JP6761312B2 - 可変焦点距離レンズを含む撮像システムにおける色収差補正 - Google Patents

可変焦点距離レンズを含む撮像システムにおける色収差補正 Download PDF

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Description

本開示は精密計測に関し、更に具体的にはマシンビジョン検査システム等の画像取得システムに関する。
精密マシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）等の画像取得システムは、物体の精密な測定値を得ると共に物体の他の特徴を検査するために使用可能である。このようなシステムは、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を可能とするために移動するステージと、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も含まれるものとする。このタイプのシステムは、顕微鏡型の光学システムを利用し、小型又は大型のワークピースの検査画像を様々な倍率で提供するようにステージを移動させる。
様々な用途において、固定検査システム又はノンストップ移動検査システムのいずれかで高いスループットを得る高速測定を容易にするため、高速の自動合焦及び／又は他の動作を実行することが望ましい。従来のマシンビジョン検査システムにおける自動合焦及び合焦を必要とする他の動作の速度は、Ｚ高さ位置範囲でのカメラの動きによって制限される。画像の品質及び／又は寸法の精度を損なうことなく、高速で画像を収集する代替的な方法を用いた、改良された自動合焦及び／又は他の動作が必要とされている。
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を識別することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲の決定に役立てるために用いることも意図していない。
画像取得システムの１つ以上のレンズにおける軸上色収差の影響が比較的ない画像を提供するように、画像取得システムを動作させる。画像取得システムは、撮像システム、照明システム、及びコントローラを含む。撮像システムは、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって撮像システムの焦点位置を周期的に変更するように動作する可変焦点距離レンズ（例えば可変音響式屈折率分布型レンズ）を含む。照明システムを動作させて、第１の焦点面で第１、第２、第３等の波長の露光画像成分を合焦させる周期的に変更される焦点位置の各位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第１、第２、第３等の波長（例えば赤、青、緑等）のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、各波長の露光画像成分を提供する。周期的に変更される焦点位置の各位相タイミングによって、少なくとも可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正する。露光画像成分を合成することで、軸上色収差の影響が比較的ない波長合成画像を生成する。
汎用の精密マシンビジョン検査システムの様々な典型的な構成を示す図である。 図１のものと同様の、本発明に開示する特徴を含むマシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョン構成要素部のブロック図である。 マシンビジョン検査システムに適合させることができ、本明細書に開示する原理に従って動作する画像取得システムの概略図である。 図３の画像取得システムの周期的に変更される焦点位置に従った、Ｚ高さに対する照明波長の位相タイミングを示すタイミング図のグラフである。 Ｚ高さに対する３つの照明波長の位相タイミングを示すタイミング図のグラフである。 ３つの波長のストロボ照明を示す図である。 ３つの波長のストロボ照明と、共通の焦点面で合焦するための較正データに従って決定した対応する位相タイミングと、を示す図である。 画像取得システムの較正データを確定するためのルーチンの１つの例示的な実施を示すフロー図である。 画像取得システムの１つ以上のレンズにおける軸上色収差の影響が比較的ない画像を提供するように画像取得システムを動作させるためのルーチンの１つの例示的な実施を示すフロー図である。
図１は、本明細書に開示する原理に従って使用可能である１つの例示的なマシンビジョン検査システム１０のブロック図である。マシンビジョン検査システム１０は画像測定機１２を含み、これは、制御コンピュータシステム１４と、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の制御及び／又はプログラミングに適したユーザインタフェースを表示することができる。様々な実施において、タッチスクリーンタブレット等が、コンピュータシステム１４、ディスプレイ１６、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６のいずれか又は全ての機能の代用となること及び／又はこれらの機能を冗長的に与えることが可能である。
より一般的には、制御コンピュータシステム１４は、いかなるコンピューティングシステム又はデバイス、及び／又は分散型コンピューティング環境等も含むことができるか又はそれらから構成可能である。それらはいずれも、本明細書に記載する機能を実現するためにソフトウェアを実行する１つ以上のプロセッサを含み得る。プロセッサには、プログラマブル汎用又は特殊用途マイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）等、又はそのようなデバイスの組み合わせが含まれる。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等のメモリ、又はそのようなコンポーネントの組み合わせに記憶することができる。また、ソフトウェアは、光学ベースのディスク、フラッシュメモリデバイス、又はデータを記憶するための他のいずれかのタイプの不揮発性記憶媒体のような１つ以上の記憶デバイスに記憶することができる。ソフトウェアは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含み得る。分散型コンピューティング環境では、有線又は無線のいずれかの構成において、プログラムモジュールの機能性は、多数のコンピューティングシステム又はデバイス間で組み合わせるか又は分散させ、サービスコールを介してアクセスすることができる。
画像測定機１２は、可動ワークピースステージ３２と、ズームレンズ又は交換可能レンズを含み得る光学撮像システム３４と、を含む。ズームレンズ又は交換可能レンズは一般に、光学撮像システム３４によって得られる画像の倍率を様々に変化させる（例えば０．５倍から１００倍まで）。同様のマシンビジョン検査システムが、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第７，４５４，０５３号、第７，３２４，６８２号、第８，１１１，９０５号、及び８，１１１，９３８号にも記載されている。これらの各々は、援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。
図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様の、本明細書に記載する機能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、及び２４０と、中央に透明部２１２を有するワークピースステージ２１０と、を含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０を載置することができるステージの表面に対して概ね平行な面内にあるｘ軸及びｙ軸に沿って移動制御可能である。
光学アセンブリ部２０５は、カメラシステム２６０及び交換可能対物レンズ２５０を含み、レンズ２８６と２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０も含む場合がある。ターレットレンズアセンブリ２８０の代わりに、固定もしくは手作業で交換可能な倍率可変レンズ（ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ−ａｌｔｅｒｉｎｇ ｌｅｎｓ）、又はズームレンズ構成等を含んでもよい。様々な実施において、これらのレンズは、光学アセンブリ部２０５の可変倍率レンズ部の一部として含まれ得る。様々な実施において、交換可能対物レンズ２５０は、固定倍率対物レンズのセット（例えば０．５倍から１００倍までの範囲のセット等）から選択することができる。
光学アセンブリ部２０５は、制御可能モータ２９４を用いることで、ｘ軸及びｙ軸に概ね直交したｚ軸に沿って制御可能に移動させることができる。制御可能モータ２９４はアクチュエータを駆動して、ワークピース２０の画像の焦点を変えるために光学アセンブリ部２０５をｚ軸に沿って動かす。制御可能モータ２９４は信号ライン２９６を介して入出力インタフェース１３０に接続されている。マシンビジョン検査システム１００を用いて撮像されるワークピース２０、又は複数のワークピース２０を保持しているトレイもしくは固定具は、ワークピースステージ２１０上に配置されている。ワークピースステージ２１０は、光学アセンブリ部２０５に対して移動するように制御され、交換可能対物レンズ２５０がワークピース２０上の複数の位置間で及び／又は複数のワークピース２０間で移動できるようになっている。
透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０（例えばリング光源）の１つ以上が、それぞれ光源光２２２、２３２、及び／又は２４２を発して、ワークピース又は複数のワークピース２０を照明することができる。落射照明光源２３０は、ミラー２９０を含む経路に沿うように光源光２３２を発することができる。光源光はワークピース光２５５として反射又は透過され、撮像のために用いられるこのワークピース光は交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０を通過し、カメラシステム２６０によって集光される。カメラシステム２６０によりキャプチャされたワークピース（複数のワークピース）２０の画像は、制御システム部１２０への信号ライン２６２に出力される。光源２２０、２３０、及び２４０は、それぞれ信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１を介して制御システム部１２０に接続することができる。制御システム部１２０は、画像の倍率を変更するため、ターレットレンズアセンブリ２８０を軸２８４に沿って回転させることで、信号ライン又はバス２８１を介してターレットレンズを１つ選択することができる。
図２に示すように、様々な例示的な実施において制御システム部１２０は、コントローラ１２５、入出力インタフェース１３０、メモリ１４０、ワークピースプログラム発生器及び実行器１７０、及び電源部１９０を含む。これらのコンポーネント及び以下で説明する追加のコンポーネントの各々は、１つ以上のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースによって、又は様々な要素間の直接接続によって、相互接続することができる。入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１、移動制御インタフェース１３２、照明制御インタフェース１３３、及びレンズ制御インタフェース１３４を含む。レンズ制御インタフェース１３４は、レンズ合焦動作回路及び／又はルーチン等を含むレンズコントローラを含むことができる。様々な実施において、レンズ制御インタフェース１３４は更に、倍率変更を実行又は検出した場合に選択されるか又は自動的に実施される倍率変更調整モードも含むことができる。これについては、２０１５年７月９日に出願され、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された「Ａｄａｐｔａｂｌｅ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｏｃａｌ Ｌｅｎｇｔｈ Ｌｅｎｓ ｉｎ ａｎ Ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願第１４／７９５，４０９号に詳述されている。この出願は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。
様々な実施では、本明細書に開示する原理に従って、撮像制御インタフェース１３１は、図３から図８を参照して以下で詳述する色収差補正モード１３１ｃを含むことができる。簡単に言えば、１つの実施において色収差補正モード１３１ｃは、各照明源（例えば赤、青、緑等）の波長に応じて照明パルスの相対的なタイミングを調整することによって、システムのマルチレベル合焦機能を利用して軸上色収差を補正することができる。照明パルスから得られる露光画像成分を組み合わせることで、軸上色収差の影響が比較的ない画像を生成することができる。
様々な実施では、撮像制御インタフェース１３１は拡大被写界深度モードを更に含むことができる。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第２０１５／０１４５９８０号に詳述されている。この出願は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。拡大被写界深度モードは、ユーザによって選択されると、単一の焦点位置で合焦する場合にビジョン構成要素部２００が与え得るよりも大きい被写界深度でワークピースの少なくとも１枚の画像（例えば複合画像）を提供することができる。移動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａ及び速度／加速度制御要素１３２ｂを含み得るが、これらの要素はマージされる及び／又は区別できない場合もある。照明制御インタフェース１３３は、照明制御要素１３３ａ、１３３ｎ、及び１３３ｆｌを含むことができ、これらは、マシンビジョン検査システム１００の様々な対応する光源について、例えば選択、パワー、オン／オフ切り換え、及びストロボパルスタイミングを適用可能な場合に制御する。
メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１、エッジ検出メモリ部１４０ｅｄ、１つ以上のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部１４２、及びビデオツール部１４３を含むことができる。ビデオツール部１４３は、対応する各ビデオツールのためのＧＵＩや画像処理動作等を確定するビデオツール部１４３ａ及び他のビデオツール部（例えば１４３ｎ）、並びに関心領域（ＲＯＩ：ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）発生器１４３ｒｏｉを含む。関心領域発生器１４３ｒｏｉは、ビデオツール部１４３内に含まれる様々なビデオツールにおいて動作可能である様々なＲＯＩを規定する自動、半自動、及び／又は手動の動作をサポートする。ビデオツール部は、合焦高さ測定動作のためのＧＵＩや画像処理動作等を確定する自動合焦ビデオツール１４３ａｆも含む。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可能である高速合焦高さツールも含むことができる。これについては、同時係属中の、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第２０１４／０３６８７２６号に詳述されている。この出願は援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。様々な実施において、色収差補正モード１３１ｃは、ビデオツールの１つ以上（例えば自動合焦ビデオツール１４３ａｆ、別個のビデオツール等）の一部として利用可能であるか又は他の方法でそれに含めることができる。
本開示の文脈において、当業者に既知であるように、「ビデオツール」という言葉は概ね、マシンビジョンユーザが、ビデオツールに含まれる動作の段階的シーケンスを生成することなく、また汎用のテキストベースのプログラミング言語等に頼ることもなく、比較的シンプルなユーザインタフェース（例えばグラフィカルユーザインタフェース、編集可能パラメータウィンドウ、メニュー等）を用いて実施可能である、自動又はプログラミングされた比較的複雑な動作セットのことである。例えばビデオツールは、予めプログラミングされた複雑な画像処理動作及び計算セットを含み、これらの動作及び計算を規定する少数の変数及びパラメータを調整することによって特定のインスタンスでこれらを適用及びカスタム化することができる。基礎にある動作及び計算の他に、ビデオツールは、ビデオツールの特定のインスタンス向けにそれらのパラメータをユーザが調整することを可能とするユーザインタフェースも備えている。例えば多くのマシンビジョンビデオツールによってユーザは、マウスを用いたシンプルな「ハンドルドラッグ」動作を行ってグラフィックの関心領域（ＲＯＩ）インジケータを構成して、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作による解析対象となる画像サブセットの位置パラメータを定義することができる。場合によっては、目に見えるユーザインタフェース機能がビデオツールと称され、基礎にある動作は暗黙的に含まれることに留意すべきである。
透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、及び斜め照明光源２４０のそれぞれの信号ライン又はバス２２１、２３１、及び２４１は全て、入出力インタフェース１３０に接続されている。カメラシステム２６０からの信号ライン２６２及び制御可能モータ２９４からの信号ライン２９６も、入出力インタフェース１３０に接続されている。信号ライン２６２は、画像データの伝達に加えて、画像の取得を開始するコントローラ１２５からの信号を伝達することができる。
１つ以上のディスプレイデバイス１３６（例えば図１のディスプレイ１６）及び１つ以上の入力デバイス１３８（例えば図１のジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６）も、入出力インタフェース１３０に接続することができる。ディスプレイデバイス１３６及び入力デバイス１３８を用いて、様々なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）機能を含み得るユーザインタフェースを表示することができる。それらの機能は、検査動作の実行、及び／又はパートプログラムの生成及び／又は修正、カメラシステム２６０によってキャプチャされた画像の閲覧、及び／又はビジョンシステム構成要素部２００の直接制御のために使用可能である。ディスプレイデバイス１３６は、（例えば色収差補正モード１３１ｃ、自動合焦ビデオツール１４３ａｆ等に関連付けて）ユーザインタフェース機能を表示することができる。
様々な例示的な実施において、ユーザがマシンビジョン検査システム１００を用いてワークピース２０のためのパートプログラムを生成する場合、ユーザはマシンビジョン検査システム１００を学習モードで動作させて所望の画像取得訓練シーケンスを提供することによってパートプログラム命令を発生させる。例えば訓練シーケンスは、代表的ワークピースの特定のワークピース要素を視野（ＦＯＶ）内に位置決めし、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上でビデオツールの１つ以上のインスタンスを用いて）画像に適用される検査訓練シーケンスを提供することを含み得る。学習モードの動作では、このシーケンス（複数のシーケンス）がキャプチャ又は記録されて、対応するパートプログラム命令に変換されるようになっている。パートプログラムが実行された場合、これらの命令はマシンビジョン検査システムに訓練した画像取得動作を再現させると共に、検査動作を行って、パートプログラムの生成時に用いた代表的ワークピースに類似した、現在のワークピース（例えば実行モードのワークピース）又は複数のワークピース上の特定のワークピース要素（すなわち対応位置での対応する要素）を自動的に検査させる。
図３は、マシンビジョン検査システムに適合させることができ、本明細書に開示する原理に従って動作することができる画像取得システム３００の概略図である。画像取得システム３００は、この撮像システム３００の視野内で（例えばストロボ又は連続波照明によって）ワークピース３２０を照明するように構成可能である光源３３０、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、リレーレンズ３５２、可変焦点距離レンズ（ＶＦＬ）３７０、リレーレンズ３８６、及びカメラシステム３６０を備えている。
様々な実施において、光源３３０は、照明システムの一部として第１、第２、第３等の照明源を含み得る。例えば光源３３０は、対応する照明源（例えば光源３３０の一部である第２の照明源）を動作させることによって、特定の波長（例えば第２の波長）のストロボ照明のインスタンスを与えるように動作することができる。様々な実施において、適正な色バランスを達成するため、光源３３０は、ストロボ照明の全てのインスタンス（例えば各々が光源３３０内の異なる照明源に対応する）の強度を別個に調整可能とするように制御すると共に、画像の全体的な明るさを制御するように同時に調整することができる。
動作において、図３に示す実施形態では、光源３３０は落射照明光源であり、部分ミラー３９０を含む経路に沿って対物レンズ３５０を介してワークピース３２０の表面まで光源光３３２を発するように構成されている。対物レンズ３５０は、ワークピース３２０に隣接した焦点位置ＦＰで集束するワークピース光３５５を受光し、ワークピース光３５５をチューブレンズ３５１に出力する。他の実施形態では、同様の光源によって視野を落射照明とは異なる方法で照明することができる。例えば、リング光源が視野を照明することができる。様々な実施において、対物レンズ３５０は交換可能対物レンズとすることができ、チューブレンズ３５１はターレットレンズアセンブリの一部として含めることができる（例えば図２の交換可能対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０と同様）。様々な実施において、対物レンズ３５０、チューブレンズ３５１、又は本明細書で言及する他のレンズは、個別のレンズ、複合レンズ等から形成するか、又はこれらのレンズと連携して動作することができる。チューブレンズ３５１はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３５２に出力する。
リレーレンズ３５２はワークピース光３５５を受光し、これをＶＦＬレンズ３７０に出力する。ＶＦＬレンズ３７０はワークピース光３５５を受光し、これをリレーレンズ３８６に出力する。リレーレンズ３８６はワークピース光３５５を受光し、これをカメラシステム３６０に出力する。様々な実施において、カメラシステム３６０は画像露光期間中にワークピース３２０の画像をキャプチャすることができ、この画像を制御システム部に提供することができる（例えば図２において画像を制御システム部１２０に与えるためのカメラシステム２６０の動作と同様）。様々な実施において、上述のように本願に含まれる７２６号公報に詳述されている通り、カメラシステム３６０は、グローバルシャッタを有するセンサ、すなわち各画素を同時に露光するセンサを備えることができる。このような実施形態は、ワークピースも撮像システム３００のどの部分も動かすことなく画像スタックを測定する機能を与えるという点で有利である。
ＶＦＬレンズ３７０は、１回以上の画像露光中に撮像システムの焦点位置ＦＰを変えるように電子的に制御可能である。焦点位置ＦＰは、焦点位置ＦＰ１と焦点位置ＦＰ２によって画定される範囲Ｒ内で動かすことができる。様々な実施において、範囲Ｒはユーザによって選択可能であるか、又は設計パラメータから与えられ得るか、又は他の方法で自動的に決定され得ることは認められよう。一般に図３の例に関して、図示した寸法のいくつかは一定の縮尺通りに描かれていない場合があることは認められよう。例えば、ＶＦＬレンズ３７０の寸法は図示するものと異なる比率を有し得る（例えば、所望の量の撮像倍率（ｌｅｎｓｉｎｇ ｐｏｗｅｒ）等を与えるため、いくつかの用途では幅がより狭く長さが５０ｍｍ以上であり得る）。
様々な実施において、マシンビジョン検査システムは、撮像システム３００の焦点位置を周期的に変更するために、レンズコントローラ３７４と連携して動作するか又は他の方法でＶＦＬレンズ３７０を制御するように構成可能な制御システム（例えば図２の制御システム部１２０）を備えることができる。いくつかの実施では、ＶＦＬレンズ３７０は極めて迅速に焦点位置を調整又は変更することができる（例えば、少なくとも３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又はそれ以上の速度で周期的に）。１つの例示的な実施では、（１倍の対物レンズ３５０では）範囲Ｒは約１０ｍｍとすることができる。様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は、焦点位置ＦＰを変えるために撮像システムにおける巨視的な機械的調整及び／又は対物レンズ３５０とワークピース３２０との間の距離の調整を必要としないことが好ましい。このような場合、上述の通り本願に含まれる９８０号公報に記載されているように、拡大被写界深度画像を取得することができる。更に、（例えば数マイクロメータ、又は数十マイクロメータ、又はそれ以下のオーダーの精度の）精密測定等に用いられ得る固定焦点検査画像を取得するため同一の撮像システムを用いる場合に精度を低下させる巨視的な調整要素も、これに関連した位置決めの非再現性も存在しない。上述のように本願に含まれる７２６号公報に記載されている通り、焦点位置ＦＰの変化を利用して、ワークピース３２０に隣接したＺ高さ方向に沿った複数の位置における複数の画像を含む画像スタックを迅速に取得することができる。
様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０は可変音響式屈折率分布型（「ＴＡＧ：ｔｕｎａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ」）レンズとすることができる。可変音響式屈折率分布型レンズは、流体媒質中で音波を用いて焦点位置を変更し、焦点距離範囲を数百ｋＨｚの周波数で周期的にスイープすることができる高速ＶＦＬレンズである。このようなレンズは、論文「Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｖａｒｉｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｎｓ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３３、Ｎｏ．１８、２００８年９月１５日）の教示によって理解することができる。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。可変音響式屈折率分布型レンズ及びこれに関連した制御可能信号発生器は、例えばＴＡＧ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｉｎｃ．（ニュージャージー州プリンストン）から入手可能である。例えば、モデルＴＬ２．Ｂ．ｘｘｘシリーズのレンズは最大で約６００ＫＨｚの周波数で変調可能である。
ＶＦＬレンズ３７０は、ＶＦＬレンズ３７０を動作させる信号を発生することができるレンズコントローラ３７４によって駆動され得る。一実施形態において、レンズコントローラ３７４は市販の制御可能信号発生器とすればよい。いくつかの実施では、レンズコントローラ３７４は、図２を参照して先に概説した撮像制御インタフェース１３１及び／又は色収差補正モード１３１ｃ及び／又はレンズ制御インタフェース１３４を介して、ユーザ及び／又はオペレーティングプログラムによって構成又は制御され得る。いくつかの実施では、焦点位置ＦＰが経時的に正弦波状に高周波数で変更されるように、周期信号を用いてＶＦＬレンズ３７０を動作させることができる。例えばいくつかの例示的な実施では、可変音響式屈折率分布型レンズは４００ｋＨｚという速さの焦点走査速度向けに構成可能であるが、様々な実施及び／又は用途ではより低速の焦点位置調整及び／又は変更周波数が望ましい場合があることは認められよう。例えば様々な実施では、３００Ｈｚ、又は３ｋＨｚ、又は７０ｋＨｚ、又は２５０ｋＨｚ等の周波数とし得る。低速の焦点位置調整を用いる実施では、ＶＦＬレンズ３７０は制御可能液体レンズ等を含み得る。
図３の実施では、リレーレンズ３５２及び３８６並びにＶＦＬレンズ３７０は４ｆ光学構成に含まれるものとして示され、リレーレンズ３５２及びチューブレンズ３５１はケプラー式望遠鏡構成に含まれるものとして示され、チューブレンズ３５１及び対物レンズ３５０は顕微鏡構成に含まれるものとして示されている。ここに示す構成は全て例示に過ぎず、本開示に対する限定でないことは理解されよう。ケプラー式望遠鏡構成の一部として、チューブレンズ３５１の焦点距離ＦTUBEは、リレーレンズ３５２の焦点距離ｆと同様、レンズ３５１と３５２との中点とほぼ等距離にあるものとして示されている。代替的な実施では、チューブレンズ３５１の焦点距離ＦTUBEを、リレーレンズ３５２の焦点距離ｆ（これは４ｆ光学構成の４ｆの１つに対応する）とは異なるものにしてもよい。チューブレンズ３５１がターレットレンズアセンブリの一部として含まれ得る様々な実施では、ターレットレンズアセンブリの他のチューブレンズが動作位置まで回転した場合、同じ位置に焦点を有する（すなわちリレーレンズ３５２の焦点と合致する）ことが望ましい場合がある。
上述のように本願に含まれる４０９号出願に詳述されている通り、焦点距離ｆに対する焦点距離ＦTUBEの比を用いて、チューブレンズ３５１に入力するワークピース光３５５の平行ビームに対してリレーレンズ３５２から出射するワークピース光３５５の平行ビームの直径を変えることができる。チューブレンズ３５１に入力するワークピース光３５５の平行ビーム及びリレーレンズ３５２から出力するワークピース光３５５の平行ビームに関して、様々な実施では、そのような平行ビームがより長い経路長に拡張され得ること、及び／又は（例えば異なるカメラシステム等へ向けられた）追加の光路を与えるためにそのような平行ビームに対してビームスプリッタが使用され得ることは認められよう。
様々な実施において、図示する４ｆ光学構成は、ＶＦＬレンズ３７０（例えば可変音響式屈折率分布型レンズ等の開口径（ＮＡ）が小さいデバイスであり得る）を、対物レンズ３５０のフーリエ面ＦＰＬに配置することを可能とする。この構成は、ワークピース３２０におけるテレセントリシティ（ｔｅｌｅｃｅｎｔｒｉｃｉｔｙ）を維持すると共に、尺度変化及び画像歪みを最小限に抑えることができる（例えば、ワークピース３２０の各Ｚ高さ及び／又は焦点位置ＦＰで一定の倍率を与えることを含む）。ケプラー式望遠鏡構成（例えばチューブレンズ３５１及びリレーレンズ３５２を含む）は、顕微鏡構成と４ｆ光学構成との間に含めることができ、上記のように、ＶＦＬレンズの位置で対物レンズ有効径の望ましいサイズの投影を与えて画像収差等を最小限に抑えるように構成可能である。
様々な実施において、いくつかのタイプの寸法測定では回折限界に近いか又は回折限界の撮像が必要であり得ることは認められよう。図３に示す構成は、結像される対物レンズ３５０の瞳の軸外範囲をＶＦＬレンズ３７０内に限定することによって収差を低減する。この構成では、半径方向の範囲は、その最低共振周波数ｆR,MINでのＶＦＬレンズ３７０（例えば可変音響式屈折率分布型）の定在波の屈折率プロファイルにおいて一次ベッセルリング（１ｓｔ Ｂｅｓｓｅｌ ｒｉｎｇ）の半径方向の範囲よりも小さく維持することができる。これについては、上述のように本願に含まれる４０９号出願に詳述されている。このように、顕微鏡構成（すなわち対物レンズ３５０及びチューブレンズ３５１を含む）からの光はＶＦＬレンズ３７０の最大有効径ＣＡVFL,MAXを超えない。この光が最大有効径を超える実施では、光は、望ましくない屈折率を有し得るＶＦＬレンズ３７０の定在波の領域と相互作用して収差を増大させ、寸法測定の精度を低減させる恐れがある。
様々な実施において、ＶＦＬレンズ３７０及び／又はこのシステムの他のレンズ（例えば対物レンズ３５０等）は、様々なレベルの軸上（すなわち光軸方向の）色収差を示し得る。以下で詳述するように、本明細書に開示する原理に従い、本システムのマルチレベル合焦機能は、照明光の波長に応じて照明パルスの相対的なタイミングを調整することによって、軸上色収差を補正することができる。
図４は、図３の画像取得システムの周期的に変更される焦点位置に従った、Ｚ高さに対する照明波長の位相タイミングを示すタイミング図４００のグラフである。周期的に変更される焦点位置は、先に概説したようにＶＦＬレンズ３７０の焦点距離を周期的に変更することによって制御される。周期的に変更されるＺ高さは、「Ｚ高さサイクル」と示す正弦曲線４１０によって表されている。様々な実施において、曲線４１０の形状は、一連のレンズ（例えば図２に示したような対物レンズ３５０、ＶＦＬレンズ３７０等）に依存することがあり、ＶＦＬレンズ３７０の屈折力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）は図４に示すようなサイクルをとり、１／ｆに等しい（ｆ＝焦点距離）。以下で詳述するように、Ｚ高さと位相タイミングとの関係は、既知の原理に従った較正によって確立することができる（例えば既知のＺ高さまで表面を繰り返し進ませ、次いでこの既知のＺ高さで画像が最も合焦する位相タイミングを手作業で又は計算によって求め、その関係をルックアップテーブル等に記憶する）。
また、タイミング図４００は、各Ｚ高さ（例えばｚφ０、ｚφ１、ｚφ１２、ｚφｎ等）で合焦される画像を露光するため、どのように例示的な波長のストロボ照明をタイミング調整して周期的に変更される焦点位置の各位相タイミング（例えばφ０、φ１、φ１２、φｎ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、ストロボパルスが焦点変更周期に対して短く、位相タイミングφ０で与えられる場合、焦点位置は高さ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ピントが合っている。これと同じことが、タイミング図４００に示す他の例示的な位相タイミング及びＺ高さにも当てはまることは認められよう。
タイミング図４００に示す位相タイミングは単なる例示であり、限定ではないことは理解されよう。より一般的には、ユーザが選択するか又は制御システムが自動的に選択する位相タイミングは、焦点位置の周期的に変更されるＺ高さの最小Ｚ高さと最大Ｚ高さを表す焦点位置範囲ｚφ０〜ｚφｎ内に、関連付けられた焦点位置Ｚ高さを有する。また、特定の位相タイミングでの１回のストロボパルスでは画像の露光が充分でない場合は、ストロボパルスを当該特定の位相タイミングで、画像積分期間内の所望の回数にわたって繰り返せばよいことは理解されよう（タイミング図４００において例示的な位相タイミングφ０、φ１、φ１２で繰り返されるインスタンスで概略的に示すように）。いくつかの実施において、いずれかの数（例えば一千又は数千等）のそのようなパルスを積分期間において積分することができる。その効果は、得られる画像において、当該特定の位相タイミング及び／又はＺ高さに対応した画像露光（例えば画像の明るさ）が増大することである。１つの具体的な例示として、７２ｋＨｚの周波数で変更されるＶＦＬレンズと毎秒３０フレームで動作するカメラ内の撮像アレイでは、単一のカメラフレーム取得時間は、可変焦点距離レンズ及びこれによる焦点距離Ｚ高さの２，４００サイクルに相当する。例示的な位相タイミングφ１及びφ１２はＺ高さサイクルの立ち上がり勾配上に示されていることは認められよう。いくつかの実施形態では、Ｚ高さサイクルの立ち下がり勾配中の同一のＺ高さに対応して積分期間でパルスを積分してもよい。
図５は、Ｚ高さに対する３つの照明波長λＧ、λＢ、及びλＲ（例えばそれぞれ緑、青、及び赤の照明に対応する）の位相タイミングを示すタイミング図５００のグラフである。１つの実施において、タイミング図５００は、図４の曲線４１０に示す焦点位置の周期的に変更されるＺ高さを水平方向に拡張させた部分を表すと考えることができる。ただし図５は、単一の例示的な照明波長でなく、３つの照明波長λＧ、λＢ、及びλＲについて図示している。タイミング図５００において、位相タイミングφ０からφ３５が、縦の破線の位相タイミング位置で表されている。撮像システムのレンズの１つ以上（例えばＶＦＬレンズ３７０）が示す軸上色収差のため、３つの波長λＧ、λＢ、及びλＲのグラフは、異なるＺ方向オフセットを有する。更に具体的には、図６（Ａ）を参照して以下で詳述するように、白色（広帯域）照明（例えば３つの照明波長λＧ、λＢ、及びλＲを含む）を単一の位相タイミングで用いる場合、軸上色収差のために、波長λＧ、λＢ、及びλＲの各々は異なるＺ高さで合焦される。
図５に示すように、Ｚ高さＺｉにおいて、照明波長λＢでは位相タイミングφ１２が対応し、照明波長λＧでは位相タイミングφ１５が対応し、照明波長λＲでは位相タイミングφ１８が対応している。これは、（例えばワークピースの）画像をＺ高さＺｉにおいて取得する場合、これに対応した位相タイミングを利用することで、各波長の露光画像成分それぞれを合焦させなければならないことを示している。これについては図６（Ｂ）を参照して以下で詳述する。各波長曲線間のＺ高さにオフセットがあるため、測定範囲において「使用可能な」最小値と最大値を設定することができる（例えば、様々な曲線の最低ピークと最高ピークに近い値に相当する）。一例として、図５に示すように最小Ｚ高さＺｉ−ｍｉｎと最大Ｚ高さＺｉ−ｍａｘを設定することができる。これらに対して、照明波長λＢでは位相タイミングφ１及びφ２４が対応し、照明波長λＧでは位相タイミングφ７及びφ２７が対応し、照明波長λＲでは位相タイミングφ１０及びφ３３が対応する。
以下で詳述するように、本明細書に開示する原理に従って、１つの実施において、それぞれの関心領域を用いた較正プロセス中に画像スタックを取得することができる。特定のＺ高さＺｉに関する一例として、最良の焦点位置に対応した位相タイミングを決定するプロセスの一部として、第１の画像スタックを取得するには、位相タイミングφ０と一致する第１の波長λＧの１つ以上のストロボ照明パルスを用いて（１つ以上の周期にわたって）第１の画像を露光すればよい。同様に、第１の波長λＧ及び位相タイミングφ１を用いて第１の画像スタックの第２の画像を取得することができ、図示の例ではこれをφ３５まで行う。画像スタックは１つの視野を様々な焦点位置を用いて撮像したものであり、一般に、対応する位相タイミングを用いて取得した所望のＺ高さでの所望の数の画像を含み得ることは理解されよう。第２の波長λＢを用いて同様に第２の画像スタックを取得することができ、第３の波長λＲを用いて同様に第３の画像スタックを取得することができる等である。
図７を参照して以下で詳述するように、取得した画像スタックを用いて較正データを確定することができる。この較正データは、第１、第２、第３等の照明波長（例えば照明波長λＧ、λＢ、及びλＲに対応する）について、周期的に変更される焦点位置の位相タイミングを、焦点面の高さ又は距離（例えばステージ位置ＺＣに関連している）に関連付ける。様々な実施において、軸上色収差は概して、ＶＦＬレンズの屈折力（例えばＺ焦点位置に関連している）に依存し得る。従って様々な実施において、ＶＦＬレンズの全スキャン範囲Ｒ（例えば、又は場合によっては、上述したＺ高さＺｉ−ｍｉｎとＺｉ−ｍａｘとの間のようなより小さい所望の範囲）を横断し、全ての波長について焦点データを収集し、所望の範囲全体についてルックアップテーブルを生成することが望ましい場合がある。
この点で、各画像スタックがいったん収集されたら、これを解析して、各Ｚ高さでの各関心領域の最良の焦点位置に対応した各位相タイミングを決定することができる（例えば図５に示すような、Ｚ高さＺｉでの照明波長λＧ、λＢ、及びλＲのそれぞれの位相タイミングφ１２、φ１５、及びφ１８等）。以下で詳述するように、各波長に関連付けられると共に各Ｚ高さに関連付けられた各位相タイミングを含む較正データを記憶することができ、各Ｚ高さは各焦点面に対応する。様々な実施において、引き続き、関心領域の高さを複数のＺ高さで調整し（例えばステージ位置ＺＣを調整することで）、各Ｚ高さについて各画像スタックの収集及び解析を繰り返し、各波長に関連付けられると共に各Ｚ高さに関連付けられた位相タイミングを記憶することによって、追加の較正データを与えてもよい。具体的な例として、以下で図７を参照して、較正データを与えるためのルーチンについて詳述する。
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、３つの波長λＧ、λＢ、及びλＲのストロボ照明と、共通の焦点面で合焦するための較正データ（例えば図５のＺ高さＺｉについて上述した較正データ）に従って決定した対応する位相タイミングと、を示す図である。図６（Ａ）に示す一例では、対物面がステージ位置ＺＣ＝Ｚｉに対応するように示している。図６（Ａ）に示すように、白色（広帯域）照明（例えば波長λＧ、λＢ、及びλＲを含む）を単一の位相タイミングφ１５で用いる場合、第１の波長λＧは焦点が合っている状態に示され、第２及び第３の波長λＢ及びλＲは焦点が外れている（例えばそれぞれ反対方向に）状態に示されている。これは、図５で位相タイミングφ１５について示した値に対応する。
図６（Ｂ）に示すように、異なる波長λＧ、λＢ、及びλＲについて位相タイミングを調整するための記憶した較正データを用いることで、各焦点面を一致させることができる。更に具体的には、様々な位相タイミングに対応して様々なフラッシュ遅延を利用するので、第１の波長λＧ用の第１の照明源には位相タイミングφ１５に対応したフラッシュ遅延を利用し、第２の波長λＢ用の第２の照明源には位相タイミングφ１２に対応したフラッシュ遅延を利用し、第３の波長λＲ用の第３の照明源には位相タイミングφ１８に対応したフラッシュ遅延を利用することができる。様々な実施において、撮像システムのカメラは、軸上色収差の影響が比較的ない波長合成画像を生成するために、全ての波長の露光画像成分を合成することができる。以下で図７を参照して、Ｚ高さＺｉでの照明波長λＧ、λＢ、及びλＲのそれぞれの位相タイミングφ１２、φ１５、及びφ１８を示し、更に所望の範囲内の他のＺ高さでのデータも示す較正データを与えるためのルーチンについて詳述する。
図７は、画像取得システムの較正データを確定するためのルーチン７００の１つの例示的な実施を示すフロー図である。ブロック７１０では、光学システム及びＶＦＬレンズ電子モデルに基づいて、Ｚ深さと照明フラッシュ遅延との大まかな対応関係を準備する。様々な実施において、フラッシュ遅延は、ＶＦＬレンズ同期パルスからの遅延量として定義することができ、ＶＦＬレンズのＺ焦点位置に対応し得るＶＦＬレンズの周期的に変更される焦点位置の位相タイミングに対応することができる。以下で詳述するように、この大まかな対応関係を用いて、較正中のステージ位置決め及び照明フラッシュタイミングを誘導することができる。様々な実施において、この大まかな対応関係は、各Ｚステップにおいて必要な画像スタックに要求されるサイズ（例えばフラッシュ遅延範囲）を著しく縮小することで、較正プロセスをより迅速に実行可能とする。
ブロック７２０では、ステージ位置ＺＣを、ＶＦＬレンズの範囲Ｒ内の第１の（又は次の）Ｚ高さステップにセットする。以下で詳述するように、以降の繰り返しでブロック７２０に戻ることで、このルーチンは、予め選択されたステップでＶＦＬレンズの範囲Ｒの少なくとも一部を効果的に進んでいくことができる。様々な実施において、Ｚ深さとフラッシュ遅延との対応関係が非線形であり得る場合、Ｚ深さに対するフラッシュ遅延曲線の予想される局所勾配に応じて、Ｚ位置間を異なる間隔で離間させることが望ましい場合がある。様々な実施において、各ステップでステージ位置ＺＣの精度を保証することにより、較正の精度を高めることができる。
ブロック７３０では、現在のステージ位置ＺＣに対応し、（例えばブロック７１０に関して上述したように）光学システムについて理論的に得られた大まかな時間設定ＦＲに、フラッシュ遅延をセットする。ブロック７４０では、既定の（例えば小さい）フラッシュ遅延ステップで、Ｎ個の画像スタックを収集する。画像スタックの収集において、Ｎは照明波長の数を示し（例えば各スタックが別個の波長／照明源を用いて照明される）、全てのスタックの中心となるのは大まかなフラッシュ遅延ＦＲであり、各画像スタックキャプチャの間、ステージ位置ＺＣは不変のままである。
ブロック７５０では、各画像スタックｉ（ｉ＝１からＮ）について、最良の焦点時間遅延ＦＤｉ（例えば画像スタックｉの焦点ピークに従って決定される）を見い出し、Ｚ深さとフラッシュ遅延との対応関係配列に記憶する（例えばＺＣ対ＦＤｉエントリとして）。各ＺＣ値でＮ個のＦＤ値が得られる（例えば、各照明波長に１つのフラッシュ遅延値）。ステージ位置ＺＣ＝Ｚｉである上記の図５の例では、これらの最良の焦点時間遅延ＦＤｉは、照明波長λＧ、λＢ、及びλＲのそれぞれの位相タイミングφ１２、φ１５、及びφ１８を示す較正値に対応する。様々な実施において、最良のフラッシュ遅延を決定するためのプロセスの一部として、標準的な自動合焦方法を使用可能である。例えば１つの実施では、時間ドメインにおいてコントラストピーク内挿を求めることができる（例えば、取得した画像スタックについて焦点ピークを求めることができる）。１つの実施では、全視野を自動合焦関心領域として用いることができる。画像スタック及び焦点曲線の決定及び解析のための例示的な技法は、本発明の譲受人に譲渡された米国特許第６，５４２，１８０号に教示されている。これは援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。
決定ブロック７６０では、ＶＦＬレンズの範囲Ｒ内の最後のＺ高さステップに到達したか否かを判定する。範囲Ｒ内の最後のＺ高さステップに到達していない場合、ルーチンはブロック７２０に戻り、ＶＦＬレンズの範囲Ｒ内の次のＺ高さステップにステージ位置ＺＣをセットする。範囲Ｒ内の最後のＺ高さステップに到達した場合、ルーチンは続いてブロック７７０に移り、ＺＣ対ＦＤｉ曲線を平滑化／内挿して、今後のＶＦＬレンズ制御のための細かいルックアップテーブルを提供し、照明波長間の相対的なフラッシュタイミング遅延を与える。様々な実施において、最終的なルックアップテーブルは、波長の１つを基準波長と指定して記憶することができ、他の全ての波長のＦＤｉ値は、この基準波長のＦＤｉ波長からの時間オフセットとして記憶することができる。様々な実施において、ＦＤｉ値及び／又は時間オフセットを用いて各波長の露光画像成分のフラッシュタイミングを調整することで、図６（Ｂ）を参照して説明したように、Ｎ個の焦点面の全てを同一のＺ高さとすることができる。
図８は、画像取得システムの１つ以上のレンズにおける軸上色収差の影響が比較的ない画像を提供するように画像取得システムを動作させるためのルーチン８００の１つの例示的な実施を示すフロー図である。ブロック８１０では、ＶＦＬレンズを動作させて、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって撮像システムの焦点位置を周期的に変更させる。ブロック８２０では、照明システムを動作させて、第１の焦点面で第１の波長の露光画像成分を合焦させる周期的に変更される焦点位置の第１の位相タイミング（例えば図６（Ｂ）に示すようなＺ高さＺｉでの照明波長λＧの位相タイミングφ１５等）に対応するようにタイミング調整された第１の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、第１の波長の露光画像成分を提供する。
ブロック８３０では、照明システムを動作させて、少なくともＶＦＬレンズの軸上色収差を補正すると共に第１の焦点面で第２の波長の露光画像成分を合焦させる周期的に変更される焦点位置の第２の位相タイミング（例えば図６（Ｂ）に示すようなＺ高さＺｉでの照明波長λＢの位相タイミングφ１２等）に対応するようにタイミング調整された第２の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、第２の波長の露光画像成分を提供する。
ブロック８４０では、照明システムを動作させて、少なくともＶＦＬレンズの軸上色収差を補正すると共に第１の焦点面で第３の波長の露光画像成分を合焦させる周期的に変更される焦点位置の第３の位相タイミング（例えば図６（Ｂ）に示すようなＺ高さＺｉでの照明波長λＲの位相タイミングφ１８等）に対応するようにタイミング調整された第３の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、第３の波長の露光画像成分を提供する。
ブロック８５０では、第１、第２、及び第３の露光画像成分を合成することで、軸上色収差の影響が比較的ない波長合成画像を提供する。１つの実施において、波長合成画像を提供することは、撮像システムの検出器の単一の画像積分期間中に第１、第２、及び第３の露光画像成分を提供することを含み得る。代替的な実施では、波長合成画像を提供することは、撮像システムの検出器により与えられる第１、第２、及び第３の画像データセットを計算的に合成することを含み得る。そのような実施では、第１の画像データセットは、第２の露光画像成分も第３の露光画像成分も用いずに第１の露光画像成分を用いて露光した画像を含むことができ、第２の画像データセットは、第１の露光画像成分も第３の露光画像成分も用いずに第２の露光画像成分を用いて露光した画像を含むことができ、第３の画像データセットは、第１の露光画像成分も第２の露光画像成分も用いずに第３の露光画像成分を用いて露光した画像を含むことができる。
１つの実施では、第１、第２、及び第３の波長は、撮像システムに含まれるカラーカメラで使用される３色の検出器（例えば緑、青、及び赤）に対応し得る。様々な実施において、異なる数の露光画像成分を利用してもよい（例えば２つ、４つ、５つ等）。追加の露光画像成分を用いる実施において、これを行うには、照明システムを動作させて、少なくともＶＦＬレンズの軸上色収差を補正すると共に第１の焦点面で追加の波長の露光画像成分を合焦させる周期的に変更される焦点位置の追加の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された追加の波長のストロボ照明のインスタンスを与えればよい。
本明細書に開示する原理は、様々な実施において、異なるタイプの照明源を利用したシステムに適用可能であることは認められよう。例えば、開示する技法は、焦点シフトなしの可視光及び近赤外線（ＮＩＲ）撮像の組み合わせ（例えばマルチスペクトル画像）等、広域波長を用いた様々なシステムに適用可能である。別の例として、同一の光学部品を用いて可視光撮像をＮＩＲ又はＵＶレーザ合焦と組み合わせることも可能である（例えば、レーザ源を可視光撮像と同期させてストロボ照明するが、軸上色収差を補正するため位相シフトを用いる）。上記のように、本明細書に開示する原理によれば、軸上色収差が低減したＶＦＬレンズによって合成白色（「広帯域」）照明を達成して、画像品質を向上させると共に、（例えばワークピース要素測定について）Ｚ及び／又はＸ−Ｙ測定精度を高めることができる。様々な計測用途において、そのような広帯域照明の利用は、狭い帯域（例えば単色）照明の利用よりも好ましい。様々な実施では、軸上色収差の補正により、いっそう安価な及び／又は簡単な対物レンズ（例えばアクロマートレンズ等）の利用が可能となって、より高価なレンズ（例えばアポクロマートレンズ等）に匹敵する色収差性能を達成することができる。
本開示の好適な実施について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した特徴の構成及び動作のシーケンスにおける多数の変形が当業者には明らかであろう。様々な代替的な形態を用いて本明細書に開示した原理を実施してもよい。更に、上述の様々な実施を組み合わせて別の実施を提供することも可能である。本明細書において言及した米国特許及び米国特許出願は全て援用によりその全体が本願にも含まれるものとする。これらの様々な特許及び出願の概念を用いて更に別の実施を提供するために必要な場合は、上述の実施の態様は変更可能である。
前述の記載に照らして、実施に対してこれら及び他の変更を行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、用いる用語は本明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されず、そのような特許請求の範囲の権利が与えられる均等物の全範囲に従う全ての可能な実施を包含するものとして解釈される。
１０，１００ マシンビジョン検査システム
１２ 画像測定機
１４ 制御コンピュータシステム
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 キーボード
２６ マウス
３２ 可動ワークピースステージ
３４ 光学撮像システム
１２０ 制御システム部
１２５ コントローラ
１３０ 入出力インタフェース
１３１ 撮像制御インタフェース
１３１ｃ 色収差補正モード
１３２ 移動制御インタフェース
１３２ａ 位置制御要素
１３２ｂ 加速度制御要素
１３３ 照明制御インタフェース
１３３ａ，１３３ｎ 照明制御要素
１３４ レンズ制御インタフェース
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
１４３，１４３ａ ビデオツール部
１４３ａｆ 自動合焦ビデオツール
１４３ｒｏｉ 関心領域発生器
１７０ 実行器
１９０ 電源部
２００ ビジョン構成要素部
２０５ 光学アセンブリ部
２１０ ワークピースステージ
２１２ 透明部
２２０ 透過照明光源
２２１，２３１，２８１ バス
２２２，２３２，３３２ 光源光
２３０ 落射照明光源
２４０ 斜め照明光源
２５０ 交換可能対物レンズ
２５５，３５５ ワークピース光
２６０，３６０ カメラシステム
２６２ 信号ライン
２８０ ターレットレンズアセンブリ
２８６，３５１，３７０ レンズ
２９０ ミラー
２９４ 制御可能モータ
２９６ 信号ライン
３００ 画像取得システム
３００ 撮像システム
３２０ ワークピース
３３０ 光源
３５０ 対物レンズ
３５１ チューブレンズ
３５２，３８６ リレーレンズ
３７０ 可変焦点距離レンズ（ＶＦＬ）
３７４ レンズコントローラ
３９０ 部分ミラー

Claims (20)

  1. 画像取得システムを動作させて、画像を提供するための方法であって、前記画像取得システムが、可変焦点距離レンズを含む撮像システムと、照明システムと、を備え、前記方法が、
    前記可変焦点距離レンズを動作させて、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって前記撮像システムの焦点位置を周期的に変更させることと、
    前記照明システムを動作させて、第１の焦点面で第１の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第１の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第１の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第１の波長の露光画像成分を提供することと、
    前記照明システムを動作させて、少なくとも前記可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正すると共に前記第１の焦点面で第２の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第２の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第２の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第２の波長の露光画像成分を提供することと、
    を含む、方法。
  2. 前記照明システムが第１及び第２の照明源を含み、
    前記照明システムを動作させて前記第１の波長のストロボ照明の前記インスタンスを与えることが前記第１の照明源を動作させることを含み、
    前記照明システムを動作させて前記第２の波長のストロボ照明の前記インスタンスを与えることが前記第２の照明源を動作させることを含む、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１及び第２の波長の露光画像成分を合成することで、波長合成画像を提供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記波長合成画像を提供することが、前記撮像システムの検出器の単一の画像積分期間中に前記第１及び第２の波長の露光画像成分の双方を提供することを含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記波長合成画像を提供することが、前記撮像システムの検出器により与えられる第１及び第２の画像データセットを計算的に合成することを含み、前記第１の画像データセットが、前記第２の波長の露光画像成分を用いずに前記第１の波長の露光画像成分を用いて露光した画像を含み、前記第２の画像データセットが、前記第１の波長の露光画像成分を用いずに前記第２の波長の露光画像成分を用いて露光した画像を含む、請求項３に記載の方法。
  6. 前記照明システムを動作させて、少なくとも前記可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正すると共に前記第１の焦点面で第３の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第３の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第３の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第３の波長の露光画像成分を提供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  7. 前記第１、第２、及び第３の波長が、前記撮像システムに含まれるカラーカメラで使用される３色の検出器に対応する、請求項６に記載の方法。
  8. 前記照明システムを動作させて、少なくとも前記可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正すると共に前記第１の焦点面で追加の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の追加の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された追加の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記追加の露光画像成分を提供することを更に含む、請求項６に記載の方法。
  9. 少なくとも部分的に、
    前記第１の波長について、前記周期的に変更される焦点位置の位相タイミングを焦点面の高さ又は距離に関連付け、
    前記第２の波長について、前記周期的に変更される焦点位置の位相タイミングを焦点面の高さ又は距離に関連付ける、
    較正データを提供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
  10. 軸上色収差を補正する前記周期的に変更される焦点位置の前記第２の位相タイミングが、前記較正データの少なくとも一部と、前記第１の位相タイミング又は前記第１の焦点面の高さもしくは距離の少なくとも１つと、に基づいて決定される、請求項９に記載の方法。
  11. 前記較正データを提供することが、
    異なるＺ高さで合焦した複数の画像を含む第１の画像スタックを収集することであって、前記画像スタック内のＺ高さに対応する前記周期的に変更される焦点位置の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された前記第１の波長のストロボ照明のインスタンスを用いて、前記第１の画像スタックの各画像を露光することと、
    異なるＺ高さで合焦した複数の画像を含む第２の画像スタックを収集することであって、前記画像スタック内のＺ高さに対応する前記周期的に変更される焦点位置の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された前記第２の波長のストロボ照明のインスタンスを用いて、前記第２の画像スタックの各画像を露光することと、
    前記第１の画像スタックを解析して、第１のＺ高さでの第１の関心領域の最良の焦点位置に対応する第１の位相タイミングを決定することと、
    前記第２の画像スタックを解析して、前記第１のＺ高さでの前記第１の関心領域の最良の焦点位置に対応する第２の位相タイミングを決定することと、
    前記第１及び第２の位相タイミングを、前記第１及び第２の波長のそれぞれに関連付けると共に前記第１のＺ高さに関連付けて較正データとして記憶することと、を含み、
    前記第１のＺ高さが前記第１の焦点面に対応する、請求項９に記載の方法。
  12. 前記較正データを提供することが、前記第１のＺ高さの他に複数のＺ高さにわたって前記第１の関心領域の高さを調整することを更に含み、各Ｚ高さにおいて、前記第１及び第２の画像スタックを前記収集及び解析すること、並びに前記位相タイミングを前記各第１及び第２の波長に関連付けると共に前記各Ｚ高さに関連付けて記憶することを繰り返すことを更に含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 軸上色収差を補正する前記周期的に変更される焦点位置の前記第２の位相タイミングが、少なくとも部分的に、
    前記第１の位相タイミング、又は前記第１の位相タイミングに対応する前記第１の焦点面の高さもしくは距離の少なくとも１つと、
    前記第２の波長について、前記周期的に変更される焦点位置の前記位相タイミングを対応する焦点面の高さ又は距離に関連付ける較正データと、
    に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
  14. １つ以上の画像スタックを取得すること及び前記取得した１つ以上の画像スタックについて１つ以上の焦点ピークを求めることを含む学習モード中に前記較正データが確立される、請求項１３に記載の方法。
  15. 画像取得システムであって、
    Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって撮像システムの焦点位置を周期的に変更するために用いられる可変焦点距離レンズを含む前記撮像システムと、
    照明システムと、
    プログラミングされた命令を記憶するためのメモリと、
    前記プログラミングされた命令を実行して動作を遂行するように構成されたプロセッサと、を備え、前記動作が、
    前記照明システムを動作させて、第１の焦点面で第１の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第１の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第１の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第１の波長の露光画像成分を提供することと、
    前記照明システムを動作させて、少なくとも前記可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正すると共に前記第１の焦点面で第２の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第２の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第２の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第２の波長の露光画像成分を提供することと、
    を含む、画像取得システム。
  16. 前記照明システムが第１及び第２の照明源を含み、
    前記照明システムを動作させて前記第１の波長のストロボ照明の前記インスタンスを与えることが前記第１の照明源を動作させることを含み、
    前記照明システムを動作させて前記第２の波長のストロボ照明の前記インスタンスを与えることが前記第２の照明源を動作させることを含む、
    請求項１５に記載の画像取得システム。
  17. 前記照明システムを動作させて、少なくとも前記可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正すると共に前記第１の焦点面で第３の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第３の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第３の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第３の波長の露光画像成分を提供し、
    前記撮像システムが、前記第１、第２、及び第３の波長に対応する少なくとも３色の検出器を用いたカラーカメラを含む、請求項１５に記載の画像取得システム。
  18. 命令を記憶したコンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体であって、前記命令が、
    可変焦点距離レンズを動作させて、Ｚ高さ方向に沿った複数の焦点位置にわたって撮像システムの焦点位置を周期的に変更させる動作と、
    照明システムを動作させて、第１の焦点面で第１の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第１の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第１の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第１の波長の露光画像成分を提供する動作と、
    前記照明システムを動作させて、少なくとも前記可変焦点距離レンズの軸上色収差を補正すると共に前記第１の焦点面で第２の波長の露光画像成分を合焦させる前記周期的に変更される焦点位置の第２の位相タイミングに対応するようにタイミング調整された第２の波長のストロボ照明のインスタンスを与えることによって、前記第２の波長の露光画像成分を提供する動作と、
    を遂行するためにプロセッサにより実行可能である、コンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体。
  19. 軸上色収差を補正する前記周期的に変更される焦点位置の前記第２の位相タイミングが、少なくとも部分的に較正データと、前記第１の位相タイミング又は前記第１の焦点面の高さの少なくとも１つと、に基づいて決定される、請求項１８に記載のコンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体。
  20. 前記第１及び第２の波長の露光画像成分を合成することで波長合成画像を提供する動作を実行するために、前記記憶された命令が更にプロセッサにより実行可能である、請求項１８に記載のコンピュータ読み取り可能な非一時的記憶媒体。
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