技术领域
[0001] 本公开涉及
精度计量，更具体地说，涉及可以利用可变焦距透镜以周期性地调制聚焦
位置的机器视觉检验系统。
背景技术
[0002] 精度机器视觉检验系统(或简称“视觉系统”)可以用于对象的精确测量并且检验其它对象特性。这些系统可以包括计算机、相机、光学系统以及移动以允许
工件横穿的级。表征为通用“离线”精度视觉系统的一个示例性系统是QUICK 系列的基于PC的视觉系统以及可得自位于伊利诺伊州Aurora的Mitutoyo America Corporation(MAC)的
软件。QUICK 系列的视觉系统和 软件的特征和操作通常描
述于例如2003年1月公开的QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User’s Guide中，其全部通过引用合并到此。这种类型的系统使用
显微镜类型光学系统并且移动级以按各种放大率提供小工件或大工件的检验图像。
[0003] 这些机器视觉检验系统通常是可编程的，以提供自动化检验。包括特定检验事件序列——即顺序图像获取设置(例如位置、光照、放大率等)以及如何(例如使用一个或多个视频工具)分析/检验每个图像——的机器控制指令存储为针对特定工件配置的“部件程序”或“工件程序”。
[0004] 视频工具(或简称“工具”)以及另外图形用户
接口(GUI)特征允许“非专家”操作者进行的操作和编程。这些工具可以在“手动模式”下得以手动地使用，和/或它们的参数和操作也可以在学习模式期间得以记录，以创建部件程序。视频工具可以包括例如边缘/边界检测工具、自动聚焦工具、形状或图案匹配工具、尺寸测量工具等。其全部通过引用合并到此的美国
专利No.6,542,180教导一种包括使用用于检验编程的视频工具的视觉系统。
[0005] 在一些应用中，期望操作机器视觉检验系统的成像系统以收集具有大于在单个聚焦位置处由光学成像系统提供的场深度的扩展场深度(EDOF)的图像。用于收集EDOF图像的各种方法是已知的。一种方法收集包括贯穿聚焦范围在不同距离处聚焦的多个全等或对准的图像的图像“堆叠”。合成图像得以构造，其中，从显示具有最佳焦点的视场的每个部分的特定图像提取该部分。然而，该方法是相对缓慢的。作为另一示例，Nagahara等人("Flexible Depth of Field Photography",Proceedings of the European Conference on Computer Vision，2008年10月)公开一种方法，其中，在单个图像的曝光时间期间沿着多个聚焦距离对其进行曝光。该图像是相对模糊的，但使用已知的或预定的模糊
内核对其进行解卷，以获得相对清楚的EDOF图像。在所公开的方法中，通过沿着成像系统的光轴平移检测器来改动焦距。该方法也是相对缓慢的，并且在机械上是复杂的。用于提供具有不同聚焦距离处的特征的图像的改进的方法是期望的。
发明内容
[0006] 提供本发明内容以通过简化形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容不意图标识所要求的主题内容的关键特征，也不意图用于有助于确定所要求的主题内容的范围。
[0007] 提供一种用于定义控制多重曝光图像的获取的操作的方法，该多重曝光图像由一类机器视觉检验系统的实例所提供。所述机器视觉检验系统包括：照射源，用于提供选通式照射；以及成像系统，包括可变焦距透镜(例如可调谐声学梯度折射率透镜)，该可变焦距透镜被用于在沿着接近工件的Z高度方向的多个位置上周期性地调制所述成像系统的聚焦位置。所述方法包括：在所述一类机器视觉检验系统的第一实例的学习模式期间执行操作，以确定多重曝光定时差。
[0008] 作为所述学习模式操作的部分，定义在代表性工件上具有不同的Z高度的第一兴趣区域和第二兴趣区域。收集包括在各个Z高度处聚焦的所述代表性工件上的所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的各个图像的至少一个图像堆叠。使用定时为对应于所述周期性地受调制聚焦位置的各个
相位定时的选通式照射的至少一个实例来对所述至少一个图像堆叠的每个各个图像进行曝光，该周期性地受调制聚焦位置与所述至少一个图像堆叠的所述各个图像的各个Z高度处的焦点对应。至少部分地基于所述至少一个图像堆叠中的所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的焦点的分析来确定用于选通式照射的实例的第一多重曝光定时值和第二多重曝光定时值，所述第一多重曝光定时值和所述第二多重曝光定时值分别对应于产生用于所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的充分图像聚焦的所述周期性地受调制的聚焦位置的第一相位定时和第二相位定时。在各个实现方式中，可以根据以下项中的一个或多个来确定用于所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的充分图像聚焦：(例如从焦点度量曲线的峰值和/或图像堆叠中的最佳聚焦图像确定的)最佳焦点、近似最佳焦点、基于多重曝光图像而充分支持期望的检验操作的焦点、在多重曝光图像中的X-Y平面中以期望的精度充分确定用于检验的尺寸测量的焦点等。
[0009] 记录指示所述代表性工件上的所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的方位的数据以及指示所述第一多重曝光定时值与第二多重曝光定时值之间的多重曝光定时差的数据。所记录的数据可用于定义操作：当操作所述一类机器视觉检验系统的使用实例以获取与所述代表性工件相似的当前工件上的所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的多重曝光图像时，至少部分地基于所述多重曝光定时差而(例如在运行模式期间)控制多重曝光图像获取。在各个实现方式中，所述一类机器视觉检验系统的(例如在运行模式期间所利用的)所述使用实例以及(例如在学习模式期间所利用的)所述第一实例可以是相同的机器视觉检验系统，或替代地可以是不同的机器视觉检验系统。
[0010] 在各个实现方式中，作为(例如在运行模式期间)操作所述一类机器视觉检验系统的所述使用实例的部分，所述第一兴趣区域和第二兴趣区域位于所述成像系统的视场中与(例如来自所述学习模式的)所述代表性工件相似的当前工件上。确定用于选通式照射的实例的第一多重曝光图像获取定时值。使用所记录的指示所述多重曝光定时差的数据，以确定所述第一多重曝光图像获取定时值与所述第二多重曝光图像获取定时值之间的定时差。使用所述周期性地受调制的聚焦位置结合使用用于选通式照射的各个实例的所述第一多重曝光图像获取定时值和第二多重曝光图像获取定时值来操作所述成像系统，以在获取包括所述当前工件上的所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的所述当前工件的多重曝光图像的同时增强用于所述第一兴趣区域和第二兴趣区域的总体图像聚焦。
附图说明
[0011] 图1是示出通用精度机器视觉检验系统的各种典型组件的示图；
[0012] 图2是与图1相似的并且包括在此所公开的特征的机器视觉检验系统的控制系统部分和视觉组件部分的
框图；
[0013] 图3是可以适用于机器视觉检验系统并且根据在此所公开的原理操作的成像系统的示意图；
[0014] 图4是示出通过周期性地调制成像系统中可变焦距透镜的焦距所收集的图3的成像系统的聚焦位置的周期性受调制Z高度的时序图、并且还定性示出选通式照射可以如何定时为对应于周期性地受调制聚焦位置的各个相位定时以对在各个Z高度处所聚焦的图像进行曝光的图表；
[0015] 图5是示出图4所示的聚焦位置的周期性地受调制Z高度的扩展部分的图表，相位定时与可用于收集图像堆叠的相位定时对应，该图表还定性示出可以如何组合对应于周期性地受调制聚焦位置的第一相位定时和第二相位定时的选通式照射的第一实例和第二实例以产生在位于不同Z高度处的第一兴趣区域和第二兴趣区域中提供充分图像聚焦的多重曝光图像；
[0016] 图6是示出包括具有工件上的焦点中的第一兴趣区域的多重曝光工具的机器视觉检验系统用户接口显示器的示图；
[0017] 图7是示出图6的机器视觉检验系统用户接口显示器的示图，其中，已经利用多重曝光工具以获取工件的多重曝光图像；
[0018] 图8是示出包括用于对工件的多重曝光图像执行工件特征检验操作的附加视频工具的图7的机器视觉检验系统用户接口显示器的示图；
[0019] 图9是示出用于确定并且记录多重曝光定时差的例程的一个示例性实现方式的
流程图；以及
[0020] 图10是示出用于利用获取工件的多重曝光图像的所记录的多重曝光定时差的例程的一个示例性实现方式的流程图。
具体实施方式
[0021] 图1是根据在此所公开的原理使用的一个示例性机器视觉检验系统10的框图。机器视觉检验系统(machine vision inspection system)10包括视觉测量机器12，其可操作地连接，以与控制
计算机系统14并且与监视器或显示器16、
打印机18、操纵杆22、
键盘24以及
鼠标26交换数据和控制
信号。监视器或显示器16可以显示适合于对机器视觉检验系统10进行控制和/或编程的用户接口。在各个实现方式中，
触摸屏平板等可以替代以和/或冗余地提供任何或所有计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26的功能。
[0022] 更一般地，控制计算机系统14可以包括或构成于任何计算系统或装置和/或分布式计算环境等，其中的任一可以包括运行软件以执行在此所描述的功能的一个或多个处理器。处理器包括可编程通用或专用
微处理器、可编程
控制器、专用集成
电路(ASIC)、
可编程逻辑器件(PLD)等或这些装置的组合。软件可以存储在
存储器(例如
随机存取存储器(RAM)、
只读存储器(ROM)、闪速存储器等或这些组件的组合)中。软件也可以存储在一个或多个存储装置(例如基于光的盘、闪速存储器装置或用于存储数据的任何其它类型的非易失性存储介质)中。软件可以包括包含执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等的一个或多个程序模
块。在分布式计算环境中，程序模块的功能性可以组合或分布遍及多个计算系统或装置并且通过有线配置或通过无线配置经由服务调用而得以
访问。
[0023] 视觉测量机器12包括可移动工件(workpiece)级32以及光学成像系统34，其可以包括变焦透镜或可互换透镜。变焦透镜或可互换透镜通常为光学成像系统34所提供的图像提供各种放大率(例如0.5x至100x)。相似的机器视觉检验系统描述于共同受让美国专利No.7,454,053、7,324,682、8,111,905以及8,111,938中，其中的每一个的全部通过引用合并到此。
[0024] 图2是与图1的机器视觉检验系统相似的并且包括在此所描述的特征的机器视觉检验系统100的控制系统部分120和视觉组件部分200的框图。如以下将更详细地描述的，利用控制系统部分120以控制视觉组件部分200。视觉组件部分200包括光学组装件部分205、
光源220、230和240以及具有中心透明部分212的工件级210。工件级210可沿着平放在通常与工件20可以位于的级的表面平行的平面中的x轴和y轴可控制地移动。
[0025] 光学组装件部分205包括相机系统260、可互换物镜250，并且可以包括具有透镜286和288的转台(turret)透镜组装件280。转台透镜组装件可替代地，可以包括固定或手动可互换放大率改动透镜或变焦透镜配置等。在各种实现方式中，可以包括各种透镜作为光学组装件部分205的可变放大率透镜部分的部件。在各中实现方式中，可互换物镜250可以选自固定放大率物镜集合(例如范围从0.5x到100x等的集合)。
[0026] 光学组装件部分205通过使用可控制
电机294沿着通常与x轴和y轴
正交的z轴可控制地移动，可控制电机294驱动
致动器以沿着z轴移动来改变工件20的图像的焦点。可控制电机294经由信号线路296连接到输入/输出接口130。待使用机器视觉检验系统100成像的工件20或承载多个工件20的托盘或夹具放置在工件级210上。工件级210可以受控以相对于光学组装件部分205移动，从而可互换物镜250在工件20上的各方位之间和/或在多个工件20之间移动。
[0027] 级光220、同轴光230和表面光240(例如环形光)中的一个或多个可以分别发射源光222、232和/或242，以照射一个或多个工件20。同轴光230可以沿着包括镜290的路径发射光232。源光被反射或透射为工件光255，并且用于成像的工件光穿过可互换物镜250和转台透镜组装件280而且由相机系统260聚集。相机系统260所捕获的工件20的图像在信号线路262上输出到控制系统部分120。光源220、230和240可以分别通过信号线路或总线221、231和241连接到控制系统部分120。控制系统部分120可以沿着轴284旋转转台透镜组装件280，以通过信号线路或总线281选择转台透镜，以改变图像放大率。
[0028] 如图2所示，在各种示例性实现方式中，控制系统部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序发生器和运行器170以及电源部分190。这些组件中的每一个以及下述附加组件可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口或通过各种元件之间的直接连接而互连。输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132、光照控制接口133以及透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包括包含透镜聚焦操作电路和/或例程的透镜控制器等。在各种实现方式中，透镜控制接口134可以还包括当进行或检测到放大率改变时可以选择或自动地实现的放大率改变调整模式，如2015年7月9日提交的题为“Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Length Lens in an Adjustable Magnification Optical System”的共同未决和共同受让美国专利
申请序列号No.14/795,409中更详细地描述的，其全部通过引用合并到此。
[0029] 在各种实现方式中，成像控制接口131可以包括扩展场深度模式，如共同未决和共同受让美国专利申请No.2015/0145980中更详细地描述的，其全部通过引用合并到此。扩展场深度模式可以由用户选择，以提供具有比当在单个聚焦位置聚焦时视觉组件部分200可以提供的更大的场深度的工件的至少一个图像(例如合成图像)。运动控制接口132可以包括位置控制元件132a、速度/
加速度控制元件132b，但这些元件可以融合和/或可不区分。光照控制接口133可以包括光照控制元件133a、133n和133fl，其当可应用于机器视觉检验系统100的各种对应光源时控制例如选择、功率、通/断
开关以及选通脉冲定时。
[0030] 存储器140可以包括图像文件存储器部分141、
边缘检测存储器部分140ed、可以包括一个或多个部件程序(part program)等的工件程序存储器部分142以及视频工具部分143。视频工具部分143包括：视频工具部分143a；以及其它视频工具部分(例如143n)，其确定用于对应视频工具中的每一个的GUI、
图像处理操作等；以及兴趣区域(ROI)发生器
143roi，其支持定义可在视频工具部分143中所包括的各种视频工具中操作的各种ROI的自动、半自动和/或手动操作。视频工具部分还包括自动聚焦视频工具143af，其确定用于聚焦高度测量操作的GUI、图像处理操作等。自动聚焦视频工具143af包括多重曝光工具143mx，其可以用于多重曝光操作，如以下将更详细地描述的。
[0031] 在各种实现方式中，可以在学习模式期间利用多重曝光工具143mx，以确定并且记录多重曝光定时差，其可以随后用于获取工件的多重曝光图像。在各种实现方式中，多重曝光工具143mx可以是可以另外根据用于自动聚焦视频工具的传统方法来操作的自动聚焦视频工具143af的特殊模式，或多重曝光工具143mx可以是与自动聚焦视频工具143af独立的分离视频工具。在各种实现方式中，自动聚焦视频工具143af或附加视频工具还可以包括高速聚焦高度工具，其可以用于以高速度测量聚焦高度，如在共同未决和共同受让美国专利申请No.2014/0368726中更详细地描述的，其全部通过引用合并到此。
[0032] 在本公开的上下文中，并且如本领域技术人员公知的，术语“视频工具”通常指代机器视觉用户可以在不创建视频工具中所包括的逐步操作序列或求助于通用的基于文本的编程语言等的情况下，通过相对简单的用户接口
[0033] (例如图形用户接口、可编辑参数窗口、菜单等)实现的相对复杂的自动化或编程操作集合。例如，视频工具可以包括通过调整掌控操作和计算的少数变量或参数在特定实例中应用并且定制的复杂预编程图像处理操作和计算集合。除了潜在操作和计算之外，视频工具还包括用户接口，其允许用户调整用于视频工具的特定实例的这些参数。例如，很多机器视觉视频工具允许用户使用鼠标通过简单的“
手柄拖动”操作来配置图形兴趣区域(ROI)指示符，以定义要通过视频工具的特定实例的图像处理操作来分析的图像子集的方位参数。应注意，在隐式地包括潜在操作的情况下，可视用户接口特征有时称为视频工具。
[0034] 级光220、同轴光230和表面光240的信号线路或总线221、231和241分别都连接到输入/输出接口130。来自相机系统260的信号线路262和来自可控制电机294的信号线路296连接到输入/输出接口130。除了携带图像数据之外，信号线路262还携带来自发起图像获取的控制器125的信号。
[0035] 一个或多个显示器装置136(例如图1的显示器16)以及一个或多个输入装置138(例如图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可以连接到输入/输出接口130。显示器装置136和输入装置138可以用于显示可以包括可用于执行检验操作的各种图形用户接口(GUI)特征的用户接口，和/或创建和/或
修改部件程序，以观看相机系统260所捕获的图像和/或直接控制视觉系统组件部分200。显示器装置136可以显示(例如与自动聚焦视频工具143af、多重曝光工具143mx等关联的)用户接口特征。
[0036] 在各种示例性实现方式中，当用户利用机器视觉检验系统100以创建用于工件20的部件程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检验系统100以提供期望的图像获取训练序列来生成部件程序指令。例如，训练序列可以包括：在视场(FOV)中
定位代表性工件的特定工件特征；设置光等级；聚焦或自动聚焦；获取图像；以及(例如使用该工件特征上的视频工具中的一个或多个的实例)提供应用于图像的检验训练序列。学习模式操作，使得序列得以捕获或记录，并且转换为对应部件程序指令。当运行部件程序时，这些指令将使得机器视觉检验系统再现受训练的图像获取，并且使得检验操作自动地检验当前工件(例如运行模式工件)或与当创建部件程序时所使用的代表性工件相似的工件上的该特定工件特征(其为对应位置中的对应特征)。
[0037] 图3是可以适用于机器视觉检验系统并且根据在此所公开的原理操作的成像系统300的示意图。成像系统300包括：光源330，其可配置为在成像系统300的视场中(例如通过选通式或连续波照射)照射工件320；物镜(objective lens)350；管透镜(tube lens)351；
中继透镜(relay lens)352；可变焦距透镜(VFL)370；中继透镜386；以及相机系统360。
[0038] 在操作中，光源330可配置为：沿着包括部分镜390的路径并且通过物镜350将源光332发射到工件320的表面，其中，物镜350接收在工件320附近的聚焦位置FP处聚焦的工件光355，并且将工件光355输出到管透镜351。在各种实现方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且管透镜351可以被包括作为转台透镜组装件的部件(例如，与图2的可互换物镜250和转台透镜组装件280相似)。在各种实现方式中，物镜350、管透镜351或在此引用的任何其它透镜可以形成于单独透镜、复合透镜等，或与之结合而操作。管透镜351接收工件光355，并且将其输出到中继透镜352。
[0039] 中继透镜352接收工件光355，并且将其输出到VFL透镜370。VFL透镜370接收工件光355，并且将其输出到中继透镜386。中继透镜386接收工件光355，并且将其输出到相机系统360。在各种实现方式中，相机系统360可以在图像曝光时段期间捕获工件320的图像，并且可以将图像提供给控制系统部分(例如，与图2中的用于将图像提供给控制系统部分120的相机系统260的操作相似)。
[0040] VFL透镜370是可通过
电子方式控制的，以在一个或多个图像曝光期间变
化成像系统的聚焦位置FP。聚焦位置FP可以在聚焦位置FP1和聚焦位置FP2所界定的范围R内移动。应理解，在各种实现方式中，范围R可以由用户选择，或可以源自设计参数，或可以另外是自动地确定的。通常，关于图3的示例，应理解，特定所示尺寸可以并非是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示尺寸不同的成比例尺寸(例如，对于特定应用可以是更不宽的并且高达50mm长或更长，以提供期望数量的透镜化能
力等)。
[0041] 在各种实现方式中，机器视觉检验系统可以包括控制系统(例如图2的控制系统120)，其可配置为：结合透镜控制器374而操作，或另外控制VFL透镜370，以周期性地调制成像系统300的聚焦位置。在一些实现方式中，VFL透镜370可以(例如，周期性地，按至少300Hz或3kHz或70kHz或远更高的速率)十分快速地调整或调制聚焦位置。在一个示例实现方式中，范围R可以近似为10mm(例如，对于1X物镜350)。在各种实现方式中，为了改变聚焦位置FP，有利地选取VFL透镜370，使得其不需要成像系统中的任何宏观机械调整和/或物镜350与工件320之间的距离的调整。在此情况下，根据在此所公开的原理，可以按高速率获取多重曝光图像，或如在先前所合并的’980公开中所描述的，可以获取扩展场
深度图像，并且此外，当同一成像系统用于获取固定聚焦检验图像时，不存在使得精度降级的宏观调整元件或关联定位不可重复性。如先前所合并的’726公开中所描述的，也可以利用聚焦位置FP的改变以沿着工件320附近的Z高度方向在多个位置处快速地获取包括多个图像的图像堆叠。
[0042] 在各种实现方式中，VFL透镜370可以是可调谐声学梯度折射率(“TAG”)透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是在
流体介质中使用
声波以调制聚焦位置并且可以按几百kHz的
频率周期性地扫描焦距的范围的高速VFL透镜。通过文章“High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens”(Optics Letters,Vol.33,No.18，2008年9月15日)的教导可以理解该透镜，其全部通过引用合并到此。可调谐声学梯度率透镜和有关的可
控制信号发生器例如可得自新泽西普林斯顿的TAG Optics公司。型号TL2.B.xxx系列透镜例如能够进行高达近似600KHz的调制。
[0043] 在各种实现方式中，如在先前所合并的’726公开中更详细地描述的，相机系统360可以包括具有全域式快
门的
传感器(即同时对每个
像素进行曝光的传感器)。该
实施例有利之处在于，其提供用于在没有工件或成像系统300的任何部件的运动的情况下测量图像堆叠的能力。在各种替换的实现方式中，相机系统360可以包括具有电子
卷帘快门(electronic rolling shutter,ERS)系统的传感器。例如，相机系统可以包括与电子卷帘快门(ERS)系统(例如来自加利福尼亚圣何塞的Aptina Imaging的型号MT9M001)耦合的使用SXGA
分辨率的黑白CMOS传感器。
[0044] VFL透镜370可以由透镜控制器374驱动，透镜控制器374可以生成信号以操作VFL透镜370。在一个实施例中，透镜控制器374可以是商用的可控制信号发生器。在一些实现方式中，透镜控制器374可以由用户和/或操作程序通过成像控制接口131和/或透镜控制接口134和/或多重曝光工具143mx配置或控制，如先前关于图2所概述的。在一些实现方式中，可以使用周期性信号来操作VFL透镜370，使得以高频率随着时间以正弦方式调制聚焦位置FP。例如，在一些示例性实现方式中，可调谐声学梯度折射率透镜可以被配置用于如400kHz那样高的焦距扫描速率，但应理解，更慢的聚焦位置调整和/或调制频率在各种实现方式和/或应用中可以是可期望的。例如，在各种实现方式中，可以使用300Hz或3kHz或70kHz或
250kHz等的周期性调制。在使用更慢的聚焦位置调整的实现方式中，VFL透镜370可以包括可控制流体透镜等。
[0045] 在图3的示例中，中继透镜352和386以及VFL透镜370被
指定为包括于4f光学配置中，而中继透镜352和管透镜351被指定为包括于开普勒望远镜配置中，并且管透镜351和物镜350被指定为包括于显微镜配置中。所有所示配置将理解为仅示例性的，而非限制本公开。作为开普勒望远镜配置的部件，管透镜351的焦距距离FTUBE示出为距透镜351与352之间的中点近似等距，中继透镜352的焦距距离f亦同。在替换的实现方式中，可以使得用于管透镜351的焦距距离FTUBE与中继透镜352的焦距距离f(其与4f光学配置的4f之一对应)不同。在包括可以作为转台透镜组装件的部件的管透镜351的各种实现方式中，可以期望转台透镜组装件的其它管透镜当旋转进入操作位置中时在相同方位处具有焦点(从而满足中继透镜352的焦点)。
[0046] 如在先前所合并的’409申请中所描述的，可以利用焦距距离FTUBE与焦距距离f的比率以改变出自中继透镜352的工件光355的
准直波束相对于输入到管透镜351的工件光355的准直波束的直径。关于分别输入到管透镜351并且输出自中继透镜352的工件光355的准直波束，应理解，在各种实现方式中，这些准直波束可以扩展到更长的路径长度中，和/或可以对于这些准直波束利用波束分离器，以用于提供附加光学路径(例如，导向到不同的相机系统等)。
[0047] 在各种实现方式中，所示的4f光学配置允许在物镜350的傅立叶平面FPL处放置VFL透镜370(例如，其可以是低数值孔径(NA)装置(例如可调谐声学梯度折射率透镜))。这种配置在工件320处保持远心度，并且可以使得比例改变和图像失真最小化(例如，包括为工件320和/或聚焦位置FP的每个Z高度提供恒定放大率)。(例如包括管透镜351和中继透镜352的)开普勒望远镜配置可以包括于显微镜配置与4f光学配置之间，并且可以被配置为：
在VFL透镜的位置处提供物镜的投影的期望大小，从而使得图像象差最小化等。
[0048] 应理解，在各种实现方式中，特定类型的尺寸测量可能需要近衍射或衍射受限成像。图3所示的配置通过限制成像到VFL透镜370中的物镜350的瞳孔的离轴范围来减少象差。在该配置中，径向范围可以在其最低谐振频率fR,MIN处在VFL透镜370(例如可调谐声学梯度折射率透镜)的
驻波的折射率曲线方面保持得小于1阶贝塞尔环(Bessel ring)的径向范围，如在先前所合并的’409申请中更详细地描述的。以此方式，来自(包括物镜350和管透镜351的)显微镜配置的光不超过VFL透镜370的最大通光孔径CAVFL,MAX。在光确实超过最大通光孔径的实现方式中，光可以与VFL透镜370的驻波的区域交互，该VFL透镜370的驻波的区域可能具有可以增加象差并且减少尺寸测量精度的不期望的折射率。以下将参照图4和图5更详细地描述包括光源330和相机系统360的成像系统300的一些示例操作。
[0049] 图4是示出通过如上所述周期性调制成像系统中可变焦距透镜(例如VFL透镜370)的焦距所控制的图3的成像系统的聚焦位置的周期性受调制Z高度时序图400的图线。周期性地受调制Z高度表示为正弦曲线410，又称为“Z高度周期”。可以通过根据已知原理的校准(例如，通过重复地使得表面步进到已知的Z高度，然后手动地或计算地确定在已知的Z高度最佳聚焦图像的相位定时，并且将该关系存储在查找表中，等)来建立Z高度与相位定时的关系。
[0050] 示图400还定性示出选通式照射可以如何定时为对应于周期性地受调制聚焦位置的各个相位定时(例如φ0,φ1,φ12,φn等)以对各个Z高度(例如zφ0,zφ1,zφ12,zφn等)处所聚焦的图像进行曝光。也就是说，在所示示例中，在
数码相机在整合时段期间正获取图像的同时，如果选通脉冲相对于聚焦调制的时段很短并且是在相位定时φ0时提供的，则聚焦位置将处于高度zφ0处，并且位于高度zφ0处的任何工件表面将处于所得图像的焦点中。当然，同样情况对于示图400所示的其它示例性相位定时和Z高度是成立的。
[0051] 应理解，示图400所示的相位定时仅是示例性的，而非限制。更一般地，用户所选择的或控制系统自动地选择的任何相位定时将具有表示聚焦位置的周期性地受调制Z高度的最小Z高度和最大Z高度的聚焦位置zφ0–zφn范围内的关联聚焦位置Z高度。应理解，如果特定相位定时处的选通脉冲不足以提供良好曝光的图像，则对于图像整合时段内的任何期望数量的时段，选通脉冲可以在该特定相位定时处重复(如示图400中的任何示例性相位定时φ0,φ1,φ12的重复实例示意性示出的)。在一些实施例或实现方式中，一个或几千个这样的脉冲可以在整合时段中整合。效果将是，增加所得图像中的与该特定相位定时和/或Z高度对应的图像曝光。(作为一个特定示例实现方式，对于以72kHz的频率调制的可变焦距透镜以及以30
帧每秒操作的相机中的成像阵列，单个相机帧获取时间与可变焦距透镜和所得聚焦位置Z高度的2,400个周期对应)。应理解，示例性相位定时φ1和φ12示出于Z高度周期的上升斜率上。在一些实施例中，脉冲也可以在Z高度周期的下降斜率期间与相同Z高度对应的整合时段中整合。
[0052] 图5是示出图4所示的聚焦位置的周期性地受调制Z高度的
水平延伸部分410'的图表500，相位定时与可用于收集(图表500中的垂直虚线的相位定时位置所表示的)图像堆叠的相位定时对应，并且还定性示出对应于周期性地受调制聚焦位置的第一相位定时和第二相位定时(例如示例性相位定时φ10和φ27)的选通式照射的第一特定实例和第二特定实例可以如何组合以产生在位于不同Z高度处的第一兴趣区域和第二兴趣区域(例如用于兴趣区域ROI1的z高度zROI1和用于兴趣区域ROI2的z高度zROI2)中提供充分图像聚焦的多重曝光图像。
[0053] 关于与可用于收集(图表500中的垂直虚线的相位定时位置所表示的)图像堆叠的相位定时对应的相位定时，根据在此所公开的原理，在一个实现方式中，可以相对于代表性工件的第一兴趣区域和第二兴趣区域在学习模式期间获取图像堆叠(或多个图像堆叠)。例如，可以通过使用与相位定时φ0一致的(一个或多个时段上的)一个或多个选通照射脉冲对第一图像进行曝光来获取图像堆叠。在所示示例中，可以相似地使用相位定时φ1等上至φ35来获取图像堆叠中的第二图像。应理解，图像堆叠使用各种聚焦位置对视场进行成像，并且通常可以包括使用对应相位定时所获取的在期望的Z高度处的任何期望数量的图像。
[0054] 关于示出对应于周期性地受调制聚焦位置的第一相位定时和第二相位定时(例如示例性相位定时φ10和φ27)的选通式照射的第一特定实例和第二特定实例可以如何组合以产生多重曝光图像的图5，解释如下：如图5所示，代表性工件上的视场中的第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2指示为具有图像堆叠的各个图像中的充分图像聚焦。ROI1指示为在与φ10的相位定时对应的Z高度zROI1处是最佳的或充分聚焦的，ROI2指示为在与φ27的相位定时对应的Z高度zROI2处是最佳的或充分聚焦的。例如，在操作的学习模式期间，可以通过(例如根据已知方法)在操作的学习模式期间所获取的图像堆叠的每个图像中分析第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2中的
对比度来确定该情况。然后，可以确定指示为分别对于ROI1和ROI2提供最佳或充分对比度和聚焦的特定图像和/或内插的Z高度(例如，如以下更详细地描述的)。在各种实施例中，Z高度和/或各Z高度之间的差和/或与第一Z高度和第二Z高度对应的第一相位定时和第二相位定时(或指示对应多重曝光定时差的其它数据)可以分别记录在与ROI1和ROI2对应的部件程序中。假设与代表性工件相似的工件处于相对于成像系统的相似Z高度处，第一相位定时可以用作第一多重曝光定时值，以在多重曝光图像中的聚焦中对ROI1进行曝光，并且第二相位定时可以用作第二多重曝光定时值，以在同一多重曝光图像中的聚焦中对ROI2进行曝光。
[0055] 在各种实现方式中，可以根据各种技术来进行具有用于兴趣区域的最佳或充分图像聚焦的图像的确定。在一个特定示例实现方式中，可以利用包括聚焦曲线的分析的技术。可以基于可以根据已知方法建立的聚焦曲线数据点而形成聚焦曲线(例如，如所合并的引用中所描述的)。简单地说，在一种示例性方法中，对于图像堆叠中的每个所捕获的图像，基于该图像中的各个兴趣区域而计算焦点度量值，并且该焦点度量值变为(例如与捕获图像的对应相位定时和Z高度有关的)聚焦曲线上的数据点。这样产生聚焦曲线数据，其可以简称为“聚焦曲线”或“自动聚焦曲线”。用于图像堆叠和聚焦曲线的确定和分析的示例性技术教导于美国专利No.6,542,180中，其为共同受让的，并且在此其全部通过引用合并到此。在一个实现方式中，可以根据在聚焦曲线的峰值处或其附近的图像(例如相对于图像堆叠中的其它图像具有用于各个兴趣区域的最高或接近最高焦点度量值的图像)来确定具有用于兴趣区域的充分图像聚焦的图像。
[0056] 在各种实现方式中，可以利用这些技术作为包括
图像分析的自动化聚焦操作的部分。例如，根据在此所公开的原理，可以在学习模式期间利用这些技术，以自动地确定第一多重曝光定时值和第二多重曝光定时值，并且指示对应多重曝光定时差的数据可以得以记录。随后(例如在运行模式期间)，可以利用这些技术，以自动地确定产生用于当前工件上的第一兴趣区域的充分图像聚焦的第一多重曝光图像获取定时值。然后可以基于所记录的指示对应多重曝光定时差的数据而确定第二多重曝光图像获取定时值，而无需使用包括关于第二兴趣区域的图像分析的自动化聚焦操作。在利用用于图像分析的聚焦曲线的实现方式中，这将意味着，对于当前工件上的第二兴趣区域无需生成并且分析聚焦曲线，这样允许总体处理(例如在运行模式期间)执行得更快并且更高效。
[0057] 图6-图8是示出包括用于多重曝光工具770的图形用户接口(GUI)的机器视觉检验系统用户接口显示器700的示图。在图6所示的示例性状态下，用户接口显示器700包括视场窗口703，其显示包括(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的工件图像710A。第一表面711和第二表面712处于不同的Z高度处。用户接口显示器700还包括各种测量和/或操作选择条(例如选择条720和740、实时X-Y-Z(位置)坐标窗口730以及光控制窗口750)。
[0058] 视场窗口703包括重叠在工件图像710A上的多重曝光工具770。多重曝光工具770包括定义(例如与第一Z高度对应的第一表面711上的)第一兴趣区域ROI1的第一部分771以及定义(例如与第二Z高度对应的第二表面712上的)第二兴趣区域ROI2的第二部分772。在各种实现方式中，如果用户选择用于编辑的多重曝光工具770(或其部分)，则用户接口可以自动地显示工具参数对话框760，其允许用户调整特定方面(例如工具位置和大小)。替代地或附加地，用户可以能够(例如通过点击并且拖动整个工具或其特定部分)以图形方式调整多重曝光工具770的用于改变位置、大小、定向等的各种方面。
[0059] 在图6所示的示例性状态下，已经利用多重曝光工具770以获取具有用于第一兴趣区域ROI1的充分图像聚焦的工件图像710A。例如，在学习模式期间，或在随后操作期间(例如在运行模式期间)，可以利用包括(例如所获取的图像堆叠中的图像的)图像分析的自动化聚焦操作，以确定产生用于第一兴趣区域ROI1的充分图像聚焦的第一多重曝光定时值。应理解，当选择具有用于第一兴趣区域ROI1的充分图像聚焦的来自图像堆叠的图像时，第二兴趣区域ROI2可能在同一图像中相对失焦，如图6的工件图像710A所示。如上所述，这可以分别至少部分地归因于第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2中的表面711与712之间的Z高度差。
[0060] 如上所述，在学习模式期间，包括图像分析的自动化聚焦操作也可以用于确定产生用于第二兴趣区域ROI2(未示出)的充分图像聚焦的第二多重曝光定时值。然后可以记录指示代表性工件上的第一兴趣区域和第二兴趣区域的方位的数据，并且可以记录指示第一多重曝光定时值与第二多重曝光定时值之间的多重曝光定时差的数据。在各种实现方式中，所记录的数据可以可用于定义操作：当获取与代表性工件相似的当前工件上的第一兴趣区域和第二兴趣区域的多重曝光图像时，至少部分地基于多重曝光定时差而控制多重曝光图像获取。
[0061] 图7是示出图6的机器视觉检验系统用户接口显示器700的示图，其中，已经利用多重曝光工具770以获取工件的多重曝光图像。例如，(例如在运行模式期间)，一旦(例如利用包括图像分析的自动化聚焦操作)确定第一多重曝光图像获取定时值，所记录的指示多重曝光定时差的数据就可以用于确定第一多重曝光图像获取定时值与第二多重曝光图像获取定时值之间的定时差。然后可以使用周期性地受调制聚焦位置结合使用用于选通式照射的各个实例的第一多重曝光图像获取定时值和第二多重曝光图像获取定时值来操作成像系统，以在获取当前工件的多重曝光图像的同时增强用于第一兴趣区域和第二兴趣区域的总体图像聚焦。作为另一示例，在学习模式期间，可以在获取代表性工件的多重曝光图像的同时，使用周期性地受调制的聚焦位置结合使用用于选通式照射的各个实例的第一多重曝光定时值和第二多重曝光定时值来操作成像系统。
[0062] 在任一情况下，在图7所示的示例性状态下，(作为上述多重曝光图像的)所获取的工件图像710B示出：已经增强总体图像聚焦用于第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2。更具体地说，在图7的工件图像710B中(例如与图6的工件图像710A相比)，第二兴趣区域ROI2的图像聚焦已经显著改进(例如，如字母“OD”的模糊的减少和可读性所示)，而用于第一兴趣区域ROI1的图像聚焦(例如归因于焦内表面稍微受来自另外焦平面的失焦的光污染)通过选通式照射的第二实例已经仅稍微降级。因此，已经增强总体图像聚焦用于第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2。
[0063] 图8是示出包括用于对工件的多重曝光图像710B执行工件特征检验操作(例如，定位工件特征)的附加视频工具的图8的机器视觉检验系统用户接口显示器的示图800。在图8所示的示例性状态下，利用点工具980A和980B，以用于分别在第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2中定位第一边缘特征EF1和第二边缘特征EF2。在其它实现方式中，可以利用其它视频工具(例如框工具、圆形工具、弧形工具等)，以用于定位其它工件特征。用于定位边缘特征并且执行其它工件特征检验操作的这些视频工具的操作更详细地描述于先前所合并的引用中以及美国专利No.7,627,162中，其在此全部通过引用合并到此。
[0064] 一旦定位各种特征，就可以执行附加检验操作。例如，在图8的实现方式中，一旦定位边沿特征EF1和EF2，就可以确定边缘特征EF1与EF2之间的距离D1。应理解，与可能已经要求多个图像的现有系统相比(例如，对于不同的Z高度处的兴趣区域中的每一个使用不同的图像，其中，出自机械Z级不精确性的各图像或特征之间的任何失准可能产生测量误差等)，检验操作(例如，确定距离D1)可以具有当对单个多重曝光图像710B执行时更高的精度概率。在各种实现方式中，可以分析第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2中的每一个中的图像
质量，以确认图像聚焦优于与用于定位第一边缘特征EF1和第二边缘特征EF2的期望精度等级有关的预定
阈值。可以利用预定阈值以确定是否存在关于第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2的充分图像聚焦。
[0065] 应理解，多重曝光图像710B可以相对于第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2充分地聚焦，以允许检验操作(例如诸如上述检验操作)得以精确地执行。在现有系统中，对于不同的Z高度处的工件特征的这些检验操作需要利用多个图像和/或图像的后处理，以精确地确定并且测量这些工件特征。通过允许在无需利用来自附加图像的图像数据的情况下快速获取具有不同的Z高度处的工件特征的多重曝光图像，改进用于这些操作的系统的速度和效率。
[0066] 在各种替换的实现方式中，可以对多重曝光图像执行特定选择性后处理(例如利用来自附加图像的图像数据的解卷)。例如，可以利用与先前所合并的’980公开中所描述的积分点扩展函数解卷相似的技术。在这些实现方式中，对于后处理所使用的点扩展函数可以仅关于(例如与第一兴趣区域ROI1和第二兴趣区域ROI2对应的)所指定的Z等级而非整个Z扫描范围积分。
[0067] 图9是示出用于(例如在学习模式期间)确定并且记录多重曝光定时差的例程1000的一个示例性实现方式的流程图。在块1010，定义具有代表性工件上的不同的Z高度的第一兴趣区域和第二兴趣区域。在块1020，收集包括在各个Z高度处聚焦的代表性工件上的第一兴趣区域和第二兴趣区域的各个图像的至少一个图像堆叠。在各种实现方式中，使用定时为对应于周期性地受调制聚焦位置的各个相位定时的选通式照射的至少一个实例来对至少一个图像堆叠的每个各个图像进行曝光，该周期性地受调制聚焦位置与对于至少一个图像堆叠的该各个图像的各个Z高度处的焦点对应。在各种实现方式中，定时为对应于周期性地受调制聚焦位置的各个相位定时的选通式照射的至少一个实例可以包括图像整合时段内聚焦周期的多个时段上该各个相位定时处的多个重复实例照射，该周期性地受调制聚焦位置与对于至少一个图像堆叠的各个图像的各个Z高度处的焦点。
[0068] 在块1030，至少部分地基于至少一个图像堆叠中的第一兴趣区域和第二兴趣区域的焦点的分析，确定用于选通式照射的实例的第一多重曝光定时值和第二多重曝光定时值，该第一多重曝光定时值和第二多重曝光定时值分别对应于产生用于第一兴趣区域和第二兴趣区域的充分图像聚焦的周期性地受调制聚焦位置的第一相位定时和第二相位定时。在块1040，记录指示代表性工件上的第一兴趣区域和第二兴趣区域的方位的数据以及指示第一多重曝光定时值与第二多重曝光定时值之间的多重曝光定时差的数据。在各种实现方式中，所记录的数据可用于定义操作：当获取与代表性工件相似的当前工件上的第一兴趣区域和第二兴趣区域的多重曝光图像时，至少部分地基于多重曝光定时差而控制多重曝光图像获取。
[0069] 在各种实现方式中，可以与用于代表性工件的检验实例的部件程序关联而记录所记录的数据，并且使用所记录的数据可以包括：在机器视觉检验系统的使用实例上运行部件程序。在各种实现方式中，一类机器视觉检验系统的(例如在运行模式期间所利用的)使用实例以及(例如在学习模式期间所利用的)第一实例可以是相同的机器视觉检验系统，或替代地可以是不同的机器视觉检验系统。
[0070] 在各种实现方式中，在学习模式期间，可以至少部分地基于至少一个图像堆叠中的第三兴趣区域的焦点的分析而确定用于选通式照射的实例的第三(或更多)多重曝光定时值。记录数据可以对应地包括：记录指示代表性工件上的第三兴趣区域的方位的数据以及指示第三多重曝光定时值与第一多重曝光定时值或第二多重曝光定时值中的至少一个之间的附加多重曝光定时差的数据。所记录的数据可以因此可用于定义操作：当操作一类机器视觉检验系统的使用实例以获取与代表性工件相似的当前工件上的第一兴趣区域、第二兴趣区域和第三(或更多)兴趣区域的多重曝光图像时，至少部分地基于多重曝光定时差和附加多重曝光定时差而控制多重曝光图像获取。
[0071] 图10是示出用于利用所记录的多重曝光定时差的例程1100的一个示例性实现方式的流程图，用于(例如在运行模式期间)获取工件的多重曝光图像。在块1110，第一兴趣区域和第二兴趣区域定位在与代表性工件相似的当前工件上。在块1120，确定用于选通式照射的实例的第一多重曝光图像获取定时值。在块1130，使用所记录的指示多重曝光定时差的数据，以确定第一多重曝光图像获取定时值与第二多重曝光图像获取定时值之间的定时差。在块1140，使用周期性地受调制聚焦位置结合使用用于选通式照射的各个实例的第一多重曝光图像获取定时值和第二多重曝光图像获取定时值来操作成像系统，以在获取包括当前工件上的第一兴趣区域和第二兴趣区域的当前工件的多重曝光图像的同时增强用于第一兴趣区域和第二兴趣区域的图像聚焦。
[0072] 虽然已经示出并且描述了本公开的优选实现方式，但所示出并且描述的特征的布置和操作的顺序的大量
变形基于本公开对于本领域技术人员将是清楚的。各种替换形式可以用于实现在此所公开的原理。此外，上述各种实现方式可以组合，以提供其它实现方式。该
说明书中引用的所有美国专利和美国专利申请全部通过引用合并到此。可以根据需要来修改实现方式的各方面，以采用各种专利和申请的构思，以提供其它实现方式。
[0073] 可以依据以上详细描述对实现方式进行这些和其它改变。通常，在所附
权利要求中，所使用的术语不应理解为将权利要求限制为说明书和权利要求中所公开的特定实现方式，而应理解为连同这些权利要求给予的等同的完整范围一起包括所有可能的实现方式。
