特許 6850648 可変焦点距離撮像システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6850648

(24)【登録日】2021年3月10日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】可変焦点距離撮像システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 21/00 20060101AFI20210322BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20210322BHJP

   G02B 7/28 20210101ALI20210322BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20210322BHJP

   G03B 11/00 20210101ALI20210322BHJP

【ＦＩ】

   G02B21/00

   G02B21/36

   G02B7/28 J

   G03B15/00 T

   G03B11/00

【請求項の数】16

【外国語出願】

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-58330(P2017-58330)

(22)【出願日】2017年3月24日

(65)【公開番号】特開2018-22127(P2018-22127A)

(43)【公開日】2018年2月8日

【審査請求日】2020年2月13日

(31)【優先権主張番号】15/144,291

(32)【優先日】2016年5月2日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】000137694

【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100109346

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 敏史

(74)【代理人】

【識別番号】100117189

【弁理士】

【氏名又は名称】江口 昭彦

(74)【代理人】

【識別番号】100134120

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 和彦

(72)【発明者】

【氏名】ポール ジェラード グラドニック

(72)【発明者】

【氏名】ロバート カーミル ブリル

【審査官】 堀井 康司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１０４１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３７２６６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１０８８９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１２４９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３１８５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−００８２４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８０４１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ １９／００−２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６−２１／３６

Ｇ０２Ｂ ７／２８

Ｇ０３Ｂ １１／００

Ｇ０３Ｂ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可変焦点距離（ＶＦＬ）撮像システムであって、
カメラシステムと、
第１の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、
第２の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、
第１のリレー焦点距離を備えた第１のリレーレンズと、
第２のリレー焦点距離を備えた第２のリレーレンズと、
レンズ制御部と、を備え、
前記第１のリレーレンズ及び前記第２のリレーレンズが、前記ＶＦＬ撮像システムの光軸に沿って、前記第１のリレー焦点距離及び前記第２のリレー焦点距離の和に等しい間隔で相互に離れて設けられ、
前記第１の高速ＶＦＬレンズ及び前記第２の高速ＶＦＬレンズが、前記第１のリレーレンズから前記第１のリレー焦点距離に等しい距離に位置する中間面の両側に、前記光軸に沿って相互に離れて設けられ、
前記レンズ制御部が、前記第１の高速ＶＦＬレンズの光学パワー及び前記第２の高速ＶＦＬレンズの光学パワーを同期して周期変更させるように構成されている、
ＶＦＬ撮像システム。

【請求項2】

前記第１及び第２の高速ＶＦＬレンズがほぼ同一である、
請求項１に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項3】

前記中間面に配置されたフィルタを更に備える、
請求項１に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項4】

前記フィルタが固定パターン瞳フィルタである、
請求項３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項5】

前記フィルタがプログラマブル空間光変調器である、
請求項３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項6】

前記フィルタがデコンボリューションフィルタを備え、
前記撮像システムが拡大焦点深度画像を与えるように構成されている、
請求項３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項7】

前記フィルタが振幅変更フィルタ又は位相変更フィルタの少なくとも一方である、
請求項３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項8】

前記フィルタが偏光フィルタである、
請求項３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項9】

選択可能フィルタを与えるように構成されたフィルタホイールを更に備える、
請求項３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項10】

前記第１の高速ＶＦＬレンズ及び前記第２の高速ＶＦＬレンズが可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズである、
請求項１に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項11】

前記第１の高速ＶＦＬレンズ及び前記第２の高速ＶＦＬレンズが前記レンズ制御部からの共有信号によって駆動される、
請求項１０に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項12】

前記レンズ制御部が、前記第１及び第２の高速ＶＦＬレンズの少なくとも一方の共振周波数を調整してそれらの共振周波数をほぼ同一とするように動作可能なレンズ応答調整構成を備える、
請求項１に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項13】

前記レンズ応答調整構成が、前記第１及び第２の高速ＶＦＬレンズの少なくとも一方の前記共振周波数を変えるように構成された応答アクチュエータ機構を備え、
前記レンズ応答調整構成が、前記応答アクチュエータ機構を制御して、前記第１及び第２の高速ＶＦＬレンズの前記共振周波数がほぼ同一となるようにそれらの少なくとも一方の前記共振周波数を調整する、
請求項１２に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項14】

前記応答アクチュエータ機構が、前記第１及び第２の高速ＶＦＬレンズの少なくとも一方の共振周波数を変えるため該ＶＦＬレンズの温度を変えるように動作可能な熱源を備える、
請求項１３に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項15】

前記第１の高速ＶＦＬレンズ及び前記第２の高速ＶＦＬレンズの前記光軸に沿った間隔ＳＥＰが、少なくとも５ｍｍである、
請求項１に記載のＶＦＬ撮像システム。

【請求項16】

前記第１のリレーレンズ及び前記第２のリレーレンズの前記光軸に沿った間隔ＲＳＥＰが、少なくとも１３５ｍｍである、
請求項１に記載のＶＦＬ撮像システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、マシンビジョン検査システム及び顕微鏡に組み込むことができる撮像システムに関する。

【背景技術】

【0002】

精密マシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）等の精密非接触計測システムにおいて、倍率調整可能光学システムを利用することがある。このようなビジョンシステムは、物体の精密な寸法測定値を得ると共に他の様々な物体の特徴を検査するために使用可能であり、コンピュータと、カメラ及び光学システムと、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。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ビジョン測定機ユーザガイド、及び１９９６年９月に発表されたＱＶＰＡＫ ３Ｄ ＣＮＣビジョン測定機動作ガイドに記載されている。これらは各々、援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。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、小型又は比較的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。

【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分析「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も含まれるものとする。

【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、高速の自動合焦、拡大焦点深度動作及び／又は他の動作を実行して高速測定を容易にすることが望ましい。従来のマシンビジョン検査システムにおける自動合焦動作及び合焦を必要とする他の動作の速度は、ある範囲のＺ高さ位置にわたるカメラの移動によって制限される。ある範囲の焦点距離の画像（例えばＺ高さ位置を測定するための画像スタック）を高速で収集する代替的な方法を利用し、特に、焦点範囲、画像品質、及び／又は画像における寸法精度を損なうことなく様々な倍率レベルで動作可能である、改良された自動合焦動作及び／又は他の動作が必要とされている。光学構成要素の球面収差は、そのような動作の性能を劣化させる可能性がある。従って、撮像システムの光学構成要素の球面収差が低減された撮像システムが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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。

【0006】

可変焦点距離（ＶＦＬ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ）撮像システムが提供される。ＶＦＬ撮像システムは、カメラシステムと、第１の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、第２の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、第１のリレー焦点距離を備えた第１のリレーレンズと、第２のリレー焦点距離を備えた第２のリレーレンズと、レンズ制御部と、を備えている。第１のリレーレンズ及び第２のリレーレンズは、ＶＦＬ撮像システムの光軸に沿って、第１のリレー焦点距離及び第２のリレー焦点距離の和に等しい間隔で相互に離れて設けられている。第１の高速ＶＦＬレンズ及び第２の高速ＶＦＬレンズは、第１のリレーレンズから第１のリレー焦点距離に等しい距離に位置する中間面の両側に、光軸に沿って相互に離れて設けられている。レンズ制御部は、第１の高速ＶＦＬレンズの光学パワー及び第２の高速ＶＦＬレンズの光学パワーを同期して周期変更させるように構成されている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【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】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、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（ＶＦＬ）撮像システムの概略図である。

【図4】可変焦点距離（ＶＦＬ）撮像システムの一部の概略図である。

【図5】図３のＶＦＬ撮像システム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6】様々な動作温度における１つのタイプの可変焦点距離レンズの共振周波数を示すグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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）、第１の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ２７０Ａ、第２の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ２７０Ｂ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）。

【0013】

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、第１の高速ＶＦＬレンズ２７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ２７０Ｂ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。

【0014】

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、第１の高速ＶＦＬレンズ２７０Ａ、及び第２の高速ＶＦＬレンズ２７０Ｂを通過し、光学検出器２６０（例えばカメラ等）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。

【0015】

図２に示すように、種々の例示的な実施において制御システム部１２０は、制御部１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム発生器及び実行器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。

【0016】

本明細書に開示される原理に従って、入出力インタフェース１３０は更に、レンズ制御部／インタフェース２７１を含み得る。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’を用いて第１の高速ＶＦＬレンズ２７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ２７０Ｂを制御して各々の光学パワーを（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、所定の動作周波数で周期的に変更することができる。

【0017】

様々な実施において、撮像制御インタフェース１３１及び／又はレンズ制御部／インタフェース２７１は拡大被写界深度モードを更に含み得る。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許公報第２０１５／０１４５９８０号に更に詳しく記載されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。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。

【0018】

メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１、エッジ検出メモリ部１４０ｅｄ、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。

【0019】

本開示のコンテキストにおいて、当業者に既知であるように、「ビデオツール」という言葉は概ね、マシンビジョンユーザが、ビデオツールに含まれる動作の段階的シーケンスを生成することなく、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。

【0020】

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、第１の高速ＶＦＬレンズ２７０Ａと第２の高速ＶＦＬレンズ２７０Ｂ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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

図３は、マシンビジョン検査システム等の精密非接触計測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可変焦点距離（ＶＦＬ）撮像システム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撮像システム３００は、光源３３０、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、第１のリレーレンズ３５２、第１の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ３７０Ａ、第２の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ３７０Ｂ、第２のリレーレンズ３８６、レンズ制御部３７１、及び中間面ＩＰに配置された任意選択的なフィルタ３７６（例えば空間フィルタ）を含む。様々な実施において、レンズ制御部３７１及び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。

【0024】

第１のリレーレンズ３５２は第１のリレー焦点距離ＲＦＬ１を備え、第２のリレーレンズ３８６は第２のリレー焦点距離ＲＦＬ２を備えている。第１のリレーレンズ３５２及び第２のリレーレンズ３８６は、ＶＦＬ撮像システム３００の光軸ＯＡに沿って、第１のリレー焦点距離ＲＦＬ１及び第２のリレー焦点距離ＲＦＬ２の和に等しい間隔で相互に離れて設けられている。第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂは、第１のリレーレンズ３５２から第１のリレー焦点距離ＲＦＬ１に等しい距離に位置する中間面ＩＰの両側に、光軸に沿って相互に離れて設けられている。図３に示す実施において、ＲＦＬ１及びＲＦＬ２は双方とも焦点距離ｆに等しい。レンズ制御部３７１は、以下で更に詳しく記載するように、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａの光学パワー及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂの光学パワーを同期して周期変更させるように構成されている。

【0025】

様々な実施において、第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、３７０Ｂはほぼ同一とすることができる。

【0026】

様々な実施において、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂは、レンズ制御部３７１からの共有信号によって駆動することができる。

【0027】

様々な実施において、光源３３０は、ＶＦＬ撮像システム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、これを第１のリレーレンズ３５２に出力する。

【0029】

第１のリレーレンズ３５２はワークピース光３５５を受光し、これを第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａに出力する。第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａはワークピース光３５５を受光し、これを第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂに出力する。撮像システム３００がフィルタ３７６を備えている場合、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａから出力された光はフィルタリング（例えば空間フィルタリング）され得る。第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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、これを光学検出器（例えばカメラ）３６０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】

第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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もっと狭く長さが５０ｍｍ以上であり得る）。

【0031】

様々な実施において、マシンビジョン検査システムは、ＶＦＬ撮像システム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第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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。

【0032】

様々な実施において、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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。

【0033】

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撮像システム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）。

【0034】

第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂは、これら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、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂを制御してそれらの光学パワーを（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、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂの各々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。

【0035】

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。

【0036】

図３の例では、第１及び第２のリレーレンズ３５２及び３８６並びに第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び３７０Ｂ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Ｆ_TUBE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Ｆ_TUBEを、第１のリレーレンズ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（すなわち第１のリレーレンズ３５２の焦点と合致する）ことが望ましい場合がある。

【0037】

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Ｆ_TUBE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第１のリレーレンズ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第１のリレーレンズ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もっと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。

【0038】

様々な実施において、図示する４ｆ光学構成は、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ（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のフーリエ面の周囲に（すなわち中間面ＩＰの周囲に）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及び第１のリレーレンズ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、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａと第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂとの間の中間面ＩＰ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。あるいは、ケプラー式望遠鏡構成の代わりにガリレオ式顕微鏡を使用して、光学追跡長を短縮することも可能である。高速ＶＦＬレンズの球面収差はＶＦＬ撮像システムの性能を劣化させる恐れがある。球面収差を低減させる１つの方法は、高速ＶＦＬレンズにおいて使用する有効径を小さくすることである。例えば有効径は直径８．５ｍｍ未満まで制限され得る。しかしながら、有効径を小さくすることは、ケプラー式顕微鏡構成による縮小率増大の結果であり、ワークピース３２０における範囲Ｒも小さくする。２つの高速ＶＦＬレンズ（例えば第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ）間で光学パワーを分割すると、有効径を小さくする必要なく球面収差が低減し、これによってワークピース３２０における範囲Ｒが維持又は拡大される。いくつかの実施では、これにより、同一の光学パワー変更（例えば±０．６２５ジオプトリー）を与えながら球面収差は５分の１に低減し得る。

【0039】

いくつかの実施において、レンズ制御部３７１は、第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、３７０Ｂの少なくとも一方の共振周波数を調整してそれらの共振周波数をほぼ同一とするように動作可能なレンズ応答調整構成３７３（点線で任意選択的に示す）を備えることができる。高速ＶＦＬレンズは通常、空洞寸法や圧電シリンダＱ値等の構成要素のばらつきのため、同一の共振周波数を持たない。レンズ応答調整構成３７３は、第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、３７０Ｂの光学パワー変更を同期させるため、それらの共振周波数を一致させるための手段を提供する。いくつかの実施において、レンズ応答調整構成３７３は、第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、３７０Ｂの少なくとも一方の共振周波数を変えるように構成された応答アクチュエータ機構３７４を備えることができ、レンズ応答調整構成３７３は、応答アクチュエータ機構３７４を制御して、第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、３７０Ｂの共振周波数がほぼ同一となるようにそれらの少なくとも一方の共振周波数を調整し得る。いくつかの構成において、応答アクチュエータ機構３７４は、第１及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、３７０Ｂの少なくとも一方の共振周波数を変えるため、そのＶＦＬレンズの温度を変えるように動作可能な熱源３７５を備えることができる。熱源を備えた応答アクチュエータ機構の動作については、図６を参照して詳述する。

【0040】

ＶＦＬ撮像システム３００がマシンビジョン検査システムの構成要素であり得ることは認められよう。しかしながらこれは単なる例示であり、限定ではない。様々な実施において、ＶＦＬ撮像システム３００は顕微鏡又は他の撮像デバイスの構成要素であってもよい。

【0041】

図４は、可変焦点距離（ＶＦＬ）撮像システム４００の一部の概略図である。可変焦点距離撮像システム４００は、図３の可変焦点距離（ＶＦＬ）撮像システム３００と同様である。４ＸＸと付番された要素は、図３の３ＸＸと付番された要素と同様であり、類推により理解され得る。

【0042】

可変焦点距離撮像システム４００は、４ｆ光学構成として構成された第１のリレーレンズ４５２及び第２のリレーレンズ４８６、第１の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ４７０Ａ、第２の高速可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ４７０Ｂ、及び中間面ＩＰに配置されたフィルタ４７６（例えば、空間フィルタ、又は固定もしくはプログラマブル振幅及び／又は位相フィルタ）を備えている。中間面ＩＰは、４ｆ光学構成において顕微鏡対物レンズ（例えば対物レンズ３５０）に対するフーリエ共役面として機能する第１のリレーレンズ４５２から第１のリレー焦点距離に等しい距離に位置している。

【0043】

いくつかの実施において、フィルタ４７６は固定パターン瞳フィルタとすればよい。他の実施において、フィルタ４７６はプログラマブル空間光変調器とすればよい。いくつかの実施において、フィルタ４７６はデコンボリューションフィルタを備え、ＶＦＬ撮像システム４００は拡大焦点深度画像を与えるように構成してもよい。いくつかの実施において、空間フィルタ４７６は伝送される光の振幅及び／又は位相を変えることができる。いくつかの実施において、フィルタ４７６は偏光フィルタとすればよい。

【0044】

図４に示すように、第１のリレーレンズ４５２及び第２のリレーレンズ４８６は、２＊ｆに等しい間隔ＲＳＥＰだけ離れている。いくつかの実施において、ＲＳＥＰは少なくとも１３５ｍｍとすることができる。典型的なＴＡＧレンズは、光軸ＯＡに沿って、約６０ｍｍである幅ｗを有し得る。第１の高速ＶＦＬレンズ４７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ４７０ＢがＴＡＧレンズである場合、ＲＳＥＰの値が少なくとも１３５ｍｍであることで、第１の高速ＶＦＬレンズ４７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ４７０Ｂは、第１のリレーレンズ４５２と第２のリレーレンズ４８６との間に収まることができる。第１の高速ＶＦＬレンズ４７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ４７０Ｂは、光軸ＯＡに沿って間隔ＳＥＰだけ離れている。いくつかの実施において、フィルタ４７６がクロムオンガラス（ｃｈｒｏｍｅ ｏｎ ｇｌａｓｓ）固定パターン瞳フィルタである場合に充分な間隔を確保するため、ＳＥＰは少なくとも５ｍｍであり得る。しかしながらいくつかの実施では、フィルタ４７６がプログラマブル空間光変調器である場合に充分な間隔を確保するため、ＳＥＰは少なくとも１５ｍｍであり得る。いくつかの実施では、フィルタ４７６は切り替え可能フィルタであり、ＶＦＬ撮像システム４００は、特定の対物レンズ及び／又は所望の機能に合致させるため、フィルタホイール又は別のフィルタ変更手段を含み得る。

【0045】

図５は、図３のＶＦＬ撮像システム３００の周期的に変更される制御信号５１０及び光学応答５２０の位相タイミングを示すタイミング図５００である。図５の例には、制御信号５１０及び光学応答５２０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。様々な実施において、制御信号５１０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５２０は、先に概説したように第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ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。

【0046】

様々な実施において、曲線５１０及び５２０の正弦波形状は、一連のレンズ（例えば図３に示すような対物レンズ３５０、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ、及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂ等）に依存することがあり、第１の高速ＶＦＬレンズ３７０Ａ及び第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂの組み合わせの光学パワーは図５に示すようなサイクルをとり、２＊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、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）。

【0047】

また、タイミング図５００は、各Ｚ高さ（例えばｚφ０、ｚφ９０、ｚφ１８０、ｚφ２７０等）に対応して、制御信号５１０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５００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）。

【0048】

図６は、様々な動作温度における１つのタイプの可変焦点距離レンズの共振周波数を示すグラフ６００の図である。グラフ６００は、温度（単位は℃）の関数としてのＴＡＧレンズの測定共振周波数セット６１０（単位はｋＨｚ）、及び線形近似６２０（ｌｉｎｅａｒ ｆｉｔ）を示す。線形近似６２０は約−１３０Ｈｚ／℃の勾配を有する。１つの実施において、グラフ６００で特徴付けられるＴＡＧレンズは、応答アクチュエータ機構３７４の熱源３７５に結合しながら、第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂとして使用され得る。レンズ応答調整構成３７３は、線形近似６２０に基づいて第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂの共振周波数を調整するように応答アクチュエータ機構３７４を制御できる。いくつかの実施では、共焦点光学センサ又は加速度計のようなフィードバックセンサが、第２の高速ＶＦＬレンズ３７０Ｂの温度を調整し、従って共振周波数を調整するためのフィードバックを与えることができる。

【0049】

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。種々の代替的な形態を用いて本明細書に開示した原理を実施してもよい。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。

【0050】

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】

【0051】

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 光学検出器
２６２，２７１’，２９６ 信号ライン
２７０Ａ，２７０Ｂ，３７０Ａ，３７０Ｂ，４７０Ａ，４７０Ｂ 高速ＶＦＬレンズ
２８０ ターレットレンズアセンブリ
２８４ 軸
２８６ レンズ
２９０，３９０ ミラー（部分ミラー）
２９４ 制御可能モータ
３００，４００ ＶＦＬ撮像システム
３５１ チューブレンズ
３５２，３８６，４５２，４８６ 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 レンズ応答調整構成
３７４ 応答アクチュエータ機構
３７５ 熱源
３７６，４７６ フィルタ
３９５ 制御バス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】