包含高灵敏度测量模式的色谱测距传感器的制造方法

包含高灵敏度测量模式的色谱测距传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种包含高灵敏度测量模式的色谱测距传感器。操作色谱测距传感器(CRS)系统的方法可包括色点传感器(CPS)系统，该色点传感器系统包括光学笔，以测量低反射率表面。CRS系统可包含高灵敏度测量模式，在该模式中使用非常规的低采样率或“长”自饱和曝光时间，以测量低反射率表面。“长”自饱和曝光时间可引起一个或多个探测器像素自饱和达到至少饱和阈值水平，其防止它们指示有效波长峰值。这样的像素可限定出标定总测量范围的无效峰值部分。当表面位于CRS系统确定的标定总测量范围的有效子集中，这样排除了无效峰值部分时，CRS仍可检测有效波长峰值或进行高度测量。
【专利说明】
包含高灵敏度测量模式的色谱测距传感器
技术领域
[0001] 本发明涉及精密测量仪器，并且尤其涉及色谱测距传感器（chromatic range sensor)和类似的光学距离测定设备，以及它们的应用。
【背景技术】
[0002] 在光学高度或距离或测距传感器中使用光谱共焦技术是已知的。正如在此通过引 用包含其全部内容的美国专利7，876，456号（' 456专利)所述，具有轴向色差的光学元件，也 被称作轴向或纵向色散，可以用于聚焦宽带光源，使到焦点的轴向距离随着波长变化。因 此，仅一个波长将精确聚焦到表面，并且相对于聚焦元件的表面高度或距离来确定哪个波 长被最好地聚焦。一旦从表面反射，光被重新聚焦到一个小的探测器孔径中，例如小孔或光 纤的端部。一旦从表面反射并且回传穿过光学系统到输入/输出光纤，仅在表面上很好聚焦 的波长在孔径中很好地聚焦。所有其他波长在孔径中较差地聚焦，并且因此不会将很多能 量耦合进光纤。因此，通过光纤返回的光，对于对应到表面的表面高度和距离的波长，信号 电平将是最大的。光谱类型探测器为每个波长测量信号电平，以便确定表面高度。
[0003] 某些制造商涉及如上述操作的实用且紧凑的色谱距离感测（CRS)系统，并且其适 于用在工业环境中，例如色点传感器(CPS)或色线传感器，诸如此类。与这样的系统使用的 紧凑色散光组件被称为"光学笔"或"笔"。光学笔通过光纤连接到色点传感器的电子部分， 该电子部分将光穿过光纤以从光学笔中输出并且提供检测和分析返回光的光谱仪。返回光 形成被光谱仪探测器阵列接收的波长色散强度轮廓。对应于波长色散强度轮廓的像素数据 被分析仪确定"主波长像素峰值坐标"，如通过峰值或强度轮廓的质心表示，并且主波长像 素峰值坐标与查找表一起使用以确定到表面的距离。主波长像素峰值坐标可采用亚像素分 辨率来确定，并且可被称为"距离指示像素坐标"。
[0004] 本领域中已知，使用缝隙孔径并沿着线而不是点聚焦光的CRS，是"线性传感器"， 提供在沿着那条线的多个点来测量到表面距离的能力，如在美国专利申请公开号2010/ 0188742中所公开的，在此通过引用包含其全部内容。

【发明内容】

[0005] 本概述被提供以简化的形式介绍一系列概念，其在下面详细描述中进一步被描 述。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征，也不是旨在用作在确定所要求保护 主题范围上的辅助。
[0006] -些工件表面可具有特别低的反射率，（例如，亚光黑色或透明工件)并提供弱信 号，其不足以产生显著(有效)波长峰值，该峰值能够在由光谱仪探测器阵列接收的所产生 的强度轮廓中被很好地估计。一种增强信号(例如，波长峰值)的方式为增强信号整合时间， 即，增加曝光时间。然而，增加曝光时间超过一定程度可引起光谱仪探测器阵列中一些像素 的完全饱和，不管是否有位于以产生相应波长的工件表面。饱和可以由CRS系统内的内部 (自）反射引起，例如在系统内的各种光纤耦合部分上，诸如在光纤耦合器/连接器、光纤分 束器和光纤端部上。由于支持准确峰值位置估计的不足的峰值高度，饱和到至少"饱和阈 值"水平的像素不能提供有效波长峰值信号。如果工件表面位于一距离处，在此处特定波长 被聚焦并且反射回到相应像素，其显著或完全饱和，则系统不能够测量距离。因此，CRS系统 的运行目前受限于最大曝光时间，最大曝光时间被选择以避免探测器像素饱和在或超过饱 和阈值水平(例如，在信号上限处的完全饱和的80%-90%，或更多），其可对应最小采样率， 超过该最小采样率则采样率不能被降低。一种典型的最小采样率大约为300HZ。相应地，目 前没有解决方案或特征可被CRS系统的相对不熟练的使用者来使用以测量工件表面，当使 用为了避免显著的探测器像素饱和而选择的CRS最大曝光时间时，该工件表面具有不足的 反射率以及产生显著波长峰值。
[0007] 本发明的多个方面将针对克服上述技术问题或限制进行改进。
[0008] 根据本发明的实施例，提供一种操作CRS系统以执行低反射率工件表面的工件高 度测量的方法。在一个实施例中，CRS系统可包括色点传感器(CPS)系统，该色点传感器系统 包括光学笔。在一个方面，CRS系统包括高灵敏度测量模式，其中CRS系统能够以较低采样率 (低于常规可用采样率)操作，以测量具有低反射率的工件表面。以所述较低采样率（即，使 用较长的自饱和曝光时间）操作的CRS系统使得其一个或多个探测器像素饱和达到或超过 饱和阈值水平，但是当工件表面位于CRS系统的标定总测量范围的有效子集中时，仍然能够 检测指示工件表面高度测量的有效波长峰值，其中CRS系统的标定总测量范围的有效子集 排除了对应通过自饱和曝光时间而饱和达到或超过饱和阈值水平的一个或多个探测器像 素的无效峰值部分。
[0009] 特别是，一方面，提供一种操作CRS系统以执行低反射率工件表面的工件高度测量 的方法。该方法通常包括三个步骤。第一，提供一种CRS系统，当使用在曝光时间的第一标定 范围内的曝光时间来操作时，其在整个标定总测量范围上产生有效波长峰值，该标定总测 量范围在标定上下测量范围限制之间是不间断的。第二，使用自饱和曝光时间来操作CRS， 该自饱和曝光时间比在曝光时间的第一标定范围中的曝光时间要长。不管工件表面是否位 于标定总测量范围中，自饱和曝光时间使CRS的至少一个探测器像素饱和达到或超过饱和 阈值水平，其防止有效波长峰值在标定总测量范围的无效峰值部分中，从而将有效波长峰 值测量位置仅留在标定总测量范围的排除了该无效峰值部分的有效子集中，该无效峰值部 分对应于通过自饱和曝光时间饱和达到或超过饱和阈值水平的该至少一个探测器像素。第 三，在CRS的用户接口部分(例如屏幕)上提供一指示，该指示至少为下述之一：（a)基于使用 自饱和曝光时间的工件表面的高度测量，和/或(b)包含在标定总测量范围的对应于使用自 饱和曝光时间的该有效子集中的有效峰值测量位置。
[0010] 另一方面，提供一种用于执行低反射率工件表面的工件高度测量的CRS系统。该 CRS系统包括光学部分、电子设备部分和用户接口部分。光学部分配置为沿着测量轴临近被 测工件表面的不同距离处聚焦不同波长，并且将从工件表面反射的辐射引向波长探测器。 电子设备部分包括波长探测器，并且配置为提供，（a)当使用在曝光时间的第一标定范围内 的曝光时间来操作CRS系统时，在整个标定总测量范围上的有效波长峰值，该标定总测量范 围在标定上下测量范围限制之间是不间断的，以及(b)当使用比在曝光时间的第一标定范 围中的曝光时间要长的自饱和曝光时间来操作CRS系统时，在标定总测量范围的无效峰值 部分中没有有效波长峰值，从而将有效波长峰值测量位置仅留在标定总测量范围的排除了 该无效峰值部分的有效子集中，该无效峰值部分对应于通过自饱和曝光时间，饱和达到或 超过饱和阈值水平的该一个或多个探测器像素，不管工件表面是否位于标定总测量范围 中。用户接口部分配置为提供一指示，该指示至少为下述之一 ：（i)基于使用自饱和曝光时 间，位于标定总测量范围的有效子集内的工件表面的高度测量，和/或（ii)包含在标定总测 量范围的对应于使用自饱和曝光时间的该有效子集中的有效峰值测量位置。
【附图说明】
[0011]本发明的上述方面和很多伴随的优点将变得更容易理解，同样当结合附图时，将 参照下面详细描述被更好地理解，其中：
[0012]图1为示范性CRS系统的一个实施例的框图。
[0013] 图2为来自CRS的系统噪声(偏置)轮廓的视图，示出了当没有测量表面存在时，在 探测器阵列中像素的波长相关电压偏置信号电平。
[0014] 图3为来自CRS的波长色散强度轮廓视图，示出了由测量表面反射的波长而产生的 有效波长峰值，其中峰值的像素位置对应于到测量表面的测量距离。
[0015]图4A为CRS距离校准数据的视图，其将距离指示（波长峰值)像素坐标与已知到被 测工件表面的测量距离相关联。
[0016]图4B为示例性CRS距离校准查找表，其将波长峰值像素坐标引用到相应测量距离。 [0017]图5A-5E示出了当没有测量表面存在时，表示对应于在5种相应"高灵敏度"采样率 (其提供相对长的曝光时间）下操作CRS的各个自饱和轮廓的一种方式。每个自饱和轮廓指 示了标定总测量范围的有效子集，在此，距离测量在"高灵敏度"采样率下是可能的。对于对 应于自饱和曝光时间的那些采样率，一些自饱和轮廓示出了包括饱和达到或超过饱和阈值 水平的探测器像素的补偿无效峰值部分。
[0018] 图6A和6B示出了示范性用户接口显示实施例，在基础设置（图6A)的一个实施例中 示出了用户可选择部分(例如，采样率），以及在高灵敏度设置（图6B)的一个实施例中示出 了用户可选择部分(例如，采样率和相应的自饱和轮廓的显示），为低反射率工件提供扩展 部分。
[0019] 图7示出了在高灵敏度设置中示范性用户接口显示实施例，其显示了测量距离和/ 或对应于各种采样率的CRS标定总测量范围的有效子集中的有效峰值测量位置。
[0020] 图8为示出了机器视觉检测系统的示范性实施例的视图，该机器视觉检测系统包 括用于测量低反射率工件表面的CRS系统。
[0021] 图9为示出了操作CRS系统，以执行低反射率工件表面的高度测量的程序的流程 图。
【具体实施方式】
[0022]图1为色谱测距传感器(CRS)系统100的一个示范性实施例的框图，包括光学元件 120 (例如，光学笔）、电子设备部分160和用户接口部分171。该电子设备部分160的实施例包 括信号处理器166、存储器部分168以及光源和探测器子系统161，该光源和探测器子系统 161包括波长探测器162和宽带光源164。图1示出的CRS系统100为色点传感器(CPS)系统，其 在一个时间测量单个测量点。在各个实施例中，波长探测器162包括光谱仪的探测器阵列 163。探测器阵列163可包括沿着波长探测器162的测量轴分布的多个像素，其中该多个像素 接收各个波长并且提供输出光谱轮廓数据。电子设备部分160穿过包括光缆112的光路连接 到光学元件120上。光路的可选或可替换的方面被示出，包括光缆112,该光缆112具有在光 纤段112B上的连接器CONNECT-D处接合的第一和第二段112A和112B，以及具有将段112B接 合到电子设备部分160上的耦合器C0UPLER-0。光源164,其由信号处理器166控制，被连接以 穿过包括照明光纤段1651、2 X 1耦合器C0UPLER-E、C0NNECT-E和光缆112的路径，将波长的 光谱轮廓输入到光学元件120。光学元件120包括输入/输出光纤子装配件105、壳体130以及 光学部分150。输入/输出光纤子装配件105包括输入/输出光纤113,以及光纤连接器108,其 中输入/输出光纤113被承载穿过包住它的光缆112。该输入/输出光纤113通过孔径195输出 一输出光束，并且通过孔径195接收被反射的测量信号光。
[0023] 在操作中，从光纤端部穿过孔径195发出的光由光学部分150聚焦，该光学部分150 包括提供轴向色散的透镜，以便沿着光轴OA的聚焦点根据光波长位于不同距离处，如对于 CRS系统所已知的。在测量操作期间，光被聚焦到工件170的表面位置190上。从表面位置190 反射的光被光学部分150重新聚焦到孔径195。由于其轴向色散，仅一个波长具有匹配测量 距离"Z"的焦点距离，测量距离"Z"为从相对于光学元件120固定的参考位置RP到表面位置 190的距离。最好地聚焦在表面位置190上的波长为在孔径195中最好聚焦的波长。因此显著 地，最好地聚焦的波长穿过孔径195并进入到光缆112的光纤113的纤芯中。光缆112将信号 光路由到波长探测器162,波长探测器162用于确定具有主导强度的波长，其对应到表面位 置190的测量距离Z。
[0024] 在示出的实施例中，被反射的波长相关光强度通过光路传递回电子设备部分160， 该光路包括耦合器⑶UPLER-E，以便大约50 %的光直接通过信号光纤段165S到达波长探测 器162。波长探测器162接收波长相关光强度，将其转化为分布在沿着探测器阵列163测量轴 的像素阵列上的输出光谱强度轮廓（也被简称为输出光谱轮廓），并且基于从探测器阵列 163输出的像素数据，操作来提供相应的输出光谱轮廓数据。
[0025]轮廓数据（见图3)的子像素分辨率距离指示坐标(DIC)由信号处理器166计算，并 且DIC(在子像素中）经由如下面关于图4A和4B描述的存储在存储器部分168中的距离校准 查找表或之类的，来确定到表面位置190的测量距离Z(单位，微米KDIC可以通过各种方法 来确定(例如，通过确定包含在峰值区域中的强度轮廓数据的质心）。强度数据可以用于确 定如下所述的具有子像素分辨率的DIC。
[0026]用户接口部分171耦接到电子设备部分160,并且配置为经由任何合适的方式，例 如键盘、触摸传感器、鼠标等接收用于CRS系统100运行的用户输入，例如获得CRS系统100的 系统噪声(偏置)轮廓的用户命令、用户选择的采样率或其他运行参数等。用户接口部分171 还配置为在屏幕上显示信息，例如由CRS系统100成功测量的距离。用户接口部分171还可显 示在CRS系统100的标定总测量范围的有效子集中的有效峰值测量位置(对应于以较低的或 "高灵敏度"的采样率运行），如下所述来引导用户在有效子集内定位低反射率工件表面，从 而执行距离测量。
[0027]图1包括正交XYZ坐标轴，作为一个参考系。Z方向被限定为平行光学元件120的光 轴(OA)，该光轴为距离-测量轴。如图1所示，在操作期间，工件170沿着光轴OA放置，并且安 装在平移台175上，其可有利地对准以便沿着由导向轴承175A限制的Z轴方向平移。
[0028]图2的下面描述概括了某些已知的背景信号处理和/或校准操作，其可与本发明在 各个实施例中结合使用。该目的是强调下面进一步披露的本发明的方法不同于这些操作， 但是与这些操作兼容。图2为来自CRS的系统噪声(偏置)轮廓的视图200,示出了当在CRS标 定总测量范围内没有测量表面存在时，在探测器阵列163中的像素的电压偏置信号电平 V〇ffSet(p)。在这种情况下，没有刻意的反射光，并且在产生的强度轮廓中没有显著或主波 长峰值。对于沿着"波长"测量轴的1024个像素的每个，以归一化电压绘制电压偏置信号 Voff set (p)。"归一化电压"将值1.0分配给探测器阵列163的饱和电压。电压偏置信号 Voffset(P)包括偏置信号电平Vbias，其在整个探测器阵列上相对一致，以及包括背景信号 分量Vback(p)，其被示为在整个探测器阵列上变化。由于与周围温度变化和在运行期间由 电子设备部分160产生的热量相关联的电压漂移，则与坐标无关的偏置信号电平Vbias可改 变。可变的背景信号Vback(p)表不信号，该信号例如来自CRS中波长相关的寄生（内部)反射 的背景光，以及由于各个像素 P的暗电流。弱但是显著的内部反射例如可在光纤耦合部分处 出现，该光纤耦合部分例如为光纤耦合器和连接器、光纤分束器以及光纤端部。每个CRS系 统还通常包括CRS光谱仪响应中的波长相关的变化，和/或包括CRS宽带光源，该光源实际上 在不同波长处产生不同强度。因此在各个实施例中，提供最好的可能信号校准或补偿，CRS 的系统噪声(偏置)轮廓可以在运行期间的各个时间上获得，以跟踪上面概述的潜在信号误 差分量的动态变化。尤其地，信号分量Vback(p)可以存储为系统噪声(偏置)轮廓数据169， 用于探测器阵列163的像素阵列的校准或补偿。系统噪声(偏置)轮廓数据169可以用于在持 续基础上补偿来自每个像素 P的随后的轮廓数据信号(例如通过减法）。
[0029]根据本发明的各个方面，以相对低的采样率(或长曝光时间）操作的CRS的系统噪 声(偏置)轮廓，可以用于在该采样率上构建CRS的自饱和轮廓。自饱和轮廓指示饱和达到或 超过饱和阈值水平的像素，并且反过来指示包含在沿着CRS光轴OA的CRS标定总测量范围的 有效子集中的有效峰值测量位置，其中距离测量在那个（相对低）的采样率下仍然是可能 的。换句话说，测量位置的有效子集(例如，单位微米)对应于子像素 DIC位置，其中剩余的 "非饱和"探测器阵列像素(那些还没有饱和超过饱和阈值水平的像素)尽管在低采样率下， 但仍能够产生有效波长峰值，如将在下面更全面地描述。
[0030] 图3、4A和4B下面的描述概述了某些信号处理操作，其确定具有子像素分辨率的距 离指示坐标(DIC)，这是基于来自CRS的波长色散强度轮廓中产生的有效波长峰值，以及基 于确定的DIC来确定到工件表面的测量距离(例如，单位微米）。这里概述的操作在'456专利 中更详细地描述。这样描述的目的为提供对于CRS距离测量的整体理解有用的背景信息。
[0031] 图3为来自CRS的波长色散强度轮廓视图300,示出了由测量轮廓信号MS(P)的子集 而产生的有效波长峰值302,指示了聚焦到测量表面并且由测量表面反射的波长。每个测量 轮廓信号MS(p)具有与探测器阵列(例如，探测器阵列163)的每个像素 p相关的信号电平（以 归一化电压示出）。有效波长峰值302没有饱和达到或超过饱和阈值水平的像素。其还具有 足够的高度（良好的信噪比），是比较对称的，并且允许对沿着探测器阵列测量轴的峰值位 置或测量距离指示坐标(DIC) 304进行良好的估计。
[0032]图3示出了偏置信号电平MVbias(以归一化电压）、峰值像素坐标(ppc)以及数据阈 值MVthreshold，该数据阈值MVthreshold限定了形成波长峰值302的测量轮廓信号MS(p)的 距离指示子集的下限。所有的"MV"值都为归一化电压。
[0033]简要地，在一个实施例中，测量操作，其用于基于确定的DIC来确定距离指示坐标 (DIC)(单位像素）以及确定相应测量距离(单位微米），可包括以下内容：
[0034] ?沿着光轴OA定位目标表面，并且获得在视图300中所示的所得到的波长色散强 度轮廓。
[0035] ?确定峰值像素坐标(ppc)，其为具有最高信号的像素。
[0036] ?以给定采样率确定测量偏置信号电平MVbias。
[0037] ?确定数据阈值MVthreshoId(例如，为峰值高度的百分比）。
[0038] ?基于形成波长峰值的测量轮廓信号MS(p)的距离指示子集，确定具有子像素分 辨率的距离指示坐标(DIC)，其中所述波长峰值具有大于MVthreshold的值。
[0039] ?通过将DIC与在存储的距离校准数据(例如，图4A所示的距离校准曲线或图4B所 示的查找表)中的对应距离相关联，确定测量距离。
[0040] 在前述操作中，基于在MCthreshold之上的测量轮廓信号MS(P)的距离指示子集， DIC可以采用子像素分辨率来确定。DIC可以由各种方法来确定。在一个实施例中，DIC可以 被确定为信号MS(p)的距离指示子集的质心Xe的子像素分辨率坐标。例如，对于具有1024个 像素的探测器，质心Xe可以根据下式确定：
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 在一个特定示例中，公式1中的n = 2。可以理解的是公式2将用在质心计算的信号 MS(p)限制在距离指示子集中。
[0045]图4A为CRS测量距离校准数据410A的视图400A，其沿着CRS的光轴(OA)，将采用子 像素分辨率的距离指示坐标(DIC)与已知的微米测量距离(ZOUT)相关联。图4A示出的示例 为，对于一个光学元件，具有300微米的标定总测量范围MR，其对应于大约150像素-490像素 范围内的DIC。然而，如果需要的话，CRS可以在探测器阵列163的一个较大像素范围上进行 校准。一个确定CRS测量距离校准数据410A的示范性的实验室校准方法是，采用一个镜子 (例如，在图1的表面位置190处代替所述表面)沿着光轴(OA)移动(例如，以大约0.1或0.2微 米的步长）。对于每个实际镜面位置，基于对应的如上所述的强度轮廓数据，来确定CRS系统 的相应校准DIC。校准DIC和相应的实际位置(单位微米，沿着光轴0A)随后被记录以提供校 准数据410A。在工件测量运行期间，由CRS系统获得的测量DIC参考存储的校准数据410A，以 确定对应于测量DIC的测量距离Z0UT。
[0046]图4B为与上面概述类似的校准数据查找表形式的视图400B。其旨在示出查找表格 式的示意性表示，以及为此，图4B的具体的表值与图4A的具体校准数据410A中指示的那些 值的差异不显著或相关。在图4B中，在左边一栏中，校准DIC条目覆盖从1到1024的像素坐 标，以〇. 1像素的步长增加，并且在右边一栏中，输入相应的测量距离(单位微米）。在运行 中，由CRS系统计算的测量DIC参考存储的校准查找表以便确定相应的测量距离（单位微 米）。如果测量DIC落在相邻校准DIC值之间，则测量距离可通过插值来确定。
[0047] 如前所述，当CRS系统采用较长曝光或积分时间来操作时（即，以较低采样率），即 使当测量表面不存在时，由于内部反射而产生的光(例如，从光纤连接器、光纤分束器、光纤 端部，诸如此类中产生），在探测器阵列中的一些像素可以自饱和达到或超过饱和阈值水 平。根据本发明的各个实施例，操作CRS系统的方法包括，确定以某些(相对低）的采样率操 作的CRS系统的自饱和轮廓，该自饱和轮廓指示了沿着光轴OA的CRS标定总测量范围的有效 子集，该有效子集对应于DIC像素位置，在该位置上，像素没有饱和达到或超过饱和阈值水 平(尽管低采样率)并且因此能够产生有效波长峰值。也就是说，有效波长峰值不能够由饱 和达到或超过饱和阈值水平的像素形成，并且因此，CRS标定总测量范围的有效子集对应于 排除饱和达到或超过饱和阈值水平(例如信号上限处的完全饱和的80 % -90 %，或更多）的 像素的DIC像素位置。通过将工件表面沿着光轴放置在CRS系统的标定总测量范围的有效子 集中，用户因此能够以这种低采样率来执行工件表面的距离测量。
[0048] 图5A-5E示出了当没有测量表面存在时，表示对应于在5种相应"高灵敏度"采样率 (其提供相对长的曝光时间）下操作CRS的各个自饱和轮廓的一种方式。每个自饱和轮廓可 基于系统噪声或偏置轮廓来确定(例如，根据先前概述的原理），并且指示了标定总测量范 围的有效子集，在此，距离测量在相应"高灵敏度"采样率下是可能的。相反地，对于对应于 自饱和曝光时间的那些采样率，一些自饱和轮廓还可认为是示出了标定总测量范围的补偿 无效峰值部分，其对应于饱和达到或超过饱和阈值水平的至少一个探测器像素。
[0049] 图5A-5E分别示出了曲线图500A-500E，具有:横轴，其沿着约0μπι-1200μπι的CRS光 轴，描绘了 CRS的标定总测量范围；纵轴，其指示在每个位置(或相应探测器像素)上的可用 测量信号范围，如下更详细地描述;最小测量峰值高度阈值ΤΗ，其允许对波长峰值位置或 DIC进行足够准确的估计，以及对应于峰值高度阈值TH的示意性虚拟的波长峰值590。在示 意性示例中，TH为大约300信号单元。
[0050] 标定总测量范围（例如，0μηι-1200μηι)为当使用在曝光时间标定范围（例如，标定曝 光时间对应为300Hz或更大的采样率）内的常规曝光时间时提供的CPS的指定不间断的测量 范围。在这样的状况下，可相对确定:没有探测器像素通过内部反射而饱和达到或超过饱和 阈值水平，并且有效波长峰值(例如，具有超过最小测量峰值高度阈值TH的高度)和距离测 量可以在整个指定测量范围上提供。如前关于校准数据所述，沿着探测器阵列的测量轴的 距离指示坐标(DIC)，单位为像素，对应于沿着CRS系统的光轴OA的测量位置，单位为微米。 因此，在本文的各种描述中，测量位置(沿着光轴)和像素位置(沿着探测器测量轴)可以互 换或同义地使用，除非其中一个被特殊地需要。
[0051]在各个实施例中，每个位置上沿着纵轴所示的可用测量信号范围可以认为是，从 最大(或完全饱和)信号电平中减去所有内部偏置信号贡献(例如，来自内部虚假反射的信 号贡献)之后，对应于所述位置或波长的在探测器像素处的可用测量信号。在各个实施例 中，如果从最大信号电平中减去，"自饱和"信号阈值，或简称饱和阈值(未示出）为留下不足 够的剩余可用信号电平以记录有效波长峰值信号的电平，有效波长峰值为一一例如，高于 最小测量峰值高度阈值TH，其可用于准确估计峰值波长位置或DIC。在一些实施例中，自饱 和信号阈值和最小测量峰值高度阈值TH的和大约等于探测器像素的最大信号水平。换句话 说，在一些实施例中，从潜在的最大信号中减去达到或超过饱和阈值的自饱和信号，留下剩 余的可用信号在或低于最小测量峰值高度阈值ΤΗ。在一些实施例中，（自）饱和阈值可以设 定在信号上限完全饱和的80%-90%，或更多。相反地，在一些实施例中，最小测量峰值高度 阈值TH(对于在一个像素上的剩余可用信号)可以设定在信号上限的20%，或10%，或更少。 然而，这些阈值仅是示范性的，并不是限制。在各个实施例中，饱和阈值和/或最小测量峰值 高度阈值TH，可以在考虑到各种技术问题下在所需的电平上选择，各种技术问题例如为可 用信号电平、读数误差的所需容差、噪声问题、预期的工件反射率范围，等等。
[0052] 在每个曲线图500A-500E中，对于整个标定总测量范围上的各个测量位置，"自饱 和"轮廓线595(例如，595A-595E)示出了在信号范围上的变化，可用于记录从工件表面反射 的光的信号贡献，而没有使相应探测器像素的输出完全饱和。轮廓线595在曲线图之间变化 的一个主要的原因，是由于它们各自采样率和/或相应曝光时间影响了虚假内部反射光的 聚集量，其有助于它们各自的偏置信号。纵轴的单位可以被认为是光电探测器信号单元的 任何便利的表征(例如，表示信号电压或强度单位等的数字信号）。
[0053]图5A-5E中所示的5种"高灵敏度"采样率比CRS使用的常规采样率相对较低，以便 产生较长曝光时间来从低反射率表面上获得足够的波长峰值信号。可以理解的是，自饱和 轮廓595A-595E旨在指导地和定性地说明，并且本发明不限于图5A-5E描述的特定实施例或 信号特性。
[0054] 参见图5A，曲线图500A示出了以采样率IOOHz操作的CRS自饱和轮廓595A，其示出 对在该特定CRS系统中的该特定采样率，对于在整个标定总测量范围的所有测量位置，具有 足够信号范围（例如，大于TH)可用于记录从工件表面反射的光的信号贡献。例如，在高点的 信号或波长峰值如591可以在对应于大约25μπι的位置的波长处被记录，而不需要使探测器 像素完全饱和。同样地，在高点的信号峰值如592可以在对应于大约990μπι的位置的波长处 被记录，而不需要使探测器像素完全饱和。自饱和轮廓595Α指示，对于IOOHz的采样率(或其 对应曝光时间），没有探测器像素通过此CRS系统实际上"自饱和"（例如，具有剩余可用信号 范围在或低于最小测量峰值高度阈值TH)，并且没有标定总测量范围的无效峰值部分。因 此，对于IOOHz的采样率，标定总测量范围的有效子集502A包括整个标定总测量范围，其中 在有效子集处，距离测量是可能的。
[0055]可以理解的是，假设上，在IOOHz的可用测量信号峰值高度（例如，如自饱和轮廓 595A所反映的）可小于在常规的采样率(例如，在300Hz或更多）的高度。然而，实际从低反射 率表面获得的信号峰值高度在较慢的采样上将会更高（例如，超过TH)，由于积累弱测量信 号的曝光时间将会更长。尽管在该示例中，实际上没有"自饱和"达到或超过饱和阈值水平， 但是IOOHz的米样率可能不会包含在CRS系统的标定或常规米样率的范围内，由于来自各种 正常或高反射率表面的信号可呈现在那个采样率下使波长峰值像素饱和的高风险，这可妨 碍对具有正常或高反射率的表面进行波长峰值位置DIC的准确估计。
[0056] 参见图5B，曲线图500B示出了以采样率60Hz操作的CRS自饱和轮廓595B，其示出对 于在该特定CRS系统中的该特定采样率，信号范围正如期望地小于以IOOHz操作的范围，该 信号范围可用于为测量位置记录从工件表面反射的光的信号贡献。尤其地，可用信号范围 在零测量位置附近（即，在无效峰值部分504B处)下降到最小电平TH周围。出于这样的原因， 对于60Hz的采样率，可以审慎的限制标定总测量范围的有效子集502B，其中距离测量可能 在标定总测量范围的大部分上包括单个连续子集，但是排除在零测量位置附近的位置。
[0057] 参见图5C，曲线图500C示出了以采样率50Hz操作的CRS自饱和轮廓595C。其与图5B 所示的60HZ采样率非常接近，并且结果是相似的。对于在该特定CRS系统中的该特定采样 率，信号范围正如期望地略小于以60Hz操作的范围，该信号范围可用于为测量位置记录从 工件表面反射的光的信号贡献。可用信号范围在〇Μ?-10μπι测量位置附近（即，在无效峰值部 分504C处）下降到最小电平TH之下。出于这样的原因，对于50Hz的采样率，可以审慎的限制 标定总测量范围的有效子集502C，其中距离测量可能在标定总测量范围的大部分上包括单 个连续子集，但是排除在IOMi测量位置附近和之下的位置。
[0058] 参见图，曲线图500D示出了以采样率35Hz操作的CRS自饱和轮廓5%D。对于在该 特定CRS系统中的该特定采样率，信号范围显著地小于以50Hz操作的范围，该信号范围可用 于为测量位置记录从工件表面反射的光的信号贡献。可用信号范围在〇μπι-75μπι测量位置附 近（即，在无效峰值部分504D处），并且在640μπι-920μπι测量位置附近（即，在无效峰值部分 504D '处)下降到最小电平TH之下。出于这样的原因，对于35Hz的采样率，可以审慎的限制标 定总测量范围的有效子集，其中距离测量可能为两个部分502D和502D '，并且排除在无效峰 值部分504D和504D'的位置。
[0059] 参见图5E，曲线图500E示出了以采样率25Hz操作的CRS自饱和轮廓595E。对于在该 特定CRS系统中的该特定采样率，信号范围随后显著地小于以35Hz操作的范围，该信号范围 可用于为测量位置记录从工件表面反射的光的信号贡献。可用信号范围在标定总测量范围 的大部分上（即，在整个无效峰值部分504E上），都下降到最小电平TH之下。事实上，在这种 情况下，无效峰值部分504E的大部分上的像素为完全饱和的（例如，从400μπι-960μπι测量位 置）。对于25Hz的采样率，可以审慎的限制标定总测量范围的有效子集，其中距离测量可能 为部分502E，并且排除在无效峰值部分504E中的位置。
[0060]根据本发明的各个实施例，CRS可以以两种不同设置操作一一基础设置(第一正常 操作模式)和高灵敏度设置(第二高灵敏度操作模式）。图6A和6B示出了示范性用户接口显 示实施例，在基础设置（图6A)的一个实施例中示出了用户可选择部分(例如，采样率），以及 在高灵敏度设置（图6B)的一个实施例中示出了用户可选择部分(例如，采样率和相应的自 饱和轮廓的显示），为低反射率工件提供扩展选项。图6A和6B所示的用户接口显示实施例可 示出在CRS系统的用户接口部分171上，可分别用于基础设置和高采样率设置中。在如图6A 所示的基础设置用户接口标签601下，用户可被给予一组可选择的采样率602,包括常规可 用采样率，诸如所示的300Hz、500Hz、1000Hz、1500Hz和2000Hz。这些采样率分别对应于在曝 光时间的标定范围内的曝光时间，其可用于"正常反射率"工件，并且不会引起任何探测器 阵列像素的自饱和。因此，在由用户选择的任何这些采样率下，CRS系统能够在CRS的整个标 定总测量范围上提供有效波长峰值。基础设置用户接口还可包括系统噪声(偏置)轮廓的更 新按钮604。响应于更新按钮604的用户选择，CRS系统100以选择的采样率(例如，图6A示例 中的1000Hz)来获得系统噪声(偏置)轮廓，并且如前所述，对于各种校准和补偿目的，在存 储器部分168中存储轮廓。
[0061 ]当用户选择高灵敏度设置标签605时，图6B的高灵敏度设置用户界面可以被示出， 其包括一组不同的可选择的采样率612,该采样率612包括比在基础设置中的那些采样率相 对低的采样率，诸如25Hz、35Hz、50Hz、60Hz、75Hz和IOOHz。这些采样率分别对应于自饱和曝 光时间，该自饱和曝光时间比在曝光时间标定范围中的曝光时间要长。因此，当以这些相对 较低采样率操作时，CRS系统将具有标定总测量范围的有效子集，在其中对于具有兼容的低 反射率水平的表面，高度(距离)测量是可能的。参照图5A-5E如前所示，标定总测量范围的 有效子集排除无效峰值部分，在其中高度测量是不可能的。类似于基础设置用户接口，高灵 敏度设置用户接口还可包括系统噪声(偏置)轮廓更新按钮614。响应于更新按钮614的用户 选择，CRS系统以选择的相对低的采样率(例如，图6B示例中的50Hz)来获得系统噪声(偏置） 轮廓。而且，在高灵敏度设置605中，CRS系统可确定自饱和轮廓(见图5A-5E)，基于或连同如 前所述的系统噪声(偏置)轮廓，以确定在CRS的标定总测量范围内的有效子集。在高灵敏度 设置605中，响应于更新按钮614的用户选择，CRS系统以选择的采样率来获得自饱和轮廓， 并且在存储器部分168中存储自饱和轮廓，或者由此获得的操作信息。在一些实施例中，在 高灵敏度设置605中的系统噪声(偏置)轮廓更新按钮614,其基于或连同系统噪声(偏置)轮 廓来获得和存储自饱和轮廓，看起来与在基础设置601中的系统噪声(偏置)轮廓更新按钮 604相同，更新按钮604仅获得和存储系统噪声（偏置)轮廓，以至于在两种设置之间的处理 差异是对用户透明的。
[0062] 可以理解的是，在基础设置601和高灵敏度设置605中可选择的采样率仅意图是示 意性的，并不旨在限制。在各个实施例中，遍及标定总测量范围能够检测有效波长峰值的任 何采样率，能够包含在基础设置采样率组602中，然而至少一些探测器阵列像素自饱和达到 至少（自）饱和阈值水平(不管在标定总测量范围中，工件表面是否存在)而其他像素没有达 到的任何采样率，能够包含在高灵敏度采样率组612中。
[0063]在一些上面概述的实施例中，更新按钮604或614触发了以当前或选择的采样率对 系统噪声(偏置)轮廓和/或自饱和轮廓的采样。在其他实施例中，更新按钮604或614,对于 一组包括一些或所有潜在采样率的采样率，可触发对系统噪声(偏置)轮廓和/或自饱和轮 廓的采样。各个这样的轮廓(或由此获得的操作信息)可随后被存储在存储器部分168中，以 便当用户以后选择一个采样率时，其对应的轮廓可被CRS容易地使用。CRS的系统噪声（偏 置)轮廓和/或自饱和轮廓都容易受到环境变化、组件老化以及其他依赖时间的变化影响。 因此，在各个实施方式中，CRS可提示用户在各个时间去选择更新按钮614,以获得至少当前 采样率的自饱和轮廓，以便使轮廓保持最新。
[0064]在高灵敏度设置605中，如前所述，标定总测量范围内的有效子集包括沿着CRS光 轴OA的有效波长峰值测量位置。因此，如果被测工件表面恰好位于有效子集中，从工件表面 的反射将产生有效波长峰值，从而指示出到工件表面的测量距离。图7示出了在高灵敏度设 置中示范性用户接口显示屏实施例，其显示了在有效子集显示部分703中，测量距离域701 和/或对应于各种采样率的CRS标定总测量范围的有效子集中的潜在有效峰值测量部分。 [0065]如果工件表面恰好在有效子集范围内，成功确定的测量距离可在域701中显示。如 果不在，至少首先，工件表面需要手工地、半自动地或自动地移动，以在有效子集内定位。为 此，用户可参考有效子集显示部分703,为了对于特定采样率引导以在有效子集中定位表 面，该特定采样率可与表面反射率特性一起使用。在一些实施例中，每当用户在高灵敏度设 置中执行距离测量时，或响应于如图6B所示的自饱和轮廓"显示"按钮616的用户选择，有效 子集显示部分703可以自动地显示在用户接口部分171上。
[0066]图7所示的用户接口可额外地或替代地包括第一指示器705A，例如绿灯，其指示给 用户：表面在CRS的总测量范围的有效子集中定位。额外地或替代地，第二指示器705B，例如 红灯，可以被提供以指示:表面在标定总测量范围的无效峰值部分中定位，从而防止无效测 量。更普遍地，可以使用任何视觉、听觉或其他指示，其允许用户区分第一状态和第二状态， 其中第一状态中工件表面位于有效子集内，第二状态中工件表面位于无效峰值部分内。可 以理解的是，图7所示的测量位置有效子集的图形表示并不是限制的。可替代的表示也处于 本发明公开内容的范围内。例如，对于给定的采样率，有效子集可以用数字表示。
[0067]在一些示范性实施例中，在沿着CRS光轴OA的标定总测量范围的子集内定位工件 表面，可以在机器视觉检测系统中自动地执行。图8为示出了机器视觉检测系统800的示范 性实施例的视图，该机器视觉检测系统包括CRS系统，该CRS系统包括光学笔100,用于测量 低反射率工件表面。当机器视觉检测系统(CRS系统)800用于执行低反射率工件表面的高度 测量时，用户可选择较低采样率(较长曝光时间），并且机器视觉检测系统800可自动沿着 CRS系统的光轴OA在标定总测量范围的有效子集内定位被测工件表面。
[0068]机器视觉检测系统800为具有光学成像系统802的显微型机器视觉和检测系统，光 学成像系统802例如为在共同转让的美国专利号8,085,295和7,454,053中所描述的，在此 通过引用包括在内。视觉测量机器和控制系统的各个方面还在共同转让的美国专利号7， 324，682和美国专利申请公开号2005/0031191中更详细地描述，在此也通过引用包括在内。 [0069] 如在'682专利和'191公开文本中更详细所述，并且如图8所示，机器视觉检测系统 (MVIS)SOO可包括视觉系统控制器804,其用于取回捕获的和存储的工件检测图像，以在该 工件检测图像上检测和分析工件特征，并存储和/或输出检测结果。MVIS的常规摄像机部分 可包括光学成像系统802，该光学成像系统802包括具有光轴0A"的物镜，当通过沿着Z轴导 向轴承802A实现聚焦时，其放大工件806表面并将工件806表面成像到摄像机(未示出）。在 平台808上的工件806在导向轴承808A上沿着X和Y轴移动。MVIS800大约比得上从位于奥罗 拉，111的三丰美国公司(MAC)获得的视觉系统QUICK VISIONtmQV Apex系列提供的那些系 统。MVIS800可配置为安装CRS(例如，以CPS光学笔100的形式），以沿着Z轴方向移动，其与连 同各种测量功能而使用的光学成像系统802偶联在一起(在该特定实施例中）。光缆112将 CPS光学笔100连接到光学笔电子设备部分160上。机器视觉检测系统800包括计算机和用户 接口 171以及视觉系统控制器804。视觉系统控制器804可充当主系统，用于与CPS光学笔电 子设备部分160(见图1)通信。MVIS用户接口 171还可充当CRS的用户接口，并且可提供上面 概述的各种CRS的用户接口特征的一些或所有部分，尤其是在MVIS800的学习模式运行期 间。在各个实施例中，MVIS用户接口 171和CRS的用户接口可以被合并和/或是没有区别的。
[0070] 光学成像系统802和光学笔100的（Z)测量范围可被校准，或者参照彼此和参照 MVIS的Z轴控制器坐标。光学笔电子设备部分160和视觉系统控制器804可以配置为根据已 知方法来交换数据和控制信号。因此，对于任何当前采样率，MVIS800可以用于自动定位工 件806的表面，以在CPS光学笔100的标定总测量范围的有效子集内被测量。
[0071] 例如，视觉系统控制器804可涉及自饱和轮廓，其对于给定(较低)采样率，在光学 笔电子设备部分160中被获得和存储，以确定在CPS光学笔的标定总测量范围内的有效子集 的位置。视觉系统控制器804可随后指示MVIS的Z轴位置以自动关于工件806来定位CPS光学 笔100,而视觉系统控制器804还移动工件806到各个期望的X-Y测量位置(例如，使用CRS以 得到表面部分的轮廓）。
[0072]图9为示出了操作CRS系统以执行低反射率工件表面的高度测量的程序的流程图。 在方块900，提供一种CRS系统，当使用在曝光时间标定范围内的曝光时间来操作时，其在沿 着CRS系统光轴OA的整个标定总测量范围上具有有效波长峰值。在方块902,使用自饱和曝 光时间来操作CRS系统，该自饱和曝光时间比在曝光时间的第一标定范围中的曝光时间要 长，其中，不管工件表面是否位于标定总测量范围中，自饱和曝光时间使CRS的至少一个探 测器像素饱和达到至少饱和阈值水平，其防止有效波长峰值在标定总测量范围的无效峰值 部分中，从而将有效波长峰值测量位置仅留在标定总测量范围的排除了该无效峰值部分的 有效子集中，该无效峰值部分对应于通过自饱和曝光时间饱和达到至少饱和阈值水平的该 至少一个探测器像素。在方块904,在CRS系统的用户接口上提供一指示，该指示至少为下述 之一 ：（i)基于使用自饱和曝光时间的工件表面的高度测量(例如，如在图7的测量距离域 701中），以及（i i)包含在标定总测量范围的有效子集中的有效峰值测量位置(例如，图7中 的有效子集显示部分703)。
[0073] 根据本发明的CRS方法和系统允许以长曝光时间操作CRS系统(例如，如以较低采 样率提供，例如约25Hz到IOOHz的范围内），这是先前不适用于可靠操作的（例如，由相对不 熟练的用户），以此实现具有低反射率的工件表面上的距离测量。
[0074] 尽管已经示出和描述了本发明的优选实施例，基于本发明，所示和所述的操作的 特征和顺序的布置，对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，包括光学笔的CPS已经 在本文中示出。然而，诸如色线传感器的CRS系统，可以配置为根据本文公开的系统和方法 操作。因此，可以理解的是，可以对本文公开的实施例进行各种改变，而不离开本发明的精 神和范围。
[0075]上述的各个实施例可以合并以提供另一实施例。能够修改实施例的方面以提供进 一步的实施例。鉴于上面详细描述，能够对实施例做这些或其他改变。
【主权项】
1. 一种操作色谱测距传感器(CRS)系统以执行低反射率工件表面的工件高度测量的方 法，该方法包括： 提供一种CRS系统，当使用在曝光时间的第一标定范围内的曝光时间来操作时，该CRS 系统在整个标定总测量范围上具有有效波长峰值，该标定总测量范围在标定上下测量范围 限制之间是不间断的； 使用自饱和曝光时间来操作CRS，该自饱和曝光时间比在曝光时间的第一标定范围中 的曝光时间要长，其中： 不管工件表面是否位于标定总测量范围中，自饱和曝光时间使该CRS的至少一个探测 器像素饱和达到至少饱和阈值水平，其防止有效波长峰值在标定总测量范围的无效峰值部 分中，从而将有效波长峰值测量位置仅留在标定总测量范围的排除了该无效峰值部分的有 效子集中，该无效峰值部分对应于通过自饱和曝光时间饱和达到至少饱和阈值水平的该至 少一个探测器像素；以及 在CRS的用户接口部分上提供一指示，该指示至少为下述之一 ：（a)基于使用自饱和曝 光时间的工件表面的高度测量，以及(b)包含在标定总测量范围的对应于使用自饱和曝光 时间的该有效子集中的有效峰值测量位置。2. 根据权利要求1所述的方法，其中，提供(a)基于使用自饱和曝光时间的工件表面的 高度测量的指示的步骤，包括将工件表面置于标定总测量范围的有效子集中。3. 根据权利要求2所述的方法，其中，（a)基于使用自饱和曝光时间的工件表面的高度 测量的指示的步骤，包括为工件表面上的各个点提供多个各自高度测量。4. 根据权利要求1所述的方法，其中，指示(b)提供在CRS的用户接□部分上，并且指示 (b)包括下面至少一个：（b-i)包含在标定总测量范围的有效子集中的有效峰值测量位置的 图示，以及(b-ii)工件表面定位在标定总测量范围的无效峰值部分中的指示。5. 根据权利要求1所述的方法，其中，无效峰值部分包括标定总测量范围的两个离散 段。6. 根据权利要求1所述的方法，其中，标定总测量范围的有效子集包括标定总测量范围 的两个离散段。7. 根据权利要求1所述的方法，其中，指示(b)提供在CRS的用户接□部分上，并且指示 (b)包括下面至少一个：（b-i)指示有效峰值测量位置的至少一个不间断子范围的上下限的 显示，所述有效峰值测量位置的至少一个不间断子范围包含在标定总测量范围的有效子集 中，以及(b-ii)有效/无效指示器的第一显示状态，该有效/无效指示器包括第一显示状态 以及第二显示状态，它们分别响应于在标定总测量范围的有效子集中获得的测量和在无效 峰值部分中获得的测量而进行显示。8. 根据权利要求1所述的方法，其中，曝光时间与在CRS的用户接口部分上的相应采样 率相关，并且使用自饱和曝光时间来操作CRS的步骤包括使用对应于自饱和曝光时间的采 样率操作CRS。9. 根据权利要求8所述的方法，其中在曝光时间的第一标定范围中的各个曝光时间与 在采样率第一标定集中的相应采样率相关，该相应采样率被指示在CRS的用户接口部分上， 并且使用自饱和曝光时间来操作CRS的步骤包括使用比包含在采样率第一标定集中的采样 率低的采样率来操作CRS。10. 根据权利要求9所述的方法，其中采样率第一标定集与指示在CRS的用户接口部分 上的第一正常操作模式相关，并且较低采样率与指示在CRS的用户接口部分上的第二高灵 敏度操作模式相关。11. 根据权利要求8所述的方法，其中对应于自饱和曝光时间的采样率最多为60Hz。12. 根据权利要求11所述的方法，其中对应于自饱和曝光时间的采样率最多为35Hz。13. 根据权利要求1所述的方法，其中，使用自饱和曝光时间来操作CRS的步骤在高灵敏 度测量模式下执行，高灵敏度测量模式由用户在CRS的用户接口部分中选择。14. 根据权利要求1所述的方法，在使用所述自饱和曝光时间操作CRS的步骤之前，进一 步包括响应于在CRS的用户接口上的可操作元素的用户选择，获得CRS的自饱和轮廓，其将 标定总测量范围的有效子集与自饱和曝光时间相关联。15. 根据权利要求14所述的方法，其中，提供(a)基于使用自饱和曝光时间的工件表面 的高度测量以及(b)包含在标定总测量范围的对应于使用自饱和曝光时间的有效子集中的 有效峰值测量位置中的至少之一指示的步骤，利用获得的自饱和轮廓，该轮廓为相应自饱 和曝光时间指定了标定总测量范围的有效子集。16. 根据权利要求14所述的方法，进一步包括： 获得CRS的多个自饱和轮廓，其每一个将标定总测量范围的有效子集与相应不同的自 饱和曝光时间相关联，其中不同自饱和曝光时间分别与不同采样率相关;并且 在CRS的用户接口部分上显示不同采样率作为可选择的可操作元素。17. 根据权利要求14所述的方法，进一步包括： 参照获得的自饱和轮廓，自动地将工件表面置于标定总测量范围的有效子集中。18. -种用于执行低反射率工件表面的工件高度测量的色谱测距传感器(CRS)系统，该 CRS系统包括： (a) 光学部分，配置为沿着测量轴临近被测工件表面的不同距离处聚焦不同波长，并且 将从工件表面反射的辐射引向波长探测器； (b) 电子设备部分，包括波长探测器，配置为： 当使用在曝光时间的第一标定范围内的曝光时间来操作CRS系统时， 在整个标定总测量范围上具有有效波长峰值，该标定总测量范围在标定上下测量范围 限制之间是不间断的，以及 当使用比在曝光时间的第一标定范围中的曝光时间要长的自饱和曝光时间来操作CRS 系统时， 不管工件表面是否位于标定总测量范围中，在标定总测量范围的无效峰值部分中没有 有效波长峰值，从而将有效波长峰值测量位置仅留在标定总测量范围的排除了无效峰值部 分的有效子集中，该无效峰值部分对应于通过自饱和曝光时间饱和达到至少饱和阈值水平 的一个或多个探测器像素，该饱和阈值水平防止所述一个或多个探测器像素指示有效波长 峰值；以及 (c) 用户接口部分，配置为提供一指示，该指示至少为下述之一 ：（i)基于使用自饱和曝 光时间，位于标定总测量范围的有效子集内的工件表面的高度测量，以及（ii)包含在标定 总测量范围的对应于使用自饱和曝光时间的有效子集中的有效峰值测量位置。19. 根据权利要求18所述的CRS系统，其中CRS系统包含在机器视觉检测系统中，该机器 视觉检测系统包括可移动的部分，光学部分连接在该可移动的部分上，以相对于工件表面 沿着x-、Y-和Z-方向可移动，其中，机器视觉检测系统配置为相对于光学部分，在标定总测 量范围的有效子集中自动定位工件表面。20.根据权利要求18所述的CRS系统，其中曝光时间与相应采样率相关，并且用户接口 部分显不分别与一个或多个自饱和曝光时间对应的一个或多个米样率。
【文档编号】G01B11/02GK105937877SQ201610298366
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月4日
【发明人】A·M·帕茨沃尔德
【申请人】株式会社三丰