DE102018204411A1

DE102018204411A1 - Modulations-Überwachungssystem zur Verwendung mit einem Abbildungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite umfasst

Info

Publication number: DE102018204411A1
Application number: DE102018204411.2A
Authority: DE
Inventors: Scott Allen Harsila
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2017-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2018-09-27
Also published as: CN108627141B; US10768404B2; US20180275390A1; JP2018159704A; JP7143097B2; CN108627141A

Abstract

Es wird ein Modulationsüberwachungssystem zur Verwendung mit einem Abbildungssystem offengelegt, das eine Linse mit variabler Brennweite (VFL), eine Objektivlinse, eine Kamera und eine VFL-Linsensteuerung umfasst, die dazu konfiguriert ist, die VFL-Linse zu steuern, um deren optische Leistung periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Abbildungssystems über eine Vielzahl von Z-Höhen entlang einer Z-Höhenrichtung periodisch zu modulieren. Das Modulationsüberwachungssystem umfasst eine Quelle für die VFL durchlaufendes Licht, die eine Lichtquelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, die VFL durchlaufendes Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges durch die VFL-Linse bereitzustellen, und einen Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt, der einen optischen Detektor umfasst, der dazu konfiguriert ist, das die VFL durchlaufende Licht zu empfangen und mindestens ein optisches Detektorsignal bereitzustellen, das der modulierten optischen Leistung der VFL-Linse entspricht. Der Modulationsüberwachungsabschnitt gibt mindestens ein Modulationsüberwachungssignal basierend auf dem mindestens einen Signal des optischen Detektors aus.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung betrifft Präzisionsmesstechnik und insbesondere maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme und andere optische Systeme, in denen eine Linse mit variabler Brennweite genutzt werden kann, um eine Fokusposition periodisch zu modulieren.
Beschreibung des Standes der Technik
Maschinelle Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme (oder kurz „Bildverarbeitungssysteme“) können für präzise Messungen an Objekten und zum Überprüfen anderer Objektmerkmale verwendet werden. Solche Systeme können einen Computer, eine Kamera, ein optisches System und einen Messtisch zum Ermöglichen des Abfahrens eines Werkstücks umfassen. Ein beispielhaftes System, das als „Offline“ Universal-Präzisions-Bildverarbeitungssystem bezeichnet wird, ist die QUICK VISION®-Reihe von PC-basierten Bildverarbeitungssystemen und die QVPAK®-Software, erhältlich von der in Aurora, Illinios ansässigen Mitutoyo America Corporation (MAC). Die Merkmale und Betriebsweise der Bildverarbeitungssysteme der QUICK VISION®-Reihe und QVPAK®-Software sind allgemein beispielsweise im QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide (Benutzerhandbuch für das Bildverarbeitungsmessgerät QVPAK 3D CNC), herausgegeben im Januar 2003, beschrieben, welches hiermit vollinhaltlich durch Bezugnahme mit einbezogen wird. Diese Art von System verwendet ein mikroskopartiges optisches System und bewegt den Tisch, um Inspektionsbilder von kleinen oder großen Werkstücken in verschiedenen Vergrößerungen bereitzustellen.
In verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, Hochgeschwindigkeitsmessungen für einen hohen Durchsatz in entweder stationären oder sich fortwährend bewegenden Inspektionssystemen auszuführen. In Bezug auf gut fokussierte Inspektionsbilder und Z-Höhenmessungen (die im Allgemeinen auf der Höhenbestimmung mit dem „besten Fokus“ basieren) kann die Bilderfassungsfrequenz und die Frequenz, mit der die Z-Höhenmessungen ausgeführt werden können, durch die Z-Höhen-Fokusposition-Anpassungsfrequenz oder die Bewegungsgeschwindigkeit begrenzt werden. Herkömmliche maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme können verschiedene Arten von Messvorgängen nutzen (z.B. Points-From-Focus-Vorgänge usw.), die eine Verschiebung der Kamera durch einen Bereich von Z-Höhenpositionen erfordern. In konfokalen Systemen kann die Verschiebung in ähnlicher Weise durch einen Bereich von Z-Höhenpositionen (z.B. zum Bestimmen einer Position, die zu einer maximalen konfokalen Helligkeit führt, usw.) erforderlich sein. In solchen Systemen kann die Geschwindigkeit, mit der die Z-Höhenmessungen durchgeführt werden können, durch die Bewegung von einer oder von mehreren physischen Komponenten des Systems begrenzt sein, um den Bereich der Z-Höhenpositionen bereitzustellen.
Um diese Bewegungseinschränkungen zu überwinden können Linsen mit variabler Brennweite (VFLs: variable focus lenses), wie innovative elektronisch verformbare Linsen und/oder Gradientenlinsen mit akustisch einstellbarem Brechungsindex (TAG-Linsen), periodisch moduliert werden und eine Fokusposition mit einer sehr hohen Frequenz (z.B. 70 KHz oder höher, im Falle einer TAG-Linse) ändern. Allerdings können Veränderungen der Bedingungen, wie der Temperatur, Änderungen der optischen Leistung und Modulationsfrequenz von VFLs hervorrufen. Es ist wünschenswert, ein Mittel zum Feststellen solcher Änderungen der Leistung bereitzustellen, was eine Kompensation erforderlich machen kann.
KURZDARSTELLUNG
Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorstellen, die nachfolgend in der ausführlichen Beschreibung beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll nicht dazu dienen, die Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu ermitteln, noch soll sie als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands dienen.
Hierin, und insbesondere mit Bezug auf die 3-6, sind Kombinationen von Elementen, Prinzipien und Betriebsvorgänge offenbart, die zur Lösung der oben beschriebenen Probleme in verschiedenen Ausführungen eines Systems verwendet werden können, das zur Überwachung der Modulationseigenschaften einer mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierten VFL-Linse betreibbar ist. Die offenbarten Ausführungen sind besonders vorteilhaft für die Verwendung in Kombination mit einer TAG-Linse.
Insbesondere wird ein Modulationsüberwachungssystem zur Verwendung mit einem Abbildungssystem offenbart, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) umfasst. Das Abbildungssystem umfasst eine Objektivlinse, eine VFL-Linsensteuerung und eine Kamera. Die Objektivlinse ist dazu konfiguriert, von einer Werkstückoberfläche ausgehendes Bildlicht einzugeben. Die VFL-Linse ist dazu konfiguriert, Bildlicht zu empfangen, das von der Objektivlinse entlang eines Abbildungslichtwegs ausgesendet wird. Die Kamera ist dazu konfiguriert, das von der VFL-Linse ausgesendete Licht entlang des Abbildungslichtweges zu empfangen. Die VFL-Linsensteuerung ist dazu konfiguriert, die VFL-Linse so zu steuern, dass sie ihre optische Leistung bei hoher Geschwindigkeit periodisch moduliert und dadurch eine Fokusposition des Abbildungssystems über eine Vielzahl von Fokus-Z-Höhen des Abbildungssystems entlang einer Z-Höhenrichtung periodisch moduliert. Das Modulationsüberwachungssystem umfasst eine Quelle für die VFL durchlaufendem Licht, die eine Lichtquelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, die VFL durchlaufendes Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges durch die VFL-Linse bereitzustellen, und einen Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt, der einen optischen Detektor umfasst, der dazu konfiguriert ist, das die VFL durchlaufende Licht zu empfangen und mindestens ein optisches Detektorsignal bereitzustellen, das der modulierten optischen Leistung der VFL-Linse entspricht, und der Modulationsüberwachungsteil gibt ein Modulationsüberwachungssignal basierend auf dem mindestens einen Signal des optischen Detektors aus.
Figurenliste

1 ist ein Schaubild, das verschiedene typische Komponenten eines universellen maschinellen Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssystems zeigt;
2 ist ein Blockschaltbild eines Steuerungssystemabschnitts und eines Bildverarbeitungskomponentenabschnitts eines maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems, das demjenigen in 1 ähnlich ist und die hierin offenbarten Merkmale umfasst;
3 ist ein schematisches Schaubild einer ersten Ausführung eines Modulationsüberwachungssystems zur Verwendung mit einem Abbildungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) umfasst;
4 ist ein schematisches Schaubild einer zweiten Ausführung eines Modulationsüberwachungssystems zur Verwendung mit einem Abbildungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) umfasst;
5 ist ein schematisches Schaubild einer dritten Ausführung eines Modulationsüberwachungssystems zur Verwendung mit einem Abbildungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) umfasst; und
die 6A und 6B zeigen erste und zweite Ausführungen von optischen „Richtungs“-Detektoren, die in verschiedenen Ausführungen eines optischen Detektors verwendet werden können.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 10, das gemäß den hierin offenbarten Prinzipien verwendet werden kann. Das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 10 umfasst eine Bildverarbeitungsmessmaschine 12, die zum Austausch von Daten und Steuersignalen mit einem Steuerungscomputersystem 14 und mit einem Monitor oder eine Anzeige 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 wirkverbunden ist. Der Monitor oder die Anzeige 16 kann eine Benutzeroberfläche anzeigen, die zur Steuerung und/oder Programmierung des maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 10 geeignet ist. In verschiedenen Ausführungen kann ein Touchscreen-Tablet oder dergleichen die Funktionen von einem oder allen von dem Computersystem 14, der Anzeige 16, dem Joystick 22, der Tastatur 24 und der Maus 26 ersetzen und/oder redundant bereitstellen.
Im Allgemeinen kann das Steuerungscomputersystem 14 ein beliebiges Computersystem oder -gerät und/oder eine verteilte Computerumgebung und dergleichen umfassen oder aus solchen bestehen, von denen jeder einen oder mehrere Prozessoren umfassen kann, die Software zur Durchführung der hier beschriebenen Funktionen ausführen. Prozessoren umfassen programmierbare Mehrzweck- oder Sondermikroprozessoren, programmierbare Steuerungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare logische Schaltungen (PLDs) oder dergleichen oder eine Kombination solcher Vorrichtungen. Software kann in einem Speicher gespeichert werden, wie z.B. einem Arbeitsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), Flash-Speicher oder dergleichen, oder einer Kombination solcher Komponenten. Software kann ferner auf einem oder mehreren Speichervorrichtungen gespeichert werden, z.B. auf optischen Festplatten, Flash-Speichervorrichtungen oder beliebigen anderen nichtflüchtigen Speichermedien zum Speichern von Daten. Software kann ein oder mehrere Programmmodule umfassen, die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen usw. enthalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In verteilten Computerumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule kombiniert oder auf mehrere Computersysteme oder -Vorrichtungen verteilt werden und über Serviceabrufe, entweder in einer drahtgebundenen oder drahtlosen Konfiguration, abgerufen werden.
Die Bildverarbeitungsmessmaschine 12 umfasst einen beweglichen Werkstücktisch 32 und ein optisches Abbildungssystem 34, das eine Zoomlinse oder Wechsellinsen umfassen kann. Die Zoomlinse oder auswechselbaren Linsen bieten im Allgemeinen verschiedene Vergrößerungen (z.B. 0,5x bis 100x) für die durch das optische Abbildungssystem 34 bereitgestellten Bilder. Ähnliche maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme sind in den gemeinsam übertragenen US-Patentschriften der Nrn. 7,324,682; 7,454,053; 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, die jeweils hierin durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen sind.
2 ist ein Blockschaltbild eines Steuerungssystemabschnitts 120 und eines Bildverarbeitungskomponentenabschnitts 200 eines maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 100, das dem Bildverarbeitungs-Inspektionssystem von 1 ähnelt und die hier beschriebenen Merkmale umfasst. Wie nachfolgend näher beschrieben, wird der Steuerungssystemabschnitt 120 zur Steuerung der Bildverarbeitungskomponentenabschnitts 200 verwendet. Der Bildverarbeitungskomponentenabschnitt 200 umfasst einen Optikbaugruppenabschnitt 205, Lichtquellen 220, 230 und 240 und einen Werkstücktisch 210, der einen mittigen transparenten Abschnitt 212 aufweisen kann. Der Werkstücktisch 210 ist steuerbar entlang der x- und y-Achse verfahrbar, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen parallel zur Oberfläche des Tisches liegt, auf der ein Werkstück 20 positioniert werden kann.
Der Optikbaugruppenabschnitt 205 kann eine Kamera 260, eine Linse mit variabler Brennweite (VFL) 270 umfassen und kann ferner eine Wechsel-Objektivlinse 250 und eine Linsen-Revolverbaugruppe 280 mit den Linsen 286 und 288 umfassen. Alternativ zu der Linsen-Revolverbaugruppe kann eine feste oder manuell austauschbare Vergrößerungsänderungslinse oder eine Zoomlinsenkonfiguration oder dergleichen umfasst sein. In verschiedenen Ausführungen können die verschiedenen Linsen als Teil eines variablen Vergrößerungslinsenabschnitts der Optikbaugruppe 205 umfasst sein. In verschiedenen Ausführungen kann die Wechsel-Objektivlinse 250 aus einem Satz von Objektivlinsen mit fester Vergrößerung ausgewählt werden (z.B. ein Satz mit einem Bereich von 0,5x bis 100x, usw.).
In verschiedenen Ausführungen ist der Optikbaugruppenabschnitt 205 steuerbar entlang einer Z-Achse beweglich, die im Allgemeinen orthogonal zur X- und Y-Achse ist, indem ein steuerbarer Motor 294 verwendet wird, der einen Aktuator ansteuert, um den Optikbaugruppenabschnitt 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Fokus des Bildes des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 mit einer Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden. Wie nachfolgend näher beschrieben, kann die VFL-Linse 270 auch zur periodischen Modulation einer Fokusposition betrieben werden. Ein Werkstück 20 oder eine Ablage oder eine Vorrichtung, die mehrerer Werkstücke 20 hält, das/die mit dem maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100 abgebildet werden soll, wird auf dem Werkstücktisch 210 abgelegt. In verschiedenen Ausführungen kann der Werkstücktisch 210 so gesteuert werden, dass er sich (z.B. in x- und y-Achsenrichtung) relativ zu dem Optikbaugruppenabschnitt 205 derart bewegt, dass sich der abgebildete Bereich (z.B. wie durch die austauschbare Objektivlinse 250 usw. abgebildet) zwischen Positionen auf einem Werkstück 20 und/oder zwischen mehreren Werkstücken 20 bewegt.
Eine oder mehrere von einer Tischbeleuchtung 220, einer Koaxialbeleuchtung 230 und einer Flächenbeleuchtung 240 (z.B. Ringbeleuchtung) können Quellenlicht 222, 232 und/oder 242 abgeben, um das Werkstück oder die Werkstücke 20 zu beleuchten. Die Koaxialbeleuchtung 230 kann Licht 232 entlang eines einen Spiegel 290 umfassenden Pfades abgeben. Das Quellenlicht wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder weitergeleitet, und das Werkstücklicht (z.B. verwendet für die Bildgebung) durchläuft die Wechsel-Objektivlinse 250, die Linsen-Revolverbaugruppe 280 und die VFL-Linse 270 und wird von der Kamera 260 erfasst. In verschiedenen Ausführungen nimmt die Kamera 260 das Werkstücklicht auf und gibt auf einer Signalleitung 262 Signaldaten (z.B. ein oder mehrere Bilder des oder der Werkstücke 20) an den Steuerungssystemabschnitt 120 aus. Die Lichtquellen 220, 230 und 240 können über Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 jeweils mit dem Steuerungssystemabschnitt 120 verbunden sein. Der Steuerungssystemabschnitt 120 kann die Linsen-Revolverbaugruppe 280 entlang der Achse 284 drehen, um eine Revolverlinse über eine Signalleitung oder einen Bus 281 auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.
Wie in 2 dargestellt, umfasst in verschiedenen Ausführungen der Steuerungssystemabschnitt 120 eine Steuerung 125, die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130, einen Speicher 140, einen Werkstückprogramm-Generator und -Ausführer 170 und einen Stromversorgungsabschnitt 190. Jede dieser Komponenten sowie die nachfolgend beschriebenen zusätzlichen Komponenten können durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen miteinander verbunden werden. Die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 umfasst eine Abbildungssteuerungsschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerungsschnittstelle 132 und eine Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133. Die Bewegungssteuerungsschnittstelle 132 kann ein Positionssteuerelement 132a und ein Geschwindigkeits-/Beschleunigungs-Steuerelement 132b umfassen, obwohl solche Elemente zusammengeführt und/oder nicht unterscheidbar sein können. Die Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 kann die Beleuchtungssteuerelemente 133a, 133n und 133fl enthalten, die beispielsweise die Auswahl, die Stromversorgung, den Ein-/AusSchalter und gegebenenfalls die Abtastpulszeit für die verschiedenen entsprechenden Lichtquellen des maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 100 steuern.
Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien kann die Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 auch eine Linsensteuerung 271 umfassen, wie nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 3-6 näher beschrieben wird. Kurz gesagt kann in einer Ausführung die Linsensteuerung 271 eine Linsensteuerung mit einer Linsenfokus-Betriebsschaltung und/oder -Routine oder dergleichen umfassen. Die Linsensteuerung 271 kann von einem Benutzer und/oder einem Betriebsprogramm konfiguriert oder gesteuert werden und kann die Signalleitung 271' verwenden, um die VFL-Linse 270 zu steuern, um deren optische Leistung (z.B. sinusförmig) periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Abbildungssystems über eine Vielzahl von Fokuspositionen entlang einer Z-Höhenrichtung bei einer bestimmten Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren.
In verschiedenen Ausführungen kann die Abbildungssteuerungsschnittstelle 131 und/oder die Linsensteuerung 271 ferner einen erweiterten Tiefenschärfemodus umfassen, wie er in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2015/0145980 , die hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen wird, näher beschrieben ist. Ein erweiterter Tiefenschärfemodus kann durch einen Benutzer gewählt werden, um mindestens ein Bild (z.B. ein zusammengesetztes Bild) eines Werkstücks mit einer Tiefenschärfe zu erhalten, die größer ist als das, was von dem Bildkomponentenabschnitt 200 bei Fokussierung auf eine einzelne Fokusposition bereitgestellt werden kann. In verschiedenen Ausführungen kann die Abbildungsteuerungsschnittstelle 131 und/oder die Linsensteuerung 271 ferner einen Vergrößerungsänderungs-Einstellmodus enthalten, der ausgewählt oder automatisch ausgeführt werden kann, wenn eine Vergrößerungsänderung vorgenommen oder erkannt wird, wie in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2017/0013185 (auch als '185-Anmeldung“ bezeichnet) mit dem Titel „Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Length Lens in an Adjustable Magnification Optical System“, die hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen wird, näher beschrieben ist. Andere Systeme und Methoden, die VFL-Linsen umfassen, sind in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 14/841,051 mit dem Titel „Multi-Level Image Focus Using a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System", eingereicht am 31. August 2015, und in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Nr. 14/854,624 mit dem Titel „Chromatic Aberration Correction in Imaging System Including Variable Focal Length Lens“, eingereicht am 15. September 2015, beschrieben, die jeweils hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen werden.
Der Speicher 140 kann einen Bilddateispeicherabschnitt 141, einen Kantenerkennungsspeicherabschnitt 140ed, einen Werkstückprogrammspeicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teileprogramme oder dergleichen umfassen kann, und einen Videowerkzeugabschnitt 143 umfassen. Der Videowerkzeugabschnitt 143 umfasst den Videowerkzeugabschnitt 143a und andere Videowerkzeugabschnitte (z.B. 143n), die die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für jedes der entsprechenden Videowerkzeuge bestimmen, sowie einen Bereich-von-Interesse-Generator (ROI-Generator) 143roi, der automatische, halbautomatische und/oder manuelle Betriebsvorgänge unterstützt, die verschiedene ROIs definieren, die in verschiedenen in dem Videowerkzeugabschnitt umfassten 143 Videowerkzeugen betrieben werden können. Der Videowerkzeugabschnitt umfasst ferner ein Autofokus-Videowerkzeug 143af, das die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für die Messung der Fokushöhe bestimmt. Das Autofokus-Videowerkzeug 143af kann zusätzlich ein Hochgeschwindigkeits-Fokushöhenwerkzeug umfassen, das zur Messung von Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit genutzt werden kann, wie in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2014/0368726 näher beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen wird.
Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung, und wie einem Durchschnittsfachmann bekannt ist, bezieht sich der Begriff „Videowerkzeug“ im Allgemeinen auf einen relativ komplexen Satz von automatischen oder programmierten Betriebsvorgängen, die ein Benutzer der maschinellen Bildverarbeitung über eine relativ einfache Benutzeroberfläche ausführen kann (z.B. eine grafische Benutzeroberfläche, editierbare Parameterfenster, Menüs und dergleichen), ohne die im Videowerkzeug enthaltene Schrittfolge von Betriebsvorgängen zu erstellen oder auf eine verallgemeinerte textbasierte Programmiersprache oder dergleichen zurückzugreifen. Beispielsweise kann ein Videowerkzeug einen komplexen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen und Berechnungen umfassen, die in einem bestimmten Fall angewendet und angepasst werden, indem einige Variablen oder Parameter angepasst werden, die die Betriebsvorgänge und Berechnungen steuern. Zusätzlich zu den zugrunde liegenden Betriebsvorgängen und Berechnungen umfasst das Videowerkzeug die Benutzeroberfläche, die es dem Benutzer ermöglicht, diese Parameter für einen bestimmten Fall des Videowerkzeugs anzupassen. Beispielsweise ermöglichen viele maschinelle Bildverarbeitungs-Videowerkzeuge einem Anwender durch einfaches „Ziehpunktziehen“ unter Verwendung einer Maus einen grafischen Anzeiger eines Bereichs von Interesse (ROI) zu konfigurieren, um die Positionsparameter eines Teilbereichs eines Bildes zu definieren, der durch die Bildverarbeitungsvorgänge eines bestimmten Falls eines Videowerkzeugs analysiert werden soll. Es sollte angemerkt werden, dass die sichtbaren Benutzeroberflächenmerkmale manchmal als das Videowerkzeug bezeichnet werden, wobei die zugrunde liegenden Betriebsvorgänge implizit einbezogen werden.
Die Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 der Tischbeleuchtung 220, der Koaxialbeleuchtung 230 beziehungsweise der Flächenbeleuchtung 240 sind alle mit der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden. Die Signalleitung 262 von der Kamera 260, die Signalleitung 271' von der VFL-Linse 270 und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind mit der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden. Zusätzlich zum Leiten von Bilddaten kann die Signalleitung 262 ein Signal von der Steuerung 125 leiten, das bestimmte Prozesse auslöst (z.B. Bilderfassung, konfokale Helligkeitsmessung, usw.).
Ein oder mehrere Anzeigevorrichtungen 136 (z.B. die Anzeige 16 in 1) und ein oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z.B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 in 1) können ebenfalls mit der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 und Eingabevorrichtungen 138 können verwendet werden, um eine Benutzeroberfläche anzuzeigen, die verschiedene Merkmale der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) umfasst, die zur Durchführung von Prüfvorgängen und/oder zur Erstellung und/oder Änderung von Teileprogrammen, zur Ansicht der von der Kamera 260 aufgenommenen Bilder und/oder zur direkten Steuerung des Bildverarbeitungskomponentenabschnitts 200 verwendet werden können. Die Anzeigevorrichtungen 136 können Merkmale der Benutzeroberfläche anzeigen (z.B. in Zuordnung zu der Linsensteuerung 271).
Wenn in verschiedenen beispielhaften Ausführungen ein Benutzer das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100 benutzt, um ein Teileprogramm für das Werkstück 20 zu erstellen, erzeugt der Benutzer Teileprogrammanweisungen, indem er das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100 in einem Lernmodus betreibt, um eine gewünschte Bilderfassungs-Trainingssequenz bereitzustellen. Eine Trainingssequenz kann beispielsweise die Positionierung eines bestimmten Werkstückmerkmals eines repräsentativen Werkstücks im Sichtfeld (FOV), die Einstellung von Lichtstärken, die Fokussierung oder Autofokussierung, die Erfassung eines Bildes und die Bereitstellung einer auf das Bild angewandten Inspektionstrainingssequenz umfassen (z.B. die Verwendung eines Falls von einem oder mehreren der Videowerkzeuge auf diesem Werkstückmerkmal). Der Lernmodus arbeitet so, dass die Sequenz(en) erfasst oder aufgezeichnet und in entsprechende Teileprogrammanweisungen umgewandelt werden. Diese Anweisungen werden bewirken, dass das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem bei der Ausführung des Teileprogramms die eingelernte Bilderfassung reproduziert und bewirkt, dass die Inspektionsvorgänge dieses bestimmte Werkstückmerkmal (d.h. das entsprechende Merkmal an der entsprechenden Stelle) an einem aktuellen Werkstück (z.B. ein Betriebsmodus-Werkstück) oder einem Werkstück, das dem bei der Erstellung des Teileprogramms verwendeten repräsentativen Werkstück ähnlich ist, automatisch prüfen.
3 ist ein schematisches Schaubild einer ersten Ausführung eines Modulationsüberwachungssystems 300 zur Verwendung mit einem Abbildungssystem 310, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) 370 umfasst. Das Abbildungssystem 310 kann an ein maschinelles Bildverarbeitungs-Inspektionssystem, wie das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100, angepasst werden. Das Abbildungssystem 310 umfasst eine Lichtquelle 330, eine Tubuslinse 351, eine Relaislinse 352, eine Objektivlinse 350, die VFL-Linse 370, eine Kamera 360, eine Relaislinse 386 und eine VFL-Linsensteuerung 371. Die Objektivlinse 350 ist für die Eingabe von Bildlicht (Werkstücklicht) 355 konfiguriert, das von einer Werkstückoberfläche 320 herrührt. Die VFL-Linse 370 ist dazu konfiguriert, das von der Objektivlinse entlang eines Abbildungslichtwegs 334 ausgegebene Bildlicht 355 zu empfangen. Die Kamera 360 ist dazu konfiguriert, das von der VFL-Linse 370 ausgegebene Bildlicht 355 entlang des Abbildungslichtweges 334 zu empfangen. Die VFL-Linsensteuerung umfasst einen Treibersignalgenerator 372 und einem Taktgeber 372'. Die VFL-Linsensteuerung 371 ist dazu konfiguriert, die VFL-Linse 370 zu steuern, um deren optische Leistung bei hoher Geschwindigkeit periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition FP des Abbildungssystems 310 über eine Vielzahl von Fokus-Z-Höhen des Abbildungssystems entlang einer Z-Höhenrichtung periodisch zu modulieren.
In verschiedenen Ausführungen ist die Lichtquelle 330 so konfigurierbar, dass sie die Werkstückoberfläche 320 (z.B. mit Stroboskop- oder Dauerstrich-Beleuchtung) in einem Sichtfeld des Abbildungssystems 310 ausleuchtet. In verschiedenen Ausführungen kann die Lichtquelle 330 erste, zweite, dritte usw. Beleuchtungsquellen als Teil eines Beleuchtungssystems umfassen. Beispielsweise kann die Lichtquelle 330 so betrieben werden, dass sie durch Betreiben einer entsprechenden Beleuchtungsquelle (z.B. einer Beleuchtungsquelle, die Teil der Lichtquelle 330 ist) einen Fall einer stroboskopischen Beleuchtung erzeugt. Um eine gute Beleuchtungsausgewogenheit zu erreichen, kann in verschiedenen Ausführungen die Lichtquelle 330 so gesteuert werden, dass eine unabhängige Einstellung der Intensität aller Stroboskop-Beleuchtungen (die z.B. jeweils einer anderen Beleuchtungsquelle innerhalb der Lichtquelle 330 entsprechen) sowie eine gleichzeitige Einstellung zur Steuerung der Gesamthelligkeit eines Bildes ermöglicht wird.
Im Betrieb ist die Lichtquelle 330 in der in 3 gezeigten Ausführung eine „koaxiale“ Lichtquelle, die dazu konfiguriert ist, Quellenlicht 332 entlang eines einen Teilspiegel 390 umfassenden Weges und durch die Objektivlinse 350 zu einer Oberfläche eines Werkstücks 320 auszugeben, wobei die Objektivlinse 350 Werkstücklicht (Bildlicht) 355 empfängt, das auf die Fokusposition FP nahe dem Werkstück 320 fokussiert ist, und das Werkstücklicht 355 an die Tubuslinse 351 ausgibt. In anderen Ausführungen können analoge Lichtquellen das Sichtfeld nicht-koaxial ausleuchten, z.B. kann eine Ringlichtquelle das Sichtfeld ausleuchten. In verschiedenen Ausführungen kann die Objektivlinse 350 eine Wechsel-Objektivlinse sein und die Tubuslinse 351 kann als Teil einer Linsen-Revolverbaugruppe umfasst sein (z.B. ähnlich der Wechsel-Objektivlinse 250 und der Linsen-Revolverbaugruppe 280 in 2). In verschiedenen Ausführungen kann die Objektivlinse 350, die Tubuslinse 351 oder eine der anderen hier genannten Linsen aus Einzellinsen, Verbundlinsen usw. gebildet werden oder in Verbindung mit diesen betrieben werden. Die Tubuslinse 351 nimmt das Werkstücklicht 355 auf und gibt es an die Relaislinse 352 aus.
Die Relaislinse 352 nimmt das Werkstücklicht 355 auf und gibt es an die VFL-Linse 370 aus. Die VFL-Linse 370 nimmt das Werkstücklicht 355 auf und gibt es an die Relaislinse 386 aus. Die Relaislinse 386 nimmt das Werkstücklicht 355 auf und gibt es an die Kamera 360 aus. In verschiedenen Ausführungen kann die Kamera 360 ein Bild des Werkstücks 320 während einer Bildbelichtungsperiode aufnehmen und kann das Bild einem Steuerungssystemabschnitt zur Verfügung stellen (z.B. ähnlich dem Betrieb der Kamera 260 zum Bereitstellen eines Bilds an den Steuerungssystemabschnitt 120 in Figur).
Im Beispiel von 3 sind die Relaislinsen 352 und 386 und die VFL-Linse 370 so ausgelegt, dass sie in einer optischen 4f-Konfiguration umfasst sind, während die Relaislinse 352 und die Tubuslinse 351 so ausgelegt sind, dass sie in einer Kepler-Fernrohr-Konfiguration umfasst sind und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 sind so ausgelegt, dass sie in einer Mikroskop-Konfiguration umfasst sind. Alle dargestellten Konfigurationen sind als lediglich beispielhaft und nicht als einschränkend in Bezug auf die vorliegende Offenbarung zu verstehen. Als Teil der Kepler-Fernrohr-Konfiguration wird eine Brennweite F_TUBE der Tubuslinse 351 als annähernd äquidistant zu einem Mittelpunkt zwischen den Linsen 351 und 352 dargestellt, ebenso wie eine Brennweite f der Relaislinse 352. Bei alternativen Ausführungen kann die Brennweite F_TUBE für die Tubuslinse 351 von der Brennweite f des Relaisobjektivs 352 unterschiedlich sein (was einem der 4 f's der optischen 4f-Konfiguration entspricht). In verschiedenen Ausführungen, bei denen die Tubuslinse 351 als Teil einer Linsen-Revolverbaugruppe umfasst sein kann, kann es wünschenswert sein, dass andere Tubuslinsen der Linsen-Revolverbaugruppe, wenn sie in die Betriebsposition gedreht werden, einen Brennpunkt an der gleichen Stelle haben (d.h., um mit dem Brennpunkt der Relaislinse 352 übereinzustimmen).
Wie ausführlicher in der zuvor mit aufgenommenen Anmeldung '185 beschrieben, kann das Verhältnis der Brennweite F_TUBE zur Brennweite f genutzt werden, um den Durchmesser des kollimierten Strahls von Werkstücklicht 355 aus der Relaislinse 352 gegenüber dem kollimierten Strahl des Werkstücklichts 355, der in die Tubuslinse 351 eingegeben wird, zu verändern. In Bezug auf die kollimierten Strahlen des Werkstücklichts 355, die jeweils in die Tubuslinse 351 eingegeben und aus der Relaislinse 352 ausgegeben werden, versteht es sich, dass in verschiedenen Ausführungen solche kollimierte Strahlen in größere Weglängen verlängert werden können und/oder Strahlteiler in Bezug auf solche kollimierte Strahlen verwendet werden können, um zusätzliche Lichtwege bereitzustellen (z.B. an verschiedene Kamerasysteme usw. gerichtet).
In verschiedenen Ausführungen erlaubt die dargestellte optische 4f-Konfiguration, die VFL-Objektivlinse 370 (die z.B. eine Vorrichtung mit niedriger numerischer Apertur (NA) ist, wie z.B. eine Gradientenlinsen mit akustisch einstellbarem Brechungsindex), in die Fourier-Ebene der Objektivlinse 350 zu legen. Diese Konfiguration kann die Telezentrie am Werkstück 320 beibehalten und Skalenwechsel und Bildverzerrungen minimieren (z.B. durch Bereitstellen einer konstanten Vergrößerung für jede Z-Höhe des Werkstücks 320 und/oder Fokusposition FP). Die Kepler-Fernrohr-Konfiguration (z.B. mit der Tubuslinse 351 und der Relaislinse 352) kann zwischen der Mikroskop-Konfiguration und der optischen 4f-Konfiguration eingefügt werden und kann so konfiguriert werden, dass sie eine gewünschte Größe der Projektion der freien Apertur der Objektivlinse an der Stelle der VFL-Linse bereitstellt, um Bildabweichungen usw. zu minimieren.
Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungen bestimmte Arten von dimensionalen Messungen eine beugungsnahe oder beugungsbegrenzte Bildgebung erfordern können. Die in 3 dargestellte Konfiguration reduziert Abbildungsfehler, indem sie die außeraxiale Ausdehnung der Pupille der Objektivlinse 350, die in die VFL-Linse 370 abgebildet wird, begrenzt. In dieser Konfiguration kann die radiale Ausdehnung so beibehalten werden, dass kleiner als die radiale Ausdehnung des ersten Bessel-Rings im Brechungsindexprofil der stehenden Welle der VFL-Linse 370 (z.B. eine Gradientenlinsen mit akustisch einstellbarem Brechungsindex) bei ihrer niedrigsten Resonanzfrequenz f_R,MIN ist, wie in der zuvor mit aufgenommenen Anmeldung '185 ausführlicher beschrieben. Auf diese Weise überschreitet Licht von der Mikroskop-Konfiguration (d.h. mit der Objektivlinse 350 und der Tubuslinse 351) die größte freie Apertur CA_VFL,MAX der VFL-Linse 370 nicht. In einer Ausführung, bei der das Licht die größte freie Apertur überschritt, könnte das Licht mit dem Bereich der stehenden Welle der VFL-Linse 370 interagieren, der einen unerwünschten Brechungsindex haben könnte, der die Abbildungsfehler erhöhen und die Genauigkeit der dimensionalen Messung verringern könnte.
Die VFL-Linse 370 ist elektronisch steuerbar, um die Fokuslage FP des Abbildungssystems zu verändern (z.B. bei einer oder mehreren Bildbelichtungen, bei einer konfokalen Helligkeitsbestimmung usw.). 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 in verschiedenen Ausführungen der Bereich R von einem Benutzer gewählt werden kann oder sich aus Designparametern ergibt oder anderweitig automatisch ermittelt werden kann. Im Allgemeinen versteht sich in Bezug auf das Beispiel in 3, dass bestimmte der abgebildeten Maße nicht maßstabsgetreu sein können. Beispielsweise kann die VFL-Linse 370 andere proportionale Abmessungen aufweisen als diejenigen, die dargestellt sind (kann z.B. weniger breit und bis zu 50 mm lang oder länger für bestimmte Anwendungen sein, um einen gewünschte Umfang an Linsenleistung, usw., bereitzustellen).
Das Modulationsüberwachungssystem 300 umfasst eine Quelle von die VFL durchlaufendem Licht 340, einen Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt 380, einen Strahlteiler 388, einen Strahlteiler 389 und einen wellenlängenabhängigen Reflektor 346. Die Quelle von die VFL durchlaufendem Licht 340 umfasst einen Lichtgenerator 341, der dazu konfiguriert ist, dass die VFL durchlaufende Licht 343 entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges 344 durch die VFL-Linse 370 bereitzustellen. Der Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt 380 umfasst einen optischen Detektor 385, der dazu konfiguriert ist, das reflektierte, die VFL durchlaufende Licht 345 zu empfangen und mindestens ein optisches Detektorsignal zu bereitzustellen, das der modulierten optischen Leistung der VFL-Linse 370 entspricht, und das Modulationsüberwachungssystem 300 gibt mindestens ein Modulationsüberwachungssignal basierend auf dem mindestens einen Signal des optischen Detektors aus.
In verschiedenen Ausführungen können die Linsensteuerung 371 und der Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt 380 sowie weitere Komponenten jeweils durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse (z.B. ein Systemsignal- und Steuerbus 395) und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen miteinander verbunden werden.
In der in 3 gezeigten Ausführung ist die Quelle von die VFL durchlaufendem Licht 340 so angeordnet, dass sie das die VFL durchlaufende Licht 343 entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges 344 bereitstellt, der das die VFL durchlaufende Licht 343 an einem von der Objektivlinse 350 weiter entfernten rückseitigen Abschnitt 370B der VFL-Linse 370 eingibt. Der wellenlängenabhängige Reflektor 346 ist so angeordnet, dass er das die VFL durchlaufende Licht 343 entlang des Modulationsüberwachungslichtweges 344 (als reflektiertes, die VFL durchlaufendes Licht 345 bezeichnet) zurückreflektiert, nachdem es von der VFL-Linse 370 an einem vorderen Abschnitt 370A der VFL-Linse 370, der näher an der Objektivlinse 350 liegt, ausgegeben wurde. Der optische Detektor 385 ist so angeordnet, dass er reflektiertes, die VFL durchlaufendes Licht 345 entlang des Modulationsüberwachungslichtweges 344 empfängt, nachdem es von der VFL-Linse 370 am rückseitigen Abschnitt 370B ausgegeben und vom Strahlteiler 389 und dem Strahlteiler 388 reflektiert wird.
In einigen Ausführungen kann der wellenlängenabhängige Reflektor 346 ein dichroitischer oder schmalbandiger Reflektor sein, und der Strahlteiler 389 kann eine strahlteilende Oberfläche aufweisen, die ein dichroitischer oder schmalbandiger Reflektor ist. In einigen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass der Lichtgenerator 341 die VFL durchlaufendes Licht 343 ausgibt, das außerhalb eines Lichtspektrums liegt, für das die Kamera 360 empfindlich ist, um zu vermeiden, dass unerwünschtes, die VFL durchlaufendes Licht 343 von der Kamera 360 abgebildet wird. Beispielsweise kann das die VFL durchlaufende Licht eine Wellenlänge von mindestens 700 nm haben. Der wellenlängenabhängige Reflektor 346 und der Strahlteiler 389 können dann dazu konfiguriert werden, das Bildlicht 355 weiterzuleiten und das die VFL durchlaufende Licht 343 und/oder das reflektierte, die VFL durchlaufende Licht 345 zu reflektieren.
In der in 3 gezeigten Ausführung umfasst die Quelle für die VFL durchlaufendes Licht 340 einen Lichtgenerator 341 (z.B. eine oder mehrere LED's oder Laserdioden) und eine Kollimatorlinse 342. In verschiedenen Ausführungen kann das durch die VFL projizierte Licht 343 kollimiert werden, da es entlang des Modulationsüberwachungslichtweges 344 projiziert wird.
Verschiedene alternative Ausführungen können optische Komponenten analog zum Modulationsüberwachungssystem 300 integrieren, jedoch in einer anderen Reihenfolge relativ zu der VFL-Linse 370 und der Objektivlinse 350. In einigen Ausführungen, einschließlich der, aber nicht beschränkt auf, die nachfolgend in Bezug auf 4 und/oder 5 beschriebenen, kann eine Quelle für die VFL durchlaufendes Licht 340 dazu angeordnet werden, die VFL durchlaufendes Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges bereitzustellen, der das die VFL durchlaufende Licht am vorderen Teil 370A der VFL-Linse 370, der näher an der Objektivlinse 350 liegt, eingibt. Ein wellenlängenabhängiger Reflektor kann dazu angeordnet sein, das die VFL durchlaufende Licht entlang des Modulationsüberwachungslichtweges zu reflektieren, nachdem es von der VFL-Linse 370 am rückseitigen Abschnitt 370B der VFL-Linse 370, der weiter von der Objektivlinse 350 entfernt ist, ausgegeben wurde. Ein optischer Detektor kann so angeordnet sein, dass er reflektiertes, die VFL durchlaufendes Licht entlang des Modulationsüberwachungslichtweges empfängt, nachdem es von der VFL-Linse 370 am vorderen Abschnitt 370A ausgegeben wurde.
In einigen Ausführungen kann das Modulationsüberwachungssystem 300 dazu konfiguriert sein, das mindestens eine optische Signal als Rückmeldung an die VFL-Linsensteuerung 371 auszugeben, um Änderungen von mindestens einem von der der optischen Leistung oder der Frequenz des VFL-Linse 370, die sich aus Änderungen der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur oder anderen Faktoren, ergeben können, zu kompensieren. Beispielsweise kann der Treibersignalgenerator 372 ein Treibersignal anpassen, das die Modulation der VFL-Linse 370 als Reaktion auf das mindestens eine Signal des optischen Detektors ansteuert. In einigen Ausführungen kann das Modulationsüberwachungssystem 300 eine Rückmeldung über das Systemsignal und den Steuerbus 395 oder alternativ über eine direkte Verbindung bereitstellen, die durch eine gestrichelte Linie in 3 angezeigt wird.
In einigen Ausführungen kann die Quelle für die VFL durchlaufendes Licht 340 dazu konfiguriert sein, das die VFL durchlaufende Licht 343 so zu blitzen, dass die Abtastpulse verschiedenen Phasen der Modulation der VFL-Linse 370 entsprechen. Die Modulation der VFL-Linse 370 kann vom optischen Detektor 385 zu gewünschten Zeiten abgetastet werden, um Faktoren wie Amplitude und Frequenz zu bestimmen, die die Modulation kennzeichnen.
4 ist ein schematisches Schaubild einer zweiten Ausführung eines Modulationsüberwachungssystems 400 zur Verwendung mit einem Abbildungssystem 410, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) 470 enthält. Es versteht sich, dass das Modulationsüberwachungssystem 400 von 4 mehrere Merkmale mit dem Modulationsüberwachungssystem 300 von 3 teilt und zum großen Teil analog zur vorherigen Beschreibung verstanden werden kann. Bestimmte nummerierte Komponenten von Figur 4 können ähnlichen Betriebsvorgängen entsprechen und/oder ähnliche Betriebsvorgänge aufweisen wie die gleich nummerierten Komponenten von 3, falls nachfolgend nicht anders beschrieben. Daher werden solche ähnlichen Komponenten und gemeinsamen Merkmale nicht im Detail beschrieben. Die folgende Beschreibung hebt bestimmte Elemente und Aspekte des Betriebs des Systems 400 hervor, die sich im Vergleich zu den verschiedenen hierin zuvor beschriebenen Systemausführungen unterscheiden.
In der in 4 gezeigten Ausführung ist eine Quelle für die VFL durchlaufendes Licht 440 dazu angeordnet, die VFL durchlaufendes Licht 443 entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges 444 bereitzustellen, der das die VFL durchlaufendes Licht 443 an einem vorderen Abschnitt 470A einer VFL-Linse 470, der näher an einer Objektivlinse 450 liegt, einspeist. Ein optischer Detektor 485 ist so angeordnet, dass er das die VFL durchlaufende Licht 443 entlang des Modulationsüberwachungslichtweges 444 empfängt, nachdem es von der VFL-Linse 470 am rückseitigen Abschnitt 470B ausgegeben wurde.
In der in 4 dargestellten besonderen Ausführung gibt ein Lichtgenerator 441 die VFL durchlaufendes Licht 443 aus, das von einem Strahlteiler 488 reflektiert und wahlweise von einem Strahlteiler 489 reflektiert wird, um das die VFL durchlaufende Licht 443 vom Bildlicht 455 zu trennen. In Analogie zu der mit Bezug auf 3 dargelegten Betriebsweise und Ausbildung kann es in verschiedenen Ausführungen wünschenswert sein, dass der Lichtgenerator 441 ein die VFL durchlaufendes Licht 443 ausgibt, das außerhalb eines Lichtspektrums liegt, für das eine Kamera 460 empfindlich ist, und der Strahlteiler 488 und der Strahlteiler 489 können eine Oberfläche aufweisen, die ein dichroitischer oder schmalbandiger Reflektor ist, der das gesamte oder den größten Teil des Bildlichts 455 weiterleitet und das gesamte oder den größten Teil des die VFL durchlaufenden Lichts 443 reflektiert.
Verschiedene alternative Ausführungen können optische Komponenten analog zum Modulationsüberwachungssystem 400 integrieren, jedoch in einer anderen Reihenfolge relativ zu der VFL-Linse 470 und der Objektivlinse 450. In einigen Ausführungen kann eine Quelle für die VFL durchlaufendes Licht angeordnet werden, um die VFL durchlaufendes Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges bereitzustellen, der das die VFL durchlaufende Licht an einem rückseitigen Abschnitt 470B der VFL-Linse 470, der weiter von der Objektivlinse 450 entfernt ist, einspeist. Ein optischer Detektor kann so angeordnet werden, dass er das die VFL durchlaufende Licht entlang des Modulationsüberwachungslichtweges empfängt, nachdem es von der VFL-Linse 470 am vorderen Teil 470A ausgegeben wurde.
5 ist ein schematisches Schaubild einer dritten Ausführung eines Modulationsüberwachungssystems 500 zur Verwendung mit einem Abbildungssystem 510, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) 570 umfasst. Der Einfachheit halber wird nur die VFL-Linse 570 des Abbildungssystems 510 gezeigt. Die VFL-Linse 570 kann ähnlich wie im Abbildungssystem 410 in das Abbildungssystem 510 eingesetzt werden. Bestimmte nummerierte Komponenten von Abbildung 5 können ähnlichen Betriebsvorgängen entsprechen und/oder ähnliche Betriebsvorgänge aufweisen wie gleich nummerierte Komponenten von 4, falls nachfolgend nicht anders beschrieben. Daher werden solche ähnlichen Komponenten und gemeinsamen Merkmale nicht im Detail beschrieben. Das Modulationsüberwachungssystem 500 umfasst eine Quelle für die VFL durchlaufendes Licht 540, die eine Lichtquelle 541 umfasst, die dazu konfiguriert ist, die VFL durchlaufendes Licht 543 entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges 544 durch die VFL-Linse 570 bereitzustellen, und einen Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt 580, der einen optischen Detektor 585 umfasst, der dazu konfiguriert ist, das die VFL durchlaufende Licht 543 zu empfangen und mindestens ein optisches Detektorsignal bereitzustellen, das der modulierten optischen Leistung der VFL-Linse 570 entspricht, und das Modulationsüberwachungssystem 500 gibt ein Modulationsüberwachungssignal auf der Basis des mindestens einen Signals des optischen Detektors aus. In der in 5 gezeigten Ausführung durchläuft der Modulationsüberwachungslichtweg 544 die VFL-Linse 570 außerhalb des Abschnitts 571A der VFL-Linse, der für die Abbildung verwendet wird. Insbesondere kann der Abschnitt 571A so verstanden werden, dass er einem Bildfenster zum Weiterleiten von Abbildungslicht 555 an einen Detektor entspricht. Wie bereits mit Bezug auf 3 dargelegt, sollte bei einer VFL-Linse 570, die eine Gradientenlinse mit akustisch einstellbarem Brechungsindex ist, der Abschnitt 571A kleiner sein als die radiale Ausdehnung des ersten Bessel-Rings im Brechungsindexprofil der stehenden Welle der VFL-Linse 570. In einigen Ausführungen, die dem Modulationsüberwachungssystem 500 ähnlich sind, kann das die VFL durchlaufende Licht 543 ein schmaler Laserstrahl sein. Das die VFL durchlaufende Licht 543 kann sich außerhalb der radialen Ausdehnung des ersten Bessel-Rings, z.B. innerhalb der radialen Ausdehnung des zweiten Bessel-Rings, befinden. Während ein solcher „zweiter Bessel-Ring“-Bereich der VFL-Linse 570 für eine bildfehlerfreie Abbildung ungeeignet sein kann, kann er dennoch geeignet sein, das die VFL durchlaufende Licht 543 so abzulenken oder zu fokussieren, dass ein Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt 580 (z.B. ein Wellenfront- oder Strahlablenksensor) betrieben werden kann, um eine Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phase der Modulation des VFL-Linse 570 zu überwachen.
Es versteht sich, dass das in der in 5 gezeigten Ausführung das Modulationsüberwachungssystem 500 einen Reflektor 588 und einem Reflektor 589 umfasst, die ähnliche Aufgaben wie der Strahlteiler 488 und der Strahlteiler 489 haben. Das Modulationsüberwachungssystem 500 benötigt jedoch keine wellenlängenabhängige Reflexion, da der Modulationsüberwachungslichtweg 544 die VFL-Linse 570 außerhalb des für die Abbildung verwendeten Bereichs 571A der VFL-Linse durchläuft und es daher nicht notwendig ist, das die VFLdurchlaufende Licht 543 vom Abbildungslicht 555 zu trennen. In einigen Ausführungen, die dem Modulationsüberwachungssystem 500 ähnlich sind, können der Reflektor 588 und der Reflektor 589 abhängig von der Anordnung des Abbildungssystems 510 sogar unnötig sein. Es versteht sich, dass die in 5 gezeigte Anordnung angepasst werden kann, um das die VFL durchlaufende Licht 543 entweder an der Vorder- oder Rückseite der VFL-Linse 570 einzugeben und die Modulation des die VFL durchlaufenden Lichts 543 an der anderen Rückseite oder Vorderseite der VFL-Linse 570 zu erfassen.
Die 6A und 6B zeigen erste und zweite Ausführungen von optischen „Richtungs“-Detektoren 685' und 685' die in verschiedenen Ausführungen eines optischen Detektors, wie den optischen Detektoren 385, 485 oder 585, verwendet werden können.
Der optische Detektor 685' umfasst einen bekannten Typ von Wellenfrontkrümmungsdetektor. Im Allgemeinen kann ein Wellenfrontsensor, wie der Begriff hierin verwendet wird, so beschrieben werden, dass er mindestens einen örtlichen Strahlwinkel in einem entsprechenden Bereich entlang einer Wellenfront eines Eingangslichtstrahls abtastet, um mindestens ein entsprechendes Detektionssignal bereitzustellen, das von dem abgetasteten örtlichen Strahlwinkel abhängt. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, mindestens zwei jeweilige örtliche Strahlwinkel an jeweils zwei entsprechenden Bereichen, die entlang der Wellenfront des Eingangslichtstrahls getrennt sind, abzutasten, um mindestens zwei jeweilige Detektionssignale bereitzustellen, die von den abgetasteten örtlichen Strahlwinkeln abhängen. Eine Beziehung, die die mindestens zwei Detektorsignale umfasst, entspricht einem Grad der Wellenfrontkrümmung des Eingangslichts 645, und die Auswirkungen der Wellenfrontneigung (im Gegensatz zur Wellenfrontkrümmung) können als Gleichtaktfehler erkannt und unterdrückt werden, der in jedem der mindestens zwei Detektorsignale vorhanden ist.
Der abgebildete optische Detektor 685' kann als Shack-Hartmann-Sensor bezeichnet werden und umfasst die Linsen L1 und L2 sowie einen Detektor 662 mit Signal- und Steuerleitung(en) 665. In einer Ausführung können die Linsen L1 und L2 Mikrolinsen sein. Die Objektive L1 und L2 fokussieren jeweils das Eingangslicht (z.B. das oben mit Bezug auf 3 dargelegte reflektierte, die VFL durchlaufende Licht).
In dem in 6 gezeigten Beispiel hat das Eingangslicht 645 (z.B. das die VFL durchlaufende Licht 345, 443 oder 543) eine Wellenfront, die schematisch durch die Wellenfront WF dargestellt wird. Für die Wellenfront WF erzeugen die Linsen L1 und L2 Bilder, die als Detektionspunkte DS1 beziehungsweise DS2 auf dem Detektor 662 erscheinen. In einer Ausführung kann der Detektor 662 mindestens eine Vierzellen-Photodiode enthalten, z.B. eine von Hamamatsu Photonics aus Shizuoka, Japan hergestellte segmentierte Silizium-PIN-Photodiode, Modell S5980. Mehrere Vierzellen-Photodioden können eine Wellenfrontabtastung mit hoher Auflösung bereitstellen, aber in einigen Ausführungen kann eine einzelne Vierzellen-Photodiode, die von einer optischen Mittelachse des Modulationsüberwachungslichtweges entfernt montiert ist, eine ausreichende Abtastung für die Überwachung der Modulation einer VFL-Linse bereitstellen. In anderen Ausführungen kann der Detektor 662 mindestens zwei diskrete Photodetektoren oder mindestens einen positionsempfindlichen Detektor umfassen. In jedem Fall befinden sich die Detektionspunkte DS1 und DS2 in Abständen SN1 beziehungsweise SN2 von einer Referenzposition RP entlang der Oberfläche des Detektors 662. Die Differenz zwischen den Abständen SN1 und SN2 kann als Darstellen eines Modulationsüberwachungssignals MMS angesehen werden. Die Referenzposition RP, ab der die Abstände SN1 und SN2 gemessen werden, kann beliebig gewählt werden.
Wie im Stand der Technik bekannt, entspricht die „flache“ Wellenfront WF dem kollimierten Eingangslicht 645. Wenn die Wellenfront WF flach ist, erscheinen die Detektionspunkte DS1 und DS2 an nominalen „Null“-Positionen, die auf die optischen Achsen der entsprechenden einzelnen Linsen ausgerichtet sind, und das Modulationsüberwachungssignal MMS hat einen nominalen oder „Null“-Wert.
Über die verschiedenen Phasen der Modulation einer VFL-Linse hinweg ist die Wellenfront WF nicht flach. In einem in 6 gezeigten Beispiel hat das Eingangslicht 645 eine Wellenfront, die schematisch durch die gekrümmte Wellenfront WF' dargestellt wird. Für die Wellenfront WF' erzeugen die Linsen L1 und L2 Bilder, die als Detektionspunkte DS1' beziehungsweise DS2' auf dem Detektor 662 erscheinen. Für die dargestellte Polarität der Wellenfrontkrümmung erscheinen die Detektionspunkte DS1' und DS2' an Positionen, die weiter auseinander liegen als die Nullpositionen DS1 und DS2, und ein Modulationsüberwachungssignal MMS' ist größer als sein Nominal- oder „Null“-Wert. Umgekehrt würden bei einer Wellenfront (WF'') mit einer Krümmung der entgegengesetzten Polarität die Detektionspunkte (DS1" und DS2'') an Positionen erscheinen, die näher beieinander liegen als die Nullpositionen DS1 und DS2, und ein Modulationsüberwachungssignal MMS" wäre kleiner als sein Nominal- oder „Null“-Wert.
6B zeigt einen optischen Detektor 685", der einen bekannten Typ eines Fokus-Axialpositionssensors umfasst, der ein Richtungssensor ist, der eine Linse 610, einen Strahlteiler 612, eine erste Lochblende 620A und einen ersten Photodetektor 625A sowie eine zweite Lochblende 620B und einen zweiten Photodetektor 625B umfassen kann. Die Linse 610 gibt im Betrieb das Eingangslicht 645 ein (z.B., das die VFL durchlaufende Licht 345, 443 oder 543) und sendet es als fokussierten Lichtstrahl 615 in Richtung auf den Strahlteiler 612, der es in einen ersten und einen zweiten Messstrahl 615A und 615B aufteilt. Wie in 6B dargestellt, kann die erste Blende 620A an einer Stelle platziert werden, die eine Lichtweglänge zur Linse 610 hat, die etwas kleiner ist als die Nennbrennweite der Linse 610, und die zweite Blende 620B kann so angeordnet sein, dass sie eine etwas längere Lichtweglänge aufweist. Wenn also, wie in 6B dargestellt, der zweite Messstrahl 615B ungefähr auf die zweite Blende 620B fokussiert, wird der zweite Photodetektor 625B die gesamte Energie des zweiten Messstrahls 615B empfangen und auf einer Signalleitung 626B ein zweites Detektorsignal ausgeben, das einen Maximalwert aufweist. Gleichzeitig wird der Fokuspunkt des ersten Messstrahls 615A außerhalb der Lichtweglänge zur ersten Blende 620A liegen. Daher wird die erste Blende 620A einen Abschnitt des ersten Messstrahls 615A verdecken und der erste Photodetektor 625A wird auf einer Signalleitung 626A ein erstes Detektorsignal ausgeben, das einen geringeren Wert als das zweite Detektorsignal auf der Signalleitung 626B hat. Im Allgemeinen wird die Differenz zwischen den beiden Detektorsignalen in Abhängigkeit von der axialen Fokuslage des Eingangslichts 645 variieren, die von der nominalen Konvergenz oder Divergenz von dessen Lichtstrahlen abhängt, die mit dessen Wellenfrontkrümmung zusammenhängt.
Es sollte verstanden werden, dass sich die hierin gezeigten Ausführungen in erster Linie auf ein Modulationsüberwachungssystem zur Verwendung mit einem Bildverarbeitungssystem, das Teil eines maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems ist, bezogen haben. Solche Ausführungen sind beispielhaft und nicht einschränkend. Ein Modulationsüberwachungssystem gemäß den hier offenbarten Prinzipien kann mit einem Abbildungssystem in anderen Anwendungen verwendet werden, wie für einen Fachmann verständlich ist.
Obwohl bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, werden für einen Fachmann basierend auf dieser Offenbarung zahlreiche Variationen der dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Betriebsabläufen ersichtlich. Verschiedene alternative Formen und Kombinationen von offenbarten Elementen und/oder Betriebsvorgängen können zur Ausführung der hierin offenbarten Prinzipien verwendet werden. Die verschiedenen oben beschriebenen Ausführungen können kombiniert werden, um weitere Ausführungen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in dieser Spezifikation Bezug genommen wird, sind hierin durch Bezugnahme vollinhaltlich mit aufgenommen. Aspekte der Ausführungen können modifiziert werden, um bei Bedarf Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen einzusetzen, um noch weitere Ausführungen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Ausführungen hinsichtlich der oben genannten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht so auszulegen, dass sie die Ansprüche auf die in der Spezifikation und den Ansprüchen offenbarten spezifischen Ausführungen beschränken, sondern sind so auszulegen, dass sie alle möglichen Ausführungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind, 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 2015/0145980 [0017]
US 2017/0013185 [0017]
US 14841051 [0017]
US 14854624 [0017]
US 2014/0368726 [0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Multi-Level Image Focus Using a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System“ [0017]

Claims

Modulationsüberwachungssystem zur Verwendung mit einem Abbildungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL) umfasst, wobei: das Abbildungssystem umfasst: eine Objektivlinse, die dazu konfiguriert ist, von einer Werkstückoberfläche herrührendes Bildlicht einzugeben, wobei die VFL-Linse dazu konfiguriert ist, von der Objektivlinse weitergeleitetes Bildlicht entlang eines Abbildungslichtwegs zu empfangen, und eine Kamera, die dazu konfiguriert ist, von der VFL-Linse entlang des Abbildungslichtwegs weitergeleitetes Licht zu empfangen; einen VFL-Linsensteuerung, die dazu konfiguriert ist, die VFL-Linse zu steuern, um ihre optische Leistung mit hoher Geschwindigkeit periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Abbildungssystems über eine Vielzahl von Fokus-Z-Höhen des Abbildungssystems entlang einer Z-Höhenrichtung periodisch zu modulieren, und das Modulationsüberwachungssystem umfasst: eine Quelle für die VFL durchlaufendes Licht, die eine Lichtquelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, die VFL durchlaufendes Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges durch die VFL-Linse bereitzustellen; und einen Modulationssignal-Bestimmungsabschnitt, der einen optischen Detektor umfasst, der dazu konfiguriert ist, das die VFL durchlaufende Licht zu empfangen und mindestens ein optisches Detektorsignal bereitzustellen, das der modulierten optischen Leistung der VFL-Linse entspricht, und das Modulationsüberwachungssystem gibt mindestens ein Modulationsüberwachungssignal basierend auf dem mindestens einen Signal des optischen Detektors aus.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei die Quelle für das die VFL durchlaufende Licht angeordnet ist, um das die VFL durchlaufende Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtweges bereitzustellen, der das die VFL durchlaufende Licht an einem von a) einem vorderen Abschnitt der VFL-Linse, der näher an der Objektivlinse liegt, oder b) einem rückseitigen Abschnitt der VFL-Linse, der weiter von der Objektivlinse entfernt ist, eingibt; und der optische Detektor so angeordnet ist, dass er das die VFL durchlaufende Licht entlang des Modulationsüberwachungslichtweges empfängt, nachdem es von der VFL-Linse an dem anderen von a) dem vorderen Abschnitt oder b) dem rückseitigen Abschnitt ausgegeben wurde.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei: die Quelle für das die VFL durchlaufende Licht angeordnet ist, um das die VFL durchlaufende Licht entlang eines Modulationsüberwachungslichtwegs bereitzustellen, der das die VFL durchlaufende Licht an einem ersten von a) einem vorderen Abschnitt der VFL-Linse, der näher an der Objektivlinse liegt, oder b) einem rückseitigen Abschnitt der VFL-Linse, der weiter von der Objektivlinse entfernt ist, eingibt; ein wellenlängenabhängiger Reflektor so angeordnet ist, dass er das die VFL durchlaufende Licht entlang des Modulationsüberwachungslichtweges zurückreflektiert, nachdem es von der VFL-Linse an dem anderen von a) dem vorderen Abschnitt oder b) dem rückseitigen Abschnitt ausgegeben wurde; und der optische Detektor so angeordnet ist, dass er das reflektierte, die VFL durchlaufende Licht entlang des Modulationsüberwachungslichtweges empfängt, nachdem es von der VFL-Linse am ersten von a) oder b) ausgegeben wurde.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 3, wobei der wellenlängenabhängige Reflektor ein Schmalbandreflektor oder ein dichroitischer Reflektor ist.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei das die VFL durchlaufende Licht eine Wellenlänge von mindestens 700 nm aufweist.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei der optische Detektor eines umfasst von: einem Shack-Hartmann-Sensor; mindestens einem Vierzellen-Photodiodensensor; diskreten Photodetektoren; oder mindestens einem positionsempfindlichen Detektor.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei die VFL-Linse eine Gradientenlinse mit akustisch einstellbarem Brechungsindex ist.
Abbildungssystem nach Anspruch 1, wobei das Modulationsüberwachungssystem dazu konfiguriert ist, der VFL-Linsensteuerung eine Rückmeldung bereitzustellen, um Änderungen von mindestens einem von der optischen Leistung oder Frequenzen der VFL-Linse zu kompensieren.
Modulationsüberwachungssystem nach Anspruch 1, wobei der Modulationsüberwachungslichtweg die VFL-Linse außerhalb des Abschnitts der VFL-Linse durchläuft, der für die Abbildung verwendet wird.