专利名称：用于增加精密检查吞吐量的机器视觉检查系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于对带有在多个方向上相对于彼此可移动的照相机和测量台的机器视觉检查系统进行操作以便扫描和检查在测量台上的工件的所选择的特征的方法，更特别地，本发明涉及用于与图像检查操作无关地编制和执行图像获取操作的系统和方法，以及用于为了改善精密机器视觉检查系统吞吐量而通过使用连续的运动来执行图像获取操作的系统和方法。
背景技术：
能够利用精密机器视觉检查系统来获取所检查的物体的精密空间的测量和检查各种其它对象特征。如此的系统可以包括计算机、照相机和光学系统、精密测量台，所述精密测量台是在多个方向上可移动的从而允许照相机扫描要检查的工件的特征。一种商业上可用的示范性的现有技术系统是来自位于Illinois的Aurora的三丰(Mitutoyo)美国公司(MAC)可用的QUICK VISIONTM系列的视觉检查机器和QVPAKTM软件。例如，在2003年1月出版的QVPAK3D CNC视觉测量机器用户指导(QVPAK 3D CNC Vision Measuring MachineUsers Guide)和1996年9月出版的QVPAK 3D CNC视觉测量机器操作指导(QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide)中概括地描述了QUICK VISIONTM系列的视觉检查机器和QVPAKTM软件的特性和操作，这里据此全文引用每一部分作为参考。例如，由QV-302 Pro模型(QV-302 Pro model)所例示的这种产品能够使用显微镜类型的光学系统来提供各种放大倍率的工件图像，以及按需要来移动测量台，以便遍历(traverse)在任何单一视频图像的限制之外的工件表面。单一视频图像通常仅仅包括要观察或检查的工件的一部分，已给出如此系统的希望的放大倍率、测量分辨率和物理尺寸限制。
诸如QUICK VISIONTM的视觉系统通常被设计来便利于精密工业检查。如此的系统常常包括带有各种放大倍率的透镜的透镜旋转台。通过使用各种放大倍率来检查单一物体的各种方面是很普通的，这里所述单一物体也称为工件或检查工件。而且，在工业检查环境中，非常大的检查物体或物体集合是常见的，并且要测量的尺寸时常延伸在视角的单一域之外。结果是，对于相对大的物体的精密检查，需要很多次地移动测量台以便检查整个物体。
在美国专利申请号No.5,677,709中显示了利用显微镜的视觉系统的另一个例子。’709专利的系统提出了用于控制显微操纵器的操纵杆，所述显微操纵器被用于在显微镜的视角域中的工件的三维位置上。能够以双操纵杆控制模式、速度控制模式和位置控制模式来操作系统，以便于在多个方向上移动测量台来检查相对小的物体。
机器视觉检查系统通常也利用自动图像检查(automated videoinspection)。美国专利申请号No.6,542,180提出了一种利用自动图像检查(automated video inspection)的视觉系统，其包括其中基于工件特征图像的多个选择区域来调整工件特征的照明的操作。如在’180专利中所公开的，自动图像检查度量(metrology)仪器通常具有允许由用户为每一个特定的工件配置定义自动检查事件顺序的编制能力。例如，要么以诸如基于文本编制的人为(deliberate)方式，或要么以通过存储与由用户执行的检查操作的顺序相对应的机器控制指令的顺序来渐进地“学习”检查事件顺序的记录模式，或要么通过这两种方法的组合能实现上述编制能力。如此的记录模式时常被称为“学习模式”或“训练模式”。对于各种机器视觉检查系统来说，通常是利用对最近获取的图像进行的图像分析操作和/或特征检查操作来交替(intersperse)图像获取操作。在任一模式中，一般将机器控制指令存储为专用于特定工件配置的零件程序(part program)。利用执行预定序列的检查操作的指令来产生零件程序的能力提供了几个好处，包括增强的检查可重复性，以及对多个兼容的机器视觉检查系统和/或多次自动地执行相同的零件程序的能力。此外，编制能力提供了获得各种检查操作的结果的能力。
当上述的机器视觉检查系统提供诸如自动图像检查的优点时，将希望改善如此系统的吞吐量(throughput)。
所谓的“在线”或“线内”机器视觉检查系统也是众所周知的。时常为了高吞吐量而专门设计了如此的系统，并且该系统包括选通光照明等。但是，如此的系统典型地包括针对缺陷检测等的特定视觉系统配置，而不是针对精密尺寸检查等的柔性视觉系统配置(flexible vision system configuration)。因此，如此高速在线系统没有包括精密测量台或者精密运动控制系统等。相反地，如此的系统传统上观察在流型或可控制的传送器带、流型网(streaming web)等上的物体。如此的在线系统仅仅提供定位和尺寸测量精度的相对粗糙的等级。因此，如此的在线系统还没有论述与提供与精密运动控制的相结合的精密成像相关联的特定的吞吐量问题，和如此的系统在这点上是不足的。
期望有一种能单独地或组合地克服上述问题和限制的精密机器视觉检查系统。本发明提出了一种用于与相关的图像检查操作无关地编制和执行图像获取操作，和为了改善某种精密机器视觉检查系统的吞吐量而在图像获取操作期间使用连续的运动的机器视觉检查系统和方法。
发明内容
为了增加某种精密机器视觉检查操作的整个机器视觉检查系统吞吐量而提供了一种机器视觉检查系统和方法。特别地，在各种示范性实施例中，所述方法包括利用与为工件进行相关的图像检查操作的定时无关的定时来为所述工件执行图像获取操作的集合。在各种示范性实施例中，所述方法还包括在图像获取操作期间使用连续的运动。
在各种示范性实施例中，具有与为工件进行相关的图像检查操作的定时无关的定时的图像获取操作包括为了正确地获得各种工件检查图像而配置机器视觉检查系统的操作，诸如各种运动和/或定位操作、透镜配置操作、照明配置操作和照明选通操作、以及工件检查图像集合的实际获取和存储。
在各种示范性实施例中，在先于或在图像获取期间，足够快地执行为了正确地获取各种工件检查图像而配置机器视觉检查系统的操作，以便当维持机器视觉检查系统的重要相对运动速率时获取至少一些图像集合。在如此的示范性实施例中，机器视觉检查系统的一个或多个光源包括用于包含用于工件检查图像的选通功率等级的控制、选通曝光起始时间和选通曝光持续时间。因此，选通曝光起始时间能有效地控制检查图像相对于所期待的工件特征定位的精密位置。选通曝光持续时间能大大地少于机器视觉检查系统的照相机的内在最小曝光时间。因此，检查图像的选通功率级和选通持续时间被选择来提供足够的照明和减少运动模糊(motion blur)，以便能够利用在工件的相关检查特征公差之内良好的精密性和可重复性来执行要对工件图像集合进行的精密测量和检查操作，而不管图像获取期间的连续运动。
该系统包括为了扫描、测量和检查工件的选择特征而在多个方向上可移动的精密测量台。在现有的已经能够将定位和测量确定到与10微米、5微米、或1微米或更少相似的精度的精密机器视觉检查系统中，已经习惯的是每次摄取检查图像时，停止测量台和照相机的相对运动，从而避免使在图像中必须精密定位和/或测量的边缘和表面等的图像变得模糊。
也应该理解的是，对于传统的精密机器视觉检查系统来说，同样已经习惯的是通过使用传统的“学习”或“训练”模式方法来编制如此的系统，该系统实质上是顺序的操作记录系统。在获取每一个检查图像之前，如此系统代表性地停止在照相机和测量台或工件之间的相对运动，这是因为传统的学习或训练模式操作常常需要用户作出决定和/或干预，以便定制和验证各种检查操作。因此，传统的学习或训练模式系统本质上已经记录图像获取运动路径和与操作的顺序相对应的运动配置文件(profile)，所述操作用于停止运动以获取检查图像并且接着对在“停止”定位处获取的图像进行相关的图像处理操作。
关于精密机器视觉检查系统吞吐量，发明者已经确定将用于工件图像的间歇的精密检查操作和用于工件的精密图像获取操作一起交替(interspersing)存在很多的问题。将间歇的精密检查操作和精密图像获取操作一起交替的一个主要的问题是对于由用户首选的很多实际的、柔性的和经济的基于PC的机器视觉检查系统来说，当以高速率连续执行精密图像获取操作时可靠地执行如此的间歇的精密检查操作是困难的、不切实际的、或不可能的。这是特别真正考虑到，很困难或不可能控制和/或预测可能利用如此的柔性系统的图像处理操作、检查操作、I/O操作和计算等的无限止数量的可能组合的各种定时。因此，当将间歇的精密检查操作和精密图像获取操作一起交替时，对于如此的系统来说有效率地需要在照相机和测量台或工件之间的相对运动的间歇的停止和开始。
发明者同样已经确定，对于精密机器视觉检查系统来说，在照相机和测量台或工件之间的相对运动的间歇的停止和起始是特别容易出问题的。作为一个例子，快速地减速和/或停止相对的测量台运动不可避免地引起对于精密成像和精密测量来说重要的机器振动。如此的机器振动实际上可以轻微地使典型的机器视觉检查系统的帧(frame)失真和改变在系统的测量台、工件、照相机和位置编码器之间的期待的空间关系。因此，在“停止”运动之后和在摄取精密工件检查图像之前必须允许重要的“振动回复(settling)时间”。(这里，振动回复(settling)时间也可以被称为回复(settling)时间、机械回复(settling)时间、或机械延滞(latency))。对于各种机械系统和各种需要的精密等级来说，如此的回复时间可以是类似于10’s的毫秒，或100’s的毫秒，或甚至更多。在很多情况中，显著地减少或消除这个回复时间是不切实际的。而且，对于所有可能的操作条件来说精密地特征化该回复时间是不切实际的。因此，对于最可靠的和精密的操作来说，在任何精密图像获取之前必须重复地假设和允许最坏情况的回复(settling)时间。
发明者已经确定如此重复的最坏情况的回复(settling)时间允许导致传统的精密机器视觉检查系统中的显著的整个检查吞吐量延迟。应该理解的是，根据本发明的原理，通过利用与相关的图像检查操作的定时无关的定时来为工件执行图像获取操作的集合相当大地减少或消除如此最坏情况的回复时间。当工件的图像获取操作具有与相关的图像检查操作的定时无关的定时时，在图像获取操作期间，不必影响或不必考虑相关的图像检查操作的不可预测的定时和持续时间。因此，在各种示范性实施例中，结合可获得的图像曝光时间，以由运动控制系统所允许的最高的实际速率，在显著短的时间内分别地执行工件检查图像获取操作，其中所述显著短的时间为比能根据传统的相互依赖的和/或交替(intersperse)的定时配置和方法来安全地和可靠地执行等价的操作的时间显著短的时间。然后以最高的、各自的、实际的速率来分别地执行相关的图像检查操作。由于至少这些原因，减少了检查工件的整个时间。
因此，根据本发明的一个方面，工件的图像获取操作具有与相关的图像检查操作的定时无关的定时，使得在图像获取操作期间，不必影响或不必考虑相关的图像检查操作的定时和持续时间。
根据本发明的另一个方面，以最高的实际速率，顺序地和无中断地执行图像获取操作。
根据本发明的另一个方面，当摄取工件的图像时，通过执行工件的图像获取操作集合并同时连续移动测量台来避免回复(settling)时间延迟。利用选通照明系统来协助无模糊地获取图像。换句话说，通过使用高强度、短持续时间突发的照明，相对于照相机有效地“凝固”工件以及提供支持精密检查操作的图像。
根据本发明的再一个方面，当摄取工件的图像时，执行工件的图像获取操作并同时以恒定的速率连续移动测量台。
根据本发明的一个分离的方面，利用根据本发明的原理使用的选通照明系统来改型(retrofit)现有的精密机器视觉系统以及随后使用根据本发明的原理的方法来操作所述现有的精密机器视觉系统。
根据本发明的另一个方面，与相关的图像检查操作的编制无关地来编制图像获取操作和独有地(exclusively)使用再调用的图像来编制相关的图像检查操作。
根据本发明的另一个方面，为了获取工件的期望的图像的集合，由系统控制器确定和存储初始运动路径和图像获取例程。运动路径和图像获取例程起始于要检查的工件特征的期望的数量和用于该特征的相关联的放大倍率的选择。然后，为图像的集合确定累积地(cumulatively)包括所有的已选择工件特征的目标位置的集合。接着，为图像的集合确定运动速度、虚拟(dummy)位置、和照明矢量的集合。照明矢量包括光源选择和关于所选择的图像的选通定时的规范(specification)。在一个实施例中，当将需要图像时，可以首先存储这些运动计划和图像获取操作，然后再调用。为了获取图像，在各种示范性实施例中，设置图像获取参数以及机器移动到并且连续通过每一各自图像的各自目标位置，以及随着遍历(traverse)目标位置而获取每一各自图像。
根据本发明的另一个方面，系统控制器也学习和存储检查图像再调用和分析例程。图像再调用和分析例程首先进入学习模式，然后再调用工件检查图像的集合的每一个期望的检查图像。然后为每一个再调用的图像中要检查的每一个特征确定检查操作顺序。为每一个兴趣区域进行图像分析和/或特征分析，学习并且可以执行和/或记录的图像/特征分析操作。也可以由系统来存储和/或输出图像检查结果。在学习模式结束和将已记录的图像再调用操作和图像分析操作存储为用于工件的可操作的图像再调用和分析例程之后，重复进行这些处理，直到已经选择和分析了最后再调用的图像中的最后的兴趣区域为止。
将检查操作顺序记录为检查图像再调用和分析例程中的一系列的机器控制指令。可以自动地、半自动地、或手工来确定检查操作顺序。在各种示范性的操作中，利用图形用户界面的帮助来确定和/或编制检查操作顺序。在各种其它的示范性实施例中，可以通过使用基于文本的编制方法、或诸如VisualBasicTM等的商业上可用的编制方法来直接地编制检查操作顺序。
根据本发明的另一个方面，当要评估工件时，系统控制器再调用工件的运动路径和图像获取例程，并且也再调用工件的图像再调用和分析例程，然后独立地运行各个例程，也就是说，在某种意义上允许它们各自的操作的定时是独立的，以及然后存储和/或输出图像再调用和分析例程的结果。在一个示范性实施例中，顺序地运行各个例程。
在另一个示范性实施例中，延迟图像再调用和分析例程，直到已经执行一部分运动路径和图像获取例程为止，以便已经获取和存储足够数量的工件检查图像，使得在图像再调用和分析例程将请求相关联的图像之前，确信无疑将完成运动路径和图像获取例程的附加操作。例如，在各种实施例中，图像再调用和分析例程延迟可以是基于例程执行次数的，其中能基于例程的实验运行、和/或系统控制器和/或主操作系统的已知的特征、和/或在例程的执行期间从运动路径和图像获取例程发送到图像再调用和分析例程的一个或多个消息来确定或了解所述例程执行次数。在这样的实施例中，根据本发明的原理，可以因此部分同时地运行两个例程，以及至少运动路径和图像获取例程将仍然具有与工件的相关的图像检查操作的定时无关的定时。
当结合附图时，本发明的上述的方面和很多附带优点将变得更加容易理解，以及通过参照下列详细的描述，所述方面和优点变得更好地理解，其中图1是机器视觉检查系统的图；图2是机器视觉检查系统的控制系统部分和视觉部件部分的图；图3是在机器视觉检查系统中使用的用来确定工件图像中的边界或边缘的定位或位置的一个示范性的工件特征分析/检查工具的图；图4是说明工件的运动路径和图像获取例程(routine)的确定的流程图；图5是说明工件的图像再调用和分析例程的确定的流程图；图6是说明用于运行工件的运动路径和图像获取例程和图像再调用和分析例程的例程的流程图；以及图7是在图2中所示的控制系统部分中使用的一个示范性的选通同步控制结构的示意性方框图。
具体实施例方式
图1是根据本发明的一个示范性的机器视觉检查系统10的方框图。机器视觉检查系统10包括可操作地连接到控制计算机系统14并与其交换数据和控制信号的视觉测量机器12。控制计算机系统14还可操作地连接到监视器16、打印机18、操纵杆22、键盘24、和鼠标26并与它们交换数据和控制信号。视觉测量机器12包括可移动的工件测量台32和可以包括变焦透镜或可互换的透镜的光学成像系统34。变焦透镜或可互换的透镜通常为由光学成像系统34所提供的图像提供各种放大倍率。
操纵杆22典型地能用于控制在X和Y这两个方向上的可移动的工件测量台32的移动和在Z或焦距方向上的可移动光学成像系统34的移动方向分量，其中X和Y方向通常是平行于光学成像系统34的焦距平面的。时常，控制Z轴的偏转是操纵杆22的手柄或旋钮的旋转偏转分量。可以以除了所示的形式之外的形式来提供操纵杆22，所述形式可为诸如监视器16上的任何可视表示或小装置(widget)，它被打算用来起机器视觉检查系统10的“虚拟运动控制设备”的作用并且是通过诸如鼠标等的任何计算机输入设备可控制的。
图2是根据本发明的机器视觉检查系统100的控制系统部分120和视觉部件部分200的图。正如下面将详细地描述的，控制系统部分120被用来控制视觉部件部分200。视觉部件部分200包括光学组件部分205、光源(220、230和240)、以及具有中央透明部分212的工件测量台210。工件测量台210是可控制地沿X和Y轴移动的，所述X和Y轴位于通常平行于可以将工件20定位在其处的测量台的表面的平面中。光学组件部分205包括照相机系统260、可互换的物镜250、镜头盘(turret lens)组件280、以及同轴光源230。如下面进一步描述的，光学组件部分205通过使用可控制的马达294是可控制地沿通常与X和Y轴正交的Z轴移动的。
将通过使用机器视觉检查系统100将要成像的工件20放置在工件测量台210上。光源220、230和240的一个或多个分别发射源光222、232、或242，每一个源光都用于照明工件20。由光源220、230和/或240发射的光照亮工件20并且被反射为或透射为工件光255，该工件光255穿过可互换的物镜250和镜头盘(turret lens)组件280并且被照相机系统260所收集。将由照相机系统260所捕获的工件20的图像经由信号线262输出到控制系统部分120。
用来照明工件20的光源220、230和240能包括测量台光(stage light)220、同轴光230、和表面光240，诸如环形光或可编制的环形光，所有这些光都分别通过信号线或总线221、231和241被连接到控制系统部分120。作为机器视觉检查系统100的主要(primary)光学组件，光学组件部分205还可以包括，除了先前讨论的部件之外的，其它的透镜和其它的光学元件，诸如光圈、光束分离器等，诸如可以被需要用于提供同轴照明、或者其它期望的机器视觉检查系统特征。作为机器视觉检查系统100的次要(secondary)光学组件，镜头盘(turret lens)组件280至少包括第一镜头盘(turret lens)位置和透镜286和第二镜头盘(turret lens)位置和透镜288。控制系统部分120通过信号线或总线281沿在至少第一和第二镜头盘(turret lens)位置之间的轴284来旋转镜头盘(turretlens)组件280。
能调整在工件测量台210和光学组件部分205之间的距离，以便改变由照相机系统260所捕捉的工件20的图像的焦距。特别地，在机器视觉检查系统100的各种示范性实施例中，光学组件部分205通过使用可控制的马达294相对于工件测量台210在垂直的Z轴方向上是可移动的，其中所述可控制的马达294用于驱动制动器、连接电缆等，以便沿Z轴移动光学组件部分205。这里所使用的术语Z轴指的是打算用来对由光学组件部分205所获得的图像进行聚焦的轴。当使用时，可控制的马达294经由信号线296连接到输入/输出接口130。
如图2中所示，在各种示范性实施例中，控制系统部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序生成器和执行器170、CAD文件特征提取器180、和电源部分190。将理解的是这些部件的每一个，和下面所描述的附加部件一样，可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用程序编制接口、或通过在各种元件之间的直接连接来相互连接。
输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132、照明控制接口133、以及透镜控制接口134。运动控制接口132包括位置控制单元132a和速度/加速度控制单元132b。但是，应该理解的是，在各种示范性实施例中，如此的元件可以被合并和/或不可区分的。照明控制接口133包括用于为机器视觉检查系统100的各种对应的光源(诸如光源220、230和240)而控制，例如，如果应用的话，选择、电源、开/关切换、和选通脉冲定时的光控制单元(133a-133n)。
存储器140包括图像文件存储器部分141、工件程序存储器部分142、和图像工具部分143。图像工具部分143包括用于为每一个对应的工具确定GUI、图像处理操作等的工具部分143a-143m。图像工具部分143还包括支持自动、半自动和/或手动操作的兴趣区域生成器143x，所述操作定义在图像工具部分143中所包括的各种图像工具中可操作的各种兴趣区域。通常，存储器部分140存储用来对视觉系统部件部分200进行操作以便捕捉或获取工件20的图像使得工件20的获取图像具有期望的图像特征的数据。存储器部分140还存储数据，该数据用于对机器视觉检查系统100进行操作以便手动地或自动地对所获取的图像进行各种检查和测量操作，并且通过输入/输出接口130输出结果。存储器部分140还包含用于定义通过输入/输出接口130可操作的图形用户界面的数据。
测量台光220、同轴光230、和表面光240的信号线或总线221、231和241分别地都连接到输入/输出接口130。来自照相机系统260的信号线262和来自可控制的马达294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了运载图像数据之外，信号线262还可以运载来自控制器125的用于初始化图像获取的信号。
一个或多个显示设备136和一个或多个输入设备138也能被连接到输入/输出接口130。能够使用显示设备136和输入设备138来观看、产生和/或变更零件程序(part program)，以便观看由照相机系统260所捕捉的图像和/或直接地控制视觉系统部件部分200。在一种具有预定义的工件程序的全自动系统中，可以省略显示设备136和/或输入设备138。
关于CAD文件特征提取器180，诸如表示工件、或实质上相同的工件的先前图像的CAD文件的信息在机器视觉检查系统的工业应用中时常是有效的。在CAD文件表示法的情况中，应该理解的是，可以通过各种已知的CAD文件特征提取的方法，根据CAD表示法来手动地、以半自动的方式、或全自动地确定CAD文件表示中的边缘和边界的定位。在如此的情况中，然后通过另外的各种已知的手动、半自动、或自动的空间同余(congruence)和/或特征同余(congruence)图像处理的方法可以确定对应的工件的检查图像的当前集合中的对应的边缘和边界的空间定位。这些方法可以包括，例如，坐标匹配、模式(pattern)匹配、模板(template)匹配等。例如，在各种商业上可用的机器视觉检查系统中，诸如上面所讨论的QUICK VISIONTM系列的视觉检查机器和QVPAKTM软件，如此的方法日常用于工件上的边缘和边界的位置的检查。商业上有效的用于确定在加工印刷电路板中要检查的各种孔(hole)的定位的一种示范性的CAD文件特征提取器是来自位于Illinois的Aurora的三丰(Mitutoyo)美国公司(MAC)可用的PAGPAKTM离线零件编制软件。相关的文档中描述了PAGPAKTM离线零件编制软件的特征，这里全文引用该相关文档作为参考。
控制系统部分120用于确定图像获取设置和/或获取工件20的图像，使得工件20的输入图像在包括要检查的工件特征的兴趣(interest)区域中具有期望的图像特征。在各种示范性实施例中，当用户使用机器视觉检查系统100来产生根据本发明的工件20的工件图像获取程序时，用户要么通过使用工件编制语言来显式地自动地、半自动地、或手工对指令进行编码来产生工件程序指令，或要么通过图像获取训练序列来移动机器视觉检查系统100使得工件程序指令捕捉训练序列以生成指令来产生工件程序指令。特别地，这些指令将使机器视觉检查系统操纵工件测量台210和/或照相机系统260，使得工件20的特定部分是在照相机系统260的视角域内和在期望的聚焦状态。为要捕捉的图像集合中的多个图像重复进行这个处理。同样应该理解的是，在捕捉每一个图像之前，用户将生成用于选择具有期望的放大倍率的透镜和激活光源220-240中的一个或多个以便在图像获取期间提供工件20的期望的照明的工件程序指令。
对于一个实施例中的图像集合中的每一个图像来说，控制系统120然后将命令照相机系统260来捕捉工件20的每一个图像和将所捕捉的图像输出到控制系统120。控制系统120然后将，在控制器125的控制之下，通过输入/输出接口130输入所捕捉的图像并且将所捕捉的图像存储在存储器140中。控制器125也可以将所捕捉的图像显示在显示设备136上。
各种已知的图像处理或图像质量确定图像工具能被用于在执行上述的操作中的协助之用。在美国专利申请号No.09/736,187、09/921,886、和美国专利申请号No.6,542,180中不同地公开了如此工具的几个例子，这里全文引用它们中的每一个作为参考。
控制系统部分120还用于检查如此的工件检查图像中的工件特征，以及存储和/或输出检查结果。在各种示范性实施例中，当用户使用机器视觉检查系统100来产生根据本发明的工件20的工件图像检查程序时，用户要么通过使用工件编制语言来自动地、半自动地、或手工来显式地对指令进行编码来产生工件程序指令，或要么通过图像再调用和检查训练序列来移动机器视觉检查系统100使得工件程序指令捕捉训练序列以生成指令来产生工件程序指令。特别地，这些指令将使机器视觉检查系统再调用存储在存储器140的图像文件存储部分中的所捕捉的工件检查图像和通过使用由在存储器140的图像工具部分143中所包括的各种图像工具所提供的能力来对图像进行各种检查操作。为捕捉的图像集合中的多个图像重复进行这个处理。
对于一个实施例中的图像集合中的每一个图像来说，控制系统120将把每一检查操作的结果输出到输入/输出接口，以便将其输出到各种显示设备136，该显示设备136可以包括图像显示器、打印机等。控制系统120也可以将每一检查操作的结果存储在存储器140中。
各种已知的图像处理和/或特征分析或检查工具可以被用于在执行上述的操作中的协助之用。如此的工具可以包括，例如，形状或图案匹配工具(shapeor pattern matching tool)、边缘和/或边界检测工具、圆和尺寸测量工具等。参照图3和参照在美国专利申请号No.09/987,986中公开的一个示范性的边界检测工具来描述在根据本发明的精密机器视觉检查系统中使用的如此图像工具的一个例子，这里全文引用美国专利申请No.09/987,986作为参考。
图3说明用于确定工件检查图像中的边缘或边界的定位或位置的特征分析/检查工具。边界工具400用于选择要定位的边缘或边界。特别地，边界工具400执行适用于定位在高度纹理化(highly textured)的区域之间的边界的相对复杂的集合的图像处理和特征分析操作，或类似。如图3中所示的，图3显示640×480像素工件检查图像450，其包括边界405的放大的图像，该边界405跨过在包括不同的纹理(未示出)的两个区域406和407之间的图像水平地延伸。实践中，用户能通过使用图形用户界面来定义在边界405上的兴趣区域(area-of-interest)，以便将边界工具400定位在要检测的边缘的特定边缘或部分上，如图3中所显示的边界405。在这种情况中，兴趣区域(area-of-interest)使在工件检测图像中的要检测的特征具体化。
由兴趣生成器143x的区域基于与已定位的边界工具400相对应的数据来定义兴趣区域(area-of-interest)。边界工具400包括由用户可配置的进一步精炼和确定兴趣区域(area-of-interest)的工具箱405。例如，工具箱可以被配置成弧形或圆形形状、或配置成矩形的形状，如图3中所示。边界工具400可以在工件检查图像450上描绘额外的工具元件。例如，可以自动地生成和描绘如图3中的重叠等同矩形412所显示的兴趣点PO和兴趣区域指示符412。在已经将边界检测工具400自动地描述(draw)在工件检查图像450上之后，在各种实施例中，用户能精炼或调整诸如兴趣点PO的已描述的元件。兴趣点PO可以通常仅仅指示边界上或边缘上的点。再者，用户能定义在穿过兴趣区域中的边界延伸的各种“扫描”线409之间的间隔，或者该间隔能被自动地确定。因此，能由用户输入或由通过使用边界工具400的预定的缺省特征来手工定义与边界检测工具400相关联的操作。通过允许用户选择具有预定的特征的边界工具400，能由了解一点或根本不了解基本数学或图像处理操作的操作者来指导边界检测操作。
边界工具400然后执行一系列复杂的用于比较在兴趣区域412的对向的对(opposing pairs)的各种集合中的各种图像特征的图像分析和/或图像处理操作，以便确定兴趣区域412的图像过滤特征集合和一副对向的对(opposingpairs)，它们最有效地指示工件检查图像450中的边界405的定位。在先前引用的’986申请中详细地描述了这些操作。
在根据本发明的各种示范性实施例中使用的用于确定图像获取设置和用于执行图像检查操作的附加的示范性工具和方法在上述讨论的诸如QUICKVISIONTM系列的视觉检查机器和相关联的QVPAKTM软件的商用机器视觉检查系统中是显而易见的。但是，应该理解的是，在根据本发明的各种示范性实施例中，任何如此的工具，无论当前有效的或以后开发的，同样能用于确定图像获取设置和以后执行图像检查操作。
正如先前所概述的，应该理解的是，例如，如果诸如高度复杂的边界工具400的各种图像工具的检查操作是与工件图像获取程序(诸如根据上述概括的方法所确定的工件图像获取程序)的操作相交替的(interspersed)，则需要将图像获取程序延迟和/或中断，以便能对所获取的工件图像进行检查操作。正如先前所讨论的，这是特别真正考虑到可能利用如此的柔性系统的图像处理操作、检查操作、I/O操作和计算等的可能组合的无限止数量的各种定时是困难地或不可能地来控制和/或预测。因此，当将间歇的精密检查操作和精密图像获取操作一起交替时，对于如此的系统来说有效率地需要在照相机和测量台或工件之间的相对运动的间歇的停止和开始，从而引起所有先前讨论的关联问题。因此，在根据本发明的各种示范性实施例中，如此的检查操作不能和图像获取操作交替。根据本发明的原理利用与相关的工件图像检查操作无关的定时来执行工件检查图像获取操作。
图4是说明根据本发明的原理的用于确定用来检查工件的运动路径和图像获取例程500的一个示范性的方法。在模块510中，选择是由用于检查的(Ni)工件特征集合和相关联集合的用于特征的放大倍率(Mi)形成的。作为一个例子，工件可能包括电路板，以及可能选择电路板的孔或者要检查的任何其它部分来作为特征。特征可以因此确定在对应的检查图像中的对应的兴趣区域。放大倍率可以是不再变化的缺省的放大倍率，或可以是基于每一个特征的尺寸的、或基于其它因素的放大倍率。可以自动地、半自动地或手工来确定特征和相关联的放大倍率的选择。在一个实施例中，可以利用诸如上面讨论的PAGPAK软件的CAD预处理器(举例来说，PCB自动检查器)来进行工件特征的选择。在其它的示范性实施例中，可以利用图形的或基于文本的CAD文件分析(举例来说，在终端处)等来进行工件特征的选择。
在模块520中，为机器视觉检查系统确定用于工件检查图像(Ij)集合的目标位置(Xj，Yj，Zj)的集合。X和Y坐标通常指定与沿先前所述的X和Y轴的方向的工件上的定位相对应的坐标，而Z坐标通常指定与先前所述的Z轴相对应的工件上的高度。在一个实施例中，X和Y目标坐标管理测量台位置的控制以及Z目标坐标管理光学组件和照相机高度的控制。应该注意的是，通常希望，假如能在单一图像中检查几个工件特征，假如能通过使用同样的放大倍率将它们定位在单一域之内并且将其成像。因此，在各种示范性实施例中，块520包括用来为工件检查图像(Ij)的集合确定目标位置(Xj，Yj，Zj)的集合，其中所述工件检查图像(Ij)的集合捕捉具有最小的，或近似最小数量的图像的Ni工件特征的集合。在各种示范性实施例中，可以自动地、半自动地或手工来执行如此的操作。
应该理解的是，在各种示范性实施例中，根据本发明的机器视觉检查系统的运动控制系统部分包括用于确定已经到达目标位置(Xj，Yj，Zj)的时间并且将相关的触发信号发送到控制系统部分的能力。如此的运动控制系统是可商用的并且一般对本领域技术人员来说是众所周知的。因此，能使用如此的触发信号来控制一个或两个选通的光源和/或图像获取照相机，以便根据本发明的原理来获取在期望的目标位置处的工件检查图像。
在模块530中，为了获取工件检查图像(I)的集合而确定运动速度(S)、虚拟位置(Xd，Yd，Zd)和照明矢量(LVJ)的集合。在各种实施例中，能缺省地设置运动速度(S)的集合、任何相关联的加速和接近目标点的减速和虚拟位置，或者能够根据在图像上要进行的检查操作所需要的精确度和分辩率，或根据相关的因素来确定所述运动速度(S)的集合、任何相关联的加速和接近目标点的减速和虚拟位置。在一个实施例中，乐意通过利用诸如那些众所周知的和/或商业上可用的机器工具、坐标测量机等的已知的数字控制路径计划技术来确定运动速度和虚拟点。或者，可以基于已知的目标位置和机器运动控制限制来手工执行如此的操作。例如，如果贯穿整个图像获取序列都使用相对恒定的运动速度，则可以考虑了机器视觉检查系统的运动控制系统部分的加速、减速和/或曲线跟随限制、和/或可以为运动控制系统所假设的任何相关的缺省值来确定在目标点之间的虚拟点。
应该理解的是，在获取检查图像的特定时刻期间可操作的运动速度与例如由选通持续时间所确定的图像的有效曝光时间相结合来确定在对应的检查图像中的运动模糊(motion blur)的量。因此，通常结合对应的有效曝光时间来选择运动速度。
照明矢量LV确定在各种实施例中利用哪个光源、选通定时是什么等等。正如上面所注意到的，在一个实施例中，选通照明(strobe lighting)由高强度、短持续时间突发的能相对于照相机有效地“抓取(freeze)”工件的照明组成。在一个适用于相对高精度应用的示范性实施例中，利用脉冲宽度来选通光源，使得在选通定时持续时间期间，工件移动期望的最大量，或更少。在各种示范性精密测量实施例中，工件运动的期望的最大量是属于0.25微米一类的。例如，可以以15毫米每秒的运动速度来利用16.66微秒曝光。
在各种示范性实施例中，对于最接近于在对应的检查图像中的期望的检查特征的区域中的像素来说，最好可以将光功率级设置与照相机的响应范围的近似70-80％相对应的级上。但是，应该理解的是，这个范围仅仅是示范性的，而不是限制性的。通常，将级(level)设置在最好能增强在图像上要执行的图像检查操作的任何等级上。在各种示范性实施例中，以接近于LED光源的最大可允许的功率级来驱动该LED光源，这是因为这通常将导致与期望的图像强度等级相对应的最短的允许选通的“曝光时间”，这依次导致在连续运动期间摄取最可能清楚的检查图像。在各种示范性实施例中，用于选通的光源包括高强度LED，诸如在LuxeonTM产品线中的LED之一，来源于California的San Jose的Lumileds Lighting可用的。在一个示范性实施例中，用于选通的光源可以包括大约470nm波长的蓝色LED。但是，在各种示范性实施例中，能使用在照相机的感光范围之内的任何波长。例如，可以通过使用如此的LED来实现先前描述的光源220-240中的任何一个。
至于照明矢量LVj，在根据本发明的一个示范性实施例中，特定应用包括要检测的工件特征，该工件特征是专指整个孔的边缘，其后简单地称为没有额外的工件材料在它们下面的“孔”和/或“外部”边缘，也就是说，在朝向工件测量台的方向中。在如此的情况中，当将照明源放置在孔的后面时，例如，当使用测量台光220时，与要检查的特征的非照明的临近表面对比，因此主要由穿过孔或沿外部边缘的光来确定要检查的特征的相关图像对比度，然后工件的相邻表面的通常未知的或可变的反射率本质上不再是用于如此检查图像的关注焦点。因此，对于在如此的孔或外部边缘的后面的给定的测量台照明等级来说，基于已知的机器视觉检查系统的特征相对更好地了解在结果图像中将要接收的光强度。因此，可以将所有在如此情况中的照明矢量设置为同样合适的缺省值。在各种示范性实施例中，对于如此的情况，可以最好将测量台光等级设置在对应于机器视觉检查系统的照相机的响应范围的近似70-80％的等级处。
应该理解的是，在如此的情况中，根据本发明的原理，能完全自动地和完全基于工件的CAD表示(CAD representation)来确定工件的检查例程的集合。在一个如此示范性的应用中，自动地识别要检查的印刷电路板和印刷电路板孔。
但是，更常见的，将要检查的工件特征的反射率影响与光源和选通时间有关的照明矢量，使得在模块530中必须单独地确定照明矢量。例如，可以通过初始的实验性的试验和/或分析来建立照明矢量，这样产生用于代表性的工件和/或工件属性的可接受的工件检查图像。
在模块530中，确定整个运动计划和图像获取操作例程并且将其存储为工件的可操作的检查图像获取例程的一部分。也就是说，确定在例如通常如上所述的步骤510-530中确定的所有的参数、操作、事件和触发的相互关系和顺序并且将其存储为由机器视觉检查系统为了获取用于对应的工件的工件检查图像的期望的集合而可使用的机器控制指令的可操作的集合。
在模块550中，例程再调用用于运动计划和图像获取操作的可操作的例程。将理解的是，在一些实施例中，可以删除、或合并和不能区别在模块540中的例程的存储和在模块550中的例程的再调用。换句话说，一旦在模块540中确定例程，可以简单地执行例程的初始化，而不是在模块540中存储它，然后在模块550中再调用它。
在模块560处，例程设置为放大倍率、照明矢量等的第一图像获取参数，并且移动到，或通过，第一图像的目标位置。在模块570处，例程获取在对应的目标位置处的第一图像并且存储它。在决定模块580处，例程确定是否已经获取了最后的图像(即，是否已经获取所有的图像Ij)。如果还没有获取最后的图像，则然后例程返回到模块560，在这里，例程设置下一个图像获取参数，并且移动到，或通过，下一个图像的目标位置。如果在决定模块580处已经获取了最后的图像，则那么例程结束。
图5是说明用于再调用和分析检查图像集合的例程600的流程图。在各种示范性实施例中，如先前所描述的，根据例程500来近似地获取和存储检查图像集合。在模块605处，进入学习模式。在模块610处，再调用工件的第一/下一个存储的图像。在模块615处，学习/记录所存储的图像再调用操作。
在模块560处，对与在当前图像中的要检查的(Ni)工件特征的集合的第一/下一个特征相对应的兴趣的第一/下一个区域或特征等进行定位，并且在所述定位处进行任何期望的图像和/或特征处理和分析。作为一个例子，所述定位可能对应于包括一个孔的图像的一部分，以及可能通过使用合适的图像工具来确定孔的直径。作为另外一个例子，所述定位可能对应于包括边界的图像的一部分，所述边界具有例如通过使用先前参照图3所讨论的边界工具400来将要确定的定位或位置。与在工件检查图像中的定位处的要执行的特定操作无关，在模块625处，学习/记录相关的图像分析操作。然后，在模块630中，存储和/或输出与在步骤620中所分析和/或检查的在定位处的特征相对应的图像分析结果。
在决定模块635处，做出关于是否已经选择和分析了在当前再调用的图像中的最后的兴趣区域或特征的确定。如果还没有分析最后的兴趣区域或特征，那么例程返回到模块620，在那里选择下一个兴趣区域或特征。如果已经分析了最后的兴趣区域或特征，那么例程继续行进到决定模块640。
在决定模块640处，做出关于是否已经选择和分析了最后的再调用工件检查图像的确定。如果还没有分析最后的再调用工件检查图像，那么例程返回到模块610，在那里再调用工件的下一个存储的工件检查图像。如果已经分析了最后的再调用工件检查图像，那么例程继续行进到模块645。在模块645处，退出学习模式。在模块650处，将所有的已记录图像再调用操作和图像分析操作存储为用于检查对应的工件的可操作的例程。
将理解的是，例程500和600本质上包括为了能够以高速度自动地检查工件所需要的训练模式。实质上，产生或“训练”例程500涉及学习摄取包括所有要检查的必要的工件特征的检查工件图像，以及存储在对应的工件上以后使用的例程。随后，执行那个例程，以便获取对应的工件的检查图像的初始的或“训练”的集合。
实质上，产生或“训练”例程600涉及再调用检查图像的初始集合。然后，为了最初学习或“训练”用于检查在所有需要的地方中的工件检查图像的集合的图像检查操作集合而使用图像的再调用初始集合。然后存储那个图像检查例程，以便于以后在对应的工件的各种其它的检查图像的集合上使用。正如下面将参照图6详细地描述的，一旦完成训练模式，然后可以执行多个额外的对应工件的检查。
图6是说明用于获取和检查工件的图像的例程700的流程图，作为检查对应的物理工件的方法。在模块710处，再调用工件的运动路径和图像获取例程(如在例程500期间所存储的)。在模块720处，再调用工件的图像再调用和分析例程(如在例行程600期间所存储的)。在模块730处，运行工件的可操作的运动路径和图像获取例程。在模块740处，运行工件的可操作的图像再调用和图像/特征分析例程。在模块750处，存储和/或输出结果。将理解的是，在各种其它的用于获取和检查工件图像的例程700的实施例中，可以在执行模块720和模块740之前顺序地组合和/或执行模块710和730，其中模块710和730也可以被顺序地组合和/或执行。在各种其它的示范性实施例中，作为在例程700中顺序地运行的子例程来执行各个例程500和600。在各种其它的示范性实施例中，将各个例程500和600顺序地组合在单一例程700中。
在各种其它的示范性实施例中，例程700包括图像再调用和分析例程600的临界延迟。如先前所公开的，在如此的实施例中，在例程700中延迟图像再调用和分析例程600的执行，直到已经执行了足够部分的运动路径和图像获取例程500为止，使得已经获得和存储足够数量的工件获取图像以及使得在图像再调用和分析例程600将请求关联的图像之前将完成运动路径和图像获取例程500的额外操作是相对地确信无疑的。如先前所公开的，能够基于例程500、600和/或700的试验运行、或基于执行例程700的机器视觉检查系统的系统控制器和/或主操作系统的已知特征来确定或了解例程700中的图像再调用和分析例程600的临界延迟。在例程700这样的实施例中，根据本发明的原理，因此可以部分地同时运行两个例程500和600，并且至少运动路径和图像获取例程将仍然具有与工件的相关的图像检查操作的定时无关的定时。
应该理解的是，在根据本发明的使用选通照明能力的各种示范性实施例中，必须按需要的精密度来了解在照相机和测量台或工件之间的与工件检查图像相对应的相对位置。一般地说，这需要在对应的图像的曝光的标称时间必须锁定在控制系统部分120的运动控制接口132中沿先前讨论的X、Y和Z轴跟踪的位置值，并且与那个图像相关联地将其存储。因此，当在工件图像获取期间使用连续运动时，最好在与选通照明持续时间相关的特定时间既触发选通照明又锁定对应的位置值，在系统配置对应于图像目标点的时刻将所有都初始化。参照图4，上面详细讨论了图像目标点。在由CyberOptics-Imagenation，www.imagenation.com代理的、来自Perry C.West，Automated Vision Systems Inc.，www.autovis.com的“高速、实时机器视觉(High Speed，Real-Time Machine Vision)”中详细地讨论了关于和高速成像、成像运动物体、同步问题等相关的传统的视觉系统部件的各种思考，这里引用其全文作为参考。
在一个示范性实施例中，运动控制接口132包括来自加拿大的罗克林的Galil运动控制公司(Galil Motion Control，Inc.，of Rocklin，CA)商用的Galil运动控制卡#DMV-1730，或者具有相似和足够能力实现本发明的目的的运动卡；成像控制接口131包括来自加拿大的魁比克的Matrox电子系统有限公司(Matrox Electronic Systems Ltd.，of Quebec，Canada)商用的Matrox Corona II帧抓取器，或者具有相似和足够能力实现本发明的目的的帧抓取器卡；以及照相机系统260包括丹麦的哥本哈根的JAI(JAI，of Copenhagen，Denmark)商用的渐进式扫描CCD照相机JAI CV-M40，或者具有相似和足够能力实现本发明的目的的CCD照相机。结合各种选通光控制器来使用如此的部件。参照图7来描述一个示范性选通光控制结构800。
图7是在根据本发明的各种示范性实施例中使用的一个示范性选通光控制结构800的示意性方框图。根据下列的描述，可以通过使用通常众所周知的现有电路元件和现有电路设计技术来实施与选通光控制结构800相对应的电路。在一个示范性实施例中，选通光控制结构800的部件被选择来高速、反馈控制的电流驱动器，该电流驱动器能够以高达5MHz的速率操作用于诸如LED、或二极管激光等的光源的电流源。在各种示范性实施例中，部件被选择来提供接近1微秒或更少的感应相位延迟(induced phase delay)。也就是说，在接收到输入控制信号EXP2的前边沿(leading edge)之后的接近1微秒之内初始化选通脉冲。在各种示范性实施例中，部件被选择来提供在短到500纳秒和长到40微秒的选通模式选通持续时间内的接近高达1.5A的峰值电流。
如图7中所示，选通光控制结构800包括能够提供高强度照明的光源880。在各种示范性实施例中，光源880包括LED，如先前讨论的。例如，光源880用于参照图2描述的任何光源220-240。连接了能够提供接近1.5A的电流(2A峰值)的快速响应中功率晶体管875，以便根据如下面所述提供的控制信号AA的光源880。光源880包括用于提供对应于光源880的输出功率的反馈控制信号883的装置。在各种示范性实施例中，反馈控制信号883可以包括来自光源880的一部分光。将反馈控制信号883提供给缓冲电路部分885，其读出(sense)和/或放大或定标(scale)在各种示范性实施例中的反馈控制信号883，以便提供反馈控制信号BB。
可以以两种分离的模式来运行选通光控制结构800。在选通模式中，将控制信号EXP 2输入到高速JFET输入缓冲器805。由在信号线813上的来自控制系统部分120的合适的选通模式允许信号来控制CMOS多路复用器812，以便将控制信号EXP 2路由到高速JFET差分放大器815。高速JFET差分放大器815也接收来自缓冲电路部分885的反馈控制信号BB。由JFET差分放大器815将差分信号输出到用于在各种示范性实施例中放大或定标差分信号的高速JFET放大器825中，以便提供输入到用于驱动光源880的中功率晶体管875的控制信号AA。
在选通模式中，将控制信号EXP 2输入到高速JFET输入缓冲器805。信号EXP 2来源于帧抓取器，如下面在#5中所描述的。由在信号线813上的来自控制系统部分120的合适的选通模式允许信号来控制CMOS多路复用器812，以便将控制信号EXP 2路由到高速JFET差分放大器815。JFET差分放大器815也接收来自缓冲电路部分885的反馈控制信号BB。由JFET差分放大器815将差分信号输出到用于在各种示范性实施例中放大或定标差分信号的高速JFET放大器825中，以便提供输入到用于驱动光源880的中功率晶体管875的控制信号AA。
在连续照明模式中，将控制信号DAC IN输入到输入缓冲器810。信号DAC IN来源于控制系统部分120的光控制接口133。由在信号线813上的来自控制系统部分120的合适的连续照明模式允许信号来控制CMOS多路复用器812，以便将控制信号DAC IN路由到差分放大器820。差分放大器820也接收来自缓冲电路部分885的反馈控制信号BB。由差分放大器820将差分信号输出到用于在各种示范性实施例中放大或定标差分信号的放大器830中，以便提供输入到用于在连续照明模式中驱动光源880的中功率晶体管875的控制信号AA。在连续照明模式中，在最大等级之下来控制控制信号AA，其中最大等级用于以提供对那些部件来说长运行寿命的等级来控制中功率晶体管875和光源880中的电流。
通过提供两种如此分离的运行模式，当希望通过使用根据本发明的系统和方法这两者来操作精密机器视觉检查系统时，和现有的系统和方法一样，对于式样翻新的应用和其它应用来说，选通光控制结构800是理想的，其中现有的系统和方法使用典型地由诸如信号DAC IN的信号所控制的相对连续的照明。
为了在与选通照明持续时间相关的特定时间既触发选通照明又锁定对应的位置值，在系统配置对应于图像目标点的时刻将所有都初始化，上述的这些系统元件被可操作地相互连接，并且当选通模式在生效时进行如下操作1.通过使用运动控制卡和控制系统部分120的固有的能力，将来自例如在例程500中确定的目标点集合的目标点位置(Xj，Yj，Zj)与实际的测量台位置(X，Y，Z)进行比较，其中实际的测量台位置(X，Y，Z)是通过以高频同时轮询(poll)连接到运动控制卡的所有位置编码器的位置来确定的。当目标和实际位置在允许的某种容差之内时，运动控制卡通过使用运动控制卡的固有的能力来发布硬连线触发信号输出。
2.将这个输出触发信号直接连接到系统帧抓取器中，其中当选通照明模式在生效时，在由控制系统部分120使能的外部触发模式中运行该系统帧抓取器。
3.帧抓取器然后发布用于初始化系统照相机的异步重新设置的第一信号。这样初始化在照相机上的图像集成顺序，所有都根据这些系统部件的内在能力。
4.在帧抓取器中编制的和基于视觉系统部件的各种已知的特征(诸如，照相机集成时间、测量台的速度、和各种内在的电路延迟)所建立的短暂的预定的固定延迟之后，帧抓取器然后输出具有与预定的曝光时间相对应的预定的持续时间的第二控制信号(EXP 2)。在帧抓取器中通过使用帧抓取器和控制系统部分120的内在能力来编制预定的持续时间。将具有预定的持续时间的第二控制信号(EXP 2)输入到用于实现选通光控制结构800的电路中，以便初始化与预定的持续时间相对应的光脉冲。在一个示范性实施例中，第二控制信号(EXP 2)对选通光控制结构800中的功率等级和持续时间这两者进行控制。在各种其它的示范性实施例中，当根据固定的或缺省的功率等级来驱动光源880时，第二控制信号(EXP 2)可以简单地控制选通光控制结构800中的持续时间。一般地说，如先前讨论的，结合预定的相对运动速率和影响图像特征的各种其它因素来确定选通光功率等级和脉冲持续时间。
5.将第二控制信号(EXP 2)输出到照明控制器的帧抓取器同样也直接连接到运动控制卡的高速位置捕捉锁定输出上，该高速位置捕捉锁定输出可以由第二控制信号(EXP 2)的上升边缘、或开始来触发。在响应中，运动控制卡锁定当前的(X，Y，Z)位置值，以便为了稍后的检索和分析，由控制系统部分120可以与对应的工件检查图像相关地获取和存储它们。
6.在传送了异步重置信号之后，帧抓取器从照相机输出中捕捉结果图像数据，以便为了稍后的检索和分析，由控制系统部分120可以与对应的(X，Y，Z)位置值相关地获取和存储数据(即，工件检查图像)。当然，由选通脉冲的持续时间以在照相机上的集成顺序期间的预定时间来控制有效的图像曝光时间。
7.控制系统部分120与对应的(X，Y，Z)位置值相关地存储对应的图像，以便于随后的分析。
应该理解的是，能够利用很短的曝光时间和很高的图像获取速率来提供根据上述方法获取的工件检查图像(用于一系列图像)，利用现有的精密机器视觉检查系统中使用的部件和方法是可能的。也理解应该的是，当通过使用根据本发明的原理的连续运动，以高放大倍率要成像和检查扩展的工件特征、或一系列临近的工件特征时，每一高度放大的可见区(field of view)是很快被遍历(traverse)和通过的很小的可见区。因此，对于利用增加的吞吐量来获取高度放大的精密工件检查图像来说，由上述的方法所提供的短曝光时间和高的图像获取速率是特别重要的。
应该理解的是，虽然先前描述的同步操作利用了各种示范性系统部件的内在特征，但是在各种其它的示范性实施例中，可以由根据已知的数字定时电路技术实现的分离的定时电路来提供相似的同步特征和/或信号。在各种示范性实施例中，可以将如此的电路包括为控制系统部分120的一部分。
应该理解的是，某种现有的机器视觉检查系统能利用对如此现有的机器进行最小或非“式样翻新(retrofit)”的变更来使用根据本发明的系统和方法的各种实施例，并且仍然可以根据本发明的原理来增加如此机器的吞吐量。在各种示范性实施例中，仅仅在式样翻新(retrofit)的变更中包括了根据本发明的原理的机器视觉检查软件方法和/或变更的附加物(addition)。这种实现(approach)对于包括提供相当短的快门或曝光时间的照相机、和/或已经包括选通照明能力的系统来说是切实可行的。在各种其它的示范性实施例中，在式样翻新(retrofit)的变更中仅仅包括与根据本发明的原理提供先前缺乏的选通照明能力相关的照明系统变更。
也应该理解的是，特别在这里所描述的应用的情况中，其中将要检查的工件特征是专用于在其下面没有额外的工件材料的通孔(through-hole)的边缘、和/或“外部”边缘，根据本发明的原理，能完全自动地和整个基于工件的CAD表示来确定用于检查如此的工件的完全例程(或例程的集合)。在一种如此的示范性应用中，工件为印刷电路板和通过例如使用上面讨论的PAGPAKTM离线零件编制软件来自动地识别要检查的印刷电路板孔，以及可以根据上面概述的各种特定的示范性参数来确定用于获取需要的检查图像集合的各种机器参数。可以为检查操作选择众所周知的商用图像工具，以及可以基于一般或专门经验和知识来为将运行检查操作的机器视觉检查系统确定对应的可操作的工具参数。
虽然已经说明和描述了本发明的优选的和示范性的实施例，但将理解的是，在没有脱离本发明的精神和范围的情况下，这里根据本发明的原理能做出各种变化。
权利要求
1.一种用于对用于检查工件的精密机器视觉检查系统进行编制的方法，所述精密机器视觉检查系统包括图像获取系统，该图像获取系统包括至少一个照相机、至少一个光源、工件测量台、至少一个位置传感器、和控制系统部分，其中工件测量台和照相机中的至少一个是可移动的，以便提供相对于另一个的相对运动，所述方法包括为工件检查图像的图像集合确定目标位置的集合，所述图像集合包括要检查的工件特征；为图像集合的每一各自图像确定各自图像获取参数的集合；以及确定包括用于获取和存储工件检查图像的图像集合的机器控制指令集合的图像获取例程，所述图像获取例程的机器控制指令包括至少部分地基于目标位置的已确定集合和各个图像获取参数的已确定集合的运动控制指令和图像获取指令；其中当图像获取例程的机器控制指令执行用于获取和存储图像集合的至少多个图像的机器控制指令时，所述图像获取例程的机器控制指令在没有执行图像检查操作的情况下可操作地获取和存储图像集合的至少多个图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述图像集合的所述至少多个图像包括该图像集合的所有图像。
3.根据权利要求1所述的方法，其中为图像集合确定目标位置的集合包括选择要检查的工件特征；以及为每一各自工件特征确定各自的图像放大倍率；和确定目标位置中的至少一个，以便在那个目标定位处的单一工件检查图像中能对具有同样的各自图像放大倍率的至少两个工件特征进行成像。
4.根据权利要求3所述的方法，其中为每一各自工件特征确定各自图像放大倍率包括使用缺省放大倍率，该缺省放大倍率是与为要检测的工件特征的至少一些放大倍率同样的放大倍率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中对于图像集合的至少多个图像的每一图像，各自图像获取参数的集合包括用于为图像集合的各自图像确定有效的曝光时间的选通持续时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其中图像获取例程的运动控制指令提供至少在与图像集合的至少多个图像中的一个相对应的每一各自选通持续时间期间的连续运动。
7.根据权利要求6所述的方法，其中对于至少多个图像的每一各自图像，在各自选通持续时间期间的相对运动小于25微米。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述相对运动小于10微米。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述相对运动小于5微米。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述相对运动小于1微米。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括为工件执行图像获取例程；为那个工件再调用图像集合的存储图像；以及基于再调用的存储图像来为要检查的工件特征确定图像检查例程并且存储图像检查例程。
12.根据权利要求11所述的方法，包括为相似的工件执行图像获取例程；为那个相似的工件再调用图像集合的存储图像；为那个相似的工件再调用图像检查例程；以及通过使用所述再调用的图像获取例程和所述再调用的图像检查例程来检查相似的工件。
全文摘要
一种用于增加检查吞吐量的精密机器视觉检查系统和方法。视觉检查系统包括用于扫描和测量所选择的工件特征的可移动的测量台。在现有系统中，在图像获取期间，传统的带有图像获取操作的图像处理和检查操作的交替需要停止和起始测量台运动，需要在各种操作中的相关联的延迟和等待状态。在本发明中，通过利用与图像检查操作无关的定时来连续地获取图像可避免如此的延迟，从而避免了延迟或等待状态。此外，在图像获取操作期间，将连续的测量台运动和选通照明特征组合起来，以便以高速率获取无模糊的图像。由系统产生和存储包括这些特征的改善的图像获取和图像分析例程。
文档编号G01B11/24GK1550773SQ200410042150
公开日2004年12月1日 申请日期2004年5月8日 优先权日2003年5月7日
发明者保罗·G·格拉德尼克, 保罗 G 格拉德尼克, M 沃瑟曼, 理查德·M·沃瑟曼, E 塞勒, 巴里·E·塞勒, L 德莱尼, 马克·L·德莱尼 申请人:三丰株式会社