DE102019219934A1

DE102019219934A1 - Verfahren zum messen von z-höhenwerten einer werkstückoberfläche mit einem prüfsystem mit automatisierter bildgebung

Info

Publication number: DE102019219934A1
Application number: DE102019219934.8A
Authority: DE
Inventors: Joseph Daniel Tobiason
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2018-12-31
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2020-07-02
Also published as: CN111380470A; US10520301B1; JP2020115127A; JP7319913B2; CN111380470B

Abstract

Ein Verfahren zum Messen von Z-Höhen einer Werkstückoberfläche mit einem Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung umfasst das Beleuchten einer Werkstückoberfläche mit strukturiertem Licht, das Erfassen von mindestens zwei Lagen von Bildern des Werkstücks, wobei jede Lage eine unterschiedliche X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht und der Werkstückoberfläche bei einer entsprechenden Z-Höhe in jeder der Lagen enthält, und das Bestimmen von Z-Werten auf der Grundlage von Gruppen von Intensitätswerten eines Bildpunktes, der derselben Werkstückposition in der X-Y-Ebene entspricht, die sich auf denselben Z-Höhen befinden. Die X-Y-Position wird in jeder Lage von Bildern mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Höhe geändert und wird entweder während jeder der mindestens zwei Lagen mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Verschiebung auf ununterbrochene Weise geändert oder während jeder der mindestens zwei Lagen auf einen unterschiedlichen Wert festgelegt.

Description

Hintergrund
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf eine Präzisionsmesstechnologie unter Verwendung einer kontaktlosen Werkstückoberflächenmessung (z. B. in einem Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung) und genauer auf das Messen einer Gruppe von Z-Höhen.
Beschreibung des verwandten Gebiets
Kontaktlose Präzisionsmessungs-Technologiesysteme wie etwa Präzisions-Prüfsysteme mit automatisierter Bildgebung (oder abgekürzt „Bildgebungssysteme“) können genutzt werden, um präzise Dimensionsmessungen von Gegenständen zu erhalten und diverse andere Eigenschaften des Gegenstands zu prüfen, und können einen Computer, eine Kamera und ein optisches System und eine Präzisionsbühne, die sich derart bewegt, dass ein Verschieben und Prüfen des Werkstücks ermöglicht wird, enthalten. Ein beispielhaftes System des Stands der Technik ist die QUICK VISION®-Reihe von PC-basierten Bildgebungssystemen und die QVPAK®-Software, die bei der Mitutoyo America Corporation (MAC) erhältlich ist, die in Aurora, Illinois, stationiert ist. Die Merkmale und der Betrieb der QUICK VISION®-Reihe von Bildgebungssystemen und der QVPAK®-Software sind z. B. im QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide, der im Januar 2003 veröffentlicht wurde, im Allgemeinen beschrieben, der hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen ist. Diese Art von System verwendet ein optisches System in der Art eines Mikroskops und bewegt die Bühne, um Prüfbilder entweder von kleinen oder von relativ großen Werkstücken bereitzustellen.
Universalpräzisions-Prüfsysteme mit automatisierter Bildgebung sind im Allgemeinen programmierbar, um eine automatisierte Videoprüfung bereitzustellen. Derartige Systeme enthalten üblicherweise GUI-Merkmale und vorgegebene Bildanalyse-„Videowerkzeuge“, derart, dass der Betrieb und die Programmierung durch „Laien“-Bedienpersonen durchgeführt werden können. Zum Beispiel lehrt das US-Patent Nr. 6,542,180 , das hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist, ein Bildgebungssystem, das eine automatisierte Videoprüfung verwendet, wobei das Verwenden diverser Videowerkzeuge enthalten ist.
In derartigen Systemen werden häufig Genauigkeiten im Mikrometerbereich oder Submikrometerbereich gewünscht. Dies ist in Bezug auf Z-Höhenmessungen besonders herausfordernd. Z-Höhenmessungen (entlang der optischen Achse des Kamerasystems) werden in Allgemeinen von einer Position der „besten Fokussierung“ wie etwa jener, die durch ein Autofokuswerkzeug bestimmt wird, abgeleitet. Das Bestimmen einer Position der besten Fokussierung ist ein relativ komplexer Prozess, der im Allgemeinen von dem Kombinieren und/oder Vergleichen von Informationen, die von mehreren Bildern abgeleitet werden, abhängt. Somit ist die Stufe der Genauigkeit und Zuverlässigkeit, die für Z-Höhenmessungen erreicht wird, häufig geringer als jene, die für die X- und Y-Messachsen erreicht wird, wo Messungen üblicherweise auf Merkmalsbeziehungen in einem einzigen Bild basieren. In der letzten Zeit werden bekannte Techniken, die im Allgemeinen als „mikroskopische Verfahren mit strukturierter Beleuchtung“ (SIM-Verfahren) bezeichnet werden, in mikroskopischen Mess- und Prüfsystemen eingesetzt, um ihre Messauflösung und/oder Genauigkeit über die optischen Grenzen, die üblicherweise einer einfachen Bildgebung zugeordnet sind, hinaus zu erhöhen (z. B. auf die Mikrometer- und Submikrometerstufe). Ein derartiges System ist in dem Artikel „Autoexposure for three-dimensional shape measurement using digital-lightprocessing projector“ von Ekstrand und Zhang in Optical Engineering 50(12), 123603 (Dezember 2011) offenbart. Eine gleichartige Messbefähigung kann durch Weißlicht-Interferenzsysteme (WLI-Systeme) bereitgestellt werden. Ein derartiges System ist in der US-Patentveröffentlichung Nummer 20160131474A1 offenbart.
Systeme, die SIM- oder WLI-Techniken nutzen, stellen eine gute Messauflösung und/oder Messgenauigkeit bereit, sind jedoch häufig ziemlich langsam. Es wird gewünscht, ein System für dreidimensionale Messungen einer Werkstückoberfläche mit verbesserter Geschwindigkeit bereitzustellen.
Kurzzusammenfassung
Diese Zusammenfassung ist bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form vorzustellen, die unten in der genauen Beschreibung weiter beschrieben sind. Diese Zusammenfassung ist weder dafür vorgesehen, Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch ist sie dafür vorgesehen, als eine Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
Ein Verfahren zum Messen von Z-Höhenwerten einer Werkstückoberfläche mit einem Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung umfasst das Beleuchten einer Werkstückoberfläche mit strukturiertem Licht, das in mindestens einer Richtung einen hohen räumlichen Frequenzgehalt (z. B. mit einer kleinen Periode) aufweist, das Erfassen von mindestens zwei Lagen von Bildern des Werkstücks, wobei jede Lage eine unterschiedliche X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht und der Werkstückoberfläche bei einer entsprechenden Z-Höhe in jeder der Lagen enthält, und das Bestimmen von Z-Werten auf der Grundlage von Gruppen von Intensitätswerten eines Bildpunktes, der derselben Werkstückposition in der X-Y-Ebene entspricht, die sich auf denselben Z-Höhen befinden. Die X-Y-Position wird in jeder Lage von Bildern mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Höhe geändert; die X-Y-Position wird entweder während jeder der mindestens zwei Lagen auf ununterbrochene Weise mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Verschiebung geändert oder während jeder der mindestens zwei Lagen auf einen unterschiedlichen Wert festgelegt, wobei jede Lage bei einer ununterbrochenen Z-Verschiebung erfasst wird.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das diverse übliche Komponenten eines Universalpräzisions-Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung zeigt.
2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts und eines Bildgebungskomponentenabschnitts eines Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung, das gleichartig wie jenes aus 1 ist und bestimmte, hier offenbarte Merkmale enthält.
3A ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung des Generators für ein strukturiertes Beleuchtungsmuster zeigt, der in 2 gezeigt ist.
3B zeigt einen Abschnitt zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters.
3C zeigt einen Abschnitt zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters.
3D zeigt einen Abschnitt einer alternativen Implementierung eines Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung.
4A und 4B sind Diagramme, die eine erste Implementierung eines Abschnitts eines Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung und ein Werkstück gemäß den hier offenbarten Prinzipien zeigt.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Kontrastmetrik und den Z-Höhen von Bildern einer Werkstückoberfläche, die durch ein Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung wie etwa demjenigen, das in 4A und 4B gezeigt ist, gemessen werden, zeigt.
6 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines Werkstücks zeigt, das durch eine zweite Implementierung eines Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien beleuchtet wird.
7 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines Werkstücks zeigt, das durch eine dritte Implementierung eines Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien beleuchtet wird.
8 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines Werkstücks zeigt, das durch eine vierte Implementierung eines Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien beleuchtet wird.
9 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Messen von Z-Höhenwerten einer Werkstückoberfläche mit einem Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien zeigt.

Genaue Beschreibung
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Prüfsystems 10 mit automatisierter Bildgebung, das als ein Bildgebungssystem in Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Verfahren verwendbar ist. Das Prüfsystem 10 mit automatisierter Bildgebung enthält eine Bildgebungsmessmaschine 12, die betriebstechnisch gekoppelt ist, um mit einem Steuercomputersystem 14 Daten und Steuersignale auszutauschen. Das Steuercomputersystem 14 ist ferner betriebstechnisch gekoppelt, um mit einem Bildschirm oder einer Anzeige 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tatstatur 24 und einer Maus 26 Daten und Steuersignale auszutauschen. Der Bildschirm oder die Anzeige 16 kann eine Anwenderschnittstelle anzeigen, die zum Steuern und/oder Programmieren der Vorgänge des Prüfsystems 10 mit automatisierter Bildgebung geeignet ist. Es ist zu erkennen, dass in diversen Implementierungen ein Tablet mit Berührungsbildschirm oder dergleichen beliebige oder alle der Elemente 14, 16, 22, 24 und 26 ersetzen kann und/oder auf redundante Weise vorgesehen sein kann.
Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass das Steuercomputersystem 14 im Allgemeinen unter Verwendung jedes geeigneten Rechensystems oder jeder geeigneten Rechenvorrichtung, einschließlich verteilter oder vernetzter Rechenumgebungen und dergleichen implementiert sein kann. Derartige Rechensysteme oder Rechenvorrichtungen können einen oder mehrere Universalprozessoren oder Spezialprozessoren (z. B. nicht kundenspezifische oder kundenspezifische Vorrichtungen) enthalten, die Software ausführen, um die hier beschriebenen Funktionen durchzuführen. Die Software kann in einem Datenspeicher wie etwa einem Schreib/Lese-Speicher (RAM), Festwertspeicher (ROM), Flash-Speicher oder dergleichen oder einer Kombination derartiger Komponenten gespeichert sein. Die Software kann außerdem in einer oder mehreren Speichervorrichtungen wie etwa Festplatten auf optischer Grundlage, Flash-Speichervorrichtungen oder jeder anderen Art von nichtflüchtigem Speichermedium zum Speichern von Daten gespeichert sein. Die Software kann ein oder mehrere Programmmodule enthalten, die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen und so weiter enthalten, die bestimmten Aufgaben durchführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In verteilten Rechenumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule kombiniert oder über mehrere Rechensysteme oder Rechenvorrichtungen verteilt sein, und es kann entweder in einer drahtgebundenen oder einer drahtlosen Konfiguration über Dienstleistungsaufrufe darauf zugegriffen werden.
Die Bildgebungsmessmaschine 12 enthält eine bewegliche Werkstückbühne 32 und ein optisches Bildgebungssystem 34, das eine Zoom-Linse oder austauschbare Objektivlinsen enthalten kann. Die Zoom-Linse oder die austauschbaren Objektivlinsen stellen im Allgemeinen diverse Vergrößerungen für die Bilder bereit, die durch das optische Bildgebungssystem 34 bereitgestellt werden. Diverse Implementierungen des Prüfsystems 10 mit automatisierter Bildgebung sind außerdem in den gemeinsam zugewiesenen US-Patenten Nr. 7,454,053 ; 7,324,682 ; 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, wovon jedes hiermit hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts 120 und eines Bildgebungskomponentenabschnitts 200 eines Prüfsystems 100 mit automatisierter Bildgebung, gleichartig wie das Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung aus 1, das bestimmte, hier offenbarte Merkmale enthält. Wie unten genauer beschrieben wird, wird der Steuersystemabschnitt 120 genutzt, um den Bildgebungskomponentenabschnitt 200 und einen steuerbaren Abschnitt 300 zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) zu steuern. Der Steuersystemabschnitt 120 kann ausgelegt sein, sowohl mit dem Bildgebungskomponentenabschnitt 200 als auch mit dem steuerbaren SIP-Erzeugungsabschnitt 300 Daten und Steuersignale auszutauschen. Der Bildgebungskomponentenabschnitt 200 enthält einen optischen Baugruppenabschnitt 205, Lichtquellen 220, 230, 240 und eine Werkstückbühne 210, die einen mittigen, durchsichtigen Abschnitt 212 aufweist. Die Werkstückbühne 210 ist auf steuerbare Weise entlang einer x- und y-Achse beweglich, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen zur Oberfläche der Bühne parallel ist, wo ein Werkstück 20 angeordnet sein kann.
Der optische Baugruppenabschnitt 205 enthält ein Kamerasystem 260 und eine austauschbare Objektivlinse 250. In einigen Implementierungen kann der optische Baugruppenabschnitt 205 wahlweise eine Linse 270 mit veränderlicher Brennweite (VFL-Linse) wie z. B. einen abstimmbaren akustischen Gradienten (TAG) wie etwa jenen, der im US-Patent Nr. 9,143,674 offenbart ist, das hiermit hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen ist, enthalten.
In diversen Implementierungen kann der optische Baugruppenabschnitt 205 ferner eine Revolverlinsenbaugruppe 223 enthalten, die die Linsen 226 und 228 aufweist. Als eine Alternative zur Revolverlinsenbaugruppe können in diversen Implementierungen eine feststehende oder manuell austauschbare Linse zum Ändern der Vergrößerung oder eine Zoom-Linsenkonfiguration oder dergleichen enthalten sein. In diversen Implementierungen kann die austauschbare Objektivlinse 250 aus einer Gruppe von Objektivlinsen mit feststehender Vergrößerung ausgewählt werden, die als Komponente des Linsenabschnitts mit veränderlicher Vergrößerung enthalten sind (z. B. einer Gruppe von Objektivlinsen, die Vergrößerungen wie etwa 0,5x, 1x, 2x oder 2,5x, 5x, 10x, 20x oder 25x, 50x, 100x, usw. entsprechen).
Der optische Baugruppenabschnitt 205 ist auf steuerbare Weise entlang einer Z-Achse beweglich, die im Allgemeinen zur x- und y-Achse senkrecht ist, unter Verwendung eines steuerbaren Motors 294, der einen Aktor derart antreibt, dass der optische Baugruppenabschnitt 205 entlang der Z-Achse bewegt wird, um die Fokussierung des Bildes des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 mit einer Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle 130 verbunden, wie unten genauer beschrieben wird, um die Fokussierung des Bildes über einen kleineren Bereich einzustellen. Ein Werkstück 20 kann auf der Werkstückbühne 210 angeordnet sein. Die Werkstückbühne 210 kann derart gesteuert werden, dass sie sich relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 bewegt, derart, dass sich das Blickfeld der austauschbaren Objektivlinse 250 zwischen Orten auf dem Werkstück 20 und/oder von mehreren Werkstücken 20 bewegt.
Eine Bühnenlichtquelle 220 und/oder eine koaxiale Lichtquelle 230 und/oder eine Oberflächenlichtquelle 240 (z. B. eine Ringleuchte) können jeweils ein Quellenlicht 222 und/oder 232 und/oder 242 emittieren, um das Werkstück oder die Werkstücke 20 zu beleuchten. Zum Beispiel kann die koaxiale Lichtquelle 230 während einer Bildaufnahme das Quellenlicht 232 entlang eines Weges emittieren, der einen Strahlteiler 290 (z. B. einen Teilspiegel) enthält. Das Quellenlicht 232 wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder übertragen, und das Werkstücklicht, das zur Bildgebung verwendet wird, verläuft durch die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 223 und wird durch das Kamerasystem 260 erfasst. Eine Werkstückbildaufnahme, die das Bild des Werkstücks bzw. der Werkstücke 20 enthält, wird durch das Kamerasystem 260 aufgenommen und wird auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 ausgegeben.
Diverse Lichtquellen (z. B. die Lichtquellen 220, 230, 240) können durch zugeordnete Signalleitungen (z. B. die Busse 221 bzw. 231 bzw. 241) mit einer Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 des Steuersystemabschnitts 120 verbunden sein. Der Steuersystemabschnitt 120 kann die Revolverlinsenbaugruppe 223 durch eine Signalleitung oder einen Bus 223'derart steuern, dass sie sich um eine Achse 224 dreht, um eine Revolverlinse auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält der Steuersystemabschnitt 120 in diversen beispielhaften Implementierungen eine Steuereinheit 125, die Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle 130, einen Datenspeicher 140, eine Werkstückprogrammerzeugungs- und -ausführeinheit 170 und einen Energieversorgungsabschnitt 190. Jede dieser Komponenten sowie die unten beschriebenen, zusätzlichen Komponenten können durch einen oder mehrere Daten/Steuer-Busse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den diversen Elementen gekoppelt sein. Die Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle 130 enthält eine Bildgebungssteuerschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerschnittstelle 132, eine Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 und eine Linsensteuerschnittstelle 134.
Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 kann Beleuchtungssteuerelemente 133a-133n enthalten, die z. B. die Auswahl, die Leistung und den Ein/Aus-Schalter für die diversen entsprechenden Lichtquellen des Prüfsystems 100 mit automatisierter Bildgebung steuern. Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 enthält außerdem ein Beleuchtungssteuerelement 133sip, das in der veranschaulichten Ausführungsform in Verbindung mit dem Abschnitt 300 zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) arbeitet, um während der Bildaufnahmen eine strukturierte Beleuchtung bereitzustellen, wie unten genauer beschrieben ist.
Der Datenspeicher 140 kann einen Bilddatei-Speicherabschnitt 141, einen Werkstückprogramm-Speicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Komponentenprogramme oder dergleichen enthalten kann, und einen Videowerkzeugabschnitt 143 enthalten. Der Videowerkzeugabschnitt 143 enthält einen Videowerkzeugabschnitt 143a und andere Videowerkzeugabschnitte (z. B. 143n), die die GUI, einen Bildverarbeitungsvorgang usw. für jedes der entsprechenden Videowerkzeuge bestimmen, einen Generator 143roi für Bereiche von Interesse (ROI), der automatische, halbautomatische und/oder manuelle Vorgänge unterstützt, die diverse ROI definieren, die in diversen Videowerkzeugen betreibbar sind, die im Videowerkzeugabschnitt 143 enthalten sind. Beispiele für die Vorgänge derartiger Videowerkzeuge zum Lokalisieren von Kantenmerkmalen und zum Durchführen anderer Werkstückmerkmalsprüfvorgänge sind in bestimmten der vorhergehend mit aufgenommenen Bezugnahmen sowie im US-Patent Nr. 7,627,162 , das hiermit hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen ist, genauer beschrieben.
Der Videowerkzeugabschnitt 143 enthält außerdem ein Autofokusvideowerkzeug, 143af, das die GUI, einen Bildverarbeitungsvorgang usw. für Fokussierungshöhenmessvorgänge bestimmt. In diversen Implementierungen kann das Autofokusvideowerkzeug 143af zusätzlich ein Hochgeschwindigkeits-Fokussierungshöhenwerkzeug enthalten, das genutzt werden kann, um unter Verwendung einer Hardware, die in 3A beschrieben ist, Fokussierungshöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie im US-Patent Nr. 9,143,674 genauer beschrieben ist, das hiermit hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit mit aufgenommen ist. In diversen Implementierungen kann das Hochgeschwindigkeits-Fokussierungshöhenwerkzeug eine spezielle Betriebsart des Autofokusvideowerkzeugs 143af sein, das andernfalls gemäß herkömmlichen Verfahren für Autofokusvideowerkzeuge arbeiten kann, oder die Vorgänge des Autofokusvideowerkzeugs 143af können lediglich jene des Hochgeschwindigkeits-Fokussierungshöhenwerkzeugs enthalten. Ein Hochgeschwindigkeitsautofokus und/oder eine Bestimmung der Fokussierungsposition für einen Bildbereich oder für Bereiche von Interesse können auf dem Analysieren des Bildes, um eine entsprechende, quantitative Kontrastmetrik für diverse Bereiche zu bestimmen, gemäß bekannten Verfahren basieren. Zum Beispiel sind derartige Verfahren in den US-Patenten Nr. 8,111,905 ; 7,570,795 und 7,030,351 offenbart, die hiermit hier durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen sind.
Im Kontext dieser Offenbarung und wie dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist, bezieht sich der Ausdruck „Videowerkzeug“ im Allgemeinen auf eine relativ komplexe Gruppe von automatischen oder programmierten Vorgängen, die ein Anwender der Maschinenbildgebung durch eine relativ einfache Anwenderschnittstelle implementieren kann. Zum Beispiel kann ein Videowerkzeug eine komplexe, vorab programmierte Gruppe von Bildverarbeitungsvorgängen und Berechnungen enthalten, die in einer bestimmten Instanz angewendet und kundenspezifisch ausgeprägt werden, indem wenige Variablen oder Parameter eingestellt werden, die die Vorgänge und Berechnungen lenken. Zusätzlich zu den zugrundeliegenden Vorgängen und Berechnungen umfasst das Videowerkzeug die Anwenderschnittstelle, die dem Anwender ermöglicht, jene Parameter für eine bestimmte Instanz des Videowerkzeugs einzustellen. Es sei erwähnt, dass die sichtbaren Merkmale der Anwenderschnittstelle manchmal als das Videowerkzeug bezeichnet werden, wobei die zugrundeliegenden Vorgänge implizit enthalten sind.
Eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen 136 (z. B. die Anzeige 16 aus 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 aus 1) können mit der Eingangs/Ausgangs-Schnittstelle 130 verbunden sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 und die Eingabevorrichtungen 138 können verwendet werden, um eine Anwenderschnittstelle anzuzeigen, die diverse Merkmale einer grafischen Anwenderschnittstelle (GUI-Merkmale) enthalten, die verwendbar sind, um Prüfvorgänge durchzuführen und/oder Komponentenprogramme zu erzeugen und/oder zu modifizieren, die Bilder zu betrachten, die durch das Kamerasystem 260 aufgenommen werden, und/oder den Bildgebungskomponentenabschnitt 200 direkt zu steuern.
In diversen beispielhaften Implementierungen erzeugt ein Anwender dann, wenn der Anwender das Prüfsystem 100 mit automatisierter Bildgebung nutzt, um ein Komponentenprogramm für das Werkstück 20 zu erzeugen, Komponentenprogrammanweisungen, indem das Prüfsystem 100 mit automatisierter Bildgebung in einer Lernbetriebsart verwendet wird, um eine gewünschte Bilderfassungstrainingsabfolge bereitzustellen. Zum Beispiel kann eine Trainingsabfolge das Positionieren eines bestimmten Werkstückmerkmals eines stellvertretenden Werkstücks im Blickfeld (FOV), das Einstellen von Lichtpegeln, das Fokussieren oder Autofokussieren, das Erfassen eines Bildes und das Bereitstellen einer Prüftrainingsabfolge, die auf das Bild angewendet wird (z. B. das Verwenden einer Instanz eines der Videowerkzeuge auf jenem Werkstückmerkmal) umfassen. Die Lernbetriebsart arbeitet, derart, dass die Abfolge(n) erfasst oder aufgezeichnet und in entsprechende Komponentenprogrammanweisungen umgesetzt werden. Wenn das Komponentenprogramm ausgeführt wird, werden diese Anweisungen bewirken, dass das Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung die trainierte Bilderfassung erneut erzeugen wird, und bewirken, dass die Prüfvorgänge jenes bestimmte Werkstückmerkmal (das heißt, das entsprechende Merkmal am entsprechenden Ort) auf einem Werkstück oder auf Werkstücken in der Ablaufbetriebsart, die mit dem stellvertretenden Werkstück übereinstimmen, das verwendet wurde, als das Komponentenprogramm erzeugt worden ist, automatisch prüfen. In einigen Implementierungen können derartige Techniken genutzt werden, um eine Komponentenprogrammanweisung zum Analysieren eines Bildes eines Referenzgegenstands zu erzeugen, um Funktionen und Vorgänge bereitzustellen, die unten genauer beschrieben sind.
Der Videowerkzeugabschnitt 143 enthält außerdem einen Z-Höhenmessungs-Werkzeugabschnitt 143z, der diverse Vorgänge und Merkmale bezüglich Z-Höhenmessvorgängen bereitstellt, wie unten genauer beschrieben ist. In einer Implementierung kann der Z-Höhenmessungs-Werkzeugabschnitt 143z die Z-Höhenwerkzeuge 143zt enthalten. Die Z-Höhenwerkzeuge 143zt können z. B. ein Autofokuswerkzeug 143af und ein Mehrpunkt-Autofokuswerkzeug 143maf enthalten. Die Z-Höhenwerkzeuge 143zt können in Verbindung mit den Z-Höhenwerkzeugen, die in einer Betriebsart konfiguriert sind, die auf der Grundlage von Techniken, die unten weiter beschrieben sind, Höhen einer besten Fokussierung und/oder Z-Höhenmessungen bestimmen, bestimmte Aspekte der Bildlagenerfassung und zugehöriger Vorgänge der Erzeugung von strukturierten Lichtmustern lenken.
Kurz gesagt kann der Z-Höhenmessungs-Werkzeugabschnitt 143z zumindest einige Vorgänge durchführen, die gleichartig wie jene bekannter Z-Höhenmessungswerkzeuge sind, wie z. B. das Durchführen von Vorgängen in einer Lernbetriebsart und einer Ablaufbetriebsart zum Erzeugen einer vollständigen oder eines Teils einer Fokussierungskurve und zum Finden ihres Scheitels als einer Position der besten Fokussierung. Der Z-Höhenmessungs-Werkzeugabschnitt 143z kann zumindest einige Vorgänge durchführen, die gleichartig wie jene bekannter Z-Höhenmessungswerkzeuge sind, wie z. B. das Durchführen von Vorgängen in einer Lernbetriebsart und einer Ablaufbetriebsart zum Erzeugen einer vollständigen oder eines Teils einer Fokussierungskurve und zum Finden ihres Scheitels als einer Position der besten Fokussierung. Zusätzliche Z-Höhenmessungswerkzeugvorgänge, die der Gegenstand dieser Offenbarung sind, sind unten genauer beschrieben.
3A ist ein Blockdiagramm, das einen Abschnitt des Bildgebungssystem-Komponentenabschnitts 200 aus 2 zeigt, wobei das Zeigen zusätzlicher Einzelheiten einer beispielhaften Implementierung des Abschnitts 300 zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP), die verwendet werden kann, um diverse Messverfahren zu implementieren, die hier offenbart und beansprucht sind, enthalten ist. In der veranschaulichten Implementierung umfasst der Abschnitt 300 zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters (SIP) einen optischen SIP-Abschnitt 360, einen Lichtgenerator 310, einen räumlichen Lichtmodulator (SLM) 350, der eine steuerbare Bildpunktanordnung 351 enthält, die in diversen Mustern konfiguriert ist, um ein Muster aus übertragenem und/oder gesperrtem Licht zu erzeugen, und eine SIP-Steuereinheit 330. Die SIP-Steuereinheit 330 kann einen Zeitvorgabe- und Synchronisierungsabschnitt (TSP) 336 und einen SLM-Steuereinheitsabschnitt 332, der einen Graustufen-Mustersequenzer 332' enthalten kann, enthalten. Der SLM-Steuereinheitsabschnitt 332 kann z. B. durch die Signalleitungen oder Busse 334 bzw. 333 bzw. 338 mit dem SLM 350 und dem Lichtgenerator 310 und dem TSP 336 verbunden sein.
In Betrieb kann der Lichtgenerator 310 durch eine erste Komponente des optischen SIP-Abschnitts 360 ein Licht 314 derart emittieren, dass es korrekt konfiguriert (z. B. kollimiert) ist, um eine Beleuchtungsfläche der Bildpunktanordnung 351 des SLM 350 zu beleuchten. Der SLM 350 kann daraufhin das Licht im Allgemeinen gemäß bekannten Verfahren übertragen, teilweise übertragen oder sperren, um ein gewünschtes Muster entlang eines optischen Weges durch den Rest des optischen SIP-Abschnitts 360 zu übertragen oder zu projizieren. Wie in 3A gezeigt ist, wird das projizierte Muster vom optischen SIP-Abschnitt 360 derart ausgegeben, dass es in den Strahlteiler 290 eingegeben wird, wo es als koaxiales Licht durch die Objektivlinse 250 geleitet wird, um das strukturierte SIP-Licht 232' bereitzustellen, um das Blickfeld zu beleuchten.
In einigen Implementierungen kann der SLM 350 eine durchlässige LCD-Anordnung wie etwa eine Mikroanzeigegrafikanordnung von Forth Dimension Displays, mit Hauptsitz in Dalgety Bay - Fife, Schottland, Vereinigtes Königreich, enthalten, die eine LCD-Bildpunktanordnung enthält, die im Allgemeinen durch herkömmliche Videosignale gesteuert werden kann, falls gewünscht, und verwendet werden kann, um ein auf elektronische Weise erzeugtes 8-Bit-Graustufenmuster anzuzeigen, das das Licht 314 durch jeden gegebenen Bildpunkt des Musters abhängig von seinem Graustufenwert übertragen, teilweise übertragen oder sperren kann. Jedoch können die hier offenbarten Verfahren verwendet werden, um bestimmte Vorteile zu verstärken, die einem SLM 350 zugeordnet werden, der eine Anordnung von beliebigen, unbekannten oder später entwickelten, steuerbaren, reflektierenden Blenden umfasst, die eine steuerbare Lichtablenkung in einem gewünschten Muster bereitstellen kann. Eine Art einer steuerbaren, reflektierenden Blendenanordnung, die verwendet werden kann, enthält z. B. Flüssigkristall-auf-Silizium-Mikroanzeigeprodukte (LCOS-Mikroanzeigeprodukte) von Forth Dimension Displays mit Hauptsitz in Dalgety Bay - Fife, Schottland. Diverse Implementierungen, die unten beschrieben sind, setzen im Allgemeinen eine weitere Art einer Anordnung ein, die eine digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD) ist. DMD und zugeordnete Komponenten sind z. B. erhältlich bei Texas Instruments DLP Products, Plano, Texas. DLP steht im Allgemeinen für digitale Lichtverarbeitung, was der Tatsache zugeordnet ist, dass sich die Anordnungselemente in DMD-Vorrichtungen entweder in einer „Ein“-Position oder einer „Aus“-Position befinden und projizierte/übertragene Graustufenmuster über einen Zeitraum als eine akkumulierte Abfolge von überlagerten, binären Mustern erzeugt werden müssen. Als ein Beispiel könnte ein Schachbrett-Intensitätsmuster als binäre Intensitätsänderungen oder sinusförmige Intensitätsänderungen unter Verwendung von Graustufenmustern implementiert werden.
In diversen Implementierungen kann der Lichtgenerator 310 in einer Blitzleuchten-Beleuchtungsbetriebsart verwendet werden, um eine Kombination einer sehr schnellen Reaktionszeit des Lichtgenerators (im µs- oder ns-Bereich) bei geeigneten Pegeln der optischen Leistung bereitzustellen. Ein Beispiel für einen Lichtgenerator 310 kann eine oder mehrere Hochintensitäts-Leuchtdioden (Hochintensitäts-LED) wie etwa eine der LED in der Luxeon™-Produktlinie, erhältlich bei Philips Lumileds Lighting Company in San José, Kalifornien, enthalten.
In der Implementierung, die in 3A gezeigt ist, kann der SLM 350 eine handelsübliche DMD sein, und der SLM-Steuereinheitsabschnitt 332 kann ein begleitender, digitaler Steuereinheitschip sein, wie etwa die Chipgruppen, die bei Texas Instruments DLP Products erhältlich sind, auf die oben Bezug genommen worden ist.
3B zeigt einen Abschnitt 300' zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters, der einen optischen SIP-Abschnitt 360' enthält, der als eine Alternative zu dem Abschnitt 300 zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters verwendet werden kann. Wie in 3B gezeigt ist, kann ein Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung, das gemäß den hier offenbarten Prinzipien konfiguriert ist, in diversen alternativen Implementierungen einen Abschnitt 300' zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters enthalten, der einen optischen SIP-Abschnitt 360' enthält, der ein Maskenelement 370 umfasst, das eine Chrom- oder Glasmaske oder eine Gruppe von Öffnungen wie etwa Schlitzen oder feinen Löchern, die in einer zu einer Objektebene der Objektivlinse 250 konjugierten Ebene angeordnet sind, sein kann. In diversen Implementierungen kann der optische SIP-Abschnitt 360' piezoelektrische Elemente 371 zum Verschieben der Maskenelemente 370 enthalten, um das strukturierte Licht 232' in der X-Y-Ebene zu verschieben.
3C zeigt einen Abschnitt 300" zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters, der einen optischen SIP-Abschnitt 360" enthält, der als eine Alternative zu dem Abschnitt 300 zum Erzeugen eines strukturierten Beleuchtungsmusters verwendet werden kann. Der optische SIP-Abschnitt 360" ist gleichartig wie der optische SIP-Abschnitt 360', derart, dass er das Maskenelement 370 enthält. Jedoch kann der optische SIP-Abschnitt 360" in einigen Implementierungen ein Strahlverschiebungselement 372 enthalten, das in einem kollimierten oder nahezu kollimierten Abschnitt des optischen Strahls eingefügt ist, um das strukturierte Licht 232' in der X-Y-Ebene zu verschieben. Ein Beispiel für ein Strahlverschiebungselement enthält „Tweaker Plates“ (z. B. Komponentennummer XYT-A), erhältlich bei Thorlabs in Newton, New Jeresy, USA. Es ist zu erkennen, dass andere, im Gebiet bekannte Strahlverschiebungselemente in einem gleichartigen, kollimierten oder nahezu kollimierten Abschnitt des Strahls nach der Erzeugung des strukturierten Lichts und vor dem Strahlteiler 290 als ein Mittel zur Strahlverschiebung eingefügt sein können.
Es ist zu erkennen, dass in alternativen Implementierungen, in denen ein optischer SIP-Abschnitt ein Maskenelement enthält, das Maskenelement feststehend sein kann und dass kein Strahlverschiebungselement notwendig sein muss, wie unten genauer beschrieben ist.
3D zeigt einen Abschnitt einer alternativen Implementierung eines Prüfsystems 200' mit automatisierter Bildgebung, das gleichartig wie das Prüfsystem 200 mit automatisierter Bildgebung ist und zusätzlich eine VFL-Linse 270 wie etwa eine TAG-Linse enthält.
4A und 4B sind Diagramme, die eine erste Implementierung eines Abschnitts eines Prüfsystems 400 mit automatisierter Bildgebung und ein Werkstück 20' gemäß den hier offenbarten Prinzipien zeigen. Genauer zeigen 4A und 4B zwei Instanzen des strukturierten Lichts 232' auf dem Werkstück 20' zu verschiedenen Zeitpunkten während der Erfassung von zwei Bildlagen, das durch eine Objektivlinse 450 empfangen wird.
In Betrieb ist das Prüfsystem 400 mit automatisierter Bildgebung konfiguriert, die Werkstückoberfläche 20' mit dem strukturierten Licht 232' zu beleuchten, das in mindestens einer Richtung periodisch ist. Wie in 4A und 4B gezeigt ist, bildet das strukturierte Licht 232' ein detektiertes, fokussiertes Beleuchtungsmuster 232a' auf der Werkstückoberfläche 20'. Das Prüfsystem 400 mit automatisierter Bildgebung ist konfiguriert, mindestens zwei Lagen von Bildern des Werkstücks 20' zu erfassen, wobei jede Lage eine unterschiedliche X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht und der Werkstückoberfläche 20' bei einer entsprechenden Z-Höhe in jeder der Lagen enthält, wobei die X-Y-Position in jeder Lage von Bildern mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Höhe geändert wird. In einem bekannten System unter Verwendung von SIM oder konfokalen Techniken, wie z. B. dem System, das im US-Patent Nr. 9,568,304 und den Bezugnahmen darin offenbart ist, kann eine Phase eines periodischen, strukturierten Lichts für jeden Schritt in der Z-Höhe oder wiederholt über wenige Schritte in der Z-Höhe periodisch wiederholt werden. In einem System, das gemäß den hier offenbarten Prinzipien konfiguriert ist, gibt es mindestens zwei Lagen von Bildern und weniger Zyklen der X-Y-Positionen des strukturierten Lichts 232' als Bildlagen. Es kann lediglich einen Zyklus der X-Y-Positionen des strukturierten Lichts 232' über die Gesamtanzahl der erfassten Bildlagen geben, um die Messung vorzunehmen. In dem Beispiel, das in 4A und 4B gezeigt ist, gibt es einen Zyklus der X-Y-Positionen über die Gesamtanzahl von Bildlagen, wobei die erste Hälfte des Zyklus an einem X-Y-Ausgangspunkt (X₁, Y₁) beginnt, und die zweite Hälfte des Zyklus in X-Y auf den Punkt (X₁, Y₁) + ΔXY verschoben beginnt. Somit kann „eine langsamere Geschwindigkeit“ derart verstanden werden, dass weniger Zyklen vorliegen. Es sei erwähnt, dass ein Zyklus von X-Y-Verschiebungen, der beim Vornehmen einer Z-Höhenmessung durchgeführt wird, in einigen Diskussionen unten als ein „Weg“ beschrieben ist.
In den Beispiel, das in 4A und 4B gezeigt ist, werden die X-Y-Positionen während jeder der mindestens zwei Lagen auf ununterbrochene Weise mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Verschiebung geändert, was eine Verschiebung mit dem Beleuchtungsmuster 232a' an der Position des strukturierten Lichts 232' in Bezug auf das Werkstück 20' bei einer Z-Höhe in einer gegebenen Bildlage bewirkt. In dem Beispiel, das in 4B gezeigt ist, wird das strukturierte Licht 232' während der Erfassung der zweiten Bildlage um einen Wert ΔXY verschoben. Der Wert ΔXY kann als die Differenz zwischen einem beispielhaften Punkt (X₁ , Y₁ ) und einem beispielhaften Punkt (X₂ , Y₂ ) verstanden werden, die dieselbe relative Phase der Beleuchtungsintensität in dem Beleuchtungsmuster 232a' entlang der X-Richtung aufweisen, die einem Versatz des strukturierten Lichts 232' zwischen der Bildlage, die 4A entspricht, und der Bildlage, die 4B entspricht, entspricht. Das Prüfsystem 400 mit automatisierter Bildgebung ist konfiguriert, auf der Grundlage von Gruppen von Intensitätswerten eines Bildpunktes, der derselben Werkstückposition in der X-Y-Ebene entspricht, die sich auf derselben Z-Höhe befinden, Z-Werte zu bestimmen. In 4A wird der Boden des konkaven Abschnitts des Werkstücks 20' zu Beginn der Erfassung einer ersten Bildlage an dem beispielhaften Punkt (X₁ , Y₁ ) durch einen hellen Streifen des Beleuchtungsmusters 232a' beleuchtet, und in 4B wird der Boden des konkaven Abschnitts des Werkstücks zu Beginn einer zweiten Bildlage an dem beispielhaften Punkt (X₂ , Y₂ ) durch einen dunklen Streifen des Beleuchtungsmusters 232a' beleuchtet, derart, dass an diesem Punkt im Vergleich der zwei Bildlagen ein hoher Kontrast erzielt wird.
Es ist zu erkennen, dass das Verschieben an eine unterschiedliche X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht 232' und der Werkstückoberfläche 20' entweder das Verschieben des strukturierten Lichts 232' in der X-Y-Ebene (wie in 4A und 4B gezeigt ist), während das Werkstück 20' an derselben Position gehalten wird, oder das Verschieben einer Bühne (z. B. der Bühne 32) in der X-Y-Ebene (und somit des Werkstücks 20'), während die strukturierte Beleuchtung 232' an derselben Position gehalten wird, umfassen kann. In dem Fall, bei dem die Bühne bewegt wird, ist zu erkennen, dass die Intensitätswerte, die verwendet werden, um die Z-Höhe zu bestimmen, von verschiedenen Bildpunkten kommen, die derselben Werkstückposition in der X-Y-Ebene entsprechen, während in dem Fall, bei dem das strukturierte Licht 232' bewegt wird, die Intensitätswerte, die verwendet werden, um die Z-Höhe zu bestimmen, von demselben Bildpunkt kommen. In dem Fall, bei dem die Bühne bewegt wird, ist außerdem zu erkennen, dass die Wahl des Wertes ΔXY einen guten Kontrast für die Messung ermöglichen kann, indem eine unterschiedliche Phase des strukturierten Lichts eingestellt wird und außerdem groß genug, derart, dass bei der ununterbrochenen Bewegung der Bühne Stetigkeit und Gleichmäßigkeit erzielt werden können. Mit anderen Worten, ΔXY kann gleich einer ganzzahligen Anzahl von Perioden des strukturierten Lichts (um eine ununterbrochene Bewegung der Bühne zu ermöglichen) plus einer Teilperiode (um die Phase des strukturierten Lichts für die zweite Bildlage zu ändern) sein.
In einigen Implementierungen, bei denen das strukturierte Licht 232' in der X-Y-Ebene verschoben wird, kann das Ändern der X-Y-Position das Bewegen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts 232' mit einem räumlichen Lichtmodulator (z. B. dem SLM 350) umfassen. In einigen Implementierungen kann das Ändern der X-Y-Position das translatorische Bewegen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts 232' mit einer Maske (z. B. durch Verschieben des Maskenelements 370 mit den piezoelektrischen Elementen 371) umfassen. In einigen Implementierungen kann das Ändern der X-Y-Position das Drehen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts mit einer Maske (z. B. durch Drehen des Maskenelements 370 mit den piezoelektrischen Elementen 371) umfassen. In einigen Implementierungen kann das Ändern der X-Y-Position das Bewegen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts durch Verlagerung des optischen Strahls (z. B. mit dem Strahlverschiebungselement 372) umfassen.
Das Prüfsystem 400 mit automatisierter Bildgebung stellt ein Mittel zum Messen von Z-Höhen einer Werkstückoberfläche mit hoher Genauigkeit, jedoch verglichen mit einem vergleichbaren SIM- oder WLI-Messsystem mit verbesserter Geschwindigkeit bereit.
Wie in 4A und 4B gezeigt ist, weist das strukturierte Licht 232' eine Periode P der räumlichen Phase entlang der X-Achsenrichtung auf. In diversen Ausführungsformen kann die Periode P der räumlichen Phase weniger als 20 Bildpunkten und mehr als einem Bildpunkt, der auf einem Bilddetektor des Prüfsystems 400 mit automatisierter Bildgebung (z. B. dem Kamerasystem 260) abgebildet wird, entsprechen.
Wie in 4A gezeigt ist, weist das Prüfsystem 400 mit automatisierter Bildgebung ein verringertes Blickfeld auf, das durch ein wirksames Blickfeld FOVeff angegeben ist, das einem Bereich in der X-Y-Ebene entspricht, über den das strukturierte Licht 232' während der Erfassung einer Bildlage bewegt wird, weil die X-Y-Positionen des strukturierten Lichts 232' während des Erfassens der Bildlagen auf ununterbrochene Weise verschoben werden.
Es ist zu erkennen, dass das Erfassen von mindestens zwei Lagen von Bildern das Verschieben einer Z-Position der Fokussierungshöhe des optischen Baugruppenabschnitts in Bezug auf das Werkstück 20' umfassen kann, und dies kann auf unterschiedliche Weisen erreicht werden. In einigen Implementierungen kann das Erfassen der mindestens zwei Lagen von Bildern das Verwenden eines internen piezoelektrischen Elements (z. B. als eine Alternative zu dem steuerbaren Motor 294), um eine Fokussierungshöhe eines optischen Baugruppenabschnitts des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung zu ändern, umfassen. Mit einem internen piezoelektrischen Element können ein eingebetteter, feiner Z-Codierer oder ein anderer Sensor oder eine piezoelektrische Kalibrierung eine Z-Messung bereitstellen. In einigen Implementierungen kann das Erfassen der mindestens zwei Lagen von Bildern das Verwenden einer Linse mit veränderlicher Brennweite (z. B. der VFL-Linse 270), um eine Fokussierungshöhe eines optischen Baugruppenabschnitts des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung zu ändern, umfassen. Die Kalibrierung der Fokussierungsposition der VFL-Linse 270 oder ein Referenzfokussierungssensor können eine Z-Messung bereitstellen. Alternativ kann das Erfassen der mindestens zwei Lagen von Bildern in einigen Implementierungen das Verschieben einer Z-Position des Werkstücks 20' durch Bewegen einer Bühne umfassen, wobei eingebettete Codierer die Z-Messung vornehmen.
Es ist zu erkennen, dass die Z-Verschiebung in einigen Ausführungsformen in einer positiven Richtung erfolgen kann. In anderen Ausführungsformen kann die Z-Verschiebung in einer negativen Richtung erfolgen. In anderen Ausführungsformen kann die Z-Verschiebung aufeinanderfolgend in beiden Richtungen erfolgen.
5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Kontrastmetrik und Z-Höhen von Bildern einer Werkstückoberfläche, die durch ein Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung wie jenem, das in 4A und 4B gezeigt ist, gemessen werden, zeigt.
In diversen Implementierungen kann das Bestimmen der Z-Werte das Berechnen einer Kontrastmetrik der Intensitätswerte, die denselben Z-Höhen entsprechen, und das Bestimmen eines Z-Höhenwertes auf der Grundlage einer Z-Höhe, die einer Gruppe von Bildpunktintensitätswerten, entspricht, die die maximale Kontrastmetrik aufweisen, umfassen. Für eine Gruppe von Z-Höhen, die X-Y-Positionen auf einem Werkstück entsprechen, die mit einem Index j angegeben sind, gibt es mindestens zwei Bildlagen, die einem Index i entsprechen. In einigen Implementierungen kann eine Kontrastmetrik C_j, die einem Punkt (X_j, Y_j, Z_j) entspricht, durch eine Standardabweichung der Bildpunktintensitätswerte aus den mindestens zwei Bildlagen bestimmt werden: $C_{j} = σ_{i} (I_{i} (X_{j}, Y_{j}, Z_{j}))$
Der Punkt (X_j, Y_j, Z_j), der einem Maximalwert von C_j entspricht, kann derart bestimmt werden, dass er eine Z-Höhenmessung der Werkstückoberfläche an einem Punkt (X_j, Y_j) in der X-Y-Ebene ist. Wie in 5 gezeigt ist, kann die Kontrastmetrik C_j in Bezug auf Z näherungsweise eine Gauß-Form aufweisen. Eine Z-Höhe, die mit Zmeas bezeichnet ist, entspricht dem Scheitel dieser Kurve, der derart verstanden werden kann, dass er die Z-Höhe der Werkstückoberfläche an einem bestimmten Punkt (X_j, Y_j) in der X-Y-Ebene darstellt. Es versteht sich, dass andere Mittel der Kontrastmessung wie etwa die Varianz oder die Differenzen der minimalen und maximalen Intensitäten aus der Gruppe der Bildlagen an jedem bestimmten Punkt (X_j, Y_j, Z_j). Abhängig vom Gehalt der Kontrastschwankung in den ausgewählten Bildlagen, um die Kontrastmetrik zu erfassen, kann eine periodische Intensitätsstruktur auf der Kontrastkurve zurückbleiben, was Subinterpolationsalgorithmen gleichartig wie jene, die auf Weißlicht- Interferometriestreifen angewendet werden, ermöglichen würde.
6 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines Werkstücks zeigt, das durch eine zweite Implementierung eines Prüfsystems 600 mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien beleuchtet wird. Wie in 6 gezeigt ist, ist das Prüfsystem 600 mit automatisierter Bildgebung konfiguriert, eine Werkstückoberfläche mit einem strukturierten Licht 632' zu beleuchten, das die Form eines Schachbrettmusters aufweist.
6 zeigt drei Wege 610A, 610B und 610C zum Ändern der X-Y-Positionen zwischen dem strukturierten Licht 632' und der Werkstückoberfläche während verschiedener Bildlagen, wobei die X-Y-Positionen während jeder der mindestens zwei Bildlagen auf einen unterschiedlichen Wert festgelegt sind. Jeder der Wege zeigt Quadrate, die einer Position eines einzigen Bildpunktes auf einem Bilddetektor (z. B. dem Kamerasystem 260) entsprechen, die jener X-Y-Position auf der Werkstückoberfläche entspricht. In diesem Fall, bei dem die X-Y-Positionen ein ganzzahliges Vielfaches der Detektorbildpunktgröße sind, ist die „Nearest-Neighbor-Interpolation“ ausreichend, um die Bildlagen auszurichten, wenn sich das Werkstück bewegt, um X-Y-Verschiebungen und somit Intensitätswerte zu erzeugen, die verwendet werden, um die Z-Höhe zu bestimmen, die von verschiedenen Bildpunkten kommen. Eine lineare Interpolation kann dort verwendet werden, wo die X-Y-Positionen keine ganzzahligen Vielfachen sind und das Werkstück sich bewegt, um die X-Y-Verschiebungen zu erzeugen. Eine Z-Höhenmessung wird durch Erfassen einer Bildlage an jedem der Quadrate in einer beliebigen, gewählten Reihenfolge, derart, dass sie einen Weg bilden, vorgenommen. Ein erster Weg 610A zeigt einen quadratisch geformten Weg, wobei vier Bildlagen erfasst werden, die jeweils einer unterschiedlichen X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht 632' und der Werkstückoberfläche entsprechen, die einem Quadrat entsprechen. Ein zweiter Weg 610B zeigt einen rechtwinklig geformten Weg, wobei sechs Bildlagen erfasst werden, die jeweils einer unterschiedlichen X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht 632' und der Werkstückoberfläche entsprechen, die einem Rechteck entsprechen. Ein dritter Weg 610C zeigt einen Weg „in der Form der Bewegung eines Springers“, wobei fünf Bildlagen erfasst werden, die jeweils einer unterschiedlichen X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht 632' und der Werkstückoberfläche entsprechen. In diesem Fall werden die X-Y-Positionen derart verstanden, dass sie eine Teilmenge eines 5 x 5-Quadratgitters (angegeben durch gefüllte Quadrate) sind, die die Mitte des Gitters und 4 zusätzliche Punkte mit einer Verschiebung in Bezug auf die Mitte, die derart verstanden werden kann, dass sie der Bewegung einer Springer-Figur in einem Schachspiel entspricht, d. h. mit einer Verschiebung von zwei Quadraten in einer Richtung (z. B. der X-Achsenrichtung) und einer weiteren Verschiebung von einem Quadrat in einer senkrechten Richtung (z. B. der Y-Achsenrichtung), enthält.
Ein erwünschter Weg erfordert, dass eine minimale Anzahl von Bildlagen mit dem stärksten Kontrast und mit der geringsten Kontrastschwankung quer zu einem Blickfeld des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung erfasst wird, wobei lediglich kleine Verschiebungen der X-Y-Positionen erforderlich sind. Für eine ununterbrochene Bewegung kann dies durch einen sich gleichmäßig ändernden Weg wie etwa einen Kreis oder ein abgerundetes Rechteck bereitgestellt werden. Ein kreisförmiger Weg, um die X-Y-Positionen zu verschieben, kann z. B. durch Drehen eines geneigten Strahlverschiebungselements ausgeführt werden.
In diversen Implementierungen, die gemäß 6 angeordnet sind, kann der Weg 610A einen normierten Standardabweichungswert bereitstellen, der ein Minimum von 0 und ein Maximum von 0,47 aufweist. Der Weg 610B kann einen normierten Standardabweichungswert bereitstellen, der ein Minimum von 0,2 und ein Maximum von 0,58 aufweist. Der Weg 610C kann einen normierten Standardabweichungswert bereitstellen, der ein Minimum von 0,242 und ein Maximum von 0,285 aufweist. Der Weg 610A ist nicht erwünscht, weil in dem Blickfeld, in dem die Kontrastvarianz 0 ist, Messdaten fehlen werden. Der Weg 610C ist erwünscht, weil er einen größeren, minimalen Kontrast als der Weg 610B bereitstellt und die Kontrastvarianz quer zum Blickfeld die kleinste der drei Beispiele ist, wobei die kleine Kontrastvarianz jegliche vom Blickfeld abhängige Messfehler minimieren wird.
7 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines Werkstücks zeigt, das durch eine dritte Implementierung eines Prüfsystems 700 mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien beleuchtet wird. Wie in 7 gezeigt ist, ist das Prüfsystem 700 mit automatisierter Bildgebung konfiguriert, eine Werkstückoberfläche mit einem strukturierten Licht 732' zu beleuchten, das die Form eines Schachbrettmusters aufweist. Das strukturierte Licht 732' ist gleichartig wie das strukturierte Licht 632', das in 6 gezeigt ist, jedoch ist es in Bezug auf die X- und Y-Achse um einen Winkel ungleich null gedreht.
7 zeigt drei Wege 710A, 710B und 710C zum Ändern der X-Y-Positionen zwischen dem strukturierten Licht 732' und der Werkstückoberfläche während verschiedener Bildlagen, wobei die X-Y-Positionen gemäß einem unterschiedlichen, festgelegten Wert während jeder der Lagen geändert werden. Jeder der Wege zeigt Quadrate, die einer Position eines einzigen Bildpunktes auf einem Bilddetektor (z. B. dem Kamerasystem 260) entsprechen, die jener X-Y-Position auf der Werkstückoberfläche entspricht. Die drei Wege 710A, 710B und 710C können unter Bezugnahme auf die drei Wege 610A bzw. 610B bzw. 610C verstanden werden, die unter Bezugnahme auf 6 beschrieben worden sind.
In diversen Implementierungen, die gemäß 7 angeordnet sind, kann der Weg 710A einen normierten Standardabweichungswert bereitstellen, der ein Minimum von 0 und ein Maximum von 0,44 aufweist. Der Weg 710B kann einen normierten Standardabweichungswert bereitstellen, der ein Minimum von 0,1 und ein Maximum von 0,38 aufweist. Der Weg 710C kann einen normierten Standardabweichungswert bereitstellen, der ein Minimum von 0,25 und ein Maximum von 0,35 aufweist.
8 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines Werkstücks zeigt, das durch eine vierte Implementierung eines Prüfsystems 800 mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien beleuchtet wird. Wie in 8 gezeigt ist, ist das Prüfsystem 800 mit automatisierter Bildgebung konfiguriert, eine Werkstückoberfläche mit einem strukturierten Licht 832' zu beleuchten, das die Form eines Schachbrettmusters aufweist. Das strukturierte Licht 832' ist gleichartig wie das strukturierte Licht 632', das in 6 gezeigt ist, (d. h. mit einem Schachbrettmuster), jedoch wird es in der X-Y-Ebene entlang eines Weges 810A verschoben. Der Weg 810A ist in diesem Beispiel rechtwinklig. Ein Durchlauf dieses Weges 810A entspricht einem Zyklus von X-Y-Verschiebungen, die 8 erfasste Bildlagen und den Abschluss einer Z-Höhenmessung ergeben.
In einer Implementierung kann an jedem aus einer Gruppe von Punkten 820A, die eine Verlagerung des strukturierten Lichts 832' darstellen, eine vollständige Bildlage erfasst werden, und das strukturierte Licht 832' kann zwischen jeder Bildlage zur nächsten Instanz der Gruppe von Punkten verschoben werden. In einer weiteren Implementierung kann das strukturierte Licht 832' während jeder Lage von Bildern auf ununterbrochene Weise entlang des Weges 810A bewegt werden. Der Beginn der Erfassung jedes Bildes einer Lage tritt mit einem ersten Bild ein, das derselben Z-Höhe entspricht, das an jedem aus der Gruppe von Punkten erfasst wird, wobei die Erfassung jeder Bildlage abgeschlossen ist, bevor sich das Schachbrettmuster entlang des Weges 810A zum nächsten aus der Gruppe von Punkten 820A bewegt hat.
Es ist zu erkennen, dass der Weg 810A mit den Bildern, die an der Gruppe von Punkten 820A erfasst werden, an jedem Punkt einen gewissen Kontrast ergeben und die Kontrastschwankung über ein Blickfeld des Prüfsystems 800 mit automatisierter Bildgebung für jeden aus der Gruppe von Punkten 820A verringern wird.
9 ist ein Ablaufdiagramm 900, das ein Verfahren zum Messen von Z-Höhenwerten einer Werkstückoberfläche mit einem Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung gemäß den hier offenbarten Prinzipien zeigt.
In Block 910 wird eine Werkstückoberfläche mit einem strukturierten Licht beleuchtet, das in mindestens einer Richtung einen hohen räumlichen Frequenzgehalt aufweist.
In Block 920 werden mindestens zwei Lagen von Bildern des Werkstücks erfasst, wobei jede Lage eine unterschiedliche X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht und der Werkstückoberfläche bei einer entsprechenden Z-Höhe in jeder der Lagen enthält, wobei die X-Y-Positionen in jeder Lage von Bildern mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Höhe geändert werden und wobei die X-Y-Positionen geändert werden, entweder:

a) während jeder der mindestens zwei Lagen auf ununterbrochene Weise mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Verschiebung, oder
b) während jeder der Lagen auf einen unterschiedlichen Wert festgelegt, wobei jede Lage bei einer ununterbrochenen Z-Verschiebung erfasst wird.

In Block 930 werden auf der Grundlage von Gruppen von Intensitätswerten eines Bildpunktes, der derselben Werkstückposition in der X-Y-Ebene entspricht, die sich auf denselben Z-Höhen befinden, Z-Werte bestimmt,.
Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, sind hier in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen. Aspekte der Implementierungen können nach Bedarf modifiziert werden, um Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen einzusetzen, um nochmals weitere Implementierungen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen angesichts der obigen genauen Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten die Ausdrücke in den folgenden Ansprüchen nicht derart ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche auf die spezifischen Implementierungen einschränken, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart sind, sondern sollten derart ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollständigen Umfang von Äquivalenten, zu dem derartige Ansprüche berechtigt sind, enthalten.
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 [0003]
US 7454053 [0010]
US 7324682 [0010]
US 8111905 [0010, 0020]
US 8111938 [0010]
US 9143674 [0012, 0020]
US 7627162 [0019]
US 7570795 [0020]
US 7030351 [0020]
US 9568304 [0036]

Claims

Verfahren zum Messen von Z-Höhenwerten einer Werkstückoberfläche mit einem Prüfsystem mit automatisierter Bildgebung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Beleuchten einer Werkstückoberfläche mit strukturiertem Licht; Erfassen von mindestens zwei Lagen von Bildern des Werkstücks mit einem Bilddetektor des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung, wobei jede Lage eine unterschiedliche X-Y-Position zwischen dem strukturierten Licht und der Werkstückoberfläche bei einer entsprechenden Z-Höhe in jeder der Lagen enthält, wobei die X-Y-Position in jeder Lage von Bildern mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Höhe geändert wird und wobei die X-Y-Positionen geändert werden, entweder: a) auf ununterbrochene Weise während jeder der mindestens zwei Lagen von Bildern mit einer langsameren Geschwindigkeit als die Z-Verschiebung; oder b) festgelegt auf einen unterschiedlichen Wert während jeder der mindestens zwei Lagen von Bildern, wobei jede Lage bei einer ununterbrochenen Z-Verschiebung erfasst wird; und Bestimmen von Z-Werten auf der Grundlage von Gruppen von Intensitätswerten eines Bildpunktes des Bilddetektors, der derselben Werkstückposition in der X-Y-Ebene entspricht, die sich auf denselben Z-Höhen befinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen von Z-Werten das Berechnen einer Kontrastmetrik der Intensitätswerte, die denselben Z-Höhen entsprechen, und das Bestimmen eines Z-Höhenwertes auf der Grundlage einer Z-Höhe, die einer Gruppe von Bildpunktintensitätswerten entspricht, die die maximale Kontrastmetrik aufweist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kontrastmetrik eine Standardabweichung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der X-Y-Positionen das Verschieben auf einem rechtwinkligen Weg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der X-Y-Positionen das Verschieben auf einem kreisförmigen Weg umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das strukturierte Licht in mindestens einer Dimension periodisch ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das strukturierte Licht Streifen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das strukturierte Lichtmuster in mindestens einer Dimension eine räumliche Periode aufweist, die weniger als 20 Bildpunkten entspricht, die auf dem Bilddetektor abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das strukturierte Licht in zwei Dimensionen periodisch ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das strukturierte Licht Schachbrettmuster umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das strukturierte Licht entweder von einem räumlichen Lichtmodulator oder einer Chrom- oder Glasmaske oder einer Gruppe feiner Löcher erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Erfassen der mindestens zwei Lagen von Bildern zumindest eines der Folgenden umfasst: Bewegen einer Z-Position einer Bühne des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung; Verwenden eines piezoelektrischen Elements, um eine Fokussierungshöhe eines optischen Baugruppenabschnitts des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung zu ändern; oder Verwenden einer Linse mit veränderlicher Brennweite, um eine Fokussierungshöhe eines optischen Baugruppenabschnitts des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung zu ändern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Ändern der X-Y-Position zumindest eines der Folgenden umfasst: Bewegen einer X-Y-Position einer Bühne des Prüfsystems mit automatisierter Bildgebung; Bewegen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts mit einem räumlichen Lichtmodulator; translatorisches Bewegen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts mit einer Maske; Drehen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts mit einer Maske; oder Bewegen einer X-Y-Position des strukturierten Lichts durch optische Strahlverlagerung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Kontrastmetrik eine maximale Differenz der Intensitäten ist.