JP2014521087A - 位相およびピッチ調節付きスキャナ - Google Patents
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Abstract
物体の表面の第1の物点の3次元座標を決定するための方法であって、第1の領域および第2の領域を有する透明板を提供するステップであって、第2の領域は第1の領域とは異なるくさび角度を有するステップと、第1の光ビームを第1の光と、第2の光とに分割するステップと、第1の光を第1の領域または第2の領域を通して送出するステップと、物体の表面に干渉縞パターンを生成するために第1の光および第2の光を結合するステップであって、干渉縞パターンのピッチは、第1の光が通って進むくさび角度によって決まるステップと、電気データ値を得るために、第1の物点を感光性アレイ上のアレイ点に結像するステップと、電気データ値に少なくとも部分的に基づいて第1の物点の3次元座標を決定するステップと、を含む。
Description
本願は、2011年7月14日に出願された米国仮特許出願第61/507,763号に優先権を主張し、当該仮出願は全て本願に組み込まれる。
本開示は、座標測定装置に関する。一式の座標測定装置が、物体に光のパターンを投影し、そのパターンをカメラで記録することによって点の3次元(3D)座標を測定する機器の分類に属している。
アコーディオンフリンジ干渉計とも呼ばれることもある特定のタイプの座標測定装置は、小さくて近接した2つの光点によって放出された発散波面の光の干渉によって光の投影パターンを形成する。結果として得られた、物体上に投影された干渉縞パターンを分析して、カメラ内の画素ごとに表面点の3D座標が求められる。
アコーディオンフリンジ干渉計の一実施態様には、回折格子、容量フィードバックセンサ、フレクシャーステージ、複数のレーザ光源、および複数の対物レンズが含まれる。このタイプのアコーディオンフリンジ干渉計は、比較的製造コストがかかり、また測定実行において比較的低速である。3D座標を求める改善された方法が必要とされている。
本発明の一実施形態によると、物体の表面の第1の物点の3次元座標を決定するための方法は、第1の透明領域および第2の透明領域を有する第1の透明板を提供するステップであって、第1の領域は、第1の表面と、第2の表面と、第1の屈折率と、第1のくさび角度と、を有し、第1のくさび角度は、第1の表面と第2の表面との間の角度であり、第2の領域は、第3の表面と、第4の表面と、第2の屈折率と、第2のくさび角度と、を有し、第2のくさび角度は、第3の表面と第4の表面との間の角度であるステップと、第1の光ビームを第1の光と、第2の光と、に分割するステップであって、第1の光と第2の光は、互いに干渉しあうステップと、を含む。また、本方法は、第1の場合に第1の光を第1の領域を通して送出するステップであって、第1の光は、第1の表面および第2の表面を通過し、第1の領域は、第1の光の方向を第1の偏向角度だけ変更するように構成されており、第1の偏向角度は、第1のくさび角度と第1の屈折率とに応じているステップと、第2の場合に第1の光を第2の領域を通して送出するステップであって、第1の光は、第3の表面および第4の表面を通過し、第2の領域は第1の光の方向を第2の偏向角度だけ変更するように構成されており、第2の偏向角度は第2のくさび角度と第2の屈折率とに応じており、第2の偏向角度は第1の偏向角度とは異なるステップと、を含む。本方法は、さらに、第1の場合に物体の表面に第1の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップであって、第1の干渉縞パターンは第1の物点において第1のピッチを有し、第1のピッチは第1の偏向角度に応じているステップと、第2の場合に物体の表面に第2の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップであって、第2の干渉縞パターンは、第1の物点において第2のピッチを有し、第2のピッチは、第2の偏向角度に応じており、第2のピッチは、第1のピッチとは異なる、ステップと、第1の場合に第1の物点を感光性アレイ上の第1のアレイ点に結像して、感光性アレイから第1の電気データ値を得るステップと、第2の場合に第1の物点を感光性アレイ上の第1のアレイ点に結像して、感光性アレイから第2の電気データ値を得るステップと、第1の電気データ値および第2の電気データ値に少なくとも部分的に基づいて、第1の物点の3次元座標を決定するステップと、第1の物点の3次元座標を格納するステップと、を含む。
本発明の別の実施形態によると、物体の表面の第1の物点の3次元座標を決定するための方法は、第1の光ビームを第1の光と、第2の光とに分割するステップであって、第1の光と第2の光は、互いに干渉しあう、ステップと、透明板と、回転機構とを含む第1の透明板アセンブリを提供するステップであって、第1の透明板は、第1の表面と、第2の表面と、第1の屈折率と、第1の厚さと、を有し、第1の表面と第2の表面とは、実質的に平行であり、第1の厚さは、第1の表面と第2の表面との間の距離であり、回転機構は、第1の透明板を回転させるように構成されている、ステップと、を含む。また、本発明は、第1の例において、第1の光についての第1の表面の第1の入射角を得るために、第1の透明板を回転させるステップと、第2の例において、第1の光についての第1の表面の第2の入射角を得るために、第1の透明板を回転させるステップであって、第2の入射角は、第1の入射角と等しくない、ステップと、第3の例において、第1の光についての第1の表面の第3の入射角を得るために、第1の透明板を回転させるステップであって、第3の入射角は、第1の入射角とも、第2の入射角とも等しくない、ステップと、を含む。本方法は、さらに、第1の場合に物体の表面に第1の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップと、第2の場合に物体の表面に第2の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップと、第3の場合に物体の表面に第3の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップと、第1の例において、感光性アレイから第1の電気データ値を得るために、第1の物点を感光性アレイ上の第1のアレイ点に結像するステップと、第2の例において、感光性アレイから第2の電気データ値を得るために、第1の物点を第1のアレイ点に結像するステップと、第3の例において、感光性アレイから第3の電気データ値を得るために、第1の物点を第1のアレイ点に結像するステップと、第1の電気データ値と、第2の電気データ値と、第3の電気データ値と、第1の厚さと、第1の屈折率と、第1の入射角と、第2の入射角と、第3の入射角とに少なくとも部分的に基づいて、第1の物点の3次元座標を決定するステップと、第1の物点の3次元座標を格納するステップと、を含む。
本発明のさらに別の実施形態によると、物体の表面の第1の物点の3次元座標を決定するための方法は、第1の光ビームを第1の光と第2の光とに分割するステップであって、第1の光と第2の光は、互いに干渉しあうステップと、透明板と、回転機構とを含む第1の透明板アセンブリを提供するステップであって、第1の透明板は、第1の表面と、第2の表面と、第1の屈折率と、第1の厚さと、を有し、第1の表面と第2の表面とは、実質的に平行であり、第1の厚さは、第1の表面と第2の表面との間の距離であり、回転機構は、第1の透明板を回転させるように構成されているステップと、を含む。また、本発明は、第1の例において、第1の光について第1の表面の第1の入射角を得るために、第1の透明板を回転させるステップと、第2の例において、第1の光について第1の表面の第2の入射角を得るために、第1の透明板を回転させるステップであって、第2の入射角は、第1の入射角と等しくない、ステップと、第3の例において、第1の光について第1の表面の第3の入射角を得るために、第1の透明板を回転させるステップであって、第3の入射角は、第1の入射角とも、第2の入射角とも等しくないステップと、を含む。本方法は、さらに、第1の場合に物体の表面に第1の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップと、第2の場合に物体の表面に第2の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップと、 第3の場合に物体の表面に第3の干渉縞パターンを生成するために、第1の光と第2の光とを結合するステップと、第1の例において、感光性アレイから第1の電気データ値を得るために、第1の物点を感光性アレイ上の第1のアレイ点に結像するステップと、第2の例において、感光性アレイから第2の電気データ値を得るために、第1の物点を第1のアレイ点に結像するステップと、第3の例において、感光性アレイから第3の電気データ値を得るために、第1の物点を第1のアレイ点に結像するステップと、第1の電気データ値と、第2の電気データ値と、第3の電気データ値と、第1の厚さと、第1の屈折率と、第1の入射角と、第2の入射角と、第3の入射角とに少なくとも部分的に基づいて、第1の物点の3次元座標を決定するステップと、第1の物点の3次元座標を格納するステップと、を含む。
以降、図面を参照する。代表的な実施形態が示されているが、それらは本開示の全範囲に関して限定的に解釈されるべきではなく、また、複数の図面において各要素には同様の番号が付されている。
アコーディオンフリンジ干渉法の原理に従って動作する代表的3D測定装置100が、図1に示されている。電子機器ユニット150の制御下にあるプロジェクタ160が、2つの小さな光点112、114を生成する。これらの光点は、ワークピース130の表面上に干渉縞のパターンを生成する。ある点124でのパターンの照射は、点124における2つの光線120、122の干渉によって決定される。ワークピース130の表面上の様々な点において、光線120、122が、建設的にまたは破壊的に干渉し、それによって干渉縞パターンを生成する。カメラ140は、レンズ系142および感光性アレイ146を含む。カメラ140は、ワークピース130上の光のパターンを感光性アレイ146上に結像する。点124からの光が、レンズ系142の対称の中心144を通過して感光性アレイ上に像点128を形成すると考えることができる。感光性アレイ146の特定の画素が、ワークピース130の表面の小さな領域から散乱する光を受光する。この小さな領域から投射中心144を介して上記特定の画素までの方向を画定する2つの角度は、レンズ系142を含むカメラ140の幾何学的特性から既知である。
感光性アレイ146に入射する光は、デジタル電気信号に変換され、処理のために電子機器ユニット150に送出される。演算装置を含む電子機器ユニット150は、投射中心144からワークピース130の表面上の各点までの距離を計算する。この計算は、カメラ140からプロジェクタ160までの既知の距離164に少なくとも部分的に基づいている。本明細書においては上述したように、カメラ140の各画素については、2つの角度および計算された距離が分かっている。全ての画素から得られた情報を組み合わせることにより、ワークピース表面の三次元マップが得られる。
図1に示されたシステム100によるアコーディオンフリンジ干渉法を用いて距離を計算する方法とは、2つの点112、114の相対位相をシフトすることであって、これはワークピース上の干渉縞を移動させる効果を有する。カメラの各画素が、3つの位相シフトの各々について等しい照射から得られる光のレベルを測定するが、その3つの位相シフトは、光点112、114の相対位相を変化させることによって得られる。電子機器ユニット150内の演算装置は、画素ごとに少なくとも3つの測定された光レベルを使用して、ワークピース表面130の領域までの距離を計算する。
スキャナからワークピースへの距離が比較的大幅に変更可能な場合、スキャナは測定された距離の曖昧さを解消する機能も必要になる。この場合、干渉縞の間隔が比較的小さいため、カメラによって収集された画像に基づいた有効距離解決策がいくつか可能である。この曖昧さは、既知の量だけ干渉縞の間隔(ピッチ)を変更し、その後位相シフト測定を繰り返すことによって除去することができる。実施形態においては、3つの異なる干渉縞ピッチが使用される。 3D座標を計算するためには、システム100は、ほとんどの場合、少なくとも2つのフリンジピッチ値を必要とする。
図2は、実施形態による代表的なプロジェクタ200の要素を示している。光源210が、ビーム分割器220に光を送出する。光は、2つに分割され、一方は、任意選択の位相/干渉縞調整器280を通過し、他方は、任意選択の位相/干渉縞調整器282を通過する。2つの光ビームは、ビーム結合器230において結合される。光は、ビーム拡大器240、対物レンズ260および任意選択の位相/干渉縞調整器288を通過する。2つの光点270は、現実でも仮想でもよく、対物レンズ260によって形成される。例えば、対物レンズ260が正レンズである場合には、現実の点を形成することができ、対物レンズ260が負レンズである場合には、仮想の点を形成することできる。オーバーラップ領域275では干渉が発生し、それはワークピース表面上の点で見ることができる。
図3は、図2の包括的な要素に対応する代表的なプロジェクタ300の具体的な要素を示している。光源310は、レーザ、超放射発光ダイオード、LED、あるいはその他の光源から入射することが可能な光を提供する。実施形態では、光源310からの光は、光ファイバ312を通って、フェルール322およびレンズ324を含むファイバ入射装置320へ進む。あるいは、光源310からの光は、自由空間を通って進みレンズ324に到達してもよい。ファイバ入射装置320を出た平行光380は、ビーム分割器330に進み、ここでは、光が透過部分382と反射部分386とに分割される。実施形態では、ビーム分割器330の第1の表面の被膜は、光の50%を反射し、50%を透過するようになっており、ビーム分割器330の第2の表面の被膜は、反射防止膜になっている。
光386は、ミラー332で反射され、任意選択の位相/干渉縞調整器340を通って進み、ビーム結合器356の反射防止膜352を有する第1の領域を通過する。光382は、任意選択の位相/干渉縞調整器342を通過し、ミラー334で反射され、ビーム結合器356の反射膜を有する第2の領域354で反射される。ビーム結合器356から出射される光385、389の2つのビームは、位置390で交差する。実施形態において2つの正レンズ要素362、364を含む無限焦点ビーム拡大器360は、第1レンズ要素362の焦点距離が、第1レンズ要素362の焦点距離f1に等しい距離だけ交点390から離れて配置されるように位置付けられている。光385、389の2つの平行ビームは、第1レンズ要素362によって第1レンズ362からの距離f1で2つの光点に集束される。ビーム拡大器内の2つの光点が、第2レンズ要素364からの距離f2となるように、レンズ362と364との間の距離はf1+f2に等しくなっている。2つの平行光ビーム391、393が、ビーム拡大器360から出射される。出射ビーム391、393のサイズは、ビーム拡大器の横倍率M×入射ビームのサイズと等しく、ここで横倍率はM=f2/f1である。2つの出射レーザビーム間の角度は、入射レーザビーム391、393の間の角度と比較して1/Mに低減される。例として、レーザビームが120ミリラジアン(mrad)の分離角を有する状態で、各入射レーザビーム385、389の直径が、0.7mmであると仮定する。また、ビーム拡大器360の横倍率は、M=10であると仮定する。このとき、出射レーザビーム391、393は、それぞれ、直径7mm、分離角12mradを有する。ビーム拡大器360から出射する平行光ビーム391、393は、位置392で交差する。対物レンズ370は、焦点距離fo=4.5mmおよび開口数NA=0.65を有する40倍顕微鏡対物レンズであって、例えば、交点392から対物レンズ370の前側焦点位置までの距離が、対物レンズ370の焦点距離foと等しくなるように配置されている。対物レンズ370は、平行ビーム391、393を2つの小さな点394に集束させる。
上記の特徴を有する高品質の対物レンズ370については、658nmの波長を有する光に対する集光スポット径の直径の合理的な近似値が、d0=1.22λ/NA=1.22(0.658×10−3)/0.65mm=1.24マイクロメートルとなるようにビームが入射口径を過充填する。各々のビームは、θ1/2=4λ2/πd02=0.27ラジアンよりも若干大きな値の遠視野半角に発散する。例えば、3D測定装置からワークピースまでの距離がL=0.75メートルの場合、発散光ビームによってカバーされる領域は、w=2Ltan(θ1/2)=0.4メートルより若干大きい。3つの異なる干渉縞間隔(ピッチ)が望ましく、またこれらの間隔は、2つの小さな点394間の距離ai(i=1、2、3)を3つの異なる値、すなわち、46マイクロメートル、52マイクロメートル、58マイクロメートルに設定することによって達成することができると仮定する。この場合、3つの所望する点間隔に対して、平行ビーム391、393の間の分離角が、γi=ai/fo={10.2、11.6、12.9}mradで与えられる。3つの点間隔については、投影点394からの距離rに位置するワークピースの干渉縞間の間隔hiは、hi=aiλ/rとなる。距離r=Lについては、3つの干渉縞間隔はhi=aiλ/L={10.7、9.5、8.5}ミリメートルとなる。
図4Aは、光軸412に対してある角度でレンズ410に入射し、レンズ410の前側焦点417を通過する2つの平行光ビーム420、424を示している。この場合、ビーム420の中心光線422は、光軸412に平行な光線434として現れる。ビーム420の光線は、後側焦点418を通過し光軸412に垂直である面である後焦点面で小さな点436に集光される。ビーム424の中心光線426は、光軸412に平行な光線430として現れる。ビーム424の光線は、後焦点面で小さな点432に集光される。ビーム420と424と間の分離角γについて、および焦点距離foを有するレンズについて、小さな点436と432との間の距離はa=γfoとなる。図4Aに示された状態について、光ビームは、点432、436から図の右側に分散し、中心光線430、434の2つのビームについては、ビームの投影されたエネルギーの中心の方向を示しており、光軸に平行になっている。実施形態において、点432、436の間の間隔aは、50マイクロメートル程度の小さな値である。点432、436から出射した光は、分散し、ワークピースにおいては0.4メートル超に拡大されていてもよい。光ビームの最大オーバーラップを確保するために、中心光線430および434は、光軸に平行な方向440、442に出てくる必要がある。
図4Bは、レンズ410の前側焦点を通過しない2つの平行光ビーム460、464を示している。ビーム460の中心光線462は、レンズ410から光軸412に対して平行でない方向へ出る。ビーム460の光線は、レンズ410の後焦点面において小さな点476に集束されるが、エネルギー480は、光軸に対して平行でない方向480に沿って送出される。ビーム464の中心光線465は、レンズ410から光軸412に対して平行でない方向へ出射する。ビーム464の光線は、レンズ410の後焦点面において小さな点472に集束されるが、エネルギーは、光軸に対して平行でない方向482に沿って送出される。
図5は、図4Aおよび図4Bに示した2つのケースの干渉縞の放射照度を比較している。グラフ500で、プロットされた値はワークピース上の干渉縞の相対放射照度を示し、この場合、ワークピースの距離は、−250mmから+250mmまでである。プロットされた値510は、ビームが最大オーバーラップを達成するように、2つの点394からのエネルギーの中心が光軸に対して平行に進行したときに得られる相対的な干渉縞放射照度を表す。プロットされた値520は、第1のガウスレーザビームの中心が、ガウスw(半径)値に等しい量、つまりこの場合は200mmだけ、ワークピースの中心からオフセットされるときに得られる相対的な干渉縞放射照度を表す。第2のガウスレーザビームの中心は、ワークピースの中心から同じ量だけ反対方向(−200mm)にオフセットされる。干渉ビームの放射照度は、ビームが完全に重なっていない場合には低くなる。その結果、より長い露光時間が必要となる。また、干渉縞パターン520において、非変調光(カメラ画素からの「DC」レベル)は、特に縁部付近において、比較的大きくなる。グラフ内の変調レベルは、照射されたワークピースの特定の部分での最大照度に対して干渉縞では山から谷までの変動がある。変調の深さは、ビームの重なりに対して100%となるため、この場合には変調レベルは、一定である。ビームが重ならない場合には、変調の深さがワークピースの縁部付近で減少するので、この場合、変調の深さは低下する。DCレベルが、感光性アレイのウェルを過剰充填する前に、可能な露光量を決定するため、ビームが重なっていないときには、視野の縁部付近では高い変調深さを得られずに精度が落ちる。
図4、5からの理解が、図3のビーム拡大器360の利点の説明に役立つ。ビーム拡大器が、図3のブロック図から取り外されるとする。対物レンズ370に入射するビーム391、393の所望の直径が7mmで、所望の分離角10.2mradを有する場合を考えてみる。ビーム結合器356で、ビーム385、389の中心間に必要となる離間は、7mmである。ビーム385、389を交点392に至らせるために必要な距離は、7mm/10.2mrad=686mmであり、これは、可搬型または卓上型スキャナで使用することができる距離よりもはるかに長い。
以下に、位相をシフトしたり、干渉縞ピッチを変更したり、または両方を同時に行なったりするための様々な方法が検討される。これらの機能を実行する装置を、位相/干渉縞調整器と呼ぶ。
図6は、平行な入口側と出口側を有するガラス窓を回転させることにより、光ビーム630の位相をシフトするために使用される物理的原理を示している。描写600は、(光ビーム630に対して)入射角aを有するように傾斜した第1の窓610と、(光ビーム632に対して)入射角ゼロ度を有するように傾斜した同一の第2の窓620とを示す。窓610の回転の結果、光が進む光路長(OPL)が増加し、この増加は、光の位相の増加に相当する。入射角aで窓に入射した光は、ガラス内で角度bに屈折する。厚さtのガラス窓610において光が進む距離は、t/cos(b)である、ガラス窓620において光が進む距離はtである。垂直基準距離Tについて、空気中のビーム630の移動距離は、T−tcos(b−a)/cos(b)である。空気中のビーム632の移動距離は、T−tである。屈折率nを有するガラスについては、ビーム630の全光路長(OPL)(ガラスと空気路の両方を含む)は、nt/cos(b)+T−tcos(b−a)/cos(b)である。非傾斜ガラスの全光路長は、nt+T−tである。傾斜したガラスを進むときの全光路長と非傾斜ガラスを進むときの全光路長との差は、次式で与えられる。
式(1)において、角度bは、式(2)に示されるようにして、スネルの法則を用いて求められる。
図7は、出射ビームがその元の方向からずれないように、2つの窓710、720が反対の角度で傾斜している実施形態を示している。実施形態では、光は658nmの波長を有するレーザ光であり、所望の位相は0度、120度、240度である。窓の幅は、t=100マイクロメートルであり、窓ガラスの屈折率はn=1.5である。式(1)、(2)を使用して、図2において窓210、220の傾斜が、それぞれa=0度、a=4.6447度、a=6.56442度に設定されるときに所望の位相シフトが得られることを示すことができる。
図6に示された回転板または図7に示された一対の回転板を使用して、2つのビーム384、386の一方の位相シフトを生成してもよい。この段落の残りの部分で説明する理由により、ほとんどの場合において、2つの板が必要とされることが分かる。1つの回転板または一対の回転板は、図3の位置340、342、または図2の位置280、282に配置することができる。回転板を1つだけ用いた場合、屈折率1.5および厚さ100マイクロメートルを有するガラスで240度の位相シフトを達成するのに必要な傾斜角は、9.275度となる。図6から、光ビーム630の変位は、tsin(a−b)/cos(b)によって与えられることが分かる。回転角度9.275度について、角度bは、変位が5.5マイクロメートルに等しくなるように、asin(sin(9.375°)/ 1.5)=6.23度によって与えられる。図3のビーム拡大器360を通過する際に、回転板が位置340にある場合、一方のビーム、例えば、ビーム389における側方変位は、5.5マイクロメートルでとなる。ビーム拡大器360を通過した後、側方変位は、(M=10のビーム拡大器では)10倍に増加して55マイクロメートルになる。対物レンズ370が、4.5mmの焦点距離を有する場合、結果として得られるビーム391の方向は、55マイクロメートル/4.5ミリメートル=0.012ラジアンの角度だけ変化する。プロジェクタ300とワークピースとの距離が0.75メートルの場合、2つの点394の一方を形成するビーム391は、約0.75m×0.012=9.2ミリメートルだけ、他方の光ビームに対してシフトされることになる。このビーム位置の変化が、図5に示すように、干渉縞のレベルを0.85パーセント減少させることが分かる。本明細書の上述の位相シフト法を用いた距離の計算は、干渉縞のレベルは一定のままで、単に位相をシフトするという考えに基づいているため、この場合に図3の構成において回転くさびを1つしか使用しないと、精度が比較的大幅に低下してしまう。
図8A、図8B、図9Bは、反対方向に2つの窓812A、812Bを回転させる機構を描写した上面図を示し、図9Aは側面図を示している。図8A、図9A、図9Bにおいて、窓812A、812Bを含む回転アセンブリ810A、810Bは、互いに平行に整列されている。2つの窓は、図8Bにおいて約6.6度だけ反対方向に傾斜している。アクチュエータアセンブリ840が、直線運動を回転運動に変換し、回転運動は2つの回転アセンブリ810A、810Bに反対方向で加えられる。センサ860が、アセンブリ810A、810Bの変位を読み取り、アクチュエータアセンブリ840にフィードバックを提供し、それによってアクチュエータ機構840が回転アセンブリ810A、810Bを所望の角度へ迅速に駆動することが可能になる。
回転アセンブリ810Aは、窓812Aが取り付けられ、保持リングで所定位置に保持された、延長アーム814Aを含む。窓812Aは、その範囲の大部分にわたって比較的厚みがあるものの、窓の中央付近に小さくて比較的薄い領域を有している。例えば、窓はその範囲の大部分にわたって厚さが1ミリメートルであってもよいが、一辺が約1.5ミリメートルの領域においては、厚さが100マイクロメートルしかない。
実施形態では、延長アームやその他の接続された構成要素は、3か所、すなわち(1)底部で窓812Aの直下にあるボール816Aによって、(2)側面でボール826Aによって、(3)端部でアクチュエータ856のドライバ854によって支持される。3つの支持位置は、窓812Aがその中心を中心として回転することが可能なように設計されている。ボール816Aは、ベース板817A上の硬化シートと、窓812Aの下方に位置する延長アーム814A上の硬化シートとによって支持されている。ボールは、ピン824Aによって同様に所定位置に保持されている2つのバネ822Aによって硬化シートに対して保持されている。
ボール826Aは、窓812Aの中心側に直接配置された状態で、延長アーム814Aの側面に対して保持されている。ボール826Aは、側板828A上の硬化シートにより支持されており、延長アーム814Aの凹部にある平坦面に対して押し付けられている。ボール826Aは、ピン833Aによって同様に所定の位置に保持された2つのバネ832Aによって所定の位置に保持されている。回転アセンブリ810Bの各要素は、接尾語のAがBに置き換えられる以外は、810Aの各構成要素と同じである。
アクチュエータアセンブリ840は、例えば、ボイスコイルアクチュエータなどのアクチュエータ856と、直線移動するアクチュエータドライバ854と、逆回転型回転軸受アセンブリであって、2つの密封された回転軸受846A、846Bを含む回転軸受アセンブリと、2つの回転軸受846A、846Bをユニットとして一緒に保持するクランプ848と、クランプ848をドライバ854に取り付けるベースと、延長アーム814A、814Bの端部にそれぞれ取り付けてあるくさび要素842A、842Bに取り付けられたボールスライド844A、844Bと、ボールスライド844A、844Bを回転軸受846A、846Bにそれぞれ接続する接続アーム850A、850Bと、を備える。
ドライバ854がベース852に直線運動を加えると、回転軸受846A、846Bを含むアセンブリが上または下に移動して、それによってボールスライド844A、844Bが、くさび要素842A、842Bを上または下に移動させる。同時に、ボールスライド間の距離間隔が変化し、それによってボールスライド844A、844Bの角度が変更される。これに応じて、回転軸受846A、846Bが、反対方向に回転して、結束傾向を除去する。
角度測定値およびアクチュエータのフィードバックが、センサ860によって提供される。くさび要素842Bは、側面へ移動するにしたがって、回転軸受872とボールスライド868とに取り付けられた付属体870が、移動ステージ862の垂直部材866を押すようさせる。これにより、移動ステージに取り付けられたリニアスケール864が、静止読取ヘッド872の下方に移動する。読取ヘッド872は、切欠を通してマウント876内に取り付けられており、マウント876は、静止ポスト878にネジ止めされている。読取ヘッド872の底部の穴874が、リニアスケール864の線によって反射されたレーザ光を出射し、その反射光は、読取ヘッド872内の検出器によって読み取られ、電子機器ユニット885内の演算装置によって分析されて、リニアスケール864の位置を決定する。
リニアエンコーダは、窓812A、812Bの角回転の正確な測定を提供しないが、低コストのリニアエンコーダユニットであっても、1マイクロメートルより優れた再現性で線形運動を測定する。所望の位相シフトを得るべくリニアエンコーダ上の所望の位置を求めるために、図1のカメラ140などのカメラで平坦なスクリーンに投影された大きな干渉縞パターンを見ることによって位相シフトを測定する補正(キャリブレーション)手順が実行される。多数の干渉縞にわたってシフトを測定することにより、リニアスケール864の線形位置の関数としての位相シフトを高精度に判定することができる。その後、リニアエンコーダは、中間にある電子機器ユニット885を介して、アクチュエータに対して窓812A、812Bを所望の傾斜角度に駆動するためのフィードバックを提供する。
窓812A、812Bを通って力が印加される対応点まで延びている各旋回軸からボールスライド844A、844Bまでの延長アームの長さ25ミリメートルについて、および、エンコーダの再現性1マイクロメートルについて、位相は、図8および図9のアセンブリ800、801を使用して約0.3nmの精度で設定可能であり、これは、658nmの波長に例えると、0.0005を超える分数精度である。
図8Aの構成800では、一対のバネ832A、832Bに対する力は、その一対のバネによって延長アーム814A、814Bに印加されるトルクの和がゼロになるようにバランスされる。トルクに打ち勝つためにボールスライド844A、844Bに必要となる力は、バネによって印加されるトルクの和を窓812A、812Bのそれぞれの中心からボールスライド844A、844Bに力が加えられる位置までの距離で割った力にほぼ等しいため、所望の回転を生成するためにアクチュエータ856に必要となる力は比較的小さい。図8Bの構成801では、一対のバネに対する力はバランスされない。図8Bに示されるように、バネ832A、832Bについては、延長アームに加えられる力が、上部バネにおいて下部バネより大きくなるように、上部バネは、下部バネに比べて大きく引き伸ばされる。従って、バネによって印加されるトルクの和がゼロ付近にならず、アクチュエータ856は、より大きな力を加えなければならない。
少し複雑になるが、アクチュエータ856からの最小限の力しか必要としない代替策としては、図8および図9のボールとバネを、延長アーム814A、814Bに内蔵された軸(axle)と置き換えることが考えられる。軸は、軸受が軸に取り付けられた状態で、窓812A、812Bの中心の上に直接配置される。このタイプの取り付け方式を有する実施形態では、アクチュエータ856は、図8Aにおいて示す向きに、場合によっては、もっと効率的にスペースを使用して、90度で取り付けられている。また、摩擦が低減されるため、より小さなアクチュエータ856を使用することも可能である。
別の可能性としては、リニアエンコーダ方式860をロータリエンコーダに置き換えることがある。実施形態では、このようなエンコーダからのディスクが、上記提案の軸の一方に取り付けられている。比較的安価なロータリエンコーダでも、10マイクロラジアン以上の再現性を得ることができる。2つの読取ヘッドを固定された構造に取り付けることにより、読取ヘッドはエンコーダディスクの両側に配置され、また、その2つの読取ヘッドの測定値を平均化することにより、エンコーダを温度のばらつきに対して比較的不感応にすることができる。この方法であれば、高い角度性能を広い温度範囲にわたって確保することができる。
軸受が取り付けられた2つの軸を追加するという考えをさらに拡張して、一方の軸にモータを追加する。モータは、軸上に直接取り付けられた永久磁石と、永久磁石を中心とした静止構造上に配置された界磁巻線と、を有するタイプのブラシレスサーボモータでよい。ボールスライド844A、844Bおよび回転軸受846A、846Bの機能と類似した機能を有する継手方式を使用する場合、一方の軸上の1つのモータを使って2つの窓812A、812Bに対称運動を生じさせることができる。図8、図9のアセンブリ800より幾分コンパクトな方式においては、2つの軸が含まれており、軸はそれぞれ2つの軸受に取り付けられており、角度エンコーダが一方の軸に組み込まれており、モータが一方の軸に組み込まれている。
図8および図9の方式において使用された軸またはボイスコイルアクチュエータに取り付けられたモータの他にも、その他の、例えば、ボールねじまたはカムを含む代替的駆動装置が可能である。
図10A、図10Bには、位相をシフトするための代替的な窓要素1000が示されている。窓要素1000は、場合によっては、溶融シリカでできたガラス窓を含み、そのガラス窓には、3つの段差1020、1030、1040が、エッチングされ、段差はそれぞれ異なる深さを有する。あるいは、複数の領域が、様々な深さにエッチングされるのではなく、様々な厚さを提供するように被膜されていてもよい。この場合には、位相計算が損なわれないように、窓要素1000を通じての透過が3つの被膜のそれぞれに対して一定に保たれるように注意が払われるべきである。入射光ビームに対して垂直に配向された窓要素1000について、段差間のOPLの変化は、段差深さ間の差×n−1に等しく、ここで、nはガラスの屈折率である。ラジアンでの位相の変化は、2πを乗じて光の波長で割ったOPLの変化に等しい。窓要素1000は、所望の位相シフトを得るために、位置340または位置342に配置されることができる。窓要素は、以下により詳細に記載されるように、図16に示されたような機構を用いて直線移動してもよい。3相シフトを得るために、3つの段差ではなく、窓要素1000の上面を3つの表面の1つとして利用して、窓要素1000に2つの段差をエッチングしてもよい。
次に、干渉縞ピッチを変更する方法について検討する。図11は、くさび角度εと第1の表面1112における入射角αとを有するくさび形窓1100を通って進む光線の形状を示している。くさび形窓1100は、第1屈折角β、第2入射角γ、第2屈折角δを有する。私たちは、くさび形窓を出る最終的な光線の、くさび形窓に入射する最初の光線に対する角度を発見することに関心がある。私たちは、特に、入射角αがゼロに近い場合、この角度変化が、入射角αによってどのように変化するかに関心がある。
第1の接触面でのビーム角の変化は、β−αであり、第2の接触面でのビーム角の変化は、γ−δである。第2入射角は、次式で与えられる。
γ=β+ε, (3)
また、ビーム角の総変化ζは、
ζ=β−α+δ−γ=−α+asin(n sin(γ))−ε, (4)
となる。
γ=β+ε, (3)
また、ビーム角の総変化ζは、
ζ=β−α+δ−γ=−α+asin(n sin(γ))−ε, (4)
となる。
図3における点394の間に所望の間隔を与える3つの異なる角度を生成するために、くさび形窓の配列を、図12に示すようにアセンブリ1200に組み合わせることができる。各ビームの主方向は、ミラー332、334で設定されている。図12中のアセンブリ1200の目的は、干渉縞ピッチの所望の小さな変化を生成するために、図3のビーム385、389の間の角度に小さな変化を作ることである。これは、アセンブリ1200内で、中央に非くさび形窓1212を使用し、両側に反対方向に角度が付けられたくさび形窓1210および1214を用いて成し遂げられる。
本明細書において上述されたように、実施形態においては、対物レンズ370に入射する光ビームの所望の分離角は、ai={10.2、11.6、12.9}mradとなりうる。無限焦点ビーム拡大器360が、横倍率10の場合、ビーム385と389と間の分離角が10倍大きいか、または約{102、116、129}mradとなる必要があり、ここでは、ビーム間の分離角は±13.3mradである。くさび形窓1210、1214は、共通のアセンブリに取り付けられる前に反対方向に回転される場合には、同じくさび形窓を用いることができる。
所望の偏位角を生成するために、図12のアセンブリ1200は、紙面内で上下に移動される。これにより、3つの要素1210、1212、1214のそれぞれにおいて一貫した角度偏位が生成されるが、維持すべきは、各場合で異なる位相シフトであり、この位相シフトは、アセンブリ1200の上下移動における位置に依存している。
アセンブリが移動される際に、ガラスの厚さのばらつきに伴う望ましくない位相シフトを避けるために、図13A、図13Bのアセンブリ1300のようにくさびが配置されてもよい。図13Aの上面図を見ると、くさびは紙面の範囲外にある。1つのビーム1330が、3つの部分1310、1315、1320のうちの1つに入射する。ガラス部分1315、1311、1320のくさび角度により、存在する光ビーム1340、1350、1345の方向がそれぞれ決定される。非くさび形部分1310に入射するビーム1330については、ビーム1340は、元の方向に沿ってアセンブリを出る。その他の2つの部分1315、1320については、ビームは、図11によれば、ガラスの前縁に向かって曲げられる。アセンブリ1300(1350)の設計の重要な一面は、アセンブリが移動する際に、ビームの位相が部分1310、1315、1320のいずれにおいても変化しないことである。これは、移動中にガラスの厚さが変化しないように、部分1310、1315、1320が適切に整列される限り当てはまる。
くさび形窓の第1の表面が、入射光ビーム1220、1222、1224に対して垂直に配置されている場合、分離角13.3mradを得るために、くさび形窓1210および1214に必要となるくさび角度εは、式(3)、(4)を用いて求められ、約26.6mradとなる。ビーム拡大器360を通過した後、分離角は、1/10の1.33mradに減少する。問われる問題は、窓アセンブリ1200を保持している移動ステージにおける搖動が、問題を引き起こすかどうかである。式(3)、(4)を使用してこの質問に答えることができる。図13A、図13Bの機構で使用可能な代表的なボールスライドにおいて、ボールスライドの真直度は、0.00008m/mである。この場合には、結果として生じる搖動によって、百万分の0.5未満単位で干渉縞ピッチが変化するが、これは許容可能な変化であることが示される。
なお、図10Aおよび図10Bの位相シフトアセンブリを、図3のアセンブリ300の一方のアーム340または342へ挿入し、干渉縞シフトアセンブリ1300を、他方のアーム342または340へ挿入することが可能である。これにより、アセンブリ1300、1000の構造を簡素化することができる。
あるいは、光学アセンブリを1つだけ使用して位相シフトおよび干渉縞間隔調整の両方を行うこともできる。複数の段差を含む1つのくさび要素が、図14A〜Dに示されている。くさび形ガラス窓1410は、出射面と平行でない入射面1422を有する。入射面1422の上部分1414は、エッチングされていない。2つの部分1414および1416は、異なる深さにエッチングされる。別の3つの領域1414、1416、1418では、ガラスは異なる深さにエッチングされる。光線1450は、傾斜面1420を通過して光線1454として出射するときに、方向が変化する。このうち2つの部分1412、1414を通過する光線1450のOPLの差は、2つの部分の厚さの差×n−1に等しく、ここで、nはガラスの屈折率である。位相シフトは、2π/λ×OPLの差に等しい。例を挙げると、屈折率n=1.5を有するガラスを通って進行する波長658nmに対して、位相シフト120度=2λ/3ラジアンを得るためには、必要となる2つの部分の深さの差は、d=λ/3(n−1)=658/3(1.5−1)=438.7nmとなる。240度の位相シフトについて、2つの部分間の深さの差は、この値の2倍かまたは877.3nmとなる。
3つの異なる干渉縞ピッチを得るためには、3つの異なるくさび角度が必要である。3つの異なるくさび角度を有する光学アセンブリ1500の代表的実施形態が、図15Aおよび図15Bの正面図と上面図にそれぞれ示されている。窓1400の窓に似た3つの窓が組み合わされている。このようなアセンブリを作るための簡単な方法としては、窓1510にくさび角度ゼロを有する平行平板窓を使用し、異なる角度を有するエッチングされていない窓を使用して窓1508、1512の組み立てを開始することがある。アセンブリ1500は、図3の位置340または342のいずれかで使用可能である。
図16に示された電動機構1600を使用して、位相/干渉縞調整器1000、1200、1300、1500を含む、直線運動を必要とする位相/干渉縞調整器に対して直線運動を提供することができる。実施形態では、ステージ1600は、中央に穴のあるボールスライドを含む。このタイプの市販のボールスライドは、0.00008m/mという特定の真直度を有する。位相/干渉縞調整器は、位置1620に取り付けられている。実施形態ではボイスコイルアクチュエータであるアクチュエータ1630によって運動が提供される。アクチュエータ1630が、ドライバ要素1632を押して、ボールスライドを動かす。実施形態ではリニアエンコーダであるセンサ1640によって位置フィードバックが提供される。電子機器ユニット1650は、アクチュエータ1630と、フィードバックセンサ1640とに対して電子機器サポートを提供する。電子機器ユニット1650は、計算上のサポートを提供するための演算装置を含んでもよい。
図17は、図3の位置332または334に配置可能な回転ミラー1700を示している。回転ミラー1700は、図3の2つのビーム385、389間の角度を変更することによって干渉縞ピッチの変更を得る代替方法として使用可能である。回転ミラー1700は、ミラー1710と、ミラー取付台1712と、回転軸受1730、1732に取り付けられた軸1720と、モータ1734と、角度エンコーダであって、ディスクスケール1736と、1つまたは複数の読取ヘッド1738、1740とを含む角度エンコーダと、電子機器ユニット1750であって、モータとエンコーダのために電子機器サポートを提供するとともに計算を行うための演算装置を提供する電子機器ユニット1750と、を含む。
図18Aの位相調整アセンブリ1800は、そこを通る光1830の位相を調整する位相調整器1810と、電子機器および演算装置サポートを提供する電子機器ユニットとを含む。機械的な動きを必要とすることなく、光の位相をシフトする装置には様々なものがある。図18Bの位相/干渉縞調整器アセンブリ1850は、透過型空間光変調器(SLM)であって、SLM媒体の総合屈折率を変化させることによって、それを通過する光1880に対して位相シフトを提供する。また、位相/干渉縞調整器アセンブリ1850は、屈折率に勾配を設けることによって干渉縞調整を提供し、それによって光の屈折を引き起こしてもよい。SLM1860は、SLMのために電子機器および演算装置サポートを提供する電子機器ユニット1870を含む。調整器1800および1850は、図3の位置340または342に配置することができる。
図19の位相/干渉縞調整器アセンブリ1900は、光ビーム1940を反射するミラー1910と、圧電(PZT)アクチュエータ1920と、フィードバックセンサ1930と、電子機器ユニット1940とを含む。PZTアクチュエータ1920は、ミラーを内側と外側とに変位させて、それによって光1940の位相を変化させることができる。PZTアクチュエータ1920は、干渉縞ピッチを変更しながら、ミラーを回転させることもできる。フィードバックセンサ1930は、静電容量センサ、ストレインゲージ式センサ、あるいは小さな動きを測定することが可能なその他のセンサであってもよい。電気機器ユニット1940は、PZTアクチュエータ1920とフィードバックセンサ1930とに対して、演算装置サポートおよび電子機器サポートを提供する。位相/干渉縞調整器アセンブリ1900は、図3のミラー332または334に取り付けることができる。
図20は、アクチュエータ2022を用いてミラー要素2010を傾けることによって、ミラー2010をハードストップ2030、3032、2034、2036に押し付けて干渉縞ピッチを調整する装置を示している。図20に描写された装置は、高価な要素であることが多いフィードバックセンサを必要としないという利点がある。アクチュエータは、例えば、強磁性ミラー枠を素早くしかるべき位置に引き込むハードストップに取り付けられた電磁発電機でもよい。あるいは、アクチュエータは、圧電アクチュエータかまたはその他のミラーをしかるべき位置へ移動させる機械装置であってもよい。干渉縞調整器は、図3の位置332、334で使用することができる。
図21は、代替的な干渉計アセンブリ2100の実施形態を示しており、ここでは、図3のような別々のビーム分割器とビーム結合器の代わりに、1つの反射/透過接触面2117が使用されている。アセンブリ2100は、光源2110と、フェルール2112およびレンズ2114を含む光入射装置と、ビーム分割器2116と、ミラー2130、2132と、任意選択の位相調整器2120、2122と、任意選択のミラー位相/干渉縞調整器2124、2126と、対物レンズ2140と、アセンブリ2100内の装置に対して電子機器および演算装置サポートを提供する電子機器ユニット2160と、を含む。レーザビームは、ビーム分割器2116を出る際に幾分発散する。ビームは、対物レンズに入射して、そこで2つの小さな点2154に集束される。任意選択の位相調整器2120、2122は、アセンブリ1000、1200、1500、1800、1850のうちのいずれでもよい。任意選択のミラー位相/干渉縞調整器2124、2126は、アセンブリ1700、1900、2000のうちのいずれでもよい。
場合によっては、ビーム2152および2154が接触面2117から対物レンズ2140まで進む距離は、対物レンズ2140の焦点距離に比べて相対的に大きくてもよい。この場合、一対のレンズ(ビーム拡大器またはビーム縮小器)を追加して、ビーム2152、2154が、対物レンズ2140の焦点距離と同等の距離で対物レンズ2140の手前で交差するように、ビーム2152、2154を変形させることが望ましい。
実施形態の例を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能であること、またその要素を同等物によって代替することが可能であることを理解しうるであろう。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことも可能である。したがって、本発明は、本発明を実施するための最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を包含することを意図している。さらに、第1、第2、などの用語の使用は、何らかの順序または重要性を表すものではなく、第1、第2、などの用語は、ある要素を別の要素から区別するために使用されている。またさらに、1つのなどの用語の使用は、数量の限定を意味するものではなく、言及された項目が少なくとも1つ存在することを示す。
Claims (23)
- 物体の表面(130)の第1の物点(124)の3次元座標を決定するための方法であって、
第1の透明領域(1212、1310、1510)および第2の透明領域(1210、1315、1508)を有する第1の透明板(1100、1200、1300、1400、1500、1620)を提供するステップであって、前記第1の領域は、第1の表面(1112、1422)と、第2の表面(1114、1420)と、第1の屈折率と、第1のくさび角度と、を有し、前記第1のくさび角度は、前記第1の表面と前記第2の表面との間の角度であり、前記第2の領域は、第3の表面(1112、1422)と、第4の表面(1114、1420)と、第2の屈折率と、第2のくさび角度と、を有し、前記第2のくさび角度は、前記第3の表面と前記第4の表面との間の角度である、ステップと、
第1の光ビームを第1の光(386、382)と、第2の光(382、386)とに分割するステップであって、前記第1の光と前記第2の光は、互いに干渉しあい、前記第1の光は、第1の経路に沿って進行し、前記第2の光は、第2の経路に沿って進行し、前記第1の経路は、前記第2の経路と重ならない、ステップと、
第1の場合に前記第1の光を前記第1の領域を通して送出するステップであって、前記第1の光は、前記第1の表面および前記第2の表面を通過し、前記第1の領域は、前記第1の光の方向を第1の偏向角度だけ変更するように構成されており、前記第1の偏向角度は、前記第1のくさび角度と前記第1の屈折率とに応じている、ステップと、
第2の場合に前記第1の光を前記第2の領域を通して送出するステップであって、前記第1の光は、前記第3の表面および前記第4の表面を通過し、前記第2の領域は、前記第1の光の前記方向を第2の偏向角度だけ変更するように構成されており、前記第2の偏向角度は、前記第2のくさび角度と前記第2の屈折率とに応じており、前記第2の偏向角度は、前記第1の偏向角度とは異なる、ステップと、
前記第1の場合に前記物体の表面に第1の干渉縞パターン(275、510、520)を生成するために、前記第1の領域を通過した前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップであって、前記第1の干渉縞パターンは、前記第1の物点において第1のピッチを有し、前記第1のピッチは、前記第1の偏向角度に応じている、ステップと、
前記第2の場合に前記物体の表面に第2の干渉縞パターン(275、510、520)を生成するために、前記第2の領域を通過した前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップであって、前記第2の干渉縞パターンは、前記第1の物点において第2のピッチを有し、前記第2のピッチは、前記第2の偏向角度に応じており、前記第2のピッチは、前記第1のピッチとは異なる、ステップと、
前記第1の場合に前記第1の物点を感光性アレイ(146)上の第1のアレイ点(128)に結像して、前記感光性アレイから第1の電気データ値(152)を得るステップと、
前記第2の場合に前記第1の物点を、前記感光性アレイ上の前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第2の電気データ値を得るステップと、
前記第1の電気データ値および前記第2の電気データ値に少なくとも部分的に基づいて、前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を格納するステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
第2の透明板(1000)を提供するステップであって、前記第2の透明板は、第3の透明領域(1020)および第4の透明領域(1030)を有し、前記第3の領域は、第5の表面と、第6の表面と、第3の屈折率と、第1の厚さと、第1の光路長と、を有し、前記第5の表面と前記第6の表面とは、実質的に平行であり、前記第1の厚さは、前記第5の表面と前記第6の表面との間の距離であり、前記第1の光路長は、前記第1の厚さ×前記第3の屈折率であり、前記第4の領域は、第7の表面と、第8の表面と、第4の屈折率と、第2の厚さと、第2の光路長と、を有し、前記第7の表面と前記第8の表面とは、実質的に平行であり、前記第2の厚さは、前記第7の表面と前記第8の表面との間の距離であり、前記第2の光路長は、前記第2の厚さ×前記第4の屈折率であり、前記第1の光路長と前記第2の光路長とは異なっている、ステップと、
前記第1の場合に前記第1の光または前記第2の光の1つを、第1の例において前記第3の領域を通して送出し、第2の例において前記第4の領域を通して送出するステップと、
前記第2の場合に前記第1の光または前記第2の光の前記いずれか1つを、第3の例において前記第3の領域を通して送出し、第4の例において前記第4の領域を通して送出するステップと、
前記第1の例のために前記第1の物点を前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第3の電気データ値を得るステップと、
前記第2の例のために前記第1の物点を前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第4の電気データ値を得るステップと、
前記第3の例のために前記第1の物点を前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第5の電気データ値を得るステップと、
前記第4の例のために前記第1の物点を前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第6の電気データ値を得るステップと、
を含み、
前記3次元座標を決定するステップにおいて、前記第1の物点の3次元座標は、さらに、前記第3の電気データ値と、前記第4の電気データ値と、前記第5の電気データ値と、前記第6の電気データ値とに少なくとも部分的に基づいており、前記第1の電気データ値は、前記第3の電気データ値と等しく、前記第2の電気データ値は、前記第5の電気データ値と等しい、方法。 - 請求項2に記載の方法であって、さらに、
前記第2の透明板を提供するステップにおいて、さらに第5の領域(1040)を含むステップであって、前記第5の領域は、第9の表面と、第10の表面と、第5の屈折率と、第3の厚さと、第3の光路長と、を有し、前記第9の表面と前記第10の表面とは、実質的に平行であり、前記第3の厚さは、前記第9の表面と前記第10の表面との間の距離であり、前記第3の光路長は、前記第3の厚さ×前記第5の屈折率であり、前記第3の光路長は、前記第1の光路長および前記第2の光路長とは異なる、ステップと、
前記第1の場合に前記第1の光または前記第2の光の前記いずれか1つを、第5の例において前記5の領域を通して送出するステップと、
前記第2の場合に前記第1の光または前記第2の光の前記いずれか1つを、第6の例において前記5の領域を通して送出するステップと、
前記第5の例のために前記第1の物点を前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第7の電気データ値を得るステップと、
前記第6の例のために前記第1の物点を前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第8の電気データ値を得るステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップにおいて、前記第1の物点の3次元座標を、さらに、前記第7の電気データ値と、前記第8の電気データ値とに基づいて決定するステップと、
を含む方法。 - 請求項3に記載の方法であって、さらに、
前記第3の電気データ値と、前記第5の電気データ値と、前記第7の電気データ値とに少なくとも部分的に基づいて前記第1のアレイ点の第1の位相値を計算するステップと、
前記第4の電気データ値と、前記第6の電気データ値と、前記第8の電気データ値とに少なくとも部分的に基づいて前記第1のアレイ点の第2の位相値を計算するステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップにおいて、前記第1の物点の3次元座標が、さらに、前記第1の位相値および前記第2の位相値に少なくとも部分的に基づくステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
第1のレンズ系(370)を提供するステップと、
第1の光点(394)と第2の光点(394)とを形成するために、前記結合された第1の光と第2の光を、前記第1のレンズ系を通して送出するステップと、
前記第1の光点と前記第2の光点とを前記物体に伝搬するステップと、
を含む方法。 - 請求項5に記載の方法であって、さらに、
第2のレンズ系(360)を提供するステップであって、前記第2のレンズ系は、1より大きい横倍率を有する無限焦点レンズ系である、ステップと、
前記結合された第1の光と第2の光を、前記第1のレンズ系を通して送出する前に、前記第2のレンズ系を通して送出するステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
第1のビーム分割器(356)を提供するステップであって、前記第1のビーム分割器は、光を反射するように構成された第1の部分(354)と、光を透過させるように構成された第2の部分(352)とを有する、ステップと、
前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップの前に、前記第1の部分で前記第1の光を反射させ、前記第2の光を前記第2の部分を通して透過させるステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
第1のビーム分割器(356)を提供するステップであって、前記第1のビーム分割器は、光を反射するように構成された第1の部分(354)と、光を透過させるように構成された第2の部分(352)とを有する、ステップと、
前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップの前に、前記第1の部分で前記第2の光を反射させ、前記第1の光を前記第2の部分を通して透過させるステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、さらに、
光ファイバ(322)と、平行レンズ(324)と、第2のビーム分割器(330)と、を提供するステップと、
前記光ファイバから第3の光を放射するステップと、
前記第1の光ビーム(380)を形成するために、前記第3の光を前記平行レンズで平行にするステップと、
前記第1の光ビームを分割するステップにおいて、前記第1の光と前記第2の光とを得るために、さらに、前記第1の光ビームを前記第2のビーム分割器に送出するステップと、
を含む方法。 - 請求項1に記載の方法であって、第1の光ビームを分割するステップにおいて、前記第1の光ビームは、可視光線、赤外線、紫外線からなるグループから選択される、方法。
- 請求項1に記載の方法であって、さらに、
第1の透明板(1400、1500)を提供するステップにおいて、さらに、第3の透明領域(1414)と、第4の透明領域とを提供するステップであって、前記第1の領域は、さらに、第1の厚さと、第1の光路長とを有し、前記第2の領域は、さらに、第2の厚さと、第2の光路長とを有し、前記第3の領域は、第5の表面と、第6の表面と、第3のくさび角度と、第3の屈折率と、第3の厚さと、第3の光路長と、を有し、前記第4の領域は、第7の表面と、第8の表面と、第4の屈折率と、第4のくさび角度と、第4の厚さと、第4の光路長と、を有し、前記第1の厚さは、前記第1の表面と前記第2の表面との間の第1の経路に沿った長さであり、前記第1の光路長は、前記第1の厚さ×前記第1の屈折率であり、前記第2の厚さは、前記第3の表面と前記第4の表面との間の第2の経路に沿った長さであり、前記第2の光路長は、前記第2の厚さ×前記第2の屈折率に沿った長さであり、前記第3のくさび角度は、前記第5の表面と前記第6の表面との間の角度であり、前記第3の厚さは、前記第5の表面と前記第6の表面との間の第3の経路に沿った長さであり、前記第3の光路長は、前記第3の厚さ×前記第3の屈折率であり、前記第4のくさび角度は、前記第7の表面と前記第8の表面との間の角度であり、前記第4の厚さは、前記第7の表面と前記第8の表面との間の第4の経路に沿った長さであり、前記第4の光路長は、前記第4の厚さ×前記第4の屈折率であり、前記第3のくさび角度は、前記第1のくさび角度と実質的に等しく、前記第4のくさび角度は、前記第2のくさび角度と実質的に等しく、前記第3の光路長は、前記第1の光路長とは異なり、前記第4の光路長は、前記第2の光路長とは異なる、ステップと、
前記第1の場合に前記第1の光を前記第1の領域を通して送出するステップにおいて、さらに、第1の例において前記第1の光を前記第1の経路に沿って送出するステップと、
前記第2の場合に前記第1の光を前記第2の領域を通して送出するステップにおいて、さらに、第2の例において前記第1の光を前記第2の経路に沿って送出するステップと、
第3の例において前記第1の光を前記第3の経路に沿って送出するステップと、
第4の例において前記第1の光を前記第4の経路に沿って送出するステップと、
前記第1の場合に前記第1の物点を結像するステップにおいて、前記第1の例において、さらに、前記第1の電気値を得るために、前記感光性アレイ上に前記第1の物点を結像するステップと、
前記第2の場合に前記第1の物点を結像するステップにおいて、前記第2の例において、さらに、前記第2の電気値を得るために、前記感光性アレイ上に前記第1の物点を結像するステップと、
前記第3の例において、前記感光性アレイ上に前記第1の物点を結像して、前記感光性アレイから第3の電気データ値を得るステップと、
前記第4の例において、前記感光性アレイ上に前記第1の物点を結像して、前記感光性アレイから第4の電気データ値を得るステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップにおいて、さらに、前記第1の物点の前記3次元座標を、前記第3の電気データ値および前記第4の電気データ値に少なくとも部分的に基づいて決定するステップと、
を含む方法。 - 請求項11に記載の方法であって、さらに、
前記第1の透明板を提供するステップは、さらに、第5の領域および第6の領域を提供するステップであって、前記第5の領域は、第9の表面と、第10の表面と、第5のくさび角度と、第5の屈折率と、第5の厚さと、第5の光路長と、を有し、前記第6の領域は、第11の表面と、第12の表面と、第6のくさび角度と、第6の屈折率と、第6の厚さと、第6の光路長と、を有し、前記第5のくさび角度は、前記第9の表面と前記第10の表面との間の角度であり、前記第5の厚さは、前記第9の表面と前記第10の表面との間の第5の経路に沿った長さであり、前記第5の光路長は、前記第5の厚さ×前記第5の屈折率であり、前記第6のくさび角度は、前記第11の表面と前記第12の表面との間の角度であり、前記第6の厚さは、前記第11の表面と前記第12の表面との間の第6の経路に沿った長さであり、前記第6の光路長は、前記第6の厚さ×前記第6の屈折率であり、前記第5のくさび角度は、前記第1のくさび角度と実質的に等しく、前記第6のくさび角度は、前記第2のくさび角度と実質的に等しく、前記第5の光路長は、前記第1の光路長および前記第3の光路長とは異なり、前記第6の光路長は、前記第2の光路長および前記第4の光路長とは異なる、ステップと、
第5の例において前記第1の光を前記第5の経路に沿って送出するステップと、
第6の例において前記第1の光を前記第6の経路に沿って送出するステップと、
前記第5の例において前記感光性アレイ上に前記第1の物点を結像して、前記感光性アレイから第5の電気データ値を得るステップと、
前記第6の例において前記感光性アレイ上に前記第1の物点を結像して、前記感光性アレイから第6の電気データ値を得るステップと、
前記3次元座標を決定するステップにおいて、前記第1の物点の前記3次元座標を、前記第5の電気データ値および前記第6の電気データ値に少なくとも部分的に基づいて決定するステップと、
を含む方法。 - 請求項12に記載の方法であって、さらに、
前記第1の電気データ値と、前記第3の電気データ値と、前記第5の電気データ値とに少なくとも部分的に基づいて前記第1のアレイ点の第1の位相値を計算するステップと、
前記第2の電気データ値と、前記第4の電気データ値と、前記第6の電気データ値とに少なくとも部分的に基づいて前記第1のアレイ点の第2の位相値を計算するステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップにおいて、前記第1の物点の3次元座標が、前記第1の位相値および前記第2の位相値に少なくとも部分的にさらに基づくようにするステップと、
を含む方法。 - 物体の表面(130)の第1の物点(124)の3次元座標を決定するための方法であって、
第1の透明領域(1020)と、第2の透明領域(1030)と、第3の透明領域(1040)と、を有する第1の透明板(1000)を提供するステップであって、前記第1の領域は、第1の表面と、第2の表面と、第1の屈折率と、第1の光路長と、を有し、前記第2の領域は、第3の表面と、第4の表面と、第2の屈折率と、第2の光路長と、を有し、前記第3の領域は、第5の表面と、第6の表面と、第3の屈折率と、第3の光路長と、を有し、前記第1の表面と前記第2の表面とは、実質的に平行であり、前記第1の厚さは、前記第1の表面と前記第2の表面との間の距離であり、前記第1の光路長は、前記第1の厚さ×前記第1の屈折率であり、前記第3の表面と前記第4の表面とは、実質的に平行であり、前記第2の厚さは、前記第3の表面と前記第4の表面との間の距離であり、前記第2の光路長は、前記第2の厚さ×前記第2の屈折率であり、前記第5の表面と前記第6の表面とは、実質的に平行であり、前記第3の厚さは、前記第5の表面と前記第6の表面との間の距離であり、前記第3の光路長は、前記第3の厚さ×前記第3の屈折率であり、前記第1の光路長、前記第2の光路長、前記第3の光路長は、それぞれ異なる、ステップと、
第1の光ビーム(380)を第1のビーム分割器(330)に送出するステップと、
前記ビーム分割器を使って、第1の光ビームを第1の光(386、382)と、第2の光(382、386)とに分割するステップであって、前記第1の光と前記第2の光は、互いに干渉しあい、前記第1の光は、第1の経路に沿って進行し、前記第2の光は、第2の経路に沿って進行し、前記第1の経路は、前記第2の経路と重ならない、ステップと、
第3の光を得るために、第1の例において前記第1の光を前記第1の領域を通して送出するステップと、
第4の光を得るために、第2の例において前記第1の光を前記第2の領域を通して送出するステップと、
第5の光を得るために、第3の例において前記第1の光を前記第3の領域を通して送出するステップと、
第6の光を形成するために、前記第1の例において、前記第3の光および前記第2の光をビーム結合器(356)に送出するステップと、
第7の光を形成するために、前記第2の例において、前記第4の光および前記第2の光を前記ビーム結合器に送出するステップと、
第8の光を形成するために、前記第3の例において、前記第5の光および前記第2の光を前記ビーム結合器に送出するステップと、
前記第1の例において、前記第6の光を前記物体(130)の表面に送出するステップと、
前記第2の例において、前記第7の光を前記物体の表面に送出するステップと、
前記第3の例において、前記第8の光を前記物体の表面に送出するステップと、
前記第1の場合に前記第1の物点(124)を、感光性アレイ(146)上の第1のアレイ点(128)に結像して、前記感光性アレイから第1の電気データ値を得るステップと、
前記第2の場合に前記第1の物点を、前記感光性アレイ上の前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第2の電気データ値を得るステップと、
前記第3の場合に前記第1の物点を、前記感光性アレイ上の前記第1のアレイ点に結像して、前記感光性アレイから第3の電気データ値を得るステップと、
前記第1の電気データ値と、前記第2の電気データ値と、前記第3の電気データ値とに少なくとも部分的に基づいて、前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を格納するステップと、
を含む方法。 - 請求項14に記載の方法であって、さらに、
光を反射するように構成された第1の部分(354)と、光を透過させるように構成された第2の部分(352)とを備える前記ビーム結合器(356)を提供するステップと、
前記第1の部分で前記第1の光(384)を反射させるステップと、
前記第2の光(386)を前記第2の部分を通して透過させるステップと、
を含み、
前記反射された第1の光と前記透過された第2の光とを結合して前記第3の光を形成する、方法。 - 請求項14に記載の方法であって、さらに、
光を反射するように構成された第1の部分(354)と、光を透過させるように構成された第2の部分(352)とを有する前記ビーム結合器(356)を提供するステップと、
前記第1の部分で前記第2の光(384)を反射させるステップと、
前記第1の光(386)を前記第2の部分を通して透過させるステップと、
を含み、
前記反射された第2の光と前記透過された第1の光とを結合して前記第3の光を形成する、方法。 - 請求項14に記載の方法であって、さらに、
第1の電気データ信号と、第2の電気データ信号と、第3の電気データ信号に少なくとも部分的に基づいて前記第1のアレイ点の位相値を計算するステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップにおいて、さらに、前記第1の物点の3次元座標が、前記位相値に少なくとも部分的に基づくようにするステップと、
を含む方法。 - 請求項14に記載の方法であって、さらに、
第1のレンズ系(370)を提供するステップと、
第1の光点(394)と第2の光点(394)とを形成するために、前記第3の光を、前記第1のレンズ系を通して送出するステップと、
前記第1の光点と前記第2の光点とを前記物体に伝搬するステップと、
を含む方法。 - 請求項14に記載の方法であって、さらに、
第2のレンズ系(360)を提供するステップであって、前記第2のレンズ系は、1より大きい横倍率を有する無限焦点レンズ系である、ステップと、
前記第3の光を、前記第1のレンズ系を通して送出する前に、前記第2のレンズ系を通して送出するステップと、
を含む方法。 - 請求項14に記載の方法であって、さらに、
光ファイバ(312)と、平行レンズ(324)と、第2のビーム分割器(330)と、を提供するステップと、
前記光ファイバから第4の光を放射するステップと、
前記第1の光ビーム(380)を形成するために、前記平行レンズ(324)を使って前記第4の光を平行にするステップと、を含み、
前記第1の光ビームを分割するステップにおいて、さらに、前記第1の光と前記第2の光とを得るために、前記第1の光ビームを前記第1のビーム分割器に送出するステップと、
を含む方法。 - 請求項14に記載の方法であって、第1の光ビームを分割するステップにおいて、前記第1の光ビームは、可視光線、赤外線、紫外線からなるグループから選択される、方法。
- 物体(130)の表面における第1の物点(124)の3次元座標を決定する方法であって、
第1の光ビームを第1の光と、第2の光とに分割するステップであって、前記第1の光と前記第2の光は、互いに干渉しあい、前記第1の光は、第1の経路に沿って進行し、前記第2の光は、第2の経路に沿って進行し、前記第1の経路は、前記第2の経路と重ならない、ステップと、
第1の透明板(600、710、812A)と、回転機構(840)とを含む第1の透明板アセンブリ(800、801)を提供するステップであって、前記第1の透明板は、第1の表面と、第2の表面と、第1の屈折率と、第1の厚さと、を有し、前記第1の表面と前記第2の表面とは、実質的に平行であり、前記第1の厚さは、前記第1の表面と前記第2の表面との間の距離であり、前記回転機構は、前記第1の透明板を回転するように構成されている、ステップと、
第1の例において、前記第1の透明板に入射する前記第1の光について前記第1の表面の第1の入射角を得るために、前記第1の透明板を回転させるステップと、
第2の例において、前記第1の透明板に入射する前記第1の光について前記第1の表面の第2の入射角を得るために、前記第1の透明板を回転させるステップであって、前記第2の入射角は、前記第1の入射角と等しくない、ステップと、
第3の例において、前記第1の透明板に入射する前記第1の光について前記第1の表面の第3の入射角を得るために、前記第1の透明板を回転させるステップであって、前記第3の入射角は、前記第1の入射角とも、前記第2の入射角とも等しくない、ステップと、
前記第1の例において、前記物体の表面に第1の干渉縞パターンを生成するために、前記第1の透明板を通過する前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップと、
前記第2の例において、前記物体の表面に第2の干渉縞パターンを生成するために、前記第1の透明板を通過する前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップと、
前記第3の例において、前記物体の表面に第3の干渉縞パターンを生成するために、前記第1の透明板を通過する前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップと、
前記第1の例において、感光体アレイ(146)上の第1のアレイ点(128)に前記第1の物点を結像し、前記感光体アレイから第1の電気データ値を得るステップと、
前記第2の例において、前記第1のアレイ点に前記第1の物点を結像し、前記感光体アレイから第2の電気データ値を得るステップと、
前記第3の例において、前記第1のアレイ点に前記第1の物点を結像し、前記感光体アレイから第3の電気データ値を得るステップと、
前記第1の電気データ値と、前記第2の電気データ値と、前記第3の電気データ値と、前記第1の厚さと、前記第1の屈折率と、前記第1の入射角と、前記第2の入射角と、前記第3の入射角とに少なくとも部分的に基づいて、前記第1の物点の前記3次元座標を決定するステップと、
前記第1の物点の前記3次元座標を格納するステップと、
を含む方法。 - 請求項22に記載の方法であって、さらに、
第2の透明板(720、812B)を提供するステップであって、前記第2の透明板は、前記第1の透明板と実質的に同一である、ステップと、
第3の光を得るために、前記第1の光ビーム(890)を前記第1の透明板および前記第2の透明板に通過させるステップと、
前記第1の光と前記第3の光が実質的に同一直線上になるように、前記第2の透明板を回転させるステップと、
前記第1の例、前記第2の例、前記第3の例において、前記物体の表面上の前記第1の光と前記第2の光とを結合するステップと、
を含む方法。
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