JP2012518787A - 干渉測定システムのための高速位相シフトを行う装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
光ビームの位相シフトを高速に行う方法及び装置について記述する。
【解決手段】
異なる光学的厚さを持った複数の領域を備える透明プレートを、当該領域に延びる入射経路に沿って移動する前記光ビームにより照明する。前記透明プレートを移動させるか、又は前記光ビームを偏向させることにより、入射経路を生成する。前記透明プレートを出射する前記光ビームは、当該光ビームが入射した領域に応じた瞬間位相値を持つ。好ましくは、前記位相値は、再現性があり、対応する領域内における光ビームの入射位置にかかわらず安定しており、かつ、高速な変調速度で位相変化を発生させることができる。本方法及び装置は、干渉縞投影システムなどにおいて、一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調するのに用いることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に光ビームの高速位相シフトに関し、特に、３次元イメージングシステムに用いる干渉縞パターンの高速位相シフトに関する。

縞干渉法に基づく高精度の非接触３次元（３Ｄ）測定法は、多くの工業用途向けに開発されている。一般に、測定は、大きな体積にわたり低速のデータ取得を行うことで実施される。医療や歯科における画像取得のような種々の用途では、３Ｄイメージングシステムは、通常、空間解像度が高いこと及び測定時間が短いことが要求される。さらに、多くのシステムでは、専門技術者、医師、及び歯科医師などのオペレータが使用できるように、そのサイズに制約がある。本願において参照しその内容を包含する米国特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／８０９４０号には、小型３Ｄイメージングシステムの例が記載されている。

上記の制約を満たす従来のシステムでは、測定対象であるオブジェクトの表面に投影された縞（フリンジ）を高精度で移動（すなわち位相シフト）させなければならないことから、その測定速度が制限される。いくつかのシステムでは、フリンジプロジェクタの構成部分をサブミクロン精度で移動させる。他のシステムでは、フリンジプロジェクタを小さくステップ移動させるための高精度モータを必要とする。例えば、米国特許第４，９６４，７７０号は、歯の表面に縞（ストライプ）のパターンを投影する３Ｄ測定システムを開示している。縞パターンの画像を一つ取得すると、ストライププロジェクタを次の位置へ移動させ、移動後の位置で次の縞パターンの画像が取得される。したがって、このシステムは、データ取得の期間全体にわたって、ストライププロジェクタの移動が高精度に行われること、プロジェクタの位置設定が安定であること、及びオブジェクト（歯）が安定であること、に依存している。

高精度の非接触３Ｄ測定システムには、測定対象であるオブジェクトから散乱したコヒーレント光をコヒーレント参照光と結合させて検出器アレイの位置で干渉縞を発生させるものがあるが、このような一部のシステムでは、位相測定干渉法（ＰＭＩ）が使用されている。参照光ビームの位相を変化させ、種々の位相値における干渉縞の画像が取得されるのである。

このようなアコーデオン縞干渉法（ＡＦＩ）は、例えば、米国特許第5,870,191号に記載されており、本願はこれを参照することによりその内容を包含するものであるが、この干渉法では、測定対照であるオブジェクトに干渉縞を投影するための、２つの近接して配置されたコヒーレント光源を備えたフリンジプロジェクタ（縞プロジェクタ）が使用される。２つの光源の位相差に対し２つ（又はそれ以上）の高精度なシフトを発生させ、３つ（又はそれ以上）の位相差についての干渉縞の画像を少なくとも一つ取得する。位相シフトを発生させる方法として、回折格子を高精度に平行移動させる方法と、光ファイバを高精度に位置変更する方法とがある。

いずれの方法も、機械的な平行移動メカニズムのサブミクロン精度の位置安定性に依存しており、これらの方法を用いたシステムは、移動メカニズムの設定時間に依存してデータ取得速度が制限される。

一つの態様では、本発明は、光ビームの位相を変調する方法である。異なる光学的厚さを持つ第１の領域と第２の領域とを有する透明プレートが、第１の領域にある入射経路の第１のセグメントに沿って、光ビームにより照明される。光ビームは、透明プレートの第１の領域を伝搬した後、当該第１の領域の光学的厚さにより決定される位相を持つものとなるが、第１の領域内のどこに入射したかには依存しない。透明プレートは、第２の領域においては、入射経路の第２のセグメントに沿って光ビームにより照明される。入射経路の第１及び第２の経路は、第１の領域と第２の領域との間の境界部分を横切る連続経路となっている。第１の領域と第２の領域との間の切り替え時間（switching time）は、第１及び第２の領域のそれぞれにおける光ビームの通過時間よりも十分短い。光ビームは、透明プレートの第２の領域を伝搬した後、当該第２の領域の光学的厚さにより決定される位相を持つものとなるが、第２の領域内のどこに入射したかには依存しない。

他の態様では、本発明は、光ビームの高速位相シフトを行う装置である。この装置は、第１及び第２の領域を有する透明プレートを備える。各領域は、互いに異なる光学的厚さを有している。この装置は、また、透明プレートを通過する光ビームの入射位置を移動させるための相対移動メカニズムも有している。入射位置は、第１及び第２の各領域の少なくとも一部を通って延伸する連続経路に沿って移動される。第１の領域と第２の領域の間での光ビームの遷移時間（transition time）は、２つの領域のそれぞれにおける光の通過時間よりも、実質的に短い。光ビームは、透明プレートの各領域を通過した後は、それぞれの領域に対応する光学的厚さにより決定される位相を持つものとなる。この位相は、それぞれ対応する領域における光の入射位置には依存しない。

また他の態様では、本発明は、一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する方法である。一対のコヒーレント光により、透明プレートに対する第１回目の照明が行われる。透明プレートは、第１の光学的厚さを持つ第１の領域と、第２の光学的厚さを持つ第２の領域とを有している。各コヒーレント光ビームは、第１及び第２の領域のいずれかから透明プレートに入射し、透明プレートから出射するときには、一対のコヒーレント光ビームの位相差は第１の値となっている。次に、一対のコヒーレント光により、透明プレートに対する第２回目の照明が行われる。この照射は、コヒーレント光ビームの一つが第１回目の照射時とは異なる領域に入射され、透明プレートを出射するときに一対のコヒーレント光ビームの位相差が第２の値を持つように行われる。さらに、一対のコヒーレント光により、透明プレートに対する第３回目の照明が行われる。この照射は、コヒーレント光ビームの一つが第２回目の照射時とは異なる領域に入射され、透明プレートを出射するときに一対のコヒーレント光ビームの位相差が第３の値を持つように行われる。

さらに他の態様では、本発明は、一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する装置である。この装置は透明プレートを備え、当該透明プレートは、第１の光学的厚さを持つ第１の領域と第２の光学的厚さを持つ第２の領域とを有している。透明プレートは、一対のコヒーレント光ビームが入射されるように配置されている。この装置は、また、当該透明プレートに結合された循環動作メカニズムも備えている。循環動作メカニズムは、面方向の移動を行うように設けられている。各コヒーレント光ビームはそれぞれ、第１又は第２のいずれかの領域から透明プレートに入射し、入射した対応する領域の光学的厚さに従って位相が遅れる。コヒーレント光ビームがそれぞれ入射した位置は、上記面方向の移動により形成される循環経路に沿って移動し、各コヒーレント光ビームの入射位置が第１の領域と第２の領域の間を移動するにつれ、これら２つの領域の光学的厚さに従って、コヒーレント光ビーム同士の位相差が周期的に変調される。

さらに他の態様では、本発明は、フリンジ照射（縞照射）とイメージング（画像取得）とを行うシステムである。このシステムは、透明プレートと、循環移動メカニズムと、撮像装置（imager）と、制御モジュールと、を有している。透明プレートは、一対のコヒーレント光ビームが入射されるように配置され、第１の光学的厚さを持つ第１の領域と、第２の光学的厚さを持つ第２の領域とを有している。循環移動メカニズムは、透明プレートに結合され、面方向に移動するように配置されている。各コヒーレント光ビームは、それぞれ、第１及び第２の領域の一方から透明プレートに入射し、入射した領域の光学的厚さに従って、それぞれ位相遅れを生ずる。各コヒーレント光ビームの入射位置は、上記面方向の移動により形成される循環経路に沿って移動し、コヒーレント光ビーム同士の位相差が周期的に変調される。この位相差の変調は、各コヒーレント光ビームの入射位置が第１の領域と第２の領域の間を移動するにつれて、これら２つの領域間の光学的厚さの違いにより発生する。透明プレートを出射したコヒーレント光ビームが表面に照射されて、当該表面上に縞パターンを形成する。撮像装置は、この縞パターンの画像を取得するように配置される。制御モジュールは、循環動作メカニズム及び撮像装置と電気通信を行い、両者を同期させて各位相差における縞パターンの画像を取得する。

図１Ａは、位相板を照明する光ビームの入射経路を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａに示す光ビームについての４回の照明ｔ１、ｔ２、ｔ３、及びｔ４における、当該光ビームの入射位置を示す図である。 図１Ｃは、図１Ａに示す光ビームの、位相板を出射後の位相を時間の関数として示した図である。 図２は、本願の一実施形態に従って一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する３Ｄ測定システムを示す図である。 図３は、本発明に係る、一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する装置を含む、干渉縞プロジェクタの実施例を示す図である。 図４は、本発明に係る干渉縞プロジェクタの他の実施例を示す図である。 図５Ａは、図４に示す位相板の一例の、前面図である。 図５Ｂは、図４に示す位相板の一例の、側面図である。 図６Ａは、図４に示す仮想光源に対し図５に示す位相板を第１の位置としたときの状態を示す図である。 図６Ｂは、図４に示す仮想光源に対し図５に示す位相板を第１の位置と異なる第２の位置としたときの状態を示す図である。 図６Ｃは、図４に示す仮想光源に対し図５に示す位相板を、第１及び第２の位置と異なる第３の位置としたときの状態を示す図である。 図７Ａは、図６Ａに示す位置に位相板を配したときに、一つの半導体レーザによりオブジェクト平面に生成される縞パターンを示す図である。 図７Ｂは、図７Ａに示す縞パターンの垂直断面における輝度変化を示す図である。 図８Ａは、図６Ｂに示す位置に位相板を配したときに、一つの半導体レーザによりオブジェクト平面に生成される縞パターンを示す図である。 図８Ｂは、図８Ａに示す縞パターンの垂直断面における輝度変化を示す図である。 図９Ａは、図６Ｃに示す位置に位相板を配したときに、一つの半導体レーザによりオブジェクト平面に生成される縞パターンを示す図である。 図９Ｂは、図９Ａに示す縞パターンの垂直断面における輝度変化を示す図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る、２つのコヒーレントビーム間の位相差を変調するための軌道変更メカニズム（orbital translation mechanism）と共に用いることのできる位相板の例を示す図である。 図１１は、本発明の一実施形態に係る、図１０に示す位相板を軌道変更メカニズムに取り付けた状態を示す図である。 図１２は、図１１に示す位相板と軌道変更メカニズムを使用した時に、１回の軌道サイクル間に生ずるイベントの同期を示すタイミングチャートである。 図１３は、図１２に示す画像取得期間における、仮想光源の固定位置に対する、図１１の位相板の相対位置を示す図である。

下記に示す説明を添付図面と共に参照することにより、本発明についての上述した利点及びその他の利点をさらによく理解することができる。添付図面においては、種々の図において同様の構成要素には同様の番号を付している。各図は、必ずしも同じ縮尺で描かれてはおらず、発明の原理を示す代わりに必ずしも強調表示が行われているというわけではない。

要するに、本発明は、光ビームの位相を高速に変調する方法及び装置に関する。互いに異なる光学的厚さを持つ領域を備えた透明プレートが、光ビームにより照明される。光ビームは、異なる領域内にあるセグメントを含む経路に沿って入射する。この経路は、透明プレートに対して光ビームが相対的に移動することにより形成される。例えば、光ビームを偏向（steer）させてもよいし、透明プレートを移動させてもよい。透明プレートを通過した光ビームの位相は、そのビームが現在入射している領域の光学的厚さに応じて定まる。領域内における光学的厚さの平坦度は一定であるので、領域内における入射位置が変わったとしても、光がその領域内に入射する限り光ビームの位相は一定している。透明プレートの移動や光ビームの偏向を素早く行うことにより、位相値を高速に切り換えることができる。

図１Ａ及び１Ｂは、それぞれ、相異なる４つの光学的厚さをそれぞれ有する４つの領域（領域ＡないしＤ）を持った位相板２の、前面図及び平面図である。位相板２は、光学品質の透明プレートで構成されている。各領域の光学的厚さは、当該領域における当該プレートの物理的な厚さに応じて定まる。図示するように、領域Ａはプレートの厚さＴと光学ガラスの屈折率との積で定まる光学的厚さを有している。領域Ｂ、Ｃ、及びＤは、物理的厚さが段階的に小さくなっており、したがって光学的厚さも段階的に小さくなっている。他の実施形態では、位相板２は公称の（名目上の）厚さを有し、これより大きい厚さを持つ一つ又は複数の領域を有する。他の代替の実施形態では、各領域が同じ物理的厚さを持ち、各領域の屈折率が互いに他の領域の屈折率と異なっている。

位相板２は、光学品質の透明なプレート又はウィンドウに対し、その物理的な厚さが空間的に変化するように標準的なイオンミリング加工を施すことにより、所望の空間的な変化を持つ光学的厚さを備えるものとして作製することができる。隣接する領域との間の遷移部分の幅は、1μm以下とすることができる。位相板２を通過するビーム８の位相遅れ量は、ビーム８の波長と、当該領域のプレート厚さの差と、位相板２の屈折率とにより定まる。

図１Ａは、位相板２の前面４を照明する光ビーム８の、入力経路４を示す図である。経路４は、図示左から右に向かって時間的に連続的に移動する光の瞬間的な入射位置によって定義される。入射位置は、位相板２を移動させるか、又は光ビーム８を偏向させることにより、変化させることができる。経路４は、４つのセグメント４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、及び４Ｄを含み、各セグメントは、それぞれ対応する領域における経路４の位置を示している。ここで、通過時間を、入射位置が一の領域に入ってから当該領域を抜け出るまでの時間として定義すると、この通過時間は、一の一定な位相遅れ量から他の一定な位相遅れ量に切り替わる遷移時間よりも大幅に長い。個々の４つの入射位置は、時刻t1、t2、t3、及びt4で示されている。図１Ｂは、４つの各時刻t1、t2、t3、及びt4における入射光ビーム８の位置を例示した図である。

図１Ｃは、光ビーム８’が位相板２を出射したときの当該光ビームの位相を時間関数として示した図である。位相は、ビーム８が入射した領域の光学的厚さに依存しており、したがって、４つの異なる位相値が得られる。位相は、光ビーム８が一つの領域内に留まっている限り、当該領域内における入射位置にかかわらず、非常に安定している。例えば、一つの領域における位相の変化は、可視光波長においては0.1°未満である。この位相の安定度は、各領域の厚さの均一性によるものである。さらに、ビーム８’の位相は、ビーム８が一つの領域内に留まっている限り、入射位置の変化速度には依存しない。位相板２を抜け出る光ビーム８’の位相は、入射位置が一の領域から隣接する領域へ移動するとき、すなわち、経路４が一のセグメントから次のセグメントへ遷移するときに、急峻に変化する。位相の変化速度は、位相板２におけるビームサイズ（例えば、直径）と、隣接する領域間における光学的厚さの変化部分の幅（有限値）と、プレート表面６に沿って入射位置が移動する速度とにより定まる。したがって、位相量を急峻に切り換えるには、入射位置の移動速度を速くするのが望ましく、また、位相板におけるビームサイズを、領域の横方向長さに比べて小さくすべきである。例えば、移動速度を100 mm/secとし、ビームサイズを1 μmとすると、切り替え時間は10 μsecとなる。ビームサイズを小さくするには、光ビームをプレート表面６上又はその近傍で集束させればよい。

一部の実施形態では、光ビーム８は、プレート表面６上又はその近傍で集束されて、位相を２つの一定値の間で遷移させる時間を短縮する。これに代えて又は追加して、位相板２を高速で移動させて、位相の遷移時間を短縮することができる。

代替の実施形態として、光ビーム８を、ビームディレクタ（beam director）により偏向させて所望の入射経路４を生成することもできる。例えば、ビームディレクタとして、電気的な制御によりビーム８を高速かつ反復的に偏向させることのできる音響光学変調器（acousto-optic modulator）を使用することができる。他の例として、ビームディレクタを、入射経路４に沿って光ビーム８を偏向させることのできる可動ミラー又は屈折素子とすることができる。

上述した位相板２は、異なる光学的厚さを持つ直線的に配置された領域を有するが、領域を他の幾何学的配置により構成することもできる。さらに、入射経路４は、直線的である必要はなく、特定の幾何学的配置で構成された領域に対し、出力される光ビーム８’の位相が所望の時間特性（すなわち、“位相プロファイル”）を持つように、任意の二次元経路とすることができる。さらに他の実施形態では、入射位置の移動速度は、所望の位相プロファイル及び又は領域の幾何学的配置にしたがって変化する。

高精度の位相シフトを実現するための従来の手法として、圧電アクチュエータを用いてミラー等の光学素子の位置を調整する方法がある。しかしながら、圧電アクチュエータを用いた場合、位相値の変化は、通常、数ミリ秒又はそれ以上の時間が必要となる。これに対し、ニオブ酸リチウム（lithium niobate）変調器は、1 GHzを超える速度で光ビームの位相を変化させることができる。しかしながら、電気光学変調器は、一般に、位相制御の精度が非常に悪い。さらに、電気光学変調器の位相安定度は、一般に環境条件に依存し、したがって、正確な位相制御を行う用途では、通常、温度制御を行う必要がある。図１に示す位相板２のガラス厚の偏差は、一般に小さい（すなわち、光ビーム８の波長より小さい量）ので、相当大きな温度変動があっても、位相シフトの精度は事実上低下することはない。したがって、例示した位相板２は、相対位置を変化させる移動メカニズム、すなわちビームディレクタ又は移動メカニズムと共に用いることにより、従来の位相シフト手法では得られないほどの、高精度の位相シフトと高い切り替え帯域幅（switching bandwidth）を実現することができる。

本発明に係る方法及び装置は、干渉縞投影装置（interferometric fringe projection）や、物体表面上にある各点の位置情報を取得する３Ｄ・ＡＦＩ測定システムなどの画像システム（imaging system）に用いることができる。このような3D測定システムは、歯のエナメル質表面、象牙質構造、歯肉組織、及び種々の歯科構造（例えば、ポスト、インサート、充填物）などの、歯科における口腔内表面の画像取得の用途に用いることができる。本方法及び装置を用いれば、従来の干渉縞投影デバイス内に採用されているメカニズムに関連した整定時間（settling time）についての諸問題を生ずることなく、高精度の3D測定を実行することができる。

図２は、本発明の実施形態に従って一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する、AFI測定システムなどの3D測定システムの一例を示す図である。２つのコヒーレント光ビーム１４Ａ及び１４Ｂ（１４と総称する）がフリンジプロジェクタ１８により生成され、これにより、干渉縞パターン２６によりオブジェクト２２の表面が照明されている。オブジェクト２２の縞パターンの画像は、イメージングシステム又はレンズ３０により、光検出器３４のアレイを含む撮像装置上に形成される。例えば、検出器アレイ３４は、２次元の電荷結合型デバイス（CCD、charge coupled device）によるイメージングアレイとすることができる。出力信号は、検出器アレイ３４により生成され、プロセッサ３８に供給される。この出力信号は、アレイ３４内の各光検出器で受信された光の強度に関する情報を含んでいる。オプションである偏光子４２は、散乱光の主たる偏光成分の方向と一致するように配置される。制御モジュール４６は、フリンジプロジェクタ１８から出力される２つのコヒーレント光ビーム１４のパラメータを制御する。制御モジュール４６は、２つのビーム１４の位相差を調整する位相シフトコントローラ５０と、オブジェクト２２における干渉縞のピッチ、すなわち間隔を調整する空間周波数コントローラ５４を備えている。

干渉縞の空間周波数は、フリンジジェネレータ１８内においてコヒーレント光を生成する２つの仮想光源の間隔と、当該仮想光源からオブジェクト２２までの距離と、出力光の波長とにより定まる。ここで仮想光源とは、本明細書では、どこか別の場所に配置されている実際の光源の位置ではなく、あたかもその光の発生場所であるとみなすことのできる点を意味する。プロセッサ３８と制御モジュール４６とは互いに通信して、位相差及び空間周波数の変化に対し、光検出器アレイ３４からの信号の処理を調和させる。また、プロセッサ３８は、縞パターン画像に従ってオブジェクト表面の３次元情報を生成する。

一の実施形態では、フリンジプロジェクタ１８は、位相シフトコントローラ５０により制御される循環移動メカニズムに取り付けられた位相板を備えている。この位相板は、光学的厚さについての公称値を持ち、これと異なる光学的厚みを持つ一つ又は複数の領域を有している。したがって、この位相板の表面に入射する光ビームの位相は、光学的厚みの異なるどの位置に入射するかにより、入射光ビームの位相に対し、遅れ又は進みを生ずる。ビーム１４の間で３つの異なる位相差を生じさせるため、光学的厚さの公称値を持ち、かつ、当該公称値と異なる光学的厚さを持つ一つ又は複数の領域を備えた位相板は、次のような状態となるように、３つの個別の位置に配置される：
ａ）２つのビーム１４が公称の光学的厚さを持つ位置を通過する。
ｂ）一つのビーム１４Ａは、公称の光学的厚さの位置を通過し、他の一のビーム１４Ｂは、これと異なる光学的厚さを持つ領域を通過する。
ｃ）一つのビーム１４Ａは、公称値と異なる光学的厚さを持つ領域を通過し、他の一のビーム１４Ｂは、公称の光学的厚さの位置を通過する。
一の実施形態では、ビーム１４のうちの一のビームの入射位置に入射するビームが異なる光学的厚さを持つ領域をまたいだとき、ビーム１４間の位相差が１２０°シフトするように、２つのプレート厚さの差が選択される。

図３は、一対のコヒーレント光ビーム１４の位相差を変調する装置を備えた、干渉縞プロジェクタ５８の一実施形態を示す図である。この装置は、位相差を急峻に変化させつつ、位相変化後の位相差を安定かつ正確に維持することができる。フリンジプロジェクタ５８は、半導体レーザ６２と、コリメーティングレンズ６６と、回折格子７０と、集束レンズ７４と、デュアル・ピンホール・マスク７８と、異なる光学的厚さの領域を持つ位相板８２と、を備えている。半導体レーザ６２は、コヒーレント光の発散ビームを出力し、当該発散ビームはコリメーティングレンズ６６により平行ビームに変換される（コリメートされる）。コリメートされたビームは回折格子７０に入射し、一つの軸に沿って回折されて異なる次数を持つ複数のビームを生成する。集束レンズ７４は、各回折光ビームについて、ピンホールマスク７８の位置にビームウェスト（すなわち、仮想光源）を生成する。＋１次及び−１次の回折光ビームについての、ビームウェスト７６Ａ及び７６Ｂ（すなわち、仮想光源。総称して７６とする）は、ピンホールの穴の中に存在し、したがって、これらのビームはマスク７８を通過する。しかし、高次の回折光ビームはブロックされる。位相板８２はマスク７８に近接して配置され、仮想光源７６から延びた２つのビームの、位相板７８における横断面積が、厚さの異なる領域の横方向長さに対して小さくなっている。このため、位相板８２を高精度に位置決めする必要はなく、画像取得期間に位相板８２が移動しても、測定精度には影響しない。

図４は、本発明に係る干渉縞プロジェクタ８４の他の実施例を示す図である。フリンジプロジェクタ８４は、図３に示す単チャネルのフリンジプロジェクタ５８と同様の構成要素を備えている。ただし、追加の半導体レーザ６２Ｂ、コリメーティングレンズ６６、および回折格子８６が折り返しミラー８８と共に用いられ、第２の光経路を構成している。２つの半導体レーザ８２は、実質的に同じ波長で動作する。半波長（λ/2）板９０は、下部半導体レーザ６２Ｂからの出射光の偏光を回転させ、偏光依存型光分岐器９４は、２つの半導体レーザ６２からの出射光を結合して一つの共通の光経路を形成する。２つの回折格子７０及び８４のピッチは異なっており、したがって、各半導体レーザ６２についての各次数の回折光ビームの角度は、互いに異なっている。このピッチは、ピンホールマスク７８の孔の大きさと位置に応じて選択されたものであり、半導体レーザ６２の＋１次及び−１次の回折光ビームは孔を通過するが、これより高次の回折光ビームはブロックされるようになっている。

＋１次と−１次の回折光ビームの角度は、２つの半導体レーザ６２で異なっているため、上部ピンホール孔における２つの仮想光源７６Ａ及び９６Ａの位置は異なるものとなる。同様に、下部ピンホール孔における２つの仮想光源７６Ｂ及び９６Ｂの位置も異なるものとなる。このため、一の半導体レーザ６２Ａについての仮想光源７６の間隔と、他の一の半導体レーザ６２Ｂについての仮想光源９６の間隔とは異なるものとなり、２つの縞パターンの空間周波数は異なるものとなる。

動作時は、一の半導体レーザ６２Ａが有効となり、他の半導体レーザ６２Ｂは無効となって、一対の仮想光源７６に対応する一つの縞パターンのみが発生する。次に、有効となっている半導体レーザ６２Ａを無効とし、他の半導体レーザ６２Ｂを有効にして、第１２の仮想光源９６のペアを作用させて第２の縞パターンを生成する。

図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、図４に例示する位相板８４の、前面図と側面図である。位相板８２’は公称厚さＴ１を有し、これよりも小さい厚さＴ２を有する２つの領域９８Ａ及び９８Ｂ（総称して９８とする）を備えている。厚さの差ΔTは、半導体レーザの波長と位相板８２’の屈折率とに基づいて、ビーム１４間の位相差に所望の変化を与えることができるように選択されている。一つの例では、半導体レーザ６２は405 nmで動作し、位相板８２’は、屈折率が1.4696、公称厚さｔ１が2.28 mmであるコーニング社製7980UVグレード溶融石英（Corning 7980 UV Grade Fused Silica）で作製される。イオンミリングにより、ΔＴ厚さ287nmとなるように厚さを減少させた領域を形成し、公称厚さを持つ領域と厚さ減少領域との間で１２０°の位相シフト量を得ている。

図６Ａ、６Ｂ、及び６Ｃは、それぞれ、仮想光源７６に対し３つの個別の位置に配置した位相板８２’の状態を示す図である。位相板８２’の各位置への移動は、仮想光源７６及び９６を含む軸と直交し、かつ、フリンジプロジェクタ８４（図４参照）の光軸と直交する方向に沿って行われる。

図７Ａは、単一の半導体レーザからの２つの発散ビームの重なり領域に置かれたオブジェクト面に生成される縞パターンの例を示す図である。仮想光源７６及び９６に対する位相板８２’の位置は図６Ａの状態にあり、ビーム間の位相差は発生していない。図７Ｂは、図７Ａに示す縞パターンの小領域１０２の、垂直方向における輝度の変化を示す図である。ただし、半導体レーザ６２Ａが無効となり他の半導体レーザ６２Ｂが有効となった場合には（図４）、これと異なる間隔の縞で構成される縞パターンが生成されることに留意すべきである。

図６Ｂは、位相板８２’が第２の位置に配置されたときの仮想光源７６及び９６の位置を示す図である。第１の仮想光源７６Ａ及び９６Ａからのビームは厚さを薄くした領域９８Ａに入射するので、位相板８２’から出射するビームの位相は、他の仮想光源９６Ａ及び９６Ｂからのビームの位相に対して進むことになる。例えば、位相板８２’を第１の位置から第２の位置へ移動することにより発生する位相差の変化は、１２０°となる。図８は、位相板８２’を第２のプレート位置へ移動することにより得られる、第１の半導体レーザ６２Ａの出射光の、シフトした縞パターンを示す図である。

図６Ｃは、位相板８２’が第３の位置に配置されたときの仮想光源７６及び９６の位置を示す図である。第２の仮想光源７６Ｂ及び９６Ｂからのビームは厚さの減少した領域９８Ｂに入射し、第１の仮想光源からのビームは、位相板８２’の公称厚さを持つ部分を伝搬する。したがって、第１の仮想光源７６Ａ及び９６Ａからのビームの位相は、他の仮想光源７６Ｂ及び９６Ｂからのビームの位相に対して遅れることになる。例えば、例えば、位相板８２’を第１の位置から第３の位置へ移動することにより発生する位相差の変化は、−１２０°となる。図９は、位相板８２’を第３のプレート位置へ移動することにより得られる、第１の半導体レーザ６２Ａの出射光の、シフトした縞パターンを示す図である。

図７ないし９は、図６にしたがって位相板８２’を移動させることにより、３つの個別の位相差がどのようにして発生するのかを示す図である。位相板８２’が双方向直線移動、すなわち、上下方向に動いて３つの位置へ移動するということは、仮想光源７６及び９６は、図６Ｂ及び６Ｃに示す位相シフト量がゼロでない領域を通過する頻度の２倍の頻度で、図６Ａに示す位相シフト量ゼロの位置を通過するということを意味する。このため、３つの位相差のそれぞれについてその持続時間を等しくしたい場合には、話が複雑になる。

図１０は、本発明に従い、軌道変更メカニズムと共に用いて２つのコヒーレント光ビームの位相差を変調する、位相板１０６を示す図である。位相板１０６と軌道変更メカニズムは、画像取得のタイミング調整などの、上述した双方向直線移動法を用いることから生ずる複雑さや、移動速度が非線形なプロファイルを持つことから生ずる移動の問題を解消する。双方向直線移動の場合について上述した位相板８２’と同様に、図示の位相板１０６は、厚さを減少させた２つの領域１１０Ａと１１０Ｂ（総称して１１０とする）を備えている。ただし、各領域１１０は、パイのような形状をしており、１２０°のくさび角θを有している。

図１１は、軌道変更メカニズム１１４に取り付けられた位相板１０６を示す図である。このメカニズムのフレーム１２２にはマイクロモータ１１８が取り付けられており、マイクロモータ１１８のシャフトには、軌道プレート１２６の中に設けられたベアリングの中へ延びるピンを備えたカムが取り付けられている。フレーム１２２と軌道プレート１２６との間にあるフレキシブルロッド１３０は、軌道プレートが限られた範囲で面方向に移動するのを許容しつつ、当該軌道プレートを一定の面内に維持している。位相板１０６は、ピンホールマスク（不図示）に近接して配置された軌道プレート１２６の開口部に固定されている。

マイクロモータ１１８を起動すると、軌道プレート１２６が面方向に循環的な移動を開始する。これにより位相板１０６は、マイクロモータのシャフトが回転するごとに、一定の各速度をもって円環状の経路をたどる。位相板はこの円環状経路に沿って移動するため、厚さを減少させた２つの領域１１０は、順番に、仮想光源７６Ｂと９６Ｂの光路内を通過した後、仮想光源７６Ａと９６Ａの光路内を通過する。

図１２は、33 Hzの速度で画像を取得する際の、１回の軌道サイクルにおけるイベントの同期状態を示すタイミング図である。図１３は、図１２に示す画像取得期間における、仮想光源ペア７６及び９６の固定位置に対する位相板１０６の相対位置を示す図である。図示の例では、仮想光源７６と９６が位相板１０６の深さ不連続部を横切る際の遷移時間が垂直の破線で示されており、この遷移時間は5 msとなっている。したがって、＋１次光ビームと−１次光ビームの両者の位相は、30 msecのクロック周期内において、25 msecの間、安定となる。画像取得時間が5 msecであれば、タイミングずれ許容時間は+10 msecとなる。

図示の例では、６つのタイミング期間を有している。
１．第１の期間として、半導体レーザ１が起動され、２つの１次光ビームが位相板１０６の公称厚さ部分を通過して、半導体レーザ１の＋１次光ビームと−１次光ビームとの間の相対的な位相差が０°となる期間内に、画像ＬＤ１ａが取得される。
２．第２の期間として、半導体レーザ２が起動され、２つの１次光ビームが位相板１０６の公称厚さ部分を通過して、半導体レーザ２の＋１次光ビームと−１次光ビームとの間の相対的な位相差が０°となる期間内に、画像ＬＤ２ａが取得される。
３．第３の期間として、半導体レーザ１が起動され、＋１次光ビームが位相板１０６の厚さが減少した領域１１０Ｂを通過し、−１次光ビームが位相板１０６の公称厚さ部分を通過して、半導体レーザ１の＋１次光ビームと−１次光ビームとの間の位相差が−１２０°となる期間内に、画像ＬＤ１ｂが取得される。
４．第４の期間として、半導体レーザ２が起動され、＋１次光ビームが位相板１０６の厚さが減少した領域１１０Ｂを通過し、−１次光ビームが位相板１０６の公称厚さ部分を通過して、半導体レーザ２の＋１次光ビームと−１次光ビームとの間の位相差が−１２０°となる期間内に、画像ＬＤ２ｂが取得される。
５．第５の期間として、半導体レーザ１が起動され、＋１次光ビームが位相板１０６の公称厚さ部分を通過し、−１次光ビームが位相板１０６の厚さが減少した領域１１０Ｂを通過して、半導体レーザ１の＋１次光ビームと−１次光ビームとの間の位相差が＋１２０°となる期間内に、画像ＬＤ１ｃが取得される。
６．第６の期間として、半導体レーザ２が起動され、＋１次光ビームが位相板１０６の公称厚さ部分を通過し、−１次光ビームが位相板１０６の厚さが減少した領域１１０Ｂを通過して、半導体レーザ２の＋１次光ビームと−１次光ビームとの間の位相差が＋１２０°となる期間内に、画像ＬＤ２ｃが取得される。

他のタイミング配置を用いることも可能である。例えば、タイミングずれ許容時間を減らしてもよい場合には、画像取得期間を長くすることができる。また、次の半導体レーザを起動開始する前にデータ転送期間が終了することとなる範囲内において、画像データ転送期間を延長することができる。

特定の実施形態を参照しつつ本発明を示して説明したが、当業者であれば、本発明の思想及び範囲を逸脱しない範囲内において、その形式及び詳細部分について種々の変形を行うことが可能であるものと理解すべきである。

Claims (23)

1. 光ビームの位相を変調する方法であって、
   異なる光学的厚さを持つ第１の領域と第２の領域とを有する透明プレートを、光ビームにより、第１の領域内にある入射経路の第１のセグメントに沿って照明する工程であって、
   透明プレートの第１の領域を通過した後の光ビームは、第１の領域内の光学的厚さにより定まる位相を有し、第１の領域における入射位置とは無関係である工程と、
   前記透明プレートを、前記光ビームにより、第２の領域内にある入射経路の第２のセグメントに沿って照明する工程であって、前記入射経路の第１及び第２のセグメントは前記第１及び第２の領域間の遷移部分を横切って連続する一つの経路を構成し、第１及び第２の領域間の切り替え時間は、第１及び第２の各領域における前記光ビームの通過時間より十分に小さく、かつ、前記透明プレートを通過した後の前記光ビームは、第２の領域内の光学的厚さにより定まる位相を有し、第２の領域における入射位置とは無関係である工程と、
   を有する方法。
2. 前記透明プレートを前記光ビームにより前記入射経路に沿って照明する工程は、前記透明プレートを前記光ビームに対して相対的に移動させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記透明プレートを前記光ビームにより前記入射経路に沿って照明する工程は、前記光ビームを偏向させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記透明プレートの第１の領域における光学的厚さは、前記透明プレートの第２の領域における光学的厚さと異なっている、請求項１に記載の方法。
5. 前記透明プレートの第１の領域における屈折率は、前記透明プレートの第２の領域における屈折率と異なっている、請求項１に記載の方法。
6. 光ビームの位相シフトを高速に行う装置であって、
   それぞれ異なる光学的厚さを持つ第１の領域と第２の領域とを有する透明プレートと、
   第１及び第２の領域の少なくとも一部を通って延伸する連続的な入射位置経路に沿って、前記透明プレートを伝搬する光ビームの入射位置を移動させる相対移動メカニズムであって、第１の領域と第２の領域との間の遷移時間が、各領域における光ビームの通過時間より十分短く、透明プレートを通過した後の光ビームが、対応する光学的厚さで定まる位相を有し、当該位相は対応する領域内における入射位置には依存しない、相対移動メカニズムと、
   を有する装置。
7. 前記相対移動メカニズムは、前記透明プレートを、当該透明プレートの表面に対して実質的に平行な面内で移動させる、請求項６に記載の装置。
8. さらに、前記透明プレートにおける前記光ビームの入射位置を移動させる光ビームディレクタを備える、請求項６に記載の装置。
9. 前記光ビームディレクタは音響光学変調器である、請求項８に記載の装置。
10. 前記透明プレートの各領域の物理的厚さは、互いに他の領域における物理的厚さと異なっている、請求項６に記載の装置。
11. 前記透明プレートの各領域の屈折率は、互いに他の領域の屈折率と異なっている、請求項６に記載の装置。
12. 一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する方法であって、当該方法は、
    一対のコヒーレント光ビームにより透明プレートを照明する第１の工程であって、
    当該透明プレートは第１の光学的厚さを持つ第１の領域と第２の光学的厚さを持つ第２の領域とを有し、
    前記コヒーレント光ビームは、それぞれ第１及び第２の領域のうちの一の領域において前記透明プレートに入射し、当該透明プレートを出射する前記一対のコヒーレント光ビームの位相差は第１の値を有する工程と、
    一の前記コヒーレント光ビームが、前記第１の工程における前記一のコヒーレント光ビームの対応する領域と異なる領域内において前記透明プレートに入射するように、前記一対のコヒーレント光ビームにより前記透明プレートを照明する第２の工程であって、
    前記透明プレートを出射する前記一対のコヒーレント光ビームの位相差は第２の値を有する工程と、
    一の前記コヒーレント光ビームが、前記第２の工程における前記一のコヒーレント光ビームの対応する領域と異なる領域内において前記透明プレートに入射するように、前記一対のコヒーレント光ビームにより前記透明プレートを照明する第３の工程であって、
    前記透明プレートを出射する前記一対のコヒーレント光ビームの位相差は第３の値を有する工程と、
    を含む方法。
13. 前記透明プレートを照明する前記第１、第２、及び第３の工程が周期的に繰り返される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記位相差の前記第１、第２、及び第３の値は、−１２０°、０°、及び＋１２０°である、請求項１２に記載の方法。
15. 前記透明プレートは、前記第１、第２、及び第３の工程における前記コヒーレント光ビームの入射位置を含む直線経路に沿って移動する、請求項１２に記載の方法。
16. 前記透明プレートは、前記第１、第２、及び第３の工程における前記コヒーレント光ビームの入射位置を含む円環状経路に沿って移動する、請求項１２に記載の方法。
17. 前記コヒーレント光ビームは、前記透明プレートの表面上で集束される、請求項１２に記載の方法。
18. 一対のコヒーレント光ビームの位相差を変調する装置であって、当該装置は
    第１の光学的厚さを持つ第１の領域と第２の光学的厚さを持つ第２の領域とを有し、一対のコヒーレント光ビームが入射するように配置された透明プレートと、
    前記透明プレートに取り付けられ面方向に移動するように配された循環移動メカニズムであって、
    前記コヒーレント光ビームは、それぞれ第１及び第２の領域のうちの一の領域において前記透明プレートに入射し、対応する領域の光学的厚さに応じて位相遅れを生じ、
    前記各コヒーレント光ビームの入射位置が前記面方向移動により定まる循環経路を移動して、前記第１及び第２の領域間を遷移することにより、前記コヒーレント光ビーム間の位相差が、前記光学的厚さの差に応じて周期的に変調される、循環移動メカニズムと、
    を含む、装置。
19. 前記循環移動メカニズムは、直線移動メカニズムにより構成される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記循環移動メカニズムは、軌道変更移動メカニズムにより構成される、請求項１８に記載の方法。
21. 縞パターンの投影及び画像取得を行うシステムであって、当該システムは、
    第１の光学的厚さを持つ第１の領域と第２の光学的厚さを持つ第２の領域とを有し、一対のコヒーレント光ビームが入射するように配置された透明プレートと、
    前記透明プレートに取り付けられ面方向に移動するように配された循環移動メカニズムであって、前記コヒーレント光ビームは、それぞれ第１及び第２の領域のうちの一の領域において前記透明プレートに入射し、対応する領域の光学的厚さに応じて位相遅れを生じ、
    前記各コヒーレント光ビームの入射位置が前記面方向移動により定まる循環経路を移動して、前記第１及び第２の領域間を遷移することにより、前記コヒーレント光ビーム間の位相差が、前記光学的厚さの差に応じて周期的に変調される、循環移動メカニズムと、
    前記位相板を出射したコヒーレント光ビームにより照明されて表面上に生成される縞パターンの画像を、当該コヒーレント光ビームの複数の位相差値において取得するよう構成された撮像装置と、
    前記循環移動メカニズム及び前記撮像装置と電気通信を行って、各位相差値についての縞パターンの画像取得動作を同期させる制御モジュールと、
    を含むシステム。
22. 前記第２の領域は２つの個別の矩形領域を含み、当該各矩形領域は第２の光学的厚さを有し、前記面方向の移動は双方向直線移動を含む、請求項２１に記載の縞パターンの投影及び画像取得を行うシステム。
23. 前記第２の領域は２つの個別のパイ形状領域を含み、当該各パイ形状領域は第２の光学的厚さを有し、前記面方向の移動は軌道移動を含む、請求項２１に記載の縞パターンの投影及び画像取得を行うシステム。

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