(57)【要約】【課題】ＶＦＬレンズと、その光学パワーを変調するコントローラと、対物レンズ及びＶＦＬレンズを含む撮像経路に沿って配置されたカメラと、を含む可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムにおいて用いられる、合焦状態参照物体及び参照物体光学系を含む合焦状態参照サブシステムを提供する。【解決手段】参参照物体光学系は、合焦状態参照物体からの画像光を、撮像経路の一部に沿ってＶＦＬレンズを介してカメラへ伝送する。合焦状態参照物体の各合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）は、参照物体光学系に対してそれぞれの合焦位置に固定されたコントラストパターンを含む。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ＦＳＲＲに関連付けられたベストフォーカス参照状態を規定する。ベストフォーカス参照状態は、対物レンズを介したＶＦＬレンズシステムのＶＦＬ光学パワー及び／又は有効合焦位置を含む。【選択図】  図１
2019113554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムであって、
ＶＦＬレンズと、
前記ＶＦＬレンズの駆動信号を制御して、各位相タイミングに応じた前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲において周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、
画像露光中に前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
ワークピース画像露光中に入力されるワークピースからのワークピース光を、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し、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、前記ワークピース画像露光中に、前記対物レンズの前方の有効合焦位置が前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応する、対物レンズと、
前記カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御する露光時間コントローラと、
合焦状態参照物体及び参照物体光学系構成を含む合焦状態参照サブシステムと、
を備え、
前記参照物体光学系構成は、参照物体画像露光中に入力される前記合焦状態参照物体からの参照物体光を前記撮像光路の少なくとも一部に沿って、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラへ伝送し、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供するように配置され、
前記合焦状態参照物体は、合焦状態参照領域セットを含み、
前記合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、前記参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、前記参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置され、
特定の合焦状態参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、当該特定の合焦状態参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、ＶＦＬレンズシステム。
【請求項２】
前記合焦状態参照物体は、前記参照物体光学系構成の光軸に沿って前記参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる合焦距離に配置された複数の平面状パターン表面を含み、
前記合焦状態参照領域セットは、前記複数の平面状パターン表面上に配置されている、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項３】
前記合焦状態参照物体は、少なくとも１つのパターン表面を含み、
前記少なくとも１つのパターン表面の少なくとも一部は、前記参照物体光学系構成の光軸に対して垂直でなく、前記少なくとも１つのパターン表面の異なる部分が前記参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる合焦距離に配置され、
前記合焦状態参照領域セットは、前記少なくとも１つのパターン表面の前記異なる部分に配置されている、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのパターン表面は、前記参照物体光学系構成の前記光軸に対して垂直でない平面状パターン表面を含み、
前記合焦状態参照領域セットは、前記参照物体光学系構成の前記光軸に対して垂直でない前記平面状パターン表面に沿って延出するコントラストパターンの異なる部分を含む、請求項３に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項５】
前記参照物体光学系構成は、前記参照物体光学系構成の光軸に沿って焦点距離を有する参照物体撮像レンズを含み、
前記それぞれ異なる参照領域合焦位置は、前記焦点距離よりも前記参照物体撮像レンズから遠くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦位置と、前記焦点距離よりも前記参照物体撮像レンズの近くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦位置と、を含む、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項６】
前記焦点距離は、少なくとも３０ミリメートルである。請求項５に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項７】
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レンズの駆動信号を制御して、各位相タイミングに応じた前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲において周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、
画像露光中に前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
ワークピース画像露光中に入力されるワークピースからのワークピース光を、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し、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、前記ワークピース画像露光中に、前記対物レンズの前方の有効合焦位置が前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応する、対物レンズと、
前記カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御する露光時間コントローラと、
合焦状態参照物体撮像構成内に配置された合焦状態参照物体を含む合焦状態参照サブシステムと、
を備え、
前記ＶＦＬレンズシステムのノミナル中間像面は、前記対物レンズと前記ＶＦＬレンズとの間で前記撮像光路に沿って位置付けられ、
前記合焦状態参照物体は、前記ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接する前記撮像光路に沿った中間像面ゾーン内に配置され、かつ、参照物体画像露光中に前記中間像面ゾーンから前記撮像光路の少なくとも一部に沿って、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラへ伝送され、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する参照物体画像光を出力し、
前記合焦状態参照物体は、合焦状態参照領域セットを含み、
前記合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、前記参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置され、
特定の合焦状態参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、当該特定の合焦状態参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、ＶＦＬレンズシステム。
【請求項８】
前記合焦状態参照領域セットは、前記合焦状態参照物体上で、前記参照物体画像内のそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションが前記カメラ画像の中央エリアでなく前記カメラ画像の１以上のエッジに沿って位置付けられるように構成されている、請求項１又は７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項９】
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記ワークピース画像が前記カメラ画像の前記中央エリアに位置付けられるように構成されている、請求項８に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１０】
前記中央エリアは、透明である、請求項８又は９に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１１】
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記ワークピース画像が前記カメラ画像の第１のエリアに位置付けられるように、かつ、前記合焦状態参照領域セットの前記それぞれ既知の参照領域画像ロケーションが前記第１のエリアとは異なる第２のエリアに位置付けられるように、更に、前記ワークピース画像及び前記参照物体画像が同時に同一のカメラ画像で露光されるように構成されている、請求項１又は７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１２】
前記第１のエリアは、前記合焦状態参照物体が有する透明なエリアに対応する、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、前記カメラ画像内の前記特定の合焦状態参照領域の前記ベストフォーカス画像を識別するように、更に、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた前記特定の有効合焦位置を、同一カメラ画像内の前記ワークピース画像の有効合焦位置として識別するように構成された参照領域合焦解析器を含む、請求項１１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１４】
前記合焦状態参照物体は、前記撮像光路に沿って前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる合焦距離に配置された複数の平面状パターン表面を含み、
前記合焦状態参照領域セットは、前記複数の平面状パターン表面上に配置されている、請求項７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１５】
前記合焦状態参照物体は、少なくとも１つのパターン表面を含み、
前記少なくとも１つのパターン表面の少なくとも一部は、前記撮像光路の光軸に対して垂直でなく、前記少なくとも１つのパターン表面の異なる部分が、前記撮像光路に沿って前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる合焦距離に配置され、
前記合焦状態参照領域セットは、前記少なくとも１つのパターン表面の前記異なる部分上に配置されている、請求項７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのパターン表面は、前記撮像光路の前記光軸に対して垂直でない平面状パターン表面を含み、
前記合焦状態参照領域セットは、前記撮像光路の前記光軸に対して垂直でない前記平面状パターン表面に沿って延出するコントラストパターンの異なる部分を含む、請求項１５に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１７】
前記それぞれ異なる参照領域合焦位置は、前記撮像光路に沿った前記ノミナル中間像面の一方側に位置する少なくとも１つの参照領域合焦位置と、前記撮像光路に沿った前記ノミナル中間像面の他方側に位置する少なくとも１つの参照領域合焦位置と、を含む、請求項７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１８】
前記ＶＦＬレンズシステムの較正済み状態は、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参照物体画像において特定の較正済み合焦特性値を示す前記合焦状態参照領域セットの少なくとも１つのメンバを含み、
前記ＶＦＬレンズシステムは、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参照物体画像における前記合焦状態参照領域セットのメンバの前記合焦特性値を決定するように構成された参照領域合焦解析器を備え、
前記ＶＦＬレンズコントローラは、前記参照領域合焦解析器を自動的に又は半自動的に動作させて、決定された前記合焦特性値が、対応する特定の既知の位相タイミングにおける前記合焦状態参照領域セットの少なくとも１つのメンバの前記特定の較正済み合焦特性値と一致するよう前記ＶＦＬレンズの前記駆動信号を調整する、請求項１又は７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項１９】
決定された前記合焦特性値は、前記合焦状態参照領域セットのメンバの前記既知の参照領域画像ロケーションに対応した参照物体画像データに基づく定量的コントラスト尺度の値を含む、請求項１８に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２０】
前記参照領域合焦解析器は、リモートコンピュータにおいてソフトウェアルーチンによって実施される動作セットを含み、
前記リモートコンピュータは、前記ＶＦＬレンズシステムから前記参照物体画像データを受信し、前記既知の参照領域画像ロケーションに対応した前記参照物体画像データに基づいて前記動作セットを実行して前記定量的コントラスト尺度の値を決定するように構成されている、請求項１９に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２１】
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記ワークピース画像露光中に前記ワークピースに照明を与えるように構成されたワークピースストロボ光源を備え、
前記露光時間コントローラは、前記ワークピースストロボ光源のストロボタイミングを制御することによって前記ワークピース画像露光のタイミングを制御する、請求項１又は７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２２】
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記参照物体画像露光中に前記合焦状態参照物体に照明を与えるように構成された参照物体ストロボ光源を備え、
前記露光時間コントローラは、前記参照物体ストロボ光源のストロボタイミングを制御することによって前記参照物体画像露光のタイミングを制御する、請求項２１に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２３】
前記ワークピースストロボ光源及び前記参照物体ストロボ光源は、同一の光源であり、
前記ワークピース画像露光及び前記参照物体画像露光の前記タイミングは同時であり、
前記ワークピース画像及び前記参照物体画像は、同一のカメラ画像に含まれる、請求項２２に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２４】
前記ワークピースストロボ光源及び前記参照物体ストロボ光源は、異なる光源であり、
前記ワークピース画像露光及び前記参照物体画像露光の前記タイミングは異なり、
前記ワークピース画像及び前記参照物体画像は、異なるカメラ画像に含まれる、請求項２２に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２５】
前記ＶＦＬレンズシステムの較正済み状態は、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参照物体画像において特定の較正済み合焦特性値を示す前記合焦状態参照領域セットの少なくとも１つのメンバを含み、
前記ＶＦＬレンズシステムは、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参照物体画像における前記合焦状態参照領域セットの少なくとも１つのメンバの前記合焦特性値を決定するように構成された参照領域合焦解析器を備え、
前記ＶＦＬレンズシステムは、前記参照領域合焦解析器を自動的に又は半自動的に動作させて、決定された前記合焦特性値が、対応する特定の既知の位相タイミングにおける前記合焦状態参照領域セットの少なくとも１つのメンバの前記特定の較正済み合焦特性値と一致しない場合、警告インジケータを提供する、請求項１又は７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２６】
前記対物レンズと前記ＶＦＬレンズとの間に前記撮像光路に沿って配置されたチューブレンズ及びリレーレンズを更に備え、
前記対物レンズによって前記撮像光路に沿って伝送された前記ワークピース光は、前記チューブレンズで受光され、前記チューブレンズによって前記リレーレンズに出力され、前記リレーレンズは、前記ワークピース光を前記ＶＦＬレンズに出力し、
前記ノミナル中間像面は、前記チューブレンズと前記リレーレンズとの間に位置付けられている、請求項７に記載のＶＦＬレンズシステム。
【請求項２７】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムにおいて用いられる合焦状態参照サブシステムであって、
前記ＶＦＬレンズシステムは、
ＶＦＬレンズと、
前記ＶＦＬレンズの駆動信号を制御して、各位相タイミングに応じた前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲において周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、
画像露光中に前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
ワークピース画像露光中に入力されるワークピースからのワークピース光を、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して、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、ワークピース画像露光中に、前記対物レンズの前方の有効合焦位置が前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応する、対物レンズと、
カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御する露光時間コントローラと、
アクセサリ光学ポートを含むＶＦＬレンズシステムフレーム又は筐体と、を備え、
前記合焦状態参照サブシステムは、
合焦状態参照物体と、
参照物体光学系構成と、
参照サブシステム光学ポートを含む参照サブシステムフレーム又は筐体と、を備え、
前記参照サブシステム光学ポートは、前記ＶＦＬレンズシステム上の前記アクセサリ光学ポートに固定して搭載するように構成され、
前記参照物体光学系構成は、前記参照サブシステム光学ポートが前記ＶＦＬレンズシステム上の前記アクセサリ光学ポートに固定して搭載された場合、前記参照物体光学系構成が、参照物体画像露光中に前記合焦状態参照物体から入力された参照物体光を前記撮像光路の少なくとも一部に沿って、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに伝送し、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供するように配置され、
前記合焦状態参照物体は、合焦状態参照領域のセットを含み、
前記合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、前記参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、前記参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置され、
特定の合焦状態参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、合焦状態参照サブシステム。
【請求項２８】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムにおいて用いられる合焦状態参照サブシステムであって、
前記ＶＦＬレンズシステムは、
ＶＦＬレンズと、
前記ＶＦＬレンズの駆動信号を制御して、各位相タイミングに応じた前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲において周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、
画像露光中に前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
ワークピース画像露光中に入力されるワークピースからのワークピース光を、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し、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、ワークピース画像露光中に、前記対物レンズの前方の有効合焦位置が前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応し、前記ＶＦＬレンズシステムのノミナル中間像面が前記対物レンズと前記ＶＦＬレンズとの間で前記撮像光路に沿って位置付けられている、対物レンズと、
カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御する露光時間コントローラと、
アクセサリ結合要素を含むＶＦＬレンズシステムフレーム又は筐体と、を備え、
前記合焦状態参照サブシステムは、
前記ＶＦＬレンズシステム上の前記アクセサリ結合要素に固定して搭載するように構成された参照サブシステム結合要素を含む参照サブシステムフレーム又は筐体と、
前記参照サブシステムフレーム又は筐体に固定して配置された合焦状態参照物体と、を備え、
前記合焦状態参照サブシステムは、前記参照サブシステム結合要素が前記ＶＦＬレンズシステム上の前記アクセサリ結合要素に固定して搭載された場合、前記ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接する前記撮像光路に沿った中間像面ゾーン内に前記合焦状態参照物体が位置付けられる合焦状態参照物体撮像構成内に前記合焦状態参照物体を配置するように構成され、
前記合焦状態参照物体は、参照物体画像露光中に、参照物体画像光を前記中間像面ゾーンから前記撮像光路の少なくとも一部に沿って、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに伝送することにより、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供し、
前記合焦状態参照物体は、合焦状態参照領域のセットを含み、
前記合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、前記参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置され、
特定の合焦状態参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、当該特定の合焦状態参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、合焦状態参照サブシステム。
【請求項２９】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの合焦状態を決定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レンズの駆動信号を制御して、各位相タイミングに応じた前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲において周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、
画像露光中に前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
ワークピース画像露光中に入力されるワークピースからのワークピース光を、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し、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、ワークピース画像露光中に、前記対物レンズの前方の有効合焦位置が前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応し、前記ＶＦＬレンズシステムのノミナル中間像面が前記対物レンズと前記ＶＦＬレンズとの間で前記撮像光路に沿って位置付けられている、対物レンズと、
カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御する露光時間コントローラと、
を備え、前記方法は、
前記ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接する前記撮像光路に沿った中間像面ゾーン内に合焦状態参照物体が位置付けられる合焦状態参照物体撮像構成内に前記合焦状態参照物体を配置することと、
参照物体画像露光中に前記合焦状態参照物体から出力された参照物体画像光を、前記中間像面ゾーンから前記撮像光路の少なくとも一部に沿って、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに伝送し、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供することと、
を含み、
前記合焦状態参照物体は、合焦状態参照領域のセットを含み、
前記合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、前記参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置され、
特定の合焦状態参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、方法。
【請求項３０】
前記対応するカメラ画像を解析して、前記対応するカメラ画像内でベストフォーカス画像を有する特定の合焦状態参照領域を決定することと、
決定された特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、システム合焦参照状態を決定することと、
を更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの合焦状態を決定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レンズの駆動信号を制御して、各位相タイミングに応じた前記ＶＦＬレンズの光学パワーを所定の範囲において周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、
画像露光中に前記ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って伝送された光を受光し、対応するカメラ画像を提供するカメラと、
ワークピース画像露光中に入力されるワークピースからのワークピース光を、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し、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、ワークピース画像露光中に、前記対物レンズの前方の有効合焦位置が当該ワークピース画像露光中の前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応し、前記ＶＦＬレンズシステムのノミナル中間像面が前記対物レンズと前記ＶＦＬレンズとの間で前記撮像光路に沿って位置付けられている、対物レンズと、
カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御する露光時間コントローラと、
を備え、前記方法は、
合焦状態参照物体及び参照物体光学系構成を合焦状態参照物体撮像構成内に配置することであって、前記参照物体光学系構成は、前記合焦状態参照物体から受光した参照物体光を、前記撮像光路の少なくとも一部に沿って伝送し、前記撮像光路の少なくとも１つの光学要素と共働して動作して、前記ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接する中間像面ゾーンに配置された前記合焦状態参照物体の合焦状態参照領域のセットの中間像を形成し、前記合焦状態参照領域のセットは、前記参照物体光学系構成に対するそれぞれの参照領域合焦位置に応じて、前記撮像光路に沿って前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる合焦位置に位置付けられた対応する中間像を有する、ことと、
参照物体画像露光中に前記合焦状態参照物体から参照物体画像光を出力することであって、前記参照物体光学系構成は、前記合焦状態参照物体から受光した前記参照物体光を前記撮像光路の少なくとも一部に沿って伝送し、前記撮像光路の少なくとも１つの光学要素と共働して動作して、前記中間像面ゾーンにおいて前記合焦状態参照領域のセットの前記中間像を形成し、更に前記参照物体画像露光中に前記参照物体画像光を前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに伝送し、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する、ことと、
を含み、
前記合焦状態参照物体は、合焦状態参照領域のセットを含み、
前記合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、前記参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、前記ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置され、
特定の合焦状態参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、前記特定の合焦状態参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む、方法。
【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撮像システムの合焦状態及び／又はその撮像システムにおける高速可変焦点距離レンズの光学パワーを監視することに関する。
【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屈折効果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、すなわち高速に、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が、温度のような条件の変動によってその共振特性がわずかに変わり、光学パワー及び変調周波数の変化が生じ、これがシステムの性能及び精度に影響を及ぼす可能性がある。このような問題を改善できる撮像システムが求められる。
【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、特許請求の範囲を特定することを意図しておらず、特許請求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】
本明細書に開示される原理に従って、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、ＶＦＬレンズコントローラと、カメラと、対物レンズと、露光時間コントローラと、合焦状態参照サブシステムと、を含むＶＦＬレンズシステムが提供される。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レンズコントローラは、ＶＦＬレンズの駆動信号を制御して、所定の範囲の光学パワーにわたってＶＦＬレンズの光学パワーを周期的に変調する。所定の範囲の光学パワーは、周期的な変調内の各位相タイミングで発生する。カメラは、画像露光中にＶＦＬレンズを介して撮像光路（本明細書ではワークピース撮像光路とも称する）に沿って伝送された光を受光するように配置され、対応するカメラ画像を提供する。対物レンズは、ワークピース画像露光中にワークピースからのワークピース光が入力されるように配置され、ワークピース画像露光中にワークピース光を撮像光路に沿ってＶＦＬレンズを介してカメラへ伝送して、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する。ワークピース画像露光中の対物レンズの前方の有効合焦位置は、そのワークピース画像露光中のＶＦＬレンズの光学パワーに対応する。露光時間コントローラは、カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御するように構成されている。
【０００８】
本明細書に開示されるように、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムは、更に、少なくとも合焦状態（ＦＳ：Ｆｏｃｕｓ  Ｓｔａｔｅ）参照物体、及びいくつかの実施例では参照物体光学系構成を含む、合焦状態参照サブシステムを備える。参照物体光学系構成は、参照物体画像露光中にＦＳ参照物体からの参照物体光が入力され、参照物体画像露光中に参照物体光を撮像光路の少なくとも一部に沿って、ＶＦＬレンズを介してカメラに伝送し、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供するように配置されている。ＦＳ参照物体は、合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットを含み、この合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に配置されている。前述の要素が本明細書に開示される原理に従って構成されている場合、特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像は、特定のＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む。
【０００９】
いくつかの実施例において、ＦＳ参照物体は、その光軸に沿って参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる合焦距離に固定された複数の平面状パターン表面を含み、合焦状態（ＦＳ）参照領域セットは、複数の平面状パターン表面上に配置されている。
【００１０】
いくつかの実施例において、ＦＳ参照物体は、少なくとも１つのパターン表面を含み、少なくとも１つのパターン表面の少なくとも一部は、参照物体光学系構成の光軸に対して垂直でない。少なくとも１つのパターン表面の異なる部分は、参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる合焦距離に配置され、合焦状態（ＦＳ）参照領域セットは、少なくとも１つのパターン表面の異なる部分上に配置されている。いくつかのこのような実施例において、少なくとも１つのパターン表面は、参照物体光学系構成の光軸に対して垂直でない平面状パターン表面を含むことができ、合焦状態（ＦＳ）参照領域セットは、この光軸に対して垂直でない平面状パターン表面に沿って延出するコントラストパターンの異なる部分を含むことができる。
【００１１】
いくつかの実施例において、参照物体光学系構成は、その光軸に沿って焦点距離Ｆｒｅｆを有する参照物体撮像レンズを含み、それぞれ異なる参照領域合焦位置は、焦点距離Ｆｒｅｆよりも参照物体撮像レンズから遠くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦距離と、焦点距離Ｆｒｅｆよりも参照物体撮像レンズの近くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦距離と、を含む。様々な実施例において、焦点距離Ｆｒｅｆは少なくとも３０ミリメートル、又は少なくとも４０ミリメートル、又はそれ以上であり得る。
【００１２】
様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース画像がカメラ画像の第１のエリア内に位置するように、かつ、合焦状態（ＦＳ）参照領域セットの既知の各参照領域画像ロケーションが第１のエリアとは異なるカメラ画像の第２のエリア内に位置するように構成されている。いくつかのそのような実施例において、ワークピース画像及び参照物体画像は同一のカメラ画像内で同時に露光される。
【００１３】
いくつかの実施例において、合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットは、ＦＳ参照物体上で、参照物体画像内のそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションがカメラ画像の中央エリアでなくカメラ画像の１以上のエッジに沿って位置付けられるように構成されている。いくつかのこのような実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース画像がカメラ画像の中央エリアに位置するように構成されている。いくつかのこのような実施例において、ワークピース画像及び参照物体画像は同一のカメラ画像内で同時に露光される。
【００１４】
いくつかの実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース画像露光中にワークピースに照明を与えるように構成されたワークピースストロボ光源を備え、露光時間コントローラは、ワークピースストロボ光源のストロボタイミングを制御することによってワークピース画像露光のタイミングを制御するように構成されている。いくつかの実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、参照物体画像露光中に参照物体に照明を与えるように構成された参照物体ストロボ光源を備え、露光時間コントローラは、参照物体ストロボ光源のストロボタイミングを制御することによって参照物体画像露光のタイミングを制御するように構成されている。いくつかのそのような実施例において、ワークピースストロボ光源及び参照物体ストロボ光源は同一の光源であり、ワークピース画像露光及び参照物体画像露光のタイミングは同時であり、ワークピース画像及び参照物体画像は同一のカメラ画像に含まれる。他の実施例では、ワークピースストロボ光源及び参照物体ストロボ光源は異なる光源であり、ワークピース画像露光及び参照物体画像露光のタイミングは異なり、ワークピース画像及び参照物体画像は異なるカメラ画像に含まれる。
【００１５】
いくつかの実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、カメラ画像内の特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を識別するように、更に、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定の有効合焦位置を、同一カメラ画像内のワークピース画像の有効合焦位置として識別するように構成された参照領域合焦解析器を含む。
【００１６】
上述の様々な実施例では、既知の顕微鏡撮像原理に従って、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムのノミナル中間像面が、対物レンズとＶＦＬレンズとの間でワークピース撮像光路に沿って位置付けられ得ることは理解されよう。例えばワークピース撮像経路は、対物レンズとＶＦＬレンズとの間に配置されたチューブレンズ及びリレーレンズを更に備えることができる。対物レンズによってワークピース撮像光路に沿って伝送されたワークピース光はチューブレンズで受光され、チューブレンズによってリレーレンズに出力され、次いでリレーレンズはワークピース光をＶＦＬレンズに出力する。ノミナル中間像面はチューブレンズとリレーレンズとの間に位置付けることができる。
【００１７】
前述のことに基づき、上述の実施例のいくつかの代替的な記載において、合焦状態参照サブシステムは、参照物体光学系構成が参照物体光をワークピース撮像光路の少なくとも一部に沿って伝送し、ワークピース撮像光路の少なくとも１つの光学要素（例えばチューブレンズ）と共働して動作して、参照物体光学系構成に対するそれぞれの参照領域合焦位置に応じて、ワークピース撮像光路に沿ってノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる（参照）合焦位置に固定された合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットの中間像を形成するように構成されていることが理解できる。便宜的な参照のため、合焦状態参照領域セットの中間像のそれぞれ異なる（参照）合焦位置は、ワークピース撮像光路に沿った中間像面ゾーン内にあるか又はこの中間像面ゾーンに位置付けられていると称することができる。中間像面ゾーンは、ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接する。ノミナル中間像面のロケーションとは無関係に、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズが屈折効果を与えない（光学パワーが無い）状態である場合、対物レンズ３５０のノミナル焦点面、ノミナル中間像面、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ことが理解できる。
【００１８】
そのような実施例の動作の代替的な記載において、参照物体画像露光中、ＦＳ参照領域セットの中間像からの光は中間像面ゾーンからＶＦＬレンズを介してカメラへ達し、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供すると言うことができる。この代替的な記載において、特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像がその特定のＦＳ参照領域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、及び、その規定されたシステム合焦参照状態がその特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含むことは、依然として当てはまる。
【００１９】
後述する合焦状態参照サブシステムのいくつかの追加の実施例の動作は、上述した様々な実施例の動作の代替的な記載との類似性によって理解することができる。
【００２０】
様々な実施例において、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムは、ＶＦＬレンズと、ＶＦＬレンズの駆動信号を制御して、周期的な変調内の各位相タイミングで発生する所定の範囲の光学パワーにわたってＶＦＬレンズの光学パワーを周期的に変調するＶＦＬレンズコントローラと、画像露光中にＶＦＬレンズを介してワークピース撮像光路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カメラと、ワークピース画像露光中にワークピースからのワークピース光が入力され、ワークピース画像露光中にワークピース光をワークピース撮像光路に沿ってＶＦＬレンズを介してカメラへ伝送して、対応するカメラ画像にワークピース画像を提供する対物レンズであって、ワークピース画像露光中の対物レンズの前方の有効合焦位置がワークピース画像露光中のＶＦＬレンズの光学パワーに対応する、対物レンズと、カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御するように構成された露光時間コントローラと、を備える。ＶＦＬレンズシステムは更に、合焦状態（ＦＳ）参照物体撮像構成内に配置されたＦＳ参照物体を含む合焦状態参照サブシステムを備え、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムのノミナル中間像面は、対物レンズとＶＦＬレンズとの間でワークピース撮像光路に沿って位置付けられ、ＦＳ参照物体は、ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接するワークピース撮像光路に沿った中間像面ゾーン内に位置付けられている。ＦＳ参照物体は、参照物体画像露光中に参照物体画像光を出力するように構成され、参照物体画像露光中に参照物体画像光は、中間像面ゾーンからワークピース撮像光路の少なくとも一部に沿って、ＶＦＬレンズを介してカメラに伝送され、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する。ＦＳ参照物体は合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットを含み、この合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に固定されている。特定のＦＳ参照領域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ＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、規定されたシステム合焦参照状態は、特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む。いくつかのこのような実施例において、ＶＦＬレンズシステムは、対物レンズとＶＦＬレンズとの間に光路に沿って配置されたチューブレンズ及びリレーレンズを更に備えることができ、対物レンズによってワークピース撮像光路に沿って伝送されたワークピース光はチューブレンズで受光され、チューブレンズによってリレーレンズに出力され、次いでリレーレンズはワークピース光をＶＦＬレンズに出力する。ノミナル中間像面はチューブレンズとリレーレンズとの間に位置付けられている。
【００２１】
上述した様々な実施例において、合焦状態（ＦＳ）参照物体は、透明な中央エリアを有することができ、ＦＳ参照領域セットはＦＳ参照物体上で、参照物体画像内のそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションがカメラ画像の中央エリアでなく、カメラ画像の１以上のエッジに沿って位置付けられるように構成されている。ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース画像がカメラ画像の中央エリアに位置付けられるように構成できる。
【００２２】
いくつかの実施例において、合焦状態（ＦＳ）参照物体は、透明な第１のエリアを有し、ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース画像が透明な第１のエリアに対応したカメラ画像の第１のエリアに位置付けられるように、かつ、ＦＳ参照領域セットのそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションが第１のエリアとは異なるカメラ画像の第２のエリアに位置付けられるように、更に、ワークピース画像及び参照物体画像が同時に同一のカメラ画像で露光されるように構成されている。ＶＦＬレンズシステムは、カメラ画像内の特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を識別するように、更に、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定の有効合焦位置を、同一カメラ画像内のワークピース画像の有効合焦位置として識別するように構成された参照領域合焦解析器を含むことができる。
【００２３】
いくつかの実施例において、ＦＳ参照物体は、ワークピース撮像光路に沿ってノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる合焦距離に固定された複数の平面状パターン表面を含み、ＦＳ参照領域セットは複数の平面状パターン表面上に配置されている。他の実施例では、ＦＳ参照物体は少なくとも１つのパターン表面を含み、少なくとも１つのパターン表面の少なくとも一部は、ワークピース撮像光路の光軸に対して垂直でなく、少なくとも１つのパターン表面の異なる部分が、ワークピース撮像光路に沿ってノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる合焦距離に固定されるようになっており、ＦＳ参照領域セットは少なくとも１つのパターン表面の異なる部分上に配置されている。いくつかのそのような実施例において、少なくとも１つのパターン表面は、ワークピース撮像光路の光軸に対して垂直でない平面状パターン表面を含み、ＦＳ参照領域セットは、ワークピース撮像光路の光軸に対して垂直でない平面状パターン表面に沿って延出するコントラストパターンの異なる部分を含む。
【００２４】
いくつかの実施例において、それぞれ異なる参照領域合焦位置は、ワークピース撮像光路に沿ったノミナル中間像面の一方側に位置する少なくとも１つの参照領域合焦位置と、ワークピース撮像光路に沿ったノミナル中間像面の他方側に位置する少なくとも１つの参照領域合焦位置と、を含む。
【００２５】
いくつかの実施例において、ＶＦＬレンズシステムの較正済み状態は、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参照物体画像において特定の較正済み合焦特性値を示すＦＳ参照領域セットの少なくとも１つのメンバを含み、ＶＦＬレンズシステムは、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参照物体画像におけるＦＳ参照領域セットのメンバの合焦特性値を決定するように構成された参照領域合焦解析器を備え、ＶＦＬレンズコントローラは、参照領域合焦解析器を自動的に又は半自動的に動作させて、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少なくとも１つの参照物体画像におけるＦＳ参照領域セットの少なくとも１つのメンバの決定された合焦特性値が、その対応する特定の既知の位相タイミングにおけるＦＳ参照領域セットのその少なくとも１つのメンバの特定の較正済み合焦特性値と一致するようＶＦＬレンズの駆動信号を調整するように構成されている。いくつかのそのような実施例において、ＦＳ参照領域セットのメンバの決定された合焦特性値は、ＦＳ参照領域セットのそのメンバの既知の参照領域画像ロケーションに対応した参照物体画像データに基づく定量的コントラスト尺度の値を含む。いくつかのそのような実施例において、参照領域合焦解析器は、リモートコンピュータにおいてソフトウェアルーチンによって実施される動作セットを含み、リモートコンピュータは、ＶＦＬレンズシステムから参照物体画像データを受信し、ＦＳ参照領域セットのそのメンバの既知の参照領域画像ロケーションに対応した参照物体画像データに基づいて動作セットを実行して定量的コントラスト尺度の値を決定するように構成されている。
【００２６】
上述し、以下で更に詳しく記載する様々なストロボ照明原理及び較正原理は、上述した及び／又は以下で詳述する様々な合焦状態参照サブシステムの実施例又は構成の任意のものと連携して動作するように適合できることは理解されよう。本明細書に開示される原理に従って構成された合焦状態参照サブシステムは、いくつかの実施例では「内蔵」サブシステムとして提供され、そのコンポーネントは本明細書に開示されるような所望の動作位置に永久的に配置され得ることは理解されよう。しかしながら、いくつかの実施例では、上述の原理に従って構成された合焦状態参照サブシステムは、以下で詳述するように、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステム３００に対して動作位置に搭載するように構成された「アクセサリ」として提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【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原理に従った合焦状態参照サブシステムの第１の例示的な実施例を含む、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撮像システムの概略図である。
【図４】本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステムにおいて使用できる参照物体の第１の実施形態を含む実施例を示す図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、３つの異なる合焦状態における、図４の参照物体の画像を含む３つのカメラ画像を表す図である。
【図６】本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステムを含むＶＦＬ撮像システムにおいて、図４及び図５に示されている参照物体の様々な「ベストフォーカスの」参照領域に関連付けられた様々な合焦状態特性（ｆｅａｔｕｒｅ）又はパラメータ間の関係を表すチャートである。
【図７】本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステムを含むＶＦＬ撮像システムの周期的に変調される合焦状態に関連付けられた様々な合焦状態特性又はパラメータ間の関係を表すチャートである。
【図８】本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステムにおいて使用できる参照物体の第２の実施形態を含む実施例を示す図である。
【図９】図９（Ａ）〜（Ｃ）は、３つの異なる合焦状態における、図８の参照物体の画像を含む３つのカメラ画像を表す図である。
【図１０】本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステムの第２の例示的な実施例を含む、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撮像システムの概略図である。
【図１１】本明細書に開示される原理に従って、図１０に示されているもののような可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの合焦状態を決定するための方法の１つの例示的な実施例を示すフローチャートである。
【図１２】本明細書に開示される原理に従って、図３に示されているもののような可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの合焦状態を決定するための方法の１つの例示的な実施例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本明細書に記載される方法に従って撮像システムとして使用可能である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。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。
【００２９】
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、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。以下で詳述するように、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。
【００３２】
光学アセンブリ部２０５は、本明細書において以下で更に詳しく開示されるように、カメラシステム２６０、交換可能対物レンズ２５０、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）、及び合焦状態参照サブシステム２８６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、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。
【００３３】
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。以下で詳述するように、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（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、以下で詳述するように、本明細書に開示される様々な原理に従ったＶＦＬレンズコントローラ１８０を含むことができる。ワークピース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の視野がワークピース２０上の複数のロケーション間で及び／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。
【００３４】
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、１又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はワークピース光２５５として反射又は透過され、撮像のために用いられるワークピース光は、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又は複数のワークピース２０の画像を含むワークピース画像露光は、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。
【００３５】
図示されている実施例において、ビームスプリッタ２９０は光源光２３２の一部を透過し、これはミラー２９１によって反射されて、合焦状態参照サブシステム２８６に含まれる参照物体を照明する。これについては以下で詳述する。このような実施例において、参照物体画像露光中に、参照物体光２８９は、ミラー２９１及びビームスプリッタ２９０に戻って反射され、撮像光路の少なくとも一部に沿って進み続け、ＶＦＬレンズ２７０を介してカメラシステム２６０に伝送され、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する。これについては以下で詳述する。しかしながら他の実施例では、合焦状態参照サブシステム２８６は、別個に制御される照明源を含むことができる（例えば、図３を参照して後述するように）。
【００３６】
様々な光源（例えば光源２２０、２３０、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。様々な実施例において、これは、以下で詳述するように合焦状態参照サブシステム２８６の光源を含み得る。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を制御して軸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つ選択することができる。
【００３７】
図２に示すように、種々の例示的な実施例において制御システム部１２０は、コントローラ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レンズコントローラ１８０を含むか又はこれに接続することができる。ＶＦＬレンズコントローラ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参照サブシステム回路／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を参照して以下で詳述する。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レンズコントローラ１８０はマージされる及び／又は区別できない場合がある。
【００３８】
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。いくつかの実施形態において、図３に示されているような露光（ストロボ）時間コントローラ３３３ｅｓは、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、また以下で詳述するように、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）時間コントローラ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。
【００３９】
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号に詳述されている。
【００４０】
ビデオツール部１４３は、焦点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号に詳述されている。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。画像領域又は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定量的コントラスト尺度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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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で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。学習モードの動作では、このシーケンス（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なっている。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、検査動作を行わせて、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と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（すなわち対応ロケーションにおける対応する要素）を自動的に検査させる。いくつかの実施例においては、そのような技法を利用して、参照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、以下で詳述する機能及び動作を提供できる。
【００４４】
図３は、本明細書に開示される原理に従って構成されたＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）及び合焦状態参照サブシステム３８６を含む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。以下で詳述されるように、撮像光路ＯＰＡＴＨ（本明細書ではワークピース撮像光路とも称される）は、ワークピース３２０からカメラ３６０までワークピース撮像光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。撮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り、限定ではない。更に一般的には、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。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利用される。以下で詳述するように、本明細書に開示される原理に従って、合焦状態参照サブシステム３８６を用いて、参照物体光を撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って伝送し、ＶＦＬレンズ３７０を通過させて１つ以上の参照物体画像露光を形成することができる。これを合焦特性について解析し、システム合焦参照状態（例えば較正状態）に関連付けた対応する記憶されている特性と比較して、ＶＦＬレンズ３７０の予想される光学パワー及び／又はＶＦＬレンズシステム３００の有効合焦位置の変化又は誤差の検知を可能とする。
【００４５】
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、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、レンズコントローラ３８０、カメラ３６０、有効合焦位置（Ｚ高さ）較正部３７３、ワークピース合焦信号処理部３７５（任意選択的）、及び合焦状態参照サブシステム３８６を含む。様々な実施例において、様々なコンポーネントは、直接接続、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。
【００４６】
図３に示されている実施例において、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に隣接した有効合焦位置ＥＦＰで集束するワークピース光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。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のノミナル焦点面から生じるワークピース光３５５は、チューブレンズ３５１によって合焦され、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍにおいて中間像を形成する。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０が屈折効果を与えない（光学パワーが無い）状態である場合、対物レンズ３５０のノミナル焦点面、ノミナル中間像面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。
【００４７】
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）ワークピース光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はワークピース光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はワークピース光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）ワークピース画像を含み得る。いくつかの実施形態において、ワークピース画像露光は、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。以下で詳述するように、一部のカメラ画像は、参照物体画像露光中に与えられた（例えば参照物体３８８の）参照物体画像を含み得る。いくつかの実施形態において、参照物体画像露光は、カメラ３６０の画像積分期間内である光源３３０又は３３０ｒｏのストロボタイミングによって制限又は制御され得る。いくつかの実施例において、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）。
【００４８】
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例示に過ぎないので、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／又は有効合焦位置ＥＦＰ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のロケーション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。
【００４９】
様々な実施例において、レンズコントローラ３８０は、駆動信号発生部３８１、タイミングクロック３８１’、ワークピース撮像回路／ルーチン３８２、及び合焦状態参照サブシステム回路／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コントローラ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。
【００５０】
様々な実施例において、レンズコントローラ３８０は一般に、ＶＦＬレンズ３７０の所望の位相タイミングと同期してワークピース３２０又は参照物体３８８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、ワークピース撮像回路／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て、光学システムの標準的なワークピース撮像動作を実行する。以下で詳述するように、様々な実施例において、合焦状態参照サブシステム回路／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の監視及び／又は安定化を実行することができる。様々な実施例において、合焦状態の監視及び／又は安定化は、オンデマンドで（例えばユーザインタフェースにおけるユーザ選択に応答して、もしくは特定の条件が検出された場合等）実行するか、又は定期的に（１秒に１度、又は１０秒に１度、又は１時間に１度等）実行することができる。いくつかの実施例において、レンズコントローラ３８０は、合焦状態監視のために必要な参照物体画像露光がワークピース画像露光と重複しないように動作することができるが、合焦状態監視中に決定されたシステムの調整（例えばＶＦＬレンズ３７０の動作を調整するための）は、その後のワークピース撮像中に適用及び使用が続けられる。
【００５１】
合焦状態参照サブシステム回路／ルーチン３８３は、参照領域合焦解析器３８４と、調整及び／又は警告回路／ルーチン３８５と、を含む。様々な実施例において、参照領域合焦解析器３８４は、参照物体画像（例えばカメラ画像に含まれている）の入力及び特定のビデオツールの呼び出し（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）のような機能を実行するか、又は、他の合焦解析ルーチンを実行して、合焦状態監視等に使用される参照物体画像内の合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ：ｆｏｃｕｓ  ｓｔａｔｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｒｅｇｉｏｎ）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）を決定することができる。様々な実施例において、調整及び／又は警告回路／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／値を入力し、調整を行う必要があるか否かを決定するため、この結果／値を対応するＦＳ参照領域の対応する記憶されている較正結果／値と比較することができる。以下で詳述するように、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、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワー範囲及びその結果生じる有効合焦位置範囲を調整するため）、位相タイミング調整（例えば、特定の有効合焦位置又はＺ高さを与えるために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、そのような調整は、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詳述する。様々な実施例において、合焦状態参照サブシステム回路／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／又はその結果生じる有効合焦位置範囲が所望のレベルになる（例えば、記憶されている較正又は参照レベル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。
【００５２】
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を任意選択的に含むことができる。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。
【００５３】
以下で詳述するように、合焦状態監視中、カメラ３６０を用いて、参照物体光学系構成３８７を介して参照物体３８８の画像をキャプチャすることにより、参照物体画像露光を行うことができる。参照物体光学系構成３８７及び参照物体３８８は双方とも合焦状態参照サブシステム３８６に含まれている。いくつかの実施例において、光源３３０からの光３３２の一部はビームスプリッタ３９０を通過し、参照物体画像露光のために使用することができる。他の実施例では、合焦状態参照サブシステム３８６は、参照物体画像露光のために使用される光３３２ｒｏを与える参照物体光源３３０ｒｏも含むことができる。参照物体光源３３０ｒｏは、システム信号及び制御バス３９５上の信号及び／又は制御されたパワーに接続して制御することができ、これは前述のように露光時間コントローラ３３３ｅｓ等によって管理され得る。参照物体光源３３０ｒｏは参照物体３８８から反射される光３３２ｒｏを与えるように図示されているが、これが概略的な表現であることは理解されよう。他の実施例では、参照物体３８８及び参照物体光源３３０ｒｏは、参照物体３８８を透過する光を与えるように構成することができる。この場合、以下で詳述される原理に従って、参照物体３８８の中央エリアは不透明で参照物体光を遮断し、その合焦状態参照領域は中央エリアを取り囲んで参照物体光３８９を透過させる。いずれにせよ、参照物体画像露光中に、参照物体光３８９は、ＦＳ参照物体から発し、参照物体光学系構成３８７は参照物体光３８９を撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って、ＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に伝送され、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する（例えば、図４、図５、図８、及び図９に関して以下で詳述されるように）。いくつかの実施例において、合焦状態参照サブシステム３８６は、所望の場合、対物レンズ３５０及びチューブレンズ３５１の顕微鏡構成のフーリエ面から参照物体光を伝送するように構成できる。図５（Ａ）〜（Ｃ）に関して以下で詳述されるように、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この結果生じる撮像システム３００の有効合焦位置で露光された参照物体画像（例えば、例示的な画像５００Ａ〜５００Ｃ等）を与えて、合焦状態監視動作をサポートすることができる。以下で更に詳しく説明するように、特定の既知の位相タイミングを用いて露光された参照物体画像（例えば、例示的な画像５００Ａ〜５００Ｃ）に含まれるＦＳ参照領域セットのメンバの合焦特性値は、対応する位相タイミングにおけるＶＦＬレンズ３７０の光学パワー及びこの結果生じる撮像システム３００の有効合焦位置に関連している。
【００５４】
様々な実施例において、ＦＳ参照物体３８８は合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットを含む。この合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、参照物体光学系構成３８７に対してそれぞれ異なる参照領域合焦距離又は位置に固定されている。これについては図４、図５、図８、及び図９を参照して以下で更に詳しく説明する。結果として、特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を含むカメラ画像が、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定する。その規定されたシステム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む。これについては図６及び図７を参照して以下で詳述する。図示する実施例において、参照物体光学系構成３８７は、ＦＳ参照物体３８８からの参照物体光３８９をビームスプリッタ３９０の方へ伝送するレンズ３８７ａを含む。部分反射ビームスプリッタ３９０は、参照物体画像の光３８９を撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って誘導し、この光は、ＶＦＬレンズ３７０を通過して光３８９’として現れ、合焦状態監視をサポートするためカメラ３６０によって生成される参照物体画像露光における参照物体の画像を形成する。
【００５５】
様々な実施例では、以下で詳述されるように、レンズ３８７ａは一般に、ＦＳ参照物体３８８から発して参照物体画像を生成する参照物体光３８９に所望の発散を与える、又はほぼ平行光化するように構成されている。他の実施例では、合焦状態参照サブシステム３８６の他のロケーション及び／又は構成が利用され得ることは認められよう。例えば種々の代替的な実施例において、参照物体光学系構成３８７のレンズ３８７ａが複合レンズであること、又はレンズのセットを使用すること、及び／又は１つ以上の追加のリフレクタを用いて参照物体光路（例えばＯＡｒｅｆ）を作り変えること、及び／又は、既知の原理に従って、（光源３３０ｒｏにおいて特定の波長範囲を使用することと組み合わせて）波長フィルタを含ませ、ワークピース画像と参照物体画像を相互に隔離すること等が可能である。１つの実施例において、波長フィルタは、ワークピース光３５５のみを受光することが意図されたカメラ画像の部分（例えば中央部分）から狭帯域参照物体光３８９を除去するように、かつ、参照物体画像を与えることが意図されたカメラ画像の部分（例えば周辺部分）から狭帯域参照物体光３８９を除去しないように、形状及び配置を設定することができる。いくつかの実施例では、波長フィルタ（例えばダイクロイックフィルタ）を、図３に示されている１つ以上の要素（例えばビームスプリッタ３９０）に追加することができる。他の実施例では、波長フィルタを別個の要素として追加することができる。別の構成では、合焦状態参照サブシステム３８６を、ビームスプリッタ３９０の光源３３０と同じ側に配置して、ビームスプリッタ３９０の対応する透過特性及び／又は反射特性及び／又は追加の反射面を利用して参照物体光３８９を撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って誘導することも可能である。
【００５６】
様々な実施例において、参照物体画像の光３８９は、合焦状態参照サブシステム３８６の参照物体光学系構成３８７によって決定されるパターン及びビーム発散を有する。図３に示されている実施例では、参照物体３８８に近接したノミナル合焦位置ＲＦＰ−ｎｏｍがノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍと共役であるように、参照物体光学系構成３８７はチューブレンズ３５１に対して配置されている。言い換えると、参照物体光学系構成３８７のノミナル焦点面ＲＦＰ−ｎｏｍで参照物体３８８から発した光３８９は、チューブレンズ３５１によって合焦されて、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍで中間像を形成する。ＶＦＬレンズ３７０は、（例えばノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍから）参照物体画像の光３８９を受光し、参照物体画像の光３８９’を出力する。（例えばカメラ３６０における）画像合焦位置は、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、カメラ像面と共役なポイント、すなわち、ノミナル中間像面の近傍の合焦された面及び参照物体３８８の近傍（例えば、参照物体３８８におけるノミナル焦点面ＲＦＰ−ｎｏｍの近傍）の合焦された面も、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。参照物体３８８上の異なる合焦状態（ＦＳ）参照領域が参照物体光学系構成３８７からそれぞれ異なる距離に位置する場合、それらの領域は、ＶＦＬレンズ３７０の周期的な光学パワー変動中にそれぞれ異なる時点で取得される各画像において合焦される。従って様々な実施例では、以下で詳述するように、このような参照物体３８８を含む合焦状態参照サブシステム３８６を用いて、ＶＦＬレンズシステム３００が動作において安定しているか否か、及び／又はＶＦＬレンズ３７０の周期的な光学パワー変動中の様々な時点で所望の（例えば較正済みの）合焦状態にあるか否かを判定することができ、及び／又は、特定の画像の有効合焦位置を直接決定できる。
【００５７】
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、レンズコントローラ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等の周期的変調が可能である高速ＶＦＬレンズを（すなわちＶＦＬレンズ共振周波数で）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、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）とによって画定された範囲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。様々な実施例において、ＥＦＰ１及びＥＦＰ２は、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。これについては以下で詳述される。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のノミナル焦点距離にほぼ対応することができる。
【００５８】
１つの実施例において、任意選択的なワークピース合焦信号処理部３７５（任意選択的）は、カメラ３６０からデータを入力し、（例えばワークピース３２０の）撮像された表面領域が画像の有効合焦位置にある時を判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Ｚ高さでカメラ３６０によって取得された画像グループ（例えば画像スタック）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の撮像された表面領域が画像の対応する有効合焦位置にあるか否か、又はその時を判定することができる。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（ＴＡＧ）レンズ３７０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、ターゲット要素がベストフォーカスである画像を決定することができる。いくつかの実施例において、ワークピース合焦信号処理部３７５は更に、ベストフォーカス画像に対応する既知の位相タイミングを決定し、その「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に出力することができる。有効合焦位置較正部３７３は、各Ｚ高さ又は有効合焦位置をＶＦＬレンズ３７０の標準的な撮像共振周波数周期内の各「ベストフォーカス」位相タイミングに関連付けるＺ高さ（有効合焦位置）較正データを与えることができる。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の動作に対応する。
【００５９】
一般的に言えば、有効合焦位置較正部３７３は、記録されたＺ高さ（又は有効合焦位置）較正データを含む。そのため、別個の要素としての図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Ｚ高さ較正データは、レンズコントローラ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。
【００６０】
様々な実施例において、露光（ストロボ）時間コントローラ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。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）時間コントローラ３３３ｅｓは、（例えば、有効合焦位置較正部３７３において利用可能なＺ高さ較正データを用いて）光源３３０（及び／又は３３０ｒｏ）を制御して、制御された各時点でストロボ発光することができる。例えば、露光（ストロボ）時間コントローラ３３３ｅｓは、ＶＦＬレンズ３７０の標準的な撮像共振周波数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）範囲内に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、露光時間コントローラ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）時間コントローラ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、露光時間コントローラ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、参照物体画像取得、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。いくつかの特定の例示的な実施例において、図５（Ａ）〜（Ｃ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）に関して以下で詳述されるように、ＶＦＬレンズシステム３００が較正済みの状態又は参照状態で安定して動作している場合、参照物体画像露光は、参照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、参照物体３８８の特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を与えると予想され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。
【００６１】
図４は、２つの関連付けられた図を示す。図４００Ａの平面図には参照物体４８８の第１の実施形態が図示されている。図４００Ｂは側面図であり、参照物体４８８は、本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステム４８６の第１の実施例における参照物体光学系構成４８７を用いて撮像されている状態で、傾斜角ＴＡに傾いて示されている。合焦状態参照サブシステム４８６は、図３を参照して記載した合焦状態参照サブシステム３８６として動作するか又はその代用となることができ、その動作は部分的に前述の記載に基づいて理解され得る。
【００６２】
図４００Ａに示されているように、参照物体４８８は、その周辺部の少なくとも一部に沿って配置されたコントラストパターンＣＰを含む平面状の「パターン表面」を有する。一般に、コントラストパターンＣＰが、高い空間周波数で配置された高コントラストのエッジを含むこと、更に、参照物体画像（例えばカメラ３６０によって提供される）内の比較的小さい画像領域（例えば９×９もしくは５×５画素のように小さいか、又は様々な実施例ではより小さい）の定量的コントラスト又は合焦尺度の決定を可能とすることが望ましい。図４に示すように、コントラストパターンＣＰの様々な合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）は、周辺部に沿って配置されているので（例えば代表的な領域ＦＳＲＲ−１０、ＦＳＲＲ−５０、及びＦＳＲＲ−９０を参照のこと）、参照物体４８８が傾斜角ＴＡに傾いた場合は光軸ＯＡｒｅｆに沿って異なる合焦位置となる。任意選択的に、コントラストパターンＣＰをエリアＲＲｏｐｔに含めてもよいことは認められよう。その場合、全体にわたって同一の合焦位置を有する大きいＦＳＲＲを与えることができ、更に、本願に含まれる引例に開示されているように、ベストフォーカス位置及び／又はベストフォーカス位置に対する逸脱を決定するための、特に高い品質の「合焦曲線」（すなわち、コントラスト又は合焦尺度対撮像合焦位置の曲線）を与えることができる。
【００６３】
本明細書で言及する場合、ＦＳＲＲは、参照物体画像内の参照領域画像ロケーションにコントラストパターンＣＰを含む参照物体４８８上の任意の領域と見なすことができ、設計又は較正によって知ることができる。各ＦＳＲＲは、参照物体光学系構成４８７に対してそれぞれ異なる参照領域合焦距離又は参照領域合焦位置ＲＦＰに固定されている。このため、前述の原理及び記載によれば、特定のＦＳ参照領域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ＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定し、その規定されたシステム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも一方を含む。
【００６４】
図４に示されている例において、コントラストパターンＣＰは、連続して分布する隣接した参照領域ＦＳＲＲ（及びＦＳＲＲ’）のセット（個別の添え字「ｉ」を用いて個別に示されたＦＳＲＲ−ｉ、ＦＳＲＲ−ｉ’であり得る）の全体にわたって分布していると理解することができる。参照領域にとって意味のあるコントラスト又は合焦尺度を決定することができ、従って「ベストフォーカス」位置で撮像が行われる時を決定できるならば、参照領域は所望の通りに小さく規定することができる。図４に示されている実施例では、３つの合焦状態参照領域ＦＳＲＲ−１０、ＦＳＲＲ−５０、及びＦＳＲＲ−９０は、ＦＳＲＲ（又はＦＳＲＲ’）のセット内のより多くの個別のＦＳＲＲを代表していると理解される。図４００Ｂに示されているように、参照物体４８８が動作上、傾斜角ＴＡに配置された場合、ＦＳＲＲ−１０、ＦＳＲＲ−５０、及びＦＳＲＲ−９０（及びＦＳＲＲ−１０’、ＦＳＲＲ−５０’、及びＦＳＲＲ−９０’）は、参照物体光学系構成４８７に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０、ＲＦＰ−５０、及びＲＦＰ−９０に配置される。他の各ＦＳＲＲ−ｉは、参照物体合焦位置範囲Ｒｒｏ内で他の各参照領域合焦位置ＲＦＰ−ｉを有することは認められよう。
【００６５】
合焦状態参照サブシステム４８６において、異なるそれぞれのＦＳＲＲは、参照物体光学系構成４８７に対して、Ｆｒｅｆよりも遠くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦距離と、Ｆｒｅｆよりも近くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦距離と、を含む。１つの例示的な実施例において、Ｆｒｅｆは少なくとも３０ミリメートル、又は少なくとも４０ミリメートル、又はそれ以上であり得る。１つの例示的な実施形態では、所望の参照物体合焦範囲Ｒｒｏを与えるため、Ｆｒｅｆは３６ミリメートル、傾斜角ＴＡは約２５〜４０度（例えば３７度）とすることができる。参照物体４８８の寸法は、軸Ｘｒｏ及びＹｒｏに沿ってそれぞれ約２．０×１．０ミリメートルとすることができる。本明細書に開示される任意の参照物体は、任意の撮像パターン表面を用いた、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。このような合焦状態参照サブシステム４８６は、図１〜図３を参照して記載したような例示的なＶＦＬレンズシステムに組み込むことができ、１２８０×１０２４画素カメラ（例えばカメラ３６０）の周辺部で撮像を行って、本明細書に開示される原理に従って使用できる参照物体画像を得ることができる。
【００６６】
図３を参照して前述したようなシステムにおいて、（例えば合焦状態参照サブシステム３８６の代わりに）合焦状態参照サブシステム４８６が用いられる場合、参照物体光学系構成４８７は、ＦＳ参照物体４８８からの参照物体光３８９をビームスプリッタ３９０の方へ伝送するレンズを含むことができる。部分反射ビームスプリッタ３９０は、参照物体画像の光３８９を撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って誘導し、この光は、ＶＦＬレンズ３７０を通過して光３８９’として現れ、合焦状態監視をサポートするためカメラ３６０によって生成される参照物体画像露光における参照物体４８８の画像を形成する。これについて、図５、図６、及び図７を参照して以下で詳述する。
【００６７】
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、３つの異なる合焦状態における、図４の参照物体４８８の画像を含む３つのカメラ画像を表す図である。具体的には、図５（Ａ）は、ＦＳＲＲ−１０がベストフォーカスである参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０で合焦された参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−１０を表す。図５（Ｂ）は、ＦＳＲＲ−５０がベストフォーカスである参照領域合焦位置ＲＦＰ−５０で合焦された参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−５０を表す。図５（Ｃ）は、ＦＳＲＲ−９０がベストフォーカスである参照領域合焦位置ＲＦＰ−９０で合焦された参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−９０を表す。参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０、ＲＦＰ−５０、ＲＦＰ−９０は図４に示されている。
【００６８】
図５（Ａ）〜（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−１０（ＦＳＲＲ−１０’）は画像ロケーション参照領域画像ロケーション（ＲＲＩＬ）ＲＲＩＬ−１０（ＲＲＩＬ−１０’）を有し、ＦＳＲＲ−５０（ＦＳＲＲ−５０’）は画像ロケーション参照領域画像ロケーションＲＲＩＬ−５０（ＲＲＩＬ−５０’）を有する等である。
【００６９】
前述のように、（例えばカメラ３６０における）画像合焦ロケーション又は位置は、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、カメラ像面と共役なポイント、すなわち参照物体４８８の近傍の参照領域合焦位置ＲＦＰ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がそれぞれ異なる参照領域合焦位置ＲＦＰ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（位相時点と呼ばれる）で取得された各画像においてベストフォーカスとなる。
【００７０】
従って、図５（Ａ）における参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−１０は、参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０においてＲＲＩＬ−１０のＦＳＲＲ−１０がベストフォーカスとなるカメラ画像を与えるＰｈ−１０と表された位相タイミングでの画像露光（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）。この画像では、（図４に示されているような）参照物体４８８の傾斜角ＴＡのため、ＦＳＲＲの合焦は、ＦＳＲＲ−１０及びＲＲＩＬ−１０からの距離の関数として徐々に劣化し、参照物体４８８の遠端であるため画像合焦位置から最も遠いＲＲＩＬ−９０のＦＳＲＲ−９０の近傍で最悪となる。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のコントラスト又は合焦尺度を決定することに基づいて決定され得る。図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）は、前述の記載との類似性によって理解できる。
【００７１】
簡潔に述べると、図５（Ｂ）における参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−５０は、参照領域合焦位置ＲＦＰ−５０においてＲＲＩＬ−５０のＦＳＲＲ−５０がベストフォーカスとなるカメラ画像を与える位相タイミングＰｈ−５０での画像露光によって取得される。この特定の例では、ＲＦＰ−５０（図４に示されている）はノミナル合焦位置ＲＦＰ−ｎｏｍの一例であり、これは、ＶＦＬ光学パワーがゼロであるノミナル合焦位置に指定されている。従って、ＲＦＰ−ｎｏｍ（例えばＲＦＰ−５０）は、合焦範囲Ｒｒｏの中央であり、参照物体光学系構成４８７（例えば、それに含まれるレンズ）のノミナル焦点距離Ｆｒｅｆに対応することができる。ＲＦＰ−５０は参照物体４８８及び合焦位置範囲Ｒｒｏの中央に位置し、ＦＳＲＲの合焦は、ＦＳＲＲ−５０及びＲＲＩＬ−５０から離れるそれぞれの方向で徐々に劣化し、参照物体４８８の両端部で最悪となる。簡潔に述べると、図５（Ｃ）における参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−９０は、参照領域合焦位置ＲＦＰ−９０においてＲＲＩＬ−９０のＦＳＲＲ−９０がベストフォーカスとなるカメラ画像を与える位相タイミングＰｈ−９０での画像露光によって取得される。ＦＳＲＲの合焦は、ＦＳＲＲ−９０及びＲＲＩＬ−９０から離れる方向で徐々に劣化し、参照物体４８８の遠端のＲＲＩＬ−１０におけるＦＳＲＲ−１０の近傍で最も悪化する。
【００７２】
参照物体４８８の外周部に沿ってＦＳＲＲを分布させることによって、参照物体画像内の既知の各ＲＲＩＬがカメラ画像の１以上のエッジに沿って位置すると共にカメラ画像の中央エリアには位置しないようにＦＳＲＲの撮像が可能となることは認められよう。いくつかのこのような実施例では、ＶＦＬレンズシステム３００は、ワークピース画像がカメラ画像の中央エリアに位置するように構成できる。いくつかのこのような実施例では、参照物体画像によるワークピース画像の破壊又はワークピース画像による参照物体画像の破壊を防ぐために別個のタイミングも特別な波長フィルタリングも用いることなく、ワークピース画像及び参照物体画像を同一のカメラ画像内で同時に露光できる。この構成は特に有利であるが、限定ではない。更に一般的には、ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース画像がカメラ画像の任意の第１のエリア内に位置するように、かつ、ＦＳＲＲセットの既知の各ＲＲＩＬが第１のエリアとは異なるカメラ画像の任意の第２のエリア内に位置するように構成することができるか、又は、ワークピース画像及び参照物体画像を異なる時点で露光することができ、更に、その場合も本開示に従った合焦状態参照サブシステムの著しい利点を得ることができる。
【００７３】
ＦＳＲＲが合焦位置範囲Ｒｒｏ全体にわたって連続的に分布している参照物体４８８では、所望の場合、いずれの特定のカメラ画像もベストフォーカスのＦＳＲＲ−ｉを含み得ることは認められよう。前述のように、ＶＦＬレンズシステム３００は、カメラ画像内の特定のＦＳＲＲのベストフォーカス画像を識別するように構成された参照領域合焦解析器３８４を含むことができる。この場合、参照領域合焦解析器３８４は、カメラ画像内の全てのＦＳＲＲを解析し、最良のコントラスト又は合焦尺度を有するＦＳＲＲ−ｉを決定することができる。重要なことは、そのベストフォーカスのＦＳＲＲ−ｉは、ＶＦＬレンズシステムがそのノミナル動作状態又は所望の動作状態からドリフトしているか否かとは無関係に、ＶＦＬレンズシステムの合焦状態及びそのカメラ画像の有効合焦位置ＥＦＰを直接示すことである。カメラ画像が合焦ワークピース画像も含む場合、そのＥＦＰは、ＶＦＬレンズシステムがそのノミナル動作状態又は所望の動作状態からドリフトしているか否かとは無関係に、正確なワークピースＺ高さ測定を与える。これについて図６を参照して以下で詳述する。
【００７４】
図６は、上述の合焦状態参照サブシステム４８６等を含むＶＦＬ撮像システムにおいて、図５に示されているような様々な画像内で撮像された場合の、図４に示されている参照物体４８８の様々な「ベストフォーカス」合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）に関連付けられた様々な合焦状態特性又はパラメータ間の関係を表すチャート６００である。横軸は、任意の特定の画像においてベストフォーカスである様々なＦＳＲＲ及び／又はＲＲＩＬを表す位置を含む。３つの明示された合焦状態参照領域ＦＳＲＲ−１０、ＦＳＲＲ−５０、及びＦＳＲＲ−９０（及び／又はそれらの対応するＲＲＩＬ）は、横軸に沿って表すことができるセットＦＳＲＲ内のより多くの個々のＦＳＲＲを代表していることは理解されよう。
【００７５】
参照物体較正曲線ＲＯＣＣは、ベストフォーカス（例えば、参照領域合焦解析器３８４によって決定された合焦尺度及び／又は合焦曲線により示される）の場合の、各ＦＳＲＲ（又はその対応するＲＲＩＬ）と、チャート６００の右側の縦軸に示された対応する参照領域合焦位置ＲＦＰとの間の、較正された又は既知の関係を示す。参照物体４８８は、図４に示されているように傾斜面に沿って連続的に分布した隣接する参照領域ＦＳＲＲのセットを含むので、参照物体較正曲線ＲＯＣＣは、図示するようにノミナル上直線である。実際には、参照物体較正曲線ＲＯＣＣは、様々な設計要因及び／又は不完全性のために直線から逸脱する可能性があり、任意の特定の参照物体４８８、参照物体光学系構成４８７、及びＶＦＬレンズシステム３００に対応して、解析又は実験によって確立することができる。
【００７６】
チャート６００における３つの縦軸間の関係について、各縦軸上の対応する点は線形の関係である必要はない。例えば、ＶＦＬレンズの光学パワー（ＯＰ）は一般にその焦点距離に反比例するので、光学パワー軸は参照領域合焦位置軸及び有効合焦位置軸に対して非線形の関係を有し得る。いずれかの特定のＶＦＬレンズシステムにおける不完全性も、様々な縦軸間の非線形性又は歪みの一因となり得る。それにもかかわらず、有効合焦位置及び参照領域合焦位置の双方についてＶＦＬレンズは「共通モード」ファクタとして光路ＯＰＡＴＨに含まれ、全ての光学コンポーネントは他の点で相互に固定かつ安定した関係に搭載される。従って、チャート６００における３つの縦軸は、相互に固定かつ安定した関係であると見なすことができる。画像露光中の対物レンズ（例えばレンズ３５０）の前方の有効合焦位置ＥＦＰは、その画像露光中のＶＦＬレンズの光学パワーに対応すると理解される。同様に、画像露光中の参照物体光学系構成（例えば構成４８７）の参照領域合焦位置ＲＦＰは、その画像露光中のＶＦＬレンズの光学パワーに対応する。
【００７７】
ＶＦＬレンズ（例えばＶＦＬレンズ３７０）によって与えられる光学パワーの任意の単一の状態における軸間の関係は、解析又は実験によって決定することができ、様々な実施例では、その後（少なくとも短時間にわたって）安定していると推測できる。前述の記載に基づき、チャート６００に従って、カメラ画像内のベストフォーカスのＦＳＲＲ−ｉは、そのカメラ画像中のＶＦＬレンズシステムの合焦状態を直接示し得ると理解される。この合焦状態は、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーの状態及びＶＦＬレンズシステム３００の有効合焦位置ＥＦＰを含む。そのカメラ画像が合焦ワークピース画像も含む場合、そのＥＦＰは、ＶＦＬレンズシステムがそのノミナル動作状態又は所望の動作状態からドリフトしているか否かとは無関係に、正確なワークピースＺ高さ測定を与える。
【００７８】
図７は、本明細書に開示されている原理に従った合焦状態参照サブシステムを含むＶＦＬ撮像システムの周期的に変調される合焦状態に関連付けられた様々な合焦状態特性又はパラメータ間の関係を表すチャート７００である。横軸は、特定の画像を取得するために使用され得る様々な位相タイミングを表す位置を含む。明示されている位相タイミングは、横軸に沿って表すことができるＶＦＬレンズ３７０の周期的変調に対する他の位相タイミングを代表していることは理解されよう。３つの縦軸は図６に示されているものと同じであり、前述のように、相互に固定された関係である。
【００７９】
「参照レベル」変調曲線ＭｏｄＲＳは、ＶＦＬレンズシステムが所望の又は較正済みの「参照状態」で動作している所望の状態又は参照状態を示し、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーは、「参照レベル」変調振幅ＲａｎｇｅＲＳを有する。参照レベル変調曲線ＭｏｄＲＳに対応する参照状態において、特定の位相タイミングは特定の参照領域合焦位置ＲＦＰに関連している。例えば、位相タイミングＰｈＲＳ５０−１及びＰｈＲＳ５０−２は、曲線ＭｏｄＲＳ上の各ポイントＰ０及びＰ４でＲＦＰ−５０に関連している。そのような画像ではＦＳＲＲ−５０がベストフォーカスであるはずである。同様に、位相タイミングＰｈＲＳ９０−１及びＰｈＲＳ９０−２は、曲線ＭｏｄＲＳ上の各ポイントＰ２及びＰ３でＲＦＰ−９０に関連している。そのような画像ではＦＳＲＲ−９０がベストフォーカスであるはずである等である。縦軸は固定された関係であるので、これは、ＶＦＬレンズシステム３００が参照レベル変調曲線ＭｏｄＲＳに対応した動作状態で動作しているならば、特定のワークピース画像をキャプチャするために用いられる特定の位相タイミングがそのワークピース画像の有効合焦位置も示していることを意味する。
【００８０】
いくつかの実施例では、図４、図５、及び図６を参照して上述したように、画像内の全てのＦＳＲＲを解析してベストフォーカスのＦＳＲＲ−ｉを決定することによって有効合焦位置ＥＦＰを示すのではなく、参照レベル変調曲線ＭｏｄＲＳに対応する参照状態を維持し、単に画像を取得するために用いられる位相タイミングに基づいて有効合焦位置ＥＦＰを示すことが有利である可能性がある。参照状態の維持は、対応する既知のＲＲＩＬにおけるベストフォーカスＦＳＲＲを含む限られた数の参照物体画像に基づいて行うことができる。参照状態からのドリフトは概して、例えばＶＦＬレンズ３７０の共振特性（例えばＴＡＧレンズの共振振幅又は周波数等）のドリフトに起因して発生し得る。例えば、共振振幅が変調曲線ＭｏｄＥｒｒに対応するレベルまで低下した場合、位相タイミングＰｈＲＳ９０−１及びＰｈＲＳ９０−２はもはやＲＦＰ−９０に対応しない。それらは、それぞれ［（ＲＦＰ−９０）−（ΔＦＰ９０−１）］及び［（ＲＦＰ−９０）−（ΔＦＰ９０−２）］に対応する。同様に、位相タイミングＰｈＲＳ１０−１及びＰｈＲＳ１０−２はもはやＲＦＰ−１０に対応しない。それらは、それぞれ［（ＲＦＰ−１０）−（ΔＦＰ１０−１）］及び［（ＲＦＰ−１０）−（ΔＦＰ１０−２）］に対応する等となる。前述の考察から、望ましい場合はいつでも、参照領域合焦解析器３８４を動作させて、対応する既知の安定したＲＦＰを有する異なるＦＳＲＲを含む限られた数の画像を解析し、特定の位相タイミングで取得された参照物体画像が参照状態から逸脱しているか否かを決定できることは認められよう。次いで、レンズコントローラ３８０の調整及び／又は警告回路／ルーチン３８５を動作させて、ＶＦＬレンズ３７０の駆動信号振幅（及び／又は周波数）を調整することで、参照状態を再確立することができる。
【００８１】
あるいは、参照状態を維持するのではなく、参照状態の既知の（例えば記憶されているか又は較正済みの）合焦パラメータと現在の動作状態の合焦パラメータとの間の関係又は変換を決定することも可能である。例えば、ＰｈＲＳ９０−１（又はＰｈＲＳ９０−２）に近い様々な位相タイミングでＦＳＲＲ−９０の参照物体画像を取得し、これを、位相タイミングをΔＰｈ９０−１（又はΔＰｈ９０−２）だけ変化させながらＲＦＰ−９０におけるＦＳＲＲ−９０のベストフォーカス画像が生成されるまで実行できることは理解されよう。所望の場合、他のＦＳＲＲについても同様の動作を実行できる。次いで、参照レベル変調曲線ＭｏｄＲＳ（これは前もって特徴付けて記憶することができる）を変換して、ΔＰｈ９０−１（ΔＰｈ９０−２）について決定された値に対応して結果を適合することができることは認められよう。その後、この変換を用いて、（例えば変調曲線ＭｏｄＥｒｒを特徴付けるために）チャート７００に示されている横軸と縦軸との現在の関係を決定できる。次いでこれを用いて、それらの位相タイミング等に基づいて様々な画像の有効合焦位置ＥＦＰを確立することができる。
【００８２】
直前の記載によれば、参照物体４８８とは対照的に、限られた数の参照領域合焦位置における限られた数のＦＳＲＲを含む参照物体を用いて、例えば参照合焦状態を維持すること又は参照合焦状態からの逸脱を決定することのような多くの利点を得ることができる。１つのそのような参照物体について以下で説明する。
【００８３】
図８は、図４に示されているものと同様であり、同様の参照番号表記を含む、２つの関連する図を含む。図８及び図４において同様の番号（例えば８ＸＸ及び４ＸＸ）又は名称を付けた要素は、他の指示がない限り、同様の機能を提供し、類推によって理解することができる。
【００８４】
図８００Ａの平面図には参照物体８８８の第２の実施形態が示されている。図８００Ｂは側面図であり、参照物体８８８は、本明細書に開示される原理に従った合焦状態参照サブシステム８８６の第２の実施例における参照物体光学系構成８８７を用いて撮像されている状態で示されている。合焦状態参照サブシステム８８６は、図３を参照して記載した合焦状態参照サブシステム３８６として動作するか又はその代用となることができ、その動作は部分的に前述の記載に基づいて理解され得る。
【００８５】
図８００Ａ及び図８００Ｂに示されているように、参照物体８８８は３つの平面状の「パターン表面」層０、層２、及び層１を有し、これらは、外周部において様々な合焦状態参照領域（ＦＳＲＲ）に配置されたコントラストパターンＣＰを含む。層０、層２、及び層１は、参照物体合焦範囲Ｒｒｏ内の（かつ、この範囲を画定する）光軸ＯＡｒｅｆに沿った異なる合焦位置にある。ＦＳＲＲは任意選択的に、所望の場合、より多数か又は少数のエリア内に含ませること、又は異なるサイズにすることが可能であることは理解されよう。同一の層上のＦＳＲＲはノミナル上同一のＲＦＰに対応し（例えば、ＦＳＲＲ−２１及びＦＳＲＲ−２２は双方ともＲＦＰ−２０に位置している等である）、従って、ある程度の冗長性が存在することは理解されよう。しかしながら、いくつかの実施形態では、そのような冗長性は様々な位置合わせ又はアセンブリの誤差を克服するのに役立つか、又は他の利点を与えることができる。他の実施例では、所望の場合、２層又は４層以上の層を使用できることは理解されよう。
【００８６】
合焦状態参照サブシステム４８６と同様、合焦状態参照サブシステム８８６では、参照物体光学系構成８８７はその光軸に沿って（例えばこれに含まれるレンズの）焦点距離Ｆｒｅｆを有することができ、異なるそれぞれのＦＳＲＲは、参照物体光学系構成８８７に対して、Ｆｒｅｆよりも遠くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦距離と、Ｆｒｅｆよりも近くに位置する少なくとも１つの各参照領域合焦距離と、を含む。１つの例示的な実施例において、Ｆｒｅｆは少なくとも３０ミリメートル、又は少なくとも４０ミリメートル、又はそれ以上であり得る。１つの例示的な実施例では、Ｆｒｅｆは３６ミリメートル、層間の厚さは約０．３２ミリメートル、参照物体８８８の寸法は軸Ｘｒｏ及びＹｒｏに沿ってそれぞれ約１．０×１．２５ミリメートルとすることができる。このような合焦状態参照サブシステム８８６は、図１〜図３を参照して記載したような例示的なＶＦＬレンズシステム内に組み込むことができ、１２８０×１０２４画素カメラ（例えばカメラ３６０）の周辺部で撮像を行って、本明細書に開示される原理に従って使用できる参照物体画像を得ることができる。
【００８７】
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、３つの異なる合焦状態における、図８の参照物体８８８の画像を含む３つのカメラ画像を表す図である。具体的には、図９（Ａ）は、層１上のＦＳＲＲ−１１、ＦＳＲＲ−１１’、ＦＳＲＲ−１２、及びＦＳＲＲ−１２’がベストフォーカスである参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０で合焦された参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−１０を表す。図９（Ｂ）は、層０上のＦＳＲＲ−０１、ＦＳＲＲ−０１’、ＦＳＲＲ−０２、ＦＳＲＲ−０２’、ＦＳＲＲ−０３、及びＦＳＲＲ−０３’がベストフォーカスである参照領域合焦位置ＲＦＰ−００で合焦された参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−００を表す。図９（Ｃ）は、層２上のＦＳＲＲ−２１、ＦＳＲＲ−２１’、ＦＳＲＲ−２２、及びＦＳＲＲ−２２’がベストフォーカスである参照領域合焦位置ＲＦＰ−２０で合焦された参照物体画像ＲＯＩ−Ｐｈ−２０を表す。参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０、ＲＦＰ−００、ＲＦＰ−２０は図８に示されている。
【００８８】
図８及び図９に示されている１又は複数のコントラストパターンＣＰは単なる例示であり、限定ではないことは認められよう。例えば、様々な層上のコントラストパターンを方向Ｙｒｏに沿ってより長くする（例えば図４に示されているように）が、相互に干渉しないでカメラ画像内で分離できるように方向Ｘｒｏに沿ってずらすことができる。前述の開示に基づき、コントラストパターンＣＰの他の可能な形態も明らかである。
【００８９】
図８及び図９を参照して上述した、合焦状態参照サブシステム８８６の限られた数のＦＳＲＲと、これらに対応する既知の参照領域合焦位置ＲＦＰとを用いて、図７を参照して前述した通り、例えば参照合焦状態を維持すること又は参照合焦状態からの逸脱を決定することのような多くの利点を提供できることは理解されよう。
【００９０】
上述の様々な実施例において、ＶＦＬシステムの合焦状態を監視又は決定するための基礎としてカメラ３６０が取得する画像データは、場合によっては、撮像システム３００のユーザインタフェース（例えば図２を参照するとディスプレイデバイス１３６）に表示することができ、あるいは、撮像システム３００によって出力しないことも可能である（例えば有効合焦距離の決定及び／又は調整の実行のため、主に内部で利用される）。
【００９１】
上述の様々な実施例において、合焦状態参照サブシステムは「内蔵」サブシステムとして提供され、そのコンポーネントは前述の原理に従って所望の動作位置に永続的に配置することができる。あるいは、いくつかの実施例では、上述の原理に従って構成された合焦状態参照サブシステムは、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステム３００と共に使用される「アクセサリ」として提供され得る。１つのそのような実施例では、図３に任意選択的な特徴として示されるように、ＶＦＬレンズシステム３００は、結合要素３００ＣＦ（例えばアクセサリ光学ポート）を含むＶＦＬレンズシステムフレーム又は筐体３００ＦＲ（例えば、その代表的な部分は図３に点線部分で概略的に示されている）を含むことができる。そのような実施例では、上述の要素に加えて、合焦状態参照サブシステム３８６は、ＶＦＬレンズシステム３００上の結合要素３００ＣＦ（例えばアクセサリ光学ポート）に固定して搭載するように構成された結合要素３８６ＣＦ（例えば参照サブシステム光学ポート）を含む参照サブシステムフレーム又は筐体３８６ＦＲを含むことができる。結合要素３００ＣＦ及び３８６ＣＦが光学ポートであるそのような実施例では、参照物体光学系構成３８７は、参照サブシステム光学ポート３８６ＣＦがＶＦＬレンズシステム３００上の結合要素３００ＣＦ（例えばアクセサリ光学ポート）に固定して搭載された場合、参照物体光学系構成３８７が、参照物体画像露光中にＦＳ参照物体３８８から発した参照物体光３８９を、前述の原理に従って参照物体画像露光中に撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って、ＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に伝送し、前述の通りにかつ以下で更に詳しく記載するように使用するため、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供するように配置されるよう構成されている。いくつかのこのような実施形態では、前述したように、参照物体３８８に近接したノミナル合焦位置ＲＦＰ−ｎｏｍがノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍと共役であるように、参照物体光学系構成３８７及びＦＳ参照物体３８８をチューブレンズ３５１に対して配置することができる。
【００９２】
傾斜した参照物体４８８を参照して記載された実施例の変形において、参照物体は、より一般的には、少なくとも一部が参照物体光学系構成の光軸に対して垂直でない湾曲した少なくとも１つのパターン表面を含み得る。少なくとも１つの湾曲したパターン表面の異なる部分は、参照物体光学系構成に対してそれぞれ異なる合焦距離に固定され、ＦＳＲＲのセットは、少なくとも１つの湾曲パターン表面のこれら異なる部分上に配置されている。
【００９３】
いくつかの実施例では、上述の特徴及び原理を用いてＶＦＬレンズシステムの較正済み状態を確立することができる。較正済み状態は、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参照物体画像において特定の較正済み合焦特性値を示すＦＳＲＲのセットの少なくとも１つのメンバを含み得る。参照領域合焦解析器３８４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参照物体画像におけるＦＳＲＲセットのメンバの合焦特性値を決定するように構成できる。いくつかの実施例では、ＶＦＬレンズコントローラ３８０は、参照領域合焦解析器３８４を自動的に又は半自動的に動作させて、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少なくとも１つの参照物体画像におけるＦＳＲＲセットの少なくとも１つのメンバの決定された合焦特性値が、その対応する特定の既知の位相タイミングにおけるＦＳＲＲセットのその少なくとも１つのメンバの特定の較正済み合焦特性値と一致するようＶＦＬレンズ３７０の駆動信号を調整するように構成できる。いくつかの実施例では、ＶＦＬレンズシステムは、参照領域合焦解析器３８４を自動的に又は半自動的に動作させて、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少なくとも１つの参照物体画像におけるＦＳＲＲセットの少なくとも１つのメンバの決定された合焦特性値が、その対応する特定の既知の位相タイミングにおけるＦＳＲＲセットのその少なくとも１つのメンバの特定の較正済み合焦特性値と一致しない場合、警告インジケータを提供するように構成できる。
【００９４】
上述のように較正済み状態を含むいくつかの実施例において、ＦＳＲＲセットのメンバの決定された合焦特性値は、ＦＳＲＲセットのそのメンバの既知のＲＲＩＬに対応した参照物体画像データに基づく定量的コントラスト尺度の値を含み得る。いくつかのそのような実施例では、参照領域合焦解析器３８４は、リモートコンピュータにおけるソフトウェアルーチンによって実施される動作セットを含み得る。リモートコンピュータは、ＶＦＬシステムから参照物体画像データを受信し、ＦＳＲＲセットのそのメンバの既知のＲＲＩＬに対応した参照物体画像データに基づいて動作セットを実行して定量的コントラスト尺度の値を決定するように構成されている。
【００９５】
図１０は、本明細書に開示される原理に従って構成されたＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）及び合焦状態参照サブシステム１０８６を含むＶＦＬレンズシステム１０００（撮像システム１０００とも称される）の第２の例示的な実施例の概略図を示している。ＶＦＬレンズシステム１０００は、多くの点で図３のＶＦＬレンズシステム３００と同様である。同様の又は同一の番号を付けた要素（例えば図３の３ＸＸ及び図１０の３ＸＸもしくは１０ＸＸと表記されたもの）は、他の指示がない限り、同様又は同一である及び／又は同様の又は同一の機能を提供すると理解され得る。従って、以下では、ＶＦＬレンズシステム１０００とＶＦＬレンズシステム３００との大きな相違のみを詳しく記載する。
【００９６】
図３を参照して前述したように、対物レンズ３５０のノミナル焦点面から生じるワークピース光３５５はチューブレンズ３５１によって合焦され、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍにおいて中間像を形成する。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０が屈折効果を与えない（光学パワーが無い）状態である場合、対物レンズ３５０のノミナル焦点面、ノミナル中間像面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。これと同じことは、図１０に示すＶＦＬレンズシステム１０００にも当てはまる。
【００９７】
図３に示されている合焦状態参照サブシステム３８６と図１０に示されている合焦状態参照サブシステム１０８６との主な相違について、以下に記載する。
【００９８】
合焦状態参照サブシステム３８６では、参照物体３８８に近接したノミナル合焦位置ＲＦＰ−ｎｏｍがノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍと共役であるように、かつ、ノミナル焦点面ＲＦＰ−ｎｏｍにおけるＦＳ参照領域から参照物体３８８からの光３８９がノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍにおいて中間像を形成するように、参照物体光学系構成３８７はチューブレンズ３５１に対して配置されている。同様に、既知の光学原理に従って、ノミナル焦点面ＲＦＰ−ｎｏｍを取り囲むゾーン内のそれぞれ異なる面でＦＳ参照領域において参照物体３８８からの光３８９は、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍを取り囲むゾーン内のそれぞれ異なる面で各中間像を形成する。
【００９９】
これに対して、図１０に示されている合焦状態参照サブシステム１０８６は参照物体撮像構成ＲＯＩＣを含み、この構成内で参照物体１０８８は、対物レンズ３５０とＶＦＬレンズ３７０との間でワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って（すなわち中間像面ゾーンＩＩＰＺに）配置されている。これは、（例えば図３の構成の補助光路又は光軸ＯＡｒｅｆで示すような）ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨから分岐した特別な補助光路又は光軸に沿った配置とは異なっている。具体的には、参照物体１０８８自体は、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍを取り囲むゾーン内に配置されている。この特定の実施例では、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍは、チューブレンズ３５１とリレーレンズ３５２との間のチューブレンズ３５１の焦点に位置している。所望の場合、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍにＦＳ参照領域ＦＳＲＲ−ｎｏｍを位置付けることができる。より一般的には、参照物体１０８８のそれぞれ異なるＦＳ参照領域は、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍを含む及び／又はこれに近接する中間像面ゾーンＩＩＰＺ内のそれぞれ異なる面に位置付けることができる。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０が屈折効果を与えない（光学パワーが無い）状態である場合、ノミナル中間像面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。そのような状態では、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに位置付けられたＦＳ参照領域ＦＳＲＲ−ｎｏｍは、対応するカメラ画像においてベストフォーカスとなる。より一般的には、ＶＦＬレンズ３７０は、参照物体１０８８の様々なＦＳ参照領域から光１０８９を受光し、参照物体画像の光１０８９’を出力する。（例えばカメラ３６０における）画像合焦位置は、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、カメラ像面と共役なポイント、すなわち、参照物体１０８８におけるノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの近傍の合焦された面（例えば中間像面ゾーンＩＩＰＺ内）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、カメラ像面で合焦されるようにスイープされることは認められよう。参照物体１０８８上の異なる合焦状態（ＦＳ）参照領域がノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍからそれぞれ異なる距離に位置する場合、それらの領域は、ＶＦＬレンズ３７０の周期的な光学パワー変動中にそれぞれ異なる時点で取得された各画像において合焦される。
【０１００】
図１０の構成は様々な利点を有し得る。例えば、様々な実施例において、図１０の構成は参照物体光学系構成３８７及び対応するレンズ３８７ａを必要とせず、これによって本実施例の全体的な複雑さとコストが低減する可能性がある。ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ったＦＳ参照物体１０８８の位置付けによって、既存の構成及び製品のサイズにほとんど又は全く影響を及ぼすことなく、ＦＳ参照物体１０８８を（例えば改造及び／又は再設計を用いて）既存の構成及び製品に含めることが可能となる。いくつかの実施例では、この構成は、ＦＳ参照物体１０８８を透過させた（すなわち、ＦＳ参照物体から反射されたのではない）光を合焦状態監視のために利用する。
【０１０１】
以下で更に詳しく記載するように、図１０の構成においていくつかの実施例では、ＦＳ参照物体１０８８は、そのＦＳ参照領域がワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨ（及び／又は参照物体光路ＯＡｒｅｆ）に沿ってほぼノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍを中心とするように、中間像面ゾーンＩＩＰＺ内に位置付けることができる。例えば、ＦＳ参照物体１０８８が図８の構成に対応する実施例では、中央の平面状パターン表面（例えば層０）を、少なくともほぼノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに位置付けることができる。別の例として、ＦＳ参照物体１０８８が図４の構成に対応する実施例では、参照領域合焦位置ＲＦＰ−５０を、少なくともほぼノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに位置付けることができる。
【０１０２】
図３の構成と同様、図１０の構成において、ＦＳ参照物体１０８８は参照物体画像露光中に参照物体画像光１０８９を出力する。参照物体画像露光中に参照物体画像光１０８９は、中間像面ゾーンＩＩＰＺからワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って、ＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に伝送されて、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する。より具体的には、中間像面ゾーンＩＩＰＺからの参照物体画像光１０８９は、ＶＦＬレンズ３７０を通過して参照物体画像光１０８９’として現れ、合焦状態監視をサポートするためカメラ３６０によって生成される参照物体画像露光における参照物体１０８８の画像を形成する。上記のように、（例えばカメラ３６０の）画像合焦位置は、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。
【０１０３】
図３から図９を参照して上述した動作と同様に、合焦状態監視中、カメラ３６０を用いて、ＦＳ参照物体撮像構成ＲＯＩＣ内に配置された合焦状態参照サブシステム１０８６のＦＳ参照物体１０８８の画像をキャプチャすることにより、参照物体画像露光を行うことができる。いくつかの実施例では、光源３３０からの光３３２の一部を参照物体画像露光のために使用できる（例えば、光源光３３２及び／又はワークピース撮像光３５５を反射させるか又は他の方法でＦＳ参照物体等に誘導することができる）。他の実施例では、合焦状態参照サブシステム１０８６は、参照物体画像露光のために使用される参照物体光源光１０３２ｒｏを与える参照物体光源１０３０ｒｏも含むことができる。参照物体光源１０３０ｒｏは、システム信号及び制御バス３９５上の信号及び／又は制御されたパワーに接続して制御することができ、これは前述のように露光時間コントローラ３３３ｅｓ等によって管理／制御され得る。例えば、参照物体画像露光のタイミングは、参照物体光源１０３０ｒｏのストロボタイミングを制御することによって制御できる。様々な実施例において、（例えば、光源３３０からの光源光３３２を誘導するビームスプリッタ３９０の機能等と同様に）参照物体光源光１０３２ｒｏをＦＳ参照物体１０８８の方へ反射させるか又は他の方法で誘導するため、ビームスプリッタ１０９０（又は他の反射面又は反射要素）を利用することができる。いくつかのそのような実施例では、参照物体光源光１０３２ｒｏからの光１０３２ｒｏはコリメート光とすることができ、これは、参照物体光源光１０３２ｒｏに含まれて出力光の中央エリアを遮断するマスクを通過することで、参照物体１０８８の中央エリアを取り囲むＦＳＲＲへ光を伝送しながら、参照物体１０８８の中央エリアには光が到達しないようにする（従って、その中央エリアを透過するワークピース撮像光３５５を妨げることも増大することもない）。
【０１０４】
参照物体光源１０３０ｒｏは、ビームスプリッタ１０９０を介して参照物体１０８８を透過する光１０３２ｒｏを提供するものとして図示されているが、これが概略的な表現であることは理解されよう。他の実施例では、参照物体１０８８及び参照物体光源１０３０ｒｏは、参照物体１０８８の中央領域から反射されないがＦＳＲＲから反射される光を提供するように構成できる。
【０１０５】
いずれにせよ、参照物体画像光１０８９は、ＦＳ参照物体撮像構成ＲＯＩＣ内に配置されたＦＳ参照物体１０８８から生じる。参照物体画像光１０８９は、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って進行し（すなわち中間像面ゾーンＩＩＰＺから伝送されて）、参照物体画像露光中にＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に伝送されて、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する（例えば図４、図５、図８、及び図９を参照して上述したように）。図５（Ａ）〜（Ｃ）を参照して上述したように、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中に露光された参照物体画像（例えば、例示的な像５００Ａ〜５００Ｃ等）及びこの結果生じる撮像システム１０００の有効合焦位置を与えて、合焦状態監視動作をサポートすることができる。更に上述したように、特定の既知の位相タイミングを用いて露光された参照物体画像（例えば、例示的な画像５００Ａ〜５００Ｃ等）に含まれるＦＳ参照領域セットのメンバの合焦特性値は、対応する位相タイミングにおけるＶＦＬレンズ３７０の光学パワー及びこの結果生じる撮像システム３００の有効合焦位置に関連している。
【０１０６】
様々な実施例において、ＦＳ参照物体１０８８は、ＦＳ参照物体３８８、４８８、及び／又は８８８と同様又は同一であり得る。ＦＳ参照物体１０８８は一般に、（例えば図４、図５、図８、及び図９を参照して上述したような）コントラストパターンを含むＦＳ参照領域ＦＳＲＲのセットを含む。図１０の構成において、ＦＳ参照領域ＦＳＲＲは、参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションＲＲＩＬを有し、中間像面ゾーンＩＩＰＺに対してそれぞれ異なる参照領域合焦距離又は参照領域合焦位置ＲＦＰに固定されている。結果として、特定のＦＳ参照領域ＦＳＲＲのベストフォーカス像を含むカメラ画像が、その特定のＦＳ参照領域ＦＳＲＲに関連付けられたシステム合焦参照状態を規定する。図６及び図７を参照して上述した動作と同様、その規定されたシステム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域ＦＳＲＲに関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも１つを含む。
【０１０７】
様々な実施例において、図１０の構成は、ＦＳ参照物体１０８８（すなわち、ＦＳ参照物体４８８又は８８８に対応する）から反射したのではなく、ＦＳ参照物体１０８８を透過した光を利用することができる。１つの特定の例示的な実施例では、ＦＳ参照物体１０８８（例えばＦＳ参照物体４８８又は８８８として実施される）は、クロムオンガラス（ｃｈｒｏｍｅ  ｏｎ  ｇｌａｓｓ）を用いて形成できる（例えば、クロムがガラス上にコントラストパターンＣＰを形成するように配置されている）。様々な実施例において、合焦状態（ＦＳ）参照物体１０８８は透明な中央エリアを有することができ、ＦＳ参照領域のセットはＦＳ参照物体１０８８上で、参照物体画像内のそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションがカメラ画像の中央エリアでなくカメラ画像の１以上のエッジに沿って位置付けられるように構成することができる。ＶＦＬレンズシステム１０００は、ワークピース画像がカメラ画像の中央エリアに位置付けられるように構成することができる。より一般的には、いくつかの実施例では、合焦状態（ＦＳ）参照物体１０８８は透明な第１のエリアを有し、ＶＦＬレンズシステム１０００は、ワークピース画像が透明な第１のエリアに対応したカメラ画像の第１のエリアに位置付けられるように、かつ、ＦＳ参照領域セットのそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションが第１のエリアとは異なるカメラ画像の第２のエリアに位置付けられるように、更に、ワークピース画像及び参照物体画像が同時に同一のカメラ画像で露光されるように構成されている。ＶＦＬレンズシステム１０００は、カメラ画像内の特定のＦＳ参照領域のベストフォーカス画像を識別するように、更に、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定の有効合焦位置を、同一カメラ画像内のワークピース画像の有効合焦位置として識別するように構成された参照領域合焦解析器を含むことができる。
【０１０８】
図８のものと同様の実施例を利用した構成において、ＦＳ参照物体１０８８は概して、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ってノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに対してそれぞれ異なる合焦距離で中間像面ゾーンＩＩＰＺ内に固定された複数の平面状パターン表面（例えば層０、層２、及び層１）を含むものとして記載することができ、ＦＳ参照領域ＦＳＲＲのセットはこれら複数の平面状パターン表面上に配置されている。別の例として、図４のものと同様の実施例を利用した構成において、ＦＳ参照物体１０８８は概して、少なくとも１つのパターン表面を含むものとして記載することができ、その少なくとも一部はワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの光軸ＯＡに対して垂直でないので、少なくとも１つのパターン表面の異なる部分が、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ってノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに対してそれぞれ異なる合焦距離で中間像面ゾーンＩＩＰＺ内に固定されるようになっている。ＦＳ参照領域ＦＳＲＲのセットは、少なくとも１つのパターン表面のそれら異なる部分上に配置されている。そのような構成では、概ね、少なくとも１つのパターン表面が、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの光軸ＯＡに対して垂直でない平面状パターン表面を含むこと、及び、ＦＳ参照領域ＦＳＲＲのセットが、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの光軸ＯＡに対して垂直でない平面状パターン表面に沿って延出するコントラストパターンＣＰの異なる部分を含むことが記載され得る。
【０１０９】
これらの例示的な構成のいくつかにおいて、それぞれ異なる参照領域合焦位置ＲＦＰが、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ったノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの一方側に位置する少なくとも１つの参照領域合焦位置ＲＦＰと、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ったノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの他方側に位置する少なくとも１つの参照領域合焦位置ＲＦＰと、を含むことが望ましい場合がある。１つの特定の例示的な実施例では、図８の表現（すなわちＦＳ参照物体１０８８に利用される）において、参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０（すなわち層１に対応する）がノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの第１の側に位置すると共に参照領域合焦位置ＲＦＰ−２０（すなわち層２に対応する）がノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの第２の側に位置するように、中央の平面状パターン表面（例えば層０）をノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに位置付けることができる。別の特定の例示的な実施例では、図４の表現（すなわちＦＳ参照物体１０８８に利用される）において、参照領域合焦位置ＲＦＰ−１０（すなわちＦＳ参照領域ＦＳＲＲ−１０に対応する）がノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの第１の側に位置すると共に参照領域合焦位置ＲＦＰ−９０（すなわちＦＳ参照領域ＦＳＲＲ−９０に対応する）がノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍの第２の側に位置するように、参照領域合焦位置ＲＦＰ−５０をノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍに位置付けることができる。
【０１１０】
図１０の構成において、様々な実施例では、（例えば、光源１０３０ｒｏ及び／又は３３０において特定の波長範囲を使用することと組み合わせて）１つ以上の波長フィルタを含ませて、既知の原理に従ってワークピース画像と参照物体画像を相互に隔離させること等が可能である。１つの実施例において、波長フィルタは、ワークピース光３５５のみを受光することが意図されたカメラ画像の部分（例えば中央部分）から狭帯域参照物体光１０８９を除去するように、かつ、参照物体画像を与えることが意図されたカメラ画像の部分（例えば周辺部）から狭帯域参照物体光１０８９を除去しないように、形状及び配置を設定することができる。いくつかの実施例では、波長フィルタ（例えばダイクロイックフィルタ）を、１つ以上の要素に又は１つ以上の要素間に追加することができる（例えば、参照物体光源光１０３２ｒｏをＦＳ参照物体１０８８の方へ誘導するためチューブレンズ３５１と共役面ＣＰＬＮとの間に配置されたビームスプリッタに追加される）。他の実施例において、波長フィルタは別個の要素として追加され得る。様々な実施例において、参照物体光源１０３０ｒｏを、ビームスプリッタ３９０の光源３３０と同じ側か又は反対側に配置して、ビームスプリッタ３９０の対応する透過特性及び／又は反射特性及び／又は追加の反射面を利用して参照物体光源光１０３２ｒｏをＦＳ参照物体１０８８の方へ又は撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って誘導することも可能である。
【０１１１】
様々な実施例では、図３から図９を参照して上述したような動作と同様に、上述の参照物体１０８８を含む合焦状態参照サブシステム１０８６を用いて、ＶＦＬレンズシステム１０００が動作において安定しているか否か、及び／又はＶＦＬレンズ３７０の周期的な光学パワー変動中の様々な時点で所望の（例えば較正済みの）合焦状態にあるか否かを判定することができ、及び／又は、特定の画像の有効合焦位置を直接決定できることは認められよう。上述のように、様々な実施例において、露光時間コントローラ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、参照物体画像取得、又はそれら双方を管理するように実施できる。図５（Ａ）〜（Ｃ）及び図９（Ａ）〜（Ｃ）を参照して上述したように、いくつかの特定の例示的な実施例において、ＶＦＬレンズシステム１０００が較正済みの状態又は参照状態で安定して動作している場合、ＦＳ参照物体１０８８の参照物体画像露光は、参照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、ＦＳ参照物体１０８８の特定のＦＳ参照領域ＦＳＲＲのベストフォーカス画像を与えると予想され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。
【０１１２】
いくつかの実施例では、上述の原理に従って構成された合焦状態参照サブシステム１０８６は、アクセサリ結合要素１０００ＣＦを含むＶＦＬレンズシステムフレーム又は筐体１０００ＦＲ（例えば、その代表的な部分は図１０に点線部分で概略的に示されている）を含むＶＦＬレンズシステム１０００と共に使用される「アクセサリ」として提供され得る。そのような実施例では、上述の要素に加えて、合焦状態参照サブシステム１０８６は、ＶＦＬレンズシステム１０００上のアクセサリ結合要素１０００ＣＦに固定して搭載するように構成された参照サブシステム結合要素１０８６ＣＦを含む参照サブシステムフレーム又は筐体１０８６ＦＲを含むことができる。そのような実施例では、参照サブシステム結合要素１０８６ＣＦがＶＦＬレンズシステム１０００上のアクセサリ結合要素１０００ＣＦに固定して搭載された場合、合焦状態（ＦＳ）参照物体１０８８は、ノミナル中間像面ＩＩＰｎｏｍを含むか又はこれに近接するワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿った中間像面ゾーンＩＩＰＺ内にＦＳ参照物体１０８８が位置付けられるＦＳ参照物体撮像構成ＲＯＩＣ内に配置される。ＦＳ参照物体１０８８は、参照物体画像露光中に参照物体画像光１０８９を出力するように配置され、参照物体画像露光中に参照物体画像光１０８９は、中間像面ゾーンＩＩＰＺからワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って、ＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に伝送され、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する。様々な実施例において、結合要素１０００ＣＦ及び／又は１０８６ＣＦは、結合及び／又は関連する機能を実行するために様々な構成及び／又は要素を含み得る。例えばアクセサリ結合要素１０００ＣＦは、合焦状態参照サブシステム１０８６を保持するため又は他の方法でこれに結合するためのポート、ブラケット、又は他の要素もしくは構成を含み得る。参照サブシステム結合要素１０８６ＣＦは、アクセサリ結合要素１０００ＣＦに結合するためのフレーム１０８６ＦＲの側面部又は他の要素もしくは構成を含み得る。様々な実施例では、結合機能及び関連する機能のため、複数の結合要素１０００ＣＦ及び／又は１０８６ＣＦを含む及び／又は利用することができる。一般に、結合要素１０００ＣＦ及び１０８６ＣＦは、参照サブシステム結合要素１０８６ＣＦをアクセサリ結合要素１０００ＣＦに固定して搭載すること及び対応した動作を実行することを可能とする任意のタイプの構成又は要素を有し得る。この動作は、ＦＳ参照物体１０８８が参照物体画像光１０８９を出力することを含み、この光は中間像面ゾーンＩＩＰＺからワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って伝送され、参照物体画像光露光中にＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に到達する。
【０１１３】
図１１は、本明細書に開示される原理に従って、図１０に示されているＶＦＬレンズシステム１０００のような可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの合焦状態を決定するための動作セット１１００を含む方法の１つの例示的な実施例を示すフローチャートである。
【０１１４】
動作ブロック１１１０では、合焦状態（ＦＳ）参照物体をＦＳ参照物体撮像構成内に配置する。ＦＳ参照物体は、ＶＦＬレンズシステムのノミナル中間像面を含むか又はこれに近接するワークピース撮像光路に沿った中間像面ゾーン内に位置付けられる。
【０１１５】
動作ブロック１１２０では、参照物体画像露光中に、ＦＳ参照物体から参照物体画像光を出力する。参照物体画像光は、ノミナル中間像面ゾーンからワークピース撮像光路の少なくとも一部に沿って伝送され、参照物体画像露光中にＶＦＬレンズを介してカメラに伝送され、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する。ＦＳ参照物体は合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットを含み、この合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に固定されている。特定のＦＳ参照領域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ＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定する。システム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも１つを含む。
【０１１６】
動作ブロック１１３０では、対応するカメラ画像を解析して、対応するカメラ画像内でベストフォーカス画像を有する特定のＦＳ参照領域を決定し、更に、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を決定する。決定されたシステム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも１つを含む。
【０１１７】
様々な実施例において、対応するカメラ画像の解析は、カメラ画像の１つ以上の合焦特性を決定することと、決定された１つ以上の合焦特性を、システム合焦参照状態に関連付けて記憶されている特性と比較して、システム合焦参照状態を決定することと、を含み得る。１つの特定の例示的な実施例では、カメラ画像の解析（例えば、少なくとも部分的に参照領域合焦解析器３８４によって実行される）は、カメラ画像内の複数のＦＳ参照領域を解析して、最良のコントラスト又は合焦尺度のうち少なくとも１つを有するＦＳ参照領域を決定することを含む。これが、システム合焦参照状態が関連付けられる特定のＦＳ参照領域である。上述のように、ベストフォーカスＦＳ参照領域（例えば、最良のコントラスト又は合焦尺度を有する）は、ＶＦＬレンズシステムがそのノミナル動作状態又は所望の動作状態からドリフトしているか否かとは無関係に、ＶＦＬレンズシステムの合焦状態及びそのカメラ画像の有効合焦位置ＥＦＰを直接示し得る。カメラ画像が合焦ワークピース画像も含む場合、有効合焦位置ＥＦＰは、ＶＦＬレンズシステムがそのノミナル動作状態又は所望の動作状態からドリフトしているか否かとは無関係に、正確なワークピースＺ高さ測定を与える（例えば図６を参照して上述されている）。
【０１１８】
図１２は、本明細書に開示される原理に従って、図３に示されているＶＦＬレンズシステム３００のような可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの合焦状態を決定するための動作セット１２００を含む方法の１つの例示的な実施例を示すフローチャートである。
【０１１９】
動作ブロック１２１０では、合焦状態（ＦＳ）参照物体及び参照物体光学系構成をＦＳ参照物体撮像構成内に配置する。参照物体光学系構成は、ＦＳ参照物体から受光した参照物体光を、ワークピース撮像光路の少なくとも一部に沿って伝送し、ワークピース撮像光路の少なくとも１つの光学要素と共働して動作して、ノミナル中間像面を含むか又はこれに近接する中間像面ゾーンに固定されたＦＳ参照物体の合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットの中間像を形成する。合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットは、参照物体光学系構成に対するそれぞれの参照領域合焦位置に応じて、ワークピース撮像光路に沿ってノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる合焦位置に位置付けられた対応する中間像を有する。
【０１２０】
動作ブロック１２２０では、参照物体画像露光中に、ＦＳ参照物体から参照物体画像光を出力する。参照物体光学系構成は、ＦＳ参照物体から参照物体画像光を受光し、これをワークピース撮像光路の少なくとも一部に沿って伝送し、ワークピース撮像光路の少なくとも１つの光学要素と共働して動作して、中間像面ゾーンにおいて合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットの中間像を形成し、更に参照物体画像露光中に参照物体画像光を伝送して、ＶＦＬレンズを介してカメラに到達させ、対応するカメラ画像に参照物体画像を提供する。ＦＳ参照物体は合焦状態（ＦＳ）参照領域のセットを含み、この合焦状態参照領域セットは、コントラストパターンを含み、参照物体画像内でそれぞれ既知の参照領域画像ロケーションを有し、更に、ノミナル中間像面に対してそれぞれ異なる参照領域合焦位置に固定されている。特定のＦＳ参照領域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ＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を規定する。システム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも１つを含む。
【０１２１】
動作ブロック１２３０では、対応するカメラ画像を解析して、対応するカメラ画像内でベストフォーカス画像を有する特定のＦＳ参照領域を決定し、更に、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられたシステム合焦参照状態を決定する。決定されたシステム合焦参照状態は、その特定のＦＳ参照領域に関連付けられた特定のＶＦＬ光学パワー又は特定の有効合焦位置のうち少なくとも１つを含む。様々な実施例において、対応するカメラ画像の解析は、図１１を参照して前述したように実行することができる。
【０１２２】
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。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。例えば様々な実施例において、図８及び図９を参照して記載したものと同様であるが２つの層のみを含む多層参照物体を使用することができる。更に、上述の様々な実施例を組み合わせて別の実施例を提供することも可能である。例えば、調整可能な傾斜機構を用いて傾斜させた参照物体を実施することで、傾斜させた参照物体によってカバーされる参照物体合焦位置範囲Ｒｒｏ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ロケーションに関連付けられた合焦距離の選択性もしくは解像度を増大させることを可能とする。別の例として、多層参照物体を傾斜させて、多層参照物体及び傾斜させた参照物体の各々に関連した利点の組み合わせを得ることも可能である。これらの様々な特許及び出願の概念を用いて更に別の実施例を提供するために必要な場合は、上述の実施例の態様は変更可能である。
【０１２３】
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４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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