特許 7143097 高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システム

(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】

(24)【登録日】2022-09-16

(45)【発行日】2022-09-28

(54)【発明の名称】高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システム

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/00 20060101AFI20220920BHJP

   G03B 15/00 20210101ALI20220920BHJP

   G02B 7/28 20210101ALI20220920BHJP

【ＦＩ】

G01B11/00 H

G03B15/00 T

G02B7/28 H

【請求項の数】 17

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2018050015

(22)【出願日】2018-03-16

(65)【公開番号】P2018159704

(43)【公開日】2018-10-11

【審査請求日】2021-02-04

(31)【優先権主張番号】15/466,272

(32)【優先日】2017-03-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】スコット アレン ハーシラ

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－１４５４１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０４１３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－１８０１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６２１５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５２５４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５１０１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４８６１９７５（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

Ｇ０３Ｂ １５／００

Ｇ０２Ｂ １９／００－２１／００

Ｇ０２Ｂ ２１／０６－２１／３６

Ｇ０２Ｂ ７／２８－ ７／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システムであって、
前記撮像システムは、
撮像光源によって発せられた光によって照射されたワークピース表面から発した光が入力されるように構成された対物レンズと、撮像光路に沿って前記対物レンズにより伝達された光を受光するように構成された前記ＶＦＬレンズと、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズにより伝達された光を受光するように構成されたカメラと、
前記ＶＦＬレンズを制御してその光学パワーを周期的に変調させることにより、前記撮像システムの合焦位置が複数のＺ高さにわたって周期的に変調されるように構成されたＶＦＬレンズ制御部と、を備え、
前記変調監視システムは、
前記ワークピース表面を含まない変調監視光路であって、前記ＶＦＬレンズを通る変調監視光路に沿ってＶＦＬ透過光を発する、前記撮像光源とは異なる光源であるＶＦＬ透過光源と、
前記ＶＦＬ透過光を受光し、且つ、前記ＶＦＬレンズの前記光学パワーに対応した少なくとも１つの光学検出器信号を出力するように構成された光学検出器を含む変調信号決定部と、を備え、
前記少なくとも１つの光学検出器信号に基づいて少なくとも１つの変調監視信号を出力する、変調監視システム。

【請求項2】

前記ＶＦＬ透過光源は、（ａ）前記対物レンズに近い側である前記ＶＦＬレンズの前部、又は（ｂ）前記対物レンズから遠い側である前記ＶＦＬレンズの後部のいずれか一方で前記ＶＦＬ透過光が変調監視光路に沿って前記ＶＦＬレンズに入力されるように配置され、
前記光学検出器は、前記（ａ）又は前記（ｂ）のいずれか他方で前記ＶＦＬレンズから出力された前記ＶＦＬ透過光を前記変調監視光路に沿って受光するように配置されている、
請求項１に記載の変調監視システム。

【請求項3】

前記ＶＦＬ透過光源は、前記（ａ）で前記ＶＦＬ透過光が前記ＶＦＬレンズに入力されるように配置されている、
請求項２に記載の変調監視システム。

【請求項4】

前記ＶＦＬ透過光源は、前記（ｂ）で前記ＶＦＬ透過光が前記ＶＦＬレンズに入力されるように配置されている、
請求項２に記載の変調監視システム。

【請求項5】

前記ＶＦＬ透過光源は、（ａ）前記対物レンズに近い側である前記ＶＦＬレンズの前部、又は（ｂ）前記対物レンズから遠い側である前記ＶＦＬレンズの後部のいずれか一方で前記ＶＦＬ透過光が変調監視光路に沿って前記ＶＦＬレンズに入力されるように配置され、
波長依存リフレクタは、前記（ａ）又は前記（ｂ）のいずれか他方で前記ＶＦＬレンズから出力された前記ＶＦＬ透過光を反射させて前記変調監視光路に沿って戻すように配置され、
前記光学検出器は、前記（ａ）又は前記（ｂ）のうち前記一方で反射された前記ＶＦＬ透過光を前記変調監視光路に沿って受光するように配置されている、
請求項１に記載の変調監視システム。

【請求項6】

前記ＶＦＬ透過光源は、前記（ａ）で前記ＶＦＬ透過光が前記ＶＦＬレンズに入力されるように配置され、
前記波長依存リフレクタは、前記（ｂ）で前記ＶＦＬ透過光を反射させるように配置され、
前記光学検出器は、前記（ａ）で反射された前記ＶＦＬ透過光を受光するように配置されている、
請求項５に記載の変調監視システム。

【請求項7】

前記ＶＦＬ透過光源は、前記（ｂ）で前記ＶＦＬ透過光が前記ＶＦＬレンズに入力されるように配置され、
前記波長依存リフレクタは、前記（ａ）で前記ＶＦＬ透過光を反射させるように配置され、
前記光学検出器は、前記（ｂ）で反射された前記ＶＦＬ透過光を受光するように配置されている、
請求項５に記載の変調監視システム。

【請求項8】

前記波長依存リフレクタが、狭帯域リフレクタである、
請求項５に記載の変調監視システム。

【請求項9】

前記波長依存リフレクタが、ダイクロイックリフレクタである、
請求項５に記載の変調監視システム。

【請求項10】

前記ＶＦＬ透過光が、少なくとも７００ｎｍの波長を有する、
請求項１に記載の変調監視システム。

【請求項11】

前記光学検出器が、シャックハルトマン型センサを含む、
請求項１に記載の変調監視システム。

【請求項12】

前記光学検出器が、少なくとも１つの４セルフォトダイオードセンサを含む、
請求項１１に記載の変調監視システム。

【請求項13】

前記光学検出器が、個別のフォトダイオードを含む、
請求項１１に記載の変調監視システム。

【請求項14】

前記光学検出器が、少なくとも１つの位置感知型検出器を含む、
請求項１１に記載の変調監視システム。

【請求項15】

前記ＶＦＬレンズが、可変音響式屈折率分布型レンズである、
請求項１に記載の変調監視システム。

【請求項16】

前記ＶＦＬレンズ制御部にフィードバックを与えて、前記ＶＦＬレンズの光学パワー又は周波数の少なくとも一方の変化を補償するように構成されている、
請求項１に記載の変調監視システム。

【請求項17】

前記変調監視光路は、撮像に用いられる前記ＶＦＬレンズの部分の外側で前記ＶＦＬレンズを通過する、
請求項１に記載の変調監視システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は精密計測に関し、より具体的には、可変焦点距離レンズを用いて合焦位置を周期的に変調することができ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】

【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」）は、物体の精密な測定を行うと共に他の物体の特徴を検査するために使用できる。そ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、ワークピースの走査を可能と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は、イリノイ州オーロラに位置するＭｉｔｕｔｏｙｏ Ａｍｅｒｉｃａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＭＡＣ）から入手可能なＱＵＩＣＫ ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）シリーズのＰＣベースのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアである。ＱＵＩＣＫ ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作については、概ね、例えば２００３年１月に発表されたＱＶＰＡＫ ３Ｄ ＣＮＣ画像測定機ユーザガイドに記載されている。これは援用によりその全体が本願に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。

【0003】

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「ベストフォーカス（ｂｅｓｔ ｆｏｃｕｓ）」の高さ決定に基づいている）、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高さ合焦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高さ位置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高さ位置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高さ測定を実行できる速度は、そのＺ高さ位置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。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

こういった移動の制約を克服するため、革新的で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 ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｇｔｈ）レンズは、極めて高いレートで周期的に合焦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、温度等の条件の変動によって、ＶＦＬレンズの光学パワー及び変調周波数の変化が生じることがある。補償が必要となり得るそのような性能の変化を識別する手段を提供することが望ましい。

【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、特許請求の範囲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】

本明細書に、特に図３～図６を参照して開示されるのは、高速で周期的に合焦位置が変調されるＶＦＬレンズの変調特性を監視するために動作可能であるシステムの様々な実施例において、上記の問題を解決するために使用され得る要素、原理、及び動作の組み合わせである。開示される実施例は、ＴＡＧレンズと組み合わせて用いる際に特に有利である。

【0007】

具体的には、高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システムが開示される。撮像システムは、対物レンズ、ＶＦＬレンズ制御部、及びカメラを備えている。対物レンズは、ワークピース表面から発した光が入力されるように構成されている。ＶＦＬレンズは、撮像光路に沿って対物レンズにより伝達された光を受光するように構成されている。カメラは、撮像光路に沿ってＶＦＬレンズにより伝達された光を受光するように構成されている。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高速で周期的に変調させることにより、撮像システムの合焦位置が複数のＺ高さにわたって周期的に変調されるように構成されている。変調監視システムは、ＶＦＬレンズを通る変調監視光路に沿ってＶＦＬ透過光を発するＶＦＬ透過光源と、ＶＦＬ透過光を受光し、且つ、ＶＦＬレンズの光学パワーに対応した少なくとも１つの光学検出器信号を出力するように構成された光学検出器を含む変調信号決定部と、を備えている。変調監視システムは、少なくとも１つの光学検出器信号に基づいて少なくとも１つの変調監視信号を出力する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】汎用の精密マシンビジョン検査システムの種々の典型的な構成要素を示す図である。

【図2】図１のシステムと同様の、本明細書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】高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システムの第１の実施例の概略図である。

【図4】高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システムの第２の実施例の概略図である。

【図5】高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを含む撮像システムと共に用いられる変調監視システムの第３の実施例の概略図である。

【図6A】光学検出器の様々な実施例において使用可能である「方向性（ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ）」タイプの光学検出器の第１の実施例を示す。

【図6B】光学検出器の様々な実施例において使用可能である「方向性」タイプの光学検出器の第２の実施例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。様々な実施例では、タッチスクリーンタブレット等によって、制御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。

【0010】

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、プログラムモジュールの機能性は、有線又は無線のいずれかの構成において、多数のコンピューティングシステム又はデバイスにわた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。

【0011】

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（例えば０．５倍から１００倍まで）を与える。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。

【0012】

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を有し得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。

【0013】

光学アセンブリ部２０５は、カメラ２６０、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。様々な実施例において、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。様々な実施例において、交換可能対物レンズ２５０は、固定倍率対物レンズのセット（例えば０．５倍から１００倍までの範囲のセット等）から選択することができる。

【0014】

様々な実施例において、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、合焦位置を周期的に変調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。様々な実施例において、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。

【0015】

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、カメラ２６０に集光される。様々な実施例において、カメラ２６０はワークピース光が入力され、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）を制御システム部１２０への信号ライン２６２上に出力する。透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源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に接続することができる。制御システム部１２０は、画像の倍率を変調するため、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。

【0016】

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

【0017】

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、図３～図６を参照して以下で詳述するように、レンズ制御部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２７１は、レンズ合焦動作回路及び／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を制御してその光学パワーを（例えば正弦波状に）周期的に変調させることで、Ｚ高さ方向に沿った複数の合焦位置にわたって撮像システムの合焦位置を確定された動作周波数で周期的に変調することができる。

【0018】

様々な実施例において、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。拡大被写界深度モードは、ユーザによって選択されると、単一の合焦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。様々な実施例において、撮像制御インタフェース１３１及び／又はレンズ制御部２７１は倍率変調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、又は倍率変調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、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」と題する米国特許公報第２０１７／００１３１８５号（「１８５号出願」とも称する）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。

【0019】

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）生成器１４３ｒｏｉを含む。関心領域生成器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、焦点高さ測定動作のための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。

【0020】

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又はパラメータを調整することによって特定のインスタンスでこれらを適用及びカスタム化することができる。ビデオツールは、基礎にある動作及び計算の他に、ビデオツールの特定のインスタンス向けにそれらのパラメータをユーザが調整することを可能とするユーザインタフェースも備えている。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。

【0021】

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。カメラ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。

【0022】

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、カメラ２６０によってキャプチャされた画像の閲覧、及び／又はビジョン構成要素部２００の直接制御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２７１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。

【0023】

種々の例示的な実施例において、ユーザがマシンビジョン検査システム１００を用いてワークピース２０のためのパートプログラムを生成する場合、ユーザは、マシンビジョン検査システム１００を学習モードで動作させて所望の画像取得訓練シーケンスを提供することによって、パートプログラム命令を発生させる。例えば訓練シーケンスは、代表的ワークピースの特定のワークピース要素を視野（ＦＯＶ：Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ）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１又は複数のワークピース（例えば実行モードのワークピース）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。

【0024】

図３は、高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ３７０を含む撮像システム３１０と共に用いられる変調監視（モニタリング）システム３００の第１の実施例の概略図である。撮像システム３１０は、マシンビジョン検査システム１００のようなマシンビジョン検査システムに適用可能である。撮像システム３１０は、光源３３０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、対物レンズ３５０、ＶＦＬレンズ３７０、カメラ３６０、リレーレンズ３８６、及びＶＦＬレンズ制御部３７１を含む。対物レンズ３５０は、ワークピース３２０の表面から発した画像光（ワークピース光）３５５が入力されるように構成されている。ＶＦＬレンズ３７０は、撮像光路３３４に沿って対物レンズにより伝達された画像光３５５を受光するように構成されている。カメラ３６０は、撮像光路３３４に沿ってＶＦＬレンズ３７０により伝達された画像光３５５を受光するように構成されている。ＶＦＬレンズ制御部は、駆動信号生成器３７２及びタイミングクロック３７２’を備えている。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高速で周期的に変調させ、これによって、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３１０の合焦位置ＦＰを周期的に変調するように構成されている。

【0025】

様々な実施例において、光源３３０は、撮像システム３１０の視野内でワークピース３２０を（例えばストロボ又は連続波照明を用いて）照明するように構成可能である。様々な実施例において、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。様々な実施例において、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できるように制御可能であると共に、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。

【0026】

動作において、図３に示す実施例では、光源３３０は「落射照明（ｃｏａｘｉａｌ）」光源であり、ビームスプリッタ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に隣接した合焦位置ＦＰで集束するワークピース光（画像光）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。他の実施例では、同様の光源によって視野を非同軸に照明することができる。例えば、リング光源が視野を照明することができる。様々な実施例において、対物レンズ３５０は交換可能対物レンズとすることができ、チューブレンズ３５１はターレットレンズアセンブリの一部として含めることができる（例えば、図２の交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０と同様）。様々な実施例において、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。

【0027】

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、これをカメラ３６０に出力する。様々な実施例において、カメラ３６０は画像露光期間中にワークピース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に提供するためのカメラ２６０の動作と同様）。

【0028】

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。代替的な実施例では、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例では、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。

【0029】

上述のように本願に含まれる１８５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、様々な実施例では、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。

【0030】

様々な実施例において、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のように開口数（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高及び／又は合焦位置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、画像収差等を最小限に抑えるように、ＶＦＬレンズの位置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。

【0031】

様々な実施例において、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１８５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例では、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。

【0032】

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）撮像システムの合焦位置ＦＰを変えるよう電子的に制御可能である。合焦位置ＦＰは、合焦位置ＦＰ１と合焦位置ＦＰ２によって画定される範囲Ｒ内で動かすことができる。様々な実施例において、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）。

【0033】

変調監視システム３００は、ＶＦＬ透過光源３４０、変調信号決定部３８０、ビームスプリッタ３８８、ビームスプリッタ３８９、及び波長依存リフレクタ３４６を備えている。ＶＦＬ透過光源３４０は、ＶＦＬレンズ３７０を通る変調監視光路３４４に沿ってＶＦＬ透過光３４３を発するように構成された光生成器３４１を備えている。変調信号決定部３８０は光学検出器３８５を備え、これは、反射されたＶＦＬ透過光３４５を受光するように、更に、ＶＦＬレンズ３７０の変調された光学パワーに対応した少なくとも１つの光学検出器信号を出力するように構成されている。変調監視システム３００は、この少なくとも１つの光学検出器信号に基づいて少なくとも１つの変調監視信号を出力する。

【0034】

様々な実施例において、レンズ制御部３７１及び変調信号決定部３８０の各々、並びに追加の構成要素は、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。

【0035】

図３に示す実施例において、ＶＦＬ透過光源３４０は、変調監視光路３４４に沿ってＶＦＬ透過光３４３を発するように配置されている。変調監視光路３４４は、対物レンズ３５０から遠い側であるＶＦＬレンズ３７０の後部３７０ＢでＶＦＬ透過光３４３がＶＦＬレンズ３７０に入力される経路である。波長依存リフレクタ３４６は、対物レンズ３５０に近い側であるＶＦＬレンズ３７０の前部３７０ＡでＶＦＬレンズ３７０から透過光３４３が出力された後、これを反射させて変調監視光路３４４に沿って戻す（反射ＶＦＬ透過光３４５と表記されている）ように配置されている。光学検出器３８５は、反射ＶＦＬ透過光３４５が後部３７０ＢでＶＦＬレンズ３７０から出力され、ビームスプリッタ３８８及びビームスプリッタ３８９で反射された後、これを変調監視光路３４４に沿って受光するように配置されている。

【0036】

いくつかの実施例において、波長依存リフレクタ３４６は、ダイクロイック又は狭帯域リフレクタとすることができ、ビームスプリッタ３８９は、ダイクロイック又は狭帯域リフレクタであるビーム分割表面を含むことができる。いくつかの実施例では、望ましくないＶＦＬ透過光３４３がカメラ３６０によって撮像されることを回避するため、光生成器３４１は、カメラ３６０が感知できる光スペクトルの外側のＶＦＬ透過光３４３を出力することが望ましい場合がある。例えば、ＶＦＬ透過光は少なくとも７００ｎｍの波長を有し得る。このため、波長依存リフレクタ３４６及びビームスプリッタ３８９は、画像光３５５を透過すると共にＶＦＬ透過光３４３及び／又は反射ＶＦＬ透過光３４５を反射するように構成することができる。

【0037】

図３に示す実施例において、ＶＦＬ透過光源３４０は、光生成器３４１（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３４２を備えている。様々な実施例において、ＶＦＬ透過光３４３は、変調監視光路３４４に沿って投影される際にコリメートすることができる。

【0038】

種々の代替的な実施例は、変調監視システム３００に類似した光学構成要素を、ＶＦＬレンズ３７０及び対物レンズ３５０に対して異なる順序で組み込み得る。限定ではないが図４及び／又は図５を参照して以下で詳述するものを含むいくつかの実施例において、ＶＦＬ透過光源３４０は、発したＶＦＬ透過光が、対物レンズ３５０に近い側であるＶＦＬレンズ３７０の前部３７０Ａで変調監視光路に沿ってＶＦＬレンズ３７０に入力されるように配置できる。波長依存リフレクタは、対物レンズ３５０から遠い側であるＶＦＬレンズ３７０の後部３７０ＢでＶＦＬレンズ３７０からＶＦＬ透過光が出力された後、これを変調監視光路に沿って反射させるように配置できる。光学検出器は、反射ＶＦＬ透過光が前部３７０ＡでＶＦＬレンズ３７０から出力された後、これを変調監視光路に沿って受光するように配置できる。

【0039】

いくつかの実施例において、変調監視システム３００は、ＶＦＬレンズ制御部３７１に対するフィードバックとして少なくとも１つの光学信号を出力して、温度又は他のファクタのような周囲条件の変化によって起こり得るＶＦＬレンズ３７０の光学パワー又は周波数の少なくとも一方の変化を補償するように構成できる。例えば、駆動信号生成器３７２は、少なくとも１つの光学検出器信号に応答して、ＶＦＬレンズ３７０の変調を駆動する駆動信号を調整できる。いくつかの実施例において、変調監視システム３００は、システム信号及び制御バス３９５を介して、又は図３に破線で示す直接接続を介して、フィードバックを与えることができる。

【0040】

いくつかの実施例において、ＶＦＬ透過光源３４０は、ストロボパルスがＶＦＬレンズ３７０の様々な変調位相に対応するようにＶＦＬ透過光３４３をストロボ発光させるよう構成できる。ＶＦＬレンズ３７０の変調は、この変調を特徴付ける振幅及び周波数のようなファクタを決定するため、光学検出器３８５によって所望のタイミングでサンプリングすることができる。

【0041】

図４は、高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ４７０を含む撮像システム４１０と共に用いられる変調監視システム４００の第２の実施例の概略図である。図４の変調監視システム４００は、図３の変調監視システム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って理解され得ることは認められよう。図４のいくつかの付番された構成要素は、以下で他の記載のある場合を除いて、図３の同様に付番された構成要素に対応し得る及び／又はこれらの構成要素と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の特徴については詳細に説明しない。以下の記載では、本明細書に前述した様々なシステムの実施例とは異なる変調監視システム４００の動作のいくつかの要素及び態様を強調している。

【0042】

図４に示す実施例において、ＶＦＬレンズ透過光源４４０は、発したＶＦＬ透過光４４３が、対物レンズ４５０に近い側であるＶＦＬレンズ４７０の前部４７０Ａで変調監視光路４４４に沿ってＶＦＬレンズ４７０に入力されるように配置されている。光学検出器４８５は、ＶＦＬ透過光４４３が後部４７０ＢでＶＦＬレンズ４７０から出力された後、これを変調監視光路４４４に沿って受光するように配置されている。

【0043】

図４に示す特定の実施例では、ＶＦＬ透過光４４３を画像光４５５から分離するため、光生成器４４１は、ビームスプリッタ４８８によって反射されると共にビームスプリッタ４８９によって選択的に反射されるＶＦＬ透過光４４３を出力する。図３を参照して概説した動作及び設計に基づく類推により、様々な実施形態では、光生成器４４１は、カメラ４６０が感知できる光スペクトルの外側のＶＦＬ透過光４４３を出力することが望ましい場合があり、ビームスプリッタ４８８及びビームスプリッタ４８９は、画像光４５５の全て又は大部分を透過すると共にＶＦＬ透過光４４３の全て又は大部分を反射するダイクロイック又は狭帯域リフレクタである表面を含み得る。

【0044】

種々の代替的な実施例は、変調監視システム４００に類似した光学構成要素を、ＶＦＬレンズ４７０及び対物レンズ４５０に対して異なる順序で組み込み得る。いくつかの実施例において、ＶＦＬ透過光源は、発したＶＦＬ透過光が、対物レンズ４５０から遠い側であるＶＦＬレンズ４７０の後部４７０Ｂで変調監視光路に沿ってＶＦＬレンズに入力されるように配置できる。光学検出器は、ＶＦＬ透過光が前部４７０ＡでＶＦＬレンズ４７０から出力された後、これを変調監視光路に沿って受光するように配置できる。

【0045】

図５は、高速で周期的に合焦位置が変調される可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ５７０を含む撮像システム５１０と共に用いられる変調監視システム５００の第３の実施例の概略図である。簡略化のため、撮像システム５１０のＶＦＬレンズ５７０のみが示されている。ＶＦＬレンズ５７０は、撮像システム４１０と同様の構成の撮像システム５１０内に配置することができる。図５のいくつかの付番された構成要素は、以下で他の記載のある場合を除いて、図４の同様に付番された構成要素に対応し得る及び／又はこれらの構成要素と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の特徴については詳細に説明しない。変調監視システム５００は、ＶＦＬレンズ５７０を通る変調監視光路５４４に沿ってＶＦＬ透過光５４３を発するように構成された光源５４１を含むＶＦＬ透過光源５４０と、ＶＦＬ透過光５４３を受光するように、更に、ＶＦＬレンズ５７０の変調された光学パワーに対応した少なくとも１つの光学検出器信号を出力するように構成された光学検出器５８５を含む変調信号決定部５８０と、を備えている。変調監視システム５００は、少なくとも１つの光学検出器信号に基づいて少なくとも１つの変調監視信号を出力する。図５に示す実施例において、変調監視光路５４４は、撮像に用いられるＶＦＬレンズの部分５７１Ａの外側でＶＦＬレンズ５７０を通過する。更に具体的には、部分５７１Ａは、撮像光５５５を検出器に伝達するための画像開口（ｉｍａｇｅ ａｐｅｒｔｕｒｅ）に相当すると理解できる。図３に関して前述したように、可変音響式屈折率分布型レンズであるＶＦＬレンズ５７０では、部分５７１Ａは、ＶＦＬレンズ５７０の定在波の屈折率プロファイルにおける一次ベッセルリングの半径方向の範囲よりも小さくあるべきである。変調監視システム５００と同様のいくつかの実施例において、ＶＦＬ透過光５４３は狭帯域レーザビームであり得る。ＶＦＬ透過光５４３は、一次ベッセルリングの半径方向の範囲の外側に、例えば二次ベッセルリングの半径方向の範囲内に位置し得る。ＶＦＬレンズ５７０のそのような「二次ベッセルリング」領域は、収差のない撮像には適さない可能性があるが、ＶＦＬ透過光５４３を偏向又は集束させて、変調信号決定部５８０（例えば波面又はビーム偏向センサ）がＶＦＬレンズ５７０の変調の振幅及び／又は周波数及び／又は位相を監視するように動作するためには適切であり得る。

【0046】

図５に示す実施例において、変調監視システム５００は、ビームスプリッタ４８８及びビームスプリッタ４８９と同様の目的を果たすリフレクタ５８８及びリフレクタ５８９を備えている。しかしながら、変調監視システム５００は波長依存反射を必要としない。これは、変調監視光路５４４が、撮像に用いられるＶＦＬレンズの部分５７１Ａの外側でＶＦＬレンズ５７０を通過し、従って撮像光５５５からＶＦＬ透過光５４３を分離する必要がないからである。変調監視システム５００と同様のいくつかの実施例では、撮像システム５１０の特定の構成に応じて、リフレクタ５８８及びリフレクタ５８９も不必要となる場合がある。図５に示す構成は、ＶＦＬレンズ５７０の前部又は後部のうち一方でＶＦＬ透過光５４３が入力され、ＶＦＬレンズ５７０の前部又は後部の他方でＶＦＬ透過光５４３の変調を検知するように構成されてもよい。

【0047】

図６Ａ及び図６Ｂは、光学検出器３８５、４８５、又は５８５のような光学検出器の様々な実施例において使用できる、「方向性」タイプの光学検出器６８５’及び６８５’’の第１及び第２の実施例を示す。

【0048】

光学検出器６８５’は、既知のタイプの波面曲率検出器を含む。一般に、波面センサという言葉を本明細書で用いる場合、これは、入力光ビームの波面に沿った対応する領域において少なくとも１つの局所光線角度のサンプリングを行って、サンプリングした局所光線角度に依存した少なくとも１つの対応する検出信号を与えることとして記載できる。一般に、入力光ビームの波面に沿って分離された２つの対応する領域において少なくとも２つの局所光線角度をサンプリングして、サンプリングした局所光線角度に依存した少なくとも２つの検出信号を与えることが望ましい。少なくとも２つの検出器信号を含む関係は、入力光６４５の波面曲率の度合いに対応し、（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誤差として検出され阻止され得る。

【0049】

図示されている光学検出器６８５’は、シャックハルトマン型センサとして特徴付けることができ、レンズＬ１及びＬ２と、１又は複数の信号ライン及び制御ライン６６５を有する検出器６６２と、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ることができる。レンズＬ１及びＬ２は各々、入力光（例えば、図３を参照して上述した反射ＶＦＬ透過光）を集束する。

【0050】

図６に示す例において、入力光６４５（例えばＶＦＬ透過光３４５、４４３、又は５４３）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として現れる像を検出器６６２上に生成する。１つの実施例において、検出器６６２は少なくとも１つの４セルフォトダイオード（ｑｕａｄ ｃｅｌｌ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）を含み得る。これは例えば、Ｈａｍａｍａｔｓｕ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ（日本国静岡県）により製造されたモデルＳ５９８０分割型シリコンタイプＰＩＮフォトダイオードである。複数の４セルフォトダイオードによって高解像度の波面サンプリングを与え得るが、いくつかの実施例では、変調監視光路の中心光軸から離れて搭載された単一の４セルフォトダイオードによって、ＶＦＬレンズの変調を監視するために充分なサンプリングを与え得る。他の実施例において、検出器６６２は、少なくとも２つの個別の光検出器又は少なくとも１つの位置感知型検出器（ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）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、それぞれ基準位置ＲＰから検出器６６２の表面に沿った距離ＳＮ１及びＳＮ２にある。距離ＳＮ１とＳＮ２との差ＦＤＳは、変調監視信号ＭＭＳを表すと見なすことができる。距離ＳＮ１及びＳＮ２を測定する起点である基準位置ＲＰは、任意に選択すればよい。

【0051】

当技術分野において既知のように、「平坦な」波面ＷＦは、コリメートされている入力光６４５に対応する。波面ＷＦが平坦である場合、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整合したノミナル値の「ｎｕｌｌ」位置に現れ、変調監視信号ＭＭＳは、ノミナル値又は「ｎｕｌｌ」値を有する。

【0052】

ＶＦＬレンズの様々な変調位相において、波面ＷＦは平坦でない。図６に示す例では、入力光６４５は、湾曲波面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’として現れる像を検出器６６２上に生成する。図示されている波面曲率の極性では、検出スポットＤＳ１’及びＤＳ２’は、ｎｕｌｌ位置に現れる検出スポットＤＳ１及びＤＳ２よりも遠くに離れた位置に現れ、変調監視信号ＭＭＳ’は、そのノミナル値又は「ｎｕｌｌ」値よりも大きい。これに対して、反対の極性の曲率を有する波面（ＷＦ’’）では、検出スポット（ＤＳ１’’及びＤＳ２’’）は、ｎｕｌｌ位置に現れる検出スポットＤＳ１及びＤＳ２よりも近い位置に現れ、変調監視信号ＭＭＳ２’’は、そのノミナル値又は「ｎｕｌｌ」値よりも小さい。

【0053】

図６Ｂは、既知のタイプの軸方向合焦位置センサを含む光学検出器６８５’’を示す。これは方向性タイプのセンサであり、レンズ６１０、ビームスプリッタ６１２、第１のピンホール開口６２０Ａ及び第１の光検出器６２５Ａ、並びに第２のピンホール開口６２０Ｂ及び第２の光検出器６２５Ｂを含み得る。動作において、レンズ６１０は、入力光６４５（例えばＶＦＬ透過光３４５、４４３、又は５４３）が入力され、これを集束光ビーム６１５としてビームスプリッタ６１２の方へ透過させ、ビームスプリッタ６１２は、これを第１及び第２の測定ビーム６１５Ａ及び６１５Ｂに分割する。図６Ｂに示すように、第１の開口６２０Ａは、レンズ６１０までの光路長がレンズ６１０のノミナル値の焦点距離よりもわずかに短い位置に配置することができ、第２の開口６２０Ｂは、これよりもわずかに長い光路長を有するように位置付けることができる。このため、図６Ｂに示すように、第２の測定ビーム６１５Ｂが第２の開口６２０Ｂで概ね集束する場合、第２の光検出器６２５Ｂは、第２の測定ビーム６１５Ｂ内のエネルギを全て受け取り、最大値を有する第２の検出器信号を信号ライン６２６Ｂ上に出力する。同時に、第１の測定ビーム６１５Ａの焦点は、第１の開口６２０Ａまでの光路長を超えた所にある。従って、第１の開口６２０Ａは第１の測定ビーム６１５Ａの一部を遮り、第１の光検出器６２５Ａは、信号ライン６２６Ｂ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６２６Ａ上に出力する。一般に、これら２つの検出器信号の差は入力光６４５の軸方向合焦位置に応じて変動し、軸方向合焦位置は、波面曲率に関連した光線のノミナル値の収束又は発散に依存する。

【0054】

本明細書に示される実施例は、主として、マシンビジョン検査システムの一部である撮像システムと共に用いられる変調監視システムに関連していることは認められよう。そのような実施例は例示であり、限定ではない。本明細書に開示される原理に従った変調監視システムを、当業者によって理解され得る他の適用例において撮像システムと共に用いることも可能である。

【0055】

本開示の好適な実施例について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した特徴の構成及び動作のシーケンスにおける多数の変形が当業者には明らかであろう。開示される要素及び／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。上述の様々な実施例を組み合わせて別の実施例を提供することも可能である。本明細書において言及した米国特許及び米国特許出願は全て援用によりその全体が本願に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例を提供するために必要な場合は、上述の実施例の態様は変更可能である。

【0056】

前述の記載に照らして、実施例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例に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されず、そのような特許請求の範囲の権利が与えられる均等物の全範囲に加えて全ての可能な実施例を包含するものとして解釈されるべきである。

【符号の説明】

【0057】

１０…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…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、１００…マシンビジョン検査システム、１２０…制御システム部、１２５…制御部、１３０…入出力インタフェース、１３１…撮像制御インタフェース、１３２…移動制御インタフェース、１３２ａ…位置制御要素、１３２ｂ…速度／加速度制御要素、１３３…照明制御インタフェース、１３３ａ…照明制御要素、１３６…ディスプレイデバイス、１３８…入力デバイス、１４０…メモリ、１４０ｅｄ…エッジ検出メモリ部、１４１…画像ファイルメモリ部、１４２…ワークピースプログラムメモリ部、１４３…ビデオツール部、１４３ａ…ビデオツール部、１４３ａｆ…自動合焦ビデオツール、１４３ｒｏｉ…関心領域生成器、１７０…ワークピースプログラム生成器及び実行器、１９０…電源部、２００…ビジョン構成要素部、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…透過照明光源、２２１…バス、２２２，２３２，２４２…光源光、２３０…落射照明光源、２４０…斜め照明光源、２５０…交換可能対物レンズ、２５５…ワークピース光、２６０…カメラ、２６２…信号ライン、ＶＦＬ２７０…レンズ、２７１…レンズ制御部、２７１’…信号ライン、２８０…ターレットレンズアセンブリ、２８１…バス、２８４…軸、２８６，２８８…レンズ、２９０…ミラー、２９４…制御可能モータ、２９６…信号ライン、３００…変調監視システム、３１０…撮像システム、３２０…ワークピース表面、３２０…ワークピース、３３０…光源、３３４…撮像光路、３４０…ＶＦＬ透過光源、３４１…光生成器、３４２…コリメートレンズ、３４３…ＶＦＬ透過光、３４４…変調監視光路、３４５…反射ＶＦＬ透過光、３４６…波長依存リフレクタ、３５０…対物レンズ、３５１…チューブレンズ、３５２…リレーレンズ、３５５…画像光（ワークピース光）、３６０…カメラ、３７０…ＶＦＬレンズ、３７０Ａ…前部、３７０Ｂ…後部、３７１…レンズ制御部、３７２…駆動信号生成器、３７２…タイミングクロック、３７２…駆動信号生成器、３８０…変調信号決定部、３８５…光学検出器、３８６…リレーレンズ、３８８，３８９…ビームスプリッタ、３９０…部分ミラー、３９５…制御バス、４００…変調監視システム、４１０…撮像システム、４４０…ＶＦＬレンズ透過光源、４４１…光生成器、４４３…ＶＦＬ透過光、４４４…変調監視光路、４５０…対物レンズ、４５５…画像光、４６０…カメラ、４７０…ＶＦＬレンズ、４７０Ａ…前部、４７０Ｂ…後部、４８５…光学検出器、４８８，４８９…ビームスプリッタ、５００…変調監視システム、５１０…撮像システム、５４０…ＶＦＬ透過光源、５４１…光源、５４３…ＶＦＬ透過光、５４４…変調監視光路、５５５…撮像光、５７０…ＶＦＬレンズ、５７１Ａ…部分、５８０…変調信号決定部、５８５…学検出器、５８８，５８９…リフレクタ、６１０…レンズ、６１２…ビームスプリッタ、６１５…集束光ビーム、６１５Ａ，６１５Ｂ…測定ビーム、６２０Ａ，６２０Ｂ…ピンホール開口、６２５Ａ，６２５Ｂ…光検出器、６２６Ａ，６２６Ｂ…信号ライン、６４５…入力光、６６２…検出器、６６５…制御ライン、６８５’’…光学検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】