Title:
LINSENSYSTEM VARIABLER BRENNWEITE UND FOKUSKONTROLLE UND -STEUERUNG
Kind Code:
A1


Abstract:

Es wird ein Linsensystem mit variabler Brennweite (VFL) bereitgestellt, das eine Linse mit einem abstimmbaren akustischen Gradienten (TAG) und eine Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle umfasst, um ein Fokuskontrollsignal bereitzustellen, das einen Fokuszustand mit hoher Genauigkeit und ohne maßgebliche Latenz wiedergibt. Ein eingegebenes Beleuchtungsmuster wird durch die TAG-Linse durchgelassen, um ein entsprechendes ausgegebenes Beleuchtungsmuster bereitzustellen, das eine Größe und Intensität aufweist, die von dem Brechwert der TAG-Linse abhängig sind. Ein Abschnitt zum Detektieren optischer Fokussignale umfasst eine Filterkonfiguration und einen Fokusphotodetektor, der ein Fokusausgangssignal bereitstellt, das bezüglich der Gesamtlichtenergie variiert, die der Fokusphotodetektor empfängt, wobei die Filterkonfiguration das ausgegebene Beleuchtungsmuster empfängt und die Menge von enthaltenem Fokusdetektionslicht begrenzt, das den Fokusphotodetektor erreicht. Ein Fokuskontrollsignal wird basierend auf dem Fokusausgangssignal bereitgestellt, das von dem Fokusphotodetektor bereitgestellt wird.




Inventors:
Gladnick, Paul Gerard, Wash. (Kirkland, US)
Atherton, Kim, Wash. (Kirkland, US)
Application Number:
DE102017217320A
Publication Date:
03/29/2018
Filing Date:
09/28/2017
Assignee:
MITUTOYO CORPORATION (Kanagawa, Kawasaki-shi, JP)



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
40299761977-06-14
89077292014-12-09
60645072000-05-16
Other References:
Artikels „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008)
Attorney, Agent or Firm:
MERH-IP Matias Erny Reichl Hoffmann Patentanwälte PartG mbB, 80336, München, DE
Claims:
1. Linsensystem mit variabler Brennweite (VFL), umfassend:
eine Linse mit einem abstimmbaren akustischen Gradienten (TAG), die betätigt wird, um ihren Brechwert über einen Bereich von Brechwerten mit einer Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren; und
eine Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle, um einen Fokuszustand des VFL-Linsensystems zu kontrollieren, wobei die Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle umfasst:
eine Kontrolllichtquelle, die konfiguriert ist, um während der periodischen Modulation Fokusdetektionslicht in die TAG-Linse einzugeben, wobei:
das eingegebene Fokusdetektionslicht konfiguriert ist, um eine eingegebene Menge von Lichtenergie bereitzustellen, die in einem eingegebenen Beleuchtungsmuster verteilt ist, das eine annähernd konstante Größe aufweist; und
mindestens ein mittlerer Abschnitt des eingegebenen Beleuchtungsmusters während der periodischen Modulation durch die TAG-Linse durchgelassen wird, um ein entsprechendes ausgegebenes Beleuchtungsmuster von der TAG-Linse bereitzustellen, wobei das ausgegebene Beleuchtungsmuster eine Größe und Intensität aufweist, die von dem Brechwert der TAG-Linse abhängig sind; und einen Abschnitt zum Detektieren optischer Fokussignale, der in einem
annähernd konstanten Abstand von der TAG-Linse positioniert ist, um Fokusdetektionslicht zu empfangen, das in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster enthalten ist, das von der TAG-Linse ausgegeben wird, wobei der Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen eine Filterkonfiguration und einen Fokusphotodetektor umfasst, der ein Fokusausgangssignal bereitstellt, das in Bezug auf eine Gesamtlichtenergie variiert, die der Fokusphotodetektor empfängt, wobei die Filterkonfiguration das ausgegebene Beleuchtungsmuster empfängt und eine Menge des enthaltenen Fokusdetektionslichts begrenzt, das den Fokusphotodetektor erreicht, und ein Fokuskontrollsignal basierend auf dem Fokusausgangssignal bereitgestellt wird, das von dem Fokusphotodetektor bereitgestellt wird.

2. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei das Fokusdetektionslicht in dem eingegebenen Beleuchtungsmuster mindestens annähernd kollimiert ist.

3. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei das eingegebene Beleuchtungsmuster derart konfiguriert ist, dass das entsprechende ausgegebene Beleuchtungsmuster ein Raummuster umfasst, und die Filterkonfiguration eine räumlich filternde Apertur umfasst, die durch die Grenzen des Fokusphotodetektors definiert ist, und das Raummuster während der periodischen Modulation den Fokusphotodetektor zu jeder Zeit überfüllt.

4. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei:
die Filterkonfiguration eine Maske umfasst, die eine räumlich filternde Apertur umfasst;
die Maske einen blockierten Abschnitt des ausgegebenen Beleuchtungsmusters während der periodischen Modulation zu jeder Zeit blockiert;
die räumlich filternde Apertur einen Durchlassabschnitt des ausgegebenen Beleuchtungsmusters zu jeder Zeit durchlässt; und
die räumlich filternde Apertur derart gestaltet ist, dass ein Verhältnis des Durchlassabschnitts zu dem blockierten Abschnitt in Abhängigkeit von der Größe des ausgegebenen Beleuchtungsmusters variiert.

5. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei die Filterkonfiguration eine Maske umfasst, die ein Dichtefilter umfasst, das ein nicht einheitliches Dichtemuster aufweist, das konfiguriert ist, um das Durchlassen des ausgegebenen Beleuchtungsmusters in Abhängigkeit von der Größe des ausgegebenen Beleuchtungsmusters zu mindern.

6. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei die periodische Modulation einer Frequenz von mindestens 50 kHz entspricht, das Fokuskontrollsignal ein zeitvariables Signal umfasst, das den Fokuszustand der TAG-Linse während der Modulationsperiode angibt, und das zeitvariable Signal im Vergleich zu dem Fokuszustand mit einer Latenz von nicht mehr als 100 Nanosekunden bereitgestellt wird.

7. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, umfassend einen Controller, der funktioniert, um die TAG-Linse mit einer Resonanzfrequenz anzusteuern, um den TAG-Linsenbrechwert über den Bereich von Brechwerten mit der Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren, wobei das Fokuskontrollsignal in den Controller eingegeben wird und verwendet wird, um mindestens eine von Amplitude, Frequenz oder Phase der periodischen Modulation der TAG-Linse anzupassen.

8. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Bildgebungskonfiguration, welche die TAG-Linse, eine Objektivlinse und einen Kameraabschnitt umfasst, wobei:
die Objektivlinse gibt Werkstücklicht aus einer abgebildeten Oberflächenregion eines Werkstücks in ein Blickfeld (FOV) der Bildgebungskonfiguration ein und lässt das Werkstücklicht durch die TAG-Linse hindurch, und der Kameraabschnitt empfängt das Werkstücklicht von der TAG-Linse und stellt eine Bildbelichtung bereit, so dass sie auf einer entsprechenden Fokalebene des Bildgebungssystems fokussiert ist, die mindestens eines von einem Fokusabstand oder einer Z-Höhe in Bezug auf die Bildgebungskonfiguration aufweist;
mindestens eines von dem Fokusabstand oder der Z-Höhe der Fokalebene des Bildgebungssystems durch den Brechwert der TAG-Linse gesteuert wird;
das Fokuskontrollsignal mindestens eines von dem Fokusabstand oder der Z-Höhe der Fokalebene des Bildgebungssystems angibt; und
das VFL-Linsensystem Kalibrierungsdaten umfasst, die jeweilige Fokusabstände oder Z-Höhen mit jeweiligen Fokuskontrollsignalwerten verknüpfen.

9. VFL-Linsensystem nach Anspruch 8, wobei:
das VFL-Linsensystem konfiguriert ist, um die Bildbelichtung unter Verwendung einer Bildbelichtungszeiteinstellung zu steuern, welche die entsprechende Fokalebene des Bildgebungssystems bestimmt;
das VFL-Linsensystem konfiguriert ist, um mindestens eine von einer Zeiteinstellung einer steuerbaren Stroboskoplichtquelle, die in dem VFL-Linsensystem enthalten ist, oder einer Zeiteinstellung einer steuerbaren Bildintegrationsperiode des Kameraabschnitts zu steuern, um die Bildbelichtungszeiteinstellung bereitzustellen; und das VFL-Linsensystem ferner mindestens eine umfasst von a) einer Halteschaltung, die konfiguriert ist, um einen Fokuskontrollsignalwert zu einem Zeitpunkt zu halten, welcher der Bildbelichtungszeiteinstellung entspricht, wobei der gehaltene Fokuskontrollsignalwert den Fokusabstand oder die Z-Höhe für die entsprechende Bildbelichtung angibt, oder b) einer Vergleichsschaltung, die konfiguriert ist, um das Fokuskontrollsignal einzugeben und ein Referenzsignal einzugeben, das mit einem gewünschten Fokusabstand oder einer Z-Höhe der Bildgebung verknüpft ist, und ein Auslösesignal auszugeben, das die Bildbelichtungszeiteinstellung steuert, damit sie vorkommt, wenn das Fokuskontrollsignal dem Referenzsignal entspricht.

10. VFL-Linsensystem nach Anspruch 8, wobei die Kontrolllichtquelle konfiguriert ist, um das Fokusdetektionslicht, das aus einem ersten Satz von Wellenlängen in dem eingegebenen Beleuchtungsmuster besteht, bereitzustellen, und die Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle ferner umfasst:
einen ersten Strahlenteiler, der sich zwischen der Objektivlinse und der TAG-Linse befindet und Fokusdetektionslicht aus der Kontrolllichtquelle empfängt und das eingegebene Beleuchtungsmuster lenkt, damit es zusammen mit dem Werkstücklicht durch die TAG-Linse geht; und
einen zweiten Strahlenteiler, der sich zwischen der TAG-Linse und dem Kameraabschnitt befindet, wobei der zweite Strahlenteiler konfiguriert ist, um das ausgegebene Beleuchtungsmuster von der TAG-Linse zusammen mit dem Werkstücklicht zu empfangen und den ersten Satz von Wellenlängen, der in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster enthalten ist, in Richtung auf den Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen zu reflektieren und andere Wellenlängen, die in dem Werkstücklicht enthalten sind, zu dem Kameraabschnitt durchzulassen.

11. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei:
die Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle ferner einen Strahlenteiler umfasst, der ein erstes geteiltes ausgegebenes Beleuchtungsmuster auf den Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen lenkt und ein zweites geteiltes ausgegebenes Beleuchtungsmuster auf einen optischen Normierungsdetektor lenkt, der konfiguriert ist, um das gesamte zweite geteilte ausgegebene Beleuchtungsmuster auf einen Normierungsphotodetektor durchzulassen, der ein Normierungsausgangssignal bereitstellt, das bezüglich der Gesamtlichtenergie variiert, die der Normierungsphotodetektor empfängt; und
das VFL-Linsensystem ferner eine Fokuskontrollausgangsschaltung umfasst, die konfiguriert ist, um das Fokusausgangssignal und das Normierungsausgangssignal einzugeben und ein normiertes Fokuskontrollsignal zu erzeugen, wobei Variationen des Fokusausgangssignals auf Grund von Variationen der Gesamtlichtenergie, die in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster enthalten ist, basierend auf dem Normierungsausgangssignal kompensiert werden.

12. VFL-Linsensystem nach Anspruch 1, wobei die eingegebene Menge von Lichtenergie, die in dem eingegebenen Beleuchtungsmuster verteilt ist, annähernd konstant ist.

Description:
HINTERGRUNDTechnisches Gebiet

Die vorliegende Offenbarung betrifft die Präzisionsmesstechnik, die eine Linse mit variablem Brennpunkt verwendet, und Systeme zur maschinellen Sichtinspektion und andere Systeme, in denen eine Linse mit variabler Brennweite eine Fokusposition periodisch modulieren kann.

Beschreibung der verwandten Technik

Präzisionssysteme zur maschinellen Sichtinspektion (bzw. abgekürzt „Sichtsysteme”) können verwendet werden, um Objekte zu messen und zu inspizieren. Diese Systeme können einen Computer, eine Kamera, ein optisches System und einen Arbeitstisch, der sich bewegt, um ein Werkstück überqueren zu können, umfassen. Ein beispielhaftes System, das als universelles „rechnerunabhängiges” Präzisionssichtsystem gekennzeichnet ist, ist die Reihe QUICK VISION® von PC-basierten Sichtsystemen und die Software QVPAK®, die bei Mitutoyo America Corporation (MAC), aus Aurora, Illinois, erhältlich sind. Die Merkmale und die Funktionsweise der Reihe QUICK VISION® von Sichtsystemen und der Software QVPAK® werden beispielsweise in dem Handbuch „QVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide”, veröffentlicht im Januar 2003, allgemein beschrieben, das hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. 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.

Bei diversen Anwendungen ist es für einen hohen Durchsatz wünschenswert, schnelle Messungen in entweder ortsfesten oder sich ununterbrochen bewegenden Inspektionssystemen auszuführen. Bezüglich der Z-Höhenmessungen, die im Allgemeinen auf der „schärfsten” Höhenbestimmung basieren, kann es sein, dass die Geschwindigkeit, mit der die Z-Höhenmessungen ausgeführt werden können, durch die Anpassung der Z-Höhen-Fokusposition oder die Bewegungsgeschwindigkeit begrenzt ist. Einige neuartige Linsen mit variablem Brennpunkt sind jedoch in der Lage, den Brennpunkt sehr schnell zu ändern, und das Bestimmen ihrer tatsächlichen Fokusposition mit hoher Genauigkeit, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die ihrer Brennpunktvariationsrate entspricht, hat sich als problematisch erwiesen. Es werden eine verbesserte Genauigkeit und Geschwindigkeit zum Messen der Z-Höhe für diverse lichtstarke Linsen mit variablem Brennpunkt benötigt, die für sehr schnelle Präzisionsinspektionsvorgänge verwendet werden.

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 Linsensystem mit variabler Brennweite (VFL) bereitgestellt, das eine Linse mit einem abstimmbaren akustischen Gradienten (TAG) und eine Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle umfasst, um ein Fokuskontrollsignal bereitzustellen, das den Fokuszustand des VFL-Linsensystems mit hoher Genauigkeit und ohne maßgebliche Latenz wiedergibt. Die TAG-Linse wird betätigt, um ihren Brechwert über einen Bereich von Brechwerten mit einer Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren. Die Konfiguration zur optischen Fokuskontrolle umfasst eine Kontrolllichtquelle und einen Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen. Die Kontrolllichtquelle ist konfiguriert, um ein Fokusdetektionslicht in die TAG-Linse während der periodischen Modulation einzugeben. Bei diversen Ausführungsformen ist das eingegebene Fokusdetektionslicht konfiguriert, um eine eingegebene Menge von Lichtenergie bereitzustellen, die in einem eingegebenen Beleuchtungsmuster verteilt ist, das eine annähernd konstante Größe aufweist. Bei einigen Ausführungsformen ist die eingegebene Menge von Lichtenergie annähernd konstant. Mindestens ein mittlerer Abschnitt des eingegebenen Beleuchtungsmusters wird während der periodischen Modulation durch die TAG-Linse durchgelassen, um ein entsprechendes ausgegebenes Beleuchtungsmuster von der TAG-Linse bereitzustellen, wobei das ausgegebene Beleuchtungsmuster eine Größe und Intensität aufweist, die von dem Brechwert der TAG-Linse abhängig sind. Der Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen ist in einem annähernd konstanten Abstand von der TAG-Linse positioniert, um Fokusdetektionslicht zu empfangen, das in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster enthalten ist, das von der TAG-Linse ausgegeben wird. Der Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen umfasst eine Filterkonfiguration und einen Fokusphotodetektor, der ein Fokusausgangssignal bereitstellt, das bezüglich der Gesamtlichtenergie variiert, die der Fokusphotodetektor empfängt, wobei die Filterkonfiguration das ausgegebene Beleuchtungsmuster empfängt und die Menge von enthaltenem Fokusdetektionslicht begrenzt, das den Fokusphotodetektor erreicht. Ein Fokuskontrollsignal wird basierend auf dem Fokusausgangssignal bereitgestellt, das von dem Fokusphotodetektor bereitgestellt wird.

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 Sichtsystems, das ähnlich wie das aus 1 ist und hier offenbarte Merkmale umfasst;

3 ein schematisches Diagramm eines Linsensystems mit variabler Brennweite, das einen optischen Fokuskontrollabschnitt umfasst und gemäß den hier offenbarten Grundsätzen zu betätigen ist;

4A und 4B Diagramme eines optischen Fokuskontrollabschnitts, der eine erste beispielhafte Umsetzung eines eingegebenen Beleuchtungsmusters umfasst;

5A bis 5D Diagramme eines optischen Fokuskontrollabschnitts, der eine zweite beispielhafte Umsetzung eines eingegebenen Beleuchtungsmusters umfasst und verschiedene Konfigurationen einer räumlich filternden Apertur bzw. Maske abbildet, die bei diversen Umsetzungen verwendet werden kann;

6 ein Diagramm eines optischen Fokuskontrollabschnitts, der einen Normierungsabschnitt umfasst;

7 ein Diagramm einer Grafik, welche die Beziehungen zwischen einem Fokuskontrollsignal und einer Z-Höhe (Fokusabstand) für diverse optische Fokuskontrollabschnitte abbildet;

8 ein Blockdiagramm einer ersten beispielhaften Umsetzung eines Abschnitts zum Verarbeiten von Detektorsignalen;

9 ein Blockdiagramm einer zweiten beispielhaften Umsetzung eines Abschnitts zum Verarbeiten von Detektorsignalen; und

10 ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine abbildet, um ein Linsensystem mit variabler Brennweite zu betätigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Systems zur maschinellen Sichtinspektion 10, das gemäß den hier offenbarten Grundsätzen verwendet werden kann. Das Sichtsystem 10 umfasst eine Sichtmessmaschine 12, die betriebsfähig angeschlossen ist, um Daten- und Steuersignalen mit einem Steuercomputersystem 14, einem Monitor oder einer Anzeige 16, einem Drucker 18, einem Joystick 22, einer Tastatur 24 und einer Maus 26 auszutauschen. Der Monitor bzw. die Anzeige 16 kann eine Benutzerschnittstelle anzeigen, um das Sichtsystem 10 zu steuern und/oder zu programmieren. Ein Tablet mit Berührungsbildschirm oder dergleichen kann für eines oder alle diese Bauteile eingesetzt werden oder diese ergänzen.

Ganz allgemein kann das Steuercomputersystem 14 ein beliebiges Rechensystem bzw. eine beliebige Rechenvorrichtung und/oder eine verteilte Rechenumgebung umfassen, und kann einen oder mehrere Prozessoren umfassen, der bzw. die eine Software ausführen, um die hier beschriebenen Funktionen auszuführen. Die Prozessoren umfassen programmierbare universelle oder spezifische Mikroprozessoren, Controller, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC), programmierbare logische Vorrichtungen (PLD) und dergleichen, oder eine Kombination derselben. Die Software kann in einem Arbeitsspeicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), einem Flash-Speicher und dergleichen oder in einer Kombination derselben gespeichert sein. Die Software kann auch auf optisch basierten Platten, Flash-Speichervorrichtungen oder einer beliebigen anderen Art von nicht flüchtigem Speichermedium zum Speichern von Daten gespeichert sein. 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. Die Funktionalität der Programmmodule kann 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×) bereit. Ähnliche Sichtsysteme 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 Sichtsystems 100, ähnlich wie das Sichtsystem aus 1, das hier beschriebene Merkmale umfasst. Der Steuersystemabschnitt 120 wird verwendet, um den Sichtbauteilabschnitt 200 zu steuern. Der Sichtbauteilabschnitt 200 umfasst einen optischen Baugruppenabschnitt 205, die Lichtquellen 220, 230, 240 und 243 und einen Werkstückarbeitstisch 210, der einen mittleren durchsichtigen Abschnitt 212 aufweisen kann. Der Werkstückarbeitstisch 210 ist steuerbar bewegbar entlang den X- und Y-Achsen, 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 eine Kamera bzw. einen Detektor 260 (z. B. einen Kameraabschnitt und/oder wahlweise einen konfokalen optischen Detektor oder dergleichen), eine Linse 270A mit variabler Brennweite (VFL), eine Detektorkonfiguration 277 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 ist der optische Baugruppenabschnitt 205 steuerbar bewegbar entlang einer Z-Achse, die im Allgemeinen zu den X- und Y-Achsen orthogonal ist, unter Verwendung eines steuerbaren Motors 294, der ein Stellglied antreibt, um den optischen Baugruppenabschnitt 205 entlang der Z-Achse zu bewegen, um den Fokus eines Bildes zu ändern. Der steuerbare Motor 294 ist an eine Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 anhand einer Signalleitung 296 angeschlossen. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann die VFL-Linse 270 auch betätigt werden, um eine Fokusposition periodisch zu modulieren. Ein Werkstück 20 oder eine Vielzahl von Werkstücken 20, das bzw. die abzubilden ist bzw. sind, befindet bzw. befinden sich auf dem Werkstückarbeitstisch 210, der sich (z. B. in den Richtungen der X- und Y-Achsen) in Bezug auf den optischen Baugruppenabschnitt 205 derart bewegt, dass sich der abgebildete Bereich zwischen den Stellen auf dem oder den Werkstücken 20 bewegt.

Eine oder mehrere von einer Arbeitstischleuchte 220, einer Koaxialleuchte 230 und einer Oberflächenleuchte 240 (z. B. einer Ringleuchte), die mit dem Steuersystemabschnitt 120 über die Signalleitungen oder Busse 221, 231 und 241 verbunden ist bzw. sind, kann bzw. können jeweils ein Ausgangslicht 222, 232 und/oder 242 emittieren, um das oder die Werkstücke 20 gemäß bekannten Grundsätzen zu beleuchten. In 2 wird das Ausgangslicht 232 durch eine reflektierende Oberfläche 290 reflektiert, um das Werkstück 20 zu beleuchten. Das Ausgangslicht wird als Werkstücklicht 255 (wie es beispielsweise zur Bildgebung verwendet wird), das durch die auswechselbare Objektivlinse 250, die Revolverkopf-Linsenbaugruppe 280 und die VFL-Linse 270 geht, an der Kamera bzw. dem Detektor 260 reflektiert oder durchgelassen. Bei diversen Umsetzungen kann die Kamera bzw. der Detektor 260 Bilddaten und/oder andere Signale auf einer Signalleitung bzw. einem Bus 262 an den Steuersystemabschnitt 120 ausgeben. Der Steuersystemabschnitt 120 kann die Revolverkopf-Linsenbaugruppe 280 um eine Achse 284 herum drehen, um eine Revolverkopf-Linsenvergrößerung auszuwählen, wie sie über eine Signalleitung bzw. einen Bus 281 gesteuert wird. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann die Lichtquelle 230 (oder eine andere Lichtquelle) bei diversen Umsetzungen eine steuerbare Stroboskoplichtquelle sein, die an einen Stroboskop-Controller (z. B. in dem Controller 125 und/oder der Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 usw.) betriebsfähig angeschlossen ist oder durch diesen gesteuert wird (z. B. über die Signalleitung bzw. den Bus 231). Ein Fokuskontrollsignal kann in den Stroboskop-Controller eingegeben werden, und der Stroboskop-Controller kann eine Tastimpulseinstellung der steuerbaren Stroboskoplichtquelle mindestens teilweise basierend auf dem Fokuskontrollsignal steuern.

Wie es nachstehend mit Bezug auf 3 und 4 ausführlicher beschrieben wird, kann eine Lichtquelle 243 ein Fokusdetektionslicht 245 (z. B. einer gewünschten Wellenlänge, welche die Bildgebung nicht stört) emittieren. Das Fokusdetektionslicht 245 kann durch eine reflektierende Oberfläche 246 reflektiert werden, um durch die VFL-Linse 270 zu gehen, und kann ferner durch eine reflektierende Oberfläche 246' in Richtung auf eine Detektorkonfiguration 277 reflektiert werden. Die Detektorkonfiguration 277 kann das Fokusdetektionslicht 245 eingeben und Signaldaten (z. B. einschließlich eines Fokusausgangssignals und/oder eines Fokuskontrollsignals usw.) auf einer Signalleitung bzw. einem Bus 278' an einen Abschnitt 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen des Steuersystemabschnitt 120 ausgeben. Die Lichtquelle 243 kann mit dem Steuersystemabschnitt 120 über eine Signalleitung bzw. einen Bus 244 verbunden sein.

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 direkte Verbindungen oder durch einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen 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 und/oder nicht unterscheidbar sein können. Die Beleuchtungssteuerschnittstelle 133 kann Beleuchtungssteuerelemente 133a, 133n, 133fl umfassen, die beispielsweise die Auswahl, die Energie, den Ein/Aus-Schalter und gegebenenfalls die Impulszeiteinstellung für die diversen entsprechenden Lichtquellen des Sichtsystems 100 steuern.

Gemäß den hier offenbarten Grundsätzen kann die Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 ferner einen Linsen-Controller bzw. eine Schnittstelle 271, einen Abschnitt 275 zum Verarbeiten von Fokussignalen und einen Abschnitt 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen umfassen, wie es mit Bezug auf 3 bis 6 ausführlicher beschrieben wird. Kurz gesagt kann der Linsen-Controller bzw. 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 bzw. die Schnittstelle 271 kann von einem Benutzer und/oder einem Betriebsprogramm konfiguriert oder gesteuert werden, und kann die Signalleitung 271' verwenden, um die VFL-Linse 270A zu steuern, um ihren 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. Der periodisch modulierte VFL-Linsenbrechwert definiert eine periodische Fokusmodulation. Wie es nachstehend mit Bezug auf 8 ausführlicher beschrieben wird, kann der Abschnitt 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen bei einer Umsetzung eine Halteschaltung umfassen, wobei eine Tastimpulseinstellung (z. B. für die Lichtquelle 230) das Halten eines entsprechenden Fokuskontrollsignalwertes auslöst, der eine Z-Höhe zu einem entsprechenden Bildbelichtungszeitpunkt angibt, der durch die Tastimpulseinstellung bestimmt wird. Wie es nachstehend mit Bezug auf 9 ausführlicher beschrieben wird, kann der Abschnitt 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen bei einer Umsetzung eine Vergleichsschaltung umfassen, die ein Fokuskontrollsignal und ein Referenzsignal bezüglich einer Z-Höhe eingibt, um eine steuerbare Stroboskoplichtquelle (z. B. die Lichtquelle 230) auf einer Z-Höhe auszulösen, auf die sich das Referenzsignal bezieht. Bei diversen Umsetzungen kann der Abschnitt 275 zum Verarbeiten von Fokussignalen zusätzlich oder alternativ ein Signal zum Angeben einer Fokusposition bereitstellen und/oder einen Fokuskontrollsignalwert bestimmen, der dem Zeitpunkt entspricht, zu dem die Signaldaten von der Kamera bzw. dem Detektor 260 (z. B. einschließlich eines Kameraabschnitts, eines konfokalen optischen Detektors usw.) angeben, dass sich eine abgebildete Werkstücksflächenregion in einer Fokusposition befindet.

Bei diversen Umsetzungen kann bzw. können die Bildgebungssteuerschnittstelle 131 und/oder der Linsen-Controller bzw. 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. Andere Systeme und Verfahren, die VFL-Linsen umfassen, werden 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, der 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 Werkstückinspektionsprogramm-Speicherabschnitt 142 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 Vorgänge in diversen Video-Tools unterstützt. Ein Autofokus-Video-Tool 143af kann die GUI, einen Bildverarbeitungsvorgang usw. für gewisse Vorgänge zum Messen der Fokushöhe bestimmen. Das Autofokus-Video-Tool 143af kann zusätzlich ein schnelles Fokushöhen-Tool umfassen, wie es in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 2014/0368726, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird, ausführlicher beschrieben wird. Bei diversen Umsetzungen kann die hier beschriebene optische Fokuskontrolle (z. B. einschließlich der Verwendung der Detektorkonfiguration 277, des Abschnitts 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen und/oder anderen dazugehörigen Elementen) zusammen mit einem oder mehreren der Video-Tools verwendet werden oder darin enthalten sein.

In Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, und wie es dem Fachmann bekannt ist, bezieht sich der Begriff „Video-Tool” im Allgemeinen auf automatische oder programmierte Vorgänge, die ein Benutzer der maschinellen Sicht über eine relativ einfache Benutzerschnittstelle umsetzen kann, ohne die Schritt-für-Schritt-Sequenz der Vorgänge zu erstellen, die in dem Video-Tool enthalten sind. Beispielsweise kann ein Video-Tool einen komplexen vorprogrammierten Satz von Bildverarbeitungsvorgängen umfassen, die insbesondere angewendet und spezifisch angepasst werden, indem einige Leitvariablen oder Parameter angepasst werden. 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 anzupassen. Die Merkmale der Benutzerschnittstelle werden manchmal als Video-Tool bezeichnet, wobei die zugrundeliegenden Vorgänge implizit einbezogen werden.

Die Signalleitung 262 von der Kamera bzw. dem Detektor 260, die Signalleitung 271' von der VFL-Linse 270, die Signalleitung 278' von der Detektorkonfiguration 277 und die Signalleitung 296 von dem steuerbaren Motor 294 sind mit der Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden. Zusätzlich dazu, dass sie Bilddaten führt, kann die Signalleitung 262 ein Signal von dem Controller 125 führen, das gewisse Prozesse einleitet (z. B. Bilderfassung, konfokale Helligkeitsmessung usw.).

Die Anzeigevorrichtungen 136 (z. B. die Anzeige 16 aus 1) und die Eingabevorrichtungen 138 (z. B. der Joystick 22, die Tastatur 24 und die Maus 26 aus 1) können auch mit der Ein-/Ausgabe-Schnittstelle 130 verbunden sein. Die Anzeigevorrichtungen 136 können bei einigen Ausführungsformen Merkmale der Benutzerschnittstelle anzeigen, die mit dem Linsen-Controller bzw. der Schnittstelle 271, dem Abschnitt 275 zum Verarbeiten von Fokussignalen, dem Abschnitt 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen usw. verknüpft sind.

3 ist ein schematisches Diagramm eines VFL-Linsensystems 300, das an ein Sichtsystem angepasst werden kann und gemäß den hier offenbarten Grundsätzen betätigt werden kann. Es versteht sich, dass gewisse nummerierte Bauteile 3XX aus 3 ähnlich nummerierten Bauteilen 2XX aus 2 entsprechen und/oder ähnliche Vorgänge aufweisen können, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Wie in 3 gezeigt, umfasst das VFL-Linsensystem 300 die Lichtquellen 330 und 343, eine Objektivlinse 350, eine Tubuslinse 351, eine Relaislinse 352, eine VFL-Linse 370, eine Relaislinse 386, einen Linsen-Controller 371, eine Kamera bzw. einen Detektor 360, einen optischen Fokuskontrollabschnitt 376 und einen Abschnitt 373 zum Kalibrieren von Fokuskontrollsignalen (FMS). Bei diversen Umsetzungen können die diversen Bauteile durch direkte Verbindungen oder einen oder mehrere Daten-/Steuerbusse (z. B. einen Systemsignal- und Steuerbus 395) und/oder Anwendungsprogrammierschnittstellen zusammengeschaltet sein.

Im Betrieb kann bei der in 3 gezeigten Umsetzung die Lichtquelle 330 eine „koaxiale” oder andere Lichtquelle sein, die konfiguriert ist, um das Ausgangslicht 332 (z. B. mit Stroboskop- oder Dauerbeleuchtung) 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 das Werkstücklicht 355 empfängt, das an einer Fokusposition FP in der Nähe des Werkstücks 320 fokussiert ist, und das Werkstücklicht 355 an die Tubuslinse 351 ausgibt. Die Tubuslinse 351 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Relaislinse 352 aus. Bei anderen Umsetzungen können analoge Lichtquellen das Blickfeld auf nicht koaxiale Art und Weise beleuchten, beispielsweise kann eine Ringlichtquelle das Blickfeld beleuchten. 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 kann eine der anderen hier erwähnten Linsen aus einzelnen Linsen, zusammengesetzten Linsen usw. gebildet sein oder in Verbindung damit funktionieren.

Die Relaislinse 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 die Relaislinse 386 aus. Die Relaislinse 386 empfängt das Werkstücklicht 355 und gibt es an die Kamera bzw. den Detektor 360 aus. Bei diversen Umsetzungen kann die Kamera bzw. der Detektor 360 ein Bild des Werkstücks 320 während einer Bildbelichtungsperiode aufnehmen und kann die Bilddaten einem Steuersystemabschnitt bereitstellen. Bei diversen Umsetzungen kann die Kamera bzw. der Detektor 360 zusätzlich oder alternativ einen konfokalen optischen Detektor oder dergleichen umfassen.

Bei diversen Umsetzungen kann der optionale Abschnitt 375 zum Verarbeiten von Fokussignalen Daten von der Kamera bzw. dem Detektor 360 eingeben und kann Daten oder Signale bereitstellen, die verwendet werden, um zu bestimmen, wann sich eine abgebildete Oberflächenregion (z. B. des Werkstücks 320) in einer Fokusposition befindet. Beispielsweise kann bzw. können bei einer Umsetzung, bei der die Kamera bzw. der Detektor 360 eine Kamera umfasst, ein oder mehrere Bilder, das bzw. die von der Kamera erfasst wird bzw. werden (z. B. ein Bildstapel), unter Verwendung einer bekannten „maximalen Kontrastanalyse” analysiert werden, um zu bestimmen, wann sich eine abgebildete Oberflächenregion des Werkstücks 320 in einer Fokusposition befindet. Beispielhafte Techniken für eine derartige Analyse werden in den US-Patenten Nr. 6,542,180 und 9,060,117 gelehrt, die jeweils gemeinsam übertragen sind und hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen werden. Bei einer Umsetzung, bei der die Kamera bzw. der Detektor 360 einen konfokalen optischen Detektor umfasst, können mindestens einige der Signaldaten einer abgetasteten konfokalen Helligkeit entsprechen. Bei einer derartigen Umsetzung kann der optionale Abschnitt 375 zum Verarbeiten von Fokussignalen während der periodischen Modulation des Brechwertes der VFL-Linse 370 verwendet werden, um zu bestimmen, wann eine maximale konfokale Helligkeit auftritt, wie sie einer Fokusposition des Werkstücks 320 entspricht.

Die VFL-Linse 370 ist elektronisch steuerbar, um die Fokusposition FP des Bildgebungssystems zu variieren (z. B. während oder zwischen einer oder mehreren Bildbelichtungen usw.). Die Fokusposition FP kann innerhalb eines Bereichs R bewegt werden, der durch eine Fokusposition FP1 und eine Fokusposition FP2 eingegrenzt 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 anderweitig automatisch bestimmt werden kann. Im Allgemeinen versteht es sich mit Bezug auf das Beispiel aus 3, dass einige der abgebildeten Dimensionen vielleicht nicht maßstabsgetreu sind. Beispielsweise kann die VFL-Linse 370 andere proportionale Dimensionen als die abgebildeten aufweisen (z. B. kann sie für gewisse Anwendungen nicht so breit sein und bis zu 50 mm lang oder länger sein, um eine gewünschte Menge von Linsenleistung bereitzustellen usw.).

Bei diversen Umsetzungen kann ein Sichtsystem ein Steuersystem (z. B. den Steuersystemabschnitt 120 aus 2) umfassen, das konfigurierbar ist, um in Verbindung mit einem Linsen-Controller 371 zu funktionieren oder die VFL-Linse 370 anderweitig zu steuern, um eine Fokusposition des VFL-Linsensystems 300 periodisch zu modulieren. Bei einigen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 die Fokusposition schnell anpassen oder periodisch modulieren. Bei diversen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 funktionieren, um die VFL-Linse 370 (z. B. eine TAG-Linse) auf einer Resonanzfrequenz anzusteuern, um den VFL-Linsenbrechwert über den Bereich von Brechwerten auf der Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren. Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann ein Fokuskontrollsignal in den Linsen-Controller 371 (z. B. als Rückkopplungssignal) eingegeben und verwendet werden, um die Steuerung der VFL-Linse 370 anzupassen. Bei diversen Umsetzungen kann die Anpassung der Steuerung der VFL-Linse 370 das Anpassen mindestens einer von Amplitude, Frequenz oder Phase der periodischen Modulation der VFL-Linse 370 umfassen.

Bei einer beispielhaften Umsetzung kann der Bereich R, über den die Fokusposition FP bewegt werden kann, annähernd 10 mm betragen (z. B. für eine 1X-Objektivlinse 350). Bei diversen Umsetzungen wird die VFL-Linse 370 vorteilhaft derart gewählt, dass sie keine makroskopischen mechanischen Anpassungen in dem Bildgebungssystem und/oder eine Anpassung des Abstands zwischen der Objektivlinse 350 und dem Werkstück 320 benötigt, um die Fokusposition FP zu ändern.

Bei diversen Umsetzungen kann die VFL-Linse 370 eine Linse 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 annähernd 600 KHz fähig.

Die VFL-Linse 370 kann durch den Linsen-Controller 371 angesteuert werden, der ein Signal generieren kann, um die VFL-Linse 370 zu betätigen. Bei einer Ausführungsform 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 (z. B. durch den Linsen-Controller bzw. die Schnittstelle 271, wie zuvor mit Bezug auf 2 angesprochen) konfiguriert oder gesteuert werden. Bei einigen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 die VFL-Linse 370 steuern, um ihren Brechwert (z. B. sinusförmig) periodisch zu modulieren und dadurch eine Fokusposition des Bildgebungssystems über eine Vielzahl von Fokuspositionen in einer Z-Höhenrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz (z. B. bis zu 400 kHz oder 600 kHz usw. hoch) periodisch zu modulieren, obwohl langsamere Modulationsfrequenzen der Fokusposition 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 periodische Fokuspositionsanpassungen verwendet werden, kann die VFL-Linse 370 eine steuerbare Fluidlinse oder dergleichen umfassen. Bei diversen Umsetzungen kann der periodisch modulierte VFL-Linsenbrechwert eine periodische Fokusmodulation definieren.

Bei diversen Umsetzungen kann der Linsen-Controller 371 einen Abschnitt 372 zum Generieren von Ansteuersignalen umfassen. Der Abschnitt 372 zum Generieren von Ansteuersignalen kann funktionieren (z. B. in Verbindung mit einem Taktgeber 372'), um ein periodisches Ansteuersignal für eine lichtstarke VFL, wie etwa eine TAG-Linse, bereitzustellen. Bei diversen Umsetzungen kann das periodische Signal die gleiche Betriebsfrequenz aufweisen wie der periodisch modulierte VFL-Linsenbrechwert, und bei einer TAG-Linse aus dem Stand der Technik wurde die annähernde Fokushöhe oder Z-Höhe einer TAG-Linse basierend auf einem gleichzeitigen Zustand des Ansteuersignals bestimmt. Auf Grund der hohen Fokusvariationsfrequenz und anderer Betriebskennzeichen einer TAG-Linse kann es jedoch sein, dass das Ansteuersignal gegenüber der tatsächlichen Fokushöhen- oder Z-Höhenvariation der TAG-Linse leicht versetzt ist, was zu Fehlern bei der Z-Höhenmessung und/oder der Notwendigkeit von komplizierten Fehlerausgleichsmethoden führt, wie etwa in der gleichzeitig anhängigen und gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/145,682, unter dem Titel ”Phase Difference Calibration In A Variable Focal Length Lens System”, eingereicht am 3. Mai 2016, beschrieben, die hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen wird. Die hier offenbarten Grundsätze können verwendet werden, um die Mängel aus dem Stand der Technik zu beheben und/oder die Notwendigkeit von komplizierten Fehlerausgleichmethoden zu beseitigen, um Präzisions-Z-Höhenmessungen für lichtstarke VFL, wie etwa eine TAG-Linse, bereitzustellen.

Gemäß den hier offenbarten Grundsätzen kann ein Fokuskontrollsignal bestimmt werden, das die periodische Fokusmodulation annähernd in Echtzeit direkt angibt, wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Bei diversen Umsetzungen kann der Abschnitt 373 zum Kalibrieren der Z-Höhe gegenüber dem Fokuskontrollsignal eine erste Kennzeichnung des Wertes der Z-Höhe gegenüber dem Fokuskontrollsignal bereitstellen, welche die jeweiligen Z-Höhen mit jeweiligen Werten des Fokuskontrollsignals verknüpft. Generell umfasst der Abschnitt 373 zum Kalibrieren der Z-Höhe gegenüber dem Fokuskontrollsignal aufgezeichnete Kalibrierungsdaten. Somit ist seine Darstellung in 3 als separates Element rein schematisch und nicht einschränkend. Die verknüpften aufgezeichneten Kalibrierungsdaten könnten mit dem Linsen-Controller 371 oder dem Linsen-Controller 371 oder dem optischen Fokuskontrollabschnitt 376 oder einem Host-Computersystem, das mit dem Systemsignal- und Steuerbus 395 verbunden ist, bei diversen Ausführungsformen zusammengelegt und/oder davon nicht unterscheidbar sein.

Wie es nachstehend mit Bezug auf 4 beschrieben wird, kann der optische Fokuskontrollabschnitt 376 Fokusdetektionslicht 345 eingeben, das durch die VFL-Linse 370 gegangen ist, und kann ein Fokusausgangssignal (z. B. ein Fokusausgangssignal aus einem Photodetector) erzeugen. Bei diversen Umsetzungen kann ein Fokuskontrollsignal basierend auf dem Fokusausgangssignal bereitgestellt werden. Beispielsweise kann bei einer Umsetzung das Fokusausgangssignal direkt als Fokuskontrollsignal bereitgestellt werden. Als anderes Beispiel kann bei einer alternativen Umsetzung das Fokuskontrollsignal basierend auf einer weiteren Signalverarbeitung des Fokusausgangssignals erzeugt werden.

Wie es nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann das VFL-Linsensystem 300 bei diversen Umsetzungen ferner einen Mustergenerator 343G umfassen, der kombiniert mit der Lichtquelle 343 ein eingegebenes Beleuchtungsmuster PATin generiert, das in die VFL-Linse 370 (z. B. eine TAG-Linse) eingegeben wird und das zu einem ausgegebenen Beleuchtungsmuster PATout von der VFL-Linse 370 führt. Bei diversen Umsetzungen kann ein Lichtweg der VFL-Linse 370 ferner einen ersten Strahlenteiler 346 und einen zweiten Strahlenteiler 346' umfassen. Der erste Strahlenteiler 346 befindet sich zwischen der Objektivlinse 350 und der VFL-Linse 370 und empfängt das Fokusdetektionslicht 345 von der Kontrolllichtquelle 343 und lenkt mindestens einen Teil des Fokusdetektionslichts 345, damit er durch die VFL-Linse 370 geht. Der zweite Strahlenteiler 346' befindet sich zwischen der VFL-Linse 370 und der Kamera bzw. dem Detektor 360 und empfängt das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout von der VFL-Linse 370 und lenkt das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout auf den optischen Fokuskontrollabschnitt 376, der einen Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen umfasst (z. B. wie es mit Bezug auf 4 bis 6 ausführlicher beschrieben wird).

Bei der spezifischen Konfiguration aus 3 erzeugt die Lichtquelle 343 kombiniert mit dem Mustergenerator 343G Fokusdetektionslicht 345 in der Form eines kollimierten Strahls (z. B. in der Form des eingegebenen Beleuchtungsmusters PATin), wovon mindestens ein Teil durch den Strahlenteiler 346 empfangen und gelenkt wird, damit es durch die VFL-Linse 370 geht. Der Strahlenteiler 346' empfängt mindestens einen Teil des Fokusdetektionslichts 345, das durch die VFL-Linse 370 gegangen ist (z. B. in der Form des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout) und lenkt das Fokusdetektionslicht auf den optischen Fokuskontrollabschnitt 376. Auf Grund des Positionierens und des Modulierens des Brechwertes der VFL-Linse 370 kann das Fokusdetektionslicht 345 von der VFL-Linse mit einer Divergenz/Konvergenz ausgegeben werden, für welche die äußeren Strahlendimensionen entsprechend moduliert werden und zwischen den maximalen äußeren Strahlengängen Bmax und den minimalen äußeren Strahlengängen Bmin variieren (die beispielsweise bewirken können, dass gewisse Dimensionen des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout entsprechend moduliert werden/variieren, wie es mit Bezug auf 4A, 4B und 5A bis 5D ausführlicher beschrieben wird).

Bei einer Umsetzung können die Strahlenteiler 346 und 346' dichroitische Strahlenteiler sein, und das Fokusdetektionslicht 345 aus der Lichtquelle 343 kann eine andere Wellenlänge als das Ausgangslicht 332 aus der Lichtquelle 330 aufweisen. Bei diversen Umsetzungen kann die Kontrolllichtquelle 343 das Fokusdetektionslicht 345 erzeugen, das aus einem ersten Satz von Wellenlängen besteht, und die Bildgebungslichtquelle 330 kann das Ausgangslicht 332 erzeugen, das aus einem zweiten Satz von Wellenlängen besteht, der den ersten Satz von Wellenlängen ausschließt. Die dichroitischen Strahlenteiler 346 und 346' können jeweils den ersten Satz von Wellenlängen reflektieren und den zweiten Satz von Wellenlängen durchlassen. Als ein Beispiel kann bei einer spezifischen Umsetzung die Lichtquelle 343 in einem Dauermodus betätigt werden und kann kollimiertes Fokusdetektionslicht 345 mit einer Wellenlänge von annähernd λ = 735 nm bereitstellen, für die einer oder die beiden dichroitischen Strahlenteiler 346 und 346' Kennzeichen wie etwa R > 720 nm und T < 700 nm aufweisen können (z. B. um das erwünschte Fokusdetektionslicht 345 aus der Lichtquelle 343 zu reflektieren und dabei Werkstücklicht 355, das sich aus dem Ausgangslicht 332 aus der Lichtquelle 330 ergibt, als durchgelassenes Licht zu der Kamera bzw. dem Detektor 360 durchzulassen, usw.).

Wie zuvor beschrieben, kann das Ausgangslicht 332 aus der Lichtquelle 330 auf eine abgebildete Oberflächenregion (z. B. des Werkstücks 320) gelenkt werden, um das Werkstücklicht 355 zu erzeugen (das beispielsweise verwendet wird, um ein Bild der abgebildeten Oberflächenregion zu erzeugen und/oder um zu bestimmen, wann die abgebildete Oberflächenregion scharf eingestellt ist), und für welches das Ausgangslicht 332 eine andere Wellenlänge aufweisen kann als das Fokusdetektionslicht 345 (wobei das Ausgangslicht 332 λ < 700 nm ist, während das Fokusdetektionslicht 345 λ > 720 nm ist, usw.). Bei diversen Umsetzungen kann die Verwendung einer 735 nm-LED für die Lichtquelle 343, um das Fokusdetektionslicht 345 zu erzeugen, gewisse Vorteile aufweisen (z. B. gute Anpassung an das Silizium-Ansprechvermögen und wenig oder gar keine Kohärenz/Speckle usw.). Als ein anderes Beispiel, bei dem mehr Leistung benötigt wird, kann ein 785/805 nm-Diodenlaser verwendet werden, der unterhalb eines Schwellenwertes betätigt wird, usw.

Bei diversen Umsetzungen kann eine Bildgebungskonfiguration derart ausgelegt sein, dass sie mindestens die Objektivlinse 350, die VFL-Linse 370, und die Kamera bzw. den Detektor 360 umfasst. Wie zuvor erwähnt, gibt die Objektivlinse 350 Werkstücklicht 355 von einer abgebildeten Oberflächenregion des Werkstücks 320 in das Blickfeld (FOV) der Bildgebungskonfiguration ein und lässt das Werkstücklicht 355 durch die VFL-Linse 370 hindurch, und die Kamera bzw. der Detektor 360 empfängt das Werkstücklicht von der VFL-Linse 370 und stellt ein Bild bereit, das an einer Fokalebene des Bildgebungssystems fokussiert ist, die mindestens eines von einem Fokusabstand oder einer Z-Höhe bezüglich der Bildgebungskonfiguration aufweist. Bei diversen Umsetzungen wird mindestens eines von dem Fokusabstand oder der Z-Höhe der Fokalebene des Bildgebungssystems durch den Brechwert der VFL-Linse gesteuert. Bei derartigen Umsetzungen kann ein Momentanwert des Fokuskontrollsignals, das durch den optischen Fokuskontrollabschnitt 376 erzeugt wird, mindestens eines von dem Momentan-Fokusabstand oder der Momentan-Z-Höhe der Fokalebene des Bildgebungssystems angeben. Bei diversen Umsetzungen kann bzw. können das Fokuskontrollsignal und/oder das Fokusausgangssignal ein zeitvariables Signal umfassen, das den Fokuszustand der VFL-Linse 370 in der gesamten Modulationsperiode mit hoher Genauigkeit angibt, und das zeitvariable Signal kann im Vergleich zu dem Fokuszustand ohne maßgebliche Latenz bereitgestellt werden. Bei einer spezifischen beispielhaften Konfiguration kann die periodische Modulation einer Frequenz von mindestens 50 kHz entsprechen, und das zeitvariable Signal kann im Vergleich zu dem Fokuszustand mit einer Latenz von nicht mehr als 100 Nanosekunden bereitgestellt werden. Bei einigen Ausführungsformen kann eine noch geringere Latenz erreicht werden, beispielsweise von nicht mehr als 50 Nanosekunden oder 25 Nanosekunden oder weniger. Geeignete ultraschnelle Photodetektoren und dazugehörige Verstärkungsschaltungen sind in der Technik bekannt und im Handel beispielsweise bei Hamamatsu Corporation, San Jose, Kalifornien, und/oder Newport Corporation, Santa Clara, Kalifornien, erhältlich. Derartige Photodetektoren können beispielsweise eine Anstiegszeit von etwa 40 Pikosekunden aufweisen. Die dazugehörige Latenz bzw. Signalverzögerung kann somit einem unbedeutenden Fokusmessfehler oder Z-Höhenfehler in einem Bildgebungssystem entsprechen, das eine periodisch modulierte lichtstarke VFL-Linse, wie etwa eine TAG-Linse, verwendet, indem die Fokusänderung während der kleinen Latenzperiode ein kleiner Teil der Schärfentiefe des Bildgebungssystems, das die VFL-Linse umfasst, sein kann. Bei diversen Umsetzungen kann eine eventuelle Restlatenz weiter kompensiert oder anderweitig durch Schaltungen (die beispielsweise in dem Abschnitt 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen aus 8 und 9 enthalten sind) und/oder durch andere Bauteile des VFL-Linsensystems 300 berücksichtigt werden. Es versteht sich, dass gemäß den hier offenbarten Grundsätzen die Kontrolle nahezu in Echtzeit des tatsächlichen Brechwertes der VFL-Linse Z-Höhenmessungen und/oder andere Vorgänge des VFL-Linsensystems ermöglicht, die trotz diverser Instabilitäten (z. B. Temperaturempfindlichkeit von Linsen oder Schaltungen), die sich auf die Verfahren aus dem Stand der Technik negativ auswirkten, genau ausgeführt.

Bei diversen Umsetzungen kann das Fokuskontrollsignal für diverse Zwecke bezüglich der Vorgänge des VFL-Linsensystems 300 verwendet werden. Beispielsweise kann das Fokuskontrollsignal in einen Controller eingegeben werden, der das Fokuskontrollsignal (z. B. als Rückkopplungssignal) verwenden kann, um die Steuerung der VFL-Linse 370 anzupassen. Als ein anderes Beispiel kann ein VFL-Linsensystem im Allgemeinen konfiguriert sein, um die Bildbelichtung unter Verwendung einer Bildbelichtungszeiteinstellung zu steuern, welche die entsprechende Fokalebene des Bildgebungssystems bestimmt. Das VFL-Linsensystem kann konfiguriert sein, um mindestens eine von einer Zeiteinstellung einer steuerbaren Stroboskoplichtquelle, die in dem VFL-Linsensystem enthalten ist, oder einer Zeiteinstellung einer steuerbaren Bildintegrationsperiode des Kameraabschnitts zu steuern, um die Bildbelichtungszeiteinstellung bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Halteschaltung konfiguriert sein, um einen Fokuskontrollsignalwert zu einem Zeitpunkt zu halten, welcher der Bildbelichtungszeiteinstellung entspricht, wobei der gehaltene Fokuskontrollsignalwert den Fokusabstand oder die Z-Höhe für die entsprechende Bildbelichtung angibt. Bei einigen Ausführungsformen kann eine Vergleichsschaltung konfiguriert sein, um das Fokuskontrollsignal einzugeben und ein Referenzsignal bezüglich eines gewünschten Fokusabstands oder einer Z-Höhe einzugeben und ein Auslösesignal auszugeben, das die Bildbelichtungszeiteinstellung steuert, damit sie stattfindet, wenn das Fokuskontrollsignal dem Referenzsignal entspricht. Bei einigen Ausführungsformen kann das Fokuskontrollsignal in den Controller eingegeben werden, um die Bildbelichtungszeiteinstellung zu steuern, oder der Fokuskontrollabschnitt 376 kann Schaltungen umfassen, die verwendet werden, um eine Tastimpulseinstellung der steuerbaren Stroboskoplichtquelle und/oder die Bildintegrationsperiode des Kameraabschnitts mindestens teilweise basierend auf dem Fokuskontrollsignal zu steuern. Beispielhafte spezifische Umsetzungen werden nachstehend mit Bezug auf 8 und 9 ausführlicher beschrieben.

Bei dem Beispiel aus 3 sind die ersten und zweiten Relaislinsen 352 und 386 und VFL-Linse 370 derart ausgelegt, dass sie in einer optischen 4f-Konfiguration enthalten sind, während die Relaislinse 352 und die Tubuslinse 351 derart ausgelegt sind, dass sie in einer Kepler-Teleskopkonfiguration enthalten sind, und die Tubuslinse 351 und die Objektivlinse 350 derart ausgelegt sind, dass sie in einer Mikroskopkonfiguration enthalten sind. Alle abgebildeten Konfigurationen sind als rein beispielhaft und mit Bezug auf die vorliegende Offenbarung nicht einschränkend zu verstehen. Bei diversen Umsetzungen ermöglicht es die abgebildete optische 4f-Konfiguration, die VFL-Linse 370 (die beispielsweise eine Vorrichtung mit geringer nummerischer Apertur (NA) ist, wie etwa eine TAG-Linse) auf einer Fourier-Ebene FPL der Objektivlinse 350 zu platzieren. Diese Konfiguration kann die Telezentrizität am Werkstück 320 bewahren und kann eine Maßstabsänderung und Bildverzerrung minimieren (z. B. kann sie auch eine konstante Vergrößerung für jede Z-Höhe des Werkstücks 320 und/oder Fokusposition FP bereitstellen). Die Kepler-Teleskopkonfiguration (z. B. einschließlich der Tubuslinse 351 und der Relaislinse 352) kann zwischen der Mikroskopkonfiguration und der optischen 4f-Konfiguration enthalten sein und kann konfiguriert sein, um eine gewünschte Größe der Projektion der freien Apertur der Objektivlinse an der Stelle der VFL-Linse bereitzustellen, um Bildaberrationen usw. zu minimieren.

4A und 4B sind Diagramme eines optischen Fokuskontrollabschnitts 376', der eine erste beispielhafte Umsetzung eines eingegebenen Beleuchtungsmusters PATin umfasst. Der optische Fokuskontrollabschnitt 376' ist als eine Umsetzung des optischen Fokuskontrollabschnitts 376, der in 3 gezeigt ist, zu verstehen. Der in 3 gezeigte Strahlenteiler 346' ist auf dem schematisch dargestellten Lichtweg, der in 4A gezeigt wird, der Übersichtlichkeit halber ausgelassen. Bei dem Beispiel aus 4A umfasst der optische Fokuskontrollabschnitt 376' eine Detektorkonfiguration 477' und einen Abschnitt 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen (der beispielsweise der Detektorkonfiguration 277 und dem Abschnitt 278 zum Verarbeiten von Detektorsignalen aus 2 entsprechen oder ansonsten ähnlich sein kann). Die Detektorkonfiguration 477' umfasst einen ersten Abschnitt DP1 zum Detektieren von optischen Fokussignalen, der eine erste Kontrolllinse LNS1 und einen ersten optischen Detektor DET1 umfasst. Der erste optische Detektor DET1 umfasst einen ersten Fokusphotodetektor PD1 und eine erste Filterkonfiguration MSK1 (z. B. eine Maske). Wie es nachstehend mit Bezug auf 6 ausführlicher beschrieben wird, kann bei einer alternativen Konfiguration ein zweiter Detektorabschnitt DP2 als Teil einer Detektorkonfiguration enthalten sein.

Wie zuvor mit Bezug auf 3 beschrieben, ist die Kontrolllichtquelle 343 konfiguriert, um das Fokusdetektionslicht 345 während der periodischen Modulation in die VFL-Linse 370 einzugeben. Bei den Beispielen aus 4A bis 6 ist die VFL-Linse 370 als TAG-Linse ausgelegt. Wie in 4A abgebildet, ist das eingegebene Fokusdetektionslicht 345 bei einigen Ausführungsformen konfiguriert, um eine eingegebene Menge von Lichtenergie Ein bereitzustellen, die in dem eingegebenen Beleuchtungsmuster PATin (z. B. wie durch den Mustergenerator 343G aus 3 generiert) verteilt ist, das eine annähernd konstante Größe aufweist (wie beispielsweise durch einen konstanten Durchmesser Din usw. angegeben). Bei einigen Ausführungsformen ist die eingegebene Menge von Lichtenergie annähernd konstant. Das Fokusdetektionslicht 345 ist in dem eingegebenen Beleuchtungsmuster PATin mindestens annähernd kollimiert.

Bei diversen Umsetzungen kann das eingegebene Fokusdetektionslicht 345 in der Form des eingegebenen Beleuchtungsmusters PATin einen statischen Lichtstrahl umfassen. Bei einer derartigen Umsetzung kann der statische Lichtstrahl einen Raumquerschnitt von Licht umfassen, der eine begrenzende Apertur, die in der TAG-Linse 370 enthalten ist, überfüllt, und die begrenzende Apertur in der TAG-Linse 370 kann eine annähernd konstante Größe (die beispielsweise den Durchmesser Din usw. umfasst) des eingegebenen Beleuchtungsmusters PATin definieren. Bei einer anderen derartigen Umsetzung kann der statische Lichtstrahl in dem eingegebenen Beleuchtungsmuster PATin konfiguriert sein, das eine konstante Größe aufweist, die klein genug ist, damit das gesamte eingegebene Beleuchtungsmuster PATin durch die TAG-Linse 370 geht, um ein ausgegebenes Beleuchtungsmuster PATout zu bilden.

Bei diversen Umsetzungen wird mindestens ein mittlerer Abschnitt des eingegebenen Beleuchtungsmusters PATin durch die TAG-Linse 370 während der periodischen Modulation durchgelassen, um das entsprechende ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout von der TAG-Linse 370 bereitzustellen, wobei das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout eine Größe und Intensität aufweist, die von dem Brechwert der TAG-Linse 370 abhängig sind. Wie beispielsweise in 4B abgebildet, kann das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout eine Größe aufweisen, die zwischen einem maximalen Durchmesser Dout_max und einem minimalen Durchmesser Dout_min moduliert wird/variiert. Diese Variation ist mindestens teilweise auf die Tatsache zurückzuführen, dass durch das Positionieren und Modulieren des Brechwertes der TAG-Linse 370 das Fokusdetektionslicht 345 von der TAG-Linse mit einer Divergenz/Konvergenz ausgegeben wird, für welche die äußeren Strahlendimensionen zwischen den maximalen äußeren Strahlenganggrenzen Bmax und den minimalen äußeren Strahlenganggrenzen Bmin entsprechend moduliert werden und variieren.

Der Abschnitt DP1 zum Detektieren von optischen Fokussignalen ist in einem annähernd konstanten Abstand von der TAG-Linse 370 positioniert, um das Fokusdetektionslicht 345 zu empfangen, das in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster PATout enthalten ist, das von der TAG-Linse 370 ausgegeben wird. Die erste Kontrolllinse LNS1 fokussiert das Fokusdetektionslicht in Richtung auf die erste Filterkonfiguration MSK1 und den ersten Fokusphotodetektor PD1. Bei diversen Umsetzungen kann bzw. können die erste Filterkonfiguration MSK1 und/oder der erste Fokusphotodetektor PD1 an oder in der Nähe der schärfsten Einstellung der ersten Kontrolllinse LNS1 positioniert sein. Bei diversen Umsetzungen gibt die erste Kontrolllinse LNS1 das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout ein und lässt es verkleinert an die Filterkonfiguration MSK1 durch. Der Fokusphotodetektor PD1 stellt ein Fokusausgangssignal 478A (das beispielsweise der Signalleitung/dem Bus 278' aus 2 entspricht) bereit, das bezüglich der Gesamtlichtenergie variiert, die der Fokusphotodetektor PD1 empfängt, wobei die Filterkonfiguration MSK1 das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout empfängt und die Menge von enthaltenem Fokusdetektionslicht 345 begrenzt, die den Fokusphotodetektor PD1 erreicht.

Bei dem Beispiel aus 4A und 4B umfasst das eingegebene Beleuchtungsmuster PATin ein Raummuster und ist derart konfiguriert, dass das entsprechende ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout, das von der TAG-Linse ausgegeben wird, ein Raummuster umfasst. Die Filterkonfiguration MSK1 umfasst eine räumlich filternde Apertur AP1, die durch die Grenzen des Fokusphotodetektors PD1 definiert ist (z. B. so dass die Menge des Raummusters PATout, die den Fokusphotodetektor PD1 erreicht, eine erste vorgegebene Größe im Verhältnis zu dem Betriebsbereich des Fokusphotodetektors PD1 aufweist), und das Raummuster PATout überfüllt die Apertur AP1 und/oder den Fokusphotodetektor PD1 zu jeder Zeit während der periodischen Modulation.

Ein Fokuskontrollsignal wird basierend auf dem Fokusausgangssignal 478A bereitgestellt, das von dem Fokusphotodetektor PD1 bereitgestellt wird. Bei einer Umsetzung kann das Fokusausgangssignal 478A einem verstärkten Fokuskontrollsignal entsprechen und als solches direkt bereitgestellt werden. Bei einer alternativen Umsetzung kann das Fokusausgangssignal 478A eine zusätzliche Signalverarbeitung erfahren und/oder anderweitig geändert werden (z. B. durch bekannte Linearisierungs- und/oder Normierungsschaltungstechniken), und das verarbeitete/geänderte Signal, das auf dem ersten Fokusausgangssignal 478A basiert, kann als Fokuskontrollsignal bereitgestellt werden. Bei einigen Umsetzungen, wie es mit Bezug auf 8 und 9 ausführlicher beschrieben wird, kann ein Abschnitt 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen das erste Fokusausgangssignal 478A eingeben und verarbeitet es (z. B. kombiniert mit anderen Signalen), um ein Ausgangssignal 479 auszugeben (wie es beispielsweise verwendet wird, um eine steuerbare Stroboskoplichtquelle auszulösen oder um eine Z-Höhe zu bestimmen, die dem Zeitpunkt entspricht, zu dem eine steuerbare Stroboskoplichtquelle ausgelöst wurde, usw.).

Bei diversen Umsetzungen kann der Fokusphotodetektor PD1 ein schneller Photodetektor sein, der zum genauen Kontrollieren des schnell wechselnden Brechwertes der TAG-Linse 370 in Echtzeit verwendet wird. Beispielsweise kann der Brechwert der VFL-Linse 370 bei gewissen Umsetzungen mit Raten von bis zu 50 kHz, 70 kHz oder 250 kHz oder 400 kHz usw. moduliert werden, wofür ein schneller Fokusphotodetektor (beispielsweise wie hier zuvor angesprochen) zum genauen Kontrollieren mit minimaler Latenz notwendig sein kann. Bei einigen Umsetzungen kann der Fokusphotodetektor PD1 kann eine schnelle Silizium-Photodiode (SiPD) mit Vorspannung in Sperrrichtung sein, die einen Transimpedanzverstärker verwendet. Ein Beispiel von Vorrichtungen und Schaltungen, die bei derartigen Konfigurationen verwendet werden können, wird beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4,029,976, 8,907,729 und 6,064,507 beschrieben, die jeweils hiermit zur Bezugnahme vollständig übernommen werden.

5A bis 5D sind Diagramme eines optischen Fokuskontrollabschnitts 376'', der eine zweite beispielhafte Umsetzung eines eingegebenen Beleuchtungsmusters PATin' umfasst, und die verschiedene Konfigurationen von räumlich filternden Aperturen AP1' bis AP1''' und entsprechenden Filterkonfigurationen MSK1' bis MSK1'', die bei diversen Umsetzungen zu verwenden sind, abbilden. Diverse Elemente aus 5A bis 5D können ähnlich oder identisch wie die aus 4A und 4B sein, wobei sie ähnliche oder identische Bezugszeichen umfassen und es sich versteht, dass sie ähnlich funktionieren, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Bei dem Beispiel aus 5A umfasst der optische Fokuskontrollabschnitt 376'' eine Detektorkonfiguration 477'' und den Abschnitt 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen. Die Detektorkonfiguration 477'' umfasst einen ersten Abschnitt DP1 zum Detektieren von optischen Fokussignalen', der eine erste Kontrolllinse LNS1 und einen ersten optischen Detektor DET1' umfasst. Der erste optische Detektor DET1' umfasst einen ersten Fokusphotodetektor PD1 und eine erste Filterkonfiguration MSK1' (z. B. eine Maske).

Ein Unterschied der Konfiguration aus 5A im Vergleich zu der Konfiguration aus 4A besteht darin, dass das eingegebene Beleuchtungsmuster PATin' ein ringförmiges Muster ist, das derart konfiguriert ist, dass das entsprechende ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout' ebenfalls ein ringförmiges Muster umfasst (z. B. ein Kreisringmuster). Wie in 5B bis 5D abgebildet, weist das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout' eine Größe auf, die zwischen einem maximalen Durchmesser Dout_max mit einer entsprechenden maximalen Musterdicke T_Dout_max und einem minimalen Durchmesser Dout_min mit einer entsprechenden minimalen Musterdicke T_Dout_min moduliert wird/variiert.

5B bis 5D bilden verschiedene Umsetzungen der Filterkonfigurationen MSK1' bis MSK1'' (z. B. Masken) ab, die jeweils verschiedene Arten von räumlich filternden Aperturen AP1' bis AP1'' umfassen. Wie es nachstehend mit Bezug auf 7 ausführlicher beschrieben wird, führen die verschiedenen Filterkonfigurationen MSK1' bis MSK1''' zu verschiedenen Arten von Beziehungen zwischen einem Fokuskontrollsignal und einer bestimmten Z-Höhe (Fokusabstand). Wie in 5B und 5C gezeigt, weisen für jede der Filterkonfigurationen MSK1' und MSK1'' die räumlich filternden Aperturen AP1' und AP1'' der Masken unterschiedliche Formen auf. Genauer gesagt weist die räumlich filternde Apertur AP1' eine konstante Breite Wap' auf, während die räumlich filternde Apertur AP1'' gekrümmt ist und eine Breite Wap'' aufweist, die durch eine Funktion kDout^2 definiert ist. Jede der Masken der Filterkonfigurationen MSK1' und MSK1'' blockiert einen blockierten Abschnitt des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout zu jeder Zeit während der periodischen Modulation. Jede der räumlich filternden Aperturen AP1' und AP1'' lässt auch einen Durchlassabschnitt des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout zu jeder Zeit durch. Zudem ist jede der räumlich filternden Aperturen AP1' und AP1'' derart gestaltet, dass das Verhältnis des Durchlassabschnitts zu dem blockierten Abschnitt des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout je nach der Größe des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout variiert. Dies ist anders als beispielsweise eine „tortenförmige'' räumlich filternde Apertur, für die das Verhältnis des Durchlassabschnitts zu dem blockierten Abschnitt konstant bleiben würde. Wie es nachstehend mit Bezug auf 7 ausführlicher beschrieben wird, bewirkt die Form der räumlich filternden Apertur AP1'' (d. h. für die Wap'' = kDout^2), dass das Fokusausgangssignal und/oder das Fokuskontrollsignal zu dem Fokuszustand des Linsensystems mit variabler Brennweite (VFL) proportional ist.

Wie in 5D gezeigt, umfasst die Filterkonfiguration MSK1''' eine Maske, die ein Dichtefilter AP1''' umfasst, das ein nicht einheitliches Dichtemuster aufweist, das konfiguriert ist, um das Durchlassen des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout je nach der Größe (z. B. dem Durchmesser Dout) des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout zu mindern. Bei dem Beispiel aus 5D ist das nicht einheitliche Dichtemuster achsensymmetrisch und die Dichte variiert als Funktion des Radius innerhalb des Musters (z. B. als eine Funktion von Dout definiert, wie etwa Dichte = kDout). Das Dichtefilter AP1''' ist konfiguriert, um das gesamte ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout zu jeder Zeit während der periodischen Modulation zu empfangen und zu dem Photodetektor PD1 durchzulassen, jedoch durch das nicht einheitliche Dichtemuster gefiltert. Wie es nachstehend mit Bezug auf 7 ausführlicher beschrieben wird, kann das nicht einheitliche Dichtemuster des Dichtefilters AP1''' (z. B. mit einer Durchlassfunktion wie etwa Dichte = kDout) bewirken, dass das Fokusausgangssignal und/oder das Fokuskontrollsignal zu dem Fokuszustand des Linsensystems mit variabler Brennweite (VFL) proportional ist.

6 ist ein Diagramm eines optischen Fokuskontrollabschnitts 376''', der einen Normierungsabschnitt DP2 umfasst. Gewisse Elemente aus 6 sind ähnlich oder identisch wie die aus 4A, 4B und 5A bis 5D, wobei sie ähnliche oder identische Bezugszeichen umfassen und es sich versteht, dass sie ähnlich funktionieren, soweit nachstehend nicht anderweitig beschrieben. Insbesondere kann der Abschnitt DP1'' zum Detektieren von optischen Fokussignalen ähnlich konfiguriert sein wie eine der zuvor angesprochenen Ausführungsformen der Abschnitte zum Detektieren von optischen Fokussignalen DP1 oder DP1'. Bei dem Beispiel aus 6 umfasst der optische Fokuskontrollabschnitt 376''' eine Detektorkonfiguration 477''' und den Abschnitt 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen. Die Detektorkonfiguration 477''' umfasst einen Strahlenteiler BS1, den ersten Abschnitt DP1'' zum Detektieren von optischen Fokussignalen und einen zweiten Abschnitt DP2 zum Detektieren von optischen Fokussignalen (z. B. auch als Abschnitt DP2 zum Detektieren von Normierungssignalen bezeichnet). Der erste Abschnitt DP1'' zum Detektieren von optischen Fokussignalen umfasst eine erste Kontrolllinse LNS1 und einen ersten optischen Detektor DET1''. Der erste optische Detektor DET1'' umfasst einen ersten Fokusphotodetektor PD1 und eine erste Filterkonfiguration MSK1'' (z. B. eine Maske). Der Abschnitt DP2 zum Detektieren von Normierungssignalen umfasst eine zweite Kontrolllinse LNS2 (z. B. auch als Normierungslinse LNS2 bezeichnet) und einen zweiten optischen Detektor DET2 (z. B. auch als optischer Normierungsdetektor DET2 bezeichnet), der einen zweiten Fokusphotodetektor PD2 (z. B. auch als Normierungsphotodetektor PD2 bezeichnet) umfasst.

Im Betrieb empfängt der Strahlenteiler BS1 (z. B. ein nicht polarisierender 50/50-Strahlenteiler) das Fokusdetektionslicht 345 als Teil des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout (z. B. von dem Strahlenteiler 346' aus 3), das durch die TAG-Linse 370 gegangen ist, und lässt mindestens einen Teil des Fokusdetektionslichts als erstes geteiltes ausgegebenes Beleuchtungsmuster in Richtung auf den Abschnitt DP1'' zum Detektieren von optischen Fokussignalen durch, der gemäß den zuvor angesprochenen Grundsätzen funktioniert. Mindestens ein Teil des Fokusdetektionslichts wird auch als zweites geteiltes ausgegebenes Beleuchtungsmuster in Richtung auf den Abschnitt DP2 zum Detektieren von Normierungssignalen gelenkt. Der Abschnitt DP2 zum Detektieren von Normierungssignalen, der die Normierungslinse LNS2 umfasst, gibt das gesamte zweite geteilte ausgegebene Beleuchtungsmuster ein und lässt das gesamte zweite geteilte ausgegebene Beleuchtungsmuster zu dem Normierungsphotodetektor PD2 verkleinert durch, wobei der Normierungsphotodetektor PD2 ein Normierungsausgangssignal 478B bereitstellt (das beispielsweise der Signalleitung bzw. dem Bus 278' aus 2 entspricht), das in Bezug auf die Gesamtlichtenergie, die es empfängt, variiert. Bei diversen Umsetzungen kann der Abschnitt 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen eine Fokuskontrollausgangsschaltung umfassen oder Teil sein von, die konfiguriert ist, um das Fokusausgangssignal 478A und das Normierungsausgangssignal Signal 478B einzugeben und um ein normiertes Fokusausgangssignal und/oder ein normiertes Fokuskontrollsignal zu erzeugen, wobei die Variationen des Fokusausgangssignals 478A auf Grund von Variationen der Gesamtlichtmenge, die in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster PATout enthalten ist, basierend auf dem Normierungsausgangssignal 478B gemäß bekannten Techniken kompensiert werden (z. B. durch Dividieren des Fokusausgangssignals 478A durch das Normierungsausgangssignal 478B).

7 ist ein Diagramm einer Grafik 700, welche die Beziehungen zwischen einem Fokuskontrollsignal (wie es beispielsweise von einem Fokusphotodetektor ausgegeben wird) und einer Z-Höhe (Fokusabstand) für diverse Konfigurationen zum Kontrollieren eines optischen Fokus zeigt. Wie in 7 abgebildet, stellt eine Linie 710 die Ausgabe von dem Fokusphotodetektor PD1 dar, wenn die Filterkonfiguration MSK1 aus 4B verwendet wird. Eine Linie 720 stellt die Ausgabe von dem Fokusphotodetektor PD1 dar, wenn die Filterkonfiguration MSK1' aus 5B verwendet wird. Eine Linie 730 stellt die Ausgabe von dem Fokusphotodetektor PD1 dar, wenn die Filterkonfiguration MSK1'' aus 5C verwendet wird oder wenn die Filterkonfiguration MSK1''' aus 5D verwendet wird. Die Linien 710 bis 730 sind mit Bezug auf die folgenden Gleichungen besser zu verstehen. In den folgenden Gleichungen ist eine Konstante K bezeichnet als einen kombinierten Wert aller Konstanten, die in der Gleichung existieren können, darstellend ausgelegt, so dass für jede Gleichung, in der ein oder mehrere konstante Werte vorliegt bzw. vorliegen, nur eine gattungsgemäße Konstante K abgebildet ist.

Als erste relevante Gleichung kann die Intensität i(t) in dem Muster auf der Maskenebene dargestellt sein durch: i(t) = Ein/A(t)(Gl. 1)wobei Ein die Gesamtenergie in dem Eingangsmuster PATin ist und A(t) die Gesamtfläche in dem Ausgangsmuster auf der Maskenebene ist. Für das Signal S(t): S(t) = I(t)·Tr(Gl. 2)wobei Tr die Durchlassfläche oder alternativ die Durchlassfläche mal einem Filterkoeffizienten sein kann. In die folgenden Gleichungen wird vorausgesetzt, dass Zfocus zu Dout annähernd proportional ist, so dass: Zfocus(t) = K(Dout(t))(Gl. 3)

Für das Raummuster und Punktkonfiguration aus 4A und 4B: A(t) = pi·(Dout(t)/2)2(Gl. 4)für die, falls die festgelegte Maskenapertur (Tr = Konstante) aus 4B verwendet wird, die immer überfüllt ist, das Signal zur Intensität proportional ist. D. h.: S(t) = K·i(t) = K[Ein/pi·(Dout(t)/2)2](Gl. 5)

Vorausgesetzt Ein ist konstant (wie es bei einigen Ausführungsformen sein kann) und durch Umstellen (und Verwenden von K wie zuvor angemerkt, um eine beliebige geänderte Konstante der Proportionalität darzustellen): S(t) = K/(Dout(t)/2)2(Gl. 6)woraus sich: Zfocus(t) = K[(1/S(t)]½(Gl. 7)ergibt.

D. h. Zfocus ist annähernd invers proportional zur Quadratwurzel des Signals S(t). Bei diversen Umsetzungen kann eine entsprechende Kalibrierungstabelle bereitgestellt werden oder eine Umwandlung kann analytisch erfolgen. Für das ringförmige Muster und die Filterkonfiguration aus 5B: A(t) ≃ pi·[Dout(t)·T(Dout)](Gl. 8)für welche die Filterkonfiguration MSK1' die Maskenapertur AP1' verwendet, die eine konstante Breite Wap' für alle Werte von D (oder Dout) aufweist. Bei einer derartigen Konfiguration: Tr = 2·Wap'·T(Dout)(Gl. 9)

Mit Bezug auf GLEICHUNG 2 und durch Einsetzten für Tr unter Verwendung von GLEICHUNG 9 und für i(t) unter Verwendung von GLEICHUNG 1: S(t)= i(t)·Tr = Tr·i(t) = Tr·[Ein/A(t)] = Wap'·T(Dout)·[Ein/A(t)](Gl. 10)und weiter durch Einsetzen für A(t) unter Verwendung von GLEICHUNG 8: S(t) = Wap'·T(Dout) Ein/[pi·Dout(t)·T(Dout)](Gl. 11)

Vorausgesetzt Ein ist konstant (wie es bei einigen Ausführungsformen sein kann) und durch Umstellen (und Verwenden von K als geänderte Konstante der Proportionalität für Ein und pi usw.): S(t)= K·Wap'/Dout(t)(Gl. 12)

Bei einer Umsetzung, bei der Zfocus zu Dout annähernd proportional ist, ergibt dies: Zfocus(t) = KWap'/S(t)(Gl. 13)

Oder, da Wap' bei der Ausführungsform aus 5B konstant ist: Zfocus(t) = K/S(t)(Gl. 14)

D. h. Zfocus ist annähernd invers proportional zu dem Signal S(t), wie durch die Linie 720 aus 7 angegeben. Mit Bezug auf die obigen Gleichungen versteht es sich, dass die Form der Apertur verwendet werden kann, um die Beziehung zwischen Zfocus und dem Signal S(t) zu beeinflussen.

Wenn dieses Konzept verwendet wird, falls Wap' = K·Dout2 in GLEICHUNG 12, dann ist das Signal proportional zu Dout und dadurch ist Zfocus(t) proportional zu dem Signal S(t). Eine derartige Konfiguration ist in 5C abgebildet (wo sich beispielsweise die Apertur AP1'' wie ein Horn mit zunehmendem D aufweitet, so dass sie einen größeren Abschnitt oder Winkel des ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout' für ein größeres Dout begrenzt). Alternativ verwendet bei der Konfiguration aus 5D die Filterkonfiguration MSK1'' das gesamte ringförmige ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout', filtert es jedoch durch eine „Apertur”, die ein Dichtefilter AP1''' umfasst. Statt durch eine Maskenaperturbreite zu filtern, wird das ausgegebene Beleuchtungsmuster PATout' für eine derartige Konfiguration durch eine Maskendichtefunktion, die eine Funktion von Dout ist, gefiltert. Diese Dichtefilterfunktion F(Dout) ist analog zu der zuvor mit Bezug auf 5C besprochenen Breitenfunktion Wap''. D. h. 360 Grad des ringförmigen ausgegebenen Beleuchtungsmusters PATout' werden immer durchgelassen, werden jedoch mit einem Durchlasskoeffizienten F(Dout) durchgelassen, der von dem Durchmesser abhängig ist, statt durch eine „Aperturbreite”, die von dem Durchmesser abhängig ist. Analog zu den vorherigen Gleichungen und weil das gesamte ausgegebene Muster immer durch das Filter durchgelassen wird, gilt für diese Konfiguration: Tr = F(Dout)·A(t)(Gl. 15)

In diesem Fall definiert F(Dout) die Proportion des Durchlassens. Bei derartigen Fällen bedeutet ein größeres F ein größeres Durchlassen. Mit Bezug auf GLEICHUNG 2 und durch Einsetzen für Tr unter Verwendung von GLEICHUNG 15 und für i(t) unter Verwendung von GLEICHUNG 1: S(t) = i(t)·Tr = Tr·i(t) = Tr·[Ein/A(t)]
= F(Dout)·A(t)·[Ein/A(t)](Gl. 16)
wobei K eine geänderte Konstante der Proportionalität für Ein bedeutet usw., wodurch die GLEICHUNG 16 vereinfacht wird, und unter der Anmerkung, dass Dout eine Funktion der Zeit Dout(t) ist: S(t) = K·F(Dout(t))(Gl. 17)

D. h. das Ausgangssignal S(t) ist im Allgemeinen zu dem Wert der Dichtefunktion an einem beliebigen bestimmten Ausgangsmusterdurchmesser des ausgegebenen ringförmigen Musters zu diesem bestimmten Zeitpunkt proportional. Derartige Konfigurationen bedeuten, dass eine beliebige Dichtefunktion gewählt werden kann, um ein bestimmtes Signal in Bezug auf einen bestimmten Wert von Dout und/oder Zfocus zu erstellen. Falls beispielsweise: F(Dout) = K·Dout(Gl. 18)und durch Einsetzen von GLEICHUNG 18 in GLEICHUNG 16: S(t) = K·Dout(t)(Gl. 19)

Bei Umsetzungen, bei denen Zfocus zu Dout mindestens annähernd proportional ist, bedeutet dies, dass: Zfocus(t) = (1/K)·S(t)(Gl. 20)

Somit ist für diese bestimmte Dichtefunktion für die Konfiguration aus 5D das Signal proportional zu Dout, was bedeutet, dass Zfocus(t) zu dem Signal S(t) proportional ist, das bei diversen Umsetzungen eine praktische Konfiguration zum intuitiven Verständnis des Systems und zur Signalverarbeitung usw. sein kann. Es sei zu beachten, dass dieses Ergebnis ähnlich wie das zuvor erwähnte Ergebnis für Wap'' = K·Dout2 für die Konfiguration aus 5C ist.

8 ist ein schematisches Diagramm einer ersten beispielhaften Umsetzung eines Abschnitts 478' zum Verarbeiten von Detektorsignalen (z. B. als eine Umsetzung des Abschnitts 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen aus 4A und 5A). Wie in 8 gezeigt, umfasst der Abschnitt 478' zum Verarbeiten von Detektorsignalen eine Halteschaltung 810, die das Fokusausgangssignal 478A als Fokuskontrollsignal (das beispielsweise durch den Fokusphotodetektor PD1 aus 4A oder 5A bereitgestellt wird) empfängt, und ein Haltesignal 812 empfängt, und ein Ausgangssignal 479' bereitstellt. Bei einer Umsetzung kann das Haltesignal 812 einem Tastimpulseinstellsignal (z. B. für die Lichtquelle 330) entsprechen, das eine entsprechende Zeiteinstellung zum Abbilden einer Oberflächenregion eines Werkstücks 320 im Blickfeld (FOV) der Bildgebungskonfiguration bestimmt. Bei einer derartigen Umsetzung löst die Tastimpulseinstellung in dem Haltesignal 812 in der Halteschaltung 810 ein Halten eines entsprechenden Fokuskontrollsignalwertes aus, wobei der gehaltene Fokuskontrollsignalwert als Ausgangssignal 479' bereitgestellt wird und die Z-Höhe zu der entsprechenden Bildbelichtungszeiteinstellung angibt, die durch die Tastimpulseinstellung bestimmt wird. 9 ist ein schematisches Diagramm einer zweiten beispielhaften Umsetzung eines Abschnitts 478'' zum Verarbeiten von Detektorsignalen (z. B. als eine Umsetzung des Abschnitts 478 zum Verarbeiten von Detektorsignalen aus 4A und 5A). Wie in 9 gezeigt, umfasst der Abschnitt 478'' zum Verarbeiten von Detektorsignalen eine Vergleichsschaltung 910, die das Fokusausgangssignal 478A als Fokuskontrollsignal (das beispielsweise durch den Fokusphotodetektor PD1 aus 4A oder 5A bereitgestellt wird) empfängt, und ein Referenzsignal 912 empfängt und ein Ausgangssignal 479'' bereitstellt. Bei einer Umsetzung kann das Referenzsignal 912 mit einem Fokuskontrollsignalwert zusammenhängen, der einer gewünschten Z-Höhe zum Abbilden einer Oberflächenregion eines Werkstücks 320 im Blickfeld (FOV) der Bildgebungskonfiguration entspricht. Beispielsweise kann das Referenzsignal 912 aus gespeicherten Daten in dem Abschnitt 373 zum Kalibrieren der Z-Höhe gegenüber dem Fokuskontrollsignal bestimmt werden. Im Betrieb der Vergleichsschaltung 910 löst das Referenzsignal 912 eine Tastimpulseinstellung an dem Ausgangssignal 479'' für eine steuerbare Stroboskoplichtquelle (z. B. die Lichtquelle 330) aus, wenn die Fokusmodulation des Bildgebungssystems wie durch das Fokuskontrollsignal 478A angegeben auf der Z-Höhe, mit der das Referenzsignal 912 zusammenhängt, liegt.

10 ist ein Ablaufschema, das eine beispielhafte Umsetzung einer Routine 1000 zum Betätigen eines VFL-Linsensystems darstellt. In einem Block 1010 wird eine TAG-Linse, die Teil eines VFL-Systems ist, betätigt, um den TAG-Linsenbrechwert über einen Bereich von Brechwerten mit einer Betriebsfrequenz periodisch zu modulieren. In einem Block 1020 wird ein Fokusdetektionslicht während der periodischen Modulation in die TAG-Linse eingegeben, wobei das eingegebene Fokusdetektionslicht konfiguriert ist, um eine eingegebene Menge von Lichtenergie bereitzustellen, die in einem eingegebene Beleuchtungsmuster verteilt ist, das eine annähernd konstante Größe aufweist. Bei einigen Ausführungsformen ist die eingegebene Menge von Lichtenergie annähernd konstant. In einem Block 1030 wird mindestens ein mittlerer Abschnitt des eingegebenen Beleuchtungsmusters während der periodischen Modulation durch die TAG-Linse durchgelassen, wodurch ein entsprechendes ausgegebenes Beleuchtungsmuster von der TAG-Linse bereitgestellt wird, wobei das ausgegebene Beleuchtungsmuster eine Größe und Intensität aufweist, die von dem Brechwert der TAG-Linse abhängig sind.

In einem Block 1040 wird Fokusdetektionslicht, das in dem ausgegebenen Beleuchtungsmuster enthalten ist, unter Verwendung eines Abschnitts zum Detektieren von optischen Fokussignalen, der in einem annähernd konstanten Abstand von der TAG-Linse positioniert ist, empfangen. Bei diversen Umsetzungen umfasst der Abschnitt zum Detektieren von optischen Fokussignalen eine Filterkonfiguration und einen Photodetektor, der ein Fokusausgangssignal bereitstellt, das bezüglich der Gesamtlichtenergie variiert, die er empfängt, wobei die Filterkonfiguration das ausgegebene Beleuchtungsmuster empfängt und die Menge von enthaltenem Fokusdetektionslicht begrenzt, das den Photodetektor erreicht. In einem Block 1050 wird ein Fokuskontrollsignal basierend auf dem Fokusausgangssignal bereitgestellt, das durch den Photodetektor bereitgestellt wird, wobei das Fokuskontrollsignal den Fokuszustand des VFL-Linsensystems mit hoher Genauigkeit und ohne wesentliche Latenz wiedergibt.

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. Beispielsweise ist bei einigen der obigen Beispiele und Ausführungsformen die Funktionsweise einfacher zu erklären und zu verstehen unter der Voraussetzung, dass eine annähernd konstante Menge von Lichtenergie in einem eingegebenen Beleuchtungsmuster verteilt ist, das eine annähernd konstante Größe aufweist, wobei das Fokusausgangssignal (z. B. in einer verstärkten Form) bei einigen Ausführungsformen als Fokuskontrollsignal verwendet werden kann. Diese Ausführungsformen sind jedoch nur beispielhaft und nicht einschränkend. Insbesondere offenbart die in 6 gezeigte Ausführungsform das Bereitstellen und Verwenden eines Normierungsausgangssignals. Bei einer derartigen Ausführungsform können das Fokusausgangssignal und das Normierungsausgangssignal kombiniert verwendet werden, um ein „normiertes Fokusausgangssignal” bereitzustellen, das als zuverlässiges Fokuskontrollsignal verwendet werden kann. Es ist nicht notwendig, dass die eingegebene Lichtenergie bei einer derartigen Ausführungsform konstant ist. Bei einer anderen alternativen Ausführungsform kann das Fokusausgangssignal (oder ein normiertes Fokusausgangssignal) als Rückkopplung verwendet werden, um die Lichtquelle 330 zu regeln, um das Fokusausgangssignal (oder ein normiertes Fokusausgangssignal) konstant zu halten. Die Lichtquelle kann typischerweise auf einer sehr hohen Frequenz geregelt werden (z. B. Korrekturfrequenzen von 5 bis 20 MHz). Bei einer derartigen Ausführungsform kann ein Fokuskontrollsignal basierend auf dem Pegel des Lichtquellenansteuersignals bereitgestellt werden, das verwendet wird, um das konstante Fokusausgangssignal zu bewahren.

Die vorstehenden Beispiele erläutern, dass diverse alternative Formen verwendet werden können, 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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Zitierte Patentliteratur

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  • US 2015/0145980 [0027]
  • US 2014/0368726 [0028]
  • US 6542180 [0035]
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  • US 4029976 [0058]
  • US 8907729 [0058]
  • US 6064507 [0058]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Artikels „High-Speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens” (Optics Letters, Bd. 33, Nr. 18, 15. September 2008) [0039]