DE102016213122A1 - Mehrstufige Bildschärfe unter Verwendung einer abstimmbaren Linse in einem maschinellen Sichtinspektionssystem - Google Patents

Mehrstufige Bildschärfe unter Verwendung einer abstimmbaren Linse in einem maschinellen Sichtinspektionssystem Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Definieren von Vorgängen zum Erfassen eines mehrfach belichteten Bildes eines Werkstücks, das erste und zweite Interessenbereiche auf verschiedenen Z-Höhen umfasst, bereitstellt. Das mehrfach belichtete Bild wird von einem maschinellen Sichtinspektionssystem erfasst, das eine stroboskopische Beleuchtung und eine Linse mit variabler Brennweite umfasst (z. B. eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex), die zum periodischen Modulieren einer Fokusposition verwendet wird. In einem Lernmodus werden erste und zweite Mehrfachbelichtungszeitwerte für Instanzen stroboskopischer Beleuchtung bestimmt, die den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, die eine ausreichende Bildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche ergeben. Daten, welche die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, werden aufgezeichnet und anschließend (z. B. im Laufmodus) verwendet, um Vorgänge zum Erfassen eines mehrfach belichteten Bildes von ersten und zweiten Interessenbereichen an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, zu definieren.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft die Präzisionsmesstechnik und genauer maschinelle Sichtinspektionssysteme, bei denen eine Linse mit variabler Brennweite verwendet werden kann, um eine Fokusposition periodisch zu modulieren.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Präzise maschinelle Sichtinspektionssysteme (bzw. abgekürzt „Sichtsysteme”) können für präzise Messungen von Objekten und zum Inspizieren anderer Objekteigenschaften verwendet werden. Derartige Systeme können einen Computer, eine Kamera, ein optisches System und einen Arbeitstisch, der sich bewegt, um eine Überquerung von Werkstücken zu ermöglichen, umfassen. Ein beispielhaftes System, das als universelles „rechnerunabhängiges” Präzisionssichtsystem bezeichnet wird, ist die Reihe QUICK VISION® von PC-basierten Sichtsystemen und die Software QVPAK®, die bei Mitutoyo America Corporation (MAC), aus Aurora, Ill., erhältlich sind. Die Merkmale und die Funktionsweise der Reihe QUICK VISION® von Sichtsystemen und der Software QVPAK® werden beispielsweise in „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide", veröffentlicht im Januar 2003, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden, allgemein beschrieben. Ein derartiges System verwendet ein mikroskopartiges optisches System und bewegt den Arbeitstisch, um Inspektionsbilder von kleinen oder großen Werkstücken mit diversen Vergrößerungen bereitzustellen.
  • Diese maschinellen Sichtinspektionssysteme sind im Allgemeinen programmierbar, um eine automatisierte Inspektion bereitzustellen. Die Maschinensteueranweisungen, welche die spezifische Sequenz von Inspektionsereignissen umfassen, d. h. sequenzielle Bilderfassungseinstellungen (z. B. Position, Beleuchtung, Vergrößerung usw.), und wie jedes Bild zu analysieren/inspizieren ist (z. B. unter Verwendung eines oder mehrerer Video-Tools), werden als „Teileprogramm” oder „Werkstückprogramm” gespeichert, das für die bestimmte Werkstückkonfiguration spezifisch ist.
  • Video-Tools (bzw. kurz „Tools”) und andere Merkmale von grafischen Benutzerschnittstellen (GUI) ermöglichen Vorgänge und Programmierung durch „Nicht-Fachleute”. Derartige Tools können in einem „manuellen Modus” manuell verwendet werden, und/oder ihre Parameter und Betätigung können auch in einem Lernmodus aufgezeichnet werden, um Teileprogramme zu erstellen. Video-Tools können beispielsweise Kanten-/Grenzerkennungs-Tools, Autofokus-Tools, Form- oder Musterabgleich-Tools, Dimensionsmess-Tools und dergleichen umfassen. Das US-Patent Nr. 6,542,180 , das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, lehrt ein Sichtsystem, das die Verwendung von Video-Tools für die Inspektionsprogrammierung umfasst.
  • Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, ein Bildgebungssystem eines maschinellen Sichtinspektionssystems zu betätigen, um ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe (EDOF) zu erheben, die größer als diejenige ist, die von dem optischen Bildgebungssystem in einer einzigen Fokusposition bereitgestellt zu werden. Es sind diverse Verfahren bekannt, um ein EDOF-Bild zu erheben. Ein Verfahren erhebt einen Bilder-„Stapel”, der aus einer Vielzahl von deckungsgleichen oder ausgerichteten Bildern besteht, die auf verschiedene Entfernungen über einen Brennweitenbereich eingestellt sind. Es wird ein zusammengesetztes Bild aufgebaut, in dem jeder Teil des Sehfelds aus dem bestimmten Bild entnommen wird, das diesen Teil am schärfsten zeigt. Dieses Verfahren ist jedoch relativ langsam. Als anderes Beispiel offenbaren Nagahara et al. („Flexible Depth of Field Photography", Proceedings of the European Conference an Computer Vision, Oktober 2008) ein Verfahren, bei dem ein einziges Bild während seiner Belichtungszeit entlang einer Vielzahl von Fokusabständen belichtet wird. Dieses Bild ist relativ unscharf, es kann jedoch unter Verwendung eines bekannten oder vorbestimmten Unschärfe-Faltungskerns entfaltet werden, um ein relativ deutliches EDOF-Bild zu erzielen. Bei dem offenbarten Verfahren wird die Brennweite geändert, indem der Detektor entlang einer optischen Achse eines Bildgebungssystems verschoben wird. Dieses Verfahren ist ebenfalls relativ langsam und mechanisch aufwendig. Ein verbessertes Verfahren zum Bereitstellen von Bildern mit Merkmalen in verschiedenen Fokusabständen ist wünschenswert.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Die vorliegende Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, die Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und ist auch nicht dazu gedacht, als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
  • Es wird ein Verfahren zum Definieren von Vorgängen bereitgestellt, welche die Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes steuern, das von einer Instanz eines Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem bereitgestellt wird. Das maschinelle Sichtinspektionssystem umfasst eine Beleuchtungsquelle zum Bereitstellen einer stroboskopischen Beleuchtung und ein Bildgebungssystem, das eine Linse mit variabler Brennweite umfasst (z. B. eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex), die verwendet wird, um eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Positionen in einer Z-Höhenrichtung in der Nähe eines Werkstücks periodisch zu modulieren. Das Verfahren umfasst das Ausführen von Vorgängen in einem Lernmodus einer ersten Instanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem, um eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zu bestimmen.
  • Als Teil der Vorgänge im Lernmodus werden erste und zweite Interessenbereiche definiert, die verschiedene Z-Höhen an einem repräsentativen Werkstück aufweisen. Es wird mindestens ein Bildstapel erhoben, der jeweilige Bilder der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück umfasst, die auf jeweiligen Z-Höhen fokussiert sind. Jedes jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels wird unter Verwendung mindestens einer Instanz stroboskopischer Beleuchtung, die zeitlich eingestellt ist, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, die dem Brennpunkt auf einer jeweiligen Z-Höhe für das jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels entspricht, belichtet. Es werden erste und zweite Mehrfachbelichtungszeitwerte für Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, die eine ausreichende Bildschärfe jeweils für die ersten und zweiten Interessenbereiche ergibt, basierend mindestens teilweise auf einer Analyse des Brennpunktes der ersten und zweiten Interessenbereiche in dem mindestens einen Bildstapel bestimmt. Bei diversen Umsetzungen kann eine ausreichende Bildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche gemäß einem oder mehreren von einem besten Brennpunkt (wie er beispielsweise aus einer Spitze einer Fokusmetrikkurve und/oder aus einem schärfsten Bild in einem Bildstapel bestimmt wird), einem nahezu besten Brennpunkt, einem Brennpunkt, der ausreicht, um einen gewünschten Inspektionsvorgang basierend auf dem mehrfach belichteten Bild zu unterstützen, einem Brennpunkt, der ausreicht, um eine Dimensionsmessung für die Inspektion mit einer gewünschten Genauigkeit in der XY-Ebene in dem mehrfach belichteten Bild zu bestimmen, usw. bestimmt werden.
  • Daten, welche die Stellen der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück angeben, und Daten, die eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zwischen den ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten angeben, werden aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Daten sind verwendbar, um Vorgänge zu definieren, welche die Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes (z. B. im Laufmodus) basierend mindestens teilweise auf der Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung steuern, wenn eine Gebrauchsinstanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem betätigt wird, um ein mehrfach belichtetes Bild der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, zu erfassen. Bei diversen Umsetzungen kann die Gebrauchsinstanz (z. B. im Laufmodus verwendet) und die erste Instanz (z. B. im Lernmodus verwendet) des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem das gleiche maschinelle Sichtinspektionssystem sein oder kann alternativ ein anderes maschinelles Sichtinspektionssystem sein.
  • Bei diversen Umsetzungen werden als Teil der Betätigung der Gebrauchsinstanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem (z. B. im Laufmodus) die ersten und zweiten Interessenbereiche an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist (z. B. aus dem Lernmodus), in einem Sehfeld des Bildgebungssystems positioniert. Es wird ein erster Zeitwert der Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes bestimmt, der für eine Instanz stroboskopischer Beleuchtung verwendet wird. Die aufgezeichneten Daten, welche die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, werden verwendet, um eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes und einem zweiten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes zu bestimmen. Das Bildgebungssystem wird unter Verwendung der periodisch modulierten Fokusposition zusammen mit der Verwendung der ersten und zweiten Zeitwerte einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes für jeweilige Instanzen stroboskopischer Beleuchtung betätigt, um die Gesamtbildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche zu verbessern, während ein mehrfach belichtetes Bild des aktuellen Werkstücks, das die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem aktuellen Werkstück umfasst, erfasst wird.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das diverse typische Komponenten eines universellen Präzisionssystems zur maschinellen Sichtinspektion zeigt;
  • 2 ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts und eines Sichtkomponentenabschnitts eines maschinellen Sichtinspektionssystems, das ähnlich wie das aus 1 ist und hier offenbarte Merkmale umfasst;
  • 3 ein schematisches Diagramm eines Bildgebungssystems, an ein maschinelles Sichtinspektionssystem angepasst und gemäß den hier offenbarten Grundlagen betätigt werden kann;
  • 4 eine Grafik eines Zeitdiagramms, das eine periodisch modulierte Z-Höhe der Fokusposition des Bildgebungssystems aus 3 zeigt, wie sie durch periodisches Modulieren der Brennweite einer Linse mit variabler Brennweite in dem Bildgebungssystem gesteuert wird, und das auch qualitativ zeigt, wie eine stroboskopische Beleuchtung zeitlich eingestellt werden kann, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, um ein Bild zu belichten, das auf einer jeweiligen Z-Höhe fokussiert ist;
  • 5 eine Grafik, die einen erweiterten Abschnitt der periodisch modulierten Z-Höhe der Fokusposition zeigt, die in 4 gezeigt wird, wobei die Phasenzeiten denjenigen entsprechen, die verwendbar sind, um einen Bildstapel zu erheben, und die auch qualitativ zeigt, wie erste und zweite Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, kombiniert werden können, um ein mehrfach belichtetes Bild zu ergeben, das eine ausreichende Bildschärfe in den ersten und zweiten Interessenbereichen, sie sich auf verschiedenen Z-Höhen befinden, bereitstellt;
  • 6 ein Diagramm, das eine Anzeige einer Benutzerschnittstelle eines maschinellen Sichtinspektionssystems abbildet, die ein Mehrfachbelichtungs-Tool umfasst, wobei der erste Interessenbereich auf ein Werkstück scharf eingestellt ist;
  • 7 ein Diagramm, das die Anzeige einer Benutzerschnittstelle eines maschinellen Sichtinspektionssystems aus 6 abbildet, wobei das Mehrfachbelichtungs-Tool verwendet wurde, um ein mehrfach belichtetes Bild des Werkstücks zu erfassen;
  • 8 ein Diagramm, das die Anzeige einer Benutzerschnittstelle eines maschinellen Sichtinspektionssystems aus 7 abbildet, die zusätzliche Video-Tools umfasst, die zum Ausführen von Werkstückmerkmals-Inspektionsvorgängen an dem mehrfach belichteten Bild des Werkstücks verwendet werden;
  • 9 ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine zum Bestimmen und Aufzeichnen einer Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung abbildet; und
  • 10 ein Ablaufschema, eine beispielhafte Umsetzung einer Routine zur Verwendung einer aufgezeichneten Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zum Erfassen eines mehrfach belichteten Bildes eines Werkstücks abbildet.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften maschinellen Sichtinspektionssystems 10, das gemäß den hier offenbarten Grundlagen verwendbar ist. Das maschinelle Sichtinspektionssystem 10 umfasst eine Sichtmessmaschine 12, die betriebsfähig angeschlossen ist, um Daten- und Steuersignale mit einem Steuercomputersystem 14 und mit einem Monitor oder Display 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 auszutauschen. Der Monitor oder das Display 16 kann eine Benutzerschnittstelle anzeigen, die geeignet ist, um das maschinelle Sichtinspektionssystem 10 zu steuern und/oder zu programmieren. Bei diversen Umsetzungen kann ein Tablet mit Berührungsbildschirm oder dergleichen für die Funktionen von einem oder allen von dem Computersystem 14, dem Display 16, dem Joystick 22, der Tastatur 24 und der Maus 26 eingesetzt und/oder dafür redundant bereitgestellt werden kann.
  • Ganz allgemein kann das Steuercomputersystem 14 aus einem beliebigen Rechensystem oder einer beliebigen Rechenvorrichtung und/oder einer verteilten Rechenumgebung und dergleichen bestehen, die jeweils einen oder mehrere Prozessoren umfassen können, die eine Software ausführen, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die Prozessoren umfassen programmierbare universelle oder spezifische Mikroprozessoren, programmierbare Controller, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare logische Bauteile (PLDs) oder dergleichen oder eine Kombination dieser Vorrichtungen. Die Software kann in einem Speicher, wie etwa in einem Arbeitsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), einem Flash-Speicher oder dergleichen, oder in einer Kombination derartiger Komponenten abgelegt sein. Die Software kann auch in einer oder mehreren Speichervorrichtungen abgelegt sein, wie etwa auf optischen Platten, Flash-Speichervorrichtungen oder einer beliebigen anderen Art von nicht flüchtigem Speichermedium zum Speichern von Daten. Die Software kann ein oder mehrere Programmmodule umfassen, das bzw. die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen und so weiter umfasst bzw. umfassen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen umsetzen. In verteilten Rechenumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule über mehrere Rechensysteme oder Rechenvorrichtungen kombiniert oder verteilt sein und anhand von Dienstaufrufen, entweder in einer verdrahteten oder einer drahtlosen Konfiguration, zugänglich sein.
  • Die Sichtmessmaschine 12 umfasst einen bewegbaren Werkstückarbeitstisch 32 und ein optisches Bildgebungssystem 34, das eine Zoomlinse oder austauschbare Linsen umfassen kann. Die Zoomlinse oder die austauschbaren Linsen stellen im Allgemeinen diverse Vergrößerungen (z. B. 0,5× bis 100×) für die Bilder bereit, die von dem optischen Bildgebungssystem 34 bereitgestellt werden. Ähnliche maschinelle Sichtinspektionssysteme werden auch in den gemeinsam übertragenen US-Patenten Nr. 7,454,053 , 7,324,682 , 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts 120 und eines Sichtkomponentenabschnitts 200 eines maschinellen Sichtinspektionssystems 100, das ähnlich wie das maschinelle Sichtinspektionssystem aus 1 ist und hier beschriebene Merkmale umfasst. Wie es nachstehend näher beschrieben wird, wird der Steuersystemabschnitt 120 verwendet, um den Sichtkomponentenabschnitt 200 zu steuern. Der Sichtkomponentenabschnitt 200 umfasst einen optischen Baugruppenabschnitt 205, die Lichtquellen 220, 230 und 240 und einen Werkstückarbeitstisch 210, der einen zentralen durchsichtigen Teil 212 aufweist. Der Werkstückarbeitstisch 210 ist entlang der X- und Y-Achsen, die in einer Ebene liegen, die zu der Oberfläche des Arbeitstischs, auf dem ein Werkstück 20 positioniert sein kann, im Allgemeinen parallel liegen, steuerbar bewegbar.
  • Der optische Baugruppenabschnitt 205 umfasst ein Kamerasystem 260, eine austauschbare Objektivlinse 250 und kann eine Revolverlinsenbaugruppe 280, welche die Linsen 286 und 288 aufweist, umfassen. Alternativ zu der Revolverlinsenbaugruppe kann eine ortsfeste oder manuell austauschbare Vergrößerungsänderungslinse oder eine Zoomlinsenkonfiguration oder dergleichen enthalten sein. Bei diversen Umsetzungen können die diversen Linsen als Teil eines variabel vergrößernden Linsenabschnitts des optischen Baugruppenabschnitts 205 enthalten sein. Bei diversen Umsetzungen kann die austauschbare Objektivlinse 250 aus einem Satz von fest vergrößernden Objektivlinsen ausgewählt werden, (z. B. einem Satz von Objektivlinsen, die Vergrößerungen, wie etwa 0,5× bis 100× usw., entsprechen).
  • Der optische Baugruppenabschnitt 205 ist entlang einer Z-Achse, die zu den X- und Y-Achsen im Allgemeinen orthogonal ist, steuerbar bewegbar unter Verwendung eines steuerbaren Motors 294, der ein Stellglied antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Brennpunkt des Bildes des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 an eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Ein Werkstück 20, oder eine Ablage oder ein Befestigungselement, die bzw. das eine Vielzahl von Werkstücken 20 festhält, die unter Verwendung des maschinellen Sichtinspektionssystems 100 abgebildet werden sollen, wird auf den Werkstückarbeitstisch 210 gelegt. Der Werkstückarbeitstisch 210 kann gesteuert werden, um sich relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 derart zu bewegen, dass sich die austauschbare Objektivlinse 250 zwischen gewissen Stellen an einem Werkstück 20 und/oder zwischen einer Vielzahl von Werkstücken 20 bewegt.
  • Eine oder mehrere von einer Arbeitstischleuchte 220, einer Koaxialleuchte 230 und einer Oberflächenleuchte 240 (z. B. einer Ringleuchte) kann bzw. können jeweils ein Ausgangslicht 222, 232 oder 242 emittieren, um das Werkstück 20 zu beleuchten. Die Koaxialleuchte 230 kann Licht 232 auf einem Weg emittieren, der einen Spiegel 290 umfasst. Das Ausgangslicht wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder durchgelassen, und das Werkstücklicht, das für die Bildgebung verwendet wird, geht durch die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280 und wird von dem Kamerasystem 260 gesammelt. Das Bild des oder der Werkstücke 20, das von dem Kamerasystem 260 aufgenommen wird, wird auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 ausgegeben. Die Lichtquellen 220, 230 und 240 können jeweils über Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 an den Steuersystemabschnitt 120 angeschlossen sein. Der Steuersystemabschnitt 120 kann die Revolverlinsenbaugruppe 280 entlang der Achse 284 drehen, um über eine Signalleitung oder einen Bus 281 eine Revolverlinse auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.
  • Wie in 2 gezeigt, umfasst der Steuersystemabschnitt 120 bei diversen beispielhaften Umsetzungen einen Controller 125, die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130, einen Speicher 140, eine Vorrichtung zum Generieren und Ausführen von Werkstückprogrammen 170 und einen Stromversorgungsabschnitt 190. Jede dieser Komponenten, sowie die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Komponenten, kann bzw. können durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den diversen Elementen zusammengeschaltet sein. Die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 umfasst eine Bildgebungssteuerschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerschnittstelle 132, eine Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 und eine Linsensteuerschnittstelle 134. Die Linsensteuerschnittstelle 134 kann einen Linsen-Controller umfassen, der eine Schaltung und/oder Routine zum Betätigen des Linsenfokus oder dergleichen umfasst. Bei diversen Umsetzungen kann die Linsensteuerschnittstelle 134 kann ferner einen Modus zum Einstellen einer Vergrößerungsänderung umfassen, den man auswählen kann oder der automatisch umgesetzt wird, wenn eine Vergrößerungsänderung vorgenommen oder detektiert wird, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 14/795,409, unter dem Titel „Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Lens in an Adjustable Magnification Optical System”, eingereicht am 9. Juli 2015, die hier zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird.
  • Bei diversen Umsetzungen kann die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 einen Modus mit erweiterter Schärfentiefe umfassen, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2015/0145980 , die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird. Ein Modus mit erweiterter Schärfentiefe kann von einem Benutzer ausgewählt werden, um mindestens ein Bild (z. B. ein zusammengesetztes Bild) eines Werkstücks mit einer Schärfentiefe zu versehen, die größer als diejenige ist, die der Sichtkomponentenabschnitt 200 bereitstellen könnte, wenn er auf eine einzige Fokusposition fokussiert ist. Die Bewegungssteuerschnittstelle 132 kann ein Positionssteuerelement 132a und ein Geschwindigkeits-/Beschleunigungssteuerelement 132b umfassen, obwohl diese Elemente zusammengelegt und/oder ununterscheidbar sein können. Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 kann Beleuchtungssteuerelemente 133a, 133n und 133fl umfassen, die beispielsweise gegebenenfalls die Auswahl, die Energie, einen Ein-/Aus-Schalter und eine Abtastimpulszeiteinstellung für die diversen entsprechenden Lichtquellen des maschinellen Sichtinspektionssystems 100 steuern.
  • Der Speicher 140 kann einen Bilddatei-Speicherabschnitt 141, einen Kantenerkennungs-Speicherabschnitt 140ed, einen Werkstückprogramm-Speicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teileprogramme oder dergleichen umfassen kann, und einen Video-Tool-Abschnitt 143 umfassen. Der Video-Tool-Abschnitt 143 umfasst den Video-Tool-Abschnitt 143a und andere Video-Tool-Abschnitte (z. B. 143n), welche die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für jedes der entsprechenden Video-Tools bestimmen, und eine Vorrichtung 143roi zum Generieren eines Interessenbereichs (ROI), die automatische, teilautomatische und/oder manuelle Vorgänge unterstützt, die diverse ROIs definieren, die in diversen Video-Tools betätigt werden können, die in dem Video-Tool-Abschnitt 143 enthalten sind. Der Video-Tool-Abschnitt umfasst auch ein Autofokus-Video-Tool 143af, das die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für Vorgänge zum Messen der Fokushöhe bestimmt. Das Autofokus-Video-Tool 143af umfasst ein Mehrfachbelichtungs-Tool 143mx, das für mehrfache Belichtungsvorgänge verwendet werden kann, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
  • Bei diversen Umsetzungen kann das Mehrfachbelichtungs-Tool 143mx in einem Lernmodus verwendet werden, um eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zu bestimmen und aufzuzeichnen, die anschließend verwendet werden kann, um ein mehrfach belichtetes Bild eines Werkstücks zu erfassen. Bei diversen Umsetzungen kann das Mehrfachbelichtungs-Tool 143mx ein spezieller Modus des Autofokus-Video-Tools 143af sein, das ansonsten gemäß einem herkömmlichen Verfahren für Autofokus-Video-Tools funktionieren kann, oder das Mehrfachbelichtungs-Tool 143mx kann ein getrenntes Video-Tool sein, das von dem Autofokus-Video-Tool 143af unabhängig ist. Bei diversen Umsetzungen kann das Autofokus-Video-Tool 143af oder ein zusätzliches Video-Tool auch ein schnelles Fokushöhen-Tool umfassen, das verwendet werden kann, um Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2014/0368726 , die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird.
  • In Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, und wie es dem Fachmann bekannt ist, bezieht sich der Begriff „Video-Tool” im Allgemeinen auf einen relativ aufwendigen Satz von automatischen oder programmierten Vorgängen, die ein Maschinensichtbenutzer über eine relativ einfache Benutzerschnittstelle (z. B. eine grafische Benutzerschnittstelle, ein editierbares Parameterfenster, Menüs und dergleichen) umsetzen kann, ohne die Schritt-für-Schritt-Sequenz von Vorgängen, die in dem Video-Tool enthalten ist, zu erstellen oder auf eine gattungsgemäße textbasierte Programmiersprache oder dergleichen zurückzugreifen. Beispielsweise kann ein Video-Tool einen aufwendigen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen und Berechnungen umfassen, die in einer bestimmten Instanz angewendet und spezifisch angepasst werden, indem einige Variablen oder Parameter angepasst werden, welche die Vorgänge und Berechnungen regeln. Zusätzlich zu den grundlegenden Vorgängen und Berechnungen umfasst das Video-Tool die Benutzerschnittstelle, die es dem Benutzer ermöglicht, diese Parameter für eine bestimmte Instanz des Video-Tools einzustellen. Beispielsweise ermöglichen es zahlreiche Maschinensicht-Video-Tools einem Benutzer, eine grafische Angabe eines Interessenbereichs (ROI) durch einfache Vorgänge des „Ziehens eines Ziehpunkts” unter Verwendung einer Maus zu konfigurieren, um die Positionsparameter einer Teilmenge eines Bildes zu definieren, das von den Bildverarbeitungsvorgängen einer bestimmten Instanz eines Video-Tools analysiert werden soll. Es sei zu beachten, dass die sichtbaren Merkmale der Benutzerschnittstelle manchmal als Video-Tool bezeichnet werden, wobei die zugrundeliegenden Vorgänge implizit enthalten sind.
  • Die Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 der Arbeitstischleuchte 220, der Koaxialleuchte 230 und der Oberflächenleuchte 240 sind jeweils alle an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Die Signalleitung 262 von dem Kamerasystem 260 und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Zusätzlich dazu, dass sie Bilddaten führt, kann die Signalleitung 262 ein Signal von dem Controller 125 führen, dass eine Bilderfassung einleitet.
  • Eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen 136 (z. B. das Display 16 aus 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 aus 1) kann bzw. können auch an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 und die Eingabevorrichtungen 138 können verwendet werden, um eine Benutzerschnittstelle anzuzeigen, die diverse Merkmale einer grafischen Benutzerschnittstelle (GUI) umfassen kann, die verwendbar sind, um Inspektionsvorgänge vorzunehmen und/oder um Teileprogramme zu erstellen und/oder zu ändern, um die Bilder zu sehen, die von dem Kamerasystem 260 aufgenommen werden, und/oder um den Sichtsystemkomponentenabschnitt 200 direkt zu steuern. Die Anzeigevorrichtungen 136 können Merkmale der Benutzerschnittstelle anzeigen (wie sie z. B. mit dem Autofokus-Video-Tool 143af, dem Mehrfachbelichtungs-Tool 143mx usw. verknüpft sind).
  • Wenn ein Benutzer bei diversen beispielhaften Umsetzungen das maschinelle Sichtinspektionssystem 100 verwendet, um ein Teileprogramm für das Werkstück 20 zu erstellen, generiert der Benutzer Teileprogrammanweisungen, indem er das maschinelle Sichtinspektionssystem 100 in einem Lernmodus betätigt, um eine gewünschte Trainingssequenz für die Bilderfassung bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Trainingssequenz das Positionieren eines bestimmten Werkstückmerkmals eines repräsentativen Werkstücks im Sehfeld (FOV), das Einstellen von Beleuchtungsstufen, das Fokussieren oder Autofokussieren, das Erfassen eines Bildes und das Bereitstellen einer Inspektionstrainingssequenz, die auf das Bild (z. B. unter Verwendung einer Instanz eines der Video-Tools an diesem Werkstückmerkmal) angewendet wird, umfassen. Der Lernmodus funktioniert derart, dass die Sequenz(en) aufgenommen oder aufgezeichnet und in entsprechende Teileprogrammanweisungen konvertiert wird bzw. werden. Wenn das Teileprogramm ausgeführt wird, bewirken diese Anweisungen, dass das maschinelle Sichtinspektionssystem die antrainierte Bilderfassung wiedergibt, und bewirken, dass die Inspektionsvorgänge das bestimmte Werkstückmerkmal (d. h. das entsprechende Merkmal an der entsprechenden Stelle) an einem oder mehreren Werkstücken, das bzw. die mit dem repräsentativen Werkstück, das beim Erstellen des Teileprogramms verwendet wird, übereinstimmt bzw. übereinstimmen, automatisch inspizieren.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines Bildgebungssystems 300, das an ein maschinelles Sichtinspektionssystem angepasst und gemäß den hier offenbarten Grundlagen betätigt werden kann. Das Bildgebungssystem 300 umfasst eine Lichtquelle 330, die konfigurierbar ist, um ein Werkstück 320 (z. B. mit Stroboskop- oder Dauerbeleuchtung) in einem Sehfeld des Bildgebungssystems 300 zu beleuchten, eine Objektivlinse 350, eine Tubuslinse 351, eine Relaislinse 352, eine Linse mit variabler Brennweite (VFL) 370, eine Relaislinse 386 und ein Kamerasystem 360.
  • Im Betrieb ist die Lichtquelle 330 konfigurierbar, um Ausgangslicht 332 auf einem Weg, der einen Teilspiegel 390 umfasst, und durch die Objektivlinse 350 hindurch auf eine Oberfläche eines Werkstücks 320 zu emittieren, wobei die Objektivlinse 350 Werkstücklicht 355 empfängt, das in einer Fokusposition FP in der Nähe des Werkstücks 320 fokussiert ist, und das Werkstücklicht 355 an die Tubuslinse 351 ausgibt. Bei diversen Umsetzungen kann die Objektivlinse 350 eine austauschbare Objektivlinse sein, und die Tubuslinse 351 kann als Teil einer Revolverlinsenbaugruppe enthalten sein (z. B. ähnlich wie die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280 aus 2). Bei diversen Umsetzungen kann die Objektivlinse 350, die Tubuslinse 351 oder eine der anderen hier erwähnten Linsen aus einzelnen Linsen, zusammengesetzten Linsen usw. gebildet sein oder in Verbindung damit funktionieren. Die Tubuslinse 351 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaislinse 352 aus.
  • Die Relaislinse 352 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die VFL-Linse 370 aus. Die VFL-Linse 370 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaislinse 386 aus. Die Relaislinse 386 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an das Kamerasystem 360 aus. Bei diversen Umsetzungen kann das Kamerasystem 360 ein Bild des Werkstücks 320 während einer Bildbelichtungsperiode aufnehmen und kann das Bild für einen Steuersystemabschnitt bereitstellen (z. B. ähnlich wie der Vorgang des Kamerasystems 260 zum Bereitstellen eines Bildes für den Steuersystemabschnitt 120 in 2).
  • Die VFL-Linse 370 ist elektronisch steuerbar, um die Fokusposition FP des Bildgebungssystems während einer oder mehreren Bildbelichtungen zu variieren. Die Fokusposition FP kann innerhalb eines Bereichs R bewegt werden, der durch eine Fokusposition FP1 und eine Fokusposition FP2 begrenzt ist. Es versteht sich, dass bei diversen Umsetzungen der Bereich R von einem Benutzer ausgewählt werden kann oder sich aus den theoretischen Parametern ergeben kann oder ansonsten automatisch bestimmt werden kann. Im Allgemeinen versteht es sich mit Bezug auf das Beispiel aus 3, dass einige der abgebildeten Dimensionen vielleicht nicht maßstabsgetreu sind. Beispielsweise kann die VFL-Linse 370 andere proportionale Abmessungen als die abgebildeten aufweisen (z. B. kann sie für bestimmte Anwendungen nicht so breit sein und bis zu 50 mm lang oder länger sein, um ein gewünschtes Ausmaß an Linsenwirkung usw. bereitzustellen).
  • Bei verschiedenen Arten der Implementierung/Anwendung kann ein maschinelles Sichtinspektionssystem aus einem Kontrollsystem (z. B. dem Kontrollsystem 120 aus 2) bestehen, das so konfigurierbar ist, dass es in Verbindung mit dem Linsen-Controller 374 zusammenarbeitet oder anderenfalls die VFL-Linse 370 so steuert, dass sie die Fokusposition des Abbildungssystem 300 periodisch moduliert. Bei einigen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 die Fokusposition sehr schnell einstellen oder modulieren (z. B. periodisch mit einer Rate von mindestens 300 Hz oder 3 kHz oder 70 kHz oder viel höher). Bei einer beispielhaften Umsetzung kann der Bereich R ungefähr 10 mm betragen (für eine 1X-Objektivlinse 350). Bei diversen Umsetzungen wird die VFL-Linse 370 vorteilhaft derart gewählt, dass sie keine makroskopischen mechanischen Einstellungen in dem Bildgebungssystems und/oder keine Einstellung des Abstands zwischen der Objektivlinse 350 und dem Werkstück 320 benötigt, um die Fokusposition FP zu ändern. In diesem Fall kann gemäß den hier offenbarten Grundlagen ein mehrfach belichtetes Bild mit einer hohen Rate erfasst werden, oder wie es in der zuvor übernommenen Druckschrift '980 beschrieben wird, kann ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe erfasst werden, und ferner gibt es weder makroskopische Einstellungselemente noch eine damit verbundene Nicht-Wiederholbarkeit der Positionierung, um die Genauigkeit zu verschlechtern, wenn das gleiche Bildgebungssystem verwendet wird, um Inspektionsbilder mit festgelegtem Fokus zu erfassen. Wie in der zuvor übernommenen Patentschrift '726 beschrieben, können die Änderungen der Fokusposition FP auch verwendet werden, um schnell einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern in einer Vielzahl von Positionen entlang einer Z-Höhenrichtung in der Nähe des Werkstücks 320 umfasst.
  • Bei diversen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex („TAG”) sein. Eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex ist eine lichtstarke VFL-Linse, die Schallwellen in einem Fluidmedium verwendet, um eine Fokusposition zu modulieren, und einen Bereich von Brennweiten auf einer Frequenz von mehreren hundert kHz periodisch wobbeln kann. Eine derartige Linse ist aus den Lehren des Artikels „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens" (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008) zu verstehen, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Linsen mit abstimmbarem akustischen Gradientenindex und diesbezügliche steuerbare Signalgeber sind beispielsweise bei TAG Optics, Inc., aus Princeton, New Jersey, erhältlich. Die Linsen der Modellreihe TL2.B.xxx sind beispielsweise zu einer Modulation von bis zu ungefähr 600 kHz fähig.
  • Bei diversen Umsetzungen, wie es in der zuvor übernommenen Druckschrift '726 ausführlicher beschrieben wird, kann das Kamerasystem 360 einen Sensor mit einem Global-Shutter umfassen, d. h. einen Sensor, der jeden Pixel gleichzeitig belichtet. Eine derartige Ausführungsform ist dadurch vorteilhaft, dass sie die Fähigkeit bereitstellt, Bildstapel ohne Bewegung eines Werkstücks oder eines beliebigen Teils des Bildgebungssystems 300 zu messen. Bei diversen alternativen Umsetzungen kann das Kamerasystem 360 einen Sensor mit einem elektronischen Rolling-Shutter-(ERS)System umfassen. Beispielsweise kann das Kamerasystem einen schwarzweißen CMOS-Sensor umfassen, der eine SXGA-Auflösung verwendet, gekoppelt mit einem elektronischen Rolling-Shutter-(ERS) (z. B. Modell MT9M001 von Aptina Imaging aus San Jose, Kalifornien).
  • Die VFL-Linse 370 kann von einem Linsen-Controller 374 angesteuert werden, der ein Signal generieren kann, um die VFL-Linse 370 zu betätigen. Bei einer Ausführungsform kann der Linsen-Controller 374 ein handelsüblicher steuerbarer Signalgeber sein. Bei einigen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 374 von einem Benutzer und/oder einem Betriebsprogramm über die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder die Linsensteuerschnittstelle 134 und/oder das Mehrfachbelichtungs-Tool 143mx, wie zuvor mit Bezug auf 2 besprochen, konfiguriert oder gesteuert werden. Bei einigen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 unter Verwendung eines periodischen Signals betätigt werden, so dass die Fokusposition FP im Verlauf der Zeit auf einer hohen Frequenz sinusförmig moduliert wird. Beispielsweise kann bei einigen beispielhaften Umsetzungen eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex für Fokusabtastraten bis zu 400 kHz konfiguriert sein, obwohl es sich versteht, dass langsamere Fokuspositionseinstellungen und/oder Modulationsfrequenzen bei diversen Umsetzungen und/oder Anwendungen erwünscht sein können. Beispielsweise kann bei diversen Umsetzungen eine periodische Modulation von 300 Hz oder 3 kHz oder 70 kHz oder 250 kHz oder dergleichen verwendet werden. Bei Umsetzungen, bei denen langsamere Fokuspositionseinstellungen verwendet werden, kann die VFL-Linse 370 eine steuerbare Fluidlinse oder dergleichen umfassen.
  • Bei dem Beispiel aus 3 sind die Relaislinsen 352 und 386 und die VFL-Linse 370 bezeichnet, wie sie in einer optischen 4f-Konfiguration enthalten sind, während die Relaislinse 352 und die Tubuslinse 351 bezeichnet sind, wie sie in einer Kepler-Teleskopkonfiguration enthalten sind, und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 sind bezeichnet, wie sie in einer Mikroskopkonfiguration enthalten sind. Alle abgebildeten Konfigurationen sind als rein beispielhaft und mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung nicht einschränkend zu verstehen. Als Teil der Kepler-Teleskopkonfiguration ist eine Brennweite FTUBE der Tubuslinse 351 abgebildet, wie sie ungefähr äquidistant zu einem Mittelpunkt zwischen den Linsen 351 und 352 ist, sowie es eine Brennweite f der Relaislinse 352 ist. Bei alternativen Umsetzungen kann die Brennweite FTUBE für die Tubuslinse 351 gestaltet sein, um anders als die Brennweite f der Relaislinse 352 zu sein (die einem der 4f der optischen 4f-Konfiguration entspricht). Bei diversen Umsetzungen, bei denen die Tubuslinse 351 als Teil einer Revolverlinsenbaugruppe enthalten sein kann, kann es für andere Tubuslinsen der Revolverlinsenbaugruppe wünschenswert sein, wenn sie in die Betriebsposition gedreht werden, einen Brennpunkt an der gleichen Stelle aufzuweisen (d. h. um auf den Brennpunkt der Relaislinse 352 zu treffen).
  • Wie es in der zuvor übernommenen Anmeldung '409 ausführlicher beschrieben wird, kann das Verhältnis der Brennweite FTUBE zu der Brennweite f verwendet werden, um den Durchmesser des kollimierten Strahls des Werkstücklichts 355 aus der Relaislinse 352 mit Bezug auf den kollimierten Strahl des Werkstücklichts 355, der in die Tubuslinse 351 eingegeben wird, zu ändern. Es versteht sich mit Bezug auf die kollimierten Strahlen des Werkstücklichts 355, die jeweils in die Tubuslinse 351 eingegeben und aus der Relaislinse 352 ausgegeben werden, dass bei diversen Umsetzungen diese kollimierten Strahlen zu größeren Weglängen verlängert werden können, und/oder dass Strahlenteiler mit Bezug auf diese kollimierten Strahlen zum Bereitstellen zusätzlicher Lichtwege verwendet werden können (wie sie z. B. auf verschiedene Kamerasysteme usw. gerichtet werden).
  • Bei diversen Umsetzungen ermöglicht die abgebildete optische 4f-Konfiguration die Anordnung der VFL-Linse 370 (die beispielsweise eine Vorrichtung mit geringer numerischer Apertur (NA) sein kann, wie etwa eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex) auf der Fourier-Ebene FPL der Objektivlinse 350. Diese Konfiguration kann die Telezentrizität am Werkstück 320 bewahren und kann eine Maßstabsänderung und Bildverzerrung minimieren (die z. B. das Bereitstellen einer konstanten Vergrößerung für jede Z-Höhe des Werkstücks 320 und/oder Fokusposition FP umfasst). Die Kepler-Teleskopkonfiguration (die z. B. die Tubuslinse 351 und die Relaislinse 352 umfasst) kann zwischen der Mikroskopkonfiguration und der optischen 4f-Konfiguration enthalten und konfiguriert sein, um eine gewünschte Größe der Projektion der freien Apertur der Objektivlinse an der Stelle der VFL-Linse bereitzustellen, um Bildaberrationen usw. zu minimieren.
  • Es versteht sich, dass bei diversen Umsetzungen gewisse Typen von Dimensionsmessungen eine diffraktionsnahe oder diffraktionsbegrenzte Bildgebung erfordern können. Die in 3 abgebildete Konfiguration reduziert Aberrationen durch Einschränken der Position außerhalb der Achse der Pupille der Objektivlinse 350, die in die VFL-Linse 370 abgebildet wird. Bei dieser Konfiguration kann die radiale Erstreckung gehalten werden, um geringer als die radiale Erstreckung des ersten Bessel-Rings in dem Brechungsindexprofil der Stehwelle der VFL-Linse 370 (z. B. eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex) auf ihrer niedrigsten Resonanzfrequenz fR,MIN zu sein, wie es in der zuvor übernommenen Anmeldung '409 ausführlicher beschrieben wird. Auf diese Art und Weise überschreitet das Licht aus der Mikroskopkonfiguration (d. h. einschließlich der Objektivlinse 350 und der Tubuslinse 351) nicht die größte freie Apertur CAVFL,MAX der VFL-Linse 370. Bei einer Umsetzung, bei der das Licht die größte freie Apertur doch überschritten hat, könnte das Licht mit dem Bereich der Stehwelle der VFL-Linse 370, die einen unerwünschten Brechungsindex aufweisen könnte, der die Aberrationen erhöhen und die Präzision der Dimensionsmessungen reduzieren könnte, interagieren.
  • 4 ist eine Grafik eines Zeitdiagramms 400, die eine periodisch modulierte Z-Höhe der Fokusposition des Bildgebungssystems aus 3 zeigt, wie sie durch periodisches Modulieren der Brennweite einer Linse mit variabler Brennweite in dem Bildgebungssystem (z. B. die VFL-Linse 370), wie zuvor besprochen, gesteuert wird. Die periodisch modulierte Z-Höhe wird als Sinuswelle 410 dargestellt, die auch mit „Z-Höhenzyklus” bezeichnet ist. Die Beziehung der Z-Höhe zu der Phasenzeit kann durch eine Kalibrierung gemäß bekannten Grundlagen festgelegt werden (z. B. durch wiederholtes Abstufen einer Oberfläche bis auf eine bekannte Z-Höhe und dann manuelles oder rechnerisches Bestimmen der Phasenzeit, die ein Bild am besten auf der bekannten Z-Höhe fokussiert, und Speichern dieser Beziehung in einer Suchtabelle oder dergleichen).
  • Das Diagramm 400 zeigt auch qualitativ, wie eine stroboskopische Beleuchtung zeitlich eingestellt werden kann, um einer jeweiligen Phasenzeit (z. B. ϕ0, ϕ1, ϕ12, ϕn usw.) der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, um ein Bild zu belichten, das auf einer jeweiligen Z-Höhe (z. B. zϕ0, zϕ1, zϕ12, zϕn usw.) scharf eingestellt ist. D. h. bei dem abgebildeten Beispiel, während eine Digitalkamera ein Bild während einer Integrationsperiode erfasst, falls ein Abtastimpuls mit Bezug auf die Periode der Fokusmodulation kurz ist und zu der Phasenzeit ϕ0 bereitgestellt wird, dann befindet sich die Fokusposition auf der Höhe zϕ0, und eine beliebige Werkstückfläche, die sich auf der Höhe zϕ0 befindet, ist in dem sich ergebenden Bild scharf eingestellt. Dies gilt natürlich auch für die anderen beispielhaften Phasenzeiten und Z-Höhen, die in dem Diagramm 400 gezeigt werden.
  • Es versteht sich, dass die Phasenzeiten, die in dem Diagramm 400 gezeigt werden, rein beispielhaft und nicht einschränkend sind. Ganz allgemein weist eine beliebige Phasenzeit, die von einem Benutzer ausgewählt wird oder automatisch von einem Steuersystem ausgewählt wird, eine verknüpfte Z-Höhe der Fokusposition in dem Bereich der Fokuspositionen zϕ0 bis zϕn auf, welche die minimalen und maximalen Z-Höhen der periodisch modulierten Z-Höhe der Fokusposition darstellen. Es versteht sich auch, dass falls ein Abtastimpuls zu einer bestimmten Phasenzeit nicht ausreicht, um ein gut belichtetes Bild bereitzustellen, der Abtastimpuls zu dieser bestimmten Phasenzeit während einer beliebigen gewünschten Anzahl von Perioden innerhalb der Bildintegrationsperiode wiederholt werden kann (wie schematisch durch die wiederholten Instanzen von beliebigen der beispielhaften Phasenzeiten ϕ0, ϕ1, ϕ12 in dem Diagramm 400 abgebildet). Einer oder tausende dieser Impulse kann bzw. können in einer Integrationsperiode bei einigen Ausführungsformen oder Umsetzungen integriert werden. Die Wirkung besteht darin, dass die Bildbelichtung zunimmt, die dieser bestimmten Phasenzeit und/oder Z-Höhe in dem sich ergebenden Bild entspricht. (Als spezifische beispielhafte Umsetzung für eine Linse mit variabler Brennweite, die auf einer Frequenz von 72 kHz moduliert, und eine Bildgebungsanordnung in einer Kamera, die mit 30 Einzelbildern pro Sekunde arbeitet, entspricht eine Einzelbilderfassungszeit einer einzigen Kamera 2400 Zyklen der Linse mit variabler Brennweite und der sich ergebenden Fokusposition Z-Höhe.) Es versteht sich, dass die beispielhaften Phasenzeiten ϕ1 und ϕ12 auf einer steigenden Flanke des Z-Höhenzyklus gezeigt werden. Bei einigen Ausführungsformen können Impulse auch in einer Integrationsperiode integriert werden, die den gleichen Z-Höhen während einer fallenden Flanke des Z-Höhenzyklus entspricht.
  • 5 ist eine Grafik 500, die einen waagerecht erweiterten Abschnitt der periodisch modulierten Z-Höhe 410' der in 4 gezeigten Fokusposition und Phasenzeiten, die denjenigen entsprechen, die verwendbar sind, um einen Bildstapel zu erheben (der durch die Phasenzeitpositionen der senkrechten gestrichelten Linien in der Grafik 500 dargestellt sind), zeigt, und auch qualitativ zeigt, wie erste und zweite bestimmte Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die den ersten und zweiten Phasenzeiten (z. B. den beispielhaften Phasenzeiten ϕ10 und ϕ27) der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, kombiniert werden können, um ein mehrfach belichtetes Bild zu ergeben, das eine ausreichende Bildschärfe in ersten und zweiten Interessenbereichen, die sich auf verschiedenen Z-Höhen befinden (z. B. der z-Höhe zROI1 für einen Interessenbereich ROI1 und der z-Höhe zROI2 für einen Interessenbereich ROI2), bereitstellt.
  • Bezüglich der Phasenzeiten, die denjenigen entsprechen, die verwendbar sind, um einen Bildstapel zu erheben (in der Grafik 500 durch die Phasenzeitpositionen der senkrechten gestrichelten Linien dargestellt), kann gemäß den hier offenbarten Grundlagen bei einer Umsetzung ein Bildstapel (oder mehrere Bildstapel) mit Bezug auf erste und zweite Interessenbereiche an einem repräsentativen Werkstück in einem Lernmodus erfasst werden. Beispielsweise kann ein Bildstapel durch Belichten eines ersten Bildes unter Verwendung eines oder mehrerer Abtastimpulse (über eine oder mehrere Perioden), der bzw. die mit der Phasenzeit ϕ0 zusammenfällt bzw. zusammenfallen, erfasst werden. Ein zweites Bild in dem Bildstapel kann ähnlich unter Verwendung der Phasenzeit ϕ1 und so weiter bis zu ϕ35 bei dem abgebildeten Beispiel erfasst werden. Es versteht sich, dass ein Bildstapel ein Sehfeld unter Verwendung diverser Fokuspositionen abbildet und im Allgemeinen eine beliebige gewünschte Anzahl von Bildern auf erwünschten Z-Höhen umfassen kann, die unter Verwendung entsprechender Phasenzeiten erfasst werden.
  • Mit Bezug auf 5, die zeigt, wie erste und zweite bestimmte Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die den ersten und zweiten Phasenzeiten (z. B. den beispielhaften Phasenzeiten ϕ10 und ϕ27) der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, kombiniert werden können, um ein mehrfach belichtetes Bild zu ergeben, wird folgende Erklärung gegeben: Wie in 5 abgebildet, sind die ersten und zweiten Interessenbereiche ROI1 und ROI2 in dem Sehfeld an einem repräsentativen Werkstück als eine ausreichende Bildschärfe in den jeweiligen Bildern eines Bildstapels aufweisend angegeben. Über den ROI1 wird angegeben, dass er am besten oder ausreichend auf eine Z-Höhe zROI1, die einer Phasenzeit ϕ10 entspricht, fokussiert ist, und über den ROI2 wird angegeben, dass er am besten oder ausreichend auf eine Z-Höhe zROI2, die einer Phasenzeit ϕ27 entspricht, fokussiert ist. Dies kann beispielsweise in einem Lernbetriebsmodus durch Analysieren des Kontrasts (z. B. gemäß bekannten Verfahren) in dem ersten Interessenbereich ROI1 und dem zweiten Interessenbereich ROI2 in jedem Bild eines Bildstapels, der während des Betätigungslernmodus erfasst wird, bestimmt werden. Dann können die bestimmten Bilder und/oder die interpolierten Z-Höhen, von denen angegeben wird, dass sie den besten oder ausreichenden Kontrast und Fokus jeweils für den ROI1 und den ROI2 bereitstellen, bestimmt werden (z. B. wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird). Bei diversen Ausführungsformen können die Z-Höhen und/oder der Unterschied zwischen den Z-Höhen und/oder den ersten und zweiten Phasenzeiten, die den ersten und zweiten Z-Höhen entsprechen (oder andere Daten, die eine entsprechende Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben) in einem Teileprogramm, das jeweils dem ROI1 und dem ROI2 entspricht, aufgezeichnet werden. Vorausgesetzt ein Werkstück ähnlich wie das repräsentative Werkstück befindet sich auf einer ähnlichen Z-Höhe mit Bezug auf das Bildgebungssystem, kann die erste Phasenzeit als erster Mehrfachbelichtungszeitwert verwendet werden, um den ROI1 in einem mehrfach belichteten Bild scharf eingestellt zu belichten, und die zweite Phasenzeit kann als zweiter Mehrfachbelichtungszeitwert verwendet werden, um den ROI2 in dem gleichen mehrfach belichteten Bild scharf eingestellt zu belichten.
  • Bei diversen Umsetzungen kann eine Bestimmung eines Bildes, das die beste oder ausreichende Bildschärfe für einen Interessenbereich aufweist, gemäß diversen Techniken erfolgen. Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung kann eine Technik, die eine Analyse einer Fokuskurve umfasst, verwendet werden. Eine Fokuskurve kann basierend auf Fokuskurvendatenpunkten gebildet werden, die gemäß bekannten Verfahren festgelegt werden können (wie es beispielsweise in den übernommenen Referenzen beschrieben wird). Kurz gesagt wird bei einem beispielhaften Verfahren für jedes aufgenommene Bild in dem Bildstapel ein Fokusmetrikwert basierend auf dem jeweiligen Interessenbereich in diesem Bild berechnet, und dieser Fokusmetrikwert wird zu einem Datenpunkt auf der Fokuskurve (z. B. bezüglich der entsprechenden Phasenzeit und Z-Höhe, mit denen das Bild aufgenommen wurde). Dies ergibt Fokuskurvendaten, die man einfach als „Fokuskurve” oder „Autofokuskurve” bezeichnen kann. Beispielhafte Techniken für die Bestimmung und Analyse von Bildstapeln und Fokuskurven werden in dem US-Patent Nr. 6,542,180 gelehrt, das gemeinsam übertragen ist und hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Bei einer Umsetzung kann ein Bild, das eine ausreichende Bildschärfe für einen Interessenbereich aufweist, gemäß einem Bild bestimmt werden, das sich an oder in der Nähe der Spitze der Fokuskurve befindet (z. B. ein Bild, das den höchsten oder nächsthöchsten Fokusmetrikwert für den jeweiligen Interessenbereich mit Bezug auf die anderen Bilder in dem Bildstapel aufweist).
  • Bei diversen Umsetzungen können diese Techniken als Teil eines automatischen Fokussierungsvorgangs, der eine Bildanalyse umfasst, verwendet werden. Beispielsweise können gemäß den hier offenbarten Grundlagen diese Techniken in einem Lernmodus verwendet werden, um automatisch erste und zweite Mehrfachbelichtungszeitwerte zu bestimmen, und Daten, die eine entsprechende Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, können aufgezeichnet werden. Anschließend (z. B. im Laufmodus) können diese Techniken verwendet werden, um automatisch einen ersten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes zu bestimmen, der eine ausreichende Bildschärfe für den ersten Interessenbereich an einem aktuellen Werkstück ergibt. Ein zweiter Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes kann dann basierend auf den aufgezeichneten Daten, welche die entsprechende Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, ohne die Verwendung eines automatischen Fokussierungsvorgangs, der eine Bildanalyse umfasst, zu benötigen, mit Bezug auf den zweiten Interessenbereich bestimmt werden. Bei einer Umsetzung, die Fokuskurven zur Bildanalyse verwendet, würde dies bedeuten, dass für den zweiten Interessenbereich an dem aktuellen Werkstück keine Fokuskurve generiert und analysiert werden müsste, wodurch der Gesamtprozess (z. B. im Laufmodus) schneller und wirksamer erfolgen könnte.
  • 6 bis 8 sind Diagramme, die eine Anzeige 700 einer Benutzerschnittstelle eines maschinellen Sichtinspektionssystems abbilden, die eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) für ein Mehrfachbelichtungs-Tool 770 umfasst. Bei dem in 6 gezeigten beispielhaften Zustand umfasst die Anzeige 700 der Benutzerschnittstelle ein Sehfeldfenster 703, das ein Werkstückbild 710A anzeigt, das eine erste Oberfläche 711 (z. B. mit dem Schriftzug „MICRO”) und eine zweite Oberfläche 712 (z. B. mit dem Schriftzug „NCODER”) umfasst. Die ersten und zweiten Oberflächen 711 und 712 liegen auf verschiedenen Z-Höhen. Die Anzeige 700 der Benutzerschnittstelle umfasst auch diverse Auswahlleisten für Messungen und/oder Vorgänge, wie etwa die Auswahlleisten 720 und 740, ein Echtzeit-XYZ-(Positions-)Koordinatenfenster 730 und ein Lichtsteuerungsfenster 750.
  • Das Sehfeldfenster 703 umfasst das Mehrfachbelichtungs-Tool 770, das in dem Werkstückbild 710A eingeblendet ist. Das Mehrfachbelichtungs-Tool 770 umfasst einen ersten Abschnitt 771, der einen ersten Interessenbereich ROI1 (z. B. auf der ersten Oberfläche 711, die einer ersten Z-Höhe entspricht) definiert, und einen zweiten Abschnitt 772, der einen zweiten Interessenbereich ROI2 (z. B. auf der zweiten Oberfläche 712, die einer zweiten Z-Höhe entspricht) definiert. Falls der Benutzer das Mehrfachbelichtungs-Tool 770 (oder einen Teil davon) zur Bearbeitung auswählt, kann die Benutzerschnittstelle bei diversen Umsetzungen automatisch ein Dialogfenster 760 für Tool-Parameter anzeigen, das es dem Benutzer ermöglicht, gewisse Aspekte (wie beispielsweise Position und Größe des Tools) einzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Benutzer in der Lage sein, diverse Aspekte grafisch einzustellen (z. B. durch Anklicken und Ziehen des Tools insgesamt oder gewisser Teile desselben), um die Position, Größe, Orientierung usw. des Mehrfachbelichtungs-Tools 770 zu ändern.
  • Bei dem in 6 gezeigten beispielhaften Zustand wurde das Mehrfachbelichtungs-Tool 770 verwendet, um ein Werkstückbild 710A zu erfassen, das eine ausreichende Bildschärfe für den ersten Interessenbereich ROI1 aufweist. Beispielsweise im Lernmodus oder während nachfolgender Vorgänge (z. B. im Laufmodus) kann ein automatischer Fokussierungsvorgang, der eine Bildanalyse umfasst (z. B. von Bildern in einem erfassten Bildstapel), verwendet werden, um einen ersten Mehrfachbelichtungszeitwert zu bestimmen, der eine ausreichende Bildschärfe für den ersten Interessenbereich ROI1 erzeugt. Es versteht sich, dass wenn ein Bild von einem Bildstapel mit einer ausreichenden Bildschärfe für den ersten Interessenbereich ROI1 ausgewählt wird, der zweite Interessenbereich ROI2 in dem gleichen Bild relativ unscharf sein kann, wie in dem Werkstückbild 710A aus 6 abgebildet. Wie zuvor angemerkt, kann dies mindestens teilweise auf den Z-Höhenunterschied zwischen den Oberflächen 711 und 712 jeweils in den ersten und zweiten Interessenbereichen ROI1 und ROI2 zurückzuführen sein.
  • Wie zuvor beschrieben, kann im Lernmodus ein automatischer Fokussierungsvorgang, der eine Bildanalyse umfasst, auch verwendet werden, um einen zweiten Mehrfachbelichtungszeitwert zu bestimmen, der eine ausreichende Bildschärfe für den zweiten Interessenbereich ROI2 erzeugt (nicht gezeigt). Dann können Daten aufgezeichnet werden, welche die Stellen der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück angeben, und es können Daten aufgezeichnet werden, die eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zwischen den ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten angeben. Bei diversen Umsetzungen können die aufgezeichneten Daten verwendbar sein, um Vorgänge zu definieren, die eine Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes basierend mindestens teilweise auf der Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung steuern, wenn sie ein mehrfach belichtetes Bild von ersten und zweiten Interessenbereichen an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, erfassen.
  • 7 ist ein Diagramm, das die Anzeige 700 der Benutzerschnittstelle des maschinellen Sichtinspektionssystems aus 6 abbildet, wobei das Mehrfachbelichtungs-Tool 770 verwendet wurde, um ein mehrfach belichtetes Bild des Werkstücks zu erfassen. Beispielsweise (z. B. im Laufmodus) sobald ein erster Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes (z. B. unter Verwendung eines automatischen Fokussierungsvorgangs, der eine Bildanalyse umfasst) bestimmt wurde, können die aufgezeichneten Daten, welche die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, verwendet werden, um eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes und einem zweiten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes zu bestimmen. Das Bildgebungssystem kann dann unter Verwendung der periodisch modulierten Fokusposition zusammen mit der Verwendung der ersten und zweiten Zeitwerte einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes für jeweilige Instanzen stroboskopischer Beleuchtung verwendet werden, um die Gesamtbildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche zu verbessern, während ein mehrfach belichtetes Bild des aktuellen Werkstücks erfasst wird. Als anderes Beispiel kann das Bildgebungssystem im Lernmodus unter Verwendung der periodisch modulierten Fokusposition in Verbindung mit der Verwendung der ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerte für jeweilige Instanzen stroboskopischer Beleuchtung betätigt werden, während ein mehrfach belichtetes Bild des repräsentativen Werkstücks erfasst wird.
  • Auf jeden Fall erläutert in dem in 7 gezeigten beispielhaften Zustand ein erfasstes Werkstückbild 710B (bei dem es sich um ein mehrfach belichtetes Bild handelt, wie zuvor beschrieben), dass die Gesamtbildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche ROI1 und ROI2 verbessert wurde. Genauer gesagt wurde in dem Werkstückbild 710B aus 7 (z. B. im Vergleich zu dem Werkstückbild 710A aus 6) die Bildschärfe des zweiten Interessenbereichs ROI2 erheblich verbessert (z. B. wie es die Reduzierung der Unschärfe und die Lesbarkeit der Buchstaben „OD” zeigen), während sich die Bildschärfe für den ersten Interessenbereich ROI1 durch die zweite Instanz stroboskopischer Beleuchtung nur wenig verschlechtert (z. B. weil die scharf eingestellte Oberfläche ein wenig durch defokussiertes Licht von der anderen Fokusebene kontaminiert wird). Daraufhin wurde die Gesamtbildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche ROI1 und ROI2 verbessert.
  • 8 ist ein Diagramm 800, das die Anzeige der Benutzerschnittstelle des maschinellen Sichtinspektionssystems aus 8 abbildet, die zusätzliche Video-Tools umfasst, die zum Ausführen von Vorgängen zum Inspizieren von Werkstückmerkmalen (z. B. Finden von Werkstückmerkmalen) in dem mehrfach belichteten Bild 710B des Werkstücks verwendet werden. In dem in 8 gezeigten beispielhaften Zustand werden die Punkt-Tools 980A und 980B verwendet, um erste und zweite Kantenmerkmale EF1 und EF2 jeweils in den ersten und zweiten Interessenbereichen ROI1 und ROI2 zu finden. Bei anderen Umsetzungen können andere Video-Tools (z. B. Rechteck-Tools, Kreis-Tools, Bogen-Tools usw.) verwendet werden, um andere Werkstückmerkmale zu finden. Die Vorgänge dieser Video-Tools zum Finden von Kantenmerkmalen und zum Ausführen anderer Vorgänge zum Inspizieren von Werkstückmerkmalen werden in den zuvor übernommenen Referenzen sowie in dem US-Patent-Nr. 7,627,162 , das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben.
  • Sobald diverse Merkmale gefunden wurden, können zusätzliche Inspektionsvorgänge ausgeführt werden. Beispielsweise kann bei der Umsetzung aus 8, sobald die Kantenmerkmale EF1 und EF2 gefunden wurden, ein Abstand D1 zwischen den Kantenmerkmalen EF1 und EF2 bestimmt werden. Es versteht sich, dass Inspektionsvorgänge, wie etwa die Bestimmung des Abstands D1, eine höhere Wahrscheinlichkeit der Genauigkeit aufweisen können, wenn sie an dem einzigen mehrfach belichteten Bild 710B ausgeführt werden, im Vergleich zu früheren Systemen, bei denen vielleicht mehrere Bilder notwendig waren (z. B. unter Verwendung verschiedener Bilder für jeden der Interessenbereiche auf den verschiedenen Z-Höhen, wobei eine eventuelle Fehlausrichtung zwischen den Bildern oder Merkmalen, die sich aus mechanischen Ungenauigkeiten des Z-Arbeitstisches ergeben, zu Messfehlern usw. führen könnten). Bei diversen Umsetzungen kann die Bildqualität in jedem der ersten und zweiten Interessenbereiche ROI1 und ROI2 analysiert werden, um zu bestätigen, dass die Bildschärfe besser als eine vorbestimmte Schwelle ist, die sich auf ein gewünschtes Genauigkeitsniveau für das Finden der ersten und zweiten Kantenmerkmalen EF1 und EF2 bezieht. Die vorbestimmte Schwelle kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob eine ausreichende Bildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche ROI1 und ROI2 vorliegt.
  • Es versteht sich, dass das mehrfach belichtete Bild 710B mit Bezug auf die ersten und zweiten Interessenbereiche ROI1 und ROI2 ausreichend fokussiert sein kann, damit Inspektionsvorgänge (z. B. wie die zuvor beschriebenen) genau ausgeführt werden können. Bei früheren Systemen erforderten derartige Inspektionsvorgänge für Werkstückmerkmale auf verschiedenen Z-Höhen die Verwendung von mehreren Bildern und/oder eine Nachbearbeitung der Bilder, um diese Werkstückmerkmale genau zu bestimmen und zu messen. Durch das Ermöglichen der schnellen Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes mit Werkstückmerkmalen auf verschiedenen Z-Höhen, ohne die Verwendung von Bilddaten aus zusätzlichen Bildern zu benötigen, verbessern sich Geschwindigkeit und Effizienz des Systems für diese Vorgänge.
  • Bei diversen alternativen Umsetzungen kann eine gewisse selektive Nachbearbeitung (z. B. Entfaltung unter Verwendung von Bilddaten aus zusätzlichen Bildern) an dem mehrfach belichteten Bild ausgeführt werden. Beispielsweise können Techniken ähnlich wie die Entfaltung der integrierten Punktspreizfunktion, die in der zuvor übernommenen Druckschrift '980 beschrieben wird, verwendet werden. Bei derartigen Umsetzungen kann die Punktspreizfunktion, die zur Nachbearbeitung verwendet wird, nur für vorgegebene Z-Höhen (die z. B. den ersten und zweiten Interessenbereichen ROI1 und ROI2 entsprechen) statt für den gesamten Z-Abtastbereich integriert werden.
  • 9 ist ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine 1000 zum Bestimmen und Aufzeichnen einer Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung (z. B. in einem Lernmodus) abbildet. In Block 1010 werden erste und zweite Interessenbereiche, die verschiedene Z-Höhen an einem repräsentativen Werkstück aufweisen, definiert. In Block 1020 wird mindestens ein Bildstapel erhoben, der jeweilige Bilder der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück, die auf den jeweiligen Z-Höhen fokussiert sind, umfasst. Bei diversen Umsetzungen wird jedes jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels unter Verwendung mindestens einer Instanz stroboskopischer Beleuchtung, die zeitlich eingestellt ist, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, die dem Fokus auf einer jeweiligen Z-Höhe für das jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels entspricht, belichtet. Bei diversen Umsetzungen kann die mindestens eine Instanz stroboskopischer Beleuchtung, die zeitlich eingestellt ist, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, die dem Fokus auf einer jeweiligen Z-Höhe für ein jeweiliges Bild des mindestens einen Bildstapels entspricht, eine Vielzahl von wiederholten Beleuchtungsinstanzen zu dieser jeweiligen Phasenzeit über mehrere Perioden des Fokuszyklus innerhalb einer Bildintegrationsperiode umfassen.
  • In Block 1030 werden erste und zweite Mehrfachbelichtungszeitwerte für Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, die eine ausreichende Bildschärfe jeweils für die ersten und zweiten Interessenbereiche erzeugen, mindestens teilweise basierend auf einer Analyse des Fokus der ersten und zweiten Interessenbereiche in dem mindestens einen Bildstapel bestimmt. In Block 1040 werden Daten, welche die Stellen der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück angeben, und Daten, die eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zwischen den ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten angeben, aufgezeichnet. Bei diversen Umsetzungen sind die aufgezeichneten Daten verwendbar, um Vorgänge zu definieren, die eine Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes mindestens teilweise basierend auf der Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung definieren, wenn ein mehrfach belichtetes Bild von ersten und zweiten Interessenbereiche an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, erfasst wird.
  • Bei diversen Umsetzungen können die aufgezeichneten Daten in Verbindung mit einem Teileprogramm zum Inspizieren von Instanzen des repräsentativen Werkstücks aufgezeichnet werden, und die Verwendung der aufgezeichneten Daten kann das Ausführen des Teileprogramms an der Gebrauchsinstanz des maschinellen Sichtinspektionssystems umfassen. Bei diversen Umsetzungen kann die Gebrauchsinstanz (die z. B. im Laufmodus verwendet wird) und die erste Instanz (die z. B. im Lernmodus verwendet wird) des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem das gleiche maschinelle Sichtinspektionssystem sein oder kann alternativ ein anderes maschinelles Sichtinspektionssystem sein.
  • Bei diversen Umsetzungen kann im Lernmodus ein dritter (oder weitere) Mehrfachbelichtungszeitwert für eine Instanz stroboskopischer Beleuchtung mindestens teilweise basierend auf einer Analyse eines Fokus eines dritten Interessenbereichs in dem mindestens einen Bildstapel bestimmt werden. Das Aufzeichnen der Daten kann entsprechend das Aufzeichnen von Daten, welche die Stelle des dritten Interessenbereichs an dem repräsentativen Werkstück angeben, und Daten, die eine zusätzliche Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zwischen dem dritten Mehrfachbelichtungszeitwert und mindestens einem von den ersten oder zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten angeben, umfassen. Die aufgezeichneten Daten können somit verwendbar sein, um Vorgänge zu definieren, die eine Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes mindestens teilweise basierend auf der Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung und der zusätzlichen Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung, wenn eine Gebrauchsinstanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem betätigt wird, um ein mehrfach belichtetes Bild der ersten, zweiten und dritten (oder weiterer) Interessenbereiche an einem aktuellen Werkstück zu erfassen, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, steuern.
  • 10 ist ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine 1100 zum Verwenden einer aufgezeichneten Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zum Erfassen eines mehrfach belichteten Bildes eines Werkstücks (z. B. im Laufmodus) abbildet. In Block 1110 werden erste und zweite Interessenbereiche an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, positioniert. In Block 1120 wird ein erster Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes bestimmt, der für eine Instanz stroboskopischer Beleuchtung verwendet wird. In Block 1130 werden die aufgezeichneten Daten, welche die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, verwendet, um eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes und einem zweiten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes zu bestimmen. In Block 1140 wird das Bildgebungssystem unter Verwendung der periodisch modulierten Fokusposition in Verbindung mit der Verwendung der ersten und zweiten Zeitwerte der Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes für jeweilige Instanzen stroboskopischer Beleuchtung betätigt, um die Bildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche zu verbessern, während ein mehrfach belichtetes Bild des aktuellen Werkstück, das die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem aktuellen Werkstück umfasst, erfasst wird.
  • Obwohl bevorzugte Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden, werden für den Fachmann zahlreiche Variationen der abgebildeten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Sequenzen von Vorgängen basierend auf dieser Offenbarung ersichtlich sein. Diverse alternative Formen können verwendet werden, um die hier offenbarten Grundlagen umzusetzen. Zudem können die zuvor beschriebenen diversen Umsetzungen kombiniert werden, um weitere Umsetzungen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, werden hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen. Gewisse Aspekte der Umsetzungen können gegebenenfalls geändert werden, um die Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen zu verwenden, um noch andere Umsetzungen bereitzustellen.
  • Diese und andere Änderungen können an den Umsetzungen angesichts der zuvor angegebenen Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den nachstehenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die spezifischen Umsetzungen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, einschränkend auszulegen, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Umsetzungen zusammen mit dem gesamten Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, zu umfassen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6542180 [0004, 0055]
    • US 7454053 [0024]
    • US 7324682 [0024]
    • US 8111905 [0024]
    • US 8111938 [0024]
    • US 2015/0145980 [0030, 0041, 0066]
    • US 2014/0368726 [0032, 0041, 0043]
    • US 7627162 [0063]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide”, veröffentlicht im Januar 2003 [0002]
    • Nagahara et al. („Flexible Depth of Field Photography”, Proceedings of the European Conference an Computer Vision, Oktober 2008) [0005]
    • „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008) [0042]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Definieren von Vorgängen, welche die Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes steuern, das von einer Instanz eines Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem bereitgestellt wird, das eine Beleuchtungsquelle zum Bereitstellen einer stroboskopischen Beleuchtung und ein Bildgebungssystem, das eine Linse mit variabler Brennweite umfasst, die verwendet wird, um eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Positionen entlang einer Z-Höhenrichtung in der Nähe eines Werkstücks periodisch zu modulieren, umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Ausführen von Vorgängen in einem Lernmodus einer ersten Instanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem, um eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zu bestimmen, wobei die Vorgänge im Lernmodus Folgendes umfassen: Definieren von ersten und zweiten Interessenbereichen, die verschiedene Z-Höhen an einem repräsentativen Werkstück aufweisen; Erheben mindestens eines Bildstapels, der jeweilige Bilder der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück umfasst, die auf jeweiligen Z-Höhen fokussiert sind, wobei jedes jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels unter Verwendung mindestens einer Instanz stroboskopischer Beleuchtung, die zeitlich eingestellt ist, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, die einem Fokus auf einer jeweiligen Z-Höhe für das jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels entspricht, belichtet wird; Bestimmen von ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten für Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, die einen ausreichende Bildschärfe jeweils für die ersten und zweiten Interessenbereiche mindestens teilweise basierend auf einer Analyse des Fokus der ersten und zweiten Interessenbereiche in dem mindestens einen Bildstapel ergeben; und Aufzeichnen von Daten, welche die Stellen der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück angeben, und von Daten, die eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zwischen den ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten angeben, wobei die aufgezeichneten Daten verwendbar sind, um Vorgänge zu definieren, die eine Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes mindestens teilweise basierend auf der Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung steuern, wenn eine Gebrauchsinstanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem betätigt wird, um ein mehrfach belichtetes Bild der ersten und zweiten Interessenbereiche an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, zu erfassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: Verwenden der aufgezeichneten Daten, welche die Stellen der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück und die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, um Vorgänge zu definieren, die eine Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes steuern, die von einer Gebrauchsinstanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem bereitgestellt wird, umfassend folgende Schritte: Positionieren der ersten und zweiten Interessenbereiche an einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, in einem Sehfeld des Bildgebungssystems der Gebrauchsinstanz des maschinellen Sichtinspektionssystems; Bestimmen eines ersten Zeitwertes einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes, der für eine Instanz stroboskopischer Beleuchtung verwendet wird; Verwenden der aufgezeichneten Daten, welche die Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung angeben, um eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes und einem zweiten Zeitwert einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes zu bestimmen; und Betätigen des Bildgebungssystems unter Verwendung der periodisch modulierten Fokusposition in Verbindung mit dem Verwenden der ersten und zweiten Zeitwerte einer Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes für jeweilige Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, um die Gesamtbildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche zu verbessern, während ein mehrfach belichtetes Bild des aktuellen Werkstücks, das die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem aktuellen Werkstück umfasst, erfasst wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei: die ausreichende Bildschärfe eine beste Bildschärfe jeweils für die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück ist; und die ersten und zweiten Zeitwerte der Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, welche die beste Bildschärfe jeweils für die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem aktuellen Werkstück ergeben.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die aufgezeichneten Daten in Verbindung mit einem Teileprogramm zum Inspizieren von Instanzen des repräsentativen Werkstücks aufgezeichnet werden, und das Verwenden der aufgezeichneten Daten das Ausführen des Teileprogramms an der Gebrauchsinstanz des maschinellen Sichtinspektionssystems umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Gebrauchsinstanz und die erste Instanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem das gleiche maschinelle Sichtinspektionssystem sind, oder die Gebrauchsinstanz und die erste Instanz des Typs von maschinellem Sichtinspektionssystem verschiedene maschinelle Sichtinspektionssysteme sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend das Verwenden des mehrfach belichteten Bildes des aktuellen Werkstücks, um Vorgänge zum Inspizieren von Werkstückmerkmalen an dem aktuellen Werkstück basierend auf Bilddaten des mehrfach belichteten Bildes zu bestimmen oder auszuführen, ohne Bilddaten von einem zusätzlichen Bild zu verwenden, wobei die Inspektionsvorgänge das Finden mindestens eines ersten Kantenmerkmals an dem aktuellen Werkstück in dem ersten Interessenbereich und das Finden mindestens eines zweiten Kantenmerkmals an dem aktuellen Werkstück in dem zweiten Interessenbereich umfassen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: im Lernmodus, Betätigen des Bildgebungssystems unter Verwendung der periodisch modulierten Fokusposition in Verbindung mit der Verwendung der ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerte für jeweilige Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, während ein mehrfach belichtetes Bild des repräsentativen Werkstücks erfasst wird, das die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück umfasst; Verwenden des mehrfach belichteten Bildes des repräsentativen Werkstücks, um Vorgänge zum Inspizieren von Werkstückmerkmalen an dem repräsentativen Werkstück zu bestimmen, wobei die Inspektionsvorgänge das Finden mindestens eines ersten Kantenmerkmals an dem repräsentativen Werkstück in dem ersten Interessenbereich und mindestens ein zweites Kantenmerkmal an dem repräsentativen Werkstück in dem zweiten Interessenbereich umfassen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Lernmodus die ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück unter Verwendung eines Mehrfachbelichtungs-Video-Tools ausgewählt werden, umfassend: eine grafische Benutzerschnittstelle (GUI) eines Mehrfachbelichtungs-Video-Tools, die Elemente umfasst, die zum Definieren der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück verwendet werden; und Vorgänge zum automatischen Bestimmen der ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerte, nachdem die ersten und zweiten Interessenbereiche definiert wurden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Lernmodus die mindestens eine Instanz stroboskopischer Beleuchtung, die zeitlich eingestellt ist, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, die dem Fokus auf einer jeweiligen Z-Höhe für ein jeweiliges Bild des mindestens einen Bildstapels entspricht, eine Vielzahl von wiederholten Instanzen zu der jeweiligen Phasenzeit über mehrere Perioden der periodisch modulierten Fokusposition umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine ausreichende Bildschärfe für die ersten und zweiten Interessenbereiche gemäß einem oder mehreren Elementen bestimmt wird von: einem mindestens ungefähr besten Fokus für jeden der ersten und zweiten Interessenbereiche; einer Bestimmung einer Fokusspitze für jeden der ersten und zweiten Interessenbereiche und einer Bestimmung von entsprechenden ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten, die Bildern in der Nähe der Fokusspitze entsprechen; und einem Fokus, der zum Bestimmen einer Dimensionsmessung zur Inspektion mit einer gewünschten Genauigkeit in der Richtung einer XY-Ebene in dem mehrfach belichteten Bild ausreicht.
  11. Maschinelles Sichtinspektionssystem, umfassend: eine Beleuchtungsquelle zum Bereitstellen einer stroboskopischen Beleuchtung; ein Bildgebungssystem, das eine Linse mit variabler Brennweite umfasst, die verwendet wird, um eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Positionen in einer Z-Höhenrichtung in der Nähe eines Werkstücks periodisch zu modulieren; einen Speicher zum Speichern von programmierten Anweisungen; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um die programmierten Anweisungen auszuführen, um Vorgänge auszuführen, die Folgendes umfassen: Definieren von ersten und zweiten Interessenbereichen, die verschiedene Z-Höhen an einem repräsentativen Werkstück aufweisen; Erheben mindestens eines Bildstapels, der jeweilige Bilder der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück, die auf jeweiligen Z-Höhen fokussiert sind, umfasst, wobei jedes jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels unter Verwendung mindestens einer Instanz stroboskopischer Beleuchtung, die zeitlich eingestellt ist, um einer jeweiligen Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition zu entsprechen, die einem Fokus auf einer jeweiligen Z-Höhe für das jeweilige Bild des mindestens einen Bildstapels entspricht, belichtet wird; Bestimmen von ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten für Instanzen stroboskopischer Beleuchtung, die den ersten und zweiten Phasenzeiten der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen, die eine ausreichende Bildschärfe jeweils für die ersten und zweiten Interessenbereiche ergeben, mindestens teilweise basierend auf einer Analyse des Fokus der ersten und zweiten Interessenbereiche in dem mindestens einen Bildstapel; und Aufzeichnen von Daten, welche die Stellen der ersten und zweiten Interessenbereiche an dem repräsentativen Werkstück angeben, und von Daten, die eine Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung zwischen den ersten und zweiten Mehrfachbelichtungszeitwerten angeben, wobei die aufgezeichneten Daten verwendbar sind, um Vorgänge zu definieren, die eine Erfassung eines mehrfach belichteten Bildes mindestens teilweise basierend auf der Zeitdifferenz bei mehrfacher Belichtung, wenn ein mehrfach belichtetes Bild von ersten und zweiten Interessenbereichen auf einem aktuellen Werkstück, das ähnlich wie das repräsentative Werkstück ist, erfasst wird, steuern.
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