JP2005156554A - 画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法、画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 画像測定方法及び検査システムに対するオートフォーカスシステム及び方法は、比較的低コストで柔軟なハードウェアを用いる一方で高速及び高精密な自動合焦を提供する。
【解決手段】カメラによって出力される画像フレームの部分が、所望の対象領域と連携して決定された限定読出画素集合に基づき、オートフォーカス画像に対して最小化される。その限定読出画素集合は最大化された画像取得速度を可能とし、次いでそれがオートフォーカス画像取得位置の間でより高速な運動を可能として、特定の対象領域に関して略最適化されている対応するオートフォーカス実行速度で所望のオートフォーカス精密性を達成する。ストロボ照明が用いられて、オートフォーカス速度及び精度を更に改良する。様々な関連オートフォーカス制御パラメータに適合すると共にそれをプログラムするための方法を提供する。
【選択図】 図6
Description
精密画像測定検査システムを使用して、ワークの精密な寸法測定値の取得やワークの様々な他の特性を検査することができる。
このようなシステムは、コンピュータ、カメラ及び光学的システム、および、ワークの特徴をカメラでスキャンするために多方向に移動可能な精密ステージを備える。
従来技術を使用したシステム、とくに汎用「オフ−ライン」精密画像測定機システムとしての特徴を備えたタイプのシステムとしては、MitutoyoAmerica Corporation(MAC)製(所在地:Aurora, IL)のQUICK VISION(登録商標)シリーズの画像測定機、及びQVPAK(登録商標)ソフトウェアなどが例示される。
このQUICK VISION(登録商標)シリーズの画像測定機及びQVPAK(登録商標)ソフトウェアの特徴と操作について、例えば、非特許文献1、非特許文献2に概ね記載されている。
例えばQV−302 Pro modelによって例示されるようなこの製品は、顕微鏡タイプ光学システムを用いることができて、様々な倍率でワークの画像を提供する。
倍率及びプログラマブル照明設定の様々な組み合わせを用いて、様々なタイプの対象物或は検査ワーク、或は、1つのワークの様々な局面を検査する共通した要望がある。
そうしたシステムはこのシステムのプログラミング及び動作を簡略化する特徴及びツールを備え、動作及びプログラミングが「経験の浅い」の作業者によって確実に実行され得る。
例えば、特許文献1は、ワークの特徴を照らし出す照明をそのワークの特徴の画像の複数の選択された領域に基づく調整動作を含めて、自動画像検査を使用する画像測定検査システムを開示している。
このプログラミング能力は、典型的には、様々な検査動作の結果を記憶及び/或は出力する能力も提供する。これは、例えば、テキストベースプログラミングのような、慎重な方法で実行することもでき、ユーザが行う検査動作のシーケンスに対応したマシン制御命令のシーケンスを記憶することにより検査事象シーケンスを徐々に「学習する」記録モードで実行することもでき、この2つの方法の組合せにより実行することもできる。上記記録モードは「学習モード」又は「訓練モード」と呼ばれることが多い。
「実行モード」における所定のシーケンスの検査動作を実施する命令を有するパートプログラムを生成する能力は、検査繰返し性の強化、および、複数の互換性画像測定検査システム及び/又は複数の時点において同じパートプログラムを自動的に実行する能力を含めて、いくつかの利益を提供する。
取り込み画像ごとに、合焦精度が計算されるところ、この合焦精度は、撮像時のカメラ位置に依存している。
オートフォーカス画像と対応するカメラのZ軸位置を決定するために、その記載された方法では、カメラがそのZ軸上の既知のスタート位置からZ軸に沿って一定速度で画像が取得されるまでに移動する時間に基づきZ軸に沿ってのカメラの位置を推定する。
その一定速度運動中、オートフォーカス画像は40ms間隔(ビデオレート)で取り込まれる。
この開示された方法は、ビデオハードウェアがフレームを固定速度で取り込み、フォーカシング曲線のサンプリング密度がステージ速度を調節することによってのみ影響され得ることを教示している。
圧電性ポジショナーは比較的改善されたオートフォーカス速度及び解像度を提供する。
特許文献2はオートフォーカス動作中にストロボ照明を用いることを更に開示している。
特許文献2は60Hzでのオートフォーカス画像の取得を教示している。
特許文献2では、位置が一定速度で移動されなければならず、画像がストロボで固定されると云う代替案も提案している。
各場合において、ストロボがカメラの実効的な露光時間を短縮するため、カメラフレーム画像を取得するために通常必要とされる全体時間の一部を用いて、ストロボを発光させる前に新しい位置へ移動することができる。
比較的高速なオートフォーカス機能は、所謂、「オン−ライン」或は「イン−ライン」画像測定検査システムの様々な種類に提供され、それらは、特定の動作環境において、特定のタイプの大量生産パーツに対して反復的実行される検査動作から成る特定集合用の高スループットを達成すべく特別に設計されている。
先行して記載された汎用精密画像測定検査システムと比較して、そうしたオン−ライン画像測定検査システムはそれらの検査動作を取り巻くパラメータを変更する必要性が遙かにより少ない頻度となる。
更には柔軟性が、一般には、高速動作よりはむしろ重要である。
よってこうしたシステムは、特殊化されたハードウェア形態や特殊化されたプログラミングに典型的に依存して、比較的高速なオートフォーカス機構を含む高速動作を提供する。
これら様々な短所及び制限を別々に或は組み合わせて克服できるオートフォーカスシステム及び方法が望まれる。
例えば、比較的低コストの商業的に入手可能なPC互換性画像測定機構成要素及び運動構成要素は、従来のPCに基づくコンピュータオペレーティングシステムと一緒に使用され得る。
圧電性アクチュエータ等の特殊化された運動要素やそれらに関連された制御要素は要求されずに、この発明に従って画像取り込み装置に迅速に自動的に合焦するためのシステム及び方法の様々な実施形態において高精密性を提供する。
この限定読出画素集合は、カメラの視野の少なくとも1つの次元(方向)に沿ってこのカメラの全視野よりも実質的に小さくしたものに対応する。
画像の限定読出画素集合のピクセル値は、カメラの全視野と対応する全画素集合を出力するために要求される時間よりも実質的により少ない時間で制御システム部に出力され得る。
よって、限定読出画素集合に対する画像取得および対応するデータを記憶する反復速度は、カメラの全体的な視野に対する全画素集合の画像取得および対応するデータの記憶より実質的に高速である。
既存のオートフォーカスシステムとそうしたシステム及び構成要素に対する方法とは、典型的には、これら様々な予期できないタイミング関係や変動を実行が比較的緩慢となるように克服して、充分なタイミングマージンを提供すると共に合焦精度或は再現性の所望レベルを信頼性もって提供する。
代替的には、既存のオートフォーカスシステム及び方法は、比較的低減された精密性、再現性、或は、信頼性を可能とした。
そうしたオートフォーカス速度問題は、PCに基づくコンピュータオペレーティングシステム及び構成要素を用いて実施された先行するオートフォーカスシステム及び方法によって充分に対処されず、そうしたオートフォーカスシステム及び方法はこの点に関して不充分である。
よって、この発明に従って画像取得装置に迅速に自動的に合焦するためのシステム及び方法の様々な実施形態において、充分なタイミングマージン及び合焦精度の信頼性あるレベル、精密性及び再現性は、PCのタイミング待ち時間に依存すること無しに、オートフォーカス動作を迅速に実行する一方で達成される。
更には、本発明のシステム及び方法の様々な実施形態は、マニュアル検査動作中に且つ様々な訓練モード動作中に「経験の浅い」の作業者によって信頼性をもって実行されるべきそうした適合、動作、および、プログラミングを可能とするシステム及び方法を提供する。
本発明のシステム及び方法は、一般に、撮像レンズによって提供される被写界深度の小さなパーセンテージであるオートフォーカス精度及び再現性を提供する。
これは、測定に使用される精密画像測定検査システムに特に重要である。
他の数多くのタイプのシステムによって利用されるオートフォーカスシステムは、主に明瞭な画像を提供すると共に、撮像レンズの被写界深度に対するそれらの再現性に関してしばしば比較的に粗野である。
これは、明瞭な画像が被写界深度の比較的大きな部分にわたって提供されるからである。
様々な実施形態において、これが為されて、高い精密性、信頼性、並びに/或は、確定性を伴ってオートフォーカス画像を提供する。
本発明のシステム及び方法の様々な実施形態において、規定された自動合焦動作の結果の実証はその結果の検証のために訓練モードで好都合に提供される。
様々な実施形態において、作業者はその実証をGUIの特徴を通じて始動する。
本発明のシステム及び方法の様々な実施形態において、パートプログラム命令は作り出されて、所定の、規定された、或は、新たに決定されたパラメータ等を、ゼロ、1つ以上の他の動作と連携して使用して、推定最良位置及び/或はワーク上の対象領域における焦点を自動的に決定する動作の頑強性をスピードアップ及び/或は向上する。
様々な実施形態において、こうした焦点値は、推定最良焦点位置がコンピュータ或は画像測定検査システムのコントローラを用いて高い精密性と高い速度とを伴って決定させることを可能とする。
この画像測定検査システム10は、データ及び制御信号を制御システム部100と交換すべく作動的に接続されている画像測定機200を備える。
制御システム部100は、モニタ111、プリンタ112、ジョイスティック113、キーボード114、並びに/或は、マウス115の内の1つ以上とデータ及び制御信号を交換すべく作動的に更に接続されている。画像測定機200は、移動可能な載物ステージ210と、ズームレンズ或は多数の互いに交換可能なレンズを含み得る光学的撮像システム205とを備える。ズームレンズ或は交換可能レンズは、一般に、光学的撮像システム205によって提供される画像に対する様々な倍率を有する。
図2に示されるように、制御システム部100は画像測定機200を制御する。
画像測定機200は、光学的アセンブリ部250、光源220,230,240、および、中央透明部212を有する載物ステージ210を備える。
載物ステージ210は、ワーク20が位置決めされ得るステージの表面と略平行する平面内に横たわるX及びY軸に沿って制御可能に移動できる。
光学的アセンブリ部250は、カメラシステム260、互いに交換可能な対物レンズ252、タレットレンズアセンブリ280、および、同軸光源230を備える。光学的アセンブリ部250は、制御可能なモータ294を用いることで、X及びY軸と略直交するZ軸に沿って制御可能に移動できる。画像測定検査システム10のX、Y、および、Z軸の各々はX、Y、および、Zの位置情報を適切な信号及び/或は制御線(不図示)にわたって制御システム部100に提供する各X、Y、および、Z軸位置エンコーダ(不図示)の器具取り付けが為されている。
本発明の様々な実施形態において、カメラシステム260は、全視野と対応する全画素集合を出力すべく必要とされる時間よりも短い時間でカメラの全視野より小さい低減された読み出し画素集合(又は限定読出画素集合)を出力すべく動作できる。
様々な実施形態において、以上のことは本発明のオートフォーカス動作の全体的な時間を減少する目的のためである。
本発明のシステム及び方法の様々な実施形態において、光源220〜240の1つ以上は動作のストロボ照明モードで使用可能である。そうした実施形態において、非常に高速な光源反応時間(マイクロ秒或はサブマイクロ秒範囲)や適切な光学的パワーレベルの組み合わせを提供すべく動作可能な光源を提供することが望ましい。よって、様々な実施形態において、ストロボ発光のために使用される光源としては、LumiledsLighting, LLC(所在地:San Jose, California)製のLuxeon(商標)製品ラインにおけるLEDの内の1つ等の高輝度LEDなどがある。
様々な実施形態において、ストロボ発光のために使用される光源は約470nmの波長である青色LEDを含む。しかしながらカメラの感度範囲内の任意の波長は様々な実施形態において使用される。一般に、先に記載の光源220〜240の内の何れも様々な実施形態においてそうしたLEDが用いられる。本発明のシステム及び方法の様々な実施形態において、光源220〜240の内の1つ以上が動作の連続照明モード及びストロボ照明の双方において使用可能である。
制御システム部100は、第1及び第2のタレットレンズ位置の間の軸284を回転軸としてタレットレンズアセンブリ280を回転させ、信号線或はバス281を介して伝達された制御信号に基づき様々な倍率を提供する。
特に画像測定検査システム10の様々な実施形態において、光学的アセンブリ部250は、制御可能モータ294を用いて載物ステージ210に対して垂直Z軸方向に移動でき、その制御モータはアクチュエータ、接続ケーブル等を駆動して、光学的アセンブリ部250をZ軸に沿って移動させる。
ここで用いられている用語Z軸は、光学的アセンブリ部250によって獲得される画像に合焦するために使用されるべく意図されている軸を言及する。制御可能モータ294は、使用される際、信号線296を介して制御システム部100と接続される。
そうした回路、ルーチン或はアプリケーションは、配線によって接続された回路、ソフトウェア回路、サブルーチン、対象物、動作、アプリケーションプログラミングインターフェース、マネージャ、アプリケーション、或は、他の任意の既知若しくは後で開発されたハードウェア又はソフトウェア構造を包含する。
様々な実施形態において、ユーザがこの発明に従ってワーク20に対するワーク画像取得プログラムを作成すべく画像測定検査システム10を用いる際、ワークプログラミング言語を用いて自動的に、半自動的に、或は、マニュアルで複数の命令を明確にコード化するか、或は、ワークプログラム命令が訓練シーケンスに従って規定された動作及び設定を取り込むように画像取得訓練シーケンスを通じて画像測定検査システム10を動作させることによって複数の命令を生成するか、の何れかの方法で、ワークプログラム命令を生成する。
例えば、カメラシステム260の物理的移動の制御を達成するために、運動制御サブシステム145はX、Y、並びに、Zの軸位置エンコーダから位置情報をデータ及び/或は制御バス及び/或はアプリケーションプログラミングインターフェース195を介して受け取る。一般に、これら命令は画像測定検査システム10に載物ステージ210及び/或はカメラシステム260を操縦させて、ワーク20の特定部分がカメラシステム260の視野内に入るように為し、所望倍率、所望焦点状態、並びに、所望照明を提供する。これらの動作は、データ及び/或は制御バス及び/或はアプリケーションプログラミングインターフェース195を介して、パートプログラム実行回路、ルーチン或はアプリケーション165によって実行させられる。このプロセスは、ワークを検査するために取り込まれるべきである複数の画像から成る集合内の多数画像用に繰り返され得る。
様々な実施形態において、これは為されて、反復的な画像取得を提供し、カメラシステム260の全視野と対応する1つ以上の視野と関連された標準的な反復画像取得速度より著しく高速である出力レートを提供する。
様々な実施形態においてカメラシステム260はディジタル画素値を出力するディジタルカメラシステムである。このタイプの様々な実施形態において、カメラシステム260は、Redlake(所在地:11633Sorrento Valley Road,San Diego, CA92121−1010USA)製のRedlake MEGAPLUS Camera,Model ES310/T、或は、この発明に従って同様及び/或は充分な機能を有するCCDカメラが用いられる。
また、このタイプの様々な実施形態において、撮像制御インターフェース140に含まれるフレームグラバーは、MatroElectronic Systems Ltd.,(所在地:Quebec,Canada)製のMatrox Meteor−II/Digitalフレームグラバー、或は、この発明に従って同様及び/或は充分な機能を有するフレームグラバーカードを用いられる。
様々な実施形態において、そうした構成要素は組み合わせて使用され、且つ、図5を参照して記載されるストロボ光コントローラを含むここに開示された様々な他の構成要素と一緒に使用されて、この発明に従って、高速且つ高精度オートフォーカスシステム及び方法を提供する。
本発明の様々な実施形態において、特定のオートフォーカス動作及び設定はオートフォーカス動作決定回路、ルーチン或はアプリケーション170によって決定され、生成されたワークプログラム命令内に組み入れられる。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作決定回路、ルーチン或はアプリケーション170の動作は、ワークパートプログラム生成回路、ルーチン或はアプリケーション155の動作と併合されるか或は区別できないかの何れか或はその双方である。
様々な実施形態において、パートプログラム実行回路、ルーチン或はアプリケーション165によって実行される際、これら検査命令は、画像測定検査システム10に画像に対する様々な検査動作を自動的に実行させる。
様々な実施形態において、先に記されたように、様々な既知或は追って開発された画像測定検査システム「ツール」がメモリ130内に記憶される。様々な実施形態において、これらツールは、様々な先行するマニュアル或は訓練シーケンス動作の内の1つ以上の実行において使用される。
様々なワーク撮像及び/或は検査動作に対して使用可能なビデオツールの数個の例は、合衆国特許出願第09/736,187号、第09/921,886号、並びに、合衆国特許第6,542,180号に開示されている。
本発明の様々な実施形態において、X、Y、並びに、Zの軸位置値は制御システム部100の運動制御サブシステム145において追跡され、この運動制御サブシステム145は制御システム部100の別の部分によって提供された制御信号に応じて位置値をラッチすべく動作可能である。
様々な実施形態において、そうした構成要素は図5を参照して記載されるストロボ光コントローラを含むここで開示された他の構成要素の内の1つ以上の組み合わせで使用されて、本発明の高速かつ高精密なオートフォーカスシステム及び方法を提供する。
様々な実施形態において、照明システムは比較的連続的な照明を提供すべく動作する。比較的連続的な照明は、画像測定検査システム10のマニュアル動作及び訓練モード動作に適合している。
他の様々な実施形態において、照明システムはストロボ照明機能を提供すべく動作する。
他の様々な実施形態において、照明システムは同一光源を通じて連続的な照明及びストロボ機能の双方を提供すべく動作する。
様々な実施形態において、発光システムドライバ/コントローラ150は照明を制御して駆動する。
本発明の様々な実施形態において、発光システムドライバ/コントローラ150は図5を参照して以下で記載されるストロボ光制御システム500を含む。
様々な実施形態において、これが為されて、オートフォーカス画像取得動作の所望の組み合わせ、及び/或は、オートフォーカス速度及び精度の所望の組み合わせと対応する設定を決定して、推定最良焦点位置に対する所望の精度を提供できるおよそ最短の実用的な時間内でワークの対象領域に対する推定最良焦点位置を決定する。
様々な実施形態においてこれらオートフォーカスパラメータは、オートフォーカス動作に対する対象領域のサイズ、オートフォーカス画像が取得される割合、並びに、カメラがオートフォーカス画像を取得中にZ軸方向に沿ってスキャンする速度である。
例えば、様々な実施形態において、オートフォーカス動作に対して実際には使用されるユーザ定義された対象領域の部分は決定されて、高オートフォーカス画像取得速度を可能とするカメラの動作可能な限定読出画素集合と重複すると共に、作業者入力或はデフォルト精度レベルによって決定される精度の所望レベルで対応する推定最良焦点位置を決定すべく充分な数の画素を提供させる。そうした動作は以下でより詳細に記載される。
様々な実施形態において、デフォルト値は種々のワークに関する経験に基づき、実験的或は分析的に設定される。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作決定回路、ルーチン或はアプリケーション170は、次いで、作業者によって規定された対象オートフォーカス領域と関係した動作及び設定を規定する際、デフォルト値を付与する。
例えば、様々な実施形態において、GUIオートフォーカスツールウィジェットの対象領域指示部は捜し出されて、作業者によって名目上寸法合わせさせられ、所望の精度モードは作業者によって選択される。
次いで、様々な実施形態において、オートフォーカス動作決定回路、先に略述したように、ルーチン或はアプリケーション170は、選択されたオートフォーカス精度モードやカメラの動作上の限定読出画素集合に基づき、作業者によって指示された公称オートフォーカス対象領域内の実際の動作上の画素集合を決定する。
様々な実施形態において、先の少なくとも1つの限定読出画素集合は、画素から成る100行の中央帯域、選択可能な可変位置及びスパンを有する画素から成る行の帯域、隣接(i,j)画素から成る中央配置された100×100範囲、可変位置を有する隣接(i,j)画素から成る全選択可能集合等を含む。
しかしながら、様々な実施形態において、限定読出画素集合だけが本発明の様々なオートフォーカス動作に実際上動作するので、カメラシステム260は必須ではなく、任意選択的に、限定読出画素集合に、画像取り込み動作等の他のカメラ動作を制限すべく動作される。
様々な実施形態において、設定された限定読出画素集合に基づくカメラのデフォルト最大自由継続反復画像取得速度が使用される。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作決定回路、ルーチン或はアプリケーション170はその最大自由継続反復画像取得速度未満の割合を決定し、その決定された割合は撮像制御インターフェース140によって適用される。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作決定回路、ルーチン或はアプリケーション170は、次いで、実行モードオートフォーカス動作に対して使用される運動の規定を完成すべく必要とされる任意の他の運動動作及び/或は設定を規定する。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作に対して実際に使用される対象領域の部分の決定と同様に、所望のオートフォーカス曲線サンプリング密度は、図3、図4、並びに、図14を参照して以下でより詳細に記載されるように、作業者によって特定される精度の所望レベルと対応して決定される。
様々な実施形態において、この実効的な露光時間がカメラシステム260の露光制御機能以内である場合、適切な連続照明パワーレベルがオートフォーカス画像取得中に使用され、カメラシステム260は決定された実効的な露光時間を提供すべく制御される。
様々な実施形態において、レンズの被写界深度の約100%の最大オートフォーカス画像間隔が用いられて、より小数のオートフォーカス画像取得及び/或はより高速なZ軸スキャン運動速度を可能とすると、本発明のシステム及び方法は、反復されたオートフォーカス試行に対して1.7ミクロン或はレンズの被写界深度の約15%未満の反復速度を伴って、約0.5秒で推定最良焦点位置を提供すべくオートフォーカスすることができる。
オートフォーカス画像間隔及び推定最良焦点位置の精度に関する様々な考察が図3及び図4を参照して以下に記載される。
そうした様々な実施形態において、制御システム部100は様々な較正要因、変換要因、検索要因等を含み、それらは、ストロボ照明システム用に設定された実効的な露光時間を伴って使用されるべき強度或はパワーレベルを決定するためにオートフォーカス決定回路、ルーチン或はアプリケーション170によって使用可能である。
様々な実施形態において、これは、先に略述するように動作の訓練モード中に使用されるデフォルトの、既知の、或は、標準のカメラ統合時間と連携して設定された既知の連続照明強度或はパワーレベルによって提供される同一の合計画像露光を提供する。
様々な実施形態において、ストロボ光源に対する実際の制御レベルは光源及び/或は様々な関連光学的電子的構成要素の様々な実用的な動作特性に対して調整される。適切な調整は一般に経時的に比較的安定しており、それ故に、様々な実施形態において、特定のタイプの光源及びコントローラに対する分析及び/或は実験によって初期的及び/或は周期的に設定され得る。
様々な実施形態において、対象領域焦点値決定比較回路、ルーチン或はアプリケーション175は、多数の画像内における対象領域に対して決定された異なる焦点値の比較をも為す。
よって、様々な実施形態において、対象領域焦点値決定比較回路、ルーチン或はアプリケーション175は対象領域内に最良焦点を提供するオートフォーカス画像の内の1つの決定も行う。
図4は、散在的にサンプリングされ、即ち、Z軸に沿って比較的少数の箇所における焦点値点から成る集合と対応する焦点曲線を図示する代表的なグラフである。先に記載し且つ以下により詳細に更に記載するように、本発明に従ったシステム及び方法の様々な実施形態は、比較的より正確なオートフォーカス動作と関連する稠密にサンプリングされた焦点曲線の具現化と、比較的より劣った精度のオートフォーカス動作と関連する散在的にサンプリングされた焦点曲線の具現化と、を可能としている。
様々な実施形態において、これが為されて、オートフォーカス速度と、特定のワーク検査画像或は特定の用途に適合する精度との所望の組み合わせを提供する。
よって、理想的な焦点距離よりも大きな合焦距離やより短い合焦距離に対して獲得される焦点値は理想的な焦点距離に対する最良の焦点値よりも低くなる。
よって、最良焦点位置を求めるオートフォーカス調査は真のベル形状焦点曲線の真のピークを求める調査と対応する。
一般に、様々な実施形態において、この推定最良焦点位置は対象領域における特徴に対する検査値として、及び/或は、様々な寸法や対象領域におけるその形態に対する他の検査結果を決定すべく最良の状態で使用されるワークの画像を取得すべく使用される位置決め座標として使用される座標値を提供する。
様々な実施形態において、動作上のオートフォーカス対象領域に含まれる特徴はエッジであり、図8を参照して以下でより詳細に記載されるように適切なエッジ焦点計量が使用される。
様々な他の実施形態において、動作上のオートフォーカス対象領域に含まれる特徴はその対象領域によって規定されたワーク面の単なる部分であり、図8を参照して以下でより詳細に記載されるように適切な面焦点計量が使用される。面焦点計量は、一般に、オートフォーカス画像におけるオートフォーカス対象領域におけるコントラストの測定と対応する焦点値を提供する。1つの典型的な面焦点計量は図1乃至図3を参照して以下で記載される。様々な代替的面焦点計量は引用した文献に詳細に記載されもしており、様々な適切焦点面関数も当業者には既知である。よって、ここでそうした関数の詳細な説明は省略する。
図4において、焦点曲線の半値幅エネルギー寸法(FWHM)を表す寸法402を示す。
また、図3には、焦点曲線と対応するレンズの被写界深度(DOF:depth of field)を表す寸法303を示す。
様々な実施形態において、被写界深度はレンズの開口数(NA)に基づく1つの従来表現に従って決定される。図3に示される実施形態に対して、焦点曲線のFWHM302はおよそ3.25を下に横たわるレンズのDOF303にかけたものである。
図4には、焦点曲線と対応するレンズのDOFを表す寸法403を示す。
よって、特定のレンズのDOF、レンズのNA、並びに対応する焦点曲線のFWHMは、比較的予測可能且つ略一定の関係で全て略関連されている。
様々な実施形態において、レンズ特性はレンズのDOF或はNA等の直接的レンズ特性であるか、或は、FWHM等の予期された結果としての焦点曲線の幅寸法等の間接的レンズ特性である。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作ツールが低い精度モードで動作させられる場合、様々なオートフォーカス画像間のZ軸に沿った最大間隔が0.5にFWHMをかけたものまでである。これは、種々の低い精度のオートフォーカス用途に対して充分な精度を提供する一方でオートフォーカス動作中に更により高速運動を可能とする。
本発明の様々な実施形態において、先に略述した設定或はパラメータは対応するレンズのDOFの5%〜15%程度の精度を伴って推定最良焦点位置を提供する。
比較的高い倍率のレンズに対して、DOFに関しての精度はこのパーセンテージ範囲のより大きな終端になる傾向があり、高い倍率のレンズに対する数ミクロン或はそれ以下の程度となり得るそうしたレンズの小さなDOFによってミクロン−レベル精度を提供する。逆に、比較的低い倍率のレンズに対して、例えば1〜2.5倍或はその程度のレンズに対して、DOFに関しての精度は、約10〜100ミクロンの程度となり得る、そうした低い倍率のレンズの比較的大きなDOFにもかかわらず、数ミクロ程度の優れた精度を提供するような、このパーセンテージ範囲のより小さな終端になる傾向がある。
様々な実施形態において、オートフォーカス動作ツールがより高い精度モードで動作される場合、オートフォーカス動作及び/或は設定が決定されて、様々なオートフォーカス画像間のZ軸に沿っての最大間隔が少なくとも0.02にFWHMをかけたものとなるように為す。これは運動速度を更に犠牲にして、全体的なオートフォーカス時間を増大して、種々の高い精度のオートフォーカスアプリケーションに対する略最良達成可能精度である推定最良焦点位置精度を提供する。
本発明の様々な実施形態において、先に略述された設定或はパラメータは対応するレンズのDOFの0.5%〜5%程度の精度で推定最良焦点位置を提供する。比較的高い倍率のレンズに対して、DOFに関しての精度はこのパーセンテージ範囲のより大きな終端になる傾向がある。これは、高倍率レンズに対する数ミクロン或はそれ以下の程度であり得る、そうしたレンズの小さなDOFによって、ミクロン或はサブミクロンのレベルの精度及び反復性を提供する。逆に、例えば1〜2.5倍の倍率等の比較的低い倍率のレンズに対して、DOFに関しての精度はこのパーセンテージ範囲のより小さな終端になる傾向がある。これは、約10〜100ミクロン程度であり得るそうした低倍率レンズの比較的大きなDOFにもかかわらず、数ミクロン或はそれ以下の程度の優れた精度を提供する。
第1パスは、ここでは合焦撮像範囲(フォーカス範囲またはサーチ範囲)とも呼称される総合的な第1パスZ軸位置範囲或は第1パスオートフォーカス画像範囲にわたって可能な限り高速であるように設計され、ワーク上の対象領域の公称のZ軸箇所に対する変動或は公差を、位置決め変動が調整されたワーク座標系等を設定する予備動作によって削減されないような程度まで載物ステージの公称のZ軸位置決めに対する追加的な変動或は公差と共に包含する最良焦点位置を含むことは確実である。
一般に、本発明の様々な実施形態において、総合的な第1パスオートフォーカス画像範囲が規定されて、近似的な合焦対象領域を提供すべく、様々なレンズパラメータ、ワークCADデータ等に基づき、マニュアルで、半自動的に、或は、自動的に作業者によって決定された公称のZ位置周りの中心に置かく。
様々な実施形態において、総合的な第1パスオートフォーカス画像範囲は現行レンズの焦点深度、ワークオートフォーカス対象領域に関する上述した位置的公差等に対する然るべき考察によって更に規定されている。
様々な実施形態において、総合的な第1パスオートフォーカス画像範囲は1〜4mm程度であり、その殆どが潜在的なワークや位置変動対象領域に起因し、特により高い倍率のレンズが使用された場合、そうしたレンズが典型的にはミクロン程度であるDOFを有すると共に潜在的なワークの位置変動対象領域に比較して典型的には無視し得るからである。
様々な実施形態において、焦点曲線のピークの箇所は、次いで、最良焦点位置の改善された推定を迅速に決定すべく、第2パス合焦撮像範囲を改善するために使用可能な近似値である推定最良焦点位置を提供すべく推定される。
従って、本発明の様々な実施形態において、少なくともZ軸位置値は、対応する画像の露光の実効的な時間と既知の関係を伴って運動制御サブシステム145内にラッチされて、その画像と関連して記憶される。
従って、様々な実施形態において、連続的な運動がオートフォーカス画像取得中に使用される場合、ストロボ発光を使用して、ストロボ発光をトリガーすると共に、ストロボ発光時間と関連した特定時間に、例えばストロボ発光トリガーと関連した特定時間と対応する位置値をラッチすることが有益である。
様々な実施形態において、これは、所望オートフォーカス画像範囲に沿って所望オートフォーカス画像間隔を提供するオートフォーカス画像箇所とシステム形態が対応する際の特定時間に制御システム部100の制御下で、全て始動され繰り返される。
様々な実施形態において、オートフォーカス画像から成る集合は画像反復の決定された数、或は、合焦撮像範囲の終端の検出位置で若しくは該終端を越えた検出位置に基づき終了させられる。高速撮像、移動する撮像対象物、同期化問題等に関する典型的なビジョンシステム構成要素に関連された様々な考察は、CyberOptics−Imagenation(www.imagenation.com)委託のAutomatedVision Systems Inc.,PerryC. West氏による「High Speed,Real−Time Machine Vision」に詳細に記載されている。
様々な実施形態において、ストロボ光制御システム500は連続照明制御機能を有する。
様々な実施形態において、ストロボ光制御システム500は発光システムドライバ/コントローラ150に含まれる。
様々な実施形態において、光制御システム500は、一般的に既知な従来回路要素及び従来回路設計技術を用いる。
様々な実施形態において、光制御システム500の構成要素は選択されて、LED或はダイオードレーザ等の光源用の電流源を動作できる高速フィードバック制御電流ドライバ等を、5MHz及びそれ以上の高さの割合で提供する。
様々な実施形態において、構成要素は選択されて、約1ミクロ秒或はそれ以下である誘導位相リレーを提供する、即ち、ストロボパルスが入力制御信号EXP2の先導エッジを受信後の約1ミクロ秒以内で始動される。
様々な実施形態において、構成要素が選択されて、500ナノ秒の短い及び40ミリ秒の長いストロボモードストロボ時間の間、約1.5アンペアの大きさのピーク電流を提供する。
様々な実施形態において、光源580は前述したようにLEDを含む。約1.5アンペア(2アンペアピーク)等を提供できる高速応答中間パワートランジスタ575は制御信号AAに従って光源580を駆動すべく接続される。光源580はフィードバック制御信号583を提供し、この信号が光源580の出力パワーと対応している。
様々な実施形態において、フィードバック制御信号583は光源580からの光の一部から生成され得る。フィードバック制御信号583はバッファ回路部(フィードバック制御部)585に提供され、それは、様々な実施形態において、フィードバック制御信号583の検知及び/或は増幅して、フィードバック制御信号BBを提供する。
マルチプレクサ512は、制御信号EXP2の高速差動増幅器515への経路指定を為すべく1つ以上の信号線にわたって、コントローラ120、撮像制御インターフェース140、或は、制御システム部100の他の構成要素からの1つ以上のモード選択信号によって制御される。
この差動増幅器515はバッファ回路部(フィードバック制御部)585からフィードバック制御信号BBをも受信する。差動信号又は差信号は差動増幅器515によって差信号を増幅する高速増幅器525へ出力されて、ストロボモードにおいて、光源580を駆動すべく中間パワートランジスタ575へ入力される制御信号AAを提供する。
2つのこうした別々の動作モードを有することによって、ストロボ光制御システム500は、様々なマニュアル作業者指導訓練モード動作中に連続照明を提供することや、本発明のシステム及び方法の様々な実施形態において使用される様々な自動実行モード動作中の様々な訓練モード動作中に提供されるものと同様な総合的露光照明エネルギーをもたらすストロボ照明を提供することで特に有用である。
本方法はステップS100でスタートしてステップS110へ進んで、そこでビジョン検査システムは学習モードに設定される。次いでステップS120において、カメラに対する現行レンズが選択される。次にステップS130において、評価されるべきワークが所望箇所に位置決めされて、検査されるべきそのワークの部分がカメラの視野内になるよう為す。次いで動作はステップS140へ進む。
様々な実施形態において、連続照明が設定される。
次にステップS150において、ワークの作業視野がその設定された照明に基づき獲得される。様々な実施形態において、その作業視野内に見えるワークの部分は、ワークが配置された位置の関数である。
ステップS170において、もし充分でない照明があまりにも弱ければ、照明は強度が増大される。対照的に、もし充分でない照明があまりも明るければ、照明は強度が減少される。
様々な実施形態において、これが為されて、オートフォーカス画像取得動作、及び/或は、オートフォーカス速度と推定最良焦点位置に対する所望精密性を提供できる略最短の実用的時間内で推定最良焦点位置を決定するための精度との所望の組み合わせと対応する設定の所望の組み合わせを決定する。様々な実施形態において、これら3つの変数の間には様々な折衷案及び関係が、それらの値を決定する代替的な例示的方法及びシーケンスと共に存在する。しかしながらより一般的には、様々な実施形態において、特定の画像測定検査システム或はオートフォーカス動作の特定の集合にとって、特定のハードウェア限定、精度要件等によって最も厳しく制約されるオートフォーカスパラメータ或は変数が最初に確定され、そうした限定や要件によってより少ない制約を受ける他のオートフォーカスパラメータ或は変数は続いて決定される。
次にステップS240において、オートフォーカス動作及び設定の確認された集合と、その確認されたオートフォーカス結果を生成すべく使用される他の任意の設定とに対応する部分プログラムマシン制御命令は生成される。
様々な実施形態において、このデータは対象領域の寸法、限定読出画素集合の仕様、画像取得反復速度、様々な実施形態においてストロボ強度及びストロボ持続時間を含み得るか或は含むことが照明設定、Z軸スキャン速度、総合的なZ軸オートフォーカス画像範囲の公称パラメータ、選択された現行レンズ等に関する情報を含む。
様々な実施形態において、ステップS230及びS240の動作が併合され得るか或は区別できないかの何れかであるか、又は、それら双方である。
次いで、ステップS250において、もしあれば他の所望部分プログラム指示が生成される。
次にステップS260において、学習モードを終了し、生成された部分プログラムマシン制御命令が例えば自動的実行モード中等の今後の使用のために記憶される。
様々な実施形態において、限定読出画素集合は、学習モード動作において規定された対象領域に基づき制御システム部100によって自動的に規定される。
様々な実施形態において、様々な学習モード動作中に使用されるGUIは動作可能な限定読出画素の特定の箇所及び/或はサイズ特性を表示して、作業者に様々な学習モード動作中の対象領域及び/或は対応する限定読出画素集合を規定するために有用である視覚的なフィードバックを提供する。
様々な実施形態における対象領域及び対応する限定読出画素集合の間の関係に関する様々な考察は、図8乃至図11、並びに、図13を参照して以下で説明する。
代替的には、様々な実施形態においてそれら密度及び/或は間隔に対する予め規定された各デフォルト値は、粗雑対微細、厳正対劣勢厳正、並びに/及び、より高速対より低速等々の作業者決定設定と関連された離散的な値として決定される。
様々な実施形態において、ユーザはウィジェットを示す対象領域を位置決めし、対象領域の1つの寸法を独立して制御する一方で、対象領域の他の寸法が自動的且つ機能的に仮定された限定読出画素集合の特性に依存している。
例えばそうした特別モードは、細長い形状等の異様な形状を伴った合焦されるべき表面を有するワークピーに対して望ましい。幾つかの実施形態における特別モードにおいて、対象領域はカメラの全視野における何れの場所でも規定され、限定読出画素集合は使用されず、そして、必要に応じて比較的低速なオートフォーカス動作が生ずる。
様々な他の実施形態において、スキャン運動及び/或は最大速度は画像測定システムに対して有効な速度の連続的範囲以内で決定される。
様々な他の実施形態において、スキャン運動は画像測定システムによって提供されるデフォルト或は特別加速度を含み、その加速度は、最大オートフォーカス画像間隔と連携して使用可能な最大速度、及び/或は、画像測定システムに対して有効である速度の連続的範囲内で決定され最大速度で或はそれ以下で終了される。
例えば、様々な実施形態において、多エリア画像品質ツールは訓練モード中に作業者によって利用されて、照明形態と作業者によって最初に略規定されたレベルとを評価及び/或は改善する。
様々な実施形態において、照明形態と作業者によって最初に略規定されたレベルは連続或はストロボ発光形態及びレベルの何れかである。
様々な実施形態において、これは多エリア画像品質ツールを用いて改善される。
様々な実施形態において、照明形態と作業者によって最初に略規定されたレベルは、略同等の総合的画像露光を提供するストロボ発光形態に変換された連続発光形態であり、ストロボ発光形態は多エリア画像品質ツールを用いて改善される。
例えば、様々な実施形態において、オートフォーカス対象領域が検査されるべきエッジを含む場合、多エリア画像品質ツールが初期オートフォーカスシーケンスに引き続き、或は/或は、推定最良焦点位置での最終検査画像の取得に先行して、実行される。
様々な実施形態において、このようにして、発光システム較正「ドリフト」、環境発光変化等の効果を補償し、最良の実用的なエッジオートフォーカス規定、及び/或は、実行モードでのワークに対する自動検査の際の精度を提供する。
本発明のシステム及び方法の様々な実施形態において使用可能なオートフォーカスツールGUIウィジェットの2つの例示的な実施形態は、エッジ焦点ツールウィジェット810及び表面焦点ツールウィジェット820を含む。
様々な実施形態において、これらオートフォーカスツールは、例示的なワーク画像801に対する自動的な合焦を為すべく使用される。
様々な実施形態において、予め規定さえたオートフォーカスツールは特定の設定を有する。
様々な実施形態において、これら設定はユーザによって調整或は再規定されるが、そのツールを使用するために再規定される必要がない。
様々な実施形態において、それらツールは予め規定された設定によって利用される。エッジ焦点ツールウィジエット810及び表面焦点ツールウィジエット820の様々な動作特性は、先に引用したQVPAK3D CNC VISION Measuring Machine OperationGuideに全般的に記載されている。
様々な実施形態において、このウィジェット810は、そのボックスがオートフォーカス対象領域を示す或は規定するまで、且つ、有効なエッジ焦点計量によって評価される特性を有するエッジでもある矢印が検査されるべきエッジを示すまで、作業者によって寸法が合わされ、位置決めされ、そして回転させられる。
表面焦点ツールウィジェット820の対象領域がサイズに関して増大或は低減されて、様々な実施形態における最さ決定、表面仕上げ評価等の特定の検査動作に対して使用される適切な表面部分を略含む。
様々な実施形態において、カメラシステム260は使用され、エッジ焦点ツールウィジェット810或は表面焦点ツールウィジェット820を用いて規定される対象領域と略或は等しく対応する限定読出画素集合を提供すべく動作可能である。
これら様々な実施形態において、全体的な対象領域と対応する画素が使用されて、先行して略述したように且つ以下で詳しく説明するように、焦点値を決定する。
様々な実施形態において、オートフォーカス画像に対する焦点値を決定すべく使用される表面焦点計量は対象領域におけるコントラストの度合いを示す。そうした表面焦点計量の一実施形態は画素画像鮮明度の2乗傾斜或は対象領域におけるグレイレベルである。
様々な実施形態において、表面に対して合焦している場合、コントラスト決定は画像鮮明度の平均2乗傾斜或は対象領域内のグレイレベルに基づいている。例えば、以下の等式がそうした実施形態における焦点値を計算する一実施形態を実証している。4つの画素A、B、C、並びに、Dの隙間での点iに対して、
図9は、限定読出画素集合指示ウィジェット870及び875の2つの代替的実施形態をも示す。
限定読出画素集合指示ウィジェット870は、視野の中心における固定位置に配置された複数画素から成る100行の限定読出画素集合と対応する。
限定読出画素集合指示ウィジェット875は、視野の中心における固定位置に配置された複数画素から成る100×100ブロックの限定読出画素集合と対応する。これら代替的な例示的限定読出画素集合は様々な市販カメラによって提供される。
例えば、本発明の様々な実施形態において、指示ウィジェット870に対応する限定読出画素集合が実施可能であれば、限定読出画素集合の垂直寸法は指示ウィジェット870に対応して限定あるいは固定され、垂直及び水平の両寸法が、指示ウィジェット875に対応する限定読出画素集合が実施可能であれば、限定読出画素集合の縦寸法および横寸法は指示ウィジェット875に対応して限定あるいは固定される。
様々な実施形態において、対象領域が必須ではないが好ましくは例えば図9及び図10に略示されるように比較的小さい場合、対象領域の大部分が動作可能な限定読出画素集合と重複する。
このように、固定位置を有する限定読出画素集合を用いる様々な実施形態において、様々な訓練モード動作中に作業者に有用な視覚化された手掛かり或はフィードバックを提供するためにウィジェット810’、820’等のオートフォーカスツール対象領域指示ウィジェットが表示されるとき、ウィジェット870、875等で示されるような適切な限定読出画素集合指示ウィジェットが表示される。
そうした実施形態において、作業者は、限定読出画素集合で指示された領域と少なくとも部分的に重複するように主要点あるいは対象領域を容易に位置決めできる。
そうした実施形態において、限定読出画素集合指示ウィジェット870、875等は提供された重複量の視覚化確認をもたらすべく有効である。
限定読出画素集合指示ウィジェット880A、880B、並びに、880Cは、視野における制御可能な変動位置に配置された固定あるいはデフォルトの100×100の限定読出画素集合と対応している。
従って、本発明の様々な実施形態において、そうした限定読出画素集合が使用される場合、オートフォーカスツールウィジェット810’、820’は、動作可能な限定画素集合に対応した固定あるいはデフォルトのサイズに対して同等あるいはそれより小さいサイズのディスプレイ上に初期的に提示される。
これが為されて、検査されるべきワークの主要点近辺にて対象領域を規定するウィジェットを構造的に捜し出して寸法合わせするために作業者にとって役立つ手掛かりあるいは制約が提供される。
様々な実施形態において、対象領域が例えば図10に概略的に示されるように比較的小さい場合、対象領域の大部分が動作可能な限定読出画素集合と重複することが好ましい。
よって、固定サイズ及び変更可能な配置を有する限定読出画素集合を用いる様々な実施形態において、ウィジェット810’、820’等のオートフォーカスツール対象領域指示ウィジェットが表示される場合、ウィジェット880A、880B、880C等によって指示されたもの等々の適切な限定読出画素集合指示ウィジェットが表示される。
これは、様々な訓練モード動作中に作業者に有効な視覚化手掛かりあるいはフィードバックを提供する。
例えば、様々な実施形態において、位置880Bでの限定読出画素集合の指示された領域の外側に延在するオートフォーカスツールウィジェット820”の部分は、線色或は厚み変化、強調された対応領域等によって強調される。
そうした実施形態において、作業者は限定読出画素集合の指示された領域に重複しない対象領域の部分を容易に認識及び/或は調整、及び/或は、重複部分が充分であるかを決定する。
もし作業者が重複領域が充分ではないと判断すれば、先行して略述した特別モードが様々な実施形態において使用される。
様々な実施形態において、制御ウィジェット830はマウスでクリックされるか、または別の方法によって、自動動作を始動すべく起動されて、対象領域が先行して略述したように、固定された限定読出画素集合の領域と少なくとも部分的に重複するように移動させられる。
反対に、様々な実施形態において、制御ボタン833はマウスでクリックされるか、または別の方法によって、限定読出画素集合、或は、もし必要であれば、特別モードが選択されて読出画素から成る動作可能な集合が規定された対象領域の全てに重複すべく少なくとも充分大きくなる動作モードを選択すべく起動される。
これにより、例えば、異様な形状の或は広範囲な対象領域に対する最良の可能性ある推定最良焦点位置精度を提供する。
これは比較的高速のオートフォーカス動作をも提供する。
対照的に、様々な実施形態において、制御ボタン836はマウスでクリックされるか、または別の方法によって、前述したように、例えば高精度モード等の、推定最良焦点位置を決定する最高精度のモードを提供するオートフォーカスモードを選択すべく起動される。
様々な実施形態において、制御ウィジェット837の制御ボタン838はマウスでクリックされるか、または別の方法によって、例えば、追加的な訓練モード動作へ移るために、訓練モードオートフォーカス実証をバイパスすべく、或は、訓練モードオートフォーカス実証の結果として提供された評価画像によって指示された結果を受け入れるべく完全に規定或は訓練されたオートフォーカスツールの設定を受け入れるべく起動される。
様々な実施形態は、先に略述したように、エッジ焦点ツールウィジェット810或は表面焦点ツールウィジェット820等のオートフォーカスGUIツールと関連されたデフォルトのオートフォーカスパラメータの幾つかの表示及び/或は改善に関して使用可能な例示的ダイアログボックス901を含む。
様々な実施形態において、ユーザは画像測定検査システムのマニュアル或は訓練モード動作中の様々な時にそうしたダイアログボックスを呼び出す。
その後、様々な実施形態において、ユーザは、随時、デフォルトパラメータを用いてオートフォーカスGUIツールをセットアップし実行させる。
表面焦点合わせモードにおいて、ダイアログボックス901は、焦点合わせモード;ツール位置及びサイズ、即ち、オートフォーカス対象領域の公称場所及びサイズ;調査範囲、即ち、様々な実施形態において、任意の使用可能なレンズの被写界深度に関して適用可能となるように正規化される単位である総合的オートフォーカスZスキャン範囲或はオートフォーカス画像範囲;並びに、デフォルト調査タイプ、即ち、様々なオートフォーカス精度及び速度考察と関連して前述したように、様々な他のオートフォーカスパラメータの様々な選択及び/或はそれらの制御に対する基礎を提供する、速度と、例えば、低、中、高の各精度等の精度組み合わせとのタイプ、を指示する表示或はエントリーを含む。
また、更なる他の実施形態において、オートフォーカスツール設定が図式的に観察及び/或は変更される。
よって、様々な実施形態において、本発明のオートフォーカスシステム及び方法は訓練され、様々な使用容易でテキストに基づく図式的な方法を用いてマニュアルで、半自動的に、或は、自動的に使用され、そして、様々な実施形態において、「経験の浅い」ユーザによって、広範囲な個々別々の用途、ワーク特徴、並びに、対象領域に対して、同様に、カスタマイズされるか或は適合される。
ダイアログボックス901の様々な追加的パラメータ設定或は他の有用な代替的形態等は明らかであろう。よって、前述の実施形態は例示的目的のみのものであり、限定するものではない。
様々な実施形態において、カメラシステムは、全体或は最大のカメラ視野以内の相互に異なるサイズの複数の限定読出画素集合の間での選択を為すべく動作可能である。
このX軸の右側の点は、カメラ画素単位等に関してより大きなサイズを有する限定読出画素集合を示す。
X軸の左側の点は、カメラ画素単位等に関してより小さなサイズを有する限定読出画素集合を示す。
図13におけるY軸はフォーカス画像取得速度を示す。このY軸のより高い点は、このY軸のより低い点よりも高速なフォーカス画像取得速度に関する。
例示的且つ理論的な曲線1001は略線形である。しかしながらそれは完全な線形ではなく、その理由は、殆どのカメラの機能的特性が、特定画像に対する限定読出画素集合のサイズにかかわらず変化しないカメラ動作に対する特定のタイミング「オーバーヘッド」によって、線形ではないからである。
同様の実際の曲線はこの発明の原理に従って使用される個々別々のカメラの任意の同様タイプに対して確定され得る。しかしながらあるカメラに対する実際の曲線は、必ずしも別のカメラに対する実際の曲線と同一とは限らない。しかしながら、図13に示されるように、一般に、より小さな限定読出画素集合サイズは本発明の様々な実施形態においてより高速のオートフォーカス画像取得速度となり、そこでは、カメラシステムが全体或は最大のカメラ視野以内で相互に異なるサイズの複数の限定読出画素集合間での選択を為すべく動作可能である。
逆に、より大きなオートフォーカス限定読出画素集合サイズはより低速なオートフォーカス画像取得速度に到るが、所望レベルの精度を提供するために要求され得る。
本発明の様々な実施形態では、高精度モードにおいて、最良焦点位置の高精度の推定を達成するために、限定読出画素集合と重複する領域内に10,000画素程度が含まれるように決定された対象領域に関連して限定読出画素集合は選択される。
X軸はオートフォーカス画像取得速度を示し、図13におけるY軸には同一の動作特性あるいはパラメータが反映されている。
よって、様々な実施形態において、図13に関して記載されたように、フォーカス画像取得速度を決定すれば、許容可能なオートフォーカス運動速度は図14に図示された関係に基づき決定される。
何れの場合も、図14におけるY軸上のより高い場所はより低速なオートフォーカス運動速度と対応している。
よって、比較的より高いあるいは稠密な焦点曲線サンプル密度、あるいは、比較的より小さな最大オートフォーカス画像間隔は、下方かつ図表1100における曲線の右側に生じ、比較的より低いか散在的な焦点曲線サンプル密度、或は、比較的より大きな最大オートフォーカス画像間隔は上方かつ図表1100における曲線の左側に生ずる。
焦点曲線サンプリング密度およびオートフォーカス精度とのその関係は図3及び図4を参照して前述した。
オートフォーカス画像取得中に加速度を用いる実施形態に対して、前記の説明から明らかなように、最大オートフォーカス画像間隔の大きさは、概して、より小さな最大間隔と対応するより大きな稠密か、あるいは、より大きな最大間隔と対応するより散在かの何れかである、「非線形」焦点曲線サンプル密度を決定する。
それ故に、最大オートフォーカス画像間隔の大きさと関係した精度効果は焦点曲線サンプル密度とここに含まれる精度の関係した議論の類推で理解される。
従って、比較的より低い精度のオートフォーカスモード曲線1101は上方かつ図表1100の左側に生じ、そして、比較的より高い精度のオートフォーカスモード曲線1102は下方かつ図表1100の右側に生ずる。
よって、より高い精度のオートフォーカスモード曲線1102に沿った任意の点に従った動作は、一般に、図3に図示されたもののように、より稠密にサンプリングされた焦点対位置の曲線を生成しがちである。
対照的に、より低い精度のオートフォーカスモード曲線1101に沿った任意の点に従った動作は、一般に、図4に図示されたもののように、より散在的にサンプリングされた焦点対位置の曲線を生成しがちである。
2つのみの焦点対位置の曲線は図14に示されるが、種々の曲線の全体的な一群は図表1100におけるより低い曲線に対して、焦点対位置のための比較的より高い精度及びより高いサンプリング密度を表すように存在し、そして、より低い精度は、図表1100におけるより高い曲線に対して、焦点対位置におけるより低いサンプリング密度を表している。
よって、本発明の様々な実施形態において、オートフォーカス精密性の所望レベルを提供する任意の特定のオートフォーカス精度モード曲線のより低い左端に向かう点で動作することは一般に好ましい。
勿論、各カメラは特定のオートフォーカス対象領域サイズに対する最大フォーカス画像取得速度を固有に有する。
これは、本発明の様々な実施形態において最高速許容動作点を決定する。
図14における線1104は、包括的にそうした点を表している。
そうした許容された或は選択された動作点があれば、必要とされたサンプリング密度或は最大オートフォーカス画像サンプル間隔を提供する対応するオートフォーカススキャン運動速度は、容易に決定されて、対応するオートフォーカスパラメータとして使用される。
これは、例えば、図14における線1105及び1106によって指示され、各所望サンプリング密度、最大間隔、或は、精度と対応する、各許容可能なオートフォーカススキャン運動平均速度或は最大速度を包括的に表している。
例えば、様々な実施形態において、オートフォーカススキャン運動速度或は最大速度が選択或は規定された後、図14におけるY軸上で始まり、フォーカス画像取得速度は適用可能な精度モード曲線から決定される。
様々な実施形態において、フォーカス画像取得速度を用いて、許容可能な限定読出画素集合サイズは図13で規定される関係に基づき決定される。
これら様々な実施形態において、フォーカス画像取得速度及び平均或は最大オートフォーカススキャン運動速度の間の機能的関係を規定する曲線は図14に示されるように規定される。
様々な実施形態において、先ず所望精度を選択すれば、オートフォーカススキャン運動速度或はフォーカス画像取得速度は引き続き規定される。
次いで、これら様々な実施形態において、オートフォーカススキャン運動速度及びフォーカス画像取得速度の他方が決定される。
同様に、様々な実施形態において、3つの変数の内の任意の2つの任意の順序付けが生じ、決定される3つの変数の内の最後のものに対する値に到る。
よって、図13及び図14に反映されたカメラ動作特性の考察は、一般に、本発明のオートフォーカスパラメータの所望の組み合わせの選択を促進補助して、オートフォーカス速度及び精度の所望の組み合わせ或は折衷案が最良の形で獲得される。
この最大撮像間隔は中レベルの精度の推定最良焦点位置を提供すべく使用可能である。
最初に、各運動は3.0mmの所望オートフォーカス画像範囲の始めにゼロ速度でスタートすると仮定される。
次いで各運動は0.1g=980mm/(秒)2の同一公称加速度と対応する。これは精密画像測定検査システムによって提供される典型的な最大加速度である。
曲線1501によって示されるように約0.28秒後、速度は30画像/秒の従来のオートフォーカス画像取得速度に対して更に増大され得ない。
これは、所望精度レベルと対応する最大所望撮像間隔がその速度で達成されるからである。
これは約27.7mm/秒である。
よって曲線1501によって指示される運動は3.0mmのオートフォーカス画像範囲の残部を通じて一定速度で続行する。
この速度は、所望オートフォーカス画像範囲の終端で約77mm/秒の最大値に達する。
これは約184mm/秒の許容可能な最大速度に充分少ない。
この許容可能な最大値は、200画像/秒で、92ミクロンの同一最大オートフォーカス撮像距離を提供すべく使用可能である。
30画像/秒の従来の画像取得速度と対応する運動曲線1501と比較して、幾つかの相違及び長所が運動曲線1502に対して明らかであり、それは本発明の様々な実施形態における限定読出画素集合を用いて提供される200画像/秒の比較的より高速なオートフォーカス画像取得速度と対応している。
もし許容可能な最大速度を超えていなければ、これはオートフォーカス動作に対して必要とされる全てにわたる時間を略短縮することになる。
また、加速度が画像取得中に使用された場合、そして特に加速度が充分に制御されず且つ既知でなければ或は何れか一方である場合、短い実効的な露光持続時間、実効的な画像露光時間と関連する決定的なエンコーダ位置ラッチ、並びに/或は、先に略述したようなものを含む本発明の様々な他の方法を用いることが望ましく、画像における非線形のぼけ不明確性が、画像露光中の小さな運動範囲によって低減されるように、そして、公称露光時の実際の位置が時間及び一定して変化する曖昧な速度に基づきその位置を推量する必要性無しに正確に決定させる。
そうした方法は、高い運動速度及び加速度が使用された場合でさえ、本発明の最良焦点位置の高速、単純、並びに、正確である推定を提供する。
従来の画像取得速度や多くの従来のオートフォーカス方法で用いられる対応した束縛されたより低い速度及び一定速度によって、ぼけ不明確性及び位置推量による潜在的な誤りは著しくより少なくなる。
それ故にそうした方法は、画像取得中にZ軸方法に沿ってのより高い速度及び際立った加速度と関連された誤りを低減するために、先に記載された方法を用いることが必要であることを見出さなかった。
加えて、200画像/秒での運動曲線1502に沿って実際に設けられた最大撮像間隔は30画像/秒での運動曲線1501に沿って設けられたものよりも約60%より少ない。こうして、200画像/秒でオートフォーカス方法は、際立ってより高速であり且つ際立ってより高精度である。
図15に示される実施形態において、合焦撮像範囲の少なくとも一部にわたる運動は従来の画像取得速度との組み合わせで可能とできる最高速運動よりも、この発明に従って提供される比較的高速な画像速度に対して少なくとも2.5倍より高速であり、所望の最大距離だけ焦点軸方向に沿って相互に離間する隣接オートフォーカス画像をもたらす。
所望のオートフォーカス撮像範囲に沿ってより高速な加速度を提供すべくこの発明に従って提供される撮像速度が所望のオートフォーカス撮像範囲に入る前の予備的な加速度を含むような様々な他の実施形態において、焦点撮像範囲の少なくとも一部にわたる運動は従来の画像取得速度との組み合わせで可能とできる最高速運動よりも、この発明に従って提供される撮像速度に対して少なくとも5.0倍より高速であり、同一の最大距離だけ焦点軸方向に沿って相互に離間する隣接オートフォーカス画像をもたらす。
本発明のオートフォーカス動作の速度を更に増大するような様々な実施形態において、そうした予備的な加速度が、最大の所望オートフォーカス撮像間隔をもたらすために、この発明に従って提供される比較的高速な画像速度との組み合わせで可能とできる最高速運動と比べて少なくとも90%の速度である合焦撮像範囲の少なくとも一部にわたる運動を提供すべく使用される。
比較的より長い露光持続時間だけをもたらすカメラに対しての第1の関係された考察として、それは、先行して略述したように、全てのオートフォーカス撮像における受け容れ難いぼけ不明確性に到る可能性があるか、或は逆に、比較より高いオートフォーカススキャン運動速度及び/或は比較的高速なオートフォーカス動作を禁止し得る。
この困難性は、加速度や特に比較的漠然とした既知或は可変の加速度がオートフォーカス画像取得中に使用された際には構成される。
それ故にある種の不確定性や誤りは、先行して略述したように、エンコーダ位置が画像露光時間と関連してラッチされたとしても、Z位置を各統合オートフォーカス画像の属性とすることと関連されている。
このようなケースは、特に高倍率レンズ或は小さな被写界深度のレンズを使用した場合、及び/或は、低いオートフォーカス精度要件で比較的低いサンプリング密度及び高い運動速度を可能とする場合に起こる。
例えば、比較的高精密性の用途に適合する一実施形態において、1つ以上の照明光源はワークが所望の最大量移動するような持続時間で、或はより短いストロボタイミング持続時間中にストロボ発光する。
高精密な測定用に意図された様々な実施形態において、ワーク運動の所望の最大量は0.25ミクロン程度である。
例えば、一実施形態において、16.66マイクロ秒露光が15mm/秒の運動速度で利用されて、運動速度が比例的により高速となると共に比例的より短くなることができ、光源の能力だけによって限定されて、減少する露光時速時間にわたって必要とされる総合的な画像露光エネルギーを提供すべく充分な強度を出力する。
更に別の実施形態において、充分な測定精度は、所望のオートフォーカス画像範囲に沿ってのオートフォーカス画像から成る集合内に提供される最大オートフォーカス画像間隔の多くとも0.25倍までの実効的オートフォーカス露光持続時間中に焦点軸に沿っての最大運動に適合することによって提供される。
各種のストロボ光パワーレベルは曲線1201、1202、並びに、1203によって表されている。
オートフォーカス動作に対する様々な所望ストロボ光パラメータを確定する様々な方法は前述した。以下で、1つの例示的方法に関する様々な考察をより詳しく説明する。
照明及び露光に関するこの方法は従来型であり、マシン作業者を含むマニュアル動作及び訓練モード動作中のビジョンマシンの動作に充分に適合している。
先行して述べたように、様々な実施形態において、既知の光源連続照明設定掛ける既知或は標準カメラ統合時間は、その光源に対する総合的露光照明エネルギーを確定する。
図16におけるY軸は、連続照明中の光設定(パワー設定)と等価の画像強度を達成すべく、即ち、その光源に対する同一の総合的露光照明エネルギーを達成すべく、所与のストロボ光パワーに必要なストロボ持続時間と対応する。
ストロボ光パワー曲線1201、1202、並びに、1203の各々は、各曲線に沿った各点で同一である各ストロボ光パワー設定を反映する。
こうして、より高いパワー曲線1203に沿った任意の点に従った動作は、図16に図示されるように、より低い光パワー曲線1202及び1201の内の何れかに沿った対応する(垂直方向に整合する)点に従った動作よりも短いストロボ持続時間を可能とすることになる。3つのみのストロボ光パワー曲線が図16に示されているが、様々な他のストロボ光パワーレベルを表す種々の曲線の全体的な一群が存在する。
図16におけるより高いパワー曲線1203は、一般に、そうした最大パワーレベルを表す。オートフォーカスパラメータとして設定されるそうした最大或は選択パワーレベルが与えられると共に、図16における線1204によって全般的に指示される所望動作点が与えられたならば、要求され符合する総合的露光照明エネルギーを提供する対応するストロボ持続時間が次いで決定されて、図16における線1205及び1206によって指示されるように、対応するオートフォーカスパラメータとして使用される。
線1205及び1206は、各ストロボ光パワーレベルと対応する各ストロボ持続時間を一般的には表す。
例えば、様々な実施形態において、所望ストロボ持続時間はY軸に沿って規定され、次いで対応して要求されるストロボ光源は図表1200におけるX軸値及びY軸値の交点で決定される。
図13、図14、並びに、図16に反映された様々なオートフォーカスシステム動作特性の考察は、本発明のオートフォーカスパラメータの所望の組み合わせの選択を促進補助して、オートフォーカス速度及び精度の所望の組み合わせ或は折衷案を最良の形で獲得する。
ステップS300で始まって、この方法の動作はステップS310へ進み、そこで、パートプログラムが画像測定検査システムに入力される。
次いで、ステップS320で、第1部分プログラム動作が選択される。
次にステップS330で第1部分プログラムが評価されて、それがオートフォーカス動作か否かを決定する。もし第1部分プログラム動作がオートフォーカス動作であれば、動作はステップS340へ進む。もし第1部分プログラム動作がオートフォーカス動作でなければ、動作はステップS580へジャンプする。
ステップS340で識別されるオートフォーカス設定は、オートフォーカス変数或はパラメータから成る確認された集合と図6のステップS230で記録された他の任意の設定とに対応する。これら設定はステップS230に関して先により詳細に記載されている。選択されたレンズに関する情報に加えて、オートフォーカス設定は、様々なオートフォーカス設定に関係する任意のレンズ特定調整或はセットアップ動作に関するので、様々なレンズパラメータに関する情報をも含み得る。
次にステップS350で、様々な画像測定検査システム構成要素のパラメータ及び/或は形態がステップS340で識別されるオートフォーカス設定に従って設定される。
例えば、ステップS350で、対象領域の寸法に関係する様々な設定或は制御パラメータ、所望のオートフォーカス精度及び/或はサンプル密度及び/或は所望オートフォーカス画像範囲に沿った最大オートフォーカス撮像間隔、照明設定、オートフォーカススキャン運動及び/或は最大速度及びスキャンされた範囲、選択レンズのパラメータに基づく制御パラメータ、所望のオートフォーカス撮像範囲等が設定される。
次いで動作はステップS360へ進む。
次にステップS370で、ワークの特定の対象領域は視野内の公称位置に適切に位置決めされる。
次いで、ステップS380で、公称照明が設定される。
ステップS380で設定された公称照明は、図6に関して先に記載された、ステップS180で記憶された公称照明と対応する。次いで動作はステップS390へ前進する。
次いで、ステップS400で、この作業視野が評価されて照明が充分であるか否かを決定する。例えば、様々な実施形態において、自動的に実行される多エリア画像品質ツールの結果がその評価に対して使用される。もしその照明がステップS400で不充分であると決定されれば、動作はステップS410へ前進する。さもなければ、動作はステップS420へジャンプする。ステップS410でその照明は改善される。
例えば様々な実施形態において、この改善は、自動的に実行される多エリア画像品質ツールの結果に基づくか、或は、照明設定を改良するための他の任意の適用可能な既知の或は後に開発された手段による。
次いで動作はステップS390へ戻り、そこで、ワークの別の作業視野がその改善された照明に基づき獲得される。
次いで、ステップS430で、カメラはZ軸に沿っての移動を始める。様々な実施形態において、このカメラ運動は有効なオートフォーカス撮像範囲の外側における予備的な加速度或は速度を含み、所望のオートフォーカス撮像範囲内におけるオートフォーカス画像取得中に連続的かつ公称一定速度である。
様々な実施形態において、このカメラ運動は連続的であり、そして、所望のオートフォーカス撮像範囲の幾分か或は全てを通じて加速する。
本発明の様々な実施形態において、このカメラ運動は非連続的であるか、或は、もし動作可能なオートフォーカス画像が取得されると、他の速度変動を含むかの何れかであるか、或は、それら双方である。
次いで動作はステップS450へ進む。
次に、ステップS470で、少なくとも限定読出画素集合を含むオートフォーカス画像が取得される。
様々な実施形態において、先行して記載されたように、現行のZ軸位置値は取得されたオートフォーカス画像と対応してラッチ或は取得される。次いで動作はステップS480へ進む。
様々な実施形態において、対応するZ軸位置値も記憶される。
次いで、ステップS490で、有効なオートフォーカス撮像範囲に沿って取得されるべき更なるオートフォーカス画像があるかの決定が為される。
様々な実施形態において、これは、先ほどの実際のカメラ位置が有効なオートフォーカス撮像範囲内にまだあるかの決定を含む。
様々な他の実施形態において、これは、例えば既知の画像取得速度及び既知のオートフォーカス運動プロファイルに基づき、有効なオートフォーカス撮像範囲を跨ぐべく既知のオートフォーカス画像の予め決定された数が取得されたかの決定を含む。
もし有効なオートフォーカス撮像範囲に沿って取得されるべき更なるオートフォーカス画像があれば、動作はステップS460へ戻り、そこで、様々な実施形態において、別のオートフォーカス画像取得に備えてカメラをリセットすべく制御信号が送信される。さもなければ、動作はステップS500へ前進し、そこで、Z軸におけるカメラの運動が停止されるか或は次の動作のために再度方向付けられる。
様々な実施形態において、これらの信号は、有効な限定読出画素集合及び有効なオートフォーカス運動と互換性ある画像取得速度と互換性があるか或はそれに基づき決定される予め決定されたタイミングに基づき、Galil運動制御カード#DMC−1730等によって提供される。
様々な実施形態において、これら信号は、デフォルトタイミング、或は、限定読出画素集合に対する有効な画像取得速度と互換性あるか或はそれに基づき決定され、そして、有効なオートフォーカス運動と互換性ある自由継続タイミングに従って提供される。
他の実施形態において、トリガー信号は時間通りの代わりの決定されたオートフォーカス撮像位置に基づく。
更なる他の実施形態において、画像は、「レディー」信号、或は、例えば図13及び図14を参照して先行して略述したように、フォーカス画像取得速度を最大化すべく設計されたデフォルトタイミングに基づき獲得される。
更に他の実施形態において、図5に関して先により詳細に記載されたように、オートフォーカス画像は、様々な実施形態において対応する実際のZ軸位置値のラッチをも制御するストロボ発光コントローラへ送信されるトリガー信号によって始動される信号のカスケードに基づき獲得される。
任意の場合、次にステップS510で、対象領域焦点値が、限定読出画素集合データの記憶された複数の集合の内の少なくとも幾つかのために対象領域内に含まれた画素に対して決定される。
次いで、ステップS520で、ステップS510で決定された対象領域焦点値が分析される。
他の実施形態において、分析は、任意の現在知られている方法或は後に開発された方法によって、推定焦点曲線、推定焦点曲線の部分等を決定された焦点値と一致させることを含む。
例えば、様々な実施形態において、第2次或はそれ以上の多項式は最大の決定された焦点値の境界を定めると共にそれを含む多数の位置に配置された決定された焦点値の内の少なくとも幾つかと一致させられる。
様々な実施形態において、多項式は第5次の多項式である。
最大の決定された焦点値がステップS520で決定される様々な実施形態において、充分な精度或は比較的近似した対象領域焦点位置はその焦点値と対応する推定最良焦点位置として決定される。
ステップS520で推定焦点曲線或は推定焦点曲線の部分が決定された焦点値と一致させられる、より高い精度を有する他の様々な実施形態において、高精度或は比較的より少ない近似的な推定最良焦点位置は一致された焦点曲線のピーク或は対称の線と対応するZ軸位置として決定される。
例えば、多項式が決定された焦点値と一致させられる様々な実施形態において、ピークの場所は一致させられた多項式等の第1の導関数のゼロ交差から決定される。
数々の他の代替的実施形態が、もし充分な或は高い精度の推定最良焦点位置が対象領域に対して決定されるとの条件で、ステップS520及びS530の動作の代わりに使用可能である。次いで動作はステップS540へ進む。
同じように、様々な実施形態において、ステップS510で決定された対象領域焦点値の全ては決定された焦点値の任意の分析がステップS520で行われる前に決定される。
しかしながら様々な実施形態において、ステップS520の動作はステップS510の動作と並列に実行される。
これは、オートフォーカス動作に対してより高速な全体を通じてのスループットを提供し、様々な実施形態においてより少ない時間で所望の検査画像を決定する。
この実施形態において、対象領域焦点値は画像記憶後に直ちに各記憶画像に対して決定され、獲得及び記憶されるべき全ての引き続く画像を待機することがない。
同じように、更なる他の実施形態において、ステップS520の動作の内の幾つかはステップS480及びS490の動作の間で生ずる。
そうした実施形態において、対象領域焦点値だけが画像記憶後に直ちに各記憶画像に対して決定されるばかりではなく、その決定された焦点値の分析も、引き続く画像の取得及び記憶が継続しながら始動される。
次いで、ステップS550で、ワークの少なくとも対象領域の検査画像が取得される。
様々な実施形態において、検査画像は全体的な視野を含む。
様々な実施形態において、ステップS550で獲得された検査画像は、本発明のシステム及び方法の結果として、その画像に対して有効な最良焦点位置と対応する。
次に、ステップS560で、検査画像は検査結果を獲得すべく評価される。
次いで、ステップS570で、ステップS560で獲得された検査結果が記録される。次いで動作はステップS590へジャンプする。対照的、ステップS580で、次の部分プログラムの非オートフォーカス動作が実行される。
次いで動作はステップS590に進む。
もし実行されるべき任意のパートプログラム動作があれば、動作はステップS320へ戻る。
さもなければ、動作はステップS600へ進み、そこで、本方法の動作は停止する。
様々な実施形態において、ステップS530で決定された推定最良焦点位置は、オートフォーカス動作と対応する対象領域における特徴に対する検査座標として使用される。
更には、様々な実施形態において、他の検査動作が対象領域内において何等要求されず、少なくともステップS540及びS550は様々な実施形態において省略される。
様々な実施形態において、ストロボ発光コントローラは対応する実際のZ軸位置値のラッチをも制御する。
次に、この出力されたトリガー信号は、ストロボ発光オートフォーカスモード中の外部的トリガーモードで動作されるシステムフレームグラバーに入力される。
次いで、フレームグラバーはシステムカメラの非同期性リセットを始動する第1信号を発する。これはカメラに対する画像統合シーケンスを始動する。
第2制御信号に応じて、ストロボ発光コントローラは、規定された持続時間と対応する1つ以上の先行して決定された照明源からの照明光パルスを始動する。
様々な実施形態において、第2制御信号はパワーレベルと光パルスの持続時間との双方を規定する。
様々な実施形態において、第2制御信号はその持続時間を制御しつつ、光源が固定或はデフォルトのパワーレベルに従って駆動される。
一般に、ストロボ光パワーレベル及びパルス持続時間は、画像特性に影響する様々な他の要因と組み合わされて典型的には決定される。
よって、様々な実施形態において、第2制御信号は、該第2制御信号の立ち上がりエッジ或はスタートによってトリガーされ得る運動制御カードの高速位置取り込みラッチ入力と直接的に接続される。それに応じて、運動制御カードは、様々な実施形態において、光学的アセンブリの現行位置値をラッチする。
こうして、現行位置値は、後における検索及び分析のために、対応するワーク検査画像と関連して取得されると共に記憶される。
実効的な画像露光タイミング及び持続時間は、勿論、カメラに対する統合シーケンス中の所定の時間にストロボパルスの時間及び持続時間によって制御される。
こうして、様々な実施形態において、Z軸位置のラッチのタイミングと関連するストロボタイミング及び持続時間は、ストロボ持続時間中の既知のZ軸スキャン速度と組み合わされて使用される。
これは、特定の焦点値を有する特定画像と対応するZ軸位置の間の関係を更に改善して、検査画像に対する推定最良焦点位置の決定に先行した関係での誤り及び不確定性を最少化する。
こうして、本発明の様々な実施形態は、画像測定システム動作の他のより劣った反復性及び/或はより劣った重大な局面において、そうした予期できないソフトウェア遅延或はタイミング待ち時間を一般的には含む画像測定検査システム動作環境でさえ、オートフォーカス速度及び精度の非常に良好な組み合わせを可能とする。
また、この発明の原理に従った連続運動を用いて、一連のワーク特徴が高倍率で撮像されると共に検査される場合、大きく拡大された視野の各々は非常に迅速に横切られると共に過ぎ去る非常に小さな被写界深度を有する。
従って、先に記載された方法によって提供される短い露光時間と高い画像取得速度とは、大きく拡大された精密ワークオートフォーカス及び検査画像を増大されたスループットを伴って取得するために特に重要である。
様々な実施形態において、この発明の原理に従った画像測定機検査ソフトウェア方法及び/或は変更の追加だけが後付け変更に含まれる。
従って、先に詳述された本発明の実施形態は例示的なものであり、限定することを意図していない。
様々な変更等が本発明の精神及び範囲から逸脱すること無しに為され得る。
それ故に、ここに提出される特許請求の範囲は、補正が為されようが、既知の或は後に開発された代替、変更変形、改良、並びに/或は、実質的な等価を全て包含することが意図されている。
Claims (26)
- カメラの全視野と対応する画素集合を有するカメラであって、限定読出画素集合の少なくとも1つの形態である画素値を出力すべく動作可能であり、前記限定読出画素集合の前記少なくとも1つの形態が前記カメラの視野の少なくとも1つの方向に沿ってこのカメラの前記全視野よりも実質的に小さいものと対応していることから成るカメラと、少なくとも1つのレンズと、を備える撮像システムと、
焦点軸位置センサを有する焦点軸を含む複数の制御可能な運動軸と、
制御システム部と、
ワークを担う載物ステージであり、該載物ステージ及び前記撮像システムのうちの少なくとも1つが他の少なくとも前記焦点軸に沿っての相対運動を提供すべく移動可能であることからなる載物ステージと、を備えて構成される精密画像測定検査システムを動作させて、
ワークの対象領域を検査するために使用可能な少なくとも近似的な最良焦点位置である推定最良焦点位置を決定する画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法であって、
前記対象領域の少なくとも大部分と前記カメラの視野における限定読出画素集合の少なくとも一部とを重複させる重複工程と、
連続運動を用いて前記焦点軸方向に沿って合焦撮像範囲を横切ることを含む運動を提供する工程と、
実効的な露光及び持続する露光によるオートフォーカス画像を前記連続運動中の前記カメラに入力させる入力工程と、
前記オートフォーカス画像の前記限定読出画素集合の前記画素値を前記連続運動中に前記制御システム部に出力する出力工程であり、前記オートフォーカス画像の前記出力画素値が、前記カメラの視野における少なくとも1つの方向に沿ってこのカメラの前記全視野よりも実質的によりも小さいものと対応していることから成る出力工程と、
前記入力工程及び前記出力工程を反復して、前記合焦撮像範囲に沿った移動時に取得された複数のオートフォーカス画像と対応する複数の限定読出画素集合に対するデータを提供する工程と、
前記複数のオートフォーカス画像のうちの少なくとも幾つかに対して前記焦点軸に沿って各位置を決定する工程と、
複数の前記限定読出画素集合に対するデータの内の少なくとも幾つかと、前記複数のオートフォーカス画像の内の少なくとも幾つかに対する前記焦点軸に沿っての各種位置の内の少なくとも幾つかと、に基づきワークの対象領域を検査するために使用可能な少なくとも近似的な前記最良焦点位置である推定最良焦点位置を決定する工程と、を含み、
前記出力動作の前記出力画素値が前記カメラの全視野と対応する前記全画素集合を出力するために必要な時間より実質的に短い時間で出力され、
前記入力及び出力を為す工程を反復する工程が、入力画像の入力と前記カメラの全視野と対応する画素集合の出力とに対応する標準時間よりも短い低減時間以内で実行され、
前記複数のオートフォーカス画像が前記低減時間と前記提供された運動とに少なくとも部分的に依存するように前記合焦撮像範囲に沿って分布されて隣接するオートフォーカス画像の各位置間における前記焦点軸に沿っての最大間隔が、少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記推定最良焦点位置を所望レベルの精度まで決定するために動作し、
前記合焦撮像範囲の少なくとも一部にわたる前記運動が、前記標準時間と組み合わされて許容可能な最高速の運動よりも実質的により高速となって、隣接オートフォーカス画像の各位置間のその最大間隔によって前記焦点軸方向に沿って離間されている隣接オートフォーカス画像を仮想的に作り出すことからなる画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 前記対象領域の前記少なくとも大部分が前記対象領域の全てを含む請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。
- 限定読出画素集合の前記少なくとも1つの形態が選択可能な場所と前記カメラの視野の少なくとも1つの寸法に沿っての選択可能な範囲とのうちの少なくとも一方を有する複数画素から成る集合を含み、
前記重複工程が、選択可能な場所と前記限定読出画素集合を前記対象領域の前記少なくとも大部分と重複させる選択可能な範囲とのうちの少なくとも一方に従った前記カメラの動作を含む請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 限定読出画素集合の前記少なくとも1つの形態が前記少なくも1つの方向に沿っての前記カメラの視野に対して固定されるスパンを有する複数画素から成る集合を含み、
前記整合工程が、前記対象領域の前記少なくとも大部分を前記限定読出画素集合と重複させる位置に従って前記撮像システムに対して前記ワークの位置決めを含む請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 前記焦点軸に沿っての各位置を決定する前記工程が、前記複数のオートフォーカス画像のうちの前記少なくとも幾つかの各々と対応する少なくとも前記焦点軸位置センサの各位置出力を決定することを含み、
前記各位置出力の各々が前記対応する各実効的露光時間と相関するタイミングを有する請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 前記各位置出力と、前記複数のオートフォーカス画像の前記少なくとも幾つかの各々と対応する前記出力画素値と、が前記制御システム部によって記憶され、
前記焦点軸位置を決定する前記工程が前記各位置出力と前記複数のオートフォーカス画像のうちの前記少なくとも幾つかの各々と対応する前記出力画素値との全てが記憶された後に完了する請求項5に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 各第1制御信号が各実効的露光持続時間のスタートを決定し、前記各位置出力を決定する前記工程が前記各第1制御信号に対して決定的なタイミングで前記各位置出力を取り込むことを含む請求項5に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。
- 前記連続相対運動が加速を含み、
前記オートフォーカス画像のうちの少なくとも幾つかがその加速中に入力される請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 先ず、各種位置の提供、入力、出力、反復、決定と、前記推定最良焦点位置の決定との諸工程を、比較的より大きな最大間隔を伴う比較的より大きな合焦撮像範囲にわたって実行し、
前記推定最良焦点位置の決定が比較的より良好な近似的焦点位置の決定を含み、
次に、各種位置の提供、入力、出力、反復、決定と、前記推定最良焦点位置の決定との諸工程を、比較的より小さな最大間隔を伴う前記決定された比較的より良好な近似的焦点位置を含む比較的より小さな画像範囲にわたって実行し、
前記推定最良焦点位置を決定する前記工程が、比較的より劣った近似的最良焦点位置を決定することを含み、
そして、前記より劣った近似的焦点位置が少なくとも前記対象領域における前記ワークを検査するために使用される請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。 - 前記焦点軸位置が少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記決定された推定最良焦点位置で設定され、検査画像がその位置で取得され、そして、その検査画像が少なくとも前記対象領域における前記ワークを検査するために使用される請求項1に記載の推定最良焦点位置決定制御方法。
- 少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記決定された推定最良焦点位置が、その位置で前記精密画像測定検査システムの前記焦点軸位置を実際に設定することなしに、前記対象領域において検査されるべき特徴に対する特徴座標値として使用される請求項1に記載の画像測定検査システムの推定最良焦点位置決定制御方法。
- カメラの全視野と対応する画素集合を有するカメラであって、限定読出画素集合の少なくとも1つの形態である画素値を出力すべく動作可能であり、限定読出画素集合の前記少なくとも1つの形態が前記カメラの視野の少なくとも1つの寸法に沿って該カメラの前記全視野よりも実質的に劣ったものと対応していることから成るカメラと、少なくとも1つのレンズと、を備える撮像システムと、
焦点軸位置センサを有する焦点軸を有する複数の制御可能な運動軸と、
制御システム部と、
ワークを担う載物ステージであって、この載物ステージ及び前記撮像システムのうちの少なくとも1つが他の少なくとも前記焦点軸に沿っての相対運動を提供すべく移動可能であることから成る載物ステージと、
ワーク画像を表示すべく使用可能な表示部と、
少なくとも1つのオートフォーカスツールを含んだ複数のユーザインターフェース要素を有するグラフィカルユーザインターフェースと、を備えて構成された前記精密画像測定検査システムに対して、ワークの対象領域を検査するために使用可能な少なくとも近似的に最良焦点位置である推定最良焦点位置を自動的に決定すべく使用可能なマシン制御命令から成る集合を決定するための訓練モード動作の制御方法であって、
対象領域を規定するとともに、この対象領域の少なくとも大部分と重複する限定読出画素集合を規定する工程であって、少なくとも前記対象領域がオートフォーカスツールの動作と関連されたオートフォーカスウィジェットを用いて規定され、そのオートフォーカスウィジェットが前記ワークの表示画像上に位置決め可能であり、前記出力画素値が前記カメラの視野における少なくとも1つの寸法に沿っての該カメラの全視野よりも実質的により小さいものと対応し、オートフォーカス画像の前記限定読出画素集合の前記画素値が、前記カメラの全視野と対応する前記全画素集合を出力するために必要とされる時間よりも実質的により短い時間で前記制御システム部に出力可能であることからなる対象領域を規定するとともに限定読出画素集合を規定する工程と、
前記対象領域に対するオートフォーカス動作から成る集合を決定すべく使用可能なオートフォーカスパラメータから成る集合を規定する工程と、
前記対象領域に対するオートフォーカス動作から成る集合を決定する工程であって、実行モード合焦撮像範囲を決定し、連続運動を用いて前記焦点軸方向に沿っての前記合焦撮像範囲を横切ることを含む実行モードオートフォーカス運動を決定し、前記連続運動中にオートフォーカス画像を前記カメラ内に入力するために使用可能な実行モード照明レベル及び露光持続時間を決定するオートフォーカス動作から成る集合を決定する工程と、
反復的な、実効的な露光時間及び露光持続時間を有する各種オートフォーカス画像の入力と、前記連続運動中に前記合焦撮像範囲に沿って分布された複数のオートフォーカス画像と対応する複数の限定読出画素集合に対する各データの出力と、を決定すべく諸動作を提供する工程と、
前記複数のオートフォーカス画像のうちの少なくとも幾つかに対する前記焦点軸に沿っての各位置を決定すべく諸動作を提供する工程と、を含み、
複数の限定読出画素集合に対する前記データの内の少なくとも幾つかと、前記複数のオートフォーカス画像のうちの少なくとも幾つかに対する前記焦点軸に沿っての前記各位置のうちの少なくとも幾つかと、に基づき、ワークの対象領域を検査するために使用可能である少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記推定最良焦点位置を決定すべく諸動作を提供する工程と、
前記決定された反復的な、各オートフォーカス画像の入力と複数の限定読出画素集合に対する各データの出力とが、入力画像の入力と前記カメラの全視野と対応する画素集合の出力とに対応する標準時間より少ない低減時間以内で実行され、
前記複数のオートフォーカス画像が前記低減時間と前記オートフォーカス運動とに少なくとも部分的に依存するように前記合焦撮像範囲に沿って分布されて、隣接するオートフォーカス画像の各位置の間の前記焦点軸に沿っての最大間隔が、少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記推定最良焦点位置を所望レベルの精度まで決定するために動作し、
前記オートフォーカス運動が前記標準時間と組み合わされて許容可能な最高速の運動よりも、前記合焦撮像範囲の少なくとも一部にわたる前記焦点軸に沿って、実質的により高速となって、隣接オートフォーカス画像の各位置の間のその最大間隔を仮想的に作り出すことから成る画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。 - 隣接オートフォーカス画像の前記各位置間の前記焦点軸に沿っての前記最大間隔が多くとも所定限界と同等である請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記所定限界が現行レンズの少なくとも1つのレンズ特性に基づき決定される請求項13に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記レンズ特性が、a)前記現行レンズに対して予想される公称焦点曲線幅、及び、b)前記現行レンズに対して予想される公称焦点曲線幅を少なくとも部分的に決定する特性のうちの一方を含み、前記所定限界が前記現行レンズに対して前記予想される公称焦点曲線幅と実効的に且つ近似的に比例する請求項14に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記制御システム部が前記対象領域の少なくとも大部分と重複する限定読出画素集合を自動的に規定する請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 限定読出集合の前記少なくとも1つの形成が所定のサイズ及び形状を有する限定読出画素集合を含み、
前記オートフォーカスツールウィジェットが前記ワークの画像上に表示される時間の少なくとも一部の間に前記所定のサイズ及び形状を有するウィジェットも表示されて前記限定読出画素集合の場所を指示する請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。 - 限定読出画素集合の前記少なくとも1つの形態が少なくとも1つの方向に沿っての前記カメラの視野に対して固定される前記少なくとも1つの方向に沿ってのスパンを有する形態を含み、
対象領域が前記スパンの外側に規定される場合、前記制御システム部が、前記対象領域の前記少なくとも大部分を前記少なくとも1つの方向に沿っての前記スパン以内に位置決めする少なくとも1つのマシン制御命令を自動的に生成すべく動作できる請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。 - 前記焦点軸に沿っての各位置の前記決定が前記複数のオートフォーカス画像のうちの少なくとも幾つかに対する少なくとも前記焦点軸位置センサの各位置信号を前記制御システム部に入力することを含み、
前記各位置信号の各々が前記対応する各実効的露光時間と相関する実効的タイミングと対応している請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。 - 前記精密画像測定検査システムが、一定照明モードとストロボ照明モードの双方で動作可能である少なくとも1つの制御可能な照明源を更に含み、
オートフォーカスパラメータから成る集合を決定する工程が、
既知のカメラ露光持続時間中に前記一定照明モードにおいて少なくとも1つの照明源を動作して、オートフォーカス画像を前記カメラに入力するために使用可能な許容可能な総合露光照明エネルギーを決定することと、
前記ストロボ照明を用いて前記連続運動中に前記カメラにオートフォーカス画像を入力するために使用可能な照明レベル及び実効的な露光持続時間を決定するストロボ制御パラメータを決定し、前記ストロボ照明レベル及び露光持続時間が前記連続照明と少なくとも近似的に同一である統合露光持続照明エネルギーを提供することと、を含む請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。 - 前記決定された動作と略機能的に同様である動作を自動的に実行し、ユーザ評価に対して少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記結果として決定された推定最良焦点位置で取得された画像を自動的に表示する訓練モード実証を提供する工程を更に含む請求項20に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記焦点軸位置を前記推定最良焦点位置に設定し、その位置で検査画像を取得し、そして、少なくとも前記対象領域内における前記ワークを検査するためにその検査画像を用いる諸動作を提供する工程を更に含む請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記対象領域において検査されるべき特徴に対する特徴座標値として少なくとも近似的に前記最良焦点位置である前記推定最良焦点位置を、その位置で前記精密画像測定検査システムの前記焦点軸位置を実際に設定することなしに、設定する諸動作を提供する工程を更に含む請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記推定最良焦点位置と最も密接する前記焦点軸に沿っての前記各位置を有する前記各限定読出画素集合データを選択して、その推定最良焦点位置で前記精密画像測定検査システムの前記焦点軸位置を実際に設定することなしに、前記対象領域における前記ワークを検査するための前記各限定読出画素集合データを用いる諸動作を提供する工程を更に含む請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- マイン制御命令からの前記集合を生成して記憶する工程を更に含む請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
- 前記決定された動作と略機能的に同様である動作を自動的に実行し、ユーザ評価に対して前記結果としての推定最良焦点位置で取得された画像を自動的に表示する訓練モードで実証シーケンスを提供する工程を更に含む請求項12に記載の画像測定検査システムの訓練モード動作の制御方法。
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