CN108885089B - 用于远心光学测量机器的聚焦系统 - Google Patents
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Abstract
一种聚焦远心成像系统（30）（特别是作为测量机器（10）的部分）的方法，包括：在远心操作模式中通过远心成像系统（30）测量物体（24）的特征（25）的图像，以及在非远心操作模式中通过远心成像系统（30）测量物体（24）的特征（25）的图像。获取表征成像特征的大小根据其在非远心模式中贯穿景深（D）随着物体（24）的相对位移变化的函数的值。在远心和非远心模式中的物体（24）的特征（25）的图像的测量值彼此相关并且与获取的值相关，作为物体（24）从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
Description
技术领域
本发明涉及用于例如在基于图像的测量机器中使用的远心成像系统的聚焦系统，并且涉及用于基于通过远心成像系统进行的测量来估计最佳焦点的位置的技术。
背景技术
在成像系统中，图像锐度可能随着与最佳焦点位置的偏离而变化。因此，成像系统的最佳焦点位置通常通过相对于成像系统移动物体的位置直到形成最清晰的图像来确定。通常，图像对比度被用作锐度的量度以识别峰值对比度处的最佳焦点位置。
与本申请共同转让的美国专利No. 7,812,971的特征在于一种用于机器视觉系统的自动聚焦系统，其沿着光轴扫描，从而收集多个不同波长处的多个图像帧以针对每个波长确定最大对比度的位置。可以基于波长之中的预期位移来组合最大对比度测量以确定最佳焦点的位置。替代地，单个轴位置处的针对不同波长的对比度测量结果可以被拟合到在轴位置的范围内的不同波长的对比度值图用于识别最佳焦点位置。
在具有大景深（例如，具有大f数）的光学系统中，在最佳焦点位置附近的锐度中的变化倾向于更平缓，这降低了可以用其来找到最佳焦点位置的准确度和精度。对于具有大f数的光学系统而言，通常可以容忍与最佳焦点位置的偏离，因为锐度中的变化是如此平缓的。然而，在被布置成在放大率之间切换的此类系统中，在较低放大率下可工作的与最佳焦点的偏离在较高放大率下可能超出景深，没有留下可以根据其进行进一步焦点调节的可测量的图像。在低与高放大率成像之间进行单独的焦点调节可能是耗费时间的，并且增加了测量之间的变化性。
通常涉及像素到像素强度比较的对比度的测量不同于针对其设计测量机器的通常测量，并且需要附加的处理算法和其他能力。除非经受成像的物体与给定的算法的选择匹配，否则对比度测量的效力可能显著变化。因此，不一致的聚焦结果可以与是预期的测量的对象的不同物体的范围相关联。
发明内容
在实施例中描述的是一种用于具有远心成像系统的光学测量机器的聚焦系统。优选地，聚焦系统基本上独立于远心成像系统的f数或景深操作。为了聚焦的目的，远心成像系统诸如通过引起色差来以非远心模式操作，并且一个或多个相关联的失真的测量被转换成距最佳焦点位置的物体位移的测量。远心成像系统在其通常操作的模式中被布置用于测量如在像场内成像的物体的特征的大小，并且非远心模式中的失真也可以被测量为像场内的特征大小中的改变。因此，可以利用测量机器的常规测量能力用于确定最佳焦点位置。
为了引起色差，光学测量机器的照明器优选地在远心成像系统在其处被校正的波长的范围之外的波长处操作。在远心成像系统在其处被校正的波长范围内，成像系统至少相对于物体空间展现远心行为。超出远心成像系统在其处被校正的范围的波长引入色差和对应的与远心度的偏离。例如，色差的轴向分量改变远心成像系统内的光学器件的焦距，使得远心成像系统的孔径光阑不再如将入射光瞳定位在无穷远处所需的那样定位在后焦点处。虽然色差的横向分量也倾向于改变放大率，但是对于本文中的目的更重要的是，由于与远心度的偏离，放大率也随着物距而变化。波长中的偏离的影响倾向于保持径向对称，并且因此，影响可以被定义为距像场的中心或光轴的距离的函数。放大率中的改变可以更一般地被称为失真中的改变以包含随着距场中心的距离的放大率中的一阶改变和放大率中的较高阶改变两者。除了成像特征大小之外，放大率中的较高阶改变还可能影响成像特征形状。
优选地，测量机器在其处以非远心模式操作的波长仍然足够接近于远心成像系统被设计成在其处操作的波长的范围，使得主要影响是像场内的像点的位移（可分类为径向失真），还不导致影响用于测量图像特征大小的能力的锐度中的损失。虽然锐度可以作为距最佳焦点位置的物距的函数贯穿景深稍微变化，但是成像的点和边缘优选地保持足够清晰，使得可以以远心和非远心模式两者贯穿重叠的景深进行图像高度的测量。
与远心度的基本预期一致，图像高度贯穿景深保持基本上恒定。换言之，放大率贯穿景深不随着物距显著变化。因此，不管景深中的物体位置（即，物体与最佳焦点位置的相对偏离）如何，由以其远心模式操作的光学测量机器测量基本上相同的图像高度。
相比之下，以超出校正的范围的波长进行的图像高度的测量，倾向于首先由于横向色差而变化（明显的如甚至在最佳焦点位置处的放大率中的初始改变），并且其次，更重要的是，由于导致与远心度的偏离的轴向色差而变化（明显的如作为物体与最佳焦点位置的相对偏离的函数的放大率中的进一步的变化）。
因此，测量的物体的图像高度随着与以远心模式操作的光学测量机器的最佳焦点位置偏离保持基本上不变。然而，相同的测量物体的图像高度作为与以非远心模式操作的光学测量机器的最佳焦点位置的偏离的函数变化。
可以以各种方式将图像高度的两个测量结果相关以估计物体与最佳焦点位置的相对偏离。例如，可以以远心模式进行图像高度的第一测量以建立基线图像高度，不管在景深内的物体的位置如何，预期所述基线图像高度保持恒定。可以在景深内的物体的相同位置处但是以非远心操作模式进行图像高度的第二测量，并且可以记录远心与非远心测量模式之间的第一高度差。在保持在非远心操作模式中时，可以在景深内的物体的相对位移位置处进行图像高度的第三测量。可以预先确定或测量位移的量。可以记录远心第一测量结果与非远心第三测量结果之间的第二高度差。给定已知位移上的两个高度差，可以确定物体到最佳焦点位置的进一步相对位移的第一线性近似，其中远心与非远心测量之间的高度差被减小到零。线性近似反映贯穿景深随着物体位移的局部放大率中的预期成比例的改变。
通过计及与色差的横向分量相关联的图像高度中的改变可以获得从最佳焦点位置的物体位移的更好近似，所述色差的横向分量改变了最佳焦点位置处的放大率。因此，代替求解远心与非远心测量结果之间的差在其处减小到零的位移，线性近似可以包括表示在最佳焦点位置处的预期的图像高度中的差的偏移。然而，在与远心度的偏离由刚好超出校正的波长的范围的波长移位实现的情况下，预期在最佳焦点位置处的在两个模式之间的图像高度中的差是最小的并且在许多情况下可以被忽略。
对于给定远心成像系统和用于以非远心模式操作远心成像系统的校正的范围外的给定波长，可以贯穿像场和在景深上预测或测量失真的局部值。假定径向对称，失真值仅需要在图像高度的域上作为距场中心的径向距离被获取。虽然失真可以以多种方式来表示，但是失真值可以被呈现为通过远心与非远心模式之间的物体高度中的差（h 1 - h 0 ）除以远心模式的物体高度（h 0 ）来计算的百分比。单个百分比可以表示贯穿像场不变化的放大率中的改变。离散失真值可以与不同图像高度相关联，或者失真曲线也可以被拟合到值。
假定在任何特定图像高度处的失真贯穿景深与物体的相对位移成比例地变化，则随着沿着景深的位移中的改变的每个图像高度处的失真中的改变可以由单个速率或斜率来表示。由于像场中的任何点处的失真中的改变可以被表示为放大率中的局部改变
，因此速率或斜率对应于相对于物体位移中的改变的放大率中的改变。另外，每个图像高度还可以与可归因于横向色差的放大率偏移相关联，其可以在像场上保持近似恒定或者随着场位置变化，从而表示放大率中的较高阶改变。
已经贯穿视场和在景深上表征非远心模式的失真效应，在特定图像高度和物体位移处在远心和非远心模式中进行的测量的单个对可以与预测的或先前测量的斜率相关联，所述斜率对应于随着相对物体位移的局部放大率的预期的改变的速率，并且如果需要，则测量的对可以进一步与和色差的横向分量相关联的局部放大率偏移相关联，以估计到最佳焦点位置的位移的量。即，通过测量在测量图像高度处由非远心模式贡献的相对放大率以及知道随着物体位移的局部放大率的改变的速率和最佳焦点位置处的预期局部放大率偏移两者，可以对到达最佳焦点位置所需的物体位移作出接近的估计。
作为测距仪或第一近似，可以从建模预测或者可以凭经验确定表示随着焦深内的物体位移的放大率中的改变的速率的平均斜率值。即，尽管实际速率可以随着场中的径向位置变化可能部分地归因于较高阶失真效应，但是平均斜率值连同在远心和非远心模式中的测量的单个对可以提供从最佳焦点位置的物体位移的估计量。虽然该估计量在某些应用中可能具有足够准确度以实现最终焦点调节或以确定物体的近似距离，但是估计量还可以被用作焦点调节的第一阶段。
在将物体相对位移达估计的量之后，可以进行图像高度的另一个非远心测量。现在，借助在已知的物体位移的范围上以非远心模式进行的物体特征高度的两个测量连同以远心模式进行的基础测量，可以计算随着位移的物体高度差的改变的速率的更准确确定（表示相对于位移中的改变的放大率中的改变），如以上描述的那样。第一近似相对位移将物体置于更接近于最佳焦点位置，并且可以使用第一位移之后的更准确测量的斜率来更精细估计进一步的相对位移以将物体相对移动到更接近于最佳焦点位置。
如果需要，可以重复进行附加非远心测量和相对调节物体位置的过程，直到图像高度的非远心测量接近图像高度的远心测量达由于横向色差预期的任何偏移的差。
作为测量远心成像系统的最佳焦点位置的方法的实施例包括在远心操作模式和非远心操作模式两者中通过远心成像系统测量物体的特征的图像。在远心模式中，成像特征的大小贯穿景深随着物体的相对位移保持基本上恒定。然而，在非远心模式中，成像特征的大小贯穿景深作为物体的相对位移的函数变化。将远心和非远心模式中的物体的特征的图像的测量值彼此相关并且与成像特征的大小根据其贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数相关，作为物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
作为聚焦远心成像系统的方法的另一个实施例包括既在远心操作模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像，在远心操作模式中，成像特征的大小贯穿景深随着物体的相对位移保持基本上恒定；并且又在非远心操作模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像，在非远心操作模式中，成像特征的大小贯穿景深作为物体的相对位移的函数变化。可以以各种方式获取表征成像特征的大小根据其贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的值，包括通过对远心成像系统的预期行为建模或者通过早期测量。可以将远心和非远心模式中的物体的特征的图像的测量值彼此相关并且与表征成像特征的大小根据其贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的获取值相关，作为物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。物体可以相对于远心成像系统被相对位移达物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
附图说明
图1是实现本发明的自动聚焦装置和方法的机器视觉系统的图解视图。
图2A是以远心模式操作的成像系统的图。
图2B是以非远心模式操作的成像系统的图。
图3是示出在景深内在物体相对于远心成像系统的位移的范围内在远心与非远心模式之间的图像高度差的图。
具体实施方式
某些实施例特别适用于远心大视场光学系统并且适用于具有大景深（例如，使用具有高f数的透镜）的此类系统。例如，特定实施例考虑100 mm或更大的景深。在此类景深内，诸如可能通过对比度测量的图像锐度贯穿景深（特别是在最佳焦点位置附近）逐渐变化，使得最佳焦点位置的峰值锐度（例如，最高对比度）难以与附近位置区分。
如在本文中描述的聚焦方法不依赖于图像锐度的测量来识别最佳焦点位置。代之以，对如通过远心成像系统看到的物体特征进行常规图像高度或大小测量，所述远心成像系统可以以远心和非远心模式两者操作。在远心模式中，特征的图像高度或大小贯穿景深不显著变化。即，根据远心成像系统的常规预期，放大率不随着景深内的物距显著变化。因此，物体特征由远心成像系统成像在基本上相同的图像高度处，而不管物体在景深内的位置如何。
在非远心模式中，对远心度的特殊要求未被满足，并且放大率倾向于随着物距变化。然而，与远心度的偏离并不旨在显著降低图像的局部锐度。超出关于放大率中的改变的正常预期，图像信息主要被几何位移而不是丢失，并且可以测量几何位移（其作为贯穿景深的物距的函数变化）作为到最佳焦点位置的线索。即使在非远心模式中局部放大率随着物距改变，像场内物体特征的变化高度或大小也优选地贯穿存在于远心模式中的基本上相同景深保持类似地可测量的。两个模式之间的任何实质差异优选地被限于景深的末端，其中锐度已经显著恶化。
现在参考图1，通常以10指示的以机器视觉系统形式的测量机器包括安装在滑架16上的相机12和照明器14，滑架16是沿着如由箭头Z示出的滑道18和20上的垂直Z轴可移动的。照明器14被示出为环形灯，所述环形灯具有通过其获取图像的中心孔径和包含未被单独示出的多个光源的周围环形物。例如，照明器14可以包含选择性可致动的基本上单色光源，诸如用于用单色光照明物体24的多个LED（发光二极管）。
承载相机12的滑架16是沿着Z轴可平移的以调节相机12与物体24之间的距离。被安装在工作台26上的物体24类似地是沿着正交水平轴X和Y可平移的以使物体的不同部分与相机16的视场对准。因此，描绘的测量机器10包括用于使相机12和物体24相对于彼此移动的三个线性运动的轴。类似结果可以通过在相机12与物体24之间不同地划分轴来获得。事实上，相机12和物体24中的一个可以是静止的，并且相机12和物体24中的另一个可以是沿着运动的轴中的任何或所有可移动的。尽管示出了三个直线运动的轴，但是轴可以不同地取向，并且可以添加或代替一个或多个旋转轴以根据测量或以其他方式成像物体24的特征所需在相机12与物体24之间提供附加取向。
相机12包括远心成像系统30，所述远心成像系统30优选地为远心透镜的形式，所述远心透镜将物体24的图像中继到定位在远心成像系统30的像场中的传感器32。传感器32可以是诸如CCD（电荷耦合器件）传感器的像素化传感器。远心成像系统30优选地被设计成以有限的像差以给定波长再现物体的图像以支持具有期望的准确度的物体24的测量。另外，远心成像系统30被设计成至少在景深内的物体空间中对于给定波长是远心的，在所述物体空间处，以适当清晰度再现物体的特征（诸如特征25），用于以良好的精度（即，到给定容差内测量是可重复的）测量特征的图像高度或大小。
图像高度可以沿着从场的中心的半径测量，并且图像大小可以在场中的任何两个点之间测量。知道场的中心，图像高度可以从场中的单个点的位置测量并且可以被更容易地缩放或以其他方式适应径向失真。与相机12、照明器14和机器运动的轴（例如，沿着X、Y和Z轴的位移命令和测量）通信的处理器28调整操作的序列，包括从由检测器32在沿着运动的Z轴的两个或更多个相对位置处捕获的图像提取成像的特征25的大小测量。
照明器14可以被布置成支持各种形式的成像，从其中从物体24镜面反射的光进入相机的明场成像到其中光必须从物体非镜面反射以进入相机的暗场成像。照明器14内的LED可以被单独地或者按组或按扇区供电或控制，并且LED可以分离地或共同地与一个或多个透镜（诸如菲涅耳（Fresnel）透镜）相关联以聚焦或以其他方式将它们的光成角度地引导朝向物体24。
还可以使用其他照明技术，包括各种类型的倾斜或轴向照明以及被定位用于通过透镜照明的照明器，在通过透镜照明中，来自照明源的光穿过远心成像系统30的物镜。还可以使用背光诸如用于测量物体24的轮廓。
优选地，光源是基本上单色的，具有远心成像系统30针对其被适当校正以展现期望的水平的锐度和远心度的标称或峰值波长。另外，光源优选地是可调节的，用于变化由光源发出的峰值波长。例如，可以调节到照明器14内的LED的电流以使峰值波长移位超出远心成像系统在其处被校正以维持远心度的范围。虽然随着电流中的改变的波长移位的量可以针对不同LED设计变化，但是对于给定的LED设计，给定的波长中的改变可以产生可预测的并且可重复的波长中的改变。甚至10纳米（nm）范围内的峰值波长中的小移位也可以显著改变远心成像系统的行为，使得系统不再以远心方式运转。即，由校正范围内的峰值波长照明的物体特征（诸如特征25）的测量的图像高度贯穿远心成像系统30的景深保持基本上恒定。然而，由校正范围外的峰值波长照明的相同物体特征的测量的图像高度贯穿远心成像系统30的景深作为物距的一般线性函数变化。从连续孔径（filled aperture）的角度来看，在非远心模式中通过任何一个像点的能量的质心倾向于以固定倾斜度延伸到远心模式中基本上轴向对准的质心。
在实际意义上，远心度在连续区上变化，从而使一些容差适应于景深上的放大率中的最小改变。优选地，远心成像系统30至少与为了其作为测量机器10的部分的预期操作的目的所需一样远心。另外，远心成像系统30的图像结果可以被校准，诸如通过测量不同物体位置处的标线投影（reticle projection）以针对预期远心误差补偿来校准。相对于远心模式，非远心模式可以被引用为远心度中的减小或非远心度中的增加，由此放大率在景深上变化到更显著的程度。即，在远心模式中，远心成像系统30满足光学系统的远心度要求，并且在非远心模式中，远心成像系统30故意不满足光学系统的远心度要求。远心与非远心模式之间的较大的远心度中的偏离可以增加准确度，通过所述准确度可以估计到最佳焦点位置的相对物体位移，但是优选地限制偏离以避免其他不必要的像差。
图2A提供以远心模式操作的远心成像系统30的示意性绘图，其中来自旨在用于成像的特征34（诸如特征25）上的最高点的主光线32基本上平行于光轴36延伸。在标称焦点位置处以实线示出并且在景深D的相对端处以虚线示出的特征34贯穿景深D保持在相同高度h 0 处。即，在特征34被由此成像时，特征34的高度贯穿景深D不显著变化，在所述景深D中，特征34可以以期望的锐度的水平成像。
图2B提供以非远心模式操作的远心成像系统30的示意性绘图，其中来自旨在用于成像的特征34上的最高点的主光线42以一定的倾斜度延伸到光轴36。如示出的那样，在特征被由此成像时，特征34的高度贯穿景深D从高度h a 变化到高度h b ，在所述景深D中，特征34可以以期望的锐度的水平成像。
被布置用于经由校正范围外的照明的峰值波长以非远心模式操作的远心成像系统30通常使成像经受色差，所述色差具有轴向分量（其中主光线聚焦在沿着光轴的不同距离处）和横向分量（其中像点聚焦在像场内的不同位置中），从而影响放大率和/或较高阶形式的径向失真。特别地为了该目的，远心成像系统30包括具有作为波长的函数变化的折射率的至少一个透镜，从而尤其导致焦距中的改变。以在校正范围外的峰值波长操作的远心成像系统30的孔径光阑不再如将成像系统的入射光瞳定位在无穷远处所需的那样定位在后焦点处。因此，图像内的特征的图像高度或大小倾向于贯穿景深随着物距变化，如对于近心（entocentric）透镜将预期的那样。甚至在理想焦点位置处，放大率和/或较高阶失真的轻微改变也可以由色差的横向分量表示。
虽然除放大率中的改变之外，在非远心模式中产生的图像还可以包括较高阶失真，特别是径向失真，但是在像场中的任何点处的随着物距的图像高度中的变化倾向于保持线性。如果色差的横向分量小到足以被忽略，则可以根据特征的测量图像高度中的差和图像高度中的改变随着物距中的改变以其变化的预期速率来预测最佳焦点位置的近似，以识别将图像高度中的改变减小到零所需的贯穿景深的物体位移的量。为了结合横向色差的影响，图像高度中的目标改变可以从零偏离以从校正范围之外的峰值波长适应最佳焦点位置处的放大率的预期量。作为大小的测量的图像高度的径向测量避免了与较高阶失真相关联的一些复杂性，所述较高阶失真影响像场中的其他配对的点之间的距离测量以及它们在非远心模式中随着物距的相对改变的速率。
找到最佳焦点位置的一个方法包括在以远心模式操作测量机器的同时测量特征大小（特别地，如图像高度），在所述远心模式操作中，照明器在校正范围内的峰值波长处操作。可以从场的中心到物体特征（诸如特征25）上的给定点测量图像高度h 0 。对图像高度h 0 的测量必须在远心成像系统30的景深内进行，在所述景深处，特征25的图像高度可以被测量到期望的准确度和精度。当物体24被定位在景深内的相同位置处时，远心成像系统30可以以非远心模式操作以从场的中心到特征25上的给定点进行图像高度h 1 的第二测量。优选地，从远心到非远心的模式中的改变通过照明器的峰值波长从在校正范围内的峰值波长到稍微在校正范围之外的峰值波长中的改变来实现。虽然图像形成明显是非远心的，但是图像锐度优选地在基本上重叠的景深上不显著降低。
非远心模式中的测量图像高度h 1 与远心模式中的测量图像高度h 0 之间的高度差
提供由改变的波长引起的失真的局部测量。作为百分比，局部失真可以被表示为
。可以沿着与远心成像系统30的光轴重合的Z轴在景深内在物体24的相对位移位置处进行相同特征25在非远心模式中的图像高度h 2 的第二测量。物体24、远心成像系统30或两者可以相对于彼此被移动以使物体24相对于远心成像系统30从在其处进行第一测量的第一位置Z 1 位移到第二位置Z 2 达预先确定的、测量的或以其他方式知道的量。由于不预期在远心模式中获取的测量图像高度h 0 在Z 1 与Z 2 位置之间改变，因此在位移Z 2 位置处的在测量模式之间的高度差
对应于在Z 2 位置处在非远心模式中的测量图像高度h 2 与在初始Z 1 位置处在远心模式中的测量图像高度h 0 之间的差。相对于物距中的改变的图像高度中的改变的速率m r 被如下给出：
其中下标“r”引用对应于图像高度h 0 的在物场内的径向位置。
图形地描绘为线性关系，图3示出了可以如何从以下关系找到物体24通过从位置Z 2 到位置Z 3 的距离Z3 - Z2的进一步相对位移，在所述位置Z 3 处，远心与非远心模式之间的测量图像高度中的差预计等于零：
可以从以下关系类似地找到从位置Z 1 到位置Z 3 的距离Z3 - Z1的估计量：
可以通过将斜率m r 除以在远心模式中测量的初始高度h 0 来将斜率m r 规格化为斜率M。在非远心模式中贯穿像场的M中的任何改变可归因于较高阶失真。为了使用斜率M计算诸如Z 1 与Z 3 之间的所需位移，还可以通过除以h 0 作为百分比失真来规格化图像高度差
。
通过示例，远心成像系统30被认为针对530 nm的峰值波长来校正，并且因此当照明器14的LED被正常供电以发出530 nm的峰值波长时，远心成像系统30以远心模式操作。然而，通过调节到照明器14的相同LED的电流，由LED发出的峰值波长可以被增加到540 nm，这超出了远心成像系统贯穿其被校正的范围。因此，远心成像系统30由于色差而以非远心方式运转。虽然超出校正范围的峰值波长的偏离作为放大率和较高阶失真的形式影响像场中的像点的几何位置，但是波长偏离被限于贯穿基本上相同景深保持图像锐度。因此，产生的失真是清楚地可测量为像场内图像特征大小的改变的。
处理器28被优选地布置用于诸如通过控制输送到照明器14的LED的电流来控制远心与非远心模式之间的改变。处理器28还可以被布置成执行在两个模式中获取期望的大小测量结果，测量或实现相机12与物体24之间的期望的相对位移，访问或导出关于图像特征25的大小根据其贯穿景深改变的函数的信息所需的各种步骤，并且执行用于将在远心和非远心模式中的成像特征25的大小的测量值彼此相关并且与成像特征的大小根据其贯穿景深随着物体24的相对位移变化的函数相关，作为物体24从最佳焦点位置的相对位移的估计量所需计算。
在景深内沿着Z轴距最佳焦点位置未确定距离处的第一物体位置Z 1 处，物体特征25通过在530 nm处以远心模式操作的测量机器10测量为具有20毫米（mm）的图像高度h 0 ，所述图像高度h 0 被校准作为特征25的真实高度。由于远心成像系统30以远心模式操作，因此预期特征25的测量图像高度贯穿景深保持恒定。关于示例性测量机器10，这是测量机器10被设计成在为了其预期的目的操作时针对其进行的相同类型的测量。因此，进行该测量不需要特殊形式的数据收集或解释。
虽然距最佳焦点位置的距离最初未确定，但是物体24相对于远心成像系统30的Z 1 位置优选地基于相机12与工作台26之间的已知相对位置以及物体24的预期尺寸来选择。可以由处理器28从可访问存储器提取的可用信息优选地足以将物体24初始相对定位在景深内，并且更优选地将物体24相对定位在景深的中心附近。
在相同Z 1 位置处，改变到照明器14的LED的电流以将由LED发出的峰值波长移位到540 nm，用于以非远心模式操作相同远心成像系统30。在相同Z 1 位置处的相同特征25的图像高度测量结果h 1 在19.99677499 mm处返回，从而产生-0.0032250120 mm的差
。虽然峰值波长可以以其他方式（诸如通过滤波）来位移，但是作为以非远心模式操作远心成像系统30的方式的波长中的位移优选地在不机械地位移成像系统的部分的情况下执行，使得远心成像系统30以其他方式不受改变的影响并且可以被恢复到其正常远心操作模式，而不需要重新对准或与机械位移相关联的其他校正动作。照明器14（诸如描绘的环形灯）也优选地相对于远心成像系统30保持固定以进一步减小测量模式之间的变化性，使得与远心度的偏离被限于波长中的预期移位。
可以诸如通过将滑架16与相机12一起沿着垂直Z轴平移并且测量位移来将物体24相对移位达已知量到景深内的第二位置Z 2 。相对位移优选地是预期在景深内的预先确定的量。对沿着垂直Z轴的位移的测量也优选地是测量机器10的常规特征，所述测量可以提供用于确认期望的位移的反馈。给定在±50 mm附近的相对大的景深，预期从Z 1 位置的10 mm的位移保持在景深内。然而，如果移位将物体特征25相对定位超出景深（即，超出对于机器10合格的的测量的范围），则可以实现沿着Z轴的相反位移的方向以获得在非远心模式中的第二测量结果。
在达10 mm的滑架16的垂直位移处，以非远心模式获取特征25的第二图像高度测量结果h 2 ，其中由LED发出的峰值波长保持在540 nm处。h 2 的值在19.99570021处返回，从而产生相对于远心模式的-0.0042997860 mm的高度差
。较大高度差暗示从Z 1 到Z 2 的位移相对于最佳焦点位置是在错误方向上。
相当于高度中的改变h 2 - h 1 的-.001074774 mm的高度差中的改变
相对于10 mm的物距中的相对改变Z 2 - Z 1 产生-.0001074774的斜率m r 。假定放大率中的局部改变在非远心操作模式中贯穿焦深线性变化，通过将0.0032250120 mm的高度差
的负值除以-.0001074774的斜率m r 来找到从较接近初始Z 1 位置的估计的位移，从而产生到在其处远心与非远心测量之间的高度差
等于零的位置的-30.00642 mm的位移Z 3 - Z 1 。
对于给定示例，-30.00642 mm的估计位移实际上是距到实际最佳焦点位置的-30.000 mm位移.00642 mm或大约6微米（μm）。该准确度足以通过远心成像系统的放大率中的事实上任何实际改变来将物体24保持在景深内。虽然预期在移位波长处产生的色差的横向分量影响最佳焦点位置处的图像大小，从而否定测量图像高度在最佳焦点位置处在远心与非远心模式之间应相同的假定，但是预期波长中的小的10 nm差不导致在最佳焦点位置处在两个测量模式之间的测量特征的显著图像高度差。实际上，仍预期峰值波长中的10 nm差在可用于机器视觉系统的典型LED发射器的带宽内。
代替沿着Z轴相对位移物体24用于以非远心模式进行第二测量，针对给定图像高度的近似斜率m r 可以通过使用建模软件对远心成像透镜30光学建模或者通过另一个物体的相对位移位置之间的较早记录的测量结果来确定，所述建模软件诸如光线跟踪算法，诸如但不限于来自Washington的Redmond的Zemax有限责任公司的Zemax®软件或来自California的Pasadena的Synopsys公司的CODE V®光学设计软件。可以针对像场的不同径向区域“r”存储不同斜率m r 以适应较高阶径向失真的影响。然而，在已知较高阶失真是最小的或仅需要最佳焦点位置的更一般近似的情况下，可以使用单个规格化斜率M来定义在非远心模式中贯穿景深的随着物距的放大率中的改变的速率。
在Z 1 位置中，可以以远心模式进行单个测量以测量物体特征25的图像高度h 0 ，并且可以以非远心模式进行单个测量以测量相同物体特征25的图像高度h 1 。对应于像场的不同径向区域的多个斜率m r 可以被存储在由处理器28从存储器可访问的查找表中或以其他方式在数学上引用（例如，拟合的等式）以提供图像高度h 0 处的斜率m r 的值。给出对应于高度差h 1 - h 0 的图像高度中的差
和对应于随着在景深内沿着Z轴的物体24的相对位移的图像高度的改变的速率的斜率m r ，可以如下预测相对物体位移Z 2 - Z 1 的量用于接近最佳焦点位置：
如果需要，可以在预测的最佳焦点位置处以非远心模式进行第二测量以确认两个模式之间的测量的高度差是最小的或以其他方式对应于由于横向色差而预期的高度差。特别是对于从校正范围更显著偏离的波长，还可以存储和访问作为色差的横向分量的在最佳焦点位置处的在两个模式之间的预期高度差，用于更好地估计到达最佳焦点位置所需的相对物体位移的量。
如果在最佳焦点的第一估计位置Z 2 处的两个模式之间的测量图像高度差
与零或与由于横向色差而预期的高度差显著不同，则可以计算第二经验导出的估计量用于估计到最佳焦点位置的剩余相对物体位移Z 3 - Z 2 。类似于其中在不同相对物体位置Z 1 和Z 2 处以非远心模式进行两个图像高度测量的以上示例，可以如下计算新的经验定义斜率m r2 ：
基于该新斜率，可以根据以下关系计算到定义为在其处图像高度的测量值在两个操作模式之间匹配的位置的最佳焦点位置的剩余位移Z 3 - Z 2 的进一步估计量：
然而，如果由于横向色差
而预期在最佳焦点位置处在两个模式之间的图像高度的测量值中的显著差异，诸如从建模或先前测量结果导出并且缩放到像场中的径向位置，则可以如下找到计算的位移Z 3 - Z 2 ：
假定放大率中的改变是非远心模式中相对物体位移之间的支配几何改变，表征整个像场的规格化斜率M可以被用于在初始相对物体位置Z 2 处的两个模式的测量之后的最佳焦点位置的第一估计量中。任何显著横向色差的影响还可以贯穿场被类似地规格化为对应于最佳焦点位置处的模式之间的放大率中的简单差的
。因此，可以如下计算相对物体位移Z 2 - Z 1 的第一估计量：
虽然针对斜率M和/或偏移
的规格化值的使用提供了比基于缩放到像场中的不同径向位置的斜率m r 和偏移
的估计量更粗略的最佳焦点位置的估计量，但是在一些情况下更粗略的估计量可能足够准确以将物体24相对定位在足够接近于最佳焦点位置以根据需要操作测量机器10。例如，更粗略的估计量可能足够准确以适应远心成像系统的放大率中的改变（例如较低放大率的10倍），其将景深压缩达10倍或更多，而不需要对焦点位置的任何更精细调节以保持在较窄景深内。
可以在估计的焦点位置Z 2 处以非远心模式进行图像高度的第二测量以确认估计量的准确度。如果准确度不够，则可以根据在两个相对位移物体位置Z 1 和Z 2 中进行的测量来计算经验定义的斜率m r ，并且计算的斜率m r 可以被用来计算到最佳焦点位置的进一步的相对物体位移Z 3 - Z 2 ，如以上描述的那样。
尽管在任何一个相对物体位置处在远心模式中的图像高度或大小的单个测量可以表示在远心模式中在不同相对物体位置处的相同特征的图像高度或大小测量，但是为了确认或可能提高准确度的目的，可以以远心模式在不同相对物体位置处对相同物体特征进行附加测量。
代替在（a）校正范围内的峰值波长与（b）校正范围之外的峰值波长之间移位相同光源的峰值波长，在远心和非远心模式中为了照明的目的可以使用不同波长光源（例如，不同颜色的LED或具有不同仓（bin）号的LED）。即，在远心模式中可以使用一个灯或灯的集合，并且在非远心模式中可以使用另一个灯或灯的不同集合。可以增加模式之间的波长差，特别是对于估计具有窄景深的远心成像系统的最佳焦点位置，只要可以以需要的准确度进行非远心模式中的图像高度的测量。虽然通常预期由光源产生的波长在可见光范围内，但是也可以使用超出可见光范围的波长，其中远心成像系统中的一个或多个透镜元件的折射率随着波长中的改变而变化，以支持远心成像系统在非远心模式中的操作。
除了变化照明的波长之外，还可以作出其他改变以在非远心模式中操作另外的远心成像系统。例如，可以改变一个或多个光学部件、光学部件的部分或光学部件之间的介质的折射率，使得远心成像系统不再是远心的，并且因此，测量的图像高度贯穿景深随着物距变化。一些光学材料在暴露于电场时展现折射率中的改变。例如，某些结晶固体展现所谓的Pockels效应，并且其他光学材料可以有效经受所谓的Kerr效应。还已知温度和压力影响光学材料的折射率。尽管远心与非远心模式之间的改变优选地在没有机械运动的情况下完成以避免对准或滞后问题，但是电聚焦可调透镜是可用的，其响应于控制电流来改变透镜半径。光学器件还可以被移动到光路中以及从光路中移出或者沿着远心成像系统的光路的位置之间移动以在远心与非远心模式之间切换。
虽然以上描述的方法和装置通常通过估计远心透镜与旨在由透镜成像的物体之间的最佳焦点位置，但是估计量可以用于除将物体相对调节到最佳焦点位置以外的其他目的。例如，估计量还可以用作测距仪以确定物体距透镜的距离，诸如用于确保存在足够间隙以相对移动或移除物体。
虽然考虑的光学系统包括可转换用于在远心和非远心模式两者中使用的远心成像系统和用于捕获图像信息的传感器，但是系统还优选地提供用于测量物体特征的成像高度或大小，用于将物体沿着延伸穿过景深的Z轴相对于远心成像系统相对位移，并且用于测量或以其他方式量测沿着Z轴的相对运动的量。优选地，考虑的光学系统是光学测量机器的部分，所述光学测量机器已经配备有远心计量相机、机动Z轴的测量和在用于解释由相机成像的物体特征的图像高度或大小的算法的控制下操作的处理器。除了以非远心模式操作它们的远心相机之外，光学测量机器还可以被操作用于如最初设计和校准的那样进行测量，同时执行以上描述的用于估计针对机器的最佳焦点位置的程序。根据此类机器的通常编程，程序可以通过调用预先编程的例程来自动或半自动地执行。尤其适用于本文中的目的的测量机器系列的一个示例是在New York的Rochester制造的来自Optical GagingProducts的SNAP大视场数字测量机器。
尽管旨在用于参考最佳焦点位置的物体优选地包含经受通过远心成像系统的测量的可成像特征，但是可以通过将网格投影到物体上并且通过测量网格的成像特征（例如，点或线）来相对于最佳焦点位置参考具有小对比度的高反射部分。
根据针对本发明提供的教导，以上公开的实施例的变型、实施例内的特征和提议的替代方案以及它们在其他系统和环境中的应用对本领域技术人员而言将是显而易见的。
Claims (31)
1.一种聚焦测量机器的远心成像系统的方法，包括以下步骤：
在远心操作模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像，在所述远心操作模式中，成像特征的大小贯穿景深随着物体的相对位移保持恒定；
在非远心操作模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像，在所述非远心操作模式中，成像特征的大小贯穿景深作为物体的相对位移的函数变化；
获取表征函数的值，成像特征的大小根据所述函数贯穿景深随着物体的相对位移变化；
将在远心和非远心模式中的物体的特征的图像的测量值彼此相关并且与表征成像特征的大小根据其贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的获取值相关，作为物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量；以及
使物体相对于远心成像系统相对位移达到物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
2.如权利要求1所述的方法，包括以下步骤
使物体在景深内相对位移达到已知量，以及
在物体的相对位移位置处在非远心模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像。
3.如权利要求2所述的方法，其中通过远心成像系统测量物体的特征的图像的步骤包括测量成像特征的大小，并且包括以下步骤：比较在非远心模式中在物体的相对位移位置之间的成像特征的大小中的测量变化与物体在景深内的已知相对位移，用于定义表征成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的值。
4.如权利要求1所述的方法，其中获取表征成像特征的大小根据物体的相对位移的变化的函数的值的步骤包括访问预先定义的值。
5.如权利要求4所述的方法，其中预先定义的值是存储在查找表或数学表示中的多个预先定义的值中的一个，并且预先定义的值随着在像场内的径向位置变化以表示在非远心模式中随着物体的相对位移的放大率中的不同的改变的速率。
6.如权利要求4所述的方法，包括以下进一步的步骤：在物体的相对位移位置处在非远心模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像，作为最佳焦点位置的第一估计量。
7.如权利要求6所述的方法，其中通过远心成像系统测量物体的特征的图像的步骤包括测量成像特征的大小，并且包括以下步骤：比较在非远心模式中在物体的相对位移位置之间的成像特征的大小中的测量变化与物体通过该物体被相对位移的估计相对位移，以获取表征成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的细化值。
8.如权利要求7所述的方法，包括以下进一步的步骤
将在相对位移位置处的在远心模式中的成像特征的大小和在非远心模式中的成像特征的大小彼此相关并且与表征成像特征的大小根据该物体贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的细化值相关，作为物体从最佳焦点位置的相对位移的更精细估计量，以及
将物体相对于远心成像系统相对位移达到物体从最佳焦点位置的相对位移的更精细估计量。
9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，包括以下步骤
发出用于照明物体的第一光束，由此在远心模式中的物体的特征的图像借助在波长的范围内的光束的标称波长形成，远心成像系统在所述波长的范围处被校正以维持远心度，以及
发出用于照明物体的第二光束，由此在非远心模式中的物体的特征的图像借助在波长的范围外的标称波长形成，远心成像系统在所述波长的范围处被校正以维持远心度。
10.如权利要求9所述的方法，其中第一和第二光束从公共光源发出，并且其中发出第二光束的步骤包括改变到光源的电流的量。
11.如权利要求9所述的方法，其中校正范围外的波长使物体的特征的图像经受色差，并且其中色差的轴向分量改变远心成像系统内的光学器件的焦距，使得成像系统的孔径光阑不再定位在后焦点处。
12.如权利要求11所述的方法，其中远心成像系统以非远心模式操作的波长足够接近于远心成像系统被设计成以远心模式操作的波长的范围，使得主要影响是像点在像场内的位移，而没有影响测量远心和非远心模式两者中的景深重叠的区域内的图像特征大小的能力的锐度中的显著损失。
13.一种用于聚焦测量机器的远心成像系统的聚焦系统，包括：
相机，其包括远心成像系统和检测器，由远心成像系统中继的图像在所述检测器上形成；
相机关于用于测量的物体可沿着远心成像系统的光轴相对移动的；
远心成像系统是在远心模式中可操作的，在所述远心模式中，物体的成像特征的大小贯穿景深随着物体的相对位移保持恒定；
远心成像系统还是在非远心模式中可操作的，在所述非远心模式中，成像特征的大小贯穿景深作为物体的相对位移的函数变化；
远心成像系统是在远心与非远心模式之间可调节的；
处理器，其被布置用于从由检测器在远心和非远心模式两者中捕获的图像提取成像特征的大小测量结果；并且
处理器还被布置用于将在远心和非远心模式中的成像特征的大小的测量值彼此相关并且与成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数相关，作为物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
14.如权利要求13所述的聚焦系统，进一步包括：
照明器，其用于借助由远心成像系统收集的光来照明物体，用于将物体成像到检测器上，其中
照明器被布置用于发出具有第一峰值波长的光，所述第一峰值波长在远心成像系统被校正的波长的范围内，用于在远心模式中操作远心成像系统，并且
照明器被布置用于发出具有第二峰值波长的光，所述第二峰值波长在远心成像系统被校正的波长的范围外，用于在非远心模式中操作远心成像系统。
15.如权利要求14所述的聚焦系统，其中照明器是在以第一峰值波长发出光与以第二峰值波长发出光之间可调节的，用于在远心与非远心模式之间调节远心成像系统。
16.如权利要求13到15中的任一项所述的聚焦系统，其中处理器被布置用于访问关于成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的存储数据。
17.如权利要求16所述的聚焦系统，其中存储数据与光轴的径向距离不同以适应在非远心模式中的图像特征的一部分失真。
18.如权利要求13到15中的任一项所述的聚焦系统，其中处理器根据算法操作，机器通过算法被操作用于
在相机与物体之间的相同相对位置处在远心和非远心操作模式两者中通过远心成像系统捕获物体的特征的图像，
在景深内沿着光轴相对于相机将物体相对位移达到已知距离，以及
在物体相对于相机的相对位移位置处在非远心模式中捕获物体的特征的另一个图像。
19.如权利要求18所述的聚焦系统，其中处理器根据进一步的算法操作用于
测量捕获的图像内的特征的大小，以及
比较在非远心模式中的在物体的相对位移位置之间的成像特征的测量大小中的变化与在景深内的物体的已知相对位移，用于定义表征成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的值。
20.如权利要求13所述的聚焦系统，其中处理器被布置成引导物体相对于相机的相对位移达到物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
21.一种测量远心成像系统的最佳焦点位置的方法，包括以下步骤：
在远心操作模式和非远心操作模式两者中通过远心成像系统测量物体的特征的图像，其中在远心模式中，成像特征的大小贯穿景深随着物体的相对位移保持恒定，并且其中在非远心模式中，成像特征的大小贯穿景深作为物体的相对位移的函数变化；以及
将在远心和非远心模式中的物体的特征的图像的测量值彼此相关并且与成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数相关，作为物体从最佳焦点位置的相对位移的估计量。
22.如权利要求21所述的方法，其中在远心模式中的物体的特征的图像借助在远心成像系统被校正以维持远心度的波长的范围内的标称波长形成，并且其中在非远心模式中的物体的特征的图像借助在远心成像系统被校正以维持远心度的波长的范围外的标称波长形成。
23.如权利要求22所述的方法，其中通过远心成像系统测量物体的特征的图像的步骤包括以下子步骤：将从光源输出的峰值波长从在远心成像系统被校正以维持远心度的波长的范围内的标称波长改变为在远心成像系统被校正以维持远心度的波长的范围外的标称波长。
24.如权利要求23所述的方法，其中改变峰值波长的子步骤包括改变到LED光源的电流的量。
25.如权利要求22到24中的任一项所述的方法，其中在校正范围外的波长将色差引入到物体的特征的图像中，并且其中色差的轴向分量改变远心成像系统内的光学器件的焦距，使得成像系统的孔径光阑不再定位在后焦点处。
26.如权利要求21所述的方法，包括以下步骤
使物体在景深内相对位移达到已知量，以及
在物体的相对位移位置处在非远心模式中通过远心成像系统测量物体的特征的图像。
27.如权利要求26所述的方法，其中通过远心成像系统测量物体的特征的图像的步骤包括测量成像特征的大小，并且包括以下步骤：比较在非远心模式中的在物体的相对位移位置之间的成像特征的大小中的测量变化与景深内的物体的已知相对位移，用于定义表征成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的值。
28.如权利要求25所述的方法，其中局部放大率由于色差的轴向分量随着距最佳焦点位置的物距变化，并且放大率由于色差的横向分量在最佳焦点位置处改变。
29.如权利要求28所述的方法，其中相关的步骤提供用于识别物体的相对位移的量，由此预期在非远心模式中测量的物体的特征的图像至少近似展现由色差的横向分量引起的放大率改变。
30.如权利要求21到24中的任一项所述的方法，其中相关的步骤包括访问表征成像特征的大小根据该物体的贯穿景深随着物体的相对位移变化的函数的一个或多个预先定义的值。
31.如权利要求30所述的方法，其中预先定义的值被存储在查找表中并且随着像场内的径向位置变化以表示在非远心模式中随着物体的相对位移的放大率中的不同的改变的速率。
Applications Claiming Priority (3)
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