CN106338247A - 包含动态强度补偿功能的色彩范围传感器 - Google Patents

包含动态强度补偿功能的色彩范围传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN106338247A
CN106338247A CN201610525935.0A CN201610525935A CN106338247A CN 106338247 A CN106338247 A CN 106338247A CN 201610525935 A CN201610525935 A CN 201610525935A CN 106338247 A CN106338247 A CN 106338247A
Authority
CN
China
Prior art keywords
power level
cps
spectral distribution
wavelengths
operating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610525935.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106338247B (zh
Inventor
A.M.帕茨瓦尔德
D.W.塞斯科
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitutoyo Corp filed Critical Mitutoyo Corp
Publication of CN106338247A publication Critical patent/CN106338247A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106338247B publication Critical patent/CN106338247B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B2210/00—Aspects not specifically covered by any group under G01B, e.g. of wheel alignment, caliper-like sensors
    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0032—Optical details of illumination, e.g. light-sources, pinholes, beam splitters, slits, fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/0064—Optical details of the image generation multi-spectral or wavelength-selective arrangements, e.g. wavelength fan-out, chromatic profiling

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)

Abstract

提供了一种色点传感器(CPS)系统，其对因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差进行补偿。该CPS系统包含：光笔，包括共焦光路，该共焦光路包含色散元件并且配置为以接近要测量的工件表面的不同距离聚焦不同波长；照明源；以及CPS电子器件。该CPS电子器件包含：照明源控制部，配置为利用不同功率水平驱动照明源；CPS波长检测器，包括沿着CPS波长检测器的测量轴分布的多个像素，以提供输出频谱分布数据；以及功率水平频谱补偿部，配置为补偿输出频谱分布数据，以消除或者减小因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差。

Description

包含动态强度补偿功能的色彩范围传感器
技术领域
本发明涉及一种精密测量仪器，并且特别是涉及色彩(chromatic)范围传感器和类似的光学距离确定设备、及其应用。
背景技术
公知在光学高度、距离和范围传感器中采用彩色共焦(chromatic confocal)技术。如美国专利No.7,876,456('456专利)(通过引用将其整体合并在此)所述，可以利用具有轴向色差的光学元件使宽带光源聚焦，使得到焦点的轴向距离随着波长变化，该轴向色差还被称为轴向或者纵向色散。因此，仅一个波长将精确聚焦在表面上，并且相对于聚焦元件的表面高度或者距离确定哪个波长被最佳地聚焦。从该表面反射后，该光重新聚焦到小检测器孔径(诸如针孔或者光纤的端部)上。在从该表面反射并且通过光学系统返回入/出光纤后，只有在该表面上良好聚焦的波长才良好聚焦在孔径上。其他波长在孔径上的聚焦都不佳，并且因此，将不会将大量功率耦合到光纤中。因此，对于通过光纤返回的光，对于对应于该表面高度或者到该表面的距离的波长，信号电平(level)将最大。光谱仪类型的检测器测量每个波长的信号电平，以确定表面高度。
特定制造商将如上所述运行的并且适合用于工业设定的实用且紧凑的色彩范围感测(CRS)系统称为色点传感器(CPS)或者色线传感器，等等。与这种系统一起使用的紧凑色散光学组件被称为“光笔”或者“笔”。光笔通过光纤连接到色点传感器的电子部。电子部包含通过光纤发射光以从光笔输出该光的光源，并且还提供检测并且分析返回的光的频谱仪。返回的光形成由频谱仪的检测器阵列接收的波长分散的强度分布(profile)。分析对应于波长分散的强度分布的像素数据，以确定由强度分布的峰值或者形心(centroid)指示的“主波长峰值像素坐标”，并且将该主波长峰值像素坐标与查找表一起用于确定到表面的距离。主波长峰值像素坐标可以通过子像素分辨率确定，并且可以被称为“距离指示像素坐标”。
本技术领域内还公知“线传感器”CRS，该“线传感器”CRS采用缝隙孔径并且沿着线而非点使光聚焦，从而提供在沿着该线的多个点处测量到表面的距离的能力，如美国专利No.8,773,757(通过引用将其整体合并在此)所述。
发明内容
提供该发明内容以以简化形式介绍一系列概念，下面在具体实施方式中进一步描述它们。该发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于辅助确定要求保护的主题的范围。
现有技术的CRS和CPS系统已经呈现由于与照明功率水平关联的不确定的微小影响而产生的特定测量误差或者不稳定性。如在此公开的，观察到，CPS中使用的光源的频谱特性可以根据光源是否以较高功率水平(例如，以较高的占空比)工作、或者该光源是否以较低功率水平(例如，以较低的占空比)工作而不同。可以推测，功率水平越高，则光源温度越高，这可以解释在此描述的影响。当将以较高功率水平工作的光源的频谱分布与以较低功率水平工作的光源的频谱分布进行比较时，观察到，频谱分布不同。图7示出分别以十一个不同占空比，即，80(4％)、79(10％)、78(20％)、77(30％)、76(40％)、75(50％)、74(60％)、73(70％)、72(80％)、71(90％)和70(100％)，工作的光源(例如，LED)的十一(11)个频谱分布，包括作为由具有水平轴(或者像素位置)的CPS波长检测器测量的波长的函数的强度，其中该水平轴(或者像素位置)被校准(calibrate)以将波长转换为CPS测量距离。与“蓝色”波长强度峰值关联的十一个峰值包含在范围10中，该范围10从当光源以4％的占空比工作时获得的强度分布峰值的位置10A横跨到当光源以100％的占空比工作时获得的强度分布峰值的位置10B。如图所示，根据光源的占空比，蓝色波长强度峰值沿着CPS的波长检测器的测量轴在位置10A与10B之间位移(shift)。这些输入频谱变化将在正常(彩色共焦)测量操作期间影响CPS测量峰值位置。因此，特别是对于对应于蓝色波长的测量峰值位置，在正常操作时由峰值位置(“主波长峰值像素坐标”或者“距离指示坐标”)导出的、到CPS要测量的工件表面的距离，将根据用于驱动光源的特定功率水平(例如，占空比)变化。这不是希望的，因为这导致取决于功率水平(例如，占空比)的距离测量误差，其中应当自由选择功率水平以根据工件反射率驱动光源。
本发明的各方面旨在克服上述技术问题。
根据本发明实施例，提供了一种色点传感器(CPS)系统，其被配置为补偿潜在误差，其包含由于当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差。该CPS系统包含光笔，该光笔包括共焦光路，该共焦光路包含色散元件并且被配置为以接近要测量的工件的不同距离聚焦不同波长。该CPS系统还包含照明源，其被配置为产生包括对光笔输入的输入频谱分布的多波长输入光。该CPS系统还包含CPS电子器件。该CPS电子器件包含：照明源控制部，其被配置为对于由CPS系统进行的各个测量，采用不同功率水平驱动照明源；CPS波长检测器，包括多个沿着CPS波长检测器的测量轴分布的像素，该多个像素接收相应波长并且提供输出频谱分布数据；以及功率水平频谱补偿部，其被配置为补偿输出频谱分布数据，从而消除或者减小由于当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差。
根据一个方面，当光笔连接到CPS电子器件并且相对于工件表面可操作地定位以执行测量操作时，光笔输入(接收)来自照明源的输入频谱分布并且对工件表面输出相应辐照(radiation)并且接收来自工件表面的反射辐照并且输出反射辐照，以对CPS波长检测器提供输出频谱分布。输出频谱分布包含：与距离有关的分布分量，其具有指示从光笔到工件表面的测量距离的波长峰值；以及与距离无关的分布分量，其包含对应于输入频谱分布影响的与功率水平有关的分量，其中所述频谱分布影响与由于用于产生多波长输入光的功率水平的变化导致的输入频谱分布中的波长的相对强度的变化关联。功率水平频谱补偿部被配置为补偿输出频谱分布数据，从而消除或者减小由于当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的与功率水平有关的分量的变化。
例如，功率水平频谱补偿部包含功率水平补偿数据，其对于由于利用第一特定功率水平设定(例如，100％占空比)使照明源工作而产生的第一特定输入频谱分布，表征输入频谱分布中的波长的相对强度。功率水平频谱补偿部还可以包含功率水平补偿数据，其对于由于利用第二特定功率水平设定(例如，70％占空比)使照明源工作而产生的第二特定输入频谱分布，表征输入频谱分布中的波长的相对强度。在各种应用中，在工厂执行的CPS系统校准处理期间，对于每个特定照明源采集功率水平补偿数据。当用户利用第一(或者第二)特定功率水平设定使CPS系统工作时，功率水平频谱补偿部通过基于表征第一(或者第二)特定输入频谱分布中的波长的相对强度的功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，来自动补偿所得到的输出频谱分布数据。因此，在各种示例性实施例中，强度归一化处理对于用户是完全透明的。
对于第一特定输入频谱分布的功率水平补偿数据可以包括对与第一特定功率水平设定关联的与功率水平有关的分量进行补偿的第一组波长特定的功率归一化因数。例如，第一组波长特定的功率归一化因数可以是分别对CPS波长检测器的多个像素导出的并且对应于所述多个像素的构件(member)归一化因数。类似地，对于第二特定输入频谱分布的功率水平补偿数据可以包括对与第二特定功率水平设定关联的与功率水平有关的分量进行补偿的第二组波长特定的功率归一化因数。第二组波长特定的功率归一化因数可以是分别对CPS波长检测器的多个像素导出的并且对应于所述多个像素的构件归一化因数。
在一些实施例中，CPS系统包含包括功率水平选择元件的用户接口，其中用户可操作该功率水平选择元件以选择多个功率水平设定中的一个，并且，利用用户选择的特定功率水平设定来驱动光源。在其他实施例中，CPS系统自动确定为了在CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平而要采用的功率水平设定，并且，利用CPS系统自动确定的功率水平设定来驱动光源。
根据本发明的另外方面，提供了一种方法，用于使色点传感器(CPS)系统工作以补偿潜在误差，其包含由于当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差。该方法通常包含三个步骤：提供CPS系统的步骤，如上所述；使CPS系统工作以对CPS波长检测器提供输出频谱分布的步骤，CPS波长检测器然后提供输出频谱分布数据；以及使CPS系统的功率水平频谱补偿部工作以补偿输出频谱分布数据的步骤。任选地，该方法还可以包含使CPS系统工作以确定并且存储功率水平补偿数据的步骤，该功率水平补偿数据表征由于利用特定功率水平设定使照明源工作而产生的至少一个输入频谱分布中的波长的相对强度。此后，该功率水平补偿数据用于补偿输出频谱分布数据。
附图说明
因为通过参考下面结合附图所做的详细描述，本发明的上述方面和许多伴随的优点变得更好理解，所以本发明的上述方面和许多伴随的优点将更容易明白，其中：
图1是示例性CPS系统的一个实施例的框图。
图2是来自CPS系统的系统噪声(偏压)分布的图，其示出当不存在测量表面时，对于检测器阵列中的像素的与波长有关的电压偏移信号电平。
图3是来自CPS系统的强度分布的图，其示出由测量表面所反射的波长产生的有效波长峰值，其中峰值的像素位置对应于到测量表面的测量距离。
图4A是CPS距离校准数据的图，该CPS距离校准数据使距离指示(波长峰值)像素坐标与到测量工件表面的已知测量距离相关。
图4B是示例CPS距离校准查找表，该CPS距离校准查找表使波长峰值像素坐标与相应测量距离有关。
图5A和5B是示出对照明源的四(4)个不同功率水平(例如，占空比)分别获得的四(4)组波长特定的功率归一化因数的曲线图，其中每组包含分别对CPS波长检测器的多个像素导出的并且对应于CPS波长检测器的多个像素的波长特定的功率归一化因数(或者构件归一化因数)。
图6是示出使CPS系统工作以对包含因当采用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差的潜在误差进行补偿的方法的流程图。
图7是示出根据用于驱动CPS照明源的功率水平(例如，占空比)使特定波长的频谱分布峰值移位的曲线图。
具体实施方式
图1是包含光学元件120(例如，光笔)、电子部160以及用户接口部171的色彩范围传感器(CSR)系统100的一个示例性实施例的框图。电子部160的实施例包含信号处理器166、存储部168和源与检测器子系统161，该源与检测器子系统161包含波长检测器162和宽带光源164。图1所示的CPS系统100是一次测量单个测量点的色点传感器(CPS)系统。在各种实施例中，波长检测器162包含频谱仪的检测器阵列163。检测器阵列163可以包括多个沿着波长检测器162的测量轴分布的像素，其中多个像素接收相应波长并且提供输出频谱分布数据。电子部160通过包含光纤线缆112的光路耦合到光学元件120。示出了光路的任选或者替换方案，包含：光纤线缆112，该光纤线缆112具有：在光纤段112B中的连接器CONNECT-D连结的第一段112A和第二段112B；以及耦合器COUPLER-O，该耦合器COUPLER-O将段112B连结到电子部160。通过包含照明光纤段165I、2×1耦合器COUPLER-E、CONNECT-E和光纤线缆112的路径，连接由信号处理器166控制的光源164，以将包括输入频谱分布的多波长光输入到光学元件120。光学元件120包含入/出光纤子组件105、外壳130和光学器件部150。入/出光纤子组件105包括：入/出光纤113，该入/出光纤113通过包裹其的光纤线缆112承载；以及光纤连接器108。入/出光纤113通过孔径195输出输出束，并且通过孔径195接收反射的测量信号光。
在操作中，光学器件部150使从光纤端部通过孔径195发射的光聚焦，该光学器件部150包含透镜，该透镜提供轴向色散，使得沿着光轴OA的焦点根据光的波长而处于不同距离，如对于CPS系统而已知的。在测量操作期间，使光聚焦在工件170的表面位置上。由光学器件部150将从表面位置190反射的光重新聚焦到孔径195上。因为其轴向色散，所以仅一个波长将具有与测量距离“Z”匹配的焦距，测量距离“Z”是从相对于光学元件120固定的基准位置RP到表面位置190的距离。最佳地聚焦于表面位置190处的波长是在孔径195处的最佳聚焦波长。因此，最佳聚焦波长主要通过孔径195并且进入光纤线缆112的光纤113的纤芯中。光纤线缆112将信号光路由到波长检测器162，该波长检测器162用于确定具有主强度的波长，其对应于到表面位置190的测量距离Z。
在所示的实施例中，反射的与波长有关的光强通过包含耦合器COUPLER-E的光纤路径传回到电子部160，使得接近50％的光通过信号光纤段165S去往波长检测器162。波长检测器162接收与波长有关的光强，作为沿着检测器阵列163的测量轴分布于像素阵列上的输出频谱强度分布(还简称为输出频谱分布)，并且操作以基于从检测器阵列163输出的像素数据，提供相应输出频谱分布数据。
分布数据的子像素分辨率距离指示坐标(DIC)(请参见图3)由信号处理器166计算，并且DIC(子像素中的)通过存储于存储部168中的距离校准查找表等确定到表面位置190的测量距离Z(微米)，如下参考图4A和4B所述。DIC可以通过各种方法(例如，通过确定包含于峰值区域中的强度分布数据的形心)确定。可以利用分布数据，以子像素分辨率确定DIC，如下所述。
用户接口部171耦合到电子部160，并且被配置为通过任何适当装置(诸如键盘、触摸传感器、鼠标等)接收用于使CPS系统100操作的用户输入，诸如用于在多个占空比中选择用以驱动照明源164的适当占空比、或者选择其他操作参数的用户命令。在示例性实施例中，用户接口部171包含一个或者多个功率水平选择元件(例如，用户可选按钮)，用户可以操作该一个或者多个功率水平选择元件以选择可以用于驱动CRS光源164的多个功率水平设定中的一个。用户接口部171还被配置为使诸如CPS系统100所成功测量的距离的信息显示于屏幕上。
图1包含正交XYZ坐标轴，作为参照系。定义Z方向与光学元件120的光轴(OA)平行，该光轴(OA)是距离测量轴。如图1所示，在操作期间，工件170沿着光轴OA布置，并且可以安装于平移台175上，该平移台175可以有利地对齐以使得其沿着由导向轴承175A限制的Z轴方向平移。
下面对图2的描述概括在各种实施例中可以结合本发明采用的特定公知背景的信号处理和/或校准操作。目的是强调下面进一步披露的对与功率水平有关的强度变化进行补偿的发明方法与这些操作不同，但是与这些操作兼容。图2是来自CRS的系统噪声(偏压)分布的图200，其示出当在CRS的标称总测量范围内不存在测量表面时检测器阵列163中的像素的电压偏移信号电平Voffset(p)。在这种情况下，没有有意反射的光，并且因此在所得到的强度分布中没有显著或者主波长峰值。对于沿着“波长”测量轴的1024个像素中的每个，以归一化伏特(Normalized volts)为单位绘制电压偏移信号Voffset(p)的曲线图。“归一化伏特”对检测器阵列163的饱和电压分配1.0的值。电压偏移信号Voffset(p)包含：偏压信号电平Vbias，其在检测器阵列上比较一致；以及背景信号分量Vback(p)，其被示出为在检测器阵列上是变化的。由于与环境温度变化和由电子部160在操作期间产生的热量关联的电压漂移导致与坐标无关的偏压信号电平Vbias可能变化。与坐标有关的背景信号Vback(p)代表诸如来自CRS中的与波长有关的伪(spurious)(内部)反射、以及因为各种像素p的暗电流导致的背景光的信号。例如，在诸如光纤光耦合器和连接器、光纤分光器和光纤端部的光纤耦合部分，较弱、但显著的(significant)内部反射可能发生。每个CPS系统还包含“与距离无关的”变化，该变化包含与功率水平有关的变化，其不取决于到测量表面的距离，而是取决于照明源164的功率水平(例如，占空比)或者测量表面的特定材料。因此，在各种实施例中，为了提供可能的最佳信号校准或者补偿，补偿数据169可以被存储并且用于对因为强度变化的这些各种原因中的一些或者全部而导致由CRS频谱仪产生的不同强度进行补偿。特别是，补偿数据169包含功率水平补偿数据，用以对与功率水平有关的强度变化进行补偿，从而消除或者减小因为当利用不同功率水平驱动CRS照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性而导致的潜在误差。在本发明的一个方面中，补偿数据169还可以包含用于对与工件材料有关的强度变化进行补偿的工件材料补偿数据。
下面对图3、4A和4B的描述概括了特定信号处理操作，该特定信号处理操作基于在来自CRS的波长分散的强度分布中产生的有效波长峰值，以子像素分辨率确定距离指示坐标(DIC)，并且基于所确定的DIC确定到工作表面的测量距离(例如，以微米为单位)。在此概括的操作在'456专利中有更详细描述。该描述的目的是提供背景信息，其对于全面理解CRS距离测量操作是有用的。
图3是来自CRS的波长分散的强度分布的图300，其示出表示聚焦于测量表面上并且被测量表面反射的波长的测量分布信号MS(p)的子集所产生的有效波长峰值302。测量分布信号MS(p)中的每个具有与检测器阵列(例如，检测器阵列163)的每个像素p关联的信号电平(以归一化伏特为单位示出)。有效波长峰值302超过足够高度(良好的信噪比)、相对地对称、并且使得可以沿着检测器阵列的测量轴良好地估计峰值位置或者测量距离指示坐标(DIC)304。
图3示出偏压信号电平MVbias(以归一化伏特为单位)、峰值像素坐标(ppc)和数据阈值MVthrdshold，该数据阈值MVthrdshold定义形成波长峰值302的测量分布信号MS(p)的距离指示子集的下限。所有“MV”都以归一化伏特为单位。
简单地说，在一个实施例中，用于确定距离指示坐标(DIC)(以像素为单位)并且基于所确定的DIC确定相应测量距离(以微米为单位)的测量操作可以包含如下：
·沿着光轴OA定位目标表面，并且捕获所得到的波长分散的强度分布，如图300所示。
·确定峰值像素坐标(ppc)，其是具有最高信号的像素。
·以给定采样速率确定测量偏压信号电平MVbias。
·确定数据阈值MVthreshold(例如，作为峰值高度的百分比)。
·基于形成具有比MVthreshold大的值的波长峰值的测量分布信号MS(p)的距离指示子集，以子像素分辨率确定距离指示坐标(DIC)。
·通过使DIC与存储的距离校准数据中的相应距离相关(例如，如图4A所示的距离校准曲线、或者如图4B中的查找表)，确定测量距离。
在上述操作中，基于高于MVthreshold的测量分布信号MS(p)的距离指示子集，可以以子像素分辨率确定DIC。可以通过各种方法确定DIC。在一个实施例中，DIC可以被确定为信号MS(p)的距离指示子集的形心XC的子像素分辨率坐标。例如，对于具有1024个像素的检测器，可以根据如下确定形心XC：
其中，
在一个特定例子中，在等式1中，n＝2。应当明白，等式2将形心计算中使用的信号MS(p)限制到距离指示子集。
图4A是CRS测量距离校准数据410A的图400A，其使具有子像素分辨率的距离指示坐标(DIC)与沿着CRS的光轴(OA)以微米为单位的已知测量距离(ZOUT)相关。图4A所示的例子是对于具有300微米的标称总测量范围MR的光学元件的，这对应于近似150个像素－490个像素的范围内的DIC。然而，如果需要，则可以在检测器阵列163的较大像素范围上校准CRS。用于确定CRS测量距离校准数据410A的一个示例性实验校准方法采用沿着光轴OA(例如，以近似0.1或者0.2微米步长)移动的反射镜(例如，代替图1的表面位置190的表面)。对于每个实际反射镜位置，基于如上所述的相应强度分布数据，确定CPS系统的相应校准DIC。然后，记录校准DIC和相应实际位置(沿着光轴OA以微米为单位)，以提供校准数据410A。在工件测量操作期间，使CPS系统所获得的测量DIC参考存储的校准数据410A，以确定对应于测量DIC的测量距离ZOUT。
图4B是与上面参考图4A概述的校准数据类似的校准数据模的查找表形式的图400B。旨在示出查找表格式的一个图解说明，并且，为此目的，图4B的特定表值与图4A的特定校准数据410A中指示的值的差不显著或者不相关。在图4B中，在左列中，校准DIC条目涵盖以0.1像素步长递增的从1到1024的像素坐标，并且，在右列中，录入了相应测量距离(以微米为单位)(ZOUT)。在操作中，使由CPS系统计算的测量DIC参考存储的校准查找表，以便确定相应测量距离(以微米为单位)。如果测量DIC落入相邻校准DIC值之间，则可以通过内插确定测量距离。
如上参考图7所述，当利用不同功率水平(例如，不同占空比)驱动CPS系统的照明源164时，由该源产生的频谱强度分布根据用于驱动照明源的特定功率水平而变化。根据本发明的各种实施例，CPS系统装备有用于对当利用不同功率水平驱动照明源时产生的这种频谱分布强度不一致性进行补偿的新颖功能。
具体地说，CPS电子部160(图1)包含照明源控制部和功率水平频谱补偿部，这二者均可以部分地或者全部纳入或者并入信号处理器166中。照明源控制部被配置为对于CPS系统100所进行的各个测量，利用不同功率水平驱动照明源164。功率水平频谱补偿部被配置为对CPS波长检测器162所提供的输出频谱分布数据进行补偿，以消除或者减小因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差。
在操作中，光笔120连接到CPS电子部160，并且相对于工件表面190可操作地定位，以执行测量操作。测量操作包含光笔120输入来自照明源164的输入频谱分布并且对工件表面190输出相应辐照、以及接收来自工件表面190的反射辐照并且输出该反射辐照以将输出频谱分布提供给CPS波长检测器162，然后，CPS波长检测器162提供输出频谱分布数据。输出频谱分布包含与距离有关的分布分量和与距离无关的分布分量。与距离有关的分布分量具有指示从光笔120到工件表面190的测量距离的波长峰值(例如，图3中的峰值302)。与距离无关的分布分量包含与功率水平有关的分量，其对应于与由于用于从照明源164产生多波长输入光的功率水平的变化导致的输入频谱分布中的波长的相对强度的变化关联的输入频谱分布影响。功率水平频谱补偿部对输出频谱分布数据进行补偿，以消除或者减小因为当利用不同功率水平驱动照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的、与功率水平有关的分量的变化。
功率水平频谱补偿部包含或者访问存储部168中的功率水平补偿数据169。对于由于利用特定功率水平设定使照明源164工作而产生的至少一个特定输入频谱分布，功率水平补偿数据表征输入频谱分布中的波长的相对强度。在各种示例性实施例中，产生并且存储功率水平补偿数据，以对于由于分别利用多个功率水平设定(例如，第一和第二功率水平设定)使照明源164工作而产生的多个输入频谱分布(例如，第一和第二输入频谱分布)，表征输入频谱分布中的波长的相对强度。然后，例如，当利用第一功率水平设定使CPS系统100工作时，功率水平频谱补偿部通过基于表征由于以第一功率水平设定使照明源工作而产生的特定输入频谱分布中的波长的相对强度的功率水平补偿数据来归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。类似地，当利用第二功率水平设定使CPS系统100工作时，功率水平频谱补偿部利用表征由于以第二功率水平设定使照明源工作而产生的特定输入频谱分布中的波长的相对强度的功率水平补偿数据，补偿所得到的输出频谱分布数据。
表征对于第一频谱分布的输入频谱分布中的波长的相对强度的功率水平补偿数据包括第一组波长特定的功率归一化因数，该第一组波长特定的功率归一化因数对与第一功率水平设定关联的与功率水平有关的分量进行补偿。类似地，表征对于第二频谱分布的输入频谱分布中的波长的相对强度的功率水平补偿数据包括第二组波长特定的功率归一化因数，该第二组波长特定的功率归一化因数对与第二功率水平设定关联的与功率水平有关的分量进行补偿。在各种实施例中，每组波长特定的功率归一化因数包含分别对应于CPS波长检测器162的多个像素的构件归一化因数。
下面描述采用过程，其可用于确定多组波长特定的功率归一化因数，用以分别对与多个功率水平设定关联的与功率水平有关的分量进行补偿。
通过改变照明源164的功率水平设定(例如，占空比[DC])，重新配置CPS系统100以绕过(bypass)光笔120以捕获一组频谱仪分布。上文并入的'456专利中描述了绕过光笔120的一些方法。简单地说，如'456专利中教示的绕过光笔120的方法涉及将光源164耦合到波长检测器162、同时用基准表面(例如，朗伯(Lambertian)表面)代替CPS光笔120。参考图1，为了实现绕过光笔120，例如，可以用安装到连接器CONNECT-D的部分Dout的朗伯表面代替连接器CONNECT-D的部分Din、光纤段112A以及光笔120。因此，从光源164沿着光路发射到朗伯表面的光从朗伯表面反射回到该光路中并且返回到波长检测器162，在波长检测器162中，其形成绘制沿着CPS波长检测器162的像素[n]的强度水平[I]的曲线图的频谱仪分布。
通过例如以10％的增量改变照明源164的占空比[DC]，如下对每个像素[n]和每个占空比[DC]产生一组波长特定的功率归一化因数N：
N[n][DC]＝4096/I[n][DC] (等式3)
其中，在该例子中将4096用作归一化目标(即，峰值强度)，但是，本技术领域技术人员将显而易见的，可以采用不同的值。可以内插(interpolate)功率归一化因数N[n][DC]，以获得对于另外(附加)占空比的N[n][DC]。对于对应于每个检测器像素的每个波长，可以将N[n][DC]看作CPS系统100的与功率水平有关的传递函数。将各组N[n][DC](对于特定[DC]的每组包含数目为[n]的N)上载到CPS系统100的存储部168。
接着，光笔120重新连接到CPS电子部160，并且相对于镜面可操作地定位。然后，CPS系统100以任意占空比(功率水平设定)操作，以执行标准校准过程以使沿着波长检测器162的测量轴的距离指示坐标(DIC)与沿着CPS系统100的光轴的已知测量距离(ZOUT)相关。此时，任选地，可以如下产生对每个像素[n]实现4096的峰值强度所需的一组笔归一化因数NP：
NP[n]＝4096/(I[n]N[n][DC] (等式4)
笔归一化因数NP用于对每个像素[n]的与光笔有关的强度变化进行补偿。对于对应于每个检测器像素的每个波长，可以将NP看作CPS笔120的与光笔有关的传递函数。将一组NP[n](包含[n]个NPs的组)上载到CPS系统100的存储部168。
此外，任选地，可以以任意占空比(功率水平设定)执行特定类型的材料(金属、木材等等)的测量表面的附加扫描，并且测量沿着波长检测器162的测量轴的不同像素[n]处的强度。然后，如下可以获得根据测量表面的特定类型的材料对强度变化进行补偿所需的第三组归一化因数，即，表面材料归一化因数NM：
NM[n]＝4096/(I[n]N[n][DC]NP[n]) (等式5)
表面材料归一化因数NM用于对于每个像素[n]，对与表面材料有关的强度变化进行补偿。对于对应于每个检测器像素的每个波长，可以将NM看作CPS系统100的与表面材料有关的传递函数。将一组NM[n](包含数目为[n]的NMs的组)上载到CPS系统100的存储部168。
最后，通过如下将该组波长特定的功率归一化因数N[n][DC]、该组笔归一化因数NP[n]、以及(任选地)该组表面材料归一化因数NM[n]组合，可以获得一组最终归一化因数NF：
NF[n]＝N[n][DC]NP[n]NM[n] (等式6)
如果任选的该组笔归一化因数NP[n]和任选的该组表面材料归一化因数NM[n]不产生或者没有意义，则可以将NP[n]和NM[n]都设定为1，使得NF[n]＝N[n][DC]。
注意，功率归一化因数N[n][DC]包含数目为[DC]的组。在一个实施例中，对于相应功率水平，每组包含对于检测器的n个像素中的每个的因数。另一方面，一组N[n][DC]是一组波长特定的(即，像素特定的)功率归一化因数，其对与特定功率水平设定(占空比)关联的与功率水平有关的分量进行补偿。
可以内插功率归一化因数N[n][DC]和最终归一化因数NF[n]，以对于沿着波长检测器162的测量轴的另外的像素位置或者子像素位置，分别获得附加功率归一化因数Ns和附加最终归一化因数。应当明白，可以基于以各种功率水平对一些像素或者全部像素获得的强度频谱测试数据，确定归一化曲线或者函数，而非存储和使用像素特定的归一化因数，并且，这些曲线或者函数可以被存储并且用于根据在此公开的原理，确定要采用的功率归一化因数。
在操作中，当执行测量操作时，CRS电子部160的功率水平频谱补偿部通过如下基于功率水平补偿数据(例如，包含功率归一化因数N[n][DC]的NF[n])归一化波长的相对强度，来自动对波长检测器162所提供的输出频谱分布数据进行补偿：
I[n]'＝I[n]NF[n] (等式7)
其中I[n]'代表由于利用对正在使用的特定功率水平设定导出的功率水平补偿数据NF[n](＝N[n][DC]NP[n]NM[n])归一化I[n]而产生的补偿强度水平。
如上参考图1所述，CPS系统100包含用户接口部171，该用户接口部171可以包含用户可操作以选择多个功率水平设定(例如，多个占空比)中的一个的功率水平选择元件。当利用用户选择的特定功率水平设定使CPS系统100工作时，CPS系统100自动基于选择的特定功率水平设定使功率水平频谱补偿部工作，以通过基于对于选择的特定功率水平设定的功率水平补偿数据(例如，N[n][DC])归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
在一些实施例中，CPS系统100被配置为自动确定为了在CPS波长检测器162中提供可操作测量信号电平而要使用的功率水平设定。当CPS系统自动确定特定功率水平设定要用于在CPS波长检测器162中提供可操作测量信号电平时，CPS系统利用自动确定的功率水平设定驱动照明源164，并且自动使功率水平频谱补偿部工作，以通过基于对于自动确定的功率水平设定的功率水平补偿数据(例如，N[n][DC])归一化补偿的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
如上所述，提供至波长检测器162的输出频谱分布可以被认为通常包含两个分量：与距离有关的分布分量和与距离无关的分布分量。与距离有关的分布分量响应于测量距离，并且负责产生指示从光笔120到工件表面的测量距离的波长峰值，如上面的图3所示。另一方面，与距离无关的分布分量与到要测量的工件表面的距离Z无关(例如，输入频谱分布不取决于到工件的距离，并且因此，可以认为其对与距离无关的影响做出贡献，该与距离无关的影响对测量误差做出贡献)。与距离无关的分布分量可以包含与功率水平有关的分量，可以利用一组功率归一化因数N[n][DC]补偿该与功率水平有关的分量。与距离无关的分布分量还可以包含对导致与距离无关、但与材料有关的反射率(强度)变化或者不一致性负责的工件材料分量，可以利用上述一组表面材料归一化因数NM[n]对该反射率(强度)变化或者不一致性进行补偿。在一些实施例中，可以存储这些各种类型的补偿数据(归一化因数)，并且/或者可以将这些各种类型的补偿数据(归一化因数)分别应用于对CPS笔输出到CPS波长检测器的输出频谱分布中的误差分量的各种组成进行补偿。在其他实施例中，可以将各种类型的补偿数据进行功能上的组合和存储、以及/或者同时或者顺序地应用于对误差分量的所有组成进行补偿。
图5A和5B是示出对于波长检测器162阵列中的每个像素，对照明源164的不同功率水平设定(例如，占空比)获得的波长特定的功率归一化因数N[n][DC]的曲线图。如图所示，对不同功率水平设定(例如，占空比50A(10％)、52A(30％)、54A(60％)和56A(100％))定义功率归一化因数的变化量。图5B是仅对应于像素数目800－900的放大比例曲线图，其是从对应于像素数目700－1300的图5A的原始曲线图获得。具体地，在放大比例中，对于占空比50B(10％)、52B(30％)、54B(60％)和56B(100％)，定义功率归一化因数的变化量。在图5B中，虚线58指示最大归一化因数的像素位置如何响应于功率水平而变化，从而对前面参考图7概括描述的“蓝色”波长中变化的波长峰值位置进行补偿。
图6是示出使CPS系统100工作以对潜在误差进行补偿的示例性方法的流程图，其中所述潜在误差包含因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差。
在方框60，提供CPS系统，该CPS系统包括：光笔120、照明源164以及CPS电子部160，该CPS电子部160包括照明源控制部，其被配置为对于由CPS系统进行的各个测量，利用不同功率水平驱动照明源。CPS电子器件还包含CPS波长检测器162，该CPS波长检测器162包括沿着CPS波长检测器的测量轴分布的多个像素，其中所述多个像素接收相应波长并且提供输出频谱分布数据。输出频谱分布数据包含指示从光笔120到工件表面190的测量距离的波长峰值。CPS电子器件还包含功率水平频谱补偿部，其被配置为对输出频谱分布数据进行补偿，从而消除或者减小因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差。
在方框61，任选地，使CPS系统100工作以确定并且存储功率水平补偿数据，诸如上面描述的波长特定的功率归一化因数N[n][DC]，该功率水平补偿数据表征由于利用特定功率水平设定使照明源164工作而产生的至少一个输入频谱分布中的波长的相对强度。替代地，CPS系统100包含或者有权访问前面确定的这种功率水平补偿数据。
在方框62，使CPS系统100工作以进行测量操作。测量操作包含光笔120输入来自照明源164的输入频谱分布并且将相应辐照输出到工件表面190、以及从工件表面190接收反射辐照以输出反射辐照，从而对CPS波长检测器162提供输出频谱分布。输出频谱分布包括：与距离有关的分布分量，该与距离有关的分布分量具有指示从光笔120到工件表面190的测量距离的波长峰值；以及与距离无关的分布分量，该与距离无关的分布分量包含与功率水平有关的分量，其对应于与因为用于驱动照明源164的功率水平的变化导致的输入频谱分布中的波长的相对强度的变化关联的输入频谱分布影响。
在方框63，使功率水平频谱补偿部工作以对输出频谱分布数据进行补偿，从而消除或者减小因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的与功率水平有关的分量的变化。
根据各种实施例，一旦CPS系统100对于不同功率水平(例如，不同占空比)中的每个确定并且/或者存储了功率水平补偿数据169，功率水平补偿过程此后就对用户完全透明。例如，当用户使CPS系统100工作以测量到工件表面的距离并且选择特定功率水平来驱动照明源164时，CPS电子部160自动检索并且应用对应于所选择的功率水平的功率水平补偿数据169，以消除或者减小因为当利用用户选择的功率水平驱动照明源164时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差。
在一些示例性实施例中，可以在机械视觉检验系统(或者坐标测量机器)中自动执行沿着CPS系统100的光轴OA测量到工件表面的距离Z。在这种情况下，作为机械视觉检验系统(或者坐标测量机器)的一部分，包含CPS系统100，该CPS系统100包含用于在以不同功率水平驱动照明源164的同时测量距离Z的光笔120。在共同授予的(assign)美国专利No.8,085,295和No.7,454,053(通过引用将它们合并在此)中描述了适当的机械视觉检验系统。
尽管已经示出并且描述了本发明的优选实施例，但是，基于本公开，所示出并且描述的特征的排列和操作的序列的许多变型将对于本领域技术人员显而易见。例如，在此示出了包含光笔的CRS。然而，可以配置诸如色线传感器的CRS系统以根据在此公开的系统和方法工作。因此，应当明白，可以对在此公开的实施例进行各种变更，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种色点传感器(CPS)系统，配置为对潜在误差进行补偿，所述潜在误差包含因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差，所述CPS系统包括：
光笔，包括共焦光路，所述共焦光路包含色散元件并且配置为以接近要测量的工件表面的不同距离聚焦不同波长；
照明源，配置为产生包括对所述光笔输入的输入频谱分布的多波长输入光；以及
CPS电子器件，包括：
照明源控制部，配置为对于由所述CPS系统进行的各个测量，利用不同功率水平驱动所述照明源；
CPS波长检测器，包括沿着所述CPS波长检测器的测量轴分布的多个像素，所述多个像素接收相应波长并且提供输出频谱分布数据；以及
功率水平频谱补偿部，配置为补偿所述输出频谱分布数据，以消除或者减小因为当利用所述不同功率水平驱动所述CPS照明源时产生的所述输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差。
2.根据权利要求1所述的CPS系统，其中：
所述CPS系统配置为使得：当所述光笔连接到所述CPS电子器件并且可操作地相对于所述工件表面定位以执行测量操作时，所述光笔输入所述输入频谱分布并对所述工件表面输出相应辐照，并且接收来自所述工件表面的反射辐照并输出所述反射辐照以对所述CPS波长检测器提供输出频谱分布；
所述输出频谱分布包括：与距离有关的分布分量，其具有指示从所述光笔到所述工件表面的测量距离的波长峰值；以及与距离无关的分布分量，其包含对应于输入频谱分布影响的与功率水平有关的分量，所述输入频谱分布影响与因为用于产生所述多波长输入光的所述功率水平的变化导致的所述输入频谱分布中波长的相对强度的变化关联；并且
所述功率水平频谱补偿部配置为补偿所述输出频谱分布数据，以消除或者减小因为当利用所述不同功率水平驱动所述CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的所述与功率水平有关的分量的变化。
3.根据权利要求1所述的CPS系统，其中：
所述功率水平频谱补偿部包括功率水平补偿数据，其至少对于由于利用第一特定功率水平设定使所述照明源工作而产生的第一特定输入频谱分布，表征所述输入频谱分布中的波长的相对强度；并且
当利用所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作时，所述功率水平频谱补偿部通过基于表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
4.根据权利要求3所述的CPS系统，其中至少对于所述第一特定输入频谱分布而表征所述输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据包括第一组波长特定的功率归一化因数，其对与所述第一特定功率水平设定关联的所述与功率水平有关的分量进行补偿。
5.根据权利要求4所述的CPS系统，其中所述第一组波长特定的功率归一化因数包含分别对应于所述CPS波长检测器的所述多个像素的构件归一化因数。
6.根据权利要求3所述的CPS系统，其中：
所述功率水平补偿数据附加地对于由于利用第二特定功率水平设定使所述照明源工作而产生的第二特定输入频谱分布，表征所述输入频谱分布中的波长的相对强度；并且
当利用所述第二特定功率水平设定使所述CPS系统工作时，所述功率水平频谱补偿部通过基于表征所述第二特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
7.根据权利要求6所述的CPS系统，其中表征所述第二特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据包括第二组波长特定的功率归一化因数，其对与所述第二特定功率水平设定关联的所述与功率水平有关的分量进行补偿。
8.根据权利要求3所述的CPS系统，其中：
所述CPS系统包括包含功率水平选择元件的用户接口，用户可操作所述功率水平选择元件以选择包含所述第一特定功率水平设定的多个功率水平设定中的一个；并且
当利用所述用户选择的所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作时，所述CPS系统配置为自动基于所选择的第一特定功率水平设定使所述功率水平频谱补偿部工作，以通过基于表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
9.根据权利要求3所述的CPS系统，其中：
所述CPS系统配置为自动确定为了在所述CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平而要采用的功率水平设定；并且
当所述CPS系统自动确定所述第一特定功率水平设定被用于在所述CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平时，并且当利用所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作时，所述CPS系统配置为自动基于所确定的第一特定功率水平设定使所述功率水平频谱补偿部工作，以通过基于表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
10.根据权利要求1所述的CPS系统，其中：
所述功率水平频谱补偿部包括功率水平补偿数据，其对于由于利用相应一组离散功率水平设定使所述照明源工作而产生的一组输入频谱分布，表征每个输入频谱分布中波长的相对强度；并且
当利用落入所述离散功率水平设定之间的第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作时，所述功率水平频谱补偿部配置为处理所述功率水平补偿数据，以确定表征所述第一特定输入频谱分布中波长的相对强度的内插数据，并且通过基于所述内插数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
11.根据权利要求10所述的CPS系统，其中：
所述CPS系统配置为自动确定为了在所述CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平而要采用的功率水平设定；并且
当所述CPS系统自动确定所述第一特定功率水平设定被用于在所述CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平时，并且当利用所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作时，所述CPS系统配置为自动基于所确定的第一特定功率水平设定使所述功率水平频谱补偿部工作，以处理所述功率水平补偿数据以确定表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的内插数据，并且通过基于所述内插数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
12.一种使色点传感器(CPS)系统工作以对潜在误差进行补偿的方法，其中所述潜在误差包含因为当利用不同功率水平驱动CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的误差，所述方法包括：
提供CPS系统，所述CPS系统包含：
a)光笔，包括共焦光路，所述共焦光路包含色散元件并且配置为以接近要测量的工件表面的不同距离聚焦不同波长；
b)照明源，配置为产生包括对所述光笔输入的输入频谱分布的多波长输入光；以及
c)CPS电子器件，包含：
照明源控制部，配置为对于由所述CPS系统进行的各个测量，利用不同功率水平驱动所述照明源；
CPS波长检测器，包括沿着所述CPS波长检测器的测量轴分布的多个像素，所述多个像素接收相应波长并且提供输出频谱分布数据；以及
功率水平频谱补偿部，配置为补偿所述输出频谱分布数据，以消除或者减小因为当利用所述不同功率水平驱动所述CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的潜在误差；
使具有连接到所述CPS电子器件并且可操作地相对于工件表面定位的光笔的所述CPS系统工作以执行测量操作，所述测量操作包含所述光笔输入所述输入频谱分布并对所述工件表面输出相应辐照、并且接收来自所述工件表面的反射辐照并输出所述反射辐照以对所述CPS波长检测器提供输出频谱分布，其中所述输出频谱分布包括：与距离有关的分布分量，其具有指示从所述光笔到所述工件表面的测量距离的波长峰值；以及与距离无关的分布分量，其包含对应于输入频谱分布影响的与功率水平有关的分量，所述输入频谱分布影响与因为用于产生所述多波长输入光的功率水平的变化导致的所述输入频谱分布中波长的相对强度的变化关联；以及
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据，以消除或者减小因为当利用所述不同功率水平驱动所述CPS照明源时产生的输入频谱分布强度不一致性导致的所述与功率水平有关的分量的变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述功率水平频谱补偿部包括功率水平补偿数据，其至少对于由于利用第一特定功率水平设定使所述照明源工作而产生的第一特定输入频谱分布，表征所述输入频谱分布中波长的相对强度；
使具有连接到所述CPS电子器件的所述光笔的所述CPS系统工作的步骤包括利用所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作；并且
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据的步骤包括：使所述功率水平频谱补偿部工作，以通过基于表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
14.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述功率水平频谱补偿部包括功率水平补偿数据，其至少对于由于利用第二特定功率水平设定使所述照明源工作而产生的第二特定输入频谱分布，表征所述输入频谱分布中波长的相对强度；
使具有连接到所述CPS电子器件的所述光笔的所述CPS系统工作的步骤包括利用所述第二特定功率水平设定使所述CPS系统工作；并且
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据的步骤包括：使所述功率水平频谱补偿部工作，以通过基于表征所述第二特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
15.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述CPS系统包括包含功率水平选择元件的用户接口，用户可操作所述功率水平选择元件以选择包含所述第一特定功率水平设定的多个功率水平设定中的一个；
使具有连接到所述CPS电子器件的所述光笔的所述CPS系统工作的步骤包括利用所述用户选择的所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作；并且
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据的步骤包括：自动基于所选择的第一特定功率水平设定使所述功率水平频谱补偿部工作，以通过基于表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，自动补偿所得到的输出频谱分布数据。
16.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述CPS系统配置为自动确定为了在所述CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平而要采用的功率水平设定；
使具有连接到所述CPS电子器件的所述光笔的所述CPS系统工作的步骤包括利用所述CPS系统自动确定的所述第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作；并且
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据的步骤包括：自动基于所自动确定的第一特定功率水平设定使所述功率水平频谱补偿部工作，以通过基于表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据归一化波长的相对强度，自动补偿所得到的输出频谱分布数据。
17.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述功率水平频谱补偿部包括功率水平补偿数据，其对于由于利用相应一组离散功率水平设定使所述照明源工作而产生的一组输入频谱分布，表征每个输入频谱分布中波长的相对强度；
使具有连接到所述CPS电子器件的所述光笔的所述CPS系统工作的步骤包括利用落入所述离散功率水平设定之间的第一特定功率水平设定使所述CPS系统工作；并且
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据的步骤包括：使所述功率水平频谱补偿部工作以处理所述功率水平补偿数据，以确定表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的内插数据，并且通过基于所述内插数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
18.根据权利要求17所述的方法，其中：
所述CPS系统配置为自动确定为了在所述CPS波长检测器中提供可操作测量信号电平而要采用的功率水平设定；
使具有连接到所述CPS电子器件的所述光笔的所述CPS系统工作的步骤包括：使所述CPS系统工作以自动确定落入所述离散功率水平设定之间的所述第一特定功率水平设定；以及利用所自动确定的第一特定功率水平设定，使所述CPS系统工作；并且
使所述功率水平频谱补偿部工作以补偿所述输出频谱分布数据的步骤包括：自动基于所自动确定的第一特定功率水平设定使所述功率水平频谱补偿部工作，以处理所述功率水平补偿数据以确定表征所述第一特定输入频谱分布中的波长的相对强度的内插数据；以及通过基于所述内插数据归一化波长的相对强度，补偿所得到的输出频谱分布数据。
19.根据权利要求12所述的方法，其中：
所述功率水平频谱补偿部包括功率水平补偿数据，其对于由于利用相应一组离散功率水平设定使所述照明源工作而产生的一组输入频谱分布，表征每个输入频谱分布中波长的相对强度；并且
所述方法还包括使所述CPS系统工作以确定并且存储功率水平补偿数据，其表征由于利用所述一组离散功率水平设定中的至少一个相应功率水平设定使所述照明源工作而产生的所述一组输入频谱分布中的至少一个输入频谱分布中的波长的相对强度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中使所述CPS系统工作以确定并且存储表征所述一组输入频谱分布中的至少一个输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据的步骤包括：
提供光路，所述光路包括所述CPS系统的正常操作光路的一部分并且排除所述光笔，其中所述光路不配置为以不同距离聚焦不同波长；
定位基准材料，以通过所述光路接收来自所述照明源的光并且通过所述光路将来自所述基准材料的光反射到所述CPS波长检测器；
通过利用所述一组离散功率水平设定中的第一功率水平设定驱动所述CPS照明源以对所述基准材料照明、由所述CPS波长检测器通过所述光路接收从所述基准材料反射的所得到的光、以及提供由于利用所述第一功率水平设定对所述基准材料照明而产生的输出频谱分布数据，来执行测量操作；以及
基于由于利用所述第一功率水平设定而产生的所述输出频谱分布数据，确定表征由于利用所述第一功率水平设定使所述照明源工作而产生的所述一组输入频谱分布中的第一相应输入频谱分布中的波长的相对强度的所述功率水平补偿数据。
CN201610525935.0A 2015-07-09 2016-07-06 包含动态强度补偿功能的色彩范围传感器 Active CN106338247B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/795,721 US9958266B2 (en) 2015-07-09 2015-07-09 Chromatic range sensor including dynamic intensity compensation function
US14/795,721 2015-07-09

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106338247A true CN106338247A (zh) 2017-01-18
CN106338247B CN106338247B (zh) 2019-02-15

Family

ID=57583662

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610525935.0A Active CN106338247B (zh) 2015-07-09 2016-07-06 包含动态强度补偿功能的色彩范围传感器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9958266B2 (zh)
JP (1) JP6731294B2 (zh)
CN (1) CN106338247B (zh)
DE (1) DE102016212432A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109425320A (zh) * 2017-09-05 2019-03-05 株式会社三丰 表面纹理测量设备的控制方法
CN110099269A (zh) * 2018-01-28 2019-08-06 钰立微电子股份有限公司 具有可调光强度的深度产生系统
CN112013771A (zh) * 2019-05-28 2020-12-01 株式会社三丰 具有增强光谱光源结构的色共焦范围感测系统
CN114646267A (zh) * 2020-12-18 2022-06-21 株式会社三丰 用于测量工件厚度的色度范围传感器系统

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6939360B2 (ja) * 2017-10-02 2021-09-22 オムロン株式会社 共焦点計測装置
US20190387165A1 (en) 2018-06-07 2019-12-19 Eys3D Microelectronics, Co. Image device for generating depth images and related electronic device
US10584955B2 (en) 2018-06-29 2020-03-10 Mitutoyo Corporation Combined workpiece holder and calibration profile configuration for precision surface profile measurement
JP2020076653A (ja) * 2018-11-08 2020-05-21 オムロン株式会社 光学計測装置及び光学計測方法
US11415674B2 (en) 2019-10-31 2022-08-16 Mitutoyo Corporation Chromatic point sensor optical pen with adjustable range and adjustable stand-off distance
US11635291B2 (en) 2021-04-30 2023-04-25 Mitutoyo Corporation Workpiece holder for utilization in metrology system for measuring workpiece in different orientations

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100283989A1 (en) * 2007-11-14 2010-11-11 Mitutoyo Corporation Dynamic compensation of chromatic point sensor intensity profile data selection
JP2013130580A (ja) * 2011-12-21 2013-07-04 Mitsutoyo Corp クロマティックポイントセンサシステムの動作方法
JP2013130581A (ja) * 2011-12-21 2013-07-04 Mitsutoyo Corp クロマティックポイントセンサシステム
US20130222815A1 (en) * 2012-02-24 2013-08-29 Mitutoyo Corporation Chromatic range sensor including measurement reliability characterization
CN104697455A (zh) * 2013-12-06 2015-06-10 株式会社三丰 使用非旋转彩色点传感器笔的孔测量系统和方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7454053B2 (en) 2004-10-29 2008-11-18 Mitutoyo Corporation System and method for automatically recovering video tools in a vision system
US8085295B2 (en) 2007-10-26 2011-12-27 Mitutoyo Corporation Controllable micro light assembly
TWI490444B (zh) 2009-01-23 2015-07-01 Univ Nat Taipei Technology 線型多波長共焦顯微方法與系統
US7876456B2 (en) 2009-05-11 2011-01-25 Mitutoyo Corporation Intensity compensation for interchangeable chromatic point sensor components
JP6044315B2 (ja) * 2012-12-12 2016-12-14 オムロン株式会社 変位計測方法および変位計測装置
US9829312B2 (en) * 2015-07-09 2017-11-28 Mituloyo Corporation Chromatic confocal range sensor comprising a camera portion

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100283989A1 (en) * 2007-11-14 2010-11-11 Mitutoyo Corporation Dynamic compensation of chromatic point sensor intensity profile data selection
JP2013130580A (ja) * 2011-12-21 2013-07-04 Mitsutoyo Corp クロマティックポイントセンサシステムの動作方法
JP2013130581A (ja) * 2011-12-21 2013-07-04 Mitsutoyo Corp クロマティックポイントセンサシステム
US20130222815A1 (en) * 2012-02-24 2013-08-29 Mitutoyo Corporation Chromatic range sensor including measurement reliability characterization
CN104697455A (zh) * 2013-12-06 2015-06-10 株式会社三丰 使用非旋转彩色点传感器笔的孔测量系统和方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109425320A (zh) * 2017-09-05 2019-03-05 株式会社三丰 表面纹理测量设备的控制方法
CN110099269A (zh) * 2018-01-28 2019-08-06 钰立微电子股份有限公司 具有可调光强度的深度产生系统
CN112013771A (zh) * 2019-05-28 2020-12-01 株式会社三丰 具有增强光谱光源结构的色共焦范围感测系统
CN112013771B (zh) * 2019-05-28 2022-05-10 株式会社三丰 具有增强光谱光源结构的色共焦范围感测系统
CN114646267A (zh) * 2020-12-18 2022-06-21 株式会社三丰 用于测量工件厚度的色度范围传感器系统

Also Published As

Publication number Publication date
JP6731294B2 (ja) 2020-07-29
DE102016212432A1 (de) 2017-01-12
US9958266B2 (en) 2018-05-01
CN106338247B (zh) 2019-02-15
US20170010452A1 (en) 2017-01-12
JP2017021023A (ja) 2017-01-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106338247B (zh) 包含动态强度补偿功能的色彩范围传感器
JP6126375B2 (ja) クロマティックポイントセンサシステムの動作方法
JP6001440B2 (ja) クロマティックポイントセンサシステム
CN101435719B (zh) 彩色点传感器的强度概貌数据选择的动态补偿方法及装置
EP2251730B1 (en) Intensity compensation for interchangeable chromatic point sensor components
US8928874B2 (en) Method for identifying abnormal spectral profiles measured by a chromatic confocal range sensor
US8860931B2 (en) Chromatic range sensor including measurement reliability characterization
US9261351B1 (en) Chromatic range sensor including high sensitivity measurement mode
US11486694B2 (en) Chromatic range sensor system for measuring workpiece thickness
US20230113768A1 (en) Chromatic range sensor system with spherical calibration object and method
US20230032656A1 (en) Chromatic range sensor system including camera
JP5113024B2 (ja) レーザスキャンユニット、前記ユニットを有する感光体の感度特性評価装置および前記ユニットを制御するためのプログラム

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant