[发明专利]利用多点自动对焦将光学组件部分的光轴对准为垂直于工件表面的系统和方法

权利要求书

1.一种计量系统，包括：

光学组件部分，其包括：

光源；

物镜，其输入由所述光源照射的工件表面产生的图像光，并且沿着成像光路传输所述图像光，其中所述物镜限定所述光学组件部分的光轴，所述光轴至少在所述物镜和所述工件表面之间延伸；和

相机，其接收沿所述成像光路传输的成像光并提供所述工件表面的图像；

调整机构，其被配置为改变所述光学组件部分和所述工件表面之间的距离并且相对于工件表面旋转光学组件部分以改变光学组件部分的光轴相对于工件表面的角度取向；

一个或多个处理器；以及

存储器，所述存储器耦合到所述一个或多个处理器并且存储程序指令，所述程序指令当由所述一个或多个处理器执行时使所述一个或多个处理器至少：

控制所述调整机构移动光学组件部分以将工件表面定位在光学组件部分的焦点Z自动对焦范围内；

使用光学组件部分在焦点Z自动对焦范围内捕获工件表面的图像堆叠，其中图像堆叠包括工件表面的多个图像并且图像堆叠的每个图像对应于不同的自动对焦高度；

基于图像堆叠的至少三个对应的感兴趣区域确定工件表面的至少三个位置的自动对焦高度；

至少部分地基于所述至少三个位置处的自动对焦高度控制所述调整机构以：

相对于所述工件表面旋转所述光学组件部分以将所述光学组件部分的光轴与所述工件表面的表面法线名义上对准；和

调整所述光学组件部与所述工件表面的距离；和

在所述工件表面上执行限定操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学组件部分还包含包括在成像光路中的可变焦距(VFL)透镜，并且其中所述物镜沿着所述成像光路通过VFL透镜传输图像光并且所述相机接收所述VFL透镜沿所述成像光路传输的成像光。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述VFL透镜是可调声学梯度(TAG)透镜，其被配置为非机械地改变焦距，并且为此通过周期性地调制TAG透镜的光焦度来控制所述光学组件部分的周期性调制的聚焦位置。

4.根据权利要求2所述的系统，其中在所述工件表面上执行的限定操作包括利用所述VFL透镜捕捉所述工件表面的一个或多个图像。

5.根据权利要求2所述的系统，其中在所述工件表面上执行的限定操作包括利用所述VFL透镜捕获图像堆叠，同时所述光学组件部分的光轴与所述工件表面的表面法线名义上对准，为此所述图像堆叠包括所述工件表面的多个图像并且所述图像堆叠的每个图像对应于所述光学组件部分沿所述光轴的方向的不同聚焦位置。

6.根据权利要求1所述的系统，其中确定所述工件表面的至少三个位置的自动对焦高度包括至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析来确定每个感兴趣区域的聚焦曲线数据，其中对于至少三个位置中的每一个，相应感兴趣区域的聚焦曲线数据的峰值指示相应的自动对焦高度。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述程序指令当由所述一个或多个处理器执行时还使所述一个或多个处理器：

至少部分地基于至少三个位置处的自动对焦高度确定工件表面的表面法线；和

确定调整信息以控制调整机构至少部分地基于确定的表面法线旋转光学组件部分。

8.根据权利要求1所述的系统，其中所述限定操作包括用于确定工件表面的特征的尺寸的测量操作。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述限定操作包括点自焦点(PFF)操作，其包括：

获取包括多个图像的图像堆叠，每个图像对应于沿着与光轴重合的成像光轴的光学组件部分的聚焦位置，以及

至少部分地基于对图像堆叠的图像的分析确定聚焦曲线数据，其中聚焦曲线数据指示工件表面上的多个表面点的3维位置。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述限定操作包括在工件表面上执行的机加工操作，其中机加工操作的机加工轴为以下至少一种：名义上与光学组件部分的光轴重合或名义上与其平行。