機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)和進(jìn)行高速對(duì)焦高度測(cè)量操作的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種包括照明源和攝像系統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)和用于進(jìn)行高速對(duì)焦高度測(cè)量操作的方法。所述方法包括以下步驟：將工件放置在所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)；確定對(duì)焦高度測(cè)量操作所用的關(guān)注區(qū)域；使所述照明源進(jìn)行工作，以利用頻閃照明對(duì)所述工件進(jìn)行照明；在所述工件附近的沿著Z高度方向的多個(gè)位置上，定期對(duì)所述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制；收集圖像棧，其中所述圖像棧的各圖像與頻閃照明的實(shí)例相對(duì)應(yīng)，所述頻閃照明的實(shí)例與同所述圖像棧內(nèi)的適當(dāng)Z高度相對(duì)應(yīng)的調(diào)制后的焦點(diǎn)位置的相位一致；以及確定所述關(guān)注區(qū)域的至少一部分的Z高度測(cè)量值。
【專利說(shuō)明】機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)和進(jìn)行高速對(duì)焦高度測(cè)量操作的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明通常涉及機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，并且更特別地涉及根據(jù)對(duì)焦操作的高度測(cè) 量。

【背景技術(shù)】
[0002] 可以利用精密機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)（或簡(jiǎn)稱為"視覺(jué)系統(tǒng)"）來(lái)獲得被檢查對(duì)象的精 密尺寸測(cè)量并且檢查各種其它對(duì)象特征。這種系統(tǒng)可以包括計(jì)算機(jī)、照相機(jī)和光學(xué)系統(tǒng)、以 及在多個(gè)方向上可移動(dòng)以使得能夠進(jìn)行工件檢查的精密臺(tái)。可以表征為通用"離線"精密視 覺(jué)系統(tǒng)的一個(gè)示例性現(xiàn)有技術(shù)是可商購(gòu)獲得的QUICKVISION?系列的基于PC的視覺(jué)系 統(tǒng)和可購(gòu)自位于伊利諾伊州奧羅拉的美國(guó)三豐公司（MAC)的QVPAK?軟件。例如，在2003 年 1 月出版的QVPAK3DCNCVisionMeasuringMachineUser'sGuide和 1996 年 9 月出版的 QVPAK3DCNCVisionMeasuringMachineOperationGuide中大體描述了QUICKVISION?. 系列的視覺(jué)系統(tǒng)和QVPAK?軟件的特征和操作，這些均通過(guò)引用全部包含于此。這類系 統(tǒng)能夠使用顯微鏡型光學(xué)系統(tǒng)并且使臺(tái)移動(dòng)從而以各種倍率提供小的或相對(duì)較大的工件 的檢查圖像。
[0003] 諸如QUICKVISION?系統(tǒng)等的通用精密機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)通常也是可編程的以提 供自動(dòng)化視頻檢查。這些系統(tǒng)通常包括GUI特征和預(yù)定義的圖像分析"視頻工具"，以使得 "非專家"操作員可以進(jìn)行操作和編程。例如，通過(guò)引用全部包含于此的美國(guó)專利6, 542, 180 教導(dǎo)了使用包括各種視頻工具的使用的自動(dòng)化視頻檢查的視覺(jué)系統(tǒng)。一種已知類型的視頻 工具是"多點(diǎn)工具"或"多點(diǎn)自動(dòng)調(diào)焦工具"視頻工具。這種工具提供了針對(duì)工具的關(guān)注區(qū) 域內(nèi)的所定義X-Y坐標(biāo)處的多個(gè)子區(qū)域的由諸如利用自動(dòng)調(diào)焦方法所確定的"最佳焦點(diǎn)" 位置所推導(dǎo)出的（沿著照相機(jī)系統(tǒng)的光軸和調(diào)焦軸的）Z高度測(cè)量值或坐標(biāo)?？梢詫⒁唤M這 樣的X、Y、Z坐標(biāo)稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)或簡(jiǎn)稱為點(diǎn)云。通常，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的自動(dòng)調(diào)焦方法和/或 工具，照相機(jī)在沿著Z軸（調(diào)焦軸）的位置的范圍內(nèi)移動(dòng)，并且拍攝各位置處的圖像（稱為 圖像棧（imagestack))。對(duì)于各所拍攝圖像，基于該圖像并且與拍攝到該圖像時(shí)照相機(jī)沿 著Z軸的相應(yīng)位置有關(guān)地，針對(duì)各子區(qū)域來(lái)計(jì)算焦點(diǎn)指標(biāo)（focusmetric)。這樣得到各子 區(qū)域的焦點(diǎn)曲線數(shù)據(jù)（還可簡(jiǎn)稱為"焦點(diǎn)曲線"或"自動(dòng)調(diào)焦曲線"）。可以通過(guò)使曲線擬合 焦點(diǎn)曲線數(shù)據(jù)并且估計(jì)擬合曲線的峰值，來(lái)求出焦點(diǎn)曲線的與沿著z軸的最佳焦點(diǎn)位置相 對(duì)應(yīng)的峰值。這些自動(dòng)調(diào)焦方法的變形是本領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的。例如，在ISISTechnical ReportSeries,Vol. 17,November2000 中的Jan-MarkGeusebroek和ArnoldSmeulders所 發(fā)表的"RobustAutofocusinginMicroscopy"中論述了與上述相似的一種已知的自動(dòng)調(diào) 焦方法。在美國(guó)專利5, 790, 710中描述了另一已知的自動(dòng)調(diào)焦方法和設(shè)備，在此通過(guò)引用 包含其全部?jī)?nèi)容。
[0004] 包括特定檢查事件序列（即，如何獲取各圖像和如何分析/檢查各所獲取圖像） 的機(jī)器控制指令通常被存儲(chǔ)為特定工件配置所特有的"零件程序"或"工件程序"。例如，零 件程序定義如何獲取各圖像，諸如相對(duì)于工件如何定位照相機(jī)、以何種照明水平、以何種倍 率水平等。此外，零件程序例如通過(guò)使用諸如自動(dòng)調(diào)焦視頻工具等的一個(gè)或多個(gè)視頻工具 來(lái)定義如何分析/檢查所獲取圖像。
[0005] 可以手動(dòng)地使用視頻工具（或簡(jiǎn)稱為"工具"）和其它圖形用戶界面特征來(lái)實(shí)現(xiàn)手 動(dòng)檢查和/或機(jī)器控制操作（采用"手動(dòng)模式"）。還可以在學(xué)習(xí)模式期間記錄這些視頻工 具的設(shè)置參數(shù)和操作，從而創(chuàng)建自動(dòng)檢查程序或"零件程序"。視頻工具例如可以包括邊緣 /邊界檢測(cè)工具、自動(dòng)調(diào)焦工具、形狀或模式匹配工具和尺寸測(cè)量工具等。
[0006] 在各種應(yīng)用中，期望進(jìn)行高速自動(dòng)調(diào)焦操作以便于在靜止型或不停移動(dòng)型檢查系 統(tǒng)中進(jìn)行高速3D測(cè)量。激光三角測(cè)量技術(shù)可以提供2000:1的范圍-分辨率比，但采用這 種技術(shù)的一般系統(tǒng)對(duì)于Z高度測(cè)量的分辨率的下限為4ym并且無(wú)法提供與示例性機(jī)器視 覺(jué)檢查系統(tǒng)相當(dāng)?shù)臋M向分辨率。傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)中的自動(dòng)調(diào)焦操作的速度受到照 相機(jī)在Z高度位置的范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)所限制。需要利用用于收集圖像棧的替代方法的改進(jìn)型 自動(dòng)調(diào)焦操作來(lái)高速測(cè)量Z高度位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] -種用于在機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)中進(jìn)行高速的對(duì)焦高度測(cè)量操作的方法，所述機(jī)器 視覺(jué)檢查系統(tǒng)包括照明源和包含照相機(jī)系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟：將工件 放置在所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)；確定對(duì)焦高度測(cè)量操作所用的關(guān)注區(qū)域；使所述 照明源進(jìn)行工作，以利用頻閃照明對(duì)所述工件進(jìn)行照明；在所述工件附近的沿著Z高度方 向的多個(gè)位置上，定期對(duì)所述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制；收集包括聚焦于各Z高度的 各圖像的圖像棧，其中使用頻閃照明的實(shí)例來(lái)對(duì)所述圖像棧的各圖像進(jìn)行曝光，所述頻閃 照明的實(shí)例被定時(shí)成與同所述圖像棧內(nèi)的Z高度相對(duì)應(yīng)的定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置的相位 一致；以及基于分析所述圖像棧來(lái)確定所述關(guān)注區(qū)域的至少一個(gè)部分的Z高度測(cè)量值，以 確定與所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分的最佳焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的Z高度。
[0008] -種機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其能夠被配置為收集工件在多個(gè)Z高度處的圖像的棧， 從而基于關(guān)注區(qū)域的多個(gè)子區(qū)域的最佳對(duì)焦高度來(lái)測(cè)量Z高度，所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包 括：攝像系統(tǒng)，其包括可變焦距透鏡，所述可變焦距透鏡能夠以電子方式進(jìn)行控制以改變所 述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置；以及照明源，其能夠被配置為在所述攝像系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)利用頻閃 照明對(duì)所述工件進(jìn)行照明，其中，所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包括控制部，所述控制部能夠被配 置為進(jìn)行以下操作：在所述工件附近的沿著Z高度方向的多個(gè)位置上，定期對(duì)所述可變焦 距透鏡的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制；以及收集包括聚焦于各Z高度的各圖像的圖像棧，其中所述 圖像棧的各圖像與頻閃照明的實(shí)例相對(duì)應(yīng)，所述頻閃照明的實(shí)例被定時(shí)成與同所述圖像棧 內(nèi)的Z高度相對(duì)應(yīng)的定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置的相位一致；以及所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)能夠 被配置為進(jìn)行以下操作：確定所述視場(chǎng)內(nèi)的對(duì)焦高度測(cè)量操作所用的關(guān)注區(qū)域；以及基于 分析所述圖像棧來(lái)確定所述關(guān)注區(qū)域的至少一個(gè)部分的Z高度測(cè)量值，以確定與所述關(guān)注 區(qū)域的所述至少一個(gè)部分的最佳焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的Z高度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 通過(guò)參考以下結(jié)合附圖所進(jìn)行的詳細(xì)說(shuō)明，將更加容易地解釋和更好地理解本發(fā) 明的前述方面以及許多隨之而來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，其中：
[0010] 圖1是示出通用精密機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的各種典型組件的圖；
[0011] 圖2是與圖1的精密機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)相似并且包括這里所公開(kāi)的特征的機(jī)器視 覺(jué)檢查系統(tǒng)的控制系統(tǒng)部和視覺(jué)組件部的框圖；
[0012] 圖3示出可以適用于機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)并且根據(jù)這里所公開(kāi)的原理進(jìn)行工作的 攝像系統(tǒng)的示意圖；
[0013]圖4是包括第一照相機(jī)系統(tǒng)和第二照相機(jī)系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)的一部分的示意圖；
[0014] 圖5A是示出照明部的光脈沖的時(shí)序圖；
[0015] 圖5B是示出電子卷簾快門(mén)在與各調(diào)焦R0I的大小相對(duì)應(yīng)的一組像素間的掃描持 續(xù)時(shí)間的時(shí)序圖；
[0016] 圖6是不出如下標(biāo)繪圖的圖表，其中該標(biāo)繪圖描繪了與利用適用于圖4、5A和5B 的實(shí)施例所公開(kāi)的原理的示例性機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)所收集到的146個(gè)圖像的圖像棧內(nèi)的 利用圖像棧編號(hào)排序后的圖像相對(duì)應(yīng)的光脈沖的時(shí)間；
[0017] 圖7是示出如下標(biāo)繪圖的圖表，其中該標(biāo)繪圖使根據(jù)圖4、5A、5B和6的實(shí)施例所 配置的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)中的可變焦距透鏡的光功率與146個(gè)圖像的圖像棧 內(nèi)的圖像棧編號(hào)相關(guān)；
[0018] 圖8是示出如下標(biāo)繪圖的圖表，其中該標(biāo)繪圖描繪了與利用適用于圖4、5A、5B、6 和7所公開(kāi)的原理的示例性機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)所收集到的146個(gè)圖像的圖像棧內(nèi)的圖像棧 編號(hào)相對(duì)應(yīng)的Z高度；
[0019] 圖9是包括照相機(jī)系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)的一部分的示意圖；以及
[0020] 圖10是示出用于在機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)中進(jìn)行高速自動(dòng)調(diào)焦操作的方法的流程 圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 圖1是根據(jù)這里所述的方法可使用的一個(gè)示例性機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)10的框圖。該 機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)10包括視覺(jué)測(cè)量機(jī)12,其中該視覺(jué)測(cè)量機(jī)12被可操作地連接以與控制 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)14交換數(shù)據(jù)和控制信號(hào)?？刂朴?jì)算機(jī)系統(tǒng)14被進(jìn)一步可操作地連接以與監(jiān)視 器或顯示器16、打印機(jī)18、操縱桿22、鍵盤(pán)24和鼠標(biāo)26交換數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。監(jiān)視器或 顯示器16可以顯示適合控制和/或編程機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)10的操作的用戶界面。應(yīng)當(dāng)理 解，在各實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)14、顯示器16、操縱桿22、鍵盤(pán)24和鼠標(biāo)26中的任意或所有 的功能可以替換成觸摸屏平板電腦等，以及/或者觸摸屏平板電腦等可以冗余地提供計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)14、顯示器16、操縱桿22、鍵盤(pán)24和鼠標(biāo)26中的任意或所有的功能。
[0022] 本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)14通常可以包括任何計(jì)算系統(tǒng)或裝 置。合適的計(jì)算系統(tǒng)或裝置可以包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器計(jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī) 和包括前述任一的分布式計(jì)算環(huán)境等。這些計(jì)算系統(tǒng)或裝置可以包括執(zhí)行軟件以進(jìn)行這里 所述的功能的一個(gè)或多個(gè)處理器。處理器包括可編程通用或?qū)Ｓ梦⑻幚砥鳌⒖删幊炭刂破鳌?專用集成電路（ASIC)或可編程邏輯裝置（PLD)等、或者這些裝置的組合。可以將軟件存儲(chǔ) 在諸如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM)、只讀存儲(chǔ)器（ROM)或閃速存儲(chǔ)器等、或者這些組件的組合等 的存儲(chǔ)器中。還可以將軟件存儲(chǔ)在諸如基于磁性或光學(xué)的盤(pán)、閃速存儲(chǔ)器裝置或用于存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)的任何其它類型的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)等的一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)裝置中。軟件可以包括包含 用于進(jìn)行特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、對(duì)象、組件和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等的一個(gè) 或多個(gè)程序模塊。在分布式計(jì)算環(huán)境中，可以采用有線或無(wú)線配置在多個(gè)計(jì)算系統(tǒng)或裝置 中組合或分配程序模塊的功能并且經(jīng)由服務(wù)調(diào)用來(lái)訪問(wèn)該功能。
[0023] 視覺(jué)測(cè)量機(jī)12包括可動(dòng)工件臺(tái)32和可包括變焦透鏡或可更換透鏡的光學(xué)成像系 統(tǒng)34。變焦透鏡或可更換透鏡通常為光學(xué)成像系統(tǒng)34所提供的圖像提供各種倍率。機(jī)器視 覺(jué)檢查系統(tǒng)10大體上相當(dāng)于以上論述的QUICKVISION?系列的視覺(jué)系統(tǒng)和QVPAK? 軟件、以及類似的最新型可商購(gòu)獲得的精密機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)。在共同受讓的美國(guó)專利 7, 454, 053、7, 324, 682、8, 111，905和8, 111，938中也描述了機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)10,其中這 些專利各自通過(guò)引用全部包含于此。
[0024] 圖2是與圖1的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)相似并且包括如這里所述的特征的機(jī)器視覺(jué)檢 查系統(tǒng)100的控制系統(tǒng)部120和視覺(jué)組件部200的框圖。如以下將更詳細(xì)地說(shuō)明，利用控 制系統(tǒng)部120來(lái)控制視覺(jué)組件部200。視覺(jué)組件部200包括光學(xué)組件部205、光源220、230 和240以及具有中央透明部212的工件臺(tái)210。工件臺(tái)210沿著X軸和Y軸可控制地移動(dòng)， 其中X軸和Y軸存在于與可以定位工件20的臺(tái)的表面大體平行的面內(nèi)。光學(xué)組件部205 包括照相機(jī)系統(tǒng)260、可更換物鏡250,并且可以包括具有透鏡286和288的轉(zhuǎn)臺(tái)透鏡組件 280。作為轉(zhuǎn)臺(tái)透鏡組件的替代，可以包括固定或手動(dòng)可更換倍率改變透鏡或變焦透鏡結(jié)構(gòu) 等。
[0025] 通過(guò)使用可控馬達(dá)294,光學(xué)組件部205沿著與X軸和Y軸大體垂直的Z軸可控制 地移動(dòng)，其中該可控馬達(dá)294驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器以使光學(xué)組件部205沿著Z軸移動(dòng)以改變工件20 的圖像的焦點(diǎn)?？煽伛R達(dá)294經(jīng)由信號(hào)線296連接至輸入/輸出接口 130。
[0026] 將使用機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)100要攝像的工件20或保持多個(gè)工件20的托盤(pán)或夾具 放置在工件臺(tái)210上。工件臺(tái)210可被控制為相對(duì)于光學(xué)組件部205移動(dòng)，以使得可更換 物鏡250在工件20上的位置之間以及/或者在多個(gè)工件20之間移動(dòng)。臺(tái)燈220、同軸燈 230和表面燈240 (例如，環(huán)形燈）中的一個(gè)或多個(gè)可以分別發(fā)射源光222、232和/或242， 以對(duì)工件20進(jìn)行照明。光源230可以沿著包括鏡290的路徑發(fā)射光232。該源光被反射或 透射作為工件光255,并且攝像所用的工件光穿過(guò)可更換物鏡250和轉(zhuǎn)臺(tái)透鏡組件280并且 被照相機(jī)系統(tǒng)260收集。將照相機(jī)系統(tǒng)260所拍攝到的工件20的圖像經(jīng)由信號(hào)線262輸 出至控制系統(tǒng)部120。光源220、230和240可以分別經(jīng)由信號(hào)線或總線221、231和241連 接至控制系統(tǒng)部120。為了改變圖像倍率，控制系統(tǒng)部120可以經(jīng)由信號(hào)線或總線281使轉(zhuǎn) 臺(tái)透鏡組件280沿著軸284轉(zhuǎn)動(dòng)，以選擇轉(zhuǎn)臺(tái)透鏡。
[0027] 如圖2所示，在各種典型實(shí)施例中，控制系統(tǒng)部120包括控制器125、輸入/輸出接 口 130、存儲(chǔ)器140、工件程序生成器和執(zhí)行器170、以及電源部190。這些組件各自以及以 下所述的附加組件可以經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)/控制總線和/或應(yīng)用程序編程接口、或者通 過(guò)各元件之間的直接連接來(lái)互連。
[0028] 輸入/輸出接口 130包括攝像控制接口 131、運(yùn)動(dòng)控制接口 132、照明控制接口 133 和透鏡控制接口 134。運(yùn)動(dòng)控制接口 132可以包括位置控制元件132a和速度/加速度控制 元件132b，盡管這些元件可以進(jìn)行合并和/或不進(jìn)行區(qū)分。照明控制接口 133包括照明控 制元件133a、133n和133f1，其中這些照明控制元件133a、133n和133f1例如在可應(yīng)用的情 況下，針對(duì)機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)100的各種相應(yīng)光源，來(lái)對(duì)選擇、功率、接通/斷開(kāi)開(kāi)關(guān)和選通 脈沖定時(shí)進(jìn)行控制。
[0029] 存儲(chǔ)器140可以包括圖像文件存儲(chǔ)器部141、邊緣檢測(cè)存儲(chǔ)器部140ed、可具有一 個(gè)或多個(gè)零件程序等的工件程序存儲(chǔ)器部142、以及視頻工具部143。視頻工具部143包括： 視頻工具部143a和其它視頻工具部（例如，143n)，用于針對(duì)各相應(yīng)視頻工具，來(lái)確定GUI、 圖像處理操作等；以及關(guān)注區(qū)域（R0I)生成器143roi，用于支持用以限定視頻工具部143 所包括的各種視頻工具中可操作的各種R0I的自動(dòng)、半自動(dòng)和/或手動(dòng)操作。該視頻工具 部還包括自動(dòng)調(diào)焦視頻工具143af，其中該自動(dòng)調(diào)焦視頻工具143af用于針對(duì)對(duì)焦高度測(cè) 量操作確定⑶I、圖像處理操作等。自動(dòng)調(diào)焦視頻工具143af?附加地包括高速對(duì)焦高度工具 143hs，其中可以利用該高速對(duì)焦高度工具143hs、使用圖3所述的硬件根據(jù)針對(duì)圖3?9所 述的操作來(lái)高速測(cè)量對(duì)焦高度。在一些實(shí)施例中，高速對(duì)焦高度工具143hs可以是可根據(jù) 自動(dòng)調(diào)焦視頻工具所用的傳統(tǒng)方法進(jìn)行工作的自動(dòng)調(diào)焦視頻工具143af?的特殊模式。在一 些實(shí)施例中，自動(dòng)調(diào)焦視頻工具143af的操作可以僅包括高速對(duì)焦高度工具143hs的操作。 在本發(fā)明的上下文中并且如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知，術(shù)語(yǔ)"視頻工具"通常是指機(jī)器視覺(jué) 用戶在無(wú)需創(chuàng)建視頻工具中所包括的逐步操作序列或采用廣義的基于文本的編程語(yǔ)言等 的情況下、經(jīng)由相對(duì)簡(jiǎn)單的用戶界面（例如，圖形用戶界面、可編輯參數(shù)窗口和菜單等）就 可以實(shí)現(xiàn)的一組相對(duì)復(fù)雜的自動(dòng)或編程操作。例如，視頻工具可以包括通過(guò)調(diào)整用于管理 這些操作和計(jì)算的一些變量或參數(shù)來(lái)在特定實(shí)例中應(yīng)用并定制的一組復(fù)雜預(yù)先編程的圖 像處理操作和計(jì)算。除基礎(chǔ)（underlying)操作和計(jì)算以外，視頻工具還包括使得用戶能夠 針對(duì)視頻工具的特定實(shí)例來(lái)調(diào)整這些參數(shù)的用戶界面。例如，許多機(jī)器視覺(jué)視頻工具使得 用戶能夠使用鼠標(biāo)通過(guò)簡(jiǎn)單的"手柄拖動(dòng)"操作來(lái)配置圖形關(guān)注區(qū)域（R0I)指示符，從而限 定通過(guò)視頻工具的特定實(shí)例的圖像處理操作要分析的圖像子集的位置參數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意，在 隱含地包括基礎(chǔ)操作的情況下，有時(shí)將可見(jiàn)用戶界面特征稱為視頻工具。
[0030] 臺(tái)燈220、同軸燈230和230'以及表面燈240的信號(hào)線或總線221、231和241分 別全部連接至輸入/輸出接口 130。來(lái)自照相機(jī)系統(tǒng)260的信號(hào)線262和來(lái)自可控馬達(dá)294 的信號(hào)線296連接至輸入/輸出接口 130。除輸送圖像數(shù)據(jù)外，信號(hào)線262還可以輸送來(lái)自 控制器125的用于啟動(dòng)圖像獲取的信號(hào)。
[0031] 一個(gè)或多個(gè)顯示裝置136 (例如，圖1的顯示器16)和一個(gè)或多個(gè)輸入裝置138 (例 如，圖1的操縱桿22、鍵盤(pán)24和鼠標(biāo)26)也可以連接至輸入/輸出接口 130?？梢允褂蔑@ 示裝置136和輸入裝置138來(lái)進(jìn)行以下操作：顯示可以包括可用于進(jìn)行檢查操作以及/或 者創(chuàng)建和/或修改零件程序的各種圖形用戶界面（GUI)特征的用戶界面；查看照相機(jī)系統(tǒng) 260所拍攝到的圖像；以及/或者直接控制視覺(jué)系統(tǒng)組件部200。顯示裝置136可以顯示與 自動(dòng)調(diào)焦視頻工具143af?相關(guān)聯(lián)的用戶界面特征。
[0032] 在各種典型實(shí)施例中，在用戶利用機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)100創(chuàng)建工件20的零件程 序時(shí)，用戶通過(guò)以學(xué)習(xí)模式操作機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)100來(lái)生成零件程序指令以提供期望的 圖像獲取訓(xùn)練序列。例如，訓(xùn)練序列可以包括：在視場(chǎng)（F0V)中定位代表工件的特定工件 特征；設(shè)置光水平；調(diào)焦或自動(dòng)調(diào)焦；獲取圖像；以及提供應(yīng)用于圖像的檢查訓(xùn)練序列（例 如，在該工件特征上使用視頻工具其中之一的實(shí)例）。使學(xué)習(xí)模式工作，以使得這些序列被 捕獲或記錄并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的零件程序指令。這些指令在執(zhí)行零件程序的情況下，將使機(jī)器 視覺(jué)檢查系統(tǒng)再現(xiàn)訓(xùn)練后的圖像獲取，并使檢查操作在與創(chuàng)建零件程序時(shí)所使用的代表工 件相匹配的運(yùn)行模式工件上自動(dòng)檢查該特定工件特征（即，相應(yīng)位置的相應(yīng)特征）。
[0033] 圖3示出可適用于機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)并根據(jù)這里所公開(kāi)的原理進(jìn)行工作的攝像 系統(tǒng)300的示意圖。攝像系統(tǒng)300被配置為收集圖像棧以基于該圖像棧中的最佳對(duì)焦圖像 來(lái)測(cè)量Z高度。攝像系統(tǒng)300包括光源330、物鏡350、中繼透鏡351、中繼透鏡352、可變焦 距透鏡370、鏡筒透鏡386和照相機(jī)系統(tǒng)360,其中該光源330可被配置為在攝像系統(tǒng)300 的視場(chǎng)內(nèi)利用頻閃照明對(duì)工件進(jìn)行照明。
[0034] 在工作中，光源330被配置為將源光332沿著包括鏡390的路徑發(fā)射至工件320的 表面，物鏡350被配置為接收聚焦于工件320附近的焦平面F的工件光332,并且將工件光 355輸出至中繼透鏡351。中繼透鏡351被配置為接收工件光355并將該工件光355輸出 至中繼透鏡352。中繼透鏡352被配置為接收工件光355并將該工件光355輸出至可變焦 距透鏡370。中繼透鏡351和中繼透鏡352共同提供物鏡350和可變焦距透鏡370之間的 4f?光學(xué)中繼器，從而針對(duì)各Z高度提供恒定的倍率?？勺兘咕嗤哥R370被配置為接收工件 光355并將該工件光355輸出至鏡筒透鏡386?？勺兘咕嗤哥R370是以電子方式可控制的， 以改變攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置并收集包括聚焦于各Z高度的各圖像的圖像棧，其中該圖像棧 的各圖像與頻閃照明的實(shí)例相對(duì)應(yīng)，該頻閃照明的實(shí)例被定時(shí)成與同圖像棧內(nèi)的Z高度相 對(duì)應(yīng)的定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置的相位一致。
[0035] 在各種實(shí)施例中，適用于這里所公開(kāi)的原理的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)可被配置為針對(duì) 對(duì)焦高度測(cè)量操作確定視場(chǎng)內(nèi)的關(guān)注區(qū)域，并且基于分析圖像棧來(lái)針對(duì)該關(guān)注區(qū)域的至少 一部分確定Z高度測(cè)量值，以確定與針對(duì)該關(guān)注區(qū)域的至少一部分的最佳焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng) 的Z高度。焦平面F的位置可以在由焦平面F1和焦平面F2限定的范圍R內(nèi)移動(dòng)。在各種 實(shí)施例中，機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)（例如，控制系統(tǒng)200)，其中該控制系統(tǒng)被配置 為控制可變焦距透鏡370以定期對(duì)攝像系統(tǒng)300的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制。在一些實(shí)施例中， 可變焦距透鏡370可以以至少20kHz的速率對(duì)焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制。在一些實(shí)施例中，范圍R 可以大至300ym?？勺兘咕嗤哥R370的優(yōu)點(diǎn)在于：該可變焦距透鏡370不要求對(duì)物鏡350 和工件320之間的距離進(jìn)行調(diào)整。這樣使得能夠在收集基于最佳對(duì)焦高度來(lái)測(cè)量工件320 的一部分的Z高度所用的圖像棧時(shí)實(shí)現(xiàn)較高速度，其中該速度主要受照相機(jī)系統(tǒng)360的幀 頻所限制。
[0036] 在一些實(shí)施例中，可變焦距透鏡370是可調(diào)聲學(xué)梯度折射率的折射透鏡?？烧{(diào)聲 學(xué)梯度折射率的折射透鏡是在流體介質(zhì)中使用聲波來(lái)對(duì)焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制并且可以以幾 百kHz的頻率定期對(duì)焦距范圍進(jìn)行掃描的高速可變焦距透鏡。根據(jù)通過(guò)引用全部包含于 此的文章 "High-speedvarifocalimagingwithatunableacousticgradientindexof refractionlens"（OpticsLetters,Vol. 33,No. 18, 2008 年 9 月 15 日）"的教導(dǎo)，可以理解 這種透鏡。
[0037] 在一些實(shí)施例中，照相機(jī)系統(tǒng)360可以包括具有全局快門(mén)的傳感器、即同時(shí)對(duì)各 像素進(jìn)行曝光的傳感器。這種實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于：提供了在不會(huì)使攝像系統(tǒng)300的任意部 分或工件運(yùn)動(dòng)的情況下測(cè)量圖像棧的能力。
[0038] 在一些實(shí)施例中，照相機(jī)系統(tǒng)360可以包括具有電子卷簾快門(mén)（ERS)系統(tǒng)的傳感 器。例如，該照相機(jī)系統(tǒng)可以包括與電子卷簾快門(mén)（ERS)系統(tǒng)相連接的使用SXGA分辨率的 黑白CMOS傳感器（例如，從位于加利福尼亞州的AptinaImagingofSanJose可得的型號(hào)MT9M001)。棧中的圖像的最大數(shù)量受到CMOS傳感器的垂直分辨率相對(duì)于確定對(duì)比度指標(biāo) 所使用的像素陣列的寬度的比率所限制。例如，利用SXGA分辨率的CMOS傳感器的分辨率 為1280X1024個(gè)像素。因而，對(duì)于使用7X7像素的子區(qū)域的調(diào)焦操作，這將各棧的圖像的 數(shù)量限制為146個(gè)圖像。諸如2592X1944HD+傳感器等的更高分辨率傳感器使得能夠針對(duì) 146個(gè)圖像的圖像棧實(shí)現(xiàn)更寬的子區(qū)域、例如13X13的子區(qū)域?？蛇x地，利用2592X1944 分辨率的更高分辨率傳感器可以將7X7像素的子區(qū)域用于278個(gè)圖像的圖像棧。將參考 圖4來(lái)進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明這些實(shí)施例。
[0039] 在一些實(shí)施例中，可以以正弦方式驅(qū)動(dòng)可變焦距透鏡370,以使得以正弦方式對(duì)可 變焦距透鏡370的光功率進(jìn)行調(diào)制。在典型實(shí)施例中，可以將可調(diào)聲學(xué)梯度折射率的折射 透鏡配置成高達(dá)400kHz的焦點(diǎn)掃描速率。棧中的圖像的最大數(shù)量受到對(duì)可變焦距透鏡370 進(jìn)行調(diào)制的時(shí)間段和與各次圖像曝光相關(guān)聯(lián)的光脈沖持續(xù)時(shí)間的時(shí)間長(zhǎng)度所限制。對(duì)于焦 點(diǎn)調(diào)制時(shí)間段為13. 9ys且光脈沖持續(xù)時(shí)間為50ns的情況，這樣將各棧的圖像數(shù)量限制為 275。諸如Aptina等的圖像檢測(cè)器的垂直線掃描頻率的量級(jí)為kHz。例如，來(lái)自Aptina的 型號(hào)MT9M001可被配置成線掃描頻率為37. 5kHz(基于1280個(gè)像素間的48MHz的數(shù)據(jù)掃描 速率）。這些檢測(cè)器必須被配置成頻率小于可變焦距透鏡370的調(diào)制頻率。
[0040] 在一些實(shí)施例中，攝像系統(tǒng)300可以包括可選的分束器361、可選的鏡筒透鏡386' 和可選的第二照相機(jī)系統(tǒng)360'。在工作中，分束器361被配置為對(duì)工件光355進(jìn)行分割并 將工件光355'輸出至鏡筒透鏡386'。鏡筒透鏡386'被配置為將工件光355'輸出至照相 機(jī)360'，從而提供機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的視場(chǎng)的附加圖像。圖4示出這種系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
[0041] 圖4是包括第一照相機(jī)系統(tǒng)460和第二照相機(jī)系統(tǒng)460'的攝像系統(tǒng)400的一部 分的示意圖，其中該第一照相機(jī)系統(tǒng)460和第二照相機(jī)系統(tǒng)460'可以與圖3的照相機(jī)系統(tǒng) 360和可選的照相機(jī)系統(tǒng)360'相似。圖4所示的實(shí)施例適合于相對(duì)于工件的移動(dòng)視場(chǎng)的 對(duì)焦高度測(cè)量。第一照相機(jī)系統(tǒng)460和第二照相機(jī)系統(tǒng)460'被配置為：隨著工件的移動(dòng)， 使視場(chǎng)以速度SY在與各照相機(jī)系統(tǒng)的像素定位方向平行的方向上移動(dòng)，并且收集圖像棧的 圖像。第一照相機(jī)系統(tǒng)460包括成像陣列410A，并且第二照相機(jī)系統(tǒng)460'包括成像陣列 410B，其中成像陣列410A和成像陣列410B各自配置有電子卷簾快門(mén)系統(tǒng)并且其分辨率為 X方向上的1280個(gè)像素XY方向上的1024個(gè)像素。各電子卷簾快門(mén)系統(tǒng)被配置為沿著Y 方向?qū)Τ上耜嚵?10A和成像陣列410B進(jìn)行掃描從而收集圖像棧。
[0042] 盡管在圖4中成像陣列410A和成像陣列410B并置，但應(yīng)當(dāng)理解，這是為了示意性 示出這兩者相對(duì)于攝像系統(tǒng)300的視場(chǎng)的圖像在Y方向上的Y偏移AY。以與圖3中針對(duì) 第一照相機(jī)系統(tǒng)360和第二照相機(jī)系統(tǒng)360'所示的方式類似的方式，成像陣列410A和成 像陣列410B實(shí)際上位于單獨(dú)的光束路徑中。圖4所示的實(shí)施例包括兩個(gè)照相機(jī)系統(tǒng)。然 而，根據(jù)相似原理所配置的實(shí)施例可以包括兩個(gè)以上的照相機(jī)系統(tǒng)。在這些實(shí)施例中，偏移 AY等于確定最佳對(duì)焦高度所使用的子區(qū)域的寬度。照相機(jī)系統(tǒng)的數(shù)量可以縮小棧位置之 間的Y間距。在典型實(shí)施例中，攝像系統(tǒng)包括七個(gè)成像陣列，并且各成像陣列被配置為對(duì)以 交錯(cuò)方式彼此偏移了至少等于確定最佳對(duì)焦高度所使用的子區(qū)域的寬度的偏移AY的光 進(jìn)行成像。因而，對(duì)于利用7X7像素的子區(qū)域的調(diào)焦操作，AY等于七個(gè)像素的寬度。
[0043] 在使用電子卷簾快門(mén)系統(tǒng)對(duì)移動(dòng)工件進(jìn)行焦點(diǎn)測(cè)量操作的情況下，成像陣列410A 和410B所收集到的圖像棧包括與編號(hào)為PSA1^PPSBN的像素條相對(duì)應(yīng)的子圖像而不是使用 整個(gè)像素陣列的圖像。像素條PSAN和PSBN各自的寬度是與確定焦點(diǎn)指標(biāo)所使用的子區(qū)域 相同的像素?cái)?shù)。例如，在圖4所示的典型實(shí)施例中，像素條為七個(gè)像素寬并且 確定焦點(diǎn)指標(biāo)所使用的子區(qū)域是7X7個(gè)像素。因而成像陣列410A和成像陣列410B所收 集到的圖像棧包括作為7X1280個(gè)像素的146個(gè)圖像。各圖像與Z高度ZN相對(duì)應(yīng)，即可變 焦距透鏡在與時(shí)間tN相對(duì)應(yīng)的調(diào)制相位中聚焦于各Z高度。
[0044] 在圖4所示的典型實(shí)施例中，攝像系統(tǒng)400包括兩個(gè)成像陣列。然而，在各種實(shí)施 例中，根據(jù)相似原理所配置的攝像系統(tǒng)可以具有僅一個(gè)成像陣列或兩個(gè)以上的成像陣列。 多個(gè)成像陣列改善了Y方向上的測(cè)量量。例如，使用參考圖4所述的相同參數(shù)，包括一個(gè) 成像陣列的照相機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量量可以為1. 331X0. 007X0. 292mm3,并且包括（在Y方向上 分開(kāi)了七個(gè)像素的）兩個(gè)成像陣列的攝像系統(tǒng)的測(cè)量量可以為1. 331X0. 014X0. 292mm3。 包括（在Y方向上錯(cuò)開(kāi)了七個(gè)像素的）N個(gè)成像陣列的攝像系統(tǒng)的測(cè)量量可以為 1.331X(0. 007*N)X0. 292mm3。多個(gè)成像陣列還可以改善Y方向上的測(cè)量間距。在一個(gè)典 型實(shí)施例中，可以使工件相對(duì)于攝像系統(tǒng)300的視場(chǎng)在Y方向上以速度SY移動(dòng)，其中該速度 SY最小為5mm/s且最大為39mm/s。因而，使用針對(duì)圖4所述的相同參數(shù)，包括一個(gè)成像陣列 的照相機(jī)系統(tǒng)的測(cè)量間距可以為〇. 132mm?1. 057mm，并且包括（在Y方向上分開(kāi)了七個(gè)像 素的）兩個(gè)成像陣列的攝像系統(tǒng)的測(cè)量間距可以為〇.〇67mm?0.53mm。包括（在Y方向上 錯(cuò)開(kāi)了七個(gè)像素的）N個(gè)成像陣列的攝像系統(tǒng)的測(cè)量間距可以為0? 132/Nmm?1.057/Nmm。 使用針對(duì)圖4所述的相同參數(shù)所配置的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)所提供的X方向、Y方向和Z方向 上的測(cè)量分辨率可以分別為〇. 〇〇lmm、〇. 〇〇2mm和0. 002mm。相比之下，諸如Micro-Epsilon Scancontrol2800-10等的示例性激光三角測(cè)量系統(tǒng)所提供的X方向和Z方向上的分辨率 可以分別為〇. 040_和0. 004_。典型實(shí)施例的Y分辨率更為粗略。然而，對(duì)于SY為5_/ s?39mm/s的情況，該2800-10系統(tǒng)所提供的Y方向上的測(cè)量間距至少為0. 015mm。
[0045] 圖5A是示出照明部330的光脈沖的時(shí)序圖。圖5B是示出電子卷簾快門(mén)在與各調(diào) 焦R0I的大小相對(duì)應(yīng)的一組像素間的掃描持續(xù)時(shí)間的時(shí)序圖。照明部330針對(duì)圖像棧的各 次圖像曝光提供頻閃照明。以與攝像系統(tǒng)的定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置相匹配的頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)該 頻閃照明。在表現(xiàn)圖5A和5B的特征的典型實(shí)施例中，以正弦形式對(duì)可變焦距透鏡370進(jìn) 行調(diào)制。利用每第N個(gè)脈沖之間的（例如，時(shí)間、?時(shí)間&的）持續(xù)時(shí)間A^\來(lái)對(duì)光脈 沖進(jìn)行定時(shí)。在照相機(jī)系統(tǒng)360包括電子卷簾快門(mén)的實(shí)施例中，該電子卷簾快門(mén)在持續(xù)時(shí) 間AERS內(nèi)對(duì)像素陣列中與調(diào)焦R0I大小的子區(qū)域相等的部分進(jìn)行掃描。對(duì)光脈沖進(jìn)行定 時(shí)以與可變焦距透鏡370的調(diào)制的相位（Ks 一致，由此圖像棧中的各整個(gè)圖像與適當(dāng)?shù)膶?duì) 焦高度相匹配。因而持續(xù)時(shí)間ALP是持續(xù)時(shí)間AERS和各光脈沖的相位（tNS的總和。對(duì) 于以72kHz的頻率進(jìn)行調(diào)制的可變焦距透鏡和以30幀/秒進(jìn)行工作的成像陣列，146個(gè)圖 像的圖像棧與可變焦距透鏡的2, 400個(gè)周期相對(duì)應(yīng)。
[0046] 圖6是示出標(biāo)繪圖610的圖表600，其中該標(biāo)繪圖610描繪了與利用適用于圖4、5A 和5B的實(shí)施例所公開(kāi)的原理的示例性機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)所收集到的146個(gè)圖像的圖像棧 內(nèi)的利用圖像棧編號(hào)排序后的圖像相對(duì)應(yīng)的光脈沖的時(shí)間。在圖6所示的典型實(shí)施例中， 持續(xù)時(shí)間AERS為186. 667微秒。在可變焦距透鏡370的周期內(nèi)，各個(gè)相位（tNS以〇. 〇91微 秒的步長(zhǎng)遞增。對(duì)各脈沖進(jìn)行定時(shí)以與ERS周期的中間值+各相位（Ks 一致，即，以從ERS 開(kāi)始掃描各像素條起延遲了 93. 333微秒+各相位（tNS的狀態(tài)對(duì)這些脈沖進(jìn)行定時(shí)。
[0047] 圖7是示出標(biāo)繪圖710的圖表700,其中該標(biāo)繪圖710使根據(jù)圖4、5A、5B和6的實(shí) 施例所配置的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)中的可變焦距透鏡的光功率與146個(gè)圖像的 圖像棧內(nèi)的圖像棧編號(hào)相關(guān)。在表現(xiàn)圖7的特征的實(shí)施例中，以正弦形式對(duì)可變焦距透鏡 進(jìn)行調(diào)制。如標(biāo)繪圖710所示，攝像系統(tǒng)的光功率相對(duì)于利用橫軸的棧編號(hào)所表示的圖像 棧中的圖像的順序以正弦方式改變。光功率在值+〇. 17IIT1?-0. 17IIT1之間改變。
[0048] 圖8是示出標(biāo)繪圖810的圖表800,其中該標(biāo)繪圖810描繪了與利用適用于圖4、 5A、5B、6和7所公開(kāi)的原理的示例性機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)收集到的146個(gè)圖像的圖像棧內(nèi)的 圖像棧編號(hào)相對(duì)應(yīng)的Z高度。對(duì)表現(xiàn)標(biāo)繪圖810的特征的各圖像進(jìn)行定時(shí)以匹配與通過(guò)可 變焦距透鏡370的調(diào)制得到的適當(dāng)Z高度相對(duì)應(yīng)的可變焦距透鏡的調(diào)制的相位。在表現(xiàn)圖 8的特征的實(shí)施例中，圖像棧與290ym的Z高度范圍相對(duì)應(yīng)。
[0049] 圖9是包括照相機(jī)系統(tǒng)960的攝像系統(tǒng)900的一部分的示意圖。照相機(jī)系統(tǒng)960 包括作為一維線傳感器的成像陣列910,而不是二維成像陣列。除成像陣列910以外，攝像 系統(tǒng)900可以與圖3所不的攝像系統(tǒng)300相似。如圖4所不的攝像系統(tǒng)400那樣，攝像系 統(tǒng)900適合以速度SY相對(duì)于工件移動(dòng)的視場(chǎng)。二維成像陣列對(duì)圖3所示的范圍R設(shè)置下 限值。對(duì)于二維陣列，范圍R受頻閃光的最小持續(xù)時(shí)間和成像陣列的行數(shù)所限制。然而，一 維陣列僅受頻閃光的持續(xù)時(shí)間所限制。
[0050] 可能適合成像陣列910的示例性傳感器是包括寬度為2048個(gè)像素且線速 率為140kHz的陣列的從位于加拿大安大略省滑鐵盧的TeledyneDalsa得到的型號(hào) P4-CM-02K10D-00-R。該傳感器包括可以進(jìn)行合計(jì)或者彼此獨(dú)立地使用的兩條線的像素。還 可利用具有一條線的像素的相似傳感器，并且這些相似傳感器適合圖9所示的實(shí)施例。
[0051] 在一些典型實(shí)施例中，廉價(jià)光源的光脈沖持續(xù)時(shí)間可以為50ns并且其焦點(diǎn)調(diào)制 速率可以為72kHz，其中該焦點(diǎn)調(diào)制速率能夠進(jìn)行278次定時(shí)遞增以收集圖像棧。這種實(shí)施 例的范圍R可以約為攝像系統(tǒng)900的焦深的100倍。在一些典型實(shí)施例中，高級(jí)光源的光 脈沖持續(xù)時(shí)間可以為2ns并且其焦點(diǎn)調(diào)制速率可以為72kHz，其中該焦點(diǎn)調(diào)制速率能夠進(jìn) 行6, 950次定時(shí)遞增以收集圖像棧。這種實(shí)施例的范圍R可以約為攝像系統(tǒng)900的焦深的 2, 500 倍。
[0052] 應(yīng)當(dāng)理解，具有線速率140kHz或更高線速率280kHz的一維成像陣列能夠通過(guò)以 72kHz進(jìn)行工作的一般可調(diào)聲學(xué)梯度折射率的折射透鏡的一個(gè)周期來(lái)收集圖像棧。利用針 對(duì)圖9所述的相同參數(shù)的具有以與Sy = 33mm/秒的攝像系統(tǒng)300可比較的速度移動(dòng)的視場(chǎng) 的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)可以提供的X方向、Y方向和Z方向上的測(cè)量分辨率分別為0. 001mm、 0. 010mm和 0? 002mm。
[0053] 圖10是示出用于在機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)中進(jìn)行高速對(duì)焦操作的方法的流程圖 1000。該機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包括照明源和攝像系統(tǒng)，其中該攝像系統(tǒng)包括可變焦距透鏡和 照相機(jī)系統(tǒng)。
[0054] 在塊1010中，將工件放置在機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)。
[0055] 在塊1020中，確定對(duì)焦高度測(cè)量操作所用的關(guān)注區(qū)域。
[0056] 在塊1030中，使照明源進(jìn)行工作以利用頻閃照明對(duì)工件進(jìn)行照明。
[0057] 在塊1040中，在工件附近的沿著Z高度方向的多個(gè)位置上，定期對(duì)攝像系統(tǒng)的焦 點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制。
[0058] 在塊1050中，收集包括聚焦于各Z高度的各圖像的圖像棧，其中使用頻閃照明的 實(shí)例來(lái)對(duì)圖像棧的各圖像進(jìn)行曝光，其中該頻閃照明的實(shí)例被定時(shí)成與同圖像棧內(nèi)的Z高 度相對(duì)應(yīng)的定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置的相位一致。
[0059] 在塊1060中，基于分析圖像棧來(lái)確定關(guān)注區(qū)域的至少一部分的Z高度測(cè)量值，以 確定與該關(guān)注區(qū)域的該至少一部分的最佳焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的Z高度。在一些實(shí)施例中，該 關(guān)注區(qū)域的該至少一部分可以是關(guān)注區(qū)域的子區(qū)域。在一些實(shí)施例中，該關(guān)注區(qū)域的該至 少一部分可以是關(guān)注區(qū)域整體。在一些實(shí)施例中，針對(duì)關(guān)注區(qū)域的至少一部分確定Z高度 測(cè)量值可以包括：針對(duì)關(guān)注區(qū)域的多個(gè)子區(qū)域確定Z高度測(cè)量值。
[0060] 應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)這里所公開(kāi)的原理所配置的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的實(shí)施例相對(duì)于基 于激光三角測(cè)量的系統(tǒng)提供了特定優(yōu)勢(shì)。例如，這些系統(tǒng)沒(méi)有產(chǎn)生激光散斑，因而沒(méi)有產(chǎn)生 眼睛安全隱患。（例如，在圖3所示的實(shí)施例中）經(jīng)由透鏡可以進(jìn)行測(cè)量，這意味著不存在 潛在的障礙或陰影。此外，諸如照明源、CMOS成像陣列和所需的支持電子器件等的組件是 廉價(jià)的。
[0061] 盡管已經(jīng)例示和說(shuō)明了本發(fā)明的各實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員基于本公開(kāi)內(nèi)容將 明白所例示和說(shuō)明的特征配置和操作序列的多種變形。因而，應(yīng)當(dāng)理解，可以在沒(méi)有背離本 發(fā)明的精神和范圍的情況下在本發(fā)明中進(jìn)行各種改變。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于在機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)中進(jìn)行高速的對(duì)焦高度測(cè)量操作的方法，所述機(jī)器視 覺(jué)檢查系統(tǒng)包括照明源和包含照相機(jī)系統(tǒng)的攝像系統(tǒng)，所述方法包括以下步驟： 將工件放置在所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)； 確定對(duì)焦高度測(cè)量操作所用的關(guān)注區(qū)域； 使所述照明源進(jìn)行工作，以利用頻閃照明對(duì)所述工件進(jìn)行照明； 在所述工件附近的沿著Z高度方向的多個(gè)位置上，定期對(duì)所述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置進(jìn) 行調(diào)制； 收集包括聚焦于各Z高度的各圖像的圖像棧，其中使用頻閃照明的實(shí)例來(lái)對(duì)所述圖像 棧的各圖像進(jìn)行曝光，所述頻閃照明的實(shí)例被定時(shí)成與同所述圖像棧內(nèi)的Z高度相對(duì)應(yīng)的 定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置的相位一致；以及 基于分析所述圖像棧來(lái)確定所述關(guān)注區(qū)域的至少一個(gè)部分的Z高度測(cè)量值，以確定與 所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分的最佳焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的Z高度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述攝像系統(tǒng)包括可變焦距透鏡，并且定期對(duì)所 述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制的步驟包括：對(duì)所述可變焦距透鏡的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述可變焦距透鏡是可調(diào)聲學(xué)梯度折射率的折 射透鏡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，定期對(duì)所述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制的步 驟包括：以至少10kHz的速率對(duì)焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，對(duì)所述可變焦距透鏡的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制的步 驟包括：對(duì)焦點(diǎn)位置進(jìn)行正弦調(diào)制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，利用頻閃照明對(duì)所述工件進(jìn)行照明的步驟包括： 以與所述攝像系統(tǒng)的定期調(diào)制后的焦點(diǎn)位置相匹配的頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)所述頻閃照明，并且添加 被定時(shí)成與Z高度相對(duì)應(yīng)的相位偏移。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，還包括以下步驟： 使所述視場(chǎng)沿著與所述照相機(jī)系統(tǒng)的像素定位方向平行的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)于所述工件 進(jìn)行移動(dòng)，以及隨著所述視場(chǎng)的移動(dòng)來(lái)收集所述圖像棧的圖像， 其中，所述攝像系統(tǒng)包括具有電子卷簾快門(mén)的照相機(jī)系統(tǒng)，并且所述圖像棧的各圖像 是像素陣列中的、沿著所述運(yùn)動(dòng)方向的寬度與所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分相等的 條。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述攝像系統(tǒng)包括包含成像陣列的多個(gè)照相機(jī) 系統(tǒng)，所述成像陣列用于接收以交錯(cuò)方式彼此偏移了如下距離的圖像光，其中該距離至少 等于確定最佳對(duì)焦高度所使用的所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分的寬度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分是所述關(guān)注 區(qū)域的子區(qū)域。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分是所述關(guān)注 區(qū)域整體。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述關(guān)注區(qū)域的至少一個(gè)部分的Z高度測(cè) 量值的步驟包括：確定所述關(guān)注區(qū)域的多個(gè)子區(qū)域的Z高度測(cè)量值。
12. -種機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其能夠被配置為收集工件在多個(gè)Z高度處的圖像的棧， 從而基于關(guān)注區(qū)域的多個(gè)子區(qū)域的最佳對(duì)焦高度來(lái)測(cè)量Z高度，所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包 括： 攝像系統(tǒng)，其包括可變焦距透鏡，所述可變焦距透鏡能夠以電子方式進(jìn)行控制以改變 所述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置；以及 照明源，其能夠被配置為在所述攝像系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)利用頻閃照明對(duì)所述工件進(jìn)行照 明， 其中，所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)包括控制部，所述控制部能夠被配置為進(jìn)行以下操作： 在所述工件附近的沿著Z高度方向的多個(gè)位置上，定期對(duì)所述可變焦距透鏡的焦點(diǎn)位 置進(jìn)行調(diào)制；以及 收集包括聚焦于各Z高度的各圖像的圖像棧，其中所述圖像棧的各圖像與頻閃照明的 實(shí)例相對(duì)應(yīng)，所述頻閃照明的實(shí)例被定時(shí)成與同所述圖像棧內(nèi)的Z高度相對(duì)應(yīng)的定期調(diào)制 后的焦點(diǎn)位置的相位一致；以及 所述機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)能夠被配置為進(jìn)行以下操作： 確定所述視場(chǎng)內(nèi)的對(duì)焦高度測(cè)量操作所用的關(guān)注區(qū)域；以及 基于分析所述圖像棧來(lái)確定所述關(guān)注區(qū)域的至少一個(gè)部分的Z高度測(cè)量值，以確定與 所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分的最佳焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)的Z高度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其中，所述攝像系統(tǒng)包括可調(diào)聲學(xué)梯 度折射率的折射透鏡，所述可調(diào)聲學(xué)梯度折射率的折射透鏡能夠被配置為對(duì)所述攝像系統(tǒng) 的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其中，所述攝像系統(tǒng)包括照相機(jī)系統(tǒng)， 所述照相機(jī)系統(tǒng)包括全局快門(mén)系統(tǒng)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其中，還包括對(duì)焦高度視頻工具，其 中，在所述工件附近的多個(gè)位置上定期對(duì)所述攝像系統(tǒng)的焦點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)制并且收集圖像 棧的操作能夠作為所述對(duì)焦高度視頻工具的可選高速模式來(lái)選擇。
16. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其中，所述攝像系統(tǒng)包括至少一個(gè)照 相機(jī)系統(tǒng)，所述至少一個(gè)照相機(jī)系統(tǒng)包括具有電子卷簾快門(mén)系統(tǒng)的成像陣列。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其中， 所述攝像系統(tǒng)包括多個(gè)照相機(jī)系統(tǒng)，所述多個(gè)照相機(jī)系統(tǒng)各自包括具有電子卷簾快門(mén) 系統(tǒng)的成像陣列；以及 各所述成像陣列以交錯(cuò)方式被配置為接收彼此偏移了如下距離的圖像光，其中該距離 與確定最佳焦點(diǎn)位置所使用的所述關(guān)注區(qū)域的所述至少一個(gè)部分的寬度相等。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的機(jī)器視覺(jué)檢查系統(tǒng)，其中，照相機(jī)系統(tǒng)包括作為一維線傳 感器的成像陣列。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104236463SQ201410265860
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月13日
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