[发明专利]利用多点自动对焦将光学组件部分的光轴对准为垂直于工件表面的系统和方法

说明书

一种计量系统，包括光学组件部分；调整机构，其被配置为改变光学组件部分和工件表面之间的距离和角度取向；和处理器，其配置为控制调整机构移动光学组件部分，以将工件表面定位在焦点Z自动对焦范围内；捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；基于自动对焦高度控制调整机构以使光学组件部分相对于工件表面旋转，使光学组件部分的光轴与工件表面的表面法线名义上对齐，并调整光学组件部分与工件表面之间的距离；并在工件表面上执行限定的操作。

技术领域

本公开涉及精密计量学，更具体地，涉及使用多点自动对焦来将光轴对准垂直于工件表面，以提高将在工件表面上执行的后续操作(例如，测量操作等)的精度。

背景技术

精密计量系统，例如精密机器视觉检测系统(或简称“视觉系统”)可用于获得物体的精确尺寸测量和检测各种其他物体特性，并且可能包括计算机、相机和光学系统，以及移动以允许工件移动和检查的精密工作台。一个示例性现有技术系统是可从位于伊利诺伊州奥罗拉的Mitutoyo America Corporation(MAC)购得的QUICK系列基于PC的视觉系统和软件。例如，在2003年1月发布的《QVPAK 3D CNC视觉测量机器用户指南》中一般地描述了QUICK系列视觉系统和软件的特征和操作，该指南特此通过引用整体地并入本文。这种类型的系统使用显微镜型光学系统并且移动工作台以提供小或相对大的工件的检查图像。

通用精密机器视觉检测系统通常可编程以提供自动视频检测。此类系统通常包括可选择的操作模式以及GUI特征和预定义的图像分析“视频工具”，以便“非专家”操作员可以执行操作和编程。例如，美国专利6,542,180，其全部内容以引用方式并入本文，其教导了使用包括使用各种视频工具的自动视频检查的视觉系统。

可变焦距(VFL)光学系统可用于表面高度的观察和精确测量，并且可包括在精密机器视觉检查系统或其他光学系统中，例如在美国专利9,143,674中公开的，其在此全文以引用方式并入本文。简而言之，VFL透镜能够分别在多个焦距处获取多个图像。各种类型的VFL透镜是已知的，例如机械VFL透镜，其中多透镜系统被机械移动以改变其焦距，或非机械VFL透镜，例如可调声学梯度(“TAG”)透镜，其使用流体介质中的声波产生透镜效应(以改变其焦距)。例如，精密机器视觉检测系统中的VFL透镜可用于获取工件在多个表面高度或机器坐标系(MCS)的“Z高度”的图像。

此类配置通常仅能够从单个方向(例如，沿MCS的Z轴)执行某些类型的操作(例如，图像堆叠的获取)。可以提供关于此类操作(例如，关于具有倾斜和/或复杂的表面等的工件等)的改进的系统将是期望的。

发明内容

本发明内容的提供是为了以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容并非旨在标识要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于辅助确定所要求保护的主题的范围。

根据一个方面，提供了一种计量系统，其包括：光学组件部分；调整机构；一个或多个处理器；以及耦合到所述一个或多个处理器并存储程序指令的存储器。

光学组件部分包括光源；物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；以及相机，其接收沿所述成像光路传输的成像光并提供所述工件表面的图像。

调整机构被配置为改变所述光学组件部分和所述工件表面之间的距离并且相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向。

当由一个或多个处理器执行时，在存储器中存储的程序指令使一个或多个处理器至少：

控制所述调整机构移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内。