JP2015505039A - 変調光を使用した非接触表面形状評価 - Google Patents

Abstract

被験物体の三次元画像を形成する方法は、光を結像光学素子のベストフォーカス表面へと方向付けることであって、光がベストフォーカス表面の少なくとも１方向において強度変調される、方向付けること、被験物体の走査中に計測物体の表面が結像光学素子のベストフォーカス表面を通過するように被験物体を結像光学素子に対して走査すること、走査中の被験物体の一連の位置の各々について、結像光学素子を使って計測物体の１つの画像を取得すること、ベストフォーカス表面の中の光の強度変調が後続の画像については異なる、計測物体の１つの画像を取得すること、取得した画像に基づいて被験物体の三次元画像を形成するステップとを備える。

Description

本願は変調光を使用した非接触表面形状評価の方法及びそれを実行するように構成された装置に関する。

非接触表面形状評価の分野には、物体の表面に関する情報の評価及び／又は計測、例えば形状や表面仕上げ計測が含まれる。非接触表面形状評価が可能なツールは、製造業において、生産現場でのプロセス開発、品質管理及びプロセス管理等の段階中に有益となりうる。非接触表面形状評価方法は、物体の三次元（３Ｄ：ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）形状と位置に関する情報を、光学系内で物体の画像の周波数成分を解析することによって取得するステップを含むことができる。

一般に、本明細書に記載されている主題は、物体の表面に関する情報を取得する方法とシステムに関する。開示されている方法は、例えば、構造化照明パターンを結像光学素子のベストフォーカス表面へ方向付け、その間にベストフォーカス表面の中の視野を多素子検出器上に結像するステップを含むことができる。構造化照明パターンとは、光強度に基づく、ある形態の符号化を含む不均一な照明パターンである。構造化照明パターンの例には、周期的強度パターン（一次元又は二次元で変調）が含まれる。物体はベストフォーカス表面を通じて走査され、その間に物体表面上の照明パターンの一連の画像が多素子検出器によって逐次的に取得される。取得される連続画像の各々について、照明パターンが調整され、視野内の、検出素子に対応する各点でのその強度があるフレームから次のフレームへと変調されるようになっている。その結果として各検出素子で取得される信号は変調を含み、最大振幅は物体表面における物体表面が対物レンズのベストフォーカス表面と交差する位置において、又はその付近で発生する。画像シーケンスにより提供される信号の解析に基づいて、物体の表面凹凸形状と表面性状の計測値を得ることができ、いくつかの実装形態においては、物体の表面の三次元画像を生成できる。

いくつかの実施形態において、検出器面とパターン生成面が、物体空間において形状評価対象物体、例えば平面、球、放物面、円柱、円錐、又は非球面光学素子の形状と名目上共形のある表面上にマッピングされる。

特定の実施形態において、検出器の１つの画素（すなわち、素子）で記録される信号の変調包絡線は、走査型低コヒーレンス干渉計（SWLI:scanning low-coherence interferometer）の信号の特徴のいくつかを模倣する。したがって、走査データから表面凹凸形状又は反射性データへの変換は、ＳＷＬＩ用に開発された包絡線検波アルゴリズム、例えば周波数領域解析（「ＦＤＡ」）(frequency domain analysis）又は最小二乗解析（「ＬＳＱ」）（least squares analysis）を適用することによって実行してもよい。

いくつかの実施形態において、投影照明パターンの創出に使用される装置はプログラム可能であり、それによって、周波数成分、向き、及び空間強度分布を調整して、物体ごとに計測能力を最適化できる。

構造化照明変調方式は、光学系の高速オートフォーカス走査を可能にするように最適化できる。レーザ眼球手術での応用は、角膜と接触する重要構成部品に関するレーザ光学素子の位置の特定である。他の応用は低コヒーレンス干渉計の高速焦点合わせであり、この場合、オートフォーカス走査速度は検出信号からの干渉信号を平均化するように選択される。

特定の実施形態において、装置は使用者に対し、高さ情報をその他の表面情報、例えば色、吸収、表面性状等と組み合わせた、より高度な物体の画像を提供する。
本明細書に記載されている主題の各種の態様を以下にまとめる。

一般に、本明細書に記載されている主題の１つの態様は、被験物体の三次元画像を形成する方法において実施でき、これらの方法は、光を結像光学素子のベストフォーカス表面へと方向付けるステップであって、光がベストフォーカス表面の少なくとも１つの方向において強度変調されるステップと、被験物体を結像光学素子に対して走査し、被験物体の走査中に計測物体のある表面が結像光学素子のベストフォーカス表面を通過するようにするステップと、走査中の被験物体の一連の位置の各々について、結像光学素子を使って計測物体の１つの画像を取得するステップであって、ベストフォーカス表面内の光の強度変調が連続する画像ごとに異なるステップと、取得された画像に基づいて被験物体の三次元画像を形成するステップと、を含む。

これらの実施形態及びその他の実施形態には各々、任意選択で、以下の特徴の１つ又は複数を含めることができる。例えば、いくつかの実装形態において、光をベストフォーカス表面へと方向付けるステップは、空間光変調器（SLM : spatial light modulator）をベストフォーカス表面に結像させるステップを含む。ベストフォーカス表面内の光の強度変調は、空間光変調器を使って変化させることができる。

いくつかの実装形態において、光をベストフォーカス表面へと方向付けるステップは、パターン生成面を物体空間内のある表面上に結像させるステップを含む。この表面は、被験物体の形状と共形とすることができる。被験物体の形状は、平坦、球形、放物線状、円柱形、円錐形又は非球形とすることができる。

いくつかの実装形態において、強度変調は周期変調である。周期変調は正弦変調とすることができる。周期変調の位相は、各連続画像間で２π未満だけ変化させることができる。周期変調の位相は、各連続画像間でπ以下だけ変化させることができる。周期変調の位相は、各連続画像間でπ／２だけ変化させることができる。

いくつかの実装形態において、強度変調は二次元強度変調である。走査位置は等間隔で離間させることができる。強度変調は、被験物体の表面の勾配に基づいて選択できる。
いくつかの実装形態において、三次元画像を形成するステップは、被験物体の表面の複数の異なる位置について、各位置がベストフォーカス表面と交差する場所に対応する走査位置を特定するステップを含む。取得された画像の異なる位置の各々における走査位置に応じた強度には振幅変調を含めることができる。各位置がベストフォーカス表面と交差する場所に対応する走査位置を特定するステップは、変調振幅が最大となる走査位置を特定するステップを含むことができる。

いくつかの実装形態において、三次元画像を形成するステップは、被験物体の表面の複数の異なる位置の各々のための強度信号を得るステップを含み、各強度信号は、走査位置に応じた、対応する位置での取得画像の強度に対応する。三次元画像を形成するステップは、各位置のための強度信号の変調の最大振幅に対応する走査位置を特定するステップを含むことができる。走査位置を特定するステップは、各強度信号を周波数領域に変換するステップを含むことができる。

いくつかの実装形態において、被験物体はレンズ素子である。三次元画像は、例えばモノクロ画像とすることができる。あるいは、三次元画像はカラー画像とすることができる。

一般に、本明細書に記載されている主題の他の態様は、被験物体の三次元画像を形成する方法の中において実施でき、これらの方法の各々は、空間光変調器の画像を結像光学素子のベストフォーカス表面に形成するステップと、被験物体を結像光学素子に対して走査し、被験物体の走査中に計測物体のある表面が結像光学素子のベストフォーカス表面を通過するようにするステップと、走査中の被験物体の一連の位置の各々について、結像光学素子を使って被験物体の１枚の画像を取得するステップであって、空間光変調器が画像を形成する光の強度変調を変化させて、ベストフォーカス表面における光の変調が連続画像ごとに異なるようにするステップと、取得された画像に基づいて被験物体の三次元画像を形成するステップと、を含む。

一般に、本明細書に記載されている主題の他の態様は、被験物体の三次元画像を形成する方法において実施でき、これらの方法の各々は、光を結像光学素子のベストフォーカス表面へと方向付けるステップであって、光がベストフォーカス表面の少なくとも１方向において強度変調されるステップと、試験物体を結像光学素子に対して走査し、被験物体の走査中に計測物体のある表面が結像光学素子のベストフォーカス表面を通過するようにするステップと、ベストフォーカス表面を多素子検出器に結像するステップと、走査中の被験物体の一連の位置の各々について、多素子検出器の１つ又は複数の素子における１つの強度計測値を取得するステップであって、走査中の被験物体の連続する位置ごとにベストフォーカス表面の光の強度変調が異なるようにするステップと、取得された強度計測値に基づいて、被験物体の三次元画像を形成するステップと、を含む。

一般に、本明細書に記載されている主題の他の態様は、被験物体の三次元画像を形成するシステムにおいて実施でき、これらのシステムの各々は、ベストフォーカス表面を有する結像光学素子を含む顕微鏡と、空間光変調器と、システムの動作中に空間光変調器からの光を、ベストフォーカス表面にＳＬＭの画像を形成するべく方向付けるように配置された１つ又は複数の光学素子と、システムの動作中に被験物体を顕微鏡対物レンズに対して走査し、被験物体のある表面がベストフォーカス表面と交差するように配置された走査ステージと、多素子検出器であって、顕微鏡に対して、システムの動作中に顕微鏡がベストフォーカス表面での視野の画像を多素子検出器上に形成するように位置付けられた多素子検出器と、走査ステージと空間光変調器と多素子検出器と通信する電子制御モジュールと、を含み、動作中にシステムは、多素子検出器に、結像光学素子に関する被験物体の複数の走査位置の各々について被験物体の１つの画像を取得させ、ＳＬＭに、ベストフォーカス表面での光の強度を少なくとも１方向に可変的に変調させて、光の強度変調が連続画像ごとに異なるようにし、取得された画像に基づいて被験物体の三次元画像を形成する。

上記実施形態及びその他の実施形態の各々には、任意選択で、以下の特徴の１つ又は複数を含めることができる。いくつかの実装形態において、システムは例えば、システムの動作中に光をＳＬＭへと方向付けるように配置された光源を含む。ＳＬＭは反射型ＳＬＭであっても、透過型ＳＬＭであってもよい。

いくつかの実装形態において、ＳＬＭは液晶パネルとすることができ、又はマイクロミラーアレイを含むことができる。
いくつかの実装形態において、結像光学素子は０．６より大きい開口数、０．８より大きい開口数、０．９より大きい開口数、又は０．９５の開口数を有する。

いくつかの実地例において、システムは、多素子検出器に画像を形成する光の波長をフィルタにかけるように配置された色フィルタをさらに含む。
１つ又は複数の光学素子は、例えば魚眼レンズ、内視鏡、及び／又はズームレンズを含むことができる。

本明細書中で開示される実装形態はいくつかの利点を提供できる。例えば、いくつかの実装形態において、これらの方法と装置を使って、物体の非接触三次元画像化を提供できる。画像化は、短い計測時間で、及び／又は物体の表面の高解像度画像を達成するために実行できる。いくつかの実装形態において、画像形成は、例えば振動又は音響ノイズ等の環境変動による影響をあまり受けずに実行される。

実装形態は他の利点も提供する。例えば、本明細書中で開示される方法と構造は、いくつかの実装形態において、従来の共焦点顕微鏡と同程度の深度断面画像取得能力を提供する。構造化照明プロファイリングの使用により、共焦点顕微鏡と比較した特定の利益（例えば、光源の明るさに対する要求が低くなる）及び干渉顕微鏡と比較して特定の利益が提供されうる。例えば、いくつかの実装形態において、構造化照明によれば、従来の干渉顕微鏡と比べて光源の明るさに対する要求が低くなる。あるいは、又はこれに加えて、非干渉顕微鏡対物レンズが利用可能な制約もまた緩和できる。例えば、いくつかの実装形態において、マイケルソン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ）型又はミラウ（Ｍｉｒａｕ）型干渉計で利用可能な対物レンズと比較して、より高い開口数の対物レンズを利用できる。

１つ又は複数の実施形態の詳細を添付の図面と以下の説明で示す。その他の特徴と利点は、説明、図面から、及び特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

標本物体の３Ｄ画像を提供する例示的なシステムの概略図である。 標本物体の３Ｄ画像を提供する例示的なシステムの概略図である。 標本物体の各種の走査位置を示す概略図である。 擬似強度信号のグラフである。 画像記録装置の１画素により記録される実験的な強度信号のグラフである。 光強度信号のＦＤＡ処理により生成される、段差の高さが１３μｍの段差の例示的な表面凹凸形状マップである。 擬似強度信号のグラフである。 擬似アナログ強度信号に、その強度信号の対応するデジタルサンプリングを重ねたグラフである。 擬似アナログ強度信号に、その強度信号の対応するデジタルサンプリングを重ねたグラフである。 図８Ｂの擬似アナログ強度信号に、図８Ｂの対応するデジタル強度信号を重ね、デジタル強度信号にゼロを挿入したグラフである。 図８Ａのデジタルサンプル信号の大きさと図８Ｃのデジタル強度信号の位相のグラフである。 図８Ａのデジタルサンプル信号の位相と図８Ｃのデジタル強度信号の大きさのグラフである。 擬似アナログ強度信号に、擬似強度信号の対応するデジタルサンプリングを重ねたグラフである。 図１０Ａの擬似アナログ強度信号に、図１０Ａのデジタル強度信号を重ね、デジタル強度信号にゼロ値を挿入したグラフである。 照明パターンを投影したマイクロレンズの例示的画像である。 照明パターンを投影したマイクロレンズの例示的画像である。 照明パターンを投影したマイクロレンズの例示的画像である。 例示的な構造化照明画像化システムの概略図である。 例示的な画像化システムの概略図である。 例示的な画像化システムの概略図である。 例示的な画像化システムの概略図である。 例示的な画像化システムの概略図である。 例示的な画像化システムの概略図である。 例示的な画像化システムの概略図である。 標本物体上で収集された例示的な表面凹凸形状データの３Ｄグラフである。 図１９Ａの標本物体の表面のカラー画像である。 図１９Ａの表面凹凸形状データを図１９Ｂのカラー画像と組み合わせることによって生成された例示的なカラー画像である。 レーザ眼球手術を施行するための例示的なシステムの概略図である。

光強度信号の取得
図１は、標本物体１０２の３Ｄ画像を提供するための例示的な構造化照明システム（structured illumination system）１００の概略図である。システム１００の照明部１０３は、光源１０４と、空間光変調器（spatial light modulator:ＳＬＭ）１０６と、１つ又は複数のレンズ（１０８ａ〜１０８ｃ）と、絞り１１０と、ビームスプリッタ１１２と、を含む。システム１００の画像形成部１０５は、画像記録装置１１４と、ビームスプリッタ１１６と、対物レンズ１１８と、チューブレンズ１２０と、を含む。本願において、座標系は、ｚ軸が対物レンズ１１８の光軸に平行であり、ｘ及びｙ軸がレンズのベストフォーカス表面に平行であって、ｘｙｚが直交座標系を形成するように定義される。

システム１００の動作中、光源１０４によって生成された光１０１は、レンズ１０８ａ、１０８ｂと絞り１１０を通過し、その後、光１０１はビームスプリッタ１１２に入射する。ビームスプリッタ１１２は、入射光１０１の一部をＳＬＭ１０６へと反射する。この例では、ＳＬＭ１０６は、その表面に入射した光を調整し、反射して、バイナリ（即ち、画像化パターンが、光の存在する領域と光のない領域を有する）又は準連続（即ち、画像形成パターンが、光強度レベルの連続的変化により近似できる）のいずれかとして特徴付けられる照明パターンを生成するように構成されている。

次いで、ＳＬＭ１０６により反射された照明パターンがビームスプリッタ１１２とレンズ１０８ｃを通過して第二のビームスプリッタ１１６に至り、その後、照明パターンは対物レンズ１１８を通るように方向付けられ、優先的に対物レンズ１１８の射出瞳を満たす。照明パターンが対物レンズ１１８のベストフォーカス面（焦点面）までの物体空間内で再結像される。標本物体１０２の表面で反射され、及び／又は散乱した光は次に、対物レンズ１１８、ビームスプリッタ１１６、チューブレンズ１２０を通って画像記録装置１１４の光検出表面／面へと進み、この光検出表面／面で記録される。このように取得された記録光はデジタルフォーマットで光強度信号アレイとして保存でき、各光強度信号は画像記録装置１１４の対応する画素から取得される。

画像化中、物体１０２は対物レンズ１１８に対して縦方向に（即ち、対物レンズ１１８に近づく、又は遠ざかるように）移動される。標本物体１０２は、コンピュータ１２２により制御される電気機械トランスデューサ（図示せず）及び関連する駆動電子機器によって移動又は作動させて、物体１０２の移動方向に沿った精密な走査を可能にすることができる。トランスデューサの例には圧電トランスデューサ（PZT : piezoelectric transducer）、ステップモータ、ボイスコイルが含まれるが、これらに限定されない。あるいは、又はこれに加えて、対物レンズ１１８を標本物体１０２の位置に対して縦方向に移動させてもよい。ここでも、電気機械トンラスデューサ及び関連する駆動電子機器を使って移動を制御してもよい。画像記録装置１１４は、物体１０２が対物レンズ１１８のベストフォーカス表面を通じて走査されるのと同時に画像記録を記録し、それによって、時間の経過とともに複数の画像強度信号が記録される。即ち、物体と照明パターンの画像が画像記録装置によって、対応する走査位置における光強度信号の形態で捕捉される。例えば、画像記録装置１１４が１２８×１２８の画素アレイを含み、１回の走査で６４の画像が保存される場合、各々が６４データポイントの長さの光強度信号が約１６，０００あることになる。いくつかの実装形態において、走査位置は等間隔で離間され、即ち、画像記録装置によって捕捉される連続画像間の移動距離は同じである。

さらに、ＳＬＭ１０６は、標本物体１０２の移動に伴って照明パターンを空間変調し、それによって物体１０２は、対応する縦方向の異なる走査位置において異なるパターンで照明される。走査中に照明パターンを連続的に調整することにより、画像記録装置１１４の各画素における光強度信号が変調される。データ取得後、コンピュータ１２２が例えばパターンマッチング技術に従って光強度信号を処理し、標本物体１０２の表面凹凸形状を示すデータを出力できる。

標本物体１０２の表面が対物レンズ１１８のベストフォーカス表面にあると、照明パターンの合焦画像（in-focus image）が物体１０２の表面上に形成される。合焦画像は、システム１００のある照明開口数（NA : numerical aperture）で実現可能な最高のコントラストを示す。各画素における、反射により画像記録装置１１４に戻る物体表面の画像の強度は、局所物体表面反射性と投影された照明パターンの局所強度の積に比例する。これに対して、物体１０２の表面が対物レンズ１１８のベストフォーカス面から離れていると、物体１０２の表面上の照明パターンの画像はぼやけ、それゆえそれが示すコントラストは低下する。すると、対物レンズ１１８を通って画像記録装置に向かう物体１０２の表面の画像もまたぼやける。その結果、画像記録装置で見える投影照明パターンのコントラストは、対物レンズのベストフォーカス面に関する物体表面の縦方向の変位量の関数となる。したがって、システム１００の深さ方向分析能力は、物体１０２がベストフォーカス面を通じて走査される間に、画像記録装置１１４の各画素でパターンのコントラストが最大となる物体の１０２の位置を検出することから得られる。

いくつかの実装形態において、ＳＬＭ１０６は、反射型と反対に透過型の構成でも使用できる。例えば、図２はシステム１００と同じ構成要素を含む例示的なシステム２００を示しているが、この構成では１つのビームスプリッタ２１６が使用され、ＳＬＭは、入射光を反射するのではなく、入射光を透過させるように構成されている（見やすくするためにコンピュータ１２２も省いている）。図２に示される例では、透過型ＳＬＭ２０６が光源２０４から生成された入射光２０１を変調して、バイナリ又は準連続照明パターンを生成する。ＳＬＭ２０６によって生成された照明パターンは、レンズ２０８ｃを通過してビームスプリッタ２１６に入射し、パターンは次に、対物レンズ２１８を通って方向付けられ、対物レンズのベストフォーカス面に結像される。照明パターンは標本物体２０２で反射され、対物レンズ２１８、ビームスプリッタ２１６、チューブレンズ２２０を通って戻り、最終的に画像記録装置２１４によって検出される。システム１００と同様に、ＳＬＭ２０６によって生成された照明パターンは、画像データの取得時に空間変調されて、物体の対応する異なる走査位置において異なる光強度パターンが生成される。

上記の例の各々では、光源１０４、２０４はスペクトル的に広帯域の光源を含んでいても、狭帯域の光源を含んでいてもよいが、これらに限定されない。広帯域光源の例としては、スペクトルバンドパスフィルタを備えるか又は備えないハロゲンバルブ又は金属ハライドランプ等の白熱光源、広帯域レーザダイオード、発光ダイオード、同じ又は異なる種類の複数の光源の組み合わせ、アークランプ、可視スペクトル領域（約４００〜７００ｎｍ）の任意の光源、ＩＲスペクトル領域（約０．７〜３００μｍ）の任意の光源、ＵＶスペクトル領域（約１０〜４００ｎｍ）の任意の光源が挙げられる。広帯域の応用では、光源の正味スペクトル帯域幅（net spectral bandwidth）は好ましくは、平均波長の５％より広く、又はより好ましくは平均波長の１０％、２０％、３０％、さらには５０％より広い。光源はまた、１つ又は複数のディフューザ素子（diffuser element）を含んでいてもよく、これによって光源から発せられた入力光の空間的な広がりが増大する。狭帯域光源の例としては、レーザ又は、広帯域光源に狭帯域フィルタを組み合わせたものが挙げられる。

光源は、空間的に広がりを持つ光源とすることも、点光源とすることもできる。いくつかの実装形態において、空間的に広がりを持つ光源を用いて（例えば、画像形成される物体の表面が平滑である時）、ベストフォーカス面に関する物体の位置に関係なく高コントラストパターンが観察されるのを回避することが好ましい。画像記録装置１１４、２１４は、少なくとも一次元、より一般的には二次元に配置された複数の検出素子、例えば画素を含むことができる。画像記録装置の例には、デジタルカメラ、多素子電荷結合装置（CCD : charge coupled device）、及び相補型金属酸化物半導体（CMOS : complementary metal oxide semiconductor）検出器が含まれる。他の画像記録装置も使用してよい。いくつかの実装形態において、１つ又は複数の色フィルタをシステムに含めて、画像記録装置において画像を形成する光の波長をフィルタにかけることができる。１つ又は複数の色フィルタは、画像記録装置と一体の構成部品となるように配置することも、画像記録装置とは別に配置することもできる。

いくつかの実装形態において、対物レンズ１１８、２１８は、何れの標準的顕微鏡の構成部品としても含めることができる。例えば、システムは、各々異なる倍率の１つ又は複数の異なる対物レンズと使用するように構成された顕微鏡を含むことができる。対物レンズ１１８、２１８のＮＡは、約０．１以上（例えば、約０．２以上、約０．３以上、約０．４以上、約０．５以上、約０．６以上、約０．７以上、約０．８以上、約０．９以上、又は約０．９５以上）とすることができる。他のＮＡの数値も可能である。

光を反射するために使用可能なＳＬＭの例は、図１に示される装置と同様に、反射型液晶素子（LCOS : liquid crystal on silicon）デバイス又はマイクロミラーアレイデバイス、例えばデジタルマイクロミラーデバイス（DMD : digital micromirror device）を含む。ＬＣＯＳデバイスによって生成された照明パターンを空間変調するために、使用者は、適当なハードウェアとソフトウェアを使って、ＬＣＯＳデバイスの各画素により反射される光の方向と量を電子的に制御できる。同様に、ＤＭＤにより生成される照明パターンを空間変調するために、使用者は、個々のミラーの各々の方向及び／又は向きを電子的に制御して、各ミラーで反射される光の量を変化させることができる。図２に示される構成と同様の、光を透過させるために使用可能なＳＬＭの例には、液晶デバイス（LCD : liquid crystal device）モジュレータが含まれ、液晶デバイスは、電子的に制御して透過光の量を変化させることができる。あるいは、いくつかの実装形態において、透過型ＳＬＭは強度マスク、例えば格子、ロンキールーリング、又は、入射光の波長に対する吸収度の異なる領域を有する、その他のパターン付表面を含むことができる。強度マスクから形成される透過型ＳＬＭにより生成される照明パターンを空間変調するために、ＳＬＭはＳＬＭの平面内運動を制御する機械的フレームに取り付けることができる。フレームの運動は、１つ又は複数の機械的又は電子的アクチュエータ、例えば圧電アクチュエータ、ステップモータ又はボイスコイルを使って提供できる。その他のＳＬＭも透過型又は反射型装置で使用できる。いくつかの実装形態において、電子コントローラは、１つ又は複数の照明パターンの生成方法に関する命令をメモリに保存してもよい。いくつかの実装形態において、投影されるパターンの創出に使用されるＳＬＭはプログラム可能であり、それによって特定のパターンの周波数成分、向き及び空間的強度分布をある物体の計測に合わせて最適化できる。留意すべき点として、本願に記載されている各種の構造化照明システムは、照明光の少なくともある部分が物体表面から画像記録装置へと戻るように方向転換されるかぎり、何れの特定の材料又は種類の物体にも限定されない。

光強度信号の解析
前述のように、どちらの例示的システムにおいても、照明パターンのコントラストは、標本物体がベストフォーカス面へと移動されると改善するのに対して、物体がベストフォーカス面から遠ざかると照明パターンはぼやける。例えば、図３は標本物体３０２の各種の走査位置を説明する概略図である。この概略図に示されるように、物体３０２は対物レンズ３１８に対して、縦方向の複数の異なる位置（ａ）〜（ｅ）で走査される。図３はまた、位置（ａ）〜（ｅ）に対応する走査位置における標本物体の上面の、画像記録装置により捕捉された画像（ｆ）〜（ｉ）も示している。画像（ｆ）〜（ｉ）に示されるように、物体３０２は、一連の等間隔の平行な線を含むバイナリ画像パターン（binary image pattern）で照明される。物体３０２が対物レンズ３１８のベストフォーカス面、即ち位置（ｃ）にあると、標本物体３０２の表面に照明されたパターン（ｈ）は、対物レンズ３１８のＮＡでの最高のコントラストを示す。これに対して、標本物体が縦方向に沿って位置（ａ）、（ｂ）、（ｄ）又は（ｅ）の何れかへと移動されると、標本物体３０２の表面上に結像される照明パターンが示すコントラストは低下し、ぼやけて見える。画像記録装置の各画素において、画像パターンにより示されるコントラストが最も高い標本物体３０２の位置を検出することによって、物体３０２の表面に関する情報、例えば相対的な表面高さ、粗さ、膜厚、反射性及び吸収その他を評価することが可能である。

コントラストが最も高い位置を判定するためには、焦点面での光の強度変調を空間光変調器によって変化させて、物体がベストフォーカス面を通って移動されている時に物体に異なる照明パターンが投影されようにする。投影されたパターンが毎回の画像取得間で変化し、データの第一のフレームが第一の投影パターンに対応し、データの第二のフレームが第二の投影パターンに対応し、以下同様となる。システムは、データ取得中に物体を連続して走査する。それと同時に、投影パターンは、プログラム可能なＳＬＭデバイス（例えばＬＣＤ又はＤＭＤ）を使用するとフレーム統合（frame integration）中（即ち、各フレームが取得される期間中）に一定に保つことができ、それによって統合中のコントラスト損失がなくなる。その結果として、画像記録装置の各画素により記録される時系列的光強度プロファイルは、釣鐘型の振幅変調包絡線（bell-shaped amplitude modulated envelope）を示し、その振幅変調の最大値が、物体表面の高さ等の物体の表面凹凸形状情報を提供できる。

前述のように、投影パターンはバイナリ（即ち、画像形成パターンが光のある領域と光のない領域を有する）とすることも、準連続（即ち、画像形成パターンが光強度の程度の連続的な変化によって近似される）とすることもできる。焦点面に結像される光の強度変調は、一次元又は複数次元に沿った変調を含むことができる。例えば、光の強度変調は、とりわけ、方形波、鋸歯波、又は正弦パターンなどの一次元パターン（即ち、１方向に沿って変化するが、他の直交方向においては均一なパターン）を生成できる。いくつかの実装形態において、光強度変調により生成される照明パターンは、第一の方向と第二の直交方向の両方において変化する二次元パターン（例えば、格子縞パターン）を含む。焦点面に結像される光の強度変調は、周期的でも非周期的でもよい。いくつかの実装形態において、周期変調は正弦変調を含む。いくつかの実装形態において、照明パターンの位相シフトは走査位置の関数とすることができる。周期変調の位相は、各連続画像間で２π未満だけ、又は各連続画像間でπ以下だけ、又は各連続画像間でπ／２だけ変化させることができる。複数の照明パターンを合成して１つのパターンにし、これを標本物体に投影することができ、この場合、合成されたパターンの各々は異なるか、又は異なる位相シフトを有する。他の位相変化と照明パターンもまた可能である。物体に投影される照明パターンは、電子コントローラのメモリデバイスにデータとして電子的に保存でき、電子コントローラはこのデータを電気信号に変換して、ＳＬＭの動作を変化させることができる。

例示的実装形態において、投影されたパターンは物体表面上のｘ方向に沿って正弦曲線であり、ｙ方向に沿って均一である。画像取得中に投影される照明パターンは、次式で説明できる。

式において、ｎは画像取得シーケンス中に投影されたｎ番目のパターンを示し、Δφはシーケンス中の連続パターン間の位相増分（phase increment）であり、Λはパターンの周期（即ち、パターンピッチ）である。照明パターンの変調手段に応じて、位相増分を２πの整数分の１となるように選択することが有利となりうる。例えば周期変調の場合、ＳＬＭのために９０度位相シフトされた画像を４つだけ保存すればよく、それゆえシステム必要なメモリの量が少なくて済む。

標本物体が移動されて焦点から外れると、画像記録装置により見られるパターンのコントラストは低下する。観察されたコントラストは実際には、物体空間内のパターンピッチΛ、対物レンズのＮＡ、照明光の平均波長λ、及び物体表面デフォーカス量（object surface defocus）ｚ（即ち、物体表面から光学素子のベストフォーカス位置までの距離）の関数である。正規化デフォーカス量（normalized defocus）ｕの関数としてコントラストを計算するための近似（即ち、正規化変調）は次式で表される。

式において、Ｊ１は一次の第一種ベッセル関数である。

図４は、平滑な表面を有するある物体が、その物体の表面に式（１）により説明される形態のパターンが投影されている間に物体の面内焦点を通じて走査された時に画像記録装置の１つの画素が観察すると想定される擬似光強度信号のグラフである。縦軸は光強度を表し、横軸は信号が記録される時間に対応する。擬似強度信号は、数学的モデリングソフトウェアＭａｔｈＣＡＤ（登録商標）を使って生成した。図４に示される擬似光強度信号を取得するために使用されるパターンの位相増分Δφはπ／２と等しい。図５は、ある物体が、その物体の表面に式（１）により説明される形態のパターンが投影されている間に顕微鏡対物レンズの面内焦点を通じて走査された時に電荷結合デバイスの画素により記録された実験的な強度信号のグラフである。走査される物体はシリコンカーバイド平板である。図４と同様に、縦軸は光強度の値に対応し、横軸は信号が記録される時間を表す。図５の物体の表面に投影されるパターンの位相増分Δφは、π／２と等しい。実験に使用される顕微鏡はＮＡ＝０．２１の１０×対物レンズを備える。

図４〜５に示されるように、取得された画像の光信号強度は走査位置の関数であり、振幅変調を含む。光強度信号の振幅変調が最大となる走査位置は、物体表面が焦点面と交差する位置、即ちベストフォーカス位置に対応する。物体の表面を横切る複数の位置でのベストフォーカス位置を特定することによって、その位置の相対的高さを計測でき、いくつかの実装形態において、物体の表面の画像を再構築できる。

各光強度信号は、代表的な走査型白色光干渉（SWLI : scanning white light interference）信号を模倣し、又はこれと同様の特徴を有し、局所的信号包絡線（localized signal envelope）４００が準定周波数キャリア４０２により変調される。キャリア４０２の周波数は、物体の画像化に使用される光学系の属性（例えば、開口数、波長等）とは無関係であり、その代わりに物体の表面に投影されるパターンの位相増分Δφにより決定される。しかしながら、ＳＷＬＩ信号とは異なり、物体の表面の高さに関係する光路の差がない。その代わりに、前述のように、物体の表面高さは、コントラスト包絡線の最大振幅の相対的位置に基づいて判断される。

記録された光強度信号とＳＷＬＩ信号との類似性を考慮して、ＳＷＬＩデータを処理するために開発された処理アルゴリズムを使って、光強度信号を解析し、標本物体に関する表面情報を抽出できる。いくつかの実装形態において、ＳＷＬＩデータを解析するために開発されたアルゴリズムは、特定のキャリア周波数又は周波数帯に合わせて設計されている。したがって、この方法を用いて取得される光強度信号は、ＳＷＬＩ解析用に設計されたアルゴリズムと容易にマッチさせることができる。適用可能なＳＷＬＩアルゴリズムの例には、とりわけ、周波数領域解析（frequency domain analysis:ＦＤＡ）及びスライディングウィンドウ最小二乗（ＬＳＱ）フィッティング（sliding windows least square fit）が挙げられる。ＦＤＡでは、物体の走査位置を特定するステップは、光強度信号を周波数領域に変換するステップを含む。即ち、各画素での光強度信号は、インコヒーレント（incoherent）に相互に重ねられる１波長フリンジパターンの集合としてモデル化することができ、この場合、各フリンジパターンは、走査位置による位相変化率として定義される固有の空間周波数又は波数ｋを有する。ピークフリンジコントラスト（peak fringe contrast）は、構成成分であるパターンの位相が一致する走査位置において現れる。したがって、ある位置での相対的位相がわかれば、その相対的位相を物体の表面上の高さ値に直接関係付けることができる。

図６は、光強度信号のＦＤＡ処理により生成された１３−μｍ段差スタンダード（step height standard）の例示的な表面凹凸形状マップである。段差スタンダードはＶＬＳＩ社から入手した。データは、ＮＡ＝０．９５の１００×顕微鏡対物レンズを使って得た。標本物体に投影されたパターンは式１を使って説明され、ピッチΛは画像記録装置の線形配置された６画素分の長さと等しく、位相シフトΔφはπ／２と等しかった。この例で使用された電荷結合デバイスでは、各画素長は約７．４μｍであった。

ＬＳＱでは、予想される信号のモデルに基づくフィッティング関数が各画素で画像化された光強度信号に適用される。フィッティング関数は、１つ又は複数の可変パラメータを含み、１つ又は複数の可変パラメータは、任意の走査位置において、例えば最小二乗最適化によって（ただし、他の最適化技術を使用してもよい）実際の信号とのフィッティングを最適化するように変更される。次に、パターンマッチング技術が最小二乗最適化によって（ただし、他の最適化技術を使用してもよい）走査を通じて逐次的にフィッティングを行う。ＬＳＱフィッティングの結果が最良である走査位置によって信号の位置が特定され、フィッティングの最大値はベストフォーカス位置の場所に対応する。ＦＤＡ又はＬＳＱを使用した表面凹凸形状の抽出に関するより詳しい説明は、それぞれ米国特許第５，３９８，１１３号明細書及び米国特許第７，３２１，４３１号明細書に記載されており、その両方を参照によって本願に援用する。

その他のデータ解析方法も、表面凹凸形状情報の抽出に使用できる。例えば、いくつかの実装形態において、光強度信号振幅は、スライディング位相シフトアルゴリズム（sliding phase-shifting algorithm）を使って計算される。次いで、最大振幅が発生する場所がベストフォーカス位置に対応する。いくつかの実装形態において、モデルフィッティング関数を実験的な最大振幅位置の近隣で選択された振幅データポイントに適用することによって、ベストフォーカス位置を特定できる。モデル関数は、例えばパラボラ（parabola）、ガウス、又はローレンツフィッティング（Lorentzian fit）を含むことができる。その他のモデル関数を適用してもよい。

スライディング位相シフトアルゴリズムの例示的形態が以下に示され、そこでは標本の走査中に４つの連続する強度値Ｉが得られる。その後、強度値が合成されて局所信号変調Ｖの推測値が提供される。

式中、ｄＺは計測ボリューム（measurement volume）内での連続する毎回の取得ごとの走査増分であり、ｘは視野内のある画素の位置であり、Λは投影パターンのピッチである。位相シフトはこの例ではπ／２である。

いくつかの実施形態において、より多くのフレームを有し、よりよいノイズ除去能力を提供する他のアルゴリズムを使用できる。しかしながら、このようなアルゴリズムでは、包絡線をより大きなＺ範囲で一定に近似させる必要がある。例えば、５つの連続する強度サンプルによって以下のような変調推定式が得られる。

あるいは、個々の画素の各々に関連する信号には、正弦波キャリアを乗じた包絡線の形態を有するモデル関数を当てはめることができる。例えば、モデル強度関数は以下のように表せる。

式中、ｉは走査中に計測された強度の指数（index of the measured intensity）であり、Ａ、Ｂ、ｉ_０及びψはフィッティングパラメータであり、例えば反復最小二乗手順を使って決定される（参照によって全文を本願に援用する、レーベンバーグ・マーカート（Levenberg-Marquardt）アルゴリズム、「Ｃコードの数値計算ライブラリ（Numerical recipes in C）」、ケンブリッジ・ユニバーシティ・プレス参照）。

いくつかの実施形態において、変調信号包絡線の幅を制御することによって、計測速度及び／又は解像度を変更できる。光強度信号のコントラスト包絡線をますますコンパクトにすることにより、いくつかの実装形態において、それに対応して垂直解像度（即ち、走査方向に沿った解像度）を高くできる形状計測が可能となる。形状計測は、（製造工程に起因する）その所期の形状からの物体表面のずれ量を計測すること、又は未知の物体表面の凹凸形状マップを取得することを目的とした計測応用である。変調信号包絡線の幅は、例えば物体の表面に投影されるパターンのピッチΛを調整することによって制御できる。図７は、ある物体の表面に、その物体を顕微鏡対物レンズの面内焦点を通って直進移動させる間に図４で使用されたパターンの半分のピッチ（即ち、２倍の周波数）を有するパターンを投影した時に、画像記録装置の個々の画素が観察すると想定される擬似強度信号のグラフである。図７のグラフに示されているように変調信号包絡線の幅が、図４のグラフに示されている信号包絡線の幅に比べて減少している。最高垂直解像度は、物体空間内の投影パターンの周波数が光学系のカットオフ周波数（２ＮＡ）／λの半分となるように選択された時に得られる。

逆に、包絡線の幅が広いと、システムの潜在的解像度は低下するが（即ち、画像記録装置により捕捉されるデータのフレーム間で標本物体が移動する距離が長くなることによる）、走査速度を高速化できる可能性もある。このような走査速度の高速化は、標本物体表面の迅速な検査が必要な生産／製造現場での応用において有利となりうる。あるいは、又はこれに加えて、高速化は、オートフォーカス又はオートフォーカス及び自動向き（例えば、チップ／チルト）補正を必要とする用途の特定の実装形態において有利となりうる。

オートフォーカスを必要とする応用例は、白色光干渉顕微鏡にある。この手順では、走査ステップの大きさがシステムの有効平均波長の整数倍になるように選択され、それによって、構造化照明が使用される高速合焦走査中に、干渉計により生成される干渉フリンジが除去される。ＳＷＬＩ計測では、構造化照明バターンの代わりに、静的な均一の、又はカスタマイズされたパターンが使用される。

いくつかの実施形態において、走査速度は、標本物体の表面に投影されるパターンの位相シフトを変えることによってさらに改善できる。例えば、位相シフトΔφをπと等しく設定すると、画像記録装置によって捕捉された画像データの第一のフレームと画像記録装置により捕捉された画像データの後続フレームの間の強度値の差は、信号包絡線の大きさの直接推定値に対応する。その結果、画像データ解析の演算の複雑さが軽減され、それによって演算速度が増大する。しかしながら、いくつかの実装形態において、位相シフトΔφがπに等しく設定されたパターンは表面凹凸形状計測にあまり適さず、これは、１つ又は複数の画素が示す信号変調が、すべての走査位置において、低いことも、全くないこともあるからである。いくつかの実装形態において、画像記録装置により捕捉される、低い信号変調を示す信号は、それ以上解析せずに除去できる。

いくつかの実施形態において、画像記録装置により捕捉された各信号測定値間に追加のゼロ値を挿入してから、ＦＤＡを使って信号が処理される。このようなＦＤＡの使用例を図８Ａ〜８Ｃに関して示す。図８Ａ〜８Ｃの各々は、擬似アナログ強度信号（実線）にその強度信号の対応するデジタル版（菱形のマーカを含む破線）を重ねたグラフである。特に、グラフ内の菱形のマーカは擬似強度信号のデジタル値に対応する。換言すれば、マーカは、標本の物理的走査が実行された場合に画像記録装置の１つの画素位置で記録されると想定される強度値を表す。図８Ａに示される信号の連続する照明パターン間の位相シフトはπ／２である。図８Ｂは、走査速度が２倍であり、連続する照明パターン間の位相シフトをπに増大させた場合の、同様の擬似強度信号を示す。図８Ａに示される信号と異なり、図８Ｂに示される信号はナイキスト周波数でサンプリングされる。いくつかの実装形態において、この周波数でのサンプリングは、信号変調損失により、周波数領域分析には望ましくない可能性がある。

図８Ｂに示される信号を図８Ａでサンプリングされた信号と同じ速度で効果的にサンプリングするために、測定された強度値間にゼロ値が挿入される。その結果として得られたサンプリング信号にアナログ信号を重ねたグラフが図８Ｃに示されている。留意すべき点として、実際には、挿入された値はゼロ値ではなく、局所平均に対応する。

図９Ａと９Ｂは、図８Ｃのデジタルサンプル信号（破線）の大きさおよび位相と、図８Ａのデジタルサンプル信号（実線）のスペクトルの大きさおよび位相とをそれぞれ比較している。大きさと位相は、対応するデジタルサンプルのフーリエ変換によって得られる。図９Ａに示されるように、位相情報は、図８Ａの記録されたサンプルと図８Ｃのゼロパディングが行われた信号に関するスペクトルにおいて同一である。したがって、位相勾配からサンプル位置を計算すれば、何れの解析に基づいても同じ結果が得られると想定されるため、位置情報を失わずにサンプリング周波数を増大できる。

しかしながら、留意するべき点として、いくつかの実装形態において、照明パターンの位相によって画素位置で記録される信号の大きさが縮小される。即ち、サンプリングされた数値は、画像記録装置に反射される照明パターンの実際の大きさを反映していないこともある。例えば、図１０Ａは擬似アナログ強度信号（実線）に、その擬似信号の対応するデジタルサンプリング（菱形のマーカを含む破線）を重ねたグラフであり、照明パターンの位相シフトはπである。図１０Ａの例に示されるように、デジタルサンプル信号の大きさは、対応する擬似アナログ信号より実質的に小さい。図１０Ｂは、図１０Ａと同じ擬似アナログ強度信号とデジタルサンプル信号を示すグラフであり、ゼロ値がデジタルサンプル信号に挿入されている。デジタルサンプル信号の大きさにおける相対的な減少は、信号が記録された特定の画素での信号対ノイズ比の低下につながる可能性がある。それゆえ、走査速度を二倍にすると、標本の焦点位置の高速位置特定（及び表面のチップ及びチルトの高速計測）が可能となるが、表面凹凸形状情報は劣化することもある。

プログラム可能なパターン
いくつかの実装形態において、プログラム可能なＳＬＭを使って、特定の用途又は計測対象の標本物体に基づいて画像化システムを最適化できる。例えば、前述のように、標本物体の表面に投影されるパターンのピッチを調整することによって、データ取得の解像度及び／又は速度を調節できる。より粗いパターン特徴（即ち、より高いパターンピッチ／より低いパターン周波数）により、場合によっては、粗い物体を解析する際のロバスト性を改善できる。換言すれば、システムは表面粗さによる高さのばらつきによる影響を受けにくくなる。場合により、より粗いパターン特徴によって、システムは、計測値が得られる範囲を増大させることが可能となり、それゆえ、例えば鏡面反射する物体上の高勾配の特徴の計測が可能となる。いくつかの実装形態において、より粗い特徴を有するパターンを使用することによって走査速度を高速化でき、この高速化は、より大きなｚサンプリングステップを有するより広いコントラスト包絡線による。これに対して、より細かいパターン特徴（即ち、より低いパターンピッチ／より高いパターン周波数）は、いくつかの実装形態において、特に光学的に平滑な物体の場合に、高さプロファイリング解像度をより高くする等の利点を提供できる。

いくつかの実施形態において、プログラム可能なＳＬＭを使って、光学系の特徴に基づいて照明パターンを調節できる。例えば、様々な対物レンズ（例えば、倍率が４×〜１００×）を利用できる顕微鏡プラットフォームを使用する場合に、照明パターン周波数を使用中の特定の対物レンズの開口数と焦点距離に基づいて調節して、パターンを適正に解像できるようにすることが可能である。例示的実装形態において、ある標本に投影されるパターンの最大コントラストが倍率に関係なく同じとなるようにシステムを構成することにより、所望の信号対ノイズ比を保持する。特に、照明パターンは、光学系のカットオフ周波数λ／（２ＮＡ）に関する一定の正規化周波数で投影される。一定の正規化周波数を得るためには、ＳＬＭ上のパターンのピッチと対物レンズの瞳の大きさの積が一定に設定される。例えば、第一の対物レンズから、より小さい瞳を有する第二の対物レンズに切り替える時、ＳＬＭ上のパターンのピッチは、所望のパターンコントラストを維持するために増大される。

いくつかの実施形態において、プログラム可能なＳＬＭを使って、照明パターンに適用される強度変調の周波数と向きの両方を調節できる。照明パターンの向きを変更できることは、複数の方向に沿ってなだらかに変化する、及び／又は高勾配の特徴を有する物体表面の表面凹凸形状の解析にとって有益となりうる。例えば、なだらかに湾曲する表面を有する特徴（例えば、ＬＣＤ表示体のバックライト用のマイクロレンズ、マイクロレトロリフレクタ、パターニングされた拡散光学素子）の計測を実行する場合、回収される表面凹凸形状情報のレベルは、照明パターンの変調方向（illumination pattern modulation direction）を湾曲した特徴の表面勾配方向に実質的に垂直に整列すると改善できる。したがって、ＳＬＭは解析対象の特徴の勾配に応じて、照明パターンの強度変調方向（pattern’s direction of intensity modulation）を回転させ、移動させ、又は変化させるようにプログラムできる。

物体の表面上の特徴の表面勾配方向が複数の方向に変化する場合（例えば、マイクロレンズ、マイクロレトロリフレクタ（microretroreflector））、いくつかの実装形態において、物体の表面を、各パターンの変調方向がその特徴の異なる表面勾配方向に実質的に垂直である複数のパターンで照明することが有利となる可能性がある。あるいは、又はこれに加えて、物体を複数の異なる方向に変調される１つの複雑なパターンで照明することができる。

図１１と１２は各々、一次元照明パターンが投影されたマイクロレンズの例示的な画像を示す。各画像のマイクロレンズはポリマ材料から形成され、ガラス基板上に設置されている。図１１のマイクロレンズに投影された照明パターンは、図１１の左下の挿入図に示されているように、水平のフリンジを有する正弦波である。同様に、図１２のマイクロレンズに投影される照明パターンも正弦波であるが、図１２の左下の対応する挿入図に示されているように、フリンジは垂直である。しかしながら、これらの一次元パターンでは、マイクロレンズの高い勾配部分に沿ったすべての位置で情報が提供されるとはかぎらない。その代わりに、図１１に示されるように、変調パターンは、マイクロレンズの左側の末端では観察可能（拡大領域参照）であるが、マイクロレンズの下側では観察できない。同様に、図１２はマイクロレンズの下側の末端では観察可能（拡大領域参照）であるが、マイクロレンズの左側では観察できない。

一次元パターンによって提供される変調情報の欠如を補償するために、より複雑な１つまたは複数のパターンを使用できる。例えば、場合によっては、物体の表面に投影される照明パターンは、２つ以上の異なる照明パターンの組み合わせを含むことができる。図１３は、３つの回転された一次元正弦波パターンで構成される複雑な照明パターンが投影されたマイクロレンズの例示的画像を示す。複雑な照明パターンの一部が図１３の左下の挿入図に示されている。この例において、変調パターンは、今度はマイクロレンズの末端に沿ったすべての場所で観察可能である。したがって、表面凹凸形状情報を物体の全周にわたって取得できる。

あるいは、又はこれに加えて、２つ以上の個々の照明パターンを物体の表面に逐次的に投影できる。例えば、いくつかの実装形態において、ある物体の表面に関する表面凹凸形状情報は、その物体表面を３回（以上）別々に走査することによって取得できる。毎回の走査で、照明パターンを他の２回の走査の照明パターンの向きに対して変化させることができる。例えば、他の代替肢のなかでも特に向き付けパターンを移動、回転、歪曲又は延伸によって変更できる。いくつかの実装形態において、１回の走査の向きを変える代わりに、別々の走査の各々に完全に異なる照明パターンを使用することができる。３回別々に走査することによって、全体としての計測時間は長くなることもあるが、より多くの量の情報が収集されるため、計測ノイズを改善できる。これに加えて、二次元パターンとは異なり、一次元パターンの適用によって、場合により、ベストフォーカス面でのコントラストがより高い変調パターンが得られる。その後、データの３つの別々のデータセットを統合してその物体表面に関する表面凹凸形状情報を取得する。いくつかの実装形態において、少なくとも２つの別々の走査で有効な物体の同じ領域に対応するデータを使って、別々のデータセット間のチップ、チルト、又はピストンを調節できる。

いくつかの実装形態において、標本物体の表面にわたる反射性のばらつきを、その物体に投影される照明バターンを調整することによって補償できる。例えば、場合により、高低両方の表面勾配を有する物体（図１１〜１３の各々におけるマイクロレンズ等）は、より高勾配領域では、照明パターンの結像に使用される光学部品（結像光学素子）により捕捉される反射光が少ないために暗く見え、結像光学素子により捕捉される反射光が多い低勾配領域では明るく見える。物体の表面上の特徴の相対的反射性は、画像記録装置の対応する画素で捕捉される光強度信号の大きさに基づいて計測できる。反射性のばらつきを補償するために、反復的走査を実行でき、その場合、その反復法の最初の走査からの反射性データを使って、次の走査で物体表面に投影される照明パターンの強度分布を後に調整する。例えば、標本物体の最初の走査の結果、関数ｒ（ｘ，ｙ）に従う明らかな物体反射性のばらつきが得られた場合、次の走査のための調整された投影照明パターンは以下のように計算できる。

式中、数量εはゼロによる除算を防止し、ＳＬＭの解像度に従ってパターンのダイナミックレンジを制御するために使用される。

あるいは、又はこれに加えて、本願において提供される非接触表形状評価方法とシステムを使ってサンプル表面の吸収を計測することが可能である。例えば、表面性状によって均一な散乱損失が生じると予想される物体を解析する際、光吸収は、物体の照明に使用される光の量とベストフォーカス面で画像記録デバイスにより捕捉される反射光の量の差に基づいて計算できる。

光学的構成
構造化照明による計測応用には、様々な光学的画像化構成を実施できる。いくつかの例において、光学的構成は、非平面を有する標本をマクロスケールで画像化するように配置できる。例えば、湾曲した標本表面の理想的球面からのずれ量を計測するために、この標本を、画像記録装置の検出面を物体空間内のベストフォーカス球面にマッピングする１つ又は複数の光学素子を使って画像化できる。いくつかの実装形態において、標準的な光学系の構成と製造ツールを使って、より複雑な形状の計測表面を実現できる。一般に、多くの反射、屈折及び／又は回折素子を有する光学的構成により、球又は平面から実質的に逸脱する計測面の画像化が可能となる。

図１４は、湾曲面を有する標本１４０２をマクロスケールで画像化するように構成された、例示的な構造化照明画像化システム１４００の概略図である。この例に示されるように、画像記録装置１４１４とＳＬＭ１４０６は結像光学素子１４０５から共通の距離（common distance）に配置される。照明光学系１４０３は、光源１４０４からの光を使って標本１４０２を照明するために使用され、結像光学素子１４０５は、標本１４０２からの反射光を捕捉するために使用される。いくつかの実装形態において、照明光学素子１４０３は偏光子（図示せず）を含み、結像光学素子１４０５は、物体からの反射光を検出器１４１４に送るための４分の１波長板（図示せず）を含む。偏光ビームスプリッタ１４１６は、偏光照明光が画像記録装置１４１４の検出面に到達するのを防止する。ＳＬＭ１４０６は照明パターンを生成し、この照明パターンが物体空間内の検出面と共役の湾曲面付近に投影される。すると、この湾曲面上にある、形状評価対象の標本１４０２の一部の物点について、最大のパターンコントラストが観察される。前述の例と同様に、座標系は、ｚ軸が対物レンズ（図示せず）の光軸に平行で、ｘ及びｙ軸がレンズのベストフォーカス面に平行であり、ｘｙｚが直交座標系を形成するように定義される。

標本１４０２がベストフォーカス位置を通じて走査される間のデータ取得は、いくつかの代替的な方法の１つで実行できる。第一の実装形態では、標本１４０２の表面は、光学系１４００全体に対してｚ軸に沿って長手方向に走査される。他の実装形態では、結像光学素子と物体が、システムの他の構成部品（例えば、光源１４０４、ビームスプリッタ１４１６、ＳＬＭ１４０６、画像記録装置１４１４、照明光学素子１４０３）に対して、１つのユニットとしてまとめて長手方向に走査され、それゆえ、検出画素の標本表面の固定位置へのマッピングが保持される。いくつかの実装形態において、結像光学素子及び／又は標本表面の１つ又は複数の移動を別々に制御できる。

いくつかの実装形態において、市販の、又はカスタムデザインの光学部品を構造化照明画像化システムに組み込んで、利用できる画像化表面の種類に柔軟性を持たせることができる。例えば、いくつかの実装形態において、魚眼レンズを使って円筒形の物体の内部の形状評価を行うことができる。図１５は、穴の形状の円筒形の開口部を有する標本１５０２を画像化するように構成された例示的な画像化システム１５００の概略図であり、結像光学素子１５０５は魚眼レンズ１５３０を含む。この例では、穴１５０２の内面は、結像光学素子１５０５が円筒の穴に対して静止状態に保持され、画像化システムの他の部分（例えば、とりわけ、光源１５０４、画像記録装置１５１４、照明光学素子１５０３、ＳＬＭ１５０６、及び／又はビームスプリッタ１５１６）が円筒の中心軸（即ち、ｚ方向）に沿って走査する間に取得される。

その他の光学部品を構造化照明画像化システムに組み込むことができる。例えば、いくつかの実装形態において、内視鏡で、例えば機械加工された部品又は生物体などの小さな容積を持つ内部の広視野イメージングが可能となる。図１６は、円錐形バルブシート１６０２の内部の画像化に使用される内視鏡１６３０を含む例示的な構造化照明画像化システム１６００の概略図である。結像光学素子１６０５はバルブシート１６０２に対して固定され、その一方で画像化システムの他の部分（例えば、とりわけ、光源１６０４、画像記録装置１６１４、照明光学素子１６０３、ＳＬＭ１６０６及び／又はビームスプリッタ１６１６）はバルブシートの中心軸（即ち、ｚ方向）に沿って走査し、それゆえ、バルブシートの円錐形の内部の画像化が可能となる。

いくつかの実装形態において、ズームレンズを使用することにより、物体空間内の光線方向を画像記録装置の検出面にマッピングする方法を変更できる。図１７Ａと１７Ｂの各々は、例示的な構造化照明画像化システム１７００の概略図であり、結像光学素子１７０５がズームレンズ１７３０を含む。システム１７００の他の構成部品は、光源１７０４、画像記録装置１７１４、ビームスプリッタ１７１６、照明光学素子１７０３、ＳＬＭ１７０６を含む。図１７Ａに示されるように、ズームレンズ１７３０の焦点距離が長いと、レンズ１７３０が表面を画像化できる角度範囲が小さくなり、これは標本１７０２の曲率によって表される。これに対して、ズームレンズ１７３０の焦点距離が短いと、レンズが表面を画像化できる角度範囲は大きくなり、これは図１７Ｂの標本１７２２の曲率によって表される。それゆえ、ズームレンズ１７３０の焦点距離を調節することにより、システム１７００の測定範囲を調整できる。これに加えて、名目上の曲率半径が異なる曲面を画像化できる。

いくつかの実施形態において、曲率が変化する表面を画像化する能力は、非球面の区分的なプロファイリングに有利に利用できる。例えば、図１８Ａと１８Ｂは、非球面を有する標本の画像化に使用される例示的な構造化照明システム１８００の概略図を示す。システム１８００の構成部品は、光源１８０４と、画像記録装置１８１４と、ビームスプリッタ１８１６と、照明光学素子１８０３と、ＳＬＭ１８０６と、を含む。図１７Ａと１７Ｂに示される例と同様に、結像光学素子１８０５はズームレンズ１８３０を含む。ズームレンズ１８３０の焦点距離が比較的長く設定されると、システム１８００は、標本１８０２の非球面のうち曲率の小さい部分を画像化できる。反対に、ズームレンズ１８３０の焦点距離が比較的短く設定されると、非球面標本１８０２のうち曲率の大きい領域を画像化できる。

例示的応用
３Ｄイメージング
上述の非接触表面形状評価方法とシステムを使って、特に高さ、反射性、又は吸収などの物体の表面凹凸形状と表面性状に関する情報を提供できる。いくつかの実施形態において、標本の反射性を少なくとも２つのカラーチャネルで計測でき、それによって色情報を表面凹凸形状データと一緒に提示でき、又は統合して、物体の３Ｄ画像を生成できる。色反射性は、例えば画像記録装置の各画素で捕捉された光強度信号に基づいて得ることができ、この信号は特定の対物レンズのベストフォーカス位置に配置された物体により反射される。あるいは、色反射性は特定の対物レンズのベストフォーカス位置で測定された平均光強度信号から得ることができる。色反射性情報を判定するために使用可能な装置は、複数のカラーチャネルと検出器を有する画像記録装置（例えば、３−ＣＣＤカメラ）又は、空間色フィルタを実装する画像記録装置（例えば、ベイヤフィルタを備える１台のＣＣＤ）を含む。

照明パターンは、色のモニタを目的とした可視スペクトル内の光を発生する広帯域光源を使って投影できる。例えば、とりわけ、光源は白色光ＬＥＤ、各ＬＥＤが可視スペクトル内の異なる波長の光を発するモノクロＬＥＤアレイ、ハロゲンランプ、アークランプ、スーパーコンティニュームレーザ、又は放電ランプなどを含むことができるが、これらに限定されない。

図１９Ａは、上述の非接触表面形状評価方法を使って標本物体上で収集された例示的な表面凹凸形状データの３Ｄグラフである。標本物体は名刺であり、名刺は、１）名刺の表面に黒及び赤インクの印刷により生成された隆起部と、２）青いペンで名刺に書き込んだことにより生じた凹みと、を有する。図１９Ｂは、図１９Ａの標本物体の表面のカラー画像であり、このカラー画像は図１９Ａに示される表面凹凸形状情報を取得したものと同じカラーカメラを使って取得された。図１９Ｃは、図１９Ａの表面凹凸形状データを図１９Ｂのカラー画像と合成して生成された例示的なカラー画像である。図１９Ｃに示される画像は、標本物体の計測表面の３Ｄ形状、表面性状及び色のありのままの視覚化（natural visualization）を提供する。

膜厚
本願の非接触表面形状評価方法とシステムを使って、計測対象の標本物体が透明材料間に複数の界面を含む場合に、その標本物体の膜厚情報を測定することもできる。各膜の厚さを測定するために、画像記録装置により捕捉された光強度信号を標本物体の各々の対応する界面に関する別々の光強度信号に分解する。別々の光強度信号を測定するためのＬＳＱ方法の例は、米国特許第７，３２１，４３１号明細書に開示されている。最小解像可能膜厚は、走査手順により生成された変調コントラスト包絡線の幅の関数である。これに加えて、ＮＡがより大きい対物レンズはＮＡのより小さい対物レンズより薄い膜を計測できる。

レーザ眼球手術における光学素子の位置付け
いくつかの実装形態において、本願に記載されている非接触表面形状評価方法とシステムを使って、レーザ眼球手術における光学素子の位置を特定し、調節できる。例えば、特定のレーザ眼球手術の応用では、レーザ（例えば、フェムト秒レーザ）で角膜の制御された厚さの組織片を切除できる。組織片を切除する前に、ガラス板を角膜に接触させて、眼科外科医が切除の厚さを決定できるようにする。切除の深さは部分的には、レーザ光学素子のベストフォーカス面に関するガラス板の既知の位置に依存する。本願の非接触表面形状評価方法を利用することにより、いくつかの実装形態において、ガラス板が所望の切開深さに対して適正な位置にあるか否かを迅速に特定するための方法とシステムを提供できる。

図２０は、ガラス板が上記のレーザ眼球手術の施行にとって適正な位置にあるか否かを判断するための例示的なシステム２０００の概略図である。システム２０００は、図１と２に示されたものと同様の光学素子を含む。しかしながら、このシステム２０００では、レーザ光学素子２０１８が対物レンズとして機能する。チューブレンズ２０２０は、レーザ光学素子２０１８の視野を画像記録装置２０１４に再画像化する。照明部２００３は光変調器２００６を含み、光変調器２００６はレーザ光学素子２０１８のベストフォーカス面に投影される光強度パターンを変調する。角膜２０４０の切開深さを決定するためのガラス板２００２は、ベストフォーカス表面を通じて走査される。ガラス板２００２が走査中にベストフォーカス表面からずれていると、画像記録装置２０１４が取得する変調パターンの画像はぼやけ、コントラストの低下を示す。

ガラス板２００２の走査中、投影される光強度パターンを横方向に移動させて、画像記録装置２０１４の各画素での周期的な時系列光強度信号を生成する。各光強度信号は、画素により画像化されたガラス板２００２の表面がベストフォーカス面に対応する走査位置へと移動された時に大きさがピークとなる特徴的な変調包絡線を有する。すると、１つ又は複数のアルゴリズム（例えば、ＦＤＡ、ＬＳＱ）を使って、ピーク包絡線位置及び、それゆえガラス板２００２の位置を判定できる。ガラス板２００２はその後、角膜２０４０の切開を施行するために必要な所望の位置まで移動させることができる。

レーザ眼球手術に上記のシステムを使用する利点には、例えば光学的接合部材（例えば、ガラス板）をレーザ光学素子の焦点面に対して直接的に位置付けることができ、中間的なデータが不要であるという点が含まれる。場合によっては、この技術を実施するために使用される構成部品（例えば、空間光変調器）は、レーザ眼球手術用の既存のシステムの中に組み込むことができ、大幅な、又は実質的な改造は不要である。いくつかの実装形態において、ガラス板の下側の空気−ガラス界面（即ち、板のうちの角膜に最も近い界面）の計測は、ガラス板の上側界面（即ち、板のうちの角膜から最も遠い界面）の存在によって影響を受けない。これに加えて、場合によっては、システムは、切開深さを判断するために使用される光学素子の高速オートフォーカスを可能にする。いくつかの実装形態において、上記の技術により、板のチルト、平坦さ、又はレーザ光学素子の像面湾曲の計測が可能となる。

本発明の多数の実装形態を説明した。しかしながら、当然のことながら、本発明の主題及び範囲から逸脱することなく、各種の改変を加えることができる。その他の実施形態も以下特許請求の範囲の中にある。

Claims (38)

1. 被験物体の三次元画像を形成する方法であって、
   光を結像光学素子のベストフォーカス表面へ方向付けることであって、前記光が前記ベストフォーカス表面の少なくとも１つの方向において強度変調される、前記方向付けること、
   前記被験物体の走査中に計測物体の表面が前記結像光学素子の前記ベストフォーカス表面を通過するように、被験物体を前記結像光学素子に対して走査すること、
   前記走査中の前記被験物体の一連の位置の各々について、前記結像光学素子を使って前記計測物体の１つの画像を取得することであって、前記ベストフォーカス表面内の前記光の強度変調が連続する画像ごとに異なる、前記計測物体の１つの画像を取得すること、
   取得された画像に基づいて前記被験物体の三次元画像を形成することを備える、方法。
2. 前記光を前記ベストフォーカス表面へと方向付けることは、
   空間光変調器（ＳＬＭ）を前記ベストフォーカス表面に結像させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ベストフォーカス表面内の前記光の前記強度変調は、前記空間光変調器を用いて変更される、請求項２に記載の方法。
4. 前記光を前記ベストフォーカス表面へ方向付けることは、
   パターン生成面を物体空間内の表面上に結像させることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記表面は、前記被験物体の形状と共形である、請求項４に記載の方法。
6. 前記被験物体の形状は、平坦、球形、放物線状、円柱形、円錐形又は非球形である、請求項４に記載の方法。
7. 前記強度変調は、周期変調である、請求項１に記載の方法。
8. 前記周期変調は、正弦変調である、請求項７に記載の方法。
9. 前記周期変調の位相は、各連続画像間で２π未満だけ変更される、請求項７に記載の方法。
10. 前記周期変調の位相は、各連続画像間でπ以下だけ変更される、請求項９に記載の方法。
11. 前記周期変調の位相は、各連続画像間でπ／２だけ変更される、請求項９に記載の方法。
12. 前記強度変調は、二次元強度変調である、請求項１に記載の方法。
13. 前記走査位置は、等間隔で離間される、請求項１に記載の方法。
14. 前記強度変調は、前記被験物体の表面の勾配に基づいて選択される、請求項１に記載の方法。
15. 前記三次元画像を形成することは、
    前記被験物体の表面の複数の異なる位置について、各位置が前記ベストフォーカス表面と交差する場所に対応する走査位置を特定することを含む、請求項１に記載の方法。
16. 取得された画像の前記異なる位置の各々における走査位置に応じた強度には振幅変調が含まれ、
    前記被験物体の表面の複数の異なる位置について、前記各位置が前記ベストフォーカス表面と交差する位置に対応する前記走査位置を特定することは、
    変調振幅が最大となる前記走査位置を特定することを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記三次元画像を形成することは、
    前記被験物体の表面の複数の異なる位置の各々のための強度信号を取得することを含み、
    各強度信号が、走査位置に応じた、対応する位置での取得された画像の強度に対応する、請求項１に記載の方法。
18. 前記三次元画像を形成することは、
    前記被験物体の表面の各位置のための前記強度信号の変調の最大振幅に対応する走査位置を特定することを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記走査位置を特定することは、
    各強度信号を周波数領域に変換することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記被験物体は、レンズ素子である、請求項１に記載の方法。
21. 前記三次元画像は、モノクロ画像である、請求項１に記載の方法。
22. 前記三次元画像は、カラー画像である、請求項１に記載の方法。
23. 被験物体の三次元画像を形成する方法において、
    空間光変調器の画像を結像光学素子のベストフォーカス表面に形成すること、
    前記被験物体の走査中に計測物体の表面が前記結像光学素子のベストフォーカス表面を通過するように、被験物体を前記結像光学素子に対して走査すること、
    前記走査中の前記被験物体の一連の位置の各々について、前記結像光学素子を使って前記被験物体の１枚の画像を取得することであって、前記空間光変調器が前記画像を形成する光の強度変調を変化させ、前記ベストフォーカス表面における前記光の強度変調が連続画像ごとに異なる、前記被験物体の１枚の画像を取得すること、
    取得された画像に基づいて前記被験物体の三次元画像を形成することを備える、方法。
24. 被験物体の三次元画像を形成する方法において、
    光を結像光学素子のベストフォーカス表面へ方向付けることであって、前記光が前記ベストフォーカス表面の少なくとも１方向において強度変調される、前記方向付けること、
    前記被験物体の走査中に計測物体の表面が前記結像光学素子のベストフォーカス表面を通過するように、前記被験物体を前記結像光学素子に対して走査すること、
    前記ベストフォーカス表面を多素子検出器に結像すること、
    前記走査中の前記被験物体の一連の位置の各々について、前記多素子検出器の１つ又は複数の素子において１つの強度計測値を取得することであって、前記走査中の前記被験物体の連続する位置ごとにベストフォーカス表面の光の強度変調が異なる、前記１つの強度計測値を取得すること、
    取得された強度計測値に基づいて、前記被験物体の三次元画像を形成することを備える、方法。
25. 被験物体の三次元画像を形成するシステムにおいて、
    ベストフォーカス表面を有する結像光学素子を含む顕微鏡と、
    空間光変調器と、
    前記システムの動作中に前記空間光変調器からの光を、前記ベストフォーカス表面に前記空間光変調器の画像を形成するべく方向付けるように配置された１つ又は複数の光学素子と、
    前記システムの動作中に前記被験物体を顕微鏡対物レンズに対して走査し、前記被験物体の表面が前記ベストフォーカス表面と交差するように配置された走査ステージと、
    多素子検出器であって、前記顕微鏡に対して、前記システムの動作中に前記顕微鏡が前記ベストフォーカス表面での視野の画像を前記多素子検出器上に形成するように位置付けられた前記多素子検出器と、
    前記走査ステージと前記空間光変調器と前記多素子検出器と通信する電子制御モジュールとを備え、
    動作中に前記システムは、前記多素子検出器に、前記結像光学素子に関する前記被験物体の複数の走査位置の各々について前記被験物体の１つの画像を取得させ、前記空間光変調器に、前記ベストフォーカス表面での光の強度を少なくとも１方向において可変的に変調させて、前記光の強度変調が連続画像ごとに異なるようにし、取得された画像に基づいて前記被験物体の三次元画像を形成する、システム。
26. 前記システムの動作中に光を前記空間光変調器へと方向付けるように配置された光源をさらに備える、請求項２５に記載のシステム。
27. 前記空間光変調器は、反射型空間光変調器である、請求項２５に記載のシステム。
28. 前記空間光変調器は、透過型空間光変調器である、請求項２５に記載のシステム。
29. 前記空間光変調器は、液晶パネルである、請求項２５に記載のシステム。
30. 前記空間光変調器は、マイクロミラーアレイを含む、請求項２５に記載のシステム。
31. 前記結像光学素子は、０．６より大きい開口数を有する、請求項２５に記載のシステム。
32. 前記結像光学素子は、０．８より大きい開口数を有する、請求項２５に記載のシステム。
33. 前記結像光学素子は、０．９より大きい開口数を有する、請求項２５に記載のシステム。
34. 前記結像光学素子は、０．９５の開口数を有する、請求項２５に記載のシステム。
35. 前記多素子検出器に前記画像を形成する光の波長をフィルタリングするように配置された色フィルタをさらに備える、請求項２５に記載のシステム。
36. 前記１つ又は複数の光学素子は、魚眼レンズを含む、請求項２５に記載のシステム。
37. 前記１つ又は複数の光学素子は、内視鏡を含む、請求項２５に記載のシステム。
38. 前記１つ又は複数の光学素子は、ズームレンズを含む、請求項２５に記載のシステム。