(57)【要約】  特に測定機（１０）の一部としてのテレセントリック結像システム（３０）をフォーカシングする方法は、対象物（２４）のフィーチャ（２５）の画像をテレセントリック結像システム（３０）を介してテレセントリック作動モードで測定する工程と、対象物（２４）のフィーチャ（２５）の画像をテレセントリック結像システム（３０）を介して非テレセントリック作動モードで測定する工程とを含む。関数（被写界深度（Ｄ）にわたり対象物（２４）の相対的な変位に応じて非テレセントリックモードで画像化されたフィーチャのサイズが変化する関数）を特徴付ける値が取得される。ベストフォーカス位置からの対象物（２４）の相対変位の算定として、テレセントリックモードと非テレセントリックモードでの対象物（２４）のフィーチャ（２５）の画像の測定値が、互いに関連付けられるとともに、上記取得された値と関連付けられる。
2019501411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定機のテレセントリック結像システムをフォーカシングする方法において、
被写界深度にわたる対象物の相対変位に対して画像化されたフィーチャのサイズが実質的に一定であるテレセントリックモードで、前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程と、
画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位の関数として変化する非テレセントリックモードで、前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程と、
画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する前記関数を特徴付ける値を、取得する工程と、
ベストフォーカス位置からの対象物の相対的な変位の算定として、テレセントリックモードおよび非テレセントリックモードにおける対象物のフィーチャの画像の測定値を、互いに関連付けるとともに、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する前記関数を特徴付ける前記取得された値と関連付ける工程と、
ベストフォーカス位置からの対象物の相対変位の算定値によって、テレセントリック結像システムに対して対象物を相対的に変位させる工程と、
を備えた方法。
【請求項２】
被写界深度内で対象物を既知の量だけ相対的に変位させる工程と、
対象物の前記相対変位された位置において、非テレセントリックモードで前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程と、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程が画像化されたフィーチャのサイズの測定を含み、
さらに、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数を特徴付ける値を同定するために、非テレセントリックモードにおける対象物の相対位置間での画像化されたフィーチャのサイズの測定された変化を、被写界深度内での既知の相対変位と比較する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
画像化されたフィーチャのサイズが変化する関数を特徴付ける値を取得する工程が、予め決められた値にアクセスすることを含む、請求項１に記載の方法。 
【請求項５】
前記予め決められた値は、ルックアップテーブルに格納された複数の所定の値のうちの１つまたは数式であり、前記画像フィールド内の半径位置によって変化し、非テレセントリックモードでの対象物の相対変位に伴う倍率の異なる変化率を表している、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
さらに、前記ベストフォーカス位置の第１の算定として、前記対象物が相対的に変位した位置において、前記非テレセントリックモードで前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程を含む、請求項４に記載の方法。 
【請求項７】
前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程が、画像化されたフィーチャのサイズの測定を含み、
さらに、非テレセントリックモードにおける対象物の相対位置間での画像化されたフィーチャのサイズの測定された変化を、対象物が相対的に変位した算定相対変位量と比較し、これにより、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数を特徴付ける精度を高めた値を同定する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
さらに、
ベストフォーカス位置からの対象物の相対的な変位のより精密な算定として、相対的に変位した位置におけるテレセントリックモードでの画像化されたフィーチャのサイズと非テレセントリックモードでの画像化されたフィーチャのサイズとを、相互に関連付けるとともに、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数を特徴付ける前記精度を高めた値と関連付ける工程と、
対象物を、ベストフォーカス位置からの対象物の相対的な変位のより精密な算定値により、前記テレセントリック結像システムに対して相対的に変位させる工程と、
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
対象物を照明するための第１の光ビームを放射し、これにより、テレセントリックモードでの対象物のフィーチャの画像が、テレセントリック結像システムがテレセントリック性を維持するために校正された波長の範囲内にある上記光ビームの公称波長で形成される工程と、
対象物を照明するための第２の光線を放射し、これにより、非テレセントリックモードでの対象物のフィーチャの画像が、テレセントリック結像システムがテレセントリック性を維持するために校正された波長の範囲外にある公称波長で形成される工程と、
を含む請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記第１および第２の光ビームは共通の光源から放出され、前記第２の光ビームを放出する工程は前記光源への電流量を変更することを含む、請求項９に記載の方法。 
【請求項１１】
上記校正された範囲外の波長が対象物のフィーチャの画像に色収差を与え、この色収差の軸上成分が前記テレセントリック結像システム内の光学系の焦点距離を変化させ、これにより、テレセントリック結像システムの開口絞りが、テレセントリック結像システムの入射瞳を無限遠に配置するために必要とされるようなバックフォーカスにもはや位置しない、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記テレセントリック結像システムが非テレセントリックモードで動作する波長が、テレセントリック結像システムがテレセントリックモードで動作するように設計されている波長の範囲に十分に近く、これによりテレセントリックモードと非テレセントリックモードの両方の被写界深度が重なる領域内において、画像のフィーチャサイズを測定する能力に影響を及ぼすような鮮明度の著しい損失なしに、画像フィールド内での画像ポイントの変位が可能となる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
測定機のテレセントリック結像システムのフォーカシングをするフォーカスシステムにおいて、
前記テレセントリック結像システムと、前記テレセントリック結像システムにより中継された画像が形成される検出器とを含むカメラを備え、
前記カメラは、測定しようとしている対象物に対して前記テレセントリック結像システムの光軸に沿って相対的に移動可能であり、
前記テレセントリック結像システムは、被写界深度にわたる対象物の相対変位に対して対称物の画像化されたフィーチャのサイズが実質的に一定に維持されるテレセントリックモードで動作可能であり、
前記テレセントリック結像システムは、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位の関数として変化する非テレセントリックモードで動作可能であり、
前記テレセントリック結像システムは、テレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間で調節可能であり、
テレセントリックモードと非テレセントリックモードの両方において前記検出器によって捕捉された画像から、画像化されたフィーチャのサイズ測定値を得るように構成されたプロセッサを含み、
前記プロセッサは、ベストフォーカス位置からの対象物の相対的な変位の算定として、テレセントリックモードと非テレセントリックモードでの画像化されたフィーチャのサイズの測定値を、互いに関連付けるとともに、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数と関連付けるように構成されている、フォーカスシステム。
【請求項１４】
対象物を照明するための照明器をさらに備え、この照明器の光が、対象物を前記検出器に結像させるために前記テレセントリック結像システムによって集められ、
前記照明器は、テレセントリック結像システムがテレセントリックモードで動作するようにテレセントリック結像システムが校正された波長範囲内の第１ピーク波長を有する光を放射するように構成され、
前記照明器は、テレセントリック結像システムがテレセントリックモードで動作するようにテレセントリック結像システムが校正された波長範囲外の第２ピーク波長を有する光を放射するように構成されている、請求項１３に記載のフォーカスシステム。
【請求項１５】
前記照明器は、前記テレセントリック結像システムをテレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間で調節するために、前記第１ピーク波長での光放出と、前記第２ピーク波長での光放出との間で調節可能である、請求項１４に記載のフォーカスシステム。
【請求項１６】
前記プロセッサは、前記画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数に関する格納データにアクセスするように構成されている、請求項１３〜１５のいずれかに記載のフォーカスシステム。 
【請求項１７】
前記格納データは、非テレセントリックモードでの画像フィーチャの歪みに対応するために、光軸からの半径方向の距離によって異なっている、請求項１６に記載のフォーカスシステム。
【請求項１８】
前記プロセッサは、測定機が動作するアルゴリズムに従って作動し、
前記カメラと対象物の同じ相対位置において、テレセントリック作動モードと非テレセントリック作動モードの両方で、前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を取得し、
被写界深度内において光軸に沿った既知の距離だけ前記カメラに対して対象物を相対的に変位させ、
前記カメラに対して対象物が相対的に変位した位置において、非テレセントリックモードで対象物のフィーチャの別の画像を取得する、請求項１３〜１５のいずれかに記載のフォーカスシステム。
【請求項１９】
前記プロセッサは、さらなるアルゴリズムにしたがって作動し、
取得された画像内のフィーチャのサイズを測定し、
非テレセントリックモードでの対象物の相対変位された位置間での画像化されたフィーチャの測定されたサイズでの変化を、被写界深度内における対象物の既知の相対変位と比較し、被写界深度にわたる対象物の相対変位に対して画像化されたフィーチャのサイズが変化する関数を特徴付ける値を特定する、請求項１８に記載のフォーカスシステム。 
【請求項２０】
前記プロセッサが、ベストフォーカス位置からの前記対象物の相対変位の推定値によって、前記カメラに対する対象物の相対変位を指示するように構成されている、請求項１３〜１９のいずれかに記載のフォーカスシステム。
【請求項２１】
テレセントリック結像システムのベストフォーカス位置を測定する方法において、
前記テレセントリック結像システムを介してテレセントリックモードと非テレセントリックモードの両方で対象物のフィーチャの画像を測定する工程を備え、前記テレセントリックモードでは、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に対して実質的に一定のままであり、前記非テレセントリックモードでは、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位の関数として変化し、
さらに、ベストフォーカス位置からの対象物の相対的な変位の算定として、前記テレセントリックモードと前記非テレセントリックモードにおける対象物のフィーチャの画像の測定値を、互いに関連付けるとともに、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数と関連付ける工程を備えた方法。
【請求項２２】
前記テレセントリックモードでの対象物のフィーチャの画像が、前記テレセントリック結像システムがテレセントリック性を維持するように校正された波長の範囲内にある公称波長で形成され、
前記非テレセントリックモードでの対象物のフィーチャの画像が、前記テレセントリック結像システムがテレセントリック性を維持するように校正された波長の範囲外にある公称波長で形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程が、光源からのピーク波長の出力を、テレセントリック結像システムがテレセントリック性を維持するために校正された波長の範囲内にある公称波長から、テレセントリック結像システムがテレセントリック性を維持するために校正された波長の範囲外にある公称波長へと変化させるサブステップを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
ピーク波長を変化させる前記サブステップが、ＬＥＤ光源への電流量を変化させることを含む、請求項２３に記載の方法。 
【請求項２５】
前記校正された範囲外の波長が、対象物のフィーチャの画像に色収差をもたらし、色収差の軸上成分が前記テレセントリック結像システム内の光学系の焦点距離を変化させ、これにより、テレセントリック結像システムの開口絞りがもはや、テレセントリック結像システムの入射瞳を無限遠に配置するために必要とされるバックフォーカスに位置しない、請求項２２〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
被写界深度内の対象物を既知の量だけ相対的に変位させる工程と、
対象物の前記相対的に変位した位置において対象物のフィーチャの画像を、前記テレセントリック結像システムを介して非テレセントリックモードで測定する工程と、
を含む、請求項２１〜２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記テレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定する工程が、画像化されたフィーチャのサイズの測定を含み、
さらに、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数を特徴付ける精度を高めた値を同定するために、非テレセントリックモードにおける対象物の相対位置間での画像化されたフィーチャのサイズの測定された変化を、被写界深度内での対象物の前記既知の相対変位と比較する工程を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記色収差の軸上成分の結果として、場所毎の倍率がベストフォーカス位置からの対象物の距離とともに変化し、前記色収差の横成分の結果として、ベストフォーカス位置での倍率が変化する、請求項２５に記載の方法。 
【請求項２９】
前記関連付ける工程が、前記対象物の相対的変位の量を同定することを提供し、それにより、前記非テレセントリックモードで測定された対象物のフィーチャの画像が、色収差の横成分によりもたらされる倍率変化を示すことが予想される請求項２８に記載の方法。 
【請求項３０】
前記関連付ける工程は、画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数を特徴付ける１つまたはそれ以上の予め決められた値にアクセスする工程を含む、請求項２１〜２４のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記予め決められた値は、ルックアップテーブルに記憶されるとともに、前記画像フィールド内の径方向位置に応じて変化し、これにより、前記非テレセントリックモードでの対象物の相対的変位に応じた倍率の異なる変化率を表す、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば画像に基づいて測定する機会で用いられるテレセントリック結像システムのためのフォーカシングシステムに関し、テレセントリック結像システムを介して得られる測定値に基づくベストフォーカス位置の算定のための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
結像システムでは、画像の鮮明度（シャープネス）は、ベストフォーカス位置（ベストフォーカス位置）から離れるにしたがって変化し得る。このように、結像システムのベストフォーカス位置は、しばしば、最も鮮明な画像が形成されるまで、結像システムに対する対象物の位置を動かすことによって決定される。典型的には、画像コントラストが鮮明度の尺度として用いられ、ピークコントラストでベストフォーカス位置を決定する。
【０００３】
本願と同じ出願人である米国特許第７８１２９７１号は、マシンビジョンシステムのためのオートフォーカスシステムを特徴とする。このシステムは、複数の異なる波長で、光学軸に沿って走査して複数の画像フレームを収集し、各波長毎に最大コントラストの位置を決定する。ベストフォーカス位置を決定するために、最大コントラストの測定値を、波長間の予想される変位に基づいて組み合わせることができる。あるいは、ベストフォーカス位置を特定するために、単一の軸位置における異なる波長でのコントラスト測定値を、軸位置の範囲にわたる異なる波長のコントラスト値のプロットに、適合させることができる。
【０００４】
被写界深度が大きい光学システム、例えばf値が大きい光学システムでは、ベストフォーカス位置付近での鮮明度の変化がより緩やかになる傾向があり、そのため、ベストフォーカス位置を見出す精度が低下する。鮮明度の変化が非常に緩やかであるため、f値が大きい光学システムでは、ベストフォーカス位置からのずれが許容されることが多い。しかし、倍率を変更するように構成されたシステムでは、低い倍率では動作可能なベストフォーカスからのずれは、高い倍率で被写界深度を越えることがあり、更なるフォーカス調整を行うことができるような測定可能な画像が残っていない。低倍率の結像と高倍率の結像の間で別々にフォーカス調整を行うと、時間がかかり、測定値間にばらつきが生じることがある。
【０００５】
ピクセル対ピクセルの強度比較を含むことが多いコントラストの測定は、測定機の通常の測定と異なり、追加の処理アルゴリズムやその他の機能が必要である。画像化されるべき対象物が、選択されたアルゴリズムに適合しない場合、コントラスト測定の有効性はかなり変わる可能性がある。このように、一致しないフォーカスの結果は、測定されるべき異なる対象物の範囲で生じ得る。
【発明の概要】
【０００６】
テレセントリック結像システムを有する光学測定機のためのフォーカシングシステムが実施形態の中に記載されている。
好ましくは、フォーカシングシステムは、テレセントリック結像システムのｆ値または被写界深度から実質的に独立して動作する。フォーカシングの目的のために、テレセントリック結像システムは、例えば色収差を誘発することによって非テレセントリックモードで動作され、歪みの１つまたはそれ以上の関連する測定値が、ベストフォーカス位置からの対象物の変位の測定値に変換される。通常の動作モードでのテレセントリック結像システムは、画像フィールド内に結像される対象物のフィーチャのサイズを測定するように構成され、非テレセントリックモードでの歪みは、画像フィールドにおけるフィーチャサイズの変化として測定することができる。したがって、測定機の通常の測定能力を利用してベストフォーカス位置を決定することができる。 
【０００７】
色収差を誘発するために、光学測定装置の照明器は、好ましくは、テレセントリック結像システムが校正された波長範囲外の波長で動作される。テレセントリック結像システムが校正された波長範囲内では、結像システムは少なくとも対象物空間に関してテレセントリックに動作する。テレセントリック結像システムが校正された範囲を超える波長は、色収差およびテレセントリック性からの逸脱を導く。例えば、色収差の軸成分がテレセントリック結像システム内での光学系の焦点距離を変化させ、テレセントリック結像システムの開口絞りが、入射瞳を無限遠に配置するのに必要なバックフォーカスにはもはや位置しなくなる。色収差の横成分も倍率を変化させる傾向があるが、テレセントリック性から逸脱した結果、倍率は対象物距離によっても変化する。波長のずれの影響は、放射状に対称に維持される傾向があり、この影響は、画像フィールドの中心または光軸からの距離の関数として定義することができる。倍率の変化は、より一般的には、倍率の第１次変化と視野中心からの距離による倍率の高次変化の両方を含む、歪みの変化と呼ばれる。高次の変化は、画像化されたフィーチャのサイズに加えて、画像化されたフィーチャの形状に影響を与える可能性がある。
【０００８】
測定機が非テレセントリックモードで動作する波長は、テレセントリック結像システムが動作するように設計されている波長の範囲に、十分に近いことが好ましい。これにより、主たる効果が画像フィールド内の画像の点の変位であり、半径方向の歪みとして分類することができ、また、画像フィーチャのサイズを測定する能力に悪影響を及ぼすような鮮明度の喪失をもたらすこともない。鮮明度は、ベストフォーカス位置からの対象物距離の関数として被写界深度にわたっていくらか変化し得るが、画像の点と縁は十分に鮮明であり、
画像高さを、テレセントリックモードと非テレセントリックモードで重なり合う被写界深度にわたって、測定することができる。
【０００９】
テレセントリック性の基本的な期待と一致して、画像高さは被写界深度を通して実質的に一定のままである。言い換えれば、被写界深度にわたる対象物距離によって倍率が有意に変化しない。したがって、被写界深度における対象物位置にかかわらず、すなわちベストフォーカス位置からの対象物の相対的なずれにかかわらず、テレセントリックモードで動作する光学測定機によって測定される画像高さは、実質的に同じである。
【００１０】
対照的に、校正範囲を超える波長で取得される画像高さの測定値は、第１には、ベストフォーカス位置においてさえも、倍率の初期変化として明らかな横色収差（倍率色収差）の結果として変化し、第２には（より顕著である）、テレセントリック性からの逸脱をもたらす軸上色収差の結果として変化する傾向がある。この軸上色収差は、ベストフォーカス位置からの対象物の相対的なすれの関数としての倍率のさらなる変化として明らかである。
【００１１】
このように、テレセントリックモードで動作する光学測定機のベストフォーカス位置からのずれに対して、測定対象物の画像高さは実質的に不変のままである。しかしながら、同じ測定対象物の画像高さは、非テレセントリックモードで動作する光学測定機のベストフォーカス位置からのずれの関数として変化する。 
【００１２】
画像高さの２つの測定値は、ベストフォーカス位置からの対象物の相対的なずれを算定するために、様々な方法で関係付けられる。例えば、被写界深度内において対象物の位置にかかわらず一定のままであると予想されるベースライン画像高さを確立するために、画像高さの第１の測定値をテレセントリックモードで取得される。被写界深度内の同じ対象物位置において、非テレセントリック動作モードで、画像高さの第２の測定値が取得される。そして、テレセントリック測定モードと非テレセントリック測定モードとの間での第１の高低差が記録される。非テレセントリック動作モードにしたままで、被写界深度内において対象物が相対的に変位した位置で、画像高さの第３の測定値が取得される。この変位量は、予め決定しておいてもよく、または測定してもよい。テレセントリックの第１の測定値と非テレセントリックの第３の測定との間の第２の高低差が記録される。既知の変位量に対する２つの高低差が与えられると、ベストフォーカス位置への対象物の更なる相対変位量の第１のリニアな近似値を決定することができる。このベストフォーカス位置では、テレセントリック測定値と非テレセントリック測定値との間の高低差がゼロになる。このリニアな概算値は、被写界深度にわたる対象物の変位に伴う倍率（local magnification）の予想される比例的な変化を反映している。
【００１３】
ベストフォーカス位置からの対象物の変位量のより良い近似値は、色収差の横成分に関連する画像高さの変化を考慮することによって得ることができる。この色収差の横成分はベストフォーカス位置において倍率を変化させる。このように、リニアな概算値は、テレセントリック及び非テレセントリックな測定値がゼロに減少する変位量を求めずに、ベストフォーカス位置で予想される画像高さの差を表すオフセットを含む。しかし、テレセントリック性からのずれが、校正された波長範囲をちょうど越えたばかりの波長シフトによってもたらされる場合、ベストフォーカス位置における２つのモード間の画像高さの差は最小であると予想され、多くの場合無視することができる。
【００１４】
所与のテレセントリック結像システムおよび非テレセントリックモードにおけるテレセントリック結像システムを動作させるための校正範囲外の所与の波長に対して、その場所その場所での歪みの値（local values of distortion）は、画像フィールド全体および被写界深度にわたって予測または測定することができる。放射状の対称性を仮定すると、歪み値は、フィールドの中心からの半径方向の距離としての画像の高さの分野で取得するだけで足りる。歪みは様々な方法で表現することができるが、歪み値は、テレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間の対象物の高さの差（ｈ1−ｈ０）を、テレセントリックモードでの対象物の高さ（ｈ０）で割ることにより算出される割合として表すことができる。１つの割合は、画像フィールドで変化しない倍率変化を表している。不連続の歪み値は、異なる画像高さに関連付けることができ、歪み曲線をこの値に適合させることもできる。
【００１５】
任意の特定の画像高さにおける歪みが被写界深度にわたる対象物の相対変位に比例して変化すると仮定した場合、被写界深度に沿った変位に対する各画像高さでの歪みの変化は、単一の比または勾配で表すことができる。画像フィールド内の任意の点における歪みの変化は、場所毎の倍率変化（ｈ２／ｈ０−ｈ１／ｈ０）として表すことができるので、比または勾配は、対象物の変位に対する倍率の変化に相当する。さらに、各画像高さは、倍率色収差に起因する倍率オフセットと関連付けることもできる。この倍率オフセットは、像視野にわたってほぼ一定のままであってもよいし、フィールド位置と共に変化してより高い次数の倍率変化を表してもよい。
【００１６】
視野全体にわたりかつ被写界深度にわたる非テレセントリックモードの歪み効果を特徴付けた場合、特定の画像高さおよび対象物変位でテレセントリックと非テレセントリックモードで取得される１組の測定値は、予測されるかまたは以前に測定された勾配と関連付けることができる。この勾配は、相対的な対象物変位に対する場所毎の倍率の変化の予想される比に相当する。望むのであれば、対をなす測定値は、色収差の横成分に関連する場所毎の倍率オフセットにさらに関連付けてもよい。上記の関連付けにより、ベストフォーカス位置への変位量を算定する。すなわち、測定された画像高さで非テレセントリックモードに起因する相対倍率を測定するとともに、対象物の変位に伴う倍率の変化率およびベストフォーカス位置における予想される倍率オフセットの両方を知ることによって、ベストフォーカス位置に到達するために必要とされる対象物の正確な変位量が算定される。
【００１７】
距離計または第１の概算値として、平均勾配値（被写界深度内の対象物変位に伴う倍率の変化率を表す）は、モデリングから予測することができ、または経験的に決定することができる。すなわち、実際の比はフィールドにおける半径方向の位置によって変化し得る（恐らく部分的に高次歪みの影響による）が、平均勾配値は、テレセントリックモードと非テレセントリックモードにおける単一対の測定値とともに、ベストフォーカス位置からの対象物の変位の算定値（推定値）を提供することができる。 この算定値は、特定の用途において、最終的なフォーカス調整を行ったり、対象物のおおよその距離を決定するのに十分な精度であり得るが、この算定値は、フォーカス調整の第１段階としても用いることができる。
【００１８】
対象物を算定量だけ相対的に変位させた後、別の非テレセントリックモードでの画像高さ測定を行うことができる。ここで、テレセントリックモードで取得されたベースとなる測定値と、既知の対象物変位範囲にわたり非テレセントリックモードで取得された対象物のフィーチャ高さの２つの測定値を用いて、変位に伴う対象物高さの差のより正確な変化率（変位の変化に対する倍率の変化を表す）が、上述したようにして算出される。最初の概算された相対的な変位は、対象物をベストフォーカス位置にずっと近づけ、最初の変位に続いて正確に測定された勾配は、ベストフォーカス位置のより一層近くまで対象物を相対的に移動するためのさらなる相対変位量を、より高精度に算定するために用いることができる。
【００１９】
望むならば、付加的な非テレセントリックモードでの測定と、対象物位置の相対的な調整のプロセスは、非テレセントリックモードでの画像高さの測定が、倍率色収差の結果として予測されるオフセットの差をもって、テレセントリックモードでの画像高さの測定値に近づくまで繰り返すことができる。
【００２０】
テレセントリック結像システムのベストフォーカス位置を測定する方法の実施形態は、テレセントリック動作モードと非テレセントリック動作モードの両方でテレセントリック結像システムを介して対象物のフィーチャの画像を測定することを含む。画像化されたフィーチャのサイズは、テレセントリックモードでは、被写界深度にわたる対象物の相対的変位に対して実質的に一定のままである。しかし、非テレセントリックモードでは、画像化されたフィーチャのサイズは、被写界深度にわたる対象物の相対変位の関数として変化する。テレセントリックモード及び非テレセントリックモードにおける対象物フィーチャの画像の測定値は、相互に関連するとともに、関数（画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数）とも関連しており、ベストフォーカス位置からの対象物の相対変位の算定に用いられる。
【００２１】
テレセントリック結像システムのフォーカシング方法の別の実施形態は、テレセントリック結像システムを介してテレセントリック作動モードで対象物フィーチャの画像を測定することと、テレセントリック結像システムを介して非テレセントリック作動モードで対象物フィーチャの画像を測定することとを含む。テレセントリック作動モードでは、被写界深度にわたる対象物の相対変位に対して画像化されたフィーチャのサイズは実質的に一定に維持される。非テレセントリック作動モードでは、画像化されたフィーチャのサイズは被写界深度にわたる対象物の相対変位の関数として変化する。画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数を特徴付ける値は、様々な方法で取得することができる。テレセントリック結像システムの予想される挙動をモデル化した結果、または以前の測定の結果として取得することができる。テレセントリックモード及び非テレセントリックモードでの対象物フィーチャの画像の測定値は、互いに関連付けることができ、関数（画像化されたフィーチャのサイズが被写界深度にわたる対象物の相対変位に応じて変化する関数）を特徴づける値とも関連付けることができ、ベストフォーカス位置からの対象物の相対変位の算定に用いられる。対象物は、ベストフォーカス位置からの対象物の相対変位の算定値だけ、テレセントリック結像システムに対して相対的に変位することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のオートフォーカス装置および方法を実施するマシンビジョンシステムの概略図である。
【００２３】
【図２Ａ】テレセントリックモードで動作する結像システムを示す図である。
【００２４】
【図２Ｂ】非テレセントリックモードで動作する結像システムを示す図である。
【００２５】
【図３】被写界深度内での対象物の変位の範囲にわたるテレセントリックモードと非テレセントリックモード間の画像高さの差を示すグラフである。
【発明の詳細な説明】
【００２６】
ある実施形態は、特に、テレセントリック大視野光学システムと、例えばf値が高いレンズを使用する被写界深度の大きなシステムに適用可能である。例えば、特定の実施形態では、１００ｍｍ以上の被写界深度を想定している。このような被写界深度内では、コントラストによって測定されるような画像の鮮明度（シャープネス）は、被写界深度にわたって、特にベストフォーカス位置（ベストフォーカス位置）近傍でゆるやかに変化し、そのためベストフォーカス位置のピークの鮮明度（例えば最高のコントラスト）を、近傍位置と識別するのが困難である。
【００２７】
本明細書で説明するフォーカシング（焦点合わせ）方法は、ベストフォーカス位置を識別するために画像の鮮明度の測定に依存しない。その代わりに、テレセントリックおよび非テレセントリックの両方のモードで動作可能なテレセントリック結像システムに見られるように、画像の高さ又はサイズの測定値が対象物のフィーチャから得られる。テレセントリックモードでは、フィーチャの画像の高さ又はサイズは、被写界深度によって大きく変化することはない。すなわち、テレセントリック結像システムでは、被写界深度内の対象物距離によって倍率は大きく変化しない。そのようにして、対象物のフィーチャは、被写界深度内の対象物の位置にかかわらず、実質的に同じ画像高さでテレセントリック結像システムによって結像される。
【００２８】
非テレセントリックモードでは、テレセントリック性（telecentricity）に対する特別な要件は満たされず、倍率は対象物距離によって変化する傾向がある。しかし、テレセントリック性からの逸脱は、画像の局所的な鮮明度を著しく低下させない。倍率の変化に関する通常の予想を超えて、画像情報は、失われるよりもむしろ大きく幾何学的に変化する。被写界深度にわたる対象物距離の関数としての幾何学的変化は、ベストフォーカス位置への手掛かりとして測定することができる。非テレセントリックモードで対象物距離に伴って場所毎に倍率が変化したとしても、画像フィールド内の対象物のフィーチャの変化する高さまたはサイズは、テレセントリックモードと実質的に同じ被写界深度にわたり測定可能である。２つのモード間の実質的な差は、好ましくは、鮮明度が実質的に劣化する被写界深度の端までに制限される。
【００２９】
図１に示すように、符号１０で示されるマシンビジョンシステムの形態の測定機は、キャリッジ１６に取り付けられたカメラ１２および照明器１４を含む。キャリッジ１６は、スライド１８および２０において、矢印Ｚで示すように、垂直Ｚ軸に沿って移動可能である。照明器１４は、中央の開口と、複数の光源（個々には図示せず）を含む周囲の環とを有するリングライトとして示されている。中央の開口を通って画像が得られる。例えば、照明器１４は、対象物１４を単色光で照明するために、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）のような選択的に作動可能な、本質的に単色の光源を含むことができる。 
【００３０】
カメラ１２を支えるキャリッジ１６はＺ軸に沿って移動可能であり、カメラ１２と対象物２４との間の距離を調整する。テーブル２６上に設置された対象物２４は、対象物の異なる部分をカメラ１６の視野に位置合わせするために、直交する水平軸ＸおよびＹに沿って移動可能である。このように、図示の測定機１０は、カメラ１２と対象物２４とを互いに対して相対移動させる直線運動の３軸を含む。同様の結果は、カメラ１２と対象物２４との間で異なる方法で軸を分割することによっても得られる。実際のところ、カメラ１２および対象物２４の一方が静止し、カメラ１２および対象物２４の他方が、いずれか又は全ての軸に沿って移動可能であってもよい。３つの直線運動軸が示されているが、対象物２４のフィーチャを測定したり結像するために、必要に応じてこれらの軸を異なる方向に向けることができ、1つまたは複数の回転軸を追加または置換して、カメラ１２と対象物２４との間に、追加的な方向付けを付与してもよい。
【００３１】
カメラ１２は、テレセントリック結像システム３０（好ましくはテレセントリックレンズの形態）を含み、テレセントリック結像システム３０の画像フィールド内に配置されたセンサ３２に向かって対象物２４の画像を中継する。センサ３２は、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサのような画素化されたセンサとすることができる。テレセントリック結像システム３０は、所望の精度で対象物２４の測定をサポートするために、制限された収差の所定の波長で、対象物の画像を再現するように設計されることが好ましい。さらに、テレセントリック結像システム３０は、被写界深度内の少なくとも対象物空間において、所定の波長に対してテレセントリックになるように設計される。被写界深度では、フィーチャ２５のような対象物のフィーチャが、フィーチャの画像高さ又はサイズを高い精度で測定するための適切な明瞭性をもって再現される（つまり、測定が所定の許容誤差内で再現可能である）。
【００３２】
画像の高さは、フィールドの中心から半径に沿って測定することができ、画像のサイズは、フィールド内の任意の２点間で測定することができる。 フィールドの中心を知ることにより、画像高さはフィールド内の単一点の位置から測定することができ、より容易にスケーリングすることができ、そうでなければ半径方向の歪みに対応することができる。プロセッサ２８は、カメラ１２、照明器１４、およびマシンの運動軸（例えば、Ｘ、ＹおよびＺ軸に沿った変位コマンドおよび測定値）と通信する。プロセッサ２８は、動作シーケンスを統制する。このシーケンスは、Ｚ軸に沿う２つまたはそれ以上の相対的な位置で検出器３２によって捕捉された画像から、画像化されたフィーチャ２５のサイズの測定値を引き出す工程を含む。
【００３３】
照明器１４は、対象物２４から鏡面反射された光がカメラに入る明視野撮像から、対象物から非鏡面反射された光がカメラに入る暗視野撮像までの様々な形態の撮像をサポートするように構成することができる。照明器１４内のＬＥＤは、個々にまたはグループ毎またはセクタ毎に電力を供給したり制御したりすることができる。ＬＥＤは、光を収束するため、そうでければ対象物２４に向かって光を角度的に方向付けるために、フレネルレンズのような1つまたは複数のレンズと、個別にまたは集合的に関連付けられている。
【００３４】
他の照明技術として、照明源からの光がテレセントリック結像システム３０の対物レンズを通過するスルー・ザ・レンズ照明のために配置された照明器は勿論のこと、様々なタイプの斜めまたは軸方向の照明を使用することができる。対象物２４のシルエットを測定する等のためにバックライトを使用することもできる。
【００３５】
テレセントリック結像システム３０が適切なレベルの鮮明度およびテレセントリック性を示すべく適切に校正されるように、光源は好ましくは、公称の波長またはピーク波長を有して実質的に単色である。さらに、光源は好ましくは、光源によって放出されるピーク波長を変化させるために調節可能である。例えば、照明器１４内のＬＥＤへの電流は、テレセントリック性を維持するためにテレセントリック結像システムが校正される範囲を超えて、ピーク波長をシフトするように調節することができる。電流の変化に伴う波長のシフト量は、種々のＬＥＤ設計によって変わり得るが、所与のＬＥＤ設計に対して、波長の所定の変化が予測可能で繰り返し可能に生じ得る。１０ナノメートル（nm）の範囲内のピーク波長のわずかなシフトでも、テレセントリック結像システムの挙動を著しく変える可能性があり、システムがもはやテレセントリック方式で動作しなくなる。すなわち、校正された範囲内のピーク波長によって照らされた対象物のフィーチャ（フィーチャ２５等）の測定された画像高さは、テレセントリック結像システム３０の被写界深度にわたり実質的に一定のままである。しかし、校正された範囲外のピーク波長によって照明された同じ対象物のフィーチャの測定された画像高さは、テレセントリック結像システム３０の被写界深度にわたり対象物距離のほぼリニアな関数として変化する。充実開口（filled aperture）の観点から、非テレセントリックモードでの任意の1つの画像点を通るエネルギーの中心は、テレセントリックモードでの実質的に軸方向に整列された中心に対して一定の傾斜をなして延びる傾向がある。
【００３６】
実用的な意味では、テレセントリック性は、被写界深度にわたる倍率の最小限の変化に対する許容誤差をもって連続的に変化する。好ましくは、テレセントリック結像システム３０は、少なくとも測定機の一部としての意図された動作のために必要なテレセントリック性を有していることが好ましい。さらに、テレセントリック結像システム３０の画像結果は、例えば異なる対象物位置でのレチクル投影を測定することにより校正し、予想されるテレセントリック誤差を補償することができる。非テレセントリックモードは、テレセントリック性の低下または非テレセントリック性の増加として、テレセントリックモードと関連して言及することができ、それにより倍率は被写界深度にわたってより顕著に変化する。すなわち、テレセントリックモードでは、テレセントリック結像光学系３０は光学系のテレセントリック性の要件を満たし、非テレセントリックモードでは意図的にテレセントリック性を満足しない。テレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間のテレセントリシティのより大きい差（逸脱）は、ベストフォーカス位置への相対的な対象物の変位の算定の精度を高めることができるが、好ましくは、他の不要な収差を避けるために逸脱が制限される。 
【００３７】
図２Ａは、テレセントリックモードで動作するテレセントリック結像システム３０の概略図を提供する。この場合には、結像されるべきフィーチャ３４（前述のフィーチャ２５など）の最も高い点からの主光線３２が光軸３６に対して実質的に平行に延びている。フィーチャ３４は、公称焦点位置で実線で示され、被写界深度Ｄの両端で破線で示され、被写界深度Ｄにわたって同じ高さｈ０に維持される。すなわち、フィーチャ３４が結像される時のフィーチャ３４の高さは、フィーチャ３４が所望のレベルの鮮明度で結像される被写界深度Ｄにわたって、著しく変化することはない。 
【００３８】
図２Ｂは、非テレセントリックモードで動作するテレセントリック結像システム３０の概略図を提供する。この場合には、結像されるべきフィーチャ３４上の最も高い点からの主光線４２が、光軸３６に対して傾斜して延びている。図示されているように、フィーチャ３４が結像される時のフィーチャ３４の高さは、フィーチャ３４が所望のレベルの鮮明度で結像される被写界深度Ｄにわたって、高さｈａから高さｈｂまで変化する。
【００３９】
テレセントリック結像光学系３０は、校正された範囲外のピーク波長を介して非テレセントリックモードで動作するように構成され、結像に軸上成分と横成分を有する色収差を与える。色収差の軸上成分では、主光線が光軸に沿う異なる距離に集束される。横成分では、画像フィールド内の異なる位置に画像点が集束される。これによって倍率及び又は高次の径方向歪みに影響を及ぼす。この目的のために、テレセントリック結像システム３０は、波長の関数として変化する屈折率を有する少なくとも1つのレンズを含む。この屈折率の変化は、とりわけ焦点距離の変化をもたらす。校正された範囲外のピーク波長で動作するテレセントリック結像システム３０の開口絞りは、結像システムの入射瞳を無限遠に配置するために必要とされるバックフォーカスに、もはや位置しない。したがって、画像内のフィーチャの画像高さまたはサイズは、同心円レンズについて予想されるように、被写界深度を通る対象物距離によって変化する傾向がある。理想的な焦点位置であっても、倍率のわずかな変化及び/又は高次歪みは、色収差の横成分によって表われる。
【００４０】
非テレセントリックモードで生成された画像は、倍率の変化に加えて、高次歪み、特に径方向歪みを含み得るが、画像フィールド内の対象物距離に対する画像高さの変動は、あらゆる点においてリニアに維持される傾向がある。色収差の横成分が無視できるほど小さい場合には、ベストフォーカス位置の近似は、画像の高さの差と、対象物距離の変化に対する画像の高さの変化の予想される比とにより、予測することができ、これにより、画像の高さの変化をゼロに減じることが求められる被写界深度にわたる対象物の変位量を特定する。横色収差（倍率色収差）の影響を取り入れるために、画像高さの目標変化はゼロから離れ、校正された範囲外のピーク波長から、ベストフォーカス位置での倍率の予想される量に対応する。サイズの測定としての画像高さの径方向測定は、複雑さのいくつかを回避する。この複雑さは、非テレセントリックモードでの画像フィールドにおける他の対をなす点の間の距離測定に影響を及ぼす高次歪みと、それらの対象物距離に対する相対的な変化率が関連している。
【００４１】
ベストフォーカス位置を見つける1つのアプローチは、測定機がテレセントリックモードで作動している時に、特に画像高さとしてのフィーチャサイズを測定することを含む。テレセントリックモードでは、照明器が校正された範囲内のピーク波長で作動する。画像高さｈ０は、フィールドの中心から対象物フィーチャ（フィーチャ２５など）の所定のポイントまでを測定することにより得られる。画像高さｈ０の測定は、テレセントリック結像システム３０の被写界深度内で行わなければならない。被写界深度内では、画像高さを所望の精度で測定することができる。対象物２４が被写界深度内の同じ位置に配置されている時に、テレセントリック結像システム３０は非テレセントリックモードで動作して、フィールドの中心からフィーチャ２５の上記所定のポイントまでの画像高さの第２の測定値ｈ１を得ることができる。好ましくは、テレセントリックから非テレセントリックへのモードの変更は、照明器のピーク波長を、上記校正された範囲内のピーク波長から、その校正された範囲をわずかに外れたピーク波長へと変更することにより達成することができる。画像形成は明らかに非テレセントリックであるが、画像の鮮明度は、実質的に重なり合う被写界深度にわたって著しく劣化しないことが好ましい。
【００４２】
非テレセントリックモードにおいて測定された画像高さｈ１とテレセントリックモードにおいて測定された画像高さｈ０との間の高低差Δｈ１は、変化した波長によって引き起こされるその場所での歪み（local distortion）の測定値を提供する。パーセンテージとして、この歪みは 、１００×（Δｈ１/ｈ０）で表すことができる。非テレセントリックモードでの画像高さの第２測定値ｈ２は、対象物２４が被写界深度内においてＺ軸に沿って相対的に変位した位置で、同じフィーチャ２５から得られる。Ｚ軸は、テレセントリック結像システム３０の光軸と一致している。対象物２４とテレセントリック結像システム３０の一方または両方を、他方に対して移動させることにより、対象物２４をテレセントリック結像システム３０に対して、第１の測定値が得られた第１の位置Ｚ-１から第２の位置Ｚ２まで、所定量または測定された量または他の方法で既知の量だけ変位させる。テレセントリックモードで測定された画像高さｈ０は、Ｚ１位置とＺ２位置との間で変化しないので、変位したＺ２位置での測定モード間の差Δｈ２は、Ｚ２位置において非テレセントリックモードで測定される画像高さｈ２と、Ｚ１位置においてテレセントリックモードで測定される画像高さｈ０との差に相当する。対象物距離の変化に対する画像高さの変化率ｍｒは、以下の式で表される。
ｍｒ＝（ｈ２−ｈ１）／（Ｚ２−Ｚ１）＝（Δｈ２−Δｈ１）／（Ｚ２−Ｚ１）  （１）
ここで、添字「ｒ」は、対象物視野内の半径位置（画像高さｈ０に対応する）を参照する。 
【００４３】
図３は、リニアな関係を示しており、位置Ｚ２から位置Ｚ３まで、距離Ｚ３−Ｚ２だけの対象物２４の相対変位が、いかにして下記式に表されるかを示している。ここで、Ｚ３位置は、テレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間の測定される画像高さの差がゼロに等しくなる位置である。
Ｚ３−Ｚ２ ＝ −Δｈ２／ｍｒ    （２） 
【００４４】
同様に位置Ｚ１から位置Ｚ３までの距離Ｚ１−Ｚ３は、下記式で表すことができる。
Ｚ３−Ｚ１ ＝ −Δｈ１／ｍｒ    （３）
【００４５】
勾配ｍｒは、勾配ｍｒをテレセントリックモードで測定した初期高さｈ０で割ることによって、勾配Ｍに標準化することができる。非テレセントリックモードでの画像フィールド全体にわたる勾配Ｍのあらゆる変化は、高次歪みに起因する。勾配Ｍを用いてＺ１とＺ３との間などの必要とされる変位量を計算するために、画像高さの差Δｈ１はｈ０で割ることにより、パーセント歪みとして標準化することもできる。
【００４６】
一例として、テレセントリック結像システム３０は、５３０ｎｍのピーク波長に校正されたものとする。したがって、照明器１４のＬＥＤが通常に電力を供給されて５３０ｎｍのピーク波長を放射するとき、テレセントリック結像システム３０はテレセントリックモードで動作する。しかしながら、照明器１４の同じＬＥＤに対して電流を調整することによって、ＬＥＤから放射されるピーク波長を、５４０ｎｍに増加させることができる。この波長は、テレセントリック結像システムが校正された範囲を超えている。したがって、テレセントリック結像システム３０は、色収差の結果として、非テレセントリックの態様で挙動する。校正された範囲を越えたピーク波長のずれは、倍率および高次の歪みの形態として画像フィールド内の画像のポイントの幾何学的位置に影響を及ぼすが、波長のずれは、実質的に同じ被写界深度にわたり画像の鮮明度を保つように制限される。このように、得られた歪みは、画像フィールド内の画像のフィーチャサイズの変化として明確に測定可能である。
【００４７】
プロセッサ２８は、例えば照明器１４のＬＥＤに供給される電流を制御することによって、テレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間の変更を制御するように構成されている。
また、プロセッサ２８は、２つのモードで所望のサイズ測定値を取得するために必要な様々なステップを実行する。すなわち、
カメラ１２と対象物２４との間の所望の相対変位を測定または実行し、
画像化されたフィーチャ２５のサイズが被写界深度にわたって変化する関数に関する情報にアクセスし又は当該情報を引出し、
ベストフォーカス位置からの対象物２４の相対変位の算定として、テレセントリックモードおよび非テレセントリックモードでの画像化されたフィーチャ２５のサイズの測定値を、互いに関連付け、画像化されたフィーチャ２５のサイズが被写界深度にわたる対象物２４の相対変位に伴って変化する関数と関連付けるための必要な計算を実行する。
【００４８】
被写界深度内においてベストフォーカス位置からＺ軸に沿って不定の距離だけ離れた第１対象物位置Ｚ１において、対象物のフィーチャ２５は、５３０ｎｍでテレセントリックモードで動作する測定機１０によって、２０ミリメートル（mm）の画像高さｈ０を有すると測定される。この高さは、フィーチャ２５の真の高さとして基準化される。テレセントリック結像システム３０はテレセントリックモードで動作するので、フィーチャ２５の測定された画像高さは、被写界深度全体にわたって一定のままである。例示された測定機１０は、独自の意図された目的のために動作するが、この測定は測定機１０が設計に際して意図している通常の測定と同じタイプである。したがって、この測定を行うためにデータ収集や解釈の特別なフォームは必要ない。 
【００４９】
ベストフォーカス位置からの距離は最初は不明であるが、テレセントリック結像システム３０に対する対象物２４のＺ１位置は、好ましくは、カメラ１２とテーブル２６との間の既知の相対位置と、対象物２４の予想された寸法に基づいて選択される。プロセッサ２８がアクセス可能なメモリから引き出すことができる利用可能な情報は、最初に対象物２４を被写界深度内で相対的に位置決めし、より好ましくは対象物２４を被写界深度の中心に相対的に位置決めするのに適している。
【００５０】
同じＺ１位置において、照明器１４のＬＥＤへの電流は、ＬＥＤによって放射されるピーク波長を５４０ｎｍにシフトするように変更され、これにより同じテレセントリック結像システム３０を非テレセントリックモードで動作させる。同じＺ１位置での同じフィーチャ２５の画像高さ測定値は19.99677499ｍｍとなり、−0.0032250120ｍｍの差Δｈ１を生じる。ピーク波長は、フィルタリングのような他の方法で変位させることができるが、テレセントリック結像システム３０を非テレセントリックモードで動作させる方法としての波長のシフトは、結像システムの部分を機械的に変位させることなく実現するのが好ましい。これにより、テレセントリック結像システム３０は、機械的変位による影響を受けず、機械的変位に関連した再整列または他の修正作業を必要とすることなく、通常のテレセントリック動作モードに復帰することができる。図示のリングライトのような照明器１４もテレセントリック結像システム３０に対して固定されたままであることが好ましい。測定モード間での変化を減じて、テレセントリック性からの逸脱が波長の意図されたシフトに制限されるようにするためである。
【００５１】
対象物２４は、既知の量だけ被写界深度内の第２位置Ｚ２に相対的にシフトすることができる。このシフトは、例えばキャリッジ１６をカメラ１２と共に垂直Ｚ軸に沿って平行移動させ、変位を測定することによる。相対変位は、好ましくは被写界深度内にあると予想される所定の量である。垂直Ｚ軸に沿う変位の測定は、所望の変位を確認するためのフィードバックを提供するが、これは好ましくは測定機１０の通常の特徴である。±５０ｍｍ付近の比較的大きな被写界深度が与えられる場合には、Ｚ１位置から１０ｍｍの変位でも被写界深度内にとどまることが予想される。しかしながら、シフトにより、対象フィーチャ２５が被写界深度を超えてしまう場合、すなわち機械１０に適合する測定範囲を超えて相対的に位置決めすることになってしまう場合には、非テレセントリックモードでの第２の測定を確保するために、Ｚ軸に沿う反対方向の変位を実行する。
【００５２】
キャリッジ１６を１０ｍｍだけ垂直方向に移動させ、ＬＥＤによって放出されるピーク波長を５４０ｎｍに維持して、非テレセントリックモードでフィーチャ２５の第２の画像高さ測定値ｈ２を取得する。ｈ２の値は19.99570021となり、テレセントリックモードに対する高低差−0.0042997860ｍｍが生じる。高低差が大きくなった場合、Ｚ１からＺ２への変位がベストフォーカス位置に対して間違った方向であったことを示す。
【００５３】
対象物距離Ｚの相対的変化Ｚ２−Ｚ１、１０ｍｍに対する高低差の変化Δｈ２−Δｈ１、―0.001074774ｍｍ（これは画像高さの変化ｈ２−ｈ１と等しい）は、−0.0001074774の勾配ｍｒをもたらす。非テレセントリック動作モードにおいて倍率の場所による変化が被写界深度にわたり直線的に変化すると仮定すると、初期のＺ１位置からの算定変位は、高低差Δｈ１のネガティブ値0.0032250120ｍｍを勾配ｍｒ−0.0001074774で割ることにより、テレセントリック測定と非テレセントリック測定との間の高低差Δｈ３がゼロに等しくなる位置までの変位Ｚ３−Ｚ１、−30.00642ｍｍを生み出すことにより、見出される。
【００５４】
算定された変位-30.00642mmは、実施例の実際のベストフォーカス位置、−30.000ｍｍから実際には0.00642mm、概算で6ミクロン（μm）ずれている。この精度は、テレセントリック結像システムにおいて実際の倍率変化にわたり、対象物２４を被写界深度内に維持するのに十分である。シフトされた波長で生じる色収差の横成分は、ベストフォーカス位置における画像のサイズに影響を及ぼすと予想され、測定された画像高さが、ベストフォーカス位置におけるテレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間で同じであるという仮定を否定する。しかしながら、１０ｎｍの小さな波長差は、ベストフォーカス位置における２つの測定モード間でのフィーチャの画像高さの著しい差を生じさせない。実際のところ、ピーク波長の１０ｎｍの差は、マシンビジョンシステムに有用な典型的なＬＥＤ発光器の帯域幅内にある。
【００５５】
非テレセントリックモードで第２の測定を行うために対象物２４をＺ軸に沿って相対的に変位させる代わりに、光線追跡アルゴリズム等の設計ソフトウエアを用いてテレセントリック結像レンズ３０を光学的に設計することにより、所定の画像高さに対する近似勾配ｍｒを決定することができる。ソフトウエアとしては、ワシントン州レドモンドのZemax、LLCのZemax（登録商標）ソフトウェアや、カリフォルニア州パサデナのSynopsys、IncのCODE V（登録商標）光学設計ソフトウェア等がある。あるいは、他の対象物の相対変位された位置間での以前に記録された測定値により、近似勾配ｍｒを決定することもできる。高次の径方向歪みの影響に対応するために、画像フィールドの異なる半径方向のゾーン「r」に対して異なる勾配ｍｒを記憶することができる。しかしながら、高次の歪みが最小であることが分かっている場合、またはベストフォーカス位置のより大まかな近似しか求められていない場合には、単一の標準化された勾配Ｍを使用して、非テレセントリックモードにおける被写界深度での対象物距離に対する倍率の変化率を定義することができる。
【００５６】
Ｚ１位置では、テレセントリックモードで１回の測定を行って、対象物フィーチャ２５の画像高さｈ０を測定し、非テレセントリックモードで１回の測定を行って、同じ対象物フィーチャ２５の画像高さｈ１を測定する。画像フィールドの異なる半径方向ゾーンに対応する複数の勾配ｍｒは、プロセッサ２８によってメモリからアクセス可能なルックアップテーブルに記憶することができる。あるいは画像高さｈ０における勾配ｍｒの値を提供するために、数学的に参照する（例えば、式に当てはめる）ことができる。画像高さの差Δｈ１（高低差ｈ１−ｈ０に相当する）と、勾配ｍｒ（被写界深度内での対象物２４のＺ軸に沿った相対的な変位に対する画像高さの変化率に相当する）が与えられると、ベストフォーカス位置に到達するための対象物の相対変位量Ｚ２−Ｚ１は、下記式で予測できる。
Ｚ２−Ｚ１＝−Δｈ１／ｍｒ   （４）
【００５７】
望むのであれば、予測されたベストフォーカス位置において非テレセントリックモードで第２の測定を行うことができる。これにより、２つのモード間の測定された高低差が最小であるか、さもなければ色収差の結果として予想される高低差に対応していることを確認することができる。特に、校正された範囲からより大きく離れる波長に対して、ベストフォーカス位置における２つのモード間の予想される高さの差が、収差の横成分として記憶され、そして、ベストフォーカス位置に到達するのに必要な対象物の相対的な変位量をより良く算出するためにアクセスされる。
【００５８】
ベストフォーカスの最初の算出位置Ｚ２において２つのモード間で測定された画像高さの差Δｈ２が、ゼロと有意に異なる場合、または横色収差の結果として予測される高低差と異なる場合には、ベストフォーカス位置への残りの相対的な対象物変位Ｚ３−Ｚ２を算定するために、第２の経験的に得られる算定値を計算することができる。異なる相対的な対象物位置Ｚ１、Ｚ２において非テレセントリックモードで２つの画像高さの測定値が取得される上記例と同様に、新規の経験的に定義された勾配ｍｒ２が下記式のように算出される。
ｍｒ２＝（ｈ２−ｈ１）／（Ｚ２−Ｚ１）＝（Δｈ２−Δｈ１）／（Ｚ２−Ｚ１）    （５）
【００５９】
この新しい勾配に基づいて、２つの作動モード間で画像高さが一致する位置として定義されるベストフォーカス位置への、残りの変位Ｚ３−Ｚ２の更なる算定値が、下記の関係式にしたがって算出される。
Ｚ３−Ｚ２ =−Δｈ２／ｍｒ２      （６）
【００６０】
しかし、ベストフォーカス位置での２つのモード間の画像高さの測定値に有意の差が横色収差δｈｒ（設計または以前の測定値から導かれ、画像フィールドでの径方向位置に応じて定められる）の結果として予測される場合には、変位Ｚ３−Ｚ２は、下記式のようにして算出される。
Ｚ３−Ｚ２ =（δｈｒ−Δｈ２）／ｍｒ２      （７）
【００６１】
倍率の変化が、非テレセントリックモードにおける相対的な対象物変位間の幾何学的変化であると仮定すると、最初の相対的な対象物位置Ｚ２での２つの測定モードに続いて、画像フィールド全域を特徴付ける標準化された勾配Ｍを、最初のベストフォーカス位置の算定に用いることができる。有意な横色収差の影響は、フィールド全域にわたって同様にδHとして標準化することができる。このδHは、単にベストフォーカス位置でのモード間の倍率の変化に相当する。したがって、相対的な対象物の変位Ｚ２−Ｚ１の最初の算定値は、以下のように計算することができる。 
Ｚ２−Ｚ１＝（δH−Δｈ１／ｈ０）／Ｍ      （８） 
【００６２】
勾配の標準値Ｍ及び／又はオフセットの標準値δHの使用は、画像フィールドにおける異なる半径位置にスケーリングされた勾配ｍｒおよびオフセットδｈｒに基づくよりも、粗いベストフォーカス位置の算定値を提供する。しかしながら、この粗い算定値は、測定機１０が所望の動作をするのに十分なほど近い程度に、対象物２４をベストフォーカス位置に位置決めする状況では、十分に正確であり得る。例えば、粗い算定値は、被写界深度を１０倍以上に圧縮するようなテレセントリック結像システムの倍率の変化（例えば、より低い倍率の１０倍）に対応するために十分に正確であり得る。狭い被写界深度内に留まるためのフォーカス位置の微調整せずに済む。
【００６３】
算定の正確さを確認するために、算定されたフォーカス位置Ｚ２において非テレセントリックモードで画像高さの第２測定値を取得することができる。精度が十分でない場合には、経験的に定義される勾配ｍｒを、２つの相対的に変位された対象物位置Ｚ１およびＺ２において行われた測定値から計算することができる。計算された勾配ｍｒは、上記のように、ベストフォーカス位置へのさらなる相対的な対象物の変位Ｚ３−Ｚ２の計算に用いられる。
【００６４】
１つの相対的な対象物位置におけるテレセントリックモードでの画像の高さ又はサイズの単一の測定値は、異なる相対的な対象物位置におけるテレセントリックモードでの同一フィーチャの画像の高さまたはサイズの測定値を表しているが、確認または潜在的な精度向上の目的で、異なる相対的な対象物位置におけるテレセントリックモードでの同一対象物フィーチャの画像の高さまたはサイズを、測定することができる。
【００６５】
（a）校正された範囲内のピーク波長と（b）校正された範囲外のピーク波長との間で同じ光源のピーク波長をシフトする代わりに、異なる波長の光源（例えば、異なる色のＬＥＤまたは異なるビン数を有するＬＥＤ ）が、テレセントリックモードと非テレセントリックモードでの照明の目的に使用することができる。すなわち、1つの光または一組の光をテレセントリックモードで使用し、別の光または別の一組の光を非テレセントリックモードで使用することができる。特に被写界深度の狭いテレセントリック結像システムのベストフォーカス位置を算定する場合、非テレセントリックモードでの画像高さの測定が要求される精度で行われ得る限り、モード間の波長の差を増大させることができる。光源によって生成される波長は一般に可視範囲内にあると予想されるが、可視範囲を超える波長も使用することができる。この場合、テレセントリック結像システムの非テレセントリックモードでの動作をサポートするために、テレセントリック結像システムの１つまたはそれ以上のレンズ要素の屈折率が、波長の変化に伴って変わる。 
【００６６】
照明の波長を変化させることに加えて、他の変更を実施し、非テレセントリックモードでテレセントリック結像システム（この変更がなければテレセントリックである結像システム）を動作させることができる。例えば、１つまたはそれ以上の光学要素、光学要素の部分、または光学要素間の媒体の屈折率を変更することができ、これにより、テレセントリック結像システムがもはやテレセントリックでなくなり、被写界深度にわたる対象物距離によって、測定される画像高さが変化する。ある種の光学材料は、電界にさらされたときに屈折率の変化を示す。例えば、ある結晶の固体は、いわゆるポッケルス効果(Pockels effect)を示し、他の光学材料は、いわゆるカー効果（Kerr effect）を効果的に受けることができる。温度および圧力が光学材料の屈折率に影響を及ぼすことも知られている。テレセントリックモードと非テレセントリックモードとの間の変化は、アライメントまたはヒステリシスの問題を回避するために機械的な動きなしに達成されることが好ましいが、制御電流に応答してレンズ半径が変更する、電気的にフォーカス変更可能なレンズを利用することができる。光学要素をテレセントリック結像システムの光学経路内と光学経路外に移動させたり、テレセントリック結像システムの光学経路に沿う位置間で移動させることにより、テレセントリックモードと非テレセントリックモードの切り替えを行なうこともできる。
【００６７】
上述の方法および装置は総じて、テレセントリックレンズとこのレンズにより結像されるべき対象物との間のベストフォーカス位置を算定するためのものであるが、この算定値を、対象物をベストフォーカス位置に相対的に位置調節する以外の他の目的に用いることもできる。例えば、対象物を相対的に移動したり除去したりするのに十分なクリアランスを確保するために、上記算定を、レンズから対象物までの距離を決定する距離計として用いることができる。
【００６８】
企図している光学システムは、テレセントリック及び非テレセントリックの両方のモードで使用するために変換可能なテレセントリック結像システムと、画像情報を捕捉するためのセンサを含むが、好ましくは、対象物フィーチャの画像の高さ又はサイズを測定する手段と、対象物をテレセントリック結像システムに対して、被写界深度を通って延びるＺ軸に沿って相対的に変位させる手段と、Ｚ軸に沿う相対的な移動量を測定又は標準移動量に合わせる手段も、備えている。
好ましくは、企図している光学システムは、テレセントリック計測カメラと、モータを備えたＺ軸測定手段と、プロセッサと、を既に装備した光学測定機の一部である。このプロセッサは、カメラによって画像化された対象物フィーチャの画像の高さまたはサイズを判断するためのアルゴリズムの制御下で動作する。非テレセントリックモードでテレセントリックカメラを動作させる以外に、光学測定機は、ベストフォーカス位置を算定するための上述の手順を実行しながら、もともと設計および較正された測定を行うために動作させることができる。このような測定機の通常のプログラミングに従い、予めプログラムされたルーチンを呼び出すことによって自動的にまたは半自動的に、手順を実行することができる。本願発明の目的に特に適した測定機シリーズの一例は、ニューヨーク州Rochesterで製造されたOptical Gaging Products社のSNAP大視野デジタル測定機である。
【００６９】
ベストフォーカス位置との関係が意図される対象物は、好ましくはテレセントリック結像システムを介して測定される画像形成可能なフィーチャを含む。しかしながら、小さなコントラストで高い反射率の部品でも、格子を対象物上に投射し、格子の画像化されたフィーチャ（例えば、点または線）を測定することにより、ベストフォーカス位置と関係付けることができる。
【００７０】
上述の開示された実施形態の変形、実施形態内での特徴、および示唆された代替は、当業者にとって自明であり、本発明のために提供される教示に従って、他のシステムおよび環境に提供することも自明である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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