CN108088424A - 机器视觉检查系统和用于获得具有扩展景深的图像的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供扩展景深(EDOF)图像的方法，包括：以高频率周期性地调制成像系统聚焦位置；使用图像曝光，其包括在包括所述聚焦位置的多个调制周期的图像积分时间期间在离散聚焦位置处获取的离散图像曝光增量；以及使用具有被配置为定义用于图像曝光增量的一组均匀地间隔的聚焦位置的受控定时的频闪操作。所述定时被配置为使得在其周期性调制期间在由聚焦位置的改变方向的至少一次反转分开的时间获取该组中的相邻聚焦位置。这解决了实际的定时问题，否则该定时问题可能阻止在高频率聚焦调制期间获得紧密间隔的离散图像曝光增量。可以使用反卷积操作来提高所得到的EDOF图像的清晰度。

Description

机器视觉检查系统和用于获得具有扩展景深的图像的方法
技术领域
本发明一般涉及机器视觉检查系统，并且更具体地涉及扩展景深成像操作。
背景技术
精密机器视觉检查系统(或简称为“视觉系统”)被用于获得对象的精确尺寸测量并检查各个其它对象特性。这样的系统可以包括计算机、相机和光学系统、以及移动以允许工件遍历和检查的精密台。表征为通用“离线”精密视觉系统的一个示例性现有技术系统是从位于伊利诺伊州奥罗拉的三丰美国公司(MAC)可获得的QUICK系列基于PC的视觉系统和软件。QUICK系列视觉系统和软件的特征和操作通常在例如2003年1月发表的“QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User’sGuide(视觉测量机用户指南)”以及1996年9月发表的“QVPAK 3D CNC Vision MeasuringMachine Operation Guide(视觉测量机操作指南)”(通过全文引用将其每个并入本文)中进行了描述。这种类型的系统使用显微镜型光学系统，并且移动该台以便以各种放大率提供小的或者相对大的工件的检查图像。
通用精密机器视觉检查系统通常是可编程的，以提供自动化视频检查。这样的系统通常包括GUI特征和预定义的图像分析“视频工具”，使得操作和编程可以由“非专家”操作员执行。例如，通过全文引用并入本文的美国专利第6,542,180号教导了使用包括使用各种视频工具的自动化视频检查的视觉系统。
通常将包括特定检查事件序列(即，如何获取每个图像以及如何分析/检查每个获取的图像)的机器控制指令存储为对于特定工件配置所特定的“零件程序”或“工件程序”。例如，零件程序定义了如何获取每个图像，诸如，如何相对于工件而定位相机、以什么光照水平、以什么放大率水平，等等。此外，零件程序定义了如何分析/检查获取的图像，例如，通过使用诸如自动聚焦视频工具的一个或多个视频工具。
可以手动使用视频工具(或简称为“工具”)和其它图形用户界面特征来完成手动检查和/或机器控制操作(在“手动模式”中)。它们的设置参数和操作也可以在学习模式期间被记录，以便创建自动检测程序或“零件程序”。视频工具可以包括例如边缘/边界检测工具、自动聚焦工具、形状或图案匹配工具、尺寸测量工具等。
在一些应用中，期望操作机器视觉检查系统的成像系统来采集具有扩展景深(EDOF)的图像，使得景深大于光学成像系统在单个聚焦位置提供的景深。已知用于采集具有扩展景深的图像的各种方法。一个这样的方法是采集由在整个聚焦范围内以不同距离聚焦的多个一致或对齐的图像组成的图像“堆栈”。从图像堆栈构造视场的马赛克图像，其中视场的每个部分从以最佳聚焦示出该部分的特定图像中提取。然而，此方法相对慢。作为另一示例，Nagahara等人(“Flexible Depth of Field Photography”，Proceedings of theEuropean Conference on Computer Vision，2008年10月)公开了一种方法，其中单个图像在其曝光时间期间沿着多个焦距而曝光。此图像相对模糊，但包含在多个焦距上获取的图像信息。使用已知的或预定的模糊核对其进行反卷积，以获得具有扩展景深的相对清晰的图像。在Nagahara描述的方法中，通过沿着成像系统的光轴平移图像检测器来改变焦距。结果，不同的焦平面在曝光期间的不同时间聚焦在检测器上。然而，这种方法相对慢且在机械上复杂。此外，当用于获取必须用于精密测量(例如，用于在几微米的量级上的精度)等的固定聚焦检查图像时，改变检测器位置可能对重复性和/或精度具有不利影响。期望用于提供扩展景深(EDOF)图像的改进方法，其可以高速执行而不依赖于光学部件的机械平移。
发明内容
典型的高速变焦透镜可以以正弦方式(如与线性相反的)调制聚焦位置，这通常在可用于获取扩展景深(EDOF)图像的聚焦位置调制的整个循环
(cycle)中将不提供均匀或“平衡”的曝光。相比之下，在使用高速变焦透镜的各种应用中，期望在可用于获取扩展景深(EDOF)图像的聚焦位置调制的整个循环中提供均匀或“平衡”的曝光。
公开了一种方法，用于操作机器视觉检查系统的成像系统，以便提供具有比成像系统在单个聚焦位置中更大的景深的至少一个EDOF图像。在各个实施方式中，根据本文公开的原理，该方法包括使用包括多个离散图像曝光增量的图像曝光来曝光初步EDOF图像。
在各个实施方式中，该方法可以包括将工件放置在机器视觉检查系统的视场中。变焦成像系统的聚焦位置周期性地被调制，优选地，无需在宏观上调整成像系统中的元件之间的间隔，其中在包括工件的表面高度的聚焦范围中，沿着聚焦轴方向在多个聚焦位置上，以至少3kHz的调制频率周期性地调制聚焦位置。
在各个实施方式中，使用包括在包括周期性调制的聚焦位置的多个周期的图像积分时间期间、在各个离散聚焦位置处获取的多个离散图像曝光增量的图像曝光，来曝光初步EDOF图像，其中：
所述多个离散图像曝光增量各自由照明源频闪(strobe)操作或相机快门频闪操作的相应实例确定，所述照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义对应的离散图像曝光增量的离散聚焦位置的相应受控定时；
所述相应受控定时分布在周期性调制的聚焦位置的多个周期上，并且被配置为提供沿着聚焦轴方向近似地均匀间隔的一组离散聚焦位置；以及
所述相应受控定时还被配置为使得：对于该组中的离散聚焦位置的多个相邻对，当第一受控定时提供相邻对的第一离散聚焦位置组时，提供该相邻对的第二离散聚焦位置的第二受控定时被控制为相对于第一受控定时而具有延迟，使得第二受控定时被控制为在跟在第一受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置的改变方向的N次反转之后出现，其中，N至少为1。
在各个实施方式中，可以处理初步EDOF图像以去除在图像积分时间期间在聚焦范围中出现的模糊图像贡献，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置提供的景深更大的景深中基本上聚焦的扩展景深(EDOF)图像。在一些实施方式中，这样的处理可以包括使用在整个其聚焦范围中表征成像系统的模糊核(例如，积分点扩散函数)来执行反卷积操作。
在一些实施方式中，每个离散图像曝光增量包括增量曝光持续时间和在增量曝光持续时间期间使用的照明强度的组合，使得每个离散图像曝光增量向初步EDOF图像提供标称上相等的曝光能量。在一些实施方式中，调整对应于不同聚焦位置的增量曝光持续时间，使得在每个离散图像曝光增量期间出现近似相同量的聚焦位置改变。
在本文公开的一些实施方式中，可以使用连续(包括部分连续的)EDOF图像曝光。然而，这样的方法的一个缺点可能是关联的EDOF图像曝光在整个聚焦范围中可能不统一(uniform)，这在许多实施方式中是不利的。如上所述，在本发明内容部分中如上强调的替代方法包括使用多个离散图像曝光增量来在快速变焦透镜(或成像系统)的聚焦范围中获取初步EDOF图像。这种EDOF图像曝光的方法可能是更加期望的，因为它在各个实施方式中可能是更适应的、准确的和/或鲁棒的方法。
应理解，当与非常高速的周期性调制的变焦透镜(例如，TAG透镜)结合地使用这种方法时，聚焦位置可以如此快地改变(作为可变焦透镜的固有特征)，以使得在实际系统中可能出现明显的时间、控制和“暴光量”问题。为了提供对这些问题的实际解决方案，在本文公开的各个实施方式中，用作EDOF图像曝光的组成部分的离散图像曝光增量使用根据上面概述的某些原理配置的受控定时在多个周期性聚焦调制上获取，并且在下面更详细和变化地公开。
附图说明
因为通过参考以下详细描述(当与附图结合地采取时)，本发明的上述方面和许多伴随的优点变得被更好地理解，所以它们将变得更容易理解，其中：
图1是示出通用精密机器视觉检查系统的各个典型部件的图；
图2是类似于图1的机器视觉检查系统且包括本文公开的特征的机器视觉检查系统的控制系统部分和视觉部件部分的框图；
图3示出可适配于机器视觉检查系统并根据本文公开的原理操作的EDOF成像系统的第一实施例的示意图；
图4示出根据本文公开的原理可以在EDOF成像系统(例如，图3的成像系统)的一个实施例中使用的图像曝光期间的聚焦高度的示例性时序图；
图5示出可适配于机器视觉检查系统并根据本文公开的原理操作的EDOF成像系统的第二实施例的示意图；
图6A是表征可用在成像系统的傅里叶平面、以便对来自EDOF成像系统的图像执行光学反卷积并实时提供相对清晰的EDOF图像的光学滤波器的第一实施例的曲线图；
图6B是表征可用在成像系统的傅立叶平面的光学滤波器的第二实施例的曲线图；
图7是示出用于操作机器视觉检查系统的成像系统、以便对来自EDOF成像系统的初步图像执行计算反卷积并近似实时地提供相对清晰的EDOF图像的方法的一个实施例的流程图；
图8A-8C示出图示根据本文公开的原理的、适用于包括使用离散图像曝光增量的EDOF成像系统(例如，图3的成像系统)的三个不同的图像曝光实施方式的各个方面的示例性时序图。
图9示出包括可用于定义离散聚焦位置和与对应的离散图像曝光增量关联的某些其它特性的受控定时配置的一个示例性实施方式的某些细节的时序图。
图10是示出根据本文公开的原理的一种方法的一个实施例的流程图，所述方法用于操作成像系统(例如，在检查系统中)，以便提供具有比成像系统在单个聚焦位置中的更大的景深的至少一个EDOF图像，并且包括使用离散图像曝光增量。
具体实施方式
图1是根据本文描述的方法可用的一个示例性机器视觉检查系统10的框图。机器视觉检查系统10包括视觉测量机器12，其可操作地连接以与控制计算机系统14交换数据和控制信号。控制计算机系统14还可操作地连接以与监视器或显示器16、打印机18、操纵杆22、键盘24和鼠标26交换数据和控制信号。监视器或显示器16可以显示适合于控制和/或编程机器视觉检查系统10的操作的用户界面。将理解，在各个实施方式中，触摸屏平板式计算机等可以代替和/或冗余地提供计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26中的任何一个或全部的功能。
本领域技术人员将理解，控制计算机系统14通常可以由任何计算系统或设备组成。合适的计算系统或设备可以包括个人计算机、服务器计算机、小型计算机、大型计算机、包括任何前述的分布式计算环境，等等。这样的计算系统或设备可以包括执行软件以执行本文描述的功能的一个或多个处理器。处理器包括可编程通用或专用微处理器、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等、或这些设备的组合。软件可以存储在诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等的存储器中、或者这些部件的组合中。软件也可以存储在一个或多个存储设备(诸如，基于光学的盘、闪存设备或用于存储数据的任何其它类型的非易失性存储介质)中。软件可以包括一个或多个程序模块，其包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在分布式计算环境中，程序模块的功能可以被组合或分布在多个计算系统或设备中，并且可以经由有线或无线配置中的服务调用来访问。
视觉测量机12包括可移动工件平台32和可包括变焦透镜或可互换透镜的光学成像系统34。变焦透镜或可互换透镜通常为由光学成像系统34提供的图像提供各种放大率。在共同转让的美国专利第7,454,053号、第7,324,682号、第8,111,905号和第8,111,938号(通过全文引用将它们中的每个并入本文)中也描述了机器视觉检查系统10。
图2是类似于图1的机器视觉检查系统并且包括如本文所述的特征的机器视觉检查系统100的控制系统部分120和视觉部件部分200的框图。如下面将更详细描述的，控制系统部分120被用于控制视觉部件部分200。视觉部件部分200包括光学组件部分205、光源220、230和240、以及具有中央透明部分212的工件平台210。工件平台210可沿着x轴和y轴可控地移动，所述x轴和y轴位于通常平行于工件20可以被定位的平台的表面的平面中。光学组件部分205包括相机系统260、可互换物镜250，并且可以包括具有透镜286和288的转塔(turret)透镜组件280。对于转塔透镜组件可替代地，可以包括固定的或手动可互换的放大率改变透镜或变焦透镜配置等。
通过使用驱动致动器以沿着z轴移动光学组件部分205的可控马达294，光学组件部分205可沿着通常正交于x轴和y轴的z轴可控制地移动，以改变工件20的图像的聚焦。可控马达294经由信号线296连接到输入/输出接口130。
将要使用机器视觉检查系统100成像的工件20或持有多个工件20的托盘或夹具放置在工件平台210上。工件平台210可被控制为相对于光学组件部分205移动，使得可互换物镜250在工件20上的位置之间、和/或多个工件20之间移动。平台灯220、同轴灯230和表面灯240(例如，环形灯)(统称为光源)中的一个或多个可以分别发射源光222、232和/或242，以对工件20进行照明。光源230可以沿着包括反射镜290的路径发射光232。源光作为工件光255被反射或透射，并且用于成像的工件光通过可互换物镜250和转塔透镜组件280，并由相机系统260聚集。由相机系统260捕获的工件20的图像在信号线262上输出到控制系统部分120。光源220、230和240可以分别通过信号线或总线221、231和241连接到控制系统部分120。为了改变图像放大率，控制系统部分120可以沿着轴284旋转转塔透镜组件280，以通过信号线或总线281选择转塔透镜。
如图2所示，在各个示例性实施例中，控制系统部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序生成器和执行器170、以及电源部分190。这些部件以及下面描述的附加部件中的每个可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口、或者通过各个元件之间的直接连接来互连。
输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132、光照控制接口133和透镜控制接口134。成像控制接口131可以包括扩展景深(EDOF)模式131e，使用者可以选择其以采集工件的至少一个图像，该图像具有比当聚焦在单个聚焦位置时由视觉部件部分200提供的景深更大的景深。透镜控制接口134可以包括EDOF透镜控制器，其包括透镜聚焦驱动电路和/或例程等。下面参考图3-7进一步描述与扩展景深模式和EDOF透镜控制接口和/或控制器关联的操作和部件。运动控制接口132可以包括位置控制元件132a和速度/加速度控制元件132b，尽管这样的元件可以合并和/或不可区分。照明控制接口133包括照明控制元件133a、133n和133fl，其控制例如机器视觉检查系统100的各个对应的光源的选择、功率、通/断开关和频闪脉冲定时(如果适用)。
存储器140可以包括图像文件存储部分141、边缘检测存储部分140ed、可以包括一个或多个零件程序等的工件程序存储部分142、以及视频工具部分143。视频工具部分143包括为每个对应的视频工具确定GUI、图像处理操作等的视频工具部分143a和其它视频工具部分(例如，143n)、以及支持定义在包括在视频工具部分143中的各个视频工具中可操作的各种ROI的自动、半自动和/或手动操作动的感兴趣区域(ROI)生成器143roi。视频工具部分还包括自动聚焦视频工具143af，其为聚焦高度测量操作确定GUI、图像处理操作等。在本公开的上下文中、并且如本领域普通技术人员所知的，术语“视频工具”通常是指机器视觉用户可以通过相对简单的用户界面(例如，图形用户界面、可编辑参数窗口、菜单等)来实施而无需创建包括在视频工具中的逐步的操作序列、或者借助于基于通用文本的编程语言等的相对复杂的一组自动或编程的操作。例如，视频工具可以包括复杂的预编程的一组图像处理操作和计算，其在特定实例中通过调整支配操作和计算的一些变量或参数而被应用和定制。除了基础的操作和计算之外，视频工具还包括允许用户调整用于视频工具的特定实例的那些参数的用户界面。例如，许多机器视觉视频工具允许用户通过使用鼠标的简单“拖放(handle dragging)”操作来配置图形感兴趣区域(ROI)指示符，以便定义要通过视频工具的特定实例的图像处理操作来分析的图像的子集的位置参数。应注意，可见的用户界面特征有时被称为视频工具，其中基础操作被隐含地包括。
平台灯220、同轴灯230和230’、以及表面灯240分别的信号线或总线221、231和241都连接到输入/输出接口130。来自相机系统260的信号线262和来自可控马达294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了携带图像数据之外，信号线262还可以携带来自控制器125的、启动图像获取的信号。
一个或多个显示设备136(例如，图1的显示器16)和一个或多个输入设备138(例如，图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可以连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可用于显示可包括可用于执行检查操作和/或创建和/或修改零件程序、观看由相机系统260捕获的图像、和/或直接控制视觉部件部分200的各个图形用户界面(GUI)特征的用户界面。显示设备136可以显示与自动聚焦视频工具143af关联的用户界面特征。
在各个示例性实施例中，当用户利用机器视觉检查系统100来创建用于工件20的零件程序时，用户通过在学习模式中操作机器视觉检查系统100来生成零件程序指令，以提供期望的图像获取训练序列。例如，训练序列可以包括在视场(FOV)中定位代表性工件的特定工件特征、设置光水平、聚焦或自动聚焦、获取图像、以及提供应用于图像的检查训练序列(例如，在该工件特征上使用视频工具中的一个的实例)。学习模式操作以使得序列被捕获或记录并被转换为对应的零件程序指令。当执行零件程序时，这些指令将使得机器视觉检查系统再现经训练的图像获取，并使得检查操作自动检查运行模式工件上的与当创建零件程序时使用的代表性工件匹配的特定工件特征(即，对应位置中的对应特征)。本文公开的系统和方法在这种学习模式和/或手动操作期间特别有用，因为用户可以在导航工件以用于视觉检查和/或工件程序创建的同时实时看到EDOF视频图像。用户不需要根据工件上的各个微观特征的高度不断地重新聚焦高放大率图像，这可能是枯燥乏味且耗时的，特别是在高放大率时。
图3示出EDOF成像系统300的第一实施例的示意图，EDOF成像系统300可以适配于机器视觉检查系统并且根据本文公开的原理操作。成像系统300可被配置为提供具有比在单个聚焦位置中的成像系统大的景深(例如，在各个实施例中，大10-20倍或更多倍)的工件的至少一个图像。成像系统300包括可被配置为对成像系统300的视场中的工件进行照明的光源330、物镜350、中继透镜351、中继透镜352、可变焦距透镜370、管镜386和相机系统360。
在操作中，光源330可被配置为沿着包括反射镜390的路径发射源光332到工件320的表面，物镜350接收包括聚焦在工件320附近的聚焦位置FP的工件光的工件光332，并将工件光355输出到中继透镜351。中继透镜351接收工件光355并将其输出到中继透镜352。中继透镜352接收工件光355并将其输出到可变焦距透镜370。中继透镜351和中继透镜352一起在物镜350与可变焦距透镜370之间提供4f光中继，以便为工件320的每个Z高度和/或聚焦位置FP提供恒定的放大率。可变焦距透镜370接收工件光355并将其输出到管镜386。可变焦距透镜370可被电子地控制，以在一次或多次图像曝光期间改变成像系统的聚焦位置FP。聚焦位置FP可以在由聚焦位置FP1和聚焦位置FP2界定的范围R内移动。应理解，在一些实施例中，范围R可以由用户选择，例如，在成像控制接口131的EDOF模式131e中。
在各个实施例中，机器视觉检查系统包括可被配置为控制可变焦距透镜370周期性地调制成像系统300的聚焦位置的控制系统(例如，控制系统部分120)。在一些实施例中，可变焦距透镜370可以非常快速地调整或调制聚焦位置(例如，以至少300Hz、或3kHz或更高的速率周期性地)。在一些实施例中，范围R可以大到10mm(对于1X物镜350)。在各个实施例中，有利地选择可变焦距透镜370，使得其不需要为了改变聚焦位置FP而任何宏观机械调整成像系统和/或调整物镜350与工件320之间的距离。在这种情况下，可以高速率提供EDOF图像，此外，当使用相同的成像系统以用于获取必须用于精密测量(例如，对于几微米量级的精度)等的固定聚焦检查图像时，不存在宏观调整元件或关联的定位不重复性来降低精度。例如，在一些实施例中，期望使用EDOF图像作为用于用户的显示图像，并稍后终止对聚焦位置的周期性调制(例如，使用先前描述的EDOF模式控制元件131e、或基于主动测量操作的终止，等等)以提供用于成像系统的固定聚焦位置。然后，该系统可以用于使用具有固定聚焦位置的成像系统来曝光特定特征的测量图像；并且可以处理稳定的高分辨率测量图像以提供对工件的准确测量。
在一些实施例中，可变焦距透镜370是可调谐声学梯度折射率透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是高速可变焦距透镜，其使用流体介质中的声波来调制聚焦位置，并且可以以数百kHz的频率周期性地扫描焦距的范围。这种透镜可以通过文章“High-speedvarifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refractive lens”(Optics Letters，Vol.33，No.18，2008年9月15日)的教导来理解，在此通过全文引用将该文章并入。可调谐声学梯度折射率透镜和相关的可控信号生成器可例如从新泽西州普林斯顿的TAG Optics公司获得。例如，SR38系列透镜能够调制高达1.0MHz。
可变焦距透镜370可以由EDOF透镜控制器374驱动，EDOF透镜控制器374可以生成信号来控制可变焦距透镜370。在一个实施例中，EDOF透镜控制器374可以是诸如以上提及的市售可控信号生成器。在一些实施例中，EDOF透镜控制器374可由用户和/或操作程序通过先前参考图2概述的EDOF模式131e的成像控制接口131和/或用户界面、和/或透镜控制接口134来配置或控制。在一些实施例中，可变焦距透镜370可以使用周期性信号来驱动，使得以高频率随时间正弦地调制聚焦位置FP。例如，在一些示例性实施例中，可调谐声学梯度折射率透镜可被配置用于高达400kHz的聚焦扫描速率，但应理解，在各个实施例和/或应用中可能期望较慢的聚焦位置调整和/或调制频率。例如，在各个实施例中，可以使用300Hz或3kHz等的周期性调制。在使用这样的较慢聚焦位置调整的实施例中，可变焦距透镜370可以包括可控流体透镜等。
当EDOF成像系统和关联的信号处理被配置为对来自EDOF成像系统的初步图像执行计算反卷积并且近似实时地提供相对清晰的EDOF图像时，图3中所示的EDOF成像系统的实施例是可用的。例如，控制系统(例如，图2中所示的控制系统部分120)被配置为在图像曝光期间在整个EDOF聚焦范围中对经调制的聚焦位置的至少一次扫描的过程期间采集第一初步图像，并处理可能模糊的第一初步图像以确定相对清晰的图像。在一个实施例中，可以使用对应于初步图像的聚焦范围的已知或预定点扩散函数(PSF)来处理或反卷积初步图像。点扩散函数P(FP)表征作为模糊圆的半径r和聚焦位置FP的函数的、模糊圆，即，在距成像系统给定距离处的点光源的圆形图像。可以为成像系统(例如，成像系统300)通过实验确定点扩散函数，或者可以使用建模在诸如药盒(pill box)或高斯曲线的函数上的点扩展函数或根据已知的方法使用基本衍射原理(例如，傅立叶光学)估计点扩散函数。在聚焦范围内的不同焦距处的这样的点扩散函数可以根据它们预期的曝光贡献或适用性进行加权。例如，当焦距在曝光期间移动时，每个焦距将对该曝光内的对应时间段的图像曝光做出贡献，并且对应于该距离的点扩散函数可以被相应地加权。这样的加权点扩散函数贡献可以在预期的聚焦范围R上求和或者积分。替代地，当焦距改变是时间的已知函数时，这样的点扩散函数贡献可以在对应于预期的聚焦范围R的扫描的时间段上积分，类似于参考下面的等式3所指示的方法。
对于具有调制的聚焦位置的成像系统，积分点扩展函数h遵循如下关系：
其中P(FP(t))是点扩散函数，FP(t)是时间依赖的聚焦位置。机器视觉检查系统的成像系统的聚焦位置可以在与第一初步图像的图像曝光或积分时间对应的总积分时间T上作为时间t的函数被调制。
第一初步图像的反卷积可以被理解为逆操作，其从在一些应用中可称为“模糊函数”的积分点扩散函数h，反卷积在曝光中具有各自持续时间的聚焦位置的范围上曝光的高景深图像。第一初步图像可以通过如下等式表示为二维函数g(x，y)，其是扩展景深图像f(x，y)(对应于尺寸为m×n的图像阵列)与积分点扩散函数h的卷积：
g(x,y)＝f*h＝∑m∑nf(m,n)h(x-m,y-n) 等式2
在频域中，此卷积可以通过f和h的傅里叶变换(表示为F和H)的乘积表示：
G＝F·H 等式3
可以使用快速傅立叶变换(FFT)算法来高效地确定f和h的傅里叶变换。EDOF图像(在频域中)可以通过利用H的逆(此处表示为Hr)处理图像G(即，将其乘以)来确定。逆Hr可以通过几种已知方法来计算。例如，H的简单伪逆可由如下等式确定：
其中H*是H的复共轭，并且k是基于成像系统300的特性凭经验选择的实数。在一个示例性实施例中，k是0.0001。最后，扩展景深图像f可以被计算为：
可以根据Kenneth R.Caskman的Digital Image Processing(数字图像处理)(Prentice Hall公司，1996年)中描述的Wiener反卷积或Lucy-Richardson迭代算法来计算伪逆的更鲁棒的替代。另外，处理图像可以包括基于块的去噪。
在不同的实施例中，如下面关于图5和图6更详细地描述的，可以根据傅里叶光学的基本方法使用放置在EDOF成像系统的傅立叶平面中的无源光学滤波器光学地执行反卷积，以便实时提供相对清晰的EDOF图像。
在示例性实施例中，成像系统300可以提供第一初步图像，其是包括在其曝光期间在整个期望的聚焦范围内获取的信息的模糊图像。然后，可以如上所概述地计算地处理第一初步图像，以提供包括比成像系统300可以在单个聚焦位置处提供的景深更大(例如，大100倍)的景深的扩展景深图像。例如，在单个聚焦位置处，景深可以是90μm，并且使用成像系统300的相同实施例提供的扩展景深图像可以大到9mm。
图4示出根据本文公开的原理的、如可以在EDOF成像系统(例如，成像系统300)的一个实施例中使用的图像曝光期间的聚焦高度的示例性时序图400。时序图400另外示出成像系统的相机的曝光时间。一般而言，在下面的描述中也称为帧曝光的EDOF图像曝光可由成像系统在曝光期间对成像系统的聚焦高度在期望的聚焦范围上的调制的至少一次扫描上执行。在时序图400中所示的特定示例中，对应于对成像系统的聚焦高度在期望的聚焦范围上的周期性调制的至少一个周期，执行帧曝光。使用可调谐声学梯度折射率透镜方便地执行高速周期性调制。更具体地，在一个实施例中，图4中反映的以下步骤被重复至少一次以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的EDOF图像：
·沿着聚焦轴方向在多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置(焦平面)，而无需宏观地调整成像系统中的元件之间的间隔，以至少300Hz的频率在包括的工件的表面高度的聚焦范围中周期性地调制聚焦位置；
·在图像积分时间期间曝光第一初步图像，同时在聚焦范围中调制聚焦位置；以及
·处理第一初步图像，以去除在图像积分时间期间出现的模糊图像贡献，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的EDOF图像。
将理解，在上面的描述中，当模糊图像贡献被计算地去除时，第一初步图像可以是初始地包括模糊图像贡献的模糊图像。在此情况下的第一初步图像包括检测的和/或记录的图像数据。处理第一初步图像以去除模糊的图像贡献包括对第一初步图像数据的计算处理，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的EDOF图像(第二图像或经修改的图像)。因此，在本实施例中，第一初步图像和所提供的EDOF图像包括不同的图像和/或图像数据。
相比之下，当使用光学滤波器和无源傅立叶图像处理方法去除模糊图像贡献时，第一初步图像和EDOF图像同时出现，并且第一初步图像不需要是检测的或记录的图像。处理第一初步图像以去除模糊图像贡献包括对输入到EDOF成像系统的第一初步图像光的无源光学处理，以在EDOF成像系统的输出或检测器处提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的EDOF图像。因此，在这样的实施例中可以考虑的是，在通过EDOF成像系统期间并且在EDOF成像系统的相机或检测器处检测之前光学地处理第一初步图像，使得所提供的EDOF图像在这样的实施例中是唯一的检测的或记录的图像。
根据本文概述的和/或如图4所示的任何方法的用于聚聚焦位置的调制的控制，可以如参考图2中所示的EDOF模式元件130e和透镜控制接口134、和/或分别在图3和图5中所示的EDOF透镜控制器374和574所概述的那样来完成。
因为根据本文公开的原理配置的EDOF成像系统提供了高速扩展景深成像，所以这种成像系统可以用于以高速率重复地采集扩展景深图像(例如，用于以每秒30帧或更高的视频成像)，并且多个扩展景深图像可以被显示为实时视频帧。
在一些实施例中，可以响应于用户输入(例如，使用EDOF模式元件131e的用户接口特征)对与周期性调制的范围R的标称中心相关的控制信号分量进行调整，使得周期性调制出现在范围的期望的标称中心附近。在一些实施例中，甚至可以控制这样的调整以在图像曝光期间自动地改变，以进一步将聚焦范围扩展到例如由单个周期性调制实现的聚焦范围之外。
应理解，虽然为了说明的目的，时序图示出了对于每个帧曝光的聚焦高度的调制的7个周期，但是，在各个实施例中，根据本文公开的原理配置的机器视觉检查系统可以包括成像系统，其在每个帧曝光的多得多的数目的周期上调制聚焦高度。例如，示例性成像系统可以以每秒30帧采集视频图像，并且可以以30kHz的速率调制聚焦高度，因此这对于每个帧曝光提供1000个聚焦高度调制周期。这种配置的一个优点是周期性调制中的帧曝光之间的定时关系不是关键的。例如，等式1示出用于去除模糊图像贡献的积分点扩散函数取决于在整个图像曝光中作为时间的函数的聚焦位置。如果所假设的积分点扩散函数与在整个图像曝光中作为时间的函数的实际聚焦位置不匹配，则模糊图像贡献将不会以理想的方式处置。如果所假设的积分点扩散函数基于在整个聚焦范围中对聚焦的全周期性调制，并且在图像曝光期间仅使用周期性聚焦调制的单个周期(或几个周期)，那么，如果曝光在非整数数目的周期之后终止，则与所假设的积分点扩散函数相比，实际积分的实际聚焦位置可能显著地“不平衡”。相比之下，如果在图像曝光期间累计的周期数目是显著的，例如，至少5个周期或者优选地更多，那么，如果曝光在非整数数目的周期之后终止，则不完整周期的不平衡贡献可能相对微不足道，并且所假设的积分点扩散函数将以近乎理想的方式操作。
在一些实施例中，在周期性调制的聚焦位置的至少一个周期的过程期间采集第一图像可以包括在整数数目的周期的过程期间曝光图像。基于上述讨论，将理解，当EDOF图像曝光包括周期性聚焦调制的相对少的周期(例如，5个或更少的周期)时，这可能是特别有价值的。例如，这可能在曝光时间必须相对较短以便避免过度曝光和/或冻结(freeze)运动等时发生。
在时序图400所示的示例中，聚焦位置被正弦地调制。在一些实施例中，图像积分时间包括在整个期望的聚焦范围(例如，周期性调制的聚焦位置的至少一个周期，如图4所示)上的聚焦改变。在一些实施例中，可能期望仅在正弦调制的更线性的部分期间曝光图像。这允许在聚焦位置调制内对于每个高度更平衡的曝光时间(例如，可以消除正弦聚焦调制的极值(extreme)处的相对较长的聚焦位置停留时间)。因此，在一些实施例中，在图像积分时间期间曝光图像包括提供具有与周期性调制的聚焦位置同步的强度改变(例如，开/关循环或更渐进的强度改变)的照明，使得其对于周期性调制的聚焦位置的范围内的不同的相应聚焦位置，不同地影响相应曝光贡献。将理解，当频闪照明关闭时，帧曝光可以基本上不接收图像贡献。时序图400指示可用于曝光图像的两个示例性积分周期IPA和IPB。示例性积分周期IPA和IPB排除了正弦调制的极值附近的区域，即，两者都是距正弦调制的极值部分至少周期长度的15％远。根据已知的方法，可以通过在帧曝光期间提供对应的频闪照明来控制积分周期IPA和IPB。
图5示出可适配于机器视觉检查系统并根据本文公开的原理操作的EDOF成像系统500的第二实施例的示意图。成像系统500类似于图3的成像系统300。在图3中标记为3XX和在图5中标记为5XX的类似编号的元件可以被理解为是相似或相同的，并且将关于图5仅描述显著差异。图5所示的EDOF成像系统的实施例在EDOF成像系统被配置为在EDOF成像系统中对初步图像光执行无源光学反卷积并将相对清晰的EDOF图像实时输出到成像的相机和/或检测器系统时可用。在图5所示的实施例中，成像系统500另外包括第一滤镜553、第二滤镜554和光学反卷积滤波器556。第一滤镜553和第二滤镜554提供4f光学中继，其中光学反卷积滤波器556放置在傅立叶平面处。光学反卷积滤波器556可以从为成像系统500确定的积分点扩散函数导出，如下面参考图6更详细地描述的。在操作中，光学反卷积滤波器556被配置为输入来自可变焦距透镜570的初步图像光，并通过对该图像光光学地滤波而处理其，这向相机560提供输出EDOF图像，其是实时输出到摄像机560的相对清晰的EDOF图像。
图6A是表征可用在EDOF成像系统的傅立叶平面处以便对来自EDOF成像系统的图像执行光学反卷积并实时提供相对清晰的EDOF图像的第一示例性光学滤波器(例如，作为图5的光学反卷积滤波器556的实施例)的曲线图600A。该曲线图示出光学透射曲线610A。光学透射曲线610A包括线性光学透射分布，其最小值在光学滤波器的中心。在靠近瞳孔直径边缘的光学滤波器的外围处，光学透射值为100％。在瞳孔直径之外，光学透射为零。由曲线图600A表征的光学滤波器在反卷积的处理中用作高通空间滤波器。
图6B是表征可用在EDOF成像系统的傅立叶平面处(例如，作为图5的光学反卷积滤波器556的实施例)以便对来自EDOF成像系统的图像执行光学反卷积并实时提供相对清晰的EDOF图像的第二示例性光学滤波器的曲线图600B。该曲线图示出光学透射曲线610B。光学透射曲线610B包括二次光学透射分布，其最小值在光学滤波器的中心。在靠近瞳孔直径边缘的光学滤波器的外围处，光学透射值为100％。在瞳孔直径之外，光学透射为零。由曲线图600B表征的光学滤波器在反卷积的处理中也用作高通空间滤波器。应理解，由曲线图600A和曲线图600B表征的光学滤波器是示例性的、而非限制性的，并且可以使用具有其它透射分布的光学滤波器，例如，相位修改滤波器。
图7是示出用于操作机器视觉检查系统的成像系统和关联的信号处理以便对来自EDOF成像系统的初步图像执行计算反卷积并近似实时地提供相对清晰的EDOF图像的方法的一个实施例的流程图700。
在块710，将工件放置在机器视觉检查系统的视场中。
在块720，沿着聚焦轴方向在多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置，而无需宏观地调整成像系统中的元件之间的间隔。以至少300Hz的频率(或者在一些实施例中高得多的频率)在包括工件的表面高度的聚焦范围中周期性地调制聚焦位置。
在块730，在图像积分时间期间曝光第一初步图像，同时在聚焦范围中调制聚焦位置。
在块740，处理来自第一初步图像的数据以去除在图像积分时间期间在聚焦范围中出现的模糊图像贡献，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的图像。
可以认为，当使用非常高速的周期性调制的变焦透镜(诸如TAG透镜)时，聚焦位置改变得如此快以至于其可用于获取EDOF图像的唯一方式是在高速变焦透镜的聚焦范围中连续地曝光EDOF图像，例如，如在上面概述的一些示例中那样。然而，EDOF图像曝光的此方法在各个实施方式中具有某些缺点。例如，当使用周期性调制的变焦透镜时，该方法的一个缺点是聚焦位置正弦地改变，而不是以恒定速率改变。这意味着连续的(包括部分连续的)EDOF图像曝光在整个聚焦范围中是不统一的，这在许多实施方式中是不利的。下面描述在某些实施方式中可能更期望的使用这种透镜获取EDOF图像的替代方法。根据下面描述的原理，替代方法包括使用多个离散图像曝光增量来获取聚焦范围中的初步EDOF图像。这种方法在各个实施方式中可以是更适配的、准确的和/或鲁棒的方法。应理解，当使用非常高速的周期性调制的变焦透镜(例如，TAG透镜)时，聚焦位置可能如此快地改变以至于在实际系统中可能出现显著的定时、控制和“曝光量”问题。为了提供对这些问题的实际解决方案，根据以下公开的原理，在多个周期性聚焦调制上获取用作EDOF图像曝光的组成部分的离散图像曝光增量。
图8A到8C示出分别图示适合于EDOF成像系统(例如，成像系统300)的三个不同图像曝光实施方式的各个方面的示例性时序图800A-800C。时序图800A-800C有些类似于时序图400，因为可以在对变焦成像系统的聚焦高度或聚焦位置在其聚焦范围上的周期性调制期间获取EDOF图像曝光。然而，与时序图400所示的可以使用连续图像曝光的实施方式相比之下，在时序图800A-800C所示的实施方式中，EDOF成像系统被配置为根据下面描述的原理使用包括多个离散图像曝光增量的图像曝光来曝光初步图像。
具体地，时序图800A示出变焦成像系统的周期性调制的聚焦位置MFP，其在被假设为包括到要由变焦成像系统成像的工件的表面的距离(s)的聚焦范围FR上沿着聚焦轴方向(如沿焦平面Z位置轴所示的)在多个聚焦位置上被周期性地调制(如沿着时间轴所示的)。变焦成像系统能够以非常高的聚焦调制频率(例如，在各个实施方式中至少3kHz、或30kHz或更多)操作。如图800A所示，使用包括多个离散图像曝光增量EI的图像曝光来曝光初步图像，所示多个离散图像曝光增量EI在包括周期性调制的聚焦位置MFP的多个周期的相机图像积分期间在各个聚焦位置FP(例如，聚焦位置Z1-Z8中的相应一个)处获取。注意：参考缩写EI和/或FP(和/或用于受控定时的CT，其在下面使用并在图9中示出)可以包括索引数字“i”，其指定特定“第i”曝光增量EI、或聚焦位置FP、或受控定时CT。在曝光增量EI的情况下，索引数字“i”的范围通常从1到高达包括在初步图像曝光中的离散图像曝光增量的数目(例如，在图8A所示的示例中为EI1-EI16)。
多个离散图像曝光增量EI各自由照明源频闪操作或相机快门频闪操作的相应实例确定，该照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义对应的离散图像曝光增量EI的离散聚焦位置FP的相应受控定时。将理解，具有周期性调制的聚焦位置的变焦成像系统在每个调制周期内的特定定时或相位处具有特定聚焦位置。周期性调制的瞬时相位可以基于变焦透镜的驱动信号、或者通过直接监视聚焦位置等而已知。因此，知道在周期性调制的聚焦位置和相位之间的校准关系，可以控制频闪元件(例如，频闪照明源或快速电子相机快门)以在特定相位定时短暂地启用曝光，以便在期望的对应聚焦位置处获取曝光增量。例如可以参考美国专利第8,194,307号和第9,143,674号(在此通过引用将其并入本文)更详细地理解该原理。下面参考图9更详细地描述如上概述的使用受控定时的各个方面。
如图800A所示，各个受控定时(例如，如由其各自的增量时间T1-T16所表示的)被分布在周期性调制的聚焦位置MFP的多个周期上，并被配置为提供一组离散聚焦位置FP，它们沿着聚焦轴方向近似均匀地间隔开(如由它们的聚焦位置值Z1-Z8所表示的)。已经确定对“原始”或初步EDOF图像的均匀间隔的和/或“加权的”曝光贡献在随后被执行以增强EDOF图像的信号处理和/或计算操作方面可能是有利的。例如，在通过使用在变焦成像系统的整个聚焦范围中表征变焦成像系统的模糊核对初步EDOF图像执行反卷积操作来提供增强的EDOF图像时，这样的曝光贡献可能是有利的。例如在公布第WO2009120718A1号(在此通过全文引用将其并入本文)中描述了这样的反卷积操作。然而，在EDOF图像的整个聚焦范围中提供均匀间隔的和/或加权的曝光贡献的已知方法不够快速、准确(在EDOF图像清晰度和质量方面)或可重复。
如前所述，当使用非常高速的周期性调制的变焦透镜(例如，TAG透镜)时，聚焦位置可能如此快地改变以至于在实际系统中可能出现显著的定时、控制和“曝光量”问题。具体地，在任何特定调制期间，成像系统聚焦位置可以在数十纳秒的周期内顺序地通过相邻的期望聚焦位置对，使得在这样的顺序的相邻聚焦位置处的离散曝光不切实际和/或不准确。为了提供对这样的问题的实际解决方案，用于在期望的均匀间隔的聚焦位置FP(例如，Z1-Z8)处获取离散图像曝光增量EI的各个受控定时被配置为使得：对于该组(例如，组Z1-Z8)中的离散聚焦位置的多个相邻对，当第一受控定时提供该相邻对的第一离散聚焦位置组时，提供该相邻对的第二离散聚焦位置的第二受控定时被控制为相对于第一受控定时具有延迟，从而第二受控定时被控制为在跟在第一受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置改变方向的N次反转之后出现，其中N至少为1。这样的方向反转出现在聚焦范围FR的极限处，即，在正弦地调制的聚焦位置MFP的极值处。在各个实施方式中，对于该组中的离散聚焦位置的所有相邻对而遵循该原理。这样的定时配置使得以实际、经济且通用的方式以良好精度在紧密间隔的聚焦位置处获取离散图像曝光增量是实际的。
为了阐明关于图800A的操作，在周期性调制的聚焦位置MFP期间，相机图像积分时间开始于在增量时间T1获取的离散图像曝光增量EI1，增量时间T1具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z1的相位定时tz1。在此示例中，周期性地调制的聚焦位置MFP然后通过相邻的聚焦位置Z2以及位置Z3和Z4而继续，其中假设在聚焦位置实际达到Z4之前完成获得下个离散图像曝光增量所需的操作是不切实际的。相比之下，当聚焦位置达到Z5时，获得离散图像曝光增量的下个实际时间(即，在足够的经过时间之后)是在时间T2。在具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z5的相位定时tz5的增量时间T2获取离散图像曝光增量EI2。获得离散图像曝光增量的下个实际时间(即，在足够的经过时间之后)是在时间T3。在具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z8的相位定时tz8的增量时间T3获取离散图像曝光增量EI3。离散图像曝光增量EI的获取以类似的方式通过获取在增量时间T8获取的离散图像曝光增量EI8而继续，该增量时间T8具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z4的相位定时tz4。到目前为止，在图像积分时间期间，已经在每个期望的均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8(被指定为子集810A’)处获取了离散图像曝光增量EI1-EI8。在一些实施方式中，图像积分时间可以在此时终止。然而，在图800A所示的示例中，通过重复先前的获取模式以在对应于每个期望的均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8的时间T9-T16(被指定为子集810A”)获得离散图像曝光增量EI9-EI16，增强了初步EDOF图像曝光的亮度和/或“图像信号”。图像积分时间然后终止。将理解，这对于包括离散图像曝光增量和/或均匀间隔的聚焦位置的组810A的整个初步EDOF图像曝光中的每个聚焦位置Z1-Z8，甚至保持“图像加权”。
如上所述曝光的第一初步EDOF图像(例如，由数码相机等提供的其图像数据)可被处理以去除在图像积分时间期间在聚焦范围中出现的模糊图像贡献，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的扩展景深(EDOF)图像。例如，在一个实施方式中，处理初步EDOF图像以去除模糊图像贡献可以包括使用表征成像系统的预定函数(例如，在对应于均匀间隔的聚焦位置的聚焦范围上表征成像系统的积分点扩散函数)对其图像数据的反卷积处理，以提供更清晰的EDOF图像。
在图800A中，当聚焦位置在相同方向上改变时，获取每个离散图像曝光增量EI。在一些实施方式中，提供了更准确地间隔的和/或可重复的聚焦位置(与如在下面参考图8C所述的在聚焦位置改变的两个方向期间获取曝光增量相比)。可注意到，在此情况下，当第一受控定时提供相邻对的第一离散聚焦位置组(例如，在Z1处的EI1)时，提供相邻对的第二离散聚焦位置(例如，在Z2处的EI4)的第二受控定时被控制为相对于第一受控定时具有延迟，使得第二受控定时被控制为在聚焦位置的方向的N次反转之后出现，其中N至少为2。
时序图800B类似于时序图800A，并且一般可以通过类比来理解，除非下面另有指示。在图800B中，多个离散图像曝光增量EI1-EI8各自由照明源频闪操作或相机快门频闪操作的相应实例来确定，该照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义其离散聚焦位置FP(例如，均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8之一)的相应受控定时。在图像积分时间内，各个受控定时(例如，如由它们各自的增量时间T1-T8所表示的)被分布在周期性调制的聚焦位置MFP的多个周期上。
为了阐明关于图800B的操作，在周期性调制的聚焦位置MFP期间，相机图像积分时间开始于在增量时间T1获取的离散图像曝光增量EI1，增量时间T1具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z1的相位定时tz1。周期性地调制的聚焦位置MFP然后通过在跟在增量时间T1之后的其周期性调制期间聚焦位置改变方向的两次反转而继续。即使当周期性调制具有非常高的频率时，在具有对应于与Z1相邻的期望的聚焦位置FP＝Z2的相位定时tz2的时间T2获得离散图像曝光增量EI2也是可行的。离散图像曝光增量EI的获取以类似的方式通过获取在增量时间T8获取的离散图像曝光增量EI8而继续，该增量时间T8具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z8的相位定时tz8。此时，在图像积分时间期间，已经在每个期望的均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8(形成810B)处获取了离散图像曝光增量EI1-EI8。在此示例中，图像积分时间在此时终止。将理解，这对于包括离散图像曝光增量和/或均匀间隔的聚焦位置的组810B的整个初步EDOF图像曝光中的每个聚焦位置Z1-Z8，甚至保持“图像加权”。
时序图800C类似于时序图800A，并且一般可以通过类比来理解，除非下面另有指示。在图800C中，多个离散图像曝光增量EI1-EI16各自由照明源频闪操作或相机快门频闪操作的相应实例来确定，该照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义其离散聚焦位置FP(例如，均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8之一)的相应受控定时。各个受控定时(例如，如由它们各自的增量时间T1(＝tz1)、T2(＝tz4)、T3(＝tz8)、T4(＝tz7)等所表示的)在图像积分时间内被分布在周期性调制的聚焦位置MFP的多个周期上。
为了阐明关于图800C的操作，在具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z1的相位定时tz1的增量时间T1获取离散图像曝光增量EI1。在此示例中，周期性地调制的聚焦位置MFP然后通过相邻的聚焦位置Z2以及位置Z3而继续，其中假设在聚焦位置达到Z3之前完成获得下个离散图像曝光增量所需的操作是不切实际的。相比之下，当聚焦位置达到Z4时，获得离散图像曝光增量的下个实际时间(即，在足够的经过时间之后)是在时间T2。在具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z4的相位定时tz4的增量时间T2获取离散图像曝光增量EI2。获得离散图像曝光增量的下个实际时间(即，在足够的经过时间之后)是在时间T3。在具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z8的相位定时tz8的增量时间T3获取离散图像曝光增量EI3。在时间T3(＝tz8)之后，聚焦位置由于其反转方向而改变缓慢，使得获得离散图像曝光增量的下个实际时间是在具有对应于期望的聚焦位置FP＝Z7的相位时间tz7的时间T4。可注意到，在聚焦改变的方向的仅一次反转(N＝1)之后，此聚焦位置与先前获取的离散图像曝光增量的聚焦位置Z8相邻。可注意到，N＝1，因为在此示例中，在聚焦改变的两个方向期间获取离散图像曝光增量。更一般地，可注意到，在此示例中，当第一受控定时提供相邻对的第一离散聚焦位置组时，提供相邻对的第二离散聚焦位置的第二受控定时可以在聚焦位置的方向的不同次数的反转之后出现(在此示例中，对于各个相邻对，N的范围从1到4)。
在图800C所示的示例中，通过在每个聚焦位置重复离散图像曝光增量(但是第二次以不同的次序)来增强初步EDOF图像曝光的亮度和/或“图像信号”。在时间T1-T8(在图8C中的子集810C’中指定的)获得的离散图像曝光增量EI1-EI8对应于每个期望的均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8。在时间T9-T16(在图8C中的子集810C”中指定的)的离散图像曝光增量EI9-EI16提供对应于每个期望的均匀间隔的聚焦位置Z1-Z8的重复的离散图像曝光增量。子集810C’和810C”一起贡献于整个初步EDOF图像曝光，其包括离散图像曝光增量和/或均匀间隔的聚焦位置的组810C。这里(和图800A中)所示的模式或重复不是限制性的。更一般地，在各个实施例中，可以配置在每个聚焦位置重复离散图像曝光增量，其中用于初步EDOF图像的多个离散图像曝光增量至少包括在图像积分时间期间在每个离散聚焦位置(例如，在一些实施方式中，至少20个近似等间隔的聚焦位置中的每个)处获取的离散图像曝光增量的第一实例和第二实例。用于在相同离散聚焦位置处获取离散图像曝光增量的第一和第二实例的各个受控定时可以被配置为使得用于第二实例的受控定时相对于用于第一实例的受控定时具有延迟，并且被控制为在跟在用于第一实例的受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置的改变方向的M次反转之后出现，其中M至少为1。
将理解，前述时序图示例仅是示例性的、而不是限制性的。其它定时配置和组合可以基于上文所说明和描述的原理来实现。在一些实施方式中，聚焦范围可以跨越至少是成像系统在单个聚焦位置中的10倍的景深，并且各个受控定时被配置为在图像积分时间期间提供一组至少20个近似等间隔的离散聚焦位置(例如，Z1-Z20)。在一些实施方式中，至少20个离散聚焦位置可以分布在聚焦范围的至少50％上，以提供相对大的扩展景深。在一些实施方式中，至少20个离散聚焦位置可以分布在聚焦范围的至少70％或甚至80％上。
在一些实施方式中，可以在周期性调制的聚焦位置的单个周期期间提供更多的离散图像曝光增量。然而，在其它实施方式中，特别是那些具有聚焦位置的高频率周期性调制的实施方式中，在周期性调制的聚焦位置的单个周期期间，可以提供最多6个离散图像曝光增量。
在一些实施方式中，以上关于图800A-800C中的任何一个或其组合所概述的操作可以是提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的多个EDOF图像，并且所述多个EDOF图像可以被显示在机器视觉检查系统中包括的显示器上提供的实况视频显示窗口中。
在各个实施方式中，当前更可行的是使用具有定义其对应的离散图像曝光增量的离散聚焦位置的相应受控定时的照明源频闪操作来提供离散图像曝光增量。然而，具有可以在整个图像积分周期内创建定时的子曝光增量的电子“快门频闪”功能的数码相机越来越可用。在一些实施方式中，这样的相机可以使用连续的或环境照明来提供以上概述的受控定时。
在一些实施方式中，照明源频闪操作可以与包括多个颜色源的照明源组合地使用。在这种情况下，成像系统中的轴向色差可能导致各个颜色源聚焦在不同的聚焦位置。在这种情况下，应理解，上面概述的相应受控定时可以包括用于每个颜色源的不同颜色源定时，包括补偿成像系统中的轴向色差的颜色源定时之间的定时偏移，使得每个颜色源提供相同的离散聚焦位置。
将理解，上面参考时序图800A-800C描述的操作可以在与图2、3或5中的任何一个中描绘的成像系统之一类似的对应地配置的EDOF成像系统中实施，以例如提供具有比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深的工件的图像。
图9示出时序图900，其示出可用于定义离散聚焦位置FP和某些其它特性以确定对应的离散图像曝光增量EI的受控定时CT的一个示例性实施方式的某些细节的时序图900。具体地，控制定时可以在照明源频闪操作或相机快门频闪操作中实施，以确定聚焦位置FP和对应的离散图像曝光增量EI的某些其它特性。时序图900可以被理解为时序图800A的一部分的更详细视图，示出了两个代表性离散图像曝光增量EI1和EI2，并且通常可以通过类比来理解。然而，描述了与受控定时CT的一个示例性实施方式相关的附加原理。
在图9所示的实施例中，每个受控定时CTi包括相应的增量时间Ti和相应的增量持续时间Di，并且在相应的增量持续时间Di期间使用相应的增量照度Li。具体地，所示的确定曝光增量EI1的控制定时CT1包括增量时间T1(如先前参考图8A-8C所述的)和相应的增量持续时间D1(例如，定时的频闪持续时间)。所示的确定曝光增量EI2的受控定时CT2类似地包括相应的增量时间T2和增量持续时间D2。可以看出，每个增量持续时间被设置为提供对应于期望的聚焦位置的中心或平均增量时间。例如，增量持续时间D1被设置为提供与期望的聚焦位置FP1(＝Z1)对应的增量时间T1(＝tz1)，并且增量持续时间D2被设置为提供对应于期望的聚焦位置FP2(＝Z5)的增量时间T2(＝tz5)。在各个实施方式中，在相应的增量持续时间Di期间使用相应的增量照度Li，并且使用其相应的增量照度Li和其相应的增量持续时间Di的组合来曝光每个离散图像曝光增量，使得乘积(Li*Di)对于每个离散图像曝光增量近似相同。虽然实施方式的此方面不是严格要求的，但是倾向于在初步EDOF图像中在每个期望的聚焦位置提供相等的“加权”，这在一些实施方式中可能是有利的。
图9所示的实施方式还包括一方面，其中对应于相对较接近聚焦范围FR的中间的聚焦位置(FP2)的离散图像曝光增量(EI2)包括相对较短的增量持续时间D2和相对较大的增量照度(例如，L2，未示出)的组合，并且对应于距聚焦范围FR的中间相对较远的聚焦位置(FP1)的离散图像曝光增量(EI1)包括相对较长的第二增量持续时间D1和相对较小的第二增量照度(例如，L1，未示出)的组合。在其中周期性调制的聚焦位置作为时间的函数近似正弦地改变的各个实施方式中，这允许乘积(Li*Di)对于每个离散图像曝光增量近似相同，同时允许每个相应的增量持续时间被控制以在每个增量持续时间期间提供近似相同的聚焦位置改变量ΔFP。例如，可以看出，即使由于正弦聚焦调制导致聚焦改变速率对于每个曝光增量而不同，这也允许图9中的ΔFP1＝ΔFP2。尽管实施方式的此方面也不是严格要求的，但是倾向于在初步EDOF图像中在每个期望的聚焦位置提供相等的“加权”的另一个方面，这在一些实施方式中可能是有利的。
图10是示出用于操作机器视觉检查系统以便提供具有比成像系统在单个聚焦位置中更大的景深的至少一个EDOF图像的成像系统的方法的一个实施例的流程图1000。该方法包括根据本文公开的原理使用包括多个离散图像曝光增量的图像曝光来曝光初步EDOF图像。
在块1010，将工件放置在机器视觉检查系统的视场中。
在块1020，成像系统的聚焦位置被周期性地调制，而无需宏观地调整成像系统中的元件之间的间隔，其中在包括工件的表面高度的聚焦范围中沿着聚焦轴方向在多个聚焦位置上，以至少3kHz的调制频率周期性地调制聚焦位置。
在块1030，使用包括多个离散图像曝光增量的图像曝光来曝光第一初步图像，所述多个离散图像曝光增量在包括周期性调制的聚焦位置的多个周期的图像积分时间期间在各个离散聚焦位置处获取，其中：
所述多个离散图像曝光增量各自由照明源频闪操作或相机快门频闪操作的相应实例确定，所述照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义对应的离散图像曝光增量的离散聚焦位置的相应受控定时；
所述相应受控定时分布在周期性调制的聚焦位置的多个周期上，并且被配置为提供沿着聚焦轴方向近似均匀地间隔的一组离散聚焦位置；并且
所述相应受控定时还被配置为使得：对于该组中的离散聚焦位置的多个相邻对，当第一受控定时提供该相邻对的第一离散聚焦位置组时，提供该相邻对的第二离散聚焦位置的第二受控定时被控制为相对于第一受控定时具有延迟，从而第二受控定时被控制为在跟在第一受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置的改变方向的N次反转之后出现，其中N至少为1。
在块1040，处理第一初步图像以去除在图像积分时间期间在聚焦范围中出现的模糊图像贡献，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的扩展景深(EDOF)图像。例如，这样的处理可以包括使用在整个其聚焦范围中表征成像系统的模糊核(例如，和积分点扩散函数)来执行反卷积操作，如本文之前所述地。
虽然已经图示和描述了本发明的各个实施例，但是基于本公开，对于本领域技术人员而言，所图示和描述的特征布置和操作序列中的多种变化将是显而易见的。因此，将理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行各种改变。

Claims (11)

1.一种用于操作机器视觉检查系统的成像系统以提供具有比所述成像系统在单个聚焦位置中更大的景深的至少一个图像的方法，所述方法包括：
(a)将工件放置在机器视觉检查系统的视场中；
(b)周期性地调制成像系统的聚焦位置，而无需宏观地调整所述成像系统中的元件之间的间隔，其中在包括工件的表面高度的聚焦范围中，沿着聚焦轴方向在多个聚焦位置上，以至少3kHz的调制频率周期性地调制所述聚焦位置；
(c)使用包括多个离散图像曝光增量的图像曝光来曝光第一初步图像，所述多个离散图像曝光增量在包括周期性调制的聚焦位置的多个周期的图像积分时间期间在各个离散聚焦位置处获取，其中：
所述多个离散图像曝光增量各自由照明源频闪操作或相机快门频闪操作的相应实例确定，所述照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义对应的离散图像曝光增量的离散聚焦位置的相应受控定时；
所述相应受控定时分布在周期性调制的聚焦位置的多个周期上，并且被配置为提供沿着聚焦轴方向近似均匀地间隔的一组离散聚焦位置；并且
所述相应受控定时还被配置为使得：对于该组中的离散聚焦位置的多个相邻对，当第一受控定时提供该相邻对的第一离散聚焦位置组时，提供该相邻对的第二离散聚焦位置的第二受控定时被控制为相对于第一受控定时具有延迟，从而第二受控定时被控制为在跟在第一受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置的改变方向的N次反转之后出现，其中N至少为1；以及
(d)处理第一初步图像以去除在图像积分时间期间在聚焦范围中出现的模糊图像贡献，以提供在整个比所述成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的扩展景深(EDOF)图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(c)中，每个离散图像曝光增量由照明源频闪操作的相应实例确定。
3.根据权利要求1所述的方法，其中每个“第i”相应受控定时包括相应增量时间Ti和相应增量持续时间Di，并且在相应增量持续时间Di期间使用相应增量照度Li，并且第一初步图像的每个离散图像曝光增量使用其相应增量照度Li和其相应增量持续时间Di的组合来曝光，使得乘积(Li*Di)对于每个离散图像曝光增量而近似相同。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述周期性调制的聚焦位置作为时间的函数而近似正弦地改变，并且对应于相对较接近所述聚焦范围的中间的第一聚焦位置的离散图像曝光增量包括相对较短的第一增量持续时间Di和相对较大的第一增量照度Li的组合，并且对应于距所述聚焦范围的中间相对较远的第二聚焦位置的离散图像曝光增量包括相对较长的第二增量持续时间Di和相对较小的第二增量照度Li的组合，并且控制所述第一增量持续时间和所述第二增量持续时间以在所述第一增量持续时间和所述第二增量持续时间期间提供近似相同的聚焦位置改变量。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚焦范围跨越至少是所述成像系统在单个聚焦位置时的景深的10倍，并且所述相应受控定时被配置为在图像积分时间期间提供分布在所述聚焦范围的至少50％上的一组至少20个离散聚焦位置；并且
所述成像系统包括可调谐声学梯度折射率(TAG)透镜，其被配置为周期性地调制所述成像系统的聚焦位置，而无需宏观地调整所述成像系统中的元件之间的间隔；
调制频率至少为30kHz；并且
在周期性调制的聚焦位置的单个周期期间最多提供6个离散图像曝光增量。
6.根据权利要求5所述的方法，其中：
用于第一初步图像的第一多个离散图像曝光增量包括在图像积分时间期间在所述至少20个离散聚焦位置中的每个处获取的离散图像曝光增量的至少第一实例和第二实例，并且
用于在相同的离散聚焦位置处获取离散图像曝光增量的第一和第二实例的相应受控定时被配置为使得用于第二实例的受控定时相对于用于第一实例的受控定时具有延迟，并且被控制为在跟在用于第一实例的受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置的改变方向的M次反转之后出现，其中M至少为1。
7.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述第一初步图像以移除模糊图像贡献包括使用表征所述成像系统的预定函数对与所述第一初步图像对应的图像数据的反卷积处理以提供所述EDOF图像。
8.如权利要求1所述的方法，其中：
所述成像系统包括可变焦距透镜，并且周期性地调制所述成像系统的聚焦位置包括调制所述可变焦距透镜的聚焦位置，并且所述成像系统还包括光学滤波器，所述光学滤波器被设置为接收并且空间地滤波来自所述可变焦距透镜的初步图像光；并且
在步骤(d)中，处理所述第一初步图像以移除模糊图像贡献包括使用所述光学滤波器对所述初步图像光空间地滤波，以基于由所述光学滤波器输出的光提供所述EDOF图像。
9.如权利要求1所述的方法，还包括：
重复步骤(c)和(d)以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的多个EDOF图像，并且在机器视觉检查系统中包括的显示器上提供的实况视频显示窗口中显示工件的多个EDOF图像。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述照明源包括多个颜色源，并且所述相应受控定时包括用于每个颜色源的不同颜色源定时，包括补偿所述成像系统中的轴向色差的颜色源定时之间的定时偏移，使得每个色源提供相同的离散聚焦位置。
11.一种成像系统，用于提供具有比所述成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深的工件的至少一个图像，所述成像系统包括：
物镜、可变焦距可调谐声学梯度折射率(TAG)透镜和相机；
在图像积分时间期间在所述相机内可操作的可控频闪照明光源或快速相机快门中的至少一个；以及
控制系统，被配置为控制相机、和如果存在频闪照明光源则控制频闪照明光源，并且控制TAG透镜以周期性地调制所述成像系统的聚焦位置，而无需宏观地调整所述成像系统中的元件之间的间隔，
其中所述控制系统还被配置为：
(a)控制所述TAG透镜以在包括工件的表面高度的聚焦范围中，沿着聚焦轴方向在多个聚焦位置上，以至少30kHz的调制频率周期性地调制所述聚焦位置；
(b)操作所述成像系统以使用包括多个离散图像曝光增量的图像曝光来曝光第一初步图像，所述多个离散图像曝光增量在包括周期性调制的聚焦位置的多个周期的图像积分时间期间在各个离散聚焦位置处获取，其中：
所述多个离散图像曝光增量各自由照明源频闪操作或相机快门频闪操作的相应实例确定，所述照明源频闪操作或相机快门频闪操作具有定义对应的离散图像曝光增量的离散聚焦位置的相应受控定时；
所述相应受控定时分布在周期性调制的聚焦位置的多个周期上，并且被配置为提供沿着聚焦轴方向近似均匀地间隔的一组离散聚焦位置；并且
所述相应受控定时还被配置为使得：对于该组中的离散聚焦位置的多个相邻对，当第一受控定时提供该相邻对的第一离散聚焦位置组时，提供该相邻对的第二离散聚焦位置的第二受控定时被控制为相对于第一受控定时具有延迟，从而第二受控定时被控制为在跟在第一受控定时之后的其周期性调制期间在聚焦位置的改变方向的N次反转之后出现，其中N至少为1；以及
(c)处理所述第一初步图像以去除在图像积分时间期间在聚焦范围中出现的模糊图像贡献，以提供在整个比成像系统在单个聚焦位置处提供的景深更大的景深中基本上聚焦的扩展景深(EDOF)图像。
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