表面輪郭測定のための装置および方法
【課題】オブジェクト表面上のポイントの三次元位置情報を測定する好適な装置および方法を提供すること。
【解決手段】一実施形態において、上記方法は、スペクトル分布を有する2つの放射ソースを提供する工程と、上記ソースの各々で上記表面を照射して第1の縞パターンを生成する工程と、上記第1の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、該第1の縞パターン中の縞数を推定する工程と、該第1の縞パターンを変化させる工程と、該第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、該第2の縞パターン中の縞数を推定する工程と、上記第2の縞パターンおよび上記第2のラップされたサイクルマップ中の推定された縞数に応答して位置情報を判定する工程とを含む。
【解決手段】一実施形態において、上記方法は、スペクトル分布を有する2つの放射ソースを提供する工程と、上記ソースの各々で上記表面を照射して第1の縞パターンを生成する工程と、上記第1の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、該第1の縞パターン中の縞数を推定する工程と、該第1の縞パターンを変化させる工程と、該第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、該第2の縞パターン中の縞数を推定する工程と、上記第2の縞パターンおよび上記第2のラップされたサイクルマップ中の推定された縞数に応答して位置情報を判定する工程とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
(関連出願との相互参照)
本願は、1996年2月12日に出願された米国特許第5,870,191号の一部継続出願である、1999年2月2日に出願された米国特許出願第09/241,354号の一部継続出願であり、そして1998年6月4日に出願された米国仮特許出願第60/087,960号の優先権を主張する。
【0002】
(政府援助)
本明細書に記載する研究は、米国空軍によって授与された、連邦契約第F19628−95−L−002によって援助された。政府は本発明に特定の権利を有し得る。
【0003】
(発明の分野)
本発明は、表面測定の分野に関し、具体的には、非接触表面測定の分野に関する。
【背景技術】
【0004】
(発明の背景)
寸法計測学、すなわち、オブジェクトのサイズおよび形状の測定は、マシーンが、ほとんどの製造および多くのサブアセンブリから構成される複雑なオブジェクトのアセンブリを実行する、今日の製造環境において非常に重要である。構成要素が適切に嵌合し合うことを保証するには、自動車などの複雑なアセンブリの各構成要素の形状およびサイズの公差を小さく保持する必要がある。
【0005】
理想的には、形状およびサイズのこのような測定は、物理的接触無しに達成されて、測定を行う際の時間を節減する。多くの非接触測定方法は、利用可能なマシーンビジョンシステムを利用する。表面輪郭情報の測定は、深度情報が損失したり、解釈が難しい場合が多いため、マシーンビジョンシステムの特に難しい問題である。深度情報の損失および利用可能な情報を解釈する際の難しさを補償するために、多くのマシーンビジョンシステムは、光を用いてオブジェクトの表面上にモアレ縞を生成し、輪郭情報を得る。モアレ技術の1つの欠点は、異なるサイズのオブジェクトに対するその柔軟性の無さである。異なるサイズのオブジェクトは、新しい対応する物理的設備を必要とし得る。この欠点に起因して、大規模なオブジェクトのモアレ技術を用いることが難しい。モアレ技術の別の欠点は、この技術を用いて得られる解像度が多くの用途にとって十分に高くない場合があることである。
【0006】
干渉方法も、表面の詳細な測定が必要な場合に用いられてきた。干渉システムが表面輪郭情報を提供するが、干渉システムは測定されるオブジェクトおよび用いられる照射源の両方の変化の影響を受けやすい。
【0007】
必要なのは、縞模様の道理によるあいまい性を解決し、スペックル効果に起因する劣化を緩和し、そして高い解像度を達成することによって、これらの問題を回避する技術である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
(発明の要旨)
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法に関する。上記方法は、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程;上記ソースそれぞれからの放射で上記表面を照射して、上記表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程;上記第1の縞パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第1の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の縞パターン中の縞数を推定する工程;上記第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程;上記第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の縞パターン中の推定された縞数に応じて、上記第2の縞パターン中の縞数を推定する工程;および上記第2の縞パターンおよび上記第2のラップされたサイクルマップ中の推定された縞数に応じて、上記ポイントの上記表面上での三次元位置情報を判定する工程を含む。
【0009】
本発明は、表面上の所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法にさらに関する。上記方法は、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程;上記ソースそれぞれからの放射で上記表面を照射して、上記表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程;上記第1の縞パターンを上記表面上の第2の位置に移動させる工程;上記第1の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程;上記第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1のラップされたサイクルマップから上記第2のラップされたサイクルマップを減算する工程;および上記第2のラップされたサイクルマップと上記第1のラップされたサイクルマップと間の差をラップして、上記所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程を含む。
【0010】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周波数を有し、そして互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程;上記表面を上記第2の放射ビームで照射する工程;上記第1の放射ビームと、上記第2の放射ビームからの放射とが上記表面によって散乱するのに応じて、第1の位置において第1の干渉パターンを生成する工程;上記第1の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第1の干渉パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程;上記第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを第1の位置において生成する工程;上記第2の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の干渉パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、上記第2の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程;および上記第2の干渉パターンおよび上記第2のラップされたサイクルマップ中の推定された強度サイクルに応じて、三次元位置情報を計算する工程を含む。
【0011】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程;上記表面を上記第2の放射ビームで照射する工程;上記第1の放射ビームと、上記第2の放射ビームからの放射とが上記表面によって散乱するのに応じて、第1の干渉パターンを生成する工程;上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうち1つを、上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第1の位相シフトした干渉パターンを生成する工程;上記第1の干渉パターンおよび上記第1の位相シフトした干渉パターンに応じて第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを生成する工程;上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうち1つを、上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第2の位相シフトした干渉パターンを生成する工程;上記第2の干渉パターンおよび上記第2の位相シフトした干渉パターンに応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第2のラップされたサイクルマップを上記第1のラップされたサイクルマップから減算する工程;および上記第2のラップされたサイクルマップと、上記第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、ラップされたサイクルマップを生成する工程を含む。
【0012】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する装置にさらに関する。上記装置は、スペクトル分布を有する2つの放射ソース;上記2つのソースと光学的に連絡したコリメータであって、2本の実質的に平行な広域幅放射ビームを生成する、コリメータ;上記コリメータと光学的に連絡した回折格子;および上記回折格子と光学的に連絡したレンズであって、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射イメージを生成する、レンズを有する。
【0013】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、上記放射ソースはスペクトル分布を有する放射を生成する、工程;上記放射を平行にして、2本の実質的に平行な放射ビームを生成する工程;上記平行な放射ビームのスペクトル成分を描写する工程;およびスペクトル成分の空間分布を有する2つの放射イメージを生成する工程を含む。
【0014】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周期的パターンを投射して、上記表面上の第1の位置に第1の投射パターンを生成する工程;上記第1の投射パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第1の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の投射パターン中のサイクル数を推定する工程;上記第1の投射パターンを変更して、第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程;上記第2の投射パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の投射パターン中の推定されたサイクル数に応じて、上記第2の投射パターン中のサイクル数を推定する工程;および上記第2の投射パターン中の推定されたサイクル数および上記第2のラップされたサイクルマップに応じて、上記表面を判定する工程を含む。
【0015】
本発明は、表面上の所定の間隔の投射された周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周期的パターンを投射して、上記表面上の第1の位置に第1の投射パターンを生成する工程;上記第1の投射パターンを上記表面上の第2の位置に移動させる工程;上記第1の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の投射パターンを変更して、第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程;上記第2の投射パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1のラップされたサイクルマップから上記第2のラップされたサイクルマップを減算する工程;および上記第2のラップされたサイクルマップと上記第1のラップされたサイクルマップと間の差をラップして、上記所定の間隔の投射された周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程を含む。
【0016】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、コヒーレントな縞パターンを生成する工程;上記縞パターンが上記オブジェクトの表面を実質的にかするように、上記コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に光路に沿って投射する工程;および上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンおよび上記スペックルを検出する工程であって、上記オブジェクトの表面に対する法線が上記光路に実質的に直交する、工程を含む。
【0017】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程;上記コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に投射する工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンおよび上記スペックルを検出する工程;上記縞パターンが実質的に静止したままで、そして上記スペックルが変化するように上記2つのソースを平行移動させる工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記新しい縞パターンおよび上記変化したスペックルを検出する工程;ならびに上記検出された縞パターンおよび上記スペックルの変化に応じて、実質的にスペックルの無い上記縞パターンを判定する工程を含む。
【0018】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程;上記コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に投射する工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンおよびスペックルを検出する工程;上記縞パターンが上記オブジェクトの表面に対して実質的に静止したままで、そして上記スペックルが変化するように、上記オブジェクトを上記縞パターンの等位相平面に平行な経路に沿って上記2つの放射ソースに対して平行移動させる工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記新しい縞パターンおよび上記変化したスペックルを検出する工程;ならびに上記検出された縞パターンおよび上記スペックルの変化に応じて、上記実質的にスペックルの無い縞パターンを判定する工程を含む。
【0019】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に投射する工程;透過作用を有するレンズを提供する工程であって、上記レンズの透過は上記レンズ端部において徐々に低下する、工程;およびオブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンを検出する工程であって、上記透過作用は上記スペックルが上記測定に与える影響を実質的に減少させる、工程を含む。
【0020】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周波数を有し、そしてある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースから第1の縞パターンを生成する工程;上記第1の周波数を第2の周波数に変化させることによって、上記第1の縞パターンを変化させて、第2の縞パターンを生成する工程;および上記第1の周波数と上記第2の周波数との差に応答して上記距離を変化させる工程であって、上記距離と、上記第1の周波数と上記第2の周波数との差との比は実質的に一定である、工程を含む。
【0021】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、上記放射ソースは、スペクトル分布を有し、そしてもう一方のソースに対してコヒーレントである、工程;上記ソースそれぞれからの放射で上記オブジェクトの表面上のポイントを照射する工程;上記ソースのうちの一つをもう一方のソースに対して移動させる工程;および上記オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された放射を検出する工程を含む。本発明の別の実施形態において、2つの放射ソースを提供する工程は、スペクトル幅を有する初期放射ビームを提供する工程;上記初期放射ビームから、第1の放射ビームを第1のビーム角度で、第2の放射ビームを第2のビーム角度で生成する工程;ならびに上記第1の放射ビームおよび上記第2の放射ビームをイメージングして上記2つの放射ソースを形成する工程を含む。
【0022】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する装置にさらに関する。上記装置は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースであって、各ソースは、スペクトル分布を有し、そしてもう一方のソースに対してコヒーレントである、放射ソース;上記ソースそれぞれをもう一方のソースに対して移動させる制御システム;および上記オブジェクトの表面上のポイントから散乱された放射を受け取るように配置された検出器を含む。本発明の別の実施形態において、2つの放射ソースは、スペクトル幅を有する放射ビームの初期ソース;上記放射ビームの初期ソースと光学的に連絡したビーム分離器であって、第1の光学ビームおよび第2の光学ビームを生成する、ビーム分離器;および上記ビーム分離器に光学的に連絡したイメージングシステムであって、上記イメージングシステムは、上記2つの放射ソースを生成し、そしてそれぞれの放射ソースは上記第1の光学ビームおよび上記第2の光学ビームに対応する、イメージングシステムを含む。
【0023】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、2つの放射ソースを提供する工程であって、上記放射ソースは、スペクトル分布を有し、そして上記2つの放射ソースのもう一方に対してコヒーレントである、工程;検出器を上記表面上のポイントに提供する工程;上記オブジェクトの上記表面のポイントを上記ソースのそれぞれからの上記放射で照射する工程;上記ソースのそれぞれをもう一方に対して移動させる工程;上記オブジェクトの表面上のポイントに上記放射を検出する工程;ならびに上記ソースの移動および上記オブジェクトの表面上のポイントに検出された放射に対して位置情報を計算する工程を含む。
【0024】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する装置にさらに関する。上記装置は、2つの放射ソースであって、スペクトル分布を有し、そして上記2つの放射ソースのもう一方に対してコヒーレントである、放射ソース;上記ソースのそれぞれをもう一方に対して移動させる制御システム;上記オブジェクトの表面上のポイントに配置された検出器であって、上記オブジェクトの表面上のポイントを照射する放射を受け取る、検出器;上記検出器から信号を受け取るプロセッサ;ならびに上記ソースの移動および上記オブジェクトの表面上のポイントで受け取られた放射に対して上記オブジェクトの表面上のポイントの位置情報を計算するプロセッサを含む。
(項目1) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程と、
b)該ソースそれぞれからの放射で該表面を照射して、該表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、
d)該第1の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
e)該第1の縞パターン中の縞数を推定する工程と、
f)該第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程と、
g)該第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、
h)該第2の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
i)該第1の縞パターン中の推定された縞数に応答して、該第2の縞パターン中の縞数を推定する工程と、
j)該第2のラップされたサイクルマップおよび該第2の縞パターン中の推定された縞数に応答して、該ポイントの該表面上での三次元位置情報を判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目2) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目1に記載の方法。
(項目3) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目1に記載の方法。
(項目4) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目5) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、2つのレーザ放射ソースを提供する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目6) 前記第1の縞パターンおよび第2の縞パターン中の縞数を推定する工程は、数学的モデルを適用する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目7) 前記第1の縞パターンおよび第2の縞パターン中の縞数を推定する工程は、線形の推定モデルを適用する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目8) 前記第1の縞パターンおよび第2の縞パターン中の縞数を推定する工程は、異なる表面について判定された三次元位置情報を適用する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目9) 前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する各距離の分だけ隔離される、項目1に記載の方法。
(項目10) 前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、項目9に記載の方法。
(項目11) 前記第1の縞パターンを変更する工程は、前記スペクトル領域それぞれを、該スペクトル領域の残りに対してある距離の分だけ隔離する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目12) 前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該スペクトルの領域それぞれを隔離する工程は、該距離を変更して該中間点を固定状態にする工程を包含する、項目11に記載の方法。
(項目13) 前記第2の縞パターンを移動させる工程は、前記ソースの1つからの前記空間分布中のスペクトル領域の位相を、該ソースの残りからの空間分布中の各スペクトル領域の位相に対して変化させる工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目14) 表面上の所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法であって、
a)スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程と、
b)該ソースそれぞれからの放射で該表面を照射して、該表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の縞パターンを該表面上の第2の位置に移動させる工程と、
d)該第1の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
e)該第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程と、
f)該第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、
g)該第2の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
h)該第1のラップされたサイクルマップから該第2のラップされたサイクルマップを減算する工程と、
i)該第2のラップされたサイクルマップと該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、該所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程と、
を包含する、方法。
(項目15) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目14に記載の方法。
(項目16) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目14に記載の方法。
(項目17) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目18) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、2つのレーザ放射ソースを提供する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目19) 前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する距離の分だけ隔離される、項目14に記載の方法。
(項目20) 前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、項目19に記載の方法。
(項目21) 前記第1の縞パターンを変更する工程は、前記スペクトル領域それぞれを、該スペクトル領域の残りに対してある距離の分だけ隔離する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目22) 前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該スペクトルの領域それぞれを隔離する工程は、該距離を変更して該中間点を固定状態にする工程を包含する、項目21に記載の方法。
(項目23) 前記第2の縞パターンを移動させる工程は、前記ソースの1つからの前記空間分布中のスペクトル領域の位相を、該ソースの残りからの空間分布中の各スペクトル領域の位相に対して変化させる工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目24) 前記2つの放射ソースは第1の周波数を有し、前記第1の縞パターンを変更して第2の縞パターンを生成する工程は、該第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目25) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつ互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の位置において第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
e)該第1の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
g)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを第1の位置において生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
i)該第2の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
j)該第1の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該第2の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
k)該第2のラップされたサイクルマップおよび該第2の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該三次元位置情報を計算する工程と、を包含する、方法。
(項目26) 前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、前記第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、項目25に記載の方法。
(項目27) 前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、項目25に記載の方法。
(項目28) 前記イメージ面は検出器を含む、項目27に記載の方法。
(項目29) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第1の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
e)該第1の干渉パターンおよび該第1の位相シフトした干渉パターンに応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを生成する工程と、
g)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第2の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンおよび該第2の位相シフトした干渉パターンに応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
i)該第2のラップされたサイクルマップを該第1のラップされたサイクルマップから減算する工程と、
j)該第2のラップされたサイクルマップと、該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、ラップされたサイクルマップを生成する工程と、を包含する、方法。
(項目30) 前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームは第1の周波数を有し、前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、該第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、項目29に記載の方法。
(項目31) 前記ラップされたサイクルマップを用いることによって三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、項目29に記載の方法。
(項目32) 前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、項目29に記載の方法。
(項目33) 前記イメージ面は検出器を含む、項目32に記載の方法。
(項目34) 縞をオブジェクトの表面上に投射する装置であって、
a)スペクトル分布を有する2つの放射ソースと、
b)該2つのソースと光学的に連絡するコリメータであって、2つの広帯域放射の実質的に平行なビームを生成するコリメータと、
c)該コリメータと光学的に連絡する回折性格子と、
d)該回折性格子と光学的に連絡するレンズであって、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射イメージを生成するレンズと、
を備える、装置。
(項目35) 前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する各距離の分だけ隔離される、項目34に記載の装置。
(項目36) 前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、項目35に記載の装置。
(項目37) 前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、項目35に記載の装置。
(項目38) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目34に記載の装置。
(項目39) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目34に記載の装置。
(項目40) 前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する検出器をさらに備える、項目34に記載の装置。
(項目41) 前記2つの放射ソースは単一の放射ソースから生成される、項目34に記載の装置。
(項目42) 前記回折性格子に結合されたトランスレータをさらに備え、該トランスレータは、前記スペクトル領域の1つの該スペクトル領域の残りに対する相対的位相をシフトさせる、項目34に記載の装置。
(項目43) 縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有する放射を生成する、工程と、
b)該放射を平行にして、2つの実質的に平行な放射ビームを生成する工程と、
c)該平行な放射ビームのスペクトル成分を描写する工程と、
d)スペクトル成分の空間分布を有する2つのイメージ放射を生成する工程と、を包含する、方法。
(項目44) 前記空間分布の1つのスペクトル成分はそれぞれ、該空間分布の残りの各スペクトル成分から、該スペクトル成分の各波長に比例する距離だけ隔離される、項目43に記載の方法。
(項目45) 前記距離は、前記スペクトル成分の波長に線形比例する、項目44に記載の方法。
(項目46) 前記距離は、2つのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、項目44に記載の方法。
(項目47) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目43に記載の方法。
(項目48) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目43に記載の方法。
(項目49) 前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、項目43に記載の方法。
(項目50) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、項目43に記載の方法。
(項目51) 前記スペクトル成分の1つの該スペクトル成分の残りに対する相対的位相をシフトさせる工程をさらに包含する、項目43に記載の方法。
(項目52) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
e)該第1の投射パターンを変更して、該第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程と、
f)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
g)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
h)該第1の投射パターン中の推定されたサイクル数に応答して、該第2の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
i)該第2の投射パターン中の推定されたサイクル数および該第2のラップされたサイクルマップに応答して、該表面を判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目53) 前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、項目52に記載の方法。
(項目54) 表面上に投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを、該表面上の第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターンを変更して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程と、
e)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
f)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
g)該第1のラップされたサイクルマップから該第2のラップされたサイクルマップを減算する工程と、
h)該第2のラップされたサイクルマップと該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、該投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程と、
を包含する、方法。
(項目55) 前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、項目54に記載の方法。
(項目56) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)コヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンが該オブジェクトの表面を実質的にかすめるように、該縞パターンを光路に沿って該オブジェクトの表面に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ中の該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程であって、該オブジェクトの表面に対する法線は該光路に実質的に直交する、工程と、
を包含する、方法。
(項目57) 前記コヒーレントな縞パターンは、前記オブジェクトの表面に対して0〜45°の角度で該オブジェクトの表面を実質的にかすめる、項目56に記載の方法。
(項目58) 2つの放射ソースを提供する工程をさらに包含する、項目56に記載の方法。
(項目59) 前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面の上側に配置される、項目58に記載の方法。
(項目60) 前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面に対する法線に沿って実質的に垂直に整列されている、項目58に記載の方法。
(項目61) 前記縞パターンは2つのソースによって生成される、項目56に記載の方法。
(項目62) 前記2つのソースは互いにコヒーレントである、項目61に記載の方法。
(項目63) 前記2つのソースはレーザソースである、項目61に記載の方法。
(項目64) 前記2つのソースは、単一のソースを分割することによって生成される、項目61に記載の方法。
(項目65) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該縞パターンが実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するように、該2つのソースを平行移動させる工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目66) 工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、項目65に記載の方法。
(項目67) 前記2つの放射ソースはレーザ放射である、項目65に記載の方法。
(項目68) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該オブジェクトを該2つの放射ソースに対して側方に該縞パターンの等位相面に平行な経路に沿って平行移動させて、該縞パターンが該オブジェクトの表面に対して実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するようにする工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目69) 工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、項目68に記載の方法。
(項目70) 前記2つの放射ソースはレーザ放射である、項目68に記載の方法。
(項目71) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)該オブジェクトの表面上にコヒーレントな縞パターンを投射する工程と、
b)透過関数を有するレンズを提供する工程であって、該透過関数は該レンズの端部において徐々の透過低下を有する、工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内に該縞パターンを検出する工程であって、該透過関数は、該スペックルが該測定に与える影響を実質的に低減する、工程と、
を包含する、方法。
(項目72) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつある距離だけ隔離された2つの放射ソースから第1の縞パターンを生成する工程と、
b)該第1の周波数を第2の周波数に変更することにより、該第1の縞パターンを変更して第2の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に応答して該距離を変更する工程であって、該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に対する該距離の比は実質的に一定である、工程と、
を包含する、方法。
(項目73) 縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、他方のソースに対してコヒーレントである、工程と、
b)該オブジェクトの表面上のポイントを、該ソースそれぞれからの放射によって照射する工程と、
c)該ソースの1つを他方のソースに対して移動させる工程と、
d)該オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された放射を検出する工程と、
を包含する、方法。
(項目74) 前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された検出された放射とに応答して位置情報を計算する工程をさらに包含する、項目73に記載の方法。
(項目75) 前記ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる工程をさらに包含する、項目73に記載の方法。
(項目76) 前記ソースの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる工程を包含する、項目73に記載の方法。
(項目77) 前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と、該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する工程を包含する、項目76に記載の方法。
(項目78) 前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、項目73に記載の方法。
(項目79) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、
a)あるスペクトル幅を有する初期放射ビームを提供する工程と、
b)該初期ビーム放射から、第1の放射ビームを第1のビーム角度においてかつ第2の放射ビームを第2のビーム角度において生成する工程と、
c)該第1の放射ビームおよび該第2の放射ビームをイメージングして、該2つの放射ソースを形成する工程と、
を包含する、項目73に記載の方法。
(項目80) 前記初期ビーム放射を振幅変調する工程をさらに包含する、項目79に記載の方法。
(項目81) 前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程は、音響フィールドによる音響光学変調を前記初期ビームに行う工程を包含する、項目79に記載の方法。
(項目82) 前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドに位相変調を行う工程を包含する、項目81に記載の方法。
(項目83) 前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドを振幅変調する工程を包含する、項目81に記載の方法。
(項目84) 前記ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、音響フィールドに周波数変調を行うことによって前記初期ビームに音響光学変調を行う工程を包含する、項目73に記載の方法。
(項目85)
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースであって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、該ソースのうちの他方のソースに対してコヒーレントである、放射ソースと、
b)該ソースの各々を該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる制御システムと、
c)オブジェクトの表面上のポイントから散乱した放射を受信するような位置に配置された検出器と、
を備える、縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
(項目86) 前記検出器からの信号を受信するプロセッサをさらに備え、該プロセッサは、前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントから散乱した受信された放射とに応答して位置情報を計算する、項目85に記載の装置。
(項目87) 前記制御システムは、前記放射ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該放射ソースのうちの他方の放射ソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる、項目85に記載の装置。
(項目88) 前記制御システムは、前記放射ソースのうちの1つの各スペクトル成分を、該放射ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分に対して移動させて、該2つの放射ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる、項目85に記載の装置。
(項目89) 前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、前記制御システムは、該ソースの各スペクトル成分を該ソースのスペクトル成分のうちの他方のスペクトル成分に対して移動させて、該距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する、項目88に記載の装置。
(項目90) 前記検出器と、前記オブジェクトの表面上のポイントとの間に配置されたイメージングシステムをさらに備え、該イメージングシステムは、該検出器上のポイントをイメージングする、項目85に記載の装置。
(項目91) 前記検出器は複数の光検出器を備える、項目85に記載の装置。
(項目92) 前記プロセッサは、複数の処理ユニットを有するマルチプロセッサシステムを備え、前記複数の光検出器はそれぞれ、該複数の処理ユニットの各々と電気的に通信する、項目91に記載の装置。
(項目93) 前記2つの放射ソースは、
a)あるスペクトル幅を有する放射のビームの初期ソースと、
b)該放射のビームの初期ソースと光学的に連絡し、第1の光学ビームおよび第2の光学ビームを生成するビーム分離器と、
c)該ビーム分離器と光学的に連絡するイメージングシステムであって、該2つの放射ソースがそれぞれ該第1の光学ビームおよび該第2の光学ビームに対応するように該2つの放射ソースを生成するイメージングシステムと、
を備える、項目85に記載の装置。
(項目94) 前記ビーム分離器は回折格子である、項目93に記載の装置。
(項目95) 1つのソースのスペクトル分布中の波長におけるポイントは、他方のソースのスペクトル分布中の波長における各ポイントと前記距離だけ隔離され、該距離は、該ポイントの波長に実質的に比例する、項目85に記載の装置。
(項目96) 前記制御システムは位相シフタをさらに備える、項目85に記載の装置。
(項目97) 前記位相シフタは、前記ビーム分離器の位置を前記放射のビームに対して変化させるトランスレータである、項目96に記載の装置。
(項目98) 前記制御システムは、可変な焦点距離を有するズームレンズを備え、該ズームレンズは、該可変な焦点距離の変化に応答して該隔離の距離を変化させる、項目85に記載の装置。
(項目99) 前記制御システムは、焦点距離が異なる複数のレンズを備え、該隔離の距離は、該複数のレンズのうちの1つの各焦点距離に対応する、項目85に記載の装置。
(項目100) 前記回折格子は空間光変調器である、項目94に記載の装置。
(項目101) 前記空間光変調器は、調節可能な格子周期を有し、該格子周期は、該空間光変調器に与えられる電気信号に応答する、項目100に記載の装置。
(項目102) 前記ビーム分離器は音響光学変調器である、項目93に記載の装置。
(項目103) 前記放射のビームの初期ソースと光学的に連絡する振幅変調器をさらに備える、項目93に記載の装置。
(項目104) オーダ−ブロックマスクをさらに備える、項目93に記載の装置。
(項目105) 前記オーダ−ブロックマスクは2重スリットのマスクである、項目104に記載の装置。
(項目106) 前記ビーム分離器と光学的に連絡する振幅変調器をさらに備え、該振幅変調器は、前記初期ソースの振幅を変調する、項目93に記載の装置。
(項目107) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)2つの放射ソースを提供する工程であって、該2つの放射ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、該2つのソースのうちの他方のソースに対してコヒーレントである、工程と、
b)該表面上のポイントに検出器を設ける工程と、
c)該オブジェクトの表面上のポイントを該ソースの各々からの放射で照射する工程と、
d)該ソースの各々を相互に移動させる工程と、
e)該オブジェクトの表面上のポイントにおいて該放射を検出する工程と、
f)該ソースの移動と、該オブジェクトの表面上のポイントにおいて検出された放射とに応答して位置情報を計算する工程と、
を包含する、方法。
(項目108) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目107に記載の方法。
(項目109) 前記ソースの1つからの放射のスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからの放射のスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる工程をさらに包含する、項目107に記載の方法。
(項目110) 前記放射ソースは仮想放射ソースである、項目107に記載の方法。
(項目111) 前記ソースの各々を移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる工程を包含する、項目107に記載の方法。
(項目112) 前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該ソースの各々を移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と、該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する工程を包含する、項目111に記載の方法。
(項目113) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する装置であって、
a)スペクトル分布を有し、互いにコヒーレントな2つの放射ソースと、
b)該ソースの各々を相互に移動させる制御システムと、
c)該オブジェクトの表面上のポイントを照射する放射を受信するように、該オブジェクトの表面上の該ポイントに配置された検出器と、
d)該検出器からの信号を受信するプロセッサであって、該ソースの移動と、該オブジェクトの表面上の該ポイントにおいて受信された放射とに応答して該オブジェクトの表面上の該ポイントの位置情報を計算する、プロセッサと、
を備える、装置。
(項目114) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目113に記載の装置。
(項目115) 前記制御システムは、前記ソースの1つからの放射のスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからの放射のスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる、項目113に記載の装置。
(項目116) 前記放射ソースは仮想放射ソースである、項目113に記載の装置。
(項目117) 前記制御システムは、前記放射ソースのうちの1つの各スペクトル成分を、該放射ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分に対して移動させて、該2つの放射ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる、項目113に記載の装置。
(項目118) 前記距離は、前記ソースのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、前記制御システムは、該ソースの各スペクトル成分を該ソースのスペクトル成分のうちの他方のスペクトル成分に対して移動させて、該距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する、項目117に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】図1は、表面輪郭測定を行う本発明の一実施形態のブロック図である。
【図2】図2は、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムの一実施形態のブロック図である。
【図2a】図2aは、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムの別の実施形態のブロック図である。
【図2b】図2bは、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムのさらに別の実施形態のブロック図である。
【図3】図3は、図1の2つの放射ソースを互いに対して固定した距離に支持する装置の一実施形態のブロック図である。
【図4】図4は、図1のイメージングシステムの別の実施形態である。
【図5】図5は、表面輪郭測定を行う本発明の別の実施形態のブロック図である。
【図6】図6は、表面輪郭測定を行う際に図1および図5のプロセッサによって用いられる工程の一実施形態のフローチャートである。
【図6a】図6aは、図6のフローチャートの一部の一実施形態である。
【図6b】図6bは、図6のフローチャートの一部の別の実施形態である。
【図6c】図6cは、図6のフローチャートの一部のさらに別の実施形態である。
【図7】図7は、図1および図5のシステムによって用いられる検出器およびプロセッサ装置の一実施形態のブロック図である。
【図7a】図7aは、図1および図5のシステムによって用いられるマルチプロセッサを含む検出器およびプロセッサ装置の別の実施形態のブロック図である。
【図7b】図7bは、図1および図5のシステムにおいて用いられる検出器およびプロセッサ装置の別の実施形態のブロック図である。
【図8】図8は、表面輪郭測定を行う本発明の別の実施形態のブロック図である。
【図9】図9は、図8の実施形態による、オブジェクトの表面上に配置された光検出器の素子の一実施形態を示す。
【図9a】図9aは、図8の実施形態に用いられるスプリングアーム上に配置された光検出器の素子の別の実施形態を示す。
【図10】図10は、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムのさらに別の実施形態のブロック図である。
【図11】図11は、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムのさらに別の実施形態のブロック図である。
【図12】図12は、図1の実施形態のブロック図である。
【図12A】図12Aは、図1の実施形態のブロック図である。
【図13】図13は、累進縞分割を実行するために用いられる一連の工程の一実施形態を示す。
【図14】図14は、累進縞分割を実行するために用いられる一連の工程の一実施形態のフローチャートである。
【図14a】図14aは、縞合成を用いる累進縞分割を実行するために用いられる工程の一実施形態のフローチャートである。
【図15】図15は、縞合成および周波数チューニングを用いた累進縞分割の方法の一実施形態のフローチャートである。
【図16】図16は、図15の方法で用いられる本発明の1実施形態のブロック図を示す。
【図17】図17は、本発明の広域幅干渉縞プロジェクタの一実施形態を示す。
【図18】図18は、本発明の一実施形態で用いられる液晶空間光モジュレータの一実施形態を示す。
【図19】図19は、本発明の一実施形態で用いられる2つのネスト状の2重スリットの一実施形態を示す。
【図20】図20は、アコーディオン状の縞運動を生成する本発明の一実施形態を示す。
【図21】図21は、本発明の広域幅干渉縞プロジェクタの一実施形態を示す。
【図22】図22は、本発明の一実施形態の、ヒストグラムベースのリップル消去として公知の*φ/(2π)の関数として縞数誤差ΔNをグラフィカルに示す表示を含む。
【図22a】図22aは、図22に示す曲線の傾斜+1のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
(好適な実施形態の詳細)
本発明は上掲の特許請求の範囲に特に示される。本発明の上述およびさらなる利点は、添付の図面に関する以下の説明を参照することによってよりよく理解され得る。
【0027】
本発明の実施形態を説明しながら、「ソース」および「放射ソース」を示す。これらの用語は、非常に局所化された放射ソースを含む、任意の放射ソースを指すよう意図される。
【0028】
図1および簡単な概略を参照して、二つの放射ソース、P1およびP2は、固定距離Dの分だけ隔離されており、そしてそれぞれ(x1、y1、z1)および(x2、y2、z2)の空間座標をそれぞれ有する。それぞれのソース、P1およびP2からの放射は、もう一方のソースからの放射に対してコヒーレントである。各ソース、P1およびP2は、各発散放射ビーム12および14をオブジェクト10の表面上のポイントP0に方向付ける。それぞれの放射ソースP1およびP2から表面上のポイントP0までの距離は、R1およびR2によってそれぞれ示される。Ψは起点からポイントP0まで延びる線と、ソース、P1とP2との間を延びる線との間の角度であり、θsはz軸とソース、P1とP2との間を延びる線との間の角度であり、αはP0から見た場合の2つのソースポイントから延びた辺で囲まれた角度の半分の角度である。各ビーム12、14はもう一方のビーム14、12と同じ方向に実質的に偏光され、そして、オブジェクト10上の異なる領域を同時に照射するように独立して走査可能であり得る。あるいは、オブジェクト10全体が同時に照射され得る。
【0029】
ポイントP0によって散乱された光20は光検出器22によって検出される。一実施形態において、光検出器22は1アレイの光検出器の素子を含んで、測定されるオブジェクト10の二次元画像を提供する。さらなる実施形態において、1アレイの光検出器の素子は電荷結合素子(CCD)である。検出器22は、1つ以上の個々の信号を含み、各信号は検出器22の光検出器の素子のうちの対応する1つに関連付けられた出力信号26を提供する。
【0030】
好適な実施形態において、焦点調節要素24はオブジェクト10の表面上のポイントP0と光検出器22との間に配置されて、検出器22上にポイントP0を含むオブジェクトの照射された部分をイメージングする。オブジェクトの表面が粗いため、そして照射放射がコヒーレントであるため、焦点調節されたイメージはスペックルを有する。光検出器22からの出力信号26は処理装置28への入力信号である。
【0031】
一実施形態において、偏光子30は焦点調節要素24と検出器22との間に配置される。偏光子30の配置方向は、散乱光20の主な偏光成分との合致が最大化される方向に向けられる。これにより、スペックルのコントラストまたは縞パターンのコントラストが向上する。この構成により、オブジェクト10の表面から散乱された光に関連付けられた信号対雑音比が最大化される。
【0032】
一実施形態において、プロセッサ28は一つのプロセッサであり、検出器アレイ22の光検出器の素子のそれぞれに関連付けられた検出器の出力信号26を受けて動作する。別の実施形態において、プロセッサ28は、複数の個々のプロセッサを有するマルチプロセッサであり、そして各光検出器の素子は入力信号をプロセッサのそれぞれ一つに提供する。検出器22がCCDアレイである、また別の実施形態において、複数のCCD素子は入力信号をマルチプロセッサの各プロセッサに提供する。マルチプロセッサの構成を用いると、複数の個々の光素子からの信号の計算が実質的に同時に行われ、これにより、信号処理速度が向上する。
【0033】
制御装置32は、放射ソースP1およびP2のうちの一つの放射の位相を、オブジェクト10の表面上のポイントP0で測定されるもう一方のソースからの放射の位相に対して変更するように、放射ソースP1およびP2の動作を制御する。プロセッサ28は、信号線またはバス34を介して制御装置32と通信し得る。例えば、特定の用途において、プロセッサ28が検出器22からの信号を処理する場合には、オブジェクト10の表面上を介するソースP1およびP2の走査に対応して、またはソースからの放射が掃引される周期に対応して、特定の回数行うことが望ましい場合がある。このような走査および周波数掃引動作が制御装置32によって制御されるため、制御装置32とプロセッサ28との間の通信がこれらの環境において望ましい。制御装置32およびプロセッサ28は物理的に別々の装置であっても、単一の処理システムによって実現されてもよいことが理解される。
【0034】
ここで図2を参照して、一実施形態において、放射ソースP1およびP2は、チューナブルレーザ40から放出される放射から形成される。チューナブルレーザ40によって放出された放射ビーム44はビームスプリッタ48によって分割される。放射ビーム50はビームスプリッタ48によって反射された後、レンズ52によって発散するようになる。次いで、発散ビームは、移動可能な照準ミラー54によって反射される。照準ミラー54によって反射される放射ビームは、コヒーレントな放射ソースのうちの一つ、P1を提供する。同様に、ビームスプリッタ48を透過した放射ビーム46は、レンズ58によって発散するようになり、発散ビームを第2の移動可能な照準ミラー60に方向付ける。ミラー60によって反射された放射ビームは、第2の放射ソースP2を提供する。照準ミラー54および62は、回転可能であり、オブジェクト10の表面を選択的に照射し得る。照準ミラー54および62はさらに、移動可能であり、ソースP1およびP2の位置を変更し得る。
【0035】
図2aを参照して、放射ソースP1およびP2の別の実施形態が、放射ビーム44を提供する回転可能なレーザソース40を含むように図示される。放射ビーム44はレンズ62を透過し、これによりビームが発散して、発散ビーム64を提供する。次いで、発散ビーム64はビームスプリッタ48によって反射されて、第1のビーム66を提供する。第2のビーム68は、図示するように、ビームスプリッタ48を透過する。移動可能な照準ミラー54および60はそれぞれ、ビーム66および68を反射して、ソースP1およびP2を提供する。
【0036】
図2bを参照して、別の実施形態において、放射ソースP1およびP2は、光ファイバスプリッタ56を用いて、回転可能なレーザ40から放出された放射から分割される。ファイバは、端部においてビーム形成要素を有して、2本のビームの発散角度を制御または設定し得る。一実施形態において、ビーム形成要素はレンズであり得る。ソースP1およびP2は、あるいは、周波数が固定された1対の回転可能なレーザから形成され得る。放射ソースの他の適切な実施形態は、マイクロ波および音波などの制御可能な位相を有する波を生成する任意のソースを含む。
【0037】
1実施形態において、小さい膨張係数を有する材料を含むバーの一方の端部に放射P1およびP2の各ソースを取り付けることによって、ソースは互いから一定の距離Dで維持される。別の実施形態において、放射P1およびP2のソースは一定の距離で保持されないが、その代わりにこれらのソース間の距離Dは非常に正確であることが公知である。
【0038】
互いに対して一定の距離Dで放射ソースP1およびP2を支持するための例示的な1つのバー70が図3に示される。バー70の両端部にはソケット74が提供される。玉継手76は、示されているように、ソケット74の各々の内部で旋回するように(pivotally)配置される。玉継手76の各々は(図2bに示される)その中に配置される光ファイバースプリッタ56からのファイバーの端部および発散放射が通過するアパーチャ80を有する。ファイバーはその端部においてビームを形成する素子を有し得、2つのビームの発散角を制御または設定し、1実施形態において、このビーム形成素子はレンズである。動作中、玉継手76は、それぞれのソケット74の中で、矢印78によって示されるように旋回可能であり、(図1に示される)制御ユニット32によって制御され得る。この構成を用いて、ファイバーの端部におけるソースP1およびP2によって提供される発散ビーム12および14は、所望の方向に向けられ得、一定の隔離距離(separation distance)Dが維持される一方で、処理されるべき点P0を含む物体10の全体または部分を照射する。
【0039】
再び図1を参照して、物体10の表面上の点P0の座標は(x、y、z)である。点P0のx座標およびy座標は、通常、検出器22および物体10の幾何学的形状から直接的に決定されるが、焦点調節素子24をこれらの検出器22と物体10との間に挿入して任意の倍率を考慮している場合には、深さ座標zを直接求めることはできない。但し、ここでz軸は結像系の光軸と並行であると定義される。しかしながら、深さ座標zは、放射ソースP1から物体10の表面上の点P0および放射ソースP2までの光路差
s=R2−R1+S0 (1)をまず考察することによって測定され得る。量S0は、ビームが点P1およびP2に到達する前に生じ得る、ビームにおける任意の光路長の差を考慮に入れるために含まれる。
【0040】
sが非ゼロである場合、ソースP1およびP2から発せられた放射の周波数を変更することによって点P0で測定される1方のソースからの放射の位相が、他方のソースに対して変化する。この位相変化によって、点P0における放射の強度が変調する。強度の変化の1サイクルを完了するために必要とされる周波数Δνの変化は、以下の式によって与えられる。
Δν=c/s (2)
ここで、cは光の速度である。従って、強度の1振動を引き起こすために必要とされるレーザの周波数Δνの変化を測定することによって、光路差sが決定され得る。zの測定は、その後、後述されるように、xおよびyの各値に対してsの値を決定することに基づく。
【0041】
sのより正確な決定は、複数の振動サイクルにわたってΔνを測定することによって得られる。実際には、周波数の変化全体Bによって誘導される(必ずしも自然数ではない)振動サイクル数Nに関して測定することが好都合である。
【0042】
NはΔνおよびBに関して、以下のように与えられる。
N=B/Δν (3)
式(2)を用いて、式(3)からΔνを消去すると、Nに関するsの以下の数式が得られる。
s=(c/B)・N (4)
長さBの周波数走査により誘導された振動サイクル数Nは、周波数の走査中、測定点P0にわたって移動する干渉縞の数に対応することに留意されたい。干渉縞は、ソースP1およびP2から発せられる放射の干渉によって生成される。これらの振動は、結像レンズ24によって干渉縞が解消されてもされなくても生じる。
【0043】
Nの測定における不確定度ΔNは、
Δs=(c/B)・ΔN=s・(ΔN/N) (5)
のsにおける不確定度Δsに対応する。
【0044】
式(5)は、単一の振動サイクルが決定され得る不確定度ΔNが一定の状態である場合、sにおける不確定度Δsは、測定されたサイクルN数と等しいファクタだけ減算されることを示す。当業者に公知の種々のレベルの分解能ΔNに対するNを決定する複数の方法が存在する。約1の振動サイクルカウント(ΔN=1)の分解能を得る方法の例は、データシーケンスに高速フーリエ変換(FFT)を行なうか、または高域フィルタリングされた信号のゼロ交差をカウントすることである。1未満の振動サイクルカウント(ΔN<1)の分解能は、例えば、離散フーリエ変換(DFT)の大きさが最大化されるところでDFTの引数(argument)を見出すことによってか、または周波数走査の終了時において振動サイクルの位相を検査することによって改善することができる。位相の精確な検査に関する当業者に公知の1つの技術は、ビーム経路の1つのレッグ、すなわちビームスプリッタまたは光ファイバースプリッタと、図2、図2(a)および図2(b)におけるソースP1またはP2のうちの1つとの間に位相変調器を挿入することである。
【0045】
I1、I2およびI3がそれぞれ−90°、0°および90°の位相変調器によって生じる位相シフトに対応する信号強度である場合、振動サイクルの位相φは、以下の数式によって与えられる。
φ=tan−1((I1−I3)/(2I2−I1−I3)) (6)
位相における不確定度Δφは、2πで除算することによってサイクルカウントにおける不確定度ΔNに変換される。
【0046】
チューナブルダイオードレーザのB=15THzの典型的な周波数走査の場合、ΔN=1サイクルの不確定度では、Δs=20μmの不確定度が提供される。横方向の分解能に対するsの広がりが、その量よりも小さい場合、ΔN=0.1サイクルの不確定度は、sにおける不確定度をΔs=2.0μmまで向上する。物体の表面上の横方向の分解能に対するsにおける広がりがΔsよりも大きい場合、sの測定における分解能は改善されているので、この場合もやはり、その横方向の分解能に対するsの平均値または代表値の推定を改善することができる。
【0047】
座標系に置き換えるとsは以下の式によって与えられる。
【0048】
【数1】
計算をより簡略化するために、2つのソースP1およびP2が(x1、y1、z1)および(−x1、−y1、−z1)における原点のまわりに対称的に配置されていると仮定する。その後、式(7)は、(x1、y1、z1)に関して、以下のようになる。
【0049】
【数2】
zについて解くと、式(8)は以下のようになる。
【0050】
【数3】
ここで、Dは2つのソースP1とP2との間の距離である。従って、zは、式(9)に正の根および負の根が存在するために、アンビギティの範囲内であることが判定される。このアンビギティを回避する1つの方法は、物体10を照射することにより、s=0線(s0=0の場合である図1において16で示される)が結像されるべき物体の領域を2等分しないようにすることである。s=0線を移動する1つの方法は式(1)におけるs0を変更することである。
【0051】
sの変更に対するシステムの感度は、Δs/Δzの比によって示され、ここで、Δzはsの値における不確定度Δsによって導入されるzにおける不確定度である。この比は、任意の実用的な感度の範囲が十分でないシステムの0と、理論的には最大システムの2との間にわたる。2の値を達成するのは非現実的である。なぜなら、物体10の表面は、2つの点ソースP1とP2との間にある必要があり、各ビームによって表面の片面のみが照射されとるからである。比Δs/Δzは、zに対するsの偏導関数を得ることによって計算され、この結果より範囲分解能に関する以下の数式が取得される。
【0052】
【数4】
式(10)において、図1に示されるように、R0は原点からP0までの距離であり、ψは原点から点P0に延びる線と、点P1から点P2に延びる線との間の角である。良好な範囲の分解能を提供する有用な構成は、ψ=90°を設定することであり、この場合Δzの数式は以下のように簡略化される。
【0053】
【数5】
ここで、θsおよびαは図1に示されるとおりである。R0およびDに関してはtanα=D/(2R0)である。式(11)は、角αが増加し、角θsが減少するにつれて範囲分解能は向上することを示す。Δs=5μmの値、α=10°およびθs=45°の場合、範囲分解能はΔz=20μmである。
【0054】
点P0の横方向の位置(x、y)における不確定度(Δx、Δy)も、範囲分解能Δzに影響を与える。2つのソース点がx−z平面にある場合、zの測定は、不確定度Δyの影響を受けない。ψ=90°に関して、xにおける不確定度Δxは、zの測定において以下の不確定度を生じさせる。
【0055】
Δz=Δxtanθs (12)従って、θs=0°近傍の角であれば、点P0の横方向の位置における不確定度への影響は最も少なくなる。
【0056】
焦点の深さは、最適なシステムの横方向の分解能が向上すると減少するので、横方向の分解能と物体の最大深さとの間にトレードオフが存在する。物体の深さにおけるこの制限を低減するための1つの方法は、異なった範囲の平面に連続して焦点を合わせ、焦点の深さの中にあるピクセルのみを用いることである。例えば、100μmの横方向の分解能は、フィールドの深さを1cmのオーダーに制限し、10cmの範囲を有する物体は10個の異なった範囲で連続的に焦点を合わせることによって全分解能で結像され得る。フィールドの深さの影響を最小化するために、z軸は、範囲の広がりを最小化する、すなわち、物体の表面の平均的平面に対して垂直の方向に規定され得る。横方向の分解能を損なわずに、結像され得る横方向の面積を増加させるために、複数のカメラ(すなわち、検出器アレイ22)を用いて物体10の対象となる領域全体を覆てもよいし、または対象となる個別のカメラを用いて検査してもよい。あるいは、単一のレンズの焦点面に複数の検出器アレイを配置してもよい。これらのアレイは、独立して平行移動され得、物体の種々の領域を高分解能で検査する。z軸に沿う個別の検出器アレイの平行移動または検出器アレイの傾動(tilting)は、異なった深さの物体の領域に対して焦点を同時に合わせ、物体深さの受容可能な範囲を大きくすることができる。
【0057】
図1における光学結像システムの潜在的問題は、ソースと検出器との間のバイスタティック角によってシャドウイング効果(shadowing effects)が発生し得ることである。これらの効果は、図4におけるように、レンズをソースにより近づけて配置し、かつ検出器が結像面において横方向にオフセットされる、レンズを軸から外した構成で用いることによって低減され得る。この目的のためにレンズが設計される場合、またはレンズが十分に大きい視野を有する場合、軸から外して結像することによって生じる収差は最小化され得る。
【0058】
図5を参照して、本発明の代替的実施形態は可動の放射ソースP1および静止放射ソースP2を含み、各ソースは発散ビーム150および154を提供し、それらの放射ソースと、物体10の表面上の点P0との間にR1およびR2で表示された光路長をそれぞれ有する。ソースP1およびP2は、単色レーザ等のコヒーレント光の任意の適切なソースによって生成され得、このコヒーレント光は、2つの点ソースP1およびP2を提供するために分割され得る。さらに、図2および図2aのビームスプリッタの実施形態、ならびに図2bの光ファイバースプリッタの実施形態等の種々の技術が、コヒーレント放射ソースからの放射を分割するために適切である。
【0059】
発散ビーム150および154は、位置情報を有する点P0が配置され、測定されるべき物体10の表面の方向に向けられる。物体10の表面によって散乱される照射は、焦点調整素子またはレンズ158によって焦点合わせされ、検出器アレイ22に当たる。レンズは、図4に図示されるように、軸から外された構成で用いられ得、バイスタティック角に起因するでシャドウイング効果を低減する。図1と関連付けられた上述のタイプの任意の偏光子(図示せず)は、焦点調整素子158と検出器アレイ22との間に配置され得、検出器アレイ22に入射するスペックル画像または縞パターンのコントラストを向上させる。
【0060】
検出器アレイ22は、後述されるように、検出器に入射する画像を処理するためのプロセッサユニット28と通信する。制御ユニット32は、ソースP1を軸160に沿って移動させるために、少なくとも可動ソースP1と通信する。上述のように、制御ユニット32およびプロセッサユニット28は別個のデバイスによって実現され得るか、または代替的には、単一システムの部分であり得る。さらに、制御ユニット32およびプロセッサユニット28は、特定の用途において所望され得るように、互いに通信し得る。
【0061】
図1と関連付けて上述されたように、物体10の表面上の点P0と関連付けられた深さ座標zは、ソースP1およびP2のそれぞれから点P0へのビーム150の光路長R1と、ビーム154の光路長R2との間の差の関数R1−R2として決定され得る。図5の実施形態において、可動ソースP1からの放射の位相は、制御ユニット32の制御のもとで、ソースP1を軸160に沿って移動させることによって変更される。この構成を用いて、点P0で強度における振動が生成される。
【0062】
可動点ソースP1の瞬間座標は以下のとおりである。
【0063】
x1=als,y1=amsおよびz1=ans (13)
ここで、aは点ソースP1の平行移動の大きさを表し、ls、msおよびnsはx、yおよびz軸それぞれに関する平行移動の方向を表す方向余弦である。
これらソースP1およびP2からの放射が点P0へ伝播した後に測定された、の位相差は、以下の数式によって与えられる。
【0064】
【数6】
ここで、φ0は、2つのコヒーレントソースP1とP2との間に存在し得る一定の位相オフセットを表す。P1が軸160に沿って平行移動すると、R1の値は変化し、φをaの関数として変化させる。
【0065】
ソースP1が原点から移動して離れると、点P0において生じる振動の強度(またはP0を横切る干渉縞)の数は、以下の数式によって与えられる。
【0066】
【数7】
ここで、R0は、点P0と座標系の原点との間の距離であり、φ(a)は、ソース間の距離がaの場合の式(14)における光学位相差であり、φ(0)は、a=0の場合の式(14)における光学位相差である。式(15)を考察することによって、ソースP1からの移動の結果である振動の強度の数Nは静止ソースP2の位置には依存しないことが明らかとなった。この非依存性は、ソースP1およびP2が互いに近接して配置されることを可能にする。この構成を用いて、ソースP1およびP2それぞれからの発散ビーム150および154は、大気乱流および振動等の一般的な妨害を受ける。このようにして、このような妨害の影響は最小化される。さらに、ビーム150および154は、実質的に同じ偏光を有した状態で物体10の表面に達する。
【0067】
ソースP1とP2の間の距離が小さいと、物体10の表面上に縞の間隔が大きい縞パターンを生成するが、これは結像レンズ24によって容易に解消され得ることにも留意されたい。
【0068】
点ソースP1の平行移動aの大きさは、R0の値と比較して、比較的小さいので、式(15)は、以下のようにa/R0における二次まで近似され得る。
【0069】
【数8】
ここで、ψは、原点から点P0へと延びる線と、P1の平行移動の方向によって規定される線との間の角である。
【0070】
式(16)は、a/R0における最下位まであれば、Nが分かるので角ψを決定することができるということを示す。3つ以上の位置からψが分かれば、P0の(x、y、z)座標は三角形分割によって決定され得る。次に、図1に対応する実施形態と類似の実施形態が説明される。ここで、x座標およびy座標は、検出器アレイにおける結像点の位置から決定される。
【0071】
所与の(x、y)の位置に対するzは、P1のある距離の移動に対応する強度の振動サイクルNを決定することによってか、またはそのような強度振動が生じる速度を測定することによって測定され得る。まず、サイクル数Nを決定することに基づくzの測定を考察されたい。既知のNを用いれば、zを除く式(15)におけるすべての変数は分かる。zについて式(15)を解くことで、以下の数式が得られる。
【0072】
【数9】
式(19)は、0と1との間で変化する大きさを有する無次元パラメータを定義する。これは、P1によって移動される波長単位ごとの振動サイクルNに関するスペックル強度の平均変調率を表す。aの値が0に近づくと、式(17)は以下のように近似され得る。
【0073】
【数10】
式17および式20におけるzの数式は、ns=0を設定することによって簡略化され得、その結果、ソースP1の平行移動はx−y平面に限定される。この構成は、後述されるように、ソースP1の平行移動に関する良好な実用的選択を表す。結果として生じるzの数式は、以下のように表され得る。
【0074】
【数11】
ここで、散乱点P0からx、y座標系の原点への距離R0は、完全な数式によって与えられる。
【0075】
【数12】
aが小さいとき、R0は以下のように近似され得る。
【0076】
【数13】
次に、強度の振動が生じる瞬間比を知ることによってzの測定を考察されたい。瞬間振動率ρは、式(19)における平均振動率と類似の方法で以下のように表され得る。
【0077】
【数14】
式(15)から得られる強度の振動の数Nの数式を式(24)に代入することで以下の式が得られる。
【0078】
【数15】
ここで、関係を分子を簡略化するために用いる。
【0079】
ls2+ms2+ns2=1 (26)
aの値が小さい場合、ρは以下のように近似される。
【0080】
【数16】
式(25)をzについて解くことで以下の式が得られる。
【0081】
【数17】
ここでは、
O=[xls+yms+a(ρ2−1)]ns (29)および
【0082】
【数18】
である。ns=0のとき、式(29)は、式(21)の形式で表され得る。
【0083】
【数19】
aの値が小さいとき、式(28)および(31)は、式(20)および式(23)によってそれぞれ近似され得る。ただし、ρの代わりにρ\を用いる。本明細書中において「\」とは、「\」の前の文字に上線を付していることと等価であり、例えば、ρ\は、
【0084】
【数20】
を示す。
【0085】
範囲分解能を推定するために、測定される量の不確定度(ΔNまたはΔρ)によって生じるzの測定における不確定度Δzを考察されたい。簡略化するために、この計算は、式(16)によって与えられるNに関する近似式に基づく。Δzを求めるために、zについてN(またはρ)の偏導関数をとり、この偏導関数を比ΔN/Δz(またはΔρ/Δz)と等価すると、以下の式が得られる。
【0086】
【数21】
は、平行移動の方向および散乱点への方向を考慮に入れたジオメトリカルファクタである。Gに関する第1の式において、
l=x/R0,m=y/R0およびn=x/R0 (34)
は、点P0の方向余弦である。Gに関する第2の式において、θは極角およびφは方位角であり、球面座標系における原点からP0への方向を表す。同様に、ソース点の平行移動の方向はθsおよびφsによって与えられる。
【0087】
式(32)の考察によって、物体の距離R0が増加するにつれ、範囲分解能が低下し、ソースP1の平行移動aの大きさが増加するにつれて、範囲分解能が向上することが明らかとなる。式(33)の考察は、ジオメトリカルファクタGが1と無限との間で変化することが分かる。ここで、1は達成可能な最良範囲分解能に対応する。
【0088】
所与の散乱点の方向に対するソースP1の平行移動の最適な方向は、Gがl、mおよびnの所与の値に対して最小化されるようにls、msおよびnsを選択することによって式(33)から得られる。この制約を適用すると以下の式が得られる。
【0089】
【数22】
これは、最適な平行移動の方向が、原点から散乱点P0(ψ=90°)へと延びる線と直交し、その線およびz軸(φs=φ)によって形成される入射面にあることを意味する。式(35)の値を式(33)に代入すると、以下のようになる。
【0090】
【数23】
式(36)から、1の達成可能な最良のG値は、n=0(θ=90°)のときに生じることが分かる。これは、散乱点がx−y平面にあることを意味する。さらに、z軸上にある分散点に対してGが無限大に近づくにつれ分解能が低下することも分かる。例えば、θ=30°の場合はG=2、およびθ=10°の場合はG=5.76である。各点に関する平行移動の方向を変更することなく、画像内のすべての点について式(35)を満たすことは可能ではないが、最適分解能の条件は代表的な画像点について式(35)を満たすことによって近似され得る。
【0091】
式(25)および式(27)によって、瞬間変調率ρは、平行移動する点のオフセットの大きさaに依存する。測定ρに基づく技術の場合、走査中にρができる限り変化せず、その結果、値ρとzとは、ほぼ1対1で対応することが所望される。従って、標準的スペクトル解析技術は、ρの値を推定しzを決定するために適用され得る。走査時に生じるρの不均一性の程度を定量化するために、以下のように定義される。
【0092】
【数24】
式(27)からのρに関する近似式を式(37)に代入し、aを含む最低次数項のみを残すと、以下の式が得られる。
【0093】
【数25】
方程式(38)は、変調の不均一性が走査の長さ対物体の距離の比a/R0が線形に増加することを示す。さらに、不均一性は、ψ=0°であるときに消失し、ψ=90°であるときに有界を有することなく増加する。しかしながら、ψ=0°の線におけるすべての点は、範囲、すなわち式(33)におけるG=∞に関係なく、同じ変調率を有するので、ψ=0°のときに範囲分解能は存在しないことが分かる。従って、不均一性を最小化することと、最適範囲分解能との間にトレードオフが存在する。
【0094】
良好な範囲分解能および低減された変調の不均一性を同時に提供する好都合な測定構成は、ns=0を設定し、φs方向におけるオフセット、すなわちφ=φsを有する軸から外れた光学系を用いることである。その後、Gに関する式(33)は以下の式に通分される。
【0095】
G=−2/sin(2θ) (39)
測定技術の例示的例として、x−y平面における200mm×200mmである物体を、R0=1mの距離から波長λ=0.7μmのレーザを用いて撮像することが所望されることを仮定されたい。ns=0および物体の中心がθ=30°およびφ=φsにおいて配置される場合、式(39)によって、ジオメトリックファクタGは、視野にわたって2.1と2.6との間で変化する。式(32)によって、a=5mmの平行移動は、カウントの20分の1、すなわちΔN=0.05の振動の数における不確定度に対して、Δz=16μmの範囲不確定度を(画像の中心において)生成する。走査全体に対する振動カウントの総数は、式(16)によりN=3600である。画像の中心における変調の不均一度を推定するために、式(38)においてψ=60°を設定し、χ=0.0075を取得する。その結果、不均一度は、走査にわたって1%よりも少ない。この不均一度は、走査中に、走査速度を少しだけ変化させ、測定中の周波数の任意の変化を補償することによってさらに低減され得る。
【0096】
図6は、図1および図5のプロセッサ28によって行われる例示的な一連の工程を示す。これらの工程を行って、オブジェクト上の各ポイント(x、y)における深さ座標zを判定する。プロセッサは、工程100から開始し、オブジェクト表面上の複数の照射ポイントによって散乱される放射の強度のパラメータを測定する(工程108)。この情報から、各測定ポイントのz座標を計算する(工程112)。
【0097】
工程116において、光学フィルタリングプロセスを行うことができる。当業者に公知の適切なフィルタを挙げると、平滑化フィルタ、メジアンフィルタおよびカーブフィッティングフィルタがある(ただし、これらに限定されない)。その後、マッピングされたポイントの表示または出力を当業者に公知の何らかの方法で行うことができ、その後、本プロセスは図示のように工程124において終了する。一実施形態において、工程120において、マッピングされたポイントを、メッシュプロット上の演算されたz情報の関数としてプロットする。
【0098】
図6aも参照して、工程108および工程112の一実施形態が図示されており、これらの工程は、図1の実施形態と共に用いると適切である。工程108’において、散乱される照射の強度をレーザ周波数オフセットの関数として測定し、当業者に公知の方法の1つを用いてNを測定する。その後、工程110’において各ロケーション(x、y)について式(4)を用いてsを計算し、工程112’において各ロケーション(x、y)について式(9)を用いてzを計算する。
【0099】
図5の実施形態と共に用いられる処理工程108および処理工程112の別の実施形態を図6bに示す。この場合、工程108’’において測定される強度のパラメータは、回数N(これは必ずしも整数ではない)であり、この回数の間、可動ソースP1(図5)が平行移動するにつれ、強度は周期的に変化する(cycle)。当業者に公知の方法を通じて工程108’’においてNが判定されると、工程110’’において、このNは式(19)によってρ\に変換される。その後、工程112’’において式(17)および式(18)を用いてzを計算する。図5の実施形態と共に用いられる処理工程108および112の別の実施形態を図6Cに示す。この図6Cの実施形態では、工程108’’において測定された強度のパラメータは、ソースポイントP1が平行移動するときに振動が発生したときの瞬間振動速度ρである。工程112’’’において、式(28)〜(30)を通じてρをzに変換する。
【0100】
検出器22およびプロセッサ28は様々に構成することが可能である。図7に示す一実施形態において、検出器アレイ22の光検出器素子221、1〜22n、mを逐次読み出す。検出器アレイ22のシリアル出力36は、プロセッサ28への入力を提供する。プロセッサ28は、単一のプロセッサを含み得るか、あるいは、複数のプロセッサを含むマルチプロセッサであり得る。
【0101】
図7aも参照して、検出器およびプロセッサの別の構成を示す。この実施形態において、プロセッサ28は、複数のプロセッサ281、1〜28n、mを含むマルチプロセッサである。検出器アレイ22の光検出器素子221、1〜22n、mはそれぞれ、プロセッサ281、1〜28n、mのうち対応する1つに各出力信号38を提供する。この構成を用いると、プロセッサ281、1〜28n、mはそれぞれ実質的に同時に動作することができ、有利な性能を実質的に提供する。より詳細には、マルチプロセッサユニット28内の各プロセッサ281、1〜28n、mは、光検出器アレイ22の対応する素子221、1〜22n、mから受信したデータに基づいてz座標を計算する機能をする。従って、オブジェクト10の表面の各ロケーションのz座標を敏速に判定することができる。
【0102】
図7bは、検出器およびプロセッサコンポーネントのさらに別の実施形態を示し、これらの検出器およびプロセッサコンポーネントは、図1および図5のシステムにおいて、ユニット式の検出器およびプロセッサアレイ25の形態で用いられる。アレイ25は、共通基板上に作製されるかもしくは共通基板によって支持されるか、または、マルチチップモジュール(MCM)として作製されるかもしくは表面取付け技術(SMT)によって作製される。アレイ25の検出器部分は光検出器素子221、1〜22n、mを含み、アレイのマルチプロセッサ部分は、プロセッサ281、1〜28n、mを含む。より詳細には、図示のように、検出器221、1〜22n、mはそれぞれ、プロセッサ281、1〜28n、mそれぞれと関連付けられるかまたはプロセッサ281、1〜28n、mの近隣に配置され、入力信号を各プロセッサに提供する。プロセッサ281、1〜28n、mは、検出器221、1〜22n、mそれぞれからの情報を実質的に同時に処理して、深さ座標を判定する。
【0103】
図8を参照して、本発明の別の実施形態は、検出器22’のアレイを含み、このアレイはオブジェクト10の表面に対向して配置されており、オブジェクト10の表面輪郭が測定される。この構成では、オブジェクト10の表面上のポイントP0からの散乱光を観察してzを判定するのではなく、光の位相シフトの測定をオブジェクトの表面において直接的に行う。図示はしていないものの、図8のシステムは、ソースP1およびP2を制御する制御ユニット28と、検出器22’に入射する放射を処理するプロセッサ28とを含む。検出器22’については、図8中に図示しており、図1、5および6と関連して説明している。
【0104】
オブジェクト10の表面上に光検出器素子23を配置する構成およびメカニズムには様々なものがあり得る。図9に示す一実施形態において、アレイ22’の複数の個々の光検出器素子23を、対象エリア内のオブジェクト10表面上に配置する。
【0105】
図9aに示す別の実施形態において、支持/制御ユニット88の片側から出ているスプリングアーム84上にアレイ22’の個々の光検出器素子23を取り付ける。これらのスプリングアーム84を制御ユニット88によってオブジェクト10の表面上で移動させて、特定のポイントまたは対象領域と接触させる。このようにスプリングアーム84を片持ち型で支持すると、アーム84がオブジェクト10上を移動している間、個々の検出器23はそれぞれ、オブジェクト10の表面上のロケーションとの接触状態を保つ。すなわち、オブジェクト表面の輪郭が変化すると、それに応じてスプリングアーム84も上下に移動する。
【0106】
本発明の装置および方法において、放射ソースをさらに2つ以上用いてもよいことが理解される。例えば、さらなるソース(単数または複数)を用いて、オブジェクトまたはその一部分に関するx、y座標情報を判定することができる。さらに、さらなる放射ソースを用いて、対象領域のシャドーイングに寄与するいかなる処理精度の不足または処理のあいまい性をも低減することができる。
【0107】
ソースポイントの移動を行う実施形態は他にも変更が可能であることが理解される。例えば、これらの2つのポイントはどちらとも、反対方向に移動しながら移動することもできるし、一定の間隔を保ちつつ同じ方向に移動することもできるし、共通の中心点の周囲を回転することもできるし、あるいは、制御システムによる切換えが可能なソースポイントのアレイを用いることによって動きをシミュレートすることも可能である。
【0108】
双方のソースを移動させると、単一の可動ソースを用いる場合と比較して式(38)における変調の不均一性を低減できるなどの利点を得ることができる。この不均一性を低減させることによって企図しているのは、Nがaの奇関数となるような様式でポイントを移動させることにより、式(27)中のrに関する線形項を無くすことである。平行移動を2つのソース間で均等に分割して、これらの2つのソース間の中心が固定されるようにする(これは、対向移動(opposing motion)と呼ばれる)。その結果、以下の数式が得られる。
【0109】
【数26】
a中に4次までの項を含む式(16)に対応するNを展開すると、以下のようになる。
【0110】
【数27】
従って、a中の2次項およびそれよりも高次のa中の偶数項を無くし、3次項の大きさを1/4だけ低減する。
【0111】
これにより、式(17)および式(22)に基づいてzを正確に数式として表すと、以下のようになる。
【0112】
【数28】
ns=0の場合、式(42)は式(21)まで低減し、以下のようになる。
【0113】
【数29】
aの値が小さい場合、式(42)および式(43)はそれぞれ、式(20)および式(23)となる。しかし、双方のソースを移動させることによってaへの1次依存(first−order dependence)を無くすと、移動ソースを1つだけ用いる場合よりもこの近似結果の精度が上がる。
【0114】
2つのソースを対向移動させると、式(25)によって表される変調速度の数式は以下のようになる。
【0115】
【数30】
小規模のaの近似(これは、aまで有効であり、3次のaを含む)を用いると、式(44)は以下のようになる。
【0116】
【数31】
式(45)中に線形項が存在しないと、スキャン期間中の平均振動速度ρが式(27)と比較してより安定する。ここで、式(37)において既に規定された対応する変調不均一性χを以下のように表すことができる。
【0117】
【数32】
式(46)の場合、a/R0の比への2次依存および共通因子中のcosyの不在のため、得られるχの値は、式(38)のχ値よりもずっと小さい。双方のソースポイントを移動させることによって得られる利点の1つとして、レンジ分解能を最適にした(ここでy=90°)場合、不均一性が小さいままであるという点がある。
【0118】
単一のソースの動きについて既に与えられたレンジ不確定性Δzの結果は、Nおよびρの小a近似(small−a approximation)における第1の項に基づく。これらの近似における第1の項は2つのソースの動きと同一であるため、先に述べた結果は、2つのソースが移動する場合にも当てはまる。
【0119】
図10を参照して、本発明の別の実施形態は、2つの対向する可動ソースP1およびP2を含む。レーザソース40からのビーム44は、ビームスプリッタ48によって送信ビーム46および反射ビーム50に分割される。送信ビーム46は、鏡94からレンズ58へと反射される。同様に、反射ビーム50も鏡96からレンズ52へと反射される。鏡付き表面91および93を備えた直角プリズム92を用いて、ビーム46および50をそれぞれレンズ58および52から再度方向付ける。ビーム46および50はそれぞれ、ポイントP1およびP2に集束し、発散ビーム82および86として延びる。位相シフトは、別個のビーム46および50がたどるビーム経路間の光路長の差を変更することによって達成することができる。これは、例えば、素子48、94または96のうち少なくとも1つを圧電変換器(図示せず)によって面外平行移動させるようにすることにより、達成可能である。あるいは、位相シフトデバイス(図示せず)を、ビーム経路46または50のうち1つに挿入してもよい。このようなデバイスの一例としては回転するガラス製ディスクがあり、このガラス製ディスクは、別個の工程において回転角度を用いて自身の光学的厚さを変化できるようにコーティングされている。プリズム92は軸99に沿って平行移動することが可能であり、これにより、ソースP1およびP2の対称な動きに影響を与える。あるいは、レーザ40、ビームスプリッタ48、鏡94および96ならびにレンズ52および58が1つの群として軸99に沿って平行移動する間にプリズム92を固定状態にして、ソースP1およびP2を対称に平行移動させてもよい。ソースP1とソースP2との間の距離の変更は、レーザ40とビームスプリッタ48との間のビーム44中に配置された角度変調デバイス(図示せず)を用いても達成することが可能である。このような角度変調デバイスは、ビーム角度を変化させる。角度変調デバイスの例を挙げると、検流計鏡および音響光学変調器がある。
【0120】
別の実施形態(図示せず)において、ソースP1およびソースP2は仮想ソースである。すなわち、ソースP1およびソースP2は、ビーム46および50が集束状態で通過する場所である光または領域の小ソースではない。その代わりに、ビーム46および50を発散させる光コンポーネント(すなわち、負レンズ)を用いて発散ビーム82および86を生成する。その結果、オブジェクトへの照射を、実際のソースP1およびP2を用いた他の実施形態から区別不可能にすることが可能となる。
【0121】
図11は、反対方向に移動するソースP1およびP2を生成するさらに別の構成を示す。レーザソース40からのビーム44は、ビームスプリッタキューブ48によって送信ビーム46および反射ビーム50に分割される。送信ビーム46は、曲面鏡95から反射され、直角プリズム92の鏡付き表面91から反射される。同様に、反射ビーム50も、曲面鏡97および直角プリズム92の鏡付き表面93から反射される。ビームスプリッタキューブ48を改変(例えば、ビーム経路外部のガラスを除去)して、光コンポーネントを密接に取り付けることが可能である。曲面鏡95、97は、図10中の平面鏡94、96およびレンズ58、52の機能を行う。これらの曲面鏡95、97を軸のずれた(off−axis)放物線型鏡セグメントにして、P1およびP2において小さなフォーカルスポットを生成させてもよい。あるいは、曲面鏡95、97を球状の素子にしてもよい。球状の素子によって生じる光学収差は、縞接触には影響を与えず、縞位置のみに影響を与える。これらの光学収差は、解析に取り入れることが可能である。位相シフトは、ビームスプリッタ48を平行移動させるか、または、上述したようなビーム経路46もしくは50のうち1つの中に位相シフトデバイス(図示せず)を配置することにより、達成可能である。
【0122】
ここで再度図1を少し参照して、上記における導出は、テレセントリックイメージング構成に基づく。焦点面中のイメージポイントPiの側方位置は、レンズ24の倍率によってオブジェクトポイントP0の側方位置に関連付けられ、レンズ24とオブジェクト10との間の距離から独立する。焦点はずれによってイメージPiは不鮮明となるが、これは、検出器22においてイメージPiがはっきりと側方位置にある状態には影響を与えない。そのため、オブジェクトポイントP0の側方位置をそのイメージポイントPiの位置によって推定する作業をP0とPiとの間の距離に関係無くおこなうことができる。残念なことに、オブジェクトが大型である場合、テレセントリックイメージャ24は用いることはできないかもしれない。その理由は、レンズ24の直径は、少なくとも測定対象オブジェクト10の最大寸法と同じくらいの大きさでなければならないからである。従って、ほとんどのレンズはテレセントリックではない。
【0123】
ここで図12を参照して、この問題を回避するためのポイントP0の(x、y、z)座標を判定するための一般的なアプローチとして、検出器22におけるイメージポイントPiの位置は、オブジェクトポイントP0とフォーカシング素子24の光学軸98との間の角度αxを表すものであると仮定するアプローチがある。座標は、縞数Nと、検出器22におけるイメージポイントのロケーションとから導出することができる。以下の方程式は正確である(小aは仮定していない)。
側方座標は、以下によって得られる。
【0124】
【数33】
ここで、αxおよびαyはそれぞれ、x−z面およびy−z面において測定された角度の成分である。
z座標は、以下によって得られる。
【0125】
【数34】
座標(xm、ym、zm)は、ポイントP1とP2との間の中間位置Pmを表し、(xm、ym、zm)が座標系の起点以外の場所にある場合に一般化された解法を提供する。多用性を広げるために、Pmおよび他のパラメータを経時変化させてもよい。
【0126】
上記にて述べた一般化されたオブジェクト座標の判定は、複数の検出器22(例えば、CCDアレイ)と連絡するプロセッサユニットからのデータを受信するコンピュータ上のソフトウェアにおいて実施することが可能である。あるいは、プロセッサユニット28上にアルゴリズムを直接インプリメントしてもよい。
【0127】
式(47)〜(49)を用いてポイントP0の(x、y、z)座標を判定するためには、角度αxおよびαyだけではなく、正規化された縞数ρ\(例えば、式(19)によって規定された縞数ρ\)もわかっていなければならない。上記の実施例において、これらの角度は、焦点面22内のイメージポイントPiのロケーションによって判定している。αxおよびαyを正確に判定するためには、レンズ24内に発生する可能性のある任意のイメージひずみを修正することが必要である。ひずみの修正は、例えば、角度αxおよびαyをイメージポイントPi上にマッピングするひずみ機能を生成することにより、行うことが可能である。ひずみマップは、レンズが変わると変動し、また、同じレンズ24を異なるイメージング構成において用いた場合にもわずかに変動する可能性がある。
【0128】
本発明の別の実施形態において、さらなるソースヘッドを用いて三角測量に必要な残りの2つの方向成分を判定することにより、レンズひずみを特徴付けるという不便な作業を無くす。例えば、図12aに示すように、さらなるソースヘッドを位置P1に配置し、以前P1にあった(図12を参照)レンズ24を、オブジェクト10上の対象領域をビューイングする際に便利の良い任意の位置に配置する。第2のソースヘッド内のソースP1xおよびP2xがx軸に平行に方向付けられている場合、このソースヘッドのポイントP0における縞数Nxを測定することは、ポイントP1xおよびポイントP1ならびにポイントP1およびP0(式(41)を参照)によって規定されたライン間の角度yxを測定することに相当する。その後、式(47)〜(49)に必要な角度αxを、αx=π/2−yxの関係を用いてyxから判定する。同様に、(図12aでは図示していないが)ソースP1yおよびP2yをy軸に平行に方向付けた状態で位置P1においてソースヘッドを用いることにより、角度αyを判定することも可能である。ソースヘッドをこのように方向付けた場合、縞数Nyから、αx=π/2−yxを通じて角度αyを測定することができる。角度αxおよびαyを提供するソースヘッドは、例えば、z軸周囲を90°回転する同一のソースヘッドであるか、または、ビームスプリッタを用いることによって同一のロケーションに現れるようにされた別のソースヘッドであり得る。
【0129】
三角測量を複数のソースヘッドを用いて行う場合、レンズ24および検出器22のロケーション(またはオブジェクト10上に配置された検出器23のロケーション成分)を知る必要は無い。イメージングシステム22および24(または検出器23)の目的は、P0における照射強度を観測することである。検出器アレイ22中の各ピクセルは、観測ポイントP0を表す。そのため、各ピクセルについて(x、y、z)座標を判定することができる。様々なアプローチを用いて、異なるソースヘッドに対応するNの測定を別個に行うことが可能である。例えば、動作波長が異なる複数のソースヘッドを同時に照射することによって多重化された異なるソースヘッドまたは波長を逐次照射することにより、測定値を時分割多重化(time multiplexed)することが可能である。偏波ダイバーシチを用いることにより、測定値をさらに区別することも可能である。
【0130】
複数のソースヘッドを用いた三角測量プロセスをさらに説明するため、ここで式(41)を再度参照する。典型的な用途の場合、αはR0よりも小さく、式(41)は以下のように簡約することができる。
【0131】
【数35】
正規化された縞数ρ\について式(19)を用いてNを書くことにより、ソースの間隔aおよび波長λまたは周波数νへの依存を式(57)から無くす。
【0132】
【数36】
従って、特定のソースヘッドに対応する正規化縞数は、ソースヘッドの中間点Pmから観測ポイントP0への方向の成分yを直接的に示す。P0の三次元座標は、3つ以上のソースヘッドからの三角測量によって得られた測定値を通じて判定することが可能である。
【0133】
ソースヘッドが3つの位置Pm1、Pm2およびPm3に配置され、これらのロケーションそれぞれに対応するソース対の方向は、方向コサイン(ls1、ms1、ns1)、(ls2、ms2、ns2)および(ls3、ms3、ns3)によって得られると仮定する。デカルト座標および方向コサインについて見ると、式(58)は以下のようになる。
【0134】
【数37】
ここで、下付き文字iは、ソースヘッドを区別する。P0座標(x、y、z)の判定は、各ソースヘッドについて正規化縞数ρ\1、ρ\2およびρ\3を測定し、式(59)によって表される3元連立方程式を解くことにより、達成される。式(59)の形式主義は、一般化されたソースヘッドを配置および方向付けをコンパクトな形態で取り扱うため、便利である。
【0135】
特定のピクセル22に対応するオブジェクトポイントP0が3つ以上のソースヘッドによって照射されない場合、周囲のピクセル22について計算された方向間で補間を行うことにより、当該ピクセル22の方向情報の欠損を補うことができる。さらに、複数のソースヘッドから得られた方向情報をピクセルロケーションから得られた方向情報と組み合わせて、測定品質を向上させることもできる。
【0136】
複数のソースヘッドを用いれば、受信器パラメータ(例えば、位置、方向付け、倍率およびひずみ)が分からなくてもP0を判定することが可能であるため、複数のイメージャ22および24(分かりやすくするため、イメージャは1つしか図示していない)からの情報を組み合わせる作業が容易になる。これが可能なのは、各カメラについて生成された点群データ(point cloud)は既に同じ座標系にあるため、較正プロシージャを行ってデータを登録しなくてもよいからである。複数のイメージャ22および24を配置して、特定の対象領域を任意の所望のビューイング角度および方位分解能でビューイングすることが可能である。そのため、1つのイメージャ22および24によってオブジェクト10全体の概要を得て、他のイメージャ22および24によって対象領域を高分解能で検査することが可能である。
【0137】
上記の主な種類の実施形態の1つにおいて、ソースP1およびP2の1つまたは両方の動きによって生じる強度−振動をカウントすることにより、オブジェクト10の表面上のポイントP0における縞数Nを判定する。サイクルのカウントが最も基本的な様態で行われる場合、カウントを追跡するためには、1サイクルあたり少なくとも2回強度をサンプリングしなければならない。また、コストを最小限にするためには、標準的な市販のコンポーネント(例えば、フレームグラッバーに接続された電荷結合素子(CCD))を用いてサイクルをカウントすると好ましい場合がある。カウント数が延びるほど、イメージフレーム中のポイントP0はN=0の位置から来るため、このアプローチを用いると、イメージフレームを何百単位で取得および処理しなければならなくなる可能性がある。
【0138】
Nを判定するために多くのイメージフレームを取得する必要は、より高度なカウント技術を用いることによって解消することが可能である。この技術は累進縞分割(progressive fringe division)と呼ばれ、これは、強度変調の周期的性質および予測可能な性質を利用したものである。そのため、ソース間隔aの複数の別個の値における強度変調をサンプリングすることにより、Nを判定することが可能である。
【0139】
図13に示すように、累進縞分割は、別個の工程において縞サイズを初期粗大間隔(Col.1)から最終微細間隔(Col.3)まで変化させる工程からなる。各工程において、ラップされた(wrapped)位相マップまたはサイクルマップ(ロウ(ROW)4)を位相シフトした縞パターン(ロウ1−3)から生成する。ブートストラッピングオペレーションにおける先行するアンラップの位相マップに基づいて、連続するラップされた位相マップをそれぞれアンラップ状態にする。工程間の縞間隔の比は典型的には、10以上のオーダーであるため、少数のデータフレームを用いて極めて高密度の縞パターンをアンラップ状態にすることができる。高密度の縞パターンから位置座標を計算すると、精度が向上する。累進縞分割を行うことによって得られる1つの利点は、オブジェクト10の表面の複雑性に関係無く、アルゴリズムによって縞の順序の番号を各縞に正確に割り当てるという点である。例えば、オブジェクト10は、表面の不連続部分、大型の断崖形状部分および穴部を含み得、または、複数のばらばらのオブジェクトからなり得る。累進縞分割は表面の連続性に依存しないため、累進縞分割を用いて、空間中に分散した未接続の複数の別個のポイントの位置をロケートすることが可能である。
【0140】
累進縞分割およびその実施形態についてさらに説明するにあたり、以下の3つの事実を考えると有用である(簡潔にするため、以下の議論において、ソースP1およびソースP2は対向移動すると仮定するが、以下の結果は、他の状況(例えば、1つのソースP1のみが移動し、静止状態の周波数がチューニングされたソースを用いる)にも当てはまる)。第1に、ソース間隔が初期値であるゼロから最終値aまで増加するときにポイントP0において発生する強度振動Nの数は、最終値aのP0における縞数Nに等しい。例えば、10が単純なオブジェクト(例えば、面)であった場合、N=0の位置(これは、R1=R2において発生する)とポイントP0との間のオブジェクトの表面上のN個の縞をカウントすることができる。Nの値は、部分的サイクルまたは部分的縞を含むため、必ずしも整数ではない。
【0141】
この第1の事実については、ソース間隔aがゼロからその最終値まで増加するときに縞がポイントP0を通過してP0とN=0との間の領域内部に集中する縞の数としてNを解釈することも可能である点に着目することにより、この第1の事実をさらに説明することができる。言い換えると、a=0である場合、この領域内に縞は無く、この領域内部に含まれる縞の数は、縞がP0を通過するたびに1つずつ増加する。このように縞数Nと振動サイクルとが対応している状態は、ロバストな三次元イメージング技術への鍵であり、これにより、ポイントP0周囲の表面の連続性について仮定を行う必要なく、任意のポイントP0におけるNを判定することが可能となる。これにより、表面中の不連続部分(例えば、穴部および断崖形状部分(すなわち、エッジ))をあいまいさ無く処理する。
【0142】
第2の事実とは、式57によれば、Nは間隔aに直接比例するということである。その結果、aの実行(running)をゼロからその最終値まで行ってN(a)を判定して全体的スキャンを完了する必要が無くなる。間隔がa2である場合のNの値は、以下の関係を用いて、間隔a1における値から推定することが可能である。
【0143】
【数38】
上記の式が示すのは、2つのソース間隔a1およびa2におけるNの値が分かっていると、それらの値を用いて、より小さな差間隔a2−a1におけるNの値を推定することが可能であるということである。
【0144】
第3の事実とは、いかなる中間値のソース間隔aにおいても位相シフト測定を行うことを可能にすると、視野内の各測定ポイントP0において、部分的サイクルまたは「ラップされた」コンポーネントの縞数Nの高分解能マップが得られる点である。こうすると、以下の式により、ラップされたコンポーネントをその位相から計算する。
【0145】
【数39】
例えば、式(6)によって位相を判定する。これにより、φの範囲が±πである場合、Nwrappedの範囲は±0.5となる。位相シフト測定ではNwrappedを高精度で判定することが可能であるが、Nが判定されないと、整数値のオフセットが残る。
【0146】
微細な縞ほど、縞あたりの変動ρ\をより微細に表すため、微細な縞によって、ρ\を高精度に判定することが可能である(ただし、縞がうまくアンラップ状態になっていると仮定した場合)。例えば、微細な縞ほど、位相ステップエラーが表面プロファイルの測定に与える影響を低減する。しかし、微細な縞ほど縞密度も高いため、アンラップを行うのが困難である。累進縞分割によって得られる利点は、極めて微細な縞を正確にアンラップして、可能な分解能のうち最も高い分解能を達成することができる点である。
【0147】
累進縞分割を実施する際、ラップされたサイクルマップ(例えば、図13のロウ4に示すラップされたサイクルマップ)を、複数の別個のソース間隔aそれぞれにおけるイメージング対象表面について生成する。これらのサイクルマップを3つまたはそれ以下の縞サイズ(すなわち、粗大、中程度および微細)について生成すれば十分である場合が多い。ブートストラッピングオペレーションでは、アンラップのサイクルマップを連続的に用いて、整数オフセットにエラーを導入することなく、次のサイクルマップをアンラップする。最も微細な縞パターンに対応するアンラップのサイクルマップによって、最も高い分解能での測定が得られる。
【0148】
図14は、累進縞分割を実行する際の例示的な一連の工程を示す。このプロシージャは、(工程150)から開始し、ソース間隔を初期値a1で設定する(工程154)。この値は通常は、一連のソース間隔の中で最小であり、オブジェクト10上に粗大縞パターンを生成するような値が選択される。その後、式(6)に示すような位相ステッピング(phase−stepping)測定を行うことにより、ラップされたサイクルマップを生成する(工程158)。式(62)によって位相をサイクルに変換することにより、工程158を終了する。
【0149】
工程158から独立して、a1に対応する粗大縞パターンの初期のアンラップされた推定値Nを入手する(工程162)。工程162は、工程158と同時に行ってもよいし、工程158の前に行ってもよいし、または工程158の後に行ってもよい。しかし、工程158および工程162はどちらとも、次の工程に続くような様式で行わなければならない。この初期推定値を生成するアプローチには多くのアプローチがある。例えば、a1の大きさを、オブジェクト全体が1つの縞内におさまる(例えば、−0.5<N≦0.5)くらいに小さくすることができ、これによりアンラップ作業を不要にする。あるいは、オブジェクト10にわたって少数の縞が生成されるようにaの大きさを十分に大きくすることができ、これにより、Nの推定値がアンラップされる全ての測定ポイントにおけるサイクルの半分の範囲において正確である限り、視野にわたってNが変動する際の単純なモデル(例えば、線形傾斜(ramp))が、このNの推定値として十分となる。初期推定値を得るための方法の別の例は、一般的な形状または予測される形状を仮定して、式(40)に基づいてNを計算する方法である。他の例は、先行測定結果を同一のまたは類似するオブジェクト10に用いる方法、または、サイクル計数を用いて視野をサイクルに区分けする方法である。a1に対応する縞の数が小さいため、サイクル計数に必要なフレームの数も少数になる。
【0150】
次の工程(工程166)の目的は、工程158における測定から得られたラップされたサイクルマップをアンラップすることである。工程162からのアンラップされた推定値が1サイクルの半分以内の範囲で正確である場合、以下の数式を用いてアンラップを達成する。
【0151】
【数40】
式(63)の右辺の2つの項のうち2番目の項は、アンラップに必要な整数オフセットに過ぎない点に留意されたい。この項におけるアンラップされた推定値からラップされた測定値を減算すると、階段状の関数が得られる。この階段状の関数の値は、整数オフセットにほぼ等しい。最も近い整数まで丸めを行うと、1/2サイクルの制約内にエラーが収まっている限り、数式は正確になる。1/2サイクルの制約内にエラーが収まらなくなった場合、式(63)は、Nに整数オフセットエラーを導入し、このエラーは、視野にわたって変動し得る。
【0152】
工程166の結果、ソース間隔a1が最小である場合のNの推定値が向上する。測定の品質をさらに上げるために、工程170において新規のソース間隔a2を設定し、その結果、より微細な縞パターンがオブジェクト10上に生成される。その後、新規の位相ステッピング測定を工程174において終了して、より微細な縞パターンに対応する新規のラップされたサイクルマップを得る。この測定値をアンラップするためには、a2に対応する新規のアンラップされた推定値が必要となる。工程178において、式(60)を用いて先行するアンラップされた推定値(これは、工程166からソース間隔a1について得られる)を適切なレンジにスケーリングすることにより、この推定値を得る。スケーリングが行われると、工程174からの新規のラップされたサイクルマップが工程182においてアンラップされる。このアンラップ工程は、このサイクルマップと、工程178からのスケーリングされた推定値とを式(63)に代入することにより、行われる。
【0153】
工程170〜工程182を一巡すると、Nの精度の高い推定値が得られ、これは、より大きなソース間隔a2に対応する。ここで、最適なρ\の分解能が得られるまで、徐々に微細レベルが高くなる縞(すなわち、ソース間隔が大きくなる)を用いて工程170〜工程182を繰り返すことが可能となる(このループが終了するたびに、ソース−間隔の下付き文字が1だけインクリメントされる)。通常は、最適な分解能はこのような繰り返しを1〜3回行うと得られる。典型的には、新規のソース間隔と古いソース間隔との間の比は10以上のオーダーである。この比がとることのできる最大値を実際に判定する場合、Nの推定値と実際の値との間のエラーが1/2サイクルの限定内におさまることを要求することにより、判定を行う。所望の数の反復が完了した後、図14中の工程170〜工程182によって表されるループを終了する。工程186において、式(19)を通じてNをρ\に変換する。測定の目的が全ての三次元座標を判定することである場合、例えば、式(47)〜(49)または式(59)を用いて三角測量を行って、各測定ポイントについて座標を入手する(工程190)。工程194は、累進縞分割の終了を示す。図14は累進縞分割の前に行われるプロシージャを例示したものに過ぎず、コンポーネント工程は、複数の異なる順序によって実行することが可能であることが理解されるべきである。例えば、全てのデータを収集した後に計算を始めることが望ましい。
【0154】
累進縞分割の際に用いられる縞を広範囲のサイズにわたって生成することのできる能力を得るためには、ソース間隔を縞間隔と同じ比率で変化させなければならない。ここで、他の2つの測定値から所望の間隔の縞パターンを合成する技術について説明する。このアプローチによって得られる1つの利点として、縞パターンを合成する際に用いられる2つの測定値をより容易に入手することが可能である点がある。
【0155】
縞合成は、式(61)を改変した以下の式に基づく。
【0156】
【数41】
この結果は、式(61)の両辺をラップし、そして、式(61)の右辺のN(a2)−N(a1)の差をラップした値は、個々にラップされたコンポーネントのNwrapped(a2)−Nwrapped(a1)の差をラップすることに相当することを観察することにより、得られる。言い換えると、式(64)中の角括弧内のラップされた数量間の差は±1の範囲にあり、この差を正しい範囲である±0.5以内に収めるためには、この差をラップしなければならない。
【0157】
方程式(64)が提供するのは、ソース間隔a1およびa2において得られた個々の位相ステッピング測定からの差a2−a1に等しいソース間隔におけるラップされたNの位相ステッピング測定を合成する手段である。この方程式は、a2−a1の差が小さい場合に顕著な特性を有する。合成された測定値を構成する際の個々の測定は不規則になり得、多くの不連続部分を含み得るが、視野にわたって式(64)の左辺を平滑化して、ラップする不連続部分のうち差a2−a1に対応する部分の数のみを得ることができる。そのため、縞合成は、累進縞分割を開始するための初期位相マップを生成する効果的な技術である。また、縞合成を用いて、累進縞分割に用いられるシーケンス中の残りのアンラップの位相マップのうち任意の部分を合成することも可能である。合成されたサイクルマップからρ\を計算する場合、式(19)を改変して以下のような式を得る。
【0158】
【数42】
ここで、Δaは、2つの測定値の間の間隔差を表す。
【0159】
図14aは、図14中の累進縞分割フローチャートに縞合成を取り入れることを可能にする1つの方法を示す。工程154’は、工程154を改変して、間隔a1に加えてベース間隔a0を選択するようにした工程である。工程158’は、工程158を改変して、間隔値a0およびa1の両方におけるララップされたサイクルマップを測定するようにした工程である。工程160’(これは、工程158の後に挿入される)および工程176’(これは、工程174の後に挿入される)はさらなる工程であり、式(64)を利用して、差an−a0に対応するラップされたサイクルマップを合成する工程である。工程186’は、工程186を改変した工程であり、この工程186’を用いると、式(65)を用いた合成されたサイクルマップからρ\を計算することができる。
【0160】
縞合成によって得られる1つの利点は、ソースP1とソースP2との間の動きを生成するシステムへの要求を低減できる点である。例えば、最も広範囲なソース間隔を除々に少しずづ変化させると、極めて小さなソース間隔に対応する縞を生成することができる。このアプローチは、移動要件を低減するだけではなく、図10および図11において説明したような、ソースヘッドのいくつかの制約の可能性も解消する。例えば、これらのソースヘッドを用いると、極めて小さなソース間隔を生成するのが困難となり、ソース間隔を生成しようとすると、振動によって縞が不安定となり得る。縞合成によって得られる別の利点は、ソース−間隔較正の絶対値を維持するよりも2つのソース間隔間の一定の差を繰り返す方が通常容易であるため、測定の反復性および精度を向上させることができる点である。
【0161】
縞合成のさらに別の利点は、ソース−ヘッドのアライメント不良に起因する動きエラーを最小限にする点である。これらの動きエラーが発生し得るのは、例えば、図10および図11中のフォーカルスポットP1およびP2がa=0のノミナル位置においてオーバーラップしない場合である。考慮すべきアライメント不良は2種類ある。第1に、フォーカルスポットP1の1つが他のP2に対してdの量だけ図面上から移動したと仮定する。これらの2つのフォーカルスポットP1およびP2はそれぞれ直線状の軌跡を追随し、これらの軌跡が平行であっても、これらの2つのスポットは、その最近接アプローチ(すなわち、名目上のa=0の位置)において距離dだけ欠損する。スポットP1およびP2が最近接アプローチを通過すると、オブジェクト10上の縞パターンの方向付けは、ノミナルまたは所望の方向付けに対して90°だけフリップする。さらに、縞間隔は、ソース間隔dに対応する縞間隔よりも大きくならない(ソースヘッドのアライメントは、縞がa=0近隣に適切に方向付けられた様態で保持されるまで変位dを調節することにより、容易にされる)。
【0162】
第2の種類のアライメント不良において、フォーカルスポットP1のうち1つが、他のフォーカルスポットP2に対して動き方向99に沿って変位する。この種類のアライメント不良が発生するのは、プリズム92が横方向に変位するためである(すなわち、この変位は軸99に対して垂直であり、図10および11内の面にある)。最近接アプローチにおいて、1つのソースP1が、他のソースP2の後側に直接配置されており、オブジェクト上に同心円状の縞パターンを生成する。aが増加すると、これらの縞の曲率は小さくなり、自身の通常の外見に近づく(ソース−ヘッドのアライメントをとっている間のこのエラーソースの最小化は、小aについてプリズム92を横方向に調節して縞曲率を最小化することにより、容易化される)。
【0163】
累進縞分割の際に動きエラーが生成する問題は、Nのスケーリングされた推定値を生成するために式(60)が用いられた際に累進縞分割の結果得られる位相エラーが大きくなることに起因する。動きエラーがあると、Nの推定値に半サイクルエラーを導入することなく用いることが可能なaの比の大きさが限定される。縞合成を用いると、動きによって誘発される位相エラーはどちらの測定においても共通し、減算において相殺されるため、この制約が解消される。そのため、所望の形状から変形する縞をこの測定により生成し得る場合にも、合成された縞は通常のものである。
【0164】
縞合成において2つのビーム間の位相エラーを相殺すると、これらの2つのビーム間のグローバルな位相オフセットエラーを自動的に補償するというさらなる利点が得られる。これらの位相−オフセットエラーは、例えば、2つの別個のビーム間の経路−長さの差S0によって生じ、波長λの複数倍の整数ではない。位相オフセットエラーがあると、0°以外の縞位相(すなわち、強度が最大になる場所以外の場所)において、N=0の位置が発生する。縞合成を行うと、これらの位相エラーは自動的に相殺され、その結果、縞パターンの位相を較正する必要が無くなる。あるいは、縞合成によってN=0の正確な位置と判定し、そのポイントにおける強めあう干渉について位相シフト要素を調節することにより、位相較正を達成することも可能である。
【0165】
合成された縞において位相エラーを相殺することは、個々のソースP1およびP2からのオブジェクト10上に降下する照射パターン中の波面エラーを相殺する傾向となるという別の理由においても重要である。波面エラーは、ソースの不完全な使用または長期にわたる使用に起因し、縞パターン中に摂動またはリップルを生成する。これらの摂動は、測定時に小さな高さエラーに変化する。波面エラーの相殺が縞合成において発生する理由は、これらのエラーはソース間の距離からほとんど独立しているためである。そのため、エラーは、各ソース間隔において行われる測定に共通し、式(64)における減算によって相殺される。縞合成は、照射欠陥によるエラーを低減する有効な手段であり、ソース−ヘッド光学部品の品質への要件を低くすることにより、システムコストを低減する機能をし得る。
【0166】
縞合成を用いると、累進縞分割を実行することができ、ソースポイントの動く範囲を小さくすることもでき、そのため、ソースヘッド設計をより簡単にすることができる。一般的には、ソースヘッドは2種類の縞変調(すなわち、縞サイズの変動および位相シフトから生じる縞パターンの横方向の動き)を提供する点に留意されたい。位相シフトのみがある場合、ソースの位置を変更することなく位相を変更する。しかし、位相を変化させるための別の方法は、1つのソースP1を他のソースP2に対してオブジェクトに向かってまたはオブジェクトから離れて移動させる方法である。このような方法を行うとソースP1のロケーションが変化するが、ソース間の間隔が不十分である場合、この変化は極めて小さく(1波長未満)、その結果得られるソース対P1およびP2の方向付けの変化も小さい。縞合成の間ソース間隔は大きいままにすることができるため、ソースポイントP1およびP2の1つまたは両方の小さな動きを通じて、どちらの種類の変調も達成可能である。このように動き要件が少ないため、単純なソースヘッドを設計することが可能となる。例えば、ソースヘッドは、図2bに示すファイバ−光学部品−スプリッタ構成からなり得る。縞サイズの位相シフトおよび変動は、ファイバの一方の端部を直交方向に移動させることにより、達成される。
【0167】
縞合成は、レーザ−周波数チューニングに基づいた測定に累進縞分割を使用可能にする重要なさらなる利点を有する。縞合成が無いと、累進縞分割を測定に適用する際、累進縞分割に必要な縞サイズの大きな変動を達成するために極めて細密なチューニング帯域が必要となる。縞合成は、従来のチューニングレンジからずっと離れた縞間隔変動を生成することを可能にする。このチューニングアプローチを用いると、ソース動きがなくなり、周波数の測定制御を高い精度で行うことができるため、反復性および精度が極めて高い測定値が得られる。
【0168】
周波数チューニングへの累進縞分割および縞合成の用途について、式(57)を参照して説明する。Nは、ソース間隔aに依存するのと同様に、レーザ周波数νに機能面において依存する(式(1)においてS0によって表される経路−長さ差はゼロであり、そうでない場合、方程式においてこのオフセットを考慮する必要があると仮定する)。従って、Nが周波数νの関数として書かれている場合、式(60)、(63)および(64)は、累進縞分割および縞合成の際の基本となり、周波数チューニングにも適用される。周波数チューニングを支配する数式は以下のようになる。
【0169】
【数43】
方程式(19)および(65)はそれぞれ、以下の改変された形態もとる。
【0170】
【数44】
ここで、Δνは、Nが2つの測定値から合成されている場合の周波数差を表す。
【0171】
図15は、縞合成および周波数チューニングを用いて累進縞分割を実行する際に行われる工程を示す(νの代わりにaが用いられる場合、図15は縞合成およびソース動きを用いた累進縞分割にも適用される点に留意されたい)。この図において、プロセスの開始時に全てのデータを収集する。プロシージャが開始すると(工程200)、ラップされたサイクルマップNwrapped(νo)、Nwrapped(ν1)...Nwrapped(νn)の測定(工程208)において用いられるレーザ周波数ν0、ν1,...νnを選択する(工程204)。その後、方程式(67)を用いて、周波数差ν1−ν0、ν2−ν0,...νn−ν0について、ラップされたサイクルマップを合成する(工程212)。その後、多くの可能なアプローチのうちの1つ(例えば、図14の工程162)を用いて、第1の差ν1−ν0についてアンラップのサイクルマップの推定値を得る(工程216)。好適なアプローチは、N(ν1−ν0)を±0.5−サイクルの制限内におさまらせるくらいに十分に小さな差ν1−ν0を用いて開始する。工程220において、式(68)を用いて、シリーズ中の次に大きな差νi−ν0についてアンラップのサイクルマップを計算する。工程224において式(66)を用いてこのアンラップのサイクルマップをスケーリングし、その後工程220にフィードバックして、シリーズ中の次の合成されたサイクルマップをアンラップする。最終周波数差νn−ν0に対応するサイクルマップがアンラップされた後、ループは終了する。工程228において、式(70)を用いて、最終アンラップのサイクルマップNを縞数ρ\に変換する。最終サイクルマップNが合成されなかった場合、方程式(69)を用いる。工程232において、例えば、式(47)〜(49)または式(59)を用いて、ρ\に対応する方向情報を各対象ポイントP0について三次元座標に変換する。
【0172】
累進縞分割ならびに累進縞分割および縞合成の組み合わせは、計数のあいまいさを解消し計数推定値を細密化する強力な一般的な方法であり、これらの技術は上記にて述べた用途以外の用途にも適用可能であることが理解されるべきである。詳細には、これらの技術は、データ取得のための上記の方法および装置または縞解析にも限定されない。
【0173】
図16を参照して、未分解状態の(unresolved)縞またはイメージスペックルに対して累進縞分割法および縞合成法を用いた改変例について説明する。図16において、レーザビーム44はビームスプリッタ48に入射し、ビームスプリッタ48は、ビーム44をビーム46および50に分割する。ビーム50は、ビームスプリッタ48を反射し、オブジェクト10上の対象領域を照射する。ビーム46は、ビームスプリッタ48を通過して、基準表面102を照射する。オブジェクト10および基準表面102から反射された光は、ビームスプリッタ48によって再度組み合わせられて、レンズ24を通過する。レンズ24は、検出器アレイ22上にスペックルイメージを生成する。別個のビーム経路のうちの1つに位相シフト要素(図示せず)を挿入することにより、位相シフトを達成する。レーザビーム44の周波数は可変であるか、または、2つ以上の別個の値の間で切り換わることができる。オブジェクト10と基準表面102の仮想イメージ102’との間の高さzの差による経路長さの差により、スペックル強度が変調し、これはレーザ周波数と共に変化する。特定のレーザ周波数における変調の位相を、位相シフト測定を通じて正確に判定することが可能である。
【0174】
図16中のオブジェクト10の表面上に縞が生成されていない理由は、オブジェクト10を照射しているのは1つのレーザビーム50だけであるためである。2つのビーム46および50からの光のコヒーレントの重ね合わせにより、検出器22において干渉が発生する。式(1)〜(5)によれば、レーザ周波数が変化すると、オブジェクト10のイメージ中の個々のスペックルローブの強度が周期的に変動し、その際の変動速度は、経路長さの差sに比例する。簡潔にするため、基準表面102は平面であり、x−y面にあると仮定する。zはオブジェクト10上のポイントP0の仮想基準表面102’上の高さを表すものとし、このzを測定する。名目上はs=2z(これは、伝播の往復による)であり、以下の式によってNからzを計算することができる。
【0175】
【数45】
Nが縞合成を通じて得られる場合、以下のようになる。
【0176】
【数46】
他の場合
図16を用いて三次元イメージを生成するプロシージャは、図15に概要を示すものと同じであるが、ただし、工程232において、Nをzに変換する際に式(71)または式(72)を用いている点においてのみ異なる。図16に示すアプローチは三角測量に依存していないため、ソースP1およびP2と受信器22および24との間のシャドーイング効果を無くすことができるという利点が得られる。このアプローチは特に短距離の用途に有用であり、そのような用途としては、経路長さの間隔が短い三次元顕微鏡法がある。
【0177】
上記の実施形態は、コヒーレント照射を用いた干渉に基づく。検出器22上にオブジェクト10のイメージを形成する際にレンズ24を用いる実施形態の場合、得られるイメージにスペックルがあり、スペックルによってレンジ分解能が制限され得るという不利点が生じ得る。オブジェクトの表面上に検出器23を直接配置すると、この制約から逃れることができる点に留意されたい。スペックルが発生するのは、コヒーレント照射を用いてイメージングを行った場合であり、その理由としては、レンズ24の有限ポイントスプレッド(finite point−spread)機能により、オブジェクト10の表面上のP0周囲の領域から光が散乱し、検出器22におけるポイントPiにおいて干渉するからである。検出器面におけるスペックルのサイズの平均は、レンズのポイントスプレッド機能のサイズによって決まる。スペックルにより、P0周囲の散乱領域による寄与は、イメージポイントPiにおいて徐々に大きくなる構成にすることができ、これらの散乱領域により、ρ\の測定値は、一方向または反対方向に引き寄せられる。
【0178】
ここで、測定時のスペックルによる影響を軽減するための複数の技術を紹介する。実際は、検出器アレイ22の単一のピクセルに対応するエリア内におさまるスペックルの数が多数である場合、スペックルによる効果は平均化する傾向となる。この条件を満たすための1つの方法として、レンズ24によって干渉縞を分解し、レンズ24のポイントスプレッド機能の大きさを、検出器アレイ22の各素子上におさまるスペックルの数を多くするくらいに十分に小さくすることを要求する方法がある。このアプローチは、方位分解能を極限まで使用しなくてもよい状況では良好に機能する。一般的には、方位分解能とスペックルの平均化とはトレードオフする。
【0179】
高い方位分解能が必要な状況の場合、スペックルサイズとピクセルサイズとをより近密に整合させる必要が出てくる場合がある。一般的には、レンズのポイントスプレッド機能のサイドローブの大きさを小さくすることが望まれる(すなわち、アポダイズする)。そうすると、ポイントスプレッド機能の強力なサイドローブ内に含まれる散乱領域の能力が低減する。このような処理を行わないと、このような散乱領域の能力により、ρ\の測定に偏りが出てくる。アポダイゼーションを行うと、方位分解能はわずかに低下し得る。場合によっては、この方位分解能とレンジ分解能の向上とをトレードオフすると有利である場合がある。
【0180】
スペックルによる効果を低減させるさらなる技術として、個々のピクセル22に対応するオブジェクト10の表面領域上でのρ\の変動を最小限にする技術がある。例えば、ピクセル密度を増加させつつピクセル22あたりのスペックルの一定比(constant ratio)を維持すると、ピクセル22に対応する領域の片側から他方の側へかけてのρ\の変動が低減し、レンジ分解能および方位分解能の両方が向上する。
【0181】
所与の光学コンフィギュレーションおよびピクセル密度において、ソースヘッドの位置および方向付けを適切に選択することにより、個々のピクセル22あたりのρ\の変動を最小化することができる。ρ\の変動が最小化されるのは、例えば、ピクセル22に対応する表面素子が三次元縞パターンの等位相面に沿って延びる場合である。言い換えると、スペックルによる効果が最小化されるのは、縞パターンを照射する際に用いられる定位相表面に対して測定対象表面が平行であるか(またはほぼ平行である)場合である。この条件は、表面垂線に対して平行な2つのソースポイントの方向付けを示すベクトルを備えるかすめ入射線を用いることにより、達成可能である。特別な場合を除き、表面上のどのポイントP0についてもこの条件を満たすことは不可能である。しかし、多くの実用上重要なオブジェクト(例えば、空気力学面(例えば、車両ボディパネルおよび機体パネル))については、この条件に近い条件を得ることが可能である。
【0182】
多くのオブジェクトには広範囲にわたって表面に傾斜および方向があり、そのため、単一のソースヘッドを用いて表面全体上のρ\を最小化するための上記条件を満たすことは不可能である。このような状況において、複数のソースヘッドを用いることにより、この条件をより満足させることが可能である。これらの複数のソースヘッドの配置は、複数のソースヘッドの1つがオブジェクト10の各主要領域または最重要対象領域に対して応答性を持つように行われる。各ソースヘッドからの情報の出どころを区別するために特定の形態の多重化が行われると仮定する。同じ領域を照射するソースヘッドが1つ以上ある場合、その結果得られる複数の測定値に対し、当該領域における各測定において予測されるスペックルノイズのレベルに従って重み付けを行うことができる。複数のソースヘッドを用いると、シャドーイングによる制約を解消する際にも有用である場合がある。複数のソースヘッドからの情報は、オーバーラップ領域をビューイングする所与の検出器22について容易に組み合わせることが可能である。各ピクセルに対応する角度情報は各ソースヘッドについて同じであるため、登録は自動的に行われる。
【0183】
いくつかの場合においては、オブジェクト10の特定の領域を照射する工程をピクセル上のρ\の変動を最小化するための条件を満たすような様式で行うことができない。スペックルによる効果の軽減をこのような制約による影響を受けずに行うさらなる技術は、スペックル平均化に基づく。スペックル平均化は、異なるパラメータにわずかな差異を設けた(例えば、光学コンフィギュレーションの変動)さらなる測定を行うことにより、達成することが可能である。あるいは、露光の間にパラメータを変化させることも可能である。平均化を行うと、変動する一連のパラメータが異なるスペックルパターンの異なる様式の統計的実現を可能にするくらいに十分に変動した場合、スペックルによる効果は実際に低減する。
【0184】
一実施形態において、ソース間の中間位置Pmは、調節されたパラメータである。Pmの変位方向が図1および12の面から外れると、オブジェクト照射の変動は最小になる。Pmの変動については、式(47)〜(56)および(59)もおいて明示的に説明している。スペックルによる効果の低減は、例えば、異なる値のPmについて(x、y、z)座標の個々の測定値を平均化することにより、達成可能である。
【0185】
別の実施形態において、露光期間中、ソース間隔aおよびレーザ周波数νは同時に変化するため、縞パターンは静止状態のままである。縞を静止状態のままにしておくための条件は、式(57)においてa/λの比(またはaνの積)が一定のままであるときに見られる。静止状態の縞を達成するために、フィードバックメカニズム(例えば、縞モニタ)により、ポイントソースP1およびソースP2の動きをレーザ40のチューニングに連動させる(またはその反対を行う)。この縞モニタは、別個の検出器または検出器の線形アレイからなり得、ソースヘッドに組み込まれて、ビームスプリッタによって分離される主要ビームから間隔が空けられた縞パターンを測定する。
【0186】
スペックル平均化を効果的にするために、用いられるチューニング偏位を、イメージスペックルにおいて複数の脱相関(decorrelation)サイクルが発生するくらいに十分に大きくする。ソースヘッド中の別個の経路間の経路長さのオフセットS0を最小化するよう、注意が必要である。そうしないと、縞パターンの位相は、以下の式による周波数シフトΔνと共に変動する。
Δφ=2π(ΔνS0)/c
あるいは、経路−長さオフセットを故意にゼロ以外の値に設定して、2πの増分の位相Δφにおいて縞パターンを「ストロボ」して、当該縞の位相をフリーズすることも可能である。こうすると、ストロボのタイミングを変更することにより、異なる位相シフトを達成することができる。
【0187】
サイクル計数、累進縞分割および累進縞分割を縞合成を用いて行うことは、計数アンビギティーの分解および測定精度の向上を得るたるための一般的な技術であり、このような技術の有用性は、上記の用途をはるかに超える点が理解される。さらに、これらの技術は、一般化された信号(例えば、一次元信号)にも適用可能であり、シヌソイド変動に限定されない。
【0188】
これらの技術は、任意の手段によって形成された一般的な構造の光パターンにも適用されることが理解されるべきである。構築された光パターンを生成する手段の例を挙げると、コヒーレント放射の干渉もしくは回折、異なる波長で形成された干渉パターンもしくは回折パターンの「白色光」の重ね合わせ、およびコヒーレント放射もしくは非コヒーレント放射のいずれかを用いたレンズによるオブジェクト上へのパターンのイメージングがある。このようなイメージングアプローチの一例として、デジタルプロジェクタによって生成された白色光パターンの作製を、当該パターンが拡張および接触してアコーディオン状の動き(accordion motion)を生成し、側方に平行移動して位相変調を生成するように行うことが可能である。このような様式で白色光パターンを表面上に投射するとスペックルによる効果を無くすことはできるが、このアプローチには特定の不利点がある。イメージングされた光パターンには、縞周期(period)の小ささに制約があり得る。投射されたパターンのフィールド深さも考慮する必要がある。オブジェクト全体にわたって焦点が合わされている斜角から微細縞パターンを投射するのも不可能になり得る。一方、干渉または回折によって生成された縞は、いつもオブジェクト表面に「焦点が合って」おり、この状態は、当該縞の観測ポイントへの距離またはサイズに関係なく保たれる。
【0189】
本発明のさらなる実施形態では、干渉または回折によって縞を形成することによって得られる利点が維持され、広帯域の照射または白色光においてこれらの縞を形成することにより、スペックルによる効果も無くなる。この実施形態は、照射スペクトル中の異なるコンポーネント波長において形成される干渉縞強度の非コヒーレントの重ね合わせに基づく。これらの縞のサイズおよび形状が同じである場合、異なる波長に対応する干渉−縞強度は、パターン中の各ポイントにおいて互いに強化し合う。
【0190】
式(57)を参照して、a/λの比を固定することにより、サイズおよび形状が同じ縞を生成する。レンズによって追随される回折格子を用いることにより、各コンポーネント波長についてもこの目的を同時に達成することができる。回折角度が小さい場合、格子によって回折される1次ビームの角度偏差は、当該ビームの波長に比例する。レンズは、この角度偏差をソースP1またはP2の変位に変換する。このソースP1またはP2の変位もλに比例するため、a/λ比を一定に維持することが可能となる。この実施形態において、ソースP1またはP2のロケーションは、波長において広く分布する(smeared out)。白色光の位相シフトは、格子を側方に平行移動させるかまたは例えばPancharatnam位相に基づいた白色光位相シフタを用いることにより、達成可能である。
【0191】
これらの原理に基づいてソースヘッドをインプリメントするための光学構成については、多くの種類が可能である。1つの構成では、図10中のビーム46および50中にブラッグ格子を配置する。これらの格子(図示せず)およびプリズム92の配置を、非回折ビームに対応する2つのフォーカルスポットが重複し、1次ビームがプリズム92のベースに向かって偏向するような配置にする。この構成により、回折ビームに対応するソース間隔aは、光学波長λに比例する。白色光位相シフトは、ブラッグ格子の1つを側方に平行移動させることにより、達成される。縞サイズの変動は、格子の周期を変更することにより、達成される。一実施形態において、ブラッグセルまたは音響光学変調器を用いて、格子周期を電子的に変更する。この実施形態において、双方のブラッグセルを同じ周波数で駆動し、1つの駆動信号の位相を他方の信号に対してシフトさせることにより、位相シフトを達成する(各ビームは同じドップラーシフトを受けるため、これらの縞は静止状態である)。別の実施形態において、異なる周期のブラッグ格子を連続的に配置する。さらに別の実施形態において、単一の回折性素子をビーム44中に配置する。別の白色光位相シフタ(図示せず)を、ビーム46または50のうち1つに配置する。当業者に公知の白色光位相シフタのいくつかの実施形態において、ビームスプリッタ48は偏光ビームスプリッタである。
【0192】
ここで図17を参照して、図17は、広帯域干渉縞プロジェクタまたは白色光干渉縞プロジェクタの一実施形態を示す。ソース250は、放射252の平行ビームを実質的に生成する。この平行ビームは、回折格子254に対して実質的に垂直入射する角度で方向付けられる。回折格子254は、格子周期Dを有する。例示目的のため、入力ビーム252を、波長コンポーネントλ1、λ2およびλ3から構成されるものとして表す。実際は、ビーム252は任意のスペクトルの構成を有し得る。回折格子254は、ビーム252を複数の回折ビームに分割する。これらの複数の回折ビームの回折する順序は、整数mによって表すことが可能である。例示目的のため、ビーム252周囲に沿った光線のみを図示している。これらの回折ビームは、垂直入射に関する以下の格子方程式に従って光学軸258に対して角度θmで伝播する。
【0193】
【数47】
一実施形態において、回折格子254の設計を、回折ビーム260の回折オーダm=+1であり回折ビーム262の回折オーダm=−1であるときの回折効率を最大かつ均等にするようにな設計にする。他の実施形態において、回折格子254の設計を、同じオーダ|m|を有する任意の一連の正ビームおよび負ビームの回折効率を最大かつ均等にし、なおかつ、他の全てのオーダーに回折するエネルギーを最小化するするようにな設計にするような設計にする。非回折(m=0)ビーム264が残留した場合、そのようなビームは全て偏向しない状態で回折格子254を通過し、レンズ266によって集束され、フォーカルスポット268上に来る。
【0194】
フォーカルスポット268のスペクトル成分λ1、λ2およびλ3は、実質的に重複する。一実施形態において、フォーカルスポット268は、光学2重スリット272の中央障害物270によって実質的にブロックすることが可能である。回折ビーム260および262の異なるスペクトル成分λ1、λ2およびλ3は、レンズ266によってスペクトル領域274および276上に集束される。スペクトル領域274内のフォーカルスポットと、所与の波長λに対応するスペクトル領域276内のフォーカルスポットとの間の距離a(λ)は、波長λに実質的に比例する。一実施形態において、レンズ266のアパチャストップ278を用いて、望ましくない高オーダの回折ビームをブロックすることが可能である。別の実施形態において。光学2重スリット272の不透明領域を用いて、望ましくないレンズ266を通過する残留回折オーダのうち望ましくないもの全てをブロックすることが可能である。2つのスペクトル領域274および276からの放射は、伝播して広帯域干渉縞パターン280を形成する際、拡張および重複する。縞パターン280は、2重スリット272からの代表的距離Rにおいて、代表的縞周期dを有する。
【0195】
上記の式(57)などの方程式、特定のソース間隔aおよび特定の波長λに基づき、以下の代入により、これらの方程式を、図17に示す広帯域干渉縞プロジェクタに対する第1のオーダに適用することができる。
【0196】
【数48】
ここでfはレンズ266の焦点距離であり、Dは回折格子254の周期である。
【0197】
図17に示す縞生成方式を用いると、狭帯域またはレーザによる照射を用いて縞を生成することも可能である点に留意されたい。狭帯域照射用のレンズ266によって追随される回折格子254を用いることによって得られる利点の1つとして、縞周期dは波長に対して感度を持たないため、ソースの周波数ずれは測定を実質的に劣化させない。例えば、レーザダイオードは、比較的低コストであり入手も容易なソースであるが、その動作波長は温度依存性である。しかし、この技術は温度依存性の波長シフトに対して感度を持たないため、測定劣化を招くことなくレーザダイオードを用いることが可能である。
【0198】
一実施形態において、回折格子254は、肉薄の位相格子であり、方形波の位相プロファイルを持ち、代表的波長λ2の場合、その相対位相遅延は、0°と180°との間で交互に変化し、その際のデューティサイクルは50%である。格子254は比較的高効率であり、利用可能なエネルギーのおよそ40.5%をm=−1およびm=+1の回折オーダそれぞれに回折し、名目上は、0%をm=0および他の均等な回折オーダに回折する。格子254の相対的な位相遅延は波長の関数であるため、オーダm=0のときの非回折ビーム264中のエネルギーは、代表的波長λ2と異なる波長の場合、増加する。一実施形態において、格子254を比較的肉薄に作製すると、この格子254の波長依存レベルが低下するため、この格子254は、広範囲の周波数スペクトルにわたって良好に機能する。
【0199】
得られた広帯域の(または狭帯域の)干渉−縞パターン280を位相シフトする工程は、回折格子254を図17に示す方向282に平行移動させるだけで達成される。白色光または広帯域の位相シフトが実現するのは、回折格子254を格子周期Dの所与の一部分の分だけ平行移動させると、縞パターン280の各スペクトル成分も、当該縞周期dの同じ一部分の分だけシフトするからである。例えば、格子252をD/4または1/4サイクルだけ平行移動させると、干渉縞パターン280も1/4サイクル(または90°)だけシフトする。
【0200】
干渉−縞パターン280のアコーディオン状の動き(または縞サイズの変動)を達成できる方法には様々な種類がある。一実施形態において、回折角度θmが小さい場合、格子254の周期Dを2倍にすると、ビーム260および262のθmの大きさ(これは、式(74)の小さい角度の近似である)が半減し、その結果、縞パターン280の周期dは2倍になる。別の実施形態において、レンズ266の焦点距離fを低下させると、縞パターン280の周期dを増加させることができる。縞パターン280の周期dは、回折格子254の周期Dと、レンズ266の焦点距離fと、第1のオーダへの伝播距離Rとに関連する。これを式で表すと、以下のようになる。
d=(RD)/(2f)
縞パターン280のdを連続的に変化させるかまたは連続する任意の一連のd値を生成するためには、(76)中のパラメータのうち1つ以上を連続的に変化させることが可能な能力が必要となる。一実施形態において、レンズ266は、焦点距離fが変化するズームレンズであり得る。別の実施形態において、格子に力を与えて格子を伸張させることにより、格子254の周期Dを変化させることが可能である。さらに別の実施形態において、一例として液晶デバイス中の可変格子モード(VGM)効果を通じて、格子254の周期Dを電子的に変化させることが可能である。さらに別の実施形態において、格子ラインに対して直交する軸に沿って格子254の周期を変化させることが可能であり、これにより、格子254を282に対して垂直方向に側方にスライドさせると、格子254の周期Dを制御することができる。上述した縞合成を用いることにより、実際の周期dを(f、DまたはRの変動が小さい様態で)大きく変化させることが可能となる。例えば、縞合成式(64)および(67)を以下のように改変することが可能である。
【0201】
【数49】
ここで、Nwrappedはf/D比の関数である。
【0202】
fおよび/またはDについて所定の別個の一連の値を設け、上述したような累進縞分割を通じて縞数のアンビギティーを分解すると適切である場合が多い。一実施形態において、累進縞分割は、別個の一連の回折格子254またはレンズ266を図17中のそれぞれの位置に連続的に移動させることにより、達成される。別の実施形態において、格子254またはレンズ266は切換え可能であり、別個の値のDおよびfをとる。切換え可能な格子のいくつかの例を挙げると、液晶の空間光変調器、パターン化されたアライメントの液晶空間光変調器、電子的に切換え可能な回折性光学素子、カスケード式の電子的に切換え可能な回折性光学素子、および超小型電子システム(MEMS)がある。
【0203】
図18に示す一実施形態において、回折格子254は、長尺かつ平行な位相遅延器292またはピクセルの線形アレイからなる液晶空間光変調器290であり、その位相遅延は、周期的な位相−遅延パターン294が生成されるように制御することが可能である。このようにして、肉薄の位相格子を生成し、電気的に作動させることができる。例えば、ノミナルの相対位相遅延が50%のデューティサイクルで0°および180°に交互に変化する方形波の位相プロファイルを生成することが可能である。その結果得られた回折格子254の周期Dおよびオフセット282は、別個の工程において可変性であり、高い反復性を有する。したがって、得られた縞パターン280の縞間隔dおよび位相シフトはどちらとも、別個の反復可能な工程において高速で電気的に制御可能である。
【0204】
図18において、wpはピクセル292の幅であり、nblockは、50%のデューティ−サイクルの肉薄の位相格子を半分生成する際に同じ位相遅延レベルにおいて反復されるピクセル292の数である。一例として、図18においてnblock=2である。格子周期Dは、以下の式によって得られる。
【0205】
【数50】
格子周期Dは、nblockの値を変更することによって変化させることが可能である。所与の値のnblockが以下のようになっている場合、回折格子254の最小位相シフトΔφおよびそれに起因する干渉−縞パターン280の最小位相シフトΔφを生成することが可能である。
Δφ=180°/nblock
したがって、例えば、nblock値が2である場合、±90°、±180°および±270°の位相シフトを生成することができ、nblock値が3である場合、±60°、±120°、±180°、±240°および±300°の位相シフトを生成することができる。3つの任意の位相シフトφ1、φ2およびφ3に関する一般化された形式の式(6)は、以下のように表すことが可能である。
【0206】
【数51】
ここで、I1、I2およびI3は、位相シフトφ1、φ2およびφ3に対応する信号強度である。そのため、位相シフト値を、位相シフト値の利用可能性にしたがって、nblockの各値に応じて個別に選択することができる。
【0207】
縞合成は、Dのさらなる値を得る手段であり、式(78)中の整数nblockを変化させることによって達成することが可能な手段よりも効果的である。実際の格子周期Deffの利用可能な値のうち、異なる値のnblockを用いて2つの測定値から合成することが可能な値は、以下の式によって得られる。
【0208】
【数52】
ここで、nblock1<nblock2である。大きな値のDeffは、式(81)を用いてnblock1およびnblock2を連続する整数にすることにより、得られる。可能な測定戦略の1つの例示として、ピクセル幅wpは10μmであり、nblock0=2、nblock1=19およびnblock2=20の場合の3つの測定のシーケンスを行うと仮定する。これらの3つの測定のシーケンスを用いて、式(78)においてnblock=2を用い、式(78)においてnblock=20を用いて400μmの第2の格子周期を用いて、40μmの第1の格子周期Dを生成することが可能である。ずっと大きな第3の格子周期は4.2mmであり、これは、式(81)中のnblock1=19およびnblock2=20を用いることにより合成することが可能である。このシーケンス中の連続する格子周期間の比はおよそ10であり、この値は、累進縞分割において適切なシーケンスである。
【0209】
図17に戻って、nblockが広範囲にわたって変化すると、それに応じて、スペクトル領域274および276の広がりおよびロケーションも広範囲に変化する。その場合、一実施形態において、より高度なバージョンの2重スリット272(例えば、図19に示すビームブロック296)を用いて、不要な残留回折オーダを無くすことができる。ビームブロック296は、2つのネスト状の2重スリットを含み、中央障害物268を含む。上記の例における測定シーケンスにおいて用いられる値nblock0が最小である場合、外側の2重スリット275はスペクトル領域274および276を通過し、一方、値nblock1およびnblock2の値が大きい場合、内側2重スリット277は所望のスペクトル領域274’および276’を通過する。
【0210】
図20に示すさらに別の実施形態において、レンズ300を光学軸258上に配置する際、スペクトル領域274および276のイメージ302および304がイメージ面306に形成されるような配置にすることにより、アコーディオン状の動きを達成する。別の実施形態において、レンズ300の焦点距離が負である場合、イメージ302および304は仮想イメージ(図示せず)であり得る点に留意されたい。一実施形態において、レンズ300を光学軸258に沿って移動させることによってイメージ302および304の倍率を変更することにより、アコーディオン状の動きを得る。または、別の実施形態において、レンズ300の焦点距離を変更することにより、アコーディオン状の動きを得る。さらに別の実施形態において、レンズ300はズームレンズであり、イメージ面306のロケーションを変化させることなく焦点距離を変化させる。さらに別の実施形態において、焦点距離が異なる別個の一連のレンズを連続的に適切な位置に配置することが可能である。レンズ300を用いると、図17内のコンポーネントのうち任意のコンポーネント(例えば、2重スリット272)を変化させることなく、アコーディオン状の動きが生成される。
【0211】
広帯域干渉−縞プロジェクタのさらに別の実施形態を図21に示す。この実施形態は、広帯域ソース250と、音響光学変調器(AOM)306と、レンズ266とを含む。AOM306は、乗算器310によって生成された合成信号308によって駆動される。この乗算器310は、可変周波数fmを有するシヌソイド312を、一定周波数fcを有するシヌソイド314で乗算する。合成信号308は、周期が異なる2つの進行する音波をAOM306中に生成し、すると、AOM306は角度が離れた2つのビーム260および262を生成する。異なるスペクトル成分の回折ビーム260および262が、レンズ266によってスペクトル領域274および276に集束し、ここで、スペクトル領域274内のフォーカルスポットと、所与の波長λに対応するスペクトル領域276内のフォーカルスポットとの間の間隔a(λ)は、波長λに実質的に比例する。さらに、各スペクトル成分について、スペクトル領域274および276のスペクトル成分間にあるような中間点を、実質的に位置268に局所化させる。fmを調節することにより、各波長コンポーネントλの間隔a(λ)を、対称点268の周囲において、ゼロの間隔からAOM306の帯域が許す最大間隔まで調節する。2つのスペクトル領域274および276からの放射は、伝播して代表的周期dの広帯域干渉−縞パターン280を代表的距離Rにおいて形成すると、拡張および重複する。fmを変化させると、縞パターン280は拡張および収縮する。
【0212】
AOM306にかかる圧力変動は進行するため、ビーム274および276は、互いにドップラーシフトする。その結果、縞パターン280は、合成信号308の2つの周波数成分間の周波数差に比例した速度で重複領域を移動する。干渉パターン280は、振幅変調ソース250により、特定の空間位相において2つのビーム260および262の周波数差2fmにおいて効果的に凍結することが可能である。縞280の空間位相は正確に制御することが可能であり、この制御は、レーザ駆動信号316のAOM制御信号308に対する位相を変化させる(例えば、遅延を変化させる)ことにより、行われる。あるいは、駆動信号316を用いて、光路(図示せず)内に配置された外部の振幅変調器を制御するか、または、縞パターンを観測する際に用いられる検出器22の感度を変調することも可能である。
【0213】
広帯域干渉−縞プロジェクタの上記の実施形態において、ビーム252は実質的に平行であるため、回折性素子254(図17)または306(図21)は、所与の回折オーダmの各スペクトル成分を同じ回折角度θmに回折させる。このコンフィギュレーションを他の様態に改変することも可能であり、このような改変は、本発明の趣旨および範囲の内におさまる。例えば、別の実施形態において、ビーム252は発散型または収束型であり得る。さらに別の実施形態において、ビーム252は、回折性素子254に斜角で入射し得る。さらに別の実施形態において、屈折素子および回折性素子のオーダを逆にすることもできる。
【0214】
所望の時間コヒーレンスおよび空間コヒーレンスの程度に応じて、他の多くの光ソース250を用いてもよい。時間コヒーレンスが低い場合(広範囲のスペクトルの内容の場合)、スペックルによる効果は低減するかまたは無くなる。一方、空間コヒーレンスが高いと、スペクトル領域274および276中の各スペクトル成分について、より厳密なフォーカルスポットを生成することが可能になる。一般的には、フォーカルスポットが厳密であると、縞の可視性が向上し、縞パターン280のフィールド深さが大きくなる。空間的にコヒーレントなソースの場合、そのフィールド深さは無限である点に留意されたい。さらに、フォーカルスポットが厳密であると、異なる回折オーダmに対応するスペクトル領域を分離するのも容易になるため、望ましくないスペクトル領域を代表的マスク272または296によってブロックすることが可能である。
【0215】
高い空間コヒーレンスを達成するための1つの方法は、光ソース250をレーザベースにすることである。一実施形態において、ソース250は、平行な光学部品を備えるレーザダイオードである。一般的には、スペクトルの幅がおよそ3nmであるレーザダイオードを利用することが可能である。別の実施形態において、異なる波長で動作するレーザダイオードのアレイを単一のビームに結合することにより、このスペクトル幅を広げることが可能である。さらに別の実施形態において、高速スキャンのためのチューナブルレーザを用いることも可能である。レーザのスペクトルを広げるための別のアプローチでは、標準的な単一の−モードシリカファイバを受動型でQスイッチ型のミクロチップレーザによってポンピングする。ファイバ中の様々な非線形効果により、ファイバの出力端部において極めて広帯域のスペクトルが生成される。さらに別のアプローチにおいて、モードロックチタン、サファイアレーザによって広帯域照射を達成する。
【0216】
ビーム252を生成するアプローチで従来のソースへの依存度がより高いものは他にも多くある。例えばアーク灯を光学ファイバに結合させることにより、低い(が適切な)空間コヒーレンスを達成することが可能である。ファイバの出力端部は、長大な(extended)ソースのように機能する。レンズを用いてファイバの出力を平行にすると、当該レンズの焦点距離が長くなるほど、ビーム252の伝播角度の変動は小さくなり、フォーカルスポットも厳密になる。長大なソースを用いると、レンズ266を光学軸258に沿った距離に配置する際、回折格子254の表面またはAOM306の活性エリアが照射されているオブジェクト10の表面または表面近隣上にイメージングされるように配置を行うことにより、空間の非コヒーレンスによる効果が最小化される。このコンフィギュレーションを用いると、縞パターン280の所与のエリアに到達した光線が、入力ビームを異なる回折オーダに分割させる回折性素子の同一領域から発生するもの全てと干渉するため、空間の非コヒーレンスによる効果が最小化される。
【0217】
縞パターンを照射する上記の実施形態では、位相シフトφ1、φ2およびφ3の設定可能な精度および反復性は(狭帯域照射に基づくかまたは広帯域照射に基づくかに関係無く)変化し得る。例えば、圧電変換器によって光コンポーネント(例えば、図10中の鏡94もしくは96または図17中の格子254)を移動させることにより位相シフトを行うと、ヒステリシスによって矛盾が生じる。これらの位相シフトがその予想値から変化すると、式(6)または式(80)においてφを計算する際にエラーが発生する。これらのφ値のエラーは周期的な性質を持ち、再構築された表面プロファイルがリップルが生じた外観になる原因となる。また、リップルが生じた外観の原因としては、不完全な照射シーケンスもある。これらの不完全な照射シーケンスは、例えば信号強度I1、I2およびI3の取得期間の間の露光レベルまたはバイアスレベルの変化によって生じ得る。露光レベルの変換の原因としては、例えば、ソース強度の変動または完全なシャッターによる露光時間差がある。
【0218】
リップルパターンは、再構築面上に発生し、物理的表面10に投射された縞パターンと同じ方向に発生する。リップルパターンの主要周期は、エラーソースに依存する。位相シフトエラーがあると、例えば、縞周期について2つのリップル振動が発生する。リップルは、表面プロファイル測定において主要なエラーソースとなり得、特に、広帯域照射を通じてスペックルが無くなった場合または狭帯域照射からのスペックル効果が上述した軽減技術の1つを通じて抑制された場合、その傾向は強くなる。
【0219】
ここで、リップルエラーを修正するためのヒストグラムベースのリップル消去(derippling)と呼ばれる汎用性がありかつロバストな技術を紹介する。この技術において、データを解析して、実際の位相オフセットおよび露光レベルの変動を判定し、相関値を用いてφを計算する。この技術を説明するため、まず、式(80)を書き換えて、推測値および推測値から計算される数量を実際の値と区別するような様式にする。
【0220】
【数53】
式(82)において、*φ1(本明細書中、以下、*φは
【0221】
【数54】
を表すものとする)、*φ2および*φ3を位相シフトの推定値と仮定し、*φを、これらの推測値を用いて計算した位相値とする。
【0222】
強度を以下のように書くことにより、不完全な照射シーケンスによって発生する変化を式(82)に取り入れることができる。
【0223】
【数55】
ここで、下付き文字iは1、2または3の値をとり、照射シーケンスの特定の要素を表す。パラメータAiおよびBiにより、照射シーケンスの露光レベルおよびバイアスレベルをそれぞれ変化させることができる。式(83)において、ノミナルの山−谷振幅の幅(swing)が評価対象ユニットであると一般性を失うことなく仮定することができる。
【0224】
AiおよびBiの値が既知であるかまたは*Aiおよび*Biとして推定される場合、不完全な照射シーケンスを、計算された強度により修正して、
【0225】
【数56】
式(82)中の強度測定値Iiの代わりに用いることができる。さらに、推測値*φ2、*φ2および*φ3ではなく実際の値φ1、φ2およびφ3を判定して式(82)において用いることを可能にすると、位相ステップエラーを無くすことが可能となる。リップルを最小化するための1つのアプローチとして、*φにおけるリップルの程度を示す測定基準(metric)が最小化されるようにパラメータAi、Biおよびφiを変化させるアプローチがある。測定基準を最小化する場合、演算要求が多大になり、多次元のサーチアルゴリズムが必要となるだけではなく、代表的な表面部分にわたって位相関数*φを最初にアンラップしなければ、最小化のための適切な測定基準を得るのは困難である。アンラップが行われた後に利用することが可能な測定基準の一例としては、*φと平滑化された*φの値との間の差の標準偏差がある。リップルの低減による寄与のため、この測定基準は低減する傾向となる。
【0226】
ヒストグラムベースのリップル消去は、位相アンラップが不要であり、パラメータの修正値を直接生成するため、上記のリップル消去アプローチよりも優れている。ここで、図22を参照して、この技術を引き続き紹介する。図22は、エラー(φ−*φ)/(2π)のプロットを、異なる値のパラメータAi、Biおよびφiについて計算された数量*φ/(2π)の関数として含む。このエラーは、縞数エラーΔNのリップルによって生じる(ripple−induced)成分に相当し、式(32)に示すようなレンジ分解能を限定する。これらの曲線において、推定される位相ステップ値は、*φ1=−120°、*φ2=0°および*φ3=120°である。φおよび*φの両方を、−π〜+πのラップされた数量であるとみなし、これにより、φ/(2π)および*φ/(2π)レンジが−1/2〜+1/2となるようにする。曲線(a)は、振幅変化A1=0.9、Α2=1、A3=1.2の効果を示し、曲線(b)は、バイアス変化B1=0.2、B2=0、B3=0.1に相当し、曲線(c)は、推測値と異なる実際の位相シフトφ1=−105°、φ2=0°およびφ3=100°による効果を示す。最後に、図22aは、図22中の曲線の傾斜をプロットしたものであり、これは、*φに関するφの導関数およびによって得られ、φ’(*φ)として示される。この傾斜は、1の周囲で変動し、推定パラメータがその真なる値に近づくと、全ての点において1に収束する。ΔNにおけるエラーが比較的小さい場合、比較的大きな傾斜の変化が生成されるため、傾斜により、Ai、Biおよびφiの推測値中のエラーが感度良く示される点に留意されたい。
【0227】
図22および図22aは、Ai、Biおよびφiに関する情報を多量に含むことは明らかである。例えば、これらのプロットは、バイアスが変化すると、縞あたり1つのリップルが発生し、位相ステップエラーが発生すると、縞あたり2つのリップルが発生することを示す。振幅が変化すると、縞あたり1つおよび2つのリップルの混合物が発生する。図22または図22aにおいてグラフ化されている曲線をデータ解析から生成することが可能であれば、Ai、Biおよびφi上のこれらの曲線を支配する方程式への依存を用いて、これらのパラメータに関する情報を回復させることができる。その後、これらの修正されたパラメータを用いてφを計算することにより、データをリップル消去することができる。このアプローチの難点は、これらのグラフでは、φの真の値が分かっていることを前提としている点である。
【0228】
ヒストグラムによるアプローチを用いれば、この難点を解消することができる。このアプローチでは、先ず、測定(または特定の測定部分)における*φの各値の発生を相対的に表すヒストグラムを作成する。このヒストグラムは、*φの値の可能な範囲を有限数のビンに分割し、各ビン中に収められた*φが発生する回数をカウントすることにより、生成される。*φのヒストグラムを作成すると、*φの確率密度関数の近似値が得られ、これはP(*φ)と書かれる。以下の周知の関係を通じて、2つの確率密度関数P(*φ)およびP(φ)を関連付けることが可能である。
【0229】
【数57】
同式において、φは*φの一価の関数であると仮定する。式(85)中の導関数を、図22a中にグラフとして示す。確率分布関数P(*φ)は、*φのヒストグラムの計算を通じたデータから利用することが可能である。式(85)中のP(φ)は不明であるが、多くの場合において、φはその可能な値の範囲にわたって均等に分布していると仮定すると妥当である。サンプリング対象となる表面エリアを覆う縞の数が多いほど、この仮定の精度も向上する。実際にも、P(φ)が均等に分布しているというこの仮定は、縞が比較的少数である場合にも適切であることが分かっている。しかし、P(φ)の関数の形態が表面に関するさらなる情報に基づいて正確になっている場合、ヒストグラムベースのリップル消去において他の形態のP(φ)を用いることも可能である。
【0230】
P(Φ)が分かると、式(85)を用いて、数量P(*φ)(これは、測定値*φのヒストグラムを計算することによって得られる)と、導関数φ’(*φ)の絶対値とを関連付けることができる。その後、この導関数の関数の形態に基づいて、Ai、Biおよびφiの実際の値を判定することができる。これを行う方法を例示するため、ここで、φ’(*φ)の関数の形態をより詳細に解析する。
【0231】
先ず、振幅またはバイアスは変動しない(Ai=1およびBi=0)が、位相ステップエラーのみがある場合を想定する。この場合、φ’(*φ)は、以下のような関数の形態をとることが分かる。
【0232】
【数58】
ここで、K、Kc2およびKs2は定数であり、その値は位相ステップ値*φiおよび実際の位相ステップ値φiに依存する。Kの値(これは、1に近い数である)は他の2つの定数KC2およびKS2から判定することが可能であり、その結果、式(86)における自由度は2だけとなる。これらの定数KC2およびKs2は、例えば、このヒストグラムの逆数をとり、フーリエ級数展開のcos(2*φ)項およびsin(2*φ)項に対応するフーリエ係数を計算することにより、*φのヒストグラムの形状から得ることができる。その後、フーリエ級数のDC項を用いてcos(2*φ)項およびsin(2*φ)項のフーリエ係数を正規化して、Kc2およびKs2をそれぞれ得る。
【0233】
式(86)の自由度は2しかないため、この方程式から3つの位相シフトφ1、φ2およびφ3の値を完全に回復することは不可能である。その代わり、相対的位相シフトφ1−φ2、φ2−φ3およびφ3−φ1を回復することが可能であり、これらの相対的位相シフトのうち2つのにより、第3の値を判定する。これらの相対的位相シフトがわかっていれば、リップルを完全に除去するには十分である。しかし、得られた*φの向上した計算値には、わずかなオフセットエラーが存在する。このオフセットエラーは、φ2の真の値が分からないことに起因する。
【0234】
簡潔にするため、推定された位相シフトが等しく、その大きさはφstepであり、ゼロの周囲に集中していると仮定する。そうすると、これらの位相シフトを*φ1=−φstep、*φ2=0、および*φ3=φstepと表すことができる。デフォルトでφ2=0であるとも仮定する。次いで、以下の関係により、Kc2およびKs2からφ1およびφ3の値を判定することができる。
【0235】
【数59】
上記の式(6)における仮定の場合(φstep=90°)、式(87)および(88)は以下のように整理される。
【0236】
【数60】
ヒストグラムベースのリップル消去の用途のさらなる例として、位相ステップエラーおよび振幅エラーの組み合わせにこの技術を適用する。この場合の数式φ’(*φ)は式(86)よりもずっと複雑であるが、この数式は、Ai−1およびφi−*φiの値が小さい場合、以下のように近似化することができる。
【0237】
【数61】
ここでも、係数Kc1、Ks1、Kc2およびKs2をフーリエ解析を通じて得ることが可能であり、これらの係数は、φ’(*φ)を近似化する際に用いられるヒストグラムの逆数のフーリエ級数展開の対応するフーリエ係数である。
【0238】
*φ2=φ2=0およびΑ2=1と設定し、*φ1および*φ3の推測値のステップサイズを不均等にすると、以下の関係を通じて、Kc1、Ks1、Kc2、およびKs2からφ1、φ3、A1およびA3の新規近似値を判定することができる。
【0239】
【数62】
式(92)〜(95)は、式(91)によって得られた微小エラーの近似に基づくため、φ1、φ3、A1およびA3の計算値は向上するが、正確ではない。所望であれば、このプロシージャを繰り返すことにより、精度を高くすることが可能である。そうするためには、式(92)および(93)から計算されたφ1およびφ3の値は、式(82)において新規の推測値*φ1および*φ3となり、式(94)および(95)から得られたA1およびA3の値は、式(84)において新規の推測値*A1および*A3となる。このプロシージャは高速で収束するため、数回の反復だけで小数位のレベルでの高い精度が得られる。
【0240】
さらなる利点として、この反復によるアプローチの文脈において、バイアス変化Biを自動処理する。反復回数が多いほど、バイアス変化Biは、他のパラメータAiおよびφiに折り畳まれて、その効果は無くなっていく。このアプローチを用いると、リップルが無くなり、φ2が正確には分かっていない場合に生じるエラーに類似する微小オフセットエラーが発生する。
【0241】
本発明の好適な実施形態について説明および図示してきたが、本発明のコンセプトを取り入れた他の実施形態を用いることも可能であり、また、本発明の範囲および趣旨内において多くの改変例が可能であることが当業者にとって明らかである。したがって、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるのではなく、本明細書内の特許請求の範囲の趣旨および範囲のみによって限定されるべきであることが認識される。
【技術分野】
【0001】
(関連出願との相互参照)
本願は、1996年2月12日に出願された米国特許第5,870,191号の一部継続出願である、1999年2月2日に出願された米国特許出願第09/241,354号の一部継続出願であり、そして1998年6月4日に出願された米国仮特許出願第60/087,960号の優先権を主張する。
【0002】
(政府援助)
本明細書に記載する研究は、米国空軍によって授与された、連邦契約第F19628−95−L−002によって援助された。政府は本発明に特定の権利を有し得る。
【0003】
(発明の分野)
本発明は、表面測定の分野に関し、具体的には、非接触表面測定の分野に関する。
【背景技術】
【0004】
(発明の背景)
寸法計測学、すなわち、オブジェクトのサイズおよび形状の測定は、マシーンが、ほとんどの製造および多くのサブアセンブリから構成される複雑なオブジェクトのアセンブリを実行する、今日の製造環境において非常に重要である。構成要素が適切に嵌合し合うことを保証するには、自動車などの複雑なアセンブリの各構成要素の形状およびサイズの公差を小さく保持する必要がある。
【0005】
理想的には、形状およびサイズのこのような測定は、物理的接触無しに達成されて、測定を行う際の時間を節減する。多くの非接触測定方法は、利用可能なマシーンビジョンシステムを利用する。表面輪郭情報の測定は、深度情報が損失したり、解釈が難しい場合が多いため、マシーンビジョンシステムの特に難しい問題である。深度情報の損失および利用可能な情報を解釈する際の難しさを補償するために、多くのマシーンビジョンシステムは、光を用いてオブジェクトの表面上にモアレ縞を生成し、輪郭情報を得る。モアレ技術の1つの欠点は、異なるサイズのオブジェクトに対するその柔軟性の無さである。異なるサイズのオブジェクトは、新しい対応する物理的設備を必要とし得る。この欠点に起因して、大規模なオブジェクトのモアレ技術を用いることが難しい。モアレ技術の別の欠点は、この技術を用いて得られる解像度が多くの用途にとって十分に高くない場合があることである。
【0006】
干渉方法も、表面の詳細な測定が必要な場合に用いられてきた。干渉システムが表面輪郭情報を提供するが、干渉システムは測定されるオブジェクトおよび用いられる照射源の両方の変化の影響を受けやすい。
【0007】
必要なのは、縞模様の道理によるあいまい性を解決し、スペックル効果に起因する劣化を緩和し、そして高い解像度を達成することによって、これらの問題を回避する技術である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
(発明の要旨)
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法に関する。上記方法は、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程;上記ソースそれぞれからの放射で上記表面を照射して、上記表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程;上記第1の縞パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第1の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の縞パターン中の縞数を推定する工程;上記第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程;上記第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の縞パターン中の推定された縞数に応じて、上記第2の縞パターン中の縞数を推定する工程;および上記第2の縞パターンおよび上記第2のラップされたサイクルマップ中の推定された縞数に応じて、上記ポイントの上記表面上での三次元位置情報を判定する工程を含む。
【0009】
本発明は、表面上の所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法にさらに関する。上記方法は、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程;上記ソースそれぞれからの放射で上記表面を照射して、上記表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程;上記第1の縞パターンを上記表面上の第2の位置に移動させる工程;上記第1の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程;上記第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の縞パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1のラップされたサイクルマップから上記第2のラップされたサイクルマップを減算する工程;および上記第2のラップされたサイクルマップと上記第1のラップされたサイクルマップと間の差をラップして、上記所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程を含む。
【0010】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周波数を有し、そして互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程;上記表面を上記第2の放射ビームで照射する工程;上記第1の放射ビームと、上記第2の放射ビームからの放射とが上記表面によって散乱するのに応じて、第1の位置において第1の干渉パターンを生成する工程;上記第1の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第1の干渉パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程;上記第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを第1の位置において生成する工程;上記第2の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の干渉パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、上記第2の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程;および上記第2の干渉パターンおよび上記第2のラップされたサイクルマップ中の推定された強度サイクルに応じて、三次元位置情報を計算する工程を含む。
【0011】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程;上記表面を上記第2の放射ビームで照射する工程;上記第1の放射ビームと、上記第2の放射ビームからの放射とが上記表面によって散乱するのに応じて、第1の干渉パターンを生成する工程;上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうち1つを、上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第1の位相シフトした干渉パターンを生成する工程;上記第1の干渉パターンおよび上記第1の位相シフトした干渉パターンに応じて第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを生成する工程;上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうち1つを、上記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第2の位相シフトした干渉パターンを生成する工程;上記第2の干渉パターンおよび上記第2の位相シフトした干渉パターンに応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第2のラップされたサイクルマップを上記第1のラップされたサイクルマップから減算する工程;および上記第2のラップされたサイクルマップと、上記第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、ラップされたサイクルマップを生成する工程を含む。
【0012】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する装置にさらに関する。上記装置は、スペクトル分布を有する2つの放射ソース;上記2つのソースと光学的に連絡したコリメータであって、2本の実質的に平行な広域幅放射ビームを生成する、コリメータ;上記コリメータと光学的に連絡した回折格子;および上記回折格子と光学的に連絡したレンズであって、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射イメージを生成する、レンズを有する。
【0013】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、上記放射ソースはスペクトル分布を有する放射を生成する、工程;上記放射を平行にして、2本の実質的に平行な放射ビームを生成する工程;上記平行な放射ビームのスペクトル成分を描写する工程;およびスペクトル成分の空間分布を有する2つの放射イメージを生成する工程を含む。
【0014】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周期的パターンを投射して、上記表面上の第1の位置に第1の投射パターンを生成する工程;上記第1の投射パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第1の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の投射パターン中のサイクル数を推定する工程;上記第1の投射パターンを変更して、第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程;上記第2の投射パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の投射パターン中の推定されたサイクル数に応じて、上記第2の投射パターン中のサイクル数を推定する工程;および上記第2の投射パターン中の推定されたサイクル数および上記第2のラップされたサイクルマップに応じて、上記表面を判定する工程を含む。
【0015】
本発明は、表面上の所定の間隔の投射された周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周期的パターンを投射して、上記表面上の第1の位置に第1の投射パターンを生成する工程;上記第1の投射パターンを上記表面上の第2の位置に移動させる工程;上記第1の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1の投射パターンを変更して、第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程;上記第2の投射パターンを第2の位置に移動させる工程;上記第2の投射パターンの上記第1の位置および上記第2の位置に応じて、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程;上記第1のラップされたサイクルマップから上記第2のラップされたサイクルマップを減算する工程;および上記第2のラップされたサイクルマップと上記第1のラップされたサイクルマップと間の差をラップして、上記所定の間隔の投射された周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程を含む。
【0016】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、コヒーレントな縞パターンを生成する工程;上記縞パターンが上記オブジェクトの表面を実質的にかするように、上記コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に光路に沿って投射する工程;および上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンおよび上記スペックルを検出する工程であって、上記オブジェクトの表面に対する法線が上記光路に実質的に直交する、工程を含む。
【0017】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程;上記コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に投射する工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンおよび上記スペックルを検出する工程;上記縞パターンが実質的に静止したままで、そして上記スペックルが変化するように上記2つのソースを平行移動させる工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記新しい縞パターンおよび上記変化したスペックルを検出する工程;ならびに上記検出された縞パターンおよび上記スペックルの変化に応じて、実質的にスペックルの無い上記縞パターンを判定する工程を含む。
【0018】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程;上記コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に投射する工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンおよびスペックルを検出する工程;上記縞パターンが上記オブジェクトの表面に対して実質的に静止したままで、そして上記スペックルが変化するように、上記オブジェクトを上記縞パターンの等位相平面に平行な経路に沿って上記2つの放射ソースに対して平行移動させる工程;上記オブジェクトの表面のイメージ中に上記新しい縞パターンおよび上記変化したスペックルを検出する工程;ならびに上記検出された縞パターンおよび上記スペックルの変化に応じて、上記実質的にスペックルの無い縞パターンを判定する工程を含む。
【0019】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、コヒーレントな縞パターンを上記オブジェクトの表面上に投射する工程;透過作用を有するレンズを提供する工程であって、上記レンズの透過は上記レンズ端部において徐々に低下する、工程;およびオブジェクトの表面のイメージ中に上記縞パターンを検出する工程であって、上記透過作用は上記スペックルが上記測定に与える影響を実質的に減少させる、工程を含む。
【0020】
本発明は、スペックルがオブジェクトの表面上の測定ポイントに与える影響を軽減する方法にさらに関する。上記方法は、第1の周波数を有し、そしてある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースから第1の縞パターンを生成する工程;上記第1の周波数を第2の周波数に変化させることによって、上記第1の縞パターンを変化させて、第2の縞パターンを生成する工程;および上記第1の周波数と上記第2の周波数との差に応答して上記距離を変化させる工程であって、上記距離と、上記第1の周波数と上記第2の周波数との差との比は実質的に一定である、工程を含む。
【0021】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する方法にさらに関する。上記方法は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、上記放射ソースは、スペクトル分布を有し、そしてもう一方のソースに対してコヒーレントである、工程;上記ソースそれぞれからの放射で上記オブジェクトの表面上のポイントを照射する工程;上記ソースのうちの一つをもう一方のソースに対して移動させる工程;および上記オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された放射を検出する工程を含む。本発明の別の実施形態において、2つの放射ソースを提供する工程は、スペクトル幅を有する初期放射ビームを提供する工程;上記初期放射ビームから、第1の放射ビームを第1のビーム角度で、第2の放射ビームを第2のビーム角度で生成する工程;ならびに上記第1の放射ビームおよび上記第2の放射ビームをイメージングして上記2つの放射ソースを形成する工程を含む。
【0022】
本発明は、オブジェクトの表面上に縞を投射する装置にさらに関する。上記装置は、ある距離の分だけ隔離された2つの放射ソースであって、各ソースは、スペクトル分布を有し、そしてもう一方のソースに対してコヒーレントである、放射ソース;上記ソースそれぞれをもう一方のソースに対して移動させる制御システム;および上記オブジェクトの表面上のポイントから散乱された放射を受け取るように配置された検出器を含む。本発明の別の実施形態において、2つの放射ソースは、スペクトル幅を有する放射ビームの初期ソース;上記放射ビームの初期ソースと光学的に連絡したビーム分離器であって、第1の光学ビームおよび第2の光学ビームを生成する、ビーム分離器;および上記ビーム分離器に光学的に連絡したイメージングシステムであって、上記イメージングシステムは、上記2つの放射ソースを生成し、そしてそれぞれの放射ソースは上記第1の光学ビームおよび上記第2の光学ビームに対応する、イメージングシステムを含む。
【0023】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法にさらに関する。上記方法は、2つの放射ソースを提供する工程であって、上記放射ソースは、スペクトル分布を有し、そして上記2つの放射ソースのもう一方に対してコヒーレントである、工程;検出器を上記表面上のポイントに提供する工程;上記オブジェクトの上記表面のポイントを上記ソースのそれぞれからの上記放射で照射する工程;上記ソースのそれぞれをもう一方に対して移動させる工程;上記オブジェクトの表面上のポイントに上記放射を検出する工程;ならびに上記ソースの移動および上記オブジェクトの表面上のポイントに検出された放射に対して位置情報を計算する工程を含む。
【0024】
本発明は、表面を有するオブジェクト上において、上記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する装置にさらに関する。上記装置は、2つの放射ソースであって、スペクトル分布を有し、そして上記2つの放射ソースのもう一方に対してコヒーレントである、放射ソース;上記ソースのそれぞれをもう一方に対して移動させる制御システム;上記オブジェクトの表面上のポイントに配置された検出器であって、上記オブジェクトの表面上のポイントを照射する放射を受け取る、検出器;上記検出器から信号を受け取るプロセッサ;ならびに上記ソースの移動および上記オブジェクトの表面上のポイントで受け取られた放射に対して上記オブジェクトの表面上のポイントの位置情報を計算するプロセッサを含む。
(項目1) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程と、
b)該ソースそれぞれからの放射で該表面を照射して、該表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、
d)該第1の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
e)該第1の縞パターン中の縞数を推定する工程と、
f)該第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程と、
g)該第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、
h)該第2の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
i)該第1の縞パターン中の推定された縞数に応答して、該第2の縞パターン中の縞数を推定する工程と、
j)該第2のラップされたサイクルマップおよび該第2の縞パターン中の推定された縞数に応答して、該ポイントの該表面上での三次元位置情報を判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目2) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目1に記載の方法。
(項目3) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目1に記載の方法。
(項目4) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目5) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、2つのレーザ放射ソースを提供する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目6) 前記第1の縞パターンおよび第2の縞パターン中の縞数を推定する工程は、数学的モデルを適用する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目7) 前記第1の縞パターンおよび第2の縞パターン中の縞数を推定する工程は、線形の推定モデルを適用する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目8) 前記第1の縞パターンおよび第2の縞パターン中の縞数を推定する工程は、異なる表面について判定された三次元位置情報を適用する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目9) 前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する各距離の分だけ隔離される、項目1に記載の方法。
(項目10) 前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、項目9に記載の方法。
(項目11) 前記第1の縞パターンを変更する工程は、前記スペクトル領域それぞれを、該スペクトル領域の残りに対してある距離の分だけ隔離する工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目12) 前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該スペクトルの領域それぞれを隔離する工程は、該距離を変更して該中間点を固定状態にする工程を包含する、項目11に記載の方法。
(項目13) 前記第2の縞パターンを移動させる工程は、前記ソースの1つからの前記空間分布中のスペクトル領域の位相を、該ソースの残りからの空間分布中の各スペクトル領域の位相に対して変化させる工程を包含する、項目1に記載の方法。
(項目14) 表面上の所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法であって、
a)スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射ソースを提供する工程と、
b)該ソースそれぞれからの放射で該表面を照射して、該表面上の第1の位置に第1の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の縞パターンを該表面上の第2の位置に移動させる工程と、
d)該第1の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
e)該第1の縞パターンを変更して、第1の位置において第2の縞パターンを生成する工程と、
f)該第2の縞パターンを第2の位置に移動させる工程と、
g)該第2の縞パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
h)該第1のラップされたサイクルマップから該第2のラップされたサイクルマップを減算する工程と、
i)該第2のラップされたサイクルマップと該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、該所定の間隔の縞パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程と、
を包含する、方法。
(項目15) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目14に記載の方法。
(項目16) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目14に記載の方法。
(項目17) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目18) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、2つのレーザ放射ソースを提供する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目19) 前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する距離の分だけ隔離される、項目14に記載の方法。
(項目20) 前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、項目19に記載の方法。
(項目21) 前記第1の縞パターンを変更する工程は、前記スペクトル領域それぞれを、該スペクトル領域の残りに対してある距離の分だけ隔離する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目22) 前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該スペクトルの領域それぞれを隔離する工程は、該距離を変更して該中間点を固定状態にする工程を包含する、項目21に記載の方法。
(項目23) 前記第2の縞パターンを移動させる工程は、前記ソースの1つからの前記空間分布中のスペクトル領域の位相を、該ソースの残りからの空間分布中の各スペクトル領域の位相に対して変化させる工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目24) 前記2つの放射ソースは第1の周波数を有し、前記第1の縞パターンを変更して第2の縞パターンを生成する工程は、該第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、項目14に記載の方法。
(項目25) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつ互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の位置において第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
e)該第1の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
g)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを第1の位置において生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
i)該第2の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
j)該第1の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該第2の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
k)該第2のラップされたサイクルマップおよび該第2の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該三次元位置情報を計算する工程と、を包含する、方法。
(項目26) 前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、前記第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、項目25に記載の方法。
(項目27) 前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、項目25に記載の方法。
(項目28) 前記イメージ面は検出器を含む、項目27に記載の方法。
(項目29) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第1の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
e)該第1の干渉パターンおよび該第1の位相シフトした干渉パターンに応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを生成する工程と、
g)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第2の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンおよび該第2の位相シフトした干渉パターンに応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
i)該第2のラップされたサイクルマップを該第1のラップされたサイクルマップから減算する工程と、
j)該第2のラップされたサイクルマップと、該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、ラップされたサイクルマップを生成する工程と、を包含する、方法。
(項目30) 前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームは第1の周波数を有し、前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、該第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、項目29に記載の方法。
(項目31) 前記ラップされたサイクルマップを用いることによって三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、項目29に記載の方法。
(項目32) 前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、項目29に記載の方法。
(項目33) 前記イメージ面は検出器を含む、項目32に記載の方法。
(項目34) 縞をオブジェクトの表面上に投射する装置であって、
a)スペクトル分布を有する2つの放射ソースと、
b)該2つのソースと光学的に連絡するコリメータであって、2つの広帯域放射の実質的に平行なビームを生成するコリメータと、
c)該コリメータと光学的に連絡する回折性格子と、
d)該回折性格子と光学的に連絡するレンズであって、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射イメージを生成するレンズと、
を備える、装置。
(項目35) 前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する各距離の分だけ隔離される、項目34に記載の装置。
(項目36) 前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、項目35に記載の装置。
(項目37) 前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、項目35に記載の装置。
(項目38) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目34に記載の装置。
(項目39) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目34に記載の装置。
(項目40) 前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する検出器をさらに備える、項目34に記載の装置。
(項目41) 前記2つの放射ソースは単一の放射ソースから生成される、項目34に記載の装置。
(項目42) 前記回折性格子に結合されたトランスレータをさらに備え、該トランスレータは、前記スペクトル領域の1つの該スペクトル領域の残りに対する相対的位相をシフトさせる、項目34に記載の装置。
(項目43) 縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有する放射を生成する、工程と、
b)該放射を平行にして、2つの実質的に平行な放射ビームを生成する工程と、
c)該平行な放射ビームのスペクトル成分を描写する工程と、
d)スペクトル成分の空間分布を有する2つのイメージ放射を生成する工程と、を包含する、方法。
(項目44) 前記空間分布の1つのスペクトル成分はそれぞれ、該空間分布の残りの各スペクトル成分から、該スペクトル成分の各波長に比例する距離だけ隔離される、項目43に記載の方法。
(項目45) 前記距離は、前記スペクトル成分の波長に線形比例する、項目44に記載の方法。
(項目46) 前記距離は、2つのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、項目44に記載の方法。
(項目47) 前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、項目43に記載の方法。
(項目48) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目43に記載の方法。
(項目49) 前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、項目43に記載の方法。
(項目50) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、項目43に記載の方法。
(項目51) 前記スペクトル成分の1つの該スペクトル成分の残りに対する相対的位相をシフトさせる工程をさらに包含する、項目43に記載の方法。
(項目52) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
e)該第1の投射パターンを変更して、該第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程と、
f)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
g)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
h)該第1の投射パターン中の推定されたサイクル数に応答して、該第2の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
i)該第2の投射パターン中の推定されたサイクル数および該第2のラップされたサイクルマップに応答して、該表面を判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目53) 前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、項目52に記載の方法。
(項目54) 表面上に投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを、該表面上の第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターンを変更して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程と、
e)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
f)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
g)該第1のラップされたサイクルマップから該第2のラップされたサイクルマップを減算する工程と、
h)該第2のラップされたサイクルマップと該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、該投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程と、
を包含する、方法。
(項目55) 前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、項目54に記載の方法。
(項目56) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)コヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンが該オブジェクトの表面を実質的にかすめるように、該縞パターンを光路に沿って該オブジェクトの表面に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ中の該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程であって、該オブジェクトの表面に対する法線は該光路に実質的に直交する、工程と、
を包含する、方法。
(項目57) 前記コヒーレントな縞パターンは、前記オブジェクトの表面に対して0〜45°の角度で該オブジェクトの表面を実質的にかすめる、項目56に記載の方法。
(項目58) 2つの放射ソースを提供する工程をさらに包含する、項目56に記載の方法。
(項目59) 前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面の上側に配置される、項目58に記載の方法。
(項目60) 前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面に対する法線に沿って実質的に垂直に整列されている、項目58に記載の方法。
(項目61) 前記縞パターンは2つのソースによって生成される、項目56に記載の方法。
(項目62) 前記2つのソースは互いにコヒーレントである、項目61に記載の方法。
(項目63) 前記2つのソースはレーザソースである、項目61に記載の方法。
(項目64) 前記2つのソースは、単一のソースを分割することによって生成される、項目61に記載の方法。
(項目65) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該縞パターンが実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するように、該2つのソースを平行移動させる工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目66) 工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、項目65に記載の方法。
(項目67) 前記2つの放射ソースはレーザ放射である、項目65に記載の方法。
(項目68) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該オブジェクトを該2つの放射ソースに対して側方に該縞パターンの等位相面に平行な経路に沿って平行移動させて、該縞パターンが該オブジェクトの表面に対して実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するようにする工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
(項目69) 工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、項目68に記載の方法。
(項目70) 前記2つの放射ソースはレーザ放射である、項目68に記載の方法。
(項目71) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)該オブジェクトの表面上にコヒーレントな縞パターンを投射する工程と、
b)透過関数を有するレンズを提供する工程であって、該透過関数は該レンズの端部において徐々の透過低下を有する、工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内に該縞パターンを検出する工程であって、該透過関数は、該スペックルが該測定に与える影響を実質的に低減する、工程と、
を包含する、方法。
(項目72) スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつある距離だけ隔離された2つの放射ソースから第1の縞パターンを生成する工程と、
b)該第1の周波数を第2の周波数に変更することにより、該第1の縞パターンを変更して第2の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に応答して該距離を変更する工程であって、該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に対する該距離の比は実質的に一定である、工程と、
を包含する、方法。
(項目73) 縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、他方のソースに対してコヒーレントである、工程と、
b)該オブジェクトの表面上のポイントを、該ソースそれぞれからの放射によって照射する工程と、
c)該ソースの1つを他方のソースに対して移動させる工程と、
d)該オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された放射を検出する工程と、
を包含する、方法。
(項目74) 前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された検出された放射とに応答して位置情報を計算する工程をさらに包含する、項目73に記載の方法。
(項目75) 前記ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる工程をさらに包含する、項目73に記載の方法。
(項目76) 前記ソースの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる工程を包含する、項目73に記載の方法。
(項目77) 前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と、該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する工程を包含する、項目76に記載の方法。
(項目78) 前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、項目73に記載の方法。
(項目79) 前記2つの放射ソースを提供する工程は、
a)あるスペクトル幅を有する初期放射ビームを提供する工程と、
b)該初期ビーム放射から、第1の放射ビームを第1のビーム角度においてかつ第2の放射ビームを第2のビーム角度において生成する工程と、
c)該第1の放射ビームおよび該第2の放射ビームをイメージングして、該2つの放射ソースを形成する工程と、
を包含する、項目73に記載の方法。
(項目80) 前記初期ビーム放射を振幅変調する工程をさらに包含する、項目79に記載の方法。
(項目81) 前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程は、音響フィールドによる音響光学変調を前記初期ビームに行う工程を包含する、項目79に記載の方法。
(項目82) 前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドに位相変調を行う工程を包含する、項目81に記載の方法。
(項目83) 前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドを振幅変調する工程を包含する、項目81に記載の方法。
(項目84) 前記ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、音響フィールドに周波数変調を行うことによって前記初期ビームに音響光学変調を行う工程を包含する、項目73に記載の方法。
(項目85)
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースであって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、該ソースのうちの他方のソースに対してコヒーレントである、放射ソースと、
b)該ソースの各々を該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる制御システムと、
c)オブジェクトの表面上のポイントから散乱した放射を受信するような位置に配置された検出器と、
を備える、縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
(項目86) 前記検出器からの信号を受信するプロセッサをさらに備え、該プロセッサは、前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントから散乱した受信された放射とに応答して位置情報を計算する、項目85に記載の装置。
(項目87) 前記制御システムは、前記放射ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該放射ソースのうちの他方の放射ソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる、項目85に記載の装置。
(項目88) 前記制御システムは、前記放射ソースのうちの1つの各スペクトル成分を、該放射ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分に対して移動させて、該2つの放射ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる、項目85に記載の装置。
(項目89) 前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、前記制御システムは、該ソースの各スペクトル成分を該ソースのスペクトル成分のうちの他方のスペクトル成分に対して移動させて、該距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する、項目88に記載の装置。
(項目90) 前記検出器と、前記オブジェクトの表面上のポイントとの間に配置されたイメージングシステムをさらに備え、該イメージングシステムは、該検出器上のポイントをイメージングする、項目85に記載の装置。
(項目91) 前記検出器は複数の光検出器を備える、項目85に記載の装置。
(項目92) 前記プロセッサは、複数の処理ユニットを有するマルチプロセッサシステムを備え、前記複数の光検出器はそれぞれ、該複数の処理ユニットの各々と電気的に通信する、項目91に記載の装置。
(項目93) 前記2つの放射ソースは、
a)あるスペクトル幅を有する放射のビームの初期ソースと、
b)該放射のビームの初期ソースと光学的に連絡し、第1の光学ビームおよび第2の光学ビームを生成するビーム分離器と、
c)該ビーム分離器と光学的に連絡するイメージングシステムであって、該2つの放射ソースがそれぞれ該第1の光学ビームおよび該第2の光学ビームに対応するように該2つの放射ソースを生成するイメージングシステムと、
を備える、項目85に記載の装置。
(項目94) 前記ビーム分離器は回折格子である、項目93に記載の装置。
(項目95) 1つのソースのスペクトル分布中の波長におけるポイントは、他方のソースのスペクトル分布中の波長における各ポイントと前記距離だけ隔離され、該距離は、該ポイントの波長に実質的に比例する、項目85に記載の装置。
(項目96) 前記制御システムは位相シフタをさらに備える、項目85に記載の装置。
(項目97) 前記位相シフタは、前記ビーム分離器の位置を前記放射のビームに対して変化させるトランスレータである、項目96に記載の装置。
(項目98) 前記制御システムは、可変な焦点距離を有するズームレンズを備え、該ズームレンズは、該可変な焦点距離の変化に応答して該隔離の距離を変化させる、項目85に記載の装置。
(項目99) 前記制御システムは、焦点距離が異なる複数のレンズを備え、該隔離の距離は、該複数のレンズのうちの1つの各焦点距離に対応する、項目85に記載の装置。
(項目100) 前記回折格子は空間光変調器である、項目94に記載の装置。
(項目101) 前記空間光変調器は、調節可能な格子周期を有し、該格子周期は、該空間光変調器に与えられる電気信号に応答する、項目100に記載の装置。
(項目102) 前記ビーム分離器は音響光学変調器である、項目93に記載の装置。
(項目103) 前記放射のビームの初期ソースと光学的に連絡する振幅変調器をさらに備える、項目93に記載の装置。
(項目104) オーダ−ブロックマスクをさらに備える、項目93に記載の装置。
(項目105) 前記オーダ−ブロックマスクは2重スリットのマスクである、項目104に記載の装置。
(項目106) 前記ビーム分離器と光学的に連絡する振幅変調器をさらに備え、該振幅変調器は、前記初期ソースの振幅を変調する、項目93に記載の装置。
(項目107) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)2つの放射ソースを提供する工程であって、該2つの放射ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、該2つのソースのうちの他方のソースに対してコヒーレントである、工程と、
b)該表面上のポイントに検出器を設ける工程と、
c)該オブジェクトの表面上のポイントを該ソースの各々からの放射で照射する工程と、
d)該ソースの各々を相互に移動させる工程と、
e)該オブジェクトの表面上のポイントにおいて該放射を検出する工程と、
f)該ソースの移動と、該オブジェクトの表面上のポイントにおいて検出された放射とに応答して位置情報を計算する工程と、
を包含する、方法。
(項目108) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目107に記載の方法。
(項目109) 前記ソースの1つからの放射のスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからの放射のスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる工程をさらに包含する、項目107に記載の方法。
(項目110) 前記放射ソースは仮想放射ソースである、項目107に記載の方法。
(項目111) 前記ソースの各々を移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる工程を包含する、項目107に記載の方法。
(項目112) 前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該ソースの各々を移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と、該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する工程を包含する、項目111に記載の方法。
(項目113) 表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する装置であって、
a)スペクトル分布を有し、互いにコヒーレントな2つの放射ソースと、
b)該ソースの各々を相互に移動させる制御システムと、
c)該オブジェクトの表面上のポイントを照射する放射を受信するように、該オブジェクトの表面上の該ポイントに配置された検出器と、
d)該検出器からの信号を受信するプロセッサであって、該ソースの移動と、該オブジェクトの表面上の該ポイントにおいて受信された放射とに応答して該オブジェクトの表面上の該ポイントの位置情報を計算する、プロセッサと、
を備える、装置。
(項目114) 前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、項目113に記載の装置。
(項目115) 前記制御システムは、前記ソースの1つからの放射のスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからの放射のスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる、項目113に記載の装置。
(項目116) 前記放射ソースは仮想放射ソースである、項目113に記載の装置。
(項目117) 前記制御システムは、前記放射ソースのうちの1つの各スペクトル成分を、該放射ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分に対して移動させて、該2つの放射ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる、項目113に記載の装置。
(項目118) 前記距離は、前記ソースのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、前記制御システムは、該ソースの各スペクトル成分を該ソースのスペクトル成分のうちの他方のスペクトル成分に対して移動させて、該距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する、項目117に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】図1は、表面輪郭測定を行う本発明の一実施形態のブロック図である。
【図2】図2は、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムの一実施形態のブロック図である。
【図2a】図2aは、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムの別の実施形態のブロック図である。
【図2b】図2bは、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムのさらに別の実施形態のブロック図である。
【図3】図3は、図1の2つの放射ソースを互いに対して固定した距離に支持する装置の一実施形態のブロック図である。
【図4】図4は、図1のイメージングシステムの別の実施形態である。
【図5】図5は、表面輪郭測定を行う本発明の別の実施形態のブロック図である。
【図6】図6は、表面輪郭測定を行う際に図1および図5のプロセッサによって用いられる工程の一実施形態のフローチャートである。
【図6a】図6aは、図6のフローチャートの一部の一実施形態である。
【図6b】図6bは、図6のフローチャートの一部の別の実施形態である。
【図6c】図6cは、図6のフローチャートの一部のさらに別の実施形態である。
【図7】図7は、図1および図5のシステムによって用いられる検出器およびプロセッサ装置の一実施形態のブロック図である。
【図7a】図7aは、図1および図5のシステムによって用いられるマルチプロセッサを含む検出器およびプロセッサ装置の別の実施形態のブロック図である。
【図7b】図7bは、図1および図5のシステムにおいて用いられる検出器およびプロセッサ装置の別の実施形態のブロック図である。
【図8】図8は、表面輪郭測定を行う本発明の別の実施形態のブロック図である。
【図9】図9は、図8の実施形態による、オブジェクトの表面上に配置された光検出器の素子の一実施形態を示す。
【図9a】図9aは、図8の実施形態に用いられるスプリングアーム上に配置された光検出器の素子の別の実施形態を示す。
【図10】図10は、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムのさらに別の実施形態のブロック図である。
【図11】図11は、図1に示す2つの放射ソースを生成するシステムのさらに別の実施形態のブロック図である。
【図12】図12は、図1の実施形態のブロック図である。
【図12A】図12Aは、図1の実施形態のブロック図である。
【図13】図13は、累進縞分割を実行するために用いられる一連の工程の一実施形態を示す。
【図14】図14は、累進縞分割を実行するために用いられる一連の工程の一実施形態のフローチャートである。
【図14a】図14aは、縞合成を用いる累進縞分割を実行するために用いられる工程の一実施形態のフローチャートである。
【図15】図15は、縞合成および周波数チューニングを用いた累進縞分割の方法の一実施形態のフローチャートである。
【図16】図16は、図15の方法で用いられる本発明の1実施形態のブロック図を示す。
【図17】図17は、本発明の広域幅干渉縞プロジェクタの一実施形態を示す。
【図18】図18は、本発明の一実施形態で用いられる液晶空間光モジュレータの一実施形態を示す。
【図19】図19は、本発明の一実施形態で用いられる2つのネスト状の2重スリットの一実施形態を示す。
【図20】図20は、アコーディオン状の縞運動を生成する本発明の一実施形態を示す。
【図21】図21は、本発明の広域幅干渉縞プロジェクタの一実施形態を示す。
【図22】図22は、本発明の一実施形態の、ヒストグラムベースのリップル消去として公知の*φ/(2π)の関数として縞数誤差ΔNをグラフィカルに示す表示を含む。
【図22a】図22aは、図22に示す曲線の傾斜+1のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0026】
(好適な実施形態の詳細)
本発明は上掲の特許請求の範囲に特に示される。本発明の上述およびさらなる利点は、添付の図面に関する以下の説明を参照することによってよりよく理解され得る。
【0027】
本発明の実施形態を説明しながら、「ソース」および「放射ソース」を示す。これらの用語は、非常に局所化された放射ソースを含む、任意の放射ソースを指すよう意図される。
【0028】
図1および簡単な概略を参照して、二つの放射ソース、P1およびP2は、固定距離Dの分だけ隔離されており、そしてそれぞれ(x1、y1、z1)および(x2、y2、z2)の空間座標をそれぞれ有する。それぞれのソース、P1およびP2からの放射は、もう一方のソースからの放射に対してコヒーレントである。各ソース、P1およびP2は、各発散放射ビーム12および14をオブジェクト10の表面上のポイントP0に方向付ける。それぞれの放射ソースP1およびP2から表面上のポイントP0までの距離は、R1およびR2によってそれぞれ示される。Ψは起点からポイントP0まで延びる線と、ソース、P1とP2との間を延びる線との間の角度であり、θsはz軸とソース、P1とP2との間を延びる線との間の角度であり、αはP0から見た場合の2つのソースポイントから延びた辺で囲まれた角度の半分の角度である。各ビーム12、14はもう一方のビーム14、12と同じ方向に実質的に偏光され、そして、オブジェクト10上の異なる領域を同時に照射するように独立して走査可能であり得る。あるいは、オブジェクト10全体が同時に照射され得る。
【0029】
ポイントP0によって散乱された光20は光検出器22によって検出される。一実施形態において、光検出器22は1アレイの光検出器の素子を含んで、測定されるオブジェクト10の二次元画像を提供する。さらなる実施形態において、1アレイの光検出器の素子は電荷結合素子(CCD)である。検出器22は、1つ以上の個々の信号を含み、各信号は検出器22の光検出器の素子のうちの対応する1つに関連付けられた出力信号26を提供する。
【0030】
好適な実施形態において、焦点調節要素24はオブジェクト10の表面上のポイントP0と光検出器22との間に配置されて、検出器22上にポイントP0を含むオブジェクトの照射された部分をイメージングする。オブジェクトの表面が粗いため、そして照射放射がコヒーレントであるため、焦点調節されたイメージはスペックルを有する。光検出器22からの出力信号26は処理装置28への入力信号である。
【0031】
一実施形態において、偏光子30は焦点調節要素24と検出器22との間に配置される。偏光子30の配置方向は、散乱光20の主な偏光成分との合致が最大化される方向に向けられる。これにより、スペックルのコントラストまたは縞パターンのコントラストが向上する。この構成により、オブジェクト10の表面から散乱された光に関連付けられた信号対雑音比が最大化される。
【0032】
一実施形態において、プロセッサ28は一つのプロセッサであり、検出器アレイ22の光検出器の素子のそれぞれに関連付けられた検出器の出力信号26を受けて動作する。別の実施形態において、プロセッサ28は、複数の個々のプロセッサを有するマルチプロセッサであり、そして各光検出器の素子は入力信号をプロセッサのそれぞれ一つに提供する。検出器22がCCDアレイである、また別の実施形態において、複数のCCD素子は入力信号をマルチプロセッサの各プロセッサに提供する。マルチプロセッサの構成を用いると、複数の個々の光素子からの信号の計算が実質的に同時に行われ、これにより、信号処理速度が向上する。
【0033】
制御装置32は、放射ソースP1およびP2のうちの一つの放射の位相を、オブジェクト10の表面上のポイントP0で測定されるもう一方のソースからの放射の位相に対して変更するように、放射ソースP1およびP2の動作を制御する。プロセッサ28は、信号線またはバス34を介して制御装置32と通信し得る。例えば、特定の用途において、プロセッサ28が検出器22からの信号を処理する場合には、オブジェクト10の表面上を介するソースP1およびP2の走査に対応して、またはソースからの放射が掃引される周期に対応して、特定の回数行うことが望ましい場合がある。このような走査および周波数掃引動作が制御装置32によって制御されるため、制御装置32とプロセッサ28との間の通信がこれらの環境において望ましい。制御装置32およびプロセッサ28は物理的に別々の装置であっても、単一の処理システムによって実現されてもよいことが理解される。
【0034】
ここで図2を参照して、一実施形態において、放射ソースP1およびP2は、チューナブルレーザ40から放出される放射から形成される。チューナブルレーザ40によって放出された放射ビーム44はビームスプリッタ48によって分割される。放射ビーム50はビームスプリッタ48によって反射された後、レンズ52によって発散するようになる。次いで、発散ビームは、移動可能な照準ミラー54によって反射される。照準ミラー54によって反射される放射ビームは、コヒーレントな放射ソースのうちの一つ、P1を提供する。同様に、ビームスプリッタ48を透過した放射ビーム46は、レンズ58によって発散するようになり、発散ビームを第2の移動可能な照準ミラー60に方向付ける。ミラー60によって反射された放射ビームは、第2の放射ソースP2を提供する。照準ミラー54および62は、回転可能であり、オブジェクト10の表面を選択的に照射し得る。照準ミラー54および62はさらに、移動可能であり、ソースP1およびP2の位置を変更し得る。
【0035】
図2aを参照して、放射ソースP1およびP2の別の実施形態が、放射ビーム44を提供する回転可能なレーザソース40を含むように図示される。放射ビーム44はレンズ62を透過し、これによりビームが発散して、発散ビーム64を提供する。次いで、発散ビーム64はビームスプリッタ48によって反射されて、第1のビーム66を提供する。第2のビーム68は、図示するように、ビームスプリッタ48を透過する。移動可能な照準ミラー54および60はそれぞれ、ビーム66および68を反射して、ソースP1およびP2を提供する。
【0036】
図2bを参照して、別の実施形態において、放射ソースP1およびP2は、光ファイバスプリッタ56を用いて、回転可能なレーザ40から放出された放射から分割される。ファイバは、端部においてビーム形成要素を有して、2本のビームの発散角度を制御または設定し得る。一実施形態において、ビーム形成要素はレンズであり得る。ソースP1およびP2は、あるいは、周波数が固定された1対の回転可能なレーザから形成され得る。放射ソースの他の適切な実施形態は、マイクロ波および音波などの制御可能な位相を有する波を生成する任意のソースを含む。
【0037】
1実施形態において、小さい膨張係数を有する材料を含むバーの一方の端部に放射P1およびP2の各ソースを取り付けることによって、ソースは互いから一定の距離Dで維持される。別の実施形態において、放射P1およびP2のソースは一定の距離で保持されないが、その代わりにこれらのソース間の距離Dは非常に正確であることが公知である。
【0038】
互いに対して一定の距離Dで放射ソースP1およびP2を支持するための例示的な1つのバー70が図3に示される。バー70の両端部にはソケット74が提供される。玉継手76は、示されているように、ソケット74の各々の内部で旋回するように(pivotally)配置される。玉継手76の各々は(図2bに示される)その中に配置される光ファイバースプリッタ56からのファイバーの端部および発散放射が通過するアパーチャ80を有する。ファイバーはその端部においてビームを形成する素子を有し得、2つのビームの発散角を制御または設定し、1実施形態において、このビーム形成素子はレンズである。動作中、玉継手76は、それぞれのソケット74の中で、矢印78によって示されるように旋回可能であり、(図1に示される)制御ユニット32によって制御され得る。この構成を用いて、ファイバーの端部におけるソースP1およびP2によって提供される発散ビーム12および14は、所望の方向に向けられ得、一定の隔離距離(separation distance)Dが維持される一方で、処理されるべき点P0を含む物体10の全体または部分を照射する。
【0039】
再び図1を参照して、物体10の表面上の点P0の座標は(x、y、z)である。点P0のx座標およびy座標は、通常、検出器22および物体10の幾何学的形状から直接的に決定されるが、焦点調節素子24をこれらの検出器22と物体10との間に挿入して任意の倍率を考慮している場合には、深さ座標zを直接求めることはできない。但し、ここでz軸は結像系の光軸と並行であると定義される。しかしながら、深さ座標zは、放射ソースP1から物体10の表面上の点P0および放射ソースP2までの光路差
s=R2−R1+S0 (1)をまず考察することによって測定され得る。量S0は、ビームが点P1およびP2に到達する前に生じ得る、ビームにおける任意の光路長の差を考慮に入れるために含まれる。
【0040】
sが非ゼロである場合、ソースP1およびP2から発せられた放射の周波数を変更することによって点P0で測定される1方のソースからの放射の位相が、他方のソースに対して変化する。この位相変化によって、点P0における放射の強度が変調する。強度の変化の1サイクルを完了するために必要とされる周波数Δνの変化は、以下の式によって与えられる。
Δν=c/s (2)
ここで、cは光の速度である。従って、強度の1振動を引き起こすために必要とされるレーザの周波数Δνの変化を測定することによって、光路差sが決定され得る。zの測定は、その後、後述されるように、xおよびyの各値に対してsの値を決定することに基づく。
【0041】
sのより正確な決定は、複数の振動サイクルにわたってΔνを測定することによって得られる。実際には、周波数の変化全体Bによって誘導される(必ずしも自然数ではない)振動サイクル数Nに関して測定することが好都合である。
【0042】
NはΔνおよびBに関して、以下のように与えられる。
N=B/Δν (3)
式(2)を用いて、式(3)からΔνを消去すると、Nに関するsの以下の数式が得られる。
s=(c/B)・N (4)
長さBの周波数走査により誘導された振動サイクル数Nは、周波数の走査中、測定点P0にわたって移動する干渉縞の数に対応することに留意されたい。干渉縞は、ソースP1およびP2から発せられる放射の干渉によって生成される。これらの振動は、結像レンズ24によって干渉縞が解消されてもされなくても生じる。
【0043】
Nの測定における不確定度ΔNは、
Δs=(c/B)・ΔN=s・(ΔN/N) (5)
のsにおける不確定度Δsに対応する。
【0044】
式(5)は、単一の振動サイクルが決定され得る不確定度ΔNが一定の状態である場合、sにおける不確定度Δsは、測定されたサイクルN数と等しいファクタだけ減算されることを示す。当業者に公知の種々のレベルの分解能ΔNに対するNを決定する複数の方法が存在する。約1の振動サイクルカウント(ΔN=1)の分解能を得る方法の例は、データシーケンスに高速フーリエ変換(FFT)を行なうか、または高域フィルタリングされた信号のゼロ交差をカウントすることである。1未満の振動サイクルカウント(ΔN<1)の分解能は、例えば、離散フーリエ変換(DFT)の大きさが最大化されるところでDFTの引数(argument)を見出すことによってか、または周波数走査の終了時において振動サイクルの位相を検査することによって改善することができる。位相の精確な検査に関する当業者に公知の1つの技術は、ビーム経路の1つのレッグ、すなわちビームスプリッタまたは光ファイバースプリッタと、図2、図2(a)および図2(b)におけるソースP1またはP2のうちの1つとの間に位相変調器を挿入することである。
【0045】
I1、I2およびI3がそれぞれ−90°、0°および90°の位相変調器によって生じる位相シフトに対応する信号強度である場合、振動サイクルの位相φは、以下の数式によって与えられる。
φ=tan−1((I1−I3)/(2I2−I1−I3)) (6)
位相における不確定度Δφは、2πで除算することによってサイクルカウントにおける不確定度ΔNに変換される。
【0046】
チューナブルダイオードレーザのB=15THzの典型的な周波数走査の場合、ΔN=1サイクルの不確定度では、Δs=20μmの不確定度が提供される。横方向の分解能に対するsの広がりが、その量よりも小さい場合、ΔN=0.1サイクルの不確定度は、sにおける不確定度をΔs=2.0μmまで向上する。物体の表面上の横方向の分解能に対するsにおける広がりがΔsよりも大きい場合、sの測定における分解能は改善されているので、この場合もやはり、その横方向の分解能に対するsの平均値または代表値の推定を改善することができる。
【0047】
座標系に置き換えるとsは以下の式によって与えられる。
【0048】
【数1】
計算をより簡略化するために、2つのソースP1およびP2が(x1、y1、z1)および(−x1、−y1、−z1)における原点のまわりに対称的に配置されていると仮定する。その後、式(7)は、(x1、y1、z1)に関して、以下のようになる。
【0049】
【数2】
zについて解くと、式(8)は以下のようになる。
【0050】
【数3】
ここで、Dは2つのソースP1とP2との間の距離である。従って、zは、式(9)に正の根および負の根が存在するために、アンビギティの範囲内であることが判定される。このアンビギティを回避する1つの方法は、物体10を照射することにより、s=0線(s0=0の場合である図1において16で示される)が結像されるべき物体の領域を2等分しないようにすることである。s=0線を移動する1つの方法は式(1)におけるs0を変更することである。
【0051】
sの変更に対するシステムの感度は、Δs/Δzの比によって示され、ここで、Δzはsの値における不確定度Δsによって導入されるzにおける不確定度である。この比は、任意の実用的な感度の範囲が十分でないシステムの0と、理論的には最大システムの2との間にわたる。2の値を達成するのは非現実的である。なぜなら、物体10の表面は、2つの点ソースP1とP2との間にある必要があり、各ビームによって表面の片面のみが照射されとるからである。比Δs/Δzは、zに対するsの偏導関数を得ることによって計算され、この結果より範囲分解能に関する以下の数式が取得される。
【0052】
【数4】
式(10)において、図1に示されるように、R0は原点からP0までの距離であり、ψは原点から点P0に延びる線と、点P1から点P2に延びる線との間の角である。良好な範囲の分解能を提供する有用な構成は、ψ=90°を設定することであり、この場合Δzの数式は以下のように簡略化される。
【0053】
【数5】
ここで、θsおよびαは図1に示されるとおりである。R0およびDに関してはtanα=D/(2R0)である。式(11)は、角αが増加し、角θsが減少するにつれて範囲分解能は向上することを示す。Δs=5μmの値、α=10°およびθs=45°の場合、範囲分解能はΔz=20μmである。
【0054】
点P0の横方向の位置(x、y)における不確定度(Δx、Δy)も、範囲分解能Δzに影響を与える。2つのソース点がx−z平面にある場合、zの測定は、不確定度Δyの影響を受けない。ψ=90°に関して、xにおける不確定度Δxは、zの測定において以下の不確定度を生じさせる。
【0055】
Δz=Δxtanθs (12)従って、θs=0°近傍の角であれば、点P0の横方向の位置における不確定度への影響は最も少なくなる。
【0056】
焦点の深さは、最適なシステムの横方向の分解能が向上すると減少するので、横方向の分解能と物体の最大深さとの間にトレードオフが存在する。物体の深さにおけるこの制限を低減するための1つの方法は、異なった範囲の平面に連続して焦点を合わせ、焦点の深さの中にあるピクセルのみを用いることである。例えば、100μmの横方向の分解能は、フィールドの深さを1cmのオーダーに制限し、10cmの範囲を有する物体は10個の異なった範囲で連続的に焦点を合わせることによって全分解能で結像され得る。フィールドの深さの影響を最小化するために、z軸は、範囲の広がりを最小化する、すなわち、物体の表面の平均的平面に対して垂直の方向に規定され得る。横方向の分解能を損なわずに、結像され得る横方向の面積を増加させるために、複数のカメラ(すなわち、検出器アレイ22)を用いて物体10の対象となる領域全体を覆てもよいし、または対象となる個別のカメラを用いて検査してもよい。あるいは、単一のレンズの焦点面に複数の検出器アレイを配置してもよい。これらのアレイは、独立して平行移動され得、物体の種々の領域を高分解能で検査する。z軸に沿う個別の検出器アレイの平行移動または検出器アレイの傾動(tilting)は、異なった深さの物体の領域に対して焦点を同時に合わせ、物体深さの受容可能な範囲を大きくすることができる。
【0057】
図1における光学結像システムの潜在的問題は、ソースと検出器との間のバイスタティック角によってシャドウイング効果(shadowing effects)が発生し得ることである。これらの効果は、図4におけるように、レンズをソースにより近づけて配置し、かつ検出器が結像面において横方向にオフセットされる、レンズを軸から外した構成で用いることによって低減され得る。この目的のためにレンズが設計される場合、またはレンズが十分に大きい視野を有する場合、軸から外して結像することによって生じる収差は最小化され得る。
【0058】
図5を参照して、本発明の代替的実施形態は可動の放射ソースP1および静止放射ソースP2を含み、各ソースは発散ビーム150および154を提供し、それらの放射ソースと、物体10の表面上の点P0との間にR1およびR2で表示された光路長をそれぞれ有する。ソースP1およびP2は、単色レーザ等のコヒーレント光の任意の適切なソースによって生成され得、このコヒーレント光は、2つの点ソースP1およびP2を提供するために分割され得る。さらに、図2および図2aのビームスプリッタの実施形態、ならびに図2bの光ファイバースプリッタの実施形態等の種々の技術が、コヒーレント放射ソースからの放射を分割するために適切である。
【0059】
発散ビーム150および154は、位置情報を有する点P0が配置され、測定されるべき物体10の表面の方向に向けられる。物体10の表面によって散乱される照射は、焦点調整素子またはレンズ158によって焦点合わせされ、検出器アレイ22に当たる。レンズは、図4に図示されるように、軸から外された構成で用いられ得、バイスタティック角に起因するでシャドウイング効果を低減する。図1と関連付けられた上述のタイプの任意の偏光子(図示せず)は、焦点調整素子158と検出器アレイ22との間に配置され得、検出器アレイ22に入射するスペックル画像または縞パターンのコントラストを向上させる。
【0060】
検出器アレイ22は、後述されるように、検出器に入射する画像を処理するためのプロセッサユニット28と通信する。制御ユニット32は、ソースP1を軸160に沿って移動させるために、少なくとも可動ソースP1と通信する。上述のように、制御ユニット32およびプロセッサユニット28は別個のデバイスによって実現され得るか、または代替的には、単一システムの部分であり得る。さらに、制御ユニット32およびプロセッサユニット28は、特定の用途において所望され得るように、互いに通信し得る。
【0061】
図1と関連付けて上述されたように、物体10の表面上の点P0と関連付けられた深さ座標zは、ソースP1およびP2のそれぞれから点P0へのビーム150の光路長R1と、ビーム154の光路長R2との間の差の関数R1−R2として決定され得る。図5の実施形態において、可動ソースP1からの放射の位相は、制御ユニット32の制御のもとで、ソースP1を軸160に沿って移動させることによって変更される。この構成を用いて、点P0で強度における振動が生成される。
【0062】
可動点ソースP1の瞬間座標は以下のとおりである。
【0063】
x1=als,y1=amsおよびz1=ans (13)
ここで、aは点ソースP1の平行移動の大きさを表し、ls、msおよびnsはx、yおよびz軸それぞれに関する平行移動の方向を表す方向余弦である。
これらソースP1およびP2からの放射が点P0へ伝播した後に測定された、の位相差は、以下の数式によって与えられる。
【0064】
【数6】
ここで、φ0は、2つのコヒーレントソースP1とP2との間に存在し得る一定の位相オフセットを表す。P1が軸160に沿って平行移動すると、R1の値は変化し、φをaの関数として変化させる。
【0065】
ソースP1が原点から移動して離れると、点P0において生じる振動の強度(またはP0を横切る干渉縞)の数は、以下の数式によって与えられる。
【0066】
【数7】
ここで、R0は、点P0と座標系の原点との間の距離であり、φ(a)は、ソース間の距離がaの場合の式(14)における光学位相差であり、φ(0)は、a=0の場合の式(14)における光学位相差である。式(15)を考察することによって、ソースP1からの移動の結果である振動の強度の数Nは静止ソースP2の位置には依存しないことが明らかとなった。この非依存性は、ソースP1およびP2が互いに近接して配置されることを可能にする。この構成を用いて、ソースP1およびP2それぞれからの発散ビーム150および154は、大気乱流および振動等の一般的な妨害を受ける。このようにして、このような妨害の影響は最小化される。さらに、ビーム150および154は、実質的に同じ偏光を有した状態で物体10の表面に達する。
【0067】
ソースP1とP2の間の距離が小さいと、物体10の表面上に縞の間隔が大きい縞パターンを生成するが、これは結像レンズ24によって容易に解消され得ることにも留意されたい。
【0068】
点ソースP1の平行移動aの大きさは、R0の値と比較して、比較的小さいので、式(15)は、以下のようにa/R0における二次まで近似され得る。
【0069】
【数8】
ここで、ψは、原点から点P0へと延びる線と、P1の平行移動の方向によって規定される線との間の角である。
【0070】
式(16)は、a/R0における最下位まであれば、Nが分かるので角ψを決定することができるということを示す。3つ以上の位置からψが分かれば、P0の(x、y、z)座標は三角形分割によって決定され得る。次に、図1に対応する実施形態と類似の実施形態が説明される。ここで、x座標およびy座標は、検出器アレイにおける結像点の位置から決定される。
【0071】
所与の(x、y)の位置に対するzは、P1のある距離の移動に対応する強度の振動サイクルNを決定することによってか、またはそのような強度振動が生じる速度を測定することによって測定され得る。まず、サイクル数Nを決定することに基づくzの測定を考察されたい。既知のNを用いれば、zを除く式(15)におけるすべての変数は分かる。zについて式(15)を解くことで、以下の数式が得られる。
【0072】
【数9】
式(19)は、0と1との間で変化する大きさを有する無次元パラメータを定義する。これは、P1によって移動される波長単位ごとの振動サイクルNに関するスペックル強度の平均変調率を表す。aの値が0に近づくと、式(17)は以下のように近似され得る。
【0073】
【数10】
式17および式20におけるzの数式は、ns=0を設定することによって簡略化され得、その結果、ソースP1の平行移動はx−y平面に限定される。この構成は、後述されるように、ソースP1の平行移動に関する良好な実用的選択を表す。結果として生じるzの数式は、以下のように表され得る。
【0074】
【数11】
ここで、散乱点P0からx、y座標系の原点への距離R0は、完全な数式によって与えられる。
【0075】
【数12】
aが小さいとき、R0は以下のように近似され得る。
【0076】
【数13】
次に、強度の振動が生じる瞬間比を知ることによってzの測定を考察されたい。瞬間振動率ρは、式(19)における平均振動率と類似の方法で以下のように表され得る。
【0077】
【数14】
式(15)から得られる強度の振動の数Nの数式を式(24)に代入することで以下の式が得られる。
【0078】
【数15】
ここで、関係を分子を簡略化するために用いる。
【0079】
ls2+ms2+ns2=1 (26)
aの値が小さい場合、ρは以下のように近似される。
【0080】
【数16】
式(25)をzについて解くことで以下の式が得られる。
【0081】
【数17】
ここでは、
O=[xls+yms+a(ρ2−1)]ns (29)および
【0082】
【数18】
である。ns=0のとき、式(29)は、式(21)の形式で表され得る。
【0083】
【数19】
aの値が小さいとき、式(28)および(31)は、式(20)および式(23)によってそれぞれ近似され得る。ただし、ρの代わりにρ\を用いる。本明細書中において「\」とは、「\」の前の文字に上線を付していることと等価であり、例えば、ρ\は、
【0084】
【数20】
を示す。
【0085】
範囲分解能を推定するために、測定される量の不確定度(ΔNまたはΔρ)によって生じるzの測定における不確定度Δzを考察されたい。簡略化するために、この計算は、式(16)によって与えられるNに関する近似式に基づく。Δzを求めるために、zについてN(またはρ)の偏導関数をとり、この偏導関数を比ΔN/Δz(またはΔρ/Δz)と等価すると、以下の式が得られる。
【0086】
【数21】
は、平行移動の方向および散乱点への方向を考慮に入れたジオメトリカルファクタである。Gに関する第1の式において、
l=x/R0,m=y/R0およびn=x/R0 (34)
は、点P0の方向余弦である。Gに関する第2の式において、θは極角およびφは方位角であり、球面座標系における原点からP0への方向を表す。同様に、ソース点の平行移動の方向はθsおよびφsによって与えられる。
【0087】
式(32)の考察によって、物体の距離R0が増加するにつれ、範囲分解能が低下し、ソースP1の平行移動aの大きさが増加するにつれて、範囲分解能が向上することが明らかとなる。式(33)の考察は、ジオメトリカルファクタGが1と無限との間で変化することが分かる。ここで、1は達成可能な最良範囲分解能に対応する。
【0088】
所与の散乱点の方向に対するソースP1の平行移動の最適な方向は、Gがl、mおよびnの所与の値に対して最小化されるようにls、msおよびnsを選択することによって式(33)から得られる。この制約を適用すると以下の式が得られる。
【0089】
【数22】
これは、最適な平行移動の方向が、原点から散乱点P0(ψ=90°)へと延びる線と直交し、その線およびz軸(φs=φ)によって形成される入射面にあることを意味する。式(35)の値を式(33)に代入すると、以下のようになる。
【0090】
【数23】
式(36)から、1の達成可能な最良のG値は、n=0(θ=90°)のときに生じることが分かる。これは、散乱点がx−y平面にあることを意味する。さらに、z軸上にある分散点に対してGが無限大に近づくにつれ分解能が低下することも分かる。例えば、θ=30°の場合はG=2、およびθ=10°の場合はG=5.76である。各点に関する平行移動の方向を変更することなく、画像内のすべての点について式(35)を満たすことは可能ではないが、最適分解能の条件は代表的な画像点について式(35)を満たすことによって近似され得る。
【0091】
式(25)および式(27)によって、瞬間変調率ρは、平行移動する点のオフセットの大きさaに依存する。測定ρに基づく技術の場合、走査中にρができる限り変化せず、その結果、値ρとzとは、ほぼ1対1で対応することが所望される。従って、標準的スペクトル解析技術は、ρの値を推定しzを決定するために適用され得る。走査時に生じるρの不均一性の程度を定量化するために、以下のように定義される。
【0092】
【数24】
式(27)からのρに関する近似式を式(37)に代入し、aを含む最低次数項のみを残すと、以下の式が得られる。
【0093】
【数25】
方程式(38)は、変調の不均一性が走査の長さ対物体の距離の比a/R0が線形に増加することを示す。さらに、不均一性は、ψ=0°であるときに消失し、ψ=90°であるときに有界を有することなく増加する。しかしながら、ψ=0°の線におけるすべての点は、範囲、すなわち式(33)におけるG=∞に関係なく、同じ変調率を有するので、ψ=0°のときに範囲分解能は存在しないことが分かる。従って、不均一性を最小化することと、最適範囲分解能との間にトレードオフが存在する。
【0094】
良好な範囲分解能および低減された変調の不均一性を同時に提供する好都合な測定構成は、ns=0を設定し、φs方向におけるオフセット、すなわちφ=φsを有する軸から外れた光学系を用いることである。その後、Gに関する式(33)は以下の式に通分される。
【0095】
G=−2/sin(2θ) (39)
測定技術の例示的例として、x−y平面における200mm×200mmである物体を、R0=1mの距離から波長λ=0.7μmのレーザを用いて撮像することが所望されることを仮定されたい。ns=0および物体の中心がθ=30°およびφ=φsにおいて配置される場合、式(39)によって、ジオメトリックファクタGは、視野にわたって2.1と2.6との間で変化する。式(32)によって、a=5mmの平行移動は、カウントの20分の1、すなわちΔN=0.05の振動の数における不確定度に対して、Δz=16μmの範囲不確定度を(画像の中心において)生成する。走査全体に対する振動カウントの総数は、式(16)によりN=3600である。画像の中心における変調の不均一度を推定するために、式(38)においてψ=60°を設定し、χ=0.0075を取得する。その結果、不均一度は、走査にわたって1%よりも少ない。この不均一度は、走査中に、走査速度を少しだけ変化させ、測定中の周波数の任意の変化を補償することによってさらに低減され得る。
【0096】
図6は、図1および図5のプロセッサ28によって行われる例示的な一連の工程を示す。これらの工程を行って、オブジェクト上の各ポイント(x、y)における深さ座標zを判定する。プロセッサは、工程100から開始し、オブジェクト表面上の複数の照射ポイントによって散乱される放射の強度のパラメータを測定する(工程108)。この情報から、各測定ポイントのz座標を計算する(工程112)。
【0097】
工程116において、光学フィルタリングプロセスを行うことができる。当業者に公知の適切なフィルタを挙げると、平滑化フィルタ、メジアンフィルタおよびカーブフィッティングフィルタがある(ただし、これらに限定されない)。その後、マッピングされたポイントの表示または出力を当業者に公知の何らかの方法で行うことができ、その後、本プロセスは図示のように工程124において終了する。一実施形態において、工程120において、マッピングされたポイントを、メッシュプロット上の演算されたz情報の関数としてプロットする。
【0098】
図6aも参照して、工程108および工程112の一実施形態が図示されており、これらの工程は、図1の実施形態と共に用いると適切である。工程108’において、散乱される照射の強度をレーザ周波数オフセットの関数として測定し、当業者に公知の方法の1つを用いてNを測定する。その後、工程110’において各ロケーション(x、y)について式(4)を用いてsを計算し、工程112’において各ロケーション(x、y)について式(9)を用いてzを計算する。
【0099】
図5の実施形態と共に用いられる処理工程108および処理工程112の別の実施形態を図6bに示す。この場合、工程108’’において測定される強度のパラメータは、回数N(これは必ずしも整数ではない)であり、この回数の間、可動ソースP1(図5)が平行移動するにつれ、強度は周期的に変化する(cycle)。当業者に公知の方法を通じて工程108’’においてNが判定されると、工程110’’において、このNは式(19)によってρ\に変換される。その後、工程112’’において式(17)および式(18)を用いてzを計算する。図5の実施形態と共に用いられる処理工程108および112の別の実施形態を図6Cに示す。この図6Cの実施形態では、工程108’’において測定された強度のパラメータは、ソースポイントP1が平行移動するときに振動が発生したときの瞬間振動速度ρである。工程112’’’において、式(28)〜(30)を通じてρをzに変換する。
【0100】
検出器22およびプロセッサ28は様々に構成することが可能である。図7に示す一実施形態において、検出器アレイ22の光検出器素子221、1〜22n、mを逐次読み出す。検出器アレイ22のシリアル出力36は、プロセッサ28への入力を提供する。プロセッサ28は、単一のプロセッサを含み得るか、あるいは、複数のプロセッサを含むマルチプロセッサであり得る。
【0101】
図7aも参照して、検出器およびプロセッサの別の構成を示す。この実施形態において、プロセッサ28は、複数のプロセッサ281、1〜28n、mを含むマルチプロセッサである。検出器アレイ22の光検出器素子221、1〜22n、mはそれぞれ、プロセッサ281、1〜28n、mのうち対応する1つに各出力信号38を提供する。この構成を用いると、プロセッサ281、1〜28n、mはそれぞれ実質的に同時に動作することができ、有利な性能を実質的に提供する。より詳細には、マルチプロセッサユニット28内の各プロセッサ281、1〜28n、mは、光検出器アレイ22の対応する素子221、1〜22n、mから受信したデータに基づいてz座標を計算する機能をする。従って、オブジェクト10の表面の各ロケーションのz座標を敏速に判定することができる。
【0102】
図7bは、検出器およびプロセッサコンポーネントのさらに別の実施形態を示し、これらの検出器およびプロセッサコンポーネントは、図1および図5のシステムにおいて、ユニット式の検出器およびプロセッサアレイ25の形態で用いられる。アレイ25は、共通基板上に作製されるかもしくは共通基板によって支持されるか、または、マルチチップモジュール(MCM)として作製されるかもしくは表面取付け技術(SMT)によって作製される。アレイ25の検出器部分は光検出器素子221、1〜22n、mを含み、アレイのマルチプロセッサ部分は、プロセッサ281、1〜28n、mを含む。より詳細には、図示のように、検出器221、1〜22n、mはそれぞれ、プロセッサ281、1〜28n、mそれぞれと関連付けられるかまたはプロセッサ281、1〜28n、mの近隣に配置され、入力信号を各プロセッサに提供する。プロセッサ281、1〜28n、mは、検出器221、1〜22n、mそれぞれからの情報を実質的に同時に処理して、深さ座標を判定する。
【0103】
図8を参照して、本発明の別の実施形態は、検出器22’のアレイを含み、このアレイはオブジェクト10の表面に対向して配置されており、オブジェクト10の表面輪郭が測定される。この構成では、オブジェクト10の表面上のポイントP0からの散乱光を観察してzを判定するのではなく、光の位相シフトの測定をオブジェクトの表面において直接的に行う。図示はしていないものの、図8のシステムは、ソースP1およびP2を制御する制御ユニット28と、検出器22’に入射する放射を処理するプロセッサ28とを含む。検出器22’については、図8中に図示しており、図1、5および6と関連して説明している。
【0104】
オブジェクト10の表面上に光検出器素子23を配置する構成およびメカニズムには様々なものがあり得る。図9に示す一実施形態において、アレイ22’の複数の個々の光検出器素子23を、対象エリア内のオブジェクト10表面上に配置する。
【0105】
図9aに示す別の実施形態において、支持/制御ユニット88の片側から出ているスプリングアーム84上にアレイ22’の個々の光検出器素子23を取り付ける。これらのスプリングアーム84を制御ユニット88によってオブジェクト10の表面上で移動させて、特定のポイントまたは対象領域と接触させる。このようにスプリングアーム84を片持ち型で支持すると、アーム84がオブジェクト10上を移動している間、個々の検出器23はそれぞれ、オブジェクト10の表面上のロケーションとの接触状態を保つ。すなわち、オブジェクト表面の輪郭が変化すると、それに応じてスプリングアーム84も上下に移動する。
【0106】
本発明の装置および方法において、放射ソースをさらに2つ以上用いてもよいことが理解される。例えば、さらなるソース(単数または複数)を用いて、オブジェクトまたはその一部分に関するx、y座標情報を判定することができる。さらに、さらなる放射ソースを用いて、対象領域のシャドーイングに寄与するいかなる処理精度の不足または処理のあいまい性をも低減することができる。
【0107】
ソースポイントの移動を行う実施形態は他にも変更が可能であることが理解される。例えば、これらの2つのポイントはどちらとも、反対方向に移動しながら移動することもできるし、一定の間隔を保ちつつ同じ方向に移動することもできるし、共通の中心点の周囲を回転することもできるし、あるいは、制御システムによる切換えが可能なソースポイントのアレイを用いることによって動きをシミュレートすることも可能である。
【0108】
双方のソースを移動させると、単一の可動ソースを用いる場合と比較して式(38)における変調の不均一性を低減できるなどの利点を得ることができる。この不均一性を低減させることによって企図しているのは、Nがaの奇関数となるような様式でポイントを移動させることにより、式(27)中のrに関する線形項を無くすことである。平行移動を2つのソース間で均等に分割して、これらの2つのソース間の中心が固定されるようにする(これは、対向移動(opposing motion)と呼ばれる)。その結果、以下の数式が得られる。
【0109】
【数26】
a中に4次までの項を含む式(16)に対応するNを展開すると、以下のようになる。
【0110】
【数27】
従って、a中の2次項およびそれよりも高次のa中の偶数項を無くし、3次項の大きさを1/4だけ低減する。
【0111】
これにより、式(17)および式(22)に基づいてzを正確に数式として表すと、以下のようになる。
【0112】
【数28】
ns=0の場合、式(42)は式(21)まで低減し、以下のようになる。
【0113】
【数29】
aの値が小さい場合、式(42)および式(43)はそれぞれ、式(20)および式(23)となる。しかし、双方のソースを移動させることによってaへの1次依存(first−order dependence)を無くすと、移動ソースを1つだけ用いる場合よりもこの近似結果の精度が上がる。
【0114】
2つのソースを対向移動させると、式(25)によって表される変調速度の数式は以下のようになる。
【0115】
【数30】
小規模のaの近似(これは、aまで有効であり、3次のaを含む)を用いると、式(44)は以下のようになる。
【0116】
【数31】
式(45)中に線形項が存在しないと、スキャン期間中の平均振動速度ρが式(27)と比較してより安定する。ここで、式(37)において既に規定された対応する変調不均一性χを以下のように表すことができる。
【0117】
【数32】
式(46)の場合、a/R0の比への2次依存および共通因子中のcosyの不在のため、得られるχの値は、式(38)のχ値よりもずっと小さい。双方のソースポイントを移動させることによって得られる利点の1つとして、レンジ分解能を最適にした(ここでy=90°)場合、不均一性が小さいままであるという点がある。
【0118】
単一のソースの動きについて既に与えられたレンジ不確定性Δzの結果は、Nおよびρの小a近似(small−a approximation)における第1の項に基づく。これらの近似における第1の項は2つのソースの動きと同一であるため、先に述べた結果は、2つのソースが移動する場合にも当てはまる。
【0119】
図10を参照して、本発明の別の実施形態は、2つの対向する可動ソースP1およびP2を含む。レーザソース40からのビーム44は、ビームスプリッタ48によって送信ビーム46および反射ビーム50に分割される。送信ビーム46は、鏡94からレンズ58へと反射される。同様に、反射ビーム50も鏡96からレンズ52へと反射される。鏡付き表面91および93を備えた直角プリズム92を用いて、ビーム46および50をそれぞれレンズ58および52から再度方向付ける。ビーム46および50はそれぞれ、ポイントP1およびP2に集束し、発散ビーム82および86として延びる。位相シフトは、別個のビーム46および50がたどるビーム経路間の光路長の差を変更することによって達成することができる。これは、例えば、素子48、94または96のうち少なくとも1つを圧電変換器(図示せず)によって面外平行移動させるようにすることにより、達成可能である。あるいは、位相シフトデバイス(図示せず)を、ビーム経路46または50のうち1つに挿入してもよい。このようなデバイスの一例としては回転するガラス製ディスクがあり、このガラス製ディスクは、別個の工程において回転角度を用いて自身の光学的厚さを変化できるようにコーティングされている。プリズム92は軸99に沿って平行移動することが可能であり、これにより、ソースP1およびP2の対称な動きに影響を与える。あるいは、レーザ40、ビームスプリッタ48、鏡94および96ならびにレンズ52および58が1つの群として軸99に沿って平行移動する間にプリズム92を固定状態にして、ソースP1およびP2を対称に平行移動させてもよい。ソースP1とソースP2との間の距離の変更は、レーザ40とビームスプリッタ48との間のビーム44中に配置された角度変調デバイス(図示せず)を用いても達成することが可能である。このような角度変調デバイスは、ビーム角度を変化させる。角度変調デバイスの例を挙げると、検流計鏡および音響光学変調器がある。
【0120】
別の実施形態(図示せず)において、ソースP1およびソースP2は仮想ソースである。すなわち、ソースP1およびソースP2は、ビーム46および50が集束状態で通過する場所である光または領域の小ソースではない。その代わりに、ビーム46および50を発散させる光コンポーネント(すなわち、負レンズ)を用いて発散ビーム82および86を生成する。その結果、オブジェクトへの照射を、実際のソースP1およびP2を用いた他の実施形態から区別不可能にすることが可能となる。
【0121】
図11は、反対方向に移動するソースP1およびP2を生成するさらに別の構成を示す。レーザソース40からのビーム44は、ビームスプリッタキューブ48によって送信ビーム46および反射ビーム50に分割される。送信ビーム46は、曲面鏡95から反射され、直角プリズム92の鏡付き表面91から反射される。同様に、反射ビーム50も、曲面鏡97および直角プリズム92の鏡付き表面93から反射される。ビームスプリッタキューブ48を改変(例えば、ビーム経路外部のガラスを除去)して、光コンポーネントを密接に取り付けることが可能である。曲面鏡95、97は、図10中の平面鏡94、96およびレンズ58、52の機能を行う。これらの曲面鏡95、97を軸のずれた(off−axis)放物線型鏡セグメントにして、P1およびP2において小さなフォーカルスポットを生成させてもよい。あるいは、曲面鏡95、97を球状の素子にしてもよい。球状の素子によって生じる光学収差は、縞接触には影響を与えず、縞位置のみに影響を与える。これらの光学収差は、解析に取り入れることが可能である。位相シフトは、ビームスプリッタ48を平行移動させるか、または、上述したようなビーム経路46もしくは50のうち1つの中に位相シフトデバイス(図示せず)を配置することにより、達成可能である。
【0122】
ここで再度図1を少し参照して、上記における導出は、テレセントリックイメージング構成に基づく。焦点面中のイメージポイントPiの側方位置は、レンズ24の倍率によってオブジェクトポイントP0の側方位置に関連付けられ、レンズ24とオブジェクト10との間の距離から独立する。焦点はずれによってイメージPiは不鮮明となるが、これは、検出器22においてイメージPiがはっきりと側方位置にある状態には影響を与えない。そのため、オブジェクトポイントP0の側方位置をそのイメージポイントPiの位置によって推定する作業をP0とPiとの間の距離に関係無くおこなうことができる。残念なことに、オブジェクトが大型である場合、テレセントリックイメージャ24は用いることはできないかもしれない。その理由は、レンズ24の直径は、少なくとも測定対象オブジェクト10の最大寸法と同じくらいの大きさでなければならないからである。従って、ほとんどのレンズはテレセントリックではない。
【0123】
ここで図12を参照して、この問題を回避するためのポイントP0の(x、y、z)座標を判定するための一般的なアプローチとして、検出器22におけるイメージポイントPiの位置は、オブジェクトポイントP0とフォーカシング素子24の光学軸98との間の角度αxを表すものであると仮定するアプローチがある。座標は、縞数Nと、検出器22におけるイメージポイントのロケーションとから導出することができる。以下の方程式は正確である(小aは仮定していない)。
側方座標は、以下によって得られる。
【0124】
【数33】
ここで、αxおよびαyはそれぞれ、x−z面およびy−z面において測定された角度の成分である。
z座標は、以下によって得られる。
【0125】
【数34】
座標(xm、ym、zm)は、ポイントP1とP2との間の中間位置Pmを表し、(xm、ym、zm)が座標系の起点以外の場所にある場合に一般化された解法を提供する。多用性を広げるために、Pmおよび他のパラメータを経時変化させてもよい。
【0126】
上記にて述べた一般化されたオブジェクト座標の判定は、複数の検出器22(例えば、CCDアレイ)と連絡するプロセッサユニットからのデータを受信するコンピュータ上のソフトウェアにおいて実施することが可能である。あるいは、プロセッサユニット28上にアルゴリズムを直接インプリメントしてもよい。
【0127】
式(47)〜(49)を用いてポイントP0の(x、y、z)座標を判定するためには、角度αxおよびαyだけではなく、正規化された縞数ρ\(例えば、式(19)によって規定された縞数ρ\)もわかっていなければならない。上記の実施例において、これらの角度は、焦点面22内のイメージポイントPiのロケーションによって判定している。αxおよびαyを正確に判定するためには、レンズ24内に発生する可能性のある任意のイメージひずみを修正することが必要である。ひずみの修正は、例えば、角度αxおよびαyをイメージポイントPi上にマッピングするひずみ機能を生成することにより、行うことが可能である。ひずみマップは、レンズが変わると変動し、また、同じレンズ24を異なるイメージング構成において用いた場合にもわずかに変動する可能性がある。
【0128】
本発明の別の実施形態において、さらなるソースヘッドを用いて三角測量に必要な残りの2つの方向成分を判定することにより、レンズひずみを特徴付けるという不便な作業を無くす。例えば、図12aに示すように、さらなるソースヘッドを位置P1に配置し、以前P1にあった(図12を参照)レンズ24を、オブジェクト10上の対象領域をビューイングする際に便利の良い任意の位置に配置する。第2のソースヘッド内のソースP1xおよびP2xがx軸に平行に方向付けられている場合、このソースヘッドのポイントP0における縞数Nxを測定することは、ポイントP1xおよびポイントP1ならびにポイントP1およびP0(式(41)を参照)によって規定されたライン間の角度yxを測定することに相当する。その後、式(47)〜(49)に必要な角度αxを、αx=π/2−yxの関係を用いてyxから判定する。同様に、(図12aでは図示していないが)ソースP1yおよびP2yをy軸に平行に方向付けた状態で位置P1においてソースヘッドを用いることにより、角度αyを判定することも可能である。ソースヘッドをこのように方向付けた場合、縞数Nyから、αx=π/2−yxを通じて角度αyを測定することができる。角度αxおよびαyを提供するソースヘッドは、例えば、z軸周囲を90°回転する同一のソースヘッドであるか、または、ビームスプリッタを用いることによって同一のロケーションに現れるようにされた別のソースヘッドであり得る。
【0129】
三角測量を複数のソースヘッドを用いて行う場合、レンズ24および検出器22のロケーション(またはオブジェクト10上に配置された検出器23のロケーション成分)を知る必要は無い。イメージングシステム22および24(または検出器23)の目的は、P0における照射強度を観測することである。検出器アレイ22中の各ピクセルは、観測ポイントP0を表す。そのため、各ピクセルについて(x、y、z)座標を判定することができる。様々なアプローチを用いて、異なるソースヘッドに対応するNの測定を別個に行うことが可能である。例えば、動作波長が異なる複数のソースヘッドを同時に照射することによって多重化された異なるソースヘッドまたは波長を逐次照射することにより、測定値を時分割多重化(time multiplexed)することが可能である。偏波ダイバーシチを用いることにより、測定値をさらに区別することも可能である。
【0130】
複数のソースヘッドを用いた三角測量プロセスをさらに説明するため、ここで式(41)を再度参照する。典型的な用途の場合、αはR0よりも小さく、式(41)は以下のように簡約することができる。
【0131】
【数35】
正規化された縞数ρ\について式(19)を用いてNを書くことにより、ソースの間隔aおよび波長λまたは周波数νへの依存を式(57)から無くす。
【0132】
【数36】
従って、特定のソースヘッドに対応する正規化縞数は、ソースヘッドの中間点Pmから観測ポイントP0への方向の成分yを直接的に示す。P0の三次元座標は、3つ以上のソースヘッドからの三角測量によって得られた測定値を通じて判定することが可能である。
【0133】
ソースヘッドが3つの位置Pm1、Pm2およびPm3に配置され、これらのロケーションそれぞれに対応するソース対の方向は、方向コサイン(ls1、ms1、ns1)、(ls2、ms2、ns2)および(ls3、ms3、ns3)によって得られると仮定する。デカルト座標および方向コサインについて見ると、式(58)は以下のようになる。
【0134】
【数37】
ここで、下付き文字iは、ソースヘッドを区別する。P0座標(x、y、z)の判定は、各ソースヘッドについて正規化縞数ρ\1、ρ\2およびρ\3を測定し、式(59)によって表される3元連立方程式を解くことにより、達成される。式(59)の形式主義は、一般化されたソースヘッドを配置および方向付けをコンパクトな形態で取り扱うため、便利である。
【0135】
特定のピクセル22に対応するオブジェクトポイントP0が3つ以上のソースヘッドによって照射されない場合、周囲のピクセル22について計算された方向間で補間を行うことにより、当該ピクセル22の方向情報の欠損を補うことができる。さらに、複数のソースヘッドから得られた方向情報をピクセルロケーションから得られた方向情報と組み合わせて、測定品質を向上させることもできる。
【0136】
複数のソースヘッドを用いれば、受信器パラメータ(例えば、位置、方向付け、倍率およびひずみ)が分からなくてもP0を判定することが可能であるため、複数のイメージャ22および24(分かりやすくするため、イメージャは1つしか図示していない)からの情報を組み合わせる作業が容易になる。これが可能なのは、各カメラについて生成された点群データ(point cloud)は既に同じ座標系にあるため、較正プロシージャを行ってデータを登録しなくてもよいからである。複数のイメージャ22および24を配置して、特定の対象領域を任意の所望のビューイング角度および方位分解能でビューイングすることが可能である。そのため、1つのイメージャ22および24によってオブジェクト10全体の概要を得て、他のイメージャ22および24によって対象領域を高分解能で検査することが可能である。
【0137】
上記の主な種類の実施形態の1つにおいて、ソースP1およびP2の1つまたは両方の動きによって生じる強度−振動をカウントすることにより、オブジェクト10の表面上のポイントP0における縞数Nを判定する。サイクルのカウントが最も基本的な様態で行われる場合、カウントを追跡するためには、1サイクルあたり少なくとも2回強度をサンプリングしなければならない。また、コストを最小限にするためには、標準的な市販のコンポーネント(例えば、フレームグラッバーに接続された電荷結合素子(CCD))を用いてサイクルをカウントすると好ましい場合がある。カウント数が延びるほど、イメージフレーム中のポイントP0はN=0の位置から来るため、このアプローチを用いると、イメージフレームを何百単位で取得および処理しなければならなくなる可能性がある。
【0138】
Nを判定するために多くのイメージフレームを取得する必要は、より高度なカウント技術を用いることによって解消することが可能である。この技術は累進縞分割(progressive fringe division)と呼ばれ、これは、強度変調の周期的性質および予測可能な性質を利用したものである。そのため、ソース間隔aの複数の別個の値における強度変調をサンプリングすることにより、Nを判定することが可能である。
【0139】
図13に示すように、累進縞分割は、別個の工程において縞サイズを初期粗大間隔(Col.1)から最終微細間隔(Col.3)まで変化させる工程からなる。各工程において、ラップされた(wrapped)位相マップまたはサイクルマップ(ロウ(ROW)4)を位相シフトした縞パターン(ロウ1−3)から生成する。ブートストラッピングオペレーションにおける先行するアンラップの位相マップに基づいて、連続するラップされた位相マップをそれぞれアンラップ状態にする。工程間の縞間隔の比は典型的には、10以上のオーダーであるため、少数のデータフレームを用いて極めて高密度の縞パターンをアンラップ状態にすることができる。高密度の縞パターンから位置座標を計算すると、精度が向上する。累進縞分割を行うことによって得られる1つの利点は、オブジェクト10の表面の複雑性に関係無く、アルゴリズムによって縞の順序の番号を各縞に正確に割り当てるという点である。例えば、オブジェクト10は、表面の不連続部分、大型の断崖形状部分および穴部を含み得、または、複数のばらばらのオブジェクトからなり得る。累進縞分割は表面の連続性に依存しないため、累進縞分割を用いて、空間中に分散した未接続の複数の別個のポイントの位置をロケートすることが可能である。
【0140】
累進縞分割およびその実施形態についてさらに説明するにあたり、以下の3つの事実を考えると有用である(簡潔にするため、以下の議論において、ソースP1およびソースP2は対向移動すると仮定するが、以下の結果は、他の状況(例えば、1つのソースP1のみが移動し、静止状態の周波数がチューニングされたソースを用いる)にも当てはまる)。第1に、ソース間隔が初期値であるゼロから最終値aまで増加するときにポイントP0において発生する強度振動Nの数は、最終値aのP0における縞数Nに等しい。例えば、10が単純なオブジェクト(例えば、面)であった場合、N=0の位置(これは、R1=R2において発生する)とポイントP0との間のオブジェクトの表面上のN個の縞をカウントすることができる。Nの値は、部分的サイクルまたは部分的縞を含むため、必ずしも整数ではない。
【0141】
この第1の事実については、ソース間隔aがゼロからその最終値まで増加するときに縞がポイントP0を通過してP0とN=0との間の領域内部に集中する縞の数としてNを解釈することも可能である点に着目することにより、この第1の事実をさらに説明することができる。言い換えると、a=0である場合、この領域内に縞は無く、この領域内部に含まれる縞の数は、縞がP0を通過するたびに1つずつ増加する。このように縞数Nと振動サイクルとが対応している状態は、ロバストな三次元イメージング技術への鍵であり、これにより、ポイントP0周囲の表面の連続性について仮定を行う必要なく、任意のポイントP0におけるNを判定することが可能となる。これにより、表面中の不連続部分(例えば、穴部および断崖形状部分(すなわち、エッジ))をあいまいさ無く処理する。
【0142】
第2の事実とは、式57によれば、Nは間隔aに直接比例するということである。その結果、aの実行(running)をゼロからその最終値まで行ってN(a)を判定して全体的スキャンを完了する必要が無くなる。間隔がa2である場合のNの値は、以下の関係を用いて、間隔a1における値から推定することが可能である。
【0143】
【数38】
上記の式が示すのは、2つのソース間隔a1およびa2におけるNの値が分かっていると、それらの値を用いて、より小さな差間隔a2−a1におけるNの値を推定することが可能であるということである。
【0144】
第3の事実とは、いかなる中間値のソース間隔aにおいても位相シフト測定を行うことを可能にすると、視野内の各測定ポイントP0において、部分的サイクルまたは「ラップされた」コンポーネントの縞数Nの高分解能マップが得られる点である。こうすると、以下の式により、ラップされたコンポーネントをその位相から計算する。
【0145】
【数39】
例えば、式(6)によって位相を判定する。これにより、φの範囲が±πである場合、Nwrappedの範囲は±0.5となる。位相シフト測定ではNwrappedを高精度で判定することが可能であるが、Nが判定されないと、整数値のオフセットが残る。
【0146】
微細な縞ほど、縞あたりの変動ρ\をより微細に表すため、微細な縞によって、ρ\を高精度に判定することが可能である(ただし、縞がうまくアンラップ状態になっていると仮定した場合)。例えば、微細な縞ほど、位相ステップエラーが表面プロファイルの測定に与える影響を低減する。しかし、微細な縞ほど縞密度も高いため、アンラップを行うのが困難である。累進縞分割によって得られる利点は、極めて微細な縞を正確にアンラップして、可能な分解能のうち最も高い分解能を達成することができる点である。
【0147】
累進縞分割を実施する際、ラップされたサイクルマップ(例えば、図13のロウ4に示すラップされたサイクルマップ)を、複数の別個のソース間隔aそれぞれにおけるイメージング対象表面について生成する。これらのサイクルマップを3つまたはそれ以下の縞サイズ(すなわち、粗大、中程度および微細)について生成すれば十分である場合が多い。ブートストラッピングオペレーションでは、アンラップのサイクルマップを連続的に用いて、整数オフセットにエラーを導入することなく、次のサイクルマップをアンラップする。最も微細な縞パターンに対応するアンラップのサイクルマップによって、最も高い分解能での測定が得られる。
【0148】
図14は、累進縞分割を実行する際の例示的な一連の工程を示す。このプロシージャは、(工程150)から開始し、ソース間隔を初期値a1で設定する(工程154)。この値は通常は、一連のソース間隔の中で最小であり、オブジェクト10上に粗大縞パターンを生成するような値が選択される。その後、式(6)に示すような位相ステッピング(phase−stepping)測定を行うことにより、ラップされたサイクルマップを生成する(工程158)。式(62)によって位相をサイクルに変換することにより、工程158を終了する。
【0149】
工程158から独立して、a1に対応する粗大縞パターンの初期のアンラップされた推定値Nを入手する(工程162)。工程162は、工程158と同時に行ってもよいし、工程158の前に行ってもよいし、または工程158の後に行ってもよい。しかし、工程158および工程162はどちらとも、次の工程に続くような様式で行わなければならない。この初期推定値を生成するアプローチには多くのアプローチがある。例えば、a1の大きさを、オブジェクト全体が1つの縞内におさまる(例えば、−0.5<N≦0.5)くらいに小さくすることができ、これによりアンラップ作業を不要にする。あるいは、オブジェクト10にわたって少数の縞が生成されるようにaの大きさを十分に大きくすることができ、これにより、Nの推定値がアンラップされる全ての測定ポイントにおけるサイクルの半分の範囲において正確である限り、視野にわたってNが変動する際の単純なモデル(例えば、線形傾斜(ramp))が、このNの推定値として十分となる。初期推定値を得るための方法の別の例は、一般的な形状または予測される形状を仮定して、式(40)に基づいてNを計算する方法である。他の例は、先行測定結果を同一のまたは類似するオブジェクト10に用いる方法、または、サイクル計数を用いて視野をサイクルに区分けする方法である。a1に対応する縞の数が小さいため、サイクル計数に必要なフレームの数も少数になる。
【0150】
次の工程(工程166)の目的は、工程158における測定から得られたラップされたサイクルマップをアンラップすることである。工程162からのアンラップされた推定値が1サイクルの半分以内の範囲で正確である場合、以下の数式を用いてアンラップを達成する。
【0151】
【数40】
式(63)の右辺の2つの項のうち2番目の項は、アンラップに必要な整数オフセットに過ぎない点に留意されたい。この項におけるアンラップされた推定値からラップされた測定値を減算すると、階段状の関数が得られる。この階段状の関数の値は、整数オフセットにほぼ等しい。最も近い整数まで丸めを行うと、1/2サイクルの制約内にエラーが収まっている限り、数式は正確になる。1/2サイクルの制約内にエラーが収まらなくなった場合、式(63)は、Nに整数オフセットエラーを導入し、このエラーは、視野にわたって変動し得る。
【0152】
工程166の結果、ソース間隔a1が最小である場合のNの推定値が向上する。測定の品質をさらに上げるために、工程170において新規のソース間隔a2を設定し、その結果、より微細な縞パターンがオブジェクト10上に生成される。その後、新規の位相ステッピング測定を工程174において終了して、より微細な縞パターンに対応する新規のラップされたサイクルマップを得る。この測定値をアンラップするためには、a2に対応する新規のアンラップされた推定値が必要となる。工程178において、式(60)を用いて先行するアンラップされた推定値(これは、工程166からソース間隔a1について得られる)を適切なレンジにスケーリングすることにより、この推定値を得る。スケーリングが行われると、工程174からの新規のラップされたサイクルマップが工程182においてアンラップされる。このアンラップ工程は、このサイクルマップと、工程178からのスケーリングされた推定値とを式(63)に代入することにより、行われる。
【0153】
工程170〜工程182を一巡すると、Nの精度の高い推定値が得られ、これは、より大きなソース間隔a2に対応する。ここで、最適なρ\の分解能が得られるまで、徐々に微細レベルが高くなる縞(すなわち、ソース間隔が大きくなる)を用いて工程170〜工程182を繰り返すことが可能となる(このループが終了するたびに、ソース−間隔の下付き文字が1だけインクリメントされる)。通常は、最適な分解能はこのような繰り返しを1〜3回行うと得られる。典型的には、新規のソース間隔と古いソース間隔との間の比は10以上のオーダーである。この比がとることのできる最大値を実際に判定する場合、Nの推定値と実際の値との間のエラーが1/2サイクルの限定内におさまることを要求することにより、判定を行う。所望の数の反復が完了した後、図14中の工程170〜工程182によって表されるループを終了する。工程186において、式(19)を通じてNをρ\に変換する。測定の目的が全ての三次元座標を判定することである場合、例えば、式(47)〜(49)または式(59)を用いて三角測量を行って、各測定ポイントについて座標を入手する(工程190)。工程194は、累進縞分割の終了を示す。図14は累進縞分割の前に行われるプロシージャを例示したものに過ぎず、コンポーネント工程は、複数の異なる順序によって実行することが可能であることが理解されるべきである。例えば、全てのデータを収集した後に計算を始めることが望ましい。
【0154】
累進縞分割の際に用いられる縞を広範囲のサイズにわたって生成することのできる能力を得るためには、ソース間隔を縞間隔と同じ比率で変化させなければならない。ここで、他の2つの測定値から所望の間隔の縞パターンを合成する技術について説明する。このアプローチによって得られる1つの利点として、縞パターンを合成する際に用いられる2つの測定値をより容易に入手することが可能である点がある。
【0155】
縞合成は、式(61)を改変した以下の式に基づく。
【0156】
【数41】
この結果は、式(61)の両辺をラップし、そして、式(61)の右辺のN(a2)−N(a1)の差をラップした値は、個々にラップされたコンポーネントのNwrapped(a2)−Nwrapped(a1)の差をラップすることに相当することを観察することにより、得られる。言い換えると、式(64)中の角括弧内のラップされた数量間の差は±1の範囲にあり、この差を正しい範囲である±0.5以内に収めるためには、この差をラップしなければならない。
【0157】
方程式(64)が提供するのは、ソース間隔a1およびa2において得られた個々の位相ステッピング測定からの差a2−a1に等しいソース間隔におけるラップされたNの位相ステッピング測定を合成する手段である。この方程式は、a2−a1の差が小さい場合に顕著な特性を有する。合成された測定値を構成する際の個々の測定は不規則になり得、多くの不連続部分を含み得るが、視野にわたって式(64)の左辺を平滑化して、ラップする不連続部分のうち差a2−a1に対応する部分の数のみを得ることができる。そのため、縞合成は、累進縞分割を開始するための初期位相マップを生成する効果的な技術である。また、縞合成を用いて、累進縞分割に用いられるシーケンス中の残りのアンラップの位相マップのうち任意の部分を合成することも可能である。合成されたサイクルマップからρ\を計算する場合、式(19)を改変して以下のような式を得る。
【0158】
【数42】
ここで、Δaは、2つの測定値の間の間隔差を表す。
【0159】
図14aは、図14中の累進縞分割フローチャートに縞合成を取り入れることを可能にする1つの方法を示す。工程154’は、工程154を改変して、間隔a1に加えてベース間隔a0を選択するようにした工程である。工程158’は、工程158を改変して、間隔値a0およびa1の両方におけるララップされたサイクルマップを測定するようにした工程である。工程160’(これは、工程158の後に挿入される)および工程176’(これは、工程174の後に挿入される)はさらなる工程であり、式(64)を利用して、差an−a0に対応するラップされたサイクルマップを合成する工程である。工程186’は、工程186を改変した工程であり、この工程186’を用いると、式(65)を用いた合成されたサイクルマップからρ\を計算することができる。
【0160】
縞合成によって得られる1つの利点は、ソースP1とソースP2との間の動きを生成するシステムへの要求を低減できる点である。例えば、最も広範囲なソース間隔を除々に少しずづ変化させると、極めて小さなソース間隔に対応する縞を生成することができる。このアプローチは、移動要件を低減するだけではなく、図10および図11において説明したような、ソースヘッドのいくつかの制約の可能性も解消する。例えば、これらのソースヘッドを用いると、極めて小さなソース間隔を生成するのが困難となり、ソース間隔を生成しようとすると、振動によって縞が不安定となり得る。縞合成によって得られる別の利点は、ソース−間隔較正の絶対値を維持するよりも2つのソース間隔間の一定の差を繰り返す方が通常容易であるため、測定の反復性および精度を向上させることができる点である。
【0161】
縞合成のさらに別の利点は、ソース−ヘッドのアライメント不良に起因する動きエラーを最小限にする点である。これらの動きエラーが発生し得るのは、例えば、図10および図11中のフォーカルスポットP1およびP2がa=0のノミナル位置においてオーバーラップしない場合である。考慮すべきアライメント不良は2種類ある。第1に、フォーカルスポットP1の1つが他のP2に対してdの量だけ図面上から移動したと仮定する。これらの2つのフォーカルスポットP1およびP2はそれぞれ直線状の軌跡を追随し、これらの軌跡が平行であっても、これらの2つのスポットは、その最近接アプローチ(すなわち、名目上のa=0の位置)において距離dだけ欠損する。スポットP1およびP2が最近接アプローチを通過すると、オブジェクト10上の縞パターンの方向付けは、ノミナルまたは所望の方向付けに対して90°だけフリップする。さらに、縞間隔は、ソース間隔dに対応する縞間隔よりも大きくならない(ソースヘッドのアライメントは、縞がa=0近隣に適切に方向付けられた様態で保持されるまで変位dを調節することにより、容易にされる)。
【0162】
第2の種類のアライメント不良において、フォーカルスポットP1のうち1つが、他のフォーカルスポットP2に対して動き方向99に沿って変位する。この種類のアライメント不良が発生するのは、プリズム92が横方向に変位するためである(すなわち、この変位は軸99に対して垂直であり、図10および11内の面にある)。最近接アプローチにおいて、1つのソースP1が、他のソースP2の後側に直接配置されており、オブジェクト上に同心円状の縞パターンを生成する。aが増加すると、これらの縞の曲率は小さくなり、自身の通常の外見に近づく(ソース−ヘッドのアライメントをとっている間のこのエラーソースの最小化は、小aについてプリズム92を横方向に調節して縞曲率を最小化することにより、容易化される)。
【0163】
累進縞分割の際に動きエラーが生成する問題は、Nのスケーリングされた推定値を生成するために式(60)が用いられた際に累進縞分割の結果得られる位相エラーが大きくなることに起因する。動きエラーがあると、Nの推定値に半サイクルエラーを導入することなく用いることが可能なaの比の大きさが限定される。縞合成を用いると、動きによって誘発される位相エラーはどちらの測定においても共通し、減算において相殺されるため、この制約が解消される。そのため、所望の形状から変形する縞をこの測定により生成し得る場合にも、合成された縞は通常のものである。
【0164】
縞合成において2つのビーム間の位相エラーを相殺すると、これらの2つのビーム間のグローバルな位相オフセットエラーを自動的に補償するというさらなる利点が得られる。これらの位相−オフセットエラーは、例えば、2つの別個のビーム間の経路−長さの差S0によって生じ、波長λの複数倍の整数ではない。位相オフセットエラーがあると、0°以外の縞位相(すなわち、強度が最大になる場所以外の場所)において、N=0の位置が発生する。縞合成を行うと、これらの位相エラーは自動的に相殺され、その結果、縞パターンの位相を較正する必要が無くなる。あるいは、縞合成によってN=0の正確な位置と判定し、そのポイントにおける強めあう干渉について位相シフト要素を調節することにより、位相較正を達成することも可能である。
【0165】
合成された縞において位相エラーを相殺することは、個々のソースP1およびP2からのオブジェクト10上に降下する照射パターン中の波面エラーを相殺する傾向となるという別の理由においても重要である。波面エラーは、ソースの不完全な使用または長期にわたる使用に起因し、縞パターン中に摂動またはリップルを生成する。これらの摂動は、測定時に小さな高さエラーに変化する。波面エラーの相殺が縞合成において発生する理由は、これらのエラーはソース間の距離からほとんど独立しているためである。そのため、エラーは、各ソース間隔において行われる測定に共通し、式(64)における減算によって相殺される。縞合成は、照射欠陥によるエラーを低減する有効な手段であり、ソース−ヘッド光学部品の品質への要件を低くすることにより、システムコストを低減する機能をし得る。
【0166】
縞合成を用いると、累進縞分割を実行することができ、ソースポイントの動く範囲を小さくすることもでき、そのため、ソースヘッド設計をより簡単にすることができる。一般的には、ソースヘッドは2種類の縞変調(すなわち、縞サイズの変動および位相シフトから生じる縞パターンの横方向の動き)を提供する点に留意されたい。位相シフトのみがある場合、ソースの位置を変更することなく位相を変更する。しかし、位相を変化させるための別の方法は、1つのソースP1を他のソースP2に対してオブジェクトに向かってまたはオブジェクトから離れて移動させる方法である。このような方法を行うとソースP1のロケーションが変化するが、ソース間の間隔が不十分である場合、この変化は極めて小さく(1波長未満)、その結果得られるソース対P1およびP2の方向付けの変化も小さい。縞合成の間ソース間隔は大きいままにすることができるため、ソースポイントP1およびP2の1つまたは両方の小さな動きを通じて、どちらの種類の変調も達成可能である。このように動き要件が少ないため、単純なソースヘッドを設計することが可能となる。例えば、ソースヘッドは、図2bに示すファイバ−光学部品−スプリッタ構成からなり得る。縞サイズの位相シフトおよび変動は、ファイバの一方の端部を直交方向に移動させることにより、達成される。
【0167】
縞合成は、レーザ−周波数チューニングに基づいた測定に累進縞分割を使用可能にする重要なさらなる利点を有する。縞合成が無いと、累進縞分割を測定に適用する際、累進縞分割に必要な縞サイズの大きな変動を達成するために極めて細密なチューニング帯域が必要となる。縞合成は、従来のチューニングレンジからずっと離れた縞間隔変動を生成することを可能にする。このチューニングアプローチを用いると、ソース動きがなくなり、周波数の測定制御を高い精度で行うことができるため、反復性および精度が極めて高い測定値が得られる。
【0168】
周波数チューニングへの累進縞分割および縞合成の用途について、式(57)を参照して説明する。Nは、ソース間隔aに依存するのと同様に、レーザ周波数νに機能面において依存する(式(1)においてS0によって表される経路−長さ差はゼロであり、そうでない場合、方程式においてこのオフセットを考慮する必要があると仮定する)。従って、Nが周波数νの関数として書かれている場合、式(60)、(63)および(64)は、累進縞分割および縞合成の際の基本となり、周波数チューニングにも適用される。周波数チューニングを支配する数式は以下のようになる。
【0169】
【数43】
方程式(19)および(65)はそれぞれ、以下の改変された形態もとる。
【0170】
【数44】
ここで、Δνは、Nが2つの測定値から合成されている場合の周波数差を表す。
【0171】
図15は、縞合成および周波数チューニングを用いて累進縞分割を実行する際に行われる工程を示す(νの代わりにaが用いられる場合、図15は縞合成およびソース動きを用いた累進縞分割にも適用される点に留意されたい)。この図において、プロセスの開始時に全てのデータを収集する。プロシージャが開始すると(工程200)、ラップされたサイクルマップNwrapped(νo)、Nwrapped(ν1)...Nwrapped(νn)の測定(工程208)において用いられるレーザ周波数ν0、ν1,...νnを選択する(工程204)。その後、方程式(67)を用いて、周波数差ν1−ν0、ν2−ν0,...νn−ν0について、ラップされたサイクルマップを合成する(工程212)。その後、多くの可能なアプローチのうちの1つ(例えば、図14の工程162)を用いて、第1の差ν1−ν0についてアンラップのサイクルマップの推定値を得る(工程216)。好適なアプローチは、N(ν1−ν0)を±0.5−サイクルの制限内におさまらせるくらいに十分に小さな差ν1−ν0を用いて開始する。工程220において、式(68)を用いて、シリーズ中の次に大きな差νi−ν0についてアンラップのサイクルマップを計算する。工程224において式(66)を用いてこのアンラップのサイクルマップをスケーリングし、その後工程220にフィードバックして、シリーズ中の次の合成されたサイクルマップをアンラップする。最終周波数差νn−ν0に対応するサイクルマップがアンラップされた後、ループは終了する。工程228において、式(70)を用いて、最終アンラップのサイクルマップNを縞数ρ\に変換する。最終サイクルマップNが合成されなかった場合、方程式(69)を用いる。工程232において、例えば、式(47)〜(49)または式(59)を用いて、ρ\に対応する方向情報を各対象ポイントP0について三次元座標に変換する。
【0172】
累進縞分割ならびに累進縞分割および縞合成の組み合わせは、計数のあいまいさを解消し計数推定値を細密化する強力な一般的な方法であり、これらの技術は上記にて述べた用途以外の用途にも適用可能であることが理解されるべきである。詳細には、これらの技術は、データ取得のための上記の方法および装置または縞解析にも限定されない。
【0173】
図16を参照して、未分解状態の(unresolved)縞またはイメージスペックルに対して累進縞分割法および縞合成法を用いた改変例について説明する。図16において、レーザビーム44はビームスプリッタ48に入射し、ビームスプリッタ48は、ビーム44をビーム46および50に分割する。ビーム50は、ビームスプリッタ48を反射し、オブジェクト10上の対象領域を照射する。ビーム46は、ビームスプリッタ48を通過して、基準表面102を照射する。オブジェクト10および基準表面102から反射された光は、ビームスプリッタ48によって再度組み合わせられて、レンズ24を通過する。レンズ24は、検出器アレイ22上にスペックルイメージを生成する。別個のビーム経路のうちの1つに位相シフト要素(図示せず)を挿入することにより、位相シフトを達成する。レーザビーム44の周波数は可変であるか、または、2つ以上の別個の値の間で切り換わることができる。オブジェクト10と基準表面102の仮想イメージ102’との間の高さzの差による経路長さの差により、スペックル強度が変調し、これはレーザ周波数と共に変化する。特定のレーザ周波数における変調の位相を、位相シフト測定を通じて正確に判定することが可能である。
【0174】
図16中のオブジェクト10の表面上に縞が生成されていない理由は、オブジェクト10を照射しているのは1つのレーザビーム50だけであるためである。2つのビーム46および50からの光のコヒーレントの重ね合わせにより、検出器22において干渉が発生する。式(1)〜(5)によれば、レーザ周波数が変化すると、オブジェクト10のイメージ中の個々のスペックルローブの強度が周期的に変動し、その際の変動速度は、経路長さの差sに比例する。簡潔にするため、基準表面102は平面であり、x−y面にあると仮定する。zはオブジェクト10上のポイントP0の仮想基準表面102’上の高さを表すものとし、このzを測定する。名目上はs=2z(これは、伝播の往復による)であり、以下の式によってNからzを計算することができる。
【0175】
【数45】
Nが縞合成を通じて得られる場合、以下のようになる。
【0176】
【数46】
他の場合
図16を用いて三次元イメージを生成するプロシージャは、図15に概要を示すものと同じであるが、ただし、工程232において、Nをzに変換する際に式(71)または式(72)を用いている点においてのみ異なる。図16に示すアプローチは三角測量に依存していないため、ソースP1およびP2と受信器22および24との間のシャドーイング効果を無くすことができるという利点が得られる。このアプローチは特に短距離の用途に有用であり、そのような用途としては、経路長さの間隔が短い三次元顕微鏡法がある。
【0177】
上記の実施形態は、コヒーレント照射を用いた干渉に基づく。検出器22上にオブジェクト10のイメージを形成する際にレンズ24を用いる実施形態の場合、得られるイメージにスペックルがあり、スペックルによってレンジ分解能が制限され得るという不利点が生じ得る。オブジェクトの表面上に検出器23を直接配置すると、この制約から逃れることができる点に留意されたい。スペックルが発生するのは、コヒーレント照射を用いてイメージングを行った場合であり、その理由としては、レンズ24の有限ポイントスプレッド(finite point−spread)機能により、オブジェクト10の表面上のP0周囲の領域から光が散乱し、検出器22におけるポイントPiにおいて干渉するからである。検出器面におけるスペックルのサイズの平均は、レンズのポイントスプレッド機能のサイズによって決まる。スペックルにより、P0周囲の散乱領域による寄与は、イメージポイントPiにおいて徐々に大きくなる構成にすることができ、これらの散乱領域により、ρ\の測定値は、一方向または反対方向に引き寄せられる。
【0178】
ここで、測定時のスペックルによる影響を軽減するための複数の技術を紹介する。実際は、検出器アレイ22の単一のピクセルに対応するエリア内におさまるスペックルの数が多数である場合、スペックルによる効果は平均化する傾向となる。この条件を満たすための1つの方法として、レンズ24によって干渉縞を分解し、レンズ24のポイントスプレッド機能の大きさを、検出器アレイ22の各素子上におさまるスペックルの数を多くするくらいに十分に小さくすることを要求する方法がある。このアプローチは、方位分解能を極限まで使用しなくてもよい状況では良好に機能する。一般的には、方位分解能とスペックルの平均化とはトレードオフする。
【0179】
高い方位分解能が必要な状況の場合、スペックルサイズとピクセルサイズとをより近密に整合させる必要が出てくる場合がある。一般的には、レンズのポイントスプレッド機能のサイドローブの大きさを小さくすることが望まれる(すなわち、アポダイズする)。そうすると、ポイントスプレッド機能の強力なサイドローブ内に含まれる散乱領域の能力が低減する。このような処理を行わないと、このような散乱領域の能力により、ρ\の測定に偏りが出てくる。アポダイゼーションを行うと、方位分解能はわずかに低下し得る。場合によっては、この方位分解能とレンジ分解能の向上とをトレードオフすると有利である場合がある。
【0180】
スペックルによる効果を低減させるさらなる技術として、個々のピクセル22に対応するオブジェクト10の表面領域上でのρ\の変動を最小限にする技術がある。例えば、ピクセル密度を増加させつつピクセル22あたりのスペックルの一定比(constant ratio)を維持すると、ピクセル22に対応する領域の片側から他方の側へかけてのρ\の変動が低減し、レンジ分解能および方位分解能の両方が向上する。
【0181】
所与の光学コンフィギュレーションおよびピクセル密度において、ソースヘッドの位置および方向付けを適切に選択することにより、個々のピクセル22あたりのρ\の変動を最小化することができる。ρ\の変動が最小化されるのは、例えば、ピクセル22に対応する表面素子が三次元縞パターンの等位相面に沿って延びる場合である。言い換えると、スペックルによる効果が最小化されるのは、縞パターンを照射する際に用いられる定位相表面に対して測定対象表面が平行であるか(またはほぼ平行である)場合である。この条件は、表面垂線に対して平行な2つのソースポイントの方向付けを示すベクトルを備えるかすめ入射線を用いることにより、達成可能である。特別な場合を除き、表面上のどのポイントP0についてもこの条件を満たすことは不可能である。しかし、多くの実用上重要なオブジェクト(例えば、空気力学面(例えば、車両ボディパネルおよび機体パネル))については、この条件に近い条件を得ることが可能である。
【0182】
多くのオブジェクトには広範囲にわたって表面に傾斜および方向があり、そのため、単一のソースヘッドを用いて表面全体上のρ\を最小化するための上記条件を満たすことは不可能である。このような状況において、複数のソースヘッドを用いることにより、この条件をより満足させることが可能である。これらの複数のソースヘッドの配置は、複数のソースヘッドの1つがオブジェクト10の各主要領域または最重要対象領域に対して応答性を持つように行われる。各ソースヘッドからの情報の出どころを区別するために特定の形態の多重化が行われると仮定する。同じ領域を照射するソースヘッドが1つ以上ある場合、その結果得られる複数の測定値に対し、当該領域における各測定において予測されるスペックルノイズのレベルに従って重み付けを行うことができる。複数のソースヘッドを用いると、シャドーイングによる制約を解消する際にも有用である場合がある。複数のソースヘッドからの情報は、オーバーラップ領域をビューイングする所与の検出器22について容易に組み合わせることが可能である。各ピクセルに対応する角度情報は各ソースヘッドについて同じであるため、登録は自動的に行われる。
【0183】
いくつかの場合においては、オブジェクト10の特定の領域を照射する工程をピクセル上のρ\の変動を最小化するための条件を満たすような様式で行うことができない。スペックルによる効果の軽減をこのような制約による影響を受けずに行うさらなる技術は、スペックル平均化に基づく。スペックル平均化は、異なるパラメータにわずかな差異を設けた(例えば、光学コンフィギュレーションの変動)さらなる測定を行うことにより、達成することが可能である。あるいは、露光の間にパラメータを変化させることも可能である。平均化を行うと、変動する一連のパラメータが異なるスペックルパターンの異なる様式の統計的実現を可能にするくらいに十分に変動した場合、スペックルによる効果は実際に低減する。
【0184】
一実施形態において、ソース間の中間位置Pmは、調節されたパラメータである。Pmの変位方向が図1および12の面から外れると、オブジェクト照射の変動は最小になる。Pmの変動については、式(47)〜(56)および(59)もおいて明示的に説明している。スペックルによる効果の低減は、例えば、異なる値のPmについて(x、y、z)座標の個々の測定値を平均化することにより、達成可能である。
【0185】
別の実施形態において、露光期間中、ソース間隔aおよびレーザ周波数νは同時に変化するため、縞パターンは静止状態のままである。縞を静止状態のままにしておくための条件は、式(57)においてa/λの比(またはaνの積)が一定のままであるときに見られる。静止状態の縞を達成するために、フィードバックメカニズム(例えば、縞モニタ)により、ポイントソースP1およびソースP2の動きをレーザ40のチューニングに連動させる(またはその反対を行う)。この縞モニタは、別個の検出器または検出器の線形アレイからなり得、ソースヘッドに組み込まれて、ビームスプリッタによって分離される主要ビームから間隔が空けられた縞パターンを測定する。
【0186】
スペックル平均化を効果的にするために、用いられるチューニング偏位を、イメージスペックルにおいて複数の脱相関(decorrelation)サイクルが発生するくらいに十分に大きくする。ソースヘッド中の別個の経路間の経路長さのオフセットS0を最小化するよう、注意が必要である。そうしないと、縞パターンの位相は、以下の式による周波数シフトΔνと共に変動する。
Δφ=2π(ΔνS0)/c
あるいは、経路−長さオフセットを故意にゼロ以外の値に設定して、2πの増分の位相Δφにおいて縞パターンを「ストロボ」して、当該縞の位相をフリーズすることも可能である。こうすると、ストロボのタイミングを変更することにより、異なる位相シフトを達成することができる。
【0187】
サイクル計数、累進縞分割および累進縞分割を縞合成を用いて行うことは、計数アンビギティーの分解および測定精度の向上を得るたるための一般的な技術であり、このような技術の有用性は、上記の用途をはるかに超える点が理解される。さらに、これらの技術は、一般化された信号(例えば、一次元信号)にも適用可能であり、シヌソイド変動に限定されない。
【0188】
これらの技術は、任意の手段によって形成された一般的な構造の光パターンにも適用されることが理解されるべきである。構築された光パターンを生成する手段の例を挙げると、コヒーレント放射の干渉もしくは回折、異なる波長で形成された干渉パターンもしくは回折パターンの「白色光」の重ね合わせ、およびコヒーレント放射もしくは非コヒーレント放射のいずれかを用いたレンズによるオブジェクト上へのパターンのイメージングがある。このようなイメージングアプローチの一例として、デジタルプロジェクタによって生成された白色光パターンの作製を、当該パターンが拡張および接触してアコーディオン状の動き(accordion motion)を生成し、側方に平行移動して位相変調を生成するように行うことが可能である。このような様式で白色光パターンを表面上に投射するとスペックルによる効果を無くすことはできるが、このアプローチには特定の不利点がある。イメージングされた光パターンには、縞周期(period)の小ささに制約があり得る。投射されたパターンのフィールド深さも考慮する必要がある。オブジェクト全体にわたって焦点が合わされている斜角から微細縞パターンを投射するのも不可能になり得る。一方、干渉または回折によって生成された縞は、いつもオブジェクト表面に「焦点が合って」おり、この状態は、当該縞の観測ポイントへの距離またはサイズに関係なく保たれる。
【0189】
本発明のさらなる実施形態では、干渉または回折によって縞を形成することによって得られる利点が維持され、広帯域の照射または白色光においてこれらの縞を形成することにより、スペックルによる効果も無くなる。この実施形態は、照射スペクトル中の異なるコンポーネント波長において形成される干渉縞強度の非コヒーレントの重ね合わせに基づく。これらの縞のサイズおよび形状が同じである場合、異なる波長に対応する干渉−縞強度は、パターン中の各ポイントにおいて互いに強化し合う。
【0190】
式(57)を参照して、a/λの比を固定することにより、サイズおよび形状が同じ縞を生成する。レンズによって追随される回折格子を用いることにより、各コンポーネント波長についてもこの目的を同時に達成することができる。回折角度が小さい場合、格子によって回折される1次ビームの角度偏差は、当該ビームの波長に比例する。レンズは、この角度偏差をソースP1またはP2の変位に変換する。このソースP1またはP2の変位もλに比例するため、a/λ比を一定に維持することが可能となる。この実施形態において、ソースP1またはP2のロケーションは、波長において広く分布する(smeared out)。白色光の位相シフトは、格子を側方に平行移動させるかまたは例えばPancharatnam位相に基づいた白色光位相シフタを用いることにより、達成可能である。
【0191】
これらの原理に基づいてソースヘッドをインプリメントするための光学構成については、多くの種類が可能である。1つの構成では、図10中のビーム46および50中にブラッグ格子を配置する。これらの格子(図示せず)およびプリズム92の配置を、非回折ビームに対応する2つのフォーカルスポットが重複し、1次ビームがプリズム92のベースに向かって偏向するような配置にする。この構成により、回折ビームに対応するソース間隔aは、光学波長λに比例する。白色光位相シフトは、ブラッグ格子の1つを側方に平行移動させることにより、達成される。縞サイズの変動は、格子の周期を変更することにより、達成される。一実施形態において、ブラッグセルまたは音響光学変調器を用いて、格子周期を電子的に変更する。この実施形態において、双方のブラッグセルを同じ周波数で駆動し、1つの駆動信号の位相を他方の信号に対してシフトさせることにより、位相シフトを達成する(各ビームは同じドップラーシフトを受けるため、これらの縞は静止状態である)。別の実施形態において、異なる周期のブラッグ格子を連続的に配置する。さらに別の実施形態において、単一の回折性素子をビーム44中に配置する。別の白色光位相シフタ(図示せず)を、ビーム46または50のうち1つに配置する。当業者に公知の白色光位相シフタのいくつかの実施形態において、ビームスプリッタ48は偏光ビームスプリッタである。
【0192】
ここで図17を参照して、図17は、広帯域干渉縞プロジェクタまたは白色光干渉縞プロジェクタの一実施形態を示す。ソース250は、放射252の平行ビームを実質的に生成する。この平行ビームは、回折格子254に対して実質的に垂直入射する角度で方向付けられる。回折格子254は、格子周期Dを有する。例示目的のため、入力ビーム252を、波長コンポーネントλ1、λ2およびλ3から構成されるものとして表す。実際は、ビーム252は任意のスペクトルの構成を有し得る。回折格子254は、ビーム252を複数の回折ビームに分割する。これらの複数の回折ビームの回折する順序は、整数mによって表すことが可能である。例示目的のため、ビーム252周囲に沿った光線のみを図示している。これらの回折ビームは、垂直入射に関する以下の格子方程式に従って光学軸258に対して角度θmで伝播する。
【0193】
【数47】
一実施形態において、回折格子254の設計を、回折ビーム260の回折オーダm=+1であり回折ビーム262の回折オーダm=−1であるときの回折効率を最大かつ均等にするようにな設計にする。他の実施形態において、回折格子254の設計を、同じオーダ|m|を有する任意の一連の正ビームおよび負ビームの回折効率を最大かつ均等にし、なおかつ、他の全てのオーダーに回折するエネルギーを最小化するするようにな設計にするような設計にする。非回折(m=0)ビーム264が残留した場合、そのようなビームは全て偏向しない状態で回折格子254を通過し、レンズ266によって集束され、フォーカルスポット268上に来る。
【0194】
フォーカルスポット268のスペクトル成分λ1、λ2およびλ3は、実質的に重複する。一実施形態において、フォーカルスポット268は、光学2重スリット272の中央障害物270によって実質的にブロックすることが可能である。回折ビーム260および262の異なるスペクトル成分λ1、λ2およびλ3は、レンズ266によってスペクトル領域274および276上に集束される。スペクトル領域274内のフォーカルスポットと、所与の波長λに対応するスペクトル領域276内のフォーカルスポットとの間の距離a(λ)は、波長λに実質的に比例する。一実施形態において、レンズ266のアパチャストップ278を用いて、望ましくない高オーダの回折ビームをブロックすることが可能である。別の実施形態において。光学2重スリット272の不透明領域を用いて、望ましくないレンズ266を通過する残留回折オーダのうち望ましくないもの全てをブロックすることが可能である。2つのスペクトル領域274および276からの放射は、伝播して広帯域干渉縞パターン280を形成する際、拡張および重複する。縞パターン280は、2重スリット272からの代表的距離Rにおいて、代表的縞周期dを有する。
【0195】
上記の式(57)などの方程式、特定のソース間隔aおよび特定の波長λに基づき、以下の代入により、これらの方程式を、図17に示す広帯域干渉縞プロジェクタに対する第1のオーダに適用することができる。
【0196】
【数48】
ここでfはレンズ266の焦点距離であり、Dは回折格子254の周期である。
【0197】
図17に示す縞生成方式を用いると、狭帯域またはレーザによる照射を用いて縞を生成することも可能である点に留意されたい。狭帯域照射用のレンズ266によって追随される回折格子254を用いることによって得られる利点の1つとして、縞周期dは波長に対して感度を持たないため、ソースの周波数ずれは測定を実質的に劣化させない。例えば、レーザダイオードは、比較的低コストであり入手も容易なソースであるが、その動作波長は温度依存性である。しかし、この技術は温度依存性の波長シフトに対して感度を持たないため、測定劣化を招くことなくレーザダイオードを用いることが可能である。
【0198】
一実施形態において、回折格子254は、肉薄の位相格子であり、方形波の位相プロファイルを持ち、代表的波長λ2の場合、その相対位相遅延は、0°と180°との間で交互に変化し、その際のデューティサイクルは50%である。格子254は比較的高効率であり、利用可能なエネルギーのおよそ40.5%をm=−1およびm=+1の回折オーダそれぞれに回折し、名目上は、0%をm=0および他の均等な回折オーダに回折する。格子254の相対的な位相遅延は波長の関数であるため、オーダm=0のときの非回折ビーム264中のエネルギーは、代表的波長λ2と異なる波長の場合、増加する。一実施形態において、格子254を比較的肉薄に作製すると、この格子254の波長依存レベルが低下するため、この格子254は、広範囲の周波数スペクトルにわたって良好に機能する。
【0199】
得られた広帯域の(または狭帯域の)干渉−縞パターン280を位相シフトする工程は、回折格子254を図17に示す方向282に平行移動させるだけで達成される。白色光または広帯域の位相シフトが実現するのは、回折格子254を格子周期Dの所与の一部分の分だけ平行移動させると、縞パターン280の各スペクトル成分も、当該縞周期dの同じ一部分の分だけシフトするからである。例えば、格子252をD/4または1/4サイクルだけ平行移動させると、干渉縞パターン280も1/4サイクル(または90°)だけシフトする。
【0200】
干渉−縞パターン280のアコーディオン状の動き(または縞サイズの変動)を達成できる方法には様々な種類がある。一実施形態において、回折角度θmが小さい場合、格子254の周期Dを2倍にすると、ビーム260および262のθmの大きさ(これは、式(74)の小さい角度の近似である)が半減し、その結果、縞パターン280の周期dは2倍になる。別の実施形態において、レンズ266の焦点距離fを低下させると、縞パターン280の周期dを増加させることができる。縞パターン280の周期dは、回折格子254の周期Dと、レンズ266の焦点距離fと、第1のオーダへの伝播距離Rとに関連する。これを式で表すと、以下のようになる。
d=(RD)/(2f)
縞パターン280のdを連続的に変化させるかまたは連続する任意の一連のd値を生成するためには、(76)中のパラメータのうち1つ以上を連続的に変化させることが可能な能力が必要となる。一実施形態において、レンズ266は、焦点距離fが変化するズームレンズであり得る。別の実施形態において、格子に力を与えて格子を伸張させることにより、格子254の周期Dを変化させることが可能である。さらに別の実施形態において、一例として液晶デバイス中の可変格子モード(VGM)効果を通じて、格子254の周期Dを電子的に変化させることが可能である。さらに別の実施形態において、格子ラインに対して直交する軸に沿って格子254の周期を変化させることが可能であり、これにより、格子254を282に対して垂直方向に側方にスライドさせると、格子254の周期Dを制御することができる。上述した縞合成を用いることにより、実際の周期dを(f、DまたはRの変動が小さい様態で)大きく変化させることが可能となる。例えば、縞合成式(64)および(67)を以下のように改変することが可能である。
【0201】
【数49】
ここで、Nwrappedはf/D比の関数である。
【0202】
fおよび/またはDについて所定の別個の一連の値を設け、上述したような累進縞分割を通じて縞数のアンビギティーを分解すると適切である場合が多い。一実施形態において、累進縞分割は、別個の一連の回折格子254またはレンズ266を図17中のそれぞれの位置に連続的に移動させることにより、達成される。別の実施形態において、格子254またはレンズ266は切換え可能であり、別個の値のDおよびfをとる。切換え可能な格子のいくつかの例を挙げると、液晶の空間光変調器、パターン化されたアライメントの液晶空間光変調器、電子的に切換え可能な回折性光学素子、カスケード式の電子的に切換え可能な回折性光学素子、および超小型電子システム(MEMS)がある。
【0203】
図18に示す一実施形態において、回折格子254は、長尺かつ平行な位相遅延器292またはピクセルの線形アレイからなる液晶空間光変調器290であり、その位相遅延は、周期的な位相−遅延パターン294が生成されるように制御することが可能である。このようにして、肉薄の位相格子を生成し、電気的に作動させることができる。例えば、ノミナルの相対位相遅延が50%のデューティサイクルで0°および180°に交互に変化する方形波の位相プロファイルを生成することが可能である。その結果得られた回折格子254の周期Dおよびオフセット282は、別個の工程において可変性であり、高い反復性を有する。したがって、得られた縞パターン280の縞間隔dおよび位相シフトはどちらとも、別個の反復可能な工程において高速で電気的に制御可能である。
【0204】
図18において、wpはピクセル292の幅であり、nblockは、50%のデューティ−サイクルの肉薄の位相格子を半分生成する際に同じ位相遅延レベルにおいて反復されるピクセル292の数である。一例として、図18においてnblock=2である。格子周期Dは、以下の式によって得られる。
【0205】
【数50】
格子周期Dは、nblockの値を変更することによって変化させることが可能である。所与の値のnblockが以下のようになっている場合、回折格子254の最小位相シフトΔφおよびそれに起因する干渉−縞パターン280の最小位相シフトΔφを生成することが可能である。
Δφ=180°/nblock
したがって、例えば、nblock値が2である場合、±90°、±180°および±270°の位相シフトを生成することができ、nblock値が3である場合、±60°、±120°、±180°、±240°および±300°の位相シフトを生成することができる。3つの任意の位相シフトφ1、φ2およびφ3に関する一般化された形式の式(6)は、以下のように表すことが可能である。
【0206】
【数51】
ここで、I1、I2およびI3は、位相シフトφ1、φ2およびφ3に対応する信号強度である。そのため、位相シフト値を、位相シフト値の利用可能性にしたがって、nblockの各値に応じて個別に選択することができる。
【0207】
縞合成は、Dのさらなる値を得る手段であり、式(78)中の整数nblockを変化させることによって達成することが可能な手段よりも効果的である。実際の格子周期Deffの利用可能な値のうち、異なる値のnblockを用いて2つの測定値から合成することが可能な値は、以下の式によって得られる。
【0208】
【数52】
ここで、nblock1<nblock2である。大きな値のDeffは、式(81)を用いてnblock1およびnblock2を連続する整数にすることにより、得られる。可能な測定戦略の1つの例示として、ピクセル幅wpは10μmであり、nblock0=2、nblock1=19およびnblock2=20の場合の3つの測定のシーケンスを行うと仮定する。これらの3つの測定のシーケンスを用いて、式(78)においてnblock=2を用い、式(78)においてnblock=20を用いて400μmの第2の格子周期を用いて、40μmの第1の格子周期Dを生成することが可能である。ずっと大きな第3の格子周期は4.2mmであり、これは、式(81)中のnblock1=19およびnblock2=20を用いることにより合成することが可能である。このシーケンス中の連続する格子周期間の比はおよそ10であり、この値は、累進縞分割において適切なシーケンスである。
【0209】
図17に戻って、nblockが広範囲にわたって変化すると、それに応じて、スペクトル領域274および276の広がりおよびロケーションも広範囲に変化する。その場合、一実施形態において、より高度なバージョンの2重スリット272(例えば、図19に示すビームブロック296)を用いて、不要な残留回折オーダを無くすことができる。ビームブロック296は、2つのネスト状の2重スリットを含み、中央障害物268を含む。上記の例における測定シーケンスにおいて用いられる値nblock0が最小である場合、外側の2重スリット275はスペクトル領域274および276を通過し、一方、値nblock1およびnblock2の値が大きい場合、内側2重スリット277は所望のスペクトル領域274’および276’を通過する。
【0210】
図20に示すさらに別の実施形態において、レンズ300を光学軸258上に配置する際、スペクトル領域274および276のイメージ302および304がイメージ面306に形成されるような配置にすることにより、アコーディオン状の動きを達成する。別の実施形態において、レンズ300の焦点距離が負である場合、イメージ302および304は仮想イメージ(図示せず)であり得る点に留意されたい。一実施形態において、レンズ300を光学軸258に沿って移動させることによってイメージ302および304の倍率を変更することにより、アコーディオン状の動きを得る。または、別の実施形態において、レンズ300の焦点距離を変更することにより、アコーディオン状の動きを得る。さらに別の実施形態において、レンズ300はズームレンズであり、イメージ面306のロケーションを変化させることなく焦点距離を変化させる。さらに別の実施形態において、焦点距離が異なる別個の一連のレンズを連続的に適切な位置に配置することが可能である。レンズ300を用いると、図17内のコンポーネントのうち任意のコンポーネント(例えば、2重スリット272)を変化させることなく、アコーディオン状の動きが生成される。
【0211】
広帯域干渉−縞プロジェクタのさらに別の実施形態を図21に示す。この実施形態は、広帯域ソース250と、音響光学変調器(AOM)306と、レンズ266とを含む。AOM306は、乗算器310によって生成された合成信号308によって駆動される。この乗算器310は、可変周波数fmを有するシヌソイド312を、一定周波数fcを有するシヌソイド314で乗算する。合成信号308は、周期が異なる2つの進行する音波をAOM306中に生成し、すると、AOM306は角度が離れた2つのビーム260および262を生成する。異なるスペクトル成分の回折ビーム260および262が、レンズ266によってスペクトル領域274および276に集束し、ここで、スペクトル領域274内のフォーカルスポットと、所与の波長λに対応するスペクトル領域276内のフォーカルスポットとの間の間隔a(λ)は、波長λに実質的に比例する。さらに、各スペクトル成分について、スペクトル領域274および276のスペクトル成分間にあるような中間点を、実質的に位置268に局所化させる。fmを調節することにより、各波長コンポーネントλの間隔a(λ)を、対称点268の周囲において、ゼロの間隔からAOM306の帯域が許す最大間隔まで調節する。2つのスペクトル領域274および276からの放射は、伝播して代表的周期dの広帯域干渉−縞パターン280を代表的距離Rにおいて形成すると、拡張および重複する。fmを変化させると、縞パターン280は拡張および収縮する。
【0212】
AOM306にかかる圧力変動は進行するため、ビーム274および276は、互いにドップラーシフトする。その結果、縞パターン280は、合成信号308の2つの周波数成分間の周波数差に比例した速度で重複領域を移動する。干渉パターン280は、振幅変調ソース250により、特定の空間位相において2つのビーム260および262の周波数差2fmにおいて効果的に凍結することが可能である。縞280の空間位相は正確に制御することが可能であり、この制御は、レーザ駆動信号316のAOM制御信号308に対する位相を変化させる(例えば、遅延を変化させる)ことにより、行われる。あるいは、駆動信号316を用いて、光路(図示せず)内に配置された外部の振幅変調器を制御するか、または、縞パターンを観測する際に用いられる検出器22の感度を変調することも可能である。
【0213】
広帯域干渉−縞プロジェクタの上記の実施形態において、ビーム252は実質的に平行であるため、回折性素子254(図17)または306(図21)は、所与の回折オーダmの各スペクトル成分を同じ回折角度θmに回折させる。このコンフィギュレーションを他の様態に改変することも可能であり、このような改変は、本発明の趣旨および範囲の内におさまる。例えば、別の実施形態において、ビーム252は発散型または収束型であり得る。さらに別の実施形態において、ビーム252は、回折性素子254に斜角で入射し得る。さらに別の実施形態において、屈折素子および回折性素子のオーダを逆にすることもできる。
【0214】
所望の時間コヒーレンスおよび空間コヒーレンスの程度に応じて、他の多くの光ソース250を用いてもよい。時間コヒーレンスが低い場合(広範囲のスペクトルの内容の場合)、スペックルによる効果は低減するかまたは無くなる。一方、空間コヒーレンスが高いと、スペクトル領域274および276中の各スペクトル成分について、より厳密なフォーカルスポットを生成することが可能になる。一般的には、フォーカルスポットが厳密であると、縞の可視性が向上し、縞パターン280のフィールド深さが大きくなる。空間的にコヒーレントなソースの場合、そのフィールド深さは無限である点に留意されたい。さらに、フォーカルスポットが厳密であると、異なる回折オーダmに対応するスペクトル領域を分離するのも容易になるため、望ましくないスペクトル領域を代表的マスク272または296によってブロックすることが可能である。
【0215】
高い空間コヒーレンスを達成するための1つの方法は、光ソース250をレーザベースにすることである。一実施形態において、ソース250は、平行な光学部品を備えるレーザダイオードである。一般的には、スペクトルの幅がおよそ3nmであるレーザダイオードを利用することが可能である。別の実施形態において、異なる波長で動作するレーザダイオードのアレイを単一のビームに結合することにより、このスペクトル幅を広げることが可能である。さらに別の実施形態において、高速スキャンのためのチューナブルレーザを用いることも可能である。レーザのスペクトルを広げるための別のアプローチでは、標準的な単一の−モードシリカファイバを受動型でQスイッチ型のミクロチップレーザによってポンピングする。ファイバ中の様々な非線形効果により、ファイバの出力端部において極めて広帯域のスペクトルが生成される。さらに別のアプローチにおいて、モードロックチタン、サファイアレーザによって広帯域照射を達成する。
【0216】
ビーム252を生成するアプローチで従来のソースへの依存度がより高いものは他にも多くある。例えばアーク灯を光学ファイバに結合させることにより、低い(が適切な)空間コヒーレンスを達成することが可能である。ファイバの出力端部は、長大な(extended)ソースのように機能する。レンズを用いてファイバの出力を平行にすると、当該レンズの焦点距離が長くなるほど、ビーム252の伝播角度の変動は小さくなり、フォーカルスポットも厳密になる。長大なソースを用いると、レンズ266を光学軸258に沿った距離に配置する際、回折格子254の表面またはAOM306の活性エリアが照射されているオブジェクト10の表面または表面近隣上にイメージングされるように配置を行うことにより、空間の非コヒーレンスによる効果が最小化される。このコンフィギュレーションを用いると、縞パターン280の所与のエリアに到達した光線が、入力ビームを異なる回折オーダに分割させる回折性素子の同一領域から発生するもの全てと干渉するため、空間の非コヒーレンスによる効果が最小化される。
【0217】
縞パターンを照射する上記の実施形態では、位相シフトφ1、φ2およびφ3の設定可能な精度および反復性は(狭帯域照射に基づくかまたは広帯域照射に基づくかに関係無く)変化し得る。例えば、圧電変換器によって光コンポーネント(例えば、図10中の鏡94もしくは96または図17中の格子254)を移動させることにより位相シフトを行うと、ヒステリシスによって矛盾が生じる。これらの位相シフトがその予想値から変化すると、式(6)または式(80)においてφを計算する際にエラーが発生する。これらのφ値のエラーは周期的な性質を持ち、再構築された表面プロファイルがリップルが生じた外観になる原因となる。また、リップルが生じた外観の原因としては、不完全な照射シーケンスもある。これらの不完全な照射シーケンスは、例えば信号強度I1、I2およびI3の取得期間の間の露光レベルまたはバイアスレベルの変化によって生じ得る。露光レベルの変換の原因としては、例えば、ソース強度の変動または完全なシャッターによる露光時間差がある。
【0218】
リップルパターンは、再構築面上に発生し、物理的表面10に投射された縞パターンと同じ方向に発生する。リップルパターンの主要周期は、エラーソースに依存する。位相シフトエラーがあると、例えば、縞周期について2つのリップル振動が発生する。リップルは、表面プロファイル測定において主要なエラーソースとなり得、特に、広帯域照射を通じてスペックルが無くなった場合または狭帯域照射からのスペックル効果が上述した軽減技術の1つを通じて抑制された場合、その傾向は強くなる。
【0219】
ここで、リップルエラーを修正するためのヒストグラムベースのリップル消去(derippling)と呼ばれる汎用性がありかつロバストな技術を紹介する。この技術において、データを解析して、実際の位相オフセットおよび露光レベルの変動を判定し、相関値を用いてφを計算する。この技術を説明するため、まず、式(80)を書き換えて、推測値および推測値から計算される数量を実際の値と区別するような様式にする。
【0220】
【数53】
式(82)において、*φ1(本明細書中、以下、*φは
【0221】
【数54】
を表すものとする)、*φ2および*φ3を位相シフトの推定値と仮定し、*φを、これらの推測値を用いて計算した位相値とする。
【0222】
強度を以下のように書くことにより、不完全な照射シーケンスによって発生する変化を式(82)に取り入れることができる。
【0223】
【数55】
ここで、下付き文字iは1、2または3の値をとり、照射シーケンスの特定の要素を表す。パラメータAiおよびBiにより、照射シーケンスの露光レベルおよびバイアスレベルをそれぞれ変化させることができる。式(83)において、ノミナルの山−谷振幅の幅(swing)が評価対象ユニットであると一般性を失うことなく仮定することができる。
【0224】
AiおよびBiの値が既知であるかまたは*Aiおよび*Biとして推定される場合、不完全な照射シーケンスを、計算された強度により修正して、
【0225】
【数56】
式(82)中の強度測定値Iiの代わりに用いることができる。さらに、推測値*φ2、*φ2および*φ3ではなく実際の値φ1、φ2およびφ3を判定して式(82)において用いることを可能にすると、位相ステップエラーを無くすことが可能となる。リップルを最小化するための1つのアプローチとして、*φにおけるリップルの程度を示す測定基準(metric)が最小化されるようにパラメータAi、Biおよびφiを変化させるアプローチがある。測定基準を最小化する場合、演算要求が多大になり、多次元のサーチアルゴリズムが必要となるだけではなく、代表的な表面部分にわたって位相関数*φを最初にアンラップしなければ、最小化のための適切な測定基準を得るのは困難である。アンラップが行われた後に利用することが可能な測定基準の一例としては、*φと平滑化された*φの値との間の差の標準偏差がある。リップルの低減による寄与のため、この測定基準は低減する傾向となる。
【0226】
ヒストグラムベースのリップル消去は、位相アンラップが不要であり、パラメータの修正値を直接生成するため、上記のリップル消去アプローチよりも優れている。ここで、図22を参照して、この技術を引き続き紹介する。図22は、エラー(φ−*φ)/(2π)のプロットを、異なる値のパラメータAi、Biおよびφiについて計算された数量*φ/(2π)の関数として含む。このエラーは、縞数エラーΔNのリップルによって生じる(ripple−induced)成分に相当し、式(32)に示すようなレンジ分解能を限定する。これらの曲線において、推定される位相ステップ値は、*φ1=−120°、*φ2=0°および*φ3=120°である。φおよび*φの両方を、−π〜+πのラップされた数量であるとみなし、これにより、φ/(2π)および*φ/(2π)レンジが−1/2〜+1/2となるようにする。曲線(a)は、振幅変化A1=0.9、Α2=1、A3=1.2の効果を示し、曲線(b)は、バイアス変化B1=0.2、B2=0、B3=0.1に相当し、曲線(c)は、推測値と異なる実際の位相シフトφ1=−105°、φ2=0°およびφ3=100°による効果を示す。最後に、図22aは、図22中の曲線の傾斜をプロットしたものであり、これは、*φに関するφの導関数およびによって得られ、φ’(*φ)として示される。この傾斜は、1の周囲で変動し、推定パラメータがその真なる値に近づくと、全ての点において1に収束する。ΔNにおけるエラーが比較的小さい場合、比較的大きな傾斜の変化が生成されるため、傾斜により、Ai、Biおよびφiの推測値中のエラーが感度良く示される点に留意されたい。
【0227】
図22および図22aは、Ai、Biおよびφiに関する情報を多量に含むことは明らかである。例えば、これらのプロットは、バイアスが変化すると、縞あたり1つのリップルが発生し、位相ステップエラーが発生すると、縞あたり2つのリップルが発生することを示す。振幅が変化すると、縞あたり1つおよび2つのリップルの混合物が発生する。図22または図22aにおいてグラフ化されている曲線をデータ解析から生成することが可能であれば、Ai、Biおよびφi上のこれらの曲線を支配する方程式への依存を用いて、これらのパラメータに関する情報を回復させることができる。その後、これらの修正されたパラメータを用いてφを計算することにより、データをリップル消去することができる。このアプローチの難点は、これらのグラフでは、φの真の値が分かっていることを前提としている点である。
【0228】
ヒストグラムによるアプローチを用いれば、この難点を解消することができる。このアプローチでは、先ず、測定(または特定の測定部分)における*φの各値の発生を相対的に表すヒストグラムを作成する。このヒストグラムは、*φの値の可能な範囲を有限数のビンに分割し、各ビン中に収められた*φが発生する回数をカウントすることにより、生成される。*φのヒストグラムを作成すると、*φの確率密度関数の近似値が得られ、これはP(*φ)と書かれる。以下の周知の関係を通じて、2つの確率密度関数P(*φ)およびP(φ)を関連付けることが可能である。
【0229】
【数57】
同式において、φは*φの一価の関数であると仮定する。式(85)中の導関数を、図22a中にグラフとして示す。確率分布関数P(*φ)は、*φのヒストグラムの計算を通じたデータから利用することが可能である。式(85)中のP(φ)は不明であるが、多くの場合において、φはその可能な値の範囲にわたって均等に分布していると仮定すると妥当である。サンプリング対象となる表面エリアを覆う縞の数が多いほど、この仮定の精度も向上する。実際にも、P(φ)が均等に分布しているというこの仮定は、縞が比較的少数である場合にも適切であることが分かっている。しかし、P(φ)の関数の形態が表面に関するさらなる情報に基づいて正確になっている場合、ヒストグラムベースのリップル消去において他の形態のP(φ)を用いることも可能である。
【0230】
P(Φ)が分かると、式(85)を用いて、数量P(*φ)(これは、測定値*φのヒストグラムを計算することによって得られる)と、導関数φ’(*φ)の絶対値とを関連付けることができる。その後、この導関数の関数の形態に基づいて、Ai、Biおよびφiの実際の値を判定することができる。これを行う方法を例示するため、ここで、φ’(*φ)の関数の形態をより詳細に解析する。
【0231】
先ず、振幅またはバイアスは変動しない(Ai=1およびBi=0)が、位相ステップエラーのみがある場合を想定する。この場合、φ’(*φ)は、以下のような関数の形態をとることが分かる。
【0232】
【数58】
ここで、K、Kc2およびKs2は定数であり、その値は位相ステップ値*φiおよび実際の位相ステップ値φiに依存する。Kの値(これは、1に近い数である)は他の2つの定数KC2およびKS2から判定することが可能であり、その結果、式(86)における自由度は2だけとなる。これらの定数KC2およびKs2は、例えば、このヒストグラムの逆数をとり、フーリエ級数展開のcos(2*φ)項およびsin(2*φ)項に対応するフーリエ係数を計算することにより、*φのヒストグラムの形状から得ることができる。その後、フーリエ級数のDC項を用いてcos(2*φ)項およびsin(2*φ)項のフーリエ係数を正規化して、Kc2およびKs2をそれぞれ得る。
【0233】
式(86)の自由度は2しかないため、この方程式から3つの位相シフトφ1、φ2およびφ3の値を完全に回復することは不可能である。その代わり、相対的位相シフトφ1−φ2、φ2−φ3およびφ3−φ1を回復することが可能であり、これらの相対的位相シフトのうち2つのにより、第3の値を判定する。これらの相対的位相シフトがわかっていれば、リップルを完全に除去するには十分である。しかし、得られた*φの向上した計算値には、わずかなオフセットエラーが存在する。このオフセットエラーは、φ2の真の値が分からないことに起因する。
【0234】
簡潔にするため、推定された位相シフトが等しく、その大きさはφstepであり、ゼロの周囲に集中していると仮定する。そうすると、これらの位相シフトを*φ1=−φstep、*φ2=0、および*φ3=φstepと表すことができる。デフォルトでφ2=0であるとも仮定する。次いで、以下の関係により、Kc2およびKs2からφ1およびφ3の値を判定することができる。
【0235】
【数59】
上記の式(6)における仮定の場合(φstep=90°)、式(87)および(88)は以下のように整理される。
【0236】
【数60】
ヒストグラムベースのリップル消去の用途のさらなる例として、位相ステップエラーおよび振幅エラーの組み合わせにこの技術を適用する。この場合の数式φ’(*φ)は式(86)よりもずっと複雑であるが、この数式は、Ai−1およびφi−*φiの値が小さい場合、以下のように近似化することができる。
【0237】
【数61】
ここでも、係数Kc1、Ks1、Kc2およびKs2をフーリエ解析を通じて得ることが可能であり、これらの係数は、φ’(*φ)を近似化する際に用いられるヒストグラムの逆数のフーリエ級数展開の対応するフーリエ係数である。
【0238】
*φ2=φ2=0およびΑ2=1と設定し、*φ1および*φ3の推測値のステップサイズを不均等にすると、以下の関係を通じて、Kc1、Ks1、Kc2、およびKs2からφ1、φ3、A1およびA3の新規近似値を判定することができる。
【0239】
【数62】
式(92)〜(95)は、式(91)によって得られた微小エラーの近似に基づくため、φ1、φ3、A1およびA3の計算値は向上するが、正確ではない。所望であれば、このプロシージャを繰り返すことにより、精度を高くすることが可能である。そうするためには、式(92)および(93)から計算されたφ1およびφ3の値は、式(82)において新規の推測値*φ1および*φ3となり、式(94)および(95)から得られたA1およびA3の値は、式(84)において新規の推測値*A1および*A3となる。このプロシージャは高速で収束するため、数回の反復だけで小数位のレベルでの高い精度が得られる。
【0240】
さらなる利点として、この反復によるアプローチの文脈において、バイアス変化Biを自動処理する。反復回数が多いほど、バイアス変化Biは、他のパラメータAiおよびφiに折り畳まれて、その効果は無くなっていく。このアプローチを用いると、リップルが無くなり、φ2が正確には分かっていない場合に生じるエラーに類似する微小オフセットエラーが発生する。
【0241】
本発明の好適な実施形態について説明および図示してきたが、本発明のコンセプトを取り入れた他の実施形態を用いることも可能であり、また、本発明の範囲および趣旨内において多くの改変例が可能であることが当業者にとって明らかである。したがって、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるのではなく、本明細書内の特許請求の範囲の趣旨および範囲のみによって限定されるべきであることが認識される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつ互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の位置において第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
e)該第1の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
g)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを第1の位置において生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
i)該第2の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
j)該第1の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該第2の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
k)該第2のラップされたサイクルマップおよび該第2の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該三次元位置情報を計算する工程と、を包含する、方法。
【請求項2】
前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、前記第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記イメージ面は検出器を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第1の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
e)該第1の干渉パターンおよび該第1の位相シフトした干渉パターンに応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを生成する工程と、
g)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第2の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンおよび該第2の位相シフトした干渉パターンに応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
i)該第2のラップされたサイクルマップを該第1のラップされたサイクルマップから減算する工程と、
j)該第2のラップされたサイクルマップと、該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、ラップされたサイクルマップを生成する工程と、を包含する、方法。
【請求項6】
前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームは第1の周波数を有し、前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、該第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記ラップされたサイクルマップを用いることによって三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、請求項5に記載の方法。
【請求項8】
前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、請求項5に記載の方法。
【請求項9】
前記イメージ面は検出器を含む、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
縞をオブジェクトの表面上に投射する装置であって、
a)スペクトル分布を有する2つの放射ソースと、
b)該2つのソースと光学的に連絡するコリメータであって、2つの広帯域放射の実質的に平行なビームを生成するコリメータと、
c)該コリメータと光学的に連絡する回折性格子と、
d)該回折性格子と光学的に連絡するレンズであって、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射イメージを生成するレンズと、
を備える、装置。
【請求項11】
前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する各距離の分だけ隔離される、請求項10に記載の装置。
【請求項12】
前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、請求項11に記載の装置。
【請求項13】
前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、請求項11に記載の装置。
【請求項14】
前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、請求項10に記載の装置。
【請求項15】
前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、請求項10に記載の装置。
【請求項16】
前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する検出器をさらに備える、請求項10に記載の装置。
【請求項17】
前記2つの放射ソースは単一の放射ソースから生成される、請求項10に記載の装置。
【請求項18】
前記回折性格子に結合されたトランスレータをさらに備え、該トランスレータは、前記スペクトル領域の1つの該スペクトル領域の残りに対する相対的位相をシフトさせる、請求項10に記載の装置。
【請求項19】
オーダをブロックするマスクをさらに備える、請求項10に記載の縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
【請求項20】
オーダをブロックする2重スリットのマスクをさらに備える、請求項10に記載の縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
【請求項21】
縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有する放射を生成する、工程と、
b)該放射を平行にして、2つの実質的に平行な放射ビームを生成する工程と、
c)該平行な放射ビームのスペクトル成分を描写する工程と、
d)スペクトル成分の空間分布を有する2つのイメージ放射を生成する工程と、を包含する、方法。
【請求項22】
前記空間分布の1つのスペクトル成分はそれぞれ、該空間分布の残りの各スペクトル成分から、該スペクトル成分の各波長に比例する距離だけ隔離される、請求項21に記載の方法。
【請求項23】
前記距離は、前記スペクトル成分の波長に線形比例する、請求項22に記載の方法。
【請求項24】
前記距離は、2つのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、請求項22に記載の方法。
【請求項25】
前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、請求項21に記載の方法。
【請求項26】
前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、請求項21に記載の方法。
【請求項27】
前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、請求項21に記載の方法。
【請求項28】
前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、請求項21に記載の方法。
【請求項29】
前記スペクトル成分の1つの該スペクトル成分の残りに対する相対的位相をシフトさせる工程をさらに包含する、請求項21に記載の方法。
【請求項30】
表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
e)該第1の投射パターンを変更して、該第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程と、
f)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
g)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
h)該第1の投射パターン中の推定されたサイクル数に応答して、該第2の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
i)該第2の投射パターン中の推定されたサイクル数および該第2のラップされたサイクルマップに応答して、該表面を判定する工程と、
を包含する、方法。
【請求項31】
前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、請求項30に記載の方法。
【請求項32】
表面上に投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを、該表面上の第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターンを変更して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程と、
e)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
f)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
g)該第1のラップされたサイクルマップから該第2のラップされたサイクルマップを減算する工程と、
h)該第2のラップされたサイクルマップと該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、該投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程と、
を包含する、方法。
【請求項33】
前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、請求項32に記載の方法。
【請求項34】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)コヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンが該オブジェクトの表面を実質的にかすめるように、該縞パターンを光路に沿って該オブジェクトの表面に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ中の該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程であって、該オブジェクトの表面に対する法線は該光路に実質的に直交する、工程と、
を包含する、方法。
【請求項35】
前記コヒーレントな縞パターンは、前記オブジェクトの表面に対して0〜45°の角度で該オブジェクトの表面を実質的にかすめる、請求項34に記載の方法。
【請求項36】
2つの放射ソースを提供する工程をさらに包含する、請求項34に記載の方法。
【請求項37】
前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面の上側に配置される、請求項36に記載の方法。
【請求項38】
前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面に対する法線に沿って実質的に垂直に整列されている、請求項36に記載の方法。
【請求項39】
前記縞パターンは2つのソースによって生成される、請求項34に記載の方法。
【請求項40】
前記2つのソースは互いにコヒーレントである、請求項39に記載の方法。
【請求項41】
前記2つのソースはレーザソースである、請求項39に記載の方法。
【請求項42】
前記2つのソースは、単一のソースを分割することによって生成される、請求項39に記載の方法。
【請求項43】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該縞パターンが実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するように、該2つのソースを平行移動させる工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
【請求項44】
工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、請求項43に記載の方法。
【請求項45】
前記2つの放射ソースはレーザ放射である、請求項43に記載の方法。
【請求項46】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該オブジェクトを該2つの放射ソースに対して側方に該縞パターンの等位相面に平行な経路に沿って平行移動させて、該縞パターンが該オブジェクトの表面に対して実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するようにする工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
【請求項47】
工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、請求項46に記載の方法。
【請求項48】
前記2つの放射ソースはレーザ放射である、請求項46に記載の方法。
【請求項49】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)該オブジェクトの表面上にコヒーレントな縞パターンを投射する工程と、
b)透過関数を有するレンズを提供する工程であって、該透過関数は該レンズの端部において徐々の透過低下を有する、工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内に該縞パターンを検出する工程であって、該透過関数は、該スペックルが該測定に与える影響を実質的に低減する、工程と、
を包含する、方法。
【請求項50】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつある距離だけ隔離された2つの放射ソースから第1の縞パターンを生成する工程と、
b)該第1の周波数を第2の周波数に変更することにより、該第1の縞パターンを変更して第2の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に応答して該距離を変更する工程であって、該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に対する該距離の比は実質的に一定である、工程と、
を包含する、方法。
【請求項51】
縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、他方のソースに対してコヒーレントである、工程と、
b)該オブジェクトの表面上のポイントを、該ソースそれぞれからの放射によって照射する工程と、
c)該ソースの1つを他方のソースに対して移動させる工程と、
d)該オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された放射を検出する工程と、
を包含する、方法。
【請求項52】
前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された検出された放射とに応答して位置情報を計算する工程をさらに包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項53】
前記ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる工程をさらに包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項54】
前記ソースの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる工程を包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項55】
前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と、該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する工程を包含する、請求項54に記載の方法。
【請求項56】
前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項57】
前記2つの放射ソースを提供する工程は、
a)あるスペクトル幅を有する初期放射ビームを提供する工程と、
b)該初期ビーム放射から、第1の放射ビームを第1のビーム角度においてかつ第2の放射ビームを第2のビーム角度において生成する工程と、
c)該第1の放射ビームおよび該第2の放射ビームをイメージングして、該2つの放射ソースを形成する工程と、
を包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項58】
前記初期ビーム放射を振幅変調する工程をさらに包含する、請求項57に記載の方法。
【請求項59】
前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程は、音響フィールドによる音響光学変調を前記初期ビームに行う工程を包含する、請求項57に記載の方法。
【請求項60】
前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドに位相変調を行う工程を包含する、請求項59に記載の方法。
【請求項61】
前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドを振幅変調する工程を包含する、請求項59に記載の方法。
【請求項62】
前記ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、音響フィールドに周波数変調を行うことによって前記初期ビームに音響光学変調を行う工程を包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項63】
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースであって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、該ソースのうちの他方のソースに対してコヒーレントである、放射ソースと、
b)該ソースの各々を該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる制御システムと、
c)オブジェクトの表面上のポイントから散乱した放射を受信するような位置に配置された検出器と、
を備える、縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
【請求項64】
前記検出器からの信号を受信するプロセッサをさらに備え、該プロセッサは、前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントから散乱した受信された放射とに応答して位置情報を計算する、請求項63に記載の装置。
【請求項65】
前記制御システムは、前記放射ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該放射ソースのうちの他方の放射ソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる、請求項63に記載の装置。
【請求項66】
前記制御システムは、前記放射ソースのうちの1つの各スペクトル成分を、該放射ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分に対して移動させて、該2つの放射ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる、請求項63に記載の装置。
【請求項67】
前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、前記制御システムは、該ソースの各スペクトル成分を該ソースのスペクトル成分のうちの他方のスペクトル成分に対して移動させて、該距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する、請求項66に記載の装置。
【請求項68】
前記検出器と、前記オブジェクトの表面上のポイントとの間に配置されたイメージングシステムをさらに備え、該イメージングシステムは、該検出器上のポイントをイメージングする、請求項63に記載の装置。
【請求項69】
前記検出器は複数の光検出器を備える、請求項63に記載の装置。
【請求項70】
前記プロセッサは、複数の処理ユニットを有するマルチプロセッサシステムを備え、前記複数の光検出器はそれぞれ、該複数の処理ユニットの各々と電気的に通信する、請求項69に記載の装置。
【請求項71】
前記2つの放射ソースは、
a)あるスペクトル幅を有する放射のビームの初期ソースと、
b)該放射のビームの初期ソースと光学的に連絡し、第1の光学ビームおよび第2の光学ビームを生成するビーム分離器と、
c)該ビーム分離器と光学的に連絡するイメージングシステムであって、該2つの放射ソースがそれぞれ該第1の光学ビームおよび該第2の光学ビームに対応するように該2つの放射ソースを生成するイメージングシステムと、
を備える、請求項63に記載の装置。
【請求項72】
前記ビーム分離器は回折格子である、請求項71に記載の装置。
【請求項73】
1つのソースのスペクトル分布中の波長におけるポイントは、他方のソースのスペクトル分布中の波長における各ポイントと前記距離だけ隔離され、該距離は、該ポイントの波長に実質的に比例する、請求項63に記載の装置。
【請求項74】
前記制御システムは位相シフタをさらに備える、請求項63に記載の装置。
【請求項75】
前記位相シフタは、前記ビーム分離器の位置を前記放射のビームに対して変化させるトランスレータである、請求項74に記載の装置。
【請求項76】
前記制御システムは、可変な焦点距離を有するズームレンズを備え、該ズームレンズは、該可変な焦点距離の変化に応答して該隔離の距離を変化させる、請求項63に記載の装置。
【請求項77】
前記制御システムは、焦点距離が異なる複数のレンズを備え、該隔離の距離は、該複数のレンズのうちの1つの各焦点距離に対応する、請求項63に記載の装置。
【請求項78】
前記回折格子は空間光変調器である、請求項72に記載の装置。
【請求項79】
前記空間光変調器は、調節可能な格子周期を有し、該格子周期は、該空間光変調器に与えられる電気信号に応答する、請求項78に記載の装置。
【請求項80】
前記ビーム分離器は音響光学変調器である、請求項71に記載の装置。
【請求項81】
前記放射のビームの初期ソースと光学的に連絡する振幅変調器をさらに備える、請求項71に記載の装置。
【請求項82】
オーダ−ブロックマスクをさらに備える、請求項71に記載の装置。
【請求項83】
前記オーダ−ブロックマスクは2重スリットのマスクである、請求項82に記載の装置。
【請求項84】
前記ビーム分離器と光学的に連絡する振幅変調器をさらに備え、該振幅変調器は、前記初期ソースの振幅を変調する、請求項71に記載の装置。
【請求項1】
表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつ互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の位置において第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
e)該第1の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
g)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを第1の位置において生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンを第2の位置に移動させる工程と、
i)該第2の干渉パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
j)該第1の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該第2の干渉パターン中の強度サイクルを推定する工程と、
k)該第2のラップされたサイクルマップおよび該第2の干渉パターン中の推定された強度サイクルに応答して、該三次元位置情報を計算する工程と、を包含する、方法。
【請求項2】
前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、前記第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、請求項1に記載の方法。
【請求項4】
前記イメージ面は検出器を含む、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)互いにコヒーレントな第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程と、
b)該表面を該第2の放射ビームで照射する工程と、
c)該第1の放射ビームと、該第2の放射ビームからの放射とが該表面によって散乱するのに応答して、第1の干渉パターンを生成する工程と、
d)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第1の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
e)該第1の干渉パターンおよび該第1の位相シフトした干渉パターンに応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
f)該第1の干渉パターンを変更して、第2の干渉パターンを生成する工程と、
g)該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのうちの1つを、該第1の放射ビームおよび第2の放射ビームのもう一方に対して位相シフトさせて、第2の位相シフトした干渉パターンを生成する工程と、
h)該第2の干渉パターンおよび該第2の位相シフトした干渉パターンに応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
i)該第2のラップされたサイクルマップを該第1のラップされたサイクルマップから減算する工程と、
j)該第2のラップされたサイクルマップと、該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、ラップされたサイクルマップを生成する工程と、を包含する、方法。
【請求項6】
前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームは第1の周波数を有し、前記第1の干渉パターンを変更して第2の干渉パターンを生成する工程は、該第1の周波数を第2の周波数に変更する工程を包含する、請求項5に記載の方法。
【請求項7】
前記ラップされたサイクルマップを用いることによって三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、請求項5に記載の方法。
【請求項8】
前記表面をイメージ面上にイメージングする工程をさらに包含する、請求項5に記載の方法。
【請求項9】
前記イメージ面は検出器を含む、請求項8に記載の方法。
【請求項10】
縞をオブジェクトの表面上に投射する装置であって、
a)スペクトル分布を有する2つの放射ソースと、
b)該2つのソースと光学的に連絡するコリメータであって、2つの広帯域放射の実質的に平行なビームを生成するコリメータと、
c)該コリメータと光学的に連絡する回折性格子と、
d)該回折性格子と光学的に連絡するレンズであって、スペクトル領域の空間分布を有する2つの放射イメージを生成するレンズと、
を備える、装置。
【請求項11】
前記ソースの1つのスペクトル領域はそれぞれ、該ソースの残りの各スペクトル領域から、該スペクトル領域の各波長に比例する各距離の分だけ隔離される、請求項10に記載の装置。
【請求項12】
前記距離は、前記スペクトル領域の波長に線形比例する、請求項11に記載の装置。
【請求項13】
前記距離は、2つのスペクトル領域の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、請求項11に記載の装置。
【請求項14】
前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、請求項10に記載の装置。
【請求項15】
前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、請求項10に記載の装置。
【請求項16】
前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する検出器をさらに備える、請求項10に記載の装置。
【請求項17】
前記2つの放射ソースは単一の放射ソースから生成される、請求項10に記載の装置。
【請求項18】
前記回折性格子に結合されたトランスレータをさらに備え、該トランスレータは、前記スペクトル領域の1つの該スペクトル領域の残りに対する相対的位相をシフトさせる、請求項10に記載の装置。
【請求項19】
オーダをブロックするマスクをさらに備える、請求項10に記載の縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
【請求項20】
オーダをブロックする2重スリットのマスクをさらに備える、請求項10に記載の縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
【請求項21】
縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有する放射を生成する、工程と、
b)該放射を平行にして、2つの実質的に平行な放射ビームを生成する工程と、
c)該平行な放射ビームのスペクトル成分を描写する工程と、
d)スペクトル成分の空間分布を有する2つのイメージ放射を生成する工程と、を包含する、方法。
【請求項22】
前記空間分布の1つのスペクトル成分はそれぞれ、該空間分布の残りの各スペクトル成分から、該スペクトル成分の各波長に比例する距離だけ隔離される、請求項21に記載の方法。
【請求項23】
前記距離は、前記スペクトル成分の波長に線形比例する、請求項22に記載の方法。
【請求項24】
前記距離は、2つのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該中間点は固定される、請求項22に記載の方法。
【請求項25】
前記2つの放射ソースは互いにコヒーレントである、請求項21に記載の方法。
【請求項26】
前記2つの放射ソースは、狭帯域であるスペクトル分布を有する、請求項21に記載の方法。
【請求項27】
前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、請求項21に記載の方法。
【請求項28】
前記2つの放射ソースを提供する工程は、単一の放射ソースからの放射を分割する工程を包含する、請求項21に記載の方法。
【請求項29】
前記スペクトル成分の1つの該スペクトル成分の残りに対する相対的位相をシフトさせる工程をさらに包含する、請求項21に記載の方法。
【請求項30】
表面を有するオブジェクト上において、該オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
e)該第1の投射パターンを変更して、該第1の位置において第2の投射パターンを生成する工程と、
f)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
g)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
h)該第1の投射パターン中の推定されたサイクル数に応答して、該第2の投射パターン中のサイクル数を推定する工程と、
i)該第2の投射パターン中の推定されたサイクル数および該第2のラップされたサイクルマップに応答して、該表面を判定する工程と、
を包含する、方法。
【請求項31】
前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、請求項30に記載の方法。
【請求項32】
表面上に投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを合成する方法であって、
a)第1の周期的パターンを投射して、該表面上の第1の位置において第1の投射パターンを生成する工程と、
b)該第1の投射パターンを、該表面上の第2の位置に移動させる工程と、
c)該第1の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第1のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
d)該第1の投射パターンを変更して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程と、
e)該第2の投射パターンを該第2の位置に移動させる工程と、
f)該第2の投射パターンの第1の位置および第2の位置に応答して、第2のラップされたサイクルマップを生成する工程と、
g)該第1のラップされたサイクルマップから該第2のラップされたサイクルマップを減算する工程と、
h)該第2のラップされたサイクルマップと該第1のラップされたサイクルマップとの間の差をラップして、該投射された所定の間隔の周期的パターンに対応するラップされたサイクルマップを生成する工程と、
を包含する、方法。
【請求項33】
前記第1の投射パターンを変更する工程は、第2の周期的パターンを投射して、第2の投射パターンを第1の位置において生成する工程を包含する、請求項32に記載の方法。
【請求項34】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)コヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンが該オブジェクトの表面を実質的にかすめるように、該縞パターンを光路に沿って該オブジェクトの表面に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ中の該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程であって、該オブジェクトの表面に対する法線は該光路に実質的に直交する、工程と、
を包含する、方法。
【請求項35】
前記コヒーレントな縞パターンは、前記オブジェクトの表面に対して0〜45°の角度で該オブジェクトの表面を実質的にかすめる、請求項34に記載の方法。
【請求項36】
2つの放射ソースを提供する工程をさらに包含する、請求項34に記載の方法。
【請求項37】
前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面の上側に配置される、請求項36に記載の方法。
【請求項38】
前記2つのソースは、前記オブジェクトの表面に対する法線に沿って実質的に垂直に整列されている、請求項36に記載の方法。
【請求項39】
前記縞パターンは2つのソースによって生成される、請求項34に記載の方法。
【請求項40】
前記2つのソースは互いにコヒーレントである、請求項39に記載の方法。
【請求項41】
前記2つのソースはレーザソースである、請求項39に記載の方法。
【請求項42】
前記2つのソースは、単一のソースを分割することによって生成される、請求項39に記載の方法。
【請求項43】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該縞パターンが実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するように、該2つのソースを平行移動させる工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
【請求項44】
工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、請求項43に記載の方法。
【請求項45】
前記2つの放射ソースはレーザ放射である、請求項43に記載の方法。
【請求項46】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースからコヒーレントな縞パターンを生成する工程と、
b)該コヒーレントな縞パターンを該オブジェクトの表面上に投射する工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内において該縞パターンおよび該スペックルを検出する工程と、
d)該オブジェクトを該2つの放射ソースに対して側方に該縞パターンの等位相面に平行な経路に沿って平行移動させて、該縞パターンが該オブジェクトの表面に対して実質的に静止状態でありかつ該スペックルが変化するようにする工程と、
e)該オブジェクトの表面のイメージにおいて、新規の縞パターンと、該変化したスペックルとを検出する工程と、
f)該検出された縞パターンおよび該スペックルの変化に応答して、実質的にスペックルの発生が無い状態で該縞パターンを判定する工程と、
を包含する、方法。
【請求項47】
工程d)および工程e)を繰り返し反復する工程をさらに包含する、請求項46に記載の方法。
【請求項48】
前記2つの放射ソースはレーザ放射である、請求項46に記載の方法。
【請求項49】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)該オブジェクトの表面上にコヒーレントな縞パターンを投射する工程と、
b)透過関数を有するレンズを提供する工程であって、該透過関数は該レンズの端部において徐々の透過低下を有する、工程と、
c)該オブジェクトの表面のイメージ内に該縞パターンを検出する工程であって、該透過関数は、該スペックルが該測定に与える影響を実質的に低減する、工程と、
を包含する、方法。
【請求項50】
スペックルがオブジェクトの表面上のポイントの測定に与える影響を軽減する方法であって、
a)第1の周波数を有しかつある距離だけ隔離された2つの放射ソースから第1の縞パターンを生成する工程と、
b)該第1の周波数を第2の周波数に変更することにより、該第1の縞パターンを変更して第2の縞パターンを生成する工程と、
c)該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に応答して該距離を変更する工程であって、該第1の周波数と該第2の周波数との間の差に対する該距離の比は実質的に一定である、工程と、
を包含する、方法。
【請求項51】
縞をオブジェクトの表面上に投射する方法であって、
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースを提供する工程であって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、他方のソースに対してコヒーレントである、工程と、
b)該オブジェクトの表面上のポイントを、該ソースそれぞれからの放射によって照射する工程と、
c)該ソースの1つを他方のソースに対して移動させる工程と、
d)該オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された放射を検出する工程と、
を包含する、方法。
【請求項52】
前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントによって散乱された検出された放射とに応答して位置情報を計算する工程をさらに包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項53】
前記ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該ソースのうちの他方のソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる工程をさらに包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項54】
前記ソースの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる工程を包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項55】
前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、該ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、該ソースのうちの1つのスペクトル成分と、該ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分との間の距離を変化させて、該ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する工程を包含する、請求項54に記載の方法。
【請求項56】
前記オブジェクトの表面上のポイントの三次元位置情報を判定する工程をさらに包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項57】
前記2つの放射ソースを提供する工程は、
a)あるスペクトル幅を有する初期放射ビームを提供する工程と、
b)該初期ビーム放射から、第1の放射ビームを第1のビーム角度においてかつ第2の放射ビームを第2のビーム角度において生成する工程と、
c)該第1の放射ビームおよび該第2の放射ビームをイメージングして、該2つの放射ソースを形成する工程と、
を包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項58】
前記初期ビーム放射を振幅変調する工程をさらに包含する、請求項57に記載の方法。
【請求項59】
前記第1の放射ビームおよび第2の放射ビームを生成する工程は、音響フィールドによる音響光学変調を前記初期ビームに行う工程を包含する、請求項57に記載の方法。
【請求項60】
前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドに位相変調を行う工程を包含する、請求項59に記載の方法。
【請求項61】
前記音響光学変調を行う工程は、前記音響フィールドを振幅変調する工程を包含する、請求項59に記載の方法。
【請求項62】
前記ソースのうちの1つを該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる工程は、音響フィールドに周波数変調を行うことによって前記初期ビームに音響光学変調を行う工程を包含する、請求項51に記載の方法。
【請求項63】
a)ある距離だけ隔離された2つの放射ソースであって、該ソースはそれぞれ、スペクトル分布を有し、該ソースのうちの他方のソースに対してコヒーレントである、放射ソースと、
b)該ソースの各々を該ソースのうちの他方のソースに対して移動させる制御システムと、
c)オブジェクトの表面上のポイントから散乱した放射を受信するような位置に配置された検出器と、
を備える、縞をオブジェクトの表面上に投射する装置。
【請求項64】
前記検出器からの信号を受信するプロセッサをさらに備え、該プロセッサは、前記ソースの移動と、前記オブジェクトの表面上のポイントから散乱した受信された放射とに応答して位置情報を計算する、請求項63に記載の装置。
【請求項65】
前記制御システムは、前記放射ソースの1つからのスペクトル分布中のスペクトル成分の位相を、該放射ソースのうちの他方の放射ソースからのスペクトル分布中の各スペクトル成分の位相を前記オブジェクトの表面上のポイントにおいて測定した値に対して変化させる、請求項63に記載の装置。
【請求項66】
前記制御システムは、前記放射ソースのうちの1つの各スペクトル成分を、該放射ソースのうちの他方のソースの各スペクトル成分に対して移動させて、該2つの放射ソースの各スペクトル成分間の距離を変化させる、請求項63に記載の装置。
【請求項67】
前記距離は、前記ソースのスペクトル成分の各々から等距離である中間点を含み、前記制御システムは、該ソースの各スペクトル成分を該ソースのスペクトル成分のうちの他方のスペクトル成分に対して移動させて、該距離を変化させ、該中間点を固定状態に保持する、請求項66に記載の装置。
【請求項68】
前記検出器と、前記オブジェクトの表面上のポイントとの間に配置されたイメージングシステムをさらに備え、該イメージングシステムは、該検出器上のポイントをイメージングする、請求項63に記載の装置。
【請求項69】
前記検出器は複数の光検出器を備える、請求項63に記載の装置。
【請求項70】
前記プロセッサは、複数の処理ユニットを有するマルチプロセッサシステムを備え、前記複数の光検出器はそれぞれ、該複数の処理ユニットの各々と電気的に通信する、請求項69に記載の装置。
【請求項71】
前記2つの放射ソースは、
a)あるスペクトル幅を有する放射のビームの初期ソースと、
b)該放射のビームの初期ソースと光学的に連絡し、第1の光学ビームおよび第2の光学ビームを生成するビーム分離器と、
c)該ビーム分離器と光学的に連絡するイメージングシステムであって、該2つの放射ソースがそれぞれ該第1の光学ビームおよび該第2の光学ビームに対応するように該2つの放射ソースを生成するイメージングシステムと、
を備える、請求項63に記載の装置。
【請求項72】
前記ビーム分離器は回折格子である、請求項71に記載の装置。
【請求項73】
1つのソースのスペクトル分布中の波長におけるポイントは、他方のソースのスペクトル分布中の波長における各ポイントと前記距離だけ隔離され、該距離は、該ポイントの波長に実質的に比例する、請求項63に記載の装置。
【請求項74】
前記制御システムは位相シフタをさらに備える、請求項63に記載の装置。
【請求項75】
前記位相シフタは、前記ビーム分離器の位置を前記放射のビームに対して変化させるトランスレータである、請求項74に記載の装置。
【請求項76】
前記制御システムは、可変な焦点距離を有するズームレンズを備え、該ズームレンズは、該可変な焦点距離の変化に応答して該隔離の距離を変化させる、請求項63に記載の装置。
【請求項77】
前記制御システムは、焦点距離が異なる複数のレンズを備え、該隔離の距離は、該複数のレンズのうちの1つの各焦点距離に対応する、請求項63に記載の装置。
【請求項78】
前記回折格子は空間光変調器である、請求項72に記載の装置。
【請求項79】
前記空間光変調器は、調節可能な格子周期を有し、該格子周期は、該空間光変調器に与えられる電気信号に応答する、請求項78に記載の装置。
【請求項80】
前記ビーム分離器は音響光学変調器である、請求項71に記載の装置。
【請求項81】
前記放射のビームの初期ソースと光学的に連絡する振幅変調器をさらに備える、請求項71に記載の装置。
【請求項82】
オーダ−ブロックマスクをさらに備える、請求項71に記載の装置。
【請求項83】
前記オーダ−ブロックマスクは2重スリットのマスクである、請求項82に記載の装置。
【請求項84】
前記ビーム分離器と光学的に連絡する振幅変調器をさらに備え、該振幅変調器は、前記初期ソースの振幅を変調する、請求項71に記載の装置。
【図1】
【図2】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図6a】
【図6b】
【図6c】
【図7】
【図7a】
【図7b】
【図8】
【図9】
【図9a】
【図10】
【図11】
【図12】
【図12A】
【図13】
【図14】
【図14a】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図22a】
【図2】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図6a】
【図6b】
【図6c】
【図7】
【図7a】
【図7b】
【図8】
【図9】
【図9a】
【図10】
【図11】
【図12】
【図12A】
【図13】
【図14】
【図14a】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図22a】
【公開番号】特開2011−53224(P2011−53224A)
【公開日】平成23年3月17日(2011.3.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−267905(P2010−267905)
【出願日】平成22年11月30日(2010.11.30)
【分割の表示】特願2001−552052(P2001−552052)の分割
【原出願日】平成13年1月3日(2001.1.3)
【出願人】(596060697)マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー (233)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年3月17日(2011.3.17)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年11月30日(2010.11.30)
【分割の表示】特願2001−552052(P2001−552052)の分割
【原出願日】平成13年1月3日(2001.1.3)
【出願人】(596060697)マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー (233)
【Fターム(参考)】
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