(57)【要約】【課題】均一な画像露光が得られるビジョンシステムを提供する。【解決手段】ビジョンシステムは、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムと、光源と、露光時間制御部と、カメラと、を含む。ＶＦＬレンズシステムは、ノミナル正弦波合焦位置変調を行うように制御される可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを含む。光源は、疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて連続照明源を駆動することで対応する疑似正弦波周期的強度変調光を与える光源駆動部に接続された連続照明源を含む。カメラは、疑似正弦波周期的強度変調光によってワークピースを照明することから生じるワークピース画像光を入力する画像露光に基づいてワークピース画像を提供する。ノミナル正弦波合焦位置変調と組み合わせて疑似正弦波周期的強度変調光を利用することで、均一な画像露光、及び（例えばＴＡＧレンズの合焦極値における露出過度を回避すること等による）他の利点が得られる。【選択図】  図１
2019191180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースの画像を提供するためのビジョンシステムであって、
可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを含む可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムであって、前記ＴＡＧレンズの動作の共振周波数で前記ビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調を行うように制御される、ＶＦＬレンズシステムと、
前記ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲における少なくとも１回の偏位運動全体において合焦位置変化の間に連続照明を与えるように構成され、前記ワークピースを照明してワークピース画像光を生成するために利用できる連続照明源を含む光源であって、前記連続照明源は、疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて前記連続照明源を駆動することで前記連続照明源から対応する疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように構成された照明源駆動部に接続され、更に、前記ノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調と同期されて、前記疑似正弦波周期的強度変調光の強度最小値が前記ノミナル正弦波合焦位置変調の極値とほぼ同時に発生するようになっている、光源と、
画像露光を規定する露光タイミング及び持続時間を決定するように構成された露光時間制御部と、
カメラであって、前記連続照明源からの前記疑似正弦波周期的強度変調光によって前記ワークピースを照明することから生じるワークピース画像光を前記カメラ内に入力する前記画像露光に基づいてワークピース画像を提供するように構成され、前記入力されるワークピース画像光は、前記ＴＡＧレンズを含む前記ＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って前記画像露光中に前記ワークピースから前記カメラへ伝送される、カメラと、
を備えるビジョンシステム。
【請求項２】
前記露光時間制御部は、ワークピース画像露光を規定するように前記カメラで与えられる電子画像積分期間の動作を規定する露光タイミング及び持続時間を決定するように構成されている、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項３】
前記ワークピースと前記カメラとの間の前記撮像光路又は前記光源と前記ワークピースとの間の照明経路のうち１つに沿って配置された遮光シャッタを更に備え、
前記露光時間制御部は、ワークピース画像露光を規定するように前記遮光シャッタの動作を規定する露光タイミング及び持続時間を制御するように構成されている、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項４】
前記遮光シャッタは、前記照明経路に沿って配置されている、請求項３に記載のビジョンシステム。
【請求項５】
前記遮光シャッタは、高速光スイッチを含む、請求項３に記載のビジョンシステム。
【請求項６】
前記高速光スイッチは、高速液晶光スイッチを含む、請求項５に記載のビジョンシステム。
【請求項７】
前記ＶＦＬレンズシステムの前記動作合焦範囲は、前記ＴＡＧレンズの動作によって与えられる全合焦範囲の８０％以下に対応する、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項８】
前記連続照明は、前記ＴＡＧレンズの動作によって与えられる前記全合焦範囲にわたって与えられる、請求項７に記載のビジョンシステム。
【請求項９】
前記ＶＦＬレンズシステムの前記動作合焦範囲外である前記全合焦範囲の少なくとも一部において、前記連続照明は中断されるか又はオフにされることのうち少なくとも一方が行われる、請求項７に記載のビジョンシステム。
【請求項１０】
前記照明源駆動部は、前記ＴＡＧレンズの前記共振周波数で反復する半波整流疑似正弦波周期的駆動信号関数の少なくともピーク部分を含む信号範囲、又は前記ＴＡＧレンズの前記共振周波数の２倍で反復する全波整流疑似正弦波周期的駆動関数の少なくともピーク部分を含む信号範囲を含む疑似正弦波周期的駆動信号に従って前記連続照明源を駆動するように構成されている、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項１１】
前記疑似正弦波周期的駆動信号は、前記ＴＡＧレンズの前記共振周波数で反復する前記半波整流疑似正弦波周期的駆動信号関数の少なくとも前記ピーク部分を含む信号範囲を含む、請求項１０に記載のビジョンシステム。
【請求項１２】
前記疑似正弦波周期的駆動信号は、前記ＴＡＧレンズの前記共振周波数の２倍で反復する前記全波整流疑似正弦波周期的駆動関数の少なくとも前記ピーク部分を含む信号範囲を含む、請求項１０に記載のビジョンシステム。
【請求項１３】
前記照明源駆動部は、前記ＴＡＧレンズの前記共振周波数の２倍でありＤＣオフセット成分を含む周波数を有する滑らかに変化する、疑似正弦波周期的駆動信号に従って前記連続照明源を駆動するように構成されている、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項１４】
前記滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号は、以下の等式に少なくとも概ね対応する時間関数ＤＳ（ｔ）であり、
【数１】
2019191180.tif 000005
ＭＣは少なくとも０．３であり大きくても１．０である変調係数を表し、ωTAGは前記ＴＡＧレンズの前記共振周波数を表し、ｔは時間を表し、ＫはＤＳ（ｔ）の最大値を表す定数である、請求項１３に記載のビジョンシステム。
【請求項１５】
ＭＣは少なくとも０．５であり大きくても０．８である、請求項１４に記載のビジョンシステム。
【請求項１６】
前記ノミナル正弦波合焦位置変調は、時間（ｔ）の関数としての変化率ｄＦ（ｔ）／ｄｔを有する時間（ｔ）の関数としての合焦位置変調Ｆ（ｔ）に対応し、前記照明源駆動部は、少なくとも前記ＶＦＬレンズシステムの前記動作合焦範囲全体を通して以下の条件を満足させる、時間（ｔ）の関数としての強度変調ｌ（ｔ）に対応した強度を有する疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように前記連続照明源を駆動するよう構成されており、
【数２】
2019191180.tif 000006
ＡＢＳ（ｄＦ（ｔ）／ｄｔ）は時間（ｔ）における合焦変化率の絶対値を表し、ＲＥは合焦変化増分当たりの一定の露光率を表す、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項１７】
前記画像露光は、同一の合焦位置に対応すると共に前記ノミナル正弦波合焦位置変調の異なる周期中に取得される少なくとも２つの露光増分を含む、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項１８】
単一の制御部が１つ以上の変調制御信号を与えるように構成され、前記１つ以上の変調制御信号を用いて、前記ノミナル正弦波合焦位置変調を行うように前記ＴＡＧレンズを制御すると共に前記疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように前記連続照明源を制御する、請求項１に記載のビジョンシステム。
【請求項１９】
前記単一の制御部は、前記連続照明源を駆動するよう構成された前記照明源駆動部を含むか又は制御することのうち少なくとも一方を実行する、請求項１８に記載のビジョンシステム。
【請求項２０】
ビジョンシステムを動作させるための方法であって、
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを動作させて、前記ＴＡＧレンズの動作の共振周波数で前記ビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調を行うことと、
前記ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲における少なくとも１回の偏位運動全体において合焦位置変化の間に連続照明を与えるように構成された連続照明源を含む光源を動作させることであって、前記連続照明源は、ワークピースを照明してワークピース画像光を生成するために利用されると共に、疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて前記連続照明源を駆動することで前記連続照明源から対応する疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように構成された照明源駆動部に接続されており、更に、前記ノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調と同期されて、前記疑似正弦波周期的強度変調光の強度最小値が前記ノミナル正弦波合焦位置変調の極値とほぼ同時に発生するようになっている、ことと、
画像露光を規定する露光タイミング及び持続時間を決定するように露光時間制御部を動作させることと、
前記連続照明源からの前記疑似正弦波周期的強度変調光によって前記ワークピースを照明することから生じるワークピース画像光をカメラ内に入力する前記画像露光に基づいてワークピース画像を提供するように前記カメラを動作させることであって、前記入力されるワークピース画像光は、前記ＴＡＧレンズを含む前記ＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って前記画像露光中に前記ワークピースから前記カメラへ伝送される、ことと、
を含む方法。
【請求項２１】
前記ワークピース画像に対して画像処理を実行することを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記画像処理はデフォーカスによる像ボケを除去し、前記ＶＦＬレンズシステムの動作を特徴付ける所定の積分点像分布関数に基づく前記ワークピース画像のデコンボリューション処理を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ビジョンシステムであって、
可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを含む可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムと、
連続照明源を含む光源と、
カメラと、
制御システムであって、
１つ以上のプロセッサと、
前記１つ以上のプロセッサに結合されると共にプログラム命令を記憶するメモリと、を備え、前記プログラム命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行された場合、
前記ＴＡＧレンズの動作の共振周波数で前記ビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調を行うように前記ＴＡＧレンズを制御すること、
前記ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲における少なくとも１回の偏位運動全体において合焦位置変化の間に連続照明を与えるように前記連続照明源を制御することであって、前記連続照明源は、ワークピースを照明してワークピース画像光を生成するために利用され、疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて駆動されて前記連続照明源から対応する疑似正弦波周期的強度変調光を与え、更に、前記ノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調と同期されて、前記疑似正弦波周期的強度変調光の強度最小値が前記ノミナル正弦波合焦位置変調の極値とほぼ同時に発生するようになっている、ことと、
前記連続照明源からの前記疑似正弦波周期的強度変調光によって前記ワークピースを照明することから生じるワークピース画像光を前記カメラ内に入力する画像露光に基づいてワークピース画像を提供するように前記カメラを制御することであって、前記入力されるワークピース画像光は、前記ＴＡＧレンズを含む前記ＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って前記画像露光中に前記ワークピースから前記カメラへ伝送される、ことと、
を前記１つ以上のプロセッサに実行させる、制御システムと、
を備えるビジョンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、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、高速ＶＦＬレンズが合焦位置を周期的に変調するビジョンシステム（例えばマシンビジョン検査システム）に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々なタイプのビジョンシステム（例えば精密マシンビジョン検査システム）は、物体の精密な寸法測定を行うと共に他の様々な物体の特徴を検査するために使用することができ、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。これは援用によりその全体が本願に含まれる。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。これは援用によりその全体が本願に含まれる。
【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（これは援用によりその全体が本願に含まれる）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、これによってビジョンシステムの焦点距離又は有効合焦位置を変調する。ＴＡＧレンズを用いて、最大で数百ｋＨｚの共振周波数で、すなわち高速で、合焦位置を周期的に変調することができる。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。これは援用によりその全体が本願に含まれる。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、ビジョンシステムの所与の構成では、少なくとも部分的に、合焦位置の周期的変調中にいつ画像が取得されるかに応じて（例えば１つの理由として、周期的変調の様々な段階で合焦位置の変化率が異なることに起因して）、いくつかの望ましくない変動が生じる可能性がある（これは、例えばいくつかのタイプの測定や処理等の精度に影響を及ぼし得る）。そのような問題に関する改善を実現できるビジョンシステムが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この概要は、以下で「発明を実施するための形態」において更に記載するいくつかの概念を簡略化した形態で紹介するために提示する。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴を識別することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲の決定に役立てるため用いることも意図していない。
【０００７】
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムと、光源と、露光時間制御部と、カメラと、を含むビジョンシステムが提供される。ＶＦＬレンズシステムは可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを含み、このＴＡＧレンズは、動作の共振周波数でビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調を行うように制御される。光源は、ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲における少なくとも１回の偏位運動（ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ）全体において合焦位置変化の間に連続照明を与えるように構成された連続照明源を含む。連続照明は、ワークピースを照明してワークピース画像光を生成するために利用できる。連続照明源は照明源駆動部に接続され、照明源駆動部は、疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて連続照明源を駆動することで連続照明源から対応する疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように構成されている。疑似正弦波周期的強度変調光は、ノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調と同期されて、疑似正弦波周期的強度変調光の強度最小値がノミナル正弦波合焦位置変調の極値とほぼ同時に発生するようになっている。
【０００８】
露光時間制御部は、画像露光を規定する露光タイミング及び持続時間を決定するように構成されている。カメラは、連続照明源からの疑似正弦波周期的強度変調光によってワークピースを照明することから生じるワークピース画像光をカメラ内に入力する画像露光に基づいてワークピース画像を提供するように構成されている。入力されるワークピース画像光は、ＴＡＧレンズを含むＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って画像露光中にワークピースからカメラへ伝送される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて駆動される連続照明源を含む、図２の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されたＶＦＬレンズシステムの概略図である。
【図４Ａ】ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍で反復する全波整流疑似正弦波周期的駆動関数の少なくとも一部を含む信号範囲を含む疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源が駆動される実施例を示す図である。
【図４Ｂ】ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍で反復する全波整流疑似正弦波周期的駆動関数の少なくとも一部を含む信号範囲を含む疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源が駆動される実施例を示す図である。
【図４Ｃ】ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍で反復する全波整流疑似正弦波周期的駆動関数の少なくとも一部を含む信号範囲を含む疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源が駆動される実施例を示す図である。
【図５】連続照明源を駆動するための信号範囲が全波整流疑似正弦波周期的駆動関数のピーク部分を含む、図４と同様の実施例を示す図である。
【図６Ａ】ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍でありＤＣオフセット成分を含む周波数を有する滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動する実施例を示す図である。
【図６Ｂ】ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍でありＤＣオフセット成分を含む周波数を有する滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動する実施例を示す図である。
【図７】本明細書に開示される原理に従った疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて駆動される連続照明源を含むビジョンシステムを動作させるためのルーチンの１つの例示的な実施例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本明細書に開示される原理に従って使用可能であるビジョンシステム１０（例えばマシンビジョン検査システム）の１つの例示的な実施例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、ビジョンシステム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。
【００１１】
制御コンピュータシステム１４及び／又は以下で更に詳しく記載される図２の制御システム部１２０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、本明細書に記載され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。
【００１２】
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。ビジョンシステム１０（例えばマシンビジョン検査システム）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。これらの各々は援用により全体が本願に含まれる。
【００１３】
図２は、図１のビジョンシステム１０と同様の、本明細書に開示されるいくつかの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。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。
【００１４】
光学アセンブリ部２０５は、以下で詳述するように、カメラ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）、並びに任意選択的な遮光シャッタ２３５及び２６５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から選択することができる（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）。
【００１５】
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、もっと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、レンズ制御インタフェース１３４によって信号ライン２３４’を介してＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ２７０を制御して、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、ＶＦＬレンズ制御部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。
【００１６】
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）を含む経路に沿って光源光２３２を発することができる。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て、光源光２３２は、ＶＦＬレンズ２７０のノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調に同期させた疑似正弦波周期的強度変調光とすることができる。
【００１７】
光源光２３２はワークピース画像光２５５として反射又は透過され、撮像のため用いられるこのワークピース画像光は、交換可能対物レンズ２５０、ターレットレンズアセンブリ２２３、及びＶＦＬレンズ２７０を通過して、カメラ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。以下で詳述するように、様々な実施例において、ワークピース画像露光を規定するようにカメラで与えられる電子画像積分期間の動作を規定する露光タイミング及び持続時間を決定するため、様々な技法を利用できる。
【００１８】
例えば様々な実施例において、露光タイミング及び持続時間を制御するため、光源光２３２を遮蔽するための任意選択的な遮光シャッタ２３５を含ませて制御すること、又は、ワークピース画像光２５５がカメラ２６０に到達するのを阻止するための任意選択的な遮光シャッタ２６５を含ませて制御すること、及び／又は、カメラ２６０が、ワークピース画像露光に含まれるワークピース画像光２５５を阻止する及び／又はその光量を他の方法で制御するための内部構成要素及び／又はシステム（例えば内部の及び／又は一体化された遮光シャッタ）を含むことができる。様々な実施例において、カメラ２６０は、連続照明源２３０からの疑似正弦波周期的強度変調光２３２によってワークピース２０を照明することから生じるワークピース画像光２５５をカメラ２６０内に入力する画像露光に基づいてワークピース画像を提供する。図３を参照して以下で詳述するように、ワークピース画像光２５５は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ２７０を含む撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って画像露光中にワークピース２０からカメラ２６０へ伝送される。
【００１９】
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、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。遮光シャッタ２３５及び２６５は、関連付けられた信号ライン（例えばそれぞれ２３５’及び２６５’）を介して制御システム部１２０のシャッタ制御部１３１ｓｃに接続することができる。様々な実施例において、（例えば遮光シャッタ２３５と同様の）追加の遮光シャッタを含めることも可能である（例えば光源２２０及び／又は２４０からの光源光を遮蔽するため）。様々な実施例において、遮光シャッタ２３５及び２６５は高速光スイッチ（例えば高速液晶光スイッチ）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。
【００２０】
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、制御部１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム発生器及び実行器１７０、及び電源部１９０を含む。これらの構成要素及び以下で説明する追加の構成要素の各々は、１つ以上のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースによって、又は様々な要素間の直接接続によって、相互接続することができる。様々な実施例において、制御システム部１２０は少なくとも部分的に、（例えば制御部１２５の一部としての）１つ以上のプロセッサ、及びこの１つ以上のプロセッサに結合されると共にプログラム命令を記憶する（例えばメモリ１４０の一部としての）メモリを含む及び／又はこれらによって実施できる。プログラム命令は、１つ以上のプロセッサによって実行された場合、以下で詳述する制御システム部１２０の様々な機能及び要素のうち少なくともいくつかを１つ以上のプロセッサに実施及び／又は実行させる。
【００２１】
入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１、移動制御インタフェース１３２、照明制御インタフェース１３３、及びレンズ制御インタフェース１３４を含む。レンズ制御インタフェース１３４は、ＶＦＬレンズ制御部１８０を含むか又はこれに接続することができる。ＶＦＬレンズ制御部１８０は、ＶＦＬレンズ２７０によって行われるノミナル正弦波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／又はルーチンを含む。いくつかの実施例において、レンズ制御インタフェース１３４及びＶＦＬレンズ制御部１８０はマージされる及び／又は区別できない場合がある。様々な実施例において、撮像制御インタフェース１３１は、単一の合焦位置で合焦された場合にビジョン構成要素部２００によって与え得るよりも大きい被写界深度でワークピースの少なくとも１つの画像を収集するための拡大被写界深度（ＥＤＯＦ：ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｄｅｐｔｈ  ｏｆ  ｆｉｅｌｄ）モード（例えばユーザ等によって選択可能である）を含むことができ、及び／又は、レンズ制御インタフェース１３４は、援用により全体が本願に含まれる米国特許公報第２０１７／００７８５４９号に詳述されているようなＥＤＯＦレンズ制御部を含むことができる（例えばレンズ合焦駆動回路及び／又はルーチン等を含む）。上記の５４９号公報に記載されているように、ＥＤＯＦプロセスの１つのタイプでは、露光時間中に複数の合焦距離に沿って単一の画像を露光することができる（例えば、ＶＦＬレンズ２７０の動作を利用して露光中に様々な合焦距離を達成する）。この画像は比較的ぼやけているが、複数の合焦距離にわたって取得された画像情報を含むことができる。この画像に、既知の又は所定のデコンボリューションアルゴリズムを用いてデコンボリューションを行うことで、拡大被写界深度で比較的クリアな画像が得られる。
【００２２】
様々な実施例において、撮像制御インタフェース１３１は、遮光シャッタ２３５及び／又は２６５を制御する（例えば、それぞれ信号ライン２３５’及び２６５’上に制御信号を与える）ための１つ以上のシャッタ制御部で構成することができるシャッタ制御部１３１ｓｃを含み得る。様々な実施例において、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、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、疑似正弦強度変調、オン／オフ切り換え、及びパルスタイミング等を適用可能な場合に制御する。いくつかの実施例において、図３に示されているような露光時間制御部３３１ｅｔは、シャッタ制御部１３１ｓｃ、撮像制御インタフェース１３１（例えばカメラ２６０を制御するため）、及び／又は照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎのうち１つ以上にタイミング信号及び／又は制御信号を提供することで、以下で詳述するように、ＶＦＬレンズのノミナル正弦波合焦位置変調の所望の位相タイミングと同期した画像露光タイミング及び持続時間を与えることができる。いくつかの実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔ、並びに照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎ、シャッタ制御部１３１ｓｃ、及び／又は撮像制御インタフェース１３１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。
【００２３】
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（これは援用によりその全体が本願に含まれる）に詳述されている。
【００２４】
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を参照して以下で詳述される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、援用によりその全体が本願に含まれる米国特許第９，１４３，６７４号にも詳述されている。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号に記載されている。これらは援用により全体が本願に含まれる。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、光レベルを設定し、合焦又は自動合焦を行い、画像を取得し、（例えばそのワークピース要素に対してビデオツールのうち１つのインスタンスを用いて）画像に適用される検査訓練シーケンスを提供することを含み得る。学習モードの動作では、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、本願に含まれる引例のいくつかに詳述されているように、このような技法を利用して、ワークピース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ができる。
【００２８】
図３は、ＶＦＬレンズ３７０（例えばＴＡＧレンズ）を備えたＶＦＬレンズシステム３０１を含む、図２のビジョンシステムと同様のビジョンシステム３００の一部の概略図である。様々な実施例において、ＶＦＬレンズシステム３０１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させることができる。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１ＸＸ又は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／又はそういった動作又は機能を提供し、他の指示がない限り同様に理解され得ることは認められよう。
【００２９】
以下で詳述するように、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ワークピース３２０からカメラ３６０までワークピース画像光３５５を伝達する経路に沿って配置された様々な光学コンポーネントを含む。撮像光は概ね光軸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を意図しており、限定ではない。より一般的には、撮像光路ＯＰＡＴＨはミラー及び／又は他の光学要素を含み、既知の原理に従ってカメラシステム（例えばカメラ３６０を含む）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。
【００３０】
図３に示されているように、ビジョンシステム３００は、ＶＦＬレンズシステム３０１、光源３３０、露光時間制御部３３１ｅｔ、シャッタ制御部３３１ｓｃ１及び３３１ｓｃ２、疑似正弦照明源駆動部３３３ａ１、遮光シャッタ３３５及び３６５、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、並びにレンズ制御部３８０を含む。ＶＦＬレンズシステム３０１は、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（例えばＴＡＧレンズ）、及びリレーレンズ３５６を含む。様々な実施例において、ビジョンシステム３００の様々な構成要素は、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等によって、相互接続することができる。
【００３１】
図３に示された実施例において、光源３３０は連続照明源３３０Ｃ及びストロボ照明源３３０Ｓを含むことができる。様々な実施例において、照明源３３０Ｃ及び３３０Ｓはマージされる及び／又は区別できない場合がある。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、連続照明源３３０Ｃは、ＶＦＬレンズシステム３０１の動作合焦範囲における少なくとも１回の偏位運動全体において合焦位置変化の間に連続照明を与えるよう制御することができ、ワークピース３２０を照明してワークピース画像光３５５を生成するために利用できる。様々な実施例において、連続照明源３３０Ｃは疑似正弦照明源駆動部３３３ａ１に接続することができる。疑似正弦照明源駆動部３３３ａ１は、対応する疑似正弦波周期的強度変調光３３２を与えるため疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて連続照明源３３０Ｃを駆動するように構成されている。疑似正弦波周期的強度変調光３３２は、ＶＦＬレンズ３７０のノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調と同期されて、疑似正弦波周期的強度変調光３３２の強度最小値がＶＦＬレンズ３７０のノミナル正弦波合焦位置変調の極値とほぼ同時に発生するようになっている。これについては図４から図６を参照して以下で詳述する。
【００３２】
様々な実施例において、光源３３０は「落射照明光源」又は他の光源とすることができ、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、光源光３３２を（例えば、それぞれ連続照明源３３０Ｃ及び３３０Ｓからの連続照明及び／又はストロボ照明で）発する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画像光３５５を受光し、ワークピース画像光３５５をチューブレンズ３５１に出力する。チューブレンズ３５１はワークピース画像光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５２に出力する。他の実施例では、同様の光源によって視野を非同軸に照明することができる。例えば、リング光源が視野を照明することができる。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）。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。
【００３３】
リレーレンズ３５２は、ワークピース画像光３５５を受光し、これをＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０に出力する。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０はワークピース画像光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５６に出力する。リレーレンズ３５６はワークピース画像光３５５を受光し、これをカメラ３６０に出力する。様々な実施例において、カメラ３６０は、画像露光期間とも呼ばれる画像露光中に（例えばカメラ３６０の積分期間中に）カメラ画像をキャプチャし、対応する画像データを制御システム部に提供することができる。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。様々な実施例において、カメラ３６０は、１メガピクセルよりも大きいピクセルアレイを有し得る（例えば１．３メガピクセル、１２８０×１０２４画素アレイ、１画素当たり５．３ミクロン）。
【００３４】
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、倍率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開口径（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。
【００３５】
様々な実施例において、レンズ制御部３８０は、駆動信号発生部３８１、タイミングクロック３８１’、及びワークピース撮像回路／ルーチン３８２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（例えば、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ動作の共振周波数でビジョンシステム３００のノミナル正弦波合焦位置変調を与えるため）。様々な実施例において、ビジョンシステム３００は、協調した動作のためレンズ制御部３８０と連携して動作するよう構成できる制御システム（例えば図２の制御システム部１２０）を備えることができる。様々な実施例において、レンズ制御部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のいくつか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、ビジョンシステムの標準的なワークピース撮像動作を実行することができる。
【００３６】
様々な実施例では、望ましくない温度変動に起因して、ＶＦＬレンズ３７０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、ビジョンシステム３００は、ＶＦＬレンズ３７０に関連付けられたレンズヒータ／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。
【００３７】
ＶＦＬレンズ３７０の全体的な動作に関して、上述したように様々な実施例では、レンズ制御部３８０が周期的にその光学パワーを迅速に調整又は変調して、２５０ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は３０ｋＨｚ等の（すなわちＶＦＬレンズ共振周波数の）周期的変調が可能である高速ＶＦＬレンズを実現できる。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、ビジョンシステム３００の有効合焦位置ＥＦＰ（すなわち対物レンズ３５０の前方の合焦位置）を、範囲Ｒｅｆｐ（例えば自動合焦サーチ範囲）内で、（迅速に）移動させることができる。範囲Ｒｅｆｐは、対物レンズ３５０と組み合わせたＶＦＬレンズ３７０の最大光学パワーに対応する有効合焦位置ＥＦＰ１（又はＥＦＰｍａｘ）と、対物レンズ３５０と組み合わせたＶＦＬレンズ３７０の最大負光学パワーに対応する有効合焦位置ＥＦＰ２（又はＥＦＰｍｉｎ）とによって画定できる。様々な実施例において、有効合焦位置ＥＦＰ１及びＥＦＰ２は、それぞれ９０度及び２７０度の位相タイミングにほぼ対応することができる。これについては以下で詳述される。様々な実施例において、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。
【００３８】
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、その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。
【００３９】
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、レンズ制御部３８０、ワークピース合焦信号処理部３７５、又はシステム信号及び制御バス３９５に接続されたホストコンピュータシステム等と、マージされる及び／又は区別できない場合がある。
【００４０】
様々な実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、（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）ビジョンシステム３００の画像露光を規定する露光時間及び持続時間を（例えばタイミング信号及び／又は制御信号等を提供することによって）制御する。例えば、ワークピース３２０とカメラ３６０との間の撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って遮光シャッタ３６５が含まれ配置されているか、又は光源３３０とワークピース３２０との間を光源光３３２が進む照明経路に沿って遮光シャッタ３３５が含まれ配置されている実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、ワークピース画像露光を規定するため遮光シャッタ３３５又は３６５の動作を規定する露光タイミング及び持続時間を制御することができる。様々な実施例において、遮光シャッタ３３５又は３６５は、高速光スイッチ（例えば高速液晶光スイッチ）を含み得る。他の実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、（例えば、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するようにカメラ３６０の高速電子カメラシャッタを制御することによって）ワークピース画像露光を規定するためカメラ３６０で与えられる電子画像積分期間の動作を管理する露光タイミング及び持続時間を制御することができる。いくつかの実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、カメラ３６０及び／又はシャッタ制御部３３１ｓｃ１及び／又は３３１ｓｃ２と、マージされる及び／又は区別できない場合がある。
【００４１】
様々な実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、（例えば特定のモード又はタイミング中に）ストロボ照明源３３０Ｓのストロボタイミングを制御するように動作することも可能である。例えば、いくつかのモードではそのようなストロボ状／パルス状照明動作を利用し（例えばポイントフロムフォーカス動作等のため）、他のモードでは疑似正弦波の周期的強度変調光を利用できる（例えばＥＤＯＦ動作等のため）。様々な実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、（例えば有効合焦位置較正部３７３で利用可能なＺ高さ較正データを用いて）制御された各時点でストロボ発光するようにストロボ照明源３３０Ｓを制御できる。１つの実施例において、露光時間制御部３３１ｅｔは、ＶＦＬレンズ３７０のスイープ（周期的変調）範囲内の特定の有効合焦位置を有する画像を取得するように、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ストロボ照明源３３０Ｓを制御できる。同様のタイミングに関する検討を、露光時間制御部３３１ｅｔによる他の要素の制御（例えば遮光シャッタ３３５及び／又は３６５、カメラ３６０等の制御）に用いることも可能である。露光時間制御部３３１ｅｔ並びに上記で概説した他の機構及び要素の動作は、概してワークピース画像取得を規定するために実施できることは認められよう。
【００４２】
様々な実施例では、単一の制御部が１つ以上の変調制御信号を与えるように構成することができ、この１つ以上の変調制御信号を用いて、ノミナル正弦波合焦位置変調を行うようにＶＦＬレンズ３７０を制御すると共に疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように連続照明源３３０Ｃを制御することができる。様々な実施例において、そのような単一の制御部は、照明制御インタフェース１３３、連続照明源３３０Ｃを駆動するよう構成された照明源駆動部３３３ａ１、又はレンズ制御部３８０のうち１つ以上を含むか又は制御することのうち少なくとも一方を実行できる。様々な実施例において、単一の制御部は、ＶＦＬレンズ３７０及び連続照明源３３０Ｃのための変調制御信号が相互に位相シフトさせた信号であればよいことに部分的に基づいてそのような変調制御信号を提供できる。これについては以下で詳述する。
【００４３】
図４Ａ〜図４Ｃは、連続照明源が疑似正弦波周期的駆動信号に従って駆動される実施例を示す図である。図４Ａ及び図４Ｃに示されているように、横軸は時間を表し、縦軸は合焦又は強度（１．０の最大値に正規化されている）を表す。これについては以下で詳述する。図４Ｂにおいて、横軸は露光を表し、縦軸は合焦を表す。
【００４４】
図４Ａは、合焦曲線３１０並びに光曲線３１２及び３１９の図を含む。様々な実施例において、合焦曲線３１０は、（例えば図１〜図３に関して上述したように、ビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調を与えるように制御されるＶＦＬレンズに従った）ビジョンシステムの有効合焦位置を表すことができる。図４Ａの例において、合焦曲線３１０はほぼ正弦波である。これは図４Ｃにも（すなわち、より長い時間枠で）示され、以下で詳述される。
【００４５】
図４Ａに示されているように、光曲線３１２は、対応する強度が一定レベル（すなわち縦軸で１．０の強度）である一定の光源に対応する。このような一定の光源を用いたＶＦＬレンズシステムで生じる１つの問題は、合焦極値において露出過度が発生し得ることである。更に具体的には、合焦曲線３１０は少なくともノミナルの正弦波であるので、合焦位置変調の極値の近傍（例えば１．０及び−１．０合焦位置の近傍）では、遷移期の合焦（例えば０．０合焦位置の近傍）よりも長い時間を必要とする。結果として、（例えばＴＡＧレンズを動作させる周波数よりも著しく遅い画像速度と共に）一定の光源を用いる場合、所与の露光期間で取得された画像は、極値の近傍の合焦（例えば１．０及び−１．０合焦位置の近傍の合焦）では重み付けが大きく、他の合焦（例えば０．０の合焦位置の近傍の合焦）では重み付けが小さい。この結果は図４Ｂにおいて対応する露光曲線３１２ｅｘで示されている。露光曲線３１２ｅｘでは、極値の近傍の合焦（例えば１．０及び−１．０の合焦位置の近傍の合焦位置であり、方向を反転する際に合焦位置はゆっくり変化する）は、大きい正規化露光レベルを有することが示されている（５の最大プロット値で切り捨てられているが、理論上はこの値を超える）が、遷移期の合焦レベルの近傍の合焦（例えば０．０合焦位置の近傍の合焦）は、ほぼ１．０の正規化露光レベルを有する。
【００４６】
このように変動する露光レベル及び対応する重み付け等は、様々なタイプの問題を引き起こすことがある。例えば、合焦位置の周期的変調中にいつ画像が取得されるかに応じて画像の露光レベルが異なることは、一般的に望ましくない場合がある（例えば、いくつかのタイプの測定及び／又は他の処理等の精度に影響を及ぼし得る）。拡大被写界深度（ＥＤＯＦ）処理に関する具体例として、そのような異なる露光レベル及び／又は重み付けは、使用される可能性のある特定タイプのデコンボリューションアルゴリズムにとって問題となり得る。更に具体的には、ＥＤＯＦ処理は、ＶＦＬレンズシステムの動作を特徴付ける所定の積分点像分布関数（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｐｏｉｎｔ  ｓｐｒｅａｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）に基づくワークピース画像のデコンボリューション処理によってデフォーカスによる像ボケを除去する画像処理を含み得る。そのようなデコンボリューション処理では、全ての合焦について等しい重み付けが想定され得るので、合焦の異なる重み付けは画像処理の不正確さを招く恐れがある。
【００４７】
本明細書に開示される原理に従って、一定の光源を利用することの代替案として、様々な実施例では、図１〜図３に関して上述したように疑似正弦波周期的強度変調光を提供することができる。疑似正弦波周期的強度変調光の一例が、図４Ａにおいて正弦波光曲線３１９で示されている。正弦波光曲線３１９に対応する光源を用いた結果が、図４Ｂにおいて対応する露光曲線３１９ｅｘで表されており、全ての合焦位置は約１．０の露光レベルを有することが示されている。様々な実施例において、合焦範囲全体を通した合焦位置のこのような一貫した露光レベル及び対応する重み付けにより、より一貫した高精度の画像処理や測定等が得られる。
【００４８】
様々な実施例において、所与の合焦位置における露光は、時間に対する合焦の絶対勾配に少なくともほぼ反比例し得る。合焦曲線３１０が余弦曲線として示される場合、その勾配は正弦曲線に対応し、露光は１／｜ＳＩＮ｜に比例し得る。露光を正規化するため、本明細書に開示される原理に従って、強度が｜ＳＩＮ｜に対応する光源を利用することができる。１つの実施例では、光源の強度はａｂｓ（ｓｉｎｕｓｏｉｄ）によって表され、これは、ビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調に対して９０度位相がずれている（すなわちＶＦＬレンズの動作に従って）。そのような光源の強度は図４Ｃの光曲線３１９’で表される。
【００４９】
様々な実施例において、いくつかのタイプの光源（例えばアークランプ、タングステンフィラメント等）は、正電流及び負電流の双方でルミネセンス（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅ）発光するので、ＳＩＮ電流で駆動された場合に当然｜ＳＩＮ｜強度を生成し得る。他のいくつかのタイプの光源（例えばＬＥＤ等）は、ルミネセンス発光に正電流を必要とすることがある。この場合、駆動電流は整流される（例えば図４Ｃの光曲線３１９’に対応する）か、又は、図５、図６Ａ、及び図６Ｂに関して以下で詳述されるように他の技法を利用することができる。様々な実施例において、図４Ｃの光曲線３１９’は、ＴＡＧレンズの共振周波数（すなわち合焦曲線３１０で表される）の２倍で反復する全波整流疑似正弦波周期的駆動関数に少なくとも概ね対応するものとして、光源のための疑似正弦波周期的駆動信号を表すことができる。代替的な実施例では、負の半サイクルを整流せずに、負の半サイクル中は光源をオフにすることができ、これに対応する図は光曲線３１９’の１つおきの半サイクルを含む（例えば、正の半サイクル間の強度値はゼロである）。そのような図は、ＴＡＧレンズの共振周波数で反復する半波整流疑似正弦波周期的駆動信号関数に対応する。
【００５０】
図５は、図４と同様の実施例を示す図である。この図では、「連続」照明源を駆動するための信号範囲は全波整流疑似正弦波周期的駆動関数のピーク部分を含み得る。図５において、横軸は時間（例えば位相タイミング）を表し、縦軸は、有効合焦位置（ＶＦＬレンズの光学パワーによって規定される）及び照明駆動信号又は強度をそれぞれ表す。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がその画像露光中のＶＦＬレンズの光学パワーに対応することは理解されよう。任意の特定のＶＦＬレンズシステムの不完全性は２つの縦軸の関係における様々な非線形性又は歪みの一因となり得るが、一般的なノミナルの関係が示されていることは認められよう。
【００５１】
図５は、合焦曲線３１０及び光曲線３１９’’の図を含む。光曲線３１９’’は、以下に記載するものを除いて、図４Ｃの光曲線３１９’と同様のいくつかの特徴を含み得る。合焦曲線３１０に対するビジョンシステムの有効合焦位置（ＥＦＰ）は、図５の右側に示されている。ビジョンシステムの合焦範囲Ｒｅｆｐは、有効合焦位置ＥＦＰ−０と有効合焦位置ＥＦＰ−１００との間で変動するものとして示されている（例えば、図４Ａ〜図４Ｃ及び図６Ａ〜図６Ｂにおける−１．０〜１．０の合焦値範囲に対応する）。この特定の例において、有効合焦位置ＥＦＰ−５０（例えば図４Ａ〜図４Ｃ及び図６Ａ〜図６Ｂにおける０．０の合焦値に対応する）は、ノミナル合焦位置に指定された（例えばＶＦＬレンズ３７０の光学パワーがゼロである）ノミナル合焦位置ＥＦＰ−ｎｏｍの一例である。この記載に従って、ＥＦＰｎｏｍは、いくつかの実施例では、対物レンズ（例えば対物レンズ３５０）のノミナル焦点距離にほぼ対応し得る。従って、ＥＦＰ−ｎｏｍ（例えばＥＦＰ−５０）は、ＥＦＰ−０からＥＦＰ−１００まで変動する合焦範囲Ｒｅｆｐの中央であり得る。
【００５２】
合焦曲線３１０は、位相タイミングＰｈＲＳ５０−１及びＰｈＲＳ５０−２（それぞれＰｈ０＝０度及びＰｈ１８０＝１８０度の位相タイミング値に対応する）において有効合焦位置ＥＦＰ−５０の値を有することが示されている。有効合焦位置ＥＦＰ−９０における値は位相タイミングＰｈＲＳ９０−１及びＰｈＲＳ９０−２で発生し、有効合焦位置ＥＦＰ−１０における値は位相タイミングＰｈＲＳ１０−１及びＰｈＲＳ１０−２で発生する。以下で詳述するように、有効合焦位置ＥＦＰ−１０とＥＦＰ−９０との間の合焦曲線３１０の部分（すなわちポイント３１０−１と３１０−２との間の合焦曲線３１０の部分）は、合焦範囲Ｒｅｆｐの８０％を表す（すなわち、全合焦範囲Ｒｅｆｐは有効合焦位置ＥＦＰ−０から有効合焦位置ＥＦＰ−１００までである）。明示的に指定されている位相タイミングは、横軸に沿って示されて合焦曲線３１０の以降の各周期で反復され得るＶＦＬレンズ（例えば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表し得ることは理解されよう。
【００５３】
以下で詳述するように、様々な実施例において、様々な理由から（例えば制御システム部１２０の要素によって又は他のものによって）、ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲は全合焦範囲（例えば図５の合焦範囲Ｒｅｆｐ）よりも小さく制限されることがある。すなわち、ノミナル正弦波合焦位置変調の極値（例えば正及び負のピーク）は、撮像及び／又は測定に使用される所望の動作合焦範囲から外れる可能性がある。１つの実施例では、動作合焦範囲は、ＶＦＬレンズの動作によって与えられる全合焦範囲のうち指定された割合（例えば８０％以下）に相当し得る。そのような実施例では、所望の場合、ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲外である全合焦範囲の少なくとも一部において、連続照明は中断されるか又はオフにされることのうち少なくとも一方が行われる可能性がある。
【００５４】
１つの具体的な説明のための例として、１つの実施例では、ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲を全合焦範囲の８０％に対応させることができる（例えば有効合焦位置ＥＦＰ−１０とＥＦＰ−９０との間の合焦範囲を含む）。このような実施例では、他の場合には（例えば図４Ｃの光曲線３１９’と同様の）非ピーク部分ＮＰ１Ｂを含むはずである光曲線３１９’’は、この場合は光源がオフされるか又は中断されることに対応し得る（例えば代替的に示された非ピーク部分ＮＰ１Ａで示される）。このような実施例によれば、光曲線３１９’’のピーク部分ＰＰ１（すなわち位相タイミングＰｈＲＳ９０−２とＰｈＲＳ１０−１との間で発生する）は、図示されている「照明範囲」ＩＲ１に対応し得る。いくつかの実施例では、図示のように、照明範囲ＩＲ１において、動作合焦範囲の対応する部分（例えばポイント３１０−１と３１０−２との間の合焦曲線３１０の対応部分を含む）で疑似正弦波周期的強度変調光が与えられ、他の時点では光源をオフにすることができる。他の実施例では、光源強度を単に所望レベルで一定に保持するか、又は所望の場合、（例えば、いくつかの光源又は駆動回路において発生し得る起動レイテンシ問題を回避するため）光源を完全にオフにするのではなく駆動関数の「低強度」部分に従うように低減できることは認められよう。
【００５５】
図５に対応する１つの実施例において、照明源駆動部は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズの共振周波数の２倍で反復する全波整流疑似正弦波周期的駆動関数の少なくともピーク部分を含む信号範囲を含む疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動するように構成できる。すなわち、全波整流疑似正弦波周期的駆動関数のピーク部分は、共振周期内の合焦変化の双方の極性の間に、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズの共振周波数の２倍で反復する。このような実施例において、光曲線３１９’’は、ピーク部分ＰＰ１〜ＰＰ４及び非ピーク部分ＮＰ１Ａ〜ＮＰ３Ａを含むものとして表すことができる。代替的な実施例において、照明源駆動部は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズの共振周波数で反復する半波整流疑似正弦波周期的駆動信号関数の少なくともピーク部分を含む信号範囲を含む疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動するように構成できる。このような実施例において、光曲線３１９’’はピーク部分ＰＰ１及びＰＰ３を含み、非ピーク部分ＮＰ１Ａ〜ＮＰ３Ａを有し、更に、ピーク部分ＰＰ２及びＰＰ４を置き換える同様の非ピーク部分を有するものとして表すことができる。
【００５６】
様々な実施例において、画像露光は、同一の合焦位置に対応すると共にノミナル正弦波合焦位置変調の異なる周期中に取得される少なくとも２つの露光増分を含むように行われ得る。例えば第１の露光増分は、合焦曲線３１０で表されたノミナル正弦波合焦位置変調の第１の周期中のピーク部分ＰＰ１の開始時（すなわち位相タイミングＰｈＲＳ９０−２に対応する）の有効合焦位置ＥＦＰ−９０に対応し、第２の露光増分は、合焦曲線３１０で表されたノミナル正弦波合焦位置変調の第２の周期中のピーク部分ＰＰ３の開始時の有効合焦位置ＥＦＰ−９０に対応し得る。
【００５７】
図６Ａ〜図６Ｂは、ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍でありＤＣオフセット成分を含む周波数を有する滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動することができる実施例を示す図である。図６Ａにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は合焦又は強度を表し、図６Ｂにおいて、横軸は露光を表し、縦軸は合焦を表す。図６Ａ〜図６Ｂは図４Ａ〜図４Ｃといくつかの類似点を有し、図４Ｃの光曲線３１９’に対して、図６Ａのいくつかの光曲線は、｜ＳＩＮ｜関数を用いて光源を駆動するのではなく、ＴＡＧ周波数の２倍のオフセットＣＯＳ波によって｜ＳＩＮ｜波が実質的に近似される代替案を表す。
【００５８】
図６Ａは、図４Ａに示したものと同様の合焦曲線３１０並びに光曲線３１２及び３１９の図を含む。また、図６Ａは、ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍の周波数を有する滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動できる場合の、様々な変調レベルを表す追加の光曲線３１４〜３１７も示す。様々な実施例において、光曲線３１２は０％変調に対応し、光曲線３１４は５０％変調に対応し、光曲線３１５は７０％変調に対応し、光曲線３１６は８０％変調に対応し、光曲線３１７は１００％変調に対応し得る。様々な実施例において、光曲線３１４は、縦軸の０．７５レベルに概ね対応するＤＣオフセット、及び０．５〜１．０の範囲の振幅を有し得る。光曲線３１５は、縦軸の０．６５レベルに概ね対応するＤＣオフセット、及び０．３〜１．０の範囲の振幅を有し得る。光曲線３１６は、縦軸の０．６０レベルに概ね対応するＤＣオフセット、及び０．２〜１．０の範囲の振幅を有し得る。様々な実施例において、本明細書で規定される疑似正弦波周期的強度変調光は、図６Ａの光曲線３１４〜３１９及び図４Ｃの光曲線３１９’、又は図５の光曲線３１９’’の様々な実施例、又は、同様のもしくは他の疑似正弦波特性による他の任意の光曲線のいずれかに対応し得る。
【００５９】
図６Ｂは、図６Ａの光曲線３１２〜３１９に対応する露光曲線３１２ｅｘ〜３１９ｅｘを含む。露光曲線３１２ｅｘ及び３１９ｅｘ（光曲線３１２及び３１９に対応する）は、図４Ｂに示したものと同様である。図４Ｂを参照して上述したように、露光曲線３１２ｅｘに伴う１つの問題は、極値の近傍の合焦（例えば１．０及び−１．０合焦位置の近傍の合焦）が５の値に近付く露光レベルを有することが示され、遷移期の合焦レベルの近傍の合焦（例えば０．０合焦位置の近傍の合焦）が約１．０の露光レベルを有することである。この点で露光曲線３１４ｅｘ〜３１６ｅｘは、露光曲線３１２ｅｘとは対照的に、これらの露光曲線のより大きい部分が１．０の露光レベルに近いので、様々な改善を達成することが示される。露光曲線３１４ｅｘ〜３１６ｅｘを相互に比較すると、露光曲線３１４ｅｘは理想的な露光曲線３１９ｅｘの右側の部分を多く含み、露光曲線３１６ｅｘは理想的な露光曲線３１９ｅｘの左側の部分を多く含み、露光曲線３１５ｅｘは露光曲線３１４ｅｘと３１６ｅｘとの間に位置している。様々な実施例において、露光曲線３１４ｅｘと３１６ｅｘ（すなわち５０％から８０％の変調の間）の間の露光曲線に対応した光曲線を用いて、理想的な露光曲線３１９ｅｘを近似することができる。
【００６０】
図６Ａと同様の変調光曲線が利用される様々な実施例において、上記のように、照明源駆動部（例えば図３の疑似正弦照明源駆動部３３３ａ１）は、ＴＡＧレンズの共振周波数の２倍でありＤＣオフセット成分を含む周波数を有する滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号に従って連続照明源を駆動するように構成できる。様々な実施例において、滑らかに変化する疑似正弦波周期的駆動信号は、以下の等式に少なくとも概ね対応する時間関数ＤＳ（ｔ）に対応し得る。
【数１】
2019191180.tif 000003
ここで、ＭＣは少なくとも０．３であり大きくても１．０である変調係数を表し、ωTAGはＴＡＧレンズの共振周波数を表し、ｔは時間を表し、ＫはＤＳ（ｔ）の最大値を表す定数である。様々な実施例において、ＭＣは少なくとも０．５であり大きくても０．８であり得る（例えば、上述のように５０％から８０％の変調の間の値に対応する）。
【００６１】
概して図１〜図６の構成に関する様々な実施例において、ノミナル正弦波合焦位置変調は、時間（ｔ）の関数としての変化率ｄＦ（ｔ）／ｄｔを有する時間（ｔ）の関数としての合焦位置変調Ｆ（ｔ）に対応し得る。照明源駆動部は、少なくともＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲全体を通して以下の条件を満足させる、時間（ｔ）の関数としての強度変調ｌ（ｔ）に対応した強度を有する疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように連続照明源を駆動するよう構成できる。
【数２】
2019191180.tif 000004
ここで、ＡＢＳ（ｄＦ（ｔ）／ｄｔ）は時間（ｔ）における合焦変化率の絶対値を表し、ＲＥは合焦変化増分当たりの一定の露光率を表す。
【００６２】
上記の構成が様々な利点を与えることは認められよう。例えば様々な実施例において、本明細書に開示される原理に従ったビジョンシステムは、いくつかの他のビジョンシステムが必要とするよりも複雑さが低い及び／又は費用が安い連続光源を利用できる（例えば、いくつかの用途ではパルス状又はストロボ状の光源を利用する）。更に具体的には、いくつかの実施例では、比較的遅い応答時間を有する連続光源３３０Ｃを利用できる。これに対して、特定のパルス状光源構成を用いた照明及び／又は露光は、比較的高速の応答時間を有し（例えば約１０ｎｓ又はほぼ１００ＭＨｚの低レイテンシ光パルス）、より複雑で費用の高い光源を必要とする場合もある。更に、｜ＳＩＮ｜ＲＭＳ光強度は一定光源構成によって与えられる光の約６５〜７０％であり得るが、本明細書に開示されるような構成を用いてワークピースを撮像及び／又は露光するため、より多くの光を提供することができる。これに対してパルス状光構成では、全積分光量は著しく小さい可能性がある。従って連続光源３３０Ｃは、本明細書に開示されるように動作させた場合、倍率が比較的大きい場合を含めて、（例えばより暗いエリアで）ワークピース要素を撮像し、短い露光時間で動作して必要なパワーを低減させ、更に、画像ノイズの軽減を達成することができる。
【００６３】
図７は、本明細書に開示される原理に従った疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて駆動される連続照明源を含むビジョンシステムを動作させるためのルーチン７００の１つの例示的な実施例を示すフロー図である。ブロック７１０では、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを動作させて、ＴＡＧレンズの動作共振周波数でビジョンシステムのノミナル正弦波合焦位置変調を行う。ブロック７２０では、ＶＦＬレンズシステムの動作合焦範囲における少なくとも１回の偏位運動全体において合焦位置変化の間に連続照明を与えるよう構成された連続照明源を備える光源を動作させる。連続照明源は、ワークピースを照明してワークピース画像光を生成するために用いられ、疑似正弦波周期的駆動関数に基づいて連続照明源を駆動することで連続照明源から対応する疑似正弦波周期的強度変調光を与えるように構成された照明源駆動部に接続されている。照明源駆動部は、ノミナル正弦波合焦位置変調の周期的変調と同期されて、疑似正弦波周期的強度変調光の強度最小値がノミナル正弦波合焦位置変調の極値とほぼ同時に発生するようになっている。
【００６４】
ブロック７３０では、露光時間制御部を動作させて、画像露光を規定する露光タイミング及び持続時間を決定する。ブロック７４０では、カメラを動作させて、連続照明源からの疑似正弦波周期的強度変調光によってワークピースを照明することから生じるワークピース画像光をカメラ内に入力する画像露光に基づいてワークピース画像を提供する。入力されるワークピース画像光は、ＴＡＧレンズを含むＶＦＬレンズシステムの撮像光路に沿って画像露光中にワークピースからカメラへ伝送される。
【００６５】
様々な実施例では、ワークピース画像に対して様々なタイプの画像処理を実行することができる。例えば取得される画像がＥＤＯＦ画像である構成では、画像処理を行ってデフォーカスによる像ボケを除去することができる。この処理は、（例えばＶＦＬレンズシステムの動作を特徴付ける所定の積分点像分布関数等に基づく）ワークピース画像のデコンボリューション処理を含み得る。上述のように、そのようなデコンボリューション処理は、本明細書に開示される疑似正弦波周期的強度変調光を用いて取得されたＥＤＯＦ画像では、より高精度に実行できる（これは例えば、一定光源を用いる場合にはＥＤＯＦ画像の異なる合焦で重み付けが異なり、結果としてデコンボリューション処理の不正確さを招き得るのとは対照的である）。
【００６６】
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。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。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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
２０  ワークピース
１００  ビジョンシステム（マシンビジョン検査システム）
２３５、２６５、３３５、３６５  遮光シャッタ
２５５、３５５  ワークピース画像光
２６０  カメラ
３０１  ＶＦＬレンズシステム
３３０Ｃ  連続照明源
３３１ｅｔ  露光時間制御部
３３２  疑似正弦波周期的強度変調光
３３３ａ１  照明源駆動部
３７０  ＴＡＧレンズ
【図１】
2019191180.tif 000007
【図２】
2019191180.tif 000008
【図３】
2019191180.tif 000009
【図４Ａ】
2019191180.tif 000010
【図４Ｂ】
2019191180.tif 000011
【図４Ｃ】
2019191180.tif 000012
【図５】
2019191180.tif 000013
【図６Ａ】
2019191180.tif 000014
【図６Ｂ】
2019191180.tif 000015
【図７】
2019191180.tif 000016
【外国語明細書】
2019191180000001.pdf