(57)【要約】【課題】可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズ及び光学焦点監視構成を含む可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムが提供される。【解決手段】光学焦点監視構成は、高い精度でかつ著しいレイテンシを生じることなく焦点状態を反映した焦点監視信号を与えるためのものである。入力照明パターンをＴＡＧレンズに透過させて、ＴＡＧレンズの光学パワーに応じたサイズ及び強度を有する出力照明パターンを与える。光学焦点信号検出器部は、フィルタリング構成と、受光した全光エネルギに応じて変動する焦点出力信号を与える焦点光検出器と、を備えている。フィルタリング構成は、出力照明パターンを受光し、焦点光検出器に到達する焦点検出光の含有量を制限する。焦点光検出器により与えられる焦点出力信号に基づいて焦点監視信号が与えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムであって、
光学パワーが、ある範囲にわたってある動作周波数で周期的に変更するように動作する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズと、
前記ＶＦＬレンズシステムの焦点状態を監視するための光学焦点監視構成と、を備え、
前記光学焦点監視構成は、
前記周期的な変更の間に焦点検出光を前記ＴＡＧレンズに入力するように構成された監視光源であって、
入力された前記焦点検出光は、ほぼ一定のサイズを有する入力照明パターン内に分布した光エネルギ入力量を与えるように構成され、
前記入力照明パターンの少なくとも中央部分は、前記周期的な変更の間に前記ＴＡＧレンズを透過して、前記ＴＡＧレンズから対応する出力照明パターンを与え、前記出力照明パターンは前記ＴＡＧレンズの前記光学パワーに応じたサイズ及び強度を有する、監視光源と、
前記ＴＡＧレンズからほぼ一定の距離に位置決めされて、前記ＴＡＧレンズから出力された前記出力照明パターンに含まれる焦点検出光を受光する光学焦点信号検出器部と、を備え、
前記光学焦点信号検出器部は、フィルタリング構成と、受光した全光エネルギに応じて変動する焦点出力信号を与える焦点光検出器と、を備え、
前記フィルタリング構成は、前記出力照明パターンを受光すると共に前記焦点光検出器に到達する前記焦点検出光の含有量を制限し、前記焦点光検出器により与えられる前記焦点出力信号に基づいて焦点監視信号が与えられる、
ＶＦＬレンズシステム。
【請求項２】
前記焦点検出光は、前記入力照明パターンにおいて少なくとも概ねコリメートされている、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項３】
前記入力照明パターンは、前記対応する出力照明パターンが中実のパターンを含むように構成され、
前記フィルタリング構成は、前記焦点光検出器の範囲によって画定された空間フィルタリング開口を備え、
前記中実のパターンは、前記周期的な変更の間は前記焦点光検出器より大きい、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項４】
前記フィルタリング構成は、空間フィルタリング開口を備えたマスクを含み、
前記マスクは、前記周期的な変更の間は前記出力照明パターンの遮断部分を遮断し、
前記空間フィルタリング開口は、前記出力照明パターンの透過部分を透過させ、
前記空間フィルタリング開口は、前記透過部分と前記遮断部分との比が前記出力照明パターンのサイズに応じて変動するような形状になっている、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項５】
前記入力照明パターンは、前記対応する出力照明パターンが環状パターンを含むように構成されている、請求項４に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項６】
前記フィルタリング構成は、前記出力照明パターンのサイズに応じて前記出力照明パターンの透過を減衰させるように構成された非均一密度パターンを有する密度フィルタを備えたマスクを含む、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項７】
前記密度フィルタは、前記周期的な変更の間は前記出力照明パターン全体を受光して前記焦点光検出器へ透過させるように構成されている、請求項６に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項８】
前記入力照明パターンは、前記対応する出力照明パターンが環状パターンを含むように構成され、
前記非均一密度パターンは線対称であり、
前記非均一密度パターンの密度は、前記出力照明パターン内の半径の関数として変動する、請求項６に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項９】
前記周期的な変更は、少なくとも５０ｋＨｚの周波数に対応し、
前記焦点監視信号は、変更される期間全体にわたる前記ＴＡＧレンズの前記焦点状態を示す時変信号を含み、
前記時変信号は、前記焦点状態に対して１００ナノ秒以下のレイテンシで提供される、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１０】
前記ＴＡＧレンズの光学パワーを前記範囲にわたって前記動作周波数で周期的に変更するために、共振周波数で前記ＴＡＧレンズを駆動するように動作する制御部を備え、
前記焦点監視信号は、前記制御部に入力され、前記ＴＡＧレンズの前記周期的な変更の振幅、周波数、又は位相の少なくとも１つを調整するため用いられる、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１１】
前記ＴＡＧレンズ、対物レンズ、及びカメラ部を備えた撮像構成を更に備え、
前記対物レンズは、前記撮像構成の視野（ＦＯＶ）内でワークピースの撮像表面領域からのワークピース光を入力し、前記ワークピース光を前記ＴＡＧレンズに透過させ、
前記カメラ部は、前記ＴＡＧレンズからの前記ワークピース光を受光し、前記撮像構成に対する合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方を有する対応した撮像システム焦点面で合焦されるように画像露光を実行し、
前記撮像システム焦点面の前記合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方は、前記ＴＡＧレンズの光学パワーによって制御され、
前記焦点監視信号は、前記撮像システム焦点面の前記合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方を示す、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１２】
前記ＶＦＬレンズシステムは、各合焦距離又はＺ高さを各焦点監視信号値に関連付ける較正データを含む、請求項１１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１３】
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記対応した撮像システム焦点面を決定する画像露光タイミングを用いて前記画像露光を制御するように構成され、
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記画像露光タイミングを与えるため、前記ＶＦＬレンズシステムに含まれる制御可能ストロボ光源のタイミング又は前記カメラ部の制御可能画像積分期間のタイミングの少なくとも一方を制御するように構成されている、請求項１１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１４】
前記画像露光タイミングに相当する時点の焦点監視信号値をラッチするように構成されたラッチ回路を更に備え、
前記ラッチされた焦点監視信号値は、対応する前記画像露光の前記合焦距離又はＺ高さを示す、請求項１３に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１５】
前記焦点監視信号と、所望の撮像合焦距離又はＺ高さに関連付けられた基準信号とを入力し、前記焦点監視信号が前記基準信号と一致した時に生成するよう前記画像露光タイミングを制御するトリガ信号を出力するように構成された比較器回路を更に備える、請求項１３に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１６】
前記監視光源は、前記入力照明パターンにおいて第１の波長セットにより構成される焦点検出光を与えるように構成され、
前記光学焦点監視構成は更に、
前記対物レンズと前記ＴＡＧレンズとの間に配置され、前記監視光源からの焦点検出光を受光し、前記入力照明パターンを前記ワークピース光と共に前記ＴＡＧレンズに通過させる第１のビームスプリッタと、
前記ＴＡＧレンズと前記カメラ部との間に配置された第２のビームスプリッタであって、前記ワークピース光と共に前記ＴＡＧレンズからの前記出力照明パターンを受光し、前記出力照明パターンに含まれる前記第１の波長セットを前記光学焦点信号検出器部の方へ反射させ、前記ワークピース光に含まれる他の波長を前記カメラ部へ透過させるように構成された第２のビームスプリッタと、
を備える、請求項１１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１７】
前記光学焦点監視構成は、第１の分割出力照明パターンを前記光学焦点信号検出器部へ誘導すると共に第２の分割出力照明パターンを正規化光学検出器へ誘導するビームスプリッタを更に備え、
前記正規化光学検出器は、前記第２の分割出力照明パターン全体を正規化光検出器へ伝送するように構成され、
前記正規化光検出器は、前記正規化光検出器が受光した全光エネルギに応じて変動する正規化出力信号を与え、
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記焦点出力信号及び前記正規化出力信号を入力すると共に正規化された焦点監視信号を生成するように構成された焦点監視出力回路を更に備え、
前記出力照明パターンに含まれる全光エネルギのばらつきによる前記焦点出力信号のばらつきは、前記正規化出力信号に基づいて補償される、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１８】
前記監視光源は、前記ＴＡＧレンズに入力される前記入力照明パターンの形状を決定するパターン生成器を備え、この結果として前記ＴＡＧレンズからの前記出力照明パターンの対応した形状が得られる、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１９】
前記入力照明パターン内に分布した前記光エネルギ入力量は、ほぼ一定である、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２０】
可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを備える可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの焦点状態を光学的に監視し、高い精度でかつ著しいレイテンシを生じることなく前記焦点状態を反映する焦点監視信号を与えるための方法であって、
前記ＴＡＧレンズの光学パワーを、ある範囲にわたってある動作周波数で周期的に変更するように前記ＴＡＧレンズを動作させることと、
前記周期的な変更の間に焦点検出光を前記ＴＡＧレンズに入力することであって、前記入力された焦点検出光は、ほぼ一定のサイズを有する入力照明パターン内に分布した光エネルギ入力量を与えるように構成される、ことと、
前記入力照明パターンの少なくとも中央部分を、前記周期的な変更の間に前記ＴＡＧレンズを透過させて、前記ＴＡＧレンズから対応する出力照明パターンを与えることであって、前記出力照明パターンは前記ＴＡＧレンズの前記光学パワーに応じたサイズ及び強度を有する、ことと、
前記ＴＡＧレンズからほぼ一定の距離に位置決めされた光学焦点信号検出器部を用いて前記出力照明パターンに含まれる焦点検出光を受光することであって、前記光学焦点信号検出器部は、フィルタリング構成と、受光した全光エネルギに応じて変動する焦点出力信号を与える焦点光検出器と、を備え、前記フィルタリング構成は前記出力照明パターンを受光すると共に前記焦点光検出器に到達する前記焦点検出光の含有量を制限する、ことと、
前記焦点光検出器により与えられる前記焦点出力信号に基づいて焦点監視信号を与えることと、
を備える方法。
【請求項２１】
前記焦点検出光は、前記入力照明パターンにおいて少なくとも概ねコリメートされている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記フィルタリング構成は、空間フィルタリング開口を備えたマスクを含み、
前記マスクは、前記周期的な変更の間は前記出力照明パターンの遮断部分を遮断し、
前記空間フィルタリング開口は、前記出力照明パターンの透過部分を透過させ、
前記空間フィルタリング開口は、前記透過部分と前記遮断部分との比が前記出力照明パターンのサイズに応じて変動するような形状になっている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記フィルタリング構成は、前記出力照明パターンのサイズに応じて前記出力照明パターンの透過を減衰させるように構成された非均一密度パターンを有する密度フィルタを備えたマスクを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記周期的な変更は、少なくとも５０ｋＨｚの周波数に対応し、
前記焦点監視信号は、変更される期間全体にわたる前記ＴＡＧレンズの前記焦点状態を示す時変信号を含み、
前記時変信号は、前記焦点状態に対して１００ナノ秒以下のレイテンシで提供される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記ＴＡＧレンズ、対物レンズ、及びカメラ部を備えた撮像構成を更に備え、
前記対物レンズは、前記撮像構成の視野（ＦＯＶ）内でワークピースの撮像表面領域からのワークピース光を入力し、前記ワークピース光を前記ＴＡＧレンズに透過させ、
前記カメラ部は、前記ＴＡＧレンズからの前記ワークピース光を受光し、前記撮像構成に対する合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方を有する対応した撮像システム焦点面で合焦された画像を提供し、
前記撮像システム焦点面の前記合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方は、前記ＴＡＧレンズの光学パワーによって制御され、
前記焦点監視信号は、前記撮像システム焦点面の前記合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方を示す、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、可変焦点レンズを用いた精密計測に関し、更に、可変焦点距離レンズが周期的に合焦位置を変更できるマシンビジョン検査システム及び他のシステムに関する。
【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」）は、物体を測定し検査するために使用可能である。そのようなシステムは、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を可能とするために移動するステージと、を含み得る。汎用の「オフライン」精密ビジョンシステムとして特徴付けられる１つの例示的なシステムは、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ビジョン測定機ユーザガイドに記載されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。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、小型又は大型のワークピースの検査画像を様々な倍率で提供するようにステージを移動させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
様々な用途において、固定検査システム又はノンストップ移動検査システムのいずれかで高いスループットを得るため、高速測定を実行することが望ましい。一般に「ベストフォーカス（ｂｅｓｔ  ｆｏｃｕｓ）」の高さ決定に基づいたＺ高さ測定に関して、Ｚ高さ測定を実行できる速度は、Ｚ高さ合焦位置の調整又は移動の速度によって制限され得る。しかしながら、いくつかの革新的な可変焦点レンズは極めて高いレートで焦点を変えることができるが、焦点変動レートに対応したレートで実際の合焦位置を高精度で決定することには問題があることがわかっている。高速精密検査動作に用いられる様々な高速可変焦点レンズについて、Ｚ高さ測定の精度及び速度の向上が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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。
【０００５】
可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズ及び光学焦点監視構成を含む可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムが提供される。光学焦点監視構成は、高い精度でかつ著しいレイテンシを生じることなくＶＦＬレンズシステムの焦点状態を反映した焦点監視信号を与えるためのものである。ＴＡＧレンズは、その光学パワーを、ある範囲にわたってある動作周波数で周期的に変更するように動作する。光学焦点監視構成は、監視光源及び光学焦点信号検出器部を含む。監視光源は、周期的な変更の間に焦点検出光をＴＡＧレンズに入力するように構成されている。様々な実施において、入力された焦点検出光は、ほぼ一定のサイズを有する入力照明パターン内に分布した光エネルギ入力量を与えるように構成されている。いくつかの実施において、光エネルギ入力量はほぼ一定である。入力照明パターンの少なくとも中央部分は、周期的な変更の間にＴＡＧレンズを透過して、ＴＡＧレンズから対応する出力照明パターンを与える。この出力照明パターンは、ＴＡＧレンズの光学パワーに応じたサイズ及び強度を有する。光学焦点信号検出器部は、ＴＡＧレンズからほぼ一定の距離に位置決めされて、ＴＡＧレンズから出力された出力照明パターンに含まれる焦点検出光を受光する。光学焦点信号検出器部は、フィルタリング構成と、受光した全光エネルギに応じて変動する焦点出力信号を与える焦点光検出器と、を備えている。フィルタリング構成は、出力照明パターンを受光し、焦点光検出器に到達する焦点検出光の含有量を制限する。焦点光検出器により与えられる焦点出力信号に基づいて焦点監視信号が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【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構成要素を示す図である。
【図２】図１のものと同様の、本発明に開示する特徴を含むビジョン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】本明細書に開示する原理に従って動作することができる光学焦点監視部を含む可変焦点距離レンズシステムの概略図である。
【図４Ａ】入力照明パターンの第１の例示的な実施を含む光学焦点監視部の図である。
【図４Ｂ】入力照明パターンの第１の例示的な実施を含む光学焦点監視部の図である。
【図５Ａ】入力照明パターンの第２の例示的な実施を含む光学焦点監視部の図であり、様々な実施で使用することができる空間フィルタリング開口又はマスクの異なる構成を示す。
【図５Ｂ】入力照明パターンの第２の例示的な実施を含む光学焦点監視部の図であり、様々な実施で使用することができる空間フィルタリング開口又はマスクの異なる構成を示す。
【図５Ｃ】入力照明パターンの第２の例示的な実施を含む光学焦点監視部の図であり、様々な実施で使用することができる空間フィルタリング開口又はマスクの異なる構成を示す。
【図５Ｄ】入力照明パターンの第２の例示的な実施を含む光学焦点監視部の図であり、様々な実施で使用することができる空間フィルタリング開口又はマスクの異なる構成を示す。
【図６】正規化部を含む光学焦点監視部の図である。
【図７】様々な光学焦点監視部について、焦点監視信号とＺ高さ（合焦距離）との関係を示すグラフである。
【図８】検出器信号処理部の第１の例示的な実施のブロック図である。
【図９】検出器信号処理部の第２の例示的な実施のブロック図である。
【図１０】可変焦点距離レンズシステムを動作させるためのルーチンの１つの例示的な実施を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、本明細書に開示する原理に従って使用可能である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。ビジョンシステム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、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、ビジョンシステム１０の制御及び／又はプログラミングのためのユーザインタフェースを表示することができる。タッチスクリーンタブレット等によって、これらの構成要素のいずれか又は全ての機能を代用すること又は強化することができる。
【０００８】
より一般的には、制御コンピュータシステム１４は、任意のコンピューティングシステム又はデバイス、及び／又は分散型コンピューティング環境等を含むことができるか又はそれらから構成可能であり、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つ以上のプロセッサを含み得る。プロセッサには、プログラマブル汎用又は特殊用途マイクロプロセッサ、コントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）等、又はそれらの組み合わせが含まれる。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、又はそれら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任意のタイプの不揮発性記憶媒体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装するルーチン、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。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、多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。
【０００９】
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レンズは一般に、様々な倍率（例えば０．５倍から１００倍まで）を与える。同様のビジョンシステムが、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，３２４，６８２号、第７，４５４，０５３号、第８，１１１，９０５号、及び第８，１１１，９３８号にも記載されている。これらの各々は援用により全体が本願にも含まれるものとする。
【００１０】
図２は、図１のビジョンシステムと同様の、本明細書に記載する特徴を含むビジョンシステム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。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、２４０、及び２４３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を位置決め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させることができる。
【００１１】
光学アセンブリ部２０５は、カメラ／検出器２６０（例えばカメラ部及び／又は任意選択的に共焦点光学焦点検出器等）、可変焦点距離（ＶＦＬ：Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｇｔｈ）レンズ２７０、検出器構成２７７を含み、更に、交換可能対物レンズ２５０、レンズ２８６と２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０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、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。
【００１２】
様々な実施において、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させることができる。制御可能モータ２９４はアクチュエータを駆動して、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。以下で詳述するように、ＶＦＬレンズ２７０も、合焦位置を周期的に変更するように動作させることができる。撮像対象の１つ又は複数のワークピース２０は、ワークピースステージ２１０上に配置されている。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（例えばｘ軸及びｙ軸方向に）移動することで、撮像エリアが１つ又は複数のワークピース２０上の複数の位置の間で移動するようになっている。
【００１３】
信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１を介して制御システム部１２０に接続された透過照明光源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１つ以上が、既知の原理に従って、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を発して、１つ又は複数のワークピース２０を照明することができる。図２において、光源光２３２は反射面２９０によって反射されてワークピース２０を照明する。光源光はワークピース光２５５として反射又は透過され、ワークピース光２５５は（例えば撮像のために用いられる場合）、交換可能対物レンズ２５０、ターレットレンズアセンブリ２８０、及びＶＦＬレンズ２７０を通過して、カメラ／検出器２６０に至る。様々な実施において、カメラ／検出器２６０は、画像データ及び／又は他の信号を、制御システム部１２０への信号ライン又はバス２６２上に出力することができる。制御システム部１２０は、ターレットレンズアセンブリ２８０を軸２８４を中心として回転させることで、信号ライン又はバス２８１を介して制御されるようにターレットレンズの倍率を選択することができる。以下で詳述するように、様々な実施において、光源２３０（又は他の光源）は制御可能ストロボ光源とすることができ、（例えば制御部１２５及び／又は照明制御インタフェース１３３等における）ストロボ制御部に（例えば信号ライン又はバス２３１を介して）動作可能に接続されると共に、それによって制御される。ストロボ制御部には焦点監視信号が入力され、ストロボ制御部は、少なくとも部分的にこの焦点監視信号に基づいて、制御可能ストロボ光源のストロボタイミングを制御することができる。
【００１４】
図３及び図４を参照して以下で詳述するように、光源２４３は、（例えば撮像と干渉しない所望の波長の）焦点検出光２４５を発することができる。焦点検出光２４５は、反射面２４６によって反射されてＶＦＬレンズ２７０を通過し、更に反射面２４６’によって反射されて検出器構成２７７へと進むことができる。検出器構成２７７は焦点検出光２４５を入力し、制御システム部１２０の検出器信号処理部２７８への信号ライン又はバス２７８’上に信号データ（例えば焦点出力信号及び／又は焦点監視信号等を含む）を出力することができる。光源２４３は、信号ライン又はバス２４４を介して制御システム部１２０に接続することができる。
【００１５】
図２に示すように、種々の例示的な実施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生成器及び実行器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、直接接続によって、又は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、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、及び照明制御インタフェース１３３を含む。移動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａ、及び速度／加速度制御要素１３２ｂを含み得るが、これらの要素はマージされる及び／又は区別できない場合もある。照明制御インタフェース１３３は、照明制御要素１３３ａ、１３３ｎ、及び１３３ｆｌを含むことができ、これらは、ビジョンシステム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。
【００１６】
本明細書に開示される原理に従って、入出力インタフェース１３０は更に、レンズ制御部／インタフェース２７１、焦点信号処理部２７５、及び検出器信号処理部２７８を含み得る。これらについては図３〜図６を参照して以下で詳述する。簡潔に述べると、１つの実施において、レンズ制御部／インタフェース２７１は、レンズ合焦動作回路及び／又はルーチン等を含むレンズ制御部を含み得る。レンズ制御部／インタフェース２７１は、ユーザ及び／又は動作プログラムによって構成又は制御することができ、信号ライン２７１’を用いてＶＦＬレンズ２７０を制御してその光学パワーを（例えば正弦波状に）周期的に変更させることで、Ｚ高さ方向に沿った複数の合焦位置にわたって撮像システムの合焦位置を決められた動作周波数で周期的に変更することができる。周期的に変更されたＶＦＬレンズの光学パワーは、周期的な焦点変更を規定する。以下で図８を参照して詳述するように、１つの実施において、検出器信号処理部２７８はラッチ回路を含むことができ、（例えば光源２３０の）ストロボタイミングが、このストロボタイミングで決定された画像露光タイミングにおけるＺ高さを示す焦点監視信号値のラッチをトリガする。以下で図９を参照して詳述するように、１つの実施において、検出器信号処理部２７８は比較器回路を含むことができ、この比較器回路は焦点監視信号とＺ高さに関連付けた基準信号とを入力し、基準信号を関連付けたＺ高さにおいて制御可能ストロボ光源（例えば光源２３０）をトリガする。様々な実施において、焦点信号処理部２７５は、追加的に又は代替的に、カメラ／検出器２６０（例えばカメラ部、共焦点光学検出器等を含む）からの信号データによって撮像されたワークピース表面領域が合焦位置にあることが示される時に対応した合焦位置指示信号の提供及び／又は焦点監視信号値の決定を行うことができる。
【００１７】
様々な実施において、撮像制御インタフェース１３１及び／又はレンズ制御部／インタフェース２７１は拡大被写界深度モードを更に含み得る。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公報第２０１５／０１４５９８０号に更に詳しく記載されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。ＶＦＬレンズを含む他のシステム及び方法については、２０１５年７月９日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ａｄａｐｔａｂｌｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  ａ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｌｅｎｓ  ｉｎ  ａｎ  Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１４／７９５，４０９号、２０１５年８月３１日に出願された「Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｆｏｃｕｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｌｅｎｓ  ｉｎ  ａ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１４／８４１，０５１号、及び、２０１５年９月１５日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｌｅｎｓ」と題する米国特許出願第１４／８５４，６２４号に記載されている。これらの出願の各々は援用により全体が本願にも含まれるものとする。
【００１８】
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、ワークピース検査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確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）、並びに様々なビデオツールにおける動作をサポートする関心領域（ＲＯＩ：ｒｅｇｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎｔｅｒｅｓｔ）生成器１４３ｒｏｉを含む。自動合焦ビデオツール１４３ａｆは、いくつかの焦点高さ測定動作のためのＧＵＩや画像処理動作等を確定することができる。自動合焦ビデオツール１４３ａｆは更に高速焦点高さツールも含むことができる。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公報第２０１４／０３６８７２６号に詳述されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。様々な実施において、本明細書に記載される光学焦点監視（例えば検出器構成２７７、検出器信号処理部２７８、及び／又はその他の関連する要素の利用を含む）は、ビデオツールの１つ以上と併用されるか、又は他の方法でそれらに含ませることができる。
【００１９】
本開示のコンテキストにおいて、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、ビデオツールに含まれる動作の段階的シーケンスを生成することなく、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自動又はプログラミングされた動作のことである。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セットを含み、これらは、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適用及びカスタム化できる。ビデオツールは、このような基礎をなす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、ユーザインタフェース機能がビデオツールと称され、基礎をなす動作は暗黙的に含まれる。
【００２０】
カメラ／検出器２６０からの信号ライン２６２、ＶＦＬレンズ２７０からの信号ライン２７１’、検出器構成２７７からの信号ライン２７８’、及び制御可能モータ２９４からの信号ライン２９６は全て、入出力インタフェース１３０に接続されている。信号ライン２６２は、画像データの伝達に加えて、特定のプロセス（例えば画像の取得、共焦点輝度の測定等）を開始する制御部１２５からの信号も伝達することができる。
【００２１】
ユーザインタフェース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）も、入出力インタフェース１３０に接続することができる。いくつかの実施形態において、ディスプレイデバイス１３６は、レンズ制御部／インタフェース２７１、焦点信号処理部２７５、検出器信号処理部２７８等に関連付けられたユーザインタフェース機能を表示することができる。
【００２２】
図３は、ビジョンシステムに適合させることができ、本明細書に開示する原理に従って動作することができるＶＦＬレンズシステム３００の概略図である。以下で別段の記載がない限り、図３の３ＸＸと付番されたいくつかの構成要素は、図２の２ＸＸと同様に付番された構成要素に対応し得る及び／又は同様の動作を有し得ることは認められよう。図３に示すように、ＶＦＬレンズシステム３００は、光源３３０及び３４３、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、ＶＦＬレンズ３７０、リレーレンズ３８６、レンズ制御部３７１、カメラ／検出器３６０、光学焦点監視部３７６、及び焦点監視信号（ＦＭＳ：Ｆｏｃｕｓ  Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ  Ｓｉｇｎａｌ）較正部３７３を含む。様々な実施において、様々な構成要素は、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によって、相互接続することができる。
【００２３】
動作において、図３に示す実施では、光源３３０は「落射照明（ｃｏａｘｉａｌ）」光源又は他の光源であり、（例えばストロボ又は連続照明を用いた）光源光３３２を、ビームスプリッタ３９０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の表面へと発するように構成することができる。対物レンズ３５０は、ワークピース３２０に近接した合焦位置ＦＰで集束されたワークピース光３５５を受光し、ワークピース光３５５をチューブレンズ３５１に出力する。チューブレンズ３５１はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５２に出力する。他の実施では、同様の光源によって視野を非同軸に照明することも可能である。例えば、リング光源によって視野を照明することができる。様々な実施において、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２８０と同様のもの）。様々な実施において、本明細書で言及する他のレンズの任意のものは、個別のレンズ、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。
【００２４】
リレーレンズ３５２はワークピース光３５５を受光し、これをＶＦＬレンズ３７０に出力する。ＶＦＬレンズ３７０はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３８６に出力する。リレーレンズ３８６はワークピース光３５５を受光し、これをカメラ／検出器３６０に出力する。様々な実施において、カメラ／検出器３６０は画像露光期間中にワークピース３２０の画像をキャプチャし、この画像データを制御システム部に提供することができる。他の実施において、カメラ／検出器３６０は、これに加えて又はこの代わりに、共焦点光学検出器等も含み得る。
【００２５】
様々な実施において、光学焦点信号処理部３７５は、カメラ／検出器３６０からデータを入力し、（例えばワークピース３２０の）撮像表面領域がいつ合焦位置にあるか判定するために使用されるデータ又は信号を提供することができる。例えばカメラ／検出器３６０がカメラを含む実施では、このカメラによって取得された１つ以上の画像（例えば画像スタック）を、既知の「最大コントラスト」解析を用いて解析して、ワークピース３２０の撮像表面領域がいつ合焦位置にあるか判定することができる。そのような解析のための例示的な技法は、米国特許第６，５４２，１８０号及び第９，０６０，１１７号に教示されている。これらの各々は本発明の譲受人に譲渡され、援用により全体が本願にも含まれる。カメラ／検出器３６０が共焦点光学検出器を含む実施では、信号データの少なくとも一部が、検知された共焦点輝度に対応し得る。そのような実施では、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーの周期的な変更の間に光学焦点信号処理部３７５を用いて、ワークピース３２０の合焦位置に対応する最大共焦点輝度がいつ発生するか判定することができる。
【００２６】
ＶＦＬレンズ３７０は、（例えば１回以上の画像露光中に又は画像露光と画像露光との間に）撮像システムの合焦位置ＦＰを変えるよう電子的に制御可能である。合焦位置ＦＰは、合焦位置ＦＰ１と合焦位置ＦＰ２によって画定される範囲Ｒ内で動かすことができる。様々な実施において、範囲Ｒはユーザによって選択可能であるか、又は設計パラメータから与えられ得るか、又は他の方法で自動的に決定され得ることは認められよう。一般に図３の例に関して、図示した寸法のいくつかは一定の縮尺通りに描かれていない場合があることは認められよう。例えば、ＶＦＬレンズ３７０は図示するものと異なる比例的寸法を有し得る（例えば、所望の量の屈折力（ｌｅｎｓｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ）等を与えるため、いくつかの用途では幅がより狭く長さが５０ｍｍ以上であり得る）。
【００２７】
様々な実施において、ビジョンシステムは、ＶＦＬレンズシステム３００の合焦位置を周期的に変更するため、レンズ制御部３７１と連携して動作するか又は他の方法でＶＦＬレンズ３７０を制御するように構成可能な制御システム（例えば図２の制御システム部１２０）を備えることができる。いくつかの実施では、ＶＦＬレンズ３７０は迅速に合焦位置を周期的に調整又は変更することができる。様々な実施において、レンズ制御部３７１は、ＶＦＬレンズ光学パワーをある光学パワー範囲にわたって動作周波数で周期的に変更するため、共振周波数でＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）を駆動するように動作可能である。以下で詳述するように、焦点監視信号を（例えばフィードバック信号として）レンズ制御部３７１に入力し、ＶＦＬレンズ３７０の制御を調整するため用いることができる。様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０の制御の調整は、ＶＦＬレンズ３７０の周期的な変更の振幅、周波数、又は位相の少なくとも１つを調整することを含み得る。
【００２８】
１つの例示的な実施において、合焦位置ＦＰを移動できる範囲Ｒは、（例えば１倍の対物レンズ３５０では）約１０ｍｍとすることができる。様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は、合焦位置ＦＰを変えるために撮像システムの巨視的な機械的調整及び／又は対物レンズ３５０とワークピース３２０との間の距離の調整を必要としないように、有利に選択される。
【００２９】
様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ」：ｔｕｎａｂｌｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ）レンズとすることができる。可変音響式屈折率分布型レンズは、流体媒質中で音波を用いて合焦位置を変更する高速ＶＦＬレンズであり、焦点距離範囲を数百ｋＨｚの周波数で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）の教示によって理解することができる。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。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生成器は、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の変更が可能である。
【００３０】
ＶＦＬレンズ３７０は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させる信号を生成することができるレンズ制御部３７１によって駆動され得る。一実施形態において、レンズ制御部３７１は市販の制御可能信号生成器とすればよい。いくつかの実施では、レンズ制御部３７１は、（例えば図２を参照して先に概説したようなレンズ制御部／インタフェース２７１を介して）ユーザ及び／又は動作プログラムによって構成又は制御され得る。いくつかの実施では、レンズ制御部３７１は、ＶＦＬレンズ３７０を制御してその光学パワーを（例えば正弦波状に）周期的に変更させることで、Ｚ高さ方向に沿った複数の合焦位置にわたって撮像システムの合焦位置を高い動作周波数（例えば４００ｋＨｚ又は６００ｋＨｚの高さ）で周期的に変更することができるが、様々な実施及び／又は用途ではより低い合焦位置変更周波数が望ましい場合がある。例えば様々な実施では、３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は２５０ｋＨｚ等の周期的な変更を使用可能である。低速の周期的合焦位置調整を用いる実施では、ＶＦＬレンズ３７０は制御可能液体レンズ（ｆｌｕｉｄ  ｌｅｎｓ）等を含み得る。様々な実施において、周期的に変更されるＶＦＬレンズ光学パワーは周期的な焦点変更を規定することができる。
【００３１】
様々な実施において、レンズ制御部３７１は駆動信号生成部３７２を含み得る。駆動信号生成部３７２は、（例えばタイミングクロック３７２’と連携して）動作して、ＴＡＧレンズ等の高速ＶＦＬに周期駆動信号を与えることができる。様々な実施において、周期信号は、周期的に変更されるＶＦＬレンズ光学パワーと同一の動作周波数を有することができ、従来技術のＴＡＧレンズでは、ＴＡＧレンズの近似焦点高さ又はＺ高さは、駆動信号の同時状態に基づいて決定される。しかしながら、ＴＡＧレンズの高い焦点変動周波数やその他の動作特性のため、駆動信号がＴＡＧレンズの実際の焦点高さ又はＺ高さ変動からわずかに位相がずれて、Ｚ高さ測定エラー及び／又は複雑なエラー補正スキームの必要が生じる可能性がある。エラー補正スキームは例えば、２０１６年５月３日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ｐｈａｓｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  Ｉｎ  Ａ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｓ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１５／１４５，６８２号に記載されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれる。本明細書に開示される原理を用いて、ＴＡＧレンズのような高速ＶＦＬの精密Ｚ高さ測定を行うため、従来技術の欠点を克服し、及び／又は複雑なエラー補正スキームの必要を排除することができる。
【００３２】
本明細書に開示される原理に従って、ほぼリアルタイムで周期的な焦点変更を直接示す焦点監視信号を決定することができる。これについては以下で詳述する。様々な実施において、Ｚ高さに対する焦点監視信号較正部３７３は、各Ｚ高さを各焦点監視信号値に関連付けるＺ高さに対する焦点監視信号値特徴付けを行うことができる。一般的には、Ｚ高さに対する焦点監視信号較正部３７３は、記録された較正データを含む。このため、別個の要素として示す図３の表現は単に概略的なものであり、限定ではない。様々な実施形態において、関連する記録された較正データは、レンズ制御部３７１、又は光学焦点監視部３７６、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とマージされる及び／又は区別できない場合もある。
【００３３】
図４を参照して以下に記載するように、光学焦点監視部３７６は、ＶＦＬレンズ３７０を通過した焦点検出光３４５を入力し、焦点出力信号（例えば光検出器からの焦点出力信号）を生成することができる。様々な実施では、焦点出力信号に基づいて焦点監視信号を与えることができる。例えば１つの実施では、焦点出力信号を焦点監視信号として直接提供できる。別の例として、代替的な実施では、焦点出力信号の更に別の信号処理に基づいて焦点監視信号を生成できる。
【００３４】
以下で詳述するように、様々な実施において、ＶＦＬレンズシステム３００は更にパターン生成器３４３Ｇを含むことができる。パターン生成器３４３Ｇは、光源３４３と組み合わされて入力照明パターンＰＡＴｉｎを生成し、これはＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）に入力され、ＶＦＬレンズ３７０からの出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを得る。様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０を含む光路は更に、第１のビームスプリッタ３４６及び第２のビームスプリッタ３４６’も含み得る。第１のビームスプリッタ３４６は、対物レンズ３５０とＶＦＬレンズ３７０との間に配置され、監視光源３４３からの焦点検出光３４５を受光し、焦点検出光３４５の少なくとも一部を誘導してＶＦＬレンズ３７０を通過させる。第２のビームスプリッタ３４６’は、ＶＦＬレンズ３７０とカメラ／検出器３６０との間に配置され、ＶＦＬレンズ３７０からの出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを受光し、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを、光学焦点信号検出器部を含む光学焦点監視部３７６の方へ誘導する（例えば図４〜図６を参照して以下で詳述する）。
【００３５】
図３の特定の構成において、パターン生成器３４３Ｇと組み合わされる光源３４３は、コリメートされたビームの形態（例えば入力照明パターンＰＡＴｉｎの形態）の焦点検出光３４５を生成し、そのうち少なくとも一部はビームスプリッタ３４６によって受光され、ＶＦＬレンズ３７０を通過するよう誘導される。ビームスプリッタ３４６’は、ＶＦＬレンズ３７０を通過した焦点検出光３４５の少なくとも一部（例えば出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの形態）を受光し、焦点検出光を光学焦点監視部３７６の方へ誘導する。ＶＦＬレンズ３７０の配置及び光学パワー変更のため、焦点検出光３４５がＶＦＬレンズから出力する際に発散／収束が生じ、これに応じて外側ビーム寸法は最大外側ビーム経路Ｂｍａｘと最小外側ビーム経路Ｂｍｉｎとの間で変化（ｍｏｄｕｌａｔｅ）及び変動する（例えば、これに応じて出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの寸法が変化／変動し得る。これについては図４Ａ、図４Ｂ、及び図５Ａ〜図５Ｄを参照して以下で詳述する）。
【００３６】
１つの実施において、ビームスプリッタ３４６及び３４６’はダイクロイックビームスプリッタとすることができ、光源３４３からの焦点検出光３４５は光源３３０からの光源光３３２とは異なる波長とすることができる。様々な実施において、監視光源３４３は、第１の波長セットにより構成される焦点検出光３４５を生成し、撮像光源３３０は、第１の波長セットを除外した第２の波長セットにより構成される光源光３３２を生成することができる。ダイクロイックビームスプリッタ３４６及び３４６’は各々、第１の波長セットを反射すると共に第２の波長セットを透過させることができる。一例として、１つの特定の実施では、光源３４３は連続モードで動作し、波長λが約７３５ｎｍのコリメートされた焦点検出光３４５を生成できる。これに対して、ダイクロイックビームスプリッタ３４６及び３４６’の一方又は双方は、７２０ｎｍを超える波長の光の大部分は反射、７００ｎｍ未満の波長の光の大部分は透過等の特徴を有し得る（例えば、光源３４３からの所望の焦点検出光３４５を反射しながら、光源３３０から光源光３３２によって得られたワークピース光３５５が透過光としてカメラ／検出器３６０へと通過できるように）。
【００３７】
上述のように、光源３３０からの光源光３３２は、（例えばワークピース３２０の）撮像表面領域の方へ誘導されて、ワークピース光３５５を生成することができる（例えばこれを用いて、撮像表面領域の画像の生成及び／又は撮像表面領域がいつ合焦しているかの判定を行う）。光源光３３２は、焦点検出光３４５とは異なる波長を有し得る（例えば光源光３３２はλ＜７００ｎｍであり、焦点検出光３４５はλ＞７２０ｎｍである等）。様々な実施では、光源３４３に７３５ｎｍのＬＥＤを用いて焦点検出光３４５を生成することは、いくつかの利点を有し得る（例えばシリコン応答性に対する良好な整合性や、コヒーレンス／スペックルがほとんど又は全く存在しないこと等）。更に大きいパワーを必要とする別の例として、７８５／８０５ｎｍダイオードレーザを閾値未満で動作させて利用すること等も可能である。
【００３８】
様々な実施において、撮像構成は、少なくとも対物レンズ３５０、ＶＦＬレンズ３７０、及びカメラ／検出器３６０を含むものとして示すことができる。上述のように、対物レンズ３５０は、撮像構成の視野（ＦＯＶ：Ｆｉｅｌｄ  ｏｆ  Ｖｉｅｗ）内でワークピース３２０の撮像表面領域からのワークピース光３５５を入力し、ワークピース光３５５をＶＦＬレンズ３７０に透過させ、カメラ／検出器３６０は、ＶＦＬレンズ３７０からのワークピース光３５５を受光し、撮像構成に対する合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方を有する撮像システム焦点面で合焦された画像を提供する。様々な実施において、撮像システム焦点面の合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方は、ＶＦＬレンズ光学パワーによって制御される。そのような実施では、光学焦点監視部３７６によって生成された焦点監視信号の瞬時値が、撮像システム焦点面の瞬時合焦距離又はＺ高さの少なくとも一方を表すことができる。様々な実施において、焦点監視信号及び／又は焦点出力信号は、変更される期間全体にわたるＶＦＬレンズ３７０の合焦状態を高精度で示す時変信号（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ  ｓｉｇｎａｌ）を含み、この時変信号は、合焦状態に対して著しいレイテンシを生じることなく提供できる。１つの具体的な例示的構成では、周期的な変更は少なくとも５０ｋＨｚの周波数に対応し、時変信号は、合焦状態に対して１００ナノ秒以下のレイテンシで提供できる。いくつかの実施形態では、例えば５０ナノ秒以下、又は２５ナノ秒以下のように、更に小さいレイテンシを達成することも可能である。適切な超高速光検出器及びこれに関連した増幅回路は当技術分野において既知であり、例えば、Ｈａｍａｍａｔｓｕ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州サンホゼ）及び／又はＮｅｗｐｏｒｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州サンタクララ）によって市販されている。そのような光検出器は、例えば約４０ピコ秒の立ち上がり時間を有し得る。従って、これに伴うレイテンシ又は信号遅れは、ＴＡＧレンズのような周期的に変更される高速ＶＦＬレンズを用いた撮像システムにおいて問題にならない程度の焦点測定エラー又はＺ高さエラーに相当し得る。これは、小さいレイテンシ期間中に生じる焦点変化が、ＶＦＬレンズを含む撮像システムの焦点深度のごく一部であり得るからである。様々な実施において、残留レイテンシがある場合は、ＶＦＬレンズシステム３００の回路（例えば図８及び図９の検出器信号処理部４７８に含まれる）及び／又は他の構成要素によって補償するか又は他の方法で対処することができる。本明細書に開示する原理に従って、ＶＦＬレンズの実際の光学パワーをほぼリアルタイムで監視することにより、従来技術の方法に悪影響を及ぼす様々な不安定性（例えばレンズ又は回路の温度感受性）があるにもかかわらず、ＶＦＬレンズシステムのＺ高さ測定及び／又は他の動作を精度高く実行できることは認められよう。
【００３９】
様々な実施において、焦点監視信号は、ＶＦＬレンズシステム３００の動作に関する様々な目的に利用できる。例えば、焦点監視信号を制御部に入力し、この制御部が焦点監視信号を（例えばフィードバック信号として）用いて、ＶＦＬレンズ３７０の制御を調整することができる。別の例として、ＶＦＬレンズシステムは概して、対応する撮像システム焦点面を決定する画像露光タイミングを用いて画像露光を制御するように構成することができる。ＶＦＬレンズシステムは、画像露光タイミングを与えるため、ＶＦＬレンズシステムに含まれる制御可能ストロボ光源のタイミング又はカメラ部の制御可能画像積分期間のタイミングの少なくとも一方を制御するように構成できる。いくつかの実施形態では、ラッチ回路が、画像露光タイミングに相当する時点の焦点監視信号値をラッチするように構成され、ラッチされた焦点監視信号値が、対応する画像露光の合焦距離又はＺ高さを示す。いくつかの実施形態では、比較器回路が、焦点監視信号を入力すると共に所望の撮像合焦距離又はＺ高さに関連した基準信号を入力するように構成され、焦点監視信号が基準信号と一致した時に生成するよう画像露光タイミングを制御するトリガ信号を出力するように構成することができる。いくつかの実施形態では、画像露光タイミングを制御するための制御部に焦点監視信号を入力することができ、又は、焦点監視部３７６は、制御可能ストロボ光源のストロボタイミング及び／又はカメラ部の画像積分期間を少なくとも部分的に焦点監視信号に基づいて制御するため使用される回路を含むことができる。例示的な特定の実施については、後に図８及び図９を参照して詳述する。
【００４０】
図３の例では、リレーレンズ３５２及び３８６並びにＶＦＬ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り、本開示に対する限定でないことは理解されよう。様々な実施において、図示の４ｆ光学構成は、ＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズのような開口数（ＮＡ）の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ＦＰＬ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におけるテレセントリシティ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）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の各Ｚ高さ及び／又は合焦位置ＦＰ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、画像収差を最小限に抑える等のため、ＶＦＬレンズ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影を与えるように構成可能である。
【００４１】
図４Ａ及び図４Ｂは、入力照明パターンＰＡＴｉｎの第１の例示的な実施を含む光学焦点監視部３７６’の図である。光学焦点監視部３７６’は、図３に示す光学焦点監視部３７６の１つの実施であると理解すればよい。図３に示すビームスプリッタ３４６’は、簡略化のため、図４に示す概略的に表現された光路では省略されている。図４Ａの例において、光学焦点監視部３７６’は、検出器構成４７７’及び検出器信号処理部４７８を含む（これらは例えば、図２の検出器構成２７７及び検出器信号処理部２７８に相当するか又は同様のものとすることができる）。検出器構成４７７’は、第１の監視レンズＬＮＳ１と第１の光学検出器ＤＥＴ１とを含む第１の光学焦点信号検出器部ＤＰ１を含む。第１の光学検出器ＤＥＴ１は、第１の焦点光検出器ＰＤ１及び第１のフィルタリング構成ＭＳＫ１（例えばマスク）を含む。図６を参照して以下で詳述するように、代替的な構成では、検出器構成の一部として第２の検出器部ＤＰ２を含むことができる。
【００４２】
図３を参照して上述したように、監視光源３４３は、周期的な変更の間に焦点検出光３４５をＶＦＬレンズ３７０に入力するよう構成されている。図４Ａ〜図６の例では、ＶＦＬレンズ３７０はＴＡＧレンズとして示されている。図４Ａに例示するように、いくつかの実施形態では、入力された焦点検出光３４５は、（例えば一定の直径Ｄｉｎ等で示されるような）ほぼ一定のサイズを有する入力照明パターンＰＡＴｉｎ（例えば図３のパターン生成器３４３Ｇで生成する）内に分布した光エネルギ入力量Ｅｉｎを与えるように構成されている。いくつかの実施形態では、光エネルギ入力量はほぼ一定である。焦点検出光３４５は、入力照明パターンＰＡＴｉｎにおいて少なくとも概ねコリメートされている。
【００４３】
様々な実施において、入力照明パターンＰＡＴｉｎの形態の入力焦点検出光３４５は、静的光ビームを含み得る。１つのそのような実施において、静的光ビームは、ＴＡＧレンズ３７０に含まれる限界開口（ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）より大きい（ｏｖｅｒｆｉｌｌ）中実の（ｓｏｌｉｄ）光断面を含み、ＴＡＧレンズ３７０の限界開口は、入力照明パターンＰＡＴｉｎのほぼ一定のサイズ（例えば直径Ｄｉｎ等を含む）を画定することができる。別のそのような実施では、静的光ビームは、入力照明パターンＰＡＴｉｎ全体がＴＡＧレンズ３７０を通過して出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを形成できるほど小さい一定サイズの入力照明パターンＰＡＴｉｎに構成することができる。
【００４４】
様々な実施において、少なくとも入力照明パターンＰＡＴｉｎの中央部分は、周期的な変更の間にＴＡＧレンズ３７０を透過して、ＴＡＧレンズ３７０から対応する出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを与える。出力照明パターンＰＡＴｏｕｔのサイズ及び強度は、ＴＡＧレンズ３７０の光学パワーに応じる。例えば図４Ｂに示すように、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔのサイズは、最大直径Ｄｏｕｔ＿ｍａｘと最小直径Ｄｏｕｔ＿ｍｉｎとの間で変化／変動し得る。この変動が生じる少なくとも一つの原因は、ＴＡＧレンズ３７０の配置及び光学パワー変更の結果として、焦点検出光３４５がＴＡＧレンズから出力する際に発散／収束が生じ、これに応じて外側ビーム寸法が最大外側ビーム経路限界Ｂｍａｘと最小外側ビーム経路限界Ｂｍｉｎとの間で変化及び変動することである。
【００４５】
光学焦点信号検出器部ＤＰ１は、ＴＡＧレンズ３７０からほぼ一定の距離に位置決めされて、ＴＡＧレンズ３７０から出力された出力照明パターンＰＡＴｏｕｔに含まれる焦点検出光３４５を受光する。第１の監視レンズＬＮＳ１は、焦点検出光を第１のフィルタリング構成ＭＳＫ１及び第１の焦点光検出器ＰＤ１の方へ集束させる。様々な実施において、第１のフィルタリング構成ＭＳＫ１及び／又は第１の焦点光検出器ＰＤ１は、第１の監視レンズＬＮＳ１のベストフォーカスに又はその近傍に位置決めすることができる。様々な実施において、第１の監視レンズＬＮＳ１は、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを入力し、サイズを縮小してこれをフィルタリング構成ＭＳＫ１へと透過させる。焦点光検出器ＰＤ１は、焦点光検出器ＰＤ１が受光した全光エネルギに応じて変動する焦点出力信号４７８Ａを（例えば図２の信号ライン／バス２７８’に対応して）与える。フィルタリング構成ＭＳＫ１は、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔを受光し、焦点光検出器ＰＤ１に到達する焦点検出光３４５の含有量を制限する。
【００４６】
図４Ａ及び図４Ｂの例では、入力照明パターンＰＡＴｉｎは中実のパターンを含み、ＴＡＧレンズから出力される対応した出力照明パターンＰＡＴｏｕｔが中実のパターンを含むように構成されている。フィルタリング構成ＭＳＫ１は、焦点光検出器ＰＤ１の範囲（ｌｉｍｉｔｓ）によって画定される空間フィルタリング開口ＡＰ１を含む（このため、例えば焦点光検出器ＰＤ１に到達する中実のパターンＰＡＴｏｕｔの量は、焦点光検出器ＰＤ１の動作可能エリアに対して指定されたサイズである）。中実のパターンＰＡＴｏｕｔは、周期的な変更の間は常に開口ＡＰ１及び／又は焦点光検出器ＰＤ１より大きい。
【００４７】
焦点光検出器ＰＤ１によって与えられた焦点出力信号４７８Ａに基づいて、焦点監視信号が与えられる。１つの実施において、焦点出力信号４７８Ａは、増幅された焦点監視信号に相当し、直接この信号として与えることができる。代替的な実施では、焦点出力信号４７８Ａに更なる信号処理を行うことができ、及び／又は他の方法で変更を行うことも可能である（例えば既知の線形化及び／又は正規化回路技法によって）。第１の焦点出力信号４７８Ａに基づいて処理／変更した信号を焦点監視信号として提供することができる。いくつかの実施では、図８及び図９を参照して以下で詳述するように、検出器信号処理部４７８が第１の焦点出力信号４７８Ａを入力し、これを（例えば他の信号と組み合わせて）処理して、出力信号４７９を出力することができる（これは例えば、制御可能ストロボ光源をトリガするため、又は制御可能ストロボ光源がトリガされた時に対応したＺ高さを決定するため利用される）。
【００４８】
様々な実施において、焦点光検出器ＰＤ１は、迅速に変化するＴＡＧレンズ３７０の光学パワーをリアルタイムで高精度に監視するため利用される高速光検出器とすることができる。例えばいくつかの実施では、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーは、５０ｋＨｚ、７０ｋＨｚ、又は２５０ｋＨｚ、又は４００ｋＨｚのような高いレートで変更され得るので、レイテンシを最小限に抑えながら高精度の監視を行うため、高速焦点光検出器（例えば本明細書で前述したようなもの）が必要となり得る。いくつかの実施では、焦点光検出器ＰＤ１は、トランスインピーダンス増幅器を用いた高速逆バイアスシリコンフォトダイオード（ＳｉＰＤ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）とすればよい。そのような構成で使用できるデバイス及び回路の一例が、米国特許第４，０２９，９７６号、第８，９０７，７２９号、及び第６，０６４，５０７号に記載されている。これらは各々、援用によりその全体が本願にも含まれる。
【００４９】
図５Ａ〜図５Ｄは、入力照明パターンＰＡＴｉｎ’の第２の例示的な実施を含む光学焦点監視部３７６’’の図であり、様々な実施で使用することができる空間フィルタリング開口ＡＰ１’〜ＡＰ１’’’及びそれらに対応したフィルタリング構成ＭＳＫ１’〜ＭＳＫ１’’’  の異なる構成を示す。以下で別段の記載がない限り、図５Ａ〜図５Ｄの様々な要素は、同様又は同一の参照番号を含む図４Ａ及び図４Ｂの要素と同様又は同一とすることができ、同様に動作するものと理解される。図５Ａの例において、光学焦点監視部３７６’’は、検出器構成４７７’’及び検出器信号処理部４７８を含む。検出器構成４７７’’は、第１の監視レンズＬＮＳ１と第１の光学検出器ＤＥＴ１’とを含む第１の光学焦点信号検出器部ＤＰ１’を含む。第１の光学検出器ＤＥＴ１’は、第１の焦点光検出器ＰＤ１及び第１のフィルタリング構成ＭＳＫ１’（例えばマスク）を含む。
【００５０】
図４Ａの構成と比べた場合の図５Ａの構成の１つの相違点は、入力照明パターンＰＡＴｉｎ’が中空の環状パターンであり、対応する出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ’も環状パターン（例えば円形リングパターン）を含むように構成されていることである。図５Ｂ〜図５Ｄに示すように、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ’のサイズは、対応する最大パターン厚さＴ＿Ｄｏｕｔ＿ｍａｘを有する最大直径Ｄｏｕｔ＿ｍａｘと、対応する最小パターン厚さＴ＿Ｄｏｕｔ＿ｍｉｎを有する最小直径Ｄｏｕｔ＿ｍｉｎとの間で変化／変動する。
【００５１】
図５Ｂ〜図５Ｄは、異なるタイプの空間フィルタリング開口ＡＰ１’〜ＡＰ１’’’をそれぞれ含むフィルタリング構成ＭＳＫ１’〜ＭＳＫ１’’’（例えばマスク）の異なる構成を示す。図７を参照して以下で詳述するように、異なるフィルタリング構成ＭＳＫ１’〜ＭＳＫ１’’’の結果として、焦点監視信号と決定されるＺ高さ（合焦距離）との間に異なるタイプの関係が生じる。図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、フィルタリング構成ＭＳＫ１’及びＭＳＫ１’’の各々で、マスクの空間フィルタリング開口ＡＰ１’及びＡＰ１’’は、異なる形状を有する。更に具体的には、空間フィルタリング開口ＡＰ１’は一定の幅Ｗａｐ’を有するが、空間フィルタリング開口ＡＰ１’’は湾曲し、関数ｋＤｏｕｔ＾２で定義される幅Ｗａｐ’’を有する。フィルタリング構成ＭＳＫ１’及びＭＳＫ１’’の各マスクは、周期的な変更の間は常に出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの遮断部分を遮断する。また、空間フィルタリング開口ＡＰ１’及びＡＰ１’’の各々は、常に出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの透過部分を透過させる。更に、空間フィルタリング開口ＡＰ１’及びＡＰ１’’の各々は、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの透過部分と遮断部分との比が出力照明パターンＰＡＴｏｕｔのサイズに応じて変動するような形状になっている。これは、例えば透過部分と遮断部分との比が一定のままである「パイ形」空間フィルタリング開口とは対照的である。図７を参照して以下で詳述するように、空間フィルタリング開口ＡＰ１’’（すなわちＷａｐ’’＝ｋＤｏｕｔ＾２）の形状によって、焦点出力信号及び／又は焦点監視信号を、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの焦点状態に比例させる。
【００５２】
図５Ｄに示すように、フィルタリング構成ＭＳＫ１’’’は、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔのサイズ（例えば直径Ｄｏｕｔ）に応じて出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの透過を減衰させるように構成された非均一密度パターンを有する密度フィルタＡＰ１’’’を備えたマスクを含む。図５Ｄの例では、非均一密度パターンは線対称であり、密度はパターン内の半径の関数として変動する（例えば、密度＝ｋＤｏｕｔのようにＤｏｕｔの関数として定義される）。密度フィルタＡＰ１’’’は、周期的な変更の間は常に出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ全体を受光して光検出器ＰＤ１へ透過させるが、非均一密度パターンによってフィルタをかけるように構成されている。図７を参照して以下で詳述するように、密度フィルタＡｐ１’’’の非均一密度パターン（例えば密度＝ｋＤｏｕｔのような透過関数を用いる）によって、焦点出力信号及び／又は焦点監視信号を、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの焦点状態に比例させることができる。
【００５３】
図６は、正規化部ＤＰ２を含む光学焦点監視部３７６’’’の図である。以下で別段の記載がない限り、図６のいくつかの要素は、同様又は同一の参照番号を含む図４Ａ、図４Ｂ及び図５Ａ〜図５Ｄの要素と同様又は同一であり、同様に動作するものと理解される。具体的には、光学焦点信号検出器部ＤＰ１’’は、先に概説した光学焦点信号検出器部ＤＰ１又はＤＰ１’の実施形態のいずれかと同様に構成することができる。図６の例では、光学焦点監視部３７６’’’は、検出器構成４７７’’’及び検出器信号処理部４７８を含む。検出器構成４７７’’’は、ビームスプリッタＢＳ１、第１の光学焦点信号検出器部ＤＰ１’’、及び第２の光学焦点信号検出器部ＤＰ２（例えば正規化信号検出器部ＤＰ２とも称する）を含む。第１の光学焦点信号検出器部ＤＰ１’’は、第１の監視レンズＬＮＳ１及び第１の光学検出器ＤＥＴ１’’を含む。第１の光学検出器ＤＥＴ１’’は、第１の焦点光検出器ＰＤ１及び第１のフィルタリング構成ＭＳＫ１’’（例えばマスク）を含む。正規化信号検出器部ＤＰ２は、第２の監視レンズＬＮＳ２（例えば正規化レンズＬＮＳ２とも称する）と、第２の焦点光検出器ＰＤ２（例えば正規化光検出器ＰＤ２とも称する）を含む第２の光学検出器ＤＥＴ２（例えば正規化光学検出器ＤＥＴ２とも称する）と、を含む。
【００５４】
動作において、ビームスプリッタＢＳ１（例えば非偏光５０／５０ビームスプリッタ）は、ＴＡＧレンズ３７０を通過した（例えば図３のビームスプリッタ３４６’からの）出力照明パターンＰＡＴｏｕｔの一部として焦点検出光３４５を受光し、少なくとも一部の焦点検出光を、第１の分割出力照明パターンとして、前述の原理に従って動作する光学焦点信号検出器部ＤＰ１’’の方へ透過させる。また、少なくとも一部の焦点検出光は、第２の分割出力照明パターンとして、正規化信号検出器部ＤＰ２の方へ誘導される。正規化レンズＬＮＳ２を含む正規化信号検出器部ＤＰ２は、第２の分割出力照明パターン全体を入力し、第２の分割出力照明パターン全体を、サイズを縮小して正規化光検出器ＰＤ２へ透過させる。正規化光検出器ＰＤ２は、受光した全光エネルギに応じて変動する正規化出力信号４７８Ｂを（例えば図２の信号ライン／バス２７８’に対応して）与える。様々な実施において、検出器信号処理部４７８は、焦点出力信号４７８Ａ及び正規化出力信号４７８Ｂを入力するように、更に正規化焦点出力信号及び／又は正規化焦点監視信号を生成するように構成された焦点監視出力回路を含むかその一部とすることができる。この場合、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔに含まれる全光エネルギのばらつきによる焦点出力信号４７８Ａのばらつきは、既知の技法に従って正規化出力信号４７８Ｂに基づいて（例えば、焦点出力信号４７８Ａを正規化出力信号４７８Ｂで除算することによって）補償される。
【００５５】
図７は、様々な光学焦点構成について、焦点監視信号（例えば焦点光検出器から出力される）とＺ高さ（合焦距離）との関係を示すグラフ７００である。図７に示すように、曲線７１０は、図４Ｂのフィルタリング構成ＭＳＫ１を用いた場合の焦点光検出器ＰＤ１からの出力を表す。曲線７２０は、図５Ｂのフィルタリング構成ＭＳＫ１’を用いた場合の焦点光検出器ＰＤ１からの出力を表す。曲線７３０は、図５Ｃのフィルタリング構成ＭＳＫ１’’を用いた場合又は図５Ｄのフィルタリング構成ＭＳＫ１’’’を用いた場合の焦点光検出器ＰＤ１からの出力を表す。曲線７１０〜７３０は、以下の数式を参照してより良く理解することができる。以下の数式において、定数Ｋは、数式に存在し得る全ての定数の組み合わせ値を表すものとして示すので、１つ以上の定数値が存在する各数式では、包括的な定数（ｇｅｎｅｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）Ｋが１つだけ示される。
【００５６】
第１の適用される数式として、マスク面におけるパターン内の強度ｉ（ｔ）は以下によって表すことができる。
ｉ（ｔ）＝Ｅｉｎ／Ａ（ｔ）      （数式１）
ここで、Ｅｉｎは入力パターンＰＡＴｉｎ内の全エネルギであり、Ａ（ｔ）はマスク面における出力パターンの全面積である。信号Ｓ（ｔ）について、以下が成り立つ。
Ｓ（ｔ）＝Ｉ（ｔ）＊Ｔｒ      （数式２）
ここで、Ｔｒは透過面積であるか、あるいは透過面積にフィルタリング係数を乗算したものとすることができる。以下の数式において、ＺｆｏｃｕｓはＤｏｕｔにほぼ比例し、以下であると仮定する。
Ｚｆｏｃｕｓ（ｔ）＝Ｋ（Ｄｏｕｔ（ｔ））      （数式３）
【００５７】
図４Ａ及び図４Ｂの中実のパターン及びスポット構成について、以下が成り立つ。
Ａ（ｔ）＝ｐｉ＊（Ｄｏｕｔ（ｔ）／２）2      （数式４）
これについて、常に中実のパターンより小さい図４Ｂの固定マスク開口（Ｔｒ＝一定）を用いる場合、信号は強度に比例する。すなわち以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝Ｋ＊ｉ（ｔ）＝Ｋ［Ｅｉｎ／ｐｉ＊（Ｄｏｕｔ（ｔ）／２）2］      （数式５）
【００５８】
Ｅｉｎが一定であると仮定し（いくつかの実施形態で該当し得る）、並べ変える（更に、変更した比例定数を表すため上述のようにＫを用いる）と、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝Ｋ／（Ｄｏｕｔ（ｔ）／２）2      （数式６）
これによって以下が得られる。
Ｚｆｏｃｕｓ（ｔ）＝Ｋ［（１／Ｓ（ｔ）］1/2      （数式７）
【００５９】
すなわち、Ｚｆｏｃｕｓは信号Ｓ（ｔ）の平方根にほぼ反比例する。様々な実施において、関連した較正テーブルを与えるか、又は変換を解析的に行うことができる。
【００６０】
図５Ｂの環状パターン及びフィルタリング構成については、以下が成り立つ。
Ａ（ｔ）≒ｐｉ＊［Ｄｏｕｔ（ｔ）＊Ｔ（Ｄｏｕｔ）］      （数式８）
これについて、フィルタリング構成ＭＳＫ１’は、Ｄ（又はＤｏｕｔ）の全ての値に対して一定の幅Ｗａｐ’を有するマスク開口ＡＰ１’を用いる。そのような構成では、以下が成り立つ。
Ｔｒ＝２＊Ｗａｐ’＊Ｔ（Ｄｏｕｔ）      （数式９）
【００６１】
数式２を参照し、Ｔｒに数式９を代入すると共にｉ（ｔ）に数式１を代入すると、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝ｉ（ｔ）＊Ｔｒ＝Ｔｒ＊ｉ（ｔ）＝Ｔｒ＊［Ｅｉｎ／Ａ（ｔ）］＝Ｗａｐ’＊Ｔ（Ｄｏｕｔ）＊［Ｅｉｎ／Ａ（ｔ）］      （数式１０）
更に、Ａ（ｔ）に数式８を代入すると、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝Ｗａｐ’＊Ｔ（Ｄｏｕｔ）Ｅｉｎ／［ｐｉ＊Ｄｏｕｔ（ｔ）＊Ｔ（Ｄｏｕｔ）］      （数式１１）
【００６２】
Ｅｉｎが一定であると仮定し（いくつかの実施形態で該当し得る）、並べ変える（更に、Ｅｉｎ及びＰｉ等の変更した比例定数としてＫを用いる）と、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝Ｋ＊Ｗａｐ’／Ｄｏｕｔ（ｔ）      （数式１２）
【００６３】
ＺｆｏｃｕｓがＤｏｕｔにほぼ反比例する実施では、これによって以下が得られる。
Ｚｆｏｃｕｓ（ｔ）＝Ｋ  Ｗａｐ’／Ｓ（ｔ）      （数式１３）
【００６４】
あるいは、図５Ｂの実施形態ではＷａｐ’は一定であるので、以下のようになる。
Ｚｆｏｃｕｓ（ｔ）＝Ｋ／Ｓ（ｔ）      （数式１４）
【００６５】
すなわち、図７の曲線７２０で示すように、Ｚｆｏｃｕｓは信号Ｓ（ｔ）にほぼ反比例する。上記の数式を参照することで、開口の形状を用いてＺｆｏｃｕｓと信号Ｓ（ｔ）との関係に影響を及ぼし得ることは認められよう。
【００６６】
この概念を用いて、数式１２でＷａｐ’＝Ｋ＊Ｄｏｕｔ2である場合、信号はＤｏｕｔに比例し、その結果としてＺｆｏｃｕｓ（ｔ）は信号Ｓ（ｔ）に比例する。１つのそのような構成が図５Ｃに示されている（例えば、開口ＡＰ１’’はホーン型に広がってＤが大きくなり、Ｄｏｕｔが大きくなるほど出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ’の大きい部分又は角度を含むようになっている）。あるいは、図５Ｄの構成において、フィルタリング構成ＭＳＫ１’’は環状出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ’の全体を使用するが、密度フィルタＡＰ１’’’を含む「開口」でフィルタをかける。そのような構成では、出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ’は、マスク開口幅でフィルタをかけるのではなく、Ｄｏｕｔの関数であるマスク密度関数でフィルタをかける。この密度フィルタ関数Ｆ（Ｄｏｕｔ）は、図５Ｃを参照して上述した幅関数Ｗａｐ’’に類似している。すなわち、環状出力照明パターンＰＡＴｏｕｔ’の３６０度が常に透過されるが、直径に応じた「開口幅」でなく、直径に応じた透過係数Ｆ（Ｄｏｕｔ）で透過される。前記の式の類推から、また出力パターン全体が常にフィルタを透過されることから、この構成では以下が成り立つ。
Ｔｒ＝Ｆ（Ｄｏｕｔ）＊Ａ（ｔ）      （数式１５）
【００６７】
この場合、Ｆ（Ｄｏｕｔ）は透過の割合を規定する。このような例では、より大きなＦは、より多くの透過に等しい。数式２を参照し、Ｔｒに数式１５を代入すると共にｉ（ｔ）に数式１を代入すると、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝ｉ（ｔ）＊Ｔｒ＝Ｔｒ＊ｉ（ｔ）＝Ｔｒ＊［Ｅｉｎ／Ａ（ｔ）］＝Ｆ（Ｄｏｕｔ）＊Ａ（ｔ）＊［Ｅｉｎ／Ａ（ｔ）］      （数式１６）
Ｅｉｎ等の変更した比例定数を表すためＫを用い、数式１６を簡略化し、更に、Ｄｏｕｔが時間の関数Ｄｏｕｔ（ｔ）であることを注記すると、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝Ｋ＊Ｆ（Ｄｏｕｔ（ｔ））      （数式１７）
【００６８】
すなわち、出力信号Ｓ（ｔ）は一般に、その特定の時点における出力環状パターンの任意の特定の出力パターン直径での密度関数の値に比例する。そのような構成は、Ｄｏｕｔ及び／又はＺｆｏｃｕｓの特定の値に関連した特定の信号を生成するため、任意の密度関数が選択され得ることを示す。例えば以下である場合、
Ｆ（Ｄｏｕｔ）＝Ｋ＊Ｄｏｕｔ      （数式１８）
式１８を式１６に代入すると、以下のようになる。
Ｓ（ｔ）＝Ｋ＊Ｄｏｕｔ（ｔ）      （数式１９）
【００６９】
ＺｆｏｃｕｓがＤｏｕｔに少なくとも概ね比例する実施において、これは以下を示す。
Ｚｆｏｃｕｓ（ｔ）＝（１／Ｋ）＊Ｓ（ｔ）      （数式２０）
【００７０】
従って、図５Ｄの構成においてこの特定の密度関数では、信号はＤｏｕｔに比例する。これは、Ｚｆｏｃｕｓ（ｔ）が信号Ｓ（ｔ）に比例することを示す。様々な実施において、これは、システムの直感的な理解と信号処理等のため好都合な構成であり得る。この結果は、図５Ｃの構成でＷａｐ’’＝Ｋ＊Ｄｏｕｔ2について上述した結果と同様であることに留意すべきである。
【００７１】
図８は、（例えば図４Ａ及び図５Ａの検出器信号処理部４７８の１つの実施としての）検出器信号処理部４７８’の第１の例示的な実施の概略図である。図８に示すように、検出器信号処理部４７８’はラッチ回路８１０を含む。ラッチ回路８１０は、（例えば図４Ａ又は図５Ａの第１の光検出器ＰＤ１によって与えられる）焦点出力信号４７８Ａを焦点監視信号として受信し、ラッチ信号８１２を受信し、出力信号４７９’を提供する。１つの実施において、ラッチ信号８１２は、撮像構成の視野（ＦＯＶ）内でワークピース３２０の表面領域を撮像するためのタイミングを決定する（例えば光源３３０の）ストロボタイミング信号に相当し得る。そのような実施では、ラッチ信号８１２のストロボタイミングが、ラッチ回路８１０において対応した焦点監視信号値のラッチをトリガする。ラッチされた焦点監視信号値は、出力信号４７９’として提供され、ストロボタイミングによって決定された画像露光タイミングにおけるＺ高さを示す。図９は、（例えば図４Ａ及び図５Ａの検出器信号処理部４７８の１つの実施としての）検出器信号処理部４７８’’の第２の例示的な実施の概略図である。図９に示すように、検出器信号処理部４７８’は比較器回路９１０を含む。比較器回路９１０は、（例えば図４Ａ又は図５Ａの焦点光検出器ＰＤ１によって与えられる）焦点出力信号４７８Ａを焦点監視信号として受信し、基準信号９１２を受信し、出力信号４７９’を提供する。１つの実施において、基準信号９１２は、撮像構成の視野（ＦＯＶ）内でワークピース３２０の表面領域を撮像するための所望のＺ高さに対応した焦点監視信号値に関連付けることができる。例えば基準信号９１２は、Ｚ高さに対する焦点監視信号較正部３７３における記憶データから決定すればよい。比較器回路９１０の動作においては、焦点監視信号４７８Ａによって示される撮像システムの焦点変更が、基準信号９１２を関連付けたＺ高さにある場合、基準信号９１２は、制御可能ストロボ光源（例えば光源３３０）のためのストロボタイミングを出力信号４７９’’上でトリガする。
【００７２】
図１０は、ＶＦＬレンズシステムを動作させるためのルーチン１０００の１つの例示的な実施を示すフロー図である。ブロック１０１０では、ＶＦＬレンズシステムの一部であるＴＡＧレンズを動作させて、ＴＡＧレンズ光学パワーをある範囲にわたってある動作周波数で周期的に変更する。ブロック１０２０では、周期的な変更の間に焦点検出光をＴＡＧレンズに入力する。入力した焦点検出光は、ほぼ一定のサイズを有する入力照明パターン内に分布した光エネルギ入力量を与えるように構成されている。いくつかの実施形態では、光エネルギ入力量はほぼ一定である。ブロック１０３０では、周期的な変更の間に入力照明パターンの少なくとも中央部分をＴＡＧレンズに透過させて、ＴＡＧレンズから対応する出力照明パターンを与える。出力照明パターンは、ＴＡＧレンズの光学パワーに応じたサイズ及び強度を有する。
【００７３】
ブロック１０４０では、ＴＡＧレンズからほぼ一定の距離に位置決めされた光学焦点信号検出器部を用いて、出力照明パターンに含まれる焦点検出光を受光する。様々な実施において、光学焦点信号検出器部は、フィルタリング構成と、受光した全光エネルギに応じて変動する焦点出力信号を与える光検出器と、を備えている。フィルタリング構成は、出力照明パターンを受光し、光検出器に到達する焦点検出光の含有量を制限する。ブロック１０５０では、光検出器によって与えられた焦点出力信号に基づいて焦点監視信号を与える。焦点監視信号は、高い精度で、かつ著しいレイテンシを生じることなく、ＶＦＬレンズシステムの焦点状態を反映する。
【００７４】
本開示の好適な実施について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した特徴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。例えば、上記の多くの例及び実施形態では、ほぼ一定のサイズを有する入力照明パターン内にほぼ一定の量の光エネルギが分布すると仮定しており、この場合、いくつかの実施形態では、（例えば増幅した形態の）焦点出力信号を焦点監視信号として使用できるので、動作の説明及び理解が簡単になる。しかしながら、そのような実施形態は単なる例示であり限定ではない。具体的には、図６に示す実施形態は、正規化出力信号を提供し使用することを開示している。そのような実施形態では、焦点出力信号及び正規化出力信号を組み合わせて用いて、信頼性の高い焦点監視信号として使用され得る「正規化焦点出力信号」を与えることができる。そのような実施形態では、入力光エネルギが一定である必要はない。別の代替的な実施形態においては、焦点出力信号（又は正規化焦点出力信号）をフィードバックとして用いて、焦点出力信号（又は正規化焦点出力信号）を一定に保つように光源３４３を調節することができる。典型的に、光源は極めて高いレート（例えば５〜２０ＭＨｚ補正レート）に調節することができる。そのような実施形態では、一定の焦点出力信号を維持するために用いられる光源駆動信号のレベルに基づいて、焦点監視信号を与えることができる。
【００７５】
前述の例は、種々の代替的な形態を用いて本明細書に開示した原理を実施してもよいことを示している。更に、上述の様々な実施を組み合わせて別の実施を提供することも可能である。本明細書において言及した米国特許及び米国特許出願は全て援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。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を提供するために必要な場合は、上述の実施の態様は変更可能である。
【００７６】
前述の記載に照らして、実施に対して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、用い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均等物の全範囲に加えて全ての可能な実施を包含するものとして解釈される。
【符号の説明】
【００７７】
１０  マシンビジョン検査システム
１２  画像測定機
１４  制御コンピュータシステム
１６  ディスプレイ
１８  プリンタ
２０  ワークピース
２２  ジョイスティック
２４  キーボード
２６  マウス
３２  可動ワークピースステージ
３４  光学撮像システム
１００  ビジョンシステム
１２０  制御システム部
１２５  制御部
１３０  入出力インタフェース
１３１  撮像制御インタフェース
１３２  移動制御インタフェース
１３２ａ  位置制御要素
１３２ｂ  加速度制御要素
１３３  照明制御インタフェース
１３３ａ  照明制御要素
１３６  ディスプレイデバイス
１３８  入力デバイス
１４０  メモリ
１４０ｅｄ  エッジ検出メモリ部
１４１  画像ファイルメモリ部
１４２  ワークピース検査プログラムメモリ部
１４３  ビデオツール部
１４３ａｆ  自動合焦ビデオツール
１４３ｒｏｉ  関心領域生成器
１７０  実行器
１９０  電源部
２００  ビジョン構成要素部
２０５  光学アセンブリ部
２１０  ワークピースステージ
２１２  透明部
２２０  透過照明光源
２２１，２３１，２４１，２４４，２６２，２７８，２８１  バス
２２２，２３２  光源光
２３０  落射照明光源
２４０  斜め照明光源
２４３  光源
２４５  焦点検出光
２４６  反射面
２５０  交換可能対物レンズ
２５５  ワークピース光
２６０  カメラ／検出器
２７０，２８６，２８８  レンズ
２７１  インタフェース
２７１  レンズ制御部／インタフェース
２７５  焦点信号処理部
２７７  検出器構成
２７８  検出器信号処理部
２８０  ターレットレンズアセンブリ
２８４  軸
２９０  反射面
２９４  制御可能モータ
２９６  信号ライン
【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５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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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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【外国語明細書】
2018077461000001.pdf