具有准正弦周期性强度调制光的可变焦距透镜系统的制作方法
本发明涉及使用可变焦距(vfl)透镜的精确测量，且更具体涉及视觉系统(例如机器视觉检查系统)，其中高速vfl透镜周期性地调制焦点位置。
背景技术：
各种类型的视觉系统(例如精确机器视觉检查系统)可以用于获得物体精确空间测量结果，并检查各种其他物体特性，且可以包括计算机、相机和光学系统、和精密工作台(precisionstage)，该精密工作台能运动以允许工件横向运动并允许检查。一个示例性现有技术系统是可从位于伊利诺斯州的aurora的mitutoyoamericacorporation(mac)获得的quick
通常目的的精确机器视觉检查系统通常可编程为提供自动视频检查。这种系统通常包括gui特征和预定的图像分析“视频工具”，使得可通过“非专家”操作者执行操作和编程。例如，美国专利no.6,542,180(通过引用以其全部内容并入本文)教导了视觉系统，其使用包括使用各种视频工具的自动视频检查。
多透镜可变焦距(vfl)光学系统可以用于表面高度的观察和精确测量，且可以被包括在显微镜和/或精确机器视觉检查系统中，例如美国专利no.9,143,674公开的，其通过引用全部合并于本文。简要地说，vfl透镜能分别在多个焦距处获得多个图像。一类已知的vfl透镜是可调声梯度(tunableacousticgradient：“tag”)透镜，其使用在流体介质中的声波形成透镜效应。声波可以通过对流体介质周围的压电管以共振频率施加电场而形成，以在透镜流体中形成随时间变化的密度和折射率分布，这能调制其屈光力(opticalpower)，且由此调制视觉系统的焦距或有效焦点位置。tag透镜可以用于周期性地以高达几百khz的共振频率(即以高速)调制焦点位置。可以通过文章“highspeedvarifocalimagingwithatunableacousticgradientindexofrefractionlens”(opticsletters,vol.33,no.18,september15,2008)更详细地理解这种透镜，其通过引用全部合并于本文。可调谐调声梯度折射率透镜和相关的可控信号产生器例如可从新泽西州普林斯顿市的tagoptics,inc.获得。modeltl2.b.xxx系列透镜例如能进行高达约600khz的调制。
尽管这种vfl透镜可以针对视觉系统的给定构造以非常高的速率改变有效焦点位置，但是至少部分地因在焦点位置周期性调制期间何时获取图像(例如部分地由于周期性调制的不同阶段期间焦点位置改变的不同速率等)而会出现某些不期望的变化(例如其会影响某些类型测量、处理的准确性等)。期望一种改善这方面问题的视觉系统。
技术实现要素：
该部分内容用于提供进一步下文详细描述中所述的简化形式的原理的选择。该部分内容目的不是给出要求保护主题的关键特征，也不是用于确定要求保护主题的范围。
提供一种视觉系统，包括可变焦距(vfl)透镜系统，光源，曝光时间控制器和相机。vfl透镜系统包括可变焦距可调声梯度折射率(tag)透镜，其被控制为以tag透镜的操作共振频率提供视觉系统焦点位置的标称正弦调制。光源包括连续照明源，其配置为在通过vfl透镜系统的操作聚焦范围的至少一个偏移中的焦点位置改变期间提供连续照明。连续照明可以用于对工件照明以产生工件图像光。连续照明源连接到源驱动器，该源驱动器配置为基于准正弦周期性驱动函数驱动连续照明源，以从连续照明源提供相应的准正弦周期性强度调制光。准正弦周期性强度调制光与标称正弦焦点位置调制的周期性调制同步，使得准正弦周期性强度调制光的强度最小值基本与标称正弦焦点位置调制的极值同时发生。
曝光时间控制器配置为确定曝光时序和时间，其控制图像曝光。相机配置为基于将工件图像光输入到相机的图像曝光提供工件图像，该工件图像光是通过从连续照明源而来的准正弦周期性强度调制光对工件进行照明所产生的。输入的工件图像光在图像曝光期间沿包括tag透镜的vfl透镜系统的成像光路从工件传递到相机。
附图说明
图1是显示了通常目的的精确机器视觉检查系统的各种典型部件的图；
图2是类似图1且包括本文公开的某些特征的机器视觉检查系统的视觉组成部分和控制系统部分的方块图；
图3是适于精确非接触度量系统的vfl透镜系统的示意图，例如是图2的机器视觉检查系统，包括基于根据本文公开的原理的准正弦周期性驱动函数驱动的连续照明源；
图4a-4c是显示了一实施方式的示意图，其中根据准正弦周期性驱动信号驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号包括一信号范围，该信号范围包括以tag透镜共振频率的两倍重复的全波整流准正弦周期性驱动函数的至少一部分；
图5是显示了与图4类似的实施方式的图，其中用于驱动连续照明源的信号范围包括全波整流准正弦周期性驱动函数的峰值部分；
图6a-6b是显示了一实施方式的示意图，其中根据平滑变化的准正弦周期性驱动信号来驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号具有tag透镜共振频率两倍的频率且包括dc偏移分量；和
图7是显示了例行程序的一个示例性实施方式的流程图，其用于操作包括连续照明源的视觉系统，基于根据本文公开的原理的准正弦周期性驱动函数对连续照明源进行驱动。
具体实施方式
图1是根据本文公开原理使用的视觉系统10(例如机器视觉检查系统)的一个示例性实施方式的方块图。视觉系统10包括视觉测量机器12，其操作地连接，以与控制计算机系统14交换数据和控制信号。控制计算机系统14进一步操作地连接，以与监视器或显示器16、打印机18、摇杆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可以是显示适于对视觉系统10的操作进行控制和/或编程的用户界面。应理解，在各种实施方式中，触摸屏平板电脑等可以替代地和/或冗余地提供任何或所有部件14、16、22、24和26的功能。
本领域技术人员应理解，在下文详细描述的图2的控制计算机系统14和/或控制系统部分120通常可以使用任何合适的计算系统或装置实施，包括分布式或联网计算环境，等。这种计算系统或装置可以包括一个或多个通常目的或特殊目的处理器(例如非定制或定制装置)，其运行软件以执行本文所述的功能。软件可以存储在存储器中，例如随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、闪速存储器等，或这种部件的组合。软件也可以存储在一个或多个存储装置中，例如用于存储数据的基于光的盘片、闪速存储器装置、或任何其他类型的非易失存储介质。软件可以包括一个或多个程序模块，其包括例行程序、程序、目标、组件、数据结构等，其执行特定任务或执行特定抽象数据类型。在分布式计算环境中，程序模块的功能可以跨经多个计算系统或装置组合或分布并经由服务号(servicecall)以有线或无线配置访问。
视觉测量机器12包括可动工件台32和光学成像系统34，该光学成像系统可以包括变焦透镜(zoomlen)或可更换的物镜。变焦透镜或可更换的物镜通常为通过光学成像系统34提供的图像提供各种放大倍数。视觉系统10的各种实施方式(例如作为机器视觉检查系统)也描述于共同受让的美国专利no.7,454,053；7,324,682；8,111,905；和8,111,938，其每一个通过引用全部合并于本文。
图2是类似图1的视觉系统10的视觉系统100的控制系统部分120和视觉组成部分200的方块图，包括本文公开的某些特征。如将在下文详细描述的，控制系统部分120用于控制视觉组成部分200。视觉组成部分200包括光学组件部分205、光源220、230、240、和具有中央透明部分212的工件台210。工件台210可控地沿x轴线和y轴线运动，x轴线和y轴线位在与工件20可以定位的台的表面大致平行的面中。
光学组件部分205包括相机260、可更换的物镜250，可变焦距(vfl)透镜270(例如在各种示例性实施方式中的tag透镜)和可选阻光快门235和265，将在下文详细描述。在各种实施方式中，光学组件部分205可以进一步包括具有透镜226和228的转台透镜组件(turretlensassembly)223。作为转台透镜组件的替换，在各种实施方式中可以包括固定或手动可更换的放大倍数改变透镜、或变焦透镜结构等。在各种实施方式中，可更换物镜250可以从作为可变放大倍数透镜部分的一部分的一组固定放大倍数物镜中选择(例如与例如0.5×、1×或2.5×，5×、10×、20×或25×，50×、100×等的放大倍数对应的一组物镜)。
光学组件部分205通过使用可控马达294可控地沿大致与x轴线和y轴线正交的z轴线运动，该可控马达驱动一促动器，以让光学组件部分205沿z轴线运动，以改变工件20的图像的焦点。可控马达294经由信号线296连接到输入/输出接口130。将在下文详细描述，为了在更小的范围内改变图像的焦点，或作为让光学组件部分205运动的替换，vfl(tag)透镜270可以经由信号线234'通过透镜控制接口134控制，以周期性地调制vfl透镜270的屈光力，并由此调制光学组件部分205的有效焦点位置。透镜控制界面134可以包括vfl透镜控制器180，将在下文详细描述。工件20可以被置于工件台210上。工件台210可以被控制为相对于光学组件部分205运动，使得可更换物镜250的视野在工件20上的多个位置之间运动和/或在多个工件20间运动。
一个或多个台光源220、同轴光源230、和表面光源240(例如环形光)可以分别发射来源光222、232、和/或242，以照亮一个或多个工件20。例如，在图像曝光期间，同轴光源230可以沿包括分束器290(例如部分反射镜)的路径发射来源光232。将在下文详细描述，根据本文公开的各种原理，来源光232可以是准正弦周期性强度调制光，其与vfl透镜270的标称正弦焦点位置调制的周期性调制同步。
来源光232作为工件图像光255反射或传递，且用于成像的工件图像光经过可更换物镜250、转台透镜组件223和vfl透镜并被相机260收集。工件图像曝光(其包括工件(一个或多个)20的图像)被相机260捕捉，且在信号线262上输出到控制系统部分120。如在下文进一步详细描述的，在各种实施方式中，不同技术可以用于确定曝光时序和时间，其控制在相机中设置的电子图像整合的操作，以控制工件图像曝光。
例如，在各种实施方式中，为了控制曝光时序和时间，可选阻光快门235可以被包括且被控制以用于阻挡来源光232，或可选阻光快门265可以被包括和控制以用于阻止工件图像光255到达相机260，和/或相机260可以包括内部部件和/或系统(例如内部和/或整合阻光快门)，用于阻挡和/或以其他方式控制被包括在工件图像曝光中的工件图像光255的量。在各种实施方式中，相机260基于图像曝光提供工件图像，该图像曝光将工件图像光255输入到相机260中，该工件图像光是通过用来自连续照明源230的准正弦周期性强度调制光232来照亮工件20而产生的。如针对图3在下文详细描述的，输入的工件图像光255在图像曝光期间沿包括vfl(tag)透镜270的成像光路opath从工件20传递到相机260。
各种光源(例如光源220、230、240)可以通过相关信号线(分别例如总线221、231、241)而连接到控制系统部分120的照明控制接口133。阻光快门235和265可以通过相关信号线(分别例如总线235'和265')而连接到控制系统部分120的快门控制器131sc。在各种实施方式中，额外的阻光快门(例如类似于阻光快门235)可以被包括(例如用于阻挡来自光源220和/或240的来源光等)。在各种实施方式中，阻光快门235和265可以包括快速光开关(例如快速液晶光开关)。控制系统部分120可以控制转台透镜组件223，以沿轴线224旋转，以通过信号线或总线223'选择转台透镜，以改变图像放大倍数。
如图2所示，在各种示例性实施方式中，控制系统部分120包括控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序产生器和执行器170、和电源部分190。这些部件每一个以及下文所述的额外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而互连。在各种实施方式中，控制系统部分120可以包括和/或以其他方式至少部分地通过一个或多个处理器(例如作为控制器125的一部分)和存储器(例如作为存储器140的一部分)实施，其联接到一个或多个处理器并存储程序指令，该程序指令在被一个或多个处理器执行时使得一个或多个处理器实施和/或执行下文详细描述的控制系统部分120的各种功能和元件中的至少一些。
输入/输出接口130包括成像控制接口131、运动控制接口、照明控制接口133和透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包括或连接到vfl透镜控制器180，该透镜控制器包括电路和/或例行程序，用于控制与通过vfl透镜270提供的标称正弦焦点位置调制同步的各种图像曝光。在一些实施方式中，透镜控制接口134和vfl透镜控制器180可以合并和/或不作区分。在各种实施方式中，成像控制接口131可以包括景深扩展(extendeddepthoffield：edof)模式(例如通过用户可选择等)，以按一景深来收集工件的至少一个图像，该景深比聚焦于单个焦点位置时通过视觉组成部分200提供的景深更大，和/或透镜控制接口134可以包括edof透镜控制器(例如包括透镜聚焦驱动电路和/或例行程序等)，如美国专利申请公开no.2017/0078549中详细描述的，其通过引用全部合并于本文。如'549公开中所述，在一类edof过程中，可以在曝光时间期间沿多个焦距对单个图像曝光(例如利用vfl透镜270的操作以在曝光期间实现不同焦距)。图像可以是相对模糊的，但是可以包含在多个焦距上获取的图像信息。图像可以用已知或预定的去模糊算法(deconvolutionalgorithms)来去掉模糊，以获得具有景深扩展的相对清楚的图像。
在各种实施方式中，成像控制接口131可以包括快门控制器131sc，其可以包括用于控制阻光快门235和/或265的一个或多个快门控制器(例如分别在信号线235'和265'上提供控制信号)。在各种实施方式中，照明控制接口133可以包括照明控制元件133a-133n，其例如对用于视觉系统100的各种相应光源的选择、功率、准正弦强度调制、切换、脉冲时序等(如果可以应用)进行控制。在一些实施方式中，如图3所示的曝光时间控制器331et可以向快门控制器131sc、成像控制接口131(例如用于控制相机260)、和/或照明控制元件133a-133n中的一个或多个提供时序信号和/或控制信号，使得它们提供与vfl透镜的标称正弦焦点位置调制的期望相位时序同步的图像曝光时序和时间，如后文详述。在一些实施方式中，照明控制元件133a-133n、快门控制器131sc和/或成像控制接口131中的一个或多个以及曝光时间控制器331et可以合并和/或不作区分。
存储器140可以包括图像文件存储部分141、边缘检测存储部分140ed、包括一个或多个零件程序(partprogram)等的工件程序存储部分142和视频工具部分143。视频工具部分143可以包括针对每一个相应视频工具确定gui、图像处理操作等的视频工具部分143a和其他视频工具部分(例如143n)，以及包括关注区域(regionofinterest：roi)产生器143roi，该关注区域产生器支持自动、半自动和/或手动操作，其限定在视频工具部分143中包括的各种视频工具中可操作的各种roi。用于定位边缘特征并执行其他工件特征检查操作的这种视频工具的操作的例子在之前并入的某些参考文献中以及美国专利no.7,627,162中有详细描述，该美国专利通过引用全部合并于本文。
视频工具部分143还包括自动对焦视频工具143af，其确定gui、图像处理操作等，用于焦点高度测量操作。在各种实施方式中，自动对焦视频工具143af可以另外包括高速焦点高度工具，其可以用于使用针对图3在下文详细描述以及在美国专利no.9,143,674中详细描述的硬件以高速来测量焦点高度，该美国专利通过引用全部合并于本文。在各种实施方式中，高速焦点高度工具可以是自动对焦视频工具143af的特殊模式，其可以以其他方式根据用于自动对焦视频工具的常规方法操作，或自动对焦视频工具143af的操作可以仅包括那些高速焦点高度工具。根据已知方法，针对图像区域或关注区域的高速自动对焦和/或焦点位置确定可以是基于对图像的分析，以确定用于各区域的相应对比度度量(contrastmetric)。例如，这种方法描述于美国专利no.8,111,905；7,570,795；和7,030,351，其通过引用全部合并于本文。
在本发明的情况下，且如本领域技术人员已知的，术语“视频工具”通常是指相对复杂的一组自动或经编程的操作，机器视觉用户可通过相对简单的用户界面执行这种操作。例如，视频工具可以包括预先编程的一组复杂图像处理操作和计算，其通过调整控制操作和计算的一些变量或参数在特定情况下应用并定制。除了下层操作和计算，视频工具包括用户界面，允许用户调整用于视频工具的特定情况的那些参数。应注意，可视用户界面特征有时被称为视频工具，具有被隐含包括的下层操作。
一个或多个显示装置136(例如图1的显示器16)和一个或多个输入装置138(例如图1的摇杆22、键盘24、和鼠标26)可以连接到输入/输出接口130。显示装置136和输入装置138可以用于显示用户界面，其可以包括各种图形用户界面(gui)特征，其可用于执行检查操作，和/或创建和/或修改零件程序，以观察通过相机260捕捉的图像，和/或直接控制视觉组成部分200。
在各种示例性实施方式中，在用户利用机器视觉检查系统100以创建用于工件20的零件程序时，用户通过以学习模式操作机器视觉检查系统100来产生零件程序指令，以提供期望的图像获取训练序列(trainingsequence)。例如，训练序列可以包括将代表性工件的具体工件特征定位在视野(fov)中，设定光水平，聚焦或自动聚焦，获得图像，和提供应用于图像的检查训练序列(例如在工件特征上使用视频工具中之一的例子)。学习模式运行为使得序列(一个或多个)被捕捉或记录并被转换为相应的零件程序指令。这些指令在零件程序被执行时将使得机器视觉检查系统重现经训练的图像获取，并使得检查操作能自动检查一个或多个运行模式工件上的、与创建零件程序时使用的代表性工件匹配的该具体工件特征(其是在相应位置中的相应特征)。在一些实施方式中，这种技术可以用于创建零件程序指令，用于分析工件图像，如所并入的某些参考文献中详细描述的。
图3是与图2的视觉系统的类似的视觉系统300一部分的示意图，包括具有vfl透镜370(例如tag透镜)的vfl透镜系统301。在各种实施方式中，vfl透镜系统301可以适于机器视觉系统或配置为独立系统，且可以根据本文公开的原理操作。应理解，图3的某些附图标记的部件3xx可以与图2中类似附图标记的部件1xx或2xx对应和/或提供相似操作或功能，且可以类似地理解，除非另有描述。
将在下文详细描述，成像光路opath包括沿将工件成像光355从工件320传送到相机360的路径布置的各种光学部件。成像光通常沿光学轴线oa的方向传送。在如图3所示的实施方式中，所有光学轴线oa对准。然而，该实施方式目的仅是示例性的而不是限制性的。更通常地，成像光路opath可以包括反射镜和/或其他光学元件，且可以采取操作为根据已知原理使用相机系统(例如包括相机360)对工件320进行成像的任何形式。在示出的实施方式中，成像光路opath包括vfl透镜370(其可以被包括在4f成像配置中)且至少部分地用于在工件图像曝光期间对工件320的表面进行成像。
如图3所示，视觉系统300包括vfl透镜系统301、光源330、曝光时间控制器331et、快门控制器331sc1和331sc2、准正弦源驱动器333a1、阻光快门335和365、相机360、有效焦点位置(z高度)校准部分373、工件聚焦信号处理部分375和透镜控制器380。vfl透镜系统301包括物镜350、管透镜351、中继透镜352、vfl透镜370(例如tag透镜)和中继透镜356。在各种实施方式中，视觉系统300的各部件通过直接连接或一个或多个数据/控制总线(例如系统信号和控制总线395)和/或应用程序接口等互连。
在如图3所示的实施方式中，光源330可以包括连续照明源330c和闪光照明源330s。在各种实施方式中，照明源330c和330s可以合并和/或不作区分。将在下文详细描述，根据本文公开的原理，连续照明源330c可以被控制为在通过vfl透镜系统301的操作聚焦范围的至少一个偏移中的焦点位置改变期间提供连续照明，且可以用于对工件320照明以产生工件图像光355。在各种实施方式中，连续照明源330c可以连接到准正弦源驱动器333a1，该准正弦源驱动器配置为基于准正弦周期性驱动函数驱动连续照明源330c，以提供相应准正弦周期性强度调制光332。准正弦周期性强度调制光332与vfl透镜370的标称正弦焦点位置调制的周期性调制同步，使得准正弦周期性强度调制光332的强度最小值与vfl透镜370的标称正弦焦点位置调制的极值几乎同时发生，将在下文针对图4-6详细描述。
在各种实施方式中，光源330可以是“同轴”的或是配置为沿包括分束器390(例如作为分束器一部分的部分反射镜)的路径并经过物镜350向工件320表面发射来源光332(例如分别具有从源330c和330s而来的连续照明和/或闪光照明)的其他光源。物镜350接收在工件320附近的有效焦点位置efp处聚焦的工件光355，且向管透镜351输出工件光355。管透镜351接收工件光355并将其输出到中继透镜352。在其他实施方式中，类似的光源可以以非同轴的方式对视野照明。例如，环光源可以对视野照明。在各种实施方式中，物镜350可以是可更换物镜，且可以包括管透镜351以作为转台透镜组件的一部分(例如类似于图2的可更换物镜250和转台透镜组件223)。在各种实施方式中，本文所述的任何其他透镜可以用单独透镜、复合透镜等形成或与之关联操作。
中继透镜352接收工件光355并将其输出到vfl(tag)透镜370。vfl(tag)透镜370接收工件光355并将其输出到中继透镜356。中继透镜356接收工件光355并将其输出到相机360。在各种实施方式中，相机360在也称为图像曝光时间段的图像曝光期间(例如相机360的整合期)捕获相机图像，且可以将相应图像数据提供到控制系统部分。相机图像可以包括在工件图像曝光期间提供的(例如工件320的一区域的)工件图像。在各种实施方式中，相机360可以具有大于1兆像素的像素阵列(例如1.3兆像素，具有1280×1024像素阵列，每像素5.3微米)。
在图3的例子中，中继透镜352和356和vfl(tag)透镜370被指定为包括在4f光学配置中，而中继透镜352和管透镜351被指定为包括在开普勒式望远镜配置中，且管透镜351和物镜350被指定为包括在显微镜配置中。所示出的所有配置应理解为仅是示例性的，且不针对本发明进行限制。在各种实施方式中，所示4f光学配置允许将vfl(tag)透镜370(例如其可以是低数值孔径(na)装置)放置在物镜350的傅立叶平面处。该配置可以保持工件320处的远心度且可以使得比例变化和图像变形最小化(例如包括针对工件320的每一个z高度和/或有效焦点位置efp提供恒定的放大倍数)。开普勒式望远镜配置(例如包括管透镜351和中继透镜352)可以被包括在显微镜配置和4f光学配置之间，且可以配置为在vfl(tag)透镜370的位置处提供物镜通光孔径的期望投影尺寸，以便使得图像像差等最小化。
在各种实施方式中，透镜控制器380可以包括驱动信号产生器部分381、时序时钟381'、和工件成像电路/例行程序382。驱动信号产生器部分381可以(例如与时序时钟381'关联地)操作为经由信号线380'向高速vfl(tag)透镜370提供周期性驱动信号(例如以vfl(tag)透镜的共振操作频率提供视觉系统300焦点位置的标称正弦调制)。在各种实施方式中，视觉系统300可以包括控制系统(例如图2的控制系统部分120)，其可配置为与透镜控制器380关联地操作，用于进行协调操作。在各种实施方式中，透镜控制器380通常可以执行各种功能，其与对工件320以和vfl透镜370的期望相位时序同步的方式进行成像、以及vfl透镜370进行控制、监测和调整其驱动和响应有关。在各种实施方式中，工件成像电路/例行程序382可以执行用于视觉系统的标准工件成像操作，与vfl透镜370的相位时序同步，如本领域已知的和在所并入的某些参考文献中所述的。
在各种实施方式中，会由于不期望的温度变化而引起vfl透镜370操作特性的漂移。如图3所示，视觉系统300可以可选地包括与vfl透镜370关联的透镜加热器/冷却器337。根据一些实施方式和/或操作状态，透镜加热器/冷却器337可以配置为向vfl透镜370输入一定量的加热能量和/或执行冷却功能，以有助于vfl透镜370的加热和/或冷却。此外，在各种实施方式中，可以通过与vfl透镜370关联的温度传感器336提供vfl透镜监测信号，以监测vfl透镜370的工作温度。
针对vfl透镜370的通常操作，在如上所述的各种实施方式中，透镜控制器380可以周期性地快速调整或调制其屈光力，以实现能以250khz或70khz或30khz等进行周期性调制(即以vfl透镜共振频率)的高速vfl透镜。如图3所示，通过使用信号的周期性调制来驱动vfl透镜370，视觉系统300的有效焦点位置efp(即，物镜350前方的焦点位置)可以在范围refp(例如自动对焦搜索范围)中(快速)运动。范围refp可以以与物镜350组合的vfl透镜370的最大屈光力对应的有效焦点位置efp1(或efpmax)和与物镜350组合的vfl透镜370的最大负屈光力对应的有效焦点位置efp2(或efpmin)为界。在各种实施方式中，有效聚焦位置efp1和efp2可以分别近似对应于90度和270度的相位时序，将在下文详细描述。在各种实施方式中，范围refp的中间值可以被指定为efpnom，且可以对应于与物镜350的标称屈光力组合的vfl透镜370的零屈光力。根据该描述，在一些实施方式中，efpnom可以近似对应于物镜350的标称焦距。
在一个实施方式中，可选工件聚焦信号处理部分375可以从相机360输入数据且可以提供数据或信号，其用于确定(例如工件320的)经成像表面区域何时在图像中处于有效焦点位置。例如，可以使用已知的“最大对比度”或“最佳聚焦图像”分析来分析通过相机360在不同z高度处获取的图像组(例如图像栈)，以确定工件320的经成像表面区域在图像中是否或何时处于相应有效焦点位置。然而，更通常地，可以使用任何其他合适已知的图像聚焦检测配置。在任何情况下，工件聚焦信号处理部分375等可以输入在vfl(tag)透镜370的有效焦点位置的周期性调制(多个有效焦点位置扫掠)期间获取的一个或多个图像，且确定目标特征被最佳聚焦的图像。在一些实施方式中，工件聚焦信号处理部分375可以进一步确定与最佳聚焦图像对应的已知相位时序并输出该“最佳聚焦”相位时序值到有效焦点位置校准部分373。有效焦点位置校准部分373可以提供z高度(有效焦点位置)校准数据，其将相应z高度或有效聚焦位置与vfl透镜370的标准成像共振频率周期中的相应“最佳聚焦”相位时序关联，其中校准数据对应于根据标准成像驱动控制配置或参考状态来操作vfl透镜370。
通常来说，有效焦点位置校准部分373包括所记录的z高度(或有效焦点位置)校准数据。如此，在图3中将其显示为分开元件的目的仅是示意性展示，且不是限制性的。在各种实施方式中，相关的经记录z高度校准数据可以与透镜控制器380、工件聚焦信号处理部分375、或连接到系统信号和控制总线395等的主计算机系统合并和/或不作区分。
在各种实施方式中，曝光时间控制器331et(例如通过提供时序信号和/或控制信号等)控制曝光时序和时间，其控制视觉系统300的图像曝光(例如针对周期性地调制的有效焦点位置的相位时序)。例如，在阻光快门365被包括且沿工件320和相机360之间的成像光路opath定位，或在阻光快门335被包括且沿来源光332在光源330和工件320之间所遵循的照明路径定位的实施方式中，曝光时间控制器331et可以控制曝光时序和时间，其控制阻光快门335或365的操作，以控制工件图像曝光。在各种实施方式中，阻光快门235和/或265可以包括快速光学开关(例如快速液晶光学开关)。在其他实施方式中，曝光时间控制器331et可以控制曝光时序和时间，其控制设置在相机360中的电子图像整合期的操作，以控制工件图像曝光(例如通过控制相机360的快速电子相机快门，以在相应控制时间和/或其相关有效焦点位置获取图像)。在一些实施方式中，曝光时间控制器331et可以与相机360和/或快门控制器331sc1和/或331sc2合并或不作区分。
在各种实施方式中，曝光时间控制器331et也可以(例如在某些模式或时序期间)操作为控制用于闪光照明源330s的闪光时序。例如，这种闪光/脉冲照明操作可以用在某些模式中(例如用于points-from-focus操作等)，而准正弦周期性强度调制光可以用在其他模式中(例如用于edof操作等)。在各种实施方式中，曝光时间控制器331et(例如使用在有效焦点位置校准部分373中可用的z高度校准数据)可以控制闪光照明源330s，以在相应的受控时间闪光。在一个实施方式中，曝光时间控制器331et可以控制闪光照明源330s，以在vfl透镜370的标准成像共振频率的周期中的相应相位时序闪光，以便获取在vfl透镜370的扫掠(周期性调制)范围中具有特定有效焦点位置的图像。相似的时序考虑也可以用于通过曝光时间控制器331et控制其他元件(例如用于控制阻光快门335和/或365，相机360，等)。应理解如上所述的曝光时间控制器331et和其他特征和元件的操作通常可以实施为控制工件图像获取。
在各种实施方式中，单个控制器可以配置为提供一个或多个调制控制信号，其用于控制vfl透镜370以提供标称正弦焦点位置调制，和控制连续照明源330c以提供准正弦周期性强度调制光。在各种实施方式中，这种单个控制器可以包括和/或控制照明控制接口133、配置为驱动连续照明源330c的源驱动器333a1或透镜控制器380中的一个或多个。在各种实施方式中，单个控制器可以至少部分地基于用于vfl透镜370和连续照明源330c的调制控制信号可以是彼此的移相版本这样的事实来提供这种调制控制信号，将在下文详细描述。
图4a-4c是显示了根据准正弦周期性驱动信号驱动连续照明源的实施方式的示意图。在图4a和4c中，水平轴线代表时间，且垂直轴线代表焦点或强度(标准化至1.0的最大值)，将在下文详细描述。在图4b中，水平轴线代表曝光，且垂直轴线代表焦点。
图4a包括聚焦曲线310和光曲线312和319的示意图。在各种实施方式中，聚焦曲线310可以代表视觉系统的有效焦点位置(例如根据被控制为提供视觉系统的焦点位置的标称正弦调制的vfl透镜，如上针对图1-3所述的)。在图4a的例子中，聚焦曲线310近似为正弦的，也如图4c所示(即具有较长的时间帧)，将在下文详细描述。
如图4a所示，光曲线312对应于恒定光源，为此相应强度处于恒定水平(即垂直轴线上的1.0的强度)。在利用这种恒定光源的vfl透镜系统中可能出现的一个问题是在焦点极值处会造成过度曝光。更具体地，因为聚焦曲线310至少是标称正弦的，所以在焦点位置调制的极值附近比在更为过渡性的焦点(例如在0.0焦点位置附近)相比花费更多时间。结果，在使用恒定光源(例如以及与比tag透镜操作时的频率相比慢得多的图像速率)时，通过给定曝光时间获取的图像将包含极值附近焦点(例如在1.0和-1.0焦点位置附近的焦点)的更多权重和其他焦点(例如在0.0焦点位置附近的焦点)的更少权重。该结果通过图4b中的相应曝光曲线312ex示出，为此，在极值附近的焦点(例如在1.0和-1.0焦点位置附近的焦点，其中焦点位置随其逆转方向而缓慢改变)显示为具有大的标准化曝光水平(在最大绘制值5处截止，但是理论上超过该值)，而更为过渡性的焦点水平附近的焦点(例如0.0焦点位置附近的焦点)具有约1.0的标准化曝光水平。
这种变化的曝光水平和相应权重等会造成各种问题。例如，其通常对想要根据焦点位置周期性调制期间合适获取图像而具有不同曝光水平的图像来说是不期望的(例如因为会影响某些类型的测量和/或其他处理的准确性等)。作为针对景深扩展(edof)处理的具体例子，这种不同曝光水平和/或权重对可能使用的某些类型的去模糊算法来说是有问题的。更具体地，edof处理可以包括图像处理，其通过基于以vfl透镜系统操作为特点的预定的集成点扩散函数(predeterminedintegratedpointspreadfunction)的工件图像去模糊处理来去除散焦模糊。这种去模糊处理可以对所有焦点呈现相等权重，为此，焦点的不同权重会造成图像处理的不准确。
根据本文公开的原理，作为利用恒定光源的替换，在各种实施方式中，可以提供准正弦周期性强度调制光，如上针对图1-3所述。准正弦周期性强度调制光的例子通过图4a中的正弦光曲线319所示。利用与正弦光曲线319对应的光源的结果通过图4b中的相应曝光曲线319ex表示，为此，所有焦点位置显示为具有约1.0的曝光水平。在各种实施方式中，这种一致的曝光水平和聚焦范围中焦点位置的相应权重实现更一致且准确的图像处理、测量等。
在各种实施方式中，在任何给定焦点位置处曝光可以至少与焦点对时间的绝对斜率成反比。如果聚焦曲线310被指定为余弦曲线，则其斜率可以对应于正弦曲线，为此，曝光可以是与1/|sin|成比例。为了使得曝光标准化，根据本文公开的原理，可以利用光源，其强度可以对应于|sin|。在一个实施方式中，光源的强度可以通过abs(sinusoid)表示，其通过视觉系统的焦点位置的标称正弦调制(即按照vfl透镜的操作)而相差90°相位。这种光源的强度通过图4c的光曲线319'表示。
在各种实施方式中，在通过sin电流驱动时某些类型的光源(例如弧光灯、钨丝等)可以自然地产生|sin|强度，因为这种光源通过正电流和负电流发光。某些其他类型的光源(例如led等)会要求用正电流来发光，为此，驱动电流可以被整流(例如对应于图4c的曲线319')，或可以利用其他技术，将在下文针对图5、6a和6b详细描述。在各种实施方式中，图4c的光曲线319'可以代表用于光源的准正弦周期性驱动信号，如至少近似对应于全波整流准正弦周期性驱动函数，其以tag透镜共振频率的两倍来重复(即通过聚焦曲线310表示)。在替换的实施方式中，并非对负半周期进行整流，光源可以在负半周期期间关闭，为此相应的图示将包括光曲线319'的每隔一个的半个周期(例如在正半周期之间具有零强度值)。这种图示对应于以tag透镜的共振频率重复的半波整流准正弦周期性驱动函数。
图5是显示了与图4类似的实施方式的图，其中用于驱动“连续”照明源的信号范围可以包括全波整流准正弦周期性驱动函数的峰值部分。在图5中，水平轴线代表时间(例如相位时序)，且垂直轴线分别代表有效焦点位置(如通过vfl透镜的屈光力控制)和照明驱动信号或强度。应理解，图像曝光期间在物镜(例如透镜350)前方的有效焦点位置efp对应于图像曝光期间vfl透镜的屈光力。应理解，在任何特定vfl透镜系统中缺陷(imperfection)可以对两个垂直轴线之间关系中的各种非线性或扭曲有贡献，但是示出了通常的标称关系。
图5包括聚焦曲线310和光曲线319”的展示。光曲线319”可以包括的某些特性与图4c的光曲线319'的某些特性类似，除了下文描述的以外。与聚焦曲线310有关的视觉系统的有效焦点位置(efp)显示在图5的右手侧。视觉系统的聚焦范围refp显示为在有效焦点位置efp-0和有效焦点位置efp-100之间改变(例如对应于图4a-4c和6a-6b中从-1.0到1.0的聚焦范围值)。在该具体例子中，有效焦点位置efp-50(例如对应于图4a-4c和6a-6b中的0.0焦点值)是标称焦点位置efp-nom的例子，其被指定为标称焦点位置(例如其中vfl透镜370的屈光力为零)。根据该描述，在一些实施方式中，efpnom可以近似对应于物镜(例如物镜350)的标称焦距。由此，efp-nom(例如efp-50)可以是从efp-0变化到efp-100的聚焦范围refp的中间值。
聚焦曲线310被显示为在相位时序phrs50-1和phrs50-2处(分别对应于ph0＝0度和ph180＝180度的相位时序值)具有在有效焦点位置efp-50处的值。在有效焦点位置efp-90处的值出现于相位时序phrs90-1和phrs90-2，且有效焦点位置efp-10的值出现于相位时序phrs10-1和phrs10-2。如在下文详细描述的，聚焦曲线310的在有效焦点位置efp-10和efp-90之间的部分(即聚焦曲线310的在点310-1和310-2之间的部分)代表聚焦范围refp的80％(即相对于从有效焦点位置efp-0到有效焦点位置efp-100的总聚焦范围refp)。应理解，明确指定的相位时序可以相对于vfl透镜(例如vfl透镜370)的周期性调制代表其他相位时序，其可以沿水平轴线表示且可以相应地针对聚焦曲线310的每一个随后周期相应地重复。
如在下文详细描述的，在各种实施方式中，vfl透镜系统的操作聚焦范围可以针对各种原因而(例如通过控制系统部分120的元件或以其他方式)被限制为小于整个聚焦范围(例如图5的聚焦范围refp)。即，标称正弦焦点位置调制的极值(例如正峰值和负峰值)可以从要用于成像和/或测量的期望操作聚焦范围中排除。在一个实施方式中，操作聚焦范围可以对应于通过vfl透镜的操作提供的整个聚焦范围的设定百分比(例如80％或更少)。在这种实施方式中，如果期望，则可以针对在vfl透镜系统的操作聚焦范围以外的整个聚焦范围的至少一部分中断和/或关闭连续照明。
作为一个具体示例性例子，在一个实施方式中，vfl透镜系统的操作聚焦范围可以对应于整个聚焦范围的80％(例如包括efp-10到efp-90的有效焦点位置之间的聚焦范围)。在这种实施方式中，光曲线319”(其可能包括非峰值部分np1b(类似于图4c的光曲线319'))可以代替地对应于光源被关闭或中断(例如通过非峰值部分np1a替代地示出的)。根据这种实施方式，光曲线319”的峰值部分pp1(即出现于相位时序phrs90-2和phrs10-1之间)可以对应于所示的“照明范围”ir1。在一些实施方式中，在照明范围ir1中，准正弦周期性强度调制光位于操作聚焦范围的相应部分上(例如包括在点310-1和310-2之间的聚焦曲线310的相应部分)，且光源可以在其他时刻关闭，如所示的。应理解，在其他实施方式中，光源强度可以简单地保持为恒定于期望水平，或减小到遵循驱动函数的“低强度”部分(如果期望的话)，而不是完全关闭光源(例如为了避免可能在一些光源或驱动电路中发生的启动延时(startuplatency))。
在与图5对应的一个实施方式中，源驱动器可以配置为根据准正弦周期性驱动信号驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号包括一信号范围，该信号范围至少包括以vfl(tag)透镜的共振频率的两倍来重复的全波整流准正弦周期性函数的峰值部分。即，在共振周期中的焦点的两极性改变期间，全波整流准正弦周期性驱动函数的峰值部分以vfl(tag)透镜共振频率的两倍重复。在这种实施方式中，光曲线319”可以表示为包括峰值部分pp1-pp4和非峰值部分np1a-np3a。在替换的实施方式中，源驱动器可以配置为根据准正弦周期性驱动信号驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号包括一信号范围，该信号范围至少包括以vfl(tag)透镜的共振频率重复的半波整流准正弦周期性驱动函数的峰值部分。在这种实施方式中，光曲线319”可以表示为包括峰值部分pp1和pp3，非峰值部分np1a-np3a和相似的非峰值部分代替峰值部分pp2和pp4。
在各种实施方式中，图像曝光可以包括与同一焦点位置对应且在标称正弦焦点位置调制的不同周期期间获取的至少两个曝光增量。例如，在通过聚焦曲线310表示的标称正弦焦点位置调制的第一周期期间，第一曝光增量可以对应于峰值部分pp1开始处的有效焦点位置efp-90(即对应于相位时序phrs90-2)，且在通过聚焦曲线310表示的标称正弦焦点位置调制的第二时间段期间，第二曝光增量可以对应于峰值部分pp3开始处的有效焦点位置efp-90。
图6a-6b是显示了一实施方式的示意图，其中可以根据平滑变化的准正弦周期性驱动信号来驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号具有tag透镜共振频率两倍的频率且包括dc偏移分量。在图6a中，水平轴线代表时间，且垂直轴线代表焦点或强度，且在图6b中，水平轴线代表曝光，且垂直轴线代表焦点。图6a-6b与图4a-4c具有一定的相似性，且相对于图4c的光曲线319'，图6a中的某些光曲线代表替换例，其中，并非用|sin|函数驱动光源，|sin|波基本上在tag频率两倍的情况下与偏移的cos波相似。
图6a包括聚焦曲线310和光曲线312和319的显示，其类似于图4a所示的。图6a还示出了额外的光曲线314-317，其代表不同调制水平，为此可以根据平滑变化的准正弦周期性驱动信号驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号具有的频率为tag透镜共振频率的两倍。在各种实施方式中，光曲线312可以对应于0％调制，光曲线314可以对应于50％调制，光曲线315可以对应于70％调制，光曲线316可以对应于80％调制，且光曲线317可以对应于100％调制。在各种实施方式中，光曲线314可以具有与垂直轴线上的0.75水平近似对应的dc偏移和0.5到1.0范围的幅度。光曲线315可以具有与垂直轴线上的0.65水平近似对应的dc偏移和0.3到1.0范围的幅度，且光曲线316可以具有与垂直轴线上的0.60水平近似对应的dc偏移和0.2到1.0范围的幅度。在各种实施方式中，本文限定的准正弦周期性强度调制光可以对应于图6a的任何光曲线314-319以及图4c的光曲线319'或图5的光曲线319”的各种实施方式，或具有相似或其他准正弦特点的任何其他光曲线。
图6b包括曝光曲线312ex-319ex，与图6a的光曲线312-319对应。曝光曲线312ex和319ex(对应于光曲线312和319)类似于图4b所示的。如上针对图4b所述，曝光曲线312ex的一个问题是极值附近的焦点(例如1.0和-1.0焦点位置附近的焦点)被显示为具有接近5的值的曝光水平，而更为过渡性的焦点水平附近的焦点(在0.0焦点位置附近的焦点)具有约1.0的曝光水平。曝光曲线314ex-316ex显示为在这方面实现各种改善，其在于，与曝光曲线312ex相比，曝光曲线的更多部分更靠近1.0的曝光水平。将曝光曲线314ex-316ex彼此比较，曝光曲线314ex的更多部分在理想曝光曲线319ex右侧，而曝光曲线316ex的更多部分在理想曝光曲线319ex的左侧，曝光曲线315ex位于曝光曲线314ex和316ex之间。在各种实施方式中，对应于曝光曲线314ex和316ex之间的曝光曲线(即在50％和80％调制之间)的光曲线可以用于近似理想曝光曲线319ex。
在各种实施方式中，其中利用与图6a中的调制光曲线类似的调制光曲线，如上所述，源驱动器(例如图3的准正弦源驱动器333a1)可以配置为根据平滑变化的准正弦周期性驱动信号驱动连续照明源，该准正弦周期性驱动信号具有的频率是tag透镜共振频率的两倍且包括dc偏移分量。在各种实施方式中，平滑变化的准正弦周期性驱动信号可以对应于时间函数ds(t)，其至少近似对应于以下等式：
ds(t)＝k×[(1-0.5×mc)–(0.5×mc)×cos(2ωtag×t)]公式1
其中mc代表至少0.3且最大1.0的调制系数，ωtag代表tag透镜共振频率，t代表时间，且k是代表ds(t)最大值的常数。在各种实施方式中，mc可以为至少0.5且最大0.8(例如对应于如上所述的50％和80％调制之间的值)。
通常针对图1-6的构造，在各种实施方式中，标称正弦焦点位置调制可以对应于作为时间(t)的函数的焦点位置调制f(t)，具有作为时间(t)的函数的变化率df(t)/dt。源驱动器可以配置为驱动连续照明源，以提供准正弦周期性强度调制光，其具有对应于作为时间(t)的函数的强度调制i(t)的强度，其至少在vfl透镜系统的操作聚焦范围内满足以下条件：
0.9re<i(t)/abs(df(t)/dt)<1.1re公式2
其中abs(df(t)/dt)代表在时间(t)时的焦点变化率的绝对值，且re代表每一焦点变化增量的恒定曝光率。
应理解如上所述的配置可以提供各种优点。例如，在各种实施方式中，根据本文公开的原理的视觉系统可以利用连续光源，其比某些其他视觉系统(例如利用脉冲或闪光光源来用于某些应用)所需的相比更简单和/或更便宜。更具体地，在某些实施方式中，可以利用连续光源330c，其具有相对更慢的响应时间。相对比地，使用某些脉冲光源配置进行照明和/或曝光可以具有相对更快的响应时间(例如约10ns的低延时光脉冲，或≈100mhz)，为此可能会需要更复杂且昂贵的光源。此外，利用本文公开的配置可以提供更多光以用于对工件成像和/或曝光，为此|sin|rms光强度可以为通过恒定光源配置提供的光的约65-70％。相对比地，对于脉冲光配置，总的累积光量可以显著降低。由此，连续光源330c在如本文公开那样操作时可以用于图像工件特征(例如更暗的区域)，包括在放大倍数相对高时，以更短的曝光时间操作，而需要更少的功率，且可以实现更少的图像噪声。
图7是显示了例行程序700的一个示例性实施方式的流程图，其用于操作包括连续照明源的视觉系统，基于根据本文公开的原理的准正弦周期性驱动函数对连续照明源进行驱动。在图块710，可变焦距(vfl)透镜系统的可变焦距可调声梯度折射率(tag)透镜被操作为以tag透镜的共振操作频率提供视觉系统焦点位置的标称正弦调制。在图块720，光源被操作为包括连续照明源，其配置为在通过vfl透镜系统的操作聚焦范围的至少一个偏移中的焦点位置改变期间提供连续照明。连续照明源用于对工件照明以产生工件图像光且连接到源驱动器，该源驱动器配置为基于准正弦周期性驱动函数驱动连续照明源，以从连续照明源提供相应的准正弦周期性强度调制光。源驱动器与标称正弦焦点位置调制的周期性调制同步，使得准正弦周期性强度调制光的强度最小值基本与标称正弦焦点位置调制的极值同时发生。
在图块730，曝光时间控制器操作为确定曝光时序和时间，其控制图像曝光。在图块740，相机被操作为基于将工件图像光输入到相机的图像曝光提供工件图像，该工件图像光是通过从连续照明源而来的准正弦周期性强度调制光对工件进行照明所产生的。输入的工件图像光在图像曝光期间沿包括tag透镜的vfl透镜系统的成像光路从工件传递到相机。
在各种实施方式中，可以对工件图像执行各种类型的图像处理。例如，在所获取的图像为edof图像的配置中，可以执行图像处理以去除散焦模糊，其可以包括工件图像的去模糊处理(例如基于以vfl透镜系统操作为特点的预定的集成点扩散函数等)。如上所述，这种去模糊处理能在利用本文公开的准正弦周期性强度调制光获得的edof图像上更准确地执行(例如与利用恒定光源相对比，该恒定光源会造成edof图像不同焦点的不同权重，这会造成去模糊处理不准确)。
尽管已经显示和描述了本发明的优选实施方式，基于本发明，本领域技术人员可以理解特征的所示和所述布置和操作顺序的许多变化。各种替换形式可以用于执行本文公开的原理。此外，如上所述的各种实施方式可组合以提供进一步的实施方式。所有在本说明书中引用的美国专利和美国专利申请通过引用全部并入本文。如果必要，实施方式的一些方面可改变，以采用各种专利和申请的原理，以提供进一步实施方式。
可根据上述详细描述对实施方式做出这些和其他改变。通常，在权利要求中，所使用的术语不应理解为是将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的具体实施方式，耳塞应该立即为包括权利要求所涵盖的所有可能实施方式以及等效形式的全部范围。
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