(57)【要約】【課題】投影アーティファクト抑制要素を含む構造化照明顕微鏡法光学装置を提供する。【解決手段】構造化照明顕微鏡法光学装置は、投影経路と、撮像経路とを含む。撮像経路は、撮像センサと、撮像光学要素とを含む。投影経路は、光生成器と、空間光変調器（ＳＬＭ）等のパターン生成要素と、出力レンズ及び投影経路においてＳＬＭと出力レンズとの間に配置される投影アーティファクト抑制要素（ＰＡＳＥ）を含む投影光学要素とを含む。ＰＡＳＥは複屈折材料を含み得、この材料は、構造化照明パターン光源光の各光線を分割して、投影経路を横切るオフセットを有する構造化照明パターンの少なくとも１つの複製を提供する。構造化照明パターンのオフセット複製は、結果として生成されるＺ高さ測定に誤差を生み出すおそれがある、投影ピクセルギャップアーティファクトに起因する空間高調波誤差及びスプリアス強度変動を低減することにより、システムの精度を増大させる。【選択図】図２
2015096954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投影経路及び撮像経路を備えた構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）光学装置であって、
前記投影経路は、
光を発する光生成器、
前記光生成器から発せられる光を受け取り、出力として構造化照明パターンを生成するパターン生成要素、及び
ワークピースを配置し得る視野を照明する構造化照明パターン光源光を前記視野に出力する出力レンズを含み、前記構造化照明パターンを向けて前記構造化照明パターン光源光を提供する１組の投影光学要素
を含み、
前記撮像経路は、
撮像ピクセルアレイを含む撮像センサ、及び
前記構造化照明パターン光源光が前記ワークピースによって反射されたか、又は前記ワークピースを透過した結果、生成される構造化照明パターンワークピース光を入力する対物レンズを含み、前記構造化照明パターンワークピース光を受け取り、前記撮像センサに向かう前記撮像経路に沿って、前記構造化照明パターンワークピース光を撮像する１組の撮像光学要素
を含み、
前記１組の投影光学要素は、前記パターン生成要素と前記出力レンズとの間の前記投影経路に配置される投影アーティファクト抑制要素を更に含み、前記投影アーティファクト抑制要素は、前記構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、前記投影経路を横切る方向にオフセットされた前記構造化照明パターンの少なくとも１つの複製を提供するように構成される、ＳＩＭ光学装置。
【請求項２】
前記出力レンズ及び前記対物レンズは同じレンズである、請求項１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項３】
前記１組の投影光学要素はビームスプリッタを更に含み、前記ビームスプリッタは、前記構造化照明パターンが、前記ビームスプリッタから落射光として前記出力レンズに向けられるように、前記投影経路に配置され、前記対物レンズは、前記構造化照明パターンワークピース光を入力し、前記構造化照明パターンワークピース光を前記ビームスプリッタに通し、前記撮像経路に沿って伝送する、請求項２に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項４】
前記投影アーティファクト抑制要素は、その存在により、前記１組の投影光学要素の開口数が実質的に変わらないように構成される、請求項１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項５】
前記投影アーティファクト抑制要素は、通常光線構造化照明パターンが前記投影経路に沿って進行し、少なくとも１つの異常光線構造化照明パターンが、前記投影経路を横切る方向に、前記通常光線構造化照明パターンからオフセットを有しながら、前記投影経路に沿って進行する前記構造化照明パターンの複製であるよう、前記構造化照明パターン光源光の各光線を通常光線及び異常光線にそれぞれ分割するように構成される、請求項１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項６】
前記投影アーティファクト抑制要素は、少なくとも第１の複屈折材料層を含む、請求項５に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項７】
前記投影アーティファクト抑制要素は、少なくとも第２の複屈折材料層を更に含む、請求項６に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項８】
前記投影アーティファクト抑制要素は、前記投影経路を横切る方向に異なるオフセット量又は方向を有する、前記構造化照明パターンの少なくとも２つの複製を提供するように構成される、請求項７に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項９】
前記パターン生成要素は制御可能空間光変調器（ＳＬＭ）を含み、前記ＳＬＭはＳＬＭピクセルアレイを含み、前記ＳＬＭピクセルアレイは、前記ＳＬＭピクセルアレイの行軸又は列軸に沿ってＳＬＭピクセルピッチＰＰを有し、
前記投影アーティファクト抑制要素での前記構造化照明パターンの投影パターンピクセルピッチＰＰは、前記ＳＬＭピクセルピッチを、前記投影アーティファクト抑制要素の位置での前記構造化照明パターンの倍率で乗算したものに概ね等しく、前記オフセットは、前記投影アーティファクト抑制要素の位置においてＰＰ×（Ｎ＋Ｋ）であり、Ｎは整数であり、Ｋは端数である、請求項５に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１０】
Ｋは約１／２である、請求項９に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１１】
Ｎ＝０であり、前記オフセットはＰＰ×Ｋであり、前記投影アーティファクト抑制要素の少なくとも１つの複屈折材料層の厚さに関連する、請求項９に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１２】
前記投影アーティファクト抑制要素の前記少なくとも１つの複屈折材料層の厚さは、１００μｍ〜１．０ｍｍの範囲内にある、請求項１１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１３】
前記オフセットは１．０μｍ〜１０μｍの範囲内にある、請求項１１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１４】
前記ＳＬＭピクセルアレイは、隣接ピクセル間にギャップを含み、前記投影アーティファクト抑制要素は少なくとも部分的に、前記ＳＬＭピクセルアレイ内の隣接ピクセル間の前記ギャップから生じるギャップ画像アーティファクトに起因する前記撮像ピクセルアレイでの強度の変動を低減する、請求項９に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１５】
前記投影アーティファクト抑制要素は、前記オフセットによって、前記撮像ピクセルアレイ内のより多くのピクセルが、同様の量の前記ギャップ画像アーティファクトを受け取るように、前記構造化照明パターンの前記少なくとも１つの複製での前記ギャップ画像アーティファクトの複製に基づいて、前記撮像ピクセルアレイでの前記強度の変動を低減するように構成される、請求項１４に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１６】
前記１組の投影光学要素は、前記パターン生成要素と前記出力レンズとの間の前記投影経路に沿って変倍レンズ系を含み、前記投影アーティファクト抑制要素は、前記変倍レンズ系の後且つ前記出力レンズの前、又は前記パターン生成要素の後且つ前記変倍レンズ系の前で、前記投影経路に配置される、請求項１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１７】
前記投影アーティファクト抑制要素は、前記構造化照明パターン光源光が実質的にコリメートされる前記投影経路に配置される、請求項１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１８】
前記構造化照明パターンはフリンジパターンであり、フリンジの長方向は、前記構造化照明パターンの前記少なくとも１つの複製の前記オフセットの方向を横切る方向に沿って延びる、請求項１に記載のＳＩＭ光学装置。
【請求項１９】
構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）光学装置を動作させて、ワークピースの測定を得る方法であって、
第１の方向に沿ってＳＬＭピクセルピッチを有するＳＬＭピクセルアレイを含み、光生成器から発せられた光を受け取る制御可能空間光変調器（ＳＬＭ）を制御して、出力として構造化照明パターンを生成することと、
前記ワークピースを配置し得る視野に構造化照明パターン光源光を出力する出力レンズを含む１組の投影光学要素を利用して、前記構造化照明パターンを方向付けて、前記視野を照明する前記構造化照明パターン光源光を提供することと、
前記構造化照明パターン光源光が前記ワークピースによって反射されたか、又は前記ワークピースを透過したことから生じる構造化照明パターンワークピース光を入力する対物レンズを含む１組の撮像光学要素を用いて、前記構造化照明パターンワークピース光を受光することと、
前記１組の撮像光学要素を用いて、撮像ピクセルアレイを含む撮像センサに向かう撮像経路に沿って前記構造化照明パターンワークピース光を撮像することと、
前記１組の投影光学要素に含まれ、前記ＳＬＭと前記出力レンズとの間の投影経路に配置される投影アーティファクト抑制要素を使用して、前記構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、前記投影経路を横切る方向にオフセットを有する前記構造化照明パターンの少なくとも１つの複製を提供することと、
を含む、方法。
【請求項２０】
マシンビジョン検査システムであって、
撮像ピクセルアレイを含む撮像センサと、
構造化照明パターン光源光がワークピースによって反射されたか、又は前記ワークピースを透過したことから生じる構造化照明パターンワークピース光を前記ワークピースから入力する対物レンズを含み、前記構造化照明パターンワークピース光を受け取り、前記撮像センサに向かう撮像経路に沿って前記構造化照明パターンワークピース光を撮像する１組の撮像光学要素と、
光を発する光生成器と、
第１の方向に沿って制御可能空間光変調器（ＳＬＭ）ピクセルピッチを有するＳＬＭピクセルアレイを含み、前記光生成器から発せられる光を受け取り、出力として構造化照明パターンを生成するように制御される制御可能ＳＬＭと、
前記ワークピースを配置し得る視野に構造化照明パターン光源光を出力する出力レンズとして前記対物レンズが使用される構成を含み、前記視野を照明する前記構造化照明パターン光源光を提供するように、前記構造化照明パターンを向ける１組の投影光学要素と、
前記構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、前記投影経路を横切る方向にオフセットを有する前記構造化照明パターンの少なくとも１つの複製を提供するように構成される、前記制御可能ＳＬＭと前記出力レンズとの間の投影経路に配置される投影アーティファクト抑制要素と、
を備える、マシンビジョン検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には計測システムに関し、より詳細には、構造化照明顕微鏡法を利用して、被検査物体の測定を得るシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
精密なマシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）は、被検査物体の精密な寸法測定を取得し、様々な他の物体要素を検査するために利用することができる。そのようなシステムは、コンピュータと、カメラ及び光学系と、複数の方向に移動可能であり、ワークピース検査を可能にする精密ステージとを含み得る。汎用「オフライン」精密ビジョンシステムとして特徴付けることができる１つの例示的な従来技術によるシステムは、イリノイ州オーロラ（Aurora）に所在のMitutoyo America Corporation (MAC)から入手可能な市販のQUICK VISION（登録商標）シリーズのＰＣベースのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアである。QUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作は一般に、例えば、２００３年１月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide及び１９９６年９月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guideに説明されている。この種のシステムは、顕微鏡型光学系を使用可能であり、小さいワークピース及び比較的大きなワークピースのいずれについても、様々な倍率で検査画像を提供するようにステージを移動させることが可能である。
【０００３】
マイクロメートル又はサブマイクロメートル範囲の精度が、そのようなシステムにおいて望まれることが多い。これは特に、Ｚ高さ測定に関して難問である。Ｚ高さ測定（カメラ系の光軸に沿う）は一般に、オートフォーカスツールによって決定されるような「最良合焦」位置から導出される。最良合焦位置の決定は、一般に、複数の画像から導出される情報の結合及び／又は比較に依存する比較的複雑なプロセスである。したがって、Ｚ高さ測定で達成される精度及び確実性のレベルは多くの場合、測定が通常、単一の画像内の要素の関係に基づくＸ測定軸及びＹ測定軸で達成されるものよりも低い。最近、一般に「構造化照明顕微鏡法」（ＳＩＭ）法と呼ばれる既知の技法が、顕微鏡測定及び検査システムに組み込まれつつあり、それにより、測定分解能及び／又は精度を、単純な撮像に通常関連付けられる光学範囲を超えて（例えば、マイクロメートル及びサブマイクロメートルレベルまで）増大させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
手短に言えば、多くのＳＩＭ法は、第１の画像において、光ストライプパターンをワークピースに投影し、次に、第２の画像において、ストライプを横切るように、そのパターンをワークピース上でシフトし、第３の画像等に対しても同様であることを含む。結果として生成される画像を既知の方法で解析し、さらに詳細に後述するように、表面測定分解能を向上させ得る。そのような技法は、Ｘ測定、Ｙ測定、及び／又はＺ測定を向上させ得る。しかし、既知の構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成サブシステムに使用される（例えば、パターンを形成しシフトする）システム及び方法はこれまで、実際のＳＩＭシステムの経済性、多様性、及び／又は分解能及び精度の改良を望ましくないように制限してきた。いくつかの解析方法では、ストライプが、複数のストライプにわたり正弦波形強度プロファイルを示すことが望ましい。いくつかのシステムでは、ＳＩＭ法は、投影経路に位置決めされたデジタルミラー装置（ＤＭＤ）空間光変調器（ＳＬＭ）によって生成される正弦波パターンを利用し、光学系は、正弦波フリンジを、測定中のワークピースに投影する。そのような制御可能デジタルＳＬＭシステムの一利点は、任意の所望の分解能、撮像光学系、及び／又は視野に略最適なように、投影されるフリンジのサイズを適合可能なことである。しかし、正弦波フリンジがデジタルＳＬＭを用いて生成される場合の１つの欠点は、基本正弦波周波数の高調波のいくらかが光学系によって生じ、最終的な光ストライプ像に伝達されるおそれがあることである。結果として生成される高さマップ（ＨＭ）は、システムによって生成される測定精度を阻害する概ね周期的な「リップル」として現れるＺ高さ誤差を含め、これらの高調波アーティファクトからの影響を含むおそれがある。したがって、誤差アーティファクト（例えば、Ｚ高さ「リップル」）の生成を低減しながら、制御可能デジタルＳＬＭに基づくＳＩＭ技法を経済的に利用する改良された方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
簡単な概要
この概要は、詳細な説明においてさらに後述する選択された概念を簡易化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される趣旨の主要な特徴を識別する意図はなく、特許請求される趣旨の範囲を判断する際の助けとして使用される意図もない。
【０００６】
構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）光学装置が、被検査物体の測定を得るために提供される。様々な実施態様では、ＳＩＭ光学装置は、投影経路と、撮像経路とを含む。撮像経路は、撮像センサと、１組の撮像光学要素とを含み、一方、投影経路は、光生成器と、パターン生成要素と、出力レンズ及び投影アーティファクト抑制要素を含む１組の投影光学要素とを含む。投影アーティファクト抑制要素は、その存在により、ＳＩＭシステムの投影光学要素によって通常なら提供される開口数の変更を実質的になくすように構成し得る。
【０００７】
様々な実施態様では、パターン生成要素は制御可能空間光変調器（ＳＬＭ）を含み得、この変調器は、第１の方向に沿って特徴的なＳＬＭピクセルピッチを有するＳＬＭピクセルアレイを含む。パターン生成要素は、光生成器から発せられる光を受け取り、出力として構造化照明パターンを生成するように制御される。特定の一実施態様では、ＳＬＭピクセルアレイは、反射性デジタル光処理アレイを含み得る。１組の投影光学要素は、ワークピースを配置し得る視野を照明する構造化照明パターン光源光を提供するように、構造化照明パターンを向け、視野に構造化照明パターン光源光を出力する出力レンズを含む。１組の撮像光学要素は、構造化照明パターン光源光がワークピースによって反射されたか、又はワークピースを透過した結果、生成される構造化照明パターンワークピース光を受け取り、撮像ピクセルアレイを含む撮像センサに向かう撮像経路に沿って、構造化照明パターンワークピース光を撮像する。１組の撮像光学要素は、ワークピースから構造化照明パターンワークピース光を入力する対物レンズを含む。様々な実施態様では、出力レンズ及び対物レンズは同じレンズであり得る。投影アーティファクト抑制要素は、パターン生成要素と出力レンズとの間の投影経路に配置され、構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、投影経路を横切る方向にオフセットされた構造化照明パターンの少なくとも１つの複製を提供するように構成される。
【０００８】
投影アーティファクト抑制要素は、通常光線構造化照明パターンが投影経路に沿って進行し、少なくとも１つの異常光線構造化照明パターンが、投影経路を横切る方向に、通常光線構造化照明パターンからオフセットを有しながら、投影経路に沿って進行する構造化照明パターンの複製であるよう、構造化照明パターン光源光の各光線を通常光線及び異常光線にそれぞれ分割するように構成し得る。投影アーティファクト抑制要素は、少なくとも１つ又は２つの複屈折材料層を含み得、投影経路を横切る方向にオフセットされた構造化照明パターンの少なくとも２つの複製を提供するように構成し得る。構造化照明パターンはフリンジパターンであり得、フリンジの長方向は、構造化照明パターンの複製のオフセットの方向を横切る方向に沿って延びる。
【０００９】
ＳＬＭピクセルアレイは、隣接ピクセル間にギャップを含み得、投影アーティファクト抑制要素は少なくとも部分的に、ＳＬＭピクセルアレイ内の隣接ピクセル間のギャップから生じるギャップ画像アーティファクトに起因する撮像ピクセルアレイでの強度の変動を低減し得る。一実施態様では、投影アーティファクト抑制要素は、オフセットによって、撮像ピクセルアレイ内のより多くのピクセルが、同様の量のギャップ画像アーティファクトを受け取るように、構造化照明パターンの少なくとも１つの複製でのギャップ画像アーティファクトの複製に基づいて、撮像ピクセルアレイでの強度の変動を低減するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】汎用精密マシンビジョン検査システムの典型的な様々な構成要素を示す図である。
【図２】図１のマシンビジョン検査システムと同様であり、構造化照明パターン生成器及び本明細書において説明される他の機能を含むマシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョン構成要素部のブロック図である。
【図３】図２に示される構造化照明パターン生成器の例示的な一実施形態を含むブロック図である。
【図４】画像露光期間中のグレーレベル照明パターン生成シーケンスにおいて、図３に示されるような空間光変調器で使用される典型的な一方法を概略的に表す図である。
【図５】異なる位相及び対応する取得画像を有する３つの投影構造化照明パターンのシーケンスを含む既知のＳＩＭ技法と、変調度を決定する、単一のピクセルの関連付けられた測定強度曲線とを示す図である。
【図６】３つの異なる対応する合焦高さでの図５と同様のシーケンスを使用するＳＩＭ技法と、ピクセルに関連付けるべき最良合焦高さ及び／又はＺ高さを示すピーク変調を決定する、関連付けられた変調度曲線とを示す図である。
【図７】撮像ピクセルアレイ内のピクセルによって受け取られる投影ピクセルギャップ画像アーティファクトを示す図である。
【図８】撮像ピクセルアレイ内のピクセルによって受け取られるギャップ画像アーティファクトに起因する強度の変動を低減する、図７の投影ピクセルギャップ画像アーティファクトの複製の利用を示す図である。
【図９Ａ】投影アーティファクト抑制要素の様々な態様と、投影構造化照明パターンの複製に利用し得る関連付けられた分割光線とを示す図である。
【図９Ｂ】投影アーティファクト抑制要素の様々な態様と、投影構造化照明パターンの複製に利用し得る関連付けられた分割光線とを示す図である。
【図９Ｃ】投影アーティファクト抑制要素の様々な態様と、投影構造化照明パターンの複製に利用し得る関連付けられた分割光線とを示す図である。
【図９Ｄ】投影アーティファクト抑制要素の様々な態様と、投影構造化照明パターンの複製に利用し得る関連付けられた分割光線とを示す図である。
【図１０】図３に示される構造化照明パターン生成器の例示的な実施形態を含み、投影アーティファクト抑制要素を含み得るロケーションを更に示すブロック図である。
【図１１】本明細書に開示される原理により、投影アーティファクト抑制要素を含むＳＩＭ光学装置を動作させるルーチンの例示的な一実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
詳細な説明
図１は、本明細書に記載される構成及び方法により使用可能な例示的な１つの精密マシンビジョン検査システム１０の様々な典型的な構成要素を示すブロック図である。マシンビジョン検査システム１０はビジョン構成要素部１２を含み、ビジョン構成要素部１２は、制御コンピュータシステム１４とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続される。制御コンピュータシステム１４は、モニタ又はディスプレイ１６、プリンタ１８、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６とデータ及び制御信号を交換するようにさらに動作可能に接続される。モニタ又はディスプレイ１６は、マシンビジョン検査システム１０の動作の制御及び／又はプログラムに適したユーザインタフェースを表示し得る。様々な実施形態では、タッチスクリーンタブレット等を、コンピュータシステム１４、ディスプレイ１６、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６のうちの任意又は全ての代替としてもよく、且つ／又はそれ（ら）の機能を冗長的に提供してもよいことが理解されるだろう。
【００１２】
制御コンピュータシステム１４が一般に、任意の計算システム又は装置からなり得ることを当業者は理解するだろう。適する計算システム又は装置は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、上記のうちの任意を含む分散計算環境等を含み得る。そのような計算システム又は装置は、本明細書に記載の機能を実行するソフトウェアを実行する１つ又は複数のプロセッサを含み得る。プロセッサは、プログラマブル汎用又は専用マイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理装置（ＰＬＤ）等、又はそのような装置の組み合わせを含む。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等、又はそのような構成要素の組み合わせ等のメモリに記憶し得る。ソフトウェアは、磁気又は光学に基づくディスク、フラッシュメモリデバイス、又はデータを記憶する任意の他のタイプの不揮発性記憶媒体等の１つ又は複数の記憶装置に記憶してもよい。ソフトウェアは、特定のタスクを実行するか、又は特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造等を含む１つ又は複数のプログラムモジュールを含み得る。分散計算環境では、プログラムモジュールの機能は、有線又は無線の構成で、結合してもよく、又は複数の計算システム若しくは装置に分散し、サービス呼び出しを介してアクセスしてもよい。
【００１３】
ビジョン構成要素部１２は、可動式ワークピースステージ３２と、ズームレンズ又は交換式レンズを含み得る光学撮像システム３４とを含む。ズームレンズ又は交換式レンズは一般に、光学撮像システム３４によって提供される画像に様々な倍率を提供する。マシンビジョン検査システム１０は一般に、上述したQUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェア並びに類似の現在市販されている精密マシンビジョン検査システムに匹敵する。マシンビジョン検査システム１０は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第７，４５４，０５３号、同第７，３２４，６８２号、同第８，１１１，９０５号、及び同第８，１１１，９３８号にも記載されている。
【００１４】
図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様であり、本明細書に記載される構造化照明パターン生成器及び他の機能を含むマシンビジョン検査システム１００の制御システム部１２０と、ビジョン構成要素部２００とのブロック図である。より詳細に後述するように、制御システム部１２０は、ビジョン構成要素部２００及び制御可能構造化照明パターン生成部３００の制御に利用される。制御システム部１２０は、ビジョン構成要素部２００及び構造化照明パターン生成部３００の両方とデータ及び制御信号を交換するように構成し得る。
【００１５】
ビジョン構成要素部２００は、光学アセンブリ部２０５と、光源２２０、２３０、及び２４０と、中央透明部２１２を有するワークピースステージ２１０とを含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０を位置決めし得るステージ表面に略平行する平面内にあるＸ軸及びＹ軸に沿って移動制御可能である。光学アセンブリ部２０５は、カメラ系２６０と、交換式対物レンズ２５０とを含み、レンズ２８６及び２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０を含み得る。ターレットレンズアセンブリに対する代替として、固定レンズ、又は交換式の倍率変更レンズ、又はズームレンズ構成等を含み得る。
【００１６】
光学アセンブリ部２０５は、制御可能なモータ２９４を使用することにより、Ｘ軸及びＹ軸に略直交するＺ軸に沿って移動制御可能であり、モータは、アクチュエータを駆動して、光学アセンブリ部２０５をＺ軸に沿って移動させて、ワークピース２０の画像の焦点を変更する。当然、他の実施形態では、ステージは、既知の様式で、静的光学アセンブリに相対してＺ軸に沿って移動可能である。制御可能なモータ２９４は、信号線２９６を介して入出力インタフェース１３０に接続される。
【００１７】
マシンビジョン検査システム１００を使用して撮像すべきワークピース２０又は複数のワークピース２０を保持するトレイ若しくは固定具は、ワークピースステージ２１０に配置される。ワークピースステージ２１０は、交換式対物レンズ２５０がワークピース２０上の位置間及び／又は複数のワークピース２０の間で移動するよう、光学アセンブリ部２０５に相対して移動するように制御し得る。
【００１８】
より詳細に後述するように、特定のＳＩＭ動作では、ワークピースは、構造化照明パターン生成部３００から提供されるＳＩＰ光源光２３２’によって照明し得る。構造化照明パターン生成部３００は、ワークピース２０に出力される構造化照明パターンを設定する。透過照明光源２２０、落射照明光源２３０、構造化照明パターン生成部３００、及び斜め照明光源２４０（例えば、リング光源）のうちの１つ又は複数は、光源光２２２、２３２、２３２’、及び／又は２４２のそれぞれを発して、１つ又は複数のワークピース２０を照明し得る。光源２３０は光源光２３２を発し得、構造化照明パターン生成部３００は、図３を参照してさらに詳細に説明するように、ビームスプリッタ２９０を含む共有経路に沿ってＳＩＰ光源光２３２’を発し得る。この光源光は、ワークピース光２５５として反射又は透過し、ワークピース光は、撮像に使用され、交換式対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０を通過し、カメラ系２６０に集められる。カメラ系２６０により取得されたワークピース２０の画像は、制御システム部１２０に向けて信号線２６２に出力される。光源２２０、２３０、２４０、及び構造化照明パターン生成部３００は、信号線又はバス２２１、２３１、２４１、及び３３１のそれぞれを通して制御システム部１２０に接続し得る。画像の倍率を変更するには、制御システム部１２０は、信号線又はバス２８１を通して、軸２８４に沿ってターレットレンズアセンブリ２８０を回転させて、ターレットレンズを選択し得る。
【００１９】
様々な例示的な実施形態では、光学アセンブリ部２０５は、制御可能なモータ２９４を使用してワークピースステージ２１０に対して垂直なＺ軸方向に移動可能である。制御可能なモータ２９４は、アクチュエータ、接続ケーブル等を駆動して、光学アセンブリ部２０５をＺ軸に沿って移動させ、カメラ系２６０により取得されるワークピース２０の画像の焦点を変更する。本明細書で使用される場合、Ｚ軸という用語は、光学アセンブリ部２０５により得られる画像の合焦に使用されることを意図される軸を指す。制御可能なモータ２９４は、信号線２９６を介して入出インタフェース１３０に接続されて使用される。
【００２０】
図２に示されるように、様々な例示的な実施形態では、制御システム部１２０は、コントローラ１２５と、入出力インタフェース１３０と、メモリ１４０と、ワークピースプログラム生成・実行器１７０と、電源部１９０とを含む。これらの構成要素のそれぞれ並びに後述する追加の構成要素は、１つ又は複数のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースにより、或いは様々な要素間の直接接続により相互接続し得る。
【００２１】
入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１と、移動制御インタフェース１３２と、照明制御インタフェース１３３と、レンズ制御インタフェース１３４とを含む。移動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａと、速度／加速度制御要素１３２ｂとを含み得るが、そのような要素は統合且つ／又は区別不可能であってもよい。照明制御インタフェース１３３は、例えば、マシンビジョン検査システム１００の様々な対応する光源の選択、電力（強度）、オン／オフ切り替え、及び該当する場合にはストローブパルスタイミングを制御する、照明制御要素１３３ａ−１３３ｎを含む。照明制御インタフェース１３３は照明制御要素１３３ｓｉｐも含み、これは、図示の実施形態では、さらに詳細に後述するように、構造化照明パターン（ＳＩＰ）生成部３００と協働して、画像取得中、特にＳＩＭモード画像取得中に構造化照明を提供する。
【００２２】
メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１と、ＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部１４０ｓｉｍと、１つ又は複数のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部１４２と、ビデオツール部１４３とを含み得る。ビデオツール部１４３は、対応する各ビデオツールのＧＵＩ、画像処理動作等を決定するビデオツール部１４３ａ及び他のビデオツール部（例えば、１４３ｎ）と、ビデオツール部１４３に含まれる様々なビデオツールで動作可能な様々な関心領域（ＲＯＩ）を定義する自動、半自動、及び／又は手動の動作をサポートする関心領域（ＲＯＩ）生成器１４３ｒｏｉとを含む。
【００２３】
本開示の文脈の中では、当業者に既知であるように、ビデオツールという用語は一般に、ビデオツールに含まれるステップごとの動作シーケンスを作成せずに、又は一般化されたテキストベースのプログラミング言語等を用いずに、比較的単純なインタフェース（例えば、グラフィカルユーザインタフェース、編集可能パラメータウィンドウ、メニュー等）を通してマシンビジョンユーザが実施することができる、自動又はプログラムされた比較的複雑な動作セットを指す。例えば、ビデオツールは、動作及び計算を管理する少数の変数又はパラメータを調整することにより、特定のインスタンスで適用されカスタマイズされた画像処理動作及び計算の複雑な事前にプログラムされたセットを含み得る。基本となる動作及び計算に加えて、ビデオツールは、ユーザがビデオツールの特定のインスタンスのパラメータを調整できるようにするユーザインタフェースを含む。例えば、多くのマシンビジョンビデオツールでは、ユーザは、マウスを使用しての単純な「ハンドルドラッグ」動作を通して、グラフィカル関心領域（ＲＯＩ）インジケータを構成し、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作によって解析すべき画像のサブセットのロケーションパラメータを定義することができる。可視のユーザインタフェース機能がビデオツールと呼ばれることもあり、基本となる動作が暗黙的に含まれることが留意されたい。
【００２４】
ビデオツール部１４３はＺ高さ測定ツール部１４３ｚも含み、このツール部は、さらに詳細に後述するように、Ｚ高さ想定動作に関連する様々な動作及び機能を提供する。一実施形態では、Ｚ高さ測定ツール部１４３ｚは、Ｚ高さツール１４３ｚｔと、Ｚ高さツールＳＩＭ／ＳＩＰモード制御１４３ｓｉｍとを含み得る。Ｚ高さツール１４３ｚｔは、例えば、オートフォーカスツール１４３ａｆと、マルチポイントオートフォーカスツール１４３ｍａｆと含み得る。Ｚ高さツールＳＩＭ／ＳＩＰモード制御１４３ｓｉｍは、ＳＩＭ技法（例えば、さらに後述するような）に基づく最良合焦高さ及び／又はＺ高さ測定を決定するモードで構成されるＺ高さツールと併せて、画像スタック取得及び関連する構造化光パターン生成動作の一部を管理し得る。
【００２５】
手短に言えば、Ｚ高さ測定ツール部１４３ｚは、既知のＺ高さ測定ツールと同様の少なくともいくつかの動作を実行し得、例えば、合焦曲線の全て又は一部を生成する動作を学習モード及び実行モードで実行し、そのピークを最良合焦位置として見つけ得る。追加のＺ高さ測定ツール動作は、さらに詳細に後述するように実行することもできる。
【００２６】
Ｚ高さ測定ツール部１４３ｚに、代替の構成も可能である。例えば、Ｚ高さツール１４３ｚｔは、追加のＺ高さ測定ツール要素を提供してもよく、又はＺ高さツールは選択可能なモードオプションを有することができ、このオプションは、通常照明（例えば、光源２３０を使用して、光源光２３２を提供して）で取得した画像を利用する従来のコントラストベースの解析モードで動作するように構成されるか、それとも特定の構造化照明パターンで照明して（例えば、構造化照明パターン生成部３００を使用して、ＳＩＰ光源光２３２’を提供して）取得した画像を使用するＳＩＭベースの解析モードで動作するように構成されるかを制御する。いずれの場合でも、ＳＩＭ／ＳＩＰモード制御１４３ｓｉｍは、動作モード及び／又はＳＩＭ画像取得及び解析技法の使用に対応するように、Ｚ高さ測定ツール要素のユーザインタフェース及び相互関係を管理する動作を提供し得る。より一般的には、そのような技法を、マシンビジョン検査システム１００と併せて動作可能であり、ＳＩＭ画像取得及び解析技法に基づく測定動作に関連して本明細書に説明される機能を提供する、現在既知であるか、又は後に開発される形態で実施し得ることが理解されるだろう。
【００２７】
カメラ系２６０からの信号線２６２及び制御可能なモータ２９４からの信号線２９６は、入出力インタフェース１３０に接続される。画像データの伝送に加えて、信号線２６２は、信号をコントローラ１２５又は画像取得を開始する他のどこかから伝送し得る。１つ又は複数のディスプレイ装置１３６（例えば、図１のディスプレイ１６）及び１つ又は複数の入力装置１３８（例えば、図１のジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６）も、入出力インタフェース１３０に接続することができる。ディスプレイ装置１３６及び入力装置１３８を使用して、ユーザインタフェースを表示することができ、ユーザインタフェースは様々なグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）機能を含み得、これらの機能は、検査動作の実行、パートプログラムの作成及び／又は変更、カメラ系２６０によって取得された画像の閲覧、及び／又はビジョンシステム構成要素部２００の直接制御に使用可能である。ディスプレイ装置１３６は、ビデオツールに関連付けられたユーザインタフェース機能を表示し得る。
【００２８】
図３は、様々なパターン生成及び画像露光方法に使用し得る構造化照明パターン生成器３００の例示的な一実施形態のさらなる詳細を示すことを含む、図２のビジョンシステム構成要素部２００の一部を示すブロック図である。構造化照明パターン生成器３００及び関連付けられた方法については、同時係属中であり、本願と同じ譲受人に譲渡された、「露光制御を強化した構造化照明投影（Structured Illumination Projection With Enhanced Exposure Control）」という名称の２０１３年６月６日に出願された米国特許出願第１３／９１２，１１６号により詳細に説明されている。図示の実施形態では、構造化照明パターン生成部３００は、ＳＩＰ光学部３６０と、光生成器３１０と、様々なパターンで構成されて、あるパターンの透過光及び／又は遮蔽光を生成する制御可能ピクセルアレイ３５１を含む空間光変調器（ＳＬＭ）３５０と、ＳＩＰコントローラ３３０とを含む。ＳＩＰコントローラ３００は、タイミング及び同期部（ＴＳＰ）３３６と、グレースケールパターンシーケンサ３３２’を含み得るＳＬＭコントローラ部３３２とを含み得る。ＳＬＭコントローラ部３３２は、例えば、信号線又はバス３３４、３３３、及び３３８を介してそれぞれ、ＳＬＭ３５０、光生成器３１０、及びＴＳＰ３３６に接続し得る。
【００２９】
動作に際して、光生成器３１０は、光が、ＳＬＭ３５０のピクセルアレイ３５１の照明エリアを照明するよう適宜構成（例えば、コリメート）されるように、ＳＩＰ光学部３６０の第１の部分を通して光３１４を発し得る。次に、ＳＬＭ３５０は、既知の方法に従って光を概ね透過するか、部分透過するか、又は遮断し、ＳＩＰ光学部３６０の残りの部分を通して光路に沿って所望のパターンを伝送又は投影し得る。図３に示されるように、投影パターンはＳＩＰ光学部３６０から出力されて、ビームスプリッタ２９０に入力され、対物レンズ２５０を通る落射照明光として方向付けられて、視野を照明するＳＩＰ光源光２３２’となる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、ＳＬＭ３５０は、英国スコットランドのファイフ、ダルゲティ・ベイ（Fife、Dalgety Bay）に本部があるForth Dimension Displaysから入手可能なマイクロディスプレイグラフィックスアレイ等の反射性又は透過性のＬＣＤ型アレイを含み得、これは、一般に、所望の場合、従来のビデオ信号によって制御し得、電子的に生成された８ビットグレースケールパターンの表示に使用し得るＬＣＤピクセルアレイを含み、このパターンは、グレースケール値に応じて、パターン所与の任意のピクセルを通して光３１４を透過するか、部分透過するか、又は遮断し得る。しかし、様々な実施態様では、ＳＬＭ３５０は、制御可能な光偏向を所望のパターンで提供することができる、現在既知であるか、又は後に開発されるタイプの制御可能反射性シャッタを含み得る。使用し得る一種の制御可能反射性シャッタアレイとしては、例えば、スコットランドのファイフ、ダルゲティ・ベイ（Fife、Dalgety Bay）に本部があるForth Dimension Displaysから入手可能な液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイ製品が挙げられる。様々な実施態様は一般に、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である別のタイプのアレイを組み込み得る。ＤＭＤ及び関連付けられた構成要素は、例えば、テキサス州プレーノー（Plano）に所在のTexas Instruments DLP Productsから入手可能である。ＤＬＰは一般に、ＤＭＤ装置内のアレイ要素が「オン」位置又は「オフ」位置のいずれかにあり、投影／伝送されるグレースケールパターンを、重畳バイナリパターンの累積シーケンスとしてある時間にわたって生成しなければならないデジタル光処理（digital light processing）を表す。
【００３１】
様々な実施形態では、光生成器３１０をストロボ照明動作モードで使用して、適する光強度レベルで超高速光生成器応答時間（μｓ範囲内又はｎｓ範囲内）の組み合わせを提供し得る。光生成器３１０の一例としては、カリフォルニア州サンノゼ（San Jose）に所在のPhilips Lumileds Lighting Companyから入手可能なLuxeon（商標）製品ラインのうちのＬＥＤの１つ等、１つ又は複数の高強度発光ダイオード（ＬＥＤ）を挙げることができる。
【００３２】
図３に示される実施形態では、ＳＬＭ３５０は市販のＤＭＤであり得、ＳＬＭコントローラ部３３２は、上記参照したTexas Instruments DLP Productsから入手可能なチップセット等のコンパニオンデジタルコントローラチップであり得る。ＳＬＭコントローラ部３３２は、所望のグレースケールパターン定義又は要求に応答し得、時間をかけて所望のグレースケールパターンを生成する重畳バイナリパターンの累積シーケンスを提供するＳＬＭ３５０及び光生成器３１０へ、同期制御信号を生成し得る。先に述べた’１１６号出願により詳細に記述されるように、市販のＳＬＭコントローラは特定の欠陥を有することがあり、図示の実施形態では、ＴＳＰ３３６をＳＬＭコントローラ部３３２と併せて使用して、例えば、いくつかの実施形態又は実施態様では、２５６ビットよりも細かいグレースケール制御及び／又は他の利点を可能にすることにより、これらの欠陥を解消するか、又は低減し得る。様々な実施形態では、ＴＳＰ３３６は、ライン又はバス３３１を介して、ＳＩＰ照明制御要素１３３ｓｉｐ及び／又はＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部１４０ｓｉｍ（様々な所望パターンに関連する所定又は学習された制御信号構成又はパラメータを記憶し得る）から、グレースケールパターン及び露光レベル要求又は制御信号を受信し得る。ＴＳＰ３３６は次に、受信した信号を処理し、複数のインクリメンタルグレースケールパターン要求をＳＬＭコントローラ部３３２に送信し得、それにより、ＳＬＭコントローラ部３３２は、固有の制御ルーチン及び回路を使用して、ＳＬＭ３５０及び光生成器３１０を制御して、ある期間で２５６ビット分解能の各インクリメンタルグレースケールパターンを生成し得る。したがって、ＴＳＰ３３６は、ライン３３９を介して制御信号を交換し得るカメラ２６０の画像積分期間内のインクリメンタル要求数を制御し得るため、複数のインクリメンタルグレースケールパターンによって達成される全体画像露光を制御し得る。様々な実施形態では、インクリメンタル要求のいくつかは、同一のパターン及び／又は露光インクリメントに対しての要求であり得る。いくつかの実施形態では、インクリメンタル要求の１つ又は複数は、異なるパターン及び／又は露光インクリメントに対する要求であり得る。所望であれば、照明パターンの２５６ビットを超えるグレースケール分解能をこのようにして達成し得る。一般に、ＴＳＰ３３６が、自らが受信する制御信号及び／又は様々な構成要素に送信する制御信号に関連して、専用の処理及び決定的なタイミング（deterministic timing）を提供することが望ましい。したがって、いくつかの実施形態では、ＴＳＰ３３６はプログラマブル論理アレイ等を含み得る。いくつかの（任意選択的な）実施形態では、ＳＬＭコントローラ部３３２が光生成器３１０を直接制御するのではなく、ライン３３３を省き、ＳＬＭコントローラ部３３２からの光制御タイミング信号をラＴＳＰ３３６に向けてライン３３３に出力してもよく、ＴＳＰ３３６は、ＳＬＭコントローラ部３３２からのタイミング信号に基づいて、ライン３３３’ ’を介して光生成器３１０を制御し得る。これにより、ＳＬＭコントローラ部３３２の固有の動作に必要なタイミングウィンドウ内で光生成器３１０の追加の機能及び／又は精密にカスタマイズされた制御を提供可能になり得る。上述した様々な機能及び動作については、さらに詳細に後述する。
【００３３】
図４は、画像露光期間中に照明のグレースケールパターンを投影する、図３に示される空間光変調器３５０等の空間光変調器と併用される１つの典型的な従来の制御方法を概略的に説明するダイアグラム４００である。特に、図４は、デジタルマイクロミラーデバイス等のＤＬＰ装置によって生成される、単一の構造化照明光ストライプＬＳにわたるほぼ正弦波状のグレーレベル強度変動ＧＬＶの生成を概略的に表す。
【００３４】
ダイアグラム４００はパターン細分露光シーケンス（pattern subdivision exposure sequence）４３０を示し、このシーケンスは、各反復細分時間（iteration subdivision time）Ｔ１〜Ｔ４中にそれぞれ、光生成器からの光の各反復強度を使用して露光される複数の各パターン部分Ｐ１〜Ｐ４（細分パターン部分とも呼ばれる）を含む。パターン細分露光シーケンス４３０は、後述する基本原理を示すために、単純な４ビットグレーレベル正弦波パターンを構築する。
【００３５】
ダイアグラム４００は、「光ストライプにわたるピクセル列」に沿って垂直に位置合わせされた対応する要素を含む。「平面図」４１０は、方向Ｙｓに沿って延びるストライプである単一の構造化照明光ストライプＬＳにわたり概ね正弦波状のグレーレベル強度変動ＧＬＶを示す。ストライプＬＳにわたる明るい陰影及び暗い陰影は、強度パターン細分露光シーケンス４３０から生成される累積露光すなわち正味強度を表し、このシーケンスはＰａｔＩｔｅｒ＿ｋで示され、さらに後述するように、完全なグレースケールパターン露光反復又はインクリメントｋ（例えば、ｋ＝１、２、３等）に対応し得ることを示す。この特定のストライプは、ピクセル列ｄに沿って最も明るく、ピクセル列ａ及びａ’に沿って最も暗い。ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋの平面図４１０の真上にはグラフ４２０があり、このグラフは、ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋにわたる正味強度プロファイルへの寄与を概略的に表す。このグラフは、各細分時間Ｔ１〜Ｔ４中の各細分パターン部Ｐ１〜Ｐ４を提供するようにアクティブ化されるピクセル列を示すために使用されているクロスハッチパターンと同様のクロスハッチパターンを使用している。累積強度が時間に比例するように、光生成器が時間Ｔ１〜Ｔ４のそれぞれで同じ強度に設定されているものとして扱っている。時間Ｔ１〜Ｔ４は二進（binary）細分である。すなわち、Ｔ３＝２＊Ｔ４、Ｔ２＝２＊Ｔ３、及びＴ１＝２＊Ｔ２である。最も明るい列ｄのピクセルが、各細分パターン部分Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれで「オン」であり、正味強度ｎｉ４を提供することが示される。次に明るい列ｃ及びｃ’のピクセルは、Ｐ２を除く細分パターン部分のそれぞれで「オン」であり、正味強度ｎｉ３を提供する。次に明るい列ｂ及びｂ’のピクセルは細分パターン部分Ｐ３及びＰ４でのみ「オン」であり、正味強度ｎｉ２を提供し、最も暗い列ａ及びａ’は、細分パターン部分Ｐ４のみでオンであり、正味強度ｎｉ１を提供する。タイミング図４４０は、この説明のために、時間期間Ｔ１〜Ｔ４間の時間がわずかであると仮定して、グレーレベルストライプパターンＰａｔＩｔｅｒ＿ｋを生成する合計時間がＴＩｔｅｒ＿ｋであることを示す。設計及び／又は実験により、特定のマシン、光生成器、電圧レベル等の待ち時間、遅延等を較正するか、又は特定し得、結果を較正するか、又は記憶し得（例えば、ＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部１４０ｓｉｍに）、それにより、所望又は較正された照明レベルを提供するタイミング、動作電圧等の組み合わせを容易に決定し、且つ／又は補償し得る（例えば、ＳＩＰコントローラ３３０の動作において）ことが理解されるだろう。
【００３６】
上述した典型的な従来の制御方法は、ＤＬＰコントローラ（例えば、デジタルＤＭＤコントローラ）で使用し得、これらのコントローラは、全体時間ＴＩｔｅｒ＿ｋ及び／又は細分時間中に使用される光生成器強度を調整して、所望の正味グレーレベル強度パターンを達成する。
【００３７】
図４を参照して上述した単一の画像中の正弦波パターン露光の一般伝達関数は、
【数１】
2015096954.tif 000003
として表現し得、式中、ＰａｔＩｔｅｒ＿ｋは画像露光期間内の完全なグレーレベルパターン（例えば、複数のストライプにわたり正弦波グレーレベル強度プロファイルを有するストライプ）の「ｋ」番目の反復であり、Ｔｉはパターン生成時間細分（例えば、図４に示される時間細分Ｔ１〜Ｔ４の１つ）であり、Ｐｉはパターン細分ｉ（例えば、パターン生成時間細分Ｔｉの１つの期間中にオンであるＳＬＭピクセルの部分パターン（例えば、図４に示されるパターン細分Ｐ１〜Ｐ４の１つ））であり、Ｉｉは時間細分Ｔｉ中の光強度である。図４に示される図において暗示されるように、特定の構成では、ＴｉはＴ（ｉ−１）／（２＾（ｉ−１））が成立するように時間のバイナリ細分が実施され、パターン細分全体を通してＩ１＝Ｉ２＝Ｉｎとなるように一定の強度が利用されてもよい。
【００３８】
上述した典型的な従来の制御方法は、所望のグレーレベル強度パターン増大を達成するように、全体時間ＴＩｔｅｒ＿ｋを調整し、これは、細分時間中の時間Ｔｉ及び／又は光生成器の光強度Ｌｉのそれぞれを増大させることに等しい。しかし、’１１６号出願に記載のように、この手法は特定の欠陥をもたらすおそれがあり、ＳＩＭ測定精度は、多くの他の用途では重大ではないこれらの変数のいくつかの選択の影響を受けやすい。したがって、ＤＬＰの典型的な従来の制御方法は、特定の高分解能精密マシンビジョン検査動作、特に、関連する問題及び解決策が’１１６号出願により詳細に記載される特定の高精度ＳＩＭ用途に対して不適切であり得る。
【００３９】
図５は、既知のＳＩＭ技法を示す図である。図示の例では、図の部分５００Ａに示されるように、この技法は、異なる位相を有する（例えば、位相間の投影ストライプパターンの空間周期の有効空間位相シフトが１２０度）３つの構造化照明パターンＰＰ１〜ＰＰ３のシーケンスをワークピースに投影することと、対応する画像Ｉ１〜Ｉ３を取得することとを含む。各画像に同じ露光レベルを仮定するとともに、各画像の投影ストライプパターン内の複数のストライプ（ライン）にわたり反復可能な正弦波強度変動を仮定すると、画像Ｉ１〜Ｉ３のそれぞれの同じピクセル位置では、部分５００Ｂに示される結果と同様の結果が予期される。特に、上記仮定によれば、ピクセル位置Ｐ１が、正弦波ストライプ強度プロファイルにわたる３つの位置の強度に比例する画像Ｉ１〜Ｉ３での強度を有することを予期し、この３つの位置は、１２０度の空間位相シフトで隔てられる。これは、図５００Ｂにおいて、３つの強度値（Ｐ１，Ｉ１）、（Ｐ２，Ｉ２）、及び（Ｐ３，Ｉ３）で示される。ＳＩＭ技法は次に、ピクセル位置Ｐ１の３つの強度値に正弦波曲線を近似することを含む。変調度ＭＤとしても知られる、結果として生成される近似曲線ＦＣの振幅は、ピクセル位置Ｐ１でのワークピースが最良合焦位置にある場合に最大である。これは、ストライプのコントラストが、最良合焦位置から離れた合焦位置ではぼやけ、したがって、その場合、変調度ＭＤが低くなるためである。
【００４０】
図６Ａ〜図６Ｄは、３つの異なる合焦高さＺａ、Ｚｂ、Ｚｃにおいて図５と同様のステップシーケンスを使用するＳＩＭ技法を示す図である。ワークピースの特定のピクセル位置に関する最良合焦高さ及び／又はＺ高さを示すピーク変調Ｚ高さを特定するために、変調度曲線ＭＣが形成される。
【００４１】
図６Ａに示されるように、３つの位相シフト画像Ｉ１ａ〜Ｉ３ａのシリーズ６１０Ａ（すなわち、照明パターン位相シフトを有する）は、垂直位置Ｚａで取得される。図６Ａの光学系の小さな画像は、ソースＳＡから生じる投影照明光及び撮像システムが平面ＦＰで合焦され、Ｚ高さＺａがＦＰから離れていることを示す。その結果、対応する変調度ＭＤａは比較的小さい。図６Ｂに示されるように、３つの位相シフト画像Ｉ１ｂ〜Ｉ３ｂのシリーズ６１０Ｂは、垂直位置Ｚｂで取得される。図６Ｂの光学系の小さな画像は、ソースＳＡから生じる投影照明及び撮像システムが平面ＦＰで合焦され、Ｚ高さＺｂがＺａよりもＦＰに近いことを示す。その結果、対応する変調度ＭＤｂはＭＤａよりも比較的大きい。図６Ｃに示されるように、３つの位相シフト画像Ｉ１ｃ〜Ｉ３ｃのシリーズ６１０Ｃは、垂直位置Ｚｃにおいて取得される。図６Ｃの光学システムの小さな画像は、ソースＳＡから生じる投影照明及び撮像システムが平面ＦＰで合焦され、Ｚ高さＺｃがＦＰに近づくことを示す。その結果、対応する変調度ＭＤｃは概ね、可能な限り大きい。
【００４２】
図６Ｄに示されるように、変調度ＭＤａ〜ＭＤｃは対応するＺ高さ（垂直サンプル位置に記される）に対してプロットされ、変調度曲線ＭＣがプロットされた点に近似される。変調度曲線ＭＣのピークは、ワークピースの対応するピクセル位置の焦点が合うＺ高さを示す。
【００４３】
上述したＳＩＭ技法は、高分解能Ｚ高さ測定を高い横方向分解能で生成可能なことが分かっている。しかし、当業者には明らかなように、この技法の精度は少なくとも部分的に、フリンジ画像の精度（例えば、投影される正弦波フリンジ及び結果として生成される画像の忠実度）と、測定プロセスの一環として生成し得る、結果として生成される任意の高さマップの精度に依存する。図７及び図８に関してより詳細に後述するように、様々なＺ高さ「リップル」の影響は、精度に悪影響を及ぼすおそれがある様々な投影及び／又は撮像アーティファクトに起因し得る。ＳＩＭ技法の高分解能の潜在性のため、強度及び／又は強度プロファイルでの誤った変化がたとえ非常に小さなものであっても、もたらされる精度に大きな影響を与えるであろうことが理解されるだろう。
【００４４】
図７は、撮像ピクセルアレイＩＰＰに相対する投影ピクセルパターンＰＰＰでの投影ピクセルギャップの画像アーティファクトに起因する問題を示す図である。一実施態様では、投影ピクセルパターンＰＰＰは、ＳＬＭピクセルアレイ３５１を拡大して描いた一部、及びそれに対応して生成される図３の構造化照明パターンＳＩＰに対応し得、撮像ピクセルアレイＩＰＰは、図３のカメラ系２６０の撮像ピクセルアレイの少なくとも一部に対応し得る。投影ピクセルパターンＰＰＰは、Ｘ方向投影ピクセルピッチＰＰｘと、Ｙ方向投影ピクセルピッチＰＰｙとを設けて複数の撮像ピクセルを配置したものとして示されている。また、各ピクセル間には、Ｘ方向投影ピクセルギャップＰＧｘ及びＹ方向投影ピクセルギャップＰＧｙが設けられている。特定の一実施態様例では、投影ピクセルギャップＰＧｘ及びＰＧｙは、ＳＬＭピクセルアレイでのミラー間の小さなギャップ（隙間）に対応し得る。撮像ピクセルアレイＩＰＰも同様に、Ｘ方向撮像ピクセルアレイピッチＩＰｘ及びＹ方向撮像ピクセルピッチＩＰｙを有して、複数の撮像ピクセルが描かれている。
【００４５】
図７の実施態様では、撮像ピクセルアレイＩＰＰの個々のピクセルによって受ける投影ピクセルギャップＰＧｘ及びＰＧｙに対応する投影ピクセルギャップ画像アーティファクトの量は、ピクセルごとに大きな強度変動を生じさせるおそれがある。特定の代表的な例として、第１の撮像ピクセルＩＰ１は、投影ピクセルギャップに対応したピクセルギャップ画像アーティファクト及びそれに対応する強度低減を受けないものとして示され、一方、第２の撮像ピクセルＩＰ２は、Ｘ方向投影ピクセルギャップＰＧｘのみに対応したピクセルギャップ画像アーティファクト及びそれに対応する強度低減を受けるものとして示され、第３の撮像ピクセルＩＰ３は、Ｘ方向及びＹ方向投影ピクセルギャップＰＧｘ及びＰＧｙの両方に対応したピクセルギャップ画像アーティファクト及びそれに対応する強度低減を受けるものとして示される。そのような様々なギャップ画像アーティファクトは、結果として生成されるＳＩＭ画像に誤った周期性強度変動を生じせ、これにより、ＳＩＭシステムによって生成される表面高さマップに周期的な「リップル」に似た、対応するＺ高さ誤差が生じるという点で問題である。
【００４６】
重要なことに、投影ピクセルパターンＰＰＰが運ぶ粗い分解能正弦波パターンに含まれる空間高調波に起因しても不正確性が生じるおそれがある。より詳細には、理想化された、概略的に表された出力信号Ｓ１（投影ピクセルパターンＰＰＰの下に示される）は、投影ピクセルパターンＰＰＰの約４列の幅にわたる周期ＰＥＲ１を有する粗い正弦波を含む。図示したように、粗い正弦波信号Ｓ１は、異なる３つの信号レベルにのみ変化し、図３の構成のＳＩＭ技法に利用し得る信号の簡略化された一実施態様例を概略的に表す。正弦波信号Ｓ１の粗い性質に起因して、比較的高い空間高調波成分が存在し得、生成される対応する測定結果に不正確性を生じさせるおそれがある。図８に関してより詳細に後述するように、本明細書に開示される原理によれば、これらの高調波成分の影響からの不正確性は、１つ又は複数の複製投影ピクセルパターンの利用を通して低減し得る。したがって、本明細書に開示される原理を使用して、不正確性又はアーティファクトのこれらの原因に別個に、且つ／又は組み合わせて対処し得ることが理解されるだろう。
【００４７】
図８は、撮像ピクセルアレイ内のピクセルによって受け取られるギャップ画像アーティファクトに起因する強度変動を低減するために、図７の投影ピクセルギャップ画像アーティファクトの複製の利用を示す図である。特に、図８は、システムの精度に悪影響を及ぼす上述した影響を低減するために生成される複製投影ピクセルパターンＲＰＰを示す。複製投影ピクセルパターンＲＰＰは、図７の元の投影ピクセルパターンＰＰＰ及び撮像ピクセルアレイＩＰＰに相対して示される。図８に示されるように、複製投影ピクセルパターンＲＰＰは、Ｘ方向複製投影ピクセルピッチＲＰｘと、Ｙ方向複製投影ピクセルピッチＲＰｙとを有するピクセル表現を含む。複製投影ピクセルパターンＲＰＰの撮像位置は、Ｘ方向投影パターンシフトＰＰＳｘ及びＹ方向投影パターンシフトＰＰＳｙだけ、元の投影ピクセルパターンＰＰＰに相対してオフセットされて示される。図９Ａ〜図９Ｄを用いてより詳細に後述するように、一実施態様では、投影アーティファクト抑制要素を利用し得、この要素は、元の光線を第１の方向でのオフセットを有して分割するか、又は複製し、次に、これらの光線を再び、第２の方向でのオフセットを有して分割するか、又は複製する。これは、元の投影ピクセルパターンＰＰＰの各ピクセルの画像を４つに分割するか、又は複製することに等しい。しかし、図８に示される説明及び表現を簡潔にするために、投影ピクセルパターンＰＰＰ及び複製投影ピクセルパターンＲＰＰのみを示すより単純な実施形態について説明する。
【００４８】
複製投影ピクセルパターンＲＰＰのピクセル間には、Ｘ方向投影ピクセルギャップＲＧｘ及びＹ方向投影ピクセルギャップＲＧｙが設けられている。複製投影ピクセルパターンＲＰＰを図８の特定の実施形態に追加することの１つの結果は、撮像ピクセルアレイＩＰＰのピクセルが、より一貫した量又はより均一な分布の投影ピクセルギャップ画像アーティファクトを受け取ることである。特定の代表的な例として、撮像ピクセルＩＰ１は、Ｘ方向及びＹ方向投影ピクセルギャップＲＧｘ及びＲＧｙの両方に対応するピクセルギャップ画像アーティファクト及び強度低減を受け取るものとして示され、これは、図７では、当該撮像ピクセルＩＰ１が投影ピクセルギャップに対応するピクセルギャップ画像アーティファクト又は強度低減を受けなかったのとは対照的である。撮像ピクセルＩＰ２は、図７ではＸ方向投影ピクセルギャップＰＧｘのみに対応するピクセルギャップ画像アーティファクト及び強度低減を受けて示されたが、図８では、Ｙ方向投影ピクセルギャップＲＧｙに対応するピクセルギャップ画像アーティファクト及び強度低減も受けて示される。撮像ピクセルＩＰ３は、図７に示されたように、Ｘ及びＹ方向投影ピクセルギャップＰＧｘ及びＰＧｙに対応する同じ信号効果を受けて示される。したがって、撮像ピクセルＩＰ１、ＩＰ２、及びＩＰ３のそれぞれは、複製投影パターンピクセルＲＰＰの利用を通して、２つの投影ピクセルギャップから同様の共通モード信号効果を受けるものとして図８に示される。
【００４９】
同数のピクセルギャップ画像アーティファクトが、撮像ピクセルアレイＩＰＰの各ピクセルで受け取られない実施態様であっても、複製投影ピクセルパターンＲＰＰの利用を通して、投影ピクセルギャップの影響をある程度低減し得ることが理解されるだろう。いくつかの実施態様では、投影ピクセルギャップの影響の抑制は、少なくとも部分的に投影ピクセルギャップの影響を、撮像ピクセルアレイＩＰＰのピクセルの大半において共通モードの影響にすることによった達成されると見なし得る。図８の実施形態では、投影パターンシフトＰＰＳｘ及びＰＰＳｙは、投影ピクセルピッチＰＰｘ及びＰＰｙのそれぞれの約半分として示されるが、他の実施態様では、投影ピクセルピッチの異なる割合を利用し得る。様々な実施態様では、ワークピース倍率の必要性、ワークピースの要素、所望の視野等にしたがって、異なる投影パターン幅及びピクセルピッチを利用し得ることが理解されるだろう。図９Ａ〜図９Ｄ及び図１０に関してより詳細に後述するように、様々な実施形態では、投影ピクセルパターンの複製に利用される投影アーティファクト抑制要素を、撮像ピクセルピッチではなく投影ピクセルピッチに関連して寸法決めし得ることが望ましいことがある。
【００５０】
前に示したように、投影ピクセルギャップから生じる上述した問題に加えて、投影ピクセルパターンの複製は、信号Ｓ１に関して上述した高い空間高調波成分に関連する問題にも対処できる。図８に示されるように、信号Ｓ２は、投影ピクセルパターンＰＰＰ及び複製投影ピクセルパターンＲＰＰの下に示される。信号Ｓ２は、ピクセルパターンＰＰＰ及びＲＰＰの組み合わせに起因して画像ピクセルによって生成される出力の一部に対応するものとして理解され、投影ピクセルパターンＰＰＰの約４列に等しい幅にわたる周期ＰＥＲ２を有するものとして示される。信号Ｓ１は異なる３つの信号レベルにのみ変化するとして示されたが、信号Ｓ２は、異なる５つの信号レベルに変化し、且つわずか幅１／２のインクリメントで変化するとして示されていることから、信号Ｓ２が信号Ｓ１よりも細かい空間分解能を有することがわかる。この差は、複製投影ピクセルパターンＲＰＰのシフトされたロケーションに起因し、信号Ｓ１に示されるエネルギーを、図８の実施態様では、投影ピクセルパターンＰＰＰと複製投影ピクセルパターンＲＰＰとに分割されるものとして見なし得る。これにより、より高い分解能の正弦波形状を示すように、信号Ｓ２でのエネルギーレベルがより良好に分布する。この高分解能正弦波は、生成される対応するＳＩＭ  Ｚ高さ測定の高精度に繋がる低い空間高調波成分に対応する。
【００５１】
図９Ａ〜図９Ｄは、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥと、構造化照明パターンの一部として投影ピクセルパターンの複製に利用し得る関連付けられた分割光線との様々な態様を示す図である。図９Ａに示されるように、元の光線ＯＬＲは、第１の入射点ＥＮＰ１において投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥの少なくとも第１の複屈折材料層に入るものとして示され、次に、元の光線Ｒ１１と、異常光線Ｒ２１とに分割されて示され、これらの光線は、出射点ＥＸＰ１及びＥＸＰ２のそれぞれで投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥの層から出る。光線Ｒ１１とＲ２１との間のオフセットは、所望の抑制要素シフトＤＳＥＳとして表される。投影ピクセルアレイの投影Ｘ軸に対応する方向に沿ったミクロン単位での所望の抑制要素シフトＤＳＥＳｘの決定に使用可能な式は、
ＤＳＥＳｘ＝（ＰＰｘ）ｘ（Ｎ＋Ｋｆｓ）ｘＭＡＰＡＳＥ        （式２）
であり、式中、ＰＰｘは、投影ピクセルアレイのＸ軸に沿った投影ピクセルピッチ（例えば、ＰＰｘ＝１０μｍ／ピクセル）であり、Ｎは、シフトする所望の投影ピクセル数であり、Ｋｆｓは、Ｘ軸方向に沿ったさらなる所望の投影ピクセル端数シフト（例えば、Ｋｆｓ＝０．５ピクセル）であり、ＭＡＰＡＳＥは、投影アーティファクト抑制要素での投影パターンの倍率（例えば、ＭＡＰＡＳＥ＝１．０）である。整数ピクセル分のシフトが当該シフト方向と一致する方向のパターン周期と一致する場合、シフトなしと概ね区別不能であることが理解されるだろう。したがって、例えば、より厚い層の複屈折層を使用して、所望の投影ピクセル端数シフトを達成するためなど、必要な場合に、そのような整数シフトに所望の端数シフトを追加し得る。しかし、一般に、整数シフトは必要なく、様々な実施形態では、Ｎ＝０である場合が好都合且つ／又は有利であり得ることが理解されるだろう。図９Ｂ〜図９Ｄに関してより詳細に後述するように、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥ内の複数の複屈折材料層を利用して、追加の組の光線Ｒ１２及びＲ２２を生成し得る。例えば、所望であれば、マイクロメートル単位での同様の所望の抑制要素シフトＤＳＥＳｙを、投影ピクセルアレイの投影Ｙ軸に対応する方向に沿って提供し得る。当然、より一般には、図９Ｂ〜図９Ｄに関して後述するような投影アーティファクト抑制要素は、本明細書に開示される原理に基づいて当業者によって決定し得るように、オフセット量及び／又は入力通常光線（例えば、光線Ｒ１１）を横切る任意の所望の方向に沿ったオフセット方向をそれぞれ有する複数のパターン複製を提供するような寸法であり得、且つ／又は回転し得る。マイクロメートル単位で所望の抑制要素シフトＤＳＥＳｘを定義する上記式は、図８に関して上述したように、投影パターンシフトＰＰＳｘに関連し得る。Ｎ＝０の場合、投影ピクセルの端数に関して、シフトＰＰＳｘは端数Ｋｆｓである。投影経路及び／又は撮像経路に沿った位置「ｉ」でのマイクロメートル単位でのシフトＰＰＳｘは、ＰＰＳｘ＝（ＤＳＥＳｘ）ｘ（Ｍｉ／ＭＡＰＡＳＥ）であり、式中、Ｍｉは、位置ｉでの投影パターン倍率である。
【００５２】
図９Ｂ及び図９Ｃに示されるように、特定の一実施態様例では、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥは、３つの層Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を含む。図９Ｂに示されるように、第１の層Ｌ１及び第３の層Ｌ３の外面Ｓ１及びＳ２は、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥの外面として設計し得る。特定の一実施態様例では、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥの全体厚は約２．２ｍｍであり得る。図９Ｃは、図９Ｂの実施態様の層Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３の他の特定の寸法及び属性を示す表を含む。図９Ｃに示されるように、全ての層Ｌ１〜Ｌ３は石英で作られているものとして示される。第１の層Ｌ１は厚さ０．９２±０．０５ｍｍ、配向角＋４５±１°、及び回転角０±１°を有するものとして示される。第２の層Ｌ２は、厚さ０．６５±０．０５ｍｍ、配向角＋４５±１°、及び回転角＋４５±１°を有するものとして示される。第３の層Ｌ３は、厚さ０．６５±０．０５ｍｍ、配向角＋４５±１°、及び回転角−４５±１°を有するものとして示される。一実施態様では、第２及び第３の層Ｌ２及びＬ３は複屈折材料からなり得る。したがって、第１の層Ｌ１は、入力光線において第１の方向で第１の分割を生じさせ得、第２及び第３の層Ｌ２及びＬ３は、光線の第２の方向での第２の分割を生じさせる（例えば、元光線ＯＬＲの４つの光線Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ１２、及びＲ２２への総合効果分割において）。上記例での寸法は単なる例であり、限定ではない。より一般的には、様々な他の実施形態では、様々な複屈折層の厚さは、約１００μｍ〜１ｍｍのオーダー、またはそれ以上であり得る。
【００５３】
図９Ｄに示されるように、一実施態様では、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥによって生成される４つの光線Ｒ１１、Ｒ２１、Ｒ１２、及びＲ２２は、Ｘ軸及びＹ軸に沿って概ね等しく分けられる。Ｘ軸に沿ったオフセット（例えば、光線Ｒ１１とＲ２１との間及び光線Ｒ１２とＲ２２との間）は、Ｘ方向所望抑制要素シフトＤＳＥＳｘとして表される。同様に、Ｙ軸に沿ったオフセット（すなわち、光線Ｒ１１とＲ１２との間及び光線Ｒ２１とＲ２２との間）は、Ｙ方向所望抑制要素シフトＤＳＥＳｙとして表される。特定の一実施態様例では、ＤＳＥＳｘ＝ＤＳＥＳｙ＝５．４μｍである。
【００５４】
図１０は、図３に示される構造化照明パターン生成器の例示的な実施形態を含むとともに、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥを配置し得る一連の範囲１０１０、１０２０、及び１０３０をさらに示すシステム１０００のブロック図である。図１０の多くの構成要素が図３のものと同様又は同一であり得、後述する以外、同様に動作することが理解されるだろう。図１０に示されるように、第１の範囲１０１０は、ＳＬＭ３５０に概ね隣接する投影経路に配置され、第３の範囲１０３０は、ビームスプリッタ２９０の概ね隣接する投影経路に配置され、第２の範囲１０２０は、第１の範囲１０１０と第３の範囲１０３０との間に配置される。
【００５５】
一般に、投影アーティファクト抑制要素ＰＡＳＥを配置する範囲１０１０、１０２０、又は１０３０の選択は、特定の設計ファクタに関連付けられた様々なトレードオフに従って決定し得る。例えば、特定の実施態様では、投影アーティファクト抑制要素を、光線がコリメートされる（例えば、収差をより小さくし得る）領域に配置することが有利であり得る。投影アーティファクト抑制要素を投影経路において、縮小化が実行される前に配置する（その結果、比較的複雑性が低く、安価に製造される）ことも有利であり得る。特定の実施態様では、そのような恩恵は相互に排他的であり、且つ／又は単一の場所では得ることができない。
【００５６】
例えば、一実施態様では、第１の範囲１０１０の場合、光はコリメートされないが、焦点比は比較的大きくなり得、それにより、球面収差及び非点収差への計算される影響を比較的小さくすることができ、この範囲にすると、比較的複雑性が低く安価な製造に繋がり得る。範囲１０２０に関して、光線は集束及び拡散しており（すなわち、コリメートされない）、投影アーティファクト抑制要素を中間画像平面ＩＭＡ１のいくらか近傍であるが、その平面ＩＭＡ１に一致しないように配置することが望ましいことがある。投影アーティファクト抑制要素を中間画像平面ＩＭＡ１の近傍に配置することにより、ガラスのサイズを最小化する（例えば、許容差要件、平坦性等を低減する）ことができるが、ゴースト反射が投影パターンに存在しないように十分な距離に配置することも要求される。これらの要件は、この範囲１０２０内に配置するために、製造を比較的より高価且つ複雑にする。第３の範囲１０３０では、光をコリメートすることができ、収差に影響を及ぼすことがないが、所望の分離距離及び製造を達成するために、比較的高価な要素を必要とし得る。特定の一実施態様例では、複屈折層の厚さは約１５０μｍ〜２５０μｍ厚であり得、したがって、超薄石英層を必要とする。これらのトレードオフに関係なく、範囲１０１０、１０２０、又は１０３０のうちの任意の範囲を利用し得、選択は一般に、製造の複雑性及び費用の低減と、システムの所望の精度レベルの増大とのバランスに依存する。
【００５７】
一般に、図１０の構造化照明パターン生成器１０００の設計の他の態様は、以下の考察の文脈の中で理解される。図７及び図８の信号Ｓ１及びＳ２に関して上述したように、システムの正弦波フリンジが、デジタルＳＬＭ装置を用いて生成され、基本正弦波周波数のいくらかの高調波は、光学系により、画像スタックの各スキャンステップで最終画像に伝達するおそれがある。上述したように、結果として生成される高さマップは、これらの高調波アーティファクトを「リップル」として含むおそれがある。さらに、これも上述したように、ＳＬＭ及び結果として生成される投影ピクセルパターンは、各ピクセル間にギャプを有し、ギャップピッチは、撮像ピクセルアレイピッチに相対して２つの異なる値でうねることができ、それぞれがそれぞれのＺ高さ誤差「リップル」を生じさせる。
【００５８】
投影アーティファクト抑制要素を利用して、そのような問題に対処する図８〜図１０に関して上述した技法とは対照的に、結果として生成される上述したようなリップルを光学的にフィルタリングする代替の手法は、投影側開口数ＮＡをかなり低減することである。しかし、特定の実施態様では、この手法は、ＳＬＭ分解能（例えば、より高いフリンジ周波数）の選択、テレセントリック性（例えば、有限瞳孔距離）、収集レンズの複雑性（例えば、より高い画角）、及びスループット（例えば、より低い照明）等の側面で悪影響を有する。別の代替可能な手法は、より高い分解能のＳＬＭ（例えば、より多数のピクセルが、正弦波パターンの生成に利用される高精細システム）を利用することである。しかし、特定の実施態様では、そのような手法の様々な欠点は、画角がより高いため、より高品質の投影光学系（例えば、より高いコストの）が必要であること、それに対応して、ＳＬＭの製造がより高価であること、及びそのような構成が、ＳＬＭピクセルピッチと撮像ピクセルピッチに対するギャップとの不一致という上述した影響に対処しないことを含むことができる。いくつかの用途で使用された別の代替の手法は、投影パターンをピンぼけさせることである。しかし、合焦範囲を通してスキャンして、３Ｄ表面トポグラフィを特定することによってＳＩＭ画像スタックが得られる用途では、これは実用的な手法ではない。利用可能な別の代替の手法は、ギャップアーティファクトがなく、且つ／又は空間高調波成分が低い正弦波を提供するガラスフリンジパターン上に固定クロマを製造することを含む。しかし、特定の実施態様では、そのような手法の様々な欠点、すなわち特定のワークピース及び／又は対物レンズ又は倍率等に対して固定パターンの向き及び／又はパターンサイズを調整又は最適化することができないことを含み得る。さらに、十分に低い空間高調波成分を有する正弦波パターンマスクは、製造が高価であり得る。
【００５９】
上述したすべての代替の手法とは対照的に、投影アーティファクト抑制要素の利用を含んだ図８〜図１０に関して上述した技法が、より安価な製造及びより高い精度の測定を含め、より良好な結果を提供し得ることが理解されるだろう。特に、投影アーティファクト抑制要素を利用する上述した技法は、普通ならＳＩＭシステムの１組の投影光学要素によって提供される開口数ＮＡを実質的に変更しないことで、様々な利点を達成する。すなわち、投影アーティファクト抑制要素を利用する投影光学系は、開口数を低減せずに変調伝達関数を低減（すなわち、空間高調波成分を低減）して、より良好な光学セクショニング性能及びスループットを維持するとともに、中間フォーマットＳＬＭと互換性があるフリンジ周波数を可能にし得る。
【００６０】
図１１は、本明細書に開示される原理により、投影アーティファクト抑制要素を含む構造化照明顕微鏡法（ＳＩＭ）光学装置を動作させるルーチン１１００の例示的な一実施形態を示す流れ図である。ブロック１１１０において、光生成器から発せられる光を受け取る制御可能空間光変調器（ＳＬＭ）は、構造化照明パターンを出力として生成するように制御される。様々な実施態様では、制御可能ＳＬＭは、第１の方向に沿って特徴的なＳＬＭピクセルピッチを有するＳＬＭピクセルアレイを含む。ブロック１１２０において、１組の投影光学要素を利用して、ワークピースを配置し得る視野を照明する構造化照明パターン光源光を提供する。様々な実施態様では、１組の投影光学要素は、視野に構造化照明パターン光源光を出力する出力レンズを含む。１組の投影光学要素は、投影アーティファクト抑制要素を含むように構成され、この要素は、投影経路のＳＬＭと出力レンズとの間に配置される。投影アーティファクト抑制要素を利用して、構造化照明パターン光源光の各光線を分割し、それにより、投影経路を横切る方向にオフセットされた構造化照明パターンの少なくとも１つの複製を提供する。いくつかの実施形態では、投影アーティファクト抑制要素は、有利なことに、その存在により、１組の投影光学要素の開口数が実質的に変わらないように構成される。いくつかの実施形態では、投影アーティファクト抑制要素は、有利なことに、構造化照明パターン光源光の各光線を各通常光線及び各異常光線に分割し、それにより、通常光線による構造化照明パターン（通常光線構造化照明パターン）は投影経路に沿って進行し、少なくとも１つの異常光線による構造化照明パターン（異常光線構造化照明パターン）は、投影経路を横切る方向に通常光線構造化照明パターンからオフセットを有しながら投影経路に沿って進行する構造化照明パターンの複製であるように構成し得る。
【００６１】
ブロック１１３０において、１組の撮像光学要素を利用して、構造化照明パターン光源光がワークピースから反射されたか、又はワークピースを透過したことから生じる構造化照明パターンワークピース光を受け取る。様々な実施態様では、１組の撮像光学要素は、ワークピースからの構造化照明パターンワークピース光を入力する対物レンズを含む。ブロック１１４０において、１組の撮像光学要素を利用して、撮像センサに向かって撮像経路に沿い、構造化照明パターンワークピース光を撮像する。様々な実施態様では、撮像センサは撮像ピクセルアレイを含む。
【００６２】
上述した様々な実施形態を組み合わせて、さらなる実施形態を提供することができる。本明細書に引用される全ての米国特許及び米国特許出願は、参照される。実施形態の態様は、必要な場合には変更して、様々な特許及び特許出願の概念を利用して、さらなる実施形態を提供することができる。
【００６３】
上述した実施形態は、構造化光パターンを変更又は再構成するように制御し得る制御可能空間光変調器を含むパターン生成要素と組み合わせた投影アーティファクト抑制要素の有用性を強調したが、本明細書に開示される原理による投影アーティファクト抑制要素が、反射性又は透過性マスク等の固定パターン生成要素と組み合わせて使用される場合にも、本明細書に概説された恩益及び利点を提供し得ることを理解されたい。例えば、特定の製造誤差又は制限された空間分解能、及び／又は低正弦波グレーレベル分解能等に起因する不正確性を低減し得る。
【００６４】
詳細に上述した説明に鑑みて、これら及び他の変更を実施形態に行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲では、使用される用語は、本明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施形態に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではなく、そのような特許請求の範囲によって権利が与えられる全範囲の均等物と共に、全ての可能な実施形態を包含するものとして解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００６５】
１０、１００  マシンビジョン検査システム
１２  ビジョン構成要素部
１４  制御コンピュータシステム
１６  ディスプレイ
１８  プリンタ
２０  ワークピース
２２  ジョイスティック
２４  キーボード
２６  マウス
３２、２１０  ワークピースステージ
３４  光学撮像システム
１２０  制御システム部
１２５  コントローラ
１３０  入出力インタフェース
１３１  撮像制御インタフェース
１３２  移動制御インタフェース
１３２ａ  位置制御要素
１３２ｂ  速度／加速度制御要素
１３３  照明制御インタフェース
１３３ａ〜１３３ｎ、１３３ｓｉｐ  照明制御要素
１３４  レンズ制御インタフェース
１３６  ディスプレイ装置
１３８  入力装置
１４０  メモリ
１４０ｓｉｍ  ＳＩＭ／ＳＩＰメモリ部
１４１  画像ファイルメモリ部
１４２  ワークピースプログラムメモリ部
１４３、１４３ａ、１４３ｎ  ビデオツール部
１４３ａｆ  オートフォーカスツール
１４３ｍａｆ  マルチポイントオートフォーカスツール
１４３ｒｏｉ  関心領域生成器
１４３ｓｉｍ  Ｚ高さツールＳＩＭ／ＳＩＰモード制御
１４３ｚ  Ｚ高さ測定ツール部
１４３ｚｔ  Ｚ高さツール
１７０  ワークピースプログラム生成・実行器
１９０  電源部
２００  ビジョン構成要素部
２０５  撮像部
２１２  中央透明部
２２０、２３０、２４０  光源
２２１、２３１、２４１、２６２、２８１、２９６、３３１、３３３、３３３’、３３３’’、３３４、３３８、３３９  信号線
２２２、２３２、２３２’、２４２  光源光
２５０  対物レンズ
２５５  ワークピース光
２６０  カメラ系
２８０  ターレットレンズアセンブリ
２８４  軸
２８６、２８８  レンズ
２９０  ビームスプリッタ
２９４  モータ
３００  制御可能構造化照明パターン生成部
３１０  光生成器
３１４  光
３３０  ＳＩＰコントローラ
３３２  ＳＬＭコントローラ部
３３２’  グレースケールパターンシーケンサ
３３６  タイミング及び同期部
３５０  空間光変調機
３５１  制御可能ピクセルアレイ
３６０  ＳＩＰ  光学部
４００  図
４３０  パターン細分露光シーケンス
４４０  タイミング図
６１０Ａ、６１０Ｂ、６１０Ｃ  ３つの位相シフト画像のシリーズ
１０００  システム
１０１０、１０２０、１０３０  範囲
１１００  ルーチン
【図１】
2015096954.tif 000004
【図２】
2015096954.tif 000005
【図３】
2015096954.tif 000006
【図４】
2015096954.tif 000007
【図５】
2015096954.tif 000008
【図６】
2015096954.tif 000009
【図７】
2015096954.tif 000010
【図８】
2015096954.tif 000011
【図９Ａ】
2015096954.tif 000012
【図９Ｂ】
2015096954.tif 000013
【図９Ｃ】
2015096954.tif 000014
【図９Ｄ】
2015096954.tif 000015
【図１０】
2015096954.tif 000016
【図１１】
2015096954.tif 000017