DE602004003882T2

DE602004003882T2 - System und Verfahren zur schnellen automatischen Fokussierung eines Maschinenvisionssystems

Info

Publication number: DE602004003882T2
Application number: DE602004003882T
Authority: DE
Inventors: Richard M. Kirkland Wasserman; Paul G. Seattle Gladnick; Kim W. Kirkland Atherton
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-11-24
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2024-11-18
Also published as: CN1621775A; DE602004003882D1; US20050109959A1; CN100430685C; EP1533996A1; EP1533996B1; EP1763221A1; JP2005156554A; US7030351B2

Description

Diese Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum automatischen Fokussieren eines Maschinenvisionsinspektionssystems.
Verfahren zum Betreiben eines Maschinenvisionsinspektionssystems mit einer Kamera und einem Tisch, die zueinander beweglich sind, um auf ein Werkstück auf dem Tisch zu fokussieren und ausgewählte Merkmale zu inspizieren, sind allgemein bekannt. Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssysteme können verwendet werden, um präzise dimensionale Messungen inspizierter Objekte zu erzielen und verschiedene andere Objektcharakteristiken zu inspizieren. Solche Systeme können einen Computer, eine Kamera, ein optisches System und einen Präzisionstisch aufweisen, der in mehrere Richtungen beweglich ist, um es der Kamera zu erlauben, die Merkmale eines Werkstücks, das inspiziert wird, zu scannen. Ein beispielhaftes System des früheren Stands der Technik, eines Typs, der als Allzweck-„Offline"-Präzisionsvisionssystem charakterisiert werden kann, sind die im Handel erhältliche Baureihe QUICK VISION^TM Visionsinspektionsmaschinen und QVPAK^TM-Software, die von Mitutoyo America Corporation (MAC) in Aurora, Illinois erhältlich sind. Die Merkmale und der Betrieb der Baureihe der QUICK VISION^TM-Visionsinspektionsmaschinen und der QVPAK^TM-Software sind allgemein zum Beispiel in dem Benutzerhandbuch QVPRK 3D CNC Vision Measuring Machine Users Guide, veröffentlicht im Januar 2003 sowie in dem Benutzerhandbuch QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide, veröffentlicht im September 1996, beschrieben, die beide hiermit durch Bezugnahme komplett eingegliedert werden. Dieses Produkt, wie zum Beispiel das QV-302 Pro-Model kann ein optisches System des Mikroskoptyps verwenden, um Bilder eines Werkstücks mit verschiedenen Vergrößerungen bereitzustellen.
Derartige Allzweck-„Offline"-Präzisionsvisionssysteme enthalten oft ein programmierbares Beleuchtungssystem und einen Objektivturm mit Objektiven mit verschiedenen Vergrößerungen, um zum Beispiel ihre Vielseitigkeit zu steigern und die Fähigkeit des schnellen Wechsels ihrer Konfiguration und der Abbildungsparameter vorzusehen, um eine große Vielfalt an Inspektionsaufgaben auszuführen. Es besteht ein allgemeiner Bedarf am Inspizieren verschiedener Typen von Objekten oder Inspektionswerkstücken oder verschiedener Aspekte eines einzelnen Werkstücks, die verschiedene Kombinationen der Vergrößerungen und programmierbaren Beleuchtungseinstellungen benutzen.
Allzweck-Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssysteme, wie zum Beispiel das QUICK VISION^TM-System, sind auch allgemein programmierbar und betreibbar, um automatisierte Videoinspektion bereitzustellen. Es ist allgemein erstrebenswert, dass solche Systeme Merkmale und Werkzeuge enthalten, die das Programmieren und Betreiben solcher Systeme vereinfachen, so dass der Betrieb und das Programmieren zuverlässig von Bedienern, die keine Experten sind, ausgeführt werden kann. Zum Beispiel lehrt das US-Patent 6 542 180 ein Visionssystem, das automatisierte Videoinspektion verwendet, darunter Vorgänge, bei welchen die Beleuchtung, die verwendet wird, um ein Werkstückmerkmal zu beleuchten, auf der Basis einer Vielzahl ausgewählter Bereiche eines Bilds des Werkstückmerkmals, justiert wird.
Wie in dem Patent '180 gelehrt, haben automatisierte Videoinspektionsmessinstrumente im Allgemeinen eine Programmierfähigkeit, die es erlaubt, eine automatische Inspektionsereignissequenz durch den Benutzer für jede besondere Werkstückkonfiguration zu definieren. Die Programmierfähigkeit stellt typischerweise auch die Möglichkeit bereit, die Ergebnisse der verschiedenen Inspektionsvorgänge zu speichern und/oder auszugeben.
Ein derartiges Programmieren kann entweder überlegt durchgeführt werden, wie zum Beispiel durch Programmieren auf Textbasis, oder durch einen Aufzeichnungsmodus, der allmählich die Inspektionsereignissequenz „lernt", indem eine Sequenz von Maschinensteuerbefehlen, die einer Sequenz von Inspektionsvorgängen, die von einem Benutzer ausgeführt werden, entspricht, gespeichert wird, oder durch eine Kombination beider Verfahren. Ein solcher Aufzeichnungsmodus wird oft als „Lernmodus" oder „Trainingsmodus" bezeichnet.
Bei beiden Techniken werden die Maschinensteuerbefehle im Allgemeinen als ein Teilprogramm gespeichert, das für die bestimmte Werkstückkonfiguration spezifisch ist. Die Fähigkeit, Teilprogramme mit Anweisungen zu schaffen, die automatisch eine vorbestimmte Sequenz von Inspektionsvorgängen während eines „Arbeitsmodus" ausführen, weist mehrere Vorteile auf, darunter verbesserte Inspektionswiederholbarkeit sowie die Fähigkeit automatisch das gleiche Teilprogramm an einer Vielzahl kompatibler Maschinenvisionsinspektionssysteme und/oder mehrfach auszuführen.
Die oben beschriebenen beispielhaften QUICK VISION^TM-Systeme sowie eine Anzahl anderer im Handel verfügbarer Allzweck-„Offline"-Visionssysteme verwenden typischerweise herkömmliche Bilderfassungszubehörteile oder Bauteile auf PC-Basis und herkömmliche Computerbetriebssysteme auf PC-Basis, wie zum Beispiel das Betriebssystem Windows^TM, um ihre Betriebsverfahren bereitzustellen, darunter ihre Verfahren zum Betreiben während einer Sequenz von Autofokusvorgängen.
Im Allgemeinen bewegt sich die Kamera während einer Sequenz von Autofokusvorgängen durch eine Reihe von Positionen entlang einer Z-Achse und erfasst an jeder Position ein Bild. Für jedes erfasste Bild wird eine Fokusmetrik berechnet und mit der entsprechenden Position der Kamera entlang der Z-Achse zu dem Zeitpunkt in Beziehung gebracht, zu dem das Bild aufgenommen wurde.
Ein bekanntes Verfahren des Autofokussierens wird in „Robust Auto Focussing in Microscopy" von Jan-Mark Geusebroek und Arnold Smeulders in ISIS Technical Report Series, Band 17, November 2000 besprochen. Um eine Z-Achsen-Position der Kamera zu bestimmen, die einem Autofokusbild entspricht, schätzt das besprochene Verfahren eine Position der Kamera entlang einer Z-Achse auf der Grundlage einer gemessenen Zeitmenge, während welcher sich die Kamera von einer bekannten Ausgangsposition auf der Z-Achse mit einer konstanten Geschwindigkeit entlang der Z-Achse bewegt, bis das Bild erfasst ist. Während der Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit werden die Autofokusbilder in Abständen von 40 ms (Videorate) aufgenommen. Das offenbarte Verfahren lehrt, dass die Videohardware Rahmen mit einer feststehenden Rate aufnimmt, und dass die Abtastdichte der Fokussierungskurve nur durch Einstellen der Tischgeschwindigkeit beeinflusst werden kann.
Ein anderes bekanntes Autofokusverfahren und -gerät ist in dem US Patent 5 790 710 beschrieben. In dem '710-Patent wird ein piezoelektrischer Positionierer verbunden mit einem herkömmlichen motorbetriebenen Bewegungssteuersystem verwendet, um die Z-Achsen-Position zu steuern. Das Bewegungssteuersystem mit Motorantrieb stellt eine relativ gröbere Auflösungspositionierung über einen kompletten Bewegungsbereich bereit, während der piezoelektrische Positionierer schnelle Positionierung mit hoher Auflösung über einen begrenzten Bereich um die Nennposition bereitstellt, die von dem motorgetriebenen System erstellt wird. Der piezoelektrische Positionierer stellt relativ verbesserte Autofokusgeschwindigkeit und -auflösung bereit. Das '710-Patent offenbart ferner den Einsatz von Strobeimpulsbeleuchtung während Autofokusvorgängen. Das '710-Patent lehrt das Erfassen von Autofokusbildern bei 60 Hz.
Bei einer Ausführungsform wurde „das Bild in der Nähe des Endes des Videofelds gestrobt, nachdem der piezoelektrische Fokus in seiner neuen Position gestoppt war". Das '710-Patent schlägt auch eine Alternative vor, bei der die Position mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt und das Bild mit einem Strobeimpuls eingefroren wird. In jedem Fall, und weil der Strobeimpuls die effektive Belichtungszeit der Kamera verkürzt, kann ein Teil der normalen Integrationsperiode zum Erfassen eines Kamerarahmenbilds verwendet werden, um sich zu einer neuen Position fortzubewegen, bevor der Strobeimpuls später innerhalb dieser Integrationsperiode ausgelöst wird.
Die Autofokusverfahren, die oben angesprochen wurden, stellen Autofokusbilder mit herkömmlichen Kamerarahmenraten und relativ schnelle Autofokusfähigkeit bereit. Relativ schnelle Autofokusfähigkeit wird auch bei einer Vielzahl so genannter „Online"- oder „Inline"-Maschinenvisionsinspektionssystemen bereitgestellt, die spezifisch konzipiert sind, um einen hohen Durchsatz für einen spezifischen Satz von Inspektionsvorgängen zu erzielen, der wiederholt an einem bestimmten Typ eines Massenproduktionsteils in einer bestimmten Betriebsumgebung ausgeführt wird. Verglichen mit den zuvor beschriebenen Allzweck-Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystemen, müssen derartige Online-Maschinenvisionsinspektionssysteme die Parameter, die ihre Inspektionsvorgänge umgeben, weniger häufig wechseln. Ferner ist die Anpassungsfähigkeit im Allgemeinen weniger wichtig als Hochgeschwindigkeitsbetrieb. Solche Systeme beruhten daher typisch auf spezialisierten Hardwarekonfigurationen und spezialisiertem Programmieren, um Hochgeschwindigkeits betrieb bereitzustellen, darunter relativ schnelle Autofokusfähigkeit.
Ein weiteres Problem, das für verwandte Systeme und verfahren typisch ist, besteht darin, dass Maschinenschwingungen, Verzerrungen und entsprechende Autofokuspositionsmessfehler auftreten, wenn verschiedene Visionsmaschinenelemente plötzlich kurz vor einer Autofokusbilderfassung gestoppt werden.
US 2003/197925 und WO 00/75709 beschreiben Echtzeitfokussierungssysteme für ein Mikroskop.
Die verschiedenen zuvor beschriebenen bekannten Systeme und Verfahren zum Ausführen von Autofokusvorgängen haben entweder nachteilige Autofokussierungsgeschwindigkeitsbeschränkungen, Autofokussierungspräzisionsbeschränkungen, kostspielige, spezialisierte und/oder relativ wenig anpassungsfähige Hardware und/oder einen Mangel an einem geeigneten Verfahren zum einfachen und verlässlichen Anpassen und Programmieren der Autofokusvorgänge für eine Vielzahl verschiedener Werkstücke oder Werkstückmerkmale, insbesondere wenn die Autofokusvorgänge den Einsatz von Strobeimpulsbeleuchtung enthalten. Ein Autofokussystem und -verfahren, die diese verschiedenen Nachteile und Beschränkungen getrennt oder gemeinsam überwinden können, ist erstrebenswert.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen dargelegt.
Anders als jedes der zuvor beschriebenen bekannten Systeme und Verfahren zum Ausführen von Autofokusvorgängen stellt die vorliegende Erfindung Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Autofokussierung bereit, die für ein Allzweck-Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem geeignet ist, und verwendet dabei relativ kostengünstige und anpassungsfähige Hardware. Zum Beispiel können relativ kostengünstige im Handel erhältliche PC-kompatible Maschinenvisionsbauteile und Bewegungsbauteile verwendet werden, gemeinsam mit herkömmlichen Computerbetriebssystemen auf PC-Basis. Spezialisierte Bewegungselemente, wie zum Beispiel piezoelektrische Stellglieder oder dergleichen, und ihre dazugehörenden Steuerelemente sind nicht erforderlich, um hohe Präzision bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren zum schnellen automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung bereitzustellen.
Eine relativ kostengünstige im Handel erhältliche Kamera kann verwendet werden, um einen reduzierten erfindungsgemäßen Auslesepixelsatz bereitzustellen. Der reduzierte Auslesepixelsatz entspricht im Wesentlichen weniger als dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds der Kamera. Die Pixelwerte des reduzierten Auslesepixelsatzes eines Bilds können zu dem Steuersystemabschnitt in einer Zeit ausgegeben werden, die wesentlich kürzer ist als eine Zeit, die zum Ausgeben des kompletten Pixelsatzes, der einem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht, erforderlich ist. Daher ist eine Wiederholungsrate zum Erfassen von Bildern und Speichern der dem reduzierten Auslesepixelsatz entsprechenden Daten wesentlich schneller als die Rate in Zusammenhang mit dem Erfassen von Bildern und Speichern der einem vollständigen Pixelsatz für das vollständige Gesichtsfeld der Kamera entsprechenden Daten.
Herkömmliche Computerbetriebssysteme auf PC-Basis und Visions- und Bewegungsbauteile weisen im Allgemeinen verschiedene nicht kontrollierte Timinglatenzen, asynchron getaktete Vorgänge und dergleichen auf. Existierende Autofokussysteme und -verfahren für solche Systeme und Bauteile haben diese unterschiedlichen unvorhersagbaren Timingbeziehungen und -schwankungen typischerweise in einer Art überwunden, die relativ langsam auszuführen ist, um passende Timingmargen und zuverlässig ein erstrebenswertes Niveau an Fokussierungspräzision oder -wiederholbarkeit bereitzustellen. Alternativ haben existierende Autofokussysteme und -verfahren relativ reduzierte Präzision, Wiederholbarkeit oder Zuverlässigkeit akzeptiert. Solche Autofokusgeschwindigkeitsprobleme wurden durch frühere Autofokussysteme und -verfahren, die unter Einsatz von Computerbetriebssystemen und Bauteilen auf PC-Basis umgesetzt wurden, ungeeignet gelöst, und solche Autofokussysteme und -verfahren sind in diesem Hinblick unzulänglich. Daher werden bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren zum schnellen automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung, angemessene Timingmargen und zuverlässige Fokussierungspräzisionsniveaus, Präzision und Wiederholbarkeit erzielt, während schnell Autofokusvorgänge ohne Abhängigkeit von den Timinglatenzen eines PC ausgeführt werden.
Zusätzlich stellen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren Autofokussysteme und Verfahren bereit, die einfach und zuverlässig angepasst, betrieben und für eine Vielzahl verschiedener Werkstücke oder Werkstückmerkmale programmiert werden können, darunter Ausführungsformen, bei welchen die Autofokusvorgänge den Einsatz von Strobeimpulsbeleuchtung aufweisen. Ferner stellen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren Systeme und Verfahren bereit, die eine solche Anpassung, einen solchen Betrieb und ein solches Programmieren zuverlässig durch einen „Nichtexperten" während manueller Inspektionsvorgänge und während verschiedener Trainingsmodusvorgänge erlauben.
Zu bemerken ist, dass die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren zum schnellen automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung besonders beim Gebrauch bei Präzisionsautofokusvorgängen vorteilhaft sind, die in Maschinenvisionsmesstechnik- und -inspektionssystemen verwendet werden können. Die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren stellen im Allgemeinen Autofokuspräzision und Wiederholbarkeit bereit, die einen kleinen Prozentsatz der Feldtiefe ausmachen, die von einem Abbildungsobjektiv bereitgestellt wird. Das ist insbesondere für ein Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem, das messtechnisch eingesetzt wird, wichtig. Zu bemerken ist, dass die Autofokussysteme, die von vielen anderen Systemtypen verwendet werden, in erster Linie klare Bilder bereitstellen und hinsichtlich ihrer Wiederholbarkeit in Bezug auf die Feldtiefe eines Abbildungsobjektivs oft vergleichsweise unreif sind. Das ist darauf zurückzuführen, dass ein klares Bild über einen relativ großen Abschnitt der Feldtiefe bereitgestellt wird.
Diese Erfindung stellt Systeme und Verfahren zum automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision bereit, die einen reduzierten Auslesepixelsatz verwenden.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Definieren eines reduzierten Auslesepixelsatzes bereit, der tatsächlich für eine Anzahl von Autofokusbildern ausgegeben wird, um die erreichbare Rate an Autofokusbilderfassung zu steigern.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung bereit, um hohe Geschwindigkeit und hohe Präzision unter Einsatz einer relativ beschränkten Anzahl von Einstellungsbedingungen und/oder Parametern bereitzustellen, die nicht automatisch bestimmt werden.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Erfassen von Autofokusbildern bereit, während die Kamera in Bezug zu dem Werkstück bewegt wird.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Erfassen von Autofokusbildern bereit, während die Kamera in Bezug auf das Werkstück beschleunigt wird.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Erfassen verschiedener Autofokusbilder bei hoher Geschwindigkeit bereit, während die Kamera und/oder das Werkstück schnell in einer Art bewegt wird, die keine potenziellen Maschinenschwingungen, Verzerrungen und/oder damit verbundene Autofokuspositionsmessfehler entstehen lässt, die sonst dazu tendieren aufzutreten, wenn verschiedene Visionsmaschinenelemente plötzlich kurz vor dem Erfassen eines Autofokusbilds gestoppt werden.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen des reduzierten Auslesepixelsatzabschnitts eines Bildrahmens bereit, der tatsächlich für eine Anzahl von Autofokusbildern auf der Grundlage der Größe und Lage eines interessierenden Bereichs eines Werkstücks ausgegeben wird.
Diese Erfindung stellt getrennt verschiedene grafische Benutzeroberflächenelemente bereit, die mit den Systemen und Verfahren verwendet werden können, um eine erstrebenswerte Ausrichtung oder Überlappung zwischen einem Abschnitt eines Bildrahmens, der tatsächlich für eine Anzahl von Autofokusbildern ausgegeben wird und einem interessierenden Bereich eines Werkstücks, zu bestimmen.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bewegen der Kamera in Bezug zu dem Werkstück mit einer Geschwindigkeit bereit, die auf der Grundlage einer verwirklichbaren Wiederholungsrate von Autofokusbilderfassung und einer erstrebenswerten Fokuskurvenabtastdichte bestimmt wird.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen der effektiven Belichtungszeit eines Autofokusbilds durch Strobeimpulslichtbeleuchtung und zum Auswählen einer Strobeimpulsdauer bereit, die das Verschieben einer sich bewegenden Kamera innerhalb eines erstrebenswerten Bereichs während der effektiven Belichtungszeit des Autofokusbilds beschränken.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen eines Strobeimpulslicht-Leistungsniveaus bereit, das während einer Strobeimpulsdauer verwendet wird, die auf einer fortgesetzten Beleuchtungsleistungseinstellung basiert, die dafür bekannt ist, akzeptable Bildcharakteristiken über eine effektive Belichtungsdauer zu ergeben, die länger ist als die Strobeimpulsdauer.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen des Abschnitts eines Bildrahmens bereit, der tatsächlich für eine Anzahl von Autofokusbildern auf der Grundlage einer erstrebenswerten Mindestgröße eines interessierenden Bereichs ausgegeben wird, der die entsprechende maximal verwirklichbare Abtastrate bestimmt.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer maximalen Kamerabewegungsgeschwindigkeit auf der Grundlage der maximal verwirklichbaren Abtastrate und einer erstrebenswerten Fokuskurvenabtastdichte, die mit einer erstrebenswerten Fokuspräzision zusammenhängt, bereit.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen einer Strobeimpulsdauer bereit, die auf einer maximal zulässigen Kameraverschiebung beruht, die während einer effektiven Autofokusbildbelichtungszeit erstrebenswert ist.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren zum Bestimmen eines Lichtleistungsniveaus bereit, das während der Strobeimpulsdauer auf der Grundlage einer fortgesetzten Beleuchtungsleistungseinstellung verwendet wird, die dafür bekannt ist, akzeptable Bildcharakteristiken über eine effektive Belichtungsdauer zu ergeben, die länger ist als die Strobeimpulsdauer, um eine erstrebenswerte Autofokuspräzision bei einer entsprechenden Autofokusausführungsgeschwindigkeit zu erzielen, die annähernd in Bezug auf einen bestimmten interessierenden Bereich für die Autofokusvorgänge optimiert ist.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren bereit, die einen Strobeimpuls-Beleuchtungscontroller bereitstellen, der leicht eine Schnittstelle mit verschiedenen herkömmlichen PC-kompatiblen Maschinenvisionsbauteilen bilden kann und verschiedene Steuersignale empfängt und gesteuerte Beleuchtungsleistungsniveaus, schnellen Betrieb und vorhersehbares Timing für verschiedene Autofokusvorgänge bereitstellt.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren bereit, die einen Strobeimpuls-Beleuchtungscontroller bereitstellen, der betrieben werden kann, um fortgesetzte Beleuchtungsvorgänge zu steuern.
Diese Erfindung stellt getrennt Systeme und Verfahren bereit, die den Strobeimpuls-Beleuchtungscontroller bereitstellen, der als Nachrüstung für verschiedene existierende Maschinenvisionssysteme installiert werden kann, die dann verschiedene verbesserte erfindungsgemäße Autofokusvorgänge umsetzen können.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren, und wenn sich die Kamera während einer Autofokusbilderfassung bewegt, wird zumindest ein Positionswert in Zusammenhang mit der Abbildungsentfernung für dieses Autofokusbild in Zusammenhang mit der effektiven Belichtungszeit des Autofokusbilds erfasst. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt dies, um die Autofokusbildentfernung mit hoher Präzision, Zuverlässigkeit und/oder Gewissheit bereitzustellen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren wird ein Visionsinspektionssystem, das verschiedene verbesserte erfindungsgemäße Autofokusvorgänge aufweist, in einen Training- oder Lernmodus gegeben, um Parameter, wie zum Beispiel ein ausgewähltes Objektiv, die Dimensionen und die Lage eines interessierenden Bereichs, die Dimensionen und die Lage eines reduzierten Auslesepixelsatzes, Beleuchtungseinstellungen, Autofokusabtastgeschwindigkeit und -bereich und dergleichen zu bestimmen, um schneller und genauer automatisch auf ein bestimmtes Werkstück zu fokussieren.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren und wenn sich das Visionsinspektionssystem in einem Training- oder Lernmodus befindet, wird eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) für einen Bediener bereitgestellt, um in Zusammenhang mit dem Definieren von Autofokussierungsvorgängen verwendet zu werden, und einige oder alle der oben angegebenen Parameter werden definiert und/oder bestimmt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren wird eine Vorführung der Ergebnisse der definierten Autofokussierungsvorgänge praktisch in dem Trainingsmodus zum Prüfen der Ergebnisse bereitgestellt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen initiiert der Bediener die Vorführung durch ein Merkmal der grafischen Benutzeroberfläche. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren werden dann Teilprogrammanweisungen geschaffen, um vorbestimmte, definierte oder neu bestimmte Parameter oder dergleichen gemeinsam mit Null, einem oder mehreren anderen Vorgängen zu verwenden, um die Robustheit der Vorgänge, die automatisch eine geschätzte beste Fokussierungsposition bestimmen und/oder auf einen interessierenden Bereich eines Werkstücks fokussieren, zu beschleunigen und/oder zu verbessern.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren werden ein oder mehrere Fokuswerte nur für einen beschränkten interessierenden Bereich bestimmt, der in einem reduzierten Auslesepixelsatz verschiedener Autofokusbilder aufgenommen ist. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erlauben solche Fokuswerte das Bestimmen einer geschätzten besten Fokusposition mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit unter Einsatz eines Computers oder Controllers des Maschinenvisionssystems.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren wird die geschätzte beste Fokusposition als eine Inspektionskoordinate für ein Merkmal des interessierenden Bereichs verwendet, und die Inspektionsvorgänge werden an einer anderen Position auf dem Werkstück fortgesetzt.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren wird die geschätzte beste Fokusposition verwendet, um ein existierendes Autofokusbild des interessierenden Bereichs auszuwählen, das zum Inspizieren in dem interessierenden Bereich verwendet wird.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren ist die geschätzte beste Fokusposition relativ annähernder, wenn eine relativ niedrigere Präzision akzeptabel ist, und relativ weniger annähernd, wenn eine relativ höhere Präzision gefordert wird.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren ruft ein Maschinenvisionssystem automatisch verschiedene Autofokusparameter für ein bestimmtes Werkstück auf der Grundlage eines Teilprogramms, das während eines Trainingsmodus bestimmt wurde, ab und/oder stellt sie ein, führt verschiedene Autofokusvorgänge auf der Grundlage der verschiedenen Autofokusparameter aus, lokalisiert automatisch eine geschätzte beste Fokusposition für das Werkstück und erzielt oder definiert zumindest ein erstrebenswertes Inspektionsbild des Werkstücks, das der lokalisierten geschätzten besten Fokusposition entspricht.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren ruft ein Maschinenvisionssystem automatisch verschiedene Autofokusparameter für ein bestimmtes Werkstück auf der Grundlage eines Teilprogramms, das während eines Trainingsmodus bestimmt wurde, ab und/oder stellt sie ein, führt verschiedene Autofokusvorgänge auf der Grundlage der verschiedenen Autofokusparameter aus, darunter den Einsatz eines ursprünglichen Satzes von Strobeimpuls-Beleuchtungsparametern, um zumindest ein Bild zu erfassen und zumindest einen Strobeimpuls-Beleuchtungsparameter auf der Grundlage des automatischen Bewertens mindestens einer Bildcharakteristik des mindestens einen Bilds zu verfeinern, lokalisiert automatisch eine geschätzte beste Fokusposition für das Werkstück und erfasst oder definiert zumindest ein erstrebenswertes Inspektionsbild des Werkstücks.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren wird das Inspektionsbild unter Einsatz der verfeinerten Strobeimpuls-Beleuchtungsparameter an der lokalisierten geschätzten besten Fokusposition erzielt.
Diese sowie weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind beschrieben in oder ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung verschiedener beispielhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren.
Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren werden ausführlich unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben, in welchen:
1 ein Diagramm eines beispielhaften Allzweck-Maschinenvisionsinspektionssystems ist,
2 ein Blockschaltbild ist, das ausführlicher eine beispielhafte Ausführungsform des Steuersystemabschnitts und des Visionsbauteilabschnitts des Maschinenvisionsinspektionssystems der 1 zeigt,
3 ein veranschaulichender Graph ist, der eine Fokuskurve veranschaulicht, die einem Satz dicht abgetasteter Fokuskurvendatenpunkte entspricht,
4 ein veranschaulichender Graph ist, der eine Fokuskurve veranschaulicht, die einem Satz dünn abgetasteter Fokuskurvendatenpunkte entspricht,
5 ein schematisches Diagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Strobeimpuls-Lichtsteuersystems gemäß dieser Erfindung zeigt,
6 ein Flussdiagramm ist, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Bestimmen von Parametern zum automatischen Fokussieren auf einen interessierenden Bereich eines Werkstücks gemäß dieser Erfindung darlegt,
7 ein beispielhaftes Werkstück und Merkmal, das zu inspizieren ist, gemeinsam mit einem beispielhaften Multizonen-Bildqualitätswerkzeug zeigt, das verwendet werden kann, um eine erstrebenswerte Autofokusbeleuchtung bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren zu bestimmen,
8 das beispielhafte Werkstück und Merkmal der 7, das zu inspizieren ist, gemeinsam mit zwei beispielhaften Ausführungsformen der Autofokuswerkzeug-Widgets der grafischen Benutzeroberfläche zeigt, die bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren verwendet werden können,
9 und 10 das beispielhafte Werkstück und Merkmal der 7, das zu inspizieren ist, gemeinsam mit beispielhaften Ausführungsformen von Autofokuswerkzeug-Widgets einer grafischen Benutzeroberfläche und beispielhaften Ausführungsformen von Anzeige-Widgets für einen reduzierten Auslesepixelsatz zeigen, die bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren verwendet werden können,
11 eine beispielhafte Ausführungsform eines Autofokuswerkzeug-Widgets einer grafischen Benutzeroberfläche gemeinsam mit beispielhaften Ausführungsformen verschiedener Steuer-Widgets zeigt, die zum Auswählen verschiedener Modi und Vorgänge in Zusammenhang mit Autofokusvorgängen bei einem erfindungsgemäßen Trainingsmodus verwendet werden können,
12 eine beispielhafte Ausführungsform einer grafischen Benutzeroberfläche für ein beispielhaftes Autofokuswerkzeug veranschaulicht, das erfindungsgemäß verwendet werden kann,
13 ein Kurvenschreiberausdruck ist, der eine generische Beziehung zwischen der Größe eines interessierenden Bereichs und der Fokusbilderfassungsrate bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen veranschaulicht,
14 ein Kurvenschreiberausdruck ist, der beispielhafte generische Beziehungen zwischen Fokusbilderfassungsrate und Autofokus-Scanbewegungsgeschwindigkeit für einen Modus mit niedrigerer Präzision und einen Modus mit höherer Präzision bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht,
15 ein Kurvenschreiberausdruck ist, der Bewegungsmerkmale in Zusammenhang mit einer relativ langsamen Autofokusbilderfassungsrate und einer relativ schnelleren Autofokusbilderfassungsrate bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen vergleicht,
16 ein Kurvenschreiberausdruck ist, der beispielhafte generische Beziehungen zwischen einer Lichteinstellung (Leistungseinstellung) während einer zufrieden stellenden fortgesetzten Beleuchtung sowie entsprechende Strobeimpulsdauern für eine Vielzahl von Strobeimpuls-Lichtleistungsniveaus gemäß dieser Erfindung veranschaulicht, und
17 und 18 Flussdiagramme sind, die eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum automatischen Fokussieren einer Bilderfassungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung umreißen.
1 ist ein Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines programmierbaren beispielhaften Allzweck-Maschinenvisionsinspektionssystems 10 gemäß dieser Erfindung. Das Maschinenvisionsinspektionssystem 10 umfasst eine Visionsmessmaschine 200, die betrieblich zum Austauschen von Daten und Steuersignalen mit einem Steuersystem 100 verbunden ist. Das Steuersystem 100 ist ferner betreibbar zum Austauschen von Daten und Steuersignalen mit einem oder mehreren der Folgenden verbunden: einem Monitor 111, einem Drucker 112, einem Joystick 113, einer Tastatur 114 und/oder einer Maus 115. Die Visionsmessmaschine 200 weist einen beweglichen Werkstücktisch 210 und ein optisches Abbildungssystem 205 auf, das eine Zoomlinse oder eine Anzahl austauschbarer Objektive aufweisen kann. Die Zoomlinse oder austauschbaren Objektive stellen im Allgemeinen verschiedene Vergrößerungen für die Bilder, die von dem optischen Abbildungssystem 205 geliefert werden, bereit.
Der Joystick 113 kann typischerweise verwendet werden, um die Bewegung des beweglichen Werkstücktischs 210 sowohl in die X- als auch in die Y-Richtung zu steuern, im Allgemeinen parallel zu den Brennebenen des optischen Abbildungssystems 205, und der Bewegungsrichtungskomponente des beweglichen optischen Abbildungssystems 205 in die Z- oder Fokusrichtung. Häufig ist die Ablenkung, die die Z-Achse steuert, ein Drehablenkungsbauteil eines Griffs oder Knopfs des Joysticks 113. Der Joystick 113 kann in einer anderen Form als der gezeigten bereitgestellt werden, wie zum Beispiel als jede beliebige visuelle Darstellung oder ein Widget auf dem Bildschirm 111, das dazu bestimmt ist, als eine „virtuelle Bewegungssteuervorrichtung" des Maschinenvisionsinspektionssystems 10 zu funktionieren und das über eine beliebige Computereingabevorrichtung gesteuert werden kann, wie zum Beispiel über die Maus 115 oder dergleichen.
2 zeigt ausführlicher eine beispielhafte Ausführungsform des Maschinenvisionsinspektionssystems 10, der Visionsmessmaschine oder des Visionsbauteileabschnitts 200 und des Steuersystems oder Steuersystemabschnitts 100 der 1. Wie in 2 gezeigt, steuert der Steuersystemabschnitt 100 den Visionsbauteileabschnitt 200. Der Visionsbauteileabschnitt 200 weist einen Optikeinheitsabschnitt 250, Lichtquellen 220, 230 und 240 und den Werkstücktisch 210 mit einem zentralen durchsichtigen Abschnitt 212 auf. Der Werkstücktisch 210 kann gesteuert entlang der X- und Y-Achse bewegt werden, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen zu der Oberfläche des Tischs, auf der ein Werkstück 20 positioniert werden kann, parallel ist. Der Optikeinheitabschnitt 250 weist ein Kamerasystem 260, ein austauschbares Objektiv 252, eine Turmobjektiveinheit 280 und die koaxiale Lichtquelle 230 auf. Der Optikeinheitabschnitt 250 kann gesteuert entlang einer Z-Achse bewegt werden, die im Allgemeinen im rechten Winkel zu der X- und Y-Achse steht, indem ein steuerbarer Motor 294 verwendet wird. Jede der X-, Y- und Z-Achsen des Maschinenvisionsinspektionssystems 10 ist jeweils mit X-, Y- und Z-Achsenpositionscodierern (nicht gezeigt) versehen, die X-, Y- und Z-Positionsinformationen zu dem Steuersystemabschnitt 100 über entsprechende Signal- und/oder Steuerleitungen (nicht gezeigt) liefern.
Das Werkstück 20, das unter Einsatz des Maschinenvisionsinspektionssystems 10 abzubilden ist, wird auf den Werkstücktisch 210 gelegt. Eine oder mehrere der Lichtquellen 220, 230 oder 240 senden Quellenlicht 222, 232 bzw. 242, das verwendet werden kann, um das Werkstück 20 zu beleuchten, Licht, das von den Lichtquellen 220, 230 und/oder 240 gesendet wird, beleuchtet das Werkstück 20 und wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder übertragen, das durch das austauschbare Objektiv 252 und durch ein Objektiv 282 oder 288 der Turmobjektiveinheit 280 durchgeht und von dem Kamerasystem 260 gesammelt wird. Das Bild des Werkstücks 20, das von dem Kamerasystem 260 erfasst wird, wird über eine Signal- und Steuerleitung 262 zu dem Steuersystemabschnitt 100 ausgegeben. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung kann das Kamerasystem 260 betrieben werden, um einen reduzierten Auslesepixelsatz auszugeben, der kleiner ist als das vollständige Gesichtsfeld der Kamera und dies in einer Zeit, die kürzer ist, als eine Zeit, die erforderlich ist, um einen vollständigen Pixelsatz auszugeben, der dem vollständigen Gesichtsfeld entspricht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen dient das dem Zweck des Verringerns der Gesamtzeit der erfindungsgemäßen Autofokusvorgänge.
Die Lichtquellen 220, 230 und 240, die verwendet werden, um das Werkstück 20 zu beleuchten, können das Tischlicht 220, das Koaxiallicht 230 und das Oberflächenlicht 240 enthalten, wie zum Beispiel ein Ringlicht oder programmierbares Ringlicht, das mit dem Steuersystemabschnitt 100 über Signalleitungen oder Busse 221, 231 bzw. 241 verbunden ist. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren können eine oder mehrere der Lichtquellen 220-240 in einem Strobeimpuls-Beleuchtungsmodus verwendet werden. Bei solchen beispielhaften Ausführungsformen ist es erstrebenswert, Lichtquellen bereitzustellen, die betrieben werden können, um eine Kombination einer sehr schnellen Lichtquellenantwortzeit (im Mikrosekundenbereich oder darunter) und geeignete optische Leistungsniveaus bereitzustellen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weisen die eine oder mehreren Lichtquellen, die für das Stroben verwendet werden, daher eine hoch intensive LED, wie zum Beispiel eine der LEDs der Produktlinie Luxeon^TM, die von Lumileds Lighting, LLC, San Jose, Kalifornien erhältlich ist, auf. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen enthalten die eine oder mehreren Lichtquellen, die für das Stroben verwendet werden, eine blaue LED mit einer Wellenlänge von etwa 470 nm. Jede Wellenlänge innerhalb des Erfassungsbereichs der Kamera wird jedoch bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen verwendet. Im Allgemeinen kann jede der zuvor beschriebenen Lichtquellen 220-240 durch den Gebrauch einer LED bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen umgesetzt werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren können eine oder mehrere der Lichtquellen 220-240 sowohl in fortgesetztem Beleuchtungsmodus als auch in einem Strobeimpuls-Beleuchtungsmodus verwendet werden.
Als eine Hauptoptikeinheit des Maschinenvisionsinspektionssystems 10 kann der Optikeinheitabschnitt 250 zusätzlich zu den zuvor besprochenen Bauteilen weitere Objektive und andere optische Elemente enthalten, wie zum Beispiel Blenden, Strahlenteiler, usw., wie sie für das Bereitstellen koaxialer Beleuchtung erforderlich sind, oder andere erstrebenswerte Maschinenvisionsinspektionssystemmerkmale. Der Steuersystemabschnitt 100 dreht die Turmobjektiveinheit 280 entlang der Achse 284 zwischen mindestens der ersten und der zweiten Turmobjektivposition, um verschiedene Vergrößerungen auf der Grundlage von Steuersignalen bereitzustellen, die über eine Signalleitung oder einen Bus 281 übertragen werden.
Die Entfernung zwischen dem Werkstücktisch 210 und dem Optikeinheitabschnitt 250 kann eingestellt werden, um den Fokus des Bilds des Werkstücks 20, das von dem Kamerasystem 260 aufgenommen wird, zu ändern. Insbesondere kann bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen des Maschinenvisionsinspektions systems 10 der Optikeinheitabschnitt 250 in der senkrechten Z-Achsenrichtung zu dem Werkstücktisch 210 anhand des steuerbaren Motors 294 bewegt werden, der ein Stellglied, ein Verbindungskabel oder dergleichen antreibt, um den Optikeinheitabschnitt 250 entlang der Z-Achse zu bewegen. Der Begriff Z-Achse, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Achse, die dazu bestimmt ist, zum Fokussieren des Bilds verwendet zu werden, das von dem Optikeinheitabschnitt 250 erzielt wird. Der steuerbare Motor 294 ist beim Gebrauch mit dem Steuersystemabschnitt 100 über eine Signalleitung 296 verbunden.
Wie in 2 gezeigt, weist der Steuersystemabschnitt 100 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen einen Controller 120, eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110, einen Speicher 130, eine Abbildungssteuerschnittstelle 140, ein Bewegungssteueruntersystem 145, einen Beleuchtungssystemtreiber-/-controller 150, eine Schaltung, ein Hilfsprogramm oder eine Anwendung 155, die ein Werkstückteilprogramm erzeugt, eine Schaltung, ein Hilfsprogramm oder eine Anwendung 165, die ein Teilprogramm ausführt, eine Schaltung, ein Hilfsprogramm oder eine Anwendung 170, die den Autofokusbetrieb, steuert, und eine Schaltung, ein Hilfsprogramm oder eine Anwendung 175 zum Bestimmen und Vergleichen eines Fokuswerts eines interessierenden Bereichs auf, die durch einen oder mehrere Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 untereinander verbunden sind. Es ist klar, dass solche Schaltungen, Hilfsprogramme oder Anwendungen verdrahtete Leiterplatten, Softwareschaltungen, Unterprogramme, Objekte, Operationen, Anwendungsprogrammierschnittstellen, Manager, Anwendungen oder jede andere bekannte oder später entwickelte Hardware- oder Softwarestruktur umfassen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen speichert der Speicherabschnitt 130 Daten und/oder „Werkzeuge", die verwendet werden können, um den Visionssystembauteileabschnitt 200 zu betreiben, um ein Bild des Werkstücks 20 aufzunehmen oder zu erfassen, so dass das erfasste Bild des Werkstücks 20 erstrebenswerte Bildcharakteristiken hat. Der Speicherabschnitt 130 kann ferner Daten und/oder Videowerkzeuge speichern, die verwendet werden können, um das Maschinenvisionsinspektionssystem 100 zu betreiben, so dass es unterschiedliche Inspektions- und Messvorgänge an den erfassten Bildern ausführt, und zwar entweder manuell oder automatisch, und dass es die Ergebnisse über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 130 über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder die Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 ausgibt. Der Speicherabschnitt 130 kann auch Daten enthalten, die eine grafische Benutzeroberfläche definieren, die über die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 betrieben werden kann. Eine solche Ausführungsform ist zum Beispiel die zuvor genannte Baureihe von Visionsinspektionsmaschinen QUICK VISION^TM und zum Beispiel die Software QVPAK^TM.
Die Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 des Tischlichts 220, des Koaxiallichts 230 bzw. des Oberflächenlichts 240 sind jeweils mit der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 verbunden. Eine Steuersignalleitung oder ein Bus 281 der Turmobjektiveinheit 280 ist ebenfalls mit der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 verbunden. Jeweilige Signal- und/oder Steuerleitungen (nicht gezeigt) der jeweiligen X-, Y- und Z-Achsen-Positionscodierer (nicht gezeigt) sind ebenfalls mit der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 verbunden. Die Signal- und Steuerleitung 262 von dem Kamerasystem 260 und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind ebenfalls mit der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 verbunden. Zusätzlich zum Tragen von Bilddaten, kann die Signal- und Steuerleitung 262 unterschiedliche Signale von dem Controller 120 befördern, die bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen einen Bilderfassungspixelbereich für die Kamera einstellen, eine Bilderfassungs-Kamerabetriebssequenz oder dergleichen auslösen.
Eine oder mehrere Display-Vorrichtungen 102, wie zum Beispiel der Bildschirm 111 und der Drucker 112 sowie eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 104, wie zum Beispiel die Vorrichtungen 113-115 können ebenfalls mit der Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 verbunden sein. Die Display-Vorrichtungen 102 und Eingabevorrichtungen 104 können verwendet werden, um Teilprogramme anzuzeigen, zu schaffen und/oder zu ändern, um die Bilder anzuzeigen, die von dem Kamerasystem 260 aufgenommen werden, um verschiedene GUI-Elemente und Widgets, die zum Überwachen und Steuern des Visionssystembauteileabschnitts 200 verwendet werden, anzuzeigen und/oder zu ändern und/oder direkt den Visionssystembauteileabschnitt 200 zu steuern. Bei einem vollautomatisierten System mit einem vorbestimmten Werkstückprogramm können die Anzeigevorrichtungen 102 und/oder eine oder mehrere der Eingabevorrichtungen 104 weggelassen werden.
Der Steuersystemabschnitt 100 kann verwendet werden, um Bilderfassungseinstellungen oder -parameter zu bestimmen und/oder um ein Bild des Werkstücks 20 zu erfassen, so dass das Eingabebild des Werkstücks 20 erstrebenswerte Bildcharakteristiken in einem interessierenden Bereich hat, der ein Werkstückmerkmal, das zu inspizieren ist, enthält. Zum Beispiel können unterschiedliche beispielhafte Ausführungsformen der Autofokussysteme und -verfahren gemäß dieser Erfindung gemeinsam mit dem Steuersystemabschnitt 100 verwendet werden, um erstrebenswerte Bildcharakteristiken zu erstellen, die von der Fokusqualität in dem interessierenden Bereich abhängen, der das zu inspizierende Werkstückmerkmal enthält. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und wenn ein Benutzer das Maschinenvisionsinspektionssystem 10 verwendet, um ein Werkstückbilderfassungsprogramm für das Werkstück 20 gemäß dieser Erfindung zu schaffen, erzeugt der Benutzer Werkstückprogrammanweisungen entweder, indem er die Anweisungen explizit automatisch, halbautomatisch oder manuell codiert, indem er eine Werkstückprogrammiersprache verwendet, oder indem er die Anweisungen erzeugt, indem er das Maschinenvisionsinspektionssystem 100 durch eine Bilderfassungstrainingsequenz führt, so dass die Werkstückprogrammanweisungen Vorgänge und Einstellungen erfassen, die gemäß der Trainingsequenz definiert sind.
Diese Werkstückabbildungsanweisungen werden von der Schaltung, dem Hilfsprogramm oder der Anwendung 155 zum Erzeugen der Werkstückteilprogrammierung codiert und zu anderen Bauteilen über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 übertragen. Die physikalischen Bewegungen werden von dem Bewegungssteueruntersystem 145 gesteuert. Um die Steuerung der physikalischen Bewegungen zum Beispiel des Kamerasystems 260 zu verwirklichen, empfängt das Bewegungssteueruntersystem 145 Positionsinformationen von den Positionscodierern der X-, Y- und Z-Achse und überträgt Positionsveränderungssteuersignale über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195. Im Allgemeinen veranlassen diese Anweisungen das Maschinenvisionsinspektionssystem 10, den Werkstücktisch 210 und/oder das Kamerasystem 260 zu handhaben, so dass ein bestimmter Abschnitt des Werkstücks 20 innerhalb des Gesichtsfelds des Kamerasystems 260 liegt und eine erstrebenswerte Vergrößerung, einen erstrebenswerten Fokuszustand und eine erstrebenswerte Beleuchtung bereitstellt. Diese Aktionen werden von der Schaltung, dem Hilfsprogramm oder der Anwendung 165 zum Ausführen des Teilprogramms, über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder die Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 ausgeführt. Dieser Prozess kann für mehrere Bilder in einem Bildersatz, die zum Inspizieren eines Werkstücks zu erfassen sind, wiederholt werden.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen steuert dann der Steuersystemabschnitt 100 für jedes Autofokusbild gemäß dieser Erfindung, das hier alternativ Fokusbild genannt wird, und für das daraus hervorgehende erstrebenswerte Inspektionsbild das Kamerasystem 260, so dass es ein Bild des Werkstücks 20 erfasst und mindestens einen Bildabschnitt, der einem interessierenden Bereich des Werkstücks 20 in dem erfassten Bild entspricht, zu dem Steuersystemabschnitt 100 ausgibt. Diese Funktionen werden von der Abbildungssteuerschnittstelle 140 unter Einsatz von Signalen gesteuert, die zwischen den verschiedenen Bauteilen über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 laufen. Insbesondere liest bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen das Kamerasystem 260 die Ausgangspixelwerte mindestens eines Bildabschnitts, der einem Abschnitt des interessierenden Bereichs entspricht, durch die Eingangs-/Ausgangsschnittstelle 110 heraus, und diese werden in digitale Werte umgewandelt, wenn sie nicht bereits diese Form haben, und in dem Speicher 130 unter der Steuerung des Controllers 120 gespeichert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist der Abschnitt des interessierenden Bereichs, der dem Bildabschnitt entspricht, ein wesentlicher Abschnitt des interessierenden Bereichs. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen veranlasst der Controller 120, dass das erfasste Bild auf einer der Anzeigevorrichtungen 102 angezeigt wird.
Insbesondere wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ein Kamerasystem 260 verwendet, das betrieben werden kann, um zumindest eine Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes auszugeben, der kleiner ist als das vollständige Gesichtsfeld des Kamerasystems 260. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt dies, um eine wiederholte Bilderfassungs- und Ausgangsrate bereitzustellen, die signifikant schneller ist als eine wiederholte Standardbilderfassungsrate in Zusammenhang mit einem oder mehreren Feldern, die dem vollständigen Gesichtsfeld des Kamerasystems 260 entsprechen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist das Kamerasystem 260 ein digitales Kamerasystem, das digitale Pixelwerte ausgibt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen dieses Typs wird das Kamerasystem 260 anhand einer Redlake MEGAPLUS-Kamera, Modell ES 310/T umgesetzt, die im Handel von Redlake, 11633 Sorrento Valley Road, San Diego, CA 92121-1010, USA, erhältlich ist, oder einer CCD-Kamera, die ähnliche und/oder ausreichende Fähigkeiten gemäß dieser Erfindung hat. Ferner wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen dieses Typs ein Framegrabber, der in der Abbildungssteuerschnittstelle 140 enthalten ist, unter Gebrauch eines Matrox Meteor-II/Digital-Framegrabbers implementiert, der im Handel von Matrox Electronic Systems Ltd., Quebec, Kanada erhältlich ist, oder einer Framegrabber-Karte, die ähnliche und/oder ausreichende Fähigkeiten gemäß dieser Erfindung hat.
Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen gibt das Kamerasystem 260 die Pixelwerte als analoge Signale aus, und die Signale werden in die Abbildungsteuerschnittstelle 140 eingegeben, die einen Framegrabber oder dergleichen aufweist, der die analogen Pixelwerte in digitale Pixelwerte umwandeln kann. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen dieses Typs wird das Kamerasystem 260 unter Gebrauch einer Kamera des Typs Pulnix TM-6705AN umgesetzt, die im Handel von JAI Pulnix, Inc., 1330 Orleans Dr., Sunnyvale, CA 94089 USA erhältlich ist, oder einer CCD-Kamera mit ähnlichen und/oder ausreichenden Fähigkeiten gemäß dieser Erfindung. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden solche Bauteile kombiniert mit verschiedenen anderen Bauteilen verwendet, die hier offenbart werden, darunter der Strobeimpuls-Lichtcontroller, der unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist, um erfindungsgemäße Autofokussysteme und -verfahren mit hoher Geschwindigkeit und Präzision bereitzustellen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann der Steuersystemabschnitt 100 ferner verwendet werden, um automatisch Werkstückmerkmale in solchen Werkstückinspektionsbildern zu inspizieren und die Inspektionsergebnisse zu speichern und/oder auszugeben. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Werkstückinspektionsanweisungen von der Schaltung, dem Hilfsprogramm oder der Anwendung 155 zum Erzeugen von Werkstückteilprogrammierung codiert und zu anderen Bauteilen nach Bedarf über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195 übertragen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und wenn ein Benutzer das Maschinenvisionsinspektionssystem 10 verwendet, um zumindest einen Abschnitt eines Werkstück-Bildinspektionsprogramms für das Werkstück 20 gemäß dieser Erfindung zu schaffen, erzeugt der Benutzer Werkstückprogrammanweisungen entweder durch explizites automatisches, halbautomatisches oder manuelles Codieren der Anweisungen unter Einsatz einer Werkstückprogrammiersprache oder durch Erzeugen der Anweisungen, indem er das Maschinenvisionsinspektionssystem 10 durch eine Bildinspektions-Trainingssequenz bewegt und/oder steuert, so dass die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 155 zum Erzeugen des Werkstückteilprogramms Werkstückprogrammanweisungen erzeugt, die Vorgänge und Einstellungen aufnehmen, die gemäß der Trainingssequenz bestimmt sind. Bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden bestimmte Autofokusoperationen und -einstellungen durch eine Schaltung, ein Hilfsprogramm oder eine Anwendung 170 zum Bestimmen von Autofokusvorgängen bestimmt und in die erzeugten Werkstückprogrammanweisungen eingegliedert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen fällt der Betrieb der Schaltung, des Hilfsprogramms oder der Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs zusammen mit dem Betrieb der Schaltung, des Hilfsprogramms oder der Anwendung 155 zum Erzeugen des Werkstückteilprogramms und/oder kann nicht von diesem unterschieden werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen veranlassen diese Inspektionsanweisungen, wenn sie von der Schaltung, dem Hilfsprogramm oder der Anwendung 165 zum Ausführen des Teilprogramms ausgeführt werden, das Maschinenvisionsinspektionssystem 10 dazu, automatisch verschiedene Inspektionsvorgänge an dem Bild durchzuführen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden ein oder mehrere der oben beschriebenen verschiedenen Vorgänge für mehrere Bilder in einem Satz von Bildern, der zum Inspizieren eines Werkstücks 20 verwendet wird, wiederholt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden verschiedene bekannte oder später entwickelte Visionssystem„Werkzeuge" in dem Speicherabschnitt 130 wie zuvor beschrieben gespeichert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden diese Werkzeuge beim Durchführen eines oder mehrerer der verschiedenen oben genannten manuellen oder Trainingssequenzvorgänge verwendet. Einige Beispiele von Videowerkzeugen, die für verschiedene Werkstücksabbildungs- und/oder Inspektionsvorgänge verwendet werden können, sind in den US Patentanmeldungen Nr. 09/736 187, 09/921 886 und in dem US Patent 6 542 18 offenbart, die alle hier unter Bezugnahme zur Gänze eingegliedert werden.
Zusätzliche beispielhafte bekannte Werkzeuge und Verfahren, die zum Bestimmen von Autofokuseinstellungen und zum Ausführen von Autofokusvorgängen zum Erzielen eines erstrebenswerten Fokuszustands für ein Inspektionsbild verwendet werden können, sind in handelsüblichen Maschinenvisionsinspektionssystemen offensichtlich, wie zum Beispiel in der Baureihe von Visionsinspektionsmaschinen QUICK VISION^TM, der dazugehörenden Software QVPAK^TM und der entsprechenden eingegliederten Dokumentation wie oben besprochen. Zu solchen Werkzeugen gehören verschiedene beispielhafte grafische Anzeige-Widgets für interessierende Bereiche, Benutzeroberflächen und Trainingsmodusmenüelemente und -verhaltensweisen, die bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren verwendet werden können. Derartige grafische Anzeige-Widgets für interessierende Bereiche, Benutzeroberflächen und Trainingsmodusmenüelemente und -verhaltensweisen werden hier unter Bezugnahme eingegliedert.
Wie oben erwähnt, empfängt das Bewegungssteueruntersystem 145 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren zum Steuern der physikalischen Bewegungen des Maschinenvisionsinspektionssystems 10 Positionsinformationen von den Positionscodierern der X-, Y- und Z-Achse und überträgt Positionsänderungssteuersignale über Daten- und/oder Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 195. Bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden die X-, Y- und Z-Achsen-Positionswerte in dem Bewegungssteueruntersystem 145 des Steuersystemabschnitts 100 mitverfolgt, und das Bewegungssteueruntersystem 145 kann betrieben werden, um die Positionswerte als Reaktion auf ein Steuersignal, das von einem anderen Abschnitt des Steuersystemabschnitts 100 bereitgestellt wird, zu latchen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung, wird ein solches Latchsteuersignal an das Betriebssteueruntersystem 145 in Zusammenhang mit der effektiven Belichtungszeit eines entsprechenden Autofokusbilds bereitgestellt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird mindestens der entsprechende Z-Achsenwert dann gelatcht und von dem Steuersystemabschnitt 100 in Zusammenhang mit diesem Autofokusbild für darauf folgenden Gebrauch beim Bestimmen einer geschätzten besten Fokusposition gemäß dieser Erfindung gespeichert.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden einer oder mehrere der oben beschriebenen Vorgänge von einem Bewegungssteueruntersystem 145 ausgeführt, das eine Bewegungssteuerkarte Galil #DMC-1730 aufweist, die im Handel von Galil Motion Control Inc., Rocklin, CA, erhältlich ist, oder von einer Bewegungssteuerkarte mit ähnlichen und/oder ausreichenden Fähigkeiten gemäß dieser Erfindung. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden solche Bauteile kombiniert mit einem oder mehreren hier offenbarten Bauteilen verwendet, darunter der Strobeimpuls-Lichtcontroller, der unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist, um erfindungsgemäße Autofokussysteme und Verfahren mit hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision bereitzustellen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren steuert und treibt der Beleuchtungssystemtreiber/-controller 150 das Beleuchten des Maschinenvisionsinspektionssystems 10. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Beleuchtungssystem betrieben, um relativ ununterbrochene Beleuchtung bereitzustellen. Relativ ununterbrochene Beleuchtung ist insbesondere für manuelle Vorgänge und Trainingsmodusvorgänge des Maschinenvisionsinspektionssystems 10 geeignet. Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird das Beleuchtungssystem betrieben, so dass es eine Strobeimpuls-Beleuchtungsfähigkeit bereitstellt. Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird das Beleuchtungssystem betrieben, um sowohl ununterbrochene Beleuchtung als auch Strobeimpulsfähigkeit durch die gleichen Lichtquellen bereitzustellen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen steuert und treibt der Beleuchtungssystemtreiber/-controller 150 die Beleuchtung. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung enthält der Beleuchtungssystemtreiber/-controller 150 das Strobelichtsteuersystem 500, das unten unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen tauscht die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs Daten- und/oder Steuersignale mit einem oder mehreren Elementen des Steuersystemabschnitts 100 aus. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt das, um eine erstrebenswerte Kombination von Autofokus-Bilderfassungsvorgängen und/oder -einstellungen zu bestimmen, die einer erstrebenswerten Kombination von Autofokusgeschwindigkeit und -präzision zum Bestimmen einer geschätzten besten Fokusposition für einen interessierenden Bereich eines Werkstücks in annähernd der kürzesten praktischen Zeit, die die erstrebenswerte Präzision für die geschätzte beste Fokusposition bereitstellen kann, entspricht.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen bestimmen zum Beispiel die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren kompatible und/oder zusammenhängende Vorgänge und Einstellungen in Zusammenhang mit drei Autofokusparametern oder -merkmalen, die steuern wie schnell ein erfindungsgemäßer Autofokusvorgang ausgeführt wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind diese Autofokusparameter die Größe eines interessierenden Bereichs des Autofokusvorgangs, die Rate, mit welcher die Autofokusbilder erfasst werden, und die Geschwindigkeit, mit welcher die Kamera entlang der Z-Achsenrichtung scannt, während sie Autofokusbilder erfasst.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beruhen die Lage und die Größe des interessierenden Bereichs insbesondere auf einer spezifischen Bedienereingabe, die zum Beispiel der Lage und der Größe eines GUI-Autofokuswerkzeug-Widgets des anzeigenden Abschnitts des interessierenden Bereichs entspricht, das von einem Bediener lokalisiert und bemessen wird. Bestimmte beispielhafte GUI-Autofokuswerkzeuge und Autofokuswerkzeug-GUI-Widgets und interessierende Bereiche werden unten unter Bezugnahme auf die 8-11 besprochen.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ein erfindungsgemäßes Autofokuswerkzeug zusätzlich zu verschiedenen GUI-Elementen und -Widgets in Zusammenhang mit dem Werkzeug grundlegende Menüs, Verfahren, Vorgänge und Einstellungen aufweist, die auf die Benutzereingabe reagieren und/oder automatisch verschiedene Vorgänge und/oder Einstellungen bestimmen und bereitstellen, die das Definieren und Ausführen der verschiedenen Autofokusvorgänge für einen Benutzer des Maschinenvisionsinspektionssystems vereinfachen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung wird somit der Abschnitt des benutzerdefinierten interessierenden Bereichs, der tatsächlich verwendet wird, um die entsprechende geschätzte beste Fokusposition zu bestimmen, halbautomatisch oder automatisch von verschiedenen Vorgängen in Zusammenhang mit dem Autofokuswerkzeug justiert und/oder minimiert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird z.B. der Abschnitt des benutzerdefinierten interessierenden Bereichs, der tatsächlich für Autofokusvorgänge verwendet wird, so bestimmt, dass er sowohl einen betreibbaren reduzierten Auslesepixelsatz der Kamera überlappt, der eine hohe Autofokusbilderfassungsrate erlaubt, als auch eine ausreichende Anzahl von Pixeln bereitstellt, um die entsprechende geschätzte beste Fokusposition mit einem erstrebenswerten Präzisionsniveau zu bestimmen, das von einer Bedienereingabe oder einem Standardpräzisionsniveau bestimmt wird. Solche Vorgänge werden unten ausführlicher beschrieben.
Bei bestimmten beispielhaften Ausführungsformen weist der Steuersystemabschnitt 100 jeweilige Fehlerwerte für die Größe des interessierenden Bereichs oder den Abschnitt des interessierenden Bereichs auf, der tatsächlich für Autofokusvorgänge gemäß den jeweiligen erstrebenswerten Präzisionsniveaus, die von einem Bediener spezifiziert werden, verwendet werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Standardwerte empirisch auf der Grundlage von Erfahrung mit einer Vielzahl von Werkstücken oder analytisch erstellt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wendet die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs dann die Standardwerte beim Definieren von Vorgängen und Einstellungen in Zusammenhang mit einem interessierenden Autofokusbereich an, der von einem Bediener bestimmt wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird zum Beispiel der Abschnitt des GUI-Autofokuswerkzeug-Widgets, der den interessierenden Bereich angibt, von einem Bediener lokalisiert und nominal bemessen, und der Bediener wählt einen erstrebenswerten Präzisionsmodus aus. Dann bestimmt die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen den tatsächlich betrieblichen Pixelsatz innerhalb des interessierenden nominalen Autofokusbereichs, der von dem Bediener angegeben wird, auf der Grundlage des ausgewählten Autofokuspräzisionsmodus und einem betrieblichen reduzierten Auslesepixelsatz der Kamera, wie oben dargelegt.
Wie zuvor erwähnt, kann das Kamerasystem 260 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zusätzlich zum Bereitstellen eines vollständigen Pixelsatzes, der einem vollständigen Gesichtsfeld entspricht, betrieben werden, um innerhalb des Kamerarahmens zumindest einen reduzierten Auslesepixelsatz auszuwählen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weist der zumindest eine reduzierte Auslesepixelsatz ein zentrales Band von 100 Zeilen von Pixeln, ein Band von Pixelzeilen, das eine auswählbare variable Lage oder Erstreckung hat, eine zentral liegende Reihe von 100 × 100 nebeneinander liegenden (i, j) Pixel, eine auswählbare Reihe von 100 × 100 nebeneinander liegenden (i, j) Pixeln, die eine variable Lage haben, oder einen vollauswählbaren Satz nebeneinander liegender (i, j) Pixel oder dergleichen aus.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, wenn ein reduzierter Auslesepixelsatz für den Vorgang ausgewählt wird, die Zeit zum Ausgeben des reduzierten Auslesepixelsatzes von der Kamera kürzer ist als die Zeit zum Ausgeben eines vollständigen Pixelsatzes der Kamera. Die wiederholte Gesamtbilderfassungsrate des Kamerasystems 260 ist daher im Vergleich zur wiederholten Bilderfassungsrate in Zusammenhang mit dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera schneller. Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen, die die Redlake-Kamera verwenden, stellen zum Beispiel eine Bildrate von etwa 125 Bildern pro Sekunde bereit, wenn der vollständige Rahmen von der Kamera ausgegeben wird, und eine Bildrate von etwa 350 Bildern pro Sekunde, wenn ein reduzierter Auslesepixelsatz von 100 × 100 Pixeln von der Kamera ausgegeben wird. Bei verschiedenen Kameras, die erfindungsgemäß verwendet werden können, steigt ferner die wiederholte Gesamtbilderfassungsrate des Kamerasystems 260, wie unten unter Bezugnahme auf 13 beschrieben, bei unveränderten anderen Faktoren mit dem Reduzieren der Größe des reduzierten Auslesepixelsatzes an.
Der Begriff reduzierter Auslesepixelsatz wird hier verwendet, um zu betonen, dass für eine Vielzahl von Kameras, die für das Kamerasystem 260 verwendet werden können, ein vollständiges Gesichtsfeld von dem Kamerasystem 260 „parallel" aufgenommen oder erfasst wird, und diese Bildaufnahme- oder -erfassungszeit daher nicht durch die Anzahl der erfassten Pixelwerte beeinflussbar ist. Im Gegensatz hängt typischerweise die Zeit in Zusammenhang mit dem Ausgeben von Pixelwerten aus dem Kamerasystem 260, wobei Pixelwerte typischerweise seriell zu dem Steuersystemabschnitt 100 ausgegeben werden, von der Anzahl ausgegebener Pixelwerte ab und ist einer der größeren Zeitfaktoren, die die wiederholte Bilderfassungsrate, die das Kamerasystem 260 liefern kann, einschränken. Zu bemerken ist jedoch, dass in verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und weil nur der reduzierte Auslesepixelsatz tatsächlich bei verschiedenen Autofokusvorgängen gemäß dieser Erfindung funktional ist, das Kamerasystem 260 optional aber nicht zwingend betrieben wird, um andere Kameravorgänge einzuschränken, wie zum Beispiel Bildaufnahmevorgänge oder dergleichen, auf den reduzierten Auslesepixelsatz.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen bestimmt die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs auf der Grundlage einer erstellten Größe des reduzierten Auslesepixelsatzes (und möglicherweise seiner Position in Bezug zu dem Kamerarahmen), und bekannter Kamerabetriebscharakteristiken und dergleichen eine betriebliche Autofokusbilderfassungsrate, das heißt das betriebliche Timing zwischen dem Erfassen von Autofokusbildern. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird eine wiederholte freilaufende maximale Standardbilderfassungsrate der Kamera basierend auf dem erstellten reduzierten Auslesepixelsatz verwendet. Bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen bestimmt die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs eine kleinere Rate als die wiederholte freilaufende maximale Bilderfassungsrate, und diese bestimmte Rate wird von der Abbildungssteuerschnittstelle 140 umgesetzt.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und auf der Grundlage eines erstellten betrieblichen Timings zwischen dem Erfassen von Autofokusbildern und einer erstrebenswerten Autofokuskurven-Abtastdichte, wie oben unter Bezugnahme auf 3 und 4 dargelegt, bestimmt die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs eine erstrebenswerte maximale oder praktische maximale Bewegungsgeschwindigkeit entlang der Z-Achsen-Richtung während des Erfassens von Autofokusbildern. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen definiert die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs dann alle anderen Bewegungsvorgänge und/oder Einstellungen, die erforderlich sind, um das Definieren einer Bewegung zu vervollständigen, die für Arbeitsbetrieb-Autofokusvorgänge verwendet wird. Ähnlich mit dem Bestimmen des Abschnitts des interessierenden Bereichs, der tatsächlich für Autofokusvorgänge verwendet wird, wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die erstrebenswerte Autofokuskurven-Abtastdichte, die dem erstrebenswerten Präzisionsniveau, das von einem Bediener spezifiziert wird, wie unten unter Bezugnahme auf 3, 4 und 14 ausführlicher beschrieben, bestimmt.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die maximale praktische Z-Achsengeschwindigkeit ferner durch die zulässige Menge an Autofokusbild-Unschärfe/Unklarheit aufgrund der Z-Achsenbewegung während der tatsächlichen Belichtungsperiode eines Autofokusbilds weiter eingeschränkt wird. Es ist nämlich beim Ändern der Brennweite während der Belichtung nicht möglich zu bestimmen, welche fokusspezifische Entfernung am meisten oder alle irgendwelcher unscharfen oder verschwommenen Merkmale des erfassten Bilds beigetragen hat. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird daher das Kamerasystem 260 oder ein Strobeimpulsbeleuchtungssystem verwendet, um die effektive Belichtungsdauer der Autofokusbilder ausreichend einzuschränken, so dass die Fokuscharakteristiken des erfassten Bilds einer spezifischen Brennweite und einem erstrebenswerten Präzisionsniveau entsprechen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die auf einer erstellten betrieblichen maximalen Z-Achsen-Geschwindigkeit während des Erfassens von Autofokusbildern und einem bestimmten Limit für die Menge an Z-Achsen-Verschiebung, die während einer effektiven Belichtungsdauer der Autofokusbilder zulässig ist, beruhen, wird die effektive Belichtungsdauer der Autofokusbilder auch durch die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs bestimmt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und wenn diese effektive Belichtungsdauer innerhalb der Belichtungssteuerfähigkeiten des Kamerasystems 260 liegt, wird ein geeignetes ununterbrochenes Beleuchtungsleistungsniveau während des Autofokusbilderfassens verwendet, und das Kamerasystem 260 wird gesteuert, um die bestimmte effektive Belichtungsdauer bereitzustellen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird ein typisches Allzweck-Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem in etwa gemäß den Konzepten dieser Erfindung, die oben dargelegt sind, mit einer Objektivkonfiguration verwendet, die eine Feldtiefe von etwa 14 Mikrometer und eine Vergrößerung von 2,5 einer typischen bearbeiteten Metallwerkstückoberfläche, einem interessierenden Autofokusbereich mit der Größe von 100 × 100 Pixeln, einer betrieblichen Abbildungsrate von etwa 222 Autofokusbildern pro Sekunde und fortgesetzter Beleuchtung betrieben und kann autofokussieren, um eine geschätzte beste Fokusposition in etwa 1,2 Sekunden mit einer Wiederholbarkeit von besser als 0,2 Mikrometer oder weniger als etwa 2 % der Feldtiefe der Objektivkonfiguration für wiederholte Autofokusversuche liefern, wobei eine maximale Autofokusbildbeabstandung von etwa 5-6 % der Feldtiefe der Objektivkonfiguration verwendet wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, wenn ein maximaler Autofokusbildabstand von etwa 100 % der Feldtiefe der Objektivkonfiguration verwendet wird, was weniger Autofokusbilderfassungen und/oder eine schnellere Z-Achsen-Abtastbewegungsgeschwindigkeit erlaubt, können die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren autofokussieren, um eine geschätzte beste Fokusposition in etwa 0,5 Sekunden, mit einer Wiederholbarkeit größer als 1,7 Mikrometer oder weniger als etwa 15 % der Feldtiefe der Objektivkonfiguration für wiederholte Autofokusversuche bereitzustellen. Verschiedene Betrachtungen in Zusammenhang mit Autofokusbildbeabstandung und der Präzision einer geschätzten besten Fokusposition sind unten unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und wenn eine effektive Belichtungsdauer nicht innerhalb der Belichtungssteuerfähigkeiten des Kamerasystems 260 ist und ein Strobeimpuls-Beleuchtungssystem in dem Maschinenvisionsinspektionssystem 10 enthalten ist, werden der Lichtsystemtreiber/-controller 150 und/oder das Strobeimpuls-Beleuchtungssystem gesteuert, um die bestimmte effektive Belichtungsdauer und ein entsprechendes Strobeimpuls-Beleuchtungsleistungsniveau zu liefern.
Es ist klar, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen eine besonders effektive Belichtungszeit im Allgemeinen eine spezielle Beleuchtungsstärke oder ein Leistungsniveau erfordert, um ein erstrebenswertes Gesamtstärkeniveau für die erfassten Autofokusbilder bereitzustellen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erstellt daher während eines Trainingsmodusbetriebs ein Bediener eine erstrebenswerte Konfiguration der verschiedenen Beleuchtungen 220, 230 und/oder 240 unter Einsatz fortgesetzter Beleuchtung und einer Standard-, bekannten oder effektiven Standardbelichtungszeit, die zum Beispiel von der Kamera bereitgestellt wird.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird die fortgesetzte Beleuchtung auf eine erstrebenswerte Stärke oder ein erstrebenswertes Leistungsniveau manuell, halbautomatisch oder automatisch eingestellt, um eine erstrebenswerte Bildcharakteristik in einem Werkstückbild bereitzustellen, das mit einer Standard-, bekannten oder Standardkameraintegrationsperiode erfasst wird. Zu bemerken ist, dass fortgesetzte Beleuchtung praktischer und einfacher für einen Bediener für eine Vielzahl manueller Operationen zu verwenden ist, die während eines Betriebstrainingsmodus ausgeführt werden.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen funktioniert die erstrebenswerte Konfiguration der Lichter alternativ mindestens während eines Arbeitsmodus des Autofokusvorgangs unter Einsatz einer Strobeimpuls-Beleuchtungsfähigkeit, die zum Beispiel wie unten unter Bezugnahme auf 5 dargelegt bereitgestellt wird. Bei solchen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weist der Steuersystemabschnitt 100 verschiedene Kalibrierungsfaktoren, Umwandlungsfaktoren, Nachschlagtabellen oder dergleichen auf, die von der Schaltung, dem Hilfsprogramm oder der Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs verwendet werden können, um eine Stärke oder ein Leistungsniveau zu bestimmen, die mit der effektiven Belichtungsdauer zu benutzen sind, die für das Strobeimpuls-Beleuchtungssystem erstellt wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen stellt dies die gleiche Gesamtbildbelichtung bereit, die von dem bekannten fortgesetzten Beleuchtungsstärke- oder -Leistungsniveau bereitgestellt wird, das in Verbindung mit der Standard-, bekannten oder Standardkameraintegrationsperiode erstellt wird, die während des Betriebstrainingsmodus wie oben dargelegt verwendet wird.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen taktet ein bekanntes fortgesetztes Lichtquellenleistungsniveau die bekannte oder Standardkameraintegrationsperiode, erstellt eine Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie für die Lichtquelle. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird zum Erstellen eines betrieblichen Strobeimpuls-Beleuchtungsleistungsniveaus für diese Lichtquelle die Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie durch die effektive Belichtungsdauer geteilt, die für das Strobeimpuls-Beleuchtungssystem erstellt ist, und das Strobeimpuls-Beleuchtungsleistungsniveau für diese Lichtquelle wird entsprechend eingestellt. Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen eigentliche Steuerniveaus für eine Strobeimpuls-Lichtquelle für verschiedene praktische Betriebscharakteristiken der Lichtquelle und/oder verschiedene dazugehörende optische und elektronische Bauteile eingestellt werden. Entsprechende Einstellungen sind im Allgemeinen im Laufe der Zeit relativ stabil und können daher ursprünglich und/oder regelmäßig von Analysen und/oder Experimenten für einen spezifischen Typ von Lichtquelle und Controller bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erstellt werden.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen bestimmt die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 175 zum Bestimmen und Vergleichen des Fokuswerts des interessierenden Bereichs einen Fokuswert für zumindest einen Betriebsabschnitt eines interessierenden Bereichs in einem Autofokusbild oder anderen Bild, das von dem Kamerasystem 260 erzielt und in dem Speicher 130 gespeichert wird. Der Fokuswert weist auf den Fokusgrad hin, der in diesem Abschnitt des Bilds bereitgestellt wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen vergleicht die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 175 zum Bestimmen und Vergleichen des Fokuswerts des interessierenden Bereichs ferner verschiedene Fokuswerte, die für den interessierenden Bereich in mehreren Bildern bestimmt werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen bestimmt daher die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 175 zum Bestimmen und Vergleichen des Fokuswerts des interessierenden Bereichs auch dasjenige der Autofokusbilder, das den besten Fokus in dem interessierenden Bereich bereitstellt.
3 ist ein repräsentativer Graph, der eine Fokuskurve veranschaulicht, die einem Satz von Fokuswertpunkten 301 entspricht, die dicht abgetastet werden, das heißt mit einer relativ großen Anzahl von Lagen entlang der Z-Achse. 4 ist ein repräsentativer Graph, der eine Fokuskurve veranschaulicht, die einem Satz von Fokuswertpunkten 401 entspricht, die dünn abgetastet werden, das heißt mit einer relativ kleinen Anzahl von Lagen entlang der Z-Achse. Wie zuvor beschrieben und wie unten weiter ausführlicher beschrieben, erlauben verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren das Umsetzen einer dicht abgetasteten Fokuskurve in Zusammenhang mit einem relativ genaueren Autofokusvorgang und das Umsetzen einer dünn abgetasteten Fokuskurve in Verbindung mit einem weniger präzisen Autofokusvorgang. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt das, um eine erstrebenswerte Kombination von Autofokusgeschwindigkeit und -präzision zu liefern, die an ein bestimmtes Werkstückinspektionsbild oder eine bestimmte Anwendung angepasst ist.
Der Fokuswert auf der Y-Achse der 3 entspricht im Allgemeinen der Qualität des Fokus eines Merkmals, das in dem betrieblichen interessierenden Autofokusbereich eines entsprechenden Autofokusbilds enthalten ist. Ein Fokuswert höher auf der Y-Achse entspricht einem besseren Fokus des Merkmals in dem interessierenden Autofokusbereich. Ein Fokuswert niedriger auf der Y-Achse entspricht einem schlechteren Fokus des Merkmals in dem interessierenden Autofokusbereich. Die Fokuskurve ähnelt typisch der Form einer glockenförmigen Kurve. Daher liegen die Fokuswerte, die zum Fokussieren von Entfernungen größer als und zum Fokussieren von Entfernungen kleiner als der idealen Brennweite erzielt werden, niedriger als der Fokuswert für die ideale Brennweite. Die Autofokussuche für eine beste Fokusposition entspricht daher einer Suche nach dem wahren Gipfel der wahren glockenförmigen Fokuskurve.
Zu bemerken ist, dass die hier beschriebenen Autofokusvorgänge Fokuswert-„Probe"daten bereitstellen, die verwendet werden, um die wahre Fokuskurve und die entsprechende beste Fokusposition mit einem bestimmten oder ausreichenden Präzisionsniveau zu schätzen. Wenn daher ein relativ niedrigerer Präzisionsgrad ausreicht und/oder ein relativ schneller Satz von Autofokusvorgängen gewünscht wird, werden die Fokuskurvendaten dünner abgetastet, das heißt die betriebliche Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern ist größer. In solchen Fällen ist die geschätzte beste Fokusposition eine relativ annäherndere Schätzung des wahren Gipfels der Fokuskurve. Umgekehrt, wenn ein relativ höherer Präzisionsgrad erforderlich ist, werden die Fokuskurvendaten dichter abgetastet, das heißt, dass die betriebliche Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern kleiner ist. In solchen Fällen ist die geschätzte beste Fokusposition eine relativ weniger annähernde oder präzisere Schätzung des wahren Gipfels der Fokuskurve.
Nach dem Bestimmen der geschätzten Position eines Gipfels einer Fokuskurve stellt die entsprechende Z-Achsenposition, die auf der horizontalen Achse der 3 und 4 dargestellt ist, die Z-Achsen-Position dar, die die geschätzte beste Fokusposition ist, die einem ausreichend fokussierten oder am besten fokussierten Bild des Merkmals in dem entsprechenden interessierenden Bereich auf dem Werkstück entspricht. Im Allgemeinen stellt bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen diese geschätzte beste Fokusposition einen Koordinatenwert bereit, der als ein Inspektionswert für das Merkmal in dem interessierenden Bereich und/oder als eine Positionierungskoordinate verwendet wird, die man zum Erfassen eines Bildes des Werkstücks einsetzt, das am besten verwendet wird, um verschiedene Dimensionen und andere Inspektionsergebnisse für das Merkmal in dem interessierenden Bereich zu bestimmen.
Eine Vielzahl von Fokuswertfunktionen, hier auch Fokusmetrik genannt, können bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung verwendet werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist das Merkmal, das in dem interessierenden betrieblichen Autofokusbereich enthalten ist, eine Kante, und eine geeignete Kantenfokusmetrik wird wie unten unter Bezugnahme auf 8 ausführlicher beschrieben verwendet. Bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen ist das Merkmal, das in dem interessierenden betrieblichen Autofokusbereich enthalten ist, einfach der Abschnitt der Werkstückoberfläche, der von diesem interessierenden Bereich definiert wird, und es wird eine geeignete Oberflächenfokusmetrik verwendet, wie unten unter Bezugnahme auf 8 ausführlicher beschrieben. Oberflächenfokusmetriken stellen im Allgemeinen Fokuswerte bereit, die einer Kontrastmessung in dem interessierenden Autofokusbereich in einem Autofokusbild entsprechen. Eine beispielhafte Oberflächenfokusmetrik ist unten unter Bezugnahme auf die Gleichungen 1-3 beschrieben. Verschiedene alternative Oberflächenfokusmetriken sind ebenfalls ausführlich in den eingegliederten Referenzen beschrieben, und verschiedene geeignete Fokuswertfunktionen sind einem Durchschnittsfachmann auch bekannt. Solche Funktionen brauchen daher hier nicht weiter beschrieben zu werden.
Wie zuvor erwähnt, stellen die hier beschriebenen Autofokusvorgänge Fokuswert-„Probe"daten bereit, die verwendet werden, um die wahre Fokuskurve zu schätzen und die Lage des wahren Fokuskurvengipfels zu schätzen, der einer besten Fokusposition entspricht, und zwar innerhalb eines erstrebenswerten oder ausreichenden Präzisionsgrades. Wie zuvor erwähnt, werden die wahre Fokuskurve und die Lage des wahren Fokuskurvengipfels im Allgemeinen mit besserer Präzision und Wiederholbarkeit bei einer dichter abgetasteten Fokuskurve geschätzt als bei einer dünner abgetasteten Fokuskurve. Zu bemerken ist auch, dass die Fokuskurvenabtastdichte, das heißt die betriebliche Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern von der Autofokus-Bilderfassungsrate des Kamerasystems 260 kombiniert mit der Bewegungsgeschwindigkeit entlang der Z-Achse während der Autofokusbild-Erfassungssequenz in einer Art bestimmt wird, die für einen Durchschnittsfachmann klar ist. Diese Faktoren wurden zuvor unter Bezugnahme auf die Schaltung, das Hilfsprogramm oder die Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs besprochen.
3 zeigt eine Dimension 302, die die Vollbreitenhalbmaximaldimension oder FWHM der Fokuskurve der 3 darstellt. 4 zeigt eine analoge Dimension 402, die die Vollbreitenhalbmaximaldimension oder FWHM der Fokuskurve der 4 darstellt. Zur Veranschaulichung ist in 3 auch eine Dimension 303 gezeigt, die die Feldtiefe oder DOF der Objektivkonfiguration darstellt, die der Fokuskurve der 3 entspricht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird die Feldtiefe gemäß einem herkömmlichen Ausdruck bestimmt, der auf der numerischen Öffnung (NA) der Objektivkonfiguration beruht. Für die in 3 gezeigte beispielhafte Ausführungsform ist die FWHM 302 der Fokuskurve ungefähr 3,25 Mal die DOF 303 der grundlegenden Objektivkonfiguration. 4 zeigt eine analoge DOF-Dimension 403, die die DOF der Objektivkonfiguration darstellt, die der Fokuskurve der 4 entspricht.
Daher sind die DOF einer bestimmten Objektivkonfiguration, die NA der Objektivkonfiguration und die FWHM der entsprechenden Fokuskurve alle ungefähr in einem relativ voraussagbaren und ungefähr konstanten Satz von Beziehungen miteinander verbunden.
Daher wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung die betriebliche maximale Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern für einen gegebenen erstrebenswerten Präzisionsmodus oder -grad der mit der minimalen Fokuskurvenabtastdichte zusammenhängt, auf der Grundlage des erstrebenswerten Präzisionsmodus oder -grads bestimmt, kombiniert mit einer Objektivcharakteristik der betreibbaren oder aktuellen Objektivkonfiguration. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Objektivcharakteristik eine direkte Objektivcharakteristik, wie zum Beispiel die DOF oder NA eines Objektivs, oder eine indirekte Objektivcharakteristik, wie zum Beispiel eine Breitendimension der erwarteten daraus hervorgehenden Fokuskurve, wie zum Beispiel die FWHM oder dergleichen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Autofokusvorgänge und/oder -einstellungen beim Betreiben des Autofokusbetriebswerkzeugs in einem Modus mit niedriger Präzision so bestimmt, dass die maximale Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern mindestens 0,2 Mal die FWHM der erwarteten Nennfokuskurvenbreite für eine aktuelle Objektivkonfiguration beträgt. Das erlaubt eine schnelle Bewegung während Autofokusvorgängen. Bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen, ist die maximale Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern bis zu 0,5 Mal die FWHM, wenn das Autofokusvorgängewerkzeug mit einem niedrigen Präzisionsmodus betrieben wird. Das erlaubt während Autofokusvorgängen eine noch schnellere Bewegung und stellt gleichzeitig ausreichende Präzision für mehrere Autofokusanwendungen mit niedriger Präzision bereit.
Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden ähnliche maximale Beabstandungen direkt aus der NA einer aktuellen Objektivkonfiguration bestimmt. Wenn das Autofokusvorgängewerkzeug mit einem niedrigen Präzisionsmodus betrieben wird, werden die Autofokusvorgänge und/oder -einstellungen so bestimmt, dass die maximale Beabstandung in Mikrometer entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern mindestens 0,18/NA² und höchstens 0,45/NA² für die NA einer aktuellen Objektivkonfiguration beträgt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung stellen die Einstellungen oder Parameter, die oben dargelegt wurden, eine geschätzte beste Fokusposition mit einer Präzision in der Größenordnung von 5 %-15 % der DOF der entsprechenden Objektivkonfiguration bereit. Für relativ stark verstärkende Objektive tendiert die Präzision hinsichtlich der DOF dazu, am größeren Ende dieses Prozentbereichs zu liegen, was immer noch Mikrometerniveaupräzision aufgrund der kleinen DOF derartiger Objektive bereitstellt, die in der Größenordnung von einigen Mikrometern oder weniger für ein Objektiv mit starker Vergrößerung liegt. Umgekehrt tendiert die Präzision hinsichtlich der DOF bei Objektiven mit relativ kleiner Vergrößerung, zum Beispiel 1-2,5 Mal Vergrößerung oder dergleichen, am kleineren Ende dieses Prozentbereichs zu liegen, was in der Größenordnung von einigen Mikrometern hervorragende Präzision bereitstellt, und das trotz der relativ großen DOF solcher Objektive mit geringer Vergrößerung, die in der Größenordnung von etwa 10 bis 100 Mikrometern liegen kann.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Autofokusvorgänge und/oder -einstellungen, wenn das Autofokusvorgängewerkzeug mit einem Modus mit höherer Präzision betrieben wird, so bestimmt, dass die maximale Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern höchstens 0,1 Mal die FWHM der erwarteten Nennfokuskurvenbreite für eine aktuelle Objektivkonfiguration beträgt. Dabei wird etwas an Bewegungsgeschwindigkeit eingebüßt, und die Gesamtautofokuszeit wird erhöht, um dichtere Fokuskurvenabtastung und eine signifikant bessere Schätzung der besten Fokusposition bereitzustellen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Autofokusvorgänge und/oder -einstellungen wenn das Autofokusvorgängewerkzeug in einem Modus mit höherer Präzision betrieben wird, so bestimmt, dass die maximale Beabstandung entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern mindestens 0,02 Mal die FWHM beträgt. Dabei büßt man weiter an Bewegungsgeschwindigkeit ein, und es erhöht die Gesamtautofokuszeit weiter, um eine geschätzte beste Fokuspositionspräzision bereitzustellen, die in etwa die beste erzielbare Präzision für verschiedene Autofokusanwendungen mit hoher Präzision ist.
Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden die Autofokusvorgänge und/oder -einstellungen, wenn das Autofokusvorgängewerkzeug in einem Modus mit höherer Präzision betrieben wird, so bestimmt, dass die maximale Beabstandung in Mikrometer entlang der Z-Achse zwischen verschiedenen Autofokusbildern zumindest 0,018/NA² und höchstens 0,09/NA² für die NA einer aktuellen Objektivkonfiguration beträgt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung stellen die oben dargelegten Einstellungen oder Parameter eine geschätzte beste Fokusposition mit einer Präzision in der Größenordnung von 0,5 %-5 % der DOF der entsprechenden Objektivkonfiguration bereit. Für Objektive mit relativ starker Vergrößerung tendiert die Präzision hinsichtlich der DOF dazu, am größeren Ende dieses Prozentbereichs zu liegen. Das stellt immer noch Mikrometer- oder Submikrometerniveaus an Präzision und Wiederholbarkeit aufgrund der kleinen DOF für solche Objektive bereit, die in der Größenordnung von einigen wenigen Mikrometern oder weniger bei einem Objektiv mit starker Vergrößerung liegen können. Umgekehrt tendiert bei Objektiven mit relativ geringer Vergrößerung, zum Beispiel 1-2,5 Mal Vergrößerung oder dergleichen die Präzision hinsichtlich der DOF dazu, am kleineren Ende dieses Prozentbereichs zu liegen. Das stellt hervorragende Präzision in der Größenordnung einiger weniger Mikrometer oder weniger bereit, und zwar trotz der relativ großen DOF solcher Objektive mit geringer Vergrößerung, die in der Größenordnung von etwa 10 bis 100 Mikrometer liegen kann.
Zu bemerken ist, dass sowohl die besonderen Objektivmerkmale als auch die besonderen Werte der maximalen Beabstandung entlang der Z-Achse, die für die oben stehenden beispielhaften Ausführungsformen beschrieben sind, allein veranschaulichend sind und nicht einschränkend gesehen werden dürfen. Verschiedene andere Objektivcharakteristiken und anwendbare Werte für die maximale Beabstandung, die für verschiedene Maschinenvisionssysteme, Anwendungen und Präzisionsgrade geeignet sind, sind klar.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren wird ein Doppeldurchgangssatz von Autofokusvorgängen verwendet, um die Robustheit des Autofokusvorgangs für unerwartete Werkstückvariationen und dergleichen anzuheben und gleichzeitig eine erstrebenswerte Kombination von Autofokusgeschwindigkeit und -präzision zu wahren. Der erste Durchgang ist konzipiert, um so schnell wie möglich über einen Gesamtdurchgangs-Z-Achsen-Positionsbereich oder Erstdurchgangs-Autofokusbildbereich, hier auch Fokusbildbereich genannt, zu laufen, der mit Gewissheit die beste Fokusposition enthält, darunter Variationen oder Toleranzen für die Z-Achsen-Nennlage des interessierenden Bereichs auf dem Werkstück sowie etwaige zusätzliche Variationen oder Toleranzen für die Z-Achsen-Nennposition des Werkstücktischs, in dem Ausmaß, dass solche Positionierungsvariationen nicht von den Vorabvorgängen eliminiert werden, die ein justiertes Werkstückkoordinatensystem oder dergleichen erstellen. Im Allgemeinen ist bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung der Erstdurchgangs-Gesamtautofokusbildbereich derart definiert, dass er um eine Z-Nennposition zentriert ist, die manuell von einem Bediener oder halbautomatisch oder automatisch auf der Grundlage verschiedener Objektivparameter, Werkstück-CAD-Daten und dergleichen bestimmt wurde, um einen ungefähr fokussierten interessierenden Bereich bereitzustellen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird der Erstdurchgangs-Gesamtautofokusbildbereich ferner unter gebührender Berücksichtigung der Fokustiefe eines aktuellen Objektivs und den zuvor besprochenen Positionstoleranzen des interessierenden Werkstückautofokusbereichs und dergleichen definiert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist der Erstdurchgangs-Gesamtautofokusbildbereich in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, von welchen der Großteil potenziellen Positionsschwankungen von Werkstück und interessierendem Bereich zugewiesen ist, insbesondere, wenn Objektive mit stärkerer Vergrößerung verwendet werden, weil derartige Objektive typischerweise eine DOF haben, die in der Größenordnung von Mikrometern liegt und daher typischerweise im Vergleich zu den potenziellen Positionsschwankungen des interessierenden Werkstückbereichs vernachlässigbar ist.
Als Vorwegnahme eines unten beschriebenen zweiten Durchgangs braucht der erste Durchgang bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen nur eine sehr ungefähre Schätzung der besten Fokusposition zu stützen. Die Fokuskurve wird daher während der Erstdurchgangs-Autofokusvorgänge zum Beispiel ungefähr 4 entsprechend dünn abgetastet oder wie für den Modus mit niedriger Präzision, der oben beschrieben wurde, wobei die Feldtiefe oder andere Objektivcharakteristiken des aktuellen Objektivs gebührend berücksichtigt werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird dann die Lage des Gipfels der Fokuskurve geschätzt, um eine geschätzte beste Fokusposition bereitzustellen, die ein ungefährer Wert ist, der zum Verfeinern eines Zweitdurchgangs-Fokusbildbereichs verwendet werden kann, um schnell eine verfeinerte Schätzung der besten Fokusposition zu bestimmen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist der zweite Durchgang so konzipiert, dass er eine erstrebenswerte verfeinerte oder Endniveaupräzision beim Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition bereitstellt. Daher wird während der Zweitdurchgangs-Autofokusvorgänge bei diesen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die Fokuskurve dichter über einen viel kürzeren Zweitdurchgangs-Autofokusbildbereich abgetastet, zum Beispiel bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen über einen Bereich von 2 bis 5 Mal die DOF, in der Nähe der ungefähr geschätzten besten Nennfokusposition, die auf der Grundlage der Erstdurchgangs-Autofokusbilddaten bestimmt wurde. Die Zweitdurchgangs-Abtastdichte entspricht zum Beispiel in etwa 3 oder, wie für den Modus mit höherer Präzision oben beschrieben, unter gebührender Berücksichtigung der erstrebenswerten Präzision und Feldtiefe oder anderer Objektivcharakteristiken des aktuellen Objektivs, bei diesen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen. Die Lage des Gipfels der Fokuskurve, das heißt die beste Fokusposition wird dann auf den erstrebenswerten Präzisionsgrad auf der Grundlage der Zweitdurchgangs-Autofokusbilddaten bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen geschätzt.
Zu bemerken ist, dass die geschätzte beste Fokusposition, die durch Autofokussieren bestimmt wird, bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen entweder verwendet wird, um direkt die Höhe entlang der Z-Achsen-Richtung zu bestimmen, die als eine Inspektionsdimension für eine Oberfläche in dem interessierenden Bereich verwendet wird, oder zum Positionieren der Kamera entlang der Z-Achse, um die Schärfe einer Kante in der Bildebene vor dem Kantenerfassen oder dergleichen oder für beides zu maximieren.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren eine Strobeimpuls-Beleuchtungsfähigkeit verwendet wird, um die effektive Belichtungsdauer und jede entsprechende Unschärfe-Unklarheit verschiedener Autofokusbilder wie zuvor unter Bezugnahme auf die Vorgänge der Schaltung, des Hilfsprogramms oder der Anwendung 170 zum Bestimmen des Autofokusvorgangs beschrieben, einzuschränken. Wie zuvor dargelegt, werden die X-, Y- und Z-Positionswerte, die mit einem bestimmten bestimmten Autofokusbild zusammenhängen, bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen auf der Grundlage von Positionscodierersignalen von dem Bewegungssteueruntersystem 145 mitverfolgt.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen muss die relative Position zwischen der Kamera und dem Tisch oder Werkstück, die den verschiedenen Autofokusbildern entspricht, die zum Schätzen der besten Fokusposition verwendet werden, mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Präzision bekannt sein. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung wird daher zumindest der Z-Achsen-Positionswert in dem Bewegungssteueruntersystem 145 mit einer bekannten Beziehung zu der effektiven Belichtungszeit des entsprechenden Bilds gelatcht und in Bezug auf dieses Bild gespeichert. Daher ist es bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, wenn fortgesetzte Bewegung während einer Autofokusbilderfassung verwendet wird, vorteilhaft, Strobeimpuls-Beleuchtung zu verwenden und sowohl die Strobeimpuls-Beleuchtung auszulösen als auch die entsprechenden Positionswerte zu einem spezifischen Zeitpunkt in Zusammenhang mit der Strobeimpuls-Beleuchtungsdauer, zum Beispiel in Beziehung zu dem Strobeimpuls-Beleuchtungsauslöser zu latchen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird all das unter der Steuerung des Steuersystemabschnitts 100 zu spezifischen Zeitpunkten ausgelöst und wiederholt, wenn die Systemkonfiguration Autofokusbildlagen entspricht, die eine erstrebenswerte Autofokusbildbeabstandung entlang einem erstrebenswerten Autofokusbildbereich bereitstellen.
Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird all dies von dem Steuersystemabschnitt 100 initiiert, wenn sich die Z-Achsen-Position an einem Ende des betrieblichen Fokusbildbereichs befindet, und wird über den Fokusbildbereich gemäß einer maximalen Freilauf rate oder wiederholtem Timing wiederholt, das von der Abbildungsteuerschnittstelle 140 und/oder dem Kamerasystem 260 bestimmt wird, um einen entsprechenden Satz von Autofokusbildern bereitzustellen, die über den betrieblichen Fokusbildbereich innerhalb einer erstrebenswerten maximalen Fokusbildbeabstandung liegen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird der Satz von Autofokusbildern auf der Grundlage einer bestimmten Anzahl von Bildwiederholungen oder einer erfassten Position an oder über das Ende des Fokusbildbereichs hinaus beendet. Verschiedene Betrachtungen in Zusammenhang mit typischen Visionssystembauteilen für Hochgeschwindigkeitsabbildung, das Abbilden sich bewegender Objekte, Synchronisationsproblemen und dergleichen sind detailliert in „High Speed, Real-Time Machine Vision", von Perry C. West, Automated Vision Systems Inc., www.autovis.com, 2001 im Auftrag von CyberOptics-Imagenation, www.imagenation.com besprochen, das hiermit durch Bezugnahme zur Gänze eingegliedert wird.
5 ist ein schematisches Diagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform mit einem Strobeimpuls-Lichtsteuersystem gemäß dieser Erfindung zeigt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weist das Strobeimpuls-Lichtsteuersystem 500 eine fortgesetzte Beleuchtungssteuerfähigkeit auf. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen befindet sich das Strobeimpuls-Lichtsteuersystem 500 in dem Beleuchtungssystemtreiber/-controller 150. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Lichtsteuersystem 500 unter Einsatz allgemein bekannter herkömmlicher Schaltungselemente und herkömmlicher Schaltungskonzeptionstechniken umgesetzt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Bauteile des Lichtsteuersystems 500 so ausgewählt, dass sie einen Hochgeschwindigkeits-, Feedback-gesteuerten aktuellen Treiber bereitstellen, der eine aktuelle Quelle für eine Lichtquelle, wie zum Beispiel eine LED oder einen Diodenlaser oder dergleichen mit Raten bis zu 5 MHz und darüber betreiben kann. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Bauteile ausgewählt, um eine induzierte Phasenverzögerung bereitzustellen, die etwa eine Mikrosekunde oder weniger beträgt, das heißt, dass der Strobeimpuls innerhalb von etwa einer Mikrosekunde nach dem Empfang der ansteigenden Flanke des Eingangssteuersignals EXP 2 initiiert wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Bauteile so ausgewählt, dass sie Spitzenströme bis zu etwa 1,5 A für eine Strobeimpulsmodus-Strobedauer so kurz wie 500 ns und so lang wie 40 ms bereitstellen.
Wie in 5 gezeigt, weist daher bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen das Lichtsteuersystem 500 eine Lichtquelle 580 auf, wie zum Beispiel irgendeine der Beleuchtungsvorrichtungen 220, 230 oder 240, die in der Lage ist, hochintensive Strobeimpuls-Beleuchtung zu liefern. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen enthält die Lichtquelle 580, wie zuvor besprochen eine LED. Es wird ein Transistor 575 mit schneller Reaktion und mittlerer Leistung, der zum Beispiel etwa 1,5 A (Spitzenwert 2 A) bereitstellen kann, angeschlossen, um die Lichtquelle 580 gemäß einem Steuersignal AA zu treiben. Die Lichtquelle 580 liefert ein Feedbacksteuersignal 583, das der Ausgangsleistung der Lichtquelle 580 entspricht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann das Feedbacksteuersignal 583 ausgehend von einem Abschnitt des Lichts von der Lichtquelle 580 erzeugt werden. Das Feedbacksteuersignal 583 wird einem Pufferspeicherschaltungsabschnitt 585 bereitgestellt, der bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen das Feedbacksteuersignal 583 erfasst und/oder verstärkt oder skaliert, um das Feedbacksteuersignal BB bereitzustellen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Lichtsteuersystem 500 in zwei getrennten Modi betrieben. Bei einem Strobeimpuls-Modus wird ein Steuersignal EXP 2 in einen Hochgeschwindigkeits-Eingabepufferspeicher 505 eingegeben. Das Signal EXP 2 wird erzeugt und ausgegeben von einem Framegrabber, der in der Abbildungssteuerschnittstelle 140 wie unten beschrieben enthalten ist. Ein Multiplexer 512 wird von einem oder mehreren Modusauswahlsignalen von dem Controller 120, der Abbildungssteuerschnittfläche 140 oder einem anderen Bauteil des Steuersystemabschnitts 100 über eine oder mehrere Signalleitungen gesteuert, um das Steuersignal EXP 2 zu einem Hochgeschwindigkeits-Differenzverstärker 515 zu leiten. Der Differenzverstärker 515 empfängt auch das Feedbacksteuersignal BB von dem Pufferspeicherschaltungsabschnitt 585. Ein Differenzsignal wird von dem Differenzverstärker 515 zu einem Hochgeschwindigkeitsverstärker 525 ausgegeben, der das Differenzsignal verstärkt oder skaliert, um das Steuersignal AA bereitzustellen, das in den Transistor 575 mit mittlerer Leistung eingegeben wird, um die Lichtquelle 580 in einem Strobeimpuls-Modus zu treiben.
Bei einem fortgesetzten Beleuchtungsmodus wird ein „DAC IN"-Steuersignal in einen Eingangspufferspeicher 510 eingegeben. Das DAC IN-Signal wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen von dem Controller 120 erzeugt und ausgegeben. Der Multiplexer 512, der von dem einen oder den mehreren Modusauswahlsignalen von dem Controller 120 gesteuert wird, leitet das DAC IN-Steuersignal zu einem Differenzverstärker 520. Der Differenzverstärker 520 empfängt auch das Feedbacksteuersignal BB von dem Pufferspeicherschaltungsabschnitt 585.
Ein Differenzsignal wird von dem Differenzverstärker 520 zu einem Verstärker 530 ausgegeben, der das Differenzsignal verstärkt oder skaliert, um das Steuersignal AA bereitzustellen, das in den Transistor 575 mit mittlerer Leistung eingegeben wird, um die Lichtquelle 580 in einem fortgesetzten Beleuchtungsmodus zu treiben. Bei dem fortgesetzten Beleuchtungsmodus wird das Steuersignal AA unter einem maximalen Niveau gesteuert, das den Strom in dem Transistor 575 mit mittlerer Leistung, und die Lichtquelle 580 auf einem Niveau steuert, das eine lange Betriebslebensdauer für diese Bauteile bereitstellt.
Mit zwei solchen getrennten Betriebsmodi kann das Strobelicht-Steuersystem 500 verwendet werden, um ältere Visionsinspektionsmaschinen 10 nachzurüsten, und kann bei anderen Anwendungen verwendet werden, bei welchen es erstrebenswert ist, ein Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem mit Systemen und Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl mit als auch ohne Strobeimpulsbeleuchtung sowie mit herkömmlichen Systemen und Verfahren zu betreiben, die relativ fortgesetzte Beleuchtung verwenden, die typischerweise von einem Signal, wie zum Beispiel dem DAC IN-Signal gesteuert werden. Zu bemerken ist, dass das Strobeimpuls-Lichtsteuersystem 500 mit zwei solchen getrennten Betriebsmodi besonders zum Bereitstellen fortgesetzter Beleuchtung während verschiedener manueller vom Benutzer geleiteter Trainingsmodusvorgänge und zum Bereitstellen einer Strobeimpulsbeleuchtung nützlich ist, die eine Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie ähnlich der bereitstellt, die während der verschiedenen Trainingsmodusvorgänge während verschiedener automatischer Arbeitsmodusvorgänge bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren bereitgestellt wird.
Um sowohl die Strobeimpuls-Beleuchtung auszulösen als auch die entsprechenden Positionswerte zu einem spezifischen Zeitpunkt in Bezug auf die Strobeimpuls-Beleuchtungsdauer zu latchen, werden diese oben beschriebenen Systemelemente betreibbar in dem Steuersystemabschnitt 100 miteinander verbunden. Die Betriebsschritte in Zusammenhang mit dem Strobeimpuls-Betriebsmodus sind unten in Verbindung mit dem Arbeitsmodusbetriebsverfahren der Erfindung beschrieben.
6 ist ein Flussdiagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform eines Lernmodus der Trainingsmodusverfahren zum Bestimmen von Vorgängen und Einstellungen für das automatische Fokussieren auf einen interessierenden Bereich eines Werkstücks erfindungsgemäß im Arbeitsmodus darlegt. Das Verfahren startet in Schritt S100 und setzt sich in Schritt S110 fort, in dem das Visionsinspektionssystem in einen Lernmodus versetzt wird. Dann wird in Schritt S120 ein aktuelles Objektiv für die Kamera ausgewählt. Anschließend wird in Schritt S130 das zu beurteilende Werkstück an einer gewünschten Stelle positioniert, so dass der zu inspizierende Abschnitt des Werkstücks in dem Gesichtsfeld der Kamera liegt. Dann geht der Vorgang weiter zu Schritt S140.
In Schritt S140 wird die Beleuchtung des Werkstücks eingestellt. Zu bemerken ist, dass die Beleuchtung von dem Benutzer oder halbautomatisch oder automatisch eingestellt werden kann. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird eine fortgesetzte Beleuchtung eingestellt. Dann wird in Schritt S150 eine Arbeitsansicht des Werkstücks basierend auf der eingestellten Beleuchtung erzielt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen hängt der Werkstückabschnitt, der in der Arbeitsansicht sichtbar ist, von der Position ab, an der das Werkstück angeordnet wurde.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weist die Werkstücksarbeitsansicht, die auf der Grundlage der eingestellten Beleuchtung erzielt wird, ein Werkstückansichtsbild auf, das mit einer Strobeimpuls-Beleuchtungsdauer erfasst wurde, die kurz genug ist, um ein akzeptables Autofokusbild beim Gebrauch in Kombination mit irgendeiner praktischen Z-Achsen-Geschwindigkeit während einer Autofokusbilderfassungssequenz bereitzustellen, Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, in welchen eine fortgesetzte Beleuchtung in Schritt S140 eingestellt wird, werden Strobeimpuls-Beleuchtungsparameter von den Einstellungen der fortgesetzten Beleuchtung abgeleitet.
Dann wird in Schritt S160 die von der Kamera erzielte Arbeitsansicht bewertet, um zu bestimmen, ob die Beleuchtung zufrieden stellend ist oder nicht. Ist die Beleuchtung nicht zufrieden stellend, geht der Vorgang zu Schritt S170 weiter. Anderenfalls springt der Vorgang weiter zu Schritt S180.
In Schritt S170 werden die Beleuchtungseinstellungen verfeinert, zum Beispiel auf der Grundlage des Änderns verschiedener Beleuchtungseinstellungen durch den Bediener. Dann geht der Vorgang zurück zu Schritt S150. Hingegen werden in Schritt S180 die aktuellen Beleuchtungseinstellungen gespeichert. Der Vorgang geht dann weiter zu Schritt S190. In Schritt S170 und wenn die nicht zufrieden stellende Beleuchtung zu schwach ist, wird die Stärke der Beleuchtung erhöht. Hingegen wird die Stärke der Beleuchtung verringert, wenn die nicht zufrieden stellende Beleuchtung zu hell ist.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen bestimmen die erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren drei kompatible und/oder miteinander verbundene Autofokuscharakteristiken oder Variablen und/oder ihre dazugehörenden Steuerparameter oder Einstellungen, die steuern, wie schnell ein automatischer Fokussierungsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt werden kann. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind diese Charakteristiken die Größe eines interessierenden Autofokusbereichs für den Autofokusvorgang, die Rate, mit der die Autofokusbilder erfasst werden, und die maximale Geschwindigkeit, mit der die Kamera entlang der Z-Achse scannt, während sie Autofokusbilder erfasst.
Zu bemerken ist, dass diese drei Variablen oder Charakteristiken bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zum Erstellen einer erstrebenswerten Kombination von Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsautofokus gemäß dieser Erfindung in einer Wechselbeziehungsart bestimmt werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt dies, um eine erstrebenswerte Kombination von Autofokus-Bilderfassungsvorgängen und/oder -einstellungen zu bestimmen, die einer erstrebenswerten Kombination von Autofokusgeschwindigkeit und -präzision entsprechen, um eine geschätzte beste Fokusposition in ungefähr der kürzesten praktischen Zeit zu bestimmen, die die erstrebenswerte Präzision für die geschätzte beste Fokusposition bereitstellen kann. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gibt es verschiedene Kompromisse und Beziehungen zwischen diesen drei Variablen sowie alternative beispielhafte Verfahren und Sequenzen zum Bestimmen ihrer Werte. Allgemeiner wird jedoch bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Autofokusparameter oder die Autofokusvariable, die hinsichtlich von Hardwareeinschränkungen oder Präzisionsanforderungen oder dergleichen für ein bestimmtes Maschinenvisionsinspektionssystem oder einen bestimmten Satz von Autofokusvorgängen am schwersten belastet ist, zuerst erstellt, und dann werden die anderen Autofokusparameter oder -variablen, die weniger solchen Einschränkungen und Anforderungen unterliegen, bestimmt.
Daher wird in Schritt S190 der Wert für eine erste dieser drei Variablen definiert. Dann wird in Schritt S200 der Wert für eine zweite dieser drei Variablen angesichts des Werts der ersten der Variablen bestimmt. Dann wird in Schritt S210 der Wert für die dritte der drei Variablen auf der Grundlage der definierten Werte für die zwei ersten Variablen bestimmt. Der Vorgang geht dann weiter zu Schritt S220.
In Schritt S220 werden die Ergebnisse, die von dem Satz von Autofokuscharakteristiken oder -variablen geliefert werden, durch Prüfen eines Autofokusergebnisses bestätigt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird diese Bestätigung durch eine Autofokusvorführung bereitgestellt, die die Ergebnisse vergleichbarer Arbeitsmodusvorgänge nachahmt. Das heißt, es wird ein Satz von Vorführautofokusvorgängen ausgeführt, der im Wesentlichen den Arbeitsmodusvorgängen ähnlich ist, die auf der Grundlage der verschiedenen Lernmodusvorgänge und dazugehörenden Maschinenkonfiguration und des Satzes von Autofokuscharakteristiken oder -variablen bestimmt wurden, welche während der Lernmodusvorgänge festgelegt wurden. Eine Bewegung, eine Strobeimpulsbeleuchtung und eine Bilderfassungsrate, die ähnlich oder identisch sind mit denen, die von den Arbeitsmodusvorgängen und -einstellungen bereitgestellt werden, werden zum Beispiel verwendet und basierend auf den resultierenden Autofokusbildern, die über einen entsprechenden Gesamtautofokusbildbereich auf der Z-Achse verteilt sind, wird eine geschätzte beste Fokusposition bestimmt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird die Maschine dann an der geschätzten besten Fokusposition positioniert, ein Bewertungsbild wird erfasst und angezeigt, und das Bewertungsbild wird bewertet. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt dies entweder durch manuelles Prüfen des Bewertungsbilds oder durch Ausführen eines Inspektionsvorgangs an dem Bewertungsbild und durch Analysieren der Ergebnisse. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird die Autofokusvorführung von dem Bediener unter Einsatz eines entsprechenden GUI-Steuermerkmals ausgelöst.
In Schritt S230 wird dann der bestätigte Satz von Autofokusvorgängen und -einstellungen aufgezeichnet. Dann werden in Schritt S240 die Teilprogramm-Maschinensteueranweisungen, die dem bestätigten Satz von Autofokusvorgängen und -einstellungen und den eventuellen anderen Einstellungen entsprechen, die verwendet werden, um die bestätigten Autofokusergebnisse zu erzeugen, erzeugt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen enthalten diese Daten Informationen in Zusammenhang mit den Dimensionen des interessierenden Bereichs, den Spezifikationen für einen reduzierten Auslesepixelsatz, eine Bilderfassungswiederholungsrate, die Beleuchtungseinstellungen, die bei verschiedenen Ausführungsformen die Strobeimpulsstärke und Strobeimpuls-Dauer, die Z-Achsen-Abtastgeschwindigkeit, die Nennparameter des Gesamtautofokusbildbereichs auf der Z-Achse, das ausgewählte aktuelle Objektiv und dergleichen enthalten oder nicht. Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die Vorgänge der Schritte S230 und S240 verschmolzen und/oder nicht zu unterscheiden sind. Dann werden in Schritt S250 andere erstrebenswerte Teilprogrammanweisungen falls erforderlich erzeugt. Anschließend verlässt man in Schritt S260 den Lernmodus, und die erzeugten Teilprogrammmaschinensteueranweisungen werden für den zukünftigen Gebrauch, wie zum Beispiel während eines automatischen Arbeitsmodus, gespeichert.
Wie zuvor beschrieben werden beim Positionieren des Werkstücks in Schritt S130 Koordinaten in einer X- und einer Y-Achse für das Werkstück erstellt. Ferner kann die in Schritt S150 erzielte Arbeitsansicht manuell von einem Benutzer oder automatisch von dem Maschinenvisionsinspektionssystem erzielt werden.
Zu bemerken ist, dass das Einstellen der Beleuchtung in Schritt S140 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen das direkte Einstellen von Strobeimpuls-Bildparametern aufweist. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und wenn die Strobeimpuls-Beleuchtung verwendet wird, um die Beleuchtung einzustellen, wird die Strobeimpuls-Beleuchtung manuell von einem Benutzer oder automatisch gesteuert oder erstellt. Das Doppelzonenkontrastwerkzeug, das unten in Verbindung mit 7 beschrieben ist, ist ein Beispiel eines automatischen Belichtungsbewertungswerkzeugs, das verwendet wird, um dabei zu helfen, erstrebenswerte Einstellungen entweder für den Strobeimpuls oder fortgesetzte Beleuchtung bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zu erstellen.
Beim Definieren des interessierenden Bereichs für den Autofokusvorgang in den Schritten S190 oder S200 wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der interessierende Bereich für den Autofokusvorgang unter Einsatz einer grafischen Benutzeroberfläche definiert oder durch direktes Editieren zum Beispiel über ein Benutzeroberflächenfenster. Bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird der interessierende Bereich für den Autofokusvorgang durch eine Kombination des direkten Editierens und des Gebrauchs der grafischen Benutzeroberfläche definiert.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen ein reduzierter Auslesepixelsatz, der zuvor dargelegt wurde, in Verbindung mit dem Definieren des interessierenden Bereichs definiert wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird der reduzierte Auslesepixelsatz automatisch von dem Steuersystemabschnitt 100 auf der Grundlage des interessierenden Bereichs definiert, der in den Lernmodusvorgängen definiert wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zeigt eine GUI, die während der verschiedenen Lernmodusoperationen verwendet wird, bestimmte Lagen- und/oder Größencharakteristiken eines betreibbaren reduzierten Auslesepixelsatzes, um einem Bediener ein visuelles Feedback bereitzustellen, das beim Definieren des interessierenden Bereichs und/oder eines entsprechenden reduzierten Auslesepixelsatzes während verschiedener Lernmodusvorgänge von Nutzen ist. Verschiedene Betrachtungen in Zusammenhang mit der Beziehung zwischen einem interessierenden Bereich und einem entsprechenden reduzierten Auslesepixelsatz bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden unten unter Bezugnahme auf die 8-11 und 13 besprochen.
Beim Definieren der Fokuskurvenabtastdichte und/oder Autofokusbildbeabstandung in einem der Schritte S190-S210 wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die Dichte und/oder Beabstandung innerhalb eines fortgesetzten Wertebereichs ausgewählt oder bestimmt. Alternativ werden bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen vordefinierte jeweilige Standardwerte für die Dichte und/oder Beabstandung als diskrete Werte bestimmt, die mit von einem Bediener festgelegten Einstellungen verbunden sind, wie zum Beispiel grob gegenüber von fein, präzise gegenüber weniger präzise oder/und schneller gegenüber langsamer.
Bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird die Fokusbilderfassungsrate definiert entweder als ein Optimierungsmodus oder ein vereinfachter Modus oder soll ein solcher sein. Bei einem Optimierungsmodus wird für eine gegebene Kamera eine gegebene Menge von Steuerung über den reduzierten Auslesepixelsatz bereitgestellt. Im Allgemeinen wird zumindest eine Dimension des reduzierten Auslesepixelsatzes, der in Verbindung mit dem interessierenden Bereich bestimmt wird, verwendet, um die Autofokusbilderfassungsrate zu bestimmen, das heißt die Bilderfassungsrate, die die Kamera für den reduzierten Auslesepixelsatz in Zusammenhang mit dem gewünschten interessierenden Bereich verwirklichen kann. Bei einem vereinfachten Modus werden typische Wertesätze für die drei Parameter für jedes auswählbare Objektiv, das verwendet wird, vorbestimmt, und das niedrige, mittlere und hohe Präzision für die geschätzte beste Fokusposition bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen bildet.
Bei wieder anderen beispielhaften Ausführungsformen wird ein Autofokuswerkzeug in einem Standardmodus betrieben, der automatisch das Widget, das den interessierenden Bereich der grafischen Benutzeroberfläche des Autofokuswerkzeugs angibt, so bemisst, dass es einem angenommenen typischen reduzierten Auslesepixelsatz entspricht, der eine bekannte zugehörige Bilderfassungsrate für die Kamera hat. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen positioniert der Benutzer das Anzeige-Widget für den interessierenden Bereich und steuert eine Dimension des interessierenden Bereichs unabhängig, während die andere Dimension des interessierenden Bereichs automatisch funktional von den Charakteristiken des angenommenen typischen reduzierten Auslesepixelsatzes abhängt.
Bei weiteren beispielhaften Ausführungsformen ist ein Außerkraftsetzungsmodus für Fälle vorgesehen, wenn festgestellt wird, dass die Auflagen hinsichtlich des Anzeige-Widgets des interessierenden Bereichs des Autofokuswerkzeugs oder der oder die verfügbaren reduzierten Auslesepixelsatzkonfiguration(en) für ein bestimmtes Merkmal des zu inspizierenden Werkstücks nicht akzeptabel sind. Ein solcher Außerkraftsetzungsmodus kann zum Beispiel für Werkstücke wünschenswert sein, die eine Oberfläche mit eigenartiger Form, auf die zu fokussieren ist, haben, wie zum Beispiel eine lange schmale Form oder dergleichen. In dem Außerkraftsetzungsmodus wird bei einigen beispielhaften Ausführungsformen der interessierende Bereich irgendwo in dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera definiert, dann wird kein reduzierter Auslesepixelsatz verwendet, und nach Bedarf werden relativ langsame Autofokusvorgängeergebnisse verwendet.
Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen wird beim Definieren der Scanbewegung und/oder maximalen Geschwindigkeit, mit der die Kamera entlang der Z-Achse scannt, während Autofokusbilder in den Schritten S190-S210 erfasst werden, die Scanbewegung und/oder maximale Geschwindigkeit abgerundet auf oder ausgewählt aus diskreten vorbestimmten Geschwindigkeitsauswahlen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird die Scanbewegung und/oder die maximale Geschwindigkeit innerhalb eines fortgesetzten Bereichs verfügbarer Geschwindigkeiten für das Maschinenvisionssystem bestimmt. Bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen weist die Scanbewegung eine Standard- oder spezifizierte Beschleunigung auf, die von dem Maschinenvisionssystem bereitgestellt wird, und die Beschleunigung endet an oder unter der maximalen Geschwindigkeit, die in Verbindung mit der maximalen Autofokusbildbeabstandung verwendet werden kann, und/oder die maximale Geschwindigkeit wird innerhalb eines fortgesetzten Bereichs verfügbarer Geschwindigkeiten für das Maschinenvisionssystem bestimmt.
Zu bemerken ist, dass das in 6 dargelegte Verfahren verwendet werden kann, um Teilprogrammanweisungen zu bestimmen oder zu definieren, die zum automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung während einer automatischen Maschinenvisionsinspektion mit hoher Geschwindigkeit eines Werkstücks umgesetzt werden können. Sobald der Trainings- oder Lernmodus abgeschlossen und das daraus hervorgehende Teilprogramm gespeichert ist, werden bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen mehrere zusätzliche entsprechende Werkstücke automatisch inspiziert, indem die im Arbeitsmodus erzeugten und gespeicherten Teilprogramme abgerufen und verwendet werden.
7 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Werkstückbilds 701 und eine beispielhafte Ausführungsform eines Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs 700, das bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden kann, um halbautomatisch oder automatisch eine gewünschte fortgesetzte und/oder Strobeimpuls-Lichteinstellung zu bestimmen, die bei den schnellen Autofokussystemen und -verfahren verwendet werden kann, die eine geschätzte beste Fokusposition gemäß dieser Erfindung bestimmen. Verschiedene Verfahren und grafische Benutzeroberflächen, die für das Multizonen-Bildqualitätswerkzeug 700 und dazugehörende Lichteinstellsysteme verwendet werden können, sind in den US Patenten 6 542 180 und 6 239 554 offenbart, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gänze eingegliedert werden.
Die beispielhafte Ausführungsform des Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs 700, das in 7 gezeigt ist, ist ein Doppelzonen-Bildqualitätswerkzeug. Das beispielhafte Doppelzonen-Bildqualitätswerkzeug 700 weist einen ersten interessierenden Bereich 710 und einen zweiten interessierenden Bereich 720, die durch einen Balken 730 verbunden sind, auf. Der Bereich, der von dem Balken 730 belegt ist, bildet einen kritischen Bereich, in dem im Allgemeinen ein Werkstückmerkmal, das zu inspizieren ist, enthalten ist. Wie in dem Patent '180 gelehrt, wird das Doppelzonen-Bildqualitätswerkzeug 700 verwendet, um eine Lichtkonfiguration und ein Beleuchtungsniveau zu erstellen, die den Unterschied zwischen den mittleren Bildstärken, die in dem ersten interessierenden Bereich 710 und in dem zweiten interessierenden Bereich 720 gemessen werden, maximieren. Derart führt bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Übergang der Stärke über eine Kante 750 oder ein anderes Merkmal in dem kritischen Bereich zu der präzisesten Definition der Kante 750 oder des anderen Merkmals in dem Bild 701 für einen gegebenen Fokusgrad in dem kritischen Bereich. Die interessierenden Bereiche 710 und 720 sind als Rechtecke definiert. Zu bemerken ist, dass jedwede Anzahl von interessierenden Bereichen mit einer gewünschten Form innerhalb des Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs 700 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wie in dem Patent '180 gelehrt bereitgestellt wird.
Ferner ist zu bemerken, dass bei anderen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen des Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs verschiedene Verhältnisse der Breite der interessierenden Bereiche und des oder der Verbindungsbalken verwendet werden können. Zu bemerken ist, dass die Länge des Verbindungsbalkens gleich Null sein kann. Zwei interessierende Bereiche können daher unmittelbar benachbart zueinander und rechts von der Kante eines zu inspizierenden Merkmals in dem kritischen Bereich, wie zum Beispiel einer Kante angeordnet werden.
Ein Multizonen-Bildqualitätswerkzeug 700 oder dergleichen ist vorhanden, um in einer Vielzahl von Arten bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren zu funktionieren. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird zum Beispiel ein Multizonen-Bildqualitätswerkzeug von einem Bediener während eines Trainingsmodus verwendet, um eine Beleuchtungskonfiguration und ein Beleuchtungsniveau, die ursprünglich ungefähr von dem Bediener definiert wurden, zu bewerten und/oder verfeinern. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die vom Bediener ursprünglich ungefähr definierte Beleuchtungskonfiguration und das Beleuchtungsniveau entweder eine fortgesetzte oder eine Strobeimpuls-Beleuchtungskonfiguration und -niveau. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird dies unter Einsatz des Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs verfeinert. Bei weiteren verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen sind die ursprünglich vom Bediener ungefähr definierte Beleuchtungskonfiguration und das Beleuchtungsniveau eine fortgesetzte Beleuchtungskonfiguration, die in eine Strobeimpuls-Beleuchtungskonfiguration umgewandelt wird, die eine ungefähr gleichwertige Gesamtbildbelichtung ergibt, und die Strobeimpuls-Beleuchtungskonfiguration wird anhand des Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs verfeinert.
Bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen gehört ein Multizonen-Bildqualitätswerkzeug zu dem Teilprogramm und wird ausgeführt, um verschiedene nominale fortgesetzte oder Strobeimpuls-Beleuchtungsniveaus, die verbunden mit verschiedenen Autofokusvorgängen verwendet werden, zu verfeinern. Bei verschiedenen beispielhaften Aus führungsformen wird zum Beispiel das Multizonen-Bildqualitätswerkzeug, wenn der interessierende Autofokusbereich eine Kante, die zu inspizieren ist, enthält, nach einer anfänglichen Autofokussequenz und/oder vor dem Erfassen des endgültigen Inspektionsbilds an der geschätzten besten Fokusposition ausgeführt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfolgt dies, um für Effekte der Beleuchtungssystem-Kalibrierungs „drift", Umgebungsbeleuchtungsänderungen oder dergleichen auszugleichen und stellt die beste praktische Kantenautofokusdefinition und/oder -präzision beim automatischen Inspizieren eines Werkstücks im Arbeitsmodus bereit.
8 zeigt das beispielhafte Werkstück und Merkmal der 7, die zu inspizieren sind, gemeinsam mit zwei beispielhaften Ausführungsformen von Autofokuswerkzeug-GUI-Widgets, die bei verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren verwendet werden können. Zwei beispielhafte Ausführungsformen von Autofokuswerkzeug-GUI-Widgets, die mit den erfindungsgemäßen Systemen und Verfahren verwendet werden können, weisen ein Kantenfokuswerkzeug-Widget 810 und ein Oberflächenfokuswerkzeug-Widget 820 auf. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden diese Autofokuswerkzeuge verwendet, um automatisch auf das beispielhafte Werkstückbild 801 zu fokussieren. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen haben vordefinierte Autofokuswerkzeuge spezifische Einstellungen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden diese Einstellungen von einem Benutzer justiert oder neu definiert, brauchen jedoch nicht neu definiert zu werden, um das Werkzeug zu verwenden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden die Werkzeuge mit den vordefinierten Einstellungen verwendet. Verschiedene Betriebscharakteristiken des Kantenfokuswerkzeug-GUI-Widgets 810 und des Oberflächenwerkzeug-GUI-Widgets 820 sind allgemein in dem Benutzerhandbuch QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Users Guide und QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide, die zuvor eingegliedert wurden, beschrieben.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Kantenfokuswerkzeug-Widget 810 als eine Box mit einem Pfeil in der Mitte angezeigt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Widget 810 von einem Bediener bemessen, positioniert und gedreht, bis die Box den interessierenden Autofokusbereich anzeigt oder definiert und der Pfeil eine Kante, die zu inspizieren ist, anzeigt, die auch die Kante ist, die die Charakteristiken hat, die von der oder den operativen Kantenfokusmetrik(en) bewertet werden.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen verwendet die Kantenfokusmetrik einen oder mehrere herkömmliche Kantengradienten entlang der Kante in dem interessierenden Bereich, und der für jedes Autofokusbild verwendete Fokuswert ist die Größe mit Vorzeichen des oder der Kantengradienten. Die Richtung des Pfeils definiert nämlich eine Referenzrichtung oder Polarität, die mit dem Kantengradienten bei diesen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zu verbinden ist. Zu bemerken ist, dass der interessierende Bereich, der von den Grenzen des Kantenfokuswerkzeug-Widgets 810 angegeben wird, in der Größe verringert ist, um nur ein kurzes Segment entlang einer Kante nach Wunsch bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zu enthalten.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Oberflächenfokuswerkzeug-GUI-Widget 820 als eine Box mit einem „X" in der Mitte angezeigt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das Oberflächenfokuswerkzeug-Widget 820 von einem Bediener bemessen, positioniert und gedreht, bis die Box den interessierenden Autofokusbereich anzeigt oder definiert. Zu bemerken ist, dass der interessierende Bereich des Oberflächenfokuswerkzeug-Widgets 820 in der Größe vergrößert oder verringert wird, um in etwa den eigentlichen Oberflächenabschnitt zu enthalten, der bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen für einen bestimmten Inspektionsvorgang verwendet wird, wie zum Beispiel eine Höhenbestimmung oder eine Oberflächenendfertigungsbewertung oder dergleichen.
Wie zuvor erwähnt, wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung das Kamerasystem 260 betrieben, um einen reduzierten Auslesepixelsatz gemäß dieser Erfindung bereitzustellen. Der reduzierte Auslesepixelsatz entspricht im Wesentlichen weniger als dem vollständigen Gesichtsfeld des Kamerasystems 260 entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds des Kamerasystems 260. Eine Wiederholungsrate zum Erfassen einer Sequenz von Autofokusbildern und zum Speichern der Daten, die dem reduzierten Auslesepixelsatz entsprechen, ist daher wesentlich schneller als die Rate in Zusammenhang mit dem Erfassen von Bildern und dem Speichern der Daten, die einem vollständigen Pixelsatz für das gesamte Gesichtsfeld des Kamerasystems 260 entsprechen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird ein Kamerasystem 260 verwendet, das betrieben werden kann, um einen reduzierten Auslesepixelsatz bereitzustellen, der im Wesentlichen oder identisch den interessierenden Bereichen entspricht, die unter Einsatz des Kantenfokuswerkzeug-Widgets 810 oder des Oberflächenfokuswerkzeug-Widgets 820 definiert werden. Bei diesen beispielhaften Ausführungsformen werden die Pixel, die dem gesamten interessierenden Bereich entsprechen, verwendet, um einen Fokuswert wie zuvor dargelegt und unten weiter besprochen zu bestimmen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen stellt ein Oberflächenfokusvorgang einen Bildfokus bereit, der die Definition oder Schärfe einer Oberflächenbeschaffenheit in einem interessierenden Bereich oder ein Muster, das auf eine glatte Oberfläche in einem interessierenden Bereich projiziert wird, maximiert, um einen Koordinatenwert bereitzustellen, der die Oberfläche entlang der Z-Achsen-Richtung präzise lokalisiert, oder um ein Inspektionsbild an der Koordinate bereitzustellen, die das klarste Bild zum Inspizieren der Oberfläche bereitstellt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gibt die Oberflächenfokusmetrik, die verwendet wird, um den Fokuswert für ein Autofokusbild zu bestimmen, den Grad des Kontrasts in dem interessierenden Bereich an. Eine Ausführungsform einer solchen Oberflächenfokusmetrik ist der zum Quadrat erhobene Gradient der Pixelbildstärke oder des Graupegels in dem interessierenden Bereich. Beim Fokussieren auf eine Oberfläche beruht bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die Kontrastbestimmung auf dem mittleren zum Quadrat erhobenen Gradienten der Bildstärke oder des Graupegels innerhalb des interessierenden Bereichs. Die folgenden Gleichungen führen zum Beispiel eine beispielhafte Ausführungsform des Berechnens eines Fokuswerts bei solchen beispielhaften Ausführungsformen vor. Für einen Punkt i an der Lücke von vier Pixeln A, B, C und D definiert:
umgeschrieben wie folgt:
Für den interessierenden Gesamtautofokusbereich (AROI) wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ein repräsentativer Fokuswert als der mittlere Kontrast für alle N solche Punkte in dem AROI bestimmt, das heißt.
9 und 10 zeigen das beispielhafte zu inspizierende Werkstück und Merkmal der 7 gemeinsam mit alternativen beispielhaften Ausführungsformen der grafischen Benutzeroberflächen-Autofokuswerkzeug-Widgets 810' und 820', die dem Kantenfokuswerkzeug und dem Oberflächenfokuswerkzeug entsprechen. 9 zeigt auch zwei alternative Ausführungsformen von Anzeige-Widgets 870 und 875 eines reduzierten Auslesepixelsatzes. Das Anzeige-Widget 870 des reduzierten Auslesepixelsatzes, entspricht dem reduzierten Auslesepixelsatz von 100 Zeilen von Pixeln, die sich an einer feststehenden Position in der Mitte des Gesichtsfelds befinden. Das Anzeige-Widget 875 des reduzierten Auslesepixelsatzes entspricht dem reduzierten Auslesepixelsatz eines Blocks zu 100 × 100 Pixeln, die sich an einer feststehenden Position in der Mitte des Gesichtsfelds befinden. Diese alternativen beispielhaften reduzierten Auslesepixelsätze werden von verschiedenen im Handel erhältlichen Kameras bereitgestellt.
Wenn daher diese beispielhaften Kameras und reduzierten Auslesepixelsätze bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung verwendet werden, weisen die Autofokuswerkzeug-Widgets 810' und 820', die dem Kantenfokuswerkzeug bzw. dem Oberflächenfokuswerkzeug entsprechen, jeweils mindestens eine Dimension auf, die begrenzt oder auf eine Größe festgelegt ist, die gleich oder kleiner ist als die entsprechende feststehende Dimension des betreibbaren reduzierten Auslesepixelsatzes. Das erfolgt, um Merker oder Auflagen bereitzustellen, die für einen Benutzer beim konstruktiven Lokalisieren und Bemessen des den interessierenden Bereich definierenden Widgets in der Nähe eines Merkmals des Werkstücks, das zu inspizieren ist, behilflich sind. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist zum Beispiel die vertikale Dimension so begrenzt oder festgelegt, wenn der reduzierte Auslesepixelsatz gemäß dem Anzeige-Widget 870 betreibbar ist, und sowohl die vertikale als auch die horizontale Dimension sind so begrenzt oder festgesetzt, wenn der reduzierte Auslesepixelsatz, der dem Anzeige-Widget 875 entspricht, betreibbar ist.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und weil nur der Abschnitt des interessierenden Bereichs, der den reduzierten Auslesepixelsatz überlappt, tatsächlich verfügbar ist und zum Bestimmen eines entsprechenden Fokuswerts verwendet wird, ist es klar, dass es zum Bereitstellen ausreichend präziser und/oder wiederholbarer Fokuswerte vorzuziehen sein kann, dass der betreibbare reduzierte Auslesepixelsatz den interessierenden Bereich mit einem ausreichenden Abschnitt überlappt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, insbesondere wenn der interessierende Bereich relativ klein ist, etwa wie zum Beispiel in 9 und 10 gezeigt, überlappt ein Großteil des interessierenden Bereichs vorzugsweise aber nicht notwendigerweise den betreibbaren reduzierten Auslesepixelsatz. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die einen reduzierten Auslesepixelsatz verwenden, der eine feststehende Lage hat, wird daher ein entsprechendes reduziertes Auslesepixelsatz-Anzeige-Widget wie das von den Widgets 870 oder 875 angegebene oder dergleichen angezeigt, wenn ein Anzeige-Widget für einen interessierenden Autofokuswerkzeugbereich angezeigt wird, wie zum Beispiel das Widget 810' oder 820' oder dergleichen, um nützliche visuelle Merker oder Feedback für einen Bediener während verschiedener Trainingsmodusvorgänge bereitzustellen. Bei solchen Ausführungsformen kann ein Bediener ein Merkmal oder einen interessierenden Bereich leicht positionieren, so dass es/er zumindest teilweise den angegebenen Bereich des reduzierten Auslesepixelsatzes überlappt.
Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen positioniert der Benutzer den interessierenden Bereich außerhalb des angezeigten Bereichs des reduzierten Auslesepixelsatzes, und das Maschinenvisionssystem kann betrieben werden, um den Werkstücktisch und/oder die Kamera automatisch oder halbautomatisch neu zu positionieren, so dass der interessierende Bereich bewegt wird, um zumindest teilweise den Bereich des reduzierten Auslesepixelsatzes zu überlappen. Bei solchen Ausführungsformen ist das Widget 870 oder 875, das den reduzierten Auslesepixelsatz angibt, oder dergleichen nützlich, um eine visuelle Bestätigung der bereitgestellten Überlappungsmenge zu liefern.
10 zeigt zusätzlich zu den Widgets 810' und 820' des interessierenden Autofokuswerkzeugbereichs drei alternative Instanzen eines Anzeige-Widgets eines reduzierten Auslesepixelsatzes, wobei die verschiedenen Instanzen an den Positionen 880A, 880B und 880C angegeben sind. Die Anzeige-Widgets für einen reduzierten Auslesepixelsatz 880A, 880B und 880C entsprechen einem reduzierten Auslesepixelsatz eines feststehenden oder Standardblocks 100 × 100 von Pixeln, der sich in einer steuerbaren variablen Position in dem Gesichtsfeld befindet. Wenn daher ein solcher reduzierter Auslesepixelsatz verwendet wird, werden die Autofokuswerkzeug-Widgets 810' und 820' bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ursprünglich auf dem Display mit einer Größe präsentiert, die gleich oder kleiner ist als die entsprechende festgestellte oder Standardgröße des betreibbaren reduzierten Auslesepixelsatzes. Das erfolgt, um Merker oder Auflagen bereitzustellen, die für einen Bediener hilfreich sind, um in der Nähe eines zu inspizierenden Merkmals des Werkstücks das den interessierenden Bereich definierende Widget konstruktiv zu lokalisieren und zu bemessen.
Wie zuvor beschrieben und weil nur der Abschnitt des interessierenden Bereichs, der den reduzierten Auslesepixelsatz überlappt, tatsächlich verfügbar ist und zum Bestimmen eines entsprechenden Fokuswerts verwendet wird, ist klar, dass es zum Bereitstellen ausreichend präziser und/oder wiederholbarer Fokuswerte vorzuziehen sein kann, dass der betreibbare reduzierte Auslesepixelsatz einen ausreichenden Abschnitt des interessierenden Bereichs überlappt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, insbesondere wenn der interessierende Bereich relativ klein ist, etwa wie zum Beispiel in 10 gezeigt, überlappt vorzugsweise aber nicht notwendigerweise ein Großteil des interessierenden Bereichs den betreibbaren reduzierten Auslesepixelsatz. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die einen reduzierten Auslesepixelsatz verwenden, der eine feststehende Größe und eine variable Lage hat, wird daher ein geeignetes Anzeige-Widget für einen reduzierten Auslesepixelsatz, wie zum Beispiel das, das von den Widgets 880A, 880B und 880C oder dergleichen angegeben wird, angezeigt, wenn ein Widget für einen interessierenden Autofokuswerkzeugbereich, wie zum Beispiel die Widgets 810' oder 820' oder dergleichen angezeigt wird. Das stellt nützliche visuelle Merker oder Feedback für einen Bediener während verschiedener Trainingsmodusvorgänge bereit.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden der reduzierte Auslesepixelsatz und das entsprechende Anzeige-Widget, wie zum Beispiel das Widget 880, automatisch zu dem definierten interessierenden Bereich zentriert, und wenn sich eine Grenze des einen interessierenden Bereich anzeigenden Abschnitts eines Autofokuswerkzeug-GUI-Widgets außerhalb der angegebenen Lage des reduzierten Auslesepixelsatzes erstreckt, wird automatisch ein Element der grafischen Benutzeroberfläche aktiviert, um diesen Zustand hervorzuheben. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden zum Beispiel die Abschnitte des Autofokuswerkzeug-Widgets 820'', die sich außerhalb des angegebenen Bereichs des reduzierten Auslesepixelsatzes an der Lage 880B erstrecken, durch einen Linienfarben- oder Stärkenwechsel hervorgehoben, oder die entsprechende Zone wird hervorgehoben oder dergleichen. Bei solchen beispielhaften Ausführungsformen erkennt ein Bediener leicht den Abschnitt eines interessierenden Bereichs, der den angegebenen Bereich des reduzierten Auslesepixelsatzes nicht überlappt und/oder justiert ihn, und/oder entscheidet, ob der überlappende Abschnitt ausreicht. Wenn der Bediener entscheidet, dass der überlappende Abschnitt nicht ausreicht, wird der zuvor dargelegte Außerkraftsetzungsmodus bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen umgesetzt.
An der Lage 880A überlappt der angegebene reduzierte Auslesepixelsatz den interessierenden Bereich 810' komplett. An der Lage 880C fällt der interessierende Bereich 820' genau mit dem angegebenen reduzierten Auslesepixelsatz zusammen, so dass der angegebene reduzierte Auslesepixelsatz nicht klar sichtbar ist.
11 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Oberflächenautofokuswerkzeug-GUI-Widgets 820''' gemeinsam mit beispielhaften Ausführungsformen verschiedener Steuer-Widgets, die zum Auswählen verschiedener Modi und Vorgänge in Zusammenhang mit Autofokusvorgängen gemäß dieser Erfindung in einem Trainingsmodus verwendet werden können. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man auf das Steuer-Widget 830 mit einer Maus oder betätigt es in anderer Weise, um automatische Vorgänge auszulösen, so dass ein interessierender Bereich bewegt wird, um zumindest teilweise den Bereich eines feststehenden reduzierten Auslesepixelsatzes wie zuvor dargelegt zu überlappen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man auf die Steuertaste 832 des Steuer-Widgets 831 mit einer Maus, um einen Betriebsmodus auszuwählen, bei dem ein relativ kleiner reduzierter Auslesepixelsatz ausgewählt wird, um eine relativ schnellere Autofokusbilderfassungsrate für schnellere Autofokusvorgänge bereitzustellen, auch wenn der reduzierte Auslesepixelsatz nur einen ausreichenden Abschnitt eines definierten interessierenden Bereichs überlappt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man hingegen auf die Steuertaste 833 mit einer Maus oder betätigt sie auf andere Weise, um einen Betriebsmodus auszuwählen, bei dem der reduzierte Auslesepixelsatz oder, bei Bedarf, der Außerkraftsetzungsmodus ausgewählt wird, so dass der betreibbare Satz von Auslesepixeln zumindest groß genug ist, um den ganzen interessierenden Bereich zu überlappen. Das erfolgt, um die bestmöglich geschätzte beste Fokuspositionspräzision für einen eigenartig geformten oder zum Beispiel großen interessierenden Bereich bereitzustellen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man auf die Steuertaste 835 des Steuer-Widgets 834 mit einer Maus oder betätigt sie auf andere Weise, um einen Autofokusmodus auszuwählen, der einen relativ niedrigen Präzisionsmodus zum Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition bereitstellt, zum Beispiel einen Modus mit niedriger Präzision in etwa wie zuvor beschrieben. Das stellt ebenfalls relativ schnellen Autofokusbetrieb bereit. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man hingegen auf die Steuertaste 836 mit einer Maus oder aktiviert sie auf andere Weise, um einen Autofokusmodus auszuwählen, der den Modus mit höchster Präzision zum Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition bereitstellt, zum Beispiel einen Modus mit hoher Präzision in etwa wie zuvor beschrieben.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man auf die Steuertaste 838 des Steuer-Widgets 837 mit einer Maus oder aktiviert sie auf andere Weise, um automatische Vorgänge auszulösen, die eine Autofokuslern- oder Trainingsmodusvorführung auslösen, die die Ergebnisse vergleichbarer Arbeitsmodusvorgänge nachahmt, zum Beispiel wie zuvor dargelegt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klickt man auf die Steuertaste 839 des Steuer-Widgets 837 mit einer Maus oder betätigt sie auf andere Weise, um die Einstellungen eines voll definierten oder trainierten Autofokuswerkzeugs zu akzeptieren, zum Beispiel um eine Trainingsmodusautofokusvorführung zu umgehen oder um die Ergebnisse zu akzeptieren, die von einem Schätzungsbild angegeben werden, das als Ergebnis einer Trainingsmodusautofokusvorführung bereitgestellt wird, um zu zusätzlichen Trainingsmodusvorgängen weiterzugehen.
Zu bemerken ist, dass verschiedene Aspekte der zuvor beschriebenen Autofokuswerkzeuge und Widgets bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen getrennt oder in verschiedenen Kombinationen umgesetzt werden können. Ferner ist zu bemerken, dass alternative Formen der verschiedenen GUI-Widgets und Steuerungen bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen klar sind. Die oben stehenden Ausführungsformen sind daher bloß veranschaulichend und nicht einschränkend.
12 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform eines Fensters einer grafischen Benutzeroberfläche für ein beispielhaftes Autofokuswerkzeug, das erfindungsgemäß eingesetzt werden kann. Verschiedene beispielhafte Ausführungsformen weisen ein beispielhaftes Dialogfeld 901 auf, das verbunden mit dem Anzeigen und/oder Neudefinieren einiger der Standardautofokusparameter in Zusammenhang mit einem Autofokus-GUI-Werkzeug verwendet werden kann, wie zum Beispiel das Kantenfokuswerkzeug 810 oder das Oberflächenfokuswerkzeug 820, die oben dargelegt wurden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ruft ein Benutzer ein solches Dialogfeld zu unterschiedlichen Zeiten während des manuellen oder Trainingsmodusbetriebs eines Maschinenvisionsinspektionssystems auf. Danach richtet der Benutzer bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen das Autofokus-GUI-Werkzeug ein und führt es aus, indem er jeweils die Standardparameter verwendet.
Zu bemerken ist ferner, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ein ähnliches Dialogfeld verwendet wird, um die dazugehörenden Autofokusparameter zum Beispiel eines Autofokus-GUI-Werkzeugs anzuzeigen und/oder neu zu definieren, das für eine bestimmte Anwendung oder einen interessierenden Werkstückbereich von dem Benutzer speziell angepasst wird, grafisch oder auf andere Weise, wie oben dargelegt. Bei einem Oberflächenfokusmodus weist das Dialogfeld 901 Anzeigen oder Eingaben auf, die den Fokusmodus, die Werkzeugposition und Größe, das heißt die Nennlage und Größe des interessierenden Autofokusbereichs, den Suchbereich, das heißt den Gesamtautofokus-Z-Scanbereich oder Fokusbildbereich, der bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen in genormten Einheiten vorliegt, anzeigen, um hinsichtlich der Feldtiefe des verwendbaren Objektivs oder dergleichen angewandt zu werden, und einen Standardsuchtyp, das heißt den Typ von Geschwindigkeits- und Präzisionskombination, zum Beispiel niedrige, mittlere oder hohe Präzision, die die Grundlage für verschiedenes Auswählen von oder Steuern von verschiedenen anderen Autofokusparametern wie zuvor in Zusammenhang mit verschiedenen Autofokuspräzisions- und Geschwindigkeitsbetrachtungen besprochen bereitstellt.
Bei der beispielhaften Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, beobachtet und/oder ändert der Benutzer die Autofokuswerkzeugeinstellungen digital. Zu bemerken ist auch, dass die Autofokuswerkzeugeinstellungen bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen grafisch beobachtet und/oder geändert werden. Es ist daher klar, dass die Autofokussysteme und verfahren gemäß dieser Erfindung bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen trainiert und manuell oder halbautomatisch oder automatisch unter Einsatz verschiedener leicht zu verwendender Verfahren auf Text- und Grafikbasis benutzt werden, und bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ähnlich speziell angepasst oder an eine große Vielzahl von einzelnen Anwendungen und Werkstückmerkmalen und interessierenden Regionen von Benutzern angepasst werden, die keine Experten sind. Verschiedene zusätzliche Parametereinstellungen oder andere nützliche alternative Formen des Dialogfelds 901 oder dergleichen sollten klar sein. Es ist daher klar, dass die oben stehende Ausführungsform allein veranschaulichend und nicht einschränkend ist.
13 ist ein Kurvenschreiberausdruck 1000, der eine generische Beziehung zwischen der Größe eines reduzierten Auslesepixelsatzes und einer verwirklichbaren Autofokusbilderfassungsrate bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung veranschaulicht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kann das Kamerasystem betrieben werden, um aus einer Vielzahl reduzierter Auslesepixelsätze verschiedener Größen innerhalb des gesamten oder maximalen Kameragesichtsfelds auszuwählen.
In 13 entspricht die X-Achse der Größe eines reduzierten Auslesepixelsatzes. Punkte nach rechts auf der X-Achse zeigen einen reduzierten Auslesepixelsatz an, der größer ist, was die Kamerapixeleinheiten betrifft, oder dergleichen. Punkte nach links auf der X-Achse zeigen einen reduzierten Auslesepixelsatz an, der kleiner ist, was die Kamerapixeleinheiten betrifft, oder dergleichen. Die Y-Achse in 13 entspricht der Fokusbilderfassungsrate. Punkte, die auf der Y-Achse höher liegen, entsprechen schnelleren Fokusbilderfassungsraten als Punkte niedriger auf der Y-Achse.
Die Kurve 1001 in 13 stellt ein inhärentes oder generisches Betriebsmerkmal verschiedener Kameras dar, die bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung verwendet werden, Die beispielhafte theoretische Kurve 1001 ist fast linear. Sie ist jedoch nicht perfekt linear, weil die funktionalen Charakteristiken der meisten Kameras aufgrund eines bestimmten Zeitsteuerungs-„Overheads" für Kameravorgänge, die sich trotz der Größe des reduzierten Auslesepixelsatzes für ein bestimmtes Bild nicht ändern, nicht linear sind. Zu bemerken ist, dass eine ähnliche tatsächliche Kurve für jeden ähnlichen Typ einzelner Kameras erstellt werden kann, die gemäß den Konzepten der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Die tatsächliche Kurve für eine Kamera ist jedoch nicht notwendigerweise die gleiche wie die tatsächliche Kurve für eine andere Kamera. Wie jedoch in 13 gezeigt ist, ergeben im Allgemeinen kleinere reduzierte Auslesepixelsatzgrößen schnellere Autofokusbilderfassungsraten bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Kamerasystem betrieben werden kann, um aus einer Vielzahl reduzierter Auslesepixelsätze verschiedener Größen innerhalb des gesamten oder maximalen Kameragesichtsfelds auszuwählen. Umgekehrt führen größere reduzierte Autofokus-Auslesepixelsatzgrößen zu langsameren Autofokusbilderfassungsraten, können jedoch erforderlich sein, um einen erstrebenswerten Präzisionsgrad bereitzustellen. Um eine sehr präzise Schätzung der besten Fokusposition zu erzielen, werden bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung in einem Modus mit hoher Präzision die reduzierten Auslesepixelsatzgrößen verbunden mit einem definierten interessierenden Bereich so ausgewählt, dass in der Größenordnung von 10.000 Pixel in dem Bereich enthalten sind, in dem der reduzierte Auslesepixelsatz den interessierenden Bereich überlappt.
Die Berücksichtigung der Kamerabetriebscharakteristiken, die in 13 wiedergegeben sind, erleichtert im Allgemeinen die Auswahl einer erstrebenswerten Kombination aus Autofokusparametern gemäß den erfindungsgemäßen Systemen und Verfahren, darunter die Auswahl einer erstrebenswerten Größe für den interessierenden Autofokusbereich, um am besten eine erstrebenswerte Kombination oder einen Kompromiss zwischen Autofokusgeschwindigkeit und -präzision zu erzielen.
14 ist ein Kurvenschreiberausdruck 1100, der beispielhafte generische Beziehungen zwischen Fokusbilderfassungsrate und Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit für einen beispielhaften Autofokusmodus mit niedrigerer Präzision darstellt, der der Kurve 1101 entspricht, und einen beispielhaften Autofokusmodus mit höherer Präzision, der der Kurve 1102 bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen entspricht. Die X-Achse entspricht der Autofokusbilderfassungsrate, der gleichen Betriebscharakteristik oder dem Parameter, der auf der Y-Achse in 13 wiedergegeben ist. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und nach Bestimmen einer Fokusbilderfassungsrate wie in Zusammenhang mit 13 beschrieben, wird daher dann eine zulässige Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit auf der Grundlage der in 14 veranschaulichten Beziehungen bestimmt.
Die Y-Achse in 14 entspricht einer mittleren Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit entlang der Z-Achsen-Richtung für Ausführungsformen, die eine relativ konstante Geschwindigkeit beim Erfassen einer Sequenz von Autofokusbildern verwenden, und sie entspricht in etwa der maximalen Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit innerhalb eines erstrebenswerten Autofokusbildbereichs entlang der Z-Achsen-Richtung bei Ausführungsformen, die Beschleunigung über einen signifikanten Abschnitt des erstrebenswerten Autofokusbildbereichs verwenden, während sie eine Autofokusbildsequenz erfassen. In beiden Fällen entsprechen höhere Lagen auf der Y-Achse in 14 schnelleren Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeiten und niedrigere Punkte auf der Y-Achse in 14 entsprechen langsameren Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeiten.
Zu bemerken ist, dass eine bestimmte Autofokusbilderfassungsrate geteilt durch eine bestimmte mittlere oder maximale Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit innerhalb des erstrebenswerten Autofokusbildbereichs direkt die Autofokusbildabtastdichte bzw. die maximale Autofokusbildbeabstandung jeweils entlang der Z-Achsen-Richtung direkt bestimmt, die für einen bestimmten Satz von Autofokusbildern bereitgestellt ist und die entsprechende Fokuskurve bestimmt. Relativ höhere oder dichtere Fokuskurvenabtastdichten oder relativ kleinere maximale Autofokusbildbeabstandungen treten daher nach unten und nach rechts auf den Kurven in dem Kurvenschreiberausdruck 1110 auf, und relativ niedrigere oder dünnere Fokuskurvenabtastdichten oder relativ größere maximale Autofokusbildbeabstandungen treten nach oben und nach links auf den Kurven in dem Kurvenschreiberausdruck 1100 auf. Die Fokuskurvenabtastdichte und ihre Beziehung zu der Autofokuspräzision wurden zuvor unter Bezugnahme auf die 3 und 4 besprochen. Wie aus der vorhergehenden Besprechung hervorgeht, bestimmt bei Ausführungsformen, die während einer Autofokusbilderfassung Beschleunigung verwenden, die Größe der maximalen Autofokusbildbeabstandung eine „nicht lineare" Fokuskurvenabtastdichte, die im Durchschnitt entweder dichter ist und einer kleineren maximalen Beabstandung entspricht oder dünner ist und einer größeren maximalen Beabstandung entspricht. Die Präzisionseffekte in Zusammenhang mit der Größe der maximalen Autofokusbildbeabstandung werden daher durch Analogie mit den entsprechenden Diskussionen der Fokuskurvenabtastdichte und -präzision, die hier enthalten sind, verstanden.
Relativ weniger dichte Fokuskurvenabtastung führt im Allgemeinen zu gesteigerter Ungewissheit oder Fehlern beim Schätzen einer Fokuskurve und der dazugehörenden geschätzten besten Fokusposition. Die Autofokusmoduskurve 1101 mit relativ niedrigerer Präzision tritt daher nach oben und links auf, und die Autofokusmoduskurve 1102 mit relativ höherer Präzision tritt nach unten und nach rechts in dem Kurvenschreiberausdruck 1100 auf.
Jede der jeweiligen Autofokusmoduskurven 1101 und 1102 entspricht einer jeweiligen Fokuskurvenabtastdichte, die an jedem Punkt entlang der jeweiligen Kurve gleich ist. Der Vorgang gemäß irgendeinem Punkt entlang der Autofokusmoduskurve 1102 mit höherer Präzision tendiert daher im Allgemeinen dazu, eine dichter abgetastete Fokus-zu-Position-Kurve zu erzeugen als die in 3 veranschaulichte. Hingegen tendiert der Vorgang gemäß irgendeinem Punkt entlang der Autofokusmoduskurve 1101 mit niedrigerer Präzision im Allgemeinen dazu, eine dünner abgetastete Fokus-zu-Position-Kurve zu erzeugen, als die in 4 veranschaulichte. Obwohl nur zwei Autofokuspräzisionsmoduskurven in 14 gezeigt sind, ist es klar, dass eine ganze Familie von Kurven existiert, die relativ höhere Präzisionen und höhere Abtastdichten für eine Fokus-zu-Position-Kurve darstellen, für niedrigere Kurven in dem Kurvenschreiberausdruck 1100 und niedrigere Präzisionen, die eine niedrigere Abtastdichte in einer Fokus-zu-Position-Kurve darstellen, für höhere Kurven in dem Kurvenschreiberausdruck 1100.
Zu bemerken ist, dass es bei gleich bleibenden anderen Faktoren im Allgemeinen vorteilhaft ist, die schnellsten möglichen Autofokusvorgänge bereitzustellen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist es daher im Allgemeinen vorzuziehen, an einem Punkt in Richtung des unteren linken Endes irgendeiner bestimmten Autofokuspräzisionsmoduskurve vorzugehen, der einen erstrebenswerten Grad an Autofokuspräzision bereitstellt. Natürlich hat jede Kamera inhärent eine maximale Fokusbilderfassungsrate für eine bestimmte Größe eines interessierenden Autofokusbereichs. Das bestimmt den schnellsten zulässigen Betriebspunkt bei verschiedenen Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung. Die Linie 1104 in 14 stellt generisch einen solchen Punkt dar. Angesichts eines solchen zulässigen oder ausgewählten Betriebspunkts wird die entsprechende Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit, die die erforderliche Abtastdichte oder maximale Autofokusbildabtastbeabstandung ergibt, leicht bestimmt und als ein entsprechender Autofokusparameter verwendet. Das wird zum Beispiel durch die Linien 1105 und 1106 in 14 angegeben, die generisch jeweilige zulässige durchschnittliche Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeiten oder maximale Geschwindigkeiten darstellen, die jeweiligen erstrebenswerten Abtastdichten, maximalen Beabstandungen oder Präzisionen entsprechen.
Es ist ferner zu bemerken, dass die oben unter Bezugnahme auf 13 und 14 dargelegte Analyse in einer unterschiedlichen Reihenfolge bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen auftritt. Zum Beispiel wird beginnend auf der Y-Achse in 14 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen nach dem Auswählen oder Definieren einer Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit oder maximalen Geschwindigkeit dann die Fokusbilderfassungsrate aus der anwendbaren Präzisionsmoduskurve bestimmt. Mit dieser Autofokusbilderfassungsrate wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die zulässige reduzierte Auslesepixelsatzgröße auf der Grundlage der in 13 definierten Beziehungen bestimmt.
Ähnlich beginnt man bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen mit dem Auswählen einer erstrebenswerten Präzision. Bei diesen verschiedenen Ausführungsformen wird dann eine Kurve, die eine funktionale Beziehung zwischen Fokusbilderfassungsrate und mittlerer oder maximaler Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit definiert, wie in 14 gezeigt, definiert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird nach dem eingänglichen Auswählen der erstrebenswerten Präzision eine Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit oder Autofokusbilderfassungsrate definiert. Dann wird bei diesen verschiedenen Ausführungsformen die andere aus Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeit und Autofokusbilderfassungsrate bestimmt.
Es ist daher klar, dass nach dem Definieren von zwei der drei Variablen die dritte Variable bestimmt wird. Ferner ist klar, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen irgendeine Reihefolge beliebiger zwei der drei Variablen auftritt, was zu dem Wert für die letzte der drei Variablen, die bestimmt werden, führt. Das Berücksichtigen der Kamerabetriebscharakteristiken, dargelegt in 13 und 14, erleichtert daher im Allgemeinen die Auswahl einer erstrebenswerten Kombination von Autofokusparametern gemäß dieser Erfindung, um eine erstrebenswerte Kombination oder den erstrebenswerten Kompromiss zwischen Autofokusgeschwindigkeit und -präzision am besten zu erzielen.
15 ist ein Kurvenschreiberausdruck, der eine Bewegungskurve 1501, die mit einer herkömmlichen Autofokusbilderfassungsrate von 30 Bildern pro Sekunde erzielbar ist, mit einer Bewegungskurve 1502 vergleicht, die mit einer relativ schnelleren Autofokusbilderfassungsrate von 200 Bildern pro Sekunde verwirklichbar ist, die unter Einsatz eines reduzierten Auslesepixelsatzes bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung bereitgestellt wird.
Die Kurven 1501 und 1502 entsprechen einem Objektiv mit schwacher Vergrößerung mit einer DOF von 306 Mikrometern und einer maximalen Autofokusbildbeabstandung entlang der Fokussierungsachsenrichtung von 0,3·DOF = 92 Mikrometer. Diese maximale Bildbeabstandung kann verwendet werden, um eine geschätzte beste Mittelpräzisions-Fokusposition bereitzustellen.
Die Kurven 1501 und 1502 zeigen die angesammelte Entfernung der Bewegung entlang der Fokusachsenrichtung über die Zeit. Ursprünglich wird jede Bewegung als mit Null Geschwindigkeit an dem Anfang eines erstrebenswerten Autofokusbildbereichs von 3,0 mm beginnend angenommen. Jede Bewegung entspricht dann der gleichen Nennbeschleunigung von 0,1 g = 980 mm/s². Das ist eine typische maximale Beschleunigung, die von einem Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem bereitgestellt wird. Nach etwa 0,28 Sekunden und wie von Kurve 1501 gezeigt, kann die Geschwindigkeit nicht weiter für die herkömmliche Autofokusbilderfassungsrate von 30 Bildern pro Sekunde erhöht werden. Das ist darauf zurückzuführen, dass die maximale erstrebenswerte Bildbeabstandung, die dem erstrebenswerten Präzisionsgrad entspricht, bei dieser Geschwindigkeit erreicht ist. Sie beträgt in etwa 27,7 mm/s. Die von der Kurve 1501 angegebene Bewegung setzt sich daher mit konstanter Geschwindigkeit über den Rest des Autofokusbildbereichs von 3,0 mm fort.
Hingegen setzt sich die Nennbeschleunigung von 0,1 g = 980 mm/s² für die Bewegung, die von der Kurve 1502 angezeigt wird, durch den gesamten erstrebenswerten Autofokusbildbereich von 3,0 mm für die relativ schnellere Autofokusbilderfassungsrate von 200 Bildern pro Sekunde fort, die bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfindungsgemäß bereitgestellt wird. Die Geschwindigkeit erreicht am Ende des erstrebenswerten Autofokusbildbereichs ein Maximum von etwa 77 mm/s. Das verfehlt die zulässige maximale Geschwindigkeit von etwa 184 mm/s bei weitem. Die zulässige maximale Geschwindigkeit kann verwendet werden, um die gleiche maximale Autofokusbildbeabstandung von 92 Mikrometer bei 200 Bildern pro Sekunde bereitzustellen. Verschiedene Unterschiede und Vorteile sind für die Bewegungskurve 1502, die der relativ schnelleren Autofokusbilderfassungsrate von 200 Bildern pro Sekunde entspricht, ersichtlich, die durch den Einsatz eines reduzierten Auslesepixelsatzes bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfindungsgemäß bereitgestellt wird, im Vergleich zu der Bewegungskurve 1501, die der herkömmlichen Bilderfassungsrate von 30 Bildern pro Sekunde entspricht.
Zu bemerken ist, dass es für relativ schnelle Bilderfassungsraten, die unter Einsatz eines reduzierten Auslesepixelsatzes bei verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen bereitgestellt werden, erstrebenswert sein kann, dass die Bewegung Beschleunigung fast über den gesamten oder über den gesamten erstrebenswerten Autofokusbilderfassungsbereich aufweist. Vorausgesetzt, dass die zulässige maximale Geschwindigkeit nicht überschritten wird, verkürzt das im Allgemeinen die Gesamtzeit, die für Autofokusvorgänge erforderlich ist. Es ist auch klar, dass beim Einsatz von Beschleunigung während der Bilderfassung und insbesondere, wenn die Beschleunigung nicht gut kontrolliert und/oder bekannt ist, es erstrebenswert sein kann, kurze effektive Belichtungsdauern, deterministisches Codiererpositionslatchen in Bezug auf die effektive Bildbelichtungszeit und/oder verschiedene andere erfindungsgemäße Verfahren zu verwenden, darunter die oben dargelegten, damit die nicht lineare Verzerrungs-Unklarheit in dem Bild aufgrund des kleinen Bewegungsbereichs während der Bildbelichtung reduziert wird, und damit die tatsächliche Position bei der Nennbelichtungszeit genau bestimmt wird, ohne dass die Position auf der Grundlage von Zeit und einer sich ständig ändernden schlecht definierten Geschwindigkeit abgeleitet werden muss. Derartige Verfahren stellen eine schnelle, einfache und präzise Schätzung der besten Fokusposition erfindungsgemäß bereit, auch wenn hohe Bewegungsgeschwindigkeiten und Beschleunigungen verwendet werden. Es ist klar, dass bei der herkömmlichen Bilderfassungsrate und entsprechend gezwungenen niedrigeren Geschwindigkeiten und konstanten Geschwindigkeiten, die bei vielen herkömmlichen Autofokusverfahren verwendet werden, die potenziellen Fehler aufgrund von Verzerrungs-Unklarheit und Positionsinterferenz signifikant geringer sind. Bei derartigen Verfahren wurde es daher nicht für erforderlich gehalten, die oben zum Reduzieren von Fehlern in Zusammenhang mit höheren Geschwindigkeiten und signifikanten Beschleunigungen entlang der Z-Achsen-Richtung während der Bilderfassung beschriebenen Verfahren zu verwenden.
Ferner ist zu bemerken, dass die Autofokusbilderfassung entlang des erstrebenswerten Autofokusbildbereichs in etwa 1/3 weniger Zeit für die Bewegungskurve 1502 abgeschlossen wird. Zusätzlich ist die maximale Bildbeabstandung, die tatsächlich entlang der Bewegungskurve 1502 bei 200 Bildern pro Sekunde bereitgestellt wird, etwa 60 % geringer als die, die entlang der Bewegungskurve 1501 bei 30 Bildern pro Sekunde bereitgestellt wird. Bei 200 Bildern pro Sekunde ist daher das Autofokusverfahren sowohl signifikant schneller als auch signifikant präziser. Bei der in 15 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die Bewegung über mindestens einen Teil des Fokusbildbereichs für die relativ schnelle Bildrate, die erfindungsgemäß bereitgestellt wird, mindestens 2,5 Mal schneller, als eine schnellste Bewegung, die kombiniert mit der herkömmlichen Bilderfassungsrate zulässig ist, um benachbarte Autofokusbilder zu erzeugen, die entlang der Fokusachsenrichtung um eine erstrebenswerte maximale Beabstandung beabstandet sind. Zu bemerken ist, dass verschiedene andere beispielhafte Ausführungsformen, bei welchen die Bewegung, die mit der erfindungsgemäß bereitgestellten Bildrate verwendet wird, eine Vorabbeschleunigung aufweist, bevor der erstrebenswerte Autofokusbildbereich betreten wird, um entlang dem erstrebenswerten Autofokusbildbereich schnellere Geschwindigkeiten bereitzustellen, für eine erfindungsgemäß bereitgestellte Bildrate über zumindest einen Teil des Fokusbildbereichs mindestens 5,0 Mal schneller ist als eine schnellste zulässige Bewegung, kombiniert mit einer herkömmlichen Bilderfassungsrate, um benachbarte Autofokusbilder zu erzeugen, die entlang der Fokusachsenrichtung um die gleiche maximale Beabstandung beabstandet sind. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die die Geschwindigkeit der erfindungsgemäßen Autofokusvorgänge noch weiter anheben, werden solche Vorabbeschleunigungen verwendet, um Bewegung über mindestens einen Teil des Fokusbildbereichs bereitzustellen, die mindestens 90 % so schnell ist wie die maximal zulässige schnellste Bewegung kombiniert mit einer relativ schnellen Bilderfassungsrate, die erfindungsgemäß bereitgestellt wird, um die maximal erstrebenswerte Autofokusbildbeabstandung bereitzustellen.
Zu bemerken ist, dass, wenn während der Belichtungszeit eines Autofokusbilds Bewegung besteht, jedes Pixel der Kamera ein integriertes Signal sammelt, das dem Ganzen Licht entspricht, das von einem Punkt auf dem Werkstück empfangen wird, während es einen bestimmten Bereich entlang der Z-Achsen-Richtung während der Belichtungszeit durchquert. Als erste diesbezügliche Betrachtung und für Kameras, die nur relativ längere Belichtungsdauern bieten, kann dies, wie zuvor dargelegt, zu einer inakzeptablen Verzerrungs-Unklarheit in allen Autofokusbildern führen, oder umgekehrt relativ höhere Autofokusscanbewegungsgeschwindigkeiten und/oder relativ schnelle Autofokusvorgänge verhindern.
Bei einer zweiten diesbezüglichen Betrachtung und auch wenn die mit der Bewegung verbundene Verzerrungs-Unklarheit ansonsten wesentlich reduziert ist, lässt sich, weil verschiedene Abschnitte einer Fokuskurve relativ nicht linear sind, die präzise Z-Achsen-Position, die mit dem „integrierten" Autofokusbild verbunden sein sollte, nicht immer leicht mit einer erstrebenswerten Präzision bestimmen. Diese Schwierigkeit wird vergrößert, wenn Beschleunigung und insbesondere eine relativ ungenau bekannte oder variable Beschleunigung während der Autofokusbilderfassung verwendet wird. Einige Ungewissheit und Fehler sind daher mit dem Zuweisen einer Z-Position für jedes integrierte Autofokusbild verbunden, auch wenn eine Codiererposition in Bezug auf die Bildbelichtungszeit wie zuvor dargelegt gelatcht wird.
Derartige Fälle können auftreten, insbesondere wenn Objektive mit starker Vergrößerung oder kleiner Feldtiefe verwendet werden und/oder eine niedrige Autofokuspräzisionsanforderung ansonsten relativ niedrige Abtastdichten und hohe Bewegungsgeschwindigkeiten erlauben würde.
Daher wird bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfindungsgemäß eine Strobeimpuls-Beleuchtungsfähigkeit bereitgestellt, die beide dieser Betrachtungen lösen kann, indem effektive Belichtungsdauern bereitgestellt werden, die im Allgemeinen viel kürzer sind als die, die von Allzweck-Maschinenvisionskameras in vernünftiger Preislage bereitgestellt werden können. Bei einer beispielhaften Ausführungsform zum Beispiel, die für Anwendungen mit relativ hoher Präzision geeignet ist, werden eine oder mehrere Beleuchtungslichtquellen mit einer Dauer gestrobt, so dass sich das Werkstück während der Strobeimpuls-Timingdauer um eine erstrebenswerte maximale Menge oder weniger bewegt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, die für Hochpräzisionsmessung bestimmt sind, liegt die erstrebenswerte maximale Menge an Werkstückbewegung in der Größenordnung von 0,25 Mikrometer. Bei einer beispielhaften Ausführungsform wird zum Beispiel eine 16,66-Mikrosekunden-Belichtung bei einer Bewegungsgeschwindigkeit von 15 mm pro Sekunde verwendet und angepasst, um proportional kürzer zu sein, während eine Bewegungsgeschwindigkeit proportional schneller wird, nur beschränkt durch die Fähigkeit der Lichtquellen und Controller, ausreichende Stärkeniveaus auszugeben, um die erforderliche Gesamtbildbelichtungsenergie während der sinkenden Belichtungsdauern bereitzustellen.
Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen wird ausreichende Messpräzision bereitgestellt, indem die maximale Bewegung entlang der Fokusachse während einer effektiven Autofokusbelichtungsdauer auf maximal 0,5 Mikrometer beschränkt wird. Bei noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ausreichend Messpräzision bereitgestellt, indem die maximale Bewegung entlang der Fokusachse während einer effektiven Autofokusbelichtungsdauer auf maximal 0,25 Mal die maximale Autofokusbildbeabstandung beschränkt wird, die bei einem Satz von Autofokusbildern entlang dem erstrebenswerten Autofokusbildbereich bereitgestellt wird.
Zu bemerken ist, dass die effektive Bildintegration bei kurzen Belichtungsdauern beschränkt ist, bewegungsinduzierte Bild-Verzerrungs-Unklarheit reduziert oder eliminiert, und die Ungewissheit hinsichtlich der entsprechenden Z-Achsen-Position ebenfalls verringert wird, was sowohl die verwirklichbare Autofokusgeschwindigkeit als auch die Präzision bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen mit kurzen Belichtungsdauern steigert.
16 ist ein Kurvenschreiberausdruck 1200, der beispielhafte generische Beziehungen zwischen einer Lichteinstellung (Leistungseinstellung) während einer ununterbrochenen Beleuchtung veranschaulicht, die während einer Referenz- oder Standardbelichtungszeit zufriedenstellend ist und jeweiligen Strobeimpulsdauern für eine Anzahl jeweiliger Strobeimpuls-Lichtleistungsniveaus entspricht. Die jeweiligen Strobeimpuls-Lichtleistungsniveaus werden von den Linien 1201, 1202 und 1203 dargestellt. Verschiedene Verfahren zum Erstellen verschiedener erstrebenswerter Strobeimpuls-Lichtparameter für einen Autofokusbetrieb wurden zuvor besprochen. Die folgende Besprechung beschreibt verschiedene Betrachtungen in Zusammenhang mit einem beispielhaften Verfahren mit ausführlicheren Einzelheiten.
Die X-Achse in 16 entspricht der Lichteinstellung (Leistungseinstellung) während ununterbrochener Beleuchtung, die ein zufriedenstellendes „stationäres" Werkstückbild erzeugt, das während einer Referenz- oder Standardbelichtungszeit wie der Rahmenrate herkömmlicher Kameras erfasst wird. Dieses Beleuchtungs- und Belichtungsverfahren ist herkömmlich und gut für den Betrieb einer Visionsmaschine während manueller Operationen und Trainingsmodusoperationen geeignet, bei welchen ein Maschinenbediener beteiligt is. Wie zuvor erwähnt, erstellt eine bekannte ununterbrochene Leistungseinstellung einer Lichtquelle mal der bekannten oder Standardkameraintegrationsperiode eine Gesamtbelichtungs-Beleuchtungsenergie für die Lichtquelle. Die Y-Achse in 16 entspricht einer Strobeimpuls-Dauer, die für eine gegebene Strobeimpuls-Lichtleistung erforderlicht ist, um eine Bildstärke zu erzielen, die mit der Lichteinstellung (Leistungseinstellung) während ununterbrochener Beleuchtung gleichwertig ist, das heißt, um die gleiche Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie für diese Lichtquelle bereitzustellen.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen zu einer ersten Annäherung eine bestimmte Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie (die einem bestimmten fortgesetzten Beleuchtungsniveau beim Einsatz der Referenz- oder Standardbelichtungszeit entspricht), geteilt durch ein bestimmtes Strobeimpuls-Lichtleistungsniveau direkt die entsprechende erforderliche Strobeimpuls-Dauer bestimmt. Jede der jeweiligen Strobeimpuls-Lichtleistungskurven 1201, 1202 und 1203 gibt eine jeweilige Strobeimpuls-Lichtleistungseinstellung wieder, die an jedem Punkt entlang der jeweiligen Kurve gleich ist. Der Betrieb gemäß irgendeinem Punkt entlang der höheren Leistungskurve 1203 erlaubt daher eine kürzere Strobeimpuls-Dauer als der Betrieb gemäß entsprechenden (senkrecht gefluchteten) Punkten entlang jeder der Kurven 1202 und 1201 mit niedrigerer Leistung, wie in 16 veranschaulicht. Obwohl nur drei Strobeimpuls-Lichtleistungskurven in 16 gezeigt sind, ist es klar, dass eine ganze Kurvenfamilie existiert, die verschiedene andere Strobeimpuls-Lichtleistungsniveaus darstellt.
Ferner ist zu bemerken, dass es bei gleich bleibenden anderen Faktoren im Allgemeinen bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen erfindungsgemäß vorteilhaft ist, an einem Punkt in Richtung des unteren linken Endes jeder Strobeimpuls-Lichtleistungskurve vorzugehen, um die kürzest mögliche Strobeimpuls-Dauer bereitzustellen und Bilder herzustellen, die die geringste mit Bewegung verbundene Unschärfe und kleinste mögliche Ungewissheit in der entsprechenden Z-Achsen-Position haben.
Ferner ist zu bemerken, dass jede Strobeimpuls-Lichtquelle inhärent ein maximal zulässiges Leistungsniveau hat, und, wenn es keine anderen Kamerareaktionsbetrachtungen und dergleichen gibt, kann dieser Faktor die schnellste zulässige Strobeimpuls-Dauer bei verschiedenen erfindungsgemäßen Ausführungen bestimmen. Die höhere Leistungskurve 1203 in 16 stellt im Allgemeinen ein solches maximales Leistungsniveau dar. Angesichts eines solchen maximalen oder ausgewählten Leistungsniveaus, das als ein Autofokusparameter eingestellt wird, und bei einem erstrebenswerten Betriebspunkt, der im Allgemeinen von der Linie 1204 in 16 angegeben ist, wird dann die entsprechende Strobeimpuls-Dauer, die die erforderliche passende Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie bereitstellt, bestimmt und als ein entsprechender Autofokusparameter wie von den Linien 1205 und 1206 in 16 angegeben verwendet. Die Linien 1205 und 1206 stellen im Allgemeinen jeweilige Strobeimpuls-Dauern dar, die jeweiligen Strobeimpuls-Lichtleistungsniveaus entsprechen.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die oben unter Bezugnahme auf 16 dargelegte Analyse bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen in einer unterschiedlichen Reihenfolge auftritt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird zum Beispiel eine erstrebenswerte Strobeimpuls-Dauer entlang der Y-Achse definiert, dann wird die entsprechende erforderliche Strobeimpuls-Lichtleistung an der Schnittstelle der X-Achsen- und Y-Achsen-Werte in dem Kurvenschreiberausdruck 1200 bestimmt. Die Berücksichtigung der verschiedenen Autofokussystem-Betriebscharakteristiken, die in 13, 14 und 16 wiedergegeben sind, erleichtert im Allgemeinen die Auswahl einer erstrebenswerten Kombination von Autofokusparametern gemäß dieser Erfindung, um am besten eine erstrebenswerte Kombination oder einen Kompromiss für Autofokusgeschwindigkeit und -präzision zu erzielen.
17 und 18 sind Flussdiagramme, die eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum automatischen Fokussieren einer erfindungsgemäßen Bildaufnahmevorrichtung darlegen, zum Beispiel während eines automatischen Arbeitsbetriebsmodus. Beginnend in Schritt S300 geht der Betrieb des Verfahrens in Schritt S310 weiter, in dem ein Teilprogramm in das Maschinenvisionsinspektionssystem eingegeben wird. Dann wird in Schritt S320 ein erster Teilprogrammvorgang ausgewählt. Dann wird in Schritt S330 der erste Teilprogrammvorgang bewertet, um zu bestimmen, ob er ein Autofokusvorgang ist oder nicht. Ist der erste Teilprogrammvorgang ein Autofokusvorgang, geht der Betrieb weiter zu Schritt S340. Ist der erste Teilprogrammvorgang kein Autofokusvorgang, springt der Betrieb zu Schritt S580.
In Schritt S340 werden die Autofokuseinstellungen oder Parameter, die erstrebenswert sein können, um verschiedene Arbeitsmodus-Autofokusvorgänge und -einstellungen komplett zu definieren, identifiziert. Die Autofokuseinstellungen, die in Schritt S340 identifiziert werden, entsprechen dem bestätigten Satz von Autofokusvariablen oder -parametern und allen anderen Einstellungen, die in Schritt S230 der 6 aufgezeichnet wurden. Diese Einstellungen sind oben ausführlicher in Verbindung mit Schritt S230 beschrieben. Zu bemerken ist, dass zusätzlich zu Informationen in Zusammenhang mit dem ausgewählten Objektiv die Autofokuseinstellungen ferner Informationen in Zusammenhang mit verschiedenen Objektivparametern enthalten können, wie sie sich auf irgendwelche objektivspezifischen Justierungen oder Setup-Vorgänge in Zusammenhang mit den verschiedenen Autofokuseinstellungen beziehen. Dann werden in Schritt S350 die Parameter und/oder Konfiguration verschiedener Maschinenvisionsinspektionssystembauteile gemäß den in Schritt S340 identifizierten Autofokuseinstellungen eingestellt. Zum Beispiel werden in Schritt S350 verschiedene Einstellungen oder Steuerparameter in Zusammenhang mit den Dimensionen des interessierenden Bereichs, der erstrebenswerten Autofokuspräzision und/oder -abtastdichte und/oder maximalen Autofokusbildbeabstandung entlang dem erstrebenswerten Autofokusbildbereich, die Beleuchtungseinstellungen, die Autofokusscanbewegung und/oder maximale Geschwindigkeit und der abgetastete Bereich, Steuerparameter auf der Grundlage der Parameter des ausgewählten Objektivs, der erstrebenswerte Autofokusbildbereich und dergleichen eingestellt. Der Betrieb geht dann weiter zu Schritt S360.
In Schritt S360 wird das Objektiv, das den Objektiveinstellungen entspricht, die in Schritt S340 identifiziert und in Schritt S350 eingestellt wurden, ausgewählt und auf dem optischen Verlauf positioniert.
Dann wird in Schritt S370 der bestimmte interessierende Bereich des Werkstücks entsprechend auf eine Nennposition in dem Gesichtsfeld positioniert. Dann wird in Schritt S380 die Nennbeleuchtung eingestellt. Die Nennbeleuchtung, die in Schritt S380 eingestellt wird, entspricht der Nennbeleuchtung, die in Schritt 180 gespeichert wurde, wie oben in Zusammenhang mit 6 beschrieben. Dann geht der Betrieb weiter zu Schritt S390.
In Schritt S390 wird eine Arbeitsansicht des Werkstücks auf der Grundlage der in Schritt S380 eingestellten Beleuchtung erzielt. Dann wird in Schritt S400 die Arbeitsansicht bewertet, um zu bestimmen, ob die Beleuchtung zufrieden stellend ist oder nicht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden zum Beispiel die Ergebnisse eines automatisch ausgeführten Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs zum Bewerten verwendet. Wird die Beleuchtung in Schritt S400 als nicht zufrieden stellend bestimmt, geht der Betrieb weiter zu Schritt S410. Anderenfalls springt der Betrieb zu Schritt S420. In Schritt S410 wird die Beleuchtung verfeinert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beruht diese Verfeinerung zum Beispiel auf den Ergebnissen des automatisch ausgeführten Multizonen-Bildqualitätswerkzeugs oder erfolgt durch irgendein anderes anwendbares bekanntes oder später entwickeltes Mittel zum Verbessern der Beleuchtungseinstellungen. Der Betrieb kehrt dann zu Schritt S390 zurück, in dem eine weitere Arbeitsansicht des Werkstücks auf der Grundlage der verfeinerten Beleuchtung erzielt wird.
Zu bemerken ist, dass die Schritte S390-S410 bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen weggelassen werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können zum Beispiel nach dem mehrmaligen Umsetzen des Verfahrens die Inspektionsergebnisse oder Benutzerbeobachtung anzeigen, dass die Nennbeleuchtungseinstellungen, die in Schritt S380 eingestellt wurden, immer eine zufrieden stellende Beleuchtung ergeben. In einem solchen Fall kann es vorzuziehen sein, die Schritte S390-S410 als unnötige Bestätigung der Beleuchtung wegzulassen. Bei diesen beispielhaften Ausführungsformen, in welchen die Schritte S390-S410 weggelassen werden, geht der Betrieb daher direkt von Schritt S380 zu S420.
In Schritt S420 wird die Kamera zu einer Position in der Nähe eines Endes eines betrieblichen Autofokusbildbereichs bewegt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen entspricht das zum Beispiel einer Verschiebung relativen zu einer aktuellen nominalen Z-Achsen-Position des interessierenden Bereichs, zu einer Position in etwa 0,5-2,0 Mal die Feldtiefe auf dem aktuellen Objektiv über eine maximal erwartete Variation oder Toleranz in der Z-Position des interessierenden Bereichs hinaus. Dann beginnt die Kamera in Schritt S430, sich entlang der Z-Achse zu bewegen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen enthält die Kamerabewegung eine Vorabbeschleunigung oder Geschwindigkeit außerhalb des betrieblichen Autofokusbildbereichs und ist während der Autofokusbilderfassung in dem erstrebenswerten Autofokusbildbereich fortgesetzt und auf einer konstanten Nenngeschwindigkeit. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist die Kamerabewegung durch einen Teil oder den gesamten erstrebenswerten Autofokusbildbereich fortgesetzt und beschleunigt. Bei verschiedenen weiteren Ausführungsformen gemäß dieser Erfindung ist die Kamerabewegung unterbrochen und/oder enthält andere Geschwindigkeitsschwankungen, vorausgesetzt, dass die betrieblichen Autofokusbilder erfasst werden.
Dann wird in Schritt S440 bei verschiedenen Ausführungsformen, bei welchen die Kamera nicht direkt zu der betrieblichen Start-End-Position des betrieblichen Autofokusbildbereichs in Schritt S420 bewegt wird, zum Beispiel, wenn eine Vorabbeschleunigung bereitgestellt wird, die außerhalb des betrieblichen Autofokusbildbereichs beginnt, die aktuelle tatsächliche Z-Achsen-Position mit einer betrieblichen Start-End-Position verglichen, um den Bereich zu steuern, der zum Erfassen von Autofokusbildern verwendet wird. Der Betrieb setzt dann mit Schritt S450 fort.
In Schritt S450 wird bestimmt, ob der Vergleich der tatsächlichen Z-Achsen-Position und der betrieblichen Start-End-Position anzeigt, dass die tatsächliche Z-Achsen-Position innerhalb des betrieblichen Autofokusbilderfassungsbereichs liegt. Wenn die tatsächliche Kameraposition, die tatsächliche Z-Achsen-Position, nicht innerhalb des betrieblichen Autofokusbilderfassungsbereichs liegt, kehrt der Betrieb zurück zu Schritt S440, in dem die dort aktuelle tatsächliche Kameraposition mit der betrieblichen Start-End-Position verglichen wird. Anderenfalls setzt der Betrieb, sobald die aktuelle tatsächliche Kameraposition innerhalb des betrieblichen Autofokusbilderfassungsbereichs liegt, in Schritt S460 fort, in dem ein Steuersignal gesendet wird, um die Kamera als Vorbereitung auf eine Autofokusbilderfassung zurückzustellen. Dann wird in Schritt S470 ein Autofokusbild erfasst, das mindestens den reduzierten Auslesepixelsatz enthält. Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wie zuvor beschrieben ein aktueller Z-Achsen-Positionswert entsprechend dem erfassten Autofokusbild gelatcht oder erfasst wird. Der Betrieb setzt dann fort in Schritt S480.
In Schritt S480 wird der reduzierte Auslesepixelsatz zu dem Steuersystemabschnitt des Maschinenvisionssystems ausgegeben und gespeichert. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird der entsprechende Z-Achsen-Positionswert ebenfalls gespeichert. Dann wird in Schritt S490 bestimmt, ob mehr Autofokusbilder entlang dem betrieblichen Autofokusbildbereich zu erfassen sind. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen umfasst das das Bestimmen, ob eine dann aktuelle tatsächliche Kameraposition noch in dem betrieblichen Autofokusbildbereich liegt. Bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen gehört dazu das Bestimmen, ob eine vorbestimmte Anzahl von Autofokusbildern, von der bekannt ist, dass sie den betrieblichen Autofokusbildbereich überspannt, zum Beispiel basierend auf einer bekannten Bilderfassungsrate und einem bekannten Autofokusbewegungsprofil erfasst wurden. Müssen entlang dem betrieblichen Autofokusbildbereich weitere Autofokusbilder erfasst werden, kehrt der Betrieb zurück zu Schritt S460, in dem bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ein Steuersignal gesendet wird, um die Kamera als Vorbereitung auf eine weitere Autofokusbilderfassung zurückzustellen. Anderenfalls geht der Betrieb weiter zu Schritt S500, in dem die Bewegung der Kamera in der Z-Achse gestoppt oder für einen nächsten Betrieb umgelenkt wird.
Bei den verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Autofokusvorgänge, die oben in Zusammenhang mit den Schritten S460-S480 beschrieben wurden, wird jedes Autofokusbild auf der Grundlage eines Auslösesignals, das an die Kamera gesendet wird, erzielt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden diese Signale von der Bewegungssteuerkarte Galil #DMC-1730 oder dergleichen basierend auf einem vorbestimmten Timing bereitgestellt, das kompatibel ist mit oder bestimmt wird auf der Grundlage einer Bilderfassungsrate, die mit dem betrieblichen reduzierten Auslesepixelsatz und der betrieblichen Autofokusbewegung kompatibel ist. Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden diese Signale gemäß einem Standardtiming oder einem Freilauftiming bereitgestellt, das kompatibel ist mit oder bestimmt wird auf der Grundlage einer betrieblichen Bilderfassungsrate für den reduzierten Auslesepixelsatz, und das mit dem betrieblichen Autofokusbetrieb kompatibel ist. Bei anderen beispielhaften Ausführungsformen beruhen die Auslösesignale auf bestimmten Autofokusbildpositionen anstatt auf Zeit. Bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden die Bilder auf der Basis von „Bereitsignalen" oder einem Standardtiming erzielt, das konzipiert ist, um die Fokusbilderfassungsrate, wie zum Beispiel zuvor unter Bezugnahme auf 13 und 14 beschrieben, zu maximieren.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beruht ein Bestimmen zwischen diesen verschiedenen Auslöseverfahren und dem Bestimmen der entsprechenden steuernden Autofokusvariable oder -parameter auf den Einstellungen für die Variablen, die in den Schritten S190-S210 der 6 definiert und bestimmt wurden. Bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen und wie ausführlicher oben in Zusammenhang mit 5 beschrieben, werden Autofokusbilder auf der Grundlage einer Kaskade von Signalen erzielt, die von einem Auslösesignal ausgelöst werden, die zu einem Strobeimpuls-Beleuchtungscontroller gesendet werden, der bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen auch das Latchen von entsprechenden tatsächlichen Z-Achsen-Positionswerten steuert. Auf jeden Fall wird dann in Schritt S510 ein Fokuswert des interessierenden Bereichs für Pixel bestimmt, die in dem interessierenden Bereich für zumindest einige der gespeicherten Sätze reduzierter Auslesepixelsatzdaten enthalten sind. Dann werden in Schritt S520 die in Schritt S510 bestimmten Fokuswerte des interessierenden Bereichs analysiert.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weist die Analyse das Vergleichen der Fokuswerte und das Identifizieren des maximalen bestimmten Fokuswerts auf. Bei weiteren beispielhaften Ausführungsformen weist die Analyse das Anpassen einer geschätzten Fokuskurve oder eines Abschnitts einer geschätzten Fokuskurve oder dergleichen an die bestimmten Fokuswerte durch jedes beliebige bekannte oder später entwickelte Verfahren auf. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird zum Beispiel ein Polynom des zweiten Ranges oder höher an zumindest einige der bestimmten Fokuswerte angepasst, die sich an einer Anzahl von Positionen befinden, die den maximalen bestimmten Fokuswert umgrenzen und enthalten. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist das Polynom ein Polynom des fünften Ranges.
Dann wird in Schritt S530 eine geschätzte beste Fokusposition, die den tatsächlichen Gipfel der Fokuskurve schätzt, bestimmt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, bei welchen der maximale bestimmte Fokuswert in dem Schritt S520 bestimmt wurde, wird eine ausreichend präzise oder relativ annähernde Fokusposition des interessierenden Bereichs als die geschätzte beste Fokusposition bestimmt, die diesem Fokuswert entspricht. Bei weiteren verschiedenen Ausführungsformen mit höherer Präzision, bei welchen eine geschätzte Fokuskurve oder ein Abschnitt einer geschätzten Fokuskurve an die in Schritt S520 bestimmten Fokuswerte angepasst wurde, wird eine präzise oder relativ weniger annähernde geschätzte beste Fokusposition als die Z-Achsen-Position, die dem Gipfel oder der Symmetrielinie der angepassten Fokuskurve entspricht, bestimmt.
Der Gipfel oder die Symmetrielinie der angepassten Fokuskurve wird durch jedes bekannte oder später entwickelte Verfahren bestimmt. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, bei welchen ein Polynom an die bestimmten Fokuswerte angepasst wird, wird zum Beispiel die Lage des Gipfels von der Nullüberquerung der ersten Ableitung des angepassten Polynoms oder dergleichen bestimmt. Zu bemerken ist, dass zahlreiche andere alternative Ausführungsformen an Stelle der Vorgänge der Schritte S520 und S530 verwendet werden können, vorausgesetzt, dass eine ausreichende oder hoch präzise geschätzte beste Fokusposition für den interessierenden Bereich bestimmt wird. Der Betrieb setzt sich dann in Schritt S540 fort.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen des Autofokussierungsverfahrens werden alle Bilder erzielt, bevor ein Fokuswert des interessierenden Bereichs für irgendeines der gespeicherten Bilder bestimmt wird. Ebenso werden bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen alle Fokuswerte des interessierenden Bereichs, die in Schritt S510 bestimmt werden, bestimmt, bevor irgendeine Analyse der bestimmten Fokuswerte in Schritt S520 eintritt. Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen werden die Vorgänge des Schritts S520 jedoch parallel zu den Vorgängen des Schritts S510 ausgeführt. Das stellt einen schnelleren Gesamtdurchsatz für die Autofokusvorgänge bereit und bestimmt ein erstrebenswertes Inspektionsbild in weniger Zeit bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen.
Ähnlich und bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen treten einige der Vorgänge des Schritts S510 zwischen den Vorgängen der Schritte S480 und S490 auf. Bei dieser Ausführungsform wird der Fokuswert des interessierenden Bereichs für jedes gespeicherte Bild sofort nach dem Speichern des Bilds bestimmt, ohne dass auf das Erzielen und Speichern aller darauf folgenden Bilder gewartet wird. Ebenso treten bei noch weiteren beispielhaften Ausführungsformen einige der Vorgänge des Schritts S520 zwischen den Vorgängen der Schritte S480 und S490 auf. Bei derartigen beispielhaften Ausführungsformen wird der Fokuswert für den interessierenden Bereich nicht nur für jedes gespeicherte Bild sofort bestimmt, nachdem das Bild gespeichert wurde, sondern eine Analyse der bestimmten Fokuswerte wird noch während des Erfassens und Speicherns der darauf folgenden Bilder ausgelöst.
In Schritt S540 und wenn ein ausreichend komplettes und fokussiertes Inspektionsbild noch nicht in dem Satz erfasster Autofokusbilder enthalten ist, wird die Kamera zu der geschätzten besten Fokusposition, die in Schritt S530 identifiziert wurde, bewegt. Dann wird in Schritt S550 ein Inspektionsbild mindestens des interessierenden Bereichs des Werkstücks erfasst. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weist das Inspektionsbild das gesamte Gesichtsfeld auf. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen entspricht das in Schritt S550 erzielte Inspektionsbild der besten verfügbaren Fokusposition für das Bild als Ergebnis der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren. Dann wird in Schritt S560 das Inspektionsbild bewertet, um Inspektionsergebnisse zu erzielen. Dann werden in Schritt S570 die Inspektionsergebnisse, die in Schritt S560 erzielt wurden, aufgezeichnet. Dann springt der Betrieb zu Schritt S590. Hingegen wird in Schritt S580 der nächste Nichtautofokusvorgang des Teilprogramms ausgeführt. Der Betrieb setzt sich dann in Schritt S590 fort.
In Schritt S590 wird bestimmt, ob es noch weitere Teilprogrammvorgänge, die noch auszuführen sind, gibt. Sind noch Teilprogrammvorgänge auszuführen, kehrt der Betrieb zurück zu Schritt S320. Anderenfalls setzt sich der Betrieb in Schritt S600 fort, in dem der Betrieb des Verfahrens stoppt. Zu bemerken ist, dass bei den verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die geschätzte beste Fokusposition, die in Schritt S530 bestimmt wird, als eine Inspektionskoordinate für ein Merkmal in dem interessierenden Bereich, der dem Autofokusvorgang entspricht, verwendet wird. Ferner ist bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen kein weiterer Inspektionsvorgang in dem interessierenden Bereich erforderlich, und zumindest die Schritte S540 und S550 werden bei verschiedenen Ausführungsformen weggelassen.
Wie zuvor dargelegt, wird bei verschiedenen alternativen Ausführungsformen zum Durchführen oder Ersetzen zumindest einiger der Vorgänge, die oben in Bezug auf die Schritte S460-S490 beschrieben wurden, ein Satz von Autofokusbildern auf der Grundlage einer Kaskade von Signalen erzielt, die von einem Auslösesignal ausgelöst werden, das zu einem Strobeimpuls-Lichtcontroller gesendet wird. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen steuert der Strobeimpuls-Lichtcontroller auch das Latchen der entsprechenden tatsächlichen Z-Achsen-Positionswerte.
Ausführlicher werden bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der Strobeimpuls-Beleuchtungsmodus-Autofokusvorgänge ursprünglich die Positionen aller Positionscodierer, die mit einer Bewegungssteuerkarte verbunden sind, gleichzeitig mit hoher Frequenz anhand inhärenter Fähigkeiten der Bewegungssteuerkarte abgerufen. Fällt die Z-Achsen-Position in den betrieblichen Autofokusbildbereich, zum Beispiel wenn sie einen bestimmten Positionswert überschreitet, der einem Ende des tatsächlichen Autofokusbildbereichs entspricht, gibt die Bewegungssteuerkarte ein Auslösesignal aus. Das ausgegebene Auslösesignal wird dann in den System-Framegrabber eingegeben, der in einem extern ausgelösten Modus während des Strobeimpuls-Beleuchtungsautofokusmodus betrieben wird. Dann gibt der Framegrabber ein erstes Signal aus, das das asynchrone Rückstellen der Systemkamera initiiert. Das initiiert die Bildintegrationssequenz der Kamera.
Bei weiteren beispielhaften Ausführungsformen gibt der Framegrabber nach einer kurzen Verzögerung, die in den Framegrabber programmiert ist und auf der Grundlage verschiedener bekannter Charakteristiken der Visionssystembauteile erstellt wird, wie zum Beispiel der Kameraintegrationszeit, der Z-Achsen-Scanbewegung und verschiedener inhärenter Schaltungsverzögerungen, ein zweites Steuersignal mit einer definierten Dauer zu dem Strobeimpuls-Beleuchtungscontroller aus. Als Antwort auf das zweite Steuersignal löst der Strobeimpuls-Beleuchtungscontroller einen Beleuchtungslichtimpuls von einer oder mehreren zuvor bestimmten Beleuchtungsquellen aus, die der definierten Dauer entsprechen. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen definiert das zweite Steuersignal sowohl das Leistungsniveau als auch die Dauer des Lichtimpulses. Bei verschiedenen weiteren beispielhaften Ausführungsformen steuert das zweite Steuersignal die Dauer, während die Lichtquelle gemäß einem festgelegten oder Standardleistungsniveau getrieben wird. Im Allgemeinen werden das Strobeimpuls-Lichtleistungsniveau und die Impulsdauern typischerweise kombiniert mit verschiedenen anderen Faktoren bestimmt, die die Bildcharakteristiken beeinflussen.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird das zweite Steuersignal ferner verwendet, um eine aktuelle Z-Achsen-Position mit einer Zeit zu latchen, die dem Timing des zweiten Steuersignals entspricht. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen ist daher das zweite Steuersignal direkt mit der Hochgeschwindigkeits-Positionsaufnahmelatcheingabe der Bewegungssteuerkarte verbunden, die durch die ansteigende Flanke oder den Beginn des zweiten Steuersignals ausgelöst werden kann. Als Reaktion latcht die Bewegungssteuerkarte die aktuellen Positionswerte der Optikeinheit bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen. Die aktuellen Positionswerte werden daher in Bezug auf das entsprechende Werkstücksinspektionsbild zum späteren Abrufen und zur Analyse erfasst und gespeichert.
Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen, bei welchen das Timing nicht kritisch ist, gibt der Framegrabber die aus der Kamera resultierenden Videodaten, die als Reaktion auf ein Datenlesesignal ausgegeben werden, ein, so dass die Daten, das heißt das Werkstücksinspektionsbild verbunden mit den entsprechenden Z-Achsen-Positionswerten zum späteren Abrufen und zur Analyse gespeichert werden. Zu bemerken ist, dass das effektive Bildbelichtungstiming und die effektive Bildbelichtungsdauer natürlich von der Zeit und der Dauer des Strobeimpulses an der vorbestimmten Zeit während der Integrationssequenz der Kamera gesteuert werden. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen werden daher das Strobeimpuls-Timing und die Strobeimpulsdauer in Bezug auf das Timing des Latchens der Z-Achsen-Positionen kombiniert mit einer bekannten Z-Achsen-Scangeschwindigkeit während der Strobeimpulsdauer verwendet. Das verfeinert die Beziehung zwischen einem bestimmten Bild, das einen bestimmten Fokuswert hat, und der entsprechenden Z-Achsen-Position weiter, um die Fehler und Ungewissheiten in diesem Zusammenhang vor dem Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition für ein Inspektionsbild zu minimieren.
Zu bemerken ist, dass bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen die oben genannte Kaskade verschiedener Auslösesignale und Timingdauern alle ein Timing haben, das jeweils von verschiedenen verdrahteten Verbindungen und/oder Hochgeschwindigkeitstaktgebern gesteuert wird, die keinen signifikanten unvorhersehbaren Softwareverzögerungen oder Timinglatenzen unterliegen. Die verschiedenen beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsformen erlauben daher sehr gute Kombinationen von Autofokusgeschwindigkeit und -präzision, sogar bei einer Betriebsumgebung des Maschinenvisionssystems, die im Allgemeinen solche unvorhersehbaren Softwareverzögerungen oder Timinglatenzen bei anderen weniger wiederholten und/oder weniger kritischen Aspekten des Maschinenvisionssystembetriebs aufweist.
Zu bemerken ist, dass die Werkstücksinspektionsbilder, die gemäß verschiedenen Ausführungsformen der oben beschriebenen Systeme und Verfahren erfasst werden, mit viel kürzeren Belichtungszeiten bereitgestellt werden können und für eine Reihe von Bildern mit einer viel höheren Rate an Bilderfassung, als es mit den Bauteilen und Verfahren möglich ist, die bei herkömmlichen Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystemen und dazugehörenden Verfahren zum automatischen Fokussieren einer Bildaufnahmevorrichtung verwendet werden. Ebenfalls zu bemerken ist, dass, wenn eine Reihe von Werkstückmerkmalen abzubilden und mit starker Vergrößerung zu inspizieren ist, wobei fortgesetzte Bewegung gemäß den Konzepten dieser Erfindung verwendet wird, jedes stark vergrößerte Gesichtsfeld eine sehr geringe Feldtiefe hat, die sehr schnell durchquert und übergangen wird. Die kurzen Belichtungszeiten und die hohen Bilderfassungsraten, die von den oben beschriebenen Verfahren bereitgestellt werden, sind daher zum Erfassen stark vergrößerter Präzisionswerkstückautofokus- und Inspektionsbilder mit gesteigertem Durchsatz besonders wichtig.
Ebenso ist zu beachten, dass, obwohl die Synchronisationsvorgänge, die verbunden mit den beispielhaften Ausführungsformen die Strobeimpuls-Beleuchtung verwenden, die inhärenten Merkmale der verschiedenen beispielhaften Systembauteile einsetzen, beschrieben wurden bei verschiedenen anderen beispielhaften Ausführungsformen ähnliche Synchronisationsmerkmale und/oder Signale von einer getrennten Timingschaltung bereitgestellt werden können, die gemäß bekannten digitalen Timingschaltungstechniken umgesetzt werden. Eine solche Schaltung kann als ein Abschnitt des Controllers 120 bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen vorhanden sein.
Ebenso sollte beachtet werden, dass bestimmte existierende Maschinenvisionsinspektionssysteme verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Systeme und Verfahren mit minimalen oder gar keinen Nachrüstungsänderungen an solchen existierenden Maschinen verwenden können, und dass die Autofokusfähigkeit, Robustheit und der Durchsatz solcher Maschinen immer noch gemäß den Konzepten dieser Erfindung gesteigert werden kann. Bei verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen weisen die Nachrüstungsänderungen nur das Hinzufügen von Maschinenvisionsinspektionssoftwareverfahren und/oder Änderungen gemäß den Konzepten dieser Erfindung auf.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystems zum Bestimmen einer geschätzten besten Fokusposition, die mindestens annähernd eine beste Fokusposition ist, die zum Inspizieren eines interessierenden Bereichs eines Werkstücks nutzbar ist, wobei das Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem Folgendes aufweist: ein Abbildungssystem, aufweisend: eine Kamera mit einem Pixelsatz, der einem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht, wobei die Kamera zum Ausgeben der Pixelwerte von mindestens einer Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes betreibbar ist, wobei die mindestens eine Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes im Wesentlichen weniger als dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds der Kamera entspricht, und mindestens eine Objektivkonfiguration; mehrere steuerbare Bewegungsachsen, zu denen eine Fokusachse gehört, zu welcher ein Fokusachsenpositionssensor gehört; ein Steuersystemabschnitt, zu dem ein Autofokusvideowerkzeug gehört, das zum Definieren eines interessierenden Autofokusbereichs nutzbar ist; und ein Werkstücktisch, der das Werkstück trägt, wobei mindestens eines des Werkstücktischs und des Abbildungssystems zum Vorsehen relativer Bewegung bezüglich des anderen mindestens entlang der Fokusachse verschiebbar ist, das Verfahren aufweisend: Definieren eines interessierenden Autofokusbereichs für das Autofokusvideowerkzeug; Überlappen von mindestens einer Mehrheit des definierten, interessierenden Autofokusbereichs mit mindestens einem Teil eines reduzierten Auslesepixelsatzes in dem Gesichtsfeld der Kamera; Vorsehen einer Bewegung, wobei zu der Bewegung das Durchqueren eines Fokusbildbereichs die Fokusachsenrichtung entlang unter Nutzung von fortgesetzter Bewegung gehört; Eingeben eines Autofokusbilds in die Kamera während der fortgesetzten Bewegung, wobei das Autofokusbild ein/e jeweilige/s effektive/s Belichtungstiming und Belichtungsdauer aufweist; Ausgeben der Pixelwerte des reduzierten Auslesepixelsatzes des Autofokusbilds an den Steuersystemabschnitt während der fortgesetzten Bewegung, wobei die Ausgabepixelwerte des Autofokusbilds im Wesentlichen weniger als dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds der Kamera entsprechen; Wiederholen der Schritte des Eingebens und Ausgebens zum Vorsehen von Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze, die mehreren Autofokusbildern entsprechen, welche entlang der Fokusbildreichweite verteilt sind; Bestimmen jeweiliger Positionen entlang der Fokusachse für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder; und Bestimmen einer geschätzten besten Fokusposition, die mindestens annähernd die beste Fokusposition ist, die zum Inspizieren eines interessierenden Bereichs eines Werkstücks nutzbar ist, auf Grundlage von mindestens einigen der Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze und mindestens einige der jeweiligen Positionen entlang der Fokusachse für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder, wobei die Ausgabepixelwerte der Ausgabeoperation in einem Zeitraum ausgegeben werden, der im Wesentlichen kürzer als ein Zeitraum ist, der zum Ausgeben des vollen Pixelsatzes, der einem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht, erforderlich ist; jedes Wiederholen der Schritte des Eingebens und Ausgebens innerhalb eines reduzierten Wiederholungszeitraums ausgeführt wird, der kürzer als ein Standardwiederholungszeitraum ist, welcher dem Ausführen des Schritts des Eingebens und Ausgebens eines Pixelsatzes entspricht, der einem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht; die mehreren Autofokusbilder auf eine Art und Weise entlang der Fokusbildreichweite verteilt werden, die mindestens teilweise von dem reduzierten Wiederholungszeitraum und der vorgesehenen Bewegung abhängt, sodass eine Maximalbeabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern funktionsfähig zum Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition ist, die mindestens annähernd die beste Fokusposition mit einem gewünschten Wiederholbarkeitsgrad ist; und die Bewegung über mindestens einen Teil der Fokusbildreichweite im Wesentlichen schneller ist als eine schnellste Bewegung, die in Kombination mit dem Standardwiederholungszeitraum zulässig ist, um hypothetisch benachbarte Autofokusbilder zu erzeugen, die entlang der Fokusachsenrichtung durch die Maximalbeabstandung zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eingebens unter Nutzung einer jeweiligen Objektivkonfiguration des Abbildungssystems ausgeführt wird und die vorgesehene Bewegung und der reduzierte Wiederholungszeitraum eine Beabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern vorsehen, die mindestens (0,018/NA²) und höchstens (0,09/NA²) beträgt, wobei NA die numerische Öffnung der jeweiligen Objektivkonfiguration ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eingebens unter Nutzung einer jeweiligen Objektivkonfiguration des Abbildungssystems ausgeführt wird und die vorgesehene Bewegung und der reduzierte Wiederholungszeitraum eine Beabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benach barten Autofokusbildern vorsehen, die mindestens 0,02 Mal und höchstens 0,1 Mal die Vollbreitenhalbmaximalbreite einer erwarteten Nennfokuskurvenbreite für die jeweilige Objektivkonfiguration ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bewegung über mindestens einen Teil der Fokusbildreichweite mindestens 90 % so schnell ist wie die schnellste Bewegung, die in Kombination mit dem reduzierten Wiederholungszeitraum zulässig ist, um hypothetisch eine Maximalbeabstandung zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern zu erzeugen, die gleich einer vorgegebenen Grenze ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eingebens unter Nutzung einer jeweiligen Objektivkonfiguration des Abbildungssystems ausgeführt wird und das Verfahren das Ausführen des Verfahrens zunächst in mindestens einem Modus mit geringerer Genauigkeit und dann das Wiederholen des Verfahrens in mindestens einem Modus mit größerer Genauigkeit aufweist, wobei: wenn das Verfahren in dem mindestens einen Modus mit geringerer Genauigkeit ausgeführt wird, der wert der vorgesehenen Bewegung und der reduzierte Wiederholungszeitraum eine Beabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern vorsehen, die mindestens 0,2 Mal und höchstens 0,5 Mal die Vollbreitenhalbmaximalbreite der erwarteten Nennfokuskurvenbreite für die jeweilige Objektivkonfiguration ist, wobei die Bildreichweite entlang der Fokusachsenrichtung eine erste Bildreichweite ist, die sich über mindestens einen Millimeter erstreckt, und die bestimmte geschätzte beste Fokusposition eine vorläufige geschätzte beste Fokusposition ist; und wenn das Verfahren in dem mindestens einen Modus mit größerer Genauigkeit ausgeführt wird, der Wert der vorgesehenen Bewegung und der reduzierte Wiederholungs zeitraum eine Beabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern vorsehen, die mindestens 0,02 Mal und höchstens 0,1 Mal die Vollbreitenhalbmaximalbreite der erwarteten Nennfokuskurvenbreite für die jeweilige Objektivkonfiguration ist, wobei die Bildreichweite entlang der Fokusachsenrichtung eine zweite Bildreichweite ist, zu der die vorläufige geschätzte beste Fokusposition gehört, welche eine geringere Erstreckung als die erste Bildreichweite aufweist, und die bestimmte geschätzte beste Fokusposition eine endgültige geschätzte beste Fokusposition ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Eingebens unter Nutzung einer jeweiligen Objektivkonfiguration des Abbildungssystems ausgeführt wird und das Verfahren das Ausführen des Verfahrens zunächst in mindestens einem Modus mit geringerer Genauigkeit und dann das Wiederholen des Verfahrens in mindestens einem Modus mit größerer Genauigkeit aufweist, wobei: wenn das Verfahren in dem mindestens einen Modus mit geringerer Genauigkeit ausgeführt wird, der wert der vorgesehenen Bewegung und der reduzierte Wiederholungszeitraum eine Beabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern vorsehen, die mindestens (0,18/NA²) und höchstens (0,45/NA²) beträgt, wobei NA eine effektive numerische Öffnung der jeweiligen Objektivkonfiguration ist, wobei die Bildreichweite entlang der Fokusachsenrichtung eine erste Bildreichweite ist, die sich über mindestens einen Millimeter erstreckt, und die bestimmte geschätzte beste Fokusposition eine vorläufige geschätzte beste Fokusposition ist; und wenn das Verfahren in dem mindestens einen Modus mit größerer Genauigkeit ausgeführt wird, der Wert der vorgesehenen Bewegung und der reduzierte Wiederholungszeitraum eine Beabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern vorsehen, die mindestens (0,018/NA²) und höchstens (0,09/NA²) beträgt, wobei NA die effektive numerische Öffnung der jeweiligen Objektivkonfiguration ist, wobei die Bildreichweite entlang der Fokusachsenrichtung eine zweite Bildreichweite ist, zu der die vorläufige geschätzte beste Fokusposition gehört, welche eine geringere Erstreckung als die erste Bildreichweite aufweist, und die bestimmte geschätzte beste Fokusposition eine endgültige geschätzte beste Fokusposition ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Mehrheit des interessierenden Bereichs den gesamten interessierenden Bereich aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes einen Satz Pixel mit mindestens einem von einer auswählbaren Stelle und einer auswählbaren Reichweite entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds der Kamera aufweist und der Schritt des Überlappens das Betreiben der Kamera gemäß mindestens eines einer ausgewählten Stelle und einer ausgewählten Reichweite aufweist, das den reduzierten Auslesepixelsatz mit der mindestens einen Mehrheit des interessierenden Bereichs überlappt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes einen Satz Pixel mit einer Erstreckung aufweist, die bezüglich des Gesichtsfelds der Kamera entlang der mindestens einen Richtung festgelegt ist, und der Schritt des Überlappens das Anordnen des Werkstücks bezüglich des Abbildungssystems gemäß einer Position aufweist, die die mindestens eine Mehrheit des interessierenden Bereichs mit dem reduzierten Auslesepixelsatz überlappt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bestimmen jeweiliger Positionen entlang der Fokusachse das Bestimmen einer jeweiligen Positionsausgabe von mindestens dem Fokusachsenpositionssensor aufweist, die jedem der mindestens einigen der mehreren Autofokusbilder entspricht, wobei jede jeweilige Positionsausgabe ein Timing aufweist, das mit dem entsprechenden jeweiligen effektiven Belichtungstiming in Beziehung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die jeweilige Positionsausgabe und die Ausgabepixelwerte, die jedem der mindestens einigen der mehreren Autofokusbilder entsprechen, von dem Steuersystemabschnitt gespeichert werden und das Bestimmen der Fokusachsenposition abgeschlossen ist, nachdem alle der jeweiligen Positionsausgaben und der Ausgabepixelwerte, die jedem der mindestens einigen der mehreren Autofokusbilder entsprechen, gespeichert wurden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei ein jeweiliges erstes Steuersignal den Beginn jeder effektiven Belichtungsdauer bestimmt und das Bestimmen der jeweiligen Positionsausgabe das Erfassen der jeweiligen Positionsausgabe mit einem deterministischen Timing bezüglich des jeweiligen ersten Steuersignals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das jeweilige erste Steuersignal den Beginn von einem von a) einer jeweiligen elektronischen Blendendauer der Kamera, die die jeweilige effektive Belichtungsdauer bestimmt, und b) einer jeweiligen Stroboskopbeleuchtungsdauer, die die jeweilige effektive Belichtungsdauer bestimmt, bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der fortgesetzten Bewegung und der jeweiligen effektiven Belichtungsdauer derart vorgesehen ist, dass für jedes jeweilige Autofokusbild die Maximalbewegung entlang der Fokusachse während der effektiven Belichtungsdauer eines von a) höchstens 0,5 Mikron und b) höchstens 0,25 Mikron ist.
Verfahren nach Anspruchr 14, wobei zu der fortgesetzten relativen Bewegung eine Beschleunigung gehört und mindestens einige der Autofokusbilder während der Beschleunigung eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zu der fortgesetzten relativen Bewegung eine Beschleunigung gehört und mindestens einige der Autofokusbilder während der Beschleunigung eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend: Ausführen von mindestens den Schritten des Vorsehens, Eingebens, Ausgebens, Wiederholens, Bestimmens jeweiliger Positionen und Bestimmens der geschätzten besten Fokusposition ein erstes Mal über eine relativ größere Fokusbildreichweite mit einer relativ größeren Maximalbeabstandung, wobei das Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition das Bestimmen einer relativ mehr angenäherten Fokusposition aufweist; und Ausführen von mindestens den Schritten des Vorsehens, Eingebens, Ausgebens, Wiederholens, Bestimmens jeweiliger Positionen und Bestimmens der geschätzten besten Fokusposition ein zweites Mal über eine relativ kleinere Fokusbildreichweite einschließlich der bestimmten relativ mehr angenäherten Fokusposition mit einer relativ kleineren Maximalbeabstandung, wobei das Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition das Bestimmen einer relativ weniger angenäherten Fokusposition aufweist und die weniger angenäherte Fokusposition zum Inspizieren des Werkstücks mindestens in dem interessierenden Bereich genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fokusachsenposition an der bestimmten geschätzten besten Fokusposition, die mindestens annähernd die beste Fokusposition ist, eingestellt wird, ein Inspektionsbild an dieser Position beschafft wird und dieses Inspektionsbild zum Inspizieren des Werkstücks mindestens in dem interessierenden Bereich genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die bestimmte geschätzte beste Fokusposition, welche mindestens annährend die beste Fokusposition ist, als ein Merkmalkoordinatenwert für ein Merkmal genutzt wird, das in dem interessierenden Bereich inspiziert werden soll, ohne die Fokusachsenposition des Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystems tatsächlich an dieser Position einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die jeweiligen reduzierten Auslesepixelsatzdaten mit der jeweiligen Position entlang der Fokusachse, die der bestimmten geschätzten besten Fokusposition, welche mindestens annähernd die beste Fokusposition ist, am nächsten kommt, zum Inspizieren des Werkstücks in dem interessierenden Bereich genutzt werden, ohne die Fokusachsenposition des Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystems tatsächlich an dieser Fokusposition einzustellen.
Verfahren zum Übungsmodusbetrieb für ein Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem zum Bestimmen eines Satzes von Maschinensteuerbefehlen, die zum automatischen Bestimmen einer geschätzten besten Fokusposition, welche mindestens annähernd eine beste Fokusposition nutzbar zum Inspizieren eines interessierenden Bereichs eines Werkstücks ist, nutzbar sind, das Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem aufweisend: ein Abbildungssystem, aufweisend: eine Kamera mit einem Pixelsatz, der einem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht, wobei die Kamera zum Ausgeben der Pixelwerte von mindestens einer Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes betreibbar ist, wobei die mindestens eine Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes im Wesentlichen weniger als dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds der Kamera entspricht, und mindestens eine Objektivkonfiguration; mehrere steuerbare Bewegungsachsen, zu denen eine Fokusachse gehört, zu welcher ein Fokusachsenpositionssensor gehört; ein Steuersystemabschnitt; ein Werkstücktisch, der das Werkstück trägt, wobei mindestens eines des Werkstücktischs und des Abbildungssystems zum Vorsehen relativer Bewegung bezüglich des anderen mindestens entlang der Fokusachse verschiebbar ist; und eine grafische Benutzeroberfläche, aufweisend einen Displayabschnitt, der zum Anzeigen von Werkstückbildern nutzbar ist, und mehrere Benutzeroberflächenelemente, die mindestens ein Autofokuswerkzeug aufweisen, das zum Definieren eines interessierenden Autofokusbereichs nutzbar ist, das Verfahren aufweisend: Definieren eines interessierenden Autofokuswerkzeugbereichs und Vorsehen eines reduzierten Auslesepixelsatzes, der mit mindestens einer Mehrheit des interessierenden Bereichs überlappt, wobei: mindestens der interessierende Bereich unter Nutzung eines Autofokus-Widgets, das dem Betrieb eines Autofokuswerkzeugs zugeordnet ist, definiert wird, wobei das Autofokus-Widget auf einem angezeigten Bild des Werkstücks positionierbar ist; Definieren eines Satzes von Autofokusparametern, die zum Bestimmen eines Satzes von Autofokusvorgängen für den interessierenden Bereich nutzbar sind, Bestimmen eines Satzes von Autofokusvorgängen für den interessierenden Bereich, aufweisend: Bestimmen einer Arbeitsmodusfokusbildreichweite; Bestimmen einer Arbeitsmodusautofokusbewegung; wobei zu der Autofokusbewegung das Durchqueren der Fokusbild reichweite entlang der Fokusachsenrichtung unter Nutzung fortgesetzter Bewegung gehört, und Bestimmen eines/er Arbeitsmodusbeleuchtungsgrades und -belichtungsdauer, die zum Eingeben eines Autofokusbilds in die Kamera während der fortgesetzten Bewegung nutzbar sind; Vorsehen von Vorgängen zum Bestimmen eines sich wiederholenden Eingebens von jeweiligen Autofokusbildern und Ausgebens jeweiliger Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze, die mehreren Autofokusbildern entsprechen, welche entlang der Fokusbildreichweite während der fortgesetzten Bewegung verteilt sind, wobei jedes der jeweiligen Autofokusbilder ein/e effektive/s Belichtungstiming und Belichtungsdauer aufweist, und wobei: das Ausgeben jeweiliger Daten das Ausgeben von Pixelwerten des reduzierten Auslesepixelsatzes aufweist, wobei die Ausgabepixelwerte im Wesentlichen weniger als dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entlang mindestens einer Dimension des Gesichtsfelds der Kamera entsprechen, und die Pixelwerte des reduzierten Auslesepixelsatzes an den Steuersystemabschnitt in einer Zeit ausgegeben werden, die im Wesentlichen kürzer ist als eine Zeit, die zum Ausgeben des vollständigen Pixelsatzes erforderlich ist, der dem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht; Vorsehen von Vorgängen zum Bestimmen jeweiliger Positionen entlang der Fokusachse für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder; und Vorsehen von Vorgängen zum Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition, die mindestens annähernd die beste Fokusposition ist, die zum Inspizieren eines interessierenden Bereichs eines Werkstücks nutzbar ist, auf Grundlage von mindestens einigen der Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze und mindestens einigen der jeweiligen Positionen entlang der Fokusachse für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder, wobei: das bestimmte, sich wiederholende Eingeben von jeweiligen Autofokusbildern und Ausgeben von jeweiligen Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze innerhalb eines reduzierten Wiederholungszeitraums ausgeführt wird, der kürzer als ein Standardwiederholungszeitraum ist, welcher dem Eingeben eines Autofokusbilds in derselben Art und Weise wie jedes sich wiederholende Eingeben von jeweiligen Autofokusbildern und Ausgeben eines Pixelsatzes entspricht, der einem vollständigen Gesichtsfeld der Kamera entspricht; die mehreren Autofokusbilder auf eine Art und Weise entlang der Fokusbildreichweite verteilt werden, die mindestens teilweise von dem reduzierten Wiederholungszeitraum und der Autofokusbewegung abhängt, sodass eine Maximalbeabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern funktionsfähig zum Bestimmen der geschätzten besten Fokusposition ist, die mindestens annähernd die beste Fokusposition mit einem gewünschten Wiederholbarkeitsgrad ist; und die Autofokusbewegung entlang der Fokusachse über mindestens einen Teil der Fokusbildreichweite im Wesentlichen schneller ist als eine schnellste Bewegung, die in Kombination mit dem Standardwiederholungszeitraum zulässig ist, um hypothetisch die Maximalbeabstandung zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Autofokusbewegung entlang der Fokusachse über mindestens einen Teil der Fokusbildreichweite mindestens 2,5 Mal schneller ist als eine schnellste Bewegung, die in Kombination mit dem Standardwiederholungszeitraum zulässig ist, um hypothetisch die Maximalbeabstandung zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Autofokusbewegung über mindestens einen Teil der Fokus bildreichweite mindestens 90 % so schnell ist wie eine schnellste Bewegung entlang der Fokusachse, die in Kombination mit dem reduzierten Wiederholungszeitraum zulässig ist, um hypothetisch eine Maximalbeabstandung zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern zu erzeugen, die gleich einer vorgegebenen Grenze ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Maximalbeabstandung entlang der Fokusachse zwischen den jeweiligen Positionen von benachbarten Autofokusbildern höchstens gleich einer vorgegebenen Grenze auf Grundlage von mindestens einem Objektivkennzeichen einer gegenwärtigen Objektivkonfiguration ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei zu dem Objektivkennzeichen eines aus a) einer erwarteten Nennfokuskurvenbreite für die gegenwärtige Objektivkonfiguration und b) eines Kennzeichens gehört, das mindestens teilweise eine erwartete Nennfokuskurvenbreite für die gegenwärtige Objektivkonfiguration bestimmt, und die vorgegebene Grenze effektiv annähernd proportional zu der erwarteten Nennfokuskurvenbreite für die gegenwärtige Objektivkonfiguration ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei zu dem Autofokuswerkzeug mehrere Genauigkeitsmodi gehören, und, wenn das Autofokuswerkzeug in einem ersten der Genauigkeitsmodi betrieben wird, der Wert der vorgegebenen Grenze gleich mindestens dem 0,2-fachen und höchstens dem 0,5-fachen der Vollbreitenhalbmaximalbreite der erwarteten Nennfokuskurvenbreite für eine gegenwärtige Objektivkonfiguration ist, und, wenn das Autofokuswerkzeug in einem zweiten der Genauigkeitsmodi betrieben wird, der Wert der vorgegebenen Grenze gleich mindestens dem 0,02-fachen und höchstens dem 0,1-fachen der Vollbreitenhalbmaximalbreite der erwarteten Nennfokus kurvenbreite für eine gegenwärtige Objektivkonfiguration ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei zu dem Autofokuswerkzeug mehrere Genauigkeitsmodi gehören, und, wenn das Autofokuswerkzeug in einem ersten der Genauigkeitsmodi betrieben wird, der Wert der vorgegebenen Grenze in Mikron gleich mindestens dem (0,18/NA²)-fachen und höchstens (0,45/NA²) ist, wobei NA eine effektive numerische Öffnung einer gegenwärtigen Objektivkonfiguration ist, und, wenn das Autofokuswerkzeug in einem zweiten der Genauigkeitsmodi betrieben wird, der Wert der vorgegebenen Grenze in Mikron gleich mindestens dem (0,018/NA²)-fachen und höchstens (0,09/NA²) ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Steuersystemabschnitt automatisch einen reduzierten Auslesepixelsatz definiert, der mit mindestens einer Mehrheit des interessierenden Bereichs überlappt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der reduzierte Auslesepixelsatz im Wesentlichen mit dem interessierenden Bereich identisch ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei zu der mindestens einen Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes ein reduzierter Auslesepixelsatz mit einer vorgegebenen Größe und Form gehört, und für mindestens einen Abschnitt der Zeit, den das Autofokuswerkzeug-Widget auf dem Bild des Werkstücks angezeigt ist, ein Widget mit der vorgegebenen Größe und Form ebenfalls angezeigt ist, um den Standort des reduzierten Auslesepixelsatzes anzugeben.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei zu dem Abschnitt des Autofokuswerkzeug-Widgets, der einen interessierenden Bereich angibt, eine Anzeige der Abgrenzungen des interessierenden Bereichs gehört, und, wenn sich eine Abgrenzung des Abschnitts, der den interessierenden Bereich angibt, nach außerhalb des angegebenen Standorts des reduzierten Auslesepixelsatzes erstreckt, ein grafisches Benutzeroberflächenelement zum Hervorheben dieses Zustands automatisch aktiviert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei zu der mindestens einen Konfiguration eines reduzierten Auslesepixelsatzes eine Konfiguration mit einer Erstreckung entlang mindestens einer Richtung gehört, die bezüglich des Gesichtsfelds der Kamera entlang der mindestens einen Richtung festgelegt ist, und wenn ein interessierender Bereich außerhalb der Erstreckung definiert ist, der Steuersystemabschnitt zum automatischen Erstellen von mindestens einem Maschinensteuerbefehl betreibbar ist, der die mindestens eine Mehrheit des interessierenden Bereichs innerhalb der Erstreckung entlang der mindestens einen Richtung positioniert.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die grafische Benutzeroberfläche ein Steuer-Widget anzeigt, das von einem Benutzer zum Auslösen des Vorgangs betreibbar ist, der automatisch den mindestens einen Maschinensteuerbefehl erstellt, welcher die mindestens eine Mehrheit des interessierenden Bereichs innerhalb der Erstreckung entlang der mindestens einen Richtung positioniert.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Bestimmung der jeweiligen Positionen entlang der Fokusachse das Eingeben eines jeweiligen Positionssignals von mindestens dem Fokusachsenpositionssensor für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder in den Steuersystemabschnitt aufweist, wobei jedes jeweilige Positionssignal einem effektiven Timing entspricht, das mit dem entsprechenden jeweiligen effektiven Belichtungstiming in Beziehung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei zu der fortgesetzten Bewegung eine Beschleunigung gehört und mindestens einige der Autofokusbilder während der Beschleunigung eingegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystem ferner mindestens eine steuerbare Beleuchtungsquelle aufweist, die sowohl in einem konstanten Beleuchtungsmodus als auch in einem Stroboskopbeleuchtungsmodus betreibbar ist, und das Bestimmen eines Satzes von Autofokusparametern folgendes aufweist: Betreiben von mindestens einer steuerbaren Beleuchtungsquelle im konstanten Beleuchtungsmodus während einer bekannten Kamerabelichtungsdauer zum Bestimmen einer akzeptablen Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie, die zum Eingeben eines Autofokusbilds in die Kamera nutzbar ist; und Bestimmen von Stroboskopsteuerparametern, die einen Beleuchtungsgrad und eine effektive Belichtungsdauer bestimmen, die zum Eingeben eines Autofokusbilds in die Kamera während der fortgesetzten Bewegung unter Nutzung der Stroboskopbeleuchtung nutzbar sind, wobei der Stroboskopbeleuchtungsgrad und die Belichtungsdauer mindestens annähernd dieselbe Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie vorsehen wie die fortgesetzte Beleuchtung.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei der Steuersystemabschnitt automatisch die Stroboskopsteuerparameter auf Grundlage der Gesamtbelichtungsbeleuchtungsenergie bestimmt, die durch die fortgesetzte Beleuchtung vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei der Steuersystemabschnitt automatisch die Stroboskopdauer derart bestimmt, dass die Bewegung entlang der Fokusachse während der Stroboskopdauer höchstens gleich mindestens einem von a) einer vorgegebenen Belichtungsbe wegungsgrenze entlang der Fokusachse, b) dem 0,25-fachen der vorgegebenen Beabstandungsgrenze, c) 0,5 Mikron und d) 0,25 Mikron ist.
Verfahren nach Anspruch 36, ferner aufweisend das Vorsehen einer Übungsmodusdemonstration, die automatisch Vorgänge ausführt, welche im Wesentlichen funktionell den bestimmten Vorgängen ähnlich sind, und ein Bild anzeigt, das an der resultierenden bestimmten geschätzten besten Fokusposition beschafft wird, welche mindestens annähernd die beste Fokusposition zur Benutzerschätzung ist.
Verfahren nach Anspruch 21, das Verfahren ferner aufweisend das Vorsehen von Vorgängen, die mindestens teilweise auf Grundlage der geschätzten besten Fokusposition automatisch: eine kürzere Autofokusbildreichweite bestimmen; eine kürzere Autofokusbewegung bestimmen; wobei zu der kürzeren Autofokusbewegung das Durchqueren der kürzeren Autofokusbildreichweite entlang der Fokusachsenrichtung unter Nutzung fortgesetzter Bewegung gehört; den/die bestimmte/n Beleuchtungsgrad und Belichtungsdauer nutzen und ein sich wiederholendes Eingeben von jeweiligen Autofokusbildern und Ausgeben von jeweiligen Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze bestimmen, die mehreren Autofokusbildern entsprechen, die entlang der kürzeren Autofokusbildreichweite während der fortgesetzten Bewegung verteilt sind, wobei jedes der jeweiligen Autofokusbilder ein/e effektive/s Belichtungstiming und Belichtungsdauer aufweisen; jeweilige Positionen entlang der Fokusachse für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder bestimmen, die entlang der kürzeren Fokusbildreichweite verteilt sind; und eine verbesserte geschätzte beste Fokusposition bestimmen, die mindestens annähernd die beste Fokusposition ist, die zum Inspizieren des interessierenden Bereichs eines Werkstücks nutzbar ist, auf Grundlage von mindestens einigen der Daten für mehrere reduzierte Auslesepixelsätze und mindestens einigen der jeweiligen Positionen entlang der Fokusachse für mindestens einige der mehreren Autofokusbilder, die entlang der kürzeren Fokusbildreichweite verteilt sind; wobei die Vorgänge, die über die kürzere Fokusbildreichweite ausgeführt werden, eine kürzere Maximalbeabstandung vorsehen, die verbesserte geschätzte beste Fokusposition relativ weniger annähernd ist und die verbesserte geschätzte beste Fokusposition zum Inspizieren des Werkstücks, mindestens in dem interessierenden Bereich, genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Verfahren ferner das Vorsehen von Vorgängen aufweist, die die Fokusachsenposition an der geschätzten besten Fokusposition einstellen, ein Inspektionsbild an dieser Position beschaffen und das Inspektionsbild zum Inspizieren des Werkstücks, mindestens in dem interessierenden Bereich, nutzen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Verfahren ferner das Vorsehen von Vorgängen aufweist, die die geschätzte beste Fokusposition, die mindestens annähernd die beste Fokusposition ist, als ein Merkmalkoordinatenwert für ein Merkmal einstellen, das in dem interessierenden Bereich inspiziert werden soll, ohne die Fokusachsenposition des Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystems tatsächlich an dieser Position einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Verfahren ferner das Vorsehen von Vorgängen aufweist, die die jeweiligen reduzierten Auslesepixelsatzdaten mit der jeweiligen Position entlang der Fokusachse, die der geschätzten besten Fokusposition am nächsten kommt, auswählen und die jeweiligen reduzierten Auslesepixelsatzdaten zum Inspizieren des Werkstücks in dem interessierenden Bereich nutzen, ohne die Fokusachsen position des Präzisionsmaschinenvisionsinspektionssystems tatsächlich an der geschätzten besten Fokusposition einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend das Erstellen und Speichern des Satzes von Maschinensteuerbefehlen auf Grundlage des Verfahrens.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend das Vorsehen einer Demonstrationssequenz im Übungsmodus, die automatisch Vorgänge ausführt, welche im Wesentlichen funktionell den bestimmten Vorgängen ähnlich sind, und ein Bild anzeigt, das an der resultierenden geschätzten besten Fokusposition zur Benutzerschätzung beschafft wird.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die grafische Benutzeroberfläche ein Steuer-Widget anzeigt, das von einem Benutzer zum Auslösen der Demonstrationssequenz betreibbar ist.