относительно пластичного материала, который является приспособленным для деформации, чтобы соответствовать топографии целевой поверхности 130, так что взаимодополняющая форма, сформированная в слое 116, может быть оптически захвачена сквозь противоположную поверхность слоя 116. С точки зрения пластичности, эластомер со значением дюрометра Шора ОО около 5–60 может полезно служить в качестве слоя 116, рассматриваемого в данном документе. В целом, первая сторона 118 слоя 116, которая находится рядом со второй поверхностью 114 оптического элемента 110, может иметь коэффициент преломления, который совпадает с коэффициентом преломления второй поверхности 114. Будет понятно, что, когда используется в данном документе при ссылке на коэффициенты преломления, выражение "совпадает" не требует идентичных коэффициентов преломления. Вместо этого, выражение "совпадает", как правило, означает наличие коэффициентов преломления, которые являются достаточно близкими, чтобы передавать изображения сквозь соответствующую границу между двумя материалами для захвата посредством устройства 106 формирования изображений. Таким образом, например, акриловый полимер имеет коэффициент преломления около 1,49, в то время как полидиметилсилоксан имеет коэффициент преломления около 1,41, и эти материалы практически совпадают, так что они могут быть расположены рядом друг с другом и могут быть использованы для передачи изображений, достаточных для количественных или качественных топографических измерений, как предполагается в данном документе.
[0028] Вторая сторона 120 слоя 116 может быть сконфигурирована, чтобы соответствовать целевой поверхности 130, в то же время предоставляя поверхность, обращенную к устройству 106 формирования изображений, которое обеспечивает топографическое формирование изображений и измерения посредством системы 100 формирования изображений. Вторая сторона 120 может, например, включать в себя непрозрачное покрытие, или более обобщенно, любое оптическое покрытие с предварительно определенной отражающей способностью, подходящей для поддержания топографического формирования изображений, как предполагается в данном документе. В целом, это покрытие может обеспечивать захват изображений посредством оптического элемента 110, которые не зависят от оптических свойств целевой области 130, таких как цвет, прозрачность, глянец, зеркальность и т.п., которые могут в ином случае мешать оптическому формированию изображений. В одном аспекте вторая сторона 120 может включать в себя выпуклую поверхность, протягивающуюся от оптического элемента 110 (например, по направлению к целевой поверхности 130). Эта геометрическая конфигурация может предоставлять многочисленные преимущества, такие как облегчение формирования изображений поверхностей с большими, собирающими вогнутыми формами и смягчение накопления воздушных пузырьков в поле обзора, когда картридж 102 для формирования изображений первоначально помещается в соприкосновении с целевой поверхностью 130.
[0029] Боковая стенка 122 может быть сформирована вокруг внутренней части 124 оптического элемента 110, протягивающаяся от первой поверхности 112 до второй поверхности 114. В целом, боковая стенка 122 может включать в себя один или более придающих форму свету элементов, сконфигурированных, чтобы управлять освещением второй поверхности 114 сквозь боковую стенку 122, например, от источника 108 освещения. Боковая стенка 122 может предполагать множество геометрических форм с полезными придающими форму свету деталями, например, чтобы направлять свет под желаемыми углами и с равномерностью внутрь и сквозь оптический элемент 110. Например, боковая стенка 122 может включать в себя непрерывную поверхность, формирующую форму усеченного конуса между двумя кругами, сформированными в первой поверхности 112 и второй поверхности 114. Боковая стенка 122 может также или вместо этого включать в себя отсеченную полусферу между некоторой частью или всей областью между первой поверхностью 112 и второй поверхностью 114. В другом аспекте боковая стенка 122 может включать в себя две или более отдельных плоских поверхности, размещенных в правильной или неправильной многоугольной геометрической форме, такой как шестиугольник или восьмиугольник вокруг центральной оси 117. В этом последнем варианте осуществления с плоскими поверхностями каждая такая поверхность может иметь источник 108 освещения, такой как один или более светоизлучающих диодов рядом с собой для того, чтобы предоставлять боковое освещение, когда желательно, сквозь оптический элемент 110.
[0030] Другие придающие форму свету детали могут также или вместо этого быть использованы с боковой стенкой 122, например, чтобы фокусировать или направлять падающий свет от источника 108 освещения или управлять отражением света в оптическом элементе 110 и/или слое 116 оптически прозрачного эластомера. Например, придающий форму свету элемент может включать в себя рассеивающую поверхность, чтобы рассеивать точечные источники падающего света по боковой стенке 122. Это может, например, помогать рассеивать свет от отдельных светоизлучающих диодных элементов в источнике 108 освещения и/или предоставлять более равномерное поле освещения от плоской поверхности боковой стенки 122. Боковая стенка 122 может также или вместо этого включать в себя полированную поверхность, чтобы отражать падающий свет внутрь оптического элемента 110. Будет понятно, что рассеивающие и отражающие поверхности могут также быть использованы в различных сочетаниях, чтобы, в целом, формировать освещение в оптическом элементе 110. Боковая стенка 122 может также или вместо этого включать в себя изогнутую поверхность, например, формирующую линзу в боковой стенке 122, чтобы фокусировать или направлять падающий свет внутрь оптического элемента 110, когда желательно.
[0031] В другом аспекте боковая стенка 122 может включать в себя нейтральный светофильтр с градуированным ослаблением, чтобы компенсировать расстояние от боковой стенки 122. Более конкретно, для того, чтобы устранять чрезмерное освещение областей второй поверхности 118 рядом с боковой стенкой 122, и/или недостаточное освещение областей второй поверхности 118 далеко от боковой стенки 122 (и ближе к центральной оси 117), боковая стенка 122 может обеспечивать широкополосное ослабление с помощью нейтрального светофильтра, который обеспечивает большее ослабление в областях боковой стенки 122 ближе ко второй поверхности 114 и меньшее ослабление в областях боковой стенки 122 ближе к первой поверхности 112. Таким образом, световые лучи, непосредственно освещающие вторую поверхность 114 под направленным вниз углом рядом с боковой стенкой 122, могут быть более ослаблены по сравнению с другими световыми лучами, выходящими из источника 108 освещения по направлению к центру второй поверхности 114. Это ослабление может, например, быть непрерывным, дискретным или иначе градуированным, чтобы обеспечивать, в целом, большее ослабление ближе к боковой стенке 122 или иначе сбалансированное освещение в поле обзора.
[0032] В другом аспекте придающий форму свету элемент может включать в себя один или более цветовых фильтров, которые могут быть полезно применены, например, чтобы сопоставлять конкретные цвета с конкретными направлениями освещения в оптическом элементе 110, или иначе управлять использованием цветного освещения из источника 108 освещения. В другом аспекте придающий форму свету элемент может включать в себя ненормальный угол боковой стенки 122 ко второй поверхности 114. Например, как иллюстрировано на фиг. 1, боковая стенка 122 является наклоненной от второй поверхности 114, чтобы формировать тупой угол с ней. Этот подход может преимущественно поддерживать непрямое освещение второй поверхности 118, например, отражая свет от первой поверхности 112 и в оптический элемент 110. В другом аспекте боковая стенка 122 может быть наклонена ко второй поверхности, чтобы предоставлять острый угол с ней, например, для того, чтобы поддерживать большее прямое освещение второй поверхности 118. Эти подходы могут быть использованы отдельно или в сочетании, чтобы направлять свет, как желательно, в и через оптический элемент 110.
[0033] Придающий форму свету элемент может также или вместо этого включать в себя геометрический элемент, такой как фокусирующая линза, плоскостные области или т.п., чтобы направлять падающий свет как желательно. Другие оптические элементы могут также или вместо этого быть полезно сформированы на или в боковой стенке 122. Например, придающий форму свету элемент может включать в себя оптическую пленку, такую как какая–либо из множества коммерчески доступных пленок для фильтрации, ослабления, поляризации или иного придания формы падающему свету. Придающий форму свету элемент может также или вместо этого включать в себя микролинзовую матрицу или т.п., чтобы направлять или фокусировать падающий свет от источника 108 освещения. Придающий форму свету элемент может также или вместо этого включать в себя множество микрореплицированных и/или дифракционных оптических элементов, таких как линзы, решетки или т.п. Например, микроструктурированная боковая стенка 122 может включать в себя, например, микролинзы формирования изображений, хрусталики, микропризмы и т.д. в качестве придающих форму свету элементов, чтобы направлять свет от источника 108 освещения в оптический элемент 110 способом, который улучшает формирование изображений топографических разновидностей для поверхности формирования изображений картриджа 102 для формирования изображений на второй стороне 120 слоя 116 оптически прозрачного эластомера. Например, микроструктурированные детали могут обеспечивать придание формы рисунку освещения, чтобы обеспечивать равномерное распределение света по измеряемому полю, уменьшать отражение света обратно в или из оптического элемента 110 и т.д. Микроструктурирование может, например, быть наложено во время инжекционного формования оптического элемента 110 или посредством нанесения оптической пленки с желаемой микроструктурой на боковую поверхность. Например, коммерчески доступная оптическая пленка включает в себя Vikuiti™ и улучшенную светорегулирующую пленку (ALCF), продаваемую компанией 3M.
[0034] Механический ключ 126 может быть расположен на внешней стороне оптического элемента 110 для принудительного осуществления предварительно определенной позиции оптического элемента 110 (а более конкретно, картриджа 102 для формирования изображений) в арматуре 104 системы 100 формирования изображений. Механический ключ 126 может, например, включать в себя, по меньшей мере, один радиально асимметричный элемент относительно центральной оси 117 для принудительного осуществления уникальной угловой ориентации оптического элемента 110 в арматуре 104 системы 100 формирования изображений. Механический ключ 126 может включать в себя любое число механических элементов или т.п., подходящих для удержания оптического элемента 110 в предварительно определенной ориентации в системе 100 формирования изображений. Механический ключ 126 может также или вместо этого включать в себя совпадающую геометрию между оптическим элементом 110 и арматурой 104. Например, механический ключ 126 может включать в себя цилиндрическую структуру, протягивающуюся от оптического элемента 110, или оптической призмы или т.п., который может полезно принудительно осуществлять угловую ориентацию одновременно с позицией.
[0035] В одном аспекте механический ключ 126 может включать в себя один или более магнитов 128, которые могут закреплять оптический элемент 110 в арматуре 104 системы формирования изображений. Магниты 128 могут быть дополнительно закодированы через позиционирование и/или полярность, чтобы гарантировать, что оптический элемент 110 вставляется только в конкретной угловой ориентации относительно центральной оси 117. Механический ключ 126 может также или вместо этого включать в себя множество выступов, включающих в себя, по меньшей мере, один выступ, имеющий форму, отличную от других форм множества выступов для принудительного осуществления уникальной угловой ориентации оптического элемента 110 относительно центральной оси 117 в арматуре 104 системы 100 формирования изображений. Механический ключ 126 может также или вместо этого включать в себя, по меньшей мере, три выступа (например, точно три выступа), имеющие форму и размер, чтобы формировать кинематическое соединение с арматурой 104 системы 100 формирования изображений. Механический ключ 126 может также или вместо этого включать в себя детали, такие как фланец, "ласточкин хвост", или любые другие механические формы или детали, чтобы надежно сопрягать оптический элемент 110 с арматурой 104 в предварительно определенной позиции и/или ориентации. Множество конкретных механических ключевых систем обсуждается в данном документе со ссылкой на конкретные конструкции оптического элемента и конфигурации.
[0036] Поверхности картриджа 102 для формирования изображений могут быть дополнительно обработаны, когда необходимо или полезно для использования в системе 100 формирования изображений, которая рассматривается в данном документе. Например, области верхней, боковой и нижней поверхностей оптического элемента 110 или другие фрагменты картриджа 102 для формирования изображений могут быть покрыты светопоглощающим слоем, таким как черная краска, например, чтобы содержать свет от источника 108 освещения или уменьшать инфильтрацию окружающего света.
[0037] Одной проблемой для прикрепления гибкого эластомера (в слое 116) к жесткой поверхности, такой как оптический элемент 110, может быть отслоение, которое может получаться в результате сдвигающих усилий и других краевых эффектов после многократного захвата изображения, особенно когда целевая поверхность 130 имеет тенденцию прилипать к эластомеру. Чтобы устранять эту проблему, оптический элемент 110 и слой 116 прозрачного эластомера могут быть сформированы как картридж, который предоставляется для конечных пользователей как цельное, съемное и заменяемое устройство. Этот картридж может быть быстро и легко заменен конечным пользователем, когда требуется, или для того, чтобы подставлять картридж 102 формирования изображений с другими оптическими свойствами, например, для другой прикладной задачи формирования изображения, разрешения или т.п. В то же самое время, одновременная замена оптического элемента 110 со слоем 116 предоставляет возможность использования более надежного средства для механического прикрепления слоя 116 эластомера к оптическому элементу 110. В качестве значительного преимущества, этот подход может смягчать проблемы для конечного пользователя, ассоциированные с заменой слоя 116 эластомера, такие как попадание загрязнений или воздушных пузырьков между слоем 116 эластомера и оптическим элементом 110.
[0038] Фиг. 2 показывает поперечное сечение картриджа для формирования изображений для системы формирования изображений. В целом, картридж 200 для формирования изображений может включать в себя слой 206 оптически прозрачного эластомера, соединенного с оптическим элементом 204. Он может включать в себя любой из слоев эластомера и оптических элементов, описанных в данном документе. В целом, слой 206 эластомера может быть соединен с оптическим элементом 204 с помощью любой подходящей удерживающей структуры. Так как слой эластомера и оптический элемент 204 предоставляются конечным пользователям в качестве объединенного картриджа, который отличается от аналогичных систем предшествующего уровня техники, которые требовали периодической ручной замены слоя 206 эластомера, более широкое многообразие и сочетание технических способов может быть использовано, чтобы надежно удерживать слой 206 рядом с оптическим элементом 204.
[0039] Удерживающая структура может включать в себя любой агент, придающий клейкость, или другой клейкий материал, клей, эпоксидную смолу или т.п., включающие в себя любой из клейких материалов, описанных в данном документе. Когда картридж 200 для формирования изображения изготавливается для использования как цельный, потребительский продукт, как правило, нет необходимости удалять и заменять слой 206 эластомера, и слой 206 может быть присоединен к оптическому элементу 204 с помощью относительно прочной, жесткой эпоксидной смолы. В одном аспекте удерживающая структура может включать в себя оптический клей с совпадающим коэффициентом, расположенный между слоем 206 оптически прозрачного эластомера и поверхностью оптического элемента 204. Как обсуждалось выше, совпадающий коэффициент в этом контексте относится к любым коэффициентам преломления, достаточно близким, чтобы поддерживать оптическую передачу полезного изображения сквозь соответствующую границу.
[0040] Удерживающая структура может также включать в себя удерживающее кольцо 208 по периметру слоя 206 оптически прозрачного эластомера, механически прикрепляющее периметр к поверхности оптического элемента 204. Удерживающее кольцо 208 может пересекать весь периметр или один или более фрагментов периметра. В то время как ограничивающее кольцо 208 может необязательно протягиваться поверх верхней, функциональной поверхности слоя 206 эластомера, оно может мешать размещению картриджа 200 для формирования изображения на целевой поверхности, особенно если целевая поверхность является практически плоской. Таким образом, в одном аспекте, удерживающее кольцо 208 может быть полезно расположено в выемке 210 или т.п., сформированной в кромке слоя 206, или выемке 210, созданной посредством механического усилия удерживающего кольца 208 относительно более податливого эластомера слоя 206. Будет понятно, что удерживающее кольцо 208 может иметь любую форму, соответствующую, в целом, форме периметра слоя 206 эластомера, такую как многоугольник, эллипс и т.д. Таким образом, термин "кольцо", когда используется в этом контексте, не предназначен предполагать или требовать круглую или закругленную форму. Дополнительно, в то время как удерживающее кольцо 208 описывается, удерживающая структура может также или вместо этого включать в себя любое число язычков, выступов, фланцев или т.п., протягивающихся поверх или внутрь слоя 206, чтобы механически закреплять периметр слоя 206 в соприкосновении с оптическим элементом 204.
[0041] Удерживающая структура может также или вместо этого включать в себя углубление 212 в поверхности оптического элемента и соответствующий выступ 214 в слое 206 оптически прозрачного эластомера, который протягивается в углубление 212. Углубление 212 может включать в себя канавку или другую форму, подходящую для приема выступа 214. В одном аспекте углубление 212 может иметь форму "ласточкиного хвоста", чтобы обеспечивать более широкую область от поверхности слоя 206 для того, чтобы улучшать механическую прочность соединения, сформированного между слоем 206 эластомера и оптическим элементом 204. Более конкретно, углубление 212 может быть структурно сконфигурировано, чтобы удерживать слой 206 на поверхности оптического элемента 204. Таким образом, механическое соединение может быть сформировано между слоем 206 и оптическим элементом 204, например, чтобы заменять или дополнять соединение, сформированное посредством клеев, удерживающего кольца 208 или любых других удерживающих структур.
[0042] Для того, чтобы заполнять углубление 212 во время производства, слой 206 эластомера может быть сформирован в жидком состоянии или термически сформирован в углублении 212 с помощью любого подходящего, оптически прозрачного эластомера. Подходящим образом сформированные, деформируемые эластомеры могут также или вместо этого быть запрессованы или иначе собраны в углубление 212. Однако, посредством применения эластомера в качестве жидкости и затем отверждения эластомера, слой 206 эластомера может более полно заполнять пустое пространство углубления 212 и обеспечивать более прочное механическое соединение с оптическим элементом 204.
[0043] Фиг. 3 показывает вид сверху картриджа для формирования изображений. Картридж 300 для формирования изображений может быть картриджем для формирования изображений, таким как какой–либо из картриджей для формирования изображений или аналогичных компонентов, описанных в данном документе. В целом, картридж 300 для формирования изображений может включать в себя слой 302 податливого эластомера, используемого, чтобы касаться и захватывать изображения целевых поверхностей. Слой 302 может быть прикреплен к оптическому элементу посредством множества удерживающих структур, таких как удерживающее кольцо 304 по периметру 306 слоя 302, или выступ 308, сформированный в углублении в оптическом элементе. В целом, картридж 300 для формирования изображений и/или слой 302 могут иметь любую из множества форм. Например, слой 302 может включать в себя периметр 306 в форме круга, эллипса, квадрата, прямоугольника или любого другого многоугольника или другой формы.
[0044] Множество картриджей для формирования изображений, объединяющих отличительные признаки, описанные в данном документе, будут сейчас описаны.
[0045] Фиг. 4 – это вид в перспективе оптического элемента и корпуса для системы формирования изображений. Оптический элемент 402 может, например, быть любым из оптических элементов 402, описанных в данном документе. В целом, оптический элемент 402 может включать в себя множество выступов 404, 406, которые могут быть в осевом направлении асимметричными для того, чтобы принудительно осуществлять уникальную радиальную ориентацию в корпусе 408. Например, один выступ 406 может быть больше других выступов 404 для того, чтобы обеспечивать радиальное клиновое соединение, или выступы 406 могут быть неравномерно распределены способом, который принудительно осуществляет уникальную радиальную ориентацию, или некоторое их сочетание. Корпус 408 может включать в себя множество пазов 410 или т.п. для приема выступов 406, 408, после которого оптический элемент 402 может вращаться вокруг оси 412 системы 400 формирования изображений, так что выступы 406, 408 надежно удерживают оптический элемент 402 в корпусе 408. Выступы 406, 408 могут, например, формировать кинематическое соединение с пазами 410 корпуса 408, чтобы принудительно осуществлять предварительно определенную геометрическую ориентацию оптического элемента 402 в корпусе 408 и ассоциированной системе формирования изображений.
[0046] Фиг. 5 – это вид сбоку оптического элемента для системы формирования изображений. Отметим, что в варианте осуществления на фиг. 5 верхняя поверхность 502 оптического элемента 504 протягивается поверх множества выступов 506, которые прикрепляют оптический элемент 504 к корпусу. Это предоставляет возможность слою эластомера протягиваться за поверхность корпуса достаточно, так что корпус не мешает соприкосновению между эластомерным слоем и целевой поверхностью. Как описано выше, слой прозрачного эластомера (не показан) может быть прикреплен к поверхности оптического элемента 504 с помощью любых подходящих способов.
[0047] Картридж для формирования изображений может иметь множество различных форм и может полезно совместно использовать монтажный интерфейс, такой как выступы, так что различные типы картриджей для формирования изображений могут быть использованы в одном и том же корпусе для различных прикладных задач формирования изображений. Фиг. 6 – это вид в перспективе оптического элемента 602, имеющего низкий профиль. Оптический элемент 602 может иметь форму и размер, чтобы надежно монтироваться в корпусе, таком как корпус 408 на фиг. 4, но может быть тоньше, например, чтобы уменьшать оптические аберрации в изображениях, захваченных посредством оптического элемента 602, или облегчать использование дополнительных оптических элементов, таких как фильтры, линзы для формирования изображений, и т.п. между оптическим элементом 602 и камерой или другим устройством формирования изображений системы формирования изображений. Этот профиль может также преимущественно обеспечивать освещение сквозь поверхность 604, обращенную к камере (и противоположную слою эластомера и целевой поверхности), чтобы обеспечивать освещение и формирование изображения высокоаспектовых негативных деталей на целевой поверхности, таких как бороздки, глубокие канавки и т.п. В этом контексте, термин "высокоаспектовый" предназначается, чтобы ссылаться на детали, которые (или могут быть) загорожены от освещения под скользящими углами освещения, например, более чем сорок пять градусов от нормали поверхности.
[0048] Фиг. 7 – это вид в перспективе оптического элемента. Оптический элемент 702 может включать в себя выпуклую поверхность 704, сформированную, чтобы поддерживать слой эластомера способом, который протягивается от оптического элемента 702, который может преимущественно предоставлять возможность формирования изображений относительно вогнутых поверхностей и может также преимущественно ослаблять формирование пузырьков, когда слой эластомера помещается на целевую поверхность для захвата изображения. Оптический элемент 702 может иметь форму и размер, чтобы надежно монтироваться в корпусе, таком как корпус 408 на фиг. 4.
[0049] Фиг. 8 – это вид в перспективе оптического элемента. Оптический элемент 802 может полезно объединять высокопрофильную контактную поверхность 804, которая протягивается от выступов 806 оптического элемента 802, например, чтобы предоставлять больший зазор между корпусом и поверхностью формирования изображения. Оптический элемент 802 может иметь форму и размер, чтобы надежно монтироваться в корпусе, таком как корпус 408 на фиг. 4. В целом, вышеупомянутые оптические элементы могут быть использованы взаимозаменяемо с единым корпусом, таким образом, обеспечивая различные режимы работы, поддерживаемые посредством различных свойств картриджа для формирования изображений. Дополнительно, обеспечивая кинематическое соединение или аналогичную систему установки характерной ориентации, результаты калибровки и т.п. для конкретного оптического элемента могут быть повторно вызваны и повторно использованы, когда ранее использованный оптический элемент снова размещается в корпусе.
[0050] Фиг. 9 – это вид в перспективе оптического элемента. Оптический элемент 902 может, например, иметь, в целом, прямоугольную конструкцию и может включать в себя один или более фланцев 904 или т.п., так что оптический элемент 902 может линейно скользить в зацепление с арматурой корпуса. Этот тип механизма зацепления может быть особенно подходящим для роботизированных применений или т.п., таких как когда оптический элемент 902 снимается и заменяется на исполнительном органе роботизированной руки. Оптический элемент 902 может, например, быть любым из оптических элементов, описанных в данном документе, с соответствующими свойствами поверхности и боковой стенки. Слой 906, такой как какой–либо из слоев оптически прозрачного эластомера, описанного в данном документе, может быть расположен на оптическом элементе 902, чтобы предоставлять контактную поверхность для захвата топографических изображений целевой поверхности. Слой 906 может быть выпуклым, или иначе искривлен от оптического элемента 902, например, чтобы обеспечивать зазор от корпуса и/или ослаблять формирование воздушных пузырьков, когда слой 906 размещается для использования на целевой поверхности. Фиг. 10 – это вид сбоку оптического элемента на фиг. 9.
[0051] Фиг. 11 показывает роботизированную систему, использующую картридж для формирования изображений. В целом, система 1100 может включать в себя роботизированную руку 1102, соединенную с корпусом 1104, сконфигурированным, чтобы съемным и заменяемым образом принимать картридж 1106, такой как любой из картриджей для формирования изображений или других оптических устройств, описанных в данном документе. Роботизированная рука 1102 (или любой другой подходящий роботизированный элемент(ы)) может быть сконфигурирована, чтобы позиционировать картридж 1106 в соприкосновении с целевой поверхностью 1108 для того, чтобы захватывать топографические изображения целевой поверхности 1108 посредством картриджа 1106 с помощью, например, камеры или другого устройства формирования изображений в корпусе 1104. В целом, система 1100 может быть сконфигурирована, чтобы автоматически удалять картридж 1106 из арматуры системы 1100 формирования изображений (например, в корпусе 1104) и вставлять второй картридж 1110 в корпус 1104. Второй картридж 1110 может быть таким же, что и картридж 1106, например, предоставлять замену после обычного износа и разрыва, или второй картридж 1110 может иметь другую оптическую конфигурацию, отличную от первого картриджа 1106, например, чтобы предоставлять большее увеличение, большее поле обзора, лучшее разрешение элементов, глубокое освещение элементов, другую форму поверхности заполнителей, другие допуски формы для целевой поверхности 1108 и т.д. Второй картридж 1110 может храниться в бункере или другом приемнике, доступном роботизированной руке 1102 системы 1100. В целом, система 1100 может включать в себя один или более магнитов, электромеханических защелок, актуаторов и т.д., в корпусе 1104, или более обобщенно в системе 1100, чтобы обеспечивать удаление и замену картриджа 1106, как описано в данном документе. Более конкретно, система 1100 может включать в себя любое захватное устройство, зажим или другой электромеханический исполнительный орган или т.п., подходящий для удаления и замены картриджа 1106 и позиционирования картриджа 1106 для использования в процессе формирования изображений.
[0052] Вышеописанные системы, устройства, способы, процессы и т.п. могут быть реализованы в аппаратных средствах, программном обеспечении или любом их сочетании, подходящем для конкретной прикладной задачи. Аппаратные средства могут включать себя компьютер общего назначения и/или специализированное вычислительное устройство. Это включает в себя реализацию в одном или более микропроцессорах, микроконтроллерах, встроенных микроконтроллерах, программируемых цифровых сигнальных процессорах или других программируемых устройствах или схемах обработки, вместе с внутренней и/или внешней памятью. Это может также, или вместо этого, включать в себя одну или более специализированных интегральных схем, программируемых вентильных матриц, программируемых матричных логических компонентов или любое другое устройство или устройства, которые могут быть сконфигурированы, чтобы обрабатывать электронные сигналы. Будет дополнительно понятно, что реализация процессов или устройств, описанных выше, может включать в себя компьютерно–исполняемый код, созданный с помощью структурированного языка программирования, такого как C, объектно–ориентированного языка программирования, такого как C++, или любого другого высокоуровневого или низкоуровневого языка программирования (включающего в себя языки ассемблера, языки описания аппаратных средств и языки программирования баз данных и технологии), которые могут быть сохранены, скомпилированы или интерпретированы для запуска на одном из вышеописанных устройств, также как разнородных сочетаниях процессоров, архитектур процессоров или сочетаниях различных аппаратных средств и программного обеспечения. В другом аспекте способы могут быть осуществлены в системах, которые выполняют его этапы, и могут быть распределены между устройствами множеством способов. В то же время, обработка может быть распределена между устройствами, такими как различные системы, описанные выше, или вся функциональность может быть объединена в специализированное, автономное устройство или другие аппаратные средства. В другом аспекте средство для выполнения этапов, ассоциированных с процессами, описанными выше, может включать в себя любые из аппаратных средств и/или программного обеспечения, описанных выше. Все такие преобразования и сочетания предполагают попадать в рамки настоящего изобретения.
[0053] Варианты осуществления, описанные в данном документе, могут включать в себя компьютерные программные продукты, содержащие компьютерно–исполняемый код или компьютерно–используемый код, который, когда выполняется на одном или более вычислительных устройствах, выполняет любой и/или все его этапы. Код может быть сохранен невременным образом в компьютерной памяти, которая может быть памятью, из которой программа выполняется (такой как оперативное запоминающее устройство, ассоциированное с процессором), или запоминающим устройством, таким как дисковый накопитель, флеш–память или любое другое оптическое, электромагнитное, магнитное, инфракрасное или другое устройство или сочетание устройств. В другом аспекте любая из систем и способов, описанных выше, может быть осуществлена в любом подходящем носителе для передачи или распространения, переносящем компютерно–исполняемый код и/или любые входные или выходные данные из него.
[0054] Будет понятно, что устройства, системы и способы, описанные выше, изложены в качестве примера, а не ограничения. В отсутствие явного указания на противоположное, раскрытые этапы могут быть модифицированы, дополнены, пропущены и/или переупорядочены без отступления от рамок этого изобретения. Многочисленные вариации, добавления, пропуски и другие модификации будут понятны обычному специалисту в области техники. Кроме того, порядок или представление этапов способа в описании и на чертежах выше не предполагает требовать этого порядка выполнения перечисленных этапов, пока конкретный порядок не будет явно потребован или иначе ясен из контекста.
[0055] Этапы способа реализаций, описанных в данном документе, предполагают включение в себя любого подходящего способа инструктирования выполнения таких этапов способа, согласующихся с патентоспособностью последующей формулы изобретения, пока другое значение не будет явно предусмотрено или иначе ясно из контекста. Таким образом, например, выполнение этапа X включает в себя любой подходящий способ для инструктирования другому участнику, такому как удаленный пользователь, удаленный ресурс обработки (например, сервер или облачный компьютер) или автомат, выполнять этап X. Аналогично, выполнение этапов X, Y и Z может включать в себя любой способ для направления или управления любым сочетанием таких других личностей или ресурсов, чтобы выполнять этапы X, Y и Z, чтобы получать пользу от таких этапов. Таким образом, этапы способа реализаций, описанных в данном документе, предполагают включать в себя любой подходящий способ для инструктирования одному или более другим сторонам или объектам–сущностям выполнять этапы, согласующиеся с патентоспособностью последующей формулы изобретение, пока другой смысл явно не предусматривается или иначе ясен из контекста. Такие стороны или объекты–сущности не должны быть под руководством или управлением любой другой стороны или объекта–сущности и не должны находиться в конкретной юрисдикции.
[0056] Следует дополнительно понимать, что способы, описанные выше, предоставлены в качестве примера. В отсутствие явного указания на противоположное, раскрытые этапы могут быть модифицированы, дополнены, пропущены и/или переупорядочены без отступления от рамок этого изобретения.
[0057] Будет понятно, что устройства, способы и системы, описанные выше, изложены в качестве примера, а не ограничения. Многочисленные вариации, добавления, пропуски и другие модификации будут понятны обычному специалисту в области техники. Кроме того, порядок или представление этапов способа в описании и на чертежах выше не предполагает требовать этого порядка выполнения перечисленных этапов, пока конкретный порядок не будет явно потребован или иначе ясен из контекста. Таким образом, в то время как конкретные варианты осуществления были показаны и описаны, будет понятно специалистам в области техники, что различные изменения и модификации в форме и деталях могут быть выполнены в них без отступления от духа и рамок этого изобретения и предназначены, чтобы формировать часть изобретения, которое определено последующей формулой, которая должна быть интерпретирована в самом широком смысле, допустимом законом.