具有光焦度监测的可变焦距透镜系统技术方案

提供了一种可变焦距(VFL)透镜系统，包含VFL透镜、VFL透镜控制器、物镜、相机和光焦度监测配置。在标准工件成像模式期间，物镜将工件光沿着成像光学路径穿过VFL透镜透射到相机，这提供对应的工件图像曝光。在光焦度监测模式期间，光焦度监测配置产生所监测的束图案，束图案沿着成像光学路径的穿过VFL透镜到相机的至少一部分行进，这提供监测图像曝光。在VFL透镜的周期性调制的不同相位定时处获得不同的监测图像曝光，并且在每个监测图像曝光中测量与在对应的相位定时处的VFL透镜的光焦度相关的所监测的束图案的尺寸。

Variable Focus Lens System with Optical Focus Monitoring

A variable focal length (VFL) lens system is provided, which includes VFL lens, VFL lens controller, objective lens, camera and optical focus monitoring configuration. During the standard workpiece imaging mode, the objective transmits the workpiece light along the imaging optical path through the VFL lens to the camera, which provides the corresponding workpiece image exposure. During the optical focus monitoring mode, the optical focus monitoring configuration generates the monitored beam pattern, which travels along the imaging optical path through the VFL lens to at least part of the camera, which provides the exposure of the monitored image. Different monitoring image exposures are obtained at different phase timing of the periodically modulated VFL lens, and the size of the monitored beam pattern related to the focal power of the VFL lens at the corresponding phase timing is measured in each monitoring image exposure.

【技术实现步骤摘要】
具有光焦度监测的可变焦距透镜系统
本公开涉及使用高速可变焦距透镜(例如，在机器视觉检测系统中)的精密度量，并且更具体地涉及监测成像系统中的高速可变焦距透镜的光焦度(opticalpower)。
技术介绍
诸如精密机器视觉检测系统(或简称“视觉系统”)的精密非接触式度量系统可以用于获得物体的精确尺寸测量并检测各种其它物体特性，并且可以包含计算机、相机和光学系统、以及移动以允许工件横穿和检测的精密台。一个示例性现有技术系统是可以从位于伊利诺伊州奥罗拉市的MitutoyoAmerica公司(MAC)获得的基于PC的视觉系统的系列和软件。在例如2003年1月发布的QVPAK3DCNC视觉测量机用户指南和1996年9月发布的QVPAK3DCNC视觉测量机操作指南中总体上描述了系列视觉系统和软件的特征和操作，其全部内容在此通过引入并入本文。这种类型的系统使用显微镜型光学系统并且使台移动，以便提供小的或相对大的工件的检测图像。通用精密机器视觉检测系统通常是可编程的，以提供自动视频检测。这种系统典型地包含GUI特征和预定义图像分析“视频工具”，使得操作和编程可以由“非专家”操作员执行。例如，美国专利No.6,542,180(其全部内容通过引用并入本文)教导了使用自动视频检测的视觉系统，其包含使用各种视频工具。多透镜可变焦距(VFL)光学系统可以用在成像系统中，以观察和精确测量表面高度。成像系统可以被包含在显微镜系统和/或精密机器视觉检测系统中，例如美国专利No.9,143,674中所公开的，该专利的全部内容通过引用并入本文。简而言之，VFL透镜能够分别在多个焦距处获得多个图像。一种类型的已知VFL透镜是可调谐声学梯度(“TAG”)透镜。TAG透镜是高速VFL透镜，其在流体介质中使用声波来产生透镜效应。可以通过以谐振频率将电场施加到围绕流体介质的压电管来产生声波。声波在透镜的流体中产生时变的密度和折射率分布，调制其光焦度和焦距或焦点位置。TAG透镜可以以高达几百kHz的谐振频率(即，以高速)周期性地扫描焦距的范围。通过文章《具有可调声学梯度折射率透镜的高速变焦成像(Highspeedvarifocalimagingwithatunableacousticgradientindexofrefractionlens)》(OpticsLetters，第33卷，No.18，2008年9月15日)的教导可以更详细地理解这种透镜，在此通过引用将其全部内容并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和相关的可控信号发生器可以从例如新泽西州普林斯顿市的TAGOptics公司获得。例如，型号TL2.B.xxx系列透镜能够调制高达约600kHz。虽然这种VFL透镜能够被周期性地调制并且以非常高的速率改变焦点位置，但是诸如温度的条件上的变化可能引起光焦度和调制频率的变化，这可能影响系统性能和精度。能够提供关于这些问题的改进的成像系统将是合乎期望的。
技术实现思路
提供本
技术实现思路
是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本
技术实现思路
不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。提供可变焦距(VFL)透镜系统，包含VFL透镜、VFL透镜控制器、物镜、相机和光焦度监测配置OPM。在各种实施方式中，VFL透镜可以是可调谐声学梯度折射率(TAG)透镜。VFL透镜控制器控制VFL透镜，以在操作频率下光焦度的范围上周期性地调制VFL透镜的光焦度。物镜在工件成像模式期间输入从工件表面产生的工件光，并且沿着穿过VFL透镜的成像光学路径透射工件光。在工件成像模式期间，相机接收由VFL透镜沿成像光学路径透射的工件光，并且提供对应的工件图像曝光。光焦度监测配置包含监测束发生器，其包括光源和束图案元件，束图案元件输入来自光源的光并输出所监测的束图案。在各种实施方式中，光焦度监测配置在光焦度监测模式期间沿着成像光学路径的至少一部分透射所监测的束图案，以穿过VFL透镜行进到相机。在光焦度监测模式期间，相机提供监测图像曝光，监测图像曝光包含在VFL透镜的周期性调制中的对应的相位定时期间的所监测的束图案。监测图像曝光中的所监测的束图案的尺寸与在对应的相位定时期间的VFL透镜的光焦度相关。在各种实施方式中，可以在VFL透镜的周期性调制的不同相位定时(例如，在对应于0度、180度和90度的相位定时)处获得不同的监测图像曝光。可以测量每个监测图像曝光中的所监测的束图案的尺寸，并且可以与校准值进行比较。基于比较，可以对系统进行调节(例如，可以对VFL透镜的操作进行调节，以使VFL透镜的光焦度更接近校准水平)。附图说明图1是示出通用精密机器视觉检测系统的各种典型部件的图；图2是类似于图1的机器视觉检测系统的控制系统部分和视觉部件部分的框图，并且包含本文所公开的某些特征；图3是成像系统的示意图，该成像系统可以适用于精密非接触式度量系统(诸如机器视觉检测系统)，并且根据本文所公开的原理操作；图4是说明用于操作包含VFL透镜的成像系统的例程的示例性实施方式的流程图；图5A-5C是示出了对应于不同相位定时的不同监测图像曝光中的所监测的束图案的图；图6是说明与所储存的校准值相比，用于分析诸如图5A-5C的监测图像曝光的例程的示例性实施方式的流程图；以及图7是示出用于确定和储存诸如在图6的分析中使用的校准值的校准值的例程的示例性实施方式的流程图。具体实施方式图1是根据本文描述的方法可以用作成像系统的一个示例性机器视觉检测系统10的框图。机器视觉检测系统10包含视觉测量机12，其可操作地连接以与控制计算机系统14交换数据和控制信号。控制计算机系统14还可操作地连接以与监视器或显示器16、打印机18、操纵杆22、键盘24和鼠标26交换数据和控制信号。监视器或显示器16可以显示适合于控制和/或编程机器视觉检测系统10的操作的用户界面。应当理解，在各种实施方式中，触摸屏平板电脑等可以代替和/或冗余地提供计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24、以及鼠标26中的任意的或全部的功能。本领域技术人员将理解，控制计算机系统14通常可以由任何计算系统或装置构成。合适的计算系统或装置可以包含个人计算机、服务器计算机、小型计算机、大型计算机，包含前述任何内容的分布式计算环境等。这种计算系统或装置可以包含执行软件以进行本文描述的功能的一个或多个处理器。处理器包含可编程通用或专用微处理器、可编程控制器、应用专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等等，或这些装置的组合。软件可以储存在存储器中，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪速存储器等，或这些部件的组合。软件还可以储存在一个或多个储存装置中，诸如基于光学的盘、闪速存储器装置、或者用于储存数据的任何其它类型的非易失性储存介质。软件可以包含一个或多个程序模块，其包含进行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。在分布式计算环境中，程序模块的功能可以跨多个计算系统或装置组合或分布，并且可以经由有线或无线配置中的服务调用来访问。视觉测量机12包含可移动工件台32和光学成像系统34，光学成像系统34可以包含变焦透镜或可互换透镜。变焦透镜或可互换透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可变焦距透镜系统，包括：可变焦距透镜；可变焦距透镜控制器，所述可变焦距透镜控制器控制所述可变焦距透镜，以在操作频率下在光焦度的范围上周期性地调制所述可变焦距透镜的光焦度；物镜，所述物镜输入在工件成像模式期间从工件表面产生的工件光，并且沿穿过所述可变焦距透镜的成像光学路径透射所述工件光；相机，所述相机接收在所述工件成像模式期间沿着所述成像光学路径由所述可变焦距透镜透射的所述工件光，并且提供对应的工件图像曝光；以及光焦度监测配置，包括监测束发生器，所述监测束发生器包括光源和束图案元件，所述束图案元件输入来自所述光源的光并输出所监测的束图案，其中：所述光焦度监测配置在光焦度监测模式期间沿着所述成像光学路径的至少一部分透射所述所监测的束图案，以穿过所述可变焦距透镜行进到所述相机；所述相机提供至少第一监测图像曝光，所述第一监测图像曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的至少第一相位定时期间的所述所监测的束图案；并且所述第一监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第一相位定时期间所述可变焦距透镜的光焦度相关。

【技术特征摘要】
2017.09.29 US 15/721,1121.一种可变焦距透镜系统，包括：可变焦距透镜；可变焦距透镜控制器，所述可变焦距透镜控制器控制所述可变焦距透镜，以在操作频率下在光焦度的范围上周期性地调制所述可变焦距透镜的光焦度；物镜，所述物镜输入在工件成像模式期间从工件表面产生的工件光，并且沿穿过所述可变焦距透镜的成像光学路径透射所述工件光；相机，所述相机接收在所述工件成像模式期间沿着所述成像光学路径由所述可变焦距透镜透射的所述工件光，并且提供对应的工件图像曝光；以及光焦度监测配置，包括监测束发生器，所述监测束发生器包括光源和束图案元件，所述束图案元件输入来自所述光源的光并输出所监测的束图案，其中：所述光焦度监测配置在光焦度监测模式期间沿着所述成像光学路径的至少一部分透射所述所监测的束图案，以穿过所述可变焦距透镜行进到所述相机；所述相机提供至少第一监测图像曝光，所述第一监测图像曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的至少第一相位定时期间的所述所监测的束图案；并且所述第一监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第一相位定时期间所述可变焦距透镜的光焦度相关。2.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中所述束图案元件包括孔径元件，所述孔径元件包含位于所述光源与所述成像光学路径之间的孔径，并且其中在所述光焦度监测模式期间穿过所述孔径的来自所述光源的光被输出为所述所监测的束图案的光，所述所监测的束图案的光被沿着所述成像光学路径的至少一部分导向，以在所述第一监测图像曝光中形成所述所监测的束图案的图像。3.如权利要求1所述的可变焦距透镜系统，其中：相机还提供至少第二监测图像曝光，所述第二监测图像曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的第二相位定时期间的所述所监测的束图案；所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第二相位定时期间所述可变焦距透镜的光焦度相关。4.如权利要求3所述的可变焦距透镜系统，其中所述第一相位定时和所述第二相位定时相隔大约180度。5.如权利要求4所述的可变焦距透镜系统，其中：所述相机还提供至少第三监测图像曝光，所述第三监测图案曝光包含在所述光焦度监测模式期间所述可变焦距透镜的周期性调制的第三相位定时期间的所述所监测的束图案；所述第三监测图像曝光中的所述所监测的束图案的尺寸与所述第三相位定时期间的所述可变焦距透镜的光焦度相关；并且所述第三相位定时大约在所述第一相位定时与所述第二相位定时之间的中间，对应于与所述第一相位定时和所述第二相位定时中的每一个相差大约90度。6.如权利要求3所述的可变焦距透镜系统，其中，测量所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的至少一个尺寸。7.如权利要求6所述的可变焦距透镜系统，其中，所述至少一个尺寸至少包含在所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中的所述所监测的束图案的直径，并且所述测量的直径用于确定至少一个测量值，将所述至少一个测量值与至少一个所储存的校准值进行比较，并且所述可变焦距透镜控制器至少部分地基于所述至少一个测量值与所述至少一个校准值的比较来进行对所述可变焦距透镜的操作的调节。8.如权利要求6所述的可变焦距透镜系统，其中：至少一个尺寸至少包含所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光中所述所监测的束图案的直径；所述测量的直径还与所述相位定时期间的所述可变焦距透镜的光学放大率或对应于所述第一监测图像曝光和所述第二监测图像曝光的光焦度相关；并且以至少部分地基于所述第一监...

【专利技术属性】
技术研发人员：PG格拉德尼克，RK布里尔，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：日本,JP