DE102021127795A1 - Metrologiesystem mit projiziertem muster für prozesse vom points-from-focus-typ - Google Patents

Metrologiesystem mit projiziertem muster für prozesse vom points-from-focus-typ Download PDF

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Shannon Roy Campbell
Lukasz REDLARSKI
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Mitutoyo Corp
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Abstract

Es wird ein Metrologiesystem bereitgestellt, das ein projiziertes Muster für Prozesse vom Point-from-Focus-Typ enthält. Das Metrologiesystem schließt einen Objektivlinsenabschnitt, eine Lichtquelle, einen Musterprojektionsabschnitt und eine Kamera ein. In dem System können unterschiedliche Linsen (z. B. Objektivlinsen) mit unterschiedlichen Vergrößerungen und Grenzfrequenzen verwendet werden. Der Musterprojektionsabschnitt enthält eine Musterkomponente mit einem Muster. Mindestens ein Großteil der Fläche des Musters enthält Musterabschnitte, die sich nicht in regelmäßigen Abständen über das Muster wiederholen (z. B. entsprechend einem diversen Spektrum räumlicher Frequenzen, die ein relativ flaches Leistungsspektrum über einen gewünschten Bereich ergeben und bei denen verschiedene Linsen mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen verwendet werden können). Das Muster wird auf eine Werkstückoberfläche projiziert (z. B. zur Kontrasterzeugung) und es wird ein Bildstapel erfasst, aus dem Fokuskurvendaten bestimmt werden, die dreidimensionale Positionen von Werkstückoberflächenpunkten angeben.

Description

  • HINTERGRUND
  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung betrifft Präzisionsmesstechnik unter Verwendung einer berührungslosen Werkstückoberflächenmessung (z. B. in einem Maschinensichtinspektionssystem (Machine Vision Inspection System)) und insbesondere Prozesse zum Bestimmen von Z-Höhen von Punkten auf einer Werkstückoberfläche.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Berührungslose Präzisionsmetrologiesysteme wie Präzisions-Maschinensichtinspektionssysteme (oder kurz „Sichtsysteme“) können verwendet werden, um genaue Dimensionsmessungen von Objekten zu erhalten und verschiedene andere Objekteigenschaften zu überprüfen, und können einen Computer, eine Kamera und ein optisches System einschließen, sowie einen Präzisionstisch, der sich bewegt, um Werkstückdurchlauf und -inspektion zu ermöglichen. Ein beispielhaftes System nach dem Stand der Technik ist die QUICK VISION®-Serie von PC-basierten Sichtsystemen und QVPAK®-Software, die von der Mitutoyo America Corporation (MAC) in Aurora, Illinois, erhältlich sind. 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-Bildverarbeitungsmessgeräte vom Januar 2003 beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Diese Art von System verwendet ein optisches System vom Mikroskoptyp und bewegt den Tisch, um Inspektionsbilder von kleinen oder relativ großen Werkstücken bereitzustellen.
  • Universelle Maschinensichtinspektionssysteme sind im Allgemeinen programmierbar, um eine automatisierte Videoinspektion bereitzustellen. Solche Systeme schließen typischerweise GUI-Merkmale und vordefinierte Bildanalyse-„Videowerkzeuge“ ein, so dass Bedienung und Programmierung von „unerfahrenen“ Bedienern durchgeführt werden können. Zum Beispiel lehrt das US-Patent Nr. 6,542,180 , das hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist, ein Sichtsystem, das automatisierte Videoinspektion einschließlich der Verwendung verschiedener Videowerkzeuge verwendet.
  • In solchen Systemen werden oft Genauigkeiten im Mikrometer- oder Submikrometerbereich gewünscht. Dies stellt insbesondere bei Z-Höhenmessungen eine Herausforderung dar. Z-Höhenmessungen (entlang der optischen Achse des Kamerasystems) werden im Allgemeinen von einer „besten Fokusposition“ abgeleitet, wie sie beispielsweise von einem Autofokuswerkzeug bestimmt wird. Das Bestimmen einer besten Fokusposition ist ein relativ komplexer Prozess, der im Allgemeinen vom Kombinieren und/oder Vergleichen von Informationen abhängig ist, die von mehreren Bildern abgeleitet wurden. Daher ist der Grad an Genauigkeit und Zuverlässigkeit, der bei Z-Höhenmessungen erreicht wird, oft geringer als der bei den X- und Y-Messachsen erreichte, wobei Messungen typischerweise auf Merkmalsbeziehungen innerhalb eines einzelnen Bildes basieren. Es wären Techniken wünschenswert, die die für Z-Höhenmessungen für Punkte auf einer Werkstückoberfläche erreichte Genauigkeit, Präzision und/oder Zuverlässigkeit verbessern oder anderweitig erhöhen können.
  • 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.
  • Es wird ein Metrologiesystem bereitgestellt, das einen Objektivlinsenabschnitt, eine Lichtquelle, einen Musterprojektionsabschnitt, eine Kamera, einen oder mehrere Prozessoren und einen Speicher einschließt. Der Objektivlinsenabschnitt schließt eine Objektivlinse ein, die aus einem Satz von Objektivlinsen ausgewählt ist, wobei jede der Objektivlinsen in dem Satz eine unterschiedliche Vergrößerung und eine Grenzfrequenz aufweist, und ein Vergrößerungszustand des Metrologiesystems dazu konfiguriert ist, durch Ändern der im Objektivlinsenabschnitt enthaltenen Objektivlinse geändert zu werden. Der Musterprojektionsabschnitt schließt eine Musterkomponente mit einem Muster ein, wobei mindestens ein Großteil der Fläche des Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen, und wobei Licht von der Lichtquelle dazu konfiguriert ist, in Richtung des Musters übertragen zu werden, um Musterlicht zu bilden, das durch die Objektivlinse übertragen wird, um ein projiziertes Muster auf einer Werkstückoberfläche zu bilden, und bei dem die Objektivlinse dazu konfiguriert ist, dass sie Bildlicht, das von der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters stammt, eingibt und das Bildlicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt. Die Kamera ist dazu konfiguriert, entlang des optischen Abbildungspfads übertragenes Bildlicht zu empfangen und Bilder der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters bereitzustellen. Der Speicher ist mit dem einen oder den mehreren Prozessoren gekoppelt und speichert Programmanweisungen, die bei Ausführung durch den einen oder die mehreren Prozessoren den einen oder die mehreren Prozessoren veranlassen, mindestens: die Lichtquelle zu steuern, um Licht in Richtung des Musters zu übertragen, um das projizierte Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden; die Kamera zu verwenden, um einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht; und Fokuskurvendaten zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels zu bestimmen, wobei die Fokuskurvendaten dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche angeben.
  • Gemäß einem anderen Aspekt entspricht die Vielzahl von Musterabschnitten des Musters räumlichen Frequenzen, die unter der höchsten Grenzfrequenz der Objektivlinsen in dem Satz von Objektivlinsen liegen. Gemäß einem anderen Aspekt umfasst der Satz von Objektivlinsen eine Linse mit der niedrigsten Vergrößerung, die einer niedrigsten Vergrößerung des Satzes entspricht, eine Linse mit der höchsten Vergrößerung, die einer höchsten Vergrößerung des Satzes entspricht, und eine Vielzahl von Linsen mit Zwischenvergrößerung, die jeweils einer jeweilige Zwischenvergrößerung entsprechen, die jeweils zwischen der niedrigsten und höchsten Vergrößerung liegen und bei denen die höchste Vergrößerung mindestens das 10-fache der niedrigsten Vergrößerung beträgt. In verschiedenen Implementierungen entsprechen mindestens einige der Obj ektivlinsen des Satzes von Obj ektivlinsen jeweils jeweiligen Vergrößerungen von mindestens einem von 0,5x, 1x, 2x, 2,5x, 5x, 10x, 20x, 25x, 50x oder 100x.
  • Gemäß einem anderen Aspekt schließt das System ferner einen Revolver mit einer Vielzahl von Revolverlinsen ein, wobei jede Revolverlinse einer anderen Vergrößerung entspricht, und der Revolver ist dazu konfiguriert, eine der Revolverlinsen in dem optischen Abbildungspfad zu positionieren. In verschiedenen Implementierungen kann der Revolver mindestens eine erste, eine zweite und eine dritte Revolverlinse aufweisen, wobei die zweite Revolverlinse einer Vergrößerung entspricht, die mindestens das 2-fache der Vergrößerung der ersten Revolverlinse beträgt, und die dritte Revolverlinse einer Vergrößerung entspricht, die mindestens das 4-fache der Vergrößerung der ersten Revolverlinse beträgt und der Revolver so konfiguriert ist, dass er eine der Revolverlinsen in dem optischen Abbildungspfad positioniert.
  • Gemäß einem anderen Aspekt entspricht jeder der Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche einem Bereich von Interesse in jedem der Bilder des Bildstapels und das Bestimmen der Fokuskurvendaten umfasst das Bestimmen von Fokuskurvendaten für jeden der Bereiche von Interesse zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels, wobei für jeden der Oberflächenpunkte ein Peak der Fokuskurvendaten für den entsprechenden Bereich von Interesse eine entsprechende Z-Höhe des Oberflächenpunkts angibt und für den der Peak zumindest teilweise aus dem Kontrast resultiert, der durch Musterabschnitte des projizierten Musters bereitgestellt wird.
  • Gemäß einem anderen Aspekt umfassen die Musterabschnitte dunklere Musterabschnitte und hellere Musterabschnitte. In verschiedenen Implementierungen sind das Gesamtflächenausmaß des Musters entsprechend den dunkleren Musterabschnitten und das Gesamtflächenausmaß des Musters entsprechend den helleren Musterabschnitten nominell gleich (z. B. mit einem Verhältnis von ungefähr 50/50 des Musters). In verschiedenen Implementierungen entsprechen die helleren Musterabschnitte Abständen zwischen den dunkleren Musterabschnitten. In verschiedenen Implementierungen wird das Muster auf der Musterkomponente mit einem Chrommaskenprozess gebildet.
  • In verschiedenen Implementierungen umfassen die Musterabschnitte Musterabschnitte, die unterschiedliche Größen aufweisen. In verschiedenen Implementierungen umfassen die Musterabschnitte unterschiedlicher Größe mindestens Musterabschnitte erster, zweiter, dritter und vierter Größe, wobei die Musterabschnitte zweiter, dritter und vierter Größe jeweils eine Dimension (z. B. eine Länge) aufweisen, die mindestens zwei-, drei- bzw. viermal so groß wie eine entsprechende Dimension des Musterabschnitts der ersten Größe ist. In verschiedenen Implementierungen umfassen die Musterabschnitte unterschiedlicher Größe ferner mindestens Musterabschnitte der fünften, sechsten, siebten und achten Größe, wobei die Musterabschnitte der fünften, sechsten, siebten und achten Größe jeweils eine Dimension aufweisen, die mindestens fünf-, sechs-, sieben- bzw. achtmal so groß wie eine entsprechende Dimension des Musterabschnitts der ersten Größe ist.
  • Bei verschiedenen Implementierungen beträgt ein größter Musterabschnitt der Vielzahl von Musterabschnitten weniger als das Zwanzigfache der Größe eines kleinsten Musterabschnitts der Vielzahl von Musterabschnitten. In verschiedenen Implementierungen ist ein Musterabschnitt der ersten Größe ein kleinster Musterabschnitt der Vielzahl von Musterabschnitten und weist eine Fläche auf, die mindestens 2 Mikrometer mal 2 Mikrometer und höchstens 20 Mikrometer mal 20 Mikrometer beträgt. In verschiedenen Implementierungen umfasst die Kamera ein Pixelarray, bei dem die Pixel jeweils eine Fläche aufweisen, die mindestens 2 Mikrometer mal 2 Mikrometer beträgt und höchstens 20 Mikrometer mal 20 Mikrometer beträgt.
  • In verschiedenen Implementierungen befinden sich benachbarte dunklere und hellere Musterabschnitte der Vielzahl von Musterabschnitten in Sequenzen, die sich nicht in regelmäßigen benachbarten Intervallen über das Muster entweder in x-Achsen- oder y-Achsen-Richtung des Musters wiederholen. In verschiedenen Implementierungen kann das Muster Reihen und Spalten von Musterelementen einschließen (wobei sich z. B. die Reihen und Spalten in der x-Achsen- bzw. y-Achsen-Richtung erstrecken können). In verschiedenen Implementierungen kann jeder der dunkleren Musterabschnitte aus einem oder mehreren dunkleren Musterelementen bestehen (z. B. jeweils in einer entsprechenden Reihe und Spalte des Musters enthalten sein). In ähnlicher Weise kann jeder der helleren Musterabschnitte (der z. B. Abständen zwischen den dunkleren Musterabschnitten entsprechen kann) aus einem oder mehreren helleren Musterelementen bestehen (z. B. jeweils in einer entsprechenden Reihe und Spalte des Musters enthalten sein). In verschiedenen Implementierungen umfasst mindestens ein Großteil der Fläche des Musters mindestens eine von Reihen oder Spalten des Musters, die eine Vielzahl von Musterabschnitten einschließen, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über die jeweiligen Reihen oder Spalten des Musters wiederholen. In verschiedenen Implementierungen kann für mindestens einen Großteil der Reihen oder Spalten des Musters jede Reihe oder Spalte ganz oder teilweise einzigartig sein, da sie eine einzigartige Abfolge von dunkleren und helleren Musterabschnitten (z. B. mit entsprechenden Größen) enthält, die sich entweder über die Gesamtheit oder einen Teil der jeweiligen Reihe oder Spalte erstreckt (und die sich z. B. in anderen Reihen oder Spalten des Musters nicht wiederholt).
  • Gemäß einem anderen Aspekt schließt der Musterprojektionsabschnitt ferner einen Musterpositionierungsabschnitt ein, der dazu konfiguriert ist, dass er gesteuert wird, um die Musterkomponente in einem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse zu positionieren.
  • Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Metrologiesystems bereitgestellt. Das Verfahren schließt das Steuern der Lichtquelle ein, um Licht in Richtung des Musters zu übertragen, das in dem optischen Pfad mit der Objektivlinse enthalten ist, um ein projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden, wobei mindestens ein Großteil der Fläche des projizierten Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen. Die Kamera wird verwendet, um einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht.
  • Fokuskurvendaten werden zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels bestimmt. Die Fokuskurvendaten werden verwendet, um dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen. In verschiedenen Implementierungen entspricht die Vielzahl der Musterabschnitte des projizierten Musters räumlichen Frequenzen, die unter der höchsten Grenzfrequenz der Objektivlinsen in dem Satz von Objektivlinsen liegen. Gemäß einem anderen Aspekt schließt das Verfahren ferner das Steuern des Musterpositionierungsabschnitts ein, um die Musterkomponente in dem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse zu positionieren.
  • In verschiedenen Implementierungen ist die in dem Objektivlinsenabschnitt enthaltene Objektivlinse eine erste Objektivlinse, die eine erste Grenzfrequenz aufweist, und das projizierte Muster ist ein erstes projiziertes Muster, das zumindest teilweise durch die erste Grenzfrequenz gefiltert wird, und die Vielzahl von Musterabschnitten ist eine erste Vielzahl von Musterabschnitten, und das Verfahren schließt ferner das Ändern des Vergrößerungszustands des Metrologiesystems durch Ändern der in dem Objektivlinsenabschnitt enthaltenen Objektivlinse in eine zweite Objektivlinse ein, die eine zweite Grenzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Grenzfrequenz unterscheidet. Die Lichtquelle wird gesteuert, um Licht in Richtung des Musters zu übertragen, das in dem optischen Pfad mit der zweiten Objektivlinse enthalten ist, um ein zweites projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden, wobei das zweite projizierte Muster zumindest teilweise durch die zweite Grenzfrequenz gefiltert wird, und zumindest ein Großteil der Fläche des zweiten projizierten Musters eine zweite Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen, und für die sich die zweite Vielzahl von Musterabschnitten von der ersten Vielzahl von Musterabschnitten aufgrund der unterschiedlichen Filterung durch die erste und die zweite Grenzfrequenz zumindest teilweise unterscheidet. Die Kamera wird verwendet, um einen zweiten Bildstapel zu erfassen, der eine zweite Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem zweiten projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des zweiten Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht. Zweite Fokuskurvendaten werden zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des zweiten Bildstapels bestimmt. Die zweiten Fokuskurvendaten werden verwendet, um dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen.
  • In verschiedenen Implementierungen wird ein Musterprojektionsabschnitt zur Verwendung mit einem Metrologiesystem bereitgestellt und schließt eine Musterkomponente und einen Musterpositionierungsabschnitt ein. Die Musterkomponente schließt ein Muster ein, wobei mindestens ein Großteil der Fläche des Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen. Der Musterpositionierungsabschnitt ist dazu konfiguriert, die Musterkomponente in einem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse zu positionieren. Nachdem die Musterkomponente im optischen Pfad positioniert ist, wird Licht von der Lichtquelle so konfiguriert, dass es in Richtung des Musters übertragen wird, um Musterlicht zu bilden, das durch die Objektivlinse übertragen wird, um ein projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden, und bei dem die Objektivlinse dazu konfiguriert ist, von der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters ausgehendes Bildlicht einzugeben und das Bildlicht entlang des optischen Abbildungspfads zu übertragen, und bei dem die Kamera dazu konfiguriert ist, das entlang des optischen Abbildungspfads übertragene Bildlicht zu empfangen und einen Bildstapel aufzunehmen, umfassend: eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht und bei dem die Bilder so konfiguriert sind, dass sie analysiert werden, um Fokuskurvendaten zu bestimmen, die dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche angeben. In verschiedenen Implementierungen entspricht die Vielzahl von Musterabschnitten des Musters räumlichen Frequenzen, die unter der höchsten Grenzfrequenz der Objektivlinsen in dem Satz von Objektivlinsen liegen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm, das verschiedene typische Komponenten eines universellen Maschinensichtinspektionssystems zeigt;
    • 2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts und eines Sichtkomponentenabschnitts eines Maschinensichtinspektionssystems, das dem von 1 ähnlich ist und einen Musterprojektionsabschnitt enthält;
    • 3 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Implementierung des in 2 gezeigten Musterprojektionsabschnitts enthält;
    • 4A und 4B sind Diagramme, die Kontrastfokuskurven veranschaulichen, wie sie sich aus Eigenschaften eines projizierten Musters in entsprechenden Bereichen von Interesse ergeben können;
    • 5 ist ein Diagramm, das ein Schachbrettmuster und entsprechende Graphen des Leistungsspektrums veranschaulicht;
    • 6 ist ein Diagramm, das einen Teilabschnitt eines fraktalen Musters mit drei Ebenen und entsprechende Graphen des Leistungsspektrums veranschaulicht;
    • 7 ist ein Diagramm, das verschiedene Prinzipien für Musterabschnitte veranschaulicht, die unterschiedlichen räumlichen Wellenlängen entsprechen;
    • 8 ist ein vergrößerter Teilabschnitt eines Musters, das Musterabschnitte enthält, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen;
    • 9 ist ein Diagramm, das ein vollständiges Muster veranschaulicht, das den Musterteilabschnitt von 8 mit Musterabschnitten, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen, und entsprechenden Leistungsspektrums-Graphen einschließt; und
    • 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Metrologiesystems zeigt, das einen Musterprojektionsabschnitt gemäß den hierin offenbarten Prinzipien einschließt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Maschinensichtinspektionssystems 10, das als Metrologiesystem und/oder Bildgebungssystem gemäß den hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden kann. Das Maschinensichtinspektionssystem 10 schließt ein Bildverarbeitungsmessgerät 12 ein, das funktional verbunden ist, um Daten und Steuersignale mit einem steuernden Computersystem 14 auszutauschen. Das steuernde Computersystem 14 ist ferner funktional verbunden, 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. Es versteht sich, dass in verschiedenen Implementierungen ein Touchscreen-Tablet und/oder andere Computerelemente oder dergleichen eines oder alle der Elemente 14, 16, 22, 24 und 26 ersetzen und/oder deren Funktionen redundant bereitstellen können.
  • Fachleute werden erkennen, dass das steuernde Computersystem 14 im Allgemeinen unter Verwendung eines geeigneten Computersystems oder eines geeigneten Geräts einschließlich verteilter oder vernetzter Computerumgebungen und dergleichen implementiert werden kann. Derartige Computersysteme oder -geräte können einen oder mehrere universelle oder Spezialprozessoren (z. B. nicht benutzerdefinierte oder benutzerdefinierte Geräte) einschließen, die Software ausführen, um die hierin beschriebenen Funktionen durchzuführen. 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. Software kann auch auf einem oder mehreren Speichergeräten wie optischen Datenträgern, Flash-Speichergeräten oder einem anderen nichtflüchtigen Speichermedium zum Speichern von Daten gespeichert werden. 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 Computerumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule kombiniert oder auf mehrere Computersysteme oder Geräte verteilt werden und es kann über Serviceabrufe entweder in einer drahtgebundenen oder einer drahtlosen Konfiguration darauf zugegriffen werden.
  • Das Bildverarbeitungsmessgerät 12 enthält einen beweglichen Werkstücktisch 32 und ein optisches Bildgebungssystem 34, das eine Zoomlinse oder austauschbare Objektivlinsen enthalten kann. Die Zoomlinse oder die austauschbaren Objektivlinsen stellen im Allgemeinen verschiedene Vergrößerungen für die Bilder bereit, die von dem optischen Bildgebungssystem 34 bereitgestellt werden. Verschiedene Implementierungen des Maschinensichtinspektionssystems 10 sind auch in den US-Patenten Nr. 7,454,053 ; 7,324,682 ; 8,111,905 ; und 8,111,938 beschrieben, die hiermit jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen werden.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts 120 und eines Sichtbauteilabschnitts 200 eines Maschinensichtinspektionssystems 100 (d. h. einem Typ von Metrologiesystem), das dem Maschinensichtinspektionssystem von 1 ähnlich ist und bestimmte hierin offenbarte Merkmale enthält. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird der Steuersystemabschnitt 120 verwendet, um den Sichtkomponentenabschnitt 200 und einen Musterprojektionsabschnitt 300 zu steuern. Der Steuersystemabschnitt 120 kann dazu ausgelegt werden, Daten und Steuersignale sowohl mit dem Sichtkomponentenabschnitt 200 als auch mit dem Musterprojektionsabschnitt 300 auszutauschen. Der Sichtkomponentenabschnitt 200 enthält einen optischen Baugruppenabschnitt 205, Lichtquellen 220, 230, 240 und einen Werkstücktisch 210 mit einem zentralen transparenten Abschnitt 212. Der Werkstücktisch 210 ist steuerbar entlang der x- und der y-Achse beweglich, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen parallel zur Oberfläche des Tisches liegt, auf der ein Werkstück 20 positioniert sein kann.
  • Der optische Baugruppenabschnitt 205 enthält ein Kamerasystem 260 und eine austauschbare Objektivlinse 250, die in einem Objektivlinsenabschnitt 245 enthalten ist. In einigen Implementierungen kann der optische Baugruppenabschnitt 205 optional eine Linse 270 mit variabler Brennweite (Variable Focal Length - VFL) enthalten, z. B. einen abstimmbaren akustischen Gradienten (Tunable Acoustic Gradient - TAG), wie er in dem US-Patent Nr. 9,143,674 offenbart ist, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • In verschiedenen Implementierungen kann der optische Baugruppenabschnitt 205 ferner eine Revolverlinsenbaugruppe 280 mit Linsen 286 und 288 enthalten. Als Alternative zur Revolverlinsenbaugruppe können in verschiedenen Implementierungen eine feste oder manuell austauschbare Vergrößerungsänderungslinse oder eine Zoomlinsenkonfiguration oder dergleichen enthalten sein. In verschiedenen Implementierungen kann die austauschbare Objektivlinse 250 in dem Objektivlinsenabschnitt 245 aus einem Satz von Objektivlinsen mit fester Vergrößerung ausgewählt sein, die als Teil des Linsenabschnitts mit variabler Vergrößerung enthalten sind (z. B. aus einem Satz von Objektivlinsen, die Vergrößerungen wie 0,5x, 1x, 2x oder 2,5x, 5x, 10x, 20x oder 25x, 50x, 100x usw. entsprechen und für die jede Objektivlinse eine Grenzfrequenz aufweist).
  • Der optische Baugruppenabschnitt 205 ist steuerbar entlang einer z-Achse beweglich, die im Allgemeinen orthogonal zu der x- und der y-Achse ist, indem ein steuerbarer Motor 294 verwendet wird, der einen Aktuator antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der z-Achse zu bewegen, um den Fokus des Bildes des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 mit einer Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle 130 verbunden, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, um den Fokus des Bildes zu ändern (z. B. um die Fokusposition der Objektivlinse 250 relativ zum Werkstück 20 zu ändern). Das Werkstück 20 kann auf dem Werkstücktisch 210 angeordnet sein. Der Werkstücktisch 210 kann so gesteuert werden, dass er sich relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 bewegt, sodass sich das Sichtfeld der austauschbaren Objektivlinse 250 zwischen Stellen auf dem Werkstück 20 und/oder zwischen einer Vielzahl von Werkstücken 20 bewegt.
  • Eine Tischlichtquelle 220, eine koaxiale Lichtquelle 230 und/oder eine Oberflächenlichtquelle 240 (z. B. ein Ringlicht) können das Quellenlicht 222, 232 bzw. 242 emittieren, um das Werkstück oder die Werkstücke 20 zu beleuchten. Beispielsweise kann während einer Bildbelichtung die koaxiale Lichtquelle 230 das Quellenlicht 232 entlang eines Pfads mit einem Strahlteiler 290 (z. B. einem Teilspiegel) emittieren. Das Quellenlicht 232 wird vom Werkstück 20 als Bildlicht 255 reflektiert oder übertragen, und das zum Abbilden verwendete Bildlicht tritt durch die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280 hindurch und wird von dem Kamerasystem 260 gesammelt. Eine Werkstückbildbelichtung, die das Bild des Werkstücks (der Werkstücke) 20 enthält, wird von dem Kamerasystem 260 aufgenommen und auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 ausgegeben.
  • Verschiedene Lichtquellen (z. B. die Lichtquellen 220, 230, 240) können über zugeordnete Signalleitungen (z. B. die Busse 221, 231 bzw. 241) mit einer Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 des Steuersystemabschnitts 120 verbunden sein. Der Steuersystemabschnitt 120 kann die Revolverlinsenbaugruppe 280 steuern, um sich entlang der Achse 284 zu drehen, um eine Revolverlinse (die z. B. eine Vergrößerung von 1x, 2x, 4x oder 6x usw. aufweist) durch eine Signalleitung oder einen Bus 281 auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.
  • Wie in 2 gezeigt, enthält der Steuersystemabschnitt 120 in verschiedenen beispielhaften Implementierungen eine Steuerung 125, die Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle 130, einen Speicher 140, einen Werkstückprogrammgenerator und ein -ausführungsprogramm 170 und einen Stromversorgungsabschnitt 190. 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 Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle 130 enthält eine Bildgebungssteuerungsschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerungsschnittstelle 132, eine Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 und die Linsensteuerungsschnittstelle 134.
  • Die Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 kann die Beleuchtungssteuerungselemente 133a-133n enthalten, die beispielsweise die Auswahl, Leistung und den Ein/Aus-Schalter für die verschiedenen entsprechenden Lichtquellen des Maschinensichtinspektionssystems 100 steuern. Die Beleuchtungssteuerungsschnittstelle 133 schließt auch einen Musterprojektionssteuerabschnitt 133pp ein, der in der veranschaulichten Implementierung in Verbindung mit dem Musterprojektionsabschnitt 300 arbeitet, um ein projiziertes Muster während Bilderfassungen bereitzustellen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Kurz gesagt ist der Musterproj ektionsabschnitt 300 steuerbar, um ein Muster in den Pfad des Quellenlichts 232 hinein oder aus diesem heraus zu bewegen. Wenn das Muster nicht im Pfad des Quellenlichts 232 positioniert ist, bewegt sich das Quellenlicht 232 wie vorstehend beschrieben, um von der Oberfläche des Werkstücks 20 als Bildlicht 255 zu reflektieren. Wenn das Muster im Pfad des Quellenlichts 232 positioniert ist, wird das Quellenlicht 232 von dem Muster übertragen oder reflektiert, um zu Musterlicht 232' zu werden, das von dem Strahlteiler 290 reflektiert wird, um durch die Objektivlinse 250 gerichtet zu werden, um das projizierte Muster auf der Oberfläche des Werkstücks 20 zu bilden. Das reflektierte Bildlicht 255' (d. h. einschließlich des projizierten Musters) von der Oberfläche des Werkstücks 20 tritt durch die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280 hindurch und wird von dem Kamerasystem 260 gesammelt. Eine Werkstückbildbelichtung, die das Bild des Werkstücks bzw. der Werkstücke 20 mit dem projizierten Muster enthält, wird von dem Kamerasystem 260 (z. B. einschließlich eines Pixelarrays des Kamerasystems 260) aufgenommen und auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 ausgegeben, und wird weiter verarbeitet, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
  • Der Speicher 140 kann einen Bilddateispeicherabschnitt 141, einen Werkstückprogrammspeicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teileprogramme oder dergleichen enthalten kann, und einen Videowerkzeugabschnitt 143 enthalten. Der Videowerkzeugabschnitt 143 enthält den Videowerkzeugabschnitt 143a und andere Videowerkzeugabschnitte (z. B. 143n), die die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für jedes der entsprechenden Videowerkzeuge bestimmen, und einen Generator für den Bereich von Interesse (Region Of Interest - ROI) 143roi, der automatische, halbautomatische und/oder manuelle Vorgänge unterstützt, die verschiedene ROIs definieren, die in verschiedenen Videowerkzeugen ausgeführt werden können, die im Videowerkzeugabschnitt 143 enthalten sind. Beispiele für den Betrieb dieser Videowerkzeuge zum Lokalisieren von Kantenmerkmalen und zum Durchführen anderer Inspektionsvorgänge von Werkstückmerkmalen sind in bestimmten der zuvor eingeschlossenen Referenzen sowie in dem US-Patent Nr. 7,627,162 ausführlicher beschrieben, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Der Videowerkzeugabschnitt 143 enthält auch ein Autofokusvideowerkzeug 143af, das die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für Fokushöhenmessvorgänge bestimmt. In verschiedenen Implementierungen kann das Autofokusvideowerkzeug 143af zusätzlich ein Hochgeschwindigkeitsfokushöhenwerkzeug enthalten, das dazu verwendet werden kann, Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie dies ausführlicher im US-Patent Nr. 9,143,674 beschrieben ist, das hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird. In verschiedenen Implementierungen kann das Hochgeschwindigkeitsfokushöhenwerkzeug ein spezieller Modus des Autofokusvideowerkzeugs 143af sein, der ansonsten gemäß herkömmlichen Verfahren für Autofokusvideowerkzeuge arbeiten kann, oder die Vorgänge des Autofokusvideowerkzeugs 143af schließen unter Umständen nur diejenigen des Hochgeschwindigkeitsfokushöhenwerkzeugs ein. Die Bestimmung der Hochgeschwindigkeitsautofokus- und/oder -fokusposition für einen oder mehrere Bildbereiche von Interesse kann auf der Analyse des Bildes basieren, um eine entsprechende quantitative Kontrastmetrik für verschiedene Bereiche gemäß bekannten Verfahren zu bestimmen. Beispielsweise sind derartige Verfahren in den US-Patenten Nr. 8,111,905 ; 7,570,795 ; und 7,030,351 beschrieben, von denen jedes hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
  • Im Zusammenhang mit dieser Offenbarung und wie dem Fachmann bekannt ist, bezieht sich der Begriff „Videowerkzeug“ im Allgemeinen auf einen relativ komplexen Satz von automatischen oder programmierten Vorgängen, die ein Maschinensichtbenutzer durch eine relativ einfache Benutzerschnittstelle implementieren kann. Beispielsweise kann ein Videowerkzeug einen komplexen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen und -berechnungen enthalten, die in einer bestimmten Instanz angewendet und eingestellt werden, indem einige Variablen oder Parameter eingestellt werden, die die Vorgänge und Berechnungen steuern. Zusätzlich zu den zugrunde liegenden Vorgängen und Berechnungen umfasst das Videowerkzeug die Benutzeroberfläche, mit der der Benutzer diese Parameter für eine bestimmte Instanz des Videowerkzeugs einstellen kann. Es ist zu beachten, dass die Funktionen der sichtbaren Benutzeroberfläche manchmal als das Videowerkzeug bezeichnet werden, wobei die zugrunde liegenden Vorgänge implizit enthalten sind.
  • Ein oder mehrere Anzeigegeräte 136 (z. B. die Anzeige 16 aus 1) und ein oder mehrere Eingabegeräte 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 aus 1) können mit der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 130 verbunden sein. Die Anzeigegeräte 136 und Eingabegeräte 138 können verwendet werden, um eine Benutzerschnittstelle anzuzeigen, die verschiedene Funktionen der grafischen Benutzerschnittstelle (Graphical User Interface, GUI) enthalten kann, die zum Ausführen von Inspektionsvorgängen und/oder zum Herstellen und/oder Ändern von Teileprogrammen, zum Anzeigen der von dem Kamerasystem 260 aufgenommenen Bilder und/oder zum direkten Steuern des Sichtkomponentenabschnitts 200 verwendet werden können.
  • In verschiedenen beispielhaften Implementierungen, wenn ein Benutzer das Maschinensichtinspektionssystem 100 verwendet, um ein Teileprogramm für das Werkstück 20 herzustellen, erzeugt der Benutzer Teileprogrammanweisungen, indem er das Maschinensichtinspektionssystem 100 in einem Lernmodus betreibt, um eine gewünschte Bilderfassungstrainingssequenz bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Trainingssequenz das Positionieren eines bestimmten Werkstückmerkmals eines repräsentativen Werkstücks im Sichtfeld (Field of View - FOV), das Einstellen von Lichtpegeln, das Fokussieren oder Autofokussieren, das Erfassen eines Bildes und das Bereitstellen einer auf das Bild angewendeten Inspektionstrainingssequenz umfassen (z. B. unter Verwendung einer Instanz eines der Videowerkzeuge für dieses Werkstückmerkmal). Der Lernmodus arbeitet so, dass die Sequenz(en) aufgenommen oder aufgezeichnet und in entsprechende Teileprogrammanweisungen konvertiert wird/werden. Wenn das Teileprogramm ausgeführt wird, veranlassen diese Anweisungen das Maschinensichtinspektionssystem, die trainierte Bildaufnahme zu reproduzieren, und veranlassen Inspektionsvorgänge, dieses bestimmte Werkstückmerkmal (das das entsprechende Merkmal an der entsprechenden Stelle ist) in (einem) Betriebsmoduswerkstück oder -werkstücken, die dem repräsentativen Werkstück entsprechen, das beim Herstellen des Teileprogramms verwendet wird, automatisch zu prüfen. In einigen Implementierungen können solche Techniken verwendet werden, um eine Teileprogrammanweisung zum Analysieren eines Referenzobjektbildes herzustellen, um Funktionen und Vorgänge bereitzustellen, die nachstehend ausführlicher beschrieben werden.
  • Der Videowerkzeugabschnitt 143 schließt auch den Z-Höhenmesswerkzeugabschnitt 143z ein, der verschiedene Vorgänge und Merkmale bereitstellt, die sich auf Z-Höhenmessvorgänge beziehen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben. In einer Implementierung kann der Z-Höhenmesswerkzeugabschnitt 143z Z-Höhenwerkzeuge 143zt enthalten. Die Z-Höhenwerkzeuge 143zt können beispielsweise ein Autofokuswerkzeug 143af und ein Mehrpunktautofokuswerkzeug 143maf enthalten. Die Z-Höhenwerkzeuge 143zt können bestimmte Aspekte der Bildstapelerfassung und der damit verbundenen Musterprojektionsvorgänge und -verarbeitung in Verbindung mit den Z-Höhenwerkzeugen regeln, die in einem Modus konfiguriert sind, der die besten Fokushöhen und/oder Z-Höhenmessungen (z. B. als Teil von Vorgängen vom Pointsfrom-Focus-Typ) auf der Basis von weiter unten beschriebenen Techniken bestimmt.
  • Kurz gesagt kann der Z-Höhen-Messwerkzeugabschnitt 143z zumindest einige Vorgänge ähnlich bekannten Z-Höhen-Messwerkzeugen durchführen, zum Beispiel Vorgänge im Lernmodus und im Betriebsmodus zum Erzeugen der Gesamtheit oder von Teilen von Fokuskurven durchführen und Peaks als beste Fokuspositionen finden usw. Es können auch zusätzliche Z-Höhen-Messwerkzeugvorgänge durchgeführt werden, die den hierin offenbarten Prinzipien und Vorgänge entsprechen. Zum Beispiel können in verschiedenen Implementierungen das Autofokuswerkzeug 143af und/oder ein anderes Z-Höhenwerkzeug der Z-Höhenwerkzeuge 143zt ausgewählt und von einem Benutzer verwendet werden, um einen Prozess vom Point-from-Focus(PFF)-Typ auf einer Werkstückoberfläche durchzuführen, einschließlich des Steuerns des Musterprojektionssteuerabschnitts 133pp zum Projizieren eines Musters auf die Werkstückoberfläche und Aufnehmen eines Bildstapels zum Bestimmen dreidimensionaler Positionen (d. h. einschließlich Z-Höhen) einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das einen Abschnitt des Sichtsystemkomponentenabschnitts 200 von 2 zeigt und zusätzliche Details einer beispielhaften Implementierung des Musterprojektionsabschnitts 300 gemäß bestimmten hierin offenbarten Prinzipien enthält. Wie in 3 dargestellt, enthält ein Objektivlinsenabschnitt 245 eine Objektivlinse 250-1, ausgewählt aus einem Satz von Objektivlinsen 248, wobei jede der Objektivlinsen in dem Satz (z. B. Objektivlinsen 250-1, 250-2, 250-3, ... 250-n) eine andere Vergrößerung und räumliche Auflösung, oder anders ausgedrückt, eine Grenzfrequenz aufweist (für die z. B. die verschiedenen Objektivlinsen 250 jeweils eine andere Grenzfrequenz haben können). Ein Vergrößerungszustand des Sichtkomponentenabschnitts 200 (z. B. ein optisches System einschließlich einer Optik) des Metrologiesystems 100 ist dazu konfiguriert, durch Ändern der Objektivlinse 250, die in dem Objektivlinsenabschnitt 245 enthalten ist (die z. B. auch eine entsprechende Grenzfrequenz des Systems entsprechend der ausgewählten Objektivlinse ändern kann), geändert zu werden. In verschiedenen Implementierungen kann der Satz 248 austauschbarer Objektivlinsen 250 (z. B. Objektivlinsen mit fester Vergrößerung) jeweils unterschiedlichen Vergrößerungen (z. B. einschließlich mindestens einiger von 0,5x, 1x, 2x, 2,5x, 5x, 7,5x, 10x, 20x, 25x, 50x, 100x usw.) entsprechen.
  • Der Musterprojektionsabschnitt 300 beinhaltet eine Musterkomponente 302, einen Musterpositionierungsabschnitt 330, einen Drehspiegel 320 und eine Projektionslinse 325. Die Musterkomponente 302 schließt ein Muster 305 (gebildet z. B. aus einem Chrommaskenprozess oder einem anderen Herstellungsverfahren) ein. Wie nachstehend mit Bezug auf 8 und 9 ausführlicher beschrieben wird, kann in verschiedenen Implementierungen mindestens ein Großteil (z. B. 50 % oder mehr) der Fläche des Musters 305 eine Vielzahl von Musterabschnitten umfassen, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen. Im Betrieb können solche Konfigurationen ein breites Spektrum von räumlichen Frequenzen im Leistungsspektrum bereitstellen, was vorteilhaft sein kann, wenn sie mit unterschiedlichen Objektivlinsen 250 des Satzes 248 verwendet werden, die jeweils eine andere Grenzfrequenz aufweisen können. Genauer gesagt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann, selbst wenn ein gewisser Frequenzgehalt durch die Grenzfrequenz einiger der Objektivlinsen gefiltert wird, ein gewisser Bereich niedrigerer Frequenzen immer noch durch diese Objektivlinsen gelangen, um im projizierten Muster vorhanden zu sein und für einen ausreichenden Kontrast zu sorgen, so dass genaue/zuverlässige Fokuskurvendaten erhalten werden können.
  • Der Musterpositionierungsabschnitt 330 beinhaltet einen steuerbaren Motor 332 und einen Satz Rollen 334. Der steuerbare Motor 332 (z. B. durch ein Steuersignal von dem Musterprojektionssteuerabschnitt 133pp oder anderweitig gesteuert) treibt einen Aktuator an, um die Musterkomponente 302 mit dem Muster 305 in den oder aus dem optischen Quellenpfad SOP zwischen der Lichtquelle 230 und der Objektivlinse 250-1 zu bewegen. Im Betrieb wird die Lichtquelle 230 so gesteuert, dass sie Licht durch das Muster 305 überträgt, um das projizierte Muster 305' auf der Werkstückoberfläche des Werkstücks 20 zu bilden, sobald der Musterpositionierungsabschnitt 330 gesteuert wurde, um die Musterkomponente 302 mit dem Muster 305 in den optischen Quellenpfad SOP zu positionieren. Genauer gesagt wird Quellenlicht 232 von der Lichtquelle 230 durch das Muster 305 übertragen, um Musterlicht 232' zu bilden, das entlang des optischen Quellenpfads SOP übertragen wird, der den Drehspiegel 320, die Projektionslinse 325, den Strahlteiler 290 und die Objektivlinse 250-1 einschließt. Insbesondere wird das Musterlicht 232' durch den Drehspiegel 320 reflektiert und tritt durch die Projektionslinse 325 hindurch und wird durch den Strahlteiler 290 reflektiert, um durch die Objektivlinse 250-1 hindurch zu treten, um das projizierte Muster 305' auf der Oberfläche des Werkstücks 20' zu bilden. Die Objektivlinse 250-1 gibt Bildlicht 255' ein, das von der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters 305' ausgeht, und überträgt das Bildlicht 255' entlang eines optischen Abbildungspfads (Imaging Optical Path - IOP) (d. h. der das Bildlicht 255' enthält, das durch den Strahlteiler 290 und eine Linse des Revolvers 280 hindurch tritt, an die Kamera 260). Die Kamera 260 empfängt das Bildlicht 255', das entlang des optischen Abbildungspfads IOP übertragen wird (d. h. das in dem veranschaulichten Beispiel auch einer optischen Achse OA des Sichtkomponentenabschnitts 200 entspricht, entsprechend der optischen Achse der Objektivlinse 250-1) und Bilder der Oberfläche des Werkstücks 20' einschließlich des projizierten Musters bereitstellt. Die Kamera 260 schließt einen Sensor SA ein (z. B. einschließlich eines Pixelarrays, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird).
  • Wie weiter unten in Bezug auf 4A und 4B ausführlicher beschrieben wird, wird die Kamera 260 in verschiedenen Implementierungen (z. B. als Teil eines Prozesses vom Point-from-Focus-Typ) verwendet, um einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht. Fokuskurvendaten (für die z. B. das projizierte Muster zum Kontrast beiträgt) werden zumindest teilweise auf der Grundlage einer Analyse der Bilder des Bildstapels bestimmt, wobei die Fokuskurvendaten dreidimensionale Positionen (z. B. einschließlich Z-Höhen sowie relativer x-Achsen- und y-Achsen-Positionen) einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche angeben.
  • Es versteht sich, dass in dem veranschaulichten System die Musterprojektionsoptik eine Projektions- und Abbildungsoptik einschließt. Im Allgemeinen gibt es in dem Sichtsystemkomponentenabschnitt 200 des Systems 100 mindestens drei verschiedene klare Öffnungen, die die abbildbaren Frequenzen grundsätzlich begrenzen, einschließlich der der Projektionslinse 325, der Objektivlinse 250 und der Linse des Revolvers 280 (z. B. auch als Tubuslinse bezeichnet, wobei es sich um die Linse 286 oder 288 handeln kann, und/oder eine andere Linse, die in dem Revolver 280 enthalten ist). Wie hierin beschrieben, können bei bestimmten Implementierungen gerade die Eigenschaften der verschiedenen Objektivlinsen 250 und die entsprechenden Grenzfrequenzen besonders relevant sein. In einigen Implementierungen kann die Projektionslinse 325 auch eine relevante Grenzfrequenz aufweisen, die in ähnlicher Weise in die relevanten Systembestimmungen (z. B. für die minimale Musterelementgröße usw.) eingeschlossen sein kann, wie hierin erörtert. Es versteht sich, dass in dem System 100 in verschiedenen Implementierungen die Revolverlinsen 280 physisch direkt vor der Kamera 260 angeordnet sein können und sich im optischen Abbildungspfad IOP nach der Objektivlinse 250 befinden und die Frequenzspektren des Abbildungssystems unter Umständen nicht wesentlich ändern, obwohl in anderen Implementierungen die Linsen des Revolvers 280 eine größere Rolle spielen können und bei denen die Eigenschaften (z. B. Grenzfrequenzen usw.) auch in die relevanten Systembestimmungen einbezogen werden können.
  • 4A und 4B sind Diagramme, die die Kontrastfokuskurven 401 und 402 veranschaulichen, wie sie sich aus Eigenschaften eines projizierten Musters in entsprechenden Bereichen von Interesse ergeben können. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien ist es im Allgemeinen wünschenswert, dass ein projiziertes Muster einen ausreichenden Kontrast bereitstellt, so dass der Peak einer Kontrastkurve für alle gewünschten Bereiche von Interesse genau lokalisiert und zuverlässig vom Rauschen unterschieden werden kann. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, können Fokuskurvendaten aus der Analyse eines Bildstapels (z. B. als Teil von Messvorgängen des Point-from-Focus(PFF)-Typs) bestimmt werden, die dreidimensionale Positionen von Oberflächenpunkten auf der Oberfläche des Werkstücks angeben.
  • Die 4A und 4B veranschaulichen, wie ein durch das System 100 erhaltener Bildstapel (z. B. einschließlich des Musterprojektionsabschnitts 300) verwendet werden kann, um die Z-Höhen von Punkten auf einer Werkstückoberfläche zu bestimmen. In verschiedenen Implementierungen wird der Bildstapel durch das System 100 erhalten, das in einem Point-from-Focus(PFF)-Modus (oder einem ähnlichen Modus) arbeitet, um Z-Höhen von Punkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen. Der PFF-Bildstapel kann verarbeitet werden, um eine Z-Höhenkoordinatenkarte (z. B. eine Punktwolke) zu bestimmen oder auszugeben, die einen Satz dreidimensionaler Oberflächenkoordinaten (z. B. entsprechend einer Oberflächenform oder eines Oberflächenprofils des Werkstücks) quantitativ angibt.
  • Bei der Analyse des PFF-Typs, wie hierin beschrieben, entspricht jede der Fokuskurven 401 und 402 (wie in 4A gezeigt) einem einzelnen Punkt auf der Werkstückoberfläche. Das heißt, der Peak jeder Fokuskurve gibt die Z-Höhe des einzelnen Punktes entlang der Richtung der optischen Achse OA des Sichtkomponentenabschnitts 200 des Systems 100 an. In verschiedenen Implementierungen wiederholt die Analyse vom PFF-Typ diesen Prozess für mehrere Oberflächenpunkte (z. B. jeweils mit einem entsprechenden Bereich von Interesse) über die Werkstückoberfläche derart, dass ein Gesamtprofil der Werkstückoberfläche bestimmt werden kann. Im Allgemeinen kann der Prozess für die mehreren Oberflächenpunkte durchgeführt werden, die sich innerhalb eines Sichtfelds befinden (d. h. wie in den Bildern des Bildstapels aufgenommen), wobei für jedes Bild des Bildstapels ein bestimmter ROI(i) einem bestimmten Punkt auf der Werkstückoberfläche entspricht (wobei sich der Punkt z. B. in der Mitte des ROI befindet).
  • Die 4A und 4B sind relativ zueinander entlang der in den Figuren gezeigten Z-Höhenachse ausgerichtet. 4A ist ein repräsentativer Graph 400A, der zwei Beispiele von Anpassungsfokuskurven 401 und 402 veranschaulicht, und 4B ist ein Diagramm eines Bildstapels mit variablem Fokus 400B, der zwei verschiedene Bereiche von Interesse ROI(k) enthält, insbesondere ROI(1) und ROI(2), die den Datenpunkten fm(1,i) und fm(2,i) entsprechen, die den zwei unterschiedlichen Fokuskurven 401 bzw. 402 von 4A entsprechen. Die Bereiche von Interesse ROI(k) sind in einem abgebildeten Oberflächenbereich eines Werkstücks enthalten.
  • Bezüglich des Begriffs „Bereich von Interesse“ ist zu beachten, dass einige „Einzelpunkt“-Autofokuswerkzeuge eine einzelne Z-Höhe entsprechend einem gesamten Bereich von Interesse zurückgeben. Jedoch können bekannte Autofokuswerkzeuge vom „Mehrpunkt“-Typ mehrere Z-Höhen zurückgeben, die einzelnen „Teilbereichen von Interesse“ (z. B. einem Raster von Teilbereichen von Interesse) innerhalb eines durch das Autofokuswerkzeug vom Typ „Mehrpunkt“ definierten globalen Bereichs von Interesse entsprechen. Zum Beispiel können solche Teilbereiche von Interesse manuell und/oder automatisch als auf jedem (oder den meisten) Pixeln innerhalb des globalen Bereichs von Interesses zentriert definiert werden. Somit können ROI(1) und ROI(2) in einigen Fällen als repräsentative Teilbereiche von Interesse innerhalb eines globalen Bereichs von Interesse angesehen werden. Der wesentliche Punkt ist jedoch, dass eine Z-Höhe für jeden definierten Autofokusbereich von Interesse festgelegt werden kann, gleich ob es sich um einen Bereich von Interesse eines Einzelpunkt-Autofokuswerkzeugs oder einen Teilbereich von Interesse innerhalb eines durch ein Mehrpunkt-Autofokuswerkzeug definierten globalen Bereichs von Interesse handelt. Somit versteht es sich, dass, wenn der Begriff „Bereich von Interesse“ in Bezug auf das Festlegen einer Z-Höhe verwendet wird, diese Teilbereiche von Interesse (z. B. innerhalb eines globalen Bereichs von Interesse, der durch ein Mehrpunkt-Autofokuswerkzeug definiert ist) im Sinne dieses Begriffs beinhaltet sein können. Zur Vereinfachung der aktuellen Veranschaulichungen sind die Bereiche von Interesse ROI(1) und ROI(2) relativ klein dargestellt (z. B. 3×3 Pixel), obwohl es verständlich ist, dass größere Bereiche von Interesse (z. B. 7×7 Pixel) in verschiedenen Implementierungen als Teil solcher Prozesse usw. verwendet werden können.
  • Wie in 4B gezeigt, enthält jedes der Bilder Bild(1)-Bild(11) des Bildstapel-Bilds(i) den zentral angeordneten Bereich von Interesse ROI(1), für den die bestimmten Fokusmetrikwerte den Fokusmetrikdatenpunkten fm(1,i) auf der Fokuskurve 401 entsprechen. Der Bereich von Interesse ROI(1) ist in 4B schematisch so angegeben, dass er ein relativ hohes Kontrastniveau (z. B. in Bild(6)) enthält, entsprechend den relativ größeren Fokusmetrikwerten, die auf der Fokuskurve 401 gezeigt sind. In ähnlicher Weise enthält jedes der Bilder Bild(1)-Bild(11) des Bildstapel-Bilds(i) den peripher angeordneten Bereich von Interesse ROI(2), für den die bestimmten Fokusmetrikwerte den Fokusmetrikdatenpunkten fm(2,i) auf der Fokuskurve 402 entsprechen. Der Bereich von Interesse ROI(2) ist in 4B schematisch so angegeben, dass er ein relativ niedriges Kontrastniveau enthält (z. B. in Bild (6)), entsprechend den relativ geringeren Fokusmetrikwerten, die auf der Fokuskurve 402 gezeigt sind.
  • Wie in 4A gezeigt, kann jeder Fokusmetrikwert fm(1,i) oder fm(2,i) als Abtasten kontinuierlicher zugrunde liegender Fokusdaten 401S bzw. 402S betrachtet werden. In 4A ist zu sehen, dass die zugrunde liegenden Fokusdaten 401S oder 402S relativ geräuschintensiv sind (z. B. aufgrund der geringen Größe der entsprechenden Bereiche von Interesse). Im Fall der Fokuskurve 401 sind jedoch aufgrund des höheren Kontrasts im entsprechenden Bereich von Interesse die Fokusmetrikwerte in der Nähe des Fokuskurvenpeaks (z. B. nahe Zp401) relativ groß im Vergleich zur Größe der „Rauschkomponente“ in den zugrunde liegenden Fokusdaten. Im Gegensatz dazu sind im Fall der Fokuskurve 402 jedoch aufgrund des höheren Kontrasts im entsprechenden Bereich von Interesse die Fokusmetrikwerte in der Nähe des Fokuskurvenpeaks (z. B. nahe Zp402) relativ ähnlich der Größe der „Rauschkomponente“ in den zugrunde liegenden Fokusdaten.
  • In einem spezifischen Beispiel können die höheren Fokusmetrikwerte, die in der Fokuskurve 401 angegeben werden, zumindest teilweise darauf zurückzuführen sein, dass ein Teilabschnitt eines Musters, das auf den Oberflächenbereich im Bereich von Interesse ROI(1) projiziert wird, „stark strukturiert“ ist und/oder anderweitig hohen Kontrast in fokussierten Bildern erzeugt. Im Vergleich dazu können die niedrigeren Fokusmetrikwerte, die in der Fokuskurve 402 angegeben sind, zumindest teilweise auf einen Teilabschnitt eines Musters zurückzuführen sein, das auf den Oberflächenbereich im Bereich von Interesse ROI(2) mit „geringer Textur“ und/oder auf andere Weise als geringen Kontrast in fokussierten Bildern erzeugend projiziert oder teilweise projiziert (z. B. teilweise oder vollständig durch eine Grenzfrequenz einer Linse gefiltert) wird. In jedem Fall versteht es sich, dass aufgrund des niedrigen „Signal-Rausch-Verhältnisses“, das mit dem unteren Peak der Fokuskurve 402 verbunden ist, im Vergleich zu dem relativ hohen Signal-RauschVerhältnis, das mit dem Peak der Fokuskurve 401 verbunden ist, die geschätzte Z-Höhe des Fokuspeaks Zp402 der Fokuskurve 402 weniger zuverlässig oder unsicherer ist als die geschätzte Z-Höhe des Fokuspeaks Zp401 der Fokuskurve 401 (z. B. können die Daten der Fokuskurve 402 in einigen Fällen als so unzuverlässig und/oder unsicher betrachtet werden, dass eine Fokus-Peakbestimmung nicht zuverlässig durchgeführt werden kann, was als einer „Lücke“ in den Fokuskurvendaten für die Werkstückoberfläche entsprechend betrachtet werden kann).
  • Es versteht sich, dass die Kontrastflächen, die im Bereich von Interesse ROI(1) (z. B. in Bild (6)) angegeben werden, Musterabschnitten eines projizierten Musters auf der Werkstückoberfläche entsprechen können, für die die Musterabschnitte eine gewünschte Größe und Anordnung aufweisen, um sowohl (a) einen wünschenswerten Kontrast im Bereich von Interesse ROI(1) bei der aktuellen Vergrößerung (z. B. einschließlich der Vergrößerung der aktuellen Linse des Revolvers 280) bereitzustellen, und (b) nicht durch die Grenzfrequenz der aktuell ausgewählten austauschbaren Objektivlinse 250 oder einer anderen Linse des Systems gefiltert werden. Im Vergleich dazu kann der Bereich von Interesse ROI(2) für bestimmte Probleme repräsentativ sein, die auftreten können, wenn zumindest ein Teil eines Musters nicht solche wünschenswerten Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel kann der niedrige Kontrast im Bereich von Interesse ROI(2) aus einem entsprechenden Teilabschnitt eines Musters resultieren, in dem die Musterabschnitte eine hohe räumliche Frequenz aufweisen, die durch die Grenzfrequenz der aktuell ausgewählten austauschbaren Objektivlinse 250 gefiltert werden, für die unter Umständen wenig oder keiner dieser Musterabschnitte im Bereich von Interesse ROI(2) sichtbar ist. Als ein weiteres potenzielles Problem kann die Skalierung/Größe der Musterabschnitte so beschaffen sein, dass ein einzelner Musterabschnitt (z. B. ein einzelner dunklerer Musterabschnitt oder ein einzelner hellerer Musterabschnitt) den gesamten Bereich von Interesse ROI(2) abdecken kann, so dass kein Kontrast zwischen den verschiedenen Pixeln innerhalb des Bereichs von Interesses ROI(2) verfügbar ist.
  • Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien ist es wünschenswert, ein Muster mit Eigenschaften zu verwenden, die zu Fokuskurven ähnlich der Fokuskurve 401 (z. B. mit relativ hohen Fokuskurven-Peaks) führen und das effektiv mit verschiedenen Objektivlinsen mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen verwendet werden kann, sowie bei verschiedenen Vergrößerungen (z. B. einschließlich der Vergrößerung einer Revolverlinse usw.). Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können solche Eigenschaften das Muster mit einem breiten Bereich des räumlichen Frequenzgehalts einschließen, so dass selbst wenn ein Teil des höheren Frequenzgehalts für einige Objektivlinsen gefiltert wird/verloren geht, andere niedrigere räumliche Frequenzen (d. h. entsprechend bestimmten größeren Musterabschnitten) hindurch gelangen und in den aufgenommenen Bildern des Bildstapels immer noch sichtbar sein können. Bei einigen Implementierungen kann es wünschenswert sein, dass das Leistungsspektrum des Musters relativ konstant (z. B. relativ flach) bis hin zur höchsten Grenzfrequenz des optischen Projektionssystems ist (wie z. B. durch die höchste Grenzfrequenz der Objektivlinsen in einem Satz von Objektivlinsen, die unter Umständen verwendet werden, definiert). Bei einigen Implementierungen kann es auch wünschenswert sein, dass es eine relativ begrenzte oder kleinere Anzahl und/oder maximale Größe von größeren Musterabschnitten gibt (z. B. größere dunklere und/oder hellere Musterabschnitte entsprechend niedrigeren räumlichen Frequenzen, die unter der niedrigsten Grenzfrequenz des Satzes von Objektivlinsen liegen), da solche Musterabschnitte eine erhebliche Fläche im Muster einnehmen können und bei Vergrößerung eine erhebliche Anzahl von Pixeln abdecken können usw. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann in bestimmten Implementierungen ein pseudozufälliges Muster (wie z. B. blaues Rauschen oder ähnliches) in geeigneter Weise eine hochfrequente Struktur herstellen.
  • Vorgänge vom Point-from-Focus-Typ (z. B. einschließlich Autofokusvorgänge usw.), die mit der Bestimmung von Z-Höhen für Bereiche von Interesse verbunden sind, wurden zuvor skizziert. Kurz zusammenfassend in Bezug auf 4A und 4B kann sich eine Kamera durch einen Bereich von Z-Höhenpositionen Z(i) entlang einer Z-Achse (z. B. der Fokussierachse oder der optischen Achse OA) bewegen und an jeder Stelle ein Bild(i) aufnehmen. Für jedes aufgenommene Bild(i) kann eine Fokusmetrik fm(k,i) basierend auf einem Bereich oder Teilbereich von Interesse ROI(k) (z. B. eines Satzes von Pixeln) im Bild berechnet und auf die entsprechende Position Z(i) der Kamera entlang der Z-Achse zum Zeitpunkt der Bildaufnahme bezogen werden. Dies führt zu Fokuskurvendaten (z. B. der Fokusmetrik fm(k,i) an den Positionen Z(i), die eine Art von Fokuspeakbestimmungsdatensatz sind), die einfach als „Fokuskurve“ oder „Autofokuskurve“ bezeichnet werden können. In einer Ausführungsform können die Fokusmetrikwerte eine Berechnung des Kontrasts oder der Schärfe des Bereichs von Interesse in dem Bild beinhalten. In verschiedenen Ausführungsformen können die Fokuswerte oder Kurven normiert werden. Verschiedene Fokusmetrik-Berechnungstechniken werden im Detail in den eingeschlossenen Referenzen beschrieben, und verschiedene geeignete Fokusmetrikfunktionen werden dem Durchschnittsfachmann ebenfalls bekannt sein.
  • Die Z-Höhe (z. B. Zpk401 oder Zp402), die dem Peak der Fokuskurve entspricht, die der besten Fokusposition entlang der Z-Achse entspricht, ist die Z-Höhe für den Bereich von Interesse, der zum Bestimmen der Fokuskurve verwendet wird. Die dem Peak der Fokuskurve entsprechende Z-Höhe kann durch Anpassen einer Kurve (z. B. der Kurve 401 oder 402) an die Fokuskurvendaten (z. B. die Daten fm(1,i) oder fm(2,i)) und Schätzen der Stelle des Peaks der angepassten Kurve ermittelt werden. Es versteht sich, dass, während das Bildstapel-Bild(i) zu Veranschaulichungszwecken so gezeigt ist, dass es nur elf Bilder enthält, in einer tatsächlichen Ausführungsform (z. B. als Teil eines Prozesses vom PFF-Typ oder anderweitig) eine größere Anzahl von Bildern (z. B. 100 oder 200 oder mehr) verwendet werden können. Beispielhafte Techniken zur Bestimmung und Analyse von Bildstapeln und Fokuskurven werden in den US-Patenten Nr. 6,542,180 und 8,581,162 gelehrt, von denen jedes hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.
  • 5 ist ein Diagramm, das ein Schachbrettmuster 500A und entsprechende Graphen 500B und 500C des Leistungsspektrums veranschaulicht. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, ist jedes hierin veranschaulichte Muster (z. B. in 5-9) repräsentativ für ein Muster auf einer Musterkomponente (z. B. ein Muster 305, das auf einer Musterkomponente 302 mit einem Chrommasken- oder einem anderen Prozess gebildet wird) und das gesamte projizierte Muster oder einen Teil davon (z. B. das projizierte Muster 305', das erreicht wird durch Richten von Licht auf eine Musterkomponente, um das Muster auf eine Werkstückoberfläche zu projizieren, und bei dem entsprechende Bilder von einem Pixelarray einer Kamera aufgenommen werden). Es ist ein vergrößerter Teilabschnitt 510 des Schachbrettmusters 500A veranschaulicht, bei dem gezeigt ist, dass das Muster die Musterelemente A und B enthält, wobei die Musterelemente A dunklere Musterelemente und die Musterelemente B hellere Musterelemente sind. In einer Implementierung, die durch einen Chrommasken- oder ähnlichen Prozess gebildet wird, können die dunkleren Musterelemente A Chromabschnitten entsprechen, während die helleren Musterelemente B Abständen zwischen den dunkleren Musterelementen A entsprechen können. Die Musterelemente A und B sind jeweils nominell von gleicher Größe, wobei jede eine Dimension x1 entlang der x-Achsenrichtung und eine Dimension y1 entlang der y-Achsenrichtung aufweist. Eine entsprechende räumliche Wellenlänge Wx in Richtung der x-Achse ist somit gleich 2x1, während eine räumliche Wellenlänge Wy in Richtung der y-Achse somit gleich 2y1 ist.
  • In verschiedenen Implementierungen kann jedes Musterelement A als dunklerer Musterabschnitt bezeichnet werden, und jedes Musterelement B kann als hellerer Musterabschnitt bezeichnet werden, wobei in dem Beispiel des Musters 500A jeder Musterabschnitt eine Größe von einem Musterelement aufweisen kann. Wie dargestellt, wiederholen sich die Musterabschnitte (z. B. entsprechend den Musterelementen A und/oder B) in regelmäßigen Intervallen über das Muster 500A hinweg (z. B. sowohl in der x-Achsen- als auch in der y-Achsen-Richtung des Musters 500A). Genauer gesagt wiederholen sich die dunkleren und/oder helleren Musterabschnitte (z. B. periodisch) in regelmäßigen Intervallen (z. B. an gleich beabstandeten Positionen) sowohl in der x-Achsen- als auch in der y-Achsen-Richtung über das gesamte Muster.
  • Wie in den Graphen 500B und 500C des Leistungsspektrums dargestellt, führt die räumliche Frequenzzusammensetzung des Schachbrettmusters 500A zu nur wenigen Frequenzen im Leistungsspektrum. Genauer gesagt zeigt das Leistungsspektrum Peaks mit der primären räumlichen Frequenz (z. B. der räumlichen Frequenz Wx entlang der x-Achsenrichtung) der Musterelemente A und B (z. B. mit einem größten Peak, der bei der Frequenz von 0,2 auftritt, entsprechend der räumliche Wellenlänge Wx = 2x1) und bei den höheren Harmonischen. Im Vergleich dazu weist ein sinusförmiges Schachbrettmuster unter Umständen nur einen einzigen scharfen Peak im Leistungsspektrum auf.
  • Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können die relativ wenigen Frequenzen im Leistungsspektrum im Allgemeinen bezüglich verschiedener Faktoren unerwünscht sein. Als ein solcher Faktor können unterschiedliche Linsen, die von dem System 100 verwendet werden können (z. B. unterschiedliche Objektivlinsen 250), unterschiedliche optische Grenzfrequenzen aufweisen. Beispielsweise kann ein Hochfrequenz-Schachbrettmuster, das unter der Grenzfrequenz einer bestimmten Objektivlinse mit 2,5-facher Vergrößerung liegt (und somit für die Verwendung mit dieser Objektivlinse geeignet ist), über der Grenzfrequenz für eine Linse mit einer anderen Vergrößerung (z. B. einer Objektivlinse mit höherer Vergrößerung) mit einer anderen optischen Grenzfrequenz liegen, wobei in diesem Fall das gesamte Muster derart gefiltert werden kann, dass unter Umständen kein Muster sichtbar ist, wenn es mit der Objektivlinse mit höherer Vergrößerung projiziert wird.
  • 6 ist ein Diagramm, das einen Teilabschnitt eines dreistufigen Fraktalmusters 600A und entsprechende Graphen des Leistungsspektrums 600B und 600C veranschaulicht. Es ist ein vergrößerter Teilabschnitt 610 des Musters 600A gezeigt, der zwei Arten von Musteranordnungen enthält, die sich (z. B. periodisch) in regelmäßigen Intervallen (z. B. an gleich beabstandeten Positionen) sowohl in der x-Achsen- als auch in der y-Achsen-Richtung über das gesamte Muster wiederholen. Wie durch die Graphen 600B und 600C des Leistungsspektrums veranschaulicht, weist das Muster 600A ein vielfältigeres Leistungsspektrum als das Schachbrettmuster 500A auf, bei dem jedoch nur wenige Frequenzen den Spektralbereich dominieren. Aus den vorstehend genannten Gründen können solche Eigenschaften bei bestimmten Implementierungen auch unerwünscht sein (z. B. kann die niedrigste entsprechende räumliche Frequenz der in Teilabschnitt 610 gezeigten Musteranordnungen immer noch über der Grenzfrequenz einiger Objektivlinsen usw. liegen).
  • 7 ist ein Diagramm, das verschiedene Prinzipien für Musterteilabschnitte und -abschnitte darstellt, die unterschiedlichen räumlichen Wellenlängen entsprechen, und in Bezug auf Pixelgrößen. Wie in 7 dargestellt, sind drei Schachbrettmusterteilabschnitte 710, 720 und 730 von gleicher Größe, aber jeder entspricht unterschiedlichen räumlichen Wellenlängen. Genauer gesagt sind die Musterabschnitte im Musterteilabschnitt 720 zweimal so groß wie die des Musterteilabschnitts 710, während die Musterabschnitte im Musterteilabschnitt 730 dreimal so groß wie diejenigen im Musterteilabschnitt 710 sind.
  • Der Musterteilabschnitt 710 enthält die Schachbrettanordnung der Musterelemente A und B, wobei die Musterelemente A dunklere Musterelemente sind und die Musterelemente B hellere Musterelemente sind. Zur Veranschaulichung kann der Musterteilabschnitt 710 als analog zu einem entsprechenden Teilabschnitt des Musters 500A von 5 betrachtet werden. Die Musterelemente A und B sind von gleicher Größe, wobei jedes eine Dimension x1 entlang der x-Achsenrichtung und eine Dimension y1 entlang der y-Achsenrichtung aufweist. Eine entsprechende räumliche Wellenlänge entlang der Richtung der x-Achse beträgt somit 2x1, während eine entsprechende räumliche Wellenlänge entlang der Richtung der y-Achse somit 2y1 beträgt.
  • In dem Musterteilabschnitt 720 (d. h. bei dem die Musterabschnitte doppelt so groß sind wie die des Musterteilabschnitts 710) hat jeder Musterabschnitt eine x-Achsen-Dimension 2x1 und eine y-Achsen-Dimension 2y1, für die die entsprechende räumliche Wellenlänge entlang der x-Achsenrichtung 4x1 und die entsprechende räumliche Wellenlänge entlang der y-Achsenrichtung 4y1 ist. Im Musterteilabschnitt 730 (d. h. bei dem die Musterabschnitte dreimal so groß sind wie die des Musterteilabschnitts 710) haben die Musterabschnitte Dimensionen entlang der x-Achsenrichtung von 3x1 und entlang der y-Achsenrichtung von 3y1, mit entsprechenden räumlichen Wellenlängen entlang der x-Achsenrichtung von 6x1 und entlang der y-Achsenrichtung von 6y1.
  • In Bezug auf mögliche Pixelgrößen ist der Musterteilabschnitt 710 in einer Implementierung auch repräsentativ für einen Abschnitt eines Pixelarrays, in dem jedes Musterelement (z. B. entsprechend dem projizierten Muster auf einer Werkstückoberfläche, wie es durch das Pixelarray der Kamera abgebildet wird) die gleiche Größe haben und mit einem entsprechenden Pixel ausgerichtet sein kann, wofür ein Pixelarrayteilabschnitt mit 6×6 Pixeln (d. h. wie durch den Musterteilabschnitt 710 überlagert) veranschaulicht ist. Gemäß einer solchen Pixelgröße können die Musterabschnitte des Musterteilabschnitts 720 jeweils die Fläche von vier Pixeln abdecken, während die Musterabschnitte des Musterteilabschnitts 730 jeweils neun Pixel abdecken können. Diese Vergleiche veranschaulichen bestimmte Prinzipien in Bezug auf die Vergrößerung eines projizierten Musters (wie z. B. durch eine Revolverlinse usw. vergrößert). Zum Beispiel würde eine Vergrößerung des Musterteilabschnitts 710 durch eine 2x-Revolverlinse zu projizierten Musterabschnitten der Größe der Musterabschnitte des Musterteilabschnitts 720 bei einer 1-fachen Vergrößerung führen (d. h. somit würde jeder die Fläche von vier Pixeln im vorstehenden Beispiel abdecken). Eine 3-fache Vergrößerung des Musterteilabschnitts 710 (z. B. durch eine 3x-Revolverlinse) würde zu projizierten Musterabschnitten der Größe der Musterabschnitte des Musterteilabschnitts 730 bei einer 1-fachen Vergrößerung führen (d. h. bei der jeder Musterabschnitt die Fläche von neun Pixeln abdecken würde). Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können solche Vergrößerungen bestimmte Probleme in Bezug auf gewünschte Kontrastbeträge zwischen Pixeln herstellen (für die z. B. ein Musterabschnitt, der eine große Gruppe von Pixeln abdeckt, gewünschte Kontrastbestimmungen für Pixel in der Mitte dieser Gruppe verhindern kann).
  • Als weitere Veranschaulichung eines bestimmten Prinzips in Bezug auf Musterelementgrößen und räumliche Frequenzen sind zusätzliche jeweilige Musterteilabschnitte 715, 725 und 735 unterhalb jedes der Musterteilabschnitte 710, 720 und 730 gezeigt. Der Musterabschnitt 715 schließt ein Musterelement A und ein Musterelement B ein, die als dunklere bzw. hellere Musterabschnitte A1x bzw. B1x bezeichnet werden, die jeweils eine x-Achsen-Dimension x1 und eine y-Achsen-Dimension y1 aufweisen, und eine entsprechende räumliche Wellenlänge, die als W×A1B1 bezeichnet wird, was gleich 2x1 (d. h. ähnlich der räumlichen x-Achsen-Wellenlänge des Musterteilabschnitts 710) ist. Der Musterteilabschnitt 725 enthält dunklere und hellere Musterabschnitte A2x und B2x. Jeder der Musterabschnitte A2x und B2x weist eine x-Achsen-Dimension 2x1 und eine y-Achsen-Dimension y1 auf, und für die eine entsprechende räumliche Wellenlänge WxA2B2 gleich 4x1 (d. h. ähnlich der räumlichen x-Achsen-Wellenlänge des Musterteilabschnitts 720) ist. Der Musterteilabschnitt 735 schließt dunklere und hellere Musterabschnitte A3x und B3x ein, die jeweils eine x-Achsen-Dimension 3x1 und eine y-Achsen-Dimension y1 aufweisen und bei denen eine räumliche x-Achsen-Wellenlänge WxA3B3 gleich 6x1 (d. h. ähnlich der räumlichen x-Achsen-Wellenlänge des Musterteilabschnitts 730) ist.
  • Wie vorstehend in Bezug auf 5 angemerkt, weist ein Schachbrettmuster mit Elementen einer einzigen Größe nur eine einzige primäre räumliche Frequenz (und einige kleinere harmonische Frequenzen) im Leistungsspektrum auf, und bei denen, wenn sie in einem System mit einer Objektivlinse mit einer Frequenzgrenze unter der der primären räumlichen Frequenz verwendet werden, unter Umständen nur ein geringes oder kein projiziertes Muster sichtbar ist. Ein Musterteilabschnitt 750 veranschaulicht konzeptionell einen Ansatz zum Herstellen einer Kombination von räumliche Frequenzen in einem Muster (z. B. als eine gewichtete Kombination der Musterteilabschnitte 715, 725 und 735 einschließend). Insbesondere beinhaltet der Musterteilabschnitt 750 sechs Musterteilabschnitte 715, drei Musterteilabschnitte 725 und zwei Musterteilabschnitte 735. Der Musterteilabschnitt 750 enthält somit entsprechend sechs räumliche Wellenlängen W×A1B1, drei räumliche Wellenlängen WxA2B2 und zwei räumliche Wellenlängen W×A3B3. Gemäß einer solchen Kombination können Musterabschnitte unterschiedlicher Größe zueinander benachbart sein, bei denen auch verschiedene Kombinationen von räumlichen Wellenlängen bestimmt werden können, wie unten im Musterteilabschnitt 750 dargestellt (der z. B. die räumlichen Wellenlängen W×B1A2, W×B2A1, W×B1A3, W×B3A1 usw. veranschaulicht). Solche Kombinationen von räumlichen Wellenlängen in einem Muster können bestimmte wünschenswerte Eigenschaften aufweisen (z. B. Hinzufügen zum Spektrum der räumlichen Frequenzen des Musters im Leistungsspektrum), wie nachstehend in Bezug auf 8 ausführlicher beschrieben wird.
  • 8 ist ein Teilabschnitt eines Musters einschließlich Musterabschnitten (z. B. dunkleren und helleren Musterabschnitten), die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, veranschaulicht der Musterteilabschnitt 810 von 8 einen vergrößerten Musterteilabschnitt von einem Muster 900A von 9. Wie in 8 veranschaulicht, erstrecken sich verschiedene Musterabschnitte unterschiedlicher Größe sowohl in Richtung der x-Achse als auch der y-Achse. Der Musterteilabschnitt von 8 ist als 30 Spalten und 26 Reihen (z. B. aus dunkleren und helleren Musterabschnitten) enthaltend bezeichnet und kann einige Eigenschaften aufweisen, die denen anderer vorstehend beschriebener Muster ähnlich sind (z. B. unter Verwendung eines Chrommasken- oder anderen Herstellungsprozesses usw.). Wie in 8 dargestellt, ist der Musterteilabschnitt 810 (d. h. als ein Abschnitt des Musters 900A von 9) nicht auf Quadrate eines einzelnen Elements oder einer Einheit, Größe usw. beschränkt, wie in dem Schachbrettmuster 500A von 5, und kann Musterabschnitte mehrerer Größen (z. B. einschließlich mehrerer Musterelemente) einschließen, die sich sowohl in die x-Achsen- als auch in die y-Achsen-Richtung erstrecken.
  • In verschiedenen Implementierungen kann eine Elementgröße als minimale Elementgröße definiert werden, die verwendet wird, um ein Muster zu bilden. In einem Beispiel, bei dem ein Chrommaskenprozess verwendet wird, um ein Muster wie das von 8 und 9 zu bilden, kann die minimale Elementgröße die der kleinsten dargestellten Quadrate sein (bei denen z. B. die dunkleren Musterelemente „A“ Chromelementen entsprechen können). Gemäß solchen Konfigurationen wird somit eine maximale räumliche Frequenz des Musters durch das 2-fache der minimalen Elementgröße definiert. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann ein Schachbrettmuster wie das von 5 zwar eine hohe räumliche Frequenz bereitstellen, es hat jedoch keine bestimmten wünschenswerten Eigenschaften (z. B. ein flaches Leistungsspektrum) und bei dem komplexere Muster (z. B. das Muster 900A einschließlich des Musterteilabschnitts 810), die solche wünschenswerten Eigenschaften aufweisen, aus verschiedenen Kombinationen von mehreren Musterelementen bestehen können.
  • Als einige spezifische Beispiele wurden dunklere und hellere Musterabschnitte unterschiedlicher Größe in der x-Achsenrichtung in Reihe 26 und in der y-Achsenrichtung in Spalte 30 gekennzeichnet. Zum Beispiel wird gezeigt, dass Reihe 26 dunklere und hellere Musterabschnitte enthält (d. h. die dunkleren Musterabschnitte mit einer „A“-Bezeichnung und die helleren Musterabschnitte mit einer „B“-Bezeichnung, ähnlich den anderen vorstehend für die anderen Figuren beschriebenen Bezeichnungen). Es wird gezeigt, dass die Reihe 26 benachbarte Kombinationen von helleren und dunkleren Musterabschnitten unterschiedlicher Größe enthält, wie etwa eine Sequenz von Musterabschnitten B1x, A1x, B2x, A6x, B1x, A1x, B1x, A3x, B1x, A3x, B1x, A3x, B3x, A1x und B2x. Jeder dieser Musterabschnitte hat eine Höhe entlang der y-Achsenrichtung von 1y (entspricht z. B. 1 Einheit) und bei dem die Zahlenbezeichnung die Anzahl von Einheiten entlang der x-Achsenrichtung angibt (z. B. weist der Musterabschnitt A6x eine Dimension von 6x oder 6 Einheiten entlang der x-Achsenrichtung auf). Als weiteres Beispiel wird gezeigt, dass die Spalte 30 eine Sequenz von Musterabschnitten A1y, B1y, A6y, B1y, A1y, B2y, A1y, B1y, A2y, B3y, A1y, B2y, A3y und B1y enthält, die jeweils eine Länge entlang der x-Achsen-Dimension von 1x (entspricht beispielsweise einer Einheit) und eine Länge entlang der y-Achse entsprechend der Zahlenbezeichnung aufweisen. Wie vorstehend in Bezug auf 7 beschrieben, kann jede dieser benachbarten Kombinationen von Musterabschnitten unterschiedlicher Größe unterschiedliche räumliche Wellenlängenbeiträge für die räumlichen Frequenzen bereitstellen, die in einem Leistungsspektrum für das Muster beobachtet werden. Wie ebenfalls vorstehend angemerkt, wiederholen sich nicht jeder der dunkleren Musterabschnitte und jeder der helleren Musterabschnitte in regelmäßigen Intervallen (z. B. in gleichmäßig beabstandeten Abständen) über das Muster. In verschiedenen Implementierungen können die helleren Musterabschnitte Abständen zwischen den dunkleren Musterabschnitten entsprechen (d. h. bei denen sich die dunkleren Musterabschnitte, die durch die helleren Musterabschnitte beabstandet sind, nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen).
  • Wie weiter in 8 veranschaulicht ist, sind auch zusätzliche Musterabschnitte mit zusätzlichen Längen (z. B. mit insgesamt 8 oder mehr unterschiedlichen Längeneinheiten) veranschaulicht. Zum Beispiel sind, wie vorstehend angemerkt, die Musterabschnitte A1x und A3x in Reihe 26 veranschaulicht und ein Musterabschnitt A2x ist in Reihe 3 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A4x ist in Reihe 1 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A5x ist in Reihe 4 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A6x ist in Reihe 26 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A7x ist in Reihe 15 veranschaulicht und ein Musterabschnitt A8x ist in Reihe 16 veranschaulicht. Als weitere Beispiele sind, wie vorstehend erwähnt, die Musterabschnitte B1x, B2x und B3x in Reihe 26 veranschaulicht und ein Musterabschnitt B4x ist in Reihe 1 veranschaulicht, ein Musterabschnitt B5x ist in Reihe 12 veranschaulicht, ein Musterabschnitt B6x ist in Reihe 1 veranschaulicht und ein Musterabschnitt B8x ist in Reihe 10 veranschaulicht. Als weitere Beispiele sind, wie vorstehend angemerkt, die Musterabschnitte A1y, A2y und A3y in Spalte 30 veranschaulicht und ein Musterabschnitt A4y ist in Spalte 2 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A5y ist in Spalte 7 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A6y ist in Spalte 1 veranschaulicht, ein Musterabschnitt A7y ist in Spalte 6 veranschaulicht und ein Musterabschnitt A8y ist in Spalte 24 veranschaulicht. Als weitere Beispiele sind, wie vorstehend erwähnt, die Musterabschnitte B1y, B2y und B3y in Spalte 30 veranschaulicht und ein Musterabschnitt B4y ist in Spalte 2 veranschaulicht, ein Musterabschnitt B5y ist in Spalte 4 veranschaulicht, ein Musterabschnitt B6y ist in Spalte 10 veranschaulicht, ein Musterabschnitt B7y ist in Spalte 14 veranschaulicht und ein Musterabschnitt B9y ist in Spalte 6 veranschaulicht.
  • Wie vorstehend angemerkt, versteht es sich, dass jeder dieser unterschiedlich großen dunkleren und helleren Musterabschnitte, die jeweils benachbart zu anderen helleren oder dunkleren Musterabschnitten sind, unterschiedliche räumliche Wellenlängenbeiträge für die räumlichen Frequenzen bereitstellen kann, die in einem Leistungsspektrum für das Muster beobachtet werden. Es versteht sich, dass eine solche Vielfalt benachbarter Kombinationen insbesondere in einem Muster erreicht werden kann, das nicht durch die Anforderung eingeschränkt ist, dass sich die Musterabschnitte in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen (z. B. ein nicht periodisches, pseudozufälliges, usw. Muster). In Übereinstimmung mit solchen Eigenschaften können kleinere oder größere Anzahlen unterschiedlich bemessener dunkler und hellerer Musterabschnitte in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften für das resultierende Muster unterschiedliche Dichten räumlicher Wellenlängen bereitstellen. Wie vorstehend erwähnt, kann es bei einigen Implementierungen auch wünschenswert sein, dass es eine relativ begrenzte oder kleinere Anzahl und/oder maximale Größe von größeren Musterabschnitten gibt (z. B. größere dunklere und/oder hellere Musterabschnitte entsprechend niedrigeren räumlichen Frequenzen, die unter der niedrigsten Grenzfrequenz des Satzes von Objektivlinsen liegen), da solche Musterabschnitte eine erhebliche Fläche im Muster einnehmen können und bei Vergrößerung eine erhebliche Anzahl von Pixeln abdecken können usw. Diese Überlegung kann auch die gewünschte Anzahl unterschiedlicher Dimensionen von Musterabschnitten beeinflussen, die in einem Muster enthalten sind (z. B. bei dem es erwünscht sein kann, über eine maximale Dimension und/oder eine maximale Anzahl unterschiedlicher Dimensionen von Musterabschnitten, wie 15, 20, 30, 40 usw., zu verfügen).
  • 9 ist ein Diagramm eines Musters 900A (d. h. einschließlich des Musterteilabschnitts 810 von 8) und der entsprechenden Graphen 900B und 900C des Leistungsspektrums. Wie vorstehend mit Bezug auf 8 beschrieben, wiederholen sich in dem Muster 900A die dunkleren und helleren Musterabschnitte unterschiedlicher Größe nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg. Die entsprechenden Graphen 900B und 900C des Leistungsspektrums veranschaulichen bestimmte Eigenschaften, die für bestimmte Implementierungen vorteilhaft sein können. Hinsichtlich des Frequenzgangs ist beispielsweise angegeben, dass die Skala entlang der horizontalen Achse im Graphen 900B in einem sehr begrenzten Bereich liegt (z. B. mit einer Amplitude zwischen 6,16 und 6,30), und wofür das Leistungsspektrum als relativ konstant/flach angegeben ist (z. B. variiert zumindest ein Großteil des Leistungsspektrums über den gewünschten Bereich nicht um mehr als 20 %). Das Muster 900A weist somit räumliche Frequenzeigenschaften auf, die zu einem breiten Frequenzspektrum im Leistungsspektrum führen. Wie vorstehend erwähnt, kann ein solch breiter Frequenzgehalt für verschiedene Anwendungen wünschenswert sein, bei denen verschiedene Linsen (z. B. verschiedene Objektivlinsen) mit verschiedenen Grenzfrequenzen verwendet werden können. Genauer gesagt, wenn das Muster projiziert wird, können selbst dann, wenn bei einigen Linsen ein Teil des Frequenzgehalts verloren geht, andere vorhandene niedrigere Frequenzen noch durch das System projiziert werden, was einen ausreichenden Kontrast in den Bildern des Werkstücks ergibt, um Fokuskurven mit relativ hohen Peaks zu bestimmen (siehe z. B. Fokuskurve 401 von 4A). In Bezug auf den gewünschten Bereich kann es wünschenswert sein, dass das Leistungsspektrum bis zur höchsten Grenzfrequenz des optischen Projektionssystems relativ flach ist (z. B. basierend auf der höchsten Grenzfrequenz der verschiedenen Linsen, wie Objektivlinsen usw., die mit dem System verwendet werden können).
  • Bei verschiedenen Implementierungen ist es auch wünschenswert, ein Muster mit einem Dunkel/Hell-Verhältnis von ungefähr 50/50 zu haben (wobei z. B. der Gesamtprozentsatz der Fläche des aus den dunkleren Musterabschnitten bestehenden Musters nominell/ungefähr 50 % beträgt und somit ungefähr gleich dem Gesamtprozentsatz der Fläche des Musters ist, der aus den helleren Musterabschnitten besteht, der ebenfalls nominell/ungefähr 50 % beträgt). Wie hierin verwendet, beinhaltet der Begriff „nominell“ Variationen eines oder mehrerer Parameter, die innerhalb akzeptabler Toleranzen liegen (z. B. mit einer Abweichung von weniger als 5 % von den angegebenen Werten und/oder der spezifizierten Konfiguration usw.). Außerdem kann es bei verschiedenen Implementierungen wünschenswert sein, ein Muster ohne sich wiederholende Struktur zu haben, um Aliasing-Probleme sowie Probleme mit Selbstabbildung zu vermeiden. Im Allgemeinen ist ein Muster mit Eigenschaften ähnlich dem Muster 900A (das z. B. in einigen Fällen als ein pseudozufälliges Muster definiert werden kann, mit einem Leistungsspektrum vom Typ weißes Rauschen innerhalb des gewünschten Bereichs oder anderweitig) insofern wünschenswert, als es solche Ziele erfüllt und nicht bevorzugt höhere Frequenzen verschlechtert (wie es z. B. potenziell in einigen Fällen eines rosa oder braunen Rauschmusters der Fall sein kann). Bei verschiedenen Implementierungen kann ein ähnliches Muster mit blauen Rauscheigenschaften auch wünschenswerte Ergebnisse erzeugen, da bei höheren Frequenzen mehr Energie bereitgestellt wird. In einigen Implementierungen kann ein Muster, das gemäß den hierin offenbarten Prinzipien gebildet wird, zusätzlich zu den Musterelementen und/oder Musterabschnitten vom Typ A und B auch Musterelemente und/oder Musterabschnitte mit unterschiedlichen Schattierungen, Tönungen, Farben usw. beinhalten, wobei jedes Musterelement und/oder jeder Musterabschnitt als ein Typ von dunklerem oder hellerem Musterelement und/oder Musterabschnitt bezeichnet werden kann. Beispielsweise können sich in einer solchen Implementierung die dunkleren und helleren Musterelemente und/oder Musterabschnitte auf einen Durchschnitt (z. B. eine durchschnittliche Farbe, Schattierung usw.) des Musters beziehen, bei dem es mehrere Typen, Schattierungen usw. von dunkleren Musterelementen und/oder Musterabschnitten (d. h. die dunkler sind als der Durchschnitt des Musters) und/oder mehrere Typen, Schattierungen usw. von helleren Musterelementen und/oder Musterabschnitten (d. h. die heller sind als der Durchschnitt des Musters) geben kann.
  • In bestimmten Implementierungen kann das Muster 900A aus kleinen quadratischen Musterelementen bestehen (z. B. ähnlich den Musterelementen A und B des Musterteilabschnitts 710 von 7). Bei solchen Implementierungen können benachbarte Musterelemente A in den x- oder y-Achsenrichtungen dunklere Musterabschnitte mit entsprechenden Dimensionen bilden, während benachbarte Musterelemente B in den x- oder y-Achsenrichtungen hellere Musterabschnitte mit entsprechenden Dimensionen bilden können. Bei verschiedenen Implementierungen können solche Musterabschnitte aus einer bestimmten Positionierung (z. B. zufälliger Positionierung usw.) der Musterelemente A und/oder B resultieren. Wie vorstehend erwähnt, können in verschiedenen Implementierungen die helleren Musterabschnitte Abständen zwischen den dunkleren Musterabschnitten entsprechen (z. B. in einer Implementierung, die durch einen Chrommasken- oder einen ähnlichen Prozess gebildet wird, können die dunkleren Musterelemente A Chromabschnitten entsprechen, während die helleren Musterelemente B Abständen zwischen den dunkleren Musterelementen A entsprechen können). Eine Gesamtgröße eines Musters (z. B. ähnlich dem Muster 900A) in einer bestimmten beispielhaften Implementierung kann ungefähr 9 mm × 9 mm betragen (dies kann z. B. in einigen Fällen groß genug sein, um größer als die meisten CCD- oder CMOS-Pixelarrays bestimmter üblicher Kamerabildsensoren zu sein). Bei einer solchen Implementierung, bei der die Musterelemente ungefähr 5 Mikrometer groß sind, können insgesamt ungefähr 3,2 Millionen Musterelemente im Muster vorhanden sein (d. h. (9 mm / 0,005 mm)^2 = 3,2 Millionen) und bei denen ein Dunkel/Hell-Verhältnis von ungefähr 50/50 ungefähr 1,6 Millionen dunkleren Musterelementen A (z. B. Chrommusterelementen) entspricht. Wie vorstehend in Bezug auf die höchste Grenzfrequenz der Objektivlinsen erwähnt, kann es wünschenswert sein, dass die Musterelemente (z. B. die Musterelemente A und B und/oder entsprechende Dimensionen verschiedener Musterabschnitte) aufgrund der endlichen (z. B. lateralen) Auflösung des Projektionssystems (z. B. des Systems 100, beispielsweise aufgrund der höchsten Grenzfrequenz der verwendeten Linsen usw.) nicht kleiner als eine bestimmte Dimension (z. B. entsprechend einer hohen räumliche Frequenz) sind. Anders ausgedrückt, wenn die Dimensionen der Musterelemente unter einer minimalen Grenzdimension liegen, können die Musterelemente bei Projektion über die Fläche der endlichen Projektionsauflösung gemittelt werden und sind unter Umständen nicht sichtbar (können z. B. unscharf werden, weshalb kein Kontrast entstehen darf). Bei verschiedenen Implementierungen kann es wünschenswert sein, dass die minimale Elementgröße nahe der Größe der minimalen Projektionsauflösung dessen liegt, was durch das optische System hindurchtreten kann (z. B. um den größtmöglichen Kontrast zu erreichen/auszunutzen, wenn die Objektivlinse mit der höchsten Grenzfrequenz verwendet wird). Bei einigen Implementierungen kann auch eine etwas kleinere Elementgröße verwendet werden, für die ein gewisses Maß an Mittelwertbildung akzeptabel sein kann, was zu einem gewissen Kontrastverlust führt.
  • Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien können für einen Satz von Objektivlinsen, die mit einem System (z. B. dem System 100) verwendet werden sollen, die höchste und die niedrigste Grenzfrequenz, die von den verschiedenen Objektivlinsen übertragen wird, berechnet oder auf andere Weise bestimmt werden, und eine Elementgröße kann ausgewählt/bestimmt werden, die angemessen ist (z. B. kann ein kleinstes Musterelement / eine kleinste Abschnittsgröße zumindest teilweise basierend auf der höchsten Grenzfrequenz ausgewählt/bestimmt werden, und in einigen Implementierungen kann eine größte gewünschte Musterabschnittsgröße basierend zumindest teilweise auf einer niedrigsten Grenzfrequenz ausgewählt/bestimmt werden).
  • Bei solchen Implementierungen kann in Bezug auf die kleinsten Musterabschnitts-/Elementgrößen ein gewisses Maß an Kontrast für die Objektivlinsen mit den niedrigeren Grenzfrequenzen verloren gehen, bei denen jedoch experimentell bestimmt wurde, dass der verbleibende Kontrast für bestimmte Prozesse vom PFF-Typ usw. ausreichend sein kann.
  • In einer spezifischen beispielhaften Implementierung können die Grenzfrequenzen für einen Satz von Objektivlinsen für das System Musterelementgrößen entsprechen, die von 3,3 Mikrometer bis 20 Mikrometer variieren. Dementsprechend kann eine minimale Musterelementgröße von 3,3 Mikrometer ausgewählt werden, um der höchsten Projektionsfrequenzgrenze zu entsprechen (bei der z. B. eine kleinere Elementgröße einen Kontrastverlust mit geringem oder keinem zusätzlichen Nutzen verursachen kann). Außerdem kann, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, eine minimale Elementgröße nahe der Pixelgröße des Pixelarrays der Kamera 260 (z. B. eine Pixelgröße von 5 Mikrometer oder eine Pixelgröße von 10 Mikrometer usw.) erwünscht sein, so dass die Vergrößerung durch die Revolverlinsen möglichst wenig Lücken in den Fokuskurvendaten verursacht (wie sie z. B. für Prozesse vom PFF-Typ verwendet werden). Darüber hinaus kann eine Musterelementgröße, die kleiner als die Pixelgröße ist, einen Kontrastverlust bei einer 1-fachen Revolververgrößerung verursachen (obwohl dies z. B. in einigen Implementierungen akzeptabel sein kann, wenn es sich nicht um einen signifikanten Kontrastverlust handelt und aufgrund der Überlegung, dass bei einer 2-fachen Revolververgrößerung eine leichte Kontraststeigerung eintreten kann, und da auch eine Abhängigkeit von einer minimalen Projektionswellenlänge usw. bestehen kann).
  • Bei verschiedenen Implementierungen sind die Hauptmerkmale der Revolverlinsen, die für die Auswahl der Musterelementgrößen berücksichtigt werden, die entsprechende Vergrößerung des projizierten Musters (z. B. durch eine 2x-Revolverlinse, durch eine 6x-Revolverlinse usw.), was in einigen Implementierungen einer der Gründe dafür ist, die minimalen Musterelementdimensionen relativ klein zu halten. Insbesondere in Bezug auf die Revolverlinsen (z. B. Revolverlinsen 286 und 288 und/oder andere Linsen des Revolvers 280) ändert die Vergrößerung dieser Linsen in verschiedenen Implementierungen unter Umständen nicht die Frequenz dessen, was projiziert werden kann, dient aber dazu, das resultierende Muster auf dem Pixelarray der Kamera zu vergrößern. Aufgrund dieses Aspekts kann es wünschenswert sein, dass die Musterelementgröße möglichst relativ klein ist, damit sie bei Vergrößerung durch die Revolverlinsen (z. B. bei Revolverlinsen mit Vergrößerungen von 2x, 6x usw.) nicht zu groß ist. Wenn beispielsweise die Größe eines Musterelements/-abschnitts anfangs relativ groß ist und dann durch eine Revolverlinse weiter vergrößert wird, können im Inneren des projizierten Musterelements/-abschnitts keine Kontrastdaten erhalten werden (da z. B. das vergrößerte Musterelement/der vergrößerte Musterabschnitt mehr Pixel abdeckt, als für die Berechnung des Kontrasts verwendet werden, wenn z. B. 3×3 oder 7×7 Pixel für die Berechnung des Kontrasts verwendet werden und das vergrößerte Musterelement / der vergrößerte Musterabschnitt mehr als diese Anzahl von Pixeln abdeckt). Es versteht sich, dass dies neben der höchsten Grenzfrequenz der verwendeten Linsen usw. ein weiterer Faktor sein kann, um die gewünschte minimale Elementgröße des Musters zu bestimmen.
  • Wenn als spezifisches Beispiel ein Musterelement eine x- und y-Achsendimension von 25 Mikrometer aufweist und durch eine 2x- oder 6x-Revolverlinse projiziert wird, haben die resultierenden projizierten Musterelementgrößen Dimensionen von 50 Mikrometer oder 150 Mikrometer entlang der x-Achsen- und y-Achsenrichtungen, die deutlich größer sein können als ein Pixel mit einer Größe von 10 Mikrometern im Quadrat, und wobei Lücken zu den entsprechenden erzeugten Kontrastdaten führen können. Genauer gesagt können in diesem Beispiel für die 25-Mikron-Musterelementgröße einige Lücken in den Kontrastdaten sogar aus der 2-fachen Revolverlinse und dem vergrößerten 50-Mikron× 50-Mikron-Musterelement resultieren, wofür bei einer Kamerapixelgröße von ungefähr 10 Mikron das mit der 2x-Revolverlinse projizierte Musterelement ungefähr 25 Pixel (d. h. eine Fläche von 5 Pixeln mal 5 Pixeln) abdecken würde. Im Allgemeinen können in Bezug auf die Fläche, die vom System zum Berechnen des Kontrasts verwendet wird (z. B. unter Verwendung einer Fläche des Pixelbereichs von Interesse von 3×3 oder 7×7 usw. zur Berechnung des Kontrasts), Lücken in den Kontrastdaten auftreten, je nachdem, wie viele Pixel durch ein projiziertes Musterelement oder einen projizierten Musterabschnitt (d. h. ein dunkleres oder helleres Musterelement oder einen dunkleren oder helleren Abschnitt) abgedeckt werden. Außerdem können, wie in 8 dargestellt, bestimmte Kombinationen von Musterabschnitten zu Blöcken von 4×4 oder mehr Musterelementen führen, die bei der 2x- und 6x-Revolverlinsenvergrößerung eine erhebliche Anzahl von Pixeln abdecken können, für die Lücken in den Kontrastdaten auftreten können.
  • Im Hinblick auf die Revolververgrößerung begrenzt der Frequenzgrenzwert der Proj ektionsoptik (z. B. einschließlich der Objektivlinse) die Wellenlänge des projizierten Musters, bevor es die Revolverlinse erreicht, bei der die Revolverlinse dann die resultierenden Abschnitte projizierten/gefilterten Muster vergrößert. Wie vorstehend in Bezug auf das Schachbrettmuster von 5 angemerkt, gibt es keinen Kontrast in dem projizierten Muster, der durch die Revolverlinse vergrößert werden muss, wenn das Muster regelmäßig ist und eine höhere räumliche Frequenz als die Grenzfrequenz der Projektionsoptik enthält (d. h. alle Musterelemente/-abschnitte werden herausgefiltert). Wenn das Muster ähnliche Eigenschaften wie das Muster 900A von 9 aufweist, dann wird, abhängig von der Grenzfrequenz der verwendeten Objektivlinse, zumindest ein gewisser Kontrast hindurch gelangen (z. B. werden zumindest einige der größeren Musterabschnitte nicht herausgefiltert) und die kleinste Wellenlängenskala dieses projizierten Musters entspricht ungefähr der Wellenlänge der Projektionsoptikgrenze, die dann durch die Revolverlinse auf das Pixelarray der Kamera vergrößert wird. Bei verschiedenen Implementierungen kann der Kontrast dann eine Funktion der Pixelgröße der Kamera relativ zur Grenzwellenlänge sein (d. h. multipliziert mit der Vergrößerung der Revolverlinse).
  • In Bezug auf die Pixelgröße der Kamera, wenn die Pixelgröße relativ groß ist (z. B. 20 Mikrometer) und das Musterelement kleiner ist (z. B. 4 Mikrometer), dann werden die einzelnen Pixel zusammen den Durchschnitt aus mehreren Musterelementen bilden und es geht mindestens eine gewisse Menge des Kontrasts verloren. Da sich die Pixeltechnologie jedoch weiter entwickelt, werden weiterhin relativ kleinere Pixelgrößen für Kameras erzeugt (z. B. unter 10 Mikrometer, 5 Mikrometer usw.), für die die Kamerapixelgrößen in einigen Implementierungen als relativ weniger einschränkender Faktor in Bezug auf Musterelementgrößen zum Erfüllen der anderen gewünschten Eigenschaften des Systems, wie vorstehend beschrieben angesehen werden können. Beispielsweise kann in bestimmten praktischen Implementierungen eine kleinste Musterelementgröße ungefähr 4 Mikrometer betragen, was auch nahe an dem liegen kann, was leicht durch Chrommasken-Technologien usw. hergestellt werden kann, was in einigen aktuellen Implementierungen derzeit im Bereich von ungefähr 1 Mikrometer im Quadrat liegt.
  • In Bezug auf Pixelgrößen gegenüber Musterelementgrößen und den entsprechend auflösbaren räumlichen Frequenzen kann die Musterwellenlänge aufgelöst werden, wenn die Musterwellenlänge das Zweifache der Pixelgröße beträgt (z. B. wenn die Musterelemente die gleiche Größe wie die Pixelgröße aufweisen). Hinsichtlich der Frequenz liegt bei einer solchen Implementierung die räumliche Frequenz des Musters gerade an der Grenze dessen, was durch die Abtastfrequenz aufgelöst werden kann. Wenn alternativ die Größe des Musterelements eine Dimension aufweist, die halb so groß wie die Pixeldimension ist, kann die Wellenlänge des Musters ein Pixel lang sein, wofür hinsichtlich der Frequenz die räumliche Frequenz des Musters die Hälfte der Abtastfrequenz betragen würde und nicht aufgelöst werden könnte. Bei einigen Implementierungen können Musterelementgrößen, die kleiner als die Pixelgröße sind, immer noch einen gewissen Kontrast herstellen, da benachbarte Pixel eine unterschiedliche Anzahl von hellen und dunklen Musterelementen aufweisen können, die ihre Fläche bedecken. Je kleiner jedoch die Elementgrößen sind, desto mehr wird der Gesamtkontrast innerhalb eines Pixels tendenziell gemittelt und desto weniger effektiv wird das Muster zum Herstellen von Kontrast. Wie vorstehend erwähnt, kann die aktuelle Pixeltechnologie (z. B. mit Pixelgrößen von oder unter 10 Mikrometer, 5 Mikrometer usw.) solche Bedenken verringern, da die Kamerapixel in verschiedenen praktischen Implementierungen so klein sein können wie die gewünschten kleinsten Musterelementgrößen.
  • 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 1000 zum Betreiben eines Metrologiesystems zeigt, das einen Musterprojektionsabschnitt gemäß den hierin offenbarten Prinzipien einschließt. Bei einem Block 1010 wird eine Lichtquelle gesteuert, um Licht in Richtung eines Musters zu übertragen, das in einem optischen Pfad mit einer Objektivlinse enthalten ist, um ein projiziertes Muster auf einer Werkstückoberfläche zu bilden, wobei mindestens eine Mehrheit (z. B. 50 % oder mehr) der Fläche des projizierten Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen. Bei einem Block 1020 wird eine Kamera dazu verwendet, einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht. Bei einem Block 1030 werden Fokuskurvendaten zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels bestimmt. Bei einem Block 1040 werden die Fokuskurvendaten dazu verwendet, dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen.
  • In verschiedenen Implementierungen kann das Verfahren 1000 wiederholt werden, nachdem der Vergrößerungszustand des Metrologiesystems geändert wurde, indem die Objektivlinse geändert wird, die in dem Objektivlinsenabschnitt enthalten ist (z. B. in eine zweite Objektivlinse, die eine zweite Grenzfrequenz aufweist, die sich von der Grenzfrequenz der zuvor verwendeten ersten Objektivlinse unterscheidet). Zum Beispiel kann die Lichtquelle nach dem Wechsel zu der zweiten Objektivlinse dazu gesteuert werden, Licht in Richtung des Musters zu übertragen, das in dem optischen Pfad mit der zweiten Objektivlinse enthalten ist, um ein zweites projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche (oder einer anderen Werkstückoberfläche) zu bilden, wobei das zweite projizierte Muster teilweise durch die zweite Grenzfrequenz gefiltert wird und mindestens ein Großteil der Fläche des zweiten projizierten Musters eine zweite Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen. Es versteht sich, dass aufgrund der unterschiedlichen Filterung durch die zweite Objektivlinse (d. h. gemäß der zweiten Grenzfrequenz) die zweite Vielzahl von Musterabschnitten sich von der ersten Vielzahl von Musterabschnitten unterscheiden kann, die der Verwendung der ersten Objektivlinse entspricht (z. B. können mehr oder weniger kleinere Musterabschnitte herausgefiltert worden sein, usw.). In Übereinstimmung mit dem Muster (z. B. dem Muster 305 auf der Musterkomponente 302) mit räumlichen Frequenzeigenschaften, die zu einem breiten Spektrum von Frequenzen im Leistungsspektrum führen (d. h. in Übereinstimmung mit hierin offenbarten Prinzipien), können jedoch sowohl die erste als auch die zweite Vielzahl von Musterabschnitten in den jeweiligen ersten und zweiten projizierten Mustern ausreichend/effektiv sein, um ein wünschenswertes Kontrastniveau in Bildern der Werkstückoberfläche zu erzeugen (z. B. für Prozesse vom PFF-Typ usw.).
  • Die Kamera kann dann verwendet werden, um einen zweiten Bildstapel zu erfassen, der eine zweite Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem zweiten projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des zweiten Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht. Es versteht sich, dass in Übereinstimmung mit der unterschiedlichen Vergrößerung der zweiten Objektivlinse die Fläche der Werkstückoberfläche (d. h. als Teil derselben Werkstückoberfläche oder einer anderen Werkstückoberfläche), die im Sichtfeld enthalten ist, anders sein kann als die Fläche der Werkstückoberfläche, die im Sichtfeld enthalten war, als die erste Objektivlinse verwendet wurde (z. B. kann eine zweite Objektivlinse mit einer höheren Vergrößerung als die einer ersten Objektivlinse zu einem vergrößerten und entsprechend kleineren Flächenausmaß einer Werkstückoberfläche im Sichtfeld führen). Zweite Fokuskurvendaten können dann zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des zweiten Bildstapels bestimmt werden, und die zweiten Fokuskurvendaten können verwendet werden, um dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen (z. B. als Teil von Prozessen vom PFF-Typ usw.)
  • Im Allgemeinen kann ein Muster mit Eigenschaften gemäß Prinzipien wie den hierin offenbarten (z. B. ähnlich den Eigenschaften des Musters 900A von 9) aus einer Reihe von Gründen wünschenswert sein. Wie vorstehend erwähnt, kann es zum Beispiel wünschenswert sein, ein Muster mit einem breiten Bereich von räumlichen Frequenzen zu haben, da ein Muster mit einer einzigen räumliche Frequenz nicht an alle des Satzes von Objektivlinsen und/oder anderen Linsen, die mit einem System verwendet werden können (z. B. das System 100), angepasst werden kann. Wie durch die Beispiele von 5 und 6 veranschaulicht, kann es schwierig sein, ein Muster mit einem breiten Frequenzbereich herzustellen, es sei denn, es hat ähnliche Eigenschaften wie das Muster 900A von 9. Bei bestimmten Implementierungen kann es für den gewünschten Bereich (z. B. wie er teilweise durch die Grenzfrequenzen der Objektivlinsen und/oder anderer zu verwendender Linsen bestimmt wird) wünschenswert sein, dass das Leistungsspektrum (das z. B. als gleich der FourierTransformation des Musters zum Quadrat charakterisiert werden kann) einen nominell/annähernd konstanten Wert innerhalb des gewünschten Bereichs aufweist. In einigen Implementierungen kann dies auch einer ungefähren Definition von weißem Rauschen innerhalb des gewünschten Bereichs entsprechen. Bei bestimmten Implementierungen kann ein pseudozufälliges Muster wie blaues Rauschen oder Ähnliches geeigneterweise eine hochfrequente Struktur auf dem Objekt herstellen. In verschiedenen Implementierungen kann ein Typ eines Pseudozufallsmusters (z. B. ein Pseudozufallsbitmapmuster usw.) solche Kriterien ungefähr erfüllen, bei denen die minimale Musterelementgröße und/oder der gewünschte Bereich von Musterabschnittsgrößen gemäß Kriterien wie den vorstehend beschriebenen bestimmt werden können.
  • In Bezug auf die minimale Musterelementgröße kann es, wie vorstehend beschrieben, im Allgemeinen wünschenswert sein, dass das Muster keine höheren räumliche Frequenzen als einen gewünschten Bereich enthält (bei dem es z. B. wünschenswert sein kann, dass die minimale Elementgröße, die für das Muster verwendet wird, nicht kleiner als bestimmte Dimensionen ist). Genauer gesagt würden aufgrund der höchsten Grenzfrequenz, wie vorstehend erwähnt, keine höheren räumliche Frequenzen des Musters von der Optik projiziert werden, selbst wenn das System die Linse (z. B. eine Objektivlinse) mit der höchsten Grenzfrequenz verwendet. Als Folge davon, dass solche höheren Frequenzen nicht projiziert werden, würden sie (z. B. entsprechend kleineren Musterabschnitten, die nicht in dem projizierten Muster erscheinen würden) den verfügbaren Kontrast des Musters effektiv verringern, was bei bestimmten Implementierungen im Allgemeinen unerwünscht sein kann. Bei einigen Implementierungen kann auch eine etwas kleinere Elementgröße verwendet werden, für die ein gewisses Maß an Mittelwertbildung akzeptabel sein kann, was zu einem gewissen Kontrastverlust führt.
  • 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. Alle in dieser Beschreibung genannten US-Patente und US-Patentanmeldungen sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Aspekte der Implementierungen können bei Bedarf modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen dazu einzusetzen, noch weitere Implementierungen bereitzustellen.
  • Diese und andere Änderungen können an den Implementierungen unter Berücksichtigung der vorstehenden detaillierten Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht so ausgelegt werden, dass sie die Ansprüche auf die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten spezifischen Implementierungen einschränken, sondern sie sollten so ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Implementierungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten enthalten, zu denen derartige Ansprüche berechtigen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6542180 [0003, 0053]
    • US 7454053 [0021]
    • US 7324682 [0021]
    • US 8111905 [0021, 0031]
    • US 8111938 [0021]
    • US 9143674 [0023, 0031]
    • US 7627162 [0030]
    • US 7570795 [0031]
    • US 7030351 [0031]
    • US 8581162 [0053]

Claims (24)

  1. Metrologiesystem, umfassend: einen Objektivlinsenabschnitt, der eine Objektivlinse enthält, die aus einem Satz von Objektivlinsen ausgewählt ist, wobei jede der Objektivlinsen in dem Satz eine unterschiedliche Vergrößerung und eine Grenzfrequenz aufweist, und ein Vergrößerungszustand des Metrologiesystems dazu konfiguriert ist, durch Ändern der im Objektivlinsenabschnitt enthaltenen Objektivlinse geändert zu werden; eine Lichtquelle; einen Musterprojektionsabschnitt, der eine Musterkomponente mit einem Muster umfasst, wobei mindestens ein Großteil der Fläche des Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen, und wobei Licht von der Lichtquelle dazu konfiguriert ist, in Richtung des Musters übertragen werden, um Musterlicht zu bilden, das durch die Objektivlinse übertragen wird, um ein projiziertes Muster auf einer Werkstückoberfläche zu bilden, und bei dem die Objektivlinse dazu konfiguriert ist, dass sie Bildlicht, das von der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters stammt, eingibt und das Bildlicht entlang eines optischen Abbildungspfads überträgt; eine Kamera, die dazu konfiguriert ist, entlang des optischen Abbildungspfads übertragenes Bildlicht zu empfangen und Bilder der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters bereitzustellen; 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: Steuern der Lichtquelle, um Licht in Richtung des Musters zu übertragen, um das projizierte Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden; Verwenden der Kamera, um einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht; und Bestimmen von Fokuskurvendaten, zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels, wobei die Fokuskurvendaten dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche angeben.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Musterabschnitten des Musters räumlichen Frequenzen entspricht, die unter der höchsten Grenzfrequenz der Objektivlinsen in dem Satz von Objektivlinsen liegen.
  3. System nach Anspruch 1, wobei der Satz von Objektivlinsen umfasst: eine Linse mit der niedrigsten Vergrößerung, die einer niedrigsten Vergrößerung des Satzes entspricht, eine Linse mit der höchsten Vergrößerung, die einer höchsten Vergrößerung des Satzes entspricht, und eine Vielzahl von Linsen mit Zwischenvergrößerung, die jeweils einer jeweilige Zwischenvergrößerung entsprechen, die jeweils zwischen der niedrigsten und höchsten Vergrößerung liegen und bei denen die höchste Vergrößerung mindestens das 10-fache der niedrigsten Vergrößerung beträgt.
  4. System nach Anspruch 3, wobei mindestens einige der Objektivlinsen des Satzes von Objektivlinsen jeweils jeweiligen Vergrößerungen von mindestens einem von 0,5X, 1x, 2x, 2,5x, 5x, 10x, 20x, 25x, 50x, oder 100x entsprechen.
  5. System nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Revolver mit einer Vielzahl von Revolverlinsen, wobei jede Revolverlinse einer anderen Vergrößerung entspricht und der Revolver dazu konfiguriert ist, eine der Revolverlinsen in dem optischen Abbildungspfad zu positionieren.
  6. System nach Anspruch 1, wobei jeder der Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche einem Bereich von Interesse in jedem der Bilder des Bildstapels entspricht und das Bestimmen der Fokuskurvendaten das Bestimmen von Fokuskurvendaten für jeden der Bereiche von Interesse umfasst, zumindest teilweise basierend auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels, wobei für jeden der Oberflächenpunkte ein Peak der Fokuskurvendaten für den entsprechenden Bereich von Interesse eine entsprechende Z-Höhe des Oberflächenpunkts angibt und bei denen der Peak zumindest teilweise aus dem Kontrast resultiert, der durch Musterabschnitte des projizierten Musters bereitgestellt wird.
  7. System nach Anspruch 1, wobei die Musterabschnitte dunklere Musterabschnitte und hellere Musterabschnitte umfassen.
  8. System nach Anspruch 7, wobei das Gesamtflächenausmaß des Musters entsprechend den dunkleren Musterabschnitten und das Gesamtflächenausmaß des Musters entsprechend den helleren Musterabschnitten nominell gleich sind.
  9. System nach Anspruch 7, wobei die helleren Musterabschnitte Abständen zwischen den dunkleren Musterabschnitten entsprechen.
  10. System nach Anspruch 9, wobei das Muster auf der Musterkomponente mit einem Chrommaskenprozess gebildet wird.
  11. System nach Anspruch 7, wobei die Musterabschnitte Musterabschnitte umfassen, die unterschiedliche Größen aufweisen.
  12. System nach Anspruch 11, wobei die Musterabschnitte unterschiedlicher Größe mindestens Musterabschnitte erster, zweiter, dritter und vierter Größe umfassen, wobei die Musterabschnitte zweiter, dritter und vierter Größe jeweils eine Länge aufweisen, die mindestens zwei-, drei- oder viermal so groß ist wie eine entsprechende Länge des Musterabschnitts der ersten Größe.
  13. System nach Anspruch 12, wobei die Musterabschnitte unterschiedlicher Größe ferner mindestens Musterabschnitte der fünften, sechsten, siebten und achten Größe umfassen, wobei die Musterabschnitte der fünften, sechsten, siebten und achten Größe jeweils eine Länge aufweisen, die mindestens fünf-, sechs-, sieben- bzw. achtmal so groß wie eine entsprechende Länge des Musterabschnitts erster Größe.
  14. System nach Anspruch 11, wobei ein größter Musterabschnitt der Vielzahl von Musterabschnitten weniger als das Zwanzigfache der Größe eines kleinsten Musterabschnitts der Vielzahl von Musterabschnitten beträgt.
  15. System nach Anspruch 11, wobei ein Musterabschnitt der ersten Größe ein kleinster Musterabschnitt der Vielzahl von Musterabschnitten ist und eine Fläche aufweist, die mindestens 2 Mikrometer mal 2 Mikrometer und höchstens 20 Mikrometer mal 20 Mikrometer beträgt.
  16. System nach Anspruch 15, wobei die Kamera ein Pixelarray umfasst, bei dem die Pixel jeweils eine Fläche aufweisen, die mindestens 2 Mikrometer mal 2 Mikrometer und höchstens 20 Mikrometer mal 20 Mikrometer beträgt.
  17. System nach Anspruch 7, wobei benachbarte dunklere und hellere Musterabschnitte der Vielzahl von Musterabschnitten in Sequenzen vorliegen, die sich nicht in regelmäßigen benachbarten Intervallen über das Muster entweder in x-Achsen- oder y-Achsen-Richtung des Musters wiederholen.
  18. System nach Anspruch 1, wobei der Musterprojektionsabschnitt ferner einen Musterpositionierungsabschnitt umfasst, der dazu konfiguriert ist, dass er so gesteuert wird, dass er die Musterkomponente in einem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse positioniert.
  19. Verfahren zum Betreiben eines Metrologiesystems, wobei das Metrologiesystem einschließt: einen Objektivlinsenabschnitt, der eine Objektivlinse enthält, die aus einem Satz von Objektivlinsen ausgewählt ist, wobei jede der Objektivlinsen in dem Satz eine unterschiedliche Vergrößerung und eine Grenzfrequenz aufweist, und ein Vergrößerungszustand des Metrologiesystems dazu konfiguriert ist, durch Ändern der im Objektivlinsenabschnitt enthaltenen Objektivlinse geändert zu werden; eine Lichtquelle; einen Musterprojektionsabschnitt, der in einem optischen Pfad mit dem Objektivlinsenabschnitt enthalten ist und eine Musterkomponente mit einem Muster umfasst, das dazu konfiguriert ist, auf eine Werkstückoberfläche projiziert zu werden; eine Kamera, die Bildlicht empfängt, das entlang eines optischen Abbildungspfads von der Objektivlinse übertragen wird und Bilder der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters bereitstellt; wobei das Verfahren umfasst: Steuern der Lichtquelle, um Licht in Richtung des Musters zu übertragen, das in dem optischen Pfad mit der Objektivlinse enthalten ist, um ein projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden, wobei mindestens ein Großteil der Fläche des projizierten Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen; Verwenden der Kamera, um einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht; Bestimmen von Fokuskurvendaten basierend zumindest teilweise auf einer Analyse der Bilder des Bildstapels; und Verwenden der Fokuskurvendaten, um dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Vielzahl von Musterabschnitten des projizierten Musters räumlichen Frequenzen entspricht, die unter der höchsten Grenzfrequenz der Objektivlinsen in dem Satz von Objektivlinsen liegen.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Musterprojektionsabschnitt einen Musterpositionierungsabschnitt einschließt und das Verfahren ferner das Steuern des Musterpositionierungsabschnitts einschließt, um die Musterkomponente in dem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse zu positionieren.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, wobei die in dem Objektivlinsenabschnitt enthaltene Objektivlinse eine erste Objektivlinse ist, die eine erste Grenzfrequenz aufweist, und das projizierte Muster ein erstes projiziertes Muster ist, das zumindest teilweise durch die erste Grenzfrequenz gefiltert wird und die Vielzahl von Musterabschnitten eine erste Vielzahl von Musterabschnitten ist, wobei das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Ändern des Vergrößerungszustands des Metrologiesystems durch Ändern der Objektivlinse, die in dem Objektivlinsenabschnitt enthalten ist, in eine zweite Objektivlinse, die eine zweite Grenzfrequenz aufweist, die sich von der ersten Grenzfrequenz unterscheidet; Steuern der Lichtquelle, um Licht in Richtung des Musters zu übertragen, das in dem optischen Pfad mit der zweiten Objektivlinse enthalten ist, um ein zweites projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden, wobei das zweite projizierte Muster zumindest teilweise durch die zweite Grenzfrequenz gefiltert wird, und zumindest ein Großteil der Fläche des zweiten projizierten Musters eine zweite Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen, und bei der sich die zweite Vielzahl von Musterabschnitten von der ersten Vielzahl von Musterabschnitten aufgrund der unterschiedlichen Filterung durch die erste und die zweite Grenzfrequenz zumindest teilweise unterscheidet; Verwenden der Kamera, um einen zweiten Bildstapel zu erfassen, der eine zweite Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem zweiten projizierten Muster umfasst, wobei jedes Bild des zweiten Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht; Bestimmen zweiter Fokuskurvendaten basierend zumindest teilweise auf einer Analyse der Bilder des zweiten Bildstapels; und Verwenden der zweiten Fokuskurvendaten, um dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche zu bestimmen.
  23. Musterprojektionsabschnitt zur Verwendung mit einem Metrologiesystem, wobei das Metrologiesystem einschließt: einen Objektivlinsenabschnitt, der eine Objektivlinse enthält, die aus einem Satz von Objektivlinsen ausgewählt ist, wobei jede der Objektivlinsen in dem Satz eine unterschiedliche Vergrößerung und eine Grenzfrequenz aufweist, und ein Vergrößerungszustand des Metrologiesystems dazu konfiguriert ist, durch Ändern der im Objektivlinsenabschnitt enthaltenen Objektivlinse geändert zu werden; eine Lichtquelle; und eine Kamera, die dazu konfiguriert ist, entlang des optischen Abbildungspfads übertragenes Bildlicht zu empfangen und Bilder der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters bereitzustellen; wobei der Musterprojektionsabschnitt umfasst: eine Musterkomponente mit einem Muster, wobei mindestens ein Großteil der Fläche des Musters eine Vielzahl von Musterabschnitten umfasst, die sich nicht in regelmäßigen Intervallen über das Muster hinweg wiederholen; und einen Musterpositionierungsabschnitt, der dazu konfiguriert ist, die Musterkomponente in einem optischen Pfad zwischen der Lichtquelle und der Objektivlinse zu positionieren; wobei, nachdem die Musterkomponente im optischen Pfad positioniert ist, Licht von der Lichtquelle so konfiguriert wird, dass es in Richtung des Musters übertragen wird, um Musterlicht zu bilden, das durch die Objektivlinse übertragen wird, um ein projiziertes Muster auf der Werkstückoberfläche zu bilden, und bei dem die Objektivlinse dazu konfiguriert ist, von der Werkstückoberfläche einschließlich des projizierten Musters ausgehendes Bildlicht einzugeben und das Bildlicht entlang des optischen Abbildungspfads zu übertragen, und bei dem die Kamera dazu konfiguriert ist, das entlang des optischen Abbildungspfads übertragene Bildlicht zu empfangen und einen Bildstapel aufzunehmen, umfassend: eine Vielzahl von Bildern der Werkstückoberfläche mit dem projizierten Muster, wobei jedes Bild des Bildstapels einer anderen Z-Höhe entspricht und bei dem die Bilder so konfiguriert sind, dass sie analysiert werden, um Fokuskurvendaten zu bestimmen, die dreidimensionale Positionen einer Vielzahl von Oberflächenpunkten auf der Werkstückoberfläche angeben.
  24. Musterprojektionsabschnitt nach Anspruch 23, wobei die Vielzahl von Musterabschnitten des Musters räumlichen Frequenzen entspricht, die unter der höchsten Grenzfrequenz der Objektivlinsen in dem Satz von Objektivlinsen liegen.
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