CN109581786B - 在成像系统中稳定高速可变焦距可调声学梯度透镜的操作 - Google Patents

在成像系统中稳定高速可变焦距可调声学梯度透镜的操作 Download PDF

Info

Publication number
CN109581786B
CN109581786B CN201811036665.2A CN201811036665A CN109581786B CN 109581786 B CN109581786 B CN 109581786B CN 201811036665 A CN201811036665 A CN 201811036665A CN 109581786 B CN109581786 B CN 109581786B
Authority
CN
China
Prior art keywords
tag lens
lens
imaging
drive mode
tag
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201811036665.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109581786A (zh
Inventor
P.G.格拉德尼克
I.弗里尔克森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitutoyo Corp
Original Assignee
Mitutoyo Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitutoyo Corp filed Critical Mitutoyo Corp
Publication of CN109581786A publication Critical patent/CN109581786A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109581786B publication Critical patent/CN109581786B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B13/00—Viewfinders; Focusing aids for cameras; Means for focusing for cameras; Autofocus systems for cameras
    • G03B13/32—Means for focusing
    • G03B13/34—Power focusing
    • G03B13/36—Autofocus systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/282—Autofocusing of zoom lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • G02F1/113—Circuit or control arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/56—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof provided with illuminating means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/667—Camera operation mode switching, e.g. between still and video, sport and normal or high- and low-resolution modes
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/67—Focus control based on electronic image sensor signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/72—Combination of two or more compensation controls
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/73—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the exposure time
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/74—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the scene brightness using illuminating means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/291—Two-dimensional analogue deflection
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/18—Function characteristic adaptive optics, e.g. wavefront correction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Studio Devices (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

提供了一种用于操作成像系统以将可调谐声学梯度(TAG)透镜维持在期望操作状态的方法。在第一步中，TAG透镜在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置(例如，标准驱动电压和持续时间)操作，以实现TAG透镜的标准成像状态。在第二步中，TAG透镜在多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置操作，其中基于指示TAG透镜的标准成像状态与当前操作状态之间的差异的监视信号对于不同的相应调节自适应驱动模式时间期间使用不同的相应TAG透镜驱动电压和不同的相应TAG透镜驱动持续时间中的至少一个。

Description

在成像系统中稳定高速可变焦距可调声学梯度透镜的操作
技术领域
本公开涉及使用高速可变焦距透镜(例如，在机器视觉检查系统中)的精确计量，并且更具体地，涉及监视和稳定成像系统中的高速可变焦距透镜的操作。
背景技术
精密非接触式计量系统，诸如精密机器视觉检测系统(或简称“视觉系统”)，可用于获得物体的精确维度测量并检查各种其它物体特点，并且可包括计算机、相机和光学系统，以及移动以允许工件遍历和检查的精密工作台。一种示例性现有技术系统是基于PC的QUICK
Figure BDA0001791049530000011
系列视觉系统和可从位于伊利诺伊州奥罗拉(Aurora,Illinois)的Mitutoyo America Corporation(MAC)获得的
Figure BDA0001791049530000012
软件。例如，在2003年1月发布的QVPAK 3D CNC视觉测量机器用户指南和1996年9月发布的QVPAK 3D CNC视觉测量机器操作指南中，一般性地描述了QUICK
Figure BDA0001791049530000013
系列视觉系统和
Figure BDA0001791049530000014
软件的特征和操作，所述两个指南中的每一个都通过引用整体上并入本文。这种类型的系统使用显微镜类型的光学系统并移动工作台，以便提供或者小型或者相对大型工件的检查图像。
一般用途的精密机器视觉检测系统一般是可编程的，以提供自动视频检查。这种系统通常包括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”操作者执行。例如，其全部内容通过引用并入本文的美国专利No.6,542,180教导了一种使用自动视频检查的视觉系统，包括使用各种视频工具。
多透镜可变焦距(VFL)光学系统可以用在成像系统中，用于观察和精确测量表面高度。成像系统可以包括在显微镜系统和/或精密机器视觉检查系统中，例如其全部内容通过引用并入本文的美国专利No.9,143,674中所公开的。简而言之，VFL透镜能够分别以多个焦距获取多个图像。作为一种类型的VFL透镜，可调谐声学梯度(“TAG”)透镜是已知的。TAG透镜是高速VFL透镜，其可在流体介质中使用声波产生透镜效果。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密度和折射率分布，这调制其光功率和焦距或焦点位置。TAG透镜可以以高达几百kHz的谐振频率(即，以高速)周期性地扫描一系列焦距。通过文章“High speed varifocal imaging with atunable acoustic gradient index of refraction lens”(Optics Letters，第33卷，第18期，2008年9月15日)的教导可以更详细地理解这种透镜，该文章的全部内容通过引用并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和相关的可控信号发生器可从例如新泽西州普林斯顿(Princeton,New Jersey)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的频率。
本发明的各种实施例针对改进结合TAG透镜作为VFL透镜的成像系统的操作。
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。本发明内容不旨在识别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TAG透镜的成像系统可以在其谐振周期期间根据相位定时校准其焦距或位置，使用已知的校准操作条件，例如在特定谐振频率下使用特定驱动幅度时。在校准期间，可以提供稳定的环境条件以确保在整个校准数据获取期间期望的操作条件是稳定的并且是已知的。在校准之后，对于在使用特定相位定时曝光时产生最佳聚焦图像的表面，校准数据可以被用于指示该表面相对于成像系统的焦点位置，该数据提供其位置或高度的测量。但是，在操作中，TAG透镜的操作条件可能由于各种因素而漂移，并且可能无法精确地匹配用于校准的操作条件。这会导致小但不可忽略的测量误差。已知例如TAG透镜的谐振频率将随透镜温度而略微改变。这反映了透镜对驱动信号的机电响应的变化。还已知透镜流体的温度变化改变其标称折射率。透镜的机电响应和/或其流体特性的任何这种变化必然改变透镜对驱动信号的光功率(或焦距)响应，从而导致上面提到的测量误差。需要促进稳定TAG透镜操作的技术(例如，包括其操作温度)，这将稳定包括TAG透镜在内的成像系统的操作并允许减少或消除上面提到的测量误差。
根据示例性实施例，提供了用于操作成像系统的方法，其中成像系统包括可调谐声学梯度(TAG)透镜、TAG透镜控制器、相机和曝光时间控制器，以便将TAG透镜建立或维持在用于成像的期望(标准)操作状态。该方法一般包括两个步骤。在第一步中，在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置来控制TAG透镜。成像驱动模式时间的每个实例提供在根据标准成像驱动控制配置操作TAG透镜时获取的图像数据。标准成像驱动控制配置包括标准成像驱动电压和标准成像驱动持续时间，并且被配置为实现TAG透镜的标准成像状态(例如，与用作校准数据的基础的条件对应的状态)。在第二步中，在多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制TAG透镜，所述多个调节自适应驱动模式时间期间不同于成像驱动模式时间期间。调节自适应驱动控制配置被配置为基于TAG透镜监视信号为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，其中TAG透镜监视信号指示TAG透镜的标准成像状态与TAG透镜的当前操作状态之间的差异。
根据进一步的实现，提供了一种成像系统，其包括相机、被配置为控制相机的图像数据获取的曝光时间控制器、可调谐声学梯度(TAG)透镜和TAG透镜控制器。TAG透镜控制器被配置为在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置来控制TAG透镜，并且在与成像驱动模式时间期间不同的多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制TAG透镜，如上所述。
因此，根据各种实施例的方法和成像系统能够在持续进行的操作期间监视和稳定TAG透镜的操作并稳定结合TAG透镜的成像系统的操作。
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并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是成像系统的示意图，该成像系统可以适用于精密非接触式计量系统(诸如机器视觉检查系统)，并根据本文公开的原理操作；
图4是图示VFL(TAG)透镜在各种操作温度下的谐振频率的曲线图的图；
图5是图示包括TAG透镜的成像系统的一个示例性操作的时序图；
图6是图示用于操作包括TAG透镜的成像系统的例程的一个示例性实现的流程图；以及
图7是图示用于操作包括TAG透镜的成像系统的例程的另一个示例性实现的流程图。
具体实施方式
图1是可用作根据本文所述方法的成像系统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进一步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。将认识到的是，在各种实现中，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中的任何一个或全部的功能。
本领域技术人员将认识到的是，控制计算机系统14一般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、包括前述任何计算设备的分布式计算环境等。此类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(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等，或此类设备的组合。软件可以存储在存储器中，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。软件还可以存储在一个或多个存储设备中，诸如基于光学的盘、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。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跨多个计算系统或设备组合或分布，并且在或者有线或者无线配置中经由服务调用来访问。
视觉测量机器12包括可移动工件工作台32和光学成像系统34，光学成像系统34可以包括变焦透镜或可互换的透镜。变焦透镜或可互换的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。机器视觉检查系统10还在共同受让的美国专利No.7,454,053；7,324,682；8,111,905；以及8,111,938中描述，其中的每一个专利都通过引用整体上并入本文。
图2是类似于图1并且包括如本文所述的特征的机器视觉检查系统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，以及具有中心透明部分212的工件工作台210。工件工作台210可沿x轴和y轴可控制地移动，所述x轴和y轴位于一般平行于工件20可定位的工作台表面的平面中。
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，其中VFL透镜270在各种示例性实施例中是TAG透镜，并且可以包括具有透镜286和288的转塔(turret)透镜组件281。作为转塔透镜组件的替代，可以包括固定或可手动互换的放大率更改透镜或变焦透镜配置等。在各种实现中，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。在各种实现中，可互换物镜250可以从作为可变放大率透镜部分的一部分被包括的一组固定放大率物镜(例如，与诸如0.5x、1x、2x或2.5x、5x、10x、20x或25x、50x、100x等等放大率对应的一组物镜)中选择。
通过使用可控马达294驱动致动器以沿z轴移动光学组件部分205以改变工件的图像20的焦点，光学组件部分205可控制地沿一般与x轴和y轴正交的z轴可移动。可控马达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334'来控制，以周期性地调制透镜的焦点位置。透镜控制接口134可以包括根据本文公开的各种原理的透镜驱动模式管理器180，如下面更详细描述的。使用机器视觉检查系统100将要成像的工件20或保持多个工件20的托盘或夹具放置在工件工作台210上。可以控制工件工作台210，以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。
工作台灯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，以照射一个或多个工件20。同轴灯230可以沿包括发射镜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穿过可互换物镜250、转塔透镜组件281和VFL透镜270，并由相机系统260搜集。由相机系统260捕获的(一个或多个)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连接到控制系统部分120。控制系统部分120可以使转塔透镜组件281沿轴284旋转，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中所示，在各种示例性实现中，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/或应用编程接口或者通过各种元件之间的直接连接互连。输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132、照明控制接口133和透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包括透镜驱动模式管理器180，其包括透镜操作电路和/或例程，以根据本文公开的原理控制TAG透镜270的驱动模式，和/或如下面参考包括如图3中所示的电路和/或例程的透镜控制器334更详细描述的。在一些实施例中，透镜控制接口134和透镜控制器334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，但是这些元件可以合并和/或不可区分。照明控制接口133可以包括照明控制元件133a、133n和133fl，其控制机器视觉检查系统100的各种对应光源的例如选择、电源、通/断开关和频闪脉冲定时(如果适用的话)。被配置为控制频闪脉冲定时的照明控制元件一般与于如图3中所示的曝光(频闪)时间控制器393对应，下面将更详细地描述。
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)，其确定每个对应视频工具的GUI、图像处理操作等等；以及支持自动、半自动和/或手动操作的感兴趣区域(ROI)生成器143roi，其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、图像处理操作等等。在各种实现中，自动聚焦视频工具143af可以另外包括高速聚焦高度工具，其可以用于使用图3中描述的硬件以高速测量聚焦高度，如在美国专利No.9,143,674中更详细描述的，该专利通过引用整体上并入本文。在各种实现中，高速聚焦高度工具可以是自动聚焦视频工具143af的具体模式，否则其可以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的操作可以仅包括高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，术语“视频工具”一般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)实现的相对复杂的自动或编程操作的集合，而无需创建包括在视频工具中的逐步操作序列或者诉诸于一般化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图像处理操作和计算的集合，这些通过调整支配(govern)操作和计算的一些变量或参数在特定实例中被应用和定制。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。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”操作来配置图形感兴趣区域(ROI)指示器，以便定义将要被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。应当注意的是，可见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。
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)可以连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可以被用于显示用户界面，该用户界面可以包括可用于执行检查操作和/或创建和/或修改零件程序的各种图形用户界面(GUI)特征，以查看由相机系统260捕获的图像，和/或直接控制视觉系统部件部分200。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等等相关联的)。
在各种示例性实现中，当用户利用机器视觉检查系统100为工件20创建零件程序时，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，训练序列可以包括将代表性工件的特定工件特征定位在视场(FOV)中、设置光级别、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，使用那个工件特征上的视频工具之一的实例)。学习模式操作，使得捕获或记录(一个或多个)序列并将其转换成对应的零件程序指令。在零件程序被执行时，这些指令将使机器视觉检测系统再现经训练的图像获取并使检查操作自动检查运行模式工件或与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VFL透镜系统300(也称为成像系统300)的示意图，其包括TAG透镜370并且可以适用于视觉系统并且根据本文公开的原理操作。将认识到的是，除了下面另外描述的之外，图3的某些编号的部件3XX可以与图2的类似编号的部件2XX对应和/或具有与其类似的操作。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/检测器360、Z高度(焦点距离)校准部分373、焦点信号处理部分375(可选)和光学焦点监视部分376(可选)。在各种实现中，各种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所示的实现中，光源330可以是“同轴”或其它光源，其被配置为沿着包括部分反射镜390和通过物镜350的路径发射源光312(例如，具有频闪或连续照明)到工件320的表面，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。在其它实现中，类似的光源可以以非同轴方式照射视场；例如，环形光源可以照射视场。在各种实现中，物镜350可以是可互换物镜，并且管透镜351可以作为转塔透镜组件的一部分被包括(例如，类似于图2的可互换物镜250和转塔透镜组件281)。在各种实现中，本文引用的任何其它透镜可以由单独的透镜、复合镜片等等形成或与其一起操作。
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/检测器360。在各种实现中，相机/检测器360可以捕获图像曝光期间工件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356以及VFL(TAG)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望远镜配置中，并且管透镜351和物镜350被指定为包括在显微镜配置中。所有图示的配置将被理解为仅仅是示例性的，而不是相对于本公开的限制。在各种实现中，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)设备)放置在物镜350的傅立叶平面处。这种配置可以维持工件320处的远心率，并且可以最小化尺度变化和图像失真(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)可以包括在显微镜配置和4f光学配置之间，并且可以被配置为在VFL(TAG)透镜370的位置处提供物镜通光孔径(clear aperture)的投影的期望尺寸，以便最小化图像像差，等等。
在各种实现中，透镜控制器334可以包括驱动信号发生器部分335。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。在各种实现中，驱动信号发生器可以包括自动寻找或跟随高峰谐振频率的任何变化的已知类型的电路。在这种实现中，已知类型的电路(例如，由周期性驱动信号过零控制的时钟计数电路)可以近实时地输出TAG透镜的实际谐振频率的指示，其可以在一些实现中用作TAG透镜监视信号，如下文更详细概述的。
在各种实现中，透镜控制器334可以监视TAG透镜370的操作状态并基于监视信号稳定TAG透镜370的操作。如先前在发明内容部分中所述的，结合TAG透镜的成像系统通常在稳定条件下被校准，其中透镜的操作参数在期望的标准操作条件下保持恒定。因此，期望通过在正常操作期间将这些参数建立并维持在相同的期望(标准)值来稳定TAG透镜的操作，以便最小化否则可能在非标准操作条件下出现的测量误差。更具体而言，在一些实现中，期望在透镜的持续进行的操作期间稳定透镜的操作参数，诸如透镜的谐振频率和/或操作温度。通过监视和稳定TAG透镜的这些操作参数中的任何一个，本发明的各种实施例根据其初始校准确保结合TAG透镜的成像系统的正确操作。
要被监视和稳定的TAG透镜的操作参数可以是例如TAG透镜370的谐振频率、与TAG透镜370相关联的温度(诸如TAG透镜370自身的操作温度或靠近TAG透镜370的部件的温度)，或TAG透镜370的任何其它有意义的操作属性。在操作参数中，TAG透镜的谐振频率一般与TAG透镜的操作温度相关，并且是其的灵敏指示器，如图4中所示。图4是图示在各种操作温度下TAG透镜的谐振频率的曲线图400的图。曲线图400示出了作为温度(以℃为单位)的函数的TAG透镜的测得的谐振频率410(以kHz为单位)的集合，被表述为线性拟合420。线性拟合420具有约为-130Hz/℃的斜率。因此，监视和稳定TAG透镜的操作温度促进对应地稳定TAG透镜的谐振频率，反之亦然。
返回参考图3，在各种实现中，透镜控制器334可以包括透镜驱动模式管理器380，透镜驱动模式管理器380包括电路和/或(一个或多个)例程并且可根据本文公开的原理操作。在一些实施例中，透镜控制器334和透镜驱动模式管理器380可以合并和/或不可区分。在各种实现中，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)，其可配置为与透镜控制器334一起操作以通过驱动VFL(TAG)透镜370周期性地调制焦点位置来经由信号线334'控制VFL(TAG)。在各种实现中，透镜控制器334可以操作以在两种模式下驱动VFL(TAG)透镜370：以标准成像驱动模式(或“成像驱动模式”)，其中透镜控制器334使用包括标准成像驱动电压和标准成像驱动持续时间的标准成像驱动控制配置驱动VFL(TAG)透镜370；以及以调节自适应驱动模式，其中透镜控制器334使用调节自适应驱动控制配置，该配置被配置为提供调节驱动电压的不同(经调整的)TAG透镜和调节驱动持续时间的不同(经调整的)TAG透镜中的至少一个来驱动VFL(TAG)透镜370，其原因在下面更详细地描述。
在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置。成像驱动模式时间期间的每个实例提供在根据标准成像驱动控制配置操作TAG透镜370时获取的图像数据，其中标准成像驱动控制配置被定义为实现TAG透镜的标准成像状态(例如，与校准期间使用的成像驱动控制配置相同)。另一方面，在与成像驱动模式时间期间不同的多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置。调节自适应驱动控制配置为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，这导致对于不同的相应调节自适应驱动模式时间期间TAG透镜内不同的相应功率耗散或发热速率。
调节自适应驱动控制配置是基于TAG透镜监视信号，该TAG透镜监视信号指示TAG透镜370的标准成像状态与TAG透镜370的当前操作状态之间的差异。例如，TAG透镜监视信号可以由与TAG透镜370相关联的温度传感器336提供，以监视TAG透镜370的操作温度。作为另一个示例，TAG透镜监视信号可以由驱动信号发生器部分335或监视TAG透镜370的操作谐振频率的任何合适的感测电路提供(例如，如前面概述的)。在各种实现中，调节自适应驱动控制配置被配置为补偿或减少或消除TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异，如由监视信号所指示的。
例如，当TAG透镜监视信号指示TAG透镜370的操作温度低于定义的(标准)温度值时，调节自适应驱动控制配置可以被配置为为相应的调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些提供大于标准成像驱动电压的相应TAG透镜调节驱动电压。可替代地或附加地，调节自适应驱动控制配置可以被配置为提供相应的TAG透镜调节驱动持续时间，该驱动持续时间为相应的调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些比标准成像驱动持续时间长。参考图4，当TAG透镜监视信号指示TAG透镜370的操作谐振频率高于既定的(标准)谐振频率时，调节自适应驱动控制配置可以被配置为增加TAG透镜370的操作温度，其相应地将TAG透镜370的操作谐振频率降低到更接近TAG透镜370的既定(标准)谐振频率。例如，调节自适应驱动控制配置可以为相应的调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些提供大于标准成像驱动电压的相应TAG透镜调节驱动电压和/或比标准成像驱动持续时间长的相应TAG透镜调节驱动持续时间，以便增加透镜中的发热并升高其温度和降低TAG透镜370的操作谐振频率。
将认识到的是，在没有冷却系统的情况下，TAG透镜370的温度一般会随着环境温度而波动，并且在一段操作之后不会低于环境温度。因此，如果要在所有指定条件下选择使用单一标准操作温度，那么它必须被选择高于允许或指定的最大环境温度范围。因而，在各种实现中，TAG透镜370的标准操作温度被设置为大于TAG透镜370或成像系统300的最大指定环境(周围)操作温度。为了达到那个标准温度，当环境温度时温度相对低时，必须在透镜中或透镜周围产生相对多的热量。相反，当环境温度相对高时，必须在透镜中或透镜周围产生较少的热量。
例如，当TAG透镜370或成像系统300的指定环境操作温度在15至30摄氏度的范围内时，通过将TAG透镜370的标准操作温度设置在大于最大指定环境操作温度(例如，30摄氏度)的升高的温度(例如，35摄氏度C)，那么通过调节自适应驱动控制配置添加的或多或少的热能总是可以用于校正(增加)透镜的操作温度，以满足其标准操作温度。
根据各种实现，TAG透镜370可以是绝缘的，以减少TAG透镜370与其环境之间的热传递。例如，形成TAG透镜370的流体介质的容器可以由合适的隔热材料制成或被其覆盖，以减少从TAG透镜370到环境中的散热。
如图3中所示，成像系统300可以可选地包括与TAG透镜370相关联的透镜加热器337。透镜加热器337被配置为根据一些实现和/或操作条件将一定量的热能输入到TAG透镜370中，以促进TAG透镜370的加热。由加热器337提供的热能可以近似固定，至少对于较低的环境温度和/或透镜温度的延长期间是这样。例如，它可以低于温度阈值(例如，低于指定环境温度范围的中间)被开启，并且高于那个值时被关闭。在一些实现中，由加热器337提供的热能在操作的所有时间都可以是标称恒定的。这种加热器的目的仅仅是为了减少在调节自适应驱动模式期间期间必须在透镜中供应和耗散的热能的量。在各种实现中，加热器效果不需要具有快速响应时间或闭环控制。在这种情况下，可以采用简单的、损失成本的加热布置。在一些实现中，可以感测环境温度并且可以根据作为环境温度的函数的线性控制曲线来驱动加热器337，以便标称弥补低于最大指定环境温度的环境温度的任何降低。这允许调节自适应驱动控制配置基本上在恒定的补偿范围内工作(关于耗散到TAG透镜370中所需的能量)，而不管环境温度如何。
如前面所指示的，在各种实现中，TAG透镜370的标准操作温度被设置为大于TAG透镜370或成像系统300的最大指定环境(周围)操作温度。将理解的是，当与标准温度相比TAG透镜370的温度相对低(和/或TAG透镜370的操作谐振频率相对高于标准频率)时，为了提供期望的稳定性，必须在对应的调节自适应驱动模式时间期间在透镜中生成相对更多的热量。例如，这可以通过使用相对更高的驱动电压和/或相对更长的驱动持续时间来实现。相反，当TAG透镜370的温度与标准温度相比相对高(和/或TAG透镜370的工作谐振频率相对低于标准频率)时，为了提供期望的稳定性，相对更少的热量必须在对应的调节自适应驱动模式时间期间在透镜中生成。这可以通过使用相对更低的驱动电压和/或相对更短的驱动持续时间来实现。例如，在一些条件下，调节自适应驱动控制配置可以为相应的调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些提供低于标准成像驱动电压的相应TAG透镜调节驱动电压和/或短于标准成像驱动持续时间的相应TAG透镜调节驱动持续时间。在其它条件下，例如当TAG透镜370的温度充分接近或超过标准温度(和/或TAG透镜370的操作谐振频率接近或降至低于标准频率)时，在调节自适应驱动模式时间期间使用的电压和/或驱动持续时间可以被设置为零(即，在这种条件下不提供能量耗散)。
负责在成像驱动模式和调节自适应驱动模式下驱动TAG透镜370的透镜驱动模式管理器380包括标准成像驱动模式电路/例程382，其被配置为在成像驱动模式期间控制TAG透镜驱动信号的生成和经由信号线334'向TAG透镜370的传输，以及调节自适应驱动模式电路/例程383，其被配置为在调节自适应驱动模式期间控制TAG透镜驱动信号的生成和经由信号线334'向TAG透镜370的传输。在各种示例性实施例中，透镜控制器334根据既定的时间表或以预定的顺序在图像模式和调节自适应驱动模式之间切换。例如，成像驱动模式时间期间和调节自适应驱动模式时间期间可以以预定顺序散布，如下面将详细描述的图5中所示。在一个具体示例中，该预定顺序包括在成像驱动模式时间期间和调节自适应驱动模式时间期间之间交替，也如图5所示。
调节自适应驱动模式电路/例程383可以包括调节调整电路/例程384和调节监视器电路/例程385。在一些实现中，调节调整电路/例程384被配置为在调节自适应驱动模式时间期间根据预定顺序或时间表控制TAG透镜驱动信号的生成和经由信号线334'向TAG透镜370的传输，如上所述。在这些实现中，透镜驱动模式管理器380可以控制在触发标准成像驱动模式电路/例程382以进入成像驱动模式和触发调节调节电路/例程384以根据预定顺序或时间表进入调节自适应驱动模式之间的切换。
图6是图示用于操作成像系统300以根据预定义的顺序或时间表在成像驱动模式和调节自适应驱动模式之间切换的例程600的一个示例性实现的流程图。在步骤610中，例程600在成像驱动模式下在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置控制TAG透镜370。成像驱动模式时间期间的每个实例提供在根据标准成像驱动控制配置操作TAG透镜370时获取的图像数据。标准成像驱动控制配置包括标准成像驱动电压和标准成像驱动持续时间，并且被配置为实现TAG透镜370的标准成像状态(例如，标准成像谐振频率和振幅)。在步骤620中，例程600在调节自适应驱动模式下在不同于成像驱动模式时间期间的多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制TAG透镜370。调节自适应驱动控制配置被配置为基于TAG透镜监视信号对于不同的相应调节自适应驱动模式时间期间提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，其中TAG透镜监视信号指示TAG透镜370的标准成像状态与TAG透镜370的当前操作状态之间的差异。要注意的是，在步骤620中，TAG透镜监视信号被用于定义调节自适应驱动控制配置(包括不同的调节驱动电压和/或不同的调节驱动持续时间)来驱动TAG透镜370，但TAG透镜监视信号被用作进入或不进入调节自适应驱动模式的基础。更确切地说，例程600根据预定义的顺序或时间表在进入成像驱动模式(步骤610)和进入调节自适应驱动模式(步骤620)之间切换。
图7示出了替代实现，其中透镜驱动模式管理器380基于满足或超过阈值的TAG透镜监视信号来控制成像驱动模式和调节自适应驱动模式之间的切换。例如，只要TAG透镜370的标准成像状态与TAG透镜370的当前操作状态之间的差异(例如，透镜操作温度或操作谐振频率的偏差/漂移)低于阈值或在阈值范围内(例如，如TAG透镜监视信号值所指示的)，透镜驱动模式管理器380就继续以标准成像驱动模式驱动TAG透镜370。但是，响应于差异满足或超过阈值或阈值范围，透镜驱动模式管理器380触发调节监视电路/例程385进入使用调节自适应驱动控制配置的调节自适应驱动模式，该调节自适应驱动控制配置包括对于调节自适应驱动模式时间期间的不同TAG透镜调节驱动电压和不同TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个。
例如，在图7中，在步骤710中，例程700确定当前TAG透镜监视信号值(例如，TAG透镜的操作谐振频率)与和TAG透镜的标准或期望成像状态对应的值(例如，透镜的标准谐振频率)之间的差异。如果在步骤720中例程700确定差异不显著(例如，不超过阈值)，那么在步骤740中，例程700保持在标准成像驱动模式并使用标准成像驱动控制配置在成像驱动模式时间期间控制TAG透镜370，以提供在根据标准成像驱动控制配置操作TAG透镜370时获取的图像数据。如果要获取更多图像(步骤750)，那么例程700返回到步骤710和720，以再次确定当前TAG透镜监视信号值与和TAG透镜370的标准成像状态对应的值之间的差异是显著的。
如果例程700确定差异是显著的(例如，超过阈值)，那么在步骤730中，例程700进入调节自适应驱动模式并且在调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制TAG透镜。调节自适应驱动控制配置被配置为基于当前TAG透镜监视信号值与和TAG透镜370的标准或期望成像状态对应的值之间的差异来为调节自适应驱动模式时间期间提供不同TAG透镜调节驱动电压和不同TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个。因此，在图7的例程700中，该差异被使用两次；第一次是在步骤720中确定是保持在成像驱动模式(步骤740)还是过渡到调节自适应驱动模式(步骤730)，并且第二次是在步骤730中定义调节自适应驱动控制配置(包括TAG透镜调节驱动电压和TAG透镜调节驱动持续时间)，以补偿或校正差异。
从步骤730，例程700返回到步骤710和720，以再次确定当前TAG透镜监视信号值与和TAG透镜370的标准成像状态对应的值之间的差异是否显著，并且如上所述继续。在一些情况下，当TAG透镜操作状态相对稳定到足够接近期望的标准成像状态时，步骤740的操作可以执行若干次而不会被步骤730的操作中断。将认识到的是，在一些实现中，成像驱动模式时间期间还可以由定时信号支配，该定时信号确保它们被定时以期望的图像获取速率范围内的速率发生(例如，例如每秒16到70次)。
返回图3，在如上所述的各种实现中，TAG透镜370可以周期性地快速调整或调制焦点位置，以实现能够250kHz或70kHz或30kHz等周期性调制(即，以TAG透镜谐振频率)的高速VFL透镜。如图3中所示，通过使用信号的周期性调制来驱动TAG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界定的范围R(例如，自动聚焦搜索范围)内移动。
在一个实现中，可选的焦点信号处理部分375(可选)可以从相机/检测器360输入数据，并且可以提供用于确定何时(例如，工件320的)成像的表面区域处于焦点位置的数据或信号(焦点监视信号或FMS)。例如，在相机/检测器360包括相机的实现中，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，图像堆叠)，以确定何时工件320的成像表面区域处于焦点位置。在另一个实现中，光学焦点监视部分376(可选)可以提供焦点监视信号(FMS)，例如来自光电检测器的信号，该信号是针对穿过VFL(TAG)透镜370并且从分束器346′偏离到光学焦点监视部分376的VFL(TAG)透镜370的图像光345导出的。在一个实施例中，光学焦点监视部分376可以包括共焦光学检测器配置。但是，更一般地，可以使用任何其它合适的已知焦点检测配置。
在任何情况下，焦点信号处理部分375或光学焦点监视部分376可以在VFL(TAG)透镜370的焦点位置的周期性调制(多个焦点位置的扫描)期间输入图像光，并向Z高度(焦点距离)校准部分373输出对应的焦点监视信号(FMS)。Z高度校准部分373可以提供Z高度(焦点距离)与FMS值表征的关系，该关系将相应的Z高度(焦点距离)与指示焦点对准的图像的相应FMS值相关联。Z高度校准部分373还可以提供Z高度(焦点距离)校准数据，该数据将相应的Z高度(焦点距离)与TAG透镜370的标准成像谐振频率的周期内的相应相位定时相关联，其中校准数据与根据标准成像驱动控制配置操作TAG透镜370对应。因为TAG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，所以可以从Z高度与FMS值表征的关系导出将相应Z高度与相应相位定时相关联的Z高度校准数据，其中所述关系是从焦点信号处理部分375或光学焦点监视部分376接收的。可替代地，Z高度校准数据可以以其它方式被定义并存储在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。照此，其在图3中作为单独元件的表示仅仅是示意性的，而非限制。在各种实现中，相关联的记录的Z高度校准数据可以与透镜控制器334、或者焦点信号处理部分375或光学焦点监视部分376或者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。
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/检测器360合并或不可区分。具体而言，使用在Z高度校准部分373中可用的Z高度校准数据，曝光(频闪)时间控制器393可以控制包括频闪光源的光源330在相应的受控时间频闪。例如，曝光(频闪)时间控制器393可以控制频闪光源在TAG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，以便在TAG透镜370的扫描(周期性调制)范围内获取最佳对焦的图像。在其它实现中，曝光时间控制器393可以控制相机/检测器360的快速电子相机快门，以在相应的受控时间获取图像信号。例如，曝光时间控制器393可以在TAG透镜370的标准成像谐振频率的期间内以相应相位定时控制相机快门，以便在TAG透镜370的扫描(周期性调制)范围内获取最佳对焦的图像。
一般而言，曝光时间控制器393通过控制相机/检测器360可以捕获工件320的图像的图像曝光期间来控制图像数据的获取。因此，曝光时间控制器393可以控制图像获取以便仅在其中预期期望工件320的准确检查图像的成像驱动模式期间，而不在其中由于对TAG透镜370的驱动信号进行的调整而预期图像质量的一些恶化的调节自适应驱动模式期间，获取图像数据。即，曝光时间控制器393可以在调节自适应驱动模式期间防止图像曝光，由此防止在调节自适应驱动模式期间的图像获取。例如，在成像驱动模式期间，可以获取工件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，显示设备136)，而在调节自适应驱动模式期间，不获取图像数据。在一些实现中，图像数据可以在调节自适应驱动模式期间由相机/检测器360获取，但是不由成像系统300输出。
在其它实现中，可以在调节自适应驱动模式期间获取图像数据。例如，虽然相关联的图像质量和/或测量准确度可能不合标准，但是在调节自适应驱动模式期间获取的图像数据仍可以用于提供足以使操作者在成像驱动模式和调节自适应驱动模式之间连续观察工件320的“观察图像”。在这种情况下，在调节自适应驱动模式期间获取的图像数据也可以显示在成像系统300的用户界面中。
图5是图示包括TAG透镜的成像系统的一个示例性操作的时序图。图5图示了期间图像数据可以由相机/检测器360获取的“相机曝光定时”500、由曝光(频闪)时间控制器393用于开启或关闭用于图像曝光的照明的“图像照明”定时502、指示TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异的“监视信号的差异”503以及用于驱动TAG透镜370的“驱动模式(Vpzt)”配置504之间的关系。对于具有快速响应时间(<50μs)的高速TAG透镜，可以在典型相机/检测器360的帧时间内可能的两种操作模式(成像驱动模式和调节自适应驱动模式)之间切换或调制(例如，16～32帧/s)，例如每半帧时间(例如，每秒32-64次)。
图5是根据预定顺序在两种模式之间切换的时序图示例，如图6的流程图中所述。在所示示例中，多个成像驱动模式时间期间504A和多个自适应驱动模式时间期间504B沿时间轴以替代方式散布。在每个成像驱动模式时间期间504A之前，可以提供预热期间(t1-t2、t6-t7、t12-t13和t15-t16)。提供预热期间以允许TAG透镜370在获取图像数据之前建立和重新建立稳定的光学操作(即，实现标准成像状态)的时间。例如，预热期间可以与以70kHz的谐振频率操作的3个TAG透镜周期对应。
在成像驱动模式时间期间504A中，使用标准成像驱动控制配置，使得成像驱动模式时间期间504A的每个实例提供在根据标准成像驱动控制配置操作TAG透镜370时获取的图像数据。在所示示例中，标准成像驱动控制配置包括标准成像驱动电压(例如，30V或30Vpzt)和标准成像驱动持续时间(例如，t2-t3、t7(t2)-t8(t3)、t13(t2)-t14(t3)和t16(t2)-t17(t3))并且被配置为实现TAG透镜370的标准成像状态。在一些实现中，标准成像驱动持续时间可以以每秒16-70次的速率周期性地发生(但是，这个速率范围仅仅是示例性的，而不是限制)。曝光(频闪)时间控制器393在与成像驱动模式期间501A同步的多个照明曝光期间502A期间开启成像系统300的图像曝光照明(例如，频闪照明)。在与照明曝光期间502A并与成像驱动模式期间504A同步的多个图像积分(integration)期间500A期间，由相机/检测器360获取和积分图像数据。在各种实现中，所获取的图像数据显示在成像系统300的用户界面中。
在调节自适应驱动模式时间期间504B中，使用调节自适应驱动控制配置，该配置基于TAG透镜监视信号为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间504B提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，其中TAG透镜监视信号指示TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异。例如，透镜控制器334使用监视TAG透镜370的操作谐振频率和/或操作温度的TAG透镜监视信号。TAG透镜监视信号指示TAG透镜370的当前操作状态，并且因此可以在当前调节自适应驱动模式时间期间504B之前或与之对应地获得。例如，在t3和t6之间的调节自适应驱动模式时间期间504B中应用的调节自适应驱动控制配置可以基于在t3之前(诸如在t2和t3之间、在t1和t2之间等等)获得的TAG透镜监视信号。
在所示的示例中，在t3和t6之间的第一调节自适应驱动模式时间期间504B期间，在t3和t4之间使用TAG透镜调节驱动电压dA1(例如，40V)，在t4和t5之间使用低于dA1的TAG透镜调节驱动电压dA2(例如，30V)，并且在t5和t6之间使用低于dA2的TAG透镜调节驱动电压dA3(例如，20V)。t3和t4之间、t4和t5之间以及t5和t6之间的期间可以被认为分别构成调节自适应驱动模式时间期间或者共同构成t3和t6之间的调节自适应驱动模式时间期间504B。在t3和t6之间的第一调节自适应驱动模式时间期间504B中应用的调节自适应驱动控制配置具有能量耗散级别“A”，如图5中图解所示。调节自适应驱动控制配置基于TAG透镜监视信号，该TAG透镜监视信号是在t3和t6之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B之前或与之对应地获得的，并且指示TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异503。
在t8(t3)和t12(t6)之间的“第二”调节自适应驱动模式时间期间504B期间，在t8(t3)和t9之间使用TAG透镜调节驱动电压dB1(例如，40V)，在t9和t10之间使用低于dB1的TAG透镜调节驱动电压dB2(例如，30V)，并且在t10和t11之间使用低于dB2的TAG透镜调节驱动电压dB3(例如，20V)。在t11和t12(t6)之间没有施加电压(V＝0)。t8(t3)和t9之间、t9和t10之间、t10和t11之间以及t11和t12(t6)之间的期间可以被认为分别构成调节自适应驱动模式时间期间或者共同构成t8(t3)和t12(t6)之间的调节自适应驱动模式时间期间504。在t8(t3)和t12(t6)之间的第二调节自适应驱动模式时间期间504B中应用的调节自适应驱动控制配置具有能量耗散级别“B”，如图5中图解所示。调节自适应驱动控制配置基于TAG透镜监视信号，该TAG透镜监视信号是在t8(t3)和t12(t6)之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B之前或与之对应地获得的，并且指示TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异503。在所示实施例中，在t8(t3)和t12(t6)之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B的能量耗散级别“B”与在t3和t6之间的先前(第一)调节自适应驱动模式时间期间504B的能量耗散级别“A”不同或从其进行调整。
在t14(t3)和t15(t6)之间的“第三”调节自适应驱动模式时间期间504B期间，施加TAG透镜调节驱动电压dC1(例如，40V)，在图示的示例中这是可用于驱动TAG透镜370的最高电压。调节自适应驱动控制配置在t14(t3)和t15(t6)之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B期间具有能量耗散级别“C”，如图5所示。调节自适应驱动控制配置基于在t14(t3)和t15(t6)之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B之前或与之对应地获得的TAG透镜监视信号，该信号指示TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异503。在所示的示例中，差异503指示TAG透镜370的操作谐振频率的突然增加或TAG透镜370的操作温度和/或环境(周围)温度的对应的突然降低，如由503'指定的。因此，与在t3和t6之间以及t8(t3)和t12(t6)之间的先前调节自适应驱动模式时间期间504B中应用的能量耗散级别“A”和“B”相比，在t14(t3)和t15(t6)之间应用的调节自适应驱动控制配置的能量耗散级别“C”被配置为向TAG透镜370输入更多的热能，以补偿突然变化。
在t17(t3)和t18(t6)之间的“第四”调节自适应驱动模式时间期间504B期间(未示出)，不施加电压dD1(＝0V)。调节自适应驱动控制配置在t17(t3)和t18(t6)之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B期间具有能量耗散级别“D”，如图5所示。调节自适应驱动控制配置基于在t17(t3)和t18(t6)之间的当前调节自适应驱动模式时间期间504B之前或与之对应地获得的TAG透镜监视信号，该信号指示TAG透镜370的标准成像状态与当前操作状态之间的差异503。在所示的示例中，在t14(t3)和t15(t6)之间的先前调节自适应驱动模式时间期间504B中应用的调节自适应驱动控制配置在降低/减小差异503(通过增加TAG透镜的操作温度)方面是有效的。因此，在t17(t3)和t18(t6)之间应用的调节自适应驱动控制配置的能量耗散级别“D”被配置为“不”向TAG透镜370输入附加的热能，其不同于在t3和t6之间、t8(t3)和t12(t6)以及t14(t3)和t15(t6)之间的先前调节自适应驱动模式时间期间504B中应用的任何能量耗散级别“A”、“B”和“C”。
调节自适应驱动控制配置为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间504B提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，以便将TAG透镜370建立或维持在其标准成像状态(例如，标准操作谐振频率或标准操作温度)。在各种实现中，曝光(频闪)时间控制器393可以在与调节自适应驱动模式时间期间504B同步的多个照明曝光期间502B期间关闭成像系统300的图像曝光照明(例如，频闪照明)。在一些实现中，可以在与照明曝光期间502B并与调节自适应驱动模式时间期间504B同步的多个图像积分期间500B期间由相机/检测器360获取并积分图像数据。所获取的数据可以在成像系统300的用户界面中呈现为观察图像。在其它实现中，在多个图像积分期间500B期间不获取和积分图像数据，或者可以在多个图像积分期间500B期间防止获取的图像的输出。
虽然已经说明和描述了本公开的优选实现，但是基于本公开，所说明和描述的特征和操作顺序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现本文公开的原理。此外，可以组合上述各种实现以提供进一步的实现。本说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请均通过引用整体上并入本文。如果需要，可以修改实现的各方面，以采用各种专利和申请的概念来提供进一步的实现。
根据以上详细描述，可以对实现进行这些和其它改变。一般而言，在以下权利要求中，所使用的术语不应当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现，而是应当被解释为包括所有可能的实现以及这种权利要求有资格的等同物的完全范围。

Claims (15)

1.一种操作成像系统的方法，其中成像系统包括可调谐声学梯度TAG透镜、TAG透镜控制器、相机和曝光时间控制器，以便将所述TAG透镜建立或维持在期望的成像操作状态，所述方法包括：
在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置来控制所述TAG透镜，其中所述成像驱动模式时间期间的每个实例提供在根据所述标准成像驱动控制配置操作所述TAG透镜时获取的图像数据，其中所述标准成像驱动控制配置包括标准成像驱动电压和标准成像驱动持续时间，并且被配置为实现所述TAG透镜的标准成像状态；以及
在多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制所述TAG透镜，所述多个调节自适应驱动模式时间期间不同于所述成像驱动模式时间期间，其中所述调节自适应驱动控制配置被配置为基于TAG透镜监视信号为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，其中所述TAG透镜监视信号指示所述TAG透镜的所述标准成像状态与所述TAG透镜的当前操作状态之间的差异，其中所述成像驱动模式时间期间和所述调节自适应驱动模式时间期间以预定顺序散布。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述预定顺序包括在所述成像驱动模式时间期间和所述调节自适应驱动模式时间期间之间交替。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述监视信号监视所述TAG透镜的操作谐振频率和所述TAG透镜的操作温度中的至少一个。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述TAG透镜的所述标准成像状态包括大于所述TAG透镜或所述成像系统的最大指定环境操作温度的所述TAG透镜的操作温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述调节自适应驱动控制配置被配置为为所述相应的调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些时间期间提供大于所述标准成像驱动电压的相应TAG透镜调节驱动电压。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述TAG透镜包括加热器，所述加热器将一定量的热能输入到所述TAG透镜中，其中，对于所述多个调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些时间期间，所述热能的量大致固定。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述成像系统包括Z高度校准数据，所述Z高度校准数据将相应的Z高度与所述TAG透镜的标准成像谐振频率的期间内的相应相位定时相关联，其中所述校准数据与根据所述标准成像驱动控制配置操作所述TAG透镜对应，所述Z高度是指焦点距离。
8.如权利要求1所述的方法，包括：
在所述调节自适应驱动模式时间期间不获取图像，或者
抑制在所述调节自适应驱动模式时间期间获取的图像的输出。
9.如权利要求1所述的方法，包括：
响应于所述TAG透镜的所述标准成像状态与所述TAG透镜的所述当前操作状态之间的所述差异超过阈值，从使用所述标准成像驱动控制配置控制所述TAG透镜过渡到使用所述调节自适应驱动控制配置控制所述TAG透镜，以及
响应于所述差异不超过所述阈值，继续使用所述标准成像驱动控制配置控制所述TAG透镜。
10.一种成像系统，包括：
相机，
曝光时间控制器，被配置为控制所述相机的图像数据获取，
可调谐声学梯度TAG透镜，以及
TAG透镜控制器，其在操作中：
在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置来控制所述TAG透镜，其中所述成像驱动模式时间期间的每个实例提供在根据所述标准成像驱动控制配置操作TAG透镜时获取的图像数据，其中所述标准成像驱动控制配置包括标准成像驱动电压和标准成像驱动持续时间，并且被配置为实现所述TAG透镜的标准成像状态；以及
在多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制所述TAG透镜，所述多个调节自适应驱动模式时间期间不同于所述成像驱动模式时间期间，其中所述调节自适应驱动控制配置被配置为基于TAG透镜监视信号为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，其中所述TAG透镜监视信号指示所述TAG透镜的所述标准成像状态与所述TAG透镜的当前操作状态之间的差异，其中所述成像驱动模式时间期间和所述调节自适应驱动模式时间期间以预定顺序散布。
11.如权利要求10所述的成像系统，还包括Z高度校准数据，所述Z高度校准数据将相应的Z高度与所述TAG透镜的标准成像谐振频率的期间内的相应相位定时相关联，所述校准数据与根据所述标准成像驱动控制配置操作所述TAG透镜对应，所述Z高度是指焦点距离，其中：
曝光时间控制器包括控制所述成像系统的频闪光源在相应的受控时间频闪的电路；以及
曝光时间控制器控制所述成像系统的所述频闪光源在与所述标准成像谐振频率的期间内的相应相位定时对应的相应受控时间频闪。
12.如权利要求10所述的成像系统，其中所述曝光时间控制器包括控制相机快门在相应的受控时间获取图像信号的电路。
13.如权利要求10所述的成像系统，包括加热器，所述加热器被布置为将一定量的热能输入到所述TAG透镜中，其中所述热能的量对于所述多个调节自适应驱动模式时间期间中的至少一些时间期间近似固定。
14.如权利要求10所述的成像系统，其中，
所述曝光时间控制器在所述调节自适应驱动模式时间期间内防止图像曝光，或
所述成像系统抑制在所述调节自适应驱动模式时间期间由所述相机获取的图像数据的图像显示。
15.一种操作成像系统的方法，其中成像系统包括可调谐声学梯度TAG透镜、TAG透镜控制器、相机和曝光时间控制器，以便将所述TAG透镜建立或维持在期望的成像操作状态，所述方法包括：
在多个成像驱动模式时间期间使用标准成像驱动控制配置来控制所述TAG透镜，其中所述成像驱动模式时间期间的每个实例提供在根据所述标准成像驱动控制配置操作所述TAG透镜时获取的图像数据，其中所述标准成像驱动控制配置包括标准成像驱动电压和标准成像驱动持续时间，并且被配置为实现所述TAG透镜的标准成像状态；以及
在多个调节自适应驱动模式时间期间使用调节自适应驱动控制配置来控制所述TAG透镜，所述多个调节自适应驱动模式时间期间不同于所述成像驱动模式时间期间，其中所述调节自适应驱动控制配置被配置为基于TAG透镜监视信号为不同的相应调节自适应驱动模式时间期间提供不同的相应TAG透镜调节驱动电压和不同的相应TAG透镜调节驱动持续时间中的至少一个，其中所述TAG透镜监视信号指示所述TAG透镜的所述标准成像状态与所述TAG透镜的当前操作状态之间的差异，
其中：
响应于所述TAG透镜的所述标准成像状态与所述TAG透镜的所述当前操作状态之间的所述差异超过阈值，从使用所述标准成像驱动控制配置控制所述TAG透镜过渡到使用所述调节自适应驱动控制配置控制所述TAG透镜，以及
响应于所述差异不超过所述阈值，继续使用所述标准成像驱动控制配置控制所述TAG透镜。
CN201811036665.2A 2017-09-06 2018-09-06 在成像系统中稳定高速可变焦距可调声学梯度透镜的操作 Active CN109581786B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/696,680 US10225457B1 (en) 2017-09-06 2017-09-06 Stabilizing operation of a high speed variable focal length tunable acoustic gradient lens in an imaging system
US15/696,680 2017-09-06

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109581786A CN109581786A (zh) 2019-04-05
CN109581786B true CN109581786B (zh) 2021-05-18

Family

ID=63683626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811036665.2A Active CN109581786B (zh) 2017-09-06 2018-09-06 在成像系统中稳定高速可变焦距可调声学梯度透镜的操作

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10225457B1 (zh)
EP (1) EP3454546B1 (zh)
JP (1) JP7105143B2 (zh)
CN (1) CN109581786B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10809378B1 (en) * 2019-09-06 2020-10-20 Mitutoyo Corporation Triangulation sensing system and method with triangulation light extended focus range using variable focus lens
CN112398533B (zh) * 2020-11-04 2023-06-27 中国科学院半导体研究所 一种快速调焦收发一体天线及快速调焦方法

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6148152A (en) * 1999-06-08 2000-11-14 Hewlett-Packard Company Compensation for thermal degradation of the optical performance in a digital imaging system
US6542180B1 (en) 2000-01-07 2003-04-01 Mitutoyo Corporation Systems and methods for adjusting lighting of a part based on a plurality of selected regions of an image of the part
US7324682B2 (en) 2004-03-25 2008-01-29 Mitutoyo Corporation System and method for excluding extraneous features from inspection operations performed by a machine vision inspection system
US7454053B2 (en) 2004-10-29 2008-11-18 Mitutoyo Corporation System and method for automatically recovering video tools in a vision system
JP2009069255A (ja) * 2007-09-11 2009-04-02 Sony Corp 撮像装置および合焦制御方法
JP4645685B2 (ja) * 2008-06-02 2011-03-09 カシオ計算機株式会社 カメラ、カメラ制御プログラム及び撮影方法
US8111938B2 (en) 2008-12-23 2012-02-07 Mitutoyo Corporation System and method for fast approximate focus
US8111905B2 (en) 2009-10-29 2012-02-07 Mitutoyo Corporation Autofocus video tool and method for precise dimensional inspection
JP2011248181A (ja) * 2010-05-28 2011-12-08 Hitachi Ltd 撮像装置
US20130063805A1 (en) * 2011-05-24 2013-03-14 Craig B. Arnold Tunable acoustic gradient index of refraction lens and system
US9213175B2 (en) * 2011-10-28 2015-12-15 Craig B. Arnold Microscope with tunable acoustic gradient index of refraction lens enabling multiple focal plan imaging
JP5737311B2 (ja) 2013-03-18 2015-06-17 カシオ計算機株式会社 コード読取装置及びプログラム
US9143674B2 (en) 2013-06-13 2015-09-22 Mitutoyo Corporation Machine vision inspection system and method for performing high-speed focus height measurement operations
US9720218B2 (en) * 2013-08-06 2017-08-01 Howard Hughes Medical Institute Volume imaging
JP5769773B2 (ja) * 2013-09-30 2015-08-26 オリンパス株式会社 カメラシステム及び焦点検出画素の補正方法
US10178321B2 (en) * 2013-11-27 2019-01-08 Mitutoyo Corporation Machine vision inspection system and method for obtaining an image with an extended depth of field
US9830694B2 (en) * 2015-08-31 2017-11-28 Mitutoyo Corporation Multi-level image focus using a tunable lens in a machine vision inspection system
US9736355B1 (en) 2016-05-03 2017-08-15 Mitutoyo Corporation Phase difference calibration in a variable focal length lens system

Also Published As

Publication number Publication date
EP3454546A1 (en) 2019-03-13
US10225457B1 (en) 2019-03-05
JP7105143B2 (ja) 2022-07-22
JP2019049543A (ja) 2019-03-28
US20190075234A1 (en) 2019-03-07
CN109581786A (zh) 2019-04-05
EP3454546B1 (en) 2022-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107346059B (zh) 可变焦距成像系统
CN106338809B (zh) 可调放大率光学系统中的可变焦距透镜的可适应操作频率
US9736355B1 (en) Phase difference calibration in a variable focal length lens system
US10151962B2 (en) Variable focal length lens system with focus monitoring and control
EP3462236B1 (en) Variable focal length lens system with optical power monitoring
CN108076285B (zh) 用于控制包括高速可变焦距透镜的成像系统的方法
CN110411417B (zh) 具有准正弦周期性强度调制光的可变焦距透镜系统
JP6563131B2 (ja) テレセントリック光学測定機のためのフォーカシングシステム
CN111381383B (zh) 利用带平面倾斜图案表面的校准对象校准vfl透镜系统的系统和方法
US11119382B2 (en) Tunable acoustic gradient lens system with amplitude adjustment corresponding to z-height as indicated by calibration data
CN108627141B (zh) 与成像系统一起使用的调制监控系统
CN109581786B (zh) 在成像系统中稳定高速可变焦距可调声学梯度透镜的操作
US11249225B2 (en) Tunable acoustic gradient lens system utilizing amplitude adjustments for acquiring images focused at different z-heights

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant