CN107346059A - 可变焦距成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种可变焦距(VFL)成像系统，包括：相机系统；第一高速可变焦距(VFL)透镜；第二高速可变焦距(VFL)透镜；第一中继透镜，包括第一中继焦距；第二中继透镜，包括第二中继焦距；以及透镜控制器。所述第一中继透镜和所述第二中继透镜沿着所述VFL成像系统的光轴相对于彼此间隔达等于所述第一中继焦距和所述第二中继焦距之和的距离。所述第一高速VFL透镜和所述第二高速VFL透镜在位于距所述第一中继透镜等于所述第一中继焦距的距离处的中间平面的相对侧上沿着所述光轴相对于彼此间隔。所述透镜控制器被配置为：提供所述第一高速VFL透镜的光功率和所述第二高速VFL透镜的光功率的同步周期性调制。

Description

可变焦距成像系统
技术领域
本公开涉及可以包含在机器视觉检验系统和显微镜中的成像系统。
背景技术
可以在精准无接触度量系统(例如精准机器视觉检验系统(或简称“视觉系统”))中利用可调整放大率光学系统。这些视觉系统可以受利用以获得物体的精确尺寸测量并且检验各种其它物体特性，并且可以包括计算机、相机和光学系统以及移动以允许工件横穿和检验的精准级。表征为通用“离线”精准视觉系统的一个示例性现有技术系统是QUICK系列的基于PC的视觉系统以及可得自位于伊利诺伊州Aurora的MitutoyoAmerica Corporation(MAC)的软件。QUICK系列的视觉系统和软件的特征和操作通常描述于例如2003年1月公开的QVPAK 3D CNC VisionMeasuring Machine User’s Guide以及1996年9月公开的QVPAK 3D CNC VisionMeasuring Machine Operation Guide中，其据此通过其完整引用合并到此。这种类型的系统使用显微镜类型光学系统并且移动级从而按各种放大率提供小工件或相对大工件的检验图像。
通用精准机器视觉检验系统通常是可编程的，以提供自动化视频检验。这些系统典型地包括GUI特征和预定图像分析“视频工具”，从而“非专家”操作者可以执行操作和编程。例如，通过其完整引用合并到此的美国专利No.6,542,180教导一种使用包括使用各种视频工具的自动化视频检验的视觉系统。
在各种应用中，期望执行高速自动聚焦、扩展的聚焦深度和/或其它操作，以促进对于固定检验系统或非停止移动检验系统中的高吞吐量的高速测量。传统机器视觉检验系统中的自动聚焦和其它要求聚焦的操作的速度受限于相机通过Z高度位置的范围的运动。需要改进的自动聚焦和/或其它操作，其利用收集聚焦距离的范围的图像(例如用于测量Z高度位置的图像堆叠)的替选方法，并且其尤其可按不同的放大率等级操作，而不危及聚焦的范围、图像质量和/或图像的尺寸精度。光学组件中的球面像差可能使得这些操作的性能降级。因此需要一种在成像系统的光学组件中提供减少的球面像差的成像系统。
发明内容
提供本发明内容以通过简化形式介绍以下在具体实施方式中进一步描述的构思的选择。本发明内容并非意图标识所要求的主题内容的关键特征，也非意图用于协助确定所要求的主题内容的范围。
提供一种可变焦距(VFL)成像系统。所述VFL成像系统包括：相机系统；第一高速可变焦距(VFL)透镜；第二高速可变焦距(VFL)透镜；第一中继透镜，包括第一中继焦距；第二中继透镜，包括第二中继焦距；以及透镜控制器。所述第一中继透镜和所述第二中继透镜沿着所述VFL成像系统的光轴相对于彼此间隔达等于所述第一中继焦距和所述第二中继焦距之和的距离。所述第一高速VFL透镜和所述第二高速VFL透镜在位于距所述第一中继透镜等于所述第一中继焦距的距离处的中间平面的相对侧上沿着所述光轴相对于彼此间隔。所述透镜控制器被配置为：提供所述第一高速VFL透镜的光功率和所述第二高速VFL透镜的光功率的同步周期性调制。
附图说明
图1是示出通用精准机器视觉检验系统的各种典型组件的示图；
图2是与图1相似的并且包括在此所公开的特征的机器视觉检验系统的控制系统部分和视觉组件部分的框图；
图3是可以适用于精准无接触度量系统(例如机器视觉检验系统)并且根据在此所公开的原理操作的可变焦距(VFL)成像系统的示意图；
图4是可变焦距(VFL)成像系统的部分的示意图；
图5是示出用于图3的VFL成像系统的周期性调制控制信号和光学响应的相位时序的时序图；以及
图6是示出在各个操作温度的一种类型的可变焦距透镜的谐振频率的图线的示图。
具体实施方式
图1是可根据在此所公开的原理使用的一个示例性机器视觉检验系统10的框图。机器视觉检验系统10包括视觉测量机器12，其可操作地连接，以与控制计算机系统14并且与监视器或显示器16、打印机18、操纵杆22、键盘24以及鼠标26交换数据和控制信号。监视器或显示器16可以显示适合于对机器视觉检验系统10进行控制和/或编程的用户接口。在各个实现方式中，触摸屏平板等可以替代以和/或冗余地提供任何或所有计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26的功能。
更一般地，控制计算机系统14可以包括或构成于任何计算系统或设备和/或分布式计算环境等，其中的任一可以包括执行软件以执行在此所描述的功能的一个或多个处理器。处理器包括可编程通用或专用微处理器、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等或这些设备的组合。软件可以存储在存储器(例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器等或这些组件的组合)中。软件也可以存储在一个或多个存储设备(例如基于光的盘、闪速存储器设备或用于存储数据的任何另外类型的非易失性存储介质)中。软件可以包括包含执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等的一个或多个程序模块。在分布式计算环境中，程序模块的功能性可以组合或分布遍及多个计算系统或设备并且要么通过有线配置要么通过无线配置经由服务调用而得以存取。
视觉测量机器12包括可移动工件级32以及光学成像系统34，其可以包括变焦透镜或可互换透镜。变焦透镜或可互换透镜通常对于光学成像系统34所提供的图像提供各种放大率(例如0.5x至100x)。相似的机器视觉检验系统描述于共同受让美国专利No.7,324,682、7,454,053、8,111,905以及8,111,938中，其中的每一个通过其完整引用合并到此。
图2是与图1的机器视觉检验系统相似的并且包括在此所描述的特征的机器视觉检验系统100的控制系统部分120和视觉组件部分200的框图。如以下将更详细地描述的那样，利用控制系统部分120以控制视觉组件部分200。视觉组件部分200包括光学组装部分205、光源220、230和240以及可以具有中心透明部分212的工件级210。工件级210可沿着平放在通常与工件20可以位于的级的表面平行的平面中的x轴和y轴可控制地移动。
光学组装部分205可以包括光学检测器260(例如相机、共焦光学检测器等)、第一高速可变焦距(VFL)透镜270A、第二高速可变焦距(VFL)透镜270B，并且可以还包括可互换物镜250以及具有透镜286、288的转台透镜组装280。对于转台透镜组装替代地，可以包括固定或手动可互换放大率更改透镜或变焦透镜配置等。在各个实现方式中，可以包括各种透镜作为光学组装部分205的可变放大率透镜部分的部件。在各个实现方式中，可互换物镜250可以选自固定放大率物镜集合(例如范围从0.5x到100x等的集合)。
在各个实现方式中，光学组装部分205可通过使用驱动激励器以沿着z轴移动光学组装部分205以改变工件20的图像的焦点的可控制电机294沿着通常与x轴和y轴正交的z轴可控制地移动。可控制电机294经由信号线路296连接到输入/输出接口130。如以下将更详细地描述的那样，第一高速VFL透镜270A和第二高速VFL透镜270B也可以操作为周期性地调制聚焦位置。待使用机器视觉检验系统100成像的工件20或承载多个工件20的托盘或夹具放置在工件级210上。在各个实现方式中，工件级210可以可控制为相对于光学组装部分205(例如在x轴方向和y轴方向上)移动，从而(通过可互换物镜250等所成像的)图像区域在工件20上的各位置之间和/或多个工件20之间移动。
级光220、同轴光230和表面光240(例如环形光)中的一个或多个可以分别发射源光222、232、242，以照射一个或多个工件20。同轴光230可以沿着包括镜290的路径发射光232。源光受反射或透射为工件光255，并且(例如关于成像所使用的)工件光穿过可互换物镜250、转台透镜组装280、第一高速VFL透镜270A和第二高速VFL透镜270B，而且由光学检测器260(例如相机等)聚集。在各个实现方式中，光学检测器260输入工件光，并且将信号数据(例如工件20的一个或多个图像、共焦亮度信号等)在信号线路262上输出到控制系统部分120。光源220、230、240可以分别通过信号线路或总线221、231、241连接到控制系统部分120。控制系统部分120可以沿着轴284旋转转台透镜组装280，以通过信号线路或总线281选择转台透镜，以改动图像放大率。
如图2所示，在各个示例性实现方式中，控制系统部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序发生器和执行器170以及电源部分190。这些组件中的每一个以及下述附加组件可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口或通过各个元件之间的直接连接而互连。输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132以及光照控制接口133。运动控制接口132可以包括位置控制元件132a以及速度/加速度控制元件132b，但这些元件可以融合和/或可不区分。光照控制接口133可以包括光照控制元件133a、133n、133fl，其当适当时控制例如选择、功率、通/断开关以及频闪脉冲时序，以用于机器视觉检验系统100的各个对应光源。
根据在此所公开的原理，输入/输出接口130可以还包括透镜控制器/接口271。简言之，在一个实现方式中，透镜控制器/接口271可以包括包含透镜聚焦操作电路和/或例程的透镜控制器等。透镜控制器/接口271可以由用户和/或操作系统配置或控制，并且可以利用信号线路271’以控制第一高速VFL透镜270A和第二高速VFL透镜270B，以周期性地(例如以正弦方式)调制每个的光功率，并且由此在所确定的操作频率沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置。
在各个实现方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器/接口271可以还包括扩展景深模式，如共同未决和共同受让美国专利申请No.2015/0145980中更详细地描述的那样，其通过其完整引用合并到此。扩展景深模式可以由用户选择，以提供具有比当在单个聚焦位置处聚焦时视觉组件部分200可以提供的更大的景深的工件的至少一个图像(例如合成图像)。在各个实现方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器/接口271可以还包括当进行或检测到放大率改变时可以选择或自动地实现的放大率改变调整模式，如2015年7月9日提交的题为“Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Length Lens in anAdjustable Magnification Optical System”的共同未决和共同受让美国专利申请序列号No.14/795,409中更详细地描述那样，其通过其完整引用合并到此。包括VFL透镜的其它系统和方法描述于2015年8月31日提交的题为“Multi-Level Image Focus Using aTunable Lens in a Machine Vision Inspection System”的共同未决和共同受让美国专利申请序列号No.14/841,051以及2015年9月15日提交的题为“Chromatic AberrationCorrection in Imaging System Including Variable Focal Length Lens”的共同未决和共同受让美国专利申请序列号No.14/854,624中，其中的每一个由此通过其完整引用合并。到此
存储器140可以包括图像文件存储器部分141、边沿检测存储器部分140ed、可以包括一个或多个部件程序等的工件程序存储器部分142以及视频工具部分143。视频工具部分143包括：视频工具部分143a；以及其它视频工具部分(例如143n)，其确定用于对应视频工具中的每一个的GUI、图像处理操作等；以及兴趣区域(ROI)发生器143roi，其支持定义可在视频工具部分143中所包括的各种视频工具中操作的各个ROI的自动、半自动和/或手动操作。视频工具部分还包括自动聚焦视频工具143af，其确定用于聚焦高度测量操作的GUI、图像处理操作等。自动聚焦视频工具143af可以附加地包括高速聚焦高度工具，其可以用于以高速度测量聚焦高度，如在共同未决和共同受让美国专利公开No.2014/0368726中更详细地描述的那样，其据此通过其完整引用合并到此。
在本公开的上下文中，并且如本领域技术人员公知的那样，术语“视频工具”通常指代机器视觉用户可以在不创建视频工具中所包括的逐步操作序列或求助于通用的基于文本的编程语言等的情况下通过相对简单的用户接口(例如图形用户接口、可编辑参数窗口、菜单等)实现的相对复杂的自动化或编程操作集合。例如，视频工具可以包括通过调整掌控操作和计算的少数变量或参数在特定实例中应用并且定制的复杂预编程图像处理操作和计算集合。除了潜在操作和计算之外，视频工具还包括用户接口，其允许用户对于视频工具的特定实例调整这些参数。例如，很多机器视觉视频工具允许用户使用鼠标通过简单的“手柄拖动”操作来配置图形兴趣区域(ROI)指示符，以定义待通过视频工具的特定实例的图像处理操作分析的图像子集的方位参数。应注意，在隐式地包括潜在操作的情况下，可视用户接口特征有时称为视频工具。
级光220、同轴光230和表面光240的信号线路或总线221、231、241分别都连接到输入/输出接口130。来自光学检测器260的信号线路262、来自第一高速VFL透镜270A和第二高速VFL透镜270B的信号线路271’以及来自可控制电机294的信号线路296连接到输入/输出接口130。除了携带图像数据之外，信号线路262可以还携带发起特定处理(例如图像获取、共焦亮度测量等)的来自控制器125的信号。
一个或多个显示器设备136(例如图1的显示器16)以及一个或多个输入设备138(例如图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可以连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可以用于显示可以包括可用于执行检验操作的各种图形用户接口(GUI)特征的用户接口，和/或创建和/或修改部件程序，以观看光学检测器260所捕获的图像和/或直接控制视觉系统组件部分200。显示器设备136可以显示(例如与透镜控制器/接口271、聚焦信号处理部分277等关联的)用户接口特征。
在各个示例性实现方式中，当用户利用机器视觉检验系统100以创建用于工件20的部件程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检验系统100以提供期望的图像获取训练序列来生成部件程序指令。例如，训练序列可以包括：在视场(FOV)中定位代表性工件的特定工件特征；设置光等级；聚焦或自动聚焦；获取图像；以及(例如使用该工件特征上的视频工具中的一个或多个的实例)提供应用于图像的检验训练序列。学习模式操作，从而序列得以捕获或记录，并且转换为对应部件程序指令。当执行部件程序时，这些操作将使得机器视觉检验系统再现受训练的图像获取，并且使得检验操作自动地检验当前工件(例如运行模式工件)或与当创建部件程序时所使用的代表性工件相似的工件上的该特定工件特征(其为对应方位中的对应特征)。
图3是可以适用于精准无接触度量系统(例如机器视觉检验系统)并且根据在此所公开的原理操作的可变焦距(VFL)成像系统300的示意图。应理解，除了以下所另外描述的之外，图3的特定编号组件3XX可以对应于和/或具有与图2的相似编号的组件2XX相似的操作。如图3所示，VFL成像系统300包括光源330、物镜350、管透镜351、第一中继透镜352、第一高速可变焦距(VFL)透镜370A、第二高速可变焦距(VFL)透镜370B、第二中继透镜386、透镜控制器371以及位于中间平面IP处的可选滤波器376(例如空间滤波器)。在各个实现方式中，透镜控制器371中的每一个以及附加组件可以通过一个或多个数据/控制总线(例如系统信号和控制总线395)和/或应用编程接口或通过各个元件之间的直接连接而互连。
第一中继透镜352包括第一中继焦距RFL1，并且第二中继透镜386包括第二中继焦距RFL2。第一中继透镜352和第二中继透镜386沿着VFL成像系统300的光轴OA相对于彼此间隔达等于第一中继焦距RFL1和第二中继焦距RFL2之和的距离。第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B在位于距第一中继透镜352等于第一中继焦距RFL1的距离处的中间平面IP的相对侧上沿着光轴相对于彼此间隔。在图3所示的实现方式中，RFL1和RFL2都等于焦距f。透镜控制器371被配置为：提供第一高速VFL透镜370A的光功率和第二高速VFL透镜370B的光功率的同步周期性调制，如以下将更详细地描述的那样。
在一些实现方式中，第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以近似相同。
在一些实现方式中，第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以受来自透镜控制器371的共享信号驱动。
在各个实现方式中，光源330可配置为：在VFL成像系统300的视场中(例如，通过频闪或连续波照射法)照射工件320。在各个实现方式中，光源330可以包括第一照射源、第二照射源、第三照射源等作为照射系统的部件。例如，光源330可以操作为：通过操作对应照射源(例如作为光源330的部件的照射源)来提供频闪照射的实例。在各个实现方式中，为了实现正确的光照平衡，光源330可以是可控制的，从而允许独立调整(例如均与光源330内的不同照射源对应的)频闪照射的所有实例的强度并且同时调整以控制图像的总体亮度。
在操作中，在图3所示的实现方式中，光源330是“同轴”光源，被配置为：沿着包括部分镜390的路径并且通过物镜350将源光332发射到工件320的表面，其中，物镜350接收在工件320附近的聚焦位置FP处聚焦的工件光355，并且将工件光355输出到管透镜351。在其它实现方式中，类似的光源可以通过非同轴方式照射视场，例如，环形光源可以照射视场。在各个实现方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且管透镜351可以被包括作为转台透镜组装的部件(例如，与图2的可互换物镜250和转台透镜组装280相似)。在各个实现方式中，物镜350、管透镜351或在此引用的任何其它透镜可以形成于单独透镜、复合透镜等，或与之结合而操作。管透镜351接收工件光355，并且将其输出到第一中继透镜352。
第一中继透镜352接收工件光355，并且将其输出到第一高速VFL透镜370A。第一高速VFL透镜370A接收工件光355，并且将其输出到第二高速VFL透镜370B。如果成像系统300包括滤波器376，则从第一高速VFL透镜370A输出的光可以受滤波(例如空间滤波)。第二高速VFL透镜370B接收工件光355，并且将其输出到中继透镜386。中继透镜386接收工件光355，并且将其输出到光学检测器(例如相机系统)360。在各个实现方式中，光学检测器360可以在图像曝光时段期间捕获工件320的图像，并且可以将图像提供给控制系统部分(例如，与图2中的用于将图像提供给控制系统部分120的光学检测器260的操作相似)。
第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B是以电方式可控制的，以(例如在一个或多个图像曝光期间，在共焦亮度确定期间等)改变成像系统的聚焦位置FP。聚焦位置FP可以在聚焦位置FP1和聚焦位置FP2所界定的范围R内移动。应理解，在各个实现方式中，范围R可以由用户选择，或可以源自设计参数，或可以另外是自动地确定的。通常，关于图3的示例，应理解，特定所示尺寸可以并非是按比例的。例如，第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以具有与所示尺寸不同的成比例尺寸(例如，对于特定应用可以是更不宽的并且高达50mm长或更长，以提供期望量的透镜化能力等)。
在各个实现方式中，机器视觉检验系统可以包括控制系统(例如图2的控制系统120)，其可配置为：结合透镜控制器371而操作，或另外控制第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B，以周期性地调制VFL成像系统300的聚焦位置。在一些实现方式中，第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以(例如，周期性地，按至少300Hz或3kHz或70kHz或远更高的速率)十分快速地调整或调制聚焦位置。在一个示例实现方式中，范围R可以近似为10mm(例如，对于1X物镜350)。在各个实现方式中，为了改变聚焦位置FP，有利地选取第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B，从而它们无需成像系统中的任何宏观机械调整和/或物镜350与工件320之间的距离的调整。在此情况下，如在先前所合并的'980公开中所描述的那样，可以获取扩展景深图像。此外，(例如，对于在几微米或十分之几微米或更小等的量级上的精度)当同一成像系统用于获取可以用于精准测量的固定聚焦检验图像时，不存在使得精度降级的宏观调整元件或关联定位不可重复性。如先前所合并的’726公开中所描述的那样，也可以利用聚焦位置FP的改变以沿着工件320附近的Z高度方向在多个位置处快速地获取包括多个图像的图像堆叠。
在各个实现方式中，第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以是可调谐声学梯度折射率(“TAG”)透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是在流体介质中使用声波以调制聚焦位置并且可以按几百kHz的频率周期性地扫描焦距范围的高速VFL透镜。通过文章“High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index ofrefraction lens”，(Optics Letters,Vol.33,No.18，2008年9月15日)的教导可以理解该透镜，其据此通过其完整引用合并到此。可调谐声学梯度率透镜和有关的可控制信号发生器例如可得自新泽西州普林斯顿的TAG Optics公司。型号TL2.B.xxx系列透镜例如能够进行高达近似600kHz的调制。
在各个实现方式中，如在先前所合并的’726公开中更详细地描述的那样，光学检测器360可以包括具有全域式快门的传感器(即同时对每个像素进行曝光的传感器)。该实现方式有利之处在于，其提供用于在没有工件或VFL成像系统300的任何部件的运动的情况下测量图像堆叠的能力。在各个替选实现方式中，光学检测器360可以包括具有电子辊快门(ERS)系统的传感器。例如，相机系统可以包括与电子辊快门(ERS)系统(例如来自加利福尼亚圣何塞的Aptina Imaging的型号MT9M001)耦合的使用SXGA分辨率的黑白CMOS传感器。
第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以受透镜控制器371驱动，透镜控制器371可以生成信号以操作它们。在一个实现方式中，透镜控制器371可以是商用的可控制信号发生器。在一些实现方式中，透镜控制器371可以由用户和/或操作程序(例如通过先前关于图2所概述的透镜控制器/接口271)配置或控制。在一些实现方式中，透镜控制器371可以控制第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B，以周期性地(例如以正弦方式)调制它们的光功率，并且由此按高操作频率沿着Z高度方向在多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置。例如，在一些示例性实现方式中，可调谐声学梯度折射率透镜可以被配置用于如400kHz那样高的焦距扫描速率，但应理解，更慢的聚焦位置调整和/或调制频率在各个实现方式和/或应用中可以是可期望的。例如，在各个实现方式中，可以使用300Hz或3kHz或70kHz或250kHz等的周期性调制。在使用更慢的聚焦位置调整的实现方式中，第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B可以均包括可控制流体透镜等。在各个实现方式中，周期性调制的VFL透镜光功率可以定义第一周期性调制相位。
在各个实现方式中，透镜控制器371可以包括驱动信号发生器部分372。驱动信号发生器部分372可以(例如结合时序时钟372’)操作，以提供周期信号。在各个实现方式中，透镜控制器371可以提供与驱动信号发生器部分372的周期信号同步的相位时序信号。
在图3的示例中，第一中继透镜352和第二中继透镜386以及第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B被指定为包括于4f光学配置中，而中继透镜352和管透镜351被指定为包括于开普勒望远镜配置，并且管透镜351和物镜350被指定为包括于显微镜配置中。所有所示配置将理解为仅示例性的，而非限制本公开。作为开普勒望远镜配置的部件，管透镜351的焦距FTUBE示出为距管透镜351与第一中继透镜352之间的中点近似等距，中继透镜352的焦距f亦同。在替选实现方式中，可以使得用于管透镜351的焦距FTUBE与第一中继透镜352的焦距f(其与4f光学配置的4个f之一对应)不同。在可以作为转台透镜组装的部件而包括管透镜351的各个实现方式中，可以期望转台透镜组装的其它管透镜当旋转进入操作位置中时在相同方位处具有焦点(即，从而碰到第一中继透镜352的焦点)。
如在先前所合并的’409申请中所描述的那样，可以利用焦距FTUBE对于焦距f的比率以改动出自中继透镜352的工件光355的准直波束相对于输入到管透镜351的工件光355的准直波束的直径。关于分别输入到管透镜351并且输出自第一中继透镜352的工件光355的准直波束应理解，在各个实现方式中，这些准直波束可以扩展到更长的路径长度中，和/或可以关于这些准直波束利用波束分离器，以用于提供附加光学路径(例如，导向到不同的相机系统等)。
在各个实现方式中，所示的4f光学配置允许在物镜350的傅立叶平面周围(即中间平面IP周围)放置第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B(例如，其可以是低数值孔径(NA)设备(例如可调谐声学梯度折射率透镜))。这种配置可以在工件320处保持远心度，并且可以使得比例改变和图像失真最小化(例如，包括：关于工件320和/或聚焦位置FP的每个Z高度提供恒定放大率)。(例如包括管透镜351和第一中继透镜352的)开普勒望远镜配置可以包括于显微镜配置与4f光学配置之间，并且可以被配置为：在中间平面IP处在第一高速VFL透镜370A与第二高速VFL透镜370B之间提供物镜通光孔径的投影的期望大小。替代地，可以利用伽利略望远镜而非开普勒望远镜，以缩短光学跟踪长度。高速VFL透镜组件中的球面像差可能使得VFL成像系统的性能降级。用于减少球面像差的一种方式是在高速VFL透镜中使用较小的通光孔径。例如，通光孔径可以受限为在直径上小于8.5mm。然而，较小的通光孔径是开普勒望远镜配置产生的增加的缩小率的结果，并且还减少工件320处的范围R。在两个高速VFL透镜(例如第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B)之间切分光功率在无需减少通光孔径的情况下减少球面像差，并且由此保持或增加工件320处的范围R。在一些实现方式中，这样可以在提供相同光功率调制(例如+/-0.625屈光度)的同时将球面像差减少达5的因子。
在一些实现方式中，透镜控制器371可以包括透镜响应调整配置373(以虚线示出为可选的)，可操作为：调整第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B中的至少一个的谐振频率，从而它们的谐振频率近似相同。因为组件变化(例如腔体尺寸和压电圆柱Q因子)，所以高速VFL透镜并非典型地具有相同谐振频率。透镜响应调整配置373提供用于匹配第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B的谐振频率以同步它们的光功率调制的手段。在一些实现方式中，透镜响应调整配置373可以包括响应激励器布置374，被配置为：改动第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B中的至少一个的谐振频率，并且透镜响应调整配置373可以控制响应激励器布置374以调整第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B中的至少一个的谐振频率，从而它们的谐振频率近似相同。在一些配置中，响应激励器布置374可以包括热源375，可操作为：改动第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B中的至少一个，以改动其谐振频率。关于图6详细描述包括热源的响应激励器布置的操作。
应理解，VFL成像系统300可以是机器视觉检验系统的组件。然而，这仅是示例性而非限定性的。在各个实现方式中，VFL成像系统300可以是显微镜或另一成像设备的组件。
图4是可变焦距(VFL)成像系统400的部分的示意图。可变焦距成像系统400与图3的可变焦距(VFL)成像系统300相似。编号4XX的元件与图3中的编号3XX的元件相似，并且可以通过类比来理解。
可变焦距成像系统400包括被布置为4f光学配置的第一中继透镜452和第二中继透镜486、第一高速可变焦距(VFL)透镜470A、第二高速可变焦距(VFL)透镜470B、以及放置在中间平面IP处的滤波器476(例如空间滤波器或固定或可编程幅度和/或相位滤波器)。中间平面IP位于距第一中继透镜452等于第一中继焦距的距离处，其充当对4f光学配置中的显微镜物体(例如物镜350)的傅立叶共轭平面。
在一些实现方式中，滤波器476可以是固定模式光瞳滤波器。在其它实现方式中，滤波器476可以是可编程空间光调制器。在一些实现方式中，滤波器476可以包括解卷积滤波器，并且VFL成像系统400可以被配置为：提供扩展的聚焦深度图像。在一些实现方式中，空间滤波器476可以改动所透射的光的幅度和/或相位。在一些实现方式中，滤波器476可以是偏振滤波器。
如图4所示，第一中继透镜452和第二中继透镜486分离达等于2*f的距离RSEP。在一些实现方式中，RSEP可以至少是135mm。典型TAG透镜可以具有近似60mm的沿着光轴OA的宽度。当第一高速VFL透镜470A和第二高速VFL透镜470B是TAG透镜时，作为至少135mm的RSEP的值允许第一高速VFL透镜470A和第二高速VFL透镜470B配合在第一中继透镜452与第二中继透镜486之间。第一高速VFL透镜470A和第二高速VFL透镜470B可以沿着光轴OA分离达距离SEP。在一些实现方式中，当滤波器476是玻璃固定模式光瞳滤波器上的铬时，SEP可以至少是5mm，以允许足够的间距。然而，在一些实现方式中，当滤波器476是可编程空间光调制器时，SEP可以至少是15mm，以允许足够的间距。在一些实现方式中，滤波器476可以是可切换滤波器，并且VFL成像系统400可以包括滤波器轮或改变滤波器以匹配特定物镜和/或期望功能的另一部件。
图5是示出用于周期性地调制图3的VFL成像系统300的控制信号510和光学响应520的相位时序的时序图500。在图5的示例中，示出这样的理想情况：控制信号510和光学响应520具有相似的相位时序并且因此表示为相同信号。在各个实现方式中，控制信号510可以与图3的驱动信号发生器372所产生的驱动信号有关，并且光学响应520可以表示通过周期性地调制第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B的光功率所控制的成像系统的周期性调制聚焦位置，如上所述。
在各个实现方式中，曲线510、520的正弦形状可以取决于第一高速VFL透镜370A和第二高速VFL透镜370B的组合的光功率经历图5所示的周期并且等于2*f(其中，f＝焦距)的一系列透镜(例如，物镜350、第一高速VFL透镜370A、第二高速VFL透镜370B等，如图3所示)。如以下将更详细地描述的那样，可以通过根据已知原理的校准(例如，通过重复地使得表面步进到已知的Z高度，然后以手动方式或计算方式确定在已知的Z高度处最佳聚焦图像的相位时序，并且将该关系存储在查找表中，等)来建立将各个Z高度相关于各个相位时序信号值的Z高度针对相位特性。
时序图500示出等于控制信号510的各个相位时序信号值(例如t0、t90、t180、t270等)的相位时序(例如φ0、φ90、φ180、φ270等)，其对应于各个Z高度(例如zφ0、zφ90、zφ180、zφ270等)。在各个实现方式中，可以根据(例如时钟或用于建立相对于周期性调制的时序的其它技术等所提供的)相位时序信号来确定相位时序信号值(例如t0、t90、t180、t270等)。应理解，时序图500所示的相位时序信号值意图仅是示例性而非限制性的。更一般地，相位时序信号值将在所示的聚焦位置的范围(例如具有最大Z高度zφ90和最小Z高度zφ270的所示示例中的范围)内具有关联聚焦位置Z高度。
图6是示出在各个操作温度的一种类型的可变焦距透镜的谐振频率的图线600的示图。图线600示出(以度C为单位的)作为温度的函数的(以kHz为单位的)TAG透镜的所测量的谐振频率集合610以及线性拟合620。线性拟合620具有近似-130Hz/度C的斜率。在一个实现方式中，在耦合到响应激励器布置374的热源375的同时，图线600所表征的TAG透镜可以用作第二高速VFL透镜370B。透镜响应调整配置373可以控制响应激励器布置374，以基于线性拟合620而调整第二高速VFL透镜370B的谐振频率。在一些实现方式中，反馈传感器(例如共焦光学传感器或加速计)可以提供反馈，以用于调整温度并且因此第二高速VFL透镜370B的谐振频率。
虽然已经示出并且描述了本公开的优选实现方式，但所示出并且描述的特征的布置和操作的顺序的大量变形基于本公开对于本领域技术人员将是清楚的。各种替选形式可以用于实现在此所公开的原理。此外，上述各个实现方式可以组合，以提供其它实现方式。该说明书中引用的所有美国专利和美国专利申请通过其完整引用合并到此。可以根据需要来修改实现方式的各方面，以采用各个专利和申请的构思，以提供其它实现方式。
可以依据以上详细描述对实现方式进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应理解为将权利要求限制为说明书和权利要求中所公开的特定实现方式，而应理解为连同赋予这些权利要求的等同物的完整范围一起包括所有可能的实现方式。

Claims (10)

1.一种可变焦距(VFL)成像系统，包括：
相机系统；
第一高速可变焦距(VFL)透镜；
第二高速可变焦距(VFL)透镜；
第一中继透镜，包括第一中继焦距；
第二中继透镜，包括第二中继焦距；以及
透镜控制器；其中：
所述第一中继透镜和所述第二中继透镜沿着所述VFL成像系统的光轴相对于彼此间隔达等于所述第一中继焦距和所述第二中继焦距之和的距离；
所述第一高速VFL透镜和所述第二高速VFL透镜在位于距所述第一中继透镜等于所述第一中继焦距的距离处的中间平面的相对侧上沿着所述光轴相对于彼此间隔；以及
所述透镜控制器被配置为：提供所述第一高速VFL透镜的光功率和所述第二高速VFL透镜的光功率的同步周期性调制。
2.如权利要求1所述的VFL成像系统，还包括滤波器，位于所述中间平面处。
3.如权利要求2所述的VFL成像系统，其中，所述滤波器是固定模式光瞳滤波器、可编程空间光调制器、幅度修改滤波器、相位修改滤波器或偏振滤波器之一。
4.如权利要求2所述的VFL成像系统，其中：
所述滤波器包括解卷积滤波器；以及
所述成像系统被配置为：提供扩展的聚焦深度图像。
5.如权利要求2所述的VFL成像系统，还包括滤波器轮，被配置为：提供可选择的滤波器。
6.如权利要求1所述的VFL成像系统，其中，所述第一高速VFL透镜和所述第二高速VFL透镜是可调谐声学梯度折射率(TAG)透镜。
7.如权利要求6所述的VFL成像系统，其中，所述第一高速VFL透镜和所述第二高速VFL透镜受来自所述透镜控制器的共享信号驱动。
8.如权利要求1所述的VFL成像系统，其中，所述透镜控制器包括透镜响应调整配置，可操作为：调整所述第一高速VFL透镜和第二高速VFL透镜中的至少一个的谐振频率，从而它们的谐振频率近似相同。
9.如权利要求8所述的VFL成像系统，其中，所述透镜响应调整配置包括响应激励器布置，被配置为：改动所述第一高速VFL透镜和第二高速VFL透镜中的至少一个的谐振频率，并且所述透镜响应调整配置控制所述响应激励器布置以调整所述第一高速VFL透镜和第二高速VFL透镜中的至少一个的所述谐振频率，从而它们的谐振频率近似相同。
10.如权利要求9所述的VFL成像系统，其中，所述响应激励器布置包括热源，可操作为：改动所述第一高速VFL透镜和第二高速VFL透镜中的至少一个的温度，以改动其谐振频率。
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