DE102021124535A1

DE102021124535A1 - System und verfahren mit mehrpunkt-autofokus zur ausrichtung einer optischen achse eines optischen abschnitts senkrecht zu einer werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102021124535A1
Application number: DE102021124535.4A
Authority: DE
Inventors: Casey Edward Emtman
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2020-09-30
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2022-03-31
Also published as: US11328409B2; JP2022058300A; CN114326140A; US20220101511A1

Abstract

Ein Messsystem schließt einen optischen Baugruppenabschnitt; einen Einstellungsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er einen Abstand und eine winkelmäßige Orientierung zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und einer Werkstückoberfläche ändert; und einen Prozessor ein, der so konfiguriert ist, dass er den Einstellungsmechanismus steuert, um den optischen Baugruppenabschnitt zu bewegen, um eine Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs zu positionieren; einen Bildstapel der Werkstückoberfläche zu erfassen, wobei jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Autofokushöhe entspricht; eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche zu bestimmen; den Einstellungsmechanismus auf der Grundlage der Autofokushöhen zu steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt relativ zu der Werkstückoberfläche zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und einen definierten Vorgang auf der Werkstückoberfläche auszuführen.

Description

STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf die Präzisionsmesstechnik und insbesondere auf die Verwendung von Mehrpunkt-Autofokus zur Ausrichtung einer optischen Achse senkrecht zu einer Werkstückoberfläche, um die Präzision nachfolgender Vorgänge (z. B. Messvorgänge usw.), die an der Werkstückoberfläche durchzuführen sind, zu erhöhen.
Beschreibung der verwandten Technik
Präzisionsmesssysteme, wie beispielsweise Präzisionssysteme für die maschinelle Sichtprüfung (oder kurz „Sichtsysteme“), können zur präzisen Messung der Abmessungen von Objekten und zur Prüfung verschiedener anderer Eigenschaften von Objekten eingesetzt werden und einen Computer, eine Kamera und ein optisches System sowie einen Präzisionstisch einschließen, der sich bewegt, um die Überquerung und Prüfung von Werkstücken zu ermöglichen. Ein beispielhaftes System aus dem Stand der Technik ist die QUICK VISIONⓇ-Serie von PC-basierten Sichtsystemen und die QVPAKⓇ-Software, die von der Mitutoyo America Corporation (MAC) mit Sitz in Aurora, Illinois, erhältlich ist. Die Merkmale und der Betrieb der QUICK VISIONⓇ-Serie von Sichtsystemen und der QVPAKⓇ-Software werden im Allgemeinen beispielsweise im Benutzerhandbuch für QVPAK 3D-CNC-Bildverarbeitungsmessgerät vom Januar 2003 beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Dieses System verwendet ein mikroskopisches optisches System und bewegt den Objekttisch, um Prüfbilder von kleinen oder relativ großen Werkstücken bereitzustellen.
Präzisionssysteme für die maschinelle Sichtprüfung für allgemeine Zwecke sind in der Regel programmierbar, um eine automatisierte Videoprüfung bereitzustellen. Solche Systeme schließen üblicherweise wählbare Betriebsmodi sowie Merkmale der grafischen Benutzeroberfläche und vordefinierte Abbildungsauswertungs-„Videotools“ ein, so dass die Bedienung und Programmierung auch von „Nicht-Experten“ durchgeführt werden kann. Zum Beispiel lehrt US-Patent Nr. 6,542,180 , das hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen wird, ein Sichtsystem, das eine automatisierte Videoinspektion einschließlich des Einsatzes verschiedener Videotools verwendet.
Optische Systeme mit variabler Brennweite (VFL) können zur Beobachtung und Präzisionsmessung von Oberflächenhöhen eingesetzt werden und in ein Präzisionssystem für die maschinelle Sichtprüfung oder andere optische Systeme eingeschlossen werden, wie beispielsweise in US-Patent Nr. 9.143.674 offenbart, das hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen wird. Kurz gesagt, ein VFL-Objektiv ist in der Lage, mehrere Bilder mit verschiedenen Brennweiten aufzunehmen. Es sind verschiedene Arten von VFL-Linsen bekannt, wie beispielsweise eine mechanische VFL-Linse, bei der ein Mehrlinsensystem mechanisch bewegt wird, um seine Brennweite zu verändern, oder eine nicht-mechanische VFL-Linse wie eine Linse mit abstimmbarem akustischem Gradienten („TAG“), die einen Linseneffekt (zur Veränderung der Brennweite) mit Hilfe von Schallwellen in einem Fluidmedium erzeugt. Ein VFL-Objektiv in einem Präzisionssystem für die maschinelle Sichtprüfung kann zum Beispiel verwendet werden, um Bilder eines Werkstücks auf mehreren Oberflächenhöhen oder „Z-Höhen“ des Maschinenkoordinatensystems (MCS) zu erfassen.
Solche Konfigurationen ermöglichten häufig nur die Durchführung bestimmter Vorgänge (z. B. die Erfassung von Bildstapeln) in einer einzigen Orientierung (z. B. entlang der Z-Achse des MCS). Ein System, das Verbesserungen in Bezug auf solche Vorgänge bereitstellt (z. B. in Bezug auf Werkstücke mit geneigten und/oder komplexen Oberflächen usw.), wäre wünschenswert.
KURZDARSTELLUNG
Diese Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in einer vereinfachten Form einzuführen, die nachstehend in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll weder Schlüsselmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren noch als eine Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Gemäß einem Aspekt wird ein Messsystem bereitgestellt, das Folgendes einschließt: einen optischen Baugruppenabschnitt; einen Einstellungsmechanismus; einen oder mehrere Prozessoren; und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist und Programmanweisungen speichert.
Der optische Baugruppenabschnitt schließt eine Lichtquelle ein; eine Objektivlinse, die von einer Oberfläche eines Werkstücks, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, ausgehendes Abbildungslicht einleitet und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt, wobei die Objektivlinse eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts definiert, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt; und eine Kamera, die entlang des optischen Abbildungspfads übertragenes Abbildungslicht empfängt und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt.
Der Einstellungsmechanismus ist so konfiguriert, dass er einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche ändert und den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche dreht, um eine winkelmäßige Orientierung der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche zu ändern.
Die im Speicher gespeicherten Programmanweisungen veranlassen bei Ausführung durch den einen oder die mehreren Prozessoren den einen oder die mehreren Prozessoren, mindestens Folgendes zu tun:

den Einstellungsmechanismus steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt so zu bewegen, dass eine Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts positioniert wird;
einen Bildstapel der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts erfassen, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer anderen Autofokushöhe entspricht;
eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Regionen von Interesse des Bildstapels bestimmen;
den Einstellungsmechanismus mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen steuern, um: den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und
einen definierten Vorgang auf der Werkstückoberfläche auszuführen.

Gemäß einem weiteren Aspekt schließt der optischen Baugruppenabschnitt ferner ein Objektiv mit variabler Brennweite (VFL) ein, das in den optischen Abbildungspfad eingeschlossen ist, wobei das Objektiv das Abbildungslicht entlang des optischen Abbildungspfades durch das VFL-Objektiv überträgt und die Kamera das von dem VFL-Objektiv übertragene Abbildungslicht entlang des optischen Abbildungspfades empfängt. Bei der VFL-Linse kann es sich um eine Linse mit abstimmbarem akustischem Gradienten (TAG) handeln, die so konfiguriert ist, dass sie eine Brennweite nicht mechanisch verändert, und bei der eine periodisch modulierte Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts durch periodische Modulation der optischen Energie der TAG-Linse gesteuert wird. Der definierte Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, kann die Verwendung des VFL-Objektivs zur Aufnahme eines oder mehrerer Bilder der Werkstückoberfläche einschließen. Der definierte Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, kann die Verwendung des VFL-Objektivs zum Erfassen eines Bildstapels einschließen, während die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche ausgerichtet ist, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts entlang der Richtung der optischen Achse entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt schließt die Bestimmung der Autofokushöhen für die mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche die Bestimmung von Fokuskurvendaten für jeden der Bereiche von Interesse mindestens teilweise auf der Grundlage einer Auswertung der Bilder des Bildstapels ein, wobei für jeden der mindestens drei Stellen eine Spitze der Fokuskurvendaten für den entsprechenden Bereich von Interesse die entsprechende Autofokushöhe angibt.
Gemäß einem weiteren Aspekt bewirken die Programmanweisungen bei Ausführung durch den einen oder die mehreren Prozessoren ferner, dass der eine oder die mehreren Prozessoren Folgendes tun:

eine Oberflächennormale der Werkstückoberfläche mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen bestimmen; und
Einstellungsinformationen bestimmen, um den Einstellungsmechanismus so zu steuern, dass der optische Baugruppenabschnitt zumindest teilweise auf der Grundlage der ermittelten Oberflächennormalen gedreht wird.
Nach einem anderen Aspekt kann der definierte Vorgang einen Messvorgang zum Bestimmen einer Abmessung eines Merkmals der Werkstückoberfläche einschließen.
Nach einem anderen Aspekt kann der definierte Vorgang einen Punkt-aus-Fokus (PFF)-Vorgang einschließen, der Folgendes einschließt:
- Erfassen eines Bildstapels, der mehrere Bilder einschließt, die jeweils einer Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts entlang einer optischen Abbildungsachse entsprechen, die mit der optischen Achse zusammenfällt, und
- Bestimmen von Fokuskurvendaten, die zumindest teilweise auf einer Auswertung der Bilder des Bildstapels basieren, wobei die Fokuskurvendaten dreidimensionale Positionen mehrerer Oberflächenpunkte auf der Werkstückoberfläche angeben.

Gemäß einem anderen Aspekt kann der definierte Vorgang einen Bearbeitungsvorgang einschließen, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, wobei eine Bearbeitungsachse des Bearbeitungsvorgangs mindestens entweder nominell mit der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts zusammenfällt oder nominell parallel zu dieser verläuft.
Gemäß einem anderen Aspekt kann der Einstellungsmechanismus einen Rotationsmechanismus und einen Z-Achsen-Bewegungsmechanismus einschließen, wobei der Z-Achsen-Bewegungsmechanismus so gekoppelt ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt entlang einer Z-Achsen-Richtung bewegt, und der Rotationsmechanismus zwischen dem Z-Achsen-Bewegungsmechanismus und dem optischen Baugruppenabschnitt gekoppelt und so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche dreht, um eine winkelmäßige Orientierung der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche zu ändern. Das Messsystem kann in einem Präzisionssystem für die maschinelle Sichtprüfung ausgeführt werden, wobei der Einstellungsmechanismus einen Drehtisch umfasst, der den Rotationsmechanismus einschließt und der zwischen dem Bewegungsmechanismus der Z-Achse und dem optischen Baugruppenabschnitt gekoppelt ist.
Nach einem anderen Aspekt kann das Messsystem in einem Koordinatenmessmaschinensystem ausgeführt sein, wobei der Einstellungsmechanismus Folgendes einschließt:

einen x-Achsen-Schiebemechanismus, einen y-Achsen-Schiebemechanismus und einen z-Achsen-Schiebemechanismus, die so konfiguriert sind, dass sie den optischen Baugruppenabschnitt in zueinander orthogonalen x-Achsen-, y-Achsen- bzw. z-Achsen-Richtungen in einem Maschinenkoordinatensystem bewegen, und
einen Drehmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt relativ zu der Werkstückoberfläche dreht.

Nach einem anderen Aspekt kann das Messsystem in einem Robotersystem verkörpert sein, wobei der Einstellungsmechanismus einen Roboterarm mit mindestens drei Freiheitsgraden zum Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Messsystems bereitgestellt, das einen optischen Baugruppenabschnitt einschließt, wobei der optische Baugruppenabschnitt Folgendes einschließt:

eine Lichtquelle;
eine Objektivlinse, die Abbildungslicht, das von einer Oberfläche eines Werkstücks stammt, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, aufnimmt und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt, wobei die Objektivlinse eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts definiert, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt; und
eine Kamera, die Abbildungslicht empfängt, das entlang des optischen Abbildungspfads übertragen wird, und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt.

Das Verfahren schließt Folgendes ein:

Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts zur Positionierung einer Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts;
Erfassen eines Bildstapels der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Autofokushöhe entspricht;
Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse des Bildstapels;
zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen, Bestimmen von Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen;
Verwenden der Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten, und zum Einstellen eines Abstands zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche; und
Ausführen eines bestimmten Vorgangs an der Werkstückoberfläche.

Gemäß einem anderen Aspekt schließt das Verfahren ferner das Bestimmen einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen ein, wobei die Einstellungsinformationen mindestens teilweise auf der Grundlage der bestimmten Oberflächennormalen bestimmt werden.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die Werkstückoberfläche eine erste Werkstückoberfläche des Werkstücks, und nachdem der erste definierte Vorgang an der ersten Werkstückoberfläche ausgeführt wurde, schließt das Verfahren ferner Folgendes ein:

Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts zur Positionierung einer zweiten Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts;
Erfassen eines Bildstapels der zweiten Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der zweiten Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Autofokushöhe entspricht;
Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der zweiten Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse des Bildstapels;
zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen, Bestimmen von Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts relativ zu der zweiten Werkstückoberfläche, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der zweiten Werkstückoberfläche auszurichten und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der zweiten Werkstückoberfläche einzustellen;
Verwenden der Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Oberfläche des zweiten Werkstücks auszurichten, und zum Einstellen eines Abstands zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Oberfläche des zweiten Werkstücks; und
Ausführen eines bestimmten Vorgangs an der Oberfläche des zweiten Werkstücks.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Messsystem bereitgestellt, das einen optischen Baugruppenabschnitt, einen Mechanismus zur Bewegung der Z-Achse, der so konfiguriert ist, dass er den Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche ändert, einen Rotationsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche dreht, um eine winklige Orientierung der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche zu ändern, einen oder mehrere Prozessoren und einen mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelten Speicher, der Programmanweisungen speichert, einschließt.
Der optische Baugruppenabschnitt schließt eine Linse mit variabler Brennweite (VFL) ein; eine Lichtquelle; eine Objektivlinse, die Abbildungslicht einleitet, das von einer Oberfläche eines Werkstücks stammt, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfades überträgt, der durch die VFL-Linse verläuft, wobei die Objektivlinse eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts definiert, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt; und eine Kamera, die Abbildungslicht empfängt, das von der VFL-Linse entlang des optischen Abbildungspfades übertragen wird, und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt.
Die im Speicher gespeicherten Programmanweisungen veranlassen bei Ausführung durch den einen oder die mehreren Prozessoren den einen oder die mehreren Prozessoren, mindestens Folgendes zu tun:

mindestens einen der Mechanismen für die Bewegung der Z-Achse oder den Rotationsmechanismus steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt zu bewegen, um eine Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts zu positionieren;
einen Bildstapel der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts erfassen, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer anderen Autofokushöhe entspricht;
eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Regionen von Interesse des Bildstapels bestimmen;
zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen den Rotationsmechanismus steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten, und den Bewegungsmechanismus der Z-Achse steuern, um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und
einen definierten Vorgang auf der Werkstückoberfläche auszuführen.

Gemäß den hierin offenbarten Grundsätzen werden Systeme und Verfahren bereitgestellt, die die Verwendung eines Mehrpunkt-Autofokus einschließen, um eine optische Achse eines optischen Baugruppenabschnitts so auszurichten, dass sie nominell senkrecht zu einer beliebigen Werkstückoberfläche steht. Die Systeme und Verfahren sind in der Lage, schnell einen Mehrpunkt-Autofokus auf der Werkstückoberfläche durchzuführen, um Einstellungsinformationen abzuleiten, die erforderlich sind, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts so einzustellen, dass sie nominell normal zur Werkstückoberfläche verläuft. Das System und die Verfahren, bei denen die optische Achse schnell (um-)orientiert wird, so dass sie nominell normal zur Werkstückoberfläche steht, eignen sich für die Inspektion verschiedener Arten von Werkstückoberflächen, wie beispielsweise Freiform-Werkstückoberflächen (z. B. Turbinenschaufeln), bei denen sich die Oberflächennormale entlang verschiedener Abschnitte der Oberfläche oder verschiedener Oberflächen ständig ändern kann. Die Systeme und Verfahren eignen sich auch für die automatische Ausrichtung/Positionierung relativ zur Werkstückoberfläche für nachfolgende nicht-optische Vorgänge, wie beispielsweise einen an der Werkstückoberfläche durchzuführenden Bearbeitungsvorgang (z. B. Bohren), bei dem die Achse des Bearbeitungsvorgangs mit der optischen Achse zusammenfällt.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das verschiedene üblicherweise vorkommende Komponenten eines allgemeinen Systems für die maschinelle Sichtprüfung zeigt, das einen optischen Baugruppenabschnitt einschließt;
2A ist ein Blockdiagramm eines Steuerungssystemabschnitts und eines optischen Baugruppenabschnitts eines maschinellen Sichtprüfungssystems, das dem von 1 ähnelt und bestimmte hierin offenbarte Merkmale einschließt, wobei sich die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts in einer anfänglichen Orientierung befindet, in der ein Mehrpunkt-Autofokusprozess durchgeführt werden kann, um eine Oberflächennormale für eine Werkstückoberfläche zu bestimmen;
2B ist ein Blockdiagramm des maschinellen Sichtprüfungssystems von 2A, wobei der optische Baugruppenabschnitt so gesteuert wird, dass die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell normal zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist;
3A ist eine schematische Darstellung eines VFL (TAG)-Linsensystems, das an ein Präzisionsmesssystem wie ein maschinelles Sichtprüfungssystem angepasst werden kann und bei dem sich die optische Achse eines optischen Baugruppenabschnitts in einer anfänglichen Orientierung befindet, in der ein Mehrpunkt-Autofokusprozess durchgeführt werden kann, um eine Oberflächennormale für eine Werkstückoberfläche zu bestimmen;
3B ist eine schematische Darstellung des VFL (TAG)-Linsensystems von 3A, das so gesteuert wird, dass die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell normal zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist;
4 ist ein Zeitdiagramm, das die periodische Modulation des VFL (TAG)-Linsensystems von 3A und 3B veranschaulicht;
5A veranschaulicht ein Musterwerkstück, das eine erste und eine zweite Werkstückoberfläche mit unterschiedlichen Orientierungen einschließt;
5B ist eine schematische Darstellung eines optischen Baugruppenabschnitts in einer anfänglichen Orientierung, in der ein Mehrpunkt-Autofokusprozess durchgeführt werden kann, um eine Oberflächennormale für eine Werkstückoberfläche zu bestimmen;
5C ist eine schematische Darstellung, die die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts von 5B veranschaulicht, wie sie normal zur Werkstückoberfläche orientiert ist;
6A und 6B veranschaulichen einen Bildstapel und eine entsprechende Fokuskurve, die als Teil eines Mehrpunkt-Autofokusprozesses verwendet werden können, um eine Oberflächennormale einer Werkstückoberfläche zu bestimmen;
7 veranschaulicht ein Robotersystem, das ein Messsystem verkörpert, das einen optischen Baugruppenabschnitt gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung einschließt;
8A veranschaulicht eine Koordinatenmessmaschine (KMG), die ein Messsystem verkörpert, das einen optischen Baugruppenabschnitt gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung einschließt;
8B ist ein Diagramm, das schematisch einen optischen Baugruppenabschnitt veranschaulicht, der mit einem Sondenkopf eines KMG wie dem in 8A dargestellten gekoppelt ist;
8C ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts des KMG von 8A, in dem sich ein optischer Baugruppenabschnitt in einer anfänglichen Orientierung befindet, in der ein Mehrpunkt-Autofokusprozess durchgeführt werden kann, um eine Oberflächennormale für eine Werkstückoberfläche zu bestimmen;
8D ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts des KMG von 8A, das die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts veranschaulicht, die so orientiert ist, dass sie nominell normal zur Werkstückoberfläche ist;
8E ist ein Blockdiagramm, das verschiedene Steuerelemente eines CMM zeigt, wie das von 8A; und
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Verwendung von Mehrpunkt-Autofokus, um eine optische Achse so auszurichten, dass sie nominell normal zu einer Werkstückoberfläche steht, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften maschinellen Sichtprüfungssystems 10, das gemäß der vorliegenden Offenbarung als VFL (TAG)-Objektivsystem (hierin auch als Abbildungssystem bezeichnet) verwendet werden kann oder dieses einschließt. Das maschinelle Sichtprüfungssystem 10 schließt eine Sichtmessmaschine 12 ein, die zum Austausch von Daten und Steuersignalen mit einem steuernden Rechnersystem 14 funktionsfähig verbunden ist. Das steuernde Computersystem 14 ist ferner wirkverbunden, um Daten und Steuersignale mit einem Monitor oder einer Anzeige 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 auszutauschen. Der Monitor oder die Anzeige 16 kann eine Benutzerschnittstelle anzeigen, die zum Steuern und/oder Programmieren der Vorgänge des Maschinensichtinspektionssystems 10 geeignet ist. In verschiedenen Implementierungen kann ein Touchscreen-Tablett oder ähnliches die Funktionen einzelner oder aller Elemente 14, 16, 22, 24 und 26 ersetzen und/oder redundant bereitstellen. Verschiedene Implementierungen eines maschinellen Sichtprüfungssystems 10 sind auch in den allgemein zugewiesenen US-Patenten Nr. 7,454,053 ; 7,324,682 ; 8,111,905 ; und 8,111,938 beschrieben, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
Fachleute wissen, dass das Steuerungscomputersystem 14 im Allgemeinen mit jedem geeigneten Rechensystem oder jeder Rechenvorrichtung implementiert werden kann, einschließlich verteilter oder vernetzter Rechenumgebungen und dergleichen. Solche Rechensysteme oder -vorrichtungen können einen oder mehrere allgemeine oder spezielle Prozessoren (z. B. nicht benutzerdefinierte oder benutzerdefinierte Vorrichtungen) einschließen, die Software zur Ausführung der hierin beschriebenen Funktionen ausführen. Software kann in einem Speicher gespeichert sein, wie etwa in einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem Nurlesespeicher (ROM), einem Flash-Speicher oder dergleichen oder einer Kombination dieser Komponenten. Die Software kann auch auf einer oder mehreren Speichervorrichtungen gespeichert werden, wie beispielsweise auf optischen Festplatten, Flash-Speichervorrichtungen oder anderen nichtflüchtigen Speichermedien zur Speicherung von Daten. Software kann ein oder mehrere Programmmodule enthalten, die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen usw. enthalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In verteilten Rechenumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule kombiniert oder auf mehrere Rechensysteme oder -vorrichtungen verteilt werden und es kann über Serviceabrufe entweder in einer drahtgebundenen oder einer drahtlosen Konfiguration darauf zugegriffen werden.
Die Sichtmessmaschine 12 schließt einen beweglichen Werkstücktisch 32 und ein optisches Abbildungssystem 34 ein, das ein Zoomobjektiv oder austauschbare Objektive einschließen kann. Die Zoomlinse oder die austauschbaren Objektivlinsen stellen im Allgemeinen verschiedene Vergrößerungen für die Bilder bereit, die von dem optischen Bildgebungssystem 34 bereitgestellt werden. Wie weiter unten in Bezug auf 2A und 2B näher beschrieben wird, kann das optische Abbildungssystem 34 einen optischen Baugruppenabschnitt 205 einschließen (der z. B. das Zoomobjektiv und/oder das austauschbare Objektiv einschließen kann) und der in einigen Implementierungen mit einem Drehtisch 297 gekoppelt sein kann.
2A ist ein Blockdiagramm eines Steuerungssystemabschnitts 120 und eines Sichtkomponentenabschnitts 200 eines maschinellen Sichtprüfungssystems 100, das dem maschinellen Sichtprüfungssystem von 1 ähnelt und bestimmte hierin offenbarte Merkmale einschließt. Wie im Folgenden näher beschrieben wird, wird der Steuerungssystemabschnitts 120 zur Steuerung des Sichtkomponentenabschnitts 200 verwendet. Der Sichtkomponentenabschnitt 200 schließt einen optischen Baugruppenabschnitt 205, Lichtquellen 220, 230, 240 (die Teil des optischen Baugruppenabschnitts 205 sein oder getrennt davon bereitgestellt werden können) und einen Werkstücktisch 210 mit einem zentralen transparenten Abschnitt 212 ein. Der Werkstücktisch 210 (entspricht dem Werkstücktisch 32 in 1) ist entlang von X- und Y-Achsen steuerbar beweglich, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen parallel zur Oberfläche des Tisches verläuft, auf dem ein Werkstück 20 positioniert ist. Der optische Baugruppenabschnitt 205, der mindestens teilweise die Lichtquellen 220, 230, 240 einschließen kann, umfasst ferner ein Kamerasystem 260, ein austauschbares Objektiv 250 und ein Objektiv mit variabler Brennweite (VFL) 270.
Eine bekannte VFL-Linse ist eine abstimmbare akustische Gradientenlinse („TAG“), die mit Hilfe von Schallwellen in einem Fluidmedium einen Linseneffekt erzeugt. Die Schallwellen können durch Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Resonanzfrequenz an eine piezoelektrische Röhre erzeugt werden, die das Fluidmedium umgibt, um ein zeitlich veränderliches Dichte- und Brechungsindexprofil im Fluid der Linse zu erzeugen, das deren optische Energie und damit die Brennweite (oder effektive Fokusposition) des optischen Systems moduliert. Eine TAG-Linse kann dazu verwendet werden, einen Bereich von Brennweiten periodisch mit einer Resonanzfrequenz von mehr als 30 kHz oder mehr als 70 kHz oder mehr als 100 kHz oder mehr als 400 kHz, beispielsweise bis zu 1,0 MHz, bei hoher Geschwindigkeit abzutasten (d. h. ihre optische Energie periodisch zu modulieren). Eine solche Linse kann durch die Lehren des Artikels „High speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens“ (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008), der hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird, besser verstanden werden. TAG-Objektive und zugehörige steuerbare Signalgeneratoren sind zum Beispiel von der Mitutoyo Corporation in Kanagawa, Japan, erhältlich. Ein spezielles Beispiel sind die TAG-Objektive der Serie SR38, die eine periodische Modulation mit einer Modulationsfrequenz von bis zu 1,0 MHz ermöglichen. Verschiedene Aspekte der Vorgänge und Anwendungen von TAG-Objektiven werden in US-Patent Nr. 9,930,243 ; 9,736,355 ; 9,726,876 ; 9,143,674 ; 8,194,307 ; und 7,627,162 ; sowie in US-Patentanmeldungsveröffentlichungen Nr. 2017/0078549 und 2018/0143419 näher beschrieben, die hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen werden. Ein TAG-Objektiv mit seiner schnellen varifokalen Abbildungsfähigkeit eignet sich besonders für die Verwendung als VFL-Objektiv 270 zur Durchführung eines schnellen Autofokus gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Alternativ zu einem TAG-Objektiv kann als VFL-Objektiv 270 auch ein mechanisches VFL-Objektiv verwendet werden, bei dem ein Mehrlinsensystem mechanisch bewegt wird, um seine Brennweite zu verändern.
In verschiedenen Implementierungen kann der optische Baugruppenabschnitt 205 ferner eine Revolverlinsenbaugruppe 223 mit Linsen 226 und 228 einschließen. Als Alternative zur Revolverlinsenbaugruppe kann in verschiedenen Implementierungen eine feste oder manuell austauschbare Linse zur Änderung der Vergrößerung oder eine Zoomlinsenkonfiguration oder dergleichen eingeschlossen werden. In verschiedenen Implementierungen kann die austauschbare Objektivlinse 250 aus einem Satz von Objektivlinsen mit fester Vergrößerung ausgewählt werden, die als Teil eines Abschnitts mit variabler Vergrößerung eingeschlossen sind (z. B. ein Satz von Objektivlinsen, die Vergrößerungen wie 0,5x, 1x, 2x oder 2,5x, 5x, 7,5x, 10x, 20x oder 25x, 50x, 100x usw. entsprechen).
Der optische Baugruppenabschnitt 205 ist steuerbar entlang einer Z-Achse des MCS (d. h. einer Z_M-Achse) beweglich, die im Allgemeinen orthogonal zu den X- und Y-Achsen des MCS (d. h. den X_M- und Y_M-Achsen) ist, indem ein steuerbarer Motor 294 verwendet wird, der ein Laufwerk antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der Z_M-Achse zu bewegen (was z. B. einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und einem Werkstück 20 ändern kann, was auch einen Fokus des Bildes des Werkstücks 20 ändern kann). Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 mit einer Ein-/Ausgangsschnittstelle 130 verbunden. Wie weiter unten näher beschrieben wird, kann die VFL-(TAG)-Linse 270 über eine Signalleitung 234' von einer Linsensteuerungsschnittstelle 134 gesteuert werden, um die optische Energie der VFL-Linse 270 periodisch zu modulieren und somit eine effektive Fokusposition (oder eine Brennweite) des optischen Baugruppenabschnitts 205 zu modulieren (die z. B. in einigen Implementierungen/Orientierungen verwendet werden kann, um den Fokus des Bildes über einen relativ kleineren Bereich zu ändern, oder als Alternative zur Bewegung des optischen Baugruppenabschnitts 205, um den Fokus eines Bildes eines Werkstücks zu ändern). Die Objektivsteuerungsschnittstelle 134 kann eine VFL-Objektivsteuerung 180 einschließen, wie im Folgenden näher beschrieben. Der Werkstücktisch 210, auf dem das Werkstück 20 platziert ist, kann so gesteuert werden, dass er sich relativ zum optischen Baugruppenabschnitt 205 bewegt (z. B. in X- und Y-Richtung und/oder als Teil eines drehbaren Tisches in Z-Richtung usw.), so dass sich das Sichtfeld der austauschbaren Objektivlinse 250 bewegt (z. B. zwischen Oberflächen und/oder Stellen auf der Werkstückoberfläche 20 und/oder zwischen mehreren Werkstücken 20 usw.).
Eine oder mehrere der Tischlichtquellen 220, der koaxialen Lichtquelle 230 und der Oberflächenlichtquelle 240 (z. B. ein Ringlicht) können Quellenlicht 222, 232 bzw. 242 aussenden, um ein Werkstück 20 oder Werkstücke 20 zu beleuchten. In verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann eine stroboskopische Beleuchtung verwendet werden. Zum Beispiel kann die koaxiale Lichtquelle 230 während einer Bildbelichtung geblitztes Quellenlicht 232 entlang eines Weges aussenden, der einen Strahlenteiler 290 (z. B. einen Teilspiegel) einschließt. Das Quellenlicht 232 wird als Abbildungslicht 255 reflektiert oder übertragen, und das zur Abbildung verwendete Abbildungslicht durchläuft das Wechselobjektiv 250, die Revolverlinsenbaugruppe 223 und das VFL-Objektiv (TAG) 270 und wird vom Kamerasystem 260 erfasst. Eine Werkstückbildbelichtung, die das Bild des/der Werkstücks/Werkstücke 20 einschließt, wird von dem Kamerasystem 260 erfasst und auf einer Signalleitung 262 an den Steuerungssystemabschnitt 120 ausgegeben.
Verschiedene Lichtquellen (z. B. die Lichtquellen 220, 230, 240) können mit einer Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 des Steuerungssystemabschnitts 120 über zugehörige Signalleitungen (z. B. Busse 221, 231 bzw. 241) verbunden sein. Der Steuerungssystemabschnitt 120 kann die Revolverlinsenbaugruppe 223 so steuern, dass sie sich entlang der Achse 224 dreht, um eine Revolverlinse über eine Signalleitung oder einen Bus 223' auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.
Wie vorstehend beschrieben, kann in verschiedenen Implementierungen eine relative Position, ein relativer Abstand usw. des optischen Baugruppenabschnitts 205 (z. B. der Objektivlinse 250 des optischen Baugruppenabschnitts 205) zu einer Werkstückoberfläche WPS1 und/oder WPS2 des zu messenden Werkstücks 20 entlang der Z-Achse des MCS (z. B. unter Verwendung des steuerbaren Motors 294) und entlang der X- und Y-Achse des MCS (z. B. durch Bewegen des Werkstücktisches 210) eingestellt werden. In verschiedenen Implementierungen können der steuerbare Motor 294 und der bewegliche Werkstücktisch 210 gemeinsam Teil eines Einstellungsmechanismus sein, der so konfiguriert ist, dass er mindestens einen Abstand, eine Position und/oder eine Orientierung zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und der Werkstückoberfläche WPS1 und/oder WPS2 ändert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Einstellungsmechanismus ferner einen Drehmechanismus 295 einschließen, der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt 205 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 des Werkstücks 20 dreht t, um eine Orientierung (z. B. eine Winkelorientierung) der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu ändern. In verschiedenen Implementierungen kann die Drehung des optischen Baugruppenabschnitts 205 zur Änderung der Orientierung der optischen Achse OA in Bezug auf die Werkstückoberfläche WPS1 mindestens teilweise einer Roll- und/oder Nickdrehung entsprechen.
Wie in 2A veranschaulicht, verfügt der optische Baugruppenabschnitt 205 über ein lokales Koordinatensystem (LCS), das X-, Y- und Z-Achsen des LCS (d. h. X_L-, Y_L- und Z_L-Achsen) einschließt, die sich mit dem optischen Baugruppenabschnitt 205 bewegen und drehen können und für die die optische Achse OA auf die Z_L-Achse ausgerichtet ist (z. B. diese definiert). In der in 2A veranschaulichten Orientierung ist das LCS im Allgemeinen auf das MCS ausgerichtet (d. h. die optische Achse OA ist auf die Z_M-Achse des MCS ausgerichtet). Bei bestimmten früheren Systemen war die Orientierung der optischen Achse OA eines optischen Baugruppenabschnitts relativ fest, so dass sie immer auf die Z_M-Achse des MCS ausgerichtet war. In Bezug auf das LCS können Gier-, Nick- und Rolldrehungen Drehungen um die jeweiligen Achsen entsprechen. In der veranschaulichten Konfiguration kann die Drehung um die X_L-Achse (z. B. als erste Drehachse) als Rollen, die Drehung um die Y_L-Achse (z. B. als zweite Drehachse) als Nicken und die Drehung um die Z_L-Achse als Gieren bezeichnet werden.
In einigen Implementierungen kann der Drehmechanismus 295 eine Drehung des optischen Baugruppenabschnitts 205 bereitstellen, die mindestens einer Drehung um eine erste Drehachse (z. B. Roll) und/oder eine zweite Drehachse (z. B. Nick) entspricht. Der Begriff „erste Drehachse und/oder zweite Drehachse“ bezieht sich also auf die erste Drehachse allein, die zweite Drehachse allein oder auf die erste und die zweite Drehachse zusammen. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse können zum Beispiel die X_L- und die Y_L-Achse sein, die orthogonal zueinander stehen, sie müssen aber weder orthogonal zueinander noch orthogonal zur Z_L-Achse sein. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse müssen nur jeweils nicht parallel (einschließlich nicht kolinear) zueinander und zur Z_L-Achse sein. Im Allgemeinen kann der Drehmechanismus 295 in verschiedenen Implementierungen eine Drehbewegung bereitstellen, die „außerhalb der Ebene der ZL-Achse“ liegt (z. B. mindestens eines der Elemente Rollen oder Nicken oder eine Kombination davon).
Wie weiter nachstehend näher beschrieben wird, veranschaulicht 2B eine Konfiguration, in der der Drehmechanismus 295 verwendet wurde, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu drehen, um eine winkelmäßige Orientierung der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 zu ändern, um die optische Achse OA so auszurichten, dass sie nominell normal (d. h. ungefähr senkrecht) zur Werkstückoberfläche WPS1 ist. Darüber hinaus wurde der Motor 294 verwendet, um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen (z. B. so, dass sich die relative Position der Werkstückoberfläche nominell in einer gewünschten Z_L-Position relativ zum optischen Baugruppenabschnitt 205 befindet, wie beispielsweise nominell in einer gewünschten Fokusposition). Der hierin verwendete Begriff „nominell“ umfasst Abweichungen von einem oder mehreren Parametern, die innerhalb akzeptabler Toleranzen liegen. Beispielsweise kann in einer bestimmten Implementierung ein Element (z. B. eine optische Achse OA) als nominell normal (d. h. nominell senkrecht) zu einer Werkstückoberfläche (z. B. entsprechend einer berechneten Oberflächenebene) definiert werden, wenn es normal (d. h. senkrecht) oder innerhalb von 5 Grad von der Normalität zur Werkstückoberfläche entfernt ist (z. B. mit einer Winkelorientierung zwischen 85 Grad und 95 Grad relativ zur Werkstückoberfläche). Als weiteres Beispiel kann in einer spezifischen Implementierung eine optische Achse OA eines optischen Baugruppenabschnitts so definiert werden, dass sie nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zu einer Werkstückoberfläche verläuft (z. B. wie sie gemäß einer berechneten Oberflächenebene definiert werden kann und für die in einigen Fällen die Werkstückoberfläche relativ flach sein kann und sich an oder in der Nähe einer besten Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts befindet), wenn alle Bereiche der Werkstückoberfläche innerhalb des Sichtfelds (FOV) des optischen Baugruppenabschnitts innerhalb von vier Schärfentiefen (DOF) eines durchschnittlichen oder anderweitig bezeichneten oder besten Stelle Z_L (d. h. Fokus) relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 liegen. In einer Implementierung kann dies bedeuten, dass sich mindestens ein Abschnitt der Werkstückoberfläche in der besten Fokusposition befindet und alle anderen Abschnitte der Werkstückoberfläche im FOV innerhalb von 4 DOFs von der besten Fokusposition liegen (d. h. dass die optische Achse OA des optischen Baugruppeabschnitts nominell normal zur Werkstückoberfläche verläuft). Ein weiteres Beispiel ist, dass eine Werkstückoberfläche als nominell in der besten Fokusposition definiert werden kann, wenn alle Abschnitte der Werkstückoberfläche in einem FOV innerhalb von 4 DOFs der besten Fokusposition liegen. In anderen Beispielen kann das System und/oder die Definitionen präziser sein (z. B. innerhalb von 2 DOFs, innerhalb von 2 Grad, innerhalb von 2 Prozent usw.).
Bezogen auf die Orientierung von 2A entspricht die Drehung, die zu der Orientierung von 2B führt, einer Rollendrehung um die X_L-Achse (z. B. eine erste Drehachse). In anderen Konfigurationen können solche Drehungen (z. B. zur nominellen Ausrichtung der optischen Achse OA mit einer Oberflächennormalen einer Werkstückoberfläche) auch oder alternativ eine Drehung um die Y_L-Achse (z. B. eine zweite Drehachse) einschließen. Wie in 2B veranschaulicht, ist gemäß der Drehung des optischen Baugruppenabschnitts 205 auch die LCS entsprechend gedreht worden (z. B. relativ zur MCS), wobei die optische Achse OA auf die Z_L-Achse ausgerichtet ist (z. B. diese definiert).
Für den Drehmechanismus 295 sind verschiedene Implementierungen möglich. Wie in 1 und 2A veranschaulicht, kann der Drehmechanismus 295 beispielsweise als Teil eines Drehtisches 297 der Sichtmessmaschine 12 bereitgestellt sein, an dem der optischen Baugruppenabschnitt 205 befestigt ist. So kann in verschiedenen Implementierungen der optische Baugruppenabschnitt 205 durch den Antrieb eines Aktuators (z. B. als Teil des Drehmechanismus 295) steuerbar drehbar sein, um den Drehtisch 297 zu bewegen (z. B. zu drehen). Der Drehtisch 297 (z. B. den Drehmechanismus 295 einschließend) ist über eine Signalleitung 298 mit der Ein-/Ausgabeschnittstelle 130 verbunden.
Alternativ oder zusätzlich kann der bewegliche Werkstücktisch 210 so konfiguriert sein, dass er einen Drehtisch verkörpert (z. B. einschließlich eines Drehmechanismus, nicht dargestellt), der ähnlich wie der vorstehend beschriebene Drehtisch 297 konfiguriert und gesteuert werden kann. Wie bei dem vorstehend beschriebenen Drehtisch 297 kann die Bewegung (z. B. Drehung) des zusätzlich als Drehtisch ausgebildeten Werkstücktisches 210 über eine Signalleitung (z. B. ähnlich der Signalleitung 298) durch den Steuerungssystemabschnitt 120 gesteuert werden, um eine gewünschte Drehung (z. B. einer winkligen Orientierung eines Werkstücks 20, das sich auf dem Werkstücktisch 210 befindet) zu bewirken.
Wie in 2A dargestellt, schließt der Steuerungssystemabschnitt 120 in verschiedenen beispielhaften Implementierungen eine Steuerung 125, die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 130, einen Speicher 140, einen Werkstückprogrammgenerator und -ausführer 170 und einen Leistungsversorgungsabschnitt 190 ein. Jede dieser Komponenten sowie die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Komponenten können durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen miteinander verbunden sein. Die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 130 schließt eine Abbildungssteuerungsschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerungsschnittstelle 132, eine Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 und die Objektivsteuerungsschnittstelle 134 ein. Die Steuerschnittstelle für die Linse 134 schließt die Steuerung für die VFL-Linse 180 ein oder ist mit ihr verbunden, wobei die Steuerung Steuerschaltungen und/oder Routinen zur Steuerung des Vorgangs der VFL-(TAG-)Linse 270 einschließt (z. B. wie weiter unten in Bezug auf 4 näher beschrieben). Die Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 schließt Beleuchtungssteuerelemente 133a-133n ein, die zum Beispiel die Auswahl, die Energie, den Ein/Aus-Schalter und gegebenenfalls die Stroboskopimpulszeit für die verschiedenen entsprechenden Lichtquellen des maschinellen Sichtprüfungssystems 100 steuern.
Die Bewegungssteuerungsschnittstelle 132 ist so konfiguriert, dass sie über die Signalleitungen 296 und 298 Steuersignale sendet, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 zu bewegen. In verschiedenen Implementierungen kann die Bewegungssteuerungsschnittstelle 132 einen Bewegungssteuerungsabschnitt für die Oberflächennormale 132sn einschließen, der zur Implementierung spezifischer Prozesse zur Einstellung und/oder Änderung der Orientierung der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 verwendet werden kann, so dass sie nominell normal zu einer Werkstückoberfläche (z. B. einer Werkstückoberfläche WPS1 und/oder WPS2) ist. Die Steuerungssignale können auch gesendet werden (z. B. von der Bewegungssteuerungsschnittstelle 132 oder dem Bewegungssteuerungsabschnitt für die Oberflächennormale 132sn), um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und der Werkstückoberfläche WPS1 und/oder WPS2 einzustellen und/oder zu ändern (z. B. um den optischen Baugruppenabschnitt 205 nominell in einer gewünschten Fokusposition relativ zur Werkstückoberfläche zu positionieren, was von dem auf der Werkstückoberfläche durchzuführenden Prozess abhängen kann, wie beispielsweise für PFF-Vorgänge oder die Gewinnung eines Bildes mit erweiterter Schärfentiefe (EDOF) oder für Bearbeitungsvorgänge usw.).
Der Speicher 140 kann einen Bilddateispeicherabschnitt 141, einen Kantenerkennungsspeicherabschnitt 140ed, einen Werkstückprogrammspeicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teileprogramme oder dergleichen einschließen kann, und einen Videotoolabschnitt 143 umfassen. Der Videotoolabschnitt 143 schließt verschiedene Tools 143a-143n ein, insbesondere ein Autofokus-Videotool 143af, die die grafische Benutzeroberfläche, den bildverarbeitenden Vorgang usw. für jedes der entsprechenden Videotools bestimmen. Der Videotoolabschnitt 143 schließt auch einen Generator für den Bereich von Interesse (ROI) 143roi ein, der automatische, halbautomatische und/oder manuelle Vorgänge unterstützt, die verschiedene ROIs definieren, die in verschiedenen Videotools, wie dem Autofokus-Videotool 143af, das in den Videotoolabschnitt 143 eingeschlossen ist, verwendet werden können.
Das Autofokus-Videotool 143af bestimmt die Benutzeroberfläche, den bildverarbeitenden Vorgang usw. für die Messvorgänge der Fokushöhe (d. h. der effektiven Position des Fokus (Z_L-Höhe)) unter Verwendung des VFL-Objektivs 270, das über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 130 gesteuert wird. In verschiedenen Implementierungen kann das Autofokus-Videotool 143af zusätzlich ein schnelles Fokushöhen-Tool einschließen, das verwendet werden kann, um Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie in dem vorstehend eingefügten US-Patent Nr. 9,143,674 näher beschrieben. Die Bestimmung des Hochgeschwindigkeits-Autofokus und/oder der Position des Fokus für eine oder mehrere Bildbereiche oder Bereiche von Interesse kann auf der Analyse des Bildes beruhen, um einen entsprechenden Wert für die charakteristischen Eigenschaften des Fokus (z. B. einen quantitativen Wert für die Kontrastmetrik und/oder einen quantitativen Wert für die Fokusmetrik) für verschiedene Bereiche nach bekannten Verfahren zu bestimmen. Solche Verfahren sind zum Beispiel in US-Patent Nr. 8,111,905 ; 7,570,795 ; und 7,030,351 offenbart, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen werden.
In verschiedenen Implementierungen kann das Autofokus-Videotool 143af einen Abschnitt zur Bestimmung der Oberflächennormalen 143sn einschließen und/oder mit diesem verbunden sein, der zur Implementierung spezifischer Prozesse (z. B. einschließlich oder in Verbindung mit einem Mehrpunkt-Autofokusprozess) zur Bestimmung einer Oberflächennormalen einer Werkstückoberfläche verwendet werden kann. In bestimmten Implementierungen kann der Abschnitt zur Bestimmung der Oberflächennormalen 143sn als unabhängiger Prozess oder Modus in Bezug auf das Autofokus-Videotool 143af implementiert werden und kann unabhängig oder auf andere Art und Weise einen Mehrpunkt-Autofokusprozess und/oder eine nachfolgende Verarbeitung zur Bestimmung einer Oberflächennormalen (z. B. und zur Bestimmung einer entsprechenden gewünschten Fokusposition in einigen Implementierungen) gemäß den hierin offenbarten Verfahren einleiten, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
Gemäß verschiedenen Implementierungen kann die Steuerung 125 in Zusammenarbeit mit der Steuerung der VFL-Linse 180 und dem Abschnitt zur Bestimmung der Oberflächennormalen 143sn einen Bildstapel einschließen, der mehrere Bilder mit unterschiedlichen Brennweiten der Werkstückoberfläche WPS1 enthält, und eine Autofokushöhe (z. B. Z_L-Höhe) für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche WPS1 auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse (ROIs) des Bildstapels berechnen. In verschiedenen Ausführungsformen ist es nicht erforderlich, die relative Orientierung zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und der Werkstückoberfläche WPS1 zu ändern, um die mindestens drei Autofokushöhen zu berechnen, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 6A und 6B näher beschrieben wird. In verschiedenen Implementierungen können die mindestens drei Autofokushöhen berechnet/bestimmt werden, um eine Oberfläche zu definieren/zu bestimmen (z. B. entsprechend einer definierten/bestimmten Ebene oder einer anderen Darstellung, die die drei Autofokushöhen und/oder einen berechneten Durchschnitt oder eine andere Bestimmung davon einschließen kann), um dadurch eine Oberflächennormale der berechneten/definierten Oberfläche zu berechnen. Fachleute werden verstehen, dass mehr als drei Autofokushöhen berechnet werden können, um die Oberfläche entsprechend der zunehmenden Zahl der berechneten Autofokushöhen genauer zu definieren, wie beispielsweise Dutzende (10, 20, 50 usw.) oder Hunderte von Autofokushöhen, sofern die zusätzliche Rechenlast und Verarbeitungszeit in bestimmten Anwendungen akzeptabel sind.
In verschiedenen Implementierungen können eine berechnete Oberflächennormale und/oder andere Daten, die mindestens teilweise auf den mindestens drei Autofokushöhen basieren (z. B. bezogen auf die definierte/bestimmte Oberfläche), verwendet werden (z. B. durch den Abschnitt zur Bestimmung der Oberflächennormalen 143sn, die Steuerung 125 und/oder den Abschnitt zur Steuerung der Oberflächennormalbewegung 132sn usw.), um Einstellungsinformationen zu berechnen. Die Steuerung kann gemäß der berechneten Einstellungsinformation durch den Bewegungssteuerungsabschnitt für die Oberflächennormale 132sn und/oder die Bewegungssteuerungsschnittstelle 132 den Einstellungsmechanismus (z. B. den steuerbaren Motor 294 und den Drehmechanismus 295) steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 so zu bewegen/drehen, dass die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 nominell mit der Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 ausgerichtet wird, und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen. Beispielsweise veranschaulicht 2B, dass der Einstellungsmechanismus dazu verwendet wurde, den optischen Baugruppenabschnitt 205 (neu)auszurichten, so dass die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 nominell mit der berechneten Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 übereinstimmt. Wie weiter unten näher beschrieben wird, wurde im Beispiel von 2B der Einstellungsmechanismus auch so gesteuert, dass er einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 205 und der Werkstückoberfläche WPS1 einstellt (z. B. so, dass sich die Werkstückoberfläche WPS1 nominell an einer gewünschten Stelle Z_L (d. h. Fokus) relativ zum optischen Baugruppenabschnitt 205 befindet). In verschiedenen Implementierungen können der Abschnitt zur Bestimmung der Oberflächennormalen 143sn und der Abschnitt zur Steuerung der Oberflächennormalen 132sn und/oder die verschiedenen damit verbundenen Prozesse als getrennte Komponenten implementiert und/oder zusammengeführt werden und/oder auf andere Art und Weise ununterscheidbar sein.
Die Steuerung 125 oder eine andere Komponente kann anschließend einen definierten Vorgang auf der Werkstückoberfläche WPS1 ausführen, die sich nun nominell normal zur optischen Achse OA und an einer gewünschten Z_L-Stelle befindet, wie beispielsweise optische Messvorgänge (z. B. einschließlich Bildgebung) oder Bearbeitungsvorgänge (z. B. Bohren) auf der Werkstückoberfläche usw. Bei der Durchführung bestimmter bildgebender Vorgänge kann es, wie vorstehend erwähnt, wünschenswert sein, dass der Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche (d. h. wie durch den Einstellungsmechanismus eingestellt und entsprechend der Z_L-Stelle) nominell einer gewünschten Fokusposition entspricht, die eine optimale Fokusposition sein kann, bei der die Werkstückoberfläche nominell fokussiert ist, oder alternativ einer anderen Fokusposition entspricht (z. B. einer Off-Focus-Position für bestimmte Arten von EDOF-Vorgängen usw.). Bei der Durchführung von Bearbeitungsvorgängen kann in verschiedenen Implementierungen davon ausgegangen werden, dass die Achse des Bearbeitungsvorgangs mit der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 zusammenfällt und/oder auf andere Art und Weise parallel zu ihr verläuft, so dass der Bearbeitungsvorgang (z. B. ein Bohrvorgang usw.) entlang einer Achse durchgeführt wird, die nominell normal zur berechneten Werkstückoberfläche verläuft.
Die Steuerung 125 und der Speicher 140 schließen in verschiedenen Implementierungen die notwendigen Schaltungen und/oder Routinen ein, um ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung zu implementieren, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, einschließlich: Positionieren des optischen Baugruppenabschnitts 205 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1; Erfassen eines Bildstapels der Werkstückoberfläche bei mehreren Brennweiten; Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden ROIs des Bildstapels (z. B. für die eine Oberflächennormale und entsprechende Einstellungsinformationen auf der Grundlage der Autofokushöhen bestimmt werden können); Steuern des Einstellungsmechanismus, um: den optischen Baugruppenabschnitt 205 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts 205 nominell mit einer (z. B. berechneten) Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen (z. B. so, dass sich die Werkstückoberfläche WPS1 nominell an einer gewünschten/festgelegten/bestimmten Z_L-Stelle befindet); und Ausführen eines definierten Vorgangs an der Werkstückoberfläche WPS1.
An die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 130 können eine oder mehrere Display-Vorrichtungen 136 (z. B. die Anzeige 16 in 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 in 1) angeschlossen sein. Die Display-Vorrichtungen 136 und die Eingabevorrichtungen 138 können zur Anzeige einer Benutzerschnittstelle verwendet werden, die verschiedene Merkmale der grafischen Benutzeroberfläche einschließen kann, die zur Durchführung von Prüfvorgängen und/oder zum Erstellen und/oder Ändern von Teileprogrammen, zum Betrachten der vom Kamerasystem 260 erfassten Bilder und/oder zur direkten Steuerung des Sichtkomponentenabschnitts 200 verwendet werden können.
In verschiedenen beispielhaften Implementierungen erzeugt der Benutzer, wenn er das maschinelle Sichtprüfungssystem 100 zur Erstellung eines Teileprogramms für das Werkstück 20 einsetzt, Anweisungen für das Teileprogramm, indem er das maschinelle Sichtprüfungssystem 100 in einem Lernmodus betreibt, um eine gewünschte Trainingssequenz für die Bilderfassung bereitzustellen. Eine Trainingssequenz kann beispielsweise die Positionierung eines bestimmten Merkmals eines repräsentativen Werkstücks im Sichtfeld (FOV), die Einstellung des Niveaus der Beleuchtung, die Fokussierung oder Autofokussierung, die Aufnahme eines Bildes und das Bereitstellen einer Trainingssequenz für die Inspektion umfassen, die auf das Bild angewendet wird (z. B. unter Verwendung einer Instanz eines der Videotools für dieses Werkstückmerkmal). Solche Vorgänge können Prozesse wie die hierin beschriebenen einschließen, einschließlich der Verwendung von Mehrpunkt-Autofokus, um eine optische Achse eines optischen Baugruppenabschnitts so auszurichten, dass sie nominell normal zu einer Werkstückoberfläche steht, und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen, und um nachfolgende Vorgänge (z. B. Bildgebung, Messungen usw.) auf der Werkstückoberfläche durchzuführen. Der Lernmodus arbeitet so, dass die Sequenz(en) erfasst oder aufgezeichnet und in entsprechende Teileprogrammanweisungen konvertiert wird/werden. Diese Anweisungen veranlassen das maschinelle Sichtprüfungssystem bei der Ausführung des Teileprogramms, die trainierte Bildaufnahme zu reproduzieren und die Prüfvorgänge zur automatischen Prüfung dieses bestimmten Werkstückmerkmals (d. h. des entsprechenden Merkmals an der entsprechenden Stelle) an einem oder mehreren Werkstücken im Betriebsmodus zu veranlassen, die mit dem bei der Erstellung des Teileprogramms verwendeten repräsentativen Werkstück übereinstimmen.
3A ist eine schematische Darstellung eines VFL (TAG)-Linsensystems 300, das einen optischen Baugruppenabschnitt 305 einschließt, der eine TAG-Linse 370 einschließt, die der VFL-Linse 270 von 2A entspricht. Das TAG-Linsensystem 300 und/oder der optische Baugruppenabschnitt 305 kann/können an ein Bildverarbeitungssystem des in 1 und 2A und 2B veranschaulichten Typs oder an ein Robotersystem von 7 oder an ein Koordinatenmessmaschinensystem (CMM) von 8A-8E angepasst werden, wie nachstehend beschrieben. Bestimmte nummerierte Komponenten 3XX in 3A können ähnlichen Vorgängen oder Funktionen wie die nummerierten Komponenten 1XX oder 2XX in 2A entsprechen und/oder diese bereitstellen und sind, sofern nicht anders angegeben, ähnlich zu verstehen.
Ein optischer Abbildungspfad OPATH (hierin auch als optischer Werkstückabbildungspfad bezeichnet) umfasst verschiedene optische Komponenten, die entlang eines Pfades angeordnet sind, der das Abbildungslicht 355 von einem Werkstück 320 zur Kamera 360 leitet. Das Abbildungslicht wird im Allgemeinen entlang der Richtung ihrer optischen Achsen weitergeleitet. Bei der in 3A dargestellten Implementierung sind alle optischen Achsen aneinander ausgerichtet. Diese Implementierung ist jedoch nur beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Allgemeiner ausgedrückt kann der optische Abbildungspfad OPATH Spiegel und/oder andere optische Elemente einschließen und jede Form annehmen, die für die Abbildung des Werkstücks 320 mit einer Kamera (z. B. der Kamera 360) nach bekannten Prinzipien geeignet ist. In der veranschaulichten Implementierung schließt der optische Abbildungspfad OPATH die TAG-Linse 370 ein (die in einer 4f-Abbildungskonfiguration eingeschlossen sein kann) und wird mindestens teilweise zur Abbildung einer Oberfläche eines Werkstücks 320 während einer Werkstückbildbelichtung verwendet.
Wie in 3A dargestellt, schließt das TAG-Linsensystem 300 den optischen Baugruppenabschnitt 305 ein, der eine Lichtquelle 330, eine Objektivlinse 350, eine Tubuslinse 351, eine Relaislinse 352, die VFL (TAG)-Linse 370, eine Relaislinse 356 und eine Kamera 360 umfasst. Das TAG-Linsensystem 300 kann auch eine Belichtungszeitsteuerung 333es, eine VFL-(TAG)-Linsensteuerung 380, eine Bewegungssteuerung 332 (z. B. einschließlich einer Bewegungssteuerung für die Oberflächenormale 332sn) und einen Steuerungssystemabschnitts zur Bestimmung der Oberflächennormalen 343sn einschließen. In verschiedenen Implementierungen können die Bewegungssteuerung 332, die Bewegungssteuerung 332sn für die Oberflächennormale und/oder der Abschnitt zur Bestimmung der Oberflächennormalen 343sn im Wesentlichen ähnlich wie die Steuerungen bzw. Abschnitte 132, 132sn und 143sn arbeiten, wie vorstehend in Bezug auf 2A und 2B beschrieben. In verschiedenen Implementierungen können die verschiedenen Komponenten durch direkte Verbindungen oder einen oder mehrere Daten-/Steuerungsbusse (z. B. einen Systemsignal- und Steuerbus 395) und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen usw. miteinander verbunden sein.
Wie weiter nachstehend näher beschrieben wird (z. B. auch in Bezug auf 4), kann die Steuerung der VFL-Linse 380 in verschiedenen Implementierungen ein Laufwerkssignal der TAG-Linse 370 steuern, um die optische Energie der TAG-Linse 370 über einen Bereich optischer Energien periodisch zu modulieren, die zu entsprechenden Phasenzeitpunkten innerhalb der periodischen Modulation auftreten. Das Objektiv 350 nimmt während einer Bildbelichtung Abbildungslicht auf, das von einem Werkstück 320 ausgeht, und überträgt das Abbildungslicht während der Bildbelichtung entlang des optischen Abbildungspfads OPATH durch das TAG-Objektiv 370 zur Kamera 360, um ein Werkstückbild in einem entsprechenden Kamerabild bereitzustellen. Die effektive Position des Fokus EFP vor dem Objektiv 350 während einer Bildbelichtung entspricht der optischen Energie des TAG-Objektivs 370 während dieser Bildbelichtung. Die Steuerung der Belichtungszeit 333es ist so konfiguriert, dass sie eine für ein Kamerabild verwendete Bildbelichtungszeit steuert.
In Bezug auf die in 3A dargestellte allgemeine Konfiguration kann die Lichtquelle 330 eine „koaxiale“ oder eine andere Lichtquelle sein, die so konfiguriert ist, dass sie das Quellenlicht 332 (z. B. mit stroboskopischer oder kontinuierlicher Beleuchtung) entlang eines Weges, der einen Strahlenteiler 390 (z. B. einen teilweise reflektierenden Spiegel als Teil eines Strahlenteilers) einschließt, und durch die Objektivlinse 350 auf eine Werkstückoberfläche 320 emittiert. Die Objektivlinse 350 empfängt das Abbildungslicht 355 (z. B. Werkstücklicht), das an einer effektiven Fokusposition EFP in der Nähe des Werkstücks 320 fokussiert ist, und gibt das Abbildungslicht 355 an die Tubuslinse 351 ab. Die Tubuslinse 351 empfängt das Abbildungslicht 355 und gibt es an die Relaislinse 352 ab. In anderen Implementierungen können analoge Lichtquellen das Sichtfeld auf nicht-koaxiale Art und Weise beleuchten, zum Beispiel kann eine Ringlichtquelle das Sichtfeld beleuchten.
In verschiedenen Implementierungen kann die Objektivlinse 350 eine austauschbare Objektivlinse sein, und die Tubuslinse 351 kann als Teil einer Revolverlinsenbaugruppe eingeschlossen sein (z. B. ähnlich wie die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 223 von 2A). Bei der in 3A dargestellten Implementierung wird das Abbildungslicht 355, das aus einer nominalen Brennebene der Objektivlinse 350 stammt, durch die Tubuslinse 351 fokussiert, um ein Zwischenbild in einer nominalen Zwischenbildebene IIPnom zu erzeugen. Wenn sich die TAG-Linse 370 in einem Zustand befindet, in dem sie keinen Linseneffekt (keine optische Energie) bereitstellt, bilden die nominelle Brennebene der Objektivlinse 350, die nominelle Zwischenbildebene IIPnom und die Bildebene der Kamera 360 einen Satz konjugierter Ebenen gemäß den bekannten Mikroskop-Abbildungsprinzipien. In verschiedenen Implementierungen kann jede der anderen hierin erwähnten Linsen aus einzelnen Linsen, zusammengesetzten Linsen usw. gebildet sein oder mit diesen zusammenarbeiten.
Die Relaislinse 352 empfängt das Abbildungslicht 355 von der Tubuslinse 351 (oder allgemeiner von einer Zwischenbildebene in verschiedenen alternativen Mikroskopkonfigurationen) und gibt es an die TAG-Linse 370 ab. Das TAG-Objektiv 370 empfängt das Abbildungslicht 355 und gibt es an das Relaisobjektiv 356 weiter. Das Relaisobjektiv 356 empfängt das Abbildungslicht 355 und gibt es an die Kamera 360 ab. In verschiedenen Implementierungen nimmt die Kamera 360 ein Kamerabild während einer Bildbelichtung auf (z. B. während einer Integrationsperiode der Kamera 360) und kann die entsprechenden Bilddaten einem Steuerungssystemabschnitts bereitstellen. Einige Kamerabilder können ein Werkstückbild (z. B. von einer Region des Werkstücks 320) einschließen, das während einer Werkstückbildbelichtung bereitgestellt wird. In einigen Implementierungen kann eine Bildbelichtung (z. B. eine Werkstückbildbelichtung) durch einen Stroboskopzeitpunkt der Lichtquelle 330 eingeschränkt oder gesteuert werden, der in eine Bildintegrationsperiode der Kamera 360 fällt. In verschiedenen Implementierungen kann die Kamera 360 ein Pixel-Array von mehr als 1 Megapixel aufweisen (z. B. 1,3 Megapixel mit einem Array von 1280x1024 Pixeln mit 5,3 Mikrometern pro Pixel).
Im Beispiel von 3A sind die Relaislinsen 352 und 356 und die VFL (TAG)-Linse 370 als in einer optischen 4f-Konfiguration eingeschlossen bezeichnet, während die Relaislinse 352 und die Tubuslinse 351 als in einer Keplerschen Teleskopkonfiguration eingeschlossen bezeichnet sind und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 als in einer Mikroskopkonfiguration eingeschlossen bezeichnet sind. Alle veranschaulichten Konfigurationen sind nur als Beispiele zu verstehen und stellen keine Einschränkung der vorliegenden Offenbarung dar. In verschiedenen Implementierungen ermöglicht die veranschaulichte optische 4f-Konfiguration die Platzierung der VFL (TAG)-Linse 370 (z. B. eine Vorrichtung mit niedriger numerischer Apertur (NA)) in der Fourier-Ebene der Objektivlinse 350. Diese Konfiguration kann die Telezentrie am Werkstück 320 beibehalten und Maßstabsänderungen und Bildverzerrungen minimieren (z. B. das Bereitstellen einer konstanten Vergrößerung für jede effektive Fokusposition (Z_L-Höhe) des Werkstücks 320).
In verschiedenen Implementierungen kann die Linsensteuerung 380 einen Abschnitt zur Erzeugung eines Laufwerksignals 381, einen Zeittakt 381' und Abbildungsschaltungen/-routinen 382 einschließen. Der Abschnitt zur Erzeugung des Laufwerksignals 381 kann (z. B. in Verbindung mit dem Zeittakt 381') ein periodisches Laufwerkssignal für die Hochgeschwindigkeitslinse 370 des VFL (TAG) über eine Signalleitung 380' bereitstellen. In verschiedenen Implementierungen kann das TAG-Linsensystem 300 (oder der optische Baugruppenabschnitt 205') ein Steuerungssystem umfassen (z. B. den Steuerungssystemabschnitt 120 von 2), das so konfiguriert werden kann, dass es in Verbindung mit der Linsensteuerung 380 für koordinierte Vorgänge arbeitet.
In verschiedenen Implementierungen kann die Linsensteuerung 380 im Allgemeinen verschiedene Funktionen im Zusammenhang mit der Abbildung eines Werkstücks 320 in einer Art und Weise ausführen, die mit einer gewünschten Phasenzeit des TAG-Objektivs 370 synchronisiert ist, sowie die Ansteuerung und Reaktion des TAG-Objektivs 370 steuern, überwachen und einstellen. In verschiedenen Implementierungen führen die Abbildungsschaltungen/-routinen 382 standardmäßige Abbildungsvorgänge für das optische System aus, die mit den Phasenzeiten des TAG-Objektivs 370 synchronisiert sind.
In verschiedenen Fällen kann es aufgrund von unerwünschten Temperaturschwankungen zu einer Abweichung der Eigenschaften des VFL-Objektivs kommen. Wie in 3A dargestellt, kann das TAG-Linsensystem 300 in verschiedenen Implementierungen optional eine Linsenheizung/-kühlung 337 einschließen, die mit der TAG-Linse 370 verbunden ist. Die Linsenheizung/-kühlung 337 kann so konfiguriert sein, dass sie eine Energiemenge in die TAG-Linse 370 einspeist und/oder Kühlfunktionen ausführt, um die Erwärmung und/oder Kühlung der TAG-Linse 370 entsprechend einigen Implementierungen und/oder Vorgängen zu erleichtern. Zusätzlich kann in verschiedenen Implementierungen ein TAG-Linsen-Überwachungssignal von einem Temperatursensor 336 bereitgestellt werden, der mit der TAG-Linse 370 verbunden ist, um eine Betriebstemperatur der TAG-Linse 370 zu überwachen.
Im Hinblick auf die allgemeinen Vorgänge der TAG-Linse 370 kann die Linsensteuerung 380 in verschiedenen Implementierungen, wie vorstehend beschrieben, ihre optische Energie schnell anpassen oder periodisch modulieren, um eine Hochgeschwindigkeits-VFL-Linse zu erhalten, die ihre optische Energie periodisch mit einer TAG-Linsen-Resonanzfrequenz von 400 kHz, 250 kHz, 70 kHz oder 30 kHz usw., d. h. mit hoher Geschwindigkeit, moduliert. Wie in 3A dargestellt, kann durch die Verwendung der periodischen Modulation eines Signals zum Antrieb des TAG-Objektivs 370 die effektive Fokusposition EFP des TAG-Linsensystems 300 (d. h. die Fokusposition vor der Objektivlinse 350) schnell innerhalb eines Bereichs Refp (z. B. ein Fokusbereich oder ein Autofokus-Suchbereich usw.) bewegt werden, der durch eine effektive Fokusposition EFP1 (oder EFPmax oder Spitzenfokusabstand Z1 max+), die einer maximalen optischen Energie der TAG-Linse 370 in Kombination mit der Objektivlinse 350 entspricht, und eine effektive Fokusposition EFP2 (oder EFPmin oder Spitzenfokusabstand Z1 max-), die einer maximalen negativen optischen Energie der TAG-Linse 370 in Kombination mit der Objektivlinse 350 entspricht, begrenzt wird. In verschiedenen Implementierungen können die effektiven Fokuspositionen EFP1 und EFP2 annähernd der Phasenzeiten von 90 Grad und 270 Grad entsprechen, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 4 näher beschrieben wird. Zu Diskussionszwecken kann die Mitte des Bereichs Refp als EFPnom bezeichnet werden und entspricht ungefähr der optischen Energie der TAG-Linse 370 in Kombination mit der nominalen optischen Energie der Objektivlinse 350. Nach dieser Beschreibung kann EFPnom in einigen Implementierungen ungefähr der Nennbrennweite der Objektivlinse 350 entsprechen (die z. B. einem Arbeitsabstand WD der Objektivlinse 350 entsprechen kann).
Wie das maschinelle Sichtprüfungssystem von 2A ist auch das TAG-Linsensystem 300 von 3A mit einem Einstellungsmechanismus verbunden oder schließt einen solchen ein, der so konfiguriert ist, dass er den Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und einer Werkstückoberfläche WPS1 des Werkstücks 320 ändert (z. B. unter Verwendung eines Motors 294, der der Konfiguration von 2A oder einem ähnlichen Mechanismus ähnelt) und den optischen Baugruppenabschnitt 305 (z. B. unter Verwendung des Drehmechanismus 295) relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 des Werkstücks 320 dreht. Im veranschaulichten Beispiel von 3A schließt der Einstellungsmechanismus den Drehmechanismus 295 ein, der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt 305 (einschließlich der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 305) relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 dreht. Wie in 3A veranschaulicht, kann der Drehmechanismus 295 als Teil des Drehtisches 297 bereitgestellt werden, an dem der optische Baugruppenabschnitt 305 befestigt ist. Alternativ kann ein Tisch, auf dem das Werkstück 320 platziert wird, als Drehtisch ausgeführt sein.
Im Beispiel von 3A wurde der Einstellungsmechanismus so gesteuert, dass er den optischen Baugruppenabschnitt 305 bewegt, um die Werkstückoberfläche WPS1 innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs der optischen Baugruppe 305 zu positionieren. In der Veranschaulichung von 3A kann dies einer Positionierung des optischen Baugruppenabschnitts 305 in einem Abstand D-3A von einer Stelle auf der Werkstückoberfläche WPS1 entsprechen. Der Abstand D-3A kann zum Beispiel nominell dem Arbeitsabstand WD entsprechen, der einem Mittelpunkt oder einem anderen Abschnitt des fokalen Z-Autofokusbereichs entsprechen kann (z. B. kann er einem Abschnitt oder dem gesamten Bereich REFP entsprechen). Wie in 3A veranschaulicht, liegen alle Abschnitte der Werkstückoberfläche WPS1 im Abstand D-3A innerhalb des Bereichs REFP, für den der Prozess der Autofokussierung einschließlich der Aufnahme eines Bildstapels verwendet werden kann, um die Autofokushöhen für verschiedene Stellen (z. B. mindestens drei Stellen) der Werkstückoberfläche WPS1 zu bestimmen. Das Werkstück 320 und/oder der optische Baugruppenabschnitt 305 sind so positioniert, dass sich die Werkstückoberfläche WPS1 im Sichtfeld des optischen Baugruppenabschnitts 305 befindet. Wie weiter unten näher beschrieben wird, kann das Werkstück 320 im Beispiel von 3B in ähnlicher Art und Weise so positioniert werden, dass sich die Werkstückoberfläche WPS1 im Sichtfeld des optischen Baugruppenabschnitts 305 befindet und die optische Achse OA auf eine ähnliche oder identische Stelle auf der Werkstückoberfläche WPS1 wie in 3A veranschaulicht gerichtet werden kann (z. B. kann der Werkstücktisch oder ein anderer Bewegungsmechanismus zur Positionierung des Werkstücks 320 entlang der X_M- und Y_M-Achsenrichtungen des Maschinenkoordinatensystems usw. verwendet werden).
Wie bei dem maschinellen Sichtprüfungssystem von 2A kann ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung implementiert werden, einschließlich: Positionieren des optischen Baugruppenabschnitts 305 relativ zur Werkstückoberfläche 320A (z. B. gesteuert durch die Bewegungssteuerung 332 und/oder 332sn); Erfassen eines Bildstapels der Werkstückoberfläche bei mehreren Brennweiten (z. B. durch Steuern der VFL-Linse (z. B. TAG) 370, gesteuert durch die Linsensteuerung 380 und/oder die Belichtungszeitsteuerung 333es und/oder durch Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts 305, gesteuert durch die Bewegungssteuerung 332 und/oder 332sn); Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche WPS1 auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden ROIs des Bildstapels (für die z. B. eine Oberflächennormale und entsprechende Einstellungsinformationen auf der Grundlage der berechneten Autofokushöhen bestimmt werden können); Steuern des Einstellungsmechanismus, um: den optischen Baugruppenabschnitt 305 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu drehen, um die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 305 mit der berechneten Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 nominell auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und Ausführen eines definierten Vorgangs auf der Werkstückoberfläche WPS1.
Beispielsweise veranschaulicht 3B, dass der Einstellungsmechanismus einschließlich des Drehmechanismus 295 dazu verwendet werden kann, den optischen Baugruppenabschnitt 305 (neu)auszurichten, um die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 305 mit einer bestimmten (z. B. berechneten) Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 auszurichten, wenn die Werkstückoberfläche WPS1 des Werkstücks 320 wie dargestellt gekippt oder anderweitig in einem Winkel relativ zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist. Darüber hinaus kann der Einstellungsmechanismus (z. B. den Motor 294 oder einen anderen entsprechenden Mechanismus einschließend) verwendet werden, um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen. Wie in 3B veranschaulicht, wurde der Abstand so eingestellt, dass der Abstand D-3B zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 nominell dem Arbeitsabstand WD entspricht (der z. B. in der Nähe oder in der Mitte des Bereichs REFP liegen kann und/oder einer optimalen Position für die Fokussierung entsprechen kann usw.). Insbesondere in einer Implementierung, die keine VFL-Linse einschließt, oder in einer Implementierung, bei der eine VFL-Linse eingeschlossen ist, aber nicht betrieben wird, kann der Arbeitsabstand WD der Objektivlinse 350 einer optimalen Position entsprechen (d. h. in der die Werkstückoberfläche WPS1 im Fokus ist). Bei einer Implementierung, bei der eine VLF-Linse 370 eingeschlossen ist und betrieben wird, kann in einigen Fällen der Arbeitsabstand WD so bezeichnet werden, dass er einer allgemeinen „Fokusposition“ des optischen Baugruppenabschnitts entspricht, und/oder er kann so bezeichnet werden, dass er einer „besten Fokusposition“ entspricht (z. B. in der Nähe oder in der Mitte des Bereichs REFP des Vorgangs der VFL-Linse 370, für den eine Phasenzeit, die der optischen Energie Null der VFL-Linse 370 entspricht, der Werkstückoberfläche WPS1 entsprechen kann, die nominell im Fokus ist).
Wenn der optische Baugruppenabschnitt 305 durch den Drehmechanismus 295 aus der Orientierung von 3A in die Orientierung von 3B gedreht wird, ändert sich der Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 im Allgemeinen während der Drehung gemäß den trigonometrischen Prinzipien. Somit wird der Einstellungsmechanismus selbst in einem Fall, in dem der Abstand D-3B in 3B ungefähr dem Abstand D-3A in 3A entspricht, gemäß der Drehung immer noch den Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 als Teil des Prozesses zum Erreichen der in 3B veranschaulichten Orientierung und Position einstellen. Es wird auch deutlich, dass in verschiedenen Implementierungen der Abstand D-3B im Allgemeinen nicht mit dem Abstand D-3A übereinstimmen muss. Genauer gesagt, gemäß der schrägen Orientierung der Werkstückoberfläche WPS1 in 3A liegt die Stelle der Oberfläche der Werkstückoberfläche WPS1, die von der optischen Achse OA geschnitten wird (d. h. und die sich entsprechend im Abstand D-3A befindet), innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs, aber möglicherweise nicht an einer gewünschten Z_L-Position (z. B. an einer gewünschten Fokusposition oder anderweitig, wie z. B. dem Abstand D-3B) relativ zum optischen Baugruppenabschnitt 305. In einigen Fällen können sich ein oder mehrere andere Stellen der Oberfläche der Werkstückoberfläche WPS1 in 3A an einer gewünschten Z_L-Position befinden, oder keiner der anderen Stellen der Oberfläche kann sich an einer gewünschten Z_L-Position befinden (z. B. entsprechend dem Abstand D-3B). Gemäß den hierin beschriebenen Verfahren wird im Beispiel von 3A der Autofokus-Prozess verwendet, um Autofokushöhen für verschiedene Stellen (z. B. mindestens drei Stellen) der Werkstückoberfläche WPS1 zu bestimmen (z. B. die somit die Stelle der Werkstückoberfläche WPS1 definieren und anzeigen). Mindestens teilweise auf der Grundlage der ermittelten Autofokushöhen dreht der Einstellungsmechanismus den optischen Baugruppenabschnitt und stellt dessen Abstand relativ zur Werkstückoberfläche so ein, dass er sich in einer Orientierung und einem Abstand D-3B befindet, wie in 3B veranschaulicht (z. B. entsprechend einer gewünschten Z_L-Position, für die einer oder mehrere oder keiner der Stellen der Werkstückoberfläche WPS1 in 3A vor den Einstellungen von 3B im Abstand D-3B oder der entsprechenden gewünschten Z_L-Position gelegen haben kann).
4 ist ein Zeitdiagramm, das die Phasenzeiten für ein periodisch moduliertes Steuersignal PMCS und die optische Reaktion RSP des VFL-Linsensystems von 3A und 3B veranschaulicht. In dem Beispiel von 4 wird ein Idealfall veranschaulicht, in dem das Steuersignal PMCS und die optische Reaktion RSP ähnliche Phasenzeiten haben und daher als identische Signale dargestellt werden, obwohl es sich versteht, dass in einigen Fällen die Signale durch einen Phasenversatz getrennt sein können, wie in dem gemeinsam erteilten US-Pat. Nr. 9,736,355 beschrieben, welches hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit einbezogen wird. In verschiedenen Implementierungen kann das Steuersignal PMCS mit dem Laufwerkssignal (z. B. einschließlich eines Amplituden-Antriebssignals) in Beziehung stehen, das vom Antriebssignal-Generator 381 von 3A erzeugt wird, und die optische Reaktion RSP kann die periodisch modulierte Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts darstellen, die durch periodische Modulation der optischen Energie der TAG-Linse 370 gesteuert wird, wie oben beschrieben.
In verschiedenen Implementierungen können die Sinusformen der Kurven PMCS und RSP von den in Reihe geschalteten Linsen abhängen (z. B. der Objektivlinse 350, der TAG-Linse 370 usw., wie in 3A und 3B veranschaulicht), für die die optische Energie der TAG-Linse 370 einen Zyklus durchläuft, wie in 4 angegeben, und gleich 1/f ist (mit f = Brennweite). Wie im Folgenden näher beschrieben wird, kann eine Kalibrierung zwischen Z_L-Höhe und Phase, die die jeweiligen Z_L-Höhen mit den jeweiligen Phasenzeitensignalwerten in Beziehung setzt, durch Kalibrierung nach bekannten Grundsätzen erstellt werden (z. B. gemäß einem mathematischen Modell und/oder durch wiederholtes Heranführen einer Oberfläche an eine bekannte Z_L-Höhe und anschließendes manuelles oder rechnerisches Bestimmen der Phasenzeiten, das ein Bild bei der bekannten Z_L-Höhe am besten fokussiert, und Speichern dieser Beziehung in einer Nachschlagetabelle oder dergleichen in einem Kalibrierungsabschnitt für die effektive Fokusposition (Z_L-Höhe vs. Phase), wie er als Teil der Linsensteuerung 380 oder anderweitig eingeschlossen sein kann).
Das Zeitdiagramm 400A veranschaulicht Phasenzeiten (z. B. ϕ0, ϕ90, ϕ180, ϕ270 usw.), die den jeweiligen Phasenzeitsignalwerten (z. B. t0, t90, t180, t270 usw.) des Steuersignals PMCS entsprechen, die den jeweiligen Z_L-Höhen (z. B. zϕ0, zϕ90, zϕ180, zϕ270 usw.) entsprechen. In verschiedenen Implementierungen können die Phasenzeitsignalwerte (z. B. t0, t90, t180, t270 usw.) entsprechend einem Phasenzeitsignal bestimmt werden (z. B. wie es von einem Zeitgeber oder einer anderen Technik zur Festlegung einer Zeit relativ zur periodischen Modulation bereitgestellt wird usw.). Es versteht sich, dass die im Zeitdiagramm dargestellten Phasenzeitsignalwerte nur beispielhaft und nicht einschränkend sind. Allgemeiner ausgedrückt, jedem Wert des Phasenzeitsignals ist eine Position Z_L-Höhe innerhalb des veranschaulichten Bereichs von Fokuspositionen zugeordnet (z. B. der Bereich im veranschaulichten Beispiel mit einer maximalen Z_L-Höhe zϕ90 und einer minimalen Z_L-Höhe zϕ270).
Wie vorstehend beschrieben, können verschiedene Techniken (z. B. als Teil der Verwendung von Mehrpunkt-Autofokus, Punkten aus dem Fokus, Bestimmung der maximalen konfokalen Helligkeit usw.) verwendet werden, um zu bestimmen, wann ein abgebildeter Bereich der Oberfläche im Fokus ist, was einer Z_L-Höhenmessung für den abgebildeten Bereich der Oberfläche entsprechen kann. So kann beispielsweise bestimmt werden, dass sich ein abgebildeter Bereich der Oberfläche in einer Z_L-Höhe zϕsurf befindet, wenn der abgebildete Bereich der Oberfläche im Fokus ist. In dem veranschaulichten Beispiel, in dem das Prinzip der Phasenverschiebung gegenüber der Z_L-Höhe angewandt wird, befindet sich die Position des Fokus bei der Z_L-Höhe zϕsurf, und ein Bereich der Werkstückoberfläche, der sich in der Z_L-Höhe zϕsurf befindet, ist im Fokus, wenn die Phasenzeit ϕsurf_ind(-) gleich dem Wert des Phasenzeitsignals Tsurf_ind(-) ist. Entsprechend befindet sich die Position des Fokus zum Zeitpunkt ϕsurf_ind(+), der dem Wert des Phasenzeitsignals Tsurf_ind(+) entspricht, auf der Z_L-Höhe zϕsurf, und der Bereich der Werkstückoberfläche, die sich auf der Z_L-Höhe zϕsurf befindet, ist im Fokus. Solche Werte können in einen Abschnitt zur Kalibrierung der effektiven Fokusposition (Z_L-Höhe vs. Phase) eingeschlossen werden, der die jeweiligen Z_L-Höhen mit den jeweiligen Werten des Phasenzeitsignals in Beziehung setzt, so dass, wenn ein abgebildeter Bereich der Oberfläche als fokussiert bestimmt wird, der entsprechende Wert des Phasenzeitsignals (z. B. Tsurf_ind(-)) verwendet werden kann, um die entsprechende gemessene Z_L-Höhe (z. B. Z_L-Höhe zϕsurf) des abgebildeten Bereichs der Oberfläche zu ermitteln.
In dem veranschaulichten Beispiel entsprechen die Werte des Phasenzeitsignals Tsurf_ind(-) und Tsurf_ind(+) Bewegungen der modulierten Position in jeweils entgegengesetzter Richtung. Genauer gesagt entspricht der Wert des Phasenzeitsignals Tsurf_ind(-) der Bewegung der modulierten Fokusposition in eine erste Richtung (z. B. nach unten), während der Wert des Phasenzeitsignals Tsurf_ind(+) der Bewegung der modulierten Fokusposition in eine zweite Richtung (z. B. nach oben) entspricht, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist.
4 zeigt auch qualitativ, wie die stroboskopische Beleuchtung (z. B. durch die Steuerung der Belichtungszeit 333es in 3A) zeitlich so gesteuert werden kann, dass sie einer entsprechenden Phasenzeit (z. B. ϕ0, ϕ90, ϕ180, ϕ270 usw.) der periodisch modulierten Position des Brennpunkts entspricht, um ein Bild zu belichten, das auf eine entsprechende Z_L-Höhe (z. B. zϕ0, zϕ90, zϕ180, zϕ270 usw.) fokussiert ist. Das heißt, wenn in dem veranschaulichten Beispiel eine Digitalkamera während einer Integrationsperiode ein Bild aufnimmt und ein kurzer Stroboskopimpuls zur Phasenzeit ϕ0 bereitgestellt wird, befindet sich die Position des Brennpunkts auf der Höhe zϕ0, und jede Werkstückoberfläche, die sich auf der Höhe zϕ0 befindet, wird im resultierenden Bild scharf abgebildet. Das Gleiche gilt für die anderen in 4 dargestellten beispielhaften Phasenzeiten und Z_L-Höhen. Gemäß diesen Grundsätzen kann ein Bildstapel mit Bildern aufgenommen werden, die unterschiedlichen Phasenzeiten und damit unterschiedlichen Z_L-Höhen entsprechen.
Gemäß diesen Prinzipien eignet sich das TAG-Linsensystem 300 zur schnellen Durchführung eines Autofokus-Vorgangs (z. B. eines Mehrpunkt-Autofokus-Vorgangs). Insbesondere kann das TAG-Linsensystem 300 verwendet werden, um einen Bildstapel einer Werkstückoberfläche einschließlich der Oberflächenorte einzuschließen, während die optische Energie der TAG-Linse 370 periodisch moduliert wird, indem der fokale Z_L-Bereich (z. B. ein fokaler Z_L-Autofokusbereich) durchlaufen wird und ein Bild mit dem besten Fokus gefunden wird, das der Z_L-Höhe einer Werkstückoberflächenstelle entspricht. Genauer gesagt können als Teil eines Mehrpunkt-Autofokusprozesses mindestens drei verschiedene Bereiche von Interesse (ROIs) des Bildstapels analysiert werden, um mindestens drei Z_L-Höhen von drei entsprechenden Stellen der Werkstückoberfläche zu finden (was in einigen Implementierungen z. B. gleichzeitig durchgeführt werden kann), die dann zur Berechnung/Bestimmung der Werkstückoberfläche (z. B. entsprechend einer berechneten Ebene oder einer anderen Darstellung) und zur entsprechenden Berechnung/Bestimmung einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche verwendet werden können.
5A veranschaulicht ein Musterwerkstück WP1 mit verschiedenen Werkstückoberflächen WPS1, WPS2 und WPS3. Im Beispiel von 5A kann in Bezug auf ein Maschinenkoordinatensystem (MCS) die Werkstückoberfläche WPS2 parallel zu einer horizontalen Ebene, die Werkstückoberfläche WPS3 parallel zu einer vertikalen Ebene und die Werkstückoberfläche WPS1 in einer relativ schrägen Orientierung liegen. Auf der Werkstückoberfläche WPS1 sind die Bereiche von Interesse ROI1, ROI2 und ROI3 veranschaulicht, jeweils mit einem entsprechenden Oberflächenpunkt SP1, SP2 und SP3, die sich jeweils in einem relativen Zentrum des entsprechenden Bereichs von Interesse befinden können. Wie weiter nachstehend näher beschrieben wird, können die Bereiche von Interesse repräsentativ für Bereiche von Interesse in einem Bildstapel als Teil eines Autofokus-Prozesses sein, für den Autofokushöhen (z. B. Z_L-Höhen) für jeden der entsprechenden Oberflächenpunkte SP1, SP2 und SP3 bestimmt werden können (z. B. um eine Ebene oder eine andere Darstellung und eine entsprechende Oberflächennormale der Werkstückoberfläche WPS1 zu bestimmen).
5B ist ein schematisches Diagramm, das ein distales Ende des optischen Baugruppenabschnitts 305 zeigt, dessen optische Achse OA und Bildstapelaufnahmeachse ISAA im Allgemeinen in einer vertikalen Orientierung relativ zu einer Oberfläche (z. B. einem Tisch), auf der das Werkstück WP1 platziert ist, ausgerichtet sind (d. h. mit der optischen Achse OA parallel zur Z_M-Achse des MCS). 5C ist eine schematische Darstellung des distalen Endes des optischen Baugruppenabschnitts 305, dessen optische Achse OA und eine Bildstapelaufnahmeachse ISAA in einem Winkel so ausgerichtet sind, dass sie ungefähr/nominell normal (d. h. senkrecht) zur abgewinkelten Werkstückoberfläche WPS1 des Werkstücks WP1 sind.
Um die Orientierung von 5C zu erreichen, können bestimmte Prozesse gemäß den hierin offenbarten Prinzipien durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Konfiguration von 5B dadurch erreicht werden, dass der Einstellungsmechanismus so gesteuert wird, dass der optische Baugruppenabschnitt 305 so bewegt wird, dass die Werkstückoberfläche WPS1 innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts 305 (d. h. eines Z_L-Autofokusbereichs) liegt. In der Veranschaulichung von 5B kann dies der Positionierung des optischen Baugruppenabschnitts 305 in einem Abstand D1 von einer Stelle auf der Werkstückoberfläche WPS1 entsprechen (z. B. einer Stelle, an dem die optische Achse OA die Werkstückoberfläche WPS1 schneidet, was in einigen Fällen im Allgemeinen in der Mitte oder an einer anderen zentralen Stelle der Werkstückoberfläche WPS1 liegen kann). Im Beispiel von 5B wird der fokale Z_L-Autofokusbereich durch einen Bereich SR1 dargestellt. Wie in 6A und 6B näher beschrieben, kann als Teil des Autofokus-Prozesses mit dem optischen Baugruppenabschnitt 305 ein Bildstapel von der Werkstückoberfläche WPS1 innerhalb des Z_L-Autofokusbereichs aufgenommen werden. Eine Autofokushöhe kann für jeden von mindestens drei Stellen (z. B. Oberflächenpunkte SP1, SP2 und SP3) der Werkstückoberfläche WPS1 auf der Grundlage der mindestens drei korrespondierenden Bereiche von Interesse ROI1, ROI2 und ROI3 des Bildstapels bestimmt werden, wie auch weiter unten in Bezug auf 6A und 6B näher beschrieben wird. Wie in 5B veranschaulicht, steht eine Oberflächennormale SN der Werkstückoberfläche WPS1 in einem Winkel ANG1 relativ zur optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 305.
Wie in 5C veranschaulicht, kann der Einstellungsmechanismus zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen (z. B. Oberflächenpunkten) der Werkstückoberfläche WPS1 gesteuert werden, um: den optischen Baugruppenabschnitt 305 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu drehen, um die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 305 nominell mit der Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen (z. B. um einen Abstand D2 zu erreichen). In verschiedenen Implementierungen können vor der Steuerung des Einstellungsmechanismus, wie in 5C veranschaulicht, die ermittelten Autofokushöhen für die Oberflächenpunkte SP1, SP2 und SP3 zur Berechnung oder anderweitigen Bestimmung der Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 verwendet werden. Beispielsweise können die drei Oberflächenpunkte SP1, SP2 und SP3 so bestimmt werden, dass sie geometrisch eine Ebene (oder eine andere Darstellung) definieren, die der Werkstückoberfläche WPS1 entspricht, und für die eine Oberflächennormale SN entsprechend berechnet und/oder anderweitig als normal (d. h. senkrecht) zu der berechneten/bestimmten Ebene (oder anderen Darstellung) bestimmt werden kann. Sobald eine solche Oberflächennormale SN bestimmt ist, können Einstellungsinformationen berechnet oder anderweitig bestimmt werden, die zur Steuerung des Einstellungsmechanismus verwendet werden können, um den optischen Baugruppenabschnitt 305 aus der in 5B veranschaulichten Orientierung zu drehen und anderweitig in die in 5C veranschaulichte Orientierung zu bewegen (z. B. um den Betrag des Winkels ANG1 gedreht), für den die optische Achse OA so dargestellt ist, dass sie nominell mit der Oberflächennormalen SN zusammenfällt. Darüber hinaus kann der Einstellungsmechanismus (z. B. den Motor 294 oder einen anderen entsprechenden Mechanismus einschließend) verwendet werden, um den Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen. Wie in 5C veranschaulicht, hat die Einstellung zu einem Abstand D2 zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 305 und der Werkstückoberfläche WPS1 geführt. Wie vorstehend in Bezug auf 3A und 3B beschrieben, kann der Abstand D2 in verschiedenen Implementierungen der Werkstückoberfläche WPS1 entsprechen, die sich an einer gewünschten Z_L-Stelle befindet (z. B. nominell in oder in der Nähe einer Mitte des Bereichs SR2 und/oder eines Arbeitsabstands einer Objektivlinse des optischen Baugruppenabschnitts 305 und/oder einer optimalen Fokusposition usw.).
Sobald die in 5C veranschaulichte Orientierung und Position erreicht ist, kann ein definierter Vorgang auf der Werkstückoberfläche WPS1 ausgeführt werden. Zum Beispiel kann ein Messvorgang unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts 305 auf der Werkstückoberfläche WPS1 durchgeführt werden. Im Rahmen solcher Prozesse oder anderweitig kann ein Vorgang zur Bestimmung eines Oberflächenprofils auf der Werkstückoberfläche WPS1 durchgeführt werden. Als Teil eines Vorgangs, bei dem Punkte aus dem Fokus entfernt werden, kann ein Bildstapel mit dem optischen Baugruppenabschnitt 305 in der in 5C veranschaulichten Orientierung aufgenommen werden. In verschiedenen Implementierungen kann der Prozess wiederholt/fortgesetzt werden (z. B. zur Ausführung des definierten Vorgangs an anderen Abschnitten der Werkstückoberfläche WPS1 oder an anderen Werkstückoberflächen des Werkstücks WP1), wofür der optische Baugruppenabschnitt 305 aus der in 5C veranschaulichten Orientierung gedreht werden kann, so dass er nominell normal zu einem anderen Abschnitt der Werkstückoberfläche oder einer anderen Werkstückoberfläche steht (z. B. zur Verfolgung und Messung verschiedener Abschnitte eines Werkstücks, wie einer Turbinenschaufel, die sich weiter krümmt usw.)
Als zusätzlicher Aspekt können 5B und 5C so verstanden werden, dass sie einen erforderlichen Scanbereich (z. B. von 5C im Vergleich zu 5B) zur Abdeckung einer 3-dimensionalen Oberflächentopographie der Werkstückoberfläche WPS1 veranschaulichen, abhängig von der Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 305 relativ zur zu messenden Werkstückoberfläche WPS1. So ist beispielsweise der Scanbereich SR1 in der Orientierung von 5B deutlich größer, um die 3-dimensionale Oberflächentopografie der Werkstückoberfläche WPS1 abdecken zu können, als der Scanbereich SR2 in der Orientierung von 5C. So kann die Einstellung des Winkels/der Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 305 wie in 5C, so dass die optische Achse OA nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zur Werkstückoberfläche WPS1 verläuft, technisch vorteilhaft sein, um den erforderlichen Scanbereich zu verringern, was wiederum die Scanzeit verkürzen und/oder die Anzahl der zur Bildung eines Bildstapels erforderlichen Bilder reduzieren kann (z. B. mit einer gewünschten Bilddichte usw.)
Wie in 5B veranschaulicht, ist nicht nur der Scanbereich SR1 für einen Bildstapel deutlich größer als der Scanbereich SR2 von 5C, sondern auch die Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 305 in einem relativ scharfen Winkel zur Werkstückoberfläche WPS1, was die Abbildungsqualität verringern oder die Abbildung bestimmter Abschnitte/Aspekte bestimmter Merkmale des Werkstücks verhindern kann. Zum Beispiel kann der scharfe Winkel die Qualität der Abbildung verringern, da weniger Abbildungslicht in Richtung des optischen Baugruppenabschnitts 305 zurückreflektiert wird usw. Im Gegensatz dazu kann der optische Baugruppenabschnitt 305 in 5C einen besseren Winkel für die Abbildung der Werkstückoberfläche WPS1 aufweisen, indem der optische Baugruppenabschnitt 305 nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zu mindestens einem Teil der Werkstückoberfläche WPS1 ausgerichtet wird (z. B. ein besserer Winkel für das reflektierte Abbildungslicht und/oder die Möglichkeit, bestimmte Merkmale des Werkstücks besser zu sehen usw.)
In verschiedenen Implementierungen kann es, wie vorstehend erwähnt, auch wünschenswert sein, den optischen Baugruppenabschnitt 305 weiterhin in verschiedenen Orientierungen zu drehen/einzustellen, um Prozesse an verschiedenen Werkstückoberflächen eines Werkstücks oder verschiedenen Abschnitten von Werkstückoberflächen durchzuführen. Zum Beispiel schließt das Werkstück WP1 in 5A-5C die Werkstückoberflächen WPS1, WPS2 und WPS3 ein. In einer Implementierung kann der optische Baugruppenabschnitt 305 anfänglich so positioniert/ausgerichtet sein (oder so eingestellt werden), wie in 5B veranschaulicht (z. B. mit einer Neigung der optischen Achse OA von 0 Grad in Bezug auf die vertikale Orientierung und nominell normal zur Werkstückoberfläche WPS2), um bestimmte Vorgänge (z. B. einen Messvorgang, das Erfassen eines Bildstapels für die PFF-Abtastung usw.) auf der Werkstückoberfläche WPS2 durchzuführen. Dann kann ein hierin offenbarter Prozess durchgeführt werden, der die Durchführung eines Mehrpunkt-Autofokus auf der Werkstückoberfläche WPS1 und das Drehen des optischen Baugruppenabschnitts 305 einschließt, so dass die optische Achse OA wie in 5C veranschaulicht ausgerichtet ist (z. B. mit einer Neigung von 45 Grad relativ zur Vertikalen und nominell normal zur Werkstückoberfläche WPS1), um bestimmte Vorgänge (z. B. einen Messvorgang, das Erfassen eines Bildstapels PFF zum Scannen usw.) auf der Werkstückoberfläche WPS1 durchzuführen. Dann kann wieder ein hierin offenbarter Prozess durchgeführt werden, der das Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts zur Positionierung der Werkstückoberfläche WPS3 innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs und das Durchführen eines Mehrpunkt-Autofokus auf der Werkstückoberfläche WPS3 und das Drehen des optischen Baugruppenabschnitts 305 einschließt, so dass die optische Achse OA orientiert ist (z. B. mit einer Neigung von 90 Grad relativ zur Vertikalen und nominell normal zur Werkstückoberfläche WPS3), um bestimmte Vorgänge (z. B. zur Durchführung eines Messvorgangs, zur Erfassung eines Bildstapels für das PFF-Scannen usw.) auf der Werkstückoberfläche WPS3 durchzuführen. In verschiedenen Implementierungen kann ein hierin offenbarter Prozess auch zunächst durchgeführt worden sein, um die Orientierung von 5B zu erreichen (z. B. mit der optischen Achse OA nominell normal zur Werkstückoberfläche WPS2 und für die ein bestimmter Vorgang auf der Werkstückoberfläche WPS2 ausgeführt (d. h. durchgeführt) werden kann).
Es wird deutlich, dass in verschiedenen Implementierungen als Teil solcher Prozesse die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 305 nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zu nur einem Abschnitt der Werkstückoberfläche sein kann, oder in einigen Fällen tatsächlich nicht nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zu einem bestimmten Abschnitt der Werkstückoberfläche sein kann, sondern stattdessen nominell normal nur zu einer allgemeinen oder durchschnittlichen (z. B. berechneten) usw. Orientierung der Werkstückoberfläche. Wenn beispielsweise die Werkstückoberfläche besonders uneben ist und/oder zahlreiche Merkmale des Werkstücks einschließt, die ein kompliziertes oder anderweitig unebenes dreidimensionales Profil/Oberflächentopographie bilden, kann die optische Achse OA nicht genau oder nominell normal/senkrecht zu einem bestimmten Abschnitt der Werkstückoberfläche sein, sondern kann annähernd/nominell normal/senkrecht zu einer allgemeinen, durchschnittlichen und/oder generellen (z. B. berechneten) Orientierung oder einem grundsätzlichen Winkel der Werkstückoberfläche sein, für die die optische Achse OA als nominell normal zur Werkstückoberfläche bezeichnet werden kann, wie hierin beschrieben.
6A und 6B veranschaulichen, wie ein von dem optischen Baugruppenabschnitt 205 oder 305 gewonnener Bildstapel, der Bilder mit unterschiedlichen Brennweiten einschließt, verwendet werden kann, um eine Autofokushöhe (d. h. eine Autofokusposition oder Z_L-Position oder Z_L-Höhe) von mindestens drei Punkten auf einer Werkstückoberfläche entlang einer Z_L-Achse zu bestimmen. Die hierin verwendete Bezeichnung „Z_L-Achse“ kann die Z-Achse des lokalen Koordinatensystems (LCS) des optischen Baugruppenabschnitts 205 oder 305 bezeichnen (d. h. sie entspricht der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 oder 305). In verschiedenen Implementierungen kann der Bildstapel IS durch den optischen Baugruppenabschnitt 205 oder 305 erhalten werden, der in einem Mehrpunkt-Autofokusmodus (z. B. und/oder anderen Modi wie PFF usw.) arbeitet, um eine Autofokushöhe (d. h. eine Z_L-Höhe oder Z_L-Position) von mindestens drei Stellen (z. B. Oberflächenpunkten) der Werkstückoberfläche zu bestimmen (z. B. in einer Orientierung, wie sie in 5B veranschaulicht ist).
Insbesondere veranschaulichen 6A und 6B Vorgänge, die mit der Bestimmung einer relativen Z_L-Position (d. h. Autofokushöhe) entlang einer optischen Achsenrichtung (d. h. die mit der Z_L-Achse des optischen Baugruppenabschnitts 205 oder 305 zusammenfällt) für jeden von einem oder mehreren Punkten auf einer Oberfläche eines Werkstücks verbunden sind. Wie in 6A und 6B gezeigt, kann eine Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts 205 oder 305 durch einen Bereich von Positionen Z_L(i) entlang einer Richtung einer optischen Achse und/oder einer Bildstapelaufnahmeachse bewegt werden, die der Fokussierungsachse an jeder Bildaufnahmeposition entsprechen kann. Der optische Baugruppenabschnitt 205 oder 305 kann ein Bild(i) an jeder Position Z_L(i) aufnehmen. Für jedes aufgenommene Bild (i) kann eine Fokusmetrik fm(k,i) auf der Grundlage eines Bereichs oder Unterbereichs von Interesse ROI(k) (z. B. einer Gruppe von Pixeln) im Bild berechnet werden (z. B. mit dem entsprechenden Oberflächenpunkt in der Mitte des Bereichs oder Unterbereichs von Interesse ROI(k)). Die Fokusmetrik fm(k,i) bezieht sich auf die Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts 205 oder 305 (z. B. gemäß einer Phasenzeit der VFL-Linse 270 oder 370 und/oder eines Abstands zur Werkstückoberfläche) entlang der Richtung der optischen Achse und/oder der Bildstapelaufnahmeachse zu dem Zeitpunkt, zu dem das Bild (i) aufgenommen wurde. Das Ergebnis sind Fokuskurvendaten (z. B. ein Satz von Fokusmetriken fm(k,i) an den Positionen ZL(i), der eine Art von Spitzendaten zur Bestimmung des Fokus ist), die einfach als „Fokuskurve“ oder „Autofokuskurve“ bezeichnet werden können. In einer Ausführungsform können die Werte der Fokusmetrik eine Berechnung des Kontrasts oder der Schärfe des Bereichs von Interesse im Bild beinhalten.
Die Z_L-Position (z. B. Z_Lk601 in 6A), die dem Scheitelpunkt der Fokuskurve entspricht, die der besten Fokusposition entlang der Bildstapelaufnahmeachse entspricht, ist die Z_L-Position für den Bereich von Interesse, der zur Bestimmung der Fokuskurve verwendet wird. Es wird darauf hingewiesen, dass zur Veranschaulichung dargestellt ist, dass der Bildstapel elf Bilder (Bild(1) - Bild(11)) einschließt, in einer tatsächlichen Ausführungsform jedoch auch eine kleinere oder größere Anzahl von Bildern verwendet werden kann. Bestimmte Autofokus-Prozesse können üblicherweise Bildstapel mit 5 bis 10 Bildern einschließen, im Gegensatz zu bestimmten PFF-Prozessen, die Bildstapel mit über 200 Bildern erfassen können. Darüber hinaus können die Bilder eines Bildstapels je nach Implementierung kleiner oder größer sein (z. B. weniger oder mehr Bereiche von Interesse mit einer bestimmten Größe einschließen) (z. B. in Abhängigkeit von der Größe des Sichtfelds der Kamera und/oder anderen Faktoren).
Wie aus der für die Bilder (1)-(11) erzeugten Autofokuskurve hervorgeht, scheint das Bild (6) (d. h. mit der entsprechenden Fokusmetrik fm(1,6)) im dargestellten Beispiel nahe am oder am besten Fokus zu sein. Ein Merkmal in der Mitte vom ROI(1) (z. B. am Oberflächenpunkt SP1 in 5A) würde in Bild(6) am stärksten scharf erscheinen, im Vergleich zu anderen Bildern, in denen dieser Abschnitt der Werkstückoberfläche in Bildern, die ferner von Bild(6) liegen, immer unschärfer und verschwommener erscheinen würde. Wenn ein metrischer Wert für die Fokussierung wie vorstehend erwähnt auf dem Kontrast basiert, schließt ein Verfahren den Vergleich eines zentralen Pixels eines ROI (z. B. entsprechend dem Oberflächenpunkt SP1) mit seinen benachbarten Pixeln in dem ROI in Bezug auf Farbe/Helligkeit usw. ein. Durch Auffinden des Bildes mit dem höchsten Gesamtkontrast, der einer Fokusposition bei der Bildaufnahme entspricht, kann eine Angabe/Messung der relativen Z_L-Position (d. h. Autofokushöhe) eines Oberflächenpunkts (z. B. Oberflächenpunkt SP1 in der Mitte des ROI(1)) entlang der optischen Achse OA und der Bildstapelaufnahmeachse ermittelt werden.
In 6B wird, wie vorstehend beschrieben, davon ausgegangen, dass ein zentraler Bereich von Interesse ROI(1) bei Bild(6) annähernd im Fokus ist, was der Position Z_L(6) entlang der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts 205 oder 305 entspricht. So kann der Oberflächenpunkt (z. B. Oberflächenpunkt SP1) auf der Werkstückoberfläche, der dem Zentrum des ROI(1) entspricht, als an der relativen Position Z_L(6) liegend bestimmt werden, die ungefähr der Fokusposition des ROI(1) im Bild(6) im Bildstapel entspricht. Ein ähnlicher Prozess kann für jeden der Bereiche von Interesse ROI(2) und ROI(3) durchgeführt werden, um die relativen Z_L-Positionen der Oberflächenpunkte zu bestimmen, die dem Zentrum des ROI(2) und des ROI(3) entsprechen (z. B. die Oberflächenpunkte SP2 bzw. SP3). Insbesondere können Autofokuskurven, wie in 6A dargestellt, für den ROI (2) und den ROI (3) erzeugt werden, um die besten Fokusbilder in den jeweiligen Bereichen von Interesse ROI zu finden. Angenommen, Bild(5) scheint im ROI(2) am besten fokussiert zu sein, und Bild(7) scheint im ROI(3) am besten fokussiert zu sein, dann kann bestimmt werden, dass die Autofokushöhe der Stelle der Oberfläche in der Mitte des ROI(2) Z_L(5) und die Autofokushöhe der Stelle der Oberfläche in der Mitte des ROI(3) Z_L(7) ist.
Die Z_L-Höhen/Autofokushöhen (Z_L-Positionen) der drei Bereiche von Interesse ROI(1), ROI(2) und ROI(3) (z. B. mit den entsprechenden zentralen Oberflächenpunkten SP1, SP2 und SP3) können verwendet werden, um eine Ebene oder eine andere Darstellung zu definieren, die einer Oberfläche entspricht, die die Z_L-Positionen/Oberflächenpunkte einschließt oder anderweitig repräsentativ ist, und eine Oberflächennormale SN zu der definierten/bestimmten Oberfläche kann berechnet/bestimmt werden. Wie bereits erwähnt, können mindestens drei Z_L-Positionen (d. h. Autofokushöhen) berechnet/bestimmt werden, um eine Oberfläche zu bestimmen, es können aber auch mehr als drei Z_L-Positionen ermittelt werden, um die Oberfläche genauer zu definieren. In verschiedenen Implementierungen können mehrere Bereiche von Interesse, ROI(1), ROI(2), ROI(3)...ROI(n), auf der Grundlage desselben (einzigen) Bildstapels verarbeitet werden, so dass in einigen Fällen keine Notwendigkeit besteht, mehrere Bildstapel zur Berechnung/Bestimmung mehrerer Z_L-Positionen zu erhalten. Es wird deutlich, dass eine ermittelte Spitzenposition des Fokus (d. h. die einer Autofokushöhe entspricht) in einigen Fällen zwischen zwei Bildern in einem Bildstapel liegen kann, für die die Spitzenposition des Fokus durch Interpolation oder andere Techniken gemäß der Anpassung der Fokuskurve an die für die Bilder ermittelten metrischen Fokuswerte bestimmt werden kann.
In verschiedenen Implementierungen können die Darstellungen in 6A und 6B auch für einen Bildstapel stehen, der durch den optischen Baugruppenabschnitt 205 oder 305 erhalten wird, der in einem Punkt-aus-Fokus-Modus (oder einem anderen Modus) arbeitet, um Z_L-Höhen (d. h. Z_L-Positionen) mehrerer Oberflächenpunkte der Werkstückoberfläche zu bestimmen. Der PFF-Bildstapel kann verarbeitet werden, um eine Z_L-Höhenkoordinatenkarte (z. B. eine Punktwolke) zu bestimmen oder auszugeben, die quantitativ eine Reihe von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten angibt (z. B. entsprechend einer Oberflächenform oder einem Profil des Werkstücks). Im Vergleich zu einem Mehrpunkt-Autofokus-Bildstapel kann ein PFF-Bildstapel in der Regel mehr Bilder enthalten und Berechnungen/Bestimmungen für mehr Oberflächenpunkte erfordern (z. B. für eine genaue Bestimmung eines detaillierten Oberflächenprofils usw.), was entsprechend zeitaufwändigere Prozesse nach sich ziehen kann. In einigen Implementierungen kann ein PFF-Bildstapel mindestens 10x, 20x oder 40x usw. mehr Bilder einschließen als ein Mehrpunkt-Autofokus-Bildstapel (z. B. kann ein Mehrpunkt-Autofokus-Bildstapel in bestimmten Implementierungen 5-10 Bilder/Kamerabilder einschließen, während ein PFF-Bildstapel über 200 (z. B. 220 usw.) Bilder/Kamerabilder einschließen kann). Gemäß den hierin offenbarten Grundsätzen kann ein Mehrpunkt-Autofokus-Bildstapel (z. B. mit weniger Bildern und weniger Oberflächenpunkten und entsprechender Verarbeitung) relativ schnell erfasst und verarbeitet werden, und zwar in Bezug auf die nominelle Ausrichtung einer optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts auf eine Oberflächennormale der Werkstückoberfläche. Danach kann mit dem so ausgerichteten optischen Baugruppenabschnitt ein definierter Vorgang auf der Werkstückoberfläche ausgeführt werden (z. B. einschließen eines PFF-Vorgangs usw.). Der Vorgang der GPF kann detailliertere Informationen über das Oberflächenprofil der Werkstückoberfläche bereitstellen, wobei die nominale Ausrichtung der optischen Achse auf die Oberflächennormale verschiedene Vorteile haben kann (z. B. in Bezug auf die Durchführung der GPF und/oder anderer Prozesse).
7 zeigt ein Robotersystem 400, das das Messsystem der vorliegenden Offenbarung verkörpert und einen optischen Baugruppenabschnitt 405 (ähnlich den optischen Baugruppen 205 und 305) gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung einschließt. Das System 400 schließt einen Einstellungsmechanismus 401 in Form eines Gelenkarms mit mehreren Freiheitsgraden ein. In verschiedenen Implementierungen kann der Einstellungsmechanismus 401 (d. h. der Gelenkarm) im Allgemeinen als Z-Achsen-Bewegungsmechanismus funktionieren (z. B. Vorgänge bestimmter Abschnitte des Gelenkarms einschließend), der so konfiguriert ist, dass er einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 405 und einer Werkstückoberfläche 320A ändert, und er kann auch im Allgemeinen als Drehmechanismus funktionieren (z. B. Vorgänge bestimmter Abschnitte des Gelenkarms einschließend), der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt dreht, um die Winkelorientierung der optischen Achse relativ zur Werkstückoberfläche 320A zu ändern.
Der optische Baugruppenabschnitt 405 schließt eine Kamera 360, eine VFL-Linse (TAG) 370 und eine Beleuchtungsquelle 330 ein. In verschiedenen Implementierungen kann die Beleuchtungsquelle 330 ein Ringlicht (z. B. aus einer Anordnung von LEDs) sein, das in der veranschaulichten Ausführungsform am distalen Ende des optischen Baugruppenabschnitts 405 bereitgestellt wird, obwohl die Beleuchtungsquelle 330 stattdessen zum Beispiel auch ein Koaxiallicht sein kann. Das Robotersystem 400 schließt eine Steuerung 425 ein, die eine Software für die Steuerung der VFL-Linse (TAG) und eine Roboterintegrationssoftware enthält oder damit gekoppelt ist, die für die Steuerung des optischen Baugruppenabschnitts 405 verantwortlich ist, der in das Robotersystem 400 integriert ist. In der veranschaulichten Ausführungsform ist der optische Baugruppenabschnitt 405 mit dem distalen Ende des Gelenkarms 401 gekoppelt. Die Steuerung 425 des Robotersystems 400 kann, indem sie den Gelenkarm 401 steuert, den optischen Baugruppenabschnitt 405 bewegen, um den Abstand zur Werkstückoberfläche 320A zu ändern (z. B. unter Verwendung der Abschnitte des Z-Achsen-Bewegungsmechanismus des Gelenkarms 401), und kann den optischen Baugruppenabschnitt 405 drehen, um eine Winkelorientierung der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 405 relativ zur Werkstückoberfläche 320A zu ändern (z. B. unter Verwendung der Abschnitte des Drehmechanismus des Gelenkarms 401).
Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von 2A-3B kann die Steuerung 425 des Robotersystems 400 ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung implementieren, das Folgendes einschließt: Positionieren des optischen Baugruppenabschnitts 405, so dass sich die Werkstückoberfläche 320A innerhalb eines Autofokusbereichs befindet; Erfassen eines Bildstapels der Werkstückoberfläche mit mehreren Brennweiten innerhalb des Autofokusbereichs (z. B. durch Steuern der TAG-Linse 370 und/oder Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts 405); Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden ROIs des Bildstapels (z. B. für die eine Oberflächennormale und Einstellungsinformationen auf der Grundlage der bestimmten Autofokushöhen bestimmt werden können); Steuern des Einstellungsmechanismus zumindest teilweise auf der Grundlage der bestimmten Autofokushöhen, um: den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts 405 nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche 320A auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und Ausführen eines definierten Vorgangs auf der Werkstückoberfläche 320A.
8A-8E veranschaulichen eine Koordinatenmessmaschine (KMG) 500, die das Messsystem einschließlich eines optischen Baugruppenabschnitts 505 gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung verkörpert. Wie in 8A dargestellt, schließt die Koordinatenmessmaschine 500 einen Maschinenkörper 501, der den optischen Baugruppenabschnitt 505 bewegt (z. B. wie er in einer Sichtmesssonde eingeschlossen sein kann), eine Vorgangseinheit 503 mit handbetätigten Joysticks 506 und eine Verarbeitungsvorrichtungskonfiguration 509 ein. Der Maschinenkörper 501 schließt eine Oberflächenplatte 510 (z. B. einen Werkstücktisch) und einen Einstellungsmechanismus 520 ein (siehe auch 8E), der den optischen Baugruppenabschnitt 505 bewegt. Der Einstellungsmechanismus 520 schließt einen X-Achsen-Schiebemechanismus 525, einen Y-Achsen-Schiebemechanismus 526 und einen Z-Achsen-Schiebemechanismus 527 ein, die bereitgestellt sind, um auf der Oberflächenplatte 510 zu stehen und den optischen Baugruppenabschnitt 505 relativ zu dem zu messenden Werkstück WP zu halten und dreidimensional zu bewegen, wie in 8A dargestellt. In den Einstellungsmechanismus 520 ist auch ein Drehmechanismus 595 eingeschlossen.
Der Einstellungsmechanismus 520 schließt insbesondere Trägerstützen 521 ein, die sich in Y_M-Richtung in einem Maschinenkoordinatensystem (MCS) bewegen können, einen Träger 522, der zwischen den Trägerstützen 521 verbrückt ist, eine Säule 523, die sich in X_M-Richtung im Maschinenkoordinatensystem auf dem Träger 522 bewegen kann, und ein Z-Achsen-Bewegungselement 524 (z. B. eine Spindel), das sich in Z_M-Richtung im Maschinenkoordinatensystem innerhalb der Säule 523 bewegen kann, wie in 8A dargestellt. Der in 8A dargestellte X-Achsen-Schiebemechanismus 525, der Y-Achsen-Schiebemechanismus 526 und der Z-Achsen-Schiebemechanismus 527 sind zwischen dem Träger 522 und der Säule 523, zwischen der Oberflächenplatte 510 und den Trägerstützen 521 bzw. zwischen der Säule 523 und dem Z-Achsen-Bewegungselement 524 bereitgestellt. Der optische Baugruppenabschnitt 505 ist an einem Sondenkopf 513 befestigt, der den Drehmechanismus 595 einschließen kann und der an einem Ende des Z-Achsen-Bewegungselements 524 befestigt ist und von diesem unterstützt wird. Mit dem Drehmechanismus 595 kann der optische Baugruppenabschnitt 505 gedreht werden. Der X-Achsen-Schiebemechanismus 525, der Y-Achsen-Schiebemechanismus 526 und der Z-Achsen-Schiebemechanismus 527 sind jeweils so konfiguriert, dass sie den optischen Baugruppenabschnitt 505 in den zueinander orthogonalen X-, Y- bzw. Z-Achsen-Richtungen innerhalb des MCS (d. h. X_M-, Y_M- und Z_M-Richtungen) bewegen.
Wie in 8E dargestellt, sind der X-Achsen-Schiebemechanismus 525, der Y-Achsen-Schiebemechanismus 526 und der Z-Achsen-Schiebemechanismus 527 mit einem X-Achsen-Skalensensor 528, einem Y-Achsen-Skalensensor 529 bzw. einem Z-Achsen-Skalensensor 530 versehen. So kann ein Bewegungsbetrag des optischen Baugruppenabschnitts 505 in den Richtungen der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse im Maschinenkoordinatensystem (MCS) aus den Ausgaben des X-Achsen-Skalensensors 528, des Y-Achsen-Skalensensors 529 und des Z-Achsen-Skalensensors 530 gewonnen werden. In der veranschaulichten Implementierung fallen die Bewegungsrichtungen des X-Achsen-Schiebemechanismus 525, des Y-Achsen-Schiebemechanismus 526 und des Z-Achsen-Schiebemechanismus 527 mit der X_M-Richtung, der Y_M-Richtung bzw. der Z_M-Richtung im Maschinenkoordinatensystem (MCS) zusammen. In verschiedenen Implementierungen können diese relativ einfachen Korrelationen und die zugehörigen Komponenten dazu beitragen, ein hohes Niveau an Genauigkeit und eine relativ vereinfachte Verarbeitung der Bewegungen und der Positionssteuerung/-erfassung in X_M-, Y_M- und Z_M-Richtung zu gewährleisten. Der Sondenkopf 513 mit dem Drehmechanismus 595 schließt einen oder mehrere Drehsensoren 515 ein (siehe 8E), um eine Winkeldrehung/Position/Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 zu erfassen, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
In verschiedenen Implementierungen, wie in 8A und 8E veranschaulicht, kann der Einstellungsmechanismus 520 einschließlich der X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsen-Gleitmechanismen 525, 526 und 527 und des Drehmechanismus 595 so gesteuert werden, dass die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 so bewegt und ausgerichtet wird, dass sie nominell normal zu einer beliebigen Werkstückoberfläche steht. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von 2A-3B und 7 kann der optische Baugruppenabschnitt 505, wie in 8C, 8D und 8E veranschaulicht, eine Lichtquelle 330 und einen Abschnitt der optischen Komponenten 306 einschließen (z. B. eine Objektivlinse 350, eine Kamera 360 und eine VFL-Linse (z. B. TAG) 370).
Wie in 8A und 8E dargestellt, ist die Vorgangseinheit 503 mit einem Befehlsabschnitt 602 der Steuerung 625 verbunden. Die Steuerung 625 schließt eine Bewegungssteuerung 540 ein oder ist mit ihr gekoppelt, die so konfiguriert ist, dass sie die Bewegung des optischen Baugruppenabschnitts 505 steuert. Über die Vorgangseinheit 503 können verschiedene Befehle in den Maschinenkörper 501 und die Steuerung 625 eingegeben werden. Wie in 8A dargestellt, kann die Steuerung 625 in einer Steuereinheit eines Computersystems untergebracht sein.
Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen von 2A-3B und 7 kann die Steuerung 625 des KMG 500 ein Verfahren der vorliegenden Offenbarung implementieren, das Folgendes einschließt: Positionieren des optischen Baugruppenabschnitts 505 relativ zu einer Werkstückoberfläche (WPS1), so dass die Werkstückoberfläche innerhalb eines Autofokusbereichs liegt; Aufnehmen eines Bildstapels der Werkstückoberfläche mit mehreren Brennweiten innerhalb des Autofokusbereichs (z. B. durch Steuern der TAG-Linse 370 und/oder Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts 505); Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden ROIs des Bildstapels (z. B. für die eine Oberflächennormale und Einstellungsinformationen auf der Grundlage der bestimmten Autofokushöhen bestimmt werden können); und Steuern des Einstellungsmechanismus 520 mindestens teilweise auf der Grundlage der bestimmten Autofokushöhen für die mindestens drei Stellen, um: den optischen Baugruppenabschnitt 505 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu drehen, um die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 nominell mit einer Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und Ausführen eines definierten Vorgangs an der Werkstückoberfläche WPS1.
Wie in 8E dargestellt, schließt die Steuerung 625 den Befehlsabschnitt 602, eine Steuerung für den Einstellungsmechanismus 604, einen Positionsbestimmungsabschnitt 606, einen Steuerung für den optischen Baugruppenabschnitt 608, einen Datenabschnitt des optischen Baugruppenabschnitt 610, einen Analysegerätabschnitt 612 und einen Speicherabschnitt 614 ein. Der in 8E dargestellte Befehlsabschnitt 602 gibt Befehle an die Steuerung des Einstellungsmechanismus 604. Der Befehlsabschnitt 602 erzeugt als Positionsbefehl an den Einstellungsmechanismus 520 für jeden Steuerungszyklus einen Koordinatenwert im Maschinenkoordinatensystem unter Berücksichtigung von zum Beispiel Bewegungsrichtungen, Bewegungsstrecken, Bewegungsgeschwindigkeiten und dergleichen, um den optischen Baugruppenabschnitt 505 in mehrere Positionen und Orientierungen zu bewegen. Die in 8E dargestellte Steuerung des Einstellungsmechanismus 604 führt eine Antriebssteuerung durch, indem sie als Reaktion auf einen Befehl des Befehlsabschnitts 602 ein Antriebssteuersignal D ausgibt, wodurch ein elektrischer Strom durch die Motoren der X-Achsen-, Y-Achsen- und Z-Achsen-Gleitmechanismen 525, 526 und 527 und des Drehmechanismus 595 im Einstellungsmechanismus 520 fließt.
Eine Positionsverriegelung 516 steht in einer Implementierung mit den verschiedenen Sensoren und/oder Antriebsmechanismen in Verbindung, um sicherzustellen, dass die Koordinaten des KMG 500 und des optischen Baugruppenabschnitts 505 zum Zeitpunkt der Bildaufnahme korrekt synchronisiert sind. In verschiedenen Implementierungen kann die Positionsverriegelung 516 insbesondere dazu verwendet werden, die Genauigkeit der aus den Bildern eines Bildstapels abgeleiteten Messungen und/oder anderer Bestimmungen zu gewährleisten. In verschiedenen Implementierungen ermöglichen es die Vorgänge der Positionsverriegelung 516, die Koordinaten der KMG-Maschine (die die Position des Anschlusspunkts oder eines anderen Bezugspunkts des optischen Baugruppenabschnitts 505 während einer bestimmten Messung widerspiegeln) ordnungsgemäß mit den Positionsdaten zu kombinieren, die aus den Bildern des optischen Baugruppenabschnitts bestimmt werden (z. B. die sich auf die Position und Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 selbst beziehen). In bestimmten Implementierungen kann die Positionsverriegelung 516 dazu verwendet werden, Messungen von KMG-Positionssensoren (z. B. Sensoren 515 und 528-530 usw.) auszulösen, die Skalen, Kodierer oder andere Erfassungselemente einschließen können, die eine Gesamtposition und Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 (z. B. einschließlich seiner Basisposition) im Maschinenkoordinatensystem verfolgen. In einigen Implementierungen kann die Positionsverriegelung 516 auch eine Bildaufnahme von dem optischen Baugruppenabschnitt 505 auslösen (z. B. als Teil eines Bildstapels, für den ein Auslösesignal für jedes Bild in einem Bildstapel bereitgestellt werden kann, wobei die entsprechende Position des optischen Baugruppenabschnitts 505 und/oder die Phasenzeit der VFL-Linse 370 auch entsprechend für jede Bildaufnahme synchronisiert und/oder verfolgt wird).
Bei Verwendung mit dem optischen Baugruppenabschnitt 505 kann der Einstellungsmechanismus 520 des KMG, insbesondere seine Sensoren (515 und 528-530), Messwerte M für den Positionsbestimmungsabschnitt 606 bereitstellen, der die Position des Sondenkopfes 513 (oder eines anderen Anschlusspunktes oder einer Referenzposition) des optischen Baugruppenabschnitts 505 innerhalb des Maschinenkoordinatensystems (MCS) des KMG bestimmt. Beispielsweise kann der Positionsbestimmungsabschnitt 606 die X-, Y- und Z-Koordinaten innerhalb des Maschinenkoordinatensystems (d. h. X_M-, Y_M- und Z_M-Koordinaten) für den Sondenkopf 513 oder einen anderen Anschluss- oder Referenzpunkt des optischen Baugruppenabschnitts 505 bereitstellen.
Wenn der optische Baugruppenabschnitt 505 wie hierin unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben verwendet wird (z. B. unter Bezugnahme auf bestimmte definierte Vorgänge oder anderweitig), kann der Positionsbestimmungsabschnitt 606 die Position des Sondenkopfes 513 an der Oberseite des optischen Baugruppenabschnitts 505 (oder eine andere Referenz- oder Befestigungsposition) bestimmen. Um die Koordinaten von Oberflächenpunkten auf einem Werkstück zu bestimmen, können die Informationen aus einer Analyse eines Bildstapels verwendet werden. Beispielsweise kann der Bildstapel (von Bildern an verschiedenen Fokuspositionen) von dem optischen Baugruppenabschnitt 505 erfasst werden, wobei die relativen Stellen/Fokuspositionen der Bilder in dem Bildstapel in Bezug auf das lokale Koordinatensystem (LCS) des optischen Baugruppenabschnitts angegeben werden, das in einigen Implementierungen in Bezug auf die Referenzposition des optischen Baugruppenabschnitts innerhalb des MCS sein kann. Um die Gesamtposition der Oberflächenpunkte innerhalb des Maschinenkoordinatensystems (MCS) zu bestimmen, können die LCS-Positionsdaten der Oberflächenpunkte in einigen Implementierungen umgewandelt und/oder anderweitig mit den MCS-Positionsdaten kombiniert werden, um dadurch die Gesamtpositionen der Oberflächenpunkte zu bestimmen.
Wenn der optische Baugruppenabschnitt 505 in einem Winkel orientiert ist (z. B. wie in 8D veranschaulicht) und somit das lokale Koordinatensystem (LCS) des optischen Baugruppenabschnitts eine Z-Achse (d. h. eine Z_L-Achse) aufweist, die in einem Winkel orientiert ist (d. h. entsprechend der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505), zeigt ein erfasster Bildstapel die relativen Abstände (z. B. Autofokushöhen oder Z_L-Höhen) der Oberflächenpunkte des Werkstücks entlang der Richtung der Z-Achse des optischen Baugruppenabschnitts, die in dem Winkel ausgerichtet ist. Diese LCS-Koordinaten können in einigen Implementierungen mit den für den Sondenkopf 513 (oder eine andere Referenzposition) bestimmten MCS-Koordinaten kombiniert (z. B. umgewandelt, hinzugefügt usw.) werden, um die Gesamtpositionen der Oberflächenpunkte auf dem Werkstück innerhalb des MCS zu bestimmen. Sollen beispielsweise die Koordinaten der Oberflächenpunkte in Bezug auf das MCS bestimmt werden, können die ermittelten Messpunkte im lokalen Koordinatensystem LCS des optischen Baugruppenabschnitts in MCS-Koordinaten umgewandelt und zu den anderen MCS-Koordinaten des Sondenkopfs 513 (oder einer anderen Referenzposition) des optischen Baugruppenabschnitts 505 hinzugefügt oder anderweitig damit kombiniert werden. Wenn dem Werkstück selbst ein eigenes lokales Koordinatensystem zugeordnet ist, können alternativ die für den Sondenkopf 513 (oder eine andere Referenzposition) des optischen Baugruppenabschnitts 505 bestimmten MCS-Koordinaten und/oder die LCS-Koordinaten umgerechnet oder mit dem lokalen Koordinatensystem des Werkstücks kombiniert werden. Als weiteres Beispiel können in manchen Fällen auch andere lokale Koordinatensysteme eingerichtet werden (z. B. für die Bilder des Bildstapels usw.). Im Allgemeinen deckt das MCS das gesamte große Koordinatenvolumen des KMG 500 ab, während ein lokales Koordinatensystem im Allgemeinen ein kleineres Volumen abdeckt und in manchen Fällen generell im MCS enthalten sein kann. In verschiedenen Implementierungen können als Teil des MCS und/oder eines lokalen Koordinatensystems neben X-, Y- und Z-Koordinaten auch bestimmte Arten von Zylinderkoordinaten, kartesischen Koordinaten oder anderen Koordinaten in Bezug auf die Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 und die Bestimmung der Koordinaten der gemessenen Oberflächenpunkte auf der Werkstückoberfläche WP verwendet werden oder alternativ dazu. Es ist selbstverständlich, dass solche Prinzipien zum Bestimmen von Koordinaten auch in den anderen hierin beschriebenen Systemen anwendbar sind und verwendet werden können (z. B. in Bezug auf 2A-3B, 5A-5C, 7, usw.)
In einigen Implementierungen können die Positionsdaten in Form des LCS aus einem Bildstapel relativ unabhängig verwendet werden (z. B. mit eingeschränkter oder keiner Umwandlung oder Kombination mit den Koordinaten aus dem MCS oder anderen Koordinatensystemen). Beispielsweise können die aus der Auswertung eines Bildstapels bestimmten Positionsdaten 3D-Koordinaten bereitstellen, die 3D-Positionen von Oberflächenpunkten auf einer Werkstückoberfläche in Bezug auf die LCS angeben, die somit ein 3D-Profil/eine 3D-Oberflächentopografie der Werkstückoberfläche darstellen/entsprechen. Wie vorstehend erwähnt, können in einigen Implementierungen solche Daten mit anderen Positionsdaten kombiniert werden, die in der MCS dargestellt sind, um die Gesamtposition der Werkstückoberfläche und der Oberflächenpunkte innerhalb der MCS anzuzeigen. Für bestimmte Implementierungen, Auswertungen und/oder Darstellungen usw. kann es jedoch wünschenswert sein, hauptsächlich oder ausschließlich die aus dem Bildstapel bestimmten Positionsdaten zu verwenden. Wenn beispielsweise eine Analyse oder Inspektion in erster Linie darauf abzielt, die relativen Stellen und/oder Eigenschaften von Werkstückmerkmalen auf einer Werkstückoberfläche zu bestimmen (z. B. wenn eine relative Oberfläche/Ebene zusammen mit einer Oberflächennormalen und/oder anderweitig in Bezug auf die Abstände zwischen Werkstückmerkmalen auf der Werkstückoberfläche und/oder die 3D-Abmessungen der Werkstückmerkmale auf der Oberfläche bestimmt/berechnet wird), können solche Daten in einigen Implementierungen in erster Linie aus der Auswertung des Bildstapels bestimmt werden. Genauer gesagt, wenn die Gesamtposition(en) der Werkstückoberfläche und/oder der Merkmale des Werkstücks innerhalb des MCS für die gewünschte Auswertung/Inspektion nicht erforderlich ist/sind, können die aus dem Bildstapel ermittelten Daten mit eingeschränkter oder ohne Kombination mit anderen MCS- oder anderen Koordinatensystemkoordinaten verwendet werden. Neben der Auswertung solcher Daten kann bei einigen Vorgängen auch eine 3D-Darstellung der Werkstückoberfläche gemäß den Daten aus der Auswertung eines Bildstapels bestimmt und/oder bereitgestellt werden (z. B. auf einer Anzeige usw.) (z. B. als Teil eines PFF-Prozesses usw.).
Wie in 8E veranschaulicht, steuert die Steuerung des optischen Baugruppenabschnitts 608 den optischen Baugruppenabschnitt 505 (z. B. Steuerung der Beleuchtungskonfiguration 330, der Kamera 360, der VFL-Linse 370 usw. zur Gewinnung von Bildern eines Bildstapels usw.). In verschiedenen Implementierungen können bestimmte Abschnitte der Bewegung oder Fokussierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 durch den Einstellungsmechanismus 520 des KMG gesteuert werden, der den optischen Baugruppenabschnitt 505 näher zu und/oder weiter weg vom Werkstück bewegt, wobei der Drehmechanismus 595 dazu verwendet werden kann, den optischen Baugruppenabschnitt 505 so zu drehen, dass er sich in einem gewünschten Winkel/einer gewünschten Orientierung befindet (z. B. nominell normal zu einer Werkstückoberfläche). In verschiedenen Implementierungen kann ein Fokusabstand des optische Baugruppenabschnitts 505 mindestens teilweise durch die Objektivlinse 350 bestimmt werden (z. B. in Kombination mit der VFL-Linse 370, für die der Fokusabstand vor dem optischen Baugruppenabschnitt 505 während der Messvorgänge gemäß den Vorgängen der VFL-Linse 370 variieren kann). Der Datenabschnitt des optischen Baugruppenabschnitts 610 empfängt die Ausgabe des optischen Baugruppenabschnitts 505 (d. h. die Bilddaten für die Bilder des Bildstapels). Der Analysegerätabschnitt 612 kann verwendet werden, um die zugehörige Auswertung durchzuführen (z. B. die PFF-Analyse oder eine andere Auswertung des Bildstapels zur Bestimmung der relativen Autofokushöhen/-stellen jedes der Oberflächenpunkte auf der Werkstückoberfläche entlang der Z-Achsenrichtung des optischen Baugruppenabschnitts (d. h. Z_L-Richtung), um eine entsprechende Ebene der Werkstückoberfläche und/oder ein dreidimensionales Oberflächenprofil der Werkstückoberfläche zu bestimmen, usw.). Der Speicherabschnitt 614 kann einen Abschnitt eines Computerspeichers zum Speichern bestimmter Software, Routinen, Daten usw. für den Vorgang des Systems umfassen.
8B ist eine schematische Darstellung, die bestimmte Komponenten des Maschinenkörpers 501 des KMG 500 und den optischen Baugruppenabschnitt 505 veranschaulicht. Wie in 8B dargestellt, ist in den Maschinenkörper 501 der Sondenkopf 513 eingeschlossen. Der Sondenkopf 513 empfängt und sendet Signale über das Sondenkopfkabel 511. Der Sondenkopf 513 ist an einer Pinole der Koordinatenmessmaschine 517 befestigt, die am Ende des Z-Achsen-Bewegungselements 524 (oder eines Gleitelements, z. B. einer Spindel) angebracht ist, das sich in der Z-Achsen-Richtung des MCS (d. h. in der Z_M-Richtung) bewegt. Der Sondenkopf 513 ist mit dem optischen Baugruppenabschnitt 505 an einer Sonden-Autoverbindung 531 verbunden. Eine Implementierung einer Sonden-Autoverbindung wird in US-Patent Nr. 9,115,982 näher beschrieben, das hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen wird.
Der Sondenkopf 513 in der veranschaulichten Ausführungsform schließt den Drehmechanismus 595 ein, der sich in einigen Ausführungsformen in einer horizontalen Ebene um 360 Grad dreht (z. B. für die eine Winkelbewegung/Position/Orientierung von einem ersten Drehsensor 515 erfasst werden kann), und kann eine Art U-Gelenk enthalten, das beispielsweise die Drehung eines angebrachten optischen Baugruppenabschnitts um eine entsprechende Achse ermöglicht, die in einer horizontalen Ebene liegt, für die eine Winkelbewegung/Position/Orientierung von einem zweiten Drehsensor 515 erfasst werden kann. So unterstützt der Drehmechanismus 595 des Sondenkopfes 513 in dem speziellen Beispiel von 8B die Drehung des optischen Baugruppenabschnitts 505 um zwei verschiedene Achsen: erstens die Drehung (das Drehen) des optischen Baugruppenabschnitts 505 in der aktuellen Orientierung um die Z-Achse des MCS und zweitens die Drehung des optischen Baugruppenabschnitts 505 um eine horizontale Achse (d. h. eine Achse in einer XY-Ebene des MCS). Der Drehmechanismus 595, der in einigen Implementierungen ein kugelförmiges (oder Kugel-)Gelenk umfasst, ermöglicht es dem optischen Baugruppenabschnitt 505, sich relativ zu dem Z-Achsen-Bewegungselement 524 innerhalb der Säule 523 und/oder relativ zu einer beliebigen horizontalen Achse zu drehen, um die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 in einem gewünschten Winkel/einer gewünschten Orientierung relativ zu einer Werkstückoberfläche zu positionieren (z. B. um nominell normal zu einer Werkstückoberfläche zu sein). Im Allgemeinen ist der Drehmechanismus 595 ein Mechanismus zur Änderung der Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 (d. h. der Lage des optischen Baugruppenabschnitts 505).
Die Sonden-Autoverbindung 531 ist eine elektromechanische Verbindung, die den Sondenkopf 513 starr und mechanisch mit dem optischen Baugruppenabschnitt 505 verbindet, so dass er von einer Sonde (z. B. einschließlich eines optischen Baugruppenabschnitts) abgetrennt und an einer anderen angebracht werden kann. In einer Implementierung kann die Sonden-Autoverbindung 531 ein erstes und ein zweites Füge-Autoverbindungselement 534 und 536 einschließen, wobei das erste Füge-Autoverbindungselement 534 am Sondenkopf 513 und das zweite Füge-Autoverbindungselement 536 am optischen Baugruppenabschnitt 505 befestigt ist. In einer Implementierung hat die Sonden-Autoverbindung 531 passende elektrische Kontakte oder Verbindungen 535, so dass die Kontakte automatisch ineinander greifen und elektrische Verbindungen herstellen, wenn eine Sonde angebracht wird.
Der optischen Baugruppenabschnitt 505 kann mindestens einen Teil seiner Energie- und Steuersignale über die Sonden-Autoverbindung 531 erhalten, wobei die Energie- und Steuersignale entsprechend über das Sondenkopfkabel 511 geleitet werden. Die Signale, die dem optischen Baugruppenabschnitt 505 über die automatische Verbindung 531 zugeführt werden, werden über die Verbindungen 535 weitergeleitet. Wie in 8E dargestellt, schließt der optische Baugruppenabschnitt 505 ein Füge-Autoverbindungselement 536 und eine Sondenbaugruppe 537 ein, die an dem Füge-Autoverbindungselement 536 zur automatischen Verbindung mit dem KMG 500 über die Sonden-Autoverbindung 531 montiert ist.
In verschiedenen Implementierungen kann der optische Baugruppenabschnitt 505 auch mindestens einen Teil seiner Energie- und Steuersignale über ein Kabel 511' führen. In einigen Implementierungen kann das Kabel 511' verwendet werden, da eine standardmäßige automatische Verbindung 531 nur eine begrenzte Anzahl von verdrahteten Verbindungen zur Verfügung hat und für den optischen Baugruppenabschnitt 505 mehr Verbindungen wünschenswert/verwendet werden können (wie die, die z. B. durch das optionale Kabel 511' bereitgestellt werden können). In verschiedenen Implementierungen können die Energie- und/oder Kommunikationssignale für den optischen Baugruppenabschnitt 505 (wie die, die z. B. durch das Kabel 511 und/oder das Kabel 511' geleitet werden) zu und von der Steuerung des optischen Baugruppenabschnitts 608 und dem Datenabschnitt des optischen Baugruppenabschnitts 610 geleitet werden (siehe 8E). Der Datenabschnitt des optischen Baugruppenabschnitts 610 empfängt die Ausgabe des optischen Baugruppenabschnitts 505 (d. h. die Bilddaten für die Bilder des Bildstapels). Der Analysegerätabschnitt 612 kann verwendet werden, um die zugehörige Auswertung des Bildstapels durchzuführen, wie beispielsweise die Autofokus-Verarbeitung, um eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche zu berechnen/bestimmen (z. B. wie es zur Berechnung/Bestimmung einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche verwendet werden kann) usw. Der Speicherabschnitt 614 kann einen Abschnitt eines Computerspeichers zur Speicherung bestimmter Software, Routinen, Daten usw. für den Vorgang der Steuerung 625 usw. umfassen.
Während der Drehmechanismus 595 in 8A und 8B so veranschaulicht ist, dass er eine Art U-Gelenk umfasst, ist die Konfiguration des Drehmechanismus 595 nicht so eingeschränkt. Beispielsweise kann ein Drehmechanismus 595 in Form eines in oder auf der Oberflächenplatte 510 des KMG 500 eingeschlossenen Drehtisches zur Unterstützung eines Werkstücks WP (siehe 8A) oder in Form eines Drehtisches bereitgestellt werden, der am distalen Ende des Z-Achsen-Bewegungselements 524 des KMG 500 vorgesehen ist (z. B. ähnlich dem Drehtisch 297 von 1-3B).
8C und 8D veranschaulichen bestimmte Komponenten im Vergleich zu 8A und 8B, einschließlich bestimmter Teile des Einstellungsmechanismus 520, der einen Drehmechanismus 595' (verkörpert in einem Sondenkopf 513') des Maschinenkörpers 501 des KMG 500 einschließt. 8C veranschaulicht den optischen Baugruppenabschnitt 505 in vertikaler Orientierung (z. B. ähnlich wie bei bestimmten Systemen des Standes der Technik, wie beispielsweise bestimmten Bildverarbeitungssystemen, die in erster Linie so betrieben werden, dass sie eine Position zur Fokussierung entlang der Z_M-Achse eines Maschinenkoordinatensystems nur nach oben und unten bewegen, um einen Bildstapel zu erhalten, der Bilder eines Werkstücks einschließt). Wie in 8C dargestellt, hat das Werkstück WP eine Werkstückoberfläche WPS1, die eine winklige Orientierung (in einem Winkel A1) aufweist. Es ist zu beachten, dass die Z-Achse des Maschinenkoordinatensystems in der Veranschaulichung von 8C parallel zur optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 verläuft. Es ist zu verstehen, dass die optische Achse (Z_L-Achse) des optischen Baugruppenabschnitts 505 in der gleichen Richtung wie die Z_M-Achse des Maschinenkoordinatensystems und eine Bildstapelaufnahmeachse ISAA liegen kann, wenn der optische Baugruppenabschnitt 505 einfach entlang der Z_M-Achse des MCS durch den Z-Achsen-Schiebemechanismus 527 auf und ab bewegt wird (einschließlich der Bewegung des Z-Achsen-Bewegungselements 524 innerhalb der Säule 523). Die Werkstückoberfläche WPS1 wird im Winkel A1 relativ zu einer horizontalen Ebene des MCS gezeigt. Im Gegensatz dazu ist eine Werkstückoberfläche WPS2 des Werkstücks WP in der MCS annähernd parallel zu einer horizontalen Ebene dargestellt. Eine Oberflächennormale SN der Werkstückoberfläche WPS1 ist unter einem Winkel A2 relativ zur optischen Achse OA dargestellt (z. B. kann der optische Baugruppenabschnitt 505 um den durch den Winkel A2 angegebenen Betrag gedreht werden, wie in 8D veranschaulicht).
8D veranschaulicht den optischen Baugruppenabschnitt 505, der (z. B. um den Winkel A2) gedreht wurde, so dass er sich gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in einem Winkel sowohl zu einer horizontalen Ebene des MCS (im Winkel „A-H“) als auch zu einer vertikalen Ebene des MCS (im Winkel „A-V“) befindet, wie dies mit dem KMG 500, wie offenbart, erreicht werden kann. Der optische Baugruppenabschnitt 505 wurde (z. B. durch ein U-Gelenk oder eine andere Komponente des Drehmechanismus 595' des Sondenkopfs 513') um eine horizontale Drehachse RA2 gedreht, die durch den Drehpunkt R2 verläuft, so dass sie auf den Winkel A-H ausgerichtet ist, und für die die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zur Werkstückoberfläche WPS1 ist. In 8D wird die Fähigkeit des Drehmechanismus 595' des Sondenkopfs 513', den optischen Baugruppenabschnitt 505 um die Z-Achse des MCS zu drehen, durch eine Drehachse RA1 veranschaulicht, die durch einen Drehpunkt R1 am oberen Ende des Sondenkopfs 513'/Drehmechanismus 595' verläuft. Die Drehung um eine horizontale Achse wird gemäß der Drehachse RA2 (d. h. als einzelner Punkt angegeben, da sie in die Seite gerichtet ist) als durch den Drehpunkt R2 in der Mitte des Sondenkopfs 513'/Drehmechanismus 595' verlaufend veranschaulicht (z. B. gemäß dem Vorgang des U-Gelenks, wie in 8B dargestellt).
In 8D ist ein Beispiel für den Bildstapelbereich SR-3B veranschaulicht, der in verschiedenen Implementierungen ein Teil oder der gesamte Autofokusbereich oder ein PFF-Bereich sein kann (z. B. zum Bestimmen eines dreidimensionalen Oberflächenprofils der Werkstückoberfläche WPS1) usw. Die Werkstückoberfläche WPS1 kann verschiedene Merkmale (z. B. Oberflächenmerkmale) aufweisen, die höher oder niedriger als eine durchschnittliche ebene Stelle der Werkstückoberfläche WPS1 liegen können. In einigen Implementierungen kann es wünschenswert sein, dass sich der Bereich der jeweiligen Fokuspositionen des Bildstapels über einen bestimmten Abstand über und unter der Werkstückoberfläche erstreckt. Wie in 8D veranschaulicht, kann der beispielhafte Bildstapelbereich SR-3B deutlich kleiner sein als ein Bildstapelbereich SR-3A von 8C (z. B. der Bildstapelbereich, der erforderlich ist, um alle Oberflächenpunkte der Werkstückoberfläche WPS1 in der veranschaulichten Orientierung von 8C abzudecken), da der optische Baugruppenabschnitt 505 in 8D so ausgerichtet ist, dass seine optische Achse OA nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zur Werkstückoberfläche WPS1 verläuft, im Gegensatz zu der relativen Winkelorientierung in 8C. In 8D ist ein Winkel der optischen Achse OA (und der Bildstapelaufnahmeachse ISAA) relativ zu mindestens einem Abschnitt der Werkstückoberfläche WPS1 als „A-P“ angegeben, der im dargestellten Beispiel nominell normal (z. B. etwa 90 Grad/senkrecht) ist. 8D veranschaulicht auch einen Winkel der Werkstückoberfläche WPS1 relativ zu einer horizontalen Ebene „A-W“ (z. B. entsprechend dem Winkel A1 in 8C). Abhängig von einem bestimmten Winkel A-W in jeder Implementierung kann der Drehmechanismus 595' so eingestellt werden, dass die optische Achse OA (und ISAA) des optischen Baugruppenabschnitts 505 nominell normal (d. h. annähernd senkrecht) zu mindestens einem Abschnitt der Werkstückoberfläche WPS1 verläuft.
Um die Orientierung von 8D zu erreichen, können bestimmte Prozesse gemäß den hierin offenbarten Prinzipien durchgeführt werden (z. B. ähnlich den oben in Bezug auf 5B und 5C beschriebenen Beispielen). Beispielsweise kann die Konfiguration von 8C erreicht werden, indem der Einstellungsmechanismus 520 so gesteuert wird, dass der optische Baugruppenabschnitt 505 so bewegt wird, dass die Werkstückoberfläche WPS1 innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs der optischen Baugruppe 505 liegt. In der Veranschaulichung von 8C kann dies der Positionierung des optischen Baugruppenabschnitts 505 in einem Abstand D-8C von einer Stelle auf der Werkstückoberfläche WPS1 entsprechen (z. B. einer Stelle, an dem die optische Achse OA die Werkstückoberfläche WPS1 schneidet, was in einigen Fällen in oder Nahe einer Mitte oder einer anderen zentralen Stelle der Werkstückoberfläche WPS1 liegen kann). Im Beispiel von 8C wird der fokale Z-Autofokusbereich durch einen Bereich SR-3A dargestellt. Wie vorstehend in 6A und 6B beschrieben, kann als Teil des Autofokus-Prozesses mit dem optischen Baugruppenabschnitt 505 ein Bildstapel von der Werkstückoberfläche WPS1 innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs aufgenommen werden. Eine Autofokushöhe kann für jede von mindestens drei Stellen auf der Werkstückoberfläche WPS1 auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse des Bildstapels bestimmt werden, wie vorstehend in Bezug auf 6A und 6B beschrieben.
Wie in 8D veranschaulicht, kann der Einstellungsmechanismus 520 zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen der Oberfläche gesteuert werden, um: den optischen Baugruppenabschnitt 505 relativ zur Werkstückoberfläche WPS1 zu drehen, um die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 nominell mit einer Oberflächennormalen SN der Werkstückoberfläche WPS1 auszurichten; und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 505 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen. In verschiedenen Implementierungen können vor der Steuerung des Einstellungsmechanismus, wie in 8D veranschaulicht, die ermittelten Autofokushöhen für die mindestens drei Stellen der Oberfläche verwendet werden, um die Oberflächennormale SN der Werkstückoberfläche WPS1 und/oder entsprechende Einstellungsinformationen zu berechnen oder anderweitig zu bestimmen. Der Einstellungsmechanismus 520 kann dann gesteuert werden (z. B. unter Verwendung der Einstellungsinformationen und/oder der Oberflächennormalen, die auf der Grundlage der Autofokushöhen berechnet/bestimmt wurde), um den optischen Baugruppenabschnitt 505 aus der in 8C veranschaulichten Position und Orientierung in die in 8D veranschaulichte Position und Orientierung zu drehen und anderweitig zu bewegen, für die die optische Achse OA so dargestellt ist, dass sie nominell mit der Oberflächennormalen SN übereinstimmt. Darüber hinaus kann der Einstellungsmechanismus 520 dazu verwendet werden, den Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 505 und der Werkstückoberfläche WPS1 einzustellen. Wie in 8D veranschaulicht, hat die Einstellung zu einem Abstand D-8D zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt 505 und der Werkstückoberfläche WPS1 geführt (z. B. gemessen entlang der Richtung der optischen Achse OA und/oder der entsprechenden Z_L-Richtung). Wie vorstehend in Bezug auf 3A und 3B beschrieben, kann der Abstand D-8D in verschiedenen Implementierungen Folgendem entsprechen: die Werkstückoberfläche WPS1 befindet sich nominell in der Mitte oder in der Nähe von: einer Mitte des Bereichs SR-3B (z. B. einem Bereich für eine PFF oder einen anderen definierten Vorgang, der auf der Oberfläche des Arbeitsbereichs auszuführen ist); und/oder einem Arbeitsabstand einer Objektivlinse des optischen Baugruppenabschnitts 505; und/oder einer optimalen Fokusposition usw. Sobald die in 8D veranschaulichte Orientierung und Position erreicht ist, kann ein definierter Vorgang auf der Werkstückoberfläche WPS1 ausgeführt werden.
Als Beispiel für einen definierten Vorgang kann ein Messvorgang unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts 505 an der Werkstückoberfläche WPS1 durchgeführt werden. Im Rahmen solcher Vorgänge oder anderweitig kann ein PFF-Vorgang durchgeführt werden (z. B. zur Bestimmung eines Oberflächenprofils der Werkstückoberfläche WPS1). Als Teil eines PFF-Vorgangs kann ein Bildstapel mit dem optischen Baugruppenabschnitt 505 in der in 8D veranschaulichten Orientierung aufgenommen werden (z. B. mit dem Bildstapel, der dem Abtastbereich SR-3B entspricht). Als eine andere Art von definiertem Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche WPS1 ausgeführt werden kann, kann ein Bearbeitungsvorgang (z. B. Bohren) durchgeführt werden, bei dem es wünschenswert sein kann, dass eine Bearbeitungsachse (z. B. eine Bohrachse) des Bearbeitungsvorgangs mit der optischen Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 505 zusammenfällt (z. B. koaxial mit oder parallel zu usw.) und somit auch nominell normal zur Werkstückoberfläche SRF1 ist.
9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 900 zur Verwendung von Mehrpunkt-Autofokus zur Ausrichtung einer optischen Achse normal zu einer Oberfläche gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung. In Block 901 betreibt das Verfahren ein Messsystem, das einen optischen Baugruppenabschnitt (205, 305, 405, 505) einschließt. Der optische Baugruppenabschnitt schließt Folgendes ein: eine Linse mit variabler Brennweite (VFL); eine Lichtquelle; und eine Objektivlinse, die Abbildungslicht von einer Oberfläche eines Werkstücks, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, einleitet und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt, der durch die VFL-Linse verläuft. Die Objektivlinse definiert eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt. Der optische Baugruppenabschnitt schließt auch eine Kamera ein, die Abbildungslicht empfängt, das von der VFL-Linse entlang des optischen Abbildungspfades übertragen wird, und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt.
In Block 903 bewegt das Verfahren den optischen Baugruppenabschnitt, um eine zu messende Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts zu positionieren.
In Block 905 erfasst das Verfahren einen Bildstapel der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts.
In Block 907 berechnet das Verfahren eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse (ROIs) des Bildstapels. In verschiedenen Implementierungen können eine Oberflächennormale der Werkstückoberfläche und entsprechende Einstellungsinformationen mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den drei Stellen bestimmt werden.
In Block 909 steuert das Verfahren den Einstellungsmechanismus zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen, um: den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche zu drehen, um den optischen Baugruppenabschnitt nominell auf eine Flächennormale der Werkstückoberfläche auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen.
Im Block 911 führt das Verfahren einen definierten Vorgang an der Werkstückoberfläche aus, die nun nominell normal zur optischen Achse steht.
Verschiedene definierte Vorgänge sind ausführbar, wobei diese Vorgänge alle den Vorteil nutzen können, dass das Messsystem nach verschiedenen Ausführungsformen eine optische Achse eines optischen Baugruppenabschnitts schnell und/oder präzise normal zu einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche ausrichten kann.
Nachdem der definierte Vorgang des Blocks 911 ausgeführt wurde, kann der Prozess der Blöcke 903 bis 911 beispielsweise für einen anderen Abschnitt der Werkstückoberfläche und/oder für eine andere Werkstückoberfläche des Werkstücks wiederholt werden (z. B. bei einem Werkstück, das eine Turbinenschaufel enthält, kann der Prozess für verschiedene Abschnitte entlang einer Kurve der Turbinenschaufel wiederholt werden usw.).
Als weiteres Beispiel können nicht-optische Vorgänge, wie beispielsweise ein Bearbeitungsvorgang (z. B. Bohren), an der Werkstückoberfläche durchgeführt werden, wobei die Achse des Bearbeitungsvorgangs mit der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts zusammenfällt, die nominell normal zur Werkstückoberfläche ausgerichtet ist.
Als weitere Beispiele können verschiedene optische Vorgänge, wie beispielsweise EDOF-Vorgänge (Extended Depth of Field) oder PFF-Vorgänge (Points From Focus), durchgeführt werden. Einige Details zu den EDOF-Vorgängen und den PFF-Vorgängen sind beispielsweise in US-Patentveröffentlichung Nr. 2020/0195836 zu finden, die hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen wird. Kurz gesagt, im EDOF-Vorgang kann der optische Baugruppenabschnitt (205, 305, 405, 505), der die VFL (TAG)-Linse einschließt, betrieben werden, um ein vorläufiges Bild unter Verwendung einer EDOF-Belichtungssequenz zu belichten, die mehrere diskrete Bildbelichtungsinkremente definiert, die an jeweiligen diskreten Fokuspositionen FP erfasst werden, die den jeweiligen Phasen der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen. Das vorläufige Bild wird verarbeitet, um ein EDOF-Bild zu bestimmen oder auszugeben, das in einer einzigen Brennpunktposition eine größere Schärfentiefe aufweist als das VFL (TAG)-Linsenabbildungssystem (z. B. 10-20 mal größer oder mehr, in verschiedenen Ausführungsformen), wobei das EDOF-Bild im Wesentlichen über die gesamte größere Schärfentiefe fokussiert ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann das EDOF-Bild mit einer hohen Rate bereitgestellt werden, die für eine Anzeige etwa in Echtzeit geeignet ist. Beispielsweise kann die EDOF-Bildbelichtungssequenz so konfiguriert werden, dass das vorläufige Bild in weniger als 500 msec, weniger als 250 msec, weniger als 100 msec oder weniger als 50 msec aufgenommen wird.
Kurz gesagt kann bei dem PFF-Vorgang der optische Baugruppenabschnitt (205, 305, 405, 505), der das VFL-Objektiv (TAG) einschließt, so betrieben werden, dass ein Stapel von Bildern (ein Bildstapel) unter Verwendung einer PFF-Belichtungssequenz belichtet wird, die mehrere diskrete Bildbelichtungsinkremente definiert, die an jeweiligen diskreten Fokuspositionen FP erfasst werden, die den jeweiligen Phasen der periodisch modulierten Fokusposition entsprechen. Der Bildstapel wird verarbeitet, um eine Z_L-Höhenkoordinatenkarte (z. B. eine Punktwolke) zu bestimmen oder auszugeben, die quantitativ einen Satz von dreidimensionalen Oberflächenkoordinaten angibt, die einer Oberflächenform des Werkstücks entsprechen.
In verschiedenen Implementierungen, wenn ein definierter Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche durchgeführt wird, eine Bewegung entlang der Richtung der optischen Achse OA beinhaltet, kann der Einsatz einer VFL-Linse (z. B. VFL-Linse 220, 370 usw.) verschiedene Vorteile haben. Wenn beispielsweise, wie vorstehend beschrieben, eine VFL-Linse (z. B. eine TAG-Linse) eingeschlossen ist, kann in einigen Implementierungen eine Modulation einer Fokusposition der VFL-Linse erreicht werden, ohne dass eine physische Bewegung von Komponenten entlang der Richtung der optischen Achse OA erforderlich ist (was z. B. eine schnellere und wiederholbare Durchführung solcher Vorgänge und ein Vermeiden des Risikos von Kollisionen ermöglichen kann, wie beispielsweise potenzielle Kollisionen von ansonsten beweglichen Komponenten mit der Werkstückoberfläche, Strukturen und/oder anderen Komponenten usw.). In einigen Implementierungen können solche Aspekte besonders vorteilhaft sein, wenn der optische Baugruppenabschnitt geneigt ist (z. B. relativ zu einer Z-Achse des Maschinenkoordinatensystems, wie in 2B, 3B, 5C und 8D veranschaulicht). Im Allgemeinen können bei Implementierungen, bei denen keine VFL-Linse eingeschlossen ist und/oder eine Bewegung über die Modulationsgrenzen der VFL-Linse hinaus in Richtung der optischen Achse gewünscht wird, verschiedene komplexere Bewegungsabläufe erforderlich sein.
Wenn beispielsweise ein Bildstapel entlang einer konstanten Bildstapelaufnahmeachse ISAA ohne Verwendung eines VFL-Objektivs erfasst werden soll (z. B. als Teil eines Mehrpunkt-Autofokus- oder PFF-Vorgangs), können in Bezug auf die Konfiguration von 2B verschiedene Neupositionierungsbewegungen für jedes Bild erforderlich sein. Damit der optische Baugruppenabschnitt 205 entlang der Bildstapelaufnahmeachse ISAA in Bezug auf die Werkstückoberfläche WPS1 richtig ausgerichtet ist, muss für jede Bildaufnahmeposition möglicherweise eine Ausrichtung entlang der Z-Achse des Maschinenkoordinatensystems (z. B. unter Verwendung des Motors 294) sowie eine Ausrichtung entlang der Y- und/oder X-Achse des Maschinenkoordinatensystems (z. B. durch den beweglichen Tisch 210, der das Werkstück bewegt) vorgenommen werden. In einigen Implementierungen kann es auch akzeptabel sein, dass die Positionen/Bewegungen für die Bilderfassung nur entlang der Z-Achse des Maschinenkoordinatensystems bereitgestellt werden (z. B. wie vom Motor 294 veranlasst), selbst in einer Orientierung wie in 2B. Bei der in 2B veranschaulichten Orientierung wird die optische Achse OA des optischen Baugruppenabschnitts 205 nicht entlang einer konstanten Bildstapelaufnahmeachse ISAA für die Aufnahme der einzelnen Bilder des Bildstapels gehalten, sondern der aufgenommene Bildstapel kann ein ausreichend großes Sichtfeld aufweisen, so dass einen oder mehrere gewünschte Bereiche von Interesse immer noch in allen Bildern des Bildstapels eingeschlossen sein können, nur mit verschobenen relativen Positionen in jedem Bild. Durch geeignete Verarbeitung können die gewünschten Bereiche von Interesse bestimmt/verfolgt und für die gewünschten Vorgänge verwendet werden (z. B. Mehrpunkt-Autofokusvorgänge, wie sie gemäß den hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden können, PFF-Vorgänge usw.). Es wird deutlich, dass die Einbeziehung und Verwendung eines VFL-Objektivs (z. B. VFL-Objektiv 270) die Notwendigkeit einer solchen Verarbeitung und zusätzlicher Bewegungen vermeiden kann (d. h. dass die Modulation des VFL-Objektivs es ermöglichen kann, einen Bildstapel entlang einer konstanten Bildstapelaufnahmeachse ISAA auf relativ schnelle und wiederholbare Art und Weise zu erfassen, ohne dass eine physische Bewegung anderer Komponenten und eine damit verbundene Verarbeitung erforderlich ist).
Als ein anderes Beispiel, bei der Implementierung von 8D, ohne die Verwendung/Einbeziehung des VFL-Objektivs 370, können zur Erfassung eines Bildstapels entlang der Bildstapelaufnahmeachse ISAA für jede Bildaufnahmeposition Bewegungen entlang der X-, Y- und/oder Z-Achsenrichtung des Maschinenkoordinatensystems erforderlich sein (z. B. wie von den X-, Y- und Z-Achsen-Schiebemechanismen 525, 526 und 527 bereitgestellt). Wie bereits erwähnt, sind solche Bewegungen möglicherweise nicht erforderlich, wenn das VFL-Objektiv 370 eingeschlossen ist und verwendet wird (d. h. die Modulation des VFL-Objektivs 370 kann es ermöglichen, dass die Bilder des Bildstapels entsprechend verschiedenen Fokuspositionen entlang der konstanten Bildstapelaufnahmeachse ISAA erfasst werden, ohne dass eine physische Bewegung anderer Komponenten erforderlich ist).
Wie vorstehend beschrieben, wird in verschiedenen Implementierungen ein Einstellungsmechanismus gesteuert, um einen optischen Baugruppenabschnitt zu bewegen, um eine Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenteils zu positionieren. In Implementierungen, in denen ein VFL-Objektiv eingeschlossen ist und für die Autofokusabtastung verwendet wird (z. B. ohne Bewegung anderer Komponenten für die Autofokusabtastung), kann der fokale Z-Autofokusbereich in erster Linie durch einen Bereich (z. B. den Bereich Refp) des Vorgangs des VFL-Objektivs bestimmt werden bzw. sich auf diesen beziehen. Bei bestimmten TAG-Linsen beispielsweise kann dies in einigen Implementierungen einem Bereich von etwa 10 DOF (Tiefenschärfe) des optischen Systems entsprechen (z. B. kann die Positionierung daher innerhalb von 10 DOF des optischen Systems erfolgen). Wie vorstehend erwähnt, kann der fokale Z-Autofokusbereich in verschiedenen Implementierungen ohne Verwendung/Einschluss eines VFL-Objektivs (und/oder in Fällen, in denen das System eine Bewegung zur Vergrößerung des Abtastbereichs über den durch den Vorgang des VFL-Objektivs bereitgestellten Bereich hinaus bereitstellt) durch andere Aspekte des Systems bestimmt werden bzw. diesen entsprechen (z. B. in Bezug auf die Bewegungsbereiche verschiedener Komponenten, wie z. B. einen Bewegungsbereich des Motors 294, und/oder zur Vermeidung von Kollisionen usw.)
Wie bereits erwähnt, kann in verschiedenen Implementierungen ein Mehrpunkt-Autofokus-Bildstapel relativ schnell erfasst werden und eine relativ kleine Anzahl von Bildern einschließen (z. B. 5-10 Bilder). In verschiedenen Implementierungen ist es wünschenswert, den optischen Baugruppenabschnitt zu bewegen, um die Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts zu positionieren, so dass der Mehrpunkt-Autofokus-Bildstapel Bilder auf beiden Seiten der fokalen Z-Positionen von verschiedenen Abschnitten der Werkstückoberfläche einschließt. In einigen Implementierungen kann dies bedeuten, dass mindestens eine bestimmte Anzahl von DOF (z. B. 1 oder 2 DOF) auf beiden Seiten der fokalen Z-Position jedes Abschnitts der Werkstückoberfläche im Sichtfeld der optischen Baugruppe vorhanden ist. Solche Aspekte können im Hinblick auf das Bestimmen eines Spitzenwertes der entsprechenden Fokuskurvendaten, wie vorstehend beschrieben, von Vorteil sein. Insbesondere kann, wie vorstehend erwähnt, das Bestimmen einer Autofokushöhe für eine Stelle der Werkstückoberfläche das Bestimmen von Fokuskurvendaten für die Stelle / den entsprechenden Bereich von Interesse mindestens teilweise auf der Grundlage einer Auswertung der Bilder des Bildstapels einschließen, wobei die Fokuskurvendaten für die Stelle / den Bereich von Interesse die entsprechende Autofokushöhe angeben, die beispielsweise einem Spitzenwert der Fokuskurvendaten entsprechen kann. Durch die Aufnahme von Bildern, die einer ausreichenden Anzahl von Fokuskurvendaten auf beiden Seiten des Spitzenwertes entsprechen, kann der Spitzenwert mit größerer/ausreichender/erwünschter Präzision und/oder Genauigkeit usw. bestimmt werden.
Es ist klar, dass diese Grundsätze und Beschreibungen auch für andere hierin beschriebene Prozesse gelten können. Zum Beispiel kann, wie vorstehend erwähnt, in verschiedenen Implementierungen, nachdem eine Oberflächennormale bestimmt/berechnet wurde, die Bewegungssteuerung verwendet werden, um eine Orientierung des optischen Baugruppenabschnitts zu drehen/einzustellen und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen. In verschiedenen Implementierungen kann der Abstand von der Werkstückoberfläche, auf den der optischen Baugruppenabschnitt eingestellt wird, mindestens teilweise auf Prinzipien wie den vorstehend beschriebenen beruhen. So kann es zum Beispiel wünschenswert sein, dass der Abstand so gewählt wird, dass die Werkstückoberfläche an einer gewünschten Stelle innerhalb des Scanbereichs des Systems positioniert ist (z. B. entsprechend einer gewünschten Position innerhalb eines PFF-Bildstapel-Scanbereichs, so dass es eine gewünschte Anzahl von Bildern gibt, die Fokusdaten auf beiden Seiten jedes Abschnitts der Werkstückoberfläche entsprechen, und/oder entsprechend bestimmter wünschenswerter Leistungseigenschaften dieses Abschnitts des Scanbereichs usw.).
Während bevorzugte Implementierungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, werden für den Fachmann basierend auf dieser Offenbarung zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Abfolgen von Vorgängen offensichtlich sein. Verschiedene alternative Formen können verwendet werden, um die hierin offenbarten Prinzipien zu implementieren. Zusätzlich können die verschiedenen vorstehend beschriebenen Implementierungen kombiniert werden, um weitere Implementierungen bereitzustellen.
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

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Claims

Messsystem, das Folgendes umfasst: einen optischen Baugruppenabschnitt, der Folgendes umfasst: eine Lichtquelle; eine Objektivlinse, die Abbildungslicht, das von einer Oberfläche eines Werkstücks stammt, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, aufnimmt und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt, wobei die Objektivlinse eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts definiert, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt; und eine Kamera, die Abbildungslicht empfängt, das entlang des optischen Abbildungspfads übertragen wird, und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt; einen Einstellungsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche ändert und den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche dreht, um eine winkelmäßige Orientierung der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche zu ändern; einen oder mehrere Prozessoren; und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist und Programmanweisungen speichert, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, dazu führen, dass der eine oder die mehreren Prozessoren mindestens Folgendes ausführen: den Einstellungsmechanismus steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt so zu bewegen, dass eine Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts positioniert wird; einen Bildstapel der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts erfassen, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer anderen Autofokushöhe entspricht; eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Regionen von Interesse des Bildstapels bestimmen; den Einstellungsmechanismus mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen steuern, um: den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten; und einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und einen definierten Vorgang auf der Werkstückoberfläche auszuführen.
System nach Anspruch 1, wobei der optische Baugruppenabschnitt ferner eine Linse mit variabler Brennweite (VFL) umfasst, die in den optischen Abbildungspfad eingeschlossen ist, und wobei die Objektivlinse das Abbildungslicht entlang des optischen Abbildungspfades durch die VFL-Linse überträgt und die Kamera das von der VFL-Linse übertragene Abbildungslicht entlang des optischen Abbildungspfades empfängt.
System nach Anspruch 2, wobei die VFL-Linse eine abstimmbare akustische Gradientenlinse (TAG) ist, die so konfiguriert ist, dass sie eine Brennweite nicht mechanisch verändert, und für die eine periodisch modulierte Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts durch periodisches Modulieren der optischen Energie der TAG-Linse gesteuert wird.
System nach Anspruch 2, wobei der definierte Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, die Verwendung der VFL-Linse zum Erfassen eines oder mehrerer Bilder der Werkstückoberfläche umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei der definierte Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, die Verwendung der VFL-Linse zum Erfassen eines Bildstapels umfasst, während die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche ausgerichtet ist, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts entlang der Richtung der optischen Achse entspricht.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen der Autofokushöhen für die mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche das Bestimmen von Fokuskurvendaten für jeden der Bereiche von Interesse mindestens teilweise auf der Grundlage einer Auswertung der Bilder des Bildstapels umfasst, wobei für jeden der mindestens drei Stellen ein Spitzenwert der Fokuskurvendaten für den entsprechenden Bereich von Interesse die entsprechende Autofokushöhe angibt.
System nach Anspruch 1, wobei die Programmanweisungen, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, den einen oder die mehreren Prozessoren zu Folgendem veranlassen: eine Oberflächennormale der Werkstückoberfläche mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen bestimmen; und Einstellungsinformationen bestimmen, um den Einstellungsmechanismus so zu steuern, dass der optische Baugruppenabschnitt zumindest teilweise auf der Grundlage der ermittelten Oberflächennormalen gedreht wird.
System nach Anspruch 1, wobei der definierte Vorgang einen Messvorgang zum Bestimmen einer Dimension eines Merkmals der Werkstückoberfläche umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der definierte Vorgang einen Punkt-aus-Fokus (PFF)-Vorgang umfasst, der Folgendes einschließt: Erfassen eines Bildstapels, der mehrere Bilder einschließt, die jeweils einer Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts entlang einer optischen Abbildungsachse entsprechen, die mit der optischen Achse zusammenfällt, und Bestimmen von Fokuskurvendaten, die zumindest teilweise auf einer Auswertung der Bilder des Bildstapels basieren, wobei die Fokuskurvendaten dreidimensionale Positionen mehrerer Oberflächenpunkte auf der Werkstückoberfläche angeben.
System nach Anspruch 1, wobei der definierte Vorgang einen Bearbeitungsvorgang umfasst, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, wobei eine Bearbeitungsachse des Bearbeitungsvorgangs mindestens entweder nominell mit der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts zusammenfällt oder nominell parallel zu dieser verläuft.
System nach Anspruch 1, wobei der Einstellungsmechanismus einen Drehmechanismus und einen Z-Achsen-Bewegungsmechanismus umfasst, wobei der Z-Achsen-Bewegungsmechanismus gekoppelt ist, um den optischen Baugruppenabschnitt entlang einer Z-Achsen-Richtung zu bewegen, und der Drehmechanismus zwischen dem Z-Achsen-Bewegungsmechanismus und dem optischen Baugruppenabschnitt gekoppelt ist und so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt relativ zu der Werkstückoberfläche dreht, um eine winkelmäßige Orientierung der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts relativ zu der Werkstückoberfläche zu ändern.
System nach Anspruch 11, das in einem präzisen maschinellen Sichtprüfungssystem ausgeführt ist, wobei der Einstellungsmechanismus einen Drehtisch umfasst, der den Drehmechanismus einschließt und der zwischen dem Bewegungsmechanismus der Z-Achse und dem optischen Baugruppenabschnitt gekoppelt ist.
System nach Anspruch 1, das in einem Koordinatenmessmaschinensystem verkörpert ist, wobei der Einstellungsmechanismus Folgendes einschließt: einen x-Achsen-Schiebemechanismus, einen y-Achsen-Schiebemechanismus und einen z-Achsen-Schiebemechanismus, die so konfiguriert sind, dass sie den optischen Baugruppenabschnitt in zueinander orthogonalen x-Achsen-, y-Achsen- bzw. z-Achsen-Richtungen in einem Maschinenkoordinatensystem bewegen, und einen Drehmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt relativ zu der Werkstückoberfläche dreht.
System nach Anspruch 1, das in einem Robotersystem ausgeführt ist, wobei der Einstellungsmechanismus einen Roboterarm mit mindestens drei Freiheitsgraden zum Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Messsystems, das einen optischen Baugruppenabschnitt einschließt, wobei der optische Baugruppenabschnitt Folgendes umfasst: eine Lichtquelle; eine Objektivlinse, die Abbildungslicht, das von einer Oberfläche eines Werkstücks stammt, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, aufnimmt und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt, wobei die Objektivlinse eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts definiert, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt; und eine Kamera, die Abbildungslicht empfängt, das entlang des optischen Abbildungspfads übertragen wird, und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt; wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts zur Positionierung einer Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts; Erfassen eines Bildstapels der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Autofokushöhe entspricht; Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse des Bildstapels; zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen, Bestimmen von Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; Verwenden der Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten, und zum Einstellen eines Abstands zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche; und Ausführen eines bestimmten Vorgangs an der Werkstückoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei: der optische Baugruppenabschnitt ferner eine abstimmbare akustische Gradientenlinse (TAG) umfasst, die in den optischen Abbildungspfad eingeschlossen ist, wobei die Objektivlinse das Abbildungslicht entlang des optischen Abbildungspfades durch die TAG-Linse überträgt und die Kamera das von der TAG-Linse entlang des optischen Abbildungspfades übertragene Abbildungslicht empfängt; und das Verfahren ferner die periodische Modulation einer optischen Energie der TAG-Linse umfasst, um eine periodisch modulierte Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der definierte Vorgang, der auf der Werkstückoberfläche ausgeführt wird, die Verwendung der TAG-Linse zum Erfassen eines oder mehrerer Bilder umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Bestimmen einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche mindestens teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen umfasst, wobei die Einstellungsinformationen mindestens teilweise auf der Grundlage der bestimmten Oberflächennormalen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der definierte Vorgang einen Messvorgang zum Bestimmen einer Dimension eines Merkmals der Werkstückoberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der definierte Vorgang einen Punkt-aus-Fokus (PFF)-Vorgang umfasst, der Folgendes einschließt: Erfassen eines Bildstapels, der mehrere Bilder einschließt, die jeweils einer Fokusposition des optischen Baugruppenabschnitts entlang einer optischen Abbildungsachse entsprechen, die mit der optischen Achse zusammenfällt, und Bestimmen von Fokuskurvendaten, die zumindest teilweise auf einer Auswertung der Bilder des Bildstapels basieren, wobei die Fokuskurvendaten dreidimensionale Positionen mehrerer Oberflächenpunkte auf der Werkstückoberfläche angeben.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Werkstückoberfläche eine erste Werkstückoberfläche des Werkstücks ist und das Verfahren ferner, nachdem der erste definierte Vorgang an der ersten Werkstückoberfläche ausgeführt wurde, Folgendes umfasst: Bewegen des optischen Baugruppenabschnitts zur Positionierung einer zweiten Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts; Erfassen eines Bildstapels der zweiten Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der zweiten Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer unterschiedlichen Autofokushöhe entspricht; Bestimmen einer Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der zweiten Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Bereichen von Interesse des Bildstapels; zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen, Bestimmen von Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts relativ zu der zweiten Werkstückoberfläche, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der zweiten Werkstückoberfläche auszurichten und um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der zweiten Werkstückoberfläche einzustellen; Verwenden der Einstellungsinformationen zum Drehen des optischen Baugruppenabschnitts, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Oberfläche des zweiten Werkstücks auszurichten, und zum Einstellen eines Abstands zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Oberfläche des zweiten Werkstücks; und Ausführen eines bestimmten Vorgangs an der Oberfläche des zweiten Werkstücks.
Messsystem, das Folgendes umfasst: einen optischen Baugruppenabschnitt, der Folgendes umfasst: eine Linse mit variabler Brennweite (VFL); eine Lichtquelle; eine Objektivlinse, die Abbildungslicht, das von einer Oberfläche eines Werkstücks stammt, das von der Lichtquelle beleuchtet wird, eingibt und das Abbildungslicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt, der durch die VFL-Linse verläuft, wobei die Objektivlinse eine optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts definiert, die sich mindestens zwischen der Objektivlinse und der Werkstückoberfläche erstreckt; und eine Kamera, die Abbildungslicht empfängt, das von der VFL-Linse entlang des optischen Abbildungspfads übertragen wird, und Bilder der Werkstückoberfläche bereitstellt; einen Z-Achsen-Bewegungsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche verändert; einen Drehmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche dreht, um eine winkelmäßige Orientierung der optischen Achse des optischen Baugruppenabschnitts relativ zur Werkstückoberfläche zu ändern; einen oder mehrere Prozessoren; und einen Speicher, der mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt ist und Programmanweisungen speichert, die, wenn sie von dem einen oder den mehreren Prozessoren ausgeführt werden, dazu führen, dass der eine oder die mehreren Prozessoren mindestens Folgendes ausführen: mindestens einen der Mechanismen für die Bewegung der Z-Achse oder den Rotationsmechanismus steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt zu bewegen, um eine Werkstückoberfläche innerhalb eines fokalen Z-Autofokusbereichs des optischen Baugruppenabschnitts zu positionieren; einen Bildstapel der Werkstückoberfläche innerhalb des fokalen Z-Autofokusbereichs unter Verwendung des optischen Baugruppenabschnitts erfassen, wobei der Bildstapel mehrere Bilder der Werkstückoberfläche umfasst und jedes Bild des Bildstapels einer anderen Autofokushöhe entspricht; eine Autofokushöhe für mindestens drei Stellen der Werkstückoberfläche auf der Grundlage von mindestens drei entsprechenden Regionen von Interesse des Bildstapels bestimmen; zumindest teilweise auf der Grundlage der Autofokushöhen an den mindestens drei Stellen den Rotationsmechanismus steuern, um den optischen Baugruppenabschnitt relativ zur Werkstückoberfläche zu drehen, um die optische Achse des optischen Baugruppenabschnitts nominell mit einer Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche auszurichten, und den Bewegungsmechanismus der Z-Achse steuern, um einen Abstand zwischen dem optischen Baugruppenabschnitt und der Werkstückoberfläche einzustellen; und einen definierten Vorgang auf der Werkstückoberfläche auszuführen.
System nach Anspruch 22, wobei die VFL-Linse eine abstimmbare akustische Gradientenlinse (TAG) ist, für die eine periodisch modulierte Position des Fokus des optischen Baugruppenabschnitts durch periodische Modulation der optischen Energie der TAG-Linse gesteuert wird.