JP2019066851A - 屈折力の監視を行う可変焦点距離レンズシステム - Google Patents

屈折力の監視を行う可変焦点距離レンズシステム Download PDF

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Abstract

【課題】ＶＦＬレンズ、ＶＦＬレンズ制御部、対物レンズ、カメラ、及び屈折力監視構成ＯＰＭを備える可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムを提供する。
【解決手段】対物レンズ３５０は、標準ワークピース撮像モードにおいて、ワークピース光３５５を撮像光路に沿ってＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０へ透過させる。カメラ３６０は、対応するワークピース画像露光を行う。屈折力監視構成は、屈折力監視モードにおいて、撮像光路の少なくとも一部に沿ってＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に送られる監視ビームパターンを生成する。カメラ３６０は、監視画像露光を行う。異なる監視画像露光は、ＶＦＬレンズ３７０の周期変調の異なる位相タイミングにおいて取得される。各監視画像露光における監視ビームパターンの寸法は、対応位相タイミング時のＶＦＬレンズ３７０の屈折力と関連付けられている。
【選択図】図３

Description

本開示は、（例えば、マシンビジョン検査システムにおける）高速可変焦点距離レンズを使用する精密計測に関し、より詳細には、撮像システムにおける高速可変焦点距離レンズの屈折力の監視に関する。
精密マシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）のような精密非接触計測システムは、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、カメラと、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解析「ビデオツール」を含む。例えば米国特許第６，５４２，１８０号は、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。
マルチレンズ可変焦点距離（ＶＦＬ：ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｇｔｈ）光学システムは、表面高さの観察や精密測定に用いられる撮像システムに採用されてもよい。撮像システムは、例えば、米国特許第９１４３６７４号に開示される、顕微鏡システム及び／又は精密マシンビジョン検査システムに含まれていてもよい。簡潔には、ＶＦＬレンズは、複数の焦点距離で、それぞれ複数の画像を取得することができる。ＶＦＬレンズの１つとして、可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ：ｔｕｎａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ」）レンズが知られている。ＴＡＧレンズは流体媒質中の音波を用いてレンズ作用を作り出す高速ＶＦＬレンズである。音波は、流体媒質を取り囲む圧電チューブに共振周波数の電界を印加して生成してもよい。音波は、レンズの屈折力、及び焦点距離又は合焦位置を変調するレンズの流体において、密度と屈折率プロファイルの経時変化を作り出す。ＴＡＧレンズは、最大数百ｋＨｚの共振周波数で、つまり高速で、ある範囲の焦点距離を周期的に掃引することができる。レンズの詳細に関しては、「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）という記事の教示を参照してもよい。可変音響式屈折率分布型レンズと、それに関連する制御型信号発生器は、例えば、ニュージャージー州プリンストンのＴＡＧ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．により市販されている。例えば、モデルＴＬ２．Ｂ．ｘｘｘシリーズのレンズは、約６００ｋＨｚまでの変調が可能である。
上記のＶＦＬレンズは、周期変調、並びに超高速の合焦位置変更が可能であるが、温度等の条件の変動により、屈折力や変調周波数が変化し、システム性能や精度に影響を及ぼす可能性がある。従って、上記の問題に対して改善を図ることができる撮像システムが望ましい。
下記の概要では、後述の「詳細な説明」において更に詳しく説明する概念を選別し、簡略化した形で紹介することとする。概要は、請求項に記載された主題の重要な特徴を特定し、あるいは請求項に記載された主題の範囲を規定することを目的として作成されたものではない。
可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムは、ＶＦＬレンズ、ＶＦＬレンズ制御部、対物レンズ、カメラ、及び屈折力監視構成ＯＰＭを備える。更なる実施例において、ＶＦＬレンズは、可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズであってもよい。ＶＦＬレンズ制御部は、ＶＦＬレンズを制御し、動作周波数における屈折力の範囲にわたりＶＦＬレンズの屈折力を周期変調する。対物レンズは、ワークピース撮像モードにおいてワークピース表面からのワークピース光が入力され、ＶＦＬレンズを通過するワークピース光を撮像光路に沿って透過させる。カメラは、ワークピース撮像モードにおいて撮像光路に沿ってＶＦＬレンズにより透過されたワークピース光を受光し、対応するワークピース画像露光を行う。
屈折力監視構成は、光源と、光源からの光が入力され、監視ビームパターンを出力するビームパターン素子とを備える監視ビーム発生器を含む。更なる実施例において、屈折力監視構成は、屈折力監視モードにおいて、監視ビームパターンを撮像光路の少なくとも一部に沿って透過させて、ＶＦＬレンズを介してカメラに送る。カメラは、屈折力監視モードにおいて、ＶＦＬレンズの周期変調の対応位相タイミングの時、監視ビームパターンを含む監視画像露光を行う。監視画像露光における監視ビームパターンの寸法は、対応位相タイミング時のＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられている。
更なる実施例において、ＶＦＬレンズの周期変調における異なる位相タイミング（例えば、０°、１８０°、及び９０°に対応する位相タイミング）において、異なる監視画像露光を得ることができる。各監視画像露光における監視ビームパターンの寸法を測定し、較正値と比較してもよい。比較結果に基づいてシステムに対して調整を行うことができる（例えば、ＶＦＬレンズの動作に対して調整を行い、ＶＦＬレンズの屈折力を較正レベルに近似させることができる）。
汎用精密マシンビジョン検査システムの各種の一般的な構成要素を示す図である。 本明細書の開示する特徴を含む、図１と類似する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構成要素を示すブロック図である。 マシンビジョン検査システムなどの精密非接触計測システムに適合され、本明細書の開示する原理に従って動作し得る撮像システムの概略図である。 ＶＦＬレンズを含む撮像システムの動作ルーチンの実施の一例を説明するフロー図である。 異なる位相タイミングに対応する異なる監視画像露光における監視ビームパターンを説明する図である。 異なる位相タイミングに対応する異なる監視画像露光における監視ビームパターンを説明する図である。 異なる位相タイミングに対応する異なる監視画像露光における監視ビームパターンを説明する図である。 格納較正値と比較し、図５Ａ〜５Ｃのような監視画像露光を分析するルーチンの実施の一例を説明するフロー図である。 図６の分析に用いられるような較正値を決定・格納するルーチンの実施の一例を説明するフロー図である。
図１は、本明細書に記載の方法に従い、撮像システムとして使用される例示的なマシンビジョン検査システム１０を示すブロック図である。マシンビジョン検査システム１０は、画像測定機１２を含み、画像測定器１２は制御コンピュータシステム１４に操作可能に接続され、データや制御信号のやりとりを行う。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に操作可能に接続され、データや制御信号のやりとりを行う。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の動作に対する制御及び／又はプログラミングに適するユーザインターフェースを表示してもよい。更なる実施例において、タッチスクリーンタブレットなどを、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のうちのいずれか又は全ての機能の代替となり、及び／又は冗長的に提供するものとして活用してもよい。
当業者であれば、制御コンピュータシステム１４を、一般的に、任意の演算システム又は演算デバイスにより構成してもよいことを理解するであろう。適切な演算システムや演算デバイスとしては、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ミニコンピュータ、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コンピューティング環境などが挙げられる。演算システム又は演算デバイスは、ソフトウェアを実行して本明細書に記載の機能を実施する１つ以上のプロセッサを含んでいてもよい。プロセッサは、汎用又は特殊目的のプログラマブル・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・ロジックデバイス（ＰＬＤ）、あるいは上記のデバイスの組み合わせを含む。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）、フラッシュメモリなど、あるいは要素の組み合わせのメモリに格納されてもよい。ソフトウェアは、光学系ディスク、フラッシュメモリデバイス、あるいはその他任意の種類のデータ格納用の不揮発性記憶媒体など、１つ以上の記憶デバイスに格納されてもよい。ソフトウェアは、特定のタスクを実行するか、あるい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んでいてよい。分散コンピューティング環境では、複数の演算システム又は演算デバイスにわたりプログラムモジュールの機能を結合又は分散することができ、機能には、有線構成又は無線構成の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、移動型ワークピースステージ３２と、ズームレンズ又は交換レンズを備えてもよい光学撮像システム３４とを含む。ズームレンズ又は交換レンズは、一般的に、光学撮像システム３４により提供される画像に対して様々な倍率を付与する。マシンビジョン検査システム１０の種々の実施例については、同出願人の米国特許第７４５４０５３号、第７３２４６８２号、第８１１１９０５号、第８１１１９３８号にも記載されている。
図２は、本明細書に記載の特徴を含む、図１のマシンビジョン検査システムと類似するマシンビジョン検査システム１００の制御システム部１２０及びビジョン構成要素部２００を示すブロック図である。下記に詳細に説明するが、制御システム部１２０は、ビジョン構成要素部２００の制御に用いられる。ビジョン構成要素部２００は、光学アセンブリ部２０５、光源２２０、２３０、２４０、並びに、中央透明部２１２を有するワークピースステージ２１０を含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０が位置決めされ得るステージの表面と略平行な平面内のｘ軸及びｙ軸に沿って制御可能に移動する。
光学アセンブリ部２０５は、カメラシステム２６０、交換対物レンズ２５０、各種の例示的実施においてはＴＡＧレンズである可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ２７０、及び、監視光源２８６Ｓを有する監視ビーム発生器２８６を含む。更なる実施例において、光学アセンブリ部２０５は光源２３０（例えば、落射照明光源）も含んでいてよい。更なる実施例において、光学アセンブリ部２０５は更に、レンズ２２６、２２８を有するターレットレンズアセンブリ２２３を含んでいてもよい。更なる実施例において、ターレットレンズアセンブリの代わりに、固定式又は手動式の交換可能変倍レンズ、又はズームレンズ構成などが含まれていてもよい。更なる実施例において、各種のレンズが、光学アセンブリ部２０５の変倍レンズ部の一部として含まれていてもよい。更なる実施例において、交換可能対物レンズ２５０は、変倍レンズ部の一部として含まれる固定倍率対物レンズ組（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倍などの倍率に対応する対物レンズ組）から選択されてもよい。
光学アセンブリ部２０５は、制御可能モータ２９４を用いて、ｘ軸及びｙ軸と略直交するｚ軸に沿って制御可能に移動し、モータ２９４は、アクチュエータを駆動して光学アセンブリ部２０５をｚ軸に沿って移動させ、ワークピース２０の画像の焦点を変える。制御可能モータ２９４は、信号線２９６を介して入出力インターフェース１３０に接続される。下記により詳しく説明するが、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ２７０は、レンズ制御インターフェース１３４により信号線２３４’を介して制御されことで、ＶＦＬレンズ２７０の合焦位置を周期的に変調してもよい。レンズ制御インターフェース１３４は、下記により詳しく説明するが、本明細書の開示する各種の原理による制御モード管理部１８０を含んでいてもよい。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、あるいは複数のワークピース２０を保持するトレイ又は固定具は、ワークピースステージ２１０上に載置される。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てもよく、それにより、交換対物レンズ２５０の視野はワークピース２０上の位置の間、及び／又は複数のワークピース２０の間で移動する。
透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、斜め照明光源２４０（例えばリングライト）のうちの１つ以上は、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を放射し、ワークピース２０を照明してもよい。更なる実施例において、ワークピース撮像モードにおいて、落射照明光源２３０は、反射面２９０（例えば、ビームスプリッタの一部である部分ミラー）を含む経路に沿って光源光２３２を放射してもよい。反射面２９０は光源光２３２を反射又はワークピース光２８９として透過する。撮像に用いられるワークピース光は交換対物レンズ２５０、ターレットレンズアセンブリ２２３、及びＶＦＬレンズ２７０を通過し、カメラシステム２６０により集光される。ワークピース２０の画像を含むワークピース画像露光は、カメラシステム２６０に捕捉され、信号線２６２を介して制御システム部１２０に出力される。光源２２０、２３０、２４０はそれぞれ、信号線又はバス２２１、２３１、２４１を介して制御システム部１２０に接続されてもよい。更なる実施例において、監視ビーム発生器２８６及び／又は監視光源２８６Ｓは、信号線又はバスを介して制御システム部１２０に接続されてもよい。制御システム部１２０は、軸２２４に沿ってターレットレンズアセンブリ２２３を回転させ、信号線又はバス２２３’を介してターレットレンズを選択し、画像の倍率を変更してもよい。
図２に示されているように、例示の実施例において、制御システム部１２０は、制御部１２５、入出力インターフェース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。それぞれの構成要素、並びに後述する追加構成要素は、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・インターフェースにより、あるいは素子間の直接接続により、相互に接続されていてもよい。入出力インターフェース１３０は、撮像制御インターフェース１３１、移動制御インターフェース１３２、照明制御インターフェース１３３、及びレンズ制御インターフェース１３４を含む。図３に示されているルーチン及び／又は回路を備えるレンズ制御部３３４を参照して以降で詳細に説明する通り、レンズ制御インターフェース１３４は、本明細書に開示の原理に従ったワークピース撮像モード及び屈折力監視モードに用いられる回路及び／又はルーチンを含む制御モード管理部１８０を含んでいてよい。一部の実施例において、レンズ制御インターフェース１３４とレンズ制御部３３４は、統合されていてもよく、及び／又は、区別できずともよい。
移動制御インターフェース１３２は、位置制御素子１３２ａと速度／加速度制御素子１３２ｂを含んでいてもよいが、素子は、統合されていてもよく、及び／又は、区別できずともよい。照明制御インターフェース１３３は、該当する場合には、マシンビジョン検査システム１００における対応の様々な光源に対して、例えば選択、パワー、オン／オフ切り替え、ストロボパルスタイミングを制御する照明制御素子１３３ａ〜１３３ｎ、及び１３３ｆｌを含んでいてもよい。ストロボパルスタイミングを制御する照明制御素子は、一般的に、図３に示されている露光（ストロボ）時間制御部３９３に対応するが、詳細に関しては後述する。
メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１と、エッジ検出メモリ部１４０ｅｄと、１つ以上のパートプログラムなどを含んでいてもよいワークピースプログラムメモリ部１４２と、ビデオツール部１４３とを備えていてもよい。ビデオツール部１４３は、対応のビデオツールのそれぞれについてＧＵＩ、画像処理操作などを決定するビデオツール部１４３ａと、他のビデオツール部（例えば、１４３ｎ）とを含み、更には、ビデオツール部１４３に含まれる各種のビデオツールにより操作可能な複数の関心領域（ＲＯＩ）を画定する自動、半自動、及び／又は手動操作をサポートするＲＯＩ発生器１４３ｒｏｉを含む。更なる実施例において、様々なワークピース要素の検査及び／又は測定に各種のビデオツール（例えば、円ツール、弧ツール、ボックスツール、ラインツールなど）を使用してもよい。エッジ要素を位置決めし、他のワークピース要素に対して検査を行うビデオツールの動作の例は、上記の引用文献、並びに米国特許第７６２７１６２号においてより詳細に説明されている。
ビデオツール部１４３は、合焦高さの測定操作に用いられるＧＵＩや画像処理操作などを決定する自動合焦ビデオツール１４３ａｆを備える。更なる実施例において、自動合焦ビデオツール１４３ａｆは、米国特許第９１４３６７４号により詳しく記載されている通り、図３に記載のハードウェアを用いて高速で合焦高さを測定するために利用可能な高速合焦高さツールを追加的に含んでいてもよい。更なる実施例において、高速合焦高さツールは、自動合焦ビデオツールに用いられる従来の方法に従って動作し得る、自動合焦ビデオツール１４３ａｆの特殊モードであってもよく、さもなければ、自動合焦ビデオツール１４３ａｆの動作に、高速合焦高さツールの動作が含まれているだけであってもよい。
本開示において、また、当業者にとっては既知であるように、「ビデオツール」という用語は、一般的に、ビデオツールに含まれる動作の段階シーケンスを作成せず、あるいは、一般化テキストによるプログラミング言語に依存する必要もなく、マシンビジョンのユーザが比較的に単純なユーザインターフェース（例えばグラフィカル・ユーザ・インターフェース、編集可能なパラメータウィンドウ、メニューなど）を介して実装できる、比較的に複雑な自動操作、あるいはプログラムされた操作のセットを指す。例えば、ビデオツールは、画像処理操作及び演算を左右する少数の変数やパラメータを調整することで特定のインスタンスに適用・カスタマイズされる、事前にプログラムされた操作及び演算の複合セットを含んでいてもよい。基本的な操作及び演算に加えて、ビデオツールは、ビデオツールの特定のインスタンスに対してユーザがそのパラメータを調整できるユーザインターフェースを備える。例えば、多くのマシンビジョンビデオツールを使用して、ユーザは、マウスを用いた簡単な「ハンドルのドラッグ」操作によりグラフィカル関心領域（ＲＯＩ）指標を構成して、ビデオツールの特定のインスタンスにおける画像処理操作による分析対象となる、画像のサブセットの位置パラメータを定義することができる。可視のユーザインターフェース機能は、時にビデオツールと呼ばれ、基本的な操作は暗黙的に含まれていることに留意されたい。
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）と、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、マウス２６）が、入出力インターフェース１３０に接続されていてもよい。ディスプレイデバイス１３６と入力デバイス１３８は、検査動作の実行、及び／又はパートプログラムの作成及び／又は変更に使用できる各種のグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）機能を含むユーザインターフェースを表示して、カメラシステム２６０に捕捉された画像を確認するために、及び／又は、ビジョン構成要素部２００に対して直接制御を行うために使用されてもよい。ディスプレイデバイス１３６は、ユーザインターフェース機能を（例えば、ビデオツール部１４３のビデオツールと関連付けて）表示してもよい。
例示の実施例において、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用のパートプログラムを作成する場合、ユーザは、マシンビジョン検査システム１００を学習モードで操作してパートプログラム命令を生成し、所望の画像取得トレーニングシーケンスを得る。例えば、トレーニングシーケンスには、視野（ＦＯＶ）内の代表ワークピースの特定のワークピース要素の位置決め、照明レベルの設定、合焦又は自動合焦、画像の取得、及び、（例えば、ワークピース要素に対するビデオツールのうちの一つのインスタンスを用いて）画像に適用する検査トレーニングシーケンスの提供が含まれていてよい。学習モードは、シーケンスを取得又は記録し、対応するパートプログラム命令に変換するものである。これらの命令により、パートプログラムが実行されると、マシンビジョン検査システムはトレーニング済みの画像取得を再現し、パートプログラム作成の際に用いた代表ワークピースと一致する実行モードでのワークピース上における特定のワークピース要素（つまり、対応する位置の対応する要素）を、検査動作により自動的に検査する。更なる実施例において、（例えば、図５Ａ〜５Ｃに示されているように）監視画像露光における監視ビームパターンの検査（例えば、ビームパターンの寸法の測定）を行うパートプログラムの作成に上記の技術を利用することもができるが、詳細に関しては後述する。
図３は、ＶＦＬレンズ３７０（例えば、ＴＡＧレンズ）を含み、ビジョンシステムに適用され本明細書の開示する原理に従って動作してもよいＶＦＬレンズシステム３００（撮像システム３００とも言う）の概略図である。図３の特定の番号付けの構成要素３ＸＸは、本明細書に別途の記載がない限り、図２における同様の番号付けの構成要素２ＸＸに対応するか、及び／又は類似の動作を行い得ることが理解されよう。詳細に関しては後述するが、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ワークピース３２０からカメラ３６０に撮像光を伝達する経路に沿って配置された各種の光学部品を含む。撮像光は、一般的に、それら光学部品の光軸ＯＡの方向に沿って伝達される。図３に示されている実施例において、全ての光軸ＯＡが揃えられている。しかしながら、実施例は例示に過ぎず、保護の範囲を限定するものではない。より一般的には、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ミラー及び／又はその他の光学素子を含んでいてもよく、既知の原理に従い、カメラ（例えば、カメラ３６０）を用いてワークピース３２０を撮像することができるものであればどのような形態であってもよい。図示の実施例において、撮像光路ＯＰＡＴＨは（４Ｆ撮像構成に含まれていてもよい）ＶＦＬレンズ３７０を含み、ワークピース撮像モードにおいてワークピース３２０の表面の撮像に少なくとも部分的に使用される。詳細に関しては後述するが、本明細書に開示の原理に従って、監視光源３８６Ｓは、屈折力監視モードにおいて撮像光路ＯＰＴＡＨの少なくとも一部に沿って監視光を放射してＶＦＬレンズ３７０を通過させ、１つ以上の監視画像露光を形成するために使用されてもよい（例えば、監視画像露光を分析し、格納較正値と比較することで、命令によるＶＦＬレンズ３７０の屈折力に生じた変化の感知を可能にしてもよい）。
図３に示されているように、ＶＦＬレンズシステム３００は、光源３３０、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０、リレーレンズ３５６、レンズ制御部３３４、カメラ３６０、Ｚ高（合焦距離）較正部３７３、焦点信号処理部３７５（オプション）、光学合焦監視部３７６（オプション）、並びに、監視ビーム発生器３８６を備える屈折力監視構成ＯＰＭを含む。更なる実施例において、様々な構成要素は、直接接続により、あるいは１つ以上のデータ／制御バス（例えばシステム信号制御バス３９５）及び／又はアプリケーションプログラミングインターフェースにより相互に接続されていてもよい。
図３に示されている実施例では、光源３３０は、反射面３９０（例えば、ビームスプリッタの一部である部分ミラー）を含む経路に沿い、且つ対物レンズ３５０を介して、ワークピース３２０の表面へ光源光３３２を（例えば、ストロボ照明又は連続照明で）放射する「落射照明」光源又は他の光源であってもよく、対物レンズ３５０は、ワークピース３２０に近接する合焦位置ＦＰに焦点を合わせたワークピース光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。チューブレンズ３５１は、ワークピース光３５５を受光し、リレーレンズ３５２に出力する。他の実施例において、類似の光源を使用し、非同軸方式で視野を照明してもよい。例えば、リング光源で視野を照明してもよい。更なる実施例において、対物レンズ３５０は交換対物レンズであってもよく、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まれていてもよい（例えば、図２の交換対物レンズ２５０とターレットレンズアセンブリ２２３と同様のものであってもよい）。更なる実施例において、本明細書に記載される他のレンズのうちのいずれかは、個別レンズ、複合レンズなどから形成されてもよく、あるいは、それらと組み合わせて動作してもよい。
リレーレンズ３５２は、ワークピース光３５５を受光し、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０に出力する。ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０は、ワークピース光３５５を受光し、リレーレンズ３５６に出力する。リレーレンズ３５６は、ワークピース光３５５を受光し、カメラ３６０に出力する。更なる実施例において、カメラ３６０は、画像露光期間中にワークピース画像露光（例えば、ワークピース３２０の画像を含む）を取得してもよく、制御システム部に対応する画像データを提供してもよい。更なる実施例において、カメラ３６０は、１メガピクセルより大きい画素アレイ（例えば、１２８０×１０２４の画素アレイ、５．３ミクロン／１画素の１．３メガピクセル）を有してもよい。
図３の例では、リレーレンズ３５２、３５６、及びＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０は、４ｆ光学構成に含まれるように、リレーレンズ３５２とチューブレンズ３５１とは、ケプラー式（Ｋｅｐｌｅｒｉａｎ）望遠鏡の構成に含まれるように、そして、チューブレンズ３５１と対物レンズ３５０とは、顕微鏡の構成に含まれるように設計される。図示された構成は全て、例示に過ぎず、本開示の内容を限定するものではない。更なる実施例において、図示の４ｆ光学構成では、対物レンズ３５０のフーリエ面にＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０（例えば、低開口数（ＮＡ）デバイスであってもよい）を配置する。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を維持し、尺度変化や画像歪みを最小化することができる（例えば、ワークピース３２０及び／又は合焦位置ＦＰの各Ｚ高に対して一定の倍率を提供する）。ケプラー式望遠鏡の構成（例えば、チューブレンズ３５１とリレーレンズ３５２とを含む）は、顕微鏡構成と４ｆ光学構成との間に位置してもよく、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０の位置において所望の投影サイズを得られるように対物レンズ有効径（ｃｌｅａｒ ａｐｅｒｔｕｒｅ）を設計し、像収差等を最小化してもよい。
更なる実施例において、レンズ制御部３３４は、駆動信号発生器部３３５、タイミングクロック３３５’、及び制御モード管理部３８０を含んでいてもよい。駆動信号発生器部３３５は（例えば、タイミングクロック３３５’と連携して）動作し、高速ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０に信号線３３４’を介して周期駆動信号を提供してもよい。更なる実施例において、制御モード管理部３８０は、本明細書に開示の原理に従って動作可能な回路及び／又はルーチンを含んでいてもよい。一部の実施例において、レンズ制御部３３４と制御モード管理部３８０は統合されていてもよく、及び／又は、区別できずともよい。更なる実施例において、ＶＦＬレンズシステム（又は撮像システム）３００は、レンズ制御部３３４と連携して動作し、信号線３３４’を介してＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０を駆動することによりＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０を制御してレンズの合焦位置を周期的に変調するように構成可能な、制御システム（例えば図２の制御システム部１２０）を含んでいてもよい。
更なる実施例において、制御モード管理部３８０は、一般的に、様々な機能を行うことができる（例えば、異なる動作モードに対するレンズ制御部３３４のシーケンス管理部として動作するなど）。制御モード管理部３８０は、ワークピース撮像モード回路／ルーチン部３８２と屈折力監視モード回路／ルーチン部３８３を含む。更なる実施例において、ワークピース撮像モード回路／ルーチン部３８２は、既知の技術であって文献にも言及されている光学システムに対する標準ワークピース撮像動作の遂行を含むワークピース撮像モード（本明細書では「標準撮像モード」ともいう）を実行する。詳細に関しては後述するが、更なる実施例において、屈折力監視モード回路／ルーチン部３８３は、本明細書に開示の原理に従って屈折力監視モードを実行してもよい。更なる実施例において、屈折力監視モードは、オンデマンド（ｏｎ−ｄｅｍａｎｄ）方式で（例えば、ユーザインターフェースのユーザ選択に応じて、あるいは特定の条件が検出された時に）実行されてもよく、周期的に実行されてもよい（１０秒毎、１日に１回など）。更なる実施例において、制御モード管理部３８０は、屈折力監視モードがワークピース撮像モードとオーバーラップしないように動作してもよいが、屈折力監視モードにおいて決定されたシステムへの調整（例えば、ＶＦＬレンズ３７０の動作を調整するなど）は、ワークピース監視モードが実行される間にも適用・利用され続ける。
屈折力監視モード回路／ルーチン部３８３は、監視ビームパターン画像分析部３８４と調整回路／ルーチン部３８５を含む。更なる実施例において、監視ビームパターン画像分析部３８４は、監視画像露光の入力、（例えば、監視画像露光における監視ビームパターンの寸法のうち１つ以上の判定などを目的とする）特定のビデオツール（例えば、円ビデオツールなど、エッジ検出ビデオツール）や他のサイズ分析部の呼び出しのような機能を遂行してもよい。更なる実施例において、調整回路／ルーチン部３８５は、監視ビームパターン画像分析部３８４からの寸法測定結果／値を入力し、結果／値を較正値と比較し、調整（例えば、ＶＦＬレンズの動作への調整）が必要であるか否かを判断してもよい。詳細に関しては後述するが、更なる実施例において、調整は、（例えば、Ｚ範囲の調整を目的とする）ＶＦＬレンズ３７０を駆動する振幅Ａの調整、（例えば、Ｚオフセットの調整を目的とする）位相タイミング調整、温度調整などを含んでいてよい。更なる実施例において、調整は、駆動信号発生器３３５、タイミングクロック３３５’及び／又はレンズヒータ／クーラ３３７などの制御信号の変動により実施してもよい。詳細に関しては後述するが、更なる実施例において、屈折力監視モード回路／ルーチン部３８３は、動作を繰り返して実行し、ＶＦＬレンズの屈折力が少なくともほぼ所望のレベル（例えば、格納較正値に対応するレベル）に達するまでシステムに対して反復的に分析・調整を行ってもよい。
図３に示されているように、更なる実施例において撮像システム３００は、オプションとして、ＶＦＬレンズ３７０と関連付けられたレンズヒータ／クーラ３３７を備えてもよい。レンズヒータ／クーラ３３７は、一部の実施例及び／又は動作条件に従って、ＶＦＬレンズ３７０に熱エネルギーを入力してＶＦＬレンズ３７０の加熱を促進するか、及び／又は、冷却機能を実行してＶＦＬレンズ３７０の冷却を促進するように構成されてもよい。更に、更なる実施例において、ＶＦＬレンズ３７０と関連付けられた温度センサ３３６からＶＦＬレンズ監視信号を送り、ＶＦＬレンズ３７０の動作温度を監視してもよい。
詳細に関しては後述するが、屈折力監視モードにおいて、屈折力監視構成ＯＰＭと組み合わせたカメラ３６０の動作を介して監視画像露光を行ってもよい。更なる実施例において、屈折力監視構成ＯＰＭは、監視光源３８６Ｓと、監視光源３８６Ｓから光が入力され、監視ビームパターンを出力するビームパターン素子３８６ＢＰＥ（例えば、開口部要素）とを備える監視ビーム発生器３８６を含む（例えば、図５Ａ〜５Ｃに基づいて後述する詳細を参照されたい）。実施の一例において、監視光源３８６Ｓは、約１５０マイクロメートル以下の幅と９０°の放射角を有する光を放射する点光源として機能するＬＥＤであってもよい。更なる実施例において、監視光源３８６Ｓ及び／又は屈折力監視構成ＯＰＭを、顕微鏡構成における対物レンズ３５０とチューブレンズ３５１のフーリエ面からの監視光を誘導するように配置してもよい。更なる実施例において、屈折力監視構成ＯＰＭは、屈折力監視モードにおいて、監視ビームパターンを撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って透過させて、ＶＦＬレンズ３７０を介してカメラ３６０に送る。詳細に関しては図５Ａ〜５Ｃを参照して後述するが、カメラ３６０は、屈折力監視モードにおいて、ＶＦＬレンズ３７０の周期変調の対応する位相タイミングの時、監視ビームパターンを含む監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃを行う。監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃにおける監視ビームパターンの寸法は、対応する位相タイミング時のＶＦＬレンズ３７０の屈折力と関連付けられている。
更なる実施例において、ビームパターン素子３８６ＢＰＥは、開口部を含む開口部要素である（つまり、監視光源３８６Ｓと、監視ビームパターンの光３８９を反射面３９０に向けて誘導する反射面３８７との間に位置する）。更なる実施例において、ビーム広がりの小さい開口部（つまり、ビーム広がりがない開口部とは逆のもの）を得て、ＶＦＬレンズの光学走査範囲全体にわたり監視ビームパターンの大きい直径をカメラ３６０において生成することが望ましい。これについては、図５Ａ〜５Ｃを参照し、詳細に関して後述する。反射面３９０は、監視ビームパターンの光３８９を撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って誘導し、光３８９は、ＶＦＬレンズ３７０を通過し、屈折力監視モードにおいてカメラ３６０により生成された監視画像露光において監視ビームパターンの画像を形成する光３８９’として現れる。前述したように、ワークピース撮像モードにおいて、反射面３９０は、撮像光源光３３２をワークピース撮像光源３３０からワークピース３２０の表面に向けて誘導し、ワークピース３２０の表面からのワークピース光３５５を透過させる。
監視ビーム発生器３８６は、（例えば、監視光源３８６Ｓなどのタイミングを制御する）システム信号制御バス３９５に接続されている。更なる実施例において、監視光源３８６Ｓは、監視光源３８６Ｓとワークピース撮像光源３３０の両方に対してストロボタイミングを与える露光ストロボ時間制御部３９３により制御されてもよい。更なる実施例において、監視光源３８６は、ビームパターン素子３８６ＢＰＥを通過して監視ビームパターンをもたらす光に対して所望の広がり、又は略平行光化するレンズを備えてもよい。他の実施例において、屈折力監視構成ＯＰＭの構成要素を異なる位置及び／又は構成にして用いてもよいことが理解されよう。例えば、代替実施の一例において、監視ビーム発生器３８６を反射面３９０に対して光源３３０と同じ側に配置し、撮像光路ＯＰＡＴＨに沿って監視光３８９を誘導する反射面３９０及び／又は追加反射面がそれに応じた透過特性及び／又は反射特性を有してもよい。
更なる実施例において、屈折力監視構成ＯＰＭの反射面３８７は、監視ビームパターンの光３８９を、ビームパターン素子３８６ＢＰＥから反射面３９０に向けて反射するダイクロイックミラーであってもよい。前述したように、反射面３９０は、屈折力監視モードにおいて、監視ビームパターンの光３８９を、撮像光路ＯＰＡＴＨの少なくとも一部に沿って誘導し、ＶＦＬレンズ３７０を介して送り、カメラ３６０により受光される光３８９’として現れるようにする。更なる実施例において、監視ビームパターンの光３８９と３８９’は、撮像光源光３３２の波長とは異なる波長を有し、ダイクロイックミラー３８７は、ダイクロイックミラー３８７に到達する撮像光源光３３２を反射するよりも、むしろ主に透過させる。特定の構成では、反射面３８７は波長選択性を有し、撮像光源光３３２が反射されず透過するため、不要な光源光３３２が撮像光路ＯＰＡＴＨを通って戻り、ワークピース画像露光に現れる（例えば、ワークピース画像露光においてゴースト画像部や他の望ましくない画像要素として現れるなど）ことを防止できる。
更なる実施例において、監視ビームパターンの光３８９は、監視ビーム発生器３８６により定められたパターンとビーム広がりを有する。ＶＦＬレンズ３７０は、監視ビームパターンの光３８９を受光し、監視ビームパターンの光３８９’を出力する。光３８９’の広がりとパターンサイズは、ＶＦＬレンズ３７０の動作に関連付けられた屈折力の周期的変化により、周期的に変動する。更なる実施例において、監視ビームパターンの光３８９’は、屈折力監視モードにおいて、ＶＦＬレンズ３７０の周期変調の全ての位相タイミングにおいて、カメラ３６０の視野をほぼ満たす。更なる実施例において、監視ビームパターンの光３８９’は、カメラ３６０において少なくとも視準をほぼ合わせてもよい。詳細に関しては後述するが、更なる実施例において、第１の監視画像露光と第２の監視画像露光（例えば、０°と１８０°の位相タイミングに対応する）における監視ビームパターンの寸法（例えば、直径）を測定する（例えば、円ビデオツールなど、エッジ検出ビデオツールを利用する）。測定寸法を用いて、較正値と比べた測定差分値（例えば、直径間の差分）を求め、測定差分値と較正値との比較結果に少なくとも部分的に基づいて、調整（例えば、ＶＦＬレンズ３７０の動作に対する調整）を（例えば、レンズ制御部３３４により）行う。
更なる用途、特に一部の計測用途では、ＶＦＬレンズシステム３００の倍率が全ての屈折力に対して一定（もしくは、少なくとも安定且つ既知）である方が有利である。ＶＦＬシステムが一定の倍率を有するように構成及び／又は注意深く調整を行った時、様々な屈折力に対して有効な監視ビームパターンの直径を定めることができる。例えば、ＶＦＬレンズシステム３００を既知の方法に従って、様々な屈折力に対して一定の倍率を有するように調整し、システムにおける様々な屈折力で監視ビームパターンを測定して、当該システム及びほぼ同一のシステムに対する、屈折力の関数として監視ビームパターンの寸法（あるいはその逆）の基準曲線を確立してもよい。基準曲線は、実験、分析、及び／又はシミュレーションにより定めることができる。システムが基準曲線からの偏差を表す場合、偏差は、不適切な光学的整列や熱歪みなどによる不均一の倍率を示すことになる。倍率誤差成分を示した後は、判定及び／又は除去を行ってもよい。例えば、一部の実施例において、少なくとも第１の監視画像露光と第２の監視画像露光における監視ビームパターンの直径など、様々な寸法を測定してもよい。測定は、上述したように、少なくとも第１の監視画像露光と第２の監視画像露光に対応する屈折力、又は位相タイミング時のＶＦＬレンズ３７０の光学倍率に関連する成分を含んでいてもよい。次いで、測定の結果が定倍率基準曲線に対応するか、あるいは基準曲線からの偏差を表すかを判定してもよい。基準曲線からの偏差を表している場合、格納光学倍率値、又はＶＦＬレンズシステム３００の光学倍率に影響を及ぼす物理的構成要素の位置のうちの少なくとも１つを、第１の監視画像露光と第２の監視画像露光における監視ビームパターンの直径に少なくとも部分的に基づいて定められた光学倍率（例えば、偏差光学倍率）に応じて調整してもよい。一部の実施例において、単に、上記に概説したように定められた光学倍率の偏差に基づいて格納光学倍率値を補償することにより、測定を補正することが有利である可能性がある。他の実施例において、ＶＦＬレンズシステム３００の構成要素の整列を実際に調整し、全ての屈折力における定倍率を確立又は再確立することが有利である可能性がある。
ＶＦＬレンズ３７０の通常動作に対し、上記の更なる実施例において、レンズ制御部３３４は、すばやく且つ周期的に合焦位置を調整、あるいは変調して、２５０ｋＨｚ、７０ｋＨｚ、３０ｋＨｚなどの周期変調（つまり、ＶＦＬレンズの共振周波数での変調）が可能な高速ＶＦＬレンズを成立させることができる。図３に示されているように、ＶＦＬレンズ３７０を駆動する信号の周期変調を用いることにより、撮像システム３００の合焦位置ＦＰは、合焦位置ＦＰ１と合焦位置ＦＰ２（例えば、更なる実施例において、少なくとも０°と１８０°の位相タイミングにほぼ対応する合焦位置。詳細に関しては後述する）により規制された範囲Ｒacc（例えば、自動合焦検索範囲）内で（すばやく）移動してもよい。
一実施例において、オプションの焦点信号処理部３７５は、カメラ３６０からのデータを入力してもよく、撮像表面領域（例えば、ワークピース３２０）が合焦位置に位置する時を判定するのに用いられるデータや信号（合焦監視信号、又はＦＭＳ）を提供してもよい。例えば、カメラ３６０により異なるＺ高において取得された画像群（例えば、画像スタック）を、既知の「最大コントラスト」分析にかけ、ワークピース３２０の撮像表面領域が合焦位置に位置する時を判定してもよい。別の実施例において、光学合焦監視部３７６（オプション）は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０を通過し、ビームスプリッタ３４６’から光学合焦監視部３７６へ偏向された画像光３４５から派生した合焦監視信号（ＦＭＳ）、例えば光検出器からの信号を提供してもよい。一実施例では、光学合焦監視部３７６は、共焦点光学検出器の構成を備えてもよい。しかしながら、より一般的には、他の適切且つ既知の合焦検出構成が用いられ得る。
いずれにしても、焦点信号処理部３７５、又は光学合焦監視部３７６は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０の合焦位置の周期変調（多合焦位置の掃引）中に画像光を入力し、対応する合焦監視信号（ＦＭＳ）をＺ高（合焦距離）較正部３７３に出力してよい。Ｚ高較正部３７３は、それぞれのＺ高（合焦距離）を、焦点の合った画像を示すＦＭＳ値のそれぞれに関連付けた、Ｚ高（合焦距離）対ＦＭＳ値特性を提供してもよい。Ｚ高較正部３７３は更に、それぞれのＺ高（合焦距離）を、ＶＦＬレンズ３７０の標準撮像共振周波数の周期におけるそれぞれの位相タイミングに関連付けたＺ高（合焦距離）較正データを提供してもよく、較正データは、標準撮像駆動制御設定に従ったＶＦＬレンズ３７０の動作に対応する。
ＶＦＬレンズの標準撮像共振周波数の周期における位相タイミングがＦＭＳの値やタイミングと相関するので、それぞれのＺ高をそれぞれの位相タイミングに関連付けたＺ高較正データは、焦点信号処理部３７５又は光学合焦監視部３７６から受け取ったＺ高対ＦＭＳ値特性から導出することができる。あるいは、Ｚ高較正データを別途の方法で規定し、Ｚ高較正部３７３に格納してもよい。一般的に、Ｚ高較正部３７３は、記録されたＺ高較正データを含む。従って、図３の代表例において別途の要素として表したのは、概略的な表現に過ぎず、保護の範囲を限定するものではない。更なる実施例において、関連付けと記録を成されたＺ高較正データは、レンズ制御部３３４、焦点信号処理部３７５、光学合焦監視部３７６、あるいはシステム信号制御バス３９５に接続されているホストコンピュータシステムと、統合されていてもよく、及び／又は、区別できずともよい。前述したように、ある種の変化（例えば、周囲温度変化、機械的歪みなど）は、ＶＦＬレンズの動作特性に僅かながら影響を及ぼし、及び／又は、システムに影響を及ぼし得る（例えば、Ｚ範囲、Ｚオフセットなどの変化をもたらす）が、これに応じて、Ｚ高較正データを利用して定められる測定／測定値の精度にも影響が及ぶようになる。この問題に対処するために、本明細書に開示の原理に従って、ＶＦＬレンズ３７０の屈折力を監視し、それに応じてシステムに対して調整を行い、屈折力が較正に用いられる動作特性により一致するようにすることで、Ｚ高較正データを利用して定められる測定／測定値の精度を向上してもよい。
更なる実施例において、露光（ストロボ）時間制御部３９３は、撮像システム３００の画像露光時間を（例えば、周期変調合焦位置の位相タイミングに対して）制御し、カメラ３６０と統合されていてもよく、又は、区別できずともよい。より具体的には、ワークピース撮像モードにおいて、露光（ストロボ）時間制御部３９３は、（例えば、Ｚ高較正部３７３から入手したＺ高較正データを用いて）ストロボ光源を含む光源３３０を制御し、それぞれ制御された時間にストロボ光を放射してもよい。例えば、露光（ストロボ）時間制御部３９３は、ストロボ光源を制御して、ＶＦＬレンズ３７０の標準撮像共振周波数の周期におけるそれぞれの位相タイミングでストロボ光を放射し、ＶＦＬレンズ３７０の掃引（周期変調）範囲内で最良合焦画像を取得してもよい。他の実施例において、露光時間制御部３９３は、カメラ３６０の高速電子カメラシャッタを制御し、それぞれ制御された時間に画像信号を取得してもよい。例えば、露光時間制御部３９３は、ＶＦＬレンズ３７０の標準撮像共振周波数の周期におけるそれぞれの位相タイミングでカメラシャッタを制御し、ＶＦＬレンズ３７０の掃引（周期変調）範囲内で最良合焦画像を取得してもよい。
一般的に、露光時間制御部３９３は、ワークピース撮像モードにおいて、カメラ３６０がワークピース３２０のワークピース画像露光を捕捉する画像露光周期を制御することで、画像データの取得を制御する。例えば、ワークピース撮像モードにおいて、ワークピース３２０の画像データを取得して撮像システム３００のユーザインターフェースに表示してもよい（図２、ディスプレイデバイス１３６を参照）。詳細に関しては後述するが、更なる実施例において、露光時間制御部３９３は、カメラ３６０が監視画像露光を捕捉する画像露光期間を制御することにより、画像データの取得を同様に制御してもよい。詳細に関しては図５Ａ〜５Ｃを参照して後述するが、特定の実施例において、監視画像露光は、０°と１８０°の位相タイミング（つまり、範囲の端の画像）、及び９０°の位相タイミング（つまり、最良合焦Ｚ位置にほぼ対応する、範囲の中間部の画像）のような特定の位相タイミングに対応してもよい。更なる実施例において、画像データは、屈折力監視モードにおいてカメラ３６０により取得してもよく、場合によっては、撮像システム３００のユーザインターフェースに表示してもよい（図２、ディスプレイデバイス１３６を参照）。あるいは、撮像システム３００により出力せずともよい（例えば、主に内部において調整の要否を判定し、調整を行うことに優先的に利用する）。
図４は、本明細書に開示の原理に従って、ＶＦＬレンズを含む撮像システムの動作するルーチン４００の実施の一例を説明するフロー図である。ブロック４１０では、ＶＦＬレンズを制御し、動作周波数における屈折力の範囲にわたりＶＦＬレンズの屈折力を周期変調する。ブロック４２０では、ワークピース撮像モードを開始して実行する。ワークピース撮像モードでは、ワークピース撮像光設定を使用し、カメラを操作して撮像光路に沿ってＶＦＬレンズにより透過されたワークピース光を受光し、１つ以上の対応するワークピース画像露光を行う。更なる実施例において、撮像光路は、ワークピース表面からのワークピース光が入力され、ＶＦＬレンズを通過するワークピース光を撮像光路に沿って透過させる対物レンズを含む。
決定ブロック４３０において、システムの動作が完了した（例えば、現時点において、撮像動作がこれ以上行われない場合）か否かの判定を行う。システムの動作が完了した場合、ルーチンも終了するが、完了していない場合ルーチンは、決定ブロック４４０へ進み、屈折力監視モードを実行すべきか否かの判定を行う。例えば、更なる実施例において、屈折力監視モードは指定の時間間隔で、あるいはユーザの要請などにより実行されてもよい。屈折力監視モードを実行すべきである場合、ルーチンはブロック４５０へ進む。これについては、詳細に関して後述する。屈折力監視モードを実行すべきではない場合、ルーチンはブロック４２０に戻り、ワークピース撮像モードを続行する。
ブロック４５０では、屈折力監視モードを開始して実行する。屈折力監視モードでは、監視光設定を用いてカメラを操作して監視ビームパターンを受信し、監視ビームパターンを含む１つ以上の監視画像露光を行う（例えば、図５Ａ〜５Ｃに基づいて後述する詳細を参照されたい）。更なる実施例において、屈折力監視構成は、監視光設定に用いられる監視光源と、監視光源からの光が入力され、監視ビームパターンを出力するビームパターン素子とを備える監視ビーム発生器を含む。屈折力監視構成は、屈折力監視モードにおいて、監視ビームパターンを撮像光路の少なくとも一部に沿って透過させて、ＶＦＬレンズを介してカメラに送ってもよい。１つ以上の監視画像露光はそれぞれ、ＶＦＬレンズの周期変調の各位相タイミングに対応していてよい。各監視画像露光における監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法は、各位相タイミング時のＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられていてよい。
ブロック４６０では、各監視画像露光における監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法を測定する。決定ブロック４７０において、調整（例えば、ＶＦＬレンズの動作に対する調整）が、各監視画像露光における監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法の測定値に少なくとも部分的に基づいて行われるべきか否かを判定する。例えば、詳細に関しては後述するが、測定した寸法は、調整が必要であるか否かを判定するために較正値と比較され得る測定値を定めるために利用されてもよい。調整が必要であれば、ルーチンはブロック４８０へ進む。これについては、詳細に後述する。調整が不要であれば、ルーチンはブロック４２０に戻り、ワークピース撮像モードを続行する。
ブロック４８０では、少なくとも１回の調整（例えば、ＶＦＬレンズの動作に対する調整）を行う。前述したように、調整は、特定の実施例において、（例えば、Ｚ範囲の調整を目的とする）ＶＦＬレンズ３７０を駆動する振幅Ａの調整、（例えば、Ｚオフセットの調整を目的とする）位相タイミング調整、温度調整などを含んでいてよい。更なる実施例において、屈折力監視モードの一部として、そのような調整を反復的に実行し、測定値を較正値に少なくともほぼ対応させるための更なる調整が必要なくなるまで、ブロック４５０〜４７０を繰り返して分析と調整を行ってもよい。調整プロセスが一度完了すると、ルーチンはブロック４２０に戻り、調整されたシステムを利用してワークピース撮像モードを実行する。
本明細書に開示された屈折力監視モードの利用には、様々な利点があることが理解されよう。例えば、ＰＦＦ（points from focus：Z方向に走査し連続的に取得した画像からCCDの各ピクセルにおけるコントラストのピークを検出して、ワークピースの三次元形状を得る）動作と、その他タイプのパルスＶＦＬレンズモード（例えば、マルチプレーンなど）において、システムにおけるＺ位置決めの光学精度の誤差を１％未満にすることが望ましい。前述したように、更なる実施例において、（例えば、周囲温度の変化、アセンブリ性能の不整合などによる）Ｚ範囲シフトにより誤差が生じる可能性がある。特定の実施例において、±１ジオプターのＶＦＬレンズ屈折力仕様につき、１％シフトの検出・調整が可能となるのが望ましいが、これは、０．０１ジオプターの変化を測定できる能力に対応していてよい。より具体的には、±１ジオプターセットポイントについて、０．９９ジオプター又は１．０１ジオプターへの変化を測定できるのが望ましい。同様の結論を負の屈折力セットポイントにも適用できる。変化を測定した後、システムに必要な調整（例えば、補償など）量（例えば、ＶＦＬレンズの動作に対するＶｐ−ｐバイアスのＰＺＴへの調整に必要な調整量）を推定できるのが望ましい。更なる実施例において、測定中の所定のワークピースからの影響なしに判定を行うことができるのが望ましい。所望の精度レベルに対して、レベルを達成できる特定の構成例について、図５Ａ〜５Ｃを参照して下記に説明する。
Ｚ範囲に関する考慮事項の他にも、（例えば、周囲温度の変化などにより）Ｚオフセットに関する問題（例えば、屈折力監視構成ＯＰＭの最良合焦位置に関する問題）も生じ得る。更なる実施例において、屈折力監視構成ＯＰＭの最良合焦位置は、一般的に９０°の位相タイミングに対応するが、詳細に関しては図５〜７を参照して後述する。上記の問題に関して、特定の実施例において、０．２５被写界深度（ＤＯＦ）以下まで最良合焦位置を追従することができるのが望ましい。変化を測定した後、システムに必要な調整（例えば、補償など）量（例えば、照明ストロボタイミングなどの調整に必要な調整量）を推定できるのが望ましい。更なる実施例において、測定中の所定のワークピースからの影響なしに判定を行うことができるのが望ましい。所望の精度レベルに対して、このレベルを達成できる特定の構成例について、図５Ａ〜５Ｃを参照して下記に説明する。
図５Ａ〜５Ｃは、それぞれ異なる位相タイミングＰＨ１〜ＰＨ３に対応する異なる監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃにおける監視ビームパターンの寸法Ｄ１〜Ｄ３を説明する図である。図５Ａの場合、対応する位相タイミングはＰＨ１＝０°、図５Ｂの場合、対応する位相タイミングはＰＨ２＝１８０°、図５Ｃの場合、対応する位相タイミングはＰＨ３＝９０°である。実施例において、位相タイミングＰＨ１とＰＨ２は、約１８０°離れており（例えば、反対側の端部位置に対応する）、位相タイミングＰＨ３は第１の位相タイミングＰＨ１と第２の位相タイミングＰＨ２のほぼ中間に位置し、第１の位相タイミングＰＨ１と第２の位相タイミングＰＨ２のそれぞれとは約９０°異なる（例えば、少なくともほぼ最良合焦位置に対応する）。図５Ａ〜５Ｃの例では、寸法Ｄ１〜Ｄ３は、それぞれ、各監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃの監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃの直径に対応する。詳細に関しては図６を参照して後述するが、更なる実施例において、寸法Ｄ１〜Ｄ３は（例えば、円ビデオツールなど、１つ以上のエッジ検出ビデオツールを用いて）測定されてもよく、測定された寸法は較正値と比較され、調整（例えば、ＶＦＬレンズ３７０などの動作に対する調整）を行う必要があるか否かの判定に用いられる。
更なる実施例において、９０°の位相タイミングＰＨ３は、少なくとも最良合焦タイミングにほぼ対応し、０°の位相タイミングＰＨ１と１８０°の位相タイミングＰＨ２は、少なくともＺ走査範囲端部のタイミングにほぼ対応してもよく、よってＰＨ１とＰＨ２の差分は、ＶＦＬレンズの周期変調に対する現在のＺ走査範囲を示すことになる。更なる実施例において、ある種の変化（例えば、周囲温度の変化、アセンブリ性能の不整合など）は、Ｚ走査範囲及び／又は最良合焦タイミングに影響を及ぼす可能性があり、よって、この変化に対してシステムを監視し調整（例えば、所望の動作レベルにシステムを戻す調整）を行うことができるのが望ましい。これに関して、寸法Ｄ１＊、Ｄ２＊、Ｄ３＊に対応する較正値を判定し（詳細に関しては図７を参照して後述する）、較正値を寸法Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に対する現在の測定値と比較する（詳細に関しては図６を参照して後述する）ことで、変化を検出し、システムを所望の動作レベルに戻す、あるいは所望の動作レベルに調整する調整が行われてもよい。
更なる実施例において前述したように、監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃにおける監視ビームパターン５１０Ａ〜５１０Ｃのサイズに対して、図３のビームパターン素子３８６ＢＰＥは、開口部を含む開口部要素である。更なる実施例において、開口部のサイズは、カメラ３６０により生成された監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃにおける監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃの所望のサイズに応じて選ばれてもよく、更に、ＶＦＬレンズの屈折力シフトに対する感度に対応することになる。例えば、更なる実施例において、ビームパターン素子３８６ＢＰＥの開口部のサイズを大きくして監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃのサイズをできるだけ大きくし、ＶＦＬレンズの周期変調の全ての位相タイミングにおいてカメラ３６０の視野をほぼ満たす（つまり、監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃのいずれかにおいて監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃのいずれも一切切り取られない）のが望ましい。
特定の実施例において、ＶＦＬレンズを駆動する動作セットポイント７０ｋＨｚと総屈折力±１ジオプターのシステムの場合、約１０．０ｍｍの開口部サイズは、Ｄ１＝４．３２２ｍｍとＤ２＝４．８０８ｍｍの測定寸法（例えば、直径）に対応し、Ｄ１２＝０．４８６ｍｍ＝９１．４画素の差分値、約４５．７２画素／ジオプターの対応勾配を有していてよい。システムにおいて、０．０１ジオプターの変化を検出できる所望の能力は、約０．４６画素の変化を検出する必要性に応じ、これは、エッジ検出ツール（例えば、多くの走査線を利用する円ツール）が高解像度（例えば、最大０．０５画素の解像度）でエッジ検出（つまり、円の直径を判定する検出）を行うことのできるシステムの感度範囲内となる。システムの更なる例示では、構成は、測定寸法（例えば、直径）Ｄ３＝４．５７８ｍｍにも対応し、１／５の被写界深度（ＤＯＦ）シフトは約０．６画素に相当することになる。システムにおいて、１／４ＤＯＦ変化（つまり、１／５ＤＯＦシフトの０．６画素よりは大きい）を検出できる所望の能力は、前述したように、高解像度（例えば、最大０．０５画素の解像度）でエッジ検出を行うことのできるシステムの精度範囲内となる。
図６は、格納較正値と比較し、図５Ａ〜５Ｃのような監視画像露光を分析するルーチン６００の実施の一例を説明するフロー図である。更なる実施例において、ルーチン６００は、図４のブロック４５０〜４８０の動作の具体的な実施例に対応していてよい。図６に示されているように、ブロック６１０において、監視光設定を起動する。一実施例において、監視光設定は、例えば、監視光源（例えば、光源３８６Ｓ）をオンにし、ワークピース撮像光源（例えば、光源３３０）をオフにすることを含んでいてもよい。更なる実施例において、別個の光源を利用するのではなく、単一の光源を設け、ワークピース撮像モードと屈折力監視モードの両方に用いられる光を供給してもよい。
ブロック６２０では、特定の位相タイミングに対応するものとして、監視画像露光を取得する。例えば、図５Ａ〜５Ｃを参照して前述したように、特定の実施例において、３つの監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃを、それぞれ０°、１８０°、９０°の位相タイミングに対応するものとして取得してもよい。更なる実施例において、各監視画像露光（例えば、監視画像露光５００Ａ〜５００Ｃ）は、それぞれの監視ビームパターン画像（例えば、監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃ）を含んでいてもよく、更なる実施例において、露光ストロボ時間制御部（例えば、露光時間制御部３９３）により制御され、特定の持続時間（例えば、約５０ナノ秒）の光源（例えば、光源３８６Ｓ）タイミングパルスによってそれぞれ取得されてもよい。
ブロック６３０では、監視ビームパターンの寸法を、各監視画像露光において測定する。例えば、図５Ａ〜５Ｃを参照して前述したように、寸法Ｄ１〜Ｄ３は、監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃの直径に対応してもよく、寸法は、更なる実施例において、１つ以上のエッジ検出ビデオツールなどを用いて測定してもよい。例えば、特定の実施例において、それぞれの監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃの円周を含む関心領域を画定する外側円と内側円を有する円ビデオツールを用いてもよい。放射状に方向付けられた複数の走査線は、外側円と内側円の間に延在し、（例えば、標準エッジ検出コントラスト技術を用いる）それぞれの監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃの円周のエッジに沿うエッジ点の位置の判定に利用されてもよい。エッジ点の位置は、特定の実施例において、画素の約１／２０（つまり、約０．０５画素）の精度により判定され、この位置から監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃの対応直径（つまり、寸法Ｄ１〜Ｄ３）を判定することができる。更なる実施例において、円ビデオツールを用いて判定された円周の両側上に位置する複数のエッジ点に基づき、それぞれの監視ビームパターン画像５１０Ａ〜５１０Ｃに対して平均直径を求めてもよい。一部の実施例において、既知の方法を用いて、サブピクセル精度で「走査線」に沿ったエッジ点を検出（撮像）することが可能である。円が、上述したように、数百のエッジ点にフィットすることで、直径測定の再現性、あるいは１／２０画素程度の解像度を提供することができる。
ブロック６４０では、測定寸法に基づいて測定値を定める。例えば、測定値Ｄ１２を、次の式により定めてもよい。
＜式１＞
Ｄ１２＝（Ｄ１−Ｄ２）
測定値Ｄ３は測定寸法Ｄ３に単に相当してもよい。ブロック６５０では、分析を行って測定値と格納較正値の差分を判定する。例えば、測定値Ｄ１２を、±１ジオプターの構成で較正値Ｄ１２＊と比較してもよい。詳細に関しては図７を参照して後述する。決定ブロック６６０において、各監視画像露光における監視ビームパターンの測定寸法／測定値に少なくとも部分的に基づいて、調整（例えば、ＶＦＬレンズの動作に対する調整）が必要であるか否かを判定する。調整が必要であれば、ルーチンはブロック６７０へ進む。これについては、詳細に関して後述する。調整が不要であれば、ルーチンを終了する。
ブロック６７０では、測定値と較正値の差分に基づいて調整を行う。例えば、測定値Ｄ１２が、少なくとも較正値Ｄ１２＊とほぼ一致して±１ジオプターの構成でより一定のＺ走査範囲が得られるまで、ＶＦＬレンズの振幅Ａを上方及び／又は下方へ繰り返して適用する方式で調整を行ってもよい。別の例として、ある許容範囲（ｔｏｌｅｒａｎｃｅ ｓｐａｎ）内で、露光時間制御部３９３（つまり、ワークピース光源３３０と監視光源３８６Ｓの両方を制御する制御部）の位相を調整し（例えば、測定値Ｄ３が較正値Ｄ３＊にほぼ一致するように位相を調整して）、最良合焦のＺ位置を維持してもよい。別の例として、ＶＦＬレンズ温度を調整して（例えば、レンズヒータ／クーラ３３７などを用いて）加熱又は冷却してもよい。更なる実施例において、温度調整は、特に、比較的大きな温度変化に対して行われてもよい（例えば、ΔＴamb≧１５℃）。
図７は、図６の分析に用いられるような較正値を決定・格納するルーチン７００の実施の一例を説明するフロー図である。ブロック７１０では、ワークピース撮像光設定を起動する。前述したように、更なる実施例において、ワークピース撮像光設定は、ワークピース撮像光源（例えば、落射照明光源３３０）の起動と、監視光源（例えば、ＬＥＤ光源３８６Ｓ）の停止を含んでいてもよい。
ブロック７２０では、特定の較正条件を利用して既知のステップ高を測定する。例えば、既知のステップ高を有する較正対象物を利用し、特定の条件（例えば、アセンブリ条件など）下の較正値を定めてもよい。更なる実施例において、上記の特定の条件は、特定の定常温度（例えばＴ＝２０℃±０．２５℃）と、特定の対物レンズ３５０（例えば、倍率２．５倍の対物レンズ）を含み、ＶＦＬレンズ３７０は特定の周波数（例えば、７０ｋＨｚ）で動作し、その結果、±１ジオプターの誤差を有する特定のＺ走査範囲（例えば、約０．４ｍｍ〜−０．４ｍｍのＺ走査範囲）が成立する。構成において、較正対象物は、−０．４ｍｍに相当する最低レベル、０．０ｍｍに相当する中間ステップ高、及び＋０．４ｍｍに相当する上段ステップ高を含む、３つの既知のＺステップ高を有する。構成において、少なくとも各Ｚステップ高の測定にほぼ対応する位相タイミングについて、０°の位相タイミングは＋０．４ｍｍのＺステップ高に、９０°の位相タイミングは＋０．０ｍｍのＺステップ高に、１８０°の位相タイミングは−０．４ｍｍのＺステップ高に相当することとなる。
更なる実施例において、ステップ高の測定プロセスでは、ＶＦＬレンズに対する所望の振幅Ａを判定し、それによって、各ワークピース画像露光における関心領域から、０°、９０°、１８０°の位相タイミングに相当する各ステップ高のコントラストを測定してもよい。関心領域におけるコントラストの測定技術は、当技術分野で既知のものである。特定の実施例において、振幅Ａ（ＰＺＴ Ｖｐ−ｐ）を繰り返して適用することで、０°の位相タイミングと１８０°の位相タイミングの間の範囲にわたった変調によりＶＦＬレンズに対する最終判定振幅Ａ＊で生じ得る、最大関心領域コントラストＣmaxを判定してもよい。
ブロック７３０では、監視光設定を起動する。前述したように、監視光設定は、監視光源（例えば、光源３８６Ｓ）の起動と、ワークピース撮像光源（例えば、光源３３０）の停止を含んでいてもよい。ブロック７４０では、それぞれの較正位相タイミングに対応する監視画像露光を取得する。特定の実施例において、図４〜６を参照して前述した構成例によると、ＶＦＬレンズの振幅Ａ＊を利用して、０°、９０°、１８０°の位相タイミングに相当する３つの監視画像露光を取得してもよい。
ブロック７５０では、監視ビームパターン画像の較正寸法を、各較正監視画像露光において測定する。更なる実施例において、測定した較正寸法は、各監視ビームパターン画像の測定寸法に相当してもよい（例えば、図５Ａ〜５Ｃの寸法Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３と同様に、較正寸法Ｄ１＊、Ｄ２＊、Ｄ３＊を測定してもよい）。ブロック７６０では、測定した較正寸法に基づいて較正値を定める。特定の実施例において、図６を参照して前述した判定プロセス同様、較正値Ｄ１２＊を次の式により定めてもよい。
＜式２＞
Ｄ１２＊＝（Ｄ１＊−Ｄ２＊）
較正値Ｄ３＊は測定した較正寸法Ｄ３＊に単に相当してもよい。ブロック７７０では、較正値（例えば、Ｄ１２＊及びＤ３＊）を格納する。
本開示の好ましい実施例を図示し説明したが、当業者であれば、本開示に基づいて、図示及び説明した特徴の構成や動作シーケンスに対して変形や変更を加えてもよいことを理解するであろう。種々の代替的な形態を用いて、本明細書に開示の原理を実施してもよく、上記の様々な実施例を組み合わせて、更なる実施例を提供してもよい。これらの様々な特許及び出願の概念を採用して他の実施例を提供するために必要な場合は、上述の実施例の態様を変更することもできる。
前述の記載に照らして、実施例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、下記の特許請求の範囲において、用いる用語は本明細書と特許請求の範囲に開示されている特定の実施例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が権利を与えられている等価物の範囲全てと共に、可能な実施例を全て網羅するものとして解釈されるべきである。
１０ マシンビジョン検査システム、１２ 画像測定機、１４ コンピュータシステム、１６ ディスプレイ、１８ プリンタ、２０ ワークピース、２２ ジョイスティック、２４ キーボー、２６ マウス、３２ 移動型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 制御部、１３０ 入出力インターフェー、１３１ 撮像制御インターフェース、１３２ 移動制御インターフェース、１３２ａ 位置制御素子、１３２ｂ 加速度制御素子、１３３ 照明制御インターフェース、１３４ レンズ制御インターフェース、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、１４３ａｆ 自動合焦ビデオツール、１４３ｒｏｉ 発生器、１７０ 実行器、１８０ 制御モード管理部、１９０ 電源部、２００ ビジョン構成要素部、２０５ 光学アセンブリ部、２１０ ワークピースステージ、２１２ 中央透明部、２２０ 透過照明光源、２２０ 光源、２２１ バス、２２２ 光源光、２２３ ターレットレンズアセンブリ、２２３’ バス、２２４ 軸、２２６ レンズ、２２８ レンズ、２３０ 落射照明光源、２３０ 光源、２３１ バス、２３２ 光源光、２３４’ 信号線、２４０ 照明光源、２４１ バス、２５０ 交換対物レンズ、２６０ カメラシステム２６２ 信号線、２７０ ＴＡＧレンズ、２７０ 可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ、２８６ 監視ビーム発生器、２８６Ｓ 監視光源、２８９ ワークピース光、２９０ 反射面、２９４ 制御可能モータ、２９６ 信号線、３００ 撮像システム、３２０ ワークピース、３３０ 落射照明光源、３３０ 光源、３３０ ワークピース撮像光源、３３２ 撮像光源光、３３４ レンズ制御部、３３４’ 信号線、３３５ 駆動信号発生器部、３３５’ タイミングクロック、３３６ 温度センサ、３３７ クーラ、３４５ 画像光、３４６’ ビームスプリッタ、３５０ 対物レンズ、３５１ チューブレンズ、３５２ リレーレンズ、３５５ ワークピース光、３５６ リレーレンズ、３６０ カメラ、３７０ ＴＡＧレンズ、 高（合焦距離）較正部、３７５ 焦点信号処理部、３７６ 光学合焦監視部、３８０ 制御モード管理部、３８２ ワークピース撮像モード回路／ルーチン部、３８３ 屈折力監視モード回路／ルーチン部、３８４ 監視ビームパターン画像分析部、３８５ 調整回路／ルーチン部、３８６ 監視光源、３８６ 監視ビーム発生器、３８６ＢＰＥ ビームパターン素子、３８６Ｓ 監視光源、３８７ ダイクロイックミラー、３８９ 監視光、３９０ 反射面、３９３ 露光（ストロボ）時間制御部、３９５ システム信号制御バス、５００Ａ 監視画像露光、５００Ｂ 監視画像露光、５００Ｃ 監視画像露光、５１０Ａ 監視ビームパターン画、５１０Ｂ 監視ビームパターン画像、５１０Ｃ 監視ビームパターン画像

Claims (20)

  1. 可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムであって、
    ＶＦＬレンズと、
    前記ＶＦＬレンズを制御し、動作周波数における屈折力の範囲にわたって前記ＶＦＬレンズの屈折力を周期変調するＶＦＬレンズ制御部と、
    ワークピース撮像モードにおいて、ワークピース表面からのワークピース光が入力され、前記ＶＦＬレンズを通過する前記ワークピース光を撮像光路に沿って透過させる対物レンズと、
    前記ワークピース撮像モードにおいて、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズを透過した前記ワークピース光を受光し、対応するワークピース画像露光を行うカメラと、
    光源と、前記光源からの光が入力され、監視ビームパターンを出力するビームパターン素子とを備える監視ビーム発生器を含む屈折力監視構成と、を含み、
    前記屈折力監視構成は、屈折力監視モードにおいて、前記監視ビームパターンを前記撮像光路の少なくとも一部に沿って透過させて、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに送り、
    前記カメラは、前記屈折力監視モードにおいて、前記ＶＦＬレンズの周期変調の少なくとも第１の位相タイミングの時、少なくとも前記監視ビームパターンを含む第１の監視画像露光を行い、
    前記第１の監視画像露光における前記監視ビームパターンの寸法は、前記第１の位相タイミングの時の前記ＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられている、ＶＦＬレンズシステム。
  2. 前記ビームパターン素子は、前記光源と前記撮像光路の間に位置する開口部を含む開口部要素を備え、前記屈折力監視モードにおいて、前記開口部を通過した前記光源からの光は、前記撮像光路の少なくとも一部に沿って誘導される前記監視ビームパターンの光として出力され、前記第１の監視画像露光における前記監視ビームパターンの画像を形成する、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
  3. 前記カメラは、前記屈折力監視モードにおいて、前記ＶＦＬレンズの周期変調の第２の位相タイミングの時、前記監視ビームパターンを含む少なくとも第２の監視画像露光を更に行い、
    前記第２の監視画像露光における前記監視ビームパターンの寸法は、前記第２の位相タイミング時の前記ＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられている、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
  4. 前記第１の位相タイミングと、前記第２の位相タイミングは、約１８０°異なる、請求項３に記載のＶＦＬレンズシステム。
  5. 前記カメラは、前記屈折力監視モードにおいて、前記ＶＦＬレンズの周期変調の第３の位相タイミングの時、前記監視ビームパターンを含む少なくとも第３の監視画像露光を更に行い、
    前記第３の監視画像露光における前記監視ビームパターンの寸法は、前記第３の位相タイミング時の前記ＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられ、
    前記第３の位相タイミングは、前記第１の位相タイミングと前記第２の位相タイミングのほぼ中間に位置し、前記第１の位相タイミングと前記第２の位相タイミングのそれぞれと約９０°異なる、請求項４に記載のＶＦＬレンズシステム。
  6. 前記第１の監視画像露光と前記第２の監視画像露光における前記監視ビームパターンの寸法のうちの少なくとも１つを測定する、請求項３に記載のＶＦＬレンズシステム。
  7. 前記第１の監視画像露光と前記第２の監視画像露光における前記監視ビームパターンの寸法のうちの少なくとも１つの測定に用いられる、少なくとも１つのビデオツールを更に含む、請求項６に記載のＶＦＬレンズシステム。
  8. 前記少なくとも１つの寸法は、少なくとも前記第１の監視画像露光と前記第２の監視画像露光における前記監視ビームパターンの直径を含み、測定された前記直径は、少なくとも１つの格納較正値と比較される少なくとも１つの測定値を定めるのに用いられ、前記ＶＦＬレンズの動作に対する調整は、前記少なくとも１つの測定値と、前記少なくとも１つの較正値との比較結果に少なくとも部分的に基づいて、前記ＶＦＬレンズ制御部により行われる、請求項６に記載のＶＦＬレンズシステム。
  9. 前記少なくとも１つの寸法は、少なくとも前記第１の監視画像露光と前記第２の監視画像露光における前記監視ビームパターンの直径を含み、
    測定された前記直径は、前記位相タイミング時の前記ＶＦＬレンズの光学倍率、又は、前記第１の監視画像露光と前記第２の監視画像露光に対応する屈折力と更に関連付けられ、
    格納光学倍率値と、前記ＶＦＬレンズシステムの前記光学倍率に影響を及ぼす物理構成要素の位置のうちの少なくとも１つを、前記第１の監視画像露光と前記第２の監視画像露光における前記監視ビームパターンの前記直径に少なくとも部分的に基づいて決定された光学倍率に基づいて調整する、請求項６に記載のＶＦＬレンズシステム。
  10. 前記屈折力監視モードにおいて、前記ＶＦＬレンズの前記周期変調の全ての位相タイミングにおいて、前記監視ビームパターンの光は、前記カメラの視野をほぼ満たす、請求項３に記載のＶＦＬレンズシステム。
  11. 前記監視ビーム発生器の前記光源は、監視光源であり、
    前記ＶＦＬレンズシステムは、ワークピース撮像光源と反射面とを更に含み、前記反射面は、前記ワークピース撮像モードにおいて、前記ワークピース撮像光源からの撮像光源光を前記ワークピース表面に向けて誘導し、前記ワークピース表面からのワークピース光を前記撮像光路に沿って透過させる、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
  12. 前記屈折力監視構成は、前記監視ビームパターンの光を、前記ビームパターン素子から前記反射面に向けて反射するダイクロイックミラーを更に含み、前記反射面は、前記屈折力監視モードにおいて、前記監視ビームパターンの光を前記撮像光路の少なくとも一部に沿って誘導して、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに送る、請求項１１に記載のＶＦＬレンズシステム。
  13. 前記監視ビームパターンの光は、前記撮像光源光の波長とは異なる波長を有し、前記ダイクロイックミラーは、前記ダイクロイックミラーに到達する前記撮像光源光を主に透過させる、請求項１２に記載のＶＦＬレンズシステム。
  14. 前記ＶＦＬレンズは、前記撮像光路が通過し、前記ワークピース撮像モードにおいての前記ワークピース表面の撮像に少なくとも部分的に使用され、前記屈折力監視モードにおいて前記監視ビームパターンの光が通過する、４Ｆ撮像構成に含まれる、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
  15. 前記ワークピース撮像モードは、前記屈折力監視モードとはオーバーラップしない、請求項１に記載のＶＦＬレンズシステム。
  16. 前記ＶＦＬレンズは、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ＶＦＬレンズシステム。
  17. 可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムに用いられる屈折力監視構成であって、
    前記ＶＦＬレンズシステムは、
    ＶＦＬレンズと、
    前記ＶＦＬレンズを制御し、動作周波数における屈折力の範囲にわたって前記ＶＦＬレンズの屈折力を周期変調するＶＦＬレンズ制御部と、
    ワークピース撮像モードにおいて、ワークピース表面からのワークピース光が入力され、前記ＶＦＬレンズを通過する前記ワークピース光を撮像光路に沿って透過させる対物レンズと、
    前記ワークピース撮像モードにおいて、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズを透過した前記ワークピース光を受光し、対応するワークピース画像露光を行うカメラと、を含み、
    前記屈折力監視構成は、
    光源と、前記光源からの光が入力され、監視ビームパターンを出力するビームパターン素子とを備える監視ビーム発生器を含み、
    前記屈折力監視構成は、屈折力監視モードにおいて、前記監視ビームパターンを前記撮像光路の少なくとも一部に沿って透過させて、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに送り、それによって、前記カメラは、前記屈折力監視モードにおいて、前記ＶＦＬレンズの周期変調の少なくとも第１の位相タイミングの時、少なくとも前記監視ビームパターンを含む第１の監視画像露光を行い、前記第１の監視画像露光における前記監視ビームパターンの寸法は、前記第１の位相タイミング時の前記ＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられている、屈折力監視構成。
  18. 前記ビームパターン素子は、前記光源と前記撮像光路の間に位置する開口部を含む開口部要素を備え、
    前記屈折力監視モードにおいて、前記開口部を通過した前記光源からの光は、前記撮像光路の少なくとも一部に沿って誘導される前記監視ビームパターンの光として出力され、前記第１の監視画像露光における前記監視ビームパターンの画像を形成する、請求項１７に記載の屈折力監視構成。
  19. 可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズシステムを操作するコンピュータ実施方法であって、
    前記ＶＦＬレンズシステムは、ＶＦＬレンズ、ＶＦＬレンズ制御部、対物レンズ及びカメラを備え、前記コンピュータ実施方法は、
    実行可能命令で構成された１つ以上の演算システムの制御の下、
    前記ＶＦＬレンズを制御し、動作周波数における屈折力の範囲にわたって前記ＶＦＬレンズの屈折力を周期変調することと、
    ワークピース撮像光設定を用いることと、前記カメラを操作して撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズを透過したワークピース光を受光し、少なくとも１つの対応するワークピース画像露光を行うこととを含み、前記撮像光路は、ワークピース表面からのワークピース光が入力され、前記ＶＦＬレンズを通過する前記ワークピース光を前記撮像光路に沿って透過させる前記対物レンズを含む、ワークピース撮像モードを開始することと、
    屈折力監視モードを開始すべきか否かを判定することと、
    監視光設定を用いることと、前記カメラを操作して監視ビームパターンを受信し、前記監視ビームパターンを含む複数の監視画像露光を行うこととを含み、屈折力監視構成は、前記監視光設定に用いられる監視光源と、前記監視光源からの光が入力され、前記監視ビームパターンを出力するビームパターン素子とを備える監視ビーム発生器を含み、更に前記屈折力監視構成は、前記屈折力監視モードにおいて、前記監視ビームパターンを前記撮像光路の少なくとも一部に沿って透過させて、前記ＶＦＬレンズを介して前記カメラに送り、前記監視画像露光はそれぞれ、前記ＶＦＬレンズの前記周期変調の各位相タイミングに対応し、前記監視画像露光のそれぞれにおける前記監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法は、前記各位相タイミング時の前記ＶＦＬレンズの屈折力と関連付けられている、前記屈折力監視モードを開始することと、
    前記監視画像露光のそれぞれにおける前記監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法を測定することと、
    前記ＶＦＬレンズの動作に対する少なくとも１回の調整を行うか否かを、前記監視画像露光のそれぞれにおける前記監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法の測定値に少なくとも部分的に基づいて判定することと、
    前記ＶＦＬレンズの動作に対する前記少なくとも１回の調整を行うことと、を含む、コンピュータ実施方法。
  20. 前記測定は、ビデオツール用いて各前記監視画像露光のそれぞれにおける前記監視ビームパターンの少なくとも１つの寸法を測定することを含む、請求項１９に記載のコンピュータ実施方法。
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