CN107340669A - 用于高速周期性调制的可变焦距透镜的自动聚焦*** - Google Patents

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Abstract

一种用于提供自动聚焦图像的***包括：包括高速周期调制的可变焦距(VFL)透镜的成像***、VFL透镜控制器、VFL投射光源、聚焦确定部分、曝光定时调整电路、和曝光选通时间控制器。聚焦确定部分包括光学检测器，其输入通过VFL透镜投射到工件并从工件反射的反射的VFL投射光，并提供聚焦偏差信号。曝光定时调整电路基于聚焦偏差信号提供曝光定时调整信号，其指示当成像***聚焦Z高度与工件表面Z高度近似重合时的时间。曝光选通时间控制器使用曝光定时调整信号来调整图像曝光时间，使得成像***聚焦Z高度在调整后的图像曝光时间与工件表面Z高度重合。

Description

用于高速周期性调制的可变焦距透镜的自动聚焦***
相关申请的交叉引用
本申请是于2016年5月3日提交的标题为“PHASE DIFFERENCE CALIBRATION IN AVARIABLE FOCAL LENGTH LENS SYSTEM”的美国专利申请第15/145,682号(通过全文引用将其公开并入本文)的部分继续申请。
技术领域
本公开涉及精密计量学，更具体地涉及机器视觉检查***和其它光学***，其中可以使用可变焦距透镜周期性地调制聚焦位置。
背景技术
精密机器视觉检查***(或简称为“视觉***”)可用于对象的精确测量并检查其它对象特性。这样的***可以包括计算机、相机、光学***、和移动以允许工件遍历(traversal)的台(stage)。表征为通用“离线”精密视觉***的一个示例性***是从位于伊利诺伊州奥罗拉的三丰美国公司(MAC)可获得的QUICK系列基于PC的视觉***和软件。QUICK 系列视觉***和软件的特征和操作通常在例如2003年1月发表的“QVPAK3D CNC Vision Measuring Machine User’s Guide(视觉测量机用户指南)”(通过全文引用将其并入本文)中进行了描述。这种类型的***使用显微镜型光学***，并且移动该台以提供各种放大率(magnification)的小或大的工件的检查图像。
在各种应用中，期望在静止或不间断移动检查***中对于高通量执行高速测量。关于聚焦良好的检查图像和Z高度测量(其通常基于“最佳聚焦”高度确定)，检查图像获取速率和可以执行Z高度测量的速率可能受到Z高度聚焦位置调整速率或运动速度的限制。传统的机器视觉检查***可以利用各种类型的测量操作(例如，来自聚焦的点(points-from-focus)操作等)，其需要相机的移动通过Z高度位置的范围。在共焦***中，可能类似地需要移动通过Z高度位置的范围(例如，以确定导致最大共焦亮度的位置等)。在这样的***中，可以执行Z高度测量的速度可能受到***的一个或多个物理部件的运动的限制，以提供Z高度位置的范围。
为了克服这些运动约束，诸如创新的电子变形透镜和/或可调谐声学梯度透镜(TAG透镜)的可变焦透镜(VFL)能够被周期性地调制并且以非常高的速率(例如，在TAG透镜的情况下，为70KHz以上)改变聚焦位置。然而，以非常高的精度且以与其潜在的聚焦变化速率相称的速率自动确定并调整其图像聚焦位置到特定表面已被证明是有问题的。对于用于高速精密检查操作的各种高速可变焦透镜，需要改进的用于自动确定和调整图像聚焦位置的***和方法。
发明内容
提供此发明内容部分以便以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式部分中进一步描述。此发明内容部分并非旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
如上所述，一般来说，如下已知方法比期望的慢：使包括高速周期性调制的VFL透镜的成像***自动聚焦在特定工件表面，以便对该特定表面成像和/或建立其特定的Z高度。已知的方法非理想地适用于利用高速周期性调制的VFL透镜的特性，特别是与在使用TAG透镜时潜在可能提供的极高聚焦率相关的限制因素。
这里且特别参考图8至图14而公开的是，可用于在可操作以使用包括高速周期性调制的VFL透镜的成像***提供自动聚焦的图像的***的各种实施方式中，解决上述问题的元件、原理和操作的组合。所公开的实施方式对于与TAG透镜组合使用来说，是特别有利的。
特别地，公开了一种用于使用包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像***来提供自动聚焦的图像的***，其中该***包括成像***、VFL透镜控制器、VFL投射光源、聚焦确定部分、曝光定时调整电路和曝光选通(strobe)时间控制器。成像***至少包括配置为输入从工件表面产生(arise)的图像光的物镜、配置为接收由物镜透射(transmit)的图像光的VFL透镜、以及配置为接收由VFL透镜透射的光的相机。VFL透镜控制器配置为控制VFL透镜以周期性地调制其光功率功率(optical power)，从而周期性地调制成像***在多个成像***聚焦Z高度上沿着Z高度方向的聚焦位置。VFL投射光源包括配置为沿着聚焦监视光路向VFL透镜的背面并且通过VFL透镜和物镜向工件表面提供VFL投射光的光源。聚焦确定部分包括光学检测器，其配置为输入已经从工件表面区域反射、并通过物镜返回、且通过VFL透镜返回、并沿着聚焦监视光路返回的反射的VFL投射光，并且提供响应于VFL投射光的聚焦Z高度与工件表面区域的Z高度之间的差的至少一个光学检测器信号，其中VFL投射光聚焦Z高度表示成像***聚焦Z高度，并且聚焦确定部分基于至少一个光学检测器信号输出至少一个聚焦偏差信号。曝光定时调整电路输入聚焦偏差信号，并基于聚焦偏差信号，确定与在成像***聚焦Z高度与工件表面区域Z高度近似重合的时间相关的曝光定时调整信号。曝光选通时间控制器控制成像***相对于周期性调制的聚焦位置的相位时间的图像曝光时间，其中曝光选通时间控制器配置为输入曝光定时调整信号并基于曝光定时调整信号提供调整后的图像曝光时间，其中成像***聚焦Z高度在调整后的图像曝光时间与工件表面区域Z高度近似重合。
附图说明
图1是示出通用精密机器视觉检查***的各种典型部件的图；
图2是类似于图1的机器视觉检查***且包括本文公开的特征的机器视觉检查***的控制***部分和视觉部件部分的框图；
图3是根据本文公开的原理可操作的可变焦距透镜***的示意图；
图4是图示图3的可变焦距透镜***的周期性调制的控制信号和光学响应的相位定时的时序图；
图5是图示图3的可变焦距透镜***的周期性调制的控制信号与光学响应之间的相位偏移的时序图；
图6是图示用于确定表面区域的表面Z高度测量的例程的一个示例性实施方式的流程图；
图7是图示用于确定相位偏移的估计值的例程的一个示例性实施方式的流程图；
图8是根据本文公开的原理可操作以提供自动聚焦的图像的可变焦距(VFL)透镜***的第一实施方式的示意图；
图9A和图9B分别示出在图8的VFL透镜***的聚焦确定部分中可使用的第一和第二示例性“定向”型光学检测器；
图10示出可由包括如图9A或图9B所示的光学检测器之一的光学检测器的聚焦确定部分提供的代表性聚焦偏差信号；
图11A示出图示在聚焦Z高度的周期性调制期间聚焦Z高度与表面Z高度之间的关系的时序图(例如，在图8所示的VFL透镜***中)；
图11B示出可以从“量值(magnitude)”型聚焦确定部分获得的、与图11A对应的代表性聚焦偏差信号的时序图；
图11C示出可以从“定向”型聚焦确定部分获得的、与图11A对应的代表性聚焦偏差信号的时序图；
图12是根据本文公开的原理可操作以提供自动聚焦的图像的VFL透镜***的第二实施方式的示意图；
图13是根据本文公开的原理可操作以提供自动聚焦的图像的VFL透镜***的第三实施方式的示意图；以及
图14示出图示在“量值”型聚焦确定部分的一个实施方式中确定曝光定时调整信号的某些方面的时序图。
具体实施方式
图1是根据本文公开的原理可用的一个示例性机器视觉检查***10的框图。机器视觉检查***10包括视觉测量机器12，其可操作地连接以与控制计算机***14、以及与监视器或显示器16、打印机18、操纵杆22、键盘24和鼠标26交换数据和控制信号。监视器或显示器16可以显示适合于控制和/或编程机器视觉检查***10的用户界面。在各种实施方式中，触摸屏平板电脑等可以代替和/或冗余地提供计算机***14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26中的任何一个或全部的功能。
更一般来说，控制计算机***14可以包括或由任何计算***或设备、和/或分布式计算环境等组成，其中任何一个可以包括一个或多个执行软件以执行本文描述的功能的处理器。处理器包括可编程通用或特殊用途微处理器、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等、或这些设备(device)的组合。软件可以存储在诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存等、或这些部件的组合的存储器中。软件还可以存储在一个或多个存储设备(诸如光盘、闪存设备、或用于存储数据的任何其它类型的非易失性存储介质)中。软件可以包括一个或多个程序模块，其包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。在分布式计算环境中，程序模块的功能性可以在多个计算***或设备上组合或分布，并且可以通过有线或无线配置中的服务调用进行访问。
视觉测量机器12包括可移动工件台32和可以包括变焦透镜或可互换透镜的光学成像***34。变焦透镜或可互换透镜一般为由光学成像***34提供的图像提供各种放大率(例如，0.5x(倍)至100x)。相似的机器视觉检查***在共同转让的美国专利第7,324,682号、第7,454,053号、第8,111,905号和第8,111,938号中描述，它们每个通过全文引用并入本文。
图2是类似于图1的机器视觉检查***并且包括如本文所述的特征的机器视觉检查***100的控制***部分120和视觉部件部分200的框图。如下面将更详细地描述的，控制***部分120用于控制视觉部件部分200。视觉部件部分200包括光学组件部分205、光源220、230和240、以及可以具有中心透明部分212的工件台210。工件台210可沿着x轴和y轴可控地移动，所述x轴和y轴位于一般与工件20可置于的台的表面平行的平面中。
光学组件部分205可以包括光学检测器260(例如，相机、共焦光学检测器等)、可变焦距(VFL)透镜270，并且还可以包括可互换物镜250、和具有透镜286和288的转塔透镜组件280。对于转塔透镜组件替代地，可以包括固定或手动可互换的放大率改变透镜、或变焦透镜配置等。在各种实施方式中，各种透镜可以作为光学组件部分205的可变放大率透镜部分的一部分被包括。在各种实施方式中，可互换物镜250可以从一组固定放大率物镜(例如，范围从0.5x(倍)到100x的一组等)中选择。
在各种实施方式中，通过使用驱动致动器以沿着z轴移动光学组件部分205的可控马达294，光学组件部分205可沿通常正交于x轴和y轴的z轴移动，以改变工件20的图像的聚焦。可控马达294经由信号线296连接到输入/输出接口(interface)130。如将在下面更详细地描述的，VFL透镜270也可以***作以周期性地调制聚焦位置。在工件台210上放置将使用机器视觉检查***100成像的工件20、或保持多个工件20的托盘或夹具。在各种实施方式中，工件台210可以被控制以相对于光学组件部分205移动(例如，在x轴和y轴方向上)，使得成像区域(area)(例如，如通过可互换物镜250等所成像的)在工件20上、和/或多个工件20之中的位置之间移动。
台灯220、同轴灯230和表面灯240(例如，环形灯)中的一个或多个可以分别发出源光222、232和/或242，以照射一个或多个工件20。同轴灯230可以沿着包括反射镜290的路径发出光232。源光作为工件光255被反射或透射，并且工件光(例如，如用于成像)通过可互换物镜250、转塔透镜组件280和VFL透镜270，并且被光学检测器260收集(例如，相机、共焦光学检测器等)。在各种实施方式中，光学检测器260在信号线262上输入工件光，并输出信号数据(例如，工件20的一个或多个图像、共聚焦亮度信号等)到控制***部分120。光源220、230和240可以分别通过信号线或总线221、231和241连接到控制***部分120。控制***部分120可以沿着轴284旋转转塔透镜组件280，以通过信号线或总线281选择转塔透镜以改变图像放大率。
如图2所示，在各种示例性实施方式中，控制***部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序生成器、和执行器170以及电源部分190。这些部件中的每个以及下面描述的附加部件可以通过一个或多个数据/控制总线、和/或应用编程接口、或通过各种元件之间的直接连接来互连。输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口132和照明控制接口133。运动控制接口132可以包括位置控制元件132a和速度/加速度控制元件132b，尽管这些元件可以被合并和/或是不可区分的。照明控制接口133可以包括照明控制元件133a、133n和133fl，它们控制例如(如果适用)对于机器视觉检查***100的各种对应的光源的选择、电源、通/断开关和选通脉冲定时。
根据本文公开的原理，输入/输出接口130还可以包括透镜控制器/接口271、聚焦信号处理部分277和相位偏移补偿/Z高度变化校正部分278，如将在下面关于图3至图7更详细地描述的。简而言之，在一个实施方式中，透镜控制器/接口271可以包括透镜控制器，其包括透镜聚焦操作电路和/或例程等。透镜控制器/接口271可以由用户和/或操作程序来配置或控制，并且可以利用信号线271'来控制VFL透镜270以周期性地调制其光功率(例如，正弦地)，从而以确定的操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制成像***的聚焦位置。在各种实施方式中，聚焦信号处理部分277可以配置为确定与当来自光学检测器260(例如，相机***、共焦光学检测器等)的信号数据指示成像的表面区域(例如，工件20的)处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。如将在下面更详细描述的，相位偏移补偿部分278可以配置为输入对应于成像的表面区域的原始相位定时信号值，并且执行提供成像的表面区域的Z高度测量的相位偏移补偿处理，其中至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。
在各种实施方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器/接口271还可以包括扩展的景深模式，如在共同未决的和共同转让的美国专利公布第2015/0145980号(通过全文引用将其并入本文)中更详细地描述的。用户可以选择扩展的景深模式，以提供工件的至少一个图像(例如，合成图像)，其具有比当被聚焦在单个聚焦位置时视觉部件部分200可提供的景深大的景深。在各种实施方式中，成像控制接口131和/或透镜控制器/接口271还可以包括放大率改变调整模式，其可以当进行或检测到放大率改变时被选择或自动实现，如于2015年7月9日提交的标题为“Adaptable Operating Frequency of a Variable FocalLength Lens in an Adjustable Magnification Optical System”的共同未决且共同转让的美国专利申请第14/795,409号(通过全文引用将其并入本文)中更详细描述的。包括VFL透镜的其它***和方法在于2015年8月31日提交的标题为“Multi-Level Image FocusUsing a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”的共同未决且共同转让的美国专利申请第14/841,051号中、以及于2015年9月15日提交的标题为“ChromaticAberration Correction in Imaging System Including Variable Focal Length Lens”的共同未决且共同转让的美国专利申请第14/854,624号(通过全文引用将其每个并入本文)中描述。
存储器140可以包括图像文件存储器部分141、边缘检测存储器部分140ed、可以包括一个或多个零件程序等的工件程序存储器部分142等、以及视频工具部分143。视频工具部分143包括：视频工具部分143a和其它视频工具部分(例如，143n)，其确定用于每个对应的视频工具的GUI、图像处理操作等；以及感兴趣区域(ROI)生成器143roi，其支持自动、半自动和/或手动操作，所述操作定义可在视频工具部分143中包括的各种视频工具中操作的各种ROI。视频工具部分还包括自动聚焦视频工具143af，其确定GUI、图像处理操作等用于聚焦高度测量操作。自动聚焦视频工具143af可以附加地包括高速聚焦高度工具，其可用以高速测量聚焦高度，如在共同未决且共同转让的美国专利公布第214/0368726号(通过全文引用将其并入本文)中更详细地描述的。在各种实施方式中，相位偏移补偿/Z高度变化校正部分278和其它相关元件可以与一个或多个视频工具(例如，自动聚焦视频工具143af、单独的视频工具等)结合使用、或者另外地包括在一个或多个视频工具中。
在本公开的上下文中，并且如本领域普通技术人员已知的，术语“视频工具”一般是指机器视觉用户可以在无需创建包括在视频工具中的逐步操作序列或使用广义的基于文本的编程语言等的情况下，通过相对简单的用户界面(例如，图形用户界面、可编辑参数窗口、菜单等)实施的相对复杂的一组自动或编程操作。例如，视频工具可以包括复杂的预编程的图像处理操作和计算的集合，通过调整管理操作和计算的几个变量或参数来在特定实例中应用和定制所述操作和计算。除了底层操作和计算之外，视频工具还包括使用户可以为视频工具的特定实例调整这些参数的用户界面。例如，许多机器视觉视频工具使用户可以通过使用鼠标的简单的“处置拖动”操作来配置图形感兴趣区域(ROI)指示符，以便定义要通过视频工具的特定实例的图像处理操作进行分析的图像的子集的位置参数。应该注意的是，可见的用户界面特征有时被称为视频工具，其中隐含地包括底层操作。
台灯220、同轴灯230和表面灯240分别的信号线或总线221、231和241全部连接至输入/输出接口130。来自光学检测器260的信号线262、来自VFL透镜270的信号线271'和来自可控马达294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了携带图像数据之外，信号线262还可以携带来自控制器125的信号，其启动某些处理(例如，图像获取、共焦亮度测量等)。
一个或多个显示设备136(例如，图1的显示器16)和一个或多个输入设备138(例如，图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可以连接到输入/输出接口130。显示设备136和输入设备138可以用于显示可包括各种图形用户界面(GUI)特征的用户界面，所述各种图形用户界面(GUI)特征可用于执行检查操作、和/或创建、和/或修改零件程序、查看由光学检测器260捕获的图像、和/或直接控制视觉***部件部分200。显示设备136可以显示用户界面特征(例如，如与透镜控制器/接口271、聚焦信号处理部分277、相位偏移补偿/Z高度变化校正部分278等相关联)。
在各种示例性实施方式中，当用户利用机器视觉检查***100创建工件20的零件程序时，用户通过在学***、聚焦或自动聚焦、获取图像、以及提供应用至图像的检查训练序列(例如，使用该工件特征上的一个或多个视频工具的实例)。操作学习模式以使得序列被捕获、或记录、并转换成对应的零件程序指令。当执行零件程序时，这些指令将使机器视觉检查***再现所训练的图像获取，并使检查操作自动检查当前工件(例如，运行模式工件)、或类似于在创建该零件程序时使用的代表性工件的工件上的特定工件特征(即对应位置中对应的特征)。
图3是可以适应于机器视觉检查***并根据本文公开的原理操作的VFL透镜***300的示意图。应当理解，除了下面另有描述之外，图3的某些编号部件3XX可以与图2的类似编号的部件2XX对应和/或具有类似的操作。如图3所示，VFL透镜***300包括光源330、物镜350、管镜351、中继透镜352、VFL透镜370、中继透镜386、透镜控制器371、聚焦确定部375和相位偏移补偿部分378。在各种实施方式中，透镜控制器371、聚焦确定部分375和/或相位偏移补偿部分378以及附加部件中的每个可以通过一个或多个数据/控制总线(例如，***信号和控制总线395)、和/或应用编程接口、或者通过各种元件之间的直接连接而互连。
在各种实施方式中，光源330可配置为在VFL透镜***300的视野中照射工件320(例如，以选通或连续波照射)。在各种实施方式中，光源330可以包括第一照射源、第二照射源、第三照射源等，作为照射***的一部分。例如，光源330可以***作以通过操作对应的照射源(例如，作为光源330的一部分的照射源)来提供选通照射的实例。在各种实施方式中，为了实现适当的照明平衡，光源330可以是可控的，以便允许对选通照射的所有实例(例如，每个对应于光源330内的不同照射源)的强度的独立调整、以及同时调整以控制图像的整体亮度。
在操作中，在图3所示的实施方式中，光源330是配置为沿着包括部分反射镜390的路径发出源光332并通过物镜350到工件320的表面的“同轴”光源，其中物镜350接收聚焦在靠近工件320的聚焦位置FP处的工件光355，并将工件光355输出到管镜351。在其它实施方式中，类似的光源可以以非同轴的方式照射视野，例如，环形光源可以照射视野。在各种实施方式中，物镜350可以是可互换物镜，并且管镜351可以被包括作为转塔透镜组件的一部分(例如，类似于图2的可互换物镜250和转塔透镜组件280)。在各种实施方式中，物镜350、管镜351或本文所提及的任何其它透镜可以由单独的透镜、复合透镜等形成，或者与单独的透镜、复合透镜等结合地操作。管镜351接收工件光355并将其输出到中继透镜352。
中继透镜352接收工件光355并将其输出到VFL透镜370。VFL透镜370接收工件光355并将其输出到中继透镜386。中继透镜386接收工件光355并将其输出到聚焦确定部分375的光学检测器360(例如，相机、共焦光学检测器等)。在各种实施方式中，光学检测器360可以在图像曝光期间捕获工件320的图像，并且可以将图像提供给控制***部分(例如，类似于图2中用于将图像提供给控制***部分120的光学检测器260的操作)。
在各种实施方式中，VFL透镜***300还可以包括、或者替代地包括可选分束器361'、可选管镜386'和可选聚焦确定部分375'。可选聚焦确定部分375'可以包括可选光学检测器360'和可选聚焦信号处理部分377'。在操作中，分束器361'可以配置为将工件光355分离并将工件光355'输出到管镜386'。管镜386'可以配置为将工件光355'输出到光学检测器360'。在一个实施方式中，光学检测器360'可以包括共焦光学检测器，其可以配置为根据共焦原理进行操作，如本领域技术人员将理解的。
如下面将更详细描述的，在各种实施方式中，光学检测器360(或360')可配置为输入来自包括VFL透镜370的成像***的光，并且聚焦信号处理部分377(或377')可以配置为确定与当来自光学检测器的信号数据指示成像的表面区域(例如，工件320的)处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。例如，在光学检测器360是相机的实施方式中，信号数据可以对应于由相机获取的一个或多个图像(例如，图像堆叠(stack))，其中可以执行诸如来自聚焦的点操作或其它分析的对比度确定，以确定何时工件320的成像的表面区域处于聚焦位置。在美国专利第6,542,180号和第9,060,117号(其每个被共同转让且通过全文引用被并入本文)中教导了用于确定和分析图像堆叠和聚焦曲线以及用于来自聚焦的点操作的示例性技术。作为另一示例，在光学检测器360'是作为共焦配置的一部分而被包括的共焦光学检测器的实施方式中，信号数据可以对应于共焦亮度的感测水平。在这种实施方式中，可以在对VFL透镜370的光功率进行周期性调制期间使用共焦光学检测器360'，以确定何时发生最大共焦亮度，如对应于聚焦位置，以及如指示工件320的成像的表面区域的对应Z高度。
在VFL透镜***300包括具有聚焦信号处理部分377'、和光学检测器360'(例如，共焦光学检测器)的聚焦确定部分375'的实施方式中，光学检测器360(例如，相机)可能不需要用于聚焦位置确定。更具体地，在这种实施方式中，光学检测器360'可用于聚焦确定功能，而相机360可用于成像(例如，并且可能不需要包括某些实例中的聚焦信号处理部分377)。相反，如果VFL透镜***300不包括聚焦确定部分375'并且仅包括聚焦确定部分375，则相机360可用于聚焦功能。作为另一替代，在各种实施方式中，VFL透镜***300可以仅包括具有共焦光学检测器360'的聚焦确定部分375'，并且可以不包括具有相机360的聚焦确定部分375(例如，当VFL透镜***300作为独立共焦仪器的一部分而被包括时等)。
VFL透镜370可被电子控制以改变成像***的聚焦位置FP(例如，在一个或多个图像曝光期间、在共聚焦亮度确定期间，等)。聚焦位置FP可以在由聚焦位置FP1和聚焦位置FP2限定的范围R内移动。应当理解，在各种实施方式中，范围R可以由用户选择、或者由设计参数产生、或者可以另外自动确定。关于图3的示例，一般，将会理解，某些所示出的尺寸可能不是按比例的。例如，VFL透镜370可以具有与所示出的尺寸不同比例的尺寸(例如，对于某些应用而言，可能较窄且长达50mm或更长，以提供期望量的透镜光功率等)。
在各种实施方式中，机器视觉检查***可以包括控制***(例如，图2的控制***120)，其可配置为与透镜控制器371结合地操作、或者另外地控制VFL透镜370以周期性地调制VFL透镜***300的聚焦位置。在一些实施方式中，VFL透镜370可以非常快速地调整或调制聚焦位置(例如，以至少300Hz、或3kHz、或70kHz或高得多的速率周期性地)。在一个示例性实施方式中，范围R可以是近似10mm(例如，对于1X(倍)物镜350)。在各种实施方式中，有利地选择VFL透镜370，使得其不需要成像***中的任何宏观机械调整、和/或对物镜350与工件320之间的距离的调整以改变聚焦位置FP。在这种情况下，如先前并入的’980公布中所述的，可以获取扩展的景深图像。此外，当相同的成像***用于获取可用于精密测量(例如，用于在几微米或十分之几微米或更小等的量级上的精度)的固定聚焦检查图像时，没有宏观调整元件或相关联的定位不可重复性以降低精度。如先前并入的’726公布中所述的，也可以利用聚焦位置FP的变化来快速地获取包括沿着靠近工件320的Z高度方向的多个位置处的多个图像的图像堆叠。
在各种实施方式中，VFL透镜370可以是可调谐声学梯度折射率(“TAG”)透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是使用流体介质中的声波来调制聚焦位置的高速VFL透镜，并且可以以几百kHz的频率周期性地扫描焦距范围。这种透镜可以通过文章“High-speedvarifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens”(Optics Letters，Vol.33，No.18，2008年9月15日)的教导来理解，通过全文引用将该文章并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和相关的可控信号发生器例如从新泽西州普林斯顿的TAG Optics公司可获得。例如，型号TL2.B.xxx系列透镜能够调制高达约600KHz。
在各种实施方式中，如先前并入的’726公布中更详细地描述的，光学检测器360可以包括具有全局快门的传感器，即，同时暴光每个像素的传感器。这样的实施方式是有利的，在于它提供了在没有工件或VFL透镜***300的任何部分的运动的情况下测量图像堆叠的能力。在各种替代实施方式中，光学检测器360可以包括具有电子滚动快门(ERS)***的传感器。例如，相机***可以包括与电子滚动快门(ERS)***(例如，来自加利福尼亚州圣何塞的Aptina Imaging的型号MT9M001)耦合的、使用SXGA分辨率的黑白CMOS传感器。
VFL透镜370可以由透镜控制器371驱动，透镜控制器371可以生成信号以操作VFL透镜370。在一个实施例中，透镜控制器371可以是商用可控信号发生器。在一些实施方式中，透镜控制器371可以由用户和/或操作程序(例如，通过透镜控制器/接口271，如先前关于图2所述的)来配置或控制。在一些实施方式中，透镜控制器371可以控制VFL透镜370以周期性地调制其光功率(例如，正弦地)，从而以高操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制成像***的聚焦位置。例如，在一些示例性实施方式中，可以将可调谐声学梯度折射率透镜配置用于高达400kHz的聚焦扫描速率，尽管应当理解，在各种实施方式和/或应用中，可能期望较慢的聚焦位置调整和/或调制频率。例如，在各种实施方式中，可以使用300Hz、或3kHz、或70kHz、或250kHz等的周期性调制。在使用较慢的聚焦位置调整的实施方式中，VFL透镜370可以包括可控流体透镜等。在各种实施方式中，周期性调制的VFL透镜光功率可以定义第一周期性调制相位。
在各种实施方式中，透镜控制器371可以包括驱动信号发生器部分372和Z高度与相位校准部分373。驱动信号发生器部分372可以操作(例如，结合定时时钟372')以提供周期信号。在各种实施方式中，相位定时信号可以由与驱动信号发生器部分372的周期信号同步的透镜控制器371提供。在各种实施方式中，周期信号可以具有与周期性调制的VFL透镜光功率相同的操作频率，并且可以具有相对于周期调制的VLF透镜光功率的第一周期性调制相位具有相位偏移的第二周期性调制相位。在各种实施方式中，Z高度与相位校准部分373可以提供第一Z高度与相位表征，其将各个Z高度与各个的相位定时信号值相关。
在各种实施方式中，光学检测器360(或360')可以配置为输入来自包括VFL透镜370的成像***的光，并且聚焦信号处理部分377(或377')可以配置为确定与当来自光学检测器的信号数据指示成像的表面区域(例如，工件320的)处于聚焦位置时对应的原始相位定时信号值。如将在下面关于图5更详细地描述的，原始相位定时信号值可以包括与第一和第二周期性调制相位之间的相位偏移相关的相位偏移贡献。如下面也将更详细地描述的，相位偏移补偿部分378可以配置为输入对应于成像的表面区域的原始相位定时信号值，并且执行提供成像的表面区域的Z高度测量的相位偏移补偿处理，其中，至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。在各种实施方式中，相位偏移补偿部分378的相位偏移估计部分379可以确定可用作相位偏移补偿处理的一部分的相位偏移的估计值。
在图3的示例中，中继透镜352和386以及VFL透镜370被指定为包括在4f光学配置中，而中继透镜352和管镜351被指定为包括在开普勒望远镜配置中，并且管镜351和物镜350被指定为包括在显微镜配置中。所有所示出的配置将被理解为仅是示例性的，而不是关于本公开的限制。作为开普勒望远镜配置的一部分，管镜351的焦距FTUBE被示出为与透镜351和352之间的中点近似等距，中继透镜352的焦距f也是如此。在替代实施方式中，可以使得管镜351的焦距FTUBE不同于中继透镜352的焦距f(其对应于4f光学配置的4f中的一个)。在管镜351可以被包括作为转塔透镜组件的一部分的各种实施方式中，可期望当旋转到操作位置时转塔透镜组件的其它管镜具有在相同位置处的焦点(即，以便遇到(meet)中继透镜352的焦点)。
如先前并入的’409申请中更详细地描述的，可以利用焦距FTUBE与焦距f的比率来相对于输入到管镜351的工件光355的准直光束，改变出自中继透镜352的工件光355的准直光束的直径。关于分别输入到管镜351和从中继透镜352输出的工件光355的准直光束将理解，在各种实施方式中，这样的准直光束可以被延伸到更长的路径长度，和/或可以关于这种准直光束而使用分束器，以提供附加的光路径(例如，如引导至不同的相机***等)。
在各种实施方式中，所示的4f光学配置允许将VFL透镜370(例如，其可以是低数值孔径(NA)设备，例如可调谐声学梯度折射率透镜)放置在物镜350的傅立叶平面处。该配置可以保持工件320处的偏心度，并且可以最小化比例变化和图像失真(例如，包括为工件320的每个Z高度和/或聚焦位置FP提供恒定的放大率)。开普勒望远镜配置(例如，包括管镜351和中继透镜352)可以包括在显微镜配置和4f光学配置之间，并且可以配置为提供物镜通光孔径在VFL透镜的位置处的期望投射大小，以最小化图像像差等。
应当理解，在各种实施方式中，某些类型的尺寸测量可能需要近衍射或衍射极限成像。图3所示的配置通过限制被成像到VFL透镜370中的物镜350的光瞳的离轴范围来减少像差。在该配置中，可以将径向范围保持为小于VFL透镜370(例如，可调谐声学梯度折射率透镜)在其最低谐振频率fR,MIN的驻波的折射率分布中的第一贝塞尔环的径向范围，如先前并入的’409申请中更详细描述的。以这种方式，来自显微镜配置(即，包括物镜350和管镜351)的光不会超过VFL透镜370的最大通光孔径CAVFL,MAX。在光确实超过最大通光孔径的实施方式中，光可以与VFL透镜370的驻波的可能具有不期望的折射率的区域相互作用，这可能增加像差并降低尺寸测量精度。以下将关于图4和图5更详细地描述VFL透镜***300的一些示例性操作。
图4是示出了图3的VFL透镜***的周期性调制的控制信号410和光学响应420的相位定时的时序图400。在图4的示例中，示出了如下理想情况：控制信号410和光学响应420具有类似的相位定时，并且因此被表示为相同的信号(例如，与图5的信号由相位偏移而分开的示例相反，如将在下面更详细描述的)。在各种实施方式中，控制信号410可以与由图3的驱动信号发生器372产生的驱动信号相关，并且光学响应420可以表示成像***的周期性调制的聚焦位置，其通过周期性地调制VFL透镜370的光功率而被控制，如上所述的。
在各种实施方式中，曲线410和420的正弦形状可以取决于透镜系列(例如，如图2所示的物镜350、VFL透镜370等)，其中VFL透镜370的光功率经历如图4所示的周期(cycle)，并且等于1/f(其中f＝焦距)。如将在下面更详细描述的，可以根据已知原理通过校准来建立将各个Z高度与各个相位定时信号值相关的Z高度与相位表征(例如，根据数学模型、和/或通过将表面重复地步进(step)到已知Z高度，然后手动地或计算地确定在已知Z高度处最佳地聚焦图像的相位定时，并将该关系存储在查找表等中)。
时序图400示出了等于控制信号410的各个相位定时信号值(例如，t0、t90、t180、t270等)的相位定时(例如，φ0、φ90、φ180、φ270等)，其对应于各个Z高度(例如，zφ0、zφ90、zφ180、zφ270等)。在各种实施方式中，相位定时信号值(例如，t0、t90、t180、t270等)可以根据相位定时信号(例如，由用于建立相对于周期性调制的定时的时钟或其它技术等提供)确定。应当理解，时序图400中所示的相位定时信号值旨在仅仅是示例性的而不是限制性的。更一般地，任何相位定时信号值将在所示的聚焦位置范围(例如，所示示例中具有最大Z高度zφ90和最小Z高度zφ270的范围)内具有相关联的聚焦位置Z高度。
如上所述，可以使用各种技术(例如，利用来自聚焦的点、最大共焦亮度确定等)来确定何时成像的表面区域聚焦(in focus)，这可对应于成像的表面区域的Z高度测量。例如，成像的表面区域可以根据何时成像的表面区域聚焦而被确定为在Z高度zφsurf。也就是说，在所示示例中，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(-)的相位定时φsurf_ind(-)，聚焦位置在Z高度zφsurf，并且位于Z高度zφsurf的工件表面区域将聚焦。类似地，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(+)的相位定时φsurf_ind(+)，聚焦位置在Z高度zφsurf，并且位于Z高度zφsurf的工件表面区域将聚焦。应当理解，这样的值可以包括在将各个Z高度与各个相位定时信号值相关的Z高度与相位表征中，使得当成像的表面区域被确定为聚焦时，对应的相位定时信号值(例如，Tsurf_ind(-))可用于查找成像的表面区域的对应测量的Z高度(例如，Z高度zφsurf)。
在所示示例中，相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动。更具体地，相位定时信号值Tsurf_ind(-)对应于调制的聚焦位置在第一方向上(例如，向下)的移动，而相位定时信号值Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在与第一方向相反的第二方向上(例如，向上)的移动。由于控制信号410和光学响应420在图4的示例中具有类似的相位定时，所以控制信号410的相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)被示为对应于相同的Z-高度zφsurf。相反，如下面将关于图5更详细地描述的，当光学响应420相对于控制信号410具有相位偏移时，可以将不同的Z高度指示为对应于这种相位定时信号值，对于其可以根据本文公开的原理利用相位偏移补偿处理。
图5是示出了图3的VFL透镜***的周期性调制的控制信号410'和光学响应420'之间的相位偏移的时序图500。如图5所示，相位偏移贡献对应于delta相位定时△φ，其对应于delta相位定时信号值△t。作为相位偏移贡献的结果，当成像的表面区域实际上在Z高度zφsurf_act时，相对于光学响应420'的对应相位定时信号值可以指示相对于控制信号410'的其它Z高度。
也就是说，在所示示例中，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(-)的相位定时φsurf_ind(-)，光学响应420'对应于在Z高度zφsurf_act的聚焦位置，然而控制信号410'不正确地指示聚焦位置在Z高度zφsurf_ind(-)。Z高度zφsurf_act和Z高度zφsurf_ind(-)之间的差示为Z高度误差Zerr(-)。类似地，在等于相位定时信号值Tsurf_ind(+)的相位定时φsurf_ind(+)，光学响应420'对应于在Z高度zφsurf_act的聚焦位置，然而控制信号410'不正确地指示聚焦位置在Z高度zφsurf_ind(+)。Z高度zφsurf_act和Z高度zφsurf_ind(+)之间的差示出为Z高度误差Zerr(+)。
如上所述，相位定时信号值Tsurf_ind(-)对应于调制的聚焦位置在第一方向上(例如，向下)的移动，而相位定时信号值Tsurf_ind(+)对应于调制的聚焦位置在与第一方向相反的第二方向上(例如，向上)的移动。如图所示，对应的Z高度误差Zerr(-)和Zerr(+)也可以相应地彼此相对地相反(例如，相对于Z高度zφsurf_act)。在各种实施方式中，可以将Z高度误差Zerr(-)和Zerr(+)的相反性质用作相位偏移补偿处理的一部分。根据本文公开的原理，可以在各种实施方式中使用不同的相位偏移补偿处理，如将在下面更详细地描述的。
例如，在一个配置中，相位偏移补偿处理可以包括基于原始相位定时信号值的对应集合，确定成像的表面区域的Z高度测量结果，所述原始相位定时信号值的对应集合包括对应于成像***的调制的聚焦位置在各个相反的方向上的移动的、原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集。关于图5的示例，原始相位定时信号值的第一相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(-)，并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值(例如，在下个VFL透镜周期内，当调制的聚焦位置在向下的方向上移动期间，成像的表面区域再次聚焦时，可以再次确定另一个相位定时信号值，等)。类似地，原始相位定时信号值的第二相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(+)，并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值(例如，在下个VFL透镜周期内，当调制的聚焦位置在向上的方向上移动期间。成像的表面区域再次聚焦时，可以再次确定另一个相位定时信号值，等)。
在一个实施方式中，这样的相位偏移补偿处理可以更具体地开始于：基于原始相位定时信号值的第一子集中的至少一个值(例如，原始相位定时信号值Tsurf_ind(-))以及第一Z高度与相位表征，来确定第一预备Z高度测量结果子集(例如，至少包括Z高度zφsurf_ind(-))。该处理还可以包括基于原始相位定时信号值的第二子集中的至少一个值(例如，原始相位定时信号值Tsurf_ind(+))以及第一Z高度与相位表征，来确定第二预备Z高度测量结果子集(例如，至少包括Z高度zφsurf_ind(+))。该处理还可以包括确定在第一预备Z高度测量结果子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(-))与在第二预备Z高度测量结果子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(+))之间的中间的Z高度测量值(例如，Z高度zφsurf_act)，并且使用所确定的Z高度测量结果(例如，Z高度zφsurf_act)作为成像的表面区域的Z高度测量值。在各种实施方式中，可以将Z高度测量值(例如，Z高度zφsurf_act)确定为第一预备Z高度测量结果子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(-))以及在第二预备Z高度测量结果子集中的至少一个值(例如，Z高度zφsurf_ind(+))的平均。在各种实施方式中，VFL透镜***的控制器可以将成像***的操作范围限制为小于最大操作范围的2/3，以便不包括控制器中的周期信号的峰值或谷值(例如，以便在正弦曲线410'和/或420'的相对线性部分期间利用上述相位偏移补偿处理，与在峰值和谷值等处出现的非线性部分相反)。
作为另一示例，在不同的配置中，相位偏移补偿处理可以被配置为确定相位偏移的估计值，并且可以包括用于基于至少一个对应的原始相位定时信号值和相位偏移的估计值来确定成像的表面区域的Z高度测量结果的Z高度确定处理。在这种配置中，Z高度确定处理可以包括通过利用相位偏移的估计值处理至少一个对应的原始相位定时信号值来确定补偿的相位定时信号值，以减小相位偏移贡献，并且还可以包括基于补偿的相位定时信号值和第一Z高度与相位表征来确定Z高度测量结果。在一个实施方式中，相位偏移补偿部分可以包括相位偏移估计部分，其可操作以执行调整相位偏移的估计值以满足标准的调整处理。在一个实施方式中，标准是这样的：当在对固定表面区域进行成像时，Z高度确定处理基于相位偏移的所调整的估计值、并且对应于原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集被重复时，近似最小化所得到的相反方向Z高度测量结果之间的方差或差中的至少一个，其中所述原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集对应于成像***的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动。关于图5的示例，原始相位定时信号值的第一相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(-)(和所得到的Z高度zφsurf_ind(-)的Z高度测量结果)，并且原始相位定时信号值的第二个相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(+)(和所得到的Z高度zφsurf_ind(+)的Z高度测量结果)。在这个实例中，所得到的相反方向Z高度测量结果之间的方差和/或差可以等于Z高度误差Zerr(-)和Zerr(+)的和。如将在下面关于图7更详细地描述的，在一个实施方式中，可以调整相位偏移的估计值(例如，以增量步长)以确定导致所得到的相反方向Z高度测量结果之间的最小化的方差或差的相位偏移的估计值(例如，以便实现与图4的示例更可比的配置，在图4的示例中使得控制信号410'的相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)更接近于对应于相同的Z高度zφsurf_act)。
作为另一示例，在确定和调整相位偏移的估计值的另一配置中，相位偏移补偿处理可以包括对固定表面区域进行成像、并且确定原始相位定时信号值的对应集合，所述原始相位定时信号值的对应集合包括原始相位定时信号值的至少第一和第二相应子集，其对应于成像***的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动。在这种配置中，原始相位定时信号值的第一和第二相应子集可以在名义上围绕第一周期性调制相位的90度相位或270度相位而对称地间隔，并且可以基于原始相位定时信号值的第一和第二各个子集调整相位偏移的估计值。关于图5的示例，原始相位定时信号值的第一相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(-)、并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值，并且原始相位定时信号值的第二相应子集可以至少包括相位定时信号值Tsurf_ind(+)、并且还可以包括在后续VFL透镜周期期间确定的类似相位定时信号值。原始相位定时信号值的这样的第一和第二相应子集将在名以上围绕光学响应420'的第一周期性调制相位的270度相位对称地间隔，如图5关于原始相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)的间隔所示的。
在一个实施方式中，基于原始相位定时信号值的第一和第二相应子集来调整相位偏移的估计值的操作可以开始于：使第一周期性调制相位的90度相位或270度相位的第一峰值相位定时信号值近似作为原始相位定时信号值的第一和第二相应子集的平均(例如，针对270度相位的原始相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)之间的平均值)。该操作还可以包括基于与具有第二周期性调制相位的控制器中的周期信号同步的相位定时信号来建立第二周期性调制相位的对应90度相位或270度相位的第二峰值相位定时信号值(例如，相位定时信号值t270)。该操作还可以包括将相位偏移的估计值调整到与第一和第二峰值相位定时信号值之间的差对应的值(例如，以便实现与图4的示例可比的配置，在图4的示例中使得控制信号410'的相位定时信号值Tsurf_ind(-)和Tsurf_ind(+)得更接近于对应于相同的Z高度zφsurf_act)。
在各种实施方式中，控制信号410'可以与由VFL透镜***产生和/或确定的各种其它信号相关。例如，同步脉冲可以由VFL透镜***的某些电子电路或例程产生，并且可以被同步以使得它们沿着光学响应和/或驱动信号(例如，如图3的由驱动信号发生器372产生的)发生在指定的相位位置。在一些实例中，可以提供关于VFL透镜和/或***的文档，其可以指示所提供的同步脉冲旨在发生在功率曲线(例如，光学响应420')上的指定位置。然而，在实践中已经观察到在特定的和实际的同步脉冲位置之间可能存在延迟(例如，相位延迟)。此外，已经观察到，该延迟倾向于根据条件(例如，温度等)而变化。在各种实施方式中，控制信号410'可以是合成信号，其表示或以另外同步于这样的同步脉冲的定时，并且可以对应于Z高度与相位表征的值。在一个实施方式中，同步脉冲可以与由图3的驱动信号发生器372产生的驱动信号同步，并且可以沿着驱动信号发生在指定的相位位置。例如，在各种实施方式中，光学响应420'可能相对于驱动信号具有相位偏移，并且控制信号410'(例如，表示同步脉冲的定时)可以与驱动信号同步，但也可以相对于驱动信号具有相位偏移。在一个实施方式中，相位定时信号(例如，由时钟等提供的)可以与控制信号410'和/或对应的同步脉冲同步。
图6是示出了用于确定表面区域的表面Z高度测量结果的例程600的一个示例性实施方式的流程图。在框610，控制VFL透镜以周期性地调制其光功率，从而以第一操作频率在沿着Z高度方向的多个聚焦位置上周期性地调制光学***的聚焦位置，其中周期性调制的VFL透镜光功率定义了第一周期性调制相位。在框620，提供相位定时信号，其中相位定时信号与具有第一操作频率以及具有第二周期性调制相位的周期信号同步，所述第二周期性调制相位相对于第一周期性调制相位具有相位偏移。
在框630，提供第一Z高度与相位表征，其将各个Z高度与各个相位定时信号值相关。在框640，确定对应于当来自光学检测器的信号数据指示表面区域在聚焦位置时的原始相位定时信号值，原始相位定时信号值包括与第一和第二周期性调制相位之间的相位偏移相关的相位偏移贡献。在框650，执行提供表面区域的Z高度测量结果的相位偏移补偿处理，其中在所提供的Z高度测量结果中，至少部分地消除与相位偏移贡献相关的Z高度误差或Z高度变化中的至少一个。
图7是图示用于确定相位偏移的估计值的例程700的一个示例性实施方式的流程图。在例程700用于校准过程中以创建或调整Z-高度与相位表征的情况下，将如本文所概述的那样使用的，例程700还可以确定对应于VFL透镜***的聚焦的实际Z扫描范围的缩放因子(scaling factor)。
在框710，确定VFL透镜***的调制周期(cycle)的时段长度(period)T。在各种实施方式中，可以使用各种技术来确定周期性调制周期的时段长度T。例如，在生成同步脉冲(例如，通过VFL透镜***的某些电子电路或例程等)的配置中，时段长度T可以被计算为两个同步脉冲之间的平均时段长度。在采用高采样频率(例如，对于每周期性调制周期有测量的Z高度的数千个样本)的实施方式中，在一些实例中可以使用两个同步脉冲之间的中位数量的样本来确定周期性调制周期的时段长度T。在框720，确定VFL透镜***的近似Z扫描范围。在各种实施方式中，近似Z扫描范围可以基于VFL透镜***的光学模型。
在框730，确定相位偏移的初始试验估计值、以及将各个Z高度与各个相位定时信号值相关的Z高度与相位表征。在各种实施方式中，可以基于时段长度T、和近似Z扫描范围、以及相位偏移的初始试验估计值来确定Z高度与相位表征。在各种实施方式中，Z高度与相位表征可以基于数学或其它模型(例如，包括对应于具有指定的Z范围、时段长度T和相位偏移的初始试验估计值等的正弦波或余弦波的值)、或基于实验地测量的***的Z高度-相位表征(例如，使用诸如线性近似、样条内插、正弦波拟合等的各种方法内插的查找表)。在各种实施方式中，可能期望使Z高度与相位表征中的值的数量近似等于在两个同步脉冲之间出现的样本(例如，测量的Z高度)的数量，其在某些实例下可能取决于VFL透镜***的采样率。在各种实施方式中，可以根据***的期望精度来使用不同的采样率(例如，每周期数千个样本等)。
在框740，表面区域(例如，在校准过程的情况下的反射镜)位于VFL透镜***Z扫描范围内。在各种实施方式中，可能期望将表面区域近似地放置在Z扫描范围的中间。在其它扫描能力(例如，用于横向扫描等)被包括作为VFL透镜***的一部分的实施方式中，可能期望关闭或以其它方式禁用这些其它类型的扫描，以便减少其它光学误差对所测量的表面位置的Z变化的影响。更具体地，在某些实施方式中，期望使用VFL透镜***的Z高度扫描能力，重复地测量静止校准表面的成像的表面区域上完全相同的点。
在框750，确定对应于当静止的成像的表面区域处于聚焦位置时的双向相位定时信号值和对应的Z高度测量结果。如上面关于图5所述，在各种实施方式中，这样的操作可以包括在对固定表面区域进行成像时，基于相位偏移的试验估计值执行Z高度确定处理，以及重复对应于原始相位定时信号的至少第一和第二相应子集(其对应于成像***的调制的聚焦位置在各个相反方向上的移动)的操作。在各种实施方式中，可以使用当前Z高度与相位表征，从多个Z扫描确定多个Z高度测量结果。在各种实施方式(诸如VFL透镜370***作以每秒大量周期(例如，数千等)连续扫描)中，可以针对每个Z扫描，快速确定Z高度测量结果(例如，在上和下方向上，如上面关于图4和图5所述的)。以这种方式，当测量成像的表面区域上的静止表面点时，可以快速地累积大量(例如，数千等)Z高度(例如，利用共焦或其它***等)。
在判定框760，确定是否至少近似地最小化试验方差或差中的至少一个。例如，可以将标准偏差计算应用于所确定的Z高度测量结果(例如，计算它们的sigma)，以确定总体试验方差或差。如果总体试验方差或差未被充分地最小化，则例程进行到框770，在框770中调整相位偏移的试验估计值。例如，相位偏移的试验估计值可以通过增量步长(例如，0.1度相位步长等)或其它技术来调整，以便提供相位偏移的新的试验估计值。然而，这种调整估计的相位偏移的实施方式仅是示例性的，而不是限制性的。例如，在一个替代调整方法中，可以在估计的或预定的范围上，为多个相应的相位偏移确定各自的差或方差值，这可以定义数据点的对应曲线。曲线的最小值(最小方差或差)可以通过已知方法(曲线拟合和峰值或谷值的发现等)发现，并且对应的相位偏移值可用于估计的相位偏移。这可能导致对用于建立曲线的初始值之间的内插相位偏移值进行“理想”和精确的调整。基于本文包括的各种教导，用于执行框770的操作的这些方法和其它替代方法对于本领域普通技术人员来说会是显而易见的。
如果试验方差或差被至少近似地最小化，则例程进行到框780。在各种实施方式中，一旦已经确定试验方差或差被最小化(例如，在执行框750至770的操作以满足框760的要求之后)，可以将相位偏移的对应的试验估计值用作VFL透镜***的后续Z高度测量操作的相位偏移的估计值。在各种实施方式中，相位偏移的估计值可以用作用于单独地或共同地确定测量的Z高度的一个或多个处理的一部分，或者可以用于调整先前确定的Z高度与相位表征以考虑相位偏移的漂移(drift)或变化。换句话说，如果对应于先前确定的Z高度与相位表征或者构成先前确定的Z高度与相位表征的基础的“原始”相位偏移已经改变，则“原始”相位偏移与相位偏移的新估计值之间的差可以用于按照相位偏移的新估计值将Z高度与相位表征移位(shift)或调整为正确的。
在框780，在例程700被用于创建或调整Z高度与相位表征的校准过程的情况下，确定缩放因子(例如，用于缩放各个Z高度值等)。在各种实施方式中，缩放因子的确定可以包括使用具有已知Z步长高度的校准对象、或者单个表面可以在Z中以已知量位移(displace)，等。为了确定缩放因子，测量具有已知的Z步长高度的校准对象、或者在Z中以已知量位移的表面，以便确定对应的第一和第二Z高度测量结果(例如，利用Z高度确定过程，其至少部分地基于确定的第一和第二对应的原始相位定时信号值、和相位偏移的估计值等)。相应地确定测量的Z高度差，其对应于第一和第二Z高度测量结果之间的差。然后确定缩放因子，当乘以或以其它方式应用于所测量的Z高度差时，其导致等于已知Z高度差的值。实际上，可以理解，该缩放因子可用于精确校准VFL透镜***的Z高度聚焦变化的范围或幅度。如果需要或期望，则这种缩放因子可用于建立用在Z高度与相位表征中使用的Z高度值、或者调整在所调整的Z高度与相位表征中使用的Z高度值。
以下关于图8至图14所公开的问题解决方案和相关原理略微不同于上面关于图1至图7所公开的那些。前面对图1至图7的描述公开了可用于***的各种实施方式中的元件、原理和操作的各种组合，其中所述***可操作以使用包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像***来提供更精确的Z高度测量。特别地，光学聚焦检测器和聚焦信号处理部分以非常小的时延指示何时成像的表面区域处于聚焦位置。相关信号和定时信息允许相位偏移补偿处理以提高的精度提供与表面区域的图像相关的Z高度测量。特别地，可以至少部分地消除由于从电子和机电时延产生的相位偏移误差导致的在现有技术***中存在的Z高度误差或Z高度测量变化中的至少一个。然而，尽管前面的描述使得当使用高速周期性调制的(例如，70kHz)可变焦距(VFL))透镜时能够提高对应于已建立的图像聚焦位置的Z高度测量的精度，但是前面的描述没有公开用于自动调整图像聚焦位置(即，自动聚焦)以使其与特定工件表面重合以便对该特定表面进行成像和/或建立其特定的Z高度的完整***。一般来说，这样做的已知方法比期望的慢，并非理想地适用于利用高速周期性调制的VFL透镜(例如，TAG透镜)的特性。
在各种应用中，对于高通量，期望在静止或不间断移动检查***中执行高速测量。关于聚焦良好的检查图像和Z高度测量(其通常基于“最佳聚焦”高度确定)，检查图像获取速率和可以执行Z高度测量的速率可能受到Z高度聚焦位置调整速率或运动速度的限制。然而，创新的可变焦距透镜(例如，TAG透镜)能够被周期性地调制并且以非常高的速率(例如，70KHz)改变聚焦。以与它们焦距变化的速率相称的速率、以非常高的精度自动确定和调整他们的图像聚焦位置，已被证明是有问题的。对于用于高速精密检查操作的各种高速可变聚焦透镜，需要改进的用于自动确定和调整图像聚焦位置的***和方法。
以下对图8至图14的描述公开了可用于***的各种实施方式中的元件、原理和操作的各种组合，其中所述***可操作以使用包括高速周期性调制的VFL透镜(例如，TAG透镜)的成像***来提供自动聚焦的图像。为了简要回顾这些成像***的一些一般操作原理，应当理解，这样的成像***在每个调制时段内，在特定的定时或相位定时具有特定的聚焦位置(或聚焦Z高度)。因此，可以控制选通元件(例如，频闪照射(strobe illumination)源或快速电子相机快门)以在特定相位定时短暂地启用曝光，以便在期望的对应聚焦位置处获取曝光增量。为了增加曝光而不使所得到的图像模糊，可以在图像曝光期间发生(例如，在整个相机图像整合时间发生)的周期性调制的多个时段上，在特定相位定时重复地选通选通元件。参考先前并入的参考文献以及参考美国专利第8,194,307号和第9,143,674号(通过全文引用将其每个并入本文)、以及参考共同未决且共同转让的、于2015年8月31日提交的标题为“Multi-Level Image Focus Using a Tunable Lens in the Machine VisionInspection System”的美国专利申请第14/841,051号和于2016年11月23日提交的标题为“Machine Vision Inspection System And Method For Obtaining An Image With AnExtended Depth Of Field”的美国专利申请第15/360,671号(通过全文引用将其每个并入本文)，可以更详细地理解这些原理。
根据上面概述的原理，为了使包括高速周期性调制的VFL透镜(例如，TAG透镜)的成像***自动聚焦在特定表面上，需要一种***来在特定相位定时对应于聚焦在该特定表面时自动感测、然后操作曝光选通时间控制器以在所感测的特定相位定时短暂地启用曝光。下面描述这种***的各种实施方式。
图8是可以***作以使用包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜370的成像***来提供自动聚焦的图像的***800的第一实施方式的示意图。应当理解，图8的***800与图3的***300共享一些特性，并且可以在很大程度上通过基于先前描述的类比来理解。图8的某些编号的部件可以对应于和/或具有与图3的类似编号的部件类似的操作，除非下面另有说明。因此，将不详细描述这些类似的部件和共享的特性。以下描述强调***800的操作的、与本文先前描述的各种***实施方式相比是新的或附加的某些元件和方面。特别地，强调与自动调整曝光定时以提供自动聚焦的图像相关的元件和操作。
***800包括成像***810、VFL透镜控制器371、VFL投射光源840、聚焦确定部分880、曝光定时调整电路890和曝光选通时间控制器895。在各种实施方式中，成像***810至少包括物镜350(其配置为输入从工件表面产生的图像光)、VFL透镜370(其配置为接收由物镜透射的图像光)和相机360(其配置为接收由VFL透镜370透射的光)。在图8所示的特定配置中，成像***800还包括之前关于图3描述的“4f”配置中的透镜351、352和386。
VFL透镜控制器371配置为控制VFL透镜370周期性地调制其光功率，从而在沿着Z高度方向(例如，示意性地由图8中的坐标fZ表示)的多个成像***聚焦Z高度上周期性地调制成像***810的聚焦位置。VFL透镜控制器371的各个方面先前已经在本文并且在所并入的参考文献中更详细地描述了。
VFL投射光源840包括配置为沿着聚焦监视光路844向VFL透镜370的背面370B并且通过VFL透镜370和物镜350向工件表面320'提供VFL投射光843的光源。在图8所示的特定实施方式中，VFL投射光源840包括光发生器841(例如，一个或多个LED或激光二极管)和准直透镜842。在各种实施方式中，VFL投射光843可以在其沿着聚焦监视光路844投射到VFL透镜370的背面370B时被准直。在这样的实施方式中，VFL投射光843将被聚焦在与成像***810相同的Z高度处，这可能有利于在以下概述的操作和方法中使用，但不是严格要求的，在于它们的聚焦Z高度的轻微差异可以根据已知方法在电子或软件中得到补偿。在各种实施方式中，光发生器841可以输出一个或多个可见或不可见的波长，其条件是所述波长在光学检测器885的感测范围内。
聚焦确定部分880包括光学检测器885，其配置为输入已经从工件表面320'的区域反射、并经过物镜350返回、并经过VFL透镜370返回、并且沿着聚焦监视光路844返回的反射的VFL投射光845。当然，在任何特定实施例中，反射的VFL投射光845也通过沿着该光路定位的任何其它光学部件。例如，在图8所示的特定实施例中，反射的VFL投射光845通过物镜350、分束器339、透镜351、透镜352、VFL透镜370被反射回，并且被分束器889反射、并且沿着聚焦监视光路844、通过分束器888、且至光学检测器885。
响应于接收到反射的VFL投射光845，光学检测器885输出至少一个光学检测器信号，其响应于VFL投射光的聚焦Z高度与工件表面320'上反射VFL投射光的区域的Z高度之间的差。应当理解，根据图8所示并且在上面概述的配置，VFL投射光聚焦Z高度表示成像***聚焦Z高度。可用作光学检测器885的一些示例性光学检测器的操作在下面更详细地描述。应当理解，在一些实施方式中，聚焦确定部分880和/或光学检测器885可以包括各种信号和调节(conditioning)和/或处理电路(未示出)，其根据已知原理被设计为输入来自光学检测器885的一个或多个原始光学检测器信号，并且基于光学检测器信号提供放大和/或信号处理，以便以更好地适合于***800的其它元件使用的形式输出一个或多个聚焦偏差信号。
曝光定时调整电路890从聚焦确定部分880(例如，在一些实施方式中在信号线887上)输入聚焦偏差信号，并且基于聚焦偏差信号确定与当成像***聚焦Z高度与工件表面区域Z高度近似重合时的时间相关的曝光定时调整信号。以下更详细地描述可用于基于聚焦偏差信号确定曝光定时调整信号的各种示例性实施方式。在各种实施例中，曝光定时调整电路890可以方便地包括聚焦确定光控制电路，其配置为在聚焦确定时间段期间(例如，使用控制线897)控制VFL投射光843的定时。在一些实施方式中，可以连续地提供VFL投射光843，并且，在其它实施方式中，可以在聚焦确定时间段期间选通VFL投射光843。在一些实施方式中，可以在基于聚焦偏差信号和/或曝光定时调整信号调整的时间选通VFL投射光843，如下面进一步描述的。
在各种实施方式中，曝光选通时间控制器895控制成像***810的图像曝光时间(例如，相对于周期性调制的聚焦位置的相位时间)，其中曝光选通时间控制器895配置为从曝光定时调整电路890输入曝光定时调整信号，并且基于曝光定时调整信号提供调整后的图像曝光时间，其中成像***聚焦Z高度(例如，fZ)在调整后的图像曝光时间，与工件表面区域Z高度(例如，SurfZ)近似重合。以下更详细地描述可用于基于曝光定时调整信号调整图像曝光时间的各种示例性实施方式，其中成像***聚焦Z高度在调整后的图像曝光时间与工件表面区域Z高度近似重合。
如前所述，在各种实施方式中，曝光选通时间控制器895可以通过控制频闪照射源或快速电子相机快门来控制图像曝光时间。越来越多地可获得具有电子“快门频闪”功能的数码相机，其可以在整个图像整合时段内创建定时的子曝光增量。在一些实施方式中，这样的相机可以使用连续照射或环境照射来提供上述的受控定时。然而，目前更为实用的是使用照射源选通操作。在图8所示的实施方式中，成像光源330可以通过曝光选通控制器895而操作在调整后的图像曝光时间，以在图像获取期间输出成像光832。可以理解，与由聚焦确定部分880使用的VFL投射光相反，来自成像光源330的照射通过物镜350而不通过VFL透镜370聚焦，因此不一定在调整后的图像曝光时间被聚焦在工件表面320'。这种配置对于一些应用是足够的，但是，由于图像照射的可能未知的聚焦程度，所得到的图像强度可能不具有足够的鲁棒性(robust)或者不充分可预测以便对各种各样的工件服务和/或应用一般地使用此配置。下面参考图12和图13描述图像照射可预测地在调整后的图像曝光时间聚焦在工件表面320'上的配置。
在图8中还示出了Z高度校准部分873。一旦基于调整后的图像曝光时间获取了图像表面区域，就可以使用包括在Z高度校准部分873中的数据来确定与该图像相关联的精确Z高度，其可以被认为是图像中的表面区域的Z高度。应当理解，在曝光选通时间控制器中使用调整后的图像曝光时间，因此可以知道或确定其关联的相位定时。在各种实施方式中，Z高度校准部分873可以基本上类似于先前描述的Z高度校准部分373，其包括将各个Z高度与周期性聚焦调制的各个相位(相位定时)相关的数据。在各种实施方式中，Z高度校准部分873中的校准相位定时可供透镜控制器371中可用的周期性聚焦调制驱动信号参考，或供在聚焦确定部分880中感测并可用作信号的周期性聚焦调制参考，或供***800中稳定的且表示周期性聚焦调制的相位的任何其它信号参考。
应当理解，在各种实施方式中，图8所示的连接到***信号和控制总线395的各种元件可以根据已知方法在总线395上交换本文概述的信号，和/或可以根据已知方法在专用互连(未示出)上交换本文概述的信号。此外，应当理解，参考图8描述的各种元件可以根据已知的方法和/或通过类似于本文此前的描述，在图2所示的***100的各种适当零件中实施。
图9A和图9B分别示出可用于图8的VFL透镜***的聚焦确定部分885的各种实施方式中的、第一和第二示例性“定向”型光学检测器885'和885”。
图9A示出了包括已知类型的波前曲率检测器的光学检测器885'。一般地，如本文中使用的术语，波前传感器可以被描述为在沿着输入光束的波前的对应区域采样至少一个局部射线角，以提供取决于所采样的局部射线角的至少一个对应的检测信号。通常，期望在沿着输入光束的波前分离的两个相应的对应区域处采样至少两个相应的局部射线角，以提供取决于所采样的局部射线角的至少两个相应的检测信号。包括至少两个检测器信号的关系对应于输入聚焦检测光束的波前曲率的程度，并且波前倾斜(与波前曲率相反)的影响可以被检测，并作为存在在所述至少两个检测器信号中的每个中的共模误差而被拒绝。
所示的光学检测器885'可以被表征为Shack-Hartmann传感器，并且包括透镜L1和L2以及具有信号和控制线965的光电检测器962。在一个实施例中，透镜L1和L2可以是微透镜。透镜L1和L2每个聚焦输入光(例如，上面参考图8概述的反射的VFL投射光)。
在图9A所示的“聚焦的”示例中，输入光845(例如，反射的VFL投射光845)具有由波前WF示意性地表示的波前。对于波前WF，透镜L1和L2分别产生在光学检测器962上呈现为检测点DS1和DS2的图像。在一个实施例中，光电检测器962可以包括一对横向效应光电二极管(对于每个检测点一个)。在另一个实施例中，光电检测器962可以包括诸如相机芯片等的光电检测器阵列。在任何情况下，检测点DS1和DS2沿着光电检测器962的表面分别在距参考位置RP的距离SN1和SN2处。距离SN1和SN2之间的差被指定为距离FDS，其可以被认为表示聚焦偏差信号FDS。从其测量距离SN1和SN2的参考位置RP可以任意选择。当光电检测器962是阵列检测器时，检测点DS1和DS2可以各自覆盖多个像素，在这种情况下，可以执行可提供子像素位置内插的矩心(centroid)计算，以确定每个检测点的位置。
如本领域已知的，“平坦”波前WF对应于“聚焦的”输入光，其在这种情况下意味着反射的VFL投射光的聚焦高度fZ与工件表面320'的Z高度SurfZ重合(见图8)。就是说，当***适当地聚焦在工件表面上(即，反射的VFL投射光聚焦高度与工件表面高度相匹配)时，波前WF是平坦的，并且检测点DS1和DS2呈现在与对应的各个透镜的光轴对准的标称的“空(null)”位置，并且聚焦偏差信号FDS具有标称值或“空”值。
通常，当反射的VFL投射光聚焦高度偏离工件表面320'的Z高度时，波前WF不平坦。在图9A所示的“失焦的(out of focus)”示例中，输入光845具有由弯曲的波前WF'示意性地表示的波前。对于波前WF，透镜L1和L2分别产生在光电检测器962上呈现为检测点DS1'和DS2'的图像。如本领域已知的，弯曲的波前WF'对应于“失焦的”输入光，其在这种情况下意味着反射的VFL投射光的聚焦高度fZ与工件表面的Z高度SurfZ不重合(见图8)。结果，对于所示的波前曲率的极性(对应于反射的VFL投射光聚焦高度在图8中的工件表面320'之上)，检测点DS1'和DS2'呈现在比空位置DS1和DS2分开更远地的位置处，并且聚焦偏差信号FDS'大于其标称值或“空”值。相反，对于具有相反极性的曲率(对应于反射的VFL投射光聚焦高度在图8中的工件表面320'之下)的波前(WF”)，检测点(DS1”和DS2”)将呈现在比空位置DS1和DS2分开更靠近在一起的位置处，并且聚焦偏差信号(FDS”)将小于其标称值或“空”值。光学检测器885'是“定向”型光学检测器，因为相对于工件表面320'的散焦(defocus)方向可以根据聚焦偏差信号的极性来确定。
图9B示出了包括已知类型的轴向聚焦位置传感器的光学检测器885”，其是可以包括透镜910、分束器912，第一针孔孔径920A和检测器925A、以及第二针孔孔径920B和检测器925B的定向型传感器。在操作中，透镜910输入输入光845(例如，反射的VFL投射光845)，并将其作为聚焦光束915朝着分束器912发射，分束器912将其分成第一和第二测量束915A和915B。如图9B所示，第一孔径920A可以放置在具有稍微小于透镜910的标称焦距的到透镜910的光路长度的位置处，并且第二孔径920B可以位于具有稍长的光路长度。因此，如图9B所示，当第二测量束915B近似地聚焦在第二孔径920B时，第二光电检测器925B将接收第二测量束915B中的所有能量，并在信号线926B上输出具有最大值的第二检测器信号。同时，第一测量束915A的焦点将超出到第一孔径920A的光路长度。因此，第一孔径920A将挡住第一测量束915A的一部分，并且第一光电检测器925A将在信号线926A上输出具有比信号线926B上的第二检测器信号更低的值的第一检测器信号。通常，两个检测器信号之间的差将根据输入光845的轴向聚焦位置而变化，输入光845的轴向聚焦位置取决于其光射的标称会聚或发散，其与其波前曲率相关。因此，当反射的VFL投射光845聚焦在工件表面320'时，光学检测器885”可以以类似于光学检测器885'的方式对反射的VFL投射光845进行响应。可以将光学检测器885”视为“定向”型光学检测器，因为相对于工件表面320'的散焦方向可以基于被确定为其两个检测器信号之间的差的聚焦偏差信号的极性来确定，或者基于被确定为其两个检测器信号的比率的聚焦偏差信号是大于还是小于1来确定，等。
根据另一解释，第一和第二针孔孔径920A和920B可以被认为是与稍微不同的聚焦Z高度相关的共焦孔径。它们的检测器信号的组合提供如上所述的“定向型”聚焦偏差信号。应当理解，如果光学检测器仅包括一个共焦孔径，则可以获得与VFL投射光843在工件表面320'的散焦程度相关的变化信号。这种光学检测器可以被表征为“量值”型光学检测器，在于所得到的信号指示散焦的程度而不是其方向。尽管在一些实施方式中，可以与包括在***800中的其它定时信息相关地(例如，与在透镜控制器371的驱动信号发生器372中已知的相位定时相关地)处理来自量值型光学检测器的顺序(sequential)信号值，以便确定散焦的方向及其量值。
图10是示出第一和第二聚焦偏差信号FDS和FDS'的图1000。如图10所示，相对于VFL投射光的聚焦Z高度与工件表面320'的Z高度之间的差，绘制了聚焦偏差信号。该差为零的位置被标记为“FD＝0”。在该位置，第一和第二聚焦偏差信号FDS和FDS'被示出为具有空值或参考值，其在各种实施方式中是稳定的校准的或已知的值，其每当VFL投射光的聚焦Z高度与工件表面320'的Z高度相匹配时而获得。在一个示例中，聚焦偏差信号FDS可以被认为是由定向型聚焦确定部分提供的，所述定向型聚焦确定部分包括定向型光学检测器，如图9A或图9B所示的那些定向型光学检测器中的一个，如前所述。在一些实施方式中，关于图9A或9B描述的原始传感器信号的信号处理可以允许由线FDS指示的聚焦偏差响应曲线是相对稳定的，而与工件表面320'的反射特性无关。在其它实施方式中，信号处理可以使得聚焦偏差信号FDS的“缩放”或增益根据工件表面320'的反射率而变化。例如，由线FDS'指示的聚焦偏差响应曲线可以与具有相对较低的反射率的工件表面320'相关联。然而，在任一种情况下，聚焦偏差信号FDS和FDS'均基于响应于VFL投射光的聚焦Z高度与工件表面区域的Z高度之间的差的光学检测器信号，其中VFL投射光聚焦Z高度表示成像***聚焦Z高度，因此两个聚焦偏差信号均表示成像***聚焦Z高度与工件表面区域的Z高度之间的差。
图11A至图11C示出了相互关联的时序图，用于图示如下的各个方面：基于聚焦偏差信号，确定与当成像***聚焦Z高度与工件表面Z高度近似重合时的时间相关的曝光定时调整信号。图11B和图11C所示的聚焦偏差信号是预期的聚焦偏差信号行为的示意性或定性表示。为了说明的目的，信号的某些部分的缩放可能与其它部分相关地被夸大。
图11A示出了时序图1100A，其图示了在对应于如先前参考图8概述的周期性调制的VFL透镜370的操作的聚焦Z高度的周期性调制期间，聚焦Z高度1110与工件表面Z高度之间的关系。示出了由透镜控制器371驱动的对应于VFL透镜370的调制时段的聚焦调制时段Pfm。在图11A所示的示例中，在聚焦调制Pfm中，聚焦Z高度与工件表面Z高度surfZ在时间t1和t3两次重合。对于周期性聚焦调制的每个周期，例如在时刻t1'和t3'，该图案重复。在时间t2，聚焦Z高度与具有第一“极性”的表面Z高度surfZ最大地不同，并且在时间t4，聚焦Z高度与具有相反极性的表面Z高度surfZ最大地不同。
图11B示出了时序图1100B，其图示了与图11A所示的条件对应的代表性聚焦偏差信号FDS。聚焦偏差信号FDS可以从如先前参考图8所示的聚焦确定部分880概述地操作的“量值”型聚焦确定部分(例如，包括单个共焦光学检测器的聚焦确定部分，如先前在与图9B相关的讨论中概述的)获得。在一个实施方式中，至少在聚焦确定时间段期间，所示的连续聚焦偏差信号FDS可由低时延光学检测器885提供，该低时延光学检测器885与来自VFL投射光源840的连续照射协同地工作，如下面更详细描述的。在图11B所示的示例中，当聚焦Z高度与表面Z高度surfZ在时间t1和t3(参见图11A)重合时，聚焦偏差信号FDS具有最大值或峰值。对于周期性聚焦调制的每个周期，例如在时刻t1'和t3'，该图案重复。在时间t2，聚焦Z高度与具有第一“极性”的表面Z高度surfZ最大地不同，并且在时间t4，聚焦Z高度与具有相反极性的表面Z高度surfZ最大地不同(参见图11A)，导致对于在时刻t2和t4所示的聚焦偏差信号FDS所示的相应的谷值或“负峰值”最小值。
如先前参考图8所概述的，图11B所示的聚焦偏差信号FDS可以从聚焦确定部分880输出到曝光定时调整电路890。曝光定时调整电路890输入聚焦偏差信号FDS，并基于聚焦偏差信号FDS确定与当成像***聚焦Z高度与工件表面区域Z高度近似重合时的时间相关的曝光定时调整信号。在一个实施方式中，曝光定时调整电路890可以包括低时延峰值检测电路，其配置为通过在时间t1或t3或两者检测聚焦偏差信号FDS的峰值来输出或启动脉冲或触发信号。在该示例中，这样的脉冲或触发信号可以被认为是曝光定时调整信号。可以根据已知原理配置各种类型的合适的低时延峰值检测器电路。例如，一些实施方式可以包括使用市售的峰值检测IC，其可以根据从其制造商可获得的应用笔记来配置以提供各种功能，功能包括响应于峰值检测输出如上所述的触发信号、和/或在预定时间段或输入信号改变之后复位，等。
如先前参考图8所述的，曝光选通时间控制器895配置为输入来自曝光定时调整电路890的曝光定时调整信号，并且基于曝光定时调整信号提供调整后的图像曝光时间，其中成像***聚焦Z高度在调整后的图像曝光时间，与工件表面区域Z高度近似重合。在与上述描述一致的各种示例性实施方式中，曝光选通时间控制器895可以短暂地启用或激活选通元件，如由上述曝光定时调整信号或触发信号的定时触发的，以有效地控制在对应于触发信号的特定的相位定时的短暂的图像曝光。为了增加曝光而不使所得到的图像模糊，在包括跨越多个聚焦调制时段的相机图像整合时段的图像获取时间段期间，曝光选通时间控制器895可以配置为在每个聚焦调制时段期间重复如上所述的短暂图像曝光，以提供期望水平的整体图像曝光。在一种这样的实施方式中，曝光选通时间控制器895可以配置为由上述曝光定时调整信号重复地触发。在另一个这样的实施方式中，曝光选通时间控制器895可以包括与周期性聚焦调制(例如，与在透镜控制器371的驱动信号发生器372中已知的周期性驱动信号相关)同步的定时时钟。在这种情况下，曝光选通时间控制器895可以配置为登记(register)上述的曝光时间调整信号“触发信号”的相位定时(例如，t1或t3、或两者的相位定时)，并基于其定时时钟和所登记的相位定时，在整个图像获取时间段中的每个聚焦调制时段期间，在相同的相位定时重复短暂图像曝光。
如前所述，在一些实施例中，由曝光选通时间控制器895控制的选通元件可以是快速电子相机快门。在其它实施例中，由曝光选通时间控制器895控制的选通元件可以是选通的成像光源(例如，图8所示的成像光源330)。可控光源驱动器(电源)可以包括在曝光选通时间控制器895或光源中，并且可以受控于或基于曝光时间调整信号“触发信号”来控制。
图11C示出了时序图1100C，其图示了与图11A所示的条件对应的代表性聚焦偏差信号FDS。聚焦偏差信号FDS可以从“定向”型聚焦确定部分(例如，包括图9A或图9B所示的光学检测器885'或885”之一的聚焦确定部分，光学检测器885'或885”操作以提供参考图10所述的聚焦偏差响应曲线)获得。在一个实施方式中，图11C所示的所图示的连续聚焦偏差信号FDS可以由低时延光学检测器885(例如，使用低时延光电检测器的光学检测器885”)来提供，该低时延光学检测器885至少在聚焦确定时间段期间，与来自VFL投射光源840的连续或变化的相位定时选通照射协同地操作。在图11C所示的示例中，当聚焦Z高度在时间t1和t3与表面Z高度surfZ重合时(参见图11A)，聚焦偏差信号FDS具有空水平输出值(如前面参考图10所概述的)。对于周期性聚焦调制的每个周期，例如，在时间t1'和t3'，该图案重复。在时间t2，聚焦Z高度与具有第一“极性”的表面Z高度surfZ最大地不同，并且在时间t4，聚焦Z高度与具有相反极性的表面Z高度surfZ最大地不同(参见图11A)，导致对于在时间t2和t4示出的聚焦偏差信号FDS所示的相应的正和负信号峰值。
如先前参考图8所概述的，图11C所示的聚焦偏差信号FDS可以从聚焦确定部分880输出到曝光定时调整电路890。曝光定时调整电路890输入聚焦偏差信号FDS，并基于聚焦偏差信号FDS确定与当成像***聚焦Z高度与工件表面区域Z高度近似重合时的时间相关的曝光定时调整信号。在一个实施方式中，曝光定时调整电路890可以包括低时延比较器电路，其配置为使用“空”信号水平作为参考水平，并且当聚焦偏差信号FDS与参考水平匹配时(例如，在时间t1或t3、或两者)输出或启动脉冲或触发信号。在该示例中，这样的脉冲或触发信号可以被认为是曝光定时调整信号。
在曝光选通时间控制器(例如，曝光选通时间控制器895)中对这样的脉冲或触发信号的使用以前已经参考图11B描述了，并且在本实施方式中可以遵循类似的原理。
图12和图13是可以***作以使用包括高速周期性调制的VFL透镜的成像***来提供自动聚焦的图像的***的第二和第三实施方式的示意图。应当理解，图12和图13的***与***800或图8共享多个特性，并且可以在很大程度上通过基于前面的描述类比来理解。图12和图13的某些编号的部件可以对应于和/或具有与图8的类似编号的部件类似的操作，除非以下另有描述。因此，将不再详细描述这些类似的部件和共享特性。以下描述强调了操作的、与先前参考图8描述的***实施方式相比是新的或附加的某些元件和方面。具体地，强调与用于提供和控制用于图像获取的光的不同实施方式相关的元件和操作(与提供和控制用于聚焦确定的VFL投射光843相关)。
图12是可以***作以使用包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜370的成像***来提供自动聚焦的图像的***800'的第二实施方式的示意图。***800'包括成像***810、VFL透镜控制器371、光源840'、聚焦确定部分880、曝光定时调整电路890和曝光选通时间控制器895，其可以根据先前概述的原理配置和操作，除非下面另有说明。
与参考图8描述的仅仅是提供VFL投射光843的VFL投射光源的光源840相反，组合光源840'在图12中示出。组合光源840'配置为分别提供源自相应的光发生器841和830的VFL投射光843和成像光832'。在各种实施方式中，光发生器841和830可以输出不同的可见光或不可见波长，其条件是VFL投射光843中的波长在光学检测器885的感测范围内，且成像光832'中的波长在相机360的感测范围内。
应当理解，与图8所示的配置相比，在这里描述的实施方式中，用于图像获取的成像光832'是在调整后的图像曝光时间总是聚焦在工件表面320'处的VFL投射图像光，这在许多应用中是期望的。
组合光源840'中的光发生器830可以由曝光时间控制器895控制，以根据先前概述的原理在图像获取时间段期间在调整后的图像曝光时间曝光图像。在各种实施例中，组合光源840'中的光发生器841可以由配置为在聚焦确定时间段期间(例如，使用控制线897)控制VFL投射光843的定时的聚焦确定光控制电路(例如，包括在曝光定时调整电路890中)独立地控制。在一些实施方式中，可以连续地提供VFL投射光843，并且在其它实施方式中，可以在聚焦确定时间段期间选通VFL投射光843。在一些实施方式中，可以在基于聚焦偏差信号和/或曝光定时调整信号调整的时间选通VFL投射光843(例如，如下参考图14进一步所述的)。在一些实施方式中，图像获取时间段可以与聚焦确定时间段重叠。在这样的实施方式中，可以沿着分束器889和相机360之间的成像光路包括合适的窄带波长滤波器889'，以防止反射的VFL投射光845中的波长影响所获取的图像。当然，如果图像获取时间段与聚焦确定时间段不重叠，则不需要波长滤波器889'。
图13是操作以使用包括高速周期调制的可变焦距(VFL)透镜370的成像***来提供自动聚焦的图像的***800”的第三实施方式的示意图。***800”包括成像***810、VFL透镜控制器371、光源840”、聚焦确定部分880、曝光定时调整电路890和曝光选通时间控制器895，其可以根据先前概述的原理配置和操作，除非下面另有说明。
与参考图12描述的光源840'相反，图12中示出了单发生器光源840”。***800配置为使用单发生器光源840”来提供源自同一发生器830”的VFL投射光843和成像光832。在各种实施方式中，单发生器光源840”中的光发生器830”可以输出在光学检测器885和相机360的感测范围内的可见或不可见波长。将理解的是，类似于图12中所示的配置，在这里描述的实施方式中，用于图像获取的成像光832是在调整后的图像曝光时间总是聚焦在工件表面320'处的VFL投射图像光。
在该实施方式中，曝光定时调整电路890和曝光时间控制器895可以与单个发生器830”的共享控制(例如，使用信号线897)合并和/或不可区分。光发生器830”可以被控制以在图像获取时间段期间在调整后的图像曝光时间曝光图像，并且在聚焦确定时间段期间由曝光定时调整电路890中的聚焦确定光控制电路控制。
在一些实施方式中，根据先前描述的原理，这些操作可以在独立的聚焦确定和图像获取时间段期间执行。然而，在其它实施方式中，由于成像光832、VFL投射光843和反射的VFL投射光845全部是由同一光源840”提供的“相同的光”，所以至少在某些操作时段期间，聚焦确定和图像获取时段可以重叠。例如，应当理解，在根据先前概述的原理的“聚焦的”图像获取期间，聚焦确定部分880和曝光定时调整电路890可以通过输入选通的VFL投射光的用于成像的一部分(即，返回到分束器889并沿着聚焦监视光路844反射的“分离”部分)，如上所述继续操作。先前描述的聚焦原理与在聚焦确定部分880中使用连续的或选通的光兼容，并且/或者基于本文公开的原理，关联的电路和/或例程可以容易地适应于本领域普通技术人员对选通光的使用。如此，应当理解，一旦根据先前概述的原理，成像***聚焦位置已经被布置成与工件表面320'重合，***800”就可以***作为“跟踪自动聚焦”***，其可以连续地聚焦和成像可变高度工件表面320'(如其在成像***810的视野上被扫描)。还将理解，当由聚焦确定部分880提供的聚焦偏差信号指示工件表面320'失焦时，图像获取操作可中断。光源840”可以以连续或选通模式操作以支持根据本文先前描述的原理的自动聚焦操作，直到成像***810再次聚焦在工件表面320'处为止。
图14示出了时序图1400，其图示了使用与相对慢的光学检测器结合的“量值”型聚焦确定部分的一个实施方式来确定曝光定时调整信号的某些方面。在一些实施方式中，如先前在此概述的使用低时延光学检测器和/或低时延电路(例如，数微秒、或一微秒、或更小的量级的时延)可能是不切实际的。然而，如果选通的照射被输入到聚焦确定部分880，则可以在聚焦确定期间允许较慢的检测器和电路。例如，时序图1400示出了整合的聚焦偏差信号1401可以用作和/或确定曝光定时调整信号。
在图14所示的示例中，在“开始”时间段期间，反射的VFL投射光(例如，前述的光845)在周期性聚焦调制的多个时段中在一致的相位定时被选通，并且聚焦确定部分880中的信号整合器累积整合的聚焦偏差信号。
在一些实施方式中，信号整合器可以简单地包括光学检测器885中的“慢”光学检测器，其累积各种选通脉冲的光子。例如，如果VLF透镜370以70kHz的频率周期性地调制，则调制时段近似为14μs。慢光电检测器可以具有150μs(或更多)量级的响应时间，在此期间，在特定相位定时的至少10个选通脉冲可被这种光电检测器累积和“整合”。在任何情况下，图14所示的“调整周期”时间段的长度可以由本领域普通技术人员基于信号整合器的响应时间来选择以提供期望的操作特性。
参考图11C所示的示例性聚焦偏差信号，可以说，基于“开始”时间段的结束时的整合的聚焦偏差信号的正结束值EV0，在整个“开始”时间段中选通的脉冲的特定相位定时落在t1与t3之间的范围内的某处。在各种实施方式中，曝光定时调整电路890可以配置为执行“相位定时搜索”，以识别产生用于整合的聚焦偏差信号的空输出的相位定时，其对应于根据先前描述的原理聚焦在工件表面320'上。
例如，在一个实施方式中，曝光定时调整电路890可以通过在第一调整周期时间段AdjC1期间将相位定时提前60度的预设量来简单地调整相位定时，并且评估结束值EV1与空输出水平和/或先前的结束值EV0之间的差，以便确定下一个调整量。在图14所示的示例中，由于结束值EV1小于空输出水平(与EV0相反)并且比EV0更接近空输出水平，所以曝光定时调整电路890可以通过将相位定时延迟小于60度的量(例如30度)来调整相位定时。操作可以以类似的方式继续以在进一步调整之后确定结束值EV2和EV3。当结束值足够接近空输出水平(例如，EV4)时，可以采取在最后的调整周期时间段期间(例如，在AdjC3期间)使用的对应的特定相位定时，作为与聚焦条件对应的相位定时。该相位定时值可以被认为是从聚焦偏差信号导出的曝光定时调整信号，并且被输出到曝光选通时间控制器895，其可以根据先前概述的原理将该相位定时直接用作调整后的图像曝光时间。
应当理解，一旦已经根据先前概述的原理将成像***聚焦位置布置成与工件表面320'重合，则可以使用上面参考图14概述的原理提供“跟踪自动聚焦”***。例如，在一些实施方式中，可以周期性地(例如，每14毫秒、或周期性调制的1000个时段、或更少)暂停图像获取。因为可能仅需要最小的聚焦调整以便连续地聚焦在扫描的表面上，所以，尽管在各种实施例中使用了相对慢的光电检测器和/或电路，但是对于图14概述的处理可能需要10毫秒或更少的量级。
虽然已经示出和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，所示和所描述的特征布置和操作序列的各种变化对于本领域技术人员将是显而易见的。可以使用各种替代形式来实现本文公开的原理。此外，可以组合上述各种实施方式以提供进一步的实施方式。本说明书中引用的所有美国专利和美国专利申请通过全文引用被并入本文。如果需要则可以修改实施方式的各方面以采用各种专利和申请的概念以提供进一步的实施方式。
根据上述详细描述，可以对实施方式进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中公开的具体实施方式，而应被解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求的等同物的全部范围。

Claims (10)

1.一种用于使用包括高速周期性调制的可变焦距(VFL)透镜的成像***提供自动聚焦的图像的***，所述***包括：
成像***，其至少包括配置为输入从工件表面产生的图像光的物镜、配置为接收由所述物镜透射的图像光的VFL透镜、以及配置为接收由所述VFL透镜透射的图像光的相机；
VFL透镜控制器，其配置为控制所述VFL透镜以周期性地调制其光功率，从而在沿着Z高度方向的多个成像***聚焦Z高度上周期性地调制所述成像***的聚焦位置；
VFL投射光源，其包括配置为沿着聚焦监视光路向所述VFL透镜的背面且通过所述VFL透镜和所述物镜向所述工件表面提供VFL投射光的光源；
聚焦确定部分，其包括光学检测器，所述光学检测器配置为输入已经从工件表面区域反射、并经过所述物镜返回、且经过所述VFL透镜返回、且沿着所述聚焦监视光路返回的反射的VFL投射光，并且提供响应于所述VFL投射光的聚焦Z高度与所述工件表面区域的Z高度之间的差的至少一个光学检测器信号，其中VFL投射光聚焦Z高度表示成像***聚焦Z高度，并且聚焦确定部分基于所述至少一个光学检测器信号输出至少一个聚焦偏差信号；
曝光定时调整电路，其输入所述聚焦偏差信号，并基于所述聚焦偏差信号确定与所述成像***聚焦Z高度与工件表面区域Z高度近似重合时的时间相关的曝光定时调整信号；
曝光选通时间控制器，其控制所述成像***的图像曝光时间，其中所述曝光选通时间控制器配置为输入所述曝光定时调整信号，并且基于所述曝光定时调整信号自动提供调整后的图像曝光时间，其中所述成像***聚焦Z高度在调整后的图像曝光时间与所述工件表面区域Z高度近似重合，并且
所述***配置为在调整后的图像曝光时间提供包括至少一个曝光增量的聚焦图像。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述VFL投射光源包括至少一个光发生器和准直透镜，并且配置为提供沿着所述聚焦监视光路至所述VFL透镜的背面至少近似准直的VFL投射光。
3.根据权利要求2所述的***，其中所述VFL投射光源配置为对所述图像光做出贡献，其中：
所述聚焦监视光路包括位于所述聚焦监视光路中且位于所述VFL透镜的背面与所述相机之间的成像光路中的分束器；
VFL投射光沿着所述聚焦监视光路被输入到所述分束器并从所述分束器输出到所述VFL透镜的背面，并且通过所述VFL透镜和所述物镜以照射所述工件表面区域；并且
所反射的VFL投射光从所述工件表面区域反射、并经过物镜返回、且经过VFL透镜返回到所述分束器，其中所反射的VFL投射光的一部分沿着所述聚焦监视光路被引导回，而所反射的VFL投射光的一部分作为图像光沿所述成像光路被引导到所述相机。
4.根据权利要求1所述的***，其中：
所述VFL投射光源配置为在聚焦确定时间段期间提供所述VFL投射光，并且所述聚焦确定部分配置为在所述聚焦确定时间段期间输入所反射的VFL投射光并且输出所述至少一个聚焦偏差信号；并且
所述***配置为在不与所述聚焦确定时间段期间所述VFL投射光的存在重叠的图像获取时间段期间，在调整后的图像曝光时间获取所述至少一个曝光增量。
5.根据权利要求1所述的***，其中：
所述VFL投射光源包括第一光发生器，其输出具有第一波长范围的可见光或不可见光；
所述图像光包括在所述第一波长范围之外的波长；
所述VFL投射光源配置为至少在聚焦确定时间段期间连续地提供具有所述第一波长范围的VFL投射光，并且所述聚焦确定部分配置为至少在所述聚焦确定时间段期间连续地输入包括所述第一波长范围的反射的VFL投射光和输出所述至少一个聚焦偏差信号；
所述***配置为在与具有所述第一波长范围的所述VFL投射光的存在重叠的图像获取时间段期间，在调整后的图像曝光时间获取所述至少一个曝光增量；并且
所述成像***还包括波长滤光器，其布置在所述相机和所述VFL透镜之间并配置为防止所述第一波长范围中的光到达所述相机。
6.根据权利要求1所述的***，其中所述调整后的图像曝光时间定义相对于周期性调制的聚焦位置的特定相位定时，并且所述***配置为在周期性调制的聚焦位置的多个时段期间，在所述特定相位定时提供包括多个曝光增量的聚焦图像。
7.根据权利要求1所述的***，其中所述***包括提供所述图像光的选通的图像光源或包括快速电子快门的相机中的至少一个，并且所述曝光选通时间控制器配置为控制所述选通的图像光源的图像光选通定时或所述快速电子快门的快门选通定时中的至少一个，以在调整后的图像曝光时间启用所述至少一个曝光增量。
8.根据权利要求1所述的***，其中：
所述VFL投射光源包括第一光发生器；
所述***包括聚焦确定光控制电路，其配置为控制所述第一光发生器的聚焦选通定时，以至少在聚焦确定时间段期间提供具有相对于周期性调制的聚焦位置的初始相位定时的选通的VFL投射光的至少一个实例；并且
所述聚焦确定部分配置为输入具有所述初始相位定时的反射的选通的VFL投射光，并输出对应的当前聚焦偏差信号。
9.根据权利要求8所述的***，其中所述曝光定时调整电路包括所述聚焦确定光控制电路，并且所述***配置为执行相位定时搜索，所述相位定时搜索识别产生与聚焦在所述工件表面上的所选通的VFL投射光对应的聚焦偏差信号的聚焦相位定时，其中：
所述聚焦确定光控制电路还配置为输入当前聚焦偏差信号，并基于所述当前聚焦偏差信号自动调整所述聚焦选通定时以提供具有调整后的相位定时的选通的VFL投射光的至少一个实例；
聚焦确定部分配置为输入具有调整后的相位定时的反射的选通的VFL投射光，并输出对应的当前聚焦偏差信号；
所述聚焦确定光控制电路和聚焦确定部分配置为反复地操作，并且所述曝光定时调整电路包括配置为确定何时当前聚焦偏移信号对应于聚焦在所述工件表面上的所选通的VFL投射光，从而指示对应的调整后的聚焦选通定时提供聚焦相位定时的电路；
所述曝光定时调整电路配置为输出表示所述聚焦相位定时的曝光定时调整信号；并且
所述曝光选通时间控制器配置为输入所述曝光定时调整信号，并且自动提供对应于所述聚焦相位定时的调整后的图像曝光时间。
10.根据权利要求1所述的***，其中：
所述VFL透镜以至少3kHz的频率周期性地调制；并且
所述***包括聚焦确定光控制电路，其配置为控制包括在所述VFL投射光源中的第一光发生器的聚焦选通定时，以至少在聚焦确定时间段期间提供具有相对于周期性调制的聚焦位置的定义的相位定时的选通的VFL投射光的至少一个实例；并且
所述光学检测器包括具有比周期性调制的时段长的响应时间的光电检测器，并且配置为将具有所定义的相位定时的反射的VFL投射光输入到所述光电检测器。
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