(57)【要約】【課題】  スペックルノイズを低減する。【解決手段】  非平面試料の共焦点画像化に適した装置であって、光ビームを作るための光源、試料の表面上の少なくも１個のスポットに光ビームの焦点を合わせるようにされた画像化用光学系、及び前記試料の表面から反射された光を受け検出するようにされた検出器を備える。光源は、コヒーレント光のビームを複数のビームに変換するための光学系そ備え、これらビームの各は、検出器の集積時間に相関した運動の範囲内で動いているディフューザーにより変更される。【選択図】  図３
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
実質的にコヒーレントな親光源を、前記コヒーレントな親光源と比べて照明の少なくも減らされた空間コヒーレントを有する複数の光源に変換するための光学系であって、
前記コヒーレントな親光源からの親ビームを、各入射ビームがあるスポットに焦点を合わせられている入射ビームのアレイに分割するためのビームスプリッター、及び
前記スポット又はその付近に置かれ、そしてディフューザー配列が少なくも２個の位置間の経路内で動かされたとき、集光された各スポットに異なったディフューザー部分を与えるようにされた動くディフューザー配列
を備える光学系。
【請求項２】
前記コヒーレント光源からの光を視準するためにコリメーター配列を更に備える請求項１による光学系。
【請求項３】
前記ビームスプリッターが、前記コリメーター配列からの視準された光の焦点を複数の前記スポットに合わせるようにされた複数のマイクロレンズを有する固定された格子又は固定されたマイクロレンズアレイを備える請求項２による光学系。
【請求項４】
前記マイクロレンズ素子が、球面又は非球面の平凸レンズ素子のいずれか一方を有する平凸レンズ素子である請求項３による光学系。
【請求項５】
スポットに再び焦点を合わせるように前記スポットに再び焦点合わせをするためのリレーレンズを更に備え、前記動いているディフューザー配列が前記再び焦点の合わせられたスポットに又はその付近に置かれる請求項３による光学系。
【請求項６】
各前記スポットに与えられた前記ディフューザー配列の前記経路の長さ及びその少なくも一つのディフューザー特性は、各スポットからの複数の異なる変更のされた波面を提供するようなものであり、これが、前記光学系を介して照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供する請求項５による光学系。
【請求項７】
前記ディフューザー配列が、
前記光学系の光学軸に関して回転軸オフセットを有する回転ディフューザー素子であって、前記光学系を介して照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中に、各前記スポットの通過した全経路が、十分に変化したディフューザーパターンを与えるような前記ディフューザー素子；
前記光学系の光学軸に関して回転軸オフセットを有する回転ディフューザー素子であって、前記光学系を介して照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中に、各前記スポットの通過した全経路が、十分に変化したディフューザーパターンを示すようなものであるように、各が互いに同じディフューザー特性を有する回転軸回りの等角度の複数のセグメントを備える前記ディフューザー素子；
軌道の中心が前記光学系の光学軸に関して揃えられている回転ディフューザー素子であって、前記光学系を介して照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、軌道における前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中、各前記スポットの通過した全経路が十分に変化したディフューザーパターンを示すようなものであるように、軌道素子内で偏心して回転するようにされた前記ディフューザー素子；
前記ディフューザー配列の任意の整数回の全振幅の移動中、各前記スポットの通過した全経路が、前記光学系を介して照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、十分に変化したディフューザーパターンを示すような振動するディフューザー素子
のいずれか一つを備える請求項６による光学系。
【請求項８】
前記複数の異なったスペックル形態が予定された時間内で得られるように、前記ディフューザー配列の動きが所定の速度を有する請求項６による光学系。
【請求項９】
前記時間が、前記光学系を介して照明された対象物から反射された光を検出するために前記光学系と関連して使用し得る検出器の集積時間に相関させることができる請求項８による光学系。
【請求項１０】
複数の光ビームを提供するための多光源であって、
コヒーレント光の親ビームを提供するための親コヒーレント光源、
各がスポットに焦点を合わせられた入射ビームのアレイに、前記親ビームを分割するためのビームスプリッター、及び
前記スポット又はその付近に置かれ、そしてディフューザー配列が少なくも２位置間の経路において動かされたとき、焦点の合わせられた各スポットに異なるディフューザー部分を与えるようにされた動くディフューザー配列
を備える多光源。
【請求項１１】
前記コヒーレント光源からの光を視準するためのコリメーター配列を更に備える請求項１０による光源。
【請求項１２】
前記ビームスプリッターが、前記コリメーター配列からの視準された光の焦点を複数の前記スポットへ合わせるようにされた複数のマイクロレンズを有する固定された格子又は固定されたマイクロレンズアレイを備える請求項１１による光源。
【請求項１３】
前記マイクロレンズ素子が、球面又は非球面の平凸レンズ素子のいずれか一方を有する平凸レンズ素子である請求項１２による光源。
【請求項１４】
スポットに再び焦点を合わせるように前記スポットに再び焦点合わせをするためのリレーレンズを更に備え、前記動いているディフューザー配列が前記再び焦点の合わせられたスポットに又はその付近に置かれる請求項１２による光源。
【請求項１５】
各前記スポットに与えられた前記ディフューザー配列の前記経路の長さ及びその少なくも一つのディフューザー特性が、各スポットからの複数の異なった変更された波面を提供するようにされ、これが前記光源により照明された対象物における対抗した複数の異なったスペックル形態を提供する請求項１４による光源。
【請求項１６】
前記ディフューザー配列が、
前記光学系の光学軸に関して回転軸オフセットを有する回転ディフューザー素子であって、前記光源により照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中に、各前記スポットの通過した全経路が、十分に変化したディフューザーパターンを与えるような前記ディフューザー素子；
前記光学系の光学軸に関して回転軸オフセットを有する回転ディフューザー素子であって、前記光源により照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中に、各前記スポットの通過した全経路が、十分に変化したディフューザーパターンを示すようなものであるように、各が互いに同じディフューザー特性を有する回転軸回りの等角度の複数のセグメントを備える前記ディフューザー素子；
軌道の中心が前記光学系の光学軸に関して揃えられている回転ディフューザー素子であって、前記光源により照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、軌道における前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中、各前記スポットの通過した全経路が十分に変化したディフューザーパターンを示すようなものであるように、軌道素子内で偏心して回転するようにされた前記ディフューザー素子；  前記ディフューザー配列の任意の整数回の全振幅の移動中、各前記スポットの通過した全経路が、前記光源により照明された対象物における対応した複数の異なるスペックル形態を提供するように、十分に変化したディフューザーパターンを示すような振動するディフューザー素子
のいずれか一つを備える請求項１５による光源。
【請求項１７】
前記複数の異なったスペックル形態が予定された時間内で得られるように、前記ディフューザー配列の動きが所定の速度を有する請求項１５による光源。
【請求項１８】
前記時間が、前記光学系を介して照明された対象物から反射された光を検出するために前記光学系と関連して使用し得る検出器の集積時間に相関させることができる請求項１７による光源。
【請求項１９】
非平面試料の共焦点画像化に適した装置であって、前記装置が光学軸と所定の横方向解像度とを有し、更に光ビームを作るための光源、試料の表面上の少なくも１個のスポットに光ビームの焦点を合わせるようにされた画像化用光学系、及び集積時間を有しかつ前記表面から反射された光を受け検出するようにされた検出器を備え、前記光源が
コヒーレント光の親ビームを提供するための親コヒーレント光源、
各がスポットに焦点を合わせられた入射ビームのアレイに、前記親ビームを分割するためのビームスプリッター、及び
前記スポット又はその付近に置かれ、そしてディフューザー配列が少なくも２位置間の経路において動かされたとき、焦点の合わせられた各スポットに異なるディフューザー部分を与えるようにされた動くディフューザー配列
を備える前記装置。
【請求項２０】
前記コヒーレント光源からの光を視準するためのコリメーター配列を更に備える請求項１９による装置。
【請求項２１】
前記ビームスプリッターが、前記コリメーター配列からの視準された光の焦点を複数の前記スポットに合わせるようにされた複数のマイクロレンズを有する固定された格子又は固定されたマイクロレンズアレイを備える請求項２０による装置。
【請求項２２】
前記マイクロレンズ素子が、球面又は非球面の平凸レンズ素子のいずれか一方を有する平凸レンズ素子である請求項２１による装置。
【請求項２３】
スポットに再び焦点を合わせるように前記スポットに再び焦点合わせをするためのリレーレンズを更に備え、前記動いているディフューザー配列が前記再び焦点の合わせられたスポットに又はその付近に置かれる請求項２１による装置。
【請求項２４】
各前記スポットに与えられた前記ディフューザー配列の前記経路の長さ及びその少なくも一つのディフューザー特性が、各スポットからの複数の異なった変更された波面を提供するようにされ、これが前記光源により照明された対象物における対抗した複数の異なったスペックル形態を提供する請求項２３による装置。
【請求項２５】
前記複数の異なったスペックル形態が所定に時間内に得られるように、前記ディフューザー配列の動きが所定の速度を有する請求項２４による装置。
【請求項２６】
前記時間が前記検出器の集積時間に関連付けられる請求項２５による装置。
【請求項２７】
独立した前記スペックル形態の平均化がディフューザーの動きの完全な１周期にわたり又はその一部分で行い得るように、前記ディフューザー配列の動きが、前記検出器の前記集積時間と同期される請求項２６による装置。
【請求項２８】
前記ディフューザー配列が、
前記光学系の光学軸に関して回転軸オフセットを有する回転ディフューザー素子であって、対応した複数の異なるスペックル形態を前記検出器に提供するように、前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中に、各前記スポットの通過した全経路が、十分に変化したディフューザーパターンを与えるような前記ディフューザー素子；
前記光学系の光学軸に関して回転軸オフセットを有する回転ディフューザー素子であって、複数の異なるスペックル形態を検出器に提供するように、前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中に、各前記スポットの通過した全経路が、十分に変化したディフューザーパターンを示すようなものであるように、各が互いに同じディフューザー特性を有する回転軸回りの等角度の複数のセグメントを備える前記ディフューザー素子；
軌道の中心が前記光学系の光学軸に関して揃えられている回転ディフューザー素子であって、対応した複数の異なるスペックル形態を検出器に提供するように、軌道における前記ディフューザー配列の任意の整数回の完全回転中、各前記スポットの通過した全経路が十分に変化したディフューザーパターンを示すようなものであるように、軌道素子内で偏心して回転するようにされた前記ディフューザー素子；
前記ディフューザー配列の任意の整数回の全振幅の移動中、各前記スポットの通過した全経路が、対応した複数の異なるスペックル形態を検出器に提供するように、十分に変化したディフューザーパターンを示すような振動するディフューザー素子
のいずれか一つを備える請求項２６による装置。
【請求項２９】
対象物からの反射光を前記検出器に向けるために、装置が第２のビームスプリッターを更に備える請求項１９による装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案はコヒーレント光源が使用される画像形成光学機器を有する光学システムでのスペックル（speckle）ノイズの低減に関し、光学システムで使用するためのコヒーレント光源からの低コヒーレンス高強度光の発生に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像形成用光学システムに於けるレーザーの様なコヒーレント光源の使用に付随する共通した困難はスペックルとして知られる現象である。スペックルは、粗面から散乱されたコヒーレント光が、観察者の眼又は検出器の様な、有限のアパーチャを有する強度検出器により検出される時起こる。スクリーン上の画像は該検出器解像度スポットと等しい寸法を有する小面積に量子化されて見える。該検出されたスポット強度は、該スポット内部の散乱点の寄与が相殺的に干渉する場合の、最も暗い状態から、それらが建設的に干渉する場合の、最も明るい状態まで、ランダムに変化する。このスポット間の強度変動がスペックルと称される。検出器上での最終スペックルされた（speckled）光信号は、該画像形成システムでどんなセンサーが使用されても、空間的及び時間的ノイズとして現れる。
【０００３】
スペックルを低減することは、種々の相関が無く、干渉しない反射ビームから得られた、多数の独立したスペックル構成、を平均化することを含むと知られている。スペックルが本質的に３つの光のパラメーター：照明用レーザービームの角度、偏光、及び波長、に左右されるので、独立したスペックル構成はこれら３つの光パラメーターの何れかの多様化（diversification）を通して発生され得る。スペックルの問題を解決するために、ディフューザー（diffusers）及び／又は運動光学素子により、又は偏波多様化（polarization diversification）により、得られる、角度多様化に主として基づき、多くの企てが行われた。
【０００４】
イー（Ih）への特許である特許文献１では、角度多様化が得られる揺れ運動（rocking motion）を有するミラー上に拡散光を向けることを含むコヒーレント光画像形成システムで画像創成を改良する過程と装置が開示されている。該揺れ運動は該反射光を、２次元範囲にスイープさせ、その反射光を、画像創成での使用のため該光線をコリメートする前に、ディフューザーを通して焦点合わせさせる。該ミラーが設置される３つの独立ピエゾ電気結晶に電圧の組合せを印加することが該ミラーの該揺れ運動を生じる。
【０００５】
シャラペノック他（Shalapenok, et al.）への特許である特許文献２は、ディフューザーの使用によりそしてそのレーザーパラメーターに関係する回転速度を有する回転マイクロレンズ配列により、得られる角度多様化により、光学システム内のスペックルを除去するための方法と装置を説明している。静止ディフューザーのマイクロレンズ照明が起こり、結果的に均一でスペックルの無い照明となる大きな面積を提供する。
【０００６】
スカリーへの特許である特許文献３は、その粗さ（roughness）がレーザー光の波長を越える遠いターゲットから反射されるレーザー光用のレーザーターゲットスペックル除去器（laser target speckle eliminator）を開示している。該装置は、それらの全部が直列光学整合関係にある、半波長板部材（half-plate wave member）、第１偏波ビームスプリッター部材、全反射直角プリズム、及び第２偏波ビームスプリッター部材を有する。組み合わせて使うと、該部品は既知のコヒーレンス長さを有する直線（すなわち、垂直な）偏波レーザー光ビームを、相互にコヒーレントでない２つの同時入射、直交偏波ビームに変換する。最終ビームは該レーザーの既知のコヒーレンス長さを越える光路差を有し、それによりそのシステム内のスペックルを除去する。
【０００７】
ザビスランへの特許である特許文献４では、直交偏波された剪断ビーム（sheared beams）を利用することにより画像形成された部分の外（上及び下）にある散乱体からのスペックルを減じる走査レーザー共焦点顕微鏡法システム（scanning laser confocal microscopy system）が開示されている。該剪断ビームは横又は垂直にオフセットしたスポットに焦点合わせされる。該偏光ビームは反対向きの円偏波を有する。
【特許文献１】米国特許第４、１５５、６３０号明細書
【特許文献２】米国特許第６、０８１、３８１号明細書
【特許文献３】米国特許第４、５１１、２２０号明細書
【特許文献４】米国特許第６、５７７、３９４号明細書
【特許文献５】米国特許第６、６９７、１６４号明細書
【考案の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本考案に依れば、コヒーレント光を使用する画像形成システムでスペックル低減のための、そして共焦点画像形成により非平坦対象／標本の表面プロフアイルを決定するために有用な、方法と装置が提供される。この様な画像形成を行うために、該装置は典型的に、共焦点アパーチャーと、入射ビームを複数の軸方向位置に焦点合わせするための手段と、を具備する。共焦点顕微鏡法としても知られる、この様な画像形成では、該共焦点画像形成過程が、大抵のスペックルが起こる時にその標本表面にレーザー光を焦点合わせする必要があるのでスペックルは特に問題である。
【０００９】
かくして、本考案は非平坦標本の共焦点画像形成に好適な装置に向けられており、前記装置は、光軸と予め決められた横解像度とを有しており、そして光ビームを作るための光源と、該光ビームを標本の表面上の少なくとも１つのスポット内に焦点合わせするよう適合された画像形成光学機器と、そして積分時間を有しそして前記表面から反射された光を受け、検出するよう適合された検出器とを具備しており、前記光源は、
コヒーレント光の親ビームを提供するための親コヒーレント光源と、
前記親ビームを、各ビームがスポットに焦点合わせされた入射ビームの配列に分割するためのビームスプリッターと、そして
前記スポットに又はその近くに位置する移動ディフューザー配備であるが、該ディフューザー配備が少なくとも２つの位置間の通路内を動かれた時各焦点合わせされたスポットに異なるディフューザー部分を与えるよう適合された該移動ディフューザー配備と、を備えている。
【００１０】
好ましくは、該装置は更に、前記コヒーレント光源からの光をコリメートするためのコリメーター配備を具備するのがよい。該ビームスプリッターは固定グレーテイング、又は前記コリメーター配備からのコリメートされた光を複数の前記スポットに焦点合わせするよう適合された複数のマイクロレンズ素子を含む固定マイクロレンズ配列を有してもよい。この様なマイクロレンズ素子は、該レンズ素子の下流のスポットに焦点合わせするために、球面の又は非球面の平凸レンズ素子の何れか１つを含む、典型的平凸レンズ素子である。該装置は更に前記スポットを再焦点合わせされたスポットに再焦点合わせするためのリレイレンズを含むのがよく、そこでは前記移動ディフューザー配備は前記再焦点合わせされたスポットに又はその近くに配置される。前記ディフューザー配備の前記路の長さと各前記スポットに与えられたその少なくとも１つのディフューザー特性は、前記源により照明された対象で対応する複数の異なるスペックル構成を提供する、各スポットからの複数の異なる修正された波頭を提供する様なものである。該ディフューザー配備の運動は典型的に、前記複数の異なるスペックル構成が予めきめられた時間間隔内に得られるように予め決められた速度を有する。この時間間隔は前記検出器の積分時間間隔と相関を取られてもよい。典型的に、前記ディフューザー配備の前記運動は、独立した前記スペックル構成の平均化がディフューザー運動の１つの全期間（one full period）又はその１部に亘り行われるように前記検出器の前記積分時間に同期化される。
【００１１】
該ディフューザー配備は、例えば、
（ａ）前記ディフューザー配備の何等かの整数の完全回転中に各前記スポットにより受けられる全路が前記検出器に対応する複数の異なるスペックル構成を提供するように充分に異なるディフューザーパターンを与えるようなものであるよう、前記システムの光軸に対しオフセットされた回転軸線を有する回転ディフューザー、
（ｂ）前記システムの光軸に対しオフセットされた回転軸線を有する回転ディフューザー素子であるが、前記ディフューザー素子は、前記ディフューザー配備の何等かの整数の完全なセグメント中に各前記スポットにより受けられる全路が、前記検出器へ対応する複数の異なるスペックル構成を提供するよう充分に異なるディフューザーパターンを与えるようなものである様な、各々がもう一つに対し同一のディフューザー特徴を有する、複数の該回転軸線の周りに等しい角度のセグメントを含む該回転ディフューザー素子、
（ｃ）軌道要素内で偏心して回転するよう適合された回転ディフューザー素子であるが、該軌道の中心は、該軌道内での前記ディフューザー配備の何等かの整数の完全回転中各前記スポットにより受けられる全路が前記検出器へ対応する複数の異なるスペックル構成を提供するように充分に異なるディフューザーパターンを与えるようなものである様に、前記システムの光軸線に対し整合されている様な、該回転ディフューザー素子、
（ｄ）前記ディフューザー配備の何等かの整数の全振幅並進中各前記スポットにより受けられる全路が、前記検出器へ対応する複数の異なるスペックル構成を提供するように、充分に異なるディフューザーパターンを与える様なものであるような、振動するディフューザー素子、
の何れか１つを含んでもよい。
【００１２】
該装置は更に対象から反射された光を前記検出器へ向けるための第２ビームスプリッターを具備する。
【００１３】
非平坦標本の共焦点画像形成するための対応する方法では、該方法は
コヒーレント光源と検出器を含む装置を提供する過程と、
コヒーレント光源からの親ビームを、各ビームがスポットに焦点合わせされた入射ビームの配列に分割する過程と、
ディフューザー配備を前記複数の第２光ビームの元へ移動する過程と、該ディフューザー配備が少なくとも２つの位置間で動かされる時異なるディフューザー部分を各前記第２ビームへ与える過程と、
画像形成光学機器により該入射ビームを該標本の表面上の少なくとも１つのスポット内に焦点合わせする過程と、
該表面により反射された光を該検出器の方へ向ける過程と、具備しており、
前記ディフューザー配備が該検出器の積分時間内に前記位置間を動かされる。
【００１４】
該方法は更に前記コヒーレント光源からの光をコリメートする過程を具備してもよい。親ビームは固定グレーテイング又は、コリメートされた光を複数の前記スポットに焦点合わせするよう適合された複数のマイクロレンズ素子を含む固定マイクロレンズ配列、により分割されてもよい。該方法は更に前記スポットを再焦点合わせする過程と、前記ディフューザー配備を、前記再焦点合わせされたスポットで又はその近くで少なくとも２つの位置間で動かす過程とを具備してもよい。前記ディフューザー配備の運動の路の長さと各スポットに与えられるその少なくとも１つのディフューザー特性は、前記入射ビームにより照明された対象で対応する複数の異なるスペックル構成を提供する、各スポットからの複数の種々の修正された波頭を提供する様なものである。前記ディフューザー配備の運動は典型的に、独立した前記スペックル構成の平均化がディフューザー運動の１つの全期間又はその部分に亘り行われるように前記検出器の前記積分時間に同期化される。該方法に依れば、該ディフューザー配備は、例えば、本考案の装置について説明された何れかの配備を含んでもよい。
【００１５】
本考案は又実質的にコヒーレントな親光源を、前記コヒーレントな親光源に比して照明の少なくとも低減された空間的コヒーレンスを有する複数の光源に変換する光学システムに向けられており、この様なシステムは例えば、前記装置で有用である。該システムは前記複数の光源の個別光源が該親光ビームの強度から遙か下ではない強度を含む様なものである。該親光源に対する該複数の光ビームの相対強度はＳ％であり、そこではＳは約７０％から約９０％の間の範囲内にあり、より好ましくは約８５％から約９９％の範囲内にあるのがよい。該システムは、
前記コヒーレントな親光源からの親ビームを各ビームがスポットに焦点合わせされる入射ビームの配列に分割するためのビームスプリッターと、そして
前記スポットに又はそれに近く配置され、該ディフューザー配備が少なくとも２つの位置間の通路内を動かされる時異なるディフューザー部分を各焦点合わせされたスポットに与えるよう適合された、移動ディフューザー配備とを具備する。
【００１６】
典型的に、該システムは更に前記コヒーレント光源からの光をコリメートするためのコリメーター配備を具備する。該ビームスプリッターは固定グレーテイング又は、前記コリメーター配備からのコリメートされた光を複数の前記スポットに焦点合わせするよう適合された複数のマイクロレンズ素子を含む固定マイクロレンズ配列を具備してもよい。前記マイクロレンズ素子は球面の又は非球面の平凸レンズ素子を含む、平凸レンズ素子であってもよい。典型的に、該システムは更に前記スポットを再焦点合わせされたスポットに再焦点合わせするためのリレーレンズを具備してもよく、そこでは前記移動ディフューザー配備は前記再焦点合わせされたスポットに又はその近くに配置される。前記ディフューザー配備の前記路の長さ及び各前記スポットに与えられたその少なくとも１つのディフューザー特性は、前記システムを介して照明された対象に対応する複数の異なるスペックル構成を提供する、各スポットからの複数の異なる修正された波頭を提供する様なものである。
【００１７】
該ディフューザー配備は、例えば、本考案の該装置について説明された構成の何れか１つを具備してもよく、そこでは何れの場合も、対応する複数の異なるスペックル構成は前記システムを介して照明される対象で提供される。
【００１８】
該ディフューザー配備の運動は典型的に、前記複数の異なるスペックル構成が予め決められた時間間隔内に得られる様な予め決められた速度を有し、該時間間隔は、前記システムを介して照明される対象から反射される光を検出するための前記システムと連携して使用される検出器の積分時間間隔と相関させられてもよい。
【００１９】
コヒーレントな光源を前記コヒーレンスな光源に比して照明の低減された空間的コヒーレンスを有する複数の光源に変換するための対応する方法では、該方法は
コヒーレントな光源からの親ビームを、各ビームがスポットに焦点合わせされる入射ビームの配列に分割する過程と、そして
前記スポットに又はその近くに配置されたディフューザー配備を動かす過程と、該ディフューザー配備が少なくとも２つの位置間の路内を動かされる時異なるディフューザー部分を各焦点合わせされたスポットに与える過程と、を具備する。
【００２０】
該方法は更に前記コヒーレントな光源からの光をコリメートする過程を具備する。親ビームは固定グレーテイング又はコリメートされた光を複数の前記スポットに焦点合わせするよう適合された複数のマイクロレンズ素子を含む固定マイクロレンズ配列により分割される。該方法は、オプションとして、該スポットを再焦点合わせする過程と、前記再焦点合わせされたスポットで又はその近くで少なくとも２つの位置間で前記ディフューザー配備を動かす過程を具備してもよい。前記ディフューザー配備の移動の路の長さ及び各前記スポットに与えられる少なくとも１つのそのディフューザー特性は、前記入射ビームにより照明される対象で対応する複数の異なるスペックル構成を提供する、各スポットからの複数の異なる修正された波頭を提供するようなものである。該ディフューザー配備は、例えば、該光学システム用に説明された構成の何れかを具備してもよい。該ディフューザー配備は、前記複数の異なるスペックル構成が予め決められた時間間隔内に得られる様な予め決められた速度で動かされてもよく、該時間間隔は本方法により発生される複数の光源により照明される対象から反射される光を検出するために使用される検出器の積分時間間隔と相関させられてもよい。
【００２１】
本考案は複数の光ビームを提供するための多数光源に関し、
コヒーレントな光の親ビームを提供するための親コヒーレント光源と、そして
本考案の光学システムと、
を具備する。
【００２２】
本考案は歯の面、特に歯とその部分及び／又は義歯の３次元画像形成に応用を見出すが、尤も本考案はこの様な応用に限定されず、スペックル低減が望まれる又は必要とされるどんな他の応用でも使用されてよい。オプションとして、本考案の装置と対応する方法を用いた患者の歯の空洞の表面のトポロジー的データは歯科開業医のオフイスに於ける様な第１の場所で得られてもよい。このデータは、例えば、義歯を設計及び／又は製造するための様な、或いは歯科矯正治療用の様な歯科治療プランを設計するため、の様などんな適当な目的ででも、例えば、歯科用ラボ又は歯科用サービスセンターの様な、１つ以上の他の遠隔の場所へ該第１の場所からオプションで伝送されてもよい。
【実施例１】
【００２３】
本考案を理解し、実際にそれが如何に実行されるかを見るために、付属する図面を参照して、限定的でない単なる例により、実施例が説明される。
【００２４】
図１は、希望の横方向又は軸方向の解像度で物体／試料、例えば、歯の表面の三次元輪郭又は形状を決定するための典型的な従来技術の装置を示している。装置は、コヒーレント光源１２となるレーザー１０、放散光をビーム１６に平行化するためにレーザーの前に配置されたコリメータレンズ１４、平行ビーム１６が通過するビームスプリッター１８、形状を決定すべき平坦でない試料２２へのビーム１７（以後、入射光ビームという）に光ビームを集光するための対物レンズ２０の形になっている光学的画像処理要素から成る共焦点画像処理システムである。上記要素は光軸Ａに沿って配置されている。試料２２は透視図で示されていて、それが長さと幅（光軸Ａに垂直なＸ−Ｙ軸内）だけでなく、深さ（光軸Ａと一致するＺ方向）を含んでいることを強調している。試料２２を照明し、その上にスポット３８を形成する入射光ビーム１７がレンズ２０を通って反射し、レンズ２０を通過して、ビームスプリッター１８に向かう反射ビーム１９を作る。さらに、装置は、積分時間を有する画像検出器及び集束レンズ２６と、この検出器とビームスプリッターの間に配置された共焦点開口部又はピンホール２８を含み、ビーム１９がビームスプリッター１８により反射され、集束レンズ２６とピン・ホール２８を通って検出器３０に向かう。
【００２５】
試料２２を、その試料の軸方向移動により、又は、対物レンズ２０の軸方向移動により軸方向（Ｚ軸）に走査するとき、それは入射光ビーム１７がその表面に焦点を合わせているか、又は、合わせていない位置になる。後者の場合、反射光１９はピンホール２８により部分的に遮断されるので、検出器３０で低強度信号を生じる。試料２２が焦点内の位置に近くなると、ピンホール２８を通る光の量が増加し、最良の焦点で検出器３０からの信号が最大になる。
【００２６】
それゆえ、信号の強度は走査したポイントの深さ（即ち、Ｚ軸に沿った）に関係する。いくつかの深さ（Ｚ座標）で画像処理を行なうことにより、強度の輪郭が得られる。それは光学的断面輪郭（ＯＳＰ）３４として知られている。ＯＳＰ３４のピークは走査されている試料の表面位置の相対的深さ又は位置を示す。試料表面の全てのＸ及びＹの位置に対する深度走査プロセスを繰返すことにより、完全な三次元輪郭又は形状を得られる。
【００２７】
反射光のスペックル(speckle)現象により、図１の波状線３６として示したノイズを含むＯＳＰ３４となり、深さの座標決定の正確性を損なう。試料２２の上の走査スポット３８が焦点に近いほど、スペックル・コントラストが強くなるので、検出器３０により記録されたノイズがＯＳＰ３４のピークでより顕著になる。ピークは最も望ましくない場所である。
【００２８】
図２は図１に示すのと同様であるが、さらに、レーザー１０の焦点面又はその近くに光ディフューザー４０を含めた装置を示している。ディフューザー４０は矢印４４及び４６により示されているディフューザーの周期的運動を生じるために運動／振動機構４２を有している。
【００２９】
ディフューザー４０はレーザー・スポットが小さくなる位置−焦点近くではあるが、焦点ではない位置−に置かれる。ディフューザー４０は希望のソース(source)開口数に合った散乱特性を有し、スペックルがその全コントラスト範囲で変化するような周波数と振幅で振動する。ディフューザー４０は振動する一方で、対物レンズ２０は検出器３０の捕捉期間に同期するように動かせて、そのレンズ運動の一周期又はその一部に亘ってスペックルの平均化が行なわれる。
【００３０】
積分された平均化信号が露光時間を通じて集められ、記録される。相対的に滑らかなＯＳＰ３５０を作るために、上記のことが各深さ位置について反復される（対物レンズ２０又は試料２２の軸方向運動）。
【００３１】
図３及び４は本考案の実施例を示していて、特許文献５で開示された様式に基づいて一般的に数字３００として表示されているマルチ・スポット平行共焦点システムから成っている。このシステム３００では、格子ないしスポット・アレー(spot array)７０が（歯として示されている）試料２２を照明していて、アレーの各スポット７０ｎが試料を軸方向に走査して、相対的に滑らかなＯＳＰ４９ｎを生じる。言い換えると、アレー７０内で照明している各スポット７０ｎが深さの走査を行なう。スポット・アレー７０は集光光学系２００を経由して試料２２上に向けられる。集光光学系２００はビームスプリッター１８と、光源側対物レンズ７６及び試料対物レンズ７８を含む拡大光学系から成っている。反射光は同じレンズ７６及び７８とビームスプリッター１８を経由してｎ個の検出器要素のアレーを有し、又、マイクロレンズアレー７４のマイクロレンズ７４ｎに対応するピンホール８０を有する検出器８２に向けられる。検出器８２は集光光学系２００と位置合わせされていて、個々の検出器要素が、光源１００により提供される複数の光源から生じる対応する個々の反射光ビームと位置合わせされている。
【００３２】
本考案の光源１００を用いて発生されたもののような比較的非コヒーレントの光を用いるとき、相対的に滑らかなＯＳＰ４９ｎが検出器アレー８２の各検出器要素から生じるので、各スポット７０ｎからＺ座標が決定される。
【００３３】
図４に示すように、多数の光源１００がシステム３００の一部として用いるのに適するようになっていて、光学系１５０によりコヒーレント光源１１０から複数の高強度の光源１９０ｎを提供し、複数の光源１９０ｎのコヒーレンスがコヒーレント光源１１０のコヒーレンスに対して有意に低下する。同時に、複数光源の内の少なくとも多数の個別光源１９０ｎの強度が設定限度内、例えば、元の光源１１０の強度のＳ％以内に維持される。さらに、前記の各個別光源１９０ｎが供給する光は実質的に均一である。Ｓの値は好ましくは約７０％から約９０％の範囲内であり、より好ましくは、約８５％から約９９％の範囲内である。
【００３４】
理論に拘束されることなく、ディフューザーを組込んだ従来技術の光学系で一般的に真実であるように、レーザー光源の近くにディフューザーを置くこと（ここでは「データ光源系」と呼ぶ）により得られる全体的な散乱又は拡散の角度は、マイクロレンズアレーにより与えられる複数光源の最初の位置又はその近くにディフューザーを置く場合、及び、データ光源システムと同じコヒーレント光源を用いる場合に得られる個々の散乱の合計よりずっと高くなる。従って、与えられた光源／物体の設定に対して、本考案の光源により提供される全体的散乱が比較的低いことにより、前述の同等のデータ光源系と比較して、その強度が親光源から一定距離で大きな値に維持される。ディフューザー７５は光源１９０ｎから生じるビーム拡散を生じ、個々の波面にランダムな位相の不均一性を生じ、それにより、そのコヒーレンスを低下させる。
【００３５】
それゆえ、光源１００はコヒーレント親光源１１０から単一のコヒーレント入射ビーム、典型的にはレーザービーム７２を発生する。そのビーム７２はレーザー・コリメーター７１により平行化され、前記システム１５０内に含まれる複数のマイクロレンズ７４ｎから成るマイクロレンズアレー７４に進む。アレー７４は、マイクロレンズ７４の焦点１０５にスポットとして集光された複数の入射ビームを生じる。マイクロレンズごとに１スポットであり、それにより、集光光学系２００を介して希望のスポット・アレー７０を生じる。それで、焦点１０５でのスポットは個別光源として機能する。マイクロレンズアレー７４は、空間的には、光軸Ａに対して少なくとも直交した方向に固定される。そして、マイクロ・レンズ７４ｎは、それぞれが光源１１０から下流方向に集束ビームの形で個別光源を提供するように構成されている。それゆえ、マイクロレンズ７４ｎは典型的に平凸であり、全てのマイクロレンズについて、下流方向に向かった共通平面を有している。各マイクロレンズ７４ｎについて個々の上流側の面は希望の曲率を持つ球面又は非球面としうる。実際には、マイクロレンズアレー７４の物的寸法、特に光軸Ａ方向の厚みは、マイクロレンズアレー７４の焦点１０５を含む焦点面がマイクロレンズ基板１０６内に、即ち、アレー７４の平面の上流になるようにしている。以下で詳細に示すようにリレー・レンズ７３は運動する光ディフューザー７５上にビームを再集光する。そして、ディフューザー７５のこれらの焦点は前記の光源１９０ｎとして機能し、ディフューザー７５のこれらの点から発した光ビームは低いコヒーレンスになっている。その一方で、上記の設定範囲内の強度を維持している。
【００３６】
選択肢として、マイクロレンズは上流側が平坦な面をしていて、スポットに集光するために下流側の面に複数の凹面を有する。マイクロレンズアレー内の個別マイクロレンズ構成の種々の組合わせを含めて、他の多くの構成がもちろん可能である。他の実施例では、マイクロレンズアレーが適当な格子により置換えられる。
【００３７】
この実施例では、リレー・レンズ７３が単一倍率を有していて、マイクロレンズの焦点１０５がマイクロレンズ基板１０６の外になり、ディフューザーがマイクロレンズアレー７４により与えられるスポット上で機能しうる。マイクロレンズアレー７４の厚みが、マイクロレンズアレー７４により集光されたスポットがマイクロレンズアレーのボディ内になるようにした実施例では、滑らかでない物体を光源１００で照らすときに、光のコヒーレンズを乱して、スペックルを低減させるために、リレー・レンズ７３又は同等の光学的構成を用意する必要がある。選択肢として、リレー・レンズ７３の倍率を１より大きく又は小さくする。適合させるのに必要な他の条件は、最小ディフューザー・セル（これはディフューザーの「分解能」又はディフューザーの拡散ないし散乱の角度−類似の位相特性を持つディフューザーの基本特性部分である）が単一の共焦点スポット内に含まれなければならなということである。この目的で、典型的には、特に上質の光ディフューザーが求められる。
【００３８】
他の実施例では、焦点１０５の焦点面が物理的にマイクロレンズアレー７４の下流側になり、リレー・レンズ７３が用いられ、運動ディフューザー７５が焦点１０５の面に位置していて、この場合、ここでディフューザー上に集光された位置が前記光源１９０ｎとして機能して、ディフューザー７５のこれらの点から生じた光ビームはコヒーレンスが低く、その一方で、設定範囲内に強度を実質的に維持する。
【００３９】
平行の共焦点スポットのアレイシステム３００において、複数の光源１００によりもたらされる各個別の光源１９０ｎは、非平滑表面が光源１９０ｎにより照射される時に適当なコヒーレントの減少が各光源１９０ｎに対して達成されて、スペックルの除去もしくは減少をもたらすように、ディフューザー７５によりもたらされる対応するディフューザー素子で個別に処理される。
【００４０】
集束光学素子２００は、同一の光学素子を光線を投射し、感知するために使用するので、光源とディテクターの間に単一の拡大ファクターを含んで成る。
【００４１】
以上の事実をより簡明に表わすと、２種の矛盾する傾向が存在する。一方ではディテクターが幾つかのディフューザー特性を含むように十分なディフューザー特性を提供する必要があり、他方では、精巧なディフューザー特性より強度に光線を拡散するので、このような状況はコリメータの絞り（ａｐｅｒｔｕｒｅ）のオーバーフィルをもたらす。これは輝度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）不十分を引き起こすであろう。
【００４２】
本考案においては、直接その直後のディフューザーにより光線７２のコヒーラントを減少することを試みるよりむしろ、各光源１９０ｎを、これらの光源１９０によりもたらされる各光線のコヒーラントを減少するように、動くディフューザーにより個別に処理する。
【００４３】
各光源１９０ｎに対するディフューザー７５の動きは、各個別の光源１９０ｎからの光線がディテクター８２の各整合間隔に付き同一組み合わせのディフューザー素子を通過するようなものである。
【００４４】
ディフューザー７５の経路の長さ及び、各個別の光源１９０ｎにもたらされるディフューザーの特徴、例えばパターンの輝度は、最大の統計学的試料収集のために、各光源１９０ｎからできるだけ多数の異なって修飾された波面を提供して、対象物２２において対応する複数の異なるスペックル形態をもたらすものである。しかし、光線の拡散は検出装置８２の平行分解（ｌａｔｅｒａｌ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）よりもまだ小さい。ディフューザーの動きは独立したスペックル形態の平均化がディフューザーの動きの全期間もしくはその一部にわたり実施され得るように、ディテクター８２の整合時間に同期化される。
【００４５】
ディテクター８２はこれらの個別のスペックル形態を平均化し、それにより図３に示すように各光源１９０ｎに対して比較的平滑なＯＳＰ４９ｎをもたらす。整合時間の期間中に収集される平均化信号は既知の手段により自動的に記録することができ、更なる考察を省かれる。
【００４６】
いまや、ディフューザー７５を動きするための多数の代表的な配列を説明する。
【００４７】
図５において、ディフューザー７５は光学軸Ａと平行であるが食い違ったその回転中心３２２を有する円形の拡散ディスク３２０を含んで成る。ディフューザーはωの方向に回転するので、そこから発信する光線がディフューザー７５を通過した後に光源１９０ｎになるであろう各集束スポットはディフューザーの周囲もしくはその近辺で円形の経路３２５を動きする。この場合、ディフューザーはディテクターの整合時間内に整数回（具体的には１回）回転し、従って輝度変調（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を平均化する。ディフューザーの完全回転中に個別の光源１９０ｎが通過した全経路３２５はスペックル効果を打ち消すように平均化することができる十分に多数の異なって修飾された光線を提供するように十分に多様なディフューザーパターンを提供するようなものである。
【００４８】
図６においては、４２２に中心をもつディフューザーディスク４２０がそれぞれ、他方と同一のディフューザー特性を有する、複数の等角度の切片４２８に分断された点の異なる、図５とものと同様な配列が示される。この場合、ディフューザーはディテクターの集約時間内に整数回（具体的には１回のみ）各切片４２８に対応する円弧を回転する必要があり、従って、輝度変調を平均化する。各切片の個別の光源１９０ｎが通過する完全経路４２５はスペックル効果を消去するように平均化することができるように十分に多数の異なる修飾された光線を提供するように十分に多様なディフューザー形態をもたらすものである。各光源１９０ｎに対して恒常性を維持するように各切片に同一形態が繰り返される。この配列はディスク４２０の回転速度をディスク４２０中の切片の数に等しい因数だけ減少させる。
【００４９】
図７において、図示された配列に従う動くディフューザー７５は、ディスク５２０の回転中心５２２が軌道５２３の中心５２５の周囲の経路５２６に沿って動くように、軌道５２３内での回転のために偏心して設置されたディスク５２０の形態にある。この例においては軌道中心５２５は光学軸と同軸であり、ディスク５２０は、各光源１９０ｎがその完全回転に対してディスク５２０の一部をスキャンするように十分大きい。従って、動くディフューザーのサイズは図５及び６に示した例のものより小さい。これ以外は、このディフューザーは必要な変化を加えて、図５又は図６に記載のものと同様に作動する。
【００５０】
図８にはより小型のディフューザー配列を示す。ディフューザーはその最小サイズがスポットに関して必要な移動量に対応する、振動するディフューザーパネル６２０を含んで成る。パネル６２０は直線的に振動し、ディフューザーの特徴とともに、振動振幅は光源１９０ｎに、この期間内にスペックル効果を平均化するように、ディテクター整合時間内に最大数の独立したディテクターパターンを与える必要を満たすようになっており／操作される。具体的には、このような動き又は、ミクロレンズ配列７４により集光されるような１個のレーザースポットのサイズの、数倍の次元（ディテクターの整合時間内に幾つの異なるスペックル形態を発生することができるかに応じて）が必要であるのみである。このような配列は例えば、周知であり更なる説明を要さない任意の適当な圧電モーターを使用して起動することができる。
【００５１】
パネル６２０の動きは往復で直線的であるので、各与えられたレーザースポットもしくは光源１９０ｎは動き期間後とにディフューザー上の同一部位に当たるであろう。従ってパネル６２０の振動数はディテクター８２の整合数の半分に設定することができる。個別の光源１９０ｎが通過する完全経路６２５はスペックル効果を打ち消すように平均化することができる各スポット１９０ｎに対して十分に多数の異なる修飾された光線を提供するように十分に多様なディフューザー形態をもたらすようなものである。
【００５２】
以下の方法の請求の範囲において、請求項の段階を表わすために使用される英数字及びローマ数字は便宜上与えられたもので、段階を実施するどんな具体的な順序をも意味しない。
【００５３】
最後に、付記の請求の範囲全体に使用される「それを含んで成る」の用語は「それを含むがそれに限定はされない」ことを意味すると解釈することができる。
【００５４】
本考案に従う代表的態様を示し、開示してきたが、本考案の精神から逸脱せずにそこに多数の変更を実施することができることが認められるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】当該技術で公知の共焦点走査システムの略図である。
【図２】ディフューザー配備を有する共焦点走査装置の略図である。
【図３】本考案の実施例による平行共焦点走査装置の略図である。
【図４】本考案の実施例による多数光源を提供するための多数光源及び光学システムの略図である。
【図５】図３又は図４の実施例で使用可能な回転光ディフューザーの正面図である。
【図６】図３又は図４の実施例で使用可能なセグメント化された回転光ディフューザーの正面図である。
【図７】図３又は図４の実施例で使用可能な偏心回転光ディフューザーの正面図である。
【図８】図３又は図４の実施例で使用可能な線形変位光ディフューザーの正面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０  レーザー
１４  コリメータレンズ
１６  ビーム
１８  ビームスプリッター
２０  対物レンズ
２８  ピン・ホール
【図１】
0003107388.tif 000003
【図２】
0003107388.tif 000004
【図３】
0003107388.tif 000005
【図４】
0003107388.tif 000006
【図５】
0003107388.tif 000007
【図６】
0003107388.tif 000008
【図７】
0003107388.tif 000009
【図８】
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