使用機器視覺檢驗系統中的可調諧透鏡的多等級圖像聚焦的製作方法

2023-05-02 10:39:06 4

本公開涉及精度計量，更具體地說，涉及可以利用可變焦距透鏡以周期性地調製聚焦位置的機器視覺檢驗系統。
背景技術：
：：精度機器視覺檢驗系統(或簡稱「視覺系統」)可以用於對象的精確測量並且檢驗其它對象特性。這些系統可以包括計算機、相機、光學系統以及移動以允許工件橫穿的級。表徵為通用「離線」精度視覺系統的一個示例性系統是QUICK系列的基於PC的視覺系統以及可得自位於伊利諾州Aurora的MitutoyoAmericaCorporation(MAC)的軟體。QUICK系列的視覺系統和軟體的特徵和操作通常描述於例如2003年1月公開的QVPAK3DCNCVisionMeasuringMachineUser’sGuide中，其全部通過引用合併到此。這種類型的系統使用顯微鏡類型光學系統並且移動級以按各种放大率提供小工件或大工件的檢驗圖像。這些機器視覺檢驗系統通常是可編程的，以提供自動化檢驗。包括特定檢驗事件序列——即順序圖像獲取設置(例如位置、光照、放大率等)以及如何(例如使用一個或多個視頻工具)分析/檢驗每個圖像——的機器控制指令存儲為針對特定工件配置的「部件程序」或「工件程序」。視頻工具(或簡稱「工具」)以及另外圖形用戶接口(GUI)特徵允許「非專家」操作者進行的操作和編程。這些工具可以在「手動模式」下得以手動地使用，和/或它們的參數和操作也可以在學習模式期間得以記錄，以創建部件程序。視頻工具可以包括例如邊緣/邊界檢測工具、自動聚焦工具、形狀或圖案匹配工具、尺寸測量工具等。其全部通過引用合併到此的美國專利No.6,542,180教導一種包括使用用於檢驗編程的視頻工具的視覺系統。在一些應用中，期望操作機器視覺檢驗系統的成像系統以收集具有大於在單個聚焦位置處由光學成像系統提供的場深度的擴展場深度(EDOF)的圖像。用於收集EDOF圖像的各種方法是已知的。一種方法收集包括貫穿聚焦範圍在不同距離處聚焦的多個全等或對準的圖像的圖像「堆疊」。合成圖像得以構造，其中，從顯示具有最佳焦點的視場的每個部分的特定圖像提取該部分。然而，該方法是相對緩慢的。作為另一示例，Nagahara等人("FlexibleDepthofFieldPhotography",ProceedingsoftheEuropeanConferenceonComputerVision，2008年10月)公開一種方法，其中，在單個圖像的曝光時間期間沿著多個聚焦距離對其進行曝光。該圖像是相對模糊的，但使用已知的或預定的模糊內核對其進行解卷，以獲得相對清楚的EDOF圖像。在所公開的方法中，通過沿著成像系統的光軸平移檢測器來改動焦距。該方法也是相對緩慢的，並且在機械上是複雜的。用於提供具有不同聚焦距離處的特徵的圖像的改進的方法是期望的。技術實現要素：提供本
發明內容以通過簡化形式介紹以下在具體實施方式中進一步描述的構思的選擇。本
發明內容不意圖標識所要求的主題內容的關鍵特徵，也不意圖用於有助於確定所要求的主題內容的範圍。提供一種用於定義控制多重曝光圖像的獲取的操作的方法，該多重曝光圖像由一類機器視覺檢驗系統的實例所提供。所述機器視覺檢驗系統包括：照射源，用於提供選通式照射；以及成像系統，包括可變焦距透鏡(例如可調諧聲學梯度折射率透鏡)，該可變焦距透鏡被用於在沿著接近工件的Z高度方向的多個位置上周期性地調製所述成像系統的聚焦位置。所述方法包括：在所述一類機器視覺檢驗系統的第一實例的學習模式期間執行操作，以確定多重曝光定時差。作為所述學習模式操作的部分，定義在代表性工件上具有不同的Z高度的第一興趣區域和第二興趣區域。收集包括在各個Z高度處聚焦的所述代表性工件上的所述第一興趣區域和第二興趣區域的各個圖像的至少一個圖像堆疊。使用定時為對應於所述周期性地受調製聚焦位置的各個相位定時的選通式照射的至少一個實例來對所述至少一個圖像堆疊的每個各個圖像進行曝光，該周期性地受調製聚焦位置與所述至少一個圖像堆疊的所述各個圖像的各個Z高度處的焦點對應。至少部分地基於所述至少一個圖像堆疊中的所述第一興趣區域和第二興趣區域的焦點的分析來確定用於選通式照射的實例的第一多重曝光定時值和第二多重曝光定時值，所述第一多重曝光定時值和所述第二多重曝光定時值分別對應於產生用於所述第一興趣區域和第二興趣區域的充分圖像聚焦的所述周期性地受調製的聚焦位置的第一相位定時和第二相位定時。在各個實現方式中，可以根據以下項中的一個或多個來確定用於所述第一興趣區域和第二興趣區域的充分圖像聚焦：(例如從焦點度量曲線的峰值和/或圖像堆疊中的最佳聚焦圖像確定的)最佳焦點、近似最佳焦點、基於多重曝光圖像而充分支持期望的檢驗操作的焦點、在多重曝光圖像中的X-Y平面中以期望的精度充分確定用於檢驗的尺寸測量的焦點等。記錄指示所述代表性工件上的所述第一興趣區域和第二興趣區域的方位的數據以及指示所述第一多重曝光定時值與第二多重曝光定時值之間的多重曝光定時差的數據。所記錄的數據可用於定義操作：當操作所述一類機器視覺檢驗系統的使用實例以獲取與所述代表性工件相似的當前工件上的所述第一興趣區域和第二興趣區域的多重曝光圖像時，至少部分地基於所述多重曝光定時差而(例如在運行模式期間)控制多重曝光圖像獲取。在各個實現方式中，所述一類機器視覺檢驗系統的(例如在運行模式期間所利用的)所述使用實例以及(例如在學習模式期間所利用的)所述第一實例可以是相同的機器視覺檢驗系統，或替代地可以是不同的機器視覺檢驗系統。在各個實現方式中，作為(例如在運行模式期間)操作所述一類機器視覺檢驗系統的所述使用實例的部分，所述第一興趣區域和第二興趣區域位於所述成像系統的視場中與(例如來自所述學習模式的)所述代表性工件相似的當前工件上。確定用於選通式照射的實例的第一多重曝光圖像獲取定時值。使用所記錄的指示所述多重曝光定時差的數據，以確定所述第一多重曝光圖像獲取定時值與所述第二多重曝光圖像獲取定時值之間的定時差。使用所述周期性地受調製的聚焦位置結合使用用於選通式照射的各個實例的所述第一多重曝光圖像獲取定時值和第二多重曝光圖像獲取定時值來操作所述成像系統，以在獲取包括所述當前工件上的所述第一興趣區域和第二興趣區域的所述當前工件的多重曝光圖像的同時增強用於所述第一興趣區域和第二興趣區域的總體圖像聚焦。附圖說明圖1是示出通用精度機器視覺檢驗系統的各種典型組件的示圖；圖2是與圖1相似的並且包括在此所公開的特徵的機器視覺檢驗系統的控制系統部分和視覺組件部分的框圖；圖3是可以適用於機器視覺檢驗系統並且根據在此所公開的原理操作的成像系統的示意圖；圖4是示出通過周期性地調製成像系統中可變焦距透鏡的焦距所收集的圖3的成像系統的聚焦位置的周期性受調製Z高度的時序圖、並且還定性示出選通式照射可以如何定時為對應於周期性地受調製聚焦位置的各個相位定時以對在各個Z高度處所聚焦的圖像進行曝光的圖表；圖5是示出圖4所示的聚焦位置的周期性地受調製Z高度的擴展部分的圖表，相位定時與可用於收集圖像堆疊的相位定時對應，該圖表還定性示出可以如何組合對應於周期性地受調製聚焦位置的第一相位定時和第二相位定時的選通式照射的第一實例和第二實例以產生在位於不同Z高度處的第一興趣區域和第二興趣區域中提供充分圖像聚焦的多重曝光圖像；圖6是示出包括具有工件上的焦點中的第一興趣區域的多重曝光工具的機器視覺檢驗系統用戶接口顯示器的示圖；圖7是示出圖6的機器視覺檢驗系統用戶接口顯示器的示圖，其中，已經利用多重曝光工具以獲取工件的多重曝光圖像；圖8是示出包括用於對工件的多重曝光圖像執行工件特徵檢驗操作的附加視頻工具的圖7的機器視覺檢驗系統用戶接口顯示器的示圖；圖9是示出用於確定並且記錄多重曝光定時差的例程的一個示例性實現方式的流程圖；以及圖10是示出用於利用獲取工件的多重曝光圖像的所記錄的多重曝光定時差的例程的一個示例性實現方式的流程圖。具體實施方式圖1是根據在此所公開的原理使用的一個示例性機器視覺檢驗系統10的框圖。機器視覺檢驗系統(machinevisioninspectionsystem)10包括視覺測量機器12，其可操作地連接，以與控制計算機系統14並且與監視器或顯示器16、印表機18、操縱杆22、鍵盤24以及滑鼠26交換數據和控制信號。監視器或顯示器16可以顯示適合於對機器視覺檢驗系統10進行控制和/或編程的用戶接口。在各個實現方式中，觸控螢幕平板等可以替代以和/或冗餘地提供任何或所有計算機系統14、顯示器16、操縱杆22、鍵盤24和滑鼠26的功能。更一般地，控制計算機系統14可以包括或構成於任何計算系統或裝置和/或分布式計算環境等，其中的任一可以包括運行軟體以執行在此所描述的功能的一個或多個處理器。處理器包括可編程通用或專用微處理器、可編程控制器、專用集成電路(ASIC)、可編程邏輯器件(PLD)等或這些裝置的組合。軟體可以存儲在存儲器(例如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、閃速存儲器等或這些組件的組合)中。軟體也可以存儲在一個或多個存儲裝置(例如基於光的盤、閃速存儲器裝置或用於存儲數據的任何其它類型的非易失性存儲介質)中。軟體可以包括包含執行特定任務或實現特定抽象數據類型的例程、程序、對象、組件、數據結構等的一個或多個程序模塊。在分布式計算環境中，程序模塊的功能性可以組合或分布遍及多個計算系統或裝置並且通過有線配置或通過無線配置經由服務調用而得以訪問。視覺測量機器12包括可移動工件(workpiece)級32以及光學成像系統34，其可以包括變焦透鏡或可互換透鏡。變焦透鏡或可互換透鏡通常為光學成像系統34所提供的圖像提供各种放大率(例如0.5x至100x)。相似的機器視覺檢驗系統描述於共同受讓美國專利No.7,454,053、7,324,682、8,111,905以及8,111,938中，其中的每一個的全部通過引用合併到此。圖2是與圖1的機器視覺檢驗系統相似的並且包括在此所描述的特徵的機器視覺檢驗系統100的控制系統部分120和視覺組件部分200的框圖。如以下將更詳細地描述的，利用控制系統部分120以控制視覺組件部分200。視覺組件部分200包括光學組裝件部分205、光源220、230和240以及具有中心透明部分212的工件級210。工件級210可沿著平放在通常與工件20可以位於的級的表面平行的平面中的x軸和y軸可控制地移動。光學組裝件部分205包括相機系統260、可互換物鏡250，並且可以包括具有透鏡286和288的轉臺(turret)透鏡組裝件280。轉臺透鏡組裝件可替代地，可以包括固定或手動可互換放大率改動透鏡或變焦透鏡配置等。在各種實現方式中，可以包括各種透鏡作為光學組裝件部分205的可變放大率透鏡部分的部件。在各中實現方式中，可互換物鏡250可以選自固定放大率物鏡集合(例如範圍從0.5x到100x等的集合)。光學組裝件部分205通過使用可控制電機294沿著通常與x軸和y軸正交的z軸可控制地移動，可控制電機294驅動致動器以沿著z軸移動來改變工件20的圖像的焦點。可控制電機294經由信號線路296連接到輸入/輸出接口130。待使用機器視覺檢驗系統100成像的工件20或承載多個工件20的託盤或夾具放置在工件級210上。工件級210可以受控以相對於光學組裝件部分205移動，從而可互換物鏡250在工件20上的各方位之間和/或在多個工件20之間移動。級光220、同軸光230和表面光240(例如環形光)中的一個或多個可以分別發射源光222、232和/或242，以照射一個或多個工件20。同軸光230可以沿著包括鏡290的路徑發射光232。源光被反射或透射為工件光255，並且用於成像的工件光穿過可互換物鏡250和轉臺透鏡組裝件280而且由相機系統260聚集。相機系統260所捕獲的工件20的圖像在信號線路262上輸出到控制系統部分120。光源220、230和240可以分別通過信號線路或總線221、231和241連接到控制系統部分120。控制系統部分120可以沿著軸284旋轉轉臺透鏡組裝件280，以通過信號線路或總線281選擇轉臺透鏡，以改變圖像放大率。如圖2所示，在各種示例性實現方式中，控制系統部分120包括控制器125、輸入/輸出接口130、存儲器140、工件程序發生器和運行器170以及電源部分190。這些組件中的每一個以及下述附加組件可以通過一個或多個數據/控制總線和/或應用編程接口或通過各種元件之間的直接連接而互連。輸入/輸出接口130包括成像控制接口131、運動控制接口132、光照控制接口133以及透鏡控制接口134。透鏡控制接口134可以包括包含透鏡聚焦操作電路和/或例程的透鏡控制器等。在各種實現方式中，透鏡控制接口134可以還包括當進行或檢測到放大率改變時可以選擇或自動地實現的放大率改變調整模式，如2015年7月9日提交的題為「AdaptableOperatingFrequencyofaVariableFocalLengthLensinanAdjustableMagnificationOpticalSystem」的共同未決和共同受讓美國專利申請序列號No.14/795,409中更詳細地描述的，其全部通過引用合併到此。在各種實現方式中，成像控制接口131可以包括擴展場深度模式，如共同未決和共同受讓美國專利申請No.2015/0145980中更詳細地描述的，其全部通過引用合併到此。擴展場深度模式可以由用戶選擇，以提供具有比當在單個聚焦位置聚焦時視覺組件部分200可以提供的更大的場深度的工件的至少一個圖像(例如合成圖像)。運動控制接口132可以包括位置控制元件132a、速度/加速度控制元件132b，但這些元件可以融合和/或可不區分。光照控制接口133可以包括光照控制元件133a、133n和133fl，其當可應用於機器視覺檢驗系統100的各種對應光源時控制例如選擇、功率、通/斷開關以及選通脈衝定時。存儲器140可以包括圖像文件存儲器部分141、邊緣檢測存儲器部分140ed、可以包括一個或多個部件程序(partprogram)等的工件程序存儲器部分142以及視頻工具部分143。視頻工具部分143包括：視頻工具部分143a；以及其它視頻工具部分(例如143n)，其確定用於對應視頻工具中的每一個的GUI、圖像處理操作等；以及興趣區域(ROI)發生器143roi，其支持定義可在視頻工具部分143中所包括的各種視頻工具中操作的各種ROI的自動、半自動和/或手動操作。視頻工具部分還包括自動聚焦視頻工具143af，其確定用於聚焦高度測量操作的GUI、圖像處理操作等。自動聚焦視頻工具143af包括多重曝光工具143mx，其可以用於多重曝光操作，如以下將更詳細地描述的。在各種實現方式中，可以在學習模式期間利用多重曝光工具143mx，以確定並且記錄多重曝光定時差，其可以隨後用於獲取工件的多重曝光圖像。在各種實現方式中，多重曝光工具143mx可以是可以另外根據用於自動聚焦視頻工具的傳統方法來操作的自動聚焦視頻工具143af的特殊模式，或多重曝光工具143mx可以是與自動聚焦視頻工具143af獨立的分離視頻工具。在各種實現方式中，自動聚焦視頻工具143af或附加視頻工具還可以包括高速聚焦高度工具，其可以用於以高速度測量聚焦高度，如在共同未決和共同受讓美國專利申請No.2014/0368726中更詳細地描述的，其全部通過引用合併到此。在本公開的上下文中，並且如本領域技術人員公知的，術語「視頻工具」通常指代機器視覺用戶可以在不創建視頻工具中所包括的逐步操作序列或求助於通用的基於文本的程式語言等的情況下，通過相對簡單的用戶接口(例如圖形用戶接口、可編輯參數窗口、菜單等)實現的相對複雜的自動化或編程操作集合。例如，視頻工具可以包括通過調整掌控操作和計算的少數變量或參數在特定實例中應用並且定製的複雜預編程圖像處理操作和計算集合。除了潛在操作和計算之外，視頻工具還包括用戶接口，其允許用戶調整用於視頻工具的特定實例的這些參數。例如，很多機器視覺視頻工具允許用戶使用滑鼠通過簡單的「手柄拖動」操作來配置圖形興趣區域(ROI)指示符，以定義要通過視頻工具的特定實例的圖像處理操作來分析的圖像子集的方位參數。應注意，在隱式地包括潛在操作的情況下，可視用戶接口特徵有時稱為視頻工具。級光220、同軸光230和表面光240的信號線路或總線221、231和241分別都連接到輸入/輸出接口130。來自相機系統260的信號線路262和來自可控制電機294的信號線路296連接到輸入/輸出接口130。除了攜帶圖像數據之外，信號線路262還攜帶來自發起圖像獲取的控制器125的信號。一個或多個顯示器裝置136(例如圖1的顯示器16)以及一個或多個輸入裝置138(例如圖1的操縱杆22、鍵盤24和滑鼠26)也可以連接到輸入/輸出接口130。顯示器裝置136和輸入裝置138可以用於顯示可以包括可用於執行檢驗操作的各種圖形用戶接口(GUI)特徵的用戶接口，和/或創建和/或修改部件程序，以觀看相機系統260所捕獲的圖像和/或直接控制視覺系統組件部分200。顯示器裝置136可以顯示(例如與自動聚焦視頻工具143af、多重曝光工具143mx等關聯的)用戶接口特徵。在各種示例性實現方式中，當用戶利用機器視覺檢驗系統100以創建用於工件20的部件程序時，用戶通過在學習模式下操作機器視覺檢驗系統100以提供期望的圖像獲取訓練序列來生成部件程序指令。例如，訓練序列可以包括：在視場(FOV)中定位代表性工件的特定工件特徵；設置光等級；聚焦或自動聚焦；獲取圖像；以及(例如使用該工件特徵上的視頻工具中的一個或多個的實例)提供應用於圖像的檢驗訓練序列。學習模式操作，使得序列得以捕獲或記錄，並且轉換為對應部件程序指令。當運行部件程序時，這些指令將使得機器視覺檢驗系統再現受訓練的圖像獲取，並且使得檢驗操作自動地檢驗當前工件(例如運行模式工件)或與當創建部件程序時所使用的代表性工件相似的工件上的該特定工件特徵(其為對應位置中的對應特徵)。圖3是可以適用於機器視覺檢驗系統並且根據在此所公開的原理操作的成像系統300的示意圖。成像系統300包括：光源330，其可配置為在成像系統300的視場中(例如通過選通式或連續波照射)照射工件320；物鏡(objectivelens)350；管透鏡(tubelens)351；中繼透鏡(relaylens)352；可變焦距透鏡(VFL)370；中繼透鏡386；以及相機系統360。在操作中，光源330可配置為：沿著包括部分鏡390的路徑並且通過物鏡350將源光332發射到工件320的表面，其中，物鏡350接收在工件320附近的聚焦位置FP處聚焦的工件光355，並且將工件光355輸出到管透鏡351。在各種實現方式中，物鏡350可以是可互換物鏡，並且管透鏡351可以被包括作為轉臺透鏡組裝件的部件(例如，與圖2的可互換物鏡250和轉臺透鏡組裝件280相似)。在各種實現方式中，物鏡350、管透鏡351或在此引用的任何其它透鏡可以形成於單獨透鏡、複合透鏡等，或與之結合而操作。管透鏡351接收工件光355，並且將其輸出到中繼透鏡352。中繼透鏡352接收工件光355，並且將其輸出到VFL透鏡370。VFL透鏡370接收工件光355，並且將其輸出到中繼透鏡386。中繼透鏡386接收工件光355，並且將其輸出到相機系統360。在各種實現方式中，相機系統360可以在圖像曝光時段期間捕獲工件320的圖像，並且可以將圖像提供給控制系統部分(例如，與圖2中的用於將圖像提供給控制系統部分120的相機系統260的操作相似)。VFL透鏡370是可通過電子方式控制的，以在一個或多個圖像曝光期間變化成像系統的聚焦位置FP。聚焦位置FP可以在聚焦位置FP1和聚焦位置FP2所界定的範圍R內移動。應理解，在各種實現方式中，範圍R可以由用戶選擇，或可以源自設計參數，或可以另外是自動地確定的。通常，關於圖3的示例，應理解，特定所示尺寸可以並非是按比例的。例如，VFL透鏡370可以具有與所示尺寸不同的成比例尺寸(例如，對於特定應用可以是更不寬的並且高達50mm長或更長，以提供期望數量的透鏡化能力等)。在各種實現方式中，機器視覺檢驗系統可以包括控制系統(例如圖2的控制系統120)，其可配置為：結合透鏡控制器374而操作，或另外控制VFL透鏡370，以周期性地調製成像系統300的聚焦位置。在一些實現方式中，VFL透鏡370可以(例如，周期性地，按至少300Hz或3kHz或70kHz或遠更高的速率)十分快速地調整或調製聚焦位置。在一個示例實現方式中，範圍R可以近似為10mm(例如，對於1X物鏡350)。在各種實現方式中，為了改變聚焦位置FP，有利地選取VFL透鏡370，使得其不需要成像系統中的任何宏觀機械調整和/或物鏡350與工件320之間的距離的調整。在此情況下，根據在此所公開的原理，可以按高速率獲取多重曝光圖像，或如在先前所合併的』980公開中所描述的，可以獲取擴展場深度圖像，並且此外，當同一成像系統用於獲取固定聚焦檢驗圖像時，不存在使得精度降級的宏觀調整元件或關聯定位不可重複性。如先前所合併的』726公開中所描述的，也可以利用聚焦位置FP的改變以沿著工件320附近的Z高度方向在多個位置處快速地獲取包括多個圖像的圖像堆疊。在各種實現方式中，VFL透鏡370可以是可調諧聲學梯度折射率(「TAG」)透鏡。可調諧聲學梯度折射率透鏡是在流體介質中使用聲波以調製聚焦位置並且可以按幾百kHz的頻率周期性地掃描焦距的範圍的高速VFL透鏡。通過文章「High-speedvarifocalimagingwithatunableacousticgradientindexofrefractionlens」(OpticsLetters,Vol.33,No.18，2008年9月15日)的教導可以理解該透鏡，其全部通過引用合併到此。可調諧聲學梯度率透鏡和有關的可控制信號發生器例如可得自新澤西普林斯頓的TAGOptics公司。型號TL2.B.xxx系列透鏡例如能夠進行高達近似600KHz的調製。在各種實現方式中，如在先前所合併的』726公開中更詳細地描述的，相機系統360可以包括具有全域式快門的傳感器(即同時對每個像素進行曝光的傳感器)。該實施例有利之處在於，其提供用於在沒有工件或成像系統300的任何部件的運動的情況下測量圖像堆疊的能力。在各種替換的實現方式中，相機系統360可以包括具有電子捲簾快門(electronicrollingshutter,ERS)系統的傳感器。例如，相機系統可以包括與電子捲簾快門(ERS)系統(例如來自加利福尼亞聖何塞的AptinaImaging的型號MT9M001)耦合的使用SXGA解析度的黑白CMOS傳感器。VFL透鏡370可以由透鏡控制器374驅動，透鏡控制器374可以生成信號以操作VFL透鏡370。在一個實施例中，透鏡控制器374可以是商用的可控制信號發生器。在一些實現方式中，透鏡控制器374可以由用戶和/或操作程序通過成像控制接口131和/或透鏡控制接口134和/或多重曝光工具143mx配置或控制，如先前關於圖2所概述的。在一些實現方式中，可以使用周期性信號來操作VFL透鏡370，使得以高頻率隨著時間以正弦方式調製聚焦位置FP。例如，在一些示例性實現方式中，可調諧聲學梯度折射率透鏡可以被配置用於如400kHz那樣高的焦距掃描速率，但應理解，更慢的聚焦位置調整和/或調製頻率在各種實現方式和/或應用中可以是可期望的。例如，在各種實現方式中，可以使用300Hz或3kHz或70kHz或250kHz等的周期性調製。在使用更慢的聚焦位置調整的實現方式中，VFL透鏡370可以包括可控制流體透鏡等。在圖3的示例中，中繼透鏡352和386以及VFL透鏡370被指定為包括於4f光學配置中，而中繼透鏡352和管透鏡351被指定為包括於克卜勒望遠鏡配置中，並且管透鏡351和物鏡350被指定為包括於顯微鏡配置中。所有所示配置將理解為僅示例性的，而非限制本公開。作為克卜勒望遠鏡配置的部件，管透鏡351的焦距距離FTUBE示出為距透鏡351與352之間的中點近似等距，中繼透鏡352的焦距距離f亦同。在替換的實現方式中，可以使得用於管透鏡351的焦距距離FTUBE與中繼透鏡352的焦距距離f(其與4f光學配置的4f之一對應)不同。在包括可以作為轉臺透鏡組裝件的部件的管透鏡351的各種實現方式中，可以期望轉臺透鏡組裝件的其它管透鏡當旋轉進入操作位置中時在相同方位處具有焦點(從而滿足中繼透鏡352的焦點)。如在先前所合併的』409申請中所描述的，可以利用焦距距離FTUBE與焦距距離f的比率以改變出自中繼透鏡352的工件光355的準直波束相對於輸入到管透鏡351的工件光355的準直波束的直徑。關於分別輸入到管透鏡351並且輸出自中繼透鏡352的工件光355的準直波束，應理解，在各種實現方式中，這些準直波束可以擴展到更長的路徑長度中，和/或可以對於這些準直波束利用波束分離器，以用於提供附加光學路徑(例如，導向到不同的相機系統等)。在各種實現方式中，所示的4f光學配置允許在物鏡350的傅立葉平面FPL處放置VFL透鏡370(例如，其可以是低數值孔徑(NA)裝置(例如可調諧聲學梯度折射率透鏡))。這種配置在工件320處保持遠心度，並且可以使得比例改變和圖像失真最小化(例如，包括為工件320和/或聚焦位置FP的每個Z高度提供恆定放大率)。(例如包括管透鏡351和中繼透鏡352的)克卜勒望遠鏡配置可以包括於顯微鏡配置與4f光學配置之間，並且可以被配置為：在VFL透鏡的位置處提供物鏡的投影的期望大小，從而使得圖像象差最小化等。應理解，在各種實現方式中，特定類型的尺寸測量可能需要近衍射或衍射受限成像。圖3所示的配置通過限制成像到VFL透鏡370中的物鏡350的瞳孔的離軸範圍來減少象差。在該配置中，徑向範圍可以在其最低諧振頻率fR,MIN處在VFL透鏡370(例如可調諧聲學梯度折射率透鏡)的駐波的折射率曲線方面保持得小於1階貝塞爾環(Besselring)的徑向範圍，如在先前所合併的』409申請中更詳細地描述的。以此方式，來自(包括物鏡350和管透鏡351的)顯微鏡配置的光不超過VFL透鏡370的最大通光孔徑CAVFL,MAX。在光確實超過最大通光孔徑的實現方式中，光可以與VFL透鏡370的駐波的區域交互，該VFL透鏡370的駐波的區域可能具有可以增加象差並且減少尺寸測量精度的不期望的折射率。以下將參照圖4和圖5更詳細地描述包括光源330和相機系統360的成像系統300的一些示例操作。圖4是示出通過如上所述周期性調製成像系統中可變焦距透鏡(例如VFL透鏡370)的焦距所控制的圖3的成像系統的聚焦位置的周期性受調製Z高度時序圖400的圖線。周期性地受調製Z高度表示為正弦曲線410，又稱為「Z高度周期」。可以通過根據已知原理的校準(例如，通過重複地使得表面步進到已知的Z高度，然後手動地或計算地確定在已知的Z高度最佳聚焦圖像的相位定時，並且將該關係存儲在查找表中，等)來建立Z高度與相位定時的關係。示圖400還定性示出選通式照射可以如何定時為對應於周期性地受調製聚焦位置的各個相位定時(例如φ0,φ1,φ12,φn等)以對各個Z高度(例如zφ0,zφ1,zφ12,zφn等)處所聚焦的圖像進行曝光。也就是說，在所示示例中，在數位相機在整合時段期間正獲取圖像的同時，如果選通脈衝相對於聚焦調製的時段很短並且是在相位定時φ0時提供的，則聚焦位置將處於高度zφ0處，並且位於高度zφ0處的任何工件表面將處於所得圖像的焦點中。當然，同樣情況對於示圖400所示的其它示例性相位定時和Z高度是成立的。應理解，示圖400所示的相位定時僅是示例性的，而非限制。更一般地，用戶所選擇的或控制系統自動地選擇的任何相位定時將具有表示聚焦位置的周期性地受調製Z高度的最小Z高度和最大Z高度的聚焦位置zφ0–zφn範圍內的關聯聚焦位置Z高度。應理解，如果特定相位定時處的選通脈衝不足以提供良好曝光的圖像，則對於圖像整合時段內的任何期望數量的時段，選通脈衝可以在該特定相位定時處重複(如示圖400中的任何示例性相位定時φ0,φ1,φ12的重複實例示意性示出的)。在一些實施例或實現方式中，一個或幾千個這樣的脈衝可以在整合時段中整合。效果將是，增加所得圖像中的與該特定相位定時和/或Z高度對應的圖像曝光。(作為一個特定示例實現方式，對於以72kHz的頻率調製的可變焦距透鏡以及以30幀每秒操作的相機中的成像陣列，單個相機幀獲取時間與可變焦距透鏡和所得聚焦位置Z高度的2,400個周期對應)。應理解，示例性相位定時φ1和φ12示出於Z高度周期的上升斜率上。在一些實施例中，脈衝也可以在Z高度周期的下降斜率期間與相同Z高度對應的整合時段中整合。圖5是示出圖4所示的聚焦位置的周期性地受調製Z高度的水平延伸部分410'的圖表500，相位定時與可用於收集(圖表500中的垂直虛線的相位定時位置所表示的)圖像堆疊的相位定時對應，並且還定性示出對應於周期性地受調製聚焦位置的第一相位定時和第二相位定時(例如示例性相位定時φ10和φ27)的選通式照射的第一特定實例和第二特定實例可以如何組合以產生在位於不同Z高度處的第一興趣區域和第二興趣區域(例如用於興趣區域ROI1的z高度zROI1和用於興趣區域ROI2的z高度zROI2)中提供充分圖像聚焦的多重曝光圖像。關於與可用於收集(圖表500中的垂直虛線的相位定時位置所表示的)圖像堆疊的相位定時對應的相位定時，根據在此所公開的原理，在一個實現方式中，可以相對於代表性工件的第一興趣區域和第二興趣區域在學習模式期間獲取圖像堆疊(或多個圖像堆疊)。例如，可以通過使用與相位定時φ0一致的(一個或多個時段上的)一個或多個選通照射脈衝對第一圖像進行曝光來獲取圖像堆疊。在所示示例中，可以相似地使用相位定時φ1等上至φ35來獲取圖像堆疊中的第二圖像。應理解，圖像堆疊使用各種聚焦位置對視場進行成像，並且通常可以包括使用對應相位定時所獲取的在期望的Z高度處的任何期望數量的圖像。關於示出對應於周期性地受調製聚焦位置的第一相位定時和第二相位定時(例如示例性相位定時φ10和φ27)的選通式照射的第一特定實例和第二特定實例可以如何組合以產生多重曝光圖像的圖5，解釋如下：如圖5所示，代表性工件上的視場中的第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2指示為具有圖像堆疊的各個圖像中的充分圖像聚焦。ROI1指示為在與φ10的相位定時對應的Z高度zROI1處是最佳的或充分聚焦的，ROI2指示為在與φ27的相位定時對應的Z高度zROI2處是最佳的或充分聚焦的。例如，在操作的學習模式期間，可以通過(例如根據已知方法)在操作的學習模式期間所獲取的圖像堆疊的每個圖像中分析第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2中的對比度來確定該情況。然後，可以確定指示為分別對於ROI1和ROI2提供最佳或充分對比度和聚焦的特定圖像和/或內插的Z高度(例如，如以下更詳細地描述的)。在各種實施例中，Z高度和/或各Z高度之間的差和/或與第一Z高度和第二Z高度對應的第一相位定時和第二相位定時(或指示對應多重曝光定時差的其它數據)可以分別記錄在與ROI1和ROI2對應的部件程序中。假設與代表性工件相似的工件處於相對於成像系統的相似Z高度處，第一相位定時可以用作第一多重曝光定時值，以在多重曝光圖像中的聚焦中對ROI1進行曝光，並且第二相位定時可以用作第二多重曝光定時值，以在同一多重曝光圖像中的聚焦中對ROI2進行曝光。在各種實現方式中，可以根據各種技術來進行具有用於興趣區域的最佳或充分圖像聚焦的圖像的確定。在一個特定示例實現方式中，可以利用包括聚焦曲線的分析的技術。可以基於可以根據已知方法建立的聚焦曲線數據點而形成聚焦曲線(例如，如所合併的引用中所描述的)。簡單地說，在一種示例性方法中，對於圖像堆疊中的每個所捕獲的圖像，基於該圖像中的各個興趣區域而計算焦點度量值，並且該焦點度量值變為(例如與捕獲圖像的對應相位定時和Z高度有關的)聚焦曲線上的數據點。這樣產生聚焦曲線數據，其可以簡稱為「聚焦曲線」或「自動聚焦曲線」。用於圖像堆疊和聚焦曲線的確定和分析的示例性技術教導於美國專利No.6,542,180中，其為共同受讓的，並且在此其全部通過引用合併到此。在一個實現方式中，可以根據在聚焦曲線的峰值處或其附近的圖像(例如相對於圖像堆疊中的其它圖像具有用於各個興趣區域的最高或接近最高焦點度量值的圖像)來確定具有用於興趣區域的充分圖像聚焦的圖像。在各種實現方式中，可以利用這些技術作為包括圖像分析的自動化聚焦操作的部分。例如，根據在此所公開的原理，可以在學習模式期間利用這些技術，以自動地確定第一多重曝光定時值和第二多重曝光定時值，並且指示對應多重曝光定時差的數據可以得以記錄。隨後(例如在運行模式期間)，可以利用這些技術，以自動地確定產生用於當前工件上的第一興趣區域的充分圖像聚焦的第一多重曝光圖像獲取定時值。然後可以基於所記錄的指示對應多重曝光定時差的數據而確定第二多重曝光圖像獲取定時值，而無需使用包括關於第二興趣區域的圖像分析的自動化聚焦操作。在利用用於圖像分析的聚焦曲線的實現方式中，這將意味著，對於當前工件上的第二興趣區域無需生成並且分析聚焦曲線，這樣允許總體處理(例如在運行模式期間)執行得更快並且更高效。圖6-圖8是示出包括用於多重曝光工具770的圖形用戶接口(GUI)的機器視覺檢驗系統用戶接口顯示器700的示圖。在圖6所示的示例性狀態下，用戶接口顯示器700包括視場窗口703，其顯示包括(例如包括字母「MICRO」的)第一表面711以及(例如包括字母「NCODER」的)第二表面712的工件圖像710A。第一表面711和第二表面712處於不同的Z高度處。用戶接口顯示器700還包括各種測量和/或操作選擇條(例如選擇條720和740、實時X-Y-Z(位置)坐標窗口730以及光控制窗口750)。視場窗口703包括重疊在工件圖像710A上的多重曝光工具770。多重曝光工具770包括定義(例如與第一Z高度對應的第一表面711上的)第一興趣區域ROI1的第一部分771以及定義(例如與第二Z高度對應的第二表面712上的)第二興趣區域ROI2的第二部分772。在各種實現方式中，如果用戶選擇用於編輯的多重曝光工具770(或其部分)，則用戶接口可以自動地顯示工具參數對話框760，其允許用戶調整特定方面(例如工具位置和大小)。替代地或附加地，用戶可以能夠(例如通過點擊並且拖動整個工具或其特定部分)以圖形方式調整多重曝光工具770的用於改變位置、大小、定向等的各種方面。在圖6所示的示例性狀態下，已經利用多重曝光工具770以獲取具有用於第一興趣區域ROI1的充分圖像聚焦的工件圖像710A。例如，在學習模式期間，或在隨後操作期間(例如在運行模式期間)，可以利用包括(例如所獲取的圖像堆疊中的圖像的)圖像分析的自動化聚焦操作，以確定產生用於第一興趣區域ROI1的充分圖像聚焦的第一多重曝光定時值。應理解，當選擇具有用於第一興趣區域ROI1的充分圖像聚焦的來自圖像堆疊的圖像時，第二興趣區域ROI2可能在同一圖像中相對失焦，如圖6的工件圖像710A所示。如上所述，這可以分別至少部分地歸因於第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2中的表面711與712之間的Z高度差。如上所述，在學習模式期間，包括圖像分析的自動化聚焦操作也可以用於確定產生用於第二興趣區域ROI2(未示出)的充分圖像聚焦的第二多重曝光定時值。然後可以記錄指示代表性工件上的第一興趣區域和第二興趣區域的方位的數據，並且可以記錄指示第一多重曝光定時值與第二多重曝光定時值之間的多重曝光定時差的數據。在各種實現方式中，所記錄的數據可以可用於定義操作：當獲取與代表性工件相似的當前工件上的第一興趣區域和第二興趣區域的多重曝光圖像時，至少部分地基於多重曝光定時差而控制多重曝光圖像獲取。圖7是示出圖6的機器視覺檢驗系統用戶接口顯示器700的示圖，其中，已經利用多重曝光工具770以獲取工件的多重曝光圖像。例如，(例如在運行模式期間)，一旦(例如利用包括圖像分析的自動化聚焦操作)確定第一多重曝光圖像獲取定時值，所記錄的指示多重曝光定時差的數據就可以用於確定第一多重曝光圖像獲取定時值與第二多重曝光圖像獲取定時值之間的定時差。然後可以使用周期性地受調製聚焦位置結合使用用於選通式照射的各個實例的第一多重曝光圖像獲取定時值和第二多重曝光圖像獲取定時值來操作成像系統，以在獲取當前工件的多重曝光圖像的同時增強用於第一興趣區域和第二興趣區域的總體圖像聚焦。作為另一示例，在學習模式期間，可以在獲取代表性工件的多重曝光圖像的同時，使用周期性地受調製的聚焦位置結合使用用於選通式照射的各個實例的第一多重曝光定時值和第二多重曝光定時值來操作成像系統。在任一情況下，在圖7所示的示例性狀態下，(作為上述多重曝光圖像的)所獲取的工件圖像710B示出：已經增強總體圖像聚焦用於第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2。更具體地說，在圖7的工件圖像710B中(例如與圖6的工件圖像710A相比)，第二興趣區域ROI2的圖像聚焦已經顯著改進(例如，如字母「OD」的模糊的減少和可讀性所示)，而用於第一興趣區域ROI1的圖像聚焦(例如歸因於焦內表面稍微受來自另外焦平面的失焦的光汙染)通過選通式照射的第二實例已經僅稍微降級。因此，已經增強總體圖像聚焦用於第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2。圖8是示出包括用於對工件的多重曝光圖像710B執行工件特徵檢驗操作(例如，定位工件特徵)的附加視頻工具的圖8的機器視覺檢驗系統用戶接口顯示器的示圖800。在圖8所示的示例性狀態下，利用點工具980A和980B，以用於分別在第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2中定位第一邊緣特徵EF1和第二邊緣特徵EF2。在其它實現方式中，可以利用其它視頻工具(例如框工具、圓形工具、弧形工具等)，以用於定位其它工件特徵。用於定位邊緣特徵並且執行其它工件特徵檢驗操作的這些視頻工具的操作更詳細地描述於先前所合併的引用中以及美國專利No.7,627,162中，其在此全部通過引用合併到此。一旦定位各種特徵，就可以執行附加檢驗操作。例如，在圖8的實現方式中，一旦定位邊沿特徵EF1和EF2，就可以確定邊緣特徵EF1與EF2之間的距離D1。應理解，與可能已經要求多個圖像的現有系統相比(例如，對於不同的Z高度處的興趣區域中的每一個使用不同的圖像，其中，出自機械Z級不精確性的各圖像或特徵之間的任何失準可能產生測量誤差等)，檢驗操作(例如，確定距離D1)可以具有當對單個多重曝光圖像710B執行時更高的精度概率。在各種實現方式中，可以分析第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2中的每一個中的圖像質量，以確認圖像聚焦優於與用於定位第一邊緣特徵EF1和第二邊緣特徵EF2的期望精度等級有關的預定閾值。可以利用預定閾值以確定是否存在關於第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2的充分圖像聚焦。應理解，多重曝光圖像710B可以相對於第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2充分地聚焦，以允許檢驗操作(例如諸如上述檢驗操作)得以精確地執行。在現有系統中，對於不同的Z高度處的工件特徵的這些檢驗操作需要利用多個圖像和/或圖像的後處理，以精確地確定並且測量這些工件特徵。通過允許在無需利用來自附加圖像的圖像數據的情況下快速獲取具有不同的Z高度處的工件特徵的多重曝光圖像，改進用於這些操作的系統的速度和效率。在各種替換的實現方式中，可以對多重曝光圖像執行特定選擇性後處理(例如利用來自附加圖像的圖像數據的解卷)。例如，可以利用與先前所合併的』980公開中所描述的積分點擴展函數解卷相似的技術。在這些實現方式中，對於後處理所使用的點擴展函數可以僅關於(例如與第一興趣區域ROI1和第二興趣區域ROI2對應的)所指定的Z等級而非整個Z掃描範圍積分。圖9是示出用於(例如在學習模式期間)確定並且記錄多重曝光定時差的例程1000的一個示例性實現方式的流程圖。在塊1010，定義具有代表性工件上的不同的Z高度的第一興趣區域和第二興趣區域。在塊1020，收集包括在各個Z高度處聚焦的代表性工件上的第一興趣區域和第二興趣區域的各個圖像的至少一個圖像堆疊。在各種實現方式中，使用定時為對應於周期性地受調製聚焦位置的各個相位定時的選通式照射的至少一個實例來對至少一個圖像堆疊的每個各個圖像進行曝光，該周期性地受調製聚焦位置與對於至少一個圖像堆疊的該各個圖像的各個Z高度處的焦點對應。在各種實現方式中，定時為對應於周期性地受調製聚焦位置的各個相位定時的選通式照射的至少一個實例可以包括圖像整合時段內聚焦周期的多個時段上該各個相位定時處的多個重複實例照射，該周期性地受調製聚焦位置與對於至少一個圖像堆疊的各個圖像的各個Z高度處的焦點。在塊1030，至少部分地基於至少一個圖像堆疊中的第一興趣區域和第二興趣區域的焦點的分析，確定用於選通式照射的實例的第一多重曝光定時值和第二多重曝光定時值，該第一多重曝光定時值和第二多重曝光定時值分別對應於產生用於第一興趣區域和第二興趣區域的充分圖像聚焦的周期性地受調製聚焦位置的第一相位定時和第二相位定時。在塊1040，記錄指示代表性工件上的第一興趣區域和第二興趣區域的方位的數據以及指示第一多重曝光定時值與第二多重曝光定時值之間的多重曝光定時差的數據。在各種實現方式中，所記錄的數據可用於定義操作：當獲取與代表性工件相似的當前工件上的第一興趣區域和第二興趣區域的多重曝光圖像時，至少部分地基於多重曝光定時差而控制多重曝光圖像獲取。在各種實現方式中，可以與用於代表性工件的檢驗實例的部件程序關聯而記錄所記錄的數據，並且使用所記錄的數據可以包括：在機器視覺檢驗系統的使用實例上運行部件程序。在各種實現方式中，一類機器視覺檢驗系統的(例如在運行模式期間所利用的)使用實例以及(例如在學習模式期間所利用的)第一實例可以是相同的機器視覺檢驗系統，或替代地可以是不同的機器視覺檢驗系統。在各種實現方式中，在學習模式期間，可以至少部分地基於至少一個圖像堆疊中的第三興趣區域的焦點的分析而確定用於選通式照射的實例的第三(或更多)多重曝光定時值。記錄數據可以對應地包括：記錄指示代表性工件上的第三興趣區域的方位的數據以及指示第三多重曝光定時值與第一多重曝光定時值或第二多重曝光定時值中的至少一個之間的附加多重曝光定時差的數據。所記錄的數據可以因此可用於定義操作：當操作一類機器視覺檢驗系統的使用實例以獲取與代表性工件相似的當前工件上的第一興趣區域、第二興趣區域和第三(或更多)興趣區域的多重曝光圖像時，至少部分地基於多重曝光定時差和附加多重曝光定時差而控制多重曝光圖像獲取。圖10是示出用於利用所記錄的多重曝光定時差的例程1100的一個示例性實現方式的流程圖，用於(例如在運行模式期間)獲取工件的多重曝光圖像。在塊1110，第一興趣區域和第二興趣區域定位在與代表性工件相似的當前工件上。在塊1120，確定用於選通式照射的實例的第一多重曝光圖像獲取定時值。在塊1130，使用所記錄的指示多重曝光定時差的數據，以確定第一多重曝光圖像獲取定時值與第二多重曝光圖像獲取定時值之間的定時差。在塊1140，使用周期性地受調製聚焦位置結合使用用於選通式照射的各個實例的第一多重曝光圖像獲取定時值和第二多重曝光圖像獲取定時值來操作成像系統，以在獲取包括當前工件上的第一興趣區域和第二興趣區域的當前工件的多重曝光圖像的同時增強用於第一興趣區域和第二興趣區域的圖像聚焦。雖然已經示出並且描述了本公開的優選實現方式，但所示出並且描述的特徵的布置和操作的順序的大量變形基於本公開對於本領域技術人員將是清楚的。各種替換形式可以用於實現在此所公開的原理。此外，上述各種實現方式可以組合，以提供其它實現方式。該說明書中引用的所有美國專利和美國專利申請全部通過引用合併到此。可以根據需要來修改實現方式的各方面，以採用各種專利和申請的構思，以提供其它實現方式。可以依據以上詳細描述對實現方式進行這些和其它改變。通常，在所附權利要求中，所使用的術語不應理解為將權利要求限制為說明書和權利要求中所公開的特定實現方式，而應理解為連同這些權利要求給予的等同的完整範圍一起包括所有可能的實現方式。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp