本发明专利技术提供了一种扩大范围的聚焦传感器。所述聚焦传感器包括中继透镜组件以将物镜和所述中继透镜装置之间的平面成像到邻近所述聚焦传感器的聚焦检测装置的入射光孔的平面。在一些实施例中，所述物镜光孔被成像在所述聚焦检测器入射光孔上。在一些实施例中，照明光束穿过所述中继透镜装置并在其通道上被放大以便由所述物镜输出，并且所述反射聚焦检测光束回穿过所述物镜和所述中继透镜装置，并在被输入到所述聚焦检测装置之前被减小。在一些实施例中，所述聚焦检测装置可以包含与高分辨率的Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ聚焦检测器结合的较宽范围的聚焦检测器，以及在其他的实施例中使用了单个延伸范围的Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ聚焦检测器。
【技术实现步骤摘要】
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。
技术介绍
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MitutoyoAmerica Corporation (MAC)可以获得的基于计算机的QUICK VISION(g)系列的视觉系统和QVPAK(g)软件。QUlCKVISION(g)系列的视觉系统和QVPAK(g)软件的特征和操作通常在例如在2003年1月出版的QVPAK 3DCNC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) —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R6SS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-Hartma皿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。
技术实现思路
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。 本专利技术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。 根据本专利技术的一个实施例，所述聚焦传感器包含新式的双距离聚焦检测器装置。所述聚焦传感器还包括光源、准直透镜、物镜以及光束分离表面。在操作中，所述准直透镜被配置成以输入来自所述光源的照明光，并且输出具有固定准直度或接近准直的照明光束。所述物镜被布置成输入该照明光束并沿着所述聚焦传感器的光轴将所述照明光束聚焦在标称聚焦面以及接收和透射从沿着所述光轴放置的工件反射的反射光束。所述光束分离表面沿着照明光束被定位在所述物镜和所述准直透镜之间，并沿着反射光束定位在所述物镜和所述双距离的聚焦传感器之间。所述双距离聚焦传感器装置被定位成沿着所述光轴以接收由所述物镜和所述光束分离表面透射的反射光束的光。 如在此所使用的，所述光轴一般指的是聚焦传感器及其双距离聚焦检测器装置的光路的中心线，如下进一步描述。除非文中指出，它不是用于狭义(例如，仅为透镜元件等的轴)。所述光路的中心线一般可以与物镜的光轴和所述双距离聚焦检测装置的中心轴重合。所述光路可以是弯曲的或偏斜的，其光轴也同样如此。 根据本专利技术的另一实施例，新式的双距离聚焦检测装置包括根据第一聚焦检测原理配置的较宽范围的聚焦检测装置、以及根据不同于所述第一聚焦检测原理的第二聚焦检测原理配置的高分辨率的聚焦检测器装置。所述较宽范围的聚焦检测器可以包括位于邻近所述光轴的较宽范围的聚焦检测器子孔径，以及从子孔径接收光的光电探测器。在各个实施例中，所述光轴穿过所述较宽范围的聚焦检测器子孔径。所述较宽范围的聚焦检测器被配置成以提供在所述聚焦传感器的第一聚焦检测范围内单调变化的较宽范围聚焦和/或范围信号。所述高分辨率的聚焦检测器包含一种Shack-Hartma皿结构，该结构包括位于邻近所述较宽范围聚焦检测子孔径以及位于远离所述光轴的至少一个子孔径透镜，以及从这些透镜接收光的光电探测器。所述高分辨率的聚焦检测器被配置成以在小于所述第一聚焦检测范围并位于该第一聚焦检测范围内的第二聚焦检测范围上提供高分辨率的聚焦和/或范围信号。 根据本专利技术的另一实施例，所述高分辨率的聚焦检测器包含至少第一和第二子孔径透镜以及对应的光电探测器，所有这些都被配置成提供至少两个波前检测器，该波前检测器可提供各自的信号，其中所述至少两个各自信号之间的关系表示在高分辨率聚焦检测5器处的反射光束的波前曲率。 根据本专利技术的另一实施例，所述较宽范围的聚焦检测器包含焦距变化透镜，该透镜接收穿过所述较宽范围聚焦检测器子孔径的光并将该光透射到所述光电探测器元件。在各个实施例中，所述焦距变化透镜被配置成将反射光束聚焦在所述光电探测器元件的检测面之外的焦点处，所有反射光束对应于所述第一焦距检测范围。在其他的实施例中，焦距变化透镜被配置成对于所有反射光束，将所述反射光束聚焦在所述光电探测器元件的检测面和所述焦距变化透镜之间的焦点处，所有反射光束对应于所述第一聚焦检测范围。在一个实施例中，所述焦距变化透镜可以重合于和/或提供所述较宽范围的聚焦检测子孔径。 在此所描述的双距离聚焦检测装置包括以前已知的和特别有利的特征的结合。例如，邻近所述光轴的波前区域被有利地用于与Shack-Hartmann结构是不同类型的较宽范围聚焦检测器结构，虽然所述Shack-Hart本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于提供聚焦检测信号的聚焦传感器（１００，５００，７００），其中所述聚焦检测信号取决于沿着近似平行于物镜（３０，３０′）的光轴（ＯＡ）的方向在聚焦检测范围内的工件表面（４０）的位置，所述聚焦传感器包括：光源（１０，１０′，１０″）；准直透镜（１５，１５′，１５″），该准直透镜被配置成输入来自所述光源的辐射并输出具有固定准直度的照明光束（１３）；物镜（３０，３０′），该物镜被配置成以输入所述照明光束并沿着所述装置的光轴（ＯＡ）将所述照明光束聚焦在标称焦平面（ＦＰ）以及接收和透射从沿着所述光轴定位的工件表面（４０）反射的反射光束（１３′）；聚焦检测装置（５２５，７２５，７２５′），该聚焦检测装置被沿着所述光轴定位以接收来自由所述物镜透射的反射光束的光；第一光束分离表面（２０，２０′，２０″），该第一光束分离表面沿着照明光束定位在所述物镜和所述准直透镜之间，且沿着反射光束定位在所述物镜和所述聚焦检测装置之间；以及中继透镜装置（５２５，７２５，７２５′），该中继透镜装置沿着光轴位于所述物镜和所述聚焦检测装置之间，所述中继透镜装置被配置成输入由所述物镜透射的反射光束并输出要由聚焦检测装置输入的反射光束，其中：所述中继透镜装置被配置成将沿着光轴位于所述中继透镜装置和所述物镜之间的第一平面成像到位于聚焦检测装置的聚焦检测器入射光孔（Ｅ′）附近的成像平面；所述聚焦检测装置包含根据Ｓｈａｃｋ－Ｈａｒｔｍａｎｎ聚焦检测原理配置的部件；以及所述聚焦检测器被配置成以使被输入到所述聚焦检测装置的反射光束的光线在所述第一平面处成像之前不彼此交叉。...
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克H阿尔滕多夫，斯科特哈西拉，马修D沃森，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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