DE102014209471A1

DE102014209471A1 - Strukturierte Beleuchtungsprojektion mit verbesserter Belichtungssteuerung

Info

Publication number: DE102014209471A1
Application number: DE102014209471.2A
Authority: DE
Inventors: Mark Lawrence Delaney; Paul Gerard Gladnick
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2014-12-11
Also published as: JP6433688B2; JP2014238400A; US20140362203A1; US9350921B2

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Steuern eines Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters vorgesehen, um ein Werkstück während einer Bilderfassung durch eine Kamera in einem Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystem zu beleuchten. Ein steuerbarer räumlicher Lichtmodulator (z. B. ein Digital Light Processing Projektor) ist Teil des Teils zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters. Das Muster kann eine Anordnung von Streifen, einschließlich einer sinusförmigen Graustufen-Intensitätsvariation durch jeden Streifen umfassen. Eine Gesamtbildbelichtung wird dadurch erhöht, dass eine vollständige Iteration des Generierens des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvarianten enthält, während einer Bildintegrationsperiode mehrere Male wiederholt wird. Verfahren der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie zum Feststellen eines Werkstückoberflächenprofils können von Vorteil sein, wobei mehrere (z. B. 3 oder 4) zu analysierende Bilder an jeweiligen Fokuspositionen erfasst werden, indem das Verfahren des Projizieren einer unterschiedlichen Phase eines strukturierten Lichtmusters für jedes der mehreren Bilder verwendet wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme (oder kurz „Bildverarbeitungssysteme”) können verwendet werden, um präzise Dimensionsmessungen inspizierter Gegenständen zu ermitteln und verschiedene andere Eigenschaften des Gegenstands zu prüfen. Solche Systeme können einen Computer, eine Kamera und ein optisches System sowie einen Präzisionstisch enthalten, der in mehreren Richtungen beweglich ist, um die Inspektion eines Werkstücks zu ermöglichen. Ein beispielhaftes System nach dem Stand der Technik, das als „unabhängiges” Allzweck-Präzisions-Bildverarbeitungssystem bezeichnet werden kann, ist die im Handel erhältliche Serie QUICK VISION^® PC-basierter Bildverarbeitungssysteme und die QVPAK^® Software, die von der in Aurora, IL ansässigen Mitutoyo America Corporation (MAC) erhältlich ist. Die Merkmale und die Betriebsweise der Bildverarbeitungssystem-Serie QUICK VISION^® und der QVPAK^®-Software sind allgemein beispielsweise im QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide (Benutzerhandbuch für das Bildverarbeitungsmessgerät QVPAK 3D CNC), herausgegeben im Januar 2003, und der QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide (Betriebsanleitung für das Bildverarbeitungsmessgerät QVPAK 3D CNC), herausgegeben im September 1996, beschrieben, von denen jede hierdurch in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen ist. In dieser Art von Systemen kann ein mikroskopartiges optisches System verwendet und der Tisch so bewegt werden, dass Inspektionsbilder von entweder kleinen oder relativ großen Werkstücken mit verschiedenen Vergrößerungen bereitgestellt werden können.
Allzweck-Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme, wie das QUICK VISION^TM-System können allgemein auch programmiert werden, um automatisierte Videoinspektion vorzusehen. U.S. Patent Nr. 6,542,180 (das Patent 6,542,180 ) gibt verschiedene Aspekte einer solchen automatisierten Videoinspektion an, und ist hierin in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen. Wie im Patent 6,542,180 angegeben, weisen Messgeräte zur automatisierten Videoinspektion im Allgemeinen eine Programmierfähigkeit auf, die es ermöglicht, dass vom Benutzer für jede einzelne Werkstückanordnung eine Ereignissequenz für die automatische Inspektion bestimmt wird. Dies kann zum Beispiel durch textbasierte Programmierung oder über einen Aufzeichnungsmodus, der die Inspektions-Ereignissequenz nacheinander „lernt”, indem er eine Sequenz von Maschinensteueranweisungen speichert, die einer Sequenz von Inspektionsarbeitsgängen entspricht, die von einem Benutzer mit Hilfe einer grafischen Benutzerschnittstelle durchgeführt werden, oder über eine Kombination beider Verfahren ausgeführt sein. Ein solcher Aufzeichnungsmodus wird oft als „Lernmodus”, „Trainingsmodus” oder „Aufzeichnungsmodus” bezeichnet. Sobald die Inspektions-Ereignissequenz im „Lernmodus” festgelegt ist, kann eine solche Sequenz dazu benutzt werden, während des „Laufmodus” automatisch Bilder eines Werkstücks zu erfassen (und zusätzlich zu analysieren oder zu prüfen).
Die Maschinensteueranweisungen, die die spezielle Inspektions-Ereignissequenz enthalten (d. h., wie jedes Bild erfasst wird und wie jedes erfasste Bild analysiert/geprüft wird), werden im Allgemeinen als „Teilprogramm” oder „Werkstückprogramm” gespeichert, das für die jeweilige Werkstückanordnung spezifisch ist. Beispielsweise legt ein Teilprogramm fest, wie jedes Bild zu erfassen ist, etwa wie die Kamera bezüglich des Werkstücks zu positionieren ist, bei welchem Beleuchtungspegel, bei welcher Vergrößerungsstufe usw. Ferner legt das Teilprogramm fest, wie ein erfasstes Bild zu analysieren/prüfen ist, zum Beispiel durch Verwenden eines oder mehrerer Video-Tools, wie etwa Video-Tools zur Kanten-/Begrenzungserkennung.
Video-Tools (oder kurz „Tools”) und andere Merkmale der grafischen Benutzerschnittstelle können manuell eingesetzt werden, um eine manuelle Inspektion und/oder Maschinensteuerungsarbeitsgänge (im „manuellen Modus”) auszuführen. Ihre Einstellparameter und ihr Betrieb können ebenfalls während des Lernmodus aufgezeichnet werden, um Programme für die automatische Inspektion oder „Teilprogramme” zu erstellen. Video-Tools können zum Beispiel Tools zur Kanten-/Begrenzungserkennung, Autofokus-Tools, Tools zum Form- oder Mustervergleich, Dimensionsmess-Tools und dergleichen umfassen. Allgemein ist es wünschenswert, dass komplizierte Hardware- und Softwareprozesse und/oder -analysen im Zusammenhang mit verschiedenen Video-Tools und/oder wählbaren Betriebsmodi automatisch ausgeführt werden (z. B. ohne Beobachtung und/oder Eingreifen durch den Benutzer zu erfordern). Dann können relativ ungeübte Benutzer solche komplizierten Prozesse und/oder Analysen leicht und „transparent” ausführen, um bessere Messgenauigkeit und/oder -zuverlässigkeit zu erzielen.
In solchen Systemen ist oft eine Genauigkeit im Mikron- oder Submikronbereich erwünscht. Dies ist insbesondere bezüglich der Z-Höhenmessungen eine Herausforderung. Z-Höhenmessungen (entlang der optischen Achse des Kamerasystems) werden allgemein von einer Position des „optimalen Fokus” abgeleitet, wie dem von einem Autofokus-Tool bestimmten. Das Bestimmen einer optimalen Fokusposition ist ein relativ komplizierter Prozess, der allgemein vom Kombinieren und/oder Vergleichen von Informationen abhängt, die von mehreren Bildern stammen. Daher ist der Präzisions- und Zuverlässigkeitsgrad, der für Z-Höhenmessungen erzielt wird, oft geringer als der für die X- und Y-Messachsen erzielte, wo die Messungen gewöhnlich auf Beziehungen von Merkmalen innerhalb eines einzigen Bilds beruhen. Seit Kurzem werden bekannte Verfahren in mikroskopischen Mess- und Inspektionssystemen eingesetzt, die allgemein als „strukturierte Beleuchtungsmikroskopie” (SIM) bezeichnet werden, um deren Messauflösung und/oder -genauigkeit über die optischen Grenzen hinaus zu erhöhen, die normalerweise mit einfacher Bildgebung (z. B. auf die Mikron- und Submikronebene) verbunden sind.
Kurz gesagt beinhalten viele SIM-Verfahren das Projizieren eines Musters von Lichtstreifen auf ein Werkstück auf einem ersten Bild, und dann das Verschieben des Musters auf dem Werkstück quer zu den Streifen auf einem zweiten Bild usw. für ein drittes Bild oder mehr. Die daraus resultierenden Bilder können anhand bekannter Verfahren analysiert werden, um die Oberflächenmessauflösung, wie unten ausführlicher beschrieben, zu verbessern. Solche Verfahren können X-, Y- und Z-Messungen verbessern. Die Systeme und Verfahren, die in bekannten Teilsystemen zum Generieren strukturierter Beleuchtungsmustern (SIP) verwendet werden (z. B. zum Bilden und Verschieben von Mustern), haben jedoch bisher die Wirtschaftlichkeit, Vielseitigkeit und/oder die Verbesserungen der Auflösung und Genauigkeit von praktischen SIM-Systemen auf unerwünschte Weise eingeschränkt. In manchen Analyseverfahren ist es wünschenswert, dass die Streifen durch den Streifen ein sinusförmiges Intensitätsprofil aufweisen. In dem Artikel „Autoexposure for Three-Dimensional Shape Measurement Using a Digital-Light-Processing Projector” (Automatische Belichtung für dreidimensionale Formmessung unter Verwendung eines Digital Light Processing-Projektors) von Ekstrand und Zhang in Optical Engineering 50(12), 123603 (Dezember 2011), der hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme als Beispiel für den Stand der Technik einbezogen ist, steht:
Die Entwicklung eines Verfahrens, das die Bildbelichtung automatisch anpassen kann, ist für 3D-Messungen hoher Präzision ausschlaggebend. Das Einstellen der projizierten Streifenbildintensität ist eine der Optionen. Das Streifenbild ist jedoch gewöhnlich auf acht Bits (256 Graustufenwerte) begrenzt. Darüber hinaus wirkt sich das Verändern des Höchstgraustufenwerts wegen der veränderten Streifenbildkontraste gewöhnlich auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Messung aus. Daher scheint das Einstellen der Kamerabelichtungszeit die beste Option zu sein. Für herkömmliche sinusförmige Streifenbilder, die auf einem Digital Light Processing (DLP)-Projektor angezeigt werden, kann die Belichtungszeit der Kamera jedoch nicht willkürlich gewählt werden, da sich der Projektor beim Generieren von Graustufenwerten zwischen null und 255 auf Zeitmodulation verlässt. Der kleinste Schritt zum Einstellen der Kamerabelichtungszeit ist ihre Kanal-Projektionszeit (z. B. 8,33 ms für einen 120-Hz-Projektor). Diese Schrittgröße ist gewöhnlich 1 bis 2 Größenordnungen größer, als die Schrittgröße, die für eine praktische Belichtungseinstellung benötigt wird.
Dieses Problem wurde manchmal durch die Verwendung einer vorgefertigten Graustufen-Projektionsmaske gelöst, die wirksam mehr als 8 Bit Auflösung beinhaltet. Die Bildbelichtung kann durch die Belichtungszeit gesteuert werden. Ekstrand und Zhang schlagen eine Lösung für dieses Problem vor, die ein Verfahren zur Projektordefokussierung beinhaltet. Ihr Verfahren kann nicht-sinusförmig strukturierte Muster (z. B. einschließlich binäre Muster) verwenden. Die sinusförmigen Streifenmuster werden ausgeführt, indem der Projektor auf geeignete Weise defokussiert wird. Da dieses Defokussierungsverfahren die Anforderungen an das Generieren von Graustufen auf dem DLP erleichtert, kann mit dem DLP eine „willkürliche” Belichtungszeit verwendet werden, um eine gewünschte Bildbelichtung zu erzielen.
Die vorstehenden Lösungen ermöglichen zwar das Projizieren eines sinusförmigen Streifenmusters mit veränderlicher Belichtungszeit, weisen jedoch unerwünschte Eigenschaften auf. Beispielsweise mangelt es einer „festen” Maske an Vielseitigkeit, und sie erfordert ein kostspieliges und unhandliches mechanisches Übersetzungssystem, um die gewünschten Verschiebungen der Musterposition auf dem Werkstück vorzusehen. Das Verfahren zur Defokussierung von Ekstrand und Zhang kann zusätzliche und/oder einstellbare optische Elemente erfordern, um die Defokussierung vorzusehen, und/oder kann die Vielseitigkeit bezüglich der minimalen (kleinsten) „defokussierten” Streifenabstände einschränken, und/oder kann unerwünschte und/oder unvorhersehbare Wechselwirkungen mit den Fokusvariationen verursachen, die für Methoden mit „Punkten vom Fokus” auf der Z-Höhen verwendet werden, die in manchen Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystemen eingesetzt werden. Daher ist ein verbessertes Verfahren zum wirtschaftlichen Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) wünschenswert, das eine gute Graustufenauflösung bei vielen verschiedenen Belichtungsstärken beinhaltet.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorstehenden Aspekte und viele der zugehörigen Vorteile dieser Erfindung sind leichter zu beurteilen, wenn diese durch Bezugnahme auf die folgende genaue Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich werden, wobei die Zeichnungen Folgendes darstellen:
1 ein Diagramm, das verschiedene typische Bestandteile eines Allzweck-Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystems zeigt.
2 ein Blockdiagramm eines Steuersystemteils und eines Bildgebungskomponententeils eines Bildverarbeitungs-Inspektionssystem, das dem in 1 ähnlich ist, und einen Generator strukturierter Beleuchtungsmuster und andere hierin beschriebene Eigenschaften umfasst.
3 ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel des in 2 gezeigten Generators strukturierter Beleuchtungsmuster enthält.
4 ein Diagramm, das schematisch ein typisches Verfahren darstellt, das in einem räumlichen Lichtmodulator, wie dem in 3 gezeigten, für eine Sequenz des Generierens eines Graustufenbeleuchtungsmusters während einer Bildbelichtungsperiode verwendet wird.
5 ein Diagramm, das ein bekanntes SIM-Verfahren veranschaulicht, das eine Sequenz aus drei projizierten strukturierten Beleuchtungsmustern mit verschiedenen Phasen und entsprechenden erfassten Bildern und eine zugehörige gemessene Intensitätskurve eines einzigen Pixels zum Feststellen einer Modulationstiefe umfasst.
6A–6D Diagramme, die ein SIM-Verfahren, in dem an drei verschiedenen entsprechenden Fokushöhen Sequenzen verwendet werden, die denen in 5 ähnlich sind, und eine zugehörige Modulationstiefenkurve zum Feststellen einer Spitzenmodulation veranschaulichen, die die optimale Fokushöhe und/oder Z-Höhe anzeigt, die mit dem Pixel in Verbindung gebracht werden soll.
7 ein Diagramm, das die typische in 4 gezeigte Sequenz des Generierens eines Graustufenbeleuchtungsmusters unter Erwägungen bezüglich des Beleuchtungsfokus veranschaulicht, die Sequenz des Generieren eines Graustufenbeleuchtungsmusters berücksichtigt werden müssen, wenn eine Oberfläche beleuchtet wird, die sich während einer Bildbelichtungssequenz entlang der Fokusachse bewegt.
8 ein Taktdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der hierin offenbarten Verfahren zum Steuern eines Generators strukturierter Beleuchtungsmuster (SIP), wie dem in 3 gezeigten, veranschaulicht, um ein SIP zu generieren, das eine gute Graustufenauflösung bei vielen verschiedenen Belichtungsstärken aufweist.
9 ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Routine zum Steuern eines Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters während des Erfassens eines Bilds veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Steuern eines Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters ist vorgesehen, der dazu verwendet wird ein Werkstück während einer Bilderfassung durch einen Kamerateil in einem Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystem mit einem strukturierten Beleuchtungsmuster zu beleuchten. Der Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters umfasst eine Steuerung des strukturierten Beleuchtungsmusters, einen steuerbaren räumlicher Lichtmodulator (SLM) und einen Lichtgenerator. Der steuerbare SLM (z. B. ein Digital Light Processing Array wie ein Mikrospiegelarray) wird so gesteuert, dass er das strukturierte Beleuchtungsmuster generiert, und der Lichtgenerator gibt Strahlung an den SLM ab. Während einer Bildintegrationsperiode der Kamera wird ein Bild erfasst. Die Gesamtbelichtung wird während der Bildintegrationsperiode um ein erstes Belichtungsinkrement erhöht, indem eine erste vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält. Die Gesamtbelichtung wird während der Bildintegrationsperiode weiter um mindestens ein zweites Belichtungsinkrement erhöht, indem mindestens eine zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält.
In verschiedenen Ausführungen können das zweite Belichtungsinkrement und das erste Belichtungsinkrement im Wesentlichen gleich sein. Der Lichtgenerator kann so betrieben werden, dass er während der ersten und der zweiten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters im Wesentlichen die gleiche Strahlenintensität abgibt. Das Verhältnis der Strahlungsintensität zu einer höchsten steuerbaren Strahlungsintensität kann größer als 0,6 sein. Die strukturierten Beleuchtungsmuster können eine Anordnung von Streifen umfassen, die eine ungefähr sinusförmige Variation von Graustufenintensitäten durch einen Streifen enthalten.
Das mindestens zweite Belichtungsinkrement kann ferner ein geringwertigstes Bit-(LSB-)Belichtungsinkrement umfassen, das geringer als das erste und das zweite Belichtungsinkrement ist. Das Verfahren kann ferner den Betrieb des Lichtgenerators zum Abgeben einer ersten Strahlungsintensität während der ersten und zweiten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters umfassen, und zum Abgeben einer LSB-Strahlungsintensität, die geringer als die erste Strahlungsintensität während der vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters ist, die dem LSB-Belichtungsinkrement entspricht.
Die Bildintegrationsperiode der Kamera kann ein Zeitperiode TIP sein, und das Verfahren kann ferner das Generieren jeder vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, innerhalb einer jeweiligen Zeitperiode TCPi umfassen, wobei jede jeweilige Zeitperiode TCPi höchstens Ti/4 ist. Mindestens eine der jeweiligen Zeitperioden TCPi kann der kürzesten möglichen Zeitperiode entsprechen, die von dem Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters erlaubt ist.
Die Bildintegrationsperiode der Kamera kann ein Zeitperiode TIP sein, die N gleich lange Teilperioden TCPn umfasst, und das Verfahren kann ferner das Generieren jeder vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, innerhalb einer jeweiligen Teilperiode TCPn umfassen. Der Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) kann ferner so betrieben werden, dass kein Belichtungsinkrement innerhalb der mindestens einen jeweiligen Teilperiode TCPn auftritt.
Das Generieren der ersten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters kann das Generieren einer ersten Musterabschnitt-Belichtungssequenz umfassen, die mehrere jeweilige Musterteile umfasst, die unter Verwendung jeweiliger erster Iterationsintensitäten der Strahlung vom Lichtgenerator während den jeweiligen ersten Iterationsabschnittszeiten belichtet werden. Das Generieren der mindestens zweiten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, kann das Generieren mindestens einer zweiten Musterabschnitt-Belichtungssequenz umfassen, die mehrere jeweilige Musterteile umfasst, die unter Verwendung jeweiliger Iterationsintensitäten der Strahlung vom Lichtgenerator während den jeweiligen Iterationsabschnittszeiten belichtet werden. Mindestens die erste und die zweite Musterabschnitt-Belichtungssequenz können identisch sein.
Das mindestens zweite Belichtungsinkrement kann ein LSB-Belichtungsinkrement umfassen, das sich von dem ersten und dem zweiten Belichtungsinkrement unterscheidet. Das Verfahren kann ferner das Generieren des LSB-Belichtungsinkrements durch Generieren einer vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, umfassen, indem eine LSB-Musterabschnitt-Belichtungssequenz generiert wird, die mehrere jeweilige Musterteile umfasst, die unter Verwendung jeweiliger LSB-Iterationsintensitäten der Strahlung vom Lichtgenerator während den jeweiligen LSB-Iterationsabschnittszeiten belichtet werden. Das Verfahren kann ferner mindestens eines der Folgenden umfassen: (a) Herabsetzen der jeweiligen LSB-Iterationsintensitäten unter die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsintensitäten, und (b) Herabsetzen der entsprechenden LSB-Iterationsabschnittszeiten unter die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsabschnittszeiten. Wahlweise kann das Verfahren ferner mindestens eines der Folgenden umfassen: (a) Heraufsetzen der jeweiligen LSB-Iterationsintensitäten über die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsintensitäten, und (b) Heraufsetzen der entsprechenden LSB-Iterationsabschnittszeiten über die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsabschnittszeiten.
Die Bildintegrationsperiode der Kamera kann eine Zeitperiode TIP sein, die N gleiche Teilperioden TCPn umfasst, und die erste und die zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters können einem Tastgrad von ungefähr 100% entsprechen und jeweils während einer Teilperiode TCPn vorgesehen sein. Ein strukturiertes LSB-Beleuchtungsmuster, das einem Tastgrad zwischen 0% und 100% entspricht, kann während einer Teilperiode TCPn bereitgestellt werden, wobei strukturierte Beleuchtungsmuster, die einem Tastgrad von entweder 0% oder 100% entsprechen, während der verbleibenden Teilperioden TCPn der Zeitperiode TIP bereitgestellt werden.
Das erfasste Bild kann eines aus einem erfassten Stapel von Bildern sein. Der Stapel von Bildern kann erfasst werden, indem strukturierte Beleuchtungsmikroskopie verwendet wird, so dass für jedes auf einer gegebenen Z-Höhe erfasste Stapelbild des vom SIP-generierenden Teil bereitgestellten SIP bezüglich der SIPs, die für die anderen Stapelbilder auf der entsprechenden Z-Höhe vorgesehen sind, phasenverschoben ist. Die erste und die zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters kann für die Erfassung jedes Bilds im Stapel wiederholt werden.
Unten werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die folgende Beschreibung führt genauere Einzelheiten aus, um ein tiefgehendes Verständnis und eine befähigende Beschreibung dieser Ausführungsformen zu ermöglichen. Der Fachmann versteht jedoch, dass die Erfindung ohne viele dieser Details in die Praxis umgesetzt werden kann. Darüber hinaus kann es sein, dass einige gut bekannte Strukturen oder Funktionen nicht eingehend gezeigt oder beschrieben sind, um eine unnötige Verschleierung der relevanten Beschreibung der verschiedenen Ausführungsform zu vermeiden. Die Terminologie, die in der nachstehend präsentierten Beschreibung verwendet wird, soll in breitester sinnvoller Weise ausgelegt werden, selbst wenn sie in Verbindung mit einer detaillierten Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird.
1 ist ein Blockdiagramm, das verschiedene typische Bestandteile eines beispielhaften Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 10 zeigt, das gemäß hierin beschriebener Verfahren verwendet werden kann. Das Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 10 enthält einen Bildgebungskomponententeil 12, der betriebsfähig zum Austausch von Daten und Steuersignalen mit einem steuernden Computersystem 14 verbunden ist. Das steuernde Computersystem 14 ist ferner betriebsfähig zum Austausch von Daten und Steuersignalen mit einem Bildschirm oder Display 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 verbunden. Der Bildschirm oder das Display 16 kann eine Benutzerschnittstelle anzeigen, die zum Steuern und/oder Programmieren der Arbeitsgänge des Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 10 geeignet ist. Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungsformen ein Touchscreen-Tablet oder dergleichen die Funktionen eines oder aller Teile des Computersystems 14, also des Bildschirms 16, des Joysticks 22, der Tastatur 24 und der Maus 26 ersetzen und/oder redundant vorsehen können.
Der Fachmann versteht, dass das steuernde Computersystem 14 allgemein aus jedem Rechnersystem oder -gerät bestehen kann. Zu geeigneten Rechnersystemen können PCs, Server-Computer, Minicomputer, Großrechner und Distributed Computing Environments, die einen der vorstehenden enthalten, und dergleichen gehören. Zu solchen Rechnersystemen oder -geräten können einer oder mehrere Prozessoren gehören, die Software zum Ausführen der hierin beschriebenen Funktionen enthalten. Prozessoren enthalten programmierbare Allzweck- oder Spezialzweck-Mikroprozessoren, programmierbare Steuerungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs), programmierbare logische Geräte (PLDs) oder dergleichen oder eine Kombination solcher Geräte. Software kann im Speicher, wie einem Arbeitsspeicher (RAM), schreibgeschützten Speicher (ROM), Flash-Speicher oder dergleichen oder einer Kombination solcher Komponenten gespeichert werden. Software kann auch in einem oder mehreren Speichergeräten wie magnetischen oder optisch basierten Disks, Flash-Speichergeräten oder beliebigen anderen Arten nichtflüchtiger Speichermedien zum Speichern von Daten gespeichert werden. Software kann ein oder mehrere Programmmodule enthalten, die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen usw. beinhalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In Distributed Computing Environments können die Funktionen der Programmmodule über mehrere Rechnersysteme oder -geräte kombiniert oder verteilt werden und über Service-Calls entweder in einer verdrahteten oder einer drahtlosen Konfiguration abgerufen werden.
Der Bildgebungskomponententeil 12 enthält einen beweglichen Werkstücktisch 32 und ein optisches Abbildungssystem 34, das ein Zoom-Objektiv oder austauschbare Objektive enthalten kann. Das Zoom-Objektiv oder die austauschbaren Objektive sehen im Allgemeinen verschiedene Vergrößerungen für die vom optischen Abbildungssystem 34 bereitgestellten Bilder vor. Das Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 10 ist allgemein mit der Serie QUICK VISION^® von Bildverarbeitungssystemen und der Software QVPAK^® vergleichbar, die oben beschrieben sind, sowie mit ähnlichen, im Handel erhältlichen Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystemen nach dem Stand der Technik. Das Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 10 ist auch in den gemeinsam zugeteilten US-Patenten Nr. 7,454,053 , 7,324,682 , 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, die hier jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme einbezogen sind.
2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemteils 120 und eines Bildgebungskomponententeils 200 eines Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100, das dem Bildverarbeitungs-Inspektionssystem in 1 ähnlich ist, und einen Generator strukturierter Beleuchtungsmuster und andere hierin beschriebene Eigenschaften umfasst. Wie nachstehend genauer beschrieben, wird der Steuersystemteil 120 benutzt, um den Bildgebungskomponententeil 200 und einen steuerbaren Teil 300 zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters zu steuern. Der Steuersystemteil 120 kann so angeordnet sein, dass er Daten und Steuersignale mit sowohl dem Bildgebungskomponententeil 200 als auch dem Teil 300 zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters austauscht.
Der Bildgebungskomponententeil 200 enthält einen optischen Baugruppenteil 205, Lichtquellen 220, 230 und 240 und einen Werkstücktisch 210 mit einem zentralen transparenten Teil 212. Der Werkstücktisch 210 ist entlang der X- und der Y-Achse steuerbar beweglich, die auf einer Ebene liegen, die allgemein parallel zur Oberfläche des Tischs verläuft, auf dem ein Werkstück 20 positioniert werden kann. Der optische Baugruppenteil 205 enthält ein Kamerasystem 260 und ein austauschbares Objektiv 250 und kann eine Objektivrevolver-Baugruppe 280 mit Objektiven 286 und 288 enthalten. Alternativ zur Objektivrevolver-Baugruppe kann ein festes oder manuell austauschbares vergrößerungsveränderndes Objektiv oder eine Zoom-Objektivanordnung oder dergleichen enthalten sein.
Der optische Baugruppenteil 205 ist entlang einer Z-Achse steuerbar beweglich, die allgemein orthogonal zur X- und Y-Achse steht, wobei ein steuerbarer Motor 294 verwendet wird, der einen Aktor antreibt, um den optischen Anordnungsteil 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Fokus des Bilds des Werkstücks 20 zu ändern. Selbstverständlich kann in anderen Ausführungsformen der Tisch bezüglich einer statischen optischen Anordnung auf eine bekannte Weise entlang der Z-Achse bewegt werden. Der steuerbare Motor 294 ist mit der Ein-/Ausgabeschnittstelle 130 über eine Signalleitung 296 verbunden.
Ein Werkstück 20 oder eine Trägerplatte oder Halterung, die eine Vielzahl der Werkstücke 20 hält, die unter Verwendung des Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 100 abzubilden sind, wird auf den Werkstücktisch 210 gesetzt. Der Werkstücktisch 210 kann so gesteuert werden, dass er sich bezüglich des optischen Baugruppenteils 205 so bewegt, dass sich das austauschbare Objektiv 250 zwischen Orten auf einem Werkstück 20 und/oder zwischen einer Vielzahl von Werkstücken 20 bewegt.
Wie unten ausführlicher beschrieben, kann das Werkstück für bestimmte SIM-Arbeitsgänge von SIP-Quelllicht 232' beleuchtet werden, das vom Teil 300 zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters bereitgestellt wird. Der Teil 300 zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters konfiguriert das strukturierte Beleuchtungsmuster, das an das Werkstück 20 abgegeben wird. Eines oder mehrere aus einem Tischlicht 220, einem Koaxiallicht 230, einem Teil 300 zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters, und einem Oberflächenlicht 240 (z. B. einem Ringlicht) können jeweils Quelllicht 222, 232, 232' und/oder 242 abgeben, um das Werkstück oder die Werkstücke 20 zu beleuchten. Die Lichtquelle 230 kann Quelllicht 232 abgeben und der Teil 300 zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters kann SIP-Quelllicht 232' entlang einem gemeinsamen Pfad abgeben, der einen Strahlteiler 290 enthält, wie mit Bezug auf 3 ausführlicher beschrieben wird. Das Quelllicht wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder übermittelt, und das zum Abbilden verwendete Werkstücklicht geht durch die austauschbare Objektivlinse 250 und die Objektivrevolver-Baugruppe 280 hindurch und wird vom Kamerasystem 260 aufgefangen. Das vom Kamerasystem 260 erfasste Bild des/der Werkstück(e) 20 wird auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemteil 120 ausgegeben. Die Lichtquellen 220, 230, 240 und der Teil 300 zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters können mit dem Steuersystemteil 120 über Signalleitungen oder Busse 221, 231, 241 bzw. 331 verbunden sein. Um die Bildvergrößerung zu ändern, kann der Steuersystemteil 120 die Objektivrevolver-Baugruppe 280 über eine Signalleitung oder einen Bus 281 entlang der Achse 284 drehen, um ein Revolverobjektiv zu wählen.
In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist der optische Baugruppenteil 205 in der vertikalen Z-Achsenrichtung bezüglich des Werkstücktischs 210 unter Verwendung eines steuerbaren Motors 294 beweglich, der einen Aktor, ein Verbindungskabel oder dergleichen antreibt, um den optischen Baugruppenteil 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Fokus des durch das Kamerasystem 260 erfassten Bildes des Werkstücks 20 zu verändern. Der Begriff Z-Achse, wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf die Achse, die benutzt werden soll, um das durch den optischen Baugruppenteil 205 erhaltene Bild zu fokussieren. Der steuerbare Motor 294 ist mit der Ein-/Ausgabeschnittstelle 130 über eine Signalleitung 296 verbunden.
Wie in 2 gezeigt, enthält der Steuersystemteil 120 in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine Steuerung 125, eine Ein-/Ausgabeschnittstelle 130, einen Speicher 140, einen Werkstückprogramm-Generator und -Ausführungsteil 170 und ein Netzteil 190. Jede dieser Komponenten sowie die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Komponenten können über einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierungs-Schnittstellen oder über direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen miteinander verbunden sein.
Die Ein-/Ausgabeschnittstelle 130 enthält eine Abbildungssteuerungs-Schnittstelle 131, eine Bewegungssteuerungs-Schnittstelle 132, eine Beleuchtungssteuerungs-Schnittstelle 133, eine Objektivsteuerungs-Schnittstelle 134. Die Bewegungssteuerungs-Schnittstelle 132 kann ein Positionssteuerungselement 132a und ein Geschwindigkeits-/Beschleunigungs-Steuerelement 132b enthalten, obwohl solche Elemente zusammengefasst und/oder voneinander nicht zu unterscheiden sein können. Die Beleuchtungssteuerungs-Schnittstelle 133 enthält Beleuchtungssteuerungselemente 133a–133n, die zum Beispiel die Auswahl, die Leistung, den Ein-/Ausschalter und ggf. die Abtastimpulstaktung für die verschiedenen entsprechenden Lichtquellen des Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 100 steuern. Die Beleuchtungssteuerungs-Schnittstelle 133 enthält auch ein Beleuchtungssteuerungselement 133sip, das in der gezeigten Ausführungsform zusammen mit dem Teil 300 zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) arbeitet, um während der Bilderfassung, und insbesondere während Bilderfassungen im SIM-Modus, strukturierte Beleuchtung bereitzustellen, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
Der Speicher 140 kann einen Bilddate-Speicherteil 141, einen SIM/SIP-Speicherteil, einen Werkstückprogramm-Speicherteil 142, der ein oder mehrere Teilprogramme oder dergleichen enthalten kann, und einen Video-Tool-Teil 143 umfassen. Der Video-Tool-Teil 143 enthält den Video-Tool-Teil 143a und andere Video-Tool-Teile (z. B. 143n), die die GUI, den Bildverarbeitungsbetrieb usw. für jedes der entsprechenden Video-Tools und einen Generator eines Bereichs von Interesse (ROI) 143roi bestimmen, der automatische, halbautomatische und/oder manuelle Arbeitsgänge unterstützt, die verschiedene, in verschiedenen Video-Tools funktionsfähige ROIs bestimmen, die im Video-Tool-Teil 143 enthalten sind.
Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung und wie jedem Durchschnittsfachmann bekannt, bezieht sich der Begriff Video-Tool allgemein auf eine relativ komplizierte Reihe von automatischen oder programmierten Arbeitsgängen, die ein Benutzer industrieller Bildverarbeitung über eine relativ einfache Schnittstelle (z. B. eine grafische Benutzerschnittstelle, bearbeitbare Parameterfenster, Menüs und dergleichen) implementieren kann, ohne die Schritt-für-Schritt-Reihenfolge der Arbeitsgänge zu erstellen, die im Video-Tool enthalten sind, oder eine auf eine generalisierte textbasierte Programmiersprache oder dergleichen zurückzugreifen. Beispielsweise kann ein Video-Tool eine komplizierte vorprogrammierte Reihe von bildverarbeitenden Arbeitsgängen und Berechnungen enthalten, die in einem bestimmten Vorgang angewendet und individuell angepasst werden, indem einige Variablen oder Parameter eingestellt werden, die die Arbeitsgänge und Berechnungen leiten. Zusätzlich zu den zugrundeliegenden Arbeitsgängen und Berechnungen umfasst das Video-Tool die Benutzerschnittstelle, mithilfe derer der Benutzer diese Parameter für einen bestimmten Vorgang des Video-Tools einstellen kann. Beispielsweise lassen viele industrielle Bildverarbeitungs-Video-Tools den Benutzer einen Indikator für einen grafischen Bereich von Interesse (ROI) anhand einfachen „Ziehens von Anfassern” mithilfe einer Maus konfigurieren, um die Lageparameter einer Teilmenge eines Bilds zu definieren, die von den bildverarbeitenden Arbeitsgängen eines bestimmten Vorgangs eines Video-Tools analysiert werden soll. Es ist anzumerken, dass die sichtbaren Benutzerschnittstellenmerkmale manchmal als Video-Tool bezeichnet werden, wobei die zugrundeliegenden Arbeitsgänge vorbehaltslos einbezogen sind.
Der Video-Tool-Teil 143 umfasst auch einen Z-Höhen-Messtool-Teil 143z, der verschiedene Arbeitsgänge und Eigenschaften bezüglich der Arbeitsgänge zur Z-Höhenmessung vorsieht, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. In einer Ausführungsform kann der Z-Höhen-Messtool-Teil 143z Z-Höhen-Tools 143zt und SIM/SIP-Modussteuerung 143sim für Z-Höhen-Tools enthalten. Die Z-Höhen-Tools 143zt können ein Autofokus-Tool 143af und beispielsweise ein Mehrpunktautofokus-Tool 143maf enthalten. Die SIM/SIP-Modussteuerung 143sim für Z-Höhen-Tools kann bestimnmte Aspekte der Bildstapelerfassung und damit verbundene Arbeitsgängen zur Lichtmustergenerierung zusammen mit den Z-Höhen-Tools leiten, die in einem Modus konfiguriert sind, der die besten Fokushöhen und/oder Z-Höhenmessungen aufgrund von SIM-Verfahren bestimmt (z. B. wie nachstehend beschrieben).
Kurz gesagt kann der Z-Höhenmess-Tools-Teil 143z mindestens einige Arbeitsgänge ausführen, die den bekannten Z-Höhenmess-Tools ähnlich sind, beispielsweise das Ausführen von Arbeitsgängen im Lernmodus und Betriebsmodus, um eine ganze oder einen Teil einer Fokuskurve zu generieren und ihren Scheitelpunkt als beste Fokusposition zu finden. Der Z-Höhenmess-Tools-Teil 143z kann mindestens einige Arbeitsgänge ausführen, die den bekannten Z-Höhenmess-Tools ähnlich sind, beispielsweise das Ausführen von Arbeitsgängen im Lernmodus und Betriebsmodus, um eine ganze oder einen Teil einer Fokuskurve zu generieren und ihren Scheitelpunkt als beste Fokusposition zu finden. Zusätzliche Arbeitsgänge des Z-Höhenmess-Tools, die Gegenstand dieser Offenbarung sind, werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Für den Z-Höhenmess-Tools-Teil 143z sind auch alternative Konfigurationen möglich. Beispielsweise können die Z-Höhen-Tools 143zt zusätzliche Z-Höhenmess-Tool-Elemente vorsehen oder die Z-Höhen-Tools können eine wählbare Modusoption aufweisen, die steuert, ob sie so konfiguriert sind, dass sie in einem herkömmlichen Analysemodus auf Kontrastbasis arbeiten, der herkömmlich beleuchtete Bilder (z. B. unter Verwendung der Lichtquelle 230 zum Bereitstellen des Quelllichts 232) verwendet, oder einen SIM-basierten Analysemodus, der Bilder verwendet, die mit bestimmten strukturierten Beleuchtungsmustern beleuchtet werden (z. B. unter Verwendung des Teils 300 zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters zum Bereitstellen des SIP-Quelllichts 232'). In beiden Fällen kann die SIM/SIP-Modussteuerung 143sim Arbeitsgänge vorsehen, die die Schnittstelle und Wechselbeziehungen der Z-Höhenmess-Tool-Elemente auf eine Art und Weise leiten, die ihrem Betriebsmodus und/oder der Verwendung von SIM-Bilderfassungs- und Analysenmethoden entspricht. Allgemeiner kann diese Erfindung auf jede aktuell bekannte oder später entwickelte Art ausgeführt werden, die zusammen mit dem Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100 durchführbar ist, um die hierin offenbarten Eigenschaften in Bezug auf die auf SIM-Bilderfassung und Analysenmethoden basierenden Messarbeitsgänge vorzusehen.
Die Signalleitung 262 vom Kamerasystem 260 und die Signalleitung 296 vom steuerbaren Motor 294 sind mit der Ein-/Ausgabeschnittstelle 130 verbunden. Die Signalleitung 262 kann außer den Bilddaten von der Steuerung 125 oder einem anderen Ort auch ein Signal übertragen, das die Bilderfassung einleitet. Eine oder mehrere Display-Vorrichtungen 136 (z. B. das Display 16 von 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 von 1) können ebenfalls mit der Ein-/Ausgabeschnittstelle 130 verbunden sein. Die Display-Vorrichtungen 136 und Eingabevorrichtungen 138 können zum Anzeigen einer Benutzerschnittstelle verwendet werden, die verschiedene Merkmale einer grafischen Benutzerschnittstelle (GUI) enthalten kann, die verwendet werden können, um Inspektionsarbeitsgänge durchzuführen und/oder Teilprogramme zu erstellen und/oder abzuändern, die vom Kamerasystem 260 erfassten Bilder darzustellen und/oder den Bildverarbeitungs-Komponententeil 200 direkt zu steuern. Die Display-Vorrichtungen 136 können mit den Video-Tools verbundene Benutzerschnittstellenmerkmale anzeigen.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Teil des Bildverarbeitungs-Komponententeils 200 in 2 zeigt, wobei auch zusätzliche Details eines Anwendungsbeispiels für den Generator des strukturierten Beleuchtungsmusters 300 gezeigt werden, die dazu verwendet werden können, verschiedene hierin offenbarte und beanspruchte Verfahren zur Mustererstellung und Bildbelichtung zu implementieren. In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Teil 300 zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters einen optischen SIP-Teil 360, einen Lichtgenerator 310, einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) 350, der ein steuerbares Pixelarray 351 enthält, das in verschiedenen Mustern so konfiguriert ist, dass ein Muster übermittelten und und/oder blockierten Lichts generiert wird, und eine SIP-Steuerung 330. Die SIP-Steuerung 300 kann einen Taktungs- und Synchronisierungsteil (TSP) 336 und einen SLM-Steuerteil 332 enthalten, der einen Pattern-Sequenzer 332 umfassen kann. Der SLM-Steuerteil 332 kann mit dem SLM 350 und dem Lichtgenerator 310 und dem TSP 336, beispielsweise über Signalleitungen oder Busse 334, 333 bzw. 338, verbunden sein.
In Betrieb kann der Lichtgenerator 310 Licht 314 durch einen ersten Teil des optischen SIP-Teils 360 abgeben, so dass es auf geeignete Weise konfiguriert (z. B. kollimiert) ist, um einen Beleuchtungsbereich das Pixelarray 351 des SLM 350 zu beleuchten. Der SLM 350 kann dann Licht allgemein übermitteln, teilweise übermitteln oder gemäß bekannter Verfahren blockieren, um ein gewünschtes Muster entlang eines optischen Pfads durch den verbleibenden optischen SIP-Teil 360 zu übermitteln oder zu projizieren. Wie in 3 gezeigt, wird das projizierte Muster vom optischen SIP-Teil 360 ausgegeben um in den Strahlteiler 290 eingegeben zu werden, wo es als Koaxiallicht durch das Objektiv 250 geleitet wird, um SIP-Quelllicht 232' zur Beleuchtung des Sichtfelds bereitzustellen.
In manchen Ausführungsformen kann der SLM 350 ein lichtdurchlässiges Array des LCD-Typs umfassen, wie ein Mikrodisplay-Graphics Array von Forth Dimension Displays mit Firmensitz in Dalgety Bay, Fife, Scotland, United Kingdom, das ein LCD-Pixelarray umfasst, das ggf. allgemein von herkömmlichen Videosignalen gesteuert und dazu verwendet werden kann, ein elektronisch generiertes 8-Bit-Graustufenmuster zu generieren, das das Licht 314 durch ein beliebiges gegebenes Pixel des Musters abhängig von seinem Graustufenwert übermitteln, teilweise übermitteln oder blockieren kann. Die hierin offenbarten Verfahren können jedoch dazu verwendet werden, gewisse, mit einem SLM 350 verbundene Vorteile zu verbessern, wobei sie eine Anordnung einer beliebigen aktuell bekannten oder später entwickelten Art steuerbarer Spiegelblenden umfasst, die steuerbare Lichtablenkung in einem gewünschten Muster vorsehen kann. Eine Art steuerbarer Spiegelblendenanordnungen, die verwendet werden kann, enthält Flüssigkristall auf Silizium-(LCoS-)Mikrodisplay-Produkte, beispielsweise von Forth Dimension Displays mit Firmensitz in Dalgety Bay, Fife, Scotland. Verschiedene unten beschriebene Ausführungsformen umfassen gewöhnlich einen anderen Anordnungstyp, nämlich einen Mikrospiegelaktor (DMD). DMDs und zugehörige Komponenten sind beispielsweise von Texas Instruments DLP Products, in Plano, Texas erhältlich. DLP bedeutet allgemein Digital Light Processing, was damit zusammenhängt, dass sich die Anordnungselemente in DMD-Geräten entweder in der Position „an” oder „aus” befinden und projizierte/übermittelte Graustufenmuster über ein Zeitraum als akkumulierte Sequenz von überlagerten Binärmustern generiert werden müssen. Die hierin offenbarten Systeme und Verfahren sind besonders vorteilhaft für das Beheben gewisser Unzulänglichkeiten bekannter DLP-Steuerverfahren, und insbesondere in Bezug auf das Verbessern der Genauigkeit von SIM-Verfahren, die dazu verwendet werden, hochpräzise Messungen und dergleichen vorzusehen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann der Lichtgenerator 310 in einem Abtastbeleuchtungsbetriebsmodus verwendet werden, um eine Kombination aus einer sehr schnellen Lichtgenerator-Reaktionszeit (im Bereich von μs oder ns) und geeigneten optischen Leistungspegeln vorzusehen. Ein Beispiel eines Lichtgenerators 310 kann eine oder mehrere lichtstarke Leuchtdioden (LEDs) enthalten, wie eine der LEDs in der Produktreihe Luxeon^TM, erhältlich von Philips Lumileds Lighting Company in San Jose, Kalifornien.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform kann der SLM 350 ein handelsüblicher DMD sein und der SLM-Steuerteil 332 kann ein digitaler Begleitsteuer-Chip sein, wie von Texas Instruments DLP Products (siehe Bezug oben) erhältlichen Chip-Sätze. Der SLM-Steuerteil 332 kann auf gewünschte Graustufenmusterdefinitionen oder -abfragen reagieren und die synchronisierten Steuersignale an den SLM 350 und den Lichtgenerator 310 generieren, die die akkumulierte Sequenz überlagerter Binärmuster bereitstellen, die die gewünschten Graustufenmuster über einen Zearaum bereitstellen. Handelsübliche SLM-Steuerungen weisen jedoch gewisse Unzulänglichkeiten auf, wie sie beispielsweise vorstehend im Abschnitt „Hintergrund dieser Offenbarung zusammengefasst wurden und mit Bezug auf 4 unten näher beschrieben werden. In der gezeigten Ausführungsform wird der TSP 336 zusammen mit dem SLM-Steuerteil 332 verwendet, um diese Unzulänglichkeiten zu überwinden oder zu reduzieren, indem beispielsweise in einigen Ausführungsformen oder Ausführungen eine feinere Graustufensteuerung als 256 Bits oder andere Vorteile erlaubt werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann der TSP 336 Graustufenmuster und Belichtungsstärkenanfragen oder Steuersignale vom SIP-Beleuchtungssteuerelement 133sip und/oder dem SIM/SIP-Speicherteil 140sim (die zuvor festgelegte oder gelernte Steuersignalkonfigurationen oder -parameter verbunden mit verschiedenen gewünschten Muster speichern können) über die Leitung oder den Bus 331 empfangen. Der TSP 336 kann dann die empfangenen Signale verarbeiten und mehrere schrittweise Gaustufenmusteranforderungen an den SLM-Steuerteil 332 senden, so dass der SLM-Steuerteil 332 jedes der schrittweisen Graustufenmuster mit einer Auflösung von 256 Bit über einen Zeitraum generieren kann, wobei er seine nativen Steuerroutinen und Schaltkreise verwendet, um den SLM 350 und den Lichtgenerator 310 zu steuern. Der TSP 336 kann somit eine Gesamtbildbelichtung steuern, die durch mehrere schrittweise Graustufenmuster erreicht wird, da er die Anzahl der schrittweisen Abfragen innerhalb einer Bildintegrationsperiode der Kamera 260 steuern kann, mit der er Steuersignale über die Leitung 339 austauschen kann. In verschiedenen Ausführungsformen können einige der schrittweisen Abfragen für identische Muster und/oder Belichtungsinkremente gelten. In manchen Ausführungsformen können eine oder mehrere der schrittweisen Abfragen für verschiedene Muster und/oder Belichtungsinkremente gelten. Auf diese Weise können ggf. Graustufenauflösungen von mehr als 256 Bit erreicht werden. Allgemein ist es wünschenswert, dass der TSP 336 zweckbestimmtes Verarbeiten und deterministische Taktung in Bezug auf die Steuersignale vorsieht, die er empfängt und/oder an verschiedene Komponenten sendet. In manchen Ausführungsformen kann der TSP 336 daher eine programmierbare Logikanordnung oder dergleichen umfassen. In manchen (wahlweisen) Ausführungsformen kann der SLM-Steuerteil 332 den Lichtgenerator 310 nicht direkt steuern, sondern stattdessen die Leitung 333 entfallen und ein Lichtsteuertaktsignal vom SLM-Steuerteil 332 an den TSP 336 auf der Leitung 333' ausgegeben werden, und der TSP 336 kann den Lichtgenerator 310 über die Leitung 333'' aufgrund des Taktsignals vom SLM-Steuerteil 332 steuern. Auf diese Weise können zusätzliche Eigenschaften und/oder präzise individuell angepasste Steuerung des Lichtgenerators 310 innerhalb des Taktfensters vorgesehen werden, die vom nativen Betrieb des SLM-Steuerteils 332 gefordert wird. Verschiedene der oben genannten Eigenschaften und Arbeitsgänge werden unten ausführlicher beschrieben.
4 ist ein Diagramm 400, das schematisch ein typisches natives Steuerverfahren darstellt, das mit einem räumlichen Lichtmodulator, wie dem in 3 gezeigten räumlichen Lichtmodulator 350, zum Projizieren eines Beleuchtungs-Graustufenmusters während einer Bildbelichtungsperiode verwendet wird. Insbesondere stellt 4 schematisch das Generieren einer grob sinusförmigen GraustufenIntensitätsvariation GLV durch einen einzelnen Beleuchtungslichtstreifen LS1 dar, der von einem DLP-Gerät wie dem digitalen Mikrospiegelgerät generiert wird.
Das Diagramm 400 zeigt eine Musterabschnitt-Belichtungssequenz 430, die mehrere jeweilige Musterteile P1–P4 (auch Abschnittmusterteile genannt) umfasst, die unter Verwendung jeweiliger Iterationsintensitäten der Strahlung von einem Lichtgenerator jeweils während den jeweiligen Iterationsabschnittszeiten T1–T4 belichtet werden. Die Musterabschnitt-Belichtungssequenz 430 baut ein einfaches Graustufen-Sinuswellen-Muster von 4 Bit zur Veranschaulichung der grundlegenden Prinzipien auf, die für diese Offenbarung relevant sind.
Das Diagramm 400 enthält entsprechende Elemente, die vertikal entlang „Pixelspalten durch einen Lichtstreifen” ausgerichtet sind. Eine abgeschnittene „Draufsicht” zeigt eine grob sinusfömige Graustufen-Intensitätsvariation GLV durch den einzelnen strukturierten Beleuchtungslichtstreifen LS1, wobei sich dieser Streifen entlang der Richtung Ys erstreckt. Die helleren und dunkleren Schattierungen durch den Streifen LS stellen die akkumulierte Belichtung oder Nettointensität dar, die sich aus der Intensitätsmusterabschnitt-Belichtungssequenz 430 ergibt, die mit PatIter_k bezeichnet wird, wodurch angezeigt wird, dass sie einer/m vollständigen Graustufenmuster-Belichtungsiteration oder -inkrement k (z. B., k = 1, 2, 3 usw.) entsprechen kann, wie es unten ausführlicher beschrieben wird. Dieser spezielle Streifen ist entlang der Pixelspalte d am hellsten und entlang der Pixelspalten a und a' am dunkelsten. Direkt über der Draufsicht-Darstellung von PatIter_k befindet sich ein Diagramm, das die Beiträge zum Netto-Intensitätsprofil durch Patlter_k schematisch darstellt. Im Diagramm werden Schraffierungen verwendet, die so kodiert sind, dass sie mit den Schraffierungsmustern übereinstimmen, die dazu verwendet werden, die Pixelspalten anzuzeigen, die aktiviert werden, um die jeweiligen Abschnittmusterteile P1–P4 während der jeweiligen Abschnittszeiträume T1–T4 bereitzustellen. Es wird angenommen, dass der Lichtgenerator für alle Zeiten T1–T4 auf die gleiche Intensität eingestellt ist, so dass sich die akkumulierte Intensität proportional zu den Zeiten verhält. Die Zeiten T1–T4 sind binäre Abschnitte, das heißt T3 = 2·T4, T2 = 2·T3, und T1 = 2·T2. Es wird gezeigt, dass die Pixel der hellsten Spalte d in jedem der Abschnittmusterteile P1–P4 „an” sind und die Nettointensität ni4 bereitstellen. Die Pixel der nächst-hellsten Spalten c und c' sind in jedem der Abschnittmusterteile außer P2 „an”, und stellen die Nettointensität ni3 bereit. Die Pixel der nächst-hellsten Spalten b und b' sind nur in den Abschnittmusterteilen P3 und P4 „an” und stellen die Nettointensität ni2 bereit, und die dunkelsten Spalten a und a' sind nur im Abschnittmusterteil P an und stellen die Nettointensität ni1 bereit. Das Taktdiagramm 440 zeigt, das die Gesamtzeit des Generierens des Graustufenstreifenmusters PatIter_k TIter_k ist, wobei zu den Zwecken dieser Veranschaulichung angenommen wird, dass die Zeit zwischen den Zeitperioden T1–T4 vernachlässigbar ist. Es versteht sich, dass Latenzzeiten, Verzögerungen und dergleichen für bestimmte Geräte, Lichtgeneratoren, Spannungspegel usw. durch Entwurf und/oder Experiment kalibriert oder bestimmt und die Ergebnisse kalibriert oder gespeichert werden können (z. B. im SIM/SIP-Speicherteil 140sim), so dass eine Kombination von Taktung, Betriebsspannungen und dergleichen, die einen gewünschten oder kalibrierten Beleuchtungspegel vorsehen, leicht bestimmt und/oder ausgeglichen werden kann (z. B. beim Betrieb der SIP-Steuerung 330).
Das oben beschriebene typische native Steuerungsverfahren kann in DLP-Steuerungen (z. B. in einer digitalen DMD-Steuerung) verwendet werden, die die Gesamtzeit TIter_k und/oder die Lichtgenerator-Intensitäten einstellt, die während der Abschnittzeiten verwendet werden, um ein gewünschtes Netto-Graustufenintensitätsmuster zu erzielen.
Eine allgemeine Übermittlungsfunktion von einer sinusförmigen Musterbelichtung während eines einzelnen Bilds, wie sie oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist, kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Wobei PatIter_k = die „k.” Iteration eines vollständigen Graustufenmusters (z. B. eines Streifen, der durch den Streifen ein sinusförmiges Graustufenintensitätsprofil aufweist), innerhalb einer Bildbelichtungsperiode; Ti = ein Zeitabschnitt der Mustergenerierung (z. B. einer der in 4 gezeigten Zeitabschnitte T1–T4); Pi = Musterabschnitt (z. B. das Teilmuster aus SLM-Pixeln, das während einem der Zeitabschnitte der Mustergenerierung Ti an ist (z. B. einer der in 4 gezeigten Musterabschnitte P1–P4); Ii = Lichtintensität während des Zeitabschnitts Ti. In gewissen Konfigurationen werden binäre Zeitabschnitte implementiert, so dass Ti = T(i-1)/(2^(i-1)), und es kann eine konstante Intensität während eines gesamten Satzes der Musterabschnitte verwendet werden, so dass I1 = I2 = In, wie in der in 4 gezeigten Darstellung angedeutet wurde.
Das oben beschriebene typische native Steuerverfahren, das die Gesamtzeit TIter_k anpasst, was dem Verlängern jeder der Zeiten Ti und/oder der Lichtgeneratorintensitäten Li entspricht, die während der Abschnittszeiten verwendet werden, um ein gewünschtes Netto-Graustufenintensitätsmuster zu erzielen. Dieser Ansatz führt jedoch zu zuvor beschriebenen Unzulänglichkeiten, und der Erfinder stellte fest, dass die SIM-Messgenauigkeit auf manche Auswahlen dieser Variablen empfindlich sein kann, die in vielen anderen Anwendungen keine Folgen haben würden. Daher ist das typische native Steuerverfahren für DLPs für gewisse Inspektionsarbeitsgänge der Präzisions-Bildverarbeitung mit hoher Auflösung und insbesondere gewisse hochpräzise SIM-Anwendungen unzureichend. Damit verbundene Probleme und Lösungen werden unten ausführlicher beschrieben.
Als Hintergrund zum Verständnis der Vorteile der hierin offenbarten Systeme und Verfahren, werden 5 und 6A–6D verwendet, um kurz ein beispielhaftes bekanntes SIM-Verfahren zu beschreiben, um die Empfindlichkeit der Methode auf Variationen der Intensität und/oder des Intensitätsprofils der strukturierten Beleuchtung zu zeigen, die für die analysierten Bilder verwendet wird. 7 wird verwendet, um eine feinere und unterschätzte Empfindlichkeit auf das strukturierte Beleuchtungsverfahren zu beschreiben, die für gewisse Anwendungen des SIM-Verfahrens relevant ist.
5 ist ein Diagramm, das ein bekanntes SIM-Verfahren darstellt. Im dargestellten Beispiel, wie im Teil 500A der Darstellung gezeigt, umfasst das Verfahren das Projizieren einer Sequenz aus drei strukturierten Beleuchtungsmustern PP1–PP3 mit verschiedenen Phasen (z. B. einer effektiven räumlichen Phasenverschiebung von 120 Grad der räumlichen Periode des projizierten Streifenmusters zwischen Phasen) auf ein Werkstück und Erfassen der entsprechenden Bilder I1–I3. Würde für jedes Bild die gleiche Belichtungsstärke und eine wiederholbare sinusförmige Intensitätsvariation durch den Streifen im projizierten Streifenmuster angenommen, würde man an der gleichen Pixellage in jedem der Bilder I1–I3 Ergebnisse erwarten, die zu denen in Teil 500B der Darstellung analog sind. Insbesondere erwartet man gemäß den Annahmen oben, dass die Pixellage P1 in den Bildern I1–I3 eine Intensität aufweist, die proportional zur Intensität der drei Lagen durch das sinusförmige Streifenintensitätsprofil ist, wo die drei Lagen von 120 Grad räumlicher Phasenverschiebung getrennt sind. Dies wird in 500B durch die Intensitätswerte (P1, I1), (P2, I2) und (P3, I3) veranschaulicht. Das SIM-Verfahren beinhaltet dann das Anpassen einer sinusförmigen Kurve FC an die drei Intensitätswerte für die Pixellage P1. Die Amplitude der sich ergebenden angepassten Kurve FC, auch Modulationstiefe MD genannt, ist am größten, wenn sich das Werkstück an der Pixellage P1 an der besten Fokusposition befindet. Dies ist der Fall, weil der Streifenkontrast an Fokuspositionen unscharf ist, die von der besten Fokusposition entfernt liegen, so dass die Modulationstiefe MD in diesem Fall kleiner ist.
6A–6D sind Diagramme, die ein SIM-Verfahren veranschaulichen, bei dem an drei verschiedenen Fokushöhen Za, Zb, Zc eine Sequenz von Schritten verwendet wird, die denen in 5 ähnlich sind. Eine zugehörige Modulationstiefenkurve MC wird gebildet, um eine Scheitelmodulations-Z-Höhe zu bestimmen, die auf die beste Fokushöhe und/oder Z-Höhe für eine bestimmte Pixellage auf einem Werkstück hinweist.
Wie in 6A gezeigt, wird eine Reihe 610A von drei phasenverschobenen Bildern I1a–I3a (das heißt, mit verschobener Beleuchtungsmusterphase) an einer vertikalen Position Za erfasst. Das kleine Bild des optischen Systems in 6A zeigt, dass die projizierte Beleuchtung, die von der Quelle SA kommt, sowie das Abbildungssystem auf eine Ebene FP fokussiert sind und die Z-Höhe Za weit von der FP entfernt ist. Das führt dazu, dass die entsprechende Modulationstiefe MDa relativ klein ist. Wie in 6B gezeigt, wird eine Reihe 610B von drei phasenverschobenen Bildern I1b–I3b an einer vertikalen Position Zb erfasst. Das kleine Bild des optischen Systems in 6B zeigt, dass die projizierte Beleuchtung, die von der Quelle SA kommt, sowie das Abbildungssystem auf eine Ebene FP fokussiert sind und die Z-Höhe Zb näher an FP liegt, als es für Za der Fall war. Das führt dazu, dass die entsprechende Modulationstiefe MDb größer als MDa ist. Wie in 6C gezeigt, wird eine Reihe 610C von drei phasenverschobenen Bildern I1c–I3c an einer vertikalen Position Zc erfasst. Das kleine Bild des optischen Systems in 6C zeigt, dass die projizierte Beleuchtung, die von der Quelle SA kommt, sowie das Abbildungssystem auf eine Ebene FP fokussiert sind und die Z-Höhe Zc näher an FP liegt. Das führt dazu, dass die entsprechende Modulationstiefe MDc ungefähr so groß wie möglich ist.
Wie in 6D gezeigt, wurden die Modulationstiefen MDa–MDc gegen ihre entsprechenden Z-Höhen aufgetragen (beschriftete vertikale Abtastposition) und eine Modulationstiefenkurve an die aufgetragenen Punkte angepasst. Der Scheitelpunkt der Modulationstiefenkurve MC zeigt die Z-Höhe an, an der die entsprechende Pixellage auf dem Werkstück scharf eingestellt ist.
Es ist bekannt, dass die oben beschriebenen SIM-Verfahren dazu in der Lage sind, hochauflösende Z-Höhenmessungen mit hoher seitlicher Auflösung zu generieren. Wie es für den Fachmann jedoch ersichtlich ist, hängt die Genauigkeit der Methoden davon ab, ob die Annahmen, dass die Intensität in jedem Bild die erwartete Stärke hat (z. B. die gleiche in jedem Bild oder ansonsten bekannt und kompensiert), und das Intensitätsprofil des Lichtstreifens in jedem Bild das gleiche (und von bekannter Form) ist. In gewisser Hinsicht sind die offenbarten Systeme und Verfahren darauf ausgerichtet, diese Annahmen über einen weiteren Belichtungsbereich auf wirtschaftliche Weise besser zu erfüllen. Es versteht sich, dass aufgrund des hochauflösenden Potentials des SIM-Verfahrens selbst sehr kleine Variationen der Intensität und/oder des Intensitätsprofils für die sich daraus ergebende Genauigkeit signifikant sind.
7 ist ein Diagramm 700, das die typische in 4 gezeigte Sequenz des Generierens eines Graustufenbeleuchtungsmusters im Abbildungsteil 701 in Bezug auf die im Abbildungsteil 702 gezeigten Erwägungen bezüglich des Beleuchtungsfokus veranschaulicht, die berücksichtigt werden müssen, wenn eine Oberfläche WS beleuchtet wird, die sich während einer Bildbelichtungssequenz, die die Abschnittszeiten T1–T4 umfasst, entlang der Fokusachse (der Z-Achse) bewegt. In verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, die Z-Höhe eines Werkstücks in Bezug auf eine beste Fokusposition kontinuierlich abzutasten, um SIM-Bilder, wie die in 5 und 6 gezeigten, mit einem hohen Durchsatz zu erfassen. Dagegen führt das Anhalten bei einer Anzahl von Z-Höhen zu Vibrationen, die Bilder stören, und/oder zu Ausregelzeiten, die den Durchsatz verringern. Es versteht sich, dass die Abtastbewegung für gute Ergebnisse langsam genug sein muss, um eine relativ klare Bildbelichtung zu unterstützen und eine vergleichbare Bildbelichtung und Z-Höhe für jedes phasenverschobene Bild zu unterstützen, das zum Bestimmen einer Modulationstiefe verwendet wird, die einer bestimmten Z-Höhe (oder einem kleinen Bereich von Z-Höhen) entspricht. Die folgende Erörterung zeigt ein leichtes Problem, das im Zusammenhang mit diesen Betrachtungen auftritt.
Der Darstellungsteil 701 und die unten verwendeten Begriffe sind auf Grundlage der vorstehenden Beschreibung von 4 zu verstehen. Im Darstellungsteil 702 wird die Werkstückoberfläche WS so dargestellt, dass sie sich mit einer konstanten Geschwindigkeit im Verhältnis zu einer Fokusebene eines strukturierten Beleuchtungsprojektionssystem und eines Abbildungssystem in der Figur nach unten bewegt. Zu Zwecken der vorliegenden Erörterung wird angenommen, dass die mit Bezug auf 4 beschriebene Zeit TIter_k für ausreichende Bildbelichtung nach Bedarf verlängert (und somit die Abschnittszeiten T1–T4 verlängert werden) und eine einzelne Iteration des Musters zur Bildbelichtung verwendet wird.
Im Darstellungsteil 702 werden Teile der Oberfläche WS gezeigt, die sich durch die beste Fokushöhe zum Beleuchten und zur Bildgebung bewegen, als fett gedruckte Linie gezeigt. Wie in der ersten Zeitscheibendarstellung 710 gezeigt, entspricht während des Abschnitts T1 der Teil der Oberfläche WS, der bei der besten Fokushöhe beleuchtet und abgebildet wird, während sich die Oberfläche WS entlang der Fokusachse nach unten bewegt, den Pixelspalten c, d und c' des Lichtstreifens. Es kann gesehen werden, dass die Teile der Oberfläche, die den Pixelspalten a, b, b' und a' des Lichtstreifens entsprechen, im Allgemeinen nicht gut fokussiert sind. Sie sollten sehr wenig des Abschnittmusterteils P1 empfangen, können jedoch eine verschwommene „Grenze” des Abschnittmusters P1 empfangen, da sie „unscharf” eingestellt sind. In der zweiten Zeitscheibendarstellung 720 entspricht während des Abschnitts T2 der Teil der Oberfläche WS, der bei der besten Fokushöhe beleuchtet und abgebildet wird, während sich die Oberfläche WS entlang der Fokusachse nach unten bewegt, den Pixelspalten b, b und a' des Lichtstreifens. Es kann gesehen werden, dass die Teile der Oberfläche, die den Pixelspalten a, c, d und c' des Lichtstreifens entsprechen, im Allgemeinen nicht gut fokussiert sind. Sie sollten sehr wenig des Abschnittmusterteils P2 empfangen, können jedoch eine verschwommene „Grenze” des Abschnittmusters P2 empfangen, da sie „unscharf” eingestellt sind. In der dritten Zeitscheibendarstellung 730 entspricht während des Abschnitts T3 der Teil der Oberfläche WS, der bei der besten Fokushöhe beleuchtet und abgebildet wird, während sich die Oberfläche WS entlang der Fokusachse nach unten bewegt, der Pixelspalte a des Lichtstreifens. Es kann gesehen werden, dass die Teile der Oberfläche, die den Pixelspalten b, c, d, c', b' und a' des Lichtstreifens entsprechen, im Allgemeinen nicht gut fokussiert sind. Mit Ausnahme von Spalte a' sollten sie den Abschnittmusterteil P3 empfangen, empfangen jedoch nur eine verschwommene Version des Abschnittmusters P3, da sie „unscharf” eingestellt sind. In der vierten Zeitscheibendarstellung 740 wird während der Abschnitts T4 bei der besten Fokushöhe kein Teil der Oberfläche WS beleuchtet und abgebildet, während sich die Oberfläche WS entlang der Fokusachse nach unten bewegt. Alle Spalten sollten den Abschnittmusterteil P4 empfangen, empfangen jedoch nur eine verschwommene Version des Abschnittmusters P4, da sie alle zu unterschiedlichen Graden „unscharf” eingestellt sind.
In dem/der vorstehenden Beispiel und Beschreibung sind die Z-Höhenverhältnisse und -effekte übertrieben, um das Problem deutlich darzustellen. Es versteht sich jedoch, dass aufgrund der Fokusvariationen, die durch die Oberflächenprofilvariation in Kombination mit der Z-Bewegung während der Abschnittszeiten T1–T4 entstehen, kein Teil der Werkstückoberflächen (z. B. keine der Pixelspaltenlagen a–a') die beabsichtigten Intensitätsbeiträge empfangen und/oder die beabsichtigten Bildbeiträge bereitstellen, die für das Intensitätsprofil Panter k beabsichtigt sind. Anders gesagt, können wegen der Art und Weise, auf die ein Intensitätsprofil von Graustufensinuswellen von einer typischen DLP-Steuerung über einen Zeitraum aufgebaut wird, verschiedene Oberflächenhöhen des Gegenstands im Wesentlichen ein unterschiedliches „Abschnittmuster” (d. h. eine unvollständige Abtastung des Sinusmusters) empfangen, was erkennen lässt, dass die Höheninformationen (Kontrast usw.) verzerrt sein können. Oder umgekehrt kann das Bild des Streifens über die gesamten Belichtungsperiode in unterschiedlichen Bereichen der Abschnittmuster unterschiedlich „fokusgewichtet” (z. B. verschwommen) sein, und stellt somit nicht das beabsichtigte ideale Sinusprofil dar. In bestimmten Ausführungen kann dies als Verstoß gegen die Annahmen angesehen werden, die in verschiedenen zuvor beschrieben SIM-Gleichungen und -Algorithmen verwendet werden. Diese schädlichen Effekte, die sowohl die allgemeine Streifenintensität als auch das abgebildete Streifenintensitätsprofil stören können, treffen zu einem gewissen Ausmaß auf alle Bilder zu, die während einer Z-Bewegung erfasst wurden. Die einzige Lösung, die diese Probleme vollständig löst, ist das Anhalten der Werkstückbewegung während jeder Bilderfassung (z. B. den Zeiten T1–T4), was Bezug auf den Durchsatz unerwünscht ist. Eine Alternative, die das Problem signifikant reduziert und die Genauigkeit verbessert, wird unten mit Bezug auf die 8 und 9 ausführlicher beschrieben.
Das Problem, das mit Bezug auf 7 beschrieben wurde, zeigt, dass die zuvor beschriebene typische (z. B. native) Sequenz des Generierens eines Graustufenbeleuchtungsmusters die Genauigkeit und/oder den Durchsatz einschränken kann, wenn sie Abschnittszeiten verlängert, um die Belichtung eines Bilds zu erhöhen (z. B. aufgrund eines niedrigen Oberflächenreflexionsgrads oder dergleichen). Es ist wünschenswert, dies zu vermeiden. Ein weiterer möglicher Nachteil dieser Art „nativer” Steuerarbeitsgänge ist ferner, dass die Projektionsdauer insgesamt für jede Helligkeitswerteinstellung unterschiedlich sein kann. Diese Unterschiede der Dauer der Arbeitsgänge ändert die Wärmeerzeugung des Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters und wirkt sich auf die Wiederholbarkeit zwischen Bildern aus. Beispielsweise können die Wiederholbarkeit des Lichtgenerator-Spektrums (z. B. von einer oder mehreren LEDs) und/oder Wärmeausdehnungswirkungen und/oder die Detektorempfindlichkeit und/oder verschiedene Schaltkreiskomponenten betroffen sein. Ferner ist ein weiterer möglicher Nachteil dieser Art „nativer” Steuerarbeitsgänge, dass die Lichtgenerator-Intensität insgesamt (ob von Steuerstrom oder der Impulsbreitenmodulation oder beiden gesteuert) für jede Helligkeitswerteinstellung unterschiedlich sein kann. In bestimmten Ausführungen können dunkle Szenen Projektionsintensitäts- und Tastgradwerte nahe an 100% erfordern, während hochreflektive Szenen Projektionsintensitäts- und Tastgradwerte erfordern können, die näher an 9% liegen. Alle LEDs auf beispielsweise InGaN-Basis (blau, grün, weiß) haben jedoch ein unterschiedliches Emissionsspektrum, das auf dem Steuerstrom und der Impulsdauer beruht. Typische Verschiebungen der dominanten Wellenlänge liegen in der Größenordnung von 2–3 nm ohne aktive Wärmeableiter (z. B. Peltier-Kühler). Solche Variationen können sich auf Detektorempfindlichkeiten und/oder die Empfindlichkeit des Reflektionsgrads des Werkstücks auf die Wellenlänge auswirken, so dass unvorhersehbare Abweichungen der Bildintensität und/oder des Spektrums von den erwarteten Werten geschaffen werden. Es ist wünschenswert, dies zu vermeiden.
Die Musterhelligkeit (globale oder lokale Musterabschwächung) kann beim Projizieren mit weniger als 8 Bit ebenfalls unterschiedlich sein. Diese Strategie reduziert jedoch die Amplitude und Auflösung des Intensitätsprofils der projizierten Sinusmuster, und hat somit nachteilige Auswirkungen auf das Signal-Rausch-Verhältnis der Methode, und kann ferner gegen die Annahmen der SIM-Analyse verstoßen, wenn die Form des Intensitätsprofils durch die reduzierte Graustufenauflösung verändert wird (z. B. wegen Digitalisierungsfehlern und dergleichen).
Wie unten mit Bezug auf 8 und 9 ausführlicher beschrieben wird, ist ein alternatives Verfahren zum Steuern der Helligkeit eines strukturierten Beleuchtungsmusters (z. B. in einer Anwendung unter Verwendung von SIM-Verfahren) vorgesehen. In verschiedenen Ausführungsformen ist eine DLP-Steuerung Teil eines Systems und Verfahrens, das die Bildhelligkeit steuert, indem die DLP-Steuerung dazu veranlasst wird, die erforderlichen Instanzen von Graustufenmustern unter Verwendung einer relativ gleichbleibenden An-Zeit (z. B. der Zeit TIter_k) zu generieren. Anstatt einen Belichtungswert zu vergrößern, indem die An-Zeit einer einzelnen Sequenz des Generierens eines Graustufenmusters verlängert wird, veranlasst das unten offenbarte Verfahren, dass die DLP-Steuerung die Graustufenmustersequenz über einen begrenzten Zeitraum generiert und dann das Generieren der Graustufenmustersequenz über mehrere Iterationen wiederholt, um die gewünschten Belichtungsstärke zu erzielen. In einer spezifischen Ausführung dieses Verfahrens werden ein DMD (z. B. DLP5500) und Steuerelektronik (z. B. DLPC200, DLPA200), sowie ein LED-Lichtgenerator bei einer relativ gleichbleibenden Höchstbetriebsgeschwindigkeit des DMD betrieben. In einer Ausführung wird dies dadurch erreicht, dass eine Bildintegrationsperiode in Zeitperioden aufgeteilt wird, in denen vollständige Iterationen des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, generiert und wiederholt werden. Beispielsweise weisen manche Versionen der Komponenten, auf die zuvor Bezug genommen wurde, die Fähigkeit auf, Graustufenmuster von 8-Bit zu generieren, die bis zu 716 Hz (~1,390 ms) schnell sind. Eine typische Bilderfassungsframerate einer Kamera kann 68 Hz betragen (z. B. eine Kameraintegrationsperiode der Kamera in der Größenordnung von 14,705 ms). Folglich können diese Werte bis zu ungefähr zehn Iterationen einer Sequenz des Generierens eines Graustufenmusters von 8 Bit (d. h. 14,705 ms/1,390 ms) sein, um eine Belichtungsstärke während einer Bilderfassungsperiode zu erhöhen. In einer bestimmten beispielhaften Ausführung dieser Methode kann die Bildintegrationsperiode in 9 Zeitperioden aufgeteilt werden (anstatt beispielsweise 10, um verschiedenen Zeitverzögerungen und Latenzen im System Rechnung zu tragen), und mindestens einige der vollständigen Iterationen des strukturierten Beleuchtungsmusters, die in den Zeitperioden wiederholt werden, können den Komponenten entsprechen, die mit einer hohen (in einer Ausführung mit der höchsten) Betriebsgeschwindigkeit des DMD und dessen Steuerung (z. B. ~11,1% X9 ~ 100% Tastgrad) betrieben werden. Auf diese Weise bleiben die Wärmeerzeugung und das Lichtabstrahlungsspektrum relativ konstant, wodurch die Variabilität der Projektionskomponenten und des resultierenden strukturierten Beleuchtungsmusters reduziert wird.
8 ist ein Taktdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Bildbelichtung darstellt, die mehrere strukturierte Beleuchtungsiterationen nach den hierin offenbarten Verfahren umfasst, um einen Generator für ein strukturiertes Beleuchtungsmuster (SIP), wie den in 3 gezeigten, zu steuern, um ein SIP zu generieren, das eine gute Graustufenauflösung bei vielen verschiedenen Belichtungsstärken aufweist. 8 zeigt ein Taktdiagramm 800, das fünf Zeitleisten enthält. Die Zeitleisten können zu einem Zeitpunkt Tset beginnen, der dem Ende eines Setups oder Zurücksetzens oder einer Einleitperiode entspricht, die einer vorhergehenden Iteration der Zeitleisten folgt (z. B. nach einer vorhergehenden Kamerabildübertragungszeit oder dergleichen). Die erste Zeitleiste 810 stellt ein Auslösesignal 815 für die Bilderfassung dar, das zu einem Positionsauslösezeitpunkt Tpta aufgrund von X-, Y- und Z-Achsen-Ortskoordinaten des Tischs 210 (2) beginnen kann, die dem Positionieren eines Werkstückmerkmals im Sichtfeld der Kamera 260 und/oder dem Einleiten einer SIM-Höhenbestimmungsabtastung entlang der Z-Achse oder dergleichen entsprechen kann.
Die zweite Zeitleiste 820 stellt eine Kameraintegrationsdauer 825 dar, die von gesteuerter Dauer sein kann. (Tei-Tsi). Die gesteuerte Dauer kann aufgrund eines Hochgeschwindigkeitstaktgebers so gesteuert werden, dass sie relativ gleichbleibend ist. Die Kameraintegrationsdauer 825 kann zum Zeitpunkt des Integrationsbeginns Tsi beginnen und zum Zeitpunkt des Integrationsendes Tei enden. In manchen Ausführungen kann der Zeitpunkt des Integrationsbeginns Tsi während einer diskreten Latenzperiode (Tsi-Tpta) stattfinden, nachdem der Positionsauslöserzeitpunkt Tpta dazu verwendet wurde eine Kameraintegrationsperiode einzuleiten. Die Latenzperiode kann in verschiedenen Systemen relativ gleichbleibend und vorhersagbar sein.
Die dritte Zeitleiste 830 stellt Iterationen eines Auslösesignals 835 für Beleuchtungsmuster dar, das zu manchen oder allen Zeitpunkten Tptk (wobei in diesem besonderen Beispiel k = 1 bis 7) abhängig von der erforderlichen Belichtungsstärke auftreten kann, um die entsprechende(n) Sequenz(en) des Generierens eines Graustufenmusters auszulösen, die durch die Signale 845 auf der Zeitleiste 840 dargestellt werden. Beispielsweise kann in manchen Ausführungsformen ein Auslösesignal 835 für Beleuchtungsmuster immer zum Zeitpunkt TptC = Tpt1 in der „Mitte” der Kameraintegrationsperiode und entsprechend eines Zeitpunkts Txyz vorgesehen sein, zu dem eine Positionssignal durch ein Positionseinspeichersignal 855 (auf der Zeitleiste 850 gezeigt) eingespeichert werden kann, um die Bildposition des Bilds am besten darzustellen, das während der Kameraintegrationsperiode erfasst wurde (z. B. falls sich die Kamera und/oder das Werkstück während der Bilderfassung bewegen). Der Zeitpunkt Txyz kann in verschiedenen Ausführungsformen mit einer zuvor bestimmten Zeitverzögerung relativ zum Zeitpunkt TptC des Auslösesignals für das Muster eingestellt werden.
Jede resultierende Sequenz des Generierens eines Graustufenmusters PatIter_k (z. B. PatIter-1 wobei k = 1) kann als „Iteration k”-Sequenz des Generierens eines Musters angesehen werden, die PatIter_k in 4 entspricht, die ein entsprechendes Belichtungsinkrement vorsieht. Im oben beschriebenen Beispiel ist PatIter-1 wegen seiner Taktung nahe der Mitte der Integrationszeitperiode das zuerst gewählte Belichtungsinkrement. Für zusätzliche oder stärkere Belichtung können zusätzliche Auslösesignale 835 für Beleuchtungsmuster vorgesehen sein. In einer Ausführungsform können die zusätzlichen Signale 835 so gewählt werden, dass sie der ganzen oder einem Teil der Auswahlsequenz k = 2, 3, 4, 5, 6, 7 folgen. Es ist anzumerken, dass diese Sequenz keiner chronologischen Reihenfolge folgt. Die Auswahl der Taktungen für die Belichtungsinkremente wechseln sich vielmehr auf beide Seiten der Mitte der Integrationszeitperiode ab. In diesem Fall neigt die effektive Belichtungszeit, die vom Durchschnitt der gewählten Beleuchtungsinkrementzeiten geleitet wird, weiterhin zur „mittigen” Zeit des Positionseinspeichersignals 855, wenn Sequenziterationen der Mustergenerierung hinzugefügt werden. In 8 können beispielsweise die Sequenzen des Generierens eines Graustufenmusters 845 mit durchgehenden Linien das erste und das zweite Belichtungsinkrement bereitstellen (entsprechend den Kennzeichnung k = 1, 2, 3), und die Sequenzen des Generierens eines Graustufenmusters 845 mit unterbrochenen Linien können nach Bedarf die 4.–7. Belichtungsinkremente (entsprechend den Inkrementkennzeichnungen k = 4, 5, 6, 7) bereitstellen. In manchen Ausführungen kann der Impulsauslöserzeitpunkt Tptk auf dem gleichen Hochgeschwindigkeitszeitgeber basieren, der dazu verwendet wird, die Kameraintegrationsdauer 825 festzustellen.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung nur beispielhaft und nicht einschränkend ist. Als ein Beispiel können während einer Kameraintegrationsperiode mehr oder weniger Iterationszeitperioden der Mustergenerierung vorgesehen sein (z. B. 9 Iterationen, wie zuvor beschrieben). Ms weiteres Beispiel kann die Auswahlsequenz von der oben beschriebenen abweichen ohne auf maßgebliche Vorteile zu verzichten. In einer Ausführungsform können Schaltkreise und Routinen gemäß 3 verwendet werden, um die in 8 gezeigten Signale bereitzustellen. Beispielsweise kann der TSP Informationen zur Belichtungsstärke für eine bestimmte Belichtung während des Setups auf der Signalleitung 331 empfangen. Das Signal 815 kann in den TSP 336 auf der Leitung 331 eingegeben werden und/oder vom TSP 336 an die Kamera 260 auf der Leitung 339 weitergegeben werden. Der TSP kann ferner die Auslösesignale 835 generieren, die einer Belichtungsstärkeninformation entsprechen, und sie an den SLM-Steuerteil 332 auf der Leitung 338 ausgeben. Der SLM-Steuerteil 332 kann entsprechende Signale an den SLM 350 auf der Leitung 334 ausgeben. Der TSP 336 kann das Positionseinspeichersignal 855 zum geeigneten Zeitpunkt generieren und auf der Leitung 331 ausgeben. Andere mögliche Ausführungsformen können vom Durchschnittsfachmann realisiert werden.
Mit Bezug auf 7 versteht es sich, dass, wenn eine Sequenziteration k des Generierens eines Graustufenmusters in einer kurzen Zeit ausgeführt wird (wie z. B. in 8 gezeigt) und dann eine relative Bewegung und Fokusänderung entlang der Z-Richtung stattfindet, weniger Verschiebung während jeder Abschnittszeit T1–T4 erfolgt und jede Oberflächenhöhe mit einem vollständigeren oder idealeren „Abtasten” des Graustufenmusters belichtet wird, so dass die Höheninformationen (Kontrast usw.) weniger verzerrt sind. Mit anderen Worten ist für jede Sequenziteration k des Generierens eines Graustufenmusters das Bild eines Streifens in den verschiedenen Abschnitten ähnlicher „fokusgewichtet”, und daher weist ein Oberflächenbild Eigenschaften auf, die dem beabsichtigten idealen Sinusprofil besser entsprechen (d. h. sich den Annahmen, die in den SIM-Gleichungen und Algorithmen verwendet werden, stärker annähern), was zu einer besseren Genauigkeit führt.
Die folgende Beschreibung verwendet Gleichungen, um Alternativen und/oder Präferenzen zum Bereitstellen von Iterationen des strukturierten Beleuchtungsmusters zu beschreiben und verstehen, um in verschiedenen Ausführungsformen während einer Bilderfassung Belichtungsinkremente vorzusehen. Indem Gleichung 1 wiederholt wird, die zuvor beschrieben wurde, kann eine allgemeine Übertragungsfunktion für das k. Belichtungsinkrement des Graustufenmusters während einer Bilderfassung ausgedrückt werden als:
Daher für eine Gesamtbelichtung eines Bilds, das mehrere solcher Belichtungsinkremente umfasst:
Wobei X eine Anzahl von Iterationen oder Inkrementen ist, die die gewünschte Gesamtbelichtung bereitstellen.
Zur Vereinfachung kann ein Referenz- oder Standard-Graustufenmusterinkrement der Belichtung PatIter_std bestimmt werden, das in einem Standard-Zeitinkrement Titer_std generiert wird, wobei eine Standard-Lichtintensität I_std als Lichtintensität Ii für jeden der Zeitabschnitte Ti_std verwendet wird, die im TIter_std enthalten sind. In einer Ausführungsform kann TIter_std so gewählt werden, dass es ungefähr die minimale betriebsbereite Zeit zum Generieren einer vollständigen Graustufenmuster-Sequenz ist, die die native SLP-Steuerung verwendet. In anderen Ausführungsformen kann Titer_std jedoch so gewählt werden, dass es aus den unten beschriebenen Gründen etwas länger ist.
Dieses Referenz- oder Standard-Graustufenmuster-lnkrement der Belichtung kann so veranschaulicht werden:
Als ein erstes spezifisches veranschaulichendes Beispiel wird angenommen, dass es wünschenswert ist, die Belichtung auf eine bestimmte Stärke zu erhöhen, die z. B. das 3,2-fache der Belichtung ist, die von einem Standard-Belichtungsinkrement PatIter_std bereitgestellt wird. Zwei mögliche Ansätze, die für typische native Steuerverfahren genommen werden können, werden so veranschaulicht:
Die von den Gleichungen 4 und 5 dargestellten Verfahren, bei denen nur ein Belichtungsinkrement verwendet wird, können unerwünscht sein, da entweder die Intensität oder die Gesamtprojektionstaktungszeit für jede Helligkeitsstufeneinstellung anders ist. Wie zuvor beschrieben, ändern diese Abweichungen die Wärmeerzeugung des Projektionsgeräts und/oder der LEDs und wirken sich ungünstig auf die Gesamtsystemleistung aus. Zusätzlich weist eine LED auf InGaN-Basis (blau, grün, weiß) ein unterschiedliches Emissionsspektrum auf, das auf dem Steuerstrom und der Impulsdauer beruht. Typische Verschiebungen der dominanten Wellenlänge liegen in der Größenordnung von 2–3 nm ohne aktive Wärmeableiter (z. B. Peltier-Kühler). Weiterhin ist bezüglich des von der Gleichung 5 dargestellten Verfahrens die Länge der Zeit, während der jedes Abschnittmuster an ist, länger (z. B. 3,2 mal so lang im Beispiel oben), was anzeigt, dass die Höhenabtastung, wie mit Bezug auf 7 beschrieben, uneinheitlicher wird, wenn sich die Fokushöhe mit hoher Geschwindigkeit (z. B. wie in manchen Ausführungen gewünscht) ändert. Mit anderen Worten ist es wahrscheinlicher, dass jede(r) eindeutige „Nicht-Sinus”-Komponente oder Abschnitt das einzige Muster ist, das von einem Oberflächenbereich auf einer bestimmten Höhe empfangen wird, während sich diese Höhe im Fokus befindet. Umgekehrt müsste die Z-Geschwindigkeit vermindert werden, wenn erwünscht ist, dass ein bestimmter Oberflächenbereich den ganzen Satz von Teilmustern empfangen soll (um sich einer einheitlichen Graustufen-Sinusstreifenabtastung für alle Höhen zu nähern).
Eine bessere Alternative, die auf den hierin offenbarten Grundsätzen beruht, wird folgendermaßen dargestellt:
In einer Ausführung kann das von der Gleichung 6 dargestellte Verfahren unter der Annahme arbeiten, dass ungefähr die kürzesten möglichen Zeiten für Ti_std verwendet werden, so dass eine Methode zum Erreichen des „Dezimalteils der Belichtung” darin besteht, dass die Intensität während der letzten „0,2.” Musteriteration (relativ zur angenommen Standard-Intensitätsstärke I_std) verringert wird. Das von der Gleichung 6 dargestellte Verfahren kann auch ermöglichen, dass die Höhenabtastung, wie mit Bezug auf 7 beschrieben, wünschenswerter ist (d. h. eine vollständige Graustufen-Sinusstreifenmuster-Belichtung während des Belichtungs-Z-Bereichs 4 mal, nicht nur einmal, wiederholt wird) und die Netto-Intensitätsvariation viel kleiner als die gemacht wird, die für das durch Gleichung 5 dargestellte Verfahren angezeigt ist, dadurch dass die Intensität für drei Standard-B elichtungsinkremente oder ungefähr 94% der Gesamtbelichtung in diesem Beispiel bei einem wiederholbaren Standardwert liegt. In verschiedenen anderen Ausführungen kann es wünschenswert sein, dass die Intensität nie um Größen wie die in der letzten Bedingung von Gleichung 6 angegebenen reduziert wird (z. B. um Spektralvariationen zu vermeiden). Daher wird eine andere Alternative, die auf den hierin offenbarten Grundsätzen beruht, folgendermaßen dargestellt:
In einer Implementierung zeigt das durch Gleichung 7 dargestellte Verfahren, dass die Höhenabtastung bei einer gewünschten Stärke bleibt (z. B. wird eine vollständige Graustufen-Sinusstreifenmuster-Belichtung dreimal während des Belichtungs-Z-Bereichs wiederholt, und nicht nur einmal) und es besteht nur eine relativ kleine Intensitätsvariation für nur ein Belichtungsinkrement.
Weitere alternative Verfahren, die implementiert werden können, wenn die Standardintensität I_std und/oder die Standardzeiten Ti_std so definiert werden, dass ein gewisser Grad zusätzlicher Zunahme und/oder Abnahme im System möglich sind, werden folgendermaßen dargestellt:
In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Entscheidung, ob eines der alternativen durch die Gleichungen 6, 7, 8 oder 9 dargestellten Verfahren verwendet wird, dadurch gefällt werden, dass beurteilt wird, welche den besten Kompromiss bietet. Beispielsweise kann in verschiedenen Ausführungen ein „0,8.” Belichtungsteil am besten mit Intensitätsverringerung in einer der Belichtungsinkremente erreicht werden (z. B. wie in Gleichung 6) während ein „0,2.” Belichtungsteil am besten mit einer geringen Intensität oder Zeiterhöhung in einem oder mehreren Belichtungsinkrementen erzielt werden kann (z. B. eine der Gleichungen 7, 8 oder 9). Verschiedene andere Alternativen und Kombinationen der Intensität und Zeit in verschiedenen Belichtungsinkrementen sind für den Durchschnittsfachmann aufgrund der hierin offenbarten Grundsätze ersichtlich.
Es versteht sich, dass alle durch die Gleichungen 6, 7, 8 und 9 dargestellten Verfahren auf einem gemeinsamen Prinzip beruhen, dass eine Belichtungsmustersequenz während einer Belichtung nicht nur einmal sondern mehrere Male wiederholt wird. In verschiedenen Ausführungen können die wiederholten Belichtungsmustersequenzen eine gleiche Intensität und/oder gleiche Zeitperioden aufweisen. Gewisse der wiederholten Belichtungsmustersequenzen können auch in der kürzesten möglichen Zeit generiert werden, die vom System zur Mustergenerierung ermöglicht wird.
Es versteht sich, dass die oben mit Bezug auf 8 und die Gleichungen 6–9 beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft und nicht einschränkend sind. Wie zuvor beschrieben muss beispielsweise die Anzahl der Zeitperioden, die einer gewünschten oder maximalen Anzahl von Sequenziterationen der Mustergenerierung innerhalb einer Kameraintegrationszeitperiode entsprechen, nicht, wie in 8, sieben sein. Sie kann vielmehr eine beliebige gewünschte Anzahl innerhalb der Betriebsfähigkeit des Systems sein (z. B. 9 Perioden, wie zuvor beschrieben, oder 5 oder 4, oder kann auf eine bestimmte Bildbelichtung oder dergleichen angepasst werden). Selbstverständlich kann, wie zuvor angedeutet, jedes Glied eines zuvor bestimmten Satzes von Zeitperioden so eingestellt werden, dass ein „Nullbelichtungsinkrement” bereitgestellt wird (beispielsweise durch Auslassen seines Auslösers oder Einstellen der Quellenintensität auf null, oder Anlassen der Quellenintensität und Einstellen des Musters Pi auf „aus” oder dergleichen). Weiterhin kann, wenn eine gerade Anzahl von Belichtungsinkrementen aus einer ungeraden Anzahl von Zeitperioden gewählt und dazu verwendet wird, eine Gesamtbelichtungsstärke zu erzielen, das „mittige” Inkrement (z. B. TptC und/oder k = 1 in 7 entsprechend) in manchen Ausführungsformen entfallen. Ähnlich kann, wenn eine einzige unterschiedliche „Dezimalanteil”-Belichtung dazu verwendet werden soll, eine gewünschte Gesamtbelichtungsstärke zu erzielen, das „mittige” Inkrement (z. B. TptC und/oder k = 1 in 7 entsprechend) gewählt werden, um in manchen Ausführungsformen dieses unterschiedliche Belichtungsinkrement bereitzustellen. In diesem Fall kann dann ein mittiges Positionseinpeichersignal noch immer am geeignetsten für das Anzeigen der wirksamen Position zur Bilderfassung sein.
9 ist ein Flussdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer Routine 900 zum Steuern eines Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters veranschaulicht, die dazu verwendet wird, ein Werkstück während einer Bilderfassung durch eine Kamera mit einem strukturierten Beleuchtungsmuster zu beleuchten. In Block 910 ist der Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP), der eine SIP-Steuerung umfasst, ein steuerbaren räumlicher Lichtmodulator (SLM), der zum Generieren eines strukturiertes Beleuchtungsmusters gesteuert wird, und einen Lichtgenerator, der Strahlung an den SLM abgibt, vorgesehen. In Block 920 wird während einer Bildintegrationsperiode der Kamera ein Bild erfasst, wobei das Bild mindestens einen Teil des Werkstücks enthält, das vom SIP-generierenden Teil während der Bilderfassung beleuchtet wird. In Block 930 wird die Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um ein erstes Belichtungsinkrement erhöht, indem eine erste vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält. In Block 940 wird die Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um mindestens ein zweites Belichtungsinkrement erhöht, indem mnindestens eine zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass bestimmte Ausführungsformen der Erfindung hierin zur Veranschaulichung beschrieben wurden, dass jedoch verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise versteht der Fachmann, dass das abgebildete Flussdiagramm auf mehrere verschiedene Weisen geändert werden kann. Insbesondere kann die Reihenfolge der Schritte anders angeordnet werden, Schritte können unterteilt und/oder parallel ausgeführt werden, Schritte können entfallen und alternative Schritte können einbezogen werden usw. Entsprechend ist die Erfindung vorbehaltlich der angefügten Ansprüche nicht begrenzt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6542180 [0002, 0002]
US 6542108 [0002]
US 7454053 [0031]
US 7324682 [0031]
US 8111905 [0031]
US 8111938 [0031]

Claims

Die Ausführungsformen der Erfindung, für die exklusives Eigentum oder Privileg beansprucht wird, sind wie folgt definiert: 1. Verfahren zum Steuern eines Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters, der dazu verwendet wird, ein Werkstück während einer Bilderfassung durch einen Kamerateil in einem Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystem mit einem strukturierten Beleuchtungsmuster zu beleuchten, wobei: der Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) Folgendes umfasst: eine SIP-Steuerung; einen steuerbaren räumlicher Lichtmodulator (SLM), der gesteuert wird, um das strukturierte Beleuchtungsmuster zu generieren; und einen Lichtgenerator, der Strahlung an den SLM abgibt; und das Verfahren Folgendes umfasst: Erfassen eines Bilds während einer Bildintegrationsperiode der Kamera; Erhöhen der Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um ein erstes Belichtungsinkrement, indem eine erste vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält; und Erhöhen der Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um mindestens ein zweites Belichtungsinkrement, indem mindestens eine zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Belichtungsinkrement und das erste Belichtungsinkrement im Wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren den Betrieb des Lichtgenerators umfasst, um während der ersten und der zweiten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters im Wesentlichen die gleiche Strahlenintensität abzugeben.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Verhältnis der Strahlungsintensität zu einer steuerbaren Höchststrahlungsintensität größer als 0,6 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das mindestens zweite Belichtungsinkrement ferner ein geringwertigstes Bit-Belichtungsinkrement umfasst, das geringer als das erste und das zweite Belichtungsinkrement ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren den Betrieb des Lichtgenerators umfasst, um eine ersten Strahlungsintensität während der ersten und zweiten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters abzugeben, und um eine LSB-Strahlungsintensität abzugeben, die geringer als die erste Strahlungsintensität während der vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters ist, die dem LSB-Belichtungsinkrement entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bildintegrationsperiode der Kamera eine Zeitperiode TIP ist, und das Verfahren das Generieren jeder vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, innerhalb einer jeweiligen Zeitperiode TCPi umfasst, wobei jede jeweilige Zeitperiode TCPi höchstens Ti/4 ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei jede jeweilige Zeitperiode TCPi höchstens Ti/6 ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der jeweiligen Zeitperioden TCPi der kürzesten möglichen Zeitperiode entspricht, die vom Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters erlaubt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bildintegrationsperiode der Kamera eine Zeitperiode TIP ist, die N gleiche Teilperioden TCPn umfasst, und das Verfahren das Generieren jeder vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, innerhalb einer jeweiligen Teilperiode TCPn umfasst, und das Verfahren ferner den Betrieb des Teils zum Generieren des strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) auf eine Weise umfasst, auf die kein Belichtungsinkrement innerhalb mindestens einer jeweiligen Teilperiode TCPn auftritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei: das Generieren der ersten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters das Generieren einer ersten Musterabschnitt-Belichtungssequenz umfasst, die mehrere jeweilige Musterteile umfasst, die unter Verwendung jeweiliger erster Iterationsintensitäten der Strahlung vom Lichtgenerator während der jeweiligen ersten Iterationsabschnittszeiten belichtet werden; und das Generieren der mindestens zweiten vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, das Generieren mindestens einer zweiten Musterabschnitt-Belichtungssequenz umfasst, die mehrere jeweilige Musterteile umfasst, die unter Verwendung jeweiliger Iterationsintensitäten der Strahlung vom Lichtgenerator während der jeweiligen Iterationsabschnittszeiten belichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei mindestens die erste und eine zweite Musterabschnitt-Belichtungssequenzen identisch sind.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei: das mindestens zweite Belichtungsinkrement ein LSB-Belichtungsinkrement umfasst, das sich von dem ersten und dem zweiten Belichtungsinkrement unterscheidet; und das Verfahren das Generieren des LSB-Belichtungsinkrements durch Generieren einer vollständigen Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters, das Graustufenvariationen enthält, umfasst, indem eine LSB-Musterabschnitt-Belichtungssequenz generiert wird, die mehrere jeweilige Musterteile umfasst, die unter Verwendung jeweiliger LSB-Iterationsintensitäten der Strahlung vom Lichtgenerator während der jeweiligen LSB-Iterationsabschnittszeit belichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren mindestens eines der Folgenden umfasst: (a) Herabsetzen der jeweiligen LSB-Iterationsintenstäten unter die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsintensitäten, und (b) Herabsetzen der entsprechenden LSB-Iterationsabschnittszeiten unter die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsabschnittszeiten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren mindestens eines der Folgenden umfasst: (a) Heraufsetzen der jeweiligen LSB-Iterationsintenstäten über die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsintensitäten, und (b) Heraufsetzen der entsprechenden LSB-Iterationsabschnittszeiten über die entsprechenden ersten und zweiten Iterationsabschnittszeiten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bildintegrationsperiode der Kamera eine Zeitperiode TIP ist, die N gleiche Teilperioden TCPn umfasst, und die erste und die zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters einem Tastgrad von ungefähr 100% entsprechen und jeweils während einer Teilperiode TCPn vorgesehen sind, und wobei ein strukturiertes LSB-Beleuchtungsmuster, das einem Tastgrad zwischen 0% und 100% entspricht, während einer Teilperiode TCPn vorgesehen ist, wobei strukturierte Beleuchtungsmuster, die einem Tastgrad von entweder 0% oder 100% entsprechen, während der verbleibenden Teilperioden TCPn der Zeitperiode TIP vorgesehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der SLM einen Digital Light Processing Array umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystem einen Modus für strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) der Bilderfassung und -messung umfasst, und das Bild eines aus einem Stapel von Bildern ist, der während des SIM-Modus der Bilderfassung und -messung erfasst wurde.
Bildverarbeitungs-Inspektionssystem, das Folgendes umfasst: einen Kamerateil; einen Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP), der Folgendes umfasst: eine SIP-Steuerung; einen steuerbaren räumlicher Lichtmodulator (SLM), der gesteuert wird, um das strukturierte Beleuchtungsmuster zu generieren; und einen Lichtgenerator, der Strahlung an den SLM abgibt; einen Speicher zum Speichern programmierter Anweisungen; und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er die programmierten Anweisungen ausführt, um Arbeitsgänge durchzuführen, einschließlich: Erfassen eines Bilds während einer Bildintegrationsperiode des Kamerateils; Erhöhen der Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um ein erstes Belichtungsinkrement, indem eine erste vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält; und Erhöhen der Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um mindestens ein zweites Belichtungsinkrement, indem mindestens eine zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält.
Nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium, in dem Anweisungen gespeichert sind, die von einem Prozessor in einem Präzisions-Inspektionssystem mit einem Kamerateil und einem Teil zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters ausgeführt werden können um folgende Arbeitsgänge durchzuführen: Erfassen eines Bilds eines Werkstücks während einer Bildintegrationsperiode des Kamerateils; und Steuern des Teils zum Generieren eines strukturierten Beleuchtungsmusters, um das Werkstück während der Bildintegrationszeit des Kamerateils mit einem strukturierten Beleuchtungsmuster zu beleuchten, einschließlich: Erhöhen der Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um ein erstes Belichtungsinkrement, indem eine erste vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält; und Erhöhen der Gesamtbelichtung während der Bildintegrationsperiode um mindestens ein zweites Belichtungsinkrement, indem mindestens eine zweite vollständige Iteration des strukturierten Beleuchtungsmusters generiert wird, das Graustufenvariationen enthält.