[发明专利]用于高速周期性调制的可变焦距透镜的自动聚焦系统

说明书

一种用于提供自动聚焦图像的系统包括：包括高速周期调制的可变焦距(VFL)透镜的成像系统、VFL透镜控制器、VFL投射光源、聚焦确定部分、曝光定时调整电路、和曝光选通时间控制器。聚焦确定部分包括光学检测器，其输入通过VFL透镜投射到工件并从工件反射的反射的VFL投射光，并提供聚焦偏差信号。曝光定时调整电路基于聚焦偏差信号提供曝光定时调整信号，其指示当成像系统聚焦Z高度与工件表面Z高度近似重合时的时间。曝光选通时间控制器使用曝光定时调整信号来调整图像曝光时间，使得成像系统聚焦Z高度在调整后的图像曝光时间与工件表面Z高度重合。

相关申请的交叉引用

本申请是于2016年5月3日提交的标题为“PHASE DIFFERENCE CALIBRATION IN AVARIABLE FOCAL LENGTH LENS SYSTEM”的美国专利申请第15/145,682号(通过全文引用将其公开并入本文)的部分继续申请。

技术领域

本公开涉及精密计量学，更具体地涉及机器视觉检查系统和其它光学系统，其中可以使用可变焦距透镜周期性地调制聚焦位置。

背景技术

精密机器视觉检查系统(或简称为“视觉系统”)可用于对象的精确测量并检查其它对象特性。这样的系统可以包括计算机、相机、光学系统、和移动以允许工件遍历(traversal)的台(stage)。表征为通用“离线”精密视觉系统的一个示例性系统是从位于伊利诺伊州奥罗拉的三丰美国公司(MAC)可获得的QUICK系列基于PC的视觉系统和软件。QUICK 系列视觉系统和软件的特征和操作通常在例如2003年1月发表的“QVPAK3D CNC Vision Measuring Machine User’s Guide(视觉测量机用户指南)”(通过全文引用将其并入本文)中进行了描述。这种类型的系统使用显微镜型光学系统，并且移动该台以提供各种放大率(magnification)的小或大的工件的检查图像。

在各种应用中，期望在静止或不间断移动检查系统中对于高通量执行高速测量。关于聚焦良好的检查图像和Z高度测量(其通常基于“最佳聚焦”高度确定)，检查图像获取速率和可以执行Z高度测量的速率可能受到Z高度聚焦位置调整速率或运动速度的限制。传统的机器视觉检查系统可以利用各种类型的测量操作(例如，来自聚焦的点(points-from-focus)操作等)，其需要相机的移动通过Z高度位置的范围。在共焦系统中，可能类似地需要移动通过Z高度位置的范围(例如，以确定导致最大共焦亮度的位置等)。在这样的系统中，可以执行Z高度测量的速度可能受到系统的一个或多个物理部件的运动的限制，以提供Z高度位置的范围。

为了克服这些运动约束，诸如创新的电子变形透镜和/或可调谐声学梯度透镜(TAG透镜)的可变焦透镜(VFL)能够被周期性地调制并且以非常高的速率(例如，在TAG透镜的情况下，为70KHz以上)改变聚焦位置。然而，以非常高的精度且以与其潜在的聚焦变化速率相称的速率自动确定并调整其图像聚焦位置到特定表面已被证明是有问题的。对于用于高速精密检查操作的各种高速可变焦透镜，需要改进的用于自动确定和调整图像聚焦位置的系统和方法。

发明内容

提供此发明内容部分以便以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式部分中进一步描述。此发明内容部分并非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。

如上所述，一般来说，如下已知方法比期望的慢：使包括高速周期性调制的VFL透镜的成像系统自动聚焦在特定工件表面，以便对该特定表面成像和/或建立其特定的Z高度。已知的方法非理想地适用于利用高速周期性调制的VFL透镜的特性，特别是与在使用TAG透镜时潜在可能提供的极高聚焦率相关的限制因素。

这里且特别参考图8至图14而公开的是，可用于在可操作以使用包括高速周期性调制的VFL透镜的成像系统提供自动聚焦的图像的系统的各种实施方式中，解决上述问题的元件、原理和操作的组合。所公开的实施方式对于与TAG透镜组合使用来说，是特别有利的。