Title:
Bildgebungssystem mit variabler Brennweite
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein Bildgebungssystem mit variabler Brennweite (VFL) umfasst ein Kamerasystem, eine erste lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL), eine zweite lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL), eine erste Relaislinse, die eine erste Relaisbrennweite umfasst, eine zweite Relaislinse, die eine zweite Relaisbrennweite umfasst, und einen Linsen-Controller. Die erste Relaislinse und die zweite Relaislinse sind relativ zueinander entlang einer optischen Achse des VFL-Bildgebungssystems um einen Abstand beabstandet, der gleich einer Summe der ersten Relaisbrennweite und der zweiten Relaisbrennweite ist. Die erste lichtstarke VFL-Linse und die zweite lichtstarke VFL-Linse sind relativ zueinander entlang der optischen Achse auf gegenüberliegenden Seiten einer Zwischenebene beabstandet, die sich in einem Abstand befindet, der gleich der ersten Relaisbrennweite von der ersten Relaislinse ist. Der Linsen-Controller ist konfiguriert, um eine synchronisierte periodische Modulation des Brechwerts der ersten lichtstarken VFL-Linse und des Brechwerts der zweiten lichtstarken VFL-Linse bereitzustellen.





Inventors:
Gladnick, Paul Gerard, Wash. (Kirkland, US)
Bryll, Robert Kamil, Wash. (Kirkland, US)
Application Number:
DE102017207179A
Publication Date:
11/02/2017
Filing Date:
04/28/2017
Assignee:
MITUTOYO CORPORATION (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)
International Classes:
G02B15/00; G02B7/04; G02B7/28; G02B21/00; G02B27/46; G03B13/36
Attorney, Agent or Firm:
MERH-IP Matias Erny Reichl Hoffmann Patentanwälte PartG mbB, 80336, München, DE
Claims:
1. Bildgebungssystem mit variabler Brennweite (VFL), umfassend:
ein Kamerasystem;
eine erste lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL);
eine zweite lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL);
eine erste Relaislinse, die eine erste Relaisbrennweite umfasst;
eine zweite Relaislinse, die eine zweite Relaisbrennweite umfasst; und
einen Linsen-Controller, wobei:
die erste Relaislinse und die zweite Relaislinse relativ zueinander entlang einer optischen Achse des VFL-Bildgebungssystems um einen Abstand beabstandet sind, der gleich einer Summe der ersten Relaisbrennweite und der zweiten Relaisbrennweite ist;
die erste lichtstarke VFL-Linse und die zweite lichtstarke VFL-Linse relativ zueinander entlang der optischen Achse auf gegenüberliegenden Seiten einer Zwischenebene beabstandet sind, die sich in einem Abstand befindet, der gleich der ersten Relaisbrennweite von ersten Relaislinse ist; und
der Linsen-Controller ist konfiguriert, um eine synchronisierte periodische Modulation eines Brechwerts der ersten lichtstarken VFL-Linse und eines Brechwerts der zweiten lichtstarken VFL-Linse bereitzustellen.

2. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Filter, das sich auf der Zwischenebene befindet.

3. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 2, wobei das Filter eines von einem Pupillenfilter mit festgelegtem Muster, einem programmierbaren räumlichen Lichtmodulator, einem Amplitudenänderungsfilter, einem Phasenänderungsfilter oder einem Polarisationsfilter ist.

4. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 2, wobei:
das Filter ein Entfaltungsfilter umfasst; und
das Bildgebungssystem konfiguriert ist, um ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe bereitzustellen.

5. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Filterrad, das konfiguriert ist, um auswählbare Filter bereitzustellen.

6. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die erste lichtstarke VFL-Linse und die zweite lichtstarke VFL-Linse Linsen mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex (TAG) sind.

7. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 6, wobei die erste lichtstarke VFL-Linse und die zweite lichtstarke VFL-Linse durch ein gemeinsam genutztes Signal von dem Linsen-Controller angesteuert werden.

8. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei der Linsen-Controller eine Konfiguration zum Einstellen der Linsenrückmeldung umfasst, die betriebsfähig ist, um eine Resonanzfrequenz mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen derart einzustellen, dass ihre Resonanzfrequenzen ungefähr gleich sind.

9. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 8, wobei die Konfiguration zum Einstellen der Linsenrückmeldung eine Rückmeldungsstellgliedanordnung umfasst, die konfiguriert ist, um die Resonanzfrequenz mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen zu verändern, und die Konfiguration zum Einstellen der Linsenrückmeldung die Rückmeldungsstellgliedanordnung steuert, um die Resonanzfrequenz mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen derart einzustellen, dass ihre Resonanzfrequenzen ungefähr gleich sind.

10. VFL-Bildgebungssystem nach Anspruch 9, wobei die Rückmeldungsstellgliedanordnung eine Wärmequelle umfasst, die betriebsfähig ist, um die Temperatur mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen zu verändern, um ihre Resonanzfrequenz zu verändern.

Description:
HINTERGRUNDTECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Offenbarung betrifft Bildgebungssysteme, die in maschinelle Sichtinspektionssysteme und Mikroskope integriert werden können.

Beschreibung der verwandten Technik

Optische Systeme mit einstellbarer Vergrößerung können bei präzisen kontaktlosen Metrologiesystemen, wie etwa Präzisionssystemen zur maschinellen Sichtinspektion (bzw. abgekürzt „Sichtsystemen”) verwendet werden. Derartige Sichtsysteme können verwendet werden, um präzise Dimensionsmessungen von Objekten zu erzielen und um diverse Objekteigenschaften zu inspizieren, und können einen Computer, eine Kamera und ein optisches System sowie einen Präzisionsarbeitstisch, der sich bewegt, um eine Überquerung und Inspektion von Werkstücken zu ermöglichen, umfassen. Ein beispielhaftes System nach dem Stand der Technik, das als universelles „rechnerunabhängiges” Präzisionssichtsystem bezeichnet wird, ist die Reihe QUICK VISION® von PC-basierten Sichtsystemen und die Software QVPAK®, die bei Mitutoyo America Corporation (MAC), aus Aurora, Illinois, erhältlich ist. Die Merkmale und die Funktionsweise der Reihe QUICK VISION® von Sichtsystemen und der Software QVPAK® werden beispielsweise in „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide”, veröffentlicht im Januar 2003, und „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guide”, veröffentlicht im September 1996, allgemein beschrieben, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden. Ein derartiges System verwendet ein mikroskopartiges optisches System und bewegt den Arbeitstisch, um Inspektionsbilder entweder von kleinen oder von relativ großen Werkstücken mit diversen Vergrößerungen bereitzustellen.

Universelle Präzisionssysteme zur maschinellen Sichtinspektion sind im Allgemeinen programmierbar, um eine automatisierte Videoinspektion bereitzustellen. Diese Systeme umfassen typischerweise GUI-Merkmale und vordefinierte „Video Tools” zur Bildanalyse, so dass die Betätigung und die Programmierung von „Nichtfachleuten” ausgeführt werden können. Beispielsweise lehrt das US-Patent Nr. 6,542,180, das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ein Sichtsystem, das eine automatisierte Videoinspektion verwendet, welche die Verwendung von diversen Video-Tools umfasst.

Bei diversen Anwendungen ist es wünschenswert, schnelle Autofokus-, erweiterte Schärfentiefen- und/oder andere Vorgänge auszuführen, um schnelle Messungen für einen hohen Durchsatz entweder bei ortsfesten oder sich fortlaufend bewegenden Inspektionssystemen zu ermöglichen. Die Geschwindigkeit einer automatischen Fokussierung und anderer Vorgänge, die eine Fokussierung benötigen, ist bei herkömmlichen maschinellen Sichtinspektionssystemen durch die Bewegung der Kamera über einen Bereich von Z-Höhenpositionen eingeschränkt. Es besteht Bedarf an verbesserten Autofokus- und/oder anderen Vorgängen unter Verwendung von alternativen Verfahren zum Erheben von Bildern eines Bereichs von Fokusabständen (z. B. Bilderstapel zum Messen von Z-Höhenpositionen) mit einer hohen Geschwindigkeit, und die insbesondere auf verschiedenen Vergrößerungsstufen betriebsfähig sind, ohne den Brennweitenbereich, die Bildqualität und/oder die Dimensionsgenauigkeit in den Bildern in Frage zu stellen. Sphärische Aberrationen in optischen Bauteilen können die Leistung dieser Vorgänge beeinträchtigen. Es besteht daher ein Bedarf an einem Bildgebungssystem, das reduzierte sphärische Aberrationen bei den optischen Bauteilen des Bildgebungssystems bereitstellt.

KURZDARSTELLUNG

Die vorliegende Kurzdarstellung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben werden. Diese Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, die Hauptmerkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, und ist auch nicht dazu gedacht, als Hilfe bei der Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet zu werden.

Es wird ein Bildgebungssystem mit variabler Brennweite (VFL) bereitgestellt. Das VFL-Bildgebungssystem umfasst ein Kamerasystem, eine erste lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL), eine zweite lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL), eine erste Relaislinse, die eine erste Relaisbrennweite umfasst, eine zweite Relaislinse, die eine zweite Relaisbrennweite umfasst, und einen Linsen-Controller. Die erste Relaislinse und die zweite Relaislinse sind relativ zueinander entlang einer optischen Achse des VFL-Bildgebungssystems um einen Abstand beabstandet, der gleich einer Summe der ersten Relaisbrennweite und der zweiten Relaisbrennweite ist. Die erste lichtstarke VFL-Linse und die zweite lichtstarke VFL-Linse sind relativ zueinander entlang der optischen Achse auf gegenüberliegenden Seiten einer Zwischenebene beabstandet, die sich in einem Abstand von der ersten Relaislinse befindet, der gleich der ersten Relaisbrennweite ist. Der Linsen-Controller ist konfiguriert, um eine synchronisierte periodische Modulation des Brechwerts der ersten lichtstarken VFL-Linse und des Brechwerts der zweiten lichtstarken VFL-Linse bereitzustellen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

1 ein Diagramm, das diverse typische Bauteile eines universellen Präzisionssystems zur maschinellen Sichtinspektion zeigt;

2 ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts und eines Sichtbauteilabschnitts eines maschinellen Sichtinspektionssystems ähnlich wie das aus 1, und das hier offenbarte Merkmale umfasst;

3 ein schematisches Diagramm eines Bildgebungssystems mit variabler Brennweite (VFL), das an ein präzises kontaktloses Metrologiesystem angepasst werden kann, wie etwa an ein maschinelles Sichtinspektionssystem, und das gemäß den hier offenbarten Grundsätzen betätigt werden kann;

4 ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Bildgebungssystems mit variabler Brennweite (VFL);

5 ein Zeitdiagramm, das Phasenzeiteinstellungen für ein periodisch moduliertes Steuersignal und eine optische Rückmeldung des VFL-Bildgebungssystems aus 3 abbildet; und

6 ein Diagramm einer Grafik, welche die Resonanzfrequenzen einer Art von Linse mit variabler Brennweite bei diversen Betriebstemperaturen abbildet.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften maschinellen Sichtinspektionssystems 10, das gemäß den hier beschriebenen Grundsätzen verwendbar ist. Das maschinelle Sichtinspektionssystem 10 umfasst eine Sichtmessmaschine 12, die betriebsfähig angeschlossen ist, um Daten- und Steuersignale mit einem Steuercomputersystem 14 und mit einem Monitor oder Display 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 auszutauschen. Der Monitor oder das Display 16 kann eine Benutzerschnittstelle anzeigen, die geeignet ist, um das maschinelle Sichtinspektionssystem 10 zu steuern und/oder zu programmieren. Bei diversen Umsetzungen kann ein Tablet mit Berührungsbildschirm oder dergleichen für die Funktionen von einem oder allen von dem Computersystem 14, dem Display 16, dem Joystick 22, der Tastatur 24 und der Maus 26 eingesetzt und/oder dafür redundant bereitgestellt werden.

Ganz allgemein kann das steuernde Computersystem 14 ein beliebiges Rechensystem oder eine beliebige Rechenvorrichtung und/oder eine verteilte Rechenumgebung und dergleichen umfassen oder daraus bestehen, wobei diese einen oder mehrere Prozessoren umfassen können, der bzw. die Software ausführt bzw. ausführen, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die Prozessoren umfassen programmierbare universelle oder spezifische Mikroprozessoren, programmierbare Controller, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), programmierbare logische Vorrichtungen (PLD) und dergleichen, oder eine Kombination solcher Vorrichtungen. Die Software kann in einem Speicher, wie etwa in einem Arbeitsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), einem Flash-Speicher und dergleichen oder in einer Kombination derartiger Bauteile gespeichert sein. Die Software kann auch in einer oder mehreren Speichervorrichtungen gespeichert sein, wie etwa in optisch basierten Platten, Flash-Speichervorrichtungen oder einer beliebigen anderen Art von nicht flüchtigem Speichermedium zum Speichern von Daten. Die Software kann ein oder mehrere Programmmodule umfassen, die Routinen, Programme, Objekte, Bestandteile, Datenstrukturen und so weiter umfassen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen umsetzen. In verteilten Computerumgebungen kann die Funktion der Programmmodule kombiniert oder über mehrere Rechensysteme oder Vorrichtungen verteilt sein und über Dienstaufrufe entweder in einer drahtgebundenen oder einer drahtlosen Konfiguration zugänglich sein.

Die Sichtmessmaschine 12 umfasst einen bewegbaren Werkstückarbeitstisch 32 und ein optisches Bildgebungssystem 34, das eine Zoomlinse oder auswechselbare Linsen umfassen kann. Die Zoomlinse oder die auswechselbaren Linsen stellen im Allgemeinen diverse Vergrößerungen (beispielsweise 0,5× bis 100×) für die Bilder bereit, die von dem optischen Bildgebungssystem 34 bereitgestellt werden. Ähnliche maschinelle Sichtinspektionssysteme werden in den gemeinsam übertragenen US-Patenten Nr. 7,324,682, 7,454,053, 8,111,905 und 8,111,938 beschrieben, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.

2 ist ein Blockdiagramm eines Steuersystemabschnitts 120 und eines Sichtbauteilabschnitts 200 eines maschinellen Sichtinspektionssystems 100, ähnlich wie das maschinelle Sichtinspektionssystem aus 1, und das hier beschriebene Merkmale umfasst. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird der Steuersystemabschnitt 120 verwendet, um den Sichtbauteilabschnitt 200 zu steuern. Der Sichtbauteilabschnitt 200 umfasst einen optischen Baugruppenabschnitt 205, die Lichtquellen 220, 230 und 240 und einen Werkstückarbeitstisch 210, der einen mittleren durchsichtigen Abschnitt 212 aufweist. Der Werkstückarbeitstisch 210 ist steuerbar entlang den X- und Y-Achsen bewegbar, die in einer Ebene liegen, die im Allgemeinen zur Oberfläche des Arbeitstischs parallel ist, auf dem ein Werkstück 20 positioniert sein kann.

Der optische Baugruppenabschnitt 205 kann einen optischen Detektor 260 (z. B. eine Kamera, einen konfokalen optischen Detektor usw.), eine erste lichtstarke Linse 270A mit variabler Brennweite (VFL), eine zweite lichtstarke Linse 270B mit variabler Brennweite (VFL) umfassen und kann auch eine auswechselbare Objektivlinse 250 und eine Revolverkopf-Linsenbaugruppe 280, welche die Linsen 286, 288 aufweist, umfassen. Alternativ zur Revolverkopf-Linsenbaugruppe kann eine feststehende oder manuell auswechselbare vergrößerungsändernde Linse oder eine Zoomlinsenkonfiguration oder dergleichen enthalten sein. Bei diversen Umsetzungen können die diversen Linsen als Teil eines Abschnitts mit vergrößerungsändernden Linsen des optischen Baugruppenabschnitts 205 enthalten sein. Bei diversen Umsetzungen kann die auswechselbare Objektivlinse 250 aus einem Satz von fest vergrößernden Objektivlinsen ausgewählt werden (z. B. einem Satz, der von 0,5× bis 100× reicht, usw.).

Bei diversen Umsetzungen ist der optische Baugruppenabschnitt 205 entlang einer Z-Achse bewegbar, die im Allgemeinen zu den X- und Y-Achsen orthogonal ist, indem ein steuerbarer Motor 294 verwendet wird, der ein Stellglied antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Fokus des Bilds des Werkstücks 20 zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist über eine Signalleitung 296 an eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, können die erste lichtstarke VFL-Linse 270A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 270B auch betätigt werden, um eine Fokusposition periodisch zu modulieren. Ein Werkstück 20 oder eine Ablage oder ein Befestigungselement, das eine Vielzahl von Werkstücken 20, die unter Verwendung des maschinellen Sichtinspektionssystems 100 abzubilden sind, festhält, wird auf den Werkstückarbeitstisch 210 gelegt. Bei diversen Umsetzungen kann der Werkstückarbeitstisch 210 steuerbar sein, um sich relativ zu dem optischen Baugruppenabschnitt 205 (z. B. in den Richtungen der X- und Y-Achsen) derart zu bewegen, dass sich die abgebildete Fläche (z. B. wie durch die auswechselbare Objektivlinse 250 usw. abgebildet) zwischen Stellen an einem Werkstück 20 und/oder zwischen einer Vielzahl von Werkstücken 20 bewegt.

Eine oder mehrere von einer Arbeitstischleuchte 220, einer Koaxialleuchte 230 und einer Oberflächenleuchte 240 (z. B. einer Ringleuchte) kann bzw. können jeweils ein Ausgangslicht 222, 232 oder 242 emittieren, um das Werkstück 20 zu beleuchten. Die Koaxialleuchte 230 kann Licht 232 auf einem Weg emittieren, der einen Spiegel 290 umfasst. Das Ausgangslicht wird als Werkstücklicht 255 reflektiert oder durchgelassen, und das Werkstücklicht (das beispielsweise für die Bildgebung verwendet wird) geht durch die auswechselbare Objektivlinse 250 und die Revolverlinsenbaugruppe 280, die erste lichtstarke VFL-Linse 270A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 270B und wird von dem optischen Detektor 260 (beispielsweise einer Kamera usw.) gesammelt. Bei diversen Umsetzungen gibt der optische Detektor 260 das Werkstücklicht ein und gibt Signaldaten (z. B. ein oder mehrere Bilder des oder der Werkstücke 20, ein konfokales Helligkeitssignal usw.) auf einer Signalleitung 262 an den Steuersystemabschnitt 120 aus. Die Lichtquellen 220, 230, 240 können jeweils über Signalleitungen oder Busse 221, 231, 241 an den Steuersystemabschnitt 120 angeschlossen sein. Der Steuersystemabschnitt 120 kann die Revolverkopf-Linsenbaugruppe 280 entlang der Achse 284 drehen, um über eine Signalleitung oder einen Bus 281 eine Revolverkopflinse auszuwählen, um eine Bildvergrößerung zu verändern.

Wie in 2 gezeigt, umfasst der Steuersystemabschnitt 120 bei diversen beispielhaften Umsetzungen einen Controller 125, die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130, einen Speicher 140, eine Vorrichtung zum Generieren und Ausführen von Werkstückprogrammen 170 und einen Stromversorgungsabschnitt 190. Jedes dieser Bauteile, sowie die nachstehend beschriebenen zusätzlichen Bauteile, kann durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder eine oder mehrere Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den diversen Elementen zusammengeschaltet sein. Die Ein-/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 diese Elemente zusammengelegt werden und/oder nicht zu unterscheiden sein können. Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 kann Beleuchtungssteuerelemente 133a, 133n, 133f1 umfassen, die beispielsweise die Auswahl, die Energie, den Ein/Aus-Schalter und gegebenenfalls die Impulszeiteinstellung für die diversen entsprechenden Lichtquellen des maschinellen Sichtinspektionssystems 100 steuern.

Gemäß den hier offenbarten Grundsätzen kann die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 ferner einen Linsen-Controller/eine Schnittstelle 271 umfassen. Kurz gesagt kann der Linsen-Controller/die Schnittstelle 271 bei einer Umsetzung einen Linsen-Controller umfassen, der eine Schaltung und/oder Routine oder dergleichen zum Betätigen eines Linsenfokus umfasst. Der Linsen-Controller/die Schnittstelle 271 kann von einem Benutzer und/oder einem Betriebsprogramm konfiguriert oder gesteuert werden, und kann eine Signalleitung 271' verwenden, um die erste lichtstarke VFL-Linse 270A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 270B zu steuern, um jeweils den Brechwert periodisch (beispielsweise sinusförmig) zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Fokuspositionen entlang einer Z-Höhenrichtung bei einer bestimmten Betriebsfrequenz zu modulieren.

Bei diversen Umsetzungen kann bzw. können die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder der Linsen-Controller/die Schnittstelle 271 ferner einen Modus mit erweiterter Schärfentiefe umfassen, wie er in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2015/0145980 ausführlicher beschrieben wird, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Ein Modus mit erweiterter Schärfentiefe kann von einem Benutzer ausgewählt werden, um mindestens ein Bild (z. B. ein zusammengesetztes Bild) eines Werkstücks mit einer Schärfentiefe bereitzustellen, die größer ist als diejenige, die von dem Sichtbauteilabschnitt 200 bereitgestellt werden kann, wenn er auf eine einzige Fokusposition fokussiert ist. Bei diversen Umsetzungen kann bzw. können die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder der Linsen-Controller/die Schnittstelle 271 ferner einen vergrößerungsändernden Einstellmodus umfassen, der ausgewählt oder automatisch umgesetzt werden kann, wenn eine Vergrößerungsänderung vorgenommen oder detektiert wird, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/795,409, unter 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, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Andere Systeme und Verfahren, die VFL-Linsen umfassen, werden in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/841,051, unter dem Titel „Multi-Level Image Focus Using a Tunable Lens in a Machine Vision Inspection System”, eingereicht am 31. August 2015, und in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 14/854,624, unter dem Titel „Chromatic Aberration Correction in Imaging System Including Variable Focal Length Lens”, eingereicht am 15. September 2015, näher beschrieben, die hiermit jeweils zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.

Der Speicher 140 kann einen Bilddatei-Speicherabschnitt 141, einen Kantenerkennungs-Speicherabschnitt 140ed, einen Werkstückprogramm-Speicherabschnitt 142, der ein oder mehrere Teileprogramme oder dergleichen umfassen kann, und einen Video-Tool-Abschnitt 143 umfassen. Der Video-Tool-Abschnitt 143 umfasst den Video-Tool-Abschnitt 143a und andere Video-Tool-Abschnitte (z. B. 143n), welche die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für jedes der entsprechenden Video-Tools bestimmen, und eine Vorrichtung 143roi zum Generieren eines Interessenbereichs (ROI), die automatische, teilautomatische und/oder manuelle Vorgänge unterstützt, die diverse ROIs definieren, die in diversen Video-Tools, die in dem Video-Tool-Abschnitt 143 enthalten sind, betriebsfähig sind. Der Video-Tool-Abschnitt umfasst auch ein Autofokus-Video-Tool 143af, das die GUI, den Bildverarbeitungsvorgang usw. für Vorgänge zum Messen der Fokushöhe bestimmt. Das Autofokus-Video-Tool 143af kann zusätzlich ein schnelles Fokushöhen-Tool umfassen, das verwendet werden kann, um Fokushöhen mit hoher Geschwindigkeit zu messen, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2014/0368726, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird.

In Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, und wie es dem Fachmann bekannt ist, bezieht sich der Begriff „Video-Tool” im Allgemeinen auf einen relativ komplexen Satz von automatischen oder programmierten Vorgängen, die ein Benutzer der maschinellen Sicht durch eine relativ einfache Benutzerschnittstelle umsetzen kann (z. B. eine grafische Benutzerschnittstelle, editierbare Parameterfenster, Menüs und dergleichen), ohne die Schritt-für-Schritt-Sequenz der Vorgänge zu erstellen, die in dem Video-Tool enthalten sind, indem er auf eine gattungsgemäße, textbasierte Programmiersprache oder dergleichen zurückgreift. Beispielsweise kann ein Video-Tool einen komplexen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen und Berechnungen umfassen, die bei einer bestimmten Instanz angewendet oder spezifisch angepasst werden, indem einige wenige Variablen oder Parameter eingestellt werden, welche die Vorgänge und Berechnungen regeln. Zusätzlich zu den zugrundeliegenden Vorgängen und Berechnungen umfasst das Video-Tool die Benutzerschnittstelle, die es dem Benutzer ermöglicht, diese Parameter für eine bestimmte Instanz des Video-Tools einzustellen. Beispielsweise ermöglichen es viele Video-Tools der maschinellen Sicht einem Benutzer, eine grafische Angabe eines Interessenbereichs (ROI) durch einfache Vorgänge des „Ziehen eines Ziehpunkts” unter Verwendung einer Maus zu konfigurieren, um die Ortsparameter einer Teilmenge eines Bildes zu definieren, das durch die Bildverarbeitungsvorgänge einer bestimmten Instanz eines Video-Tools zu analysieren ist. Es sei zu beachten, dass die sichtbaren Merkmale der Benutzerschnittstelle manchmal als Video-Tool bezeichnet werden, wobei die zugrundeliegenden Vorgänge implizit enthalten sind.

Die Signalleitungen oder Busse 221, 231, 241 der Arbeitstischleuchte 220, der Koaxialleuchte 230 und der Oberflächenleuchte 240 sind jeweils alle an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Die Signalleitung 262 von dem optischen Detektor 260, die Signalleitung 271' von der ersten lichtstarken VFL-Linse 270A und der zweiten lichtstarken VFL-Linse 270B und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen. Zusätzlich zum Führen von Bilddaten kann die Signalleitung 262 ein Signal von dem Controller 125 führen, das gewisse Prozesse (z. B. Bilderfassung, konfokale Helligkeitsmessung usw.) einleitet.

Eine oder mehrere Anzeigevorrichtungen 136 (z. B. das Display 16 aus 1) und eine oder mehrere Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 aus 1) können ebenfalls an die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 angeschlossen sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 und die Eingabevorrichtungen 138 können verwendet werden, um eine Benutzerschnittstelle anzuzeigen, die diverse Merkmale der grafischen Benutzerschnittstelle (GUI) umfassen kann, die verwendbar sind, um Inspektionsvorgänge auszuführen und/oder um Teileprogramme zu erstellen und/oder zu ändern, um die Bilder zu betrachten, die von dem optischen Detektor 260 aufgenommen werden, und/oder um den Sichtsystem-Bauteilabschnitt 200 direkt zu steuern. Die Anzeigevorrichtungen 136 können Funktionen der Benutzerschnittstelle anzeigen (z. B. wie sie mit dem Linsen-Controller/der Schnittstelle 271, dem Abschnitt 277 zum Verarbeiten von Fokussignalen usw. verknüpft sind).

Bei diversen beispielhaften Umsetzungen, wenn ein Benutzer das maschinelle Sichtinspektionssystem 100 verwendet, um ein Teileprogramm für das Werkstück 20 zu erstellen, generiert der Benutzer Teileprogrammanweisungen, indem er das maschinelle Sichtinspektionssystem 100 in einem Lernmodus betätigt, um eine gewünschte Bilderfassungs-Trainingssequenz bereitzustellen. Beispielsweise kann eine Trainingssequenz das Positionieren eines bestimmten Werkstückmerkmals eines stellvertretenden Werkstücks in dem Sehfeld (FOV), das Einstellen von Lichtstufen, das Fokussieren oder Autofokussieren, das Erfassen eines Bildes und das Bereitstellen einer Inspektionstrainingssequenz, die (z. B. unter Verwendung einer Instanz von einem oder mehreren der Video-Tools an diesem Werkstückmerkmal) auf das Bild angewendet wird, umfassen. Der Lernmodus funktioniert derart, dass die Sequenz(en) aufgenommen oder aufgezeichnet und in entsprechende Teileprogrammanweisungen umgesetzt wird bzw. werden. Diese Anweisungen bewirken, wenn das Teileprogramm ausgeführt wird, dass das maschinelle Sichtinspektionssystem die eingelernte Bilderfassung wiedergibt, und bewirkt Inspektionsvorgänge, um dieses bestimmte Werkstückmerkmal (d. h. das entsprechende Merkmal an der entsprechenden Stelle) an einem aktuellen Werkstück (z. B. einem Werkstück im Laufmodus) oder an Werkstücken, die ähnlich wie das stellvertretende Werkstück sind, das verwendet wurde, als das Teileprogramm erstellt wurde, automatisch zu inspizieren.

3 ist ein schematisches Diagramm eines Bildgebungssystems 300 mit variabler Brennweite (VFL), das an ein präzises kontaktloses Metrologiesystem, wie etwa ein maschinelles Sichtinspektionssystem, angepasst werden kann und gemäß den hier offenbarten Grundsätzen betätigt werden kann. Es versteht sich, dass gewisse nummerierte Bauteile 3XX aus 3 Vorgängen entsprechen können und/oder ähnliche Vorgänge aufweisen können wie die ähnlich nummerierten Bauteile 2XX aus 2, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Wie in 3 gezeigt, umfasst das VFL-Bildgebungssystem 300 eine Lichtquelle 330, eine Objektivlinse 350, eine Tubuslinse 351, eine erste Relaislinse 352, einer erste lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL) 370A, eine zweite lichtstarke Linse mit variabler Brennweite (VFL) 370B, eine zweite Relaislinse 386, einen Linsen-Controller 371 und ein optionales Filter 376 (beispielsweise ein räumliches Filter), das sich auf einer Zwischenebene IP befindet. Bei diversen Umsetzungen kann jeder der Linsen-Controller 371, sowie zusätzliche Bauteile, durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse (z. B. einen Systemsignal- und Steuerbus 395) und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen oder durch direkte Verbindungen zwischen den diversen Elementen zusammengeschaltet sein.

Die erste Relaislinse 352 umfasst eine erste Relaisbrennweite RFL1 und die zweite Relaislinse 386 umfasst eine zweite Relaisbrennweite RFL2. Die erste Relaislinse 352 und die zweite Relaislinse 386 sind relativ zueinander entlang einer optischen Achse OA des VFL-Bildgebungssystems 300 um einen Abstand beabstandet, der gleich einer Summe der ersten Relaisbrennweite RFL1 und der zweiten Relaisbrennweite RFL2 ist. Die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B sind relativ zueinander entlang der optischen Achse auf gegenüberliegenden Seiten der Zwischenebene IP beabstandet, die sich in einem Abstand befindet, der gleich der ersten Relaisbrennweite RFL1 von ersten Relaislinse 352 ist. Bei der in 3 gezeigten Umsetzung sind sowohl RFL1 als auch RFL2 gleich einer Brennweite f. Der Linsen-Controller 371 ist konfiguriert, um eine synchronisierte periodische Modulation des Brechwerts der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A und des Brechwerts der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B bereitzustellen, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird.

Bei einigen Umsetzungen können die ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A, 370B ungefähr identisch sein.

Bei einigen Umsetzungen können die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B durch ein gemeinsam genutztes Signal von dem Linsen-Controller 371 angesteuert werden.

Bei diversen Umsetzungen ist die Lichtquelle 330 konfigurierbar, um ein Werkstück 320 (z. B. mit Stroboskop- oder Dauerbeleuchtung) in einem Sehfeld des VFL-Bildgebungssystems 300 zu beleuchten. Bei diversen Umsetzungen kann die Lichtquelle 330 erste, zweite, dritte usw. Beleuchtungsquellen als Teil eines Beleuchtungssystems umfassen. Beispielsweise kann die Lichtquelle 330 betätigt werden, um eine Instanz von Stroboskopbeleuchtung bereitzustellen, indem eine entsprechende Beleuchtungsquelle betätigt wird (z. B. eine Beleuchtungsquelle, die Teil der Lichtquelle 330 ist). Bei diversen Umsetzungen, um ein richtiges Beleuchtungsgleichgewicht zu erreichen, kann die Lichtquelle 330 derart steuerbar sein, dass sie eine unabhängige Einstellung der Intensität aller Instanzen der Stroboskopbeleuchtung (z. B. die jeweils einer anderen Beleuchtungsquelle innerhalb der Lichtquelle 330 entsprechen) sowie eine gleichzeitige Einstellung, um eine Gesamthelligkeit eines Bildes zu steuern, ermöglicht.

Im Betrieb ist bei der in 3 gezeigten Umsetzung die Lichtquelle 330 eine „koaxiale” Lichtquelle, die konfiguriert ist, um Ausgangslicht 332 auf einem Weg, der einen Teilspiegel 390 umfasst, und durch die Objektivlinse 350 auf eine Oberfläche eines Werkstücks 320 zu emittieren, wobei die Objektivlinse 350 Werkstücklicht 355 empfängt, das in einer Fokusposition FP fokussiert ist, die sich in der Nähe des Werkstücks 320 befindet, und das Werkstücklicht 355 an die Tubuslinse 351 ausgibt. Bei anderen Umsetzungen können entsprechende Lichtquellen das Sehfeld auf nicht koaxiale Art und Weise beleuchten, wobei beispielsweise eine ringförmige Lichtquelle das Sehfeld beleuchten kann. Bei diversen Umsetzungen kann die Objektivlinse 350 eine auswechselbare Objektivlinse sein, und die Tubuslinse 351 kann als Teil einer Revolverkopf-Linsenbaugruppe enthalten sein (z. B. ähnlich wie die auswechselbare Objektivlinse 250 und die Revolverkopf-Linsenbaugruppe 280 aus 2). Bei diversen Umsetzungen können die Objektivlinse 350, die Tubuslinse 351 oder eine der anderen Linsen, auf die hier Bezug genommen wird, aus einzelnen Linsen, zusammengesetzten Linsen usw. gebildet sein oder in Verbindung damit funktionieren. Die Tubuslinse 351 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die erste Relaislinse 352 aus.

Die erste Relaislinse 352 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die erste lichtstarke VFL-Linse 370A aus. Die erste lichtstarke VFL-Linse 370A empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B aus. Falls das Bildgebungssystem 300 das Filter 376 umfasst, kann das Licht, das von der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A ausgegeben wird, gefiltert (z. B. räumlich gefiltert) werden. Die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaislinse 386 aus. Die Relaislinse 386 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an einen optische Detektor (z. B. ein Kamerasystem) 360 aus. Bei diversen Umsetzungen kann der optische Detektor 360 ein Bild eines Werkstücks 320 während einer Bildbelichtungsperiode aufnehmen und kann das Bild einem Steuersystemabschnitt bereitstellen (z. B. ähnlich wie der Betrieb des optischen Detektors 260, um dem Steuersystemabschnitt 120 in 2 ein Bild bereitzustellen).

Die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B sind elektronisch steuerbar, um die Fokusposition FP des Bildgebungssystems zu variieren (z. B. während einer oder mehreren Bildbelichtungen, während einer Bestimmung der konfokalen Helligkeit usw.). Die Fokusposition FP kann innerhalb eines Bereichs R bewegt werden, der durch eine Fokusposition FP1 und eine Fokusposition FP2 begrenzt ist. Es versteht sich, dass bei diversen Umsetzungen der Bereich R durch einen Benutzer ausgewählt werden kann oder sich aus theoretischen Parametern ergeben kann oder ansonsten automatisch bestimmt werden kann. Im Allgemeinen versteht sich mit Bezug auf das Beispiel aus 3, dass einige der abgebildeten Dimensionen vielleicht nicht maßstabsgetreu sind. Beispielsweise können die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B andere proportionale Dimensionen als die abgebildeten aufweisen (z. B. können sie für bestimmte Anwendungen weniger breit und bis zu 50 mm lang oder länger sein, um ein gewünschtes Ausmaß an Linsenwirkung usw. bereitzustellen).

Bei diversen Umsetzungen kann ein maschinelles Sichtinspektionssystem ein Steuersystem umfassen (z. B. das Steuersystem 120 aus 2), das konfigurierbar ist, um in Verbindung mit einem Linsen-Controller 371 zu funktionieren, oder um die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B anderweitig zu steuern, um eine Fokusposition des VFL-Bildgebungssystems 300 periodisch zu modulieren. Bei einigen Ausführungsformen können die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B sehr schnell die Fokusposition anpassen oder modulieren (z. B. periodisch mit einer Frequenz von mindestens 300 Hz oder 3 kHz oder 70 kHz oder viel mehr). Bei einer beispielhaften Umsetzung kann der Bereich R ungefähr 10 mm betragen (z. B. für eine 1X-Objektivlinse 350). Bei diversen Umsetzungen werden die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B vorteilhaft derart gewählt, dass sie keine makroskopischen mechanischen Einstellungen in dem Bildgebungssystem und/oder eine Einstellung des Abstands zwischen der Objektivlinse 350 und dem Werkstück 320 benötigen, um die Fokusposition FP zu ändern. In einem derartigen Fall, wie in der zuvor übernommenen Druckschrift '980 beschrieben, kann ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe erfasst werden. Ferner gibt es keine makroskopischen Einstellelemente oder eine damit verbundene Nicht-Wiederholbarkeit der Positionierung, um die Genauigkeit zu beeinträchtigen, wenn das gleiche Bildgebungssystem verwendet wird, um Inspektionsbilder mit konstantem Fokus zu erfassen, die für Präzisionsmessungen verwendet werden können (z. B. für Genauigkeiten einer Größenordnung von einigen Mikrometern oder einigen Dutzend Mikrometern oder weniger, und dergleichen). Wie es in der zuvor übernommenen Druckschrift '726 beschrieben wird, können die Änderungen der Fokusposition FP auch verwendet werden, um einen Bilderstapel, der eine Vielzahl von Bildern umfasst, in einer Vielzahl von Positionen in einer Z-Höhenrichtung in der Nähe des Werkstücks 320 schnell zu erfassen.

Bei diversen Umsetzungen können die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B Linsen mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex („TAG”) sein. Eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex ist eine lichtstarke VFL-Linse, die Schallwellen in einem Fluidmedium verwendet, um eine Fokusposition zu modulieren, und einen Bereich von Brennweiten bei einer Frequenz von mehreren hundert kHz periodisch wobbeln kann. Eine derartige Linse ist aus den Lehren des Artikels „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008) zu verstehen, der hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Linsen mit abstimmbarem akustischen Gradientenindex und diesbezügliche steuerbare Signalgeber sind beispielsweise bei TAG Optics, Inc., aus Princeton, New Jersey, erhältlich. Die Linsen der Modellreihe TL2.B.xxx sind beispielsweise zu einer Modulation von bis zu ungefähr 600 KHz fähig.

Bei diversen Umsetzungen, wie sie in der zuvor übernommenen Druckschrift '726 ausführlicher beschrieben werden, kann der optische Detektor 360 einen Sensor mit „Global Shutter”, d. h. einem Sensor, der alle Pixel gleichzeitig belichtet, umfassen. Eine derartige Umsetzung ist dadurch vorteilhaft, dass sie die Fähigkeit verleiht, Bilderstapel ohne Bewegung eines Werkstücks oder irgendeines Teils des VFL-Bildgebungssystems 300 zu messen. Bei diversen alternativen Umsetzungen kann der optische Detektor 360 einen Sensor mit einem elektronischen „Rolling-Shutter-”(ERS) System umfassen. Beispielsweise kann ein Kamerasystem einen schwarz-weißen CMOS-Sensor umfassen, der eine SXGA-Auflösung verwendet und mit einem elektronischen Rolling-Shutter-(ERS) System gekoppelt ist (z. B. das Modell MT9M001 von Aptina Imaging aus San Jose, Kalifornien).

Die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B können durch den Linsen-Controller 371 angetrieben werden, der ein Signal generieren kann, um sie zu betätigen. Bei einer Umsetzung kann der Linsen-Controller 371 ein handelsüblicher steuerbarer Signalgeber sein. Bei einigen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 durch einen Benutzer und/oder ein Betriebsprogramm konfiguriert oder gesteuert werden (z. B. durch den Linsen-Controller/die Schnittstelle 271, wie zuvor mit Bezug auf 2 angesprochen). Bei einigen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B steuern, um ihren Brechwert periodisch (z. B. sinusförmig) zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Fokuspositionen in einer Z-Höhenrichtung bei einer hohen Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren. Zum Beispiel kann bei einigen beispielhaften Umsetzungen eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex für fokale Abtastraten bis zu 400 kHz konfiguriert sein, obwohl es sich versteht, dass langsamere Fokuspositionseinstellungen und/oder Modulationsfrequenzen bei diversen Umsetzungen und/oder Anwendungen wünschenswert sein können. Beispielsweise kann bei diversen Umsetzungen eine periodische Modulation von 300 Hz oder 3 kHz oder 70 kHz oder 250 kHz oder dergleichen verwendet werden. Bei Umsetzungen, bei denen langsamere Fokuspositionseinstellungen verwendet werden, können die erste lichtstarke VFL-Linse 370A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 370B jeweils eine steuerbare Fluidlinse oder dergleichen umfassen. Bei diversen Umsetzungen kann der periodisch modulierte Brechwert der VFL-Linse eine erste periodische Modulationsphase definieren.

Bei diversen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 einen Ansteuersignalgeberabschnitt 372 umfassen. Der Ansteuersignalgeberabschnitt 372 kann (z. B. in Verbindung mit einem Taktgeber 372') funktionieren, um ein periodisches Signal bereitzustellen. Bei diversen Umsetzungen kann durch den Linsen-Controller 371 ein Phasenzeiteinstellungssignal bereitgestellt werden, das mit dem periodischen Signal des Ansteuersignalgeberabschnitts 372 synchronisiert ist.

Bei dem Beispiel aus 3 sind die ersten und zweiten Relaislinsen 352, 386 und die ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A, 370B bezeichnet, wie sie in einer optischen 4f-Konfiguration enthalten sind, während die Relaislinse 352 und die Tubuslinse 351 bezeichnet sind, wie sie in einer Kepler-Teleskopkonfiguration enthalten sind, und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 sind bezeichnet, wie sie in einer Mikroskopkonfiguration enthalten sind. Alle abgebildeten Konfigurationen sind als rein beispielhaft und mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung nicht einschränkend zu verstehen; Als Teil der Kepler-Teleskopkonfiguration ist eine Brennweite FTUBE der Tubuslinse 351 abgebildet, wie sie ungefähr äquidistant zu einem Mittelpunkt zwischen der Tubuslinse 351 und der ersten Relaislinse 352 ist, sowie es eine Brennweite f der Relaislinse 352 ist. Bei alternativen Umsetzungen kann die Brennweite FTUBE für die Tubuslinse 351 gestaltet sein, um anders als die Brennweite f der ersten Relaislinse 352 zu sein (die einem der 4f der optischen 4f-Konfiguration entspricht). Bei diversen Umsetzungen, bei denen die Tubuslinse 351 als Teil einer Revolverlinsenbaugruppe enthalten sein kann, kann es für andere Tubuslinsen der Revolverlinsenbaugruppe wünschenswert sein, wenn sie in die Betriebsposition gedreht werden, einen Brennpunkt an der gleichen Stelle aufzuweisen (d. h. um auf den Brennpunkt der Relaislinse 352 zu treffen).

Wie es in der zuvor übernommenen Anmeldung '409 ausführlicher beschrieben wird, kann das Verhältnis der Brennweite FTUBE zu der Brennweite f verwendet werden, um den Durchmesser des kollimierten Strahls des Werkstücklichts 355 aus der ersten Relaislinse 352 relativ zu dem kollimierten Strahl des Werkstücklichts 355, das in die Tubuslinse 351 eingegeben wird, zu verändern. Es versteht sich mit Bezug auf die kollimierten Strahlen des Werkstücklichts 355, die jeweils in die Tubuslinse 351 eingegeben und von der ersten Relaislinse 352 ausgegeben werden, dass bei diversen Umsetzungen diese kollimierten Strahlen zu größeren Weglängen erweitert werden können und/oder Strahlenteiler mit Bezug auf derartige kollimierte Strahlen verwendet werden können, um zusätzliche Lichtwege bereitzustellen (z. B. wie auf verschiedene Kamerasysteme gerichtet usw.).

Bei diversen Umsetzungen ermöglicht die abgebildete optische 4f-Konfiguration die Anordnung der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A und der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B (die beispielsweise eine Vorrichtung mit geringer numerischer Apertur (NA) sein kann, wie etwa eine Linse mit abstimmbarem akustischen Gradienten-Brechungsindex) auf der Fourier-Ebene der Objektivlinse 350 (d. h. auf der Zwischenebene IP). Diese Konfiguration kann die Telezentrizität am Werkstück 320 bewahren und kann eine Maßstabsänderung und Bildverzerrung minimieren (die z. B. das Bereitstellen einer konstanten Vergrößerung für jede Z-Höhe des Werkstücks 320 und/oder Fokusposition FP umfasst). Die Kepler-Teleskopkonfiguration (die z. B. die Tubuslinse 351 und die erste Relaislinse 352 umfasst) kann zwischen der Mikroskopkonfiguration und der optischen 4f-Konfiguration enthalten und konfiguriert sein, um eine gewünschte Größe der Projektion der freien Apertur der Objektivlinse zwischen der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A und der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B an der Zwischenebene IP bereitzustellen. Alternativ könnte ein Galilei-Teleskop anstelle des Kepler-Teleskop verwendet werden, um die optische Spurlänge zu verkürzen. Sphärische Aberrationen in einer lichtstarken VFL-Linse können die Leistung eines VFL-Bildgebungssystems beeinträchtigen. Eine Möglichkeit, sphärische Aberrationen zu reduzieren, besteht darin, eine kleinere freie Apertur in einer lichtstarken VFL-Linse zu verwenden. Zum Beispiel kann eine freie Apertur eingeschränkt sein, um einen Durchmesser von weniger als 8,5 mm aufzuweisen. Eine kleinere freie Apertur führt jedoch zu einer erhöhten Verkleinerung durch die Kepler-Teleskopkonfiguration und reduziert auch den Bereich R des Werkstücks 320. Das Aufteilen des Brechwerts zwischen zwei lichtstarken VFL-Linsen (z. B. der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A und der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B) reduziert sphärische Aberrationen ohne die Notwendigkeit, die freie Apertur zu reduzieren, und bewahrt oder vergrößert dadurch den Bereich R am Werkstück 320. Bei einigen Umsetzungen kann dies sphärische Aberrationen um einen Faktor fünf reduzieren und dabei die gleiche Brechwertmodulation bereitstellen (z. B. ±0,625 Diopter).

Bei einigen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 eine Konfiguration 373 zum Einstellen der Linsenrückmeldung umfassen (mit gestrichelten Linien als optional gezeigt), die betriebsfähig ist, um eine Resonanzfrequenz mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A, 370B einzustellen, so dass ihre Resonanzfrequenzen ungefähr gleich sind. Lichtstarke VFL-Linsen weisen typischerweise auf Grund von Bauteilvariationen, wie etwa Hohlraumdimensionen und Gütefaktoren von Piezozylindern, keine identischen Resonanzfrequenzen auf. Die Konfiguration 373 zum Einstellen der Linsenrückmeldung stellt ein Mittel bereit, um die Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A, 370B abzugleichen, um ihre Brechwertmodulation zu synchronisieren. Bei einigen Umsetzungen kann die Konfiguration 373 zum Einstellen der Linsenrückmeldung eine Rückmeldungsstellgliedanordnung 374 umfassen, die konfiguriert ist, um die Resonanzfrequenz mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A und 370B zu verändern, und die Konfiguration 373 zum Einstellen der Linsenrückmeldung kann die Rückmeldungsstellgliedanordnung 374 steuern, um die Resonanzfrequenz mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A, 370B einzustellen, so dass ihre Resonanzfrequenzen ungefähr gleich sind. Bei einigen Konfiguration kann die Rückmeldungsstellgliedanordnung 374 eine Wärmequelle 375 umfassen, die betriebsfähig ist, um die Temperatur mindestens einer von den ersten und zweiten lichtstarken VFL-Linsen 370A, 370B zu verändern, um ihre Resonanzfrequenz zu verändern. Die Vorgänge einer Rückmeldungsstellgliedanordnung, die eine Wärmequelle umfasst, werden mit Bezug auf 6 ausführlich beschrieben.

Es versteht sich, dass das VFL-Bildgebungssystem 300 ein Bestandteil eines maschinellen Sichtinspektionssystems sein kann. Dies ist jedoch rein beispielhaft und nicht einschränkend. Bei diversen Umsetzungen kann das VFL-Bildgebungssystem 300 ein Bestandteil eines Mikroskops oder einer anderen Bildgebungsvorrichtung sein.

4 ist ein schematisches Diagramm eines Abschnitts eines Bildgebungssystems 400 mit variabler Brennweite (VFL). Das Bildgebungssystem 400 mit variabler Brennweite ist ähnlich wie das Bildgebungssystem 300 mit variabler Brennweite (VFL) aus 3. Die Elemente, die mit 4XX nummeriert sind, sind ähnlich wie die Elemente, die in 3 mit 3XX nummeriert sind, und sind entsprechend zu verstehen.

Das Bildgebungssystem 400 mit variabler Brennweite umfasst eine erste Relaislinse 452 und eine zweite Relaislinse 486, die als optische 4f-Konfiguration angeordnet sind, eine erste lichtstarke Linse 470A mit variabler Brennweite (VFL), eine zweite lichtstarke Linse 470B mit variabler Brennweite (VFL) und ein Filter 476 (z. B. ein räumliches Filter oder ein Filter mit konstanter oder programmierbarer Amplitude und/oder Phase), das auf einer Zwischenebene IP angeordnet ist. Die Zwischenebene IP befindet sich in einem Abstand gleich der ersten Relaisbrennweite f von der ersten Relaislinse 452, die als konjugierte Fourier-Ebene für ein Mikroskopobjektiv (z. B. die Objektivlinse 350) in der optischen 4f-Konfiguration dient.

Bei einigen Umsetzungen kann das Filter 476 ein Pupillenfilter mit festgelegtem Muster sein. Bei einigen Umsetzungen kann das Filter 476 ein programmierbarer räumlicher Lichtmodulator sein. Bei einigen Umsetzungen kann das Filter 476 ein Entfaltungsfilter umfassen, und das VFL-Bildgebungssystem 400 kann konfiguriert sein, um ein Bild mit erweiterter Schärfentiefe bereitzustellen. Bei einigen Umsetzungen kann das räumliche Filter 476 die Amplitude und/oder Phase des durchgelassenen Lichts verändern. Bei einigen Umsetzungen kann das Filter 476 ein Polarisationsfilter sein.

Wie in 4 gezeigt, sind die erste Relaislinse 452 und die zweite Relaislinse 486 um einen Abstand RSEP getrennt, der gleich 2·f ist. Bei einigen Umsetzungen kann RSEP mindestens 135 mm betragen. Eine typische TAG-Linse kann eine Breite w entlang einer optischen Achse OA aufweisen, die ungefähr 60 mm beträgt. Wenn die erste lichtstarke VFL-Linse 470A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 470B TAG-Linsen sind, ermöglicht ein Wert von RSEP, der mindestens 135 mm beträgt, dass die erste lichtstarke VFL-Linse 470A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 470B zwischen die erste Relaislinse 452 und die zweite Relaislinse 486 passen. Die erste lichtstarke VFL-Linse 470A und die zweite lichtstarke VFL-Linse 470B sind durch einen Abstand SEP entlang der optischen Achse OA getrennt. Bei einigen Umsetzungen kann SEP mindestens 5 mm betragen, um eine angemessene Beabstandung zu. ermöglichen, wenn das Filter 476 ein Pupillenfilter mit festgelegtem Muster aus Chrom auf Glas ist. Bei einigen Umsetzungen kann SEP mindestens 15 mm betragen, um eine angemessene Beabstandung zu ermöglichen, wenn das Filter 476 ein programmierbarer räumlicher Lichtmodulator ist. Bei einigen Umsetzungen kann das Filter 476 ein umschaltbares Filter sein, und das VFL-Bildgebungssystem 400 kann ein Filterrad oder ein anderes Mittel zum Wechseln von Filtern umfassen, um mit einer spezifischen Objektivlinse und/oder einer gewünschten Funktion übereinzustimmen.

5 ist ein Zeitdiagramm 500, das Phasenzeiteinstellungen für ein periodisch moduliertes Steuersignal 510 und die optische Rückmeldung 520 des VFL-Bildgebungssystems 300 aus 3 abbildet. Bei dem Beispiel aus 5 ist ein idealer Fall abgebildet, bei dem das Steuersignal 510 und die optische Rückmeldung 520 ähnliche Phaseneinstellungen aufweisen und somit als identische Signale dargestellt sind. Bei diversen Umsetzungen kann das Steuersignal 510 mit dem Ansteuersignal zusammenhängen, das durch den Ansteuersignalgeber 372 von 3 erzeugt wird, und die optische Rückmeldung 520 kann für die periodisch modulierte Fokusposition des Bildgebungssystems stellvertretend sein, das durch das periodische Modulieren des Brechwerts der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A und der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B gesteuert wird, wie zuvor angesprochen.

Bei diversen Umsetzungen können die Sinusformen der Kurven 510, 520 von den in Reihe geschalteten Linsen abhängig sein (z. B. von der Objektivlinse 350, der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A, der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B usw., wie in 3 abgebildet), für welche der Brechwert der Kombination der ersten lichtstarken VFL-Linse 370A und der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B durch einen Zyklus geht, wie in 5 angegeben, und gleich 2·f ist (wobei f = Brennweite). Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann eine Charakterisierung der Z-Höhe gegenüber der Phase, welche die jeweiligen Z-Höhen mit jeweiligen Signalwerten der Phasenzeiteinstellung verknüpft, durch eine Kalibrierung gemäß bekannten Grundsätzen (z. B. durch wiederholtes Abgehen einer Oberfläche bis auf eine bekannte Z-Höhe und dann manuelles oder rechnerisches Bestimmen der Phasenzeiteinstellung, die ein Bild auf der bekannten Z-Höhe am besten fokussiert, und Speichern dieser Beziehung in einer Verweistabelle oder dergleichen) erstellt werden.

Das Zeitdiagramm 500 bildet Phasenzeiteinstellungen (z. B. Φ0, Φ90, Φ180, Φ270 usw.) ab, die gleich den jeweiligen Signalwerten der Phasenzeiteinstellung (z. B. t0, t90, t180, t270 usw.) des Steuersignals 510 sind, die den jeweiligen Z-Höhen entsprechen (z. B. zΦ0, zΦ90, zΦ180, zΦ270 usw.). Bei diversen Umsetzungen können die Signalwerte der Phasenzeiteinstellung (z. B. t0, t90, t180, t270 usw.) gemäß einem Phasenzeiteinstellungssignal (z. B. wie es von einem Taktgeber oder einer anderen Technik bereitgestellt wird, um eine Zeiteinstellung bezüglich der periodischen Modulation usw. herzustellen) bestimmt werden. Es versteht sich, dass die Signalwerte der Phasenzeiteinstellungen, die in dem Zeiteinstellungsdiagramm 500 gezeigt sind, dazu gedacht sind, rein beispielhaft und nicht einschränkend zu sein. Genauer gesagt weist ein beliebiger Signalwert einer Phasenzeiteinstellung eine damit verbundene Z-Höhe der Fokusposition innerhalb des abgebildeten Bereichs von Fokuspositionen auf (z. B. dem Bereich bei dem abgebildeten Beispiel, der eine maximale Z-Höhe zΦ90 und eine minimale Z-Höhe zΦ270 aufweist).

6 ist ein Diagramm einer Grafik 600, welche die Resonanzfrequenzen einer Art einer Linse mit variabler Brennweite bei diversen Betriebstemperaturen abbildet. Die Grafik 600 zeigt einen Satz von gemessenen Resonanzfrequenzen 610 einer TAG-Linse (in kHz) als Funktion einer Temperatur (in Grad Celsius) und einen linearen Ausgleich 620. Der lineare Ausgleich 620 weist eine Steigung von ungefähr –130 Hz/°C auf. Bei einer Umsetzung kann die TAG-Linse, die durch die Grafik 600 charakterisiert ist, als zweite lichtstarke VFL-Linse 370B verwendet werden, während sie mit der Wärmequelle 375 der Rückmeldungsstellgliedanordnung 374 gekoppelt ist. Die Konfiguration 373 zum Einstellen der Linsenrückmeldung kann die Rückmeldungsstellgliedanordnung 374 steuern, um die Resonanzfrequenz der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B basierend auf dem linearen Ausgleich 620 einzustellen. Bei einigen Umsetzungen kann ein Rückmeldesensor, wie etwa ein konfokaler optischer Sensor oder ein Beschleunigungsmesser, eine Rückmeldung zum Einstellen der Temperatur und somit der Resonanzfrequenz der zweiten lichtstarken VFL-Linse 370B bereitstellen.

Obwohl bevorzugte Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung abgebildet und beschrieben wurden, werden für den Fachmann zahlreiche Variationen der abgebildeten und beschriebenen Anordnungen von Merkmalen und Sequenzen von Vorgängen basierend auf dieser Offenbarung ersichtlich sein.

Diverse alternative Formen können verwendet werden, um die hier offenbarten Grundsätze umzusetzen. Zudem können die zuvor beschriebenen diversen Umsetzungen kombiniert werden, um weitere Umsetzungen bereitzustellen. Alle US-Patente- und US-Patentanmeldungen, auf die in der vorliegenden Beschreibung Bezug genommen wird, werden hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen. Gewisse Aspekte der Umsetzungen können gegebenenfalls geändert werden, um die Konzepte der diversen Patente und Anmeldungen zu verwenden, um noch andere Umsetzungen bereitzustellen.

Diese und andere Änderungen können an den Umsetzungen angesichts der zuvor angegebenen Beschreibung vorgenommen werden. Im Allgemeinen sind in den nachstehenden Ansprüchen die verwendeten Begriffe nicht als die Ansprüche auf die spezifischen Umsetzungen, die in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart werden, einschränkend auszulegen, sondern sind dazu gedacht, alle möglichen Umsetzungen zusammen mit dem gesamten Umfang von Äquivalenten, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind, zu umfassen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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