(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（１３０）の表面上で第１の物体点（１２４）の３次元座標を決定する方法であって、
第１の光源（２１０、３１０Ａ、３１０Ｂ、９１０、９２０）、投影器（１６０、２００、３００、９００）、およびカメラ（１４０）を用意するステップであって、前記投影器が、第１の回折格子（２２０、３３０Ａ、３３０Ｂ、９３０）、対物レンズ（２４０、３５０、９７０）、および第１の板（３６０、４００、５１２、９４６）を含み、前記カメラが、カメラレンズ（１４２）および感光アレイ（１４６）を含み、前記第１の光源が第１の光源ビームを生成し、前記第１の板が、第１の透明領域（４１０）、第２の透明領域（４１２）、および少なくとも１つの不透明領域（４２０、４２２、４２４）を含み、前記少なくとも１つの不透明領域が、前記第１の板の表面上に配置された被覆によって形成され、前記投影器が、投影器投影中心を有し、前記カメラが、カメラ投影中心（１４４）を有し、前記投影器の投影中心と前記カメラの投影中心との間の線分が基準線（１６４）であり、前記基準線が、基準線長さを有する、ステップと、
前記第１の光源ビームを前記第１の回折格子へ送るステップと、
前記第１の回折格子を用いて、少なくとも第１の回折光ビーム（９８７）、第２の回折光ビーム（９８２）、および残余光を形成するステップであって、前記残余光が、前記第１の光源ビームからの光のうち、前記第１の回折格子を通過し、かつ前記第１の回折光ビームまたは前記第２の回折光ビーム以外の光である、ステップと、
前記第１の回折光ビームの入射角が互いに異なる複数の面を有する透明くさびに前記第１の回折光ビームを通すステップであって、前記複数の面のうちから前記第１の回折光ビームを通過させる面を選択して、前記第１の回折光ビームの伝播方向を選択された面に対する入射角に応じて変化させ、且つ、前記複数の面のうちいずれの面が選択されても前記第１の回折光ビームの前記透明くさび内における通過距離が一定である、ステップと、
前記第１の回折光ビーム、前記第２の回折光ビーム、および前記残余光を前記対物レンズへ送るステップと、
前記対物レンズを用いて、少なくとも第１の光点（１１２、２７０、３９０、９９４）および第２の光点（１１４、２７０、３９０、９９４）を形成するステップであって、前記第１の光点が前記第１の回折光ビームから生じ、前記第２の光点が前記第２の回折光ビームから生じる、ステップと、
前記第１の光点および前記第２の光点付近の第１の位置に前記第１の板を配置するステップと、
前記第１の光点からの第１の光を前記第１の透明領域内のガラスの第１の厚さに通し、前記第２の光点からの第２の光を前記第２の透明領域内のガラスの第２の厚さに通し、一方、前記少なくとも１つの不透明領域を用いて、前記残余光が前記第１の板を通るのを阻止するステップと、
前記第１の光と前記第２の光とを組み合わせて、前記物体の前記表面上に第１のフリンジパターンを生成するステップと、
前記第１のフリンジパターンによって照射された前記第１の物体点を感光アレイ上のアレイ点上へ撮像して、前記感光アレイから第１の電気データ値を得るステップと、
前記第１の板を第２の位置へ動かすステップと、
前記第１の光点からの第３の光を前記第１の透明領域内のガラスの第３の厚さに通し、前記第２の光点からの第４の光を前記第２の透明領域内のガラスの第４の厚さに通し、一方、前記少なくとも１つの不透明領域を用いて、前記残余光が前記第１の板を通るのを阻止するステップであって、前記第３の厚さと前記第４の厚さとの差である第２の厚差が、前記第１の厚さと前記第２の厚さとの差である第１の厚差に等しくない、ステップと、
前記物体の前記表面上で前記第３の光と前記第４の光とを組み合わせて、前記物体の前記表面上に第２のフリンジパターンを生成するステップであって、前記第１のフリンジパターンおよび前記第２のフリンジパターンが、前記第１の物体点に第１のフリンジピッチを有する、ステップと、
前記第２のフリンジパターンによって照射された前記第１の物体点を前記アレイ点上へ撮像して、前記感光アレイから第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、前記第２の電気データ値、および前記基準線長さに少なくとも部分的に基づいて、前記第１の物体点の前記３次元座標を計算するステップと、
前記第１の物体点の前記３次元座標を記憶するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
第１の光源、投影器、およびカメラを用意する前記ステップで、前記第１の光源ビームが、可視光、赤外光、および紫外光からなる群から選択される、
ことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記第１の板を第３の位置へ動かすステップと、
前記第１の光点からの第５の光を前記第１の透明領域内のガラスの第５の厚さに通し、前記第２の光点からの第６の光を前記第２の透明領域内のガラスの第６の厚さに通し、一方、前記少なくとも１つの不透明領域を用いて、前記残余光が前記第１の板を通るのを阻止するステップであって、前記第５の厚さおよび前記第６の厚さの差である第３の厚差が、前記第１の厚差または前記第２の厚差に等しくない、ステップと、
前記物体の前記表面上で前記第５の光と前記第６の光とを組み合わせて、前記物体の前記表面上に第３のフリンジパターンを生成するステップであって、前記第３のフリンジパターンが、前記第１の物体点に第１のフリンジピッチを有する、ステップと、
前記第３のフリンジパターンによって照射された前記第１の物体点を前記アレイ点上へ撮像して、前記感光アレイから第３の電気データ値を得るステップと、
をさらに含み、
前記第１の物体点の前記３次元座標を計算する前記ステップが、前記第３の電気データ値にさらに基づいて行われる、
ことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、
第２の光源（３１０Ｂ）、第２の回折格子（３３０Ｂ）、およびビームコンバイナ（３４０）を用意するステップであって、前記第２の光源が第２の光源ビームを生成する、ステップと、
前記第２の光源ビームを前記第２の回折格子へ送るステップと、
前記第２の回折格子を用いて、少なくとも第３の回折光ビームおよび第４の回折光ビームを形成するステップと、
前記第３の回折光ビームおよび前記第４の回折光ビームを前記ビームコンバイナへ送るステップと、
前記第３の回折光ビームおよび前記第４の回折光ビームを前記ビームコンバイナから前記対物レンズへ送るステップと、
前記対物レンズ（３５０）を用いて、少なくとも第３の光点（３９０）および第４の光点（３９０）を形成するステップであって、前記第３の光点が前記第３の回折光ビームから生じ、前記第４の光点が前記第４の回折光ビームから生じる、ステップと、
前記第１の光点からの第１の光および前記第２の光点からの第２の光を前記物体の前記表面へ通すステップと、
前記第１の光と前記第２の光とを組み合わせて、前記物体の前記表面上に第４のフリンジパターンを生成するステップと、
前記第４のフリンジパターンによって照射された前記第１の物体点を感光アレイ上のアレイ点上へ撮像して、前記感光アレイから第４の電気データ値を得るステップと、
をさらに含み、
前記第１の物体点の前記３次元座標を計算する前記ステップが、前記第４の電気データ値にさらに基づいて行われる、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
拡大レンズ系（９６０）を用意するステップであって、前記拡大レンズ系が、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、
前記拡大レンズ系を通って前記第１の回折光ビームおよび前記第２の回折光ビームを送ってから、前記対物レンズ（９７０）を通って前記第１の回折光ビームおよび前記第２の回折光ビームを送るステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、座標測定デバイスに関する。１組の座標測定デバイスは、光のパターンを物体に投影し、カメラを用いてそのパターンを記録することによって、点の３次元（３Ｄ）座標を測定する一種の計器に属する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本願は、その内容を全体として本願に引用して援用する、２０１１年７月１４日出願の米国仮特許出願第６１／５０７，７７１号の利益を主張するものである。
【０００３】
特定のタイプの座標測定デバイスは、アコーディオンフリンジ干渉計と呼ばれることもあり、近接して離隔された２つの小さい光点によって放出される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。物体上へ投影される、結果として得られたフリンジパターンが分析され、カメラ内の別個の各画素に対する表面点の３Ｄ座標が求められる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
アコーディオンフリンジ干渉計の一実装形態は、圧電アクチュエータ、容量性帰還センサ、屈曲ステージ、複数のレーザ源、および複数の対物レンズを使用して回折格子を動かすものである。このタイプのアコーディオンフリンジ干渉計は、製造するのに比較的コストがかかり、測定を実行するのが比較的遅い。３Ｄ座標を求めるための改善された方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
物体の表面上で第１の点の３次元座標を決定する方法は、第１の光源、投影器、およびカメラを用意するステップを含み、投影器は、第１の回折格子、対物レンズ、および第１の板を含み、カメラは、カメラレンズおよび感光アレイを含み、第１の光源は、第１の光源ビームを生成し、第１の板は、第１の透明領域、第２の透明領域、および少なくとも１つの不透明領域を含み、投影器は、投影器の投影中心を有し、カメラは、カメラの投影中心を有し、投影器投影中心とカメラ投影中心との間の線分が基準線であり、基準線は、基準線長さを有する。この方法はまた、第１の光源ビームを第１の回折格子へ送るステップと、第１の回折格子を用いて、少なくとも第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームを形成するステップと、第１の回折光ビームおよび第２の回折光ビームを対物レンズへ送るステップと、対物レンズを用いて、少なくとも第１の光点および第２の光点を形成するステップであって、第１の光点が第１の回折光ビームから生じ、第２の光点が第２の回折光ビームから生じる、形成するステップと、第１の光点および第２の光点付近の第１の位置に第１の板を配置するステップとを含む。この方法は、第１の光点からの第１の光を第１の透明領域内のガラスの第１の厚さに通し、第２の光点からの第２の光を第２の透明領域内のガラスの第２の厚さに通し、一方、他の光が第１の板を通るのを防ぐステップであって、第１の厚さと第２の厚さとの差が第１の厚差に等しい、防ぐステップと、第１の光と第２の光とを組み合わせて、物体の表面上に第１のフリンジパターンを生成するステップと、第１のフリンジパターンによって照射された第１の物体点を感光アレイ上のアレイ点上へ撮像して、感光アレイから第１の電気データ値を得るステップと、第１の板を第２の位置へ動かすステップと、第１の光点からの第３の光を第１の透明領域内のガラスの第３の厚さに通し、第２の光点からの第４の光を第２の透明領域内のガラスの第４の厚さに通し、一方、他の光が第１の板を通るのを防ぐステップであって、第３の厚さおよび第４の厚さの差が第２の厚差に等しく、第２の厚差が第１の厚差に等しくない、ステップと、物体の表面上で第３の光と第４の光とを組み合わせて、物体の表面上に第２のフリンジパターンを生成するステップであって、第１のフリンジパターンおよび第２のフリンジパターンが、第１の物体点に第１のフリンジピッチを有する、生成するステップと、第２のフリンジパターンによって照射された第１の物体点をアレイ点上へ撮像して、感光アレイから第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、第２の電気データ値、および基準線長さに少なくとも部分的に基づいて、第１の物体点の３次元座標を計算するステップと、第１の物体点の３次元座標を記憶するステップとをさらに含む。
【０００６】
次に図面を参照して例示的な実施形態を示すが、これらの実施形態は、本開示の範囲全体に関して限定すると解釈されるべきではない。いくつかの図では、要素に同様の番号を付ける。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】３Ｄ測定デバイスの動作の三角測量原理を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による例示的な投影器の要素を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による例示的な投影器の主要な要素を示す概略図である。
【図４】移相器およびピンホール物体の正面図である。
【図４Ａ】移相器およびピンホール物体の第１の断面図である。
【図４Ｂ】移相器およびピンホール物体の第２の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による位相／フリンジ調整器を動かすモータ駆動ステージの要素を示す概略図である。
【図６】傾斜したくさび形の窓を通過する光線の幾何形状を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による３つのくさび形の窓を含むアセンブリを通過する光線の幾何形状を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態による３つのくさび形の窓を含むアセンブリを通過する光線の幾何形状を示す図である。
【図９】単一の要素を使用して位相およびフリンジピッチを変化させるアセンブリの要素を示す概略図である。
【図１０Ａ】本発明の一実施形態による位相およびフリンジ調整器窓の前面図である。
【図１０Ｂ】本発明の一実施形態による位相およびフリンジ調整器窓の第１の断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の一実施形態による位相およびフリンジ調整器窓の第２の断面図である。
【図１０Ｄ】本発明の一実施形態による位相およびフリンジ調整器窓の上面図である。
【図１１Ａ】本発明の一実施形態による位相およびフリンジピッチを調整することが可能なアセンブリの前面図である。
【図１１Ｂ】本発明の一実施形態による位相およびフリンジピッチを調整することが可能なアセンブリの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１に、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例示的な３Ｄ測定デバイス１００を示す。投影器１６０が、電子ユニット１５０の制御を受けて、２つの小さい光点１１２、１１４を生成する。これらの光点は、加工物１３０の表面上にフリンジのパターンを生成する。特定の点１２４の照度は、点１２４における２つの光線１２０、１２２の干渉によって決まる。加工物１３０の表面上の様々な点で、光線１２０、１２２は、強め合うように、または弱め合うように干渉し、それによってフリンジパターンを生成する。カメラ１４０が、レンズ系１４２および感光アレイ１４６を含む。カメラ１４０は、加工物１３０上の光のパターンの像を感光アレイ１４６上に形成する。点１２４からの光は、レンズ系１４２の投影中心１４４を通過して感光アレイ上に像点１２８を形成すると考えることができる。感光アレイ１４６の特定の画素１２８が、加工物１３０の表面の小さい領域１２４から散乱した光を受け取る。投影中心１４４に対するこの小さい領域への方向を画定する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分かる。
【０００９】
感光アレイ１４６に当たった光は、デジタル電気信号に変換され、処理のために電子ユニット１５０へ送られる。プロセッサを含む電子ユニット１５０は、投影中心１４４から加工物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から投影器１６０までの既知の距離１６４に少なくとも部分的に基づいて行われる。本明細書に上記で説明したように、カメラ１４０内の各画素に対して、２つの角度および計算された距離が分かる。すべての画素から得られる情報を組み合わせることによって、加工物表面の３次元マップが得られる。
【００１０】
図２は、一実施形態による例示的な投影器２００の要素を示す。光源２１０が格子２２０へ光を送り、この光は格子２２０によって複数のビームに分割され、それぞれ異なる角度に進む。格子は、０、＋３、−３、＋５、−５の次数などの他の次数に関連して生成される＋１および−１の次数の寸法を最大にするために、格子はブレーズ型とすることができる。２つ以上の光源および２つ以上の格子が使用される場合、２つ以上の格子から発する光をビームコンバイナ２３０内で組み合わせることができる。一実施形態では、ビームコンバイナ２３０はガラスのビームスプリッタである。これらの光ビームは対物レンズ２４０を通じて送られ、対物レンズ２４０は、この光を２つの小さい点２７０に集束させる。点２７０は現実でも仮想でもよく、対物レンズ系によって形成される現実の点は正のパワーを有し、対物レンズ系による仮想の点は負のパワーを有する。ピンホール板２５０が、＋１および−１の次数の光の通過を可能にしながら他の次数を阻止する領域を有する。ピンホール板は、点２７０が集束される平面付近に配置される。任意選択の位相／フリンジ調整器２６０も、点２７０が集束される平面付近に配置される。一実施形態では、ピンホール板２５０とフリンジ／位相調整器２６０は１つの光学構成要素内に組み込まれる。重複領域２７５内で干渉が生じ、加工物表面上の点でフリンジとして観察される。
【００１１】
図３は、図２の一般的な要素に対応する要素を含む例示的な投影器３００の特有の要素を示す。光源３１０Ａは、レーザ、超放射発光ダイオード、ＬＥＤ、または他の光源からの光を提供する。一実施形態では、光源３１０Ａからの光は、光ファイバ３１２Ａを通って、フェルール３２２Ａおよびレンズ３２４Ａを含むファイバ出射端３２０Ａへ進む。別法として、光源３１０Ａからの光は、自由空間を通って進み、レンズ３２４Ａに到達することもできる。ファイバ出射端３２０Ａを出た平行光３８０Ａは格子３３０Ａを通過し、格子は、異なる方向に進む光ビームを生成する。生成される光の次数は、０、±１、±３、および±５を含むことができる。光は、ビームスプリッタ３４０を通過する。一実施形態では、ビームスプリッタ３４０は、光の５０％を伝送して光の５０％を反射する非偏光ビームスプリッタであり、その結果、光パワーの２分の１が失われる。別の実施形態では、光ビーム３８０Ａ、３８０Ｂは直交偏光され、ビームスプリッタ３４０は、光ビーム３８０Ａのほぼ全体を伝送して光ビーム３８０Ｂのほぼ全体を反射するように構成された偏光ビームスプリッタである。光源３１０Ｂが光を提供し、一実施形態では、この光は、光ファイバ３１２Ｂを通って、フェルール３２２Ｂおよびレンズ３２４Ｂを含むファイバ出射端３２０Ｂへ進む。ファイバ出射端３２０Ｂを出た平行光３８０Ｂは格子３３０Ｂを通過し、格子は、異なる方向に進む光ビームを生成する。この光は、鏡３３５に反射し、ビームスプリッタ３４０に反射する。ビームスプリッタ３４０を通って伝送された光と、ビームスプリッタ３４０によって反射された光は、同じビーム経路３９０に沿って進む。光源３２２Ａ、３２２Ｂには一度に１つずつ電源が投入され、その結果、光ビーム３８０Ａ、３８０Ｂがビームスプリッタ３４０を出るとき、光ビーム３８０Ａ、３８０Ｂ間に干渉は生じない。
【００１２】
ビーム経路３９０に沿って進む光ビームは対物レンズ３５０まで進み、対物レンズ３５０は、この光を２つの小さい点３９０に集束させる。２つの小さい点３９０付近に、光学要素３６０が配置される。一実施形態では、光学要素３６０は、位相調整器とピンホール板の組合せである。ピンホール板は、たとえば次数０、±３、および±５となりうるビームによって小さい点が生じるのを阻止する。位相調整器は、この位相を、たとえば０、１２０、および２４０度の位相値に調整する。重複領域３９５内で干渉が生じ、加工物表面上の点でフリンジとして観察される。
【００１３】
図１に示すシステム１００によるアコーディオンフリンジ干渉法を使用して距離を計算する方法は、２つの点１１２、１１４の相対的な位相を偏移させることであり、これには加工物上のフリンジを動かす作用がある。カメラの各画素は、３つの移相のそれぞれについて等しい露出から得られる光のレベルを測定する。電子ユニット１５０内のプロセッサが、少なくとも３つの測定された光レベルを使用して、加工物の表面上の点までの距離を計算する。したがって、３Ｄ座標を計算するには、図１〜３に示すシステムは、それぞれ点１１２、１１４、点２７０、および点３９０の相対的な位相を偏移させる能力を必要とする。
【００１４】
スキャナによって測定される距離の範囲が比較的大きい場合、測定される距離のあいまいさを解消する能力も必要とする。フリンジピッチは比較的小さいため、カメラによって収集される像に基づくいくつかの可能な有効な距離の解決策があることが分かった。このあいまいさは、フリンジ間の間隔（ピッチ）を知られている量だけ変化させることによって除去することができる。図３の実施形態では、異なるピッチ値を有する２つの対応する格子３３０Ａ、３３０Ｂを通過する２つの光源を使用することによって、２つの異なるフリンジ間隔が得られる。３Ｄ座標を計算するには、図１〜３に示すシステムは、大部分の場合、フリンジピッチを少なくとも２つの値に変化させる能力を必要とする。
【００１５】
一実施形態では、ピンホールと移相器の組合せ３６０は、図４に示す光学要素４００である。光学要素４００は、溶融石英などの高品質の材料から作られたガラス板４０５を含む。光が縞状の区域４１０および４１２を通過する際に３つの異なる相対的な移相を生成するパターンで、複数の領域がガラス内へエッチングされる。別法として、ガラス板４０５を覆うように異なる厚さの被覆を施すことによって、異なる厚さを生じさせることもできる。伝送されるパワーの差は計算される距離に誤りを引き起こす可能性があるため、被覆が使用される場合、それぞれの異なる層によって伝送される光の量の差を最小にするように注意が払われるべきである。図４に示す例示的な実施形態では、縞状の区域４１０は、断面Ａ−Ａに示す凹状の断面４３２を有し、縞状の区域４１２は、断面Ｂ−Ｂに示す凹状の断面４４４を有する。縞状の区域４１０および４１２を通過した光は、光が通過する光学要素４００上の垂直方向の位置に従って、３つの異なる相対的な光路長（ＯＰＬ）を有する。これらの３つの異なるＯＰＬにより、光点３９０に３つの異なる相対的な移相が生成される。加工物上では、この移相の影響で、フリンジの線が側方にずれる。３つの異なる移相を得るために、多くの他のエッチングパターンも可能である。さらに、場合によっては４つ以上の移相を得ることが望ましいこともあり、その結果、追加のエッチング領域が必要とされることがある。図４、図４Ａ、図４Ｂに示すパターンは単なる提案であり、使用できるパターンのタイプに関して限定するものではないことを理解されたい。
【００１６】
光学要素４００のピンホール機能は、±１以外の次数を有する望ましくない光を阻止することである。次数０は、不透明の被覆４２２によって阻止される。被覆４２２は、クロムの被覆とすることができる。次数±３、±５は、不透明領域４２０、４２４によって阻止される。一実施形態では、領域４２０、４２２、および４２４は、本当のピンホールではなく、縞状である。ピンホールという用語は、一般に、望ましくないビームを阻止する機能について説明するために使用されており、したがって本明細書では、図示の実施形態で縞状のビームブロッカが使用される場合でも、ピンホールという用語を使用する。他のパターンの不透明および透明の領域を、光学要素４００に適用することもできる。
【００１７】
図５に示すモータ駆動機構５００を使用して、図４の位相調整器４００に直線運動を提供することができる。ステージ５００は、中心に孔を有す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の指定の真直度は、０．００００８ｍ／ｍである。たとえば調整器４００などの位相／フリンジ調整器が、位置５２０に取り付けられる。アクチュエータ５３０によって運動が提供される。一実施形態では、アクチュエータ５３０はボイスコイルアクチュエータである。アクチュエータ５３０は、ドライバ要素５３２を押してボールスライドを動かす。センサ５４０によって、位置フィードバックが提供される。一実施形態では、センサ５４０は直線エンコーダである。電子ユニット５５０が、アクチュエータ５３０およびフィードバックセンサ５４０に対する電子的な支援を提供する。電子ユニット５５０は、演算上の支援を提供するプロセッサを含むことができる。
【００１８】
フリンジピッチを変化させる方法について、次に考察する。図６は、第１の表面６１２にくさび角εおよび入射角αを有するくさび形の窓６００を通って進む光線の幾何形状を示す。くさび形の窓６００は、第１の屈折角β、第２の入射角γ、および第２の屈折角δを有する。本発明者らは、くさび形の窓に入る最初の光線に対するくさび形の窓を出る最終の光線の角度を求めることに関心をもっている。具体的には、本発明者らは、αが０に近接している場合、この角度変化が入射角αとともにどのように変化するかに関心をもっている。
【００１９】
第１の境界面におけるビーム角の変化はβ−αであり、第２の境界面におけるビーム角の変化はγ−δである。第２の入射角は、
γ＝β＋ε  （１）
によって与えられ、ビーム角の全体的な変化ζは、
ζ＝β−α＋δ−γ＝−α＋ａｓｉｎ（ｎ  ｓｉｎ（γ））−ε  （２）
である。
【００２０】
入射角α＝０である場合、等式（２）は、
ζ＝ａｓｉｎ（ｎ  ｓｉｎ（ε））−ε  （３）
に簡略化される。
【００２１】
等式（３）を使用して、所望のくさび角を計算することができる。たとえば、ガラスの屈折率がｎ＝１．５であり、かつ所望の偏角がζ＝１．３ミリラジアンである場合、等式（３）を数値的に解いて、くさび角ε＝２．５ミリラジアンを求めることができる。
【００２２】
３Ｄ測定デバイスの出力部で点と点の間に所望の距離を与える３つの異なる角度を生成するために、図７に示すように、くさび形の窓の構成をアセンブリ７００内に組み合わせることができる。以下に論じる図９を参照して以下に説明するように、各ビームの主な方向は格子要素によって設定される。アセンブリ７００の目的は、２つの分離されたビーム間の角度をわずかに変化させて、フリンジピッチに所望の小さい変化を生成することである。これは、アセンブリの中心にくさび形でない窓７１２を配置し、反対方向に傾斜したくさび形の窓７１０および７１４を両側に配置することによって行われることが好都合である。
【００２３】
所望の偏角を生成するために、図７のアセンブリ７００は、紙面内で上下に動かされる。これにより、３つの要素７１０、７１２、および７１４のそれぞれにおいて一貫した角度偏差が生成されるが、それぞれの場合に異なる移相が生じ、この移相は、上下運動中のアセンブリ７００の位置に依存する。
【００２４】
アセンブリが動くときにガラスの厚さの変動とともに望ましくない移相が生じるのを回避するために、これらのくさびは、図８Ａ、図８Ｂのアセンブリ１３００、１３５０内のように構成することができる。図８Ａの上面図で見たとき、アセンブリは紙面から出る方向に延びている。単一のビーム１３３０が、３つの断面１３１０、１３１５、１３２０の１つに入る。ガラス断面１３１０、１３１５、１３２０のくさび角により、それぞれ出射光ビーム１３４０、１３５０、１３４５の方向が決まる。くさび形でない断面１３１０に入るビーム１３３０の場合、ビーム１３４０は元の方向に沿ってアセンブリを出る。他の２つの断面１３１５、１３２０の場合、図６に従って、ビームはガラスの前縁部の方へ曲がる。アセンブリ１３００（１３５０）の設計の重要な態様は、アセンブリが立ち去るときは断面１３１０、１３１５、１３２０のいずれにおいてもビームの位相が変化しないことである。これは、運動中にガラスの厚さが変化しないように断面１３１０、１３１５、１３２０が適切に位置合わせされている限り、当てはまる。
【００２５】
図９に、単一の光学要素を使用して位相とフリンジピッチの両方を調整する構成を示す。光源９１０が光を提供する。この光は、レーザ、超放射発光ダイオード、ＬＥＤ、または他の源からくることができる。一実施形態では、光源９１０からの光は、光ファイバ９１２を通って、フェルール９２２およびレンズ９２４を含むファイバ出射端９２０へ進む。別法として、光源９１０からの光は、自由空間を通って進み、レンズ９２４に到達することもできる。ファイバ出射端９２０を出た平行光９８０は格子９３０へ進み、格子９３０は、この光を、異なる方向に進むいくつかの光ビームに分割する。後に光路内では、異なる次数の回折光がすべて複数の点に集束され、これらのすべては、±１の次数を除いて、すべて不透明のマスクによって除去される。ビーム９８７は、鏡９３３に反射し、鏡９３２に反射して、位相／フリンジ調整器９４０を通過する。位相／フリンジ調整器９４０は、アセンブリ９００の出力部の位相とフリンジ間隔の両方を調整する。光は、光を伝送するビームコンバイナの第１の部分９５２を通過する。
【００２６】
光９８２は、鏡９３４に反射し、ビームコンバイナ９５６の第２の領域９５４に反射する。ビームコンバイナ９５６から出射される２つの光ビーム９８５、９８９は、位置９９０で交差する。一実施形態では２つの正レンズ要素９６２、９６４を含む無限焦点ビームエクスパンダ９６０が、第１のレンズ要素９６２の焦点距離が交点９９０から第１のレンズ要素９６２の焦点距離ｆ１に等しい距離をあけて配置されるように位置決めされる。２つの平行光ビーム９８５、９８９は、第１のレンズ要素９６２によって、第１のレンズ９６２から距離ｆ１をあけたところに位置する２つの光点９９６に集束される。レンズ９６２および９６４間の距離はｆ１＋ｆ２に等しく、その結果、ビームエクスパンダ内の２つの点は、第２のレンズ要素９６４から距離ｆ２をあけたところに位置する。２つの平行光ビーム９９１、９９３が、ビームエクスパンダ９６０から出射される。出射ビーム９９１、９９３の寸法は、ビームエクスパンダの横倍率Ｍに入射ビームの寸法をかけた値に等しく、ここで倍率は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９９１、９９３間の角度と比較すると、１／Ｍだけ低減される。一例として、各入射レーザビーム９８５、９８９の直径を０．７ｍｍとし、これらのビームの離し角を１３ミリラジアン（ｍｒａｄ）とする。また、ビームエクスパンダ９６０の横倍率をＭ＝１０とする。このとき、出射レーザビーム９９１、９９３はそれぞれ、７ｍｍの直径および１．３ｍｒａｄの離し角を有する。ビームエクスパンダ９６０から出射される平行光ビーム９９１、９９３は、位置９９２で交差する。たとえば、焦点距離ｆＯ＝４．５ｍｍおよび開口数ＮＡ＝０．６５を有する４０倍の顕微鏡対物レンズとすることができる対物レンズ９７０は、対物レンズ９７０の前方焦点位置から交点９９２までの距離が対物レンズ９７０の焦点距離ｆＯに等しくなるように配置される。対物レンズ９７０は、平行ビーム９９１、９９３を２つの小さい点９９４に集束させる。不透明の縞と透明の縞を交互に含むピンホール板９４６が点９９４付近に位置決めされ、＋１および−１の次数を除いて、格子９３０からのすべての次数の回折光を阻止する。代替実施形態では、点９９６の位置の板が、不透明領域と透明領域の縞を交互に含み、＋１および−１の次数を除いて、格子によって回折されたすべての次数の光を阻止する。
【００２７】
図１０は、図９の要素９４０として使用できる位相／フリンジ調整器１０００を示す。位相／フリンジ調整器１０００は、入射面が出射面に対して平行でないガラスのくさび形の窓を含む。調整器１０００内では、面１０１２は面１０２０に対して平行でない。さらに、位相／フリンジ調整器１０００は、ガラス内へエッチングされた２つの小さい断面１０１４、１０１６を含む。上部区域１０１２と２つの断面１０１４、１０１６のいずれかとの間の光路長（ＯＰＬ）の差は、上部区域１０１２と断面との間の厚さの差に数量ｎ−１をかけた値に等しく、ここでｎはガラスの屈折率である。対応する移相は、ＯＰＬの差に２π／λをかけた値に等しく、ここでλは光源からの光の波長である。したがって、たとえば、波長が６５８ｎｍであり、屈折率がｎ＝１．５であり、かつ第１の所望の移相が１２０度＝２π／３ラジアンである場合、断面１０１４は、ｄ＝λ／３（ｎ−１）＝６５８ｎｍ／３（１．５−１）＝４３８．７ｎｍの深さｄまでエッチングされるべきである。断面１０１６に対して２４０度の移相が望ましい場合、エッチングの深さを２倍にして８７７．３ｎｍにするべきである。ガラスを所与の深さまでエッチングすることに対する代替の手法は、ガラスを所望の断面で所与の高さまで被覆することである。
【００２８】
３つの異なるフリンジピッチを得るために、図１１Ａ、図１１Ｂに示すように、３つのガラス窓を積層することができる。３つのくさび形要素をアセンブリ内に組み合わせる簡単な方法は、くさび角が０になる（入口表面と出口表面が平行になる）ように中心要素を設定し、くさび角が等しいが逆向きになるように２つの外側の窓を設定することである。
【００２９】
一例として、図９の点９９４の所望の分離をα＝｛４６、５２、５８｝マイクロメートルとする。対物レンズ９７０の焦点距離が４．５ｍｍである場合、ビーム９９１、９９３間の離し角は、θ＝α／ｆＯ＝｛１０．２２、１１．５６、１２．８９｝ミリラジアンである。ビームエクスパンダ９６０の横倍率がＭ＝１０である場合、ビーム９８５、９８９間の離し角は、｛１０２．２、１１５．６、および１２８．９｝ミリラジアンである。鏡９３２、９３４は、ビーム９８７が位相／フリンジ調整器９４０の中心窓１１１０を通過するとき、ビーム９８５、９８９間に１１５．６ミリラジアンの角度分離を生成するように設定される。この場合、中心窓１１１０のくさび角は０であり、言い換えれば、窓の辺は平行である。窓１０００および１１１２は、くさび角が１２８．８９−１１５．５６＝１１５．５５−１０２．２２＝１３．３ミリラジアンに等しくなるように製造される。くさび形の窓１０００、１１１２は反対方向に取り付けられ、その結果、±１３．３ミリラジアンのくさび角によって、光ビームは反対方向に偏向される。
【００３０】
本発明について、例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることでき、これらの要素を均等物で置き換えることができることが、当業者には理解されるであろう。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、多くの変形を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示する特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入るすべての実施形態を含むものとする。さらに、第１、第２などの用語の使用は、いかなる順序または重要性も示すものではなく、第１、第２などの用語は、要素同士を区別するために使用される。さらに、ａ、ａｎなどの用語の使用は、数量の限定を示すものではなく、記載の項目の少なくとも１つの存在を示すものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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