用于对计量系统编程三维工件扫描路径的方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般地涉及包括机器视觉检验系统和辅助精密表面传感器的计量系统，并 且更特别地涉及用于对这种系统进行操作和编程的方法。
【背景技术】
[0002] 精密机器视觉检验系统（或者简称"视觉系统"）能够用于获取被检物的精 确尺寸测量，并且检验各种其他物体特性。这种系统可以包括计算机、摄像机和光学系 统以及精密台架，该精密台架在多个方向上可移动，以使摄像机扫描正检验的工件的特 征。一个市售的示例性现有技术系统是从位于美国伊利诺伊州的奥罗拉的Mitutoyo America Corporation (MAC)可以获得的QUICK VIS丨ON?系列基于个人计算机的视觉 系统和QVPAK?软件。例如，在2003年1月出版的QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User' s Guide 和 1996 年 9 月出版的 QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine OperationGuide中概况描述了 QUICK 列视觉系统和QVPAK?软件，兹通过 引用合并其每个的全部内容。例如，该系列产品能够利用显微镜型光学系统以各种放大率 提供工件的图像，并且在需要时移动台架以）往返移动工件表面到任何单视频图像的限度 外。假定这种系统的希望的放大率、测量分辨率和物理尺寸限制，则单视频图像通常仅包括 正观测的或者正检验的工件的一部分。
[0003] 机器视觉检验系统通常采用自动视频检验。美国专利No. 6, 542, 180教导了这种 自动视频检验的各种方面，在此通过引用合并其全部内容。如' 180专利所教导的，自动视 频检验计量仪器通常具有编程能力，其对于每个特殊工件构造，用户都可以定义自动检验 事件序列。这能够通过以下来实现：例如，通过基于文本的编程，或者通过借助图形用户界 面（GUI)存储与用户执行的检验操作序列对应的机器控制指令序列逐步"学习"检验事件 序列的记录模式，或者通过这两种方法的组合。常常将这种记录模式称为"学习模式"或者 "训练模式"。在"学习模式"下定义了检验事件序列时，然后在"运行模式"期间能够利用这 种序列自动获取（并且附加分析或者检验）工件的图像。
[0004] 通常将包括特定检验事件序列的机器控制指令（即，如何获取每个图像和如何分 析/检验每个所获取的图像）存储为对特定工件构造专用的"零件程序"或者"工件程序"。 例如，零件程序定义如何获取每个图像，诸如如何相对于工件定位摄像机，处于什么照明水 平、处于什么放大水平、等等。此外，零件程序定义如何例如利用诸如边缘/边界检测视频 工具的一个或者多个视频工具分析/检验获取的图像。
[0005] 为了完成检验和/或者机器控制操作，可以手动建立视频工具（或者简称为"工 具"）和其他GUI特征。在学习模式期间也可以记录视频工具建立参数和操作，以便创建自 动检验程序或者"零件程序"，然后该自动检验程序或者"零件程序"合并各种视频工具执行 的测量/分析操作。视频工具可以包括例如边缘/边界检测工具、自动聚焦工具、形状或者 图案匹配工具、尺寸测量工具、等等。在上面讨论的诸如QUICK VISION?系列视觉系统和 有关QVPAK?软件的各种市售机器视觉检验系统中常常使用这些工具。
[0006] 典型的机器视觉检验系统对面高，即，在光学系统的光轴方向上，不提供高精度 (例如，微米或者亚微米精度）测量能力。然而，这种高精度测量能力可以由诸如彩色范 围传感器（chromatic range sensor) (CRS)的辅助传感器提供，其中色差技术用于高精 度距离感测计量。例如，在Optics (Paris)，1986年17卷6号279-282页G. Molesini和 S. Quercioli, J 的 "Pseudocolor Effectsof Longitudinal Chromatic Aberration'，概括 描述了这种传感器的工作原理。
[0007] 一般地说，在这种系统中，利用具有轴向色差的光学元件聚焦从小孔径发出的宽 带光源，使得表面的轴向距离或者高度确定哪个波长在该表面上聚焦最好。从该表面反射 时，该光再聚焦在诸如针孔和/或者光纤的末端的小孔径上，并且仅在该表面上良好聚焦 的波长在该孔径上良好聚焦。其他波长聚焦不好，并且不将大量功率耦合到该孔径中。光 谱仪测量通过孔径返回的每个波长的信号水平。波长强度峰值（wavelength intensity peak)有效指出该表面的距离或者高度。这种辅助CRS传感器可以与机器视觉检验系统 的主要光路并排安装，也可以部分地集成，从而共享主光路的某些部件。例如，美国专利 No. 8, 587, 789和7, 477, 401中公开了适合用于这种构造的DRS系统的例子，每个通过引用 合并其全部内容在此。将这种高精度CRS传感器与典型的机器视觉检验系统集成的一个问 题是简化对这种CRS传感器的有关操作和编程，并且使其鲁棒，使得较不熟练的用户（其可 能不理解CRS传感器）可以容易地创建可靠的零件程序，该零件程序利用这种集成系统中 的机器视觉部件和CRS传感器进行检验。另外的问题是允许较不熟练的用户在这种零件程 序中实现高产出。希望解决这些问题的方案。
【附图说明】
[0008] 图1是示出通用精密机器视觉检验系统的各种典型部件的图；
[0009] 图2是与图1的相似的机器视觉检验系统的控制系统部和视觉部件部的方框图， 包括在根据本发明的各种实施例中可用的模块和特征；
[0010] 图3是可用作精密Z高度传感器的示例性彩色共焦点传感器的方框图；
[0011] 图4是计量系统的示例性用户界面的图，包括跨越工件表面的扫描路径的表示；
[0012] 图5A-C是沿着跨越工件的扫描路径段的表面轮廓的示意图，示出与在工件扫描 操作期间可使用的两种类型的Z高度感测系统的测量范围有关的尺寸关系；
[0013] 图6A-D是在机器视觉检验系统的学习模式操作期间可用于对于高精度Z高度感 测系统定义沿着工件扫描路径段的检验操作的用户界面的一个实施例的图；
[0014] 图7A和7B是可用于确定初始实际表面Z高度测量以确定沿着图6A-6D的扫描路 径段的精密3D扫描路径，并且验证沿着该精密3D扫描路径操作高精度Z高度感测系统的 结果的用户界面的一个实施例的图；以及
[0015] 图8A和8B是示出用于确定并且使用第一类型Z高度感测系统的3D工件扫描路 径的方法的流程图，该第一类型Z高度感测系统在计量系统中相对较窄的Z高度测量范围 提供更精密的表面Z高度测量，该计量系统还包括相对较宽Z高度测量范围提供较低精度 表面Z高度测量的第二类型Z高度感测系统。
【具体实施方式】
[0016] 图1是根据在此描述的方法可用的一个示例性机器视觉检验系统（MVIS) 10的方 框图。MVIS 10包括视觉测量机器12,该视觉测量机器12可操作地连接以与控制计算机系 统14交换数据信号和控制信号。控制计算机系统14还可操作地连接以与监视器或者显示 器16、打印机18、操纵杆22、键盘24以及鼠标26交换数据信号和控制信号。监视器或者显 示器16可以显示适用于对MVIS 10的操作进行控制和/或者编程的用户界面，包括在此公 开的各种操作。
[0017] 视觉测量机器12包括可移动工件台架32和光学成像系统34。MVIS 10通常与上 面讨论的QUICK VISION?系列视觉系统和QVPAK?软件以及类似的技术状况的市售精 密机器视觉检验系统相当。在共同转让的美国专利号7, 454, 053、7, 324, 682、8, 111，905和 8, 111，938中也描述了 MVIS 10,每个通过引用合并在此。
[0018] 图2是与图1的MVIS 10类似的MVIS 100的控制系统部120和视觉部件部200 的方框图。控制系统部120用于控制视觉部件部200,并且包括在根据本发明的各种实施 例中可用的特征。视觉部件部200包括：光学组件部205 ;光源220、230和240 ;跟踪自聚 焦（TAF)部1000的部分或全部（替代地可以部分地位于控制系统部120中）；以及工件台 架210,该工件台架210具有中心透明部212。视觉部件部200还可以包括精密Z高度传感 器300,在一个实施例中，该高度传感器300可以包括精密Z高度传感器光学部300A (或者 300A'）和精密Z高度传感器电子部300B。在所示的实施例中，精密Z高度传感器光学部 300A和物镜250可以互相偏离。这不是对实施在此公开的本发明的要求。然而，这是典型 情况：当精密Z高度传感器是机器视觉检验系统的任选配件或者附加配件时，并且在这种 情况下在此公开的本发明和教导特别具有优势。工件台架210沿着X轴和Y轴可控地可移 动，X轴和Y轴位于通常与工件20所在的台架的表面平行的面中。任选配件部205包括摄 像机系统260和可更换物镜250,并且可以包括具有镜头286和288的转塔式（turret)镜 头组件280。作为转塔式镜头组件的一种选择，可以包括固定式的或者手动更换的变放大率 镜头，或者变焦镜头配置等。利用可控电机294,光学组件部205沿着通常垂直于X轴和Y 轴的Z轴可控地可移动。
[0019] 要成像的工件20或者保持多个工件20的托盘或者固定装置位于工件台架210 上。工件台架210相对于光学组件部205移动，使得可更换物镜250在工件（或者各工件）20 上的位置之间移动。台架灯220、同轴灯230和表面灯240可以分别发出光源光222、232或 者242,以照亮工件20。光源230可以沿着包括镜面290的路径发射光232。光源光被作为 工件光反射或者透射，工件光255通过可更换物镜250和转塔式镜头组件280到达摄像机 系统260。摄像机系统260捕获的图像在信号线262上输出到控制系统部120。光源220、 230和240可以分别通过信号线或者总线22U231和241连接到控制系统部120。为了改 变图像放大率，通过信号线或者总线281，控制系统部120可以通过信号线或总线281使转 塔式镜头组件280沿着轴284旋转以选择转塔式镜头。
[0020] TAF部1000可以对半镀银镜照射聚焦光251，并且通过物镜250照亮工件20。聚 焦光通过物镜250反射回，并且返回到TAF部1000中的焦点检测器，然后该焦点检测器可 以在信号线和/或者控制线或者总线上将测量和/或聚焦校正信号输出到控制系统部120。 在各种实施例中，TAF部1000可以基于各种公知的聚焦传感器技术，诸如刀口聚焦技术 (knife edge focus technique)、提供大测量范围的彩色共焦技术、或者Shack-Hartmann 型波前感测技术等等。在标题为"System and Method for Controlling a Tracking Autofocus (TAF) Sensor in a Machine Vision Inspection System" 的共同未决美国专利 申请No. 14/052,579中描述了后者技术，在此通过引