CN108627141A - 与成像系统一起使用的调制监控系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种与成像系统一起使用的调制监控系统，其包括可变焦距(VFL)透镜、物镜、相机和VFL透镜控制器，该VFL透镜控制器配置为控制VFL透镜以周期性地调节其光功率，且从而在沿着Z高度方向的多个Z高度上周期性地调制成像系统的焦点位置。调制监控系统包括VFL‑穿越光源，其包括配置为通过VFL透镜沿着调制监控光路提供VFL‑穿越光的光源，以及包括光学检测器的调制信号确定部分，其配置为接收VFL‑穿越光，并且提供对应于VFL透镜的所调制的光功率的至少一个光学检测器信号。调制监控部分基于该至少一个光学检测器信号而输出至少一个调制监控信号。

Description

与成像系统一起使用的调制监控系统
技术领域
本申请涉及精密测量学，并且更具体地，涉及其中可以使用可变焦距透镜来周期性地调制焦点位置的机器视觉检测系统和其他光学系统。
背景技术
精密机器视觉检测系统(或简称“视觉系统”)可用于精确测量物体和检测其他物体特性。这样的系统可以包括计算机、相机、光学系统、以及移动以允许工件穿越的平台(stage)。表征为“离线”精密视觉系统的一个示例性系统是可从位于伊利诺斯州奥罗拉的三丰美国公司(MITUTOYO AmericaCorporation，MAC)获得的QUICK 系列的基于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大致在例如2003年1月出版的QVPAK 3D CNC视觉测量机用户指南中进行描述，其全部内容通过引用的方式整体并入本文。这种类型的系统使用显微镜类型的光学系统并移动平台以提供各种放大倍数的小型或大型工件的检测图像。
在各种应用中，期望在固定或不间断移动检测系统中进行高通量的高速测量。关于高聚焦(well-focused)的检查图像和Z高度测量(其通常基于“最佳焦点”高度确定)，检查图像采集速率和可以执行Z高度测量的速率可能受限于Z高度焦点位置调整的速率或运动速度。常规机器视觉检测系统可以利用各种类型的测量操作(例如，点对焦(points-from-focus)操作等)，这需要相机通过一系列的Z高度位置的移动。在共焦系统中，可以类似要求通过一系列Z高度位置的移动(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高度测量的速率可能会受限于系统的一个或多个物理部件的提供一系列Z高度位置的运动。
为了克服这些运动限制，诸如新颖的电子可变形透镜和/或可调谐声学渐变透镜(TAG透镜)的可变焦点透镜(VFL)能够被周期性调制并且以高速率(例如，在TAG透镜的情况下，70kHz或更高)改变焦点位置。然而，诸如温度等条件的变化可能会引起VFL的光功率和VFL的调制频率的变化。期望的是，提供一种方法来识别这样的性能上的变化(其可能需要补偿)。
发明内容
提供这一发明内容是为了以简化的形式介绍将在以下具体实施方式中进一步描述的一些概念。这一发明内容不会旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也不会旨在用作帮助确定所要求保护的主题的范围。
在本文所公开的，特别是参考图3-6，在可操作为监控高速周期性调制的VFL透镜的调制特性的系统的各种实施方式中，是可用于解决上面概述的问题的元件、原理和操作的组合。所公开的实施方式特别有利于与TAG透镜组合使用。
特别地，公开了一种调制监控系统，其与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像系统一起使用。成像系统包括物镜、VFL透镜控制器和相机。物镜配置为输入由工件表面产生的图像光。VFL透镜配置为接收由物镜沿着成像光路透射的图像光。相机配置为接收由VFL透镜沿着成像光路透射的光。VFL透镜控制器配置为控制VFL透镜，从而以高速度来周期性地调制其光功率，并且由此在沿着Z高度方向的多个成像系统焦点Z高度上周期性地调制成像系统的焦点位置。调整监控系统包括VFL-穿越光源(VFL-traversing lightsource)，该VFL-穿越光源包括配置为沿着通过VFL透镜的调制监控光路提供VFL-穿越光的光源，以及包括光学检测器的调制信号确定部分，该光检测器配置为接收该VFL-穿越光，并提供对应于该VFL透镜的所调制的光功率的至少一个光检测器信号，并且该调制监控部分基于该至少一个光检测器信号而输出至少一个调制监控信号。
附图说明
图1是示出了通用精密机器视觉检测系统的各种典型部件的图；
图2是类似于图1的机器视觉检测系统的控制系统部分和视觉部件部分的框图，并且包括本文公开的特征；
图3是用于与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像系统一起使用的调制监控系统的第一实施方式的示意图；
图4是用于与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像系统一起使用的调制监控系统的第二实施方式的示意图；
图5是用于与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像系统一起使用的调制监控系统的第三实施方式的示意图；以及
图6A和图6B示出了可用于光学检测器的各种实施方式中的“定向”型光学检测器的第一实施方式和第二实施方式。
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测系统10的框图。机器视觉检测系统10包括视觉测量机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/或编程机器视觉检测系统10的用户界面。在各种实施方式中，触摸屏平板电脑等可以替代和/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中的任一者的功能或全部的功能。
更一般地，控制计算机系统14可以包括任何计算系统或装置和/或分布式计算环境等，或由其构成，其中的任一者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(ASIC)、可编程逻辑装置(PLD)等，或这样的装置的组合。软件可以存储在存储器中，例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等，或这样的部件的组合。软件也可以存储在一个或多个存储装置中，例如基于光学的磁盘、闪存装置、或用于存储数据的任何其他类型的非易失性存储介质。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现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组合、或者跨越多个计算系统或装置分布，并经由服务调用进行访问，以有线或无线的配置。
视觉测量机12包括可移动工件台32、以及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倍率(例如，0.5x至100x)。在共同受让的美国专利No.7,324,682；7,454,053；8,111,905；和8,111,938中描述了类似的机器视觉检测系统，这些专利中的每一个的全部内容通过引用的方式整体并入本文。
图2是类似于图1的机器视觉检测系统的机器视觉检测系统100的控制系统部分120和视觉部件部分200的框图，并且包括本文描述的特征。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；以及可以具有中心透明部分212的工件台210。工件台210可沿着x轴和y轴可控制地移动，x轴和y轴位于大致平行于工件20可以定位的平台的表面的平面中。
光学组件部分205可以包括相机260、可变焦距(VFL)透镜270，并且还可以包括可互换物镜250、以及具有透镜286和288的转台(turret)透镜组件280。作为转台透镜组件的替代，可以包括固定的或可手动互换的改变放大倍率的透镜、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的可变放大倍率透镜部分的部件。在各种实施方式中，可互换物镜250可以从一组固定放大倍率物镜(例如，范围从0.5x至100x的组等)中选择。
在各种实施方式中，通过使用可控制电机294，光学组件部分205可沿着大致正交于x轴和y轴的z轴可控制地移动，可控制电机294驱动致动器以使光学组件部分205沿着z轴移动，以改变工件20的图像的焦点。可控制电机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也可以操作为周期性地调制焦点位置。待使用机器视觉检测系统100成像工件20、或保持多个工件20的托盘或固定件放置在工件台210上。在各种实施方式中，工件台210可以是可控制的，以相对于光学组件部分205(例如，在x轴和y轴方向上)移动，使得成像区域(例如，如通过可互换物镜250等成像)在工件20上的位置之间、和/或多个工件20之间移动。
平台灯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，以照射工件或多个工件20。同轴灯230可以沿着包括反射镜290的路径发射光232。源光被反射或透射为工件光255，并且工件光(例如，如用于成像)穿过可互换物镜250、转台透镜组件280和VFL透镜270，并被相机260收集。在各种实施方式中，相机260输入工件光，并在信号线262上将信号数据(例如，(多个)工件20的一个或多个图像)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连接到控制系统部分120。控制系统部分120可以沿着轴线284旋转转台透镜组件280，以通过信号线或总线281选择转台透镜以改变图像放大倍率。
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以及电力供给部分190。这些部件中的每一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、以及速度/加速度控制元件132b，虽然这样的元件可以被合并和/或者是不可区分的。照明控制接口133可以包括照明控制元件133a、133n和133fl，其控制机器视觉检测系统100的各种对应的光源的例如选择、电力、开/关开关和选通脉冲定时(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271，如将在下面关于图3至图6更详细描述的。简要地，在一种实施方式中，透镜控制器271可以包括透镜控制器，该透镜控制器包括透镜焦点操作电路和/或例程等。透镜控制器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功率(例如，正弦地)，并且从而以确定的操作频率在沿着Z高度方向的多个焦点位置上周期性地调制成像系统的焦点位置。
在各种实施方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器271还可以包括扩展景深模式，如在共同待决且共同受让的美国专利公开No.2015/0145980中更详细描述的，该专利公开的全部内容通过引用的方式整体并入本文。用户可以选择扩展景深模式以提供工件的至少一个图像(例如，合成图像)，其景深大于视觉部件部分200在聚焦于单个焦点位置时可以提供的景深。在各种实施方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器271还可以包括放大倍率变化调节模式，当进行或检测放大倍率变化或时可以选择或自动实施该模式，如在题为“Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Length Lens in anAdjustable Magnification Optical System”的共同待决且共同受让的美国专利公开No.2017/0013185(也称为’185申请)中更详细地描述的，该专利公开的全部内容通过引用的方式整体并入本文。在于2015年8月31日提交的题为“Multi-Level Image Focus Usinga Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”的共同待决且共同受让的美国专利申请序列No.14/841,051、以及于2015年9月15日提交的题为“ChromaticAberration Correction in Imaging System Including Variable Focal Length Lens”的共同未决且共同受让的美国专利申请序列No.14/854,624中描述了包括VFL透镜的其他系统和方法，该专利申请中的每一个的全部内容通过引用的方式整体并入本文。
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包括为对应的视频工具中的每一个确定GUI、图像处理操作等的视频工具部分143a和其他视频工具部分(例如，143n)，以及感兴趣区域(ROI)生成器143roi，其支持限定可在包括在视频工具部分143中的各种视频工具中操作的各种ROI的自动、半自动和/或手动操作。视频工具部分还包括自动对焦视频工具143af，其为焦点高度测量操作确定GUI、图像处理操作等。自动对焦视频工具143af可附加地包括高速聚焦高度工具，其可以用于高速测量焦点高度，如在共同待决且共同受让的美国专利公开No.2014/0368726中更详细描述的，该专利公开的全部内容通过引用的方式整体并入本文。
在本申请的背景中，并且如本领域普通技术人员所知，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)来实现的相对复杂的一组自动或编程操作，而无需创建包含在视频工具中的逐步操作序列或依靠通用的基于文本的编程语言等。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控制操作和计算的几个变量或参数来应用和定制。除了基本的操作和计算之外，视频工具还包括用户界面，其允许用户为视频工具的特定实例调整这些参数。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的“处理拖动”操作来配置感兴趣的图形区域(ROI)指示器，以便定义要由视频工具的特定实例的图像处理操作分析的图像的子集的位置参数。应该注意的是，可视的用户界面特征有时被称为视频工具，基本的操作被隐含地包含在其中。
平台光220、同轴光230和表面光240的信号线或总线221、231和241分别地全部连接到输入/输出接口130。来自相机260的信号线262、来自VFL透镜270的信号线271’和来自可控制电机294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了携载图像数据之外，信号线262还可以携载来自控制器125的信号，其启动某些过程(例如图像采集、共焦亮度测量等)。
一个或多个显示装置136(例如，图1的显示器16)和一个或多个输入装置138(例如，图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可以用于显示用户界面，该用户界面可以包括可用于执行检测操作和/或创建和/或修改零件程序的各种图形用户界面(GUI)特征，以查看由相机260捕获的图像，和/或直接控制视觉部件部分200。显示装置136可以显示用户接口特征(例如，与透镜控制器271相关联的)。
在各种示例性实施方式中，当用户利用机器视觉检测系统100创建用于工件20的零件程序时，用户通过以学习模式操作机器视觉检测系统100来生成零件程序指令，以提供期望的图像采集训练序列。例如，训练序列可以包括将代表性工件的特定工件特征定位在视场(FOV)中，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测训练序列(例如，使用该工件特征上的一个或多个视频工具的实例)。
学习模式的操作为使得(多个)序列被捕获或记录，并转换成对应的零件程序指令。这些指令在执行零件程序时将使机器视觉检测系统重现训练后的图像采集并使检测操作自动检测当前工件(例如运行模式工件)上的或类似于创建零件程序时使用的代表性工件的工件上的特定工件特征(即对应的位置中的对应的特征)。
图3是用于与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜370的成像系统310一起使用的调制监控系统300的第一实施方式的示意图。成像系统310可以适配于机器视觉检测系统，例如机器视觉检测系统100。成像系统310包括光源330、管透镜351、中继透镜352、物镜350、VFL透镜370、相机360、中继透镜386和VFL透镜控制器371。物镜350配置为输入由工件表面320产生的图像光(工件光)355。VFL透镜370配置为接收由物镜沿着成像光路334透射的图像光355。相机360配置为接收由VFL透镜370沿着成像光路334透射的图像光355。VFL透镜控制器包括驱动信号发生器372和定时时钟372’。VFL透镜控制器371配置为控制VFL透镜370，从而以高速度来周期性地调制其光功率，并且由此在沿着Z高度方向的多个成像系统焦点Z高度上周期性地调制成像系统310的焦点位置FP。
在各种实施方式中，光源330可配置为在成像系统310的视场中照亮工件表面320(例如，借助选通或连续波照射)。在各种实施方式中，光源330可以包括作为照明系统的部分的第一、第二、第三照明源等。例如，光源330可以操作为通过操作对应的照明源(例如，作为光源330的一部分的照明源)来提供选通照明的实例。在各种实施方式中，为了实现适当的照明平衡，光源330可以是可控制的，以允许独立调节选通照明的全部实例的强度(例如，每个对应于光源330内的不同的照明源)以及同时调节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的表面的路径发射源光332的“同轴”光源，其中物镜350接收聚焦在靠近工件320的焦点位置FP处的工件光(图像光)355，并将工件光355输出到管透镜351。在其他实施方式中，类似的光源可以以非同轴的方式照亮视场，例如环光源可以照亮视场。在各种实施方式中，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、管透镜351、或本文中引用的任何其他透镜可以由单个透镜、复合透镜等形成或与其结合操作。管透镜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，并将其输出到相机360。在各种实施方式中，相机360可以在图像曝光时段捕获工件320的图像，并且可以将图像提供给控制系统部分(例如，类似于用于向图2中的控制系统部分120提供图像的相机260的操作)。
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和管透镜351被指定为包括在开普勒(Keplerian)望远镜配置中，并且管透镜351和物镜350被指定为包含在显微镜配置中。全部示出的配置将被理解为仅是示例性的，而不是对于本申请进行限制。作为开普勒望远镜配置的一部分，管透镜351的焦距FTUBE被示出为约等于透镜351和352之间的中点，如中继透镜352的焦距f。在替代的实施方式中，可以使得管透镜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)。在管透镜351可以被包含为转台透镜组件的部分的各种实施方式中，当转台透镜组件的其他管透镜旋转到操作位置时，可能希望其焦点位于相同的位置(即，以便与中继透镜352的焦点会聚)。
如在先前结合的’185申请中更详细地描述的那样，可以利用焦距FTUBE与焦距f的比率来相对于输入到管透镜351的工件光355的准直光束改变从中继透镜352出来的工件光355的准直光束的直径。关于分别输入到管透镜351和从中继透镜352输出的工件光355的准直光束可以理解，在各种实施方式中，这种准直光束可以延伸到更长的路径长度和/或分束器可以用于相对于这种准直光束来提供额外的光路(例如，针对不同的相机系统等)。
在各种实施方式中，所示出的4f光学配置允许将VFL透镜370(例如其可以是低数值孔径(NA)装置，诸如可调谐的声学梯度折射率透镜)放置在物镜350的傅立叶平面。该配置可以维持工件320处的远心性，并且可以使尺度变化和图像失真最小化(例如，包括为工件320的每个Z高度和/或焦点位置FP提供恒定的放大倍率)。开普勒望远镜配置(例如，包括管透镜351和中继透镜352)可以包含在显微镜配置和4f光学配置之间，并且可以配置为在VFL透镜的位置提供期望大小的物镜通光孔径(clear aperture)的投影，以最小化像差等。
应该理解的是，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成像到VFL透镜370中的物镜350的光瞳(pupil)的离轴范围来减小像差。在这一配置中，在其最低谐振频率fR,MIN下可以，将径向范围保持为小于VFL透镜370的驻波的折射率分布中的第一贝塞尔环的径向范围(例如，可调谐的声学梯度折射率透镜(tunable acoustic gradient index of refraction lens))，如先前结合的’185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和管透镜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的驻波区域相互作用，该区域可能具有不期望的折射率，这可能会增加像差并降低尺寸测量精度。
VFL透镜370是可电子控制的，以改变成像系统的焦点位置FP(例如，在一次或多次图像曝光期间，在共焦亮度确定期间等)。焦点位置FP可以在由焦点位置FP1和焦点位置FP2界定的范围R内移动。应该理解的是，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产生，或者可以以其他方式自动确定。总体上关于图3的示例，将会理解，某些所示尺寸可能不是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示出的比例尺寸不同的比例尺寸(例如，对于某些应用，为了提供期望量的透镜能力等，可以稍窄并且长达50mm长或更长)。
调制监控系统300包括VFL-穿越光源340、调制信号确定部分380、分束器388、分束器389和依赖于波长的反射器346。VFL-穿越光源340包括光发生器341，该光发生器341配置为通过VFL透镜370沿着调制监控光路344提供VFL-穿越光343。调制信号确定部分380包括光学检测器385，该光学检测器385配置为接收反射的VFL-穿越光345，并提供对应于VFL透镜370的所调制的光功率的至少一个光检测器信号，并且调制监控系统300基于所述至少一个光检测器信号而输出至少一个调制监控信号。
在各种实施方式中，透镜控制器371和调制信号确定部分380中的每一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/或应用程序编程接口，或者通过各种元件之间的直接连接来互连。
在图3所示的实施方式中，VFL-穿越光源340布置为沿着调节监控光路344提供VFL-穿越光343，调节监控光路344在VFL透镜370的远离物镜350的后部370B处输入VFL-穿越光343。依赖于波长的反射器346布置为当VFL-穿越光343在VFL透镜370的接近物镜350的前部370A处被输出之后，沿着调制监控光路344反射VFL-穿越光343(表示为反射的VFL-穿越光345)。所述光检测器385布置为：在反射的VFL-穿越光345在后部370B处从VFL透镜370输出并且由分束器389和分束器388反射之后，沿着调制监控光路344接收反射的VFL-穿越光345。
在一些实施方式中，依赖于波长的反射器346可以是二向色或窄带反射器，并且分束器389可以包括分束表面，该分束表面是二向色或窄带反射器。在一些实施方式中，可能期望使光发生器341在相机360敏感的光谱之外输出VFL-穿越光343，以避免任何不期望的VFL-穿越光343由相机360成像。例如，VFL-穿越光具有至少700nm的波长。依赖于波长的反射器346和分束器389然后可以被配置为传送图像光355并且反射VFL-穿透光343和/或反射的VFL-穿越光345。
在图3所示的实施方式中，VFL-穿越光源340包括光发生器341(例如，一个或多个LED或激光二极管)和准直透镜342。在各种实施方式中，VFL投射光343可以在其沿着调制监控光路344投射时被准直。
各种可选的实施方式可以包含与调制监控系统300类似的光学部件，但是以相对于VFL透镜370和物镜350的不同的顺序。在一些实施方式中，包括但不限于下面参考图4和/或图5更详细描述的那些，VFL-穿越光源340可以布置为沿着调节监控光路提供VFL-穿越光，调节监控光路在VFL透镜370的接近物镜350的前部370A处输入VFL-穿越光。依赖于波长的反射器可以布置为：在VFL-穿越光在VFL透镜370的远离物镜350的后部370B处从VFL透镜370输出之后，沿着调制监控光路反射VFL-穿越光。光检测器可以布置为：在反射的VFL-穿越光在前部370A处从VFL透镜输出之后，沿着调制监控光路接收反射的VFL-穿越光。
在一些实施方式中，调制监控系统300可以配置为将至少一个光信号作为反馈输出到VFL透镜控制器371，以补偿VFL透镜370的光功率或频率中的至少一者的变化，其可能是由环境条件(例如温度或其他因素)的变化造成的。例如，驱动信号发生器372可响应于至少一个光学检测器信号来调整驱动VFL透镜370的调制的驱动信号。在一些实施方式中，调制监控系统300可以通过系统信号和控制总线395提供反馈，或者替代地通过图3中的虚线指示的直接连接提供反馈。
在一些实施方式中，VFL-穿越光源340可以配置为选通VFL-穿越光343，使得选通脉冲对应于VFL透镜370的各种调制阶段。可以在期望的时刻由光学检测器385对VFL透镜370的调制进行采样，以便确定表征调制的因素，例如振幅和频率。
图4是用于与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜470的成像系统410一起使用的调制监控系统400的第二实施方式的示意图。可以理解的是，图4的调制监控系统400与图3的调制监控系统300共享若干特征，并且可以基于前面的描述在很大程度上通过类比来理解。除了下面另外描述的之外，图4的某些编号的部件可以对应于和/或具有与图3的类似编号的部件相似的操作。因此，将不会详细描述这种类似的部件和共享的特征。以下描述强调了系统400的与本文先前描述的各种系统实施方式相比不同的某些元件和操作方面。
在图4所示的实施方式中，VFL-穿越光源440布置为沿着调节监控光路444提供VFL-穿越光443，调节监控光路444在VFL透镜470的接近物镜450的前部470A处输入VFL-穿越光443。光检测器485可以布置为：在VFL-穿越光443在后部470B处从VFL透镜输出之后，沿着调制监控光路444接收VFL-穿越光443。
在图4所示的特定实施方式中，光发生器441输出从分束器488反射并从分束器489选择性地反射的VFL-穿越光443，以便将VFL-穿越光443从图像光455分离。通过与参考图3在上面概述的操作和设计类比，在各种实施例中，可能期望光发生器441在相机460敏感的光谱之外输出VFL-穿越光443，并且分束器488和分束器489可以包括表面，该表面是二向色或窄带反射器，其透射全部或大部分的图像光455并反射全部或大部分的VFL-穿透光443。
各种可选的实施方式可以包含与调制监控系统400类似的光学部件，但是以相对于VFL透镜470和物镜450的不同的顺序。在一些实施方式中，VFL-穿越光源可以布置为沿着调节监控光路提供VFL-穿越光，调节监控光路在VFL透镜470的远离物镜450的后部470B处输入VFL-穿越光。光检测器可以布置为：在VFL-穿越光在前部470A处从VFL透镜470输出之后，沿着调制监控光路接收VFL-穿越光。
图5是用于与包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜570的成像系统510一起使用的调制监控系统500的第三实施方式的示意图。为了简单起见，仅示出了成像系统510的VFL透镜570。VFL透镜570可以以类似于成像系统410的布置放置在成像系统510中。除了下面另外描述的之外，图5的某些编号的部件可以对应于和/或具有与图4的类似编号的部件相似的操作。因此，将不会详细描述这种类似的部件和共享的特征。调制监控系统500包括VFL-穿越光源540，其包括配置为通过VFL透镜570沿着调制监控光路544提供VFL-穿越光543的光源541，以及包括光学检测器585的调制信号确定部分580，其配置为接收VFL-穿越光543，并且提供对应于VFL透镜570的所调制的光功率的至少一个光学检测器信号，并且调制监控系统500基于所述至少一个光学检测器信号而输出至少一个调制监控控制信号。在图5所示的实施方式中，调制监控光路544在VFL透镜的用于成像的部分571A之外穿过VFL透镜570。更具体地，部分571A可以被理解为对应于用于将成像光555传输到检测器的图像孔径。如先前关于图3所概述的，对于作为可调谐声学梯度折射率透镜的VFL透镜570，部分571A应当小于VFL透镜570的驻波的折射率分布中的第一贝塞耳环的径向范围。在类似于调制监控系统500类似的一些实施方式中，VFL-穿越光543可以是窄的激光束。VFL-穿越光543可以位于第一贝塞尔环的径向范围外，例如在第二贝塞耳环的径向范围内。虽然VFL透镜570的这种“第二贝塞耳环”区域可能不会适合于无像差成像，但它可能适合于偏转或聚焦VFL-穿透光543，使得调制信号确定部分580(例如，波前或光束偏转传感器)可以操作为监控VFL透镜570的调制的幅度和/或频率和/或相位。
应该理解的是，在图5所示的实施方式中，调制监控系统500包括反射器588和反射器589，其起到与分束器488和分束器489相似的作用。然而，调制监控系统500不要求依赖于波长的反射，这是因为调制监控光路544在VFL透镜570的用于成像的部分571A之外通过VFL透镜570，并且因此，无需将VFL-穿越光543与成像光555分离。在与调制监控系统500类似的一些实施方式中，取决于成像系统510的特定布置，反射器588和反射器589甚至可以是不必要的。可以理解，图5中所示的布置可以适于在VFL透镜570的前部或后部输入VFL-穿越光543，并且在VFL透镜570的前部或后部中的另一者处感测VFL-穿越光543的调制。
图6A和图6B示出了可用于光学检测器(例如光学检测器385、485或585)的各种实施方式中的“定向”型光学检测器685’和685”的第一实施方式和第二实施方式。
光学检测器685’包括已知类型的波前曲率检测器。通常，如本文所使用的术语，波前传感器可被描述为沿着输入光束的波前在对应的区域处采样至少一个局部光线角度，以提供取决于所采样的局部光线角度的至少一个对应的检测信号。通常，期望在沿输入光束的波前分离的两个相应的对应区域处采样至少两个相应的局部光线角度，以提供取决于所采样的局部光线角度的至少两个相应的检测信号。包括至少两个检测器信号的关系对应于输入光645的波前曲率的程度，并且波前倾斜(与波前曲率相反)的影响可以作为存在于至少两个检测器信号中的每一个中的共模误差被检测和拒绝。
所示出的光学检测器685’可以被表征为Shack-Hartmann传感器，并且包括透镜L1和L2以及具有信号和控制线665的检测器662。在一个实施例中，透镜L1和L2可以是微透镜。透镜L1和L2各自聚焦输入光(例如，参照图3在上面概述的反射的VFL-穿越光)。
在图6所示的示例中，输入光645(例如，VFL-穿越光345、443或543)具有由波前WF示意性表示的波前。对于波前WF，透镜L1和L2分别在检测器662上产生作为检测点DS1和DS2出现的图像。在一个实施方式中，检测器662可以包括至少一个四单元电池光电二极管，例如由日本静冈的浜松光电公司(Hamamatsu Photonics)制造的S5980型分段式硅型PIN光电二极管。多个四单元光电二极管可以提供高分辨率的波前采样，但是在一些实施方式中，远离调制监控光路的中心光轴安装的单个四单元光电二极管可以提供足够的采样来监控VFL透镜的调制。在其他实施方式中，检测器662可以包括至少两个离散的光电检测器或至少一个位置敏感检测器。在任何情况下，检测点DS1和DS2分别沿着检测器662的表面距参考位置RP距离SN1和SN2。距离SN1和SN2之间的差值可以被视为表示调制监控信号MMS。测量距离SN1和SN2的参考位置RP可以任意选择。
如本领域所知的，“平坦”波前WF对应于准直的输入光645。当波前WF平坦时，检测点DS1和DS2出现在与对应的单独透镜的光轴对齐的标称“空”位置处，并且调制监控信号MMS具有标称值或“空”值。
在VFL透镜的调制的各个阶段中，波前WF不是平坦的。在图6所示的示例中，输入光645具有由弯曲波前WF’示意性表示的波前。对于波前WF’，透镜L1和L2分别在检测器662上产生作为检测点DS1和DS2出现的图像。对于所示出的波前曲率的极性，检测点DS1’和DS2’出现在比空位DS1和DS2更远的位置处，并且调制监控信号MMS’大于其标称值或“空”值。相反，对于具有相反极性曲率的波前(WF”)，检测点(DS1”和DS2”)将出现在比空位DS1和DS2更接近的位置处，并且调制监控信号MMS”将小于其名义值或“空值”。
图6B示出了包括已知类型的轴向焦点位置传感器的光学检测器685”，其是定向型传感器，可以包括透镜610、分束器612、第一针孔孔径620A和第一光电检测器625A、以及第二针孔孔径620B和第二光电检测器625B。在操作中，透镜610将输入光645输入(例如，VFL-穿越光345、443或543)，并将其作为聚焦光束615发射到分束器612，分束器612将其分成第一测量光束615A和第二测量光束615B。如图6B所示，第一孔径620A可以被放置在具有比透镜610的标称焦距稍小的到透镜610的光路长度的位置处，并且第二孔径620B可以被定位成具有稍长的光路长度。因此，如图6B所示，当第二测量光束615B大致聚焦在第二孔径620B处时，第二光电检测器625B将接收第二测量光束615B中的全部能量，并且在信号线626B上输出具有最大值的第二检测器信号。同时，第一测量光束615A的焦点将超过到第一孔径620A的光路长度。因此，第一孔径620A将遮挡第一测量光束615A的一部分，并且第一光电检测器625A将在信号线626A上输出具有比信号线626B上的第二检测器信号更低的值的第一检测器信号。通常，两个检测器信号之间的差异将根据输入光645的轴向焦点位置而变化，这取决于其光线的标称会聚或发散，其与其波前曲率有关。
应该理解的是，本文所示的实施方式主要涉及与成像系统一起使用的调制监控系统，该成像系统是机器视觉检测系统的一部分。这样的实施方式是示例性的而不是限制性的。根据本文公开的原理的调制监控系统可以与其他应用中的成像系统一起使用，如本领域技术人员可以理解的。
尽管已经说明和描述了本申请的优选实施方式，但是基于本申请内容，对于本领域技术人员而言，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化将是显而易见的。可以使用所公开的元件和/或操作的各种替代形式和组合来实现本文公开的原理。上述各种实施方式可以结合起来提供进一步的实施方式。本说明书中提到的全部美国专利和美国专利申请的全部内容通过引用的方式整体并入本文。如果必要的话，可以修改实施方式的各个方面以利用各种专利和申请的概念来提供进一步的实施方式。
根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其他改变。一般而言，在随附的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制在说明书和权利要求书中公开的具体实施方式中，而应被解释为包括全部可能的实施方式连通这些权利要求所声称的等同物。

Claims (9)

1.一种与成像系统一起使用的调制监控系统，包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜，其中：
所述成像系统包括：
物镜，其配置为输入由工件表面产生的图像光，所述VFL透镜配置为接收由所述物镜沿着成像光路透射的图像光，以及配置为接收由所述VFL透镜沿着所述成像光路透射的光的相机；
VFL透镜控制器，其配置为控制所述VFL透镜以高速周期性地调制其光功率，并且从而在沿着Z高度方向的多个成像系统焦点Z高度上周期性地调制所述成像系统的焦点位置，并且
所述调制监控系统包括：
VFL-穿越光源，其包括配置为沿着通过所述VFL透镜的调制监控光路提供VFL-穿越光的光源；
包括光学检测器的调制信号确定部分，所述光学检测器配置为接收所述VFL-穿越光，并提供对应于所述VFL透镜的所调制的光功率的至少一个光学检测器信号，并且所述调制监控系统基于所述至少一个光学检测器信号而输出至少一个调制监控信号。
2.如权利要求1所述的调制监控系统，其中所述VFL-穿越光源布置为沿着调制监控光路提供所述VFL-穿越光，所述调制监控光路在以下位置中的一者处输入所述VFL-穿越光：
a)所述VFL透镜的靠近所述物镜的前部，或
b)所述VFL透镜的远离所述物镜的后部；并且，
所述光学检测器布置为：在所述VFL-穿越光在a)所述前部和b)所述后部中的另一者处从所述VFL透镜输出之后，沿着所述调制监控光路接收所述VFL-穿越光。
3.如权利要求1所述的调制监控系统，其中：
所述VFL-穿越光源布置为沿着调制监控光路提供所述VFL-穿越光，所述调制监控光路在以下位置中的第一个处输入所述VFL-穿越光：
a)所述VFL透镜的靠近所述物镜的前部，或
b)所述VFL透镜的远离所述物镜的后部；
依赖于波长的反射器布置为：在所述VFL-穿越光在a)所述前部和b)所述后部中的另一者处从所述VFL透镜输出之后，沿着所述调制监控光路反射所述VFL-穿越光；并且
所述光学检测器布置为：在所反射的VFL-穿越光在a)和b)中的第一个处从所述VFL透镜输出之后，沿着所述调制监控光路接收所反射的VFL-穿越光。
4.如权利要求3所述的调制监控系统，其中所述依赖于波长的反射器是窄带反射器或二向色反射器中的一者。
5.如权利要求1所述的调制监控系统，其中所述VFL-穿越光具有至少700nm的波长。
6.如权利要求1所述的调制监控系统，其中所述光学检测器包括如下装置中的一者：
Shack-Hartmann传感器；
至少一个四单元二极管传感器；
分立的光电检测器；或
至少一个位置敏感检测器。
7.如权利要求1所述的调制监控系统，其中所述VFL透镜是可调谐的声学梯度折射率透镜。
8.如权利要求1所述的调制监控系统，其中所述调制监控系统配置为向所述VFL透镜控制器提供反馈，以补偿所述VFL透镜的光功率或频率中的至少一者的变化。
9.如权利要求1所述的调制监控系统，其中所述调制监控光路在所述VFL透镜用于成像的部分之外穿过所述VFL透镜。
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