JP2001515227A - 三次元イメージングのためのシステム及び方法 - Google Patents

三次元イメージングのためのシステム及び方法

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JP2001515227A JP2000509018A JP2000509018A JP2001515227A JP 2001515227 A JP2001515227 A JP 2001515227A JP 2000509018 A JP2000509018 A JP 2000509018A JP 2000509018 A JP2000509018 A JP 2000509018A JP 2001515227 A JP2001515227 A JP 2001515227A
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Abstract

(57)【要約】 三次元イメージングのためのシステム及び方法は、レンズの像平面（３８）中に位置させられた二次元ディテクタアレイ（４０）上に干渉縞を結像させると同時に、干渉縞の二次元フーリエ変換を実行するためのレンズ（３４）を利用する。これにより、適切な配置のため、イメージングされた物体の即座のプレビューが可能になる。コヒーレントなエネルギービームが、それぞれソースエネルギービームの異なる周波数で、一連の干渉縞、又は像平面のホログラムを作り出すために利用される。更に、それぞれの周波数で、物体エネルギービームと参照エネルギービームとの間の相対的位相は、干渉縞に関連する複素数値をキャプチャーするために変化させられる。種々の干渉縞をキャプチャーして記憶した後、コンピュータ（４２）は、一次元フーリエ変換、又は他の物体の三次元イメージを生成するための簡単な処理を実行する。イメージの分解能はミクロンのレンジに及び、このシステム及び方法を種々の三次元検査の用途に簡単に適合させられるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 技術分野 本発明は、周波数及び位相が変化する、広帯域の、コヒーレントなエネルギー
ソースを利用する三次元イメージングのためのシステム及び方法に関連する。
【０００２】 背景技術 ホログラフィは、物体の三次元イメージを生成するための十分に確立された方
法論である。しかし、伝統的に、ホログラフィの干渉縞(interference pattern)
中に存在する情報をキャプチャーして利用することは難しかった。典型的には、
生成された干渉縞は、写真の感光乳剤中に又は二次元ディテクタアレイによって
記録される。写真の感光乳剤媒体は、コンピュータ処理になじまない。従来の二
次元ディテクタは、干渉縞の強度をキャプチャーし、干渉縞を、コンピュータに
よって当然より簡単に操作される電気信号に変換する。
【０００３】 最近開発された技術は、干渉縞の複素数の振幅及び位相の情報をキャプチャー
するために、普通の二次元ディテクタアレイによる同相(in-phase)及び直角位相
(quadrature)の検出を結合する。その技術は、異なるソースの周波数及び位相で
記録された複数のホログラムを表わす記憶されたアレイの三次元フーリエ変換の
計算を含む。この計算は複雑であり、典型的なミニコンピュータでかなりの処理
時間を必要とするであろう。
【０００４】 イメージングされている物体は、その干渉縞からは簡単には認識できないので
、その物体の認識可能な三次元イメージはこの技術により直ちには利用できない
。むしろ、三次元イメージは、複数のホログラムを記録し、処理した後のみに生
成される。このようにして、イメージングしようとする物体を配置してプレビュ
ーすることは、面倒で時間がかかることがある。
【０００５】 本発明の要約 そのため、本発明の目的は、二次元フーリエ変換を実行し、それにより三次元
イメージを生成する計算の要求量を減少させるため、レンズを利用する三次元イ
メージングのためのシステムを提供することである。
【０００６】 本発明の他の目的は、イメージングされた物体の即時のプレビュー及び配置を
可能にするために、像平面(image plane)中にデータを記録する三次元イメージ ングのためのシステムを提供することである。
【０００７】 本発明の上述の目的及び他の目的及び特徴を実行する際に物体をプレビューし
配置するため、レンズにより干渉縞を変換し、認識可能なイメージを検出するス
テップを含む方法が物体の三次元イメージを形成するために提供される。
【０００８】 本発明は、物体の三次元イメージを形成するための方法及び装置を提供する。
本発明は、レンズの像平面中に位置させられた二次元ディテクタアレイ上にその
干渉縞を結像させると同時に、干渉縞の二次元フーリエ変換を実行するためレン
ズを利用する。これにより、前のシステムの計算の要求量を減少させながら、適
切に位置させるための、イメージングされた物体の即座のプレビューが可能にな
る。
【０００９】 それぞれのホログラムが異なるソース周波数である、一連の像平面のホログラ
ムは、ディテクタアレイ上に投射される。同相及び直角位相の検出技術は、干渉
縞に関連する複素数値をキャプチャーするために利用される。種々の干渉縞をキ
ャプチャーし、記憶させた後に、コンピュータは、物体の三次元イメージを生成
するために、一次元フーリエ変換を実行する。
【００１０】 本発明の、上記の目的及び他の目的、特徴、及び利点は、添付の図面を関連さ
せたとき、本発明を実行するための最良の形態の以下の詳細な説明から、当業者
は容易に理解するであろう。
【００１１】 発明を実行するための最良の形態 ここで図１を参照すると、反射イメージングのための三次元光学イメージング
システムの好適な実施形態の概略図が示されている。この実施形態では、色素レ
ーザ、アレキサンドライトレーザ、又は半導体ダイオードレーザのような、チュ
ーナブルレーザ１０は、空間的及び時間的にコヒーレントな、光エネルギービー
ム１２を提供する。もちろん、音響エネルギーソース(acoustic energy source)
を含む、多くの知られた広帯域のコヒーレントなエネルギーソースのどれでも使
用することができるであろう。エネルギービーム１２は、ビームエキスパンダ１
６を通して伝播する前に、反射ミラー１４によって方向を変えられる。もちろん
、ミラー１４のような反射ミラーは、システムの損失を最小にするために、１０
０％近い反射率を有することが望ましい。しかし知られているように、より低い
反射率は、同様の結果を有するであろう。
【００１２】 ビームエキスパンダ１６は、ビームがコリメートレンズ１８を通して伝播する
前に、ビームを放射状に拡張させる。ビームはコリメートレンズ１８から現われ
、ほぼ平面の波面(wavefront)を有している。コリメートされたビームは、次に 、部分的に反射するビームスプリッタ２０に伝播し、そこでビームは物体ビーム
(object beam)と参照ビーム(reference beam)とに分けられる。好適には、エネ ルギービーム１２は物体２６からのビームスプリッタ２０に入射する反射エネル
ギーが、参照ビーム２４のエネルギーと釣り合うように分けられる。
【００１３】 図１を参照したままにおいて、エネルギーを散乱させ、それにより、参照数字
２８によって大まかに示された散乱エネルギー光線(scattered energy ray)を形
成する物体２６に物体ビーム２４は突き当たり、それと相互作用する。散乱エネ
ルギー光線の一部は、ビームスプリッタ２０の方に逆戻りに伝播し、以下に述べ
るように、そこでそれは位相のシフトした参照ビームと結合する。
【００１４】 参照ビーム２２は、それの伝播方向をビームスプリッタ２０の方に逆戻りに変
えると同時に、参照ビーム２２に位相シフトを分け与える、反射する位相シフト
ミラー３０に伝播する。その位相シフタは、電気光学的な、圧電性の、又は音響
光学的なデバイス、あるいは適切に選択された波長板(waveplate)までのものの ような、多くの知られたデバイスのどれでもよい。位相シフトされた参照ビーム
は、干渉縞を形成するためにそれが反射エネルギー光線２８と結合するところで
あるビームスプリッタ２０に突き当たる。レンズ３２及び３４は、テレセントリ
ックイメージングシステムを形成する。技術上周知なように、円形アパーチャー
３６が、「アパーチャー機能」を透過光に課すと同時に、システムの空間的帯域
幅を拡張するために、レンズ３２と３４との間に配置される。レンズ３２は、本
来、参照ビームをアパーチャー３６の平面中に位置する点光源(point source)へ
の焦点に集めるため、テレセントリックイメージングシステムのために、参照ビ
ームの強度に逆に影響を与えることなく、アパーチャー３６を絞ることができる
。
【００１５】 また更に図１を参照すると、ビームスプリッタ２０のところに形成された干渉
縞は、テレセントリックイメージングシステムを通して伝播する。レンズ３４は
、干渉縞を像平面３８に結像させると同時に二次元フーリエ変換を実行する。こ
のようにして、物体２６に似ている認識可能なイメージが、像平面３８中に形成
される。二次元ディテクタアレイ４０は、認識可能なイメージを検出するために
、像平面３８の近傍に位置させられる。ディテクタアレイは、電荷結合素子（Ｃ
ＣＤ）アレイのような、技術上知られた種々のディテクタのどれでもよい。ディ
テクタアレイ４０は、結像した干渉縞を表わすデータを記憶し、処理するために
、コンピュータ４２に接続される。通常、ディテクタアレイは、入射エネルギー
の強度に応答し、コンピュータ４２によって簡単に処理される電気信号を発生す
る。
【００１６】 同じく技術上周知であるように、形成しようとする干渉縞のために、物体及び
参照エネルギービームの光路長(optical path distance)は、エネルギーソース の可干渉距離(coherence length)内で合わせられなければならない。本発明で利
用される技術は、比較的広い周波数レンジにわたってホログラムを生成すること
を含むため、参照及び物体エネルギービームが出合う分散させる素子(dispersiv
e element)を合わせることも重要である。例えば、もし参照ビームが物体ビーム
より多くガラスを通して進むなら、ガラスの分散は、物体に外見上のシフトを分
け与え、このようにしてイメージに光行差を生じさせる(aberrate)。ミスマッチ
を補償するために位相シフタ３０を使用することができ、又は光行差(aberratio
n)を除去するために最終のイメージをデジタルで修正することができる。
【００１７】 動作中は、チューナブルレーザ１０は安定させられ、第１の動作周波数に調節
される。上記に説明したように、干渉縞はディテクタアレイ４０上に結像し、コ
ンピュータ４２によって記録される。位相シフトミラー３０は、参照ビームに関
する物体ビームの位相を変えるために使用される。好適には、位相はπ／２だけ
シフトされる。次に新しい干渉縞は、同様にしてコンピュータ４２によって記録
される。本発明の普通の同相及び直角位相検出は、それぞれの周波数での合計４
回の反復により、それぞれの反復に対してπ／２だけ位相を変化させる、上述の
手順を反復する。しかし、イメージングしている物体の物理的特性によっては、
より少ない位相変化でイメージを得ることが可能である。
【００１８】 位相変化のそれぞれにより作り出された干渉縞を記録した後、チューナブルレ
ーザ１０は、第２の周波数に調節され、上述の処理が反復される。好適には、多
くの等しく間隔を空けたレーザ周波数は、三次元イメージを作り出すために利用
される。例えば、６４の等しく間隔を空けた周波数は、単一の三次元イメージを
作り出すために使用される。
【００１９】 しかし、ディテクタアレイ４０中のそれぞれの画素のレンジ軸に沿った１点の
みで高い反射率を有する多くの不透明の物体では、より少ない数のレーザ周波数
が必要とされる。そのような物体に対して、レンジは、以下に詳細を述べるよう
にコンピュータ４２によるフーリエ処理を必要としない位相処理と呼ばれる手順
によって、直接決定することができる。代わりに、一連の方定式をを、それぞれ
の方程式をチューナブルレーザ１０の異なるソース周波数に適用することによっ
てレンジを決定するために使用することができる。位相は、以下によって与えら
れる。 ここでｍｏｄ2 πは、数学的な法の演算(modulus operation)であり、νはソース
の周波数であり、Ｄは特定の画素中の物体へのレンジ値であり、ｃは光速である
。結果として得られる一連の方程式は、位相ラッピング効果(phase wrapping ef
fect)を補償するアルゴリズムにより、最小２乗の観念(least squares sense)で
解くことができる。
【００２０】 更に、もし２つのレーザ周波数の間の周波数セパレーションが、エイリアシン
グ、又は位相ラッピングを避けるために十分小さければ、レンジを以下により直
接解くことができるようになる。 ここで、ΔΦは、位相値間の差であり、Δνはレーザ周波数の周波数セパレーシ
ョンである。
【００２１】 ディテクタアレイ４０中のそれぞれの画素に対して、検出された複素数値は記
録され、コンピュータ４２により一次元アレイ中に配列される。これらの一次元
アレイの一次元フーリエ変換は、レンジの関数として物体の複素数の反射率を与
える。このように、ディテクタアレイ４０中のそれぞれの画素に対してこれらの
一次元レンジプロフィールを組み立てることにより、物体２６の三次元イメージ
が形成される。三次元イメージはデジタルの形態であり、分析及び観察のために
コンピュータ４６によって簡単に操作することができる。このシステムによって
作り出されたデジタルイメージは、多くの有用な用途を有する。例えばイメージ
は物体認識及び光学的検査のような、ＣＡＤ／ＣＡＭのアプリケーション又はコ
ンピュータビジョンのアプリケーションにおいて簡単に利用することができる。
【００２２】 例えば、三次元イメージは、原点のような基準位置に関する測定値だけでなく
物体の正確な寸法を示すこと(dimensioning)を容易にするために、座標系と共に
記憶させられる。コンピュータは、デジタルのイメージに基づく検査プロセスに
関係がある、距離、公差(tolerance)、及び他の寸法のパラメータを計算するこ とができる。イメージを物体認識の用途のために、前に記憶されたイメージと比
較することもできる。
【００２３】 本発明のイメージングシステムの分解能(resolution)は、記録の間の周波数セ
パレーション、レーザが調節された周波数バンドの幅、使用するアパーチャーの
大きさ、及びレンズの焦点距離を含む、多くの要因に依存する。レンジの分解能
は以下により与えられる。 ここで、ｃは光速であり、Δνはレーザが調節された総計の帯域幅である。シス
テムの角の分解能は、以下により与えられる。 ここで、λは公称の波長(nominal wavelength)であり、イメージングシステムの
Ｆ＃は「ｆ／ナンバー」であり、ｆは収束レンズ(collecting lens)３２の焦点 距離であり、及びＤはアパーチャー３６の直径である。また、エイリアシングの
影響のない明白なイメージ(unambiguous image)のために、明白なレンジ(unambi
guous range)は、イメージングしている物体のレンジの深さを超えなければなら
ない。明白なレンジは以下により与えられる。 ここで、上述のように、ｃは光速であり、Δνincは周波数の増分又はセパレー ションである。
【００２４】 本発明の光学的イメージングシステムは、平らな物体２６をイメージングする
ことにより調整される。作り出された三次元イメージは、同様に平らであろう。
本システムの光学的素子は、所望の結果が達成されるまで、増分されて再配置さ
れる。他には、調整はコンピュータ４６によって実行される後に処理するアルゴ
リズム(post-processing algorithms)により実施することができる。同様に、イ
メージングシステムの被写界深度を超えて広がる厚い物体のためには、コンピュ
ータ４６によってデジタルの再フォーカシングが可能である。記録されたイメー
ジは複素数値であるため、再フォーカシングは、それぞれのレンジのビン(bin) に、二次位相フィールド(quadratic phase field)を使用することによって実行 される。多くのアプリケーションでは、二次位相曲率(quadratic phase curvatu
re)は、フォーカシングされている特定のレンジのビンの中のレンジの関数とな るであろう。
【００２５】 ここで図２を参照すると、透過イメージング(transmission imaging)のための
三次元光学イメージングシステムの好適な実施形態の概略図が示されている。前
述のように、チューナブルレーザ５０は、時間的及び空間的にコヒーレントなエ
ネルギービーム５２を提供する。エネルギービーム５２は、反射ミラー５４によ
って向きを変えられ、ビームを物体ビーム６２と参照ビーム６４とに分けるビー
ムスプリッタ６０に当たる前に、ビームエキスパンダ５６及びビームコリメータ
５８に向かって伝播する。
【００２６】 物体ビーム６２は、透過性の物体６８を通過する前に、反射ミラー６６によって
向きを変えられる。ビームは、透過性の物体６８と相互作用し、及びそれにより
散乱させられ、それによって、散乱光線７０の一部がビーム合成素子(beam merg
ing element)７２に突き当たる、散乱エネルギー光線７０を形成する。参照ビー
ム６４は、以下に説明するように、参照ビーム６４と物体ビーム６２との間に相
対的な位相シフトを分け与えることができる位相シフトミラー７４に伝播する。
位相がシフトさせられたビームは、干渉縞を形成するためにそれが散乱光線７０
と結合するところであるビーム合成素子７２に突き当たるように向きを変えられ
る。
【００２７】 更に図２を参照すると、レンズ７６と７８とによって形成されたテレセントリ
ックイメージングシステムが、上記に説明した理由のために、円形のアパーチャ
ー８０と組合わされて、使用される。ここで、上記のように、干渉縞は、その干
渉縞を像平面８２上に結像させると同時に二次元フーリエ変換をその干渉縞に実
行する変換レンズ(transforming lens)７８を通して伝播する。ディテクタアレ イ８４は、結像した干渉縞を検出して変換するために、像平面８２の近傍に位置
させられている。コンピュータ８６は、上記に説明したように、三次元イメージ
を形成するために、結像した干渉縞を表わす信号を記録し処理するために、ディ
テクタアレイ８４と通信している。
【００２８】 ここで図３を参照すると、反射イメージングのための三次元光学イメージング
システムの他の実施形態が示されている。この実施形態では、チューナブルレー
ザ９０は、空間的及び時間的にコヒーレントな光学エネルギービーム９２を提供
する。エネルギービーム９２は、それが物体ビーム９６と参照ビーム９８とに分
けられるところである、部分的に反射するビームスプリッタ９４に伝播する。
【００２９】 物体ビーム９６は、前に説明したように物体ビーム９６の位相を参照ビーム９８
に関してシフトさせる、位相モジュレータ(phase modulator)１００を通して伝 播する。前述のように、位相シフタは、電気光学的な、音響光学的な、又は圧電
性のデバイスのような、多くの知られたデバイスのどれでもよい。位相がシフト
させられた参照ビームは、ビームを放射状に拡張させる発散レンズ(diverging l
ens)１０２を通して、そしてコリメートレンズ１０４を通して伝播する。ビーム
は、コリメートレンズ１０４から現れ、ほぼ平面の波面を有している。コリメー
トされたビームは、ミラー１０６に当たり物体１０８に突き当たるように向きを
変えられる。
【００３０】 図３を参照したままにおいて、エネルギーを散乱させ、それにより、参照数字
１１０によって大まかに示された散乱エネルギー光線を形成する物体１０８に入
射エネルギービームは突き当たり、それと相互作用する。散乱エネルギー光線の
一部は物体の点光源(object point source)１１４を形成するためその光線を焦 点に集める収束レンズ１１２の方に伝播する。円形のアパーチャー１１６は、焦
点の平面中に位置させられ、前に説明したように、透過光にアパーチャーの機能
を課すと同時にシステムの空間的帯域幅を拡張させる。好適には物体の点光源１
１４は、アパーチャー１１６の中心に位置させられる物体の点光源１１４におい
て一点に集めた後、光線は発散して一方向に透過性のビーム合成素子１１８に当
たり、そこで光線は参照ビーム９８と結合する。ビーム合成素子１１８は、技術
上周知であるように、一方向に伝播するほぼすべての入射光を透過する一方、反
対方向に伝播するほぼすべての入射光を反射する。
【００３１】 図３でも示すように、参照ビーム９８は、ビームを参照の点光源(reference p
oint source)１２２へビームを焦点に集める収束レンズ１２０を通して伝播する
。次に参照ビーム９８は物体の点光源１１４から発する発散光線と一致する方向
の入射参照ビームエネルギーのすべてを好適には反射するビーム合成素子１１８
に当たる前に、発散する。参照エネルギービーム及び物体エネルギービームは、
干渉縞を形成するために、ビーム合成素子１１８のところで結合する。好適には
、ビーム合成素子１１８は、参照ビーム９８及び物体の点光源１１４が、ビーム
合成素子１１８の同じ領域を照らすように、位置させられる。
【００３２】 更にまだ図３を参照すると、干渉縞は、その干渉縞を像平面１２６に結像させ
ると同時に二次元フーリエ変換を実行する変換レンズ１２４を通して伝播する。
このように物体１０８に似ている認識可能なイメージが、像平面１２６中に形成
される。二次元ディテクタアレイ１２８は、認識可能なイメージを検出するため
に、像平面１２６の近傍に位置させられる。ディテクタアレイは、電荷結合素子
（ＣＣＤ）アレイのような、技術上知られた種々のディテクタのどれでもよい。
ディテクタアレイ１２８は、結像した干渉縞を表わすデータを記憶し、処理する
ために、コンピュータ１３０に接続されている。通常、ディテクタアレイは、入
射エネルギーの強度に応答して、コンピュータ１３０によって簡単に処理される
電気信号を作り出す。
【００３３】 ここで図４を参照すると、本発明による、反射イメージングのための、三次元
光学イメージングシステムの他の実施形態が示されている。図１のシステムと同
様に、チューナブルレーザ１４０は、時間的及び空間的にコヒーレントなエネル
ギービーム１４２を提供する。ビームスプリッタ１４４は、エネルギービームを
物体ビーム１４６と参照ビーム１４８とに分ける物体ビーム１４６は、物体ビー
ム１４６を対物レンズ１５６の方に向きを変えるミラー１５４に当たる前に、位
相シフタ１５０及び発散レンズ１５２を通して伝播する。
【００３４】 図４でも示されるように、対物レンズ１５６を通過した後、物体ビーム１４２
は、物体ビーム１４２を散乱させる物体１５８に突き当たり、それと相互作用す
る物体１５８は、入射エネルギーの一部をアパーチャー１６０の方に反射する。
アパーチャー１６０を通過するエネルギーは、ビーム合成素子１６２を通して伝
播する。参照ビーム１４８は、参照の点光源１６４を形成する収束レンズ１６２
を通して伝播する。次に、参照ビーム１４８は、放射状に広がり、それが干渉縞
を形成するためにアパーチャー１６０を通過するエネルギーと結合するところで
あるビーム合成部材１６６に突き当たる。干渉縞は、干渉縞を像平面１７０に結
像させると同時に二次元フーリエ変換を実行する変換レンズ１６８を通して伝播
する。ディテクタアレイ１７２は、結像した干渉縞を検出して変換するために、
像平面１７０の近傍に位置させられる。ディテクタアレイ１７２は、前に説明し
たように、記録及び処理するために、コンピュータ１７４に接続される。
【００３５】 ここで図５を参照すると、大きい物体のイメージングをするために特に有用な
三次元光学イメージングシステムの更に他の実施形態が示されている。前の実施
形態のように、チューナブルレーザ１８０は、ビームスプリッタ１８４に突き当
たり、それによって物体ビーム１８６と参照ビーム１８８とに分けられる、時間
的及び空間的にコヒーレントなエネルギービーム１８２を作り出す物体ビーム１
８６は、ミラー１９２によって向きを変えられる前に、位相シフタ１９０を通過
する。前に説明したように、位相シフタ１９０は、普通の同相及び直角位相の検
出のために物体ビーム１８６の位相を参照１８８に関して変えることができる。
【００３６】 更に図５を参照すると、物体ビームは、ビームを分散させ、ほぼ平面の波面を
、参照数字１９６によって大まかに示されたほぼ球面の波面に変える発散レンズ
１９４を通して伝播する。球面の波面１９６は、入射エネルギーと相互作用し、
それを散乱させる大きい物体１９８を完全に照らす。散乱したエネルギーの一部
は、ビーム合成素子２０２に当たる前に、アパーチャー２００を通して伝播する
。参照ビーム１８８は、収束レンズ２０４を通して伝播し、それがそこから発散
してビーム合成素子２０２に当たるところである参照の点光源２０６への焦点に
集める。次に参照ビーム２８８は、干渉縞を形成するために、大きい物体１９８
からの反射エネルギーと結合する。
【００３７】 図５でも示されるように、変換レンズ２０８は、干渉縞を像平面２１０に結像
させると同時に、二次元フーリエ変換を実行する。ディテクタアレイ２１２は、
前述のように、結像した干渉縞を検出して変換するために、像平面２１０の近傍
に位置させられる。コンピュータ２１４は、三次元イメージを作り出すホログラ
フィーの情報を記録して処理するために、ディテクタアレイ２１２に接続される
。この実施形態では、像平面２１０にある検出されたイメージは、発散レンズ１
９４によって作り出された球面の波面１９６のために、標準的なデジタルの再マ
ッピングアルゴリズムによる処理を必要とする。デジタル再マッピングは、三次
元イメージを生成すると同時に、コンピュータ２１４によって実行される。
【００３８】 ここで図６を参照すると、透過性の媒体を通してイメージングするために特に
有用な本発明の更に他の実施形態が示されている。前述のように、チューナブル
レーザ２２０が、時間的及び空間的にコヒーレントなエネルギービーム２２２を
提供する。エネルギービーム２２２は、ビームを物体ビーム２２６と参照ビーム
２２８とに分けるスプリッタ２２４の方に伝播する。物体ビーム２２６は、位相
シフタ２３０、そしてビームを放射状に広げる発散レンズ(expanding lens)２３
２を通過する。広がったビームは、現れる光線が平面の波面にほぼ平行であるよ
うに、コリメートレンズ２３４を通過する。
【００３９】 更に図６を参照すると、コリメートされたビームは、それが透過性の物体２４
０を通過するように、ミラー２３６及び２３８によって向きを変えられる。ビー
ムは、透過性の物体２４０と相互作用し、それによって散乱させられ、それのエ
ネルギーの一部は収束レンズ２４２に突き当たる。収束レンズ２４２は物体の点
光源２４４を形成するように、透過したエネルギーを焦点に集める。好適には物
体の点光源２４４は、円形のアパーチャー２４６の中心に位置させられる。アパ
ーチャー２４６を通過する透過したビームは、ビーム合成素子２４８に当たる。
参照ビーム２２８は、収束レンズ２５０を通過して参照の点光源２５２を形成し
、その後広がってビーム合成素子２４８に当たる。広がる参照ビームは、干渉縞
を形成するために反射した物体ビームと結合する。変換レンズ２５４は、干渉縞
を像平面２５６に結像させると同時に、干渉縞に二次元フーリエ変換を実行する
。ディテクタアレイ２５８は、結像した干渉縞を検出して変換するために、像平
面の近傍に位置させられる。コンピュータ２６０は、前に説明したように、三次
元イメージを形成するため、結像した干渉縞を表わす信号を記録して処理するた
めに、ディテクタアレイ２５８と通信する。
【００４０】 ここで図７を参照すると、本発明による、物体の三次元イメージを形成するた
めの方法を図解するフローチャートが示されている。ステップ２８０は、時間的
及び空間的にコヒーレントな物体エネルギービームを、イメージングしようとす
る物体に突き当てて、それと相互作用させるために、導くステップを含む物体は
、エネルギービームを散乱させ、それによって散乱したエネルギービームを形成
する。ステップ２８２は、時間的及び空間的にコヒーレントな参照ビームを、ス
テップ２８０で作り出された散乱した光線と結合させ、それによって干渉縞を形
成するように、導くステップを含む。干渉縞の二次元フーリエ変換は、ステップ
２８４で、生成する干渉縞の伝播の経路中にレンズを差し挟むことによって作り
出される。レンズは、物体に似ている認識可能なイメージを作り出すために、干
渉縞を結像させる。
【００４１】 更に図７を参照すると、ステップ２８６は、好適には二次元ディテクタアレイ
によって物体に似ているとして認識可能な結像した干渉縞を検出するステップを
含む。一旦検出されると、イメージの数値表現は、コンピュータによる処理のた
めに、ステップ２８８で記録される。ステップ２９０は、すべての位相の増分が
完了したかどうかを決定するためのテストを表わす。増分された位相変化の数は
、システムの操作者によって予め決められるが、好適には普通の同相及び直角位
相の検出のために、π／２の増分を伴う４つの位相である。もし干渉縞が、所定
の位相のそれぞれに対して記録されていなかったら、物体ビームと参照ビームと
の間の相対的な位相は、ステップ２９２で変えられ、処理はステップ２８０で始
まるように反復される。
【００４２】 イメージが、所定の位相のそれぞれで記録される後、本方法は、干渉縞が所定
の周波数のすべてに対して記録されたかどうかを判断することにより、ステップ
２９４で同様に継続される。前に説明したように、利用される周波数の数は、イ
メージングされている特定の物体に依存する。３つの異なるソース周波数しか必
要としない物体もあれば、６４のソース周波数までを必要とするものもある。も
し干渉縞が、所定の周波数のすべてに対して記録されていなければ、ソース周波
数はステップ２９６で変更され、本方法はステップ２８０で始まるように反復さ
れる。所定のソース周波数のすべてでの記録が完了した後、記録された数値表現
が、ステップ２９８でコンピュータにより処理される。その処理は、二次元ディ
テクタアレイにより検出された複素数値の一次元フーリエ変換を計算し、それに
より分析及び観察のためにデジタルの形態で三次元イメージを生成することを含
む。
【００４３】 ここに示して説明した本発明の形態は、本発明の好適な実施形態を構成する一
方、それのすべての可能な形態を説明することを意図されたものではないことは
、もちろん理解される。使用される単語は、限定ではなく説明的であり、開示さ
れた本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を行うことができ
ることも理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明による、反射イメージングのための三次元光学イメージングシ
ステムの好適な実施形態の概略図である。
【図２】 図２は、本発明による、透過イメージングのための三次元光学イメージングシ
ステムの好適な実施形態の概略図である。
【図３】 図３は、本発明による、反射イメージングのための三次元光学イメージングシ
ステムの他の実施形態の概略図である。
【図４】 図４は、本発明による、より少ない光学素子を利用した、反射イメージングの
ための三次元光学イメージングシステムの他の実施形態の概略図である。
【図５】 図５は、本発明による、大きい物体をイメージングするために特に有用な、三
次元光学イメージングシステムの更に他の実施形態の概略図である。
【図６】 図６は、本発明による、透過性媒体(transmissive media)を通してイメージン
グするために特に有用な、三次元光学イメージングシステムの他の実施形態の概
略図である。
【図７】 図７は、本発明による、物体の三次元イメージを形成するための方法を説明す
るフローチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ， ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F065 AA53 FF52 GG04 GG06 GG23 GG25 HH12 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 LL04 LL09 LL12 LL30 LL46 LL53 LL57 LL59 NN06 QQ03 QQ16 QQ18 QQ23 2K008 AA04 BB04 BB06 CC03 EE01 EE04 FF21 FF27 HH01 HH18 HH24 HH28 5B057 BA05 BA06 BA19 CA08 CA12 CA16 CB13 CB17 CE20 DA07 DB03 DC34 DC36 5C061 AA29 AB02 AB03 AB06 AB08

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】物体の三次元イメージを形成する方法において、 ａ）前記エネルギービームを散乱させて散乱したエネルギー光線を形成するた
    めに前記物体に突き当たり、それと相互作用する、空間的及び時間的にほぼコヒ
    ーレントな物体エネルギービームを所定の経路に沿って導くステップと、 ｂ）干渉縞を形成するために前記散乱したエネルギー光線と結合する、空間的
    及び時間的にほぼコヒーレントで、前記物体エネルギービームとほぼコヒーレン
    トな参照エネルギービームを所定の経路に沿って導くステップと、 ｃ）前記物体に似ているとして認識できる、認識可能なイメージを作り出すた
    めに前記干渉縞を変換するステップと、 ｄ）前記物体のプレビュー及び配置のために、前記認識可能なイメージを検出
    するステップと、 ｅ）コンピュータによる処理のために、前記認識可能なイメージの数値表現を
    記憶するステップと、 ｆ）前記干渉縞を表わす複素数値を決定するために、前記物体エネルギービー
    ムの位相と前記参照エネルギービームの位相との間にある、複数の相対的な位相
    差のそれぞれに対してステップａ）からｅ）を反復するステップと、 ｇ）それぞれの反復に対してほぼ共通の周波数を有する前記物体エネルギービ
    ーム及び前記参照エネルギービームの複数の周波数のそれぞれに対してステップ
    ｆ）を反復するステップと、 ｈ）前記物体の三次元イメージを生成するために、前記記憶された数値表現を
    処理するステップと、を有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記干渉縞を変換する前記ステップは、前記干渉縞に二次元
    フーリエ変換を実行するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法
    。
  3. 【請求項３】 二次元フーリエ変換を実行する前記ステップは、前記干渉縞
    をレンズにより結像させるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方
    法。
  4. 【請求項４】 前記認識可能なイメージを検出する前記ステップは、二次元
    ディテクタに突き当てるために、前記イメージを導くステップを含むことを特徴
    とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記記憶された数値表現を処理する前記ステップは、それぞ
    れが前記物体上の点に関連する物理的パラメータを表わす複数の単一の値を作り
    出すために一連の前記記憶された数値表現に数の変換を実行するステップを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 数の変換を実行する前記ステップは、一次元フーリエ変換を
    実行するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  7. 【請求項７】 数の変換を実行する前記ステップは、高速フーリエ変換を実
    行するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  8. 【請求項８】 数の変換を実行する前記ステップは、離散フーリエ変換を実
    行するステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記ステップｇ）は、前記物体及び参照エネルギービームの
    少なくとも３つの周波数に対して実行され、及び前記記憶された数値表現を処理
    する前記ステップは、それぞれの方程式が前記物体及び参照エネルギービームの
    少なくとも３つの周波数の内の２つの間の周波数の差に対応する、複数の連立方
    程式を解くステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記処理は、それぞれが前記物体上の点に関連する物理的
    パラメータを表わす複数の単一の値を作り出すために数の変換を一連の前記記憶
    された数値表現に実行するステップと、 前記物体の前記三次元イメージをデジタル的に再結像させるために前記複数の
    単一の値のそれぞれに二次位相フィールドを使用するステップとを含むことを特
    徴とする請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記三次元イメージを、第２の物体を表わす記憶されたデ
    ータセットと、それらの間の相関を決定するためにデジタル的に比較し対比する
    ステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記物体エネルギービーム及び前記参照エネルギービーム
    は電磁波を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記物体エネルギービームを導く前記ステップは、前記参
    照エネルギービームの光路長とほぼ一致するように、前記物体エネルギービーム
    の光路長を補償するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記物体エネルギービーム及び前記参照エネルギービーム
    は、音波を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記物体エネルギービームを導くステップは、前記参照エ
    ネルギービームの所定の経路の長さとほぼ一致するように、前記物体エネルギー
    ビームの所定の経路の長さを補償するステップを含むことを特徴とする請求項１
    ４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】物体の三次元イメージを形成するためのシステムにおいて、 お互いにほぼコヒーレントであり、空間的及び時間的にほぼコヒーレントであ
    る、物体エネルギービーム及び参照エネルギービームを提供するためのエネルギ
    ーソースと、 前記物体エネルギービームを、前記物体に突き当たってそれと相互作用するよ
    うに伝播の所定の経路に沿って導くための手段であって、前記相互作用は散乱し
    たエネルギー光線を形成するために前記エネルギービームを散乱させる手段と、 前記参照エネルギービームを、前記散乱したエネルギー光線と結合して干渉縞
    を形成するように所定の経路に沿って導くための手段と、 前記物体に似ているとして認識できる、認識可能なイメージを作り出すように
    前記干渉縞を変換するための手段と、 前記物体をプレビュー及び配置するため、前記認識可能なイメージを検出する
    ためのディテクタと、 処理のために前記認識可能なイメージの数値表現を記憶するためのメモリと、 前記干渉縞を表わす少なくとも１つの複素数値を決定するために、前記物体エ
    ネルギービームの位相と前記参照エネルギービームの位相との間にある、複数の
    相対的な位相差を導くための手段と、 前記物体エネルギービーム及び前記参照エネルギービームの複数の周波数を生
    成するための手段と、 前記物体の三次元イメージを生成するように、前記記憶された数値表現を処理
    するためのコンピュータと、を有することを特徴とするシステム。
  17. 【請求項１７】 前記エネルギーソースは、電磁放射ソースを含むことを特
    徴とする請求項１６に記載のシステム。
  18. 【請求項１８】 前記電磁放射ソースは、チューナブルレーザであることを
    特徴とする請求項１７に記載のシステム。
  19. 【請求項１９】 前記エネルギーソースは、音波ソースを含むことを特徴と
    する請求項１６に記載のシステム。
  20. 【請求項２０】 前記物体エネルギービームを導くための前記手段は、 前記物体エネルギービームを放射状に広げるための前記所定の経路中に差し挟
    まれたエネルギー発散部材と、 前記物体に突き当たるように前記広がった物体エネルギービームの向きを変え
    るため、前記エネルギー発散素子と前記物体との間に配置されたエネルギー反射
    部材と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
  21. 【請求項２１】 前記参照エネルギービームを導くための前記手段は、 エネルギーのほぼ点光源を提供するように前記参照エネルギービームを焦点に
    集めるための焦点距離を有するエネルギー収束部材と、 前記散乱したエネルギー光線と干渉するように前記参照エネルギービームの向
    きを変えるため、前記エネルギー収束部材から、前記エネルギー収束部材の前記
    焦点距離より大きい距離にある、前記エネルギー収束部材と前記ディテクタとの
    間で前記参照エネルギービームの経路中に差し挟まれたエネルギー反射部材と、
    を含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
  22. 【請求項２２】 変換するための前記手段は、前記干渉縞の二次元フーリエ
    変換を生成するために、エネルギー収束部材を含むことを特徴とする請求項１６
    に記載のシステム。
  23. 【請求項２３】 前記ディテクタは、前記認識可能なイメージの強度を表わ
    す信号を生成するための二次元アレイを含むことを特徴とする請求項１６に記載
    のシステム。
  24. 【請求項２４】 複数の位相差を導くための前記手段は、前記物体エネルギ
    ービーム及び前記参照エネルギービームの内の１つの経路中に差し挟まれた圧電
    性セルを含むことを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
  25. 【請求項２５】物体の三次元イメージを形成するための光学システムにおい
    て、 時間的及び空間的にコヒーレントなレーザビームを提供するためのチューナブ
    ルレーザソースと、 前記レーザビームを、それぞれが異なる伝播経路を有する参照ビームと物体ビ
    ームとに分けるためのビームスプリッタと、 ほぼ単一の点光源を提供するように前記参照ビームを焦点に集めるための、前
    記参照ビームの経路中に差し挟まれた参照ビームレンズと、 前記物体ビームの位相を前記参照ビームに関して変化させるための、前記物体
    ビームの経路中に差し挟まれた位相モジュレータと、 異なる伝播経路を有する散乱した光線を形成するよう前記物体に突き当たりそ
    れと相互作用するように前記物体ビームの向きを変えるための、前記位相モジュ
    レータに続いて前記物体ビームの経路中に差し挟まれた少なくとも１つのミラー
    と、 前記散乱した光線の一部の伝播を遮断するための、前記少なくとも１つのミラ
    ーに続いて前記散乱した光線の経路中に差し挟まれた、アパーチャーを有する遮
    断部材と、 前記参照ビームレンズに続いて前記参照ビームの経路中に差し挟まれ、また前
    記アパーチャーに続いて差し挟まれたビーム結合部材であって、前記ミラーは、
    干渉縞を形成するように前記遮断部材を通して伝播する前記光線と結合し、それ
    と干渉するために、前記参照ビームの向きを変えるように働くビーム結合部材と
    、 前記干渉縞に二次元フーリエ変換を実行するように前記干渉縞を焦点に集める
    ための、前記ビーム結合部材に続いて差し挟まれた有限の焦点距離を有する変換
    レンズと、 前記変換レンズに続いて、前記変換レンズの前記焦点距離にほぼ等しい距離に
    位置させられ、前記干渉縞を特徴づける信号を生成するように働く、前記物体の
    認識可能なイメージを検出するための二次元ディテクタアレイと、 前記物体の三次元イメージを生成するような前記信号を処理するための、前記
    ディテクタアレイに動作的に接続されたコンピュータと、を有することを特徴と
    する光学システム。
  26. 【請求項２６】 前記物体ビームを放射状に広げるための、前記位相モジュ
    レータと前記少なくとも１つのミラーとの間で、前記物体ビームの経路中に差し
    挟まれたビームエキスパンダを更に含むことを特徴とする請求項２５に記載のシ
    ステム。
  27. 【請求項２７】 有限の焦点距離を有するコリメートレンズであって、前記
    レンズは、前記ビームエキスパンダと前記少なくとも１つのミラーとの間で、前
    記物体ビームの経路中で、前記ビームエキスパンダから前記コリメートレンズの
    焦点距離とおよそ等しい距離に差し挟まれたコリメートレンズと、 ほぼ単一の点光源を形成するように前記散乱した光線を焦点に集めるように働
    く、前記物体と前記遮断部材との間で、前記遮断部材から対物レンズの焦点距離
    とおよそ等しい距離に差し挟まれた有限の焦点距離を有する前記対物レンズと、
    を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
  28. 【請求項２８】 イメージングしている前記物体は光を通し、及び、前記少
    なくとも１つのミラーは、前記物体と相互作用し、散乱した光線を形成するため
    に、前記物体ビームを、前記物体に突き当て、それを通して伝播させるように位
    置させられることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
  29. 【請求項２９】 散乱した光線を形成するため前記物体に突き当たり、それ
    と相互作用するように、前記物体ビームを放射状に縮小し、前記物体ビームの向
    きを変えるための、前記少なくとも１つのミラーと前記物体との間に差し挟まれ
    た収束レンズを更に含むことを特徴とする請求項２６に記載のシステム。
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