[发明专利]扩大范围的聚焦检测仪器

说明书

技术领域

本申请一般涉及机器视觉检查系统，更具体地说，涉及一种可用作机 器视觉检查系统的一部分的扩大范围的非接触表面高度和聚焦传感器。

背景技术

精确机器视觉检查系统(或简化为“视觉系统”)可以用来获得精确的 受检物体的尺寸测量以及检查各种其他物体的特征。该系统可以包括计算 机、照相机和显微镜型的光学系统、以及精确镜台，该精确镜台在多个方 向是可以移动以便允许照相机扫描在受检的工件的特征。一个示例性的现 有技术的可商用系统是可以从位于伊利诺斯州，奥罗拉的Mitutoyo America Corporation(MAC)可以获得的基于计算机的QUICK系列的视觉系统和软件。QUICK系列的视觉系统和 软件的特征和操作通常在例如在2003年1月出版的QVPAK 3D CNC视觉测量机器用户手册中得以描述，其特此以引用的方式被全部并 入。这些系统已知包括各种类型的聚焦测量，用于控制自动聚焦和/或表面 高度的测量。一个已知类型的聚焦测量是基于分析获得图像的对比度。对 于给定视角，最高的对比度图像(constrast image)一般对应于所述最佳的 聚焦图像。表面高度的测量可以从最佳的聚焦图像位置得以推断，这是因 为对应于任何图像的图像物体距离通常已知处于精确机器视觉检查系统 中。

另一种类型的聚焦和/或测量是基于使用辅助的聚焦传感器，其是一种 不依靠机器视觉检查系统的图像的聚焦传感器用于确定所述最佳聚集位置 或表面高度。各种已知类型的辅助聚焦传感器已被使用，包括三角测量传 感器、刀口聚焦传感器、彩色共焦传感器等。然而，这些已知的辅助传感 器已经表现处了一些不足，例如当跟踪表面高度中的崎岖台阶时，范围不 足对分辨率、和/或不适当的稳健性。

用于测量从物镜到工件表面的距离改变的一个类型的传感器被描述于 授予等人的美国专利第4,336,997号，其由此整个以引用的方式被并 入。′997专利公开了一种结构，其中物镜可以聚焦于测量物体上，聚焦检 测器(例如，位于光电转换器的前部的最常见的孔径光阑，在检测器聚焦 面处)可以指示测量物体从最佳焦点的偏移。然而，′997专利没有公开一 种具有非常规的范围对分辨率的聚焦检测器。

为了获得表面形状的高分辨率测量，一种Shack-Hartmann类型的波前 传感技术已被应用。在此整个以引用方式被并入的授予Neal等人的美国专 利第6184,974号公开了非常平整的表面例如硅片的表面等的微小偏差可以 通过从所述表面反射适当的照明并将其定向到包括多个子孔径的Shack- Hartmann波前传感器得以测量。然而，所述多个子孔径自动检测相对的表 面轮廓，它们不会检测到表面的整个范围(距离)，所述′974专利没有公开 具有非传统范围对分辨率的检测器装置。

在此整个以引用方式被并入的授予Ulich等人的美国专利第4,950,878 号公开了一种自适应光学波前控制系统，该系统包括被称为粗/精梯度的传 感器的Shack-Hartmann类型的波前传感技术，其包含具有不同焦距和不同 范围和灵敏度的两个Shack-Hartmann类型的传感器。′878专利的结构提供 了一种非传统范围对分辨率。然而，尽管′878专利的结构适合于自适应光 学控制，但是它不能充分地适合于上述类型的精确机器视觉检查系统的结 构设计限制和范围条件。

克服了前述和其他确定的聚焦和/或范围的传感器会是所希望的。

发明内容

该概述被提供以简化型式介绍概念的选择，这些概念在下面更进一步 详细描述。该概述不是为了确定要求权利要求的主题的主要特征，也不是 为了用于辅助确定要求权利要求的主题的范围。

本发明致力于一种聚焦和范围检测仪和方法，其具有延长的范围对分 辨率，并具有一种特别使用于通用的极小机器视觉检查系统的结构用于执 行精确尺寸测量。所述聚焦和范围检测仪还可被简单地称为聚焦传感器， 所述聚焦传感器提供聚焦检测和/或范围信号，这取决于沿着近似平行于物 镜的光轴的方向的传感范围内的工件表面的位置。