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特開2024-169380ワークピースのアパーチャを照明及び測定するように構成された計測システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024169380
(43)【公開日】2024-12-05
(54)【発明の名称】ワークピースのアパーチャを照明及び測定するように構成された計測システム
(51)【国際特許分類】
G01B 11/02 20060101AFI20241128BHJP
G02B 21/00 20060101ALI20241128BHJP
G02B 21/36 20060101ALI20241128BHJP
【ＦＩ】
G01B11/02 H
G02B21/00
G02B21/36
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024083490
(22)【出願日】2024-05-22
(31)【優先権主張番号】18/324,027
(32)【優先日】2023-05-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【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】110002963
【氏名又は名称】弁理士法人ＭＴＳ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ポール ジェラルド グラドニック
(72)【発明者】
【氏名】クリストファー リチャード ハムナー
(72)【発明者】
【氏名】パベル イヴァノビッチ ナゴルヌイ
【テーマコード（参考）】
2F065
2H052
【Ｆターム（参考）】
2F065AA22
2F065AA27
2F065DD03
2F065FF04
2F065GG08
2F065HH03
2F065HH13
2F065JJ03
2F065JJ26
2F065LL10
2F065LL33
2F065LL49
2F065PP02
2F065QQ28
2F065QQ31
2H052AB05
2H052AC25
2H052AF02
2H052AF14
(57)【要約】 （修正有）
【課題】高精度ワークピース測定システムを提供する。
【解決手段】計測システム２００は、前方視覚構成要素部分２０５Ａと、後方視覚構成要素部分２０５Ｂと、２つの部分の間に位置決めされたワークピース２２０を有する。後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、光源ＰＬＳ１と、ディフューザＬＤとを含む。前方視覚構成要素部分２０５Ａは、焦点距離可変レンズＬ４と、対物レンズＬ２と、カメラＣＭＯＳとを含む。計測システム２００は、前方視覚構成要素部分２０５Ａと後方視覚構成要素部分２０５Ｂとの間の相対位置を整列させるように構成された移動機構部分と、ワークピース２２０を通して画定されたアパーチャＡＰ１とを含む。カメラＣＭＯＳは、異なる焦点位置におけるアパーチャＡＰ１の画像を取得し、画像の解析に基づいて、アパーチャＡＰ１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、ＷＰＦ１Ｃに関連する測定値を決定することができる。
【選択図】図２
【解決手段】計測システム２００は、前方視覚構成要素部分２０５Ａと、後方視覚構成要素部分２０５Ｂと、２つの部分の間に位置決めされたワークピース２２０を有する。後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、光源ＰＬＳ１と、ディフューザＬＤとを含む。前方視覚構成要素部分２０５Ａは、焦点距離可変レンズＬ４と、対物レンズＬ２と、カメラＣＭＯＳとを含む。計測システム２００は、前方視覚構成要素部分２０５Ａと後方視覚構成要素部分２０５Ｂとの間の相対位置を整列させるように構成された移動機構部分と、ワークピース２２０を通して画定されたアパーチャＡＰ１とを含む。カメラＣＭＯＳは、異なる焦点位置におけるアパーチャＡＰ１の画像を取得し、画像の解析に基づいて、アパーチャＡＰ１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、ＷＰＦ１Ｃに関連する測定値を決定することができる。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測システムであって、
後方視覚構成要素部分であって、
光源と、
前記光源からの光の経路に位置するディフューザと、を含む、後方視覚構成要素部分と、
前方視覚構成要素部分であって、前記計測システムが、前記前方視覚構成要素部分と前記後方視覚構成要素部分との間に位置決めされたワークピースを有するように構成されており、前記前方視覚構成要素部分が、
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズであって、周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、前記ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように制御される、ＶＦＬレンズと、
対物レンズであって、前記光源によって照明された前記ワークピースから生じたワークピース光を入力し、前記ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って前記ワークピース光を伝送し、前記対物レンズが、前記前方視覚構成要素部分の光軸を画定する、対物レンズと、
カメラであって、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズによって伝送された前記ワークピース光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供するカメラと、を含む、前方視覚構成要素部分と、
１つ以上の移動機構を含む、移動機構部分であって、前記移動機構部分が、
前記前方視覚構成要素部分の前記光軸を横断する方向における前記前方視覚構成要素部分と前記ワークピースとの間の相対位置を調整するように、及び
前記後方視覚構成要素部分の相対位置が前記前方視覚構成要素部分から前記ワークピースの反対側になるよう調整するように構成されている、移動機構部分と、
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、かつプログラム命令を記憶したメモリであって、前記プログラム命令が、前記１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、前記１つ以上のプロセッサに、少なくとも、
（ａ）前記後方視覚構成要素部分の前記ディフューザを通過する前記光源からの前記光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための前記照明の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過するように、前記移動機構部分を利用して、前記ワークピースと前記前方視覚構成要素部分及び前記後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前記前方視覚構成要素部分の前記光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させ、更には、前記後方視覚構成要素部分の光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させることと、
（ｂ）前記カメラを利用して、前記ディフューザを通過した前記光源からの光によって少なくとも部分的に照明された前記アパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、前記画像スタックの各画像が、前記ＶＦＬレンズの前記光パワーの前記周期的変調の位相タイミングに対応する前記前方視覚構成要素部分の前記光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）前記画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、前記アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行わせる、メモリと、を備えている、計測システム。
後方視覚構成要素部分であって、
光源と、
前記光源からの光の経路に位置するディフューザと、を含む、後方視覚構成要素部分と、
前方視覚構成要素部分であって、前記計測システムが、前記前方視覚構成要素部分と前記後方視覚構成要素部分との間に位置決めされたワークピースを有するように構成されており、前記前方視覚構成要素部分が、
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズであって、周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、前記ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように制御される、ＶＦＬレンズと、
対物レンズであって、前記光源によって照明された前記ワークピースから生じたワークピース光を入力し、前記ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って前記ワークピース光を伝送し、前記対物レンズが、前記前方視覚構成要素部分の光軸を画定する、対物レンズと、
カメラであって、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズによって伝送された前記ワークピース光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供するカメラと、を含む、前方視覚構成要素部分と、
１つ以上の移動機構を含む、移動機構部分であって、前記移動機構部分が、
前記前方視覚構成要素部分の前記光軸を横断する方向における前記前方視覚構成要素部分と前記ワークピースとの間の相対位置を調整するように、及び
前記後方視覚構成要素部分の相対位置が前記前方視覚構成要素部分から前記ワークピースの反対側になるよう調整するように構成されている、移動機構部分と、
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、かつプログラム命令を記憶したメモリであって、前記プログラム命令が、前記１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、前記１つ以上のプロセッサに、少なくとも、
（ａ）前記後方視覚構成要素部分の前記ディフューザを通過する前記光源からの前記光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための前記照明の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過するように、前記移動機構部分を利用して、前記ワークピースと前記前方視覚構成要素部分及び前記後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前記前方視覚構成要素部分の前記光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させ、更には、前記後方視覚構成要素部分の光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させることと、
（ｂ）前記カメラを利用して、前記ディフューザを通過した前記光源からの光によって少なくとも部分的に照明された前記アパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、前記画像スタックの各画像が、前記ＶＦＬレンズの前記光パワーの前記周期的変調の位相タイミングに対応する前記前方視覚構成要素部分の前記光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）前記画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、前記アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行わせる、メモリと、を備えている、計測システム。
【請求項2】
前記画像スタックの画像ごとに、前記光源が、前記画像スタックのそのそれぞれの画像の前記それぞれの焦点位置に対応する周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミングに対応するように調整されたストロボ照明の少なくとも１つの事例を提供するように制御される、請求項１に記載の計測システム。
【請求項3】
前記画像スタックの前記解析が、前記ワークピース特徴部に合焦する焦点位置を示す前記画像スタックの焦点曲線データを決定することを含む、請求項１に記載の計測システム。
【請求項4】
前記ワークピース特徴部が、前記アパーチャの第１のワークピース特徴部であり、前記焦点位置が、第１の焦点位置であり、前記焦点曲線データが、前記アパーチャの第２のワークピース特徴部に合焦する第２の焦点位置を更に示し、前記測定値が、前記第１のワークピース特徴部と前記第２のワークピース特徴部との間の距離を含む、請求項３に記載の計測システム。
【請求項5】
前記アパーチャが、貫通孔部分を備えており、前記第１及び第２のワークピース特徴部が、それぞれ前記貫通孔部分の出口及び入口に対応する、請求項４に記載の計測システム。
【請求項6】
前記画像スタックの前記解析が、前記ワークピース特徴部に合焦する前記画像スタックの画像を決定することを含み、前記測定値が、前記合焦した画像に少なくとも部分的に基づいて決定された前記ワークピース特徴部の寸法を含む、請求項１に記載の計測システム。
【請求項7】
前記ディフューザが、コリメート光を受信するように、及び前記アパーチャを撮像するための前記照明の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過する前記光として拡散光を出力するように構成されている、請求項１に記載の計測システム。
【請求項8】
前記後方視覚構成要素部分が、前記光源と前記ディフューザとの間の前記光の前記経路にあり、前記ディフューザに前記コリメート光を提供する、コリメータレンズを更に備えている、請求項７に記載の計測システム。
【請求項9】
前記ディフューザが、光学ディフューザ又は透過型光ディフューザのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の計測システム。
【請求項10】
前記アパーチャが、２：１よりも大きいアスペクト比を有する、請求項１に記載の計測システム。
【請求項11】
前記ＶＦＬレンズが、調整可能な音響勾配レンズである、請求項１に記載の計測システム。
【請求項12】
計測システムを動作させるための方法であって、前記方法が、
（ａ）前記後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する前記後方視覚構成要素部分の光源からの照明の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための前記光の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過するように、ワークピースと計測システムの前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前記前方視覚構成要素部分の光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させ、更には、前記後方視覚構成要素部分の光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させることであって、前記前方視覚構成要素部分が、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、前記前方視覚構成要素部分の前記光軸を画定する対物レンズと、カメラと、を備えている、を整列させることと、
（ｂ）前記ディフューザを通過した前記光源からの光によって少なくとも部分的に照明された前記アパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、前記画像スタックの各画像が、前記ＶＦＬレンズの前記光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前記前方視覚構成要素部分の前記光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）前記画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、前記アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を含む、方法。
（ａ）前記後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する前記後方視覚構成要素部分の光源からの照明の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための前記光の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過するように、ワークピースと計測システムの前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前記前方視覚構成要素部分の光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させ、更には、前記後方視覚構成要素部分の光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させることであって、前記前方視覚構成要素部分が、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、前記前方視覚構成要素部分の前記光軸を画定する対物レンズと、カメラと、を備えている、を整列させることと、
（ｂ）前記ディフューザを通過した前記光源からの光によって少なくとも部分的に照明された前記アパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、前記画像スタックの各画像が、前記ＶＦＬレンズの前記光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前記前方視覚構成要素部分の前記光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）前記画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、前記アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を含む、方法。
【請求項13】
前記画像スタックの画像ごとに、前記光源が、前記画像スタックのそのそれぞれの画像の前記それぞれの焦点位置に対応する周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミングに対応するように調整されたストロボ照明の少なくとも１つの事例を提供するように制御される、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記画像スタックの前記解析が、前記ワークピース特徴部に合焦する焦点位置を示す前記画像スタックの焦点曲線データを決定することを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記ワークピース特徴部が、前記アパーチャの第１のワークピース特徴部であり、前記焦点位置が、第１の焦点位置であり、前記焦点曲線データが、前記アパーチャの第２のワークピース特徴部に合焦する第２の焦点位置を更に示し、前記測定値が、前記第１のワークピース特徴部と前記第２のワークピース特徴部との間の距離を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記アパーチャが、貫通孔部分を備えており、前記第１及び第２のワークピース特徴部が、それぞれ前記貫通孔部分の出口及び入口に対応する、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記ディフューザが、コリメート光として前記光源から前記光を受信して、前記アパーチャを撮像するための前記照明の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過する前記光として拡散光を出力する、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
前記光源からの前記光が、前記ディフューザに前記コリメート光を提供するコリメータレンズを通過する、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
計測システムであって、
後方視覚構成要素部分であって、
光源と、
前記光源からの光の経路に位置するディフューザと、を含む、後方視覚構成要素部分と、
前方視覚構成要素部分であって、前記計測システムが、前記前方視覚構成要素部分と前記後方視覚構成要素部分との間に位置決めされたワークピースを有するように構成されており、前記前方視覚構成要素部分が、
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズであって、周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、前記ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように制御される、ＶＦＬレンズと、
対物レンズであって、前記光源によって照明された前記ワークピースから生じたワークピース光を入力し、前記ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って前記ワークピース光を伝送し、前記対物レンズが、前記前方視覚構成要素部分の光軸を画定する、対物レンズと、
カメラであって、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズによって伝送された前記ワークピース光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供するカメラと、を含む、前方視覚構成要素部分と、
１つ以上の移動機構を含む、移動機構部分であって、前記移動機構部分が、
前記前方視覚構成要素部分の前記光軸を横断する方向における前記前方視覚構成要素部分と前記ワークピースとの間の相対位置を調整するように、及び
前記後方視覚構成要素部分の相対位置が前記前方視覚構成要素部分から前記ワークピースの反対側になるよう調整するように構成されている、移動機構部分と、を備えており、
前記計測システムが、
（ａ）前記後方視覚構成要素部分の前記ディフューザを通過する前記光源からの前記光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための前記照明の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過するように、前記移動機構部分を利用して、前記ワークピースと前記前方視覚構成要素部分及び前記後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前記前方視覚構成要素部分の前記光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させ、更には、前記後方視覚構成要素部分の前記光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させることと、
（ｂ）前記カメラを利用して、前記ディフューザを通過した前記光源からの光によって少なくとも部分的に照明された前記アパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、前記画像スタックの各画像が、前記ＶＦＬレンズの前記光パワーの前記周期的変調の位相タイミングに対応する前記前方視覚構成要素部分の前記光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）前記画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、前記アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行うように構成されている、計測システム。
後方視覚構成要素部分であって、
光源と、
前記光源からの光の経路に位置するディフューザと、を含む、後方視覚構成要素部分と、
前方視覚構成要素部分であって、前記計測システムが、前記前方視覚構成要素部分と前記後方視覚構成要素部分との間に位置決めされたワークピースを有するように構成されており、前記前方視覚構成要素部分が、
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズであって、周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、前記ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように制御される、ＶＦＬレンズと、
対物レンズであって、前記光源によって照明された前記ワークピースから生じたワークピース光を入力し、前記ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って前記ワークピース光を伝送し、前記対物レンズが、前記前方視覚構成要素部分の光軸を画定する、対物レンズと、
カメラであって、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズによって伝送された前記ワークピース光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供するカメラと、を含む、前方視覚構成要素部分と、
１つ以上の移動機構を含む、移動機構部分であって、前記移動機構部分が、
前記前方視覚構成要素部分の前記光軸を横断する方向における前記前方視覚構成要素部分と前記ワークピースとの間の相対位置を調整するように、及び
前記後方視覚構成要素部分の相対位置が前記前方視覚構成要素部分から前記ワークピースの反対側になるよう調整するように構成されている、移動機構部分と、を備えており、
前記計測システムが、
（ａ）前記後方視覚構成要素部分の前記ディフューザを通過する前記光源からの前記光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための前記照明の少なくとも一部を提供するために前記アパーチャを通過するように、前記移動機構部分を利用して、前記ワークピースと前記前方視覚構成要素部分及び前記後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前記前方視覚構成要素部分の前記光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させ、更には、前記後方視覚構成要素部分の前記光軸と前記ワークピースの前記アパーチャとを整列させることと、
（ｂ）前記カメラを利用して、前記ディフューザを通過した前記光源からの光によって少なくとも部分的に照明された前記アパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、前記画像スタックの各画像が、前記ＶＦＬレンズの前記光パワーの前記周期的変調の位相タイミングに対応する前記前方視覚構成要素部分の前記光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）前記画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、前記アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行うように構成されている、計測システム。
【請求項20】
前記画像スタックの画像ごとに、前記光源が、前記画像スタックのそのそれぞれの画像の前記それぞれの焦点位置に対応する周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミングに対応するように調整されたストロボ照明の少なくとも１つの事例を提供するように制御され、
前記画像スタックの前記解析が、前記ワークピース特徴部に合焦する焦点位置を示す前記画像スタックの焦点曲線データを決定することを含み、
前記ワークピース特徴部が、前記アパーチャの第１のワークピース特徴部であり、前記焦点位置が、第１の焦点位置であり、前記焦点曲線データが、前記アパーチャの第２のワークピース特徴部に合焦する第２の焦点位置を更に示し、前記測定値が、前記第１のワークピース特徴部と前記第２のワークピース特徴部との間の距離を含む、請求項１９に記載の計測システム。
前記画像スタックの前記解析が、前記ワークピース特徴部に合焦する焦点位置を示す前記画像スタックの焦点曲線データを決定することを含み、
前記ワークピース特徴部が、前記アパーチャの第１のワークピース特徴部であり、前記焦点位置が、第１の焦点位置であり、前記焦点曲線データが、前記アパーチャの第２のワークピース特徴部に合焦する第２の焦点位置を更に示し、前記測定値が、前記第１のワークピース特徴部と前記第２のワークピース特徴部との間の距離を含む、請求項１９に記載の計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、高精度計測に関するものであり、より具体的には、高精度ワークピース測定システムに関するものである。
【背景技術】
【0002】
特定の特徴部（例えば、成型及び／又は機械加工、などによって生成される）を含む物体（例えば、ワークピース）を生産するための品質管理は、条件又はスループット、測定分解能、及び精度に関してますます要求が厳しくなっている。理想的には、かかるワークピースは、適切な寸法、機能、などを確実にするために測定／検査しなければならない。しかしながら、いくつかの用途に対する所望の特性についてワークピースを確認するために、ミクロンレベル、又は更にはサブミクロンレベルの測定公差も要求され得る。
【0003】
ワークピースの測定及び検査のために、様々な高精度計測システムが使用され得る。例えば、検査用のワークピースの画像を取得するために、機械視覚検査システム（又は略して「視覚システム」）などの特定の高精度計測システムが利用され得る。かかるシステムは、様々な種類の用途（例えば、一般的なワークピース検査、ワークピースの正確な寸法測定値を決定するための計測用途、など）に利用され得る。
【0004】
かかる計測システムは、典型的には、ワークピースの測定及び検査に関する様々な種類の問題（例えば、ワークピースの特徴部の種類のばらつき、ワークピースの特徴部を撮像及び測定するために必要とされる照明、など）に直面している。特定の種類の測定及び検査作業に関するかかる課題に対する改善点を提供することができるシステムが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許第１０,１７８,３２１号明細書
【特許文献2】米国特許第１０,１０１,５７２号明細書
【特許文献3】米国特許第９,９３０,２４３号明細書
【特許文献4】米国特許第９,７３６,３５５号明細書
【特許文献5】米国特許第９,７２６,８７６号明細書
【特許文献6】米国特許第９,１４３,６７４号明細書
【特許文献7】米国特許第８,１９４,３０７号明細書
【特許文献8】米国特許第７,６２７,１６２号明細書
【特許文献9】米国特許第９,８３０,６９４号明細書
【特許文献10】米国特許第８,５８１,１６２号明細書
【特許文献11】米国特許第６,５４２,１８０号明細書
【特許文献12】米国特許第９,０６０,１１７号明細書
【特許文献13】米国特許第１０,８８０,４６８号明細書
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】“High speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens" Optics Letters, Vol.33, No.18, September 15, 2008
【発明の概要】
【0007】
この概要は、以下の詳細な説明で更に説明される簡略化された形式で概念の選択を紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることも意図されていない。
【0008】
一態様によれば、後方視覚構成要素部分と、前方視覚構成要素部分と、を含む、計測システムが提供される。計測システムは、前方視覚構成要素部分と後方視覚構成要素部分との間に位置決めされたワークピースを有するように構成されている。後方視覚構成要素部分は、光源からの光の経路に位置するディフューザを含む。前方視覚構成要素部分は、可変焦点距離（variable focal length、ＶＦＬ）レンズであって、周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように制御される、ＶＦＬレンズを含む。前方視覚構成要素部分は、対物レンズであって、前方視覚構成要素部分の光軸を画定し、光源によって照明されたワークピースから生じたワークピース光を入力し、ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿ってワークピース光を伝送する、対物レンズを含む。前方視覚構成要素部分は、カメラであって、撮像光路に沿ってＶＦＬレンズによって伝送されたワークピース光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供する、カメラを含む。
【0009】
計測システムは、１つ以上の移動機構を含む移動機構部分を更に含む。移動機構部分は、前方視覚構成要素部分の光軸を横断する方向における前方視覚構成要素部分とワークピースとの間の相対位置を調整するように、及び後方視覚構成要素部分の相対位置が前方視覚構成要素部分からワークピースの反対側になるよう調整するように構成されている。
【0010】
計測システムは、１つ以上のプロセッサと、１つ以上のプロセッサに結合され、かつプログラム命令を記憶したメモリと、を更に含み、当該プログラム命令は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、１つ以上のプロセッサに、少なくとも、
（ａ）後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する光源からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過するように、移動機構部分を利用して、ワークピースと前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させることと、
（ｂ）カメラを利用して、ディフューザを通過した光源からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズの光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前方視覚構成要素部分の光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行わせる。
（ａ）後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する光源からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過するように、移動機構部分を利用して、ワークピースと前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させることと、
（ｂ）カメラを利用して、ディフューザを通過した光源からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズの光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前方視覚構成要素部分の光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行わせる。
【0011】
例えば、画像スタックの解析は、ワークピース特徴部に合焦する焦点位置を示す、画像スタックの焦点曲線データを決定することを含み得る。アパーチャは、貫通孔部分を含み得、ワークピース特徴部は、第１の焦点位置に合焦した第１のワークピース特徴部（例えば、貫通孔部分の入口）と、第２の焦点位置に合焦した第２のワークピース特徴部（例えば、貫通孔部分の出口）と、を含み得、決定された測定値は、第１のワークピース特徴部と第２のワークピース特徴部との間の距離（例えば、貫通孔部分の長さ）であり得る。
【0012】
様々な実施形態では、後方視覚構成要素部分のディフューザは、コリメート光を受信するように、及びアパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過する拡散光を出力するように構成されている。様々な実施形態では、拡散光は、アパーチャの複数の異なる焦点位置を撮像するためにそれぞれ最適である、複数の特性／状態を有する／提供するものとみなされ得る。したがって、拡散光は、アパーチャの異なる焦点位置における複数の測定に適した照明を提供する。
【0013】
別の態様によれば、計測システムを動作するための方法が提供される。当該方法は、
（ａ）後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する後方視覚構成要素部分の光源からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過するように、ワークピースと計測システムの前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させることであって、前方視覚構成要素部分が、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、前方視覚構成要素部分の光軸を画定する対物レンズと、カメラと、を備えている、を整列させることと、
（ｂ）ディフューザを通過した光源からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズの光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前方視覚構成要素部分の光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を含む。
（ａ）後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する後方視覚構成要素部分の光源からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過するように、ワークピースと計測システムの前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させることであって、前方視覚構成要素部分が、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、前方視覚構成要素部分の光軸を画定する対物レンズと、カメラと、を備えている、を整列させることと、
（ｂ）ディフューザを通過した光源からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズの光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前方視覚構成要素部分の光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を含む。
【0014】
更なる態様によれば、計測システムであって、
（ａ）後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する光源からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過するように、移動機構部分を利用して、ワークピースと前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させることと、
（ｂ）カメラを利用して、ディフューザを通過した光源からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズの光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前方視覚構成要素部分の光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行うように構成された、計測システムが提供される。
（ａ）後方視覚構成要素部分のディフューザを通過する光源からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャを通過するように、移動機構部分を利用して、ワークピースと前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分の光軸とワークピースのアパーチャとを整列させることと、
（ｂ）カメラを利用して、ディフューザを通過した光源からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャの複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズの光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する前方視覚構成要素部分の光軸に沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することと、
（ｃ）画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定することと、を行うように構成された、計測システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【0015】
前述の態様及び付随する多くの本発明の利点は、添付の図面と併せて取り込まれたときに、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より良好に理解されるにつれて、より容易に認識されるであろう。
【図1】前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分を含み、本明細書に開示される原理に従って動作し得る計測システムの概略図である。
【図2】前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分を含み、本明細書に開示される原理に従って動作し得る計測システムの別の概略図である。
【図3】本明細書に開示される原理による、後方視覚構成要素部分の概略図である。
【図4】前方視覚構成要素部分の可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズの焦点距離を周期的に変調することによって制御される、図１～図２の前方視覚構成要素部分の周期的に変調された焦点位置を示し、更には、それぞれのＺ座標に焦点を合わせた画像を露光するために、周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミングに対応するように、どのようにストロボ照明のタイミングを調整することができるのかを定性的に示す、タイミング図のチャートである。
【図5】図４に示される周期的に変調された焦点位置の拡大部分を示し、画像スタックを収集するために使用可能な位相タイミングに対応する位相タイミングを示し、更には、どのように周期的に変調された焦点位置の第１及び第２の位相タイミングに対応するストロボ照明の第１及び第２の事例を利用して、異なるＺ座標に位置するワークピース特徴部のための画像焦点を提供する対応する露光画像を生成することができるのかを定性的に示す、チャートである。
【図6A】本明細書に開示される原理に従って動作する計測システムによって捕捉され得る、アパーチャの貫通孔部分の入口及び出口などの、異なるＺ座標に位置するアパーチャの第１及び第２のワークピース特徴部の相対的合焦画像である。
【図6B】本明細書に開示される原理に従って動作する計測システムによって捕捉され得る、アパーチャの貫通孔部分の入口及び出口などの、異なるＺ座標に位置するアパーチャの第１及び第２のワークピース特徴部の相対的合焦画像である。
【図7】本明細書に開示される原理による、アパーチャのワークピース特徴部に関連する測定値を決定するように、前方視覚構成要素部分及び後方視覚構成要素部分を含む計測システムを動作させるための方法の１つの例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
図１を参照すると、計測システム１００は、視覚構成要素部分１０５と、制御システム部分１２０と、を含む。視覚構成要素部分１０５は、前方視覚構成要素部分１０５Ａと、後方視覚構成要素部分１０５Ｂと、移動機構部分１１０と、を含む。移動機構部分１１０は、（例えば、前方視覚構成要素部分１０５Ａの光軸ＯＡを横断する方向に前方視覚構成要素部分１０５Ａを移動させるように構成された）前方移動機構１１０Ａと、（例えば、後方視覚構成要素部分１０５Ｂの光軸ＯＡを横断する方向に後方視覚構成要素部分１０５Ｂを移動させて、前方視覚構成要素部分１０５Ａと整列されるように構成された）後方移動機構１１０Ｂと、を含む。ワークピース２０は、複数のアパーチャを含む（例えば、破線によって表されるように、異なるＸ軸位置に示され、その場合、追加のアパーチャが、行及び／又は列にほぼ配置されるようにワークピース２０に含まれ得、各アパーチャが、ワークピース内の一意のＸ軸位置及びＹ軸位置を有する）。アパーチャの例は、図２、図６Ａ、及び図６Ｂに関して以下でより詳細に説明される。アパーチャ（例えば、貫通孔を含む）は各々、ワークピース２０を通るＺ軸に沿って延在する。図１の例では、特定の例示的なアパーチャＡＰが、前方視覚構成要素部分１０５Ａ及び後方視覚構成要素部分１０５Ｂの光軸ＯＡに沿って整列されているように示されている。
【0017】
移動機構部分１１０は、前方視覚構成要素部分１０５Ａとワークピース２０との間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分１０５Ａの光軸ＯＡとワークピース２０のアパーチャＡＰとを整列させるために利用される（例えば、前方移動機構１１０Ａの動作を含む）。移動機構部分１１０はまた、後方視覚構成要素部分１０５Ｂからの光（例えば、図２に関して以下でより詳細に説明されるように、後方視覚構成要素部分１０５Ｂのディフューザ（ＬＤ）を通過する光源からの光の少なくとも一部分を含む）が、アパーチャＡＰを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャＡＰを通過するように、後方視覚構成要素部分１０５Ｂの光軸ＯＡとワークピース２０のアパーチャＡＰとを整列させるために利用される（例えば、後方移動機構１１０Ｂの動作を含む）。
【0018】
より具体的には、様々な実装形態では、移動機構１１０Ａ及び１１０Ｂは、（例えば、制御システム部分１２０によって）前方視覚構成要素部分１０５Ａ及び後方視覚構成要素部分１０５Ｂを（例えば、Ｘ軸に沿った方向に前後に、及びＹ軸に沿った方向に上下に）移動させて、各アパーチャＡＰの画像を取得するように制御される。各アパーチャを撮像するために、（例えば、図１に示されるアパーチャＡＰと同様に）前方視覚構成要素部分１０５Ａの光軸ＯＡ及び後方視覚構成要素部分１０５Ｂの光軸ＯＡとアパーチャとを整列させ、後方視覚構成要素部分１０５Ｂからの光の少なくとも一部は、前方視覚構成要素部分１０５Ａで含まれるカメラ（ＣＭＯＳ）によって撮像するためのアパーチャを通過する。上述したように、前方視覚構成要素部分１０５Ａ及び後方視覚構成要素部分１０５Ｂは、移動機構部分１１０によって（例えば、各アパーチャを撮像するための一意のＸ軸及びＹ軸位置まで）移動され得る。計測システム１００の構成及び動作に関する更なる詳細は、以下の図２及び図３を参照して説明される。
【0019】
本発明によれば、ワークピースに定義された（例えば、貫通孔部分を含む）アパーチャを好都合に撮像及び測定することができる。様々な実装形態では、アパーチャは、比較的高い（例えば、２対１を超える）アスペクト比を有し得る。かかるアパーチャとしては、例えば、スルーシリコンビア（Through Silicon Via、ＴＳＶ）、スキンパネル固定用の航空機用貫通孔特徴部、任意の大きい及び／又は厚いワークピースの貫通孔、などが挙げられ得る。
【0020】
制御システム部分１２０は、１つ以上のプロセッサ１２２と、１つ以上のプロセッサに結合され、かつプログラム命令を記憶したメモリ１２４と、を含み、当該プログラム命令は、１つ以上のプロセッサによって実行されたときに、１つ以上のプロセッサに、本明細書で説明される機能を実施させる。当業者は、（例えば、コンピューティングシステムなどを含む又は実装している）制御システム部分１２０及び／又は本明細書に記載された、若しくは本明細書に記載された要素及び方法とともに使用可能な他の処理又は制御システムが、概して、分散された又はネットワーク化されたコンピューティング環境を含む、任意の好適なコンピューティングシステム又はデバイスを使用して実装され得ることを認識するであろう。かかるシステム又はデバイスは、（例えば、記憶されたプログラム命令を含む）ソフトウェアを実行して、本明細書に記載された機能を実施する１つ以上の汎用又は専用プロセッサ１２２（例えば、非カスタム又はカスタムデバイス）を含み得る。かかるソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（random access memory、ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（read only memory、ＲＯＭ）、フラッシュメモリなど、又はかかる構成要素の組み合わせ、などの、メモリ１２４に記憶され得る。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任意の他のタイプの不揮発性記憶媒体を含む、１つ以上の記憶デバイスなどの、他のタイプのメモリ１２４にも記憶され得る。ソフトウェアは、特定のタスクを実施する又は特定の抽象データ型を実装するプロセス、ルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造、などを含む、１つ以上のプログラムモジュールを実装したプログラム命令を含み得る。分散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は、有線構成又は無線構成のいずれかで、複数のコンピューティングシステム又はデバイスにわたって組み合わせられ得、又は分散され得、かつサービスコールを介してアクセスされ得る。
【0021】
図２は、本明細書に開示された原理に従って動作し得る計測システム２００の概略図である。以下でより詳細に説明されるように、撮像光路ＯＰＡＴＨ（本明細書では、ワークピース撮像光路としても参照され得る）は、ワークピース２２０からカメラＣＭＯＳ（例えば、計測システム２００の光学システムの一部としての「ＣＭＯＳ」カメラ）まで画像光を搬送する経路に沿って配置された様々な光学構成要素を備えている。画像光は、概して、様々な構成要素の光軸ＯＡの方向に沿って搬送される。図２に示される実装形態では、様々な構成要素の光軸ＯＡが整列されている。しかしながら、この実装形態は、単に例示することを意図したものであり、限定するものではないことが認識されるであろう。より一般的には、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ミラー及び／又は他の光学素子を含み得、また、既知の原理に従ってカメラＣＭＯＳを使用してワークピース２２０を撮像するための動作である任意の形態を採り得る。例示された実装形態では、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ＶＦＬレンズＬ４を含み、また、前方視覚構成要素部分２０５Ａの光軸ＯＡに沿って、ワークピース画像露光中に、ワークピース２２０のアパーチャＡＰ１のワークピース特徴部を撮像するために少なくとも部分的利用される。
【0022】
図２に示されるように、計測システム２００は、（例えば、図１の前方移動機構１１０Ａなどの移動機構に結合され、当該移動機構によって移動可能である）前方視覚構成要素部分２０５Ａと、（例えば、図１の後方移動機構１１０Ｂなどの後方移動機構に結合され、当該後方移動機構によって移動可能である）後方視覚構成要素部分２０５Ｂと、を含む。計測システム２００はまた、（例えば、図１の制御システム部分１２０などの）制御システム部分も含み、当該制御システム部分は、例示された例では、レンズコントローラ２８０と、露光（ストロボ）時間コントローラ２３３ｅｓと、有効焦点位置（Ｚ座標）較正部分２７３と、ワークピース焦点信号処理部分２７５（任意選択）とを備えているが、これらは以下で説明する。様々な実装形態では、本明細書に記載された様々な機能を実施するために、追加の構成要素も制御システム部分に含まれ得る。様々な実装形態では、（例えば、コントローラ部分、などを含む）制御システム部分の様々な構成要素、及び／若しくは前方視覚構成要素部分２０５Ａ、及び／若しくは後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、直接接続によって、若しくは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２９５）、及び／若しくはアプリケーションプログラミングインターフェース、などによって相互接続され得、並びに／又は本明細書に記載された機能を実施するために１つ以上のプロセッサ（例えば、プロセッサ１２２）によって実行される、メモリ（例えば、メモリ１２４）に記憶されたプログラム命令によって実装、制御、及び／若しくは利用され得る。
【0023】
図２に例示されるように、計測システム２００は、前方視覚構成要素部分２０５Ａと後方視覚構成要素部分２０５Ｂとの間に位置決めされたワークピース２２０を有するように構成されている。後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、光源ＰＬＳ１と、光源ＰＬＳ１からの光の経路内にあるディフューザＬＤと、を含む。ディフューザＬＤは、光学ディフューザ又は透過光ディフューザのうちの少なくとも１つであり得る。様々な実施形態では、ディフューザＬＤは、コリメート光ＣＬを受信するように、及びアパーチャＡＰ１を撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにワークピース２２０のアパーチャＡＰ１を通過する光として、拡散光ＤＬを出力するように構成されている。後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、合焦レンズＬ６と、光源ＰＬＳ１とディフューザＬＤとの間の光の経路内のコリメータレンズＬ７と、を更に含むことができる。コリメータレンズＬ７は、ディフューザＬＤにコリメート光ＣＬを提供するように提供及び構成され得る。
【0024】
様々な実装形態では、前方視覚構成要素部分２０５Ａは、ＶＦＬレンズＬ４と、対物レンズＬ２と、カメラＣＭＯＳと、を含む。例示された例では、前方視覚構成要素部分２０５Ａは、（例えば、例えば、チューブレンズ及び／又はリレーレンズ、などを含み得る）リレー光学系Ｌ３と、チューブレンズＬ５と、を更に含む。
【0025】
様々な実装形態では、前方視覚構成要素部分２０５Ａは、（例えば、以下で説明する、ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃに関連するような、ワークピース２２０の特定の特徴部に関連する特定の照明及び撮像機能に利用され得る）第２の光源ＰＬＳ２を更に含み得る。図２に示される一般的な構成では、第２の光源ＰＬＳ２は、（例えば、ストロボ／パルス照明又は連続照明による）光源光を、コリメータレンズＬ０、反射ミラーＭ１、収束レンズＬ１、直線偏光子ＬＰ１、及び非偏光ビームスプリッタＮＰＢＳを含む照明経路に沿って対物レンズＬ２に向かって放射して、ワークピース２２０を照明して撮像するように構成された、「同軸の」又は他の光源であり得る。
【0026】
図２に示される一般的な構成では、（すなわち、後方視覚構成要素部分２０５Ｂの）第１の光源ＰＬＳ１は、（例えば、ストロボ／パルス照明又は連続照明による）光源光を、照明経路に沿って放射して、ワークピース２２０を照明して撮像するように構成され得る。様々な実装形態では、ストロボ／パルス照明は、（例えば、以下でより詳細に説明される）ＶＦＬレンズＬ４の動作と併せて利用され得る。ワークピース２２０が照明された後には、対物レンズＬ２が、ワークピース２２０から生じたワークピース光を入力して、ワークピース光を、ＶＦＬレンズＬ４を通過するワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って伝送する。示されるように、対物レンズＬ２は、前方視覚構成要素部分２０５Ａの光軸ＯＡを画定する。例示された例では、ワークピース撮像光路ＯＰＡＴＨは、非偏光ビームスプリッタＮＰＢＳ、直線偏光子ＬＰ２、リレー光学系Ｌ３、ＶＦＬレンズＬ４、チューブレンズＬ５、及びカメラＣＭＯＳとともに、対物レンズＬ２を含む。様々な代替的な実装形態では、非偏光ビームスプリッタＮＰＢＳの代わりに、偏光ビームスプリッタＰＢＳが利用され得る。以下でより完全に説明されるように、カメラＣＭＯＳは、ＶＦＬレンズＬ４によって撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って伝送されたワークピース光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供する。撮像光路ＯＰＡＴＨの構成は、図２に例示される特定の例に限定されず、各アプリケーションの物理仕様及び／又は光学仕様を満たすために、より多い又はより少ない構成要素、並びに異なる構成要素を含むように適合され得ることが認識されるであろう。
【0027】
ＶＦＬレンズＬ４は、周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように制御される。様々な実装形態では、ＶＦＬレンズＬ４は、流体媒体中の音波を使用してレンズ効果を生成する、調整可能な音響勾配（tunable acoustic gradient、「ＴＡＧ」又は「ＴＡＧＬＥＮＳ」）レンズであり得る。音波は、流体媒体を取り囲む圧電チューブに共振周波数の電界を印加して、レンズの流体に時変の密度及び屈折率プロファイルを生成することによって生成され得、これは、その光パワーを変調し、それによって、その光学系の焦点距離（又は有効焦点位置）を変調する。ＴＡＧレンズは、例えば、３０ｋＨｚ超、又は７０ｋＨｚ超、又は１００ｋＨｚ超、又は４００ｋＨｚ超、最高１．０ＭＨｚの共振周波数で、焦点距離の範囲を高速に周期的に掃引するために（すなわち、その光パワーを周期的に変調するために）使用され得る。かかるレンズは、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる記事「Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｖａｒｉｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｎｓ」（２００８年９月１５日、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１８）（前記非特許文献１）の教示によって、より詳細に理解され得る。ＴＡＧ（別名ＴＡＧＬＥＮＳ）レンズ及び関連する制御可能な信号発生器は、例えば、株式会社ミツトヨ（神奈川県，日本）から入手可能である。具体的な一例として、特定のＴＡＧレンズは、最高１．０ＭＨｚの変調周波数を有する周期的変調が可能である。ＴＡＧレンズの動作原理及び応用例の様々な態様は、米国特許第１０，１７８，３２１号（前記特許文献１）、同第１０，１０１，５７２号（前記特許文献２）、同第９，９３０，２４３号（前記特許文献３）、同第９，７３６，３５５号（前記特許文献４）、同第９，７２６，８７６号（前記特許文献５）、同第９，１４３，６７４号（前記特許文献６）、同第８，１９４，３０７号（前記特許文献７）、及び同第７，６２７，１６２号（前記特許文献８）により詳細に記載されており、これらの特許の各々は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0028】
以下でより詳細に説明されるように、様々な実装形態では、ＶＦＬレンズコントローラ２８０は、（例えば、図４及び図５に関して以下でより詳細に説明するように）周期的変調の範囲内のそれぞれの位相タイミングにおいて生じる光パワーの範囲にわたって、ＶＦＬレンズの光パワーを周期的に変調するように、ＶＦＬレンズＬ４の駆動信号を制御することができる。カメラＣＭＯＳ（例えば、「ＣＭＯＳ」撮像検出器などの撮像検出器を含む）は、ＶＦＬレンズＬ４を通して撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って伝送される光を受信して、対応するワークピース画像露光を提供する。画像露光中の対物レンズＬ２の前方の有効焦点位置ＥＦＰは、その画像露光中の（すなわち、対物レンズＬ２と組み合わせて動作する）ＶＦＬレンズＬ４の光パワーに対応する。以下でより完全に説明されるように、露光時間コントローラ２３３ｅｓは、カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御するように構成される。
【0029】
図２には、ワークピース２２０全体に存在する潜在的に多数のアパーチャの間の例示的なアパーチャＡＰ１を含む、ワークピース２２０の一部分だけが示されている。いくつかの実装形態では、数百又は数千ものアパーチャがワークピースに存在し得、その場合、以下でより詳細に説明されるように、本明細書に開示された構成は、かかるワークピースを検査するためのプロセスの一部として、比較的高速なアパーチャの撮像を可能にし得る。
【0030】
図２の例示的なアパーチャＡＰ１は、入口部分ＥＮ１と、貫通孔部分ＴＨ１と、出口部分ＥＸ１と、を備えている。貫通孔部分ＴＨ１は、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の入口）と、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の出口）と、を備えている。後方視覚構成要素部分２０５Ｂの第１の光源ＰＬＳ１からの照明光は、出口部分ＥＸ１を介してアパーチャＡＰ１に進入し、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ及び第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａを介して貫通孔部分ＴＨ１を通って進行し、そして、入口部分ＥＮ１を通ってアパーチャＡＰ１を出て、前方視覚構成要素部分２０５Ａによって受信される。以下でより詳細に説明されるように、様々な実装形態では、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂは、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａと比較して、所望のレベルの画像コントラストを達成するための特定の課題を提示すると考えられ得、その場合、所望のレベルの画像コントラストを達成することは、それぞれのワークピース特徴部の性質、並びにカメラＣＭＯＳ及び光源ＰＬＳ１からの光に対するそれらの相対位置、などに起因して、比較的複雑でないと考えられ得る。
【0031】
前方視覚構成要素部分２０５Ａの対物レンズＬ２は、有効焦点位置ＥＦＰ（例えば、アパーチャＡＰ１内）に合焦した画像光（ワークピース光）を入力し、非偏光ビームスプリッタＮＰＢＳ、直線偏光子ＬＰ２、及びリレー光学系Ｌ３を通ってＶＦＬレンズＬ４に戻るように進行する画像光を出力する。ＶＦＬレンズＬ４は、画像光を受信して、それをチューブレンズＬ５に出力する。チューブレンズＬ５は、画像光を受信して、それをカメラＣＭＯＳに出力する。様々な実装形態では、対物レンズＬ２は、交換可能な対物レンズであり得る。様々な実装形態では、本明細書で参照されるレンズのいずれかは、別個のレンズ、複合レンズ、などから形成され得、又はそれらと併せて動作し得る。
【0032】
様々な実装形態では、カメラＣＭＯＳは、画像露光期間とも称される画像露光中に（例えば、カメラＣＭＯＳの積分期間中に）カメラ画像を捕捉して、対応する画像データを制御システム部分に提供し得る。いくつかのカメラ画像は、ワークピース画像露光中に提供される（例えば、ワークピース２２０のアパーチャＡＰ１のワークピース特徴部を含む）ワークピース画像を含み得る。いくつかの実装形態では、画像露光（例えば、ワークピース画像露光）は、カメラＣＭＯＳの画像積分期間内にある第１の光源ＰＬＳ１のストロボタイミングによって制限又は制御され得る。様々な実装形態では、カメラＣＭＯＳは、１メガピクセル超のピクセルアレイを有し得る（例えば、１．３メガピクセルで、１２８０×１０２４のピクセルアレイを有し、１ピクセル当たり５．３ミクロンを有する）。図２の例では、リレー光学系Ｌ３、ＶＦＬレンズＬ４、及びチューブレンズＬ５は、ワークピース２２０におけるテレセントリシティを維持することを意図した構成であり得、また、スケール変化及び画像歪みを最小限に抑え得る（例えば、ワークピース２２０の有効焦点位置（Ｚ座標）ごとに一定の倍率を提供することを含む）。
【0033】
様々な実装形態では、レンズコントローラ２８０は、駆動信号発生器部分２８１と、タイミングクロック２８１’と、撮像回路／ルーチン２８２と、を含み得る。駆動信号発生器部分２８１は、信号線２８０’を介してＶＦＬレンズＬ４に周期的駆動信号を提供するように（例えば、タイミングクロック２８１’と併せて）動作し得、更には、同期信号を発生させて、それを第１の光源ＰＬＳ１及び／又は第２の光源ＰＬＳ２に提供し得る。様々な実装形態では、レンズコントローラ２８０は、概して、ＶＦＬレンズＬ４の所望の位相タイミングと同期した様式でワークピース２２０を撮像すること、並びにＶＦＬレンズＬ４の駆動及び応答を制御、監視、及び調整すること、に関する様々な機能を実施し得る。様々な実装形態では、撮像回路／ルーチン２８２は、（例えば、ＶＦＬレンズＬ４の位相タイミングと同期され得る）光学システムの撮像動作を実施する。
【0034】
ＶＦＬレンズＬ４の一般的な動作に関して、上で説明した様々な実装形態では、レンズコントローラ２８０は、ＶＦＬレンズＬ４の光パワーを周期的に迅速に調整又は変調して、２５０ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は３０ｋＨｚ、などの（すなわち、ＶＦＬレンズ共振周波数での）周期的変調が可能な高速ＶＦＬレンズを達成し得る。図２に示されるように、信号の周期的変調を使用してＶＦＬレンズＬ４を駆動することによって、計測システム２００の前方視覚構成要素部分２０５Ａの有効焦点位置ＥＦＰ（例えば、対物レンズＬ２の前方の焦点位置）は、対物レンズＬ２と組み合わせたＶＦＬレンズＬ４の最大光パワーに対応する有効焦点位置ＥＦＰｍａｘ及び対物レンズＬ２と組み合わせたＶＦＬレンズＬ４の負の最大光パワーに対応する有効焦点位置ＥＦＰｍｉｎによって境界された範囲Ｒｅｆｐ（例えば、自動焦点探索範囲又は焦点範囲、など）の範囲内を迅速に移動され得る。様々な実装形態では、有効焦点位置ＥＦＰｍａｘ及びＥＦＰｍｉｎは、９０度及び２７０度の位相タイミングに略対応し得る。様々な実装形態では、範囲Ｒｅｆｐの略中間は、有効焦点位置ＥＦＰｎｏｍに指定され得、また、対物レンズＬ２の公称光パワーと組み合わせたＶＦＬレンズＬ４のゼロ光パワーに対応し得る。本明細書によれば、有効焦点位置ＥＦＰｎｏｍは、いくつかの実装形態では、対物レンズＬ２の公称焦点距離に略対応し得る（例えば、対物レンズＬ２の作動距離に対応し得る）。
【0035】
様々な実装形態では、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第９，１４３，６７４号（前記特許文献６）及び同第９，８３０，６９４号（前記特許文献９）などに記載されているように、ＶＦＬレンズＬ４の変調を利用して画像が取得され得る。組み込まれた先行技術文献に記載されているように、図２の計測システム２００の周期的に変調された焦点位置は、計測システム２００のＶＦＬレンズＬ４（例えば、ＴＡＧレンズ）の焦点距離を周期的に変調することによって制御され得る。様々な実装形態では、（例えば、露光時間コントローラ２３３ｅｓによって制御される光源ＰＬＳ１からの）ストロボ照明は、それぞれのＺ座標において合焦された画像を露光するように、周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミングに対応するように調整され得る。すなわち、積分期間中にカメラＣＭＯＳが画像を取得している間、位相タイミングφ０において短いストロボパルスが提供された場合、焦点位置は高さｚφ０にあり、高さｚφ０に位置するアパーチャＡＰ１のワークピース特徴部の任意のワークピース表面は、結果として生じる画像に合焦する。同様の原理が、焦点範囲を通して他の例示的な位相タイミング及びＺ座標に適用される。
【0036】
様々な実装形態では、かかるプロセスは、画像スタックを得るために利用され得る。例えば、ＶＦＬレンズＬ４及び光学システムの対応する全体の焦点位置が正弦的に変調されると、異なる位相タイミング及び異なる対応するＺ座標（異なる焦点位置）に対応する、ワークピースの異なる画像が捕捉される。簡単な例として、焦点範囲Ｒｅｆｐが１００ｍｍであり、画像が１ｍｍのステップで捕捉された場合、画像スタックは、１００枚の画像を含み得、各捕捉された画像は、１００ｍｍの焦点範囲を通して１ｍｍのステップの異なるＺ座標に対応する。米国特許第８，５８１，１６２号（前記特許文献１０）は、画像スタックの取得及び利用の様々な技術を記載しており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。様々な実装形態では、画像スタック及び／又は画像スタック外の画像はまた、ＶＦＬレンズの有無にかかわらず、システムにおいて取得され得る（例えば、ＶＦＬレンズが利用されない場合、システムは、機械的移動システムを利用して、ワークピース特徴部の画像を得るために、Ｚ軸に沿って焦点位置を変化させ得る）。
【0037】
様々な実装形態では、任意選択の焦点信号処理部分２７５は、カメラＣＭＯＳからのデータを入力し得、また、（例えば、ワークピース２２０のアパーチャＡＰ１の）撮像された表面領域が有効焦点位置にあるときを決定するために利用されるデータ又は信号を提供し得る。例えば、様々な実装形態では、画像スタックの一部などの異なる有効焦点位置（Ｚ座標）においてカメラＣＭＯＳによって取得された画像群は、既知の「最大コントラスト」又は「最良焦点画像」解析を使用して解析されて、ワークピース２２０の撮像された表面領域が対応する有効焦点位置（Ｚ座標）にあるときを決定し得る。しかしながら、より一般的には、任意の他の好適な既知の画像焦点検出構成が使用され得る。いずれの場合でも、ワークピース焦点信号処理部分２７５などは、（例えば、ＶＦＬレンズＬ４及び／又は移動機構などを利用して）前方視覚構成要素部分２０５Ａの有効焦点位置の周期的変調（複数の有効焦点位置の掃引）中に取得された画像を入力して、（例えば、ワークピース２２０のアパーチャＡＰ１の）標的ワークピース特徴部が最良に合焦した画像及び／又は画像タイミングを決定する。
【0038】
いくつかの実装形態では、焦点信号処理部分２７５は、標的ワークピース特徴部の最良焦点に対応するＶＦＬレンズＬ４の位相タイミングを決定して、「最良焦点」位相タイミング値を有効焦点位置較正部分２７３に出力し得る。有効焦点位置較正部分２７３は、それぞれの有効焦点位置（Ｚ座標）を、ＶＦＬレンズＬ４の標準的な撮像共振周波数の周期内のそれぞれの「最良焦点」位相タイミングと関連付ける有効焦点位置（Ｚ座標）較正データを提供し得、場合によっては、較正データは、概して、標準的な撮像駆動制御構成又は基準状態に従ってＶＦＬレンズＬ４を動作させることに対応し得る。例えば、様々な実装形態では、カメラＣＭＯＳからの信号データは、（例えば、画像スタックの一部として）カメラによって取得された１つ以上の画像に対応し得、焦点からの動作（ｐｏｉｎｔｓ－ｆｒｏｍ－ｆｏｒｃｕｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ））又は他の解析の一部としてのコントラスト又は他の指標（ｆｏｒｃｕｓ ｍｅｔｒｉｃ）の決定は、ワークピース２２０のワークピース特徴部の撮像表面領域が「最良焦点」位置にあるときを決定するために実施され得る。画像スタック及び焦点曲線を決定及び解析するための、及び焦点からの動作のための例示的な技術は、米国特許第６，５４２，１８０号（前記特許文献１1）、同第８，５８１，１６２号（前記特許文献８）、及び同第９，０６０，１１７号（前記特許文献１２）、において教示されており、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0039】
一般的に言えば、有効焦点位置較正部分２７３は、（例えば、組み込まれた先行技術文献において開示されているような較正プロセスによって決定される）記録された有効焦点位置（Ｚ座標）較正データを含む。このように、図２における別個の要素としてのその表現は、単に概略的な表現を例示することを意図したものであり、限定するものではない。様々な実装形態では、関連する記録された有効焦点位置（Ｚ座標）較正データは、レンズコントローラ２８０、ワークピース焦点信号処理部分２７５、又はシステム信号及び制御バス２９５に接続されたホストコンピューターシステム、などと一体化される場合、及び／又は区別されない場合がある。様々な実装形態では、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び後方視覚構成要素部分２０５Ｂの露光（ストロボ）時間コントローラ２３３ｅｓ、有効焦点位置較正部分２７３、ワークピース焦点信号処理部分２７５、レンズコントローラ２８０、及び／又は制御に利用される任意の他の部分、などは、計測システム２００の制御システム部分（例えば、図１の制御システム部分１２０）の一部として含まれ得る。様々な実装形態では、かかる制御システム部分又はその任意の部分は、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの一部として含まれ得る。
【0040】
様々な実装形態では、露光（ストロボ）時間コントローラ２３３ｅｓは、（例えば、周期的に変調された有効焦点位置の位相タイミングに対する）前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び後方視覚構成要素部分２０５Ｂの撮像露光時間を制御する。より具体的には、いくつかの実装形態では、画像露光中に、露光（ストロボ）時間コントローラ２３３ｅｓ（例えば、有効焦点位置較正部分２７３において利用可能な有効焦点位置（Ｚ座標）較正データを使用する）は、それぞれの制御された時間にストロボ発光させるように（例えば、焦点範囲内の既知のＺ座標に対応する異なる焦点位置において、画像スタックの各画像が取得されるように）、後方視覚構成要素部分２０５Ｂの第１の光源ＰＬＳ１を制御し得る。例えば、露光（ストロボ）時間コントローラ２３３ｅｓは、ＶＦＬレンズＬ４の標準撮像共振周波数の周期内のそれぞれの位相タイミングでストロボ発光させて、ＶＦＬレンズＬ４の掃引（周期的変調）範囲内の特定の有効焦点位置を有する（例えば、対応する既知のＺ座標を有する）画像を取得するように、第１の光源ＰＬＳ１（例えば、ストロボ光源）を制御し得る。他の実装形態では、露光時間コントローラ２３３ｅｓは、それぞれの制御された時間及び／又はその関連する有効焦点位置（Ｚ座標）において画像を取得するように、前方視覚構成要素部分２０５ＡのカメラＣＭＯＳの高速電子部品カメラシャッタを制御し得る。いくつかの実装形態では、露光（ストロボ）時間コントローラ２３３ｅｓは、カメラＣＭＯＳと一体化される場合、及び／又は区別されない場合がある。画像スタックの取得を管理するために、露光時間コントローラ２３３ｅｓ並びに上で概説した他の特徴部及び要素の動作が実施され得ることが理解されるであろう。
【0041】
第２の光源ＰＬＳ２が前方視覚構成要素部分２０５Ａに含まれる特定の実装形態では、第１の直線偏光子ＬＰ１は、第２の光源ＰＬＳ２からの光を（例えば、水平分極化によって）直線偏光に変換し得る。様々な実装形態では、所望のＺ座標における画像の最大コントラストを達成するように、計測システム２００の偏光を変化させる構成要素（例えば、前方視覚構成要素部分２０５Ａの第１の直線偏光子ＬＰ１及び第２の直線偏光子ＬＰ２）の一部又は全部が調整され得る（例えば、配向及び／又は位置に関して調整され得る）。
【0042】
様々な実装形態では、第２の光源ＰＬＳ２からのストロボ／パルス照明は、（例えば、第１の光源ＰＬＳ１の動作と同様に）ＶＦＬレンズＬ４の動作と併せて利用され得る。様々な実装形態では、更に又は代替的に、ストロボ／パルス照明及び／又は連続照明が、特定の他の動作の一部として利用され得る（例えば、図１の移動機構１１０Ａ又は他の移動機構によってＺ軸方向に沿って前方視覚構成要素部分２０５Ａを機械的に移動させて、ワークピース２２０に近づける又はそこから遠ざけるように焦点位置を変更する場合、など）。
【0043】
第２の光源ＰＬＳ２の潜在的な動作の具体的な例として、１つの実装形態では、（例えば、ワークピース２２０の外面に対応し得るように、アパーチャＡＰ１の入口部分ＥＮ１への入口において）第３のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃが撮像される。かかる実装形態では、移動機構（例えば、図１の移動機構１１０Ａ及び／又は他の移動機構）は、第３のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃが、取得されるべき対応する画像に合焦するように、Ｚ軸に沿って前方視覚構成要素部分２０５Ａを移動させて、ワークピース２２０に対する光学システムの焦点位置を変更するように構成及び利用され得る。様々な実装形態では、移動機構（例えば、移動機構１１０Ａ及び／又は１１０Ｂ）は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及び／又はＺ軸方向に沿った視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は２０５Ｂの運動を達成するためのアクチュエータ及び／又は他の構成要素を駆動する、様々な制御可能なモータを含み得る。
【0044】
図２の座標系は、直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を含むものとして示されている。様々な実装形態では、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの光軸ＯＡは、Ｚ軸を画定し得、及び／又はＺ軸と整列され得るか、若しくは平行であり得る。いくつかの実装形態では、座標系は、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの局所座標系であり得る（例えば、その場合、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの光軸ＯＡがＺ軸を画定し得る）。他の実装形態では、座標系は、ワークピース２２０の局所座標系であり得る（例えば、その場合、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの光軸ＯＡをＺ軸と整列させること、又は平行にすることが望ましくなり得る）。他の実装形態では、座標系は、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂを移動させる移動機構の局所座標系であり得る（例えば、移動機構１１０Ａ及び／又は１１０Ｂであり、その場合、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの光軸ＯＡを座標系のＺ軸と整列させること、及び／又は平行にすることが望ましくなり得、また、その場合、移動機構は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿った前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び／又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂの動きを制御し得る）。他の実装形態では、更に又は代替的に、（例えば、画像スタックの画像などのために）他の局所座標系が確立され得る。様々な実装形態では、かかる任意の局所座標系は、概して、それらのＺ軸が互いに少なくともほぼ整列していること及び又は平行であること、などが望ましくなり得る。様々な実装形態では、局所座標系の一部として、Ｘ座標、Ｙ座標、及びＺ座標に加えて又はその代わりに、（例えば、視覚構成要素部分２０５Ａ及び／若しくは２０５Ｂの配向、並びに／又はアパーチャＡＰ１の貫通孔部分ＴＨ１のワークピース特徴部の表面点などのワークピース２２０のアパーチャＡＰ１の円筒部分内の表面点などの被測定表面点の座標の決定、などに関して）特定のタイプの円筒座標、デカルト座標、又は他の座標が利用され得る。
【0045】
様々な実装形態では、（例えば、Ｚ軸に沿って配向されたアパーチャＡＰ１の貫通孔部分ＴＨ１の両側に位置する第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂなどの）異なるＺ座標に位置するワークピース特徴部の画像を含む画像スタックを取得することが望ましくなり得る。かかる実装形態では、画像スタックが取得され得、そして、第１及び第２の局所的焦点ピーク並びに／又は（例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの各々に対応する有効焦点位置ＥＦＰを示す）他の指標を決定することを含む、動作が実施され得る。様々な実装形態では、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの焦点位置を決定するための画像スタックは、高い精度でワークピース特徴部の焦点位置を決定するために十分な数の画像（例えば、いくつかの実装形態では、少なくとも３０枚の画像、又は少なくとも６０枚の画像、など）を含み得る。
【0046】
様々な実装形態では、ワークピース２２０（又は図１のワークピース２０）は、ワークピースを通って延在する多数のアパーチャ（例えば、少なくとも１０００個、又は１００００個、又は１０００００個のアパーチャ、など）を有し得る。様々な実装形態では、Ｘ軸及びＹ軸に沿ったワークピース２２０の寸法は、比較的大きく（例えば、１メートル超、など）なり得、その場合、Ｚ軸に沿った厚さは、比較的薄くなり得る（例えば、Ｘ軸及び／又はＹ軸に沿った寸法の５％未満、２％未満、又は１％未満）。様々な実装形態では、アパーチャの様々なワークピース特徴部の直径及びそれらの間の距離など（例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの直径及びそれらの間の距離、など）の、アパーチャの様々な態様を測定することが望ましくなり得る。
【0047】
動作中に、ワークピース２２０は、前方視覚構成要素部分２０５Ａと後方視覚構成要素部分２０５Ｂとの間に位置決めされる。移動機構１１０Ａ及び１１０Ｂは、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び後方視覚構成要素部分２０５Ｂの光軸ＯＡを横断する方向において、前方視覚構成要素部分２０５Ａとワークピース２２０との間の相対位置及び後方視覚構成要素部分２０５Ｂとワークピース２２０との間の相対位置を調整し、それによって、前方視覚構成要素部分２０５Ａ及び後方視覚構成要素部分２０５Ｂ両方の光軸ＯＡとワークピース２２０のアパーチャＡＰ１とを整列させるために利用される。したがって、後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、前方視覚構成要素部分２０５Ａからワークピース２２０の反対側にある。
【0048】
この配置では、後方視覚構成要素部分２０５Ｂの第１の光源ＰＬＳ１からの光の少なくとも一部分が、コリメート光ＣＬとして合焦レンズＬ６及びコリメータレンズＬ７を通過し、次いで、拡散光ＤＬとしてディフューザＬＤを通過し、次いで、アパーチャＡＰ１を撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャＡＰ１を通過する。前方視覚構成要素部分２０５ＡのカメラＣＭＯＳは、拡散光ＤＬによって少なくとも部分的に照明されたアパーチャＡＰ１の複数の画像を含む画像スタックを取得するために利用され、画像スタックの各画像は、ＶＦＬレンズＬ４の光パワーの周期的変調の位相タイミングに対応する、前方視覚構成要素部分２０５Ａの光軸ＯＡに沿った異なる焦点位置に対応する。アパーチャのワークピース特徴部間の距離（例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａと第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂとの間の距離Ｄ１）及び／又はアパーチャＡＰ１の直径、などの、アパーチャＡＰ１のワークピース特徴部に関連する測定値は、画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて決定される。
【0049】
様々な実装形態では、画像スタックを取得した後に、（例えば、Ｚ座標に関して）第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの関連する焦点位置を決定するために、（例えば、コントラスト及び／又は他の要因を評価することを含む）画像スタックの解析が実施され得る。次いで、ワークピース特徴部ＷＰＦ１ＡとＷＰＦ１Ｂとの間の距離Ｄ１は、対応するＺ座標間の差に従って決定され得る。かかる解析に更に関して、（例えば、それぞれのワークピース特徴部の合焦位置に最も近い画像スタックの画像に従って）各ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及びＷＰＦ１Ｂの合焦画像が決定されると、ワークピースの最良に合焦した画像を利用して、ワークピース特徴部の対応する寸法が決定され得る。例えば、各ワークピース特徴部の直径は、ワークピース特徴部のそれぞれの合焦画像に測定動作を実施することによって決定され得る。一実装形態では、画像に閾値処理を実施して、閾値領域内のピクセルの総数を決定することによって、（例えば、ワークピース特徴部の相当面積を表す）相当直径が決定され得、それにより、相当直径が決定され得る（例えば、その場合、ワークピース特徴部の相当面積は、対応する相当直径を有する円形領域とみなされ得る）。
【0050】
開示された構成は、ワークピース２２０が、検査／測定プロセスの一部として検査／測定することが必要である多数のアパーチャ（例えば、１０００個超のアパーチャ、又は１０００００個超のアパーチャ、など）の一部として、多数のかかるワークピース特徴部を含む場合であっても、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂなどのワークピース特徴部の正確な測定を可能にすることが認識されるであろう。かかるワークピースの場合、多数のアパーチャの間には（例えば、様々な部分の長さ、様々な部分の直径、などに関して）いくらかのばらつきが存在し得、その場合、（例えば、ばらつきが許容可能な製造公差の範囲内にあるかどうかなどを決定するために）所望のワークピース特徴部を迅速かつ正確に測定できることが有利である。これに関して、開示された構成の利用は、（例えば、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂなどのワークピース特徴部の正確な測定が、システムが測定するようにだけ構成されている狭い範囲内に位置及び／又はサイズがあるワークピース特徴部に依存するシステムとは対照的に）かかるばらつきが生じた場合であっても、システムが、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂなどのワークピース特徴部を正確に測定することを可能にするのを補助する。より具体的には、図２の構成（すなわち、撮像及び測定機能のための拡散光ＤＬを提供するためにコリメータレンズＬ７及びディフューザＬＤを有する後方視覚構成要素部分２０５Ｂを含む）は、（例えば、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂなどの）ワークピース特徴部を、（例えば、Ｚ軸に沿った）かかるワークピース特徴部の比較的広い範囲の可能な位置にわたって、許容可能なレベルのコントラストで撮像することを可能にする。
【0051】
様々な実装形態では、Ｚ軸に沿って延在する寸法が、Ｘ軸方向及び／又はＹ軸方向に沿った直径又は他の断面寸法よりも大きくなるように、アパーチャＡＰ１及び／又はその特定の部分（例えば、貫通孔部分ＴＨ１）のアスペクト比は、比較的高く（例えば、２：１よりも大きく）なり得る。様々な実装形態では、後方視覚構成要素部分２０５ＢとアパーチャＡＰ１との整列が不完全であり得る場合であっても、後方視覚構成要素部分２０５ＢのディフューザＬＤは、撮像（例えば、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの撮像）に十分な光がアパーチャＡＰ１に指向されることを確実にするのを補助する。より具体的には、いくらかの不整列が存在し得る実装形態では、ディフューザＬＤは、所望の撮像を実施するための十分な量の拡散光ＤＬがアパーチャＡＰ１に指向されることを確実にするのを補助する。
【0052】
様々な実装形態では、本明細書に記載されたように、ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及びＷＰＦ１Ｂを測定するために画像スタックが取得され得、一方で、ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃを測定するために自動焦点サイクル又は他の撮像プロセスが実施され得る（例えば、いくつかの実装形態では、移動機構を利用して、自動焦点サイクルの一部として、Ｚ軸に沿って前方視覚構成要素部分２０５Ａを移動させることを含み得る）。特定の代替的な実装形態では、ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃを測定するために、又はワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、及びＷＰＦ１Ｃの３つ全てを測定するために、画像スタックが取得され得る。
【0053】
様々な実装形態では、移動機構（例えば、図１の移動機構１１０Ａ及び／又は他の移動機構）は、更に又は代替的に、異なる対物レンズを対物レンズＬ２の位置に回転させる又は別様に移動させるように構成され得、その場合、ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃは、広くなった範囲に入り得る（例えば、ＶＦＬレンズＬ４などの動作の一部として、画像スタック又は個々の画像の一部として撮像され得る）ように、異なる対物レンズは、ＶＦＬレンズＬ４の動作と組み合わせて、より小さい倍率を有し得、及び／又は別様により広い範囲Ｒｅｆｐを提供し得る。様々な実装形態では、更に又は代替的に、（例えば、ワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｃが、広くなった範囲に入り得るように）範囲Ｒｅｆｐを広くするために、特定の他の方法が利用され得る。例えば、レンズコントローラは、ＶＦＬレンズＬ４の共振周波数を高めて、ＶＦＬレンズＬ４の光パワーを増加させ、それに応じて範囲Ｒｅｆｐを増加させるように構成／利用され得る。別の例として、レンズコントローラ２８０は、ＶＦＬレンズＬ４に対する駆動信号振幅を大きくして、ＶＦＬレンズＬ４の光パワーを増加させ、それに応じて範囲Ｒｅｆｐを広くするように構成／利用され得る。
【0054】
図３は、本明細書に開示された原理による、後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’の概略図である。後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’は、図２の後方視覚構成要素部分２０５Ｂと同様又は同一であり得、以下で別途説明されていない限り、同様又は同一の構成要素を有し、かつ同様に動作することが理解されるであろう。図３に例示されるように、様々な実装形態では、後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’（又は図２の後方視覚構成要素部分２０５Ｂ）は、アパーチャＡＰ１の出口部分ＥＸ１の開口部（例えば、近傍）における拡散光ＤＬの断面が、寸法ＤＤＬ（例えば、直径又は相当直径）を有するように構成され得る。様々な実装形態では、寸法ＤＤＬは、コリメート光ＣＬによってディフューザＬＤ上に生成される照明スポットのサイズを調整することによって調整され得る。
【0055】
様々な実装形態では、照明効率を最適化するために（例えば、貫通孔部分ＴＨ１を含むアパーチャＡＰ１の様々な部分を照明する、撮像する、などのために、拡散光ＤＬの大部分が出口部分ＥＸ１の開口部内で受信されるように）寸法ＤＤＬは、出口部分ＥＸ１の開口部の寸法ＤＥＸ１（例えば、直径又は相当直径）と等しいか、又は僅かに大きくなり得る。様々な実装形態では、配置は、寸法ＤＤＬが寸法ＤＥＸ１よりもいくらか大きくなるように（例えば、位置及び／又は角度的整列などの変化に対して、後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’及び関連する構成要素とアパーチャＡＰ１との整列の特定の公差などを可能にするように）構成され得る。かかる配置はまた、限られた期間内に多数のアパーチャがワークピース上で撮像されるとき、及び特定の整列公差が所望され得る場合に、後方移動機構１１０Ｂを利用して、後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’を迅速に移動させて、異なるアパーチャと整列させるときにも利点を提供し得る。拡散光ＤＬを有する開示された構成は、後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’の光軸ＯＡとアパーチャＡＰ１の中心軸との正確な整列（例えば、特定の代替的な照明／採光構成において必要とされ得る）を必要としないことに留意されたい。様々な実装形態では、後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’の光軸ＯＡは、後方視覚構成要素部分の構成要素の光軸（例えば、コリメータレンズＬ７などの光軸）によって、又は後方視覚構成要素部分２０５Ｂ’の中心軸などに従って画定され得る。
【0056】
【0057】
図４は、上で概説したように、前方視覚構成要素部分１０５Ａ／２０５ＡのＶＦＬレンズＬ４の焦点距離を変調することによって周期的に制御される、図１及び図２の計測システム１００／２００の周期的に変調された焦点位置を例示するタイミング図４００のチャートである。例示された例では、各焦点位置は、対応するＺ座標を有し、その場合、前方視覚構成要素部分１０５Ａ／２０５Ａの光軸及び／又は焦点軸は、対応する座標系のＺ軸（例えば、その場合、Ｚ座標が、代替的に、Ｚ軸座標として示され得る）を定義し得、及び／又は別様に（例えば、同軸又は平行、などに）整列される。周期的に変調された焦点位置は、正弦波曲線４１０によって表されている。位相タイミングに対する焦点位置（すなわち、対応するＺ座標によって示される）の関係は、既知の原理による較正によって（例えば、既知のＺ座標まで表面を繰り返しステップさせ、次いで、既知のＺ座標において画像に最良に合焦する位相タイミングを手動又は計算で決定し、そして、ルックアップテーブルなどにその関係を記憶することによって）確立され得る。
【0058】
タイミング図４００はまた、周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミング（例えば、φ０、φ１、φ１２、φｎ、など）に対応するように、それぞれのＺ座標（例えば、ｚφ０、ｚφ１、ｚφ１２、ｚφｎ、など）において合焦した画像を露光させるためにどのようにストロボ照明を調整することができるのかを定性的に示す。すなわち、例示された例では、カメラＣＭＯＳが積分期間中に画像を取得している間、ストロボパルスが焦点変調期間に対して短く、かつ位相タイミングφ０において提供された場合、焦点位置は、Ｚ座標ｚφ０にあり、Ｚ座標ｚφ０に位置する任意のワークピース表面は、結果として生じる画像に合焦する。同様の説明が、タイミング図４００に示される他の例示的な位相タイミング及びＺ座標にも適用される。
【0059】
タイミング図４００に示される位相タイミングは、例示的なものに過ぎず、限定するものではないことが理解されるであろう。より一般的には、ユーザによって選択された、又は制御システムによって自動的に選択された任意の位相タイミングは、周期的に変調された焦点位置の最小及び最大のＺ座標を表す、Ｚ座標ｚφ０～ｚφｎの範囲内の関連する焦点位置を有する。また、特定の位相タイミングにおける１つのストロボパルスが、十分に露光された画像を提供するのに十分でなかった場合、ストロボパルスは、（タイミング図４００の例示的な位相タイミングφ０、φ１、φ１２のいずれかの繰り返し事例によって概略的に例示される）画像積分期間内の任意の所望の期間数にわたってその特定の位相タイミングで繰り返され得ることも理解されるであろう。例えば、いくつかの実施形態又は実装形態では、１つ、又はいくつか、又は数千個、などのかかるパルスが、積分期間内に積分され得る。その効果は、その特定の位相タイミング及び／又は結果として生じた画像のＺ座標に対応する画像露光が増加することである。１つの具体的な例示的実装形態として、７２ｋＨｚの周波数において変調する可変焦点距離レンズ及び３０フレーム／秒で動作するカメラの撮像アレイの場合、単一のカメラフレーム取得時間は、２，４００サイクルの可変焦点距離レンズ及び結果として生じる焦点位置Ｚ座標に対応する。例示的な位相タイミングφ１及びφ１２は、焦点位置サイクルの上り勾配上に示されることが認識されるであろう。いくつかの実施形態では、パルスはまた、焦点位置サイクルの下り勾配中に同じＺ座標に対応する積分期間内にも積分され得る。
【0060】
図５は、図４に示される周期的に変調された焦点位置の正弦波曲線４１０の水平に広がった部分４１０’、及び（例えば、チャート５００の垂直破線の位相タイミング位置によって表される）画像スタックを収集するために使用可能な位相タイミングに対応する位相タイミングを示すチャート５００である。図５はまた、（例えば、この特定の例では、例示的な位相タイミングφ１０及びφ２７において）周期的に変調された焦点位置の第１及び第２の位相タイミングに対応するストロボ照明の第１及び第２の特定の事例を利用して、異なるＺ座標に位置するワークピース特徴部（例えば、第１のＺ座標Ｚφ１０に位置する第１のワークピース特徴部、及び第２のＺ座標Ｚφ２７に位置する第２のワークピース特徴部、など）の画像焦点を提供する、対応する露光画像をどのように生成することができるのかも定性的に示す。
【0061】
画像スタック（チャート５００の垂直破線の位相タイミング位置によって表される）を収集するために使用可能な位相タイミングに対応する位相タイミングに関して、本明細書に開示された原理に従って、１つの実装形態では、代表的なワークピースの１つ以上の関心領域に関して１つの画像スタック（又は複数の画像スタック）が取得され得る。例えば、画像スタックは、（例えば、１つ以上の期間にわたる）位相タイミングφ０と一致する１つ以上のストロボ照射パルスを使用して第１の画像を露光することによって取得され得る。例示された例では、画像スタック内の第２の画像は、位相タイミングφ１などを使用して、位相タイミングφ３５まで同様に取得され得る。画像スタックは、様々な焦点位置を使用して視野を撮像し、概して、対応する位相タイミングを使用して取得される、所望のＺ座標に対応する焦点位置を有する任意の所望の数の画像を含むことができることが理解されるであろう。
【0062】
上述したように、図５は、周期的に変調された焦点位置の第１及び第２の位相タイミング（例えば、例示的な位相タイミングφ１０及びφ２７）に対応するストロボ照明の第１及び第２の特定の事例を利用して、異なるＺ座標に位置するワークピース特徴部（例えば、第１のＺ座標ｚφ１０に位置する第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ、及び第２のＺ座標ｚφ２７に位置する第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ、など）の画像焦点を提供する対応する露光画像をどのように生成することができるのかを部分的に例示している。図２に関する具体的な例として、第１及び第２のＺ座標における第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂは、アパーチャＡＰ１の貫通孔部分ＴＨ１の入口及び出口のそれぞれであり得る。
【0063】
図５に例示されるように、代表的なワークピース上の視野内の第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂは、画像スタックのそれぞれの画像において十分な画像焦点を有するものとして示されている。第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａは、φ１０の位相タイミングに対応するＺ座標Ｚφ１０において最良に又は十分に合焦したものとして示されており、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂは、φ２７の位相タイミングに対応するＺ座標Ｚφ２７において最良に又は十分に合焦したものとして示されている。様々な実装形態では、１つ以上の関心領域のコントラストが、（例えば、既知の方法に従って）画像スタックの各画像において解析され得る。かかるプロセスを利用して、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂそれぞれの最良の又は十分なコントラスト及び焦点を提供するものとして示される、特定の画像及び／又は補完Ｚ座標が決定され得る。
【0064】
様々な実装形態では、関心領域内のワークピース特徴部について最良の又は十分な画像焦点を有する画像の決定は、様々な技術に従って行われ得る。１つの特定の例示的実装形態では、焦点曲線の解析を含む技術が利用され得る。焦点曲線は、既知の（例えば、組み込まれた参考文献に記載された）方法に従って確立され得る焦点曲線データ点に基づいて形成され得る。手短に言えば、１つの例示的な方法では、画像スタック内の捕捉された画像ごとに、その画像内のそれぞれの関心領域に基づいて指標値が計算され、その指標値は、（例えば、画像が捕捉された対応する位相タイミング及びＺ座標に関連する）焦点曲線上のデータ点になる。これは、焦点曲線データをもたらし、これは単に「焦点曲線」又は「自動焦点曲線」と称され得る。画像スタック及び焦点曲線の決定及び解析の例示的な技術は、米国特許第８，５８１，１６２号（前記特許文献１０）、同第９，０６０，１１７号（前記特許文献１２）、及び同第１０，８８０，４６８号（前記特許文献１３）において教示されており、それぞれ参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0065】
様々な実装形態では、画像スタックの解析は、アパーチャＡＰ１のワークピース特徴部が合焦している（例えば、焦点曲線の局所的ピーク又は他の特性に対応し得る）焦点位置を示す、画像スタックの焦点曲線データを決定することを含む。例えば、焦点曲線データは、アパーチャＡＰ１の第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａが合焦している第１の焦点位置、及びアパーチャＡＰ１の第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂが合焦している第２の焦点位置を示し得る。第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂに関連する測定は、焦点曲線データの解析に基づいて行われ得る。例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａと第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂとの間の距離Ｄ１は、焦点曲線データの解析に基づいて決定され得る。
【0066】
様々な実装形態では、ワークピースのアパーチャは、ドリル加工プロセス（例えば、レーザドリル加工、機械ドリル加工、など）、又は他の機械加工プロセスを通して形成され得る。かかるプロセスの一部として、特定のワークピース特徴部（例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ）は、ドリル加工孔の入口及び出口（例えば、貫通孔部分ＴＨ１などの貫通孔部分の入口及び出口）に対応し得る。かかるワークピース特徴部に関して、（例えば、ドリル加工又は他の機械加工プロセスが完了した後に、かかる入口又は出口に残り得る細片、余分な材料、又は他の欠点の可能性に起因し、その場合、かかる欠点の存在がワークピースの性能などに影響を及ぼし得る）特定の態様を検査することが重要であり得る。図６Ａ及び図６Ｂに関して以下でより詳細に説明されるように、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ又は第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ（すなわち、貫通孔部分ＴＨ１の入口又は出口）の欠点（例えば、細片、余分な材料、など）は、概して、画像内で視認可能であり得、それぞれのワークピース特徴部のＺ座標において十分に合焦される。
【0067】
図６Ａ及び図６Ｂは、φ１０及びφ２７のＺ座標においてそれぞれワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及びＷＰＦ１Ｂを有する、例えば、図５に例示されるφ１０及びφ２７の位相タイミングにおいて捕捉された第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの相対的合焦画像である。貫通孔部分ＴＨ１は、ドリル加工プロセスによって形成され得、その場合、入口及び出口はどちらも特定の欠点／欠陥を有する。より具体的には、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１ＢそれぞれのセクションＳＥＣ１Ａ及びＳＥＣ１Ｂは各々、各それぞれのワークピース特徴部の一部として貫通孔部分ＴＨ１内へ延在する少量の材料を（すなわち、理想的には完全な円柱貫通孔部分ＴＨ１であり得る、貫通孔部分ＴＨ１の各端部における所望の完全に丸い／円形のワークピースに対する欠点／欠陥として）例示する。合焦画像を取得することによって、（例えば、欠点が許容可能な製造公差の範囲内にあるかどうか、などを決定するために）図６Ａ及び図６Ｂの画像のセクションＳＥＣ１Ａ及びＳＥＣ１Ｂの欠点の検査、測定、などを行うことができる。
【0068】
上で説明したように、（例えば、図２の）例示的なアパーチャＡＰ１は、入口部分ＥＮ１と、貫通孔部分ＴＨ１と、出口部分ＥＸ１と、を備えている。貫通孔部分ＴＨ１は、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の入口）と、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の出口）と、を備えている。品質管理の目的で（例えば、貫通孔部分を有するワークピースを製造する場合は）、貫通孔部分の特定の特徴部を測定することが望ましくなり得るが、場合によっては、かかる特徴部は、（例えば、貫通孔部分などの限られたアクセス及び／又は制限されたサイズ／空間に起因して）照明及び測定が困難であり得る測定することが望ましい１つのかかる特徴部は、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の入口）と第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の出口）との間の距離Ｄ１である。本明細書に記載されるように、これは、例えば、（例えば、前方視覚構成要素部分２０５Ａの）撮像システムを第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａに合焦させて、（すなわち、第１のＺ座標に対応する）その焦点位置を決定／測定し、次いで、撮像システムを第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂに合焦させて、（例えば、第２のＺ座標に対応する）その焦点位置を決定／測定することによって行うことができる。かかるプロセスは、画像スタックなどの取得及び解析の一部として実施され得る。焦点位置（例えば、Ｚ座標）間の差は、距離Ｄ１である。本明細書に記載されるように、焦点位置は、各々、コントラスト測定のピークに従って見出すことができる。
【0069】
ディフューザ（例えば、ディフューザＬＤ）が光源からの光の経路に含まれない（すなわち、コリメート光ＣＬが、ディフューザを通過せずに、出口部分ＥＸ１へと延びている）、図２に対する代替的な実装形態では、いくつかの実装形態では、距離Ｄ１の測定は、精度が比較的低くなり得ることが実験的に決定されている。特定の数値的な例として、場合によっては、かかる構成が、１５～２０％短くなり得る距離Ｄ１の決定をもたらし得る（すなわち、決定された距離Ｄ１が、実際の距離Ｄ１よりも１５～２０％短くなり得る）ことが実験的に決定されている。かかる差は、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの場合、（すなわち、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの焦点位置／Ｚ座標を決定するために利用される）所望のピークコントラスト信号よりも小さくなり得る、という事実に起因して、少なくとも部分的にもたらされ得る。これは、例えば、より小さいコントラスト値をもたらす画像スタック内の第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの画像をもたらすコリメート／非拡散光に起因する。いくつかの実装形態では、より小さいコントラスト値は、（例えば、ディフューザを伴わずに光を提供する照明構成から生じる）第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの周りの、又は別様にその近傍の照明ハロに少なくとも部分的に起因し得る。代替的又は追加的に、より小さいコントラスト値は、欠点（例えば、細片などであり、細片などが位置する他のＺ座標においてコントラストの上昇を生じさせ得る、及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの位置のピークコントラストの決定／計算を歪め得る、など）に起因し得る。他の要因もまた、ディフューザを伴わない照明構成の利用によって少なくとも部分的にもたらされ得るので、より小さいコントラスト値に寄与し得る。
【0070】
本明細書に開示されるように、かかる課題に対処するために、（例えば、光源ＰＬＳ１からの光の経路に位置するディフューザＬＤを含む）後方視覚構成要素部分２０５Ｂの構成が提供され、その場合、結果として生じる拡散光ＤＬは、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの焦点位置／Ｚ座標を決定するための所望の撮像及び所望のピークコントラスト信号をもたらし、更には、他の特徴部の所望のピークコントラスト信号及び撮像（例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａの場合は、貫通孔部分ＴＨ１などの様々な位置における細片などの任意の欠点）をもたらす。単一の画像スタック取得の一部としてかかる所望の撮像／ピークコントラスト信号を（例えば、ＶＦＬレンズの動作を利用して）可能にする単一の照明構成は、所望の要素／特徴部（例えば、述べられたワークピース特徴部、対応する位置／距離、細片などの欠点、など）の全てのかかるデータを、単一の連続した取得プロセスの一部として（例えば、単一の画像スタックを取得することの一部として）収集することを可能にすることが認識されるであろう。これは、複数の照明構成の利用を必要とするプロセスとは対照的であり、このプロセスは、より多くの時間を必要とし得、並びに、異なる照明構成などの使用の間に切り替えるときに生じ得る任意の変更の課題を生じさせる。
【0071】
上で説明した後方視覚構成要素部分２０５Ｂの構成によれば、様々な実装形態では、光源ＰＬＳ１は、合焦レンズＬ６を通して光を提供し、その場合、次いで、光がコリメータレンズＬ７によってコリメートされ、コリメート光ＣＬがディフューザＬＤ（例えば、透過型光ディフューザなどの、光学ディフューザ）に指向されて照明スポットを形成し、この照明スポットが、関連するワークピース特徴部（例えば、ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、細片などの任意の欠点、など）を含む貫通孔部分ＴＨ１を含む、アパーチャＡＰ１を照明及び撮像する（例えば、陰影撮像を含む）ための拡散光ＤＬ（例えば、拡散コリメート光として参照され得る）を提供する。ディフューザＬＤによる光線の拡散は、本質的に、特定の所望の照明条件（例えば、各々が特定のワークピース特徴部を撮像するための所望され得る、収束光、分岐光、及び／又はコリメート光を提供することを含む）を通じて平均分散を提供する。これは、任意の特定のワークピース特徴部を撮像するための（例えば、収束光、分岐光、又はコリメート光のうちの１つだけを利用する）最適化の妥協点を効果的に提供し、また、所望のワークピース特徴部の全ての画像を含む画像スタックを取得することなどの、単一の画像取得プロセスを実施することを可能にする。
【0072】
様々な実装形態では、ディフューザＬＤ上のコリメート光ＣＬによって生成される照明スポットのサイズは、（例えば、システムの開口数（numerical aperture、ＮＡ）などの制約に依存する）照明効率を最適化するように調整／構成され得る。図２の構成（例えば、対物レンズＬ２のＮＡ、出口部分ＥＸ１の寸法、貫通孔部分ＴＨ１、及び／又は入口部分ＥＮ１、など）における光／照明の開口数（ＮＡ）を制限し得る、様々な構成要素が存在し得ることに留意されたい。特定の数値的な例として、１つの実装形態では、システムのＮＡ制限が０．１（６度）であった場合、所望の撮像／測定には、出口部分ＥＸ１から８０ｍｍに配置されたディフューザＬＤ上の１６ｍｍの照明スポットが十分であり得る。様々な実装形態では、偏光撮像（例えば、前方視覚構成要素部分２０５Ａの偏光子ＬＰ２などの１つ以上の偏光子を含む）を利用して、貫通孔部分ＴＨ１の側壁からの散乱光を抑制し得る（例えば、散乱の大部分がランダムな偏光であるとすれば、散乱光は、いくつかの実装形態では、約１／２に低減され得る）。
【0073】
特定の欠点（例えば、細片など）を撮像／測定する場合、様々な実装形態では、（例えば、画像内の貫通孔部分ＴＨ１の明るい中央とは対照的に、任意の細片などが暗領域として現れ得る、貫通孔部分ＴＨ１内の細片などの特定の欠点の所望の撮像を提供し得る陰影撮像の場合）コリメート照明／光に近い少なくともいくらかの照明を有することが望ましいことに留意されたい。かかる撮像の場合、（例えば、貫通孔部分ＴＨ１の軸に対する後方視覚構成要素部分２０５Ｂの光軸の角度的整列などの、機械的整列に対する感度を低減するために）ある程度の照明の発散もまた所望され得る。
【0074】
第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａを撮像／測定する場合、様々な実装形態では、（例えば、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａの位置及びサイズに対して高いコントラストを提供し得る、ナイフエッジタイプなどの、陰影撮像の場合）分岐照明／光に近い少なくともいくらかの照明を有することが望ましくなり得ることに更に留意されたい。照明／光の少なくともいくらかに対応する開口数（ＮＡ）を、システムのＮＡ制限（機械的ＮＡ、対物レンズＬ２のＮＡ、など）に整合させる（例えば、僅かに上回り得る）ことが望ましくなり得る。これは、最大角（例えば、ナイフエッジ構成）において第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａに接近する光線の少なくともいくらかが、前方視覚構成要素部分２０５Ａの撮像システムによって捕捉されることを確実にする。したがって、特定の実装形態では、照明が「ナイフエッジ」構成で第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａを通過する場合（例えば、上述のように、分岐照明に近い少なくともいくらかの照明／光を有することによって達成され得る）、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａにおけるコントラスト（例えば、十分に高いコントラスト）が所望され得る。
【0075】
第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂを撮像／測定する場合、様々な実装形態では、収束照明／光に近い少なくともいくらかの照明を有することが望ましくなり得ることに更に留意されたい（例えば、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂの位置及びサイズに対して高いコントラストを提供し得る、ナイフエッジタイプなどの、陰影撮像の場合）。照明／光の少なくともいくらかに対応する開口数（ＮＡ）を、システムのＮＡ制限（機械的ＮＡ、対物レンズＬ２のＮＡ、など）に整合させる（例えば、僅かに上回り得る）ことが望ましくなり得る。これは、最大角（例えば、ナイフエッジ構成）において第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂに接近する光線の少なくともいくらかが、前方視覚構成要素部分２０５Ａの撮像システムによって捕捉されることを確実にする。したがって、特定の実装形態では、照明が「ナイフエッジ」構成で第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂを通過する場合（例えば、上述のように、収束照明に近い少なくともいくらかの照明／光を有することによって達成され得る）、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂにおけるコントラスト（例えば、十分に高いコントラスト）が所望され得る。
【0076】
いくつかの実装形態では、特に第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂのあまり望ましくない撮像／測定を生じさせるために（及び、例えば、ワークピース特徴部ＷＰＦ１ＡとＷＰＦ１Ｂとの間の対応する決定された距離Ｄ１に関連して）、代替的な照明構成（例えば、アパーチャＡＰ１を照明するためにコリメート光だけを利用し、ディフューザＬＤを利用しない）が実験的に決定されていることに留意されたい。これは、図２の開示された構成と対比され得、その場合、コリメート光ＣＬを拡散させて拡散光ＤＬを生成するためのディフューザＬＤを含む照明構成を利用する後方視覚構成要素部分２０５Ｂは、第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂ（及び、例えば、ワークピース特徴部ＷＰＦ１ＡとＷＰＦ１Ｂとの間の対応する距離Ｄ１）のより望ましい高精度な撮像／測定を生じさせる。概して、上述したように、ディフューザＬＤは、本質的に、特定の所望の照明条件を通じて平均分散を提供し、これは、述べられたワークピース特徴部の全ての画像を含む画像スタックを取得することなどの単一の画像取得プロセスを可能にし、また、述べられたワークピース特徴部の各々（例えば、ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、Ｄ１、細片などの任意の欠点、などを含む）の望ましい高精度な撮像／測定値をもたらす。
【0077】
図７は、本明細書に開示される原理による、アパーチャＡＰのワークピース特徴部に関連する測定値を決定するように、前方視覚構成要素部分１０５Ａ、２０５Ａ及び後方視覚構成要素部分１０５Ｂ、２０５Ｂを含む計測システム１００、２００を動作させるための方法の１つの例を示すフロー図である。
【0078】
ステップ７０２は、後方視覚構成要素部分１０５Ｂ、２０５ＢのディフューザＬＤを通過する後方視覚構成要素部分１０５Ｂ、２０５Ｂの光源ＰＬＳ１からの光の少なくとも一部分が、アパーチャを撮像するための照明の少なくとも一部を提供するためにアパーチャＡＰ、ＡＰ１を通過するように、ワークピース２０、２２０と計測システム１００、２００の前方視覚構成要素部分１０５Ａ、２０５Ａ及び後方視覚構成要素部分１０５Ｂ、２０５Ｂとの間の相対位置を調整して、前方視覚構成要素部分１０５Ａ、２０５Ａの光軸ＯＡとワークピースのアパーチャＡＰ、ＡＰ１とを整列させ、更には、後方視覚構成要素部分１０５Ｂ、２０５Ｂの光軸ＯＡとワークピースのアパーチャＡＰ、ＡＰ１とを整列させることを含む。前方視覚構成要素部分１０５Ａ、２０５Ａは、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズＬ４と、前方視覚構成要素部分１０５Ａ、２０５Ａの光軸ＯＡを画定する対物レンズＬ２と、カメラＣＭＯＳと、を備えている。
【0079】
ステップ７０４は、ディフューザＬＤを通過した光源ＰＬＳ１からの光によって少なくとも部分的に照明されたアパーチャＡＰ、ＡＰ１の複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、画像スタックの各画像が、ＶＦＬレンズＬ４の光パワーの周期的変調の位相タイミングφｎに対応する前方視覚構成要素部分１０５Ａ、２０５Ａの光軸ＯＡに沿った異なる焦点位置に対応する、を取得することを含む。
【0080】
ステップ７０６は、画像スタックの解析に少なくとも部分的に基づいて、アパーチャＡＰのＷＰＦ１Ｂ、ＡＰ１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａに関連する測定値を決定することを含む。様々な実装形態では、画像スタックの解析は、ワークピース特徴部に合焦する焦点位置を示す画像スタックの焦点曲線データを決定することを含む。様々な実装形態では、ワークピース特徴部は、アパーチャＡＰ、ＡＰ１の第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａであり、焦点位置は、第１の焦点位置であり、焦点曲線データは、アパーチャＡＰ、ＡＰ１の第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂが合焦している第２の焦点位置を更に示し、測定値は、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａと第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂとの間の距離Ｄ１を含む。様々な実装形態では、アパーチャＡＰ、ＡＰ１は、貫通孔部分ＴＨ１を含み、第１のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ａ及び第２のワークピース特徴部ＷＰＦ１Ｂは、それぞれ貫通孔部分ＴＨ１の出口及び入口に対応する。
【0081】
上で説明したように、画像スタックの画像ごとに、光源ＰＬＳ１は、画像スタックのそのそれぞれの画像のそれぞれの焦点位置に対応する周期的に変調された焦点位置のそれぞれの位相タイミングφｎに対応するように調整されたストロボ照明の少なくとも１つの事例を提供するように制御され得る。
【0082】
本開示の好ましい実装形態が図示及び説明されてきたが、特徴及び動作のシーケンスの図示及び説明された配置における多数の変形が、本開示に基づいて当業者には明らかであろう。本明細書に開示される原理を実装するために、様々な代替形式が使用されてもよい。
【0083】
本明細書で参照される全ての米国特許及び米国特許出願は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。実装形態の態様は、必要に応じて、様々な特許及び出願の概念を用いて、更なる実装形態を提供するように修正することができる。上記の詳細な説明に照らして、これら及び他の変更を実装形態に行うことができる。通常、以下の特許請求の範囲において使用する用語は、明細書及び特許請求の範囲に開示された特定の実装形態に対する特許請求の範囲を限定するものと解釈すべきではないが、こうした特許請求の範囲に権利を与える均等物の全範囲とともに全ての考えられる実装形態を含むものと解釈すべきである。
【符号の説明】
【0084】
２０、２２０…ワークピース
１００、２００…計測システム
１０５…視覚構成要素部分
１０５Ａ、２０５Ａ…前方視覚構成要素部分
１０５Ｂ、２０５Ｂ、２０５Ｂ’…後方視覚構成要素部分
１１０…移動機構部分
１１０Ａ…前方移動機構
１１０Ｂ…後方移動機構
１２０…制御システム部分
１２２…プロセッサ
１２４…メモリ
２３３ｅｓ…露光（ストロボ）時間コントローラ
２７３…有効焦点位置（Ｚ座標）較正部分
２７５…ワークピース焦点信号処理部分
２８０…ＶＦＬレンズコントローラ
２８０’…信号線
２８１…駆動信号発生器部分
２８１’…タイミングクロック
２８２…撮像回路／ルーチン
２９５…システム信号及び制御バス
ＡＰ、ＡＰ１…アパーチャ
ＣＬ…コリメート光
ＣＭＯＳ…カメラ
ＤＬ…拡散光
ＥＦＰ…有効焦点位置
ＥＮ１…入口部分
ＥＸ１…出口部分
Ｌ０、Ｌ７…コリメータレンズ
Ｌ１…収束レンズ
Ｌ２…対物レンズ
Ｌ３…リレー光学系
Ｌ４…ＶＦＬ（焦点距離可変）レンズ
Ｌ５…チューブレンズ
Ｌ６…合焦レンズ
ＬＤ…ディフューザ
ＬＰ１、ＬＰ２…直線偏光子
Ｍ１…反射ミラー
ＮＰＢＳ…非偏光ビームスプリッタ
ＯＰＡＴＨ…ワークピース撮像光路
ＰＬＳ１、ＰＬＳ２…光源
ＴＨ１…貫通孔部分
ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、ＷＰＦ１Ｃ…ワークピース特徴部
１００、２００…計測システム
１０５…視覚構成要素部分
１０５Ａ、２０５Ａ…前方視覚構成要素部分
１０５Ｂ、２０５Ｂ、２０５Ｂ’…後方視覚構成要素部分
１１０…移動機構部分
１１０Ａ…前方移動機構
１１０Ｂ…後方移動機構
１２０…制御システム部分
１２２…プロセッサ
１２４…メモリ
２３３ｅｓ…露光（ストロボ）時間コントローラ
２７３…有効焦点位置（Ｚ座標）較正部分
２７５…ワークピース焦点信号処理部分
２８０…ＶＦＬレンズコントローラ
２８０’…信号線
２８１…駆動信号発生器部分
２８１’…タイミングクロック
２８２…撮像回路／ルーチン
２９５…システム信号及び制御バス
ＡＰ、ＡＰ１…アパーチャ
ＣＬ…コリメート光
ＣＭＯＳ…カメラ
ＤＬ…拡散光
ＥＦＰ…有効焦点位置
ＥＮ１…入口部分
ＥＸ１…出口部分
Ｌ０、Ｌ７…コリメータレンズ
Ｌ１…収束レンズ
Ｌ２…対物レンズ
Ｌ３…リレー光学系
Ｌ４…ＶＦＬ（焦点距離可変）レンズ
Ｌ５…チューブレンズ
Ｌ６…合焦レンズ
ＬＤ…ディフューザ
ＬＰ１、ＬＰ２…直線偏光子
Ｍ１…反射ミラー
ＮＰＢＳ…非偏光ビームスプリッタ
ＯＰＡＴＨ…ワークピース撮像光路
ＰＬＳ１、ＰＬＳ２…光源
ＴＨ１…貫通孔部分
ＷＰＦ１Ａ、ＷＰＦ１Ｂ、ＷＰＦ１Ｃ…ワークピース特徴部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】