包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器的制造方法

包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器。操作色譜測距傳感器(CRS)系統的方法可包括色點傳感器(CPS)系統，該色點傳感器系統包括光學筆，以測量低反射率表面。CRS系統可包含高靈敏度測量模式，在該模式中使用非常規的低采樣率或“長”自飽和曝光時間，以測量低反射率表面。“長”自飽和曝光時間可引起一個或多個探測器像素自飽和達到至少飽和閾值水平，其防止它們指示有效波長峰值。這樣的像素可限定出標定總測量范圍的無效峰值部分。當表面位于CRS系統確定的標定總測量范圍的有效子集中，這樣排除了無效峰值部分時，CRS仍可檢測有效波長峰值或進行高度測量。
【專利說明】
包含高靈敏度測量模式的色譜測距傳感器
技術領域
[0001] 本發明涉及精密測量儀器，并且尤其涉及色譜測距傳感器（chromatic range sensor)和類似的光學距離測定設備，以及它們的應用。
【背景技術】
[0002] 在光學高度或距離或測距傳感器中使用光譜共焦技術是已知的。正如在此通過引 用包含其全部內容的美國專利7，876，456號（' 456專利)所述，具有軸向色差的光學元件，也 被稱作軸向或縱向色散，可以用于聚焦寬帶光源，使到焦點的軸向距離隨著波長變化。因 此，僅一個波長將精確聚焦到表面，并且相對于聚焦元件的表面高度或距離來確定哪個波 長被最好地聚焦。一旦從表面反射，光被重新聚焦到一個小的探測器孔徑中，例如小孔或光 纖的端部。一旦從表面反射并且回傳穿過光學系統到輸入/輸出光纖，僅在表面上很好聚焦 的波長在孔徑中很好地聚焦。所有其他波長在孔徑中較差地聚焦，并且因此不會將很多能 量耦合進光纖。因此，通過光纖返回的光，對于對應到表面的表面高度和距離的波長，信號 電平將是最大的。光譜類型探測器為每個波長測量信號電平，以便確定表面高度。
[0003] 某些制造商涉及如上述操作的實用且緊湊的色譜距離感測（CRS)系統，并且其適 于用在工業環境中，例如色點傳感器(CPS)或色線傳感器，諸如此類。與這樣的系統使用的 緊湊色散光組件被稱為"光學筆"或"筆"。光學筆通過光纖連接到色點傳感器的電子部分， 該電子部分將光穿過光纖以從光學筆中輸出并且提供檢測和分析返回光的光譜儀。返回光 形成被光譜儀探測器陣列接收的波長色散強度輪廓。對應于波長色散強度輪廓的像素數據 被分析儀確定"主波長像素峰值坐標"，如通過峰值或強度輪廓的質心表示，并且主波長像 素峰值坐標與查找表一起使用以確定到表面的距離。主波長像素峰值坐標可采用亞像素分 辨率來確定，并且可被稱為"距離指示像素坐標"。
[0004] 本領域中已知，使用縫隙孔徑并沿著線而不是點聚焦光的CRS，是"線性傳感器"， 提供在沿著那條線的多個點來測量到表面距離的能力，如在美國專利申請公開號2010/ 0188742中所公開的，在此通過引用包含其全部內容。

【發明內容】

[0005] 本概述被提供以簡化的形式介紹一系列概念，其在下面詳細描述中進一步被描 述。本概述并不旨在標識所要求保護主題的關鍵特征，也不是旨在用作在確定所要求保護 主題范圍上的輔助。
[0006] -些工件表面可具有特別低的反射率，（例如，亞光黑色或透明工件)并提供弱信 號，其不足以產生顯著(有效)波長峰值，該峰值能夠在由光譜儀探測器陣列接收的所產生 的強度輪廓中被很好地估計。一種增強信號(例如，波長峰值)的方式為增強信號整合時間， 即，增加曝光時間。然而，增加曝光時間超過一定程度可引起光譜儀探測器陣列中一些像素 的完全飽和，不管是否有位于以產生相應波長的工件表面。飽和可以由CRS系統內的內部 (自）反射引起，例如在系統內的各種光纖耦合部分上，諸如在光纖耦合器/連接器、光纖分 束器和光纖端部上。由于支持準確峰值位置估計的不足的峰值高度，飽和到至少"飽和閾 值"水平的像素不能提供有效波長峰值信號。如果工件表面位于一距離處，在此處特定波長 被聚焦并且反射回到相應像素，其顯著或完全飽和，則系統不能夠測量距離。因此，CRS系統 的運行目前受限于最大曝光時間，最大曝光時間被選擇以避免探測器像素飽和在或超過飽 和閾值水平(例如，在信號上限處的完全飽和的80%-90%，或更多），其可對應最小采樣率， 超過該最小采樣率則采樣率不能被降低。一種典型的最小采樣率大約為300HZ。相應地，目 前沒有解決方案或特征可被CRS系統的相對不熟練的使用者來使用以測量工件表面，當使 用為了避免顯著的探測器像素飽和而選擇的CRS最大曝光時間時，該工件表面具有不足的 反射率以及產生顯著波長峰值。
[0007] 本發明的多個方面將針對克服上述技術問題或限制進行改進。
[0008] 根據本發明的實施例，提供一種操作CRS系統以執行低反射率工件表面的工件高 度測量的方法。在一個實施例中，CRS系統可包括色點傳感器(CPS)系統，該色點傳感器系統 包括光學筆。在一個方面，CRS系統包括高靈敏度測量模式，其中CRS系統能夠以較低采樣率 (低于常規可用采樣率)操作，以測量具有低反射率的工件表面。以所述較低采樣率（即，使 用較長的自飽和曝光時間）操作的CRS系統使得其一個或多個探測器像素飽和達到或超過 飽和閾值水平，但是當工件表面位于CRS系統的標定總測量范圍的有效子集中時，仍然能夠 檢測指示工件表面高度測量的有效波長峰值，其中CRS系統的標定總測量范圍的有效子集 排除了對應通過自飽和曝光時間而飽和達到或超過飽和閾值水平的一個或多個探測器像 素的無效峰值部分。
[0009] 特別是，一方面，提供一種操作CRS系統以執行低反射率工件表面的工件高度測量 的方法。該方法通常包括三個步驟。第一，提供一種CRS系統，當使用在曝光時間的第一標定 范圍內的曝光時間來操作時，其在整個標定總測量范圍上產生有效波長峰值，該標定總測 量范圍在標定上下測量范圍限制之間是不間斷的。第二，使用自飽和曝光時間來操作CRS， 該自飽和曝光時間比在曝光時間的第一標定范圍中的曝光時間要長。不管工件表面是否位 于標定總測量范圍中，自飽和曝光時間使CRS的至少一個探測器像素飽和達到或超過飽和 閾值水平，其防止有效波長峰值在標定總測量范圍的無效峰值部分中，從而將有效波長峰 值測量位置僅留在標定總測量范圍的排除了該無效峰值部分的有效子集中，該無效峰值部 分對應于通過自飽和曝光時間飽和達到或超過飽和閾值水平的該至少一個探測器像素。第 三，在CRS的用戶接口部分(例如屏幕)上提供一指示，該指示至少為下述之一：（a)基于使用 自飽和曝光時間的工件表面的高度測量，和/或(b)包含在標定總測量范圍的對應于使用自 飽和曝光時間的該有效子集中的有效峰值測量位置。
[0010] 另一方面，提供一種用于執行低反射率工件表面的工件高度測量的CRS系統。該 CRS系統包括光學部分、電子設備部分和用戶接口部分。光學部分配置為沿著測量軸臨近被 測工件表面的不同距離處聚焦不同波長，并且將從工件表面反射的輻射引向波長探測器。 電子設備部分包括波長探測器，并且配置為提供，（a)當使用在曝光時間的第一標定范圍內 的曝光時間來操作CRS系統時，在整個標定總測量范圍上的有效波長峰值，該標定總測量范 圍在標定上下測量范圍限制之間是不間斷的，以及(b)當使用比在曝光時間的第一標定范 圍中的曝光時間要長的自飽和曝光時間來操作CRS系統時，在標定總測量范圍的無效峰值 部分中沒有有效波長峰值，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標定總測量范圍的排除了 該無效峰值部分的有效子集中，該無效峰值部分對應于通過自飽和曝光時間，飽和達到或 超過飽和閾值水平的該一個或多個探測器像素，不管工件表面是否位于標定總測量范圍 中。用戶接口部分配置為提供一指示，該指示至少為下述之一 ：（i)基于使用自飽和曝光時 間，位于標定總測量范圍的有效子集內的工件表面的高度測量，和/或（ii)包含在標定總測 量范圍的對應于使用自飽和曝光時間的該有效子集中的有效峰值測量位置。
【附圖說明】
[0011]本發明的上述方面和很多伴隨的優點將變得更容易理解，同樣當結合附圖時，將 參照下面詳細描述被更好地理解，其中：
[0012]圖1為示范性CRS系統的一個實施例的框圖。
[0013] 圖2為來自CRS的系統噪聲(偏置)輪廓的視圖，示出了當沒有測量表面存在時，在 探測器陣列中像素的波長相關電壓偏置信號電平。
[0014] 圖3為來自CRS的波長色散強度輪廓視圖，示出了由測量表面反射的波長而產生的 有效波長峰值，其中峰值的像素位置對應于到測量表面的測量距離。
[0015]圖4A為CRS距離校準數據的視圖，其將距離指示（波長峰值)像素坐標與已知到被 測工件表面的測量距離相關聯。
[0016]圖4B為示例性CRS距離校準查找表，其將波長峰值像素坐標引用到相應測量距離。 [0017]圖5A-5E示出了當沒有測量表面存在時，表示對應于在5種相應"高靈敏度"采樣率 (其提供相對長的曝光時間）下操作CRS的各個自飽和輪廓的一種方式。每個自飽和輪廓指 示了標定總測量范圍的有效子集，在此，距離測量在"高靈敏度"采樣率下是可能的。對于對 應于自飽和曝光時間的那些采樣率，一些自飽和輪廓示出了包括飽和達到或超過飽和閾值 水平的探測器像素的補償無效峰值部分。
[0018] 圖6A和6B示出了示范性用戶接口顯示實施例，在基礎設置（圖6A)的一個實施例中 示出了用戶可選擇部分(例如，采樣率），以及在高靈敏度設置（圖6B)的一個實施例中示出 了用戶可選擇部分(例如，采樣率和相應的自飽和輪廓的顯示），為低反射率工件提供擴展 部分。
[0019] 圖7示出了在高靈敏度設置中示范性用戶接口顯示實施例，其顯示了測量距離和/ 或對應于各種采樣率的CRS標定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置。
[0020] 圖8為示出了機器視覺檢測系統的示范性實施例的視圖，該機器視覺檢測系統包 括用于測量低反射率工件表面的CRS系統。
[0021] 圖9為示出了操作CRS系統，以執行低反射率工件表面的高度測量的程序的流程 圖。
【具體實施方式】
[0022]圖1為色譜測距傳感器(CRS)系統100的一個示范性實施例的框圖，包括光學元件 120 (例如，光學筆）、電子設備部分160和用戶接口部分171。該電子設備部分160的實施例包 括信號處理器166、存儲器部分168以及光源和探測器子系統161，該光源和探測器子系統 161包括波長探測器162和寬帶光源164。圖1示出的CRS系統100為色點傳感器(CPS)系統，其 在一個時間測量單個測量點。在各個實施例中，波長探測器162包括光譜儀的探測器陣列 163。探測器陣列163可包括沿著波長探測器162的測量軸分布的多個像素，其中該多個像素 接收各個波長并且提供輸出光譜輪廓數據。電子設備部分160穿過包括光纜112的光路連接 到光學元件120上。光路的可選或可替換的方面被示出，包括光纜112,該光纜112具有在光 纖段112B上的連接器CONNECT-D處接合的第一和第二段112A和112B，以及具有將段112B接 合到電子設備部分160上的耦合器C0UPLER-0。光源164,其由信號處理器166控制，被連接以 穿過包括照明光纖段1651、2 X 1耦合器C0UPLER-E、C0NNECT-E和光纜112的路徑，將波長的 光譜輪廓輸入到光學元件120。光學元件120包括輸入/輸出光纖子裝配件105、殼體130以及 光學部分150。輸入/輸出光纖子裝配件105包括輸入/輸出光纖113,以及光纖連接器108,其 中輸入/輸出光纖113被承載穿過包住它的光纜112。該輸入/輸出光纖113通過孔徑195輸出 一輸出光束，并且通過孔徑195接收被反射的測量信號光。
[0023] 在操作中，從光纖端部穿過孔徑195發出的光由光學部分150聚焦，該光學部分150 包括提供軸向色散的透鏡，以便沿著光軸OA的聚焦點根據光波長位于不同距離處，如對于 CRS系統所已知的。在測量操作期間，光被聚焦到工件170的表面位置190上。從表面位置190 反射的光被光學部分150重新聚焦到孔徑195。由于其軸向色散，僅一個波長具有匹配測量 距離"Z"的焦點距離，測量距離"Z"為從相對于光學元件120固定的參考位置RP到表面位置 190的距離。最好地聚焦在表面位置190上的波長為在孔徑195中最好聚焦的波長。因此顯著 地，最好地聚焦的波長穿過孔徑195并進入到光纜112的光纖113的纖芯中。光纜112將信號 光路由到波長探測器162,波長探測器162用于確定具有主導強度的波長，其對應到表面位 置190的測量距離Z。
[0024] 在示出的實施例中，被反射的波長相關光強度通過光路傳遞回電子設備部分160， 該光路包括耦合器⑶UPLER-E，以便大約50 %的光直接通過信號光纖段165S到達波長探測 器162。波長探測器162接收波長相關光強度，將其轉化為分布在沿著探測器陣列163測量軸 的像素陣列上的輸出光譜強度輪廓（也被簡稱為輸出光譜輪廓），并且基于從探測器陣列 163輸出的像素數據，操作來提供相應的輸出光譜輪廓數據。
[0025]輪廓數據（見圖3)的子像素分辨率距離指示坐標(DIC)由信號處理器166計算，并 且DIC(在子像素中）經由如下面關于圖4A和4B描述的存儲在存儲器部分168中的距離校準 查找表或之類的，來確定到表面位置190的測量距離Z(單位，微米KDIC可以通過各種方法 來確定(例如，通過確定包含在峰值區域中的強度輪廓數據的質心）。強度數據可以用于確 定如下所述的具有子像素分辨率的DIC。
[0026]用戶接口部分171耦接到電子設備部分160,并且配置為經由任何合適的方式，例 如鍵盤、觸摸傳感器、鼠標等接收用于CRS系統100運行的用戶輸入，例如獲得CRS系統100的 系統噪聲(偏置)輪廓的用戶命令、用戶選擇的采樣率或其他運行參數等。用戶接口部分171 還配置為在屏幕上顯示信息，例如由CRS系統100成功測量的距離。用戶接口部分171還可顯 示在CRS系統100的標定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置(對應于以較低的或 "高靈敏度"的采樣率運行），如下所述來引導用戶在有效子集內定位低反射率工件表面，從 而執行距離測量。
[0027]圖1包括正交XYZ坐標軸，作為一個參考系。Z方向被限定為平行光學元件120的光 軸(OA)，該光軸為距離-測量軸。如圖1所示，在操作期間，工件170沿著光軸OA放置，并且安 裝在平移臺175上，其可有利地對準以便沿著由導向軸承175A限制的Z軸方向平移。
[0028]圖2的下面描述概括了某些已知的背景信號處理和/或校準操作，其可與本發明在 各個實施例中結合使用。該目的是強調下面進一步披露的本發明的方法不同于這些操作， 但是與這些操作兼容。圖2為來自CRS的系統噪聲(偏置)輪廓的視圖200,示出了當在CRS標 定總測量范圍內沒有測量表面存在時，在探測器陣列163中的像素的電壓偏置信號電平 V〇ffSet(p)。在這種情況下，沒有刻意的反射光，并且在產生的強度輪廓中沒有顯著或主波 長峰值。對于沿著"波長"測量軸的1024個像素的每個，以歸一化電壓繪制電壓偏置信號 Voff set (p)。"歸一化電壓"將值1.0分配給探測器陣列163的飽和電壓。電壓偏置信號 Voffset(P)包括偏置信號電平Vbias，其在整個探測器陣列上相對一致，以及包括背景信號 分量Vback(p)，其被示為在整個探測器陣列上變化。由于與周圍溫度變化和在運行期間由 電子設備部分160產生的熱量相關聯的電壓漂移，則與坐標無關的偏置信號電平Vbias可改 變。可變的背景信號Vback(p)表不信號，該信號例如來自CRS中波長相關的寄生（內部)反射 的背景光，以及由于各個像素 P的暗電流。弱但是顯著的內部反射例如可在光纖耦合部分處 出現，該光纖耦合部分例如為光纖耦合器和連接器、光纖分束器以及光纖端部。每個CRS系 統還通常包括CRS光譜儀響應中的波長相關的變化，和/或包括CRS寬帶光源，該光源實際上 在不同波長處產生不同強度。因此在各個實施例中，提供最好的可能信號校準或補償，CRS 的系統噪聲(偏置)輪廓可以在運行期間的各個時間上獲得，以跟蹤上面概述的潛在信號誤 差分量的動態變化。尤其地，信號分量Vback(p)可以存儲為系統噪聲(偏置)輪廓數據169， 用于探測器陣列163的像素陣列的校準或補償。系統噪聲(偏置)輪廓數據169可以用于在持 續基礎上補償來自每個像素 P的隨后的輪廓數據信號(例如通過減法）。
[0029]根據本發明的各個方面，以相對低的采樣率(或長曝光時間）操作的CRS的系統噪 聲(偏置)輪廓，可以用于在該采樣率上構建CRS的自飽和輪廓。自飽和輪廓指示飽和達到或 超過飽和閾值水平的像素，并且反過來指示包含在沿著CRS光軸OA的CRS標定總測量范圍的 有效子集中的有效峰值測量位置，其中距離測量在那個（相對低）的采樣率下仍然是可能 的。換句話說，測量位置的有效子集(例如，單位微米)對應于子像素 DIC位置，其中剩余的 "非飽和"探測器陣列像素(那些還沒有飽和超過飽和閾值水平的像素)盡管在低采樣率下， 但仍能夠產生有效波長峰值，如將在下面更全面地描述。
[0030] 圖3、4A和4B下面的描述概述了某些信號處理操作，其確定具有子像素分辨率的距 離指示坐標(DIC)，這是基于來自CRS的波長色散強度輪廓中產生的有效波長峰值，以及基 于確定的DIC來確定到工件表面的測量距離(例如，單位微米）。這里概述的操作在'456專利 中更詳細地描述。這樣描述的目的為提供對于CRS距離測量的整體理解有用的背景信息。
[0031] 圖3為來自CRS的波長色散強度輪廓視圖300,示出了由測量輪廓信號MS(P)的子集 而產生的有效波長峰值302,指示了聚焦到測量表面并且由測量表面反射的波長。每個測量 輪廓信號MS(p)具有與探測器陣列(例如，探測器陣列163)的每個像素 p相關的信號電平（以 歸一化電壓示出）。有效波長峰值302沒有飽和達到或超過飽和閾值水平的像素。其還具有 足夠的高度（良好的信噪比），是比較對稱的，并且允許對沿著探測器陣列測量軸的峰值位 置或測量距離指示坐標(DIC) 304進行良好的估計。
[0032]圖3示出了偏置信號電平MVbias(以歸一化電壓）、峰值像素坐標(ppc)以及數據閾 值MVthreshold，該數據閾值MVthreshold限定了形成波長峰值302的測量輪廓信號MS(p)的 距離指示子集的下限。所有的"MV"值都為歸一化電壓。
[0033]簡要地，在一個實施例中，測量操作，其用于基于確定的DIC來確定距離指示坐標 (DIC)(單位像素）以及確定相應測量距離(單位微米），可包括以下內容：
[0034] ?沿著光軸OA定位目標表面，并且獲得在視圖300中所示的所得到的波長色散強 度輪廓。
[0035] ?確定峰值像素坐標(ppc)，其為具有最高信號的像素。
[0036] ?以給定采樣率確定測量偏置信號電平MVbias。
[0037] ?確定數據閾值MVthreshoId(例如，為峰值高度的百分比）。
[0038] ?基于形成波長峰值的測量輪廓信號MS(p)的距離指示子集，確定具有子像素分 辨率的距離指示坐標(DIC)，其中所述波長峰值具有大于MVthreshold的值。
[0039] ?通過將DIC與在存儲的距離校準數據(例如，圖4A所示的距離校準曲線或圖4B所 示的查找表)中的對應距離相關聯，確定測量距離。
[0040] 在前述操作中，基于在MCthreshold之上的測量輪廓信號MS(P)的距離指示子集， DIC可以采用子像素分辨率來確定。DIC可以由各種方法來確定。在一個實施例中，DIC可以 被確定為信號MS(p)的距離指示子集的質心Xe的子像素分辨率坐標。例如，對于具有1024個 像素的探測器，質心Xe可以根據下式確定：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 在一個特定示例中，公式1中的n = 2。可以理解的是公式2將用在質心計算的信號 MS(p)限制在距離指示子集中。
[0045]圖4A為CRS測量距離校準數據410A的視圖400A，其沿著CRS的光軸(OA)，將采用子 像素分辨率的距離指示坐標(DIC)與已知的微米測量距離(ZOUT)相關聯。圖4A示出的示例 為，對于一個光學元件，具有300微米的標定總測量范圍MR，其對應于大約150像素-490像素 范圍內的DIC。然而，如果需要的話，CRS可以在探測器陣列163的一個較大像素范圍上進行 校準。一個確定CRS測量距離校準數據410A的示范性的實驗室校準方法是，采用一個鏡子 (例如，在圖1的表面位置190處代替所述表面)沿著光軸(OA)移動(例如，以大約0.1或0.2微 米的步長）。對于每個實際鏡面位置，基于對應的如上所述的強度輪廓數據，來確定CRS系統 的相應校準DIC。校準DIC和相應的實際位置(單位微米，沿著光軸0A)隨后被記錄以提供校 準數據410A。在工件測量運行期間，由CRS系統獲得的測量DIC參考存儲的校準數據410A，以 確定對應于測量DIC的測量距離Z0UT。
[0046]圖4B為與上面概述類似的校準數據查找表形式的視圖400B。其旨在示出查找表格 式的示意性表示，以及為此，圖4B的具體的表值與圖4A的具體校準數據410A中指示的那些 值的差異不顯著或相關。在圖4B中，在左邊一欄中，校準DIC條目覆蓋從1到1024的像素坐 標，以〇. 1像素的步長增加，并且在右邊一欄中，輸入相應的測量距離(單位微米）。在運行 中，由CRS系統計算的測量DIC參考存儲的校準查找表以便確定相應的測量距離（單位微 米）。如果測量DIC落在相鄰校準DIC值之間，則測量距離可通過插值來確定。
[0047] 如前所述，當CRS系統采用較長曝光或積分時間來操作時（即，以較低采樣率），即 使當測量表面不存在時，由于內部反射而產生的光(例如，從光纖連接器、光纖分束器、光纖 端部，諸如此類中產生），在探測器陣列中的一些像素可以自飽和達到或超過飽和閾值水 平。根據本發明的各個實施例，操作CRS系統的方法包括，確定以某些(相對低）的采樣率操 作的CRS系統的自飽和輪廓，該自飽和輪廓指示了沿著光軸OA的CRS標定總測量范圍的有效 子集，該有效子集對應于DIC像素位置，在該位置上，像素沒有飽和達到或超過飽和閾值水 平(盡管低采樣率)并且因此能夠產生有效波長峰值。也就是說，有效波長峰值不能夠由飽 和達到或超過飽和閾值水平的像素形成，并且因此，CRS標定總測量范圍的有效子集對應于 排除飽和達到或超過飽和閾值水平(例如信號上限處的完全飽和的80 % -90 %，或更多）的 像素的DIC像素位置。通過將工件表面沿著光軸放置在CRS系統的標定總測量范圍的有效子 集中，用戶因此能夠以這種低采樣率來執行工件表面的距離測量。
[0048] 圖5A-5E示出了當沒有測量表面存在時，表示對應于在5種相應"高靈敏度"采樣率 (其提供相對長的曝光時間）下操作CRS的各個自飽和輪廓的一種方式。每個自飽和輪廓可 基于系統噪聲或偏置輪廓來確定(例如，根據先前概述的原理），并且指示了標定總測量范 圍的有效子集，在此，距離測量在相應"高靈敏度"采樣率下是可能的。相反地，對于對應于 自飽和曝光時間的那些采樣率，一些自飽和輪廓還可認為是示出了標定總測量范圍的補償 無效峰值部分，其對應于飽和達到或超過飽和閾值水平的至少一個探測器像素。
[0049] 圖5A-5E分別示出了曲線圖500A-500E，具有:橫軸，其沿著約0μπι-1200μπι的CRS光 軸，描繪了 CRS的標定總測量范圍；縱軸，其指示在每個位置(或相應探測器像素)上的可用 測量信號范圍，如下更詳細地描述;最小測量峰值高度閾值ΤΗ，其允許對波長峰值位置或 DIC進行足夠準確的估計，以及對應于峰值高度閾值TH的示意性虛擬的波長峰值590。在示 意性示例中，TH為大約300信號單元。
[0050] 標定總測量范圍（例如，0μηι-1200μηι)為當使用在曝光時間標定范圍（例如，標定曝 光時間對應為300Hz或更大的采樣率）內的常規曝光時間時提供的CPS的指定不間斷的測量 范圍。在這樣的狀況下，可相對確定:沒有探測器像素通過內部反射而飽和達到或超過飽和 閾值水平，并且有效波長峰值(例如，具有超過最小測量峰值高度閾值TH的高度)和距離測 量可以在整個指定測量范圍上提供。如前關于校準數據所述，沿著探測器陣列的測量軸的 距離指示坐標(DIC)，單位為像素，對應于沿著CRS系統的光軸OA的測量位置，單位為微米。 因此，在本文的各種描述中，測量位置(沿著光軸)和像素位置(沿著探測器測量軸)可以互 換或同義地使用，除非其中一個被特殊地需要。
[0051]在各個實施例中，每個位置上沿著縱軸所示的可用測量信號范圍可以認為是，從 最大(或完全飽和)信號電平中減去所有內部偏置信號貢獻(例如，來自內部虛假反射的信 號貢獻)之后，對應于所述位置或波長的在探測器像素處的可用測量信號。在各個實施例 中，如果從最大信號電平中減去，"自飽和"信號閾值，或簡稱飽和閾值(未示出）為留下不足 夠的剩余可用信號電平以記錄有效波長峰值信號的電平，有效波長峰值為一一例如，高于 最小測量峰值高度閾值TH，其可用于準確估計峰值波長位置或DIC。在一些實施例中，自飽 和信號閾值和最小測量峰值高度閾值TH的和大約等于探測器像素的最大信號水平。換句話 說，在一些實施例中，從潛在的最大信號中減去達到或超過飽和閾值的自飽和信號，留下剩 余的可用信號在或低于最小測量峰值高度閾值ΤΗ。在一些實施例中，（自）飽和閾值可以設 定在信號上限完全飽和的80%-90%，或更多。相反地，在一些實施例中，最小測量峰值高度 閾值TH(對于在一個像素上的剩余可用信號)可以設定在信號上限的20%，或10%，或更少。 然而，這些閾值僅是示范性的，并不是限制。在各個實施例中，飽和閾值和/或最小測量峰值 高度閾值TH，可以在考慮到各種技術問題下在所需的電平上選擇，各種技術問題例如為可 用信號電平、讀數誤差的所需容差、噪聲問題、預期的工件反射率范圍，等等。
[0052] 在每個曲線圖500A-500E中，對于整個標定總測量范圍上的各個測量位置，"自飽 和"輪廓線595(例如，595A-595E)示出了在信號范圍上的變化，可用于記錄從工件表面反射 的光的信號貢獻，而沒有使相應探測器像素的輸出完全飽和。輪廓線595在曲線圖之間變化 的一個主要的原因，是由于它們各自采樣率和/或相應曝光時間影響了虛假內部反射光的 聚集量，其有助于它們各自的偏置信號。縱軸的單位可以被認為是光電探測器信號單元的 任何便利的表征(例如，表示信號電壓或強度單位等的數字信號）。
[0053]圖5A-5E中所示的5種"高靈敏度"采樣率比CRS使用的常規采樣率相對較低，以便 產生較長曝光時間來從低反射率表面上獲得足夠的波長峰值信號。可以理解的是，自飽和 輪廓595A-595E旨在指導地和定性地說明，并且本發明不限于圖5A-5E描述的特定實施例或 信號特性。
[0054] 參見圖5A，曲線圖500A示出了以采樣率IOOHz操作的CRS自飽和輪廓595A，其示出 對在該特定CRS系統中的該特定采樣率，對于在整個標定總測量范圍的所有測量位置，具有 足夠信號范圍（例如，大于TH)可用于記錄從工件表面反射的光的信號貢獻。例如，在高點的 信號或波長峰值如591可以在對應于大約25μπι的位置的波長處被記錄，而不需要使探測器 像素完全飽和。同樣地，在高點的信號峰值如592可以在對應于大約990μπι的位置的波長處 被記錄，而不需要使探測器像素完全飽和。自飽和輪廓595Α指示，對于IOOHz的采樣率(或其 對應曝光時間），沒有探測器像素通過此CRS系統實際上"自飽和"（例如，具有剩余可用信號 范圍在或低于最小測量峰值高度閾值TH)，并且沒有標定總測量范圍的無效峰值部分。因 此，對于IOOHz的采樣率，標定總測量范圍的有效子集502A包括整個標定總測量范圍，其中 在有效子集處，距離測量是可能的。
[0055]可以理解的是，假設上，在IOOHz的可用測量信號峰值高度（例如，如自飽和輪廓 595A所反映的）可小于在常規的采樣率(例如，在300Hz或更多）的高度。然而，實際從低反射 率表面獲得的信號峰值高度在較慢的采樣上將會更高（例如，超過TH)，由于積累弱測量信 號的曝光時間將會更長。盡管在該示例中，實際上沒有"自飽和"達到或超過飽和閾值水平， 但是IOOHz的米樣率可能不會包含在CRS系統的標定或常規米樣率的范圍內，由于來自各種 正常或高反射率表面的信號可呈現在那個采樣率下使波長峰值像素飽和的高風險，這可妨 礙對具有正常或高反射率的表面進行波長峰值位置DIC的準確估計。
[0056] 參見圖5B，曲線圖500B示出了以采樣率60Hz操作的CRS自飽和輪廓595B，其示出對 于在該特定CRS系統中的該特定采樣率，信號范圍正如期望地小于以IOOHz操作的范圍，該 信號范圍可用于為測量位置記錄從工件表面反射的光的信號貢獻。尤其地，可用信號范圍 在零測量位置附近（即，在無效峰值部分504B處)下降到最小電平TH周圍。出于這樣的原因， 對于60Hz的采樣率，可以審慎的限制標定總測量范圍的有效子集502B，其中距離測量可能 在標定總測量范圍的大部分上包括單個連續子集，但是排除在零測量位置附近的位置。
[0057] 參見圖5C，曲線圖500C示出了以采樣率50Hz操作的CRS自飽和輪廓595C。其與圖5B 所示的60HZ采樣率非常接近，并且結果是相似的。對于在該特定CRS系統中的該特定采樣 率，信號范圍正如期望地略小于以60Hz操作的范圍，該信號范圍可用于為測量位置記錄從 工件表面反射的光的信號貢獻。可用信號范圍在〇Μ?-10μπι測量位置附近（即，在無效峰值部 分504C處）下降到最小電平TH之下。出于這樣的原因，對于50Hz的采樣率，可以審慎的限制 標定總測量范圍的有效子集502C，其中距離測量可能在標定總測量范圍的大部分上包括單 個連續子集，但是排除在IOMi測量位置附近和之下的位置。
[0058] 參見圖，曲線圖500D示出了以采樣率35Hz操作的CRS自飽和輪廓5%D。對于在該 特定CRS系統中的該特定采樣率，信號范圍顯著地小于以50Hz操作的范圍，該信號范圍可用 于為測量位置記錄從工件表面反射的光的信號貢獻。可用信號范圍在〇μπι-75μπι測量位置附 近（即，在無效峰值部分504D處），并且在640μπι-920μπι測量位置附近（即，在無效峰值部分 504D '處)下降到最小電平TH之下。出于這樣的原因，對于35Hz的采樣率，可以審慎的限制標 定總測量范圍的有效子集，其中距離測量可能為兩個部分502D和502D '，并且排除在無效峰 值部分504D和504D'的位置。
[0059] 參見圖5E，曲線圖500E示出了以采樣率25Hz操作的CRS自飽和輪廓595E。對于在該 特定CRS系統中的該特定采樣率，信號范圍隨后顯著地小于以35Hz操作的范圍，該信號范圍 可用于為測量位置記錄從工件表面反射的光的信號貢獻。可用信號范圍在標定總測量范圍 的大部分上（即，在整個無效峰值部分504E上），都下降到最小電平TH之下。事實上，在這種 情況下，無效峰值部分504E的大部分上的像素為完全飽和的（例如，從400μπι-960μπι測量位 置）。對于25Hz的采樣率，可以審慎的限制標定總測量范圍的有效子集，其中距離測量可能 為部分502E，并且排除在無效峰值部分504E中的位置。
[0060]根據本發明的各個實施例，CRS可以以兩種不同設置操作一一基礎設置(第一正常 操作模式)和高靈敏度設置(第二高靈敏度操作模式）。圖6A和6B示出了示范性用戶接口顯 示實施例，在基礎設置（圖6A)的一個實施例中示出了用戶可選擇部分(例如，采樣率），以及 在高靈敏度設置（圖6B)的一個實施例中示出了用戶可選擇部分(例如，采樣率和相應的自 飽和輪廓的顯示），為低反射率工件提供擴展選項。圖6A和6B所示的用戶接口顯示實施例可 示出在CRS系統的用戶接口部分171上，可分別用于基礎設置和高采樣率設置中。在如圖6A 所示的基礎設置用戶接口標簽601下，用戶可被給予一組可選擇的采樣率602,包括常規可 用采樣率，諸如所示的300Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz和2000Hz。這些采樣率分別對應于在曝 光時間的標定范圍內的曝光時間，其可用于"正常反射率"工件，并且不會引起任何探測器 陣列像素的自飽和。因此，在由用戶選擇的任何這些采樣率下，CRS系統能夠在CRS的整個標 定總測量范圍上提供有效波長峰值。基礎設置用戶接口還可包括系統噪聲(偏置)輪廓的更 新按鈕604。響應于更新按鈕604的用戶選擇，CRS系統100以選擇的采樣率(例如，圖6A示例 中的1000Hz)來獲得系統噪聲(偏置)輪廓，并且如前所述，對于各種校準和補償目的，在存 儲器部分168中存儲輪廓。
[0061 ]當用戶選擇高靈敏度設置標簽605時，圖6B的高靈敏度設置用戶界面可以被示出， 其包括一組不同的可選擇的采樣率612,該采樣率612包括比在基礎設置中的那些采樣率相 對低的采樣率，諸如25Hz、35Hz、50Hz、60Hz、75Hz和IOOHz。這些采樣率分別對應于自飽和曝 光時間，該自飽和曝光時間比在曝光時間標定范圍中的曝光時間要長。因此，當以這些相對 較低采樣率操作時，CRS系統將具有標定總測量范圍的有效子集，在其中對于具有兼容的低 反射率水平的表面，高度(距離)測量是可能的。參照圖5A-5E如前所示，標定總測量范圍的 有效子集排除無效峰值部分，在其中高度測量是不可能的。類似于基礎設置用戶接口，高靈 敏度設置用戶接口還可包括系統噪聲(偏置)輪廓更新按鈕614。響應于更新按鈕614的用戶 選擇，CRS系統以選擇的相對低的采樣率(例如，圖6B示例中的50Hz)來獲得系統噪聲(偏置） 輪廓。而且，在高靈敏度設置605中，CRS系統可確定自飽和輪廓(見圖5A-5E)，基于或連同如 前所述的系統噪聲(偏置)輪廓，以確定在CRS的標定總測量范圍內的有效子集。在高靈敏度 設置605中，響應于更新按鈕614的用戶選擇，CRS系統以選擇的采樣率來獲得自飽和輪廓， 并且在存儲器部分168中存儲自飽和輪廓，或者由此獲得的操作信息。在一些實施例中，在 高靈敏度設置605中的系統噪聲(偏置)輪廓更新按鈕614,其基于或連同系統噪聲(偏置)輪 廓來獲得和存儲自飽和輪廓，看起來與在基礎設置601中的系統噪聲(偏置)輪廓更新按鈕 604相同，更新按鈕604僅獲得和存儲系統噪聲（偏置)輪廓，以至于在兩種設置之間的處理 差異是對用戶透明的。
[0062] 可以理解的是，在基礎設置601和高靈敏度設置605中可選擇的采樣率僅意圖是示 意性的，并不旨在限制。在各個實施例中，遍及標定總測量范圍能夠檢測有效波長峰值的任 何采樣率，能夠包含在基礎設置采樣率組602中，然而至少一些探測器陣列像素自飽和達到 至少（自）飽和閾值水平(不管在標定總測量范圍中，工件表面是否存在)而其他像素沒有達 到的任何采樣率，能夠包含在高靈敏度采樣率組612中。
[0063]在一些上面概述的實施例中，更新按鈕604或614觸發了以當前或選擇的采樣率對 系統噪聲(偏置)輪廓和/或自飽和輪廓的采樣。在其他實施例中，更新按鈕604或614,對于 一組包括一些或所有潛在采樣率的采樣率，可觸發對系統噪聲(偏置)輪廓和/或自飽和輪 廓的采樣。各個這樣的輪廓(或由此獲得的操作信息)可隨后被存儲在存儲器部分168中，以 便當用戶以后選擇一個采樣率時，其對應的輪廓可被CRS容易地使用。CRS的系統噪聲（偏 置)輪廓和/或自飽和輪廓都容易受到環境變化、組件老化以及其他依賴時間的變化影響。 因此，在各個實施方式中，CRS可提示用戶在各個時間去選擇更新按鈕614,以獲得至少當前 采樣率的自飽和輪廓，以便使輪廓保持最新。
[0064]在高靈敏度設置605中，如前所述，標定總測量范圍內的有效子集包括沿著CRS光 軸OA的有效波長峰值測量位置。因此，如果被測工件表面恰好位于有效子集中，從工件表面 的反射將產生有效波長峰值，從而指示出到工件表面的測量距離。圖7示出了在高靈敏度設 置中示范性用戶接口顯示屏實施例，其顯示了在有效子集顯示部分703中，測量距離域701 和/或對應于各種采樣率的CRS標定總測量范圍的有效子集中的潛在有效峰值測量部分。 [0065]如果工件表面恰好在有效子集范圍內，成功確定的測量距離可在域701中顯示。如 果不在，至少首先，工件表面需要手工地、半自動地或自動地移動，以在有效子集內定位。為 此，用戶可參考有效子集顯示部分703,為了對于特定采樣率引導以在有效子集中定位表 面，該特定采樣率可與表面反射率特性一起使用。在一些實施例中，每當用戶在高靈敏度設 置中執行距離測量時，或響應于如圖6B所示的自飽和輪廓"顯示"按鈕616的用戶選擇，有效 子集顯示部分703可以自動地顯示在用戶接口部分171上。
[0066]圖7所示的用戶接口可額外地或替代地包括第一指示器705A，例如綠燈，其指示給 用戶：表面在CRS的總測量范圍的有效子集中定位。額外地或替代地，第二指示器705B，例如 紅燈，可以被提供以指示:表面在標定總測量范圍的無效峰值部分中定位，從而防止無效測 量。更普遍地，可以使用任何視覺、聽覺或其他指示，其允許用戶區分第一狀態和第二狀態， 其中第一狀態中工件表面位于有效子集內，第二狀態中工件表面位于無效峰值部分內。可 以理解的是，圖7所示的測量位置有效子集的圖形表示并不是限制的。可替代的表示也處于 本發明公開內容的范圍內。例如，對于給定的采樣率，有效子集可以用數字表示。
[0067]在一些示范性實施例中，在沿著CRS光軸OA的標定總測量范圍的子集內定位工件 表面，可以在機器視覺檢測系統中自動地執行。圖8為示出了機器視覺檢測系統800的示范 性實施例的視圖，該機器視覺檢測系統包括CRS系統，該CRS系統包括光學筆100,用于測量 低反射率工件表面。當機器視覺檢測系統(CRS系統)800用于執行低反射率工件表面的高度 測量時，用戶可選擇較低采樣率(較長曝光時間），并且機器視覺檢測系統800可自動沿著 CRS系統的光軸OA在標定總測量范圍的有效子集內定位被測工件表面。
[0068]機器視覺檢測系統800為具有光學成像系統802的顯微型機器視覺和檢測系統，光 學成像系統802例如為在共同轉讓的美國專利號8,085,295和7,454,053中所描述的，在此 通過引用包括在內。視覺測量機器和控制系統的各個方面還在共同轉讓的美國專利號7， 324，682和美國專利申請公開號2005/0031191中更詳細地描述，在此也通過引用包括在內。 [0069] 如在'682專利和'191公開文本中更詳細所述，并且如圖8所示，機器視覺檢測系統 (MVIS)SOO可包括視覺系統控制器804,其用于取回捕獲的和存儲的工件檢測圖像，以在該 工件檢測圖像上檢測和分析工件特征，并存儲和/或輸出檢測結果。MVIS的常規攝像機部分 可包括光學成像系統802，該光學成像系統802包括具有光軸0A"的物鏡，當通過沿著Z軸導 向軸承802A實現聚焦時，其放大工件806表面并將工件806表面成像到攝像機(未示出）。在 平臺808上的工件806在導向軸承808A上沿著X和Y軸移動。MVIS800大約比得上從位于奧羅 拉，111的三豐美國公司(MAC)獲得的視覺系統QUICK VISIONtmQV Apex系列提供的那些系 統。MVIS800可配置為安裝CRS(例如，以CPS光學筆100的形式），以沿著Z軸方向移動，其與連 同各種測量功能而使用的光學成像系統802偶聯在一起(在該特定實施例中）。光纜112將 CPS光學筆100連接到光學筆電子設備部分160上。機器視覺檢測系統800包括計算機和用戶 接口 171以及視覺系統控制器804。視覺系統控制器804可充當主系統，用于與CPS光學筆電 子設備部分160(見圖1)通信。MVIS用戶接口 171還可充當CRS的用戶接口，并且可提供上面 概述的各種CRS的用戶接口特征的一些或所有部分，尤其是在MVIS800的學習模式運行期 間。在各個實施例中，MVIS用戶接口 171和CRS的用戶接口可以被合并和/或是沒有區別的。
[0070] 光學成像系統802和光學筆100的（Z)測量范圍可被校準，或者參照彼此和參照 MVIS的Z軸控制器坐標。光學筆電子設備部分160和視覺系統控制器804可以配置為根據已 知方法來交換數據和控制信號。因此，對于任何當前采樣率，MVIS800可以用于自動定位工 件806的表面，以在CPS光學筆100的標定總測量范圍的有效子集內被測量。
[0071] 例如，視覺系統控制器804可涉及自飽和輪廓，其對于給定(較低)采樣率，在光學 筆電子設備部分160中被獲得和存儲，以確定在CPS光學筆的標定總測量范圍內的有效子集 的位置。視覺系統控制器804可隨后指示MVIS的Z軸位置以自動關于工件806來定位CPS光學 筆100,而視覺系統控制器804還移動工件806到各個期望的X-Y測量位置(例如，使用CRS以 得到表面部分的輪廓）。
[0072]圖9為示出了操作CRS系統以執行低反射率工件表面的高度測量的程序的流程圖。 在方塊900，提供一種CRS系統，當使用在曝光時間標定范圍內的曝光時間來操作時，其在沿 著CRS系統光軸OA的整個標定總測量范圍上具有有效波長峰值。在方塊902,使用自飽和曝 光時間來操作CRS系統，該自飽和曝光時間比在曝光時間的第一標定范圍中的曝光時間要 長，其中，不管工件表面是否位于標定總測量范圍中，自飽和曝光時間使CRS的至少一個探 測器像素飽和達到至少飽和閾值水平，其防止有效波長峰值在標定總測量范圍的無效峰值 部分中，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標定總測量范圍的排除了該無效峰值部分的 有效子集中，該無效峰值部分對應于通過自飽和曝光時間飽和達到至少飽和閾值水平的該 至少一個探測器像素。在方塊904,在CRS系統的用戶接口上提供一指示，該指示至少為下述 之一 ：（i)基于使用自飽和曝光時間的工件表面的高度測量(例如，如在圖7的測量距離域 701中），以及（i i)包含在標定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置(例如，圖7中 的有效子集顯示部分703)。
[0073] 根據本發明的CRS方法和系統允許以長曝光時間操作CRS系統(例如，如以較低采 樣率提供，例如約25Hz到IOOHz的范圍內），這是先前不適用于可靠操作的（例如，由相對不 熟練的用戶），以此實現具有低反射率的工件表面上的距離測量。
[0074] 盡管已經示出和描述了本發明的優選實施例，基于本發明，所示和所述的操作的 特征和順序的布置，對于本領域技術人員來說是顯而易見的。例如，包括光學筆的CPS已經 在本文中示出。然而，諸如色線傳感器的CRS系統，可以配置為根據本文公開的系統和方法 操作。因此，可以理解的是，可以對本文公開的實施例進行各種改變，而不離開本發明的精 神和范圍。
[0075]上述的各個實施例可以合并以提供另一實施例。能夠修改實施例的方面以提供進 一步的實施例。鑒于上面詳細描述，能夠對實施例做這些或其他改變。
【主權項】
1. 一種操作色譜測距傳感器(CRS)系統以執行低反射率工件表面的工件高度測量的方 法，該方法包括： 提供一種CRS系統，當使用在曝光時間的第一標定范圍內的曝光時間來操作時，該CRS 系統在整個標定總測量范圍上具有有效波長峰值，該標定總測量范圍在標定上下測量范圍 限制之間是不間斷的； 使用自飽和曝光時間來操作CRS，該自飽和曝光時間比在曝光時間的第一標定范圍中 的曝光時間要長，其中： 不管工件表面是否位于標定總測量范圍中，自飽和曝光時間使該CRS的至少一個探測 器像素飽和達到至少飽和閾值水平，其防止有效波長峰值在標定總測量范圍的無效峰值部 分中，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標定總測量范圍的排除了該無效峰值部分的有 效子集中，該無效峰值部分對應于通過自飽和曝光時間飽和達到至少飽和閾值水平的該至 少一個探測器像素；以及 在CRS的用戶接口部分上提供一指示，該指示至少為下述之一 ：（a)基于使用自飽和曝 光時間的工件表面的高度測量，以及(b)包含在標定總測量范圍的對應于使用自飽和曝光 時間的該有效子集中的有效峰值測量位置。2. 根據權利要求1所述的方法，其中，提供(a)基于使用自飽和曝光時間的工件表面的 高度測量的指示的步驟，包括將工件表面置于標定總測量范圍的有效子集中。3. 根據權利要求2所述的方法，其中，（a)基于使用自飽和曝光時間的工件表面的高度 測量的指示的步驟，包括為工件表面上的各個點提供多個各自高度測量。4. 根據權利要求1所述的方法，其中，指示(b)提供在CRS的用戶接□部分上，并且指示 (b)包括下面至少一個：（b-i)包含在標定總測量范圍的有效子集中的有效峰值測量位置的 圖示，以及(b-ii)工件表面定位在標定總測量范圍的無效峰值部分中的指示。5. 根據權利要求1所述的方法，其中，無效峰值部分包括標定總測量范圍的兩個離散 段。6. 根據權利要求1所述的方法，其中，標定總測量范圍的有效子集包括標定總測量范圍 的兩個離散段。7. 根據權利要求1所述的方法，其中，指示(b)提供在CRS的用戶接□部分上，并且指示 (b)包括下面至少一個：（b-i)指示有效峰值測量位置的至少一個不間斷子范圍的上下限的 顯示，所述有效峰值測量位置的至少一個不間斷子范圍包含在標定總測量范圍的有效子集 中，以及(b-ii)有效/無效指示器的第一顯示狀態，該有效/無效指示器包括第一顯示狀態 以及第二顯示狀態，它們分別響應于在標定總測量范圍的有效子集中獲得的測量和在無效 峰值部分中獲得的測量而進行顯示。8. 根據權利要求1所述的方法，其中，曝光時間與在CRS的用戶接口部分上的相應采樣 率相關，并且使用自飽和曝光時間來操作CRS的步驟包括使用對應于自飽和曝光時間的采 樣率操作CRS。9. 根據權利要求8所述的方法，其中在曝光時間的第一標定范圍中的各個曝光時間與 在采樣率第一標定集中的相應采樣率相關，該相應采樣率被指示在CRS的用戶接口部分上， 并且使用自飽和曝光時間來操作CRS的步驟包括使用比包含在采樣率第一標定集中的采樣 率低的采樣率來操作CRS。10. 根據權利要求9所述的方法，其中采樣率第一標定集與指示在CRS的用戶接口部分 上的第一正常操作模式相關，并且較低采樣率與指示在CRS的用戶接口部分上的第二高靈 敏度操作模式相關。11. 根據權利要求8所述的方法，其中對應于自飽和曝光時間的采樣率最多為60Hz。12. 根據權利要求11所述的方法，其中對應于自飽和曝光時間的采樣率最多為35Hz。13. 根據權利要求1所述的方法，其中，使用自飽和曝光時間來操作CRS的步驟在高靈敏 度測量模式下執行，高靈敏度測量模式由用戶在CRS的用戶接口部分中選擇。14. 根據權利要求1所述的方法，在使用所述自飽和曝光時間操作CRS的步驟之前，進一 步包括響應于在CRS的用戶接口上的可操作元素的用戶選擇，獲得CRS的自飽和輪廓，其將 標定總測量范圍的有效子集與自飽和曝光時間相關聯。15. 根據權利要求14所述的方法，其中，提供(a)基于使用自飽和曝光時間的工件表面 的高度測量以及(b)包含在標定總測量范圍的對應于使用自飽和曝光時間的有效子集中的 有效峰值測量位置中的至少之一指示的步驟，利用獲得的自飽和輪廓，該輪廓為相應自飽 和曝光時間指定了標定總測量范圍的有效子集。16. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括： 獲得CRS的多個自飽和輪廓，其每一個將標定總測量范圍的有效子集與相應不同的自 飽和曝光時間相關聯，其中不同自飽和曝光時間分別與不同采樣率相關;并且 在CRS的用戶接口部分上顯示不同采樣率作為可選擇的可操作元素。17. 根據權利要求14所述的方法，進一步包括： 參照獲得的自飽和輪廓，自動地將工件表面置于標定總測量范圍的有效子集中。18. -種用于執行低反射率工件表面的工件高度測量的色譜測距傳感器(CRS)系統，該 CRS系統包括： (a) 光學部分，配置為沿著測量軸臨近被測工件表面的不同距離處聚焦不同波長，并且 將從工件表面反射的輻射引向波長探測器； (b) 電子設備部分，包括波長探測器，配置為： 當使用在曝光時間的第一標定范圍內的曝光時間來操作CRS系統時， 在整個標定總測量范圍上具有有效波長峰值，該標定總測量范圍在標定上下測量范圍 限制之間是不間斷的，以及 當使用比在曝光時間的第一標定范圍中的曝光時間要長的自飽和曝光時間來操作CRS 系統時， 不管工件表面是否位于標定總測量范圍中，在標定總測量范圍的無效峰值部分中沒有 有效波長峰值，從而將有效波長峰值測量位置僅留在標定總測量范圍的排除了無效峰值部 分的有效子集中，該無效峰值部分對應于通過自飽和曝光時間飽和達到至少飽和閾值水平 的一個或多個探測器像素，該飽和閾值水平防止所述一個或多個探測器像素指示有效波長 峰值；以及 (c) 用戶接口部分，配置為提供一指示，該指示至少為下述之一 ：（i)基于使用自飽和曝 光時間，位于標定總測量范圍的有效子集內的工件表面的高度測量，以及（ii)包含在標定 總測量范圍的對應于使用自飽和曝光時間的有效子集中的有效峰值測量位置。19. 根據權利要求18所述的CRS系統，其中CRS系統包含在機器視覺檢測系統中，該機器 視覺檢測系統包括可移動的部分，光學部分連接在該可移動的部分上，以相對于工件表面 沿著x-、Y-和Z-方向可移動，其中，機器視覺檢測系統配置為相對于光學部分，在標定總測 量范圍的有效子集中自動定位工件表面。20.根據權利要求18所述的CRS系統，其中曝光時間與相應采樣率相關，并且用戶接口 部分顯不分別與一個或多個自飽和曝光時間對應的一個或多個米樣率。
【文檔編號】G01B11/02GK105937877SQ201610298366
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月4日
【發明人】A·M·帕茨沃爾德
【申請人】株式會社三豐