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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Präzisionsmessgeräte und insbesondere chromatische Entfernungssensoren und ähnliche optische Abstandsermittlungsvorrichtungen und deren Verwendung.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Es ist bekannt, in optischen Höhen- oder Abstands- oder Entfernungssensoren chromatische konfokale Techniken zu verwenden. Wie in
US-Patent Nr. 7,876,456 (dem '456-Patent) beschrieben, welches hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin einbezogen wird, kann ein optisches Element mit axialer chromatischer Aberration, welche auch als axiale oder longitudinale chromatische Streuung bezeichnet wird, verwendet werden, um eine Breitband-Lichtquelle so zu fokussieren, dass der axiale Abstand zum Brennpunkt sich mit der Wellenlänge ändert. Somit wird nur eine einzige Wellenlänge genau auf eine Oberfläche fokussiert, und die Höhe oder der Abstand der Oberfläche bezüglich des Fokussierelements bestimmt, welche Wellenlänge am besten fokussiert wird. Bei Reflexion von der Oberfläche wird das Licht auf eine kleine Detektoröffnung, wie ein kleines Loch oder das Ende eines Lichtwellenleiters, neu fokussiert. Bei Reflexion von der Oberfläche und Rücklauf durch das optische System zum Ein-/Ausgabe-Lichtwellenleiter ist nur die Wellenlänge, die gut auf die Oberfläche fokussiert ist, gut auf die Öffnung fokussiert. Alle anderen Wellenlängen werden schlecht auf die Öffnung fokussiert und koppeln daher nicht viel Leistung in den Lichtwellenleiter ein. Beim durch den Lichtwellenleiter zurückgekehrten Licht wird deshalb der Signalpegel für die der Oberflächenhöhe oder dem Abstand zur Oberfläche entsprechende Wellenlänge am größten sein. Ein Spektrometer-Detektor misst den Signalpegel für jede Wellenlänge, um die Oberflächenhöhe zu ermitteln.
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Bestimmte Hersteller beziehen sich auf praktische und kompakte chromatische Entfernungsabtast-(CRS-)Systeme, die wie oben beschrieben arbeiten und die zur Verwendung in einer industriellen Umgebung als chromatischer Punktsensor (CPS) oder chromatischer Liniensensor oder dergleichen geeignet sind. Eine kompakte chromatisch streuende optische Baugruppe, die in solchen Systemen verwendet wird, wird als „optischer Stift” oder „Stift” bezeichnet. Der optische Stift ist durch einen Lichtwellenleiter mit einem elektronischen Teil des chromatischen Punktsensors verbunden, welcher Licht durch den Lichtwellenleiter sendet, um es aus dem optischen Stift auszugeben, und welcher ein Spektrometer bereitstellt, welches das zurückgekommene Licht erfasst und analysiert. Das zurückgekommene Licht bildet ein durch das Detektorarray des Spektrometers empfangenes wellenlängengestreutes Intensitätsprofil. Dem wellenlängengestreuten Intensitätsprofil entsprechende Pixeldaten werden analysiert, um die „Pixelkoordinate des dominierenden Wellenlängenspitzenwerts”, wie durch einen Spitzenwert oder Schwerpunkt des Intensitätsprofils angezeigt, zu ermitteln, und die Pixelkoordinate des dominierenden Wellenlängenspitzenwerts wird mit einer Nachschlagtabelle verwendet, um den Abstand zur Oberfläche zu ermitteln. Die Pixelkoordinate des dominierenden Wellenlängenspitzenwerts kann in Subpixel-Auflösung ermittelt werden und kann als die „abstandsanzeigende Pixelkoordinate” bezeichnet werden.
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Ebenfalls bekannt im Stand der Technik ist ein CRS, der ein „Liniensensor” ist, der eine Schlitzöffnung verwendet und Licht entlang einer Linie statt auf einen Punkt fokussiert, womit er die Fähigkeit bereitstellt, einen Abstand zu einer Oberfläche an einer Anzahl von Punkten entlang dieser Linie zu messen, wie dies in der
US-Patentveröffentlichung Nr. 2010/0188742 offenbart wird, welche hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin einbezogen wird.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Diese Kurzbeschreibung dient dazu, eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form vorzustellen, welche nachfolgend in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzbeschreibung ist nicht dazu gedacht, Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und sie soll auch nicht als eine Unterstützung beim Ermitteln des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
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Einige Werkstückoberflächen können ein besonders geringes Reflexionsvermögen aufweisen (z. B. matte, schwarze oder transparente Werkstücke) und ein schwaches Signal bereitstellen, das unzureichend ist, um einen deutlichen (gültige) Wellenlängenspitzenwert zu erzeugen, der in einem resultierenden vom Detektorarray des Spektrometers empfangenen Intensitätsprofil gut geschätzt werden kann. Ein Weg, um das Signal (z. B. den Wellenlängenspitzenwert) zu verstärken besteht darin, die Signal-Integrationszeit zu erhöhen, d. h., eine Belichtungszeit zu erhöhen. Erhöhen der Belichtungszeit über ein bestimmtes Maß hinaus kann eine beträchtliche oder vollständige Sättigung einiger der Pixel im Detektorarray des Spektrometers verursachen, unabhängig davon, ob eine Werkstückoberfläche lokalisiert wird, um eine entsprechende Wellenlänge zu erzeugen, oder nicht. Eine Sättigung kann durch innere (Selbst-)Reflexionen innerhalb des CRS-Systems verursacht werden, beispielsweise an verschiedenen Lichtleiterkopplungsabschnitten innerhalb des Systems, wie etwa an Lichtleiterkopplern/-verbindern, Lichtwellenleiter-Splittern und Lichtwellenleiterenden. Pixel, die auf mindestens ein „Sättigungsgrenzwert”-Niveau gesättigt sind, können aufgrund einer unzureichenden Spitzenwerthöhe, um eine genaue Spitzenwertpositionsschätzung zu unterstützen, kein gültiges Wellenlängenspitzenwertsignal bereitstellen. Wenn sich eine Werkstückoberfläche in einem Abstand befindet, bei dem eine spezifische Wellenlänge fokussiert wird und zurück zu einem entsprechenden Pixel reflektiert wird, das beträchtlich oder vollkommen gesättigt ist, dann ist das System nicht in der Lage, den Abstand zu messen. Somit ist der Betrieb von CRS-Systemen derzeit durch eine maximale Belichtungszeit eingeschränkt, die gewählt wird, um eine Detektorpixelsättigung auf oder über einem Sättigungsgrenzwert-Niveau (z. B. 80%–90% der vollständigen Sättigung an der oberen Signalgrenze, oder mehr), das einer minimalen Abtastrate entsprechen kann, unter die die Abtastrate nicht abgesenkt werden kann, zu vermeiden. Eine typische minimale Abtastrate liegt bei ungefähr 300 Hz. Demzufolge gibt es derzeit keine Lösung oder kein Merkmal, das durch relativ ungeübte Benutzer von CRS-Systemen verwendet werden kann, um eine Werkstückoberfläche zu messen, die ein unzureichendes Reflexionsvermögen aufweist und einen deutlichen Wellenlängenspitzenwert erzeugt, wenn eine maximale CRS-Belichtungszeit verwendet wird, die ausgewählt ist, um eine deutliche Detektorpixelsättigung zu vermeiden.
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Verschiedene Aspekte der vorliegenden Erfindung zielen darauf ab, die oben beschriebenen technischen Probleme oder Beschränkungen zu überwinden.
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betreiben eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems und ein chromatisches Entfernungssensor-System gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Betreiben eines CRS-Systems, um eine Werkstückhöhenmessung einer Werkstückoberfläche mit einem geringen Reflexionsvermögen durchzuführen, bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann das CRS-System ein chromatisches Punktsensor-(CPS-)System mit einem optischen Stift umfassen. In einigen beispielhaften Aspekten beinhaltet das CRS-System vorzugsweise einen hochempfindlichen Messmodus, bei dem das CRS-System mit einer niedrigeren Abtastrate (z. B. niedriger als herkömmlich verfügbare Abtastraten) betrieben werden kann, um eine Werkstückoberfläche mit geringen Reflexionsvermögen zu messen. Das bei einer solch niedrigen Abtastrate (d. h. Nutzen einer längeren selbstsättigenden Belichtungszeit) betriebene CRS-System kann verursachen, dass ein oder mehrere seiner Detektorpixel auf oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt wird/werden, ist vorzugsweise jedoch noch in der Lage, einen gültige Wellenlängenspitzenwert zu erkennen, der für eine Höhenmessung für die Werkstückoberfläche bezeichnend ist, wenn sich die Werkstückoberfläche in einer gültigen Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs des CRS-Systems befindet, die einen ungültigen Spitzenwertteil ausschließt, der dem einen oder den mehreren Detektorpixeln entspricht, das/die durch die selbstsättigende Belichtungszeit auf oder über einem Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt wird/werden.
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Insbesondere kann gemäß einigen beispielhaften Aspekten ein Verfahren zum Betreiben eines CRS-Systems bereitgestellt werden, um eine Werkstückhöhenmessung einer Werkstückoberfläche mit geringem Reflexionsvermögen durchzuführen. Das Verfahren kann im Allgemeinen drei Schritte beinhalten (ist jedoch nicht auf die drei Schritte beschränkt). Erstens kann ein CRS bereitgestellt werden, der vorzugsweise eine gültige Wellenlängenspitze über einen Gesamtnennmessbereich erzeugt, der zwischen oberen und unteren Nennmessbereichsgrenzen ununterbrochen ist, wenn er unter Nutzung einer Belichtungszeit betrieben wird, die sich innerhalb eines ersten Nennbereichs von Belichtungszeiten befindet. Zweitens kann der CRS unter Nutzung einer selbstsättigenden Belichtungszeit betrieben werden, die länger als die Belichtungszeiten innerhalb des ersten Nennbereichs von Belichtungszeiten ist. Unabhängig davon, ob sich eine Werkstückoberfläche im Gesamtnennmessbereich befindet oder nicht, sättigt die selbstsättigende Belichtungszeit vorzugsweise mindestens ein Detektorpixel des CRS auf oder über das Sättigungsgrenzwert-Niveau, welches einen gültigen Wellenlängenspitzenwert in einem ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs, der dem mindestens einem Detektorpixel entspricht, das durch die selbstsättigende Belichtungszeit auf oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt wurde, verhindert, sodass gültige Wellenlängenspitzenwert-Messpositionen nur in einer gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs, die den ungültigen Spitzenwertteil ausschließt, belassen werden. Drittens kann auf einem Benutzeroberflächenteil (z. B. einem Bildschirm) des CRS eine Anzeige bereitgestellt werden von mindestens einem aus (a) einer Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche basierend auf der selbstsättigenden Belichtungszeit, und/oder (b) gültigen Spitzenwertmesspositionen, die in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs, die der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit entspricht, enthalten sind.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten umfasst der Schritt des Bereitstellens einer Anzeige von (a) einer Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche basierend auf der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit das Positionieren der Werkstückoberfläche in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten umfasst zusätzlich oder alternativ zum Obengenannten der Schritt des Bereitstellens einer Anzeige von (a) einer Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche basierend auf der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit das Bereitstellen mehrerer jeweiliger Höhenmessungen für jeweilige Punkte auf der Werkstückoberfläche.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten kann die Anzeige (b) auf dem Benutzeroberflächenteil des CRS bereitgestellt werden, und/oder die Anzeige (b) umfasst mindestens eines von (b-i) einer graphischen Darstellung der gültigen Spitzenwertmesspositionen, die in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs enthalten sind, und/oder (b-ii) einer Anzeige, dass eine Werkstückoberfläche in dem ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs positioniert ist.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten umfasst der ungültige Spitzenwertteil zwei diskrete Segmente des Gesamtnennmessbereichs.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten umfasst der gültige Spitzenwertteil zwei diskrete Segmente des Gesamtnennmessbereichs.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten kann die Anzeige (b) auf dem Benutzeroberflächenteil des CRS bereitgestellt werden, und/oder die Anzeige (b) umfasst mindestens eines von (b-i) einem Display, das die obere und untere Grenze von mindestens einem ununterbrochenen Teilbereich von gültigen Spitzenmesspositionen anzeigt, der in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs enthalten ist, und/oder (b-ii) einem ersten Displayzustand eines Gültig-/Ungültig-Anzeigers, der den ersten Displayzustand und einen zweiten Displayzustand umfasst, die in Erwiderung auf Messungen, die in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs erhalten werden, beziehungsweise Messungen, die in dem ungültigen Spitzenwertteil erhalten werden, angezeigt werden.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten sind Belichtungszeiten vorzugsweise entsprechenden Abtastraten auf dem Bedieneroberflächenteil des CRS zugeordnet, und/oder der Schritt des Betreibens des CRS unter Nutzung einer selbstsättigenden Belichtungszeit umfasst das Betreiben des CRS unter Nutzung einer der selbstsättigenden Belichtungszeit entsprechenden Abtastrate.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten sind jeweilige Belichtungszeiten in einem ersten Nennbereich von Belichtungszeiten vorzugsweise den auf dem Benutzeroberflächenteil des CRS angezeigten entsprechenden Abtastraten in einem ersten Nennsatz von Abtastraten zugeordnet, und/oder der Schritt des Betreibens des CRS unter Nutzung einer selbstsättigenden Belichtungszeit umfasst das Betreiben einer Abtastrate, die langsamer als die in dem ersten Nennsatz von Abtastraten enthaltenen Abtastraten ist.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten sind die ersten Nennsätze von Abtastraten einer auf dem Benutzeroberflächenteil des CRS angezeigten ersten normalen Betriebsart zugeordnet, und/oder die langsamere Abtastrate ist einer auf dem Benutzeroberflächenteil des CRS angezeigten zweiten hochempfindlichen Betriebsart zugeordnet.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten beträgt die der selbstsättigenden Belichtungszeit entsprechende Abtastrate höchstens 60 Hz. Insbesondere beträgt in einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten die der selbstsättigenden Belichtungszeit entsprechende Abtastrate höchstens 35 Hz.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten wird der Schritt des Betreibens des CSR unter Nutzung einer selbstsättigenden Belichtungszeit vorzugsweise in einem durch den Benutzer im Benutzeroberflächenteil des CSR ausgewählten hochempfindlichen Messmodus ausgeführt.
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In einigen beispielhaften Aspekten kann das Verfahren ferner umfassen: Erhalten eines selbstsättigenden Profils des CRS, das in Erwiderung auf eine Benutzerwahl eines Bedienelements auf der Benutzeroberfläche des CRS die gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs mit der selbstsättigenden Belichtungszeit korreliert, und zwar vorzugsweise vor dem Schritt des Betreibens des CRS unter Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten kann (können) der Schritt (die Schritte) des Bereitstellens einer Anzeige von mindestens einem von (a) einer Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche basierend auf der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit, und/oder (b) von gültigen Spitzenwertmesspositionen, die in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs, die der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit entspricht, enthalten sind, vorzugsweise das erhaltene selbstsättigende Profil nutzen, das die gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs für die entsprechende selbstsättigende Belichtungszeit festlegt.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten kann das Verfahren ferner umfassen: Erhalten mehrerer selbstsättigender Profile des CRS, die jeweils vorzugsweise eine gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs mit einer entsprechenden unterschiedlichen selbstsättigenden Belichtungszeit korrelieren, wobei unterschiedliche selbstsättigende Belichtungszeiten vorzugsweise jeweils unterschiedlichen Abtastraten zugeordnet sind; und/oder Anzeigen unterschiedlichen Abtastraten vorzugsweise als wählbare Bedienelemente auf dem Benutzeroberflächenteil des CRS.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten kann das Verfahren ferner umfassen: Automatisches Positionieren der Werkstückoberfläche in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs in Bezug auf das erhaltene Selbstsättigungsprofil.
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Gemäß anderen beispielhaften Aspekten kann ein CRS-System zum Ausführen einer Werkstückhöhenmessung einer Werkstückoberfläche mit einem geringen Reflexionsvermögen bereitgestellt werden. Das CRS-System kann einen Optikteil, einen Elektronikteil und/oder einen Benutzeroberflächenteil beinhalten. Der Optikteil kann dazu eingerichtet sein, unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen entlang einer Messachse nahe einer zu messenden Werkstückoberfläche zu fokussieren, und/oder reflektierte Strahlung von der Werkstückoberfläche auf einen Wellenlängendetektor zu richten. Der Elektronikteil kann den Wellenlängendetektor enthalten und kann dazu eingerichtet sein, Folgendes bereitzustellen: (a) wenn das CRS-System unter Nutzung einer Belichtungszeit betrieben wird, die sich innerhalb eines ersten Nennbereichs von Belichtungszeiten befindet, einen gültigen Wellenlängenspitzenwert über einen Gesamtnennmessbereich hinweg, der zwischen oberen und unteren Nennmessbereichsgrenzen ununterbrochen ist, und/oder (b) wenn das CRS-System unter Nutzung einer Belichtungszeit betrieben wird, die länger als Belichtungszeiten im ersten Nennbereich von Belichtungszeiten ist, keinen gültigen Wellenlängenspitzenwert in einem ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs, der einem oder mehreren Detektorpixeln entspricht, die durch die selbstsättigende Belichtungszeit auf oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt werden, und zwar unabhängig davon, ob sich die Werkstückoberfläche in dem Gesamtnennmessbereich befindet oder nicht, sodass gültige Wellenlängenspitzenwert-Messpositionen nur in einer gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs, die den ungültigen Spitzenwertteil ausschließt, belassen werden. Der Benutzeroberflächenteil kann dazu eingerichtet sein, eine Anzeige von mindestens einem von (i) einer Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche, die sich innerhalb des auf der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit basierenden gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs befindet, und/oder (ii) von gültigen Spitzenmesspositionen, die in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs enthalten sind, die der Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit entspricht.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten kann das CRS-System in einem maschinellen Bildverarbeitungsprüfsystem enthalten sein, das vorzugsweise einen beweglichen Teil enthält, mit dem der Optikteil verkoppelt ist, um entlang der X-, Y- und Z-Richtung relativ zur Werkstückoberfläche beweglich zu sein, wobei das maschinelle Bildverarbeitungsmesssystem vorzugsweise und gegebenenfalls dazu eingerichtet sein kann, die Werkstückoberfläche relativ zum Optikteil automatisch in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs zu positionieren.
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In einigen beispielhaften bevorzugten Aspekten werden Belichtungszeiten vorzugsweise entsprechenden Abtastraten zugeordnet, und/oder der Benutzeroberflächenteil kann eine oder mehrere Abtastraten anzeigen, die jeweils einer oder mehreren selbstsättigenden Belichtungszeiten entsprechen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die vorangehenden Aspekte und viele der zugehörigen Vorteile dieser Erfindung werden leichter einsehbar, da sie durch Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verständlich wird, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, wobei:
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1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines beispielhaften CRS-Systems.
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2 ist ein Diagramm eines Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil von einem CRS, das die wellenlängenabhängigen Spannungsoffset-Signalpegel für die Pixel in einem Detektorarray darstellt, wenn keine Messoberfläche vorhanden ist.
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3 ist ein Diagramm eines wellenlängenzerstreuten Intensitätsprofils von einem CRS, das einen gültigen Wellenlängenspitzenwert darstellt, der durch eine von einer Messoberfläche reflektierten Wellenlänge erzeugt wird, wobei die Pixelposition des Spitzenwerts dem gemessenen Abstand der Messoberfläche entspricht.
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4A ist ein Diagramm von CRS-Abstandskalibrierdaten, das abstandanzeigende (Wellenlängenspitzenwert-)Pixelkoordinaten mit bekannten Messabständen zu einer gemessenen Werkstückoberfläche korreliert.
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4B ist ein Beispiel einer CSR-Abstandskalibrier-Nachschlagtabelle, die Wellenlängenspitzenwert-Pixelkoordinaten in Bezug zu entsprechenden Messabständen setzt.
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Die 5A–5E zeigen einen Weg des Darstellens von jeweiligen Selbstsättigungsprofilen, die dem Betreiben eines CRS bei fünf entsprechenden „hochempfindlichen” Abtastraten (die relativ lange Belichtungszeiten bereitstellen) entspricht, wenn keine Messoberfläche vorhanden ist. Jedes Selbstsättigungsprofil zeigt eine gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs an, in der eine Abstandsmessung mit einer Abtastrate mit „hoher Empfindlichkeit” möglich ist. Einige der Selbstsättigungsprofile zeigen einen komplementären ungültigen Spitzenwertteil von umfassenden Detektorpixeln, die auf oder über das Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt sind, für diejenigen Abtastraten, die einer selbstsättigenden Belichtungszeit entsprechen.
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Die 6A und 6B zeigen Ausführungsbeispiel von Benutzeroberflächen-Displays, die vom Benutzer wählbare Optionen (z. B. Abtastraten) in einer Ausführungsform einer Grundeinstellung (6A) und vom Benutzer wählbare Optionen (z. B. Abtastraten und ein Display von entsprechenden Selbstsättigungsprofilen) in einer Ausführungsform einer hochempfindlichen Einstellung (6B), die erweiterte Optionen für Werkstücke mit niedrigem Reflexionsvermögen bieten, darstellen.
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7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Benutzeroberflächen-Displays in der hochempfindlichen Einstellung, die einen Messabstand und/oder gültige Spitzenwertmesspositionen in gültigen Teilmengen eines Gesamtnennmessbereichs eines CRS entsprechend verschiedener Abtastraten anzeigt.
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8 ist ein Schaubild, das ein Ausführungsbeispiel eines maschinellen Bildverarbeitungsprüfsystems zeigt, das zum Messen einer Werkstückoberfläche mit geringem Reflexionsvermögen verwendet wird.
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9 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zum Betreiben eines CRS-Systems zum Ausführen einer Höhenmessung einer Werkstückoberfläche mit geringem Reflexionsvermögen darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die 1 ist ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines chromatischen Entfernungssensor-(CRS-)Systems 100, das ein optisches Element 120 (z. B. einen optischen Stift), einen Elektronikteil 160 und einen Benutzeroberflächenteil 171 beinhaltet. Die Ausführungsform des Elektronikteils 160 enthält einen Signalprozessor 166, einen Speicherteil 168 und ein Quellen- und Detektor-Teilsystem 161 mit einem Wellenlängendetektor 162, und eine Breitband-Lichtquelle 164. Das in 1 gezeigte CRS-System 100 ist ein chromatisches Punktsensor-(CPS-)System, das jeweils immer einen einzelnen Messpunkt misst. In verschiedenen Ausführungsformen enthält der Wellenlängendetektor 162 ein Detektorarray 163 eines Spektrometers. Das Detektorarray 163 kann mehrere entlang einer Messachse des Wellenlängendetektors 162 verteilte Pixel umfassen, wobei die mehreren Pixel jeweilige Wellenlängen empfangen und Ausgabe-Spektralprofildaten bereitstellen. Der Elektronikteil 160 ist mit dem optischen Element 120 über einen Lichtweg, der ein Lichtwellenleiterkabel 112 enthält, verkoppelt. Es werden optionale oder alternative Aspekte des Lichtwegs gezeigt, die das Lichtwellenleiterkabel 112 mit ersten und zweiten Segmenten 112A und 112B, die an einem Steckverbinder CONNECT-D im Lichtwellenleitersegment 112B verbunden sind, und einen Koppler COUPLER-O, der die Segmente 112B mit dem Elektronikteil 160 verbindet, beinhalten. Die Lichtquelle 164, die durch den Signalprozessor 166 gesteuert wird, ist angeschlossen, um ein Spektralprofil von Wellenlängen in das optische Element 120 durch einen Weg, der das Beleuchtungsfasersegment 165I, den 2 × 1-Koppler COUPLER-E, CONNECT-E und das Lichtwellenleiterkabel 112 enthält, einzugeben. Das optische Element 120 enthält eine Eingabe-/Ausgabe Lichtwellenleiter-Unterbaugruppe 105, ein Gehäuse 130 und einen Optikteil 150. Die Eingabe-/Ausgabe Lichtwellenleiter-Unterbaugruppe 105 umfasst einen Eingabe-/Ausgabe-Lichtwellenleiter 113, der durch das Lichtwellenleiterkabel 112 getragen wird und von diesem umschlossen wird, und einen Lichtwellenleiter-Steckverbinder 108. Der Eingabe-/Ausgabe-Lichtwellenleiter 113 gibt einen Ausgabestrahl durch eine Öffnung 195 aus und empfängt reflektiertes Messsignallicht durch die Öffnung 195.
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Im Betrieb wird vom Faserende durch die Öffnung 195 ausgestrahltes Licht durch den Optikteil 150 fokussiert, der eine Linse enthält, der eine axiale chromatische Streuung derart bereitstellt, dass sich der Brennpunkt entlang der optischen Achse OA abhängig von der Wellenlänge des Lichts in unterschiedlichen Abständen befindet, wie dies für CRS-Systeme bekannt ist. Während den Messvorgängen wird das Licht auf einem Oberflächenort 190 eines Werkstücks 170 fokussiert. Licht, das vom Oberflächenort 190 reflektiert wird, wird erneut durch den Optikteil 150 auf die Öffnung 195 fokussiert. Aufgrund ihrer axialen chromatischen Streuung wird nur eine einzige Wellenlänge den Brennpunktabstand aufweisen, der mit dem Messabstand „Z” übereinstimmt, welcher der Abstand von einer bezüglich des optischen Elements 120 feststehenden Referenzposition RP zum Oberflächenort 190 ist. Die Wellenlänge die am besten am Oberflächenort 190 fokussiert wird ist die an der Öffnung 195 am besten fokussierte Wellenlänge. Somit gehen vorwiegend die am besten fokussierten Wellenlängen durch die Öffnung 195 hindurch und in den Kern des Lichtwellenleiters 113 des Lichtwellenleiterkabels 112. Das Lichtwellenleiterkabel 112 führt das Signallicht zu einem Wellenlängendetektor 162, der dazu benutzt wird, die Wellenlänge mit der dominanten Intensität, die dem Messabstand Z zur Oberflächenort 190 entspricht, zu bestimmen.
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In der dargestellten Ausführungsform läuft das reflektierte wellenlängenabhängige Licht durch den Lichtleitweg, der den Kuppler COUPLER-E enthält, zurück zum Elektronikteil 160, sodass ungefähr 50% des Lichts durch das Lichtwellenleitersegment 165S zum Wellenlängendetektor 162 geleitet werden. Der Wellenlängendetektor 162 empfängt die wellenlängenabhängige Lichtintensität, wandelt sie in ein über ein Array von Pixeln entlang einer Messachse des Detektorarrays 163 verteiltes Ausgabe-Spektralintensitätsprofil (auch einfach als Ausgabe-Spektralprofil bezeichnet) um und arbeitet, um entsprechende Ausgabe-Spektralprofildaten basierend auf vom Detektorarray 163 ausgegebenen Pixeldaten bereitzustellen.
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Die abstandsanzeigende Koordinate (DIC) in Subpixel-Auflösung der Profildaten (siehe 3) wird durch den Signalprozessor 166 berechnet, und die DIC (in Subpixeln) bestimmt den Messabstand Z zur Oberflächenort 190 (in Mikrometer) über eine Abstandskalibrierungs-Nachschlagtabelle, die im Speicherteil 168 gespeichert ist, wie nachfolgend mit Bezug auf die 4A und 4B beschrieben. Die DIC kann durch verschiedene Verfahren (z. B. Bestimmen des Schwerpunkts der Intensitätsprofildaten in einem Spitzenwertbereich) bestimmt werden. Die Profildaten können dazu verwendet werden, die DIC mit Subpixel-Auflösung zu bestimmen, wie nachfolgend beschrieben.
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Der Benutzeroberflächenteil 171 ist mit dem Elektronikteil 160 verkoppelt und ist dazu eingerichtet, eine Benutzereingabe, die für den Betrieb des CRS-Systems 100 verwendet wird, wie z. B. einen Befehl, um ein Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil des CRS-Systems 100 zu erhalten, eine Benutzerwahl von Abtastraten oder andere Betriebsparameter usw., über beliebige geeignete Mittel, wie eine Tastatur, einen Berührungssensor, eine Maus usw. zu empfangen. Der Benutzeroberflächenteil 171 ist ebenfalls dazu eingerichtet, Informationen auf einem Bildschirm anzuzeigen, wie etwa einen durch das CRS-System 100 erfolgreich gemessenen Abstand. Der Benutzeroberflächenteil 171 kann ebenfalls gültige Spitzenwertmesspositionen in einer gültigen Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs des CRS-Systems 100 (entsprechend dem Arbeiten bei einer niedrigeren oder „hochempfindlichen” Abtastrate) anzeigen, um den Benutzer anzuleiten, eine Werkstückoberfläche mit niedrigem Reflexionsvermögen innerhalb der gültigen Teilmenge zu positionieren, um eine Abstandsmessung auszuführen, wie nachfolgend beschrieben.
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1 beinhaltet orthogonale XYZ-Koordinatenachsen als Referenzrahmen. Die Z-Richtung ist so definiert, dass sie parallel zur optischen Achse (OA) des optischen Elements 120 liegt, die die abstandsmessende Achse ist. Wie in 1 dargestellt wird beim Betrieb das Werkstück 170 entlang der optischen Achse OA abgelegt und kann auf einen Verschiebetisch 175 montiert werden, der vorteilhafterweise so ausgerichtet sein kann, dass er entlang der durch Führungslager 175A erzwungenen Z-Achsenrichtung verschoben wird.
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Die folgende Beschreibung von 2 beschreibt grob bestimmte bekannte Hintergrund-Signalverarbeitungs- und/oder Kalibriervorgänge, die in Kombination mit dieser Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden können. Der Zweck liegt darin, hervorzuheben, dass die weiter unten offenbarten erfinderischen Verfahren von diesen Vorgängen verschieden, jedoch mit ihnen kompatibel sind. Die 2 ist ein Diagramm 200 eines Systemrausch-(Vorspannungs-)Profils von einem CRS, das Spannungsoffset-Signalpegel Voffset(p) für die Pixel in einem Detektorarray 163 darstellt, wenn keine Messoberfläche innerhalb des Gesamtnennmessbereichs des CRS vorhanden ist. In einem solchen Fall gibt es kein absichtlich reflektiertes Licht und keinen deutlichen oder dominanten Wellenlängenspitzenwert im resultierenden Intensitätsprofil. Das Spannungsoffset-Signal Voffset(p) ist für jedes der 1024 Pixel entlang der „Wellenlängen”-Messachse in normierten Volt aufgetragen. Die „normierten Volt” weisen der Sättigungsspannung des Detektorarrays 163 einen Wert von 1,0 zu. Das Spannungsoffset-Signal Voffset(p) enthält einen Vorspannungs-Signalpegel Vbias, der relativ unveränderlich über das Detektorarray ist, und eine Hintergrunds-Signalkomponente Vback(p), die als über das Detektorarray veränderlich dargestellt ist. Der koordinatenunabhängige Vorspannungs-Signalpegel Vbias kann sich in Folge von Spannungsverschiebungen im Zusammenhang mit Umgebungstemperaturänderungen und durch im Betrieb durch den Elektronikteil erzeugte Wärme ändern. Das veränderliche Hintergrundsignal Vback(p) stellt Signale, wie Hintergrundlicht von wellenlängenabhängigen falschen (inneren) Reflexionen im CRS, sowie aufgrund des Dunkelstroms der verschiedenen Pixel p dar. Schwache aber deutliche innere Reflexionen können beispielsweise an Lichtwellenleiter-Kopplungsabschnitten, wie z. B. Lichtwellenleiter-Kopplern und -Steckverbindern, Lichtwellenleiter-Splittern und Lichtwellenleiterenden, auftreten. Jedes CRS-System enthält typischerweise auch wellenlängenabhängige Veränderungen des Spektrometer-Ansprechvermögens und/oder der CRS-Breitband-Lichtquelle, die tatsächlich unterschiedliche Intensitäten bei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt. Um somit in verschieden Ausführungsformen die bestmögliche Signalkalibrierung oder -kompensation bereitzustellen, kann ein Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil des CRS zu verschiedenen Zeiten im Betrieb erhalten werden, um dynamische Veränderungen in den oben dargelegten möglichen Signalfehlerkomponenten zu verfolgen. Insbesondere können die Signalkomponenten Vback(p) als Systemrausch-(Vorspannungs-)Profildaten 169 zur Kalibrierung oder Kompensation des Pixelarrays des Detektorarrays 163 gespeichert werden. Die Systemrausch-(Vorspannungs-)Profildaten 169 können verwendet werden, um nachfolgende Profildatensignale von jedem Pixel p (z. B. durch Subtraktion) laufend zu kompensieren.
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Gemäß verschiedenen Aspekten der Erfindung kann ein bei einer relativ niedrigen Abtastrate (oder längerer Belichtungszeit) betriebenes Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil des CRS verwendet werden, ein Selbstsättigungsprofil des CRS bei dieser Abtastrate aufzubauen. Ein Selbstsättigungsprofil zeigt Pixel an, die auf oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt sind, und zeigt im Gegenzug gültige Spitzenwertmesspositionen an, die in einer gültiger Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs des CRS entlang der optischen Achse OA des CRS enthalten sind, wo eine Abstandsmessung bei dieser (relativ niedrigen) Abtastrate noch möglich ist. Mit anderen Worten, die gültige Teilmenge von Messpositionen (z. B. in Mikrometer) entspricht den Orten der Subpixel DIC, wo die übrigen „ungesättigten” Detektorarray-Pixel (diejenigen, die nicht über das Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt sind) noch in der Lage sind, einen gültigen Wellenlängenspitzenwert selbst bei dieser niedrigen Abtastrate zu erzeugen, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.
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Die folgende Beschreibung der
3,
4A und
4B beschreibt grob bestimmte Signalverarbeitungsvorgänge, die abstandsanzeigende Koordinaten (DIC) in Subpixel-Auflösung basierend auf einem in einem wellenlängenzerstreuten Intensitätsprofil von einem CRS erzeugten gültigen Wellenlängenspitzenwert bestimmen, und einen Messabstand zu einer Werkstückoberfläche (z. B. in Mikrometer) basierend auf der bestimmten DIC bestimmen. Die hier grob beschriebenen Vorgänge sind ausführlicher im
'456-Patent beschrieben. Der Zweck dieser Beschreibung ist, Hintergrundinformationen bereitzustellen, die für ein umfassendes Verständnis der CRS-Abstandsmessvorgänge nützlich sind.
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Die 3 ist ein Diagramm 300 eines wellenlängenzerstreuten Intensitätsprofil von einem CRS, das eine durch eine Teilmenge von Mess-Profilsignalen MS(p) erzeugte gültige Wellenlängenspitze 302 darstellt, die eine Wellenlänge anzeigt, die auf eine Messoberfläche fokussiert und durch diese reflektiert wird. Jedes der Mess-Profilsignale MS(p) weist den Signalpegel (angezeigt in normierten Volt) auf, der jedem Pixel p des Detektorarrays (z. B. dem Detektorarray 163) zugeordnet ist. Die gültige Wellenlängenspitze 302 weist keine Pixel auf, die auf oder über dem Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt sind. Sie hat ebenfalls eine mehr als ausreichende Höhe (ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis), ist relativ symmetrisch und erlaubt eine gute Schätzung des Spitzenwertorts oder der messabstandsanzeigenden Koordinate (DIC) 304 entlang der Messachse des Detektorarrays.
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Die 3 zeigt einen Vorspannungs-Signalpegel MVbias (in normierten Volt), eine Spitzenwert-Pixelkoordinate (ppc) und einen Datengrenzwert MVthreshold, der die untere Grenze einer abstandsanzeigenden Teilmenge von die Wellenlängenspitze 302 bildenden Mess-Profildaten MS(p) definiert.
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In Kürze können in einer Ausführungsform die Messvorgänge zum Bestimmen einer abstandsanzeigenden Koordinate (DIC) (in Pixeln) und zum Bestimmen eines entsprechenden Messabstands (in Mikrometer) basierend auf der bestimmten DIC das Folgende enthalten:
- • Positionieren der Zieloberfläche entlang der optischen Achse OA und Erfassen des resultierenden wellenlängenzerstreuten Intensitätsprofils wie im Diagramm 300.
- • Bestimmen der Spitzenwert-Pixelkoordinate (ppc), welche das Pixel ist, das das höchste Signal aufweist.
- • Bestimmen des Mess-Vorspannungssignalpegels MVbias bei einer bestimmten Abtastrate.
- • Bestimmen des Datengrenzwerts MVthreshold (z. B. als ein Prozentsatz der Spitzenhöhe).
- • Bestimmen der abstandsanzeigenden Koordinate (DIC) mit Subpixel-Auflösung, basierend auf der abstandsanzeigenden Teilmenge von Mess-Profildaten MS(p), die die Wellenlängenspitze 302 bilden, die einen Wert größer als MVthreshold aufweist.
- • Bestimmen des Messabstands durch Korrelieren der DIC mit einem entsprechenden Abstand in den gespeicherten Abstandskalibrierdaten (z. B. eine Abstandskalibrierkurve wie in 4A oder eine Nachschlagtabelle wie in 4B).
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In den vorangehenden Vorgängen kann eine DIC mit Subpixel-Auflösung basierend auf der abstandsanzeigenden Teilmenge von Mess-Profilsignalen MS(p) oberhalb von MVthreshold bestimmt werden. Eine DIC kann durch verschiedene Verfahren bestimmt werden. In einer Ausführungsform kann eine DIC als die Subpixel-Auflösungskoordinate eines Schwerpunkts X
C der abstandsbestimmenden Teilmenge von Signalen MS(p) bestimmt werden. Beispielsweise kann für einen Detektor mit 1024 Pixeln der Schwerpunkt X
C bestimmt werden gemäß:
wobei
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In einem spezifischen Beispiel ist in GLEICHUNG 1 n = 2. Es versteht sich, dass GLEICHUNG 2 die in der Schwerpunktsberechnung verwendeten Signale MS(p) auf eine abstandsanzeigende Teilmenge beschränkt.
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4A ist ein Diagramm 400A von CRS-Messabstandskalibrierdaten 410A, das die abstandsanzeigenden Koordinaten (DIC) mit Subpixel-Auflösung mit bekannten Messabständen (ZOUT) in Mikrometer entlang der optischen Achse (OA) des CRS korreliert. Das in 4A gezeigte Beispiel gilt für ein optisches Element mit einem Gesamtnennmessbereich MR von 300 Mikrometer, was abstandsanzeigenden Koordinaten (DIC) im Bereich von ungefähr 150 Pixeln–490 Pixeln entspricht. Bei Bedarf können die DIC jedoch über einen größeren Pixelbereich des Detektorarrays 163 kalibriert werden. Ein beispielhaftes Labor-Kalibrierverfahren zum Bestimmen der CSR-Messabstandskalibrierdaten 410A setzt einen Spiegel ein (z. B. stellvertretend für die Oberfläche am Oberflächenort 190 von 1), der entlang der optischen Achse OA (beispielsweise in Schritten von 0,1 oder 0,2 Mikrometer) bewegt wird. Für jede aktuelle Spiegelposition wird die entsprechende Kalibrier-DIC des CRS-Systems basierend auf den entsprechenden Intensitätsprofildaten bestimmt, wie oben beschrieben. Die Kalibrier-DIC und die entsprechende aktuelle Position (in Mikrometer entlang der optischen Achse) werden dann aufgezeichnet, um die Kalibrierdaten 410A bereitzustellen. Während eines Werkstück-Messvorgangs wird die durch ein CRS-System erhaltene Mess-DIC auf die gespeicherten Kalibrierdaten 410 in Bezug gesetzt, um den Messabstand ZOUT entsprechend der Mess-DIC zu bestimmen.
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Die 4B ist ein Diagramm 400B einer Nachschlagtabellenform von Kalibrierdaten analog zu der oben beschriebenen. Es soll eine schematische Darstellung eines Nachschlagtabellenformats gezeigt werden, und Unterschiede in den spezifischen Tabellenwerten von 4B gegenüber denjenigen, die in den spezifischen Kalibrierdaten 410A von 4A angegeben werden, sind unbedeutend oder nicht relevant für diesen Zweck. In 4B umfassen in der linken Spalte die Kalibrier-DIC-Einträge die Pixelkoordinaten von 1 bis 1024 in Schrittweiten von 0,1 Pixeln, und in der rechten Spalte sind die entsprechenden Messabstände (in Mikrometer) eingetragen. Im Betrieb werden die durch das CRS-System berechneten Mess-DIC auf die gespeicherte Kalibrier-Nachschlagtabelle in Bezug gesetzt, um den entsprechende Messabstand (in Mikrometer) zu bestimmen. Wenn die Mess-DIC zwischen benachbarte Kalibrier-DIC-Werte fällt, dann kann der Messabstand durch Interpolation bestimmt werden.
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Wie zuvor beschrieben, können bei einem CSR-System, das mit einer längeren Belichtungszeit oder Integrationszeit (d. h. mit einer niedrigeren Abtastrate) betrieben wird, einige Pixel in dem Detektorarray aufgrund von durch innere Reflexionen (z. B. von Lichtwellenleiter-Steckverbinders, Lichtwellenleiter-Splittern, Lichtwellenleiterenden, und dergleichen) auftretendem Licht auch dann selbstgesättigt oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt sein, wenn eine Messoberflächen nicht vorhanden ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Betreiben eines CRS-Systems das Bestimmen eines Selbstsättigungsprofils des bei einer bestimmten (relativ niedrigen) Abtastrate betriebenen CRS-Systems, welches eine gültige Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs des CSR entlang der optischen Achse OA anzeigt, die DIC-Pixelpositionen entspricht, an denen die Pixel (trotz der niedrigen Abtastrate) nicht auf oder über das Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt sind und somit einen gültigen Wellenlängenspitzenwert erzeugen können. Das heißt, ein gültiger Wellenlängenspitzenwert kann nicht durch ein Pixel gebildet werden, das auf oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt ist, und somit entspricht die gültige Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs des CRS den DIC-Pixelpositionen, die Pixel ausschließen, die auf oder über das Sättigungsgrenzwert-Niveau (z. B. 80%–90% der vollständigen Sättigung an oberen Signalgrenze oder mehr) gesättigt sind. Ein Benutzer kann daher eine Abstandsmessung einer Werkstückoberfläche bei einer solch niedrigen Abtastrate ausführen, indem die Werkstückoberfläche in die gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs des CRS-Systems entlang der optischen Achse gelegt wird.
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Die 5A–5E zeigen einen Weg der Darstellung von jeweiligen Selbstsättigungsprofilen entsprechend eines Betreibens eines CRS mit fünf entsprechenden „hochempfindlichen” Abtastraten (die relativ lange Belichtungszeiten vorsehen), wenn keine Messoberfläche vorhanden ist. Jedes Selbstsättigungsprofil kann basierend auf einem Systemrauschen oder Vorspannungsprofil (z. B. gemäß zuvor grob beschriebener Prinzipien) bestimmt werden und zeigt eine gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs an, in dem eine Abstandsmessung mit einer entsprechenden „hochempfindlichen” Abtastrate möglich ist. Umgekehrt können einige der Selbstsättigungsprofile auch berücksichtigt werden, um einen komplementären ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs zu zeigen, der mindestens einem Pixel entspricht, das auf oder über ein Sättigungsgrenzwert-Niveau gesättigt ist, und zwar für diejenigen Abtastraten, die einer selbstsättigenden Belichtungszeit entsprechen.
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Die 5A–5E zeigen jeweils entsprechende Diagramme 500A–500E, die Folgendes aufweisen: eine horizontale Achse, die einen Gesamtnennmessbereich des CRS entlang der optischen Achse des CRS von ungefähr 0 μm–1200 μm darstellt; eine vertikale Achse, die den verfügbaren Messsignalbereich an jeder Position (oder entsprechendem Detektorpixel) anzeigt, wie ausführlich nachfolgend beschrieben; einen minimalen Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH, der eine ausreichend genaue Schätzung eines Wellenlängen-Spitzenwertorts oder DIC zulässt, und einen erläuternden fiktiven Wellenlängenspitzenwert 590, der dem Spitzenhöhengrenzwert TH entspricht. In dem dargestellten Beispiel beträgt TH ungefähr 300 Signaleinheiten.
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Der Gesamtnennmessbereich (z. B. 0 μm–1200 μm) ist der festgelegte ununterbrochene Messbereich des CPS, der bereitgestellt wird, wenn eine herkömmliche Belichtungszeit verwendet wird, die sich innerhalb eines Nennbereichs von Belichtungszeiten befindet (z. B. eine Nennbelichtungszeit, die einer Abtastrate von 300 Hz oder höher entspricht). Unter solchen Bedingungen ist es relativ sicher, dass keine Detektorpixel auf oder über das Sättigungsgrenzwert-Niveau durch innere Reflexionen gesättigt werden, und ein gültiger Wellenlängenspitzenwert (z. B. mit einer Höhe, die den minimalen Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH überschreitet) und eine Abstandsmessung können über den festgelegten Messbereich hinweg bereitgestellt werden. Wie zuvor in Bezug auf Kalibrierdaten beschrieben entsprechen abstandsanzeigende Koordinaten (DIC) in Pixeln entlang der Messachse des Detektorarrays den Messpositionen in Mikrometer entlang der optischen Achse OA des CRS-Systems. Somit können in verschiedene Beschreibungen hierin die Messpositionen (entlang der optischen Achse) und Pixelpositionen (entlang der Detektormessachse) austauschbar oder gleichbedeutend verwendet werden, sofern keine dieser Positionen speziell angefordert wird.
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Der entlang der vertikalen Achse an jeder Position gezeigte verfügbare Messsignalbereich kann in verschiedenen Ausführungsformen als das verfügbare Messsignal am Detektorpixel betrachtet werden, das der Position oder Wellenlänge entspricht, nachdem alle inneren Vorspannungssignal-Beiträge (z. B. Signalbeiträge von falschen inneren Reflexionen) von seinem maximalen (oder vollkommen gesättigten) Signalpegel subtrahiert worden sind. In verschiedenen Ausführungsformen ist ein „Selbstsättigungs-”Signalgrenzwert, oder kurz Sättigungsgrenzwert (nicht gezeigt), der Pegel, welcher, wenn vom maximalen Signalpegel subtrahiert, einen ungenügenden restlichen verfügbaren Signalpegel belässt, um ein gültiges Wellenlängen-Spitzenwertsignal zu registrieren – z. B. einen Spitzenwert höher als der minimale Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH, der dazu verwendet werden kann, den Ort des Wellenlängenspitzenwerts oder DIC zu schätzen. In einigen Ausführungsformen ist die Summe aus dem Selbstsättigungs-Signalgrenzwert und dem minimalen Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH ungefähr gleich dem maximalen Signalpegel für ein Detektorpixel. Mit anderen Worten, in einigen Ausführungsformen hinterlässt das Subtrahieren eines Selbstsättigungssignals, das beim Sättigungsgrenzwert liegt oder ihn überschreitet, ein restliches verfügbares Signal, das beim oder unter dem minimalen Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH liegt. In einigen Ausführungsformen kann der (Selbst-)Sättigungsgrenzwert auf 80%–90% oder mehr der vollständigen Sättigung an der oberen Signalgrenze eingestellt werden. Umgekehrt kann in einigen Ausführungsformen der minimale Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH (für das restliche verfügbare Signal bei einem Pixel) auf 20% der oberen Signalgrenze oder 10% oder weniger eingestellt werden. Diese Grenzwerte sind jedoch lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Sättigungsgrenzwert und/oder der minimale Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH auf einem gewünschten Pegel hinsichtlich verschiedener technischer Erwägungen gewählt werden, wie z. B. verfügbare Signalpegel, erwünschte Toleranzen für Lesefehler, Rauschbetrachtungen, erwartete Werkstück-Reflexionsbereiche und dergleichen.
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In jedem Diagramm 500A–500E zeigt eine „Selbstsättigungs”-Profillinie 595 (z. B. 595A–595E) die Veränderung im verfügbaren Signalbereich zum Registrieren des Signalbeitrags von Licht, das von einer Werkstückoberfläche reflektiert wird, ohne die Ausgabe des entsprechenden Detektorpixels völlig zu sättigen, und zwar für verschiedene Messpositionen über den Gesamtnennmessbereich hinweg. Ein Hauptgrund, dass die Profillinien 595 zwischen den Diagrammen differieren liegt darin, dass deren jeweilige Abtastraten und/oder entsprechende Belichtungszeiten die angesammelte Menge von falschem, innen reflektiertem Licht, das zu deren jeweiligen Vorspannungssignalen beiträgt, beeinflusst. Die Einheiten der vertikalen Achse können als beliebige zweckmäßige Kennzeichnung von Photodetektor-Signaleinheiten angesehen werden (z. B. ein digitales Signal, das Signal-Volt darstellt, oder Intensitätseinheiten oder dergleichen).
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Die in den 5A–5E gezeigten fünf „hochempfindlichen” Abtastraten sind relativ niedriger als herkömmliche Abtastraten, die bei einem CRS verwendet werden, um eine längere Belichtungszeit zu erzeugen, um ein ausreichendes Wellenlängen-Spitzenwertsignal von einer Oberfläche mit geringem Reflexionsvermögen zu erhalten. Es versteht sich, dass die Selbstsättigungsprofile 595A–595E belehrend und qualitativ erläuternd sein sollen und die Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen oder das in den 5A–5E dargestellte Signalverhalten beschränkt ist.
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Bezugnehmend auf 5A zeigt das Diagramm 500A ein Selbstsättigungsprofil 595A eines CRS, der bei einer Abtastrate von 100 Hz betrieben wird, und das zeigt, dass für diese bestimmte Abtastrate in diesem bestimmten CRS-System ein ausreicheichender Signalbereich vorhanden ist (z. B. größer als TH), der zum Registrieren des Signalbeitrags von Licht, das von einer Werkstückoberfläche reflektiert wird, für alle Messpositionen über den Gesamtnennmessbereich hinweg verfügbar ist. Beispielsweise könnte ein Signal oder ein Wellenlängenspitzenwert der Höhe wie 591, ohne Detektorpixel völlig zu sättigen, bei einer Wellenlänge registriert werden, die einer Position von ungefähr 25 μm entspricht. In ähnlicher Weise könnte ein Signalspitzenwert der Höhe wie 592, ohne Detektorpixel völlig zu sättigen, bei einer Wellenlänge registriert werden, die einer Position von ungefähr 990 μm entspricht. Das Selbstsättigungsprofil 595A zeigt an, dass für eine Abtastrate von 100 Hz (oder ihrer entsprechenden Belichtungszeit) durch dieses CRS-System tatsächlich keine Detektorpixel „selbstgesättigt” werden (z. B. einen restlichen verfügbaren Signalbereich auf oder unter dem minimalen Mess-Spitzenhöhengrenzwert TH aufweisen), und es keinen ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs gibt. Somit umfasst für eine Abtastrate von 100 Hz die gültige Teilmenge 502A des Gesamtnennmessbereichs, in der eine Abstandsmessung möglich ist, den gesamten Gesamtnennmessbereich.
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Es versteht sich, dass die hypothetisch verfügbare Messsignal-Spitzenhöhe bei 100 Hz (z. B. wie durch das Selbstsättigungsprofil 595A wiedergegeben) niedriger sein kann als sie bei einer herkömmlichen Abtastrate (z. B. 300 Hz oder mehr) wäre. Die Signalspitzenhöhe, die tatsächlich von einer Oberfläche mit geringem Reflexionsvermögen erhalten wird, wird jedoch bei der langsameren Rate (z. B. den TH überschreitend) höher sein, da die Belichtungszeit zum Ansammeln des schwachen Messsignals länger sein wird. Obwohl sie tatsächlich auf oder über einem Sättigungsgrenzwert-Niveau nicht „selbstsättigt”, könnte eine Abtastrate von 100 Hz nicht im Bereich von Nennabtastraten oder herkömmlichen Abtastraten für ein CRS-System enthalten sein, weil die Signale von verschiedenen normalen oder hochreflektierenden Oberflächen ein hohes Risiko für eine Sättigung von Wellenlängenspitzenwert-Pixeln bei dieser Abtastrate darstellen können, was eine genaue Schätzung des Wellenlängen-Spitzenwertorts DIC für Oberflächen mit normalen oder hohem Reflexionsvermögen verhindern kann.
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Bezugnehmend auf 5B zeigt das Diagramm 500B ein Selbstsättigungsprofil 595B eines CRS, der bei einer Abtastrate von 60 Hz betrieben wird, und es zeigt, dass für diese bestimmte Abtastrate in diesem bestimmten CRS-System der zum Registrieren des Signalbeitrags des von einer Werkstückoberfläche reflektierten Lichts verfügbare Signalbereich für Messpositionen geringer als bei 100 Hz ist, wie erwartet. Insbesondere fällt der verfügbare Signalbereich in der Nähe der Null-Messposition (das heißt, im ungültigen Spitzenwertteil 504B) auf ungefähr den Minimalpegel TH. Aus diesem Grund kann es für eine Abtastrate von 60 Hz ratsam sein, die gültige Teilmenge 502B des Gesamtnennmessbereichs, in dem eine Abstandsmessung möglich ist, zu beschränken, um eine einzelne durchgehende Teilmenge über den größten Teil des Gesamtnennmessbereichs einzuschließen, jedoch Positionen in der Nähe der Null-Messposition auszuschließen.
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Bezugnehmend auf 5C zeigt das Diagramm 500C ein Selbstsättigungsprofil 595 eines bei einer Abtastrate von 50 Hz betriebenen CRS. Dies kommt der in 5B gezeigten Abtastrate von 60 Hz sehr nahe, und die Ergebnisse sind ähnlich. Für diese bestimmte Abtastrate in diesem bestimmten CRS-System ist der zum Registrieren des Signalbeitrags des von einer Werkstückoberfläche reflektierten Lichts verfügbare Signalbereich für Messpositionen etwas geringer als 60 Hz, wie erwartet. Der verfügbare Signalbereich fällt in der Nähe der 0 μm–10 μm Messpositionen (das heißt, im ungültigen Spitzenwertteil 504C) unter den Minimalpegel TH. Aus diesem Grund kann es für eine Abtastrate von 50 Hz ratsam sein, die gültige Teilmenge 502C des Gesamtnennmessbereichs, in dem eine Abstandsmessung möglich ist, zu beschränken, um eine einzelne durchgehende Teilmenge über einen großen Teil des Gesamtnennmessbereichs einzuschließen, jedoch Positionen in der Nähe der 10 μm Messposition und darunter auszuschließen.
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Bezugnehmend auf 5D zeigt das Diagramm 500D ein Selbstsättigungsprofil 595D eines bei einer Abtastrate von 35 Hz betriebenen CRS. Für diese bestimmte Abtastrate in diesem bestimmten CRS-System ist der zum Registrieren des Signalbeitrags des von einer Werkstückoberfläche reflektierten Lichts verfügbare Signalbereich für Messpositionen deutlich geringer als 50 Hz. Der verfügbare Signalbereich fällt in der Nähe der 0 μm–75 μm Messpositionen (ungültiger Spitzenwertteil 504D) und in der Nähe der 640 μm–920 μm Messpositionen (ungültiger Spitzenwertteil 504D') unter den Minimalpegel TH. Aus diesem Grund kann es für eine Abtastrate von 35 Hz ratsam sein, die gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs, in dem eine Abstandsmessung möglich ist, auf die zwei Teile 502D und 502D' zu beschränken, und Positionen in den ungültigen Spitzenwertteilen 504D und 504D' auszuschließen.
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Bezugnehmend auf 5E zeigt das Diagramm 500E ein Selbstsättigungsprofil 595E eines bei einer Abtastrate von 25 Hz betriebenen CRS. Für diese bestimmte Abtastrate in diesem bestimmten CRS-System ist der zum Registrieren des Signalbeitrags des von einer Werkstückoberfläche reflektierten Lichts verfügbare Signalbereich für Messpositionen dann deutlich geringer als 35 Hz. Der verfügbare Signalbereich fällt über den größten Teil des Gesamtnennmessbereichs (das heißt über den ungültigen Spitzenwertteil 504E) unter den Minimalpegel TH. Tatsächlich sind in diesem Falle die Pixel über einen großen Teil des ungültigen Spitzenwertteils 504E hinweg vollständig selbstgesättigt (z. B. von den 400 μm–960 μm Messpositionen). Für eine Abtastrate von 25 Hz kann es ratsam sein, die gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs, in dem eine Abstandsmessung möglich ist, auf den Abschnitt 502E zu beschränken, und Positionen im ungültigen Spitzenteil 504E auszuschließen.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann ein CRS in zwei unterschiedlichen Einstellungen betrieben werden – einer Grundeinstellung (erste normale Betriebsart) und einer hochempfindliche Einstellung (zweite hochempfindliche Betriebsart). Die 6A und 6B zeigen beispielhafte Benutzeroberflächen-Displayausführungsformen, die vom Benutzer wählbare Optionen (z. B. Abtastraten) in einer Ausführungsform einer Grundeinstellung (6A) und vom Benutzer wählbare Optionen (z. B. Abtastraten und Display von entsprechenden Selbstsättigungsprofilen) in einer Ausführungsform einer hochempfindlichen Einstellung (6B), die erweiterte Optionen für Werkstücke mit niedrigem Reflexionsvermögen bietet, darstellen. Die in den 6A und 6B gezeigten Benutzeroberflächen-Displayausformen können auf dem Benutzeroberflächenteil 171 des CRS-Systems gezeigt werden und können in der Grundeinstellung beziehungsweise der hochempfindlichen Einstellung benutzt werden. Unter dem Benutzeroberflächen-Tab 601 der Grundeinstellung, wie in 6A gezeigt, können einem Benutzer ein Satz von wählbaren Abtastraten 602 gegeben werden, die üblicherweise verfügbare Abtastraten enthalten, wie z. B. 300 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 1500 Hz und 2000 Hz, wie dargestellt. Diese Abtastraten entsprechen jeweils Belichtungszeiten innerhalb eines Nennbereichs von Belichtungszeiten, die für Werkstücke mit „normalem Reflexionsvermögen” verwendet werden können, und bei keinem der Detektorarraypixel eine Selbstsättigung verursachen. Somit ist das CRS-System bei jeder dieser von einem Benutzer gewählten Abtastraten in der Lage, einen gültigen Wellenlängenspitzenwert über den gesamten Gesamtnennmessbereich des CRS bereitzustellen. Die Benutzeroberfläche der Grundeinstellung kann ebenfalls eine Aktualisierungstaste 604 für ein Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil enthalten. Das CRS-System 100 erhält ein Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil bei der gewählten Abtastrate (z. B. 1000 Hz im Beispiel von 6A) in Erwiderung auf die Benutzerwahl der Aktualisierungstaste 604 und speichert das Profil im Speicherteil 168 für verschiedene Kalibrier- und Kompensationszwecke, wie oben beschrieben.
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Wenn ein Benutzer ein Hochempfindlichkeitseinstellungs-Tab 605 wählt, kann die Benutzeroberfläche der Hochempfindlichkeitseinstellung von 6B gezeigt werden, die einen unterschiedlichen Satz von wählbaren Abtastraten 612 enthält, die relativ niedrigere Abtastraten umfassen, wie z. B. 25 Hz, 35 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 75 Hz und 100 Hz. Diese Abtastraten entsprechen jeweils den selbstsättigenden Belichtungszeiten, die länger als die Belichtungszeiten im Nennbereich von Belichtungszeiten sind. Somit wird das CRS-System, wenn es bei einer beliebigen dieser relativ niedrigeren Abtastraten betrieben wird, eine gültige Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs aufweisen, in der eine Höhen-(Abstands-)Messung mit eine kompatiblen niedrigen Reflexionsgrad aufweisenden Oberflächen möglich ist. Die gültige Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs schließt einen ungültigen Spitzenwertteil aus, in dem eine Höhenmessung nicht möglich ist, wie oben mit Bezug auf die 5A–5E beschrieben. Die Benutzeroberfläche der hochempfindlichen Einstellung kann, ähnlich wie Benutzeroberfläche der Grundeinstellung, auch eine Aktualisierungstaste 614 eines Systemrausch-(Vorspannungs-)Profils enthalten. Das CRS-System erhält ein Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil bei der gewählten relativ niedrigen Abtastrate (z. B. 50 Hz im Beispiel von 6B) in Erwiderung auf die Benutzerwahl der Aktualisierungstaste 614. Des Weiteren kann das CRS-System in der hochempfindlichen Einstellung 605 basierend auf oder im Zusammenhang mit dem wie oben beschriebenen Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil ein Selbstsättigungsprofil (siehe 5A–4E) bestimmen, um eine gültige Teilmenge innerhalb eines Gesamtnennmessbereichs des CRS zu bestimmen. Das CRS-System erhält ein Selbstsättigungsprofil bei der gewählten Abtastrate in Erwiderung auf die Benutzerwahl der Aktualisierungstaste 614 in der hochempfindlichen Einstellung 605 und kann das Selbstsättigungsprofil oder davon abgeleitete Betriebsinformationen im Speicherteil 168 speichern. In einigen Ausführungsformen erscheint die Aktualisierungstaste 614 des Systemrausch-(Vorspannungs-)Profils in der hochempfindlichen Einstellung 605, die ein Selbstsättigungsprofil basierend auf oder im Zusammenhang mit einem Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil erhält und speichert, gleich wie die Aktualisierungstaste 604 in der Grundeinstellung 601, die nur ein Systemrausch-(Vorspannungs-)Profil erhält und speichert, so dass jegliche Bearbeitungsunterschiede zwischen den zwei Einstellungen für den Benutzer transparent sind.
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Es versteht sich, dass die in der Grundeinstellung 601 und der hochempfindlichen Einstellung 605 wählbaren Abtastraten lediglich erläuternd und nicht einschränkend sein sollen. In verschiedenen Ausführungsformen kann jede Abtastrate, bei der ein gültiger Wellenlängenspitzenwert über einen Gesamtnennmessbereich hinweg detektiert werden kann, im Abtastratensatz 602 der Grundeinstellung enthalten sein, während jede Abtastrate, bei der mindestens einige der Detektorarray-Pixel auf mindestens ein (Selbst-)Sättigungsgrenzwert-Niveau selbstgesättigt sind (unabhängig davon, ob eine Werkstückoberfläche im Gesamtnennmessbereich vorhanden ist), während andere Pixel nicht selbstgesättigt sind, im hochempfindlichen Abtastratensatz enthalten sein kann.
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In einigen der oben grob beschriebenen Ausführungsformen löst die Aktualisierungstaste 604 oder 614 das Abtasten eines Systemrausch-(Vorspannungs-)Profils und/oder eines Selbstsättigungsprofils bei einer aktuellen oder gewählten Abtastrate aus. In anderen Ausführungsformen kann die Aktualisierungstaste 604 oder 614 das Abtasten von Systemrausch-(Vorspannungs-)Profilen für einen Satz von Abtastraten auslösen, der einige oder alle möglichen Abtastraten enthält. Verschiedene solcher Profile (oder davon abgeleitete Betriebsinformationen) können dann im Speicherabschnitt 168 gespeichert werden, so dass wenn der Benutzer später eine der Abtastraten wählt, deren entsprechendes Profil durch den CRS schnell nutzbar ist. Die Systemrausch-(Vorspannungs-)Profile als auch die Selbstsättigungsprofile eines CRS sind umweltbedingten Veränderungen, Bauteilalterung und anderen zeitabhängigen Änderungen ausgesetzt. Daher kann der CRS in verschiedenen Ausführungen den Benutzer auffordern, zu verschiedenen Zeiten die Aktualisierungstaste 614 zu wählen, um mindestens das Selbstsättigungsprofil einer aktuellen Abtastrate zu erhalten, so dass die Profile auf dem neuesten Stand bleiben.
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In der hochempfindlichen Einstellung 605 enthält eine gültige Teilmenge innerhalb eines Gesamtnennmessbereichs gültige Wellenlängenspitzenwert-Messpositionen entlang der optischen Achse OA des CRS, wie oben beschrieben. Wenn sich somit ein zu messendes Werkstück in der gültigen Teilmenge befindet, wird die Reflexion von der Werkstückoberfläche einen gültigen Wellenlängenspitzenwert erzeugen, um dadurch einen Messabstand zur Werkstückoberfläche anzuzeigen. 7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Benutzeroberflächen-Displayanzeige in der hochempfindlichen Einstellung, die ein Messabstandsfeld 701 und/oder mögliche gültige Spitzenwert-Messpositionen in einer gültigen Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs eines CRS entsprechend verschiedener Abtastraten in einem Displayabschnitt 703 der gültigen Teilmenge anzeigt.
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Ein erfolgreich bestimmter Messabstand kann im Feld 701 angezeigt werden, wenn die Werkstückoberfläche in einem gültigen Teilmengenbereich ist. Wenn nicht, muss zumindest anfangs die Werkstückoberfläche manuell, halbautomatisch oder automatisch bewegt werden, damit sie sich innerhalb einer gültigen Teilmenge befindet. Dazu kann sich ein Benutzer zur Anleitung beim Positionieren der Oberfläche in einer gültigen Teilmenge für eine bestimmte Abtastrate, die mit den Reflexionsmerkmalen der Oberfläche verwendbar ist, auf den Displayabschnitt 703 der gültigen Teilmenge beziehen. In einigen Ausführungsformen kann der Displayabschnitt 703 der gültigen Teilmenge automatisch im Benutzeroberflächenteil 171 immer dann angezeigt werden, wenn ein Benutzer eine Abstandsmessung in der hochempfindlichen Einstellung ausführt, oder in Erwiderung auf die Benutzerwahl einer „Display”-Taste 616 für Selbstsättigungsprofile angezeigt werden, wie in 6B gezeigt.
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Die Benutzeroberfläche, wie in 7 gezeigt, kann zusätzlich oder alternativ einen ersten Anzeiger 705A, wie z. B. ein grünes Licht, enthalten, der dem Benutzer anzeigt, dass sich eine Oberfläche innerhalb einer gültigen Teilmenge des Gesamtmessbereichs des CRS befindet. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweiter Anzeiger 705B, wie z. B. ein rotes Licht, bereitgestellt werden, um anzuzeigen, dass sich eine Oberfläche in einem ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs befindet und eine gültige Messung verhindert. Allgemeiner ausgedrückt kann jede Sicht-, Audio- oder andere Anzeige verwendet werden, die dem Benutzer ermöglicht, zwischen einem ersten Zustand, in dem die sich Werkstückoberfläche in einer gültigen Teilmenge befindet, und einem zweiten Zustand, in dem sich die Werkstückoberfläche innerhalb eines ungültigen Spitzenwertteils befindet, zu unterscheiden. Es versteht sich, dass die graphische Darstellung einer gültigen Teilmenge von in 7 gezeigten Messpositionen nicht einschränkend ist. Alternative Darstellungen fallen in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung. Beispielsweise kann eine gültige Teilmenge für eine bestimmte Abtastrate numerisch dargestellt werden.
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In einigen Ausführungsbeispielen kann das Positionieren einer Werkstückoberfläche innerhalb einer Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs entlang der optischen Achse OA des CRS automatisch in einem maschinellen Bildverarbeitungsprüfsystem ausgeführt werden. Die 8 ist ein Schaubild eines Ausführungsbeispiels eines maschinellen Bildverarbeitungsprüfsystems 800 mit einem CRS-System, das einen optischen Stift 100 aufweist, der zum Messen einer Werkstückoberfläche mit einem niedrigen Reflexionsvermögen verwendet wird. Wenn das maschinelle Bildverarbeitungsprüfsystem (CRS-System) 800 verwendet wird, um eine Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche mit niedrigem Reflexionsvermögen auszuführen, kann ein Benutzer eine niedrigere Abtastrate (längere Belichtungszeit) wählen, und das maschinelle Bildverarbeitungsprüfsystem 800 kann automatisch eine zu messende Werkstückoberfläche innerhalb einer gültigen Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs entlang der optischen Achse OA des CRS-Systems positionieren.
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Das maschinelle Bildverarbeitungsprüfsystem
800 ist ein maschinelles mikroskopisches Bildverarbeitungs- und Prüfsystem mit einem optischen Bilderfassungssystem
802, wie dasjenige, das in den gemeinsam übertragenen
US-Patentschriften Nr. 8,085,295 und
7,454,053 , die hiermit durch Bezugnahme mit aufgenommen werden, beschrieben wird. Verschiedene Aspekte von Bildverarbeitungs-Messmaschinen und Steuerungssystemen werden ebenfalls in der gemeinsam übertragenen
US-Patentschrift Nr. 7,324,682 und der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2005/0031191, die hiermit ebenfalls durch Bezugnahme mit aufgenommen werden, ausführlicher beschrieben.
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Wie ausführlicher im
'682-Patent und der '191-Veröffentlichung beschrieben und in
8 dargestellt, kann das maschinelle Bildverarbeitungsprüfsystem (MVIS)
800 eine Bildverarbeitungssteuerung
804 enthalten, die verwendet werden kann, um erfasste und gespeicherte Werkstück-Prüfbilder aufzurufen, zu überprüfen und Werkstückmerkmale in solchen Werkstück-Prüfbildern zu analysieren, und die Prüfergebnisse zu speichern und/oder auszugeben. Ein herkömmlicher Kameraabschnitt des MVIS kann ein optisches Bilderfassungssystem
802 aufweisen, das eine Objektivlinse mit einer optischen Achse OA'' enthält, die die Oberfläche eines Werkstücks
806 vergrößert und zu einer Kamera (nicht gezeigt) abbildet, während der Brennpunkt durch Bewegen entlang eines Z-Achsen-Führungslagers
802 erreicht wird. Das Werkstück
806 auf einem Messtisch
808 ist auf Führungslagern
808A entlang der X- und Y-Achse beweglich. Das MVIS
800 kann ungefähr mit denjenigen verglichen werden, die mit der QUICK VISION
TM QV Apex Serie von Bildverarbeitungssystemen von Mitutoyo America Corporation (MAC) mit Sitz in Aurora, Ill., erhältlich sind. Das MVIS
800 kann dazu eingerichtet sein, einen CRS (z. B. in der Form eines optischen CPS-Stifts
100) zu haltern, um diesen zusammen mit dem optischen Bilderfassungssystem
802 (in dieser bestimmten Ausführungsform), das im Zusammenhang mit verschiedenen Messfunktionen verwendet werden soll, entlang der Z-Achsenrichtung zu bewegen. Das Lichtwellenleiterkabel
112 verbindet den optischen CPS-Stift
100 mit dem Elektronikteil
160 des optischen Stifts. Das maschinelle Bildverarbeitungsprüfsystem
800 enthält einen Computer und eine Benutzeroberfläche
171 und die Bildverarbeitungssystem-Steuerung
804. Die Bildverarbeitungssystem-Steuerung
804 kann als ein Host-System zum Kommunizieren mit dem Elektronikteil
160 des optischen CPS-Stifts handeln (siehe auch
1). Die MVIS-Benutzeroberfläche
171 kann auch als eine CRS-Benutzeroberfläche handeln und kann einige oder alle Teile der oben umschriebenen verschiedenen CRS-Benutzeroberflächenmerkmale bereitstellen, insbesondere während Lernmodus-Vorgängen des MVIS
800. In verschiedenen Ausführungsformen können die MVIS-Benutzeroberfläche
171 und die CRS-Benutzeroberfläche zusammengelegt werden und/oder nicht unterscheidbar sein.
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Die (Z)-Messbereiche des optischen Bilderfassungssystems 802 und der optische Stift 100 können zueinander und zu den MVIS-Z-Achsensteuerungskoordinaten kalibriert oder in Bezug gesetzt werden. Der Elektronikteil 160 des optischen Stifts und die Steuerung 804 des Bildverarbeitungssystems können dazu eingerichtet sein, Daten und Steuersignale gemäß bekannter Verfahren auszutauschen. Somit kann das MVIS 800 verwendet werden, um eine Oberfläche des zu messenden Werkstücks 806 automatisch innerhalb einer gültigen Teilmenge eines Gesamtnennmessbereichs des optischen CPS-Stifts 100 für eine beliebige aktuelle Abtastrate zu positionieren.
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Beispielsweise kann sich die Bildverarbeitungssystem-Steuerung 804 auf ein für eine bestimmte (niedrigere) Abtastrate erhaltenes, im Elektronikteil 160 des optischen Stifts gespeichertes Selbstsättigungsprofil beziehen, um den Ort einer gültigen Teilmenge innerhalb eines Gesamtnennmessbereichs des optischen CPS-Stifts zu bestimmen. Die Bildverarbeitungssystem-Steuerung 804 kann dann die Z-Achsenposition des MVIS führen, um den optischen CPS-Stift 100 automatisch in Bezug auf das Werkstück 806 zu positionieren, während die Bildverarbeitungssystem-Steuerung 804 ebenfalls das Werkstück 806 zu verschiedenen erwünschten X-Y-Messpositionen bewegt (z. B. um einen Teil der Oberfläche mittels des CRS zu profilieren).
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Die 9 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Routine zum Betreiben eines CRS-Systems, um eine Höhenmessung einer Werkstückoberfläche mit niedrigem Reflexionsvermögen durchzuführen, darstellt. Bei einem Block 900 wird ein CRS-System zugeführt, das einen gültigen Wellenlängenspitzenwert über einen Gesamtnennmessbereich entlang der optischen Achse OA des CRS-Systems bereitstellt, wenn es unter Verwendung einer Belichtungszeit betrieben wird, die sich innerhalb eines Nennbereichs von Belichtungszeiten befindet. Bei einem Block 902 wird das CRS-System unter Nutzung einer selbstsättigenden Belichtungszeit betrieben, die länger als die Belichtungszeiten im ersten Nennbereich von Belichtungszeiten ist, wobei unabhängig davon, ob eine Werkstückoberfläche im Gesamtnennmessbereich positioniert ist oder nicht, die selbstsättigende Belichtungszeit mindestens ein Detektorpixel des CRS auf mindestens ein Sättigungsgrenzwert-Niveau sättigt, das einen gültigen Wellenlängenspitzenwert in einem ungültigen Spitzenwertteil des Gesamtnennmessbereichs verhindert, der dem mindestens einen Detektorpixel entspricht, das auf mindestens das Sättigungsgrenzwert-Niveau durch die selbstsättigende Belichtungszeit gesättigt wird, wodurch gültige Wellenlängenspitzenwert-Messwertpositionen nur in einer gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs belassen werden, die den ungültigen Spitzenwertabschnitt ausschließt. Bei einem Block 904 wird eine Anzeige auf einer Benutzeroberflache des CRS-Systems bereitgestellt, wobei die Anzeige mindestens eines ist von (i) einer Höhenmessung für eine Werkstückoberfläche basierend auf Nutzung der selbstsättigenden Belichtungszeit (z. B. wie im Messabstandsfeld 701 in 7), und (ii) gültiger Spitzenwert-Messpositionen, die in der gültigen Teilmenge des Gesamtnennmessbereichs enthalten sind (z. B. der Displayabschnitt 703 der gültigen Teilmenge in 7).
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CRS-Verfahren und -Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen den Betrieb eines CRS-Systems bei längeren Belichtungszeiten (z. B. wie durch niedrigere Abtastraten bereitgestellt, beispielsweise im Bereich von ungefähr 25 Hz bis 100 Hz), die bisher für einen zuverlässigen Betrieb (z. B. relativ ungeübte Benutzer) nicht verfügbar waren, um dadurch eine Abstandsmessung an Werkstückoberflächen zu erreichen, die ein niedriges Reflexionsvermögen aufweisen.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, werden dem Fachmann aufgrund dieser Offenbarung zahlreiche Variationen der dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Betriebsabläufen ersichtlich. Beispielsweise wurde hierin ein CPS mit einem optischen Stift beschrieben. Jedoch kann ein CRS-System, wie etwa ein chromatischer Liniensensor, dazu eingerichtet sein, um gemäß den hierin offenbarten Systemen und Verfahren zu arbeiten. Es ist somit verständlich, dass verschiedene Änderungen an den hierin offenbarten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
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Die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Aspekte der Ausführungsformen können modifiziert werden, um noch weitere Ausführungsformen bereitzustellen. Diese und andere Änderungen können hinsichtlich der obengenannten ausführlichen Beschreibung gemacht werden. Merkmale, Komponenten und spezifische Einzelheiten der Strukturen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele können ausgetauscht oder kombiniert werden, um weitere, für die jeweilige Anwendung optimierte Ausführungsformen zu bilden. Sofern diese Modifikationen für einen Fachmann ersichtlich sind, werden sie implizit durch die obenstehende Beschreibung offenbart, ohne explizit jede mögliche Kombination festzulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7876456 [0002, 0048]
- US 2010/0188742 [0004]
- US 8085295 [0077]
- US 7454053 [0077]
- US 7324682 [0077, 0078]
