CN108076285B - 用于控制包括高速可变焦距透镜的成像系统的方法 - Google Patents

用于控制包括高速可变焦距透镜的成像系统的方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于控制包括具有第一和第二操作谐振频率的可变焦距(VFL)透镜、透镜控制器和相机的成像系统的方法。第一频率以成像系统中的像差为代价提供较大的光焦度变化和较大的聚焦范围。第二频率提供较小的光焦度变化和较小的聚焦范围，但是在成像系统中提供低像差。该方法包括：向透镜控制器提供扩展聚焦范围需求；以及作为响应，将透镜控制器配置为以第一谐振频率操作VFL透镜(例如，以提供大的自动聚焦搜索范围)。该方法还包括：向透镜控制器提供准确图像需求信号；以及作为响应，将透镜控制器配置为以第二谐振频率操作VFL透镜(例如，以提供低像差图像)。

Description

用于控制包括高速可变焦距透镜的成像系统的方法
技术领域
本公开涉及使用机器视觉检查系统的精密计量，并且更具体地涉及自动确定近似调整距离，以便在机器视觉检查系统中将待检查的工件带入期望的聚焦范围。
背景技术
诸如精密机器视觉检查系统(或简称为“视觉系统”)的精密非接触计量系统可用于获得对象的精确尺寸测量并检查各个其它对象特性，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遍历和检查的精密台。表征为通用“离线”精密视觉系统的一个示例性现有技术系统是可从位于伊利诺伊州奥罗拉的三丰美国公司(Mitutoyo AmericaCorporation，MAC)获得的QUICK
Figure GDA0002378245620000011
系列基于PC的视觉系统和
Figure GDA0002378245620000012
软件。QUICK
Figure GDA0002378245620000013
系列视觉系统和
Figure GDA0002378245620000014
软件的特征和操作通常在例如2003年1月发表的“QVPAK3D CNC Vision Measuring Machine User’s Guide(视觉测量机用户指南)”以及1996年9月发表的“QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide(视觉测量机操作指南)”(通过全文引用将其每个并入本文)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小的或者相对大的工件的检查图像。
通用精密机器视觉检查系统通常是可编程的，以提供自动化的视频检查。这样的系统通常包括GUI(graphical user interface，图形用户界面)特征和预定义的图像分析“视频工具”，使得操作和编程可以由“非专家”操作员执行。例如，通过全文引用并入本文的美国专利第6542180号教导了使用包括使用各种视频工具的自动视频检查的视觉系统。
多透镜可变焦距(variable focal length，VFL)光学系统可用于精密机器视觉检查系统中，例如，如在通过全文引用并入本文的美国专利第9143674号中所公开的。在利用这种VFL光学系统的各种应用中，包括在多透镜光学系统中的VFL透镜的通光孔径通常被确定大小使得其不在光学系统所需的精密检查图像中导致过度的渐晕或像差。然而，对于一些VFL透镜(例如，特别是诸如可调谐声学梯度(tunable acoustic gradient，TAG)透镜)，通光孔径(例如，无失真的中心孔径尺寸)取决于VFL透镜的VFL调制频率和调制幅度，并且已经至少部分地基于此设计考虑确定和/或限制了VFL透镜操作频率(或调制频率)和调制幅度。对于一些VFL透镜(例如，特别是诸如TAG透镜)，上面概述的经约束的操作频率伴随地确定和/或限制VFL透镜(例如，TAG透镜)的其它频率依赖特性，诸如能够在VFL调制频率的整个周期性循环中提供的聚焦范围或光焦度(optical power)的变化。相关的讨论和教导可以例如，在向Gladnick共同转让的共同未决的美国专利申请第14/795409号(通过全文引用将其并入本文)中找到。
如精密机器视觉检查系统的用户所熟知的，即使当其光学系统包括VFL透镜，工件表面也可能会位于其光学系统的聚焦范围之外。基于工件与光学系统之间的间隔的机械调整“搜索”和/或试图在这样的工件表面上自动聚焦可能是慢的和/或有风险的，这是由于在“搜索”运动期间使透镜撞击到工件的潜在性。需要高速操作以用于在扩展的搜索范围上搜索和/或尝试在这样的工件表面上自动聚焦，同时消除在搜索运动期间使透镜撞击到工件的风险。
发明内容
提供此发明内容部分以便以简化形式介绍一系列概念，所述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。
公开了一种用于控制成像系统的方法。所述成像系统包括具有第一操作谐振频率并具有第二操作谐振频率的高速可变焦距(VFL)透镜，所述第一操作谐振频率提供具有相对较大幅度的周期性调制的第一光焦度变化，所述第二操作谐振频率提供具有相对较小幅度的周期性调制的第二光焦度变化并且在成像系统中提供相对低的像差；透镜控制器；以及被配置为为成像系统提供图像的相机。该方法包括：向透镜控制器提供扩展聚焦范围需求信号；响应于扩展聚焦范围需求信号，将透镜控制器配置为以第一操作谐振频率操作VFL透镜以提供第一光焦度变化，并且由此为成像系统提供第一相对较大聚焦范围；向透镜控制器提供准确图像需求信号；以及响应于准确图像需求信号，将透镜控制器配置为以第二操作谐振频率操作VFL透镜以提供第二光焦度变化，并且由此为成像系统提供第二相对较小聚焦范围和低像差图像。
以第二操作谐振频率操作可以被表征为在“正常”成像模式中操作VFL透镜，其中操作VFL以提供此外与成像系统中的其它光学部件良好匹配的期望光学特性(例如，在通光孔径、低像差等方面)。相反，当以第一操作谐振频率操作时，主要或唯一的目的可能是提供第一相对较大聚焦范围(例如，以实现大的自动聚焦搜索范围)。在各个实施方式中，这可以被表征为在异常成像模式中操作VFL透镜，其中强调获得较大光焦度变化和聚焦范围需要接受此外与成像系统中的其它光学部件较差匹配的某些非期望的光学特性(例如，在通光孔径大小、低像差等方面)。作为结果，在一些实施方式中，在此模式中，成像系统可能仅提供不适合于精密计量检查操作的相对有像差的或模糊的图像。尽管如此，根据本文公开的原理，这样的图像具有显著的效用。例如，它们可用于在扩展的范围上执行自动聚焦搜索操作，而不需要为了这样做而机械地重新配置和移动成像系统。
附图说明
图1是示出通用精密机器视觉检查系统的各个典型部件的图；
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是可适配于诸如机器视觉检查系统的精密非接触计量系统并根据本文公开的原理操作的成像系统的示意图；
图4是示出一种类型的可变焦距透镜的透镜性能与谐振频率的曲线图的图；以及
图5是示出用于操作包括可变焦距透镜的成像系统的例程的一个示例性实施方式现的流程图。
具体实施方式
图1是根据本文描述的方法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交换数据和控制信号。控制计算机系统14还可操作地连接以与监视器或显示器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的操作的用户界面。将理解，在各个实施方式中，触摸屏平板式计算机等可以代替和/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。
本领域技术人员将理解，控制计算机系统14通常可以由任何计算系统或设备组成。合适的计算系统或设备可以包括个人计算机、服务器计算机、小型计算机、大型计算机、包括前述中的任何的分布式计算环境，等等。这样的计算系统或设备可以包括执行软件以执行本文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(application-specific integrated circuit，ASIC)、可编程逻辑器件(programmable logic device，PLD)等、或这些设备的组合。软件可以被存储在诸如随机存取存储器(random-access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、闪速存储器等的存储器中、或者这些部件的组合中。软件也可以被存储在一个或多个存储设备(诸如，基于光学的盘、闪速存储器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。在分布式计算环境中，程序模块的功能可以被组合或分布在多个计算系统或设备中，并且可以经由有线或无线配置中的服务调用来访问。
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为由光学成像系统34提供的图像提供各种放大率。在共同转让的美国专利第7454053、7324682、8111905和8111938号(在此通过全文引用将它们中的每个并入本文)中也描述了机器视觉检查系统10。
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。如下面将更详细描述的，控制系统部分120被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包括相机系统260、可互换物镜250、可变焦距(VFL)透镜270，并且可以包括具有透镜286和288的转塔(turret)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透镜配置等。在各个实施方式中，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。在各个实施方式中，可互换物镜250可以从被包括作为可变放大率透镜部分的一部分的一组固定放大率物镜(例如，对应于诸如0.5x、1x、2x或2.5x、5x、10x、20x或25x、50x、100x等的放大率的一组物镜)中选择。
通过使用驱动致动器以沿着z轴移动光学组件部分205的可控马达294，光学组件部分205可沿着通常正交于x轴和y轴的z轴可控制地移动，以改变工件20的图像的聚焦。可控马达294经由信号线296被连接到输入/输出接口130。如下面将更详细地描述的，VFL透镜270还可以被操作来周期性地调制聚焦位置。将要使用机器视觉检查系统100成像的工件20或持有多个工件20的托盘或夹具放置在工件台210上。工件台210可以被控制为相对于光学组件部分205移动，使得可互换物镜250在工件20上的位置之间、和/或多个工件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射源光222、232和/或242，以对工件或工件20进行照明。同轴光230可以沿着包括反射镜290的路径发射光232。源光作为工件光255被反射或透射，并且用于成像的工件光通过可互换物镜250、转塔透镜组件280和VFL透镜270，并由相机系统260聚集。由相机系统260捕获的(多个)工件20的图像在信号线262上输出到控制系统部分120。光源220、230和240可以分别通过信号线或总线221、231和241被连接到控制系统部分120。控制系统部分120可以沿着轴284旋转转塔透镜组件280，以通过信号线或总线281选择转塔透镜以改变图像放大率。
如图2中所示，在各个示例性实施方式中，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、以及电力供应部分190。这些组件以及下面描述的附加组件中的每一个可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用编程接口、或者通过各个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、光照控制接口133和透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包括透镜控制器，透镜控制器包括透镜聚焦操作电路和/或例程等。透镜控制接口134可以包括聚焦范围需求调整模式部分、电路或例程134r，根据本文公开的原理和/或如下面参考图3中所示的聚焦范围需求调整部分、电路或例程334r更详细描述的，聚焦范围需求调整模式部分、电路或例程134r通常可操作。在一些实施例中，这两者可以合并和/或不可区分。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，尽管这些元件可以合并和/或不可区分。光照控制接口133可以包括光照控制元件133a、133n和133f，其控制例如，机器视觉检查系统100的各个对应的光源的选择、功率、通/断开关和频闪(strobe)脉冲定时(如果适用)。
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包括为每个对应的视频工具确定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)、以及支持定义在包括在视频工具部分143中的各个视频工具中可操作的各种ROI(region of interest，感兴趣区域)的自动、半自和/或手动操作的感兴趣区域(ROI)生成器143roi。视频工具部分还包括自动聚焦视频工具143af，其为聚焦高度测量操作确定GUI、图像处理操作等。在各个实施方式中，自动聚焦视频工具143af可以附加地包括高速聚焦高度工具，其可以被用于使用图3中所描述的硬件来以高速测量聚焦高度，如在共同未决和共同转让的美国专利公布第2014/0368726号(在此通过全文引用将其并入本文)中更详细描述的。在各个实施方式中，高速聚焦高度工具可以是可以另外根据用于自动聚焦视频工具的传统方法操作的自动聚焦视频工具143af的特殊模式，或者自动聚焦视频工具143af的操作可以仅包括高速聚焦高度工具的操作。
在本公开的上下文中、并且如本领域普通技术人员所知的，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(例如，图形用户界面、可编辑参数窗口、菜单等)来实施而无需创建包括在视频工具中的逐步的操作序列、或者借助于基于通用文本的编程语言等的相对复杂的一组自动或编程的操作。例如，视频工具可以包括复杂的预编程的一组图像处理操作和计算，其在特定实例中通过调整支配操作和计算的一些变量或参数而被应用和定制。除了基础的(underlying)操作和计算之外，视频工具还包括允许用户调整用于视频工具的特定实例的那些参数的用户界面。例如，许多机器视觉视频工具允许用户通过使用鼠标的简单“拖放(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来分析的图像的子集的位置参数。应该注意，可见的用户界面特征有时被称为视频工具，其中基础操作被隐含地包括。
台灯220、同轴灯230和表面灯240分别的信号线或总线221、231和241都连接到输入/输出接口130。来自相机系统260的信号线262和来自可控马达294的信号线296被连接到输入/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的启动图像获取的信号。
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)也可以被连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可以被用于显示可以包括可用于执行检查操作和/或创建和/或修改零件程序、观看由相机系统260捕获的图像、和/或直接控制视觉系统部件部分200的各种图形用户界面(GUI)特征的用户界面。显示设备136可以显示用户界面特征(例如，如与自动聚焦视频工具143af等关联的)。
在各个示例性实施方式中，当用户利用机器视觉检查系统100来创建用于工件20的零件程序时，用户通过在学习模式中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场(field of view，FOV)中定位代表性工件的特定工件特征、设置光水平、聚焦或自动聚焦、获取图像、以及提供应用于图像的检查训练序列(例如，在该工件特征上使用视频工具中的一个的实例)。学习模式操作以使得(多个)序列被捕获或记录并被转换为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经训练的图像获取，并使检查操作以自动检查运行模式工件上、或者与当创建零件程序时使用的代表性工件匹配的工件上的特定工件特征(即，对应位置中的对应特征)。
图3是可以适配于视觉系统并且根据本文公开的原理操作的VFL透镜系统300(也称为成像系统300)的示意图。应该理解，除了下面另外描述的之外，图3的特定编号的部件3XX可以对应于和/或具有与图2的类似编号的部件2XX类似的操作。如图3中所示，VFL透镜系统300包括光源330、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334、相机/检测器360、光学聚焦监测部分376和可选的聚焦监测信号(focusmonitoring signal，FMS)校准部分373。在各个实施方式中，各个组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/或应用编程接口而互连。
在操作中，在图3中所示的实施方式中，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，模拟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。在各个实施方式中，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)。在各个实施方式中，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。在各个实施方式中，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。
在图3的示例中，中继透镜352和386以及VFL透镜370被指定为被包括在4f光学配置中，而中继透镜352和管镜351被指定为被包括在开普勒望远镜配置中，并且管镜351和物镜350被指定为被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。在各个实施方式中，所示的4f光学配置允许在物镜350的傅立叶平面FPL处放置VFL透镜370(例如，其可以是低数值孔径(numerical aperture,NA)设备，诸如TAG透镜)。此配置可以维持工件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。
在各个实施方式中，可选聚焦信号处理部分375可以输入来自相机/检测器360的数据，并且可以提供用于确定(例如，工件320的)成像的表面区域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。在美国专利第6542180号和第9060117号(其每个被共同转让并且在此其通过全文引用被并入本文)中教导了用于这种分析的示例性技术。在另一个实施方式中，光学聚焦监测部分376可以提供对于通过VFL透镜370并且从分束器346’偏转(deflect)到光学聚焦监测部分376的图像光345而导出的聚焦监测信号(例如，来自光电检测器的信号)。在一个实施例中，光学聚焦监测部分376可以包括共焦光学检测器配置。然而，更一般地，可以使用任何其它合适的已知聚焦检测配置。在一些实施方式中，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。
在任何情况下，聚焦信号处理部分375或光学聚焦监测部分376可以在VFL透镜370的光焦度的周期性调制期间输入图像光，并向Z高度与聚焦监测信号校准部分373输出对应信号，其表示成像系统300的聚焦位置FP何时对应于工件320的成像的表面。在各个实施方式中，Z高度与聚焦监测信号校准部分373可以提供将相应的Z高度与相应的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。一般而言，Z高度与聚焦监测信号校准部分373包括记录的校准数据。如此，其在图3中作为单独元件的表示仅仅是示意性的、而不是限制的。在各个实施方式中，关联的记录的校准数据可以与连接到系统信号和控制总线395的透镜控制器334、或光学聚焦监测部分376、或主计算机系统合并和/或不可区分。
在各个实施方式中，视觉系统可以包括可被配置为与透镜控制器334结合地操作、或者另外控制VFL透镜370周期性地调制VFL透镜系统300的聚焦位置的控制系统(例如，图2的控制系统部分120)。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。在各个实施方式中，透镜控制器334可以操作来以谐振频率驱动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。在各个实施方式中，周期性调制的VFL透镜光焦度可以定义成像系统300的周期性聚焦调制。在各个实施方式中，VFL透镜370的控制的调整可以包括调整VFL透镜370的周期性调制的幅度、频率或相位中的至少一个。在各个实施方式中，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。
在各个实施方式中，VFL透镜370可以是可调谐声学梯度折射率(“tunableacoustic gradient，TAG”)透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是一种高速VFL透镜，其在流体介质中使用声波来调制聚焦位置，并且可以以数百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“具有可调声折射率透镜折射率的高速变焦成像(High-speedvarifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens)”(光学快报(Optics Letters)，Vol.33，No.18，2008年9月15日)的教导来理解，在此通过全文引用将其并入本文。可调谐声学梯度折射率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。
在一个实施方式中，透镜控制器334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334可以由用户和/或操作程序配置或控制(例如，通过透镜控制界面134，如先前关于图2所概述的)，或者这两者在一些实施方式中可以被合并和/或者不可区分。在各个实施方式中，透镜控制器334可以包括驱动信号生成器部分335。驱动信号生成器部分335可以操作(例如，与定时时钟335’结合地)来向诸如TAG透镜的高速VFL提供周期性驱动信号。在各个实施方式中，周期性信号可以具有与周期性调制的VFL透镜光焦度相同的操作频率，并且在现有技术的TAG透镜中，TAG透镜的近似聚焦高度或Z高度已经基于驱动信号的并发状态而确定。
在各个实施方式中，透镜控制器334可以包括根据本文公开的原理可操作的聚焦范围需求调整部分、电路或例程334r。在一些实施例中，这两者可以合并和/或不可区分。在任一情况下，聚焦范围需求调整部分334r可以被配置为响应于输入到聚焦范围需求调整部分334r的聚焦范围需求信号来改变透镜控制器334用来驱动VFL透镜370的操作频率。在一个实施例中，聚焦范围需求调整部分334r包括扩展聚焦范围需求模式部分337和准确图像需求模式部分338。扩展聚焦范围需求模式部分337响应于扩展聚焦范围需求信号的生成和/或输入(例如，通过信号和控制总线395)，以将透镜控制器334配置为在扩展聚焦范围模式中操作，其中以第一操作谐振频率操作VFL透镜370，第一操作谐振频率提供具有相对较大幅度的周期性调制的第一光焦度变化，由此为成像系统300提供第一相对较大聚焦范围。准确图像需求模式部分338响应于准确图像需求信号的生成和/或输入(例如，通过信号和控制总线395)，以将透镜控制器334配置为在准确成像模式中操作，其中以第二操作谐振频率操作VFL透镜370，第二操作谐振频率提供具有相对较小幅度的周期性调制的第二光焦度变化。VFL透镜370由此为成像系统300提供第二相对较小聚焦范围，但是更重要的是，也选择第二操作频率来操作VFL透镜以提供适合于精密计量检查操作的低像差图像，如下面更详细描述的。
如图3中所示，使用第一光焦度变化，成像系统300的聚焦位置FP可以在由聚焦位置FP1’和聚焦位置FP2’界定的自动聚焦搜索范围Rsrc内移动。使用第二光焦度变化，聚焦位置FP可以在由聚焦位置FP1和聚焦位置FP2界定的准确成像聚焦范围Racc内移动。应该理解，成像系统可以被配置为使得当VFL透镜以第二操作谐振频率操作以提供第二光焦度变化时，VFL透镜由此提供第二相对较小聚焦范围，并且还提供适合于精密计量检查操作的低像差图像。在各个实施方式中，这可以被表征为在“正常”成像模式中操作VFL透镜，其中VFL被操作以提供此外根据已知的光学设计原理与成像系统中的其它光学部件良好匹配的期望的光学特性(例如，在通光孔径、低像差等的方面)。相反，成像系统可以被配置为使得当以第一操作谐振频率操作VFL透镜以提供第一光焦度变化时，主要或唯一的目的是由此提供第一相对较大聚焦范围(例如，实现大的自动聚焦搜索范围)。在各个实施方式中，这可以被表征为在异常成像模式中操作VFL透镜，其中强调获得较大的光焦度变化和聚焦范围需要接受此外与成像系统中的其它光学部件较差匹配的某些不期望的光学特性(例如，在通光孔径大小、低像差等的方面)。(这种频率依赖的光学特性在下面参考图4更详细地描述。)结果，在此模式中，成像系统可能仅提供相对有像差的图像(例如，在一些实施例中，相当模糊和失真的图像)，其可用于执行本文概述的自动聚焦搜索操作，但不适合于精密计量检查操作(并且在某些情况下甚至不适合于用户观察)。应理解，通过始终模糊的或有像差的成像系统获得最佳工件图像(例如，其中工件处于成像系统的最佳聚焦位置处)的图像堆栈仍然可以用于根据已知方法构造具有识别工件位置或距离的峰值的对比度曲线，只要最佳工件图像比图像堆栈中的其它图像更不模糊(有更好的对比度)即可。类似地，来自光学聚焦监测配置的最佳光电检测器信号可以当工件处于最佳聚焦位置时通过始终模糊的或有像差的成像系统获得，并且仍然可以用于根据已知方法识别工件位置或距离，只要最佳光电检测器信号比当工件远离最佳聚焦位置时获得的光电检测器信号更好即可。
一般地，关于图3的示例，将理解，某些所示尺寸可能不是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示的比例尺寸不同的比例尺寸(例如，对于某些应用，可以较不宽并且长达50mm长或更长，以便提供期望量的透镜倍率(lensing power)等)。
图4是示出示例性的一组VFL透镜光学特性与谐振操作频率的曲线图400的图。在此特定示例中，VFL透镜是市售的TAG透镜。线410表示VFL TAG透镜相对于其谐振操作频率而绘制的通光孔径。对于TAG透镜，通光孔径可以近似对应于表征在任何特定操作频率的TAG透镜折射分布(refraction profile)的贝塞尔函数的第一环内的直径。对于线410，在x轴上以kHz表示频率，并且以在y轴上表示的毫米为单位测量通光孔径(根据曲线图400左侧的刻度(scale))。线410示出了随着谐振频率增加，通光孔径如何减小。更具体地，实际的有效孔径被示出为在对于70kHz的操作频率的近似11mm处开始到在近似370kHz的操作频率的近似2mm的范围上下降。在各个实施方式中，可以建立最小期望通光孔径水平415，在其之下，可以确定图像质量受到负面影响。例如，根据图4的示例，对于近似10mm的最小期望通光孔径水平415，最大关联操作频率大约为70kHz。对于近似6mm的最小期望通光孔径水平，最大关联操作频率大约为125kHz。
关于通光孔径，应该理解，VFL透镜(例如，TAG透镜)外部的光学系统(例如，图3中所示的光学系统300)的元件可以定义成像系统的限制孔径。对于准确的、衍射受限的低像差图像，VFL(TAG)透镜中的通光孔径应与如投影到VFL(TAG)透镜通光孔径的位置的成像系统的其余部分所定义的限制孔径一样大。基于上述，在一些实施方式中，VFL透镜可以是TAG透镜。第一操作谐振频率可以是相对较低的频率，而第二操作谐振频率可以是相对较高的频率。在一个示例中，在一些实施方式中，可能期望至少6毫米通光孔径，并且第一操作谐振频率可以小于125KHz，并且第二操作谐振频率可以大于125KHz。
如图4中进一步所示的，第二条线420表示VFL TAG透镜的相对于其谐振操作频率而绘制的相对最大光焦度。对于线420，在x轴上以kHz表示频率，并且以在y轴上表示的在70kHz的光焦度的倍数来测量相对光焦度(根据在曲线图400的右侧的刻度)。将理解，线410和420因此针对y轴上的不同类型的单位(unit)而绘制(例如，毫米与(vs.)光焦度的倍数)，并且为了示出随着频率增加而同时发生的各个光学特性的而仅被提供在相同的曲线图上。关于线420，相对光焦度被示出为随着频率增加而增加。更具体地，相对光焦度被示出为在于在70kHz的操作频的值1开始、到在近似370kHz的操作频率的近似为25的值的范围上增加。
在使用已知TAG透镜的一个具体示例性实施例中，当成像系统包括低NA物镜和光学元件(例如，用于低放大率)时，在TAG透镜中可能需要70kHz的第二操作谐振频率，以便在TAG透镜中提供大的通光孔径(例如，至少10毫米，如图4中所示)，以提供衍射受限的图像。相反，为了提供大的光焦度变化(大的聚焦范围)，可以在TAG透镜中使用189kHz的第一操作谐振频率(例如，以提供近似8倍或约8倍于在70kHz提供的聚焦范围的相对光焦度)。如由线(曲线)410所表示的，这将提供表征在此频率的TAG透镜折射分布的贝塞尔函数的小得多的第一环，并且事实上可以将一个或多个附加的贝塞尔环(例如，第二贝塞耳环)定位在由成像系统的其余部分定义的限制孔径内(例如，假设成像系统的其余部分保持固定)。如此，通过TAG透镜所得到的图像可能具有显著的像差(例如，它们可能看起来相当模糊)。然而，根据本文公开的原理，它们仍然可以用于确定工件的标称位置或到工件的距离。可以理解，与第二贝塞耳环(其近似于环形透镜)的聚焦关联的经调制的聚焦特性通常将不与第一贝塞耳环的经调制的聚焦特性匹配。具体地，与第二贝塞耳环关联的光焦度可能显著小于与第一贝塞耳环关联的光焦度。在一些实施方式中，这可能将信号污染或噪声引入到与第一贝塞耳环关联的期望的聚焦信号中。因此，在一些实施例中，可以对与第一操作谐振频率关联的图像数据执行低通和/或高通空间频率滤波(例如，根据诸如傅里叶分析和/或傅里叶域中的滤波的已知方法)，以便抑制与第二贝塞尔环关联的聚焦信号贡献。有效的空间滤波和/或信号处理参数可以基于与第一和/或第二贝塞尔环关联的不同光学特性(例如，关联的数值孔径等)，并且根据已知的方法，空间滤波参数的有效性可以通过分析或实验确定。
对于此具体示例，在成像系统300的一个实施例中，189kHz的第一操作谐振频率可以提供近似8.0mm的第一相对较大聚焦范围。70kHz的第二操作谐振频率可以提供近似0.64mm的第二相对较小聚焦范围。
图5是示出用于操作成像系统的例程500的一个示例性实施方式的流程图，该成像系统包括VFL透镜、透镜控制器、和被配置为为成像系统提供图像的相机。在各个实施例中，VFL透镜可以是具有第一操作谐振频率并且具有第二操作谐振频率的高速VFL透镜，该第一操作谐振频率提供具有相对较大幅度的周期性调制的第一光焦度变化，该第二操作谐振频率提供具有相对较小幅度的周期性调制的第二光焦度变化并且在成像系统中提供相对低的像差。例如，如前所述，VFL TAG透镜可以提供这样的操作特性。
在块510，将扩展聚焦范围需求信号提供给透镜控制器。
在块520，响应于扩展聚焦范围需求信号，透镜控制器被配置为以第一操作谐振频率操作VFL透镜以提供第一光焦度变化，并且由此为成像系统提供第一相对较大的聚焦范围。
在块530，将准确图像需求信号提供给透镜控制器。
在块540，响应于准确图像需求信号，透镜控制器被配置为以第二操作谐振频率操作VFL透镜以提供第二光焦度变化，并且由此为成像系统提供第二相对较小的聚焦范围和低像差图像。
在一些实施方式中，当扩展聚焦范围需求信号没有被提供给透镜控制器时，可以在透镜控制器中自动提供准确图像需求信号。在一些实施方式中，所提供的扩展聚焦范围需求信号可以具有在透镜控制器中自动到期的有效持续时间，并且在有效持续时间到期之后，可以在透镜控制器中自动提供准确图像需求信号。
将理解，例程500包括可用于提供可用于在相对较小的聚焦范围上获取期望的检查图像的低像差成像模式的操作、以及可用于提供适合于执行自动聚焦搜索操作以在相对较大的搜索范围(例如，几毫米)上确定工件特征的位置或高度的扩展聚焦范围模式的操作。自动聚焦搜索操作可以以高速率(例如，远低于1秒)执行，并且不需要机械地重新配置成像系统或不需要在成像系统与工件特征之间的相对运动以提供相对大的搜索范围。自动聚焦搜索操作不一定需要主动地或自动地调整成像系统或工件特征以提供聚焦的图像(尽管在一些实施方式中它可以这样做)。在一些情况下，自动聚焦搜索操作可以简单地识别工件特征的当前位置或到工件特征的距离，而不执行任何调整。
也就是说，在一些实施方式中，可以通过将工件特征定位在成像系统的视场(FOV)内并且操作成像系统以执行自动聚焦搜索操作以确定工件特征的位置或高度，结合包括例程500的系统来执行自动聚焦搜索。自动聚焦搜索操作可以包括：S1)将扩展聚焦范围需求信号提供给透镜控制器；S2)响应于扩展聚焦范围需求信号，将透镜控制器配置为以第一操作谐振频率周期性地调制VFL透镜、并且在第一聚焦范围上周期性地调制成像系统的聚焦；S3)分析在第一聚焦范围上周期性地调制成像系统的聚焦的同时所获取的聚焦信号；以及S4)基于聚焦信号确定工件特征的位置或高度。在一些实施方式中，聚焦信号可以包括基于在于第一聚焦范围上周期性地调制成像系统的聚焦的同时所获取的图像堆栈来分析对比度度量(例如，如先前参考图3中的光学聚焦信号处理部分375而概述的)。在一些实施方式中，聚焦信号可以包括来自光学聚焦监测配置中包括的光电检测器的信号(例如，如先前参考图3中的元件376所概述的)。
在一些实施方式中，基于所确定的工件特征的位置或高度(例如，如上所述)，工件特征与成像系统之间的距离可以手动或自动调整，使得工件特征位于与第二操作谐振频率关联的第二相对较小聚焦范围。在这种情况下，工件特征的观察或检查于是可以利用包括以下的操作：Ai1)将准确图像需求信号提供给透镜控制器；Ai2)响应于准确图像需求信号，Ai3)将透镜控制器配置为以第二操作谐振频率周期性地调制VFL透镜，并且在第二聚焦范围上周期性地调制成像系统的聚焦；以及Ai4)操作成像系统以提供工件特征的低像差图像，同时在第二聚焦范围上周期性地调制成像系统的聚焦。
在一些实施方式中，成像系统可以在操作如下模式中：其中以预定速率自动重复操作成像系统执行自动聚焦搜索操作以确定工件特征的位置或高度(例如，如上在步骤S1-S4中概述的)。将理解，上面概述的自动聚焦搜索可以在非常短的时间中(例如，在一些实施例中远小于1秒)执行，并且因此在一些实施例中可以作为间歇性的背景操作来执行，而不打扰用户。在一些实施方式中，当通过自动聚焦搜索操作确定工件特征的位置或高度在第二聚焦范围内时，于是可以自动执行上面概述的观察和/或成像操作Ai1)-Ai4)。在一些实施方式中，当通过自动聚焦搜索操作确定工件特征的位置或高度不在第二聚焦范围内时，于是可以基于所确定的工件特征的位置或高度，手动、半自动或自动调整(例如，由与成像系统关联的运动控制系统)工件特征与成像系统之间的距离，使得工件特征位于第二相对较小聚焦范围内。
在各个实施方式中，作为在与成像系统关联的用户界面中对应于扩展范围工件搜索或扩展范围自动聚焦操作的用户输入的结果，可提供扩展聚焦范围需求信号。在一些实施方式中，成像系统可以并入包括用户界面的机器视觉检查系统中。
如先前所公开的，在一些实施方式中，成像系统可以被并入可编程机器视觉检查系统中。在这样的实施方式中，扩展聚焦范围需求信号和准确图像需求信号可以是在可编程机器视觉检查系统上执行的可编程指令的结果。如上所述，当以第一操作谐振频率操作VFL透镜以提供第一相对较大聚焦范围时，这可以提供可用于执行本文概述的自动聚焦搜索操作、但不适合于精密计量检查操作的模糊图像。因此，在一些这样的实施方式中，可编程机器视觉检查系统和/或其关联的程序生成和执行系统可以被配置为使得与获取用于执行检查操作(例如，如使用视频工具所实施的)的图像关联的可编程指令可以仅当准确图像需求信号起作用(operative)时执行。
在操作的一个示例中，成像系统可以被操作以从第二操作谐振频率切换到第一操作谐振频率，并且在各个成像系统中在近似1秒或更短的时间中提供稳定的操作。基于图像堆栈的自动聚焦搜索可以使用60Hz相机执行，该相机在8.0mm的第一相对较大聚焦范围上使用频闪照明来捕获37个图像，以便提供215μm的堆栈步骤。可以使用自动聚焦度量来定义对比度曲线，以在近似600ms中确定对应于曲线峰值的最佳聚焦位置(工件位置)。可以调整相对于成像系统的工件位置，使得最佳聚焦位置与第二聚焦范围重合。可以将成像系统从第一操作谐振频率切换到第二操作谐振频率，以便在第二聚焦范围内提供工件的准确检查图像。
虽然本文公开的各个原理当被用在VFL透镜是TAG透镜的实施方式中时特别有利，但是在VFL透镜包括另一类型的透镜的一些实施方式中可以采用所述原理。作为一个附加示例，充液膜透镜或其它类型的VFL透镜可以有利地以各个谐振频率操作，以在成像系统中提供周期性聚焦调制。在这种实施方式中，提供大的聚焦范围的第一操作谐振频率可以低于第二操作频率，因为在许多机械系统中，较低的频率可以与谐振时的较大变形幅度(例如，如用于提供较大的透镜曲率)关联。另外，用于为第一操作谐振频率提供周期性聚焦调制的驱动信号可以大于用于第二操作谐振频率的驱动信号，以便提供期望的大的聚焦范围。因此，在第二操作谐振频率的变形(透镜曲率)可以较小，这可以为较低的像差和较好的图像提供更理想的膜曲率。
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。可以使用各种替代形式来实施本文公开的原理。此外，可以组合上述各个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个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，所使用的术语不应该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被赋予这些权利要求的等同物的全范围。

Claims (12)

1.一种用于控制成像系统的方法，所述成像系统包括：具有第一操作谐振频率并具有第二操作谐振频率的高速可变焦距VFL透镜，所述第一操作谐振频率提供具有相对较大幅度的周期性调制的第一光焦度变化，所述第二操作谐振频率提供具有相对较小幅度的周期性调制的第二光焦度变化并且在成像系统中提供相对低的像差；透镜控制器；以及被配置为为成像系统提供图像的相机，
该方法包括：
向所述透镜控制器提供扩展聚焦范围需求信号；
响应于所述扩展聚焦范围需求信号，将所述透镜控制器配置为以第一操作谐振频率操作所述VFL透镜以提供第一光焦度变化，并且由此为所述成像系统提供第一相对较大聚焦范围；
向所述透镜控制器提供准确图像需求信号；以及
响应于所述准确图像需求信号，将透镜控制器配置为以第二操作谐振频率操作所述VFL透镜以提供第二光焦度变化，并且由此为成像系统提供第二相对较小聚焦范围和低像差图像。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：
将工件特征定位在所述成像系统的视场FOV内；以及
操作所述成像系统以执行自动聚焦搜索操作，以确定所述工件特征的位置或高度，包括：
向所述透镜控制器提供所述扩展聚焦范围需求信号；
响应于所述扩展聚焦范围要求信号，将所述透镜控制器配置为以第一操作谐振频率周期性地调制所述VFL透镜，并且在第一相对较大聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦；
分析在第一相对较大聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦的同时所获取的聚焦信号；以及
基于所述聚焦信号确定所述工件特征的位置或高度。
3.如权利要求2所述的方法，还包括：
基于所确定的工件特征的位置或高度来调整在所述工件特征与所述成像系统之间的距离，使得所述工件特征位于第二相对较小聚焦范围内。
4.如权利要求3所述的方法，还包括：
向所述透镜控制器提供所述准确图像需求信号；
响应于所述准确图像需求信号，将所述透镜控制器配置为以第二操作谐振频率周期性地调制所述VFL透镜，并且在第二相对较小聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦；以及
操作所述成像系统以提供所述工件特征的低像差图像，同时在第二相对较小聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦。
5.如权利要求2所述的方法，还包括在如下模式中操作所述成像系统：其中操作所述成像系统执行自动聚焦搜索操作以确定所述工件特征的位置或高度的步骤以预定速率自动重复。
6.如权利要求5所述的方法，其中，当所确定的工件特征的位置或高度在第二相对较小聚焦范围内时，所述方法于是还包括自动操作，所述自动操作包括：
向所述透镜控制器提供所述准确图像需求信号；
响应于所述准确图像需求信号，将所述透镜控制器配置为以第二操作谐振频率周期性地调制所述VFL透镜，并且在第二相对较小聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦；以及
操作所述成像系统以提供所述工件特征的低像差图像，同时在第二相对较小聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦。
7.如权利要求5所述的方法，其中，当所确定的工件特征的位置或高度不在第二相对较小聚焦范围内时，所述方法于是还包括操作，所述操作包括：
基于所确定的工件特征的位置或高度来调整在所述工件特征与所述成像系统之间的距离，使得所述工件特征位于第二相对较小聚焦范围内。
8.如权利要求2所述的方法，其中，分析所述聚焦信号包括：基于在第一相对较大聚焦范围上周期性地调制所述成像系统的聚焦的同时获取的图像堆栈，分析对比度度量。
9.如权利要求2所述的方法，其中，所述聚焦信号包括来自包括在光学聚焦监测配置中的光电检测器的信号。
10.如权利要求1所述的方法，其中，作为在与所述成像系统关联的用户界面中对应于扩展范围工件搜索或扩展范围自动聚焦操作的用户输入的结果，提供所述扩展聚焦范围需求信号。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述VFL透镜是VFL可调谐声学梯度TAG透镜，并且第一操作谐振频率是相对较低的频率，并且第二操作谐振频率是相对较高的频率。
12.如权利要求1所述的方法，其中，当未向所述透镜控制器提供所述扩展聚焦范围需求信号时，在所述透镜控制器中自动提供所述准确图像需求信号。
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