JP2014238400A - 露光制御が強化された構造化照明投影 - Google Patents

露光制御が強化された構造化照明投影 Download PDF

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Abstract

【課題】露光制御が強化された構造化照明投影を提供する。【解決手段】精密マシンビジョン検査システム１００内のカメラ２６０による画像取得中にワークピース２０を照らすための、構造化照明パターン生成部を制御する。制御可能な空間光変調器（例えばデジタル光処理プロジェクタ）が、構造化照明パターンを生成するための生成部の一部である。パターンは、各ストライプを横切る正弦波的なグレイレベル強度変化を含むストライプアレイを含み得る。グレイレベルの変化を含む完全な構造化照明パターン生成の反復を画像合成期間中に複数回繰り返すことにより、全体的な画像露光が高められる。ワークピースの表面プロファイルを求めるための構造化照明顕微鏡法が利益になる場合があり、複数の画像のそれぞれについて異なる位相の構造化光パターンを投影する方法を使用することにより、それぞれの焦点位置において複数の画像が解析されるために取得される。【選択図】図２

Description

本発明は、マシンビジョン検査システムにおける構造化照明パターン生成部の制御方法に関する。
精密マシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）は、被検査物体の精密な寸法測定を取得し、物体の他の様々な特徴を検査するために利用することができる。かかるシステムは、コンピュータ、カメラ及び光学系、ワークピースを検査できるようにするために複数の方向に移動可能な精密ステージを含み得る。汎用「オフライン」精密ビジョンシステムとして特徴付けることができる従来技術の一例示的システムは、イリノイ州Auroraに所在のMitutoyo America Corporation（MAC）から入手可能なQUICK VISION（登録商標）シリーズのＰＣベースのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアである。QUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作は、例えば、２００３年１月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide及び１９９６年９月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guideの中で全体的に説明されている。この種のシステムは、顕微鏡型の光学系を使用し、小さいワークピース又は比較的大きいワークピースの検査画像を様々な倍率で提供するようにステージを動かすことができる。
QUICK VISION（商標）システムなどの汎用精密マシンビジョン検査システムは一般に、自動ビデオ検査を行うためにプログラム可能でもある。米国特許第６，５４２，１８０号（’１８０号特許）では、そのような自動ビデオ検査の様々な態様が教示されている。’１８０号特許において教示されるように、自動ビデオ検査の測定機器は一般にプログラミング機能を有し、このプログラミング機能により、利用者は自動検査イベントシーケンスを特定のワークピース構成ごとに定義することができる。これは、例えばテキストベースのプログラミングにより、又はグラフィカルユーザインタフェースの補助によって利用者が実行する検査動作シーケンスに対応するマシン制御命令シーケンスを記憶することにより、検査イベントシーケンスを次々に「学習」する記録モードにより、又は両方の方法の組合せにより実施することができる。かかる記録モードは多くの場合「学習モード」、「トレーニングモード」、又は「記録モード」と呼ばれる。検査イベントシーケンスが「学習モード」で規定されると、そのシーケンスを用いて「実行モード」中にワークピースの画像を自動で取得する（更には解析又は検査する）ことができる。
特定の検査イベントシーケンス（即ち各画像を取得する方法及び各取得画像を解析／検査する方法）を含むマシン制御命令は一般に、特定のワークピース構成に固有の「パートプログラム」又は「ワークピースプログラム」として記憶される。例えばパートプログラムは、ワークピースに対してカメラを位置決めする方法、照明レベル、倍率レベル等の各画像を取得する方法を定める。更にパートプログラムは、例えばエッジ／境界検出ビデオツールなどの１つ以上のビデオツールを使用することにより、取得画像を解析／検査する方法を定める。
手動での検査及び／又はマシン制御動作を実現するために、ビデオツール（又は略して「ツール」）及び他のグラフィカルユーザインタフェースの機能を手動で（「手動モード」で）使用することができる。自動検査プログラム又は「パートプログラム」を作成するために、それらの機能のセットアップパラメータ及び動作も学習モード中に記録することができる。ビデオツールは、例えばエッジ／境界検出ツール、オートフォーカスツール、形状又はパターン照合ツール、寸法測定ツール等を含み得る。複雑なハードウェア及びソフトウェアの動作及び／又は解析が、様々なビデオツール及び／又は選択可能な動作モードに関連して自動で（例えば利用者による監視及び／又は介入を必要とすることなしに）行われることが一般に望ましい。その場合、より優れた測定精度及び／又は信頼性を実現するために、比較的未熟な利用者でもそのような複雑な動作及び／又は解析を容易に且つ「透過的効果的」に実施することができる。
かかるシステムでは、ミクロン又はサブミクロン範囲の精度がしばしば望まれる。これはＺ高さの測定に関してとりわけ難しい。Ｚ高さの（カメラ系の光学軸に沿った）測定値は、一般的に、オートフォーカスツールによって決定されるような「最良の焦点」位置から得られる。最良の焦点位置を決定することは、一般に複数の画像から得られる情報を組み合わせ及び／又は比較することによる比較的複雑なプロセスである。従って、Ｚ高さの測定に関して達成される精度及び信頼性のレベルは、多くの場合、Ｘ及びＹ測定軸に関して達成されるレベルよりも低い。ここで、測定は、典型的には単一画像内の特徴関係に基づいている。最近では、測定の分解能及び精度を、単純な撮像に通常関連する光学限界を超えて（例えばミクロン及びサブミクロンレベルまで）高めるために、「構造化照明顕微鏡」（ＳＩＭ）法と一般に呼ばれる既知の技術が、顕微鏡測定及び検査システムに組み込まれている。
簡単に言えば、多くのＳＩＭ法は、第１の画像内で光ストライプのパターンをワークピース上に投影し、次いで第２の画像内でそのワークピース上のパターンをストライプに対して横にシフトし、第３の画像又はそれ以降の画像でも同じように続けることを含む。その結果生じる画像は、以下でより詳細に説明するように、表面測定の分解能を改善するために既知の方法に従って解析することができる。かかる技術はＸ、Ｙ、及び／又はＺの測定を向上させることができる。しかし、（例えばパターンを形成しシフトするための）既知の構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成サブシステム内で使用されるシステム及び方法は、これまで、実用されるＳＩＭシステムの経済性、汎用性、並びに／又は分解能及び精度の改善を、望ましくない方向に限定してきた。一部の解析方法では、ストライプが、当該ストライプ全体にわたって正弦波強度プロファイルを示すことが望ましい。最先端の技術を示す参考文献として、Optical Engineering 50(12), 123603 (December 2011)の中のEkstrand及びZhangによる論文、“Autoexposure for Three-Dimensional Shape Measurement Using a Digital-Light-Processing Projector”では以下のように述べられている：
画像の露光を自動で調節可能な方法を開発することは、高精度の三次元形状測定に極めて重要である。投影される干渉縞の強度を調節することは選択肢の１つである。・・・しかし、干渉縞は典型的には８ビット（２５６グレイスケール値）に制限される。更に、最大グレイスケール値を変更することは、縞コントラストが変わるので、測定の信号対雑音比（ＳＮＲ）に通常影響を与える。・・・従って、カメラの露光時間を調節するのが最良の選択肢であるように思われる。しかし、デジタル光処理「ＤＬＰ」プロジェクタ上で表示される従来の正弦波干渉縞については、０から２５５までのグレイスケール値を生成するためにプロジェクタが時間変調を使用するので、カメラの露光時間を任意に選択することはできない。・・・カメラの露光時間を調節する最小ステップは、そのチャネル投影時間（例えば１２０Ｈｚのプロジェクタでは８．３３ｍｓ）である。このステップサイズは、典型的には実際の露光調節に必要なステップサイズよりも１〜２桁大きい。
８ビット超の分解能を事実上含む、予め作成されたグレイスケール投影マスクを使用することにより、この問題を解決した者もいる。画像の露光は、露光時間によって制御することができる。Ekstrand及びZhangは、プロジェクタデフォーカス法（Projector defocusing technique）を含む、この問題に対する解決策を提案している。Ekstrand及びZhangの技術は、非正弦波構造化パターン（例えばバイナリパターンを含む）を使用し得る。正弦波ストライプパターンは、プロジェクタの焦点を適当にはずすことにより実現する。このデフォーカス法はＤＬＰに対するグレイスケール生成の必要性を軽減するので、所望の画像露光を実現するために、「任意の」露光時間をＤＬＰと共に使用することができる。
上記の解決策は、正弦波縞模様を多様な露光時間で投影できるようにするが、これらの解決策には望ましくない特徴がある。例えば、「固定された」マスクは汎用性を欠き、ワークピース上のパターン位置の所望のシフトを行うために、高価且つ巨大な機械変換システムを必要とする。Ekstrand及びZhangのデフォーカス法は、デフォーカスを行うために追加の及び／若しくは調節可能な光学要素を必要とする場合があり、最小の「デフォーカス」ストライプ間隔の観点において汎用性が制限される場合があり、並びに／又は、一部の精密マシンビジョン検査システムで使用されるＺ高さ「ＰＦＦ：points from focus」技術に使用される焦点変化に対して、望ましくない及び／若しくは予測不能な干渉を引き起こす場合がある。従って、多岐にわたる露光レベルにおいて優れたグレイスケール分解能を含む構造化照明パターン（ＳＩＰ）を経済的に生成するための改善された方法が望まれる。
精密マシンビジョン検査システム内のカメラ部による画像の取得中に、構造化照明パターンによってワークピースを照らすために使用される構造化照明パターン生成部を制御するための方法を提供する。構造化照明パターン生成部は、構造化照明パターンコントローラ、制御可能な空間光変調器（ＳＬＭ）、及び光発生器を含む。制御可能なＳＬＭ（例えばマイクロミラーアレイなどのデジタル光処理アレイ）は構造化照明パターンを生成するために制御され、光発生器はＳＬＭに光を放射する。カメラの画像合成期間中に画像が取得される。この画像合成期間中、グレイレベルの変化を含む第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、全体的な露光が第１の露光増分だけ高められる。この画像合成期間中、グレイレベルの変化を含む少なくとも第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、全体的な露光が少なくとも第２の露光増分だけ更に高められる。
様々な実装形態において、第２の露光増分と第１の露光増分はほぼ同じとすることができる。光発生器は、第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復中にほぼ同じ放射強度を発するように動作され得る。この放射強度の最大制御可能放射強度に対する比は０．６を上回り得る。構造化照明パターンは、ストライプ全体を横切るグレイレベル強度のほぼ正弦波的な変化を含むストライプアレイを含み得る。
少なくとも第２の露光増分は、第１の及び第２の露光増分よりも低い、最下位ビット（ＬＳＢ）露光増分を更に含み得る。この方法は、第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復中に第１の放射強度を発し、ＬＳＢ露光増分に対応する完全な構造化照明パターンの反復中に、第１の放射強度を下回るＬＳＢ放射強度を発するように光発生器を動作させるステップを更に含み得る。
カメラの画像合成期間を期間ＴＩＰとすることができ、この方法は、それぞれの期間ＴＣＰｉ内で、グレイレベルの変化を含む各完全な構造化照明パターンの反復を生成するステップを更に含むことができ、それぞれの期間ＴＣＰｉはＴＩＰ／４以下である。それぞれの期間ＴＣＰｉの少なくとも１つは、構造化照明パターン生成部によって認められる最短期間に相当し得る。
カメラの画像合成期間を、Ｎ個の等しい副期間ＴＣＰｎを含む期間ＴＩＰとすることができ、この方法は、グレイレベルの変化を含む各完全な構造化照明パターンの反復をそれぞれの副期間ＴＣＰｎ内で生成するステップを更に含むことができる。構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部は、少なくとも１つのそれぞれの副期間ＴＣＰｎ内で露光増分が生じないように更に動作され得る。
第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成するステップは、第1のパターン細分露光シーケンスを生成するステップを含み、第１のパターン細分露光シーケンスは、複数の第1の反復細分時間において複数の第1の反復細分時間の各々に対応する複数のパターン部を露光することであって、複数の第１の反復細分時間の各々において、光発生器からの第1の反復強度の光をそれぞれ用いて、対応するパターン部を露光する、ことを含むことができる。第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成するステップは、第２のパターン細分露光シーケンスを生成するステップを含み、第２のパターン細分露光シーケンスは、複数の第２の反復細分時間において複数の第２の反復細分時間の各々に対応する複数のパターン部を露光することであって、複数の第２の反復細分時間の各々において、光発生器からの第２の反復強度の光をそれぞれ用いて、対応するパターン部を露光する、ことを含むことができる。少なくとも第１の及び第２のパターン細分露光シーケンスは同一とすることができる。
少なくとも第２の露光増分は、第１の及び第２の露光増分と異なるＬＳＢ露光増分を含むことができる。この方法は、ＬＳＢパターン細分露光シーケンスを生成することでグレイレベルの変化を含む完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、ＬＳＢ露光増分を生成するステップを更に含み得る。ＬＳＢパターン細分露光シーケンスは、複数の反復細分時間において複数のＬＳＢ反復時間の各々に対応する複数のパターン部を露光することであって、複数のＬＳＢ反復時間の各々において、光発生器からのＬＳＢ反復強度の光をそれぞれ用いて、対応するパターン部を露光することを含むことができる。この方法は、（ａ）それぞれのＬＳＢ反復強度を対応するそれぞれの第１の及び第２の反復強度未満にするステップ、及び（ｂ）それぞれのＬＳＢ反復細分時間を対応する第１の及び第２の反復細分時間未満にするステップの少なくとも１つを更に含むことができる。或いはこの方法は、（ａ）それぞれのＬＳＢ反復強度を対応するそれぞれの第１の及び第２の反復強度を上回るようにするステップ、及び（ｂ）それぞれのＬＳＢ反復細分時間を対応する第１の及び第２の反復細分時間を上回るようにするステップの少なくとも１つを更に含むことができる。
カメラの画像合成期間を、Ｎ個の等しい副期間ＴＣＰｎを含む期間ＴＩＰとすることができる。第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復は約１００％のデューティサイクルに対応することができ、それぞれ１つの副期間ＴＣＰｎの間に行われ得る。０％又は１００％のデューティサイクルに対応する構造化照明パターンが期間ＴＩＰの残りの副期間ＴＣＰｎの間に与えられる状態で、０％から１００％の間のデューティサイクルに対応するＬＳＢ構造化照明パターンが１つの副期間ＴＣＰｎの間に行われ与えられ得る。
取得画像は、取得される画像のスタックの１つとすることができる。所与のＺ高さにおいて取得されるスタック画像ごとに、ＳＩＰ生成部によって与えられるＳＩＰが対応するＺ高さにおいて他のスタック画像について与えられるＳＩＰに対して位相シフトされるように、画像のスタックは構造化照明顕微鏡法を利用して取得することができる。スタック内の各画像を取得するために、第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復が繰り返されてもよい。
図面の説明
本発明の上記の態様及び付随する利点の多くは、添付図面と併せて解釈するとき、以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるため、より容易に理解される。
汎用精密マシンビジョン検査システムの様々な典型的構成要素を示す図である。 図１のマシンビジョン検査システムと同様であり、構造化照明パターン生成器及び本明細書に記載の他の機能を含む、マシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョン構成要素部のブロック図である。 図２に示す構造化照明パターン生成器の一例示的実施形態を含むブロック図である。 画像露光期間中のグレイレベル照明パターン生成シーケンスのための、図３に示すような空間光変調器で使用される或る典型的方法を概略的に示す図である。 異なる位相を有する３つの構造化照明投影パターンのシーケンス及び対応する捕捉画像、並びに変調度を求めるための単一ピクセルの関連する測定強度曲線を含む、既知のＳＩＭ技術を示す図である。 対応する焦点高さにおいて図５と同様のシーケンスを使用するＳＩＭ技術、並びにピクセルに関連付けられる最良の焦点高さ及び／又はＺ高さを示すピーク変調を求めるための関連する変調度曲線を示す図である。 画像露光シーケンス中に焦点軸に沿って移動している面を照らすときに生じる照明焦点の問題に関し、図４に示す典型的なグレイレベル照明パターン生成シーケンスを示す図である。 多岐にわたる露光レベルにおいて優れたグレイスケール分解能を含むＳＩＰを生成するために、図３に示すような構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成器を制御するための、本明細書に開示する方法の一例示的実施形態を示すタイミング図である。 画像の取得中に構造化照明パターン生成部を制御するためのルーチンの一例示的実施形態を示す流れ図である。
本発明の様々な実施形態を以下に記載する。以下の説明では、これらの実施形態を完全に理解し、実施するための具体的詳細を示す。但し、本発明はこれらの詳細の多くを欠いて実施できることを当業者なら理解されよう。更に、様々な実施形態の関連する説明を不要に曖昧にするのを避けるために、良く知られている一部の構造又は機能を詳しく図示し又は説明しない場合がある。以下に示す説明の中で使用する用語は、本発明の或る特定の実施形態の詳細な説明と共に使用されていても、その最も広い妥当な方法で解釈されることを意図する。
図１は、本明細書に記載の方法に従って使用可能な或る例示的な精密マシンビジョン検査システム１０の様々な典型的構成要素を示すブロック図である。マシンビジョン検査システム１０はビジョン構成要素部１２を含み、ビジョン構成要素部１２は、データ及び制御信号をやり取りするために制御コンピュータシステム１４に動作可能に接続される。制御コンピュータシステム１４は、データ及び制御信号をやり取りするために、モニタ又はディスプレイ１６、プリンタ１８、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６と更に動作可能に接続される。モニタ又はディスプレイ１６は、マシンビジョン検査システム１０の動作の制御及び／又はプログラミングに適したユーザインタフェースを表示し得る。様々な実施形態において、タッチスクリーンタブレットなどが、コンピュータシステム１４、ディスプレイ１６、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６の何れか若しくは全てと置換されてもよく、且つ／又はそれらの何れか若しくは全ての機能を重複して提供してもよいことが理解される。
当業者は、制御コンピュータシステム１４が一般に如何なるコンピューティングシステム又は装置から成ってもよいことを理解するであろう。適切なコンピューティングシステム又は装置には、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記の何れかを含む分散コンピューティング環境などが含まれ得る。かかるコンピューティングシステム又は装置は、本明細書に記載の機能を実行するためのソフトウェアを実行する１個又は複数のプロセッサを含み得る。プロセッサには、プログラム可能な汎用又は専用マイクロプロセッサ、プログラム可能コントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能論理デバイス等、又はかかるデバイスの組合せが含まれる。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等、又はかかる構成要素の組合せの中に記憶され得る。ソフトウェアは、磁気又は光学ベースのディスク、フラッシュメモリデバイス、又はデータを記憶するための他の任意の種類の不揮発性記憶媒体など、１個又は複数の記憶装置の中に記憶されてもよい。ソフトウェアは、特定のタスクを実行し、又は特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含むことができる。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールの機能を組み合わせても、又は複数のコンピューティングシステム若しくは装置間に分散させてもよく、そして、有線又は無線構成でサービスコールによってアクセスしてもよい。
ビジョン構成要素部１２は、可動式ワークピースステージ３２と光学撮像系３４とを含み、光学撮像系３４はズームレンズ又は交換式レンズを含み得る。ズームレンズ又は交換式レンズは一般に、光学撮像系３４によって与えられる画像に様々な倍率を提供する。マシンビジョン検査システム１０は概して、上記で論じたQUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェア並びに同様の市販されている最新の精密マシンビジョン検査システムと同等のものである。マシンビジョン検査システム１０は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第７，４５４，０５３号、同第７，３２４，６８２号、同第８，１１１，９０５号、及び同第８，１１１，９３８号にも記載されている。
図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様であり、構造化照明パターン生成器及び本明細書に記載の他の機能を含む、マシンビジョン検査システム１００の制御システム部１２０及びビジョン構成要素部２００のブロック図である。以下でより詳細に説明するように、制御システム部１２０は、ビジョン構成要素部２００及び制御可能な構造化照明パターン生成部３００を制御するために利用される。制御システム部１２０は、ビジョン構成要素部２００及び構造化照明パターン生成部３００の双方とデータ及び制御信号をやり取りするように構成され得る。
ビジョン構成要素部２００は、光学アセンブリ部２０５、光源２２０、２３０、２４０、及び中央透明部２１２を有するワークピースステージ２１０を含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０が配置され得るステージの面に略平行な平面にあるＸ軸及びＹ軸に沿って移動制御可能である。光学アセンブリ部２０５は、カメラ系２６０、交換式対物レンズ２５０を含み、レンズ２８６及び２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０を含んでもよい。ターレットレンズアセンブリの代わりに、固定式の若しくは手動で交換可能な倍率変更レンズ、又はズームレンズ構成等が含まれてもよい。
アクチュエータを駆動して光学アセンブリ部２０５をＺ軸に沿って移動させ、ワークピース２０の画像のフォーカスを変える制御可能モータ２９４を使用することにより、Ｘ軸及びＹ軸に略直交するＺ軸に沿って、光学アセンブリ部２０５を移動制御可能である。当然ながら他の実施形態では、ステージを静的な光学アセンブリに対して既知の方法でＺ軸に沿って移動させてもよい。制御可能モータ２９４は、信号線２９６を介して入出力インタフェース１３０に接続される。
マシンビジョン検査システム１００を使用して撮像するワークピース２０又は複数のワークピース２０を保持するトレイ若しくは固定具は、ワークピースステージ２１０上に配置される。ワークピースステージ２１０は、光学アセンブリ部２０５と相対的に移動するように制御することができ、それにより、交換式対物レンズ２５０がワークピース２０上の位置及び／又は複数のワークピース２０の間を移動する。
以下でより詳細に説明するように、或るＳＩＭ動作では、ワークピースが構造化照明パターン生成部３００から与えられるＳＩＰ光源光２３２’によって照らされる。構造化照明パターン生成部３００は、ワークピース２０に出力される構造化照明パターンを設定する。透過照明光２２０、落射照明光２３０、構造化照明パターン生成部３００、及び斜め照明光２４０（例えばリングライト）のうちの１つ以上が、光源光２２２、２３２、２３２’、及び／又は２４２のそれぞれを発し、１つ以上のワークピース２０を照らすことができる。図３に関してより詳細に説明するように、ビームスプリッタ２９０を含む共有経路に沿って光源２３０が光源光２３２を発することができ、構造化照明パターン生成部３００がＳＩＰ光源光２３２’を発することができる。光源光はワークピース光２５５として反射又は透過され、撮像に使用されるワークピース光は交換式対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０を通過し、カメラ系２６０によって集められる。カメラ系２６０によって捕捉されるワークピース２０の画像は、信号線２６２上で制御システム部１２０に出力される。光源２２０、２３０、２４０、及び構造化照明パターン生成部３００は、信号線又はバス２２１、２３１、２４１、及び３３１のそれぞれにより制御システム部１２０に接続され得る。画像の倍率を変更するために、制御システム部１２０は、信号線又はバス２８１を介して、ターレットレンズアセンブリ２８０を軸２８４に沿って回転させ、ターレットレンズを選択することができる。
様々な例示的実施形態において、光学アセンブリ部２０５は、制御可能モータ２９４を使用してワークピースステージ２１０に対して垂直なＺ軸方向に移動可能であり、制御可能モータ２９４は、アクチュエータ、接続ケーブル等を駆動して光学アセンブリ部２０５をＺ軸に沿って移動させ、カメラ系２６０によって捕捉されるワークピース２０の画像のフォーカスを変更する。本明細書で使用するとき、Ｚ軸という用語は、光学アセンブリ部２０５によって得られる画像の焦点を合わせるために使用されることを目的とする軸を指す。制御可能モータ２９４は、信号線２９６を介して入出力インタフェース１３０に接続されて使用される。
図２に示すように、様々な例示的実施形態において、制御システム部１２０は、コントローラ１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム生成・実行器１７０、及び電源部１９０を含む。これらの構成要素のそれぞれ並びに後述する追加の構成要素は、１つ以上のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースにより、又は様々な要素間の直接接続により相互接続されてもよい。
入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１、移動制御インタフェース１３２、照明制御インタフェース１３３、及びレンズ制御インタフェース１３４を含む。移動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａ及び速度／加速度制御要素１３２ｂを含み得るが、かかる要素は統合されてもよく、及び／又は区別不能であってもよい。照明制御インタフェース１３３は、例えばマシンビジョン検査システム１００の対応する様々な光源の選択、電力、オン／オフ切替え、及び該当する場合はストローブパルスタイミングを制御する照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎを含む。照明制御インタフェース１３３は照明制御要素１３３ｓｉｐも含み、照明制御要素１３３ｓｉｐは、図示の実施形態では構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部３００と連携して動作し、以下でより詳細に説明するように画像の取得中に、とりわけＳＩＭモードの画像取得中に構造化照明を提供する。
メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１、ＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部１４０ｓｉｍ、１つ以上のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部１４２、及びビデオツール部１４３を含むことができる。ビデオツール部１４３は、ビデオツール部１４３ａ、及び対応するビデオツールのそれぞれについてＧＵＩ、画像処理動作等を決定する他のビデオツール部（例えば１４３ｎ）、並びにビデオツール部１４３に含まれる様々なビデオツールで動作可能な様々なＲＯＩを定める自動、半自動、及び／又は手動の動作をサポートする関心領域（ＲＯＩ）生成器１４３ｒｏｉを含む。
本開示の文脈では、及び当業者によって知られているように、ビデオツールという用語は、ビデオツールに含まれる段階的な動作シーケンスを作成することも、一般化されたテキストベースのプログラミング言語に頼ること等もなく、マシンビジョンユーザが比較的単純なユーザインタフェース（例えばグラフィカルユーザインタフェース、編集可能なパラメータウィンドウ、メニュー等）によって実行できる比較的複雑な自動又はプログラムされた動作セットを一般に指す。例えばビデオツールは、動作及び計算を管理する少数の変数又はパラメータを調節することによって特定のインスタンスにおいて適用され、カスタマイズされる画像処理動作及び計算のプリプログラムされた複雑なセットを含み得る。基本的な動作及び計算に加え、ビデオツールは、ビデオツールの特定のインスタンスのパラメータを利用者が調節できるようにするユーザインタフェースを含む。例えば、多くのマシンビジョンビデオツールは、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作によって解析される画像サブセットの位置パラメータを定めるために、マウスを用いた単純な「ハンドルドラッグ」操作によりグラフィカルな関心領域（ＲＯＩ）インジケータを利用者が構成することを可能にする。基本的な動作が黙示的に含まれる場合でも、可視ユーザインタフェース機能が時にはビデオツールと呼ばれることに留意されたい。
ビデオツール部１４３は、以下でより詳細に説明するように、Ｚ高さ測定動作に関係する様々な動作及び機能を提供するＺ高さ測定ツール部１４３ｚも含む。一実施形態では、Ｚ高さ測定ツール部１４３ｚが、Ｚ高さツール１４３ｚｔ及びＺ高さツールＳＩＭ／ＳＩＰモードコントロール１４３ｓｉｍを含み得る。Ｚ高さツール１４３ｚｔは、例えばオートフォーカスツール１４３ａｆ、及びマルチポイントオートフォーカスツール１４３ｍａｆを含むことができる。Ｚ高さツールＳＩＭ／ＳＩＰモードコントロール１４３ｓｉｍは、（例えば以下で更に説明する）ＳＩＭ技術に基づいて最良の焦点高さ及び／又はＺ高さ測定を決定するモードに設定されるＺ高さツールと連携し、画像スタックの取得及び関連する構造化光パターン生成動作の一部を管理することができる。
簡単に言えば、Ｚ高さ測定ツール部１４３ｚは、既知のＺ高さ測定ツールと同様の動作の少なくとも幾つか、例えば焦点曲線の全て又は一部を生成し、そのピークを最良の焦点位置として見出す動作を学習モード及び実行モードで実行することができる。本開示の対象である更なるＺ高さ測定ツールの動作について、以下でより詳細に説明する。
Ｚ高さ測定ツール部１４３ｚについては代替的構成も可能である。例えば、Ｚ高さツール１４３ｚｔは、追加のＺ高さ測定ツール要素を提供することができ、又はＺ高さツールは、（例えば光源光２３２を与えるための光源２３０を用いて）通常照明で取得した画像を使用する従来のコントラストベースの解析モードで動作するように構成されるか、又は（例えばＳＩＰ光源光２３２’を与えるための構造化照明パターン生成部３００を用いて）特定の構造化照明パターンで照明して取得した画像を使用するＳＩＭベースの解析モードで動作するように構成されるかを制御する、選択可能モードオプションを有してもよい。何れにせよ、ＳＩＭ／ＳＩＰモードコントロール１４３ｓｉｍは、Ｚ高さ測定ツール要素のユーザインタフェース及び相互関係を管理する動作を、それらの動作モード及び／又はＳＩＭ画像取得及び解析技術の使用に対応する方法で提供することができる。より広くは、本発明は、ＳＩＭ画像取得及び解析技術に基づく測定動作に関し、本明細書に開示する特徴を提供するためにマシンビジョン検査システム１００と連携して動作可能な現在知られている又は後に開発される任意の形式で実施することができる。
カメラ系２６０からの信号線２６２及び制御可能モータ２９４からの信号線２９６は、入出力インタフェース１３０に接続される。画像データの伝送に加え、信号線２６２は、画像の取得を開始するコントローラ１２５又は他の場所から信号を伝送することができる。１つ以上の表示装置１３６（例えば図１のディスプレイ１６）及び１つ以上の入力装置１３８（例えば図１のジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６）も、入出力インタフェース１３０に接続することができる。表示装置１３６及び入力装置１３８は、検査動作を行い及び／若しくはパートプログラムを作成及び／若しくは修正するために使用可能な様々なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）機能を含み得るユーザインタフェースを表示するために、カメラ系２６０によって捕捉される画像を見るために、並びに／又はビジョンシステム構成要素部２００を直接制御するために使用することができる。表示装置１３６は、ビデオツールに関連するユーザインタフェース機能を表示することができる。
図３は、図２のビジョンシステム構成要素部２００の一部を示すブロック図である。この図は、本明細書に開示し特許請求の範囲に記載の様々なパターン生成方法及び画像露光方法を実施するために使用することができる構造化照明パターン生成器３００の一例示的実施形態の更なる詳細を図示することを含む。図示の実施形態では、構造化照明パターン生成部３００が、ＳＩＰ光学部３６０、光発生器３１０、透過及び／又は遮断される光のパターンを作成するために、様々なパターンに構成される制御可能なピクセルアレイ３５１を含む空間光変調器（ＳＬＭ）３５０、並びにＳＩＰコントローラ３３０を含む。ＳＩＰコントローラ３３０は、ＳＬＭコントローラ部３３２を含むことができる。ＳＬＭコントローラ部３３２は、タイミング及び同期部（ＴＳＰ）３３６、並びにグレイスケールパターンシーケンサ３３２’を含み得る。ＳＬＭコントローラ部３３２は、例えば、信号線又はバス３３４、３３３、及び３３８のそれぞれを介して、ＳＬＭ３５０、光発生器３１０、及びＴＳＰ３３６に接続することができる。
動作面では、光発生器３１０は、ＳＬＭ３５０のピクセルアレイ３５１の照明領域を照らすために適切に構成される（例えば平行化される）ように、ＳＩＰ光学部３６０の第１の部分を介して光３１４を発することができる。ＳＬＭ３５０は、ＳＩＰ光学部３６０の残りの部分を介して所望のパターンを光路に沿って伝送又は投影するために、既知の方法に従って光を全透過、部分透過、又は遮断することができる。図３に示すように、投影パターンはビームスプリッタ２９０に入力されるようにＳＩＰ光学部３６０から出力され、ビームスプリッタ２９０では、その投影パターンが対物レンズ２５０を通る落射照明光として方向付けられ、視野を照らすためのＳＩＰ光源光２３２’をもたらす。
一部の実施形態では、ＳＬＭ３５０が、Dalgety Bay, Fife, Scotland, United Kingdomに本社を置くForth Dimension Displays社のマイクロディスプレイグラフィックスアレイなどの透過型ＬＣＤタイプアレイを含むことができ、かかるアレイは、必要に応じて従来のビデオ信号によって概して制御され得るＬＣＤピクセルアレイを含み、電子的に生成される８ビットグレイスケールパターンを表示するために使用することができる。この８ビットグレイスケールパターンは、そのグレイスケール値に応じてパターンの所与の任意のピクセルにより光３１４を透過し、部分的に透過し、又は遮断することができる。但し、本明細書に開示する方法は、ＳＬＭ３５０に関連する一定の利点を向上させるために使用することができる。ＳＬＭ３５０は、制御可能な光偏向を所望のパターンでもたらすことができる、現在知られている又は後に開発される任意の種類の制御可能な反射シャッタ（reflective shutter）の機構を含む。使用することができる制御可能な反射シャッタアレイの１つの種類には、例えばDalgety Bay, Fife, Scotlandに本社を置くForth Dimension Displays社のＬＣＯＳ（liquid crystal on silicon）マイクロディスプレイ製品が含まれる。以下に記載する様々な実施形態では、ほとんどの場合、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である別の種類のアレイを組み込む。ＤＭＤ及び関連する構成要素は、例えばTexas 州Plano にあるTexas Instruments DLP Productsから入手可能である。ＤＬＰは一般にデジタル光処理（digital light processing）の略であり、ＤＭＤデバイス内のアレイ要素が「オン」の位置又は「オフ」の位置にあり、投影／透過されるグレイスケールパターンが重畳バイナリパターンの蓄積されたシーケンスとして或る期間にわたって作り出されなければならないことに関連する。本明細書に開示するシステム及び方法は、既知のＤＬＰ制御方法のある欠点を克服するために特に有利であり、より詳細には、高精度の測定等を行うために使用されるＳＩＭ技術の精度を高めることに関連してとりわけ有利である。
様々な実施形態において、光発生器３１０をストローブ照明動作モードで使用して、適切な光パワーレベルにおいて非常に高速の（μｓ又はｎｓの範囲の）光発生器応答時間の組合せをもたらすことができる。光発生器３１０の一例は、California 州San JoseにあるPhilips Lumileds Lighting Companyから入手可能なLuxeon（商標）製品ラインのうちのＬＥＤの１つなど、１つ以上の高輝度発光ダイオード（ＬＥＤ）を含み得る。
図３に示す実施形態では、ＳＬＭ３５０は市販のＤＭＤとすることができ、ＳＬＭコントローラ部３３２は、上記のTexas Instruments DLP Productsから入手可能なチップセットなどのコンパニオンデジタルコントローラチップとすることができる。ＳＬＭコントローラ部３３２は、所望のグレイスケールパターンの定義又は要求に応答することができる。また、ＳＬＭコントローラ部３３２は、或る期間にわたって所望のグレイスケールパターンを発生させる重畳バイナリパターンの蓄積されたシーケンスを提供するＳＬＭ３５０及び光発生器３１０へ、同期制御信号を生成することができる。しかし、市販のＳＬＭコントローラには、例えば本開示の「背景」の節の中で先に要約し、図４に関して以下で更に概説する幾らかの欠点がある。図示の実施形態では、例えば２５６ビットよりも精細なグレイスケール制御及び／又は一部の実施形態若しくは実装形態では他の利点を可能にすることによりこれらの欠点を克服し又は軽減するために、ＴＳＰ３３６がＳＬＭコントローラ部３３２と共に使用される。様々な実施形態において、ＴＳＰ３３６は、ライン又はバス３３１を介し、グレイスケールパターン及び露光レベル要求又は制御信号を、ＳＩＰ照明制御要素１３３ｓｉｐ及び／又は（所望の様々なパターンに関係する所定の又は学習された制御信号構成又はパラメータを記憶することができる）ＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部１４０ｓｉｍから受け取ることができる。ＴＳＰ３３６は受け取った信号を処理し、複数のインクリメンタルグレイスケールパターン（incremental grayscale pattern）要求をＳＬＭコントローラ部３３２に送ることができ、それによりＳＬＭコントローラ部３３２は、ＳＬＭ３５０及び光発生器３１０を制御するための自らの固有の制御ルーチン及び回路を使用し、２５６ビットの分解能を有するインクリメンタルグレイスケールパターンのそれぞれを或る期間にわたって作り出すことができる。従って、ＴＳＰ３３６は、ライン３３９を介して制御信号をやり取りできるカメラ２６０の画像合成期間内のインクリメンタル要求の数を制御できるので、複数のインクリメンタルグレイスケールパターンによって実現される全体的な画像露光を制御することができる。様々な実施形態において、インクリメンタル要求の一部が、同一のパターン及び／又は露光増分を得るためであり得る。一部の実施形態では、インクリメンタル要求の１つ以上が、異なるパターン及び／又は露光増分を得るためであり得る。必要に応じて、照明パターンの２５６ビット超のグレイスケール分解能をこのように実現することができる。概して、ＴＳＰ３３６は自らが受け取る制御信号及び／又は様々な構成要素に送る制御信号に関し、専用の処理及び決定的なタイミング（deterministic timing）を提供することが望ましい。従って一部の実施形態では、ＴＳＰ３３６がプログラマブルロジックアレイ等を含み得る。一部の（任意選択的な）実施形態では、ＳＬＭコントローラ部３３２が光発生器３１０を直接制御する代わりに、ライン３３３を省き、ＳＬＭコントローラ部３３２からの光制御タイミング信号をライン３３３’上でＴＳＰ３３６に出力してもよく、ＴＳＰ３３６はＳＬＭコントローラ部３３２からのタイミング信号に基づき、ライン３３３’’を介して光発生器３１０を制御することができる。このようにすることは、ＳＬＭコントローラ部３３２の固有の動作に必要なタイミングウィンドウ内で、光発生器３１０の更なる機能及び／又はカスタマイズされた精密な制御を提供することを可能にし得る。上記で概説した様々な機能及び動作について以下でより詳細に説明する。
図４は、画像露光期間中に照明のグレイレベルパターンを投影するために図３に示す空間光変調器３５０などの空間光変調器で使用される、或る典型的な従来の制御方法を概略的に説明するダイヤグラム４００を示している。具体的には、図４は、デジタルマイクロミラーデバイスなどのＤＬＰ装置によって作成される、単一の構造化照明光ストライプＬＳ１を横切るほぼ正弦波的なグレイレベル強度変化ＧＬＶの生成を概略的に示す。
ダイヤグラム４００は、それぞれの反復細分時間（iteration subdivision time）Ｔ１〜Ｔ４の間に光発生器からの放射光のそれぞれの反復強度を使用して露光される複数の個々のパターン部Ｐ１〜Ｐ４（細分パターン部とも呼ぶ）を含む、パターン細分露光シーケンス（pattern subdivision exposure sequence）４３０を示す。パターン細分露光シーケンス４３０は、本開示に関係する基本原理を例示するために、単純な４ビットのグレイレベル正弦波パターンを構築する。
ダイヤグラム４００は、「光ストライプを横切るピクセル列」に沿って垂直に並べられる対応する要素を含む。一部省略した「平面図」は、Ｙｓの方向に沿って伸びるストライプである単一の構造化照明光ストライプＬＳ１を横切る、ほぼ正弦波状のグレイレベル強度変化ＧＬＶを示す。ストライプＬＳを横切る明るい陰影及び暗い陰影は、ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋとして示す、強度パターン細分露光シーケンス４３０に由来する蓄積された露光又は正味強度を表し、以下で更に説明するようにＰａｔＩｔｅｒ＿ｋは、完全なグレイスケールパターンの露光の反復又は増分ｋ（例えばｋ＝１、２、３等である）に対応し得ることを示す。この特定のストライプは、ピクセル列ｄに沿って最も明るく、ピクセル列ａ及びａ’に沿って最も暗い。ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋの平面図の真上には、ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋを横切る正味強度プロファイルに対する寄与率を概略的に表すグラフがある。このグラフは、それぞれの細分時間Ｔ１〜Ｔ４中に個々の細分パターン部Ｐ１〜Ｐ４をもたらすために活性化されるピクセル列を示すために使用されるクロスハッチパターンと同様のクロスハッチパターンを使用している。蓄積される強度が時間に比例するように、時間Ｔ１〜Ｔ４のそれぞれについて光発生器が同じ強度に設定されると仮定する。時間Ｔ１〜Ｔ４はバイナリ細区分であり、つまりＴ３＝２＊Ｔ４、Ｔ２＝２＊Ｔ３、及びＴ１＝２＊Ｔ２が成立する。正味強度ｎｉ４をもたらすために、最も明るい列ｄのピクセルが細分パターン部Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれの中で「オン」であることが図示されている。正味強度ｎｉ３をもたらすために、次に明るい列ｃ及びｃ’のピクセルがＰ２を除く細分パターン部のそれぞれの中で「オン」である。正味強度ｎｉ２をもたらすために、次に明るい列ｂ及びｂ’のピクセルが細分パターン部Ｐ３及びＰ４の中でのみ「オン」であり、正味強度ｎｉ１をもたらすために、最も暗い列ａ及びａ’が細分パターン部Ｐ４の中でのみオンである。この解説では期間Ｔ１〜Ｔ４の間の無視できる時間を仮定し、タイミング図４４０は、グレイレベルストリップパターンＰａｔＩｔｅｒ＿ｋを生成するための合計時間がＴＩｔｅｒ＿ｋであることを示す。設計及び／又は実験により、特定のマシン、光発生器、電圧レベル等について待ち時間、遅延等が較正され又は求められてもよく、所望の又は較正された照明レベルをもたらすタイミング、動作電圧等の組合せを（例えばＳＩＰコントローラ３３０の動作により）容易に求め且つ／又は補償できるように、結果が較正され又は（例えばＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部１４０ｓｉｍ内に）記憶されるものと理解される。
上記で概説した典型的な従来の制御方法は、所望の正味グレイレベル強度パターンを実現するために、全体的な時間ＴＩｔｅｒ＿ｋ及び／又は細分時間中に使用される光発生器の強度を調節する、ＤＬＰコントローラ内で（例えばデジタルＤＭＤコントローラ内で）使用され得る。
図４に関して上記で概説した単一画像中の正弦パターン露光に関する汎用伝達関数は、次式で表すことができる。
Figure 2014238400
式中、ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋは画像露光期間内の完全なグレイレベルパターン（例えばその全体にわたり正弦波的なグレイレベル強度プロファイルを有するストライプ）の「ｋ回目」の反復であり、Ｔｉはパターン生成時間の細区分（例えば図４に示す時間の細区分Ｔ１〜Ｔ４のうちの１つ）であり、Ｐｉはパターンの細区分ｉ（例えばパターン生成時間の細区分Ｔｉの１つの間にオンであるＳＬＭピクセルの部分的なパターン）（例えば図４に示すパターンの細区分Ｐ１〜Ｐ４のうちの１つ）であり、Ｉｉは時間の細区分Ｔｉ中の光強度である。図４に示す説明図の中で暗に示されているように、特定の構成では、Ｔｉ＝Ｔ（ｉ−１）／（２＾（ｉ−１））が成立するように時間のバイナリ細分が実施され、パターン細区分の単一セットの全体を通してＩ１＝Ｉ２＝Ｉｎとなるように一定の強度が利用されてもよい。
全体的な時間ＴＩｔｅｒ＿ｋを調節する上記で概説した典型的な従来の制御方法は、所望の正味グレイレベル強度パターンの増強を実現するために細分時間中に時間Ｔｉ及び／又は光発生器の強度Ｌｉのそれぞれを増加することに等しい。しかし、この手法は先に概説した欠点の原因となり、本発明者は、他の多くの応用例では全く重要ではないこれらの変数の一部の選択にＳＩＭ測定の精度が敏感であり得ることを見出した。従って、ＤＬＰのための典型的な従来の制御方法は、特定の高分解能の精密マシンビジョン検査動作、とりわけ特定の高精度ＳＩＭ用途に不適当である。関連する問題及び解決策を以下でより詳細に説明する。
本明細書に開示するシステム及び方法の利益を理解するための背景として、解析される画像に使用される構造化照明の強度の変化及び／又は強度プロファイルに対する或る例示的な既知のＳＩＭ技術の敏感さを解説するために、図５及び図６Ａ〜図６Ｄを用いてかかる技術を簡潔に説明する。ＳＩＭ技術の特定の応用例に関連する構造化照明方法にとって、より捉えにくく、正当に評価されない敏感さを説明するために図７を使用する。
図５は、既知のＳＩＭ技術を示す図である。イラスト部分５００Ａに示されている図示の例において、この技術は、様々な位相（例えば投影されるストライプパターンの空間的周期の位相間の１２０度の実効空間位相シフト）を有する３つの構造化照明パターンＰＰ１〜ＰＰ３のシーケンスを投影すること、及び対応する画像Ｉ１〜Ｉ３を捕捉することを含む。各画像の同じ露光レベル、及び各画像内の投影ストライプパターン内のストライプを横切る繰り返し可能な正弦波的強度変化を仮定した場合、画像Ｉ１〜Ｉ３のそれぞれの中の同じピクセル位置において、イラスト部分５００Ｂ内に示すのと類似の結果が予期される。具体的には、上記の仮定によれば、ピクセル位置Ｐ１は、正弦波ストライプ強度プロファイルを横切る３つの位置の強度に比例する強度を画像Ｉ１〜Ｉ３内で有することが予期され、３つの位置は、１２０度の空間的位相シフトによって分けられる。これを３つの強度値（Ｐ１，Ｉ１）、（Ｐ１，Ｉ２）、及び（Ｐ１，Ｉ３）により、５００Ｂ内に示す。次いでＳＩＭ技術は、ピクセル位置Ｐ１の３つの強度値に正弦曲線ＦＣを適合させることを含む。その結果生じる、変調度ＭＤとしても知られる適合曲線ＦＣの振幅は、ピクセル位置Ｐ１におけるワークピースが最良の焦点位置にあるとき最大となる。その理由は、最良の焦点位置から離れた焦点位置ではストライプのコントラストがぼやけ、そのためその場合、変調度ＭＤがより低くなるからである。
図６Ａ〜図６Ｄは、３つの異なる焦点高さＺａ、Ｚｂ、Ｚｃにおいて、図５のステップと同様の一連のステップを使用するＳＩＭ技術を示す図である。最良の焦点高さを示すピーク変調Ｚ高さ、及び／又はワークピース上の特定のピクセル位置に関連するＺ高さを求めるために、関連する変調度曲線ＭＣを形成する。
図６Ａに示すように、垂直位置Ｚａにおいて、位相シフトされた（つまり照明パターンの位相がシフトされた）３つの画像Ｉ１ａ〜Ｉ３ａのシリーズ６１０Ａが捕捉される。図６Ａ内の光学系の小さな画像は、光源ＳＡから生じる投影照明並びに撮像系の焦点が平面ＦＰに合わせられていること、及びＺ高さＺａがＦＰから遠いことを示す。その結果、対応する変調度ＭＤａは比較的小さい。図６Ｂに示すように、垂直位置Ｚｂにおいて、位相シフトされた３つの画像Ｉ１ｂ〜Ｉ３ｂの一続き６１０Ｂが捕捉される。図６Ｂ内の光学系の小さな画像は、光源ＳＡから生じる投影照明並びに撮像系の焦点が平面ＦＰに合わせられていること、及びＺ高さＺｂがＺａよりもＦＰに近いことを示す。その結果、対応する変調度ＭＤｂはＭＤａと比較して大きい。図６Ｃに示すように、垂直位置Ｚｃにおいて、位相シフトされた３つの画像Ｉ１ｃ〜Ｉ３ｃの一続き６１０Ｃが捕捉される。図６Ｃ内の光学系の小さな画像は、光源ＳＡから生じる投影照明並びに撮像系の焦点が平面ＦＰに合わせられていること、及びＺ高さＺｃがＦＰに近づけられることを示す。その結果、対応する変調度ＭＤｃはほぼ最大限である。
図６Ｄに示すように、変調度ＭＤａ〜ＭＤｃがその対応するＺ高さ（ラベル付けされた垂直のサンプル位置）に関してプロットされ、プロットされたそれらの点に変調度曲線ＭＣが適合される。変調度曲線ＭＣのピークは、ワークピース上の対応するピクセル位置の焦点が合うＺ高さを示す。
上記で概説したＳＩＭ技術は、高い横分解能と共に高分解能のＺ高さ測定をもたらすことが可能であると知られている。しかし、当業者に明らかなように、この技術の精度は各画像内の強度が予期されるレベルにあり（例えば各画像内で同じであり、又は知られており、補償されている）、各画像内の光ストライプの強度プロファイルが同じ（及び知られている形状のもの）であるという仮定が満たされることに依存する。ある意味、開示するシステム及び方法は、これらの仮定を、より広い露光範囲にわたり、経済的な方法でより満足に満たすことを目的としている。ＳＩＭ技術の高分解能の潜在能力により、強度及び／又は強度プロファイルにおける非常に小さい変化でさえ、もたらされる精度に大きな影響を与えることを理解すべきである。
図７は、図４に示す典型的なグレイレベル照明パターン生成シーケンスをイラスト部分７０１に示したダイヤグラム７００である。イラスト部分７０１は、細分時間Ｔ１〜Ｔ４を含む画像露光シーケンス中に焦点軸（Ｚ軸）に沿って移動している面ＷＳを照らすときに生じる、イラスト部分７０２に示す照明焦点の問題に関連する。様々な応用例において、図５及び図６に示すようなＳＩＭ画像を高スループットで捕捉するために、最良の焦点位置に対するワークピースのＺ高さを連続して走査することが望ましい。対照的に、幾つかのＺ高さ位置において停止することは画像及び／又は整定時間を乱す振動を引き起こし、この振動はスループットを低下させる。良い結果を得るには、比較的クリアな画像露光をサポートし、特定のＺ高さ（又はＺ高さの小範囲）に対応する変調度を求めるために用いる位相シフトされた画像ごとの比較可能な画像露光及びＺ高さをサポートするために、走査動作が十分遅くなければならないことが理解されよう。以下の解説では、これらの考慮事項に関して生じる捉えにくい問題を示す。
イラスト部分７０１及び以下で使用する用語は、先の図４の説明に基づいて理解される。イラスト部分７０２では、構造化照明投影系及び撮像系の焦点面に対し、ワークピース面ＷＳが一定速度で下に移動しているものとして図面内に示されている。この解説では、十分な画像露光を得るために図４に関して説明した時間ＴＩｔｅｒ＿ｋが必要に応じて延ばされ（従って細分時間Ｔ１〜Ｔ４が延ばされ）、パターンの単一反復が画像露光に使用されると仮定する。
イラスト部分７０２では、照明及び撮像のために最良の焦点高さを通過する面ＷＳの一部を太線で示す。第１のタイムスライス表現７１０の中で示すように、細区分Ｔ１の間、面ＷＳが焦点軸に沿って下に移動するとき最良の焦点高さで照らされ撮像される面ＷＳの部分は、光ストライプのピクセル列ｃ、ｄ、及びｃ’に対応する。光ストライプのピクセル列ａ、ｂ、ｂ’、及びａ’に対応する面の部分は、全体的に焦点が上手く合っていないことが見て取れる。これらの部分は、細分パターン部Ｐ１を受けるべきではないが、これらの部分は「焦点が合っていない」ので、細分パターンＰ１のぼやけた「境界」を受ける場合がある。第２のタイムスライス表現７２０では、細区分Ｔ２の間、面ＷＳが焦点軸に沿って下に移動するとき最良の焦点高さで照らされ撮像される面ＷＳの部分は、光ストライプのピクセル列ｂ、ｂ’、及びａ’に対応する。光ストライプのピクセル列ａ、ｃ、ｄ、及びｃ’に対応する面の部分は、全体的に焦点が上手く合っていないことが見て取れる。これらの部分は、細分パターン部Ｐ２を受けるべきではないが、これらの部分は「焦点が合っていない」ので、細分パターンＰ２のぼやけた「境界」を受ける場合がある。第３のタイムスライス表現７３０では、細区分Ｔ３の間、面ＷＳが焦点軸に沿って下に移動するとき最良の焦点高さで照らされ撮像される面ＷＳの部分は、光ストライプのピクセル列ａに対応する。光ストライプのピクセル列ｂ、ｃ、ｄ、ｃ’、ｂ’、及びａ’に対応する面の部分は、全体的に焦点が上手く合っていないことが見て取れる。列ａ’を除き、これらの部分は細分パターン部Ｐ３を受けるべきだが、これらの部分は「焦点が合っていない」ので、細分パターンＰ３のぼやけたバージョンしか受けない。第４のタイムスライス表現７４０では、細区分Ｔ４の間、面ＷＳが焦点軸に沿って下に移動するとき、どの面ＷＳも最良の焦点高さで照らされず撮像されない。全ての列が細分パターン部Ｐ４を受けるべきだが、これらの列は全て様々な度合いで「焦点が合っていない」ので、細分パターンＰ４のぼやけたバージョンしか受けない。
上記の例及び説明では、問題をより明確に示すためにＺ高さの関係及び影響を若干誇張した。しかし、細分時間Ｔ１〜Ｔ４中のＺ移動と相まって、面のプロファイルのばらつきから生じる焦点変化により、ワークピース面のどれも（例えばピクセル列の位置ａ〜ａ’のどれも）、強度プロファイルＰａｔＩｔｅｒ＿ｋを目的とする、意図された強度の寄与を受けず及び／又は意図された画像の寄与を提供しないことが理解されよう。別の言い方をすれば、グレイレベル正弦波強度プロファイルが典型的なＤＬＰコントローラによって経時的に構築される方法が原因で、物体の異なる表面高度が、異なる「細分パターン」（即ち正弦パターンの不完全なサンプリング）を実質的に受ける場合がある。このことは、高度情報（コントラスト等）が歪み得ることを意味する。逆の言い方をすれば、全露光期間にわたり、ストライプの画像が、細分パターン内の異なる領域の中で異なるように「焦点の重み付けがなされ」（例えばぼかされ）、その結果、意図された理想の正弦プロファイルを示さない場合がある。特定の実装形態では、このことが先に概説した様々なＳＩＭの等式及びアルゴリズムの中で使用される仮定に背くと見なされ得る。全体的なストライプ強度及び撮像されるストライプ強度プロファイルの両方を乱す可能性があるこれらの悪影響は、Ｚ移動中に取得される如何なる画像にもある程度当てはまる。これらの問題を完全になくす唯一の解決策は、各画像取得（例えば時間Ｔ１〜Ｔ４）の間、ワークピースの移動を停止することだが、これはスループットの見地から望ましくない。この問題を大幅に減らし、精度を高める代替策について、図８及び図９に関して以下でより詳細に説明する。
図７に関して概説した問題は、先に記載した典型的な（例えば従来の）グレイレベル照明パターン生成シーケンスが、（例えば低表面反射率等により）画像の露光を高めるために細分時間を延ばすとき、精度及び／又はスループットを制限し得ることを示す。これは回避するのが望ましい。更に、この種の「従来の」制御動作のもう１つの潜在的な欠点は、全体的な投影の持続時間が輝度レベルの設定ごとに異なり得ることである。動作の持続時間の差は、構造化照明パターン生成部の発熱を変え、画像間のその反復性に影響を与える。例えば、（例えば１つ以上のＬＥＤからの）光発生器スペクトルの反復性、熱膨張効果、検出器の感度、及び／又は様々な回路構成要素は全て影響を受ける可能性がある。更に、この種の「従来の」制御動作のもう１つの潜在的な欠点は、全体的な光発生器の強度が（駆動電流によって制御されようと、パルス幅変調又はその両方によって制御されようと）輝度レベルの設定ごとに異なり得ることである。特定の実装形態では、高反射のシーンが９％に近い投影強度又はデューティサイクルレベルを必要とし得るのに対し、薄暗いシーンは１００％に近い強度又はデューティサイクルレベルを必要とし得る。しかし、例えば如何なるＩｎＧａＮベースのＬＥＤ（青色、緑色、白色）も、駆動電流及びパルス幅に基づく異なる発光スペクトルを有する。主波長における典型的なシフトは、アクティブヒートシンク（例えばペルチェクーラ）なしで２〜３ｎｍ程度である。かかる変化は、波長に対する検出器の感度及び／又はワークピースの反射感度と相互作用し、予測不能な画像強度及び／又は期待値からのスペクトル変動を引き起こす場合がある。これは回避するのが望ましい。
パターンの輝度（全体的又は局所的なパターンの減衰）も、８ビット未満で投影することによって変えられ得る。しかしこの方式は、投影される正弦パターンの強度プロファイルの振幅及び分解能を低減し、本技術の信号対雑音比に悪影響を与え、（例えばデジタイゼーションエラー：digitization errors等により）低減されたグレイレベルの分解能によって強度プロファイルの形状が実際に変えられる場合、ＳＩＭ解析の仮定に更に背く可能性がある。
図８及び図９に関して以下でより詳細に説明するように、（例えばＳＩＭ技術を利用する実装形態において）構造化照明パターンの輝度を制御する代替的方法を提供する。様々な実施形態において、ＤＬＰコントローラは、比較的一定であるオン時間（例えば時間ＴＩｔｅｒ＿ｋ）を用いてグレイレベルパターンの所要のインスタンスをＤＬＰコントローラに生成させることにより画像の輝度を制御する、システム及び方法の一部である。以下に開示する方法では、単一のグレイレベルパターン生成シーケンスのオン時間を長くすることで露光レベルを高めるのではなく、限られた時間にわたりグレイレベルパターンシーケンスをＤＬＰコントローラに生成させ、所望の露光レベルを実現するために、そのグレイレベルパターンシーケンスの発生を数回の反復にわたって繰り返す。この方法の或る特定の実装形態では、ＤＭＤ（例えばＤＬＰ５５００）及び制御電子機器（例えばＤＬＰＣ２００、ＤＬＰＡ２００）並びにＬＥＤ光発生器が、ＤＭＤの比較的一定である最高動作速度で動作される。一実装形態では、これは画像合成期間を複数の期間に分けることによって実現され、それらの期間内では、グレイレベルの変化を含む完全な構造化照明パターンの反復が生成され繰り返される。例えば、先に述べた構成要素の一部のバージョンは、７１６Ｈｚ（約１．３９０ミリ秒）の速さで８ビットグレイレベルパターンを生成する能力を有する。典型的なカメラの画像取得フレームレートは６８Ｈｚであり得る（例えば１４．７０５ミリ秒程度のカメラ合成期間）。これらの値の場合、結果として、画像取得期間中に露光レベルを高めるための８ビットグレイレベルパターン生成シーケンスを最大約１０回の反復し得る（即ち１４．７０５ミリ秒／１．３９０ミリ秒）。この技術の或る特定の実装形態例では、画像合成期間を（例えばシステム内の様々な遅延及び待ち時間を許容するために、１０ではなく）９つの期間に分けることができ、これらの期間内で繰り返される完全な構造化照明パターンの反復の少なくとも一部は、ＤＭＤ及びそのコントローラの速い（一実装形態では最も速い）動作速度（例えば約１１．１％Ｘ９〜１００％のデューティサイクル）で動作させられる構成要素に対応し得る。このようにして、熱発生及び発光スペクトルが比較的一定であり、従って投影成分及び結果として生じる構造化照明パターンの変動を減らす。
図８は、多岐にわたる露光レベルにおいて優れたグレイスケール分解能を含むＳＩＰを生成するために、図３に示したような構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成器を制御するための、本明細書に開示する方法による複数の構造化照明反復を含む画像露光の一例示的実施形態を示すタイミング図である。図８は、５つのタイムラインを含むタイミング図８００を示す。これらのタイムラインは、当該タイムラインの前に行われた反復後（例えば前のカメラ画像転送時間等の後）に続くセットアップ、リセット、又は初期化期間の終了に対応する時点Ｔｓｅｔから開始し得る。第１のタイムライン８１０は、画像取得トリガ信号８１５を表し、画像取得トリガ信号８１５は、カメラ２６０の視野に配置されるワークピース要素に相当し得るステージ２１０（図２）の位置的なＸ、Ｙ、及びＺ軸座標、並びに／又はＺ軸に沿ったＳＩＭ高さ決定走査が開始されることなどに基づき、位置トリガ時点Ｔｐｔａにおいて開始し得る。
第２のタイムライン８２０は、制御された持続時間（Ｔｅｉ〜Ｔｓｉ）を有し得る、カメラ合成持続時間８２５を表す。この制御された持続時間は、比較的一定であるように高速クロックに基づいて制御されてもよい。カメラ合成持続時間８２５は、合成開始時点Ｔｓｉから始まり、合成終了時点Ｔｅｉで終わることができる。一部の実装形態では、カメラ合成期間を開始するために位置トリガ時点Ｔｐｔａが使用された後、合成開始時点Ｔｓｉが不連続の待ち時間（Ｔｓｉ〜Ｔｐｔａ）の間に生じてもよい。様々なシステムにおいて、待ち時間は比較的一定又は予測可能とすることができる。
第３のタイムライン８３０は、照明パターントリガ信号８３５の反復を表し、照明パターントリガ信号８３５は、タイムライン８４０上の信号８４５によって表される対応するグレイレベルパターン生成シーケンスをトリガするために、必要な露光レベルに応じて一部の又は全ての時点Ｔｐｔｋにおいて生じ得る（この特定の例では、ｋ＝１から７である）。例えば、一部の実施形態では、照明パターントリガ信号８３５が、カメラ合成期間の「中心」にあり、（例えば画像の取得中にカメラ及び／又はワークピースが移動している場合に）カメラ合成期間中に取得される画像の画像位置を最も良く表すために（タイムライン８５０上に示す）、位置ラッチ信号８５５により位置信号がラッチされ得る時点Ｔｘｙｚに対応する、時点ＴｐｔＣ＝Ｔｐｔ１において常に提供されてもよい。様々な実施形態において、時点Ｔｘｙｚは、パターントリガ信号の時点ＴｐｔＣに対し、所定の時間遅らせて設定することができる。
結果として生じる各グレイレベルパターン生成シーケンスＰａｔＩｔｅｒ＿ｋ（例えばＰａｔＩｔｅｒ−１、但しｋ＝１）は、対応する露光増分を提供する図４のＰａｔＩｔｅｒ＿ｋに対応するパターン生成シーケンスの「反復ｋ」として考えることができる。上記で概説した例では、合成期間の中心付近にあるそのタイミングにより、ＰａｔＩｔｅｒ−１が、最初に選択される露光増分である。更なる又は増加された露光を得るために、追加の照明パターントリガ信号８３５を提供することができる。一実施形態では、追加の信号８３５が、選択シーケンスｋ＝２、３、４、５、６、７の全て又は一部をたどるように選択されてもよい。このシーケンスは、時系列順をたどらないことを指摘しておく。むしろ露光増分のタイミングの選択は、合成期間の中心の両側に交互に並ぶ。この場合、パターン生成シーケンスの反復が追加されるにつれ、選択される照明増分時間の平均によって管理される実効画像露光時間は、位置ラッチ信号８５５の「中心」時間に向かい続ける傾向がある。図８では、例えば太線のグレイレベルパターン生成シーケンス８４５は（特定記号ｋ＝１、２、３に対応する）第２の及び第３の露光増分を与えることができ、破線のグレイレベルパターン生成シーケンス８４５は、必要に応じて（増分特定記号ｋ＝４、５、６、７に対応する）４番目〜７番目の露光増分を与えることができる。一部の実装形態では、パルストリガ時点Ｔｐｔｋは、カメラ合成持続時間８２５を決定するために使用されるのと同じ高速クロックに基づくことができる。
上記の説明は例示に過ぎず、限定的でないことが理解されよう。一例として、カメラ合成期間中により多くの又はより少ないパターン生成反復期間を設けてもよい（例えば先に概説したように９回の反復）。別の例として、選択シーケンスは上記で概説した通りである必要はなく、大きな利点が依然として得られる。一実施形態では、図８に示す信号を提供するために、図３に対応する回路及び／又はルーチンを使用することができる。例えばＴＳＰは、セットアップ中に特定の露光に関する露光レベル情報を信号線３３１上で受け取ることができる。信号８１５は、ライン３３１上でＴＳＰ３３６に入力することができ、及び／又はライン３３９上でＴＳＰ３３６によりカメラ２６０に中継されてもよい。ＴＳＰは、露光レベル情報に対応するトリガ信号８３５を更に生成し、その信号をライン３３８上でＳＬＭコントローラ部３３２に出力してもよい。ＳＬＭコントローラ部３３２は、対応する信号をライン３３４上でＳＬＭ３５０に出力することができる。ＴＳＰ３３６は、適切な時点で位置ラッチ信号８５５を生成し、その信号をライン３３１上で出力することができる。他のあり得る実施形態が当業者によって実現されてもよい。
図７を参照し、グレイレベルパターン生成シーケンスの反復ｋが（例えば図８に示すように）短い時間内に実行される場合、更にＺ方向に沿った相対的な移動及び焦点変化があっても、各細分時間Ｔ１〜Ｔ４での変位はより小さくなり、各表面高度はより完全な又は理想的なグレイレベルパターンの「サンプリング」にさらされ、その結果、高度情報（コントラスト等）の歪みがより少なくなることが理解される。つまり、各グレイレベルパターン生成シーケンスの反復ｋについて、ストライプの画像が様々な細区分の中でより同様に「焦点の重み付けがなされ」、従って意図される理想的な正弦プロファイルにより望ましく一致する（即ちＳＩＭの等式及びアルゴリズムで使用される仮定により密に近似する）特性を表面画像が示し、精度の改善がもたらされる。
以下の説明では、様々な実施形態において構造化照明パターンの反復を提供し、画像の取得中に露光増分をもたらすための代替策及び／又は好適例を概説し理解するために等式を用いる。先に概説した等式１を繰り返すと、画像の取得中の「ｋ」番目の完全なグレイレベルパターン露光増分に関する汎用伝達関数は次式で表すことができる。
Figure 2014238400
従って、複数のかかる露光増分を含む画像の全体的な露光について次式が成立する。
Figure 2014238400
式中、Ｘは、所望の総露光をもたらす反復又は増分の数である。
便宜上、基準又は標準のグレイレベルパターン露光増分ＰａｔＩｔｅｒ＿ｓｔｄを定めることができ、ＰａｔＩｔｅｒ＿ｓｔｄは、標準の時間増分Ｔｉｔｅｒ＿ｓｔｄ内で、ＴＩｔｅｒ＿ｓｔｄ内に含まれる時間の細区分Ｔｉ＿ｓｔｄのそれぞれについて、光強度Ｉｉとして標準の光強度Ｉ＿ｓｔｄを用いて生成される。一実施形態では、従前のＳＬＰコントローラを使用して完全なグレイレベルパターンシーケンスを生成するためのほぼ最短の動作可能時間として、Ｔｉｔｅｒ＿ｓｔｄを選択することができる。しかし、他の実施形態では、以下に記載する理由からＴｉｔｅｒ＿ｓｔｄが若干長いように選択されてもよい。
この基準又は標準のグレイレベルパターン露光増分は、次式のように示すことができる。
Figure 2014238400
第１の例示的な具体例として、露光を一定のレベルまで、例えば１つの標準の露光増分ＰａｔＩｔｅｒ＿ｓｔｄによって与えられる露光の３．２倍まで高めることが望ましいと仮定する。典型的な従来の制御方法がとり得る２つの可能な手法を次式によって示す。
Figure 2014238400
１つの露光増分しか使用しない等式４及び等式５によって示す方法は、強度又は全体的な投影タイミング期間が輝度レベルの設定ごとに異なる点で望ましくない場合がある。先に概説したように、これらの差は投影装置及び／又はＬＥＤの発熱を変え、システムの全体的性能に不利に影響する。更に、ＩｎＧａＮベースのＬＥＤ（青色、緑色、白色）は、駆動電流及びパルス幅に基づく異なる発光スペクトルを有する。主波長における典型的なシフトは、アクティブヒートシンク（例えばペルチェクーラ）なしで２〜３ｎｍ程度である。更に、等式５によって示す方法に関し、各細分パターンがオンである時間の長さはより長く（例えば上記の例では３．２倍）、このことは、（例えば一部の実施形態で望まれるように）焦点高さが高速で変化している場合、図７に関して概説したように高さのサンプリングがより不均一になり得ることを示す。つまり、パターンのそれぞれの固有の「非正弦」成分又は細区分は、特定の高さの焦点が合いながら、その高さにおいて表面領域が受ける唯一のパターンである可能性が高い。逆に、（全ての高さについて均一のグレイレベル正弦ストライプサンプリングに近づくように）特定の表面領域がサブパターンの全セットを受けることが望ましい場合、Ｚ速度を落とす必要がある。
本明細書に開示する原理に基づくより優れた代替策を次式によって示す。
Figure 2014238400
一実装形態では、等式６によって示す方法は、できるだけ短い時間ＴｉがＴｉ＿ｓｔｄに使用されるという仮定の下で働くことができ、そのため「露光の小数部」を得るための１つの手法は、（推定される標準の強度レベルＩ＿ｓｔｄと比較して）最後の「．２」のパターン反復中に強度を低下させることである。等式６によって示す方法は更に、図７に関して概説したように高さのサンプリングをより望ましくすることができ（即ち完全なグレイレベル正弦ストライプパターン露光が、露光のＺ範囲にわたり１回だけではなく４回繰り返される）、強度が３つの標準化露光増分について繰返し可能な標準化レベルにあり又はこの例では総露光の約９４％にあるという点で、等式５によって示される方法よりも正味の強度変化が遥かに小さくされる。他の様々な実装形態では、（例えばスペクトル変化を避けるために）等式６の末項によって示すような量で強度を決して低下させないことが望ましい場合がある。従って、本明細書に開示する原理に基づくもう１つの代替策を次式によって示す。
Figure 2014238400
一実装形態では、等式７によって示す方法は、高さのサンプリングが所望のレベルに留まり（例えば完全なグレイレベル正弦ストライプパターン露光が、露光のＺ範囲にわたり１回だけではなく３回繰り返される）、ただ１つの露光増分についてだけ比較的小さい強度変化があることを示す。
システム内での幾らかの量の更なる増加及び／又は減少を可能にするために、標準強度Ｉ＿ｓｔｄ及び／又は標準時間Ｔｉ＿ｓｔｄを定める場合に実施することができる更なる代替的方法が、次式によって示される。
Figure 2014238400
様々な実施形態において、等式６、７、８、又は９によって示す代替的方法の１つを利用するかどうかに関する決定は、どれが最良のトレードオフをもたらすのかに関する判断の問題に基づいて決められてもよい。例えば様々な実装形態において、「．８」の露光部分であれば、（例えば等式６にあるように）露光増分の１つにおいて強度を落とすことで最も良く実現できるのに対し、「．２」の露光部分については、１つ以上の露光増分において強度又は時間を僅かに増加することで最も良く実現することができる（例えば等式７、８、又は９の１つ）。本明細書に開示した原理に基づき、他の様々な代替策及び様々な露光増分における強度と時間との組合せが当業者に明らかになる。
等式６、７、８、及び９によって示す方法の全てが、露光パターンシーケンスを露光中に１回だけでなく複数回繰り返す共通原則を利用することが理解されよう。様々な実装形態において、繰り返される露光パターンシーケンスは、同一の強度を有することができ且つ／又は同一の期間を有してもよい。繰り返される露光パターンシーケンスの或るものは、パターン生成システムによって認められる最短時間内で生成されてもよい。
図８及び等式６〜９に関して上記で概説した実施形態は例示に過ぎず、限定的でないことが理解されよう。例えば先に概説したように、カメラ合成期間内のパターン生成シーケンスの所望の又は最大の反復回数に対応する期間数は、図８にあるような７回である必要は無い。むしろこの期間数は、システムの動作能力の範囲内の所望の任意の数とすることができる（例えば先に概説したように９つの期間、若しくは５や４、又は特定の画像露光に適合されるなどしてもよい）。当然ながら、先に暗示したように、（例えばそのトリガを省略することにより、光源の強度をゼロに設定することにより、又は光源の強度をオンのままにし、パターンＰｉを「オフ」に設定することなどにより）「ゼロの露光増分」をもたらすように、１組の所定の期間の任意の要素を設定してもよい。更に、偶数の露光増分を奇数の期間から選択し、全体的な露光レベルを実現するために使用する場合、一部の実施形態では（例えば図７のＴｐｔＣ及び／又はｋ＝１に対応する）「中心」の増分を省略してもよい。同様に、単一の異なる「小数部分」の露光増分を用いて所望の全体的な露光レベルを実現する場合、一部の実施形態では、その異なる露光増分を提供するために（例えば図７のＴｐｔＣ及び／又はｋ＝１に対応する）「中心」の増分を選択してもよい。その場合、画像を取得する有効位置を示すために、中心部分のラッチ信号が依然として最適であり得る。
図９は、カメラによる画像の取得中に構造化照明パターンによりワークピースを照らすために使用される、構造化照明パターン生成部を制御するためのルーチン９００の一例示的実施形態を示す流れ図である。ブロック９１０で、ＳＩＰコントローラ、構造化照明パターンを生成するために制御される制御可能な空間光変調器（ＳＬＭ）、及びＳＬＭに光を放射する光発生器を含む、構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部を提供する。ブロック９２０で、カメラの画像合成期間中に画像を取得し、その画像は、画像の取得中にＳＩＰ生成部によって照らされるワークピースの少なくとも一部を含む。ブロック９３０で、グレイレベルの変化を含む第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、画像合成期間中の全体的な露光を第１の露光増分だけ高める。ブロック９４０で、グレイレベルの変化を含む少なくとも第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、画像合成期間中の全体的な露光を少なくとも第２の露光増分だけ高める。
本発明の特定の実施形態を例示目的で本明細書に記載してきたが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な修正が加えられてもよいことが上記の内容から理解されよう。例えば当業者は、図示した流れ図が様々な方法で変更され得ることを理解する。より詳細には、ステップの順序を並べ変えてもよく、ステップを細分すること、及び／又は同時に実行することもでき、ステップを省いてもよく、代替的ステップを含めるなどしてもよい。従って本発明は、添付の特許請求の範囲によって以外は限定されない。
１０ 精密マシンビジョン検査システム
１２ ビジョン構成要素部
１４ 制御コンピュータシステム
１６ ディスプレイ
１８ プリンタ
２０ ワークピース
２２ ジョイスティック
２４ キーボード
２６ マウス
３２ 可動式ワークピースステージ
３４ 光学撮像系
１００ マシンビジョン検査システム
１２０ 制御システム部
１２５ コントローラ
１３０ 入出力装置
１３１ 撮像制御インタフェース
１３２ 移動制御インタフェース
１３２ａ 位置制御要素
１３２ｂ 速度／加速度制御要素
１３３ 照明制御インタフェース
１３３ａ 照明制御要素
１３３ｎ 照明制御要素
１３３ｓｉｐ 照明制御要素
１３４ レンズ制御インタフェース
１３６ 表示装置
１３８ 入力装置
１４０ メモリ
１４０ｓｉｍ ＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部
１４１ 画像ファイルメモリ部
１４２ ワークピースプログラムメモリ部
１４３ ビデオツール部
１４３ａ ビデオツール部
１４３ｎ ビデオツール部
１４３ｚ Ｚ高さ測定ツール部
１４３ｚｔ Ｚ高さツール
１４３ａｆ オートフォーカスツール
１４３ｍａｆ マルチポイントオートフォーカスツール
１４３ｓｉｍ ＳＩＭ／ＳＩＰモードコントロール
１４３ｒｏｉ 関心領域生成器
１７０ ワークピースプログラム生成・実行器
１９０ 電源部
２００ ビジョン構成要素部
２０５ 光学アセンブリ部
２１０ ワークピースステージ
２１２ 中央透明部
２２０ 透過照明光
２２１ 信号線
２２２ 光源光
２３０ 落射照明光
２３１ 信号線
２３２ 光源光
２３２’ ＳＩＰ光源光
２４０ 斜め照明光
２４１ 信号線
２４２ 光源光
２５０ 交換式対物レンズ
２５５ ワークピース光
２６０ カメラ系
２８０ ターレットレンズアセンブリ
２８１ 信号線
２８４ 軸
２８６ レンズ
２８８ レンズ
２９０ ビームスプリッタ
２９４ 制御可能モータ
２９６ 信号線
３００ 構造化照明パターン生成部
３１０ 光発生器
３１４ 光
３３０ ＳＩＰコントローラ
３３１ 信号線
３３２ ＳＬＭコントローラ部
３３２’ グレイスケールパターンシーケンサ
３３３ 信号線
３３３’ ライン
３３３’’ ライン
３３４ 信号線
３３６ タイミング及び同期部（ＴＳＰ）
３３８ 信号線
３５０ 空間光変調器（ＳＬＭ）
３５１ ピクセルアレイ
３６０ ＳＩＰ光学部
４３０ パターン細分露光シーケンス
７１０ 第１のタイムスライス表現
７２０ 第２のタイムスライス表現
７３０ 第３のタイムスライス表現
７４０ 第４のタイムスライス表現
８１０ 第１のタイムライン
８１５ 画像取得トリガ信号
８２０ 第２のタイムライン
８２５ カメラ合成持続時間
８３０ 第３のタイムライン
８３５ 照明パターントリガ信号
８４０ タイムライン
８５０ タイムライン
８５５ 位置ラッチ信号

Claims (17)

  1. 精密マシンビジョン検査システム内のカメラ部による画像の取得中に、構造化照明パターンによってワークピースを照らすために使用される構造化照明パターン生成部を制御するための方法であって、
    前記構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部は、
    ＳＩＰコントローラと、
    前記構造化照明パターンを生成するために制御される制御可能な空間光変調器（ＳＬＭ）と、
    前記ＳＬＭに光を放射する光発生器とを含み、
    前記方法は、
    前記カメラの画像合成期間中に画像を取得するステップと、
    グレイレベルの変化を含む第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記画像合成期間中の全体的な露光を第１の露光増分だけ高めるステップと、
    グレイレベルの変化を含む少なくとも第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記画像合成期間中の前記全体的な露光を少なくとも第２の露光増分だけ高めるステップと
    を含む、方法。
  2. 前記第２の露光増分と前記第１の露光増分とがほぼ同じである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復中にほぼ同じ放射強度を発するように前記光発生器を動作させるステップを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記第１の及び第２の露光増分よりも低い最下位ビット（ＬＳＢ）露光増分を更に含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復中に第１の放射強度を発し、前記ＬＳＢ露光増分に対応する前記完全な構造化照明パターンの反復中に、前記第１の放射強度を下回るＬＳＢ放射強度を発するように前記光発生器を動作させるステップを含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記カメラの前記画像合成期間は期間ＴＩＰであり、該期間ＴＩＰ内にグレイレベルの変化を含む各完全な構造化照明パターンの反復を生成する期間ＴＣＰｉを複数含み、前記期間ＴＣＰｉの少なくとも１つは、前記構造化照明パターン生成部によって認められる最短期間に相当する、請求項１に記載の方法。
  7. 前記カメラの前記画像合成期間がＮ個の等しい副期間ＴＣＰｎを含む期間ＴＩＰであり、前記方法が、グレイレベルの変化を含む各完全な構造化照明パターンの反復を複数の副期間ＴＣＰｎ内で生成し、少なくとも１つの副期間ＴＣＰｎ内で露光増分が生じないように、前記構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部を動作させる、請求項１に記載の方法。
  8. 前記第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成するステップは、第1のパターン細分露光シーケンスを生成するステップを含み、前記第１のパターン細分露光シーケンスは、複数の第1の反復細分時間において前記複数の第1の反復細分時間の各々に対応する複数のパターン部を露光することであって、前記複数の第１の反復細分時間の各々において、前記光発生器からの第1の反復強度の光をそれぞれ用いて、対応する前記パターン部を露光する、ことを含み、
    前記第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成するステップは、第２のパターン細分露光シーケンスを生成するステップを含み、前記第２のパターン細分露光シーケンスは、複数の第２の反復細分時間において前記複数の第２の反復細分時間の各々に対応する複数のパターン部を露光することであって、前記複数の第２の反復細分時間の各々において、前記光発生器からの第２の反復強度の光をそれぞれ用いて、対応する前記パターン部を露光する、ことを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 少なくとも前記第１の及び第２のパターン細分露光シーケンスが同一である、請求項８に記載の方法。
  10. 前記第１の及び第２の露光増分と異なるＬＳＢ露光増分を含み、
    前記方法が、ＬＳＢパターン細分露光シーケンスを生成することでグレイレベルの変化を含む完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記ＬＳＢ露光増分を生成するステップを含み、前記ＬＳＢパターン細分露光シーケンスは、複数の反復細分時間において前記複数のＬＳＢ反復時間の各々に対応する複数のパターン部を露光することであって、前記複数のＬＳＢ反復時間の各々において、前記光発生器からのＬＳＢ反復強度の光をそれぞれ用いて、対応する前記パターン部を露光する、ことである、
    請求項９に記載の方法。
  11. （ａ）前記それぞれのＬＳＢ反復強度を前記対応するそれぞれの第１の及び第２の反復強度未満にするステップ、及び（ｂ）前記それぞれのＬＳＢ反復細分時間を前記対応する第１の及び第２の反復細分時間未満にするステップの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
  12. （ａ）前記それぞれのＬＳＢ反復強度を前記対応するそれぞれの第１の及び第２の反復強度を上回るようにするステップ、及び（ｂ）前記それぞれのＬＳＢ反復細分時間を前記対応する第１の及び第２の反復細分時間を上回るようにするステップの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記カメラの前記画像合成期間がＮの副期間ＴＣＰｎを含む期間ＴＩＰであり、前記第１の及び第２の完全な構造化照明パターンの反復が約１００％のデューティサイクルに対応し、それぞれ１つの副期間ＴＣＰｎの間に行われ、
    ０％又は１００％のデューティサイクルに対応する構造化照明パターンが前記期間ＴＩＰの残りの副期間ＴＣＰｎの間に与えられる状態で、０％から１００％の間のデューティサイクルに対応するＬＳＢ構造化照明パターンが１つの副期間ＴＣＰｎの間に与えられる、請求項１に記載の方法。
  14. 前記ＳＬＭがデジタル光処理アレイを含む、請求項１に記載の方法。
  15. 前記精密マシンビジョン検査システムが構造化照明顕微鏡（ＳＩＭ）モードの画像取得及び測定を含み、前記画像が前記ＳＩＭモードの画像取得及び測定中に取得される画像のスタックの１つである、請求項１に記載の方法。
  16. カメラ部と、
    構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部であって、 ＳＩＰコントローラ、
    構造化照明パターンを生成するために制御される制御可能な空間光変調器（ＳＬＭ）、及び
    前記ＳＬＭに光を放射する光発生器
    を含む、構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部と、
    プログラムされた命令を記憶するためのメモリと、
    プロセッサであって、前記プログラムされた命令を実行し、
    前記カメラ部の画像合成期間中に画像を取得すること、
    グレイレベルの変化を含む第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記画像合成期間中の全体的な露光を第１の露光増分だけ高めること、及び
    グレイレベルの変化を含む少なくとも第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記画像合成期間中の前記全体的な露光を少なくとも第２の露光増分だけ高めること
    を含む動作を実行するように構成されるプロセッサと
    を含む、マシンビジョン検査システム。
  17. カメラ部の画像合成期間中にワークピースの画像を取得する動作と、
    構造化照明パターン生成部を制御して前記カメラ部の前記画像合成期間中に構造化照明パターンによって前記ワークピースを照らす動作であって、
    グレイレベルの変化を含む第１の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記画像合成期間中の全体的な露光を第１の露光増分だけ高めること、及び
    グレイレベルの変化を含む少なくとも第２の完全な構造化照明パターンの反復を生成することにより、前記画像合成期間中の前記全体的な露光を少なくとも第２の露光増分だけ高めること
    を含む、動作と
    を実行するための、前記カメラ部及び前記構造化照明パターン生成部を有する精密検査システム内のプロセッサによって実行可能な命令が記憶された、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
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