韌體更新 1.11/1.12 – heliInspect™ 與 heliCam™ Gen4 平台改進

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透過韌體版本 1.11 和 1.12，Heliotis 持續發展 heliInspect 和 heliCam 的 Gen4 平台。除了眾多細節改進外，使用者特別受益於 heliInspect 白光干涉儀更高的測量精度、更大的垂直測量範圍、新的整合可能性，以及 heliCam Lock-in 相機的額外功能。

如往常一樣,所有改進都可透過韌體更新提供給現有客戶使用——無需更換硬體。

透過優化的資料擷取和表面重建提高測量精度

白光干涉儀的測量精度不僅取決於光學和機械結構。同樣關鍵的是如何在掃描過程中擷取干涉訊號並隨後進行評估。因此,韌體 1.11 引入了兩項基本改進,正是針對這些關鍵點。

基於編碼器的參考定位

在早期韌體版本中,掃描期間擷取的測量幀已與掃描軸的當前編碼器位置相關聯。這使得在重建過程中就能大幅補償與恆定掃描速度的偏差。

新的基於編碼器參考模式將資料擷取推進了一步。測量幀不再以固定幀率擷取並隨後分配給編碼器位置。相反,掃描軸現在直接在定義的編碼器位置觸發每次擷取。因此,測量幀在擷取期間就已經以 λ/8 的等距間隔產生。

除了進一步改進的位置分配外,heliSens 影像感測器中的訊號處理也從中受益,因為 Lock-in 解調在理想的取樣條件下進行。結合新的 CenterOfMassPhaseFusion,基於編碼器參考模式為下一節所示的重複精度顯著改進奠定了基礎。

CenterOfMassPhaseFusion 作為整合提取模式

韌體 1.11 透過新的提取模式 CenterOfMassPhaseFusion 擴展了表面重建功能。該演算法結合了同調包絡線的穩健且明確的位置資訊與更精確的相位資訊。因此,它結合了兩種評估方法的優勢:大的明確測量範圍與最高的測量精度。

雖然此演算法以前必須作為 heliAlgo 函式庫的獨立處理步驟呼叫,但現在已直接整合到 Gen4 平台的標準評估中,並可透過 API 作為原生提取模式使用。因此,應用程式無需額外的實作工作即可受益於改進的重建——無論它們是透過 GenICam、HALCON、MATLAB、Python 或其他軟體環境存取相機。

結合基於編碼器的參考定位,CenterOfMassPhaseFusion 實現了下一節所示的重複精度顯著改進。

改進的重複精度

基於編碼器參考定位與新重建模式 CenterOfMassPhaseFusion 的結合,顯著改進了重複精度,特別是在高精度階梯高度測量中。雖然先前的改進已經單獨提高了測量品質,但它們的結合可獲得最佳結果。

以下比較測量顯示了不同資料擷取和重建方法的重複階梯高度測量的標準偏差。根據測量任務和配置,與先前的標準評估相比,重複精度可以進一步顯著提高。

所示數值是指單個影像感測器像素相對於參考平面的重複精度。與許多已發布的資料表不同,不會對較大區域或數百個像素進行平均,因此測量結果保守地反映了系統的實際性能。測量是在沒有主動振動阻尼的 heliInspect H8 Ultra 上進行的。

Step Height [µm]	Target ± nm	Time-Based Referenz				Encoder-Based Referenz
		Improved Center of Mass		Center of Mass Phase Fusion		Improved Center of Mass		Center of Mass Phase Fusion
		σ [nm]	Hight [µm]	σ [nm]	Hight [µm]	σ [nm]	Height [µm]	σ [nm]	Höhe [µm]
1.002	24	20	1.002	5	1.003	16	1.001	1	1.002
5.009	22	20	4.991	7	4.996	16	4.998	2	4.999
20.000	26	20	19.984	7	19.994	16	20.000	2.5	19.997
900.54	40	20	900.55	7	900.58	16	900.57	3.3	900.56

Comparison of Repeatability for Different Data Acquisition and Reconstruction Methods. The values indicate the standard deviation σ obtained from repeated single-pixel step-height measurements relative to a reference plane. Lower values correspond to higher repeatability. Measurements were performed using a heliInspect H8 Ultra without active vibration isolation.

透過更有效的記憶體使用擴大垂直測量範圍

heliInspect 系統不使用傳統的 2D 影像感測器,而是使用 Heliotis 開發的 Lock-in 影像感測器 heliSens。Lock-in 解調直接在像素中進行。因此,不必傳輸和評估所有原始影像。相反,解調後的測量資料已在感測器上產生,因此白光測量通常可以比使用傳統影像感測器快 100 倍。

每個像素在多個調變週期內整合干涉訊號,並儲存兩個解調訊號分量——同相 (I) 和正交分量 (Q)。這兩個值共同形成一個測量幀。在垂直掃描期間,會產生一個完整的測量幀堆疊,其中包含所擷取干涉圖的完整資訊。

為了進行表面重建,必須將此測量幀堆疊完整地暫存在相機上。只有在掃描完成後,相機才會從測量幀中為每個像素確定干涉最大值的位置,並據此計算表面高度。因此,可用的記憶體容量直接決定了測量幀的最大數量,從而決定了系統的垂直測量範圍。

韌體 1.12 從根本上重新設計了 Gen4 平台的記憶體管理。透過更有效地利用可用記憶體,相機現在可以——根據感測器類型——每次擷取處理多達三倍的測量幀。最大可用垂直測量範圍相應擴大,無需對硬體進行任何更改。

根據物鏡的不同,可以在單次連續掃描中擷取超過一公分的高度範圍。對於更大的測量物件,還可使用分段體積功能,該功能會自動將多個垂直部分體積合併為一個共同的 3D 資料集。

感測器配置	最大幀數 (先前)	最大幀數 (韌體 1.12.0)
heliSens S4H 單記憶體	1348	2700
heliSens S4H 雙記憶體	1348	4048
heliSens S4M 單記憶體	338	674
heliSens S4M 雙記憶體	338	1022

韌體 1.12 前後相機上最大測量幀數的比較。由於優化的記憶體管理,測量幀數量——因此最大垂直測量範圍——根據感測器配置增加了多達三倍。

基於瀏覽器的調試和診斷

韌體 1.12 首次提供基於瀏覽器的操作介面 heliViewer 4。可直接透過網頁瀏覽器存取——無需在主機 PC 上安裝額外軟體。

heliViewer 4 可視覺化地形、振幅影像和即時資料,並直接存取所有相機參數。功能範圍由整合的診斷功能和設定助手補充,該助手會逐步引導使用者完成初始調試。

基於瀏覽器的存取補充了現有的 GenICam、SDK 和 API 介面。因此,幾乎任何 PC 或筆記型電腦都可以用作服務或工程站,這特別有助於直接在機器上進行調試、維護和診斷。

heliViewer4 embedded – 快速入門

基於瀏覽器的 heliViewer 4 簡化了調試、服務和診斷,並補充了 Gen4 平台的 GenICam 和 SDK 介面。

無縫整合到工業影像處理系統——現在也支援 Cognex Vision Pro

整合到現有機器視覺環境多年來一直是 Heliotis Gen4 平台的核心開發目標。所有相機功能都透過 GenICam 以符合標準的方式提供,因此可以無需額外開發工作即可整合到大多數工業影像處理函式庫中。

作為 GenICam 聯盟的投票成員,Heliotis 積極參與工業標準的進一步發展。近年來,與各種軟體製造商共同進一步開發並完善了許多符合標準的 GenICam 實作。如今,幾乎所有常見的 GenICam 相容機器視覺平台都支援 heliInspect 系統的整合。

韌體 1.12 透過支援 Cognex VisionPro 擴展了此軟體生態系統。由於 VisionPro 的 GenICam 介面目前不完全支援 heliInspect 所需的功能,因此透過 Cognex 的「應用程式整合套件」進行整合。因此,heliInspect 現在也可原生提供給 Cognex VisionPro 使用者使用,無需額外的中介軟體。

Heliotis Gen4 平台支援的開發和機器視覺環境。SDK 1.12 透過原生支援 Cognex VisionPro 擴展了此軟體生態系統。

heliCam Lock-in 相機的新功能

不僅 heliInspect 白光干涉儀受益於韌體版本 1.11 和 1.12。heliCam C4 和 C4M 也擴展了新功能,可加速測量流程、簡化複雜實驗的同步並簡化調試。

相機上 I/Q 累積

許多 Lock-in 應用基於大量 I/Q 測量的平均。韌體 1.11 現在可以直接在相機上進行此累積。不是將所有單獨的 I/Q 幀傳輸到主機 PC,而是僅傳輸一個累積的 I 影像和一個累積的 Q 影像。

根據應用,要傳輸的資料量會大幅減少,從而可以顯著縮短整體測量時間。同時,可以將更多的單次測量合併為一次擷取。

複雜測量設定的新觸發選項

新的觸發模式可以透過外部觸發訊號啟動序列的每個單獨 I/Q 測量幀。這使得 heliCam 與外部實驗的同步變得更加容易。

典型範例是與高頻方波訊號的同步。結合四分之一週期觸發,各個測量之間的相位關係保持精確定義且可重現。

低階強度模式

韌體 1.12 還提供低階強度模式。這提供了類似於傳統相機的即時強度影像,特別有助於光學設定的調試。

該模式適用於對焦、對準光學元件或定位樣品。此外,還提供 Python 和 MATLAB 的範例程式,可簡化相機控制的入門以及整合到自己的測量軟體中。

結論

韌體版本 1.11 和 1.12 透過眾多新功能和性能改進擴展了 Heliotis Gen4 平台。從更高的測量精度和更大的垂直測量範圍,到基於瀏覽器的調試和無縫軟體整合,再到 heliCam 的新功能,現有系統都能受益——完全無需更改硬體。

在 Heliotis,產品開發不會隨著系統交付而結束。新韌體版本持續透過額外功能和性能改進擴展平台,並確保現有安裝長期受益於技術進步。

對我們的客戶而言,這意味著高度的投資保護:如今,很大一部分創新是透過韌體和軟體更新而非硬體更換實現的。因此,Gen4 平台的技術生命週期得以延長,現有系統的性能持續提升。