CN107884903B - 具有聚焦监测和控制的可变焦距透镜系统 - Google Patents

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Abstract

提供了可变焦距(VFL)透镜系统，其包括可调谐声学梯度(TAG)透镜和用于提供聚焦监测信号的光学聚焦监测配置，所述聚焦监测信号以高精度并且在没有显著延迟的情况下反映聚焦状态。将输入照明图案透射通过TAG透镜以提供具有取决于TAG透镜的光焦度的大小和强度的对应的输出照明图案。光学聚焦信号检测器部分包括滤光配置和聚焦光电检测器，其提供关于聚焦光电检测器接收的总光能而变化的聚焦输出信号，其中，滤光配置接收输出照明图案并限制到达聚焦光电检测器的包括的聚焦检测光的量。基于由聚焦光电检测器提供的聚焦输出信号提供聚焦监测信号。

Description

具有聚焦监测和控制的可变焦距透镜系统
技术领域
本公开涉及使用可变焦距透镜的精密计量学，并且涉及可变焦距透镜可以周期性地调制聚焦位置的机器视觉检查系统和其它系统。
背景技术
精密机器视觉检测系统(或简称为“视觉系统”)可用于测量和检查对象。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。表征为通用“离线”精密视觉系统的一个示例性系统是可从位于伊利诺伊州奥罗拉的三丰美国公司(MAC)获得的QUICK
Figure BDA0001423934060000011
系列基于PC的视觉系统和
Figure BDA0001423934060000013
软件。QUICK
Figure BDA0001423934060000012
系列视觉系统和
Figure BDA0001423934060000014
软件的特征和操作通常在例如2003年1月发表的“QVPAK3D CNC VisionMeasuring 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)中进行了描述。这种类型的系统使用显微镜型光学系统，并且移动该台以提供各种放大率的小或大的工件的检查图像。
在各种应用中，对于高产量(throughput)，期望在静止或不中断移动检查系统中执行高速测量。关于通常基于“最佳聚焦”高度确定的Z高度测量，可以执行Z高度测量的速度可以由Z高度聚焦位置调整或运动速度限制。然而，一些创新的可变焦距透镜能够以非常高的速率改变聚焦，并且，以与其焦距变化率相称的速率以高精度确定其实际聚焦位置已被证明是有问题的。对于用于高速精密检测操作的各种高速可变焦距透镜，需要提高Z高度测量精度和速度。
发明内容
提供此发明内容部分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。此发明内容部分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。
提供了可变焦距(VFL)透镜系统，其包括可调谐声学梯度(TAG)透镜和用于提供以高精度且在没有显著延迟的情况下反映VFL透镜系统的聚焦状态的聚焦监测信号的光学聚焦监测配置。操作TAG透镜以便以操作频率在光焦度(optical power)的范围上周期性地调制其光焦度。光学聚焦监测配置包括监测光源和光学聚焦信号检测器部分。监测光源被配置为在周期性调制期间将聚焦检测光输入到TAG透镜中。在各种实施例中，所输入的聚焦检测光被配置为提供分布在具有近似恒定大小的输入照明图案(pattern)中的光能的输入量。在一些实施例中，光能的输入量近似恒定。输入照明图案的至少中心部分在周期性调制期间透射通过TAG透镜，以从TAG透镜提供对应的输出照明图案，其中输出照明图案具有取决于TAG透镜的光焦度的大小和强度。光学聚焦信号检测器部分位于距TAG透镜近似恒定的距离处，以接收包括在从TAG透镜输出的输出照明图案中的聚焦检测光。光学聚焦信号检测器部分包括滤光配置和提供关于聚焦光电检测器接收的总光能而变化的聚焦输出信号的聚焦光电检测器，其中，滤光配置接收输出照明图案并限制包括的到达聚焦光电检测器的聚焦检测光的量。基于由聚焦光电检测器提供的聚焦输出信号提供聚焦监测信号。
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的视觉系统且包括本文公开的特征的视觉系统的控制系统部分和视觉部件部分的框图；
图3是包括可以根据本文公开的原理操作的光学聚焦监测部分的可变焦距透镜系统的示意图；
图4A和图4B是包括输入照明图案的第一示例性实施方式的光学聚焦监测部分的图；
图5A-图5D是包括输入照明图案的第二示例性实施方式的光学聚焦监测部分、并且图示了可以在各种实施方式中利用的空间滤光孔径或掩模的不同配置的图；
图6是包括归一化部分的光学聚焦监测部分的图；
图7是图示对于各种聚焦监测部分的在聚焦监测信号与Z高度(焦距)之间的关系的曲线图的图。
图8是检测器信号处理部分的第一示例性实施方式的框图；
图9是检测器信号处理部分的第二示例性实施方式的框图；以及
图10是图示用于操作可变焦距透镜系统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的可用的一个示例性机器视觉检查系统10的框图。视觉系统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、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可以显示用于控制和/或编程视觉系统10的用户界面。触摸屏平板式计算机等可以替换或补充这些部件中的任何一个或全部。
更一般地，控制计算机系统14可以包括或包含任何计算系统或设备和/或分布式计算环境，并且可以包括执行软件以执行本文所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、控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)或其组合。软件可以存储在随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等、或其组合中。软件也可以存储在基于光学的磁盘、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中。软件可以包括一个或多个程序模块，其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。程序模块的功能可以跨多个计算系统或设备而组合或分布，并且可以经由有线或无线配置中的服务调用而被访问。
视觉测量机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通常提供各种放大率(例如，0.5x至100x)。类似的视觉系统在共同转让的美国专利第7,324,682、7,454,053、8,111,905和8,111,938号中进行了描述，在此通过全文引用将它们中的每个并入本文。
图2是类似于图1的视觉系统的视觉系统100的控制系统部分120和视觉部件部分200的框图，包括如本文所述的特征。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、240和243、以及可具有中央透明部分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轴位于通常平行于工件20可以被定位的台的表面的平面中。
光学组件部分205可以包括相机/检测器260(例如，相机部分、和/或可选地共焦光学聚焦检测器等)、可变焦距(VFL)透镜270、检测器配置277，并且还可以包括可互换物镜250和具有透镜286和288的转塔透镜组件280。对于转塔透镜组件可替代地，可以包括固定的或手动可互换的放大率改变透镜或变焦镜头配置等。
在各种实施方式中，可通过使用可控马达294使光学组件部分205沿着通常正交于x轴和y轴的z轴可控地移动，所述可控马达294驱动致动器以沿着z轴移动光学组件部分205来改变图像的聚焦。可控马达294经由信号线296连接到输入/输出接口130。如以下将更详细描述的，VFL透镜270也可以被操作以周期性地调制聚焦位置。要被成像的工件20或多个工件20在相对于光学组件部分205移动(例如，在x轴和y轴方向上)的工件台210上，使得成像的区域在工件20上的位置之间移动。
通过信号线或总线221、231和241连接到控制系统部分120的台灯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射源光222、232和/或242，以根据已知原理对工件或工件20进行照明。在图2中，源光232被反射表面290反射以对工件20进行照明。源光作为工件光255被反射或透射(例如，用于成像)，所述工件光255通过可互换物镜250、转塔透镜组件280和VFL透镜270至相机/检测器260。在各种实施方式中，相机/检测器260可在信号线或总线262上将图像数据和/或其它信号输出到控制系统部分120。控制系统部分120可以使转塔透镜组件280围绕轴284旋转，以选择如通过信号线或总线281控制的转塔透镜放大率。如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，光源230(或其它光源)可以是可控频闪(strobe)光源，其可操作地连接到频闪控制器(例如，在控制器125和/或光照控制接口133等中)并且由频闪控制器控制(例如，通过信号线或总线231)。可以将聚焦监测信号输入到频闪控制器，并且频闪控制器可以至少部分地基于聚焦监测信号来控制可控频闪光源的频闪定时。
如将在下面关于图3和图4更详细地描述地，光源243可以发射聚焦检测光245(例如，具有不干扰成像的期望波长)。聚焦检测光245可以被反射表面246反射以通过VFL透镜270，并进一步被反射表面246’朝向检测器配置277反射。检测器配置277可以输入聚焦检测光245，并在信号线或总线278’上输出信号数据(例如，包括聚焦输出信号和/或聚焦监测信号等)到控制系统部分120的检测器信号处理部分278。光源243可以通过信号线或总线244连接到控制系统部分120。
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。这些部件和下面描述的附加部件中的每个可以通过直接连接、或通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口互连。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。光照控制接口133可以包括光照控制元件133a、133n和133fl，其控制例如视觉系统100的各种对应的光源的选择、功率、通/断开关和频闪脉冲定时(如果适用)。
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275和检测器信号处理部分278，如将在下面关于图3-图6更详细地描述的。简单来说，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，其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以周期性地调制其光焦度(例如，正弦地)，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。周期性地调制的VFL透镜光焦度定义了周期性聚焦调制。如将在下面关于图8更详细地描述的，在一个实施方式中，检测器信号处理部分278可以包括锁存电路，其中频闪定时(例如，对于光源230)触发对应的聚焦监测信号值的锁存，所述对应的聚焦监测信号值表示在由频闪定时确定的对应的图像曝光定时的Z高度。如将在下面关于图9更详细地描述的，在一个实施方式中，检测器信号处理部分278可以包括比较器电路，其输入聚焦监测信号和与Z高度相关的参考信号，以便在参考信号相关的Z高度触发可控频闪光源(例如，光源230)。在各种实施方式中，聚焦信号处理部分275还可以或者替代地提供聚焦位置指示信号、和/或确定对应于当来自相机/检测器260(例如，包括相机部分、共焦光学检测器等)的信号数据指示成像的工件表面区域处于聚焦位置时的聚焦监测信号值。
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还可以包括扩展景深模式，如在共同未决且共同转让的美国专利公布第2015/0145980号中更详细地描述的，在此通过全文引用将其并入本文。包括VFL透镜的其它系统和方法在共同未决且共同转让的、于2015年7月9日提交的题为“Adaptable Operating Frequency of a VariableFocal Length Lens in an Adjustable Magnification Optical System”的美国专利申请序列第14/795,409号、于2015年8月31日提交的题为“Multi-Level Image Focus Usinga Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”的美国专利申请序列第14/841,051号中描述、以及在共同未决且共同转让的、于2015年9月15日提交的题为“Chromatic Aberration Correction in Imaging System Including Variable FocalLength Lens”的美国专利申请第14/854,624号中，在此通过全文引用将其每个并入本文。
存储器140可以包括图像文件存储部分141、边缘检测存储部分140ed、工件检查程序存储部分142和视频工具部分143。视频工具部分143包括确定每个对应的视频工具的GUI、图像处理操作等的视频工具部分143a和其它视频工具部分(例如，143n)、以及支持各种视频工具中的操作的感兴趣区域(ROI)生成器143roi。自动聚焦视频工具143af可以确定某些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，如在共同未决且共同转让的美国专利公布第2014/0368726号中更详细地描述的，在此通过全文引用将其并入本文。在各种实施方式中，本文所述的光学聚焦监测(例如，包括利用检测器配置277、检测器信号处理部分278和/或其它相关元件)可以结合一个或多个视频工具而利用、或者另外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”通常是指机器视觉用户可以通过相对简单的用户界面来实施而无需创建包括在视频工具中的逐步的操作序列的自动或编程的操作。例如，视频工具可以包括通过调整少量管理变量或参数在特定实例中应用和定制的复杂的预编程的图像处理操作集。除了底层操作和计算之外，视频工具还包括允许用户调整视频工具的特定实例的那些参数的用户界面。用户界面特征有时被称为视频工具，其中隐含地包括底层操作。
来自相机/检测器260的信号线262、来自VFL透镜270的信号线271’、来自检测器配置277的信号线278’和来自可控马达294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了携带图像数据之外，信号线262还可以携带来自控制器125的信号，其启动某些处理(例如，图像获取、共焦亮度测量等)。
用户界面显示设备136(例如，图1的显示器16)和输入设备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。在一些实施例中，显示设备136可以显示与透镜控制器/接口271、聚焦信号处理部分275、检测器信号处理部分278等相关联的用户界面特征。
图3是可以适用于视觉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。将理解，除了下面另有描述之外，图3的某些编号的部件3XX可以对应于图2的类似编号的部件2XX、和/或具有与图2的类似编号的部件2XX类似的操作。如图3所示，VFL透镜系统300包括光源330和343、物镜350、管镜351、中继透镜352、VFL透镜370、中继透镜386、透镜控制器371、相机/检测器360、光学聚焦监测部分376和聚焦监测信号(FMS)校准部分373。在各种实施方式中，各个部件可以通过直接连接或一个或多个数据/控制总线(例如，系统信号和控制总线395)和/或应用编程接口互连。
在操作中，在图3所示的实施方式中，光源330可以是被配置为沿着包括部分反射镜390且通过物镜350到工件320的表面的路径发射源光332(例如，通过频闪或连续照明)的“同轴”或其它光源，其中物镜350接收聚焦在靠近工件320的聚焦位置FP处的工件光355，并将工件光355输出到管镜351。管镜351接收工件光355并将其输出到中继透镜352。在其它实施方式中，类似光源可以以非同轴方式对视场进行照明，例如，环形光源可以对视场进行照明。在各种实施方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且管镜351可以被包括作为转塔透镜组件的一部分(例如，类似于图2的可互换物镜250和转塔透镜组件280)。在各种实施方式中，本文所提及的其它透镜中的任何一个可以由单独的透镜、复合透镜等形成或者与单独的透镜、复合透镜等结合操作。
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并将其输出到相机/检测器360。在各种实施方式中，相机/检测器360可以在图像曝光时段期间捕获工件320的图像，并且可以将图像数据提供给控制系统部分。在各种实施方式中，相机/检测器360还可以或者替代地包括共焦光学检测器等。
在各种实施方式中，可选的聚焦信号处理部分375可以从相机/检测器360输入数据，并且可以提供用于确定成像的表面区域(例如，工件320的)何时处于聚焦位置的数据或信号。例如，在相机/检测器360包括相机的实施方式中，可以使用已知的“最大对比度”分析来分析由相机获取的一个或多个图像(例如，图像堆栈)，以确定工件320的成像的表面区域何时处于聚焦位置。用于这种分析的示例性技术在美国专利第6,542,180号和第9,060,117号中被教导，它们中的每个被共同转让并且在此通过全文引用被并入本文。在相机/检测器360包括共焦光学检测器的实施方式中，信号数据中的至少一些可以对应于感测的共焦亮度。在这种实施方式中，可以在对VFL透镜370的光焦度的周期性调制期间利用可选聚焦信号处理部分375以确定何时发生最大共焦亮度，如对应于工件320的聚焦位置。
VFL透镜370是电子可控的，以改变成像系统的聚焦位置FP(例如，在一次或多次图像曝光期间或之间，等等)。聚焦位置FP可以在由聚焦位置FP1和聚焦位置FP2限制的范围R内移动。将理解，在各种实施方式中，范围R可以由用户选择，或者可以由设计参数导致，或者可以另外自动确定。通常，关于图3的示例，将理解，某些所示的尺寸(dimension)可能不是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示的尺寸不同比例的尺寸(例如，对于某些应用而言，可能不太宽且长达50mm或更长，以便提供期望量的透镜光焦度等)。
在各种实施方式中，视觉系统可以包括控制系统(例如，图2的控制系统部分120)，其可配置为与透镜控制器371结合操作、或者另外控制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可以周期性地快速调整或调制聚焦位置。在各种实施方式中，透镜控制器371可以操作来以共振频率驱动VFL透镜370(例如，TAG透镜)，以便以操作频率在光焦度的范围上周期性地调制VFL透镜光焦度。如将在下面更详地细描述的，聚焦监测信号可以被输入到透镜控制器371(例如，作为反馈信号)，并用于调整VFL透镜370的控制。在各种实施方式中，调整VFL透镜370的控制可以包括调整VFL透镜370的周期性调制的幅度、频率或相位中的至少一个。
在一个示例实施方式中，聚焦位置FP可以移动的范围R可以为近似10mm(例如，对于1X物镜350)。在各种实施方式中，有利地选择VFL透镜370以使得其不需要成像系统中的任何宏观机械调整和/或物镜350与工件320之间的距离的调整来改变聚焦位置FP。
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在流体介质中使用声波来调制聚焦位置的高速VFL透镜，并且可以以几百kHz的频率周期性地扫描焦距的范围。这种透镜可以通过文章“High-speedvarifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens”(Optics Letters，Vol.33，No.18，2008年9月15日)的教导来理解，通过全文引用将其并入本文。可调谐声学梯度指标透镜和相关的可控信号生成器可例如从新泽西州普林斯顿的TAG Optics公司获得。例如，型号TL2.B.xxx系列透镜能够调制高达近似600KHz。
VFL透镜370可以由透镜控制器371驱动，透镜控制器371可以生成用以操作VFL透镜370的信号。在一个实施例中，透镜控制器371可以是商用可控信号生成器。在一些实施方式中，透镜控制器371可由用户和/或操作程序配置或控制(例如，通过透镜控制器/接口271，如先前关于图2所述的)。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焦度(例如，正弦地)，从而以高操作频率(例如，与400kHz或600kHz等一样高)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，尽管在各种实施方式和/或应用中可能期望较慢的聚焦位置调制频率。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。在使用较慢的周期性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，周期性地调制的VFL透镜光焦度可以定义周期性聚焦调制。
在各种实施方式中，透镜控制器371可以包括驱动信号生成器部分372。驱动信号生成器部分372可以操作(例如，结合定时时钟372’)以向诸如TAG透镜的高速VFL提供周期性驱动信号。在各种实施方式中，周期性信号可以具有与周期性地调制的VFL透镜光焦度相同的操作频率，并且，在现有技术TAG透镜中，已经基于驱动信号的并发状态确定TAG透镜的近似聚焦高度或Z高度。然而，由于TAG透镜的高聚焦变化频率和其它操作特性，驱动信号可能与TAG透镜的实际聚焦高度或Z高度变化略微异相，导致Z高度测量误差和/或需要复杂误差补偿方案，诸如在于2016年5月3日提交的题为“Phase Difference Calibration In AVariable Focal Length Lens System”的共同未决且共同转让的美国专利申请第15/145,682号中所描述的，在此通过全文引用将其并入本文。本文公开的原理可用于克服现有技术中的缺陷，和/或消除对复杂误差补偿方案的需要，以便为诸如TAG透镜的高速VFL提供精密Z高度测量。
根据本文公开的原理，可以确定近似实时地直接表示周期性聚焦调制的聚焦监测信号，如将在下面更详细描述的。在各种实施方式中，Z高度与(vs.)聚焦监测信号校准部分373可以提供将各个Z高度与各个聚焦监测信号值相关的第一Z高度与聚焦监测信号值表征。一般来说，Z高度与聚焦监测信号校准部分373包括记录的校准数据。因此，其在图3中作为单独元件的表示仅仅是示意性的而不是限制性的。在各种实施例中，相关联的记录的校准数据可以与透镜控制器371或光学聚焦监测部分376或连接到系统信号和控制总线395的主计算机系统合并和/或不可区分。
如下面将关于图4所述的，光学聚焦监测部分376可以输入已经通过VFL透镜370的聚焦检测光345，并且可以产生聚焦输出信号(例如，来自光电检测器的聚焦输出信号)。在各种实施方式中，可以基于聚焦输出信号来提供聚焦监测信号。例如，在一个实施方式中，聚焦输出信号可以作为聚焦监测信号而被直接提供。作为另一示例，在替代实施方式中，可以基于聚焦输出信号的进一步信号处理来产生聚焦监测信号。
如将在下面更详细地描述的，在各种实施方式中，VFL透镜系统300还可以包括图案生成器343G，其与光源343组合地生成输入到VFL透镜370(例如，TAG透镜)中并且导致来自VFL透镜370的输出照明图案PATout的输入照明图案PATin。在各种实施方式中，包括VFL透镜370的光路还可以包括第一分光器346和第二分光器346’。第一分光器346位于物镜350和VFL透镜370之间，并从监测光源343接收聚焦检测光345，并引导(direct)聚焦检测光345中的至少一些通过VFL透镜370。第二分光器346’位于VFL透镜370和相机/检测器360之间，并从VFL透镜370接收输出照明图案PATout，并将输出照明图案PATout朝向包括光学聚焦信号检测器部分的光学聚焦监测部分376引导(例如，如将在下面关于图4-图6更详细地描述的)。
在图3的具体配置中，与图案生成器343G组合的光源343以准直光束的形式(例如，以输入照明图案PATin的形式)产生聚焦检测光345，其中至少一些由分光器346接收并被引导通过VFL透镜370。分光器346’接收已经通过VFL透镜370的聚焦检测光345中的至少一些(例如，以输出照明图案PATout的形式)，并且将聚焦检测光朝向光学聚焦监测部分376引导。由于定位VFL透镜370和调制VFL透镜370的光焦度，所以可以从具有发散/会聚的VFL透镜输出聚焦检测光345，对于发散/会聚，外束尺寸被对应地调制并且在最大外束路径Bmax和最小外束路径Bmin之间变化(例如，其可以使得输出照明图案PATout的某些尺寸对应地调制/变化，如以下将关于图4A、图4B和图5A-图5D更详细地描述的)。
在一个实施方式中，分光器346和346’可以是二向色分光器，并且，来自光源343聚焦检测光345可具有与来自光源330的源光332不同的波长。在各种实施方式中，监测光源343可以产生由第一组波长组成的聚焦检测光345，并且成像光源330可以产生由排除第一组波长的第二组波长组成的源光332。二向色分光器346和346’可以各自反射第一组波长并透射第二组波长。作为示例，在一个具体实施方式中，光源343可以以连续模式操作，并且可以提供具有近似为λ＝735nm的波长的准直聚焦检测光345，对于其，二向色分光器346和346’中的一个或两个可以具有诸如R>720nm和T<700nm的特性(例如，以便反射所期望的来自光源343的聚焦检测光345，同时允许由来自光源330的源光332产生的工件光355作为透射光通过到相机/检测器360等)。
如上所述，可以将来自光源330的源光332朝向成像的表面区域(例如，工件320的)引导，以产生工件光355(例如，其用于产生成像的表面区域的图像和/或确定成像的表面区域何时聚焦)，并且，对于其，源光源332可具有与聚焦检测光345不同的波长(例如，源光332为λ<700nm，而聚焦检测光345是λ>720nm等)。在各种实施方式中，利用735nm LED用于光源343以产生聚焦检测光345可具有某些优点(例如，与硅响应度具有良好匹配并且具有很少或没有相干/散斑等)。作为需要更多功率的另一个示例，可以利用785/805nm二极管激光器作为阈值以下操作等。
在各种实施方式中，成像配置可以被指定为至少包括物镜350、VFL透镜370和相机/检测器360。如上所述，物镜350输入在成像配置的视场(FOV)中来自工件320的成像的表面区域的工件光355，并使工件光355透射通过VFL透镜370，并且相机/检测器360接收来自VFL透镜370的工件光，并提供聚焦在具有相对于成像配置的焦距或Z高度中的至少一个的成像系统焦平面的图像。在各种实施方式中，成像系统焦平面的焦距或Z高度中的至少一个由VFL透镜光焦度控制。在这种实施方式中，由光学聚焦监测部分376产生的聚焦监测信号的瞬时值可以表示成像系统焦平面的瞬时焦距或Z高度中的至少一个。在各种实施方式中，聚焦监测信号和/或聚焦输出信号可以包括以高精度表示在整个调制时段内VFL透镜370的聚焦状态的时变信号，并且可以在与聚焦状态相比没有显著延迟的情况下提供该时变信号。在一个具体示例配置中，周期性调制可以对应于至少50kHz的频率，并且可以以与聚焦状态相比不超过100纳秒的延迟来提供时变信号。在一些实施例中，可以达到甚至更小的延迟，例如，不超过50纳秒、或25纳秒、或更小。合适的超快光电检测器和相关联的放大电路在本领域中是已知的并且是市售的，例如来自加利福尼亚州圣荷西的Hamamatsu公司和/或加利福尼亚州圣克拉拉的Newport公司。这样的光电检测器可以具有例如40皮秒量级的上升时间。因此，相关联的延迟或信号滞后可以对应于使用诸如TAG透镜的周期性地调制的高速VFL透镜的成像系统中的微不足道的聚焦测量误差或Z高度误差，因为在小延迟时段期间的聚焦变化可以是包括VFL透镜的成像系统的景深的一小部分。在各种实施方式中，还可以通过电路(例如，包括在图8和图9的检测器信号处理部分478中)和/或VFL透镜系统300的其它部件来补偿或另外解决任何残留延迟。将理解，根据本文公开的原理，VFL透镜的实际光焦度的近实时监测允许精确地执行VFL透镜系统的Z高度测量和/或其它操作，而不管对现有技术方法产生不利影响的各种不稳定性(例如，透镜或电路温度敏感性)。
在各种实施方式中，聚焦监测信号可以用于相对于VFL透镜系统300的操作的各种目的。例如，聚焦监测信号可以被输入到控制器，控制器可以利用聚焦监测信号(例如，作为反馈信号)来调整对VFL透镜370的控制。作为另一示例，VFL透镜系统通常可以被配置为使用确定对应的成像系统焦平面的图像曝光定时来控制图像曝光。VFL透镜系统可以被配置为控制包括在VFL透镜系统中的可控频闪光源的定时、或相机部分的可控图像积分时段(integration period)的定时中的至少一个，以提供图像曝光定时。在一些实施例中，锁存电路可以被配置为在对应于图像曝光定时的时间锁存聚焦监测信号值，其中所锁存的聚焦监测信号值表示对应的图像曝光的焦距或Z高度。在一些实施例中，比较器电路可以被配置为输入聚焦监测信号并输入与期望的成像焦距或Z高度相关的参考信号，并且当聚焦监测信号对应于参考信号时输出控制图像曝光定时发生的触发信号。在一些实施例中，聚焦监测信号可以被输入到用于控制图像曝光定时的控制器，或者聚焦监测部分376可以包括用于至少部分地基于聚焦监测信号控制可控频闪光源的频闪定时和/或相机部分的图像积分时段的电路。下面关于图8和图9更详细地描述示例性的具体实施方式。
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和管镜351被指定为包括在开普勒望远镜配置中，并且管镜351和物镜350被指定为包括在显微镜配置中。所有所示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。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)设备，诸如，TAG透镜)放置在物镜350的傅立叶平面FPL处。此配置可以保持工件320处的远心度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，包括管镜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，并且可以被配置为提供物镜通光孔径在VFL透镜的位置处的期望大小的投影，以便最小化图像像差等。
图4A和图4B是包括输入照明图案PATin的第一示例性实施方式的光学聚焦监测部分376’的图。光学聚焦监测部分376’可以被理解为图3所示的光学聚焦监测部分376的一个实施方式。为了简单起见，在图4A所示的示意性表示的光路中省略了图3所示的分光器346’。在图4A的示例中，光学聚焦监测部分376’包括检测器配置477’和检测器信号处理部分478(例如，其可以对应于或另外类似于图2的检测器配置277和检测器信号处理部分278)。检测器配置477’包括第一光学聚焦信号检测器部分DP1，其包括第一监测透镜LNS1和第一光检测器DET1。第一光检测器DET1包括第一聚焦光电检测器PD1和第一滤光配置MSK1(例如，掩模)。如将在下面关于图6更详细地描述的，在替代配置中，可以包括第二检测器部分DP2作为检测器配置的一部分。
如上面关于图3所述的，监测光源343被配置为在周期性调制期间将聚焦检测光345输入到VFL透镜370中。在图4A-图6的示例中，VFL透镜370被指定为TAG透镜。如图4A所示，在一些实施例中，所输入的聚焦检测光345被配置为提供分布在具有近似恒定大小(例如，如由恒定的直径Din等指示的)的输入照明图案PATin(例如，如由图3的图案生成器343G生成的)中的光能的输入量Ein。在一些实施例中，光能的输入量近似恒定。聚焦检测光345在输入照明图案PATin中至少近似准直。
在各种实施方式中，为输入照明图案PATin的形式的输入聚焦检测光345可以包括静态光束。在一个这样的实施方式中，静态光束可以包括过填充(overfill)TAG透镜370中包括的限制孔径的光的实心横截面，并且TAG透镜370中的限制孔径可以定义输入照明图案PATin的近似恒定的大小(例如，包括直径Din等)。在另一个这样的实施方式中，静态光束可以被配置在具有恒定大小的输入照明图案PATin中，所述恒定大小足够小以使得完整的输入照明图案PATin通过TAG透镜370以形成输出照明图案PATout。
在各种实施方式中，输入照明图案PATin的至少中心部分在周期性调制期间透射通过TAG透镜370，以从TAG透镜370提供对应的输出照明图案PATout，其中输出照明图案PATout具有取决于TAG透镜370的光焦度的大小和强度。例如，如图4B所示，输出照明图案PATout可以具有在最大直径Dout_max和最小直径Dout_min之间调制/变化的大小。此变化至少部分由于以下事实导致：作为TAG透镜370的定位和其光焦度的调制的结果，从具有发散/会聚的TAG透镜输出聚焦检测光345，对于发散/会聚，外束尺寸被对应地调制并且在最大外束路径极限Bmax和最小外束路径极限Bmin之间变化。
光学聚焦信号检测器部分DP1位于距TAG透镜370近似恒定的距离处，以接收包括在从TAG透镜370输出的输出照明图案PATout中的聚焦检测光345。第一监测透镜LNS1将聚焦检测光朝向第一滤光配置MSK1和第一聚焦光电检测器PD1聚焦。在各种实施方式中，第一滤光配置MSK1和/或第一聚焦光电检测器PD1可以位于第一监测透镜LNS1的最佳聚焦处或其附近。在各种实施方式中，第一监测透镜LNS1输入输出照明图案PATout，并以减小的大小将其透射到滤光配置MSK1。聚焦光电检测器PD1提供关于聚焦光电检测器PD1接收的总光能变化的聚焦输出信号478A(例如，对应于图2的信号线/总线278’)，其中滤光配置MSK1接收输出照明图案PATout并限制到达聚焦光电检测器PD1的包括的聚焦检测光345的量。
在图4A和图4B的示例中，输入照明图案PATin包括实心图案，并且被配置为使得从TAG透镜输出的对应的输出照明图案PATout包括实心图案。滤光配置MSK1包括由聚焦光电检测器PD1的限制定义的空间滤光孔径AP1(例如，使得到达聚焦光电检测器PD1的实心图案PATout的量具有相对于聚焦光电检测器PD1的可操作面积的指定大小)，并且实心图案PATout在周期性调制期间一直过填充孔径AP1和/或聚焦光电检测器PD1。
基于由聚焦光电检测器PD1提供的聚焦输出信号478A，提供聚焦监测信号。在一个实施方式中，聚焦输出信号478A可以对应于并且被直接提供为经放大的聚焦监测信号。在替代实施方式中，聚焦输出信号478A可经历附加信号处理和/或另外被修改(例如，通过已知的线性化和/或归一化电路技术)并且，基于第一聚焦输出信号478A的经处理/修改的信号可以被提供为聚焦监测信号。在一些实施方式中，如下面将关于图8和图9更详细地描述的，检测器信号处理部分478可以输入第一聚焦输出信号478A并对其进行处理(例如，与其它信号组合)，以输出输出信号479(例如，如用于触发可控频闪光源、或者确定对应于当触发可控频闪光源时的Z高度等)。
在各种实施方式中，聚焦光电检测器PD1可以是用于实时精确地监测TAG透镜370的快速变化的光焦度的高速光电检测器。例如，在某些实施方式中，VFL透镜370的光焦度可以以与50kHz、70kHz或250kHz或400kHz等一样高的速率进行调制，对于所述速率，可能需要高速聚焦光电检测器(例如，诸如本文以前概述的)用于以最小延迟进行精确监测。在一些实施方式中，聚焦光电检测器PD1可以是使用跨阻抗放大器的高速、反向偏置的硅光电二极管(SiPD)。可以在这样的配置中使用的设备和电路的示例在美国专利第4,029,976号、第8,907,729号和第6,064,507号中进行了描述，例如，在此通过全文引用将其每个并入本文。
图5A-图5D是包括输入照明图案PATin’的第二示例性实施方式的光学聚焦监测部分376”的图，并且图示了可以在各种实施方式中利用的空间滤光孔径AP1’-AP1”’和对应的滤光配置MSK1’-MSK1”’的不同配置。图5A-图5D的各种元件可以与图4A和图4B的元件类似或相同(如包括类似或相同的附图标记)，并且将被理解为类似地操作，除非以下另有说明。在图5A的示例中，光学聚焦监测部分376”包括检测器配置477”和检测器信号处理部分478。检测器配置477”包括第一光学聚焦信号检测器部分DP1’，其包括第一监测透镜LNS1和第一光检测器DET1’。第一光检测器DET1’包括第一聚焦光电检测器PD1和第一滤光配置MSK1’(例如，掩模)。
图5A的配置与图4A的配置相比的一个区别是输入照明图案PATin’是环状图案，其被配置为使得对应的输出照明图案PATout’还包括环状图案(例如，圆环图案)。如图5B-图5D所示，输出照明图案PATout’具有在具有对应的最大图案厚度T_Dout_max的最大直径Dout_max和具有对应的最小图案厚度T_Dout_min的最小直径Dout_min之间调制/变化的大小。
图5B-图5D分别图示了包括不同类型的空间滤光孔径AP1’-AP1”’的滤光配置MSK1’-MSK1”’(例如，掩模)的不同实施方式。如将在下面关于图7更详细地描述的，不同的滤光配置MSK1’-MSK1”’导致在聚焦监测信号与确定的Z高度(焦距)之间的不同类型的关系。如图5B和图5C所示，对于滤光配置MSK1’和MSK1”中的每一个，掩模的空间滤光孔径AP1’和AP1”具有不同的形状。更具体地，空间滤光孔径AP1’具有恒定的宽度Wap’，而空间滤光孔径AP1”是弯曲的并且具有由函数kDout^2定义的宽度Wap”。滤光配置MSK1’和MSK1”的掩码的每个在周期性调制期间一直阻挡输出照明图案PATout的阻挡部分。空间滤光孔径AP1’和AP1”中的每个也一直透射输出照明图案PATout的透射部分。此外，空间滤光孔径AP1’和AP1”的每个被成形为使得输出照明图案PATout的透射部分与阻挡部分的比率根据输出照明图案PATout的大小而变化。这与例如“饼形”空间滤光孔径形成对比，对于“饼形”空间滤光孔径，透射部分与阻挡部分的比率将保持恒定。如将在下面关于图7更详细地描述的，空间滤光孔径AP1”(即，对于其，Wap”＝kDout^2)的形状使得聚焦输出信号和/或聚焦监测信号与可变焦距(VFL)透镜系统的聚焦状态成比例。
如图5D所示，滤光配置MSK1”’包括掩模，该掩模包括具有非均匀密度图案的密度滤光器AP1”’，其被配置为根据输出照明图案PATout的大小(例如，直径Dout)来衰减输出照明图案PATout的透射。在图5D的示例中，非均匀密度图案是轴对称的，并且密度作为图案内的半径的函数而变化(例如，被定义为Dout的函数，诸如，密度＝kDout)。密度滤光器AP1”’被配置为在周期性调制期间一直接收并透射整个输出照明图案PATout到光电检测器PD1，尽管如通过非均匀密度图案滤光。如将在下面关于图7更详细地描述的，密度滤光器AP1”’的非均匀密度图案(例如，利用诸如密度＝kDout的透射函数)可使得聚焦输出信号和/或聚焦监测信号与可变焦距(VFL)透镜系统的聚焦状态成比例。
图6是包括归一化部分DP2的光学聚焦监测部分376”’的图。图6的某些元件与图4A、图4B和图5A-图5D的部件类似或相同(如包括类似或相同的附图标记)，并且将被理解为类似地操作，除非以下另有说明。具体地，光学聚焦信号检测器部分DP1”可以被与光学聚焦信号检测器部分DP1或DP1’的任何之前概述的实施例类似地配置。在图6的示例中，光学聚焦监测部分376”’包括检测器配置477”’和检测器信号处理部分478。检测器配置477”’包括分光器BS1、第一光学聚焦信号检测器部分DP1”和第二光学聚焦信号检测器部分DP2(例如，也被称为归一化信号检测器部分DP2)。第一光学信号检测器部分DP1”包括第一监测透镜LNS1和第一光检测器DET1”。第一光检测器DET1”包括第一聚焦光电检测器PD1和第一滤光配置MSK1”(例如，掩模)。归一化信号检测器部分DP2包括第二监测透镜LNS2(例如，也被称为归一化透镜LNS2)和第二光检测器DET2(例如，也被称为归一化光检测器DET2)，其包括第二聚焦光电检测器PD2(例如，也被称为归一化光电检测器PD2)。
在操作中，分光器BS1(例如，非偏振50/50分光器)接收作为已经通过TAG透镜370的输出照明图案PATout(例如，来自图3的分光器346’)的一部分的聚焦检测光345，并且将至少一些聚焦检测光作为第一分散(split)输出照明图案而朝向根据先前概述的原理操作的光学聚焦信号检测器部分DP1”透射。至少一些聚焦检测光也作为第二分散输出照明图案为而被朝向归一化信号检测器部分DP2引导。包括归一化透镜LNS2的归一化信号检测器部DP2输入整个第二分散输出照明图案，并将整个第二分散输出照明图案以减小的大小透射到归一化光电检测器PD2，其中归一化光电检测器PD2提供关于其接收的总光能而变化的归一化输出信号478B(例如，对应于图2的信号线/总线278’)。在各种实施方式中，检测器信号处理部分478可以包括聚焦监测输出电路或者是其一部分，所述聚焦监测输出电路被配置为输入聚焦输出信号478A和归一化输出信号478B并且产生归一化的聚焦输出信号和/或归一化聚焦监测信号，其中根据已知技术(例如，通过由归一化输出信号478B除以聚焦输出信号478A)，基于归一化输出信号478B来补偿由于包括在输出照明图案PATout中的总光能的变化导致的聚焦输出信号478A的变化。
图7是图示对于各种光学聚焦监测配置的在聚焦监测信号(例如，作为从聚焦光电检测器的输出)与Z高度(焦距)之间的关系的曲线图700的图。如图7所示，曲线710表示当利用图4B的滤光配置MSK1时从聚焦光电检测器PD1的输出。曲线720表示当利用图5B的滤光配置MSK1’时从聚焦光电检测器PD1的输出。曲线730表示当利用图5C的滤光配置MSK1”时或当利用图5D的滤光配置MSK1”’时从聚焦光电检测器PD1的输出。可以参考以下等式更好地理解曲线710-730。在下面的等式中，将常数K指定为表示可以存在于等式中的所有常数的组合值，使得对于存在一个或多个常数值的每个等式，将仅示出一个通用常数K。
作为第一相关等式，在掩模平面的图案中的强度i(t)可以表示为：
i(t)＝Ein/A(t) (等式1)
其中Ein是输入图案PATin中的总能量，并且A(t)是在掩模平面的输出图案中的总面积。对于信号S(t)：
S(t)＝I(t)*Tr (等式2)
其中Tr可以是透射面积，或者替代地，透射面积乘以滤光系数。在以下等式中，假设Zfocus近似与Dout成比例，使得：
Zfocus(t)＝K(Dout(t)) (等式3)
对于图4A和4B的实心图案和点配置：
A(t)＝pi*(Dout(t)/2)2 (等式4)
对于其，如果利用总是被过填充的图4B的固定掩模孔径(Tr＝常数)，则该信号与强度成比例。也就是说：
S(t)＝K*i(t)＝K[Ein/pi*(Dout(t)/2)2] (等式5)
假设Ein是恒定的(如在一些实施例中可以是)，并且重排(rearranging)(并且使用如上所述的K来表示任何修改的比例常数)：
S(t)＝K/(Dout(t)/2)2 (等式6)
其导致：
Zfocus(t)＝K[(1/S(t)]1/2 (等式7)
也就是说，Zfocus与信号S(t)的平方根近似成反比。在各种实施方式中，可以提供相关的校准表，或者可以分析地执行转换。
对于图5B的环状图案和滤光配置：
Figure BDA0001423934060000181
对于其，滤光配置MSK1’利用对于D(或Dout)的所有值具有恒定宽度Wap’的掩模孔径AP1’。在这样的配置中：
Tr＝2*Wap’*T(Dout) (等式9)
参考等式2，并使用等式9替换Tr，使用等式1替换i(t)：
S(t)＝i(t)*Tr＝Tr*i(t)＝Tr*[Ein/A(t)]＝Wap’*T(Dout)*[Ein/A(t)]
(等式10)
并进一步使用等式8替换A(t)：
S(t)＝Wap'*T(Dout)Ein/[pi*Dout(t)*T(Dout)] (等式11)
假设Ein是恒定的(如在一些实施例中可以是)，并且重排(并且利用K作为Ein和pi等修改的比例常数)：
S(t)＝K*Wap’/Dout(t) (等式12)
在Zfocus与Dout近似成比例的实施方式中，这导致：
Zfocus(t)＝K Wap’/S(t) (等式13)
或者，由于在图5B的实施例中Wap’是恒定的：
Zfocus(t)＝K/S(t) (等式14)
也就是说，Zfocus与信号S(t)近似成反比，如图7的曲线720所指示的。关于上述等式，将理解，孔径的形状可以用于影响Zfocus和信号S(t)之间的关系。
使用这个概念，如果等式12中的Wap’＝K*Dout2，那么信号与Dout成比例，结果Zfocus(t)与信号S(t)成比例。一个这样的配置在图5C中图示(例如，其中，在增加D时，孔径AP1”像喇叭一样张开，使得它对于更大Dout而对着输出照明图案PATout’的更大部分或更大角度)。替代地，在图5D的配置中，滤光配置MSK1”使用整个环状输出照明图案PATout’，但是通过包括密度滤光器AP1”’的“孔径”对其进行滤光。对于这种配置，代替通过掩模孔径宽度进行滤光，通过作为Dout的函数的掩模密度函数滤光输出照明图案PATout’。此密度滤光函数F(Dout)类似于上面参考图5C讨论的宽度函数Wap”。也就是说，环状输出照明图案PATout’的360度总是被透射，但是以取决于直径的透射系数F(Dout)、而不是通过取决于直径的“孔径宽度”透射其。通过与前面的等式类似，并且由于整个输出图案总是通滤光器透射，所以对于此配置：
Tr＝F(Dout)*A(t) (等式15)
在此情况下，F(Dout)定义了透射的比例。在这样的实例中，较大的F相当于更多的透射。关于等式2，并使用等式15替换Tr，并且使用等式1替换i(t)：
S(t)＝i(t)*Tr＝Tr*i(t)＝Tr*[Ein/A(t)]＝F(Dout)*A(t)*[Ein/A(t)]
(等式16)
使用K来表示对于Ein等的修改的比例常数，简化等式16，并注意到Dout是时间Dout(t)的函数：
S(t)＝K*F(Dout(t)) (等式17)
也就是说，输出信号S(t)将通常与在该特定时间在输出环状图案的任何特定输出图案直径处的密度函数的值成比例。这样的配置指示可以选择任何密度函数，以便关于Dout和/或Zfocus的特定值创建特定信号。例如，如果：
F(Dout)＝K*Dout (等式18)
并将等式18代入等式16：
S(t)＝K*Dout(t) (等式19)
在Zfocus至少与Dout成正比的实施方式中，这指示：
Zfocus(t)＝(1/K)*S(t) (等式20)
因此，对于用于图5D的配置的该特定密度函数，信号与Dout成比例，这指示Zfocus(t)与信号S(t)成比例，这在各种实施方式中可以是用于直观地理解系统和信号处理等的方便配置。注意，此结果类似于上面针对图5C的配置的Wap”＝K*Dout2所述的结果。
图8是检测器信号处理部分478’(例如，作为图4A和图5A的检测器信号处理部分478的一个实施方式)的第一示例性实施方式的示意图。如图8所示，检测器信号处理部分478’包括锁存电路810，其接收聚焦输出信号478A作为聚焦监测信号(例如，由图4A或图5A的聚焦光电检测器PD1提供)，并且接收锁存信号812，并提供输出信号479’。在一个实施方式中，锁存信号812可以对应于频闪定时信号(例如，对于光源330)，其确定用于对成像配置的视场(FOV)中的工件320的表面区域进行成像的对应定时。在这种实施方式中，锁存信号812中的频闪定时在锁存电路810中触发对应的聚焦监测信号值的锁存，其中锁存的聚焦监测信号值被提供为输出信号479’并且表示在由频闪定时确定的对应的图像曝光定时的Z高度。图9是检测器信号处理部分478”(例如，作为图4A和图5A的检测器信号处理部分478的一个实施方式)的第二示例性实施方式的示意图。如图9所示，检测器信号处理部分478”包括比较器电路910，其接收聚焦输出信号478A作为聚焦监测信号(例如，由图4A或图5A的聚焦光电检测器PD1提供)，并且接收参考信号912，并提供输出信号479”。在一个实施方式中，参考信号912可以与对应于用于对成像配置的视场(FOV)中的工件320的表面区域进行成像的期望的Z高度的聚焦监测信号值相关。例如，可以从Z高度与聚焦监测信号校准部分373中的存储的数据来确定参考信号912。在比较器电路910的操作中，当如由聚焦监测信号478A指示的成像系统的聚焦调制处于参考信号912相关的Z高度时，参考信号912触发用于可控频闪光源(例如，光源330)的输出信号479”上的频闪定时。
图10是图示用于操作VFL透镜系统的例程1000的一个示例性实施方式的流程图。在块1010，作为VFL系统的一部分的TAG透镜被操作以便以操作频率在光焦度的范围上周期性地调制TAG透镜光焦度。在块1020，在周期性调制期间，将聚焦检测光输入到TAG透镜中，其中输入的聚焦检测光被配置为提供分布在具有近似恒定的大小的输入照明图案中的光能的输入量。在一些实施例中，光能的输入量近似恒定。在块1030，在周期性调制期间，输入照明图案的至少中心部分透射通过TAG透镜，以从TAG透镜提供对应的输出照明图案，所述输出照明图案具有取决于TAG透镜的光焦度的大小和强度。
在块1040，使用位于距TAG透镜近似恒定的距离处的光学聚焦信号检测器部分来接收包括在输出照明图案中的聚焦检测光。在各种实施方式中，光学聚焦信号检测器部分包括滤光配置和光电检测器，其提供关于其接收的总光能而变化的聚焦输出信号，其中滤光配置接收输出照明图案并限制到达光电检测器的包括的聚焦检测光的量。在块1050，基于由光电检测器提供的聚焦输出信号提供聚焦监测信号，其中聚焦监测信号以高精度并且在没有显著延迟的情况下反映VFL透镜系统的聚焦状态。
尽管已经图示和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，所示和所描述的特征的布置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。例如，在上述多个示例和实施例中，假设近似恒定量的光能分布在具有近似恒定大小的输入照明图案中，操作更容易解释和理解，在该情况下，聚焦输出信号(例如，以放大的形式)在一些实施例中可以用作聚焦监测信号。然而，这样的实施例仅是示例性的，而不是限制性的。具体地，图6所示的实施例公开了提供和使用归一化输出信号。在这样的实施例中，可以组合地使用聚焦输出信号和归一化输出信号，以提供可用作可靠聚焦监测信号的“归一化的聚焦输出信号”。在这种实施例中，输入的光能不一定是恒定的。在另一替代实施例中，聚焦输出信号(或归一化的聚焦输出信号)可用作反馈以调节光源330以保持聚焦输出信号(或归一化的聚焦输出信号)恒定。光源通常可以以非常高的速率(例如，5-20MHz校正速率)进行调节。在这样的实施例中，可以基于用于保持恒定的聚焦输出信号的光源驱动信号的电平来提供聚焦监测信号。
上述示例说明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。本说明书中提及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，则可以修改实施方式的各方面以采用各种专利和应用的概念来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书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被赋予这些权利要求的等同物的全范围。

Claims (12)

1.一种可变焦距VFL透镜系统，包括：
可调谐声学梯度TAG透镜，被操作来以操作频率在光焦度的范围上周期性地调制其光焦度；以及
光学聚焦监测配置，用于监测VFL透镜系统的聚焦状态，所述光学聚焦监测配置包括：
监测光源，被配置为在周期性调制期间将聚焦检测光输入到TAG透镜中，其中：
所输入的聚焦检测光被配置为提供分布在具有近似恒定大小的输入照明图案中的光能的输入量；并且
输入照明图案的至少中心部分在周期性调制期间透射通过TAG透镜，以从TAG透镜提供对应的输出照明图案，所述输出照明图案具有取决于TAG透镜的光焦度的大小和强度；以及
光学聚焦信号检测器部分，位于距TAG透镜近似恒定的距离处，以接收包括在从TAG透镜输出的输出照明图案中的聚焦检测光，所述光学聚焦信号检测器部分包括滤光配置和聚焦光电检测器，其提供关于聚焦光电检测器接收的总光能而变化的聚焦输出信号，其中，滤光配置接收输出照明图案，并限制到达聚焦光电检测器的所包括的聚焦检测光的量，并且，聚焦监测信号基于由聚焦光电检测器提供的聚焦输出信号而提供。
2.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中，所述聚焦检测光在输入照明图案中至少近似准直。
3.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中，所述输入照明图案被配置为使得对应的输出照明图案包括实心图案，并且所述滤光配置包括由聚焦光电检测器的限制定义的空间滤光孔径，并且，在周期性调制期间，实心图案一直过填充聚焦光电检测器。
4.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中：
所述滤光配置包括掩模，所述掩模包括空间滤光孔径；
所述掩模在周期性调制期间一直阻挡输出照明图案的阻挡部分；
所述空间滤光孔径一直透射输出照明图案的透射部分；并且
所述空间滤光孔径被成形为使得透射部分与阻挡部分的比率根据输出照明图案的大小而变化。
5.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中，所述滤光配置包括掩模，所述掩模包括具有非均匀密度图案的密度滤光器，所述密度滤光器被配置为根据输出照明图案的大小来衰减输出照明图案的透射。
6.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中，所述周期性调制对应于至少50kHz的频率，所述聚焦监测信号包括表示在整个调制周期中TAG透镜的聚焦状态的时变信号，并且，以与聚焦状态相比不超过100纳秒的延迟提供时变信号。
7.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，包括控制器，其操作来以谐振频率驱动TAG透镜，以便以操作频率在光焦度的范围上周期性地调制TAG透镜光焦度，其中，所述聚焦监测信号被输入到控制器，并且用于调整TAG透镜的周期性调制的幅度、频率或相位中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，还包括成像配置，所述成像配置包括所述TAG透镜、物镜和相机部分，其中：
所述物镜从在成像配置的视场FOV中的工件的成像的表面区域输入工件光，并使工件光透射通过TAG透镜，并且，相机部分从TAG透镜接收工件光并提供图像曝光，使得其聚焦在具有相对于成像配置的焦距或Z高度中的至少一个的对应的成像系统焦平面；
所述成像系统焦平面的焦距或Z高度中的至少一个由TAG透镜光焦度控制；
所述聚焦监测信号表示成像系统焦平面的焦距或Z高度中的至少一个；并且
所述VFL透镜系统包括将各个焦距或Z高度与各个聚焦监测信号值相关的校准数据。
9.根据权利要求8所述的可变焦距VFL透镜系统，其中：
所述VFL透镜系统被配置为使用确定对应的成像系统焦平面的图像曝光定时来控制图像曝光；
所述VFL透镜系统被配置为控制包括在VFL透镜系统中的可控频闪光源的定时或相机部分的可控图像积分时段的定时中的至少一个，以提供图像曝光定时；并且
所述VFL透镜系统还包括以下中的至少一个：a)锁存电路，被配置为在对应于图像曝光定时的时间锁存聚焦监测信号值，其中，所锁存的聚焦监测信号值表示对应的图像曝光的焦距或Z高度；或b)比较器电路，被配置为输入聚焦监测信号并输入与期望的成像焦距或Z高度相关的参考信号，并且当聚焦监测信号对应于参考信号时输出控制图像曝光定时发生的触发信号。
10.根据权利要求8所述的可变焦距VFL透镜系统，其中，所述监测光源被配置为在输入照明图案中提供由第一组波长组成的聚焦检测光，并且，所述光学聚焦监测配置还包括：
第一分光器，位于物镜和TAG透镜之间，并且从监测光源接收聚焦检测光，并引导输入照明图案与工件光一起通过TAG透镜；以及
第二分光器，位于TAG透镜和相机部分之间，其中，所述第二分光器被配置为从TAG透镜与所述工件光一起接收输出照明图案，并将包括在输出照明图案中的第一组波长朝向光学聚焦信号检测器部分反射，并将包括在工件光中的其它波长透射到相机部分。
11.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中：
所述光学聚焦监测配置还包括分光器，其将第一分散输出照明图案引导到光学聚焦信号检测器部分，并且将第二分散输出照明图案引导到归一化光学检测器，所述归一化光学检测器被配置为将整个第二分散输出照明图案透射到归一化光电检测器，其提供关于归一化光电检测器接收的总光能变化的归一化输出信号；并且
所述VFL透镜系统还包括聚焦监测输出电路，其被配置为输入聚焦输出信号和归一化输出信号，并且产生归一化的聚焦监测信号，其中，基于归一化输出信号补偿由于包括在输出照明图案中的总光能的变化导致的聚焦输出信号的变化。
12.根据权利要求1所述的可变焦距VFL透镜系统，其中，分布在所述输入照明图案中的光能的输入量近似恒定。
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