(57)【要約】      （修正有）【課題】高いスループットを得る高速測定を実行する自動合焦システムを提供する。【解決手段】自動合焦された画像を提供するためのシステムは、高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システム、ＶＦＬレンズ制御部、ＶＦＬ投射光源、焦点決定部、露光タイミング調整回路、及び露光ストロボ時間制御部を備えている。焦点決定部は、ＶＦＬレンズを介してワークピースに投射され、ワークピースから反射された反射ＶＦＬ投射光を入力する光学検出器を備え、焦点逸脱信号を与える。露光タイミング調整回路は、焦点逸脱信号に基づいて、撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時を示す露光タイミング調整信号を与える。露光ストロボ時間制御部は、調整済み画像露光時間において撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さに一致するように、露光タイミング調整信号を用いて画像露光時間を調整する。【選択図】図１
2017223651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するためのシステムであって、
少なくとも、ワークピース表面から発する画像光を入力するように構成された対物レンズ、前記対物レンズが透過させた画像光を受けるように構成されたＶＦＬレンズ、及び前記ＶＦＬレンズが透過させた光を受けるように構成されたカメラを含む撮像システムと、
前記ＶＦＬレンズを制御してその光学パワーを周期的に変更させ、これにより、Ｚ高さ方向に沿った複数の撮像システム焦点Ｚ高さにわたって前記撮像システムの焦点位置を周期的に変更させるように構成されたＶＦＬレンズ制御部と、
ＶＦＬ投射光を焦点監視光路に沿って前記ＶＦＬレンズの裏側へ、更には前記ＶＦＬレンズ及び前記対物レンズを介して前記ワークピース表面へと与えるように構成された光源を備えるＶＦＬ投射光源と、
ワークピース表面領域から反射されて前記対物レンズ及び前記ＶＦＬレンズを介し、前記焦点監視経路に沿って戻ってきた反射ＶＦＬ投射光を入力するように、更に、前記ＶＦＬ投射光の焦点Ｚ高さと前記ワークピース表面領域のＺ高さとの差に応じた少なくとも１つの光学検出器信号を与えるように構成された光学検出器を備える焦点決定部であって、前記ＶＦＬ投射光焦点Ｚ高さが前記撮像システム焦点Ｚ高さを示し、前記焦点決定部が前記少なくとも１つの光学検出器信号に基づく少なくとも１つの焦点逸脱信号を出力する、焦点決定部と、
前記焦点逸脱信号を入力し、前記焦点逸脱信号に基づいて、前記撮像システム焦点Ｚ高さが前記ワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時に関連した露光タイミング調整信号を決定する露光タイミング調整回路と、
前記撮像システムの画像露光時間を制御する露光ストロボ時間制御部であって、前記露光タイミング調整信号を入力すると共に、前記露光タイミング調整信号に基づいて、前記撮像システム焦点Ｚ高さが前記ワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する調整済み画像露光時間を与えるように構成された、露光ストロボ時間制御部と、
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１６年５月３日に出願された「ＰＨＡＳＥ  ＤＩＦＦＥＲＥＮＣＥ  ＣＡＬＩＢＲＡＴＩＯＮ  ＩＮ  Ａ  ＶＡＲＩＡＢＬＥ  ＦＯＣＡＬ  ＬＥＮＧＴＨ  ＬＥＮＳ  ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第１５／１４５，６８２号の一部係属出願である。この出願の開示は援用によりその全体が本願に含まれるものとする。
【０００２】
本開示は精密計測に関し、更に具体的には、可変焦点距離レンズを利用して焦点位置を周期的に変更させるマシンビジョン検査システム及びその他の光学システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
精密マシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）は、物体の精密な測定値を得ると共に他の物体の特徴を検査するために使用可能である。このようなシステムは、コンピュータと、カメラと、光学システムと、ワークピースを走査するために移動するステージと、を含み得る。汎用の「オフライン」精密ビジョンシステムとして特徴付けられる１つの例示的なシステムが、イリノイ州オーロラに位置するＭｉｔｕｔｏｙｏ  Ａｍｅｒｉｃａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＭＡＣ）から入手可能なＱＵＩＣＫ  ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）シリーズのＰＣベースのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアである。ＱＵＩＣＫ  ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作については、概ね、例えば２００３年１月に発表されたＱＶＰＡＫ  ３Ｄ  ＣＮＣビジョン測定機ユーザガイドに記載されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。このタイプのシステムは、顕微鏡型の光学システムを利用し、小型又は大型のワークピースの検査画像を様々な倍率で提供するようにステージを移動させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
様々な用途において、固定検査システム又はノンストップ移動検査システムのいずれかで高いスループットを得るため高速測定を実行することが望ましい。充分に焦点の合った検査画像及びＺ高さ測定に関して（これは一般に「最良の焦点」の高さ決定に基づく）、検査画像取得レート及びＺ高さ測定を実行できるレートは、Ｚ高さ焦点位置調整レート又は移動速度によって制限され得る。従来のマシンビジョン検査システムでは、ある範囲のＺ高さにわたってカメラを移動させる必要がある様々なタイプの測定動作（例えばポイントフロムフォーカス（ｐｏｉｎｔｓ−ｆｒｏｍ−ｆｏｃｕｓ）動作等）が利用され得る。共焦点システムでは、同様に、ある範囲のＺ高さにわたる移動を必要とすることがある（例えば、最大の共焦点輝度が得られる位置を決定するため等）。そのようなシステムでは、Ｚ高さ測定を実行することができる速度は、そのＺ高さ範囲を与えるシステムの１つ以上の物理構成要素の動きによって限定され得る。
【０００５】
こういった移動の制約を克服するため、革新的かつ電子的に変形可能なレンズ及び／又は可変音響式屈折率分布型レンズ（ｔｕｎａｂｌｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｌｅｎｓ、ＴＡＧレンズ）等の可変焦点距離（ＶＦＬ：Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｇｔｈ）レンズは、極めて高いレートで周期的に焦点位置を変化させることができる（例えば、ＴＡＧレンズの場合は７０ｋＨｚ以上）。しかしながら、それらの画像焦点位置を極めて高い精度で、かつ潜在的な焦点変動レートに応じたレートで、特定の表面に自動的に決定及び調整することには、問題があることが知られている。高速精密検査動作に用いられる様々な高速可変焦点レンズのために、画像焦点位置を自動的に決定及び調整する改良されたシステム及び方法が必要とされている。
【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】
上述のように、一般的に述べると、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズを含む撮像システムを特定のワークピース表面で自動合焦する既知の方法は、その特定の表面の撮像及び／又はその特定のＺ高さの確定を行うため、望ましい速度よりも低速である。既知の方法は、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズの特徴を利用するのに完璧に適しているわけではなく、特に、ＴＡＧレンズを使用する場合に得られる可能性のある極めて高い合焦レートに対して制限要因となる。
【０００８】
本明細書において、特に図８から図１４を参照して開示されるのは、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズを含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するように動作可能であるシステムの様々な実施において、上述の問題を解決するため使用され得る要素、原理、及び動作の組み合わせである。開示する実施は、ＴＡＧレンズと組み合わせた使用には特に有利である。
【０００９】
具体的には、高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するためのシステムが開示される。このシステムは、撮像システム、ＶＦＬレンズ制御部、ＶＦＬ投射光源、焦点決定部、露光タイミング調整回路、及び露光ストロボ時間制御部を備えている。撮像システムは、少なくとも、ワークピース表面から発する画像光を入力するように構成された対物レンズ、対物レンズが透過させた画像光を受けるように構成されたＶＦＬレンズ、及びＶＦＬレンズが透過させた光を受けるように構成されたカメラを含む。ＶＦＬレンズ制御部は、ＶＦＬレンズを制御してその光学パワーを周期的に変更させ、これにより、Ｚ高さ方向に沿った複数の撮像システム焦点Ｚ高さにわたって撮像システムの焦点位置を周期的に変更させるように構成されている。ＶＦＬ投射光源は、ＶＦＬ投射光を焦点監視光路に沿ってＶＦＬレンズの裏側へ、更にはＶＦＬレンズ及び対物レンズを介してワークピース表面へと与えるように構成された光源を備える。焦点決定部は、ワークピース表面領域から反射されて対物レンズ及びＶＦＬレンズを介し、更には焦点監視経路に沿って戻ってきた反射ＶＦＬ投射光を入力するように、更に、ＶＦＬ投射光の焦点Ｚ高さとワークピース表面領域のＺ高さとの差に応じた少なくとも１つの光学検出器信号を与えるように構成された光学検出器を備える。ＶＦＬ投射光焦点Ｚ高さは撮像システム焦点Ｚ高さを示し、焦点決定部は少なくとも１つの光学検出器信号に基づく少なくとも１つの焦点逸脱信号を出力する。露光タイミング調整回路は、焦点逸脱信号を入力し、焦点逸脱信号に基づいて、撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時に関連した露光タイミング調整信号を決定する。露光ストロボ時間制御部は、周期的に変更される焦点位置の位相時間に対して撮像システムの画像露光時間を制御し、露光タイミング調整信号を入力すると共に露光タイミング調整信号に基づいて調整済み画像露光時間を与えるように構成されている。調整済み画像露光時間において、撮像システム焦点Ｚ高さはワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】汎用の精密マシンビジョン検査システムの様々な典型的な構成要素を示す図である。
【図２】図１のものと同様の、本発明に開示する特徴を含む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】本明細書に開示する原理に従って動作することができる可変焦点距離レンズシステムの概略図である。
【図４】図３の可変焦点距離レンズの周期的に変更される制御信号及び光学応答の位相タイミングを示すタイミング図である。
【図５】図３の可変焦点距離レンズの周期的に変更される制御信号と光学応答との間の位相オフセットを示すタイミング図である。
【図６】表面領域のＺ高さ測定値を決定するためのルーチンの１つの例示的な実施を示すフロー図である。
【図７】位相オフセットの推定値を決定するためのルーチンの１つの例示的な実施を示すフロー図である。
【図８】本明細書に開示する原理に従った、自動合焦された画像を提供するように動作可能である可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムの第１の実施の概略図である。
【図９Ａ】図８のＶＦＬレンズシステムの焦点決定部において使用され得る第１の例示的な「方向性」タイプの光学検出器を示す。
【図９Ｂ】図８のＶＦＬレンズシステムの焦点決定部において使用され得る第２の例示的な「方向性」タイプの光学検出器を示す。
【図１０】図９Ａ又は図９Ｂに示すもののうちの１つである光学検出器を含む焦点決定部によって与えられ得る代表的な焦点逸脱信号を示す。
【図１１Ａ】（例えば図８に示すＶＦＬレンズシステムにおける）焦点Ｚ高さの周期変更中の焦点Ｚ高さと表面Ｚ高さとの関係を例示するタイミング図を示す。
【図１１Ｂ】「大きさ」タイプの焦点決定部から得られる、図１１Ａに対応した代表的な焦点逸脱信号を例示するタイミング図を示す。
【図１１Ｃ】「方向性」タイプの焦点決定部から得られる、図１１Ａに対応した代表的な焦点逸脱信号を例示するタイミング図を示す。
【図１２】本明細書に開示する原理に従った、自動合焦された画像を提供するように動作可能であるＶＦＬレンズシステムの第２の実施の概略図である。
【図１３】本明細書に開示する原理に従った、自動合焦された画像を提供するように動作可能であるＶＦＬレンズシステムの第３の実施の概略図である。
【図１４】「大きさ」タイプの焦点決定部の１つの実施において露光タイミング調整信号を決定するいくつかの態様を例示するタイミング図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本明細書に開示する原理に従って使用可能である１つの例示的なマシンビジョン検査システム１０のブロック図である。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、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。様々な実施では、タッチスクリーンタブレット等によって、コンピュータシステム１４、ディスプレイ１６、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６のいずれか又は全ての機能の代用となること及び／又はこれらの機能を冗長的に与えることが可能である。
【００１２】
より一般的には、制御コンピュータシステム１４は、いかなるコンピューティングシステム又はデバイス、及び／又は分散型コンピューティング環境等も含むことができるか又はそれらから構成可能である。それらはいずれも、本明細書に記載する機能を実現するためにソフトウェアを実行する１つ以上のプロセッサを含み得る。プロセッサには、プログラマブル汎用又は特殊用途マイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）等、又はそのようなデバイスの組み合わせが含まれる。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等のメモリ、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装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含み得る。分散型コンピューティング環境では、有線又は無線のいずれかの構成において、プログラムモジュールの機能性は、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。
【００１３】
画像測定機１２は、可動ワークピースステージ３２と、ズームレンズ又は交換可能レンズを含み得る光学撮像システム３４と、を含む。ズームレンズ又は交換可能レンズは一般に、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（例えば０．５倍から１００倍まで）。同様のマシンビジョン検査システムが、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，３２４，６８２号、第７，４５４，０５３号、第８，１１１，９０５号、及び８，１１１，９３８号にも記載されている。これらの各々は、援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。
【００１４】
図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様の、本明細書に記載する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を位置決めすることができるステージの表面に対して概ね平行な面内にあるｘ軸及びｙ軸に沿って制御可能に移動させることができる。
【００１５】
光学アセンブリ部２０５は、光学検出器２６０（例えばカメラ、共焦点光学検出器等）、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ２７０を含み、更に、交換可能対物レンズ２５０、レンズ２８６と２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０も含む場合がある。ターレットレンズアセンブリの代わりに、固定もしくは手作業で交換可能な倍率可変レンズ（ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ａｌｔｅｒｉｎｇ  ｌｅｎｓ）、又はズームレンズ構成等を含んでもよい。様々な実施において、これら様々なレンズは、光学アセンブリ部２０５の可変倍率レンズ部の一部として含まれ得る。様々な実施において、交換可能対物レンズ２５０は、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倍から１００倍までの範囲のセット等）。
【００１６】
様々な実施において、光学アセンブリ部２０５は、制御可能モータ２９４を用いることで、ｘ軸及びｙ軸に概ね直交したｚ軸に沿って制御可能に移動させることができる。制御可能モータ２９４はアクチュエータを駆動して、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。以下で更に詳しく説明するように、ＶＦＬレンズ２７０も、焦点位置を周期的に変更するように動作させることができる。マシンビジョン検査システム１００を用いて撮像されるワークピース２０、又は複数のワークピース２０を保持しているトレイもしくは固定具は、ワークピースステージ２１０上に配置されている。様々な実施において、ワークピースステージ２１０は、光学アセンブリ部２０５に対して（例えばｘ軸及びｙ軸方向に）移動するように制御され、撮像されるエリア（例えば交換可能対物レンズ２５０によって撮像される）が、ワークピース２０上の複数の位置間で及び／又は複数のワークピース２０間で移動できるようになっている。
【００１７】
透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０（例えばリング光）の１つ以上が、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を発して、ワークピース又は複数のワークピース２０を照明することができる。落射照明光源２３０は、ミラー２９０を含む経路に沿うように光源光２３２を発することができる。光源光はワークピース光２５５として反射又は透過され、ワークピース光（例えば撮像のために用いられる）は、交換可能対物レンズ２５０、ターレットレンズアセンブリ２８０、及びＶＦＬレンズ２７０を通過し、光学検出器２６０（例えばカメラ、共焦点光学検出器等）によって集光される。様々な実施において、光学検出器２６０はワークピース光を入力し、信号データ（例えばワークピース（複数のワークピース）２０の１以上の画像、共焦点輝度信号等）を制御システム部１２０への信号ライン２６２上に出力する。光源２２０、２３０、及び２４０は、それぞれ信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１を介して制御システム部１２０に接続され得る。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２８０を軸２８４に沿って回転させることで、信号ライン又はバス２８１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。
【００１８】
図２に示すように、種々の例示的な実施において制御システム部１２０は、制御部１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム発生器及び実行器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、及び照明制御インタフェース１３３を含む。移動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａ、及び速度／加速度制御要素１３２ｂを含み得るが、これらの要素はマージされる及び／又は区別できない場合もある。照明制御インタフェース１３３は、照明制御要素１３３ａ、１３３ｎ、及び１３３ｆｌを含むことができ、これらは、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。
【００１９】
本明細書に開示される原理に従って、入出力インタフェース１３０は更に、レンズ制御部／インタフェース２７１、焦点信号処理部２７７、及び位相オフセット補償／Ｚ高さ変動補正部２７８を含み得る。これらについては図３から図７を参照して以下で更に詳しく記載する。簡潔に述べると、１つの実施において、レンズ制御部／インタフェース２７１は、レンズ焦点動作回路及び／又はルーチン等を含むレンズ制御部を含み得る。レンズ制御部／インタフェース２７１は、ユーザ及び／又は動作プログラムによって構成又は制御することができ、信号ライン２７１’を用いてＶＦＬレンズ２７０を制御して光学パワーを（例えば正弦波状に）周期的に変更させることで、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって撮像システムの焦点位置を、所定の動作周波数で周期的に変更することができる。様々な実施において、焦点信号処理部２７７は、（例えばワークピース２０の）撮像表面領域が焦点位置にあることが光学検出器２６０（例えばカメラシステム、共焦点光学検出器等）からの信号データによって示された時に対応する未処理の位相タイミング信号値を決定するように構成できる。以下で更に詳しく記載するように、位相オフセット補償部２７８は、撮像表面領域に対応する未処理の位相タイミング信号値を入力し、それら撮像表面領域のＺ高さ測定値を与える位相オフセット補償プロセスを実行するように構成することができる。ここで、位相オフセット成分に関連したＺ高さエラー又はＺ高さ変動の少なくとも一方は少なくとも部分的に除かれる。
【００２０】
様々な実施において、撮像制御インタフェース１３１及び／又はレンズ制御部／インタフェース２７１は拡大被写界深度モードを更に含み得る。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公報第２０１５／０１４５９８０号に更に詳しく記載されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。拡大被写界深度モードは、ユーザによって選択されると、単一の焦点位置で合焦する場合にビジョン構成要素部２００が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枚の画像（例えば複合画像）を提供することができる。様々な実施において、撮像制御インタフェース１３１及び／又はレンズ制御部／インタフェース２７１は倍率変更調整モードを更に含み得る。このモードは選択することができ、又は倍率変更が実行もしくは検出された場合に自動的に実施することができる。これについては、２０１５年７月９日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ａｄａｐｔａｂｌｅ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｏｆ  ａ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｌｅｎｓ  ｉｎ  ａｎ  Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ  Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１４／７９５，４０９号に詳述されている。この出願は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。ＶＦＬレンズを含む他のシステム及び方法については、２０１５年８月３１日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｆｏｃｕｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｌｅｎｓ  ｉｎ  ａ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１４／８４１，０５１号、及び、２０１５年９月１５日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｆｏｃａｌ  Ｌｅｎｇｔｈ  Ｌｅｎｓ」と題する米国特許出願第１４／８５４，６２４号に記載されている。これらの出願の各々は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。
【００２１】
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確定するビデオツール部１４３ａ及び他のビデオツール部（例えば１４３ｎ）、並びに関心領域（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。ビデオツール部は、焦点高測定動作のためのＧＵＩや画像処理動作等を確定する自動合焦ビデオツール１４３ａｆも含む。自動合焦ビデオツール１４３ａｆは更に、高速で焦点高さを測定するために利用できる高速焦点高さツールも含むことができる。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公報第２０１４／０３６８７２６号に詳述されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。様々な実施において、位相オフセット補償／Ｚ高さ変動補正部２７８及び関連する他の要素は、ビデオツールの１つ以上（例えば自動合焦ビデオツール１４３ａｆ、別個のビデオツール等）と組み合わせて使用するか、又は他の方法でそれに含めることができる。
【００２２】
本開示のコンテキストにおいて、当業者に既知であるように、「ビデオツール」という言葉は概ね、マシンビジョンユーザが、ビデオツールに含まれる動作の段階的シーケンスを生成することなく、また汎用のテキストベースのプログラミング言語等に頼ることもなく、比較的シンプルなユーザインタフェース（例えばグラフィカルユーザインタフェース、編集可能パラメータウィンドウ、メニュー等）を用いて実施可能である比較的複雑な自動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、予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及び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。例えば多くのマシンビジョンビデオツールによってユーザは、マウスを用いたシンプルな「ハンドルドラッグ」動作を行ってグラフィックの関心領域（ＲＯＩ）インジケータを構成して、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作による解析対象となる画像サブセットの位置パラメータを定義することができる。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。
【００２３】
透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０のそれぞれの信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１は全て、入出力インタフェース１３０に接続されている。光学検出器２６０からの信号ライン２６２、ＶＦＬレンズ２７０からの信号ライン２７１’、及び制御可能モータ２９４からの信号ライン２９６も、入出力インタフェース１３０に接続されている。信号ライン２６２は、画像データの伝達に加えて、特定のプロセス（例えば画像の取得、共焦点輝度の測定等）を開始する制御部１２５からの信号も伝達することができる。
【００２４】
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）も、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。それらの機能を用いて、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、光学検出器２６０によってキャプチャされた画像の閲覧、及び／又はビジョンシステム構成要素部２００の直接制御を行うことができる。ディスプレイデバイス１３６は、（例えば、レンズ制御部／インタフェース２７１、焦点信号処理部２７７、位相オフセット補償／Ｚ高さ変動補正部２７８等に関連付けて）ユーザインタフェース機能を表示することができる。
【００２５】
種々の例示的な実施において、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）内に位置決めし、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上でビデオツールの１つ以上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、検査動作を行って、パートプログラムの生成時に用いた代表的ワークピースに類似した、現在のワークピース（例えば実行モードのワークピース）又は複数のワークピース上の特定のワークピース要素（すなわち対応位置の対応する要素）を自動的に検査させる。
【００２６】
図３は、マシンビジョン検査システムに適合させることができ、本明細書に開示する原理に従って動作することができるＶＦＬレンズシステム３００の概略図である。以下で別段の記載がない限り、図３の３ＸＸと付番されたいくつかの構成要素は、図２の２ＸＸと同様に付番された構成要素に対応し得る及び／又は同様の動作を有し得ることは認められよう。図３に示すように、ＶＦＬレンズシステム３００は、光源３３０、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、ＶＦＬレンズ３７０、リレーレンズ３８６、レンズ制御部３７１、焦点決定部３７５、及び位相オフセット補償部３７８を含む。様々な実施において、レンズ制御部３７１、焦点決定部３７５、及び／又は位相オフセット補償部３７８、並びに追加の構成要素の各々は、１つ以上のデータ／制御バス（例えばシステム信号及び制御バス３９５）及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースによって、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。
【００２７】
様々な実施において、光源３３０は、ＶＦＬレンズシステム３００の視野内でワークピース３２０を（例えばストロボ照明又は連続波照明によって）照明するように構成可能である。様々な実施において、光源３３０は、照明システムの一部として第１、第２、第３等の照明源を含み得る。例えば光源３３０は、対応する照明源（例えば光源３３０の一部である照明源）を動作させることによって、ストロボ照明のインスタンスを与えるように動作することができる。様々な実施において、適正な照明バランスを達成するため、光源３３０は、ストロボ照明の全てのインスタンス（例えば各々が光源３３０内の異なる照明源に対応する）の強度を別個に調整可能とするように制御すると共に、画像の全体的な輝度を制御するように同時に調整することができる。
【００２８】
動作において、図３に示す実施では、光源３３０は「同軸（ｃｏａｘｉａｌ）」光源であり、部分ミラー３９０を含む経路に沿って対物レンズ３５０を介してワークピース３２０の表面へと光源光３３２を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に隣接した焦点位置ＦＰ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。他の実施では、同様の光源によって視野を非同軸に照明することができる。例えば、リング光源が視野を照明することができる。様々な実施において、対物レンズ３５０は交換可能対物レンズとすることができ、チューブレンズ３５１はターレットレンズアセンブリの一部として含めることができる（例えば図２の交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０と同様）。様々な実施において、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、又は本明細書で言及する他のレンズの任意のものは、個別のレンズ、複合レンズ等から形成するか、又はこれらのレンズと連携して動作することができる。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。
【００２９】
リレーレンズ３５２はワークピース光３５５を受光し、これをＶＦＬレンズ３７０に出力する。ＶＦＬレンズ３７０はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３８６に出力する。リレーレンズ３８６はワークピース光３５５を受光し、これを焦点決定部３７５の光学検出器３６０（例えばカメラ、共焦点光学検出器等）に出力する。様々な実施において、光学検出器３６０は画像露光期間中にワークピース３２０の画像をキャプチャすることができ、この画像を制御システム部に提供することができる（例えば、図２において画像を制御システム部１２０に与えるための光学検出器２６０の動作と同様）。
【００３０】
様々な実施において、ＶＦＬレンズシステム３００は追加的に又は代替的に、任意選択的なビームスプリッタ３６１’、任意選択的なチューブレンズ３８６’、及び任意選択的な焦点決定部３７５’を含み得る。任意選択的な焦点決定部３７５’は、任意選択的な光学検出器３６０’及び任意選択的な焦点信号処理部３７７’を含み得る。動作において、ビームスプリッタ３６１’は、ワークピース光３５５を分割し、ワークピース光３５５’をチューブレンズ３８６’に出力するように構成することができる。チューブレンズ３８６’は、ワークピース光３５５’を光学検出器３６０’に出力するように構成することができる。１つの実施では、当業者により理解されるように、光学検出器３６０’は、共焦点原理に従って動作するように構成できる共焦点光学検出器を含み得る。
【００３１】
以下で詳述するように、様々な実施において、光学検出器３６０（又は３６０’）は、ＶＦＬレンズ３７０を含む撮像システムからの光を入力するように構成することができ、焦点信号処理部３７７（又は３７７’）は、（例えばワークピース３２０の）撮像表面領域が焦点位置にあることが光学検出器からの信号データによって示された時に対応する未処理の位相タイミング信号値を決定するように構成することができる。例えば光学検出器３６０がカメラである実施では、信号データは、このカメラが取得した１以上の画像（例えば画像スタック）に対応する。この場合、ポイントフロムフォーカス動作又は他の解析のようなコントラスト決定を実行して、ワークピース３２０の撮像表面領域が焦点位置にある時を決定できる。画像スタック及び焦点曲線の決定及び解析、並びにポイントフロムフォーカス動作のための例示的な技法は、米国特許第６，５４２，１８０号及び第９，０６０，１１７号に教示されている。これらの各特許は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。別の例として、光学検出器３６０’が共焦点構成の一部として含まれる共焦点光学検出器である実施では、信号データは、検知された共焦点輝度レベルに相当し得る。そのような実施では、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーを周期的に変更させる間に共焦点光学検出器３６０’を用いて、最大共焦点輝度が生じる時を決定することができる。これは、焦点位置に対応し、これに相当するワークピース３２０の撮像表面領域のＺ高さを示す。
【００３２】
ＶＦＬレンズシステム３００が、焦点信号処理部３７７’及び光学検出器３６０’（例えば共焦点光学検出器）を有する焦点決定部３７５’を含む実施では、光学検出器３６０（例えばカメラ）を焦点位置決定に使用する必要がない場合がある。より具体的には、そのような実施では、光学検出器３６０’を焦点決定機能のため使用すると共に、カメラ３６０を撮像のため使用することができる（例えば、場合によっては焦点信号処理部３７７を含める必要がないことがある）。これとは逆に、ＶＦＬレンズシステム３００が焦点決定部３７５’を含まず、焦点決定部３７５のみを含む場合、カメラ３６０は合焦機能のために使用され得る。別の代替案として、様々な実施においてＶＦＬレンズシステム３００は、共焦点光学検出器３６０’を有する焦点決定部３７５’のみを含み、カメラ３６０を有する焦点決定部３７５を含まない場合もある（例えば、ＶＦＬレンズシステム３００がスタンドアロンの共焦点器具の一部として含まれる場合等）。
【００３３】
ＶＦＬレンズ３７０は、（例えば１回以上の画像露光中、共焦点輝度決定中等に）撮像システムの焦点位置ＦＰを変えるように電子的に制御可能である。焦点位置ＦＰは、焦点位置ＦＰ１と焦点位置ＦＰ２によって画定される範囲Ｒ内で動かすことができる。様々な実施において、範囲Ｒはユーザによって選択可能であるか、又は設計パラメータから与えられ得るか、又は他の方法で自動的に決定され得ることは認められよう。一般に図３の例に関して、図示した寸法のいくつかは一定の縮尺通りに描かれていない場合があることは認められよう。例えば、ＶＦＬレンズ３７０は図示するものと異なる比例的寸法を有し得る（例えば、所望の量の屈折力（ｌｅｎｓｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ）等を与えるため、いくつかの用途では幅がより狭く長さが５０ｍｍ以上であり得る）。
【００３４】
様々な実施において、マシンビジョン検査システムは、ＶＦＬレンズシステム３００の焦点位置を周期的に変更するために、レンズ制御部３７１と連携して動作するか又は他の方法でＶＦＬレンズ３７０を制御するように構成可能な制御システム（例えば図２の制御システム１２０）を備えることができる。いくつかの実施では、ＶＦＬレンズ３７０は極めて迅速に焦点位置を調整又は変更することができる（例えば、少なくとも３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又はそれ以上のレートで周期的に）。１つの例示的な実施では、（１倍の対物レンズ３５０では）範囲Ｒは約１０ｍｍとすることができる。様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は、焦点位置ＦＰを変えるために撮像システムにおける巨視的な機械的調整及び／又は対物レンズ３５０とワークピース３２０との間の距離の調整を必要としないように有利に選択される。このような場合、上述の通り本願に含まれる９８０号公報に記載されているように、拡大被写界深度画像を取得することができる。更に、（例えば数マイクロメータ、又は数十マイクロメータ、又はそれ以下のオーダーの精度の）精密測定等に用いられ得る固定焦点検査画像を取得するため同一の撮像システムを用いる場合に精度を低下させる巨視的な調整要素も、これに関連した位置決めの非再現性（ｎｏｎ−ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ）も存在しない。上述のように本願に含まれる７２６号公報に記載されている通り、焦点位置ＦＰの変化を利用して、ワークピース３２０に隣接したＺ高さ方向に沿った複数の位置における複数の画像を含む画像スタックを迅速に取得することができる。
【００３５】
様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ」）レンズとすることができる。可変音響式屈折率分布型レンズは、流体媒質中で音波を用いて焦点位置を変更し、焦点距離範囲を数百ｋＨｚの周波数で周期的にスイープすることができる高速ＶＦＬレンズである。このようなレンズは、論文「Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｖａｒｉｆｏｃａｌ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａ  ｔｕｎａｂｌｅ  ａｃｏｕｓｔｉｃ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ  ｌｅｎｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１８、２００８年９月１５日）の教示によって理解することができる。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。可変音響式屈折率分布型レンズ及びこれに関連した制御可能信号発生器は、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の変更が可能である。
【００３６】
様々な実施において、上述のように本願に含まれる７２６号公報に詳述されている通り、光学検出器３６０は、グローバルシャッターを有するセンサ、すなわち各画素を同時に露光するセンサを備えることができる。このような実施形態は、ワークピースもＶＦＬレンズシステム３００のどの部分も動かすことなく画像スタックを測定する機能を与えるという点で有利である。種々の代替的な実施では、光学検出器３６０は、電子ローリングシャッター（ＥＲＳ）システムを有するセンサを備えることができる。例えばカメラシステムは、電子ローリングシャッター（ＥＲＳ）システムと組み合わせたＳＸＧＡ解像度を用いる白黒ＣＭＯＳセンサを備えることができる（例えばカリフォルニア州サンホゼのＡｐｔｉｎａ  ＩｍａｇｉｎｇのモデルＭＴ９Ｍ００１）。
【００３７】
ＶＦＬレンズ３７０は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させる信号を発生することができるレンズ制御部３７１によって駆動され得る。一実施形態において、レンズ制御部３７１は市販の制御可能信号発生器とすればよい。いくつかの実施では、レンズ制御部３７１は、（例えば図２を参照して先に概説したようにレンズ制御部／インタフェース２７１を介して）ユーザ及び／又は動作プログラムによって構成又は制御され得る。いくつかの実施では、レンズ制御部３７１は、ＶＦＬレンズ３７０を制御してその光学パワーを（例えば正弦波状に）周期的に変更させることで、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって撮像システムの焦点位置を高動作周波数で周期的に変更することができる。例えばいくつかの例示的な実施では、可変音響式屈折率分布型レンズは４００ｋＨｚという高さの焦点走査速度向けに構成可能であるが、様々な実施及び／又は用途ではより低速の焦点位置調整及び／又は変更周波数が望ましい場合があることは認められよう。例えば様々な実施では、３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は２５０ｋＨｚ等の周期的な変更を使用可能である。低速の焦点位置調整を用いる実施では、ＶＦＬレンズ３７０は制御可能液体レンズ（ｆｌｕｉｄ  ｌｅｎｓ）等を含み得る。様々な実施において、周期的に変更されるＶＦＬレンズの光学パワーは第１の周期変更位相を規定することができる。
【００３８】
様々な実施において、レンズ制御部３７１は、駆動信号発生部３７２及びＺ高さ対位相較正部３７３を含み得る。駆動信号発生部３７２は、周期信号を与えるように（例えばタイミングクロック３７２’と連携して）動作することができる。様々な実施において、レンズ制御部３７１により、駆動信号発生部３７２の周期信号と同期をとった位相タイミング信号を与えることができる。様々な実施において、周期信号は、周期的に変更されるＶＦＬレンズ光学パワーと同じ動作周波数を有し、周期的に変更されるＶＦＬレンズの光学パワーの第１の周期変更位相に対して位相オフセットを有する第２の周期変更位相を有し得る。様々な実施において、Ｚ高さ対位相較正部３７３は、各Ｚ高さを各位相タイミング信号値に関連付ける第１のＺ高さ対位相特徴付けを与えることができる。
【００３９】
様々な実施において、光学検出器３６０（又は３６０’）は、ＶＦＬレンズ３７０を含む撮像システムからの光を入力するように構成することができ、焦点信号処理部３７７（３７７’）は、（例えばワークピース３２０の）撮像表面領域が焦点位置にあることが光学検出器からの信号データによって示された時に対応する未処理の位相タイミング信号値を決定するように構成することができる。図５に関して以下で詳述するように、未処理の位相タイミング信号値は、第１及び第２の周期変更位相間の位相オフセットに関連付けられるような位相オフセット成分を含み得る。これも以下で詳述するが、位相オフセット補償部３７８は、撮像表面領域に対応する未処理の位相タイミング信号値を入力し、それら撮像表面領域のＺ高さ測定値を与える位相オフセット補償プロセスを実行するように構成することができる。ここで、位相オフセット成分に関連したＺ高さエラー及びＺ高さ変動の少なくとも一方は少なくとも部分的に除かれる。様々な実施において、位相オフセット補償部３７８の位相オフセット推定部３７９は、位相オフセット補償プロセスの一部として使用され得る位相オフセットの推定値を決定することができる。
【００４０】
図３の例では、リレーレンズ３５２及び３８６並びにＶＦＬレンズ３７０は４ｆ光学構成に含まれるものとして示され、リレーレンズ３５２及びチューブレンズ３５１はケプラー式望遠鏡構成に含まれるものとして示され、チューブレンズ３５１及び対物レンズ３５０は顕微鏡構成に含まれるものとして示されている。ここに示す構成は全て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。ケプラー式望遠鏡構成の一部として、チューブレンズ３５１の焦点距離ＦTUBEは、リレーレンズ３５２の焦点距離ｆと同様、レンズ３５１と３５２との中点とほぼ等距離にあるものとして示されている。代替的な実施では、チューブレンズ３５１の焦点距離ＦTUBEを、リレーレンズ３５２の焦点距離ｆ（これは４ｆ光学構成の４ｆの１つに対応する）とは異なるものにしてもよい。チューブレンズ３５１がターレットレンズアセンブリの一部として含まれ得る様々な実施では、ターレットレンズアセンブリの他のチューブレンズが動作位置まで回転した場合、同じ位置に焦点を有する（すなわちリレーレンズ３５２の焦点と合致する）ことが望ましい場合がある。
【００４１】
上述のように本願に含まれる４０９号出願に詳述されている通り、焦点距離ｆに対する焦点距離ＦTUBEの比を用いて、チューブレンズ３５１に入力するワークピース光３５５のコリメートビームに対してリレーレンズ３５２から出るワークピース光３５５のコリメートビームの直径を変えることができる。チューブレンズ３５１に入力するワークピース光３５５のコリメートビーム及びリレーレンズ３５２から出力するワークピース光３５５のコリメートビームに関して、様々な実施では、そのようなコリメートビームがより長い経路長に拡張され得ること、及び／又は（例えば異なるカメラシステム等へ向けられた）追加の光路を与えるためにそのようなコリメートビームに対してビームスプリッタが使用され得ることは認められよう。
【００４２】
様々な実施において、図示する４ｆ光学構成は、ＶＦＬレンズ３７０（例えば可変音響式屈折率分布型レンズ等の開口数（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／又は焦点位置ＦＰで一定の倍率を与えることを含む）。ケプラー式望遠鏡構成（例えばチューブレンズ３５１及びリレーレンズ３５２を含む）は、顕微鏡構成と４ｆ光学構成との間に含めることができ、上記のように、ＶＦＬレンズの位置で対物レンズ有効径（ｃｌｅａｒ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）の望ましいサイズの投射を与えて画像収差等を最小限に抑えるように構成可能である。
【００４３】
様々な実施において、いくつかのタイプの寸法測定では回折限界に近いか又は回折限界の撮像が必要であり得ることは認められよう。図３に示す構成は、結像される対物レンズ３５０の瞳の軸外範囲をＶＦＬレンズ３７０内に限定することによって収差を低減する。この構成では、半径方向の範囲は、その最低共振周波数ｆR,MINでのＶＦＬレンズ３７０（例えば可変音響式屈折率分布型）の定在波の屈折率プロファイルにおいて一次ベッセルリング（１ｓｔ  Ｂｅｓｓｅｌ  ｒｉｎｇ）の半径方向の範囲よりも小さく維持することができる。これについては、上述のように本願に含まれる４０９号出願に詳述されている。このように、顕微鏡構成（すなわち対物レンズ３５０及びチューブレンズ３５１を含む）からの光はＶＦＬレンズ３７０の最大有効径ＣＡVFL,MAXを超えない。この光が最大有効径を超える実施では、光は、望ましくない屈折率を有し得るＶＦＬレンズ３７０の定在波の領域と相互作用して収差を増大させ、寸法測定の精度を低減させる恐れがある。ＶＦＬレンズシステム３００のいくつかの例示的な動作について、図４及び図５を参照して以下で詳述する。
【００４４】
図４は、図３のＶＦＬレンズ３７０の周期的に変更される制御信号４１０及び光学応答４２０の位相タイミングを示すタイミング図４００である。図４の例には、制御信号４１０及び光学応答４２０が同様の位相タイミングを有し、従って同一の信号として表される理想的な事例が示されている（例えば図５の例で信号が位相オフセットだけ分離しているのとは対照的である。これについては以下で詳述する）。様々な実施において、制御信号４１０は、図３の駆動信号発生部３７２により生成される駆動信号に関連付けることができ、光学応答４２０は、先に概説したようにＶＦＬレンズ３７０の光学パワーを周期的に変更させることによって制御される撮像システムの周期的に変更される焦点位置を表すことができる。
【００４５】
様々な実施において、曲線４１０及び４２０の正弦波形状は、一連のレンズ（例えば図２に示すような対物レンズ３５０、ＶＦＬレンズ３７０等）に依存することがあり、ＶＦＬレンズ３７０の光学パワーは図４に示すようなサイクルをとり、１／ｆに等しい（ここでｆ＝焦点距離である）。以下で詳述するように、各Ｚ高さを各位相タイミング信号値に関連付けるＺ高さ対位相特徴付けは、既知の原理に従った較正によって確立することができる（例えば数学的モデルに従って、及び／又は、既知のＺ高さまで表面を繰り返し進ませ、次いでこの既知のＺ高さで画像を最良に合焦する位相タイミングを手作業で又は計算によって求め、その関係をルックアップテーブル等に記憶する）。
【００４６】
タイミング図４００は、各Ｚ高さ（例えばｚφ０、ｚφ９０、ｚφ１８０、ｚφ２７０等）に対応して、制御信号４１０の各位相タイミング信号値（例えばｔ０、ｔ９０、ｔ１８０、ｔ２７０等）に等しい位相タイミング（例えばφ０、φ９０、φ１８０、φ２７０等）を示している。様々な実施において、位相タイミング信号値（例えばｔ０、ｔ９０、ｔ１８０、ｔ２７０等）は、（例えばクロックによって、又は周期変更に対するタイミングを確立するための他の技法等によって与えられるような）位相タイミング信号に従って決定することができる。タイミング図４００に示す位相タイミング信号値は、限定でなく例示のみを意図していることは理解されよう。より一般的には、任意の位相タイミング信号値には、図示する焦点位置範囲内の焦点位置Ｚ高さが関連付けられている（例えば、図示する例における範囲は最大Ｚ高さｚφ９０及び最小Ｚ高さｚφ２７０を有する）。
【００４７】
上述のように、様々な技法（例えばポイントフロムフォーカス、最大共焦点輝度決定等の使用）を用いて、ある撮像表面領域に焦点が合っている時を決定できる。これは、この撮像表面領域のＺ高さ測定値に対応付けることができる。例えば、ある撮像表面領域に焦点が合っている時に従って、この撮像表面領域がＺ高さｚφｓｕｒｆにあることが決定され得る。すなわち、図示する例において、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）に等しい位相タイミングφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）では、焦点位置はＺ高さｚφｓｕｒｆにあり、このＺ高さｚφｓｕｒｆに位置するワークピース表面領域に焦点が合っている。同様に、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）に等しい位相タイミングφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）では、焦点位置はＺ高さｚφｓｕｒｆにあり、このＺ高さｚφｓｕｒｆに位置するワークピース表面領域に焦点が合っている。そのような値を、各Ｚ高さを各位相タイミング信号値に関連付けるＺ高さ対位相特徴付けに含ませることで、ある撮像表面領域に焦点が合っていると決定された場合、対応する位相タイミング信号値（例えばＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−））を使用してその撮像表面領域の対応する測定Ｚ高さ（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ）を検索できることは認められよう。
【００４８】
図示する例では、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）は、反対方向への焦点位置の移動に対応する。より具体的には、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）は、第１の方向（例えば下方向）への焦点位置の移動に対応し、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）は、第１の方向とは反対の第２の方向（例えば上方向）への焦点位置の移動に対応する。図４の例では制御信号４１０及び光学応答４２０が同様の位相タイミングを有するので、制御信号４１０の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）は、同一のＺ高さｚφｓｕｒｆに対応するように示されている。これに対し、図５に関して詳述するように、光学応答４２０が制御信号４１０に対して位相オフセットを有する場合、そのような位相タイミング信号値に対応するものとして異なるＺ高さが示され得る。この場合、本明細書に開示される原理に従った位相オフセット補償プロセスを使用することができる。
【００４９】
図５は、図３のＶＦＬレンズシステムの周期的に変更される制御信号４１０’と光学応答４２０’との間に位相オフセットを示すタイミング図５００である。図５に示すように、位相オフセット成分はデルタ位相タイミングΔΦに相当し、これはデルタ位相タイミング信号値Δｔに相当する。この位相オフセット成分の結果、撮像表面領域が実際にはＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔにある場合、光学応答４２０’に対する対応した位相タイミング信号値は、制御信号４１０’に対する他のＺ高さを示し得る。
【００５０】
すなわち、図示する例において、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）に等しい位相タイミングφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）では、光学応答４２０’は、Ｚ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔにある焦点位置に対応するが、制御信号４１０’は、焦点位置がＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）にあると誤って示している。Ｚ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔとＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）との差は、Ｚ高さエラーＺｅｒｒ（−）と示されている。同様に、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）に等しい位相タイミングφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）では、光学応答４２０’は、Ｚ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔにある焦点位置に対応するが、制御信号４１０’は、焦点位置がＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）にあると誤って示している。Ｚ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔとＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）との差は、Ｚ高さエラーＺｅｒｒ（＋）として示されている。
【００５１】
上述のように、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）は、第１の方向（例えば下方向）への焦点位置の移動に対応し、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）は、第１の方向とは反対の第２の方向（例えば上方向）への焦点位置の移動に対応する。図示のように、これに応じて、対応するＺ高さエラーＺｅｒｒ（−）及びＺｅｒｒ（＋）は、（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔに対して）相互に反対であり得る。様々な実施において、Ｚ高さエラーＺｅｒｒ（−）及びＺｅｒｒ（＋）のこの反対の特性を、位相オフセット補償プロセスの一部として利用することができる。本明細書に開示される原理に従って、異なる位相オフセット補償プロセスを様々な実施において利用できる。これについて以下で詳述する。
【００５２】
例えば１つの構成において、位相オフセット補償プロセスは、対応する未処理の位相タイミング信号値セットに基づいて撮像表面領域のＺ高さ測定値を決定することを含み得る。このセットは、それぞれ反対方向への撮像システムの焦点位置の移動に対応する少なくとも第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットを含む。図５の例に関して、第１の未処理の位相タイミング信号値サブセットは、少なくとも位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）を含み、更に、以降のＶＦＬレンズサイクル中に決定される同様の位相タイミング信号値も含み得る（例えば、次のＶＦＬレンズサイクル内で、下方向への焦点位置の移動中に撮像表面領域に再び焦点が合った場合、別の位相タイミング信号値が再び決定され得る等）。同様に、第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットは、少なくとも位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）を含み、更に、以降のＶＦＬレンズサイクル中に決定される同様の位相タイミング信号値も含み得る（例えば、次のＶＦＬレンズサイクル内で、上方向への焦点位置の移動中に撮像表面領域に再び焦点が合った場合、別の位相タイミング信号値が再び決定され得る等）。
【００５３】
１つの実施において、そのような位相オフセット補償プロセスは、より具体的には、第１の未処理の位相タイミング信号値サブセット内の少なくとも１つの値（例えば未処理の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−））と第１のＺ高さ対位相特徴付けとに基づいて、第１の予備Ｚ高さ測定値サブセット（例えば少なくともＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）を含む）を決定することから開始し得る。また、このプロセスは、第２の未処理の位相タイミング信号値サブセット内の少なくとも１つの値（例えば未処理の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋））と第１のＺ高さ対位相特徴付けとに基づいて、第２の予備Ｚ高さ測定値サブセット（例えば少なくともＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）を含む）を決定することも含み得る。このプロセスは更に、第１の予備Ｚ高さ測定値サブセット内の少なくとも１つの値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−））と第２の予備Ｚ高さ測定値サブセット内の少なくとも１つの値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋））との中間にあるＺ高さ測定値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔ）を決定することと、この決定したＺ高さ測定値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔ）を撮像表面領域のＺ高さ測定値として使用することと、を含み得る。様々な実施において、Ｚ高さ測定値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔ）は、第１の予備Ｚ高さ測定値サブセット内の少なくとも１つの値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−））及び第２の予備Ｚ高さ測定値サブセット内の少なくとも１つの値（例えばＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋））の平均値として決定することができる。様々な実施において、ＶＦＬレンズシステムの制御部は、撮像システムの動作範囲を最大動作範囲の２／３未満に制限し、制御部における周期信号のピーク又は谷を含まないようにする（例えば、正弦曲線４１０’及び／又は４２０’のピーク及び谷で生じる非線形部分でなく、比較的線形の部分で上述の位相オフセット補償プロセスを使用するようにする）ことができる。
【００５４】
別の例として、異なる構成において、位相オフセット補償プロセスは、位相オフセットの推定値を決定するように構成することができ、少なくとも１つの対応する未処理の位相タイミング信号値及び位相オフセットの推定値に基づいて撮像表面領域のＺ高さ測定値を決定するためのＺ高さ決定プロセスを含み得る。そのような構成では、Ｚ高さ決定プロセスは、位相オフセットの推定値によって少なくとも１つの未処理の位相タイミング信号値を処理して位相オフセット成分を低減させることにより、補償された位相タイミング信号値を決定することを含み、更に、この補償された位相タイミング信号値及び第１のＺ高さ対位相特徴付けに基づいてＺ高さ測定値を決定することを含み得る。１つの実施において、位相オフセット補償部は、ある基準を満たすように位相オフセットの推定値を調整する調整プロセスを実行するように動作可能である位相オフセット推定部を含み得る。１つの実施において、この基準は、Ｚ高さ決定プロセスが、位相オフセットの調整された推定値に基づき、固定表面領域を撮像する際に撮像システムの焦点位置の反対方向への移動にそれぞれ対応する少なくとも第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットに対応して繰り返される場合、得られる反対方向のＺ高さ測定値の間の分散又は差の少なくとも一方がほぼ最小となるようなものである。図５の例に関して、第１の未処理の位相タイミング信号値サブセットは少なくとも位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）を含むことができ、結果としてＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）のＺ高さ測定値が得られ、第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットは少なくとも位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）を含むことができ、結果としてＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）のＺ高さ測定値が得られる。この事例で得られる反対方向のＺ高さ測定値間の分散及び／又は差は、Ｚ高さエラーＺｅｒｒ（−）及びＺｅｒｒ（＋）の和に等しくなり得る。図７を参照して以下で詳述するように、１つの実施では、位相オフセットの推定値を（例えば段階的な増分で）調整することで、結果として反対方向のＺ高さ測定値間の分散又は差が最小となる位相オフセットの推定値を決定することができる（例えば、制御信号４１０’の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）を同一のＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔに対応するよう更に近付けて、図４の例にいっそう類似した構成を達成するようにする）。
【００５５】
別の例として、位相オフセットの推定値が決定され調整される別の構成において、位相オフセット補償プロセスは、固定表面領域を撮像することと、撮像システムの焦点位置の反対方向への移動にそれぞれ対応する少なくとも第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットを含む対応する未処理の位相タイミング信号値セットを決定することと、を含み得る。そのような構成では、第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットは、第１の周期変更位相の約９０度位相又は２７０度位相に名目上対称的に離間し、位相オフセットの推定値は、これら第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットに基づいて調整することができる。図５の例に関して、第１の未処理の位相タイミング信号値サブセットは、少なくとも位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）を含み、更に、以降のＶＦＬレンズサイクル中に決定される同様の位相タイミング信号値も含むことができ、第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットは、少なくとも位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）を含み、更に、以降のＶＦＬレンズサイクル中に決定される同様の位相タイミング信号値も含むことができる。そのような第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットは、図５に未処理の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）の離間について示すように、光学応答４２０’の第１の周期変更位相の約２７０度位相に名目上対称的に離間している。
【００５６】
１つの実施において、第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットに基づいて位相オフセット推定値を調整する動作は、第１の周期変更位相の９０度位相又は２７０度位相の第１のピーク位相タイミング信号値を、第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットの平均値（例えば２７０度位相の未処理の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）の平均値）として近似することから開始し得る。また、この動作は、第２の周期変更位相の対応する９０度位相又は２７０度位相の第２のピーク位相タイミング信号値を、第２の周期変更位相を有する制御部における周期信号と同期をとった位相タイミング信号に基づいて確立することを含み得る（例えば位相タイミング信号値ｔ２７０）。この動作は更に、位相オフセット推定値を、第１及び第２のピーク位相タイミング信号値間の差に対応する値に調整することを含み得る（例えば、制御信号４１０’の位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（−）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）を同一のＺ高さｚφｓｕｒｆ＿ａｃｔに対応するよう更に近付けて、図４の例にいっそう類似した構成を達成するようにする）。
【００５７】
様々な実施において、制御信号４１０’は、ＶＦＬレンズシステムにより生成及び／又は決定される様々な他の信号に関連付けてもよい。例えば、ＶＦＬレンズシステムの特定の電子回路又はルーチンによって同期パルスを生成することができ、この同期パルスは、光学応答及び／又は駆動信号（例えば図３の駆動信号発生部３７２により生成される）に沿った指定の位相位置で発生するように同期をとることができる。場合によっては、提供される同期パルスが出力曲線上の指定位置（例えば光学応答４２０’）で発生することになっていると指示するＶＦＬレンズシステム及び／又はシステムに関する文書を与えることができる。しかしながら実際には、指定された同期パルス位置と実際の同期パルス位置との間に遅延（例えば位相遅延）が存在し得ることが確認されている。更に、この遅延は、条件（例えば温度等）に応じて変動する傾向があることが確認されている。様々な実施において、制御信号４１０’は、そのような同期パルスのタイミングを表すか又は他の方法でそのタイミングと同期をとった合成信号とすることができ、Ｚ高さ対位相特徴付けの値に対応し得る。１つの実施において、同期パルスは、図３の駆動信号発生部３７２により生成される駆動信号と同期をとることができ、駆動信号に沿った指定の位相位置で発生し得る。例えば様々な実施において、光学応答４２０’は駆動信号に対して位相オフセットを有し、制御信号４１０’（例えば同期パルスのタイミングを表す）は、駆動信号と同期をとっているが、駆動信号に対して位相オフセットを有し得る。１つの実施において、位相タイミング信号（例えばクロック等によって与えられる）は、制御信号４１０’及び／又は対応する同期パルスと同期をとることができる。
【００５８】
図６は、表面領域の表面Ｚ高さ測定値を決定するためのルーチン６００の１つの例示的な実施を示すフロー図である。ブロック６１０では、ＶＦＬレンズを制御してその光学パワーを周期的に変更させ、これにより、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって光学システムの焦点位置を第１の動作周波数で周期的に変更させる。周期的に変更させたＶＦＬレンズ光学パワーは、第１の周期変更位相を規定する。ブロック６２０では、位相タイミング信号を与える。位相タイミング信号は、第１の動作周波数を有すると共に第１の周期変更位相に対して位相オフセットを有する第２の周期変更位相を有する周期信号と同期をとっている。
【００５９】
ブロック６３０では、各Ｚ高さを各位相タイミング信号値に関連付ける第１のＺ高さ対位相特徴付けを与える。ブロック６４０では、表面領域が焦点位置にあることが光学検出器からの信号データによって示された時に対応する未処理の位相タイミング信号値を決定する。未処理の位相タイミング信号値は、第１及び第２の周期変更位相間の位相オフセットに関連付けられる位相オフセット成分を含む。ブロック６５０では、表面領域のＺ高さ測定値を与える位相オフセット補償プロセスを実行する。与えられたＺ高さ測定値において、位相オフセット成分に関連したＺ高さエラー及びＺ高さ変動の少なくとも一方は少なくとも部分的に除かれている。
【００６０】
図７は、位相オフセットの推定値を決定するためのルーチン７００の１つの例示的な実施を示すフロー図である。本明細書で概説したように用いるため、ルーチン７００を較正手順で用いてＺ高さ対位相特徴付けを生成又は調整する場合、ルーチン７００は、ＶＦＬレンズシステムの焦点の実際のＺ走査範囲に対応する倍率も決定することができる。
【００６１】
ブロック７１０では、ＶＦＬレンズシステムの変更サイクルの周期Ｔを決定する。様々な実施において、周期変更サイクルの周期Ｔ決定するため様々な技法を用いることができる。例として、（例えばＶＦＬレンズシステムの特定の電子回路又はルーチン等によって）同期パルスを発生させる構成では、周期Ｔは、２つの同期パルス間の平均周期として計算され得る。高いサンプリング周波数を利用する実施（例えば１周期変更サイクル当たり数千の測定Ｚ高さサンプル）では、周期変更サイクルの周期Ｔを決定するため、いくつかの例では２つの同期パルス間のサンプルの中央値が使用され得る。ブロック７２０では、ＶＦＬレンズシステムの近似Ｚ走査範囲を決定する。様々な実施において、近似Ｚ走査範囲はＶＦＬレンズシステムの光学モデルに基づくことができる。
【００６２】
ブロック７３０では、位相オフセットの初期試行推定値、及び、各Ｚ高さを各位相タイミング信号値に関連付けるＺ高さ対位相特徴付けを決定する。様々な実施において、Ｚ高さ対位相特徴付けは、位相オフセットの初期試行推定値と同様に、周期Ｔ及び近似Ｚ走査範囲に基づいて決定することができる。様々な実施において、Ｚ高さ対位相特徴付けは、数学的モデル又は他のモデルに基づく（例えば、指定されたＺ範囲、周期Ｔ、及び位相オフセットの初期試行推定値等を用いた正弦波又は余弦波に対応する値を含む）か、又は、実験的に測定されたシステムのＺ高さ−位相特徴に基づく（例えば、線形近似、スプライン補間、正弦波の当てはめ（ｆｉｔｔｉｎｇ）等の様々な方法を用いて補間されたルックアップテーブル）ことができる。様々な実施において、Ｚ高さ対位相特徴付けにおける値の数を、２つの同期パルス間で発生するサンプル（例えば測定されるＺ高さ）の数とほぼ等しくすることが望ましい場合がある。場合によっては、このサンプル数はＶＦＬレンズシステムのサンプリングレートに依存し得る。様々な実施において、システムの所望の精度に応じて異なるサンプリングレート（例えば１サイクル当たり数千サンプル等）を使用することができる。
【００６３】
ブロック７４０では、ＶＦＬレンズシステムのＺ走査範囲内に、表面領域（例えば較正手順の場合はミラー）を位置決めする。様々な実施において、表面領域をＺ走査範囲のほぼ中央に配置することが望ましい場合がある。ＶＦＬレンズシステムの一部として他の走査機能（例えば横方向走査等）が含まれる実施では、測定される表面位置のＺ変動性に対する他の光学エラーの影響を低減するため、そのような他のタイプの走査をオフにするか又は他の方法で使用不可にすることが望ましい場合がある。より具体的に述べると、いくつかの実施では、ＶＦＬレンズシステムのＺ高さ走査機能を用いて、静止較正表面の画像表面領域上の全く同じスポットを繰り返し測定することが望ましい。
【００６４】
ブロック７５０では、静止撮像表面領域が焦点位置にある時に対応した双方向位相タイミング信号値及び対応するＺ高さ測定値を決定する。図５を参照して上述したように、様々な実施において、そのような動作は、位相オフセットの試行推定値に基づいてＺ高さ決定プロセスを実行することと、固定表面領域を撮像する際の撮像システムの焦点位置の反対方向への移動にそれぞれ対応する少なくとも第１及び第２の未処理の位相タイミング信号値サブセットに対応して動作を繰り返すことと、を含み得る。様々な実施において、現在のＺ高さ対位相特徴付けを用いた多数のＺ走査から、多くのＺ高さ測定値を決定することができる。様々な実施において、例えばＶＦＬレンズ３７０が１秒当たり多数（例えば数千等）のサイクルで連続的に走査するよう動作している場合、各Ｚ走査で迅速にＺ高さ測定値を決定することができる（例えば図４及び図５を参照して上述したように、上方向及び下方向の双方で）。このように、撮像表面領域上の固定表面スポットを測定している場合、多数（例えば数千等）のＺ高さを、（例えば共焦点又は他のシステム等を利用して）迅速に蓄積することができる。
【００６５】
決定ブロック７６０では、試行分散又は差の少なくとも一方が少なくともほぼ最小となっているか否かを判定する。例えば、全体的な試行分散又は差を求めるため、決定されたＺ高さ測定値に標準偏差の計算を適用する（例えばそれらのσを計算する）ことができる。全体的な試行分散又は差が充分に最小化されていない場合、ルーチンはブロック７７０に進み、ここで位相オフセットの試行推定値を調整する。例えば、位相オフセットの試行推定値を、段階的な増分（例えば０．１度の位相ステップ等）で又は他の技法によって調整し、位相オフセットの新しい試行推定値を与えることができる。しかしながら、推定位相オフセットを調整するこの実施は例示に過ぎず、限定ではない。例えば１つの代替的な調整方法では、推定範囲又は所定範囲にわたって複数の位相オフセットについて各差又は分散を決定し、これがデータポイントの対応する曲線を規定できる。曲線の最小値（最小の分散又は差）を、既知の方法（曲線の当てはめ及び山又は谷の検出等）によって見出すことができ、対応する位相オフセット値を、推定位相オフセットのために用いることができる。この結果、曲線を確定するため用いられる初期値間の補間位相オフセット値に対し、「理想的」で精密な調整を行うことができる。ブロック７７０の動作を実行するためのこれら及び他の代替的な方法は、本明細書に含まれる様々な教示に基づいて当業者に明らかとなり得る。
【００６６】
試行分散又は差が少なくともほぼ最小となっている場合、ルーチンはブロック７８０に進む。様々な実施において、一度、試行分散又は差が最小になっていると判定されたら（例えば、ブロック７６０の要件（複数の要件）を満たすため必要に応じてブロック７５０から７７０の動作を実行した後）、位相オフセットの対応する試行推定値を、ＶＦＬレンズシステムの以降のＺ高さ測定値動作のための位相オフセット推定値として使用できる。様々な実施において、位相オフセット推定値は、測定Ｚ高さを個々に又はまとめて決定するための１つ以上のプロセスの一部として使用可能であり、又は、位相オフセットのドリフト又は変化を考慮に入れるように以前決定したＺ高さ対位相特徴付けを調整するため使用可能である。換言すると、以前決定したＺ高さ対位相特徴付けに対応するか又はその基礎にある「当初の（ｏｒｉｇｉｎａｌ）」位相オフセットが変化した場合、これと新しい位相オフセット推定値との差を用いて、新しい位相オフセット推定値を考慮した適正なものとなるようにＺ高さ対位相特徴付けをシフト又は調整することができる。
【００６７】
ブロック７８０では、ルーチン７００が較正プロセスにおいてＺ高さ対位相特徴付けを生成又は調整するため用いられている場合、（例えば各Ｚ高さ値のスケーリングのため等の）倍率を決定する。様々な実施において、倍率の決定は既知のＺステップ高さで較正オブジェクトを使用することを含むか、又は単一の表面を既知の量だけＺに変位させる場合がある。倍率を決定するため、既知のＺステップ高さの較正オブジェクト又は既知の量だけＺに変位させた表面を測定して、対応する第１及び第２のＺ高さ測定値を決定する（例えば、決定した第１及び第２の対応する未処理の位相タイミング信号値及び位相オフセット推定値等に少なくとも部分的に基づくＺ高さ決定プロセスを利用する）。第１及び第２のＺ高さ測定値間の差に対応する測定Ｚ高さ差を決定する。次いで、この測定Ｚ高さ差を乗算するか又は他の方法で適用した場合に既知のＺ高さ差に等しい値となる倍率を決定する。事実上、この倍率を用いて、ＶＦＬレンズシステムのＺ高さ焦点変動の範囲又は振幅を精密に較正できることが理解できる。必要に応じて又は所望のように、そのような倍率を用いて、Ｚ高さ対位相特徴付けで用いるＺ高さ値を確定するか、又は調整済みＺ高さ対位相特徴付けで用いるＺ高さ値を調整することができる。
【００６８】
図８から図１４を参照して以下に開示する問題の解決策及び関連する原理は、図１から図７を参照して上述したものとは多少異なっている。図１から図７の前述の記載は、高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムを用いて、より高精度のＺ高さ測定値を与えるように動作可能であるシステムの様々な実施において使用され得る要素、原理、及び動作の様々な組み合わせを開示する。特に、光学焦点検出器及び焦点信号処理部は、撮像表面領域が焦点位置にある時を極めて低いレイテンシで示す。これに関連する信号及びタイミング情報によって、位相オフセット補償プロセスは、表面領域の画像に関連したＺ高さ測定値を与える精度の向上を図ることができる。特に、電子的及び電気機械的なレイテンシに起因する位相オフセットエラーのために従来技術のシステムに存在するＺ高さエラー及びＺ高さ測定変動の少なくとも一方を、少なくとも部分的に除くことができる。しかしながら、前述の記載では、高速で周期的に変更される（例えば７０ｋＨｚ）可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを用いる場合に、確定された画像焦点位置に対応するＺ高さ測定値の精度向上を可能とするが、これは、ある特定のワークピース表面に一致するように画像焦点位置を自動的に調整し（すなわち自動合焦）、その特定の表面を撮像する及び／又はその特定のＺ高さを確定するための完全なシステムを開示しない。一般的に言えば、これを実行する既知の方法は望ましい速度よりも低速であり、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズ（例えばＴＡＧレンズ）の特徴を利用するのに完璧に適しているわけではない。
【００６９】
様々な用途において、高いスループットを得るため、固定検査システム又はノンストップ移動検査システムのいずれかで高速測定を実行することが望ましい。充分に合焦された検査画像及びＺ高さ測定に関して（これは一般に「最良の焦点」の高さ決定に基づく）、検査画像取得レート及びＺ高さ測定を実行できるレートは、Ｚ高さ焦点位置調整レート又は移動速度によって制限され得る。しかしながら、革新的な可変焦点レンズ（例えばＴＡＧレンズ）は、極めて高いレート（例えば７０ｋＨｚ）で周期的に焦点を変化させることができる。それらの画像焦点位置を極めて高い精度で、かつ焦点変動レートに応じたレートで自動的に決定及び調整することには、問題があることが知られている。高速精密検査動作に用いられる様々な高速可変焦点レンズのために、画像焦点位置を自動的に決定及び調整する改良されたシステム及び方法が必要とされている。
【００７０】
図８から図１４の以下の説明は、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズ（例えばＴＡＧレンズ）を含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するように動作可能であるシステムの様々な実施において使用され得る要素、原理、及び動作の様々な組み合わせを開示する。そのような撮像システムのいくつかの一般的な動作原理を簡単に見直すと、そのような撮像システムが、各変更周期内の特定のタイミング又は位相タイミングにおいて特定の焦点位置（又は焦点Ｚ高さ）を有することは認められよう。従って、所望の対応する焦点位置で露光増分を得るため、ストロボ要素（例えばストロボ照明源又は高速電子カメラシャッタ）を制御して、特定の位相タイミングで短時間、露光を使用可能にすることができる。画像のピンぼけなしに露光を増大させるため、画像露光中に生じる（例えばカメラ画像積分時間を通して生じる）複数の周期変更期間における特定の位相タイミングでストロボ要素を繰り返しストロボ発光させることができる。これらの原理は、前述のように本願に含まれる引用文献、並びに、援用により全体が本願にも含まれる米国特許第８，１９４，３０７号、９，１４３，６７４号、並びに、それぞれ援用により全体が本願にも含まれる、２０１５年８月３１日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ  Ｉｍａｇｅ  Ｆｏｃｕｓ  Ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｔｕｎａｂｌｅ  Ｌｅｎｓ  ｉｎ  ａ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１４／８４１，０５１号、及び２０１６年１１月２３日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｆｏｒ  Ｏｂｔａｉｎｉｎｇ  Ａｎ  Ｉｍａｇｅ  Ｗｉｔｈ  Ａｎ  Ｅｘｔｅｎｄｅｄ  Ｄｅｐｔｈ    Ｏｆ  Ｆｉｅｌｄ」と題する米国特許出願第１５／３６０，６７１号を参照して、更に詳しく理解することができる。
【００７１】
直前に概説した原理に従って、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズ（例えばＴＡＧレンズ）を含む撮像システムを特定の表面で自動的に合焦させるため、特定の位相タイミングがその特定の表面での合焦に対応する時を自動的に検知し、次いでその検知した特定の位相タイミングで短時間露光を使用可能とするように露光ストロボ時間制御部を動作させるためのシステムが必要となる。そのようなシステムの様々な実施について以下で説明する。
【００７２】
図８は、高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ３７０を含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するように動作可能であるシステム８００の第１の実施の概略図である。図８のシステム８００は図３のシステム３００といくつかの特徴を共有し、大部分は前述の記載に基づく類推により理解され得ることは認められよう。以下で別段の記載がない限り、図８のいくつかの付番された構成要素は、図３の同様に付番された構成要素に対応し得る及び／又は同様の動作を有し得る。従って、そのような同様の構成要素及び共有される特徴については詳しく説明しない。以下の記載では、本明細書において前述した様々なシステム実施と比べて新規であるか又は追加的であるシステム８００の動作のいくつかの要素及び態様を強調している。特に、自動合焦された画像を提供するため露光タイミングを自動的に調整することに関する要素及び動作を強調している。
【００７３】
システム８００は、撮像システム８１０、ＶＦＬレンズ制御部３７１、ＶＦＬ投射光源８４０、焦点決定部８８０、露光タイミング調整回路８９０、及び露光ストロボ時間制御部８９５を備えている。様々な実施において、撮像システム８１０は、少なくとも対物レンズ３５０（ワークピース表面から発する画像光を入力するように構成されている）、ＶＦＬレンズ３７０（対物レンズが透過させた画像光を受けるように構成されている）、及びカメラ３６０（ＶＦＬレンズ３７０が透過させた光を受けるように構成されている）を含む。図８に示す特定の構成において、撮像システム８１０は、図３を参照して前述した「４ｆ」構成のレンズ３５１、３５２、及び３８６も含む。
【００７４】
ＶＦＬレンズ制御部３７１は、ＶＦＬレンズ３７０を制御してその光学パワーを周期的に変更させ、これにより、Ｚ高さ方向に沿った複数の撮像システム焦点Ｚ高さにわたって（例えば図８の座標ｆＺで概略的に示すように）撮像システム８１０の焦点位置を周期的に変更させるように構成されている。ＶＦＬレンズ制御部３７１の様々な態様については、すでに本明細書で詳細に記載しており、本願に含まれる引用文献にも記載されている。
【００７５】
ＶＦＬ投射光源８４０は、ＶＦＬ投射光８４３を、焦点監視光路８４４に沿ってＶＦＬレンズ３７０の裏側３７０Ｂへ、更にはＶＦＬレンズ３７０及び対物レンズ３５０を介してワークピース表面３２０’へと与えるように構成された光源を備えている。図８に示す特定の実施において、ＶＦＬ投射光源８４０は、光発生器８４１（例えば１つ以上のＬＥＤ又はレーザダイオード）及びコリメートレンズ８４２を備えている。様々な実施では、ＶＦＬ投射光８４３をコリメートして焦点監視光路８４４に沿ってＶＦＬレンズ３７０の裏側３７０Ｂへ投射することができる。そのような実施において、ＶＦＬ投射光８４３は撮像システム８１０と同じＺ高さで合焦される。これは、以下に概説する動作及び方法で使用するためには有利である場合があるが、それらの焦点Ｚ高さのわずかな差は既知の方法に従って電子機器又はソフトウェアで補償され得るので、厳しく要求されるわけではない。様々な実施において、光発生器８４１は、光学検出器８８５による検知範囲内であれば１つ以上の可視波長又は非可視波長を出力することができる。
【００７６】
焦点決定部８８０は光学検出器８８５を備え、これは、ワークピース３２０’の領域から反射されて対物レンズ３５０及びＶＦＬレンズ３７０を介し、更には焦点監視光路８４４に沿って戻ってきた反射ＶＦＬ投射光８４５を入力するように構成されている。むろん、反射ＶＦＬ投射光８４５は、任意の特定の実施形態において、この光路に沿って配置された他の任意の光学構成要素も通過する。例えば図８に示す特定の実施形態では、反射ＶＦＬ投射光８４５は反射されて、対物レンズ３５０、ビームスプリッタ３３９、レンズ３５１、レンズ３５２、ＶＦＬレンズ３７０を介し、ビームスプリッタ８８９で反射されて焦点監視光路８４４に沿って進み、ビームスプリッタ８８８を介して光学検出器８８５に至る。
【００７７】
反射ＶＦＬ投射光８４５の受光に応答して、光学検出器８８５は、ＶＦＬ投射光の焦点Ｚとこれを反射したワークピース表面３２０’の領域のＺ高さとの差に応じた少なくとも１つの光学検出器信号を出力する。図８に示す上述した構成によると、ＶＦＬ投射光焦点Ｚ高さが撮像システム焦点Ｚ高さを示すことは認められよう。光学検出器８８５として使用可能な何らかの例示的な光学検出器の動作については、以下で更に詳しく記載する。いくつかの実施において、焦点決定部８８０及び／又は光学検出器８８５は、既知の原理に従って設計された様々な信号及び調節及び／又は処理回路（図示せず）を含んでおり、光学検出器８８５から１つ以上の未処理の光学検出器信号を入力し、この光学検出器信号に基づいて増幅及び／又は信号処理を行って、システム８００の他の要素が使用するのにいっそう適した形態の１つ以上の焦点逸脱信号を出力することは理解されよう。
【００７８】
露光タイミング調整回路８９０は、（例えば、いくつかの実施では信号ライン８８７上で）焦点決定部８８０からの焦点逸脱信号を入力し、この焦点逸脱信号に基づいて、撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時に関連した露光タイミング調整信号を決定する。焦点逸脱信号に基づく露光タイミング調整信号の決定のために使用できる様々な例示的な実施については、以下で更に詳しく記載する。様々な実施形態において、露光タイミング調整回路８９０は、焦点決定時間期間中に（例えば制御ライン８９７を用いて）ＶＦＬ投射光８４３のタイミングを制御するように構成された焦点決定光制御回路を好都合に含むことができる。いくつかの実施において、焦点決定時間期間中、ＶＦＬ投射光８４３は連続的に与えられ、他の実施ではストロボ発光させることができる。いくつかの実施において、ＶＦＬ投射光８４３は、以下で更に説明するように、焦点逸脱信号及び／又は露光タイミング調整信号に基づいて調整された時にストロボ発光させることができる。
【００７９】
様々な実施において、露光ストロボ時間制御部８９５は、（例えば周期的に変更される焦点位置の位相時間に対して）撮像システム８１０の画像露光時間を制御する。露光ストロボ時間制御部８９５は、露光タイミング調整回路８９０からの露光タイミング調整信号を入力し、この露光タイミング調整信号に基づいて調整済み画像露光時間を与えるように構成されている。この調整済み画像露光時間において、撮像システム焦点Ｚ高さ（例えばｆＺ）は、ワークピース表面領域Ｚ高さ（例えばＳｕｒｆＺ）にほぼ一致する。調整済み画像露光時間において撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致するように、露光タイミング調整信号に基づいて画像露光時間を調整するために使用できる種々の例示的な実施について、以下で更に詳しく記載する。
【００８０】
前述したように、露光ストロボ時間制御部８９５は、様々な実施において、ストロボ照明源又は高速電子カメラシャッタを制御することによって画像露光時間を制御することができる。全画像積分期間内で時間調節したサブ露光増分を生成できる電子「シャッタストロボ」機能を有するデジタルカメラが、ますます利用されるようになっている。そのようなカメラは、いくつかの実施において、連続照明又は周囲照明を用いて上述の制御されたタイミングを与えることができる。しかしながら現時点では、照明源ストロボ動作を用いる方が実用的である。図８に示す実施において、撮像光源３３０は、画像取得中に露光ストロボ制御部８９５によって調整済み画像露光時間に動作されて撮像光８３２を出力することができる。焦点決定部８８０によって用いられるＶＦＬ投射光とは異なり、撮像光源３３０からの照明は対物レンズ３５０を通って合焦されるがＶＦＬレンズ３７０を通らないので、調整済み画像露光時間に必ずしもワークピース表面３２０’で合焦するわけではないことは認められよう。この構成はいくつかの用途には充分であるが、画像照明の焦点の程度が潜在的に未知であるため、得られる画像強度は、多種多様なワークピースサービス及び／又は用途でこの構成を一般的に用いるには充分にロバストでないか又は充分に予測可能ではない恐れがある。画像照明が調整済み画像露光時間にワークピース表面３２０’上で予測可能に合焦される構成については、図１２及び図１３を参照して以下で記載する。
【００８１】
図８にはＺ高さ較正部８７３も示されている。一度、調整済み画像露光時間に画像表面領域が取得されたら、Ｚ高さ較正部８７３に含まれるデータを用いて、その画像に関連付けられる精密なＺ高さを決定し、これを画像における表面領域のＺ高さと見なすことができる。露光ストロボ時間制御部において調整済み画像露光時間が用いられ、従ってそれに関連付けられた位相タイミングを知るか又は決定することが可能となることは認められよう。様々な実施において、Ｚ高さ較正部８７３は、各Ｚ高さを周期焦点変更の各位相（位相タイミング）に関連付けるデータを含む前述のＺ高さ較正部３７３と実質的に同様とすればよい。様々な実施において、Ｚ高さ較正部８７３における較正位相タイミングは、レンズ制御部３７１で利用可能な周期焦点変更駆動信号を参照するか、又は焦点決定部８８０で検知され信号として利用可能な周期焦点変更を参照するか、又はシステム８００において周期焦点変更の位相を表す安定した他の任意の信号を参照することができる。
【００８２】
様々な実施において、システム信号及び制御バス３９５に接続されているものとして図８に示す様々な要素は、既知の方法に従ってバス３９５上で本明細書に概説する信号を交換し得ること、及び／又は既知の方法に従って専用の相互接続（図示せず）上で本明細書に概説する信号を交換し得ることは認められよう。更に、図８を参照して記載する様々な要素は、既知の方法に従って及び／又は本明細書の前述の記載に基づく類推により、図２に示すシステム１００の種々の適切な部分で実施してもよいことは認められよう。
【００８３】
図９Ａ及び図９Ｂは、図８のＶＦＬレンズシステムの光学検出器８８５の様々な実施において使用可能な、第１及び第２の例示的な「方向性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）」タイプの光学検出器８８５’及び８８５’’をそれぞれ示す。
【００８４】
図９Ａは、既知のタイプの波面曲率検出器を備えた光学検出器８８５’を示す。一般に波面センサという言葉は、本明細書で用いる場合、入力光ビームの波面に沿った対応する領域で少なくとも１つのローカル光線角度をサンプリングして、このサンプリングしたローカル光線角度に応じた少なくとも１つの対応する検出信号を与えるものとして記述できる。一般に、入力光ビームの波面に沿って分離した２つの対応する領域で少なくとも２つのローカル光線角度をサンプリングして、これらのサンプリングしたローカル光線角度に応じた少なくとも２つの検出信号を与えることが望ましい。少なくとも２つの検出信号を含む関係は、入力焦点検出光ビームの波面曲率の程度に対応する。（波面曲率に対して）波面傾斜の効果は、少なくとも２つの検出器信号の各々に存在する共通モードエラーとして検出され除去され得る。
【００８５】
図示する光学検出器８８５’はシャックハルトマンセンサとして特徴付けることができ、レンズＬ１及びＬ２を含み、信号及び制御ライン（複数のライン）９６５を有する光検出器９６２を含む。一実施形態において、レンズＬ１及びＬ２はマイクロレンズとすればよい。レンズＬ１及びＬ２はそれぞれ、入力光（例えば図８を参照して上述した反射ＶＦＬ投射光）を合焦させる。
【００８６】
図９Ａに示す「合焦させた」例では、入力光８４５（例えば反射ＶＦＬ投射光８４５）は、波面ＷＦによって概略的に表される波面を有する。波面ＷＦについて、レンズＬ１及びＬ２は、それぞれ検出スポットＤＳ１及びＤＳ２として現れる画像を光検出器９６２上に生成する。一実施形態において、光検出器９６２は１対のラテラル効果フォトダイオード（ｌａｔｅｒａｌ  ｅｆｆｅｃｔ  ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）（各検出スポットに１つずつ）を含み得る。別の実施形態では、光検出器９６２はカメラチップ等の光検出器アレイを含み得る。いずれの場合であっても、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２は、光検出器９６２の表面に沿って基準位置ＲＰからそれぞれ距離ＳＮ１及びＳＮ２だけ離れている。距離ＳＮ１とＳＮ２との差は距離ＦＤＳとして示され、これは焦点逸脱信号ＦＤＳを表すと見なすことができる。距離ＳＮ１及びＳＮ２を測定する基準位置ＲＰは任意に選択すればよい。光検出器９６２がアレイ検出器である場合、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２の各々はいくつかの画素を含むことがあり、この場合、サブ画素位置補間を与え得る重心計算を実行して各検出スポットの位置を決定することができる。
【００８７】
当技術分野では既知のように、「平坦な」波面ＷＦは「焦点の合った（ｉｎ  ｆｏｃｕｓ）」入力光に対応し、この場合、反射ＶＦＬ投射光の焦点高さｆＺがワークピース表面３２０’のＺ高さＳｕｒｆＺ（図８を参照のこと）に一致することを意味する。すなわち、システムがワークピース表面上に適正に合焦される（すなわち、反射ＶＦＬ投射光焦点高さがワークピース表面高さに合致する）場合、波面ＷＦは平坦であり、検出スポットＤＳ１及びＤＳ２は、対応する個々のレンズの光軸に位置合わせした名目上の「ｎｕｌｌ」位置に現れ、焦点逸脱信号ＦＤＳは名目値又は「ｎｕｌｌ」値を有する。
【００８８】
一般に、反射ＶＦＬ投射光焦点高さがワークピース表面３２０’のＺ高さから逸脱している場合、波面ＷＦは平坦でない。図９Ａに示す「焦点の合っていない（ｏｕｔ  ｏｆ  ｆｏｃｕｓ）」例では、入力光８４５は、湾曲した波面ＷＦ’によって概略的に表される波面を有する。波面ＷＦ’について、レンズＬ１及びＬ２は、それぞれ検出スポットＤＳ１’及びＤＳ２’として現れる画像を光検出器９６２上に生成する。当技術分野では既知のように、湾曲した波面ＷＦ’は「焦点の合っていない」入力光に対応し、この場合、反射ＶＦＬ投射光の焦点高さｆＺがワークピース表面のＺ高さＳｕｒｆＺ（図８を参照のこと）に一致しないことを意味する。この結果、図示する波面曲率の極性では（反射ＶＦＬ投射光の焦点高さが図８のワークピース表面３２０’よりも上であることに相当する）、検出スポットＤＳ１’及びＤＳ２’は、ｎｕｌｌ位置ＤＳ１及びＤＳ２よりも離れた位置に現れ、焦点逸脱信号ＦＤＳ’は、その名目値又は「ｎｕｌｌ」値よりも大きい。これとは逆に、逆の極性の曲率を有する波面（ＷＦ’’）では（反射ＶＦＬ投射光の焦点高さが図８のワークピース表面３２０’よりも下であることに相当する）、検出スポット（ＤＳ１’’及びＤＳ２’’）は、ｎｕｌｌ位置ＤＳ１及びＤＳ２よりも近付いた位置に現れ、焦点逸脱信号（ＦＤＳ’’）は、その名目値又は「ｎｕｌｌ」値よりも小さい。光学検出器８８５’は、ワークピース表面３２０’に対する焦点はずれ（ｄｅｆｏｃｕｓ）の方向が焦点逸脱信号の極性から決定できるので、「方向性」タイプの光学検出器である。
【００８９】
図９Ｂは、レンズ９１０、ビームスプリッタ９１２、第１のピンホール開口９２０Ａ及び検出器９２５Ａ、第２のピンホール開口９２０Ｂ及び検出器９２５Ｂを含み得る方向性タイプのセンサである既知のタイプの軸方向焦点位置センサを備えた光学検出器８８５’’を示す。動作において、レンズ９１０は、入力光８４５（例えば反射ＶＦＬ投射光８４５）を入力し、これを合焦光ビーム９１５としてビームスプリッタ９１２の方へ伝送する。ビームスプリッタ９１２は、このビームを第１及び第２の測定ビーム９１５Ａ及び９１５Ｂに分割する。図９Ｂに示すように、第１の開口９２０Ａは、レンズ９１０までの光路長がレンズ９１０の名目上の焦点距離よりもわずかに短い位置に配置され、第２の開口９２０Ｂは、それよりもわずかに長い光路長を有するように配置され得る。このため、図９Ｂに示すように、第２の測定ビーム９１５Ｂがほぼ第２の開口９２０Ｂで合焦する場合、第２の光検出器９２５Ｂは第２の測定ビーム９１５Ｂ内の全エネルギを受け、最大値を有する第２の検出器信号を信号ライン９２６Ｂに出力する。同時に、第１の測定ビーム９１５Ａの焦点は、第１の開口９２０Ａまでの光路長を越えた所にある。従って、第１の開口９２０Ａは第１の測定ビーム９１５Ａの一部を遮り、第１の光検出器９２５Ａは、信号ライン９２６Ｂ上の第２の検出器信号よりも小さい値を有する第１の検出器信号を信号ライン９２６Ａ上に出力する。一般に、これら２つの検出器信号間の差は入力光８４５の軸方向の焦点位置に応じて変動し、この軸方向の焦点位置は、その波面曲率に関連するその光線の名目上の収束又は発散に依存する。従って光学検出器８８５’’は、光学検出器８８５’と同様に、反射ＶＦＬ投射光８４５がワークピース３２０’に合焦される場合これに応答する。光学検出器８８５’’は「方向性」タイプの光検出器と考えられる。その理由は、ワークピース３２０’に対する焦点はずれの方向が、その２つの検出器信号間の差として決定される焦点逸脱信号の極性に基づいて、又は、その２つの検出器信号の比として決定される焦点逸脱信号が１より大きいか又は１未満であるか等に基づいて決定できるからである。
【００９０】
別の解釈によれば、第１及び第２のピンホール開口９２０Ａ及び９２０Ｂを、わずかに異なる焦点Ｚ高さに関連付けられた共焦点開口と見なすことができる。上述したような「方向性タイプ」の焦点逸脱信号を与えるのは、それらの検出信号の組み合わせである。もしも光学検出器が１つのみ共焦点開口を含むならば、ワークピース３２０’におけるＶＦＬ投射光８４３の焦点はずれの程度に関連した可変信号が得られることは認められよう。そのような光学検出器は、得られる信号が焦点はずれの程度を示すが、その方向は示さないという点で、「大きさ（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）」タイプの光学検出器として特徴付けることができる。しかしながら、いくつかの実施では、焦点はずれの大きさだけでなく方向も決定するため、大きさタイプの光学検出器からの連続信号値を、システム８００に含まれる他のタイミング情報に関連付けて（例えば、レンズ制御部３７１の駆動信号発生部３７２において既知である位相タイミングに関連付けて）処理することも可能である。
【００９１】
図１０は、第１及び第２の焦点逸脱信号ＦＤＳ及びＦＤＳ’を示す図１０００である。図１０に示すように、焦点逸脱信号は、ＶＦＬ投射光の焦点Ｚ高さとワークピース表面３２０’のＺ高さとの差に対してグラフ化されている。この差がゼロである位置は「ＦＤ＝０」と表されている。この位置では、第１及び第２の焦点逸脱信号ＦＤＳ及びＦＤＳ’はｎｕｌｌ又は基準値を有すると示されている。この値は、様々な実施において、ＶＦＬ投射光の焦点Ｚ高さがワークピース表面３２０’のＺ高さに合致する時はいつも得られる安定した較正済み又は既知の値である。一例において、焦点逸脱信号ＦＤＳは、前述のように、図９Ａ又は図９Ｂに示すもののうち１つのような方向性タイプの光学検出器を含む方向性タイプの焦点決定部によって与えられると考えることができる。いくつかの実施では、図９Ａ又は図９Ｂを参照して記載した未処理のセンサ信号を信号処理することにより、ワークピース表面３２０’の反射特性とは無関係に、ラインＦＤＳが示す焦点逸脱応答曲線を比較的安定させることができる。他の実施では、信号処理は、焦点逸脱信号ＦＤＳの「スケーリング」又は利得がワークピース表面３２０’の反射率に応じて変動するようにしてもよい。例えば、ラインＦＤＳ’が示す焦点逸脱応答曲線を、比較的低い反射率を有するワークピース表面３２０’に関連付けることができる。しかしながらいずれの場合でも、焦点逸脱信号ＦＤＳ及びＦＤＳ’は双方とも、ＶＦＬ投射光の焦点Ｚ高さとワークピース表面領域のＺ高さとの差に応じた光学検出器信号に基づく。ＶＦＬ投射光の焦点Ｚ高さは撮像システム焦点Ｚ高さを示し、従って、双方の焦点逸脱信号は、撮像システム焦点Ｚ高さとワークピース表面領域のＺ高さとの差を示す。
【００９２】
図１１Ａから図１１Ｃは、焦点逸脱信号に基づいて、撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時に関連した露光タイミング調整信号を決定する様々な態様を説明するための、相互に関連付けられたタイミング図を示す。図１１Ｂ及び図１１Ｃに示す焦点逸脱信号は、予想される焦点逸脱信号挙動の概略的又は定性的な表現である。これらの信号のいくつかの部分のスケーリングは、説明の目的のために他の部分に対して誇張している場合がある。
【００９３】
図１１Ａは、図８を参照して前述したような、周期的に変更されるＶＦＬレンズ３７０の動作に対応する、焦点Ｚ高さの周期変更中の焦点Ｚ高さ１１１０とワークピース表面Ｚ高さＳｕｒｆＺとの関係を示すタイミング図１１００Ａを示す。レンズ制御部３７１によって駆動されるＶＦＬレンズ３７０の変更周期に相当する焦点変更周期Ｐｆｍが示されている。図１１Ａに示す例では、焦点Ｚ高さは焦点変更Ｐｆｍ内で２度、すなわち時点ｔ１及びｔ３において、ワークピース表面Ｚ高さＳｕｒｆＺと一致する。このパターンは、周期焦点変更の各サイクルで、例えば時点ｔ１’及びｔ３’において繰り返される。時点ｔ２において、焦点Ｚ高さは第１の「極性」で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと最大の差となり、時点ｔ４において、焦点Ｚ高さは逆の極性で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと最大の差となる。
【００９４】
図１１Ｂは、図１１Ａに示す条件に対応した代表的な焦点逸脱信号ＦＤＳを例示するタイミング図１１００Ｂを示す。焦点逸脱信号ＦＤＳは、図８に示す焦点決定部８８０を参照して前述したように動作する、「大きさ」タイプの焦点決定部（例えば図９Ｂに関連した考察の際に前述したような、単一の共焦点光学検出器を含む焦点決定部）から得られる。１つの実施において、図示する連続焦点逸脱信号ＦＤＳは、少なくとも焦点決定時間期間中に、ＶＦＬ投射光源８４０からの連続照明と連携して動作する低レイテンシ光学検出器８８５によって与えられる。これについては以下で更に詳しく記載する。図１１Ｂに示す例では、焦点Ｚ高さが時点ｔ１及びｔ３（図１１Ａを参照のこと）で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと一致する時、焦点逸脱信号ＦＤＳ最大値又はピーク値を有する。このパターンは、周期焦点変更の各サイクルで、例えば時点ｔ１’及びｔ３’において繰り返される。時点ｔ２において、焦点Ｚ高さは第１の「極性」で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと最大の差となり、時点ｔ４において、焦点Ｚ高さは逆の極性で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと最大の差となり（図１１Ａを参照のこと）、この結果、時点ｔ２及びｔ４において焦点逸脱信号ＦＤＳの各谷又は「負のピーク」の最小値が示される。
【００９５】
図８を参照して前述したように、図１１Ｂに示す焦点逸脱信号ＦＤＳは、焦点決定部８８０から露光タイミング調整回路８９０に出力することができる。露光タイミング調整回路８９０は、焦点逸脱信号ＦＤＳを入力し、この焦点逸脱信号ＦＤＳに基づいて、撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時に関連した露光タイミング調整信号を決定する。１つの実施において、露光タイミング調整回路８９０は、時点ｔ１もしくはｔ３又はそれら双方で焦点逸脱信号ＦＤＳのピークを検出することによってパルス又はトリガ信号を出力又は開始するように構成された低レイテンシピーク検出回路を備え得る。この例では、そのようなパルス又はトリガ信号を露光タイミング調整信号と見なすことができる。既知の原理に従って、様々なタイプの適切な低レイテンシピーク検出器回路を構成できる。例えば、いくつかの実施は、市販のピーク検出ＩＣの使用を含み得る。このピーク検出ＩＣは、製造業者から入手可能な使用説明書に従って構成して、ピーク検出に応答した前述のようなトリガ信号の出力、及び／又は所定の時間期間後もしくは入力信号の変化後のリセットのような種々の機能を提供することができる。
【００９６】
図８を参照して前述したように、露光ストロボ時間制御部８９５は、露光タイミング調整回路８９０からの露光タイミング調整信号を入力し、この露光タイミング調整信号に基づいて調整済み画像露光時間を与えるように構成されている。この調整済み画像露光時間において、撮像システムの焦点Ｚ高さはワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する。上記の記載と一致する種々の例示的な実施において、露光ストロボ時間制御部８９５は、上述の露光タイミング調整信号又はトリガ信号のタイミングによってトリガされるように、短時間ストロボ要素を使用可能にするか又は活性化して、トリガ信号に応じた特定の位相タイミングで短時間の画像露光を効果的に制御することができる。画像のピンぼけなしに露光を増大させるため、複数の焦点変更期間にまたがるカメラ画像積分期間を含む画像取得時間期間中、露光ストロボ時間制御部８９５は、各焦点変更期間中に上述のような短時間の画像露光を繰り返して、全体的な画像露光を所望のレベルで得るように構成することができる。１つのそのような実施において、露光ストロボ時間制御部８９５は、上述の露光時間調整信号によって繰り返しトリガされるように構成され得る。別のそのような実施では、露光ストロボ時間制御部８９５は、周期焦点変更と同期をとった（例えば、レンズ制御部３７１の駆動信号発生部３７２において既知である周期駆動信号に関連付けた）タイミングクロックを含み得る。そのような場合、露光ストロボ時間制御部８９５は、上述した露光時間調整信号「トリガ信号」の位相タイミング（例えばｔ１もしくはｔ３又はこれら双方の位相タイミング）を記録し、そのタイミングクロック及び記録した位相タイミングに基づいて、全画像取得時間期間を通して各焦点変更期間中に同じ位相タイミング（複数の位相タイミング）で短時間の画像露光を繰り返すように構成することができる。
【００９７】
前述のように、いくつかの実施形態では、露光ストロボ時間制御部８９５によって制御されるストロボ要素は高速電子カメラシャッタであり得る。他の実施形態では、露光ストロボ時間制御部８９５によって制御されるストロボ要素は、ストロボ撮像光源（例えば図８に示す撮像光源３３０）であり得る。制御可能光源ドライバ（電源）を、露光ストロボ時間制御部８９５又は光源に含ませてもよく、更に、露光時間調整信号「トリガ信号」によって制御するか又はこの信号に基づくようにしてもよい。
【００９８】
図１１Ｃは、図１１Ａに示す条件に対応した代表的な焦点逸脱信号ＦＤＳを例示するタイミング図１１００Ｃを示す。焦点逸脱信号ＦＤＳは、「方向性」タイプの焦点決定部（例えば図９Ａ及び図９Ｂに示した光学検出器８８５’又は８８５’’の１つを含む焦点検出部であり、図１０を参照して記載した焦点逸脱応答曲線を与えるように動作する）から得られる。１つの実施において、図１１Ｃに示す連続焦点逸脱信号ＦＤＳは、少なくとも焦点決定時間期間中に、ＶＦＬ投射光源８４０からの連続照明又は変動位相タイミングストロボ照明と連携して動作する低レイテンシ光学検出器８８５（例えば低レイテンシ光検出器を用いた光学検出器８８５’’）によって与えられる。図１１Ｃに示す例では、焦点Ｚ高さが時点ｔ１及びｔ３（図１１Ａを参照のこと）で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと一致する時、焦点逸脱信号ＦＤＳはｎｕｌｌレベル出力値を有する（図１０を参照して前述したように）。このパターンは、周期焦点変更の各サイクルで、例えば時点ｔ１’及びｔ３’において繰り返される。時点ｔ２において、焦点Ｚ高さは第１の「極性」で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと最大の差となり、時点ｔ４において、焦点Ｚ高さは逆の極性で表面Ｚ高さｓｕｒｆＺと最大の差となり（図１１Ａを参照のこと）、この結果、時点ｔ２及びｔ４において焦点逸脱信号ＦＤＳの正及び負の各信号ピークが示される。
【００９９】
図８を参照して前述したように、図１１Ｃに示す焦点逸脱信号ＦＤＳは、焦点決定部８８０から露光タイミング調整回路８９０に出力することができる。露光タイミング調整回路８９０は、焦点逸脱信号ＦＤＳを入力し、この焦点逸脱信号ＦＤＳに基づいて、撮像システム焦点Ｚ高さがワークピース表面領域Ｚ高さにほぼ一致する時に関連した露光タイミング調整信号を決定する。１つの実施において、露光タイミング調整回路８９０は、「ｎｕｌｌ」信号レベルを基準レベルとして用い、焦点逸脱信号ＦＤＳがこの基準レベルに合致する時に（例えば時点ｔ１もしくはｔ３又はそれら双方）パルス又はトリガ信号を出力又は開始するように構成された低レイテンシピーク比較器回路を備え得る。この例では、そのようなパルス又はトリガ信号を露光タイミング調整信号と見なすことができる。
【０１００】
そのようなパルス又はトリガ信号を露光ストロボ時間制御部（例えば露光ストロボ時間制御部８９５）で使用することについては、図１１Ｂを参照してすでに説明しており、この実施では同様の原理に従うことができる。
【０１０１】
図１２及び図１３は、高速で周期的に変更されるＶＦＬレンズを含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するように動作可能であるシステムの第２及び第３の実施の概略図である。図１２及び図１３のシステムは図８に示すシステム８００といくつかの特徴を共有し、大部分は前述の記載に基づく類推により理解され得ることは認められよう。以下で別段の記載がない限り、図１２及び図１３のいくつかの付番された構成要素は、図８の同様に付番された構成要素に対応し得る及び／又は同様の動作を有し得る。従って、そのような同様の構成要素及び共有される特徴については詳しく説明しない。以下の記載では、図８を参照して前述したシステム実施（複数のシステム実施）と比べて新規であるか又は追加的である動作のいくつかの要素及び態様を強調している。特に、焦点決定に用いられるＶＦＬ投射光８４３の提供及び制御に関連した、画像取得に用いられる光を提供及び制御するための様々な実施に関連した要素及び動作を強調している。
【０１０２】
図１２は、高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ３７０を含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するように動作可能であるシステム８００’の第２の実施の概略図である。システム８００’は、撮像システム８１０、ＶＦＬレンズ制御部３７１、光源８４０’、焦点決定部８８０、露光タイミング調整回路８９０、及び露光ストロボ時間制御部８９５を備えている。これらは、以下で別段の記載がない限り、前述の原理に従って構成及び動作させることができる。
【０１０３】
図８を参照して記載した、単独でＶＦＬ投射光８４３を与えるＶＦＬ投射光源である光源８４０とは異なり、図１２には組み合わせ光源８４０’が示されている。組み合わせ光源８４０’は、それぞれ光発生器８４１及び８３０から発するＶＦＬ投射光８４３及び撮像光８３２’の双方を提供するように構成されている。様々な実施において、ＶＦＬ投射光８４３の波長（複数の波長）が光学検出器８８５による検知範囲内であり、かつ、撮像光８３２’の波長（複数の波長）がカメラ３６０の検知範囲内であるならば、光発生器８４１及び８３０は、異なる可視波長又は非可視波長を出力することができる。
【０１０４】
図８に示す構成とは異なり、ここに記載する実施では、画像取得に用いられる撮像光８３２’は、常に調整済み画像露光時間においてワークピース表面３２０’で合焦されるＶＦＬ投射光である。これは多くの用途において望ましい。
【０１０５】
組み合わせ光源８４０’の光発生器８３０は、前述の原理に従って画像取得時間期間中の調整済み画像露光時間に画像を露光するように、露光時間制御部８９５によって制御することができる。様々な実施形態において、組み合わせ光源８４０’の光発生器８４１は、焦点決定時間期間中にＶＦＬ投射光８４３のタイミングを制御するように構成された焦点決定光制御回路（例えば露光タイミング調整回路８９０に含まれる）によって別個に制御することができる（例えば制御ライン８９７を用いて）。いくつかの実施において、焦点決定時間期間中、ＶＦＬ投射光８４３は連続的に与えられ、他の実施ではストロボ発光させることができる。いくつかの実施において、ＶＦＬ投射光８４３は、焦点逸脱信号及び／又は露光タイミング調整信号に基づいて調整された時にストロボ発光させることができる（例えば図１４を参照して以下で詳述するように）。いくつかの実施において、画像取得時間期間は焦点決定時間期間と重複し得る。そのような実施では、撮像光路に沿ってビームスプリッタ８８９とカメラ３６０との間に適切な狭帯域波長フィルタ８８９’を含めて、反射ＶＦＬ投射光８４５の波長が取得画像に影響を及ぼすことを防止すればよい。むろん、画像取得時間期間が焦点決定時間期間と重複しない場合には波長フィルタ８８９’は必要ない。
【０１０６】
図１３は、高速で周期的に変更される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ３７０を含む撮像システムを用いて自動合焦された画像を提供するように動作可能であるシステム８００’’の第３の実施の概略図である。システム８００’’は、撮像システム８１０、ＶＦＬレンズ制御部３７１、光源８４０’’、焦点決定部８８０、露光タイミング調整回路８９０、及び露光ストロボ時間制御部８９５を備えている。これらは、以下で別段の記載がない限り、前述の原理に従って構成及び動作させることができる。
【０１０７】
図１２を参照して記載した光源８４０’とは異なり、図１３には単一発生器の光源８４０’’が示されている。システム８００は、単一発生器の光源８４０’’を用いて、同一の発生器８３０’’から発するＶＦＬ投射光８４３及び撮像光８３２の双方を提供するように構成されている。様々な実施において、単一発生器の光源８４０’’の光発生器８３０’’は、光学検出器８８５及びカメラ３６０による検知範囲内である可視波長又は非可視波長（複数の波長）を出力することができる。図１２に示す構成と同様、ここに記載する実施では、画像取得に用いられる撮像光８３２は、常に調整済み画像露光時間においてワークピース表面３２０’で合焦されるＶＦＬ投射光であることは理解されよう。
【０１０８】
この実施において、露光タイミング調整回路８９０及び露光時間制御部８９５はマージされる場合があり、及び／又は単一の発生器８３０’’の共有制御と区別できない場合がある（例えば信号ライン８９７を用いる）。光発生器８３０’’は、画像取得時間期間中の調整済み画像露光時間に画像を露光するように制御され、焦点決定時間期間中に露光タイミング調整回路８９０の焦点決定光制御回路によって制御され得る。
【０１０９】
いくつかの実施において、これらの動作は、前述の原理に従って別々の焦点決定時間期間及び画像取得時間期間中に実行できる。しかしながら他の実施では、撮像光８３２、ＶＦＬ投射光８４３、及び反射ＶＦＬ投射光８４５が全て同一の光源８４０’’により与えられる「同一の光」であるので、焦点決定時間期間及び画像取得時間期間は少なくともいくつかの動作期間で重複し得る。例えば、前述の原理に従った「焦点の合った」画像取得中に、焦点決定部８８０及び露光タイミング調整回路８９０は、撮像に用いられるストロボ発光ＶＦＬ投射光の一部（すなわち、ビームスプリッタ８８９に戻され、焦点監視光路８４４に沿って反射された「分割」部分）を入力することで上述のような動作を継続できることは認められよう。前述の合焦原理は、焦点決定部８８０における連続光又はストロボ光のいずれかの使用と両立でき、及び／又は関連する回路及び／又はルーチンは、本明細書に開示する原理に基づいて当業者により容易にストロボ光の使用に適合させることができる。このため、一度前述の原理に従って撮像システム焦点位置がワークピース表面３２０’と一致するように配置されたら、システム８００’’は、撮像システム８１０の視野全体で可変高さワークピース表面３２０’を走査しながらこれを連続的に合焦して撮像することができる「追跡自動合焦（ｔｒａｃｋｉｎｇ  ａｕｔｏｆｏｃｕｓ）」システムとして動作可能となることは認められよう。更に、焦点決定部８８０が与える焦点逸脱脱信号によってワークピース表面３２０’に焦点が合っていないことが示される場合、画像取得動作を中断してもよいことは認められよう。撮像システム８１０が再びワークピース表面３２０’で合焦するまで、本明細書に前述した原理に従った自動合焦動作をサポートするように光源８４０’’を連続モード又はストロボモードで動作させることができる。
【０１１０】
図１４は、比較的低速の光学検出器と組み合わせて、「大きさ」タイプの焦点決定部の１つの実施を用いて露光タイミング調整信号を決定するいくつかの態様を例示するタイミング図１４００を示す。いくつかの実施では、本明細書に前述したような低レイテンシ光学検出器及び／又は低レイテンシ回路（例えばマイクロ秒のオーダー、又は１マイクロ秒、又はそれ以下のレイテンシ）の使用は、実用的でない場合がある。しかしながら、焦点決定部８８０にストロボ照明が入力されるならば、焦点決定中は低速の検出器及び回路が許容され得る。例えばタイミング図１４００は、積分焦点逸脱信号１４０１を露光タイミング調整信号として使用及び／又は決定できることを示す。
【０１１１】
図１４に示す例では、「開始」時間期間中に、反射ＶＦＬ投射光（例えば前述の光８４５）を、複数の周期焦点変更期間全体にわたって一致した位相タイミングでストロボ発光させ、焦点決定部８８０の信号積分器が積分焦点逸脱信号を蓄積する。
【０１１２】
いくつかの実施において、信号積分器は単に、様々なストロボパルスの光子を蓄積する光学検出器８８５内の「低速」光検出器を備え得る。例えばＶＦＬレンズ３７０が７０ｋＨｚの周波数で周期的に変更される場合、変更周期は約１４μｓである。低速光検出器は１５０μｓ（又はそれ以上）のオーダーの応答時間を有し得る。この間に、特定の位相タイミングで少なくとも１０のストロボパルスを、そのような光検出器によって蓄積し「積分」することができる。いずれの場合も、図１４に示す「調整サイクル」時間期間の長さは、所望の動作特性を与えるように、信号積分器の応答時間に基づいて当業者によって選択すればよい。
【０１１３】
図１１Ｃに示す例示的な焦点逸脱信号を参照すると、「開始」時間期間の終了時の積分焦点逸脱信号の正の終了値ＥＶ０に基づいて、「開始」時間期間全体を通してストロボパルスの特定の位相タイミングがｔ１とｔ３との間の範囲内のどこかにあると言うことができる。様々な実施において露光タイミング調整回路８９０は、「位相タイミング検索」を実行して、積分焦点逸脱信号のｎｕｌｌ出力を生成する位相タイミングを識別するように構成できる。ｎｕｌｌ出力は、前述の原理に従ったワークピース表面３２０’上での合焦に相当する。
【０１１４】
例えば１つの実施において、露光タイミング調整回路８９０は、第１の調整サイクル時間期間ＡｄｊＣ１中に、予め設定された量である６０度だけ位相タイミングを進ませることで簡単に位相タイミングを調整し、次の調整量を決定するため、終了値ＥＶ１とｎｕｌｌ出力レベル及び／又は以前の終了値ＥＶ０との差を評価することができる。図１４に示す例では、終了値ＥＶ１は（ＥＶ０とは異なり）ｎｕｌｌ出力レベルより小さく、ＥＶ０よりもｎｕｌｌ出力レベルに近いので、露光タイミング調整回路８９０は、６０度よりも小さい量、例えば３０度だけ位相タイミングを遅らせることで位相タイミングを調整すればよい。動作は同様に継続して、更に調整を行った後、終了値ＥＶ２及びＥＶ３を決定できる。終了値がｎｕｌｌ出力レベルに充分に近い場合（例えばＥＶ４）、最後の調整サイクル時間期間中（例えばＡｄｊＣ３中）に用いた対応する特定の位相タイミングを、合焦条件に対応する位相タイミングとして使用することができる。この位相タイミング値を、焦点逸脱信号から得られた露光タイミング調整信号と見なし、露光ストロボ時間制御部８９５に出力すればよい。露光ストロボ時間制御部８９５は、前述の原理に従って、この位相タイミングを調整済み画像露光時間として直接用いることができる。
【０１１５】
一度、前述の原理に従って画像システム焦点位置がワークピース表面３２０’と一致するように配置されたら、図１４を参照して上述した原理を用いて「追跡自動合焦」システムを提供できることは認められよう。例えばいくつかの実施において、画像取得は周期的に（例えば１４ミリ秒ごとに、又は周期変更の１０００期間ごとに、又はそれ以下で）一時停止され得る。走査される表面上で連続的に合焦するために最小限の焦点調整しか必要としないので、様々な実施形態において比較的低速の光検出器及び／又は回路を用いるにもかかわらず、図１４に概説したプロセスが要する時間は１０ミリ秒以下のオーダーであり得る。
【０１１６】
本開示の好適な実施について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した特徴の構成及び動作のシーケンスにおける多数の変形が当業者には明らかであろう。開示した要素及び／又は動作の種々の代替的な形態及び組み合わせを用いて本明細書に開示した原理を実施してもよい。更に、上述の様々な実施を組み合わせて別の実施を提供することも可能である。本明細書において言及した米国特許及び米国特許出願は全て援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。これらの様々な特許及び出願の概念を用いて更に別の実施を提供するために必要な場合は、上述の実施の態様は変更可能である。
【０１１７】
前述の記載に照らして、実施に対してこれら及び他の変更を行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、用いる用語は本明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されず、そのような特許請求の範囲の権利が与えられる均等物の全範囲に加えて全ての可能な実施を包含するものとして解釈される。
【符号の説明】
【０１１８】
１０，１００  マシンビジョン検査システム
１２  画像測定機
１４  制御コンピュータシステム
１６  ディスプレイ
１８  プリンタ
２０，３２０  ワークピース
２２  ジョイスティック
２４  キーボード
２６  マウス
３２  可動ワークピースステージ
３４  光学撮像システム
１２０  制御システム部
２００  ビジョンシステム構成要素部
２０５  光学アセンブリ部
２１０  ワークピースステージ
２１２  透明部
２２０  光源（透過照明光源）
２２１，２８１  バス
２２２，２３２，３３２  光源光
２３０，３３０  光源（落射照明光源）
２４０  光源（斜め照明光源）
２５０，３５０  対物レンズ（交換可能対物レンズ）
２５５，３５５  ワークピース光
２６０,３６０，８８５  光学検出器（カメラ）
２６２，２７１’，２９６，８８７，９２６Ａ，９２６Ｂ  信号ライン
２７０，２８６，３７０，９１０  レンズ
２７１  インタフェース
２８０  ターレットレンズアセンブリ
２８４  軸
２９０，３９０  ミラー（部分ミラー）
２９４  制御可能モータ
３００  レンズシステム
３３９，３６１，８８８，８８９，９１２  ビームスプリッタ
３５１，３８６’  チューブレンズ
３５２，３８６  リレーレンズ
３７１  レンズ制御部
３７２  駆動信号発生部
３７２’  タイミングクロック
３７３，８７３  Ｚ高さ対位相較正部
３７５，８８０  焦点決定部
３７７  焦点信号処理部
３７８  位相オフセット補償部
３７９  位相オフセット推定部
３９５  制御バス
８００  システム
８１０  撮像システム
８３０，８４１  光発生器
８３２  撮像光
８４０  ＶＦＬ投射光源
８４０’  組み合わせ光源
８４２  コリメートレンズ
８４３  ＶＦＬ投射光
８４４  焦点監視光路
８４５  反射ＶＦＬ投射光
８８９’  狭帯域波長フィルタ
８９０  露光タイミング調整回路
８９５  露光ストロボ時間制御部
８９７  制御ライン
９１５  合焦光ビーム
９１５Ａ，９１５Ｂ  測定ビーム
９２０Ａ，９２０Ｂ  ピンホール開口
９２５Ａ，９２５Ｂ，９６２  光検出器
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
2017223651000001.pdf