(57)【要約】【課題】可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ（例えば可変音響式屈折率分布型レンズ）を含むＶＦＬレンズシステムの較正データを決定するための合焦状態較正物体を使用するためのシステム及び方法が提供される。【解決手段】較正物体は、合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）のセットが分散している平面状傾斜パターン表面を含む（例えば傾斜格子）。ＦＳＲＲは、平面状傾斜パターン表面に対して既知の幾何学的関係を有すると共に、相互に既知の領域関係を有する。周期的変調の異なる位相タイミングにおいて複数のカメラ画像を取得し、複数のカメラ画像を解析することに少なくとも部分的に基づいて較正データを決定する。決定した較正データは、ＶＦＬレンズシステムの各有効合焦位置に対応する周期的変調の各位相タイミングを示す。【選択図】図１
2020106841.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの較正データを決定するための合焦状態較正物体を使用するための方法であって、
前記ＶＦＬレンズシステムは、
ＶＦＬレンズと、
前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲の光学パワーにわたって周期的に変調するために、前記ＶＦＬレンズの駆動信号を制御するＶＦＬレンズ制御部であって、前記光学パワーは周期的変調内の各位相タイミングで発生する、ＶＦＬレンズ制御部と、
前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を、画像露光中に受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
前記対応するカメラ画像内でワークピース画像又は較正物体画像のうち少なくとも１つを提供するために、画像露光中にワークピース又は較正物体のうち少なくとも１つから生じる画像光を入力し、前記画像露光中に前記画像光を前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラへ伝送する対物レンズであって、画像露光中の前記対物レンズの前方の有効合焦位置は、当該画像露光中の前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応する、前記対物レンズと、
カメラ画像のために使用される画像露光タイミングを制御するよう構成された露光時間制御部と、
を備え、
前記較正物体は、合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）のセットが分散している平面状傾斜パターン表面を含み、前記ＦＳＲＲは、前記平面状傾斜パターン表面に対して既知の幾何学的関係を有すると共に相互に既知の領域関係を有し、前記較正物体が前記ＶＦＬレンズシステムに対して較正物体撮像構成に配置された場合、前記ＦＳＲＲは、前記対物レンズに対してそれぞれ異なる有効合焦位置に固定され、較正物体画像内にそれぞれ参照領域画像位置（ＲＲＩＬ）を有し、
前記方法は、
前記周期的変調の異なる位相タイミングにおいて複数のカメラ画像を取得することであって、
前記較正物体撮像構成に配置された前記較正物体に光源光を出力することと、
前記カメラからカメラ画像を受信することであって、較正物体画像露光中に較正物体画像光が前記撮像光路に沿って伝送され、前記ＶＦＬレンズを通過して前記カメラに至ることで、較正物体画像を含む前記カメラ画像を受信することと、
を含む、前記各カメラ画像を取得することと、
前記複数のカメラ画像を解析することに少なくとも部分的に基づいて、各有効合焦位置に対応する前記周期的変調の各位相タイミングを示す較正データを決定することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記較正データを決定することは位置合わせプロセスを実行することを含み、前記位置合わせプロセスは、位置合わせ画像と、前記既知の領域関係又は前記既知の幾何学的関係のうち少なくとも１つと、を使用して、前記ＶＦＬレンズシステムに対する前記較正物体の位置合わせの決定又は補償のうち少なくとも一方を行うことを含み、前記位置合わせ画像は、
前記複数のカメラ画像の中のカメラ画像、
前記較正物体の拡大被写界深度（ＥＤＯＦ）画像、又は
前記ＶＦＬレンズが、前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーが変調されておらず前記ＶＦＬレンズがレンズ効果を与えない状態であるときに取得される前記較正物体のオフＶＦＬカメラ画像、
のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記位置合わせプロセスは、前記位置合わせ画像を解析して、前記ＶＦＬレンズシステムに対する前記較正物体の前記位置合わせを示す合成周波数を決定することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記合成周波数は、前記位置合わせ画像の２Ｄフーリエ変換を処理することによって決定される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記位置合わせプロセスは、
前記ＶＦＬレンズシステムに対する前記較正物体の回転角に対応する前記較正物体の位置合わせを決定することと、
前記較正物体の少なくとも１つの画像を更に処理する前に、前記少なくとも１つの画像を前記回転角だけ回転させることによって前記ＶＦＬレンズシステムに対する前記較正物体の前記位置合わせを補償することと、
を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記較正データを決定することは、前記較正物体のオフＶＦＬカメラ画像を解析して、前記複数のカメラ画像の対応する値の基準になると共に前記対物レンズからの作動距離に対応する代表値を決定することを含み、前記オフＶＦＬカメラ画像は、前記ＶＦＬレンズが、前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーが変調されておらず前記ＶＦＬレンズがレンズ効果を与えない状態であるときに取得される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記オフＶＦＬカメラ画像の前記代表値と一致すると共に前記作動距離に対応するものとして指定される前記複数のカメラ画像の２つの対応する値間の内挿値が決定される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記代表値は、前記オフＶＦＬカメラ画像に対してラインスキャンを実行することによって少なくとも部分的に決定される画素位置値である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記複数のカメラ画像を解析することは、各ＦＳＲＲのピーク合焦特性値の位相タイミングを決定するため、前記カメラ画像内の各ＦＳＲＲの合焦特性値を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
各ＦＳＲＲの前記決定された合焦特性値は前記ＦＳＲＲの定量的コントラスト尺度値を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のカメラ画像を解析することは各ＦＳＲＲの有効合焦位置を決定することを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ＦＳＲＲの各々の前記有効合焦位置を決定することは、前記カメラ画像の１つ以上において前記ＦＳＲＲの各々の画素位置をサブ画素精度で決定することと、前記決定した画素位置並びに前記較正物体及び前記ＶＦＬレンズシステムの既知の物理的特徴に基づいて前記ＦＳＲＲの前記有効合焦位置を決定することと、を含み、前記既知の物理的特徴は少なくとも、前記平面状傾斜パターン表面の傾斜角、前記対物レンズの倍率、及び画素の大きさを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記較正データを決定することは、各ＦＳＲＲの前記ピーク合焦特性値に対応する前記決定された位相タイミングを含むデータと、各ＦＳＲＲの前記決定された有効合焦位置とを組み合わせることを更に含み、前記組み合わせたデータは前記ＶＦＬレンズシステムの有効合焦位置に対応するものとして位相タイミングを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記較正データを決定することは、前記組み合わせたデータにフィッティングされる正弦波フィッティング式を決定することと、前記正弦波フィッティング式を用いて、前記ＶＦＬレンズの前記変調の範囲内で等しく離間した有効合焦位置に対応する位相タイミングを決定することと、前記等しく離間した有効合焦位置に対応する前記決定した位相タイミングを、前記ＶＦＬレンズシステムの各有効合焦位置に対応する前記周期的変調の各位相タイミングを示す前記較正データの少なくとも一部として記憶することと、を更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記較正データを決定することは、前記較正物体の拡大被写界（ＥＤＯＦ）画像を用いて前記ＦＳＲＲの各々の近似位置を決定することを更に含み、前記近似位置は、画像内の前記ＦＳＲＲの合焦特性値を決定するため前記画像内に関心領域を配置するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＶＦＬレンズは可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズである、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムであって、
ＶＦＬレンズと、
前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲の光学パワーにわたって周期的に変調するために、前記ＶＦＬレンズの駆動信号を制御するＶＦＬレンズ制御部であって、前記光学パワーは周期的変調内の各位相タイミングで発生する、ＶＦＬレンズ制御部と、
前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を、画像露光中に受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
対応するカメラ画像内でワークピース画像又は較正物体画像のうち少なくとも１つを提供するために、画像露光中にワークピース又は較正物体のうち少なくとも１つから生じる画像光を入力し、前記画像露光中に前記画像光を前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラへ伝送する対物レンズであって、画像露光中の前記対物レンズの前方の有効合焦位置は、当該画像露光中の前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応する、対物レンズと、
カメラ画像のために使用される画像露光タイミングを制御するよう構成された露光時間制御部と、
を備えるＶＦＬレンズシステムと、
合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）のセットが分散している平面状傾斜パターン表面を含む較正物体であって、前記ＦＳＲＲは、前記平面状傾斜パターン表面に対して既知の幾何学的関係を有すると共に相互に既知の領域関係を有し、前記較正物体が前記ＶＦＬレンズシステムに対して較正物体撮像構成に配置された場合、前記ＦＳＲＲは、前記対物レンズに対してそれぞれ異なる有効合焦位置に固定され、較正物体画像内にそれぞれ参照領域画像位置（ＲＲＩＬ）を有する、較正物体と、
コンピューティングシステムであって、
１つ以上のプロセッサと、
前記１つ以上のプロセッサに結合され、プログラム命令を記憶しているメモリであって、前記プログラム命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行された場合、少なくとも、
前記較正物体を前記ＶＦＬレンズシステムに対して前記較正物体撮像構成に配置した状態で、前記周期的変調の異なる位相タイミングにおいて前記較正物体の複数のカメラ画像を取得することと、
前記複数のカメラ画像を解析することに少なくとも部分的に基づいて較正データを決定することであって、前記較正データは、各有効合焦位置に対応する前記周期的変調の各位相タイミングを示す、ことと、
を前記１つ以上のプロセッサに実行させる、メモリと、
を備えるコンピューティングシステムと、
を備えるシステム。
【請求項１８】
前記ＶＦＬレンズは可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズである、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記較正物体は前記平面状傾斜パターン表面の下方に位置付けられた反射面を含み、前記較正物体が前記ＶＦＬレンズシステムに対して前記較正物体撮像構成に配置されている場合に前記反射面はワークピース撮像光路の光軸に対してノミナルで直交し、前記平面状傾斜パターン表面を通過して前記反射面で反射され、再び前記平面状傾斜パターン表面を通過する較正物体画像光としての光源光は、前記ワークピース撮像光路に沿って伝送される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記平面状傾斜パターン表面は格子ラインを有する格子を含み、前記複数のＦＳＲＲの前記ＦＳＲＲの各々は前記格子ラインのうち１つのエッジに対応する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
較正物体のセットの一部である複数の追加の較正物体を更に備え、前記較正物体も前記較正物体のセット内の要素であり、前記較正物体のセットの各較正物体はそれぞれ傾斜量が異なる平面状傾斜パターン表面を有し、前記較正物体のセットの各較正物体はそれぞれ倍率が異なる対物レンズに対応し、前記ＶＦＬレンズシステムの較正が実行される場合、前記セットの中から、前記較正の間に使用される前記対物レンズに対応する較正物体が使用される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの較正データを決定するための合焦状態較正物体を使用するためのシステムであって、
前記ＶＦＬレンズシステムは、
ＶＦＬレンズと、
前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲の光学パワーにわたって周期的に変調するために、前記ＶＦＬレンズの駆動信号を制御するＶＦＬレンズ制御部であって、前記光学パワーは周期的変調内の各位相タイミングで発生する、ＶＦＬレンズ制御部と、
前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を、画像露光中に受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
対応するカメラ画像内でワークピース画像又は較正物体画像のうち少なくとも１つを提供するために、画像露光中にワークピース又は較正物体のうち少なくとも１つから生じる画像光を入力し、前記画像露光中に前記画像光を前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラへ伝送する対物レンズであって、画像露光中の前記対物レンズの前方の有効合焦位置は、当該画像露光中の前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応する、対物レンズと、
カメラ画像のために使用される画像露光タイミングを制御するよう構成された露光時間制御部と、
を備え、
前記合焦状態較正物体を使用するための前記システムは、
合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）のセットが分散している平面状傾斜パターン表面を含む前記較正物体であって、前記ＦＳＲＲは、前記平面状傾斜パターン表面に対して既知の幾何学的関係を有すると共に相互に既知の領域関係を有し、前記較正物体が前記ＶＦＬレンズシステムに対して較正物体撮像構成に配置された場合、前記ＦＳＲＲは、前記対物レンズに対してそれぞれ異なる有効合焦位置に固定され、較正物体画像内にそれぞれ参照領域画像位置（ＲＲＩＬ）を有する、前記較正物体と、
コンピューティングシステムであって、
１つ以上のプロセッサと、
前記１つ以上のプロセッサに結合され、プログラム命令を記憶しているメモリであって、前記プログラム命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行された場合、少なくとも、
前記較正物体を前記ＶＦＬレンズシステムに対して前記較正物体撮像構成に配置した状態で、前記周期的変調の異なる位相タイミングにおいて取得された前記較正物体の複数のカメラ画像を受信することと、
前記複数のカメラ画像を解析することに少なくとも部分的に基づいて較正データを決定することであって、前記較正データは、各有効合焦位置に対応する前記周期的変調の各位相タイミングを示す、ことと、
を前記１つ以上のプロセッサに実行させる、メモリと、
を備えるコンピューティングシステムと、
を備えるシステム。
【請求項２３】
前記ＶＦＬレンズは可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズである、請求項２２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、（例えばマシンビジョン検査システムにおける）高速可変焦点距離（ＶＦＬ：variable focal length）レンズを用いた精密計測に関し、更に具体的には、ＶＦＬ撮像システムのための較正の実行に関する。
【背景技術】
【０００２】
精密マシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）のような精密非接触計測システムは、物体の精密な寸法測定を行うと共に様々な他の物体の特徴を検査するために使用でき、コンピュータと、カメラと、光学システムと、ワークピースの走査（traversal）及び検査を可能とするために移動する精密ステージと、を含み得る。１つの例示的な従来技術のシステムは、イリノイ州オーロラに位置するMitutoyo America Corporation（ＭＡＣ）から入手可能なQUICK VISION（登録商標）シリーズのＰＣベースのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアである。QUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作については、概ね、例えば２００３年１月に発表されたQVPAK 3D CNC画像測定機ユーザガイドに記載されている。このタイプのシステムは、顕微鏡型の光学システムを利用し、小型又は比較的大型のワークピースの検査画像を提供するようにステージを移動させる。
【０００３】
汎用の精密マシンビジョン検査システムは一般に、自動化ビデオ検査を行うようにプログラム可能である。このようなシステムは通常、「非専門家」のオペレータが動作及びプログラミングを実行できるように、ＧＵＩ機能及び既定の画像解析「ビデオツール」を含む。例えば米国特許第６，５４２，１８０号は、様々なビデオツールの使用を含む自動化ビデオ検査を利用したビジョンシステムを教示している。
【０００４】
マルチレンズ可変焦点距離（ＶＦＬ）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レンズ効果（lensing effect）を生成する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ：tunable acoustic gradient）レンズである。流体媒質を取り囲む圧電チューブに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、これによって光学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、ある範囲の焦点距離を周期的にスイープすることができる。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）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。例えば、モデルTL2.B.xxxシリーズのレンズは最大で約６００ｋＨｚの変調が可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなＶＦＬレンズは、極めて高速に有効合焦位置を変更できることによって様々な利点を提供する。このようなシステムの精度を保証するため、特に特定のタイプの動作（例えば計測用ポイントフロムフォーカス動作等）では、較正が重要である。既存の較正技法に比べ、（例えば使用の容易さ、精度、及び／又は反復性等の点で）改善を図ることができる、このようなＶＦＬシステムを較正するためのシステム及び方法が望まれている。
【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】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの較正データを決定するための合焦状態較正物体を使用するための方法が提供される。様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、ＶＦＬレンズと、ＶＦＬレンズ制御部と、カメラと、対物レンズと、露光時間制御部と、を含む。様々な実施例において、ＶＦＬレンズは可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズとすることができる。ＶＦＬレンズ制御部は、ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲の光学パワーにわたって周期的に変調するために、ＶＦＬレンズの駆動信号を制御する。これらの光学パワーは周期的変調内の各位相タイミングで発生する。カメラ（例えば検出器を含む）は、ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を、画像露光中に受光し、対応するカメラ画像を提供する。対物レンズは、対応するカメラ画像内でワークピース画像又は較正物体画像のうち少なくとも１つを提供するために、画像露光中にワークピース又は較正物体のうち少なくとも１つから生じる画像光を入力し、画像露光中に画像光を撮像光路に沿ってＶＦＬレンズを介してカメラへ伝送する。画像露光中の対物レンズの前方の有効合焦位置は、その画像露光中のＶＦＬレンズの光学パワーに対応する。露光時間制御部は、カメラ画像のために使用される画像露光タイミングを制御するよう構成されている。
【０００８】
様々な実施例において、較正物体は、合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ：focus state reference region）のセットが分散している平面状傾斜パターン表面を含む。ＦＳＲＲは、平面状傾斜パターン表面に対して既知の幾何学的関係を有する。例えば平面状傾斜パターン表面が格子を含み、ＦＳＲＲが格子の要素（例えば格子ライン／エッジ）に対応する実施例では、既知の幾何学的関係は、格子が平面状傾斜パターン表面の面に対して既知の位置合わせを有すること、及び／又は各格子ライン／エッジが平面状傾斜パターン表面において既知の一定の高さを有すること、及び／又は平面状傾斜パターン表面に対する格子ライン／エッジの他の既知の幾何学的関係に対応し得る。また、ＦＳＲＲは相互に既知の領域関係も有する。例えば格子の場合、既知の領域関係は、格子が既知の格子ピッチを有すること、及び／又は格子ライン／エッジが相互に既知の間隔を有すること、及び／又は格子ライン／エッジ相互の他の既知の領域関係に対応し得る。較正物体がＶＦＬレンズシステムに対して較正物体撮像構成に配置された場合、ＦＳＲＲは、対物レンズに対してそれぞれ異なる有効合焦位置に固定され、較正物体画像内にそれぞれ参照領域画像位置（ＲＲＩＬ：reference region image location）を有する。
【０００９】
様々な実施例において、較正データを決定するための較正物体を使用するための方法は、周期的変調の異なる位相タイミングにおいて複数のカメラ画像（例えば画像スタック）を取得することを含む。様々な実施例において、各カメラ画像を取得することは、較正物体撮像構成に配置された較正物体に光源光を出力することと、カメラからカメラ画像を受信すること、を含む。様々な実施例において、較正物体画像露光中に較正物体画像光が撮像光路に沿って伝送され、ＶＦＬレンズを通過してカメラに至り、カメラ画像内で較正物体画像を与える。複数のカメラ画像を取得した後、これらの複数のカメラ画像を解析することに少なくとも部分的に基づいて較正データを決定する。較正データは、各有効合焦位置に対応する周期的変調の各位相タイミングを示す。
【００１０】
様々な実施例において、較正データを決定することは位置合わせプロセスを実行することを含み得る。位置合わせプロセスは、位置合わせ画像と、既知の領域関係又は既知の幾何学的関係のうち少なくとも１つと、を使用して、ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の位置合わせの決定又は補償のうち少なくとも一方を行うことを含む。様々な実施例において、位置合わせ画像は、複数のカメラ画像の中のカメラ画像、較正物体の拡大被写界深度（ＥＤＯＦ：extended depth of field）画像、又は較正物体のオフＶＦＬカメラ画像（off VFL camera image）のうち少なくとも１つとすることができる。様々な実施例において、位置合わせ画像を使用することは、位置合わせ画像を解析して、ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の位置合わせを示す合成周波数（synthetic frequency）を決定することを含む。様々な実施例において、合成周波数は、位置合わせ画像の２Ｄフーリエ変換を処理することによって決定される。様々な実施例において、位置合わせプロセスは、ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の回転角に対応する較正物体の位置合わせを決定することと、少なくとも１つの画像を更に処理する前に、この少なくとも１つの画像を回転角だけ回転させることによってＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の位置合わせを補償することと、を含み得る。
【００１１】
様々な実施例において、較正データを決定することは、較正物体のオフＶＦＬカメラ画像を解析して、複数のカメラ画像の対応する値の基準になる（referenced）と共に対物レンズからの作動距離に対応する代表値を決定することを含み得る。様々な実施例において、オフＶＦＬカメラ画像は、ＶＦＬレンズが、ＶＦＬレンズの光学パワーが変調されておらずＶＦＬレンズがレンズ効果を与えない状態であるときに取得される。様々な実施例において、オフＶＦＬカメラ画像の代表値と一致すると共に作動距離に対応するものとして指定される複数のカメラ画像の２つの対応する値間の内挿値を決定できる。様々な実施例において、代表値は、オフＶＦＬカメラ画像に対してラインスキャン又は他の処理を実行することによって少なくとも部分的に決定される画素位置値とすることができる。
【００１２】
様々な実施例において、較正データを決定することは、較正物体の拡大被写界（ＥＤＯＦ）画像を用いてＦＳＲＲの各々の近似位置を決定することを含み得る。様々な実施例において、近似位置は、画像内のＦＳＲＲの合焦特性値を決定するため画像内に関心領域を配置するために使用することができる。
【００１３】
様々な実施例において、複数のカメラ画像を解析することは、各ＦＳＲＲのピーク合焦特性値の位相タイミングを決定するため、カメラ画像内の各ＦＳＲＲの合焦特性値を決定することを含み得る。様々な実施例において、各ＦＳＲＲの決定された合焦特性値はＦＳＲＲの定量的コントラスト尺度値を含み得る。様々な実施例において、複数のカメラ画像を解析することは、各ＦＳＲＲの有効合焦位置を決定することを更に含み得る。様々な実施例において、ＦＳＲＲの各々の有効合焦位置を決定することは、カメラ画像の１つ以上においてＦＳＲＲの各々の画素位置をサブ画素精度で決定することと、決定した画素位置並びに較正物体及びＶＦＬレンズシステムの既知の物理的特徴に基づいてＦＳＲＲの有効合焦位置を決定することと、を含み、既知の物理的特徴は少なくとも、平面状傾斜パターン表面の傾斜角、対物レンズの倍率、及び画素の大きさを含み得る。
【００１４】
様々な実施例において、較正データを決定することは、各ＦＳＲＲのピーク合焦特性値に対応する決定された位相タイミングを含むデータと、各ＦＳＲＲの決定された有効合焦位置とを組み合わせる（combine）ことを更に含み得る。組み合わせたデータは、ＶＦＬレンズシステムの有効合焦位置に対応するものとして位相タイミングを含む。様々な実施例において、組み合わせたデータにフィッティングされた方程式（正弦波フィッティング式（sinusoid fitted equation））を決定し、この方程式を用いて、ＶＦＬレンズの変調の範囲内で等しく離間した有効合焦位置に対応する位相タイミングを決定することができる。等しく離間した有効合焦位置に対応する決定した位相タイミングを、ＶＦＬレンズシステムの各有効合焦位置に対応する周期的変調の各位相タイミングを示す較正データの少なくとも一部として記憶することができる。
【００１５】
様々な実施例において、較正物体は、平面状傾斜パターン表面の下方に位置付けられた（例えば、較正物体がＶＦＬレンズシステムに対して較正物体撮像構成に配置されている場合にワークピース撮像光路の光軸に対してノミナルで直交する）反射面を含むことができる。様々な実施例において、平面状傾斜パターン表面を通過して反射面で反射され、再び平面状傾斜パターン表面を通過する較正物体画像光としての光源光は、ワークピース撮像光路に沿って伝送される。
【００１６】
様々な実施例において、較正物体のセットの一部として追加の較正物体を提供することができる。セットの各較正物体はそれぞれ傾斜量が異なる平面状傾斜パターン表面を有し、セットの各較正物体はそれぞれ倍率が異なる対物レンズに対応し得る。ＶＦＬレンズシステムの較正が実行される場合、セットの中から、較正の間に使用される対物レンズに対応する較正物体を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】汎用の精密マシンビジョン検査システムの種々の典型的なコンポーネントを示す図である。
【図２】図１のものと同様の、本明細書に開示されるいくつかの特徴を含むマシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョン構成要素部のブロック図である。
【図３】本明細書に開示されるいくつかの特徴を含む、マシンビジョン検査システムのような精密非接触計測システムに適合することができるＶＦＬシステムの概略図である。
【図４Ａ】本明細書に開示される原理に従って使用できる合焦状態較正物体の第１の例示的な実施例を示す図である。
【図４Ｂ】本明細書に開示される原理に従って使用できる合焦状態較正物体の第１の例示的な実施例を示す図である。
【図５Ａ】異なる倍率を与える様々な対物レンズと組み合わせて用いられる、図４Ａ及び図４Ｂの較正物体のような較正物体の様々な傾斜角を示す図である。
【図５Ｂ】異なる倍率を与える様々な対物レンズと組み合わせて用いられる、図４Ａ及び図４Ｂの較正物体のような較正物体の様々な傾斜角を示す図である。
【図６】本明細書に開示される原理に従って使用でき、合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）を含む較正物体の第２の例示的な実施例を示す図である。
【図７】３つの異なる合焦状態における図６の較正物体の画像を含む３つのカメラ画像を表す図のうち１つである。
【図８】図６の較正物体の拡大被写界深度画像を表す図である。
【図９】較正物体の回転を補償するために利用できる回転角の決定を示す図である。
【図１０】ＶＦＬレンズの光学パワーが変調されておらずＶＦＬレンズがレンズ効果を与えない状態であるときに撮像された、図６の較正物体の画像を含むオフＶＦＬカメラ画像を表す図である。
【図１１】画像スタックの画像から決定されるＦＳＲＲの合焦特性値曲線を示す図である。
【図１２】サブ画素精度で決定されるＦＳＲＲの画像画素位置及び対応するＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）を示す図である。
【図１３】図１１及び図１２のようなデータを組み合わせることによって決定される測定較正データを示す図である。
【図１４】図１３のようなデータから決定された、等しい有効合焦位置（Ｚ高さ）ステップのフィッティングされた較正データを示す図である。
【図１５】ＶＦＬレンズシステムの較正データを決定するため較正物体を利用するための方法の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】
【００１８】
図１は、本明細書に記載される方法に従ってＶＦＬレンズシステム（本明細書では撮像システムとも称される）として使用可能であるか又はＶＦＬレンズシステムを含む１つの例示的なマシンビジョン検査システム１０のブロック図である。マシンビジョン検査システム１０は画像測定機１２を含み、これは、制御コンピュータシステム１４とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続されている。制御コンピュータシステム１４は更に、モニタ又はディスプレイ１６、プリンタ１８、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６と、データ及び制御信号を交換するように動作可能に接続されている。モニタ又はディスプレイ１６は、マシンビジョン検査システム１０の動作の制御及び／又はプログラミングに適したユーザインタフェースを表示することができる。様々な実施例では、タッチスクリーンタブレット等によって、要素１４、１６、２２、２４、及び２６のいずれか又は全ての機能を代用すること及び／又はこれらの機能を冗長的に与えることが可能であることは認められよう。
【００１９】
制御コンピュータシステム１４は一般に、分散型又はネットワーク型のコンピューティング環境等を含む任意の適切なコンピューティングシステム又はデバイスを用いて実施され得ることは、当業者には認められよう。このようなコンピューティングシステム又はデバイスは、本明細書に記載する機能を実現するためにソフトウェアを実行する１つ以上の汎用又は特殊用途プロセッサ（例えば非カスタムデバイス又はカスタムデバイス）を含み得る。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等のメモリ、又はそのような構成要素の組み合わせに記憶することができる。また、ソフトウェアは、光学ベースのディスク、フラッシュメモリデバイス、又はデータを記憶するための他のいずれかのタイプの不揮発性記憶媒体のような１つ以上の記憶デバイスに記憶することができる。ソフトウェアは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含み得る。分散型コンピューティング環境では、プログラムモジュールの機能性は、有線又は無線のいずれかの構成において、複数のコンピューティングシステム又はデバイスにまたがるように組み合わせるか又は分散させ、サービスコールを介してアクセスすることができる。
【００２０】
画像測定機１２は、可動ワークピースステージ３２と、ズームレンズ又は交換可能対物レンズを含み得る光学撮像システム３４と、を含む。ズームレンズ又は交換可能対物レンズは一般に、光学撮像システム３４によって得られる画像に様々な倍率を与える。マシンビジョン検査システム１０の様々な実施例は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，４５４，０５３号、第７，３２４，６８２号、第８，１１１，９０５号、及び８，１１１，９３８号にも記載されている。
【００２１】
図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様の、本明細書に開示されるいくつかの特徴を含むマシンビジョン検査システム１００の制御システム部１２０及びビジョン構成要素部２００のブロック図である。以下で更に詳しく記載されるように、制御システム部１２０を用いてビジョン構成要素部２００を制御する。ビジョン構成要素部２００は、光学アセンブリ部２０５と、光源２２０、２３０、及び２４０と、中央の透明部２１２を有するワークピースステージ２１０と、を含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０’又は較正物体２０を配置することができるステージの表面に対して概ね平行な面内にあるＸ軸及びＹ軸に沿って制御可能に移動できる。
【００２２】
光学アセンブリ部２０５は、カメラシステム２６０、交換可能対物レンズ２５０、及び可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ２７０（例えば、様々な例示的な実施例におけるＴＡＧレンズ）を含む。様々な実施例において、光学アセンブリ部２０５は更に、レンズ２２６と２２８を有するターレットレンズアセンブリ２２３も含む場合がある。ターレットレンズアセンブリの代わりに、様々な実施例において、固定もしくは手作業で交換可能な倍率可変レンズ（magnification-altering lens）、又はズームレンズ構成等を含んでもよい。様々な実施例において、交換可能対物レンズ２５０は、可変倍率レンズ部の一部として含まれる固定倍率対物レンズのセット（例えば、０．５倍、１倍、２倍又は２．５倍、５倍、７．５倍、１０倍、２０倍又は２５倍、５０倍、１００倍等の倍率に対応した対物レンズのセット）から選択することができる。
【００２３】
光学アセンブリ部２０５は、制御可能モータ２９４を用いることで、Ｘ軸及びＹ軸に概ね直交したＺ軸に沿って制御可能に移動できる。制御可能モータ２９４はアクチュエータを駆動して、ワークピース２０’又は較正物体２０の画像の焦点を変えるために光学アセンブリ部２０５をＺ軸に沿って動かす。制御可能モータ２９４は信号ライン２９６を介して入出力インタフェース１３０に接続されている。以下で更に詳しく記載されるように、より小さい範囲にわたって画像の焦点を変化させるため、又は光学アセンブリ部２０５を移動させることの代わりに、ＶＦＬ（例えばＴＡＧ）レンズ２７０を、信号ライン２３４’を介してレンズ制御インタフェース１３４によって制御して、ＶＦＬレンズ２７０の光学パワーを周期的に変調し、これによって光学アセンブリ部２０５の有効合焦位置を変調することができる。レンズ制御インタフェース１３４は、以下で更に詳しく記載されるように、本明細書に開示される様々な原理に従ったＶＦＬレンズ制御部１８０を含むことができる。ワークピース２０’又は較正物体２０は、ワークピースステージ２１０上に配置することができる。ワークピースステージ２１０は、光学アセンブリ部２０５に対して移動するように制御され、交換可能対物レンズ２５０の視野が較正物体２０又はワークピース２０’上の複数の位置間で及び／又は複数のワークピース２０’間で移動できるようになっている。
【００２４】
透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０（例えばリング光）のうち１つ以上が、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を発して、較正物体２０、又は１もしくは複数のワークピース２０’を照明することができる。例えば画像露光中に、落射照明光源２３０は、ビームスプリッタ２９０（例えば部分反射ミラー（partial mirror））を含む経路に沿って光源光２３２を発することができる。光源光２３２は画像光２５５として反射又は透過され、撮像のため用いられる画像光は、交換可能対物レンズ２５０、ターレットレンズアセンブリ２２３、及びＶＦＬレンズ２７０を通過して、カメラシステム２６０によって集光される。１もしくは複数のワークピース２０’又は較正物体２０の画像を含むワークピース又は較正物体画像露光は、カメラシステム２６０によってキャプチャされ、制御システム部１２０への信号ライン２６２上に出力される。
【００２５】
様々な光源（例えば光源２２０、２３０、及び２４０）は、関連付けられた信号ライン（例えばそれぞれバス２２１、２３１、及び２４１）を介して制御システム部１２０の照明制御インタフェース１３３に接続することができる。制御システム部１２０は、画像の倍率を変更するため、ターレットレンズアセンブリ２２３を軸２２４に沿って回転させることで、信号ライン又はバス２２３’を介してターレットレンズを１つ選択するよう制御できる。
【００２６】
図２に示されているように、種々の例示的な実施例において制御システム部１２０は、制御部１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム発生器及び実行器１７０、及び電源部１９０を含む。これらの構成要素及び以下で説明する追加の構成要素の各々は、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。入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１、移動制御インタフェース１３２、照明制御インタフェース１３３、及びレンズ制御インタフェース１３４を含む。レンズ制御インタフェース１３４は、ＶＦＬレンズ制御部１８０を含むか又はこれに接続することができる。ＶＦＬレンズ制御部１８０は、ＶＦＬレンズ２７０によって行われる周期的な合焦位置変調と同期した様々な画像露光を制御するための回路及び／又はルーチンを含み、更に、本明細書に開示される原理に従った合焦状態較正サブシステム回路／ルーチン１８３を含む。これについては、図３に示されている同様の又は同一の要素３８０及び３８３を参照して以下で更に詳しく記載する。いくつかの実施例において、レンズ制御インタフェース１３４及びＶＦＬレンズ制御部１８０はマージされる及び／又は区別できない場合がある。
【００２７】
照明制御インタフェース１３３は、照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎを含むことができ、これらは、マシンビジョン検査システム１００の様々な対応する光源について、例えば選択、パワー、オン／オフ切り換え、及びストロボパルスタイミングを適用可能な場合に制御する。いくつかの実施例では、図３に示されているような露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓが、（例えば特定の記憶されている較正データに従って）ＶＦＬレンズ合焦位置変調の所望の位相時間と同期した画像露光ストロボタイミングを与えるように、また以下で更に詳しく記載されているように、照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎのうち１つ以上にストロボタイミング信号を与えることができる。いくつかの実施例において、露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓ及び照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎのうち１つ以上はマージされる及び／又は区別できない場合がある。
【００２８】
メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１、エッジ検出メモリ部１４０ｅｄ、１つ以上のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部１４２、及びビデオツール部１４３を含むことができる。ビデオツール部１４３は、対応する各ビデオツールのためのＧＵＩや画像処理動作等を決定するビデオツール部１４３ａ及び他のビデオツール部（例えば１４３ｎ）、並びに関心領域（ＲＯＩ：region of interest）発生器１４３ｒｏｉを含む。関心領域発生器１４３ｒｏｉは、ビデオツール部１４３内に含まれる様々なビデオツールにおいて動作可能である様々なＲＯＩを規定する自動、半自動、及び／又は手動の動作をサポートする。エッジ要素を位置特定すると共に他のワークピース要素検査動作を実行するためのそのようなビデオツールの動作の例については、上述のように本願に含まれる引例のいくつか、及び米国特許第７，６２７，１６２号に更に詳しく記載されている。
【００２９】
ビデオツール部１４３は、焦点高さ（すなわち有効合焦位置（Ｚ高さ））測定動作のためのＧＵＩや画像処理動作等を決定する自動合焦ビデオツール１４３ａｆも含む。様々な実施例において、自動合焦ビデオツール１４３ａｆは更に、図３に記載されたハードウェアを用いて高速で合焦高さを測定するために利用できる高速合焦高さツールも含むことができる。これについては、米国特許第９，１４３，６７４号に更に詳しく記載されている。様々な実施例において、高速合焦高さツールは、これ以外の場合には自動合焦ビデオツールのための従来の方法に従って動作する自動合焦ビデオツール１４３ａｆの特別モードとしてもよく、又は、自動合焦ビデオツール１４３ａｆの動作は高速合焦高さツールの動作のみを含んでもよい。１又は複数の画像関心領域のための高速自動合焦及び／又は合焦位置決定は、既知の方法に従って画像を解析して様々な領域の対応する合焦特性値（例えば定量的コントラスト尺度値及び／又は定量的合焦尺度値）を決定することに基づき得る。例えばそのような方法は、米国特許第８，１１１，９０５号、第７，５７０，７９５号、及び第７，０３０，３５１号に開示されている。
【００３０】
本開示の文脈において、当業者に既知であるように、「ビデオツール」という言葉は概ね、マシンビジョンユーザが比較的シンプルなユーザインタフェースを介して実施可能である比較的複雑な自動化又はプログラミングされた動作セットのことである。例えばビデオツールは、あらかじめプログラミングされた複雑な画像処理動作及び計算セットを含み、これらの動作及び計算を規定する少数の変数又はパラメータを調整することによって特定のインスタンスでこれらを適用及びカスタム化することができる。ビデオツールは、基礎にある動作及び計算の他に、ビデオツールの特定のインスタンス向けにそれらのパラメータをユーザが調整することを可能とするユーザインタフェースも備えている。場合によっては、目に見えるユーザインタフェース機能がビデオツールと称され、基礎にある動作は暗黙的に含まれることに留意すべきである。
【００３１】
１つ以上のディスプレイデバイス１３６（例えば図１のディスプレイ１６）及び１つ以上の入力デバイス１３８（例えば図１のジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６）は、入出力インタフェース１３０に接続することができる。ディスプレイデバイス１３６及び入力デバイス１３８を用いて、様々なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）機能を含み得るユーザインタフェースを表示することができる。それらの機能は、検査動作の実行、及び／又はパートプログラムの生成及び／又は修正、カメラシステム２６０によってキャプチャされた画像の閲覧、及び／又はビジョン構成要素部２００の直接制御のために使用可能である。
【００３２】
種々の例示的な実施例において、ユーザがマシンビジョン検査システム１００を用いてワークピース２０のためのパートプログラムを生成する場合、ユーザは、マシンビジョン検査システム１００を学習モードで動作させて所望の画像取得訓練シーケンスを提供することによって、パートプログラム命令を発生させる。例えば訓練シーケンスは、代表的ワークピースの特定のワークピース要素を視野（ＦＯＶ）内に配置し、照明レベルを設定し、合焦又は自動合焦を行い、画像を取得し、（例えばそのワークピース要素に対してビデオツールのうち１つのインスタンスを用いて）画像に適用される検査訓練シーケンスを提供することを含み得る。学習モードは、この１又は複数のシーケンスがキャプチャ又は記録されて、対応するパートプログラム命令に変換されるように動作する。パートプログラムが実行された場合、これらの命令はマシンビジョン検査システムに訓練した画像取得を再現させると共に、検査動作を行って、パートプログラムの生成時に用いた代表的ワークピースに合致する実行モードの１つ又は複数のワークピース上の特定のワークピース要素（すなわち対応位置における対応する要素）を自動的に検査させる。いくつかの実施例では、そのような技法を利用して、較正物体及び／又は１もしくは複数の較正物体画像を解析するためのパートプログラム命令を生成することで、以下で更に詳しく記載される機能及び動作を提供できる。
【００３３】
図３は、ＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）を含み、本明細書に開示される原理に従って較正することができるＶＦＬレンズシステム３００（撮像システム３００とも称される）の概略図である。ＶＦＬレンズシステム３００は、マシンビジョン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構成することができ、更に、本明細書に開示される原理に従って動作することができる。図３の３ＸＸと番号を付けたいくつかのコンポーネントは、図２における同様の２ＸＸと番号を付けたコンポーネントと同様の動作又は機能に対応する及び／又は同様の動作又は機能を提供し、他の指示がない限り同様に理解され得ることは認められよう。
【００３４】
以下で更に詳しく記載されるように、撮像光路ＯＰＡＴＨ（本明細書ではワークピース撮像光路又は較正物体撮像光路とも呼ばれる）は、ワークピース３２０’又は較正物体３２０からカメラ３６０まで画像光３５５を伝達する経路に沿って配置された様々な光学コンポーネントを含む。画像光は概ねそれらの光軸ＯＡの方向に沿って伝達される。図３に示されている実施例では、全ての光軸ＯＡは位置合わせされている。しかしながら、この実施例は単なる例示であって、限定では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み、既知の原理に従ってカメラ（例えばカメラ３６０）を用いてワークピース３２０’又は較正物体３２０を撮像するために動作する任意の形態をとることができる。
【００３５】
図示されている実施例では、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ＶＦＬレンズ３７０（これは４ｆ撮像構成に含めることができる）を含み、少なくとも部分的に、ワークピース画像露光中にワークピース３２０’の表面を撮像するため、又は較正物体画像露光中に較正物体３２０の表面を撮像するために利用される。以下で更に詳しく記載されるように、本明細書に開示される原理に従って、較正物体画像光が撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って伝送され、ＶＦＬレンズ３７０を通過して較正物体画像露光を形成し、これを、ＶＦＬレンズシステム３００の較正プロセスの一部として解析することができる。
【００３６】
図３に示されているように、ＶＦＬレンズシステム３００は、光源３３０、露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓ、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０、リレーレンズ３５６、レンズ制御部３８０、カメラ３６０、有効合焦位置（Ｚ高さ）較正部３７３、及びワークピース合焦信号処理部３７５（任意選択的）を含む。様々な実施例における様々なコンポーネントは、直接接続によって、又は１つ以上のデータ／制御バス（例えばシステム信号及び制御バス３９５）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等によって相互接続することができる。
【００３７】
以下で更に詳しく説明するように、様々な実施例において、ＶＦＬレンズ制御部３８０は、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーをある範囲の光学パワーにわたって周期的に変調するようＶＦＬレンズ３７０の駆動信号を制御することができ、これらの光学パワーは周期的変調内の各位相タイミングで発生する。カメラ３６０（例えば撮像検出器を含む）は、画像露光中にＶＦＬレンズ３７０を介して撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供する。対物レンズ３５０は、画像露光中にワークピース３２０’又は較正物体３２０のうち少なくとも１つから生じる画像光を入力し、この画像露光中に画像光を撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ってＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０へ伝送して、対応するカメラ画像内でワークピース画像又は較正物体画像のうち少なくとも１つを提供する。画像露光中の対物レンズ３５０の前方の有効合焦位置ＥＦＰは、その画像露光中のＶＦＬレンズ３７０の光学パワーに対応する。露光時間制御部３３３ｅｓは、カメラ画像のために使用される画像露光タイミングを制御するよう構成されている。
【００３８】
以下で更に詳しく記載されるように、様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステム３００を較正するための方法は、周期的変調の様々な位相タイミングで複数のカメラ画像（例えば画像スタック）を取得することを含み得る。様々な実施例において、各カメラ画像の取得は、較正物体３２０を較正物体撮像構成に（例えば対物レンズ３５０の視野内に）配置した状態で較正物体３２０に対して光源光３３２を出力することと、カメラ３６０からカメラ画像を受信することと、を含み得る。様々な実施例において、較正物体画像光３５５は較正物体画像露光中に撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って伝送され、ＶＦＬレンズ３７０を通過してカメラ３６０に到達し、カメラ画像内で較正物体画像を与えることができる。様々な実施例において、複数のカメラ画像を取得した後、少なくとも部分的にこれらの複数のカメラ画像を解析することに基づいて較正データを決定できる。較正データは、各有効合焦位置ＥＦＰに対応する周期的変調の各位相タイミングを示す。
【００３９】
図３に示されている一般的な構成に関して、光源３３０は「落射照明光源（coaxial light source）」又は他の光源であり、ビームスプリッタ３９０（例えばビームスプリッタの一部としての部分反射ミラー）を含む経路に沿って対物レンズ３５０を介してワークピース３２０’又は較正物体３２０の表面へと光源光３３２を発する（例えばストロボ照明又は連続照明で）ように構成されている。対物レンズ３５０は、ワークピース３２０’又は較正物体３２０に近接した有効合焦位置ＥＦＰで集束する画像光３５５（例えばワークピース光又は較正物体光）を受光し、画像光３５５をチューブレンズ３５１に出力する。チューブレンズ３５１は画像光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５２に出力する。他の実施例では、同様の光源によって視野を非同軸に照明することができる。例えば、リング光源が視野を照明することができる。
【００４０】
様々な実施例において、対物レンズ３５０は交換可能対物レンズとすることができ、チューブレンズ３５１はターレットレンズアセンブリの一部として含めることができる（例えば図２の交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２２３と同様）。図３に示されている実施例において、対物レンズ３５０のノミナルの焦点面から発する画像光３５５はチューブレンズ３５１によって合焦され、ノミナルの中間像面ＩＩＰｎｏｍにおいて中間像を形成する。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０がレンズ効果を与えない（光学パワーがない）状態である場合、対物レンズ３５０のノミナルの焦点面、ノミナルの中間像面ＩＩＰｎｏｍ、及びカメラ３６０の像面は、既知の顕微鏡撮像原理に従って共役面セットを形成する。様々な実施例において、本明細書で言及される他のレンズはいずれも、個別レンズや複合レンズ等から形成するか、又はそれらのレンズと連携して動作することができる。
【００４１】
リレーレンズ３５２は、チューブレンズ３５１から（又は、様々な代替的な顕微鏡構成において、より一般的には中間像面から）画像光３５５を受光し、これをＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０に出力する。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０は画像光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５６に出力する。リレーレンズ３５６は画像光３５５を受光し、これをカメラ３６０に出力する。様々な実施例において、カメラ３６０は、画像露光期間とも呼ばれる画像露光中に（例えばカメラ３６０の積分期間中に）カメラ画像をキャプチャし、対応する画像データを制御システム部に提供することができる。いくつかのカメラ画像は、ワークピース画像露光中に与えられた（例えばワークピース３２０’の領域の）ワークピース画像、又は較正物体画像露光中に与えられた（例えば較正物体３２０の領域の）較正物体画像を含み得る。いくつかの実施例において、画像露光（例えばワークピース画像露光又は較正物体画像露光）は、カメラ３６０の画像積分期間内である光源３３０のストロボタイミングによって制限又は制御され得る。様々な実施例において、カメラ３６０は、１メガピクセルよりも大きいピクセルアレイを有し得る（例えば１．３メガピクセル、１２８０×１０２４画素アレイ、１画素当たり５．３ミクロン）。
【００４２】
図３の例では、リレーレンズ３５２及び３５６並びにＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０は４ｆ光学構成に含まれるものとして示され、リレーレンズ３５２及びチューブレンズ３５１はケプラー式望遠鏡構成に含まれるものとして示され、チューブレンズ３５１及び対物レンズ３５０は顕微鏡構成に含まれるものとして示されている。ここに示す構成は全て単なる例示であって、本開示に対する限定ではないことは理解されよう。様々な実施例において、図示されている４ｆ光学構成は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０（例えば開口数（ＮＡ）が小さいデバイスであり得る）を、対物レンズ３５０のフーリエ面に配置することを可能とする。この構成は、ワークピース３２０’又は較正物体３２０におけるテレセントリシティを維持すると共に、尺度変化及び画像歪みを最小限に抑えることができる（例えば、ワークピース３２０’又は較正物体３２０の各有効合焦位置（Ｚ高さ）で一定の倍率を与えることを含む）。ケプラー式望遠鏡構成（例えばチューブレンズ３５１及びリレーレンズ３５２を含む）は、顕微鏡構成と４ｆ光学構成との間に含めることができ、画像収差等を最小限に抑えるように、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０の位置において対物レンズ有効径（clear aperture）の望ましいサイズの投射を与えるように構成可能である。
【００４３】
様々な実施例において、レンズ制御部３８０は、駆動信号発生部３８１、タイミングクロック３８１’、撮像回路／ルーチン３８２、及び合焦状態較正サブシステム回路／ルーチン３８３を含むことができる。駆動信号発生部３８１は、（例えばタイミングクロック３８１’と連携して）動作して、信号ライン３８０’を介して高速ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０に周期的な駆動信号を与えることができる。様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステム（又は撮像システム）３００は、協調した動作のためレンズ制御部３８０と連携して動作するよう構成できる制御システム（例えば図２の制御システム部１２０）を備えることができる。
【００４４】
様々な実施例において、レンズ制御部３８０は概して、ＶＦＬレンズ３７０の所望の位相タイミングと同期するようにワークピース３２０’又は較正物体３２０を撮像すること、並びにＶＦＬレンズ３７０の駆動及び応答を制御、監視、及び調整することに関連した、様々な機能を実行できる。様々な実施例において、撮像回路／ルーチン３８２は、当技術において既知のように、また本願に含まれる引例に記載されているように、ＶＦＬレンズ３７０の位相タイミングと同期した光学システムの標準的な撮像動作を実行する。以下で更に詳しく記載されるように、様々な実施例において、合焦状態較正サブシステム回路／ルーチン３８３は、本明細書に開示される原理に従って合焦状態較正を実行することができる。
【００４５】
合焦状態較正サブシステム回路／ルーチン３８３は、参照領域合焦解析器３８４及び任意選択的な調整回路／ルーチン３８５を含む。様々な実施例において、参照領域合焦解析器３８４は、（例えばカメラ画像に含まれる）較正物体画像を入力することや、特定のビデオツール（例えば、既知のタイプの自動合焦ビデオツール、又はマルチ領域もしくはマルチポイント自動合焦ビデオツール等）を呼び出すこと等の機能を実行するか、又は、他の合焦解析ルーチンを実行して、合焦状態較正等に使用される較正物体画像内の合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）の１つ以上の合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）を決定することができる。
【００４６】
様々な実施例において、そのようなプロセスを介して決定される較正データは、システムによる以降の測定動作のために記憶すると共に利用することができる。様々な実施例では、任意選択的に、決定された較正データ及び／又は他のファクタを、システムに調整を実行するためのプロセスの一部として使用し、場合によってはその後に較正データを再び決定することができる。例えば１つの実施例において、任意選択的な調整回路／ルーチン３８５は、参照領域合焦解析器３８４からの決定された合焦特性結果／値及び／又は他の決定された較正データ、又は他の決定された結果／値／データを入力し、システムに特定のタイプの調整を実施するか否かを決定するため、この決定された結果／値／データを対応する記憶されている結果／値／データと比較することができる。以下で更に詳しく記載されるように、様々な実施例において、調整は、ＶＦＬレンズ３７０を駆動するための振幅の調整（例えば、その光学パワー範囲と、結果として得られる有効合焦位置範囲とを調整するため）、位相タイミングの調整（例えば、特定の有効合焦位置（Ｚ高さ）を与えるため使用される位相タイミングを調整するため）、ＶＦＬレンズ温度の調整等を含み得る（が、これらに限定されない）。様々な実施例において、このような調整は、駆動信号発生部３８１、タイミングクロック３８１’、及び／又はレンズヒータ／クーラ３３７等の制御信号を変更することによって実施できる。これについては以下で更に詳しく記載する。様々な実施例において、合焦状態較正サブシステム回路／ルーチン３８３は、場合によっては、ＶＦＬレンズの光学パワー範囲及び／又は結果として得られる有効合焦位置範囲が所望のレベルになる（例えば、特定の記憶されている結果／値／データに対して所望の許容差内になる）まで、繰り返し動作を実行してシステムを反復して解析及び調整することができる。一度このような調整プロセスが完了したら、システムの現在の状態に対応する較正データを、システムによる以降の測定動作のために記憶すると共に利用することができる。
【００４７】
様々な例において、望ましくない温度変動に起因して、ＶＦＬレンズの動作特性にドリフトが発生する可能性がある。図３に示されているように、様々な実施例において撮像システム３００は、ＶＦＬレンズ３７０に関連付けられたヒータ／クーラ３３７を任意選択的に含み得る。レンズヒータ／クーラ３３７は、いくつかの実施例及び／又は動作条件に従って、ある熱エネルギ量をＶＦＬレンズ３７０に入力すること及び／又は冷却機能を実行することで、ＶＦＬレンズ３７０の加熱及び／又は冷却を容易にするように構成できる。更に、様々な実施例では、ＶＦＬレンズ３７０に関連付けられた温度センサ３３６によってＶＦＬレンズ監視信号を提供して、ＶＦＬレンズ３７０の動作温度を監視することができる。
【００４８】
図７のＡからＣを参照して詳しく後述するように、カメラ３６０は、ＶＦＬレンズ３７０の周期的変調の対応する位相タイミング及びそれによって得られる撮像システム３００の有効合焦位置において露光された較正物体画像（例えば例示的な画像７００Ａ〜７００Ｃ等）を提供して、合焦状態較正動作をサポートすることができる。詳しくは後述するが、特定の既知の位相タイミングを用いて露光された較正物体画像（例えば例示的な画像７００Ａ〜７００Ｃ等）に含まれる合焦状態参照領域セット内の各要素（ｍｅｍｂｅｒ）の合焦特性値は、対応する位相タイミング中のＶＦＬレンズ３７０の光学パワー及びそれによって得られる撮像システム３００の有効合焦位置に関連している。
【００４９】
以下で更に詳しく記載するように、様々な実施例において、較正物体３２０は合焦状態（ＦＳ：focus state）較正物体３２０と称することができ、平面状傾斜パターン表面ＳＲＦを含み得る（例えば図３の下部に、較正物体３２０に隣接して、較正物体３２０を９０度回転させた図が平面状傾斜パターン表面ＳＲＦと共に示されている）。詳しくは後述するが、様々な実施例では、平面状傾斜パターン表面ＳＲＦ上に、合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）のセットを（例えばコントラストパターンの一部として）分散させることができる。ＦＳＲＲは、較正物体画像内に、それぞれ異なる相対的な参照領域合焦距離又は位置に固定された既知の相対的な参照領域画像位置（ＲＲＩＬ）を有し得る。結果として、ある特定のＦＳＲＲのベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、その特定のＦＳＲＲに関連付けられたシステム合焦参照状態を規定することができる。様々な実施例において、その規定されたシステム合焦参照状態は、（例えば以下で更に記載するように）その特定のＦＳＲＲに関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー及び／又は特定の有効合焦位置等を含み得る。
【００５０】
様々な実施例において、較正物体３２０を撮像する場合、較正物体３２０を較正物体撮像構成に配置することができる。様々な実施例において、較正物体撮像構成は、較正物体３２０をシステムのステージ（例えば２１０）上に又は対物レンズ３５０の視野内に位置付けることを含み得る。較正物体３２０は、取得されるカメラ画像が較正物体３２０の傾斜面を含む較正物体画像を含むような位置に置くことで、較正物体３２０の傾斜面上のＦＳＲＲの合焦特性値を決定することを可能とする。これについては後で詳しく記載する。
【００５１】
様々な実施例において、較正物体３２０が較正物体撮像構成に配置されて撮像されている場合、ＶＦＬレンズ３７０は較正物体画像の画像光３５５を受光及び出力する。ＶＦＬレンズ３７０の動作に関連付けられた周期的光学パワー変動によって、（例えばカメラ３６０における）画像合焦位置は周期的に変更される。較正物体３２０上の様々なＦＳＲＲが（例えば対物レンズ３５０から）異なる距離に位置付けられている場合、それらは、ＶＦＬレンズ３７０の周期的光学パワー変動中の異なる時点で取得された各画像においてそれぞれ合焦される。従って、較正物体３２０（例えばＦＳＲＲの相対的な高さに関して特定の既知の特徴を有する）は、本明細書に開示されるような較正プロセスの一部として利用できる。これについては後で詳しく記載する。
【００５２】
ＶＦＬレンズ３７０の全体的な動作に関して、上述したように様々な実施例では、レンズ制御部３８０が周期的にその光学パワーを迅速に調整又は変調して、２５０ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は３０ｋＨｚ等の（すなわちＶＦＬレンズ共振周波数の）周期的変調が可能である高速ＶＦＬレンズを実現することができる。図３に示されているように、ＶＦＬレンズ３７０を駆動する信号の周期的変調を用いることにより、撮像システム３００の有効合焦位置ＥＦＰ（すなわち対物レンズ３５０の前方の合焦位置）を、範囲Ｒｅｆｐ（例えば自動合焦サーチ範囲）内で迅速に移動させることができる。範囲Ｒｅｆｐは、対物レンズ３５０と組み合わせたＶＦＬレンズ３７０の最大光学パワーに対応する有効合焦位置ＥＦＰ１（又はＥＦＰｍａｘ）と、対物レンズ３５０と組み合わせたＶＦＬレンズ３７０の最大負光学パワーに対応する有効合焦位置ＥＦＰ２（又はＥＦＰｍｉｎ）とによって画定できる。様々な実施例において、有効合焦位置ＥＦＰ１及びＥＦＰ２は、それぞれ９０度及び２７０度の位相タイミングにほぼ対応することができる。これについては後で詳しく記載する。検討の目的のため、範囲Ｒｅｆｐの中央をＥＦＰｎｏｍとして示すことができ、これは対物レンズ３５０のノミナルの光学パワーと組み合わせたＶＦＬレンズ３７０のゼロ光学パワーに対応し得る。この記載によるとＥＦＰｎｏｍは、いくつかの実施例では、対物レンズ３５０のノミナルの焦点距離にほぼ対応することができる（これは対物レンズ３５０の作動距離ＷＤ（working distance）に相当し得る）。
【００５３】
１つの実施例において、任意選択的な合焦信号処理部３７５は、カメラ３６０からデータを入力し、（例えばワークピース３２０’又は較正物体３２０の）撮像された表面領域が有効合焦位置にあるときを決定するため使用されるデータ又は信号を提供することができる。例えば、様々な有効合焦位置（Ｚ高さ）でカメラ３６０によって取得された、画像スタックの一部のような画像グループを、既知の「最大コントラスト」又は「ベストフォーカス画像」解析を用いて解析して、ワークピース３２０’又は較正物体３２０の撮像された表面領域が対応する有効合焦位置（Ｚ高さ）にあるときを決定できる。しかしながら、より一般的には、他の適切ないずれかの既知の画像合焦検出構成を使用することができる。いずれにせよ、ワークピース合焦信号処理部３７５等は、ＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）の有効合焦位置の周期的な変調（複数の有効合焦位置のスイープ）中に取得された１又は複数の画像を入力し、ターゲット要素（例えばワークピース又は較正物体）がベストフォーカスである画像及び／又は画像タイミングを決定することができる。いくつかの実施例では、合焦信号処理部３７５及び参照領域合焦解析器３８４の一部又は全てはマージされる及び／又は区別できない場合がある。あるいは、いくつかの実施例では、合焦信号処理部３７５を主にワークピース画像を処理するために利用し、参照領域合焦解析器３８４を主に較正物体画像を処理するために利用することも可能である。
【００５４】
いくつかの実施例において、合焦信号処理部３７５は、（例えばワークピース要素又は較正物体要素の）ベストフォーカスに対応する位相タイミングを決定し、この「ベストフォーカス」位相タイミング値を、有効合焦位置較正部３７３（これは例えば、本明細書に開示されているような較正プロセスによって決定された較正データを記憶できる）に出力することができる。有効合焦位置較正部３７３は、各有効合焦位置（Ｚ高さ）をＶＦＬレンズ３７０の標準的な撮像共振周波数の周期内の各「ベストフォーカス」位相タイミングに関連付ける有効合焦位置（Ｚ高さ）較正データを与えることができる。場合によっては、この較正データは、標準的な撮像駆動制御構成又は参照状態に従ったＶＦＬレンズ３７０の動作に概ね対応し得る。
【００５５】
一般的に言えば、有効合焦位置較正部３７３は、記録された有効合焦位置（Ｚ高さ）較正データ（例えば本明細書に開示されているような較正プロセスによって決定される）を含む。そのため、別々の要素としての図３の表現は限定ではなく、単に概略的な表現を意図している。様々な実施例において、関連した記録されている有効合焦位置（Ｚ高さ）較正データは、レンズ制御部３８０、ワークピース合焦信号処理部３７５、又はシステム信号及び制御バス３９５に接続されたホストコンピュータシステム等と、マージされる及び／又は区別できない場合がある。
【００５６】
様々な実施例において、露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓは、撮像システム３００の画像露光時間を（例えば、周期的に変調される有効合焦位置の位相タイミングに対して）制御する。より具体的には、いくつかの実施例において、画像露光中に露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓは、（例えば、有効合焦位置較正部３７３で得られる有効合焦位置（Ｚ高さ）較正データを用いて）光源３３０を制御して、制御された各時点でストロボ発光させることができる。例えば、露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓは、ＶＦＬレンズ３７０の標準的な撮像共振周波数の周期内の各位相タイミングでストロボ発光するようにストロボ光源を制御して、ＶＦＬレンズ３７０のスイープ（周期的な変調）範囲内で特定の有効合焦位置を有する画像を取得可能とする。他の実施例では、露光時間制御部３３３ｅｓは、カメラ３６０の高速電子カメラシャッタを制御して、制御された各時点及び／又はそれに関連付けられた有効合焦位置で画像を取得可能とする。いくつかの実施例において、露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓは、カメラ３６０とマージされる及び／又は区別できない場合がある。様々な実施例において、露光時間制御部３３３ｅｓ並びに上述した他の特徴及び要素の動作は、ワークピース画像取得、較正物体画像取得、又はそれら双方を管理するように実施できることは認められよう。図７のＡからＣに関して以下で更に詳しく記載するように、いくつかの特定の例示的な実施例において、較正物体画像露光は、ＶＦＬレンズの較正データの決定に利用できるように、較正物体の構造に関連して指定された位相タイミング（例えば、較正物体３２０のＦＳＲＲがそれぞれ異なる合焦レベルである複数の画像を提供する特定の位相タイミング）に対応するよう制御することができる。
【００５７】
図４Ａ及び図４Ｂは、本明細書に開示される原理に従って使用できる合焦状態（ＦＳ）較正物体４２０の第１の例示的な実施例を示す図である。図４Ａに示されているように、較正物体４２０は、平面状傾斜パターン表面ＳＲＦと、支持体ＢＤＹと、（例えば平面状傾斜パターン表面ＳＲＦを支持体ＢＤＹに取り付けるための）取り付け部材ＡＴＣと、を含む。以下で図６に関して更に詳しく記載するように、様々な実施例では、平面状傾斜パターン表面ＳＲＦ上に、ＦＳＲＲのセットを（例えばコントラストパターンの一部として）分散させることができる。例えば様々な実施例において、平面状傾斜パターン表面ＳＲＦは、（例えば図４Ａの例に示されているように）コントラストパターンが格子ラインを含んでいる格子を含むことができる。
【００５８】
図４Ｂに示されているように、較正物体４２０は更に、平面状傾斜パターン表面ＳＲＦの下方に位置付けられた反射面ＲＳＦ（例えばミラー等）を含む。様々な実施例において、較正物体４２０がＶＦＬレンズシステムに対して較正物体撮像構成に配置されている／位置付けられている場合、反射面ＲＳＦは対物レンズ及び／又は撮像光路の光軸に対してノミナルで直交し得る。様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムからの光源光（例えば光源光３３２）が平面状傾斜パターン表面ＳＲＦ（例えば格子）を通過した場合、この光は反射面ＲＳＦで反射されて戻り、再び平面状傾斜パターン表面ＳＲＦを通過して、較正物体画像光の少なくとも一部としてＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って伝送され得る。様々な実施例において、特定の比較的大きい傾斜角（例えば１０度を超える傾斜角又は１５度を超える傾斜角等）の平面状傾斜パターン表面を有する較正物体では、このような特徴が特に望ましい場合がある。より具体的には、いくつかの実施例において、特定の傾斜角の平面状傾斜パターン表面は、ＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って所望の光量を反射しない可能性があるが、反射面ＲＳＦで反射されて再び平面状傾斜パターン表面を通過する光は、（例えば較正物体４２０の撮像の改善等を達成するように）撮像光路に沿って誘導される画像光を増大させることができる。
【００５９】
図５は、図４Ａ及び図４Ｂのような較正物体の（すなわち平面状傾斜パターン表面の）様々な傾斜角を示す図である。様々な実施例において、このような様々な較正物体は、ＶＦＬレンズシステムの様々な倍率の交換可能対物レンズセット（例えば１倍から５０倍までの範囲の倍率の対物レンズセット）と共に使用される較正物体セットの一部として提供することができる。以下で更に詳しく記載するように、較正物体セットの各較正物体はそれぞれ傾斜量が異なる平面状傾斜パターン表面を有し、較正物体セットの各較正物体はそれぞれ倍率が異なる対物レンズに対応する。様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムの較正が実行される場合、セットの中から、較正の間に使用される対物レンズに対応する較正物体を使用することができる。
【００６０】
様々な実施例において、各較正物体の傾斜角は、指定された倍率を有する対応する対物レンズと共に使用するためＶＦＬ範囲（例えば＋１ジオプター）の完全スキャンを可能とするように設計できる。更に具体的に述べると、より倍率の大きい対物レンズを利用すると解像度が増大するが、これに応じてＺスキャン全範囲が縮小し、このため対応する較正物体の傾斜角が小さくなり得る（例えば、図５Ｂの表に示されている傾斜角及び他の値によって示されている）。図５Ｂの表によって示されているいくつかの具体的な例示の値として、対物レンズの倍率が１倍であり、Ｘ視野（ＦＯＶ）が６．７８４ｍｍ、Ｙ視野が５．４２７ｍｍ、スキャン範囲が２０．０００ｍｍである構成では、対応する較正物体に７１．３度の傾斜角を利用できる。図５Ｂの表で一番下に示されている、対物レンズの倍率が５０倍であり、Ｘ視野（ＦＯＶ）が０．１３５７ｍｍ、Ｙ視野が０．１０８５ｍｍ、スキャン範囲が０．００８ｍｍである構成では、対応する較正物体に３．４度の傾斜角を利用できる。
【００６１】
様々な実施例では、各対物レンズと共に使用される別個の較正物体を提供するのではなく、２つ以上の指定された対物レンズと共に使用される単一の較正物体を提供することも可能である。１つのそのような実施例において、平面状傾斜パターン表面は、調整可能な傾斜角を有する（例えば図５Ｂに示したもののように、異なる対物レンズと共に使用するため異なる角度に調整する）ことができる。様々な実施例において、異なる対物レンズと共に使用される異なる較正物体のセットは、それぞれ異なる大きさである可能性がある、及び／又は異なるピッチのコントラストパターン及び／又は対応した合焦状態参照領域を有する可能性がある。例えば、０．１３５７ｍｍ×０．１０８５ｍｍのＦＯＶを有する５０倍の対物レンズと共に使用される較正物体は、６．７８４ｍｍ×５．４２７ｍｍのＦＯＶを有する１倍の対物レンズと共に使用される較正物体よりも、小さい平面状傾斜パターン表面を有する及び／又は細かいピッチのコントラストパターン及び／又は対応したＦＳＲＲ（例えば、細かい格子ラインピッチの小さい格子）を有し得る。
【００６２】
図６は、本明細書に開示される原理に従って使用できる較正物体６２０の第２の例示的な実施例を示す２つの関連した図を含む。図６００Ａの平面図に、較正物体６２０の表面ＳＲＦが示されている。図６００Ｂは側面図であり、本明細書に開示される原理に従って、較正物体６２０の表面ＳＦＲは傾斜角ＴＡに傾斜して図示されている。図６００Ａに示されているように、較正物体６２０の表面ＳＲＦは、表面に沿ったコントラストパターンＣＰを含む平面状「パターン表面」であり、指定された数及び／又は構成のパターン要素ＰＥ（例えばパターン要素ＰＥ−０〜ＰＥ−２５）を有することができる。１つの実施例において、平面状パターン表面ＳＲＦは格子を含み、コントラストパターンＣＰは格子要素のものであり、パターン要素ＰＥ−０〜ＰＥ−２５は格子上に分散した格子ラインに対応し得る。様々な実施例において、コントラストパターンは、高い空間周波数で配置された高コントラストパターン要素ＰＥを含むことが望ましい場合がある。図６に示されているように、コントラストパターンＣＰの様々なＦＳＲＲは表面ＳＲＦに沿って配置され（例えば代表的な領域ＦＳＲＲ−１、ＦＳＲＲ−１３、及びＦＳＲＲ−２５を参照のこと）、平面状パターン表面ＳＲＦが傾斜角ＴＡに傾斜した状態である場合、それらのＦＳＲＲが対物レンズ３５０に対して異なる有効合焦位置にあるようになっている。
【００６３】
本明細書で言及される場合、ＦＳＲＲは、較正物体画像内の参照領域画像位置（ＲＲＩＬ）にある較正物体６２０上の任意の領域と見なすことができ、設計及び／又は較正によって知ることができる。平面状パターン表面が格子を含み、パターン要素ＰＥ−０〜ＰＥ−２５が格子ラインに相当する図６の具体例では、ＦＳＲＲは１つの実施例において格子ラインのエッジ（すなわち下部エッジ）に対応し得る。このような実施例では、ＦＳＲＲ−１〜ＦＳＲＲ−２５は格子ラインＰＥ−１〜ＰＥ−２５の下部エッジに対応し得る（例えば、ＦＳＲＲ−１は格子ラインＰＥ−１の下部エッジに対応し、ＦＳＲＲ−１３は格子ラインＰＥ−１３の下部エッジに対応し、ＦＳＲＲ−２５は格子ラインＰＥ−２５の下部エッジに対応する）。この具体例ではＦＳＲＲは格子ラインの下部エッジに対応することが指定されるが、様々な実施例においてＦＳＲＲは、任意のタイプや寸法等のコントラストパターン要素や特徴等に対応し得る（例えば、それぞれ較正物体画像内で別個の決定可能なＲＲＩＬに位置付けられている）ことは認められよう。
【００６４】
様々な実施例において、ＦＳＲＲは平面状傾斜パターン表面ＳＲＦに対して既知の幾何学的関係を有する。例えば平面状傾斜パターン表面が格子を含む実施例では、既知の幾何学的関係は、格子が平面状傾斜パターン表面ＳＲＦの面に対して既知の位置合わせを有すること、及び／又は各ＦＳＲＲが平面状傾斜パターン表面ＳＲＦにおいて既知の一定の高さにあること、及び／又は平面状傾斜パターン表面ＳＲＦに対するＦＳＲＲの他の既知の幾何学的関係に対応し得る。様々な実施例において、ＦＳＲＲは相互に既知の領域関係も有する。例えば格子の場合、既知の領域関係は、格子が既知の格子ピッチＰＩを有すること、及び／又はＦＳＲＲが相互に既知の間隔ＳＰを有すること、及び／又はＦＳＲＲ相互の他の既知の領域関係に対応し得る。対物レンズ３５０に対して較正物体撮像構成に配置された場合、各ＦＳＲＲは、対物レンズ３５０に対してそれぞれ異なる参照領域合焦距離又は有効合焦位置ＥＦＰに固定される。
【００６５】
図６００Ｂに示されているように、較正物体６２０の表面ＳＲＦが傾斜角ＴＡにある状態では、ＦＳＲＲ−１、ＦＳＲＲ−１３、及びＦＳＲＲ−２５はそれぞれ対物レンズ３５０に対して異なる有効合焦位置ＥＦＰ−１、ＥＦＰ−１３、及びＥＦＰ−２５に配置されている。他の各ＦＳＲＲ−ｉは、較正物体合焦位置範囲Ｒｃｏ内の他の各有効合焦位置ＥＦＰ−ｉを有することは認められよう。本明細書に開示されるいずれの較正物体も、撮像されるパターン表面を備えた、やや拡散性又は散乱性の表面を組み込むことで、よりいっそうロバストな撮像、位置合わせ要件の軽減、及び、望ましくない反射の低減を可能とする。本明細書に開示されるような較正物体は、図１から図３を参照して記載したような例示的なＶＦＬレンズシステムを較正するため利用することができ、カメラ３６０（例えば１２８０×１０２４画素カメラ）で撮像して、本明細書に開示される原理に従って使用できる較正物体画像を得ることができる。
【００６６】
図７のＡ、Ｂ、及びＣは、３つの異なる合焦状態における、図６の較正物体６２０の画像を含む３つのカメラ画像７００Ａ、７００Ｂ、及び７００Ｃを表す図である。以下で更に詳しく記載するように、較正プロセスの一部として、多数の画像（例えば、様々な実施例では数十又は数百に達する画像であり得る）を含む画像スタックを取得できる（例えば、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワー変調範囲全体（以下、光学パワー変調範囲のことを「範囲」と略すこともある）を通して等しく離間された位相タイミング等で）。様々な実施例において、画像７００Ａ、７００Ｂ、及び７００Ｃは、そのような画像スタックからの３つの例示的な画像を表現することができる（例えば、画像７００Ｂは範囲の中央近傍で撮像され、画像７００Ａ及び７００Ｃは範囲の両端部近傍で撮像されている）。
【００６７】
具体的に述べると、カメラ画像７００Ａは、ＦＳＲＲ−１がベストフォーカスである有効合焦位置ＥＦＰ−１の近傍で合焦された較正物体画像ＲＯＩ−７００Ａを含む。カメラ画像７００Ｂは、ＦＳＲＲ−１３がベストフォーカスである有効合焦位置ＥＦＰ−１３の近傍で合焦された較正物体画像ＲＯＩ−７００Ｂを含む。カメラ画像７００Ｃは、ＦＳＲＲ−２５がベストフォーカスである有効合焦位置ＥＦＰ−２５の近傍で合焦された較正物体画像ＲＯＩ−７００Ｃを含む。有効合焦位置ＥＦＰ−１、ＥＦＰ−１３、ＥＦＰ−２５の各々は図６に示されている。図７のＡ、Ｂ、及びＣでは、異なる画像合焦度又はボケ度が、異なるクロスハッチパターンによって概略的に表されている。図示のように、代表的なＦＳＲＲ−１は参照領域画像位置ＲＲＩＬ−１を有し、ＦＳＲＲ−１３は参照領域画像位置ＲＲＩＬ−１３を有し、ＦＳＲＲ−２５は参照領域画像位置ＲＲＩＬ−２５を有する。
【００６８】
前述のように、（例えばカメラ３６０における）画像合焦位置又は位置は、ＶＦＬレンズ３７０の動作に関連付けられた周期的な光学パワー変動によって周期的に変化する。従って、較正物体６２０の近傍の有効合焦位置ＥＦＰも、ＶＦＬレンズ３７０の動作に関連付けられた周期的な光学パワー変動のために周期的に変化するか又はスイープされることは認められよう。異なるＦＳＲＲがそれぞれ異なる有効合焦位置ＥＦＰに位置する場合、各ＦＳＲＲは、ＶＦＬレンズ３７０の周期的な光学パワー変動の位相又は周期に関連したそれぞれ異なる時点（位相時点）でベストフォーカスとなる。
【００６９】
従って、較正物体画像ＲＯＩ−７００Ａは、有効合焦位置ＥＦＰ−１においてＲＲＩＬ−１のＦＳＲＲ−１がベストフォーカスとなるタイミングに対応するＰｈ−１と表された位相タイミング近傍の画像露光（例えばストロボタイミング）によって取得される（本明細書で用いられる慣習に従って）。この較正物体画像ＲＯＩ−７００Ａでは、較正物体６２０の表面ＳＲＦの傾斜角ＴＡ（すなわち図６に示されている）のため、ＦＳＲＲの合焦は、おおよそＦＳＲＲ−１及びＲＲＩＬ−１からの距離の関数として徐々に劣化し、較正物体６２０の遠端の近傍であるため画像合焦位置から相対的に遠いＲＲＩＬ−２５のＦＳＲＲ−２５の近傍で概ね最悪となることが図示されている。画像内の任意のＦＳＲＲの合焦度又はボケ度は、既知の方法に従ってその特定のＦＳＲＲの合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）を決定することに基づいて決定され得る。図７のＢ及びＣは、前述の記載との類似性によって理解できる。
【００７０】
簡潔に述べると、較正物体画像ＲＯＩ−７００Ｂは、有効合焦位置ＥＦＰ−１３においてＲＲＩＬ−１３のＦＳＲＲ−１３がベストフォーカスとなるタイミングに対応する位相タイミングＰｈ−１３の近傍での画像露光によって取得される。この特定の例では、ＥＦＰ−１３（図６に示されている）は、ＶＦＬ光学パワーがゼロであるノミナルの合焦位置として指定されているノミナルの合焦位置ＥＦＰｎｏｍの近傍の合焦位置の一例である。従ってＥＦＰｎｏｍは、ノミナルで合焦範囲Ｒｃｏの中央にあり、対物レンズ３５０のノミナルの焦点距離Ｆｒｅｆ（例えば対物レンズ３５０からの作動距離ＷＤに対応し得る）に対応し得る。ＥＦＰ−１３は較正物体６２０及び合焦位置範囲Ｒｃｏの中央に位置し、ＦＳＲＲの合焦は、ＦＳＲＲ−１３及びＲＲＩＬ−１３から離れるそれぞれの方向で徐々に劣化し、較正物体６２０の両端の近傍で最悪となることが図示されている。簡潔に述べると、較正物体画像ＲＯＩ−７００Ｃは、有効合焦位置ＥＦＰ−２５においてＲＲＩＬ−２５のＦＳＲＲ−２５がベストフォーカスとなるタイミングに対応する位相タイミングＰｈ−２５の近傍での画像露光によって取得される。ＦＳＲＲの合焦は、ＦＳＲＲ−２５及びＲＲＩＬ−２５から離れる方向で概ね徐々に劣化し、較正物体６２０の遠端の近傍であるため画像合焦位置から相対的に遠いＲＲＩＬ−１のＦＳＲＲ−１の近傍で最悪となることが図示されている。
【００７１】
上記のように、異なるＦＳＲＲがそれぞれ異なる有効合焦位置ＥＦＰに位置付けられている場合、各ＦＳＲＲは、ＶＦＬレンズ３７０の周期的な光学パワー変動の位相又は周期に関連したそれぞれ異なる時点（すなわち異なる位相時点）でベストフォーカスとなる。以下で更に詳しく記載するように、画像スタックが取得される場合（例えば画像セットは、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワー変調範囲全体を通して等しく離間された位相タイミング等で取得される）、各画像に現れる所与のＦＳＲＲは概して、各画像でそれぞれ異なる合焦特性値（例えば異なる定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）を有し、ＦＳＲＲがベストフォーカスであるタイミングのより近くで取得される画像は、合焦特性値がより大きい。このような画像スタックはＦＳＲＲの正確なベストフォーカス画像を含まない可能性がある（例えば、そのようなベストフォーカス画像のタイミングはスタック内の２つの画像のタイミングの間にあり得る）が、既知の技法（例えばポイントフロムフォーカス動作の使用及び／又は合焦曲線の解析等）に従って画像スタックの画像を解析することにより、そのようなベストフォーカス画像のタイミングを決定できる。前述のように、ＶＦＬレンズシステム３００は、合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）及び／又は画像スタックの画像内のＦＳＲＲの他の値を決定するように構成され得る参照領域合焦解析器３８４及び／又は合焦信号処理部３７５を含むことができる。これらの値を、ＦＳＲＲがベストフォーカスにある位相タイミングを決定するためのプロセスの一部として使用できる。様々な実施例では、位相タイミングをシステムの有効合焦位置（Ｚ高さ）に関連付ける較正データを決定するため、このような各ＦＳＲＲの位相タイミングの決定を各ＦＳＲＲの既知の有効合焦位置（Ｚ高さ）と組み合わせて利用することができる。これについては後で図１１から図１５を参照して更に詳しく記載する。
【００７２】
上述のように、様々な実施例において、画像７００Ａ、７００Ｂ、及び７００Ｃは、そのような画像スタックからの３つの例示的な画像を表現することができる（例えば、画像７００Ｂは範囲の中央近傍で撮像され、画像７００Ａ及び７００Ｃは範囲の両端部近傍で撮像されている）。様々な実施例において、そのような画像スタックを較正プロセスの一部として取得する場合、最初に特定の較正変数及び／又は他の変数が決定され得る。例えばＶＦＬレンズ制御部は、ＶＦＬレンズの共振周波数Ｆｒｅｓ、ＶＦＬレンズ／制御部温度Ｔｃｎｔｒｌｒ、電力レベルＰｅｌｅｃのような、特定の入力変数又は他の変数の現在の値の指示を与えることができる。様々な実施例では、そのような変数から、例えば位相遅延Ｐｄ、電力レベルＰｅｌｅｃ、ＶＦＬレンズの共振周波数Ｆｒｅｓ、位相差度ＰｈａｓｅＤｉｆｆＤｅｇｒｅｅのような、特定の移動マニピュレータ制御プログラム（ＭＯＭＡＣ：mobile manipulator control program）変数を取得するか又は他の方法で決定することができる。一度そのような変数の現在の値が受信されるか又は他の方法で決定されたら、較正物体画像の画像スタックのために画像を取得する時間増分（又は他の範囲の区切り（division））を決定することができる。
【００７３】
１つの具体的な例示の実施例では、有効合焦位置範囲（Ｚ範囲）の全体（すなわち上から下まで＝１８０度）を１／２度の増分に分割することができる（すなわち、この具体的な例示の実施例では結果として３６０のステップが生じる）。各ステップは時間で（例えば秒単位で）表現することができ、共振周波数Ｆｒｅｓの２倍が１８０度のスキャンに必要な総時間となる。従って、各ステップの時間は、位相遅延（すなわちＶＦＬレンズ変調の）を秒単位で表現する（例えば、画像スタック内の各画像の取得時間にノミナルで対応する）。また、光パルスの持続時間（例えば、いくつかの実施例では各画像を取得するため一定であり得る）を指定することができ（例えば５０ナノ秒等）、上述のように各画像のタイミングに従ってトリガすることができる。様々な実施例では、いくつかの値（例えば各ステップの時間、光パルスの持続時間等）を対応するルックアップテーブル（ＬＵＴ）に記録し、較正プロセスの次のステップを実行するため使用することができる。
【００７４】
様々な実施例では、上記の値を用いて、較正物体画像の画像スタック（例えば、上記の具体例の値に従った約３６０の画像のような、指定された数の画像を含む）を得ることができる。画像スタックに加えて、拡大被写界深度の画像（例えば、以下で図８に関して更に詳しく記載する）も得ることができる（例えば、ＶＦＬレンズ動作のための既知の技法を用いて、更に、いくつかの場合は上記の例示的な値で示される光パルスのための位相タイミング及び／又は他の位相タイミングのいくつか又は全てを用いて）。更に、ＶＦＬレンズが、ＶＦＬレンズの光学パワーが変調されておらずＶＦＬレンズがレンズ効果を与えない状態である（例えばレンズが電源オフされている）ときに取得されるような、オフＶＦＬ画像も得ることができる（例えば後で図１０に関して更に詳しく記載する）。オフＶＦＬカメラ画像は、少なくとも部分的に対物レンズによって決定されるがＶＦＬレンズの光学パワーの変調又はレンズ効果によっては決定されない有効合焦位置に対応する。様々な実施例において、これらの画像（すなわち画像スタックの画像、ＥＤＯＦ画像、及び／又はオフＶＦＬ画像）の各々は、以下で更に詳しく記載するように、較正プロセスの様々な部分のために利用することができる。
【００７５】
図８は、図６の較正物体６２０の拡大被写界深度（ＥＤＯＦ）画像８００を表す図である。このようなＥＤＯＦ画像では、被写界深度は単一合焦位置の撮像システムによって与えられるものよりも大きい。（例えばＶＦＬレンズを用いて）拡大被写界深度の画像を取得するための様々な方法が既知であり、例えば米国特許第１０，１０１，５７２号に記載されている。以下で更に詳しく記載されるように、様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムを較正するための方法は、ＥＤＯＦ画像を用いて各ＦＳＲＲの近似位置を決定することを含み得る（例えば近似位置は、画像内のＦＳＲＲの合焦特性値を決定するため画像内に関心領域を配置する等、様々な目的に使用され得る）。
【００７６】
様々な実施例において、図８のようなＥＤＯＦ画像は、いくつかの目的では許容できる量の合焦／コントラストのＦＳＲＲの画像を含み得るが、この合焦／コントラストは、コントラストパターン全体にわたる全てのＦＳＲＲについては正確でないか又は特定の許容差内で一貫していない可能性がある（これは例えば、ＥＤＯＦ画像を生成／取得するため利用される処理方法の結果として起こり得る）。このように変動する可能性のあるＦＳＲＲの合焦／コントラストは、図８において、パターン要素間の様々なクロスハッチパターンによって図示されている。ＥＤＯＦ画像に関するこのようなファクタのため、（例えばＦＳＲＲの精密な位置を決定する）特定の動作のために更に精密な解析が望まれる場合は、そのような処理に対して画像スタックからの画像を代替的に使用すればよい。これについては以下で更に詳しく記載する。様々な実施例において、（例えば図６に示された、平面状パターン表面ＳＲＦを傾斜のない向きから見た場合のピッチＰＩ及び間隔ＳＰと比べて）ＥＤＯＦ画像８００内のＦＳＲＲは、対物レンズ３５０に対する傾斜角ＴＡのため、これらＦＳＲＲ相互の合成ピッチＰＩ’及び／又は間隔ＳＰ’を有することが図示されている。合成ピッチＰＩ’及び間隔ＳＰ’は同様に、図７のＡからＣの画像内のピッチ及び間隔に対応し得ることは認められよう。様々な実施例では、様々な較正プロセスの一部として、図８のようなＥＤＯＦ画像を様々な目的のために使用できる。これについては以下で図９、図１０、及び図１１を参照して更に詳しく記載する。
【００７７】
図９は、（例えばＶＦＬレンズ等に対する）較正物体の回転を補償するために使用できる画像９００の回転角ＲＡの決定を示す図である。以下で更に詳しく記載するように、様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムを較正するための方法は位置合わせプロセスを実行することを含み得る。位置合わせプロセスは、位置合わせ画像（例えば画像９００）と、（例えば間隔又はピッチに従った）ＦＳＲＲ相互の既知の領域関係又は（例えば既知の位置合わせに従った）平面状傾斜パターン表面に対するＦＳＲＲの既知の幾何学的関係のうち少なくとも１つと、を使用して、ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の位置合わせの決定又は補償のうち少なくとも一方を行うことを含む。様々な実施例において、位置合わせ画像は、画像スタックのカメラ画像、ＥＤＯＦ画像（例えば図８のもの等）、又はオフＶＦＬカメラ画像（例えば図１０のもの等）のうち少なくとも１つであり得る。
【００７８】
様々な実施例において、位置合わせ画像を使用することは、位置合わせ画像を解析して、ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の位置合わせを示す合成周波数を決定することを含み得る。様々な実施例において、合成周波数は、位置合わせ画像の２Ｄフーリエ変換を処理することによって決定できる。様々な実施例において、位置合わせプロセスは、ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の回転角（例えば、以下で更に詳しく記載するような図９の回転角ＲＡ）に対応する較正物体の位置合わせを決定することと、（例えば、較正物体の少なくとも１つの画像を更に処理する前に、この少なくとも１つの画像を回転角だけ回転させることによって）ＶＦＬレンズシステムに対する較正物体の位置合わせを補償することと、を含み得る。
【００７９】
図９の例に関して上述したように、様々な実施例において、回転角の決定に使用される画像９００は、ＥＤＯＦ画像（例えば図８のもの等）であるか、あるいは別のタイプの較正物体画像（例えば画像スタックからの画像又はオフＶＦＬ画像等）であり得る。図９に示されている例では、画像９００は図８のＥＤＯＦ画像を回転させたものである（すなわち、図示の簡略化のため、図８のパターン要素間のクロスハッチパターンは図９に含まれていない）。
【００８０】
様々な実施例において、ユーザ又はシステムが（例えば対物レンズ３５０及び撮像システムの視野内のステージ上に）較正物体を配置した場合、較正物体の向きは、所望の垂直方向又は水平方向の向きに対して（例えばＶＦＬレンズシステムに対して）精密に位置合わせされていない可能性がある。より具体的に述べると、様々な実施例において較正物体は、ＶＦＬレンズシステムに対してピッチ、ヨー、又はロールのうち１つ以上で、ある回転度を有し得る（例えば、ユーザによる設置／配置／配向や、ステージ表面又は較正物体が置かれる表面が平坦でないことに起因して）。図９の例では、較正物体は、コントラストパターンが垂直方向の向きに対してある回転度を有するような向きである。
【００８１】
図９に示されているように、較正物体は、対応する局所Ｘｃｏ、Ｙｃｏ、及びＺｃｏ較正物体座標軸を有する画像面内にある（すなわち、Ｘｃｏ軸及びＹｃｏ軸はＶＦＬレンズシステムのＸ軸及びＹ軸に対して回転して示されている）。図９に示されているように、較正物体の回転量を示す較正物体回転角ＲＡ（例えば、局所Ｘｃｏ軸方向とＸ軸方向との間の角度に対応する）が決定される。様々な実施例では、較正物体の向きをＥＤＯＦ画像から決定することが望ましい場合がある（例えば、多数のパターン要素を解析して、較正物体全体の向きを示すものとして平均向きを決定できる。これは、１つ又は少数のパターン要素のみを解析するとサンプリングポイント数が少ない等のために決定の精度が低下することとは対照的である）。
【００８２】
様々な実施例において、較正物体の回転を補償するためのプロセスは、ＥＤＯＦ画像９００を解析して、（例えばＸｃｏ軸方向に沿った周波数とは対照的に）Ｘ軸方向に沿ったコントラストパターン（例えばＦＳＲＲ／格子ライン等を含む）の合成周波数を決定することを含み得る。１つの実施例において、このような解析は、２Ｄフーリエ変換又は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を処理してＥＤＯＦ画像９００の合成周波数を決定することを含み得る。様々な実施例において、ＥＤＯＦ画像９００の合成周波数は（例えば、図８に示されているようなコントラストパターンが水平方向に位置合わせされた既知の合成周波数、並びにピッチＰＩ’及び間隔ＳＰ’に対応する既知の合成周波数と比較して）、較正物体の回転角ＲＡを示すことができる。ＥＤＯＦ画像からの測定された合成周波数（フーリエ変換の基本波）は、関連する計算及び較正において用いるため、傾斜角ＴＡを補償するために使用される（例えば、較正物体の実際の傾斜角ＴＡと既知の又は設計された傾斜角との関係を決定する）。フーリエ変換の高次の測定された合成周波数は、回転角ＲＡを決定し、関連する計算及び較正におけるその効果を補償するため使用できる。
【００８３】
様々な実施例では、更に処理を行う前に、対応する画像を回転角だけ回転させることによって較正物体回転角ＲＡを補償することができる。より具体的に述べると、様々な実施例において、（例えば以下で更に詳しく記載するように）更に画像処理を実行する前に、コントラストパターンのピッチ（例えばＦＳＲＲ／格子のピッチ）の測定に対するバイアスを除去するように処理／解析対象の各画像を最初に回転させることができる（例えば、回転のための既知の画像処理及び／又はソフトウェア技法を用いて）。様々な実施例では、画像を回転させることの代わりに又はこれに加えて、対応する画像データに対して回転を補償するための様々な既知の数学的及び／又は他の処理技法を使用できる（例えば、画像の回転と同様の効果を得るため又は他のため）。
【００８４】
図１０はオフＶＦＬカメラ画像１０００を表す図である。オフＶＦＬカメラ画像１０００は、図６の較正物体の画像を含み、ＶＦＬレンズの光学パワーが変調されておらずＶＦＬレンズがレンズ効果を与えない状態である（例えばレンズが電源オフされている）ときに取得される。以下で更に詳しく記載されるように、ＶＦＬレンズシステムを較正するための方法の一部として、様々な実施例では、オフＶＦＬカメラ画像を解析して、画像スタックの画像の対応する値の基準になると共に対物レンズ３５０からの作動距離ＷＤに対応する代表値を決定できる。様々な実施例において、オフＶＦＬカメラ画像の代表値と一致する（例えば、作動距離ＷＤに対応するものとして指定される）画像スタック内の画像の２つの対応する値間の内挿値を決定することができる。様々な実施例において、代表値は、オフＶＦＬカメラ画像に対してラインスキャンを実行することによって少なくとも部分的に決定される画素位置とすることができる。
【００８５】
図１０の例に関して、上記のようにオフＶＦＬ画像１０００は、対物レンズの作動距離ＷＤとの関連において使用できる。様々な実施例では、対物レンズの作動距離ＷＤを決定するため、（例えば出荷前に工場等で）最初に対物レンズの較正を実行してもよい。様々な実施例では、対物レンズの初期較正の一部として、ポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）焦点面補正（ＦＰＣ：focal plane correction）（すなわち像面湾曲（field curvature）に関連している）を較正すればよい。その後の時点で（例えば対物レンズを使用するとき）、ポイントフロムフォーカス又は他の機構（例えば内径ゲージ等を含む）を用いて、対物レンズの作動距離ＷＤ（例えば焦点面補正（ＦＰＣ）参照面又は参照位置のような、参照面又は参照位置に対する対物レンズ先端面（nose plane）の距離に対応する）を精密に測定できる。様々な実施例では、これに加えて又はこの代わりに、対物レンズの作動距離ＷＤを精密に測定するため他の測定ツール／デバイス／物体（ゲージブロック等）を使用してもよい。様々な実施例において、作動距離ＷＤは、ＶＦＬレンズシステムの較正のために有用であり得るマシン座標系（ＭＣＳ：machine-coordinate system）に関連付ける（referenced）ことも可能である。これについては以下で更に詳しく記載する。より具体的には、上記のように、対物レンズの工場におけるＰＦＦ較正では、作動距離ＷＤを物理的に又は他の方法で測定することによって、対物レンズ搭載フランジに対する第１のＭＣＳ参照値（例えば同焦点距離）を確立できる。
【００８６】
様々な実施例において、オフＶＦＬ画像１０００は、作動距離ＷＤに対応し、従ってＭＣＳ参照位置に対応する有効合焦位置に、ノミナルで対応し得る。このような有効合焦位置は、少なくとも部分的に対物レンズによって決定されるが、ＶＦＬレンズの光学パワー変調又はレンズ効果によって決定されるのでないことは認められよう。以下で更に詳しく記載するように、対応する外部参照位置は較正プロセスの一部として有用であり、対物レンズ３５０から較正物体６２０上の決定された位置等までの精密な外部参照距離を示すことができ（例えばこれは、他の場合には既知でないか利用可能でない可能性がある）、画像スタックの画像及び／又は決定される対応したデータ等に対する固定の（anchoring）既知の参照位置として機能できる。
【００８７】
例えば、レンズシステムの従来の較正プロセス（例えば、ステージの所与の位置、又は対物レンズと較正のため測定／利用される物体又は表面との間の他の距離に対して）では、典型的に、測定／較正位置のために参照され得る既知の／物理的に測定可能な距離（例えば、対物レンズと較正のため利用される物体／表面との間の物理的に既知の／測定可能な距離）が存在し得る。これに対し、様々な実施例において、特定のタイプのＶＦＬレンズシステム（例えば、流体媒質中で波を用いてレンズ効果を生成するＴＡＧレンズを含む）に実行される較正では、（例えば、流体媒質中で波によって生成されるＶＦＬレンズの変調光学パワーに関して）現在の／有効なレンズ位置に対する物理的に既知の／測定可能な距離が存在しない可能性がある。例えば、ＶＦＬレンズシステムの較正プロセス中に取得される所与の画像／データ／測定値のセットにおいて、取得された画像／データ／測定値の範囲内のどの位置／値が、指定された外部参照位置／ロケーションに正確に対応するかは明らかでない場合がある（例えば１つの例では、どの位置／値がその範囲内のゼロ光学パワー位置に対応するかは明らかでない可能性がある）。
【００８８】
具体例として、ＶＦＬレンズシステムのそのような較正プロセス中に取得された画像のスタックにおいて、この画像スタックは、（例えば既知のＭＣＳ位置における）所望の外部参照位置に正確に対応する画像を含まない可能性があり、画像スタック範囲内の対応する相対的な位置が既知でない可能性がある。本明細書に開示される原理に従って、オフＶＦＬ画像を用いて画像スタック範囲内のそのような画像の相対的なロケーション／位置の指示を効果的に与えることができる。より具体的に述べると、様々な実施例において、（例えば既知のＭＣＳ位置における）正確な外部参照位置に対応するオフＶＦＬ画像を取得し解析することによって、更に、画像スタックの画像を解析して画像スタック範囲内のどこに（例えば、画像スタックの画像に対応する値の範囲内のどこに）オフＶＦＬ画像が該当する（例えば、オフＶＦＬ画像に対応する値が値範囲内のどこに該当する）か決定することによって、その範囲内の精密な相対的な位置／値を確定し、これが固定の／既知の参照位置／ロケーション／値を与えることができる（例えば、これに対して画像スタックの範囲及び／又は画像／対応する値を関連付けることができる）。本明細書に記載されているように、様々な実施例において、オフＶＦＬレンズ画像は周期的変調中のＶＦＬレンズのゼロ光学パワー位置／値に対応し、精密な参照距離は既知である／物理的に測定することができる（例えば対物レンズ３５０の作動距離ＷＤに対応する）。従って様々な実施例では、オフＶＦＬ画像（例えば、又は関連付けられた値）が対応している範囲内の精密な相対的な位置／ロケーション／値を決定することにより、その範囲及び／又は関連付けられた値／データポイントを、（例えば既知のＭＣＳ位置／ロケーション／距離における）対応する既知の外部参照位置／ロケーション／座標／距離に固定する／関連付けることができる。
【００８９】
上記のように様々な実施例では、オフＶＦＬ画像１０００を用いて、オフＶＦＬカメラ画像と同様である画像スタック内の１つ以上のカメラ画像を決定し、これによって、画像スタックの範囲内のどこにオフＶＦＬ画像１０００が対応するかを決定できる。より具体的に述べると、画像スタックは、オフＶＦＬ画像１０００と同様である有効合焦位置における画像（例えば作動距離ＷＤのわずかに上方及び下方の有効合焦位置の）を含み、オフＶＦＬ画像１０００は、場合によっては、対応する位相タイミングで取得され作動距離ＷＤに等しい有効合焦位置を有する画像スタック内の画像に対する「対の一方（ｔｗｉｎ）」の画像と見なすことができる。画像スタック値の範囲内の、ＭＣＳ参照位置に対応するそのような位置を決定することにより、画像スタック内の（例えば画像等の）残りの位置及び／又はそれから決定されるデータも、ＭＣＳに関連付けることができる。様々な実施例において、このような構成はＶＦＬレンズシステムの較正に関して様々な利点を有し得る。例えば、いくつかの従来のシステムにはそのようなＭＣＳ参照位置が存在しなかった、及び／又は（例えば較正安定性を外部で検証するために使用される）そのような外部参照位置が明らかでなかった。
【００９０】
一般に、較正物体６２０のオフＶＦＬ画像１０００は、ＶＦＬレンズの変調光学パワーがゼロ値である（例えば、光学パワーの正の値と負の値との間で変調している間にゼロ値と交差する）ときの位相タイミングに対応する較正物体６２０の画像とノミナルで同一であり得る（例えばノミナルで対の一方である）。上記のように、オフＶＦＬ画像１０００に対応する有効合焦位置はノミナルで作動距離ＷＤに対応し、作動距離ＷＤは、既知である及び／又は高い精度で決定することができ（例えば外部物理較正及び／又は測定プロセスを用いて）、画像スタック内の画像及び／又は対応する決定されたデータ等に対する固定参照位置として機能し得る。
【００９１】
１つの具体的な例示の実施例において、オフＶＦＬ画像１０００に対応する画像スタック内の位置を示す値を決定するためのプロセスは、画像１０００の（例えば画像１０００の中心を通る）スキャンを実行することを含み得る。例えば１つの実施例では、画像全体の合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）（すなわち、コントラストパターンの格子ラインエッジ又は他の要素全体の合焦特性値に対応する）を決定するため、あるタイプのビデオツール（例えばエッジ検出ツール等）を用いて、画像（例えば、コントラストパターンＣＰのパターン要素ＰＥ全体にわたって画像中心を通るように配置されたスキャンライン）をスキャンすることができる。図９に関して上述したように、このような処理の前に、オフＶＦＬ画像１０００の回転の補償が必要ならば、（例えば、図９に関して上述したように回転角に応じて画像を回転させること等によって）実行することができる。
【００９２】
一度、画像全体のスキャンから合焦特性値又は他のデータを決定したら、画像に対応する位置及び／又は値が決定される。１つの具体的な例示の実施例において、これは、対応する位置（例えば重心、又はコントラストパターン全体の変調合焦特性値で表されるような合焦特性値データの他の表現に対応し得る）を決定するため、合焦特性値又は他のデータを解析することを含み得る（例えば、最小／最大合焦特性値ピークに対する包絡線フィッティング（envelope fitting）を実行し、サブ画素精度でピークバースト変調の測定等を可能とする）。上記のように、このようなプロセスによって決定された位置は、（例えば固定オフセットの）対物レンズ作動距離ＷＤにノミナルで対応し得る。
【００９３】
様々な実施例において、画像１０００の位置は、（例えばカメラ３６０の）検出器の画素に対して（例えばインデックスデータ等で）表現することができる。１つの具体例の値として、インデックスデータ値は６３６．５０画素に対応し得る（例えば、カメラの検出器は関連軸に沿って約１２８０画素を有する）。様々な実施例において、画像１０００に対応する決定された位置（例えば６３６．５０のインデックスデータ値）を、画像スタック内の画像の解析から決定された（例えば画素位置に関する）他の位置と比べることができる。画像１０００の決定位置と一致する内挿位置は、画像１０００の「対の一方」と見なすことができ、作動距離ＷＤにノミナルで対応すると考えられる。このように、作動距離ＷＤを画像スタック範囲内の特定の内挿位置に固定することができる（これは例えば、対物レンズに対する絶対位置に対応し、決定した位置を正確にＭＣＳに関連付けてＭＣＳで表現することを可能とする）。
【００９４】
図１１から図１４は、上記の例に従い、また本明細書に開示される原理に従って較正データを決定するためのプロセスを示す。図１１から図１４の例では、参照した較正物体は１１０のＦＳＲＲを有することが指定されている（例えば、ＦＳＲＲとして指定された１１０の格子ラインエッジを有する格子を含む）が、他の点では上述の較正物体と同様であり、同様の構造を有し、それらとの類似性によって理解される。以下で更に詳しく記載するように、較正データを決定するための例示的なプロセスは、ＦＳＲＲのピーク合焦特性値（例えばピーク定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値等）に対応する位相タイミングを決定すること（例えば図１１を参照のこと）と、ＦＳＲＲの各々について画素位置及び対応する有効合焦位置（Ｚ高さ）を決定すること（例えば図１２を参照のこと）と、決定したデータを組み合わせること（例えば図１３を参照のこと）と、これを用いて、等しいステップサイズで較正データが決定されるフィッティング曲線を決定すること（例えば図１４を参照のこと）と、を含む。以下で更に詳しく記載するように、このようなプロセス（すなわち本明細書に開示される較正物体を利用する）は、ＶＦＬシステムの較正において様々な利点を有する。
【００９５】
図１１は、画像スタックの画像から決定された、あるＦＳＲＲの合焦特性値曲線１１１０を示すグラフ１１００の図である。以下で更に詳しく記載するように、様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムを較正するための方法は、各ＦＳＲＲのピーク合焦特性値の位相タイミングを決定するため、画像スタック内のカメラ画像を解析してカメラ画像内の各ＦＳＲＲの合焦特性値を決定することを含み得る。様々な実施例において、各ＦＳＲＲの決定された合焦特性値は、ＦＳＲＲの定量的コントラスト尺度値を含み得る。
【００９６】
図１１の例では、合焦特性値曲線１１１０を用いて、ＦＳＲＲの最大コントラストフィッティング重心インデックス値又は他の対応する値を決定できる。同様のプロセスを実行して、ＦＳＲＲの各々について合焦特性値曲線を決定し、得られた値を更に別の決定のために使用することも可能である（例えば、ＦＳＲＲについて画素位置と有効合焦位置（Ｚ高さ）とを決定する。これは、作動距離ＷＤ／オフＶＦＬ画像（例えば画像１０００）に対応する範囲内の位置を基準とすることができる。これについては後で図１２を参照して更に詳しく記載する）。
【００９７】
図１１に示されているＦＳＲＲの合焦特性値曲線１１１０を決定するため、最初のステップは、画像スタックの画像内でＦＳＲＲの近似位置を決定することを含み得る。一度近似位置を決定したら、これを、各画像内の同一位置に関心領域を配置するため利用することができる（例えば、これによって各画像内のＦＳＲＲの合焦特性値を決定する。これにより、ＦＳＲＲが高い合焦レベルを有する画像を示し、ＦＳＲＲがベストフォーカスであるときのタイミング／位相値を決定できる）。様々な実施例において、ＦＳＲＲの近似位置の決定は、（例えば図８のＥＤＯＦ画像８００と同様の）較正物体のＥＤＯＦ画像又は他のタイプの画像を解析することを含み得る。
【００９８】
ＥＤＯＦ画像又は他の画像が解析される実施例において、このプロセスは、合焦特性値スキャン又は他のスキャンを実行して、（例えば画像内に示された）カメラ３６０の検出器におけるＦＳＲＲの近似画素位置を決定することを含み得る。１つの具体的な例示の実施例では、画像の合焦特性値スキャン又は他の処理を用いて、ＦＳＲＲに対応する大まかな／近似的な「シード」位置を決定できる。様々な実施例では、決定した近似位置を１つ以上のルックアップテーブルＬＵＴに記憶し、上述のように他の処理のため使用することも可能である。これについては以下で更に詳しく記載する。様々な実施例では、近似位置の決定の一部として、近似位置の決定において見落としたＦＳＲＲがないことを確認するためにチェックを実行できる。例えば、ＦＳＲＲの数が既知であるため、これに対応する数のエントリを有するルックアップテーブルＬＵＴ及び／又は他の技法を使用して、決定した近似位置の数が既知のＦＳＲＲの数と一致することを検証できる。
【００９９】
上述のように、（例えば上記の例示的なプロセスによって決定される）ＦＳＲＲの近似位置は、各画像においてそのＦＳＲＲに関連付けられた合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）のレベルを決定するため、画像スタックの各画像内に関心領域を配置するために使用できる。様々な実施例において、このようなプロセスは既知のポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）又は他の解析動作に従って実行され、これによって、各ＦＳＲＲのピーク合焦特性値の位相タイミングを示す（例えばＦＳＲＲのベストフォーカスタイミングを示す）ことができる。画像スタック及び合焦曲線の決定及び解析のため、並びにポイントフロムフォーカス及びエッジ解析動作等のための例示的な技法は、米国特許第６，５４２，１８０号、第７，００３，１６１号、第７，６２７，１６２号、第９，０６０，１１７号、及び第９，６０２，７１５号に教示されている。
【０１００】
１つの具体的な例示の実施例では、このような動作に従って、ＦＳＲＲを検出するような大きさに設定された関心領域を、各画像においてＦＳＲＲの近似位置に対して配置する（例えばその中心に置く）ことができる。関心領域は、関心領域内で合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度値）を決定するため使用され得るビデオツール又は他の解析機構に関連付けることができる。様々な実施例において、より高い合焦特性値は概ね、ＦＳＲＲにより焦点が合っている画像に対応し得る。図１１の例では、各データポイント１１２０は、画像スタックの各画像内のＦＳＲＲのピーク合焦特性値を表す。曲線１１１０は、（およそ１１０のＦＳＲＲのうち）１つのＦＳＲＲ内で計算された３６０の測定コントラスト値から得られる。交差点は、１１１０のコントラストピークに対する４２ポイント（４２−ｐｔ）二次フィッティングである。様々な実施例において、曲線１１１０は、画像スタックの画像から決定されたデータポイント１１２０に対するフィッティングから得られる。
【０１０１】
（例えば曲線１１１０で表されるような）画像スタックの画像からの合焦特性値を解析することにより、周期的変調範囲内で最もＦＳＲＲの焦点が合っているときを示す「ピーク」合焦特性値（例えば曲線１１１０のピーク）を決定できる。これは、特定の画像の位相タイミング又は画像間の内挿位相タイミングに対応し得る。様々な実施例において、ピークは、フィッティングさせた値の重心に従って決定することができ、最大コントラストフィッテング重心インデックス値として表現できる。ＶＦＬレンズの動作に従って、各画像を、画像が取得されたタイミング／位相遅延（例えばデータポイント１１２０の各々のタイミング／位相遅延によって示される）に関連付けることができ、これに応じて最大コントラストフィッティング重心インデックス値を、ＦＳＲＲがベストフォーカスであるときのタイミング／位相遅延に関連付けることができる。図１１の具体例において、ＦＳＲＲのピーク値は、約１８１．６４７２度の最大コントラストフィッティング重心インデックス値を有するＸ軸に沿ったタイミング／位相遅延にあることが示されている。様々な実施例において、このような値（例えば、Ｘ軸上の位相遅延ｘ２において３６０度範囲の１８０度中点の近傍にある）は、いくつかの場合、ＦＳＲＲが較正物体上のＦＳＲＲ範囲の中央近傍にあることを示し得る（例えば１１０のＦＳＲＲを有する較正物体では、ＦＳＲＲは５５番目のＦＳＲＲであるかその近傍であり得る）。範囲の中央近傍にあるこのようなＦＳＲＲは、ノミナルの有効合焦位置ＥＦＰｎｏｍ及び／又は決定された作動距離ＷＤの位置の近傍でもあり得る（例えば、図６から図１０の例におけるＦＳＲＲ−１３と同様）。以下で図１２及び図１３に関して更に詳しく記載するように、時間／位相タイミングを有効合焦位置（Ｚ高さ）に相関付けるシステムの較正データを決定するため、各ＦＳＲＲのピーク合焦特性値の位相タイミングを表すこのようなデータを、各ＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）を表すデータと組み合わせることができる。
【０１０２】
図１２は、サブ画素精度で決定されるＦＳＲＲの画像画素位置及び対応するＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）を示すグラフ１２００の図である。以下で更に詳しく記載するように、様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムを較正するための方法は、各ＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）を決定することを含み得る。様々な実施例において、各ＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）の決定は、カメラ画像の１つ以上において各ＦＳＲＲの画素位置をサブ画素精度で決定することを含み得る。次いで、決定した画素位置並びに較正物体及びＶＦＬレンズシステムの既知の物理的特徴に基づいて、ＦＳＲＲの有効合焦位置を決定することができる。既知の物理的特徴は少なくとも、平面状傾斜パターン表面の傾斜角、対物レンズの倍率、及び画素の大きさを含む。
【０１０３】
図１２の例において、データ１２１０は事実上ノミナルで線形であることが図示され、それぞれＦＳＲＲを表す個々のデータポイント１２２０を含む。ＦＳＲＲは、Ｘ軸に沿って示された対応する画素位置、及びＹ軸に沿って示された対応する有効合焦位置（Ｚ高さ）を有する。データ１２１０は、ノミナルで線形の減少関数に概ねフィッティングされる（例えば、ＦＳＲＲが位置付けられている較正物体の平面状傾斜パターン表面の傾斜角に対応する）。上記のように、図１１から図１４の例に用いられる較正物体は１１０のＦＳＲＲを含み、図１２にはこれに対応する１１０のデータポイント１２２０が示されている。（例えば上述の画像１０００と同様の）較正物体のオフＶＦＬ画像に対して決定され、ノミナルで作動距離ＷＤに対応する相対的な位置が、データポイント１２３０によって表されている。
【０１０４】
様々な実施例において、データポイント１２２０の決定は、画像スタックからＦＳＲＲの画素位置を（例えばサブ画素精度で）決定することを含む。例えば、ＦＳＲＲのベストフォーカスの位相タイミングを決定するための解析（又は他の解析）に基づいて、ベストフォーカス位置に最も近いか又は他のこれに近い画像を画像スタックから決定／選択することができる。一度画像を選択したら、この画像を解析して、画像内のＦＳＲＲの画素位置を（例えばサブ画素精度で）決定できる。このような解析に関して、（例えば上述したようにＥＤＯＦ画像から又は他のものから決定される）近似位置を、（例えばエッジ検出ツール等のため）関心領域を配置するため使用することができ、これを用いてＦＳＲＲの精密な画素位置を（例えばサブ画素精度で）決定できる。各ＦＳＲＲの精密な画素位置の決定に基づいて、各ＦＳＲＲの正確な有効合焦位置（Ｚ高さ）を決定することができる。より具体的には、較正物体の既知の特徴に従って、ＦＳＲＲの既知の合成周波数（例えば補償された格子傾斜に関連する）、倍率（例えば現在の対物レンズの倍率に対応する）、画素の大きさ、及び要素のサブ画素位置（例えば上述のプロセスに従って決定される）に応じて、各ＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）を決定することができる。
【０１０５】
図１３は、図１１及び図１２のようなデータを組み合わせることによって決定された測定較正データを示すグラフ１３００の図である。図１３において、データ１３１０は、それぞれＦＳＲＲを表す個別のデータポイント１３２０を含む。ＦＳＲＲは、Ｘ軸に沿って示されたベストフォーカス位置の対応するタイミング／位相遅延、及びＹ軸に沿って示された対応する有効合焦位置（Ｚ高さ）を有する。各ＦＳＲＲのタイミング／位相遅延は図１１のようなデータからのものであり、対応する有効合焦位置（Ｚ高さ）は図１２のようなデータからのものであることは認められよう。様々な実施例において、データ１３１０を表すフィッティング式（fitted equation）を決定することが望ましい場合がある。例えば１つの具体的な例示の実施例では、データポイント１３２０に対して最小二乗フィッティングプロセスを実行することで、位相遅延と有効合焦位置（Ｚ高さ）値とを表す正弦波フィッティング式を決定できる（例えば、これによって得られるノミナルで正弦波状のライン１３１５が、正弦波フィッティング式に対応するものとして示されている）。以下で図１４に関して更に詳しく記載するように、様々な実施例では、正弦波フィッティング式を用いて、ＶＦＬレンズの変調範囲内で等しく離間した有効合焦位置に対応する位相タイミングを決定することができる。
【０１０６】
図１４は、図１３のようなデータから決定された、等しい有効合焦位置（Ｚ高さ）ステップのフィッティングされた較正データを示すグラフ１４００の図である。図１４に、データポイント１４２０を含むデータセット１４１０が示されている。ライン１４１５は図１３のライン１３１５と同様であり、上述のように図１３のデータから決定された正弦波フィッティング式に対応する。正弦波フィッティング式に関して、データポイント１４２０は、等しいステップサイズに従って（例えば被写界深度（ＤＯＦ）の１／１０のように、ＤＯＦのある割合で）決定される。このような特徴は、いくつかの実施例では、特定の「１画素当たりのＺ反復性」統計データ又は他のものに一致する／これを達成するように選択できる。具体例の値として、ＤＯＦ＝１８６μｍの２倍対物レンズ（すなわち２倍の倍率）では、所望のステップサイズは１８．６μｍに決定することができる（すなわちＤＯＦの１／１０に等しい）。
【０１０７】
一度ステップサイズを決定したら、ＶＦＬレンズの有効合焦位置（Ｚ高さ）スキャン範囲全体（例えば図３の範囲Ｒｅｆｐ）をステップサイズで除算して、等しい有効合焦位置（Ｚ高さ）ピッチのステップ数（すなわち、図１４のＹ軸に沿ったデータポイント１４２０の間隔に対応する）を決定できる。様々な実施例では、上記のような正弦波フィッティング式を繰り返して、同一の有効合焦位置（Ｚ高さ）ピッチを有するＹ軸に沿った各ステップでＸ軸値を決定することにより、曲線に沿ったデータポイント１４２０が得られる。様々な実施例では、各繰り返し時間の許容差を指定する／決定することができる（例えば、図１４の例では２ナノ秒の許容差を用いる）。様々な実施例において、等しく離間した有効合焦位置（Ｚ高さ）に対応する決定した位相タイミングは、ＶＦＬレンズシステムの各有効合焦位置（Ｚ高さ）に対応する周期的変調の各位相タイミングを示す較正データの少なくとも一部として、（例えばルックアップテーブル（ＬＵＴ）又はその他に）記憶することができる。上述の具体例の値に従って、１つの実施例では、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）に、Ｚ上部の値から開始して２５８の時間／位相遅延値のリストを生成できる。
【０１０８】
様々な実施例において、較正物体（すなわち、要素の相対的な高さ等に関して既知の特徴を有する）を測定することから決定される較正データは、一部の例では、いくつかの指定された較正条件のもとで決定することができる。様々な実施例において、そのような指定される条件は、指定された定常状態の温度（例えばＴ＝２０℃±０．２５℃）、指定された対物レンズ３５０（例えば１ｘ〜５０ｘの倍率の対物レンズのうち１つ）の使用、ＶＦＬレンズ３７０を指定された周波数（例えば７０ｋＨｚ）で動作させることを含み、＋／−１ジオプターによって指定されたＺスキャン範囲を得ることができる（例えば具体例の値として、５ｘ対物レンズによって約０．４ｍｍ〜−０．４ｍｍのＺスキャン範囲が得られる）。このような構成において較正物体は、少なくとも−０．４ｍｍ〜＋０．４ｍｍの範囲のコントラストパターンが得られる傾斜を備え得る。
【０１０９】
様々な実施例において、ＶＦＬ共振周波数は、温度変動及び／又は他の条件に対して比較的直接に変動することが知られている。様々な実施例において、本明細書に記載されているような較正プロセスを、指定された条件の特定のもの以外で（例えば、Ｔ＝２０℃のような指定された定常状態の温度以外で、及び／又は７０ｋＨｚのような指定されたＶＦＬレンズ共振周波数以外で）実行する場合、補償プロセスを実行できる。例えば１つの実施例において、補償プロセスは、ＶＦＬ共振周波数（例えば、温度又は他のファクタに対して直接変動し得る）を決定／測定することと、指定された共振周波数からの逸脱を補償すること（例えば、較正データに＋０．２μｍ／Ｈｚの補償を適用する）と、を含み得る。
【０１１０】
図１５は、ＶＦＬレンズシステムの較正データを決定するため較正物体を利用するルーチン１５００の１つの例示的な実施例を示すフロー図である。動作ブロック１５１０では、ＶＦＬシステムの一部であるＶＦＬレンズを、動作周波数で光学パワー範囲にわたってＶＦＬレンズ光学パワーを周期的に変調するように動作させる。例えば、ＶＦＬレンズが制御可能音波発生要素を有するＴＡＧレンズである実施例では、制御可能音波発生要素を駆動信号（例えばノミナルで正弦波状の駆動信号）によって制御して、周期的に変調した光学パワー変動（例えばノミナルで正弦波状であり得る）をＴＡＧレンズに与えることができる。
【０１１１】
動作ブロック１５２０では、異なる有効合焦位置において、複数のカメラ画像を（例えば数十又は数百の数の画像を含み得る画像スタックの一部として）取得する。様々な実施例において、各カメラ画像の取得は、較正物体撮像構成に配置された較正物体に光源光を出力することと、カメラからカメラ画像を受信することと、を含む。様々な実施例では、較正物体画像露光中に較正物体画像光がワークピース撮像光路に沿って伝送され、ＶＦＬレンズを通過してカメラに至り、カメラ画像内で較正物体画像を与える。上記のように、様々な実施例において較正物体はＦＳＲＲのセットを含む。ＦＳＲＲのセットは、較正物体画像内で既知の相対的な参照領域画像位置を有し、較正物体が較正物体撮像構成に配置されている場合は対物レンズに対してそれぞれ異なる有効合焦位置に固定されている。
【０１１２】
動作ブロック１５３０では、複数のカメラ画像を解析することに少なくとも部分的に基づいて較正データを決定する。較正データは、各有効合焦位置（Ｚ高さ）に対応する周期的変調の各位相タイミングを示す。上記のように、様々な実施例において、（例えば較正物体画像を含む）複数のカメラ画像の解析は、対応する特定の既知の位相タイミングを用いて、露光された複数の較正物体画像内の較正物体のＦＳＲＲセット内の各要素について合焦特性値（例えば定量的コントラスト及び／又は合焦尺度等）を決定することを含み得る。様々な実施例において、このような処理／決定は、少なくとも部分的に、参照領域合焦解析器３８４、ワークピース合焦信号処理部３７５、及び／又は遠隔コンピュータ等によって実行することができる。既知の位相タイミングにおける決定された合焦特性値に基づいて、ＦＳＲＲがベストフォーカスであるときの位相タイミングを決定できる（例えば、ポイントフロムフォーカス又は他の動作を用いて）。ＦＳＲＲの画素位置を決定し（例えば、ＦＳＲＲが合焦されている画像スタック内の画像でビデオツール等を用いて）、決定した画素位置におけるＦＳＲＲの有効合焦位置（Ｚ高さ）を、較正物体の既知の特性（例えばＲＲＩＬにおけるＦＳＲＲの既知の及び／又は決定可能な有効合焦位置（Ｚ高さ）に関する）を用いて決定することができる。
【０１１３】
このようなプロセスから決定されたデータを組み合わせて、位相タイミングを有効合焦位置（Ｚ高さ）に正確に関連付けるシステムの較正データを提供し、決定した較正データを（例えばルックアップテーブル又はその他に）記憶することができる。その後の測定動作中、（例えばストロボ光源の位相タイミング等に従って）特定の既知の位相タイミングでワークピースの１つ以上の画像を取得し、ワークピース要素がベストフォーカスであるときの位相タイミングを決定し、（例えばルックアップテーブル又はその他に提供されている）較正データを用いて、そのワークピース要素の正確な有効合焦位置（Ｚ高さ）を決定することができる。
【０１１４】
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。例えば、調整可能な傾斜機構を用いて傾斜較正物体を実施することにより、この傾斜較正物体がカバーする較正物体合焦位置範囲Ｒｃｏを調整して、特定の対物レンズに対応すること、又は様々な合焦状態参照領域位置に関連した合焦距離選択性又は解像度を増大させることができる。別の例として、較正物体は、少なくとも部分的に湾曲した少なくとも１つのパターン表面を含むことができ、このパターン表面の少なくとも一部は較正物体撮像構成に配置された場合に対物レンズの光軸に直交しない。少なくとも１つの湾曲パターン表面の異なる部分を、対物レンズに対してそれぞれ異なる合焦距離に固定することができ、この少なくとも１つの湾曲パターン表面上にＦＳＲＲのセットを配置することができる。
【０１１５】
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、上述の実施例の態様は変更可能である。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３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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