(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共焦点顕微鏡用の、時間と共に変化するパターンを生成するための光学システムであって、前記光学システムが、光ビームを反射する物体（７）に向けて前記光ビームを放射する光源配置構成（１、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）と、前記光源配置構成（１、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）から、前記物体（７）の方向へ進む光ビームの通過を可能にし、焦点面において前記物体（７）により反射された光ビームを、検出器パターンを伴う検出器（８）の方向へ、前記物体（７）の画像を検出するために偏向するためのビームスプリッタ（３）と、前記ビームスプリッタ（３）と前記物体（７）との間のレンズ配置構成（４ａ、４ｂ）と、を備え、前記光源配置構成（１、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）が、少なくとも１つの光源（１）と、変化するプロジェクタパターン（２）を、前記プロジェクタパターン（２）を有するマスクを動かすことなく生成するために、前記少なくとも１つの光源（１）により放射された光ビームの方向を、前記少なくとも１つの光源（１）の偏光方向に応じて切り替える配置構成（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）と、を有し、前記光源（１）の偏光方向を切り替えるデバイスが固定的に下流にあり、制御可能な光学リターダ（１２ａ、１２ｂ）であることを特徴とする、光学システム。
【請求項２】
前記制御可能な光学リターダが、電気端子（１４）に印加される電圧に依存して、前記偏光方向を入口（１５）から出口（１６）へ回すポッケルスセル（１２ａ）であり、前記電圧が、位相遅れがラムダ／２又はその奇数倍だけ変わるように、２つの電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間で切り替えられることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記制御可能な光学リターダが、固定式回転ラムダ／４リターダ（１２ｂ）であることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項４】
前記光源配置構成（１）が、２つの光源（１ａ、１ｂ）と、前記光源（１ａ、１ｂ）の偏光方向を切り替えるデバイスとしての切り替え配置構成（１２ｃ）と、を備え、前記２つの光源（１ａ、１ｂ）の光路（１３ａ、１３ｂ）が単一の光路（２０）に組み合わされ、前記２つの光源（１ａ、１ｂ）が偏光を放射し、前記２つの光源（１ａ、１ｂ）のそれぞれの偏光方向が９０°だけ回転されており、前記切り替え配置構成（１２ｃ）が、前記光源のうち１つのみ（１ａ又は１ｂ）を一度に点灯状態に変え、これにより、組み合わされた光（２０）の偏光方向を各場合に切り替えることを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
【請求項５】
前記２つの光源（１ａ、１ｂ）が、それらそれぞれの光路（１３ａ、１３ｂ）が前記単一の光路（２０）に組み合わされるよう、互いに近接して隣り合って提供されていることを特徴とする、請求項４に記載の光学システム。
【請求項６】
ディフュージョンディスク（３５）が、前記光源（１ａ、１ｂ）の下流にあることを特徴とする、請求項５に記載の光学システム。
【請求項７】
前記２つの光源（１ａ、１ｂ）が９０°だけオフセットして配置構成されており、ビームコンバイナ（３０）が、それらの光路（１３ａ、１３ｂ）を前記単一の光路（２０）に組み合わせることを特徴とする、請求項５に記載の光学システム。
【請求項８】
それぞれの光源（１、１ａ、１ｂ）が、すでに自然に偏光された光を放射するレーザーダイオードか、又は、下流偏光子を有するＬＥＤであることを特徴とする、請求項４乃至７のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項９】
前記組み合わされた光（２０）が直線偏光されており、前記２つの偏光方向が、互いに対して９０°だけ回転されていることを特徴とする、請求項４乃至８のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記光源配置構成（１、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）から下流に配置構成されており、前記偏光方向を２つの円偏光方向、１つは反時計回り、もう１つは時計回り、に変換するラムダ／４リターダ（２１）が提供されていることを特徴とする、請求項９に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記ラムダ／４リターダ（２１）の下流の構造化されたリターダ（２２）と、前記レンズ配置構成（４ａ、４ｂ）との間に、前記偏光が９０°だけ回転されている位置からの光をブロックし、前記偏光方向が存在する位置からの光を、前記プロジェクタパターンがそれらの位置で透過的であるように通過させる直線偏光子（２３）が配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記プロジェクタパターンが、固定線パターン又は固定チェッカーボードパターンとして制御され得るパターンであることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記プロジェクタパターン及び前記検出器パターンの整列のための手段が提供されていることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記プロジェクタパターンを生成する透明ＬＣＤが提供されていることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項１５】
受信された信号を評価するための手段としてフィルタが提供されており、前記フィルタの切り替え周波数が、前記光源の偏光方向に対する前記切り替え周波数と同期されていることを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記フィルタがロックイン型増幅器として実現されていることを特徴とする、請求項１５に記載の光学システム。
【請求項１７】
請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光学システムを使用して物体の表面をスキャンニングするための方法であって、
−前記プロジェクタパターン及び前記検出器パターンを整列する工程と、
−高切り替え周波数（ｆ１）での前記プロジェクタパターンの変化中に前記焦点面を調節する工程と、
−前記切り替え周波数に対応する周波数を有する信号を受信する工程と、
−受信された信号を狭帯域フィルタリングし、前記狭帯域フィルタリング後に前記信号の最大強度を探索する工程と、
−一定の幅の信号ピークを探索する工程と、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点顕微鏡用の、時間と共に変化するパターンを生成するための光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
スキャン対象物体の表面に焦点が合っているという事実に基づいて、その表面を検出する共焦点顕微鏡には、様々な種類がある。そのようなシステムの例としては、米国特許第２００７／０１０９５５９  Ａ１号から知られるようなレーザー共焦点顕微鏡、又は、スイス特許出願第０１６２４７／０７号に説明されるようなｐＯＦＰＴ（＝パラレル焦点光トモグラフィ（parallel Focal Point Optical Tomography））がある。
【０００３】
ｐＯＦＰＴスキャナでは、スキャン対象物体上に可動パターンが投影される。これは、静止しているパターンよりも変化するパターンを検出する方が、シンプルで精度の高い信号技術であるという利点がある。この動作は、パターンを伴うマスクが機械的に素早く動かされることで実現される。この動作は、変動又は連続する。
【０００４】
しかし、この機械的な動きには、いくつかの大きな欠点がある。このメカニズムは空間を必要とするため、コンパクトな設計ができない。このメカニズムはまた、相対的に高価である。更に、このメカニズムは全体的に正確でない。特に、変化率の精度が限定されることにより、分析費用を実質的に増加させる。これはまた、機械的運動において動作不具合を起こすことさえある。
【０００５】
パターンの動作又は変更を可能にする、様々な光学素子がある。それらの素子は、例えば、様々なプロジェクタにて使用される。しかし、所望するスキャンに対してそれらは遅すぎる。例えば、ＬＣＤプロジェクタ用のＬＣＤは、最大で毎秒２００の画像を変更できる。しかし、本明細書に説明するシステムを使用するスキャンニングの用途では、少なくとも毎秒２，０００の画像を変更する必要があり、２０，０００であればより好ましい。
【０００６】
したがって、本発明は、共焦点顕微鏡用の光学システムと、特にパターンの動き又は変更が簡素化され、この変更が、非常に正確に時間制御され、続く信号の評価と正しく同期され得る関連する方法を提供することを目的とする。
【発明の説明】
【０００７】
この目的は、請求項１及び１８にてそれぞれ明らかにされる光学システム及び方法によって達成される。本発明の有益な展開は、それらの従属項に規定される。
【０００８】
本発明によると、光ビームが、光ビームを反射する物体へ進む光源配置構成と、光源配置構成から物体の方向に進む光ビームの通過を可能にし、焦点面内の物体により反射された光ビームを、検出器パターンを伴う検出器の方向に、物体の画像を検出するために偏向するビームスプリッタと、ビームスプリッタと物体との間のレンズ配置構成と、を含む、共焦点顕微鏡用の光学システムが提供される。特に、光源配置構成は、少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの光源により放射される光ビームの偏光方向を切り替えるデバイスを有し、プロジェクタパターンを有するマスクを動かすことなく、変化するプロジェクタパターンを生成する。
【０００９】
好適には、このビームスプリッタは偏光ビームスプリッタである。したがって、可動プロジェクタパターンの光は常に同じ偏光方向を有する。
【００１０】
本発明によると、機械的動作はしたがって、固定の、特殊な光学配置構成と、偏光方向が変えられる少なくとも１つの偏向光源と、により置き換えられる。投影パターン又はプロジェクタパターンは続いて、光源配置構成の偏光方向の変化と同じ程度の速度で変化する。偏光方向の変化は、所望する速度で行われ得る。
【００１１】
好適には、少なくとも１つの光源により放射される光ビームを切り替えるデバイスは、光源の偏光方向に対して下流に固定配置され、制御可能な光学リターダは、２つの異なる偏光方向との間で偏光方向を切り替える。したがって、偏光方向の迅速な切り替え及び変更が可能である。
【００１２】
制御可能な光学リターダは好適には、電気端子に印加される電圧によって入口から出口への偏光方向を回転させるポッケルスセルであり、この電圧は、位相遅れがラムダ／２又はその奇数倍にて変化するよう、２つの電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間に切り替えられる。迅速でよく制御された切り替えが可能である。
【００１３】
あるいは、制御可能な光学リターダは好適には、固定式回転ラムダ／４リターダである。そのようなラムダ／４リターダを使用することでまた、迅速でシンプルな切り替えが実現できる。
【００１４】
あるいは、光源配置構成は好適には、２つの光源と、少なくとも１つの光源により放射された光ビームを、その偏光方向に対して切り替えるデバイスとしての切り替えデバイスと、を有し、２つの光源の光路は単一の光路に組み合わされ、２つの光源は偏光を放射し、２つの光源のそれぞれの偏光方向は９０°回転され、切り替えデバイスは各場合に、光源の１つのみを点灯状態に切り替え、これにより、組み合わされた光のそれぞれの偏光方向を変える。
【００１５】
２つの光源は、それらの光路が単一の光路に組み合わされるよう近接して隣り合って提供され得る。ディフュージョンディスクは好適には、光源の下流に接続される。そのようなディフュージョンディスクは、入射光の焦点をよりよく合わせ、所望する方向に放射する役目をする。
【００１６】
２つの光源は９０°オフセットして配置構成されてよく、ビームコンバイナが続いて、それらの光路を単一の光路に組み合わせてよい。
【００１７】
２つの光源と、１つの切り替えデバイスと、を有する上記の実施形態を通して、それぞれの偏光方向への非常に精度の高い切り替えが可能である。
【００１８】
それぞれの光源は好適には、すでに自然に偏光された光を放射するレーザーダイオード、又は下流偏光子を伴うＬＥＤである。そのような光源は容易に使用される。
【００１９】
光は好適には直線偏光され、２つの偏光方向は好適には、互いに対して９０°回転され、シンプルに構造化された偏光方向が使用される。
【００２０】
好適には、偏光方向を２つの円偏光方向、１つは反時計回りであり、もう１つは時計回り、に変換するラムダ／４リターダが、光源配置構成の下流に提供される。この偏光方向の変換により、プロジェクタパターンがシンプルに生成され得る。
【００２１】
ラムダ／４リターダの下流の構造化されたリターダと、レンズ配置構成との間には、直線偏光子が好適に提供されており、これは、偏光が９０°回転している位置からの光をブロックし、偏光方向が存在する位置からの光を、それらの位置でその照明パターンが透過的であるよう、通過させる。この方法はまた、プロジェクタパターンの生成を簡素化し得、続くビームスプリッタに向かう光が、常に同じ偏光方向を有するようにする。
【００２２】
照明パターン又はプロジェクタパターンは好適には、固定直線パターン又は固定チェッカーボードパターンとして所望するように制御され得るパターンである。これらのパターンは実際に容易に使用される。
【００２３】
制御可能なパターンは、ＬＣＤプロジェクタに使用されるような透明ＬＣＤを採用することにより容易に実現し得る。適切な画像の作成は、構造化されたリターダを生成する。
【００２４】
好適には、プロジェクタパターン及び検出器パターンを整列するための手段が提供される。パターンの整列は、光学システムがスキャナとして採用された際に良好な画像を生成し得るために必要である。
【００２５】
受信した信号を評価する手段として、切り替え周波数が、光源の偏光方向の切り替え周波数と同期されるフィルタが好適に備えられる。好適には、フィルタはロックイン型増幅器として実現される。同期は、スキャンニング中の容易に検出可能な信号を実現する役目をする。
【００２６】
また、本発明は、共焦点顕微鏡用の発明による光学システムを使用するスキャンニング方法に関し、以下の工程を有する。プロジェクタパターンと検出器パターンとを整列することと、高い切り替え周波数にて、プロジェクタパターンが変更されている間に焦点面を調整することと、切り替え周波数に対応する周波数を有する信号を取得することと、受信した信号の狭帯域フィルタリングを行うこと及び狭帯域フィルタリング後に信号の最大強度を探索することと、及び一定の幅を有する信号ピークを検索すること。
【００２７】
そのコンパクト設計により、本発明による光学システムは、歯測定用口腔内スキャナでの使用に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
本発明の特定の特徴及び他の特徴、並びに詳細が、例に基づく本発明の特徴を示す以下の詳細説明及び付随する図面から、当業者には明らかとなるであろう。
【図１】本発明による、共焦点顕微鏡用の光学システムの概要構造を示す。
【図２】本発明による、ポッケルスセルを介する、切り替え可能な偏光方向を有する光源配置構成を示す。
【図３】本発明による、（固定式回転）波長板を介する、切り替え可能な偏光方向を有する光源配置構成を示す。
【図４】本発明による、２つの光源を介する、切り替え可能な偏光方向を有する光源配置構成を示す。
【図５】本発明による、２つの光源を介する、切り替え可能な偏光方向を有する別の光源配置構成を示す。
【図６】本発明による、交互ストライプパターンを生成するための配置構成を示す。
【図７】本発明による、構造化されたリターダを示す。
【図８】変化するパターンを配置するための図である。
【図９】プロジェクタパターンを示す。
【図１０】検出器パターンを示す。
【図１１】正しい方向を有する、測定物体から見たプロジェクタパターン及び検出器パターンを示す。
【図１２】間違った方向を有する、測定物体から見たプロジェクタパターン及び検出器パターンを示す。
【図１３】フォーカス位置の調整中のピクセルでの信号を示す。
【図１４】狭帯域フィルタリング後のピクセルでの結果となる信号を示す。
【図１５】天然歯のスキャンに対する、狭帯域フィルタリング後のピクセルでの結果となる信号を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図を参照しての好適な実施形態に基づき、本発明を詳細に説明する。
【００３０】
図１は、共焦点顕微鏡用の本発明による光学システムの概要構造を示し、ここで、光源配置構成１が提供されており、プロジェクタパターン２は、光源配置構成１の偏光により変化する、投影パターンである。図１の光源配置構成１は、切り替え可能な偏光を伴う光源配置構成１として、図２〜４に詳細に示されている。また、偏光ビームスプリッタとされ得るビームスプリッタ３が提供されている。両方向矢印４において、焦点面の変位は、第１のレンズ４ａ及び第２のレンズ４ｂを有するレンズ配置構成の第２のレンズ４ｂの移動により行われる。反射鏡５、１／４波長板６、歯などの物体７、検出器パターン８、及びセンサ９もまた示されている。センサのピクセルパターンが検出器パターンとして使用されている場合は、検出器パターンを使用しなくてもよい。センサは、例えば、ｐＯＣＴ用のスマートピクセル画像センサであってよい。
【００３１】
プロジェクタパターン２からの光ビームは、ビームスプリッタ３を通って物体７に向かい、第１のレンズ４ａ及び第２のレンズ４ｂを通り、物体７での焦点面まで通過する。物体７により反射された光ビームは、レンズ４ａ及びレンズ４ｂ、並びにビームスプリッタ３を通ってセンサ９に向かって戻り、物体７の画像が検出される。レーザー共焦点顕微鏡では、照明パターン又はプロジェクタパターンは少なくとも１つのポイント光源と、レーザーと、を含み、ｐＯＦＰＴデバイスでは、照明パターンは、光源により透過照明された画像を含む。第２のレンズ４ｂでの両方向矢印４は第２のレンズ４ｂの動きを示し、その動きは結果として、物体７での焦点面の対応する動きとなる。第２のレンズ４ｂの動作のために、例えば制御されたモータであってよいドライブデバイスが提供される。
【００３２】
図２は、電気的接続１４、光学ビーム路１３、光の入口１５、及び光の出口１６を伴うポッケルスセル１２ａを介する、切り替え可能な偏光方向を有する光源配置構成１、１２ａを示す。
【００３３】
光源１は、偏光を放射する。これは、例えば、すでに自然に偏光された光を放射するレーザーダイオード、又は、下流偏光子を有するＬＥＤであってよい。ポッケルスセル１２ａは制御可能な光学リターダであり、電気的接続１４に印加された電圧により、光の入口１５から光の出口１６へ、偏光方向を回転し得る。
【００３４】
電圧は好適には、２つの電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との間で切り替えられ、ラムダ／２又はその奇数倍にて位相遅れが変更される。したがって、光の出口１６での光は、電圧Ｖ１及び電圧Ｖ２に対する２つの異なる偏光方向、例えば、２つの好適には９０°回転された直線偏光方向、又は２つの円偏光方向、１つは反時計回りにあり、もう１つは時計回り、若しくは対応する合成方向、を有する。
【００３５】
図３は、光源１、固定式回転ラムダ／４リターダ１２ｂ、光学ビーム路１３、光の入口１５、及び光の出口１６を含む光源配置構成を示す。図２のポッケルスセル１２ａの代わりに、位相遅れ、したがって偏光は、光の出口１６にて、図３による構造での機械的運動（この場合は回転）の手段により変更される。
【００３６】
図４は、第１の光源１ａ及び第２の光源１ｂを含む光源配置構成を示す。２つの光源１ａ及び光源１ｂは、隣り合って配置されている。これらが互いに非常に近接して隣り合って配置されている場合は、第１の光源１ａの光路の光学ビーム路１３ａ及び第２の光源１ｂの光路の光学ビーム路１３ｂは、第１の光源１ａ及び第２の光源１ｂの合成光路の光路の光学ビーム路２０となる。
【００３７】
組み合わされた光の偏光方向はこれにより、切り替えデバイス１２ｃを介して、光源１ａのみ及び光源１ｂのみを選択的に点灯させることで切り替えられ得る。
【００３８】
２つの光源１ａ及び光源１ｂは偏光を放射し、２つの光源１ａ及び光源１ｂのそれぞれの偏光方向は９０°回転される。切り替えデバイス１２ｃは各場合で、光源１ａ及び光源１ｂの内の１つのみを点灯状態に切り替え、それにより、組み合わされた光のそれぞれの偏光方向を変更する。
【００３９】
図４によると、ディフュージョンディスクは光源１ａ及び光源１ｂの下流にあり、光の焦点を良好に合わせ、所望する方向に放射する。
【００４０】
図５はまた、第１の光源１ａ及び第２の光源１ｂを有する光源配置構成を示す。２つの光源１ａ及び光源１ｂは９０°オフセットして配置構成されており、偏光ビームコンバイナ／ビームスプリッタ３０は、その複数の光路を単一の光路に組み合わせる。図５は更に、第１の光源１ａの光路の光学ビーム路１３ａと、第２の光源１ｂの光路の光学ビーム路１３ｂと、第１の光源１ａ及び第２の光源１ｂの合成光路の光路の光学ビーム路２０と、を示す。
【００４１】
図４及び図５の各実施形態では、光源１ａ及び光源１ｂは、偏光を放射する。これらは、例えば、すでに自然に偏光された光を放射するレーザーダイオード、又は、下流偏光子を伴うＬＥＤであり得る。２つの光源１ａ及び光源１ｂは、偏光方向がそれらの間で９０°回転されるよう構成されている。図５の実施形態によると、ビームコンバイナ３０は、２つの光源１ａ及び光源１ｂの光路１３ａ及び光路１３ｂを、単一の光路２０に組み合わせる。図４の実施形態によると、単一の光路２０は、２つの光源１ａ及び光源１ｂを互いに非常に近接して隣り合って配置することで作られている。まとめ及び整列は、描かれているディフュージョンディスクを提供することにより向上し得る。
【００４２】
組み合わされた光の偏光方向はこれにより、切り替えデバイス１２ｃを介して、光源１ａのみ及び光源１ｂのみを選択的に点灯させることで切り替えられ得る。
【００４３】
この配置構成では、光は直線偏光され、２つの偏光方向は互いに対して９０°回転される。必要であれば、ラムダ／４リターダを下流に接続することにより、偏光方向は、２つの円偏光方向、１つは反時計回りであり、もう１つは時計回り、に変換され得る。
【００４４】
構造化されたリターダ及び下流の直線偏光子を使用することで、交互のパターンが生成され得、１つのパターン又はもう一方が、照明ユニットの偏光方向により投影される。
【００４５】
図６は、交互ストライプパターンを生成する配置構成を示し、ここでは特に、光源１と、パターン化されていないラムダ／４リターダ２１と、構造化されたリターダ２２と、直線偏光子２３と、ソースからの光２４と、切り替えパターンを伴う光２５と、光源１の第１の偏光方向２６と、光源の第２の偏光方向２７と、パターンを伴う光の偏光方向２８と、を示す。
【００４６】
光源１は、直線偏光などの、偏光方向２６及び偏光方向２７の変化を伴う光を放射する。ラムダ／４リターダ２１は、直線偏光を円偏光に変換し、時計回りと反時計回りとの間を切り替える。構造化されたリターダ２２は、特定の位置では＋ラムダ／４遅れ、他の位置では−ラムダ／４遅れるよう、構造化されている。
【００４７】
光源１からの光はしたがって、特定の位置では、ラムダ／２（すなわちリターダ２１から＋ラムダ／４、及び構造化されたリターダ２２から＋ラムダ／４）位相遅れし、他の位置では、位相遅れしない（すなわちリターダ２１から＋ラムダ／４、及び構造化されたリターダ２２から−ラムダ／４）。
【００４８】
光がラムダ／２位相遅れする位置では、偏光方向は９０°回転している。他の位置では回転していない。
【００４９】
続いて、光源１が、偏光方向２６が存在するように切り替えられた場合、パターンのそれらの位置は透過的であり、偏光は回転されない。偏光が９０°回転している位置からの光は、直線偏光子２３にてブロックされている。反対に、光源１が、偏光方向２７が存在するように切り替えられた場合、今度はパターンの他の位置が透過的になる。
【００５０】
図６の配置構成は、適切なプロジェクタパターンを生成する、可能な論理的配置構成である。しかし、位相遅れはまた、他の方法でも分配することが可能であり、構造化されていないラムダ／４リターダ２１は常に必要ではなく、素子２２と素子２３との間にも配置され得る。
【００５１】
しかし、構造化されたリターダ２２での位相遅れ間の差異は、９０°回転された偏光方向を有する直線偏光が、直線偏光子２３の上流に存在するよう、少なくともおおよそラムダ／２又はその奇数倍であることが重要である。
【００５２】
切り替えストライプパターンをプロジェクタパターンとして生成するため、例えば、図５に示す配置構成を通して、例えば、図７に示すような、パターン化されたリターダが現れる。図７では、＋ラムダ／４位相遅れ３１を伴うポイントと、−ラムダ／４位相遅れ３２を伴うポイントと、が見てとれる。
【００５３】
そのような構造化されたリターダは現在の最新技術であり、例えば、３Ｄテレビにて使用されている。また、例えば、プロジェクタに使用される透明ＬＣＤを使用することも可能である。これは、ゾーンが、ＬＣＤ上の画像に対応する位相遅れを伴って切り替えられ得る、構造化されたリターダでもある。構造化されたリターダは、いずれのパターンを有してもよい。本発明による使用に適したパターンは、例えば、線パターン又はチェッカーボードパターンである。
【００５４】
本発明による光学システムを使用する際に良好な信号を達成するため、システムのプロジェクタパターン及び検出器パターンは、適宜整列され、位置付けられなければならない。変化するパターンのそのような位置決めを、図８を参照して以下に説明する。図８では、プロジェクタパターン２は、光源の偏光の機能として変化する投影パターンとして見られる。ここではまた、センサのピクセルパターンが検出器パターンとして使用されている際には使用なくてもよい検出器パターン８と、ｐＯＣＴ用のスマートピクセル画像センサであってよいセンサ９と、偏光ビームスプリッタであってよいビームスプリッタ３と、測定物体７と、が示される。
【００５５】
測定物体７から見ると、プロジェクタパターン２及び検出器パターン８は、同じ位置に光学的に配置されなければならない。プロジェクタパターン２は、物体を直接見るものであり、検出器パターン８は、物体を、ビームスプリッタ３を通して見るものである。しかし、双方のパターンは同じ場所に現れる。
【００５６】
プロジェクタパターン２及び検出器パターン８の配置構成は反対にできることに注意されたい。以下では、検出器パターン８を使用しなくてもよい場合でも、検出器パターン８を常に言及する。センサのピクセル構造を直接、検出器パターンとして使用することが理想である。
【００５７】
以下に、プロジェクタパターン及び検出器パターンの横方向の整列の説明が続く。以下の例では、図９及び図１０に見られるように、プロジェクタパターンはストライプパターンであり、検出器パターンは、画像センサのピクセル構造である。ここで、プロジェクタパターン４１はストライプパターンであり、検出器パターン４２は、画像センサのピクセルパターンである。また、ソース１の偏光が第１の状態にある場合は明るく、偏光が第２の状態にある場合は暗い第１のエリアタイプ４４と、ソース１の偏光が第２の状態にある場合は明るく、偏光が第１の状態にある場合は暗い第２のエリアタイプ４５、が示されている。
【００５８】
ここで、図１１は、正しい整列での測定物体から見たプロジェクタパターン及び検出器パターンを示し、図１２は、不整列な測定物体から見たプロジェクタパターン及び検出器パターンを示す。
【００５９】
図１１及び図１２はまた、図９及び図１０の、ストライプパターンとしてのプロジェクタパターン４１と、画像センサのピクセルパターンとしての検出器パターン４２と、第１のエリアタイプ４４と、第２のエリアタイプ４５と、に加え、信号を供給しない複数のピクセル４３を示す。
【００６０】
図１１に見られるように、正しく整列されている場合は、すべての検出器ピクセルは信号を提供する。図１２に見られるように、誤整列の場合は、プロジェクタパターンの遷移箇所にあるような検出器ピクセル４３は、弱い信号のみを提供するか、又は信号を全く提供しない。
【００６１】
横方向（側面）の相互整列は、特定の場合において簡略化され得る。例えば、検出器パターンの構造より細かなピクセルパターンを有するＬＣＤディスプレイをプロジェクタパターンに使用する場合、パターンの位置は、ソフトウェアの手段を用いて、検出器パターンの位置に適合させることができる。高解像度画像センサなどの、必要な横方向の解像度よりも細かな構造を有する検出器パターンを使用する場合、弱すぎる信号を送るピクセルを排除することで、整列を省略することができる。
【００６２】
信号の評価の説明を以下に続ける。以下の説明では、光源１ａ及び光源１ｂは、図５に示すように使用されるものとする。しかし、適切に調整することで、本説明は図２〜図４の他の配置構成にも適用される。
【００６３】
スキャナを使用してのスキャンニングは以下の通りに行う。焦点面の位置を調節する。調節中、光源の偏光は、周波数ｆ１などで連続して切り替えられる。スキャン対象物体が、プロジェクタパターンの焦点面から十分に離れている場合、単一の検出器ピクセルが、焦点が合わずにプロジェクタパターンを見ることとなり、図８の２つの表面タイプ４４及び表面タイプ４５から同光量がピクセルにあたる。照明ユニットの２つの光源１ａ及び光源１ｂは、測定した光量が続いて正確に等しくなるよう、例えば、電流を加えることによって、調整される。
【００６４】
スキャン対象物体がプロジェクタパターンの焦点面にある場合、表面タイプ４４又は表面タイプ４５が実際に明るいか否かにより、強度差異が各ピクセルにあたる。
【００６５】
続いて信号が、図１３に示すようにピクセルに現れる。
【００６６】
図１３の例では、物体は、対応するピクセルから５．１５ｍｍの位置にある。信号の周波数は、光源の偏光が切り替えられる周波数ｆ１に対応する。
【００６７】
物体のある位置を探すには、以下の手順にしたがう。信号の狭帯域フィルタリングが周波数ｆ１にて行われ、狭帯域フィルタリング後の信号の最大強度が探索される。
【００６８】
切り替え周波数は相対的に高く、表面に対して多くの交互信号期間が発生することが好ましい。これは交互信号の高度な狭帯域フィルタリングを可能にし、これにより信号のノイズ及びハムをもフィルタリングする。
【００６９】
フィルタリングは理想的にはデジタルフィルタとして実現され、フィルタの切り替え周波数は光源の偏光方向の切り替えと正確に同期される。この目的に、ロックイン型増幅器が理想的に使用される。
【００７０】
フィルタリングにおける意識的な非対称を通して、必要な照明ユニットにおける非対称がまた補償され得る。信号が２つの偏光方向にて正確に同じ強度でない場合、特定の交互信号は焦点からのある距離では等しくなる。これは、光レベルを互いに対して調整することで、又は的確な非対称フィルタリングによって補正され得る。
【００７１】
この狭帯域フィルタリングは理想的には、ＯＣＴ（ＯＣＴ＝光コヒーレンストモグラフィ（Optical Coherence Tomography））アプリケーション用のスマートピクセルセンサを用いて行われる。そのコンテキストにおいては、このフィルタリングは、センサ上の各ピクセルに対して行われる。
【００７２】
狭帯域フィルタリング後のピクセルでの結果としての信号が、図１４のように現れる。
【００７３】
Ｚ位置は、焦点面の位置の測定である。ローカルでの最大又は最小位置にあるものは、対応するピクセルに対する表面である。
【００７４】
天然歯の材質などの協調的でない表面は、図１５に見られるような、同様であるが弱い信号を生成する。
【００７５】
理想的には、Ｚ位置に関する信号は一定となり、パターンが物体上に鮮明に投影されるポイントにてのみ最大又は最小を有する。実際には、信号はいずれの焦点領域においても現実に一定ではない。この理由は、信号に重ね合わせられたノイズ、及び、それぞれ異なる偏光を伴う２つの光源が完全に等しくないという事実に起因する、信号のドリフトである。
【００７６】
しかし、信号ピークの幅は測定デバイスの光学システムに依存し、測定物体の表面タイプに依存しない。したがって、表面の位置は、既知の幅の信号ピークを探すことで見つけることができる。表面はしたがって好適には、この幅の信号ピークを探索することで計算される。この表面は続いて、そのようなピークの最大又は最小強度の位置となる。
【００７７】
本発明によると、プロジェクタパターンの動きが簡略化される、時間と共に変化する、共焦点顕微鏡用のパターンを生成する光学システム及び関連する方法が提供される。
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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