CN109581618A - 具有光焦度监测的可变焦距透镜系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种可变焦距(VFL)透镜系统，包含VFL透镜、VFL透镜控制器、物镜、相机和光焦度监测配置。在标准工件成像模式期间，物镜将工件光沿着成像光学路径穿过VFL透镜透射到相机，这提供对应的工件图像曝光。在光焦度监测模式期间，光焦度监测配置产生所监测的束图案，束图案沿着成像光学路径的穿过VFL透镜到相机的至少一部分行进，这提供监测图像曝光。在VFL透镜的周期性调制的不同相位定时处获得不同的监测图像曝光，并且在每个监测图像曝光中测量与在对应的相位定时处的VFL透镜的光焦度相关的所监测的束图案的尺寸。

Description

具有光焦度监测的可变焦距透镜系统

技术领域

本公开涉及使用高速可变焦距透镜(例如，在机器视觉检测系统中)的精密度量，并且更具体地涉及监测成像系统中的高速可变焦距透镜的光焦度(optical power)。

背景技术

诸如精密机器视觉检测系统(或简称“视觉系统”)的精密非接触式度量系统可以用于获得物体的精确尺寸测量并检测各种其它物体特性，并且可以包含计算机、相机和光学系统、以及移动以允许工件横穿和检测的精密台。一个示例性现有技术系统是可以从位于伊利诺伊州奥罗拉市的Mitutoyo America公司(MAC)获得的基于PC的视觉系统的系列和软件。在例如2003年1月发布的QVPAK 3D CNC视觉测量机用户指南和1996年9月发布的QVPAK 3D CNC视觉测量机操作指南中总体上描述了系列视觉系统和软件的特征和操作，其全部内容在此通过引入并入本文。这种类型的系统使用显微镜型光学系统并且使台移动，以便提供小的或相对大的工件的检测图像。

通用精密机器视觉检测系统通常是可编程的，以提供自动视频检测。这种系统典型地包含GUI特征和预定义图像分析“视频工具”，使得操作和编程可以由“非专家”操作员执行。例如，美国专利No.6,542,180(其全部内容通过引用并入本文)教导了使用自动视频检测的视觉系统，其包含使用各种视频工具。

多透镜可变焦距(VFL)光学系统可以用在成像系统中，以观察和精确测量表面高度。成像系统可以被包含在显微镜系统和/或精密机器视觉检测系统中，例如美国专利No.9,143,674中所公开的，该专利的全部内容通过引用并入本文。简而言之，VFL透镜能够分别在多个焦距处获得多个图像。一种类型的已知VFL透镜是可调谐声学梯度(“TAG”)透镜。TAG透镜是高速VFL透镜，其在流体介质中使用声波来产生透镜效应。可以通过以谐振频率将电场施加到围绕流体介质的压电管来产生声波。声波在透镜的流体中产生时变的密度和折射率分布，调制其光焦度和焦距或焦点位置。TAG透镜可以以高达几百kHz的谐振频率(即，以高速)周期性地扫描焦距的范围。通过文章《具有可调声学梯度折射率透镜的高速变焦成像(High speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index ofrefraction lens)》(Optics Letters，第33卷，No.18，2008年9月15日)的教导可以更详细地理解这种透镜，在此通过引用将其全部内容并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和相关的可控信号发生器可以从例如新泽西州普林斯顿市的TAG Optics公司获得。例如，型号TL2.B.xxx系列透镜能够调制高达约600kHz。

虽然这种VFL透镜能够被周期性地调制并且以非常高的速率改变焦点位置，但是诸如温度的条件上的变化可能引起光焦度和调制频率的变化，这可能影响系统性能和精度。能够提供关于这些问题的改进的成像系统将是合乎期望的。

发明内容

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不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。

提供可变焦距(VFL)透镜系统，包含VFL透镜、VFL透镜控制器、物镜、相机和光焦度监测配置OPM。在各种实施方式中，VFL透镜可以是可调谐声学梯度折射率(TAG)透镜。VFL透镜控制器控制VFL透镜，以在操作频率下光焦度的范围上周期性地调制VFL透镜的光焦度。物镜在工件成像模式期间输入从工件表面产生的工件光，并且沿着穿过VFL透镜的成像光学路径透射工件光。在工件成像模式期间，相机接收由VFL透镜沿成像光学路径透射的工件光，并且提供对应的工件图像曝光。

光焦度监测配置包含监测束发生器，其包括光源和束图案元件，束图案元件输入来自光源的光并输出所监测的束图案。在各种实施方式中，光焦度监测配置在光焦度监测模式期间沿着成像光学路径的至少一部分透射所监测的束图案，以穿过VFL透镜行进到相机。在光焦度监测模式期间，相机提供监测图像曝光，监测图像曝光包含在VFL透镜的周期性调制中的对应的相位定时期间的所监测的束图案。监测图像曝光中的所监测的束图案的尺寸与在对应的相位定时期间的VFL透镜的光焦度相关。

在各种实施方式中，可以在VFL透镜的周期性调制的不同相位定时(例如，在对应于0度、180度和90度的相位定时)处获得不同的监测图像曝光。可以测量每个监测图像曝光中的所监测的束图案的尺寸，并且可以与校准值进行比较。基于比较，可以对系统进行调节(例如，可以对VFL透镜的操作进行调节，以使VFL透镜的光焦度更接近校准水平)。

附图说明

图1是示出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，并且包含本文所公开的某些特征；

图3是成像系统的示意图，该成像系统可以适用于精密非接触式度量系统(诸如机器视觉检测系统)，并且根据本文所公开的原理操作；

图4是说明用于操作包含VFL透镜的成像系统的例程的示例性实施方式的流程图；

图5A-5C是示出了对应于不同相位定时的不同监测图像曝光中的所监测的束图案的图；

图6是说明与所储存的校准值相比，用于分析诸如图5A-5C的监测图像曝光的例程的示例性实施方式的流程图；以及

图7是示出用于确定和储存诸如在图6的分析中使用的校准值的校准值的例程的示例性实施方式的流程图。

具体实施方式

图1是根据本文描述的方法可以用作成像系统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包含视觉测量机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/或编程机器视觉检测系统10的操作的用户界面。应当理解，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、以及鼠标26中的任意的或全部的功能。

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装置构成。合适的计算系统或装置可以包含个人计算机、服务器计算机、小型计算机、大型计算机，包含前述任何内容的分布式计算环境等。这种计算系统或装置可以包含执行软件以进行本文描述的功能的一个或多个处理器。处理器包含可编程通用或专用微处理器、可编程控制器、应用专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等等，或这些装置的组合。软件可以储存在存储器中，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器等，或这些部件的组合。软件还可以储存在一个或多个储存装置中，诸如基于光学的盘、闪速存储器装置、或者用于储存数据的任何其它类型的非易失性储存介质。软件可以包含一个或多个程序模块，其包含进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、数据结构等等。在分布式计算环境中，程序模块的功能可以跨多个计算系统或装置组合或分布，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包含可移动工件台32和光学成像系统34，光学成像系统34可以包含变焦透镜或可互换透镜。变焦透镜或可互换透镜总体上为由光学成像系统34提供的图像提供各种放大率。机器视觉检测系统10的各种实施方式也在共同转让的美国专利No.7,454,053、No.7,324,682、No.8,111,905以及No.8,111,938中描述，其中的每一个都通过引用将其全部内容并入本文。

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，包含如本文所描述的特征。如下面将更详细描述的，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包含光学组件部分205、光源220、230、240和具有中央透明部分212的工件台210。工件台210可以沿x轴和y轴可控制地移动，所述x轴和y轴位于总体上与工件20可以被定位的台的表面平行的平面中。

光学组件部分205包含相机系统260、可互换物镜250、可变焦距(VFL)透镜270，其在各种示例性实施方式中为TAG透镜，以及具有监测光源286S的监测束发生器286。在各种实施方式中，光学组件部分205还可以包含光源230(例如，同轴光源)。在各种实施方式中，光学组件部分205还可以包含具有透镜226和228的转台(turret)透镜组件223。作为转台透镜组件的替代，在各种实施方式中，可以包含固定或可手动互换的放大率改变透镜或变焦透镜配置等等。在各种实施方式中，可以包含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，可以从被包含作为可变放大率透镜部分的一部分的一组固定放大物镜(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)中选择可互换物镜250。

光学组件部分205是通过使用可控电动机沿z轴可控制地可移动的，z轴总体上与x轴和y轴正交，可控电动机294驱动致动器以沿z轴移动光学组件部分205以改变工件20的图像的聚焦。可控电动机294经由信号线296连接到输入/输出接口130。如下面将更详细描述的，VFL(TAG)透镜270可以通过透镜控制接口134经由信号线234’控制，以周期性地调制VFL透镜270的焦点位置。如下面更详细地描述的，透镜控制接口134可以包含根据本文公开的各种原理的控制模式管理器180。要使用机器视觉检测系统100成像的工件20或保持多个工件20的托盘或夹具放置在工件台210上。可以控制工件台210以相对于光学组件部分205移动，使得可互换物镜250的视场在工件20上的位置之间和/或多个工件20之间移动。

台光源220、同轴光源230和表面光源240(例如，环形光)中的一个或多个可以分别发射源光222、232和/或242，以照明工件20或多个工件20。在各种实施方式中，在工件成像模式期间，同轴光源230可以沿着包含反射表面290(例如，作为分束器的一部分的部分反射镜)的路径发射源光232。源光232作为工件光289被反射或透射，并且用于成像的工件光穿过可互换物镜250、转台透镜组件223和VFL透镜270，并且由相机系统260采集。包含(多个)工件20的图像的工件图像曝光被相机系统260捕获，并且在信号线262上被输出到控制系统部分120。光源220、230、240可以分别通过信号线或总线221、231、241连接到控制系统部分120。在各种实施方式中，监测束发生器286和/或监测光源286S还可以通过信号线或总线连接到控制系统部分120。控制系统部分120可以通过信号线或总线223’控制转台透镜组件223沿轴224旋转，以选择转台透镜，从而改变图像放大率。

如图2所示，在各种示例性实施方式中，控制系统部分120包含控制器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。这些部件中的每一个以及下面描述的附加组件可以通过一个或多个数据/控制总线和/或应用程序编程接口互连，或者通过各个元件之间的直接连接互连。输入/输出接口130包含成像控制接口131、运动控制接口132、灯光控制接口133和透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包含控制模式管理器180，其包含根据本文公开的原理的用于工件成像模式和光焦度监测模式的电路和/或例程，如下面相对于如图3所示的包括电路和/或例程的透镜控制器334更详细地描述的。在一些实施方案中，透镜控制接口134和透镜控制器334可以被合并和/或不可区分。

运动控制接口132可以包含位置控制元件132a和速度/加速度控制元件132b，尽管这些元件可以被合并和/或不可区分。灯光控制接口133可以包含灯光控制元件133a-133n和133fl，其控制例如用于机器视觉检测系统100的各种对应光源的选择、功率、打开/关闭开关和频闪(strobe)脉冲定时(如果适用)。配置成控制频闪脉冲定时的灯光控制元件总体上对应于如图3所示的曝光(频闪)时间控制器393，并且如下面更详细地描述。

存储器140可以包含图像文件存储器部分141、边缘探测存储器部分140ed、可以包含一个或多个部分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包含视频工具部分143a，以及对于每个对应的视频工具确定GUI、图像处理操作等的其它视频工具部分(例如，143n)，关注区域(interest region)(ROI)发生器143roi，其支持限定可以在包含在视频工具部分143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。在各种实施方式中，可以利用各种类型的视频工具(例如，圆形工具、圆弧工具、框工具、线工具等)来检测和/或测量各种工件特征。在某些先前并入的参考文献以及美国专利No.7,627,162中更详细地描述了用于定位边缘特征和执行其它工件特征检测操作的这种视频工具的操作的示例，美国专利No.7,627,162在此通过引用将其全部内容并入本文。

视频工具部分143还包含自动聚焦视频工具143af，其确定用于聚焦高度测量操作的GUI、图像处理操作等。在各种实施方式中，自动聚焦视频工具143af可以附加地包含高速聚焦高度工具，高速聚焦高度工具可以用于使用如图3中描述的硬件来高速测量聚焦高度，如在美国专利No.9,143,674中更详细地描述的，美国专利No.9,143,674在此通过引用将其全部内容并入本文。在各种实施方式中，高速聚焦高度工具可以是自动聚焦视频工具143af的特殊模式，自动聚焦视频工具143af可以以其它方式根据用于自动聚焦视频工具的常规方法操作，或者自动聚焦视频工具143af的操作可以仅包含高速聚焦高度工具的那些操作。

在本公开的上下文中，并且如本领域普通技术人员所知，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)来实现的一组相对复杂的自动或编程操作，而不产生在视频工具中包含的逐步操作序列，或者诉诸于通用的基于文本的编程语言等。例如，视频工具可以包含一组复杂的预编程的图像处理操作和计算，其通过调节控制操作和计算的一些变量或参数在特定实例中应用和定制。除了底层操作和计算，视频工具还包括允许用户为了视频工具的特定实例调节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“手柄拖动”操作来配置图形关注区域(ROI)指示符，以便定义将要由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。应当注意，可见用户界面特征有时被称为视频工具，其中隐含地包含底层操作。

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)可以连接到输入/输出接口130。显示装置136和输入装置138可以用于显示用户界面，该用户界面可以包含各种图形用户界面(GUI)特征，各种图形用户界面(GUI)特征可用于进行检测操作，和/或创建和/或修改部分程序，以查看由相机系统260捕获的图像，和/或直接控制视觉部件部分200。显示装置136可以显示用户界面特征(例如，与视频工具部分143的视频工具相关联等)。

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来为工件20创建部分程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检测系统100来生成部分程序指令，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，获得图像，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视频工具中的一个的实例)。操作学习模式，使得捕获或记录(读个)序列并将其转换成对应的部分程序指令。执行部分程序时，这些指令将使机器视觉检测系统重现所训练的图像采集并使得检测操作自动检测运行模式工件或多个工件上的特定工件特征(即对应位置中的对应特征)，其与创建部分程序时使用的代表性工件相匹配。在各种实施方式中，如下面将更详细地描述的，可以利用这种技术来创建用于在监测图像曝光中检测(例如，测量尺寸)所监测的束图案(例如，如图5A-5C所示)的部分程序。

图3是VFL透镜系统300(也称为成像系统300)的示意图，其包含VFL透镜370(例如，TAG透镜)并且可以适用于视觉系统并且根据本文公开的原理操作。应当理解，除了本文中另有描述的，图3的某些编号组件3XX可以对应于图2的类似地编号的组件2XX和/或具有与之类似的操作。如下面将更详细描述的，成像光学路径OPATH包括沿着路径布置的各种光学部件，该路径将来自工件320的成像光传播到相机360。成像光总体上沿其光轴OA的方向传播。在图3所示的实施方式中，全部光轴OA都是对齐的。然而，该实施方式仅是示例性的而非限制性的。更一般地，成像光学路径OPATH可以包含反射镜和/或其它光学元件，并且可以采用可操作以根据已知原理使用相机(例如，相机360)对工件320成像的任何形式。在所示的实施方式中，成像光学路径OPATH包含VFL透镜370(其可以包含在4F成像配置中)并且至少部分地用于在工件成像模式期间对工件320的表面成像。如下面将进一步详细描述的，根据本文公开的原理，可以在光焦度监测模式期间利用监测光源386S沿着成像光学路径OPATH的至少一部分发射监测光以穿过VFL透镜370来形成一个或多个监测图像曝光(例如，可以对其进行分析并与所储存的校准值进行比较，以便能够感测VFL透镜370的命令的光焦度上的变化)。

如图3所示，VFL透镜系统300包含光源330、物镜350、管透镜351、中继透镜352、VFL(TAG)透镜370、中继透镜356、透镜控制器334、相机360、Z高度(焦距)校准部分373、聚焦信号处理部分375(可选)、光学聚焦监测部分376(可选)，以及包含监测束发生器386的光焦度监测配置OPM。在各种实施方式中，各种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/或应用程序编程接口等互连。

在图3所示的实施方式中，光源330可以是“同轴”或其它光源，其配置为沿着包含反射表面390(例如，作为分束器的部分的部分反射镜)和通过物镜350到工件320的表面发射源光332(例如，具有频闪或连续照明)，其中物镜350接收聚焦在靠近工件320的焦点位置FP的工件光355，并将工件光355输出到管透镜351。管透镜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照明视场；例如，环形光源可以照亮视场。在各种实施方式中，物镜350可以是可互换的物镜，并且管透镜351可以作为转台透镜组件的一部分被包含(例如，类似于图2的可互换物镜250和转台透镜组件223)。在各种实施方式中，本文引用的任何其它多个透镜可以由单独的透镜、复合透镜等形成或与其结合操作。

中继透镜352接收工件光355并将其输出到VFL(TAG)透镜370。VFL(TAG)透镜370接收工件光355并将其输出到中继透镜356。中继透镜356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期间捕获工件图像曝光(例如，包含工件320的图像)，并且可以将对应图像数据提供给控制系统部分。在各种实施方式中，相机360可以具有大于1百万像素的像素阵列(例如，130万像素，具有1280×1024像素阵列，每像素5.3微米)。

在图3的示例中，中继透镜352和356以及VFL(TAG)透镜370被指定为被包含在4f光学配置中，而中继透镜352和管透镜351被指定为被包含在开普勒望远镜配置中，并且管透镜351和物镜350被指定为被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(TAG)透镜370(例如，其可以是低数值孔径(NA)装置)放置在物镜350的傅里叶平面处。该配置可以保持工件320处的远心度并且可以最小化比例变化和图像失真(例如，包含为工件320的每个Z高度和/或焦点位置FP提供恒定的放大率)。开普勒望远镜配置(例如，包含管透镜351和中继透镜352)可以被包含在显微镜配置和4f光学配置之间，并且可以配置成在VFL(TAG)透镜370的位置提供物镜通透孔径的投影的期望大小，以便最小化像差等。

在各种实施方式中，透镜控制器334可以包含驱动信号发生器部分335、定时时钟335’和控制模式管理器380。驱动信号发生器部分335可以操作(例如，结合定时时钟335')以经由信号线334’向高速VFL(TAG)透镜370提供周期性驱动信号。在各种实施方式中，控制模式管理器380可以包含可根据本文公开的原理操作的电路和/或(多个)例程。在一些实施方案中，透镜控制器334和控制模式管理器380可以被合并和/或不可区分。在各种实施方式中，VFL透镜系统(或成像系统)300可以包括控制系统(例如，图2的控制系统部分120)，其可配置为通过驱动VFL(TAG)透镜370周期性地调制其焦点位置，与透镜控制器334一起操作以经由信号线334’来控制VFL(TAG)透镜370。

在各种实施方式中，控制模式管理器380通常可以进行各种功能(例如，作为透镜控制器334中的序列管理器以用于不同的操作模式等)。控制模式管理器380包含工件成像模式电路/例程部分382和光焦度监测模式电路/例程部分383。在各种实施方式中，工件成像模式电路/例程部分382进行工件成像模式(即，在本文中也称为标准成像模式)，其包含对光学系统进行标准工件成像操作，如本领域中已知的并且如在所引用的参考文献中描述的。如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，光焦度监测模式电路/例程部分383可以根据本文公开的原理进行光焦度监测模式。在各种实施方式中，光焦度监测模式可以在按需的基础上进行(例如，响应于用户界面中的用户选择，或者当探测到特定条件时等)，或者可以周期性地执行(每10秒一次，每天一次等)。在各种实施方式中，可以操作控制模式管理器380，使得光焦度监测模式不与工件成像模式重叠，尽管在光焦度监测模式期间确定的对系统的任何调节(例如，调节VFL透镜370的操作)将在工件监测模式的后续执行期间被应用和利用。

光焦度监测模式电路/例程部分383包含所监测的束图案图像分析器部分384和调节电路/例程部分385。在各种实施方式中，所监测的束图案图像分析器部分384可以进行诸如输入监测图像曝光和调用某些视频工具(例如，诸如圆形视频工具等的边缘探测视频工具)或其它尺寸分析器(例如，在监测图像曝光等中确定所监测的束图案的一个或多个尺寸)的功能。在各种实施方式中，调节电路/例程部分385可以输入来自所监测的束图案图像分析器部分384的尺寸结果/值，并且将结果/值与校准值进行比较，以便确定是否需要进行调节(例如，对VFL透镜的操作)。如下面将更详细地描述的，在各种实施方式中，调节可以包含调节用于驱动VFL透镜370的幅度A(例如，用于调节Z范围)、相位定时调节(例如，用于调节Z偏移)、温度调节等。在各种实施方式中，可以通过改变驱动信号发生器335、定时时钟335’和/或透镜加热器/冷却器337等的控制信号来实现这种调节。如下面将更详细地描述的，在各种实施方式中，光焦度监测模式电路/例程部分383在某些情况下可以重复进行操作以迭代地分析和调节系统，直到VFL透镜的光焦度至少近似处于期望的水平(例如，对应于所储存的校准值)。

如图3所示，在各种实施方式中，成像系统300可以可选地包含与VFL透镜370相关联的透镜加热器/冷却器337。透镜加热器/冷却器337可以配置为根据一些实施方式和/或操作条件将一定量的热能输入到VFL透镜370中和/或进行冷却功能以促进VFL镜片370的加热和/或冷却。另外，在各种实施方式中，VFL透镜监测信号可以由与VFL透镜370相关联的温度传感器336提供，以监测VFL透镜370的操作温度。

如下面将更详细描述的，在光焦度监测模式期间，可以通过相机360的操作结合光焦度监测配置OPM来提供监测图像曝光。在各种实施方式中，光焦度监测配置OPM包含监测束发生器386，其包括监测光源386S和束图案元件386BPE(例如，孔径元件)，其输入来自监测光源386S的光并输出所监测的束图案(例如，如下面参考图5A-5C更详细地描述的)。在一个具体示例性实施方式中，监测光源386S可以是LED，其充当发射宽度为约150微米或更小的光以及90度发射的点光源。在各种实施方式中，可以定位监测光源386S，和/或可以定位光焦度监测配置OPM，以便导向来自物镜350和管透镜351的显微镜配置的傅立叶平面的监测光。在各种实施方式中，光焦度监测配置OPM沿着成像光学路径OPATH的至少一部分透射所监测的束图案，以在光焦度监测模式期间穿过VFL透镜370行进到相机360。如下面将参考图5A-5C更详细地描述的，在光焦度监测模式期间，相机360提供监测图像曝光500A-500C，其包含在VFL透镜370的周期性调制的对应相位定时期间的所监测的束图案。监测图像曝光500A-500C中的所监测的束图案的尺寸与对应相位定时期间VFL透镜370的光焦度有关。

在各种实施方式中，束图案元件386BPE是包含孔径的孔径元件(即，位于监测光源386S与反射表面387之间，该反射表面387将所监测的束图案的光389向反射表面390导向)。在各种实施方式中，可能期望孔径产生小的束发散(即，与没有束发散相反)，从而在相机360处获得在VFL透镜的整个光学扫描范围内的大的所监测的束图案直径，如下面参照图5A-5C更详细地描述的那样。反射表面390沿着成像光学路径OPATH导向所监测的束图案的光389，成像光学路径OPATH穿过VFL透镜370并作为光389’出射，光389’在光焦度监测模式期间由相机360所产生的监测图像曝光中形成所监测的束图案的图像。如上所述，在工件成像模式期间，反射表面390将来自工件成像光源330的成像源光332朝向工件320的表面导向，并透射从工件320的表面产生的工件光355。

监测束发生器386连接到系统信号和控制总线395(例如，用于控制监测光源386S的定时等)。在各种实施方式中，监测光源386S可以由曝光频闪时间控制器393控制，曝光频闪时间控制器393可以为监测光源386S和工件成像光源330两者提供频闪定时。在各种实施方式中，监测光源386可以包含透镜，该透镜为穿过束图案元件386BPE的光提供期望的发散或近准直，并且产生所监测的束图案。应当理解，在其它实施方式中，可以利用光焦度监测配置OPM的部件的其它位置和/或配置。例如，在一个替代实施方式中，监测束发生器386可以与光源330位于反射表面390的相同侧上，且反射表面390的对应的透射和/或反射特性和/或附加反射表面用于沿成像光学路径OPATH导向监测光389。

在各种实施方式中，光焦度监测配置OPM的反射表面387可以是二向色反射表面，其将来自束图案元件386BPE的所监测的束图案的光389朝向反射表面390反射。如上所述，反射表面390沿着成像光学路径OPATH的至少一部分导向所监测的束图案的光389以行进通过VFL透镜370并且作为光389’出射，光389’在光焦度监测模式期间被相机360接收。在各种实施方式中，所监测的束图案的光389和389’具有与成像光源332的波长不同的波长，并且二向色反射表面387主要透射而不是反射任何到达二向色反射表面387的成像光源332。在某些配置中，反射表面387的特性是二向色性的，并因而透射而不是反射成像光源332，防止不期望的源光332被导向回通过成像光学路径OPATH并出现在工件图像曝光中(例如，作为工件图像曝光中的重影图像部分或其它不期望的图像贡献)。

在各种实施方式中，所监测的束图案的光389具有由监测束发生器386确定的图案和束发散。VFL透镜370接收所监测的束图案的光389并输出所监测的束图案的光389’，对于所监测的束图案的光389’，光389’的发散和图案大小由与VFL透镜370的操作相关联的周期性光焦度变化而周期性地改变。在各种实施方式中，在光焦度监测模式期间，在VFL透镜370的周期性调制的全部相位定时期间，所监测的束图案的光389’未充满(underfill)相机360的视场。在各种实施方式中，所监测的束图案的光389’可以在相机360处至少近似准直。如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，测量(例如，利用边缘探测视频工具，诸如圆形视频工具)在第一监测图像曝光和第二监测图像曝光中(例如，对应于0度和180度相位定时)的所监测的束图案的尺寸(例如，直径)。所测量的尺寸用于确定与校准值进行比较的所测量的差值(例如，直径之间的差异)，并且至少部分基于所测量的差值与校准值的比较进行(例如，通过透镜控制器334)调节(例如，对VFL透镜370的操作)。

在各种应用中，特别是对于一些度量应用，如果VFL透镜系统300的放大率对于全部光焦度是恒定的(或至少是稳定且已知的)是有利的。当对于恒定放大率配置和/或小心地调节VFL系统时，可以对于各种光焦度确定所监测的束图案的直径。例如，可以根据已知方法在各种光焦度下调节VFL透镜系统300以进行恒定放大，然后可以在该系统上以各种光焦度测量所监测的束图案，以对于该系统和实质上类似的系统建立作为光焦度的函数的所监测的束图案的尺寸的参考曲线(或反之亦然)。这种参考曲线可以通过实验、分析和/或模拟来确定。相反，当系统表现出与这种参考曲线的偏差时，这些偏差表示由于不适当的光学对准或热变形等导致的非恒定放大率。可以确定和/或消除指示的放大率误差分量。例如，在一些实施方案中，可以测量在至少第一监测图像曝光和第二监测图像曝光中的所监测的束图案的诸如直径的各种尺寸。如上所述，这种测量可以包含与相位定时期间的VFL透镜370的光学放大率相关的分量或者与至少第一监测图像曝光和第二监测图像曝光对应的光焦度。然后可以确定测量是否对应于恒定的放大率参考曲线，或者它们是否表现出与参考曲线的偏差。如果指示与参考曲线的偏差，则可以基于光学放大率(例如，偏离的光学放大率)来调节所储存的光学放大率值或物理部件位置(其影响VFL透镜系统300的光学放大率)中的至少一个，光学放大率至少部分地基于第一图像曝光和第二图像曝光中的所监测的束图案的直径来确定。在一些实施方案中，通过基于如上概述所确定的光学放大率偏差来补偿所储存的光学放大率值以简单地矫正测量可能是有利的。在其它实施方式中，实际调节VFL透镜系统300的部件的对准以在全部光焦度下建立或重新建立恒定放大率可能是有利的。

相对于VFL透镜370的一般操作，在如上所述的各种实施方式中，透镜控制器334可以周期性地快速调节或调制焦点位置，以实现能够250kHz、或70kHz、或30k Hz等的周期性调制(即，处于VFL透镜谐振频率)的高速VFL透镜。如图3所示，通过使用信号的周期性调制来驱动VFL透镜370，成像系统300的焦点位置FP可以(快速地)在由焦点位置FP1和焦点位置FP2(例如，在各种实施方式中，其可以至少近似地对应于0度和180度的相位定时，如下面将更详细描述的)定界的范围R_acc(例如，自动聚焦搜索范围)内移动。

在一个实施方式中，可选的聚焦信号处理部分375(可选的)可以输入来自相机360的数据，并且可以提供用于确定何时成像的表面区域(例如，工件320的表面区域)处于焦点位置的数据或信号(聚焦监测信号，或FMS)。例如，可以使用已知的“最大对比度”分析来分析由相机360在不同Z高度(例如，图像堆栈)获得的一组图像，以确定工件320的成像表面区域何时处于焦点位置。在另一个实施方式中，光学聚焦监测部分376(可选的)可以提供聚焦监测信号(FMS)，例如来自光电探测器的信号，该信号从图像光345衍生，该图像光345穿过VFL(TAG)透镜370并且从分束器346’偏转到光学聚焦监测部分376。在一个实施方式中，光学聚焦监测部分376可以包括共焦光学探测器配置。然而，更一般地，可以使用任何其它合适的已知聚焦探测配置。

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(TAG)透镜370的焦点位置的周期性调制(扫描多个焦点位置)期间输入图像光并将对应的聚焦监测信号(FMS)输出到Z高度(焦距)校准部分373。Z高度校准部分373可以提供Z高度(焦距)相对于FMS值表征，其将相应的Z高度(焦距)与指示对焦的图像的相应FMS值相关联。Z高度校准部分373还可以提供Z高度(焦距)校准数据，其将相应的Z高度(焦距)与VFL透镜370的标准成像谐振频率的周期内的相应的相位定时相关联，其中校准数据对应于根据标准成像驱动控制配置来操作VFL透镜370。

因为VFL透镜的标准成像谐振频率的周期内的相位定时可以与FMS值或定时相关联，所以可以从Z高度相对于FMS值表征衍生出将相应的Z高度与相应的相位定时相关联的Z高度校准数据，从聚焦信号处理部分375或光学聚焦监测部分376接收到Z高度相对于FMS值表征。替代地，可以以其它方式定义Z高度校准数据并将其储存在Z高度校准部分373中。一般而言，Z高度校准部分373包括记录的Z高度校准数据。因此，其在图3中作为单独元件的表示仅旨在是示意性表示，而非限制。在各种实施方式中，相关联的记录的Z高度校准数据可以与透镜控制器334、聚焦信号处理部分375、光学聚焦监测部分376、或连接到系统信号和控制总线395等的主机计算机系统合并和/或不可区分。如上所述，某些类型的变化(例如，环境温度变化、机械变形等)可能略微影响VFL透镜的操作特性和/或以其它方式影响系统(例如，引起Z范围、Z偏置等的变化)，其可能相应地影响利用Z高度校准数据确定的测量/值的精度。为了解决这些问题，根据本文中公开的原理，可以监测VFL透镜370的光焦度，并且可以对系统进行对应的调节，以使光焦度更接近地符合在校准期间使用的操作特性，以便提高利用Z高度校准数据来确定的测量/值的精度。

在各种实施方式中，曝光(频闪)时间控制器393控制成像系统300的图像曝光时间(例如，相对于周期性调制的焦点位置的相位定时)，并且可以与相机360合并或不可区分。具体地，在工件成像模式期间，曝光(频闪)时间控制器393(例如，使用Z高度校准部分373中可用的Z高度校准数据)可以控制包含频闪光源的光源330，以在相应的受控制的时间频闪。例如，曝光(频闪)时间控制器393可以控制频闪光源，以在VFL透镜370的标准成像谐振频率的周期内的相应相位定时处频闪，从而获得VFL透镜370的扫描(周期性调制)范围内的最佳聚焦中的图像。在其它实施方式中，曝光时间控制器393可以控制相机360的快速电子相机快门，以在相应的受控时间获得图像信号。例如，曝光时间控制器393可以在VFL透镜370的标准成像谐振频率的周期内的相应相位时刻控制相机快门，从而获得VFL透镜370的扫描(周期性调制)范围内的最佳聚焦中的图像。

通常，在工件成像模式期间，曝光时间控制器393通过控制图像曝光周期来控制图像数据的采集，相机360在图像曝光周期期间捕获工件320的工件图像曝光。例如，在工件成像模式期间，可以获得工件320的图像数据并将其显示在成像系统300的用户界面中(参见图2，显示装置136)。如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，曝光时间控制器393可以类似地通过控制图像曝光周期来控制图像数据的采集，相机360在图像曝光周期期间捕获监测图像曝光。如下面将参考图5A-5C更详细地描述的，在某些具体示例性实施方式中，这种监测图像曝光可以对应于指定的相位定时，诸如0度和180度的相位定时(即，对于范围图像的端部)和90度的相位定时(即，对于近似对应于最佳聚焦Z位置的中间范围图像)。在各种实施方式中，图像数据可以在光焦度监测模式期间由相机360获得，并且在一些实例中可以在成像系统300的用户界面(例如，参见图2，显示装置136)中显示，或者替代地，不由成像系统300输出(例如，主要在内部用于确定和进行调节等)。

图4是示出根据本文公开的原理的用于操作包含VFL透镜的成像系统的例程400的示例性实施方式的流程图。在框410处，控制VFL透镜，从而在操作频率下在光焦度的范围之上周期性地调制VFL透镜的光焦度。在框420处，启动并进行工件成像模式，其中工件成像模式包含利用工件成像光设置和操作相机，以接收由VFL透镜沿成像光学路径透射的工件光，从而提供一个或多个对应的工件图像曝光。在各种实施方式中，成像光学路径包含物镜，物镜配置为输入从工件表面产生的工件光并沿着穿过VFL透镜的成像光学路径透射工件光。

在判定框430处，确定系统的操作是否完成(例如，如果在当前时间不再进行成像操作)。如果系统的操作完成，则例程结束，否则例程继续到判定框440，其中确定是否要进行光焦度监测模式。例如，在各种实施方式中，光焦度监测模式可以以指定的时间间隔进行，或者根据用户的请求等进行。如果要进行光焦度监测模式，则例程继续到框450，如将在下面更详细地描述的。如果不进行光焦度监测模式，则例程返回到框420，其中继续工件成像模式。

在框450处，启动并进行光焦度监测模式，其中光焦度监测模式包含利用监测光设置和操作相机，以接收所监测的束图案并提供包含所监测的束图案的一个或多个监测图像曝光(例如，如下面参考图5A-5C更详细地描述的)。在各种实施方式中，光焦度监测配置包括监测束发生器，其包括用于监测光设置的监测光源和束图案元件，束图案元件输入来自监测光源的光并输出所监测的束图案。光焦度监测配置可以配置为在光焦度监测模式期间沿着成像光学路径的至少一部分透射所监测的束图案，以穿过VFL透镜行进到相机。一个或多个监测图像曝光中的每一个可以对应于VFL透镜的周期性调制的相应相位定时。每个相应的监测图像曝光中的所监测的束图案的至少一个尺寸可以与相应的相位定时期间的VFL透镜的光焦度相关联。

在框460处，在监测图像曝光中的每一个的中测量所监测的束图案的至少一个尺寸。在判定框470处，至少部分地基于监测图像曝光中的每一个中的所监测的束图案的至少一个测量的尺寸来确定是否需要调节(例如，对VFL透镜的操作)。例如，如下面将更详细描述的，可以利用测量的尺寸来确定测量值，该测量值可以与校准值进行比较以确定是否需要调节。如果需要调节，则例程进行到框480，如下面将更详细描述的。如果不需要调节，则例程返回到框420以继续进行工件成像模式。

在框480处，进行至少一个调节(例如，对VFL透镜的操作)。如上所述，在各种具体示例性实施方式中，这种调节可以包含调节驱动VFL透镜370的幅度A(例如，用于调节Z范围)、相位定时调节(例如，用于调节Z偏移)、温度调节等。在各种实施方式中，作为光焦度监测模式的一部分，可以迭代地进行这种调节，包含重复框450-470以分析和调节，直到不需要进一步将测量值调节为至少近似对应于校准值。一旦调节过程完成，例程返回到框420以利用调节的系统来进行工件成像模式。

应当理解，诸如本文所公开的光焦度监测模式的使用可以具有各种优点。例如，对于来自聚焦操作和其它类型的脉冲VFL透镜模式(例如，多平面等)的点，可能希望确保这种系统中Z定位的光学精度小于1％的误差。如上所述，在各种实施方式中，由于Z范围移位(例如，由于环境温度变化、组件性能上的漂移等)可能发生误差。对于+/-1屈光度的VFL透镜光焦度规范，在一个具体示例性实施方式中可能期望能够检测和调节1％的偏移，这可以对应于能够测量0.01屈光度的变化的能力。更具体地，对于+/-1屈光度设定点，可能期望能够测量到0.99或1.01屈光度的变化。类似的推理适用于负光焦度设定点。在测量这种变化之后，可能期望能够估计系统所需的调节量(例如，补偿)(例如，用于调节Vp-p偏置到PZT以用于VFL透镜的操作等)。在各种实施方式中，可能期望能够在不受正被测量的给定工件影响的情况下进行这种确定。相对于这种期望的准确度水平，下面将参考图5A-5C更详细地描述能够实现这种水平的具体示例性配置。

除了Z范围考虑，还可能发生与Z偏移相关的问题(例如，与光焦度监测配置OPM的最佳焦点位置相关)(例如，由于环境温度变化等)。在各种实施方式中，光焦度监测配置OPM的最佳焦点位置通常可以对应于90度相位定时，如下面参考图5-7更详细地描述的。相对于这些问题，在一个具体示例性实施方式中，可能期望能够将最佳焦点位置跟踪到小于或等于0.25景深(DOF)。在测量这种改变之后，可能期望能够估计系统所需的调节量(例如，补偿)(例如，用于调节照明频闪定时等)。在各种实施方式中，可能期望能够在不受正在测量的给定工件影响的情况下进行这种确定。相对于这种期望的精度水平，下面将参考图5A-5C更详细地描述能够实现这种水平的具体示例性配置。

图5A-5C是示出分别对应于不同相位定时PH1-PH3的不同监测图像曝光500A-500C中的所监测的束图案的尺寸D1-D3的图。参考图5A，对应的相位定时PH1＝0度，对于图5B，对应的相位定时PH2＝180度，并且对于图5C，对应的相位定时PH3＝90度。在该示例性实现方式中，相位定时PH1和PH2因此近似地相隔180度(例如，对应于范围位置的相应的相对端)，并且相位定时PH3大约在第一相位定时PH1和第二相位定时PH2之间的中间，处于与第一相位定时PH1和第二相位定时PH2中的每一个相差大约90度(例如，至少近似地对应于最佳焦点位置)。在图5A-5C的示例中，尺寸D1-D3分别对应于监测图像曝光500A-500C中的每一个中的所监测的束图案图像510A-510C的直径。如下面将参考图6更详细地描述的，在各种实施方式中，可以测量尺寸D1-D3(例如，利用一个或多个边缘探测视频工具，诸如圆形视频工具)，可以进行尺寸D1-D3与校准值的比较以确定是否需要进行调节(例如，对VFL透镜370的操作等)

在各种实施方式中，相位定时PH3＝90度可以旨在至少近似地对应于最佳聚焦定时，并且相位定时PH1＝0度和PH2＝180度可以旨在至少近似地对应于范围定时的端部，两者之间的差异可以表示相对于VFL透镜的周期性调制的当前Z扫描范围。在各种实施方式中，某些类型的改变(例如，环境温度改变、组件性能的漂移等)可以引起Z扫描范围和/或最佳聚焦定时的改变，对于这些改变，可能期望监测系统相对于该改变和进行调节的能力(例如，例如，使系统返回到期望的操作水平)。在这方面，通过确定对应于尺寸D1*、D2*和D3*的校准值(即，如下面参考图7更详细描述的)，并将校准值与尺寸D1、D2和D3的当前测量值进行比较(即，如下面参考图6更详细描述的)，可以检测变化并且可以进行调节以使系统返回/将系统调节到期望的操作水平。

相对于监测图像曝光500A-500C中的所监测的束图案510A-510C的大小，如上面在各种实施方式中所述，图3的束图案元件386BPE是包含孔径的孔径元件。在各种实施方式中，可以根据由相机360产生的监测图像曝光500A-500C中的所监测的束图案图像510A-510C的期望大小来选择孔径的大小，其也可以对应于对VFL透镜的光焦度偏移的敏感度。例如，在各种实施方式中，可能期望增大束图案元件386BPE的孔径的大小，以产生所监测的束图案图像510A-510C的大小，该大小近似地尽可能大，而在VFL透镜的周期性调制的全部相位定时期间仍未充满相机360的视场(即，在任何监测图像曝光500A-500C中没有裁剪所监测的束图案图像510A-510C的任何部分)。

在一个具体示例性实施方式中，在具有用于驱动70kHz和+/-1屈光度的总光焦度的VFL透镜的操作设定点的系统中，近似10.0mm的孔径大小可以对应于D1＝4.322mm和D2＝4.808mm的测量尺寸(例如，直径)，具有差值D12＝0.486mm＝91.4像素，具有对应的斜率近似地为45.72像素/屈光度。在这种系统中，能够检测0.01屈光度变化的期望能力对应于能够探测大约0.46像素的变化的需要，其在系统的敏感度范围内，边缘探测工具(例如，利用许多扫描线的圆形工具)可以对系统的敏感度范围进行到高分辨率(例如，到0.05像素分辨率)的边缘探测(即，用于确定圆形直径)。进一步相对于这种示例性系统，该配置还可以对应于D3＝4.578mm的测量尺寸(例如，直径)，对于该测量尺寸，1/5景深(DOF)偏移可以对应于大约0.6个像素。在这种系统中，探测1/4DOF变化(即，相应地大于1/5DOF偏移的0.6个像素)的期望能力在如上所述的可以进行到高分辨率(例如，到0.05像素分辨率)的边缘探测的系统的精度范围内。

图6是示出与所储存的校准值进行比较的用于分析监测图像曝光(诸如图5A-5C的监测图像曝光)的例程600的示例性实施方式的流程图。在各种实施方式中，例程600可以对应于图4的框450-480的操作的具体示例性实施方式。如图6所示，在框610处，启动监测光设置。在一个实施方式中，监测光设置可以包含例如打开监测光源(例如，光源386S)，以及关闭工件成像光源(例如，光源330)。在各种实施方式中，不是利用分开的光源，而是单个光源可以提供在工件成像模式和光焦度监测模式两者期间使用的光。

在框620处，获得对应于具体相位定时的监测图像曝光。例如，如上面参考图5A-5C所述，在一个具体示例性实施方式中，可以获得三个监测图像曝光500A-500C，分别对应于0度、180度和90度的相位定时。在各种实施方式中，监测图像曝光中的每一个(例如，监测图像曝光500A-500C)可以包含相应的所监测的束图案图像(例如，所监测的束图案图像510A-510C)，并且在各种实施方式中，可以各自使用指定持续时间(例如，近似50纳秒)的光源(例如，光源386S)定时脉冲来获得，其可以由曝光频闪时间控制器(例如，曝光时间控制器393)来控制。

在框630处，在监测图像曝光中的每一个中测量所监测的束图案的尺寸。例如，如上面参考图5A-5C所述，尺寸D1-D3可以对应于所监测的束图案图像510A-510C的直径，其在各种实施方案中可以利用一个或多个边缘探测视频工具等来测量。例如，在一个具体示例性实施方式中，可以利用圆形视频工具，其通过使内圆和外圆限定包含相应的所监测的束图案图像510A-510C的圆周的关注区域来操作。多个径向取向的扫描线可以在内圆和外圆之间延伸并且可以被利用(例如，利用标准边缘探测对比度技术)来确定沿着相应的所监测的束图案图像510A-510C的圆周边缘的边缘点的位置。在某些实施方式中，这种边缘点位置可以确定为具有近似像素的1/20(即，像素的0.05)的精度，由此可以确定所监测的束图案图像510A-510C的对应直径(即，尺寸D1-D3)。在各种实施方式中，可以基于利用圆形视频工具确定的圆周的相对侧上的多个边缘点，来为相应的所监测的束图案图像510A-510C中的每一个确定平均直径。在一些实施方式中，可以使用已知方法以子像素精度沿“扫描线”检测(图像)边缘点。然后，如上所概述，圆可以配合为数百个这种边缘点，这可以提供大约1/20像素量级的直径测量再现性或分辨率。

在框640处，基于测量的尺寸确定测量值。例如，可以根据以下等式确定测量值D12：

D12＝(D1–D2) (等式1)

测量值D3可以简单地对应于测量的尺寸D3。在框650处，进行分析以确定测量值与所储存的校准值之间的差异。例如，对于+/-1屈光度配置，可以将测量值D12与校准值D12*进行比较，如下面将参考图7更详细地描述的。在判定框660处，至少部分地基于在监测图像曝光中的每一个中所监测的束图案的测量尺寸/值来确定是否需要调节(例如，对VFL透镜的操作)。如果需要调节，则例程进行到框670，如下面将更详细描述的。如果不需要调节，则例程结束。

在框670处，基于测量值与校准值之间的差异来进行调节。例如，可以进行的一种类型的调节是向上和/或向下迭代VFL透镜的幅度A，直到测量值D12至少近似等于校准值D12*，以便对于+/-1屈光度配置获得更恒定的Z扫描范围。作为另一示例，在一定的容差范围内，可以调节曝光时间控制器393的相位(即，可以控制工件光源330和监测光源386S两者)以保持最佳聚焦Z位置(例如，通过调节相位使得测量值D3近似等于校准值D3*)。作为另一示例，可以调节VFL透镜温度以加热或冷却(例如，利用透镜加热器/冷却器337等)。在各种实施方式中，这种温度调节可以特别地对相对大的Δ温度变化进行(例如，对于大的ΔT_amb≥15摄氏度)。

图7是示出用于确定和储存校准值的例程700的示例性实施方式的流程图，诸如在图6的分析中使用的校准值。在框710处，启动工件成像光设置。如上所述，在各种实施方式中，工件成像光设置可以包含启动工件成像光源(例如，同轴光源330)，以及禁用监测光源(例如，LED光源386S)。

在框720，利用指定的校准条件测量已知的阶梯高度。例如，具有已知阶梯高度的校准对象可用于在指定条件(例如，组装条件等)下确定校准值。在各种实施方式中，这种指定条件可以包含指定的稳态温度(例如，T＝20摄氏度+/-0.25摄氏度)，具有指定物镜350(例如，2.5倍放大率物镜)并且VFL透镜370可以在指定频率(例如，70kHz)下操作，+/-1屈光度可以导致指定的Z扫描范围(例如，近似0.4mm至-0.4mm的Z扫描范围)。在这种配置中，可以提供校准物体，其具有三个已知Z阶梯高度的阶梯，包含对应于-0.4mm的最低水平、对应于0.0mm的中间阶梯高度，以及对应于+0.4mm的上阶梯高度。在这种配置中，关于至少近似对应于Z阶梯高度测量中的每一个的相位定时，0度相位定时可以对应于+0.4mm Z阶梯高度，90度相位定时可以对应于0.0mm Z阶梯高度，并且180度相位定时可以对应于-0.4mm Z阶梯高度。

在各种实施方式中，测量阶梯高度的过程可以包含确定VFL透镜的期望幅度A，对于期望幅度A，可以在对应于0度、90度、180度相位定时的每个阶梯高度处从每个工件图像曝光中的关注区域测量对比度。用于测量关注区域中的对比度的技术在本领域中是已知的。在实施方式的一个具体示例中，可以迭代幅度A(PZT Vp-p)以便确定最大关注区域对比度C_max，比如随着在0度相位定时和180度相位定时之间的范围上调制，可能发生在VFL透镜的最终确定的幅度A*处。

在框730处，启动监测光设置。如上所述，监测光设置可以包含启动监测光源(例如，光源386S)和禁用工件成像光源(例如，光源330)。在框740，对应于相应的校准相位定时获得监测图像曝光。在一个具体示例性实施方式中，根据上面相对于图4-6描述的示例性配置，可以利用VFL透镜的幅度A*来获得对应于0度、180度和90度相位定时的三个监测图像曝光。

在框750处，在校准监测图像曝光中的每一个中测量所监测的束图案图像的校准尺寸。在各种实施方式中，测量的校准尺寸可以对应于所监测的束图案图像中的每一个的测量直径(例如，可以测量校准尺寸D1*、D2*和D3*，类似于图5A-5C中的尺寸D1、D2和D3)。在框760处，基于测量的校准尺寸确定校准值。在一个具体示例性实施方式中，类似于上面参考图6描述的确定，校准值D12*可以根据以下等式确定：

D12*＝(D1*–D2*) (等式2)

校准值D3*可以简单地对应于测量的校准尺寸D3*。在框770处，储存校准值(例如，D12*和D3*)。

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，所示出和描述的特征和操作序列的多种变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。可以使用各种替代形式来实施本文公开的原理。另外，可以组合上述各种实施方式以提供进一步的实施方式。本说明书中提及的全部美国专利和美国专利申请均通过引用将其全部内容并入本文。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来提供进一步的实现方式。

根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其它改变。总体上，在下面的权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而是应当被解释为包含全部可能的实施方式以及授权的这些权利要求的等同的全部范围。

Claims (15)

1.一种可变焦距透镜系统，包括：

可变焦距透镜；

可变焦距透镜控制器，所述可变焦距透镜控制器控制所述可变焦距透镜，以在操作频率下在光焦度的范围上周期性地调制所述可变焦距透镜的光焦度；

物镜，所述物镜输入在工件成像模式期间从工件表面产生的工件光，并且沿穿过所述可变焦距透镜的成像光学路径透射所述工件光；

相机，所述相机接收在所述工件成像模式期间沿着所述成像光学路径由所述可变焦距透镜透射的所述工件光，并且提供对应的工件图像曝光；以及

光焦度监测配置，包括监测束发生器，所述监测束发生器包括光源和束图案元件，所述束图案元件输入来自所述光源的光并输出所监测的束图案，其中：

所述光焦度监测配置在光焦度监测模式期间沿着所述成像光学路径的至少一部分透射所述所监测的束图案，以穿过所述可变焦距透镜行进到所述相机；

所述相机提供至少第一监测图像曝光，所述第一监测图像曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的至少第一相位定时期间的所述所监测的束图案；并且

所述第一监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第一相位定时期间所述可变焦距透镜的光焦度相关。

2.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中所述束图案元件包括孔径元件，所述孔径元件包含位于所述光源与所述成像光学路径之间的孔径，并且其中在所述光焦度监测模式期间穿过所述孔径的来自所述光源的光被输出为所述所监测的束图案的光，所述所监测的束图案的光被沿着所述成像光学路径的至少一部分导向，以在所述第一监测图像曝光中形成所述所监测的束图案的图像。

3.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中：

相机还提供至少第二监测图像曝光，所述第二监测图像曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的第二相位定时期间的所述所监测的束图案；

所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第二相位定时期间所述可变焦距透镜的光焦度相关。

4.如权利要求3所述的可变焦距透镜系统，其中所述第一相位定时和所述第二相位定时相隔大约180度。

5.如权利要求4所述的可变焦距透镜系统，其中：

所述相机还提供至少第三监测图像曝光，所述第三监测图案曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的第三相位定时期间的所述所监测的束图案；

所述第三监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第三相位定时期间的所述可变焦距透镜的光焦度相关；并且

所述第三相位定时大约在所述第一相位定时与所述第二相位定时之间的中间，对应于与所述第一相位定时和所述第二相位定时中的每一个相差大约90度。

6.如权利要求3所述的可变焦距透镜系统，其中，测量所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的至少一个尺寸。

7.如权利要求6所述的可变焦距透镜系统，其中，所述至少一个尺寸至少包含在所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的直径，并且所述测量的直径用于确定至少一个测量值，将所述至少一个测量值与至少一个所储存的校准值进行比较，并且所述可变焦距透镜控制器至少部分地基于所述至少一个测量值与所述至少一个校准值的比较来进行对所述可变焦距透镜的操作的调节。

8.如权利要求6所述的可变焦距透镜系统，其中：

至少一个尺寸至少包含所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中所述所监测的束图案的直径；

所述测量的直径还与所述相位定时期间的所述可变焦距透镜的光学放大率或对应于所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光的光焦度相关；并且

以至少部分地基于所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的直径所确定的光学放大率为基础，来调节所储存的光学放大率或物理部件位置中的至少一个，所述物理部件位置影响所述可变焦距透镜系统的光学放大率。

9.如权利要求3所述的可变焦距透镜系统，其中，在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的全部相位定时期间，所述所监测的束图案的光未充满所述相机的视场。

10.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中，所述监测束发生器的光源是监测光源，所述可变焦距透镜系统还包括工件成像光源和反射表面，所述反射表面在所述工件成像模式期间将成像源光从所述工件成像光源朝向所述工件表面导向，并且将从所述工件表面产生的工件光沿着所述成像光学路径透射。

11.如权利要求10所述的可变焦距透镜系统，其中：

所述光焦度监测配置还包括二向色反射表面，所述二向色反射表面将所述所监测的束图案的光从所述束图案元件朝向所述反射表面反射，在所述光焦度监测模式期间，所述反射表面沿着所述成像光学路径的至少一部分导向所述所监测的束图案的光，以穿过所述可变焦距透镜行进到所述相机；并且

所述监测的束图案的光具有与所述成像源光的波长不同的波长，并且所述二向色反射表面主要将到达所述二向色表面的任何所述成像源光透射而不是反射。

12.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中所述可变焦距透镜被包含在所述成像光学路径穿过的4F成像配置中，并且所述4F成像配置至少部分地用于在所述工件成像模式期间成像所述工件表面，并且在所述光焦度监测模式期间所述所监测的束图案的光穿过所述4F成像配置。

13.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中所述工件成像模式不与所述光焦度监测模式重叠。

14.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中所述可变焦距透镜是可调谐声学梯度折射率透镜。

15.一种用于操作可变焦距透镜系统的计算机实施的方法，所述可变焦距透镜系统包括可变焦距透镜、可变焦距透镜控制器、物镜和相机，所述计算机实施的方法包括：

在配置有可执行指令的一个或多个计算系统的控制下，

控制所述可变焦距透镜，以在操作频率下在光焦度的范围上周期性地调制所述可变焦距透镜的光焦度；

启动工件成像模式，所述工件成像模式包含利用工件成像光设置和操作所述相机以接收由所述可变焦距透镜沿成像光学路径透射的工件光，以提供至少一个对应的工件图像曝光，其中所述成像光学路径包含所述物镜，所述物镜配置为输入从工件表面产生的工件光并且沿着穿过所述可变焦距透镜的所述成像光学路径透射所述工件光；

确定要启动的光焦度监测模式；

启动所述光焦度监测模式，所述光焦度监测模式包含利用监测光设置和操作所述相机以接收所监测的束图案并提供包含所述所监测的束图案的多个监测图像曝光，其中光焦度监测配置包括监测束发生器，所述监测束发生器包括用于监测光设置的监测光源和输入来自所述监测光源的光并输出所述所监测的束图案的束图案元件，并且所述光焦度监测配置被配置为在所述光焦度监测模式期间沿着所述成像光学路径的至少一部分透射所述所监测的束图案，以穿过所述可变焦距透镜行进到所述相机，并且所述监测图像曝光中的每一个对应于所述可变焦距透镜的周期性调制中的相应的相位定时，并且每个相应的监测图像曝光中所述所监测的束图案的至少一个尺寸与所述相应的相位定时期间的所述可变焦距透镜的光焦度相关；

在所述监测图像曝光中的每一个中测量所述所监测的束图案的所述至少一个尺寸；

确定将至少部分地基于在所述监测图像曝光中的每一个中测量的所述所监测的束图案的至少一个尺寸来进行对所述可变焦距透镜的操作的至少一个调节；并且

对所述可变焦距透镜的操作进行至少一个调节。