CN107367817B - 可变焦距透镜系统中的相位差校准 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定成像的表面的表面Z高度测量的可变焦距(VFL)透镜系统。所述系统的控制器配置为控制VFL透镜(例如，可调谐声学梯度折射率透镜)以周期性地调制其光功率，从而以第一操作频率周期性地调制聚焦位置，其中周期性调制的VFL透镜光功率定义第一周期性调制相位。相位定时信号与该控制器中的具有第一操作频率以及具有第二周期性调制相位的周期信号同步，所述第二周期性调制相位相对于第一周期性调制相位具有相位偏移。相位偏移补偿部分配置为执行相位偏移补偿处理，其提供Z高度测量，其中至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。

Description

可变焦距透镜系统中的相位差校准
技术领域
本公开涉及精密计量学，更具体地涉及机器视觉检查系统和其它光学系统，其中可以使用可变焦距透镜周期性地调制聚焦(focus)位置。
背景技术
精密机器视觉检查系统(或简称为“视觉系统”)可用于对象的精确测量并检查其它对象特性。这样的系统可以包括计算机、相机、光学系统、和移动以允许工件遍历的台(stage)。表征为通用“离线”精密视觉系统的一个示例性系统是从位于伊利诺伊州奥罗拉的三丰美国公司(MAC)可获得的QUICK系列基于PC的视觉系统和软件。QUICK 系列视觉系统和软件的特征和操作在例如2003年1月发表的“QVPAK3D CNC Vision Measuring Machine User’s Guide(视觉测量机用户指南)”(通过全文引用将其并入本文)中一般性地描述。这种类型的系统使用显微镜型光学系统，并且移动所述台以提供以各种放大率的小或大的工件的检查图像。
在各种应用中，期望在静止或不间断(non-stop)移动检查系统中对于高通过量(throuput)执行高速测量。关于Z高度测量，传统的机器视觉检查系统可以利用各种类型的操作(例如，来自聚焦的点(points-from-focus)操作等)，所述操作需要相机移动通过Z高度位置的范围。在共焦系统中，可能类似地需要移动通过Z高度位置的范围(例如，以确定导致最大共焦亮度的位置等)。在这样的系统中，可以执行Z高度测量的速度可能受到系统的一个或多个物理部件通过Z高度位置范围的运动的限制。存在对于可以快速地执行并且不会牺牲尺寸准确性的改进的Z高度测量处理的需求。
发明内容
提供此发明内容以便以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式部分中进一步描述。此发明内容并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
利用可变焦距(VFL)透镜系统来确定成像的表面区域的表面Z高度测量。在各种实施方式中，VFL透镜系统可以包括成像系统、控制器、聚焦确定部分、和相位偏移补偿部分。在各种实施方式中，成像系统可以包括VFL透镜(例如，可调谐声学梯度折射率透镜等)。在各种实施方式中，控制器可以被配置为控制VFL透镜、提供相位定时信号、并且提供第一Z高度与(versus)相位表征。控制器可以控制VFL透镜以周期性地调制其光功率，从而以第一操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置，其中周期性调制的VFL透镜光功率可以定义第一周期性调制相位。相位定时信号可以与具有第一操作频率以及具有第二周期性调制相位的周期信号同步，所述第二周期性调制相位相对于第一周期性调制相位具有相位偏移。第一Z高度与相位表征可以将各个Z高度与各个相位定时信号值相关联。
聚焦确定部分可以包括光学检测器和聚焦信号处理部分。光学检测器(例如，相机、共焦亮度检测器等)可以被配置为从成像系统输入光。聚焦信号处理部分可以被配置为确定与来自光学检测器的信号数据指示成像的表面区域处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。原始相位定时信号值可以包括与第一和第二周期性调制相位之间的相位偏移相关的相位偏移贡献。相位偏移补偿部分可以配置为输入对应于成像的表面区域的原始相位定时信号值，并且执行相位偏移补偿处理，其提供对成像的表面区域的Z高度测量，其中，至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。
附图说明
图1是示出通用精密机器视觉检查系统的各种典型部件的图；
图2是类似于图1的机器视觉检查系统且包括本文公开的特征的机器视觉检查系统的控制系统部分和视觉部件部分的框图；
图3是根据本文公开的原理可操作的可变焦距透镜系统的示意图；
图4是示出图3的可变焦距透镜系统的周期性调制的控制信号和光学响应的相位定时的时序图；
图5是示出图3的可变焦距透镜系统的周期性调制的控制信号与光学响应之间的相位偏移的时序图；
图6是示出用于确定表面区域的表面Z高度测量的例程的一个示例性实施方式的流程图；
图7是示出用于确定相位偏移的估计值的例程的一个示例性实施方式的流程图。
具体实施方式
图1是根据本文公开的原理可用的一个示例性机器视觉检查系统10的框图。机器视觉检查系统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、以及与监视器或显示器16、打印机18、操纵杆22、键盘24和鼠标26交换数据和控制信号。监视器或显示器16可以显示适合于控制和/或编程机器视觉检查系统10的用户界面。在各种实施方式中，触摸屏平板电脑等可以代替和/或冗余地提供计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26中的任何一个或全部的功能。
更一般来说，控制计算机系统14可以包括任何计算系统或设备、和/或分布式计算环境等或由这些组成，其中任何一个可以包括一个或多个执行软件以执行本文描述的功能的处理器。处理器包括可编程通用或特殊用途微处理器、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。软件可以存储在诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等、或这些部件的组合的存储器中。软件还可以存储在诸如光盘(optical-based disks)、闪存设备、或用于存储数据的任何其它类型的非易失性存储介质的一个或多个存储设备中。软件可以包括一个或多个程序模块，该程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在分布式计算环境中，程序模块的功能性可以在多个计算系统或设备上组合或分布，并且可以通过有线或无线配置的服务调用进行访问。
视觉测量机器12包括可移动工件台32和可以包括变焦透镜或可互换透镜的光学成像系统34。变焦透镜或可互换透镜一般为由光学成像系统34提供的图像提供各种放大率(例如，0.5x(倍)至100x)。相似的机器视觉检查系统在共同转让的美国专利第7,324,682号、第7,454,053号、第8,111,905号和第8,111,938号中描述，它们每个通过全文引用并入本文。
图2是类似于图1的机器视觉检查系统并且包括如本文所述的特征的机器视觉检查系统100的控制系统部分120和视觉部件部分200的框图。如下面将更详细地描述的，控制系统部分120用于控制视觉部件部分200。视觉部件部分200包括光学组件部分205、光源220、230和240、以及可以具有中央透明部分212的工件台210。工件台210可沿着x轴和y轴可控地移动，所述x轴和y轴位于一般与工件20可置于的台的表面平行的平面中。
光学组件部分205可以包括光学检测器260(例如，相机、共焦光学检测器等)、可变焦距(VFL)透镜270，并且还可以包括可互换物镜250和具有透镜286和288的转台(turret)透镜组件280。替代转台透镜组件，可以包括固定或手动可互换的放大率改变透镜、或变焦透镜配置等。在各种实施方式中，可以包括各种透镜作为光学组件部分205的可变放大率透镜部分的一部分。在各种实施方式中，可互换物镜250可以从一组固定放大率物镜(例如，范围从0.5x(倍)到100x的一组等)中选择。
在各种实施方式中，通过使用驱动致动器(actuator)以沿着z轴移动光学组件部分205的可控马达294，光学组件部分205可沿通常正交于x轴和y轴的z轴移动，以改变工件20的图像的聚焦。可控马达294经由信号线296连接到输入/输出接口130。如将在下面更详细地描述的，VFL透镜270也可以被操作以周期性地调制聚焦位置。在工件台210上放置将使用机器视觉检查系统100成像的工件20、或保持多个工件20的托盘(tray)或夹具(fixture)。在各种实施方式中，工件台210可以被控制以相对于光学组件部分205移动(例如，在x轴和y轴方向上)，使得成像区域(例如，如通过可互换物镜250等所成像的)在工件20的位置之间、和/或在多个工件20之间移动。
台灯(stage light)220、同轴灯230和表面灯240(例如，环形灯)中的一个或多个可以分别发出源光222、232和/或242，以照射一个或多个工件20。同轴灯230可以沿着包括反射镜(mirror)290的路径发出光232。源光作为工件光255被反射或透射(transmitted)，并且工件光(例如，如用于成像)经过可互换物镜250、转台透镜组件280和VFL透镜270，并且被光学检测器260(例如，相机、共焦光学检测器等)收集。在各种实施方式中，光学检测器260输入工件光，并在信号线262上输出信号数据(例如，工件20的一个或多个图像、共聚焦亮度信号等)到控制系统部分120。光源220、230和240可以分别通过信号线或总线221、231和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(rotate)转台透镜组件280，以通过信号线或总线281选择转塔透镜以更改图像放大率。
如图2所示，在各种示例性实施方式中，控制系统部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序生成器和执行器170以及电源部分190。这些部件中的每个以及下面描述的附加部件可以通过一个或多个数据/控制总线、和/或应用编程接口、或通过各种元件之间的直接连接来互连。输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132和照明控制接口133。运动控制接口132可以包括位置控制元件132a和速度/加速度控制元件132b，尽管这些元件可以被合并和/或是不可区分的。照明控制接口133可以包括照明控制元件133a、133n和133fl，它们控制例如(如果适用)对于机器视觉检查系统100的各种对应的光源的选择、电源、通/断开关和选通脉冲定时。
根据本文公开的原理，输入/输出接口130还可以包括透镜控制器/接口271、聚焦信号处理部分277和相位偏移补偿/Z高度变化校正部分278，如将在下面关于图3至图7更详细地描述的。简而言之，在一个实施方式中，透镜控制器/接口271可以包括透镜控制器，该透镜控制器包括透镜聚焦操作电路和/或例程等。透镜控制器/接口271可以由用户和/或操作程序来配置或控制，并且可以利用信号线271'来控制VFL透镜270以周期性地(例如，正弦地)调制其光功率，从而以确定的操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置。在各种实施方式中，聚焦信号处理部分277可以配置为确定与当来自光学检测器260(例如，相机系统、共焦光学检测器等)的信号数据指示(例如，工件20的)成像的表面区域处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。如将在下面更详细描述的，相位偏移补偿部分278可以配置为输入对应于成像的表面区域的原始相位定时信号值，并且执行提供成像的表面区域的Z高度测量的相位偏移补偿处理，其中至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。
在各种实施方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器/接口271还可以包括扩展的景深模式，如在共同未决的和共同转让的美国专利公布第2015/0145980号(通过全文引用将其并入本文)中更详细地描述的。用户可以选择扩展的景深模式，以利用具有比当被聚焦在单个聚焦位置时视觉部件部分200可提供的景深大的景深提供工件的至少一个图像(例如，合成图像)。在各种实施方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器/接口271还可以包括放大率改变调整模式，其可以当进行或检测到放大率改变时被选择或自动实现，如于2015年7月9日提交的标题为“Adaptable Operating Frequency of a Variable FocalLength Lens in an Adjustable Magnification Optical System”的共同未决且共同转让的美国专利申请第14/795,409号(通过全文引用将其并入本文)中更详细描述的。包括VFL透镜的其它系统和方法在于2015年8月31日提交的标题为“Multi-Level Image FocusUsing a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”的共同未决且共同转让的美国专利申请第14/841,051号中、以及于2015年9月15日提交的标题为“ChromaticAberration Correction in Imaging System Including Variable Focal Length Lens”的共同未决且共同转让的美国专利申请第14/854,624号(通过全文引用将其每个并入本文)中描述。
存储器140可以包括图像文件存储器部分141、边缘检测存储器部分140ed、可以包括一个或多个零件(part)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和其它视频工具部分(例如，143n)，其它视频工具部分确定用于每个对应的视频工具的GUI、图像处理操作等；以及感兴趣区域(ROI)生成器143roi，其支持自动、半自动和/或手动操作，这些操作定义可在视频工具部分143中包括的各种视频工具中操作的各种ROI。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，其可用于以高速测量聚焦高度，如在共同未决且共同转让的美国专利公布第2014/0368726号(通过全文引用将其并入本文)中更详细地描述的。在各种实施方式中，相位偏移补偿/Z高度变化校正部分278和其它相关元件可以与一个或多个视频工具(例如，自动聚焦视频工具143af、单独的视频工具等)结合使用、或者另外地包括在一个或多个视频工具中。
在本公开的上下文中，并且如本领域普通技术人员已知的，术语“视频工具”一般是指机器视觉用户可以在无需创建包括在视频工具中的逐步操作序列或无需借助广义的(generalized)基于文本的编程语言等的情况下，通过相对简单的用户界面(例如，图形用户界面、可编辑参数窗口、菜单等)实施的相对复杂的一组自动的或编程的操作。例如，视频工具可以包括复杂的预编程的图像处理操作和计算的集合，通过调整管理(govern)这些操作和计算的几个变量或参数来在特定实例中应用和定制所述操作和计算。除了底层(underlying)操作和计算之外，视频工具还包括使用户可以为视频工具的特定实例调整这些参数的用户界面。例如，许多机器视觉视频工具使用户可以通过使用鼠标的简单的“处置拖动(handle dragging)”操作来配置图形感兴趣区域(ROI)指示符，以便定义要通过视频工具的特定实例的图像处理操作进行分析的图像的子集的位置参数。应该注意的是，可见的用户界面特征有时被称为视频工具，其中隐含地(implicitly)包括底层操作。
台灯220、同轴灯230和表面灯240各自的信号线或总线221、231和241全部连接至输入/输出接口130。来自光学检测器260的信号线262、来自VFL透镜270的信号线271'和来自可控马达294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了运送图像数据之外，信号线262还可以运送来自控制器125的信号，其启动某些处理(例如，图像获取、共焦亮度测量等)。
一个或多个显示设备136(例如，图1的显示器16)和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可以用于显示可包括各种图形用户界面(GUI)特征的用户界面，所述各种图形用户界面(GUI)特征可用于执行检查操作、和/或创建和/或修改零件程序、查看由光学检测器260捕获的图像、和/或直接控制视觉系统部件部分200。显示设备136可以显示(例如，如与透镜控制器/接口271、聚焦信号处理部分277、相位偏移补偿/Z高度变化校正部分278等相关联的)用户界面特征。
在各种示例性实施方式中，当用户利用机器视觉检查系统100创建工件20的零件程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检查系统100来生成零件程序指令，以提供期望的图像获取训练序列。例如，训练序列可以包括在视野(FOV)中定位代表性工件的特定工件特征、设置光水平(level)、聚焦或自动聚焦、获取图像、以及提供应用至图像的检查训练序列(例如，使用该工件特征上的一个或多个视频工具的实例)。操作学习模式以使得序列被捕获或记录、并转换成对应的零件程序指令。当执行零件程序时，这些指令将使机器视觉检查系统再现所训练的图像获取，并使检查操作自动检查当前工件(例如，运行模式工件)、或类似于在创建该零件程序时使用的代表性工件的工件上的该特定工件特征(即对应位置中对应的特征)。
图3是可以适应于机器视觉检查系统并根据本文公开的原理操作的VFL透镜系统300的示意图。应当理解，除了下面另有描述之外，图3的某些编号部件3XX可以与图2的类似编号的部件2XX对应和/或具有类似的操作。如图3所示，VFL透镜系统300包括光源330、物镜350、镜筒透镜(tube lens)351、中继透镜(relay lens)352、VFL透镜370、中继透镜386、透镜控制器371、聚焦确定部375和相位偏移补偿部分378。在各种实施方式中，透镜控制器371、聚焦确定部分375和/或相位偏移补偿部分378中的每个以及附加部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、或者通过各种元件之间的直接连接而互连。
在各种实施方式中，光源330可配置为在VFL透镜系统300的视野中照射工件320(例如，以选通或连续波照射)。在各种实施方式中，光源330可以包括第一照射源、第二照射源、第三照射源等，作为照射系统的一部分。例如，光源330可以被操作以通过操作对应的照射源(例如，作为光源330的一部分的照射源)来提供选通照射的实例。在各种实施方式中，为了实现适当的照明平衡，光源330可以是可控的，以便允许对选通照射的所有实例(例如，每个对应于光源330内的不同照射源)的强度的独立调整、以及同时调整以控制图像的整体亮度。
在操作中，在图3所示的实施方式中，光源330是配置为沿着包括部分反射镜390并通过物镜350到工件320的表面的路径发出源光332的“同轴”光源，其中物镜350接收聚焦在接近工件320的聚焦位置FP处的工件光355，并将工件光355输出到镜筒透镜351。在其它实施方式中，类似的光源可以以非同轴的方式照射视野，例如，环形光源可以照射视野。在各种实施方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且镜筒透镜351可以被包括作为转台透镜组件的一部分(例如，类似于图2的可互换物镜250和转台透镜组件280)。在各种实施方式中，物镜350、镜筒透镜351或本文所提及的任何其它透镜可以由单独的透镜、复合透镜等形成，或者与单独的透镜、复合透镜等结合地操作。镜筒透镜351接收工件光355并将其输出到中继透镜352。
中继透镜352接收工件光355并将其输出到VFL透镜370。VFL透镜370接收工件光355并将其输出到中继透镜386。中继透镜386接收工件光355并将其输出到聚焦确定部分375的光学检测器360(例如，相机、共焦光学检测器等)。在各种实施方式中，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，类似于图2中光学检测器260的用于将图像提供给控制系统部分120的操作)。
在各种实施方式中，VFL透镜系统300还可以包括、或者可替代地包括可选分束器361'、可选镜筒透镜386'和可选聚焦确定部分375'。可选聚焦确定部分375'可以包括可选光学检测器360'和可选聚焦信号处理部分377'。在操作中，分束器361'可以配置为将工件光355分束并将工件光355'输出到镜筒透镜386'。镜筒透镜386'可以配置为将工件光355'输出到光学检测器360'。在一个实施方式中，光学检测器360'可以包括共焦光学检测器，其可以配置为根据共焦原理进行操作，如本领域技术人员将理解的。
如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，光学检测器360(或360')可配置为输入来自包括VFL透镜370的成像系统的光，并且聚焦信号处理部分377(或377')可以配置为确定与当来自光学检测器的信号数据指示(例如，工件320的)成像的表面区域处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。例如，在光学检测器360是相机的实施方式中，信号数据可以对应于由相机获取的一个或多个图像(例如，图像栈(stack))，其中可以执行诸如来自聚焦的点操作或其它分析的对比度确定，以确定工件320的成像的表面区域何时处于聚焦位置。在美国专利第6,542,180号和第9,060,117号(其每个被共同转让且通过全文引用被并入本文)中教导了用于确定和分析图像栈和聚焦曲线以及用于来自聚焦的点操作的示例性技术。作为另一示例，在光学检测器360'是作为共焦配置的一部分而被包括的共焦光学检测器的实施方式中，信号数据可以对应于共焦亮度的感测水平。在这种实施方式中，可以在对VFL透镜370的光功率进行周期性调制期间使用共焦光学检测器360'，以确定最大共焦亮度何时出现，如对应于聚焦位置，以及如指示工件320的成像的表面区域的对应Z高度。
在VFL透镜系统300包括具有聚焦信号处理部分377'和光学检测器360'(例如，共焦光学检测器)的聚焦确定部分375'的实施方式中，光学检测器360(例如，相机)可能不需要用于聚焦位置确定。更具体地，在这种实施方式中，光学检测器360'可用于聚焦确定功能，而相机360可用于成像(例如，并且可能不需要包括某些实例中的聚焦信号处理部分377)。相反，如果VFL透镜系统300不包括聚焦确定部分375'并且仅包括聚焦确定部分375，则相机360可用于聚焦功能。作为另一替代，在各种实施方式中，VFL透镜系统300可以仅包括具有共焦光学检测器360'的聚焦确定部分375'，并且可以不包括具有相机360的聚焦确定部分375(例如，当VFL透镜系统300作为独立的共焦仪器的一部分而被包括时等)。
VFL透镜370可被电子地控制以改变成像系统的聚焦位置FP(例如，在一个或多个图像曝光期间、在共聚焦亮度确定期间等)。聚焦位置FP可以在由聚焦位置FP1和聚焦位置FP2界定的范围R内移动。应当理解，在各种实施方式中，范围R可以由用户选择、或者从设计参数得到、或者可以另外自动确定。关于图3的示例，一般，将会理解，某些所示出的尺寸可能不是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示出的尺寸不同比例的尺寸(例如，对于某些应用而言，可能较窄且长达50mm或更长，以提供期望量的透镜光功率(lensing power)等)。
在各种实施方式中，机器视觉检查系统可以包括控制系统(例如，图2的控制系统120)，其可配置为与透镜控制器371结合地操作、或者另外地控制VFL透镜370以周期性地调制VFL透镜系统300的聚焦位置。在一些实施方式中，VFL透镜370可以非常快速地调整或调制聚焦位置(例如，以至少300Hz、或3kHz、或70kHz或高得多的速率周期性地)。在一个示例性实施方式中，范围R可以是近似10mm(例如，对于1X(倍)物镜350)。在各种实施方式中，有利地选择VFL透镜370，使得其不需要成像系统中的任何宏观(macroscopic)机械调整和/或对物镜350与工件320之间的距离的调整以改变聚焦位置FP。在这种情况下，如先前并入的’980公开中所述的，可以获取扩展的景深图像。此外，当相同的成像系统用于获取可用于精密测量(例如，用于以几微米或十分之几微米或更小的量级的精度等)的固定聚焦检查图像时，没有宏观调整元件或相关联的定位不可重复性以降低精度。如先前并入的’726公开中所述的，也可以利用聚焦位置FP的变化来快速地获取包括在靠近工件320的沿着Z高度方向的多个位置处的多个图像的图像栈。
在各种实施方式中，VFL透镜370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使用流体介质中的声波来调制聚焦位置的高速VFL透镜，并且可以以几百kHz的频率周期性地扫过(sweep)焦距的范围。这种透镜可以通过文章“High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refractionlens”(Optics Letters，Vol.33，No.18，2008年9月15日)的教导来理解，通过全文引用将该文章并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和相关的可控信号发生器例如从新泽西州普林斯顿的TAG Optics公司可获得。例如，型号TL2.B.xxx系列透镜能够调制高达近似600KHz。
在各种实施方式中，如先前并入的’726公开中更详细地描述的，光学检测器360可以包括具有全局快门的传感器，即，同时暴光每个像素的传感器。这样的实施方式是有利的，在于它不用工件或VFL透镜系统300的任何部分的运动而提供测量图像栈的能力。在各种替代实施方式中，光学检测器360可以包括具有电子卷帘快门(ERS)系统的传感器。例如，相机系统可以包括与电子卷帘快门(ERS)系统耦合的、使用SXGA分辨率的黑白CMOS传感器(例如，来自加利福尼亚州圣何塞的Aptina Imaging的型号MT9M001)。
VFL透镜370可以由透镜控制器371驱动，透镜控制器371可以生成信号以操作VFL透镜370。在一个实施例中，透镜控制器371可以是商用可控信号发生器。在一些实施方式中，透镜控制器371可以由用户和/或操作程序(例如，通过透镜控制器/接口271，如先前关于图2所述的)来配置或控制。在一些实施方式中，透镜控制器371可以控制VFL透镜370以周期性地调制其光功率(例如，正弦地)，从而以高操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置。例如，在一些示例性实施方式中，可以将可调谐声学梯度折射率透镜配置用于高达400kHz的聚焦扫描速率，尽管应当理解，在各种实施方式和/或应用中，可能期望较慢的聚焦位置调整和/或调制频率。例如，在各种实施方式中，可以使用300Hz、或3kHz、或70kHz、或250kHz等的周期性调制。在使用较慢的聚焦位置调整的实施方式中，VFL透镜370可以包括可控流体透镜等。在各种实施方式中，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。
在各种实施方式中，透镜控制器371可以包括驱动信号发生器部分372和Z高度与相位校准部分373。驱动信号发生器部分372可以操作(例如，结合定时时钟372')以提供周期信号。在各种实施方式中，可以由透镜控制器371提供与驱动信号发生器部分372的周期信号同步的相位定时信号。在各种实施方式中，周期信号可以具有与周期性调制的VFL透镜光功率相同的操作频率，并且可以具有第二周期性调制相位，该第二周期性调制相位相对于周期调制的VLF透镜光功率的第一周期性调制相位具有相位偏移。在各种实施方式中，Z高度与相位校准部分373可以提供第一Z高度与相位表征，其将各个Z高度与各个的相位定时信号值相关。
在各种实施方式中，光学检测器360(或360')可以配置为输入来自包括VFL透镜370的成像系统的光，并且聚焦信号处理部分377(或377')可以配置为确定与当来自光学检测器的信号数据指示(例如，工件320的)成像的表面区域处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。如将在下面关于图5更详细地描述的，原始相位定时信号值可以包括与第一和第二周期性调制相位之间的相位偏移相关的相位偏移贡献。如下面也将更详细地描述的，相位偏移补偿部分378可以配置为输入对应于成像的表面区域的原始相位定时信号值，并且执行提供成像的表面区域的Z高度测量的相位偏移补偿处理，其中，至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。在各种实施方式中，相位偏移补偿部分378的相位偏移估计部分379可以确定相位偏移的估计值，这可用作相位偏移补偿处理的一部分。
在图3的示例中，中继透镜352和386以及VFL透镜370被指定为包括在4f光学配置中，而中继透镜352和镜筒透镜351被指定为包括在开普勒望远镜配置中，并且镜筒透镜351和物镜350被指定为包括在显微镜配置中。所有所示出的配置将被理解为仅是示例性的，而不是关于本公开的限制。作为开普勒望远镜配置的一部分，镜筒透镜351的焦距FTUBE被示出为与透镜351和352之间的中点近似等距，中继透镜352的焦距f也是如此。在替代实施方式中，可以使得镜筒透镜351的焦距FTUBE不同于中继透镜352的焦距f(其对应于4f光学配置的4f中的一个)。在镜筒透镜351可以被包括作为转台透镜组件的一部分的各种实施方式中，可期望转台透镜组件的其它镜筒透镜当旋转到操作位置时具有在相同位置处的焦点(即，以便达到中继透镜352的焦点)。
如先前并入的’409申请中更详细地描述的，可以利用焦距FTUBE与焦距f的比率来相对于输入到镜筒透镜351的工件光355的准直光束，改变出自中继透镜352的工件光355的准直光束的直径。关于分别输入到镜筒透镜351和从中继透镜352输出的工件光355的准直光束将理解，在各种实施方式中，这样的准直光束可以被延伸到更长的路径长度，和/或可以关于这种准直光束而使用分束器，以提供附加的光路(例如，如导向不同的相机系统等)。
在各种实施方式中，所示的4f光学配置允许将VFL透镜370(例如，其可以是低数值孔径(NA)器件，比如可调谐声学梯度折射率透镜)放置在物镜350的傅立叶平面处。该配置可以保持工件320处的远心度(telecentricity)，并且可以最小化比例变化和图像失真(例如，包括为工件320的每个Z高度和/或聚焦位置FP提供恒定的放大率)。开普勒望远镜配置(例如，包括镜筒透镜351和中继透镜352)可以包括在显微镜配置和4f光学配置之间，并且可以配置为提供物镜通光孔径在VFL透镜的位置处的期望投射大小，以最小化图像像差等。
应当理解，在各种实施方式中，某些类型的尺寸测量可能需要近衍射或衍射极限成像。图3所示的配置通过限制被成像到VFL透镜370中的物镜350的光瞳的离轴范围来减少像差。在该配置中，可以将径向范围保持为小于VFL透镜370(例如，可调谐声学梯度折射率透镜)在其最低谐振频率fR,MIN的驻波的折射率分布(profile)中的第一贝塞尔环的径向范围，如先前并入的’409申请中更详细描述的。以这种方式，来自显微镜配置(即，包括物镜350和镜筒透镜351)的光不超过VFL透镜370的最大通光孔径CAVFL,MAX。在光确实超过最大通光孔径的实施方式中，光可能与VFL透镜370的驻波的可能具有不期望的折射率的区域相互作用，这可能增加像差并降低尺寸测量精度。以下将关于图4和图5更详细地描述VFL透镜系统300的一些示例性操作。
图4是示出了图3的VFL透镜系统的周期性调制的控制信号410和光学响应420的相位定时的时序图400。在图4的示例中，示出了理想情况，其中控制信号410和光学响应420具有类似的相位定时，并且因此被表示为相同的信号(例如，与图5的信号由相位偏移而分开的示例相反，如将在下面更详细描述的)。在各种实施方式中，控制信号410可以与由图3的驱动信号发生器372产生的驱动信号相关，并且光学响应420可以代表成像系统的周期性调制的聚焦位置，该周期性调制的聚焦位置通过周期性地调制VFL透镜370的光功率而被控制，如上所述的。
在各种实施方式中，曲线410和420的正弦形状可以取决于透镜系列(例如，如图2所示的物镜350、VFL透镜370等)，其中VFL透镜370的光功率经历如图4所示的周期，并且等于1/f(其中f＝焦距)。如将在下面更详细描述的，可以根据已知原理通过校准来建立将各个Z高度与各个相位定时信号值相关的Z高度与相位表征(例如，根据数学模型、和/或通过将表面重复地步进(step)到已知Z高度，然后手动地或计算地确定将图像最佳地聚焦在已知Z高度处的相位定时，并将该关系存储在查找表等中)。
时序图400示出了等于与各个Z高度(例如，zφ0、zφ90、zφ180、zφ270等)对应的控制信号410的各个相位定时信号值(例如，t0、t90、t180、t270等)的相位定时(例如，φ0、φ90、φ180、φ270等)。在各种实施方式中，相位定时信号值(例如，t0、t90、t180、t270等)可以根据相位定时信号(例如，由用于建立相对于周期性调制的定时的时钟或其它技术等提供)确定。应当理解，时序图400中所示的相位定时信号值旨在仅仅是示例性的而不是限制性的。更一般地，任何相位定时信号值将在所示的聚焦位置范围(例如，所示示例中具有最大Z高度zφ90和最小Z高度zφ270的范围)内具有相关联的聚焦位置Z高度。
如上所述，可以使用各种技术(例如，利用来自聚焦的点、最大共焦亮度确定等)来确定成像的表面区域何时聚焦，这可对应于成像的表面区域的Z高度测量。例如，成像的表面区域可以根据成像的表面区域何时聚焦而被确定为处于Z高度zφsurf。也就是说，在所示示例中，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(-)的相位定时φsurf_ind(-)，聚焦位置在Z高度zφsurf，并且位于Z高度zφsurf的工件表面区域将聚焦。类似地，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(+)的相位定时φsurf_ind(+)，聚焦位置在Z高度zφsurf，并且位于Z高度zφsurf的工件表面区域将聚焦。应当理解，这样的值可以包括在将各个Z高度与各个相位定时信号值相关的Z高度与相位表征中，使得当成像的表面区域被确定为聚焦时，对应的相位定时信号值(例如，Tsurf_ind(-))可用于查找成像的表面区域的对应的测量的Z高度(例如，Z高度zφsurf)。
在所示示例中，相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动。更具体地，相位定时信号值Tsurf_ind(-)对应于调制的聚焦位置在第一方向上(例如，向下)的移动，而相位定时信号值Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在与第一方向相反的第二方向上(例如，向上)的移动。由于控制信号410和光学响应420在图4的示例中具有类似的相位定时，所以控制信号410的相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)被示为对应于相同的Z-高度zφsurf。相反，如下面将关于图5更详细地描述的，当光学响应420相对于控制信号410具有相位偏移时，可以将不同的Z高度指示为对应于这种相位定时信号值，对于其可以根据本文公开的原理利用相位偏移补偿处理。
图5是示出了图3的VFL透镜系统的周期性调制的控制信号410'和光学响应420'之间的相位偏移的时序图500。如图5所示，相位偏移贡献对应于delta相位定时△φ，delta相位定时△φ对应于delta相位定时信号值△t。作为相位偏移贡献的结果，当成像的表面区域实际上在Z高度zφsurf_act时，相对于光学响应420'的对应相位定时信号值可以指示相对于控制信号410'的其它Z高度。
也就是说，在所示示例中，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(-)的相位定时φsurf_ind(-)，光学响应420'对应于聚焦位置在Z高度zφsurf_act，然而控制信号410'不正确地指示聚焦位置在Z高度zφsurf_ind(-)。Z高度zφsurf_act和Z高度zφsurf_ind(-)之间的差被示出为Z高度误差Zerr(-)。类似地，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(+)的相位定时φsurf_ind(+)，光学响应420'对应于聚焦位置在Z高度zφsurf_act，然而控制信号410'不正确地指示聚焦位置在Z高度zφsurf_ind(+)。Z高度zφsurf_act和Z高度zφsurf_ind(+)之间的差被示出为Z高度误差Zerr(+)。
如上所述，相位定时信号值Tsurf_ind(-)对应于调制的聚焦位置在第一方向上(例如，向下)的移动，而相位定时信号值Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在与第一方向相反的第二方向上(例如，向上)的移动。如图所示，对应的Z高度误差Zerr(-)和Zerr(+)也可以相应地彼此相对地相反(例如，相对于Z高度zφsurf_act)。在各种实施方式中，可以将Z高度误差Zerr(-)和Zerr(+)的相反性质用作相位偏移补偿处理的一部分。根据本文公开的原理，可以在各种实施方式中使用不同的相位偏移补偿处理，如将在下面更详细地描述的。
例如，在一个配置中，相位偏移补偿处理可以包括基于原始相位定时信号值的对应集合，确定成像的表面区域的Z高度测量，所述原始相位定时信号值的对应集合包括与成像系统的调制的聚焦位置在各个相反的方向上的移动对应的原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集。关于图5的示例，原始相位定时信号值的第一相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(-)，并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值(例如，在下个VFL透镜周期内，当在调制的聚焦位置在向下的方向上移动期间成像的表面区域再次聚焦时，可以再次确定另一个相位定时信号值，等等)。类似地，原始相位定时信号值的第二相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(+)，并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值(例如，在下个VFL透镜周期内，当在调制的聚焦位置在向上的方向上移动期间成像的表面区域再次聚焦时，可以再次确定另一个相位定时信号值，等等)。
在一个实施方式中，这样的相位偏移补偿处理可以更具体地开始于：基于原始相位定时信号值的第一子集中的至少一个值(例如，原始相位定时信号值Tsurf_ind(-))以及第一Z高度与相位表征，来确定第一初步(preliminary)Z高度测量子集(例如，至少包括Z高度zφsurf_ind(-))。该处理还可以包括基于原始相位定时信号值的第二子集中的至少一个值(例如，原始相位定时信号值Tsurf_ind(+))以及第一Z高度与相位表征，来确定第二初步Z高度测量子集(例如，至少包括Z高度zφsurf_ind(+))。该处理还可以包括确定在第一初步Z高度测量子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(-))与在第二初步Z高度测量子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(+))之间的中间的Z高度测量值(例如，Z高度zφsurf_act)，并且使用所确定的Z高度测量(例如，Z高度zφsurf_act)作为成像的表面区域的Z高度测量值。在各种实施方式中，可以将Z高度测量值(例如，Z高度zφsurf_act)确定为第一初步Z高度测量子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(-))以及在第二初步Z高度测量子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(+))的平均。在各种实施方式中，VFL透镜系统的控制器可以将成像系统的操作范围限制为小于最大操作范围的2/3，以便不包括控制器中的周期信号的波峰或波谷(例如，以便在正弦曲线410'和/或420'的与在波峰和波谷处出现的非线性部分相反的相对线性部分期间利用上述相位偏移补偿处理，等等)。
作为另一示例，在不同的配置中，相位偏移补偿处理可以被配置为确定相位偏移的估计值，并且可以包括用于基于至少一个对应的原始相位定时信号值和相位偏移的估计值来确定成像的表面区域的Z高度测量的Z高度确定处理。在这种配置中，Z高度确定处理可以包括通过利用相位偏移的估计值处理至少一个对应的原始相位定时信号值以减小相位偏移贡献来确定补偿的相位定时信号值，并且还可以包括基于补偿的相位定时信号值和第一Z高度与相位表征来确定Z高度测量。在一个实施方式中，相位偏移补偿部分可以包括相位偏移估计部分，其可操作以执行调整相位偏移的估计值以满足标准的调整处理。在一个实施方式中，标准是这样的：当在对固定表面区域进行成像时，Z高度确定处理是基于相位偏移的所调整的估计值、并且对应于与成像系统的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动对应的原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集被重复时，近似最小化所得到的相反方向Z高度测量之间的方差(variance)或差中的至少一个。关于图5的示例，原始相位定时信号值的第一相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(-)，具有所得到的Z高度zφsurf_ind(-)的Z高度测量，并且原始相位定时信号值的第二个相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(+)，具有所得到的Z高度zφsurf_ind(+)的Z高度测量。在这个实例中，所得到的相反方向Z高度测量之间的方差和/或差可以等于Z高度误差Zerr(-)和Zerr(+)的和。如将在下面关于图7更详细地描述的，在一个实施方式中，可以调整相位偏移的估计值(例如，以增量步长)以确定导致所得到的相反方向Z高度测量之间的最小化的方差或差的相位偏移的估计值(例如，以便实现与图4的示例更可比的配置，在图4的示例中使得控制信号410'的相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)更接近于对应于相同的Z高度zφsurf_act)。
作为另一示例，在确定和调整相位偏移的估计值的另一配置中，相位偏移补偿处理可以包括对固定表面区域进行成像、并且确定原始相位定时信号值的对应集合，所述原始相位定时信号值的对应集合包括与成像系统的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动对应的原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集。在这种配置中，原始相位定时信号值的第一和第二相应子集可以围绕第一周期性调制相位的90度相位或270度相位名义上(nominally)对称地间隔，并且可以基于原始相位定时信号值的第一和第二相应子集调整相位偏移的估计值。关于图5的示例，原始相位定时信号值的第一相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(-)、并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值，并且原始相位定时信号值的第二相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(+)、并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值。原始相位定时信号值的这样的第一和第二相应子集将围绕光学响应420'的第一周期性调制相位的270度相位名义上对称地间隔，如图5关于原始相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)的间隔所示的。
在一个实施方式中，基于原始相位定时信号值的第一和第二相应子集来调整相位偏移的估计值的操作可以开始于：将第一周期性调制相位的90度相位或270度相位的第一峰值相位定时信号值近似为原始相位定时信号值的第一和第二相应子集的平均值(例如，对于270度相位的原始相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)之间的平均值)。该操作还可以包括基于与具有第二周期性调制相位的控制器中的周期信号同步的相位定时信号来建立第二周期性调制相位的对应90度相位或270度相位的第二峰值相位定时信号值(例如，相位定时信号值t270)。该操作还可以包括将相位偏移的估计值调整到与第一和第二峰值相位定时信号值之间的差对应的值(例如，以便实现与图4的示例可比的配置，在图4的示例中使得控制信号410'的相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)更接近于对应于相同的Z高度zφsurf_act)。
在各种实施方式中，控制信号410'可以与由VFL透镜系统产生和/或确定的各种其它信号相关。例如，同步脉冲可以由VFL透镜系统的某些电子电路或例程产生，并且可以被同步以使得它们沿着光学响应和/或驱动信号(例如，如图3的由驱动信号发生器372产生的)发生在指定的相位位置。在一些实例中，可以提供关于VFL透镜和/或系统的文档(documentation)，其可以指示所提供的同步脉冲意欲发生在功率曲线(例如，光学响应420')上的指定位置。然而，在实践中已经观察到在指定的和实际的同步脉冲位置之间可能存在延迟(例如，相位延迟)。此外，已经观察到，该延迟倾向于根据条件(例如，温度等)而变化。在各种实施方式中，控制信号410'可以是代表这样的同步脉冲的定时或者与该定时同步的合成信号，并且可以对应于Z高度与相位表征的值。在一个实施方式中，同步脉冲可以与由图3的驱动信号发生器372产生的驱动信号同步，并且可以沿着驱动信号发生在指定的相位位置。例如，在各种实施方式中，光学响应420'可能相对于驱动信号具有相位偏移，并且控制信号410'(例如，表示同步脉冲的定时)可以与驱动信号同步，但也可以相对于驱动信号具有相位偏移。在一个实施方式中，(例如，由时钟等提供的)相位定时信号可以与控制信号410'和/或对应的同步脉冲同步。
图6是示出了用于确定表面区域的表面Z高度测量的例程600的一个示例性实施方式的流程图。在框610，控制VFL透镜以周期性地调制其光功率，从而以第一操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制光学系统的聚焦位置，其中周期性调制的VFL透镜光功率定义了第一周期性调制相位。在框620，提供相位定时信号，其中该相位定时信号与具有第一操作频率以及具有第二周期性调制相位的周期信号同步，所述第二周期性调制相位相对于第一周期性调制相位具有相位偏移。
在框630，提供第一Z高度与相位表征，其将各个Z高度与各个相位定时信号值相关。在框640，确定对应于当来自光学检测器的信号数据指示表面区域处于聚焦位置时的原始相位定时信号值，该原始相位定时信号值包括与第一和第二周期性调制相位之间的相位偏移相关的相位偏移贡献。在框650，执行提供表面区域的Z高度测量的相位偏移补偿处理，其中在所提供的Z高度测量中，至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。
图7是图示用于确定相位偏移的估计值的例程700的一个示例性实施方式的流程图。在例程700用于校准过程中以创建或调整Z-高度与相位表征的情况下，将如本文所概述的那样使用的，例程700还可以确定对应于VFL透镜系统的聚焦的实际Z扫描范围的缩放因子。
在框710，确定VFL透镜系统的调制周期(cycle)的时段(period)T。在各种实施方式中，可以使用各种技术来确定周期性调制周期的时段T。例如，在生成同步脉冲(例如，通过VFL透镜系统的某些电子电路或例程等)的配置中，时段T可以被计算为两个同步脉冲之间的平均时段。在采用高采样频率(例如，每周期性调制周期数千个测量的Z高度的样本)的实施方式中，在一些实例中可以使用两个同步脉冲之间的中位数量的样本来确定周期性调制周期的时段T。在框720，确定VFL透镜系统的近似Z扫描范围。在各种实施方式中，近似Z扫描范围可以基于VFL透镜系统的光学模型。
在框730，确定相位偏移的初始试验估计值以及将各个Z高度与各个相位定时信号值相关的Z高度与相位表征。在各种实施方式中，可以基于时段T和近似Z扫描范围、以及相位偏移的初始试验估计值来确定Z高度与相位表征。在各种实施方式中，Z高度与相位表征可以基于数学或其它模型(例如，包括对应于具有指定的Z范围、时段T和相位偏移的初始试验估计值的正弦波或余弦波的值等)、或基于实验地测量的系统的Z高度-相位特性(例如，使用诸如线性近似、样条内插、正弦波拟合等的各种方法内插的查找表)。在各种实施方式中，可能期望使Z高度与相位表征中的值的数量近似等于在两个同步脉冲之间出现的样本(例如，测量的Z高度)的数量，其在某些实例下可能取决于VFL透镜系统的采样率。在各种实施方式中，可以根据系统的期望精确度来使用不同的采样率(例如，每周期数千个样本等)。
在框740，表面区域(例如，在校准过程的情况下的反射镜)被定位在VFL透镜系统Z扫描范围内。在各种实施方式中，可能期望将表面区域近似地放置在Z扫描范围的中间。在其它扫描能力(例如，用于横向扫描等)被包括作为VFL透镜系统的一部分的实施方式中，可能期望关闭或以其它方式禁用这些其它类型的扫描，以便减少其它光学误差对所测量的表面位置的Z变化性的影响。更具体地，在某些实施方式中，期望使用VFL透镜系统的Z高度扫描能力，重复地测量静止校准表面的图像表面区域上完全相同的点(spot)。
在框750，确定对应于当静止的成像的表面区域处于聚焦位置时的双向相位定时信号值和对应的Z高度测量。如上面关于图5所述，在各种实施方式中，这样的操作可以包括在对固定表面区域进行成像时，基于相位偏移的试验估计值执行Z高度确定处理，以及重复对应于原始相位定时信号的至少第一和第二相应子集(其对应于成像系统的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动)的操作。在各种实施方式中，可以使用当前Z高度与相位表征，从多个Z扫描确定多个Z高度测量。在各种实施方式中，诸如VFL透镜370被操作以每秒大量周期(例如，数千等)连续扫描的实施方式中，可以对每个Z扫描快速确定Z高度测量(例如，在上和下两方向上，如上面关于图4和图5所述的)。以这种方式，当测量成像的表面区域上的静止表面点时，可以(例如，利用共焦或其它系统等)快速地累积大量(例如，数千等)Z高度。
在判定框760，确定是否至少近似地最小化试验方差或差中的至少一个。例如，可以将标准偏差计算应用于所确定的Z高度测量(例如，计算它们的sigma)，以确定总体试验方差或差。如果总体试验方差或差未被充分地最小化，则例程进行到框770，在框770中调整相位偏移的试验估计值。例如，相位偏移的试验估计值可以通过增量步长(例如，0.1度相位步长等)或其它技术来调整，以便提供相位偏移的新的试验估计值。然而，这种调整估计的相位偏移的实施方式仅是示例性的，而不是限制性的。例如，在一个替代调整方法中，可以在估计的或预定的范围上，为多个相应的相位偏移确定各自的差或方差值，这可以定义数据点的对应曲线。曲线的最小值(最小方差或差)可以通过已知方法(曲线拟合和峰值或谷值寻找等)而找到，并且对应的相位偏移值可用于估计的相位偏移。这可能得到对用于建立曲线的初始值之间的内插相位偏移值的“理想”和精确的调整。基于本文包括的各种教导，用于执行框770的操作的这些方法和其它替代方法对于本领域普通技术人员来说会是显而易见的。
如果试验方差或差被至少近似地最小化，则例程进行到框780。在各种实施方式中，一旦已经确定试验方差或差被最小化(例如，在按需要执行框750至770的操作以满足框760的要求之后)，可以将相位偏移的对应的试验估计值用作VFL透镜系统的后续Z高度测量操作的相位偏移的估计值。在各种实施方式中，相位偏移的估计值可以用作用于单独地或共同地确定测量的Z高度的一个或多个处理的一部分，或者可以用于调整先前确定的Z高度与相位表征以考虑相位偏移的漂移或变化。换句话说，如果对应于先前确定的Z高度与相位表征或者作为先前确定的Z高度与相位表征的基础的“原始”相位偏移已经改变，则该“原始”相位偏移与相位偏移的新估计值之间的差可以用于按照相位偏移的新估计值将Z高度与相位表征移位(shift)或调整为正确的。
在框780，在例程700被用于创建或调整Z高度与相位表征的校准过程的情况下，确定缩放因子(例如，用于缩放各个Z高度值等)。在各种实施方式中，缩放因子的确定可以包括使用具有已知Z步长高度的校准对象、或者单个表面可以在Z中位移已知量等。为了确定缩放因子，测量具有已知的Z步长高度的校准对象或者在Z中位移了已知量的表面，以便确定对应的第一和第二Z高度测量(例如，至少部分地基于确定的第一和第二对应的原始相位定时信号值和相位偏移的估计值利用Z高度确定过程等)。相应地确定测量的Z高度差，其对应于第一和第二Z高度测量之间的差。然后确定缩放因子，当将该缩放因子乘以或以其它方式应用于所测量的Z高度差时，得到等于已知Z高度差的值。实际上，可以理解，该缩放因子可用于精确校准VFL透镜系统的Z高度聚焦变化的范围或幅度。如果需要或期望，则这种缩放因子可用于建立在Z高度与相位表征中使用的Z高度值、或者用于调整在所调整的Z高度与相位表征中使用的Z高度值。
虽然已经示出和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，所示出的和所描述的特征的排列和操作的序列的各种变化对于本领域技术人员将是显而易见的。可以使用各种替代形式来实施本文公开的原理。此外，可以组合上述各种实施方式以提供进一步的实施方式。本说明书中引用的所有美国专利和美国专利申请通过全文引用被并入本文。如果需要可以修改实施方式的各方面以采用各种专利和申请的概念以提供进一步的实施方式。
根据上述详细描述，可以对实施方式进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而应被解释为包括所有可能的实施方式以及享有这些权利要求的权利的等同物的全部范围。

Claims (10)

1.一种可变焦距(VFL)透镜系统，其提供成像的表面区域的表面Z高度测量，所述可变焦距(VFL)透镜系统包括：
成像系统，其包括可变焦距(VFL)透镜；
控制器，其配置为：
控制可变焦距(VFL)透镜以周期性地调制其光功率，从而以第一操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制成像系统的聚焦位置，其中周期性调制的可变焦距(VFL)透镜光功率定义第一周期性调制相位；
提供相位定时信号，其中该相位定时信号与该控制器中的具有第一操作频率以及具有第二周期性调制相位的周期信号同步，所述第二周期性调制相位相对于所述第一周期性调制相位具有相位偏移；和
提供第一Z高度与相位表征，其将各个Z高度与各个相位定时信号值相关联；
聚焦确定部分，包括：
光学检测器，其从成像系统输入光；和
聚焦信号处理部分，其配置为确定与当来自该光学检测器的信号数据指示成像的表面区域处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值，该原始相位定时信号值包括与第一和第二周期性调制相位之间的相位偏移相关的相位偏移贡献；和
相位偏移补偿部分，其配置为输入对应于成像的表面区域的原始相位定时信号值，并且执行提供成像的表面区域的Z高度测量的相位偏移补偿处理，其中，至少部分地消除与该相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的可变焦距(VFL)透镜系统，其中，相位偏移补偿处理包括基于原始相位定时信号值的对应集合确定成像的表面区域的Z高度测量，所述原始相位定时信号值的对应集合包括与成像系统的所调制的聚焦位置在各个相反的方向上的移动对应的原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集。
3.根据权利要求2所述的可变焦距(VFL)透镜系统，其中，相位偏移补偿处理包括：
基于原始相位定时信号值的第一子集中的至少一个值和第一Z高度与相位表征，确定第一初步Z高度测量子集；
基于原始相位定时信号值的第二子集中的至少一个值以及第一Z高度与相位表征，确定第二初步Z高度测量子集；
确定Z高度测量值，其为a)或b)中的至少一个：a)在第一初步Z高度测量子集中的至少一个值与在第二初步Z高度测量子集中的至少一个值之间的中间值；或者b)第一初步Z高度测量子集中的至少一个值与第二初步Z高度测量子集中的至少一个值的平均，并且使用所确定的Z高度测量作为成像的表面区域的Z高度测量值。
4.根据权利要求1所述的可变焦距(VFL)透镜系统，其中：
该相位偏移补偿部分配置为确定相位偏移的估计值；和
该相位偏移补偿处理包括用于基于至少一个对应的原始相位定时信号值和相位偏移的估计值来确定成像的表面区域的Z高度测量的Z高度确定处理，该Z高度确定处理包括：
通过利用相位偏移的估计值处理该至少一个对应的原始相位定时信号值来确定补偿的相位定时信号值，以减小相位偏移贡献；和
基于该补偿的相位定时信号值和第一Z高度与相位表征来确定Z高度测量。
5.根据权利要求4所述的可变焦距(VFL)透镜系统，其中：
该相位偏移补偿部分包括相位偏移估计部分，该相位偏移估计部分可操作以执行调整相位偏移的估计值以满足标准的调整处理，在该标准中，当在对固定表面区域进行成像时Z高度确定处理是基于相位偏移的所调整的估计值、并且对应于与成像系统的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动对应的原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集被重复时，所得到的相反方向Z高度测量之间的方差或差中的至少一个近似被最小化。
6.根据权利要求5所述的可变焦距(VFL)透镜系统，其中调整处理包括包含以下的操作：
(a)以增量调整相位偏移的估计值，以提供相位偏移的试验估计值；
(b)在对固定表面区域进行成像时，基于相位偏移的试验估计值执行Z高度确定处理，并且重复对应于与成像系统的所调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动对应的原始相位定时信号的至少第一和第二相应子集的操作；
(c)确定所得到的相反方向Z高度测量之间的对应的试验方差或差中的至少一个；和
(d)多次重复操作(a)到(c)，以确定近似地被最小化的试验方差或差中的至少一个，并且使用相位偏移的对应的试验估计值作为可变焦距(VFL)透镜系统的后续Z高度测量操作的相位偏移的估计值。
7.根据权利要求6所述的可变焦距(VFL)透镜系统，其中，该相位偏移估计部分配置为根据由所述可变焦距(VFL)透镜系统的用户确定的定时、或者由所述可变焦距(VFL)透镜系统自动确定的定时中的至少一个，自动地执行调整处理。
8.根据权利要求5的可变焦距(VFL)透镜系统，其中，该调整处理包括：
对固定表面区域进行成像，并且确定原始相位定时信号值的对应集合，所述原始相位定时信号值的对应集合包括与成像系统的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动对应的原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集，其中，该原始相位定时信号值的第一和第二相应子集围绕第一周期性调制相位的90度相位或270度相位在名义上对称地间隔；和
基于原始相位定时信号值的第一和第二相应子集而调整相位偏移的估计值，其中，基于原始相位定时信号值的第一和第二相应子集的调整相位偏移的估计值的操作包括：
将第一周期性调制相位的90度相位或270度相位的第一峰值相位定时信号值近似为原始相位定时信号值的第一和第二相应子集的平均值；
基于与该控制器中的具有第二周期性调制相位的周期信号同步的相位定时信号来建立第二周期性调制相位的对应90度相位或270度相位的第二峰值相位定时信号值；
将相位偏移的估计值调整为与第一和第二峰值相位定时信号值之间的差对应的值。
9.根据权利要求4的可变焦距(VFL)透镜系统，其中：
所述成像的表面区域对应于第一成像的表面区域，所述第一成像的表面区域具有与第二成像的表面区域的已知Z高度差；
所确定的Z高度测量对应于第一成像的表面区域的第一Z高度测量；
该相位偏移补偿处理还包括：
使用Z高度确定处理以至少部分基于第二相应的原始相位定时信号值和相位偏移的估计值确定第二成像的表面区域的第二Z高度测量；
确定对应于第一和第二Z高度测量之间的差的测量的Z高度差；
确定缩放因子，该缩放因子当被应用于测量的Z高度差时得到等于该已知Z高度差的值；
至少部分通过应用所述缩放因子以调整第一Z高度与相位表征的各个Z高度来确定调整的Z高度与相位表征。
10.根据权利要求1的可变焦距(VFL)透镜系统，其中：
该相位偏移补偿部分配置为确定相位偏移的估计值；和
该相位偏移补偿处理包括Z高度确定处理，用于基于至少一个对应的原始相位定时信号值和相位偏移的估计值来确定成像的表面区域的Z高度测量，所述Z高度确定处理包括：
确定调整的Z高度与相位表征，其中，基于相位偏移的估计值移位第一Z高度与相位表征的各个相位定时信号值；
基于至少一个原始相位定时信号值和调整的Z高度与相位表征来确定Z高度测量。
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