可调放大率光学系统中的可变焦距透镜的可适应操作频率的制作方法

本公开涉及精密计量，并且更具体地涉及诸如机器视觉检验系统的可调放大率光学系统。

背景技术：

在诸如精密机器视觉检验系统(或者简称为“视觉系统”)的精密非接触式计量系统中可以采用可调放大率光学系统。可以利用这种视觉系统来实现物体的精密尺寸测量，以及检验各种其他物体特性，并且这种视觉系统可以包含：计算机、相机和光学系统以及精密台，该精密台移动以允许工件横移和检验。表征为通用“离线”精密视觉系统的一个示例性现有技术系统是从位于伊利诺斯州，奥罗拉的Mitutoyo America Corporation(MAC)可获得的基于PC的QUICK系列视觉系统和软件。例如，在2003年1月出版的QVPAK 3D CNC视觉测量机用户指南和1996年9月出版的QVPAK 3D CNC视觉测量机操作指南中一般描述了QUICK系列视觉系统和软件的特征和操作，每个在此通过引用其整体并入本文。这种类型的系统采用显微式光学系统，并且移动台来以各种放大率提供小工件或者相对大工件的检验图像。

通用精密机器视觉检验系统通常可编程以提供自动化视频检验。这种系统典型地包含GUI特征和预定的图像分析“视频工具”，使得“非专家”操作者能够执行操作和编程。例如，通过引用其全部并入本文的美国专利No.6,542,180教导了一种采用自动化视频检验的视觉系统，其包含各种视频工具的使用。

在各种应用中，为了在静止的或者无停止移动的检验系统中实现高吞吐量，希望执行高速自动聚焦和/或者其他操作以有助于高速测量。传统机器视觉检验系统中的自动聚焦和需要聚焦的其他操作的速度受到相机在Z高度位置范围内的运动的限制。需要一种采用替换方法的改进型自动聚焦和/或者其他操作，该替换方法以高速采集对焦距离范围内的图像(例如，用于测量Z高度位置的图像栈)，特别是其能够在不损害图像中的聚焦范围、图像质量和/或者尺寸精度的情况下以不同放大率级操作。

技术实现要素：

提供本发明内容来以简化方式引入构思的选择，下面的具体说明将进一步描述该构思。本发明内容不旨在识别要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助判定要求保护的主题的范围。

提供了一种用于精密非接触式计量系统(例如，诸如机器视觉系统、测量显微镜等等)中的成像系统。在各种实现中，成像系统的光路包含可变放大率透镜部和可变焦距透镜部。可变放大率透镜部能够在对成像系统提供相对低放大率的第一放大率状态与对成像系统提供相对高放大率的第二放大率状态之间改变。可变焦距透镜部可以包含提供可以第一或者第二频率调制的周期性调制焦距的可变焦距透镜(下面称为“VFL透镜”)，在成像系统使用的图像曝光周期中，第一或者第二频率每个提供多个调制周期。作为一种具体示例，在能够以每秒30帧采集视频图像并且对其VFL透镜可以以30kHz或更高的频率操作的示例性成像系统中，在成像系统使用的每个图像曝光周期中，可以有1000个以上的调制周期。

在各种实现中，可变焦距透镜部可配置为在第一频率和第一调制幅值被操作，以在利用第一放大率状态操作成像系统时提供VFL透镜的周期性调制焦距的第一范围。在第一放大率状态期间，第一范围可以对应于成像系统的对焦距离范围。可变焦距透镜部还可以配置为在第二频率和第二调制幅值被操作，以在利用第二放大率状态操作成像系统时提供VFL透镜的周期性调制焦距的第二范围。第二范围可以大于第一范围，并且在第二放大率状态期间，第二范围可以对应于成像系统的对焦距离范围。

附图说明

图1是示出通用精密机器视觉检验系统的各种典型部件的示意图；

图2是与图1所示类似并且包含在此公开的特征的机器视觉检验系统的控制系统部和视觉部件部的框图；

图3是可以适用于诸如机器视觉检验系统的精密非接触式计量系统并且根据在此公开的原理操作的成像系统的示意图；

图4是示出当一种可变焦距透镜以固定谐振频率操作时与放大率有关的显微特性的曲线图；

图5是示出一种可变焦距透镜的透镜性能与谐振频率的关系的曲线图；

图6是示出当一种可变焦距透镜以对应于不同放大率的不同谐振频率操作时与放大率有关的显微特性的曲线图；以及

图7是示出用于操作包含可变焦距透镜的成像系统的例程的一种示例性实现的流程图。

具体实施方式

图1是可以根据在此描述的方法使用的一种示例性机器视觉检验系统10的框图。机器视觉检验系统10包含视觉测量机12，其被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也被可操作地连接以与监视器或者显示器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。监视器或者显示器16可以显示适合对机器视觉检验系统10的操作进行控制和/或编程的用户界面。应当明白，在各种实现中，触摸屏平板电脑等等可以代替和/或冗余地提供计算机系统14、显示器16、操纵杆22、键盘24和鼠标26中的任何一个或者全部的功能。

本技术领域的技术人员将明白，控制计算机系统14一般可以由任意计算系统或者设备构成。适当的计算系统或者设备可以包含：个人计算机、服务器计算机、微型计算机、大型计算机、包含上述中的任何一个的分布式计算环境等等。这种计算系统或者设备可以包含一个或者多个处理器，该处理器执行软件以执行在此描述的功能。处理器包含可编程通用或者专用微处理器、可编程控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)等等或者这些器件的组合。软件可以储存于存储器中，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存存储器等等，或者这些部件的组合。软件还可以储存于一个或者多个储存装置中，诸如光盘、闪存存储装置、或者用于储存数据的任何其他类型的非易失性储存介质。软件可以包含一个或者多个程序模块，其包含例程、程序、对象、部件、数据结构等等，其执行特定任务或者实现特定抽象数据类型。在分布式计算环境中，可以组合或者在多个计算系统或者设备之间分布程序模块的功能，并且可以通过在有线或者无线配置中经由服务调用访问所述程序模块的功能。

视觉测量机12包含可移动工件台32和光学成像系统34，该光学成像系统34可以包含变焦透镜或者可更换透镜。变焦透镜或者可更换透镜一般对光学成像系统34提供的图像提供各种放大率。共同受让的美国专利No.7,454,053、No.7,324,682、No.8,111,905和No.8,111,938中也描述了机器视觉检验系统10，每个在此通过引用其整体并入本文。

图2是与图1的机器视觉检验系统类似并且包含在此描述的特征的机器视觉检验系统100的控制系统部120和视觉部件部200的框图。如下所做的更详细描述，利用控制系统部120控制视觉部件部200。视觉部件部200包含：光学组件部205、光源220、230和240以及具有中心透明部212的工件台210。工件台210沿着x轴和y轴可控地可移动，x轴和y轴位于一般平行于可以放置工件20的台的表面的平面。

光学组件部205包含：相机系统260、可更换物镜250，并且可以包含旋转透镜(turret lens)组件280，该旋转透镜组件280具有透镜286和288。作为旋转透镜组件的替代，可以包含固定或者手动可更换的变放大率透镜或者变焦透镜配置等等。在各种实现中，作为光学组件部205的可变放大率透镜部的一部分，可以包含各种透镜。在各种实现中，可更换物镜250可以在作为可变放大率透镜部的一部分而包含的一组固定放大率物镜中选择(例如，对应于诸如0.5x、1x、2x或者2.5x、5x、10x、20x或者25x、50x、100x等等放大率的一组物镜)。

利用可控电机294，光学组件部205沿着z轴可控地可移动，z轴一般与x轴和y轴正交，该可控电机294驱动致动器使光学组件部205沿着z轴移动，以改变工件20的图像的聚焦。可控电机294通过信号线296连接到输入/输出接口130。要利用机器视觉检验系统100成像的工件20或者用于保持多个工件20的托盘或者固定件位于工件台210上。可以控制工件台210以相对于光学组件部205移动，使得可更换物镜250在工件20的各位置之间和/或者在多个工件20之间移动。

一个或者多个台灯220、同轴灯230和面灯240(例如，环等)可以分别发出源光222、232和/或242，以照亮工件或者多个工件20。同轴灯230可以沿着包含反射镜290的路径发出光232。源光被反射或者透射为工件光255，并且用于成像的工件光通过可更换物镜250和旋转透镜组件280，并且由相机系统260采集。相机系统260捕获的(多个)工件20的图像在信号线262上输出到控制系统部120。光源220、230和240可以分别通过信号线或者总线221、231和241连接到控制系统部120。控制系统部120可以通过信号线或者总线281使旋转透镜组件280沿着轴284旋转，以选择旋转透镜，从而改变图像放大率。

如图2所示，在各种示例性实现中，控制系统部120包含：控制器125、输入/输出接口130、存储器140、工件程序生成器与执行器170、以及功率供给部190。通过一个或者多个数据/控制总线和/或应用编程接口或者通过各种元件之间的直接连接，可以互连这些部件中的每个以及下面描述的附加部件。输入/输出接口130包含：成像控制接口131、运动控制接口132、照明控制接口133、以及透镜控制接口134。透镜控制接口134可以包含透镜控制器，该透镜控制器包含透镜聚焦操作电路和/或例程等等。透镜控制接口134还可以包含放大率变化调节模式134m，当进行放大率变化或者检测到放大率变化时，可以选择或者自动执行放大率变化调节模式134m。下面将参考图3－6更详细描述与放大率变化调节模式134m关联的操作和部件。

在各种实现中，成像控制接口131可以包含延伸景深模式，如共同未决且共同受让的美国专利申请No.2015/0145980中更详细描述的，在此通过引用其整体并入本文。用户可以选择延伸景深模式，以便以比聚焦在单个聚焦位置时视觉部件部200可以提供的景深大的景深提供工件的至少一个图像(例如，合成图像)。运动控制接口132可以包含：位置控制元件132a以及速度/加速度控制元件132b，当然也可以将这样的元件合并和/或者不加区分。照明控制接口133可以包含照明控制元件133a、133n和133fl，在适用的情况下，照明控制元件133a、133n和133fl可以对用于机器视觉检验系统100的各种相应光源的例如选择、功率、导通/断开切换以及选通脉冲定时进行控制。

存储器140可以包含：图像文件存储部141；边缘检测存储部140ed；工件程序存储部142；以及视频工具部143，该工件程序存储部142可以包含一个或者多个部分程序(part program)等等。视频工具部143包含：视频工具部143a和其他视频工具部(例如，143n)，其判定每个相应视频工具的GUI、图像处理操作等等；以及感兴趣区(ROI)生成器143roi，该感兴趣区(ROI)生成器143roi支持定义在包含在视频工具部143中的各种视频工具中可操作的各种ROI的自动、半自动和/或手动操作。视频工具部还包含自动聚焦视频工具143af，该自动聚焦视频工具143af判定用于聚焦高度测量操作的GUI、图像处理操作等等。在各种实现中，自动聚焦视频工具143af可以附加地包含高速聚焦高度工具，该高速聚焦高度工具可被用于使用图3中描述的硬件高速测量聚焦高度，如共同未决且共同受让的美国专利申请No.2014/0368726中更详细描述的，在此通过引用其整体并入本文。在各种实现中，高速聚焦高度工具可以是自动聚焦视频工具143af的特殊模式，该自动聚焦视频工具143af还可以根据用于自动聚焦视频工具的传统方法操作，或者自动聚焦视频工具143af的操作可以仅包含高速聚焦高度工具的操作。

在本公开的情境中，并且本技术领域的普通技术人员知道，术语“视频工具”通常指自动或编程的操作的相对复合的组，机器视觉用户可以通过相对简单的用户界面(例如，图形用户界面、可编辑参数窗口、菜单等等)实现该自动或者编程的操作，而无需创建包含在视频工具中的逐步序列操作，也无需借助基于通用文本的编程语言等。例如，视频工具可以包含图像处理操作和计算的复合预编程组，在特定实例中，通过调节管控操作和计算的几个变量或者参数应用和定制该图像处理操作和计算的复合预编程组。除了基础(underlying)操作和计算之外，视频工具包括允许用户调节用于视频工具的特定实例的那些参数的用户界面。例如，许多机器视觉视频工具允许用户通过利用鼠标进行简单的“手柄拖放(handle dragging)”操作配置图形感兴趣区(ROI)指示符，以定义将由视频工具的特定实例的图像处理操作分析的图像子组的位置参数。应当注意，可视用户界面特征有时指具有隐含地包含的基础操作的视频工具。

台灯220、同轴灯230和面灯240的信号线或者总线221、231和241全部分别连接到输入/输出接口130。来自相机系统260的信号线162和来自可控电机294的信号线296连接到输入/输出接口130。除了承载图像数据，信号线262还可以承载来自控制器125的用于启动图像获取的信号。

一个或者多个显示器件136(例如，图1的显示器16)和一个或者多个输入器件138(例如，图1的操纵杆22、键盘24和鼠标26)也可以连接到输入/输出接口130。显示器件136和输入器件138可以用于显示可以包含各种图形用户界面(GUI)特征的用户界面，各种图形用户界面(GUI)特征可用于执行检验操作和/或创建和/或修改部分程序、观看相机系统260捕获的图像、和/或直接控制视觉系统部件部200。显示器件136可以显示用户界面特征(例如，与自动聚焦视频工具143af等关联)。

在各种示例性实现中，当用户采用机器视觉检验系统100创建工件20的部分程序时，用户通过在学习模式下操作机器视觉检验系统100以提供期望的图像获取训练序列来产生部分程序指令。例如，训练序列可以包括：在视场(FOV)中定位(positioning)代表性工件的特定工件特征；设定光水平；聚焦或者自动聚焦；获取图像；以及提供应用于图像的检验训练序列(例如，在该工件特征上使用视频工具之一的实例)。学习模式操作使得捕获或者记录(多个)序列并且将(多个)序列转换为相应部分程序指令。当执行部分程序时，这些指令将使机器视觉检验系统再现训练图像获取，并且使检验操作自动检验与创建部分程序时使用的代表性工件匹配的运行模式工件或多个工件上的特定工件特征(即，在对应位置中的对应特征)。

图3是可以适用于诸如机器视觉检验系统的精密非接触式计量系统并且根据在此公开的原理操作的成像系统300的示意图。成像系统300包括：光源330，可被配置为在成像系统300的视场中照亮工件320(例如，选通波或者连续波照明)；物镜350；管镜(tube lens)351；中继透镜352；可变焦距透镜(VFL)370；中继透镜386；以及相机系统360。

在操作中，光源330可被配置为沿着包含部分反射镜390并且通过物镜350到达工件320的表面的路径发出源光332，其中物镜350接收聚焦在邻近工件320的聚焦位置FP的工件光355，并且将工件光355输出到管镜351。在各种实现中，物镜350可以是可更换物镜，并且管镜351可被包含为旋转透镜组件的一部分(例如，与图2的可更换物镜250和旋转透镜组件280类似)。在各种实现中，物镜350、管镜351或者在此所引用的任何其他透镜中可以由单独透镜、复合透镜等形成，或者与单独透镜、复合透镜等一起操作。管镜351接收工件光355，并且将其输出到中继透镜352。

中继透镜352接收工件光355，并且将其输出到VFL透镜370。VFL透镜370接收工件光355，并且将其输出到中继透镜386。中继透镜386接收工件光355，并且将其输出到相机系统360。在各种实现中，相机系统360可以在图像曝光时段期间捕获工件320的图像，并且可以将图像提供给控制系统部(例如，与图2中的将图像提供给控制系统部120的相机系统260的操作类似)。

VFL透镜370可被电子地控制，以在一个或者多个图像曝光期间，改变成像系统的聚焦位置FP。聚焦位置FP可以在聚焦位置FP1和聚焦位置FP2界定的范围R中移动。应当明白，在各种实现中，范围R可以由用户选择，也可以从设计参数产生，或者可以自动判定。总之，对于图3所示的例子，应当明白，一些所示尺寸可能不按比例。例如，VFL透镜370可以具有与所示不同的比例尺寸(例如，对于某些应用，为了提供期望量的透镜焦度，可以更窄并且高至50mm长或者更长)。

在各种实现中，机器视觉检验系统可以包括控制系统(例如，图2的控制系统120)，其可被配置为控制VFL透镜370以周期性地调制成像系统300的聚焦位置。在一些实现中，VFL透镜370可以非常迅速地调节或者调制聚焦位置(例如，周期性地，以至少300Hz或者3kHz或者70kHz或者更高的速率)。在一些实现中，范围R可以有10mm大(对于1x的物镜350)。在各种实现中，有利的是，选择VFL透镜370使得其不为了改变聚焦位置FP而在成像系统中要求任何宏观的机械调节和/或要求物镜350与工件320之间的距离调节。在这种情况下，如前面合并的980号公开所描述的，可以以高速率提供延伸景深图像，并且此外，不存在宏观调节元件也不存在当为了获取固定聚焦检验图像而使用相同成像系统时降低精度的关联定位不可重复性，该固定聚焦检验图像可以用于精密测量(例如，用于几微米或者零点几微米或者更小的精度)等等。如前面合并的726号公开所描述的，也可以利用聚焦位置FP的变化迅速获取图像栈，该图像栈包含邻近工件320的沿着z高度方向上的多个位置处的多个图像。

在各种实现中，VFL透镜370可以是可调谐声学梯度折射率(“TAG”)透镜。可调谐声学梯度折射率透镜是在流体介质中利用声波调制聚焦位置并且可以以几百kHz的频率周期性地扫描聚焦范围的高速VFL透镜。由论文“High-speed varifocal imaging with a tunable acoustic gradient index of refraction lens”(Optics Letters,Vol.33,No.18,September 15,2008)的教导可以理解这种透镜，在此通过引用其整体并入本文。可调谐声学梯度折射率透镜和有关控制信号发生器例如可以从新泽西州的普林斯顿的TAG Optics,Inc.获得。例如，Model TL2.B.xxx系列透镜能够调制最高约600KHz。

VFL透镜370可以由透镜控制器374驱动，该透镜控制器374产生信号，以操作VFL透镜370。在一个实施例中，透镜控制器374可以是市售的控制信号发生器，诸如上面提到的控制信号发生器。在一些实现中，通过成像控制接口131和/或者透镜控制接口134和/或者模式134m的用户界面，用户和/或者操作程序可以配置或者控制透镜控制器374，前面参考图2做了概括描述。在一些实施例中，利用周期性信号可以操作VFL透镜370，使得随着时间以正弦曲线在高频率调制聚焦位置FP。例如，在一些示例性实现中，可以将可调谐声学梯度折射率透镜配置为高达400kHz的焦点扫描速率，但是应当明白，在各种实现和/或者应用中，可能希望较慢的聚焦位置调节和/或者调制频率。例如，在各种实现中，可以采用300Hz或者3kHz或者70kHz或者250kHz等等。在采用较慢聚焦位置调节的实现中，VFL透镜370可以包括可控流体透镜等等。

在图3的实现中，指定中继透镜352和386及VFL透镜370包含于4f光学配置中，而指定中继透镜352和管镜351包含于开普勒望远镜配置中，并且指定管镜351和物镜350包含于显微配置中。将所示的所有配置理解为仅是示例性的，并且不限制本公开。作为开普勒望远镜配置的一部分，所示的管镜351的对焦距离FTUBE接近与透镜351和352之间的中点等距(作为是中继透镜352的对焦距离f)。在变换实施例中，可以使管镜351的对焦距离FTUBE与中继透镜352的对焦距离f不同(这对应于4f光学配置的4f中的一个)。在作为旋转透镜组件的一部分可以包含管镜351的各种实现中，当转动到使焦点处于相同地点的操作位置(即，使得与中继透镜352的焦点会合)时，最好是旋转透镜组件的其他管镜。

能够利用对焦距离FTUBE与对焦距离f的比相对于输入到管镜351的工件光355的准直束改变来自中继透镜352的工件光355的准直束的直径。在各种实现中，能够利用此调节物镜350的有限孔径在VFL透镜370的地点的投影的尺寸。图3中所示的1:1比(即其中FTUBE＝f)仅是示例性的，并且不限制本公开。例如，如下面参考图6所做的更详细描述，更一般地说，在投影到VFL透镜的地点时，希望VFL透镜370的真实有效孔径(actual effective aperture)至少与物镜通光孔径一样大(即，在各种实现中，这是VFL透镜的期望有效孔径)。作为一种替换示例，如果因为物镜通光孔径对VFL透镜的投影较小或者缩小一半，FTUBE＝2*f，则能够在仍使VFL透镜充分容纳离轴场点的同时，相对于FTUBE＝f的配置，减小VFL透镜的期望有效孔径(desired effective aperture)；否则，其在诸如TAG透镜的“厚”VFL透镜中模糊或者承受大像差。还应当明白，在各种实现中，对于分别输入到管镜351的和从中继透镜352输出的工件光355的准直束，这种准直束可以延伸到较长路径长度和/或可以对这种准直束采用束分裂器，以提供附加光学路径(例如，针对不同相机系统等等)。

在各种实现中，所示的4f光学配置允许将VFL透镜370(例如，其可以是小数值孔径(NA)器件，诸如可调谐声学梯度折射率透镜)布置于物镜350的傅里叶平面FPL处。该配置可以使远心(telecentricity)保持在工件320处，并且可以将比例变化和图像失真降低到最小(例如，包含对工件320和/或聚焦位置FP的每个Z高度提供固定放大率)。开普勒望远镜配置(例如，包含管镜351和中继透镜352)可以包含于显微配置与4f光学配置之间，并且可以被配置以在VFL透镜的位置处提供物镜通光孔径的期望尺寸的投影，从而将图像像差等降低到最小，如上所述。

应当明白，在各种实现中，特定类型的尺寸测量可以要求近衍射或者衍射受限成像。通过将在VFL透镜370中成像的物镜350的光瞳的离轴位置限制到傅里叶平面FPL，图3所示的配置减小像差。在这种配置中，在其最低谐振频率fR,MIN下，可以使该径向位置保持小于VFL透镜370(例如，可调谐声学梯度折射率透镜)的驻波的折射率分布中的第一贝塞耳环(Bessel ring)的径向位置。这样，来自显微配置(即，包含物镜350和管镜351)的光不超过VFL透镜370的最大通光孔径CAVFL,MAX。在光确实超过最大通光孔径的配置中，在各种实现中，光与VFL透镜370的驻波的、可以具有相对，负折射率的区域相互作用，其增大像差并且不适合精密尺寸测量。

图4是示出当VFL透镜(例如，诸如图3的VFL透镜370)以固定谐振频率(例如，70kHz)操作时与放大率有关的显微特性的示意图或者曲线图400。如下面所做的更详细描述，利用4f光学显微配置(例如，诸如图3所示的)可能发生的一个问题是在各种实现中，4f光学显微配置的归一化扫描范围ΔZVFL可能不是常数。即，靠近物体的ΔZVFL(DOF中)可以与显微放大率(即1/NAOBJ²)的平方成反比，如下面的等式所示：

ΔZVFL＝(NATUBE²/NAOBJ²)(nfR²/fVFL,eff) 等式1

其中nfR²与中继透镜352有关，并且fVFL,eff与VFL透镜370的操作幅值AVFL有关。

在各种实现中，显微配置可以包含可变放大率透镜部(例如，其中物镜350是可更换的，或者包含变焦透镜、旋转透镜等等)。作为特定示例，在一种实现中，可变放大率透镜部可以包含对应于不同放大率(例如，0.5x、1x、2x或者2.5x、5x、10x、20x或者25x、50x、100x等等)的一组可更换固定放大率物镜，其中当前物镜350可以从该组中选择的透镜中的一个。在各种实现中，采用的物镜可以是平面复消色差(APO)物镜。如等式1所指出的，这种配置可能发生的一个问题是在各种实现中，较高的放大率Mi(即，较高的NAOBJ²)可以对应于非常小的归一化扫描范围ΔZVFL。

如图4所示，第一线410代表相对于放大率(例如，可变放大率透镜部判定的，在各种实现中，该可变放大率透镜部可以包含透镜设定或者选择)绘制的聚焦范围(例如，对应于归一化扫描范围ΔZVFL)。对于线410，在x轴上指出放大率(例如，1x、10x等等)，并且以景深(DOF)的数量测量聚焦范围，聚焦范围示于y轴上。在各种实现中，聚焦范围可以对应于全部总聚焦范围，该全部总聚焦范围包含成像系统(例如，图3的成像系统300)的所有透镜和部件。如线410所示，对于VFL透镜370工作的固定谐振频率(例如，70kHz)，放大率的特定升高对应于聚焦范围的减小。更具体地说，对于从1x到5x的放大率，所示的聚焦范围是接近±28DOF，而对于10x的放大率，所示的聚焦范围已经降低到接近±15DOF，并且对于25x的放大率，所示的聚焦范围已经降低到接近±4DOF，并且对于50x的放大率，所示的聚焦范围已经降低到接近±1.8DOF。较高放大率的聚焦范围的这种显著降低导致不适合特定精密测量应用的配置。

在各种实现中，可以采用不同的方式尝试增大较高放大率的聚焦范围。例如，用于改变可调谐显微的Z轴扫描范围的一种方法可以改变操作VFL透镜370的电流。另一种方法是改变用于操作VFL透镜370的正弦波压电幅值(sinusoidal piezo amplitude)AVFL。然而，等式1指出这些方法本身不足以用于特定应用(例如，对于上述示例性实现，为了对可变放大率透镜部可以要求25x光功率的倍数以采用从1x到50x范围内的全组放大率)。

对于在诸如图3所示配置中采用物镜，通光孔径CA也减小(例如，因为选择较高放大率物镜)，如下面的等式所示：

CAOBJ＝2*EFLOBJ*NAOBJ 等式2

这在图4中进一步示出，关于第二线420代表相对于放大率绘制的VFL透镜370的期望有效孔径(DEA)。对于线420，放大率(例如，1x、10x等等)示于x轴上，并且DEA以毫米测量，该DEA示于y轴上。应当明白，因此，在y轴上以不同类型的单位(例如，景深数量或者毫米)绘制线410和420，并且出于说明在放大率升高时发生的各种效果的目的，仅在同一个图上提供。对于线420，在图3的配置中，所示的VFL透镜370的DEA可以对应于在投影到VFL透镜370的位置时的系统限制孔径(limiting aperture)，与选择的物镜350的通光孔径CA有关，如上参考等式2所述。更具体地说，这可以对应于物镜350的光瞳(pupil)的非聚焦束(afocal beam)足迹(footprint)(例如，对于同轴和最大离轴场点(maximum off-axis field point))，如在对与VFL透镜370相邻的中继透镜352的输入处所看到的。足迹跟随以比例倍数放大的物镜通光孔径CAOBJ，并且如果保持，则在VFL透镜370中避免虚光(vignetting)。这是希望的，使得通过在VFL透镜中阻挡获得的图像光的“高NA”射线，不浪费较昂贵的高放大率和高NA透镜(例如，物镜)的能力。在各种实现中，特定配置或者部件(例如，在光路中包含于透镜中的一个上或者靠近透镜中的一个的板)可以有意限定限制孔径，以确保仅采用相应透镜的有限部(limited portion)(例如，避免采用可能产生各种水平的失真等等的透镜的外部)。

还如图4所示，第三线430代表相对于放大率绘制的VFL透镜370的真实有效孔径。在各种实现中，对于特定类型的VFL透镜370(例如，可调谐声学梯度折射率透镜，在一些情况下，该可调谐声学梯度折射率透镜可以相对长而细，并且可以在流体介质中采用声波)，有效孔径可以代表通过VFL透镜370的光路的直径。对于线430，放大率(例如，1x、10x等等)示于x轴上，并且以毫米测量真实有效孔径，该真实有效孔径示于y轴上。线430说明真实有效孔径保持相对固定(例如，在约11mm)，作为对应于为了操作VFL透镜370采用的固定幅值和频率(例如，70kHz)。线420与线430之差指出，因为较高放大率透镜(例如，物镜)可以具有较小直径的通光孔径，因此随着显微放大率升高，要求在固定操作幅值和频率(例如，70kHz)上可用的VFL透镜370孔径直径较小。在此公开的原理利用此对VFL透镜进行调节，这样可以改善聚焦范围的一致性。更具体地说，如下参考图6所做的进一步详细描述，根据本公开的原理，在较高放大率的情况下，可以对VFL透镜370采用较高的操作频率，以保持更一致的聚焦范围。

图5是示出VFL透镜性能与谐振频率的关系的曲线图500的示意图。线510代表相对于操作VFL透镜370的谐振频率绘制的VFL透镜370的真实有效孔径。对于线510，在x轴上以kHz示出频率，并且真实有效孔径以毫米示出在y轴上(根据曲线图500的左侧上的比例)。在一种实现中，可以指定真实有效孔径对应于第一贝塞耳环位置或VFL透镜370的通光孔径。线510示出真实有效孔径如何随着谐振频率的升高而降低。更具体地说，在对于70kHz操作频率(即，图4的曲线图中采用的频率)的约11mm开始到约370kHz的操作频率的约2mm的范围内，所示的真实有效孔径降低。在各种实现中，可以建立VFL透镜370的最小真实有效孔径CAVFL，该最小真实有效孔径CAVFL对应于最高操作频率fR,MAX，高于该最高操作频率fR,MAX可以判定对图像质量有负面影响。例如，根据图5的示例，对于约3mm的最小真实有效孔径CAVFL，最高操作频率fR,MAX是250kHz。

如图5进一步所示，第二线520代表相对于使VFL透镜370操作的谐振频率绘制的VFL透镜370的相对光功率。对于线520，在x轴上以kHz示出频率，并且以70kHz的光功率的倍数测量相对光功率，该相对光功率示于y轴上(根据曲线图500的右侧上的比例)。应当明白，因此，在y轴上以不同类型的单位(例如，毫米对比光功率的倍数)绘制线510和520，并且出于说明随着频率的升高发生的各种效应的目的，在同一个曲线图上提供线510和520。对于线520，示出随着频率升高而升高的相对光功率。更具体地说，所示的相对光功率在从以70kHz的操作频率时的值1到以约370kHz的操作频率时的约25的值的范围上升高。如下面参考图6所做的更详细描述，根据本公开的原理，随着可变放大率透镜的放大率的升高，可以采用在较高谐振操作频率可用的较高水平的光功率来保持更加一致的聚焦范围。

图6是示出当VFL透镜以对应于不同放大率的不同谐振频率被操作时表示与放大率有关的显微特性的曲线图600的示意图。曲线图600包含线610、620和630，线610、620和630与图4的线410、420和430可比，并且以相同的单位绘制线610、620和630。更具体地说，线610代表相对于放大率绘制的聚焦范围(例如，对应于归一化扫描范围ΔZVFL)；线620代表相对于放大率绘制的VFL透镜的期望有效孔径(DEA)；以及线630代表相对于放大率绘制的VFL透镜370的真实有效孔径。如图6所示，对于1x、2.5x和5x的放大率，使操作频率保持在图4的实施中采用的相同的70kHz(在约±28DOF时的该放大率范围内，聚焦范围相对固定)。

对于10x的放大率，根据本公开原理，VFL透镜的操作频率已经升高到99kHz。根据图5所示的值，99kHz的操作频率对应于约8mm的VFL透镜的真实有效孔径和70kHz的光功率的约2.5倍的相对光功率。如图6所示，因此，线630指出VFL透镜的真实有效孔径已经降低到约8mm的值，这与由线620在10x放大率时对期望有效孔径(DEA)指出的相应值类似。更具体地说，对于10x的放大率，对VFL透镜的操作频率已经升高到VFL透镜的真实有效孔径更接近与期望有效孔径(DEA)匹配的水平(即，99kHz)，如上参考图4所述，代表对VFL透镜的位置投影时的系统限制孔径。作为操作频率升高到99kHz并且相应地升高相对光功率的进一步结果，线610指出对于10x的放大率，已经使聚焦范围保持在接近相同的水平(例如，稍许高于约±28DOF)。

对于25x的放大率，VFL透镜的操作频率已经升高到189kHz。根据图5所示的值，189kHz的操作频率对应于约4mm的VFL透镜的真实有效孔径和是70kHz时的光功率的约7倍的相对光功率。如图6所示，因此，线630指出VFL透镜的真实有效孔径已经降低到约4mm的值，这与由线620在25x放大率时对期望有效孔径(DEA)指出的相应值类似。作为操作频率升高到189kHz并且相应升高相对光功率的进一步结果，线610指出对于25x的放大率已经使聚焦范围保持在接近相同的水平(例如，稍许高于约±28DOF)。

对于50x的放大率，VFL透镜的操作频率已经升高到250kHz。根据图5所示的值，250kHz的操作频率对应于约3mm的VFL透镜的真实有效孔径和是70kHz时的光功率的约12倍的相对光功率。如图6所示，因此，线630指出VFL透镜的真实有效孔径已经降低到约3mm的值，这与由线620在50x放大率时的期望有效孔径(DEA)指出的相应值类似。作为操作频率升高到250kHz并且相应地升高相对光功率的进一步结果，如对较低放大率范围指出的，线610指出对于50x的放大率，已经使聚焦范围保持在接近相同的水平(例如，稍许低于约±28DOF)。

根据本公开原理，能够看出，通过使VFL透镜的操作频率适用于较高放大率的显微配置的较高频率，可以使聚焦范围保持在更一致水平。更具体地说，如图6所示，通过分别在99kHz、189kHz和250kHz的频率对10x、25x和50x的放大率操作VFL透镜，使聚焦范围保持相似水平(即，约±28DOF)，在1x与5x之间的范围内，该相似水平可用于较低放大率。这种配置允许在放大率范围上操作，而在不同放大率时仍实现有效聚焦范围。例如，可变放大率透镜部可以被包含为图3的成像系统的一部分，对此，可以采用对应于不同放大率(例如，0.5x、1x、2x或者2.5x、5x、10x、20x或者25x、50x、100x)的一组可更换固定放大率物镜，并且对此，VFL透镜可以以根据已经选择了该组中的哪个物镜判定的频率操作。在各种实现中，可以指定这些组的物镜包含最低放大率透镜(例如，0.5x或者1x)、最高放大率透镜(例如，50x或者100x)以及多个中间放大率透镜(例如，2.5x、5x、10x、25x)。

根据图6中的上述示例值，能够看出，配置光路，使得当成像系统利用指定的第一放大率状态操作时，用于成像的VFL透镜的中心直径可以是至少4.0mm(例如，对应于25x或者25x以下的放大率状态)的第一成像直径(例如，对应于真实有效孔径)，或是至少8.0mm(例如，对应于10x或者10x以下的放大率状态)的第一成像直径。此外，当指定第二放大率状态(例如，对应于比第一放大率状态高的放大率)时，用于成像的VFL透镜的中心直径可以是比第一成像直径小的第二成像直径(例如，随着放大率的升高，VFL透镜的真实有效孔径根据较高操作频率降低)。

此外，配置光路，使得用于成像的VFL透镜的中心直径不是对于第一或第二放大率状态的成像系统的限制孔径。例如，根据图6示出的值(例如，对应于图3示出的配置)，VFL透镜的真实有效孔径接近于与期望有效孔径相同，并且因此，不是成像系统的限制孔径。如参考图3所述，在其他实现中，可以使对焦距离FTUBE与对焦距离f的比不是1:1(例如，2：1)，为此，VFL透镜370的真实有效孔径不需要至少与物镜通光孔径一样大(即，对应于VFL透镜的期望有效孔径)。在这种实现中，根据对焦距离FTUBE与对焦距离f的相应比，可以配置系统，使得VFL透镜的真实有效孔径将不是成像系统的限制孔径。

在各种实现中，特定配置或者部件(例如，具有在光路中包含于透镜中的一个上的或者靠近透镜中的一个的特定尺寸的孔径的板)可以有意限定限制孔径，以确保仅采用相应透镜的期望部(例如，避免采用可能产生各种水平的失真等等的透镜的外部)。通常，可能不希望VFL透镜370的真实有效孔径是限制孔径，因为，根据该配置，VFL透镜370的真实有效孔径反而导致系统的成像能力显著降低(例如，图4中的聚焦范围的减小所示)。这种减小可以对应于可变放大率透镜部中透镜的可用范围的较少使用(例如，诸如相对昂贵的并且希望尽可能大可用范围的使用的较高放大率物镜)。

当根据图6所示的值配置成像系统时，在各种实现中，光源(例如，图3的光源330)可以设计为具有脉冲模式，使该脉冲模式适应VFL透镜的250kHz操作频率，并且因此，该脉冲模式比70kHz操作频率的相似脉冲模式快3.6倍(即，250kHz/70kHz＝3.6)。在一个特定示例性实现中，为了获得对应于离焦点(points from focus(PFF))采样操作的1/5的景深(DOF)的图像，可以在35nsec(30MHz)对用作光源330的LED加脉冲，以适应250kHz操作频率(例如，与为了适应70kHz操作频率以125nsec加脉冲相比)。类似地，可以配置用于PFF采样的LED驱动器，从而与适应70kHz操作频率的脉冲相比(例如，在一个特定示例性实现中，tRISE～250nsec)，以适应250kHz操作频率的3.6x的较快速度操作。在各种实现中，利用通常更典型被配置以这种较高速度操作的LED之外的技术(例如，诸如超连续、掺钛蓝宝石(Ti：sapphire)、氮化铟镓激光二极管等等的激光源)，也可以实现适应250kHz操作频率的光源的这种速度。

在各种实现中，除了根据显微部的放大水平以不同频率操作VFL透镜外，还希望根据特定附加设计原理配置望远镜配置。例如，在将一组可更换物镜用作可变放大率透镜部的一部分的配置中，希望配置望远镜光学件，以适应对特定尺寸检测器格式(例如，1/2”、1/3”等等)具有最大光瞳直径(即，对应于最低放大率水平Mi)和最大离轴场点的物镜。在一组物镜包含放大率水平Mi范围从1x到50x的上述示例中，这指出根据适应最低放大率(例如，对应于1x透镜)配置望远镜光学件。在以这样的方式配置望远镜光学件时，还自动适应该组中的所有其他物镜，在全部该组物镜上保持高图像质量，并且将获得可接受的绝对基线聚焦范围。如上参考式2所述，尽管通过根据本公开原理以不同频率操作VFL透镜，在这种系统中产生更一致聚焦范围，并且还将图像像差降低到最小，但是这种配置本身具有不足的光功率PVFL,i以产生固定聚焦范围(例如，对应于固定扫描范围ΔZVFL)。

图7是示出使包含VFL透镜的成像系统操作的例程700的一种示例性实现的流程图。在方框710，对成像系统的可变放大率透镜部处于对成像系统提供第一放大率的第一放大率状态进行判定。如上参考图1－3所述，成像系统可以包含：可变焦距透镜部，该可变焦距透镜部包括提供能够在第一或者第二频率调制的周期性调制焦距的VFL透镜(例如，VFL透镜370)，在由成像系统使用的图像曝光周期内第一频率或者第二频率每个提供多个调制周期，并且第一频率与第二频率不同。在方框720，响应于可变放大率透镜部处于第一放大率状态的判定，在第一频率和第一调制幅值操作可变焦距透镜部，以提供VFL透镜的周期性调制焦距的第一范围。在第一放大率状态期间，第一范围可以对应于成像系统的对焦距离范围。

在方框730，对可变放大率透镜部已经变更到第二放大率状态进行判定，该第二放大率状态对成像系统提供不同于第一放大率的第二放大率。在方框740，响应于可变放大率透镜部已经变更为第二放大率状态的判定，在第二频率和第二调制幅值操作可变焦距透镜部，以提供VFL透镜的周期性调制焦距的第二范围。在第二放大率状态期间，第二范围可以大于第一范围，并且可以对应于成像系统的对焦距离范围。

在各种实现中，根据不同类型的判定方法，可以对是选择第一还是第二放大率状态(例如，对应于在范围从1x到50x的一组物镜中进行选择)用于可变放大率透镜部进行判定。例如，可以接收与用户选择固定放大率透镜中的一个对应的输入，诸如用户物理上选择物镜或者利用图2的输入/输出接口130选择物镜。作为另一个示例，当固定放大率透镜移动到在可变放大率透镜部中要使用的位置时，可以利用电子方法(例如，利用光学件、扫描、RFID等等)感测与固定放大率透镜中的一个关联的指示符。作为另一个示例，在固定放大率透镜移动到在可变放大率透镜部中使用的位置后，可以估计成像系统的放大率。

尽管已经说明并且描述了本公开的优选实现，但是基于本公开，所示和所描述的特征排列和操作序列的许多变型对于本技术领域内的技术人员显而易见。可以利用各种替换形式实现在此公开的原理。此外，能够将上面描述的各种实现组合，以提供其他实现。在此说明书中提及的所有美国专利和美国专利申请通过引用其整体并入本文。如果需要，能够修改实现的各方案，以采用各专利和申请的原理提供另外其他实现。

鉴于上面的详细描述，能够对实现进行这些以及其他变更。总之，在下面的权利要求中，不应当认为使用的术语使权利要求局限于说明书和权利要求公开的特定实现，而应当认为包含所有可能的实现以及享有该权利要求的等同的全部范围。