(57)【要約】      （修正有）【課題】充分な共振安定性及び光学性能を与えることが可能な可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを提供する。【解決手段】レンズケースと、屈折性流体と、制御可能な音波発生要素（例えば圧電振動子）と、外部貯蔵部と、を含む可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズが提供される。レンズケースのケース空洞に屈折性流体の動作ボリュームが収容される。外部貯蔵部は、屈折性流体の予備ボリュームを収容すると共に流路によってケース空洞に接続された変形可能外部流体貯蔵部を含む。流路によって屈折性流体は、（例えば温度変化による）屈折性流体の膨張及び収縮に従って、ケース空洞と変形可能外部流体貯蔵部との間で行ったり来たりすることができる。レンズケース、変形可能外部流体貯蔵部、及び流路は、密閉されたシステムとして構成されている。【選択図】図１
2020021049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズであって、
ケース空洞を有するレンズケースと、
前記ケース空洞に収容された、動作ボリュームを含む屈折性流体と、
前記レンズケースの内部において前記動作ボリュームを貫通する光路の周りに配置された、圧電素子などの制御可能な音波発生要素と、
前記レンズケースを貫通する流路によって前記ケース空洞に接続された変形可能外部流体貯蔵部を含む外部貯蔵部と、
を備え、
前記変形可能外部流体貯蔵部は、前記屈折性流体の予備ボリュームを収容し、
前記流路は、前記屈折性流体に、前記ＴＡＧレンズの動作温度の変化のために発生する前記屈折性流体の膨張及び収縮に従って、前記動作ボリュームと前記予備ボリュームとの間で行ったり来たりすることを可能にさせ、
前記屈折性流体の前記動作ボリュームは、前記音波発生要素による音波の印加に応答して前記光路に沿って屈折率を変化させることができ、これに従って前記ＴＡＧレンズは前記ＴＡＧレンズの周期的に変調される光学パワー変動を与えるように制御され、
前記レンズケース、前記変形可能外部流体貯蔵部、及び前記流路は、密閉されたシステムとして構成されている、ＴＡＧレンズ。
【請求項２】
前記ＴＡＧレンズは、前記密閉されたシステムがノミナルで前記屈折性流体のみを収容し、かつ、前記屈折性流体内に意図的に封入された気泡等の圧縮性成分も含まないように構成されている、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項３】
２０℃の動作温度において、前記ＴＡＧレンズは、前記変形可能外部流体貯蔵部内の前記屈折性流体の前記予備ボリュームが前記変形可能外部流体貯蔵部の最大設計ボリュームの７０％未満であるように構成されている、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項４】
前記ケース空洞に収容された前記屈折性流体の前記動作ボリュームに対する前記変形可能外部流体貯蔵部の前記最大設計ボリュームの比は少なくとも１／７である、請求項３に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項５】
２０℃の動作温度において、前記ＴＡＧレンズは、前記動作ボリュームに対する前記予備ボリュームの比が少なくとも１／１０であるように構成されている、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項６】
前記変形可能外部流体貯蔵部は、前記予備ボリュームを収容する変形可能な袋を含み、前記変形可能な袋は、前記屈折性流体が膨張して前記ケース空洞から前記変形可能外部流体貯蔵部へ流れる場合は膨張し、前記屈折性流体が収縮して前記変形可能外部流体貯蔵部から前記ケース空洞へ流れる場合は収縮する、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項７】
前記外部貯蔵部は、全ての動作温度において前記変形可能な袋の外側に大気圧が作用するよう構成されている、請求項６に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項８】
前記変形可能外部流体貯蔵部は前記レンズケースの外側の一方側に位置付けられている、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項９】
前記変形可能外部流体貯蔵部は前記レンズケースの少なくとも一部の周りに延出している、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１０】
前記変形可能外部流体貯蔵部は第１の変形可能外部流体貯蔵部であり、前記流路は第１の流路であり、前記予備ボリュームは第１の予備ボリュームであり、前記外部貯蔵部は更に、前記レンズケースを貫通する第２の流路によって前記ケース空洞に接続された第２の変形可能外部流体貯蔵部を備え、
前記第２の変形可能外部流体貯蔵部は、前記屈折性流体の第２の予備ボリュームを収容し、
前記第２の流路は、前記屈折性流体に、前記ＴＡＧレンズの前記動作温度の変化のために発生する前記屈折性流体の膨張及び収縮に従って、前記動作ボリュームと前記第２の予備ボリュームとの間で行ったり来たりすることを可能にさせ、
前記レンズケース、前記第１及び第２の変形可能外部流体貯蔵部、並びに前記第１及び第２の流路は、密閉されたシステムとして構成されている、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１１】
前記変形可能外部流体貯蔵部はピストンを含み、前記ピストンは、前記屈折性流体が膨張して前記ケース空洞から前記変形可能外部流体貯蔵部へ流れる場合は第１の方向に移動し、前記屈折性流体が収縮して前記変形可能外部流体貯蔵部から前記ケース空洞へ流れる場合は前記第１の方向とは反対の第２の方向に移動する、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１２】
前記変形可能外部流体貯蔵部は更にばねを含み、前記ばねは、前記ピストンに結合されて、少なくとも２０ミリメートルに及ぶ位置範囲にわたって前記ピストンのためにほぼ一定の機械的ばね定数を維持する、請求項１１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１３】
前記レンズケースは前記流路の一部として含まれる貯蔵部交換路を含む、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１４】
前記流路は、前記レンズケースと前記変形可能外部流体貯蔵部との間に延出するチューブを含み、前記チューブを介して前記屈折性流体は前記動作ボリュームと前記予備ボリュームとの間を行ったり来たりすることができる、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１５】
前記流路は、大きくても２５平方ミリメートルの流断面を有する流れ抑制セクションを含む、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１６】
前記流れ抑制セクションは大きくても１５平方ミリメートルの流断面を有する、請求項１５に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１７】
前記変形可能外部流体貯蔵部は、少なくとも−２０℃から６０℃までの温度範囲にわたって前記ケース空洞内の前記屈折性流体のほぼ一定の圧力を維持するよう構成されている、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１８】
前記外部貯蔵部は、更に、外部大気への通気のための通気口を含み、前記通気口は、前記ＴＡＧレンズの前記動作温度にかかわらず前記ケース空洞内の前記屈折性流体を約１気圧に維持する、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項１９】
前記レンズケースは少なくとも１つの入口／出口ポートを含み、前記外部貯蔵部は少なくとも１つの入口／出口ポートを含み、
前記レンズケースおよび前記外部貯蔵部は、前記レンズケース又は前記変形可能外部流体貯蔵部のうち少なくとも１つに最初に前記屈折性流体を投入するため組み合わせて使用され、
前記入口／出口ポートは、前記屈折性流体が初期レベルまで充填された後に密閉される、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項２０】
前記予備ボリュームに対する前記動作ボリュームの比は少なくとも部分的に前記屈折性流体の温度に応じて変動する、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項２１】
前記屈折性流体の前記温度が上昇して前記屈折性流体が膨張した場合、前記屈折性流体の少なくとも一部が前記ケース空洞から前記変形可能外部流体貯蔵部へ流れるように、前記変形可能外部流体貯蔵部は、前記ケース空洞内の前記屈折性流体のほぼ一定の圧力を維持するよう構成されている、請求項２０に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項２２】
前記屈折性流体の前記温度が低下して前記屈折性流体が収縮した場合、前記屈折性流体の少なくとも一部が前記変形可能外部流体貯蔵部から前記ケース空洞へ流れるように、前記変形可能外部流体貯蔵部は、前記動作ボリュームの前記屈折性流体のほぼ一定の圧力を維持するよう構成されている、請求項２０に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項２３】
前記ＴＡＧレンズはビジョンシステムの一部として含まれ、前記ＴＡＧレンズに対する周期的に変調される光学パワー変動を与えるための前記ＴＡＧレンズの制御に対応して、前記ビジョンシステムの合焦距離の変動を与える、請求項１に記載のＴＡＧレンズ。
【請求項２４】
屈折性流体の動作ボリュームを収容するように構成されたケース空洞を備えたレンズケースと、前記レンズケースの内部において前記動作ボリュームを貫通する光路の周りに配置された制御可能な音波発生要素と、を有する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズに結合するよう構成された外部貯蔵部であって、
前記屈折性流体の前記動作ボリュームは、前記音波発生要素による音波の印加に応答して前記光路に沿って屈折率を変化させることができ、これに従って前記ＴＡＧレンズは前記ＴＡＧレンズの周期的に変調される光学パワー変動を与えるように制御され、前記外部貯蔵部は、
屈折性流体を収容するように構成された変形可能外部流体貯蔵部と、
前記変形可能外部流体貯蔵部を前記ＴＡＧレンズの前記ケース空洞に接続する流路の一部である流路部であって、前記変形可能外部流体貯蔵部は、前記屈折性流体の予備ボリュームを収容し、前記屈折性流体の少なくとも一部は、前記ケース空洞と前記変形可能外部流体貯蔵部との間で前記流路を介して行ったり来たりすることができる、流路部と、
を備え、
前記レンズケース、前記変形可能外部流体貯蔵部、及び前記流路は、密閉されたシステムとして構成されている、外部貯蔵部。
【請求項２５】
屈折性流体の動作ボリュームを収容するように構成されたケース空洞を備えたレンズケースと、前記レンズケースの内部において前記動作ボリュームを貫通する光路の周りに配置された制御可能な音波発生要素と、を有する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを調製及び動作させるための方法であって、
前記ケース空洞と、外部貯蔵部に含まれると共に前記レンズケースを貫通する流路によって前記ケース空洞に接続されている変形可能外部流体貯蔵部と、に前記屈折性流体を投入することであって、
前記レンズケースは入口／出口ポートを含み、
前記外部貯蔵部は入口／出口ポートを含み、
前記レンズケースおよび前記外部貯蔵部の各々は前記屈折性流体が投入される間は開放され、これらのうち少なくとも１つを介して、前記屈折性流体は前記ケース空洞及び前記変形可能外部流体貯蔵部に投入されるように提供される、ことと、
前記屈折性流体の現在の温度において、前記ケース空洞が前記屈折性流体の前記動作ボリュームを収容するよう充填されると共に、前記変形可能外部流体貯蔵部が前記屈折性流体の予備ボリュームを収容するよう充填された後、前記入口／出口ポートを閉鎖することと、
前記ＴＡＧレンズの周期的に変調される光学パワー変動を与えるように前記ＴＡＧレンズを制御することと、
を含む方法。
【請求項２６】
前記ケース空洞及び前記変形可能外部流体貯蔵部に前記屈折性流体を投入することは、
前記ケース空洞がいっぱいになるまでこれを充填すると共に前記変形可能外部流体貯蔵部がいっぱいになるまでこれを充填して、前記変形可能外部流体貯蔵部の前記屈折性流体の前記予備ボリュームを最大設計ボリュームＭＤＶのほぼ１００％として、その後、前記レンズケースの前記入口／出口ポートを閉鎖する、ことと、
２０℃における前記変形可能外部流体貯蔵部の前記屈折性流体の前記予備ボリュームが前記変形可能外部流体貯蔵部の前記最大設計ボリュームの７０％未満であるように、前記外部貯蔵部の前記入口／出口ポートから屈折性流体のある量を抜き取ることと、
を含み、前記入口／出口ポートを閉鎖することは、
前記ケース空洞が前記屈折性流体の前記動作ボリュームを収容するよう充填された後、前記レンズケースの前記入口／出口ポートを閉鎖することと、
２０℃における前記変形可能外部流体貯蔵部の前記屈折性流体の前記予備ボリュームが前記変形可能外部流体貯蔵部の前記最大設計ボリュームの７０％未満であるように前記屈折性流体の前記量を抜き取った後、前記変形可能外部流体貯蔵部の前記入口／出口ポートを閉鎖することと、
を含む、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、可変音響式屈折率分布型（tunable acoustic gradient）レンズに関し、更に具体的には、検査及び寸法計測のため用いられる可変焦点距離レンズシステムにおける可変音響式屈折率分布型レンズの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプのマルチレンズ可変焦点距離（ＶＦＬ：variable focal length）光学システムは、表面高さの観察及び精密測定のため利用することができ、例えば米国特許第9,143,674号に開示されているように、顕微鏡及び／又は精密マシンビジョン検査システムに含めることができる。簡潔に述べると、ＶＦＬレンズは複数の焦点距離で複数の画像をそれぞれ取得することができる。既知のＶＦＬレンズの１つのタイプは、流体媒質中で音波を用いて屈折効果を生成する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズである。流体媒質を取り囲む振動部材（例えば圧電チューブ）にＴＡＧレンズ共振周波数の電界を印加することで音波を生成し、時間によって変動する密度及び屈折率のプロファイルをレンズの流体中に生成することができる。これがレンズの光学パワーを変調し、これによってビジョンシステムの焦点距離又は有効合焦位置を変調する。ＴＡＧレンズを用いて、最大で数百ｋＨｚの共振周波数で、すなわち高速で、合焦位置を周期的に変調できる。このようなレンズは、論文「High speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens」（Optics Letters, Vol.33, No.18, 2008年9月15日）、並びに、米国特許第8,194,307号、9,213,175号、9,256,009号の教示によって更に詳しく理解することができる。可変音響式屈折率分布型レンズ及びこれに関連した制御可能信号発生器は、例えばTAG Optics, Inc.（ニュージャージー州プリンストン）から入手可能である。
【０００３】
ＴＡＧレンズ共振周波数は、いくつかのファクタに依存する。例えば共振周波数は、圧力及び／又は温度の変化のために流体媒質の特性及び／又は機械的構造の変形が変化することによって変わる可能性がある。上記の引用文献は、閉鎖レンズシステム内で発生し得る変化を補償するため、ＴＡＧレンズのチャンバ内に泡や袋状の物（bladder）等の圧縮性成分を含めることを教示している。圧縮性成分（例えばガス、ポリマ、又はゲル）は流体の体積に比べて小さく、制御される体積であるので、ＴＡＧレンズの密閉レンズチャンバ内部の「分割された貯蔵部（partitioned reservoir）」に配置して、光学性能経路への移動を防止できることが教示されている。また、圧縮性成分は、「レンズシステムを密閉する前又は後に、流体から全ての空気及び／又は他のガスを完全に除去する必要性を軽減する」ことが教示されている。１つの例示的な従来のシステムが米国特許第9,256,009号に記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、上述のように構成されたＴＡＧレンズが、単純な撮像用途において（例えば主な目的が観察である場合）及び／又は限定された温度範囲内で動作する場合、充分な共振安定性及び光学性能を与えることを見出している。しかしながら、ＴＡＧレンズの特定の光学パワー（又は合焦距離）を共振サイクルの特定の位相に相関付けるようにＴＡＧレンズが精密に較正される計測システム（例えば顕微鏡システム）では、このような構成はその較正に対して望ましくない不安定性及び／又はドリフトを示すことがわかっている。較正は、例えば転換（turn）期間もしくはウォームアップ期間中に不安定になるか、又は経時的にもしくは温度変化と共にドリフトする可能性がある。
【０００５】
ＴＡＧレンズのそのような問題に関して改善を提供できる構成が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この概要は、以下で「発明を実施するための形態」において更に記載するいくつかの概念を簡略化した形態で紹介するために提示する。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴（features）を識別することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲の決定に役立てるため用いることも意図していない。
【０００７】
レンズケースと、屈折性流体と、制御可能な音波発生要素と、外部貯蔵部と、を含む可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズが提供される。レンズケースはケース空洞を有し、ケース空洞に屈折性流体の動作ボリュームが収容されている。制御可能な音波発生要素（例えば圧電振動子）は、レンズケースの内部において動作ボリュームを貫通する光路の周りに配置されている。外部貯蔵部は、レンズケースを貫通する流路によってケース空洞に接続された変形可能外部流体貯蔵部を含む。様々な実施例において、外部貯蔵部は、ＴＡＧレンズのレンズケースに接続可能な別個の要素として（例えばアクセサリ又はアップグレード要素として等）提供できる。
【０００８】
外部貯蔵部の変形可能外部流体貯蔵部は屈折性流体の予備ボリュームを収容し、流路によって屈折性流体の予備ボリュームは、ＴＡＧレンズの動作又は環境温度の変化のために発生するレンズケース内の屈折性流体の膨張及び収縮に従って、ケース空洞と変形可能外部流体貯蔵部との間で行ったり来たりすることが可能となる。レンズケース、変形可能外部流体貯蔵部、及び流路は、密閉されたシステムとして構成されている。屈折性流体の動作ボリュームは、音波発生要素による音波の印加に応答して光路に沿って屈折率を変化させることができ、これに従ってＴＡＧレンズはＴＡＧレンズの周期的に変調される光学パワー変動を与えるように制御される。
【０００９】
既知のＴＡＧレンズシステム及び教示とは異なり、本明細書に開示される原理によれば、ＴＡＧレンズの屈折性流体の内部には気泡も他の圧縮性成分も存在しないので、ＴＡＧレンズの「光学性能経路」への移動を防止するための分割された貯蔵部は必要ない。既知のＴＡＧレンズシステム及び教示とは異なり、本明細書に開示される構成では、レンズシステムを密閉する前に流体から空気及び／又は他のガスを全て完全に除去することができる。様々な実施例において、これは、ガス放出（outgassing）及び／又はキャビテーション等によって時間の経過と共にＴＡＧレンズの「光学性能経路」内で小さい泡が出現及び移動するのを低減させるために望ましい場合がある。圧縮性成分が流体の体積に比べて小さい制御された体積に制限されている既知のＴＡＧレンズシステム及び教示とは異なり、本明細書に開示される構成では、外部流体貯蔵部が、ＴＡＧレンズの動作可能流体の体積に比べて大きい流体体積の変化を吸収する。更に、そのような大きい流体体積の変化は、ＴＡＧレンズの動作可能流体の体積における著しい流体圧力の変化なしに達成できる。いくつかの実施例において、流体圧力は、ほぼ大気圧に維持されるか、又は大気圧とは異なる所望のほぼ一定の圧力に維持され得る。様々な実施例において、外部流体貯蔵部は、ＴＡＧレンズの任意選択的なアクセサリ又はコンポーネントとして提供することができ、より精密かつ安定した動作に変更することが望ましい「簡単撮像」ＴＡＧレンズに対する改造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】撮像／検査システムの光学撮像システム部及び制御システム部のブロック図である。
【図２】既知の要素を含むＴＡＧレンズの断面の図であり、既知の圧縮性要素と、その共振で発生する定在波音波の図示を含む。
【図３Ａ】外部貯蔵部の一般的な実施例を用いたＴＡＧレンズの等角投影図である。
【図３Ｂ】外部貯蔵部の一般的な実施例を用いたＴＡＧレンズの上面図である。
【図４】外部貯蔵部の第１の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズの断面の図である。
【図５】外部貯蔵部の第２の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズの断面の図である。
【図６】外部貯蔵部の第３の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズの断面の図である。
【図７】外部貯蔵部の第４の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズの上面の図である。
【図８】外部貯蔵部の第５の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズの上面の図である。
【図９】本明細書に開示される原理に従って外部貯蔵部を用いたＴＡＧレンズを調製及び動作させるためのルーチンの１つの例示的な実施例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１から図３の記載は、ワークピース検査システムで用いられるＴＡＧレンズの様々な動作原理及び用途に関して簡単な背景を与える。この簡単な背景をより綿密な説明及び理解によって補足するため、そのような動作原理及び用途の様々な態様が、前述の本願に含めた引用文献、並びに、米国特許第9,930,243号、9,736,355号、7,627,162号に記載されている。
【００１２】
図１は、光学撮像システム１０５、照明源１３０、ワークピースステージ１１０、及び制御システム部１０１を含む撮像／検査システム１０のブロック図である。様々な実施例において、撮像／検査システム１０は、マシンビジョンホストシステムに適合させるか又はスタンドアロンのシステムとして使用することができ、本明細書に開示された原理に従って動作できる。光学撮像システム１０５、照明源１３０、及びワークピースステージ１１０を含む撮像／検査システム１０は、ワークピース２０を撮像又は検査するため、全体として制御システム部１０１によって制御することができる。
【００１３】
光学撮像システム１０５は、画像検出器１６０（例えばカメラ）、１つ以上のフィールドレンズ１５０（例えば交換可能対物レンズを含む）、及びＴＡＧレンズ１７０を含む。制御システム部１０１は、システムマネージャ回路／ルーチン１２５を含むことができ、これは入出力インタフェース１３９及び撮像マネージャ回路／ルーチン１８０を管理できる。入出力インタフェース１３９に、ホストシステム又は様々な個別のディスプレイデバイスもしくは入力デバイス等を接続することができる。いくつかの実施例において、ワークピースステージ１１０は、光学撮像システム１０５に対してワークピースを移動させる（任意選択的な）移動制御システムを備え得る。そのような実施例では、システムマネージャ回路及びルーチン１２５はワークピースプログラム発生器及び実行器（図示せず）を含むことができ、これは本願に含まれる引用文献に開示されているようにワークピース２０を自動的に検査するよう撮像／検査システム１０の移動制御システム及び他の要素を動作させる。図１に示されているように、撮像マネージャ回路／ルーチン１８０は、照明制御インタフェース１３２、カメラ制御インタフェース１６２、及びＴＡＧレンズ制御インタフェース１７２を含むか又はこれらを管理する。ＴＡＧレンズ制御インタフェース１７２は、ＴＡＧレンズ１７０によって与えられる周期的合焦位置変調と同期して様々な画像露光を制御するための回路及び／又はルーチンを含むＴＡＧレンズコントローラ（例えば撮像マネージャ回路／ルーチン１８０の一部にある）を含むか又はこれに接続することができる。いくつかの実施例において、ＴＡＧレンズ制御インタフェース１７２及びＴＡＧレンズコントローラはマージされる及び／又は区別できない場合がある。照明制御インタフェース１３２は、適用可能な場合、例えば、対応する照明源（例えば照明源１３０）の選択、パワー、オン／オフスイッチ、及びストロボパルスタイミングを制御することができる。いくつかの実施例において、照明制御インタフェース１３２は、露光（ストロボ）タイムコントローラを含むか、又は他の方法でストロボタイミング信号を（例えば照明源１３０に）提供して、ＴＡＧレンズ合焦位置変調の所望の位相タイミングと同期した画像露光ストロボタイミングを与えることができる。カメラ制御インタフェース１６２は、適用可能な場合、例えばカメラの設定、露光タイミング、及びデータ出力等を制御できる。いくつかの実施例において、カメラ制御インタフェース１６２はタイミングコントローラを含み、カメラ画像露光タイミングをＴＡＧレンズ合焦位置変調の所望の位相タイミング及び／又は照明タイミングと同期させることができる。
【００１４】
これらのコンポーネント及び以下で説明する追加のコンポーネントの各々は、１つ以上のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースによって、又は様々な要素間の直接接続によって、相互接続することができる。
【００１５】
以下で更に詳しく記載するように、（光軸ＯＡに沿った）撮像光路ＯＰＡＴＨは、ワークピース２０から画像検出器１６０までワークピース撮像光１５５を伝達する様々な光学コンポーネントを含む。例えば、フィールドレンズ１５０、ＴＡＧレンズ１７０、及び画像検出器１６０は全て、それらの光軸がワークピース２０の表面と交差する同一の光軸ＯＡ上で位置合わせされるように配置できる。しかしながら、この実施例は例示のみを意図しており、限定でないことは認められよう。より一般的には、撮像光路ＯＰＡＴＨはミラー及び／又は他の光学要素を含むことができ、既知の原理に従って画像検出器（例えば画像検出器１６０）を用いてワークピース２０を撮像するよう動作できる任意の形態をとり得る。図示されている実施例では、撮像光路ＯＰＡＴＨはＴＡＧレンズ１７０を含み、１回以上のワークピース画像露光を用いてワークピース２０の表面を撮像及び／又は測定するために使用することができる。
【００１６】
前述のように、共振駆動信号（例えば、制御システム部１０１のＴＡＧレンズ制御インタフェース１７２から信号線１７１に入力される）に応答して、ＴＡＧレンズ１７０の光学パワーは高周波数で連続的に変化する。これに応じて有効合焦位置ＥＦＰが変化する。様々な実施例において、駆動信号は、ＴＡＧレンズ１７０の動作の共振周波数の正弦波ＡＣ信号である。ＴＡＧレンズ１７０の光学パワーが正弦波状に変化している間の対応する時点又は「位相タイミング」において、有効合焦位置ＥＦＰに対応する焦点距離Ｄｆを利用できる。ノミナルの又は「ミッドレンジ（midrange）」の有効合焦位置は、光学パワーがゼロである状態のＴＡＧレンズと組み合わせた、フィールドレンズ１５０（例えば対物レンズ）の（固定された）焦点距離であると考えられる。照明源１３０又は画像検出器１６０は、共振サイクルの特定の位相又は「位相タイミング」で「ストロボ発光」して、対応する有効合焦位置又は合焦距離で合焦された画像露光を得ることができる。光源光１３４はワークピース光１５５として反射又は伝送され、撮像に用いられるワークピース光はフィールドレンズ１５０及びＴＡＧレンズ１７０を通過し、画像検出器１６０（例えばカメラ）によって集光される。ワークピース２０の画像を含むワークピース画像露光は、画像検出器１６０によってキャプチャされ、信号線１６１上で（例えばカメラ制御インタフェース１６２を介して）撮像マネージャ回路／ルーチン１８０に出力される。様々な実施例において、画像検出器１６０は、既知のＣＣＤイメージセンサ又は他の形態のカメラとすることができ、入射画像ＩＭＧを受信して、所定の信号形態を有する検出画像ＤＩＭＧを撮像マネージャ回路／ルーチン１８０に出力することができる。
【００１７】
既知のコントラストベースの合焦解析方法を用いて、得られた１又は複数の画像を解析し、それらが合焦状態であるか否かを判定すること、及び／又はシステムマネージャ回路及びルーチン１２５又は撮像マネージャ回路／ルーチン１８９で使用して、ワークピース２０の合焦画像を与える「自動合焦」動作を行うためにストロボ位相タイミングを調整することができる。この代わりに又はこれに加えて、そのようなコントラストベースの合焦解析方法を用いて、既知の位相タイミングセットで取得された画像セットからベストフォーカス画像を識別し、その「ベストフォーカス」位相タイミング値を出力することができる。各Ｚ高さ又は有効合焦位置を各「ベストフォーカス」位相タイミングに関連付けるＺ高さ（有効合焦位置）較正データを利用できる。このため、「ベストフォーカス」画像に関連付けられた位相タイミングに基づいて、ワークピース２０の撮像された表面部分の表面高さ座標を決定できる。従って、所望の場合、光学撮像システム１０５及び／又は撮像／検査システム１０を用いて、ワークピース２０をスキャンすることによってこれを測定又はプロファイリングできる。
【００１８】
前述の高さ測定の記載に基づいて、ＴＡＧレンズ動作特性がドリフトした場合、その実際の動作特性は較正データから逸脱し、結果として高さ測定が不正確になり得ることは理解されよう。前述のように、本発明者は、特定の光学パワー及び／又は合焦距離を共振サイクルの特定の位相に相関付けるようにＴＡＧレンズが精密に較正される計測システム（例えば顕微鏡システム）では、既知のＴＡＧレンズ構成は実際、その較正に対して望ましくない不安定性及び／又はドリフトを示すことを見出している。図２を参照して、既知のＴＡＧレンズ構成について説明する。図３から図９を参照して、本明細書に開示される原理に従った、ある範囲の動作条件において、より安定した動作特性を与える構成について説明する。
【００１９】
図２は、既知の要素を含むＴＡＧレンズ１７０の断面の図であり、既知の意図的に（intentional）封入された気泡等の圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥ（以降は単に圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥと称する）と、その共振で発生する定在波音波Ｗの図示を含む。ＴＡＧレンズ１７０は、レンズケース２１０、制御可能な音波発生要素２２０、及び屈折性流体２５０を含む。
【００２０】
図２に示されているように、レンズケース２１０のケース空洞ＣＣは屈折性流体２５０の動作ボリュームＯＰＶを含み、音波発生要素２２０（例えば圧電振動子）は、レンズケース２１０の内部において動作ボリュームＯＰＶを貫通する光路ＯＰＡＴＨの周りに配置されている。様々な実施例において、レンズケース２１０は中空の円筒形ケースであり、制御可能な音波発生要素２２０は、レンズケース２１０の内部に設置された中空の円筒形圧電振動子であり得る。様々な代替的な実施例において、レンズケース２１０は他の形状を有することも可能である（例えば中空の六角形等）。様々な実施例において、制御可能な音波発生要素２２０は、スペーサ２６０、２６１、及び２６２（例えば、機械的支持のためだけに使用される、エラストマから作製されたオーリング等）によって支持することができる。様々な実施例において、１つ以上のスペーサ２６０は、制御可能な音波発生要素２２０の外周面２３０とレンズケース２１０の内周空洞壁２１５との間（例えば間隔ＳＰ１を形成する）に配置できる。同様に、１つ以上のスペーサ２６１は、制御可能な音波発生要素２２０の上面２３１とレンズケース２１０の上部内面２１６との間（例えば間隔ＳＰ２を形成する）に配置でき、１つ以上のスペーサ２６２は、制御可能な音波発生要素２２０の下面２３２とレンズケース２１０の下部内面２１７との間（例えば間隔ＳＰ３を形成する）に配置できる。
【００２１】
様々な実施例において、制御可能な音波発生要素２２０は、駆動信号（例えば、外周面２３０と内周面２４０との間に印加されるＡＣ電圧）によって厚さ方向に振動する。様々な実施例において、駆動信号は、信号線（例えば制御システム部１０１のＴＡＧレンズ制御インタフェース１７２から与えられる図１の信号線１７１）を介し、更に電気コネクタ２２５を介して、音波発生要素に印加される。
【００２２】
様々な実施例において、信号線１７１に与えられる駆動信号（例えばＡＣ電圧を含む）は、制御可能な音波発生要素２２０の内側の（すなわち、内周面２４０によって囲まれたケース空洞の部分内の）屈折性流体２５０に定在波音波Ｗを生成する共振周波数に調整することができる。このような場合、代表的な振動矢印ＶＡで示されるように制御可能な音波発生要素２２０が振動すると、屈折性流体２５０に定在波音波Ｗが生じる（すなわち、屈折率が上昇及び低下する同心円状の波の領域が生じる）。定在波音波Ｗは、この定在波音波Ｗにほぼ対応した屈折率分布を与える密度勾配を生成することは理解されよう。垂直方向の破線間の光路ＯＰＡＴＨとして表されたその屈折率分布の中央部を、撮像のために使用できる。
【００２３】
上述のように、ケース空洞ＣＣ（例えば、内周空洞壁２１５並びに上部内面２１６及び下部内面２１７によって形成される）には、屈折性流体２５０が充填されている。様々な実施例において、屈折性流体２５０は、１つ以上の入口／出口ポート（例えば入口／出口ポート２１１を含む）を介してケース空洞ＣＣに投入することができ、その後これらのポートは密閉される。様々な実施例では、所望の動作条件下で、中空の円筒形の制御可能な音波発生要素２２０内の空洞（すなわち内周面２４０で囲まれている）に屈折性流体２５０が充填されるように、制御可能な音波発生要素２２０の全体が屈折性流体２５０に浸されている。レンズケース２１０の水平方向及び垂直方向のスロット又はチャネル２１８及び２１９によって、屈折性流体２５０は充填時に音波発生要素２２０の外周面２３０を取り囲むように流れることができる。音波発生要素２２０の外周全体を囲むように延出する間隔ＳＰ１とは異なり、１又は複数の垂直方向のチャネル２１９は離散的なチャネルであることは認められよう（例えば、ドリル穿孔又は他のプロセスによってレンズケース２１０に形成された垂直方向のスロットである）。屈折性流体２５０は、内周面２４０内の空洞から１又は複数の垂直方向のチャネル２１８内へ、また、スペーサ（例えばスペーサ２６０及び２６２）によって生成された間隔ＳＰ（例えば間隔ＳＰ１及びＳＰ３）を介して１又は複数の垂直方向のチャネル２１９内へ流れることができる。このようにして、屈折性流体２５０は、音波発生要素２２０の外側を取り囲むように、音波発生要素２２０とレンズケース２１０のケース空洞ＣＣの内周空洞壁２１５、上部内面２１６、下部内面２１７との間の間隔ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３を充填することができる。また、ＴＡＧレンズ１７０Ａは、ケース空洞ＣＣの上部及び下部にそれぞれ配置されて密閉された上部ウィンドウ２１３及び下部ウィンドウ２１４も含む。ＴＡＧレンズ１７０Ａの中心を通る（例えば光軸ＯＡに沿って中央にある）光路ＯＰＡＴＨは、上部ウィンドウ２１３及び下部ウィンドウ２１４を通過する。
【００２４】
前述の共振周波数はシステム全体の特性であり、温度、及び／又は圧力、及び／又は機械的応力のようなファクタの変動に対して敏感であることは認められよう。得られる定在波音波Ｗのレンズ特性も同様に敏感である。従って、前述のようにＴＡＧレンズ１７０は、上述の較正データ（有効合焦位置ＥＦＰ又は光学パワー対位相タイミング値を特徴付けるデータ）を確立するために使用される動作状態から変動する可能性があり、その結果として高さ測定の誤差が生じる恐れがある。生じる誤差は小さいかもしれないが、精密測定の用途にとっては重大である。本明細書に開示される様々な原理及び構成は、上述の駆動ファクタにおける変動を低減させること、及び、既知の圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥの移動及び／又は欠陥による変動を低減すること等を対象としている（以下で更に記載する）。既知の圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥに関して、図２では、環状の形状及び意図的に封入された気泡、又は閉鎖セル圧縮性要素等の概略的な断面を表す破線の外形によって、従来技術が示されている。理想的には、圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥは、少なくとも理想的な動作条件下で（例えば、図示のようにＴＡＧレンズが直立した向きで使用される場合）、図示のように対応する環状溝内に隔離されている。圧縮性要素が意図的に封入された気泡である場合、使用されている１つの手順は、ケース空洞ＣＣを屈折性流体２５０で１００％充填し、次いで所望の体積を抽出し、その後に密閉することである。これにより、密閉したケース空洞ＣＣ内に意図的に封入された気泡が残され、これが図示のように対応する環状溝を充填する。圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥの様々な実施例のいくつかの特徴は望ましくないことが示されている。１つの望ましくない特徴は、（例えばＴＡＧレンズ１７０を傾けた場合）意図的に封入された気泡が移動し得ること、又は屈折性流体２５０に溶け込み、その後キャビテーションによって光路ＯＰＡＴＨに放出され得ることである。別の望ましくない特徴は、圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥが、望ましくない変動である圧力増大の結果としてのみ圧縮可能であることである。別の望ましくない特徴は、圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥの大きさが限定されているので、ＴＡＧレンズ１７０の許容動作条件が制限されることである。従って、既知の圧縮性要素ＩＧＶ／ＩＣＥは実際に存在する変動及び問題を軽減するだけであり、それらの発生を防止するわけではない。以下に開示される様々な特徴及び原理は、そのような問題を克服する及び／又は防止することを目的としている。
【００２５】
図３Ａ及び図３Ｂは、レンズケース２１０及び外部貯蔵部２８０Ａの一般的な実施例を用いたＴＡＧレンズ１７０Ａの等角投影図及び上面図である。図３Ａ及び図３Ｂの２ＸＸ又は２ＸＸＡと番号を付けたいくつかのコンポーネントは、図２における同一の又は同様の２ＸＸと番号を付けたコンポーネントに対応する及び／又は同様の動作を有し、類推によって及び以下で記載するように理解できることは認められよう。同様の設計及び／又は機能を有する要素を示すこの番号付けスキームは、以下の図４から図８（例えば２ＸＸＢ、２ＸＸＣ、２ＸＸＤ、２ＸＸＥ、２ＸＸＦ等のコンポーネント）にも適用される。
【００２６】
図３Ａ及び図３Ｂに示されているように、様々な実施例において、レンズケース２１０の外側の一方側に、外部貯蔵部２８０Ａ（以下で更に記載するように、変形可能外部流体貯蔵部を含む）を位置付けることができる。また、このような実施例の追加の例を以下で図４から図８を参照して更に詳しく記載する。図７及び図８を参照して更に詳しく後述するように、種々の代替的な実施例で異なる構成を実施してもよい（例えば、外部流体貯蔵部がレンズケースの少なくとも一部の周りに延出する、及び／又は複数の外部流体貯蔵部がレンズケースの周りに配置される等）。
【００２７】
図３Ａ及び図３Ｂに示されているように、レンズケース２１０は少なくとも１つの入口／出口ポート２１１を含み、外部貯蔵部２８０Ａは少なくとも１つの入口／出口ポート２８４Ａを含む。様々な実施例において、入口／出口ポート２１１及び２８４Ａは、レンズケース２１０のケース空洞及び／又は外部貯蔵部２８０Ａ内部の変形可能外部流体貯蔵部に屈折性流体２５０を最初に投入するため、組み合わせて使用される。これについては以下で図４を参照して更に詳しく記載する。屈折性流体２５０をケース空洞及び／又は変形可能外部流体貯蔵部に充填した後、入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂは閉鎖／密閉される。様々な実施例において、外部貯蔵部２８０Ａは、様々な構成（例えばボルトや溶接等）を用いてレンズケース２１０に固定して取り付けることができる。
【００２８】
図４は、外部貯蔵部２８０Ｂの第１の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズ１７０Ｂの断面の図である。図４から図６において、レンズケース２１０内のコンポーネント及び構成は、以下に記載する点を除いて図２のものと同様又は同一であると理解される。図４に示されているように、外部貯蔵部２８０Ｂは、外部貯蔵部上部２８１ＴＢ（例えばマニホルド）に対して密閉された外部貯蔵部本体２８１ＢＢ及び変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂを備えている。変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂ（例えばエラストマの袋）は可変の予備体積ＲＳＶ−Ｂを含み、これは、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂがケース空洞ＣＣから屈折性流体２５０を受容する場合は膨張し、屈折性流体２５０が変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂからケース空洞ＣＣに流れる場合は収縮する。このような流体交換は、例えば「剛性の」ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体の熱的膨張／収縮によって生じ得る。
【００２９】
図４の例において、例示的な変形線ＤＥＦは、ＴＡＧレンズ１７０Ｂの特定の全流体体積（例えば動作温度によって影響を受ける）において発生し得る変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂの変形可能部分２９１Ｂの変形（収縮）を概略的に示す。変形矢印ＤＥＦＸは、変形可能部分２９１Ｂがどのように収縮するか及び／又は変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂの最大設計体積ＭＤＶ−Ｂ（例えば外部貯蔵部２８０Ｂ内の全利用可能予備体積に対応する）まで膨張するかを概略的に示す。様々な実施例において、変形可能部分２９１Ｂは、外部貯蔵部上部２８１ＴＢのくぼみ部２８５Ｂに受容されると共にこれに対して密閉されたリップ部２９２Ｂを含み得る。図４の実施例において、流路ＦＬＣ−Ｂは、レンズケース２１０（例えば貯蔵部交換路ＲＥＣ内に延出している）と外部貯蔵部２８０Ｂとの間に延出するチューブＴＢ−Ｂを含み、これを介して屈折性流体はケース空洞ＣＣと外部貯蔵部２８０Ｂとの間を行ったり来たりすることができる。１つ以上の密閉要素ＳＬ（例えば密閉リング）を含ませて（例えば、レンズケース２１０と外部貯蔵部２８０Ｂとの間の接続を密閉するためチューブＴＢ−Ｂの周りに位置付けられる）、屈折性流体２５０を密閉して閉じ込めることを保証する。外部貯蔵部上部２８１ＴＢ（例えばマニホルド）は、水平方向チャネル２８２Ｂ及び垂直方向チャネル２８３Ｂを含み、これらを介して屈折性流体２５０はチューブＴＢ−Ｂと変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂとの間を行ったり来たりすることができる。フロー線ＦＬ２は、ケース空洞ＣＣと変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂとの間で流路ＦＬＣ−Ｂを通る屈折性流体２５０の流れを示す。
【００３０】
様々な実施例において、流路ＦＬＣ−Ｂは少なくとも１つの流れ抑制セクションＦＲＳを有し（例えば、貯蔵部交換路ＲＥＣの一部として又は流路ＦＬＣ−Ｂの他の部分として）、これは、音波発生要素２２０によって音波が印加された場合、解析及び／又は実験によって決定され得るレンズケース２１０内の屈折性流体２５０の共振中のシステム減衰効果及び／又はエネルギ損失を最小限に抑えるほど充分に小さく構成されている。また、このような実施例は、膨張又は収縮する屈折性流体の流れが、ＴＡＧレンズ１７０Ｂの動作又は輸送中に生じ得る温度変化の予想速度に遅れずについていくことができるよう構成されていることは認められよう。様々な実施例において、流れ抑制セクションＦＲＳは、大きくても２５平方ミリメートル、又は大きくても１５平方ミリメートルの流断面を有し得る（例えば、レンズケース２１０内の屈折性流体２５０の共振を隔離することを含む上述の設計パラメータを達成するように、かつ、温度変化等のため生じ得るレンズケース２１０内の屈折性流体２５０の圧力変化を最小限に抑える充分な流れを可能とするように）。
【００３１】
様々な実施例において、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂは、少なくとも−２０℃から６０℃までの温度範囲にわたってケース空洞ＣＣ内の屈折性流体２５０のほぼ一定の圧力を維持するよう構成されている。様々な実施例において、外部貯蔵部２８０Ｂは、全ての動作温度において変形可能部分２９１Ｂの外側に大気圧が作用するよう構成されている。例えば、外部貯蔵部本体２８１ＢＢの一部（例えば下部）に通気口２８８Ｂを設けることができる。通気口２８８Ｂは、大気に開口し、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂの外側に大気圧が作用するよう構成されている。様々な実施例において通気口２８８Ｂは、ＴＡＧレンズの動作温度にかかわらず、ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体を約１気圧に維持するよう構成されている。
【００３２】
様々な実施例において、レンズケース２１０は少なくとも１つの入口／出口ポート２１１を含み、外部貯蔵部２８０Ｂは少なくとも１つの入口／出口ポート２８４Ｂを含む。様々な実施例において、入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂは、ケース空洞ＣＣ又は変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂの少なくとも一方に屈折性流体２５０を最初に投入するため、組み合わせて使用される。屈折性流体２５０をケース空洞ＣＣ及び／又は変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂに充填した後、入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂは閉鎖／密閉される。例えば入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂは、屈折性流体２５０をＴＡＧレンズ１７０Ｂに投入するためのプロセスの一部として、最初は開放することができる。最初の組み合わせ流体体積（例えば動作ボリュームＯＰＶ及び予備体積ＲＳＶを含む）が確立された後、全流体量は一定に保たれ、ＴＡＧレンズ１７０Ｂを最初に充填するため使用された入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂは密閉された状態を維持する。入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂとは異なり、様々な実施例において、貯蔵部交換路ＲＥＣ（すなわち、レンズケース２１０を通って延出し、流路ＦＬＣの一部である）は、外部からアクセス可能なポートでなく、ＴＡＧレンズ１７０Ｂに対する屈折性流体２５０の投入又は除去のための入口／出口ポートとして使用可能でないことは認められよう。
【００３３】
様々な実施例において、予備体積ＲＳＶに対する動作ボリュームＯＰＶの可変の比は、少なくとも部分的に屈折性流体２５０の温度に応じて変動する。様々な実施例において、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂは、ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体２５０のほぼ一定の圧力を維持するように構成されている。例えば、ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体２５０の温度が上昇して屈折性流体２５０が膨張した場合、屈折性流体２５０の少なくとも一部はケース空洞ＣＣから変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂへ流れる（例えば、ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体２５０の圧力をほぼ一定のレベルに維持するように）。同様に、ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体２５０の温度が低下して屈折性流体２５０が収縮した場合、屈折性流体の少なくとも一部は変形可能外部流体貯蔵部２９０からケース空洞ＣＣへ流れる（例えば、ケース空洞ＣＣ内の屈折性流体２５０の圧力をほぼ一定のレベルに維持するように）。
【００３４】
様々な実施例において、外部貯蔵部２８０Ｂは、ＴＡＧレンズ１７０Ｂの一部として含ませるのではなく、別個の要素として構成することができる（例えば別個のアクセサリとして、又は既存のＴＡＧレンズを改造するためのアップグレードコンポーネントとして等）。そのような実施例において、外部貯蔵部２８０Ｂは、屈折性流体２５０の動作ボリュームＯＰＶを収容するように構成されたケース空洞ＣＣを備えるレンズケース２１０を有する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズに結合するよう構成できる。外部貯蔵部２８０Ｂは、屈折性流体２５０を収容するよう構成された変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂ及び流路部（例えばチャネル部２８２Ｂ及び２８３Ｂを含む）を含み得る。流路部は、変形可能外部流体貯蔵部２９０ＢをＴＡＧレンズのケース空洞ＣＣに接続する流路ＦＬＣ−Ｂの一部であり得る。変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂは屈折性流体２５０の予備体積ＲＳＶを収容し、屈折性流体２５０の少なくとも一部は、ケース空洞ＣＣと変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂとの間で流路ＦＬＣを介して行ったり来たりすることができる。レンズケース２１０、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂ、及び流路ＦＬＣ−Ｂは、密閉されたシステムとして構成できる。
【００３５】
様々な実施例において、屈折性流体２５０の動作ボリュームＯＰＶを収容するように構成されたケース空洞ＣＣを備えるレンズケース２１０と、レンズケース２１０の内部において動作ボリュームＯＰＶを貫通する光路ＯＰＡＴＨの周りに配置された制御可能な音波発生要素２２０と、を有する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズ１７０Ｂを調製及び動作させるための方法が提供される。様々な実施例において、方法は、ケース空洞ＣＣと、レンズケース２１０を貫通する流路ＦＬＣによってケース空洞ＣＣに接続されている変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂと、に屈折性流体２５０を投入することを含む。様々な実施例において、レンズケース２１０は入口／出口ポート２１１を含み、外部貯蔵部２８０Ｂは入口／出口ポート２８４Ｂを含み、これらの各々は屈折性流体２５０が投入される間は開放され、これらのうち少なくとも１つを介して屈折性流体２５０はケース空洞ＣＣ及び変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂに投入されるように提供される。充填に使用される屈折性流体２５０の所望の温度において、ケース空洞ＣＣが屈折性流体２５０の動作ボリュームＯＰＶを収容するよう充填されると共に変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂが屈折性流体２５０の所望の予備体積ＲＳＶを収容するよう充填された後、入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂの各々は閉鎖される。様々な実施例において、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂは、ＴＡＧレンズ１７０Ｂの所望の最大動作又は貯蔵温度において屈折性流体２５０の最大の所望の予備体積ＲＳＶを収容するよう充填されることが望ましい場合がある。一度入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂが閉鎖／密閉されたら、レンズケース２１０、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂ、及び流路ＦＬＣ−Ｂは、密閉されたシステムとして構成される。様々な実施例において、充填及び密閉プロセスの間、流体充填体積において全てのガスは排除されている。所望の場合、密閉前に、真空チャンバ等において充填流体にガス放出手順を行うことができる。一度システムが密閉されたら、通常動作によってＴＡＧレンズ１７０Ｂを制御して、ＴＡＧレンズ１７０Ｂの周期的に変調された光学パワー変動を与えることができる。
【００３６】
より明確には、様々な実施例においてＴＡＧレンズ１７０は、密閉されたシステムがノミナルで（nominally）屈折性流体２５０のみを収容し、屈折性流体内に意図的に封入された気泡等の圧縮性成分が存在しないように構成されている。より具体的には、屈折性流体内の意図的に封入された気泡等の圧縮性成分は、レンズケース２１０内部の全利用可能流体体積の少なくとも最小部分（例えば２％）を構成する意図的に導入された要素として規定され、ケース空洞ＣＣに屈折性流体２５０が充填される時に屈折性流体２５０の同等の体積を意図的に変位させるか又は置換する。これに対し、本明細書において規定される偶発的（incidental）な気泡は、ガス放出もしくはキャビテーション、又は望ましくない漏れのために生じ得る望ましくないガスを含み、意図的に封入された気泡とは認められない（すなわち、本例ではケース空洞ＣＣの全利用ボリュームの２％未満の体積である）。
【００３７】
１つの具体的な例示の実施例では、２０℃の動作温度において、ＴＡＧレンズ１７０は、変形可能外部流体貯蔵部２９０内の屈折性流体２５０の予備体積ＲＳＶが変形可能外部流体貯蔵部２９０の最大設計体積ＭＤＶの７０％未満であるように構成されている。本明細書で規定されるように、設計体積は概して応力なしの状態及び／又は圧力なしの状態のものである。そのような構成において、温度が上昇して屈折性流体２５０が膨張した場合、予備体積ＲＳＶを増大させるように、ある量の屈折性流体２５０がケース空洞ＣＣから変形可能外部流体貯蔵部２９０へ流れることは認められよう（例えば、いくつかの実施例では、動作ボリュームＯＰＶはほぼ同一のままであり、約１気圧等のほぼ同一の圧力を維持する）。温度が低下して屈折性流体２５０が収縮した場合、予備体積ＲＳＶを低減させるように、ある量の屈折性流体２５０が変形可能外部流体貯蔵部２９０からケース空洞ＣＣへ流れる（例えば、いくつかの実施例では、動作ボリュームＯＰＶはほぼ同一のままであり、約１気圧等のほぼ同一の圧力を維持する）。
【００３８】
様々な実施例において、ケース空洞ＣＣの内部に位置する屈折性流体２５０の動作ボリュームＯＰＶに対する変形可能外部流体貯蔵部２９０の最大設計体積ＭＤＶの比は少なくとも１／７とすることができる。様々な実施例では、２０℃の動作温度においてＴＡＧレンズ１７０は、動作ボリュームＯＰＶに対する予備体積ＲＳＶの比が少なくとも１／１０であるように構成できる。このような実施例は、ある範囲の動作温度にわたってこの構成が有効に動作できるように、屈折性流体２５０の膨張及び収縮を吸収するためのマージンを与えることは認められよう。更に具体的には、いくつかの実施例において、ケース空洞ＣＣと変形可能外部流体貯蔵部２９０との間で屈折性流体２５０を行ったり来たりさせることによって、動作ボリュームＯＰＶをほぼ同一のままに保つと共にほぼ同一の圧力（約１気圧等）を維持しながら、予備体積ＲＳＶは増大又は低減することができる。
【００３９】
図５は、外部貯蔵部２８０Ｃの第２の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズ１７０Ｃの断面の図である。図５に示されているように、外部貯蔵部２８０Ｃは、外部貯蔵部本体２８１ＢＣ、外部貯蔵部上部２８１ＴＣ、及び変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｃを備えている。図５の例示的な構成において、流路ＦＬＣ−Ｃは、レンズケース２１０と変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｃとの間に延出するチューブＴＢ−Ｃを含み、これを介して屈折性流体２５０は前述のように流れることができる。図５の例において、チューブＴＢ−Ｃは、水平方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ１及び垂直方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ２を含む。
【００４０】
図５の構成において、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｃは上部ネック部２９２Ｃ及び下部ネック部２９３Ｃを含む。様々な実施例において、上部及び下部ネック部２９２Ｃ及び２９３Ｃは、これらを介して延出するチューブＴＢ−Ｃの垂直方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ２を収容するための（例えば中央の）孔以外は、比較的厚く堅固にすることができる。様々な実施例において、上部ネック部２９２Ｃの周りにクランプ２８９Ｃを留めて、チューブＴＢ−Ｃの垂直方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ２の周りに上部ネック部２９２Ｃを固定する。下部ネック部２９３Ｃは、外部貯蔵部本体２８１ＢＣのくぼみ部２８６Ｃ上に置かれるか又はこれによって固定されている。
【００４１】
様々な実施例において、チューブＴＢ−Ｃの垂直方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ２は、下部ネック部２９３Ｃの端部を通り過ぎて変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｃ内へ延出することができ、これはいくつかの利点を与え得る（例えば、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｃ内で生じ得る偶発的な気泡は、下部ネック部２９３Ｃの下方の貯蔵部上部まで浮上するので、チューブＴＢ−Ｃの垂直方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ２内へ流入する可能性は低い）。更に、水平方向チャネルセクションＴＢ−Ｃ１は、レンズケース２１０内へ（例えば、レンズケース２１０の貯蔵部交換路ＲＥＣ内へ）延出し、追加の密閉要素（例えば密閉リング）を必要としないように固定することができる。
【００４２】
図６は、外部貯蔵部２８０Ｄの第３の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズ１７０Ｄの断面の図である。図６の例示的な構成において、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｄはピストン２９６Ｄを含み、ピストン２９６Ｄは、屈折性流体２５０が膨張してケース空洞ＣＣから変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｄへ流れる場合は外部貯蔵部本体２８１ＢＤ内部で第１の方向（例えば下方向）に移動し、屈折性流体２５０が収縮して変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｄからケース空洞ＣＣへ流れる場合は第１の方向とは反対の第２の方向（例えば上方向）に移動する。１つ以上の密閉要素２９７Ｄ（例えば密閉リング）を含ませて（例えば、ピストン２９６Ｄに結合される及び／又はその周りに位置付けられる）、ピストン２９６Ｄの上方で屈折性流体２５０を密閉して閉じ込めることを保証する。様々な実施例において、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｄは更にばね２９８Ｄを含み、ばね２９８Ｄは、ピストン２９６Ｄに（例えばピストン２９６Ｄの下部に）結合されて、少なくとも２０ミリメートルに及ぶ位置範囲にわたってピストン２９６Ｄのためにほぼ一定の機械的ばね定数を維持する。所望の場合、ほぼ一定の機械的ばね定数を有するこのような構成を使用して、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｄの予備体積ＲＳＶ、及びこれに応じてケース空洞ＣＣの動作ボリュームＯＰＶを、１気圧以外のほぼ一定の圧力に維持できることは認められよう。所望の場合、同様の「非密閉」ばね及びピストン配置を実施して、（例えば前述のような）密閉袋構成を押圧し、密閉袋内の流体（及びケース空洞ＣＣの関連する動作ボリュームＯＰＶ）を１気圧以外のほぼ一定の圧力に維持できることは認められよう。
【００４３】
図７は、外部貯蔵部２８０Ｅの第４の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズ１７０Ｅの上面の図である。図７に示されているように、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｅ（円筒ドーナツ形状）は外部貯蔵部２８０Ｅ内に含まれ、レンズケース２１０の少なくとも一部の周りに延出している。図７の具体的な例示の実施例に示されているように、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｅはレンズケース２１０の全周を取り囲むように延出しているが、様々な代替的な実施例では、変形可能外部流体貯蔵部はレンズケース２１０の一部のみの周りに延出し得ることは認められよう。そのような実施例は、図４から図７の実施例とは異なる全体外形寸法で形成され得ることは認められよう。いくつかの用途では、図示されている構成の方が取り付けるのに望ましいか又は好都合である場合がある。
【００４４】
変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｅは、レンズケース２１０を貫通する１つ以上の流路ＦＬＣ−Ｅによってケース空洞ＣＣに接続されている。図７には１つだけの流路ＦＬＣ−Ｅが示されているが、代替的な実施例では、レンズケース２１０の周りに複数の流路ＦＬＣを配置できる。変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｅは、屈折性流体２５０の予備体積ＲＳＶ−Ｅを含む。流路ＦＬＣ−Ｅによって屈折性流体２５０は、前述の原理に従って、ケース空洞ＣＣと変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｅとの間で行ったり来たりすることができる。レンズケース２１０、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｅ、及び流路ＦＬＣ−Ｅは、密閉システムとして構成されている。レンズケース２１０は少なくとも１つの入口／出口ポート２１１を含み、外部貯蔵部２８０Ｅは少なくとも１つの入口／出口ポート２８４Ｅを含み、これらは上述のように屈折性流体２５０をＴＡＧレンズ１７０Ｅに投入するため利用できる。様々な実施例において、外部貯蔵部２８０Ｅは、様々な構成（例えばボルトや溶接等）を用いてレンズケース２１０に固定して取り付けることができる。様々な体積の関係や充填方法等は、前述した原理に従って外部貯蔵部２８０Ｅ向けに実施できる。
【００４５】
図８は、デュアル外部貯蔵部２８０Ｆの第５の例示的な実施例を用いたＴＡＧレンズ１７０Ｆの上面の図である。図８の例示的な構成において、外部貯蔵部２８０Ｆ１及び２８０Ｆ２はレンズケース２１０の周りに配置され、それぞれ第１及び第２の変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｆ１及び２９０Ｆ２を含む。
【００４６】
第１及び第２の変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｆ１及び２９０Ｆ２は、それぞれレンズケース２１０を貫通する第１及び第２の流路ＦＬＣ−Ｆ１及びＦＬＣ−Ｆ２によってケース空洞ＣＣに接続されている。第１及び第２の変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｆ１及び２９０Ｆ２は、屈折性流体２５０の第１及び第２の予備体積ＲＳＶ−Ｆ１及びＲＳＶ−Ｆ２をそれぞれ含み、これらは一緒に組み合わせ予備体積ＲＳＶ−Ｆを形成する。第１及び第２の流路ＦＬＣ−Ｆ１及びＦＬＣ−Ｆ２によって屈折性流体２５０は、前述の原理に従って、ケース空洞ＣＣと変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｆ１及び２９０Ｆ２との間で行ったり来たりすることができる。
【００４７】
レンズケース２１０、第１及び第２の変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｆ１及び２９０Ｆ２、並びに第１及び第２の流路ＦＬＣ−Ｆ１及びＦＬＣ−Ｆ２は、密閉システムとして構成されている。レンズケース２１０は少なくとも１つの入口／出口ポート２１１を含み、外部貯蔵部２８０Ｆ１及び２８０Ｆ２は入口／出口ポート２８４Ｆ１及び２８４Ｆ２をそれぞれ含み、これらは上述のように流体２５０をＴＡＧレンズ１７０Ｆに投入するため利用できる。様々な実施例において、外部貯蔵部２８０Ｆ１及び２８０Ｆ２は、様々な構成（例えばボルトや溶接等）を用いてレンズケース２１０に固定して取り付けることができる。（組み合わせ体積（ＲＳＶ−Ｆ１＋ＲＳＶ−Ｆ２）に基づく様々な体積の関係や充填方法等は、前述した原理に従って外部貯蔵部２８０Ｆ向けに実施できる。
【００４８】
図９は、本明細書に開示される原理に従って外部貯蔵部を用いたＴＡＧレンズを調製及び動作させるためのルーチン１０００の１つの例示的な実施例を示すフロー図である。上述のように、様々な実施例においてＴＡＧレンズは、屈折性流体の動作ボリュームを収容するように構成されたケース空洞を備えるレンズケースと、レンズケースの内部において動作ボリュームを貫通する光路の周りに配置された制御可能な音波発生要素と、を有し得る。図９に示されているように、ブロック１０１０では、ケース空洞及び変形可能外部流体貯蔵部に屈折性流体を投入する。変形可能流体貯蔵部は外部貯蔵部に含まれ、レンズケースを貫通する流路によってケース空洞に接続されている。レンズケースは入口／出口ポートを含み、外部貯蔵部は入口／出口ポートを含み、これらの各々は屈折性流体が投入される間は開放され、これらの少なくとも１つを介して屈折性流体はケース空洞及び変形可能外部流体貯蔵部に投入されるように提供される。
【００４９】
図４の実施例を例示的な構成として用いると、ブロック１０１０における屈折性流体の投入は、最初に入口／出口ポート２１１及び２８４Ｂに加えて通気口２８８Ｂ（例えば大気に開口する）を開放することを含み得る。１つの実施例において、屈折性流体は、ケース空洞ＣＣがいっぱいになると共に変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂがいっぱいになるまで、入口／出口ポート２８４Ｂを介して投入されて、変形可能外部流体貯蔵部の屈折性流体の予備体積は最大設計体積ＭＤＶのほぼ１００％となり、このため空気又は他のガスを入口／出口ポート２１１から放出することができる（例えば、溶解した空気等のガス放出を含めて、密閉されるシステムの真空パージが基本的に実行され得る）。（前述のことは全て、ＴＡＧレンズの所望の最大動作又は貯蔵温度で実行され得る。あるいは、より低温で上述のようにシステムを充填した後、変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂを所望の対応状態まで収縮させるように入口／出口ポート２８４Ｂから流体を抜き取ってもよい。）このような実施例では、次いで入口／出口ポート２１１を密閉又は閉鎖することができる。様々な実施例では、ケース空洞ＣＣの動作ボリュームＯＰＶを充填したまま、ほぼ一定に保ちながら、抜き取られる屈折性流体の量によって、所望の動作温度（例えば２０℃等）における変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂの屈折性流体の予備体積ＲＳＶ−Ｂを変形可能外部流体貯蔵部２９０Ｂの最大設計体積ＭＤＶの７０％未満とすることができる。
【００５０】
ブロック１０２０では、屈折性流体の現在の温度で、ケース空洞が屈折性流体の動作ボリュームを収容するよう充填されると共に変形可能外部流体貯蔵部が屈折性流体の所望の予備体積を収容するよう充填された後、入口／出口ポートを閉鎖／密閉する。図４の例を参照して上述したように、様々な実施例において入口／出口ポートは、屈折性流体を投入するためのプロセスに応じて異なる時点で又は様々なシーケンスで閉鎖することができる。ブロック１０３０では、システムを密閉した後、ＴＡＧレンズの周期的に変調される光学パワー変動を与えるようにＴＡＧレンズを制御する。例えば、制御可能な音波発生要素を上述のように制御して、ＴＡＧレンズの周期的に変調される光学パワーを与えることができる。
【００５１】
本開示の好適な実施例について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した要素の構成及び動作のシーケンスにおける多数の変形が当業者には明らかであろう。種々の代替的な形態を用いて本明細書に開示された原理を実施することができる。更に、上述の様々な実施例を組み合わせて別の実施例を提供することも可能である。これらの様々な特許及び出願の概念を用いて更に別の実施例を提供するために必要な場合は、上述の実施例の態様は変更可能である。
【００５２】
前述の記載に照らして、実施例にこれら及び他の変更を行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は本明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施例に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されず、そのような特許請求の範囲の権利が与えられる（entitled）均等物の全範囲に加えて全ての可能な実施例を包含するものとして解釈されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
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