Title:
Autofokussystem für eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein System zum Bereitstellen eines automatisch fokussierten Bilds umfasst ein Bildgebungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse), eine VFL-Linsensteuerung, eine VFL-projizierte Lichtquelle, einen Fokusbestimmungsabschnitt, eine Belichtungszeit-Anpassungsschaltung und eine Stroboskopbelichtungszeitsteuerung umfasst. Der Fokusbestimmungsabschnitt umfasst einen Optikdetektor, der reflektiertes VFL-projiziertes Licht eingibt, das durch die VFL-Linse auf ein Werkstück projiziert und davon reflektiert wird, und ein Fokusabweichungssignal bereitstellt. Die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung stellt basierend auf dem Fokusabweichungssignal ein Belichtungszeit-Anpassungssignal bereit, das eine Zeit anzeigt, wenn die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems annähernd mit der Z-Höhe der Werkstückoberfläche zusammenfällt. Die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung verwendet das Belichtungszeit-Anpassungssignal, um die Bildbelichtungszeit so anzupassen, dass die Z-Höhe des Bildgebungssystems mit der Z-Höhe der Werkstückoberfläche zu der angepassten Bildbelichtungszeit zusammenfällt.





Inventors:
Bryll, Robert Kamil, Wash. (Kirkland, US)
Delaney, Mark Lawrence, Wash. (Kirkland, US)
Application Number:
DE102017207176A
Publication Date:
11/09/2017
Filing Date:
04/28/2017
Assignee:
MITUTOYO CORPORATION (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)
International Classes:
G03B13/36; G01B9/02; G01B11/00; G02B7/28; G02B15/00
Foreign References:
73246822008-01-29
74540532008-11-18
81119052012-02-07
81119382012-02-07
201501459802015-05-28
201403687262014-12-18
65421802003-04-01
90601172015-06-16
81943072012-06-05
91436742015-09-22
Other References:
Artikels „High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Vol. 33, Nr. 18, 15. September 2008
Attorney, Agent or Firm:
MERH-IP Matias Erny Reichl Hoffmann Patentanwälte PartG mbB, 80336, München, DE
Claims:
1. System zum Bereitstellen eines automatisch fokussierten Bilds unter Verwendung eines Bildgebungssystems, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) umfasst, wobei das System umfasst:
ein Bildgebungssystem, das mindestens eine Objektivlinse, die dazu konfiguriert ist, von einer Werkstückoberfläche herrührendes Bildlicht einzugeben, eine VFL-Linse, die dazu konfiguriert ist, von der Objektivlinse gesendetes Bildlicht zu empfangen, und eine Kamera, die dazu konfiguriert, von der VFL-Linse gesendetes Bildlicht zu empfangen, umfasst;
eine VFL-Linsensteuerung, die dazu konfiguriert ist, die VFL-Linse zu steuern, um ihre optische Leistung periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Fokus-Z-Höhen des Bildgebungssystems entlang einer Z-Höhenrichtung periodisch zu modulieren,
eine VFL-projizierte Lichtquelle, die eine Lichtquelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, VFL-projiziertes Licht entlang eines Fokusüberwachungs-Lichtwegs zu einer Rückseite der VFL-Linse und durch die VFL-Linse und die Objektivlinse zu der Werkstückoberfläche bereitzustellen;
einen Fokusbestimmungsabschnitt, der einen Optikdetektor umfasst, der dazu konfiguriert ist, reflektiertes VFL-projiziertes Licht einzugeben, das von einer Werkstückoberfläche und zurück zu der Objektivlinse und zurück zu der VFL-Linse und zurück entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs reflektiert wurde, und mindestens ein Optikdetektorsignal bereitzustellen, das auf eine Differenz zwischen einer Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts und einer Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs anspricht, wobei die Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems anzeigt und der Fokusbestimmungsabschnitt mindestens ein Fokusabweichungssignal basierend auf dem mindestens einen Optikdetektorsignals ausgibt;
eine Belichtungszeit-Anpassungsschaltung, die das Fokusabweichungssignal eingibt und basierend auf dem Fokusabweichungssignal ein Belichtungszeit-Anpassungssignal in Bezug auf eine Zeit bestimmt, wenn die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt;
eine Stroboskopbelichtungszeitsteuerung, die eine Bildbelichtungszeit des Bildgebungssystems steuert, wobei die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung dazu konfiguriert ist, das Belichtungszeit-Anpassungssignal einzugeben und basierend auf dem Belichtungszeit-Anpassungssignal automatisch eine angepasste Bildbelichtungszeit bereitzustellen, wobei die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems zu der angepassten Bildbelichtungszeit annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt, und
das System dazu konfiguriert ist, ein fokussiertes Bild bereitzustellen, das mindestens ein Belichtungsinkrement zu der angepassten Bildbelichtungszeit umfasst.

2. System nach Anspruch 1, wobei die VFL-projizierte Lichtquelle mindestens einen Lichtgenerator und eine Kollimatorlinse umfasst und dazu konfiguriert ist, VFL-projiziertes Licht bereitzustellen, das zumindest annähernd entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs zu der Rückseite der VFL-Linse kollimiert ist.

3. System nach Anspruch 2, wobei die VFL-projizierte Lichtquelle dazu konfiguriert ist, zu dem Bildlicht beizutragen, wobei:
der Fokusüberwachungs-Lichtweg einen Strahlteiler umfasst, der sich in dem Fokusüberwachungs-Lichtweg und in einem Bildgebungs-Strahlengang zwischen der Rückseite der VFL-Linse und der Kamera befindet;
VFL-projiziertes Licht in den Strahlteiler entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs eingegeben wird und von dem Strahlteiler zu der Rückseite der VFL-Linse und durch die VFL-Linse und die Objektivlinse ausgegeben wird, um den Werkstückoberflächenbereich zu beleuchten; und
das reflektierte VFL-projizierte Licht von dem Werkstückoberflächenbereich und zurück durch die Objektivlinse und zurück durch die VFL-Linse zu dem Strahlteiler reflektiert wird, wo ein Teil des reflektierten VFL-projizierten Lichts zurück entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs geführt wird und ein Teil des reflektierten VFL-projizierten Lichts als Bildlicht entlang des Bildgebungs-Strahlengangs zu der Kamera geführt wird.

4. System nach Anspruch 1, wobei:
die VFL-projizierte Lichtquelle dazu konfiguriert ist, das VFL-prozierte Licht während einer Fokusbestimmungszeitperiode bereitzustellen und der Fokusbestimmungsabschnitt dazu konfiguriert ist, das reflektierte VFL-projizierte Licht einzugeben und mindestens ein Fokusabweichungssignal während der Fokusbestimmungszeitperiode auszugeben; und
das System dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Belichtungsinkrement zu der angepassten Bildbelichtungszeit während einer Bilderfassungszeitperiode zu erfassen, die sich nicht mit dem Vorhandensein des VFL-projizierten Lichts während der Fokusbestimmungszeitperiode überlappt.

5. System nach Anspruch 1, wobei:
die VFL-projizierte Lichtquelle einen ersten Lichtgenerator umfasst, der sichtbares oder nicht sichtbares Licht ausgibt, das einen ersten Wellenlängenbereich aufweist;
das Bildlicht Wellenlängen außerhalb des ersten Wellenlängenbereichs umfasst;
die VFL-projizierte Lichtquelle dazu konfiguriert ist, den ersten Wellenlängenbereich aufweisendes VFL-projiziertes Licht kontinuierlich mindestens während einer Fokusbestimmungszeitperiode bereitzustellen, und der Fokusbestimmungsabschnitt dazu konfiguriert ist, reflektiertes VFL-projiziertes Licht einzugeben, das den ersten Wellenlängenbereich umfasst, und das mindestens eine Fokusabweichungssignal kontinuierlich mindestens während der Fokusbestimmungszeitperiode auszugeben;
das System dazu konfiguriert ist, das mindestens eine Belichtungsinkrement zu der angepassten Bildbelichtungszeit während einer Bilderfassungszeitperiode zu erfassen, die sich mit dem Vorhandensein des den ersten Wellenlängenbereich aufweisenden VFL-projizierten Lichts überlappt; und
das Bildgebungssystem ferner einen Wellenlängenfilter umfasst, der zwischen der Kamera und der VFL-Linse angeordnet ist und dazu konfiguriert ist, Licht im ersten Wellenlängenbereich am Erreichen der Kamera zu hindern.

6. System nach Anspruch 1, wobei die angepasste Bildbelichtungszeit eine bestimmte Phasenzeit relativ zu der periodisch modulierten Fokusposition definiert und das System dazu konfiguriert ist, ein fokussiertes Bild bereitzustellen, das eine Vielzahl von Belichtungsinkrementen zu der bestimmten Phasenzeit während einer Vielzahl von Perioden der periodisch modulierten Fokusposition umfasst.

7. System nach Anspruch 1, wobei das System mindestens eine stroboskopische Bildlichtquelle, die das Bildlicht bereitstellt, oder eine einen schnellen elektronischen Verschluss umfassende Kamera umfasst, und die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung dazu konfiguriert ist, mindestens eines von einer Bildlicht-Stroboskopzeit der stroboskopischen Bildlichtquelle oder einer Verschluss-Stroboskopzeit des schnellen elektronischen Verschlusses zu steuern, um das mindestens eine Belichtungsinkrement zu der angepassten Bildbelichtungszeit zu ermöglichen.

8. System nach Anspruch 1, wobei:
die VFL-projizierte Lichtquelle einen ersten Lichtgenerator umfasst;
das System eine Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung umfasst, die dazu konfiguriert ist, eine Fokus-Stroboskopzeit des ersten Lichtgenerators zu steuern, um mindestens einen Fall von stroboskopischem VFL-projizierten Licht, das eine Anfangsphasenzeit relativ zu der periodisch modulierten Fokusposition aufweist, mindestens während einer Fokusbestimmungszeitperiode bereitzustellen; und
der Fokusbestimmungsabschnitt dazu konfiguriert ist, die Anfangsphasenzeit aufweisendes reflektiertes stroboskopisches VFL-projiziertes Licht einzugeben und ein entsprechendes aktuelles Fokusabweichungssignal auszugeben.

9. System nach Anspruch 8, wobei die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung die Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung umfasst und das System dazu konfiguriert ist, eine Phasenzeitsuche auszuführen, die eine Fokusphasenzeit identifiziert, die ein Fokusabweichungssignal erzeugt, das dem stroboskopischen VFL-projizierten Licht entspricht, das auf der Werkstückoberfläche fokussiert ist, wobei:
die Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung weiterhin dazu konfiguriert ist, ein aktuelles Fokusabweichungssignal einzugeben und die Fokus-Stroboskopzeit automatisch anzupassen, um mindestens einen Fall von stroboskopischen VFL-projizierten Licht bereitzustellen, das eine auf dem aktuellen Fokusabweichungssignal basierende angepasste Phasenzeit aufweist;
der Fokusbestimmungsabschnitt dazu konfiguriert ist, die angepasste Phasenzeit aufweisendes reflektiertes stroboskopisches VFL-projiziertes Licht einzugeben und ein entsprechendes aktuelles Fokusabweichungssignal auszugeben;
die Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung und der Fokusbestimmungsabschnitt dazu konfiguriert sind, iterativ zu arbeiten und die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung eine Schaltung umfasst, die dazu konfiguriert ist, zu bestimmen, wenn ein aktuelles Fokusabweichungssignal dem stroboskopischen VFL-projizierten Licht entspricht, das auf der Werkstückoberfläche fokussiert ist und dabei anzeigt, dass die entsprechende angepasste Fokus-Stroboskopzeit eine fokussierte Phasenzeit bereitstellt;
die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung dazu konfiguriert ist, ein Belichtungszeit-Anpassungssignal auszugeben, das die fokussierte Phasenzeit anzeigt; und
die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung dazu konfiguriert ist, das Belichtungszeit-Anpassungssignal einzugeben und automatisch eine angepasste Bildbelichtungszeit bereitzustellen, die der fokussierten Phasenzeit entspricht.

10. System nach Anspruch 1, wobei:
die VFL-Linse mit einer Frequenz von mindestens 3 kHz periodisch moduliert wird;
und das System eine Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung umfasst, die dazu konfiguriert ist, eine Fokus-Stroboskopzeit eines in der VFL-projizierten Lichtquelle umfassten ersten Lichtgenerators zu steuern, um mindestens einen Fall von stroboskopischem VFL-projizierten Licht, das eine definierte Phasenzeit relativ zu der periodisch modulierten Fokusposition aufweist, mindestens während einer Fokusbestimmungszeitperiode bereitzustellen; und
der Optikdetektor einen Photodetektor umfasst, der eine Ansprechzeit aufweist, die länger als eine Periode der periodischen Modulation ist, und dazu konfiguriert ist, das reflektierte VFL-projizierte Licht, das die definierte Phasenzeit aufweist, in den Photodetektor einzugeben.

Description:
QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN

Die Anmeldung Nr. 15/394,194 ist eine Teilfortführung der US-Patentanmeldung Nr. 15/145,682 mit dem Titel „PHASENDIFFERENZ-KALIBRIERUNG IN EINEM LINSENSYSTEM MIT VARIABLER BRENNWEITE”, eingereicht am 3. Mai 2016, deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich hierin durch Bezugnahme mit aufgenommen ist.

HINTERGRUNDTechnisches Gebiet

Diese Offenbarung betrifft Präzisionsmesstechnik und insbesondere maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme und andere optische Systeme, in denen eine Linse mit variabler Brennweite genutzt werden kann, um eine Fokusposition periodisch zu modulieren.

Beschreibung des Standes der Technik

Maschinelle Präzisions-Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme (oder kurz „Bildverarbeitungssysteme”) können für präzise Messungen an Objekten und zum Überprüfen anderer Objektmerkmale verwendet werden. Solche Systeme können einen Computer, eine Kamera, ein optisches System und einen Messtisch zum Ermöglichen des Abfahrens eines Werkstücks umfassen. Ein beispielhaftes System, das als „Offline” Universal-Präzisions-Bildverarbeitungssystem bezeichnet wird, ist die PC-basierte QUICK VISION®-Reihe von Bildverarbeitungssystemen und die QVPAK®-Software, erhältlich von der in Aurora, Illinios ansässigen Mitutoyo America Corporation (MAC). Die Merkmale und Betriebsweise der Bildverarbeitungssysteme der QUICK VISION®-Reihe und QVPAK®-Software sind allgemein beispielsweise im QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide (Benutzerhandbuch für das Bildverarbeitungsmessgerät QVPAK 3D CNC), herausgegeben im Januar 2003, beschrieben, welches hiermit vollinhaltlich durch Bezugnahme mit einbezogen wird. Diese Art von System verwendet ein mikroskopartiges optisches System und bewegt den Tisch, um Inspektionsbilder von kleinen oder großen Werkstücken in verschiedenen Vergrößerungen bereitzustellen.

In verschiedenen Anwendungen ist es wünschenswert, Hochgeschwindigkeitsmessungen für einen hohen Durchsatz in entweder stationären oder sich durchgehend bewegenden Inspektionssystemen auszuführen. In Bezug auf gut fokussierte Inspektionsbilder und Z-Höhenmessungen (die im Allgemeinen auf der Höhenbestimmung mit dem „besten Fokus” basieren) kann die Bilderfassungsrate und die Rate, mit der die Z-Höhenmessungen ausgeführt werden können, durch die Rate der Z-Höhen-Fokusposition-Anpassungsrate oder die Bewegungsgeschwindigkeit begrenzt werden. Herkömmliche maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssysteme können verschiedene Arten von Messvorgängen nutzen (z. B. Points-From-Focus-Vorgänge usw.), die eine Verschiebung der Kamera durch einen Bereich von Z-Höhenpositionen erfordern. In konfokalen Systemen kann die Verschiebung in ähnlicher Weise durch einen Bereich von Z-Höhenpositionen (z. B. zum Bestimmen einer Position, die zu einer maximalen konfokalen Helligkeit führt, usw.) erforderlich sein. In solchen Systemen kann die Geschwindigkeit, mit der die Z-Höhenmessungen durchgeführt werden können, durch die Bewegung von einer oder von mehreren physischen Komponenten des Systems begrenzt sein, um den Bereich der Z-Höhenpositionen bereitzustellen.

Um die Bewegungseinschränkungen zu überwinden können Linsen mit variabler Brennweite (VFLs: variable focus lenses), wie innovative elektronisch verformbare Linsen und/oder Gradientenlinsen mit akustisch einstellbarem Brechungsindex (TAG-Linsen), periodisch moduliert werden und eine Fokusposition mit einer sehr hohen Rate (z. B. 70 KHz oder höher, im Falle einer TAG-Linse) ändern. Allerdings hat sich eine automatische Bestimmung und Anpassung ihrer Bildfokusposition an eine bestimmte Oberfläche mit sehr hoher Genauigkeit und mit einer ihrer potenziellen Fokusveränderungsrate angemessenen Rate als problematisch erwiesen. Verbesserte Systeme und Verfahren zum automatischen Bestimmen und Anpassen der Bildfokusposition sind notwendig für verschiedene Linsen mit einem mit Hochgeschwindigkeit variablem Fokus, die für Hochgeschwindigkeits-Präzisionsinspektionsvorgänge verwendet werden.

KURZDARSTELLUNG

Diese Kurzdarstellung ist vorgesehen, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die nachfolgend in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung soll weder Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands identifizieren, noch soll sie als Hilfe beim Bestimmen des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.

Allgemein ausgedrückt sind, wie oben dargelegt, die bekannten Verfahren zum Autofokussieren eines Bildgebungssystems, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte VFL-Linse umfasst, um die bestimmte Oberfläche abzubilden und/oder ihre bestimmte Z-Höhe festzulegen, langsamer als erwünscht. Bekannte Verfahren sind nicht in idealer Weise dazu geeignet, die Eigenschaften einer mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierten VFL-Linse zu nutzen, und sie sind insbesondere ein Einschränkungsfaktor in Bezug auf die extrem hohe Fokussierrate, die möglicherweise bei Verwendung einer TAG-Linse bereitgestellt werden kann.

Hierin offenbart, und insbesondere mit Bezug auf die 814, sind Kombinationen von Elementen, Prinzipien und Betriebsvorgängen, die verwendet werden können, um die oben dargelegten Probleme in verschiedenen Ausführungen eines Systems zu lösen, das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild unter Verwendung eines Bildgebungssystems bereitzustellen, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte VFL-Linse umfasst. Die offenbarten Ausführungen sind insbesondere für eine Verwendung in Kombination mit einer TAG-Linse vorteilhaft.

Insbesondere wird ein System zum Bereitstellen eines automatisch fokussierten Bilds unter Verwendung eines Bildgebungssystems, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) umfasst, offenbart, wobei das System das Bildgebungssystem, eine VFL-Linsensteuerung, eine VFL-projizierte Lichtquelle, einen Fokus-Bestimmungsabschnitt, eine Belichtungszeit-Anpassungsschaltung und eine Stroboskopbelichtungszeitsteuerung umfasst. Das Bildgebungssystem umfasst mindestens eine Objektivlinse, die dazu konfiguriert ist, sich von einer Werkstückoberfläche ergebendes Licht einzugeben, eine VFL-Linse, die dazu konfiguriert ist, von der Objektivlinse ausgesendetes Bildlicht zu empfangen, und eine Kamera, die dazu konfiguriert ist, von der VFL-Linse ausgesendetes Licht zu empfangen. Die VFL-Linsensteuerung ist dazu konfiguriert, die VFL-Linse zu steuern, um ihre optische Leistung periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Bildgebungssystemfokus-Z-Höhen entlang einer Z-Höhenrichtung periodisch zu modulieren. Die VFL-projizierte Lichtquelle umfasst eine Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, VFL-projiziertes Licht entlang eines einen Fokusüberwachungs-Lichtwegs zu einer Rückseite der VFL-Linse und durch die VFL-Linse und die Objektivlinse zu der Werkstückoberfläche bereitzustellen. Der Fokusbestimmungsabschnitt umfasst einen Optikdetektor, der dazu konfiguriert ist, reflektiertes VFL-projiziertes Licht einzugeben, das von einem Werkstückoberflächenbereich und zurück durch die Objektivlinse und zurück durch die VFL-Linse und zurück entlang des einen Fokusüberwachungs-Lichtwegs reflektiert wurde, und mindestens ein Optikdetektorsignal bereitzustellen, das auf eine Differenz zwischen einer Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts und einer Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs reagiert, wobei die Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems anzeigt, und der Fokusbestimmungsabschnitt mindestens ein Fokusabweichungssignal basierend auf dem mindestens einen Optikdetektorsignal ausgibt. Die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung gibt das Fokusabweichungssignal ein und bestimmt basierend auf dem Fokusabweichungssignal ein Belichtungszeit-Anpassungssignal, das eine Zeit betrifft, wenn die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt. Die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung steuert eine Bildbelichtungszeit des Bildgebungssystems relativ zu einer Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition, wobei die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung dazu konfiguriert ist, das Belichtungszeit-Anpassungssignal einzugeben und basierend auf dem Belichtungszeit-Anpassungssignal eine angepasste Bildbelichtungszeit bereitzustellen, wobei die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems annähend mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs in der angepassten Bildbelichtungszeit zusammenfällt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Schaubild, das verschiedene typische Komponenten eines maschinellen Mehrzweck-Bildverarbeitungs-Inspektionssystem zeigt;

2 ist ein Blockschaltbild eines Steuersystemabschnitts und eines Bildverarbeitungskomponentenabschnitts eines maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems, das dem in 1 gezeigten ähnlich ist, und hierin offenbarte Merkmale umfasst;

3 ist ein schematisches Schaubild eines Linsensystems mit variabler Brennweite, das gemäß den hierin offenbarten Prinzipien betrieben wird;

4 ist ein Zeitdiagramm, das Phasenzeiten für ein periodisch moduliertes Steuersignal und eine optische Rückmeldung des Linsensystems mit variabler Brennweitenlänge von 3 darstellt;

5 ist ein Zeitdiagramm, das einen Phasenversatz zwischen einem periodisch modulierten Steuersignal und einer optischen Rückmeldung des Linsensystems mit variabler Brennweite von 3 darstellt;

6 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführung einer Routine zum Bestimmen einer Z-Höhenmessung eines Oberflächenbereichs darstellt;

7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführung einer Routine zum Bestimmen eines Schätzwerts eines Phasenversatzes darstellt;

8 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführung eines Linsensystem mit variabler Brennweite (VFL-System), das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild gemäß den hierin offenbarten Prinzipien bereitzustellen;

9A beziehungsweise 9B zeigen erste und zweite beispielhafte „richtungsbezogene” Optikdetektoren, die in dem Fokusbestimmungsabschnitt des VFL-Linsensystems von 8 verwendet werden können;

10 zeigt ein repräsentatives Fokusabweichungssignal, das durch einen Fokusbestimmungsabschnitt bereitgestellt werden kann, der einen Optikdetektor, wie einem in 9A oder 9B gezeigten, umfasst.

11A zeigt ein Zeitdiagramm, das eine Beziehung zwischen einer Fokus-Z-Höhe und einer Oberflächen-Z-Höhe während einer periodischen Modulation einer Fokus-Z-Höhe (z. B. in dem in 8 gezeigten VFL-Linsensystem) darstellt.

11B zeigt ein Zeitdiagramm, das ein repräsentatives Fokusabweichungssignal entsprechend 11A zeigt, das von einem „größenbezogenen” Fokusbestimmungsabschnitt erhalten werden kann.

11C zeigt ein Zeitdiagramm, das ein repräsentatives Fokusabweichungssignal entsprechend der 11A darstellt, das von einem „richtungsbezogenen” Fokusbestimmungsabschnitt erhalten werden kann.

12 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführung eines VFL-Linsensystems, das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild gemäß den hierin offenbarten Prinzipien bereitzustellen;

13 ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführung eines VFL-Linsensystems, das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild gemäß den hierin offenbarten Prinzipien bereitzustellen; und

14 zeigt ein Zeitdiagramm, das bestimmte Aspekte des Bestimmens eines Belichtungszeit-Anpassungssignals in einer Ausführung eines „größenbezogenen” Fokusbestimmungsabschnitts darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

1 ist ein Blockschaltbild eines beispielhaften maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 10, das gemäß den hierin offenbarten Prinzipien verwendbar ist. Das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 10 umfasst eine Bildverarbeitungsmessmaschine 12, die zum Austauschen von Daten und Steuersignalen mit einem Steuercomputersystem 14 und mit einem Bildschirm oder einer Anzeige 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 wirkverbunden ist. Der Bildschirm oder die Anzeige 16 können eine Benutzeroberfläche anzeigen, die zum Steuern und/oder Programmieren des maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 10 geeignet ist. In verschiedenen Ausführungen kann ein Touchscreen-Tablet oder dergleichen ersatzweise und/oder zusätzlich die Funktionen von jedem oder allen von dem Computersystem 14, der Anzeige 16, dem Joystick 22, der Tastatur 24 und der Maus 26 bereitstellen.

Allgemeiner ausgedrückt kann das Steuercomputersystem 14 jedes Rechensystem oder jede Rechenvorrichtung und/oder verteilte Rechenumgebung und dergleichen umfassen oder enthalten, die jeweils einen oder mehrere Prozessoren umfassen können, der/die Software ausführen kann/können, um die hierin beschriebenen Funktionen auszuführen. Prozessoren umfassen programmierbare Mehrzweck- oder Sonder-Mikroprozessoren, programmierbare Steuerungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs), programmierbare Logikvorrichtungen (PLDs) oder dergleichen, oder eine Kombination solcher Vorrichtungen. Software kann in einem Speicher, wie einem Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM), Flash-Speicher oder dergleichen, oder einer Kombination solche Komponenten gespeichert werden. Software kann ebenfalls in einer oder mehreren Speichervorrichtungen, wie optisch-basierten Disketten, Flash-Speichervorrichtungen oder einem beliebigen Typ von nichtflüchtigem Speichermedium zum Speichern von Daten gespeichert werden. Software kann ein oder mehrere Programmmodule umfassen, die Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen und so weiter umfassen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren. In verteilten Rechenumgebungen kann die Funktionalität der Programmmodule kombiniert werden oder über mehrere Rechensysteme oder -vorrichtungen verteilt werden und über Serviceabrufe, entweder in einer drahtgebundenen oder drahtlosen Konfiguration, aufgerufen werden.

Die Bildverarbeitungsmessmaschine 12 umfasst einen beweglichen Werkstücktisch 32 und ein optisches Bildgebungssystem 34, das eine Zoom-Linse oder austauschbare Linsen umfassen kann. Die Zoom-Linse oder die austauschbaren Linsen stellen im Allgemeinen verschiedene Vergrößerungen (z. B. 0,5-fach bis 100-fach) für die durch das optische Bildgebungssystem 34 bereitgestellten Bilder bereit. Ähnliche maschinelle Bildverarbeitungssysteme sind in den gemeinsam übertragenen US-Patentschriften Nrn. 7,324,682; 7,454,053; 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, die jeweils hierin vollinhaltlich durch Bezugnahme mitaufgenommen sind.

2 ist ein Blockschaltbild eines Steuersystemabschnitts 120 und eines Bildverarbeitungskomponentenabschnitts 200 eines maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100, das dem maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystem von 1 ähnelt und Merkmale wie hierin beschrieben umfasst. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, wird der Steuersystemabschnitt 120 benutzt, um den Bildverarbeitungskomponentenabschnitt 200 zu steuern. Der Bildverarbeitungsabschnitt 200 umfasst einen optischen Baugruppenabschnitt 205, Lichtquellen 220, 230 und 240 und einen Werkstücktisch 210, der einen mittigen transparenten Abschnitt 212 aufweisen kann. Der Werkstücktisch 210 ist steuerbar entlang von x- und y-Achsen verschiebbar, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen parallel zu der Oberfläche des Tisches sind, wo ein Werkstück 20 positioniert werden kann.

Der optische Baugruppenabschnitt 205 kann einen Optikdetektor 260 (z. B. eine Kamera, einen konfokalen Optikdetektor, usw.) eine Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) 270 umfassen und kann ferner eine austauschbare Objektivlinse 250 und eine Linsenrevolverbaugruppe 280 mit Linsen 286 und 288 umfassen. Als Alternative zu der Linsenrevolverbaugruppe kann eine feste oder manuell auswechselbare Vergrößerungsänderungslinse oder eine Zoom-Linsenkonfiguration oder dergleichen umfasst sein. In verschiedenen Ausführungen können die verschiedenen Linsen als Teil eines Linsenabschnitts variabler Vergrößerung des optischen Baugruppenabschnitts 205 umfasst sein. In verschiedenen Ausführungen kann die austauschbare Objektivlinse 250 aus einem Satz von Objektivlinsen fester Vergrößerung (z. B. einem von 0,5-fach bis 100-fach reichendem Satz, usw.) ausgewählt werden.

In verschiedenen Ausführungen ist der optische Baugruppenabschnitt 205 entlang einer z-Achse steuerbar verschiebbar, die im Allgemeinem orthogonal zu der x- und y-Achse ist, indem ein steuerbarer Motors 294 verwendet wird, der einen Aktor antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der z-Achse zu bewegen, um den Brennpunkt des Bildes des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist mit einer Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 130 über eine Signalleitung 296 verbunden. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann die VFL-Linse 270 auch betrieben werden, um eine Fokusposition periodisch zu modulieren. Ein Werkstück 20 oder eine Ablage oder Spannvorrichtung, die eine Vielzahl von Werkstücken 20 hält, die unter Verwendung des maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100 abzubilden sind, wird auf den Werkstücktisch 210 gelegt. In verschiedenen Ausführungen kann sich der Werkstücktisch 210 relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 steuerbar derart bewegen (z. B. in der x-Achsen und y-Achsenrichtung), dass sich die abgebildete Fläche (wie sie z. B. durch die austauschbare Objektivlinse 250 usw. abgebildet wird) zwischen Stellen auf einem Werkstück 20 und/oder zwischen einer Vielzahl von Werkstücken 20 bewegt.

Ein oder mehrere Tischlichter 220, ein Koaxiallicht 230 und ein Oberflächenlicht 240 (z. B. eine Ringlicht) können entsprechend Quellenlicht 222, 232 beziehungsweise 242 ausstrahlen, um das Werkstück oder die Werkstücke 20 zu beleuchten. Das Koaxiallicht 230 kann Licht 232 entlang einer einen Spiegel 290 umfassenden Strecke ausstrahlen. Das Quellenlicht wird reflektiert oder als Werkstücklicht 255 ausgesendet, und das Werkstücklicht (z. B. wie zum Abbilden verwendet) durchläuft die austauschbare Linse 250, die Linsenrevolverbaugruppe 280 und die VFL-Linse 270 und wird durch den Optikdetektor 260 (z. B. eine Kamera, einen konfokalen Optikdetektor, usw.) erfasst. In verschiedenen Ausführungen gibt der Optikdetektor 260 das Werkstücklicht ein und gibt Signaldaten (z. B. ein oder mehrere Bilder des Werkstücks (der Werkstücke) 20, ein konfokales Helligkeitssignal, usw.) auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 aus. Die Lichtquellen 220, 230 und 240 können mit dem Steuersystemabschnitt 120 durch Signalleitungen oder Busse 221, 231 beziehungsweise 241 verbunden sein. Der Steuersystemabschnitt 120 kann die Linsenrevolverbaugruppe 280 entlang der Achse 284 rotieren, um eine Revolverlinse durch eine Signalleitung oder Bus 281 zu wählen, um eine Bildvergrößerung zu ändern.

Wie in 2 gezeigt umfasst in verschiedenen beispielhaften Ausführungen der Steuersystemabschnitt 120 eine Steuerung 125, die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 130, einen Speicher 140, einen Werkstückprogrammgenerator und -ausführer 170 und einen Stromversorgungsabschnitt 190. Jede dieser Komponenten, sowie die nachfolgend beschriebenen zusätzlichen Komponenten, können miteinander durch einen oder mehrere Daten/Steuer-Busse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen verbunden sein. Die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 130 umfasst eine Bildgebungssteuerschnittstelle 131, eine Bewegungssteuerschnittstelle 132 und eine Beleuchtungssteuerschnittstelle 133. Die Bewegungssteuerschnittstelle 132 kann ein Positionssteuerelement 132a und ein Geschwindigkeits-/Beschleunigungs-Steuerelement 132b umfassen, obwohl solche Elemente zusammengelegt und/oder ununterscheidbar sein können. Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 kann Beleuchtungselemente 133a, 133n und 133f1 umfassen, die beispielsweise die Auswahl, Bestromung, Ein/Aus-Schalter und Stroboskopimpulszeit, falls zutreffend, für die verschiedenen Lichtquellen des maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 100 steuern.

Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien kann die Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 130 ferner eine Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271, einen Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 277 und einen Phasenversatzkompensations-/Z-Höhenabweichungskorrekturabschnitt 278 umfassen, wie nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf die 37 beschrieben wird. Kurz gesagt kann in einer Ausführung die Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271 eine Linsensteuerung mit einer Linsenfokus-Betriebsschaltung und/oder -routine oder dergleichen umfassen. Die Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271 kann durch einen Benutzer und/oder ein Betriebsprogramm konfiguriert oder gesteuert werden und kann die Signalleitung 271' benutzen, um die VFL-Linse 270 zu steuern, um ihre optische Leistung periodisch zu modulieren (z. B. sinusförmig) und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Fokuspositionen entlang einer Z-Höhenrichtung mit einer bestimmten Betriebsfrequenz zu periodisch modulieren. In verschiedenen Ausführungen kann der Fokussignal-Verarbeitungsprozess 277 dazu eingerichtet sein, rohe Phasenzeitsignalwerte zu bestimmen, die dem entsprechen, wenn Signaldaten von dem Optikdetektor 260 (z. B. ein Kamerasystem, ein konfokaler Optikdetektor usw.) anzeigen, dass sich ein abgebildeter Oberflächenbereich (z. B. des Werkstücks 20) an einer Fokusposition befindet. Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann der Phasenversatz-Kompensationsabschnitt 278 dazu eingerichtet sein, rohe Phasenzeitsignalwerte einzugeben, die den abgebildeten Oberflächenbereichen entsprechen, und einen Phasenversatz-Kompensationsprozess auszuführen, der Z-Höhenmessungen der abgebildeten Oberflächenbereiche bereitstellt, wobei mindestens eines von Z-Höhenfehlern oder Z-Höhenabweichungen, die den Phasenversatzbeitrag betreffen, zumindest teilweise eliminiert wird.

In verschiedenen Ausführungen kann die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271 ferner einen Modus der erweiterten Tiefenschärfen umfassen, wie in der schwebenden und gemeinsam übertragenen US-Patentveröffentlichung Nr. 2015/0145980 ausführlicher beschrieben wird, die hierdurch vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist. Ein Modus der erweiterten Tiefenschärfe kann durch einen Benutzer gewählt werden, um mindestens ein Bild (z. B. ein zusammengesetztes Bild) eines Werkstücks mit einer Tiefenschärfe bereitzustellen, die größer als das ist, was durch den Bildverarbeitungskomponentenabschnitt 200 bereitgestellt werden kann, wenn auf eine einzige Fokusposition fokussiert wird. In verschiedenen Ausführungen kann die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271 ferner ebenfalls einen Vergrößerungsänderungs-Einstellmodus umfassen, der ausgewählt oder automatisch ausgeführt werden kann, wenn eine Vergrößerungsänderung vorgenommen oder detektiert wird, wie in der schwebenden und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/795,409 mit dem Titel „Adaptable Operating Frequency of a Variable Focal Length Lens in an Adjustable Magnification Optical System”, eingereicht am 9. Juli 2015, ausführlicher beschrieben wird, und die hierdurch vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist. Andere Systeme und Verfahren, die VFL-Linsen umfassen, sind in der schwebenden und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/841,051 mit dem Titel „Multi-Level Image Focus Using a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”, eingereicht am 31. August 2015, und in der schwebenden und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/854,624, mit dem Titel „Chromatic Aberration Correction in Imaging System Including Variable Focal Length Lens”, eingereicht am 15. September 2015, beschrieben, die jeweils hierdurch vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind.

Der Speicher 140 kann einen Bilddatei-Speicherabschnitt 141, einen Kantendetektions-Speicherabschnitt 140ed, einen Werkstückprogramm-Speicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teilprogramme oder dergleichen umfassen kann, und einen Videowerkzeugabschnitt 143 umfassen. Der Videowerkzeugabschnitt 143 umfasst den Videowerkzeugabschnitt 143a und andere Videowerkzeugabschnitte (z. B. 143n), die die GUI, Bildverarbeitungsvorgänge usw. für jedes der entsprechenden Videowerkzeuge bestimmen, und einen Bereich-von-Interesse(ROI)-Generator 143roi, der automatische, halbautomatischen und/oder manuelle Betriebsvorgänge unterstützt, die verschiedene ROIs definieren, die in verschiedenen Videowerkzeugen, die in dem Videowerkzeugabschnitt 143 umfasst sind, betrieben werden können. Der Videowerkzeugabschnitt umfasst ebenfalls ein Autofokus-Videowerkzeug 143af, das die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für Fokushöhen-Messvorgänge bestimmt. Das Autofokus-Videowerkzeug 143af kann zusätzlich ein Hochgeschwindigkeits-Fokushöhenwerkzeug umfassen, das dazu benutzt werden kann, Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie in der schwebenden und gemeinsam übertragenen US-Patentveröffentlichung Nr. 2014/0368726 ausführlicher beschrieben, die hierdurch vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist. In verschiedenen Ausführungen können der Phasenversatzkompensations-/Z-Höhenabweichungskorrekturabaschnitt 278 und andere dazugehörigen Elemente im Zusammenhang mit einem oder mehreren Videowerkzeugen (z. B. das Autofokuswerkzeug 143af, ein separates Videowerkzeug, usw.) benutzt werden oder anderweitig einbezogen werden.

Im Zusammenhang dieser Offenbarung, und wie einem Fachmann bekannt ist, betrifft der Begriff („Videowerkzeug” im Allgemeinen einen relativ komplexen Satz von automatischen oder programmierten Betriebsvorgängen, die ein Benutzer maschineller Bildverarbeitung durch eine relativ einfache Benutzeroberfläche (z. B. eine grafische Benutzeroberfläche, veränderbare Parameterfenster, Menüs und dergleichen) ausführen kann, ohne die in dem Videowerkzeug umfassten Schritt-für-Schritt-Betriebsvorgänge zu erstellen oder auf eine verallgemeinerte textbasierte Programmiersprache oder dergleichen zurückzugreifen. Ein Videowerkzeug kann beispielsweise einen komplexen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen und Berechnungen umfassen, die in einem bestimmten Fall durch Einstellen einiger Größen oder Parameter, die die Betriebsvorgänge und Berechnung regeln, angewendet und zugeschnitten werden. Zusätzlich zu den zugrundeliegenden Betriebsvorgängen und Berechnungen umfasst das Videowerkzeug die Benutzerschnittstelle, die dem Benutzer ermöglicht, diese Parameter für einen bestimmten Fall des Videowerkzeugs einzustellen. Beispielsweise ermöglichen viele maschinelle Bildverarbeitungs-Videowerkzeuge einem Benutzer, einen grafischen Bereich-von-Interesse(ROI)-Anzeiger durch einfache „Griffzieh”-Vorgänge mittels einer Maus zu konfigurieren, um die Ortsparameter einer Teilmenge eines durch die bildverarbeitenden Betriebsvorgänge eines bestimmten Falls eines Videowerkzeugs zu analysierenden Bildes zu definieren. Es sollte angemerkt werden, dass die sichtbaren Benutzeroberflächenmerkmale manchmal als das Videowerkzeug bezeichnet werden, wobei zugrundeliegende Betriebsvorgänge implizit umfasst sind.

Die Signalleitungen 221, 231 und 241 des Tischlichts 220, des Koaxiallichts 230 beziehungsweise des Oberflächenlichts 240 sind alle mit der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden. Die Signalleitung 262 von dem Optikdetektor 260, die Signallinie 271' von der VFL-Linse 270 und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind mit der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden. Zusätzlich zum Führen von Bilddaten kann die Signalleitung 262 ein Signal von der Steuerung 125 führen, das bestimmte Prozesse (z. B. Bilderfassung, konfokale Helligkeitsmessung usw.) auslöst.

Eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen 136 (z. B. die Anzeige 16 von 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 von 1) können ebenfalls mit der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 und Eingabevorrichtungen 138 können dazu verwendet werden, eine Benutzeroberfläche anzuzeigen, die verschiedene Merkmale einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) umfassen kann, die verwendbar sind, um Inspektionsvorgänge auszuführen und/oder Teilprogramme zu erschaffen und/oder zu modifizieren, die durch den Optikdetektor 260 aufgenommenen Bilder zu betrachten, und/oder den Bildverarbeitungssystemkomponentenabschnitt 200 direkt zu steuern. Die Anzeigevorrichtungen 136 können Benutzeroberflächenmerkmale (z. B. im Zusammenhang mit der Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271, dem Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 277, dem Phasenversatzkompensations-/Z-Höhenabweichungskorrekturabschnitt 278 usw.) anzeigen.

Wenn in verschiedenen beispielhaften Ausführungen ein Benutzer das maschinelle Bildverarbeitungs-Inspektionssystem 100 benutzt, um ein Teilprogramm für das Werkstück 20 zu erstellen, erzeugt der Benutzer Teilprogrammanweisungen durch Betreiben des maschinellen Bildverarbeitungs-Inspektionssystems 100 in einem Lernmodus, um eine gewünschte Bilderfassungs-Trainingsabfolge bereitzustellen. Eine Trainingsabfolge kann beispielsweise das Positionieren eines bestimmten Werkstückmerkmals eines repräsentativen Werkstücks in dem Sichtfeld (FOV), das Einstellen von Lichtstärken, Fokussieren oder Autofokussieren, Erfassen eines Bildes und Bereitstellen einer auf das Bild angewendeten Inspektionstrainingsabfolge umfassen (z. B. unter Verwendung eines Falls von einem oder mehreren der Videowerkzeuge an diesem Werkstückmerkmal). Der Lernmodus arbeitet derart, dass der Ablauf (die Abläufe) aufgenommen oder aufgezeichnet wird (werden), und in entsprechende Teilprogrammanweisungen umgewandelt wird. Wenn das Teilprogramm ausgeführt wird, werden diese Anweisungen bewirken, dass das maschinelle Bildverarbeitungssystem die eingelernte Bilderfassung reproduziert und Inspektionsvorgänge bewirkt, um das bestimmte Werkstückmerkmal (das heißt das entsprechende Merkmal an der entsprechenden Stelle) an einem aktuellen Werkstück (z. B. einem Werkstück im Ausführungsmodus), oder Werkstücken, das dem beim Erstellen des Teilprogramms verwendeten repräsentativen Werkstück ähnlich ist, automatisch zu überprüfen.

3 ist ein schematisches Schaubild eines VFL-Linsensystems 300, das an ein maschinelles Bildverarbeitungs-Inspektionssystem angepasst werden kann und gemäß den hierin offenbarten Prinzipien betrieben werden kann. Es versteht sich, dass bestimmte nummerierte Komponenten 3XX von 3 ähnlichen Betriebsvorgängen entsprechen und/oder diese als gleich nummerierte Komponenten 2XX von 2 aufweisen können, sofern nachfolgend nichts anderes beschrieben ist. Wie in 3 gezeigt umfasst das VFL-Linsensystem 300 eine Lichtquelle 330, eine Objektivlinse 350, eine Tubuslinse 351, eine Relaylinse 352, eine VFL-Linse 370, eine Relaylinse 386, eine Linsensteuerung 371, einen Fokusbestimmungsabschnitt 375 und einen Phasenversatzkompensationsabschnitt 378. In verschiedenen Ausführungen können die Linsensteuerung 371, der Fokusbestimmungsabschnitt 375 und/oder Phasenversatzkompensationsabschnitt 378, sowie zusätzliche Komponenten, jeweils durch einen oder mehrere Daten/Steuerbusse (z. B. ein Systemsignal- und Steuerbus 395) und/oder Anwendungsprogrammier-Schnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen miteinander verbunden sein.

In verschiedenen Ausführungen kann die Lichtquelle 330 dazu eingerichtet sein, ein Werkstück 320 in einem Sichtfeld des VFL-Linsensystems zu beleuchten (z. B. mit einer geblitzten Beleuchtung oder Dauerstrichbeleuchtung). In verschiedenen Ausführungen kann die Lichtquelle 330 erste, zweite, dritte usw. Beleuchtungsquellen als Teil eines Beleuchtungssystems umfassen. Die Lichtquelle 330 kann beispielsweise betrieben werden, um einen Fall von geblitzter Beleuchtung durch Betreiben einer entsprechenden Beleuchtungsquelle (z. B. einer Beleuchtungsquelle, die Teil der Lichtquelle 330 ist) bereitzustellen. Um in verschiedenen Ausführungen eine ordnungsgemäße Beleuchtungsausgewogenheit zu erreichen, kann die Lichtquelle 330 derart steuerbar sein, dass eine unabhängige Anpassung der Intensität aller Fälle von geblitzter Beleuchtung (z. B. jeweils entsprechend einer unterschiedlichen Beleuchtungsquelle innerhalb der Lichtquelle 330) sowie eine gleichzeitige Anpassung ermöglicht wird, um eine Gesamthelligkeit eines Bildes zu steuern.

Im Betrieb ist in der in 3 gezeigten Ausführung die Lichtquelle 330 eine „Koaxial”-Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, Quellenlicht 332 entlang einer einen Teilspiegel 390 umfassenden Strecke und durch die Objektivlinse 350 zu einer Oberfläche eines Werkstücks 320 auszustrahlen, wobei die Objektivlinse 350 Werkstücklicht 355 empfängt, das an einer Fokusposition FP nahe am Werkstück 320 fokussiert ist, und das Werkstücklicht 355 an die Tubuslinse 351 ausgibt. In anderen Ausführungen können analoge Lichtquellen das Sichtfeld nichtkoaxial beleuchten, beispielsweise kann eine Ringlichtquelle das Sichtfeld beleuchten. In verschiedenen Ausführungen kann die Objektivlinse 350 eine austauschbare Objektivlinse sein und die Tubuslinse 351 kann als Teil einer Linsenrevolverbaugruppe (z. B. ähnlich der austauschbaren Objektivlinse 250 und der Linsenrevolverbaugruppe 280 von 2) umfasst sein. In verschiedenen Ausführungen kann die Objektivlinse 350, Tubuslinse 351 oder jede der anderen hierin bezeichneten Linsen aus einzelnen Linsen, zusammengesetzten Linsen, usw. gebildet sein oder in Verbindung mit diesen arbeiten. Die Tubuslinse 351 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaylinse 352 aus.

Die Relaylinse 352 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die VFL-Linse 370 aus. Die VFL-Linse 370 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an einen die Relaylinse 386 aus. Die Relaylinse 386 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an einen Optikdetektor 360 aus (z. B. eine Kamera, einen konfokalen Optikdetektor, usw.) des Fokusbestimmungsabschnitts 375 aus. In verschiedenen Ausführungen kann der Optikdetektor 360 ein Bild des Werkstücks 320 während einer Bildbelichtungsperiode aufnehmen und kann das Bild einem Steuersystemabschnitt (z. B. ähnlich dem Betriebsvorgang des Optikdetektors 260 zum Bereitstellen eines Bildes für den Steuersystemabschnitt 120 in 2) bereitstellen.

In verschiedenen Ausführungen kann das VFL-Linsensystem 300 auch oder alternativ einen optionalen Strahlteiler 361', eine optionale Tubuslinse 386' und einen optionalen Fokusbestimmungsabschnitt 375' umfassen. Der optionale Fokusbestimmungsabschnitt 375' kann einen optionalen Optikdetektor 360' und einen optionalen Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 377' umfassen. Im Betrieb kann der Strahlteiler 361' dazu eingerichtet sein, das Werkstücklicht 355 zu teilen und Werkstücklicht 355' an die Tubuslinse 386' auszugeben. Die Tubuslinse 386' kann dazu eingerichtet sein, das Werkstücklicht 355' an den Optikdetektor 360' auszugeben. In einer Ausführung kann der Optikdetektor 360' einen konfokalen Optikdetektor umfassen, der dazu eingerichtet sein kann, gemäß konfokalen Prinzipien zu arbeiten, wie ein Fachmann verstehen wird.

Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann in verschiedenen Ausführungen der Optikdetektor 360 (oder 360') dazu eingerichtet sein, Licht von dem die VFL-Linse 370 umfassenden Bildgebungssystem einzugeben, und der Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 377 (oder 377') kann dazu eingerichtet sein, rohe Phasenzeitsignalwerte zu bestimmen, die dem entsprechen, wenn Signaldaten von dem Optikdetektor anzeigen, dass sich ein abgebildeter Oberflächenbereich (z. B. des Werkstücks 320) an einer Fokusposition befindet. Beispielsweise können in einer Ausführung, in der der Optikdetektor 360 eine Kamera ist, die Signaldaten einem oder mehreren durch die Kamera aufgenommenen Bildern (z. B. einem Bildstapel) entsprechen, wobei Kontrastbestimmungen, wie Points-from-Focus-Betriebsvorgänge oder eine andere Analyse ausgeführt werden können, um zu bestimmen, wenn sich ein abgebildeter Oberflächenbereich des Werkstücks 320 an einer Fokusposition befindet. Beispielhafte Techniken für die Bestimmung und Analyse von Bildstapeln und Fokuskurven und für Points-from-Fokus-Betriebsvorgängen werden in den US-Patentschriften Nr. 6,542,180 und 9,060,117 gelehrt, die jeweils gemeinsam übertragen sind und hierdurch vollinhaltlich durch Bezugnahme mit aufgenommen sind. Als ein weiteres Beispiel können in einer Ausführung, in der ein Optikdetektor 360' ein konfokaler Optikdetektor ist, der als Teil einer konfokalen Konfiguration umfasst ist, die Signaldaten einem detektierten konfokalen Helligkeitspegel entsprechen. In einer solchen Ausführung kann der konfokale Optikdetektor 360' während der periodischen Modulation der optischen Leistung der VFL-Linse 370 benutzt werden, um zu bestimmen, wenn eine maximale konfokale Helligkeit auftritt, die einer Fokusposition entspricht und eine Anzeige einer entsprechenden Z-Höhe einer abgebildeten Oberflächenbereichs des Werkstücks 320 ist.

In einer Ausführung, in der das VFL-Linsensystem 300 den Fokusbestimmungsabschnitt 375' mit dem Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 377' und dem Optikdetektor 360' (z. B. einen konfokalen Optikdetektor) umfasst, muss der Optikdetektor 360 (z. B. eine Kamera) nicht zur Fokuspositionsbestimmung verwendet werden. Insbesondere kann in einer solchen Ausführung der Optikdetektor 360' für die Fokusbestimmungsfunktionen verwendet werden, während die Kamera 360 zur Bildgebung benutzt werden kann (z. B., und der Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 377 muss in einigen Fällen nicht umfasst sein). Wenn umgekehrt das VFL-Linsensystem 300 den Fokusbestimmungsabschnitt 375' nicht umfasst und nur den Fokusbestimmungsabschnitt 375 umfasst, kann die Kamera 360 für die Fokussierfunktionen benutzt werden. Als eine weitere Alternative kann in verschiedenen Ausführungen das VFL-Linsensystem 300 nur den Fokusbestimmungsabschnitt 375' mit einem konfokalen Optikdetektor 360' umfassen und braucht den Fokusbestimmungsabschnitt 375 mit der Kamera 360 nicht umfassen (z. B. wenn das VFL-Linsensystem 300 als Teil eines selbstständigen konfokalen Instruments usw. umfasst ist).

Die VFL-Linse 370 ist elektronisch steuerbar, um die Fokusposition FP des Bildgebungssystems zu ändern (z. B. während einer oder mehrerer Bildbelichtungen, während einer konfokalen Helligkeitsbestimmung, usw.). Die Fokusposition FP kann innerhalb eines durch eine Fokusposition FP1 und einer Fokusposition FP2 begrenzten Bereichs R verschoben werden. Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungen der Bereich R durch einen Benutzer ausgewählt werden kann oder aus Designparametern resultieren kann oder ansonsten automatisch bestimmt werden kann. Mit Bezug auf 3 wird im Allgemeinen verstanden werden, dass bestimmte der dargestellten Abmessungen nicht maßstäblich sind. Die VFL-Linse 370 kann beispielsweise unterschiedliche proportionale Abmessungen aufweisen als diejenigen, die dargestellt sind (z. B. weniger breit und bis zu 50 mm lang oder länger für bestimmte Anwendungen, um einen gewünschten Betrag an Linsenstärke usw. bereitzustellen).

In verschiedenen Ausführungen kann ein maschinelles Bildverarbeitungs-Inspektionssystem ein Steuersystem (z. B. das Steuersystem 120 von 2) umfassen, das dazu eingerichtet sein kann, in Verbindung mit einer Linsensteuerung 371 zu arbeiten oder anderweitig die VFL-Linse 370 zu steuern, um eine Fokusposition des VFL-Linsensystems 300 periodisch zu modulieren. In einigen Ausführungen kann die VFL-Linse 370 die Fokusposition sehr schnell anpassen oder modulieren (z. B. periodisch, mit einer Rate von mindestens 300 Hz, oder 3 kHz, oder 70 kHz oder viel höher). In einer beispielhaften Ausführung kann der Bereich R ungefähr 10 mm sein (z. B. für eine 1X-Objektivlinse 350). In verschiedenen Ausführungen wird die VFL-Linse 370 vorteilhaferweise derart gewählt, dass keinerlei makroskopische mechanische Anpassungen in dem Bildgebungssystem und/oder Anpassung des Abstands zwischen der Objektivlinse 350 und dem Werkstück 320 erforderlich sind, um die Fokusposition FP zu ändern. Wie in der vorangehend mit aufgenommenen Veröffentlichung '980 beschrieben, kann in einem solchen Fall ein Bild von erweiterter Tiefenschärfe erfasst werden. Weiterhin gibt es keine makroskopischen Einstellelemente oder zugeordnete Positions-Nichtwiederholbarkeit, um die Genauigkeit zu verschlechtern, wenn dasselbe Bildgebungssystem zum Erfassen von Inspektionsbildern mit festem Fokus verwendet wird, das für Präzisionsmessungen verwendet werden kann (z. B. für Genauigkeiten von etwa wenigen Mikrometern oder Zehnteln von Mikrometer oder weniger, und dergleichen). Wie in der vorangehend mit aufgenommenen Veröffentlichung '726 beschrieben können die Änderungen in der Fokusposition FP benutzt werden, um schnell einen Bildstapel zu erfassen, der eine Vielzahl von Bildern an einer Vielzahl von Positionen entlang einer Z-Höhenrichtung nahe an dem Werkstück 320 umfasst.

In verschiedenen Ausführungen kann die VFL-Linse 370 eine Gradientenlinse mit akustisch abstimmbaren Brechungsindex („TAG”-Linse) sein. Eine Gradientenlinse mit akustisch abstimmbaren Brechungsindex ist eine Hochgeschwindigkeits-VFL-Linse, die Tonwellen in einem Fluidmedium verwendet, um eine Fokusposition zu modulieren und einen Bereich von Brennweiten mit einer Frequenz von mehreren hundert KHz periodisch abstreichen kann. Eine solche Linse kann durch die Lehren des Artikels „High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Vol. 33, Nr. 18, 15. September 2008), der hierdurch vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen ist, verstanden werden. Gradientenlinsen mit akustisch abstimmbaren Brechungsindex und zugehörige steuerbare Signalgeneratoren sind beispielsweise von TAG Optics Inc. mit Sitz in Princeton, New Jersey, erhältlich. Die Linsen aus der Modellreihe TL2.B.xxx sind beispielsweise zu einer Modulation bis ungefähr 600 kHz in der Lage.

Wie in der vorangehend mit aufgenommenen Veröffentlichung '726 ausführlicher beschrieben kann in verschiedenen Ausführungen der Optikdetektor 360 einen Global-Shutter-Sensor umfassen, d. h. einen Sensor, der jedes Pixel gleichzeitig belichtet. Eine solche Ausführung ist dadurch vorteilhaft, dass sie die Fähigkeit bereitstellt, Bildstapel ohne Bewegung eines Werkstücks oder irgendeines Teils des VFL-Linsensystems 300 zu messen. In verschiedenen alternativen Ausführungen kann der Optikdetektor 360 einen Sensor mit einem elektronischen Rolling-Shutter(ERS)-System umfassen. Ein Kamerasystem kann beispielsweise einen Schwarzweiß-CMOS-Sensor mit SXGA-Auflösung umfassen, der mit einen elektronischen Rolling-Shutter(ERS)-System (z. B. Modell MT9M001 von Aptina Imaging, San Jose, Kalifornien) verkoppelt ist.

Die VFL-Linse 370 kann durch die Linsensteuerung 371 angesteuert werden, die ein Signal erzeugen kann, um die VFL-Linse 370 zu betreiben. In einer Ausführungsform kann die Linsensteuerung 371 ein handelsüblicher steuerbarer Signalgenerator sein. In einigen Ausführungen kann die Linsensteuerung 371 durch einen Benutzer und/oder ein Betriebsprogramm konfiguriert oder gesteuert werden (z. B. durch die Linsen-Steuerung/Schnittstelle 271, wie vorangehend in Bezug auf 2 dargelegt). In einigen Ausführungen kann die Linsensteuerung 371 die VFL-Linse 370 steuern, um ihre optische Leistung periodisch zu modulieren (z. B. sinusförmig) und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Fokuspositionen entlang einer Z-Höhenrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren. In einigen beispielhaften Ausführungen kann beispielsweise eine Gradientenlinse mit akustisch abstimmbaren Brechungsindex für fokale Scanraten bis zu 400 kHz konfiguriert sein, obwohl verstanden werden sollte, dass langsamere Fokuspositionseinstellungen und/oder Modulationsfrequenzen in verschiedenen Ausführungen und/oder Anwendungen wünschenswert sein können. Beispielsweise können in verschiedenen Ausführungen eine periodische Modulation von 300 Hz, oder 3 kHz, oder 70 kHz, oder 250 kHz oder dergleichen verwendet werden. In Ausführungen, bei denen langsamere Fokuspositionseinstellungen verwendet werden, kann die VFL-Linse 370 eine steuerbare Fluidlinse oder dergleichen umfassen. In verschiedenen Ausführungen kann die periodisch modulierte optische Leistung der VFL-Linse eine erste periodische Modulationsphase definieren.

In verschiedenen Ausführungen kann die Linsensteuerung 371 einen Ansteuersignal-Generatorabschnitt 372 und einen Z-Höhe-gegenüber-Phase-Kalibrierabschnitt 373 umfassen. Der Ansteuersignal-Generatorabschnitt 372 kann arbeiten (z. B. in Verbindung mit einer Zeituhr 372'), um ein periodisches Signal bereitzustellen. In verschiedenen Ausführungen kann durch die Linsensteuerung 371 ein Phasenzeitsignal bereitgestellt werden, das mit dem periodischen Signal des Ansteuersignal-Generatorabschnitts 372 synchronisiert wird. In verschiedenen Ausführungen kann das periodische Signal dieselbe Betriebsfrequenz wie die periodisch modulierte optische Leistung der VFL-Linse aufweisen und kann eine zweite periodische Modulationsphase aufweisen, die einen Phasenversatz relativ zu der ersten periodischen Modulationsphase der periodisch modulierten optischen Leistung der VFL-Linse aufweist. In verschiedenen Ausführungen kann der Z-Höhe-gegenüber-Phase-Kalibrierabschnitt 373 eine erste Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung bereitstellen, die jeweilige Z-Höhen zu jeweiligen Phasenzeitsignalwerten in Beziehung setzt.

In verschiedenen Ausführungen kann der Optikdetektor 360 (oder 360') dazu konfiguriert sein, Licht von dem die VFL-Linse 370 umfassenden Bildgebungssystem einzugeben, und der Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt 377 (oder 377') kann dazu konfiguriert sein, rohe Phasenzeitsignalwerte zu bestimmen, die dem entsprechen, wenn Signaldaten von dem Optikdetektor anzeigen, dass sich ein abgebildeter Oberflächenbereich (z. B. des Werkstücks 320) an einer Fokusposition befindet. Wie nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf 5 beschrieben wird, können die rohen Phasenzeitsignalwerte einen Phasenversatzbeitrag umfassen, der den Phasenversatz zwischen der ersten und der zweiten Phasenmodulation betrifft. Wie ferner nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, kann der Phasenversatz-Kompensationsabschnitt 378 dazu konfiguriert sein, rohe Phasenzeitsignalwerte einzugeben, die den abgebildeten Oberflächenbereichen entsprechen, und einen Phasenversatz-Kompensationsprozess auszuführen, der Z-Höhenmessungen der abgebildeten Oberflächenbereiche bereitstellt, wobei mindestens eines von Z-Höhenfehlern oder Z-Höhenabweichungen, die sich auf den Phasenversatzbeitrag beziehen, mindestens teilweise eliminiert wird. In verschiedenen Ausführungen kann ein Phasenversatz-Schätzabschnitt 379 des Phasenversatz-Kompensationsabschnitts 378 einen Schätzwert des Phasenversatzes bestimmen, der als Teil des Phasenversatz-Kompensationsprozesses benutzt werden kann.

In dem Beispiel von 3 sind die Relaylinse 352 und 386 und die VFL-Linse 370 dazu bestimmt, in einer optischen 4f-Konfiguration umfasst zu sein, während die Relaylinse 352 und die Tubuslinse 351 dazu bestimmt sind, in einer Kepler-Teleskop-Konfiguration umfasst zu sein, und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 dazu bestimmt sind, in einer Mikroskop-Konfiguration umfasst zu sein. Alle der dargestellten Konfigurationen sind lediglich als beispielhaft und als nicht einschränkend in Bezug auf die vorliegende Offenbarung zu verstehen. Als Teil der Kepler-Teleskop-Konfiguration ist ein Fokusabstand FTUBE der Tubuslinse 351 als ungefähr abstandsgleich zu einem Mittelpunkt zwischen den Linsen 351 und 352 dargestellt, was auch für den Fokusabstand f der Relaylinse 352 gilt. In alternativen Ausführungen kann der Fokusabstand FTUBE für die Tubuslinse 351 zu dem Fokusabstand f der Relaylinse 352 (der einem der 4 fs der optischen 4f-Konfiguration entspricht) unterschiedlich gemacht werden. In verschiedenen Ausführungen, in denen die Tubuslinse 351 als Teil einer Linsen-Revolverbaugruppe umfasst ist, kann es für andere Tubuslinsen der Linsen-Revolverbaugruppe, wenn sie in die Betriebsposition gedreht werden, wünschenswert sein, einen Brennpunkt an derselben Stelle aufzuweisen (d. h. um mit dem Brennpunkt der Relaylinse 352 übereinzustimmen).

Wie ausführlicher in der vorangehend mit aufgenommenen Anmeldung '409 beschrieben wird, kann das Verhältnis des Fokusabstands FTUBE zu dem Fokusabstand f benutzt werden, um den Durchmesser des gebündelten Strahls von Werkstücklicht 355 aus der Relaylinse 352 relativ zu dem gebündelten Strahl des Werkstücklichts 355, der in die Tubuslinse 351 eingegeben wird, zu ändern. Es versteht sich in Bezug auf die gebündelten Strahlen von Werkstücklicht 355, die jeweils in die Tubuslinse 351 eingegeben und aus der Relaylinse 352 ausgegeben werden, dass in verschiedenen Ausführungen solche gebündelten Strahlen in längere Streckenlängen verlängert werden können und/oder Strahlteiler in Bezug auf solche gebündelten Strahlen benutzt werden können, um zusätzliche optische Strecken (z. B. auf unterschiedliche Kamerasysteme usw. gerichtet) bereitzustellen.

In verschiedenen Ausführungen erlaubt die dargestellte optische 4f-Konfiguration, die VFL-Linse 370 (die eine kleine numerische Apertur(NA)-Vorrichtung, wie eine Gradientenlinse mit akustisch abstimmbaren Brechungsindex sein kann) an der Fourier-Ebene der Objektivlinse 350 anzubringen. Diese Konfiguration kann die Telezentrie an dem Werkstück 320 erhalten und kann eine Maßstabsänderung und Bildverzerrung minimieren (z. B. einschließlich des Bereitstellens einer konstanten Vergrößerung für jede Z-Höhe des Werkstücks 320 und/oder Fokusposition FP). Die Kepler-Teleskop-Konfiguration (z. B. einschließlich der Tubuslinse 351 und der Relaylinse 352) kann zwischen der Mikroskop-Konfiguration und der optischen 4f-Konfiguration angeordnet sein und kann dazu konfiguriert sein, eine gewünschte Größe der Projektion der freien Blende der Objektivlinse an der Stelle der VFL-Linse bereitzustellen, um Abbildungsfehler usw. zu minimieren.

Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungen bestimmte Typen von dimensionalen Messungen eine beugungsnahe oder beugungsbegrenzte Bildgebung erfordern können. Die in 3 dargestellte Konfiguration reduziert Abbildungsfehler durch Beschränken der außerachsigen Erstreckung der Pupille der Objektivlinse 350, die in die VFL-Linse 370 abgebildet wird. In dieser Konfiguration kann die radiale Erstreckung auf weniger als die radiale Erstreckung des 1-sten Bessel-Rings in dem Beugungsindexprofil der Stehwelle der VFL-Linse 370 (z. B. eine Gradientenlinse mit akustisch einstellbarem Brechungsindex) bei ihrer niedrigsten Resonanzfrequenz fR,MIN gehalten werden, wie ausführlicher in der vorangehend mit aufgenommenen Anmeldung '409 beschrieben wird. Auf diese Weise überschreitet Licht aus der Mikroskop-Konfiguration (d. h. einschließlich der Objektivlinse 350 und der Tubuslinse 351) die größte freie Blende CAVFL,MA der VFL-Linse 370 nicht. In einer Ausführung, in der das Licht die größte freie Blende überschritten hat, könnte das Licht mit dem Bereich der Stehwelle der VFL-Linse 370, die einen unerwünschten Brechungsindex aufweisen kann, interagieren, was Abbildungsfehler erhöhen und dimensionale Messpräzision reduzieren könnte. Einige beispielhafte Betriebsvorgänge des VFL-Linsensystems 300 werden nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben.

4 ist ein Zeitdiagramm 400 das Phasenzeiten für ein periodisch moduliertes Steuersignal 410 und eine optische Rückmeldung 420 des VFL-Linsensystems von 3 darstellt. In dem Beispiel von 4 wird ein idealer Fall dargestellt, in dem das Steuersignal 410 und die optische Rückmeldung 420 ähnliche Phasenzeiten aufweisen und daher als identische Signale dargestellt werden (z. B. im Gegensatz zu dem Beispiel von 5, in dem Signale durch einen Phasenversatz getrennt sind, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird). In verschiedenen Ausführungen kann das Steuersignal 410 das Ansteuersignal betreffen, das durch den Ansteuersignal-Generator 372 von 3 erzeugt wird, und die optische Rückmeldung 420 kann repräsentativ für die periodisch modulierte Fokusposition des Bildgebungssystems sein, die durch periodisches Modulieren der optischen Leistung der VFL-Linse 370 gesteuert wird, wie oben dargelegt.

In verschiedenen Ausführungen können die sinusförmigen Formen der Kurven 410 und 420 von den Linsen in Reihe (z. B. der Objektivlinse 350, der VFL-Linse 370 usw., wie in 2 dargestellt) abhängen, für die die optische Leistung der VFL-Linse 370 einen Zyklus durchläuft, wie in 4 angezeigt, und gleich 1/f beträgt (wobei f = Brennweite). Wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird kann eine Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung, die jeweilige Z-Höhen zu jeweiligen Phasenzeitsignalwerten in Beziehung setzt, durch Kalibrierung gemäß bekannter Prinzipien herstelle (z. B. gemäß einem mathematischen Modell und/oder durch wiederholtes Aufstufen einer Oberflache zu einer bekannten Z-Höhe, und dann durch manuelles oder rechnerisches Bestimmen der Phasenzeit, die ein Bild in der bekannten Z-Höhe am besten fokussiert, und Speichern der Beziehung in einer Nachschlagtabelle oder dergleichen).

Das Zeitdiagramm 400 stellt Phasenzeiten (z. B. ⌀0, ⌀90, ⌀180, ⌀270, usw.) dar, die den jeweiligen Phasenzeitsignalwerten (z. B. t0, t90, t180, t270, usw.) des Steuersignals 410 gleichkommen, die den jeweiligen Z-Höhen (z. B. z⌀0, z⌀90, z⌀180, z⌀270, usw.) entsprechen. In verschiedenen Ausführungen können die Phasenzeitsignalwerte (z. B. t0, t90, t180, t270, usw.) gemäß einem Phasenzeitsignal (wie z. B. durch eine Uhr oder andere Technik zum Festlegen einer Zeit relativ zu der periodischen Modulation, usw. bereitgestellt) bestimmt werden. Es versteht sich, dass die in dem Zeitdiagramm 400 gezeigten Phasenzeitsignale lediglich beispielhaft und nicht einschränkend sein sollen. Allgemeiner gesagt wird jedes Phasenzeitsignal eine zugeordnete Fokusposition-Z-Höhe innerhalb des dargestellten Bereichs von Fokuspositionen (z. B. dem Bereich in dem dargestellten Beispiel mit einer maximalen Z-Höhe z⌀90 und einer minimalen Z-Höhe z⌀270) aufweisen.

Wie oben beschrieben können verschiedene Techniken (z. B. Benutzen von Points-from-Focus, Bestimmungen der maximalen konfokalen Helligkeit, usw.) verwendet werden, um zu bestimmen, wenn ein abgebildeter Oberflächenbereich im Fokus liegt, was einer Z-Höhenmessung für den abgebildeten Oberflächenbereich entsprechen kann. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass ein abgebildeter Oberflächenbereich auf einer Z-Höhe z⌀surf liegt, wenn der abgebildete Oberflächenbereich im Fokus liegt. Das heißt, in dem dargestellten Beispiel ist die Fokusposition zur Phasenzeit ⌀surf_ind(–), die gleich dem Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) ist, auf der Z-Höhe z⌀surf, und ein Werkstückoberflächenbereich, der sich auf der Z-Höhe z⌀surf befindet, wird im Fokus liegen. Gleichermaßen ist zur Phasenzeit ⌀surf_ind(+), die gleich dem Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) ist, die Fokusposition auf der Z-Höhe z⌀surf, und der Werkstückoberflächenbereich, der sich auf der Z-Höhe z⌀surf befindet, wird im Fokus liegen. Es versteht sich, dass solche Werte in der Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung umfasst sein können, die jeweilige Z-Höhen zu jeweiligen Phasenzeitsignalwerten in Beziehung setzt, derart, dass wenn bestimmt wird, dass ein abgebildeter Oberflächenbereich im Fokus liegt, der entsprechende Phasenzeitsignalwert (z. B. Tsurf_ind(–)) benutzt werden kann, die entsprechende gemessene Z-Höhe (z. B. Z-Höhe z⌀surf) des abgebildeten Oberflächenbereichs nachzuschlagen.

In dem dargestellten Beispiel entsprechen die Phasenzeitsignalwerte Tsurf_ind(–) und Tsurf_ind(+) Bewegungen der modulierten Fokusposition in jeweiligen entgegengesetzten Richtungen. Insbesondere entspricht der Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) einer Bewegung der modulierten Fokusposition in einer ersten Richtung (z. B. abwärts), während der Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) einer Bewegung der modulierten Fokusposition in einer zweiten Richtung (z. B. aufwärts), die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, entspricht. Aufgrund des Steuersignals 410 und der optischen Rückmeldung 420, die in dem Beispiel von 4 ähnliche Phasenzeiten aufweisen, werden die Phasenzeitsignalwerte Tsurf_ind(–) und Tsurf_ind(+) des Steuersignals 410 so gezeigt, dass sie derselben Z-Höhe z⌀surf entsprechen. Wenn im Gegensatz dazu, wie nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf die 5 beschrieben wird, die optische Rückmeldung 420 einen Phasenversatz relativ zu dem Steuersignal 410 aufweist, können unterschiedliche Z-Höhen als solchen Phasenzeitsignalwerten entsprechend angezeigt werden, für die ein Phasenversatzkompensationsprozess gemäß der hierin offenbarten Prinzipien genutzt werden kann.

5 ist ein Zeitdiagramm 500, das einen Phasenversatz zwischen einem periodisch modulierten Steuersignal 410' und einer optischen Rückmeldung 420' des VFL-Linsensystems von 3 darstellt. Wie in 5 dargestellt, entspricht ein Phasenversatzbeitrag einer Delta-Phasenzeit Δ⌀, die einem Delta-Phasenzeitsignalwert Δt entspricht. Wenn als ein Ergebnis des Phasenversatzbeitrags ein abgebildeter Oberflächenbereich aktuell auf einer Z-Höhe z⌀surf_act liegt, können entsprechende Phasenzeitsignalwerte relativ zu der optischen Rückmeldung 420' andere Z-Höhen relativ zu dem Steuersignal 410' anzeigen.

Das heißt, in dem dargestellten Beispiel entspricht zur Phasenzeit ⌀surf_ind(–), die gleich dem Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) ist, die optische Rückmeldung 420' der Fokusposition auf der Z-Höhe ⌀surf_act; das Steuersignal 410' zeigt jedoch inkorrekt an, dass sich die Fokusposition auf der Z-Höhe z⌀surf_ind(–) befindet. Die Differenz zwischen der Z-Höhe z⌀surf_act und der Z-Höhe z⌀surf_ind(–) wird als ein Z-Höhenfehler Zerr(–) gezeigt. Gleichermaßen entspricht zur Phasenzeit ⌀surf_ind(+), die gleich dem Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) ist, die optische Rückmeldung 420' der Fokusposition auf der Höhe z⌀surf_act, wobei jedoch das Steuersignal 410' inkorrekt anzeigt, dass sich die Fokusposition auf der Z-Höhe z⌀surf_ind(+) befindet. Die Differenz zwischen der Z-Höhe z⌀surf_act und der Z-Höhe z⌀surf_ind(+) wird als ein Z-Höhenfehler Zerr(+) gezeigt.

Wie oben angegeben entspricht der Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) der Bewegung der modulierten Fokusposition in einer ersten Richtung (z. B. abwärts), während der Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) der Bewegung der modulierten Fokusposition in einer zweiten Richtung (z. B. aufwärts) entspricht, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Wie dargestellt können die entsprechenden Z-Höhenfehler Zerr(–) und Zerr(+) auch dementsprechend relativ entgegengesetzt zueinander (z. B. relativ zu der Z-Höhe z⌀surf_act) sein. In verschiedenen Ausführungen kann die entgegengesetzte Natur der Z-Höhenfehler Zerr(–) und Zerr(+) auch als Teil eines Phasenversatzkompensationsprozesses benutzt werden. Entsprechend der hierin offenbarten Prinzipien können unterschiedliche Phasenversatzkompensationsprozesse in verschiedenen Ausführungen genutzt werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.

Beispielsweise kann eine Konfiguration eines Phasenversatzkompensationsprozesses das Bestimmen einer Z-Höhenmessung eines abgebildeten Oberflächenbereichs basierend auf einem entsprechenden Satz von rohen Phasenzeitsignalwerten umfassen, die mindestens erste und zweite jeweilige Teilsätze von rohen Phasenzeitsignalwerten umfassen, die Bewegungen der modulierten Fokusposition des Bildgebungssystems in jeweilige entgegengesetzte Richtungen entsprechen. Mit Bezug auf das Beispiel von 5 kann ein erster jeweiliger Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten mindestens den Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) umfassen und kann ebenfalls während nachfolgender VFL-Linsenzyklen bestimmte ähnliche Phasenzeitsignalwerte umfassen (z. B. kann innerhalb des nächsten VFL-Linsenzyklus ein weiterer Phasenzeitsignalwert wieder bestimmt werden, wenn sich der abgebildete Oberflächenbereich während der Bewegung der modulierten Fokusposition in der Abwärts-Richtung wieder im Fokus befindet, und so weiter). Gleichermaßen kann ein zweiter jeweiliger Teilsatz von rohem Phasenzeitsignalwerten mindestens den Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) umfassen und kann ebenfalls während nachfolgender VFL-Linsenzyklen bestimmte ähnliche Zeitsignalwerte umfassen (z. B. kann innerhalb des nächsten VFL-Linsenzyklus ein weiterer Phasenzeitsignalwert wieder bestimmt werden, wenn sich der abgebildete Oberflächenbereich während der Bewegung der modulierten Fokusposition in der Aufwärts-Richtung wieder im Fokus befindet, und so weiter).

In einer Ausführung kann ein solcher Phasenversatzkompensationsprozess insbesondere mit dem Bestimmen eines ersten vorläufigen Z-Höhenmessungs-Teilsatz (z. B. einschließlich von zumindest der Z-Höhe z⌀surf_ind(–)) basierend auf mindestens einem Wert in dem ersten Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten (z. B. dem rohen Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–)) und der ersten Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung beginnen. Der Prozess kann auch das Bestimmen eines zweiten vorläufigen Z-Höhenmessungs-Teilsatzes (der z. B. mindestens die Z-Höhe z⌀surf_ind(+) umfasst) basierend auf mindestens einem Wert in dem zweiten Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten (z. B. den rohen Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+)) und der ersten Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung umfassen. Der Prozess kann ferner das Bestimmen eines Z-Höhenmesswerts (z. B. Z-Höhe z⌀surf_act) umfassen, der zwischen mindestens einem Wert (z. B. Z-Höhe z⌀surf_ind(–)) in dem ersten vorläufigen Z-Höhenmessungs-Teilsatz und mindestens einem Wert (z. B. Z-Höhe z⌀surf_ind(+)) in dem zweiten vorläufigen Z-Höhenmessungs-Teilsatz liegt, und das Verwenden der bestimmten Z-Höhenmessung (z. B. Z-Höhe z⌀surf_act) als einen Z-Höhenmesswert des abgebildeten Oberflächenbereichs umfassen. In verschiedenen Ausführungen kann der Z-Höhenmesswert (z. B. Z-Höhe z⌀surf_act) als der Durchschnitt von mindestens einem Wert (z. B. Z-Höhe z⌀surf_ind(–)) in dem ersten vorläufigen Z-Höhenmessungs-Teilsatz und mindestens einem Wert (z. B. Z-Höhe z⌀surf_ind(+)) in dem zweiten vorläufigen Z-Höhenmessungs-Teilsatz bestimmt werden. In verschiedenen Ausführungen kann eine Steuerung des VFL-Linsensystems den Betriebsbereich des Bildgebungssystems so beschränken, dass er weniger als 2/3 des maximalen Betriebsbereichs beträgt und dass er keine Spitzen oder Tiefpunkte eines periodischen Signals in der Steuerung umfasst (um z. B. den oben beschriebenen Phasenversatzkompensationsprozess während der relativ linearen Abschnitte der sinusförmigen Kurven 410' und/oder 420' zu nutzen, im Gegensatz zu den nicht linearen Abschnitten, die an den Spitzen und Tiefpunkten usw. auftreten).

Als weiteres Beispiel kann in einer unterschiedlichen Konfiguration ein Phasenversatzkompensationsprozess dazu konfiguriert sein, einen Schätzwert des Phasenversatzes zu bestimmen und kann einen Z-Höhenbestimmungsprozess zum Bestimmen einer Z-Höhenmessung eines abgebildeten Oberflächenbereichs basierend auf mindestens einem entsprechenden rohen Phasenzeitsignalwert und dem Schätzwert des Phasenversatzes umfassen. In einer solchen Konfiguration kann der Z-Höhenbestimmungsprozess das Bestimmen eines kompensierten Phasenzeitsignalwerts durch Verarbeiten des mindestens einen entsprechenden rohen Phasenzeitsignalwerts mit dem Schätzwert des Phasenversatzes umfassen, um den Phasenversatzbeitrag zu reduzieren, und kann ferner das Bestimmen einer Z-Höhenmessung basierend auf dem kompensierten Phasenzeitwert und der ersten Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung umfassen. In einer Ausführung kann der Phasenversatzkompensationsabschnitt einen Phasenversatzschätzabschnitt umfassen, der betrieben werden kann, um einen Anpassprozess auszuführen, der den Schätzwert des Phasenversatzes anpasst, um ein Kriterium zu erfüllen. In einer Ausführung ist das Kriterium derart, dass wenn der Z-Höhenbestimmungsprozess auf dem angepassten Schätzwert des Phasenversatzes basiert und entsprechend von mindestens ersten und zweiten jeweiligen Teilsätzen von rohen Phasenzeitsignalwerten wiederholt wird, die Bewegungen der modulierten Fokusposition des Bildgebungssystems in jeweiligen entgegengesetzten Richtungen entsprechen, wenn ein fester Oberflächenbereich abgebildet wird, mindestens eines von einer Abweichung oder einer Differenz zwischen resultierenden entgegengesetzt gerichteten Z-Höhenmessungen ungefähr minimiert wird. Mit Bezug auf das Beispiel von 5 kann einer erster jeweiliger Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten mindestens den Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) mit einer resultierenden Z-Höhenmessung der Z-Höhe z⌀surf_ind(–) umfassen, und ein zweiter jeweiliger Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten kann mindestens den Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) mit einer resultierenden Z-Höhenmessung der Z-Höhe z⌀surf_ind(+) umfassen. Die Abweichung und/oder Differenz zwischen den resultierenden entgegengesetzt gerichteten Z-Höhenmessungen in diesem Fall können gleich der Summe der Z-Höhenfehler Zerr(–) und Zerr(+) sein. Wie nachfolgend ausführlicher mit Bezug auf die 7 beschrieben wird, kann in einer Ausführung der Schätzwert des Phasenversatzes angepasst werden (z. B. in inkrementalen Schritten), um einen Schätzwert des Phasenversatzes zu bestimmen, der in einer minimierten Abweichung oder Differenz zwischen den resultierenden entgegengesetzt gerichteten Z-Höhenmessungen resultiert (z. B. um eine Konfiguration zu erreichen, die mit dem Beispiel von 4 vergleichbarer ist, in dem die Phasenzeitsignalwerte Tsurf_ind(–) und Tsurf_ind(+) des Steuersignals 410' sich annähernd gemacht worden sind, um derselben Z-Höhe z⌀dsurf_act zu entsprechen).

Als ein weiteres Beispiel in einer anderen Konfiguration, in der ein Schätzwert des Phasenversatzes bestimmt und angepasst wird, kann ein Phasenversatzkompensationsprozess das Abbilden eines festen Oberflächenbereichs und ein Bestimmen eines entsprechenden Teilsatzes von rohen Phasenzeitsignalwerten, die Bewegungen der modulierten Fokusposition des Bildgebungssystems in jeweilige entgegengesetzte Richtungen entsprechen, umfassen. In einer solchen Konfiguration können der erste und zweite jeweilige Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten nominal symmetrisch um die 90-Grad-Phase oder die 270-Grad-Phase der ersten periodischen Phase beabstandet sein, und der Schätzwert des Phasenversatzes kann basierend auf dem ersten und zweiten jeweiligen Teilsatz der rohen Phasenzeitsignalwerte angepasst werden. Mit Bezug auf das Beispiel von 5 kann ein erster jeweiliger Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten mindestens den Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(–) umfassen und kann ebenfalls während nachfolgender VFL-Linsenzyklen bestimmte ähnliche Phasenzeitsignalwerte umfassen, und ein zweiter jeweiliger Teilsatz von rohen Phasenzeitsignalwerten kann mindestens den Phasenzeitsignalwert Tsurf_ind(+) umfassen und kann ebenfalls während nachfolgender VFL-Linsenzyklen bestimmte ähnliche Phasenzeitsignalwerte umfassen. Solche erste und zweite jeweilige Teilsätze von rohen Phasenzeitsignalwerten werden nominal symmetrisch um die 270-Grad-Phase der ersten periodischen Modulationsphase der optischen Rückmeldung 420' beabstandet, wie in 5 mit Bezug auf die Beabstandung der rohen Phasenzeitsignalwerte Tsurf_ind(–) und Tsurf_ind(+) dargestellt.

In einer Ausführung kann der Betriebsvorgang des Anpassens des Schätzwerts des Phasenversatzes basierend auf den ersten und dem zweiten jeweiligen Teilsätzen von rohen Phasenzeitsignalwerten mit dem Annähern des ersten Spitzenphasenzeitsignalwerts der 90-Grad-Phase oder 270-Grad-Phase der ersten periodischen Modulationsphase als ein Durchschnittswert der ersten und zweiten jeweiligen Teilsätze von rohen Phasenzeitsignalwerten (z. B. dem Durchschnittswert zwischen den rohen Phasenzeitsignalwerten Tsurf_ind(–) und Tsurf_ind(+) für die 270 Grad-Phase) beginnen. Der Betriebsvorgang kann ebenfalls das Festlegen eines zweiten Spitzenphasenzeitsignalwerts der entsprechenden 90-Grad-Phase oder 270-Grad-Phase der zweiten periodischen Modulationsphase basierend auf dem Phasenzeitsignal, das mit dem periodischen Signal in der Steuerung synchronisiert ist, das die zweite periodische Modulationsphase aufweist (z. B. das Phasenzeitsignal t270), umfassen. Der Betriebsvorgang kann ferner das Anpassen des Schätzwerts des Phasenversatzes an einen Wert, der einer Differenz zwischen dem ersten und zweiten Spitzenphasenzeitsignalwerten entspricht, umfassen (z. B. um eine dem Beispiel von 4 vergleichbare Konfiguration zu erreichen, in dem die Phasenzeitsignalwerte Tsurf_ind(–) und Tsurf_ind(+) des Steuersignals 410' sich annähernd gemacht worden sind, um derselben Z-Höhe z⌀surf_act zu entsprechen).

In verschiedenen Ausführungen kann das Steuersignal 410' verschiedene andere Signale betreffen, die durch das VFL-Linsensystem erzeugt und/oder bestimmt werden. Beispielsweise können Synchronisationsimpulse durch bestimmte elektronische Schaltungen oder Routinen des VFL-Systems erzeugt werden und können derart synchronisiert werden, dass sie an vorgegebenen Stellen entlang einer optischen Rückmeldung und/oder eines Ansteuersignals (wie z. B. durch den Ansteuersignalgenerator 372 von 3 erzeugt) auftreten. In einigen Fällen kann eine Dokumentation bezüglich VFL-Linsen und/oder -Systemen bereitgestellt werden, die anzeigen kann, dass die bereitgestellten Synchronisationsimpulse dazu vorgesehen sind, an vorgegebenen Stellen auf einer Leistungskurve (z. B. der optischen Rückmeldung 420') aufzutreten. In der Praxis wurde jedoch beobachtet, dass eine Verzögerung (z. B. eine Phasenverzögerung) zwischen den vorgegebenen und aktuellen Impulsstellen vorhanden sein kann. Außerdem wurde beobachtet, dass diese Verzögerung dazu tendiert, abhängig von Bedingungen (z. B. Temperatur, usw.) zu schwanken. In verschiedenen Ausführungen kann das Steuersignal410' ein synthetisches Signal sein, das für das Timing solcher Synchronisationsimpulse repräsentativ ist oder anderweitig damit synchronisiert ist, und den Werten einer Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung entsprechen kann. In einer Ausführung können Synchronisationsimpulse mit dem Ansteuersignal synchronisiert werden, das durch den Ansteuersignalgenerator 372 von 3 erzeugt wird, und kann an vorgegebenen Phasenstellen entlang des Ansteuersignals auftreten. In verschiedenen Ausführungen kann die optische Rückmeldung 420' einen Phasenversatz relativ zu dem Ansteuersignal aufweisen, und das Steuersignal 410' (z. B. repräsentativ für das Timing der Synchronisationsimpulse) kann mit dem Ansteuersignal synchronisiert werden, kann aber auch einen Phasenversatz relativ zu dem Ansteuersignal aufweisen. In einer Ausführung kann ein Phasenzeitsignal (z. B. durch eine Uhr, usw. bereitgestellt) mit dem Steuersignal 410' und/oder entsprechenden Synchronisationsimpulsen synchronisiert werden.

6 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführung einer Routine 600 zum Bestimmen einer Oberflächen-Z-Höhenmessung eines Oberflächenbereichs darstellt. Bei einem Block 610 wird eine VFL-Linse gesteuert, um ihre optische Leistung periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition eines optischen Systems über eine Vielzahl von Fokuspositionen entlang einer Z-Höhenrichtung mit einer ersten Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren, wobei die periodisch modulierte optische Leistung der VFL-Linse eine erste periodische Modulationsphase definiert. Bei einem Block 620 wird ein Phasenzeitsignal bereitgestellt, wobei das Phasenzeitsignal mit einem periodischen Signal synchronisiert wird, das die erste Betriebsfrequenz aufweist und das eine zweite periodische Modulationsphase aufweist, die einen Phasenversatz relativ zu der ersten periodischen Modulationsphase aufweist.

Bei einem Block 630 wird eine erste Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung bereitgestellt, die jeweilige Z-Höhen zu jeweiligen Phasenzeitsignalwerten in Beziehung, setzt. Bei einem Block 640 werden rohe Phasenzeitsignalwerte bestimmt, die dem entsprechen, wenn Signaldaten von einem Optikdetektor anzeigen, dass sich ein Oberflächenbereich an einer Fokusposition befindet, wobei die rohen Phasenzeitsignalwerte einen Phasenversatzbeitrag umfassen, der den Phasenversatz zwischen der ersten und der zweiten periodischen Phase betrifft. Bei einem Block 650 wird ein Phasenkompensationsprozess ausgeführt, der Z-Höhenmessungen von Oberflächenbereichen bereitstellt, wobei mindestens eines von Z-Höhenfehlern oder Z-Höhenabweichungen, die den Phasenversatzbetrag betreffen, mindestens teilweise in den bereitgestellten Z-Höhenmessungen eliminiert wird.

7 ist ein Ablaufdiagramm, das eine beispielhafte Ausführung einer Routine 700 zum Bestimmen eines Schätzwerts eines Phasenversatzes darstellt. In dem Fall, dass die Routine 700 in einem Kalibriervorgang verwendet wird, um eine Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung, die wie hierin dargelegt verwendet werden soll, zu erzeugen oder anzupassen, kann die Routine 700 ebenfalls einen Skalierungsfaktor bestimmen, der dem aktuellen Z-Scanbereich des Fokus des VFL-Linsensystems entspricht.

Bei einem Block 710 wird eine Periode T des Modulationszyklus der VFL-Linse bestimmt. In verschiedenen Ausführungen können verschiedene Techniken genutzt werden, um die Periode T des periodischen Modulationszyklus zu bestimmen. Beispielsweise kann in einer Konfiguration, in der Synchronisationsimpulse erzeugt werden (z. B. durch bestimmte elektronische Schaltungen oder Routinen), die Periode T als eine Durchschnittsperiode zwischen zwei Synchronisationspulsen errechnet werden. In einer Ausführung, in der eine hohe Abtastfrequenz benutzt wird (e. g. tausende von Abtastungen von gemessenen Z-Höhen pro periodischem Modulationszyklus), kann eine mittlere Anzahl von Abtastungen zwischen zwei Synchronisationsimpulsen in einigen Fällen genutzt werden, um die Periode T des periodischen Modulationszyklus zu bestimmen. Bei einem Block 720 wird ein ungefährer Z-Scanbereich des VFL-Linsensystems bestimmt. In verschiedenen Ausführungen kann der ungefähre Z-Scanbereich auf einem optischen Modell des VFL-Linsensystems basieren.

Bei einem Block 730 werden ein Ausgangsversuchsschätzwert eines Phasenversatzes und einer Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung, die jeweilige Z-Höhen zu jeweiligen Phasenzeitsignalen in Beziehung setzt, bestimmt. In verschiedenen Ausführungen können die Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung basierend auf der Periode T und dem ungefähren Z-Scanbereich, sowie der Ausgangsversuchsschätzwert des Phasenversatzes, bestimmt werden. In verschiedenen Ausführungen kann die Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung auf einem mathematischen oder anderen Modell (das z. B. Werte umfasst, die einer Sinus- oder Kosinuswelle mit jeweils dem vorgegebenen Z-Bereich, der Periode T und dem Ausgangsversuchsschätzwert des Phasenversatzes, usw. entsprechen) oder auf der Z-Höhe-Phase-Darstellung des experimentell gemessenen Systems (z. B. einer unter Verwendung verschiedener Verfahren, wie linearer Annäherung, Spline-Interpolation, Sinuswellenanpassung usw. interpolierten Nachschlagtabelle) basieren. In verschiedenen Ausführungen kann es wünschenswert sein, die Anzahl von Werten in der Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung ungefähr gleich der Anzahl von Abtastungen (z. B. gemessene Z-Höhen) zu machen, die zwischen zwei Synchronisationsimpulsen auftreten, was in einigen Fällen von der Abtastrate des VFL-Linsensystems abhängen kann. In verschiedenen Ausführungen können unterschiedliche Abtastraten (z. B. tausende Abtastungen pro Zyklus, usw.) abhängig von der gewünschten Genauigkeit des Systems genutzt werden.

Bei Block 740 wird ein Oberflächenbereich (z. B. ein Spiegel im Falle eines Kalibrierungsvorgangs) innerhalb des Z-Scanbereichs des VFL-Linsensystems positioniert. In verschiedenen Ausführungen kann es wünschenswert sein, den Oberflächenbereich ungefähr in die Mitte des Z-Scanbereichs zu legen. In Ausführungen, in denen andere Scan-Fähigkeiten (z. B. seitliche Scans, usw.) als Teil des VFL-Linsensystems umfasst sind, kann es wünschenswert sein, derartige andere Typen von Scans abzuschalten oder anderweitig zu sperren, um den Einfluss von anderen optischen Fehlern zu der Z-Veränderlichkeit des gemessenen Oberflächenorts zu reduzieren. Es ist insbesondere in bestimmten Ausführungen wünschenswert, dieselbe Stelle an einem Bildflächenbereich einer stationären Kalibrieroberfläche unter Verwendung der Z-Höhen-Scanfähigkeiten des VFL-Linsensystems wiederholt zu messen.

Bei einem Block 750 werden bidirektionale Phasenzeitsignalwerte und entsprechende Z-Höhenmessungen entsprechend dann bestimmt, wenn sich der stationäre abgebildete Oberflächenbereich an einer Fokusposition befindet. Wie oben mit Bezug auf die 5 beschrieben, können in verschiedenen Ausführungen solche Betriebsvorgänge das Ausführen eines Z-Höhenbestimmungsprozesses basierend auf dem Versuchsschätzwert des Phasenversatzes und das Wiederholen von Betriebsvorgängen entsprechend von mindestens ersten und zweiten jeweiligen Teilsätzen von rohen Phasenzeitsignalwerten entsprechend den Bewegungen der modulierten Fokusposition des Bildgebungssystems in jeweiligen entgegengesetzten Richtungen beim Abbilden eines festen Oberflächenbereichs umfassen. In verschiedenen Ausführungen kann eine Anzahl von Z-Höhenmessungen aus mehreren Z-Scans unter Verwendung der aktuellen Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung bestimmt werden. In verschiedenen Ausführungen, wie in solchen, in denen eine VFL-Linse 370 betrieben wird, um kontinuierlich eine große Anzahl von Zyklen (z. B. tausende, usw.) pro Sekunde zu scannen, kann eine Z-Höhenmessung schnell für jeden Z-Scan (z. B. sowohl in der Aufwärts- als auch Abwärtsrichtung, wie oben in Bezug auf die 4 und 5 beschrieben) bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine große Anzahl (z. B. tausende, usw.) von Z-Höhen schnell angesammelt werden (z. B. durch Nutzen eines konfokalen oder anderen Systems, usw.), wenn eine stationäre Oberflächenstelle an einem abgebildeten Oberflächenbereich gemessen wird.

Bei einem Entscheidungsblock 760 wird eine Bestimmung darüber gemacht, ob mindestens eines von einer Versuchsabweichung oder -differenz zumindest annähernd minimiert ist. Beispielsweise kann eine Standardabweichungsberechnung bei den bestimmten Z-Höhenmessungen (z. B. Berechnen von deren Sigma) angewendet werden, um eine Gesamtversuchs-Abweichung oder -Differenz zu bestimmen. Wenn die Gesamtversuchs-Abweichung oder -Differenz nicht beträchtlich minimiert wurde, geht die Routine weiter zu einem Block 770, wo der Versuchsschätzwert des Phasenversatzes angepasst wird. Beispielsweise kann der Versuchsschätzwert des Phasenversatzes durch ein Inkrement (z. B. 0,1-Grad-Phasenschritte, usw.) oder eine andere Technik angepasst werden, um einen neuen Versuchsschätzwert des Phasenversatzes bereitzustellen. Diese Ausführung des Anpassens des geschätzten Phasenversatzes ist jedoch lediglich beispielhaft und nicht einschränkend. Beispielsweise können in einem alternativen Anpassverfahren jeweilige Differenz- oder Abweichungswerte für eine Vielzahl von jeweiligen Phasenversätzen über einen geschätzten oder vorbestimmten Bereich bestimmt werden, die eine entsprechende Kurve von Datenpunkten definieren können. Das Minimum der Kurve (die minimale Abweichung oder Differenz) kann durch bekannte Verfahren (Kurvenanpassung und Finden von Spitzen und Tälern, usw.) gefunden werden, und der entsprechende Phasenversatzwert kann für den geschätzten Phasenversatz verwendet werden. Dies kann, bei einer „idealen” und präzisen Anpassung, zu einem interpolierten Phasenversatzwert zwischen den zum Festlegen der Kurve verwendeten Ausgangswerten führen. Diese und andere alternative Verfahren zum Ausführen der Betriebsvorgänge von Block 770 können für einen Fachmann basierend auf den verschiedenen hierin umfassten Lehren erkenntlich sein.

Wenn die Versuchsabweichung oder -differenz zumindest annähernd minimiert ist, geht die Routine weiter zu Block 780. Sobald in verschiedenen Ausführungen bestimmt wird, dass die Versuchsabweichung oder -differenz minimiert ist (z. B. nach Ausführen der Betriebsvorgänge der Blöcke 750 bis 770 nach Bedarf, um die Anforderung(en) des Blocks 760 zu erfüllen), kann der entsprechende Versuchsschätzwert des Phasenversatzes als der Schätzwert des Phasenversatzes für nachfolgenden Z-Höhenmessvorgänge des VFL-Linsensystems benutzt werden. In verschiedenen Ausführungen kann der Schätzwert des Phasenversatzes als Teil von einem oder von mehreren Prozessen zum individuellen oder gemeinsamen Bestimmen von gemessenen Z-Höhen genutzt werden, oder kann genutzt werden, um eine vorhergehend bestimmte Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung anzupassen, um eine Verschiebung oder Änderung des Phasenversatzes in Betracht zu ziehen. Mit anderen Worten, wenn sich ein „ursprünglicher” Phasenversatz, der einer vorhergehend bestimmten Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung entspricht oder zugrunde liegt, geändert hat, kann der Unterschied zwischen dieser und dem neuen Schätzwert des Phasenversatzes dazu verwendet werden, die Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung zu verschieben oder anzupassen, um hinsichtlich des neuen Schätzwerts des Phasenversatzes korrekt zu sein.

Bei einem Block 780 wird in dem Fall, dass die Routine 700 in einem Kalibriervorgang verwendet wird, um eine Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung zu schaffen oder anzupassen, ein Skalierungsfaktor bestimmt (z. B. zum Skalieren jeweiliger Z-Höhenwerte, usw.). In verschiedenen Ausführungen kann die Bestimmung des Skalierungsfaktors die Nutzung eines Kalibrierobjekts mit einer bekannten Z-Schritthöhe umfassen, oder es kann eine einzelne Oberfläche nach Z um einen bekannten Betrag verschoben werden, usw.. Um den Skalierungsfaktor zu bestimmen, wird das Kalibrierungsobjekt mit der bekannten Z-Schritthöhe oder die nach Z um einen bekannten Betrag verschobene Oberfläche gemessen, um entsprechende erste und zweite Z-Höhenmessungen zu bestimmen (z. B. durch Nutzen eines Z-Höhenbestimmungsprozesses basierend zumindest teilweise auf bestimmten ersten und zweiten entsprechenden rohen Phasenzeitsignalwerten und dem Schätzwert des Phasenversatzes, usw.). Entsprechend wird eine gemessene Z-Höhendifferenz bestimmt, die der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Z-Höhenmessung entspricht. Dann wird ein Skalierungsfaktor bestimmt, der, wenn er mit den gemessenen Z-Höhendifferenzergebnissen multipliziert oder anderweitig darauf angewendet wird, zu einem Wert führt, der gleich der bekannten Z-Höhendifferenz ist. Tatsächlich kann man verstehen, dass dieser Skalierungsfaktor verwendet werden kann, um den Bereich oder die Amplitude der Z-Höhen-Fokusabweichungen des VFL-Linsensystems präzise zu kalibrieren. Ein solcher Skalierungsfaktor kann verwendet werden, um die in der Z-Höhe-gegenüber-Phase-Darstellung verwendeten Z-Höhenwerte festzulegen, falls notwendig oder erwünscht.

Die Problemlösungen und nachfolgend mit Bezug auf die 814 offenbarten diesbezüglichen Prinzipien unterscheiden sich etwas von denjenigen der mit Bezug auf die 17 offenbarten. Die vorangehende Beschreibung der 17 offenbart verschiedene Kombinationen von Elementen, Prinzipien und Betriebsvorgängen, die in verschiedenen Ausführungen eines Systems verwendet werden können, das betrieben werden kann, um genauere Z-Höhenmessungen unter Verwendung eines Bildgebungssystems bereitzustellen, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) umfasst. Insbesondere zeigen ein optischer Fokusdetektor und ein Fokussignal-Verarbeitungsabschnitt mit extrem kurzer Latenzzeit an, wenn sich ein abgebildeter Oberflächenbereich an einer Fokusposition befindet. Die diesbezüglichen Signale und Zeitinformation ermöglichen einen Phasenversatzkompensationsprozess, um Z-Höhenmessungen in Bezug auf ein Bild eines Oberflächenbereichs mit verbesserter Genauigkeit bereitzustellen. Insbesondere kann mindestens eines von Z-Höhenfehlern oder Z-Höhenmessabweichungen, die aufgrund von sich aus elektronischer und elektromechanischer Latenz ergebenden Phasenversatzfehlern in Systemen des Standes der Technik vorhanden sind, mindestens teilweise eliminiert werden. Obwohl die vorangehende Beschreibung eine verbesserte Genauigkeit für eine Z-Höhenmessung entsprechend einer festgelegten Bildfokusposition beim Verwenden einer mit Hochgeschwindigkeit (z. B. 70 kHz) periodisch modulierten Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) ermöglicht, offenbart sie jedoch kein komplettes System zum automatischen Anpassen der Bildfokusposition (das heißt, Autofokussieren) derart, dass sie mit einer bestimmten Werkstückoberfläche zusammenfällt, um diese bestimmte Oberfläche abzubilden und/oder ihre bestimmte Z-Höhe festzulegen. Allgemein ausgedrückt sind die derart arbeitenden bekannten Verfahren langsamer als erwünscht und sind nicht in idealer Weise dazu geeignet, die Eigenschaften einer mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierten VFL-Linse (z. B. einer TAG-Linse) zu nutzen.

In verschiedenen Anwendungen ist es für einen hohen Durchsatz wünschenswert, Hochgeschwindigkeitsmessungen entweder in stationären oder sich durchgehend bewegenden Inspektionssystemen auszuführen. In Bezug auf gut fokussierte Inspektionsbilder und Z-Höhenmessungen (die im Allgemeinen auf der Höhenbestimmung mit dem „besten Fokus” basieren) können die Bilderfassungsrate und die Rate, mit der die Z-Höhenmessungen ausgeführt werden können, durch die Z-Höhen-Fokusposition-Anpassungsrate oder die Bewegungsgeschwindigkeit begrenzt werden. Innovative Linsen mit variabler Brennweite (z. B. TAG-Linsen) können jedoch periodisch moduliert werden und den Fokus mit einer sehr hohen Rate (z. B. 70 KHz) ändern. Automatisches Bestimmen und Anpassen ihrer Bildfokusposition mit sehr hoher Genauigkeit mit einer ihrer Fokusvariationsrate angemessenen Rate hat sich als problematisch erwiesen. Verbesserte Systeme und Verfahren zum automatischen Bestimmen und Anpassen der Bildfokusposition sind notwendig für verschiedene Linsen mit einem mit Hochgeschwindigkeit variablem Fokus, die für Hochgeschwindigkeits-Präzisionsinspektionsvorgänge verwendet werden.

Die folgende Beschreibung der 814 offenbart verschiedene Kombinationen von Elementen, Prinzipien und Betriebsvorgängen, die in verschiedenen Ausführungen eines Systems verwendet werden können, das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild unter Verwendung eines Bildgebungssystems bereitzustellen, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte VFL-Linse (z. B. eine TAG-Linse) umfasst. Um in Kürze einige allgemeine Betriebsprinzipien eines solchen Bildgebungssystems zu besprechen, sollte verstanden werden, dass derartige Bildgebungssysteme eine bestimmte Fokusposition (oder Fokus-Z-Höhe) zu einer bestimmten Zeit oder Phasenzeit innerhalb jeder Modulationsperiode aufweisen. Daher kann ein stroboskopisches Element (z. B. eine Strobsoskop-Beleuchtungsquelle oder ein schneller elektronischer Kameraverschluss) gesteuert werden, um kurzzeitig eine Belichtung zu einer bestimmten Phasenzeit zu ermöglichen, um ein Belichtungsinkrement an einer erwünschten entsprechenden Fokusposition zu erfassen. Um die Belichtung ohne Verwackeln des entstehenden Bildes zu erhöhen, kann das stroboskopische Element wiederholt mit einer bestimmten Phasenzeit über mehrere Perioden der periodischen Modulation, die während der Bildbelichtung auftreten (die z. B. über eine Kamerabildintegrationszeit hinweg auftreten), geblitzt werden. Diese Prinzipien können mit Bezug auf die vorangehend aufgenommenen Referenzen, sowie mit Bezug auf die US-Patentschrift Nrn. 8,194,307 und 9,143,674, die jeweils hiermit vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind, sowie mit Bezug auf die schwebende und gemeinsam übertragene US-Patentanmeldung Serien-Nr. 14/841,051 mit dem Titel „Multi-Level Image Focus Using a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”, eingereicht am 31. August 2015, und US-Patentanmeldung Serien-Nr. 15/360,671 mit dem Titel „Machine Vision Inspection System And Method For Obtaining An Image With An Extended Depth Of Field”, eingereicht am 23. November 2016, die jeweils hiermit vollinhaltlich durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen sind, ausführlicher verstanden werden.

Um gemäß den unmittelbar obenstehend dargelegten Prinzipien ein Bildgebungssystem, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte VFL-Linse (z. B. eine TAG-Linse) umfasst, an einer bestimmten Oberfläche automatisch zu fokussieren, ist ein System zum automatischen Detektieren, wenn eine bestimmte Phasenzeit dem Fokussieren an der bestimmten Oberfläche entspricht, und dann das Betreiben einer Stroboskopbelichtungszeitsteuerung erforderlich, um kurzzeitig eine Belichtung zu der detektierten bestimmten Phasenzeit zu ermöglichen. Verschiedene Ausführungen eines solchen Systems werden nachfolgend beschrieben.

8 ist ein schematisches Diagramm einer ersten Ausführung eines Systems 800, das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild unter Verwendung eines Bildgebungssystems bereitzustellen, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) 370 umfasst. Es versteht sich, dass das System 800 von 8 einige Eigenschaften mit dem System 300 von 3 gemeinsam hat, und es kann zum großen Teil in Analogie basierend auf der vorangehenden Beschreibung verstanden werden. Bestimmte nummerierte Komponenten von 8 können ähnlichen Betriebsvorgängen entsprechen und/oder aufweisen wie gleich nummerierte Komponenten von 3, sofern nichts anders nachfolgend beschrieben. Daher werden solche gleichartigen Komponenten und gemeinsame Eigenschaften nicht ausführlich beschrieben. Die folgende Beschreibung hebt bestimmte Elemente und Aspekte von Betriebsvorgängen des Systems 800 hervor, die im Vergleich zu verschiedenen vorangehend beschriebenen Systemausführungen neu oder zusätzlich sind. Insbesondere werden Elemente und Betriebsvorgänge in Bezug auf automatisches Anpassen einer Belichtungszeit, um ein automatisch fokussiertes Bild bereitzustellen, hervorgehoben.

Das System 800 umfasst ein Bildgebungssystem 810, eine VFL-Linsensteuerung 371, eine VFL-projizierte Lichtquelle 840, einen Fokusbestimmungsabschnitt 880, eine Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 und eine Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895. In verschiedenen Ausführungen umfasst das Bildgebungssystem 810 mindestens die Objektivlinse 350 (die dazu konfiguriert ist, durch die Objektivlinse ausgesendetes Bildlicht zu empfangen), die VFL-Linse 370 (die dazu konfiguriert ist, von der Objektivlinse gesendetes Bildlicht zu empfangen) und die Kamera 360 (die dazu konfiguriert ist, von der VFL-Linse 370 ausgesendetes Licht zu empfangen). In der in 8 gezeigten bestimmten Konfiguration umfasst das Bildgebungssystem 800 ferner die Linsen 351, 352 und 386 in einer „4f”-Konfiguration, wie vorangehend mit Bezug auf die 3 beschrieben.

Die VFL-Linsensteuerung 371 ist dazu konfiguriert, die VFL-Linse 370 zu steuern, um ihre optische Leistung periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems 810 über eine Vielzahl von Fokus-Z-Höhen des Bildgebungssystems entlang einer Z-Höhenrichtung (wie z. B. schematisch durch die Koordinate fZ in 8 dargestellt) periodisch zu modulieren. Verschiedene Aspekte der VFL-Linsensteuerung 371 wurden vorangehend hierin, und in den mit aufgenommenen Referenzen, ausführlicher beschrieben.

Die VFL-projizierte Lichtquelle 840 umfasst eine Lichtquelle, die dazu konfiguriert ist, VFL-projiziertes Licht 843 entlang eines Fokusüberwachungs-Lichtwegs 844 zu einer Rückseite 370B der VFL-Linse 370 und durch die VFL-Linse 370 und die Objektivlinse 350 zu der Werkstückoberfläche 320' bereitzustellen. In der in 8 gezeigten bestimmten Ausführung umfasst die VFL-projizierte Lichtquelle 840 einen Lichtgenerator 841 (z. B. eine oder mehrere LEDs oder Laserdioden) und eine Kollimatorlinse 842. In verschiedenen Ausführungen kann das VFL-projizierte Licht 843 kollimiert werden, während es entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs 844 zu der Rückseite 370B der VFL-Linse 370 projiziert wird. In solchen Ausführungen wird das VFL-projizierte Licht 843 auf derselben Z-Höhe wie das Bildgebungssystem 810 fokussiert, was für die Verwendung in den nachfolgend dargelegten Betriebsvorgängen und Verfahren vorteilhaft sein kann, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, da geringfügige Differenzen in ihrer Fokus-Z-Höhe in einer Elektronik oder Software gemäß bekannten Verfahren ausgeglichen werden können. In verschiedenen Ausführungen kann der Lichtgenerator 841 eine oder mehrere sichtbare oder nicht sichtbare Wellenlängen ausgeben, vorausgesetzt, dass sich die Wellenlänge(n) innerhalb des Detektionsbereichs durch den Optikdetektor 885 befindet (befinden).

Der Fokusbestimmungsabschnitt 880 umfasst einen Optikdetektor 885, der dazu konfiguriert ist, reflektiertes VFL-projiziertes Licht 845 einzugeben, das von einem Werkstückoberflächenbereich 320' und zurück durch die Objektivlinse 350 und zurück durch die VFL-Linse 370 und zurück entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs 844 reflektiert wurde. Selbstverständlich durchläuft das reflektierte VFL-projizierte Licht 845 ebenfalls durch alle anderen optischen Komponenten, die sich entlang dieses Lichtwegs in irgendeiner bestimmten Ausführungsform befinden. Beispielsweise wird in der in 8 gezeigten bestimmten Ausführungsform das reflektierte VFL-projizierte Licht 845 zurück durch die Objektivlinse 350, den Strahlteiler 339, die Linse 351, die Linse 352, die VFL-Linse 370 reflektiert und wird von dem Strahlteiler 889 weg und entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs 844 durch den Strahlteiler 888 und zu dem Optikdetektor 885 reflektiert.

Als Antwort auf das Empfangen des reflektierten VFL-projizierten Lichts 845 gibt der Optikdetektor 885 mindestens ein Optikdetektorsignal aus, das auf eine Differenz zwischen einer Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts und einer Z-Höhe des Bereichs auf der Werkstückoberfläche 320', der es reflektiert, reagiert. Es versteht sich, dass gemäß dieser in 8 gezeigten und oben dargelegten Konfiguration die Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems anzeigt. Der Betriebsvorgang von einigen beispielhaften Optikdetektoren, die als Optikdetektor 885 verwendbar sind, wird nachfolgend ausführlicher beschrieben. Es versteht sich, dass in einigen Ausführungen der Fokusbestimmungsabschnitt 880 und/oder der Optikdetektor 885 verschiedene, gemäß bekannten Prinzipien ausgelegte Signal- und Aufbereitungs- und/oder Verarbeitungsschaltungen (nicht gezeigt) umfassen können/kann, um ein oder mehrere rohe Optikdetektorsignale von dem Optikdetektor 885 einzugeben und eine Verstärkung und/oder Signalverarbeitung basierend auf den Optikdetektorsignalen bereitzustellen, um ein oder mehrere Fokusabweichungssignale in einer Form auszugeben, die für eine Verwendung durch andere Elemente des Systems 800 besser geeignet ist.

Die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 gibt das Fokusabweichungssignal von dem Fokusbestimmungsabschnitt 880 ein (z. B. auf einer Signalleitung 887, in einigen Ausführungen), und bestimmt basierend auf dem Fokusabweichungssignal ein Belichtungszeit-Anpassungssignal in Bezug auf eine Zeit, wenn die Z-Höhe des Bildgebungssystems annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt. Verschiedene beispielhafte Ausführungen, die für die Bestimmung eines Belichtungszeit-Anpassungssignals basierend auf einem Fokusabweichungssignal verwendbar sind, werden nachfolgend ausführlicher beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 zweckmäßigerweise eine Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung umfassen, die dazu konfiguriert ist, den Zeitablauf des VFL-projizierten Lichts 843 während einer Fokusbestimmungszeitperiode (z. B. unter Verwendung der Steuerleitung 897) zu steuern. In einigen Ausführungen kann das VFL-projizierte Licht 843 während einer Fokusbestimmungszeitperiode kontinuierlich und in anderen Ausführungen stroboskopisch geblitzt bereitgestellt werden. In einigen Ausführungen kann das VFL-projizierte Licht 843 stroboskopisch geblitzt zu einer Zeit bereitgestellt werden, die basierend auf dem Fokusabweichungssignal und/oder dem Belichtungszeit-Anpassungssignal angepasst wird, wie nachfolgend beschrieben.

In verschiedenen Ausführungen steuert die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 eine Bildbelichtungszeit des Bildgebungssystems 810 (z. B. relativ zu einer Phasenzeit der periodisch modulierten Fokusposition), wobei die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 dazu konfiguriert ist, das Belichtungszeit-Anpassungssignal von der Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 einzugeben und eine angepasste Bildbelichtungszeit basierend auf dem Belichtungszeit-Anpassungssignal bereitzustellen, wobei die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems (z. B. fZ) mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs (z. B. SurfZ) zu der angepassten Bildbelichtungszeit annähernd zusammenfällt. Verschiedene beispielhafte Ausführungen, die für das Anpassen der Bildbelichtungszeit basierend auf dem Belichtungszeit-Anpassungssignal verwendbar sind, wobei die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zu der angepassten Bildbelichtungszeit annähernd zusammenfällt, werden nachfolgend ausführlicher beschrieben.

Wie vorangehend dargelegt, kann die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 eine Bildbelichtungszeit durch Steuern einer stroboskopischen Beleuchtungsquelle oder eines schnellen elektronischen Kameraverschlusses in verschiedenen Ausführungen steuern. Digitale Kameras mit einer elektronischen „Verschluss-Stroboskop”-Funktion, die zeitgesteuerte Teilbelichtungsinkremente innerhalb einer Gesamt-Bildintegrationsperiode erzeugen kann, sind zunehmend verfügbar. Solche Kameras können die oben dargelegten gesteuerten Zeitabläufe bereitstellen, indem in einigen Ausführungen eine ständige Beleuchtung oder Umgebungsbeleuchtung eingesetzt wird. Es ist jedoch derzeit zweckmäßiger, einen Beleuchtungsquellen-Stroboskopvorgang zu verwenden. In der in 8 gezeigten Ausführung kann die Bildgebungslichtquelle 330 zu der angepassten Bildbelichtungszeit durch die Stroboskopbelichtungssteuerung 895 betrieben werden, um Bildgebungslicht 832 während einer Bilderfassung auszugeben. Es sollte verstanden werden, dass im Gegensatz zu dem VFL-projizierten Licht, das durch den Fokusbestimmungsabschnitt 880 verwendet wird, die Beleuchtung von der Bildgebungslichtquelle 330 durch die Objektivlinse 350, jedoch nicht durch die VFL-Linse 370 fokussiert wird und es daher nicht unbedingt an der Werkstückoberfläche 320' zu der angepassten Bildbelichtungszeit fokussiert wird. Diese Konfiguration ist für einige Anwendungen angemessen, aber die entstehende Bildintensität könnte aufgrund des möglicherweise unbekannten Bündelungsgrads der Bildbeleuchtung für die allgemeine Verwendung dieser Konfiguration für eine Vielzahl von Werkstückeinsätzen und/oder -anwendungen nicht ausreichend robust oder nicht genügend vorhersagbar sein. Konfigurationen, bei denen die Bildbeleuchtung auf der Werkstückoberfläche 320' zu der angepassten Bildbelichtungszeit vorhersagbar fokussiert wird, werden nachfolgend mit Bezug auf die 12 und 13 beschrieben.

Ein Z-Höhenkalibrierabschnitt 873 wird ebenfalls in 8 gezeigt. Sobald ein Bildoberflächenbereich basierend auf der angepassten Bildbelichtungszeit erfasst ist, können in dem Z-Höhenkalibrierabschnitt 873 umfasste Daten verwendet werden, um eine diesem Bild zugeordnete präzise Z-Höhe zu bestimmen, die als die Z-Höhe des Oberflächenbereichs in dem Bild betrachtet werden kann. Es versteht sich, dass die angepasste Bildbelichtungszeit in der Stroboskopbelichtungssteuerung verwendet wird und ihre zugeordnete Phasenzeit daher bekannt sein oder bestimmt werden kann. In verschiedenen Ausführungen kann der Z-Höhenkalibrierabschnitt 873 dem vorangehend beschriebenen Z-Höhenkalibrierabschnitt 373, der Daten umfasst, die jeweilige Z-Höhen in Bezug zu jeweiligen Phasen (Phasenzeiten) der periodischen Fokusmodulation setzen, im Wesentlichen ähneln. In verschiedenen Ausführungen können Kalibrierphasenzeiten in dem Z-Höhenkalibrierabschnitt 873 zu dem in der Linsensteuerung 371 verfügbaren periodischen Fokusmodulationsansteuersignal in Bezug gesetzt werden oder zu einer periodischen Fokusmodulation in Bezug gesetzt werden, die als ein Signal in dem Fokusbestimmungsabschnitt 889 detektiert wird und verfügbar ist, oder können zu jedem anderen Signal in dem System 800 in Bezug gesetzt werden, das stabil und für die Phase der periodischen Fokusmodulation repräsentativ ist.

Es versteht sich, dass in verschiedenen Ausführungen die verschiedenen in 8 dargestellte Elemente, die mit dem Systemsignal- und Steuerbus 395 verbunden sind, hierin dargelegte Signale auf dem Bus 395 gemäß bekannten Verfahren austauschen können, und/oder hierin dargelegte Signale auf zugewiesenen Verbindungen (nicht gezeigt) gemäß bekannten Verfahren austauschen können. Es versteht sich ferner, dass verschiedene mit Bezug auf 8 beschriebene Elemente in verschiedenen angemessenen Teilen des in 2 gezeigten Systems 100 gemäß bekannten Verfahren und/oder in Analogie zu der hierin vorangehenden Beschreibung implementiert werden können.

Die 9A und 9B zeigen erste und zweite beispielhafte „richtungsbezogene” Optikdetektoren 885' beziehungsweise 885'', die in verschiedenen Ausführungen des Fokusbestimmungsabschnitts 885 des VFL-Linsensystems von 8 verwendbar sind.

9A zeigt den Optikdetektor 885', der einen bekannten Typ eines Wellenfrontkrümmungs-Detektors umfasst. Im Allgemeinen kann ein Wellenfrontsensor, wie der Begriff hierin verwendet wird, so beschrieben werden, dass er mindestens einen örtlichen Strahlwinkel an einem entsprechenden Bereich entlang einer Wellenfront eines eingegebenen Lichtstrahls abtastet, um mindestens ein entsprechendes Detektionssignal bereitzustellen, das von dem abgetasteten örtlichen Strahlwinkel abhängt. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, mindestens zwei jeweilige örtliche Strahlwinkel an zwei jeweiligen entsprechenden Bereichen, die entlang der Wellenfront des eingegebenen Lichtstrahls getrennt sind, abzutasten, um mindestens zwei jeweilige Detektionssignale bereitzustellen, die von den abgetasteten örtlichen Strahlwinkeln abhängen. Eine Beziehung, die die mindestens zwei Detektorsignale umfasst, entspricht einem Grad der Wellenfrontkrümmung des eingegebenen Fokusdetektions-Lichtstrahls, und die Auswirkungen der Wellenfrontneigung (im Gegensatz zu der Wellenfrontkrümmung) können als ein Gleichtaktfehler, der in jedem der mindestens zwei Signale vorhanden ist, detektiert und zurückgewiesen werden.

Der dargestellte Optikdetektor 885' kann als ein Shack-Hartmann-Sensor bezeichnet werden und umfasst die Linsen L1 und L2 und einen Photodetektor 962 mit Signal- und Steuerleitung(en) 965. In einer Ausführungsform können die Linsen L1 und L2 Mikrolinsen sein. Die Linsen L1 und L2 fokussieren jeweils eingegebenes Licht (z. B. das oben mit Bezug auf 8 dargelegte reflektierte VFL-projiziertes Licht).

In einem in 9A gezeigten „fokussierten” Beispiel weist das eingegebene Licht 845 (z. B. das reflektierte VFL-projizierte Licht 845) eine Wellenfront auf, die schematisch durch die Wellenfront WF repräsentiert wird. Für die Wellenfront WF erzeugen die Linsen L1 und L2 Bilder, die als Detektionsstellen DS1 beziehungsweise DS2 auf dem Photodetektor 962 erscheinen. In einer Ausführungsform kann der Photodetektor 962 ein Paar von Seiten-Photodioden (eine für jede Detektionsstelle) umfassen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Photodetektor 962 ein Photodetektor-Array, wie ein Kamera-Chip oder dergleichen, umfassen. In jedem Fall befinden sich die Detektionsstellen DS1 und DS2 in Abständen SN1 beziehungsweise SN2 von einer Referenzposition RP entlang der Oberfläche des Photodetektors 962. Die Differenz zwischen den Abständen SN1 und SN2 wird als ein Abstand FDS bezeichnet, der als ein Fokusabweichungssignal FDS repräsentierend betrachtet werden kann. Die Referenzposition RP, von der die Abstände SN1 und SN2 gemessen werden, kann willkürlich gewählt werden. Wenn der Photodetektor ein Array-Detektor ist, können die Detektionsstellen DS1 und DS2 jeweils mehrere Pixel abdecken, in welchem Falle eine Mittelpunktberechnung, die eine Sub-Pixelpositionsinterpolation bereitstellen kann, ausgeführt werden kann, um den Ort für jede Detektionsstelle zu bestimmen.

Wie im Stand der Technik bekannt ist, entspricht die „flache” Wellenfront WF einem „scharf eingestellten” eingegebenen Licht, was in diesem Fall bedeutet, dass die Fokushöhe fZ des reflektierten VFL-projizierten Lichts mit der Z-Höhe Surft der Werkstückoberfläche 320' (siehe 8) zusammenfällt. Das heißt, wenn das System korrekt auf der Werkstückoberfläche fokussiert ist (d. h., die Fokushöhe des reflektierten VFL-projizierten Lichts stimmt mit der Werkstückoberflächenhöhe überein), dann ist die Wellenfront WF flach und die Detektionsstellen DS1 und DS2 erscheinen an nominellen „Null”-Positionen, die auf die optischen Achsen der entsprechenden einzelnen Linsen ausgerichtet sind, und das Fokusabweichungssignal FDS hat einen Nominalwert oder „Null”-Wert.

Im Allgemeinen ist die Wellenfront WF nicht flach, wenn die Fokushöhe des reflektierten VFL-projizierten Lichts von der Z-Höhe der Werkstückoberfläche 320' abweicht. In einem in 9A gezeigten „unscharf eingestellten” Beispiel hat das eingegebene Licht 845 eine Wellenfront, die schematisch durch die gekrümmte Wellenfront WF' dargestellt wird. Für die Wellenfront WF erzeugen die Linsen L1 und L2 Bilder, die auf dem Photodetektor als Detektionsstellen DS1' beziehungsweise DS2' erscheinen. Wie im Stand der Technik bekannt ist, entspricht die gekrümmte Wellenfront WF' einem „unscharf eingestellten” eingegebenen Licht, was in diesem Fall bedeutet, dass die Fokushöhe fZ des reflektierten VFL-projizierten Lichts nicht mit der Z-Höhe SurfZ der Werkstückoberfläche (siehe 8) zusammenfällt. Als Ergebnis für die dargestellte Polarität der Wellenfrontkrümmung (entsprechend der Fokushöhe des reflektierten VFL-projizierten Lichts oberhalb der Werkstückoberfläche 320' in 8) erscheinen die Detektionsstellen DS1' und DS2' an Positionen, die weiter auseinander sind als die Nullpositionen DS1 und DS2, und das Fokusabweichungssignal FDS' ist größer als sein Nominalwert oder „Null”-Wert. Umgekehrt würden für eine Wellenfront (WF'') mit einer Krümmung der entgegengesetzten Polarität (entsprechend der sich in 8 unterhalb der Werkstückoberfläche 320' befindlichen Fokushöhe des reflektierten VFL-projizierten Lichts) die Detektionsstellen (DS1'' und DS2'') an Positionen erscheinen, die näher beieinander sind als die Nullpositionen DS1 und DS2, und das Fokusabweichungssignal (FDS'') wäre kleiner als sein Nominalwert oder „Null”-Wert. Der Optikdetektor 885' ist ein „richtungsbezogener” Optikdetektor, weil die Richtung der Unschärfe relativ zu der Werkstückoberfläche 320' aus der Polarität des Fokusabweichungssignals bestimmt werden kann.

Die 9B zeigt einen Optikdetektor 885', der einen bekannten Typ eines Axialfokus-Ortsbestimmungssensor umfasst, der ein richtungsbezogener Sensor ist, der eine Linse 910, einen Strahlteiler 912, eine erste Lochblende 920A und Detektor 925A, und eine zweite Lochblende 920B und Detektor 925B umfassen kann.

Im Betrieb gibt die Linse 910 das Eingangslicht 845 (z. B. das reflektierte VFL-projizierte Licht 845) ein und sendet es als fokussierten Lichtstrahl 915 in Richtung auf den Strahlteiler 912, der es in erste und zweite Messstrahlen 915A und 915B teilt. Wie in 9B dargestellt kann die erste Blende 920A an einem Ort angebracht werden, der eine Strahlenganglänge zur Linse 910 aufweist, die etwas kleiner als die nominelle Brennweite der Linse 910 ist, und die zweite Blende 920B kann so untergebracht sein, dass sie einen etwas längere Strahlenganglänge aufweist. Wenn somit, wie in 9B dargestellt, der zweite Messstrahl 915B annähernd an der zweiten Blende 920B fokussiert, dann wird der zweite Photodetektor 925B die gesamte Energie in dem zweiten Messstrahl 915B empfangen und auf einer Signalleitung 926B ein zweites Detektorsignal ausgeben, das einen Maximalwert hat. Zur selben Zeit wird sich der Fokuspunkt des ersten Messstrahls 915A jenseits der Strahlenganglänge der ersten Blende 920A befinden. Daher wird die erste Blende 920A einen Teil des ersten Messstrahls 915A verdecken und der erste Photodetektor 925A wird auf einer Signalleitung 926A ein erstes Detektorsignal ausgeben, das einen niedrigeren Wert als das zweite Detektorsignal auf der Signalleitung 926B hat. Im Allgemeinen wird die Differenz zwischen den zwei Detektorsignalen abhängig vom Axialfokusort des Eingangslichts 845 schwanken, was von der nominalen Konvergenz oder Divergenz seiner Lichtstrahlen abhängt, was mit seiner Wellenfrontkrümmung zusammenhängt. Der Optikdetektor 885'' kann daher auf das reflektierte VFL-projizierte Licht 845 reagieren, wenn es analog zum Optikdetektor 885' an der Werkstückoberfläche 320' fokussiert ist. Der Optikdetektor 885'' kann als „richtungsbezogener” Optikdetektor betrachtet werden, weil die Richtung der Unschärfe relativ zu der Werkstückoberfläche 320 basierend auf der Polarität eines Fokusabweichungssignals bestimmt werden kann, die als die Differenz zwischen seiner zwei Detektorsignale bestimmt wird, oder darauf, ob ein als ein Verhältnis seiner zwei Detektorsignale bestimmtes Fokusabweichungssignal größer oder kleiner als eins ist, und so weiter.

Gemäß einer weiteren Auslegung können die erste und die zweite Lochblende 920A und 920B als konfokale Blenden in Bezug auf geringfügig unterschiedliche Fokus-Z-Höhen betrachtet werden. Es ist die Kombination ihrer Detektorsignale, die ein wie oben dargelegtes „richtungsbezogenes” Fokusabweichungssignal bereitstellt. Es versteht sich, dass wenn ein Optikdetektor nur eine konfokale Blende umfasst, ein abweichendes Signal erhalten werden kann, das mit dem Grad der Unschärfe des projizierten Lichts 843 an der Werkstückoberfläche 320' zusammenhängt. Solch ein Optikdetektor kann als „größenbezogener” Optikdetektor bezeichnet werden, da das entstehende Signal den Grad der Unschärfe jedoch nicht seine Richtung anzeigt. Trotzdem können in einigen Ausführungen sequenzielle Signalwerte von einem größenbezogenen Optikdetektor in Bezug auf eine in dem System 800 umfasste andere Zeitinformation verarbeitet werden (z. B. in Bezug auf die Phasenzeit, die in dem Ansteuersignalgenerator 372 der Linsensteuerung 371 bekannt ist), um die Richtung der Unschärfe sowie ihre Größe zu bestimmen.

Die 10 ist ein Diagramm 1000, das erste und zweite Fokusabweichungssignale FDS und FDS' zeigt. Wie in 10 gezeigt sind die Fokusabweichungssignale relativ zu der Differenz zwischen der Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts und der Z-Höhe der Werkstückoberfläche 320' aufgetragen. Ein Ort, an dem die Differenz Null beträgt ist als „FD = 0” gekennzeichnet. An diesem Ort werden die ersten und zweiten Abweichungssignale FDS und FDS' mit einem Nullwert oder Referenzwert gezeigt, der in verschiedenen Ausführungen ein stabiler kalibrierter oder bekannter Wert ist, der immer dann erhalten wird, wenn die Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts mit der Z-Höhe der Werkstückoberfläche 320' übereinstimmt. In einem Beispiel kann das Fokusabweichungssignal FDS als durch einen richtungsbezogenen Bestimmungsabschnitt, der einen wie in den 9A und 9B gezeigten richtungsbezogenen Optikdetektor umfasst, bereitgestellt betrachtet werden, wie vorhergehend dargelegt. In einigen Ausführungen kann die Signalverarbeitung der mit Bezug auf die 9A oder 9B beschriebenen rohen Sensorsignale ermöglichen, dass die durch die Linie FDS angezeigte Fokusabweichungs-Reaktionskurve relativ stabil ist, ungeachtet der reflektorischen Eigenschaften der Werkstückoberfläche 320'. In anderen Ausführungen kann die Signalverarbeitung derart sein, dass das „Skalieren” oder die Zunahme des Fokusabweichungssignals FDS abhängig von dem Reflexionsvermögen der Werkstückoberfläche 320' variiert. Die durch die Linie FDS' angezeigte Fokusabweichungs-Reaktionskurve kann beispielsweise einer Werkstückoberfläche 320' zugeordnet sein, die ein relativ niedrigeres Reflexionsvermögen aufweist. In beiden Fällen basieren jedoch die Fokusabweichungssignale FDS und FDS' auf Signalen des Optikdetektors, die auf eine Differenz zwischen einer Fokushöhe des VFL-projizierten Lichts und einer Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs reagieren, wobei die Fokus-Z-Höhe des VFL-projizierten Lichts die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems anzeigt und daher beide Fokusabweichungssignale eine Differenz zwischen der Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems und der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs anzeigen.

Die 11A bis 11C zeigen zusammenhängende Zeitdiagramme, um verschiedene Aspekte zum Bestimmen, basierend auf einem Fokusabweichungssignal, eines Belichtungszeit-Anpassungssignals in Bezug auf eine Zeit, wenn die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt, darzustellen. Die in den 11B und 11C gezeigten Fokusabweichungssignale sind schematische oder qualitative Darstellungen des erwarteten Fokusabweichungssignalverhaltens. Die Skalierung einiger Teile der Signale kann in Bezug auf andere Teile aus Gründen der Erklärung übertrieben dargestellt sein.

11A zeigt ein Zeitdiagramm 1100A, das eine Beziehung zwischen einer Fokus-Z-Höhe 1110 und einer Werkstückoberflächen-Z-Höhe surfZ während einer periodischen Modulation der Fokus-Z-Höhe entsprechend des Betriebsvorgangs der periodisch modulierten VFL-Linse 370 darstellt, wie vorangehend mit Bezug auf 8 dargelegt. Die Fokusmodulationsperiode Pfm, die der Modulationsperiode der VFL-Linse 370 entspricht, wird als durch die Linsensteuerung 371 angesteuert gezeigt. In dem in 11A gezeigten Beispiel fällt die Fokus-Z-Höhe mit der Werkstückoberflächen-Z-Höhe surfZ zweimal, zu den Zeiten t1 und t3, in der Fokusmodulation Pfm zusammen. Dieses Muster wiederholt sich für jeden Zyklus der periodischen Fokusmodulation, z. B. zu den Zeiten t1' und t3'. Zum Zeitpunkt t2 unterscheidet sich die Fokushöhe Z maximal von der Oberflächen-Z-Höhe surfZ mit einer ersten „Polarität” und zum Zeitpunkt t4 unterscheidet sich die Fokus-Z-Höhe maximal von der Oberflächen-Z-Höhe surfZ mit der entgegengesetzten Polarität.

Die 11B zeigt ein Zeitdiagramm 1100B, das ein repräsentatives Fokusabweichungssignal FDS entsprechend der in 11A dargestellten Bedingungen zeigt. Das Fokusabweichungssignal FDS kann von einem „größenbezogenen” Fokusbestimmungsabschnitt erhalten werden (z. B. einem Fokusbestimmungsabschnitt, der einen einzigen konfokalen Optikdetektor umfasst, wie vorangehend in der Erörterung mit Bezug auf 9B dargelegt), der wie vorangehend mit Bezug auf den in 8 gezeigten Fokusbestimmungsabschnitt 880 dargelegt betrieben wird. In einer Ausführung kann das dargestellte kontinuierliche Fokusabweichungssignal FDS durch einen Optikdetektor 885 mit niedriger Latenz, der in Zusammenarbeit mit einer kontinuierlichen Beleuchtung von der VFL-projizierten Lichtquelle 840 arbeitet, zumindest während einer Fokusbestimmungszeitperiode bereitgestellt werden, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben. Wenn, in dem in 11B gezeigten Beispiel, die Fokus-Z-Höhe mit der Oberflächen-Z-Höhe surfZ zu den Zeiten t1 und t3 zusammenfällt (siehe 11A), dann weist das Fokusabweichungssignal FDS einen Maximal- oder Spitzen-Wert auf. Dieses Muster wiederholt sich für jeden Zyklus der periodischen Fokusmodulation, z. B. zu den Zeiten t1' und t3'. Zum Zeitpunkt t2 unterscheidet sich die Fokushöhe Z maximal von der Oberflächen-Z-Höhe surfZ mit einer ersten „Polarität”, und zum Zeitpunkt t4 unterscheidet sich die Fokus-Z-Höhe maximal von der Oberflächen-Z-Höhe surfZ mit der entgegengesetzten Polarität (siehe 11A), was zu den jeweiligen Tiefpunkten oder „negativen Spitzenwert”-Minima führt, die für das Fokusabweichungssignal FDS zu den gezeigten Zeiten t2 und t4 gezeigt werden.

Wie vorangehend mit Bezug auf die 8 dargelegt kann das in 11B gezeigte Fokusabweichungssignal FDS von dem Fokusbestimmungsabschnitt 880 an die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 ausgegeben werden. Die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 gibt das Fokusabweichungssignal FDS ein und bestimmt basierend auf dem Fokusabweichungssignal FDS ein Belichtungszeit-Anpassungssignal in Bezug auf eine Zeit, wenn die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt. In einer Ausführung kann die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 eine Spitzenwertdetektionsschaltung niedriger Latenz umfassen, die dazu konfiguriert ist, einen Impuls oder ein Auslösesignal einzuleiten, indem die Spitze des Fokusabweichungssignals zu der Zeit t1 oder t3 oder zu beiden Zeiten detektiert wird. In diesem Beispiel können solche Impulse oder Auslösesignale als Belichtungszeit-Anpassungssignale betrachtet werden. Verschiedene Typen geeigneter Spitzenwertdetektorschaltungen niedriger Latenz können gemäß bekannten Prinzipien konfiguriert werden. Beispielsweise können einige Ausführungen die Verwendung von handelsüblichen Spitzenwertdetektion-ICs umfassen, die gemäß den von ihren Herstellern erhältlichen Anwendungshinweisen konfiguriert werden können, um verschiedene Funktionen bereitzustellen, die das Ausgeben eines Auslösesignals, wie oben als Reaktion auf Spitzenwertdetektionen dargelegt, und/oder die Neueinstellung nach einer vorbestimmten Zeitperiode oder Eingangssignaländerung oder dergleichen, umfassen.

Wie vorangehend mit Bezug auf die 8 dargelegt ist die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 dazu konfiguriert, Belichtungszeit-Anpassungssignale von der Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 einzugeben und eine angepasste Bildbelichtungszeit basierend auf dem Belichtungszeit-Anpassungssignal bereitzustellen, wobei die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems zu der angepassten Belichtungszeit annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt. In verschiedenen mit der obenstehenden Beschreibung übereinstimmenden beispielhaften Ausführungen kann die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 ein Stroboskopelement kurz freigeben oder aktivieren, wenn es durch den Zeitpunkt des oben dargelegten Belichtungszeit-Anpassungssignals oder Auslösesignals ausgelöst wird, um dem Auslösesignal entsprechend eine kurze Bildbelichtung zu der bestimmten Phasenzeit wirksam zu steuern. Um die Belichtung ohne Verschwimmen des entstehenden Bildes während einer Bilderfassungszeitperiode, die eine Kamera-Bildintegrationsperiode umfasst, die sich über mehrere der Fokusmodulationsperioden erstreckt, zu erhöhen, kann die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 wie oben dargelegt dazu konfiguriert sein, die kurze Bildbelichtung während jeder der Fokusmodulationsperioden zu wiederholen, um eine Gesamt-Bildbelichtung auf einem gewünschten Niveau bereitzustellen. In einer solchen Ausführung kann die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 dazu konfiguriert sein, durch das oben dargelegte Belichtungszeit-Anpassungssignal wiederholt ausgelöst zu werden. In einer weiteren solchen Ausführung kann die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 eine Zeituhr umfassen, die mit der periodischen Fokusmodulation synchronisiert ist (z. B. in Bezug auf das periodische Ansteuersignal, das in dem Ansteuersignalgenerator 372 der Linsensteuerung 371 bekannt ist). In einem solchen Fall kann sie dazu konfiguriert sein, die Phasenzeitpunkte des oben dargelegten Belichtungszeit-Anpassungssignals „Auslösesignal” (z. B. die Phasenzeit von t1 oder t3 oder von beiden) zu registrieren und basierend auf ihrer Zeituhr und der registrierten Phasenzeit die kurze Bildbelichtung zur selben Phasenzeit (denselben Phasenzeiten) während jeder der Fokusmodulationsperioden im Verlauf der Bilderfassungszeitperiode zu wiederholen.

Wie vorangehend dargelegt kann in einigen Ausführungsformen das durch die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 gesteuerte Stroboskopelement ein schneller elektronischer Kameraverschluss sein. In anderen Ausführungsformen kann das durch die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 gesteuerte Stroboskopelement eine stroboskopische Bildgebungslichtquelle sein (z. B. die in 8 gezeigte Bildgebungslichtquelle 330). Ein steuerbarer Lichtquellentreiber (Stromquelle) kann in der Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 oder der Lichtquelle umfasst sein und kann durch das Belichtungszeit-Anpassungssignal „Auslösesignal” gesteuert werden oder darauf basieren.

Die 110 zeigt ein Zeitdiagramm 1100C, das ein repräsentatives Fokusabweichungssignal FDS entsprechend den in 11A dargestellten Bedingungen darstellt. Das Fokusabweichungssignal FDS kann von einem „richtungsbezogenen” Fokusbestimmungsabschnitt erhalten werden (z. B. einem Fokusbestimmungsabschnitt mit einem der in 9A oder 9B gezeigten Optikdetektoren 885' beziehungsweise 885'', der arbeitet, um die mit Bezug auf die 10 beschriebene Fokusabweichungs-Reaktionskurve bereitzustellen). In einer Ausführung kann das dargestellte in 11C gezeigte kontinuierliche Fokusabweichungssignal FDS durch einen Optikdetektor 885 niedriger Latenz bereitgestellt werden (z. B. den Optikdetektor 885'', der Photodetektoren niedriger Latenz verwendet), der in Zusammenarbeit mit einer kontinuierlichen Beleuchtung oder stroboskopischen Beleuchtung mit veränderter Phasenzeit von der VFL-projizierten Lichtquelle 840 arbeitet, zumindest während einer Fokusbestimmungsperiode. Wenn, in dem in 11C gezeigten Beispiel, die Fokus-Z-Höhe mit der Oberflächen-Z-Höhe surfZ zu den Zeiten t1 und t3 zusammenfällt (siehe 11A), weist das Fokusabweichungssignal FDS den Nullpegel-Ausgabewert auf (wie vorangehend mit Bezug auf 10 dargelegt). Dieses Muster wiederholt sich für jeden Zyklus der periodischen Fokusmodulation, z. B. zu den Zeiten t1' und t3'. Zu der Zeit t2 unterscheidet sich die Fokus-Z-Höhe maximal von der Oberflächen-Z-Höhe surfZ mit einer ersten „Polarität”, und zu der Zeit t4 unterscheidet sich die Fokus-Z-Höhe maximal von der Oberflächen-Z-Höhe mit der entgegengesetzten Polarität (siehe 11A), was zu den jeweiligen positiven und negativen Signalspitzenwerten für das zu den Zeiten t2 und t4 gezeigte Fokusabweichungssignal FDS führt.

Wie vorangehend mit Bezug auf die 8 dargelegt kann das in 11C gezeigte Fokusabweichungssignal FDS von dem Fokusbestimmungsabschnitt 880 an die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 ausgegeben werden. Die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 gibt das Fokusabweichungssignal FDS ein und bestimmt basierend auf dem Fokusabweichungssignal FDS ein Belichtungszeit-Anpassungssignal in Bezug auf eine Zeit, wenn die Fokus-Z-Höhe des Bildgebungssystems annähernd mit der Z-Höhe des Werkstückoberflächenbereichs zusammenfällt. In einer Ausführung kann die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 eine Vergleichsschaltung niedriger Latenz umfassen, die dazu konfiguriert ist, den „Null”-Signalpegel als einen Referenzpegel zu verwenden und einen Impuls oder ein Auslösesignal auszugeben oder einzuleiten, wenn das Fokusabweichungssignal FDS mit dem Referenzpegel übereinstimmt (z. B. zu der Zeit t1 oder t3 oder zu beiden Zeiten). In diesem Beispiel können solche Impulse oder Auslösesignale als Belichtungszeit-Anpassungssignale betrachtet werden.

Die Verwendung solcher Impulse oder Auslösesignale in einer Stroboskopbelichtungszeitsteuerung (z. B. der Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895) wurde vorangehend mit Bezug auf die 11B beschrieben und kann ähnlichen Prinzipien in dieser Ausführung folgen.

12 und 13 sind schematische Diagramme von zweiten und dritten Ausführungen eines Systems, das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild unter Verwendung eines Bildgebungssystems, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte VFL-Linse umfasst, bereitzustellen. Es versteht sich, dass die Systeme der 12 und 13 mehrere Eigenschaften mit dem System 800 von 8 gemeinsam haben und basierend auf der vorangehenden Beschreibung zum großen Teil in Analogie dazu verstanden werden können.

Bestimmte nummerierte Komponenten der 12 und 13 können ähnlichen Betriebsvorgängen entsprechen und/oder aufweisen wie gleich nummerierte Komponenten von 8, sofern nachfolgend nicht anders beschrieben. Daher werden solche gleichartigen Komponenten und gemeinsame Eigenschaften nicht ausführlich beschrieben. Die folgende Beschreibung hebt bestimmte Elemente und Aspekte des Betriebsvorgangs hervor, die im Vergleich zu (der) vorangehend mit Bezug auf die 8 beschriebenen Systemausführung(en) neu oder zusätzlich sind. Insbesondere werden Elemente und Betriebsvorgänge, die unterschiedliche Ausführungen zum Bereitstellen und Steuern des für die Bilderfassung verwendeten Lichts betreffen, in Bezug auf das Bereitstellen und Steuern des für die Fokusbestimmung verwendeten VFL-projizierten Lichts 843 hervorgehoben.

12 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten Ausführung eines Systems 800', das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild unter Verwendung eines Bildgebungssystems bereitzustellen, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) 370 umfasst. Das System 800' umfasst ein Bildgebungssystem 810, eine VFL-Linsensteuerung 371, eine Lichtquelle 840', einen Fokusbestimmungsabschnitt 880, eine Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 und eine Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895, die gemäß den vorangehend dargelegten Prinzipien konfiguriert und betrieben werden können, solange nachfolgend nichts anderes beschrieben wird.

Im Gegensatz zu der mit Bezug auf 8 beschriebenen Lichtquelle 840, die ausschließlich eine VFL-projizierte Lichtquelle ist, die das VFL-projizierte Licht 843 bereitstellt, wird in 12 eine kombinierte Lichtquelle 840' gezeigt. Die kombinierte Lichtquelle 840' ist dazu konfiguriert, sowohl das VFL-projizierte Licht 843 und das Bildgebungslicht 832' bereitzustellen, die von jeweiligen Lichtgeneratoren 841 beziehungsweise 830 stammen, bereitzustellen. In verschieden Ausführungen können die Lichtgeneratoren 841 und 830 unterschiedliche sichtbare oder nicht sichtbare Wellenlängen ausgeben, vorausgesetzt, dass sich die Wellenlänge(n) im VFL-projizierte Licht 843 innerhalb des Detektionsbereichs des Optikdetektors 885 befindet (befinden), und sich die Wellenlänge(n) in dem Bildgebungslicht 832' innerhalb des Detektionsbereichs der Kamera 360 befindet (befinden).

Es versteht sich, dass im Gegensatz zu der in 8 gezeigten Konfiguration in der hier beschriebenen Ausführung das Bildgebungslicht 832', das zur Bilderfassung verwendet wird, VFL-projiziertes Bildlicht ist, das immer zu der angepassten Bildbelichtungszeit, die in mehreren Anwendungen wünschenswert ist, an der Werkstückoberfläche 320' fokussiert wird.

Der Lichtgenerator 830 in der kombinierten Lichtquelle 840' kann durch die Belichtungszeitsteuerung 895 gesteuert werden, um ein Bild zu der angepassten Bildbelichtungszeit während einer Bilderfassungszeitperiode gemäß vorangehend dargelegten Prinzipien zu belichten. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Lichtgenerator 841 in der kombinierten Lichtquelle 840' unabhängig durch eine Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung gesteuert werden (die z. B. in der Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 umfasst ist), die dazu konfiguriert ist, den Zeitablauf des VFL-projizierten Lichts 843 während einer Fokusbestimmungszeitperiode zu steuern (z. B. durch Verwenden der Steuerleitung 897). In einigen Ausführungen kann das VFL-projizierte Licht 843 während einer Fokusbestimmungszeitperiode kontinuierlich und in anderen Ausführungen stroboskopisch geblitzt bereitgestellt werden. In einigen Ausführungen kann das VFL-projizierte Licht 843 zu einer Zeit stroboskopisch geblitzt werden, die basierend auf dem Fokusabweichungssignal und/oder dem Belichtungszeit-Anpassungssignal (z. B. wie weiter unten mit Bezug auf die 14 beschrieben) angepasst ist. In einigen Ausführungen kann sich die Bilderfassungszeit mit der Fokusbestimmungszeitperiode überlappen. In solchen Ausführungen kann ein geeigneter Schmalband-Wellenlängenfilter 889' entlang des Bildgebungs-Strahlengangs zwischen dem Strahlteiler 889 und der Kamera 360 umfasst sein, um zu verhindern, dass die Wellenlängen in dem reflektierten VFL-projizierten Licht 845 das erfasste Bild beeinträchtigen. Selbstverständlich ist der Wellenlängenfilter 889' nicht erforderlich, wenn sich die Bilderfassungszeitperiode nicht mit der Fokusbestimmungszeitperiode überlappt.

Die 13 ist ein schematisches Diagramm einer dritten Ausführung eines Systems 800', das betrieben werden kann, um ein automatisch fokussiertes Bild unter Verwendung eines Bildgebungssystems bereitzustellen, das eine mit Hochgeschwindigkeit periodisch modulierte Linse mit variabler Brennweite (VFL-Linse) 370 umfasst. Das System 800'' umfasst ein Bildgebungssystem 810, eine VFL-Linsensteuerung 371, eine Lichtquelle 840'', einen Fokusbestimmungsabschnitt 880, eine Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 und eine Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895, die gemäß vorhergehend dargelegten Prinzipien konfiguriert und betrieben werden können, sofern nachfolgend nichts anderes beschrieben wird.

Im Gegensatz zu der mit Bezug auf die 12 beschriebenen Lichtquelle 840' wird in 12 eine Einzelgenerator-Lichtquelle 840'' gezeigt. Das System 800 ist dazu konfiguriert, die Einzelgenerator-Lichtquelle 840'' zu verwenden, um sowohl das VFL-projizierte Licht 843 als auch das Bildgebungslicht 832 bereitzustellen, die von demselben Generator 830'' stammen. In verschiedenen Ausführungen kann der Lichtgenerator 830'' in der Einzelgenerator-Lichtquelle 840'' eine sichtbare oder nicht sichtbare Wellenlänge (oder Wellenlängen) ausgeben, die innerhalb des Detektionsbereichs durch den Optikdetektor 885 und der Kamera 360 liegt (liegen). Es versteht sich, dass ähnlich wie in der in 12 gezeigten Konfiguration in der hier beschriebenen Ausführung das Bildgebungslicht 832, das für die Bilderfassung verwendet wird, ein VFL-projiziertes Bildlicht ist, dass immer zu der angepassten Belichtungszeit an der Werkstückoberfläche 320' fokussiert wird.

In dieser Ausführung können die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 und die Belichtungszeit-Steuerung 895 zusammengefasst und/oder von der gemeinsamen Steuerung des Einzelgenerators 830'' ununterscheidbar sein (z. B. durch Verwenden der Signalleitung 897). Der Lichtgenerator 830'' kann gesteuert werden, um ein Bild während einer Bilderfassungsperiode zu der angepassten Bildbelichtungszeit zu belichten, und durch eine Fokusbestimmungs-Lichtsteuerschaltung in der Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 während einer Fokusbestimmungszeitperiode gesteuert werden.

In einigen Ausführungen können diese Betriebsvorgänge während unabhängigen Fokusbestimmungsperioden und Bilderfassungszeitperioden gemäß vorangehend beschriebener Prinzipien ausgeführt werden. Da jedoch in anderen Ausführungen das Bildgebungslicht 832, das VFL-projizierte Licht 843 und das reflektierte VFL-projizierte Licht 845 alle „dasselbe Licht” sind, das durch dieselbe Lichtquelle 840'' bereitgestellt wird, können sich die Fokusbestimmungsperioden- und Bilderfassungsperioden zumindest während einiger Betriebsperioden überlappen. Es versteht sich beispielsweise, dass während einer „scharf eingestellten” Bilderfassung gemäß vorangehend dargelegten Prinzipien, der Fokusbestimmungsabschnitt 880 und die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 weiterhin wie oben dargelegt durch Eingeben eines Teils des stroboskopisch geblitzten VFL-projizierten Lichts, das zur Bildgebung verwendet wird (das heißt, des „geteilten” Teils, der zum Strahlteiler 889 zurückkehrt und entlang des Fokusüberwachungs-Lichtwegs 844 reflektiert wird), arbeiten können. Die vorangehend beschriebenen Fokussierprinzipien sind mit der Verwendung von entweder kontinuierlichem oder stroboskopisch geblitztem Licht in dem Fokusbestimmungsabschnitt 880 kompatibel, und/oder die zugeordneten Schaltungen und/oder Routinen sind basierend auf den hierin offenbarten Prinzipien durch einen Fachmann ohne weiteres auf die Verwendung von stroboskopisch geblitztem Licht anpassbar. Als solches versteht es sich, dass sobald die Bildgebungssystem-Fokusposition so angeordnet worden ist, dass sie mit der Werkstückoberfläche 320' gemäß den vorangehend dargelegten Prinzipien zusammenzufällt, das System 800'' als ein „Nachführ-Autofokus”-System betrieben werden kann, das sich kontinuierlich auf eine Werkstückoberfläche 320' mit variabler Höhe fokussieren und diese abbilden kann, wenn es über das Sichtfeld des Bildgebungssystems 810 gescannt wird. Es versteht sich ferner, dass wenn das durch den Fokusbestimmungsabschnitt 880 bereitgestellte Fokusabweichungssignal anzeigt, dass eine Werkstückoberfläche 320' unscharf eingestellt ist, Bilderfassungsvorgänge unterbrochen werden können. Die Lichtquelle 840'' kann in einem Dauermodus oder Stroboskopmodus betrieben werden, um automatische Fokussiervorgänge gemäß den hierin vorangehend beschriebenen Prinzipien zu unterstützen, bis das Bildgebungssystem 810 wieder auf die Werkstückoberfläche 320' fokussiert ist.

Die 14 zeigt ein Zeitdiagramm 1400, das bestimmte Aspekte des Bestimmens eines Belichtungszeit-Anpassungssignals unter Verwendung einer Ausführung eines „größenbezogenen” Fokusbestimmungsabschnitts in Kombination mit einem relativ langsamen Optikdetektors darstellt. In einigen Ausführungen kann die Verwendung von Optikdetektoren niedriger Latenz und/oder Schaltungen niedriger Latenz (z. B. Latenzen in der Größenordnung von Mikrosekunden, einer Mikrosekunde oder weniger), wie vorangehend dargelegt, unzweckmäßig sein. Wenn jedoch eine Stroboskopbeleuchtung in den Fokusbestimmungsabschnitt 880 eingegeben wird, können langsamere Detektoren und Schaltungen während einer Fokusbestimmung zugelassen werden. Beispielsweise zeigt das Zeitdiagramm 1400, dass ein integriertes Fokusabweichungssignal 1401 als ein Belichtungszeit-Anpassungssignal verwendet werden kann oder es bestimmen kann.

In dem in 14 gezeigten Beispiel wird während einer „Start”-Zeitperiode das reflektierte VFL-projizierte Licht (z. B. das vorhergehend beschriebene Licht 845) mit einer gleichbleibenden Phasenzeit über mehrere Perioden der periodischen Fokusmodulation stroboskopisch geblitzt, und ein Signalintegrator in dem Fokusbestimmungsabschnitt 880 akkumuliert die integrierten Fokusabweichungssignale.

In einigen Ausführungen kann der Signalintegrator einfach einen „langsamen” Photodetektor in dem Optikdetektor 885 umfassen, der die Photonen der verschiedenen Stroboskopimpulse akkumuliert. Wenn beispielsweise die VFL-Linse 370 mit einer Frequenz von 70 kHz periodisch moduliert wird, beträgt die Modulationsperiode ungefähr 14 μs. Ein langsamer Photodetektor kann eine Ansprechzeit in der Größenordnung von 150 μs (oder mehr) aufweisen, in der mindestens 10 Stroboskopimpulse zu einer bestimmten Phasenzeit durch einen solchen Photodetektor akkumuliert und „integriert” werden können. In jedem Falle kann die Länge der in 14 dargestellten „Anpassungszyklus”-Zeitperioden durch einen Fachmann basierend auf der Ansprechzeit des Signalintegrators gewählt werden, um wünschenswerte Betriebseigenschaften bereitzustellen.

Mit Bezug auf das in 11C gezeigte beispielhafte Fokusabweichungssignal kann gesagt werden, dass basierend auf dem positiven Endwert EV0 des integrierten Fokusabweichungssignals am Ende der „Start”-Zeitperiode die bestimmte Phasenzeit des stroboskopischen Impulses im Verlauf der „Start”-Zeitperiode irgendwo in den Bereich zwischen t1 und t3 fällt. In verschiedenen Ausführungen kann die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 dazu konfiguriert sein, eine „Phasenzeitsuche” auszuführen, um eine Phasenzeit zu identifizieren, die eine Nullausgabe für das integrierte Fokusabweichungssignal erzeugt, die dem Fokussieren auf der Werkstückoberfläche 320' gemäß vorangehend beschriebenen Prinzipien entspricht.

In einer Ausführung kann beispielsweise die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 die Phasenzeit durch Vorverlegen der Phasenzeit um einen voreingestellten Betrag von 60 Grad während der ersten Anpassungszyklus-Zeitperiode AdjC1 einfach anpassen und die Differenz zwischen dem Endwert EV1 und dem Nullausgabepegel und/oder dem vorhergehenden Endwert EV0 beurteilen, um einen nächsten Anpassungsbetrag zu bestimmen. Da in dem in 14 gezeigten Beispiel der Endwert EV1 kleiner als der Nullausgabepegel ist (im Gegensatz zu EV0) und näher am Nullausgabepegel als EV0 liegt, kann die Belichtungszeit-Anpassungsschaltung 890 die Phasenzeit durch Verzögern der Phasenzeit um einen Betrag von weniger als 60 Grad, beispielsweise 30 Grad, anpassen. Der Betriebsvorgang kann in analoger Weise fortgesetzt werden, um die Endwerte EV2 und EV3 nach weiteren Anpassungen zu bestimmen. Wenn ein Endwert ausreichend nahe an dem Nullausgabepegel (z. B. EV4) liegt, kann die während der letzten Anpassungszykluszeitperiode (z. B. während AdjC3) verwendete entsprechende bestimmte Phasenzeit als eine einer Fokusbedingung entsprechende Phasenzeit genommen werden. Dieser Phasenzeitwert kann als ein von dem Fokusabweichungssignal abgeleitetes Belichtungszeit-Anpassungssignal betrachtet werden und an die Stroboskopbelichtungszeitsteuerung 895 ausgegeben werden, die diese Phasenzeit gemäß den vorangehend dargelegten Prinzipien direkt als die angepasste Bildbelichtungszeit verwenden kann.

Es versteht sich, dass sobald die Bildgebungssystem-Fokusposition so angeordnet worden ist, dass es mit der Werkstückoberfläche 320' gemäß den vorangehend dargelegten Prinzipien zusammenzufällt, ein „Nachführ-Autofokus”-System unter Verwendung der oben mit Bezug auf 14 dargelegten Prinzipien bereitgestellt werden kann. In einigen Ausführungen kann beispielsweise eine Bilderfassung periodisch unterbrochen werden kann (z. B. alle 14 Millisekunden, oder 1000 Perioden der periodischen Modulation oder weniger). Da nur minimale Fokusanpassungen notwendig sind, um kontinuierlich auf einer gescannten Oberfläche zu fokussieren, kann der für 14 dargelegte Prozess trotz der Verwendung von relativ langsamen Photodetektoren und/oder Schaltungen in verschiedenen Ausführungsformen in der Größenordnung von 10 Millisekunden oder weniger dauern.

Obwohl bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, werden einem Fachmann basierend auf dieser Offenbarung zahlreiche Variationen in den dargestellten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Abfolgen von Betriebsvorgängen ersichtlich werden. Es können verschiedene alternative Formen und Kombinationen von hierin offenbarten Elementen und/oder Betriebsvorgängen verwendet werden, um die hierin offenbarten Prinzipien auszuführen. Die oben beschriebenen verschiedenen Ausführungen können kombiniert werden, um weitere Ausführungen bereitzustellen. Alle US-Patentschriften und US-Patentanmeldungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird, sind hierin vollinhaltlich durch Bezugnahme mit aufgenommen. Aspekte der Ausführungen können, falls notwendig, modifiziert werden, um Konzepte der verschiedenen Patente und Anmeldungen einzusetzen, um so noch weitere Ausführungen bereitzustellen.

Diese und andere Änderungen können an den Ausführungen angesichts der obenstehenden ausführlichen Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sollten in den folgenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbarten bestimmten Ausführungen beschränkend ausgelegt werden, sondern sollten so ausgelegt werden, dass sie alle möglichen Ausführungen zusammen mit dem vollen Umfang von Äquivalenten, zu denen solche Ansprüche berechtigt sind, umfassen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 7324682 [0028]
  • US 7454053 [0028]
  • US 8111905 [0028]
  • US 8111938 [0028]
  • US 2015/0145980 [0035, 0049]
  • US 2014/0368726 [0036, 0049, 0051]
  • US 6542180 [0046]
  • US 9060117 [0046]
  • US 8194307 [0085]
  • US 9143674 [0085]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Artikels „High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Vol. 33, Nr. 18, 15. September 2008 [0050]