包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器。操作色譜測距傳感器(CRS)系統(tǒng)的方法可包括色點傳感器(CPS)系統(tǒng)，該色點傳感器系統(tǒng)包括光學(xué)筆，以測量低反射率表面。CRS系統(tǒng)可包含高靈敏度測量模式，在該模式中使用非常規(guī)的低采樣率或“長”自飽和曝光時間，以測量低反射率表面?！伴L”自飽和曝光時間可引起一個或多個探測器像素自飽和達(dá)到至少飽和閾值水平，其防止它們指示有效波長峰值。這樣的像素可限定出標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部分。當(dāng)表面位于CRS系統(tǒng)確定的標(biāo)定總測量范圍的有效子集中，這樣排除了無效峰值部分時，CRS仍可檢測有效波長峰值或進(jìn)行高度測量。
【專利說明】
包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及精密測量儀器，并且尤其涉及色譜測距傳感器（chromatic range sensor)和類似的光學(xué)距離測定設(shè)備，以及它們的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)高度或距離或測距傳感器中使用光譜共焦技術(shù)是已知的。正如在此通過引 用包含其全部內(nèi)容的美國專利7，876，456號（' 456專利)所述，具有軸向色差的光學(xué)元件，也 被稱作軸向或縱向色散，可以用于聚焦寬帶光源，使到焦點的軸向距離隨著波長變化。因 此，僅一個波長將精確聚焦到表面，并且相對于聚焦元件的表面高度或距離來確定哪個波 長被最好地聚焦。一旦從表面反射，光被重新聚焦到一個小的探測器孔徑中，例如小孔或光 纖的端部。一旦從表面反射并且回傳穿過光學(xué)系統(tǒng)到輸入/輸出光纖，僅在表面上很好聚焦 的波長在孔徑中很好地聚焦。所有其他波長在孔徑中較差地聚焦，并且因此不會將很多能 量耦合進(jìn)光纖。因此，通過光纖返回的光，對于對應(yīng)到表面的表面高度和距離的波長，信號 電平將是最大的。光譜類型探測器為每個波長測量信號電平，以便確定表面高度。
[0003] 某些制造商涉及如上述操作的實用且緊湊的色譜距離感測（CRS)系統(tǒng)，并且其適 于用在工業(yè)環(huán)境中，例如色點傳感器(CPS)或色線傳感器，諸如此類。與這樣的系統(tǒng)使用的 緊湊色散光組件被稱為"光學(xué)筆"或"筆"。光學(xué)筆通過光纖連接到色點傳感器的電子部分， 該電子部分將光穿過光纖以從光學(xué)筆中輸出并且提供檢測和分析返回光的光譜儀。返回光 形成被光譜儀探測器陣列接收的波長色散強度輪廓。對應(yīng)于波長色散強度輪廓的像素數(shù)據(jù) 被分析儀確定"主波長像素峰值坐標(biāo)"，如通過峰值或強度輪廓的質(zhì)心表示，并且主波長像 素峰值坐標(biāo)與查找表一起使用以確定到表面的距離。主波長像素峰值坐標(biāo)可采用亞像素分 辨率來確定，并且可被稱為"距離指示像素坐標(biāo)"。
[0004] 本領(lǐng)域中已知，使用縫隙孔徑并沿著線而不是點聚焦光的CRS，是"線性傳感器"， 提供在沿著那條線的多個點來測量到表面距離的能力，如在美國專利申請公開號2010/ 0188742中所公開的，在此通過引用包含其全部內(nèi)容。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本概述被提供以簡化的形式介紹一系列概念，其在下面詳細(xì)描述中進(jìn)一步被描 述。本概述并不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)主題的關(guān)鍵特征，也不是旨在用作在確定所要求保護(hù) 主題范圍上的輔助。
[0006] -些工件表面可具有特別低的反射率，（例如，亞光黑色或透明工件)并提供弱信 號，其不足以產(chǎn)生顯著(有效)波長峰值，該峰值能夠在由光譜儀探測器陣列接收的所產(chǎn)生 的強度輪廓中被很好地估計。一種增強信號(例如，波長峰值)的方式為增強信號整合時間， 即，增加曝光時間。然而，增加曝光時間超過一定程度可引起光譜儀探測器陣列中一些像素 的完全飽和，不管是否有位于以產(chǎn)生相應(yīng)波長的工件表面。飽和可以由CRS系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)部 (自）反射引起，例如在系統(tǒng)內(nèi)的各種光纖耦合部分上，諸如在光纖耦合器/連接器、光纖分 束器和光纖端部上。由于支持準(zhǔn)確峰值位置估計的不足的峰值高度，飽和到至少"飽和閾 值"水平的像素不能提供有效波長峰值信號。如果工件表面位于一距離處，在此處特定波長 被聚焦并且反射回到相應(yīng)像素，其顯著或完全飽和，則系統(tǒng)不能夠測量距離。因此，CRS系統(tǒng) 的運行目前受限于最大曝光時間，最大曝光時間被選擇以避免探測器像素飽和在或超過飽 和閾值水平(例如，在信號上限處的完全飽和的80%-90%，或更多），其可對應(yīng)最小采樣率， 超過該最小采樣率則采樣率不能被降低。一種典型的最小采樣率大約為300HZ。相應(yīng)地，目 前沒有解決方案或特征可被CRS系統(tǒng)的相對不熟練的使用者來使用以測量工件表面，當(dāng)使 用為了避免顯著的探測器像素飽和而選擇的CRS最大曝光時間時，該工件表面具有不足的 反射率以及產(chǎn)生顯著波長峰值。
[0007] 本發(fā)明的多個方面將針對克服上述技術(shù)問題或限制進(jìn)行改進(jìn)。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供一種操作CRS系統(tǒng)以執(zhí)行低反射率工件表面的工件高 度測量的方法。在一個實施例中，CRS系統(tǒng)可包括色點傳感器(CPS)系統(tǒng)，該色點傳感器系統(tǒng) 包括光學(xué)筆。在一個方面，CRS系統(tǒng)包括高靈敏度測量模式，其中CRS系統(tǒng)能夠以較低采樣率 (低于常規(guī)可用采樣率)操作，以測量具有低反射率的工件表面。以所述較低采樣率（即，使 用較長的自飽和曝光時間）操作的CRS系統(tǒng)使得其一個或多個探測器像素飽和達(dá)到或超過 飽和閾值水平，但是當(dāng)工件表面位于CRS系統(tǒng)的標(biāo)定總測量范圍的有效子集中時，仍然能夠 檢測指示工件表面高度測量的有效波長峰值，其中CRS系統(tǒng)的標(biāo)定總測量范圍的有效子集 排除了對應(yīng)通過自飽和曝光時間而飽和達(dá)到或超過飽和閾值水平的一個或多個探測器像 素的無效峰值部分。
[0009] 特別是，一方面，提供一種操作CRS系統(tǒng)以執(zhí)行低反射率工件表面的工件高度測量 的方法。該方法通常包括三個步驟。第一，提供一種CRS系統(tǒng)，當(dāng)使用在曝光時間的第一標(biāo)定 范圍內(nèi)的曝光時間來操作時，其在整個標(biāo)定總測量范圍上產(chǎn)生有效波長峰值，該標(biāo)定總測 量范圍在標(biāo)定上下測量范圍限制之間是不間斷的。第二，使用自飽和曝光時間來操作CRS， 該自飽和曝光時間比在曝光時間的第一標(biāo)定范圍中的曝光時間要長。不管工件表面是否位 于標(biāo)定總測量范圍中，自飽和曝光時間使CRS的至少一個探測器像素飽和達(dá)到或超過飽和 閾值水平，其防止有效波長峰值在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部分中，從而將有效波長峰 值測量位置僅留在標(biāo)定總測量范圍的排除了該無效峰值部分的有效子集中，該無效峰值部 分對應(yīng)于通過自飽和曝光時間飽和達(dá)到或超過飽和閾值水平的該至少一個探測器像素。第 三，在CRS的用戶接口部分(例如屏幕)上提供一指示，該指示至少為下述之一：（a)基于使用 自飽和曝光時間的工件表面的高度測量，和/或(b)包含在標(biāo)定總測量范圍的對應(yīng)于使用自 飽和曝光時間的該有效子集中的有效峰值測量位置。
[0010] 另一方面，提供一種用于執(zhí)行低反射率工件表面的工件高度測量的CRS系統(tǒng)。該 CRS系統(tǒng)包括光學(xué)部分、電子設(shè)備部分和用戶接口部分。光學(xué)部分配置為沿著測量軸臨近被 測工件表面的不同距離處聚焦不同波長，并且將從工件表面反射的輻射引向波長探測器。 電子設(shè)備部分包括波長探測器，并且配置為提供，（a)當(dāng)使用在曝光時間的第一標(biāo)定范圍內(nèi) 的曝光時間來操作CRS系統(tǒng)時，在整個標(biāo)定總測量范圍上的有效波長峰值，該標(biāo)定總測量范 圍在標(biāo)定上下測量范圍限制之間是不間斷的，以及(b)當(dāng)使用比在曝光時間的第一標(biāo)定范 圍中的曝光時間要長的自飽和曝光時間來操作CRS系統(tǒng)時，在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值 部分中沒有有效波長峰值，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標(biāo)定總測量范圍的排除了 該無效峰值部分的有效子集中，該無效峰值部分對應(yīng)于通過自飽和曝光時間，飽和達(dá)到或 超過飽和閾值水平的該一個或多個探測器像素，不管工件表面是否位于標(biāo)定總測量范圍 中。用戶接口部分配置為提供一指示，該指示至少為下述之一 ：（i)基于使用自飽和曝光時 間，位于標(biāo)定總測量范圍的有效子集內(nèi)的工件表面的高度測量，和/或（ii)包含在標(biāo)定總測 量范圍的對應(yīng)于使用自飽和曝光時間的該有效子集中的有效峰值測量位置。
【附圖說明】
[0011]本發(fā)明的上述方面和很多伴隨的優(yōu)點將變得更容易理解，同樣當(dāng)結(jié)合附圖時，將 參照下面詳細(xì)描述被更好地理解，其中：
[0012]圖1為示范性CRS系統(tǒng)的一個實施例的框圖。
[0013] 圖2為來自CRS的系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓的視圖，示出了當(dāng)沒有測量表面存在時，在 探測器陣列中像素的波長相關(guān)電壓偏置信號電平。
[0014] 圖3為來自CRS的波長色散強度輪廓視圖，示出了由測量表面反射的波長而產(chǎn)生的 有效波長峰值，其中峰值的像素位置對應(yīng)于到測量表面的測量距離。
[0015]圖4A為CRS距離校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的視圖，其將距離指示（波長峰值)像素坐標(biāo)與已知到被 測工件表面的測量距離相關(guān)聯(lián)。
[0016]圖4B為示例性CRS距離校準(zhǔn)查找表，其將波長峰值像素坐標(biāo)引用到相應(yīng)測量距離。 [0017]圖5A-5E示出了當(dāng)沒有測量表面存在時，表示對應(yīng)于在5種相應(yīng)"高靈敏度"采樣率 (其提供相對長的曝光時間）下操作CRS的各個自飽和輪廓的一種方式。每個自飽和輪廓指 示了標(biāo)定總測量范圍的有效子集，在此，距離測量在"高靈敏度"采樣率下是可能的。對于對 應(yīng)于自飽和曝光時間的那些采樣率，一些自飽和輪廓示出了包括飽和達(dá)到或超過飽和閾值 水平的探測器像素的補償無效峰值部分。
[0018] 圖6A和6B示出了示范性用戶接口顯示實施例，在基礎(chǔ)設(shè)置（圖6A)的一個實施例中 示出了用戶可選擇部分(例如，采樣率），以及在高靈敏度設(shè)置（圖6B)的一個實施例中示出 了用戶可選擇部分(例如，采樣率和相應(yīng)的自飽和輪廓的顯示），為低反射率工件提供擴(kuò)展 部分。
[0019] 圖7示出了在高靈敏度設(shè)置中示范性用戶接口顯示實施例，其顯示了測量距離和/ 或?qū)?yīng)于各種采樣率的CRS標(biāo)定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置。
[0020] 圖8為示出了機器視覺檢測系統(tǒng)的示范性實施例的視圖，該機器視覺檢測系統(tǒng)包 括用于測量低反射率工件表面的CRS系統(tǒng)。
[0021] 圖9為示出了操作CRS系統(tǒng)，以執(zhí)行低反射率工件表面的高度測量的程序的流程 圖。
【具體實施方式】
[0022]圖1為色譜測距傳感器(CRS)系統(tǒng)100的一個示范性實施例的框圖，包括光學(xué)元件 120 (例如，光學(xué)筆）、電子設(shè)備部分160和用戶接口部分171。該電子設(shè)備部分160的實施例包 括信號處理器166、存儲器部分168以及光源和探測器子系統(tǒng)161，該光源和探測器子系統(tǒng) 161包括波長探測器162和寬帶光源164。圖1示出的CRS系統(tǒng)100為色點傳感器(CPS)系統(tǒng)，其 在一個時間測量單個測量點。在各個實施例中，波長探測器162包括光譜儀的探測器陣列 163。探測器陣列163可包括沿著波長探測器162的測量軸分布的多個像素，其中該多個像素 接收各個波長并且提供輸出光譜輪廓數(shù)據(jù)。電子設(shè)備部分160穿過包括光纜112的光路連接 到光學(xué)元件120上。光路的可選或可替換的方面被示出，包括光纜112,該光纜112具有在光 纖段112B上的連接器CONNECT-D處接合的第一和第二段112A和112B，以及具有將段112B接 合到電子設(shè)備部分160上的耦合器C0UPLER-0。光源164,其由信號處理器166控制，被連接以 穿過包括照明光纖段1651、2 X 1耦合器C0UPLER-E、C0NNECT-E和光纜112的路徑，將波長的 光譜輪廓輸入到光學(xué)元件120。光學(xué)元件120包括輸入/輸出光纖子裝配件105、殼體130以及 光學(xué)部分150。輸入/輸出光纖子裝配件105包括輸入/輸出光纖113,以及光纖連接器108,其 中輸入/輸出光纖113被承載穿過包住它的光纜112。該輸入/輸出光纖113通過孔徑195輸出 一輸出光束，并且通過孔徑195接收被反射的測量信號光。
[0023] 在操作中，從光纖端部穿過孔徑195發(fā)出的光由光學(xué)部分150聚焦，該光學(xué)部分150 包括提供軸向色散的透鏡，以便沿著光軸OA的聚焦點根據(jù)光波長位于不同距離處，如對于 CRS系統(tǒng)所已知的。在測量操作期間，光被聚焦到工件170的表面位置190上。從表面位置190 反射的光被光學(xué)部分150重新聚焦到孔徑195。由于其軸向色散，僅一個波長具有匹配測量 距離"Z"的焦點距離，測量距離"Z"為從相對于光學(xué)元件120固定的參考位置RP到表面位置 190的距離。最好地聚焦在表面位置190上的波長為在孔徑195中最好聚焦的波長。因此顯著 地，最好地聚焦的波長穿過孔徑195并進(jìn)入到光纜112的光纖113的纖芯中。光纜112將信號 光路由到波長探測器162,波長探測器162用于確定具有主導(dǎo)強度的波長，其對應(yīng)到表面位 置190的測量距離Z。
[0024] 在示出的實施例中，被反射的波長相關(guān)光強度通過光路傳遞回電子設(shè)備部分160， 該光路包括耦合器⑶UPLER-E，以便大約50 %的光直接通過信號光纖段165S到達(dá)波長探測 器162。波長探測器162接收波長相關(guān)光強度，將其轉(zhuǎn)化為分布在沿著探測器陣列163測量軸 的像素陣列上的輸出光譜強度輪廓（也被簡稱為輸出光譜輪廓），并且基于從探測器陣列 163輸出的像素數(shù)據(jù)，操作來提供相應(yīng)的輸出光譜輪廓數(shù)據(jù)。
[0025]輪廓數(shù)據(jù)（見圖3)的子像素分辨率距離指示坐標(biāo)(DIC)由信號處理器166計算，并 且DIC(在子像素中）經(jīng)由如下面關(guān)于圖4A和4B描述的存儲在存儲器部分168中的距離校準(zhǔn) 查找表或之類的，來確定到表面位置190的測量距離Z(單位，微米KDIC可以通過各種方法 來確定(例如，通過確定包含在峰值區(qū)域中的強度輪廓數(shù)據(jù)的質(zhì)心）。強度數(shù)據(jù)可以用于確 定如下所述的具有子像素分辨率的DIC。
[0026]用戶接口部分171耦接到電子設(shè)備部分160,并且配置為經(jīng)由任何合適的方式，例 如鍵盤、觸摸傳感器、鼠標(biāo)等接收用于CRS系統(tǒng)100運行的用戶輸入，例如獲得CRS系統(tǒng)100的 系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓的用戶命令、用戶選擇的采樣率或其他運行參數(shù)等。用戶接口部分171 還配置為在屏幕上顯示信息，例如由CRS系統(tǒng)100成功測量的距離。用戶接口部分171還可顯 示在CRS系統(tǒng)100的標(biāo)定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置(對應(yīng)于以較低的或 "高靈敏度"的采樣率運行），如下所述來引導(dǎo)用戶在有效子集內(nèi)定位低反射率工件表面，從 而執(zhí)行距離測量。
[0027]圖1包括正交XYZ坐標(biāo)軸，作為一個參考系。Z方向被限定為平行光學(xué)元件120的光 軸(OA)，該光軸為距離-測量軸。如圖1所示，在操作期間，工件170沿著光軸OA放置，并且安 裝在平移臺175上，其可有利地對準(zhǔn)以便沿著由導(dǎo)向軸承175A限制的Z軸方向平移。
[0028]圖2的下面描述概括了某些已知的背景信號處理和/或校準(zhǔn)操作，其可與本發(fā)明在 各個實施例中結(jié)合使用。該目的是強調(diào)下面進(jìn)一步披露的本發(fā)明的方法不同于這些操作， 但是與這些操作兼容。圖2為來自CRS的系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓的視圖200,示出了當(dāng)在CRS標(biāo) 定總測量范圍內(nèi)沒有測量表面存在時，在探測器陣列163中的像素的電壓偏置信號電平 V〇ffSet(p)。在這種情況下，沒有刻意的反射光，并且在產(chǎn)生的強度輪廓中沒有顯著或主波 長峰值。對于沿著"波長"測量軸的1024個像素的每個，以歸一化電壓繪制電壓偏置信號 Voff set (p)。"歸一化電壓"將值1.0分配給探測器陣列163的飽和電壓。電壓偏置信號 Voffset(P)包括偏置信號電平Vbias，其在整個探測器陣列上相對一致，以及包括背景信號 分量Vback(p)，其被示為在整個探測器陣列上變化。由于與周圍溫度變化和在運行期間由 電子設(shè)備部分160產(chǎn)生的熱量相關(guān)聯(lián)的電壓漂移，則與坐標(biāo)無關(guān)的偏置信號電平Vbias可改 變?？勺兊谋尘靶盘朧back(p)表不信號，該信號例如來自CRS中波長相關(guān)的寄生（內(nèi)部)反射 的背景光，以及由于各個像素 P的暗電流。弱但是顯著的內(nèi)部反射例如可在光纖耦合部分處 出現(xiàn)，該光纖耦合部分例如為光纖耦合器和連接器、光纖分束器以及光纖端部。每個CRS系 統(tǒng)還通常包括CRS光譜儀響應(yīng)中的波長相關(guān)的變化，和/或包括CRS寬帶光源，該光源實際上 在不同波長處產(chǎn)生不同強度。因此在各個實施例中，提供最好的可能信號校準(zhǔn)或補償，CRS 的系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓可以在運行期間的各個時間上獲得，以跟蹤上面概述的潛在信號誤 差分量的動態(tài)變化。尤其地，信號分量Vback(p)可以存儲為系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓數(shù)據(jù)169， 用于探測器陣列163的像素陣列的校準(zhǔn)或補償。系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓數(shù)據(jù)169可以用于在持 續(xù)基礎(chǔ)上補償來自每個像素 P的隨后的輪廓數(shù)據(jù)信號(例如通過減法）。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的各個方面，以相對低的采樣率(或長曝光時間）操作的CRS的系統(tǒng)噪 聲(偏置)輪廓，可以用于在該采樣率上構(gòu)建CRS的自飽和輪廓。自飽和輪廓指示飽和達(dá)到或 超過飽和閾值水平的像素，并且反過來指示包含在沿著CRS光軸OA的CRS標(biāo)定總測量范圍的 有效子集中的有效峰值測量位置，其中距離測量在那個（相對低）的采樣率下仍然是可能 的。換句話說，測量位置的有效子集(例如，單位微米)對應(yīng)于子像素 DIC位置，其中剩余的 "非飽和"探測器陣列像素(那些還沒有飽和超過飽和閾值水平的像素)盡管在低采樣率下， 但仍能夠產(chǎn)生有效波長峰值，如將在下面更全面地描述。
[0030] 圖3、4A和4B下面的描述概述了某些信號處理操作，其確定具有子像素分辨率的距 離指示坐標(biāo)(DIC)，這是基于來自CRS的波長色散強度輪廓中產(chǎn)生的有效波長峰值，以及基 于確定的DIC來確定到工件表面的測量距離(例如，單位微米）。這里概述的操作在'456專利 中更詳細(xì)地描述。這樣描述的目的為提供對于CRS距離測量的整體理解有用的背景信息。
[0031] 圖3為來自CRS的波長色散強度輪廓視圖300,示出了由測量輪廓信號MS(P)的子集 而產(chǎn)生的有效波長峰值302,指示了聚焦到測量表面并且由測量表面反射的波長。每個測量 輪廓信號MS(p)具有與探測器陣列(例如，探測器陣列163)的每個像素 p相關(guān)的信號電平（以 歸一化電壓示出）。有效波長峰值302沒有飽和達(dá)到或超過飽和閾值水平的像素。其還具有 足夠的高度（良好的信噪比），是比較對稱的，并且允許對沿著探測器陣列測量軸的峰值位 置或測量距離指示坐標(biāo)(DIC) 304進(jìn)行良好的估計。
[0032]圖3示出了偏置信號電平MVbias(以歸一化電壓）、峰值像素坐標(biāo)(ppc)以及數(shù)據(jù)閾 值MVthreshold，該數(shù)據(jù)閾值MVthreshold限定了形成波長峰值302的測量輪廓信號MS(p)的 距離指示子集的下限。所有的"MV"值都為歸一化電壓。
[0033]簡要地，在一個實施例中，測量操作，其用于基于確定的DIC來確定距離指示坐標(biāo) (DIC)(單位像素）以及確定相應(yīng)測量距離(單位微米），可包括以下內(nèi)容：
[0034] ?沿著光軸OA定位目標(biāo)表面，并且獲得在視圖300中所示的所得到的波長色散強 度輪廓。
[0035] ?確定峰值像素坐標(biāo)(ppc)，其為具有最高信號的像素。
[0036] ?以給定采樣率確定測量偏置信號電平MVbias。
[0037] ?確定數(shù)據(jù)閾值MVthreshoId(例如，為峰值高度的百分比）。
[0038] ?基于形成波長峰值的測量輪廓信號MS(p)的距離指示子集，確定具有子像素分 辨率的距離指示坐標(biāo)(DIC)，其中所述波長峰值具有大于MVthreshold的值。
[0039] ?通過將DIC與在存儲的距離校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(例如，圖4A所示的距離校準(zhǔn)曲線或圖4B所 示的查找表)中的對應(yīng)距離相關(guān)聯(lián)，確定測量距離。
[0040] 在前述操作中，基于在MCthreshold之上的測量輪廓信號MS(P)的距離指示子集， DIC可以采用子像素分辨率來確定。DIC可以由各種方法來確定。在一個實施例中，DIC可以 被確定為信號MS(p)的距離指示子集的質(zhì)心Xe的子像素分辨率坐標(biāo)。例如，對于具有1024個 像素的探測器，質(zhì)心Xe可以根據(jù)下式確定：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 在一個特定示例中，公式1中的n = 2?？梢岳斫獾氖枪?將用在質(zhì)心計算的信號 MS(p)限制在距離指示子集中。
[0045]圖4A為CRS測量距離校準(zhǔn)數(shù)據(jù)410A的視圖400A，其沿著CRS的光軸(OA)，將采用子 像素分辨率的距離指示坐標(biāo)(DIC)與已知的微米測量距離(ZOUT)相關(guān)聯(lián)。圖4A示出的示例 為，對于一個光學(xué)元件，具有300微米的標(biāo)定總測量范圍MR，其對應(yīng)于大約150像素-490像素 范圍內(nèi)的DIC。然而，如果需要的話，CRS可以在探測器陣列163的一個較大像素范圍上進(jìn)行 校準(zhǔn)。一個確定CRS測量距離校準(zhǔn)數(shù)據(jù)410A的示范性的實驗室校準(zhǔn)方法是，采用一個鏡子 (例如，在圖1的表面位置190處代替所述表面)沿著光軸(OA)移動(例如，以大約0.1或0.2微 米的步長）。對于每個實際鏡面位置，基于對應(yīng)的如上所述的強度輪廓數(shù)據(jù)，來確定CRS系統(tǒng) 的相應(yīng)校準(zhǔn)DIC。校準(zhǔn)DIC和相應(yīng)的實際位置(單位微米，沿著光軸0A)隨后被記錄以提供校 準(zhǔn)數(shù)據(jù)410A。在工件測量運行期間，由CRS系統(tǒng)獲得的測量DIC參考存儲的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)410A，以 確定對應(yīng)于測量DIC的測量距離Z0UT。
[0046]圖4B為與上面概述類似的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)查找表形式的視圖400B。其旨在示出查找表格 式的示意性表示，以及為此，圖4B的具體的表值與圖4A的具體校準(zhǔn)數(shù)據(jù)410A中指示的那些 值的差異不顯著或相關(guān)。在圖4B中，在左邊一欄中，校準(zhǔn)DIC條目覆蓋從1到1024的像素坐 標(biāo)，以〇. 1像素的步長增加，并且在右邊一欄中，輸入相應(yīng)的測量距離(單位微米）。在運行 中，由CRS系統(tǒng)計算的測量DIC參考存儲的校準(zhǔn)查找表以便確定相應(yīng)的測量距離（單位微 米）。如果測量DIC落在相鄰校準(zhǔn)DIC值之間，則測量距離可通過插值來確定。
[0047] 如前所述，當(dāng)CRS系統(tǒng)采用較長曝光或積分時間來操作時（即，以較低采樣率），即 使當(dāng)測量表面不存在時，由于內(nèi)部反射而產(chǎn)生的光(例如，從光纖連接器、光纖分束器、光纖 端部，諸如此類中產(chǎn)生），在探測器陣列中的一些像素可以自飽和達(dá)到或超過飽和閾值水 平。根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，操作CRS系統(tǒng)的方法包括，確定以某些(相對低）的采樣率操 作的CRS系統(tǒng)的自飽和輪廓，該自飽和輪廓指示了沿著光軸OA的CRS標(biāo)定總測量范圍的有效 子集，該有效子集對應(yīng)于DIC像素位置，在該位置上，像素沒有飽和達(dá)到或超過飽和閾值水 平(盡管低采樣率)并且因此能夠產(chǎn)生有效波長峰值。也就是說，有效波長峰值不能夠由飽 和達(dá)到或超過飽和閾值水平的像素形成，并且因此，CRS標(biāo)定總測量范圍的有效子集對應(yīng)于 排除飽和達(dá)到或超過飽和閾值水平(例如信號上限處的完全飽和的80 % -90 %，或更多）的 像素的DIC像素位置。通過將工件表面沿著光軸放置在CRS系統(tǒng)的標(biāo)定總測量范圍的有效子 集中，用戶因此能夠以這種低采樣率來執(zhí)行工件表面的距離測量。
[0048] 圖5A-5E示出了當(dāng)沒有測量表面存在時，表示對應(yīng)于在5種相應(yīng)"高靈敏度"采樣率 (其提供相對長的曝光時間）下操作CRS的各個自飽和輪廓的一種方式。每個自飽和輪廓可 基于系統(tǒng)噪聲或偏置輪廓來確定(例如，根據(jù)先前概述的原理），并且指示了標(biāo)定總測量范 圍的有效子集，在此，距離測量在相應(yīng)"高靈敏度"采樣率下是可能的。相反地，對于對應(yīng)于 自飽和曝光時間的那些采樣率，一些自飽和輪廓還可認(rèn)為是示出了標(biāo)定總測量范圍的補償 無效峰值部分，其對應(yīng)于飽和達(dá)到或超過飽和閾值水平的至少一個探測器像素。
[0049] 圖5A-5E分別示出了曲線圖500A-500E，具有:橫軸，其沿著約0μπι-1200μπι的CRS光 軸，描繪了 CRS的標(biāo)定總測量范圍；縱軸，其指示在每個位置(或相應(yīng)探測器像素)上的可用 測量信號范圍，如下更詳細(xì)地描述;最小測量峰值高度閾值ΤΗ，其允許對波長峰值位置或 DIC進(jìn)行足夠準(zhǔn)確的估計，以及對應(yīng)于峰值高度閾值TH的示意性虛擬的波長峰值590。在示 意性示例中，TH為大約300信號單元。
[0050] 標(biāo)定總測量范圍（例如，0μηι-1200μηι)為當(dāng)使用在曝光時間標(biāo)定范圍（例如，標(biāo)定曝 光時間對應(yīng)為300Hz或更大的采樣率）內(nèi)的常規(guī)曝光時間時提供的CPS的指定不間斷的測量 范圍。在這樣的狀況下，可相對確定:沒有探測器像素通過內(nèi)部反射而飽和達(dá)到或超過飽和 閾值水平，并且有效波長峰值(例如，具有超過最小測量峰值高度閾值TH的高度)和距離測 量可以在整個指定測量范圍上提供。如前關(guān)于校準(zhǔn)數(shù)據(jù)所述，沿著探測器陣列的測量軸的 距離指示坐標(biāo)(DIC)，單位為像素，對應(yīng)于沿著CRS系統(tǒng)的光軸OA的測量位置，單位為微米。 因此，在本文的各種描述中，測量位置(沿著光軸)和像素位置(沿著探測器測量軸)可以互 換或同義地使用，除非其中一個被特殊地需要。
[0051]在各個實施例中，每個位置上沿著縱軸所示的可用測量信號范圍可以認(rèn)為是，從 最大(或完全飽和)信號電平中減去所有內(nèi)部偏置信號貢獻(xiàn)(例如，來自內(nèi)部虛假反射的信 號貢獻(xiàn))之后，對應(yīng)于所述位置或波長的在探測器像素處的可用測量信號。在各個實施例 中，如果從最大信號電平中減去，"自飽和"信號閾值，或簡稱飽和閾值(未示出）為留下不足 夠的剩余可用信號電平以記錄有效波長峰值信號的電平，有效波長峰值為一一例如，高于 最小測量峰值高度閾值TH，其可用于準(zhǔn)確估計峰值波長位置或DIC。在一些實施例中，自飽 和信號閾值和最小測量峰值高度閾值TH的和大約等于探測器像素的最大信號水平。換句話 說，在一些實施例中，從潛在的最大信號中減去達(dá)到或超過飽和閾值的自飽和信號，留下剩 余的可用信號在或低于最小測量峰值高度閾值ΤΗ。在一些實施例中，（自）飽和閾值可以設(shè) 定在信號上限完全飽和的80%-90%，或更多。相反地，在一些實施例中，最小測量峰值高度 閾值TH(對于在一個像素上的剩余可用信號)可以設(shè)定在信號上限的20%，或10%，或更少。 然而，這些閾值僅是示范性的，并不是限制。在各個實施例中，飽和閾值和/或最小測量峰值 高度閾值TH，可以在考慮到各種技術(shù)問題下在所需的電平上選擇，各種技術(shù)問題例如為可 用信號電平、讀數(shù)誤差的所需容差、噪聲問題、預(yù)期的工件反射率范圍，等等。
[0052] 在每個曲線圖500A-500E中，對于整個標(biāo)定總測量范圍上的各個測量位置，"自飽 和"輪廓線595(例如，595A-595E)示出了在信號范圍上的變化，可用于記錄從工件表面反射 的光的信號貢獻(xiàn)，而沒有使相應(yīng)探測器像素的輸出完全飽和。輪廓線595在曲線圖之間變化 的一個主要的原因，是由于它們各自采樣率和/或相應(yīng)曝光時間影響了虛假內(nèi)部反射光的 聚集量，其有助于它們各自的偏置信號?？v軸的單位可以被認(rèn)為是光電探測器信號單元的 任何便利的表征(例如，表示信號電壓或強度單位等的數(shù)字信號）。
[0053]圖5A-5E中所示的5種"高靈敏度"采樣率比CRS使用的常規(guī)采樣率相對較低，以便 產(chǎn)生較長曝光時間來從低反射率表面上獲得足夠的波長峰值信號?？梢岳斫獾氖?，自飽和 輪廓595A-595E旨在指導(dǎo)地和定性地說明，并且本發(fā)明不限于圖5A-5E描述的特定實施例或 信號特性。
[0054] 參見圖5A，曲線圖500A示出了以采樣率IOOHz操作的CRS自飽和輪廓595A，其示出 對在該特定CRS系統(tǒng)中的該特定采樣率，對于在整個標(biāo)定總測量范圍的所有測量位置，具有 足夠信號范圍（例如，大于TH)可用于記錄從工件表面反射的光的信號貢獻(xiàn)。例如，在高點的 信號或波長峰值如591可以在對應(yīng)于大約25μπι的位置的波長處被記錄，而不需要使探測器 像素完全飽和。同樣地，在高點的信號峰值如592可以在對應(yīng)于大約990μπι的位置的波長處 被記錄，而不需要使探測器像素完全飽和。自飽和輪廓595Α指示，對于IOOHz的采樣率(或其 對應(yīng)曝光時間），沒有探測器像素通過此CRS系統(tǒng)實際上"自飽和"（例如，具有剩余可用信號 范圍在或低于最小測量峰值高度閾值TH)，并且沒有標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部分。因 此，對于IOOHz的采樣率，標(biāo)定總測量范圍的有效子集502A包括整個標(biāo)定總測量范圍，其中 在有效子集處，距離測量是可能的。
[0055]可以理解的是，假設(shè)上，在IOOHz的可用測量信號峰值高度（例如，如自飽和輪廓 595A所反映的）可小于在常規(guī)的采樣率(例如，在300Hz或更多）的高度。然而，實際從低反射 率表面獲得的信號峰值高度在較慢的采樣上將會更高（例如，超過TH)，由于積累弱測量信 號的曝光時間將會更長。盡管在該示例中，實際上沒有"自飽和"達(dá)到或超過飽和閾值水平， 但是IOOHz的米樣率可能不會包含在CRS系統(tǒng)的標(biāo)定或常規(guī)米樣率的范圍內(nèi)，由于來自各種 正常或高反射率表面的信號可呈現(xiàn)在那個采樣率下使波長峰值像素飽和的高風(fēng)險，這可妨 礙對具有正?；蚋叻瓷渎实谋砻孢M(jìn)行波長峰值位置DIC的準(zhǔn)確估計。
[0056] 參見圖5B，曲線圖500B示出了以采樣率60Hz操作的CRS自飽和輪廓595B，其示出對 于在該特定CRS系統(tǒng)中的該特定采樣率，信號范圍正如期望地小于以IOOHz操作的范圍，該 信號范圍可用于為測量位置記錄從工件表面反射的光的信號貢獻(xiàn)。尤其地，可用信號范圍 在零測量位置附近（即，在無效峰值部分504B處)下降到最小電平TH周圍。出于這樣的原因， 對于60Hz的采樣率，可以審慎的限制標(biāo)定總測量范圍的有效子集502B，其中距離測量可能 在標(biāo)定總測量范圍的大部分上包括單個連續(xù)子集，但是排除在零測量位置附近的位置。
[0057] 參見圖5C，曲線圖500C示出了以采樣率50Hz操作的CRS自飽和輪廓595C。其與圖5B 所示的60HZ采樣率非常接近，并且結(jié)果是相似的。對于在該特定CRS系統(tǒng)中的該特定采樣 率，信號范圍正如期望地略小于以60Hz操作的范圍，該信號范圍可用于為測量位置記錄從 工件表面反射的光的信號貢獻(xiàn)。可用信號范圍在〇Μ?-10μπι測量位置附近（即，在無效峰值部 分504C處）下降到最小電平TH之下。出于這樣的原因，對于50Hz的采樣率，可以審慎的限制 標(biāo)定總測量范圍的有效子集502C，其中距離測量可能在標(biāo)定總測量范圍的大部分上包括單 個連續(xù)子集，但是排除在IOMi測量位置附近和之下的位置。
[0058] 參見圖，曲線圖500D示出了以采樣率35Hz操作的CRS自飽和輪廓5%D。對于在該 特定CRS系統(tǒng)中的該特定采樣率，信號范圍顯著地小于以50Hz操作的范圍，該信號范圍可用 于為測量位置記錄從工件表面反射的光的信號貢獻(xiàn)。可用信號范圍在〇μπι-75μπι測量位置附 近（即，在無效峰值部分504D處），并且在640μπι-920μπι測量位置附近（即，在無效峰值部分 504D '處)下降到最小電平TH之下。出于這樣的原因，對于35Hz的采樣率，可以審慎的限制標(biāo) 定總測量范圍的有效子集，其中距離測量可能為兩個部分502D和502D '，并且排除在無效峰 值部分504D和504D'的位置。
[0059] 參見圖5E，曲線圖500E示出了以采樣率25Hz操作的CRS自飽和輪廓595E。對于在該 特定CRS系統(tǒng)中的該特定采樣率，信號范圍隨后顯著地小于以35Hz操作的范圍，該信號范圍 可用于為測量位置記錄從工件表面反射的光的信號貢獻(xiàn)。可用信號范圍在標(biāo)定總測量范圍 的大部分上（即，在整個無效峰值部分504E上），都下降到最小電平TH之下。事實上，在這種 情況下，無效峰值部分504E的大部分上的像素為完全飽和的（例如，從400μπι-960μπι測量位 置）。對于25Hz的采樣率，可以審慎的限制標(biāo)定總測量范圍的有效子集，其中距離測量可能 為部分502E，并且排除在無效峰值部分504E中的位置。
[0060]根據(jù)本發(fā)明的各個實施例，CRS可以以兩種不同設(shè)置操作一一基礎(chǔ)設(shè)置(第一正常 操作模式)和高靈敏度設(shè)置(第二高靈敏度操作模式）。圖6A和6B示出了示范性用戶接口顯 示實施例，在基礎(chǔ)設(shè)置（圖6A)的一個實施例中示出了用戶可選擇部分(例如，采樣率），以及 在高靈敏度設(shè)置（圖6B)的一個實施例中示出了用戶可選擇部分(例如，采樣率和相應(yīng)的自 飽和輪廓的顯示），為低反射率工件提供擴(kuò)展選項。圖6A和6B所示的用戶接口顯示實施例可 示出在CRS系統(tǒng)的用戶接口部分171上，可分別用于基礎(chǔ)設(shè)置和高采樣率設(shè)置中。在如圖6A 所示的基礎(chǔ)設(shè)置用戶接口標(biāo)簽601下，用戶可被給予一組可選擇的采樣率602,包括常規(guī)可 用采樣率，諸如所示的300Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz和2000Hz。這些采樣率分別對應(yīng)于在曝 光時間的標(biāo)定范圍內(nèi)的曝光時間，其可用于"正常反射率"工件，并且不會引起任何探測器 陣列像素的自飽和。因此，在由用戶選擇的任何這些采樣率下，CRS系統(tǒng)能夠在CRS的整個標(biāo) 定總測量范圍上提供有效波長峰值?；A(chǔ)設(shè)置用戶接口還可包括系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓的更 新按鈕604。響應(yīng)于更新按鈕604的用戶選擇，CRS系統(tǒng)100以選擇的采樣率(例如，圖6A示例 中的1000Hz)來獲得系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓，并且如前所述，對于各種校準(zhǔn)和補償目的，在存 儲器部分168中存儲輪廓。
[0061 ]當(dāng)用戶選擇高靈敏度設(shè)置標(biāo)簽605時，圖6B的高靈敏度設(shè)置用戶界面可以被示出， 其包括一組不同的可選擇的采樣率612,該采樣率612包括比在基礎(chǔ)設(shè)置中的那些采樣率相 對低的采樣率，諸如25Hz、35Hz、50Hz、60Hz、75Hz和IOOHz。這些采樣率分別對應(yīng)于自飽和曝 光時間，該自飽和曝光時間比在曝光時間標(biāo)定范圍中的曝光時間要長。因此，當(dāng)以這些相對 較低采樣率操作時，CRS系統(tǒng)將具有標(biāo)定總測量范圍的有效子集，在其中對于具有兼容的低 反射率水平的表面，高度(距離)測量是可能的。參照圖5A-5E如前所示，標(biāo)定總測量范圍的 有效子集排除無效峰值部分，在其中高度測量是不可能的。類似于基礎(chǔ)設(shè)置用戶接口，高靈 敏度設(shè)置用戶接口還可包括系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓更新按鈕614。響應(yīng)于更新按鈕614的用戶 選擇，CRS系統(tǒng)以選擇的相對低的采樣率(例如，圖6B示例中的50Hz)來獲得系統(tǒng)噪聲(偏置） 輪廓。而且，在高靈敏度設(shè)置605中，CRS系統(tǒng)可確定自飽和輪廓(見圖5A-5E)，基于或連同如 前所述的系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓，以確定在CRS的標(biāo)定總測量范圍內(nèi)的有效子集。在高靈敏度 設(shè)置605中，響應(yīng)于更新按鈕614的用戶選擇，CRS系統(tǒng)以選擇的采樣率來獲得自飽和輪廓， 并且在存儲器部分168中存儲自飽和輪廓，或者由此獲得的操作信息。在一些實施例中，在 高靈敏度設(shè)置605中的系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓更新按鈕614,其基于或連同系統(tǒng)噪聲(偏置)輪 廓來獲得和存儲自飽和輪廓，看起來與在基礎(chǔ)設(shè)置601中的系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓更新按鈕 604相同，更新按鈕604僅獲得和存儲系統(tǒng)噪聲（偏置)輪廓，以至于在兩種設(shè)置之間的處理 差異是對用戶透明的。
[0062] 可以理解的是，在基礎(chǔ)設(shè)置601和高靈敏度設(shè)置605中可選擇的采樣率僅意圖是示 意性的，并不旨在限制。在各個實施例中，遍及標(biāo)定總測量范圍能夠檢測有效波長峰值的任 何采樣率，能夠包含在基礎(chǔ)設(shè)置采樣率組602中，然而至少一些探測器陣列像素自飽和達(dá)到 至少（自）飽和閾值水平(不管在標(biāo)定總測量范圍中，工件表面是否存在)而其他像素沒有達(dá) 到的任何采樣率，能夠包含在高靈敏度采樣率組612中。
[0063]在一些上面概述的實施例中，更新按鈕604或614觸發(fā)了以當(dāng)前或選擇的采樣率對 系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓和/或自飽和輪廓的采樣。在其他實施例中，更新按鈕604或614,對于 一組包括一些或所有潛在采樣率的采樣率，可觸發(fā)對系統(tǒng)噪聲(偏置)輪廓和/或自飽和輪 廓的采樣。各個這樣的輪廓(或由此獲得的操作信息)可隨后被存儲在存儲器部分168中，以 便當(dāng)用戶以后選擇一個采樣率時，其對應(yīng)的輪廓可被CRS容易地使用。CRS的系統(tǒng)噪聲（偏 置)輪廓和/或自飽和輪廓都容易受到環(huán)境變化、組件老化以及其他依賴時間的變化影響。 因此，在各個實施方式中，CRS可提示用戶在各個時間去選擇更新按鈕614,以獲得至少當(dāng)前 采樣率的自飽和輪廓，以便使輪廓保持最新。
[0064]在高靈敏度設(shè)置605中，如前所述，標(biāo)定總測量范圍內(nèi)的有效子集包括沿著CRS光 軸OA的有效波長峰值測量位置。因此，如果被測工件表面恰好位于有效子集中，從工件表面 的反射將產(chǎn)生有效波長峰值，從而指示出到工件表面的測量距離。圖7示出了在高靈敏度設(shè) 置中示范性用戶接口顯示屏實施例，其顯示了在有效子集顯示部分703中，測量距離域701 和/或?qū)?yīng)于各種采樣率的CRS標(biāo)定總測量范圍的有效子集中的潛在有效峰值測量部分。 [0065]如果工件表面恰好在有效子集范圍內(nèi)，成功確定的測量距離可在域701中顯示。如 果不在，至少首先，工件表面需要手工地、半自動地或自動地移動，以在有效子集內(nèi)定位。為 此，用戶可參考有效子集顯示部分703,為了對于特定采樣率引導(dǎo)以在有效子集中定位表 面，該特定采樣率可與表面反射率特性一起使用。在一些實施例中，每當(dāng)用戶在高靈敏度設(shè) 置中執(zhí)行距離測量時，或響應(yīng)于如圖6B所示的自飽和輪廓"顯示"按鈕616的用戶選擇，有效 子集顯示部分703可以自動地顯示在用戶接口部分171上。
[0066]圖7所示的用戶接口可額外地或替代地包括第一指示器705A，例如綠燈，其指示給 用戶：表面在CRS的總測量范圍的有效子集中定位。額外地或替代地，第二指示器705B，例如 紅燈，可以被提供以指示:表面在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部分中定位，從而防止無效測 量。更普遍地，可以使用任何視覺、聽覺或其他指示，其允許用戶區(qū)分第一狀態(tài)和第二狀態(tài)， 其中第一狀態(tài)中工件表面位于有效子集內(nèi)，第二狀態(tài)中工件表面位于無效峰值部分內(nèi)?？?以理解的是，圖7所示的測量位置有效子集的圖形表示并不是限制的?？商娲谋硎疽蔡幱?本發(fā)明公開內(nèi)容的范圍內(nèi)。例如，對于給定的采樣率，有效子集可以用數(shù)字表示。
[0067]在一些示范性實施例中，在沿著CRS光軸OA的標(biāo)定總測量范圍的子集內(nèi)定位工件 表面，可以在機器視覺檢測系統(tǒng)中自動地執(zhí)行。圖8為示出了機器視覺檢測系統(tǒng)800的示范 性實施例的視圖，該機器視覺檢測系統(tǒng)包括CRS系統(tǒng)，該CRS系統(tǒng)包括光學(xué)筆100,用于測量 低反射率工件表面。當(dāng)機器視覺檢測系統(tǒng)(CRS系統(tǒng))800用于執(zhí)行低反射率工件表面的高度 測量時，用戶可選擇較低采樣率(較長曝光時間），并且機器視覺檢測系統(tǒng)800可自動沿著 CRS系統(tǒng)的光軸OA在標(biāo)定總測量范圍的有效子集內(nèi)定位被測工件表面。
[0068]機器視覺檢測系統(tǒng)800為具有光學(xué)成像系統(tǒng)802的顯微型機器視覺和檢測系統(tǒng)，光 學(xué)成像系統(tǒng)802例如為在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利號8,085,295和7,454,053中所描述的，在此 通過引用包括在內(nèi)。視覺測量機器和控制系統(tǒng)的各個方面還在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利號7， 324，682和美國專利申請公開號2005/0031191中更詳細(xì)地描述，在此也通過引用包括在內(nèi)。 [0069] 如在'682專利和'191公開文本中更詳細(xì)所述，并且如圖8所示，機器視覺檢測系統(tǒng) (MVIS)SOO可包括視覺系統(tǒng)控制器804,其用于取回捕獲的和存儲的工件檢測圖像，以在該 工件檢測圖像上檢測和分析工件特征，并存儲和/或輸出檢測結(jié)果。MVIS的常規(guī)攝像機部分 可包括光學(xué)成像系統(tǒng)802，該光學(xué)成像系統(tǒng)802包括具有光軸0A"的物鏡，當(dāng)通過沿著Z軸導(dǎo) 向軸承802A實現(xiàn)聚焦時，其放大工件806表面并將工件806表面成像到攝像機(未示出）。在 平臺808上的工件806在導(dǎo)向軸承808A上沿著X和Y軸移動。MVIS800大約比得上從位于奧羅 拉，111的三豐美國公司(MAC)獲得的視覺系統(tǒng)QUICK VISIONtmQV Apex系列提供的那些系 統(tǒng)。MVIS800可配置為安裝CRS(例如，以CPS光學(xué)筆100的形式），以沿著Z軸方向移動，其與連 同各種測量功能而使用的光學(xué)成像系統(tǒng)802偶聯(lián)在一起(在該特定實施例中）。光纜112將 CPS光學(xué)筆100連接到光學(xué)筆電子設(shè)備部分160上。機器視覺檢測系統(tǒng)800包括計算機和用戶 接口 171以及視覺系統(tǒng)控制器804。視覺系統(tǒng)控制器804可充當(dāng)主系統(tǒng)，用于與CPS光學(xué)筆電 子設(shè)備部分160(見圖1)通信。MVIS用戶接口 171還可充當(dāng)CRS的用戶接口，并且可提供上面 概述的各種CRS的用戶接口特征的一些或所有部分，尤其是在MVIS800的學(xué)習(xí)模式運行期 間。在各個實施例中，MVIS用戶接口 171和CRS的用戶接口可以被合并和/或是沒有區(qū)別的。
[0070] 光學(xué)成像系統(tǒng)802和光學(xué)筆100的（Z)測量范圍可被校準(zhǔn)，或者參照彼此和參照 MVIS的Z軸控制器坐標(biāo)。光學(xué)筆電子設(shè)備部分160和視覺系統(tǒng)控制器804可以配置為根據(jù)已 知方法來交換數(shù)據(jù)和控制信號。因此，對于任何當(dāng)前采樣率，MVIS800可以用于自動定位工 件806的表面，以在CPS光學(xué)筆100的標(biāo)定總測量范圍的有效子集內(nèi)被測量。
[0071] 例如，視覺系統(tǒng)控制器804可涉及自飽和輪廓，其對于給定(較低)采樣率，在光學(xué) 筆電子設(shè)備部分160中被獲得和存儲，以確定在CPS光學(xué)筆的標(biāo)定總測量范圍內(nèi)的有效子集 的位置。視覺系統(tǒng)控制器804可隨后指示MVIS的Z軸位置以自動關(guān)于工件806來定位CPS光學(xué) 筆100,而視覺系統(tǒng)控制器804還移動工件806到各個期望的X-Y測量位置(例如，使用CRS以 得到表面部分的輪廓）。
[0072]圖9為示出了操作CRS系統(tǒng)以執(zhí)行低反射率工件表面的高度測量的程序的流程圖。 在方塊900，提供一種CRS系統(tǒng)，當(dāng)使用在曝光時間標(biāo)定范圍內(nèi)的曝光時間來操作時，其在沿 著CRS系統(tǒng)光軸OA的整個標(biāo)定總測量范圍上具有有效波長峰值。在方塊902,使用自飽和曝 光時間來操作CRS系統(tǒng)，該自飽和曝光時間比在曝光時間的第一標(biāo)定范圍中的曝光時間要 長，其中，不管工件表面是否位于標(biāo)定總測量范圍中，自飽和曝光時間使CRS的至少一個探 測器像素飽和達(dá)到至少飽和閾值水平，其防止有效波長峰值在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值 部分中，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標(biāo)定總測量范圍的排除了該無效峰值部分的 有效子集中，該無效峰值部分對應(yīng)于通過自飽和曝光時間飽和達(dá)到至少飽和閾值水平的該 至少一個探測器像素。在方塊904,在CRS系統(tǒng)的用戶接口上提供一指示，該指示至少為下述 之一 ：（i)基于使用自飽和曝光時間的工件表面的高度測量(例如，如在圖7的測量距離域 701中），以及（i i)包含在標(biāo)定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置(例如，圖7中 的有效子集顯示部分703)。
[0073] 根據(jù)本發(fā)明的CRS方法和系統(tǒng)允許以長曝光時間操作CRS系統(tǒng)(例如，如以較低采 樣率提供，例如約25Hz到IOOHz的范圍內(nèi)），這是先前不適用于可靠操作的（例如，由相對不 熟練的用戶），以此實現(xiàn)具有低反射率的工件表面上的距離測量。
[0074] 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，基于本發(fā)明，所示和所述的操作的 特征和順序的布置，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。例如，包括光學(xué)筆的CPS已經(jīng) 在本文中示出。然而，諸如色線傳感器的CRS系統(tǒng)，可以配置為根據(jù)本文公開的系統(tǒng)和方法 操作。因此，可以理解的是，可以對本文公開的實施例進(jìn)行各種改變，而不離開本發(fā)明的精 神和范圍。
[0075]上述的各個實施例可以合并以提供另一實施例。能夠修改實施例的方面以提供進(jìn) 一步的實施例。鑒于上面詳細(xì)描述，能夠?qū)嵤├鲞@些或其他改變。
【主權(quán)項】
1. 一種操作色譜測距傳感器(CRS)系統(tǒng)以執(zhí)行低反射率工件表面的工件高度測量的方 法，該方法包括： 提供一種CRS系統(tǒng)，當(dāng)使用在曝光時間的第一標(biāo)定范圍內(nèi)的曝光時間來操作時，該CRS 系統(tǒng)在整個標(biāo)定總測量范圍上具有有效波長峰值，該標(biāo)定總測量范圍在標(biāo)定上下測量范圍 限制之間是不間斷的； 使用自飽和曝光時間來操作CRS，該自飽和曝光時間比在曝光時間的第一標(biāo)定范圍中 的曝光時間要長，其中： 不管工件表面是否位于標(biāo)定總測量范圍中，自飽和曝光時間使該CRS的至少一個探測 器像素飽和達(dá)到至少飽和閾值水平，其防止有效波長峰值在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部 分中，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標(biāo)定總測量范圍的排除了該無效峰值部分的有 效子集中，該無效峰值部分對應(yīng)于通過自飽和曝光時間飽和達(dá)到至少飽和閾值水平的該至 少一個探測器像素；以及 在CRS的用戶接口部分上提供一指示，該指示至少為下述之一 ：（a)基于使用自飽和曝 光時間的工件表面的高度測量，以及(b)包含在標(biāo)定總測量范圍的對應(yīng)于使用自飽和曝光 時間的該有效子集中的有效峰值測量位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，提供(a)基于使用自飽和曝光時間的工件表面的 高度測量的指示的步驟，包括將工件表面置于標(biāo)定總測量范圍的有效子集中。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，（a)基于使用自飽和曝光時間的工件表面的高度 測量的指示的步驟，包括為工件表面上的各個點提供多個各自高度測量。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，指示(b)提供在CRS的用戶接□部分上，并且指示 (b)包括下面至少一個：（b-i)包含在標(biāo)定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置的 圖示，以及(b-ii)工件表面定位在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部分中的指示。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，無效峰值部分包括標(biāo)定總測量范圍的兩個離散 段。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，標(biāo)定總測量范圍的有效子集包括標(biāo)定總測量范圍 的兩個離散段。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，指示(b)提供在CRS的用戶接□部分上，并且指示 (b)包括下面至少一個：（b-i)指示有效峰值測量位置的至少一個不間斷子范圍的上下限的 顯示，所述有效峰值測量位置的至少一個不間斷子范圍包含在標(biāo)定總測量范圍的有效子集 中，以及(b-ii)有效/無效指示器的第一顯示狀態(tài)，該有效/無效指示器包括第一顯示狀態(tài) 以及第二顯示狀態(tài)，它們分別響應(yīng)于在標(biāo)定總測量范圍的有效子集中獲得的測量和在無效 峰值部分中獲得的測量而進(jìn)行顯示。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，曝光時間與在CRS的用戶接口部分上的相應(yīng)采樣 率相關(guān)，并且使用自飽和曝光時間來操作CRS的步驟包括使用對應(yīng)于自飽和曝光時間的采 樣率操作CRS。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在曝光時間的第一標(biāo)定范圍中的各個曝光時間與 在采樣率第一標(biāo)定集中的相應(yīng)采樣率相關(guān)，該相應(yīng)采樣率被指示在CRS的用戶接口部分上， 并且使用自飽和曝光時間來操作CRS的步驟包括使用比包含在采樣率第一標(biāo)定集中的采樣 率低的采樣率來操作CRS。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中采樣率第一標(biāo)定集與指示在CRS的用戶接口部分 上的第一正常操作模式相關(guān)，并且較低采樣率與指示在CRS的用戶接口部分上的第二高靈 敏度操作模式相關(guān)。11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中對應(yīng)于自飽和曝光時間的采樣率最多為60Hz。12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中對應(yīng)于自飽和曝光時間的采樣率最多為35Hz。13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，使用自飽和曝光時間來操作CRS的步驟在高靈敏 度測量模式下執(zhí)行，高靈敏度測量模式由用戶在CRS的用戶接口部分中選擇。14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，在使用所述自飽和曝光時間操作CRS的步驟之前，進(jìn)一 步包括響應(yīng)于在CRS的用戶接口上的可操作元素的用戶選擇，獲得CRS的自飽和輪廓，其將 標(biāo)定總測量范圍的有效子集與自飽和曝光時間相關(guān)聯(lián)。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，提供(a)基于使用自飽和曝光時間的工件表面 的高度測量以及(b)包含在標(biāo)定總測量范圍的對應(yīng)于使用自飽和曝光時間的有效子集中的 有效峰值測量位置中的至少之一指示的步驟，利用獲得的自飽和輪廓，該輪廓為相應(yīng)自飽 和曝光時間指定了標(biāo)定總測量范圍的有效子集。16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括： 獲得CRS的多個自飽和輪廓，其每一個將標(biāo)定總測量范圍的有效子集與相應(yīng)不同的自 飽和曝光時間相關(guān)聯(lián)，其中不同自飽和曝光時間分別與不同采樣率相關(guān);并且 在CRS的用戶接口部分上顯示不同采樣率作為可選擇的可操作元素。17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括： 參照獲得的自飽和輪廓，自動地將工件表面置于標(biāo)定總測量范圍的有效子集中。18. -種用于執(zhí)行低反射率工件表面的工件高度測量的色譜測距傳感器(CRS)系統(tǒng)，該 CRS系統(tǒng)包括： (a) 光學(xué)部分，配置為沿著測量軸臨近被測工件表面的不同距離處聚焦不同波長，并且 將從工件表面反射的輻射引向波長探測器； (b) 電子設(shè)備部分，包括波長探測器，配置為： 當(dāng)使用在曝光時間的第一標(biāo)定范圍內(nèi)的曝光時間來操作CRS系統(tǒng)時， 在整個標(biāo)定總測量范圍上具有有效波長峰值，該標(biāo)定總測量范圍在標(biāo)定上下測量范圍 限制之間是不間斷的，以及 當(dāng)使用比在曝光時間的第一標(biāo)定范圍中的曝光時間要長的自飽和曝光時間來操作CRS 系統(tǒng)時， 不管工件表面是否位于標(biāo)定總測量范圍中，在標(biāo)定總測量范圍的無效峰值部分中沒有 有效波長峰值，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標(biāo)定總測量范圍的排除了無效峰值部 分的有效子集中，該無效峰值部分對應(yīng)于通過自飽和曝光時間飽和達(dá)到至少飽和閾值水平 的一個或多個探測器像素，該飽和閾值水平防止所述一個或多個探測器像素指示有效波長 峰值；以及 (c) 用戶接口部分，配置為提供一指示，該指示至少為下述之一 ：（i)基于使用自飽和曝 光時間，位于標(biāo)定總測量范圍的有效子集內(nèi)的工件表面的高度測量，以及（ii)包含在標(biāo)定 總測量范圍的對應(yīng)于使用自飽和曝光時間的有效子集中的有效峰值測量位置。19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的CRS系統(tǒng)，其中CRS系統(tǒng)包含在機器視覺檢測系統(tǒng)中，該機器 視覺檢測系統(tǒng)包括可移動的部分，光學(xué)部分連接在該可移動的部分上，以相對于工件表面 沿著x-、Y-和Z-方向可移動，其中，機器視覺檢測系統(tǒng)配置為相對于光學(xué)部分，在標(biāo)定總測 量范圍的有效子集中自動定位工件表面。20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的CRS系統(tǒng)，其中曝光時間與相應(yīng)采樣率相關(guān)，并且用戶接口 部分顯不分別與一個或多個自飽和曝光時間對應(yīng)的一個或多個米樣率。
【文檔編號】G01B11/02GK105937877SQ201610298366
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月4日
【發(fā)明人】A·M·帕茨沃爾德
【申請人】株式會社三豐