專利名稱：擴大范圍的聚焦檢測儀器的制作方法
技術領域：
本申請一般涉及機器視覺檢查系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種可用作機器視覺檢查
系統(tǒng)的一部分的擴大范圍的非接觸表面高度和聚焦傳感器。
背景技術：
精確機器視覺檢查系統(tǒng)(或簡化為"視覺系統(tǒng)")可以用來獲得精確的受檢物體的尺寸測量以及檢查各種其他物體的特征。該系統(tǒng)可以包括計算機、照相機和顯微鏡型的光學系統(tǒng)、以及精確鏡臺，該精確鏡臺在多個方向是可以移動以便允許照相機掃描在受檢的工件的特征。 一個示例性的現(xiàn)有技術的可商用系統(tǒng)是可以從位于伊利諾斯州，奧羅拉的MitutoyoAmerica Corporation (MAC)可以獲得的基于計算機的QUICK VISION(g)系列的
視覺系統(tǒng)和QVPAK(g)軟件。QUlCKVISION(g)系列的視覺系統(tǒng)和QVPAK(g)軟件的特征
和操作通常在例如在2003年1月出版的QVPAK 3DCNC視覺測量機器用戶手冊中得以描述，其特此以引用的方式被全部并入。這些系統(tǒng)已知包括各種類型的聚焦測量，用于控制自動聚焦和/或表面高度的測量。 一個已知類型的聚焦測量是基于分析獲得圖像的對比度。對于給定視角，最高的對比度圖像(constrast image) —般對應于所述最佳的聚焦圖像。表面高度的測量可以從最佳的聚焦圖像位置得以推斷，這是因為對應于任何圖像的圖像物體距離通常已知處于精確機器視覺檢查系統(tǒng)中。 另一種類型的聚焦和/或測量是基于使用輔助的聚焦傳感器，其是一種不依靠機器視覺檢查系統(tǒng)的圖像的聚焦傳感器用于確定所述最佳聚集位置或表面高度。各種已知類型的輔助聚焦傳感器已被使用，包括三角測量傳感器、刀口聚焦傳感器、彩色共焦傳感器等。然而，這些已知的輔助傳感器已經(jīng)表現(xiàn)處了一些不足，例如當跟蹤表面高度中的崎嶇臺階時，范圍不足對分辨率、和/或不適當?shù)姆€(wěn)健性。 用于測量從物鏡到工件表面的距離改變的一個類型的傳感器被描述于授予R6SS等人的美國專利第4，336，997號，其由此整個以引用的方式被并入。'997專利公開了一種結構，其中物鏡可以聚焦于測量物體上，聚焦檢測器(例如，位于光電轉換器的前部的最常見的孔徑光闌，在檢測器聚焦面處)可以指示測量物體從最佳焦點的偏移。然而，'997專利沒有公開一種具有非常規(guī)的范圍對分辨率的聚焦檢測器。 為了獲得表面形狀的高分辨率測量， 一種Shack-Hartma皿類型的波前傳感技術已被應用。在此整個以引用方式被并入的授予Neal等人的美國專利第6184， 974號公開了非常平整的表面例如硅片的表面等的微小偏差可以通過從所述表面反射適當?shù)恼彰鞑⑵涠ㄏ虻桨ǘ鄠€子孔徑的Shack-Hartmann波前傳感器得以測量。然而，所述多個子孔徑自動檢測相對的表面輪廓，它們不會檢測到表面的整個范圍(距離)，所述'974專利沒有公開具有非傳統(tǒng)范圍對分辨率的檢測器裝置。 在此整個以引用方式被并入的授予Ulich等人的美國專利第4， 950， 878號公開了一種自適應光學波前控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括被稱為粗/精梯度的傳感器的Shack-Hartmann類型的波前傳感技術，其包含具有不同焦距和不同范圍和靈敏度的兩個Shack-Hartmann類型的傳感器。'878專利的結構提供了一種非傳統(tǒng)范圍對分辨率。然而，盡管'878專利的結構適合于自適應光學控制，但是它不能充分地適合于上述類型的精確機器視覺檢查系統(tǒng)的結構設計限制和范圍條件。 克服了前述和其他確定的聚焦和/或范圍的傳感器會是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
該概述被提供以簡化型式介紹概念的選擇，這些概念在下面更進一步詳細描述。該概述不是為了確定要求權利要求的主題的主要特征，也不是為了用于輔助確定要求權利要求的主題的范圍。 本發(fā)明致力于一種聚焦和范圍檢測儀和方法，其具有延長的范圍對分辨率，并具
有一種特別使用于通用的極小機器視覺檢查系統(tǒng)的結構用于執(zhí)行精確尺寸測量。所述聚焦
和范圍檢測儀還可被簡單地稱為聚焦傳感器，所述聚焦傳感器提供聚焦檢測和/或范圍信
號，這取決于沿著近似平行于物鏡的光軸的方向的傳感范圍內(nèi)的工件表面的位置。 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述聚焦傳感器包含新式的雙距離聚焦檢測器裝置。
所述聚焦傳感器還包括光源、準直透鏡、物鏡以及光束分離表面。在操作中，所述準直透
鏡被配置成以輸入來自所述光源的照明光，并且輸出具有固定準直度或接近準直的照明光
束。所述物鏡被布置成輸入該照明光束并沿著所述聚焦傳感器的光軸將所述照明光束聚焦
在標稱聚焦面以及接收和透射從沿著所述光軸放置的工件反射的反射光束。所述光束分離
表面沿著照明光束被定位在所述物鏡和所述準直透鏡之間，并沿著反射光束定位在所述物
鏡和所述雙距離的聚焦傳感器之間。所述雙距離聚焦傳感器裝置被定位成沿著所述光軸以
接收由所述物鏡和所述光束分離表面透射的反射光束的光。 如在此所使用的，所述光軸一般指的是聚焦傳感器及其雙距離聚焦檢測器裝置的光路的中心線，如下進一步描述。除非文中指出，它不是用于狹義(例如，僅為透鏡元件等的軸)。所述光路的中心線一般可以與物鏡的光軸和所述雙距離聚焦檢測裝置的中心軸重合。所述光路可以是彎曲的或偏斜的，其光軸也同樣如此。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，新式的雙距離聚焦檢測裝置包括根據(jù)第一聚焦檢測原理配置的較寬范圍的聚焦檢測裝置、以及根據(jù)不同于所述第一聚焦檢測原理的第二聚焦檢測原理配置的高分辨率的聚焦檢測器裝置。所述較寬范圍的聚焦檢測器可以包括位于鄰近所述光軸的較寬范圍的聚焦檢測器子孔徑，以及從子孔徑接收光的光電探測器。在各個實施例中，所述光軸穿過所述較寬范圍的聚焦檢測器子孔徑。所述較寬范圍的聚焦檢測器被配置成以提供在所述聚焦傳感器的第一聚焦檢測范圍內(nèi)單調(diào)變化的較寬范圍聚焦和/或范圍信號。所述高分辨率的聚焦檢測器包含一種Shack-Hartma皿結構，該結構包括位于鄰近所述較寬范圍聚焦檢測子孔徑以及位于遠離所述光軸的至少一個子孔徑透鏡，以及從這些透鏡接收光的光電探測器。所述高分辨率的聚焦檢測器被配置成以在小于所述第一聚焦檢測范圍并位于該第一聚焦檢測范圍內(nèi)的第二聚焦檢測范圍上提供高分辨率的聚焦和/或范圍信號。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述高分辨率的聚焦檢測器包含至少第一和第二子孔徑透鏡以及對應的光電探測器，所有這些都被配置成提供至少兩個波前檢測器，該波前檢測器可提供各自的信號，其中所述至少兩個各自信號之間的關系表示在高分辨率聚焦檢測
5器處的反射光束的波前曲率。 根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，所述較寬范圍的聚焦檢測器包含焦距變化透鏡，該透鏡接收穿過所述較寬范圍聚焦檢測器子孔徑的光并將該光透射到所述光電探測器元件。在各個實施例中，所述焦距變化透鏡被配置成將反射光束聚焦在所述光電探測器元件的檢測面之外的焦點處，所有反射光束對應于所述第一焦距檢測范圍。在其他的實施例中，焦距變化透鏡被配置成對于所有反射光束，將所述反射光束聚焦在所述光電探測器元件的檢測面和所述焦距變化透鏡之間的焦點處，所有反射光束對應于所述第一聚焦檢測范圍。在一個實施例中，所述焦距變化透鏡可以重合于和/或提供所述較寬范圍的聚焦檢測子孔徑。
在此所描述的雙距離聚焦檢測裝置包括以前已知的和特別有利的特征的結合。例如，鄰近所述光軸的波前區(qū)域被有利地用于與Shack-Hartmann結構是不同類型的較寬范圍聚焦檢測器結構，雖然所述Shack-Hartma皿結構可以用于所述高分辨率部分。這是有利的，因為沿著所述光軸的Shack-Hartmann子孔徑對波前曲率相對不敏感，并且各種較寬范圍的聚焦檢測器結構可以通過沿著所述光軸具有它們的輸入子孔徑而具有更簡單的結構或更可靠的操作。相反地，遠離所述光軸的Shack-Hartma皿子孔徑對波前曲率敏感，這是高分辨率的聚焦檢測結構所希望的。而且，在公開的這些特征的結合中，所述較寬范圍和高分辨率聚焦檢測結構的子孔徑可以采樣相同的波前，而不需要光束分離表面等。另外，在根據(jù)本發(fā)明的一些實施例中，單個的檢測陣列可以提供與每個子孔徑有關的所有測量信號。
在本發(fā)明的各個實施例中，所述聚焦傳感器包括中繼透鏡裝置，該中繼透鏡裝置沿著光軸布置在所述物鏡和所述聚焦檢測裝置之間，以輸入由所述物鏡透射的反射光束并輸出要被所述聚焦檢測裝置輸入的反射光束。在一些實施例中，所述中繼透鏡裝置可以位于光束分離表面和所述雙距離范圍的聚焦檢測裝置之間。在其他的實施例中，所述中繼透鏡裝置可以位于所述光束分離表面和所述物鏡之間以使所述照明光束穿過它，以及所述反射光束穿過它。在各個實施例中，所述中繼透鏡裝置可以被配置成以擴大所述照明光束并減小所述發(fā)射光束。在使用中繼透鏡裝置的各個實施例中，所述聚焦檢測裝置可以是雙距離聚焦檢測裝置或單距離的Shack-Hartma皿聚焦檢測裝置。在任一情況下，所述中繼透鏡裝置可以延伸所述聚焦傳感器的聚焦檢測范圍。 在各個實施例中，所述中繼透鏡裝置被配置成以使沿著光軸定位在所述中繼透鏡裝置和所述物鏡之間的第一平面成像在位于鄰近所述聚焦檢測裝置的聚焦檢測入射光孔的成像平面。在一些實施例中，所述中繼透鏡裝置可以將鄰近所述聚焦傳感器的物鏡光孔的平面成像到沿著所述光軸鄰近聚焦檢測入射光孔的位置，其中所述物鏡光孔定位成沿著光軸鄰近所述物鏡。 在一些實施例中，所述聚焦傳感器被集成到精確機器視覺檢查系統(tǒng)中，并且所述物鏡包含所述精確機器視覺檢查系統(tǒng)的物鏡。


當結合附圖參照以下詳細描述更好地理解時，將更容易認識到本發(fā)明的前述方面和許多伴隨優(yōu)點，其中 圖1是根據(jù)本發(fā)明的聚焦傳感器的第一實施例的示意圖，其中使用了雙距離聚焦
圖2A、2B和2C是通過雙距離聚焦檢測裝置的第一實施例檢測的波前曲率的三種情況的示意圖； 圖3A和3B圖示雙距離聚焦檢測裝置中的要避免的潛在問題； 圖4A和4B圖示說明示于圖3A和3B中的潛在問題的雙距離聚焦檢測裝置的第二
實施例； 圖5是根據(jù)本發(fā)明的聚焦傳感器的第二實施例的示意圖，其中使用了與雙距離聚焦檢測裝置結合的中繼透鏡裝置的第一實施例； 圖6是圖示與用于雙距離聚焦檢測裝置的各個實施例的光電探測器元件有關的各個特征的示意圖； 圖7是聚焦傳感器的第三實施例的示意圖，其中使用了與各個聚焦檢測裝置結合的中繼透鏡裝置的第二實施例； 圖8是聚焦傳感器的第四實施例的示意圖，其中使用了與單個距離的
Shack-Hartma皿聚焦檢測裝置結合的中繼透鏡裝置； 圖9是圖示圖8的聚焦傳感器的另外部件的示意圖。
具體實施例方式
圖1是聚焦傳感器100的第一實施例的示意圖，其表示了雙距離聚焦檢測裝置110的一般實施例。聚焦傳感器100包括光源10、準直透鏡15、第一光束分離表面20、物鏡30以及雙距離聚焦檢測裝置110。而且圖1還表示了第二光束分離表面25、照相機50、標稱聚焦平面FP以及工件表面40。第二光束分離表面25和照相機50不是聚焦傳感器100的需要的元件。而且，在圖1所示的結構中，聚焦傳感器100集成有包括照相機50的機器視覺檢查系統(tǒng)，所述第二光束分離表面25便于集成。特別地，物鏡30可以由所述機器視覺檢查系統(tǒng)提供，并且可以經(jīng)由穿過所述第二光束分離表面25透射到照相機50的成像光23提供工件檢查像。物鏡30還可以起到聚焦傳感器100的元件的作用，將要沿著聚焦檢測器100的光軸OA從第二光束分離表面25反射的發(fā)射光束13'向所述雙距離聚焦檢測裝置110透射，下面會更詳細地描述。在一些實施例中，成像光23可以是對聚焦傳感器100是不可見的，并且來自所述光源10的光可以對照相機50是不可見的。在其他的實施例中，成像光23和來自光源10的光可以分別提供在與照相機50和聚焦傳感器100的操作同步的不同時間?；谝韵鹿_內(nèi)容將認識到聚焦傳感器IOO還可以獨立操作，在此情況下所述裝置可以被修改以省去第二光束分離表面25和照相機50。 關于聚焦傳感器100的操作，來自光源10的輻射被輸入到準直透鏡15，該準直透鏡15輸出具有固定準直度或近似準直度的照明光束13。照明光束13然后被輸入到第一光束分離表面20，其將它(和偏轉)輸出以便被輸入到第二光束分離表面25，該第二光束分離表面25將它(和偏轉)輸出到物鏡30。物鏡30輸入照明光束13并沿著所述光軸OA將它聚焦在標稱聚焦平面FP。標稱聚焦平面FP位于和相對于物鏡30固定的參考表面REF的距離為ZN0M。 工件表面40沿著光軸OA位于檢測的距離處Z = ZN0M+ A Z，如圖1所示。工件表面40反射聚焦的照明光束13以提供發(fā)射光束13'。物鏡30輸入并透射發(fā)射光束13'。透射的發(fā)射光束13'然后被輸入到第二光束分離表面25，其將它(使其偏轉)輸出以通過
7第一光束分離表面20被輸入，其沿著光軸OA將其輸出，在此其被輸入到雙距離聚焦檢測裝置110。 兩個波前WF(ZN0M)和WF (+A Z)，它們是雙距離聚焦檢測裝置110的潛在輸入，如圖l所示。彎曲波前WF(+AZ)對應于反射光束13'，該反射光束13'對應于極限光線LRl和LR2，并由與標稱聚焦平面FP (例如，對應于工件表面40，如圖1所示)的距離為+ A Z的工件表面產(chǎn)生。極限光線LR1和LR2將在下面參照圖5予以進一步描述。平直的波前WF(ZN0M)對應于發(fā)射光束13'由位于標稱聚焦平面FP處的工件表面(未示出)產(chǎn)生的情況。在各個實施例中，雙距離聚焦檢測裝置110產(chǎn)生聚焦和/或范圍信號，它們?nèi)Q于發(fā)射光束13'的標稱波前曲率，如下更詳細地描述。 在各個實施例中，雙距離聚焦檢測裝置110包括兩個部分在第一、較寬聚焦范圍上操作的較寬范圍的聚焦檢測結構，以及在所述第一聚焦檢測范圍內(nèi)的在第二、較小聚焦檢測范圍上操作的高分辨率的聚焦檢測結構。 一般地，所述較寬范圍聚焦檢測結構提供了可行的低分辨率的信號，甚至對于在其較寬檢測范圍的極限處的嚴重散焦的工件表面大曲率的波前。對于與鄰近所述聚焦平面FP的工件表面對應的較低曲率的波前，高分辨率的聚焦檢測結構將返回可行的高分辨率的信號。如圖l所示，所述較寬范圍聚焦檢測結構可以包含子孔徑元件125以及從子孔徑元件125接收光的光電探測器135。接收的光可以在光電探測器135上形成具有尺寸Dspot(Z)的點DSBR，如下更詳細地解釋。在各個實施例中，所述較寬范圍聚焦檢測子孔徑元件125被布置成以使光軸OA穿過它。所述較寬范圍聚焦檢測器被配置成以提供在其聚焦檢測范圍內(nèi)單調(diào)變化的較寬范圍聚焦和/或范圍信號。高分辨率的聚焦檢測結構包含Shack-Hartmann結構，在圖1所示的實施例中，其包括子孔徑透鏡120A和120B，其遠離所述光軸0A ;以及光電探測器133A和133B，它們接收分別來自點DSA和DSB處的透鏡120A和120B的光?？蛇x擇地，在一些實施例中，每個光電探測器135、133A和133B可以由部分光電探測器陣列130提供，如參照圖6的更詳細地描述。在任何情況下，光電探測器135、133A和133B可以接收能量并經(jīng)由能量和信號連接件150將信號輸出到信號處理和控制電路，(未示出)。 圖2A、2B和2C是由雙距離聚焦檢測裝置210的第一示例性實施例檢測的波前曲率的三種情況的示意圖，其可用于替換圖1的一般雙距離聚焦檢測裝置110。檢測裝置210的部件和操作類似于圖1的檢測裝置110的那些以及，在各個實施中，圖2中以2XX標號的部件可以是與圖1中相似標號為1XX的部件是相似或相同的(例如，部件220A和120A可以是相似或相同的)，除非以下另外描述。 在圖2A-2C的每個中，相同的雙距離聚焦檢測裝置210包括含有子孔徑元件225和光電探測器235的較寬范圍聚焦檢測結構、包含子孔徑透鏡220A和220B以及光電探測器233A和233B的高分辨率聚焦探測結構、以及能量和信號連接件250。在一個實施例中，高分辨率的光電探測器233A和233B可以包含布置成以檢測點DSA和DSB的位置的側向效果(lateral effect)的光電二極管。可選擇地，在一些實施例中，每個光電探測器235、233A和233B可以通過光電探測器陣列230的部分得以提供，如參照圖6更詳細地描述。在一個實施中，光電探測器230可以包含光電探測器陣列，例如照相機芯片等。
關于較寬范圍的聚焦檢測器結構的操作，一部分的反射光束13'的波前穿過子孔徑元件225將在較寬范圍的光電探測器235上形成點DSBR，其將具有尺寸Dspot(Z)，這取
8決于穿過子孔徑元件225的光的最終的收斂或發(fā)散度和波前曲率。所述波前曲率取決于可變距離Z(示于圖l)，因此尺寸Dspot (Z)是可變距離Z的函數(shù)，并表示該可變距離Z。在圖2A-2C所示的實施例中，所述較寬范圍子孔徑元件225包含簡單的孔徑(例如，由類似于以下參照圖6描述的孔徑蓋提供的)。尺寸Dspot(Z)是基于從較寬范圍光電探測器235獲得信號得以確定的。 關于高分辨率的聚焦檢測器結構的操作，反射光束13'的波前的另一部分是通過子孔徑透鏡220A和220B得以聚焦的以分別在高分辨率的光電探測器233A和233B處形成檢測點DSA和DSB。根據(jù)已知的Shack-Hartmann技術，檢測點DSA和DSB的位置隨著輸入波前曲率變化。這些信號由高分辨率的光電探測器233A和233B提供，由此根據(jù)已知技術確定檢測點DSA和DSB的位置坐標SNA(Z)和SNB(Z)。在一個示例性的實施例中，高分辨率的光電探測器233A和233B包含像素陣列，檢測點DSA和DSB每個都可以涵蓋幾個像素，并且質心的計算可以提供子象素的位置插值以確定每個檢測點DSA和DSB的位置坐標。在圖2所示的實施例中，位置坐標SNA(Z)和SNB(Z)是相對于參考位置RP得以測量的，其可以任意選擇。在一個實施例中，參考位置RP可以根據(jù)光電探測器233B的邊緣來指定，如所示。所述兩個位置SN2(Z)和SN1(Z)之間的測量差ASN(Z) = SN2 (Z)-SN1 (Z)表示發(fā)射光束13'的波前曲率度，并可以為波前曲率以及內(nèi)含的可變距離(Z)提供比所述較寬范圍聚焦檢測結構更高的測量分辨率。 圖2A圖示所述雙距離聚焦檢測裝置210輸入平直波前WF(ZN0M)的情況，對應于位于Z = ZNOM處(也就是在聚焦平面FP處)的工件表面。在較高分辨率的聚焦檢測結構中，由于平直的波前WF(ZNOM)，檢測點DSA和DSB分別出現(xiàn)在光電探測器230A和230B，其處于標稱位置坐標SNA (ZNOM)和SNB(ZNOM)處，并對準對應的子孔徑透鏡220A和220B的光軸。所得到的測量差ASN(ZNOM)表示可變測量距離Z(示于圖1)在此情況下是ZNOM。在所述較寬范圍的聚焦檢測結構中，由于平直的波前WF(ZNOM)，光電探測器235上的點DSBR是通過標稱上準直的光形成的，并具有標稱點尺寸Dspot (ZNOM)，其表示波前WF(ZNOM)是平直的并且距離Z是ZN0M。以前的描述與在此使用的傳統(tǒng)方法一致，其中所述標稱位置坐標是SNA (ZNOM)和SNB(ZNOM)，并且當所述照明聚焦高度與所述工件表面高度匹配并且所述最終波前WF (ZNOM)是平直時所述標稱點尺寸是Dspot (ZNOM)。在一般情況下，當所述工件表面從所述波前從所述聚焦平面FP偏離時，所述波前不是平的。 圖2B圖示波前WF(+AZ)的曲率是正值的情況，(例如，類似于波前WF (+A Z)，對應于示于圖1虛線所示的光線(light ray)，這些光線在距離Z = ZNOM+AZ處從所述工件表面40反射)。在高分辨率聚焦檢測器結構中，由于彎曲波前WF(+AZ)，如對于Shack-Hartmann傳感器所已知的，所述檢測點DSA和DSB出現(xiàn)在不是它們的標稱位置的位置，在此情況下分別出現(xiàn)在光電探測器230A和230B上的位置坐標SNA (+ A Z)和SNB (+ A Z)處，以使對應的測量差為ASN(+AZ)。 ASN(+AZ)大于A SN(ZNOM)，并表示產(chǎn)生所述波前的工件表面在超過標稱照明聚焦距離FD的距離+ A Z處。在所述較寬范圍聚焦檢測器結構中，由于彎曲波前WF (+ A Z)，光電探測器235上的點DSBR是通過標稱上會聚的光形成的，并具有小于Dspot (ZNOM)的點尺寸Dspot (+ A Z)，其表示產(chǎn)生所述波前的工件表面處于大于所述標稱照明聚焦距離FD的距離+ AZ處。 圖2C圖示波前WF(-AZ)的曲率是負值的情況。在高分辨率聚焦檢測器結構中，由于彎曲波前WF (_ A Z)，如對于Shack-Hartmann傳感器所已知的，所述檢測點DSA和DSB 出現(xiàn)在不是它們的標稱位置的位置，在此情況下分別出現(xiàn)在光電探測器230A和230B上的 位置坐標SNA(-AZ)和SNB(-AZ)處，以使對應的測量差為ASN(-AZ)。 ASN(-AZ)小 于A SN(ZN0M)，并表示產(chǎn)生所述波前的工件表面處于_ A Z處比標稱照明聚焦距離FD靠近 物鏡30 (示于圖1)。在所述較寬范圍聚焦檢測器結構中，由于彎曲波前WF (- A Z)，光電探 測器235上的點DSBR是通過標稱上發(fā)散的光形成的，并具有大于Dspot(ZN0M)的點尺寸 Dspot (_ A Z)，其表示產(chǎn)生所述波前的工件表面處于距離+ A Z處與所述標稱照明聚焦距離 FD相比更靠近物鏡30。 在圖2A-2C的每個中，所述波前曲率足夠小使得點DSA和DSB分別保持在高分辨 率檢測器233A和233B的范圍內(nèi)，并且所述高分辨率聚焦檢測器結構保持可操作。在此情 況下，所述較寬范圍聚焦檢測器結構產(chǎn)生多余的和/或過多的低分辨率距離測量。然而，對 于較大的波前曲率，將認識到，當點DSA和DSB從它們各自的檢測器移開時，所述高分辨率 的聚焦檢測器結構是不可操作的，并且來自較寬范圍聚焦檢測器結構的低分辨率的信號可 以提供基本的聚焦和/或距離信息以導引聚焦控制操作等。如圖2B和2C所示，所述點尺 寸Dspot具有余度用于較寬范圍檢測器235上的更進一步的尺寸改變，從而即使當點DSA 和DSB處于或超過他們各自的檢測器極限時產(chǎn)生有用的測量信號變化。然而，對于示于圖 2A-2C的較寬范圍聚焦檢測器結構，它提供的另外的測量范圍會由于參照圖3A和3B描述的 理由是相對有限的。 圖3A和3B圖示雙距離聚焦檢測裝置中，特別是具有較寬范圍聚焦檢測器結構中 要避免的潛在問題。圖3A表示具有參照圖2B在前描述的WF(+AZ)的雙距離聚焦檢測裝 置210。圖3B表示具有含顯著的更大量的曲率的波前WF(+ZPR0B)的雙距離聚焦檢測器 裝置210。波前WF(+ZPROB)的曲率致使高分辨率的聚焦檢測器裝置不可操作，并且對于 所述較寬范圍聚焦檢測結構它會是所希望的以便提供有用的信號(例如，有意義的點尺寸 Dspot(+ZPROB))。然而，如圖3A和3B所示，兩個不同程度的波前曲率(對應于兩個不同 Z-距離，+AZ、+ZPR0B)可以在光電探測器235上給出相同的點尺寸，這取決于穿過所述較 寬范圍子孔徑元件225的光線的會聚程度。特別地，如果穿過所述較寬范圍子孔徑元件225 的光線足夠強地會聚以使它們在抵達所述較寬范圍光電探測器235之前穿過、或聚焦然后 發(fā)散以產(chǎn)生與沒有穿過的光線產(chǎn)生的點尺寸相類似的點尺寸，然后不確定的點尺寸，以及 對應的不確定Z-距離測量信號可以得以建立。換句話說，在該不確定點尺寸和Z-距離測 量信號之間，所述點尺寸和Z-距離測量信號將不會單調(diào)改變。為了避免測量不確定性，所 述雙距離聚焦檢測裝置210的聚焦檢測范圍必須被限制以排除非單調(diào)的測量信號，限制其 可允許的聚焦檢測范圍。然而，最大可行的聚焦檢測范圍是所希望的。
圖4A和4B是由雙距離聚焦檢測裝置410的第二示例性實施例檢測到的波前曲率 的兩種情況的示意圖，可用來替換圖1的雙距離聚焦檢測裝置110或圖2的雙距離聚焦檢 測裝置210。檢測裝置410的這些部件和操作類似于檢測裝置210的那些，在各個實施例 中，圖4中以4XX標號的部件可以是與圖2中相似標號為2XX的部件是相似或相同的(例 如，部件420A和220A可以是相似或相同的)，除非以下另外描述。高分辨率的聚焦檢測器 結構的部件、結構和操作(例如，部件420A、420B、430A和430B)可以是相同的，并且沒有被 進一步地描述。
雙距離聚焦檢測裝置410解決了示于圖3A和3B的潛在的極限范圍問題。特別地， 在圖4A和圖4B的每個中，在所述較寬范圍聚焦檢測器結構中，所述較寬范圍的子孔徑元件 425包含焦距變化透鏡。另外，與雙距離聚焦檢測裝置210中的對應部分相比，所述較寬范 圍聚焦光電探測器435相對接近于子孔徑425 。結果，如圖4A所示，子孔徑元件25的焦距 變化透鏡減小了彎曲波前WF(+AZ)的光線的會聚度，并將這些光線聚焦到適當超過所述 光電探測器元件435的檢測平面的位置。同樣地，如圖4B所示，所述子孔徑元件425的焦 距變化透鏡減小了彎曲波前WF(+ZPROB)的光線的會聚度，并且這些光線還被聚焦到超過 所述光電探測器元件435的檢測平面的位置。因此，與參照圖3A和3B的上述不確定的結 果相比，對于相同的波前WF (+ A Z)和WF (+ZPROB)，由所述雙距離聚焦檢測裝置410產(chǎn)生的 點尺寸和測量并非是不確定的。對于示于圖4A和4B的那些之間的波前曲率，所述Z-距離 測量信號將單調(diào)改變。因此，包括子孔徑元件425的焦距變化透鏡的雙距離聚焦檢測裝置 410與所述雙距離聚焦檢測裝置210相比提供了更寬的聚焦檢測范圍。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的聚焦傳感器500的第二實施例的示意圖，其使用了與雙距離 聚焦檢測裝置110結合的中繼透鏡的第一實施例。所述聚焦傳感器500的部件和操作在許 多方面類似于圖1的聚焦傳感器100的那些，并且在各個實施例中，圖5的部件可以類似于 或相同于圖1中類似標號的部件。僅顯著的不同得以在此描述。 聚焦傳感器500解決了另一潛在的極限范圍的問題，并且因此延伸所述范圍。特 別地，如圖1和5所示，在工件表面位于超過聚焦距離FD的情況下(例如，表面40位于超 過所述聚焦平面FP距離A Z時)，反射的極限光線LR1和LR2將會聚。對應于超過聚焦平 面FP的某一距離，對于示于圖1的聚焦傳感器100，所述會聚將會使得在雙距離聚焦檢測器 110的處可用的波前將會如此小以致它沒有填充其子孔徑，致使雙距離聚焦檢測裝置110 產(chǎn)生錯誤結果或是不可操作的。 聚焦傳感器500通過包括中繼透鏡裝置525解決了這個潛在的極限范圍問題，其 中所述中繼透鏡裝置525在該實施例中位于鄰近雙距離聚焦檢測裝置110的輸入端。在各 個實施例中，中繼透鏡裝置525可以包括更多透鏡之一的結構，該透鏡被配置成以使其將 沿著所述光軸位于鄰近物鏡30的物鏡光孔E成像到雙距離聚焦檢測器入射光孔E'的位 置，其中所述入射光孔E'沿著所述光軸位于鄰近雙距離聚焦檢測裝置110的輸入端。在 圖5所示的特定實施例中，中繼透鏡裝置525包含第一中繼透鏡526，該第一中繼透鏡526 被定位成以從第一光束分離表面20輸入反射光束13'，并且將其透射到鄰近雙距離聚焦 檢測裝置110的至少較寬范圍的檢測器子孔徑元件定位的第二中繼透鏡527。第二中繼透 鏡527然后輸出近似填充雙距離聚焦檢測器入射光孔E'的反射光束13'的波前，而不考 慮到所述工件表面的距離，大致如圖5所示。因此，與所述聚焦傳感器IOO相比，包括中繼 透鏡裝置525的聚焦傳感器500至少增加了較寬聚焦檢測范圍，并且在一些實施例中，還可 以增加所述高分辨率的聚焦檢測范圍。將理解到，示于圖5的中繼透鏡525的實施例僅是 示例性的，而不是限制性的。 圖6是圖示與可以用于雙距離聚焦檢測裝置中的子孔徑和光電探測器的一個示 例性的實施有關的各個特征的示意圖600。特別地，示意圖600表示示例性的子孔徑裝置 620，以及對應的示例性的光檢測裝置630。通過與前述實施例對比，將理解到子孔徑裝置 620的中心和光檢測裝置630的中心在雙距離聚焦檢測裝置中沿著所述光軸被對準。
子孔徑裝置620包括含有光透射子孔徑部分625A的較寬聚焦檢測裝置子孔徑元 件625，在各個實施例中其可以包含孔、或焦距變化透鏡。在一些實施例中，光透射子孔徑部 分625A的尺寸可以通過圍繞蓋元件625B得以確定。子孔徑裝置620還可包括多個高分辨 率的聚焦檢測器結構的子孔徑透鏡620A-620F。根據(jù)已知的Shack-Hartmann檢測器的操作 原理，圖示于示意圖600中的子孔徑透鏡620A-620F的操作可以基于以前圖中的描述的實 施例得以理解。 光檢測裝置630包含較寬范圍聚焦檢測結構的光電探測器635，以及多個高分辨 率的聚焦檢測結構的光電探測器633A-633F。光檢測裝置630可以包含光電探測器陣列，例 如可商用的或專門的成像陣列電路等。光電探測器635和633A-633F中的每個可以通過整 個的光電探測器陣列部分得以提供，并且可以因此物理合并于各個實施例和/或在各個實 施例中不能分辨。所述各個檢測器可以通過說明與確定每個點尺寸和位置有關的像素得以 簡單的區(qū)分，其中所述點尺寸和位置根據(jù)前述原理提供了使用元件620和630的雙距離聚 焦檢測裝置中的測量信號。 示于圖6的元件620和630的操作一般通過與以前圖中所述的實施例對比得以理 解。簡單地說，關于所述高分辨率的聚焦檢測結構，所述高分辨率的聚焦子孔徑620A-620F 可以將輸入波前到檢測點DSA-DSF的各個部分分別聚焦在由光檢測裝置630的各部分提供 的高分辨率的光電探測器633A-633F上。在圖6中，光電探測器633A-633F上的"開放"聚 焦點的位置(像素坐標)表示平直(flat)的輸入波前WF(ZNOM)和對應的工件表面距離Z =ZNOM，并且所述填充的聚焦點DSA-DSF的位置(像素坐標)表示彎曲的波前輸入量(例 如，WF(+AZ))以及對應的表面距離Z二ZNOM+AZ。相對于發(fā)現(xiàn)檢測點DSA-DSF的位置(像 素坐標)的各種考慮(例如，通過確定它們的質心位置)在現(xiàn)有技術中是已知的并且在前 面引用的'878專利中進行了更詳細地描述。 簡要地，關于所述較寬范圍的聚焦檢測結構，所述較寬范圍的子孔徑625可以沿 著所述光軸定位以將輸入波前的中心部分透射到由一部分光檢測裝置630提供的較寬范 圍的光電探測器635上的檢測點DSBR。如前所述，檢測點DSBR可以具有與所述輸入波前的 曲率對應的尺寸(例如，直徑或面積)。在圖6中，光電探測器635上的"開放"點DSBR的 整個尺寸表示平直(flat)的輸入波前WF(ZNOM)和對應的工件表面距離Z = ZNOM，并且同 心"填充"點DSBR的整個尺寸表示彎曲的波前輸入量(例如，WF(+AZ))以及對應的表面 距離Z = ZNOM+ A Z。用于發(fā)現(xiàn)陣列檢測器上的檢測點尺寸的各種方法在現(xiàn)有技術中是已知 的，在此不需描述(例如，通過基于具有超過閾值的信號的像素，建立直徑或面積等)。用于 發(fā)現(xiàn)可用于替換檢測器635的光檢測結構上的點尺寸的一個方法被描述在授予Whitehead 等人的美國專利第5， 113， 386號，其特此整個以引用的方式被并入。 應當認識到，在此描述的雙距離聚焦檢測裝置包括各特征的以前未知的和特別有 利的組合。例如，鄰近所述光軸的波前區(qū)域被有利地用于與Shack-Hartma皿為不同類型的 較寬范圍聚焦檢測結構中，即使Shack-Hartmann結構被用于所述高分辨率部分。這是有利 的，因為沿著所述光軸的Shack-Hartmann子孔徑對波前曲率不敏感，并且各種較寬范圍的 聚焦檢測結構通過使它們的輸入子孔徑沿著所述光軸而具有更簡單的結構或更可靠的操 作。相反地，遠離所述光軸的Shack-Hartma皿子孔徑對波前曲率敏感，如所希望的。在這些 特征的公開的組合中，在雙距離聚焦檢測裝置中，所述較寬范圍和高分辨率的聚焦檢測結構的子孔徑可以都采樣相同的波前，而不需要光束分離表面等。另外，在一些實施例中，單 個的檢測陣列可以提供與每個子孔徑有關的所有測量信號。應當認識到，雖然在此圖示的 較寬范圍的聚焦檢測器結構一般具有"點尺寸"類型的檢測器，其他類型的合適較寬范圍的 聚焦檢測器可以定位成使它們的子孔徑位于或鄰近所述光軸(例如，刀口聚焦傳感器等)， 并且可用來替換在此公開的特定結構。在各個實施例中，所述較寬范圍的聚焦檢測結構可 以輸出單個較寬范圍的聚焦檢測器信號或來自多個光電探測器信號(例如，差信號)的信 號，或它可以直接輸出多個光電探測器信號(例如，像素輸出)，這取決于工件的位置，其可 以在外部得以處理以指示所述工件的位置。 圖7是聚焦傳感器700的第三實施例的示意圖，其使用與雙距離聚焦檢測裝置或 單個范圍的聚焦檢測裝置結合的中繼透鏡裝置725'。所述聚焦傳感器700的部件和操作 在許多方面類似于圖5的聚焦傳感器500的那些，并且在各個實施例中，圖7的部件可以在 形式和/或功能上類似于或相同于圖5中類似標號的部件(例如，部件725可以在功能上 類似于部件525)，除了在下面另外描述之外。因此，在以下描述中僅強調(diào)顯著的不同之處。 應當認識到，雖然示于圖7的聚焦傳感器700的布局是具有筆直光軸0A的"線性"布局，這 僅是為了更清楚地表示在下進一步描述的各個特征和/或尺寸之間的關系。光軸OA可以 被配置成類似于以前描述的使用另外部件的聚焦傳感器，如果希望的話。
聚焦傳感器700中的部件的新式的組合和結構為機器視覺系統(tǒng)的聚焦傳感器提 供了獨一無二組合的優(yōu)點。圖7表示聚焦傳感器700可以包括具有物鏡光孔E的物鏡30、 光束分離表面25、照相機50、包含第一中繼透鏡726和第二中繼透鏡727的中繼透鏡裝置 725、光束分離表面20'、準直透鏡15'、光源10'以及具有入射光孔E'的聚焦檢測裝置 710。聚焦傳感器700與示于圖5中的聚焦傳感器500之間的具體差別在于光源10'和光 束分離表面20'被定位成以在第二中繼透鏡727和聚焦檢測裝置710之間的光路中操作。 與聚焦傳感器500相比，所述最終結構提供了新式組合的優(yōu)點并且在實際的實施中特別有 利，如下詳細描述。 關于聚焦傳感器700的操作，來自光源10'的輻射被輸入到準直透鏡15'，如前 所述，其沿著照明光軸IOA輸出照明光束13。照明光束13從所述第一光束分離表面20' 被反射，其使其偏轉以沿著光軸OA穿過所述中繼透鏡裝置725的第二中繼透鏡727和第一 中繼透鏡726，并且然后穿過第二光束分離表面25和物鏡30。物鏡30聚焦標稱聚焦平面 FP處的照明光束13，如前所述。工件表面40反射聚焦的照明光束13以及反射光束13'中 的成像光。包括在反射光束13'中的照明光束光具有波前曲率，其指示工件表面40和標 稱聚焦平面FP之間的關系，如前所述。反射光束13'遵循前述光路，反之，除了在第二光 束分離表面25處，可以包括在反射光束13'中的成像光被反射以給照相機50提供成像光 23，并且反射光束13'的操作部分在第一光束分離表面20'處被透射以穿過入射光孔E' 并進入到聚焦檢測器裝置710中。 如前參照圖5所示，在各個實施例中，對于中繼透鏡裝置725，希望在一些實施例 中使物鏡光孔E成像。與聚焦傳感器500相比，聚焦傳感器700的結構的一個優(yōu)點是第一 中繼透鏡726可以位于更靠近第一光束分離表面25'和所述物鏡光孔E。因此，第一中繼 透鏡26可以滿足該條件，使在一些實施例中具有相對較短的焦距。因此，聚焦傳感器700 可以比聚焦傳感器500更經(jīng)濟和更經(jīng)湊，允許更實際實施。
在圖7所示的實施例中，聚焦傳感器700的中繼透鏡裝置725被配置成以當其穿 過時擴大照明光束13的直徑，以使它過量填充或近似填充物鏡30的物鏡光孔E。應當認識 到，與示于圖5的照明結構相比，該擴大結構允許較小的準直透鏡15'、較小的光束分離表 面20'以及所述準直透鏡15'和光源10'之間的較短的光路長度(對于給定的光源發(fā)散 角)。聚焦傳感器700的所有這些特征允許它比聚焦傳感器500更經(jīng)濟和更緊湊，其在實際 實施中是非常重要的。 示于圖7的實施例的另一重要優(yōu)點在于聚焦傳感器700的中繼透鏡725被配置成 以減小反射光束13'的直徑，其攜帶由聚焦檢測器裝置710檢測到的彎曲波前。由于縮小， 所述波前的曲率增加，其增加了聚焦傳感器700的敏感性。 現(xiàn)在將解釋各個有利設計的關系。在圖7中dOBJE是從物鏡30的位置到物鏡光 孔E的尺寸，fOBJ是物鏡焦距，dERl是從物鏡光孔E到透鏡726的尺寸(或者更一般地為 從所述物鏡光孔E到中繼透鏡裝置725的前主要平面)，fRl是第一中繼透鏡726的焦距， fR2是第二中繼透鏡727的焦距，dR2E'是從第二中繼透鏡727到所述聚焦檢測器裝置710 的入射光孔E'(或者更一般地為從入射光孔E'到中繼透鏡裝置725的后主要平面)的 尺寸。如圖7所示，在各個實施例中，第一中繼透鏡726和第二中繼透鏡727可以間隔開這 些焦距的總和以提供(fRl/fR2)的放大因子。在一個示例性的實施例中，所述放大因子可 以近似為2(例如在1. 5到3的范圍內(nèi))，為了提供上述優(yōu)點，權衡考慮其他的實際設計因 素。 在一些實施例中，如前所述，對于第一中繼透鏡726，最有利的是與物鏡光孔E間 隔開焦距fRl，也就是說，dERl = fRl，為了將物鏡光孔E成像在或鄰近聚焦檢測裝置的入 射光孔E'的平面上。然而，在各個實施例中，條件dERl = fRl是不需要的，并且所述物鏡 光孔E可以被成像在或鄰近聚焦檢測裝置的入射光孔E'的平面上，通過滿足其他條件，如 以下與方程1有關的進一步描述。 在其他實施例中，物鏡光孔E的平面之外的平面可以通過中繼透鏡裝置被成像到 僅大致鄰近所述入射光孔E'的平面(例如，位于在距離所述入射光孔+/_0.5*(11 2￡'的范
圍內(nèi)可操作位置處的成像平面)，可接受的操作仍可以帶來合適限制的透鏡結構和實際的 聚焦范圍。在一些情況下，物鏡光孔E可以大致位于鄰近物鏡主要平面，或在所述物鏡主要 平面和所述中繼透鏡裝置之間。在這些情況下，所述中繼透鏡裝置可以被更一般地描述為 使在所述物鏡和所述中繼透鏡裝置之間的平面成像，受到在下更詳細描述的實際約束或條 件。在圖7所示的特定實施例中，焦距fRl小于dERl的尺寸，也就是說，fRl < dERl。在一 些實際的實施中，這些實施例是有用的以克服空間或部件放置的限制，或實際透鏡的限制。 這些實施例是允許的，假若前述"交叉"和其他類似的"信號極性相反"效果在對于指定的 聚焦傳感范圍內(nèi)沿著光軸OA在所有位置處得以防止。防止交叉的一般原則在于所述聚焦 檢測器被配置成以使所述反射光束的光線在抵達由中繼透鏡裝置成像的平面之前沒有彼 此交叉，至少對于這些光線，它們最終被輸入到所述聚焦檢測裝置。用于防止交叉的定量原 則是((fOBJ-dOBJE)+fRl) >dERl。然而，獨立地，合適受限的指定聚焦傳感范圍在實際中 還有助于防止交叉。例如，如圖7所示，光線LR1'和LR2'將不會引起交叉，這是因為它們 發(fā)散，并且對于使由LR1和LR2表示的光線會聚的合適受限的配置將不會會聚到足以引起 實際聚焦傳感范圍內(nèi)的交叉。而且，聚焦傳感器700的操作對第二中繼透鏡727的成像平面的位置不是很敏感。因此，第二中繼透鏡727不需要在入射光孔E'處成像，雖然這會在 各個實施例中是有利的。 關于合適受限制的透鏡配置，可以在物鏡焦距fOBJ方面加以描述，定性地說，由 于這種描述非常粗略地反應對于給定量的散焦+/_八2，距離物鏡(或物鏡光孔E)多遠會發(fā) 生交叉。特別地，基于經(jīng)驗，在一些實際的實施例中，當(dERl-fRl) < 3.(^f0BJ時已經(jīng)提 供了可接受的操作。其他有利的實施例可以被配置成以滿足條件(dERl-fRl) < 2. 0*fOBJ， 并且甚至更有利的實施例可以被配置成以滿足條件(dERl-fRl) < 1.0*fOBJ。當可以互換 的物鏡要用于聚焦傳感器例如聚焦傳感器700中時，以前關系中的fOBJ應當是所述可互換 透鏡中最短的焦距。當然，如果dERl近似等于fRl，不用考慮可以使用更寬范圍的可互換物 鏡。 如前所述，在各個實施例中，第一中繼透鏡726和第二中繼透鏡727的焦距不需分 別與尺寸dERl和dR2E'匹配，以便將物鏡光孔E成像在聚焦檢測裝置入射光孔E'上。并 且，存在其他的情況，即在此所述物鏡光孔E將會被成像在聚焦檢測器入射光孔E'上。例 如，在中繼透鏡裝置725提供2 : l放大因數(shù)的實施例中，在滿足以下條件的任何結構中， 物鏡光孔E將會被成像在聚焦檢測器入射光孔E'上，其中所述條件為 <formula>formula see original document page 15</formula>
方程1 對于其他的放大因子存在類似的條件，這可以通過本領域內(nèi)的技術人員得以確 定。因此，在大部分的實施中，將物鏡光孔E成像在聚焦檢測裝置入射光孔E'上的想法可 以通過設計中適當注意得以實現(xiàn)。 如上所述，由于通過中繼透鏡裝置725縮小了反射光束13'，因此表示反射光束 13'中的波前的聚焦曲率得以增加，其可以增加聚焦傳感器700的敏感性。因此，如果在此 公開的雙距離聚焦檢測裝置被用于聚焦傳感器裝置710，那么另外的敏感性可以用來增加 所述聚焦檢測裝置的高分辨率的Shack-Hartmann部分的分辨率。相反，也可以維持所述 高分辨率的Shack-Hartmann部分的分辨率，并且使用另外的敏感性以擴展其有效范圍(例 如，通過使用數(shù)值孔徑較小的物鏡)。圖8和9的聚焦傳感器采用后者的方法。結果，在一 些實施例中，雙距離聚焦檢測裝置是不需要的。而是，單個距離的Shack-Hartmann聚焦檢 測裝置可以用來提供滿足應用數(shù)量的指定聚焦范圍。 圖8和9是分別表示擴展范圍的聚焦傳感器800的第四實施例的上下部分的 800-U和880-L的示意圖。聚焦傳感器800使用與單個距離的Shack-Hartmann聚焦檢測裝 置710'結合的中繼透鏡裝置725'。所述聚焦傳感器800的部件和操作在許多方面類似 于圖7的聚焦傳感器700的那些，并且在各個實施例中，圖8和9的部件可以類似于或相同 于圖7中類似標號的部件(例如，部件726'可以在功能上類似于部件726)，除了在下面另 外描述之外。因此，僅顯著的不同在以下描述中得以強調(diào)。聚焦傳感器800和圖7的聚焦 傳感器700之間的主要不同包括加入幾個轉動鏡740-749，使用這些轉動鏡是為了將光軸 OA和IOA折疊成緊湊結構，并且使用新式的Shack-Hartma皿聚焦檢測裝置710'。聚焦傳 感器800中的部件的新式組合和布置提供了獨一無二的優(yōu)點組合，并且特別適合于集成到 機器視覺檢查系統(tǒng)的光學系統(tǒng)中。
如圖8所示，聚焦傳感器800的主要部件包括光源10〃 、準直透鏡15〃 、第一光 束分離表面20"、具有入射光孔E'的聚焦檢測裝置710'(這將在下面進行更詳細地描 述)、分別包含第一和第二中繼透鏡726'和727'的中繼透鏡裝置725'、以及第二光束分 離表面25"，其使聚焦傳感器的可操作光束在所述X-Y平面和Z方向之間轉動。沿著光軸 0A在Z方向繼續(xù)，如圖9所示，所述聚焦傳感器800還包括具有物鏡光孔E的可互換物鏡 30'。上述部件之間的一般操作和相互關系可以通過與圖7的在前描述類比得以理解，并 且這將在下面進一步地描述。 關于操作聚焦傳感器800，來自光源10〃的輻射被指向轉動鏡740并且然后被輸 入到準直透鏡15"，其沿著照明光軸I0A輸出照明光束13。照明光束13從所述第一光束 分離表面20"被反射。在圖8所示的實施例中，第一光束分離表面20"是通過光束分離 板，而不是管道來提供，以避免沿著光軸0A和/或I0A從管道表面返回的多余反射。從第 一光束分離表面20"，照明光束13被偏轉以沿著光軸0A穿過第二中繼透鏡727'，其將 它向轉動鏡742聚焦并且然后聚焦在中繼透鏡焦平面RLFP。如圖8所示，所述第二中繼透 鏡的焦距fR2等于距離(L5+L5')的總和。從中繼透鏡焦平面RLFP，照明光束13繼續(xù)到 轉動鏡744并且被偏轉以沿著光軸OA穿過第一中繼透鏡726'，在此照明光束13變成準 直的，并沿著所述光軸向轉動鏡749傳送。如圖8所示，所述第一中繼透鏡的焦距fRl等于 距離(L4+L4')的總和。示于圖8的中繼透鏡725'的特定實施例提供了 2 : 1的放大因 子。因此，與參照圖7描述的特征相似，聚焦傳感器800的照明結構是緊湊的并產(chǎn)生相對較 小的直徑照明，其通過穿過中繼透鏡裝置725'被放大到所希望的直徑(例如，用于填充所 述物鏡的物鏡光孔)。從轉動鏡749繼續(xù)，所述準直照明光束13被朝向第二光束分離表面 25〃反射，最佳示于圖9，在該實施例中，其將所述準直照明光束13從X-Y平面轉動到沿著 Z方向對準。所述照明光束然后沿著所述光軸0A傳送以穿過所述物鏡光孔E和物鏡30'， 如圖8和9所示，從所述物鏡光孔E到第一中繼透鏡726'的尺寸，被指定為dERl，等于距 離(Ll+L2+L3)的總和。 物鏡30將照明光束13聚焦在標稱聚焦平面FP上，如前所述。工件表面40反射聚 焦的照明光束13以及反射光束13'中的成像光。包括在反射光束13'中的照明光束光具 有波前曲率，其指示工件表面40和標稱聚焦平面FP之間的關系，如前所述。反射光束13' 遵循前述光路，相反，除了在第二光束分離表面25"處，在一些實施例中可以包括在反射光 束13'中的成像光被透射以給照相機50提供成像光23，該成像光23可在一些實施例中可 以被定向到主機視覺檢查系統(tǒng)的照相機中。在一些實施例中，各個光束分離表面和轉動鏡 可以包括合適的二色性涂層，以便有效地傳送所述聚焦傳感器光束，同時還允許有效使用 白色光用于成像。從第二光束分離表面25〃 ，反射光束13繼續(xù)反向沿著照明光束13的前 述光路，除了反射光束13'的有效部分(operative portion)在第一光束分離表面20"被 透射到聚焦檢測裝置710'的入射光孔E'。將認識到，由于由中繼透鏡裝置725'為反射 光束13'提供的l : 2的縮小因子，包括的波前曲率得以增加，其增加了 Shack-Hartma皿 聚焦檢測裝置的信號，以及聚焦傳感器800的敏感性，如前所述。反射光束13'的直徑減小 的另一優(yōu)點是其考慮了 Shack-Hartma皿聚焦檢測裝置710'的較小的、更經(jīng)濟的、光學部 件和布局。 示于圖8的Shack-Hartma皿聚焦檢測裝置710'的實施例被獨一無二地配置成與上述各個特征組合使用以便相對于前面公開的結構的聚焦傳感器800更進一步增加敏感 性。在圖8所示的實施例中，Shack-Hartma皿聚焦檢測裝置710'的大量部件包括對稱部 分710' partA和710' partB、以及中心90度的分光束棱鏡或反射鏡790。
使被減小的反射光束13'減小的曲率增加的優(yōu)點不能通過使用并排的子孔徑透 鏡的在前公開的Shack-Hartmann結構而實際認識到。足夠小以便并排定位在減小的反射 光束13'中的精確透鏡不是很容易得到，即使大部分的反射光束13'的光落在該子孔徑 透鏡之外，降低了檢測器的信噪比。相比之下，聚焦檢測裝置710'采用較小的光束直徑。 實際上，聚焦檢測裝置710的入射光孔E'是通過反射光束13'和所述分光束棱鏡790的 交叉得以提供，以使聚焦檢測裝置710'使用所有可用光。 對稱部分710' partA和710' partB中的每個包括分別指定有A或B后綴的部 件，其包括透鏡720、轉動鏡746、偏轉加強透鏡721以及光電探測器733。在操作中，分光束 棱鏡790分開反射光束13'，而不論其尺寸如何，并在相對方向轉動所述光束的兩半部分， 其允許使用精確、經(jīng)濟以及容易得到的部件的布局。在對稱部分710'的A部分或710'的 B部分中的每個中，攜帶所述波前曲率的半光束被定向成穿過透鏡720，并且其聚焦所述半 光束并提供初始的側向偏轉，這取決于其波前曲率。在該實施例中，透鏡720不是限制性的 孔徑。而是，它透射所有的半光束的光。所述最終的半光束前進到轉動鏡746并被定向成 朝向偏轉加強透鏡721。偏轉加強透鏡721(其在該實施例中是布置在新式的結構中的負透 鏡，其沿著光軸相對更遠離透鏡720并且相對更鄰近光電探測器733(例如，至少距離透鏡 720比距離光電探測器733遠兩倍))提供另外的側向光束偏轉，這取決于它在何處接收到 幾乎聚焦的、初始偏轉的半光束。在另一實施例中，正透鏡例如球狀透鏡，可以用于偏轉加 強透鏡。在透射過偏轉加強透鏡721之后，另外偏轉的半光束被聚焦在檢測器733上的點 DS。光電探測器733可以在此包含以前描述的任何光電探測器。在一個實施例中，光電探 測器733是橫向效應光電二極管(lateral effect photodiode)。 來自聚焦檢測裝置710'的兩個部分的點DSA和DSB提供對應的信號，其可以在此 如前述一樣得以處理以表示AZ禾P /或有關的散焦(例如，類似于與點DSA和DSB對應的 信號和它們有關的處理，如參照圖2A-2C所述)。在另一實施例中，分光束棱鏡790可以被 傳統(tǒng)的光束分離表面(例如，50%的透射和50%的反射表面)所替代，其提供來自反射光束 13'的子光束，其中之一直接透射過光束分離表面。與上述那些相似或相同的部件，例如， 部分710'的A部分的那些，可以被"重新定位"以接收和導引透射光束從而在檢測器733A 上提供功能類似的聚焦點DSA。更一般地說，可以使用能提供所希望的尺寸、精確度和范圍 的任何單個距離的Shack-Hartmann聚焦檢測裝置。 示于圖8和9的聚焦傳感器800的實施例是其中所述物鏡光孔E不需成像在聚焦 檢測器入射光孔E'上的結構的一個例子。例如，在一個實施例中，從第二中繼透鏡到透鏡 720A和720B的光路長度近似與第二中繼透鏡727'的焦距fR2相同，并且到入射孔徑E' 的光路長度近似小于10毫米。物鏡30'的焦距長度fOBJ近似為40毫米，第一中繼透鏡 726'的焦距fRl是60毫米，并且從出口孔徑E到第一中繼透鏡726'的尺寸dERl近似為 dERl = (Ll+L2+L3) = (55毫米+26. 5毫米+26毫米)=107. 5毫米。因此，在該實施例 中，(dERl-fRl) < 1.2承fOBJ，根據(jù)以前公開的限制條件，它是適當受限的透鏡結構。該實施 例還相對接近滿足方程l的條件。在實際中，前面的實施例適合于多個實際應用，并提供可用的聚焦范圍，其對于具有景深大約為17微米的2. 5X物鏡可以在8毫米的量級，或者更一 般地，對于在此所述的設計條件兼容的任何物鏡，提供在450 "景深"量級上可用的聚焦范 圍。盡管該聚焦檢測范圍十分大，但是在其他的實施例中，配置dR2E'和/或fRl和/或 dERl會更加有利以使它們實現(xiàn)由方程1給定的條件，其將所述物鏡光孔E成像在聚焦檢測 入射光孔E'上。 盡管已經(jīng)圖示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但是基于公開內(nèi)容，在圖示和描述 的特征結構和操作次序中的許多變化對本領域內(nèi)的技術人員是顯而易見的。因此，將認識 到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可在其中進行各種改變。
與相關申請交叉引用 本申請是美國專利申請第11/941,805號的部分繼續(xù)申請，其中所述美國專利申 請第11/941， 805號于2007年11月16日提交，根據(jù)35U. S. C. § 120特此要求其提交日的 優(yōu)先權，該申請的公開內(nèi)容特此以引用的方式被并入于此。
權利要求
一種用于提供聚焦檢測信號的聚焦傳感器(100，500，700)，其中所述聚焦檢測信號取決于沿著近似平行于物鏡(30，30′)的光軸(OA)的方向在聚焦檢測范圍內(nèi)的工件表面(40)的位置，所述聚焦傳感器包括光源(10，10′，10″)；準直透鏡(15，15′，15″)，該準直透鏡被配置成輸入來自所述光源的輻射并輸出具有固定準直度的照明光束(13)；物鏡(30，30′)，該物鏡被配置成以輸入所述照明光束并沿著所述裝置的光軸(OA)將所述照明光束聚焦在標稱焦平面(FP)以及接收和透射從沿著所述光軸定位的工件表面(40)反射的反射光束(13′)；聚焦檢測裝置(525，725，725′)，該聚焦檢測裝置被沿著所述光軸定位以接收來自由所述物鏡透射的反射光束的光；第一光束分離表面(20，20′，20″)，該第一光束分離表面沿著照明光束定位在所述物鏡和所述準直透鏡之間，且沿著反射光束定位在所述物鏡和所述聚焦檢測裝置之間；以及中繼透鏡裝置(525，725，725′)，該中繼透鏡裝置沿著光軸位于所述物鏡和所述聚焦檢測裝置之間，所述中繼透鏡裝置被配置成輸入由所述物鏡透射的反射光束并輸出要由聚焦檢測裝置輸入的反射光束，其中所述中繼透鏡裝置被配置成將沿著光軸位于所述中繼透鏡裝置和所述物鏡之間的第一平面成像到位于聚焦檢測裝置的聚焦檢測器入射光孔(E′)附近的成像平面；所述聚焦檢測裝置包含根據(jù)Shack-Hartmann聚焦檢測原理配置的部件；以及所述聚焦檢測器被配置成以使被輸入到所述聚焦檢測裝置的反射光束的光線在所述第一平面處成像之前不彼此交叉。
2. 如權利要求l的聚焦傳感器，其中所述第一光束分離表面沿著光軸被定位在所述中繼透鏡裝置和所述聚焦檢測裝置之間，并且被布置成以使它偏轉由所述準直透鏡輸出的照明光束，使之穿過所述中繼透鏡裝置。
3. 如權利要求2的聚焦傳感器，其中所述中繼透鏡裝置被配置成以在1. 5到3. 0范圍內(nèi)的放大因子將所述照明光束放大。
4. 如權利要求1的聚焦傳感器，其中所述中繼透鏡裝置的前主要平面和物鏡光孔(E)之間的尺寸是dERl，所述中繼透鏡裝置的后主要平面和聚焦檢測器入射光孔之間的尺寸是dR2E'，所述中繼透鏡裝置的前焦距是fRl，所述中繼透鏡裝置的后焦距是fR2，所述物鏡的焦距是fOBJ，以及所述聚焦傳感器被配置成以使(dERl-fRl) < (WfOBJ)，在此K小于3. 0。
5. 如權利要求4的聚焦傳感器，其中所述聚焦傳感器被配置成以使所述成像平面位于距離所述焦距檢測器入射光孔的+/-0. 5*dR2E'的范圍內(nèi)。
6. 如權利要求5的聚焦傳感器，其中所述第一平面近似與所述物鏡光孔的位置重合，并且所述成像平面近似與所述聚焦檢測器入射光孔的位置重合。
7. 如權利要求6的聚焦傳感器，其中fRl在標稱上等于dERl。
8. 如權利要求1的聚焦傳感器，其中所述聚焦檢測裝置是雙距離聚焦檢測裝置(110，210)，其包含較寬范圍的聚焦檢測器結構，該較寬范圍的聚焦檢測器結構是根據(jù)不同于Shack-Hartmann聚焦檢測原理的第一聚焦檢測原理被構成的，并被配置成以提供在所述聚焦傳感器的第一聚焦檢測范圍內(nèi)單調(diào)變化的至少一個較寬范圍聚焦檢測器信號，所述較寬范圍的聚焦檢測器結構包括位于所述光軸附近的較寬范圍的子孔徑(225,625)，以及較寬范圍的光電探測器(635，635)，該較寬范圍的光電探測器(635,635)被布置成以接收來自所述較寬范圍的子孔徑的透射光并輸出至少一個較寬范圍的聚焦檢測器信號；以及高分辨率的聚焦檢測器結構，該高分辨率的聚焦檢測器結構根據(jù)Shack-Hartmann聚焦檢測原理得以配置，并被配置成以在小于并位于所述第一聚焦檢測范圍內(nèi)的第二聚焦檢測范圍上提供至少一個高分辨率的聚焦檢測信號，所述高分辨率的聚焦檢測器結構包括位于鄰近所述較寬范圍的子孔徑并遠離所述光軸的至少一個相應的高分辨率的子孔徑(220A， 220B， 620A-F)，以及相應的高分辨率光電探測器(233A， 233B， 633A-F)，該高分辨率光電探測器(233A，233B，633A-F)被布置成以接收來自所述相應的高分辨率的子孔徑的透射光并輸出高分辨率的聚焦檢測器信號。
9. 如權利要求l的聚焦傳感器，其中所述聚焦檢測裝置是單個范圍的Shack-Hartmann聚焦檢測裝置。
10. 如權利要求9的聚焦傳感器，其中所述單個范圍的Shack-Hartmann聚焦檢測裝置包含光束分離元件(790)，該光束分離元件被布置成接收由所述聚焦檢測裝置輸入的反射光束，以使所述反射光束被分成第一和第二拆分部分(13A' ，13B');第一和第二組的部件(710' PartA，710' PartB)，每組的部件包含第一偏轉透鏡(720A，720B)、偏轉加強透鏡(721A，721B)以及光電探測器(733A， 733B)，其中所述第一偏轉透鏡被布置成以接收所述拆分部分的相應的一個并取決于其波前曲率偏轉該拆分部分，以及沿著光路聚焦被偏轉的拆分部分并穿過所述偏轉加強透鏡以便大致聚焦在所述光電探測器處。
11. 如權利要求10的聚焦傳感器，其中所述偏轉加強透鏡距離所述第一偏轉透鏡比它距離所述光電探測器至少遠兩倍。
12. 如權利要求10的聚焦傳感器，其中所述光束分離元件是90度的分光束棱鏡，該分光束棱鏡沿著相對方向反射第一和第二光束部分。
13. 如權利要求l的聚焦傳感器，其中所述中繼透鏡裝置包含第一中繼透鏡，該第一中繼透鏡被布置成以輸入所述反射光束并將它透射到第二中繼透鏡，該第二中繼透鏡被布置成以輸出要由所述聚焦檢測裝置輸入的反射光束。
14. 如權利要求l的聚焦傳感器，其中所述聚焦傳感器被集成到精確機器視覺檢查系統(tǒng)，并且所述物鏡包含所述精確機器視覺檢查系統(tǒng)的物鏡。
15. 如權利要求14的聚焦傳感器，其中所述聚焦傳感器還包含第二光束分離表面(25，25' ，25〃 )，該第二光束分離表面沿著被定位在所述第一中繼透鏡裝置和所述物鏡之間，并另外沿著成像路徑被定位在所述物鏡和所述精確機器視覺檢查系統(tǒng)的照相機(50)之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種擴大范圍的聚焦傳感器。所述聚焦傳感器包括中繼透鏡組件以將物鏡和所述中繼透鏡裝置之間的平面成像到鄰近所述聚焦傳感器的聚焦檢測裝置的入射光孔的平面。在一些實施例中，所述物鏡光孔被成像在所述聚焦檢測器入射光孔上。在一些實施例中，照明光束穿過所述中繼透鏡裝置并在其通道上被放大以便由所述物鏡輸出，并且所述反射聚焦檢測光束回穿過所述物鏡和所述中繼透鏡裝置，并在被輸入到所述聚焦檢測裝置之前被減小。在一些實施例中，所述聚焦檢測裝置可以包含與高分辨率的Shack-Hartmann聚焦檢測器結合的較寬范圍的聚焦檢測器，以及在其他的實施例中使用了單個延伸范圍的Shack-Hartmann聚焦檢測器。
文檔編號G01J9/00GK101769717SQ200910138110
公開日2010年7月7日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權日2008年12月29日
發(fā)明者埃里克·H·阿爾滕多夫, 斯科特·哈西拉, 馬修·D·沃森 申請人:株式會社三豐