CN111380470B - 利用机器视觉检查系统测量工件表面的z高度值的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用机器视觉检查系统来测量工件表面的Z高度值的方法，包括：利用结构化光照射工件表面，收集工件的图像的至少两个堆栈，每个堆栈包括在每个堆栈中对应的Z高度处的、结构化光和工件表面之间的不同X‑Y位置，以及基于与在X‑Y平面中的相同工件位置相对应且处于相同Z高度的像素的强度值的集合来确定Z值。在图像的每个堆栈中，以比Z高度慢的速率改变X‑Y位置，并且X‑Y位置或者在至少两个堆栈中的每个堆栈期间以比Z移位慢的速率连续改变，或者在至少两个堆栈中的每个堆栈期间固定为不同的值。

Description

利用机器视觉检查系统测量工件表面的Z高度值的方法
技术领域
本公开涉及使用非接触式工件表面测量(例如，在机器视觉检查系统中)的精密计量，并且更具体地，涉及测量Z高度的集合。
背景技术
精密非接触式计量系统，诸如精密机器视觉检查系统(或简称为“视觉系统”)，可用于获得物体的精密维度测量和检查各种其他物体特性，并且可包括计算机、相机和光学系统、以及可移动以允许工件遍历和检查的精密平台。一种示例性现有技术系统是可从位于伊利诺伊州的奥罗拉市的三丰美国公司(MAC)获得的QUICK
Figure BDA0002310375580000011
系列的基于PC的视觉系统和
Figure BDA0002310375580000012
软件。QUICK
Figure BDA0002310375580000013
系列的视觉系统和
Figure BDA0002310375580000014
软件的功能和操作例如在2003年1月发布的《QVPAK 3D CNC视觉测量机用户指南》中作了一般性描述，其全部内容通过引用合并于此。这种类型的系统使用显微镜型光学系统并且移动平台，以提供小的或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，以提供自动视频检查。这样的系统通常包括GUI功能和预定义的图像分析“视频工具”，以便可以由“非专家”操作员执行操作和编程。例如，美国专利编号6,542,180(其全部内容通过引用合并于此)教导了一种视觉系统，该视觉系统使用包括各种视频工具的使用的自动视频检查。
在这样的系统中，通常期望微米或亚微米范围的准确度。对于Z高度测量而言，这尤其具有挑战性。Z高度测量(沿相机系统的光轴)通常是从诸如由自动聚焦工具确定的位置的“最佳聚焦”位置得到的。确定最佳聚焦位置是通常取决于组合和/或比较从多个图像中得到的信息的相对复杂的过程。因此，对于Z高度测量实现的精度和可靠性水平通常比对于X和Y测量轴实现的精度和可靠性水平低，在X和Y测量轴上，测量通常基于单个图像内的特征关系。近来，将通常被称为“结构化照明显微镜”(Structured IlluminationMicroscopy，SIM)方法的已知技术结合到显微测量和检查系统中，以便将其测量分辨率和/或准确度提高到超出一般与简单成像相关联的光学极限(例如，提高到微米和亚微米级)。Ekstrand和Zhang在“Optical Engineering 50(12)，123603(2011年12月)”中的文章“Autoexposure for three-dimensional shape measurement using a digital-light-processing projector”中公开了一种这样的系统。白光干涉仪(White LightInterferometer,WLI)系统可以提供类似的测量能力。在美国专利公开编号20160131474A1中公开了一种这样的系统。
利用SIM或WLI技术的系统提供了良好的测量分辨率和/或准确度，但速度通常很慢。期望提供一种用于以提高的速度进行工件表面的三维测量的系统。
发明内容
提供本发明内容是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
一种利用机器视觉检查系统测量工件表面的Z高度值的方法，包括：利用结构化光照射工件表面，该结构化光在至少一个方向上具有高空间频率内容(例如，具有较小的周期)；收集工件的图像的至少两个堆栈(stack)，每个堆栈包括在每个堆栈中对应的Z高度处的、结构化光和工件表面之间的不同X-Y位置；以及基于与X-Y平面中相同工件位置相对应且处于相同Z高度的像素的强度值的集合来确定Z值。在图像的每个堆栈中，以比Z高度慢的速率改变X-Y位置。X-Y位置或者在至少两个堆栈中的每个堆栈期间以比Z移位慢的速率连续改变，或者在至少两个堆栈中的每个堆栈期间固定为不同的值，其中在连续的Z移位中收集每个堆栈。
附图说明
图1是示出通用精密机器视觉检查系统的各种典型组件的图。
图2是类似于图1的机器视觉检查系统并且包括本文公开的某些特征的机器视觉检查系统的控制系统部分和视觉组件部分的框图。
图3A是包括图2所示的结构化照明图案生成器的一种示例性实施方式的框图。
图3B示出了结构化照明图案生成部分。
图3C示出了结构化照明图案生成部分。
图3D示出了机器视觉检查系统的替代实施方式的一部分。
图4A和图4B是示出根据本文公开的原理的机器视觉检查系统的一部分的第一实施方式和工件的图。
图5是示出通过诸如图4A和图4B中所示的机器视觉检查系统所测量的工件表面的图像的对比度度量和Z高度之间的关系的图。
图6是示出通过根据本文公开的原理的机器视觉检查系统的第二实施方式照射的工件的一部分的图。
图7是示出通过根据本文公开的原理的机器视觉检查系统的第三实施方式照射的工件的一部分的图。
图8是示出通过根据本文公开的原理的机器视觉检查系统的第四实施方式照射的工件的一部分的图。
图9是示出利用根据本文公开的原理的机器视觉检查系统来测量工件表面的Z高度值的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本文描述的方法可用作成像系统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。应理解，在各种实施方式中，触摸屏平板电脑等可以代替和/或冗余地提供任何或所有元件14、16、22、24和26的功能。
本领域技术人员将理解，控制计算机系统14通常可以使用包括分布式或联网的计算环境等的任何合适的计算系统或设备来实施。此类计算系统或设备可以包括一个或多个通用或专用处理器(例如，非定制或定制设备)，其运行软件以执行本文所述的功能。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、或者这些组件的组合的存储器中。软件也可以存储在一个或多个存储设备中，诸如基于光盘的磁盘、闪存设备或用于存储数据的任何其他类型的非易失性存储介质。软件可以包括一个或多个程序模块，该一个或多个程序模块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、组件、数据结构等。在分布式计算环境中，程序模块的功能可以跨多个计算系统或设备组合或分布，并可以经由服务调用以有线或无线配置进行访问。
视觉测量机器12包括可移动的工件台32和光学成像系统34，该光学成像系统34可以包括变焦透镜或可互换物镜。变焦透镜或可互换物镜通常为由光学成像系统34提供的图像提供各种放大。在共同转让的美国专利编号7,454,053、7,324,682、8,111,905和8,111,938中也描述了机器视觉检查系统10的各种实施方式，其中每一个的全部内容通过引用合并于此。
图2是类似于图1的机器视觉检查系统并且包括本文公开的某些特征的机器视觉检查系统100的控制系统部分120和视觉组件部分200的框图。如将在下面更详细地描述的，控制系统部分120用于控制视觉组件部分200和可控结构化照明图案(StructuredIllumination Pattern，SIP)生成部分300。控制系统部分120可以被布置为与视觉组件部分200和可控SIP生成部分300两者交换数据和控制信号。视觉组件部分200包括光学配件部分205，光源220、230、240和具有中央透明部分212的工件台210。工件台210可沿x轴和y轴可控制地移动，该x轴和y轴位于通常平行于可放置工件20的平台的表面的平面中。
光学配件部分205包括相机系统260和可互换物镜250。在一些实施方式中，光学配件部分205可以可选地包括可变焦距(Variable Focal Length，VFL)透镜270，例如，诸如在美国专利编号9,143,674中公开的可调声梯度(Tunable Acoustic Gradient，TAG)，其全部内容通过引用合并于此。
在各种实施方式中，光学配件部分205还可以包括具有透镜226和228的转动台透镜(turret lens)配件223。在各种实施方式中，作为转动台透镜配件的替代，可包括固定或手动可互换的变倍透镜或变焦透镜配置等。在各种实施方式中，可互换物镜250可以选自作为可变放大率透镜部分的一部分而被包括的固定放大率物镜的集合(例如，与诸如0.5x、1x、2x或2.5x、5x、10x、20x或25x、50x、100x等的放大率相对应的物镜的集合)。
光学配件部分205可通过使用可控马达294沿着通常正交于x和y轴的z轴可控地移动，该可控马达294驱动致动器以使光学配件部分205沿z轴移动，以改变工件20的图像的焦点。如下面将更详细描述的，可控马达294经由信号线296连接到输入/输出接口130，以在较小范围内改变图像的焦点。可以将工件20放置在工件台210上。可以控制工件台210相对于光学配件部分205移动，以使得可互换物镜250的视场在工件20上的位置之间移动，和/或在多个工件20之间移动。
平台光源220、同轴光源230和表面光源240(例如，环形灯)中的一个或多个可分别发射光源光222、232和/或242，以照射一个或多个工件20。例如，在图像曝光期间，同轴光源230可以沿着包括分束器290(例如，部分反射镜)的路径发射光源光232。光源光232被反射或透射为工件光255，并且用于成像的工件光穿过可互换物镜250和转动台透镜配件223，并且被相机系统260聚集。包括一个或多个工件20的图像的工件图像曝光被相机系统260捕获，并在信号线262上输出到控制系统部分120。
各种光源(例如，光源220、230、240)可以通过关联的信号线(例如，分别通过总线221、231、241)连接到控制系统部分120的光亮控制接口(lighting control interface)133。控制系统部分120可以控制转动台透镜配件223沿轴224旋转，以通过信号线或总线223′选择转动台透镜以改变图像放大率。
如图2所示，在各种示例性实施方式中，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。这些组件中的每一个以及下面描述的附加组件可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用程序编程接口、或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、光亮控制接口133和透镜控制接口134。
光亮控制接口133可以包括光亮控制元件133a-133n，该光亮控制元件133a-133n控制例如机器视觉检查系统100的各种对应光源的选择、电源和通/断开关。光亮控制接口133还包括光亮控制元件133sip，在所示的实施例中，如下文更详细地描述，光亮控制元件133sip与结构化照明图案(SIP)生成部分300相结合地工作，以在图像获取期间提供结构化照明。
存储器140可以包括图像文件存储器部分141、可以包括一个或多个零件程序等的工件程序存储器部分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和其他视频工具部分(例如143n)，以及支持定义可在视频工具部分143中包括的各种视频工具中操作的各种ROI的自动、半自动和/或手动操作的感兴趣区域(ROI)生成器143roi。在先前的某些参考文件中、以及在美国专利编号7,627,162(其全部内容通过引用合并于此)中更详细地描述了这种用于定位边缘特征和执行其他工件特征检查操作的视频工具的操作示例。
视频工具部分143还包括自动聚焦视频工具143af，该自动聚焦视频工具143af确定用于聚焦高度测量操作的GUI、图像处理操作等。在各种实施方式中，自动聚焦视频工具143af可附加地包括高速聚焦高度工具，该高速聚焦高度工具可用于使用图3A中所描述的硬件以高速来测量聚焦高度，如美国专利编号9,143,674(其全部内容通过引用合并于此)中更详细描述的那样。在各种实施方式中，高速聚焦高度工具可以是可以另外根据用于自动聚焦视频工具的常规方法来操作的自动聚焦视频工具143af的特殊模式，或者自动聚焦视频工具143af的操作可以仅包括高速聚焦高度工具的那些操作。根据已知方法，对于一个或多个图像感兴趣区域的高速自动聚焦和/或聚焦位置确定可以基于对图像的分析以确定针对各个区域的对应的定量对比度度量。例如，在美国专利编号8,111,905、7,570,795和7,030,351中公开了这样的方法，其全部内容通过引用合并于此。
在本公开的上下文中，并且如由本领域的普通技术人员已知的，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实施的相对复杂的自动或编程操作的集合。例如，视频工具可以包括复杂的、预编程的图像处理操作和计算的集合，该图像处理操作和计算是在特定实例中通过调整管理操作和计算的一些变量或参数来应用和定制的。除了基本的操作和计算之外，视频工具还包括允许用户对于视频工具的特定实例调整这些参数的用户界面。应注意，可见的用户界面功能有时也被称为视频工具，基本的操作被隐式地包括在其中。
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以及鼠标26)可以被连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可用于显示用户界面，用户界面可以包括各种图形用户界面(GUI)特征，各种图形用户界面(GUI)特征可用来执行检查操作和/或创建和/或修改零件程序，以查看相机系统260捕获的图像和/或直接控制视觉组件部分200。
在各种示例性实施方式中，当用户利用机器视觉检查系统100以创建用于工件20的零件程序时，用户通过在学习模式下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，训练序列可以包括将代表性工件的特定工件特征放置在视场(FOV)中、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之一的实例)。学习模式进行操作，以便捕获或记录一个或多个序列并将其转换为对应的零件程序指令。当运行零件程序时，这些指令将使机器视觉检查系统再现训练的图像获取，并使检查操作自动地检查与创建零件程序时使用的代表性工件相匹配的一个或多个运行模式工件上的特定工件特征(即在对应位置的对应特征)。在一些实施方式中，这样的技术可以用于创建用于分析参考对象图像的零件程序指令，以提供在下文中更详细地描述的功能和操作。
如下面更详细地描述的，视频工具部分143还包括Z高度测量工具部分143z，其提供与Z高度测量操作有关的各种操作和特征。在一个实施方式中，Z高度测量工具部分143z可以包括Z高度工具143zt。Z高度工具143zt可以例如包括自动聚焦工具143af和多点自动聚焦工具143maf。Z高度工具143zt可以结合在基于下面进一步描述的技术确定最佳聚焦高度和/或Z高度测量的模式下配置的Z高度工具一起来管理图像堆栈获取和相关结构化光图案生成操作的某些方面。
简单地说，Z高度测量工具部分143z可以执行至少一些类似于已知Z高度测量工具的操作，例如，在学习模式和运行模式下执行操作以生成全部或部分聚焦曲线，并找到其峰值作为最佳焦点位置。下面更详细地描述作为本公开的主题的附加的Z高度测量工具操作。
图3A是示出图2的视觉系统组件部分200的一部分的框图，包括示出可以用于实施本文所公开和要求保护的各种测量方法的结构化照明图案(SIP)生成部分300的一种示例性实施方式的附加细节。在所示的实施方式中，结构化照明图案(SIP)生成部分300包括SIP光学部分360、光生成器310、空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)350以及SIP控制器330，空间光调制器(SLM)350包括以各种图案配置为创建透射和/或阻挡的光的图案的可控像素阵列351。SIP控制器330可以包括定时和同步部分(Timing and SynchronizationPortion,TSP)336以及SLM控制器部分332，SLM控制器部分332可以包括灰度图案定序器332′。SLM控制器部分332可以例如分别通过信号线或总线334、333和338连接到SLM 350和光生成器310以及TSP 336。
在操作中，光生成器310可以通过SIP光学部分360的第一部分发射光314，使得其被适当地配置(例如，准直)以照射SLM 350的像素阵列351的照明区域。SLM 350可以然后通常根据已知方法来透射、部分透射或阻挡光，以沿着光学路径透射或投射期望的图案通过SIP光学部分360的其余部分。如图3A所示，投射的图案从SIP光学部分360输出以输入到分束器290，在那里它作为同轴光被引导通过物镜250以提供SIP结构化光232′来照射视场。
在一些实施方式中，SLM 350可以包括透射型LCD类型的阵列，诸如总部位于英国苏格兰法夫郡达尔盖蒂湾的Forth Dimension Displays的微显示器图形阵列，其包括通常可以通过常规的视频信号来控制的LCD像素阵列(如果需要的话)，并且可以用来显示电子生成的8位灰度图案，该图案可以透射、部分透射或阻挡光314通过该图案的任何给定像素，取决于其灰度值。然而，本文公开的方法可以用于增强与SLM 350相关联的某些优点，该SLM350包括可以提供期望图案中的可控光偏转的、任何现在已知或以后开发类型的可控反射快门的布置。可以使用的一种类型的可控反射快门阵列包括例如来自总部位于苏格兰法夫郡达尔盖蒂湾的Forth Dimension Displays的硅基液晶(Liquid Crystal On Silicon，LCOS)微显示器产品。下文描述的各种实施方式通常结合作为数字微镜器件(DigitalMicro mirror Device，DMD)的另一类型的阵列。DMD和相关组件可以例如从得克萨斯州普莱诺的德州仪器DLP(Digital Light Process，数字光处理)产品获得。DLP通常代表数字光处理，其与以下事实相关联：DMD设备中的阵列元件处于“通(on)”位置或“断(off)”位置，并且投射/透射的灰度图案必须随着时间而生成为叠加二进制图案的累积序列。例如，可以使用灰度图案将棋盘格强度图案实施为强度的二进制变化或强度的正弦变化。
在各种实施方式中，光生成器310可以在操作的频闪照明模式下使用，以在合适的光学功率水平下提供非常快的光生成器响应时间(在μs或ns范围内)的组合。光生成器310的一个示例可以包括一个或多个高强度发光二极管(LED)，诸如可从加利福尼亚州圣何塞的Philips Lumileds Lighting Company获得的LuxeonTM产品线中的LED之一。
在图3A所示的实施方式中，SLM 350可以是可商购的DMD，并且SLM控制器部分332可以是配套的数字控制器芯片，诸如可从如上所述的德州仪器DLP产品获得的芯片组。
图3B示出了包括SIP光学部分360′的结构化照明图案生成部分300′，其可以用作结构化照明图案生成部分300的替代。如图3B所示，在各种替代实施方式中，根据本文公开的原理配置的机器视觉检查系统可以包括结构化照明图案生成部分300′，结构化照明图案生成部分300′包括SIP光学部分360′，SIP光学部分360′包括掩模元件370，该掩模元件370可以是玻璃掩模上的铬，或一组孔，诸如放置在与物镜250的物平面共轭的平面中的狭缝或针孔。在各种实施方式中，SIP光学部分360′可以包括压电元件371，该压电元件371用于使掩模元件370移动，以便在X-Y平面中移位结构化光232′。
图3C示出了包括SIP光学部分360″的结构化照明图案生成部分300″，结构化照明图案生成部分300″可以用作结构化照明图案生成部分300的替代。SIP光学部分360″与SIP光学部分360′的相似之处在于它包括掩模元件370。然而，在一些实施方式中，SIP光学部分360″可以包括光束移位器元件372，该光束移位器元件372插入光束的准直或几乎准直的部分中，以在X-Y平面中移位结构化光232′。光束移位器元件的示例包括可从美国新泽西州牛顿市的Thorlabs获得的“Tweaker Plates”(例如，零件编号XYT-A)。应当理解，本领域中已知的其他光束移位元件可以在结构化光生成之后并且在分束器290之前被插入光束的类似的准直或几乎准直的部分中，作为光束移位的手段。
应当理解，在SIP光学部分包括掩模元件的替代实施方式中，如下面进一步详细描述的那样，掩模元件可以是固定的并且可能不需要光束移位器元件。
图3D示出了机器视觉检查系统200′的替代实施方式的一部分，机器视觉检查系统200′类似于机器视觉检查系统200并且附加地包括VFL透镜270，诸如TAG透镜。
图4A和图4B是示出根据本文公开的原理的机器视觉检查系统400的一部分的第一实施方式和工件20′的图。更具体地，图4A和图4B示出了在由物镜450接收的两个图像堆栈的收集期间、在不同时间的工件20′上的结构化光232′的两个实例。
在操作中，机器视觉检查系统400被配置为用在至少一个方向上具有周期性的结构化光232′照射工件表面20′。如图4A和图4B所示，结构化光232′在工件表面20′上形成检测到的对焦(in-focus)照明图案232a′。机器视觉检查系统400被配置为收集工件20′的图像的至少两个堆栈，每个堆栈包括在每个堆栈中对应的Z高度处的、结构化光和工件表面20′之间的不同X-Y位置，其中在图像的每个堆栈中，以比Z高度慢的速率改变X-Y位置。在使用SIM或共焦技术的已知系统中，例如在本文引用的美国专利编号9,568,304所公开的系统中，周期性结构化光的相位可以对于Z高度的每个步长或Z高度的每几个步长而循环。在根据本文公开的原理而配置的系统中，存在图像的至少两个堆栈以及比图像堆栈更少的结构化光232′的X-Y位置的循环。在为进行测量而收集的图像堆栈的总数上，可能只有结构化光232′的X-Y位置的一个循环。在图4A和图4B所示的示例中，在图像堆栈的总数上，存在X-Y位置的一个循环，该循环的前半部分从初始X-Y点(X1,Y1)开始，而该循环的后半部分在X-Y中开始移位到点(X1,Y1)+ΔXY。因此，“较慢的速率”可以理解为具有更少的循环。注意，在下面的一些讨论中，在进行Z高度测量时执行的X-Y中移位的循环被描述为“路径”。
在图4A和图4B所示的示例中，在至少两个堆栈中的每个堆栈期间，X-Y位置以比Z移位慢的速率连续改变，这导致在给定的图像堆栈中照明图案232a′在结构化光232′相对于Z高度处的工件20′的位置中的移位。在图4B所示的示例中，在第二图像堆栈的收集期间，结构化光232′移位达值ΔXY。值ΔXY可以理解为沿着X方向在照明图案232a′内具有相同的照明强度的相对相位的示例点(X1,Y1)和示例点(X2,Y2)之间的差，对应于与图4A相对应的图像堆栈和与图4B相对应的图像堆栈之间的结构化光232′的偏移。机器视觉检查系统400被配置为基于与在相同的Z高度处的X-Y平面中的相同工件位置相对应的像素的强度值的集合来确定Z值。在图4A中，在开始收集第一图像堆栈时，通过照明图案232a′的亮条纹照射示例点(X1,Y1)处的工件20′的凹入部分的底部，并且在图4B中，在第二图像堆栈开始时，通过照明图案232a′的暗条纹照射示例点(X2,Y2)处的工件的凹入部分的底部，因此在比较两个图像堆栈时在这一点上实现了高对比度。
应当理解，移位到结构化光232′和工件表面20′之间的不同的X-Y位置可以包括保持工件20′在相同的位置的同时，在X-Y平面中移位结构化光232′(如图4A和4B所示)，或者保持结构化光232′在相同的位置的同时，在X-Y平面上移位平台(例如平台32)(并且因此移位工件20′)。在移动平台的情况下，应当理解，用于确定Z高度的强度值来自与X-Y平面中的相同工件位置相对应的不同像素，而在移动结构化光232′的情况下，用于确定Z高度的强度值来自同一像素。在移动平台的情况下，还应理解，值ΔXY的选择可以允许通过设置结构化光周期的不同相位来允许测量的良好的对比度，并且值ΔXY的选择还应足够大使得可以在平台的连续运动中实现平滑度和均匀度。换句话说，ΔXY可以等于整数个结构化光周期(以允许平台的连续运动)加上分数周期(以改变第二图像堆栈的结构化光的相位)。
在结构化光232′在X-Y平面中移位的一些实施方式中，改变X-Y位置可以包括利用空间光调制器(例如，SLM 350)移动结构化光232′的X-Y位置。在一些实施方式中，改变X-Y位置可以包括利用掩模平移结构化光232′的X-Y位置(例如，通过利用压电元件371移位掩模元件370)。在一些实施方式中，改变X-Y位置可以包括利用掩模旋转结构化光的X-Y位置(例如，通过利用压电元件371旋转掩模元件370)。在一些实施方式中，改变X-Y位置可以包括按光束位移量移动结构化光的X-Y位置(例如，利用光束移位器元件372)。
机器视觉检查系统400提供了一种用于以高准确度测量工件表面的Z高度的手段，但是与可比较的SIM或WLI测量系统相比具有提高的速度。
如图4A和图4B所示，结构化光232′沿X轴方向具有空间相位周期P。在各种实施例中，空间相位周期P可以对应于在机器视觉检查系统400的图像检测器(例如，相机系统260)上成像的少于20个像素并且多于一个像素。
如图4A所示，由于结构化光232′的X-Y位置在收集图像堆栈期间连续移位，因此机器视觉检查系统400具有由有效视场FOVeff表示的减小的视场，其对应于在收集图像堆栈期间结构化光232′在其上移动的X-Y平面中的范围。
应当理解，收集图像的至少两个堆栈可以包括使光学配件部分的聚焦高度的Z位置相对于工件20′移位，并且这可以以不同的方式来实现。在一些实施方式中，收集图像的至少两个堆栈可以包括使用内部压电元件(例如，作为可控马达294的替代)来改变机器视觉检查系统的光学配件部分的聚焦高度。借助内部压电元件，嵌入式精细Z编码器或其他传感器或压电校准可以提供Z测量。在一些实施方式中，收集图像的至少两个堆栈可以包括使用可变焦距透镜(例如，VFL透镜270)来改变机器视觉检查系统的光学配件部分的聚焦高度。VFL透镜270或参考聚焦传感器的聚焦位置的校准可以提供Z测量。可替代地，在一些实施方式中，收集图像的至少两个堆栈可以包括通过移动平台来移位工件20′的Z位置，在该平台上嵌入式编码器进行Z测量。
应当理解，在一些实施例中，Z移位可以在正方向上。在其他实施例中，Z移位可以在负方向上。在其他实施例中，Z移位可以先后在两个方向上。
图5是示出通过诸如图4A和图4B中所示的机器视觉检查系统所测量的工件表面的图像的对比度度量和Z高度之间的关系的图。
在各种实施方式中，确定Z值可以包括计算与相同的Z高度相对应的强度值的对比度度量，以及基于与具有最大对比度度量的像素强度值的集合相对应的Z高度来确定Z高度值。对于与用索引j表示的工件上的X-Y位置相对应的Z高度的集合，存在至少两个与索引i相对应的图像堆栈。在一些实施方式中，可以通过来自所述至少两个图像堆栈的像素强度值的标准偏差来确定与点(Xj，Yj，Zj)相对应的对比度度量Cj：
Cj＝σi(Ii(Xj，Yj，Zj)) 公式1
可以将与Cj的最大值相对应的点(Xj，Yj，Zj)确定为在X-Y平面中的点(Xj，Yj)处的工件表面的Z高度测量。如图5所示，对比度度量Cj可以相对于Z具有大致高斯形状。表示为Zmeas的Z高度对应于该曲线的峰值，该曲线的峰值可以理解为代表X-Y平面中的特定点(Xj，Yj)处的工件表面的Z高度。应当理解，存在测量对比度(诸如在每个特定(Xj，Yj，Zj)点的图像堆栈的集合当中的最小和最大强度的变化或差异)的其他方式。取决于所选图像堆栈中要获取的对比度变化内容和对比度度量，周期性强度结构可以驻留在对比度曲线上，这将允许子插值算法类似于应用于白光干涉条纹的那些算法。
图6是示出由根据本文公开的原理的机器视觉检查系统600的第二实施方式照射的工件的一部分的图。如图6所示，机器视觉检查系统600被配置为用呈棋盘格图案形式的结构化光632′照射工件表面。
图6示出了三条路径610A、610B和610C，用于在不同图像堆栈期间改变结构化光632′和工件表面之间的X-Y位置，其中在至少两个图像堆栈中的每个图像堆栈期间将X-Y位置固定为不同的值。每条路径示出了与图像检测器(例如，相机系统260)上的单个像素相对应的位置(其对应于工件表面上的X-Y位置)的正方形。在这种情况下，如果X-Y位置是检测器像素大小的整数倍，则在工件移动以产生XY移位的情况下，最近邻插值足以对齐图像堆栈，因此用于确定Z高度的强度值来自不同的像素。在X-Y位置不是整数倍并且工件移动以产生X-Y移位的情况下，可以使用线性插值。通过以任意选择的顺序在每个正方形处收集图像堆栈以做出路径来进行Z高度测量。第一路径610A示出了正方形形状的路径，其中收集了四个图像堆栈，每个图像堆栈对应于结构化光632′和工件表面(其对应于正方形)之间的不同的X-Y位置。第二路径610B示出了矩形形状的路径，其中收集了六个图像堆栈，每个图像堆栈对应于结构化光632′和工件表面(其对应于矩形)之间的不同的X-Y位置。第三路径610C示出了“骑士路线”(“knight′s course”)路径，其中收集了五个图像堆栈，每个图像堆栈对应于结构化光632′和工件表面之间的不同的X-Y位置。在这种情况下，X-Y位置被理解为5x5正方形网格(由实心正方形表示)的子集，其中包括网格的中心和相对于中心有移位的4个附加点，这可以理解为对应于棋类游戏中骑士块的移动，即在一个方向(例如X轴方向)上移位两个正方形，在垂直方向(例如Y轴方向)上另外移位一个正方形。
期望的路径需要在机器视觉检查系统的整个视场中以最强的对比度和最小的对比度变化来收集最少数量的图像堆栈，只需要在X-Y位置的很少的移位即可。对于连续运动，这可以通过平滑变化的路径(诸如圆形或圆角矩形)来提供。例如，可以通过旋转倾斜的光束移位器元件来实现移位X-Y位置的圆形路径。
在根据图6布置的各种实施方式中，路径610A可以提供具有最小值0和最大值0.47的归一化的标准偏差值。路径610B可以提供具有最小值0.2和最大值0.58的归一化的标准偏差值。路径610C可以提供具有最小值0.242和最大值0.285的归一化的标准偏差值。路径610A不是期望的，因为在对比度方差为0的视场中将丢失测量数据。路径610C是期望的，因为它提供比路径610B大的最小对比度，并且整个视场的对比度方差是这三个示例中最小的，较小的对比度方差将使任何视场相关的测量误差最小化。
图7是示出由根据本文公开的原理的机器视觉检查系统700的第三实施方式照射的工件的一部分的图。如图7所示，机器视觉检查系统700被配置为用呈棋盘格图案形式的结构化光732′照射工件表面。结构化光732′与图6所示的结构化光632′相似，但是它相对于X轴和Y轴旋转了非零的角度。
图7示出了三条路径710A、710B和710C，用于在不同图像堆栈期间改变结构化光732′和工件表面之间的X-Y位置，其中，在每个堆栈期间，X-Y位置根据不同的固定值而改变。每条路径示出了与图像检测器(例如，相机系统260)上的单个像素的位置(其对应于工件表面上的X-Y位置)相对应的正方形。参考图6分别描述的三条路径610A、610B和610C可以被参考以理解三条路径710A、710B和710C。
在根据图7布置的各种实施方式中，路径710A可以提供具有最小值0和最大值0.44的归一化的标准偏差值。路径710B可以提供具有最小值0.1和最大值0.38的归一化的标准偏差值。路径710C可以提供具有最小值0.25和最大值0.35的归一化的标准偏差值。
图8是示出由根据本文公开的原理的机器视觉检查系统800的第四实施方式照射的工件的一部分的图。如图8所示，机器视觉检查系统800被配置为用呈棋盘格图案形式的结构化光832′照射工件表面。结构化光832′与图6所示的结构化光632′相似(即具有棋盘格图案)，但是在X-Y平面中沿路径810A移位。在该示例中，路径810A是矩形的。与X-Y移位的一个循环相对应的该路径810A的一个环行(circuit)导致收集8个图像堆栈和完成Z高度测量。
在一个实施方式中，可以在代表结构化光832′的位移的点820A的集合中的每个点处收集整个图像堆栈，并且结构化光832′可以在每个图像堆栈之间移位到该点的集合的下一个实例。在另一实施方式中，结构化光832'可以在每个图像堆栈期间沿路径810A连续地移动。每个图像堆栈的收集的起点开始于在点的集合中的每一个处收集的、与相同的Z高度相对应的第一图像，并且在棋盘图案沿着路径810A移动到点820A的集合中的下一个点之前完成每个图像堆栈的收集。
应当理解，具有在点820A的集合处收集的图像的路径810A将给出任何点处的某些对比度，并且针对点820A的集合中的每一个，减小机器视觉检查系统800的整个视场上的对比度变化。
图9是示出了利用根据本文公开的原理的机器视觉检查系统来测量工件表面的Z高度值的方法的流程图900。
在方框910，利用结构化光照射工件表面，该结构化光在至少一个方向上具有高空间频率内容。
在方框920，收集工件的图像的至少两个堆栈，每个堆栈包括在每个堆栈中对应的Z高度处的、结构化光和工件表面之间的不同X-Y位置，其中在图像的每个堆栈中，以比Z高度慢的速率改变X-Y位置，并且其中X-Y位置：
a)在至少两个堆栈中的每个堆栈期间以比Z移位慢的速率连续改变；或者
b)在至少两个堆栈中的每个堆栈期间固定为不同的值，其中在连续的Z移位中收集每个堆栈。
在方框930，基于与在X-Y平面中的相同工件位置相对应且处于相同Z高度的像素的强度值的集合来确定Z值。
本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请均通过引用整体并入本文。如果需要采用各种专利和申请的概念来提供进一步的实施方式，则可以修改实施方式的各方面。
可以根据上述详细描述对实施方式进行这些和其他改变。通常，在权利要求书中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施方式，而应解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求所享有的等效形式的全部范围。

Claims (14)

1.一种利用机器视觉检查系统来测量工件表面的Z高度值的方法，所述方法包括：
利用结构化光照射工件表面；
利用机器视觉检查系统的图像检测器收集工件的图像的至少两个堆栈，每个堆栈包括在每个堆栈中对应的Z高度处的在结构化光和工件表面之间的不同X-Y位置，其中在图像的每个堆栈中，以比Z移位慢的速率改变X-Y位置，并且其中X-Y位置：
a)在图像的至少两个堆栈中的每个堆栈期间以比Z移位慢的速率连续改变；或者
b)在图像的至少两个堆栈中的每个堆栈期间固定为不同的值，其中在连续的Z移位中收集每个堆栈；以及
基于与在X-Y平面中的相同工件位置相对应且处于相同Z高度的图像检测器的像素的强度值的集合来确定Z值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定Z值包括：计算与相同的Z高度相对应的强度值的对比度度量，以及基于与具有最大对比度度量的像素强度值的集合相对应的Z高度来确定Z高度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述对比度度量是标准偏差。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，改变X-Y位置包括在矩形路径中移位。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，改变X-Y位置包括在圆形路径中移位。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构化光在至少一个维度中是周期性的。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述结构化光包括条纹。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，结构化光图案在至少一个维度中具有与在所述图像检测器上成像的少于20个像素相对应的空间周期。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构化光在两个维度中是周期性的。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述结构化光包括棋盘格。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述结构化光是从空间光调制器、玻璃掩模上的铬、或针孔的集合中的一个生成的。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，收集图像的至少两个堆栈包括以下至少一项：
移动所述机器视觉检查系统的平台的Z位置；
使用内部压电元件来改变所述机器视觉检查系统的光学配件部分的聚焦高度；或者
使用可变焦距透镜来改变所述机器视觉检查系统的光学配件部分的聚焦高度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，改变X-Y位置包括以下至少一项：
移动所述机器视觉检查系统的平台的X-Y位置；
利用空间光调制器移动所述结构化光的X-Y位置；
利用掩模平移所述结构化光的X-Y位置；
利用掩模旋转所述结构化光的X-Y位置；或者
按光束位移量移动所述结构化光的X-Y位置。
14.根据权利要求2所述的方法，其中，所述对比度度量是强度的最大差。
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