CN114326140A - 利用多点自动对焦将光学组件部分的光轴对准为垂直于工件表面的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种计量系统，包括光学组件部分；调整机构，其被配置为改变光学组件部分和工件表面之间的距离和角度取向；和处理器，其配置为控制调整机构移动光学组件部分，以将工件表面定位在焦点Z自动对焦范围内；捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；基于自动对焦高度控制调整机构以使光学组件部分相对于工件表面旋转，使光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线名义上对齐，并调整光学组件部分与工件表面之间的距离；并在工件表面上执行限定的操作。

Description

利用多点自动对焦将光学组件部分的光轴对准为垂直于工件 表面的系统和方法
技术领域
本公开涉及精密计量学，更具体地，涉及使用多点自动对焦来将光轴对准垂直于工件表面，以提高将在工件表面上执行的后续操作(例如，测量操作等)的精度。
背景技术
精密计量系统，例如精密机器视觉检测系统(或简称“视觉系统”)可用于获得物体的精确尺寸测量和检测各种其他物体特性，并且可能包括计算机、相机和光学系统，以及移动以允许工件移动和检查的精密工作台。一个示例性现有技术系统是可从位于伊利诺伊州奥罗拉的Mitutoyo America Corporation(MAC)购得的QUICK
Figure BDA0003283787070000011
系列基于PC的视觉系统和
Figure BDA0003283787070000014
软件。例如，在2003年1月发布的《QVPAK 3D CNC视觉测量机器用户指南》中一般地描述了QUICK
Figure BDA0003283787070000013
系列视觉系统和
Figure BDA0003283787070000012
软件的特征和操作，该指南特此通过引用整体地并入本文。这种类型的系统使用显微镜型光学系统并且移动工作台以提供小或相对大的工件的检查图像。
通用精密机器视觉检测系统通常可编程以提供自动视频检测。此类系统通常包括可选择的操作模式以及GUI特征和预定义的图像分析“视频工具”，以便“非专家”操作员可以执行操作和编程。例如，美国专利6,542,180，其全部内容以引用方式并入本文，其教导了使用包括使用各种视频工具的自动视频检查的视觉系统。
可变焦距(VFL)光学系统可用于表面高度的观察和精确测量，并且可包括在精密机器视觉检查系统或其他光学系统中，例如在美国专利9,143,674中公开的，其在此全文以引用方式并入本文。简而言之，VFL透镜能够分别在多个焦距处获取多个图像。各种类型的VFL透镜是已知的，例如机械VFL透镜，其中多透镜系统被机械移动以改变其焦距，或非机械VFL透镜，例如可调声学梯度(“TAG”)透镜，其使用流体介质中的声波产生透镜效应(以改变其焦距)。例如，精密机器视觉检测系统中的VFL透镜可用于获取工件在多个表面高度或机器坐标系(MCS)的“Z高度”的图像。
此类配置通常仅能够从单个方向(例如，沿MCS的Z轴)执行某些类型的操作(例如，图像堆叠的获取)。可以提供关于此类操作(例如，关于具有倾斜和/或复杂的表面等的工件等)的改进的系统将是期望的。
发明内容
本发明内容的提供是为了以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于辅助确定所要求保护的主题的范围。
根据一个方面，提供了一种计量系统，其包括：光学组件部分；调整机构；一个或多个处理器；以及耦合到所述一个或多个处理器并存储程序指令的存储器。
光学组件部分包括光源；物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；以及相机，其接收沿所述成像光路传输的成像光并提供所述工件表面的图像。
调整机构被配置为改变所述光学组件部分和所述工件表面之间的距离并且相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向。
当由一个或多个处理器执行时，在存储器中存储的程序指令使一个或多个处理器至少：
控制所述调整机构移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内。
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度来控制调整机构以：相对于工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准；和调整光学组件部分与工件表面的距离；以及
在工件表面上执行限定的操作。
根据另一方面，光学组件部分还包含包括在成像光路中的可变焦距(VFL)透镜，并且其中所述物镜沿着成像光路通过VFL透镜传输图像光并且所述相机接收VFL透镜沿成像光路传输的成像光。VFL透镜可以是可调声学梯度(TAG)透镜，其被配置为非机械地改变焦距，并且为此通过周期性地调制TAG透镜的光焦度来控制光学组件部分的周期性调制的聚焦位置。在工件表面上执行的限定操作可以包括利用VFL透镜捕捉工件表面的一个或多个图像。在工件表面上执行的限定操作可以包括利用VFL透镜捕获图像堆叠，同时光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线名义上对准，为此图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于光学组件部分沿光轴的方向的不同聚焦位置。
根据另一方面，确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度包括至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析来确定每个感兴趣区域的聚焦曲线数据，其中对于至少三个位置中的每一个，相应感兴趣区域的聚焦曲线数据的峰值指示相应的自动对焦高度。
根据另一方面，所述程序指令当由所述一个或多个处理器执行时还使所述一个或多个处理器：
至少部分地基于至少三个位置处的自动对焦高度确定工件表面的表面法线；和
确定调整信息以控制调整机构至少部分地基于确定的表面法线旋转光学组件部分。
根据另一方面，限定操作可以包括用于确定工件表面的特征的尺寸的测量操作。
根据另一方面，限定操作可以包括点自焦点(points-from-focus)(PFF)操作，其包括：
获取包括多个图像的图像堆叠，每个图像对应于沿着与光轴重合的成像光轴的光学组件部分的聚焦位置，以及
至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析确定聚焦曲线数据，其中聚焦曲线数据指示工件表面上的多个表面点的3维位置。
根据另一方面，限定操作可以包括在工件表面上执行的机加工操作，其中机加工操作的机加工轴为以下至少一种：名义上与光学组件部分的光轴重合或名义上与其平行。
根据另一方面，调整机构可包括旋转机构和Z轴移动机构，其中Z轴移动机构被耦接以沿Z轴方向移动光学组件部分，并且旋转机构被耦接于Z轴移动机构和光学组件部分之间并且被配置为相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向。计量系统可以体现在精密机器视觉检测系统中，其中调整机构包括旋转工作台，该旋转工作台包括旋转机构并且耦接在Z轴移动机构和光学组件部分之间。
根据另一方面，该计量系统可以体现在坐标测量机器系统中，其中所述调整机构包括：
x轴滑动机构、y轴滑动机构和z轴滑动机构，它们被配置为在机器坐标系内分别在相互正交的x轴、y轴和z轴方向上移动所述光学组件部分，以及
旋转机构被配置为相对于工件表面旋转光学组件部分。
根据另一方面，计量系统可以体现在机器人系统中，其中调整机构包括具有用于移动光学组件部分的至少三个自由度的机器人臂。
根据另一方面，提供了一种用于操作包括光学组件部分的计量系统的方法，其中所述光学组件部分包括：
光源；
物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；和
相机，其接收沿所述成像光路传输的成像光并提供所述工件表面的图像。
该方法包括：
移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度，确定用于相对于工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准和用于调整光学组件部分与工件表面的距离的调整信息；
利用所述调整信息旋转光学组件部分，以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准和以便调整光学组件部分与工件表面的距离；和
在工件表面上执行限定的操作。
根据另一方面，该方法还包括至少部分地基于至少三个位置处的自动对焦高度来确定工件表面的表面法线，其中至少部分地基于所确定的表面法线来确定调整信息。
根据另一方面，工件表面是工件的第一工件表面并且在第一工件表面上执行第一限定操作之后，该方法还包括：
移动光学组件部分以将工件的第二工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获第二工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括第二工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定第二工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度，确定用于相对于第二工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与第二工件表面的表面法线对准和用于调整光学组件部分与第二工件表面的距离的调整信息；
利用所述调整信息旋转光学组件部分，以名义上将光学组件部分的光轴与第二工件表面的表面法线对准和以便调整光学组件部分与第二工件表面的距离；和
在第二工件表面上执行限定的操作。
根据又进一步方面，提供了一种计量系统，其包括光学组件部分；Z轴移动机构，其配置为改变光学组件部分与工件表面之间的距离；旋转机构，其配置为相对于工件表面旋转光学组件部分，以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向；一个或多个处理器；以及耦合到一个或多个处理器并存储程序指令的存储器。
光学组件部分包括可变焦距(VFL)透镜；光源；物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着经过VFL透镜的成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；以及相机，其接收沿所述成像光路通过VFL透镜传输的成像光并提供所述工件表面的图像。
当由一个或多个处理器执行时，在存储器中存储的程序指令使一个或多个处理器至少：
控制Z轴移动机构或旋转机构中的至少一种移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内。
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度，控制旋转机构以相对于工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准和控制Z轴移动机构以调整光学组件部分与工件表面的距离；以及
在工件表面上执行限定的操作。
因此，根据本文公开的原理，提供了系统和方法，其包括利用多点自动聚焦来对准光学组件部分的光轴以名义上垂直于任意工件表面。所述系统和方法能够在工件表面上快速执行多点自动聚焦以导出将光学组件部分的光轴调整为名义上垂直于工件表面所需的调整信息。光轴快速(重新)定向以名义上垂直于工件表面的系统和方法可用于检查各种类型的工件表面，例如自由形状的工件表面(例如涡轮叶片)，其中例如沿着表面的不同部分或不同表面的表面法线可能不断变化。所述系统和方法也可用于相对于工件表面自动对准/定位以用于随后的非光学操作，例如要在工件表面上执行的机加工(例如钻孔)操作，其中机加工操作轴与光轴重合。
附图说明
图1是示出了通用精密机器视觉检查系统的各种典型的部件的图，该系统包括光学组件部分；
图2A是与图1的机器视觉检查系统类似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部件部分的框图，其中光学组件部分的光轴处于初始取向，在该初始取向中可以执行多点自动对焦过程以确定工件表面的表面法线；
图2B是图2A的机器视觉检测系统的框图，其中视觉部件部分被控制以将光学组件部分的光轴定向为名义上垂直于工件表面；
图3A是可适用于精密计量系统如机器视觉检测系统的VFL(TAG)透镜系统的示意图，其中光学组件部分的光轴处于初始取向，在该初始取向中可以执行多点自动对焦过程以确定工件表面的表面法线；
图3B是图3A的VFL(TAG)透镜系统的示意图，其被控制以将光学组件部分的光轴定向为名义上垂直于工件表面；
图4是示出了图3A和3B的VFL(TAG)透镜系统的周期性调制的时序图；
图5A图示了包括处于不同角度取向的第一和第二工件表面的样品工件；
图5B是处于初始取向的光学组件部分的示意图，在该初始取向中可以执行多点自动对焦过程以确定工件表面的表面法线；
图5C是示出了图5B的光学组件部分的光轴的示意图，其定向为名义上垂直于工件表面；
图6A和6B图示了图像堆叠和相应的聚焦曲线，该曲线可以用作多点自动对焦过程的一部分以确定工件表面的表面法线；
图7示出了机器人系统，其体现了包括根据本公开的一个方面的光学组件部分的计量系统；
图8A图示了坐标测量机(CMM)，其体现了包括根据本公开的一个方面的光学组件部分的计量系统；
图8B是示意性地示出耦合到诸如图8A中所示的CMM的探针头的光学组件部分的图；
图8C是图8A的CMM的一部分的示意图，其中光学组件部分处于初始取向，在该初始取向中可以执行多点自动对焦过程以确定工件表面的表面法线；
图8D是图8A的CMM的一部分的示意图，示出了光学组件部分的光轴被定向为名义上垂直于工件表面；
图8E是示出诸如图8A的CMM的各种控制元件的框图；和
图9是根据本公开的一个方面的使用多点自动对焦将光轴对准为名义上垂直于工件表面的方法的流程图。
具体实施方式
图1是依照本公开的可用作或包括VFL(TAG)透镜系统(本文也称为成像系统)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的视觉测量机器12。控制计算机系统14进一步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可显示适合于对机器视觉检查系统10的操作进行控制和/或编程的用户界面。应领会，在各种实施方案中，触摸屏平板等可取代和/或冗余地提供元件14、16、22、24和26中的任一个或全部的功能。也在共同转让的美国专利号7,454,053、7,324,682、8,111,905和8,111,938中描述了机器视觉检查系统10的各种实施方案，这些专利中的每一个均特此通过引用整体地并入本文。
本领域的技术人员应领会，通常可使用包括分布式或联网计算环境等的任何合适的计算系统或装置来实现控制计算机系统14。此类计算系统或装置可包括执行软件以执行本文描述的功能的一个或多个通用或专用处理器(例如，非定制或定制装置)。可将软件存储在诸如以下项的存储器中：随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器等，或此类部件的组合。还可将软件存储在诸如以下项的一个或多个存储装置中：基于光学的盘、闪速存储器装置、或用于存储数据的任何其他类型的非易失性存储介质。软件可包括一个或多个程序模块，这些模块包括执行特定任务或者实现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，可跨多个计算系统或装置组合或分发程序模块的功能性，并且以有线或无线配置经由服务调用访问程序模块的功能性。
视觉测量机器12包括可移动工件工作台32和光学成像系统34，该光学成像系统可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倍率。如以下将关于图2A和2B更详细地描述的，光学成像系统34可以包括光学组件部分205(例如，其可以包括变焦透镜和/或可互换物镜)并且在一些实施方式中其可以耦合到旋转工作台297。
图2A是包括本文公开的某些特征的与图1的机器视觉检查系统类似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。如将在下面更详细地描述的，控制系统部分120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、240(其可以是光学组件部分205的一部分，或者与光学组件部分分别提供)和具有中央透明部分212的工件工作台210。工件工作台210(对应于图1中的工件工作台32)可沿着X轴和Y轴可控制地移动，X轴和Y轴位于大致与定位工件20的工作台的表面平行的平面中。可包括光源220、230、240的至少一部分的光学组件部分205还包括相机系统260、可互换物镜250和可变焦距(VFL)透镜270。
一种已知的VFL透镜是可调声学梯度(“TAG”)透镜，其使用流体介质中的声波产生透镜效应。声波可以通过将谐振频率的电场施加到围绕流体介质的压电管来产生，以在透镜流体中产生随时间变化的密度和折射率分布，其调节其光焦度，从而调节光学系统的焦距(或有效聚焦位置)。TAG透镜可用于例如以大于30kHz、或大于70kHz、或大于100kHz、或大于400kHz、高达1.0MHz的谐振频率周期性地以高速扫描一系列焦距(即，周期性地调制其光焦度)。可以通过文章“High speed varifocal imaging with a tunable acousticgradient index of refraction lens”(Optics Letters，第33卷，第18期，2008年9月15日)的教导更详细地理解这样的透镜，通过引用将其整体并入本文。TAG透镜和相关的可控信号发生器可从例如日本神奈川的Mitutoyo Corporation获得。作为具体实例，SR38系列TAG透镜能够进行周期性调制，调制频率高达1.0MHz。在美国专利号9,930,243；9,736,355；9,726,876；9,143,674；8,194,307；和7,627,162；并且在美国专利申请公开号2017/0078549和2018/0143419中更详细地描述了TAG透镜的操作原理和应用的各个方面，将其每一篇通过引用以其整体并入本文。根据各种实施例，具有其快速变焦成像能力的TAG透镜特别适合用作VFL透镜270以执行快速自动对焦。作为TAG透镜的替代，机械VFL透镜也可以用作VFL透镜270，其中机械地移动多透镜系统以改变其焦距。
在各种实施方案中，光学组件部分205还可包括具有透镜226和228的转台透镜组件223。作为转台透镜组件的替代方案，在各种实施方案中，可包括固定或手动可互换的放大倍率更改透镜或变焦透镜配置等。在各种实施方案中，可互换物镜250可选自作为可变放大倍率透镜部分的一部分包括的固定放大倍率物镜的集合(例如，与诸如0.5倍、1倍、2倍或2.5倍、5倍、7.5倍、10倍、20倍或25倍、50倍、100倍等的放大倍率相对应的物镜的集合)。
光学组件部分205可通过使用驱动致动器以沿ZM轴移动光学组件部分205的可控电机294，沿与MCS的X轴和Y轴(即，XM和YM轴)大体正交的MCS的Z轴(即，ZM轴)可控地移动(例如，这可以改变光学组件部分205和工件20之间的距离，这也可以改变工件20的图像的焦点)。可控电机294经由信号线296连接到输入/输出接口130。如下文将更详细地描述的，VFL(TAG)透镜270可由透镜控制接口134经由信号线234'控制以周期性地调制VFL透镜270的光焦度并因此调制光学组件部分205的有效聚焦位置(或焦距)(例如，在一些实施方式/方向中可用于在相对小的范围内改变图像的焦点，或作为移动光学组件部分205以改变工件图像的焦点的替代方案)。透镜控制接口134可以包括VFL透镜控制器180，如下文更详细描述的。工件20放置在其上的工件工作台210可以被控制以相对于光学组件部分205移动(例如，在X和Y方向上和/或作为在Z方向上的可旋转工作台的一部分，等等)，使得可互换物镜250的视场移动(例如，在工件20上的表面和/或表面位置之间和/或在多个工件20之间，等等)。
工作台光源220、同轴光源230和面光源240(例如，环形灯)中的一个或多个可分别发出源光222、232和/或242，以照射一个工件20或多个工件20。在各种示例性实施例中，可以使用选通照明。例如，在图像曝光期间，同轴光源230可沿着包括分束器290(例如，部分反射镜)的路径发出选通源光232。源光232被反射或透射为图像光255，并且用于成像的图像光穿过可互换物镜250、转台透镜组件223和VFL(TAG)透镜270并且由相机系统260收集。包括工件20的图像的工件图像曝光由相机系统260捕获，并且在信号线262上被输出到控制系统部分120。
各种光源(例如，光源220、230、240)可通过相关信号线(例如，分别为总线221、231、241)连接到控制系统部分120的照明控制接口133。控制系统部分120可通过信号线或总线223'来控制转台透镜组件223沿着轴224旋转以选择转台透镜来更改图像放大倍率。
如上所述，在各种实施方式中，光学组件部分205(例如，光学组件部分205的物镜250)相对于待测量的工件20的工件表面WPS1和/或WPS2的相对位置、距离等因此可以沿着MCS的Z轴(例如，使用可控电机294)以及沿着MCS的X轴和Y轴(例如，通过移动工件工作台210)调整。在各种实施方式中，可控电机294和可移动工件工作台210可以共同地是被配置为至少改变光学组件部分205和工件表面WPS1和/或WPS2之间的距离、位置和/或取向的调整机构的一部分。
根据本公开的各种实施例，调整机构还可以包括旋转机构295，其被配置为相对于工件20的工件表面WPS1旋转光学组件部分205，以改变光学组件部分205的光轴OA相对于工件表面WPS1的取向(例如，角取向)。在各种实施方式中，光学组件部分205的旋转以改变光轴OA相对于工件表面WPS1的取向可以至少部分地对应于滚动和/或俯仰旋转。
如图2A所示，光学组件部分205具有局部坐标系(LCS)，其包括LCS的X、Y和Z轴(即，XL、YL和ZL轴)，其可以随着光学组件部分205移动和旋转，并且其光轴OA与ZL轴对齐(例如，限定ZL轴)。在图2A所示的取向中，LCS大致与MCS对齐(即，光轴OA与MCS的ZM轴对齐)。在某些现有系统中，光学组件部分的光轴OA的取向是相对固定的，以便始终与MCS的ZM轴对齐。相对于LCS，偏航、俯仰和滚转旋转可以对应于围绕各自轴的旋转。在图示的配置中，绕XL轴(例如，称为第一旋转轴)的旋转可以称为滚动，绕YL轴(例如，称为第二旋转轴)的旋转可以称为俯仰，并且绕ZL轴的旋转可以称为偏航。
在一些实施方式中，旋转机构295可以提供光学组件部分205的旋转，该旋转对应于围绕第一旋转轴(例如，滚动)和/或第二旋转轴(例如，俯仰)中的至少一个旋转。如本文所用，第一旋转轴“和/或”第二旋转轴因此意指单独的第一旋转轴、单独的第二旋转轴或第一旋转轴和第二旋转轴两者。尽管第一旋转轴和第二旋转轴可以是例如彼此正交的XL轴和YL轴，但是它们不必彼此正交，也不必与ZL轴正交。第一旋转轴和第二旋转轴仅需要彼此并且与ZL轴不平行(包括不共线)。一般而言，在各种实施方式中，旋转机构295可以提供“与ZL轴平面外”的旋转运动(例如，包括滚动或俯仰中的至少一种，或其组合)。
如下文将更详细地描述，图2B示出了一种配置，其中旋转机构295已被用于相对于工件表面WPS1旋转光学组件部分205以改变光学组件部分205的光轴OA的角取向，以便将光轴OA定向为名义上垂直于(即，近似垂直于)工件表面WPS1。此外，电机294已被用来调整光学组件部分205与工件表面WPS1之间的距离(例如，使得工件表面的相对位置相对于光学组件部分205名义上处于期望的ZL位置)，例如名义上在期望的聚焦位置)。如本文所用，术语“名义上”包括一个或多个参数的落入可接受容差内的变化。作为例子，在一个具体实施方式中，如果它法向于(即，垂直于)工件表面或在垂直于工件表面的5度以内(例如，相对于工件表面具有85度和95度之间的角取向)，则元素(例如，光轴OA)可以被定义为名义上法向于(即，名义上垂直于)工件表面(例如，可以根据计算出的表面平面定义)。作为另一例子，在一个具体实施方式中，如果在光学组件部分的视场(FOV)内的工件表面的所有区域相对于光学组件部分205在平均的或以其他方式指定的或最佳的ZL(即，焦点)位置的四个景深(DOF)内，则光学组件部分的光轴OA可以被定义为名义上法向于(即，近似垂直于)工件表面(例如，如可以根据计算出的表面平面定义并且对其在某些情况下工件表面可相对平坦并位于或靠近光学组件部分的最佳聚焦位置)。在一种实施方式中，这可以对应于工件表面的至少一部分处于最佳聚焦位置以及在FOV中的工件表面的所有其他部分处于最佳聚焦位置的4个DOF内(即，对于其，光学组件部分的光轴OA相应地名义上垂直于工件表面)。作为另一个例子，如果工件表面在FOV中的所有部分都在最佳聚焦位置的4个DOF内，则工件表面可以被定义为名义上处于最佳聚焦位置。在其他实例中，系统和/或定义可以更精确(例如，例如在2个DOF内、在2度内、在2％内等)。
相对于图2A的取向，导致图2B的取向的旋转对应于绕XL轴(例如，第一旋转轴)的滚动旋转。在其他配置中，这样的旋转(例如，使光轴OA与工件表面的表面法线名义上对准)还可以或替代地包括围绕YL轴(例如，第二旋转轴)的俯仰旋转。如图2B所示，根据光学组件部分205的旋转，LCS也相应地旋转(例如，相对于MCS)，为此光轴OA与ZL轴对齐(例如，限定ZL轴)。
旋转机构295的各种实施方式是可能的。例如，如图1和图2A所示，旋转机构295可以设置为视觉测量机12的旋转工作台工作297的一部分，光学组件部分205附接到该旋转工作台。因此，在各种实施方式中，光学组件部分205可以通过驱动致动器(例如，作为旋转机构295的一部分)以移动(例如，旋转)旋转工作台297而可控地旋转。旋转工作台297(例如，其包括旋转机构295)通过信号线298连接到输入/输出接口130。
替代地或另外地，可移动工件工作台210可以被配置为体现旋转工作台(例如，其包括旋转机构，未示出)，其可以与上述旋转工作台297类似地被配置和控制。与上述旋转工作台297一样，另外配置为旋转工作台的工件工作台210的移动(例如，旋转)可以通过信号线(例如，类似于信号线298)由控制系统部分120控制以实现期望的旋转(例如，位于工件工作台210上的工件20的角取向的旋转)。
如图2A所示，在各种示例性实施方案中，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及电源部分190。这些部件中的每一个以及下述附加部件可通过一个或多个数据/控制总线和/或应用程序编程接口或者通过各种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、照明控制接口133和透镜控制接口134。透镜控制接口134包括或连接到VFL透镜控制器180，其包括用于控制VFL(TAG)透镜270的操作的电路和/或例程(例如，如下面关于图4更详细地描述的)。照明控制接口133包括照明控制元件133a-133n，它们控制例如用于机器视觉检查系统100的各种对应光源的选择、电源、开/关开关以及选通脉冲定时(如果适用)。
运动控制接口132被配置为通过信号线296和298发送控制信号以移动光学组件部分205。在各种实施方式中，运动控制接口132可包括表面法向运动控制部分132sn，其可用于实施特定过程以调整和/或改变光学组件部分205的光轴OA的取向，以便于名义上垂直于工件表面(例如，工件表面WPS1和/或WPS2)。还可以发送控制信号(例如，从运动控制接口132或表面法向运动控制部分132sn)以调整和/或改变光学组件部分205与工件表面WPS1和/或WPS2之间的距离(例如，以便将光学组件部分205名义上定位在相对于工件表面的期望聚焦位置，这可取决于要在工件表面上执行的过程，例如用于PFF操作，或获得扩展景深(EDOF)图像，或机加工操作，等等)。
存储器140可包括图像文件存储器部分141、边缘检测存储器部分140ed、可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包括各种工具143a-143n，特别是自动对焦视频工具143af，其为每个相应的视频工具确定GUI、图像处理操作等。视频工具部分143还包括感兴趣区域(ROI)生成器143roi，其支持自动、半自动和/或手动操作，这些操作限定了可在包括在视频工具部分143中的各种视频工具例如自动对焦视频工具143af中操作的各种ROI。
自动对焦视频工具143af使用经由输入/输出接口130控制的VFL透镜270来确定用于焦点高度(即，有效聚焦位置(ZL-高度))测量操作的GUI、图像处理操作等等。在各种实施方案中，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高速地测量聚焦高度，如在美国专利号9,143,674中更详细地描述的，该专利在上面并入本文。针对一个或多个图像感兴趣区域的高速自动聚焦和/或聚焦方位确定可基于根据已知方法来分析图像以对于各个区域确定对应的聚焦特征值(例如定量对比度度量值和/或定量聚焦度量值)。例如，在美国专利号8,111,905、7,570,795和7,030,351中公开了此类方法，其每一个特此通过引用以其整体地并入本文。
在各种实施方式中，自动对焦视频工具143af可以包括和/或与表面法线确定部分143sn相关联，该表面法线确定部分可以用于实现特定过程(例如，包括或结合多点自动对焦过程)以用于确定工件表面的表面法线。在某些实施方式中，表面法线确定部分143sn可以实施为相对于自动对焦视频工具143af的独立过程或模式，并且根据本文公开的方法，可以独立地或以其他方式启动多点自动对焦过程和/或用于确定表面法线的后续处理(例如，以及用于在一些实施方式中确定对应的期望聚焦位置)，如下文将更详细地描述的。
根据各种实施方式，控制器125与VFL透镜控制器180和表面法线确定部分143sn协作，可以在工件表面WPS1的不同焦距处捕获包括多个图像的图像堆叠，并基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域(ROI)计算工件表面WPS1的至少三个位置的自动对焦高度(例如，ZL-高度)。在各种实施例中，为了计算至少三个自动对焦高度的目的，可能不需要改变光学组件部分205和工件表面WPS1之间的相对取向，如下文将参考图6A和图6B更充分地描述的。在各种实施方式中，可以计算/确定至少三个自动对焦高度以限定/确定表面(例如，根据限定/确定的平面或其他表示，其可以包括三个自动对焦高度和/或计算的平均值或其其他确定)，从而计算所计算/限定的表面的表面法线。本领域技术人员将理解，根据计算的自动对焦高度的增加数量，例如数十个(10、20、50等)或数百个自动对焦高度，可以计算多于三个的自动对焦高度以更精确地限定表面，只要在特定应用中可以接受额外的计算负担和处理时间。
在各种实施方式中，可以利用至少部分地基于至少三个自动对焦高度(例如，与限定/确定的表面有关)的计算的表面法线和/或其他数据(例如，通过表面法线确定部分143sn、控制器125和/或表面法线运动控制部分132sn等)以计算调整信息。根据计算出的调整信息，表面法向运动控制部分132sn和/或运动控制接口132可以控制调整机构(例如，可控电机294和旋转机构295)以移动/旋转光学组件部分205，从而使光学组件部分205的光轴OA名义上与工件表面WPS1的表面法线SN对齐，并调整光学组件部分205与工件表面WPS1之间的距离。例如，图2B示出了用于(重新)定向光学组件部分205的调整机构，使得光学组件部分205的光轴OA名义上与工件表面WPS1的计算的表面法线SN重合。如下文将更详细地描述的，在图2B的实例中，还控制调整机构以调节光学组件部分205和工件表面WPS1之间的距离(例如，使得工件表面WPS1名义上处于相对于光学组件部分205的期望ZL(即，焦点)位置)。在各种实施方式中，表面法线确定部分143sn和表面法线运动控制部分132sn，和/或与其相关联的各种过程，可以被实现为单独的部分/部件，和/或可以被合并和/或以其他方式不可区分。
控制器125或其他部件此后可以在工件表面WPS1上执行限定的操作，该表面现在名义上垂直于光轴OA并且在期望的ZL位置处，例如光学测量操作(例如，包括成像)或在工件表面上的机加工操作(例如，钻孔)等。当执行某些成像操作时，如上所述，可能需要光学组件部分和工件表面之间的距离(即，由调整机构调节并对应于ZL位置)以名义上对应于权威的聚焦位置，该位置可以是工件表面名义上处于焦点处的最佳聚焦位置，或者替代地在执行机加工操作时对应于不同的聚焦位置(例如，用于某些类型的EDOF操作等的点自焦点位置)，在各种实施方式中机加工操作轴可被假定为重合于和/或以其他方式平行于光学组件部分205的光轴OA，使得机加工操作(例如，钻孔操作等)沿名义上垂直于工件的计算表面的轴执行。
通常，在各种实施方式中，控制器125和存储器140包括必要的电路和/或例程来实施本公开的方法，如下文将更全面地描述的，其包括：相对于工件表面WPS1定位光学组件部分205；以多个焦距捕获工件表面的图像堆叠；基于图像堆叠的至少三个对应的ROI确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度(例如，可以基于自动对焦高度确定其表面法线和对应的调整信息)；控制调整机构以：相对于工件表面WPS1旋转光学组件部分205以将光学组件部分205的光轴与工件表面WPS1的(例如，计算的)表面法线SN名义上对齐；并且调整光学组件部分与工件表面WPS1之间的距离(例如，使得工件表面WPS1名义上位于期望的/指定的/确定的ZL位置)；并在工件表面WPS1上执行限定的操作。
可将一个或多个显示装置136(例如，图1的显示器16)和一个或多个输入装置138(例如，图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)连接到输入/输出接口130。显示装置136和输入装置138可用于显示用户界面，该用户界面可包括各种GUI特征，这些GUI特征可用于执行检查操作，和/或创建和/或修改零件程序，查看由相机系统260捕获的图像，和/或直接地控制视觉部件部分200。
在各种示例性实施方案中，当用户利用机器视觉检查系统100来为工件20创建零件程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检查系统100以提供所需图像获取训练序列来生成零件程序指令。例如，训练序列可包括在视场(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，对该工件特征使用视频工具中的一个的实例)。这样的操作可以包括诸如本文描述的那些过程，包括利用多点自动对焦来对齐光学组件部分的光轴以名义上垂直于工件表面并调整光学组件部分和工件表面之间的距离，并且执行工件表面上的后续操作(例如，成像、测量等)。学习模式操作，使得序列被捕获或记录并且转换为对应的零件程序指令。当零件程序被执行时，这些指令将使机器视觉检查系统再现经训练后的图像获取并且使检查操作自动地检查特定工件特征(即对应位置中的对应特征)位于与在创建零件程序时使用的代表性工件匹配的一个或多个运行模式工件上。
图3A是VFL(TAG)透镜系统300的示意图，其包括光学组件部分305，该部分包括对应于图2A的VFL透镜270的TAG透镜370。TAG透镜系统300和/或光学组件部分305可适用于图1及2A和2B所示类型的机器视觉系统，或可适用于图7的机器人系统或图8A-8E的坐标测量机(CMM)系统，如下所述。应当理解，图3A的某些编号部件3XX可以对应于和/或提供与图2A的类似编号部件1XX或2XX类似的操作或功能，并且可以类似地理解，除非另有说明。
成像光路OPATH(在此也称为工件成像光路)包括沿将图像光355从工件320传送到相机360的路径布置的各种光学部件。图像光大致沿它们的光轴方向传送。在图3A所示的实施方式中，所有光轴都对齐。然而，应当理解，该实施方式仅是示例性的而非限制性的。更一般地，成像光路OPATH可以包括反射镜和/或其他光学元件，并且可以采用根据已知原理使用相机(例如，相机360)对工件320进行成像操作的任何形式。在图示的实施方式中，成像光路OPATH包括TAG透镜370(其可以被包括在4f成像配置中)并且至少部分地用于在工件图像曝光期间对工件320的表面进行成像。
如图3A所示，TAG透镜系统300包括光学组件部分305，其包括光源330、物镜350、管透镜351、中继透镜352、VFL(TAG)透镜370、中继透镜356和相机360。TAG透镜系统300还可以包括曝光(频闪)时间控制器333es、VFL(TAG)透镜控制器380、运动控制器332(例如，包括表面法线运动控制器332sn)和表面法线确定部分343sn。在各种实施方式中，运动控制器332、表面法线运动控制器332sn和/或表面法线确定部分343sn可以分别与控制器/部分132、132sn和143sn基本类似地操作，如上文关于图2A和2B所述。在各种实施方式中，各种组件可以通过直接连接或一个或多个数据/控制总线(例如，系统信号和控制总线395)和/或应用程序编程接口等互连。
如下文将更详细地描述的(例如，包括关于图4)，在各种实施方式中，VFL透镜控制器380可以控制TAG透镜370的驱动信号以周期性地在周期性调制内的各个相位时序出现的光焦度范围内调制TAG透镜370的光焦度。物镜350在图像曝光期间输入来自工件320的图像光，并在图像曝光期间将图像光沿成像光路OPATH通过TAG透镜370传输至相机360，以在对应的相机图像中提供工件图像。图像曝光期间物镜350前方的有效聚焦位置EFP对应于该图像曝光期间TAG透镜370的光焦度。曝光时间控制器333es被配置为控制用于相机图像的图像曝光时序。
关于图3A中所示的一般配置，光源330可以是“同轴”或其他光源，其被配置为沿着包括分束器390(例如，部分反射镜作为分束器的一部分)的路径发射源光332并通过物镜350到达工件320的表面。物镜350接收在靠近工件320的有效聚焦位置EFP处聚焦的图像光355(例如，工件光)，并将图像光355输出到管透镜351。管透镜351接收图像光355并将其输出到中继透镜352。在其他实施方式中，类似的光源可以以非同轴方式照亮视场；例如，环形光源可以照亮视场。
在各种实施方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且管透镜351可以被包括作为转塔透镜组件的一部分(例如，类似于图2A的可互换物镜250和转塔透镜组件223)。在图3A所示的实施方式中，来自物镜350的名义上焦平面的图像光355被管透镜351聚焦以在名义上中间图像平面IIPnom处形成中间图像。当TAG透镜370处于不提供透镜效应(无光焦度)的状态时，根据已知的显微镜成像原理，物镜350的名义上焦平面、名义上中间图像平面IIPnom和相机360的图像平面形成一组共轭平面。在各种实施方式中，本文提及的任何其他透镜可以由单独透镜、复合透镜等形成或与其结合操作。
中继透镜352从管透镜351(或更一般地，在各种替代显微镜配置中，从中间图像平面)接收图像光355并将其输出到TAG透镜370。TAG透镜370接收图像光355并将其输出到中继透镜356。中继透镜356接收图像光355并将其输出到相机360。在各种实施方式中，相机360在图像曝光期间(例如，在相机360的积分时段期间)捕捉相机图像，并且可以将相应的图像数据提供给控制系统部分。一些相机图像可以包括在工件图像曝光期间提供的工件图像(例如，工件320的区域的图像)。在一些实施方式中，图像曝光(例如，工件图像曝光)可以被落入相机360的图像积分时段内的光源330的闪光灯定时限制或控制。在各种实施方式中，相机360可以具有大于1兆像素的像素阵列(例如，1.3兆像素，具有1280x1024像素阵列，每像素5.3微米)。
在图3A的实例中，中继透镜352和356以及VFL(TAG)透镜370被指定为包括在4f光学配置中，而中继透镜352和管透镜351被指定为包括在开普勒望远镜配置中，并且管透镜351和物镜350被指定为包括在显微镜配置中。所有图示的配置将被理解为仅是示例性的，而不是对本公开的限制。在各种实施方式中，图示的4f光学配置允许将VFL(TAG)透镜370(例如，其可以是低数值光圈(NA)装置)放置在物镜350的傅立叶平面处。这种配置可以保持工件320处的远心度，并且可以最小化尺度变化和图像失真(例如，包括为工件320的每个有效聚焦位置(ZL-高度)提供恒定放大率)。
在各种实施方式中，透镜控制器380可以包括驱动信号发生器部分381、定时时钟381'和成像电路/例程382。驱动信号发生器部分381可以操作(例如，结合定时时钟381')以经由信号线380'向高速VFL(TAG)透镜370提供周期性驱动信号。在各种实施方式中，TAG透镜系统300(或光学组件部分205')可以包括控制系统(例如，图2的控制系统部分120)，其可配置为与透镜控制器380一起操作以进行协调操作。
在各种实施方式中，透镜控制器380通常可以执行与以与TAG透镜370的期望相位时序同步的方式对工件320成像以及控制、监测和调整TAG透镜370的驱动和响应相关的各种功能。在各种实施方式中，图像电路/例程382执行光学系统的标准成像操作，与TAG透镜370的相位时序同步。
在各种情况下，VFL透镜的工作特性可能会因不希望的温度变化而发生漂移。如图3A所示，在各种实施方式中，TAG透镜系统300可以可选地包括与TAG透镜370相关联的透镜加热器/冷却器337。根据一些实施方式和/或操作条件，透镜加热器/冷却器337可以被配置为将一定量的热能输入到TAG透镜370和/或执行冷却功能以促进TAG透镜370的加热和/或冷却。此外，在各种实施方式中，TAG透镜监测信号可由与TAG透镜370相关联的温度传感器336提供以监测TAG透镜370的操作温度。
关于TAG透镜370的一般操作，在如上所述的各种实施方式中，透镜控制器380可以周期性地快速调整或调制其光焦度，以实现在TAG透镜共振频率为400kHz、250kHz、70kHz或30kHz等下以高速周期性地调制其光焦度的高速VFL透镜。如图3A所示，通过利用信号的周期性调制来驱动TAG透镜370，TAG透镜系统300的有效聚焦位置EFP(即物镜350前方的聚焦位置)可在范围Refp(例如，对焦范围或自动对焦搜索范围等)内快速移动，该范围由对应于与物镜350结合的TAG透镜370的最大光焦度的有效聚焦位置EFP1(或EFPmax或峰值焦距Z1max+)以及对应于与物镜350结合的TAG透镜370的最大负光焦度的有效聚焦位置EFP2(或EFPmin或峰值焦距Z1max-)限定。在各种实施方式中，有效聚焦位置EFP1和EFP2可以近似对应于90度和270度的相位时序，如下文将参考图4更详细地描述。为了讨论的目的，范围Refp的中间可以被指定为EFPnom，并且可以近似对应于TAG透镜370的零光焦度与物镜350的名义上光焦度结合。根据该描述，在一些实施方式中，EFPnom可近似对应于物镜350的名义上焦距(例如，其可对应于物镜350的工作距离WD)。
与图2A的精密机器视觉检测系统一样，图3A的TAG透镜系统300也与调整机构相关联或包括调整机构，该调整机构被配置为改变光学组件部分305与工件320的工件表面WPS1之间的距离(例如，利用类似于图2A的配置或类似机构的电机294)并且相对于工件320的工件表面WPS1旋转光学组件部分305(例如，利用旋转机构295)。在图3A所示的实例中，调整机构包括旋转机构295，其被配置为相对于工件表面WPS1旋转光学组件部分305(包括光学组件部分305的光轴OA)。如图3A所示，旋转机构295可以作为旋转工作台297的一部分提供，光学组件部分305附接到该旋转工作台。或者，其上放置工件320的工作台可被配置为旋转工作台。
在图3A的实例中，调整机构已被控制以移动光学组件部分305以将工件表面WPS1定位在光学组件部分305的焦点Z自动对焦范围内。在图3A的图示中，这可以对应于将光学组件部分305定位在距工件表面WPS1上的位置距离D-3A处。例如，距离D-3A可以名义上对应于工作距离WD，该距离可以对应于焦Z自动对焦范围的中点或其他部分(例如，可以对应于范围REFP的一部分或全部)。如图3A所示，在距离D-3A处，工件表面WPS1的所有部分都在范围REFP内，并且对于这些部分，可以利用包括捕获图像堆叠的自动对焦过程来确定不同位置的自动对焦高度(例如，在工件表面WPS1的至少三个位置)。还应当理解，工件320和/或光学组件部分305已经定位成使得工件表面WPS1在光学组件部分305的视场内。如下文将更详细描述的，在图3B的实例中，工件320可以类似地定位，使得工件表面WPS1在光学组件部分305的视场内，并且对于其光轴OA可以被导向工件表面WPS1上的相似或相同位置，如图3A所示(例如，工件工作台或其他运动机构可用于沿机器坐标系的XM和YM轴方向定位工件320，等等)。
与图2A的精密机器视觉检查系统一样，可以实施本公开的方法，包括：相对于工件表面320A定位光学组件部分305(例如，由运动控制器332和/或332sn控制)；在多个焦距处捕获工件表面的图像堆叠(例如，通过控制VFL(例如TAG)透镜370，如由透镜控制器380和/或曝光时间控制器333es控制的，和/或通过移动光学组件部分305，如由运动控制器332和/或332sn控制的)；基于图像堆叠的至少三个对应的ROI确定工件表面WPS1的至少三个位置的自动对焦高度(例如，可以基于计算的自动对焦高度确定其表面法线和对应的调整信息)；控制调整机构以：使光学组件部分305相对于工件表面WPS1旋转，使光学组件部305的光轴OA与工件表面WPS1的计算出的表面法线SN名义上对齐；调整光学组件部与工件表面的距离；并在工件表面WPS1上执行限定的操作。
例如，图3B说明，当工件320的工件表面WPS1如图所示倾斜或以其他方式相对于水平面成角度定向时，包括旋转机构295的调整机构可用于(重新)定向光学组件部分305以使光学组件部分305的光轴OA名义上与工件表面WPS1的确定(例如，计算)的表面法线SN对齐。此外，调整机构(例如，包括电机294或其他对应机构)可用于调整光学组件部分305与工件表面WPS1之间的距离。如图3B中所示，距离已经被调整，使得光学组件部分305和工件表面WPS1之间的距离D-3B名义上对应于工作距离WD(例如，其可以接近或处于范围REFP的中间和/或可对应于最佳聚焦位置，等等)。具体地，在不包括VFL透镜的实施方式中，或者在包括VFL透镜但没有被操作的实施方式中，物镜350的工作距离WD可以对应于最佳聚焦位置(即，在工件表面WPS1将处于焦点的位置)。在包括并操作VLF透镜370的实施方式中，在一些情况下，工作距离WD可以指定为对应于光学组件部分的一般“聚焦位置”和/或可以指定为对应于“最佳聚焦位置”(例如，接近或处于VFL透镜370的操作的范围REFP的中间，并且对应于VFL透镜370的零光焦度的相位时序可以对应于名义上处于焦点的工件表面WPS1)。
应当理解，根据三角学原理，随着光学组件部分305被旋转机构295从图3A的取向旋转到图3B的取向，光学组件部分305和工件表面WPS1之间的距离通常将在旋转过程中发生变化。因此，即使在图3B的距离D-3B可能与图3A的距离D-3A大致相同的情况下，根据旋转，调整机构仍将调整光学组件部分305以及工件表面WPS1之间的距离，作为实现图3B所示的定向和位置的过程的一部分。还应当理解，在各种实施方式中，距离D-3B通常可以与距离D-3A不同。更具体地，根据图3A中工件表面WPS1的倾斜取向，与光轴OA相交的工件表面WPS1的表面位置(即，并且相应地在距离D-3A处)将在焦点Z自动对焦范围内，但可能不在相对于光学组件部分305的期望ZL位置(例如，在期望聚焦位置或其他位置，例如可对应于距离D-3B)。在一些情况下，图3A中工件表面WPS1的一个或多个其他表面位置可处于期望的ZL位置，或者其他表面位置中没有一个可处于期望的ZL位置(例如，对应于距离D-3B)。根据本文所述的方法，在图3A的实例中，自动对焦过程用于确定工件表面WPS1的不同位置(例如，至少三个位置)的自动对焦高度(例如，其因此限定和指示工件表面WPS1的位置)。至少部分地基于所确定的自动对焦高度，调整机构旋转并调整光学组件部分相对于工件表面的距离，以处于如图3B所示的方向和距离D-3B(例如，对应于期望的ZL位置，对于该位置，图3A中工件表面WPS1的一个或多个位置或没有位置在图3B的调整之前可能已经处于距离D-3B或对应的期望的ZL位置)。
图4是说明图3A和3B的VFL透镜系统的周期性调制控制信号PMCS和光学响应RSP的相位时序的时序图。在图4的例子中，说明了一种理想情况，其中控制信号PMCS和光响应RSP具有相似的相位时序，因此被表示为相同的信号，尽管将理解，在某些情况下，信号可以由相位偏移分开，如美国专利9,736,355中所述，其被共同转让并通过引用以其整体并入本文。在各种实施方式中，控制信号PMCS可以与由图3A的驱动信号发生器381产生的驱动信号(例如，包括幅度驱动信号)相关，并且光学响应RSP可以代表如上所述通过周期性地调制TAG透镜370的光焦度来控制的光学组件部分的周期性调制的聚焦位置。
在各种实施方式中，曲线PMCS和RSP的正弦形状可以取决于串联的透镜(例如，如图3A和3B所示的物镜350、TAG透镜370等)，对于这些，TAG透镜370的光焦度经过如图4所示的周期并且等于1/f(其中f＝焦距)。如将在下面更详细地描述的，根据已知原理，可以通过校准建立将相应的ZL-高度与相应的相位时序信号值习惯的为ZL-高度与相位校准的关系(例如，根据数学模型和/或通过重复地将表面步进到已知的ZL-高度，然后手动或计算地确定将图像最佳聚焦在已知ZL-高度的相位时序，并在有效聚焦位置(ZL-高度vs.相位)校准部分将该关系存储在查找表等中，例如可以作为透镜控制器380的一部分或以其他方式包括在内)。
时序图400A示出了相位时序(例如，
Figure BDA0003283787070000221
等)，其等于控制信号PMCS的相应的相位时序信号值(例如，t0、t90、t180、t270等)，其对应于各自的ZL-高度(例如，
Figure BDA0003283787070000222
等)。在各种实施方式中，相位时序信号值(例如，t0、t90、t180、t270等)可根据相位时序信号确定(例如，如通过时钟或用于建立相对于周期性调制的时序的其他技术等提供)。将理解，时序图中所示的相位时序信号值仅旨在示例性的而非限制性的。更一般地，任何相位时序信号值将具有在图示的聚焦位置范围内的相关联的聚焦位置ZL-高度(例如，图示的实例中的范围具有最大ZL-高度
Figure BDA0003283787070000231
和最小ZL-高度
Figure BDA0003283787070000232
)。
如上所述，可以使用各种技术(例如，作为利用多点自动对焦的一部分、点自焦点、最大共焦亮度确定等)来确定成像表面区域何时处于焦点，这可以对应于成像表面区域的ZL-高度测量。例如，当成像表面区域处于焦点时，成像表面区域可被确定为处于ZL-高度
Figure BDA0003283787070000233
处。在利用相位与ZL-高度原理的图示实例中，在等于相位时序信号值Tsurf_ind(-)的相位时序
Figure BDA0003283787070000234
处，聚焦位置位于ZL-高度
Figure BDA0003283787070000235
处，并且位于ZL-高度
Figure BDA0003283787070000236
处的工件表面区域处于焦点中。类似地，在等于相位时序信号值Tsurf_ind(+)的相位时序
Figure BDA0003283787070000237
处，聚焦位置位于ZL-高度
Figure BDA0003283787070000238
处，并且位于ZL-高度
Figure BDA0003283787070000239
处的工件表面区域处于焦点中。应当理解，这样的值可以包括在将相应的ZL-高度与相应的相位时序信号值相关联的有效聚焦位置(ZL-高度vs.相位)校准部分中，使得当成像表面区域被确定为处于焦点时，相应的相位时序信号值(例如Tsurf_ind(-))可用于查找成像表面区域的相应测量的ZL-高度(例如ZL-高度
Figure BDA00032837870700002310
)。
在图示的实例中，相位时序信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在相应的相反方向上的移动。更具体地，相位时序信号值Tsurf_ind(-)对应于调制的聚焦位置在第一方向(例如，向下)上的移动，而相位时序信号值Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在与第一方向相反的第二方向(例如，向上)上的移动。
图4还定性示出了如何将频闪照明(例如，如由图3A的曝光时间控制器333es控制)可以定时以对应周期性调制的聚焦位置的相应的相位时序(例如，
Figure BDA00032837870700002311
等)，以曝光聚焦在相应ZL-高度的图像(例如，
Figure BDA00032837870700002312
Figure BDA00032837870700002313
等)。即，在图示的实例中，当数码相机在积分期间采集图像时，如果在相位时序
Figure BDA00032837870700002314
提供短选通脉冲，则聚焦位置将在高度
Figure BDA00032837870700002315
处，并且位于高度
Figure BDA00032837870700002316
的任何工件表面将在得到的图像中处于焦点。对于图4中所示的其他示例性相位时序和ZL-高度也是如此。根据这样的原理，可以获取具有对应于不同相位时序并因此对应于不同ZL高度捕获的图像的图像堆叠。
根据这样的原理，TAG透镜系统300适用于快速执行自动对焦操作(例如，多点自动对焦操作)。具体地，TAG透镜系统300可用于捕获包括表面位置的工件表面的图像堆叠，同时周期性地调制扫过焦点ZL范围(例如，焦点ZL自动对焦范围)的TAG透镜370的光焦度，并找到与工件表面位置的ZL高度相对应的最佳聚焦图像。更具体地说，作为多点自动对焦过程的一部分，可以分析图像堆叠的至少三个不同的感兴趣区域(ROI)以找到三个对应工件表面位置的至少三个ZL高度(例如，在某些实施方式中可同时执行)，然后可用于计算/确定工件表面(例如，对应于计算的平面或其他表示)，并相应地计算/确定工件表面的表面法线。
图5A图示了具有各种工件表面WPS1、WPS2和WPS3的样品工件WP1。在图5A的实例中，关于机器坐标系(MCS)，工件表面WPS2可以平行于水平面，工件表面WPS3可以平行于垂直平面，工件表面WPS1可以在相对倾斜的方向。在工件表面WPS1上，示出了感兴趣区域ROI1、ROI2和ROI3，每个区域具有对应的表面点SP1、SP2和SP3，它们可以各自位于每个对应的感兴趣区域的相对中心。如下文将更详细地描述的，感兴趣区域可以表示作为自动对焦过程的一部分的图像堆叠中的感兴趣区域，对于这些区域，可以确定每个对应表面点SP1、SP2和SP3的自动对焦高度(例如ZL高度)(例如，可以用来确定平面或其他表示以及工件表面WPS1的对应表面法线)。
图5B是示出光学组件部分305的远端的示意图，该光学组件部分的光轴OA和图像堆叠采集轴ISAA相对于其上放置了工件WP1的表面(例如工作台)大体上以垂直方向定向(即，光轴OA平行于MCS的ZM-轴)。图5C是光学组件部分305的远端的示意图，该视觉探针的光轴OA和图像堆叠采集轴ISAA以一定角度定向，从而大致/名义上法向于(例如垂直于)工件WP1的成角度的工件表面WPS1。
为了实现图5C的取向，可以根据本文公开的原理执行某些过程。例如，图5B的配置可以通过控制调整机构来移动光学组件部分305以将工件表面WPS1放置在光学组件部分305的焦点Z自动对焦范围内(即ZL自动对焦范围)来实现。在图5B的图示中，这可以对应于将光学组件部分305定位在距工件表面WPS1上的位置(例如，光轴OA与工件表面WPS1相交的位置，在一些情况下，其可以通常位于工件表面WPS1的中点或其他中心位置)距离D1处。在图5B的实例中，焦点ZL自动对焦范围由范围SR1表示。如下文将关于图6A和6B更详细地描述的，作为自动对焦过程的一部分，可以使用光学组件部分305在焦点ZL自动对焦范围内捕获工件表面WPS1的图像堆叠。可以基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域ROI1、ROI2和ROI3，为工件表面WPS1的至少三个位置(例如，表面点SP1、SP2和SP3)中的每一个确定自动对焦高度，如下面还将关于图6A和6B更详细地描述的。如图5B所示，工件表面WPS1的表面法线SN相对于光学组件部分305的光轴OA成角度ANG1。
如图5C所示，可以至少部分地基于工件表面WPS1的至少三个位置(例如，表面点)处的自动对焦高度来控制调整机构以：相对于工件表面WPS1旋转光学组件部分305以名义上将光学组件部分305的光轴OA与工件表面WPS1的表面法线SN对齐；并且调整光学组件部305与工件表面WPS1之间的距离(例如，在距离D2处)。在各种实施方式中，在控制如图5C所示的调整机构之前，所确定的表面点SP1、SP2和SP3的自动对焦高度可用于计算或以其他方式确定工件表面WPS1的表面法线SN。例如，可以确定三个表面点SP1、SP2和SP3以几何地限定对应于工件表面WPS1的平面(或其他表示)，并且可以相应地计算和/或以其他方式将表面法线SN确定为与计算/确定的平面(或其他表示)成法向(即垂直)。一旦确定了这样的表面法线SN，就可以计算或以其他方式确定调整信息，该调整信息可以用于控制调整机构，以旋转并且以其他方式将光学组件部分305从图5B所示的方向移动到在图5C中所示的方向(例如，旋转角度ANG1的量)，为此，光轴OA被示为名义上与表面法线SN重合。此外，调整机构(例如，包括电机294或其他对应机构)可用于调整光学组件部分305与工件表面WPS1之间的距离。如图5C所示，调整导致光学组件部分305和工件表面WPS1之间的距离D2。如上文关于图3A和3B所描述的，在各种实施方式中，距离D2可以对应于处于期望ZL位置处的工件表面WPS1(例如，名义上处于或接近：范围SR2的中间；和/或光学组件部分305的物镜的工作距离；和/或最佳聚焦位置等)。
一旦处于图5C所示的定向和位置，就可以在工件表面WPS1上执行限定的操作。例如，可以在工件表面WPS1上执行利用光学组件部分305的测量操作。作为这样的过程或其他的一部分，可以在工件表面WPS1上执行来自聚焦操作的点(例如，用于确定表面轮廓)。作为来自聚焦操作的点的一部分，可以利用光学组件部分305在图5C所示的方向上捕获图像堆叠。在各种实施方式中，该过程可以重复/继续(例如，用于在工件表面WPS1的其他部分或工件WP1的其他工件表面上执行限定的操作)，为此，光学组件部分305可以旋转，从图5C中所示的取向到名义上垂直于工件表面的另一部分或工件的另一表面(例如，用于跟踪和测量工件的不同部分，例如连续弯曲的涡轮叶片等)。
图5B和5C可以理解为示出了用于覆盖工件表面WPS1的3维表面形貌的所需的扫描范围(例如，与图5B相比，图5C的范围)，这取决于光学组件部分305相对于要测量的工件表面WPS1的方向。例如，与具有图5C的方向的扫描范围SR2相比，具有图5B的取向的扫描范围SR1明显更大，从而能够覆盖工件表面WPS1的3维表面形貌。因此，如图5C中那样调节光学组件部分305的角度/方向，以使光轴OA名义上法向于(即近似垂直于)工件表面WPS1在减小所需的扫描范围方面在技术上是有利的，继而可以缩短扫描时间和/或减少形成图像堆叠所需的图像数量(例如，具有期望的图像密度等等)。
如图5B所示，除了用于图像堆叠的扫描范围SR1明显大于图5C的扫描范围SR2之外，光学组件部分305的定向还相对于工件表面WPS1成相对锐角，这可能降低成像质量或阻止某些工件特征的某些部分/方面的成像。例如，锐角可降低成像质量，因为更少的成像光被反射回光学组件部分305等。比较而言，在图5C中，通过将光学组件部分305定向为名义上法向于(即，近似垂直于)工件表面WPS1的至少一部分，光学组件部分305可以具有用于对工件表面WPS1成像的更好角度(例如，具有用于反射成像光的更好角度和/或能够更好地查看某些工件特征等)。
在各种实施方式中，如上所述，还可能希望继续旋转/调整光学组件部分305以处于不同取向以在工件的不同工件表面或工件表面的不同部分上执行处理。例如，图5A-5C中的工件WP1被认为包括工件表面WPS1、WPS2和WPS3。在一种实施方式中，光学组件部分305最初可以(或可以调整为)如图5B所示定位/定向(例如，光轴OA相对于垂直定向具有0度倾斜并且名义上垂直于工件表面WPS2)，以用于在工件表面WPS2上执行某些操作(例如，测量操作、获取用于PFF扫描的图像堆叠等)。然后，可以执行如本文所公开的过程，包括在工件表面WPS1上执行多点自动对焦并旋转光学组件部分305，使得光轴OA如图5C所示定向(例如，相对于垂直具有45度倾斜和名义上垂直于工件表面WPS1)以在工件表面WPS1上执行某些操作(例如，测量操作、获取用于扫描的图像堆叠PFF等)。然后，可再次执行如本文所公开的过程，包括移动光学组件部分以将工件表面WPS3定位在焦点Z自动对焦范围内并对工件表面WPS3执行多点自动对焦并旋转光学组件部分305以使得光轴OA被定向(例如，相对于垂直倾斜90度和名义上垂直于工件表面WPS3)以在工件表面WPS3执行某些操作(例如，执行测量操作、获取用于PFF扫描的图像堆叠等)。在各种实施方式中，还可以最初执行如本文所公开的过程以实现图5B的取向(例如，光轴OA名义上垂直于工件表面WPS2并且为此可以在工件表面WPS2执行(即进行)指定操作)。
应当理解，在作为此类过程的一部分的各种实施方式中，光学组件部分305的光轴OA可以名义上法向于(即，近似垂直于)仅工件表面的一部分，或者在一些情况下实际上可不名义上法向于(即，近似垂直于)工件表面的任何特定部分，而是名义上仅垂直于工件表面的一般整体或平均(例如，计算)等取向。例如，如果工件表面特别不平坦和/或包括形成复杂或不均匀的3维轮廓/表面形貌的大量工件特征，则光轴OA可能不精确地或名义上法向于/垂直于工件表面的任何特定部分，但可以大致/名义上法向于/垂直于工件表面的整体、平均和/或一般(例如计算的)等取向或主要角度，为此光轴OA可以被认为是名义上垂直于工件表面，如本文所述。
图6A和6B示出了如何利用由光学组件部分205或305获得的包括不同焦距的图像的图像堆叠来沿ZL-轴确定工件表面上的至少三个点的自动对焦高度(即，自动对焦位置或ZL位置或ZL高度)。如本文所用，“ZL-轴”可对应于光学组件部分205或305的局部坐标系(LCS)的Z轴(即，对应于光学组件部分205或305的光轴OA)。在各种实施方式中，可以通过在多点自动对焦模式(例如，和/或其他模式，例如PFF等)下操作的光学组件部分205或305获得图像堆叠IS，以确定工件表面的至少三个位置(例如表面点)的自动对焦高度(即ZL-高度或ZL-位置)(例如在一个方向，例如在图5B示出的方向上)。
具体地，图6A和6B示出了与针对工件表面上的一个或多个点中的每一个确定沿光轴方向(即，与光学组件部分205或305的ZL-重合)的相对ZL-位置(即，自动对焦高度)相关联的操作。如图6A和6B所示，光学组件部分205或305的聚焦位置可以沿着光轴和/或图像堆叠采集轴的方向移动通过位置ZL(i)的范围，所述方向可以对应于每个图像采集位置处的聚焦轴。光学组件部分205或305可以在每个位置ZL(i)处捕获图像(i)。对于每个捕获的图像(i)，可以基于图像中感兴趣的区域或子区域ROI(k)(例如，一组像素)来计算聚焦度量fm(k,i)(例如，其中对应的表面点在感兴趣的区域或子区域ROI(k)的中心)。在捕获图像(i)时沿着光轴和/或图像堆叠采集轴的方向，聚集度量fm(k,i)与光学组件部分205或305的聚焦位置有关(例如，根据VFL透镜270或370的相位时序和/或到工件表面的距离)。这产生了聚焦曲线数据(例如，位置ZL(i)处的一组聚焦度量fm(k,i)，其是一种类型的焦点峰值确定数据集)，其可以被简单地称为“聚焦曲线”或“自动聚焦曲线”。在一实施例中，聚焦度量值可涉及对图像中感兴趣区域的对比度或清晰度的计算。
对应于聚焦曲线的峰值的ZL-位置(例如，图6A中的ZLk601)，其对应于沿图像堆叠采集轴的最佳聚焦位置，是用于确定聚焦曲线的感兴趣区域的ZL位置。将理解，尽管出于说明目的将图像堆叠示出为包括十一个图像(图像(1)-图像(11))，但是在实际实施例中，可以利用更少或更多数量的图像。例如，某些自动对焦过程通常可以采集包括5-10个图像的图像堆叠，而相比而言，某些PFF过程可采集包括超过200个图像的图像堆叠。此外，图像堆叠的图像可以更小或更大(例如，包括更少或更多的给定大小的感兴趣区域)，这取决于实现方式(例如，可能与相机视野的大小有关和/或其他因素)。
如为图像(1)-(11)生成的自动对焦曲线所示，在图示实例中，图像(6)(即，具有相应的对焦度量fm(1,6))似乎接近或处于最佳聚集中。例如，与工件表面的该部分对于离图像(6)较远的图像似乎越来越不聚焦并且可能似乎越来越模糊的其他图像相比，ROI(1)中间的特征(例如，在图5A中的表面点SP1)似乎在图像(6)中处于最佳聚焦。当如上所述聚焦度量值基于对比度时，一种方法包括在颜色/亮度等方面将ROI的中心像素(例如对应于表面点SP1)与ROI中的其相邻像素进行比较。通过找到具有最高总体对比度的图像(对应于采集图像时的聚焦位置)，可以沿光轴OA和图像堆叠采集轴获取表面点(例如，在ROI(1)的中心的表面点SP1)的相对ZL-位置(即自动对焦高度)的指示/测量值。
在如上所述的图6B中，感兴趣的中心区域ROI(1)被视为在图像(6)上大致聚焦，其对应于沿着光学组件部分205或305的光轴的位置ZL(6)。因此，可以确定工件表面上与ROI(1)的中心相对应的表面点(例如表面点SP1)位于相对位置ZL(6)，因为该位置大约与图像堆叠中图像(6)的ROI(1)的聚焦位置相对应。可以对感兴趣区域ROI(2)和ROI(3)中的每一个执行类似的处理，以确定对应于ROI(2)和ROI(3)的中心的表面点(例如，分别为表面点SP2和SP3)的相对ZL位置。具体地，可以为ROI(2)和ROI(3)生成如图6A所示的自动聚焦曲线，以在相应的感兴趣的ROI区域中找到最佳聚焦图像。例如，假设图像(5)出现在ROI(2)中的最佳聚焦处，而图像(7)出现在ROI(3)中的最佳聚焦处，则可以确定ROI(2)中心的表面位置的自动对焦高度为ZL(5)，ROI(3)中心的表面位置的自动对焦高度为ZL(7)。
三个感兴趣区域ROI(1)、ROI(2)和ROI(3)(例如，具有相应的中心表面点SP1、SP2和SP3)的ZL高度/自动对焦高度(ZL位置)可用于限定对应于包括或以其他方式代表ZL位置/表面点的表面的平面或其他表示，并且可计算/确定限定/确定表面的表面法线SN。如前所述，可以计算/确定至少三个ZL位置(即，自动对焦高度)来限定表面，尽管可以获得多于三个的ZL位置来更精确地限定表面。在各种实施方式中，多个感兴趣区域ROI(1)、ROI(2)、ROI(3)…ROI(n)可以基于相同的(单个)图像堆叠进行处理，为此，在某些情况下，可能无需获取多个图像堆叠来计算/确定多个ZL位置。将理解，在某些情况下，所确定的峰值聚焦位置(即对应于自动聚焦高度)可以落在图像堆叠中的两个图像之间，针对它们的聚焦峰值位置可以根据聚焦曲线与为图像确定的聚焦度量值的拟合通过插值或其他技术来确定。
在各种实施方式中，图6A和6B的图示还可以代表由在点自焦点(PFF)模式(或其他模式)中操作的光学组件部分205或305获得的图像堆叠，以确定工件表面的多个表面点的ZL-高度(即，ZL-位置)。可以处理PFF图像堆叠以确定或输出ZL高度坐标图(例如点云)，该ZL高度坐标图定量地指示一组3维表面坐标(例如，对应于工件的表面形状或轮廓)。与多点自动对焦图像堆叠相比，PFF图像堆叠通常可以包含更多图像并且涉及更多表面点的计算/确定(例如，用于详细表面轮廓的精确确定等)，并且可能相应地涉及更耗时的过程。例如，在一些实施方式中，PFF图像堆叠可以包括比多点自动对焦图像堆叠多至少10x、20x或40x等的图像(例如，作为某些实施方式中的一些特定实例值，多点自动对焦图像堆叠可以包括5-10个图像/相机帧，而PFF图像堆叠可以包括超过200个(例如220个等)图像/相机帧)。根据本文公开的原理，相关于将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线名义上对准，可以相对快速地获取和处理多点自动对焦图像堆叠(例如，用更少的图像和更少的表面点和相应的处理捕获)。此后，在光学组件部分如此对准的情况下，可以在工件表面上执行限定的操作(例如，包括PFF操作等)。PFF操作可提供关于工件表面的表面轮廓的更详细信息，为此使光轴与表面法线名义上对齐可具有各种优点(例如，关于执行PFF和/或其他过程)。
图7是机器人系统400，其体现了包括根据本公开的一方面的光学组件部分405(类似于光学组件部分205和305)的本公开的计量系统。机器人系统400包括呈具有多个自由度的关节臂形式的调整机构401。在各种实施方式中，调整机构401(即，关节臂)通常可以用作(例如，包括关节臂的某些部分的操作)Z轴移动机构，其被配置为改变光学组件部分405和工件表面320A之间的距离，并且通常也可以用作(例如，包括关节臂的某些部分的操作)旋转机构，其被配置为旋转光学组件部分以改变光轴相对于工件表面320A的角度取向。
光学组件部分405包括相机360、VFL(TAG)透镜370和照明源330。在各种实施方式中，照明源330可以是在所示实施例中设置在光学组件部分405的远端处的环形灯(例如，由LED的排列形成)，尽管照明源330可以替代地是例如同轴灯。机器人系统400包括控制器425，其包括或耦合到VFL(TAG)透镜控制软件和机器人集成软件，所述软件负责控制并入机器人系统400中的光学组件部分405。在图示的实施例中，光学组件部分405耦接到关节臂401的远端。机器人系统400的控制器425通过控制关节臂401可以移动光学组件部分405以改变到工件表面320A的距离(例如，利用关节臂401的Z轴移动机构部分)，并且可以旋转光学组件部分405以改变光学组件部分405的光轴OA相对于工件表面320A的角度取向(例如，利用关节臂401的旋转机构部分)。
与上述图2A-3B的实施例一样，机器人系统400的控制器425可以实施本公开的方法，包括：定位光学组件部分405，使得工件表面320A在自动对焦范围内；在自动对焦范围内的多个焦距处捕获工件表面的图像堆叠(例如，通过控制TAG透镜370和/或移动光学组件部分405)；基于图像堆叠的至少三个对应的ROI确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度(例如，为此，可以基于确定的自动对焦高度来确定表面法线和调整信息)；至少部分地基于确定的自动对焦高度控制调整机构以：相对于工件表面旋转光学组件部分以将光学组件部分405的光轴与工件表面320A的表面法线名义上对齐；和调整光学组件部分与工件表面的距离；并且在工件表面320A上执行限定操作。
图8A-8E图示了坐标测量机(CMM)500，其体现了包括根据本公开的另一方面的光学组件部分505的计量系统。如图8A所示，坐标测量机500包括使光学组件部分505(例如，其可以包括在视觉探针中)移动的机器主体501、具有手动操纵杆506的操作单元503和处理设备配置509。机器主体501包括面板510(例如，工件工作台)和移动光学组件部分505的调整机构520(也参见图8E)。调整机构520包括X轴滑动机构525、Y轴滑动机构526和Z轴滑动机构527，它们被设置成立在面板510上以保持并相对于要测量的工件WP三维地移动光学组件部分505，如图8A所示。调整机构520还包括旋转机构595。
具体地，调整机构520包括能够在机器坐标系(MCS)中沿YM方向移动的梁支架521、在梁支架521之间桥接的梁522、能够在机器坐标系中沿XM方向在梁522上移动的柱523、以及能够在机器坐标系中沿ZM方向在柱523内移动的Z轴移动构件524，如图8A所示。图8A所示的X轴滑动机构525、Y轴滑动机构526和Z轴滑动机构527分别设置在梁522与柱523之间、面板510与梁支架521之间以及柱523和Z轴移动构件524之间。光学组件部分505附接到探针头513，该探针头可包括旋转机构595并且附接到Z轴移动构件524的端部并由其支撑。旋转机构595使得光学组件部分505能够旋转。X轴滑动机构525、Y轴滑动机构526和Z轴滑动机构527各自被配置为在MCS内分别沿相互正交的X、Y、Z轴方向(即XM、YM和ZM方向)移动光学组件部分505。
如图8E所示，X轴滑动机构525、Y轴滑动机构526和Z轴滑动机构527分别设置有X轴刻度传感器528、Y轴刻度传感器529以及Z轴刻度传感器530。因此，可以从X轴刻度传感器528、Y轴刻度传感器529和Z轴刻度传感器530的输出获得光学组件部分505在机器坐标系(MCS)中在X轴、Y轴和Z轴方向上的移动量。在示出的实施方式中，X轴滑动机构525、Y轴滑动机构526和Z轴滑动机构527的移动方向分别与机器坐标系(MCS)中的XM方向、YM方向和ZM方向一致。在各种实施方式中，这些相对直接的相关性和相关联的组件可以帮助确保高水平的在XM、YM和ZM方向上的运动和位置控制/感测的准确性以及相对简化的处理。具有旋转机构595的探针头513包括一个或多个旋转传感器515(见图8E)，用于感测光学组件部分505的角旋转/位置/方向，这将在下面更详细地描述。
在各种实施方式中，如图8A和8E所示，包括X轴、Y轴和Z轴滑动机构525、526和527的调整机构520和旋转机构595可以被控制以移动和对准光学组件部分505的光轴OA名义上垂直于任意工件表面。与上述图2A-3B和7的实施例一样，如图8C、8D和8E所示，光学组件部分505可以包括光源330和光学部件部分306(例如，可以包括物镜350、相机360和VFL(例如TAG)透镜370)。
如图8A和8E所示，操作单元503连接到控制器625的命令部分602。控制器625包括或耦合到运动控制器540，该运动控制器被配置为控制光学组件部分505的运动。可以经由操作单元503将各种命令输入到机器主体501和控制器625。如图8A所示，控制器625可以体现在计算机系统的处理单元中。
与上述图2A-3B和7的实施例一样，CMM 500的控制器625可以实施本公开的方法，包括：相对于工件表面(WPS1)定位光学组件部分505，使得工件表面在自动对焦范围内；在自动对焦范围内的多个焦距处捕获工件表面的图像堆叠(例如，通过控制TAG透镜370和/或移动光学组件部分505)；基于图像堆叠的至少三个对应的ROI确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度(例如，为此，可以基于所确定的自动对焦高度确定表面法线和调整信息)；以及至少部分地基于针对至少三个位置所确定的自动对焦高度控制调整机构520以：相对于工件表面WPS1旋转光学组件部分505以将光学组件部分505的光轴OA与工件表面WPS1的表面法线SN名义上对准；和调整光学组件部与工件表面的距离；并且在工件表面WPS1上执行限定的操作。
如图8E所示，控制器625包括命令部分602、调整机构控制器604、位置确定部分606、光学组件部分控制器608、光学组件部分数据部分610、分析器部分612和存储部分614。图8E所示的命令部分602向调整机构控制器604发出命令。命令部分602考虑到例如移动方向、移动距离、移动速度等，针对每个控制周期，生成机器坐标系中的坐标值作为对调整机构520的位置命令，以将光学组件部分505移动到多个位置和取向。图8E中所示的调整机构控制器604通过响应于来自命令部分602的命令输出驱动控制信号D来执行驱动控制，从而使电流流过调整机构520中的x轴、y轴和z轴滑动机构525、526和527以及旋转机构595的电机。
在一种实施方式中位置锁存器516与各种传感器和/或驱动机构通信，以确保在获取图像时CMM 500和光学组件部分505的坐标被适当地同步。更具体地，在各种实施方式中，位置锁存器516可以用于帮助确保从图像堆叠中的图像导出的测量和/或其他确定的准确性。在各种实施方式中，位置锁存器516的操作使得CMM机器坐标(其在特定测量期间反映光学组件部分505的连接点或其他参考点的位置)能够与从光学组件部分图像确定的位置数据(例如，相对于光学组件部分505本身的位置和方向)适当地组合。在某些实施方式中，位置锁存器516可用于触发来自CMM位置传感器(例如，传感器515和528-530等)的测量，该传感器可包括刻度、编码器或在机器坐标系中跟踪光学组件部分505的整体位置和方向(例如，包括其基本位置)的其他感测元件。在一些实施方式中，位置锁存器516还可以触发来自光学组件部分505的图像采集(例如，作为图像堆叠的一部分，可以为图像堆叠中的每个图像提供触发信号，其中光学组件部分505的相应位置和/或VFL透镜370的相位时序对于每个图像采集也相应地被同步和/或跟踪)。
当仅光学组件部分505一起使用时，CMM调整机构520，特别是其传感器(515和528-530)，可以将测量输出M提供给位置确定部分606，该位置确定部分确定CMM的机器坐标系(MCS)内的光学组件部分505的探针头513的位置(或其他连接点或参考位置)。例如，位置确定部分606可以在机器坐标系内为探针头513或光学组件部分505的其他连接点或参考点提供X、Y和Z坐标(即XM、YM和ZM坐标)。
当如本文关于各种示例性实施例(例如，关于某些限定的操作或其他)所描述的使用光学组件部分505时，位置确定部分606可以确定探头513在光学组件部分505顶部(或其他参考或附接位置)的位置。为了确定工件上的表面点的坐标，可以使用来自图像堆叠的分析的信息。例如，可以由光学组件部分505采集(在不同聚焦位置处的图像的)图像堆叠，其中图像堆叠中的图像的相对位置/聚焦位置是就光学组件部分局部坐标系(LCS)而言，其在一些实施方式中可以与光学组件部分在MCS内的参考位置有关。为了确定机器坐标系(MCS)内的表面点的整体位置，在一些实施方式中，可以将表面点的LCS位置数据转换和/或以其他方式与MCS位置数据组合，从而确定表面点的总整体位置。
当光学组件部分505以一定角度定向(例如，如图8D所示)并且因此光学组件部分局部坐标系(LCS)的Z轴(即ZL-轴)以一定角度(即对应于光学组件部分505的光轴OA)定向时，采集的图像堆叠指示工件的表面点沿以所述角度定向的光学组件部分Z-轴的方向的相对距离(例如自动对焦高度或ZL高度)。在一些实施方式中，那些LCS坐标可以与为探针头513(或其他参考位置)确定的MCS坐标组合(例如，转换、添加至其上等等)，以确定MCS中工件上表面点的整体位置。例如，如果希望根据MCS确定表面点的坐标，则可以将光学组件部分局部坐标系LCS中确定的测量点转换为MCS坐标，并添加到或以其他方式结合至光学组件部分505的探针头513的其他MCS坐标中(或其他参考位置)。可选地，如果为工件本身分配了自己的局部坐标系，则可以将为光学组件部分505的探针头513(或其他参考位置)确定的MCS坐标和/或LCS坐标转换或者将其与工件的局部坐标系组合。作为又一个实例，在某些情况下，也可以或可选地建立其他局部坐标系(例如，用于图像堆叠的图像等)。通常，MCS覆盖了CMM 500的整体大体量的坐标，而局部坐标系通常覆盖较小体量，并且在某些情况下通常可以包含在MCS内。在各种实施方式中，作为MCS和/或局部坐标系的一部分，除了X、Y和Z坐标之外，关于光学组件部分505的取向和工件WP上的所测量的表面点坐标的确定，某些类型的圆柱坐标、笛卡尔坐标或其他坐标也可以或可替代地被利用。应当理解，这样的用于确定坐标的原理也是适用于并且可以用于本文描述的其他系统中(例如，关于图2A-3B、5A-5C、7等)。
在一些实施方式中，就来自图像堆叠的LCS而言的位置数据可以相对独立地被利用(例如，具有有限的或没有转换或与来自MCS或其他坐标系的坐标组合)。例如，从图像堆叠的分析确定的位置数据可以提供指示LCS方面工件表面上表面点的3D位置的3D坐标，其因此代表/对应于工件表面的3D轮廓/表面形貌。如上所述，在一些实施方式中，这样的数据可以与MCS中表示的其他位置数据组合以指示MCS内的工件表面和表面点的整体位置。然而，对于某些实施方式、分析和/或表示等，可能期望主要或仅利用从图像堆叠确定的位置数据。例如，如果分析或检查主要是为了确定工件表面上工件特征的相对位置和/或特性(例如，其中关于工件表面上工件特征之间的距离和/或表面上的工件特征的3D尺寸，等等，与表面法线和/或其他一起确定/计算相对表面/平面)，那么在一些实施方式中此类数据可以主要从图像堆叠的分析中确定。更具体地，如果期望的分析/检查不需要工件表面和/或工件特征的MCS内的总体位置，则可以有限地结合或不结合其他MCS或其他坐标系坐标而利用从图像堆叠确定的数据。除了分析这样的数据之外，将理解的是，对于一些操作，还可以根据来自图像堆叠的分析(例如作为PFF过程等的一部分)的数据类似地确定和/或提供工件表面的3D表示(例如，在显示器等上)。
如图8E所示，光学组件部分控制器608控制光学组件部分505(例如，控制照明配置330、相机360、VFL透镜370等以获得图像堆叠的图像等)。在各种实施方式中，光学组件部分505的移动或聚焦的某些部分可由CMM调整机构520控制，其将光学组件部分505移近和/或远离工件，其中旋转机构595可以用于将光学组件部分505旋转到期望的角度/方向(例如，名义上垂直于工件表面)。在各种实施方式中，光学组件部分505的焦距可以至少部分地由物镜350确定(例如，结合VFL透镜370，其中光学组件部分505前面的焦距可以根据VFL透镜370的操作在测量操作期间改变)。光学组件部分数据部分610接收光学组件部分505的输出(即，用于图像堆叠的图像的图像数据)。分析器部分612可用于执行相关分析(例如，点自聚焦(PFF)分析或图像堆叠的其他分析，用于沿着光学组件部分Z轴方向(即ZL方向)确定工件表面上每个表面点的相对自动对焦高度/位置，以确定工件表面的对应平面，和/或工件表面的3维表面轮廓等)。存储部分614可以包括计算机存储器的一部分，用于存储某些软件、例程、数据等，用于系统的操作等。
图8B是示意性地示出了CMM 500的机器主体501和光学组件部分505的某些部件的图。如图8B所示，机器主体501包括探针头513。探针头513通过探针头电缆511接收和传输信号。探针头513固定至坐标测量机主轴(quill)517，该坐标测量机主轴附接至沿MCS的Z轴方向(即ZM方向)运动的Z轴移动构件524(或诸如心轴等滑动元件)的端部。探针头513在探针自动接头连接件531处连接到光学组件部分505。在美国专利号9,115,982中更详细地描述了探针自动接头连接件的一种实现方式，该专利的全部内容通过引用合并于此。
图示的实施例中的探针头513包括旋转机构595，该旋转机构在一些实施方式中在水平面中旋转360度(例如，第一旋转传感器515可以感测其角度运动/位置/方向)，并且可以包含一种U形接头(例如，其使连接的光学组件部分能够绕着位于水平面中的相应轴旋转，第二旋转传感器515可以感测其角度运动/位置/方向)。因此，在图8B的特定实例中探针头513的旋转机构595支持光学组件部分505围绕两个不同的轴旋转：首先，以当前方向围绕MCS的Z-轴旋转(转动)光学组件部分505，其次，使光学组件部分505绕水平轴(即，MCS的XY平面中的轴)旋转。在一些实施方式中包括球形(或球状)接头的旋转机构595允许光学组件部分505相对于柱523内的Z轴移动构件524和/或相对于任何水平轴旋转，以便将光学组件部分505的光轴OA定位在相对于工件表面的期望角度/方向(例如，名义上垂直于工件表面)。通常，旋转机构595是用于改变光学组件部505的取向(即，光学组件部505的姿态)的机构。
探针自动接头连接件531是机电连接件，该机电连接件以使得探针头513可以与一个探针(例如包括光学组件部分)断开并附接到另一个探针的方式将探针头刚性地且机械地紧固到光学组件部分505。在一个实施方式中，探针自动接头连接件531可以包含第一配合自动交换接头元件534和第二配合自动交换接头元件536，其中，第一自动交换接头元件534安装到探针头513，而第二配合自动交换接头元件536安装到光学组件部分505。在一个实施方式中，探针自动接头连接件531具有配合的电触点或连接件535，使得当探针被附接时，触点自动接合并形成电连接。
光学组件部分505可以通过自动接头连接531接收其功率和控制信号中的至少一些，功率和控制信号相应地通过探针头电缆511。通过自接头连接件531传递到光学组件部分505的信号通过连接件535传递。如图8E所示，光学组件部分505包含自动交换接头元件536和安装到自动交换接头元件536上的探针总成537，以用于通过探针自动接头连接件531自动连接到CMM 500。
在各种实施方式中，光学组件部分505还可以或可替代地具有通过电缆511'传递的其功率和控制信号中的至少一些。在一些实施方式中，由于具有有限数量的可用有线连接的标准自动接头连接件531，可以使用电缆511'，并且对于光学组件部分505可能希望/利用更多的连接件(例如，如通过可选电缆511'提供的)。在各种实施方式中，用于光学组件部分505的电力和/或通信信号(例如，当通过电缆511和/或电缆511'传递时)可以去往和来自光学组件部分控制器608和光学组件部分数据部分610(见图8E)。光学组件部分数据部分610接收光学组件部分505的输出(即，用于图像堆叠的图像的图像数据)。分析器部分612可用于执行图像堆叠的相关分析，例如自动聚焦处理以计算/确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度(例如，可用于计算/确定工件表面的表面法线)等。存储部分614可以包括计算机存储器的一部分，用于存储某些软件、例程、数据等，用于控制器625等的操作。
虽然在图8A和8B中旋转机构595被示为包括一种U形接头，但旋转机构595的构造不限于此。例如，旋转机构595可以以包括在CMM 500的面板510中或上的旋转工作台的形式提供以支撑工件WP(见图8A)，或者以旋转工作台的形式提供在CMM 500的Z轴移动构件524的远端(例如，类似于图1-3B的旋转工作台297)。
图8C和8D示出了相对于图8A和8B的某些部件，包括调整机构520的某些零件，该调整机构包括CMM 500的机器主体501的旋转机构595'(体现在探针头513'中)。图8C示出了垂直方向上的光学组件部分505(例如，类似于某些现有技术系统例如某些视觉系统主要被操作为仅沿机器坐标系的ZM-轴方向上下移动聚焦位置的方式，以获得包含工件图像的图像堆叠)。如图8C所示，工件WP具有工件表面WPS1，该工件表面具有角度方向(以角度A1)。注意，在图8C的图示中，机器坐标系的Z轴平行于光学组件部分505的光轴OA。将理解，如果由Z轴滑动机构527简单地沿着MCS的ZM-轴上下移动光学组件部分505(包括Z轴移动构件524在柱523内的移动)，则光学组件部分505的光轴(ZL-轴)可以与机器坐标系的ZM-轴和图像堆叠采集轴ISAA在相同的方向上。示出工件表面WPS1相对于MCS的水平面成角度A1。比较而言，在MCS中工件WP的工件表面WPS2被示出为大致平行于水平面。工件表面WPS1的表面法线SN显示为相对于光轴OA成角度A2(例如，光学组件部分505可以旋转角度A2指示的量，如图8D所示)。
图8D示出了根据本公开的各种实施例的已经被旋转(角度A2量)为相对于MCS的水平面(以角度“A-H”)和MCS的垂直平面(以角度“A-V”)成一角度的光学组件部分505，如通过所公开的CMM 500可以实现的。光学组件部分505已经绕经过旋转点R2的水平旋转轴RA2旋转(例如，通过U形接头或探针头513'的旋转机构595'的其他组件)，以指向角度A-H并且为此光学组件部分505的光轴OA名义上法向于(例如大致垂直于)工件表面WPS1。在图8D中，探针头513'的旋转机构595'使光学组件部分505绕MCS的Z轴旋转的能力由经过探针头513′/旋转机构595′顶部的旋转点R1的旋转轴RA1示出。围绕水平轴的旋转在经过探针头513'/旋转机构595′的中心处的旋转点R2(例如，根据如图8B图解的U形接头的操作)时根据旋转轴RA2(即，由于指向页面而表示为单点)进行了图解。
在图8D中，图示了示例图像堆叠范围SR-3B，其在各种实施方式中可以是自动对焦范围或PFF范围的一部分或全部(例如，用于确定工件表面WPS1的3维表面轮廓)，等等。工件表面WPS1可具有可高于或低于工件表面WPS1的平均平面位置的各种工件特征(例如，表面特征)。在一些实施方式中，可期望使图像堆的各个聚焦位置的范围在工件表面上方和下方延伸一定距离。如图8D所示，示例图像堆叠范围SR-3B可以显著小于图8C的图像堆叠范围SR-3A(即，在图8C的所示方向中覆盖工件表面WPS1的所有表面点所需的图像堆叠范围)，这是由于以下事实：图8D中的光学组件部分505被定向为使得其光轴OA名义上法向于(即大致垂直于)工件表面WPS1，如与图8C中的相对角度方向形成对比的。在图8D中，光轴OA(和图像堆叠采集轴ISAA)相对于工件表面WPS1的至少一部分的角度表示为“A-P”，其在图示的实例中为名义上法向(即约为90度/垂直)。图8D还示出了工件表面WPS1相对于水平面“A-W”的角度(例如，对应于图8C的角度A1)。取决于每种实施方式中的特定角度A-W，可以调节旋转机构595'以确保光学组件部分505的光轴OA(和ISAA)名义上法向于(即大致垂直于)工件表面WPS1的至少一部分。
为了实现图8D的取向，可以根据如本文公开的原理(例如，类似于以上关于图5B和5C描述的实例)执行某些过程。例如，图8C的配置可以通过控制调整机构520来移动光学组件部分505以将工件表面WPS1放置在光学组件部分505的焦点Z自动对焦范围内来实现。在图8C的图示中，这可以对应于将光学组件部分505定位在距工件表面WPS1上的位置(例如，光轴OA与工件表面WPS1相交的位置，在一些情况下，其可以位于工件表面WPS1的中点或其他中心位置或它们的附近)距离D-8C处。在图8C的实例中，焦点Z自动对焦范围由范围SR-3A表示。如上文关于图6A和6B描述的，作为自动对焦过程的一部分，可以使用光学组件部分505在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面WPS1的图像堆叠。可以基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域，为工件表面WPS1上的至少三个位置中的每一个确定自动对焦高度，如上面关于图6A和6B描述的。
如图8D所示，可以至少部分地基于至少三个表面位置处的自动对焦高度来控制调整机构520以：相对于工件表面WPS1旋转光学组件部分505以名义上将光学组件部分505的光轴OA与工件表面WPS1的表面法线SN对齐；并且调整光学组件部505与工件表面WPS1之间的距离。在各种实施方式中，在控制如图8D所示的调整机构之前，所确定的至少三个表面位置的自动对焦高度可用于计算或以其他方式确定工件表面WPS1的表面法线SN和/或相应的调整信息。然后可以控制调整机构520(例如，利用基于自动对焦高度计算/确定的调整信息和/或表面法线)以从图8C所示的位置和取向旋转或以其他方式移动光学组件部分505处于图8D所示的位置和取向，对于该位置和取向，光轴OA被示为名义上与表面法线SN重合。此外，调整机构520可用于调整光学组件部505与工件表面WPS1之间的距离。如图8D所示，调整导致光学组件部分505和工件表面WPS1之间的距离D-8D(例如，沿光轴OA的方向和/或对应的ZL方向测量的)。如上文关于图3A和3B所述，在各种实施方式中，距离D-8D可以对应于名义上处于或接近以下的工件表面WPS1：范围SR-3B的中间(例如，用于PFF或其他要在工作空间表面上执行的相对操作的范围)；和/或光学组件部分505的物镜的工作距离；和/或最佳对焦位置等。一旦处于图8D所示的取向和位置，就可以在工件表面WPS1上执行限定操作。
作为限定操作的实例，可以在工件表面WPS1上执行利用光学组件部分505的测量操作。作为此类操作的一部分或以其他方式，可以执行PFF操作(例如，用于确定工件表面WPS1的表面轮廓)。作为PFF操作的一部分，可以利用光学组件部分505在图8D中所示的取向来捕获图像堆叠(例如，并且图像堆叠对应于扫描范围SR-3B)。作为可以在工件表面WPS1上执行的另一种类型的限定操作，可以执行机加工操作(例如钻孔)，对此，可能期望的是机加工操作的机加工轴(例如钻孔轴)与光学组件部分505的光轴OA重合(例如，与其同轴或平行等)，因此也名义上垂直于工件表面SRF1。
图9是根据本公开的一个方面的使用多点自动对焦来对准光轴垂直于表面的方法900的流程图。在框901中，该方法操作包括光学组件部分(205、305、405、505)的计量系统。光学组件部分包括：可变焦距(VFL)透镜；光源；和物镜，所述物镜输入由被所述光源照射的工件的表面引起的图像光，并且沿着经过VFL透镜的成像光路透射所述图像光。物镜限定了至少在物镜和工件表面之间延伸的光学组件部分的光轴。光学组件部件还包括相机，该相机接收沿成像光路由VFL透镜传输的成像光并提供工件表面的图像。
在框903中，该方法移动光学组件部分以将待测量的工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动聚焦范围内。
在框905中，该方法使用光学组件部分在焦点Z自动聚焦范围内捕获工件表面的图像堆叠。
在框907中，该方法基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域(ROI)计算工件表面的至少三个位置的自动对焦高度。在各种实施方式中，可以至少部分地基于三个位置处的自动对焦高度来确定工件表面的表面法线和对应的调整信息。
在框909中，该方法至少部分地基于至少三个位置处的自动对焦高度来控制调整机构以：相对于工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分与工件表面的表面法线对准；和调整光学组件部分与工件表面之间的距离。
在框911中，该方法在现在名义上垂直于光轴的工件表面上执行限定的操作。
各种限定的操作是可执行的，其中这些操作都可以利用以下事实：根据各种实施例的计量系统可以快速和/或精确地对准光学组件部分的光轴名义上垂直于要在其上操作的工件表面。
例如，在执行框911的限定操作之后，可以针对工件表面的另一部分和/或工件的另一工件表面重复框903至911的过程(例如，对于包括涡轮叶片的工件，可以对不同的部分重复该过程，如沿着涡轮叶片的曲线等)。
作为另一实例，可以在工件表面上执行非光学操作，例如机加工(例如，钻孔)操作，其中机加工操作轴与名义上垂直于工件表面定向的光学组件部分的光轴重合。
作为其他实例，可以执行各种光学操作，例如扩展景深(EDOF)操作或点自焦点(PFF)操作。EDOF操作和PFF操作的一些细节可以在例如美国专利公开2020/0195836中找到，其全部内容通过引用并入本文。简而言之，在EDOF操作中，可以操作包括VFL(TAG)透镜的光学组件部分(205、305、405、505)以使用EDOF曝光序列曝光初步图像，该序列限定了多个离散的图像曝光增量，该增量在与周期性调制的聚焦位置的相应相位相对应的相应离散聚焦位置FP处获取。处理初步图像以确定或输出在单个聚焦位置具有比VFL(TAG)透镜成像系统更大的景深的EDOF图像(例如，在各种实施例中，大10-20倍或更多)，其中EDOF图像基本上在整个事实更大的景深内聚焦。在各种实施例中，可以高速率提供EDOF图像，适于近似实时地显示。例如，EDOF图像曝光序列可以被配置为在小于500毫秒、或小于250毫秒、或小于100毫秒、或小于50毫秒内获取初步图像。
简而言之，在PFF操作中，可以操作包括VFL(TAG)透镜的光学组件部分(205、305、405、505)以使用PFF曝光序列曝光图像的堆叠(图像堆叠)，该序列限定了多个离散的图像曝光增量，该增量在与周期性调制的聚焦位置的相应相位相对应的相应离散聚焦位置FP处获取。处理图像堆叠以确定或输出ZP高度坐标图(例如点云)，该ZP高度坐标图定量地指示对应于工件的表面形状的一组3维表面坐标。
在各种实施方式中，当在工件表面上执行的限定操作涉及沿光轴OA的方向的移动时，将理解包括VFL透镜(例如，VFL透镜220、370等)可具有各种优点。例如，如上所述，当包括VFL透镜(例如，TAG透镜)时，在一些实施方式中，可以实现对VFL透镜的聚焦位置的调制，而不需要部件沿光轴OA方向的物理移动(例如，可以允许更快速和可重复地执行此类操作并且没有碰撞风险，例如以其他方式移动的部件与工件表面、结构和/或其他部件等的潜在碰撞等)。在一些实施方式中，当光学组件部分倾斜时(例如，相对于机器坐标系的Z轴，例如图2B、3B、5C和8D中所示)，这些方面可能是特别有利的。通常，在不包括VFL透镜和/或需要沿光轴方向移动超出VFL透镜的调制限制的实施方式中，可能需要各种更复杂的移动序列。
例如，关于图2B的配置，如果要沿恒定的图像堆叠采集轴ISAA采集图像堆叠(例如，作为多点自动对焦或PFF操作的一部分)，而不使用VFL透镜，这可能需要对每个图像进行各种重新定位运动。更具体地，为了使光学组件部分205沿着图像堆叠采集轴ISAA相对于工件表面WPS1正确对准，对于每个图像采集位置，可能需要沿着机器坐标系的Z轴进行调整(例如，利用电机294)以及沿机器坐标系的Y和/或X轴进行调整(例如，由移动工件的可移动工作台210提供)。或者，在一些实施方式中，即使在诸如图2B中所示的取向中，仅沿机器坐标系的Z轴提供图像采集位置/移动也是可以接受的(例如，由电机294提供)。在图2B所示的取向中，仅沿着机器坐标系的Z轴方向的这种运动将不会保持光学组件部分205的光轴OA沿着恒定的图像堆叠采集轴ISAA以便采集图像堆叠中的每个图像，但所捕获的图像堆叠可能具有足够大的视场，使得一个或多个期望的感兴趣区域仍可能包含在图像堆叠的所有图像中，只是每个图像中相对位置移位。通过适当的处理，可以确定/跟踪期望的感兴趣区域并将其用于期望的操作(例如，可以根据本文所述的方法使用的多点自动对焦操作、PFF操作等)。应当理解，包含和使用VFL透镜(例如，VFL透镜270)可以避免对这种处理和额外移动的需要(即，因为VFL透镜的调制可以使图像堆叠能够以相对快速和可重复的方式沿着恒定的图像堆叠采集轴ISAA被捕获，而不需要其他部件的物理移动和相关处理)。
作为另一个例子，在图8D的实施方式中，在不使用/包括VFL透镜370的情况下，为了沿着图像堆叠采集轴ISAA捕捉图像堆叠，对于每个图像采集位置，可能需要沿着机器坐标系的X、Y和/或Z轴方向移动(例如，由X、Y和Z轴滑动机构525、526和527提供的)。如上所述，当包括和使用VFL透镜370时，可能不需要这种移动(即，因为VFL透镜370的调制可以使图像堆叠的图像能够被采集为对应于沿恒定的图像堆叠采集轴ISAA的不同聚焦位置，而无需其他部件的物理移动)。
如上所述，在各种实施方式中，调整机构被控制以移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动聚焦范围内。在包括VFL透镜并用于自动对焦扫描的实施方式中(例如，没有其他部件的运动用于自动对焦扫描)，焦点Z自动对焦范围可以主要由VFL透镜的操作的范围(例如，范围Refp)确定/与其相关。例如，对于某些TAG透镜，在一些实施方式中，这可以对应于光学系统的大约10DOF(景深)的范围(例如，因此可以对其进行定位在光学系统的10DOF内)。如上所述，在不使用/包括VFL透镜的各种实施方式中(和/或在系统提供运动以增加扫描范围超出/附加于VFL透镜的操作所提供的范围的情况下)，焦点Z自动对焦范围可由系统的其他方面确定/对应于系统的其他方面(例如，与各种部件的运动范围有关，例如电机294的运动范围，和/或用于避免碰撞等)。
如上所述，在各种实施方式中，多点自动对焦图像堆叠可以相对快速地获取并且可以包括相对较少数量的图像(例如5-10个图像)。在各种实施方式中，期望移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动聚焦范围内，使得多点自动聚焦图像堆叠包括在工件表面的各部分的焦点Z位置两侧的图像。在一些实施方式中，这可以对应于在光学组件部分的视场中的工件表面的每个部分的焦点Z位置的任一侧上具有至少一定数量的DOF(例如，1或2个DOF)。如上所述，这些方面在确定相应的聚焦曲线数据的峰值方面可能是有利的。更具体地，如上所述，确定工件表面位置的自动对焦高度可以包括至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析确定位置/相应感兴趣区域的聚焦曲线数据，其中感兴趣位置/区域的聚焦曲线数据指示相应的自动对焦高度，例如可以对应于聚焦曲线数据的峰值。通过在峰值的任一侧获取与足够的聚焦曲线数据相对应的图像，可以以更大/足够/期望的精度和/或准确度等确定峰值。
应当理解，这样的原理和描述也可以适用于本文描述的其他过程。例如，如上文在各种实施方式中所指出的，在确定/计算表面法线之后，运动控制器可用于旋转/调整光学组件部分的取向并调整光学组件部分与工件表面之间的距离。在各种实施方式中，光学组件部分被调节到的距工件表面的距离可以至少部分地基于诸如上述那些原理。例如，可能期望所述距离使得工件表面位于系统扫描范围内的期望位置处(例如，对应于PFF图像堆叠扫描范围内的期望位置，使得存在对应于工件表面每一部分任一侧上的聚焦数据的期望图像数量，和/或根据该部分扫描范围的某些期望性能特征，等等)。
尽管已经示出和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，本领域技术人员应当理解特征的所示和所描述的布置以及操作序列的许多变化。可以使用各种替代形式来实现本文公开的原理。另外，可以组合上述各种实施方式以提供进一步实施方式。

Claims (23)

1.一种计量系统，包括：
光学组件部分，其包括：
光源；
物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；和
相机，其接收沿所述成像光路传输的成像光并提供所述工件表面的图像；
调整机构，其被配置为改变所述光学组件部分和所述工件表面之间的距离并且相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向；
一个或多个处理器；以及
存储器，所述存储器耦合到所述一个或多个处理器并且存储程序指令，所述程序指令当由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器至少：
控制所述调整机构移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于所述至少三个位置处的自动对焦高度控制所述调整机构以：
相对于所述工件表面旋转所述光学组件部分以将所述光学组件部分的光轴与所述工件表面的表面法线名义上对准；和
调整所述光学组件部与所述工件表面的距离；和
在所述工件表面上执行限定操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学组件部分还包含包括在成像光路中的可变焦距(VFL)透镜，并且其中所述物镜沿着所述成像光路通过VFL透镜传输图像光并且所述相机接收所述VFL透镜沿所述成像光路传输的成像光。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述VFL透镜是可调声学梯度(TAG)透镜，其被配置为非机械地改变焦距，并且为此通过周期性地调制TAG透镜的光焦度来控制所述光学组件部分的周期性调制的聚焦位置。
4.根据权利要求2所述的系统，其中在所述工件表面上执行的限定操作包括利用所述VFL透镜捕捉所述工件表面的一个或多个图像。
5.根据权利要求2所述的系统，其中在所述工件表面上执行的限定操作包括利用所述VFL透镜捕获图像堆叠，同时所述光学组件部分的光轴与所述工件表面的表面法线名义上对准，为此所述图像堆叠包括所述工件表面的多个图像并且所述图像堆叠的每个图像对应于所述光学组件部分沿所述光轴的方向的不同聚焦位置。
6.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述工件表面的至少三个位置的自动对焦高度包括至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析来确定每个感兴趣区域的聚焦曲线数据，其中对于至少三个位置中的每一个，相应感兴趣区域的聚焦曲线数据的峰值指示相应的自动对焦高度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述程序指令当由所述一个或多个处理器执行时还使所述一个或多个处理器：
至少部分地基于至少三个位置处的自动对焦高度确定工件表面的表面法线；和
确定调整信息以控制调整机构至少部分地基于确定的表面法线旋转光学组件部分。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述限定操作包括用于确定工件表面的特征的尺寸的测量操作。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述限定操作包括点自焦点(PFF)操作，其包括：
获取包括多个图像的图像堆叠，每个图像对应于沿着与光轴重合的成像光轴的光学组件部分的聚焦位置，以及
至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析确定聚焦曲线数据，其中聚焦曲线数据指示工件表面上的多个表面点的3维位置。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述限定操作包括在工件表面上执行的机加工操作，其中机加工操作的机加工轴为以下至少一种：名义上与光学组件部分的光轴重合或名义上与其平行。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述调整机构包括旋转机构和Z轴移动机构，其中Z轴移动机构被耦接以沿Z轴方向移动光学组件部分，并且旋转机构被耦接于Z轴移动机构和光学组件部分之间并且被配置为相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向。
12.根据权利要求11所述的系统，其体现在精密机器视觉检测系统中，并且其中调整机构包括旋转工作台，该旋转工作台包括所述旋转机构并且耦接在Z轴移动机构和光学组件部分之间。
13.根据权利要求1所述的系统，其体现在坐标测量机器系统中，其中所述调整机构包括：
x轴滑动机构、y轴滑动机构和z轴滑动机构，它们被配置为在机器坐标系内分别在相互正交的x轴、y轴和z轴方向上移动所述光学组件部分，以及
旋转机构，其被配置为相对于工件表面旋转光学组件部分。
14.根据权利要求1所述的系统，其体现在机器人系统中，其中调整机构包括具有用于移动光学组件部分的至少三个自由度的机器人臂。
15.一种用于操作包括光学组件部分的计量系统的方法，其中所述光学组件部分包括：
光源；
物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；和
相机，其接收沿所述成像光路传输的成像光并提供所述工件表面的图像；
所述方法包括：
移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度，确定用于相对于工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准和用于调整光学组件部分与工件表面的距离的调整信息；
利用所述调整信息旋转光学组件部分，以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准和以便调整光学组件部分与工件表面的距离；和
在工件表面上执行限定操作。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述光学组件部分还包括包含在成像光路中的可调声学梯度(TAG)透镜，并且其中所述物镜沿着成像光路通过TAG透镜传输图像光，并且所述相机接收沿所述成像光路由TAG透镜传输的成像光；和
所述方法还包括周期性地调制TAG透镜的光焦度以提供周期性调制的所述光学组件部分的聚焦位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中在所述工件表面上执行的限定操作包括利用所述TAG透镜捕捉一个或多个图像。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括至少部分地基于至少三个位置处的自动对焦高度来确定工件表面的表面法线，其中至少部分地基于所确定的表面法线来确定调整信息。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述限定操作包括用于确定工件表面的特征的尺寸的测量操作。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述限定操作包括点自焦点(PFF)操作，其包括：
获取包括多个图像的图像堆叠，每个图像对应于沿着与光轴重合的成像光轴的光学组件部分的聚焦位置，以及
至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析确定聚焦曲线数据，其中聚焦曲线数据指示工件表面上的多个表面点的3维位置。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述工件表面是工件的第一工件表面并且在第一工件表面上执行第一限定操作之后，所述方法还包括：
移动光学组件部分以将工件的第二工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获第二工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括第二工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定第二工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度，确定用于相对于第二工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与第二工件表面的表面法线对准和用于调整光学组件部分与第二工件表面的距离的调整信息；
利用所述调整信息旋转光学组件部分，以名义上将光学组件部分的光轴与第二工件表面的表面法线对准和以便调整光学组件部分与第二工件表面的距离；和
在第二工件表面上执行限定操作。
22.一种计量系统，包括：
光学组件部分，其包括：
可变焦距(VFL)透镜；
光源；
物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着经过VFL透镜的成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；和
相机，其接收沿成像光路由VFL透镜传输的成像光并提供工件表面的图像；
Z轴移动机构，其配置为改变光学组件部分与工件表面之间的距离；
旋转机构，其配置为相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向；
一个或多个处理器；以及
存储器，所述存储器耦合到所述一个或多个处理器并且存储程序指令，所述程序指令当由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器至少：
控制Z轴移动机构或旋转机构中的至少一种移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；
使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；
基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；
至少部分地基于在至少三个位置处的自动对焦高度，控制旋转机构以相对于工件表面旋转光学组件部分以名义上将光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线对准和控制Z轴移动机构以调整光学组件部分与工件表面的距离；以及
在所述工件表面上执行限定操作。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述VFL透镜是可调声学梯度(TAG)透镜，其中通过周期性地调制TAG透镜的光焦度来控制所述光学组件部分的周期性调制的聚焦位置。
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