JP2022058300A - マルチポイント自動合焦を用いて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面に対して垂直に位置合わせするシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面に対して垂直に位置合わせする。【解決手段】計測システムは、光学アセンブリ部と、ワークピース表面との間の距離及び角度向きを変化させるように構成された調整機構と、プロセッサと、を含む。プロセッサは、光学アセンブリ部を移動させて焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するように調整機構を制御し、ワークピース表面の画像スタックをキャプチャし、画像スタックの各画像が異なる自動合焦高さに対応し、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定し、自動合焦高さに基づいて、ワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするように、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するように調整機構を制御し、ワークピース表面に対して規定の動作を実行する。【選択図】図１

Description

本開示は精密計測に関し、更に具体的には、マルチポイント自動合焦を用いて光軸をワークピース表面に対して垂直に位置合わせし、ワークピース表面で実行される以降の動作（例えば測定動作等）の精度を高めることに関する。

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」）のような精密計測システムは、物体の精密寸法測定値を取得すると共に他の様々な物体の特徴を検査するために使用することができ、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（traversal）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。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に記載されている。これは援用によりその全体が本願に含まれる。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、選択可能な動作モードを含むと共に、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。

可変焦点距離（ＶＦＬ：variable focal length）光学システムは、表面高さの観察及び精密測定のために利用することができ、例えば米国特許第9,143,674号に開示されているように、精密マシンビジョン検査システム又は他の光学システムに含めることができる。簡潔に述べると、ＶＦＬレンズは複数の焦点距離で複数の画像をそれぞれ取得することができる。様々なタイプのＶＦＬレンズが既知であり、例えば、マルチレンズシステムを機械的に移動させてその焦点距離を変化させる機械的ＶＦＬレンズ、又は、流体媒質中で音波を用いて（焦点距離を変化させるため）レンズ効果を生成する可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ：tunable acoustic gradient）レンズ等の非機械的ＶＦＬレンズがある。精密マシンビジョン検査システムにおけるＶＦＬレンズは、例えば、マシン座標系（ＭＣＳ：machine coordinate system）の複数の表面高さすなわち「Ｚ高さ」でワークピースの画像を取得するために使用され得る。

このような構成は、多くの場合、単一の向きからの（例えばＭＣＳのＺ軸に沿った）特定のタイプの動作（例えば画像スタックの取得）の実行のみを可能としている。このような動作に対する改良（例えば、傾斜した表面及び／又は複雑な表面を有するワークピース等に関して）を提供できるシステムが望まれている。

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（features）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用いることも意図していない。

一態様によれば、光学アセンブリ部と、調整機構と、１つ以上のプロセッサと、１つ以上のプロセッサに結合されると共にプログラム命令を記憶するメモリと、を含む計測システムが提供される。

光学アセンブリ部は、光源と、光源で照明されたワークピースの表面から生じる画像光を入力し、画像光を撮像光路に沿って伝送する対物レンズであって、少なくとも対物レンズとワークピース表面との間に延在する光学アセンブリ部の光軸を画定する対物レンズと、撮像光路に沿って伝送された撮像光を受光し、ワークピース表面の画像を提供するカメラと、を含む。

調整機構は、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を変化させるように、更に、光学アセンブリ部をワークピース表面に対して回転させてワークピース表面に対する光学アセンブリ部の光軸の角度向きを変化させるように構成されている。

メモリに記憶されたプログラム命令は、１つ以上のプロセッサによって実行された場合、
光学アセンブリ部を移動させて光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するように調整機構を制御することと、
光学アセンブリ部を用いて焦点Ｚ自動合焦範囲内のワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、画像スタックはワークピース表面の複数の画像を含み、画像スタックのそれぞれの画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
キャプチャされた画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することと、
少なくとも３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、ワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするように、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するように調整機構を制御することと、
ワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
を１つ以上のプロセッサに実行させる。

別の態様によれば、光学アセンブリ部は、撮像光路に含まれる可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを更に含む。対物レンズは、ＶＦＬレンズを介して撮像光路に沿って画像光を伝送する。カメラは、撮像光路に沿ってＶＦＬレンズによって伝送された撮像光を受光する。ＶＦＬレンズは、焦点距離を非機械的に変動させるように構成された可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズとすることができる。ＴＡＧレンズの屈折力（optical power）を周期的に変化させることによって、光学アセンブリ部の周期的に変更される合焦位置が制御される。ワークピース表面に対して実行される規定の動作は、ワークピース表面の１つ以上の画像をキャプチャするためＶＦＬレンズを使用することを含み得る。ワークピース表面に対して実行される規定の動作は、光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせしながら画像スタックをキャプチャするためＶＦＬレンズを使用することを含み得る。画像スタックはワークピース表面の複数の画像を含み、画像スタックのそれぞれの画像は光軸の方向に沿った光学アセンブリ部の異なる合焦位置に対応する。

別の態様によれば、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することは、画像スタックの画像の解析に少なくとも部分的に基づいて関心領域のそれぞれの合焦曲線データを決定することを含む。少なくとも３つの位置のそれぞれにおいて、対応する関心領域の合焦曲線データのピークは対応する自動合焦高さを示す。

別の態様によれば、プログラム命令は、１つ以上のプロセッサによって実行された場合、
少なくとも３つの位置における自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいてワークピース表面の表面法線を決定することと、
決定された表面法線に少なくとも部分的に基づいて光学アセンブリ部を回転させるように調整機構を制御するための調整情報を決定することと、
を更に１つ以上のプロセッサに実行させる。

別の態様によれば、規定の動作はワークピース表面の要素の寸法を決定するための測定動作を含み得る。

別の態様によれば、規定の動作は、
複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、それぞれの画像は、光軸と一致する撮像光軸に沿った光学アセンブリ部の合焦位置に対応する、画像スタックを取得することと、
画像スタックの画像の解析に少なくとも部分的に基づいて、ワークピース表面上の複数の表面点の３次元位置を示す合焦曲線データを決定することと、
を含むポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）動作を含み得る。

別の態様によれば、規定の動作は、ワークピース表面に対して実行される機械加工動作を含み得る。機械加工動作の機械加工軸は、光学アセンブリ部の光軸と名目上一致する又は光軸と名目上平行であるのうち少なくとも一方である。

別の態様によれば、調整機構は回転機構及びＺ軸移動機構を含み得る。Ｚ軸移動機構は、光学アセンブリ部をＺ軸方向に沿って移動させるように結合されている。回転機構は、Ｚ軸移動機構と光学アセンブリ部との間に結合され、光学アセンブリ部をワークピース表面に対して回転させてワークピース表面に対する光学アセンブリ部の光軸の角度向きを変化させるように構成されている。計測システムは、精密マシンビジョン検査システムにおいて具現化され得る。調整機構は回転ステージを含み、回転ステージは、回転機構を含むと共にＺ軸移動機構と光学アセンブリ部との間に結合されている。

別の態様によれば、計測システムは座標測定機システムにおいて具現化され得る。調整機構は、
マシン座標系において相互に直交するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向にそれぞれ光学アセンブリ部を移動させるよう構成されたｘ軸スライド機構、ｙ軸スライド機構、及びｚ軸スライド機構と、
ワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させるよう構成された回転機構と、
を含む。

別の態様によれば、計測システムはロボットシステムにおいて具現化され得る。調整機構は、光学アセンブリ部を移動させるため少なくとも３つの自由度を有するロボットアームに含まれる。

更に別の態様によれば、光学アセンブリ部を含む計測システムを動作させるための方法が提供される。光学アセンブリ部は、
光源と、
光源で照明されたワークピースの表面から生じる画像光を入力し、画像光を撮像光路に沿って伝送する対物レンズであって、少なくとも対物レンズとワークピース表面との間に延在する光学アセンブリ部の光軸を画定する対物レンズと、
撮像光路に沿って伝送された撮像光を受光し、ワークピース表面の画像を提供するカメラと、
を含む。

この方法は、
光学アセンブリ部を移動させて光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置することと、
光学アセンブリ部を用いて焦点Ｚ自動合焦範囲内のワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、画像スタックはワークピース表面の複数の画像を含み、画像スタックの各画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを、画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて決定することと、
少なくとも３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、ワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するための調整情報を決定することと、
光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するための調整情報を使用することと、
ワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
を含む。

別の態様によれば、方法は、少なくとも３つの位置における自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいてワークピース表面の表面法線を決定することを更に含み、調整情報は、決定された表面法線に少なくとも部分的に基づいて決定される。

別の態様によれば、ワークピース表面はワークピースの第１のワークピース表面であり、第１のワークピース表面に対して規定の動作を実行した後、方法は、
光学アセンブリ部を移動させて光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピースの第２のワークピース表面を配置することと、
光学アセンブリ部を用いて焦点Ｚ自動合焦範囲内の第２のワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、画像スタックは第２のワークピース表面の複数の画像を含み、画像スタックのそれぞれの画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて、第２のワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することと、
少なくとも３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、第２のワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸を第２のワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、光学アセンブリ部と第２のワークピース表面との間の距離を調整するための調整情報を決定することと、
光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸を第２のワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、光学アセンブリ部と第２のワークピース表面との間の距離を調整するための調整情報を使用することと、
第２のワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
を更に含む。

更に別の態様によれば、計測システムが提供される。この計測システムは、光学アセンブリ部と、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を変化させるように構成されたＺ軸移動機構と、光学アセンブリ部をワークピース表面に対して回転させてワークピース表面に対する光学アセンブリ部の光軸の角度向きを変化させるように構成された回転機構と、１つ以上のプロセッサと、１つ以上のプロセッサに結合されると共にプログラム命令を記憶するメモリと、を含む。

光学アセンブリ部は、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、光源と、光源で照明されたワークピースの表面から生じる画像光を入力し、画像光を、ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って伝送する対物レンズであって、少なくとも対物レンズとワークピース表面との間に延在する光学アセンブリ部の光軸を画定する対物レンズと、撮像光路に沿ってＶＦＬレンズによって伝送された撮像光を受光し、ワークピース表面の画像を提供するカメラと、を含む。

メモリに記憶されたプログラム命令は、１つ以上のプロセッサによって実行された場合、
光学アセンブリ部を移動させて光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するようにＺ軸移動機構又は回転機構を制御することと、
光学アセンブリ部を用いて焦点Ｚ自動合焦範囲内のワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、画像スタックはワークピース表面の複数の画像を含み、画像スタックのそれぞれの画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することと、
少なくとも３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、ワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするように回転機構を制御し、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するようにＺ軸移動機構を制御することと、
ワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
を１つ以上のプロセッサに実行させる。

このように、本発明に開示されている原理によれば、マルチポイント自動合焦を使用して光学アセンブリ部の光軸を任意のワークピース表面に対して名目上垂直に位置合わせすることを含むシステム及び方法が提供される。システム及び方法は、ワークピース表面に対してマルチポイント自動合焦を迅速に実行して、光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面に対して名目上垂直に調整するために必要な調整情報を導出することができる。システム及び方法は、光軸をワークピース表面に対して名目上垂直に（再）配向するので、例えば、表面の様々な部分又は様々な表面に沿った表面法線が常に変化する自由形状のワークピース表面（例えばタービン翼）等、様々なタイプのワークピース表面を検査する際に有用である。また、システム及び方法は、例えばワークピース表面に対して実行される機械加工（例えば掘削）動作のような以降の非光学的動作のため、ワークピース表面に対して自動的に位置合わせ／配置を行う際に有用である。この場合、機械加工動作軸は光軸と一致する。

光学アセンブリ部を含む汎用精密マシンビジョン検査システムの種々の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、本発明に開示されるいくつかの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構成要素部のブロック図であり、光学アセンブリ部の光軸は、ワークピース表面の表面法線を決定するためマルチポイント自動合焦プロセスを実行することができる初期の向きである。 図２Ａのマシンビジョン検査システムのブロック図であり、ビジョン構成要素部は、光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面に対して名目上垂直に配向するように制御されている。 マシンビジョン検査システムのような精密計測システムに適合することができるＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズシステムの概略図であり、光学アセンブリ部の光軸は、ワークピース表面の表面法線を決定するためマルチポイント自動合焦プロセスを実行することができる初期の向きである。 光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面に対して名目上垂直に配向するよう制御されている図３ＡのＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズシステムの概略図である。 図３Ａ及び図３ＢのＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズシステムの周期的変調を示すタイミング図である。 異なる角度向きの第１及び第２のワークピース表面を含むサンプルワークピースを示す。 ワークピース表面の表面法線を決定するためマルチポイント自動合焦プロセスを実行することができる初期の向きである光学アセンブリ部の概略図である。 ワークピース表面に対して名目上垂直に配向された図５Ｂの光学アセンブリ部の光軸を示す概略図である。 図６Ｂと共に、ワークピース表面の表面法線を決定するためマルチポイント自動合焦の一部として使用できる画像スタック及び対応する合焦曲線を示す。 図６Ａと共に、ワークピース表面の表面法線を決定するためマルチポイント自動合焦の一部として使用できる画像スタック及び対応する合焦曲線を示す。 本開示の一態様に従った光学アセンブリ部を含む計測システムを具現化するロボットシステムを示す。 本開示の一態様に従った光学アセンブリ部を含む計測システムを具現化する座標測定機（ＣＭＭ：coordinate measuring machine）を示す。 図８Ａに示されているようなＣＭＭのプローブヘッドに結合された光学アセンブリ部を概略的に示す図である。 図８ＡのＣＭＭの一部の概略図であり、光学アセンブリ部は、ワークピース表面の表面法線を決定するためマルチポイント自動合焦プロセスを実行することができる初期の向きである。 図８ＡのＣＭＭの一部の概略図であり、ワークピース表面に対して名目上垂直に配向された光学アセンブリ部の光軸を示す。 図８ＡのようなＣＭＭの様々な制御要素を示すブロック図である。 本開示の一態様に従った、マルチポイント自動合焦を用いて光軸をワークピース表面に対して名目上垂直に位置合わせする方法のフローチャートである。

図１は、本開示に従ったＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズシステム（本明細書では撮像システムとも称される）として使用できるか又はそのようなシステムを含む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。種々の実施例では、タッチスクリーンタブレット等によって、要素１４、１６、２２、２４、及び２６のいずれか又は全ての機能の代用とすること及び／又はこれらの機能を冗長的に与えることが可能であることは認められよう。マシンビジョン検査システム１０の様々な実施例は、本出願人に譲渡されている米国特許第7,454,053号、7,324,682号、8,111,905号、及び8,111,938号にも記載されている。

制御コンピュータシステム１４は一般に、分散型又はネットワーク型コンピューティング環境等を含む任意の適切なコンピューティングシステム又はデバイスを用いて実施できることは、当業者には認められよう。そのようなコンピューティングシステム又はデバイスは、本明細書に記載される機能を実現するためにソフトウェアを実行する１つ以上の汎用プロセッサ又は特殊用途プロセッサ（例えば非カスタム又はカスタムデバイス）を含み得る。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任意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施するルーチン、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、プログラムモジュールの機能性は、有線又は無線のいずれかの構成において、複数のコンピューティングシステム又はデバイスにまたがるように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対物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対物レンズは一般に、光学撮像システム３４によって得られる画像に様々な倍率を与える。図２Ａ及び図２Ｂを参照して以下で詳述するように、光学撮像システム３４は、光学アセンブリ部２０５（例えばズームレンズ及び／又は交換可能対物レンズを含み得る）を含むことができ、いくつかの実施例ではこれを回転ステージ２９７に結合することができる。

図２Ａは、図１のマシンビジョン検査システムと同様の、本明細書に記載されるいくつかの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及びビジョン構成要素部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を用いてビジョン構成要素部２００を制御する。ビジョン構成要素部２００は、光学アセンブリ部２０５と、光源２２０、２３０、２４０（光学アセンブリ部２０５の一部とするか、又は光学アセンブリ部２０５とは別個に提供することができる）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（図１のワークピースステージ３２に対応する）は、ワークピース２０が配置され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できる。光源２２０、２３０、２４０の少なくとも一部を含み得る光学アセンブリ部２０５は、更に、カメラシステム２６０と、交換可能対物レンズ２５０と、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ２７０と、を含む。

既知のＶＦＬレンズの１つのタイプは、流体媒質中で音波を用いてレンズ効果を生成する可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ」）レンズである。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することで音波を生成し、時間によって変動する密度及び屈折率のプロファイルをレンズの流体中に生成することができる。これがレンズの屈折力を変化させ、これによって光学システムの焦点距離（又は有効合焦位置）が変更される。ＴＡＧレンズを用いて、高速で、例えば３０ｋＨｚより高い、又は７０ｋＨｚより高い、又は１００ｋＨｚより高い、又は４００ｋＨｚより高い、例えば最大で１．０ＭＨｚの共振周波数で、ある範囲の焦点距離を周期的にスイープする（すなわちその屈折力を周期的に変化させる）ことができる。そのようなレンズは、「High speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens」 (Optics Letters, Vol. 33, No. 18, September 15, 2008)から詳細に理解することができる。ＴＡＧ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、Mitutoyo Corporation（日本国神奈川県）から入手可能である。具体例として、ＳＲ３８シリーズのＴＡＧレンズは、最大１．０ＭＨｚの変調周波数で周期的変調が可能である。ＴＡＧレンズの動作原理や用途の様々な特徴は、米国特許第9,930,243、9,736,355、9,726,876、9,143,674、8,194,307及び7,627,162、並びに米国特許公開公報2017/0078549及び2018/0143419により詳細に記載されている。高速可変焦点撮像機能を有するＴＡＧレンズは、様々な実施形態に従った高速自動合焦を実行するためＶＦＬレンズ２７０として使用するのに特に適している。ＴＡＧレンズの代わりに、マルチレンズシステムを機械的に移動させてその焦点距離を変化させる機械的ＶＦＬレンズも、ＶＦＬレンズ２７０として使用できる。

種々の実施例において、光学アセンブリ部２０５は更に、レンズ２２６と２２８を有するターレットレンズアセンブリ２２３も含み得る。ターレットレンズアセンブリの代わりに、種々の実施例では、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。種々の実施例において、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、７．５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、ＭＣＳのＸ軸及びＹ軸（すなわちＸ_M軸及びＹ_M軸）に概ね直交したＭＣＳのＺ軸（すなわちＺ_M軸）に沿って制御可能に移動できる。制御可能モータ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_M軸に沿って動かす（例えば、これによって光学アセンブリ部２０５とワークピース２０との間の距離を変えることができ、これによりワークピース２０の画像の焦点も変えることができる）。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。以下で詳述されるように、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ２７０は、信号ライン２３４’を介してレンズ制御インタフェース１３４によって制御されて、ＶＦＬレンズ２７０の屈折力を周期的に変化させ、これによって光学アセンブリ部２０５の有効合焦位置（又は焦点距離）を変更させることができる（例えば、いくつかの実施例／向きでは、これを利用して画像の焦点を比較的小さい範囲にわたって変化させることができ、又は、ワークピース画像の焦点を変化させるため光学アセンブリ部２０５を移動させる代わりに利用できる）。レンズ制御インタフェース１３４は、以下で詳述するようにＶＦＬレンズ制御部１８０を含むことができる。ワークピース２０が配置された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（例えばＸ方向及びＹ方向に、及び／又は回転可能ステージの一部としてＺ方向に）ように制御され、交換可能対物レンズ２５０の視野が（例えばワークピース２０の表面間及び／又は表面位置間で、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（例えばリング照明）のうち１つ以上が、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を発して、１又は複数のワークピース２０を照明することができる。種々の例示的な実施形態では、ストロボ照明を用いることができる。例えば画像露光中に、落射照明光源２３０は、ビームスプリッタ２９０（例えば部分ミラー（partial mirror））を含む経路に沿ってストロボ光源光２３２を発することができる。光源光２３２は画像光２５５として反射又は透過され、撮像のため用いられる画像光は、交換可能対物レンズ２５０、ターレットレンズアセンブリ２２３、及びＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ２７０を通過して、カメラシステム２６０によって集光される。１又は複数のワークピース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によってキャプチャされ、制御システム部１２０への信号ライン２６２上に出力される。

様々な光源（例えば光源２２０、２３０、２４０）は、関連付けられた信号ライン（例えばそれぞれバス２２１、２３１、２４１）を介して制御システム部１２０の照明制御インタフェース１３３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２２３を軸２２４に沿って回転させることで、信号ライン又はバス２２３’を介してターレットレンズを１つ選択するよう制御できる。

上述のように、様々な実施例では、測定対象のワークピース２０のワークピース表面ＷＰＳ１及び／又はＷＰＳ２に対する光学アセンブリ部２０５（例えば光学アセンブリ部２０５の対物レンズ２５０）の相対位置や距離等を、ＭＣＳのＺ軸に沿って（例えば制御可能モータ２９４を用いて）、また、ＭＣＳのＸ軸及びＹ軸に沿って（例えばワークピースステージ２１０を移動させることによって）調整することができる。様々な実施例において、制御可能モータ２９４及び可動ワークピースステージ２１０は共に、光学アセンブリ部２０５とワークピース表面ＷＰＳ１及び／又はＷＰＳ２との間の、少なくとも距離、位置、及び／又は向きを変化させるように構成された調整機構の一部であり得る。

本開示の様々な実施形態によれば、調整機構は更に回転機構２９５を含み得る。回転機構２９５は、ワークピース２０のワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部２０５を回転させて、ワークピース表面ＷＰＳ１に対する光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡの向き（例えば角度向き）を変化させるように構成されている。様々な実施例において、光学アセンブリ部２０５を回転させてワークピース表面ＷＰＳ１に対する光軸ＯＡの向きを変えることは、少なくともロール回転及び／又はピッチ回転に対応し得る。

図２Ａに示されているように、光学アセンブリ部２０５は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸（すなわちＸ_L、Ｙ_L、及びＺ_L軸）を含む局所座標系（ＬＣＳ：local coordinate system）を有する。ＬＣＳは、光学アセンブリ部２０５と共に移動及び回転することができ、光軸ＯＡはＺ_L軸と位置合わせされている（例えばＺ_L軸を画定する）。図２Ａに示す向きでは、ＬＣＳは概ねＭＣＳと位置合わせされている（すなわち、光軸ＯＡはＭＣＳのＺ_M軸と位置合わせされている）。いくつかの従来のシステムでは、光学アセンブリ部の光軸ＯＡの向きは、常にＭＣＳのＺ_M軸と位置合わせされるよう相対的に固定されていた。ＬＣＳに関して、ヨー回転、ピッチ回転、及びロール回転は、各軸を中心とした回転に対応し得る。図示されている構成では、Ｘ_L軸（例えば第１の回転軸と称される）を中心とした回転をロールと呼び、Ｙ_L軸（例えば第２の回転軸と称される）を中心とした回転をピッチと呼び、Ｚ_L軸を中心とした回転をヨーと呼ぶことができる。

いくつかの実施例において、回転機構２９５は、第１の回転軸（例えばロール）及び／又は第２の回転軸（例えばピッチ）のうち少なくとも一方を中心とした回転に対応する光学アセンブリ部２０５の回転を実行できる。従って、本明細書で用いられる場合、第１の回転軸「及び／又は」第２の回転軸は、第１の回転軸のみを意味するか、第２の回転軸のみを意味するか、又は第１の回転軸と第２の回転軸の双方を意味する。第１の回転軸と第２の回転軸は、例えば相互に直交するＸ_L軸とＹ_L軸とすることができるが、これらが相互に直交することは必須でなく、Ｚ_L軸に直交することも必須ではない。第１の回転軸と第２の回転軸は、相互に、かつＺ_L軸に対して非平行であればよい（同一線上にないことを含む）。一般に、様々な実施例において、回転機構２９５は、「Ｚ_L軸に対して面外」である回転運動（例えば、ロールもしくはピッチのうち少なくとも一方、又はそれらの組み合わせ）を実行することができる。

以下で詳述されるように、図２Ｂは、回転機構２９５を用いて光学アセンブリ部２０５をワークピース表面ＷＰＳ１に対して回転させて、光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡがワークピース表面ＷＰＳ１に対して名目上垂直になる（すなわち、ほぼ直交する）ように光軸ＯＡの角度向きを変化させた構成を示す。更に、モータ２９４を用いて、光学アセンブリ部２０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離が調整されている（例えば、ワークピース表面の相対位置は名目上光学アセンブリ部２０５に対して所望のＺ_L位置にあり、例えば、名目上所望の合焦位置にある）。本明細書において用いられる場合、「名目上」という用語は、１つ以上のパラメータの許容可能公差内に収まるばらつきを包含する。一例として、１つの具体的な実施例では、ある要素（例えば光軸ＯＡ）が、ワークピース表面（例えば、計算された表面の面（surface plane）に従って規定され得る）に対して垂直である（すなわち直交する）か、又は垂直方向の５度以内である（例えば、ワークピース表面に対して８５度～９５度の角度向きを有する）場合、この要素は、ワークピース表面に対して名目上垂直である（すなわち名目上直交する）と規定できる。別の例として、１つの具体的な実施例では、光学アセンブリ部の視野（ＦＯＶ）内にあるワークピース表面（例えば、計算された表面の面に従って規定され得る。場合によっては、ワークピース表面は比較的平坦であり、光学アセンブリ部のベストフォーカス位置に又はその付近に位置する）の全てのエリアが、光学アセンブリ部２０５に対して、平均位置又は他の方法で指定された位置又は最良のＺ_L（すなわち合焦）位置の４被写界深度（ＤＯＦ）内にある場合、光学アセンブリ部の光軸ＯＡは、ワークピース表面に対して名目上垂直である（すなわち、ほぼ直交する）と規定できる。１つの実施例では、これは、ＦＯＶ内にあるワークピース表面の少なくとも一部がベストフォーカス位置にあり、そのワークピース表面の他の全ての部分がベストフォーカス位置の４ＤＯＦ内にあることに対応し得る（すなわち、これに対応して光学アセンブリ部の光軸ＯＡはワークピース表面に対して名目上垂直である）。別の例として、ＦＯＶ内にあるワークピース表面の全ての部分がベストフォーカス位置の４ＤＯＦ内にある場合、ワークピース表面は名目上ベストフォーカス位置にあると規定できる。他の例では、システム及び／又は規定が更に厳密である場合もある（例えば、２ＤＯＦ内、２度内、２パーセント内等）。

図２Ａの向きに対して図２Ｂの向きを引き起こす回転は、Ｘ_L軸（例えば第１の回転軸）を中心としたロール回転に対応する。他の構成では、このような回転（例えば、光軸ＯＡをワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせする）は、追加的に又は代替的に、Ｙ_L軸（例えば第２の回転軸）を中心としたピッチ回転を含み得る。図２Ｂに示されているように、光学アセンブリ部２０５の回転に従って、ＬＣＳも（例えばＭＣＳに対して）回転しており、光軸ＯＡはＺ_L軸と位置合わせされている（例えばＺ_L軸を規定する）。

回転機構２９５の様々な実施例が可能である。例えば、図１及び図２Ａに示されているように、回転機構２９５は画像測定機１２の回転ステージ２９７の一部として提供することができ、これに光学アセンブリ部２０５が取り付けられる。このため、様々な実施例では、（例えば回転機構２９５の一部としての）アクチュエータを駆動して回転ステージ２９７を移動させる（例えば回転させる）ことによって、光学アセンブリ部２０５は制御可能に回転できる。回転ステージ２９７（例えば回転機構２９５を含む）は、信号ライン２９８を介して入出力インタフェース１３０に接続されている。

代替的に又は追加的に、可動ワークピースステージ２１０は、上述した回転ステージ２９７と同様に構成及び制御され得る回転ステージ（例えば、図示しない回転機構を含む）を具現化するように構成できる。上述した回転ステージ２９７と同様、追加的に回転ステージとして構成されたワークピースステージ２１０の移動（例えば回転）は、（例えば信号ライン２９８と同様の）信号ラインを介して制御システム部１２０により制御されて、（例えば、ワークピースステージ２１０上に位置するワークピース２０の角度向きの）所望の回転を実施することができる。

図２Ａに示されているように、種々の例示的な実施例において、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、（例えば、図４を参照して以下で詳述するように）ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ２７０の動作を制御するための回路及び／又はルーチンを含むＶＦＬレンズ制御部１８０を含むか又はこれに接続されている。照明制御インタフェース１３３は照明制御要素１３３ａ～１３３ｎ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、適用可能な場合、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制御する。

移動制御インタフェース１３２は、光学アセンブリ部２０５を移動させるため信号ライン２９６及び２９８を介して制御信号を送信するように構成されている。様々な実施例において、移動制御インタフェース１３２は表面法線移動制御部１３２ｓｎを含み得る。表面法線移動制御部１３２ｓｎを用いて、光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡの向きをワークピース表面（例えばワークピース表面ＷＰＳ１及び／又はＷＰＳ２）に対して名目上垂直になるよう調整する及び／又は変化させる特定のプロセスを実施できる。また、（例えば移動制御インタフェース１３２又は表面法線移動制御部１３２ｓｎからの）制御信号は、光学アセンブリ部２０５とワークピース表面ＷＰＳ１及び／又はＷＰＳ２との間の距離を調整する及び／又は変化させるためにも送信され得る（例えば、ＰＦＦ動作、又は拡張被写界深度（ＥＤＯＦ）画像の取得、又は機械加工動作のように、ワークピース表面に対して実行されるプロセスに応じて、ワークピース表面に対して所望の合焦位置に光学アセンブリ部２０５を名目上配置する）。

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は様々なツール１４３ａ～１４３ｎを含み、特に、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決定する自動合焦ビデオツール１４３ａｆを含む。また、ビデオツール部１４３は関心領域（ＲＯＩ：region of interest）発生器１４３ｒｏｉも含み、これは、ビデオツール部１４３内に含まれる自動合焦ビデオツール１４３ａｆのような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。

自動合焦ビデオツール１４３ａｆは、入出力インタフェース１３０を介して制御されるＶＦＬレンズ２７０を用いた合焦高さ（すなわち有効合焦位置（Ｚ_L高さ））測定動作のためのＧＵＩや画像処理動作等を決定する。様々な実施例において、米国特許第9,143,674号に詳細に記載されているように、自動合焦ビデオツール１４３ａｆは更に、高速で合焦高さを測定するために利用できる高速合焦高さツールも含むことができる。１又は複数の画像関心領域のための高速自動合焦及び／又は合焦位置決定は、既知の方法に従って様々な領域の画像を解析して対応する合焦特徴値（例えば定量的コントラスト尺度値及び／又は定量的合焦尺度値）を決定することに基づき得る。例えば、そのような方法は米国特許第8,111,905、7,570,795、及び7,030,351に記載されている。

様々な実施例において、自動合焦ビデオツール１４３ａｆは、表面法線決定部１４３ｓｎを含む及び／又はこれに関連付けることができる。表面法線決定部１４３ｓｎを用いて、ワークピース表面の表面法線を決定するための特定のプロセス（例えば、マルチポイント自動合焦プロセスを含むか又はこれと併用される）を実施することができる。特定の実施例において、表面法線決定部１４３ｓｎは、自動合焦ビデオツール１４３ａｆとは独立したプロセス又はモードとして実施することも可能であり、本明細書に開示される方法に従って、マルチポイント自動合焦プロセス及び／又は表面法線を決定するための（例えば、いくつかの実施例では対応する所望の合焦位置も決定するための）以降の処理を、独立して又は他の手法で開始することができる。これについては以下で詳述する。

様々な実施例によれば、制御部１２５は、ＶＦＬレンズ制御部１８０及び表面法線決定部１４３ｓｎと協働して、ワークピース表面ＷＰＳ１の様々な焦点距離における複数の画像を含む画像スタックをキャプチャし、ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも３つの位置の自動合焦高さ（例えばＺ_L高さ）を、画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域（ＲＯＩ）に基づいて計算することができる。様々な実施例では、少なくとも３つの自動合焦高さを計算するために光学アセンブリ部２０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の相対的な向きを変える必要はない場合がある。これについては図６Ａ及び図６Ｂを参照して以下で更に充分に説明する。様々な実施例では、少なくとも３つの自動合焦高さを計算／決定することで、（例えば、３つの自動合焦高さ及び／又はそれらの計算された平均値又は他の決定値を含み得る、規定／決定された面又は他の表現に従って）ある表面を規定／決定し、これにより、この計算した／規定した表面の表面法線を計算することができる。特定の用途において余分な計算的負荷及び処理時間が許容可能である限り、例えば数十（１０、２０、５０等）又は数百の自動合焦高さのような３つよりも多数の自動合焦高さを計算して、この多数の計算された自動合焦高さに従って表面をいっそう精密に規定してもよいことは、当業者には理解されよう。

様々な実施例において、少なくとも３つの自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて計算された表面法線及び／又は他のデータ（例えば、規定した／決定した表面に関する）を（例えば表面法線決定部１４３ｓｎ、制御部１２５、及び／又は表面法線移動制御部１３２ｓｎ等によって）用いて、調整情報を計算することができる。計算された調整情報に従って、表面法線移動制御部１３２ｓｎ及び／又は移動制御インタフェース１３２は、光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡをワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮと名目上位置合わせするように、また、光学アセンブリ部２０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整するように、光学アセンブリ部２０５を移動／回転させるよう調整機構（例えば制御可能モータ２９４及び回転機構２９５）を制御することができる。例えば、図２Ｂは、光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡがワークピース表面ＷＰＳ１の計算された表面法線ＳＮと名目上一致するように、調整機構を用いて光学アセンブリ部２０５を（再）配向したことを示す。以下で詳述するように、図２Ｂの例において、調整機構は、光学アセンブリ部２０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整するようにも制御されている（例えば、ワークピース表面ＷＰＳ１が名目上光学アセンブリ部２０５に対して所望のＺ_L（すなわち合焦）位置になるようにする）。様々な実施例において、表面法線決定部１４３ｓｎ及び表面法線移動制御部１３２ｓｎ及び／又はそれらに関連する様々なプロセスは、別個の部分／コンポーネントとして実施される、及び／又はマージされる、及び／又は区別できない場合がある。

制御部１２５又は他のコンポーネントは、その後、光軸ＯＡに対して名目上垂直であると共に所望のＺ_L位置にあるワークピース表面ＷＰＳ１に、例えば光学測定動作（例えば撮像を含む）又はワークピース表面の機械加工動作（例えば掘削）のような規定の動作を実行することができる。特定の撮像動作を実行する場合、上記のように、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離（すなわち、調整機構により調整され、Ｚ_L位置に対応する）は、ワークピース表面に名目上焦点が合うベストフォーカス位置である所望の合焦位置に名目上対応すること、あるいは、異なる合焦位置（例えば、特定のタイプのＥＤＯＦ動作等では焦点を外れた位置）に対応することが望ましい場合がある。機械加工動作を実行する場合、様々な実施例では、ワークピースの計算された表面に対して名目上垂直な軸に沿って機械加工動作（例えば掘削動作等）が実行されるように、機械加工動作軸は、光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡと一致する及び／又は光軸ＯＡと平行であると仮定され得る。

一般に、様々な実施例において、制御部１２５及びメモリ１４０は、以下で更に充分に説明される本開示の方法を実施するために必要な回路及び／又はルーチンを含む。本開示の方法は、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部２０５を配置することと、複数の焦点距離でワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることと、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを画像スタックの少なくとも３つの対応するＲＯＩに基づいて決定することと（例えば、これらの自動合焦高さに基づいて表面法線及び対応する調整情報を決定することができる）、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部２０５を回転させて光学アセンブリ部２０５の光軸をワークピース表面ＷＰＳ１の（例えば計算された）表面法線ＳＮと名目上位置合わせするように、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整する（例えば、ワークピース表面ＷＰＳ１を名目上、所望の／指定された／決定されたＺ_L位置にする）ように調整機構を制御することと、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して規定の動作を実行することと、を含む。

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）を、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／又はビジョン構成要素部２００の直接制御のために使用可能である。

種々の例示的な実施例において、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）内に配置し、照明レベルを設定し、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に対してビデオツールのうち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。そのような動作は、本明細書に記載されているもの等のプロセスを含むことができ、マルチポイント自動合焦を用いて光学アセンブリ部の光軸をワークピース表面に対して名目上垂直に位置合わせすると共に光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整することと、ワークピース表面に対して以降の動作（例えば撮像や測定等）を実行することと、を含む。学習モードは、この１又は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動作する。パートプログラムが実行されると、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を再現させると共に、検査動作を行って、パートプログラムの生成時に用いた代表ワークピースと同等の１又は複数の実行モードワークピース上の特定のワークピース要素（すなわち対応位置における対応する要素）を自動的に検査させる。

図３Ａは、図２ＡのＶＦＬレンズ２７０に対応するＴＡＧレンズ３７０を含む光学アセンブリ部３０５を含むＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズシステム３００の概略図である。ＴＡＧレンズシステム３００及び／又は光学アセンブリ部３０５は、図１及び図２Ａ及び図２Ｂに示されているタイプのマシンビジョンシステムに適合させるか、又は、以下で記載するように、図７のロボットシステムもしくは図８Ａから図８Ｅの座標測定機（ＣＭＭ）システムに適合させることができる。図３Ａの３ＸＸと番号を付けたいくつかのコンポーネントは、図２Ａの同様の１ＸＸ又は２ＸＸと番号を付けたコンポーネントに相当する及び／又はそれらと同様の動作もしくは機能を提供することができ、他の指示がない限り同様に理解できることは認められよう。

撮像光路ＯＰＡＴＨ（本明細書ではワークピース撮像光路とも呼ばれる）は、ワークピース３２０からカメラ３６０まで画像光３５５を伝達する経路に沿って配置された様々な光学コンポーネントを含む。画像光は概ねそれらの光軸の方向に沿って伝達される。図３Ａに示されている実施例では、全ての光軸は位置合わせされている。しかしながら、この実施例は単なる例示を意図しており、限定でないことは認められよう。より一般的には、撮像光路ＯＰＡＴＨはミラー及び／又は他の光学要素を含み、既知の原理に従ってカメラ（例えばカメラ３６０）を用いてワークピース３２０を撮像するために動作する任意の形態をとることができる。図示されている実施例において、撮像光路ＯＰＡＴＨは、ＴＡＧレンズ３７０（これは４ｆ撮像構成に含めることができる）を含み、少なくとも部分的に、ワークピース画像露光中にワークピース３２０の表面を撮像するために利用される。

図３Ａに示されているように、ＴＡＧ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、及びカメラ３６０を含む光学アセンブリ部３０５を含む。また、ＴＡＧレンズシステム３００は、露光（ストロボ）時間制御部３３３ｅｓ、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ制御部３８０、移動制御部３３２（例えば表面法線移動制御部３３２ｓｎを含む）、及び表面法線決定部３４３ｓｎも含み得る。様々な実施例において、移動制御部３３２、表面法線移動制御部３３２ｓｎ、及び／又は表面法線決定部３４３ｓｎは、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述したように、それぞれ制御部／部分１３２、１３２ｓｎ、及び１４３ｓｎと実質的に同様に動作し得る。様々な実施例において、様々なコンポーネントは、直接接続によって、又は１つ以上のデータ／制御バス（例えばシステム信号及び制御バス３９５）、及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェース等によって、相互接続することができる。

以下で詳述するように（例えば図４を参照することを含む）、様々な実施例において、ＶＦＬレンズ制御部３８０は、ＴＡＧレンズ３７０の屈折力をある屈折力範囲にわたって周期的に変化させるようにＴＡＧレンズ３７０の駆動信号を制御することができ、これらの屈折力は周期的変化内の各位相タイミングで発生する。対物レンズ３５０は、画像露光中にワークピース３２０から生じる画像光を入力し、この画像露光中に画像光を撮像光路ＯＰＡＴＨに沿ってＴＡＧレンズ３７０を介してカメラ３６０へ伝送して、対応するカメラ画像内でワークピース画像を提供する。画像露光中の対物レンズ３５０の前方の有効合焦位置ＥＦＰは、その画像露光中のＴＡＧレンズ３７０の屈折力に対応する。露光時間制御部３３３ｅｓは、カメラ画像に使用される画像露光タイミングを制御するよう構成されている。

図３Ａに示されている一般的な構成に関して、光源３３０は「落射照明光源」又は他の光源であり、ビームスプリッタ３９０（例えばビームスプリッタの一部としての部分反射ミラー）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の表面へと光源光３３２を発する（例えばストロボ照明又は連続照明で）ように構成されている。対物レンズ３５０は、ワークピース３２０に近接した有効合焦位置ＥＦＰで集束する画像光３５５（例えばワークピース光）を受光し、画像光３５５をチューブレンズ３５１に出力する。チューブレンズ３５１は画像光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５２に出力する。他の実施例では、同様の光源によって視野を非同軸に照明することができる。例えば、リング光源によって視野を照明することができる。

様々な実施例において、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２Ａ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２２３と同様）。図３Ａに示されている実施例では、対物レンズ３５０の名目上の焦点面から生じる画像光３５５はチューブレンズ３５１によって合焦され、名目上の中間像面ＩＩＰｎｏｍにおいて中間像を形成する。ＴＡＧレンズ３７０がレンズ効果を与えない（屈折力がない）状態である場合、対物レンズ３５０の名目上の焦点面、名目上の中間像面ＩＩＰｎｏｍ、及びカメラ３６０の像面は、既知の顕微鏡撮像原理に従って共役面セットを形成する。様々な実施例において、本明細書で言及される他のレンズはいずれも、個別レンズや複合レンズ等から形成するか、又はそれらのレンズと連携して動作することができる。

リレーレンズ３５２は、チューブレンズ３５１から（又は、様々な代替的な顕微鏡構成において、より一般的には中間像面から）画像光３５５を受光し、これをＴＡＧレンズ３７０に出力する。ＴＡＧレンズ３７０は画像光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５６に出力する。リレーレンズ３５６は画像光３５５を受光し、これをカメラ３６０に出力する。様々な実施例において、カメラ３６０は、画像露光中に（例えばカメラ３６０の積分期間中に）カメラ画像をキャプチャし、対応する画像データを制御システム部に提供することができる。いくつかのカメラ画像は、ワークピース画像露光中に与えられた（例えばワークピース３２０のある領域の）ワークピース画像を含み得る。いくつかの実施例において、画像露光（例えばワークピース画像露光）は、カメラ３６０の画像積分期間内である光源３３０のストロボタイミングによって制限又は制御され得る。様々な実施例において、カメラ３６０は、１メガピクセルよりも大きいピクセルアレイを有し得る（例えば１．３メガピクセル、１２８０×１０２４画素アレイ、１画素当たり５．３ミクロン）。

図３Ａの例では、リレーレンズ３５２及び３５６並びにＶＦＬ（ＴＡＧ）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単なる例示であって、本開示に対する限定でないことは理解されよう。様々な実施例において、図示されている４ｆ光学構成は、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０（例えば開口数（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を維持すると共に、スケール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の各有効合焦位置（Ｚ_L高さ）で一定の倍率を与えることを含む）。

様々な実施例において、レンズ制御部３８０は、駆動信号発生部３８１、タイミングクロック３８１’、及び撮像回路／ルーチン３８２を含み得る。駆動信号発生部３８１は、（例えばタイミングクロック３８１’と連携して）動作し、信号ライン３８０’を介して高速ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０に周期的な駆動信号を与えることができる。様々な実施例において、ＴＡＧレンズシステム３００（又は光学アセンブリ部２０５’）は、協調した動作のためレンズ制御部３８０と連携して動作するように構成できる制御システム（例えば図２の制御システム部１２０）を備えることができる。

様々な実施例において、レンズ制御部３８０は概して、ＴＡＧレンズ３７０の所望の位相タイミングと同期するようにワークピース３２０を撮像すること、並びにＴＡＧレンズ３７０の駆動及び応答を制御、監視、及び調整することに関連した、様々な機能を実行できる。様々な実施例において、画像回路／ルーチン３８２は、ＴＡＧレンズ３７０の位相タイミングと同期した光学システムの標準的な撮像動作を実行する。

様々な例において、望ましくない温度変動に起因してＶＦＬレンズの動作特性にドリフトが発生する可能性がある。図３Ａに示されているように、様々な実施例においてＴＡＧレンズシステム３００は、ＴＡＧレンズ３７０に関連付けられたレンズヒータ／クーラ３３７を任意選択的に含み得る。レンズヒータ／クーラ３３７は、いくつかの実施例及び／又は動作条件に従って、ある熱エネルギ量をＴＡＧレンズ３７０に入力すること及び／又は冷却機能を実行することで、ＴＡＧレンズ３７０の加熱及び／又は冷却を容易にするように構成できる。更に、様々な実施例では、ＴＡＧレンズ３７０に関連付けられた温度センサ３３６がＴＡＧレンズ監視信号を与えることで、ＴＡＧレンズ３７０の動作温度を監視できる。

ＴＡＧレンズ３７０の全体的な動作に関して、上述したように様々な実施例では、レンズ制御部３８０が周期的にその屈折力を迅速に調整又は変化させて、４００ｋＨｚ、２５０ｋＨｚ、７０ｋＨｚ、又は３０ｋＨｚ等のＴＡＧレンズ共振周波数ですなわち高速で屈折力を周期的に変化させる高速ＶＦＬレンズを実現することができる。図３Ａに示されているように、ＴＡＧレンズ３７０を駆動する信号の周期的変調を用いることにより、ＴＡＧレンズシステム３００の有効合焦位置ＥＦＰ（すなわち対物レンズ３５０の前方の合焦位置）を、範囲Ｒｅｆｐ（例えば合焦範囲又は自動合焦サーチ範囲等）内で迅速に移動させることができる。範囲Ｒｅｆｐは、対物レンズ３５０と組み合わせたＴＡＧレンズ３７０の最大屈折力に対応する有効合焦位置ＥＦＰ１（又はＥＦＰｍａｘ又はピーク合焦距離Ｚ１ｍａｘ＋）と、対物レンズ３５０と組み合わせたＴＡＧレンズ３７０の最大負屈折力に対応する有効合焦位置ＥＦＰ２（又はＥＦＰｍｉｎ又はピーク合焦距離Ｚ１ｍａｘ－）とによって画定できる。様々な実施例において、有効合焦位置ＥＦＰ１及びＥＦＰ２は、それぞれ９０度及び２７０度の位相タイミングにほぼ対応し得る。これについては以下で図４を参照して詳述する。検討のため、範囲Ｒｅｆｐの中央をＥＦＰｎｏｍとして示すことができ、これは対物レンズ３５０の名目上の屈折力と組み合わせたＴＡＧレンズ３７０のゼロ屈折力にほぼ対応し得る。この記載によるとＥＦＰｎｏｍは、いくつかの実施例では、対物レンズ３５０の名目上の焦点距離にほぼ対応し得る（これは対物レンズ３５０の作動距離ＷＤに相当し得る）。

図２Ａの精密マシンビジョン検査システムと同様、図３ＡのＴＡＧレンズシステム３００も、調整機構に関連付けられているか又は調整機構を含む。調整機構は、（例えば、図２Ａの構成と同様のモータ２９４又は同様の機構を用いて）光学アセンブリ部３０５とワークピース３２０のワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を変えるように、また、（例えば回転機構２９５を用いて）ワークピース３２０のワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部３０５を回転させるように構成されている。図３Ａに示されている例では、調整機構は、（光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡを含む）光学アセンブリ部３０５をワークピース表面ＷＰＳ１に対して回転させるように構成された回転機構２９５を含む。図３Ａに示されているように、回転機構２９５は、光学アセンブリ部３０５が取り付けられた回転ステージ２９７の一部として提供できる。あるいは、ワークピース３２０が配置されたステージを回転ステージとして構成することも可能である。

図３Ａの例において、調整機構は、光学アセンブリ部３０５を移動させて、光学アセンブリ部３０５の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面ＷＰＳ１を配置するように制御されている。図３Ａの例では、これは、ワークピース表面ＷＰＳ１上の位置から距離Ｄ－３Ａに光学アセンブリ部３０５を配置することに対応し得る。例えば、距離Ｄ－３Ａは作動距離ＷＤに名目上対応することができ、作動距離ＷＤは焦点Ｚ自動合焦範囲の中間点又は他の部分に対応し得る（例えば、範囲ＲＥＦＰの一部又は全てに対応し得る）。図３Ａに示されているように、距離Ｄ－３Ａでは、ワークピース表面ＷＰＳ１の全ての部分が範囲ＲＥＦＰ内にあるので、画像スタックをキャプチャすることを含む自動合焦プロセスを用いて、ワークピース表面ＷＰＳ１の異なる位置（例えば少なくとも３つの位置）の自動合焦高さを決定することができる。また、ワークピース３２０及び／又は光学アセンブリ部３０５は、ワークピース表面ＷＰＳ１が光学アセンブリ部３０５の視野内にあるように配置されていることは認められよう。以下で詳述するように、図３Ｂの例では、ワークピース３２０は同様に、ワークピース表面ＷＰＳ１が光学アセンブリ部３０５の視野内にあるように配置することができ、光軸ＯＡは、図３Ａに示されているものと同様の又は同一のワークピース表面ＷＰＳ１上の位置の方へ向けることができる（例えば、マシン座標系のＸ_M及びＹ_M軸方向等に沿ってワークピース３２０を配置するためワークピースステージ又は他の移動機構を使用できる）。

図２Ａの精密マシンビジョン検査システムと同様に、本開示の方法を実施することができる。この方法は、ワークピース表面３２０Ａに対して光学アセンブリ部３０５を配置することと（例えば、移動制御部３３２及び／又は３３２ｓｎによって制御される）、複数の焦点距離でワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることと（例えば、レンズ制御部３８０及び／又は露光時間制御部３３３ｅｓにより制御されるＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０を制御することによって、及び／又は移動制御部３３２及び／又は３３２ｓｎにより制御される光学アセンブリ部３０５を移動させることによって）、ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを画像スタックの少なくとも３つの対応するＲＯＩに基づいて決定することと（例えば、この計算された自動合焦高さに基づいて表面法線及び対応する調整情報を決定できる）、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部３０５を回転させて光学アセンブリ部３０５の光軸をワークピース表面ＷＰＳ１の計算された表面法線ＳＮと名目上位置合わせするように、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するように、調整機構を制御することと、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して規定の動作を実行することと、を含む。

例えば、図３Ｂは、ワークピース３２０のワークピース表面ＷＰＳ１が図示のように水平面に対して傾斜しているか又は他の手法である角度に配向されている場合、ワークピース表面ＷＰＳ１の決定された（例えば計算された）表面法線ＳＮと光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡを名目上位置合わせするように、回転機構２９５を含む調整機構を用いて光学アセンブリ部３０５を（再）配向できることを示す。更に、調整機構（例えばモータ２９４又は他の対応する機構を含む）を用いて、光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整することができる。図３Ｂに示されているように、この距離は、光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離Ｄ－３Ｂが作動距離ＷＤに名目上対応するように調整されている（例えば、作動距離ＷＤは範囲ＲＥＦＰの中央付近であるか又は中央にあり得る、及び／又はベストフォーカス位置等に対応し得る）。特に、ＶＦＬレンズを含まない実施例、又はＶＦＬレンズが含まれるが動作していない実施例では、対物レンズ３５０の作動距離ＷＤはベストフォーカス位置に対応し得る（すなわち、この位置でワークピース表面ＷＰＳ１の焦点が合う）。ＶＦＬレンズ３７０が含まれて動作する実施例では、場合によっては作動距離ＷＤは、光学アセンブリ部の概略的な「合焦位置」に対応すると指定され得る、及び／又は「ベストフォーカス位置」に対応すると指定され得る（例えば、ＶＦＬレンズ３７０の動作の範囲ＲＥＦＰの中央付近にあるか又は中央にあり、ＶＦＬレンズ３７０のゼロ屈折力に対応する位相タイミングは、名目上焦点が合っているワークピース表面ＷＰＳ１に対応し得る）。

光学アセンブリ部３０５が回転機構２９５によって図３Ａの向きから図３Ｂの向きへ回転する際、回転中に、光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離が概ね三角法の原則に従って変化することは認められよう。このため、図３Ｂの距離Ｄ－３Ｂが図３Ａの距離Ｄ－３Ａとほぼ同一であり得る例であっても、回転に応じて、調整機構は、図３Ｂに示されている向き及び位置を達成するためのプロセスの一部として光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整する。また、様々な実施例において、距離Ｄ－３Ｂは概して距離Ｄ－３Ａと同一でない可能性があることは認められよう。より具体的に述べると、図３Ａのワークピース表面ＷＰＳ１の傾いた向きでは、光軸ＯＡと交差する（すなわち距離Ｄ－３Ａにある）ワークピース表面ＷＰＳ１の表面位置は、焦点Ｚ自動合焦範囲内にあるが、光学アセンブリ部３０５に対して所望のＺ_L位置（例えば所望の合焦位置、又は距離Ｄ－３Ｂに対応し得る他の距離等）でないことがある。場合によっては、図３Ａのワークピース表面ＷＰＳ１の１つ以上の他の表面位置は所望のＺ_L位置にある可能性があり、又は、他の表面位置はどれも所望のＺ_L位置（例えば距離Ｄ－３Ｂに対応する）にない可能性がある。本明細書に記載されている方法に従って、図３Ａの例では、自動合焦プロセスを用いて、ワークピース表面ＷＰＳ１の異なる位置（例えば少なくとも３つの位置）の自動合焦高さを決定する（例えば、これによってワークピース表面ＷＰＳ１の位置を規定して示す）。決定した自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、調整機構は、光学アセンブリ部を回転させると共にワークピース表面に対する光学アセンブリ部の距離を調整し、図３Ｂに示されているような向き及び距離Ｄ－３Ｂにする（例えば、これは所望のＺ_L位置に対応する。図３Ａのワークピース表面ＷＰＳ１の位置のうち１つ以上は、図３Ｂの調整前に距離Ｄ－３Ｂ又は対応する所望のＺ_L位置にあった可能性があり、又はどの位置も所望のＺ_L位置になかった可能性がある）。

図４は、図３Ａ及び図３ＢのＶＦＬレンズシステムの周期的に変調される制御信号ＰＭＣＳ及び光学応答ＲＳＰについて、位相タイミングを示すタイミング図である。図４の例では、制御信号ＰＭＣＳ及び光学応答ＲＳＰが同様の位相タイミングを有し、従って同一の信号として表される理想的な事例が示されているが、場合によっては、これらの信号は位相オフセットだけ分離し得ることは理解されよう。様々な実施例において、制御信号ＰＭＣＳは、図３Ａの駆動信号発生器３８１によって生成された駆動信号（例えば振幅駆動信号を含む）に関連し、光学応答ＲＳＰは、上記で概説したようにＴＡＧレンズ３７０の屈折力を周期的に変化させることによって制御される光学アセンブリ部の周期的に変更される合焦位置を表すことができる。

様々な実施例において、曲線ＰＭＣＳ及びＲＳＰの正弦波形状は、一連のレンズに依存し得る（例えば図３Ａ及び図３Ｂに示されている対物レンズ３５０やＴＡＧレンズ３７０等）。ＴＡＧレンズ３７０の屈折力は、図４に示されているサイクルで変化し、１／ｆ（ｆ＝焦点距離）に等しい。以下で詳述するように、各Ｚ_L高さを各位相タイミング信号値に関連付けるＺ_L高さ対位相の較正は、既知の原理に従った較正により確立することができる（例えば数学的モデルに従って、及び／又は、既知のＺ_L高さまで繰り返し表面を進ませ、次いでこの既知のＺ_L高さで画像のベストフォーカスとなる位相タイミングを手作業で又は計算によって決定し、その関係を、レンズ制御部３８０又は他のものの一部として含まれ得る有効合焦位置（Ｚ_L高さ対位相）較正部のルックアップテーブル等に記憶することによって）。

タイミング図４００Ａは、各Ｚ_L高さ（例えばｚφ０、ｚφ９０、ｚφ１８０、ｚφ２７０等）に対応して、制御信号ＰＭＣＳの各位相タイミング信号値（例えばｔ０、ｔ９０、ｔ１８０、ｔ２７０等）に等しい位相タイミング（例えばφ０、φ９０、φ１８０、φ２７０等）を示している。様々な実施例において、位相タイミング信号値（例えばｔ０、ｔ９０、ｔ１８０、ｔ２７０等）は、位相タイミング信号（例えばクロックによって、又は周期的変調に対するタイミングを確立するための他の技法等によって与えられる）に従って決定できる。タイミング図に示されている位相タイミング信号値は単なる例示を意図しており、限定ではないことは理解されよう。より一般的に述べると、いかなる位相タイミング信号値にも、図示されている合焦位置範囲内の合焦位置Ｚ_L高さが関連付けられる（例えば、図示する例における範囲は最大Ｚ_L高さｚφ９０及び最小Ｚ_L高さｚφ２７０を有する）。

上述のように、様々な技法（例えば、マルチポイント自動合焦、ポイントフロムフォーカス、最大共焦点輝度決定等の利用の一部として）を用いて、ある撮像表面領域に焦点が合っている時を決定し、その撮像表面領域のＺ_L高さ測定値に対応付けることができる。例えば、ある撮像表面領域に焦点が合っている時、この撮像表面領域がＺ_L高さｚφｓｕｒｆにあることを決定できる。位相対Ｚ_L高さの原理を用いる図示の例では、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（－）に等しい位相タイミングφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（－）では、合焦位置はＺ_L高さｚφｓｕｒｆにあり、このＺ_L高さｚφｓｕｒｆに位置するワークピース表面領域に焦点が合っている。同様に、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）に等しい位相タイミングφｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）では、合焦位置はＺ_L高さｚφｓｕｒｆにあり、このＺ_L高さｚφｓｕｒｆに位置するワークピース表面領域に焦点が合っている。このような値を、各Ｚ_L高さを各位相タイミング信号値に関連付ける有効合焦位置（Ｚ_L高さ対位相）較正部に含ませることで、ある撮像表面領域に焦点が合っていると決定された場合に、対応する位相タイミング信号値（例えばＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（－））を使用してその撮像表面領域の対応する測定Ｚ_L高さ（例えばＺ_L高さｚφｓｕｒｆ）を検索できることは認められよう。

図示されている例では、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（－）及びＴｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）は、反対方向への変調合焦位置の移動に対応する。より具体的には、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（－）は、第１の方向（例えば下方向）への変調合焦位置の移動に対応し、位相タイミング信号値Ｔｓｕｒｆ＿ｉｎｄ（＋）は、第１の方向とは反対の第２の方向（例えば上方向）への変調合焦位置の移動に対応する。

また、図４は、各Ｚ_L高（例えばｚφ０、ｚφ９０、ｚφ１８０、ｚφ２７０等）で合焦される画像を露光するため、どのようにストロボ照明（図３Ａの露光時間制御部３３３ｅｓによって制御される）をタイミング調整して、周期的に変更される合焦位置の各位相タイミング（例えばφ０、φ９０、φ１８０、φ２７０等）に対応させるかを定性的に示している。すなわち図示する例では、デジタルカメラが積分期間中に画像を取得している間に、短いストロボパルスが位相タイミングφ０で与えられる場合、合焦位置は高さｚφ０となり、得られる画像内では高さｚφ０に位置するワークピース表面に焦点が合っている。これと同じことが、図４に示されている他の例示的な位相タイミング及びＺ_L高にも当てはまる。このような原理に従って、異なる位相タイミングに対応し、従って異なるＺ_L高さに対応してキャプチャされた画像を用いて、画像スタックを取得することができる。

このような原理によれば、ＴＡＧレンズシステム３００は、自動合焦動作（例えばマルチポイント自動合焦動作）を高速で実施するのに適している。具体的には、ＴＡＧレンズシステム３００を用いて、焦点Ｚ_L範囲（例えば焦点Ｚ_L自動合焦範囲）をスイープするＴＡＧレンズ３７０の屈折力を周期的に変化させ、ワークピース表面位置のＺ_L高さに対応するベストフォーカス画像を見出しながら、複数の表面位置を含むワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることができる。より具体的には、マルチポイント自動合焦プロセスの一部として、画像スタックの少なくとも３つの関心領域（ＲＯＩ）を解析して、３つの対応するワークピース表面位置の少なくとも３つのＺ_L高さを見出すことができ（例えば、いくつかの実施例では同時に実行され得る）、次いでこれを用いてワークピース表面を計算／決定し（例えば計算された面又は他の表現に対応する）、更に、これに応じてワークピース表面の表面法線を計算／決定することができる。

図５Ａは、様々なワークピース表面ＷＰＳ１、ＷＰＳ２、及びＷＰＳ３を有するサンプルワークピースＷＰ１を示す。図５Ａの例では、マシン座標系（ＭＣＳ）に関連付けた場合、ワークピース表面ＷＰＳ２は水平面と平行であり、ワークピース表面ＷＰＳ３は鉛直面と平行であり、ワークピース表面ＷＰＳ１は相対的に傾いた向きであり得る。ワークピース表面ＷＰＳ１上に関心領域ＲＯＩ１、ＲＯＩ２、及びＲＯＩ３が示され、これらの各々は、対応する各関心領域の相対的な中心に配置され得る表面点ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３を有する。以下で詳述するように、関心領域は自動合焦プロセスの一部としての画像スタック内の関心領域を表し、これらの対応する表面点ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３の各々の自動合焦高さ（例えばＺ_L高さ）を決定することができる（例えば、これらを用いて、ワークピース表面ＷＰＳ１の面又は他の表現及び対応する表面法線を決定できる）。

図５Ｂは、光学アセンブリ部３０５の遠位端を示す概略図である。光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡ及び画像スタック取得軸ＩＳＡＡは、ワークピースＷＰ１が配置されている表面（例えばステージ）に対して概ね垂直の向きに配向されている（すなわち、光軸ＯＡはＭＣＳのＺ_M軸に対して平行である）。図５Ｃは、光学アセンブリ部３０５の遠位端を示す概略図である。光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡ及び画像スタック取得軸ＩＳＡＡは、ワークピースＷＰ１の傾斜ワークピース表面ＷＰＳ１に対してほぼ／名目上垂直である（直交する）ように、ある角度に配向されている。

図５Ｃの向きを達成するため、本明細書に開示されている原理に従って特定のプロセスを実行することができる。例えば、図５Ｂの構成を達成するには、光学アセンブリ部３０５を移動させて、光学アセンブリ部３０５の焦点Ｚ自動合焦範囲（すなわちＺ_L自動合焦範囲）内にワークピース表面ＷＰＳ１を配置するように調整機構を制御すればよい。図５Ｂの例において、これは、ワークピース表面ＷＰＳ１上の位置（例えば、光軸ＯＡがワークピース表面ＷＰＳ１と交差する位置であり、場合によっては、概ねワークピース表面ＷＰＳ１の中点又は他の中央の位置である）から距離Ｄ１に光学アセンブリ部３０５を配置することに対応し得る。図５Ｂの例において、焦点Ｚ_L自動合焦範囲は範囲ＳＲ１で表されている。図６Ａ及び図６Ｂを参照して以下で詳述するように、自動合焦プロセスの一部として、光学アセンブリ部３０５を用いて焦点Ｚ_L自動合焦範囲内のワークピース表面ＷＰＳ１の画像スタックをキャプチャすることができる。ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも３つの位置（例えば表面点ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３）の各々の自動合焦高さを、画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域ＲＯＩ１、ＲＯＩ２、及びＲＯＩ３に基づいて決定できる。これについても図６Ａ及び図６Ｂを参照して以下で詳述する。図５Ｂに示されているように、ワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮは光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡに対して角度ＡＮＧ１である。

図５Ｃに示されているように、ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも３つの位置（例えば表面点）における自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて調整機構を制御することにより、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部３０５を回転させて光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡをワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮと名目上位置合わせすること、及び、光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整する（例えば距離Ｄ２にする）ことができる。様々な実施例では、図５Ｃに示されているように調整機構を制御する前に、ワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮを計算するか又は他の方法で決定するため、表面点ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３の決定された自動合焦高さを使用できる。例えば、３つの表面点ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３を決定して、ワークピース表面ＷＰＳ１に対応する面（又は他の表現）を幾何学的に規定することができ、この計算された／決定された面（又は他の表現）に対する法線として（すなわち直交する）表面法線ＳＮを計算する及び／又は他の方法で決定することができる。一度このような表面法線ＳＮが決定されたら、調整情報を計算又は他の方法で決定できる。調整情報は、図５Ｂに示された向きから図５Ｃに示された向きへ光学アセンブリ部３０５を回転させるか又は他の方法で移動させる（例えば角度ＡＮＧ１の量だけ回転させる）ように調整機構を制御するため使用できる。図５Ｃでは、光軸ＯＡは表面法線ＳＮと名目上一致するものとして示されている。更に、調整機構（例えばモータ２９４又は他の対応する機構を含む）を用いて、光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整できる。図５Ｃに示されているように、この調整によって、光学アセンブリ部３０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間は距離Ｄ２となる。図３Ａ及び図３Ｂを参照して上述したように、様々な実施例において、距離Ｄ２は、所望のＺ_L位置にあるワークピース表面ＷＰＳ１に対応し得る（例えば、名目上、範囲ＳＲ２の中央、及び／又は光学アセンブリ部３０５の対物レンズの作動距離、及び／又はベストフォーカス位置等にあるか又はその付近にある）。

一度、図５Ｃに示されている向き及び位置になったら、ワークピース表面ＷＰＳ１に規定の動作を実行することができる。例えば、光学アセンブリ部３０５を用いた測定動作をワークピース表面ＷＰＳ１に対して実行できる。このようなプロセス又は他のものの一部として、ワークピース表面ＷＰＳ１にポイントフロムフォーカス動作を実行することができる（例えば表面プロファイルを決定するため）。ポイントフロムフォーカス動作の一部として、図５Ｃに示されている向きで光学アセンブリ部３０５によって画像スタックをキャプチャすることができる。様々な実施例では、プロセスを繰り返す／継続することができる（例えば、ワークピース表面ＷＰＳ１の他の部分に、又はワークピースＷＰ１の他のワークピース表面に規定の動作を実行するため）。この場合、図５Ｃに示されている向きから光学アセンブリ部３０５を回転させて、ワークピース表面の別の部分又はワークピースの別の表面に対して名目上垂直にすればよい（例えば、湾曲し続ける形状のタービン翼のようなワークピースの様々な部分に進んでいって測定するため）。

追加の態様として、図５Ｂ及び図５Ｃは、測定対象のワークピース表面ＷＰＳ１に対する光学アセンブリ部３０５の向きに応じた、ワークピース表面ＷＰＳ１の３次元表面トポグラフィをカバーするために必要な（例えば図５Ｂと比較した図５Ｃの）走査範囲を示すものと理解することができる。例えば、図５Ｂの向きでの走査範囲ＳＲ１は、ワークピース表面ＷＰＳ１の３次元表面トポグラフィをカバーできるように、図５Ｃの向きでの走査範囲ＳＲ２に比べて著しく大きい。従って、図５Ｃのように光軸ＯＡがワークピース表面ＷＰＳ１に対して名目上垂直になる（すなわち、ほぼ直交する）ように光学アセンブリ部３０５の角度／向きを調整すると、必要な走査範囲を縮小するために技術的に有利であり得る。この走査範囲の縮小によって、走査時間の短縮、及び／又は（例えば所望の画像密度の）画像スタックを形成するために必要な画像数の削減が可能となる。

図５Ｂに示されているように、画像スタックのための走査範囲ＳＲ１が図５Ｃの走査範囲ＳＲ２よりも著しく大きいことに加えて、光学アセンブリ部３０５の向きはワークピース表面ＷＰＳ１に対して比較的鋭角であるので、これが画像品質を低下させたり、いくつかのワークピース要素のいくつかの部分／面（aspect）の撮像を妨げたりする可能性がある。例えば、この鋭角は、光学アセンブリ部３０５の方へ反射して戻る撮像光が少ないこと等に起因した撮像品質の低下を招き得る。これに対して図５Ｃでは、ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも一部に対して名目上垂直である（すなわち、ほぼ直交する）ように光学アセンブリ部３０５を配向することで、光学アセンブリ部３０５は、ワークピース表面ＷＰＳ１の撮像にとって、より良好な角度となり得る（例えば、反射撮像光に対してより良好な角度となる、及び／又はいくつかのワークピース要素をより良好に見ることができる等）。

様々な実施例では、上述したように、ワークピースの様々なワークピース表面又はワークピース表面の様々な部分にプロセスを実行するため、光学アセンブリ部３０５を様々な向きになるように回転／調整し続けることが望ましい場合がある。例えば、図５Ａから図５ＣのワークピースＷＰ１は、ワークピース表面ＷＰＳ１、ＷＰＳ２、及びＷＰＳ３を含むように図示されている。一実施例において、光学アセンブリ部３０５は最初に、ワークピース表面ＷＰＳ２に対していくつかの動作（例えば測定動作やＰＦＦ走査のための画像スタック取得等）を実行するため、図５Ｂに示されているように位置決め／配向する（又はそのように調整する）ことができる（例えば、光軸ＯＡは鉛直な向きに対して０度の傾斜であり、ワークピースＷＰＳ２に対して名目上垂直である）。次いで、ワークピース表面ＷＰＳ１にマルチポイント自動合焦を実行することと、ワークピース表面ＷＰＳ１にいくつかの動作（例えば測定動作や走査のための画像スタック取得等）を実行するため図５Ｃに示されているように光軸ＯＡを配向する（例えば、鉛直に対して４５度の傾斜であり、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して名目上垂直である）ように光学アセンブリ部３０５を回転させることとを含めて、本明細書に開示されているプロセスを実行することができる。次いで、光学アセンブリ部を移動させて焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面ＷＰＳ３を配置することと、ワークピース表面ＷＰＳ３にマルチポイント自動合焦を実行することと、ワークピース表面ＷＰＳ３にいくつかの動作（例えば測定動作の実行やＰＦＦ走査のための画像スタックの取得等）を実行するため光軸ＯＡを配向する（例えば、鉛直に対して９０度の傾斜であり、ワークピース表面ＷＰＳ３に対して名目上垂直である）ように光学アセンブリ部３０５を回転させることを含めて、本明細書に開示されているプロセスを再び実行することができる。様々な実施例において、本明細書に開示されているプロセスは最初に、図５Ｂの向きを達成するように実行してもよい（例えば、光軸ＯＡはワークピース表面ＷＰＳ２に対して名目上垂直であり、ワークピース表面ＷＰＳ２に対して指定された動作を実行できる（すなわち実施できる））。

様々な実施例では、このようなプロセスの一部として、光学アセンブリ部３０５の光軸ＯＡはワークピース表面の一部分に対してのみ名目上垂直である（すなわち、ほぼ直交する）可能性があり、又は、場合によっては、実際にはワークピース表面のどの特定部分に対しても名目上垂直でない（すなわち、ほぼ直交しない）が、ワークピース表面の全体的な向き又は平均的な（例えば計算された）向き等に対してのみ名目上垂直であることは認められよう。例えば、ワークピース表面が特に起伏を有する場合、及び／又は多数のワークピース要素を含んで複雑な又は他の何らかの不均一な３次元プロファイル／表面トポグラフィを形成する場合、光軸ＯＡは、ワークピース表面のどの特定部分に対しても厳密に又は名目上垂直でなく／直交せず、ワークピース表面の全体的な向き、平均的な向き、及び／又は概略的な（例えば計算された）向き等に対してほぼ／名目上垂直である／直交する可能性がある。この場合、本明細書に記載されているように、光軸ＯＡはワークピース表面に対して名目上垂直であると言うことができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、光学アセンブリ部２０５又は３０５により取得された様々な焦点距離における画像を含む画像スタックをどのように用いて、Ｚ_L軸に沿ったワークピース表面上の少なくとも３つの点の自動合焦高さ（すなわち、自動合焦位置又はＺ_L位置又はＺ_L高さ）を決定できるかを示す。本明細書で用いる場合、「Ｚ_L軸」は、光学アセンブリ部２０５又は３０５の局所座標系（ＬＣＳ）のＺ軸に対応し得る（すなわち、光学アセンブリ部２０５又は３０５の光軸ＯＡに対応する）。様々な実施例では、（例えば、図５Ｂに示されているような向きで）光学アセンブリ部２０５又は３０５がマルチポイント自動合焦モード（例えば、及び／又はＰＦＦ等の他のモード）で動作して、ワークピース表面の少なくとも３つの位置（例えば表面点）の自動合焦高さ（すなわちＺ_L高さ又はＺ_L位置）を決定することにより、画像スタックＩＳを取得できる。

具体的に述べると、図６Ａ及び図６Ｂは、ワークピース表面上の１つ以上の点の各々について、光軸方向（すなわち、光学アセンブリ部２０５又は３０５のＺ_L軸と一致する）に沿った相対Ｚ_L位置（すなわち自動合焦高さ）を決定することに関連した動作を示す。図６Ａ及び図６Ｂに示されているように、光学アセンブリ部２０５又は３０５の合焦位置は、光軸及び／又は各画像取得位置におけるフォーカシング軸に対応する画像スタック取得軸の方向に沿って、ある範囲の位置Ｚ_L（ｉ）を通して移動し得る。光学アセンブリ部２０５又は３０５は、各位置Ｚ_L（ｉ）で画像（ｉ）をキャプチャすることができる。各キャプチャ画像（ｉ）において、画像内の関心領域又は関心サブ領域ＲＯＩ（ｋ）（例えば画素セット）（例えば、対応する表面点は関心領域又は関心サブ領域ＲＯＩ（ｋ）の中心にある）に基づき、合焦尺度ｆｍ（ｋ，ｉ）を計算することができる。合焦尺度ｆｍ（ｋ，ｉ）は、画像（ｉ）をキャプチャした時点での光軸及び／又は画像スタック取得軸の方向に沿った光学アセンブリ部２０５又は３０５の合焦位置に関連付けられる（例えば、ＶＦＬレンズ２７０又は３７０の位相タイミング及び／又はワークピース表面までの距離に従って）。この結果、合焦曲線データ（例えば、位置Ｚ_L（ｉ）における合焦尺度ｆｍ（ｋ，ｉ）セットであり、合焦ピーク決定データセットの１つのタイプである）が得られる。これを単に「合焦曲線」又は「自動合焦曲線」と呼ぶこともある。一実施形態において、合焦尺度値は画像内の関心領域のコントラスト又はシャープネスの計算を伴うことがある。

画像スタック取得軸に沿ったベストフォーカス位置に相当する合焦曲線のピークに対応するＺ_L位置（例えば図６ＡのＺ_Lｋ６０１）は、合焦曲線を決定するため使用される関心領域のＺ_L位置である。例示のため、画像スタックは１１の画像（画像（１）～画像（１１））を含むものとして示されているが、実際の実施形態では、より少数か又は多数の画像を使用できることは認められよう。例えば、いくつかの自動合焦プロセスは典型的に５～１０の画像を含む画像スタックを取得し得るのに対し、いくつかのＰＦＦプロセスは２００を越える画像を含む画像スタックを取得し得る。更に、画像スタックの画像は、実施例に応じて（例えば、カメラの視野のサイズ及び／又は他のファクタに関連して）、より小さいか又は大きい可能性がある（例えば、より少数か又は多数の所与のサイズの関心領域を含む）。

画像（１）～（１１）に対して発生した合焦曲線で示されるように、図示の例では、画像（６）（すなわち、対応する合焦尺度ｆｍ（１，６）を有する）がベストフォーカスに近いか又はベストフォーカスであるように見える。例えば、ＲＯＩ（１）の中央の要素（例えば図５Ａの表面点ＳＰ１にある））は、画像（６）で最も焦点が合っているように見える。これに対して他の画像では、画像（６）から離れるにつれてワークピース表面のその部分は徐々に焦点が外れ、ますますぼけていくように見える。上記のように合焦尺度値がコントラストに基づく場合、１つの方法は、ＲＯＩの中心の画素（例えば表面点ＳＰ１に対応する）と、そのＲＯＩ内の隣接した画素の色／輝度等を比較することを含む。画像取得時の合焦位置に対応する最も高い全コントラストの画像を見つけることにより、光軸ＯＡ及び画像スタック取得軸に沿って、表面点（例えばＲＯＩ（１）の中心の表面点ＳＰ１）の相対Ｚ_L位置（すなわち自動合焦高さ）の指示／測定値を取得することができる。

上述したように、図６Ｂにおいて、関心領域ＲＯＩ（１）の中心領域は、光学アセンブリ部２０５又は３０５の光軸に沿った位置Ｚ_L（６）に対応する画像（６）でほぼ合焦状態であると見なされる。このため、ＲＯＩ（１）の中心に対応するワークピース表面上の表面点（例えば表面点ＳＰ１）は、画像スタック内の画像（６）におけるＲＯＩ（１）の合焦位置にほぼ対応する相対位置Ｚ_L（６）にあると決定することができる。関心領域ＲＯＩ（２）及びＲＯＩ（３）の各々に同様の処理を実行して、ＲＯＩ（２）及びＲＯＩ（３）の中心に対応する表面点（例えば、それぞれ表面点ＳＰ２及びＳＰ３）の相対Ｚ_L位置を決定できる。具体的に述べると、図６Ａに示されているように、ＲＯＩ（２）及びＲＯＩ（３）について自動合焦曲線を発生して、各関心領域ＲＯＩでベストフォーカス画像を見つけることができる。例えば、ＲＯＩ（２）では画像（５）がベストフォーカスであるように見え、ＲＯＩ（３）では画像（７）がベストフォーカスであるように見えると仮定すると、ＲＯＩ（２）の中心における表面位置の自動合焦高さはＺ_L（５）であり、ＲＯＩ（３）の中心における表面位置の自動合焦高さはＺ_L（７）であると決定できる。

３つの関心領域ＲＯＩ（１）、ＲＯＩ（２）、及びＲＯＩ（３）（例えば、対応する中心表面点ＳＰ１、ＳＰ２、及びＳＰ３を有する）のＺ_L高さ／自動合焦高さ（Ｚ_L位置）を用いて、これらのＺ_L位置／表面点を含むか又は他の方法でこれらを表す表面に対応する面又は他の表現を規定することができ、この規定／決定した表面に対する表面法線ＳＮを計算／決定することができる。前述のように、少なくとも３つのＺ_L位置（すなわち自動合焦高さ）を計算／決定して表面を規定することができるが、より精密に表面を規定するため、４つ以上のＺ_L位置を取得してもよい。様々な実施例では、複数の関心領域ＲＯＩ（１）、ＲＯＩ（２）、ＲＯＩ（３）．．．ＲＯＩ（ｎ）を、同一（単一）の画像スタックに基づいて処理することができ、場合によっては、複数のＺ_L位置を計算／決定するため複数の画像スタックを取得する必要がないことがある。場合によっては、決定されたピーク合焦位置（すなわち自動合焦高さに対応する）が、画像スタック内の２つの画像の間にあり得ることは認められよう。この場合、画像に対して決定された合焦尺度値に対する合焦曲線のフィッティングに従って、内挿補間又は他の技法により合焦ピーク位置を決定すればよい。

様々な実施例において、図６Ａ及び図６Ｂの例示は、ワークピース表面の複数の表面点のＺ_L高さ（すなわちＺ_L位置）を決定するため、ポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）モード（又は他のモード）で動作している光学アセンブリ部２０５又は３０５で取得される画像スタックを表し得る。ＰＦＦ画像スタックを処理して、３次元表面座標セット（例えばワークピースの表面形状又はプロファイルに対応する）を定量的に示すＺ_L高さ座標マップ（例えばポイントクラウド）を決定又は出力することができる。マルチポイント自動合焦画像スタックに比べ、ＰＦＦ画像スタックは通常、より多くの画像を含み、より多くの表面点のための計算／決定を伴い（例えば、詳細な表面プロファイル等の精密な決定のため）、これに応じて、より多くの時間のかかるプロセスを伴い得る。例えばいくつかの実施例では、ＰＦＦ画像スタックは、マルチポイント自動合焦画像スタックよりも少なくとも１０倍、２０倍、又は４０倍等の画像を含み得る（例えば、いくつかの具体例の値として、いくつかの実施例では、マルチポイント自動合焦画像スタックは５～１０の画像／カメラフレームを含み、ＰＦＦ画像スタックは２００を越える（例えば２２０等の）画像／カメラフレームを含み得る）。本明細書に開示される原理によれば、光学アセンブリ部の光軸とワークピース表面の表面法線を名目上位置合わせすることに関連して、マルチポイント自動合焦画像スタック（例えば、より少ない画像と少ない表面点、それらに対応する処理によってキャプチャされる）は、比較的迅速に取得されて処理され得る。その後、そのように位置合わせした光学アセンブリ部を用いて、規定の動作（例えばＰＦＦ動作等を含む）をワークピース表面に実行することができる。ＰＦＦ動作は、ワークピース表面の表面プロファイルに関して更に詳細な情報を提供することができる。光軸を表面法線と名目上位置合わせすることは、（例えばＰＦＦ及び／又は他のプロセスを実行することに対して）様々な利点を有し得る。

図７は、本開示の一態様に従った光学アセンブリ部４０５（光学アセンブリ部２０５及び３０５と同様）を含む本開示の計測システムを具現化するロボットシステム４００である。ロボットシステム４００は、複数の自由度を有する多関節アームの形態の調整機構４０１を含む。様々な実施例において、調整機構４０１（すなわち多関節アーム）は通常、光学アセンブリ部４０５とワークピース表面３２０Ａとの間の距離を変えるように構成されたＺ軸移動機構として機能する（例えば、多関節アームのいくつかの部分の動作を含む）ことができると共に、通常、ワークピース表面３２０Ａに対する光軸の角度向きを変えるように光学アセンブリ部を回転させるよう構成された回転機構として機能する（例えば、多関節アームのいくつかの部分の動作を含む）ことができる。

光学アセンブリ部４０５は、カメラ３６０、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ３７０、及び照明光源３３０を含む。様々な実施例において、照明光源３３０は、例示されている実施形態では光学アセンブリ部４０５の遠位端に設けられたリング照明（例えばＬＥＤを配列したもので形成される）とすればよいが、照明光源３３０は例えば落射照明光源としてもよい。ロボットシステム４００は、ロボットシステム４００に組み込まれた光学アセンブリ部４０５の制御を担うＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ制御ソフトウェア及びロボット統合ソフトウェアを含むかこれらに結合された制御部４２５を含む。図示されている実施形態において、光学アセンブリ部４０５は多関節アーム４０１の遠位端に結合されている。ロボットシステム４００の制御部４２５は、多関節アーム４０１を制御することにより、光学アセンブリ部４０５を移動させてワークピース表面３２０Ａまでの距離を変えることができ（例えば多関節アーム４０１のＺ軸移動機構部を用いる）、更に、光学アセンブリ部４０５を回転させてワークピース表面３２０Ａに対する光学アセンブリ部４０５の光軸ＯＡの角度向きを変えることができる（例えば多関節アーム４０１の回転機構部を用いる）。

上述した図２Ａから図３Ｂの実施形態と同様、ロボットシステム４００の制御部４２５は本開示の方法を実施することができる。この方法は、ワークピース表面３２０Ａが自動合焦範囲内にあるように光学アセンブリ部４０５を配置することと、（例えば、ＴＡＧレンズ３７０を制御すること及び／又は光学アセンブリ部４０５を移動させることによって）自動合焦範囲内の複数の焦点距離でワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることと、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを画像スタックの少なくとも３つの対応するＲＯＩに基づいて決定することと（例えば、この決定した自動合焦高さに基づいて表面法線及び調整情報を決定できる）、ワークピース表面に対して光学アセンブリ部を回転させて光学アセンブリ部４０５の光軸をワークピース表面３２０Ａの表面法線と名目上位置合わせするように、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するように、決定した自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて調整機構を制御することと、ワークピース表面３２０Ａに対して規定の動作を実行することと、を含む。

図８Ａから図８Ｅは、本開示の別の態様に従った光学アセンブリ部５０５を含む計測システムを具現化する座標測定機（ＣＭＭ）５００を示す。図８Ａに示されているように、座標測定機５００は、（例えばビジョンプローブに含まれ得る）光学アセンブリ部５０５を移動させるマシン本体５０１と、手動で動作されるジョイスティック５０６を有する動作ユニット５０３と、処理デバイス構成５０９と、を含む。マシン本体５０１は、表面プレート５１０（例えばワークピースステージ）と、光学アセンブリ部５０５を移動させる調整機構５２０（図８Ｅも参照のこと）と、を含む。調整機構５２０は、Ｘ軸スライド機構５２５と、Ｙ軸スライド機構５２６と、Ｚ軸スライド機構５２７と、を含み、これらは、図８Ａに示されているように光学アセンブリ部５０５を保持して測定対象のワークピースＷＰに対して３次元で移動させるため、表面プレート５１０上に載置されるように設けられている。調整機構５２０は回転機構５９５も含む。

具体的に述べると、調整機構５２０は、図８Ａに示されているように、マシン座標系（ＭＣＳ）のＹ_M方向に移動できるビームサポート５２１と、ビームサポート５２１間をつなぐビーム５２２と、ビーム５２２上でマシン座標系のＸ_M方向に移動できるコラム５２３と、コラム５２３内でマシン座標系のＺ_M方向に移動できるＺ軸移動部材５２４（例えばスピンドル）と、を含む。図８Ａに示されているＸ軸スライド機構５２５、Ｙ軸スライド機構５２６、及びＺ軸スライド機構５２７は、それぞれ、ビーム５２２とコラム５２３との間、表面プレート５１０とビームサポート５２１との間、及びコラム５２３とＺ軸移動部材５２４との間に設けられている。光学アセンブリ部５０５はプローブヘッド５１３に取り付けられている。プローブヘッド５１３は、回転機構５９５を含み、Ｚ軸移動部材５２４の端部に取り付けられてこの端部で支持されている。回転機構５９５は光学アセンブリ部５０５を回転させることができる。Ｘ軸スライド機構５２５、Ｙ軸スライド機構５２６、及びＺ軸スライド機構５２７は、それぞれ、ＭＣＳ内で相互に直交するＸ、Ｙ、及びＺ軸方向に（すなわちＸ_M、Ｙ_M、及びＺ_M方向に）光学アセンブリ部５０５を移動させるよう構成されている。

図８Ｅに示されているように、Ｘ軸スライド機構５２５、Ｙ軸スライド機構５２６、及びＺ軸スライド機構５２７には、それぞれ、Ｘ軸スケールセンサ５２８、Ｙ軸スケールセンサ５２９、及びＺ軸スケールセンサ５３０が備えられている。このため、Ｘ軸スケールセンサ５２８、Ｙ軸スケールセンサ５２９、及びＺ軸スケールセンサ５３０の出力から、マシン座標系（ＭＣＳ）のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向における光学アセンブリ部５０５の移動量を取得することができる。図示されている実施例では、Ｘ軸スライド機構５２５、Ｙ軸スライド機構５２６、及びＺ軸スライド機構５２７の移動方向は、それぞれ、マシン座標系（ＭＣＳ）のＸ_M方向、Ｙ_M方向、及びＺ_M方向と一致する。様々な実施例において、こういった比較的単純な相関関係及び関連付けられているコンポーネントは、Ｘ_M、Ｙ_M、及びＺ_M方向における移動及び位置制御／検知の高い精度レベルと比較的簡単な処理のために役立ち得る。回転機構５９５を備えるプローブヘッド５１３は、光学アセンブリ部５０５の角回転（angular rotation）／位置／向きを検知するための１つ以上の回転センサ５１５（図８Ｅを参照のこと）を含む。これについては以下で詳述する。

様々な実施例において、図８Ａ及び図８Ｅに示されているように、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸スライド機構５２５、５２６、及び５２７、並びに回転機構５９５を含む調整機構５２０は、任意のワークピース表面と名目上垂直になるように光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡを移動させて位置合わせするよう制御できる。上述した図２Ａから図３Ｂ及び図７の実施形態と同様、図８Ｃ、図８Ｄ、及び図８Ｅに示されているように、光学アセンブリ部５０５は、光源３３０及び光学構成要素部３０６を含み得る（例えば、対物レンズ３５０、カメラ３６０、及びＶＦＬ（例えばＴＡＧ）レンズ３７０を含み得る）。

図８Ａ及び図８Ｅに示されているように、動作ユニット５０３は制御部６２５のコマンド部６０２に接続されている。制御部６２５は、光学アセンブリ部５０５の移動を制御するように構成された移動制御部５４０を含むか又はこれに結合されている。動作ユニット５０３を介して、マシン本体５０１及び制御部６２５に様々なコマンドを入力することができる。図８Ａに示されているように、制御部６２５は、コンピュータシステムの処理ユニットにおいて具現化することができる。

上述した図２Ａから図３Ｂ及び図７の実施形態と同様、ＣＭＭ５００の制御部６２５は本開示の方法を実施することができる。この方法は、ワークピース表面（ＷＰＳ１）が自動合焦範囲内にあるようにワークピース表面に対して光学アセンブリ部５０５を配置することと、（例えば、ＴＡＧレンズ３７０を制御すること及び／又は光学アセンブリ部５０５を移動させることによって）自動合焦範囲内の複数の焦点距離でワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることと、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを画像スタックの少なくとも３つの対応するＲＯＩに基づいて決定することと（例えば、この決定した自動合焦高さに基づいて表面法線及び調整情報を決定できる）、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部５０５を回転させて光学アセンブリ部５０５の光軸をワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮと名目上位置合わせするように、更に、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するように、少なくとも３つの位置の決定した自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて調整機構５２０を制御することと、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して規定の動作を実行することと、を含む。

図８Ｅに示されているように、制御部６２５は、コマンド部６０２、調整機構制御部６０４、位置決定部６０６、光学アセンブリ部制御部６０８、光学アセンブリ部データ部６１０、解析部６１２、及び記憶部６１４を含む。図８Ｅに示されているコマンド部６０２は、所定のコマンドを調整機構制御部６０４に与える。コマンド部６０２は、調整機構５２０に対する位置コマンドとして、例えば、光学アセンブリ部５０５を複数の位置又は向きへ移動させるための移動方向、移動距離、移動速度等を考慮して、各制御サイクルごとにマシン座標系の座標値を発生させる。図８Ｅに示されている調整機構制御部６０４は、コマンド部６０２からのコマンドに応答して駆動制御信号Ｄを出力し、これによって調整機構５２０内のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸スライド機構５２５、５２６、及び５２７、並びに回転機構５９５のモータに電流を流すことで、駆動制御を実行する。

画像取得時にＣＭＭ５００の座標と光学アセンブリ部５０５とが適正に同期することを保証するため、１つの実施では位置ラッチ５１６が様々なセンサ及び／又は駆動機構と通信を行う。より具体的には、様々な実施例において、位置ラッチ５１６を用いて、画像スタックの画像から導出される測定及び／又は他の決定の精度を保証することができる。様々な実施例において、位置ラッチ５１６の動作により、ＣＭＭマシン座標（特定の測定中の光学アセンブリ部５０５の接続点又は他の基準点の位置を反映する）を、光学アセンブリ部画像から決定される位置データ（例えば光学アセンブリ部５０５自体の位置と向きに関する）と適正に合成することができる。いくつかの実施例では、位置ラッチ５１６を用いて、ＣＭＭ位置センサ（例えばセンサ５１５及び５２８～５３０等）からの測定をトリガすることができる。このＣＭＭ位置センサには、マシン座標系における光学アセンブリ部５０５の全体的な位置と向き（例えばそのベース位置を含む）を追跡するスケール、エンコーダ、又は他の検知要素が含まれ得る。いくつかの実施例において、位置ラッチ５１６は、光学アセンブリ部５０５からの画像取得もトリガすることができる（例えば画像スタックの一部として。画像スタックの各画像についてトリガ信号を提供することができ、各画像取得において光学アセンブリ部５０５の対応する位置及び／又はＶＦＬレンズ３７０の位相タイミングも同期させる及び／又は追跡する）。

光学アセンブリ部５０５と共に利用される場合、ＣＭＭ調整機構５２０、特にそのセンサ（５１５及び５２８～５３０）は、測定出力Ｍを位置決定部６０６に提供することができる。位置決定部６０６は、ＣＭＭのマシン座標系（ＭＣＳ）内の光学アセンブリ部５０５のプローブヘッド５１３の位置（又は他の接続点もしくは基準位置）を決定する。例えば位置決定部６０６は、プローブヘッド５１３又は光学アセンブリ部５０５の他の接続点もしくは基準点のマシン座標系内のＸ、Ｙ、及びＺ座標（すなわちＸ_M、Ｙ_M、及びＺ_M座標）を提供できる。

種々の例示的な実施形態に関して（例えばいくつかの規定の動作又は他のものに関して）本明細書で記載されるように光学アセンブリ部５０５を使用する場合、位置決定部６０６は、光学アセンブリ部５０５の上部にあるプローブヘッド５１３の位置（又は他の基準もしくは取付位置）を決定することができる。ワークピース上の表面点の座標を決定するため、画像スタックの解析からの情報を使用できる。例えば、（様々な合焦位置における画像の）画像スタックを光学アセンブリ部５０５によって取得することができる。画像スタック内の画像の相対位置／合焦位置は、光学アセンブリ部局所座標系（ＬＣＳ）で表される。局所座標系は、いくつかの実施例ではＭＣＳ内の光学アセンブリ部の基準位置に関連し得る。マシン座標系（ＭＣＳ）内で表面点の全体的な位置を決定するため、いくつかの実施例では、表面点のＬＣＳ位置データをＭＣＳ位置データに変換する及び／又は他の手法でＭＣＳ位置データと合成し、これによって表面点の全ての全体的な位置を決定できる。

光学アセンブリ部５０５がある角度に向けられ（例えば図８Ｄに示されているように）、従って光学アセンブリ部局所座標系（ＬＣＳ）のＺ軸（すなわちＺ_L軸）がある角度に向けられている（すなわち光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡに対応する）場合、取得された画像スタックは、その角度に向けられた光学アセンブリ部Ｚ軸の方向に沿ったワークピースの表面点の相対距離（例えば自動合焦高さ又はＺ_L高さ）を示す。これらのＬＣＳ座標を、いくつかの実施例では、ＭＣＳ内でワークピース上の表面点の全体的な位置を決定するため、プローブヘッド５１３（又は他の基準位置）の決定されたＭＣＳ座標と合成する（例えばＭＣＳ座標に変換するか又はＭＣＳ座標に追加する）ことができる。例えば、ＭＣＳで表面点の座標を決定することが望まれる場合、光学アセンブリ部局所座標系ＬＣＳで決定された測定点をＭＣＳ座標に変換し、光学アセンブリ部５０５のプローブヘッド５１３（又は他の基準位置）の他のＭＣＳ座標に追加するか又は他の方法で合成すればよい。あるいは、ワークピースにそれ自体の座標系が割り当てられている場合、光学アセンブリ部５０５のプローブヘッド５１３（又は他の基準位置）の決定されたＭＣＳ座標及び／又はＬＣＳ座標をワークピースの局所座標系に変換するか又は局所座標系と合成すればよい。更に別の例として、場合によっては、追加的に又は代替的に、（例えば画像スタックの画像等のための）他の局所座標系を確立してもよい。一般に、ＭＣＳはＣＭＭ５００の座標の大きい体積全体をカバーするが、局所座標系は概してより小さい体積をカバーし、場合によっては概ねＭＣＳ内に含まれることがある。様々な実施例では、ＭＣＳの一部及び／又は局所座標系として、Ｘ、Ｙ、及びＺ座標に加えて、光学アセンブリ部５０５の向き及びワークピースＷＰ上の測定された表面点の座標の決定に対して、特定のタイプの円筒座標、デカルト座標、又は他の座標を追加的に又は代替的に利用してもよい。また、座標を決定するためのこのような原理は、（例えば図２Ａから図３Ｂ、図５Ａから図５Ｃ、図７等に関連して）本明細書に記載されている他のシステムにも適用可能であり利用可能であることは認められよう。

いくつかの実施例では、画像スタックからのＬＣＳで表された位置データは比較的独立して利用され得る（例えば、ＭＣＳ又は他の座標系の座標との変換又は合成は限定的であるか又は皆無である）。例えば、画像スタックの解析から決定された位置データは、ＬＣＳで表されたワークピース表面上の表面点の３Ｄ位置を示す３Ｄ座標を提供し、従ってワークピース表面の３Ｄプロファイル／表面トポグラフィを表現する／これに対応し得る。上記のように、いくつかの実施例では、このようなデータをＭＣＳで表現された他の位置データと合成して、ＭＣＳ内でワークピース表面及び表面点の全体的な位置を示すことができる。しかしながら、いくつかの実施例、解析、及び／又は表現等では、画像スタックから決定された位置データを主として使用するか又はこの位置データのみを使用することが望ましい場合がある。例えば、解析又は検査の主な目的が、ワークピース表面上のワークピース要素の相対位置及び／又は特徴を決定することである場合（例えば、相対的な表面／面を表面法線と共に決定／計算する、及び／又は、ワークピース表面上のワークピース要素間の距離、及び／又は表面上のワークピース要素の３次元寸法等に関する場合）、いくつかの実施例では、そのようなデータは主として画像スタックの解析から決定できる。更に具体的には、所望の解析／検査において、ワークピース表面及び／又はワークピース要素のＭＣＳ内での１又は複数の全体的な位置が必要ない場合、画像スタックから決定されたデータを、他のＭＣＳ又は他の座標系の座標との合成を限定的に行って又は全く行わずに利用できる。このようなデータの解析に加えて、いくつかの動作では、画像スタックの解析からのデータに従って（例えばＰＦＦプロセス等の一部として）、ワークピース表面の３Ｄ表現を同様に決定できる及び／又は（例えばディスプレイ等に）提供できることは認められよう。

図８Ｅに示されているように、光学アセンブリ部制御部６０８は、光学アセンブリ部５０５を制御する（例えば、画像スタックの画像を取得するため、照明構成３３０、カメラ３６０、ＶＦＬレンズ３７０等を制御する）。様々な実施例では、光学アセンブリ部５０５の移動又はフォーカシングの特定の部分は、光学アセンブリ部５０５をワークピースに近付く及び／又はワークピースから遠ざかるように移動させるＣＭＭ調整機構５２０によって制御することができる。光学アセンブリ部５０５を所望の角度／向きに（例えばワークピース表面に対して名目上垂直に）回転させるためには、回転機構５９５を使用できる。様々な実施例において、光学アセンブリ部５０５の合焦距離は、少なくとも部分的に対物レンズ３５０によって決定され得る（例えば、これと組み合わせてＶＦＬレンズ３７０を使用するので、ＶＦＬレンズ３７０の動作に従った測定動作中に光学アセンブリ部５０５の前方の合焦距離は変動し得る）。光学アセンブリ部データ部６１０は、光学アセンブリ部５０５の出力（すなわち、画像スタックの画像のための画像データ）を受信する。解析部６１２を用いて、関連した解析を実行することができる（例えば、ワークピース表面の対応する面及び／又はワークピース表面の３次元表面プロファイル等を決定するように、光学アセンブリ部Ｚ軸方向（すなわちＺ_L方向）に沿ったワークピース表面上の各表面点の相対的な自動合焦高さ／位置を決定するためのポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）解析又は他の画像スタック解析）。記憶部６１４は、システム等の動作のための特定のソフトウェア、ルーチン、データ等を記憶するコンピュータメモリの一部を含み得る。

図８Ｂは、ＣＭＭ５００のマシン本体５０１のいくつかのコンポーネントと、光学アセンブリ部５０５と、を概略的に示す図である。図８Ｂに示されているように、マシン本体５０１はプローブヘッド５１３を含む。プローブヘッド５１３は、プローブヘッドケーブル５１１を介して信号を受信及び送信する。プローブヘッド５１３は座標測定機中空軸５１７に固定され、中空軸５１７は、ＭＣＳのＺ軸方向（すなわちＺ_M方向）に移動するＺ軸移動部材５２４（又はスピンドル等のスライド要素）の端部に取り付けられている。プローブヘッド５１３は、プローブオートジョイント（autojoint）接続５３１において光学アセンブリ部５０５に接続されている。プローブオートジョイントの一実施形態は米国特許第9,115,982に詳細に記載されている。

図示されている実施形態のプローブヘッド５１３は回転機構５９５を含む。回転機構５９５は、いくつかの実施例では水平面内で３６０度回転し（例えば、角度の移動／位置／向きを第１の回転センサ５１５によって検知できる）、あるタイプのＵ型継手を含み得る。これは例えば、取り付けられた光学アセンブリ部を水平面内にある対応する軸を中心として回転させることができ、角度の移動／位置／向きを第２の回転センサ５１５によって検知できる。従って、図８Ｂの具体例におけるプローブヘッド５１３の回転機構５９５は、２つの異なる軸を中心とした光学アセンブリ部５０５の回転をサポートする。すなわち、第１は、ＭＣＳのＺ軸を中心とした現在の向きでの光学アセンブリ部５０５の回転（スピン）であり、第２は、水平軸（すなわちＭＣＳのＸＹ面内の軸）を中心とした光学アセンブリ部５０５の回転である。いくつかの実施例では球状（又はボール状）継手を含む回転機構５９５により、光学アセンブリ部５０５は、コラム５２３内のＺ軸移動部材５２４を中心としてこれに対して、及び／又は任意の水平軸に対して回転することができ、光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡをワークピース表面に対して所望の角度／向きに配置するようになっている（例えば、ワークピース表面に対して名目上垂直に）。概して、回転機構５９５は、光学アセンブリ部５０５の向き（すなわち光学アセンブリ部５０５の姿勢）を変化させるための機構である。

プローブオートジョイント接続５３１は、プローブヘッド５１３をあるプローブ（例えば光学アセンブリ部を含む）から取り外すこと及び他のプローブに取り付けることを可能とするように、プローブヘッド５１３を光学アセンブリ部５０５に対して堅固に機械的に留める電気機械接続である。１つの実施例において、プローブオートジョイント接続５３１は第１及び第２の噛み合いオート交換ジョイント（auto exchange joint）要素５３４及び５３６を含み得る。第１のオート交換ジョイント要素５３４はプローブヘッド５１３に実装され、第２の噛み合いオート交換ジョイント要素５３６は光学アセンブリ部５０５に実装される。１つの実施例において、プローブオートジョイント接続５３１は噛み合い電気接点又は接続５３５を有し、プローブが取り付けられた場合にこれらの接点が自動的に係合して電気的接続を行うようになっている。

光学アセンブリ部５０５は、オートジョイント接続５３１を介して電力及び制御信号の少なくともいくつかを受信できる。電力及び制御信号はプローブヘッドケーブル５１１を介して送出される。オートジョイント接続５３１を介して光学アセンブリ部５０５に送出される信号は、接続５３５を介して送出される。図８Ｅに示されているように、光学アセンブリ部５０５は、プローブオートジョイント接続５３１を介してＣＭＭ５００に自動的に接続するため、オート交換ジョイント要素５３６と、このオート交換ジョイント要素５３６に実装されたプローブアセンブリ５３７と、を含む。

様々な実施例において、光学アセンブリ部５０５は追加的に又は代替的に、電力及び制御信号の少なくともいくつかをケーブル５１１’を介して受信し得る。いくつかの実施例では、標準的なオートジョイント接続５３１の利用可能な有線接続数が限られているため、また、光学アセンブリ部５０５により多くの接続（例えば任意選択的なケーブル５１１’を介して提供できる）が望まれる／利用される場合があるので、ケーブル５１１’が使用され得る。様々な実施例において、光学アセンブリ部５０５のための電力及び／又は通信信号（例えばケーブル５１１及び／又はケーブル５１１’を介して送出される）は、光学アセンブリ部制御部６０８及び光学アセンブリ部データ部６１０との間で送受信され得る（図８Ｅを参照のこと）。光学アセンブリ部データ部６１０は、光学アセンブリ部５０５の出力（すなわち、画像スタックの画像のための画像データ）を受信する。解析部６１２を用いて、画像スタックの関連した解析を実行できる。この解析は例えば、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さ（例えば、ワークピース表面の表面法線を計算／決定するために使用され得る）を計算／決定するための自動合焦処理である。記憶部６１４は、制御部６２５等の動作のための特定のソフトウェア、ルーチン、データ等を記憶するコンピュータメモリの一部を含み得る。

図８Ａ及び図８Ｂにおいて、回転機構５９５はあるタイプのＵ型継手を含むように図示されているが、回転機構５９５の構成はこれに限定されない。例えば回転機構５９５は、ワークピースＷＰを支持するＣＭＭ５００の表面プレート５１０内に含まれる（図８Ａ参照）か、もしくは表面プレート５１０上にある回転ステージの形態で、又は、（図１から図３Ｂの回転ステージ２９７と同様の）ＣＭＭ５００のＺ軸移動部材５２４の遠位端に設けられた回転ステージの形態で、提供され得る。

図８Ｃ及び図８Ｄは、図８Ａ及び図８Ｂに対していくつかのコンポーネントを示し、ＣＭＭ５００のマシン本体５０１の回転機構５９５’（プローブヘッド５１３’内に具現化されている）を含む調整機構５２０の特定の部分を含む。図８Ｃは、鉛直の向きの光学アセンブリ部５０５を示す（例えば、特定のビジョンシステムのような特定の従来技術のシステムが、ワークピースの画像を含む画像スタックを取得するため、主としてマシン座標系のＺ_M軸方向に沿った上下のフォーカシング位置の移動のみを行うために動作される場合と同様）。図８Ｃに示されているように、ワークピースＷＰは、ある角度向き（角度Ａ１）を有するワークピース表面ＷＰＳ１を有する。なお、図８Ｃの図では、マシン座標系のＺ軸は光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡと平行である。光学アセンブリ部５０５が、（コラム５２３内のＺ軸移動部材５２４の移動を含む）Ｚ軸スライド機構５２７によってＭＣＳのＺ_M軸に沿って単に上下に移動する場合、光学アセンブリ部５０５の光軸（Ｚ_L軸）はマシン座標系のＺ_M軸及び画像スタック取得軸ＩＳＡＡと同一方向であり得ることは認められよう。ワークピース表面ＷＰＳ１は、ＭＣＳの水平面に対して角度Ａ１に図示されている。これに対して、ワークピースＷＰのワークピース表面ＷＰＳ２は、ＭＣＳの水平面に対してほぼ平行に図示されている。ワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮは、光軸ＯＡに対して角度Ａ２に図示されている（例えば、図８Ｄに示されているように、光学アセンブリ部５０５は角度Ａ２で示される量だけ回転し得る）。

図８Ｄは、本開示の様々な実施形態に従って、開示されているＣＭＭ５００により達成できるように、光学アセンブリ部５０５を（例えば角度Ａ２の量だけ）回転させて、ＭＣＳの水平面に対してある角度（角度「Ａ－Ｈ」）に、かつ、ＭＣＳの垂直面に対してある角度（角度「Ａ－Ｖ」）に配置したことを示す。光学アセンブリ部５０５は、角度Ａ－Ｈを示すように、回転点Ｒ２を通る水平回転軸ＲＡ２を中心として回転している（例えば、Ｕ型継手又はプローブヘッド５１３’の回転機構５９５’の他のコンポーネントによって）。このため、光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡはワークピース表面ＷＰＳ１に対して名目上垂直である（すなわち、ほぼ直交する）。図８Ｄにおいて、プローブヘッド５１３’の回転機構５９５’がＭＣＳのＺ軸を中心とした光学アセンブリ部５０５の回転を可能とすることは、プローブヘッド５１３’／回転機構５９５’の上部の回転点Ｒ１を通る回転軸ＲＡ１によって示されている。水平軸を中心とした回転は、プローブヘッド５１３’／回転機構５９５’の中心の回転点Ｒ２を通る回転軸ＲＡ２（すなわち、紙面を貫通する方向であるので１つの点として示されている）によって図示されている（例えば、図８Ｂに示されているＵ字継手の動作に従う）。

図８Ｄに、例示的な画像スタック範囲ＳＲ－３Ｂが示されている。これは、様々な実施例では、自動合焦範囲の一部もしくは全体であるか、又は（例えばワークピース表面ＷＰＳ１の３次元表面プロファイルを決定するための）ＰＦＦ範囲等であり得る。ワークピース表面ＷＰＳ１は、ワークピース表面ＷＰＳ１の平均面位置よりも高いか又は低い可能性のある様々なワークピース要素（例えば表面要素）を有し得る。いくつかの実施例では、画像スタックの合焦位置の範囲が、ワークピース表面の上下に特定距離だけ延在することが望ましい場合がある。図８Ｄに示されているように、例示的な画像スタック範囲ＳＲ－３Ｂは、図８Ｃの画像スタック範囲ＳＲ－３Ａ（例えば、図８Ｃに図示されている向きのワークピース表面ＷＰＳ１の表面点を全てカバーするために必要な画像スタック範囲）よりも著しく小さい可能性がある。これは、図８Ｃの相対角度向きとは異なり、図８Ｄの光学アセンブリ部５０５は、光軸ＯＡがワークピース表面ＷＰＳ１に対して名目上垂直である（すなわち、ほぼ直交する）ように配向されていることに起因する。図８Ｄにおいて、ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも一部に対する光軸ＯＡ（及び画像スタック取得軸ＩＳＡＡ）の角度は「Ａ－Ｐ」として示され、図示されている例では名目上垂直である（すなわち、ほぼ９０度／直交する）。図８Ｄは、水平面に対するワークピース表面ＷＰＳ１の角度「Ａ－Ｗ」（例えば図８Ｃの角度Ａ１に対応する）も示している。各実施例における特定の角度Ａ－Ｗに応じて、光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡ（及びＩＳＡＡ）がワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも一部に対して名目上垂直である（すなわち、ほぼ直交する）ことを保証するように回転機構５９５’を調整すればよい。

図８Ｄの向きを達成するため、本明細書に開示されている原理に従って特定のプロセスを実行することができる（例えば、図５Ｂ及び図５Ｃに関して上述した例と同様）。例えば、図８Ｃの構成を達成するには、光学アセンブリ部５０５を移動させて、光学アセンブリ部５０５の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面ＷＰＳ１を配置するように調整機構５２０を制御すればよい。図８Ｃの例において、これは、ワークピース表面ＷＰＳ１上の位置（例えば、光軸ＯＡがワークピース表面ＷＰＳ１と交差する位置であり、場合によっては、ワークピース表面ＷＰＳ１の中点又は他の中央の位置にあるか又はその付近にあり得る）から距離Ｄ－８Ｃに光学アセンブリ部５０５を配置することに対応し得る。図８Ｃの例において、焦点Ｚ自動合焦範囲は範囲ＳＲ－３Ａで表されている。図６Ａ及び図６Ｂを参照して上述したように、自動合焦プロセスの一部として、光学アセンブリ部５０５を用いて焦点Ｚ自動合焦範囲内のワークピース表面ＷＰＳ１の画像スタックをキャプチャすることができる。図６Ａ及び図６Ｂを参照して上述したように、ワークピース表面ＷＰＳ１の少なくとも３つの位置の各々の自動合焦高さを、画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて決定できる。

図８Ｄに示されているように、少なくとも３つの表面位置における自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて調整機構５２０を制御することにより、ワークピース表面ＷＰＳ１に対して光学アセンブリ部５０５を回転させて光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡをワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮと名目上位置合わせすること、及び、光学アセンブリ部５０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整することができる。様々な実施例では、図８Ｄに示されているように調整機構を制御する前に、ワークピース表面ＷＰＳ１の表面法線ＳＮ及び／又は対応する調整情報を計算するか又は他の方法で決定するため、少なくとも３つの表面位置の決定された自動合焦高さを使用できる。次いで、調整機構５２０を制御して（例えば、自動合焦高さに基づいて計算／決定した調整情報及び／又は表面法線を用いて）、図８Ｃに示された位置及び向きから図８Ｄに示された位置及び向きへ光学アセンブリ部５０５を回転させるか又は他の方法で移動させることができる。図８Ｄでは、光軸ＯＡは表面法線ＳＮと名目上一致するものとして示されている。更に、調整機構５２０を用いて、光学アセンブリ部５０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間の距離を調整できる。図８Ｄに示されているように、この調整によって、光学アセンブリ部５０５とワークピース表面ＷＰＳ１との間は距離Ｄ－８Ｄとなる（例えば、光軸ＯＡの方向及び／又は対応するＺ_L方向に沿って測定される）。図３Ａ及び図３Ｂを参照して上述したように、様々な実施例において、距離Ｄ－８Ｄは、ワークピース表面ＷＰＳ１が名目上、範囲ＳＲ－３Ｂ（例えば、ＰＦＦ又はワークピース表面に対して実行される他の規定の動作の範囲）の中央、及び／又は光学アセンブリ部５０５の対物レンズの作動距離、及び／又はベストフォーカス位置等にあるか又はその付近にあることに対応し得る。一度、図８Ｄに示されている向き及び位置になったら、ワークピース表面ＷＰＳ１に規定の動作を実行することができる。

規定の動作の一例として、光学アセンブリ部５０５を用いた測定動作をワークピース表面ＷＰＳ１に対して実行することができる。このような動作又は他のものの一部として、（例えば、ワークピース表面ＷＰＳ１の表面プロファイルを決定するための）ＰＦＦ動作を実行できる。ＰＦＦ動作の一部として、図８Ｄに示されている向きの光学アセンブリ部５０５によって画像スタックをキャプチャすることができる（例えば、この画像スタックは走査範囲ＳＲ－３Ｂに対応する）。ワークピース表面ＷＰＳ１に対して実行され得る別のタイプの規定の動作として、機械加工動作（例えば掘削）を実行できる。この場合、機械加工動作の機械加工軸（例えば掘削軸）が光学アセンブリ部５０５の光軸ＯＡと一致する（例えば光軸ＯＡと同軸であるか又は平行である等）こと、従ってワークピース表面ＳＲＦ１に対して名目上垂直であることが望ましい場合がある。

図９は、本開示の一態様に従った、マルチポイント自動合焦を用いて光軸を表面に対して垂直に位置合わせする方法９００のフローチャートである。この方法は、ブロック９０１で、光学アセンブリ部（２０５、３０５、４０５、５０５）を含む計測システムを動作させる。光学アセンブリ部は、可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズ、光源、及び対物レンズを含み、対物レンズは、光源で照明されたワークピースの表面から生じる画像光を入力し、この画像光を、ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って伝送する。対物レンズは、少なくとも対物レンズとワークピース表面との間に延在する光学アセンブリ部の光軸を画定する。また、光学アセンブリ部はカメラも含む。カメラは、撮像光路に沿ってＶＦＬレンズによって伝送された撮像光を受光し、ワークピース表面の画像を提供する。

ブロック９０３では、光学アセンブリ部を移動させて、光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内に測定対象のワークピース表面を配置する。

ブロック９０５では、光学アセンブリ部を用いて焦点Ｚ自動合焦範囲内のワークピース表面の画像スタックをキャプチャする。

ブロック９０７では、ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを、画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域（ＲＯＩ）に基づいて計算する。様々な実施例では、３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、ワークピース表面の表面法線と対応する調整情報を決定することができる。

ブロック９０９では、光学アセンブリ部をワークピース表面に対して回転させて光学アセンブリ部をワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするように、また、光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整するように、少なくとも３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて調整機構を制御する。

ブロック９１１では、この時点で光軸に対して名目上垂直であるワークピース表面に対して規定の動作を実行する。

様々な規定の動作を実行することができる。これらの動作は全て、様々な実施形態に従った計測システムによって動作対象のワークピース表面に対して名目上垂直になるよう光学アセンブリ部の光軸を迅速に及び／又は精密に位置合わせできることを利用できる。

例えば、ブロック９１１の規定の動作を実行した後、ワークピース表面の別の部分及び／又はワークピースの別のワークピース表面のために、ブロック９０３から９１１のプロセスを繰り返してもよい（例えば、ワークピースはタービン翼を含み、タービン翼の曲線等に沿って様々なセクションを進んでいくようにプロセスを繰り返すことができる）。

別の例として、機械加工（例えば掘削）動作のような非光学的動作をワークピース表面に対して実行することができる。機械加工動作軸は、ワークピース表面に対して名目上垂直に配向された光学アセンブリ部の光軸と一致する。

別の例として、拡張被写界深度（ＥＤＯＦ）動作又はポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）動作のような種々の光学動作を実行することができる。ＥＤＯＦ動作及びＰＦＦ動作の詳細は、例えば米国特許公開公報2020/0195836に示されているが、簡潔に述べると、ＥＤＯＦ動作では、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズを含む光学アセンブリ部（２０５、３０５、４０５、５０５）を動作させて、ＥＤＯＦ露光シーケンスを用いて準備画像を露光することができる。ＥＤＯＦ露光シーケンスは、周期的に変更される合焦位置の各位相に対応した個別の合焦位置ＦＰで取得される複数の個別の画像露光増分を規定する。準備画像を処理して、単一焦点位置のＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズ撮像システムよりも大きい（例えば、様々な実施例では１０～２０倍又はそれ以上大きい）被写界深度を有するＥＤＯＦ画像を決定又は出力する。ＥＤＯＦ画像は実質的にこの大きい被写界深度全体で合焦している。様々な実施例において、ＥＤＯＦ画像は、ほぼリアルタイムで表示するのに適した高い速度で提供することができる。例えばＥＤＯＦ画像露光シーケンスは、５００ミリ秒未満、又は２５０ミリ秒未満、又は１００ミリ秒未満、又は５０ミリ秒未満で準備画像を取得するように構成できる。

簡潔に述べると、ＰＦＦ動作では、ＶＦＬ（ＴＡＧ）レンズを含む光学アセンブリ部（２０５、３０５、４０５、５０５）を動作させて、ＰＦＦ露光シーケンスを用いて画像のスタック（画像スタック）を露光することができる。ＰＦＦ露光シーケンスは、周期的に変更される合焦位置の各位相に対応した個別の合焦位置ＦＰで取得される複数の個別の画像露光増分を規定する。画像スタックを処理して、ワークピースの表面形状に対応する３次元表面座標セットを定量的に示すＺ_L高さ座標マップ（例えばポイントクラウド）を決定又は出力する。

様々な実施例では、ワークピース表面に対して実行される規定の動作が光軸ＯＡの方向に沿った移動を必要とする場合、ＶＦＬレンズ（例えばＶＦＬレンズ２２０、３７０等）を含むことが様々な利点を有し得ることは認められよう。例えば上述のように、ＶＦＬレンズ（例えばＴＡＧレンズ）を含む場合、いくつかの実施例では、光軸ＯＡの方向に沿ったコンポーネントの物理的な移動を必要とすることなくＶＦＬレンズの合焦位置の変更を達成できる（例えば、このような動作を迅速にかつ反復可能に実行することが可能となり、衝突のリスクもない。例えば、移動しているコンポーネントが、ワークピース表面、構造、及び／又は他のコンポーネント等と衝突する可能性がない）。いくつかの実施例において、このような態様は、（例えば、図２Ｂ、図３Ｂ、図５Ｃ、及び図８Ｄに示されているように、マシン座標系のＺ軸に対して）光学アセンブリ部が傾いている場合は特に有利であり得る。通常、ＶＦＬレンズが含まれない、及び／又は光軸の方向に沿ってＶＦＬレンズの変調限度を超えた移動が望まれる実施例では、より複雑な種々の移動シーケンスが必要とされ得る。

例えば図２Ｂの構成に関して、（例えばマルチポイント自動合焦又はＰＦＦ動作の一部として）ＶＦＬレンズを用いることなく一定の画像スタック取得軸ＩＳＡＡに沿って画像スタックを取得しようとする場合、各画像において様々な再配置のための移動が必要となり得る。より具体的には、光学アセンブリ部２０５を画像スタック取得軸ＩＳＡＡに沿ってワークピース表面ＷＰＳ１に対して適正に位置合わせするためには、各画像取得位置で、マシン座標系のＺ軸に沿った調整（例えばモータ２９４を用いる）、並びに、マシン座標系のＹ軸及び／又はＸ軸に沿った調整（例えば、ワークピースを移動させる可動ステージ２１０によって行われる）を行う必要があり得る。あるいは、いくつかの実施例では、図２Ｂに示すような向きであっても、マシン座標系のＺ軸のみに沿った画像取得位置／移動（例えばモータ２９４によって実行される）が容認され得る可能性がある。図２Ｂに示されている向きでは、そのようなマシン座標系のＺ軸方向のみに沿った移動を実行すると、光学アセンブリ部２０５の光軸ＯＡは、画像スタック内の各画像を取得するための一定の画像スタック取得軸ＩＳＡＡに沿った状態に維持されないが、キャプチャされる画像のスタックは充分に大きい視野を有するので、画像スタックの全ての画像に１つ以上の所望の関心領域を含めることができる。ただし、各画像内での相対位置はシフトする。適切な処理によって、所望の関心領域を決定／追跡し、所望の動作に使用することができる（例えば、本明細書に記載されている方法に従って使用され得るマルチポイント自動合焦動作、ＰＦＦ動作等）。ＶＦＬレンズ（例えばＶＦＬレンズ２７０）を含めること及び使用することで、このような処理及び追加の移動の必要性を回避できることは認められよう（すなわち、ＶＦＬレンズの変調により、比較的高速かつ反復可能に、他のコンポーネントの物理的移動及び関連する処理を必要とすることなく、一定の画像スタック取得軸ＩＳＡＡに沿って画像スタックをキャプチャできる）。

別の例として、図８Ｄの実施例では、ＶＦＬレンズ３７０を使用すること／含むことなく、画像スタック取得軸ＩＳＡＡに沿って画像スタックをキャプチャするため、各画像取得位置で、マシン座標系のＸ、Ｙ、及び／又はＺ軸方向に沿った移動が必要となり得る（例えば、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸スライド機構５２５、５２６、及び５２７によって実行される）。上記のように、このような移動は、ＶＦＬレンズ３７０が含まれて使用される場合は不要となり得る（すなわち、ＶＦＬレンズ３７０の変調により、他のコンポーネントの物理的な移動を必要とすることなく、一定の画像スタック取得軸ＩＳＡＡに沿った様々な合焦位置に対応して画像スタックの画像を取得できる）。

上述のように、様々な実施例では、光学アセンブリ部を移動させて光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するように調整機構を制御する。自動合焦走査のためにＶＦＬレンズが含まれて使用される（例えば、自動合焦走査のための他のコンポーネントの移動は行われない）実施例では、焦点Ｚ自動合焦範囲は、主にＶＦＬレンズの動作範囲（例えば範囲Ｒｅｆｐ）によって決定される及び／又はこの動作範囲に関連し得る。例えば特定のＴＡＧレンズでは、いくつかの実施例において、これは、光学システムの約１０ＤＯＦ（被写界深度）の範囲に対応し得る（このため、例えば光学システムの１０ＤＯＦ内になるように配置され得る）。上記のように、ＶＦＬレンズを使用しない／含まない様々な実施例では（及び／又は、ＶＦＬレンズの動作によって与えられる範囲を越えて／この範囲に加えて走査範囲を増大させるためシステムにより移動が行われる場合）、焦点Ｚ自動合焦範囲は、システムの他の態様によって決定される／他の態様に対応し得る（例えば、モータ２９４による移動範囲のような様々なコンポーネントの移動範囲、及び／又は衝突を避けること等に関連する）。

上記のように、様々な実施例において、マルチポイント自動合焦画像スタックは比較的迅速に取得され、比較的少数の画像（例えば５～１０の画像）を含むことができる。様々な実施例では、マルチポイント自動合焦画像スタックがワークピース表面の様々な部分の焦点Ｚ位置の両側の画像を含むように、光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するよう光学アセンブリ部を移動させることが望ましい。いくつかの実施例において、これは、光学アセンブリ部の視野内でワークピース表面の各部分の焦点Ｚ位置の両側に少なくとも特定の数のＤＯＦ（例えば１又は２のＤＯＦ）を有することに対応し得る。このような態様は、上述のように、対応する合焦曲線データのピークを決定することに関して有利であり得る。より具体的には、上述のように、ワークピース表面の位置の自動合焦高さを決定することは、画像スタックの画像の解析に少なくとも部分的に基づいて、その位置／対応する関心領域の合焦曲線データを決定することを含み得る。位置／関心領域の合焦曲線データは、例えば合焦曲線データのピークに対応する自動合焦高さを示す。ピークの両側で充分な合焦曲線データに対応する画像を取得することによって、より大きい／充分な／望ましい精度及び／又は正確さ等でピークを決定できる。

このような原理及び記載は、本明細書に記載されている他のプロセスに関しても適用され得ることは認められよう。例えば上記のように、様々な実施例において、表面法線を決定／計算した後、移動制御部を用いて光学アセンブリ部の向きを回転／調整すると共に光学アセンブリ部とワークピース表面との間の距離を調整することができる。様々な実施例において、光学アセンブリ部の調整を行うワークピース表面からの距離は、少なくとも部分的に、上述したもの等の原理に基づき得る。例えば、この距離は、ワークピース表面がシステムの走査範囲内の所望の位置に配置されるような距離であることが望ましい場合がある（例えば、ワークピース表面の各部分の両側に合焦データに対応した所望の数の画像が存在するような、及び／又は走査範囲のその部分のいくつかの所望の性能特性に従った、ＰＦＦ画像スタック走査範囲内の所望の位置に対応する）。

本開示の好適な実施例について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した要素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。種々の代替的な形態を用いて本明細書に開示された原理を実施することができる。更に、上述した様々な実施例を組み合わせて別の実施例を提供することも可能である。

Claims (23)

1. 光学アセンブリ部であって、
   光源と、
   前記光源で照明されたワークピース表面から生じる画像光を入力し、前記画像光を撮像光路に沿って伝送する対物レンズであって、少なくとも前記対物レンズと前記ワークピース表面との間に延在する前記光学アセンブリ部の光軸を画定する対物レンズと、
   前記撮像光路に沿って伝送された撮像光を受光し、前記ワークピース表面の画像を提供するカメラと、
   を備える光学アセンブリ部と、
   前記光学アセンブリ部と前記ワークピース表面との間の距離を変化させるように、更に、前記光学アセンブリ部を前記ワークピース表面に対して回転させて前記ワークピース表面に対する前記光学アセンブリ部の前記光軸の角度向きを変化させるように構成された調整機構と、
   １つ以上のプロセッサと、
   前記１つ以上のプロセッサに結合され、プログラム命令を記憶するメモリと、
   を備える計測システムであって、
   前記プログラム命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行された場合、少なくとも、
   前記光学アセンブリ部を移動させて前記光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するように前記調整機構を制御することと、
   前記光学アセンブリ部を用いて前記焦点Ｚ自動合焦範囲内の前記ワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、前記画像スタックは前記ワークピース表面の複数の画像を含み、前記画像スタックのそれぞれの画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
   キャプチャされた前記画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて、前記ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することと、
   前記少なくとも３つの位置の自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面に対して前記光学アセンブリ部を回転させて前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記ワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするように、更に、前記光学アセンブリ部と前記ワークピース表面との間の距離を調整するように、前記調整機構を制御することと、
   前記ワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
   を前記１つ以上のプロセッサに実行させる、
   計測システム。
2. 前記光学アセンブリ部は、前記撮像光路に含まれる可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズを更に備え、
   前記対物レンズは、前記ＶＦＬレンズを介して前記撮像光路に沿って前記画像光を伝送し、
   前記カメラは、前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズによって伝送された前記撮像光を受光する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＶＦＬレンズは、焦点距離を非機械的に変動させるように構成された可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズであり、前記ＴＡＧレンズの屈折力を周期的に変化させることによって前記光学アセンブリ部の周期的に変更される合焦位置が制御される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記ワークピース表面に対して実行される前記規定の動作は、前記ワークピース表面の１つ以上の画像をキャプチャするために前記ＶＦＬレンズを使用することを含む、請求項２に記載のシステム。
5. 前記ワークピース表面に対して実行される前記規定の動作は、前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記ワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせしながら画像スタックをキャプチャするために前記ＶＦＬレンズを使用することを含み、前記画像スタックは前記ワークピース表面の複数の画像を含み、前記画像スタックのそれぞれの画像は前記光軸の方向に沿った前記光学アセンブリ部の異なる合焦位置に対応する、請求項２に記載のシステム。
6. 前記ワークピース表面の前記少なくとも３つの位置の前記自動合焦高さを決定することは、前記画像スタックの前記画像の解析に少なくとも部分的に基づいて前記関心領域のそれぞれの合焦曲線データを決定することを含み、前記少なくとも３つの位置のそれぞれにおいて、前記対応する関心領域の前記合焦曲線データのピークは対応する自動合焦高さを示す、請求項１に記載のシステム。
7. 前記プログラム命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行された場合、
   前記少なくとも３つの位置における前記自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面の表面法線を決定することと、
   前記決定された表面法線に少なくとも部分的に基づいて、前記光学アセンブリ部を回転させるように前記調整機構を制御するための調整情報を決定することと、
   を更に前記１つ以上のプロセッサに実行させる、請求項１に記載のシステム。
8. 前記規定の動作は前記ワークピース表面の要素の寸法を決定するための測定動作を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記規定の動作は、
   複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、各画像は、前記光軸と一致する撮像光軸に沿った前記光学アセンブリ部の合焦位置に対応する、画像スタックを取得することと、
   前記画像スタックの前記画像の解析に少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面上の複数の表面点の３次元位置を示す合焦曲線データを決定することと、
   を含むポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）動作を含む、請求項１に記載のシステム。
10. 前記規定の動作は、前記ワークピース表面に対して実行される機械加工動作を含み、前記機械加工動作の機械加工軸は、前記光学アセンブリ部の前記光軸と名目上一致する又は前記光軸と名目上平行であるのうち少なくとも一方である、請求項１に記載のシステム。
11. 前記調整機構は、回転機構及びＺ軸移動機構を含み、
    前記Ｚ軸移動機構は、前記光学アセンブリ部をＺ軸方向に沿って移動させるように結合され、
    前記回転機構は、前記Ｚ軸移動機構と前記光学アセンブリ部との間に結合され、前記光学アセンブリ部を前記ワークピース表面に対して回転させて前記ワークピース表面に対する前記光学アセンブリ部の前記光軸の角度向きを変化させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
12. 前記調整機構は、回転ステージを含み、
    前記回転ステージは、前記回転機構を含むと共に前記Ｚ軸移動機構と前記光学アセンブリ部との間に結合されている、
    精密マシンビジョン検査システムにおいて具現化される請求項１１に記載のシステム。
13. 前記調整機構は、
    マシン座標系において相互に直交するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向にそれぞれ前記光学アセンブリ部を移動させるよう構成されたｘ軸スライド機構、ｙ軸スライド機構、及びｚ軸スライド機構と、
    前記ワークピース表面に対して前記光学アセンブリ部を回転させるよう構成された回転機構と、
    を含む、座標測定機システムにおいて具現化される請求項１に記載のシステム。
14. 前記調整機構は、前記光学アセンブリ部を移動させるため少なくとも３つの自由度を有するロボットアームに含まれ、ロボットシステムにおいて具現化される請求項１に記載のシステム。
15. 光学アセンブリ部を含む計測システムを動作させるための方法であって、前記光学アセンブリ部は、
    光源と、
    前記光源で照明されたワークピースの表面から生じる画像光を入力し、前記画像光を撮像光路に沿って伝送する対物レンズであって、少なくとも前記対物レンズと前記ワークピース表面との間に延在する前記光学アセンブリ部の光軸を画定する対物レンズと、
    前記撮像光路に沿って伝送された撮像光を受光し、前記ワークピース表面の画像を提供するカメラと、を備え、
    前記方法は、
    前記光学アセンブリ部を移動させて前記光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置することと、
    前記光学アセンブリ部を用いて前記焦点Ｚ自動合焦範囲内の前記ワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、前記画像スタックは前記ワークピース表面の複数の画像を含み、前記画像スタックのそれぞれの画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
    前記画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて、前記ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することと、
    前記少なくとも３つの位置の前記自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面に対して前記光学アセンブリ部を回転させて前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記ワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、前記光学アセンブリ部と前記ワークピース表面との間の距離を調整するための調整情報を決定することと、
    前記光学アセンブリ部を回転させて前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記ワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、前記光学アセンブリ部と前記ワークピース表面との間の距離を調整するための前記調整情報を使用することと、
    前記ワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
    を含む方法。
16. 前記光学アセンブリ部は、前記撮像光路に含まれる可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズを更に備え、
    前記対物レンズは、前記ＴＡＧレンズを介して前記撮像光路に沿って前記画像光を伝送し、
    前記カメラは、前記撮像光路に沿って前記ＴＡＧが伝送した前記撮像光を受光し、
    前記方法は、前記ＴＡＧレンズの屈折力を周期的に変化させて前記光学アセンブリ部の周期的に変更される合焦位置を与えることを更に含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ワークピース表面に対して実行される前記規定の動作は、１つ以上の画像をキャプチャするため前記ＴＡＧレンズを使用することを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記少なくとも３つの位置における前記自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面の表面法線を決定することを更に含み、
    前記調整情報は、前記決定された表面法線に少なくとも部分的に基づいて決定される、請求項１５に記載の方法。
19. 前記規定の動作は、前記ワークピース表面の要素の寸法を決定するための測定動作を含む、請求項１５に記載の方法。
20. 前記規定の動作は、
    複数の画像を含む画像スタックを取得することであって、それぞれの画像は、前記光軸と一致する撮像光軸に沿った前記光学アセンブリ部の合焦位置に対応する、画像スタックを取得することと、
    前記画像スタックの前記画像の解析に少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面上の複数の表面点の３次元位置を示す合焦曲線データを決定することと、
    を含むポイントフロムフォーカス（ＰＦＦ）動作を含む、請求項１５に記載の方法。
21. 前記ワークピース表面は前記ワークピースの第１のワークピース表面であり、前記第１のワークピース表面に対して前記規定の動作を実行した後、
    前記光学アセンブリ部を移動させて前記光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内に前記ワークピースの第２のワークピース表面を配置することと、
    前記光学アセンブリ部を用いて前記焦点Ｚ自動合焦範囲内の前記第２のワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、前記画像スタックは前記第２のワークピース表面の複数の画像を含み、前記画像スタックの各画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
    前記第２のワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを、前記画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて決定することと、
    前記少なくとも３つの位置の前記自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、前記第２のワークピース表面に対して前記光学アセンブリ部を回転させて前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記第２のワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、前記光学アセンブリ部と前記第２のワークピース表面との間の距離を調整するための調整情報を決定することと、
    前記光学アセンブリ部を回転させて前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記第２のワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするため、更に、前記光学アセンブリ部と前記第２のワークピース表面との間の距離を調整するための前記調整情報を使用することと、
    前記第２のワークピース表面に対して前記規定の動作を実行することと、
    を更に含む、請求項１５に記載の方法。
22. 光学アセンブリ部であって、
    可変焦点距離（ＶＦＬ）レンズと、
    光源と、
    前記光源で照明されたワークピースの表面から生じる画像光を入力し、前記画像光を、前記ＶＦＬレンズを通過する撮像光路に沿って伝送する対物レンズであって、少なくとも前記対物レンズと前記ワークピース表面との間に延在する前記光学アセンブリ部の光軸を画定する対物レンズと、
    前記撮像光路に沿って前記ＶＦＬレンズによって伝送された撮像光を受光し、前記ワークピース表面の画像を提供するカメラと、
    を備える光学アセンブリ部と、
    前記光学アセンブリ部と前記ワークピース表面との間の距離を変化させるように構成されたＺ軸移動機構と、
    前記光学アセンブリ部を前記ワークピース表面に対して回転させて前記ワークピース表面に対する前記光学アセンブリ部の前記光軸の角度向きを変化させるように構成された回転機構と、
    １つ以上のプロセッサと、
    前記１つ以上のプロセッサに結合され、プログラム命令を記憶するメモリと、
    を備える計測システムであって、
    前記プログラム命令は、前記１つ以上のプロセッサによって実行された場合、少なくとも、
    前記光学アセンブリ部を移動させて前記光学アセンブリ部の焦点Ｚ自動合焦範囲内にワークピース表面を配置するように前記Ｚ軸移動機構又は前記回転機構を制御することと、
    前記光学アセンブリ部を用いて前記焦点Ｚ自動合焦範囲内の前記ワークピース表面の画像スタックをキャプチャすることであって、前記画像スタックは前記ワークピース表面の複数の画像を含み、前記画像スタックのそれぞれの画像は異なる自動合焦高さに対応する、画像スタックをキャプチャすることと、
    前記画像スタックの少なくとも３つの対応する関心領域に基づいて、前記ワークピース表面の少なくとも３つの位置の自動合焦高さを決定することと、
    前記少なくとも３つの位置の前記自動合焦高さに少なくとも部分的に基づいて、前記ワークピース表面に対して前記光学アセンブリ部を回転させて前記光学アセンブリ部の前記光軸を前記ワークピース表面の表面法線と名目上位置合わせするように前記回転機構を制御し、更に、前記光学アセンブリ部と前記ワークピース表面との間の距離を調整するように前記Ｚ軸移動機構を制御することと、
    前記ワークピース表面に対して規定の動作を実行することと、
    を前記１つ以上のプロセッサに実行させる、計測システム。
23. 前記ＶＦＬレンズは可変音響式屈折率分布型（ＴＡＧ）レンズであり、前記ＴＡＧレンズの屈折力を周期的に変化させることによって前記光学アセンブリ部の周期的に変更される合焦位置が制御される、請求項２２に記載のシステム。

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