快速自动对焦机器视觉检查系统的系统和方法技术方案

用于机器视觉度量和检查系统的自动对焦系统和方法提供高速和高精度的自动对焦，而使用低成本和灵活的硬件。本发明专利技术各种实施例的一个方面是，基于连接所需感兴趣区域确定的简化读取象素集，由摄像机输出的图像帧的部分对自动对焦图像进行最小化。简化读取象素集允许最大化的图像获取速率，这又允许自动对焦图像获取位置之间更快的移动，从而以相应的自动对焦执行速度实现所需自动对焦精度，所述自动对焦执行速度对特定的感兴趣区域近似优化。在各种实施例中，使用频闪照明来进一步提高自动对焦的速度和精度。提供适应和编程各种关联的自动对焦控制参数的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动对焦机器视觉检查系统的系统和方法。
技术介绍
已存在操作具有摄像机和工作台的机器视觉检查系统的方法，所述摄像机和工作台可相对于彼此进行移动，以对焦并检查工作台上的工件的所选特征。精确机器视觉检查系统可用于获得检查的物件的精确维度测量并检查各种其他的物件特征。这样的系统可以包括计算机、摄像机和光学系统及精确工作台，所述工作台可在多个方向上移动以允许摄像机扫描被检查的工件的特征。现有技术的系统的一个例子，它属于通用“离线”精确视觉系统类型，是由位于伊利诺斯州奥罗拉的三丰美国公司(MAC)在市场上提供的QUICKVISIONTM系列视觉检查机器和QVPAKTM软件。例如，QUICK VISONTM系列的视觉检查机器及QVPAK软件的特性和操作在2003年1月发布的QVPAK 3DCNC视觉测量机器用户指南及1996年9月发布的QVPAK 3D CNC视觉测量机器操作指南中说明，在此完整包括它们中的每一个作为参考。此产品，例如，以QV-302 Pro型号作为例子，能够使用显微镜类型的光学系统以各种放大倍率提供工件的图像。这样的通用“离线”精确视觉系统通常包括可编程的照明系统和具有各种放大倍率镜头的镜头转塔(turret)，例如，以增加它们的通用性并提供快速改变其配置和成像参数以执行多种检查任务的能力。存在使用放大倍率和可编程照明设置的各种组合来检查各种类型的物件或检查工件、或单个工件的各个方面的一般需要。通用精确机器视觉检查系统，如QUICK VISIONTM系统，一般也是可编程的并用于提供自动的视频检查。通常希望这样的系统包括简化此系统编程和操作的特性和工具，以使得操作和编程可以由“非专家”操作员可靠地执行。例如，美国专利6,542,180包括在此作为参考，它揭示了使用自动视频检查的视觉系统，其中包括基于工件特征的图像中多个选择的区域调整用于照明工件特征的照明设备的操作。如上述’180专利所揭示，自动视频检查度量仪通常具有允许用户对每个特殊的工件配置定义自动检查事件序列的编程能力。编程能力通常也提供存储和/或输出各种检查操作结果的能力。这样的编程可以通过明确的方式，如基于文本的编程，或存储由用户执行的操作逐步“学习”检查视觉序列的记录模式，或两种方法的组合来实现。这样的记录模式通常称为“学习模式”或“训练模式”。在任一种方法中，机器控制指令通常作为特定于特殊工件配置的部分程序来存储。创建包含在操作的“运行模式”期间自动执行检查操作预定序列的指令的部分程序的能力提供了几个好处，包括增强的操作可重复性，及对多个兼容的机器视觉检查系统和/或多次自动执行同一部分程序的能力。上面所示的QUICK VISIONTM系统，及市场上提供的一些其他通用“离线”视觉系统，通常使用常规的基于PC的图像获取附件或组件和常规的基于PC的计算机操作系统，如WindowsTM操作系统，来提供它们的操作方法，包括在自动对焦操作序列中进行操作的方法。总的来说，在自动对焦操作序列中，摄像机在Z轴上的位置范围中移动并在每个位置捕捉图像。对每个捕捉的图像，计算对焦度量并将其与摄像机在捕捉该图像时在Z轴上的对应位置关联。一种现有的自动对焦方法在2000年11月的ISIS技术报告系列，卷17，由Jan Mark Geusebroek和Arnold Smeulders所作的“显微镜检查方法中的健壮自动对焦”中讨论，将其完整包括在此作为参考。为了确定摄像机在Z轴上对应于自动对焦图像的位置，所讨论的方法基于在摄像机从Z轴上已知的初始位置以恒定速度沿着Z轴移动，直到获取该图像之间的测量时间量，估计摄像机在Z轴上的位置。在恒定速度移动期间，以40毫秒的间隔(视频速率)捕捉自动对焦图像。在所揭示的方法中，视频硬件以固定速率捕捉帧，且对焦曲线的抽样密度只能通过调整工作台速度来影响。另一个现有的自动对焦方法和装置在美国专利5,790,710中说明，将其完整包括在此作为参考。在所述’710专利中，连接使用现有的马达驱动移动控制系统和压电定位器来控制Z轴位置。马达驱动移动控制系统在移动的全范围上提供相对粗分辨率的定位，而压电定位器在由马达驱动的系统建立的正常位置附近的有限范围上提供快速和高分辨率的定位。压电定位器提供相对好的自动对焦速度和分辨率。所述’710专利进一步揭示在自动对焦操作期间使用频闪。所述’710专利揭示以60Hz的频率获取自动对焦图像。在一个实施例中，“在压电对焦已停止在其新位置上之后，在接近视频场的末端处对图像进行频闪”。所述’710专利也揭示了这样的替换方案，其中位置必须以恒定速度移动且用频闪来凝固图像。在每种情况中，由于频闪缩短了摄像机的有效曝光时间，普通集成(integration)期中用于获取摄像机帧的部分可以在该集成期内稍后触发频闪之前用于移动摄像机到新位置。
技术实现思路
上述自动对焦方法以常规的摄像机帧速率提供自动对焦图像并提供相对快速的自动对焦能力。也在称为“在线”或“内嵌”的各种机器视觉检查系统中提供相对快速的自动对焦能力，这些系统特别设计为实现在特殊操作环境中对特定类型批量生产部件重复执行的检查操作特定集合的高吞吐量。和前面所述的通用精确机器视觉检查系统相比，这样的在线机器视觉检查系统不需要频繁改变和它们的检查操作相关的参数。进一步来说，灵活性通常没有高速操作重要。因此，为了提供高速操作，包括相对快速的自动对焦能力，这样的系统通常依赖于专门的硬件配置和专门的编程。相关系统和方法的另一个典型问题是当各种视觉机器元件在获取自动对焦图像之前突然停止时发生的机器振动、变形和相关的自动对焦位置测量误差。上述各种现有的执行自动对焦操作的系统和方法遭受自动对焦速度限制、自动对焦精度限制、高成本的专门和/或相对不灵活的硬件，和/或缺乏简单可靠地对各种不同的工件或工件特征适应和编程自动对焦操作的适合方法的制约，特别是在自动对焦操作包括使用频闪时。需要可以克服这些缺点和限制中的某个或其组合的自动对焦系统和方法。和上述每个现有的执行自动对焦操作的系统和方法相比，本专利技术提供适合于通用精确机器机器视觉检查系统的高速和高精度的自动对焦，而使用相对低成本和灵活的硬件。例如，可以和常规的基于PC的计算机操作系统一起使用市场上提供的相对低成本的PC兼容的机器视觉组件和移动组件。在如本专利技术所述的快速自动对焦图像捕捉设备的系统和方法的各种示范实施例中，提供高精度并不需要专用移动元件(如压电致动器等等)及其相关的控制元件。可以使用市场上提供的相对低成本的摄像机徕提供如本专利技术所述的简化读取象素集。简化读取象素集沿着摄像机视场的至少一个维度本质上对应于摄像机完整视场的一部分。图像的简化读取象素集的象素值可以输出到控制系统部分，其所需时间本质上少于输出对应于摄像机完整视场的完整象素集所需的时间。因此，获取图像并存储对应于简化读取象素集的数据的重复速率本质上比获取图像并存储对应于摄像机整个视场的完整象素集数据的速率更快。常规的基于PC的计算机操作系统和视觉及移动组件通常包含各种未受控制的延时、异步定时操作等等。为了提供足够的时间余量并可靠地提供所需的对焦精度或可重复性水平，用于这样的系统和组件的现有的自动对焦系统和方法通常已经以执行起来相对慢的方式克服本文档来自技高网...

【技术保护点】
操作精确机器视觉检查系统以确定估计最佳对焦位置的方法，所述估计最佳对焦位置至少是可用于检查工件的感兴趣区域的近似最佳对焦位置，所述精确机器视觉检查系统包括：成像系统，包括：具有对应于摄像机完整视场的象素集的摄像机，所述摄像机 输出至少一个简化读取象素集配置的象素值，所述至少一个简化读取象素集配置沿着摄像机视场的至少一个维度对应于本质上小于摄像机完整视场的部分；及至少一个镜头配置；多个可控制的包括对焦轴的移动轴，所述对焦轴包括对焦轴定位传感器； 控制系统部分；及承载所述工件的工件工作台，其中工件工作台和成像系统中的至少一个可以移动，以至少沿着对焦轴提供对另一个的相对移动，所述方法包括：重叠感兴趣区域的至少大部分和在摄像机视场中的简化读取象素集的至少部分； 提供移动，所述移动包括使用连续移动沿着对焦轴方向遍历对焦图像范围；在连续移动期间输入自动对焦图像到摄像机中，所述自动对焦图像具有相应的有效曝光时间和曝光持续时间；在连续移动期间输出自动对焦图像的简化读取象素集的象素值到控制系 统部分，自动对焦图像的输出象素值沿着摄像机视场的至少一个维度对应于本质上小于摄像机完整视场的部分；重复输入和输出步骤，以提供对应于沿着对焦图像范围分布的多个自动对焦图像的多个简化读取象素集的数据；沿着对焦轴确定多个自动对焦图 像中的至少部分的各自的位置；及确定估计最佳对焦位置，它至少是近似最佳对焦位置，所述近似最佳对焦位置可用于基于多个简化读取象素集和对焦轴上多个自动对焦图像的至少部分的相应位置的数据的至少部分检查工件的感兴趣区域，其中：以本质上 少于输出对应于摄像机完整视场的完整象素集所需时间的时间对输出操作的输出象素值进行输出；在少于对应于对输入图像进行输入和输出对应于摄像机完整视场的象素集的标准时间的减少的时间内，执行重复输入和输出步骤；多个自动对焦图像以至少部 分取决于减少的时间和所提供的移动的方式分布在对焦图像范围上，以使得对焦轴上相邻的自动对焦图像的相应位置之间的最大间距可用于确定至少近似最佳对焦位置达所需精度水平的估计最佳对焦位置；及在对焦图像范围的至少部分上的移动本质上比标准时间允 许假想地产生沿着对焦轴方向由相邻自动对焦图像的对应位置之间按最大间隔分开的相邻自动对焦图像的最快移动更快。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RM韦瑟曼，PG格兰德尼克，KW安瑟顿，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]