DE102016212427A1

DE102016212427A1 - Anpassbare Betriebsfrequenz einer Linse mit variabler Brennweite in einem optischen System mit einstellbarer Vergrößerung

Info

Publication number: DE102016212427A1
Application number: DE102016212427.7A
Authority: DE
Inventors: Paul Gerard Gladnick
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2015-07-09
Filing date: 2016-07-07
Publication date: 2017-01-12
Also published as: US20170013185A1; US9602715B2; JP2017021025A; CN106338809B; CN106338809A; JP6717692B2

Abstract

Es wird ein Bildgebungssystem für ein Präzisionssystem zur maschinellen Sichtinspektion oder ein Metrologiesystem bereitgestellt. Der Lichtweg des Bildgebungssystems umfasst einen variabel vergrößernden Linsenabschnitt und einen Linsenabschnitt mit variabler Brennweite. Der variabel vergrößernde Linsenabschnitt umfasst diverse Vergrößerungszustände (z. B. 0,5x bis 100x unter Verwendung von austauschbaren Linsen oder dergleichen.) Der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite (der beispielsweise eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex („TAG”) umfasst) wird je nach dem Vergrößerungszustand auf verschiedenen Brennweiten-Abtastfrequenzen betätigt. Eine TAG-Linse, die derartig betätigt wird, stellt einen relativ einheitlichen Brennweitenbereich (der beispielsweise einer Anzahl von Tiefenschärfen entspricht) mit Linsen mit diversen Vergrößerungen bereit, ohne die effektive numerische Apertur des Bildgebungssystems einzuschränken.

Description

HINTERGRUND
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft die Präzisionsmesstechnik und genauer gesagt optische Systeme mit einstellbarer Vergrößerung, wie etwa maschinelle Sichtinspektionssysteme.
Beschreibung der verwandten Technik
Optische Systeme mit einstellbarer Vergrößerung können bei präzisen kontaktlosen Metrologiesystemen, wie etwa Präzisionssystemen zur maschinellen Sichtinspektion (bzw. abgekürzt „Sichtsystemen”) verwendet werden. Derartige Sichtsysteme können verwendet werden, um präzise Dimensionsmessungen von Objekten zu erzielen und um diverse Objekteigenschaften zu inspizieren, und können einen Computer, eine Kamera und ein optisches System sowie einen Präzisionsarbeitstisch, der sich bewegt, um eine Überquerung und Inspektion von Werkstücken zu ermöglichen, umfassen. Ein beispielhaftes System nach dem Stand der Technik, das als universelles „rechnerunabhängiges” Präzisionssichtsystem bezeichnet wird, ist die Reihe QUICK VISION^® von PC-basierten Sichtsystemen und die Software QVPAK^®, die bei Mitutoyo America Corporation (MAC), aus Aurora, Ill., erhältlich ist. Die Merkmale und die Funktionsweise der Reihe QUICK VISION^® von Sichtsystemen und der Software QVPAK^® werden beispielsweise in „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide", veröffentlicht im Januar 2003, und „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide", veröffentlicht im September 1996, allgemein beschrieben, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden. Ein derartiges System verwendet ein mikroskopartiges optisches System und bewegt den Arbeitstisch, um Inspektionsbilder entweder von kleinen oder von relativ großen Werkstücken mit diversen Vergrößerungen bereitzustellen.
Universelle Präzisionssysteme zur maschinellen Sichtinspektion sind im Allgemeinen programmierbar, um eine automatisierte Videoinspektion bereitzustellen. Diese Systeme umfassen typischerweise GUI-Merkmale und vordefinierte „Video Tools” zur Bildanalyse, so dass die Betätigung und die Programmierung von „Nichtfachleuten” ausgeführt werden können. Beispielsweise lehrt das US-Patent Nr. 6,542,180 , das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ein Sichtsystem, das eine automatisierte Videoinspektion verwendet, welche die Verwendung von diversen Video-Tools umfasst.
Bei diversen Anwendungen ist es wünschenswert, schnelle Autofokus- und/oder andere Vorgänge auszuführen, um schnelle Messungen für einen hohen Durchsatz entweder bei ortsfesten oder sich fortlaufend bewegenden Inspektionssystemen zu ermöglichen. Die Geschwindigkeit einer automatischen Fokussierung und anderer Vorgänge, die eine Fokussierung benötigen, ist bei herkömmlichen maschinellen Sichtinspektionssystemen durch die Bewegung der Kamera über einen Bereich von Z-Höhenpositionen eingeschränkt. Es besteht Bedarf an verbesserten Autofokus- und/oder anderen Vorgängen unter Verwendung von alternativen Verfahren zum Erheben von Bildern eines Bereichs von Fokusabständen (z. B. Bilderstapel zum Messen von Z-Höhenpositionen) mit einer hohen Geschwindigkeit, und die insbesondere auf verschiedenen Vergrößerungsstufen betriebsfähig sind, ohne den Brennweitenbereich, die Bildqualität und/oder die Dimensionsgenauigkeit in den Bildern in Frage zu stellen.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, die Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und ist auch nicht dazu gedacht, als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.
Es wird ein Bildgebungssystem zur Verwendung in einem präzisen kontaktlosen Metrologiesystem (wie beispielsweise einem maschinellen Sichtsystem, einem Messmikroskop usw.) bereitgestellt. Bei diversen Umsetzungen umfasst ein Lichtweg des Bildgebungssystems einen variabel vergrößernden Linsenabschnitt und einen Linsenabschnitt mit variabler Brennweite. Der variabel vergrößernde Linsenabschnitt kann zwischen einem ersten Vergrößerungszustand, der eine relativ schwächere Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, und einem zweiten Vergrößerungszustand, der eine relativ stärkere Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, wechseln. Der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite kann eine Linse mit variabler Brennweite (nachstehend eine „VFL-Linse”) umfassen, die eine periodisch modulierte Brennweite bereitstellt, die auf einer ersten oder zweiten Frequenz moduliert werden kann, die jeweils während einer Bildbelichtungsperiode, die von dem Bildgebungssystem verwendet wird, eine Vielzahl von Modulationsperioden bereitstellen. Als spezifisches Beispiel kann es bei einem beispielhaften Bildgebungssystem, das in der Lage ist, Videobilder mit 30 Einzelbildern pro Sekunde zu erheben, und für das die VFL-Linse auf Frequenzen von 30 kHz oder mehr betätigt werden kann, mehr als 1000 Modulationsperioden während jeder Bildbelichtungsperiode, die von dem Bildgebungssystem verwendet wird, geben.
Bei diversen Umsetzungen kann der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite konfiguriert sein, um auf der ersten Frequenz und mit einer ersten Modulationsamplitude betätigt zu werden, um einen ersten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der VFL-Linse bereitzustellen, während das Bildgebungssystem unter Verwendung des ersten Vergrößerungszustands betätigt wird. Der erste Bereich kann einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des ersten Vergrößerungszustands entsprechen. Der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite kann ferner konfiguriert sein, um auf der zweiten Frequenz und mit einer zweiten Modulationsamplitude betätigt zu werden, um einen zweiten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der VFL-Linse bereitzustellen, während das Bildgebungssystem unter Verwendung des zweiten Vergrößerungszustands betätigt wird. Der zweite Bereich kann größer als der erste Bereich sein und kann einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des zweiten Vergrößerungszustands entsprechen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Diagramm, das diverse typische Komponenten eines universellen Präzisionssystems zur maschinellen Sichtinspektion zeigt;
2 ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts und eines Sichtkomponentenabschnitts eines maschinellen Sichtinspektionssystems ähnlich wie das aus 1, und das hier offenbarte Merkmale umfasst;
3 ein schematisches Diagramm eines Bildgebungssystems, das an ein präzises kontaktloses Metrologiesystem, wie etwa ein maschinelles Sichtinspektionssystem, angepasst und gemäß den hier offenbarten Grundlagen betätigt werden kann;
4 ein Diagramm einer Grafik, die Mikroskopeigenschaften bezüglich der Vergrößerung abbildet, wenn ein Typ einer Linse mit variabler Brennweite auf einer konstanten Resonanzfrequenz betätigt wird;
5 ein Diagramm einer Grafik, welche die Linsenleistung über der Resonanzfrequenz für einen Typ einer Linse mit variabler Brennweite abbildet;
6 ein Diagramm einer Grafik, welche die Mikroskopeigenschaften bezüglich der Vergrößerung abbildet, wenn ein Typ einer Linse mit variabler Brennweite auf verschiedenen Resonanzfrequenzen betätigt wird, die verschiedenen Vergrößerungen entsprechen; und
7 ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine zum Betätigen eines Bildgebungssystems, das eine Linse mit variabler Brennweite umfasst, abbildet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften maschinellen Sichtinspektionssystems 10, das gemäß den hier beschriebenen Verfahren verwendbar ist. Das maschinelle Sichtinspektionssystem 10 umfasst eine Sichtmessmaschine 12, die betriebsfähig angeschlossen ist, um Daten- und Steuersignale mit einem Steuercomputersystem 14 auszutauschen. Das Steuercomputersystem 14 ist ferner betriebsfähig angeschlossen, um Daten- und Steuersignale mit einem Monitor oder Display 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 auszutauschen. Der Monitor oder das Display 16 kann eine Benutzerschnittstelle anzeigen, die geeignet ist, um die Vorgänge des maschinellen Sichtinspektionssystems 10 zu steuern und/oder zu programmieren. Es versteht sich, dass bei diversen Umsetzungen ein Tablet mit Berührungsbildschirm oder dergleichen für die Funktionen von einem oder allen von dem Computersystem 14, dem Display 16, dem Joystick 22, der Tastatur 24 und der Maus 26 eingesetzt und/oder dafür redundant bereitgestellt werden kann.
Der Fachmann wird verstehen, dass das Steuercomputersystem 14 im Allgemeinen aus einem beliebigen Rechensystem oder einer beliebigen Rechenvorrichtung bestehen kann. Geeignete Rechensysteme oder Rechenvorrichtungen können PCs, Server-Computer, Minicomputer, Großrechner, verteilte Rechenumgebungen, die eines der vorstehenden Elemente umfassen, und dergleichen umfassen. Diese Rechensysteme oder Rechenvorrichtungen können einen oder mehrere Prozessoren umfassen, die Software ausführen, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die Prozessoren umfassen programmierbare universelle oder spezifische Mikroprozessoren, programmierbare Controller, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare logische Bauteile (PLDs) oder dergleichen oder eine Kombination dieser Vorrichtungen. Die Software kann in einem Speicher, wie etwa in einem Arbeitsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), einem Flash-Speicher oder dergleichen, oder in einer Kombination derartiger Komponenten abgelegt sein. Die Software kann auch in einer oder mehreren Speichervorrichtungen abgelegt sein, wie etwa auf optischen Platten, Flash-Speichervorrichtungen oder einer beliebigen anderen Art von nicht flüchtigem Speichermedium zum Speichern von Daten. Die Software kann ein oder mehrere Programmmodule umfassen, das bzw. die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen und so weiter umfasst bzw. umfassen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen umsetzen. In verteilten Rechenumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule über mehrere Rechensysteme oder Rechenvorrichtungen kombiniert oder verteilt sein und anhand von Dienstaufrufen, entweder in einer verdrahteten oder einer drahtlosen Konfiguration, zugänglich sein.
Die Sichtmessmaschine 12 umfasst einen bewegbaren Werkstückarbeitstisch 32 und ein optisches Bildgebungssystem 34, das eine Zoomlinse oder austauschbare Linsen umfassen kann. Die Zoomlinse oder die austauschbaren Linsen stellen im Allgemeinen diverse Vergrößerungen für die Bilder bereit, die von dem optischen Bildgebungssystem 34 bereitgestellt werden. Das maschinelle Sichtinspektionssystem 10 wird auch in den gemeinsam übertragenen US-Patenten Nr. 7,454,053 , 7,324,682 , 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.
2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts 120 und eines Sichtkomponentenabschnitts 200 eines maschinellen Sichtinspektionssystems 100, ähnlich wie das maschinelle Sichtinspektionssystem aus 1, und das hier beschriebene Merkmale umfasst. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird der Steuersystemabschnitt 120 verwendet, um den Sichtkomponentenabschnitt 200 zu steuern. Der Sichtkomponentenabschnitt 200 umfasst einen optischen Baugruppenabschnitt 205, die Lichtquellen 220, 230 und 240 und einen Werkstückarbeitstisch 210, der einen mittleren durchsichtigen Abschnitt 212 aufweist. Der Werkstückarbeitstisch 210 ist steuerbar entlang den X- und Y-Achsen bewegbar, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen zur Oberfläche des Arbeitstischs parallel ist, auf dem ein Werkstück 20 positioniert sein kann.
Der optische Baugruppenabschnitt 205 umfasst ein Kamerasystem 260, eine austauschbare Objektivlinse 250 und kann eine Revolverlinsenbaugruppe 280, welche die Linsen 286 und 288 aufweist, umfassen. Alternativ zu der Revolverlinsenbaugruppe kann eine ortsfeste oder manuell austauschbare Vergrößerungsänderungslinse oder eine Zoomlinsenkonfiguration oder dergleichen enthalten sein. Bei diversen Umsetzungen können die diversen Linsen als Teil eines variabel vergrößernden Linsenabschnitts des optischen Baugruppenabschnitts 205 enthalten sein. Bei diversen Umsetzungen kann die austauschbare Objektivlinse 250 aus einem Satz von fest vergrößernden Objektivlinsen ausgewählt werden, die als Teil des variabel vergrößernden Linsenabschnitts (z. B. eines Satzes von Objektivlinsen, die Vergrößerungen, wie etwa 0,5x, 1x, 2x oder 2,5x, 5x, 10x, 20x oder 25x, 50x, 100x usw., entsprechen) enthalten sind.
Der optische Baugruppenabschnitt 205 ist steuerbar entlang einer Z-Achse bewegbar, die zu den X- und Y-Achsen im Allgemeinen orthogonal ist, und zwar unter Verwendung eines steuerbaren Motors 294, der ein Stellglied antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Brennpunktes des Bildes des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 an eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Ein Werkstück 20, oder eine Ablage oder ein Befestigungselement, die bzw. das eine Vielzahl von Werkstücken 20 festhält, die unter Verwendung des maschinellen Sichtinspektionssystems 100 abgebildet werden sollen, wird auf den Werkstückarbeitstisch 210 gelegt. Der Werkstückarbeitstisch 210 kann gesteuert werden, um sich relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 derart zu bewegen, dass sich die austauschbare Objektivlinse 250 zwischen gewissen Stellen auf einem Werkstück 20 und/oder zwischen einer Vielzahl von Werkstücken 20 bewegt.
Eine oder mehrere von einer Arbeitstischleuchte 220, einer Koaxialleuchte 230 und einer Oberflächenleuchte 240 (z. B. einer Ringleuchte) kann bzw. können jeweils ein Ausgangslicht 222, 232 oder 242 emittieren, um das Werkstück 20 zu beleuchten. Die Koaxialleuchte 230 kann Licht 232 auf einem Weg emittieren, der einen Spiegel 290 umfasst. Das Ausgangslicht wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder durchgelassen, und das Werkstücklicht, das für die Bildgebung verwendet wird, geht durch die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280 und wird von dem Kamerasystem 260 gesammelt. Das Bild des oder der Werkstücke, das von dem Kamerasystem 260 aufgenommen wird, wird auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 ausgegeben. Die Lichtquellen 220, 230 und 240 können jeweils über Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 an den Steuersystemabschnitt 120 angeschlossen sein. Das Steuersystem 120 kann die Revolverlinsenbaugruppe 280 entlang der Achse 284 drehen, um eine Revolverlinse über eine Signalleitung oder einen Bus 281 auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.
Wie in 2 gezeigt, umfasst der Steuersystemabschnitt 120 bei diversen beispielhaften Umsetzungen einen Controller 125, die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130, einen Speicher 140, eine Vorrichtung zum Generieren und Ausführen von Werkstückprogrammen 170 und einen Stromversorgungsabschnitt 190. Jede dieser Komponenten, sowie die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Komponenten, kann bzw. können durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den diversen Elementen zusammengeschaltet sein. Die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 umfasst eine Bildgebungssteuerschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerschnittstelle 132, eine Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 und eine Linsensteuerschnittstelle 134. Die Linsensteuerschnittstelle 134 kann einen Linsen-Controller umfassen, der eine Schaltung und/oder Routine zum Betätigen des Linsenfokus oder dergleichen umfasst. Die Linsensteuerschnittstelle 134 kann ferner einen Modus zum Einstellen einer Vergrößerungsänderung 134m umfassen, den man auswählen kann oder der automatisch umgesetzt wird, wenn eine Vergrößerungsänderung vorgenommen oder detektiert wird. Die Vorgänge und Komponenten, die mit dem Modus zum Einstellen einer Vergrößerungsänderung 134m verknüpft sind, werden nachstehend mit Bezug auf 3 bis 6 ausführlicher beschrieben.
Bei diversen Umsetzungen kann die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 einen Modus mit erweiterter Schärfentiefe umfassen, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2015/0145980 , die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird. Ein Modus mit erweiterter Schärfentiefe kann von einem Benutzer ausgewählt werden, um mindestens ein Bild (z. B. ein zusammengesetztes Bild) eines Werkstücks mit einer Schärfentiefe zu versehen, die größer als diejenige ist, die der Sichtkomponentenabschnitt 200 bereitstellen könnte, wenn er auf eine einzige Fokusposition fokussiert ist. Die Bewegungssteuerschnittstelle 132 kann ein Positionssteuerelement 132a und ein Geschwindigkeits-/Beschleunigungssteuerelement 132b umfassen, obwohl diese Elemente zusammengelegt und/oder ununterscheidbar sein können. Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 kann Beleuchtungssteuerelemente 133a, 133n und 133fl umfassen, die beispielsweise gegebenenfalls die Auswahl, die Energie, einen Ein-/Aus-Schalter und eine Abtastimpulszeiteinstellung für die diversen entsprechenden Lichtquellen des maschinellen Sichtinspektionssystems 100 steuern.
Der Speicher 140 kann einen Bilddatei-Speicherabschnitt 141, einen Kantenerkennungs-Speicherabschnitt 140ed, einen Werkstückprogramm-Speicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teileprogramme oder dergleichen umfassen kann, und einen Video-Tool-Abschnitt 143 umfassen. Der Video-Tool-Abschnitt 143 umfasst den Video-Tool-Abschnitt 143a und andere Video-Tool-Abschnitte (z. B. 143n), welche die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für jedes der entsprechenden Video-Tools bestimmen, und eine Vorrichtung 143roi zum Generieren eines Interessenbereichs (ROI), die automatische, teilautomatische und/oder manuelle Vorgänge unterstützt, die diverse ROIs definieren, die in diversen Video-Tools betätigt werden können, die in dem Video-Tool-Abschnitt 143 enthalten sind. Der Video-Tool-Abschnitt umfasst auch ein Autofokus-Video-Tool 143af, das die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für Vorgänge zum Messen der Fokushöhe bestimmt. Bei diversen Umsetzungen kann das Autofokus-Video-Tool 143af zusätzlich ein schnelles Fokushöhen-Tool umfassen, das verwendet werden kann, um unter Verwendung der Hardware, die in 3 beschrieben wird, Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2014/0368726 , die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird. Bei diversen Umsetzungen kann das schnelle Fokushöhen-Tool ein Spezialmodus des Autofokus-Video-Tools 143af sein, das ansonsten gemäß herkömmlichen Verfahren für Autofokus-Video-Tools funktionieren kann, oder die Vorgänge des Autofokus-Video-Tools 143af können nur die des schnellen Fokushöhen-Tools umfassen.
In Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung und wie es dem Fachmann bekannt ist, bezieht sich der Begriff „Video-Tool” im Allgemeinen auf einen relativ aufwendigen Satz von automatischen oder programmierten Vorgängen, die ein Maschinensichtbenutzer über eine relativ einfache Benutzerschnittstelle (z. B. eine grafische Benutzerschnittstelle, ein editierbares Parameterfenster, Menüs und dergleichen) umsetzen kann, ohne die Schritt-für-Schritt-Sequenz von Vorgängen, die in dem Video-Tool enthalten ist, zu erstellen oder auf eine gattungsgemäße textbasierte Programmiersprache oder dergleichen zurückzugreifen. Beispielsweise kann ein Video-Tool einen aufwendigen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen und Berechnungen umfassen, die in einer bestimmten Instanz angewendet und spezifisch angepasst werden, indem einige Variablen oder Parameter angepasst werden, welche die Vorgänge und Berechnungen regeln. Zusätzlich zu den grundlegenden Vorgängen und Berechnungen umfasst das Video-Tool die Benutzerschnittstelle, die es dem Benutzer ermöglicht, diese Parameter für eine bestimmte Instanz des Video-Tools einzustellen. Beispielsweise ermöglichen es zahlreiche Maschinensicht-Video-Tools einem Benutzer, eine grafische Angabe eines Interessenbereichs (ROI) durch einfache Vorgänge des „Ziehens eines Ziehpunkts” unter Verwendung einer Maus zu konfigurieren, um die Positionsparameter einer Teilmenge eines Bildes zu definieren, das von den Bildverarbeitungsvorgängen einer bestimmten Instanz eines Video-Tools analysiert werden soll. Es sei zu beachten, dass die sichtbaren Merkmale der Benutzerschnittstelle manchmal als Video-Tool bezeichnet werden, wobei die zugrundeliegenden Vorgänge implizit enthalten sind.
Die Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 der Arbeitstischleuchte 220, der Koaxialleuchte 230 und der Oberflächenleuchte 240 sind jeweils alle an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Die Signalleitung 262 von dem Kamerasystem 260 und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Zusätzlich dazu, dass sie Bilddaten führt, kann die Signalleitung 262 ein Signal von dem Controller 125 führen, dass eine Bilderfassung einleitet.
Eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen 136 (z. B. das Display 16 aus 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 aus 1) kann bzw. können auch an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 und die Eingabevorrichtungen 138 können verwendet werden, um eine Benutzerschnittstelle anzuzeigen, die diverse Merkmale einer grafischen Benutzerschnittstelle (GUI) umfassen kann, die verwendbar sind, um Inspektionsvorgänge vorzunehmen und/oder um Teileprogramme zu erstellen und/oder zu ändern, um die Bilder zu sehen, die von dem Kamerasystem 260 aufgenommen werden, und/oder um den Sichtsystemkomponentenabschnitt 200 direkt zu steuern. Die Anzeigevorrichtungen 136 können Merkmale der Benutzerschnittstelle anzeigen (z. B. wie sie mit dem Autofokus-Video-Tool 143af usw. verknüpft sind).
Bei diversen beispielhaften Umsetzungen, wenn ein Benutzer das maschinelle Sichtinspektionssystem 100 verwendet, um ein Teileprogramm für das Werkstück 20 zu erstellen, generiert der Benutzer Teileprogrammanweisungen, indem er das maschinelle Sichtinspektionssystem 100 in einem Lernmodus betätigt, um eine gewünschte Trainingssequenz für die Bilderfassung bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Trainingssequenz das Positionieren eines bestimmten Werkstückmerkmals eines repräsentativen Werkstücks im Sehfeld (FOV), das Einstellen von Beleuchtungsstufen, das Fokussieren oder Autofokussieren, das Erfassen eines Bildes und das Bereitstellen einer Inspektionstrainingssequenz, die auf das Bild (z. B. unter Verwendung einer Instanz eines der Video-Tools an diesem Werkstückmerkmal) angewendet wird, umfassen. Der Lernmodus funktioniert derart, dass die Sequenz(en) aufgenommen oder aufgezeichnet und in entsprechende Teileprogrammanweisungen konvertiert wird bzw. werden. Diese Anweisungen bewirken, wenn das Teileprogramm ausgeführt wird, dass das maschinelle Sichtinspektionssystem die antrainierte Bilderfassung wiedergibt, und bewirken, dass die Inspektionsvorgänge das bestimmte Werkstückmerkmal (d. h. das entsprechende Merkmal an der entsprechenden Stelle) an einem oder mehreren Werkstücken, das bzw. die mit dem repräsentativen Werkstück, das beim Erstellen des Teileprogramms verwendet wird, übereinstimmt bzw. übereinstimmen, automatisch inspizieren.
3 ist ein schematisches Diagramm eines Bildgebungssystems 300, das an ein präzises kontaktloses Metrologiesystem, wie etwa ein maschinelles Sichtinspektionssystem, angepasst und gemäß den hier offenbarten Grundlagen betätigt werden kann. Das Bildgebungssystem 300 umfasst eine Lichtquelle 330, die konfigurierbar ist, um ein Werkstück 320 (z. B. mit Stroboskop- oder Dauerbeleuchtung) in einem Sehfeld des Bildgebungssystems 300 zu beleuchten, eine Objektivlinse 350, eine Tubuslinse 351, eine Relaislinse 352, eine Linse mit variabler Brennweite (VFL) 370, eine Relaislinse 386 und ein Kamerasystem 360.
Im Betrieb ist die Lichtquelle 330 konfigurierbar, um Ausgangslicht 332 auf einem Weg, der einen Teilspiegel 390 umfasst, und durch die Objektivlinse 350 hindurch auf eine Oberfläche eines Werkstücks 320 zu emittieren, wobei die Objektivlinse 350 Werkstücklicht 355 empfängt, das in einer Fokusposition FP in der Nähe des Werkstücks 320 fokussiert ist, und das Werkstücklicht 355 an die Tubuslinse 351 ausgibt. Bei diversen Umsetzungen kann die Objektivlinse 350 eine austauschbare Objektivlinse sein, und die Tubuslinse 351 kann als Teil einer Revolverlinsenbaugruppe enthalten sein (z. B. ähnlich wie die austauschbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280 aus 2). Bei diversen Umsetzungen kann die Objektivlinse 350, die Tubuslinse 351 oder eine der anderen hier erwähnten Linsen aus einzelnen Linsen, zusammengesetzten Linsen usw. gebildet sein oder in Verbindung damit funktionieren. Die Tubuslinse 351 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaislinse 352 aus.
Die Relaislinse 352 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die VFL-Linse 370 aus. Die VFL-Linse 370 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaislinse 386 aus. Die Relaislinse 386 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an das Kamerasystem 360 aus. Bei diversen Umsetzungen kann das Kamerasystem 360 ein Bild des Werkstücks 320 während einer Bildbelichtungsperiode aufnehmen und kann das Bild für einen Steuersystemabschnitt bereitstellen (z. B. ähnlich wie der Vorgang des Kamerasystems 260 zum Bereitstellen eines Bildes für den Steuersystemabschnitt 120 in 2).
Die VFL-Linse 370 ist elektronisch steuerbar, um die Fokusposition FP des Bildgebungssystems während einer oder mehreren Bildbelichtungen zu variieren. Die Fokusposition FP kann innerhalb eines Bereichs R bewegt werden, der durch eine Fokusposition FP1 und eine Fokusposition FP2 begrenzt ist. Es versteht sich, dass bei diversen Umsetzungen der Bereich R von einem Benutzer ausgewählt werden kann oder sich aus den theoretischen Parametern ergeben kann oder ansonsten automatisch bestimmt werden kann. Im Allgemeinen versteht es sich mit Bezug auf das Beispiel aus 3, dass einige der abgebildeten Dimensionen vielleicht nicht maßstabsgetreu sind. Beispielsweise kann die VFL-Linse 370 andere proportionale Abmessungen als die abgebildeten aufweisen (z. B. kann sie für bestimmte Anwendungen nicht so breit sein und bis zu 50 mm lang oder länger sein, um ein gewünschtes Ausmaß an Linsenwirkung usw. bereitzustellen).
Bei diversen Umsetzungen kann ein maschinelles Sichtinspektionssystem ein Steuersystem (z. B. das Steuersystem 120 aus 2) umfassen, das konfigurierbar ist, um die VFL-Linse 370 zu steuern, damit sie eine Fokusposition des Bildgebungssystems 300 periodisch moduliert. Bei einigen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 die Fokusposition sehr schnell einstellen oder modulieren (z. B. periodisch mit einer Rate von mindestens 300 Hz oder 3 kHz oder 70 kHz oder viel höher). Bei einigen Umsetzungen kann der Bereich R bis zu 10 mm groß sein (für eine 1X-Objektivlinse 350). Bei diversen Umsetzungen wird die VFL-Linse 370 vorteilhaft derart gewählt, dass sie keine makroskopischen mechanischen Einstellungen in dem Bildgebungssystems und/oder keine Einstellung des Abstands zwischen der Objektivlinse 350 und dem Werkstück 320 benötigt, um die Fokusposition FP zu ändern. In diesem Fall kann, wie es in der zuvor übernommenen Patentschrift '980 beschrieben wird, ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe mit einer hohen Rate bereitgestellt werden, und ferner gibt es weder makroskopische Einstellungselemente noch eine damit verbundene Nicht-Wiederholbarkeit der Positionierung, um die Genauigkeit zu verschlechtern, wenn das gleiche Bildgebungssystem verwendet wird, um Inspektionsbilder mit festgelegtem Fokus zu erfassen, die für Präzisionsmessungen (z. B. für Genauigkeiten in einem Größenbereich von einigen Mikrometern oder einigen Zehntelmikrometern oder weniger) und dergleichen verwendet werden können. Wie in der zuvor übernommenen Patentschrift '726 beschrieben, können die Änderungen der Fokusposition FP auch verwendet werden, um schnell einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern in einer Vielzahl von Positionen entlang einer Z-Höhenrichtung in der Nähe des Werkstücks 320 umfasst.
Bei diversen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex („TAG”) sein. Eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex ist eine lichtstarke VFL-Linse, die Schallwellen in einem Fluidmedium verwendet, um eine Fokusposition zu modulieren, und einen Bereich von Brennweiten auf einer Frequenz von mehreren hundert kHz periodisch wobbeln kann. Eine derartige Linse ist aus den Lehren des Artikels „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens" (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008) zu verstehen, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Linsen mit abstimmbarem akustischen Gradientenindex und diesbezügliche steuerbare Signalgeber sind beispielsweise bei TAG Optics, Inc., aus Princeton, New Jersey, erhältlich. Die Linsen der Modellreihe TL2.B.xxx sind beispielsweise zu einer Modulation von bis zu ungefähr 600 KHz fähig.
Die VFL-Linse 370 kann von einem Linsen-Controller 374 angesteuert werden, der ein Signal generieren kann, um die VFL-Linse 370 zu betätigen. Bei einer Ausführungsform kann der Linsen-Controller 374 ein handelsüblicher steuerbarer Signalgeber wie etwa der zuvor erwähnte sein. Bei einigen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 374 von einem Benutzer und/oder einem Betriebsprogramm über die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder die Linsensteuerschnittstelle 134 und/oder eine Benutzerschnittstelle des Modus 134m, die zuvor mit Bezug auf 2 angesprochen wurden, konfiguriert oder gesteuert werden. Bei einigen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 unter Verwendung eines periodischen Signals betätigt werden, so dass die Fokusposition FP im Verlauf der Zeit auf einer hohen Frequenz sinusförmig moduliert wird. Beispielsweise kann bei einigen beispielhaften Umsetzungen eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex für Fokusabtastraten bis zu 400 kHz konfiguriert sein, obwohl es sich versteht, dass langsamere Fokuspositionseinstellungen und/oder Modulationsfrequenzen bei diversen Umsetzungen und/oder Anwendungen erwünscht sein können. Beispielsweise kann bei diversen Umsetzungen eine periodische Modulation von 300 Hz oder 3 kHz oder 70 kHz oder 250 kHz oder dergleichen verwendet werden. Bei Umsetzungen, bei denen langsamere Fokuspositionseinstellungen verwendet werden, kann die VFL-Linse 370 eine steuerbare Fluidlinse oder dergleichen umfassen.
Bei der Umsetzung aus 3 sind die Relaislinsen 352 und 386 und die VFL-Linse 370 bezeichnet, wie sie in einer optischen 4f-Konfiguration enthalten sind, während die Relaislinse 352 und die Tubuslinse 351 bezeichnet sind, wie sie in einer Kepler-Teleskopkonfiguration enthalten sind, und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 sind bezeichnet, wie sie in einer Mikroskopkonfiguration enthalten sind. Alle abgebildeten Konfigurationen sind als rein beispielhaft und mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung nicht einschränkend zu verstehen. Als Teil der Kepler-Teleskopkonfiguration ist eine Brennweite F_TUBE der Tubuslinse 351 abgebildet, wie sie ungefähr äquidistant zu einem Mittelpunkt zwischen den Linsen 351 und 352 ist, sowie es eine Brennweite f der Relaislinse 352 ist. Bei alternativen Umsetzungen kann die Brennweite F_TUBE für die Tubuslinse 351 gestaltet sein, um anders als die Brennweite f der Relaislinse 352 zu sein (die einem der 4f der optischen 4f-Konfiguration entspricht). Bei diversen Umsetzungen, bei denen die Tubuslinse 351 als Teil einer Revolverlinsenbaugruppe enthalten sein kann, kann es für andere Tubuslinsen der Revolverlinsenbaugruppe wünschenswert sein, wenn sie in die Betriebsposition gedreht werden, einen Brennpunkt an der gleichen Stelle aufzuweisen (d. h. um auf den Brennpunkt der Relaislinse 352 zu treffen).
Das Verhältnis der Brennweite F_TUBE zu der Brennweite f kann verwendet werden, um den Durchmesser des kollimierten Strahls von Werkstücklicht 355 aus der Relaislinse 352 relativ zu dem kollimierten Strahl des Werkstücklichts 355, das in die Tubuslinse 351 eingegeben wird, zu ändern. Dies kann verwendet werden, um bei diversen Umsetzungen die Größe der Projektion einer Grenzapertur an der Objektivlinse 350 auf die Stelle der VFL-Linse 370 einzustellen. Das abgebildete 1:1-Verhältnis (d. h. wobei F_TUBE = f) in 3 ist rein beispielhaft und mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung nicht einschränkend. Wie es beispielsweise nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, ist es ganz allgemein wünschenswert, dass die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse 370 mindestens so groß ist wie eine freie Apertur der Objektivlinse, wie sie auf die Stelle der VFL-Linse projiziert wird (d. h. bei diversen Ausführungsformen ist dies eine gewünschte effektive Apertur für die VFL-Linse). Als alternatives Beispiel, falls F_TUBE = 2·f, auf Grund der Projektion der freien Apertur der Objektivlinse auf die VFL-Linse mit einer Reduzierung oder Verkleinerung um die Hälfte, kann die gewünschte effektive Apertur für die VFL-Linse gegenüber einer Konfiguration reduziert werden, bei der E_TUBE = f, und dennoch zulassen, dass die VFL-Linse eine angemessene Anpassung von Feldpunkten außerhalb der Achse bereitstellt; die ansonsten in einer „dicken” VFL-Linse, wie etwa einer TAG-Linse, vignettiert werden oder große Aberrationen erfahren könnte. Es versteht sich ebenfalls mit Bezug auf die kollimierten Strahlen des Werkstücklichts 355, die jeweils in die Tubuslinse 351 eingegeben werden und von der Relaislinse 352 ausgegeben werden, dass bei diversen Umsetzungen diese kollimierten Strahlen zu größeren Weglängen erweitert werden können und/oder Strahlenteiler mit Bezug auf derartige kollimierte Strahlen verwendet werden können, um zusätzliche Lichtwege bereitzustellen (z. B. wie auf verschiedene Kamerasysteme gerichtet usw.).
Bei diversen Umsetzungen ermöglicht die abgebildete optische 4f-Konfiguration die Anordnung der VFL-Linse 370 (die beispielsweise eine Vorrichtung mit geringer numerischer Apertur (NA) sein kann, wie etwa eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex) auf der Fourier-Ebene FPL der Objektivlinse 350. Diese Konfiguration kann die Telezentrizität am Werkstück 320 bewahren und kann eine Maßstabsänderung und Bildverzerrung minimieren (die z. B. das Bereitstellen einer konstanten Vergrößerung für jede Z-Höhe des Werkstücks 320 und/oder Fokusposition FP umfasst). Die Kepler-Teleskopkonfiguration (die z. B. die Tubuslinse 351 und die Relaislinse 352 umfasst) kann zwischen der Mikroskopkonfiguration und der optischen 4f-Konfiguration enthalten und konfiguriert sein, um eine gewünschte Größe der Projektion der freien Apertur der Objektivlinse an der Stelle der VFL-Linse bereitzustellen, um Bildaberrationen usw. zu minimieren, wie zuvor angesprochen.
Es versteht sich, dass bei diversen Umsetzungen gewisse Typen von Dimensionsmessungen eine diffraktionsnahe oder diffraktionsbegrenzte Bildgebung erfordern können. Die in 3 abgebildete Konfiguration reduziert Aberrationen durch Einschränken der Position außerhalb der Achse der Pupille der Objektivlinse 350, die in die VFL-Linse 370 auf der Fourier-Ebene FPL abgebildet wird. Bei dieser Konfiguration kann die radiale Position gehalten werden, um geringer als die radiale Position des ersten Bessel-Rings in dem Brechungsindexprofil der Stehwelle der VFL-Linse 370 (z. B. eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex) auf ihrer niedrigsten Resonanzfrequenz f_R,MIN zu sein. Auf diese Art und Weise überschreitet das Licht aus der Mikroskopkonfiguration (d. h. einschließlich der Objektivlinse 350 und der Tubuslinse 351) nicht die größte freie Apertur CA_VFL,MAX der VFL-Linse 370. Bei einer Konfiguration, bei der das Licht die größte freie Apertur doch überschritten hat, könnte das Licht bei diversen Umsetzungen mit dem Bereich der Stehwelle der VFL-Linse 370, die einen relativen, negativen Brechungsindex aufweisen könnte, der die Aberrationen erhöhen und für präzise Dimensionsmessungen weniger geeignet sein könnte, interagieren.
4 ist ein Diagramm einer Grafik 400, die Mikroskopeigenschaften bezüglich der Vergrößerung abbildet, wenn eine VFL-Linse (wie beispielsweise die VFL-Linse 370 aus 3) auf einer konstanten Resonanzfrequenz (z. B. 70 kHz) betätigt wird. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, besteht ein Problem, das bei einer optischen 4f-Mikroskopkonfiguration (wie beispielsweise in 3 abgebildet) vorkommen kann, dass bei diversen Umsetzungen ein normierter Abtastbereich ΔZ_VFL der optischen 4f-Mikroskopkonfiguration vielleicht nicht konstant ist. D. h. ΔZ_VFL (in DOF) in der Nähe des Objekts kann zum Quadrat der Mikroskopvergrößerung (d. h. 1/NA_OBJ ²) umgekehrt proportional sein, wie durch die folgende Gleichung angegeben: ΔZ_VFL = (NA_TUBE ²/NA_OBJ ²)(nf_R ²/f_VFL,eff) Gl. 1 wobei nf_R ² die Relaislinse 352 betrifft, und f_VFL,eff die Betriebsamplitude A_VFL für die VFL-Linse 370 betrifft.
Bei diversen Umsetzungen kann die Mikroskopkonfiguration einen variabel vergrößernden Linsenabschnitt umfassen (wobei beispielsweise die Objektivlinse 350 austauschbar ist oder eine Zoomlinse, eine Revolverlinse usw. umfasst). Als spezifisches Beispiel kann bei einer Umsetzung ein variabel vergrößernder Linsenabschnitt einen Satz von austauschbaren fest vergrößernden Objektivlinsen umfassen, die verschiedenen Vergrößerungen entsprechen (z. B. 0,5x, 1x, 2x oder 2,5x, 5x, 10x, 20x oder 25x, 50x, 100x usw.), wobei die aktuelle Objektivlinse 350 eine der Linsen sein kann, die aus dem Satz ausgewählt wurde. Bei diversen Umsetzungen können die Objektivlinsen, die verwendet werden, plan-apochromatische (APO) Objektivlinsen sein. Ein Problem bei derartigen Konfigurationen, das vorkommen kann, wie durch Gleichung 1 angeben, besteht darin, dass bei diversen Umsetzungen stärkere Vergrößerungen M_i (d. h. eine höhere NA_OBJ ²) erheblich kleineren normierten Abtastbereichen ΔZ_VFL entsprechen können.
Wie in 4 abgebildet, stellt eine erste Linie 410 Brennweitenbereiche dar (die beispielsweise normierten Abtastbereichen ΔZ_VFL entsprechen), wie sie über der Vergrößerung eingezeichnet sind (wie sie beispielsweise durch einen variabel vergrößernden Linsenabschnitt bestimmt wird, der bei diversen Umsetzungen eine Linseneinstellung oder Linsenauswahl umfassen kann). Für die Linie 410 wird die Vergrößerung (z. B. 1x, 10x usw.) auf der X-Achse angegeben, und die Brennweitenbereiche werden in Anzahlen von Feldschärfen (DOF) gemessen, die auf der Y-Achse angegeben werden. Bei diversen Umsetzungen kann der Brennweitenbereich dem gesamten globalen Brennweitenbereich entsprechen, der alle Linsen und Komponenten des Bildgebungssystems umfasst (z. B. das Bildgebungssystem 300 aus 3). Wie durch die Linie 410 abgebildet, entsprechen für die konstante Resonanzfrequenz (z. B. 70 kHz), auf der die VFL-Linse 370 betätigt wird, gewisse Zunahmen der Vergrößerung gewissen Abnahmen des Brennweitenbereichs. Genauer gesagt wird für die Vergrößerungen von 1x bis 5x der Brennweitenbereich mit ungefähr ±28 DOF gezeigt, wohingegen für die Vergrößerung von 10x der Brennweitenbereich gezeigt wird, wie er sich auf ungefähr ±15 DOF verringert hat, und für die Vergrößerung von 25x der Brennweitenbereich gezeigt wird, wie er sich auf ungefähr ±4 DOF verringert hat, und für die Vergrößerung von 50x der Brennweitenbereich gezeigt wird, wie er sich auf ungefähr ±1,8 DOF verringert hat. Diese erheblichen Abfälle des Brennweitenbereichs für die stärkeren Vergrößerungen führen dazu, dass derartige Konfigurationen für gewisse Präzisionsmessanwendungen weniger geeignet sind.
Bei diversen Umsetzungen können unterschiedliche Ansätze verwendet werden, um zu versuchen, den Brennweitenbereich für stärkere Vergrößerungen zu vergrößern. Beispielsweise kann ein Verfahren zum Variieren des axialen Z-Abtastbereichs für ein abstimmbares Mikroskop darin bestehen, den Strom zum Betätigen der VFL-Linse 370 zu ändern. Ein anderes Verfahren würde darin bestehen, die sinusförmige Piezoamplitude A_VFL zum Betätigen der VFL-Linse 370 zu ändern.
Gleichung 1 gibt jedoch an, dass diese Ansätze an sich für gewisse Anwendungen unzureichend sein können (beispielsweise kann für die zuvor beschriebene beispielhafte Umsetzung ein Faktor einer 25x optischen Leistung notwendig sein, um den gesamten Satz von Vergrößerungen zu verwenden, der für den variabel vergrößernden Linsenabschnitt von 1x bis 50x reicht).
Mit Bezug auf die Verwendung der Objektivlinsen in einer Konfiguration wie etwa derjenigen, die in 3 abgebildet ist, nimmt die freie Apertur CA ebenfalls ab (z. B. in dem Maße wie eine stärker vergrößernde Objektivlinse ausgewählt wird), wie es die folgende Gleichung angibt: CA_OBJ = 2·EFL_OBJ·NA_OBJ Gl. 2
Dies ist ferner in 4 mit Bezug auf eine zweite Linie 420 abgebildet, welche die gewünschte effektive Apertur (DEA) für eine VFL-Linse 370 darstellt, die über der Vergrößerung eingezeichnet ist. Für die Linie 420 wird die Vergrößerung (z. B. 1x, 10x usw.) auf der X-Achse angegeben, und die DEA wird in Millimetern gemessen, die auf der Y-Achse angegeben sind. Es versteht sich, dass die Linien 410 und 420 somit mit Bezug auf verschiedene Typen von Einheiten auf der Y-Achse eingezeichnet sind (z. B. Anzahl von Tiefenschärfen oder Millimeter) und nur zum Zweck der Erläuterung der diversen Effekte, die auftreten, wenn die Vergrößerung zunimmt, in der gleichen Grafik bereitgestellt werden. Mit Bezug auf die Linie 420 können die abgebildeten DEAs für die VFL-Linse 370 der Konfiguration aus 3 einer systemeinschränkenden Apertur, die auf die Stelle der VFL-Linse 370 projiziert wird, bezüglich der freien Apertur CA der ausgewählten Objektivlinse 350 entsprechen, wie zuvor mit Bezug auf Gleichung 2 beschrieben. Genauer gesagt kann dies einer Messpunktfläche eines afokalen Strahls (z. B. für Feldpunkte auf der Achse und maximale Feldpunkte außerhalb der Achse) der Pupille der Objektivlinse 350 am Eingang zur Relaislinse 352 neben der VFL-Linse 370 gesehen entsprechen. Die Messpunktfläche folgt der freien Apertur CA_OBJ der Objektivlinse multipliziert mit einem Skalierungsfaktor, und wenn sie eingehalten wird, vermeidet sie eine Vignettierung innerhalb der VFL-Linse 370. Dies ist wünschenswert, so dass die Fähigkeiten einer relativ kostspieligen starken Vergrößerung und von Linsen mit großer NA (z. B. Objektivlinsen) nicht vergeudet werden, indem die Strahlen mit „großer NA” des sich ergebenen Bildlichts in der VFL-Linse maskiert werden. Bei diversen Umsetzungen kann eine Grenzapertur absichtlich durch eine spezifische Konfiguration oder Komponente definiert sein (z. B. ein Plättchen, das an oder in der Nähe der Linsen auf dem Lichtweg enthalten ist), um sicherzustellen, dass nur ein begrenzter Abschnitt der entsprechenden Linsen verwendet wird (z. B. um eine Verwendung der äußeren Abschnitte der Linsen zu vermeiden, die diverse Verzerrungsstufen usw. erzeugen können).
Wie ferner in 4 abgebildet, stellt eine dritte Linie 430 die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse 370 dar, die über der Vergrößerung eingezeichnet ist. Bei diversen Umsetzungen kann für gewisse Typen von VFL-Linsen 370 (z. B. Linsen mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex, die in manchen Fällen relativ lang und schmal sein und Schallwellen in einem Fluidmedium verwenden können), die effektive Apertur den Durchmesser des Lichtwegs durch die VFL-Linse 370 darstellen. Für die Linie 430 wird die Vergrößerung (z. B. 1x, 10x usw.) auf der X-Achse angegeben, und die tatsächliche effektive Apertur wird in Millimetern gemessen, die auf der Y-Achse angegeben sind. Die Linie 430 erläutert, dass die tatsächliche effektive Apertur relativ konstant bleibt (z. B. auf ungefähr 11 mm), wie es der konstanten Amplitude und Frequenz (d. h. 70 kHz), die für die Betätigung der VFL-Linse 370 verwendet werden, entspricht. Die Unterschiede zwischen den Linien 420 und 430 geben an, dass da stärker vergrößernde Linsen (z. B. Objektivlinsen) freie Aperturen mit kleinerem Durchmesser aufweisen können, ein geringerer Anteil des Aperturdurchmessers der VFL-Linse 370, der bei der konstanten Betriebsamplitude und Frequenz (d. h. 70 kHz) verfügbar ist, notwendig ist, wenn die Vergrößerung des Mikroskops zunimmt. Die hier offenbarten Grundlagen nutzen dies aus, um eine Einstellung an der VFL-Linse vorzunehmen, welche die Einheitlichkeit des Brennweitenbereichs verbessern kann. Genauer gesagt, wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, können gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung bei stärkeren Vergrößerungen höhere Frequenzen für die VFL-Linse 370 verwendet werden, um einen einheitlicheren Brennweitenbereich zu behalten.
5 ist ein Diagramm einer Grafik 500, welche die VFL-Linsenleistung über der Resonanzfrequenz abbildet. Eine Linie 510 stellt die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse 370 dar, die über der Resonanzfrequenz zum Betätigen der VFL-Linse 370 eingezeichnet ist. Für die Linie 510 wird die Frequenz in kHz auf der X-Achse angegeben, und die tatsächliche effektive Apertur wird in Millimetern gemessen, die auf der Y-Achse angegeben sind (gemäß dem Maßstab auf der linken Seite der Grafik 500). Bei einer Umsetzung kann die tatsächliche effektive Apertur als der ersten Bessel-Ringposition oder der freien Apertur der VFL-Linse 370 entsprechend bezeichnet sein. Die Linie 510 bildet ab, wie die tatsächliche effektive Apertur abnimmt, wenn die Resonanzfrequenz zunimmt. Genauer gesagt wird die tatsächliche effektive Apertur gezeigt, wie sie über einen Bereich hinweg, der für die Betriebsfrequenz von 70 kHz (d. h. der Frequenz, die in der Grafik aus 4 verwendet wird) bei ungefähr 11 mm beginnt, auf der Betriebsfrequenz von ungefähr 370 kHz auf ungefähr 2 mm abfällt. Bei diversen Umsetzungen kann eine minimale tatsächliche effektive Apertur CA_VFL der VFL-Linse 370 hergeleitet werden, die einer maximalen Betriebsfrequenz f_R,MAX' entspricht, oberhalb der bestimmt werden kann, dass die Bildqualität negativ beeinflusst wird. Beispielsweise gemäß dem Beispiel aus 5 beträgt die maximale Betriebsfrequenz f_R,MAX 250 kHz für eine minimale tatsächliche effektive Apertur CA_VFL von ungefähr 3 mm.
Wie ferner in 5 abgebildet, stellt eine zweite Linie 520 eine relative optische Leistung für eine VFL-Linse 370 dar, die über der Resonanzfrequenz zum Betätigen der VFL-Linse 370 eingezeichnet ist. Für die Linie 520 wird die Frequenz in kHz auf der X-Achse angegeben, und die relative optische Leistung wird als Vielfache der optischen Leistung auf 70 kHz gemessen, die auf der Y-Achse angegeben sind (gemäß dem Maßstab auf der rechten Seite der Grafik 500). Es versteht sich, dass die Linien 510 und 520 somit mit Bezug auf verschiedene Typen von Einheiten auf der Y-Achse eingezeichnet sind (z. B. Millimeter über Vielfache optischer Leistung), und nur in der gleichen Grafik zum Zweck der Erläuterung der diversen Effekte bereitgestellt werden, die vorkommen, wenn die Frequenz zunimmt. Mit Bezug auf die Linie 520 wird gezeigt, dass die relative optische Leistung zunimmt, wenn die Frequenz zunimmt. Genauer gesagt wird gezeigt, dass die relative optische Leistung über einen Bereich hinweg, der mit einem Wert 1 auf der Betriebsfrequenz von 70 kHz beginnt, bis auf einen Wert von ungefähr 25 auf der Betriebsfrequenz von ungefähr 370 kHz zunimmt. Wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, können gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung die höheren Niveaus der optischen Leistung, die auf den höheren Betriebsresonanzfrequenzen verfügbar sind, verwendet werden, um einen einheitlicheren Brennweitenbereich zu bewahren, wenn die Vergrößerung des variabel vergrößernden Linsenabschnitts zunimmt.
6 ist ein Diagramm einer Grafik 600, die Mikroskopeigenschaften bezüglich der Vergrößerung abbildet, wenn eine VFL-Linse auf verschiedenen Resonanzfrequenzen betätigt wird, die verschiedenen Vergrößerungen entsprechen. Die Grafik 600 umfasst die Linien 610, 620 und 630, die mit den Linien 410, 420 und 430 aus 4 vergleichbar sind und die mit Bezug auf die gleichen Einheiten eingezeichnet sind. Genauer gesagt stellt die Linie 610 Brennweitenbereiche (die beispielsweise normierten Abtastbereichen ΔZ_VFL entsprechen) über der Vergrößerung eingezeichnet dar, die Linie 620 stellt die gewünschte effektive Apertur (DEA) für die VFL-Linse über der Vergrößerung eingezeichnet dar, und die Linie 630 stellt die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse 370 über der Vergrößerung eingezeichnet dar. Wie in 6 angegeben, wird für die Vergrößerungen von 1x, 2,5x und 5x die Betriebsfrequenz auf den gleichen 70 kHz gehalten, die bei der Umsetzung aus 4 verwendet wurden (für die der Brennweitenbereich über diesen Vergrößerungsbereich hinweg bei ungefähr ±28 DOF relativ konstant war).
Für die Vergrößerung von 10x wurde gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung die Betriebsfrequenz für die VFL-Linse auf 99 kHz erhöht. Gemäß den in 5 angegebenen Werten entspricht die Betriebsfrequenz von 99 kHz einer tatsächlichen effektiven Apertur für die VFL-Linse von ungefähr 8 mm und einer relativen optischen Leistung von ungefähr 2,5mal die optische Leistung bei 70 kHz. Wie in 6 gezeigt, gibt die Linie 630 somit an, dass die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse auf den Wert von ungefähr 8 mm reduziert wurde, was ähnlich ist wie der entsprechende Wert, der von der Linie 620 für die gewünschte effektive Apertur (DEA) bei der Vergrößerung von 10x angegeben wird. Genauer gesagt wurde für die Vergrößerung von 10x die Betriebsfrequenz für die VFL-Linse auf ein Niveau erhöht (d. h. 99 kHz), auf dem die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse besser mit der gewünschten effektiven Apertur (DEA) übereinstimmt, die, wie zuvor mit Bezug auf 4 beschrieben, eine Systemgrenzapertur darstellt, wie sie auf die Stelle der VFL-Linse projiziert wird. Als weiteres Ergebnis der Erhöhung der Betriebsfrequenz auf 99 kHz und der entsprechenden Erhöhung der relativen optischen Leistung gibt die Linie 610 an, dass der Brennweitenbereich nahezu auf dem gleichen Niveau (z. B. etwas über den ungefähr ±28 DOF) für die Vergrößerung von 10x gehalten wurde.
Für die Vergrößerung von 25x wurde die Betriebsfrequenz für die VFL-Linse auf 189 kHz erhöht. Gemäß den Werten, die in 5 angegeben werden, entspricht die Betriebsfrequenz von 189 kHz einer tatsächlichen effektiven Apertur für die VFL-Linse von ungefähr 4 mm und einer relativen optischen Leistung von ungefähr 7mal die optische Leistung bei 70 kHz. Wie in 6 gezeigt, gibt die Linie 630 somit an, dass die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse auf den Wert von ungefähr 4 mm reduziert wurde, der ähnlich ist wie der entsprechende Wert, der von der Linie 620 für die gewünschte effektive Apertur (DEA) auf der Vergrößerung von 25x angegeben wurde. Als weiteres Ergebnis der Erhöhung der Betriebsfrequenz auf 189 kHz und der entsprechenden Erhöhung der relativen optischen Leistung gibt die Linie 610 an, dass der Brennweitenbereich nahezu auf dem gleichen Niveau (z. B. etwas über den ungefähr ±28 DOF) für die Vergrößerung von 25x gehalten wurde.
Für die Vergrößerung von 50x wurde die Betriebsfrequenz für die VFL-Linse auf 250 kHz erhöht. Gemäß den in 5 angegebenen Werten entspricht die Betriebsfrequenz von 250 kHz einer tatsächlichen effektiven Apertur für die VFL-Linse von ungefähr 3 mm und einer relativen optischen Leistung von ungefähr 12mal die optische Leistung bei 70 kHz. Wie in 6 gezeigt, gibt die Linie 630 somit an, dass die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse auf den Wert von ungefähr 3 mm reduziert wurde, der ähnlich wie der entsprechende Wert ist, der durch die Linie 620 für die gewünschte effektive Apertur (DEA) bei der Vergrößerung von 50x angegeben wird. Als weiteres Ergebnis der Erhöhung der Betriebsfrequenz auf 250 kHz und der entsprechenden Erhöhung der relativen optischen Leistung gibt die Linie 610 an, dass der Brennweitenbereich nahezu auf dem gleichen Niveau (z. B. etwas unter den ungefähr ±28 DOF) für die Vergrößerung von 50x gehalten wurde, wie es für den unteren Vergrößerungsbereich angegeben wurde.
Gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung ist ersichtlich, dass durch Anpassen der Betriebsfrequenz für die VFL-Linse an höhere Frequenzen für die stärkeren Vergrößerungen der Mikroskopkonfiguration der Brennweitenbereich auf einem einheitlicheren Niveau gehalten werden kann. Genauer gesagt wird, wie in 6 angegeben, durch Betätigen der VFL-Linse auf den Frequenzen von 99 kHz, 189 kHz und 250 kHz jeweils für die Vergrößerungen von 10x, 25x und 50x der Brennweitenbereich auf einem ähnlichen Niveau gehalten (d. h. ungefähr ±28 DOF), wie es für die schwächeren Vergrößerungen im Bereich zwischen 1x und 5x zur Verfügung stand. Derartige Konfigurationen ermöglichen eine Betätigung über einen gewissen Vergrößerungsbereich hinweg und erreichen dennoch einen nützlichen Brennweitenbereich bei den verschiedenen Vergrößerungen. Beispielsweise kann ein variabel vergrößernder Linsenabschnitt als Teil des Bildgebungssystems aus 3 enthalten sein, für den ein Satz von austauschbaren fest vergrößernden Objektivlinsen, der verschiedenen Vergrößerungen (z. B. 0,5x, 1x, 2x oder 2,5x, 5x, 10x, 20x oder 25x, 50x, 100x usw.) entspricht, verwendet werden kann, und für den die VFL-Linse auf einer Frequenz betätigt werden kann, die gemäß der Objektivlinse bestimmt wird, die aus dem Satz ausgewählt wurde. Bei diversen Umsetzungen können diese Sätze von Objektivlinsen als eine Linse mit der geringsten Vergrößerung (z. B. 0,5x oder 1x), eine Linse mit der stärksten Vergrößerung (z. B. 50x oder 100x) und eine Vielzahl von Linsen mit dazwischenliegenden Vergrößerungen (z. B. 2,5x, 5x, 10x, 25x) umfassend bezeichnet werden.
Gemäß den zuvor beschriebenen beispielhaften Werten in 6 ist ersichtlich, dass der Lichtweg derart konfiguriert ist, dass wenn das Bildgebungssystem unter Verwendung eines bezeichneten ersten Vergrößerungszustands betätigt wird, ein zentraler Durchmesser der VFL-Linse, die für die Bildgebung verwendet wird, ein erster Bildgebungsdurchmesser sein kann (der beispielsweise der tatsächlichen effektiven Apertur entspricht), der mindestens 4,0 mm beträgt (was beispielsweise einem Vergrößerungszustand von 25x oder weniger entspricht), oder ein erster Bildgebungsdurchmesser sein kann, der mindestens 8,0 mm beträgt (der beispielsweise einem Vergrößerungszustand von 10x oder weniger entspricht). Wenn zudem ein zweiter Vergrößerungszustand bezeichnet wird (der beispielsweise einer stärkeren Vergrößerung als dem ersten Vergrößerungszustand entspricht), kann der zentrale Durchmesser der VFL-Linse, die für die Bildgebung verwendet wird, ein zweiter Bildgebungsdurchmesser sein, der kleiner als der erste Bildgebungsdurchmesser ist (z. B. wird in dem Maße wie die Vergrößerungen zunehmen, die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse gemäß den höheren Betriebsfrequenzen verringert).
Ferner ist der Lichtweg derart konfiguriert, dass der zentrale Durchmesser der VFL-Linse, die zur Bildgebung verwendet wird, nicht die Grenzapertur des Bildgebungssystems für die ersten oder zweiten Vergrößerungszustände ist. Beispielsweise gemäß den angegebenen Werten aus 6 (wie sie beispielsweise der abgebildeten Konfiguration aus 3 entsprechen) ist die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse ungefähr die gleiche wie die gewünschte effektive Apertur und ist somit nicht die Grenzapertur des Bildgebungssystems. Wie zuvor mit Bezug auf 3 beschrieben, kann bei anderen Umsetzungen das Verhältnis der Brennweite F_TUBE zu der Brennweite f anders als 1:1 gestaltet werden (z. B. 2:1), wofür die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse 370 nicht mindestens so groß wie eine freie Apertur der Objektivlinse sein muss (d. h. die einer gewünschten effektiven Apertur für die VFL-Linse entspricht). Bei diesen Umsetzungen kann das System gemäß dem entsprechenden Verhältnis der Brennweite F_TUBE zu der Brennweite f konfiguriert sein, so dass die tatsächliche effektive Apertur für die VFL-Linse nicht die Grenzapertur des Bildgebungssystems ist.
Bei diversen Umsetzungen kann eine Grenzapertur absichtlich durch eine spezifische Konfiguration oder Komponente definiert sein (z. B. ein Plättchen mit einer Apertur spezifischer Größe, das an oder in der Nähe einer der Linsen auf dem Lichtweg enthalten ist), um sicherzustellen, dass nur ein gewünschter Abschnitt der entsprechenden Linsen verwendet wird (z. B. um eine Verwendung der äußeren Abschnitte der Linsen zu vermeiden, die diverse Verzerrungsniveaus erzeugen können, usw.). Im Allgemeinen kann es unerwünscht sein, dass die tatsächliche effektive Apertur der VFL-Linse 370 die Grenzapertur ist, indem je nach der Konfiguration die tatsächliche effektive Apertur der VFL-Linse 370 ansonsten zu erheblichen Reduzierungen der Bildgebungsfähigkeiten des Systems führen kann (z. B. wie durch die Reduzierung des Brennweitenbereichs in 4 erläutert). Diese Reduzierungen können einer geringeren Verwendung des verwendbaren Bereichs der Linsen in dem variabel vergrößernden Linsenabschnitt entsprechen (wie beispielsweise stärker vergrößernde Objektivlinsen, die relativ kostspielig sein können und für die eine Verwendung eines möglichst großen Anteils des verwendbaren Bereichs erwünscht sein kann).
Wenn das Bildgebungssystem gemäß den Werten, die in 6 angegeben sind, konfiguriert wird, kann die Lichtquelle (z. B. die Lichtquelle 330 aus 3) bei diversen Umsetzungen mit einem Impulsmodus ausgelegt sein, der gestaltet ist, um die Betriebsfrequenz von 250 kHz der VFL-Linse zu handhaben, und der somit 3,6mal schneller als ein ähnlicher Impulsmodus für eine Betriebsfrequenz von 70 kHz sein kann (d. h. 250 kHz/70 kHz = 3,6). Bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung können zum Erzielen von Bildern, die einer Abtastung mit einer Schärfentiefe (DOF) von 1/5 für Punkte-vom-Fokus-(PFF)Vorgänge entspricht, die LEDs, die für die Lichtquelle 330 verwendet werden, mit 35 ns (30 MHz) gepulst werden, um eine Betriebsfrequenz von 250 kHz zu handhaben (z. B. im Vergleich zum Pulsen auf 125 ns zum Handhaben einer Betriebsfrequenz von 70 kHz). Ähnlich kann ein LED-Treiber, der für die PFF-Abtastung verwendet wird, konfiguriert sein, um 3,6mal schneller zu funktionieren, um die Betriebsfrequenz von 250 kHz zu handhaben, im Vergleich zu einem Treiber zum Handhaben der Betriebsfrequenz von 70 kHz (für den beispielsweise bei einer spezifischen beispielhaften Umsetzung t_RISE ~250 ns). Bei diversen Umsetzungen können diese Geschwindigkeiten für die Lichtquelle zum Handhaben der Betriebsfrequenz von 250 kHz auch unter Verwendung von anderen Technologien als LEDs erreicht werden (z. B. Laserquellen, wie etwa Super-Continuum-, Ti:Saphir-, InGaN-Laserdiode usw.), die eher zum Betrieb auf diesen höheren Geschwindigkeiten konfiguriert sein können.
Bei diversen Umsetzungen kann es zusätzlich zu dem Betätigen der VFL-Linse auf verschiedenen Frequenzen je nach dem Vergrößerungsniveau des Mikroskopabschnitts auch wünschenswert sein, die Teleskopkonfiguration gemäß gewissen zusätzlichen Konstruktionsprinzipien zu konfigurieren. Beispielsweise bei einer Konfiguration, bei der ein Satz von austauschbaren Objektivlinsen als Teil des variabel vergrößernden Linsenabschnitts verwendet wird, kann es wünschenswert sein, die Teleskopoptik zu konfigurieren, damit sie die Objektivlinse mit dem größten Pupillendurchmesser (d. h. der dem geringsten Vergrößerungsniveau M_i entspricht) und dem größten Feldpunkt außerhalb der Achse für ein Detektorformat spezifischer Größe (z. B. 1/2'', 1/3'' usw.) aufnimmt. Bei den obigen Beispielen, bei denen ein Satz von Objektivlinsen einen Bereich von Vergrößerungsniveaus M_i von 1x bis 50x umfasst, würde dies eine Konfiguration der Teleskopoptik gemäß der Aufnahme der geringsten Vergrößerung (die beispielsweise der 1x-Linse entspricht) bedeuten. Wenn die Teleskopoptik derart konfiguriert wird, werden auch alle anderen Objektivlinsen in dem Satz automatisch aufgenommen, es wird eine hohe Bildqualität über den gesamten Satz von Objektivlinsen hin bewahrt, und es ergibt sich ein Brennweitenbereich mit annehmbarer absoluter Basislinie. Wie zuvor mit Bezug auf Gleichung 2 beschrieben, kann eine derartige Konfiguration alleine eine unzureichende optische Leistung P_VFL,i aufweisen, um einen konstanten Brennweitenbereich zu ergeben (der beispielsweise einem konstanten Abtastbereich ΔZ_VFL entspricht), obwohl durch die Betätigung der VFL-Linse auf verschiedenen Frequenzen gemäß den Grundlagen der vorliegenden Offenbarung ein einheitlicherer Brennweitenbereich in einem derartigen System erzeugt wird und auch Bildaberrationen minimiert werden.
7 ist ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine 700 zum Betätigen eines Bildgebungssystems abbildet, das eine VFL-Linse umfasst. In einem Block 710 erfolgt eine Bestimmung, dass sich ein variabel vergrößernder Linsenabschnitt des Bildgebungssystems in einem ersten Vergrößerungszustand befindet, der eine erste Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt. Wie zuvor mit Bezug auf 1 bis 3 beschrieben, kann das Bildgebungssystem einen Linsenabschnitt mit variabler Brennweite umfassen, der eine VFL-Linse (z. B. die VFL-Linse 370) umfasst, die eine periodisch modulierte Brennweite bereitstellt, die auf einer ersten oder zweiten Frequenz moduliert werden kann, die jeweils eine Vielzahl von Modulationsperioden während einer Bildbelichtungsperiode, die von dem Bildgebungssystem verwendet wird und für welche die erste Frequenz anders als die zweite Frequenz ist, bereitstellen. In einem Block 720 wird der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite auf der ersten Frequenz und mit einer ersten Modulationsamplitude betätigt, um einen ersten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der VFL-Linse als Reaktion auf die Bestimmung bereitzustellen, dass sich der variabel vergrößernde Linsenabschnitt in dem ersten Vergrößerungszustand befindet. Der erste Bereich kann einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des ersten Vergrößerungszustands entsprechen.
In einem Block 730 erfolgt eine Bestimmung, dass der variabel vergrößernde Linsenabschnitt in einen zweiten Vergrößerungszustand gewechselt hat, der eine zweite Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, die anders als die erste Vergrößerung ist. In einem Block 740 wird der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite auf der zweiten Frequenz und mit einer zweiten Modulationsamplitude betätigt, um einen zweiten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der VFL-Linse als Reaktion auf die Bestimmung bereitzustellen, dass der variabel vergrößernde Linsenabschnitt in den zweiten Vergrößerungszustand gewechselt hat. Der zweite Bereich kann größer als der erste Bereich sein und kann einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des zweiten Vergrößerungszustands entsprechen.
Bei diversen Umsetzungen kann eine Bestimmung, ob ein erster oder zweiter Vergrößerungszustand ausgewählt wurde (wie er beispielsweise einer Auswahl aus einem Satz von Objektivlinsen, die von 1x bis 50x reichen, entspricht), der in dem variabel vergrößernden Linsenabschnitt verwendet werden soll, gemäß verschiedenartigen Bestimmungsverfahren erfolgen. Beispielsweise kann eine Eingabe empfangen werden, die einer Benutzerauswahl einer der fest vergrößernden Linsen entspricht, wie etwa wenn ein Benutzer eine Objektivlinse physisch auswählt oder die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 aus 2 verwendet, um eine Objektivlinse auszuwählen. Als anderes Beispiel kann ein Anzeiger, wie er mit einer der fest vergrößernden Linsen verknüpft ist, elektronisch erfasst werden (z. B. unter Verwendung einer Optik, Abtastung, RFID usw.), wenn die fest vergrößernde Linse in eine Position bewegt wird, um in dem variabel vergrößernden Linsenabschnitt verwendet zu werden. Als anderes Beispiel kann eine Vergrößerung des Bildgebungssystems bewertet werden, nachdem die fest vergrößernde Linse an Ort und Stelle gebracht wurde, um in dem variabel vergrößernden Linsenabschnitt verwendet zu werden.
Obwohl bevorzugte Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden, werden für den Fachmann zahlreiche Variationen der abgebildeten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Sequenzen von Vorgängen basierend auf dieser Offenbarung ersichtlich sein. Diverse alternative Formen können verwendet werden, um die hier offenbarten Grundlagen umzusetzen. Zudem können die zuvor beschriebenen diversen Umsetzungen kombiniert werden, um weitere Umsetzungen bereitzustellen. Alle US-Patente und US-Patentanmeldungen, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, werden hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen. Gewisse Aspekte der Umsetzungen können gegebenenfalls geändert werden, um die Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen zu verwenden, um noch andere Umsetzungen bereitzustellen.
Diese und andere Änderungen können an den Umsetzungen angesichts der zuvor angegebenen Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den nachstehenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die spezifischen Umsetzungen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, einschränkend auszulegen, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Umsetzungen zusammen mit dem gesamten Umfang von Äquivalenten zu umfassen, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6542180 [0003]
US 7454053 [0018]
US 7324682 [0018]
US 8111905 [0018]
US 8111938 [0018]
US 2015/0145980 [0024, 0034]
US 2014/0368726 [0025, 0034]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide”, veröffentlicht im Januar 2003 [0002]
„QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide”, veröffentlicht im September 1996 [0002]
Artikels „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008) [0035]

Claims

Bildgebungssystem, umfassend: eine lichtstarke Linse mit variabler Brennweite; einen Lichtweg, der Folgendes umfasst: einen variabel vergrößernden Linsenabschnitt, der zwischen einem ersten Vergrößerungszustand, der eine relativ schwächere Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, und einem zweiten Vergrößerungszustand, der eine relativ stärkere Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, geändert werden kann; und einen Linsenabschnitt mit variabler Brennweite, der eine Linse mit variabler Brennweite umfasst, die eine periodisch modulierte Brennweite bereitstellt, die auf einer ersten oder zweiten Frequenz moduliert werden kann, die jeweils eine Vielzahl von Modulationsperioden während einer Bildbelichtungsperiode bereitstellen, die von dem Bildgebungssystem verwendet wird; wobei der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite konfiguriert ist, um auf der ersten Frequenz und mit einer ersten Modulationsamplitude betätigt zu werden, um einen ersten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der Linse mit variabler Brennweite bereitzustellen, während das Bildgebungssystem unter Verwendung des ersten Vergrößerungszustands betätigt wird und der erste Bereich einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des ersten Vergrößerungszustands entspricht, und der Linsenabschnitt mit variabler Brennweite konfiguriert ist, um auf der zweiten Frequenz und mit einer zweiten Modulationsamplitude betätigt zu werden, um einen zweiten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der Linse mit variabler Brennweite bereitzustellen, während das Bildgebungssystem unter Verwendung des zweiten Vergrößerungszustands betätigt wird und der zweite Bereich größer als der erste Bereich ist und der zweite Bereich einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des zweiten Vergrößerungszustands entspricht.
System nach Anspruch 1, wobei der Lichtweg derart konfiguriert ist, dass wenn das Bildgebungssystem unter Verwendung des ersten Vergrößerungszustands betätigt wird, ein zentraler Durchmesser der Linse mit variabler Brennweite, der für die Bildgebung verwendet wird, ein erster Bildgebungsdurchmesser ist, der mindestens 4,0 Millimeter beträgt.
System nach Anspruch 2, wobei der erste Bildgebungsdurchmesser mindestens 8,0 Millimeter beträgt.
System nach Anspruch 2, wobei der Lichtweg derart konfiguriert ist, dass wenn das Bildgebungssystem unter Verwendung des zweiten Vergrößerungszustands betätigt wird, ein zentraler Durchmesser der Linse mit variabler Brennweite, der für die Bildgebung verwendet wird, ein zweiter Bildgebungsdurchmesser ist, der kleiner als der erste Bildgebungsdurchmesser ist.
System nach Anspruch 4, wobei der Lichtweg derart konfiguriert ist, dass der zentrale Durchmesser der Linse mit variabler Brennweite, der für die Bildgebung verwendet wird, keine Grenzapertur des Bildgebungssystems für die ersten oder zweiten Vergrößerungszustände ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Linse mit variabler Brennweite eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex ist.
System nach Anspruch 1, wobei der variabel vergrößernde Linsenabschnitt eine erste fest vergrößernde Linse, die verwendet wird, um den ersten Vergrößerungszustand bereitzustellen, und eine zweite fest vergrößernde Linse, die verwendet wird, um den zweiten Vergrößerungszustand bereitzustellen, umfasst.
System nach Anspruch 7, wobei die ersten und zweiten fest vergrößernden Linsen mindestens entweder: jeweils aus einem Satz von fest vergrößernden Linsen des variabel vergrößernden Linsenabschnitts ausgewählt werden, wobei der Satz von fest vergrößernden Linsen eine Linse mit der schwächsten Vergrößerung, die der schwächsten Vergrößerung des Satzes entspricht, eine Linse mit der stärksten Vergrößerung, die der stärksten Vergrößerung des Satzes entspricht, und eine Vielzahl von Linsen mit dazwischenliegenden Vergrößerungen, die jeweils einer jeweiligen dazwischenliegenden Vergrößerung entsprechen, die jeweils zwischen den schwächsten und stärksten Vergrößerungen liegen, umfasst; oder jeweils jeweiligen Vergrößerungen von mindestens einer von 0,5X, 1x, 2x, 2,5x, 5x, 10x, 20x, 25x, 50x oder 100x entsprechen; oder jeweils jeweiligen Vergrößerungen entsprechen, die sich voneinander unterscheiden, so dass die entsprechende Vergrößerung für eine mindestens 10mal die entsprechende Vergrößerung für die andere ist.
Verfahren zum Betätigen eines Bildgebungssystems, das in einem präzisen kontaktlosen Metrologiesystem verwendet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Lichtwegs für das Bildgebungssystem, wobei der Lichtweg Folgendes umfasst: ein variabel vergrößernden Linsenabschnitt, der zwischen einem ersten Vergrößerungszustand, der eine relativ schwächere Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, und einem zweiten Vergrößerungszustand, der eine relativ stärkere Vergrößerung für das Bildgebungssystem bereitstellt, geändert werden kann; und einen Linsenabschnitt mit variabler Brennweite, der eine Linse mit variabler Brennweite umfasst, die eine periodisch modulierte Brennweite bereitstellt, die auf einer ersten oder zweiten Frequenz moduliert werden kann, die jeweils eine Vielzahl von Modulationsperioden während einer Bildbelichtungsperiode, die von dem Bildgebungssystem verwendet wird, bereitstellen, wobei die erste Frequenz anders als die zweite Frequenz ist; Betätigen des Linsenabschnitts mit variabler Brennweite auf der ersten Frequenz und mit einer ersten Modulationsamplitude, um einen ersten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der Linse mit variabler Brennweite bereitzustellen, während das Bildgebungssystem unter Verwendung des ersten Vergrößerungszustands betätigt wird, wobei der erste Bereich einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des ersten Vergrößerungszustands entspricht, und Betätigen des Linsenabschnitts mit variabler Brennweite auf der zweiten Frequenz und mit einer zweiten Modulationsamplitude, um einen zweiten Bereich für die periodisch modulierte Brennweite der Linse mit variabler Brennweite bereitzustellen, während das Bildgebungssystem unter Verwendung des zweiten Vergrößerungszustands betätigt wird, wobei der zweite Bereich größer als der erste Bereich ist und einem Brennweitenbereich des Bildgebungssystems während des zweiten Vergrößerungszustands entspricht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Lichtweg derart konfiguriert ist, dass wenn das Bildgebungssystem unter Verwendung des ersten Vergrößerungszustands betätigt wird, ein zentraler Durchmesser der Linse mit variabler Brennweite, die für die Bildgebung verwendet wird, ein erster Bildgebungsdurchmesser ist, der mindestens 4,0 Millimeter beträgt; und wenn das Bildgebungssystem unter Verwendung des zweiten Vergrößerungszustands betätigt wird, der zentrale Durchmesser der Linse mit variabler Brennweite, die für die Bildgebung verwendet wird, ein zweiter Bildgebungsdurchmesser ist, der kleiner als der erste Bildgebungsdurchmesser ist.