专利名称：高分辨率自动对焦检查系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及幅材制造技术。
背景技术：
幅材制造技术用于多种行业。幅材材料一般是指在幅材横向方向上具有固定尺寸且在幅材纵向方向上具有预定或未定长度的任何片状材料。幅材材料的实例包括(但不限于)金属、纸张、织造材料、非织造材料、玻璃、聚合物薄膜、柔性电路、带材以及它们的组合。有时使用金属材料来制造幅材，所用的金属材料包括钢和铝，但其他金属也可用于幅材制造。织造材料一般是指织物举例来说，非织造材料包括纸张、过滤介质以及绝缘材料。例如，薄膜包括透光的不透明聚合物薄膜，包括层合物和带涂层的薄膜，以及用于计算机显示器、电视机等的多种光学薄膜。幅材制造方法通常利用连续的馈送制造系统，并且通常包括一个或多个电机驱动式或幅材驱动式可旋转的机械部件，例如，辊、浇注轮、皮带轮、齿轮、牵引辊、惰辊等。这些系统通常包括电子控制器，这些电子控制器输出控制信号，以使用电机并且以预定速度驱动幅材。在许多情况下，希望检查幅材材料，看看幅材材料中是否存在瑕疵缺陷。对于设计成具有特定特性或性质的任何幅材材料而言，幅材材料检查可能特别重要，这是为了确保此类特性或性质中不存在缺陷。然而，人工检查会限制幅材制造的通过量，并且可能容易出现人为误差。

发明内容
本发明描述一种用于对幅材材料上的特征进行高分辨率检查的自动检查系统、装置和技术。所述技术可尤其用于对幅材材料进行高分辨率检查，这些幅材材料制造成包括采用微米级的微结构。所述技术可用于对沿着特定幅材行进的幅材材料进行检查，所述特定幅材包括微复制结构和微印刷结构，例如，采用微接触印刷制成的那些结构。此外，所述技术还可用于对输送机上的各个离散物体进行检查。本发明中所述的结构和技术可有利于对高分辨率检查光学器件的准确检查和自动对焦，对焦在小于10微米的公差内。所述自动对焦检查光学器件可补偿z轴上所谓的幅材颤动，所述z轴是指正交于二维幅材或输送机的表面的轴。通过在这些公差内实现自动对焦，可显著改善幅材检查，从而改善与特征大小小于5微米或甚至小于一微米的幅材材料相关的制造过程。在一个实例中，本发明描述一种检查装置。所述检查装置可包括相机组件，所述相机组件包括捕获与所检查的物体相关的光并使所述光准直的物镜；基于准直光形成物体图像的成像透镜；以及呈现图像以用于检查所述物体的相机，其中所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点。所述检查装置还可包括光学传感器，其经定位以检测所述物镜与所述物体之间的实际距离；致动器，其控制所述物镜的定位，以便控制所述物镜与所述物体之间的所述实际距离，其中当所述致动器移动所述物镜时，所述成像透镜保持在固定位置；以及控制单元，其从所述光学传感器接收表示所述实际距离的信号，并且产生用于所述致动器的控制信号，以调整所述实际距离，从而使得所述实际距离保持基本等于所述焦点距离。在另一实例中，本发明描述一种使用检查装置的幅材系统。所述幅材系统可包括幅材材料，其限定幅材纵向维度和幅材横向维度，其中z维度正交于所述幅材纵向维度和所述幅材横向维度；一个或多个幅材引导元件，其将幅材馈送穿过所述幅材系统；以及检查装置。所述检查装置可包括相机组件，所述相机组件包括捕获与幅材材料相关的光并使所述光准直的物镜；基于准直光形成所述幅材材料的图像的成像透镜；以及呈现图像以用于检查所述幅材材料的相机，其中所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点。此外，所述检查装置可包括光学传感器，其经定位以检测所述Z维度上所述物镜与所述幅材材料之间的实际距离；致动器，其控制所述物镜相对于所述幅材材料的定位，以便控制所述Z维度上所述物镜与所述幅材材料之间的所述实际距离，其中当所述致动器移动所述物镜时，所述成像透镜保持在固定位置；以及控制单元，其从所述光学传感器接收表示所述Z维度上的所述实际距离的信号，并且产生用于所述致动器的控制信号，以调整所述Z维度上的所述实际距离，从而使得所述Z维度上的所述实际距离保持基本等于所述焦点距离。在另一实例中，本发明描述一种方法。所述方法可包括经由相对于物体定位的相机组件来捕获所述物体的一个或多个图像，其中所述相机组件包括捕获与所述物体相关的光并使所述光准直的物镜，基于准直光形成所述物体的图像的成像透镜，以及呈现所述一个或多个图像以用于检查所述物体的相机，其中所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点。所述方法还可包括经由光学传感器来检测所述物镜与所述物体之间的实际距离；经由控制单元产生用于致动器的控制信号，所述致动器控制所述物镜的定位，其中所述控制单元从所述光学传感器接收表示所述实际距离的信号，并且基于来自所述光学传感器的所接收的信号来产生所述控制信号；以及应用用于所述致动器的所述控制信号，以调整所述物镜相对于所述物体的定位，以便控制所述物镜与所述物体之间的所述实际距离，从而使得所述实际距离保持基本等于所述焦点距离，其中当所述致动器移动所述物镜时，所述成像透镜保持在固定位置。附图和以下说明中示出了本发明的一个或多个实例的细节。与实例相关的其他特征、目的和优点将从说明和附图以及权利要求书中显而易见。


图1为示出了基于幅材的制造系统的一部分的示意图，该制造系统可实施本发明的一个或多个方面。图2为示出了符合本发明的检查装置的框图。图3为示出了物镜相对于幅材材料的定位的示意图。
图4为示出了光学传感器的示意图，该光学传感器可经配置以实时检测距物体(例如，幅材材料)的实际距离。图5为示出了符合本发明的相机组件的横截面示意图。图6为示出了符合本发明的技术的流程图。
具体实施例方式本发明描述一种用于对幅材材料上的特征进行高分辨率检查的自动检查系统、装置和技术。所述技术可尤其用于对幅材材料进行高分辨率检查，这些幅材材料制造成包括微米级的微结构，包括微复制结构和微印刷结构，例如，采用微接触印刷制成的那些结构。此外，所述技术还可用于对输送机上的物体进行微米级检查。处于此微米级，基于图像的检查可能需要高分辨率光学器件和高分辨率相机设备，以便呈现出可以有利于这种检查的图像，用于对图像进行自动检查或人工检查。然而，高分辨率相机组件通常还限定非常小的焦点公差。例如，将分辨率限定为小于约I微米的相机组件还可将焦点公差限定为小于约2微米。在这种情况下，物体必须精确定位在对应于相机组件的焦点的距离处，例如，在焦点距离的+/_2微米范围内，以便确保由该相机组件呈现对焦的图像。幅材制造方法通常利用连续的馈送制造系统，并且通常包括一个或多个电机驱动式或幅材驱动式可旋转的机械部件，例如，辊、浇注轮、皮带轮、齿轮、牵引辊、惰辊等。实施幅材制造的系统可包括电子控制器，这些电子控制器输出控制信号，以使用电机并且以预定速度和/或预定力来驱动幅材。幅材材料可进行涂覆、挤压、拉伸、模制、微复制、处理、抛光或以其他方式在幅材上进行加工。此外，幅材材料一般是指在幅材横向方向上具有固定尺寸且在幅材纵向方向上具有预定或未定长度的任何片状材料，而且幅材材料的实例包括(但不限于)金属、纸张、织造材料、非织造材料、玻璃、聚合物薄膜、光学薄膜、柔性电路、微复制结构、微针、微接触印刷幅材、带材以及它们的组合。这些材料中的多种材料需要进行检查，以确定制造方法中是否存在缺陷。此类系统中十分可取的是使用基于相机的系统和图像分析而实现的自动检查，而且本发明的技术可以提高自动检查，尤其是高分辨率下的自动检查。由于与高分辨率成像相关的公差要求较严，因此对高分辨率检查而言,对幅材材料进行基于幅材的自动检查可尤其具有挑战性。例如，幅材颤动可致使幅材材料沿着所谓的“z轴”上下移动，并且这种幅材颤动可使幅材材料移动约200微米。由于幅材一般恒定运动，因此幅材颤动可致使高分辨率相机组件离开焦点。本发明描述了可补偿这种幅材颤动并确保相机组件相对于幅材材料保持在焦点上的装置、技术和系统。此外，这些技术还可补偿如下情况例如，幅材松垂、膨胀、弯曲、耗尽、卷曲以及幅材可能发生的由张力引起的起皱或平坦问题。通常，由任何原因引起的成像物体“离开平面”的缺陷可受益于本发明的教导内容。幅材、输送机上的物体或可在穿过相机组件时成像的任何其他物体均可以成像。为了对幅材颤动或任何其他幅材移动或者正在成像的物体或幅材的变化进行这种补偿，可实时对幅材材料(或其他物体)z轴运动进行光学检测，并且可利用对幅材材料的Z轴运动进行的这种光学检测来驱动压电致动器，从而调整相机组件的光学部件的定位。如此，相机组件可在恒定的连续反馈回路中进行调整，从而使得相机组件的物镜与幅材材料之间的距离可在焦点公差内保持在焦点距离处。另外，为了帮助和/或简化在相机组件的物镜与幅材材料之间进行距离调整，可使用压电致动器来只移动物镜，而并不移动相机组件的其他较大的光学部件。因此，当致动器移动物镜时，相机组件的成像透镜(以及相机)可保持在固定位置。图1为示出了示例性基于幅材的制造系统10的一部分的示意图，该系统可实施本发明的一个或多个方面。尽管系统10将用来描述本发明的特征，但用于处理离散物体的输送机系统或其他系统也可受益于从本文的教导内容。系统10包括幅材材料12，所述幅材材料可包括限定幅材纵向维度和幅材横向维度的长片状形成因数。z维度标记为“z轴”并且正交于幅材纵向维度和幅材横向维度。具体而言，本发明的技术可补偿成像系统，以解决沿着图1所示的z轴在z维度上发生的颤动问题。系统10可包括用于将幅材材料12馈送穿过幅材系统的一个或多个幅材引导元件14。幅材引导元件14 一般可表示多种机械部件，例如，辊、浇注轮、空气轴承、皮带轮、齿轮、牵引辊、挤压机、齿轮泵等。为了在制造方法期间检查幅材材料12，系统10可包括符合本发明的检查装置16。具体而言，检查装置16可包括相机组件18，所述相机组件包括捕获与幅材材料12相关的光并使所述光准直的物镜20，基于准直光形成幅材材料12的图像的成像透镜22，以及呈现图像以用于检查幅材材料12的相机24，其中相机组件18限定距物镜20的焦点距离，所述物镜限定相机组件18的焦点。就物镜18可限定组件18相对于所成像的物体的焦点而言，相机组件18的焦点距离可与物镜18的焦点距离相同。相机组件18还可包括多种其他光学元件，例如，镜、波导管、滤光器等。滤光器23可经定位以过滤成像透镜22的输出，从而过滤源自光学传感器26的光。在这种情况下，光学传感器26所用的光的波长可对应于由滤光器23所阻挡的光的波长，这样可避免成像过程中因存在源自光学传感器26的杂散光而出现人工痕迹。在系统10中，光学传感器26可经定位以检测z维度上(例如，沿着图1所标的z轴)物镜20与幅材材料12之间的实际距离。如此，光学传感器26可沿着z维度测量幅材颤动。光学传感器26可产生表示距控制单元28的实际距离的信号，所述控制单元继而可产生用于致动器30的控制信号。致动器30可包括压电晶体致动器，用于控制物镜20相对于幅材材料12的定位，从而控制z维度上物镜20与幅材材料12之间的实际距离。如此，系统10可限定反馈回路，其中实际距离可实时测量并实时调整，从而使得z维度上的实际距离保持基本等于与相机组件18相关的焦点距离。然而，在其他实例中，致动器30可包括音圈致动器、线性电机、磁致伸缩致动器或另一类型的致动器。物镜20可包括单个物镜，或者可包括共同构成物镜20的第一多个透镜。相似地，成像透镜22可包括单个透镜，或者可包括共同构成成像透镜22的第二多个透镜。在一个实例中，成像透镜22可包括共同构成镜筒透镜的第二多个透镜，如下文更详细地解释。根据本发明，致动器30可连接到物镜20，以便移动物镜20而不移动相机组件18的其他部件。这可有助于确保响应时间较快，并且可有助于简化系统10。例如，在致动器30为压电晶体的情况下，可能期望的是限制可由致动器30移动的负载。物镜20的重量可小于整个相机组件18的重量的十分之一。例如，物镜20的重量可小于一英镑(小于O. 455千克)，而相机组件18的重量可大于5英镑(大于2. 27千克)。在一个具体的实例中，物镜20的重量可为O. 5英镑(O. 227千克)，而相机组件18的重量可为10英镑(4. 545千克)。由于透镜20上的光是准直光，因此，物镜20与成像透镜22之间的距离可发生改变，而不会对相机组件18的焦点产生负面影响。然而，同时，物镜20的移动可用来调整相机组件18相对于幅材材料12的焦点，以便抵消幅材材料12轻微移动(例如，颤动)的原因。因此，致动器30可能需要移动物镜20，但不移动相机组件18的其他部件。因此，当致动器30移动物镜20时，成像透镜22和相机24保持在固定位置。如上所述，本发明的技术可尤其用于幅材材料的高分辨率成像。在一些情况下，幅材材料12移动穿过检查装置16，并且在介于25微米与1000微米之间的颤动距离内颤动。检查装置16可相对于幅材材料16定位，并且物镜20可受到实时控制，以确保相机组件18基本保持在幅材材料12的焦点上，因为致动器30对物镜20的定位进行控制，以补偿可随时间变化的颤动距离。相机组件18可限定小于约2微米的分辨率，而且与相机组件18的焦点相关的距物镜20的焦点距离可限定小于约10微米的焦点公差。即使这些公差较严，致动器30(例如，采用压电晶体致动器的形式)也可调整z维度上物镜20与幅材材料12之间的实际距离，从而使得z维度上的实际距离在焦点公差内保持等于焦点距离。在一些情况下，相机组件18的分辨率可小于约I微米，而且相机组件18的焦点公差可小于约2微米，但系统可仍然实现实时调整，足以确保焦点成像。为了正确地实时测量z轴颤动，光学传感器26可用传感器光对幅材材料12进行照明，检测传感器光的反射，并且基于传感器光反射时的侧向定位来确定z维度上(即，沿着z轴)的实际距离。光学传感器26可相对于z维度定位在非正交位置，使得传感器光导向幅材材料12，以便与z维度形成锐角。下文概述光学传感器26的额外细节。图2为示出了符合本发明的检查装置16的一个实例的框图。如图所示，检查装置16包括相机组件18,所述相机组件包括捕获与所检查物体相关的光并使所述光准直的物镜20，基于准直光形成物体的图像的成像透镜22，以及呈现图像以用于检查物体的相机24。如上所述，相机组件18可限定距物镜20的焦点距离，所述物镜限定相机组件18的焦点。光学传感器26经定位以检测物镜20与物体(可为输送机上的离散物体或如上所述的幅材材料)之间的实际距离。致动器30控制物镜20的定位，从而控制物镜20与物体之间的实际距离。控制单元28从光学传感器26接收表示实际距离的信号，并且产生用于致动器30的控制信号，以调整实际距离，从而使得实际距离保持基本等于焦点距离。此外，如果控制单元28为计算机，那么控制单元28还可执行一个或多个图像分析协议或技术，以便对由相机组件18呈现的图像进行分析，看看所成像的一个或多个物体中是否有潜在缺陷。控制单元28可包括用于致动器的模拟控制器，或者在其他实例中，可包括多种计算机或处理器中的任一个。如果控制单元28作为计算机实施，那么它还可包括存储器、输入输出装置，以及任何其他计算机部件。在一些实例中，控制单元28可包括处理器，例如，通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)，或其他等效集成或离散逻辑电路。软件可存储在存储器(或另一计算机可读介质)中，而且可在处理器中执行，以执行本发明的自动对焦技术，并进行任何图像分析，以确定图像是否存在缺陷。为了确保致动器30可及时对物镜20的位置进行实时调整，从而确保相机组件18保持在焦点上，可能需要确保光学传感器26的运行频率比相机24的图像捕获速率高。也就是说，光学传感器26测量物镜20与成像物体之间的实际距离所用的速率可大于相机24的图像捕获速率。此外，光学传感器26进行任何测量与经由致动器30对物镜20的位置进行对应调整之间的响应时间可小于相机24连续两次捕获图像之间的时间间隔。如此，可确保实时响应，以便也确保相机组件18保持在成像物体的焦点上,所述物体可包括本文所述的幅材材料，或者可能还有输送机上经过相机组件18的离散物体。图3为示出了物镜20相对于幅材材料12定位的一个实例的示意图。如图3所示，幅材材料12在经过辊14或系统的其他机械部件时可能会颤动。在实施过程中，幅材材料12移动经过检查装置(图3中未示出)的物镜20，并且可在颤动距离内发生颤动，所述颤动距离可介于25微米与1000微米之间。换句话讲，图3所示的“颤动范围”可介于25微米与1000微米之间。在使用输送机而非幅材材料并且检查输送机上的离散物体的系统中，颤动距离范围可同样在25微米至1000微米的范围内。给定此颤动范围，则物镜20与幅材材料12(图3所示)之间的实际距离可在距离范围内发生变化。然而，通过经由致动器30来调整物镜20的定位，检查装置可相对于幅材材料12更精确地定位。具体而言，根据本发明，物镜20可基本保持在幅材材料的焦点上，因为致动器30控制物镜20的定位，从而补偿颤动范围内的颤动距离。如上所述，因为焦点距离(以及焦点公差)可能非常敏感并且不在颤动范围内，因此高分辨率成像可受益于此类技术。例如，限定小于约2微米的分辨率的相机组件还可限定距物镜20的焦点距离，其中焦点公差小于约10微米。在这种情况下，致动器30可调整实际距离，从而使得该实际距离在焦点公差内保持等于焦点距离。对于分辨率小于约I微米的相机，焦点公差可小于约2微米，即使在这些情况下，本发明的技术也可适应于对物镜20进行实时调整。通常，约200微米的幅材颤动远大于2微米分辨率成像透镜的视野深度，该透镜可限定约10微米的视野深度(即，焦距公差)。在这些情况下，本发明的自动对焦技术可能非常有用。此外，在某些情况下，本发明的技术还可将对幅材平面的相对低频响应或“粗糙”调整与本文所述的相机组件的高频响应相结合。在一个实例中，致动器30可包括得自德国纳米电机有限公司(NanomotionIncorporated)的“PZT透镜驱动器”。得自美国国家仪器公司(National InstrumentsCorporation)的Labiew运动控制卡可用于控制单元28 (见图1),以处理源于光学传感器26的信息并且将控制信号发送到致动器30，以便移动物镜20，用于自动对焦。相机组件18的光学系统可使用具有物镜和镜筒透镜的无限共轭设计，其中只有物镜经由致动器30进行移动，以便于自动对焦，而镜筒透镜保持在固定位置。在一个实例中，光学分辨率可为约2微米，而视野深度可为约10微米。图4为示出了光学传感器26的一个实例的示意图，该光学传感器可经配置以实时检测距物体(例如，幅材材料)的实际距离。光学传感器26还可称为三角测量传感器。在图4的实例中，光学传感器26包括用传感器光对物体进行照明的源41，以及用于检测传感器光的反射的位置敏感检测器(PSD)，光发射会散射物体12的光(图4中未具体示出)。PSD 42基于传感器光反射时的侧向定位来确定实际距离。散射光可随机散射,但是散射光中的大部分可沿着依赖于物体位置的路径返回到PSD 42。为了示出光学传感器26的操作，当物体定位于位置46时，源41穿过点43发光，光在位置46的物体处发生反射，并沿着虚线48穿过点44回传到PSD 42。另一方面，当物体定位于位置47时，源41类似地穿过点43发光，光在位置47的物体处发生反射，但沿着实线49穿过点44回传到PSD 42。PSD 42处所反射的光的侧向运动45依赖于传感器的几何形状和光学部件，但可进行校准，从而使得输出恰好对应于物体所经历的颤动。如图4所示(且也如图1所示)，光学传感器26可相对于物体定位在非正交位置，使得传感器光导向该物体，以便与物体的主要表面形成锐角。这可能较为理想，以便确保光学传感器26在通过相机组件18(见图1)成像的精确点处检测实际颤动，同时确保光学传感器26不会挡住物镜20。颤动对位置可能非常敏感，因此，光学传感器26相对于物体定位在非正交位置，使得传感器光导向物体，以便与物体的主要表面形成锐角，这种布置可能非常理想。在给定非正交位置的情况下，可使用简单的三角学来校准光学传感器26。具体而言，在给定设计成用于检测正交方向上的运动的光学传感器的情况下，如果光学传感器26以本发明所提出的非正交方式定位，那么可使用三角学来计算物体的实际运动。此外，一种准确地校准光学传感器26的简单方式可使用实验数据和经验数据。在这种情况下，可通过直接测量颤动范围内的实际距离来对光学传感器26进行校准。可在极端(例如，与位置46和47相关)以及位置46与47之间的一个或多个中间位置处执行校准。在一个实例中，光学传感器26可包括基恩士 LKH-087 (Keyence LKH-087)传感器，该传感器具有约80毫米的较长工作距离，且可能够使得倾斜入射角相对较小(例如，小于20度)。换句话讲，由源于光学传感器的光与幅材材料的表面构成的锐角可为约70度。光学传感器的定位偏离中心，可确保光学传感器不会阻挡或阻碍由相机组件18(图5中未示出)进行的成像。图5为示出了符合本发明的示例性相机组件50的横截面示意图。相机组件50可对应于相机组件18，但不同于相机组件18，滤光器23并未示为相机组件50的一部分。相机组件50包括物镜52，所述物镜包括第一多个透镜；以及成像透镜54，所述成像透镜包括第二多个透镜。成像透镜54可包括所谓的“镜筒透镜”。区域55对应于物镜52与成像透镜54之间的区域，在该区域中使光准直。相机56包括可对从成像透镜54输出的图像进行检测并呈现该图像的光电检测器元件。在图5的实例中，相机组件50的数值孔径(NA)可为O. 16并且视野可为约12毫米，其中光学分辨率为约2微米。可以一定的捕获速率来捕获图像，所述捕获速率可针对不同应用进行调整。例如，如果使用区域模式相机，那么相机56的捕获速率可为约30帧/秒。又如，如果使用线扫描相机，那么线扫描相机可以约IOOkHz的速度处理线。在任何情况下，本发明都不必限于具有任何具体速度、分辨率或捕获速率的相机。在多数幅材检查应用中，幅材速度可为约数米/分钟。在此幅材速度下，幅材颤动幅度通常为约200微米，而颤动频率通常为几十赫兹。为了让本发明所述的技术追踪幅材颤动移动，致动器30能够以此振幅和此频率来驱动负载(例如，物镜52)，这实际上可限制物镜52的重量。对于视野较大的高分辨率成像透镜而言，可能需要较大的透镜直径和多个透镜元件来校正视野内的像差，这可导致透镜变重(大约数千克)。然而，多数压电致动器仅可以几赫兹来移动一千克的负载。为了克服这种速度限制，图5中所示的相机组件50使用无限共轭光学系统方法。透镜系统可包括两个主要的透镜组、物镜52 (包括第一组透镜)，以及成像透镜54 (采用形成镜筒透镜组的第二组透镜的形式)。光线在物镜与成像透镜之间的区域55处变准直。只有物镜52由压电致动器(图5中未示出)移动。光在区域55中变准直，这可有助于确保物镜52的移动不会使图像质量下降。这种方法可减少与压电致动器相关的负载，因此可增加自动对焦的速度。当致动器移动物镜52时，成像透镜54保持在固定位置。图6为示出了符合本发明的技术的流程图。如图6所示，相机组件18捕获物体的一个或多个图像(61)。如本文所述，相机组件18可相对于物体定位，并且相机组件18可包括捕获与物体相关的光并使所述光准直的物镜20，基于准直光形成物体的图像的成像透镜22，以及呈现一个或多个图像以用于检查物体的相机24。相机组件18限定距物镜20的焦点距离，所述物镜限定相机组件18的焦点。根据图6中的技术，光学传感器26检测物镜20与物体之间的实际距离(62)。随后，控制单元28基于实际距离产生用于致动器30的控制信号(63)。如此，源于控制单元28的控制信号可经由致动器30来控制物镜20的定位。控制单元28从光学传感器26接收表示实际距离的信号，并且基于来自光学传感器的所接收的信号来产生控制信号。随后将控制信号应用于致动器30，以调整物镜20的位置，从而使得实际距离保持基本等于焦点距离(64)。当致动器30移动或调整物镜20时，成像透镜22和相机24保持在固定位置。该过程可作为闭环系统继续执行(65)，以便使相机组件18实时自动对焦，即使在分辨率非常高且焦距公差较严的情况下也是如此。如上所述，本发明的技术可用于检查沿着幅材行进的幅材材料，但也可用于检查在输送机上行进的各个离散物体。本发明中所述的结构和技术可有利于对高分辨率检查光学器件的准确检查和自动对焦，对焦在小于10微米的公差内。所述自动对焦检查光学器件可补偿Z轴上所谓的幅材颤动，所述z轴是指正交于二维幅材或输送机的表面的轴。通过在这些公差内实现自动对焦，可显著改善幅材检查，从而改善与特征大小小于2微米或者甚至小于一微米的幅材材料相关的制造过程。为了检查非常大的幅材，还可能需要在检查系统中实施多个本文所述的检查装置。在此类情况下，多个检查装置可在整个幅材上定位在交错的位置，从而将幅材宽度的一小部分成像。总共可实施大量检查装置来将任何大小和任何宽度的幅材成像并对其进行检查。幅材的宽度以及每个检查装置的视野可决定任何给定的检查系统所需的检查装置的数目。尽管已经在强调对待检查的幅材材料12的表面直接照明的情况下描述了各示例性实施例，但在一些实施例中，可能需要采用背面照明(例如，从幅材的后面照明)，尤其是在目标是找出图案中的短缺或断裂等缺陷的情况下。在需要高分辨率幅材检查的情况下，背面照明方案应最好以相同的强度照明检查视野内的每一点。一种示例性背面照明方案成功地与本发明结合使用，该方案具有两个主要的设计考虑因素。第一个考虑因素是将背面照明光源集中在物镜的入射光瞳上，从而确保由背面照明光源发出的光线可穿过检查光学系统并且到达相机。第二个考虑因素是让光源的每一点在物镜的视野内照明整个样本。为实现第一个设计考虑因素，使用一对透镜来将光源替续到检查透镜的入射光瞳上。为实现第二个设计考虑因素，将样本定位在照明系统的光学器件列的孔径处。更具体地讲，照明科技公司(Illumination Technology)(纽约市埃尔布里奇镇)市售为IT-3900的光源被发现是合适的。还发现，索雷博有限公司(ThorlabS，InC.)(新泽西州州牛顿市)市售为LA1422-A和LA1608-A的替续透镜也被发现适用于提供适于本发明的照明方案。已经描述了本发明的各种实施例。这些和其他实施例均在所附权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种检查装置，其包括 相机组件，其包括捕获与所检查的物体相关的光并使所述光准直的物镜，基于准直光形成所述物体的图像的成像透镜，以及呈现所述图像以用于检查所述物体的相机，其中所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点； 光学传感器，其经定位以检测所述物镜与所述物体之间的实际距离； 致动器，其控制所述物镜的定位，从而控制所述物镜与所述物体之间的所述实际距离，其中当所述致动器移动所述物镜时，所述成像透镜保持在固定位置；以及 控制单元，其从所述光学传感器接收表示所述实际距离的信号，并且产生用于所述致动器的控制信号，以调整所述实际距离，从而使得所述实际距离保持基本等于所述焦点距离。
2.根据权利要求1所述的检查装置，其中 所述物体包括幅材材料，所述幅材材料移动穿过所述检查装置，并且在介于25微米与1000微米之间的颤动距离内颤动， 所述检查装置相对于所述幅材材料定位，并且基本保持在所述幅材材料的焦点上，因为所述致动器控制所述物镜的定位，以补偿所述颤动距离。
3.根据权利要求1所述的检查装置，其中 所述物体包括输送机上的物品，所述物品移动穿过所述检查装置，并且在介于25微米与1000微米之间的颤动距离内颤动，以及 所述检查装置相对于所述输送机上的所述物品定位，并且基本保持在所述物品的焦点上，因为所述致动器控制所述物镜的定位，以补偿所述颤动距离。
4.根据权利要求1所述的检查装置，其中所述物镜包括共同构成所述物镜的第一多个透镜，而且其中所述成像透镜包括共同构成镜筒透镜的第二多个透镜。
5.根据权利要求1所述的检查装置，其中所述相机组件限定小于约2微米的分辨率，而且所述焦点距离限定小于约10微米的焦点公差，其中所述致动器调整所述实际距离，从而使得所述实际距离在所述焦点公差内保持等于所述焦点距离。
6.根据权利要求5所述的检查装置，其中所述相机组件的所述分辨率小于约I微米，而且所述相机组件的所述焦点公差小于约2微米。
7.根据权利要求1所述的检查装置，其中所述光学传感器用传感器光对所述物体进行照明，检测所述传感器光的反射，并且基于所述传感器光反射时的侧向定位来确定所述实际距离。
8.根据权利要求7所述的检查装置，其中所述光学传感器相对于所述物体定位在非正交位置，使得所述传感器光导向所述物体，以便与所述物体的主要表面形成锐角。
9.根据权利要求1所述的检查装置，其中所述致动器包括压电致动器。
10.根据权利要求1所述的检查装置，其中所述物镜的重量小于所述相机组件的重量的十分之一。
11.根据权利要求10所述的检查装置，其中所述物镜的所述重量小于一英镑。
12.—种幅材系统,其包括 幅材材料，其限定幅材纵向维度和幅材横向维度，其中z维度正交于所述幅材纵向维度和所述幅材横向维度；一个或多个幅材引导元件，其将所述幅材材料馈送穿过所述幅材系统；以及 检查装置，其包括 相机组件，所述相机组件包括捕获与所述幅材材料相关的光并使所述光准直的物镜，基于准直光形成所述幅材材料的图像的成像透镜，以及呈现所述图像以用于检查所述幅材材料的相机，其中所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点； 光学传感器，所述光学传感器经定位以检测所述Z维度上所述物镜与所述幅材材料之间的实际距离； 致动器，所述致动器控制所述物镜相对于所述幅材材料的定位，以便控制所述Z维度上所述物镜与所述幅材材料之间的所述实际距离，其中当所述致动器移动所述物镜时，所述成像透镜保持在固定位置；以及 控制单元，所述控制单元从所述光学传感器接收表示所述Z维度上的所述实际距离的信号，并且产生用于所述致动器的控制信号，以调整所述Z维度上的所述实际距离，从而使得所述Z维度上的所述实际距离保持基本等于所述焦点距离。
13.根据权利要求12所述的幅材系统，其中 所述幅材材料移动穿过所述检查装置，并且在介于25微米与1000微米之间的颤动距离内颤动，而且 所述检查装置相对于所述幅材材料定位，并且基本保持在所述幅材材料的焦点上，因为所述致动器控制所述物镜的定位，以补偿所述颤动距离。
14.根据权利要求12所述的幅材系统，其中所述物镜包括共同构成所述物镜的第一多个透镜，而且其中所述成像透镜包括共同构成镜筒透镜的第二多个透镜。
15.根据权利要求12所述的幅材系统，其中所述相机组件限定小于约2微米的分辨率，而且所述焦点距离限定小于约10微米的焦点公差，其中所述致动器调整所述z维度上的所述实际距离，从而使得所述z维度上的所述实际距离在所述焦点公差内保持等于所述焦点距离。
16.根据权利要求15所述的幅材系统，其中所述相机组件的所述分辨率小于约I微米，而且所述相机组件的所述焦点公差小于约2微米。
17.根据权利要求12所述的幅材系统，其中所述光学传感器用传感器光对所述幅材材料进行照明，检测所述传感器光的反射，并且基于所述传感器光反射时的侧向定位来确定所述z维度上的所述实际距离。
18.根据权利要求17所述的幅材系统，其中所述光学传感器相对于所述z维度定位在非正交位置，使得所述传感器光导向所述幅材材料，以便与所述z维度形成锐角。
19.根据权利要求12所述的幅材系统，其中所述致动器包括压电致动器。
20.根据权利要求12所述的幅材系统，其中所述物镜的重量小于所述相机组件的重量的十分之一。
21.根据权利要求20所述的幅材系统，其中所述物镜的所述重量小于一英镑。
22.—种方法,其包括 经由相对于物体定位的相机组件来捕获所述物体的一个或多个图像，其中所述相机组件包括捕获与所述物体相关的光并使所述光准直的物镜，基于准直光形成所述物体的图像的成像透镜，以及呈现所述一个或多个图像以用于检查所述物体的相机，其中所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点； 经由光学传感器来检测所述物镜与所述物体之间的实际距离； 经由控制单元来产生用于致动器的控制信号，所述致动器控制所述物镜的定位，其中所述控制单元从所述光学传感器接收表示所述实际距离的信号，并且基于来自所述光学传感器的所接收的信号来产生所述控制信号；以及 将所述控制信号应用于所述致动器，以调整所述物镜相对于所述物体的定位，以便控制所述物镜与所述物体之间的所述实际距离，从而使得所述实际距离保持基本等于所述焦点距离，其中当所述致动器移动所述物镜时，所述成像透镜保持在固定位置。
23.根据权利要求22所述的方法，其中 所述物体包括幅材材料，所述幅材材料移动穿过所述检查装置，并且在介于25微米与1000微米之间的颤动距离内颤动， 所述检查装置相对于所述幅材材料定位，并且基本保持在所述幅材材料的焦点上，因为所述致动器控制所述物镜的定位，以补偿所述颤动距离。
24.根据权利要求22所述的方法，其中 所述物体包括输送机上的物品，所述物品移动穿过所述检查装置，并且在介于25微米与1000微米之间的颤动距离内颤动，以及 所述检查装置相对于所述输送机上的所述物品定位，并且基本保持在所述物品的焦点上，因为所述致动器控制所述物镜的定位，以补偿所述颤动距离。
25.根据权利要求22所述的方法，其中所述物镜包括共同构成所述物镜的第一多个透镜，而且其中所述成像透镜包括共同构成镜筒透镜的第二多个透镜。
26.根据权利要求22所述的方法，其中所述相机组件限定小于约2微米的分辨率，而且所述焦点距离限定小于约10微米的焦点公差，所述方法还包括 经由所述致动器来调整所述实际距离，从而使得所述实际距离在所述焦点公差内保持等于所述焦点距离。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述相机组件的所述分辨率小于约I微米，而且所述相机组件的所述焦点公差小于约2微米。
28.根据权利要求22所述的方法，其还包括 经由所述光学传感器用传感器光来对物体进行照明； 经由所述光学传感器来检测所述传感器光的反射；以及 基于所述传感器光反射时的侧向定位来确定所述实际距离。
29.根据权利要求22所述的方法，其中所述光学传感器相对于所述物体定位在非正交位置，使得所述传感器光导向所述物体，以便与所述物体的主要表面形成锐角。
30.根据权利要求22所述的方法，其中所述致动器包括压电致动器。
31.根据权利要求22所述的方法，其中所述物镜的重量小于所述相机组件的重量的十分之一。
32.根据权利要求31的方法，其中所述物镜的所述重量小于一英镑。
全文摘要
本发明涉及一种检查装置，其包括相机组件，所述相机组件包括捕获与所检查的物体相关的光并使所述光准直的物镜，基于准直光形成所述物体的图像的成像透镜，以及呈现所述图像的相机。所述相机组件限定距所述物镜的焦点距离，所述物镜限定所述相机组件的焦点。所述检查装置包括光学传感器，其经定位以检测所述物镜与所述物体之间的实际距离；致动器，其控制所述物镜的定位，以便控制所述物镜与所述物体之间的所述实际距离；以及控制单元，其从所述光学传感器接收表示所述实际距离的信号。来自所述控制单元的控制信号可控制所述致动器，以调整所述实际距离，从而使得所述实际距离基本等于所述焦点距离。
文档编号G01B11/14GK103026211SQ201180034519
公开日2013年4月3日 申请日期2011年7月13日 优先权日2010年7月16日
发明者乔轶, J·W·莱, J·J·方丹, S·C·里德, C·P·塔尔诺维斯基, D·L·霍菲尔特 申请人:3M创新有限公司