JP2017021025A - 倍率調整可能光学システムにおける可変焦点距離レンズの適応的な動作周波数の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精密マシンビジョン検査又は計測システムのための撮像システムを提供する。
【解決手段】この撮像システムの光路は、可変倍率レンズ部と可変焦点距離レンズ部を含む。可変倍率レンズ部は様々な倍率状態を含む（例えば０．５倍から１００倍まで、交換可能レンズ等を用いる）。可変焦点距離レンズ部（例えば可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ」）レンズを含む）は、倍率状態に応じて異なる焦点距離走査周波数で動作する。このように動作するＴＡＧレンズは、撮像システムの有効開口径を制限することなく、様々な倍率のレンズに（例えば被写界深度の数値に対応した）比較的一貫した焦点範囲を与える。
【選択図】図１

Description

本開示は精密計測に関し、より具体的にはマシンビジョン検査システム等の倍率調整可能光学システムに関する。

精密マシンビジョン検査システム（又は短縮して「ビジョンシステム」）等の精密非接触計測システムにおいて、倍率調整可能光学システムを利用することがある。このようなビジョンシステムは、物体の精密な寸法測定値を得ると共に他の様々な物体の特徴を検査するために使用可能であり、コンピュータと、カメラ及び光学システムと、ワークピースの走査及び検査を可能とするために移動する精密ステージと、を含み得る。汎用の「オフライン」精密ビジョンシステムとして特徴付けられる１つの例示的な従来技術のシステムは、イリノイ州オーロラに位置するＭｉｔｕｔｏｙｏ Ａｍｅｒｉｃａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（ＭＡＣ）から入手可能なＱＵＩＣＫ ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）シリーズのＰＣベースのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアである。ＱＵＩＣＫ ＶＩＳＩＯＮ（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びＱＶＰＡＫ（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作については、概ね、例えば２００３年１月に発表されたＱＶＰＡＫ ３Ｄ ＣＮＣ画像測定機ユーザガイド、及び１９９６年９月に発表されたＱＶＰＡＫ ３Ｄ ＣＮＣ画像測定機動作ガイドに記載されている。これらは各々、援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。このタイプのシステムは、顕微鏡型の光学システムを利用し、小型又は比較的大型のワークピースの検査画像を様々な倍率で提供するようにステージを移動させる。

汎用の精密マシンビジョン検査システムは一般に、自動化ビデオ検査を行うようにプログラム可能である。このようなシステムは通常、「非専門家」のオペレータが動作及びプログラミングを実行できるように、ＧＵＩ機能及び既定の画像分析「ビデオツール」を含む。例えば米国特許第６，５４２，１８０号（これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする）は、様々なビデオツールの使用を含む自動化ビデオ検査を利用したビジョンシステムを教示している。

様々な用途において、静止検査システム又はノンストップ移動検査システムで高いスループットを得るため、高速で自動合焦及び／又は他の動作を実行して高速測定を容易にすることが望ましい。従来のマシンビジョン検査システムにおける自動合焦及び合焦を必要とする他の動作の速度は、Ｚ高さ位置範囲を移動するカメラの動きによって制限される。焦点距離範囲の画像（例えばＺ高さ位置を測定するための画像スタック）を高速で収集する代替的な方法を利用し、特に、焦点範囲、画像品質、及び／又は画像における寸法精度を損なうことなく異なる倍率レベルで動作可能である、改良された自動合焦及び／又は他の動作への要望がある。

この概要は、以下で「発明を実施するための形態」において更に記載するいくつかの概念を簡略化した形態で紹介するために提示する。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴を識別することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲の決定に役立てるために用いることも意図していない。

精密非接触計測システム（例えばマシンビジョンシステム、測定顕微鏡等）において用いられる撮像システムについて説明する。様々な実施において、この撮像システムの光路は、可変倍率レンズ部と可変焦点距離レンズ部を含む。可変倍率レンズ部は、撮像システムに比較的低い倍率を与える第１の倍率状態と、撮像システムに比較的高い倍率を与える第２の倍率状態との間で切り換えることができる。可変焦点距離レンズ部は、周期的に焦点距離が変更される可変焦点距離レンズ（これ以降「ＶＦＬレンズ」とする）を含む。この焦点距離は、撮像システムが用いる画像露光時間中に複数の周期を含む第１又は第２の周波数で変更可能である。１つの具体的な例として、毎秒３０フレームでビデオ画像を収集することができ、ＶＦＬレンズが３０ｋＨｚ以上の周波数で動作し得る例示的な撮像システムでは、撮像システムが用いる各画像露光時間中に１，０００を超える周期が含まれ得る。

様々な実施において、撮像システムが第１の倍率状態を用いて動作する間に、可変焦点距離レンズ部は、第１の周波数及び第１の振幅で動作して、ＶＦＬレンズの周期的に変更される焦点距離に第１の範囲を与えるように構成することができる。第１の範囲は、第１の倍率状態の間の撮像システムの焦点距離範囲に対応することができる。撮像システムが第２の倍率状態を用いて動作する間に、可変焦点距離レンズ部は、第２の周波数及び第２の振幅で動作して、ＶＦＬレンズの周期的に変更される焦点距離に第２の範囲を与えるように構成することができる。第２の範囲は第１の範囲よりも大きくすることができ、第２の倍率状態の間の撮像システムの焦点距範囲に対応することができる。

汎用の精密マシンビジョン検査システムの様々な典型的なコンポーネントを示す図である。 図１のものと同様の、本発明に開示する特徴を含むマシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョンコンポーネント部のブロック図である。 マシンビジョン検査システム等の精密非接触計測システムに適合させることができ、本明細書に開示する原理に従って動作することができる撮像システムの概略図である。 あるタイプの可変焦点距離レンズを一定の共振周波数で動作させた場合の、倍率に対する顕微鏡特性を示すグラフの図である。 あるタイプの可変焦点距離レンズのレンズ性能対共振周波数を示すグラフの図である。 あるタイプの可変焦点距離レンズを異なる倍率に対応した異なる共振周波数で動作させた場合の、倍率に対する顕微鏡特性を示すグラフの図である。 可変焦点距離レンズを含む撮像システムを動作させるためのルーチンの１つの例示的な実施を示すフロー図である。

図１は、本明細書に記載する方法に従って使用可能である１つの例示的なマシンビジョン検査システム１０のブロック図である。マシンビジョン検査システム１０は、制御コンピュータシステム１４とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続された画像測定機１２を含む。制御コンピュータシステム１４は更に、モニタ又はディスプレイ１６、プリンタ１８、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続されている。モニタ又はディスプレイ１６は、マシンビジョン検査システム１０の動作の制御及び／又はプログラミングに適したユーザインタフェースを表示することができる。様々な実施において、タッチスクリーンタブレット等が、コンピュータシステム１４、ディスプレイ１６、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６のいずれか又は全ての機能の代用となり得ること及び／又はこれらの機能を冗長的に与え得ることは認められよう。

制御コンピュータシステム１４は一般にいかなるコンピューティングシステム又はデバイスからも構成可能であることは当業者には認められよう。適切なコンピューティングシステム又はデバイスには、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、マイクロコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記のいずれかを含む分散型コンピューティング環境等が含まれ得る。このようなコンピューティングシステム又はデバイスは、本明細書に記載する機能を実現するためにソフトウェアを実行する１つ以上のプロセッサを含み得る。プロセッサには、プログラマブル汎用又は特殊用途マイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）等、又はそのようなデバイスの組み合わせが含まれる。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等のメモリ、又はそのようなコンポーネントの組み合わせに記憶することができる。また、ソフトウェアは、光学ベースのディスク、フラッシュメモリデバイス、又はデータを記憶するための他のいずれかのタイプの不揮発性記憶媒体のような１つ以上の記憶デバイスに記憶することができる。ソフトウェアは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含み得る。分散型コンピューティング環境では、有線又は無線のいずれかの構成において、プログラムモジュールの機能性は、多数のコンピューティングシステム又はデバイス間で組み合わせるか又は分散させ、サービスコールを介してアクセスすることができる。

画像測定機１２は、可動ワークピースステージ３２と、ズームレンズ又は交換可能レンズを含み得る光学撮像システム３４と、を含む。ズームレンズ又は交換可能レンズは一般に、光学撮像システム３４によって得られる画像の倍率を様々に変化させる。マシンビジョン検査システム１０は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，４５４，０５３号、第７，３２４，６８２号、第８，１１１，９０５号、及び８，１１１，９３８号にも記載されている。これらの各々は、援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。

図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様の、本明細書に記載する特徴を含むマシンビジョン検査システム１００の制御システム部１２０及びビジョンコンポーネント部２００のブロック図である。以下で詳述するように、制御システム部１２０を用いてビジョンコンポーネント部２００を制御する。ビジョンコンポーネント部２００は、光学アセンブリ部２０５と、光源２２０、２３０、及び２４０と、中央に透明部２１２を有するワークピースステージ２１０と、を含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０を載置することができるステージの表面に対して概ね平行な面内にあるｘ軸及びｙ軸に沿って制御可能に移動させることができる。

光学アセンブリ部２０５は、カメラシステム２６０及び交換可能対物レンズ２５０を含み、レンズ２８６と２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０も含む場合がある。ターレットレンズアセンブリ２８０の代わりに、固定もしくは手作業で交換可能な倍率可変レンズ（ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ａｌｔｅｒｉｎｇ ｌｅｎｓ）、又はズームレンズ構成等を含んでもよい。様々な実施において、これらのレンズは、光学アセンブリ部２０５の可変倍率レンズ部の一部として含まれ得る。様々な実施において、交換可能対物レンズ２５０は、可変倍率レンズ部の一部として含まれる固定倍率対物レンズのセット（例えば、０．５倍、１倍、２倍又は２．５倍、５倍、１０倍、２０倍又は２５倍、５０倍、１００倍等の倍率に対応した対物レンズのセット）から選択することができる。

光学アセンブリ部２０５は、制御可能モータ２９４を用いることで、ｘ軸及びｙ軸に概ね直交したｚ軸に沿って制御可能に移動させることができる。制御可能モータ２９４はアクチュエータを駆動して、ワークピース２０の画像の焦点を変えるために光学アセンブリ部２０５をｚ軸に沿って動かす。制御可能モータ２９４は信号ライン２９６を介して入出力インタフェース１３０に接続されている。マシンビジョン検査システム１００を用いて撮像されるワークピース２０、又は複数のワークピース２０を保持しているトレイもしくは固定具は、ワークピースステージ２１０上に配置されている。ワークピースステージ２１０は、光学アセンブリ部２０５に対して移動するように制御され、交換可能対物レンズ２５０がワークピース２０上の複数の位置間で及び／又は複数のワークピース２０間で移動できるようになっている。

透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０（例えばリング光）の１つ以上が、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を発して、ワークピース又は複数のワークピース２０を照明することができる。落射照明光源２３０は、ミラー２９０を含む経路に沿うように光源光２３２を発することができる。光源光はワークピース光２５５として反射又は透過され、撮像のために用いられるこのワークピース光は交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０を通過し、カメラシステム２６０によって集光される。カメラシステム２６０によりキャプチャされたワークピース（複数のワークピース）２０の画像は、制御システム部１２０への信号ライン２６２に出力される。光源２２０、２３０、及び２４０は、それぞれ信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１を介して制御システム部１２０に接続することができる。制御システム部１２０は、画像の倍率を変更するため、ターレットレンズアセンブリ２８０を軸２８４に沿って回転させることで、信号ライン又はバス２８１を介してターレットレンズを１つ選択することができる。

図２に示すように、様々な例示的な実施において制御システム部１２０は、コントローラ１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム発生器及び実行器１７０、及び電源部１９０を含む。これらのコンポーネント及び以下で説明する追加のコンポーネントの各々は、１つ以上のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースによって、又は様々な要素間の直接接続によって、相互接続することができる。入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１、移動制御インタフェース１３２、照明制御インタフェース１３３、及びレンズ制御インタフェース１３４を含む。レンズ制御インタフェース１３４は、レンズ焦点動作回路及び／又はルーチン等を含むレンズコントローラを含むことができる。レンズ制御インタフェース１３４は更に、倍率変更を実行又は検出した場合に選択されるか又は自動的に実施される倍率変更調整モード１３４ｍも含むことができる。倍率変更調整モード１３４ｍに関する動作及びコンポーネントについては、図３〜図６を参照して以下で詳述する。

様々な実施において、撮像制御インタフェース１３１は拡大被写界深度モードを含むことができる。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第２０１５／０１４５９８０号に詳述されている。この出願は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。拡大被写界深度モードは、ユーザによって選択されると、単一の焦点位置で合焦する場合にビジョンコンポーネント部２００が与え得るよりも大きい被写界深度でワークピースの少なくとも１枚の画像（例えば複合画像）を提供することができる。移動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａ及び速度／加速度制御要素１３２ｂを含み得るが、これらの要素はマージされる及び／又は区別できない場合もある。照明制御インタフェース１３３は、照明制御要素１３３ａ、１３３ｎ、及び１３３ｆｌを含むことができ、これらは、マシンビジョン検査システム１００の様々な対応する光源について、例えば選択、パワー、オン／オフ切り換え、及びストロボパルスタイミングを適用可能な場合に制御する。

メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１、エッジ検出メモリ部１４０ｅｄ、１つ以上のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部１４２、及びビデオツール部１４３を含むことができる。ビデオツール部１４３は、対応する各ビデオツールのためのＧＵＩや画像処理動作等を確定するビデオツール部１４３ａ及び他のビデオツール部（例えば１４３ｎ）、並びに関心領域（ＲＯＩ：ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）発生器１４３ｒｏｉを含む。関心領域発生器１４３ｒｏｉは、ビデオツール部１４３内に含まれる様々なビデオツールにおいて動作可能である様々なＲＯＩを規定する自動、半自動、及び／又は手動の動作をサポートする。ビデオツール部は、合焦高さ測定動作のためのＧＵＩや画像処理動作等を確定する自動合焦ビデオツール１４３ａｆも含む。様々な実施において、自動合焦ビデオツール１４３ａｆは更に、図３に示すハードウェアを用いて高速に合焦高さを測定するために利用可能である高速合焦高さツールも含むことができる。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第２０１４／０３６８７２６号に詳述されている。この出願は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。様々な実施において、高速合焦高さツールは、これ以外の場合には自動合焦ビデオツールのための従来の方法に従って動作する自動合焦ビデオツール１４３ａｆの特別モードとしてもよく、又は、自動合焦ビデオツール１４３ａｆの動作は高速合焦高さツールの動作のみを含んでもよい。

本開示の文脈において、当業者に既知であるように、「ビデオツール」という言葉は概ね、マシンビジョンユーザが、ビデオツールに含まれる動作の段階的シーケンスを生成することなく、また汎用のテキストベースのプログラミング言語等に頼ることもなく、比較的シンプルなユーザインタフェース（例えばグラフィカルユーザインタフェース、編集可能パラメータウィンドウ、メニュー等）を用いて実施可能である、自動又はプログラミングされた比較的複雑な動作セットのことである。例えばビデオツールは、予めプログラミングされた複雑な画像処理動作及び計算セットを含み、これらの動作及び計算を規定する少数の変数及びパラメータを調整することによって特定のインスタンスでこれらを適用及びカスタム化することができる。基礎にある動作及び計算の他に、ビデオツールは、ビデオツールの特定のインスタンス向けにそれらのパラメータをユーザが調整することを可能とするユーザインタフェースも備えている。例えば多くのマシンビジョンビデオツールによってユーザは、マウスを用いたシンプルな「ハンドルドラッグ」動作を行ってグラフィックの関心領域（ＲＯＩ）インジケータを構成して、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作による解析対象となる画像サブセットの位置パラメータを定義することができる。場合によっては、目に見えるユーザインタフェース機能がビデオツールと称され、基礎にある動作は暗黙的に含まれることに留意すべきである。

透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０のそれぞれの信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１は全て、入出力インタフェース１３０に接続されている。カメラシステム２６０からの信号ライン２６２及び制御可能モータ２９４からの信号ライン２９６も、入出力インタフェース１３０に接続されている。信号ライン２６２は、画像データの伝達に加えて、画像の取得を開始するコントローラ１２５からの信号を伝達することができる。

１つ以上のディスプレイデバイス１３６（例えば図１のディスプレイ１６）及び１つ以上の入力デバイス１３８（例えば図１のジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６）も、入出力インタフェース１３０に接続することができる。ディスプレイデバイス１３６及び入力デバイス１３８を用いて、様々なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）機能を含み得るユーザインタフェースを表示することができる。それらの機能は、検査動作の実行、及び／又はパートプログラムの生成及び／又は修正、カメラシステム２６０によってキャプチャされた画像の閲覧、及び／又はビジョンシステムコンポーネント部２００の直接制御のために使用可能である。ディスプレイデバイス１３６は、（例えば自動合焦ビデオツール１４３ａｆ等に関連付けて）ユーザインタフェース機能を表示することができる。

様々な例示的な実施において、ユーザがマシンビジョン検査システム１００を用いてワークピース２０のためのパートプログラムを生成する場合、ユーザはマシンビジョン検査システム１００を学習モードで動作させて所望の画像取得訓練シーケンスを提供することによってパートプログラム命令を発生させる。例えば訓練シーケンスは、代表的ワークピースの特定のワークピース要素を視野（ＦＯＶ）内に載置し、光レベルを設定し、合焦又は自動合焦を行い、画像を取得し、（例えばそのワークピース要素上でビデオツールの１つのインスタンスを用いて）画像に適用される検査訓練シーケンスを提供することを含み得る。学習モードの動作では、このシーケンス（複数のシーケンス）がキャプチャ又は記録されて、対応するパートプログラム命令に変換されるようになっている。パートプログラムが実行された場合、これらの命令はマシンビジョン検査システムに訓練した画像取得動作を再現させると共に、検査動作を行って、実行モードのワークピース又は複数のワークピースのうち、パートプログラムの生成時に用いた代表的ワークピースに合致する特定のワークピース要素（すなわち対応位置での対応する要素）を自動的に検査させる。

図３は、マシンビジョン検査システム等の精密非接触計測システムに適合させることができ、本明細書に開示する原理に従って動作することができる撮像システム３００の概略図である。撮像システム３００は、この撮像システム３００の視野内で（例えばストロボ又は連続波照明によって）ワークピース３２０を照明するように構成可能である光源３３０、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、可変焦点距離レンズ（ＶＦＬ）３７０、リレーレンズ３８６、及びカメラシステム３６０を備えている。

動作において、光源３３０は、部分ミラー３９０を含む経路に沿って対物レンズ３５０を介してワークピース３２０の表面まで光源光３３２を発するように構成可能である。対物レンズ３５０は、ワークピース３２０に隣接した焦点位置ＦＰで集束するワークピース光３５５を受光し、ワークピース光３５５をチューブレンズ３５１に出力する。様々な実施において、対物レンズ３５０は交換可能対物レンズとすることができ、チューブレンズ３５１はターレットレンズアセンブリの一部として含めることができる（例えば図２の交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０と同様）。様々な実施において、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、又は本明細書で言及する他のレンズは、個別のレンズや複合レンズ等から形成するか、又はこれらのレンズと連携して動作することができる。チューブレンズ３５１はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５２に出力する。

リレーレンズ３５２はワークピース光３５５を受光し、これをＶＦＬレンズ３７０に出力する。ＶＦＬレンズ３７０はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３８６に出力する。リレーレンズ３８６はワークピース光３５５を受光し、これをカメラシステム３６０に出力する。様々な実施において、カメラシステム３６０は画像露光時間中にワークピース３２０の画像をキャプチャすることができ、この画像を制御システム部に提供することができる（例えば図２において画像を制御システム部１２０に与えるためのカメラシステム２６０の動作と同様）。

ＶＦＬレンズ３７０は、１回以上の画像露光中に撮像システムの焦点位置ＦＰを変えるように電子的に制御可能である。焦点位置ＦＰは、焦点位置ＦＰ１と焦点位置ＦＰ２によって画定される範囲Ｒ内で動かすことができる。様々な実施において、範囲Ｒはユーザによって選択可能であるか、又は設計パラメータから与えられ得るか、又は他の方法で自動的に決定され得ることは認められよう。一般に図３の例に関して、図示した寸法のいくつかは一定の縮尺通りに描かれていない場合があることは認められよう。例えば、ＶＦＬレンズ３７０の寸法は図示するものと異なる比率を有し得る（例えば、所望の量の撮像倍率（ｌｅｎｓｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）等を与えるため、いくつかの用途では幅がより狭く長さが５０ｍｍ以上であり得る）。

様々な実施において、マシンビジョン検査システムは、撮像システム３００の焦点位置を周期的に変更するためにＶＦＬレンズ３７０を制御するように構成可能な制御システム（例えば図２の制御システム１２０）を備えることができる。いくつかの実施では、ＶＦＬレンズ３７０は極めて高速に（例えば、少なくとも３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又はそれ以上の速度で周期的に）焦点位置を調整又は変更することができる。いくつかの実施では、（１倍の対物レンズ３５０では）範囲Ｒは１０ｍｍの大きさとすることができる。様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は、焦点位置ＦＰを変えるために撮像システムにおける巨視的な機械的調整及び／又は対物レンズ３５０とワークピース３２０との間の距離の調整を必要としないことが好ましい。こういった場合、上述のように本願に含まれる９８０号公報に記載されている通り、拡大被写界深度画像を高速で提供することができ、更に、（例えば数マイクロメータ、又は１０分の数マイクロメータ、又はそれ以下のオーダーの精度の）精密測定等に用いられ得る固定焦点検査画像を取得するため同一の撮像システムを用いる場合に精度を低下させる顕微鏡的な調整要素も、これに関連した位置決めの非再現性も存在しない。上述のように本願に含まれる７２６号公報に記載されている通り、焦点位置ＦＰの変化を利用して、ワークピース３２０に隣接したＺ高さ方向に沿った複数の位置における複数の画像を含む画像スタックを高速に取得することができる。

様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ：ｔｕｎａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ」）レンズとすることができる。可変音響式屈折率分布型レンズは、流体媒質中で音波を用いて焦点位置を変更し、焦点距離範囲を数百ｋＨｚの周波数で周期的にスイープすることができる高速ＶＦＬレンズである。このようなレンズは、論文「Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｖａｒｉｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｎｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１８、２００８年９月１５日）の教示によって理解することができる。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。可変音響式屈折率分布型レンズ及びこれに関連した制御可能信号発生器は、例えばＴＡＧ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．（ニュージャージー州プリンストン）から入手可能である。例えば、モデルＴＬ２．Ｂ．ｘｘｘシリーズのレンズは最大で約６００ＫＨｚで変調可能である。

ＶＦＬレンズ３７０は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させる信号を発生させることができるレンズコントローラ３７４によって駆動され得る。一実施形態において、レンズコントローラ３７４は、上記で言及したもの等の市販の制御可能信号発生器とすればよい。いくつかの実施では、レンズコントローラ３７４は、図２を参照して先に概説した撮像制御インタフェース１３１及び／又はレンズ制御インタフェース１３４及び／又はモード１３４ｍのユーザインタフェースを介して、ユーザ及び／又はオペレーティングプログラムによって構成又は制御され得る。いくつかの実施では、焦点位置ＦＰが経時的に正弦波状に高周波数で変更されるように、周期信号を用いてＶＦＬレンズ３７０を動作させることができる。例えばいくつかの例示的な実施では、可変音響式屈折率分布型レンズは４００ｋＨｚという高さの焦点走査速度向けに構成可能であるが、様々な実施及び／又は用途ではより低速の焦点位置調整及び／又は変更周波数が望ましい場合があることは認められよう。例えば様々な実施では、３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は２５０ｋＨｚ等の周波数とし得る。低速の焦点位置調整を用いる実施では、ＶＦＬレンズ３７０は制御可能液体レンズ等を含み得る。

図３の実施では、リレーレンズ３５２及び３８６並びにＶＦＬレンズ３７０は４ｆ光学構成に含まれるものとして示され、リレーレンズ３５２及びチューブレンズ３５１はケプラー式望遠鏡構成に含まれるものとして示され、チューブレンズ３５１及び対物レンズ３５０は顕微鏡構成に含まれるものとして示されている。ここに示す構成は全て例示に過ぎず、本開示に対する限定でないことは理解されよう。ケプラー式望遠鏡構成の一部として、チューブレンズ３５１の焦点距離Ｆ_TUBEは、リレーレンズ３５２の焦点距離ｆと同様、レンズ３５１と３５２との中点とほぼ等距離にあるものとして示されている。代替的な実施では、チューブレンズ３５１の焦点距離Ｆ_TUBEを、リレーレンズ３５２の焦点距離ｆ（これは４ｆ光学構成の４ｆの１つに対応する）とは異なるものにしてもよい。チューブレンズ３５１がターレットレンズアセンブリの一部として含まれ得る様々な実施では、ターレットレンズアセンブリの他のチューブレンズが動作位置まで回転した場合、同じ位置に焦点を有する（すなわちリレーレンズ３５２の焦点と合致する）ことが望ましい場合がある。

焦点距離ｆに対する焦点距離Ｆ_TUBEの比を用いて、チューブレンズ３５１に入力するワークピース光３５５の平行ビームに対してリレーレンズ３５２から出射するワークピース光３５５の平行ビームの直径を変えることができる。様々な実施では、これを利用して、対物レンズ３５０の限界開口の、ＶＦＬレンズ３７０の位置への投影のサイズを調整することができる。図３に示す１：１の比（すなわちＦ_TUBE＝ｆ）は単なる例示であり、本開示に対する限定ではない。例えば図６を参照して以下で詳述するように、更に一般的には、ＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口は、ＶＦＬレンズの位置に投影された対物レンズの有効径（ｃｌｅａｒ ａｐｅｒｔｕｒｅ）と少なくとも同じ大きさであることが望ましい（すなわち、様々な実施形態ではこれがＶＦＬレンズの所望の有効開口である）。１つの代替的な例として、Ｆ_TUBE＝２＊ｆである場合、対物レンズ有効径のＶＦＬレンズへの投影が半分低減又は縮小するため、Ｆ_TUBE＝ｆの構成に比べてＶＦＬレンズの所望の有効開口は縮小する可能性があるが、それでもなおＶＦＬレンズは軸外フィールドポイントを適切に収めることができる。さもなければ、ＴＡＧレンズ等の「厚い」ＶＦＬレンズにおいて、口径食（ｖｉｇｎｅｔｔｅ）を生じるか、又は大きな収差を生じ得る。また、チューブレンズ３５１に入力するワークピース光３５５の平行ビーム及びリレーレンズ３５２から出力するワークピース光３５５の平行ビームに関して、様々な実施では、そのような平行ビームがもっと長い経路長に拡張され得ること、及び／又は（例えば異なるカメラシステム等へ向けられた）追加の光路を与えるためにそのような平行ビームに対してビームスプリッタが使用され得ることは認められよう。

様々な実施において、図示する４ｆ光学構成は、ＶＦＬレンズ３７０（例えば可変音響式屈折率分布型レンズ等の開口径（ＮＡ）が小さいデバイスであり得る）を、対物レンズ３５０のフーリエ面ＦＰＬに配置することを可能とする。この構成は、ワークピース３２０におけるテレセントリシティ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）を維持すると共に、尺度変化及び画像歪みを最小限に抑えることができる（例えば、ワークピース３２０の各Ｚ高さ及び／又は焦点位置ＦＰで一定の倍率を与えることを含む）。ケプラー式望遠鏡構成（例えばチューブレンズ３５１及びリレーレンズ３５２を含む）は、顕微鏡構成と４ｆ光学構成との間に含めることができ、上記のように、ＶＦＬレンズの位置で対物レンズ有効径の望ましいサイズの投影を与えて画像収差等を最小限に抑えるように構成可能である。

様々な実施において、いくつかのタイプの寸法測定では回折限界に近いか又は回折限界の撮像が必要であり得ることは認められよう。図３に示す構成は、結像される対物レンズ３５０の瞳の軸外位置をフーリエ面ＦＰＬでＶＬＦレンズ３７０内に限定することによって収差を低減する。この構成では、半径方向の位置は、その最低共振周波数ｆ_R,MINでのＶＦＬレンズ３７０（例えば可変音響式屈折率分布型レンズ）の定在波の屈折率プロファイルにおいて一次ベッセルリング（１ｓｔ Ｂｅｓｓｅｌ ｒｉｎｇ）の半径方向の位置よりも小さく維持することができる。このように、顕微鏡構成（すなわち対物レンズ３５０及びチューブレンズ３５１を含む）からの光はＶＦＬレンズ３７０の最大有効径ＣＡ_VFL,MAXを超えない。この光が最大有効径を超える構成では、様々な実施において、光は、相対的な負の屈折率を有し得るＶＦＬレンズ３７０の定在波の領域と干渉して収差を増大させる可能性があり、精密寸法測定に適切でなくなる恐れがある。

図４は、ＶＦＬレンズ（例えば図３のＶＦＬレンズ３７０等）を一定の共振周波数（例えば７０ｋＨｚ）で動作させた場合の、倍率に対する顕微鏡特性を示すグラフ４００の図である。以下で詳述するように、４ｆ光学顕微鏡構成（例えば図３に示したもの等）で起こり得る１つの問題は、様々な実施において、４ｆ光学顕微鏡構成の正規化走査範囲ΔＺ_VFLが一定でない場合があることである。すなわち、物体の近くのΔＺ_VFL（単位はＤＯＦ）は、以下の式で示されるように、顕微鏡の倍率の２乗に反比例して変化し得る（すなわち１／ＮＡ_OBJ ²）。

ここで、ｎｆ_R ²はリレーレンズ３５２に関連し、ｆ_VFL,effはＶＦＬレンズ３７０の動作振幅Ａ_VFLに関連する。

様々な実施において、顕微鏡構成は可変倍率レンズ部を含むことができる（例えば対物レンズ３５０が交換可能であるか、又はズームレンズ、ターレットレンズ等を含む）。具体的な例として、１つの実施における可変倍率レンズ部は、異なる倍率（例えば０．５倍、１倍、２倍又は２．５倍、５倍、１０倍、２０倍又は２５倍、５０倍、１００倍等）に対応した交換可能な固定倍率対物レンズのセットを含むことができる。現在説明している対物レンズ３５０は、このセットから選択されたレンズの１つを表し得る。様々な実施において、使用する対物レンズはプランアポクロマート（ＡＰＯ：ｐｌａｎ ａｐｏｃｈｒｏｍａｔ）対物レンズとすればよい。このような構成において起こり得る１つの問題は、式１によって示されるように、様々な実施において、倍率Ｍ_iが大きくなる（すなわちＮＡ_OBJ ²が大きくなる）と、これに対応して正規化走査範囲ΔＺ_VFLが著しく小さくなり得ることである。

図４に示すように、第１のライン４１０は、倍率（例えば可変倍率レンズ部によって決定される。これは様々な実施においてレンズの設定又は選択を伴うことがある）に対してグラフ化した焦点範囲を表す（例えば正規化走査範囲ΔＺ_VFLに対応する）。ライン４１０において、倍率（例えば１倍、１０倍等）はｘ軸上に示され、焦点範囲はｙ軸上に示された被写界深度（ＤＯＦ）の数値で測定されている。様々な実施において、焦点範囲は、撮像システム（例えば図３の撮像システム３００）のレンズ及びコンポーネントの全てを含めた全焦点範囲に対応し得る。ライン４１０で示されるように、ＶＦＬレンズ３７０を動作させる一定の共振周波数（例えば７０ｋＨｚ）では、ある特定の倍率上昇は焦点範囲の縮小に対応する。より具体的には、１倍から５倍までの倍率では焦点範囲はほぼ±２８ＤＯＦであることが示され、１０倍の倍率では焦点範囲はほぼ±１５ＤＯＦに低下したことが示され、２５倍の倍率では焦点範囲はほぼ±４ＤＯＦに低下したことが示され、５０倍の倍率では焦点範囲はほぼ±１．８ＤＯＦに低下したことが示されている。このように倍率が高くなると焦点範囲が著しく縮小するために、いくつかの精密測定用途ではこのような構成はあまり適切でない。

様々な実施において、高倍率での焦点範囲の拡大を図るために異なる手法を利用することができる。例えば、調節可能顕微鏡のＺ軸方向走査範囲を変えるための方法の１つに、ＶＦＬレンズ３７０を動作させるための電流を変更することがある。別の方法は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させるための正弦波状の動作振幅Ａ_VFLを変更することである。しかしながら、式１は、これらの手法だけではいくつかの用途には不充分であり得ることを示している（例えば上述の例示的な実施では、可変倍率レンズ部で１倍から５０倍まで全ての倍率を用いるには２５倍の光学パワーが必要とされ得る）。

図３に示すような構成における対物レンズの利用に関して、以下の式で示されるように、（例えば、より高倍率の対物レンズを選択すると）有効径ＣＡも縮小する。

これは更に図４において、倍率に対してグラフ化したＶＦＬレンズ３７０の所望の有効開口（ＤＥＡ）を表す第２のライン４２０に関連して示されている。ライン４２０において、倍率（例えば１倍、１０倍等）はｘ軸上に示され、ＤＥＡはｙ軸上にミリメートルの単位で示されている。ライン４１０及び４２０はこのように異なる種類の単位（例えば被写界深度の数値又はミリメートル）をｙ軸にとってグラフ化したものであり、倍率上昇と共に生じる様々な影響を示す目的で同一グラフ上に提示しているに過ぎないことは認められよう。ライン４２０について、例示するＶＦＬレンズ３７０のＤＥＡは、図３の構成において、式２に関して述べたように選択された対物レンズ３５０の有効径ＣＡに関連した、ＶＦＬレンズ３７０の位置に投影されたシステム限界開口に対応する。更に具体的には、これは、ＶＦＬレンズ３７０に隣接するリレーレンズ３５２への入力において見られるような、対物レンズ３５０の瞳の（例えば軸上及び最大軸外フィールドポイントの）無限焦点ビームフットプリントに対応し得る。フットプリントは、対物レンズ有効径ＣＡ_OBJを倍率（ｓｃａｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）で乗算したものであり、維持されるとＶＦＬレンズ３７０内の口径食が回避される。これは望ましいことであり、比較的高価な高倍率かつ高ＮＡのレンズ（例えば対物レンズ）の機能は、ＶＦＬレンズで得られる画像光の「高ＮＡ」光線を遮断することによって無駄にならない。様々な実施において、限界開口は、特定の構成又はコンポーネント（例えば光路内のレンズの１つに含まれるか又はこれに隣接したプレート）によって意図的に画定して、対応するレンズの限られた一部分のみを使用することを保証し得る（例えば、様々なレベルの歪み等を生じる可能性のあるレンズ外側部分の使用を回避するため）。

図４に更に示すように、第３のライン４３０は、倍率に対してグラフ化したＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口を表す。様々な実施において、ある特定の種類のＶＦＬレンズ３７０（例えば、場合によっては比較的細長く幅狭であり、流体媒質中で音波を利用することができる可変音響式屈折率分布型レンズ）では、有効開口はＶＦＬレンズ３７０を通る光路の直径を表し得る。ライン４３０では、倍率（例えば１倍、１０倍等）はｘ軸上に示され、実際の有効開口はｙ軸上にミリメートルの単位で示されている。ライン４３０は、ＶＦＬレンズ３７０の動作に用いられる一定の振幅及び周波数（すなわち７０ｋＨｚ）に対して、実際の有効開口が比較的一定である（例えば約１１ｍｍ）ことを示している。ライン４２０と４３０との差は、より高倍率のレンズ（例えば対物レンズ）では有効径が小さくなり得るので、顕微鏡倍率が上昇するにつれて、一定の動作振幅及び周波数（すなわち７０ｋＨｚ）で利用可能なＶＦＬレンズ３７０開口径の必要部分が小さくなることを示している。本明細書に開示する原理はこのことを利用してＶＦＬレンズの調整を行い、焦点範囲の一貫性を向上させることができる。更に具体的には図６を参照して詳述するように、本開示の原理に従って、倍率が高くなるにつれて、より高い動作周波数をＶＦＬレンズ３７０に用いることで、より一貫した焦点範囲を維持することができる。

図５は、ＶＦＬレンズ性能と共振周波数との関係を示すグラフ５００の図である。ライン５１０は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させるための共振周波数に対してグラフ化したＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口を表す。ライン５１０において、周波数はｘ軸上にｋＨｚの単位で示され、実際の有効開口は、（グラフ５００の左側の目盛に従って）ｙ軸上にミリメートルの単位で示されている。１つの実施では、実際の有効開口は、一次ベッセルリング位置又はＶＦＬレンズ３７０の有効径に対応したものとして示すことができる。ライン５１０は、共振周波数が上昇するとどのように実際の有効開口が縮小するかを示す。更に具体的には、実際の有効開口は、７０ｋＨｚの動作周波数（すなわち図４のグラフで用いた周波数）での約１１ｍｍから約３７０ｋＨｚの動作周波数での約２ｍｍまでの範囲にわたって低下することが示されている。様々な実施において、画像品質がマイナスの影響を受けると判定されない最大動作周波数ｆ_R,MAXに対応して、ＶＦＬレンズ３７０の最小の実際の有効開口ＣＡ_VFLを規定することができる。例えば図５の例によると、約３ｍｍの最小の実際の有効開口ＣＡ_VFLに対して、最大動作周波数ｆ_R,MAXは２５０ｋＨｚである。

図５に更に示すように、第２のライン５２０は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させるための共振周波数に対してグラフ化したＶＦＬレンズ３７０の相対光学パワーを表す。ライン５２０において、周波数はｘ軸上にｋＨｚの単位で示され、相対光学パワーは、（グラフ５００の右側の目盛に従って）ｙ軸上に７０ｋＨｚでの光学パワーの倍数で示されている。ライン５１０及び５２０はこのように異なる種類の単位（例えばミリメートル対光学パワーの倍数）をｙ軸にとってグラフ化したものであり、周波数上昇と共に生じる様々な影響を示す目的で同一のグラフ上に提示しているに過ぎないことは認められよう。ライン５２０に関して、相対光学パワーは周波数上昇と共に上昇することが示されている。更に具体的には、相対光学パワーは、７０ｋＨｚの動作周波数での１の値から約３７０ｋＨｚの動作周波数での約２５の値までの範囲にわたって上昇することが示されている。図６を参照して以下で詳述するように、本開示の原理に従って、可変倍率レンズ部の倍率の上昇と共に、高い共振動作周波数において利用可能である高レベルの光学パワーを用いることで、より一貫した焦点範囲を維持することができる。

図６は、ＶＦＬレンズが異なる倍率に対応して異なる共振周波数で動作する場合の、倍率に対する顕微鏡特性を示すグラフ６００の図である。グラフ６００はライン６１０、６２０、及び６３０を含み、これらは図４のライン４１０、４２０、及び４３０と比較することができ、同一の単位に対してグラフ化されている。更に具体的には、ライン６１０は倍率に対してグラフ化した焦点範囲（例えば正規化走査範囲ΔＺ_VFLに対応する）を表し、ライン６２０は倍率に対してグラフ化したＶＦＬレンズの所望の有効開口（ＤＥＡ）を表し、ライン６３０は倍率に対してグラフ化したＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口を表す。図６に示すように、１倍、２．５倍、及び５倍の倍率では、動作周波数は図４の実施で用いたものと同じ７０ｋＨｚに維持している（焦点範囲はこの倍率範囲において比較的一定で、ほぼ±２８ＤＯＦであった）。

１０倍の倍率では、本開示の原理に従って、ＶＦＬレンズの動作周波数を９９ｋＨｚに上昇させた。図５に示した値によると、９９ｋＨｚの動作周波数はＶＦＬレンズの約８ｍｍの実際の有効開口に対応し、７０ｋＨｚでの光学パワーのほぼ２．５倍の相対光学パワーに対応する。図６に示すように、ライン６３０はＶＦＬレンズの実際の有効開口が約８ｍｍの値に低下したことを示すが、これは、１０倍の倍率で所望の有効開口（ＤＥＡ）のライン６２０が示す対応した値と同様の値である。更に具体的には、１０倍の倍率では、ＶＦＬレンズの動作周波数を、ＶＦＬレンズの実際の有効開口が所望の有効開口（ＤＥＡ）と極めてよく合致するレベル（すなわち９９ｋＨｚ）に上昇させた。ＤＥＡは、図４を参照して上述したように、ＶＦＬレンズの位置に投影されたシステム限界開口を表す。動作周波数を９９ｋＨｚに上昇させたこと、これに対応して相対光学パワーが増大したことの別の結果として、ライン６１０は、１０倍の倍率において焦点範囲がほぼ同一のレベル（例えば約±２８ＤＯＦよりもわずかに高い）に維持されたことを示している。

２５ｘの倍率では、ＶＦＬレンズの動作周波数を１８９ｋＨｚに上昇させた。図５に示した値によると、１８９ｋＨｚの動作周波数はＶＦＬレンズの約４ｍｍの実際の有効開口に対応し、７０ｋＨｚでの光学パワーのほぼ７倍の相対光学パワーに対応する。図６に示すように、ライン６３０はＶＦＬレンズの実際の有効開口が約４ｍｍの値に低下したことを示すが、これは、２５ｘの倍率で所望の有効開口（ＤＥＡ）のライン６２０が示す対応した値と同様の値である。動作周波数が１８９ｋＨｚに上昇したこと、これに対応して相対光学パワーが増大したことの別の結果として、ライン６１０は、２５倍の倍率において焦点範囲がほぼ同じレベル（例えば約±２８ＤＯＦよりもわずかに高い）に維持されたことを示している。

５０ｘの倍率では、ＶＦＬレンズの動作周波数を２５０ｋＨｚに上昇させた。図５に示した値によると、２５０ｋＨｚの動作周波数はＶＦＬレンズの約３ｍｍの実際の有効開口に対応し、７０ｋＨｚでの光学パワーのほぼ１２倍の相対光学パワーに対応する。図６に示すように、ライン６３０はＶＦＬレンズの実際の有効開口が約３ｍｍの値に低下したことを示すが、これは、５０ｘの倍率で所望の有効開口（ＤＥＡ）のライン６２０が示す対応した値と同様の値である。動作周波数が２５０ｋＨｚに上昇したこと、これに対応して相対光学パワーが増大したことの別の結果として、ライン６１０は、より低い倍率範囲で示した通り、５０ｘの倍率においても焦点範囲がほぼ同じレベル（例えば約±２８ＤＯＦよりもわずかに低い）に維持されたことを示している。

本開示の原理に従って、顕微鏡構成の高倍率ではＶＦＬレンズの動作周波数を高周波数に適合させることで、焦点範囲をより一貫したレベルに維持できることがわかる。更に具体的には、図６に示すように、１０倍、２５倍、及び５０倍の倍率でＶＦＬレンズをそれぞれ９９ｋＨｚ、１８９ｋＨｚ、及び２５０ｋＨｚの周波数で動作させることによって、焦点範囲は、１倍から５倍までの低倍率で使用可能であったのと同様のレベル（すなわち約±２８ＤＯＦ）に維持される。このような構成は、ある範囲にわたる倍率での動作を可能としながら、それらの異なる倍率において有用な焦点範囲を達成することができる。例えば可変倍率レンズ部は、図３の撮像システムの一部として含めることができ、異なる倍率（例えば０．５倍、１倍、２倍又は２．５倍、５倍、１０倍、２０倍又は２５倍、５０倍、１００倍等）に対応した交換可能な固定倍率対物レンズのセットを利用可能であると共に、このセットからどの対物レンズが選択されたかに応じて決定される周波数でＶＦＬレンズを動作させることができる。様々な実施において、そのような対物レンズセットは、最低倍率レンズ（例えば０．５倍又は１倍）、最高倍率レンズ（例えば５０倍又は１００倍）、及び複数の中間倍率レンズ（例えば２．５倍、５倍、１０倍、２５倍）を含むものとして示すことができる。

図６で上述した例示的な値に従って、指定された第１の倍率状態を用いて撮像システムを動作させる場合に、撮像に用いられるＶＦＬレンズの中心直径が、少なくとも４．０ｍｍ（例えば２５倍以下の倍率状態に対応したもの）である第１の撮像直径（例えば実際の有効開口に対応する）であり得るか、又は少なくとも８．０ｍｍ（例えば１０倍以下の倍率状態に対応したもの）である第１の撮像直径であり得るように、光路が構成されることがわかる。更に、第２の撮像状態（例えば第１の撮像状態よりも高い倍率に対応する）が指定された場合、撮像に用いられるＶＦＬレンズの中心直径は、第１の撮像直径よりも小さい第２の撮像直径であり得る（例えば、倍率が上昇すると、動作周波数の上昇に従ってＶＦＬレンズの実際の有効開口が縮小する）。

更に、撮像に用いられるＶＦＬレンズの中心直径が第１又は第２の倍率状態の撮像システムの限界開口でないように、光路が構成される。例えば図６に示す値によると（例えば図３に例示した構成に対応して）、ＶＦＬレンズの実際の有効開口は所望の有効開口とほぼ同じであり、従って撮像システムの限界開口ではない。図３に関して上述したように、他の実施では、焦点距離Ｆ_TUBEと焦点距離ｆの比は１：１以外にすることができ（例えば２：１）、ＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口が少なくとも対物レンズ有効径（すなわちＶＦＬレンズの所望の有効開口に対応する）と同じ大きさを有する必要はない。そのような実施では、ＶＦＬレンズの実際の有効開口が撮像システムの限界開口ではないように、システムを焦点距離Ｆ_TUBEと焦点距離ｆの比に従って構成することができる。

様々な実施において、限界開口は、特定の構成又はコンポーネント（例えば光路内のレンズの１つに含まれるか又はこれに隣接した特定の大きさの開口を有するプレート）によって意図的に画定して、対応するレンズの所望の一部分のみを使用することを保証し得る（例えば、様々なレベルの歪み等を生じる可能性のあるレンズ外側部分の使用を回避するため）。一般に、ＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口が限界開口であることは望ましくない場合がある。これが当てはまると、構成にもよるが、ＶＦＬレンズ３７０の実際の有効開口によってシステムの撮像機能の著しい低下が起こり得るからである（例えば図４の焦点範囲の縮小によって示されるように）。このような機能低下に対応して、可変倍率レンズ部におけるレンズ（例えば比較的高価であり、使用可能範囲をできるだけ活用することが望ましい高倍率の対物レンズ等）の使用可能範囲があまり活用されなくなる。

図６に示す値に従って撮像システムを構成する場合、様々な実施において、光源（例えば図３の光源３３０）は、ＶＦＬレンズの２５０ｋＨｚ動作周波数に適応させたパルスモードで設計することができ、従って７０ｋＨｚ動作周波数の同様のパルスモードよりも３．６倍高速となり得る（すなわち、２５０ｋＨｚ／７０ｋＨｚ＝３．６）。１つの特定の例示的な実施では、ＰＦＦ（ｐｏｉｎｔｓ ｆｒｏｍ ｆｏｃｕｓ）動作の１／５被写界深度（ＤＯＦ）サンプリングに対応した画像を得るため、光源３００に使用するＬＥＤは、２５０ｋＨｚ動作周波数に適応させるために３５ｎｓｅｃでパルス発生する（３０ＭＨｚ）ことができる（例えば、７０ｋＨｚ動作周波数に適応させるための１２５ｎｓｅｃのパルスに比較される）。同様に、ＰＦＦサンプリングに使用されるＬＥＤドライバは、７０ｋＨｚ動作周波数に適応させるためのもの（例えば、１つの特定の例示的な実施ではｔ_RISEが〜２５０ｎｓｅｃ）に比べて、２５０ｋＨｚ動作周波数に適応させるため３．６倍高速で動作するように構成することができる。様々な実施において、２５０ｋＨｚ動作周波数に適応させるために光源のこのような速度を達成するには、このような高速での動作向けに構成されるのがより一般的であるＬＥＤ以外の技術も利用可能である（例えばスーパーコンティニウム、チタンサファイア、ＩｎＧａＮレーザダイオード等のレーザ源）。

様々な実施において、顕微鏡部の倍率レベルに応じた異なる周波数でＶＦＬレンズを動作させることに加えて、望遠鏡構成をいくつかの追加の設計原理に従って構成することが望ましい場合がある。例えば、可変倍率レンズ部の一部として交換可能な対物レンズセットを使用する構成では、特定サイズ検出フォーマット（例えば１／２インチ、１／３インチ等）のため、最大瞳径（すなわち最低倍率レベルＭ_iに対応する）及び最大軸外フィールドポイントを有する対物レンズに適合するように望遠鏡光学部品を構成することが望ましい場合がある。対物レンズセットが１倍から５０倍までの範囲の倍率レベルＭ_iを含む上記の例では、これは、最低倍率（例えば１倍のレンズに対応する）に適合することに基づいて望遠鏡光学部品を構成することを意味している。望遠鏡光学部品をこのように構成する場合、セット内の他の全ての対物レンズにも自動的に適合するので、対物レンズセット全体で高い画像品質が維持され、許容可能な絶対的ベースラインの焦点範囲が得られる。式２に関して上述したように、このような構成だけでは、一定の焦点範囲（例えば一定の走査範囲ΔＺ_VFLに対応する）を生成するには光学パワーＰ_VFL,iが不充分であり得るが、本開示の原理に従ってＶＦＬレンズを異なる周波数で動作させることによって、このようなシステムでより一貫した焦点範囲が生成され、画像収差も最小限に抑えられる。

図７は、ＶＦＬレンズを含む撮像システムを動作させるためのルーチン７００の１つの例示的な実施を示すフロー図である。ブロック７１０において、撮像システムの可変倍率レンズ部が、撮像システムの第１の倍率を与える第１の倍率状態であることを判定する。図１〜図３に関して上述したように、撮像システムは、周期的に焦点距離が変更されるＶＦＬレンズ（例えばＶＦＬレンズ３７０）を備えた可変焦点距離レンズ部を含むことができ、この焦点距離は、撮像システムが用いる画像露光時間中に複数の周期を含む第１又は第２の周波数で変更可能であり、第１の周波数は第２の周波数とは異なる。ブロック７２０において、可変倍率レンズ部が第１の倍率状態であるという判定に応じて、可変焦点距離レンズ部を第１の周波数及び第１の振幅で動作させて、ＶＦＬレンズの周期的に変更される焦点距離に第１の範囲を与える。第１の範囲は、第１の倍率状態の間の撮像システムの焦点距離範囲に対応することができる。

ブロック７３０において、可変倍率レンズ部が、第１の倍率とは異なる第２の倍率を撮像システムに与える第２の倍率状態に変化したことを判定する。ブロック７４０において、可変倍率レンズ部が第２の倍率状態に変化したという判定に応じて、可変焦点距離レンズ部を第２の周波数及び第２の振幅で動作させて、ＶＦＬレンズの周期的に変更される焦点距離に第２の範囲を与える。第２の範囲は第１の範囲よりも大きく、第２の倍率状態の間の撮像システムの焦点距離範囲に対応することができる。

様々な実施において、（例えば１倍から５０倍までの範囲の対物レンズセットからの選択に対応して）可変倍率レンズ部で用いるために第１又は第２の倍率状態のどちらが選択されたかについての判定は、異なるタイプの判定方法に従って実行され得る。例えば、ユーザが物理的に対物レンズを選択したこと、又は対物レンズを選択するために図２の入出力インタフェース１３０を用いたこと等、固定倍率レンズの１つをユーザが選択したことに対応する入力を受信することができる。別の例として、可変倍率レンズ部で用いられる位置に固定倍率レンズの１つが移動した場合に、この固定倍率レンズに関連付けられたインジケータを電子的に検知することができる（例えば光学部品の利用、スキャン、ＲＦＩＤ等）。別の例として、可変倍率レンズ部で用いられる位置に固定倍率レンズが移動した後に撮像システムの倍率を求めることも可能である。

本開示の好適な実施について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した特徴の構成及び動作のシーケンスにおける多数の変形が当業者には明らかであろう。様々な代替的な形態を用いて本明細書に開示した原理を実施してもよい。更に、上述の様々な実施を組み合わせて別の実施を提供することも可能である。本明細書において言及した米国特許及び米国特許出願は全て援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。これらの様々な特許及び出願の概念を用いて更に別の実施を提供するために必要な場合は、上述の実施の態様は変更可能である。

前述の記載に照らして、実施に対してこれら及び他の変更を行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、用いる用語は本明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されず、そのような特許請求の範囲の権利が与えられる均等物の全範囲に従う全ての可能な実施を包含するものとして解釈される。

１０ マシンビジョン検査システム
１２ 画像測定機
１４ 制御コンピュータシステム
１６ ディスプレイ
１８ プリンタ
２０，３２０ ワークピース
２２ ジョイスティック
２４ キーボード
２６ マウス
３２ 可動ワークピースステージ
３４ 光学撮像システム
１００ マシンビジョン検査システム
１２０ 制御システム部
１２５ コントローラ
１３０ 入出力インタフェース
１３１ 撮像制御インタフェース
１３２ 移動制御インタフェース
１３２ａ 位置制御要素
１３２ｂ 加速度制御要素
１３３ 照明制御インタフェース
１３３ａ 照明制御要素
１３４ レンズ制御インタフェース
１３４ｍ 倍率変更調整モード
１３６ ディスプレイデバイス
１３８ 入力デバイス
１４０ メモリ
１４０ｅｄ エッジ検出メモリ部
１４１ 画像ファイルメモリ部
１４２ ワークピースプログラムメモリ部
１４３ ビデオツール部
１４３ａ ビデオツール部
１４３ａｆ 自動合焦ビデオツール
１４３ｒｏｉ 関心領域発生器
１７０ 実行器
１９０ 電源部
２００ ビジョンコンポーネント部
２０５ 光学アセンブリ部
２１０ ワークピースステージ
２１２ 透明部
２２０ 光源（透過照明光源）
２２１，２８１バス
２２２，２３２，３３２ 光源光
２３０ 光源（落射照明光源）
２４０ 光源（斜め照明光源）
２５０ 交換可能対物レンズ
２５５，３５５ ワークピース光
２６０，３６０ カメラシステム
２６２，２９６ 信号ライン
２８０ ターレットレンズアセンブリ
２８４ 軸
２８６，３７０ レンズ
２９０ ミラー
２９４ 制御可能モータ
３００ 撮像システム
３００，３３０ 光源
３５０ 対物レンズ
３５１ チューブレンズ
３５２，３８６ リレーレンズ
３７４ レンズコントローラ
３９０ 部分ミラー

Claims (20)

1. 撮像システムであって、
   高速可変焦点距離レンズと、
   光路であって、
   前記撮像システムに比較的低い倍率を与える第１の倍率状態と、前記撮像システムに比較的高い倍率を与える第２の倍率状態との間で切り換えることができる可変倍率レンズ部と、
   周期的に焦点距離が変更される可変焦点距離レンズを備えた可変焦点距離レンズ部であって、前記焦点距離が、前記撮像システムが用いる画像露光時間中に複数の周期を含む第１又は第２の周波数で変更可能である、可変焦点距離レンズ部と、
   を備える光路と、を備え、
   前記撮像システムが前記第１の倍率状態を用いて動作する間に、前記可変焦点距離レンズ部が、前記第１の周波数及び第１の振幅で動作して、前記可変焦点距離レンズの周期的に変更される焦点距離に第１の範囲を与えるように構成され、前記第１の範囲が前記第１の倍率状態の間の前記撮像システムの焦点距離範囲に対応し、
   前記撮像システムが前記第２の倍率状態を用いて動作する間に、前記可変焦点距離レンズ部が、前記第２の周波数及び第２の振幅で動作して、前記可変焦点距離レンズの周期的に変更される焦点距離に第２の範囲を与えるように構成され、前記第２の範囲が前記第１の範囲よりも大きく、前記第２の範囲が前記第２の倍率状態の間の前記撮像システムの焦点距離範囲に対応する、撮像システム。
2. 前記撮像システムが前記第１の倍率状態を用いて動作する場合に、撮像に用いられる前記可変焦点距離レンズの中心直径が第１の撮像直径であり、
   前記第１の撮像直径が少なくとも４．０ミリメートルであるように前記光路が構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１の撮像直径が少なくとも８．０ミリメートルである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記撮像システムが前記第２の倍率状態を用いて動作する場合に、撮像に用いられる前記可変焦点距離レンズの中心直径が、前記第１の撮像直径よりも小さい第２の撮像直径であるように前記光路が構成されている、請求項２に記載のシステム。
5. 撮像に用いられる前記可変焦点距離レンズの前記中心直径が、前記第１又は第２の倍率状態の前記撮像システムの限界開口でないように前記光路が構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記可変焦点距離レンズが可変音響式屈折率分布型レンズである、請求項１に記載のシステム。
7. 前記可変倍率レンズ部が、前記第１の倍率状態を与える第１の固定倍率レンズと、前記第２の倍率状態を与える第２の固定倍率レンズと、を含む、請求項１に記載のシステム。
8. 前記第１及び第２の固定倍率レンズが、
   各々が前記可変倍率レンズ部の固定倍率レンズセットから選択されたものであって、前記固定倍率レンズセットが、前記セットの最低倍率に対応する最低倍率レンズと、前記セットの最高倍率に対応する最高倍率レンズと、前記最低倍率と前記最高倍率との間の中間倍率に対応する複数の中間倍率レンズと、を含むもの、
   ０．５倍、１倍、２倍、２．５倍、５倍、１０倍、２０倍、２５倍、５０倍、又は１００倍の少なくとも１つの倍率に対応するもの、
   相互に異なる倍率に対応するものであって、あるものの対応する倍率が他のものの対応する倍率の少なくとも１０倍であるもの、
   の少なくとも１つである、請求項７に記載のシステム。
9. 撮像システムを動作させるための命令を記憶している非一時的コンピュータ読み取り可能記憶媒体であって、前記命令がプロセッサによって実行された場合に、
   前記撮像システムの可変倍率レンズ部が、前記撮像システムに第１の倍率を与える第１の倍率状態であると判定することであって、前記撮像システムが、周期的に焦点距離が変更される可変焦点距離レンズを備えた可変焦点距離レンズ部を含み、前記焦点距離が、前記撮像システムが用いる画像露光時間中に複数の周期を含む第１又は第２の周波数で変更可能であり、前記第１の周波数が前記第２の周波数とは異なる、こと、
   前記可変倍率レンズ部が前記第１の倍率状態であるという前記判定に応じて、前記可変焦点距離レンズ部を前記第１の周波数及び第１の振幅で動作させて、前記可変焦点距離レンズの周期的に変更される焦点距離に第１の範囲を与えることであって、前記第１の範囲が前記第１の倍率状態の間の前記撮像システムの焦点距離範囲に対応する、こと、
   前記可変倍率レンズ部が、前記第１の倍率とは異なる第２の倍率を前記撮像システムに与える第２の倍率状態に変化したと判定すること、
   前記可変倍率レンズ部が前記第２の倍率状態に変化したという前記判定に応じて、前記可変焦点距離レンズ部を前記第２の周波数及び第２の振幅で動作させて、前記可変焦点距離レンズの周期的に変更される焦点距離に第２の範囲を与えることであって、前記第２の範囲が前記第１の範囲よりも大きく、前記第２の倍率状態の間の前記撮像システムの焦点距離範囲に対応する、こと、
   を少なくとも前記プロセッサに実行させる、非一時的コンピュータ読み取り可能記憶媒体。
10. 前記可変倍率レンズ部が前記第１の倍率状態であると判定することが、前記第１の倍率状態を与えるために前記可変倍率レンズ部で用いられる第１の固定倍率レンズが選択されたという判定を含み、前記可変倍率レンズ部が前記第２の倍率状態に変化したと判定することが、前記第２の倍率状態を与えるために前記可変倍率レンズ部で用いられる第２の固定倍率レンズが選択されたという判定を含む、請求項９に記載の非一時的コンピュータ読み取り可能記憶媒体。
11. 前記可変倍率レンズ部で用いられる前記第１又は第２の固定倍率レンズのいずれかが選択されたという判定が、
    前記固定倍率レンズの１つをユーザが選択したことに対応する入力を受信すること、
    前記可変倍率レンズ部で用いられる位置に前記固定倍率レンズの１つが移動した場合に、前記固定倍率レンズに関連付けられたインジケータを電子的に検知すること、
    前記可変倍率レンズ部で用いられる位置に前記固定倍率レンズが移動した後に前記撮像システムの倍率を求めること、
    の少なくとも１つに従って行われる、請求項１０に記載の非一時的コンピュータ読み取り可能記憶媒体。
12. 精密非接触計測システムにおいて用いられる撮像システムを動作させるための方法であって、
    前記撮像システムに光路を提供することであって、前記光路が、
    前記撮像システムに比較的低い倍率を与える第１の倍率状態と前記撮像システムに比較的高い倍率を与える第２の倍率状態との間で切り換えることができる可変倍率レンズ部と、
    周期的に焦点距離が変更される可変焦点距離レンズを備えた可変焦点距離レンズ部であって、前記焦点距離が、前記撮像システムが用いる画像露光時間中に複数の周期を含む第１又は第２の周波数で変更可能であり、前記第１の周波数が前記第２の周波数とは異なる、可変焦点距離レンズ部と、
    を備える、ことと、
    前記撮像システムが前記第１の倍率状態を用いて動作する間に、前記可変焦点距離レンズ部を前記第１の周波数及び第１の振幅で動作させて、前記可変焦点距離レンズの前記周期的に変更される焦点距離に第１の範囲を与えることであって、前記第１の範囲が前記第１の倍率状態の間の前記撮像システムの焦点距離範囲に対応する、ことと、
    前記撮像システムが前記第２の倍率状態を用いて動作する間に、前記可変焦点距離レンズ部を前記第２の周波数及び第２の振幅で動作させて、前記可変焦点距離レンズの前記周期的に変更される焦点距離に第２の範囲を与えることであって、前記第２の範囲が前記第１の範囲よりも大きく、前記第２の倍率状態の間の前記撮像システムの焦点距離範囲に対応する、ことと、
    を含む、方法。
13. 前記撮像システムが前記第１の倍率状態を用いて動作する場合に、撮像に用いられる前記可変焦点距離レンズの中心直径が第１の撮像直径であり、
    第１の撮像直径が少なくとも４．０ミリメートルであるように前記光路が構成されている、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１の撮像直径が少なくとも８．０ミリメートルである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記撮像システムが前記第２の倍率状態を用いて動作する場合に、撮像に用いられる前記可変焦点距離レンズの中心直径が、前記第１の撮像直径よりも小さい第２の撮像直径であるように前記光路が構成されている、請求項１３に記載の方法。
16. 撮像に用いられる前記可変焦点距離レンズの前記中心直径が、前記第１又は第２の倍率状態の前記撮像システムの限界開口でないように前記光路が構成されている、請求項１５に記載の方法。
17. 前記可変焦点距離レンズが可変音響式屈折率分布型レンズである、請求項１２に記載の方法。
18. 前記第２の周波数が前記第１の周波数の少なくとも２倍である、請求項１２に記載の方法。
19. 前記第１及び第２の周波数の各々が少なくとも１０ｋＨｚである、請求項１２に記載の方法。
20. 前記精密非接触計測システムがマシンビジョン検査システムであり、前記方法が、前記第１の倍率状態又は前記第２の倍率状態の少なくとも一方を用いて前記撮像システムを動作させて、ワークピースに隣接したＺ高さ方向に沿った複数の位置における複数の画像を取得することを更に含む、請求項１２に記載の方法。