(57)【要約】  スキャン装置において、光ビーム（３）を送出するレーザ（１）と、レーザ（１）により送出された光ビーム（３）をフォーカシングするために、焦点距離（ｆ１）を調整可能なコリメータレンズ（２）と、レーザ（１）により送出された光ビーム（３）を変調するマイクロミラー（４）とが設けられており、レーザ（１）により送出された光ビーム（３）のビーム半径（ｄ）が最小となる、レーザ（１）からの光ビーム距離（Ｌ）を、コリメータレンズ（２）の焦点距離（ｆ１）の調整によって、調整可能である。
2018518708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキャン装置において、
・光ビーム（３）を送出するレーザ（１）と、
・前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）をフォーカシングするために、焦点距離（ｆ１）を調整可能なコリメータレンズ（２）と、
・前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）を変調するマイクロミラー（４）と、
が設けられており、
前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）のビーム半径（ｄ）が最小となる、前記レーザ（１）からの光ビーム距離（Ｌ）を、前記コリメータレンズ（２）の焦点距離（ｆ１）の調整によって、調整可能である、
スキャン装置。
【請求項２】
前記レーザ（１）は、ＶＣＳＥＬである、
請求項１に記載のスキャン装置。
【請求項３】
前記コリメータレンズ（２）は、液晶レンズ、液体光学レンズ、ポリマーレンズ、又は、機械的に調整可能なレンズを含む、
請求項１及び２のいずれか１項に記載のスキャン装置。
【請求項４】
前記レーザ（１）によりスキャンされる領域のスキャン幅を拡大する拡大レンズ（６）が設けられている、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のスキャン装置。
【請求項５】
前記拡大レンズ（６）は、調整可能な焦点距離（ｆ２）を有し、前記レーザ（１）によりスキャンされる領域の前記スキャン幅の拡大を、前記拡大レンズ（６）の前記焦点距離（ｆ２）の調整によって調整可能である、
請求項４に記載のスキャン装置。
【請求項６】
スキャン方法において、
・レーザ（１）によって捕捉可能な距離範囲内に、物体（７）が存在するか否かを、前記物体（７）から反射した光ビーム（３）に基づき識別するステップ（Ｓ１０１）であって、前記レーザ（１）により送出された光ビーム（３）のビーム半径（ｄ）は予め定められた値よりも小さい、ステップ（Ｓ１０１）と、
・前記物体（７）が識別された場合には、前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）の前記ビーム半径（ｄ）が最小となる、前記レーザ（１）からの光ビーム距離（Ｌ）を、前記レーザ（１）の後方に配置されたコリメータレンズ（２）の焦点距離（ｆ１）を調整することによって調整するステップ（Ｓ１０２）と、
を含む、
スキャン方法。
【請求項７】
前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）の前記ビーム半径（ｄ）が最小となる、前記レーザ（１）からの前記光ビーム距離（Ｌ）を、前記物体（７）から反射した前記光ビーム（３）の信号雑音比が最大となるように調整する、
請求項６に記載のスキャン方法。
【請求項８】
前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）の前記ビーム半径（ｄ）が最小となる、前記レーザ（１）からの前記光ビーム距離（Ｌ）を、前記レーザ（１）から前記物体（７）までの物体距離（Ｄ５）に合わせて調整する、
請求項６に記載のスキャン方法。
【請求項９】
・前記レーザ（１）によって捕捉可能な距離範囲内に物体（７）が存在するか否かを識別する前記ステップ（Ｓ１０１）の前に、定められた固定の焦点距離に合わせて前記コリメータレンズ（２）の前記焦点距離（ｆ１）を調整することにより、前記レーザ（１）により送出された前記光ビーム（３）の前記ビーム半径（ｄ）を、予め定められた固定の距離範囲にわたり予め定められた値（ｄｍａｘ）よりも小さくすることができるか否かを検査し（Ｓ３０９）、
・前記ビーム半径（ｄ）を前記予め定められた値（ｄｍａｘ）よりも小さくすることができる場合には、前記コリメータレンズ（２）の前記焦点距離（ｆ１）を、前記固定の焦点距離に合わせて調整して（Ｓ３０１）、マイクロミラー（４）を起動し（Ｓ３０２）、又は、
・前記ビーム半径（ｄ）を前記予め定められた値（ｄｍａｘ）よりも小さくすることができない場合には、前記コリメータレンズ（２）の前記焦点距離（ｆ１）の値を連続的に変化させて（Ｓ３０８）、前記マイクロミラー（４）を起動し（Ｓ３０７）、
・予め定められた前記固定の距離範囲を、起動された前記マイクロミラー（４）を用いて、前記コリメータレンズ（２）の前記焦点距離（ｆ１）を調整することによりスキャンし（Ｓ３０３）、
・前記レーザ（１）により捕捉可能な距離範囲内に物体（７）が存在するのかを識別（Ｓ１０１）した後、当該物体（７）を追跡し（Ｓ３０６）、
・当該物体（７）がもはや識別されない場合には、当該スキャン方法を繰り返す、
請求項６乃至８のいずれか１項に記載のスキャン方法。
【請求項１０】
前記物体（７）の距離、速度又は角度変位を測定する、
請求項６乃至９のいずれか１項に記載のスキャン方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキャン装置及び対応するスキャン方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
マイクロミラーは、光を変調するために用いることのできるマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）である。マイクロミラーには多様な用途があり、例えば、プロジェクションディスプレイ及び３Ｄカメラにおいて、また、材料のレーザマーキング及び加工、物体認識、物体測定及び速度測定を行う際に、又は、蛍光顕微鏡において用いられる。
【０００３】
距離測定のためには、例えば、レーザをコリメータレンズ及びマイクロミラーと組み合わせて用いることができる。この場合、コリメータレンズは固定の焦点距離を有する。但し、距離測定において一般的には、レーザにより送出された光信号のビーム半径が所定の値よりも小さい場合にのみ、測定を行うことができる。このことから、コリメータレンズとマイクロミラーが固定的に配置されていると、装置の測定範囲が制限される。
【０００４】
米国特許第８９４７７８４号明細書（ＵＳ８９４７７８４Ｂ２）から、焦点距離を調整可能なレンズが公知であり、これによればレンズは、光学特性がそれぞれ異なる液体を含む複数のチャンバを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８９４７７８４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の開示
本発明によれば、請求項１の特徴を備えたスキャン装置、及び、請求項６の特徴を備えたスキャン方法が開示される。
【０００７】
これによればスキャン装置には、
・光ビームを送出するレーザと、
・レーザにより送出された光ビームをフォーカシングするために、焦点距離を調整可能なコリメータレンズと、
・レーザにより送出された光ビームを変調するマイクロミラーと、
が設けられており、レーザにより送出された光ビームのビーム半径が最小となる、レーザからの光ビーム距離を、コリメータレンズの焦点距離の調整により調整可能である。
【０００８】
さらに別の態様によれば、スキャン方法には以下のステップが含まれている。即ち、
・レーザによって捕捉可能な距離範囲内に、物体が存在するか否かを、物体から反射した光ビームに基づき識別するステップであって、レーザにより送出された光ビームのビーム半径は予め定められた値よりも小さい、ステップと、
・物体が識別された場合には、レーザにより送出された光ビームのビーム半径が最小となる、レーザからの光ビーム距離を、レーザの後方に配置されたコリメータレンズの焦点距離を調整することによって調整するステップと、
が含まれている。
【０００９】
個々の従属請求項には、有利な実施形態が示されている。
【００１０】
発明の利点
本発明によって、コンパクトに構成可能な低コストのスキャン装置が実現され、これによれば、整合調整可能な長い測定距離を達成することができる。これらの点に加え、コリメータレンズの製造プロセスに起因して生じたレンズ誤差を、コリメータレンズの焦点距離の調整によって補償することができる。本発明に係るスキャン装置の測定距離を調整可能であることから、このスキャン装置を汎用的に適用可能であり、このスキャン装置は、特定の用途に限定されるものではない。別の利点は、コリメータレンズの焦点距離の調整により測定距離を調整可能なことである。特に、広い範囲で距離が変化する物体又は面であっても、測定距離の整合調整により単一のスキャン装置を用いて測定することができる。特にこの場合、スキャン装置によって、物体の距離測定、速度測定又は角度変位測定を、広い距離範囲において正確に実施することができる。
【００１１】
本発明に係る方法によれば、測定すべき物体に合わせてスキャン装置を精密にセットすることができる。
【００１２】
本発明に係る装置の別の実施形態によれば、レーザは、ＶＣＳＥＬである。スキャン装置においてＶＣＳＥＬを使用するというのは、距離測定に良好に適したものであり、従って、例えば、２Ｄマウスに適用することができる。
【００１３】
本発明に係る装置の別の実施形態によれば、コリメータレンズには、液晶レンズ、液体光学レンズ、ポリマーレンズ、又は、機械的に調整可能なレンズが含まれる。これらのレンズの場合、種々の物理的な方式によって、レンズの曲率、ひいてはレンズの焦点距離を調整することができる。
【００１４】
本発明に係る装置の別の実施形態によれば、この装置は、レーザによりスキャンされる領域のスキャン幅を拡大する拡大レンズを備えている。これによって、スキャン角度、即ち、スキャン可能領域のサイズも、付加的に拡大することができる。即ち、このようにすることによって、スキャン可能領域の幅を付加的に拡大することができる。
【００１５】
本発明に係る装置の別の実施形態によれば、拡大レンズは調整可能な焦点距離を有し、レーザによりスキャンされる領域のスキャン幅の拡大を、拡大レンズの焦点距離の調整によって調整可能である。これによれば、拡大レンズの拡大率もコリメータレンズの焦点距離も調整可能であり、このことからいっそう広い距離範囲を測定できるようになる。特に、スキャン装置前方の短い距離も正確に測定することができる。
【００１６】
スキャン方法の別の実施形態によれば、レーザにより送出された光ビームのビーム半径が最小となる、レーザからの光ビーム距離を、物体から反射した光ビームの信号雑音比が最大になるように調整する。これによって、物体を、正確に、かつ、可能な限りわずかな誤差で測定することができる。
【００１７】
スキャン方法の別の実施形態によれば、レーザにより送出された光ビームのビーム半径が最小となる、レーザからの光ビーム距離を、レーザから物体までの物体距離に合わせて調整する。このようにすることによって、物体のポジションのところでレーザの分解能が最高になる。
【００１８】
スキャン方法の別の実施形態によれば、
・レーザによって捕捉可能な距離範囲内に物体が存在するか否かを識別するステップの前に、定められた固定の焦点値に合わせてコリメータレンズの焦点距離を調整することにより、レーザにより送出された光ビームのビーム半径を、予め定められた固定の距離範囲にわたり予め定められた値よりも小さくすることができるか否かを検査し、
・ビーム半径を予め定められた値よりも小さくすることができる場合には、コリメータレンズの焦点距離を、その固定の焦点値に合わせて調整して、マイクロミラーを起動し、又は、
・ビーム半径を予め定められた値よりも小さくすることができない場合には、コリメータレンズの焦点距離の値を連続的に変化させて、マイクロミラーを起動し、
・予め定められた固定の距離範囲を、起動されたマイクロミラーを用い、コリメータレンズの焦点距離を調整することによりスキャンし、
・レーザにより捕捉可能な距離範囲内に物体が存在するのかを識別した後、物体を追跡し、
・物体がもはや識別されない場合には、このスキャン方法を繰り返す。このようにすることによって、物体を自動的に追跡することができ、その物体に合わせて精密にセットすることができる。
【００１９】
スキャン方法の別の実施形態によれば、物体の距離、速度又は角度変位が測定される。特に、広い測定領域において測定を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】スキャン装置を例示する側面図。
【図２】光ビーム距離とビーム半径との関係を説明するグラフ。
【図３】スキャン面を示す上面図。
【図４ａ】本発明の第１実施形態によるスキャン装置を示す側面図。
【図４ｂ】本発明の第１実施形態によるスキャン装置を示す側面図。
【図５ａ】本発明の第１実施形態によるコリメータレンズの焦点距離に依存する、光ビーム距離とビーム半径との関係を説明するグラフ。
【図５ｂ】本発明の第１実施形態によるコリメータレンズの焦点距離に依存する、光ビーム距離とビーム半径との関係を説明するグラフ。
【図５ｃ】本発明の第１実施形態によるコリメータレンズの焦点距離に依存する、光ビーム距離とビーム半径との関係を説明するグラフ。
【図６】本発明の第１実施形態による最短光ビーム距離とコリメータレンズの焦点距離との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の別の実施形態によるスキャン装置を示す側面図。
【図８】スキャン装置を例示する側面図。
【図９】スキャン面を示す上面図。
【図１０】本発明の別の実施形態によるスキャン装置を示す側面図。
【図１１】本発明の種々の実施形態によるスキャン方法を説明するフローチャート。
【図１２】本発明の種々の実施形態によるスキャン方法を説明するフローチャート。
【００２１】
別途記載がないかぎり、すべての図面において、同一の要素又は機能的に同等の要素には、同一の参照符号が付されている。なお、ステップに振られた番号は、分かりやすさを目的としたものであり、別途記載がないかぎり、特定の時間的順序を意図するものではないことを特に述べておく。この場合、例えば、複数のステップを同時に実行することもできる。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
実施例の説明
図１には、スキャン装置が例示されている。スキャン装置はレーザ１を備えている。レーザ１から距離Ｄ４のところにコリメータレンズ２ａが設けられており、このレンズは、レーザ１により放射された光ビーム３を集束するように構成されている。この場合、コリメータレンズ２ａのレンズ軸は、光ビーム３の送出方向に垂直である。光ビーム３はガウスビームとして表され、レーザ１から光ビーム距離Ｌのところで、光ビーム距離Ｌに依存するビーム半径ｄを有する。
【００２３】
光ビーム３の光路中、コリメータレンズ２ａの後方においてレーザ１から距離Ｄ１のところに、光ビーム３を変調するように構成されたマイクロミラー４が設けられている。マイクロミラー４の偏向によって、送出方向に垂直な平面内で光ビーム３を偏向させることができる。
【００２４】
光ビーム３の光路中、マイクロミラー４の後方においてレーザ１から距離Ｄ２のところに、拡大レンズ６が設けられている。この場合、拡大レンズ６のレンズ軸は、コリメータレンズ２ａのレンズ軸に平行に位置している。
【００２５】
光ビーム３のビーム半径ｄは、特定の最適光ビーム距離Ｌｆと等しい光ビーム距離Ｌのときに最少であり、これはビームウェストｄｍｉｎと等しい。この場合、最適光ビーム距離Ｌｆは、コリメータレンズ２ａの焦点距離ｆ１と拡大レンズ６の焦点距離ｆ２とに依存する。
【００２６】
図２には、光ビーム３の光ビーム距離Ｌと光ビーム３のビーム半径ｄとの関係を説明するグラフが示されている。この場合、光ビーム３のビーム半径ｄは、コリメータレンズ２ａが存在する距離Ｄ４まで増大し、その後、拡大レンズ６が存在する距離Ｄ２まで減少し、最適光ビーム距離Ｌｆに至るまでの領域でさらに減少し、光ビーム距離Ｌが大きくなるにつれて増大する。拡大レンズは特に、マイクロミラー前方で光ビームのスキャン角度が拡がるようにするために用いられる。
【００２７】
このようなスキャン装置を使用する場合、（図示されていない）捕捉ユニットにより評価可能な光信号の分解能が制限されており、スキャン装置は、ビーム半径ｄが予め定められた最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さい領域でしか使用できない。ここで、最大ビーム半径ｄｍａｘの値は、スキャン装置に依存し、例えば、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ又は１ｍｍとすることができる。
【００２８】
図２に示されているように、ビーム半径ｄが最大ビーム半径ｄｍａｘと等しいときの光ビーム距離Ｌには２つの値があり、即ち、最短光ビーム距離Ｌｍｉｎと最長光ビーム距離Ｌｍａｘとがあり、但し、Ｌｍａｘ＞Ｌｍｉｎである。よって、光ビーム距離Ｌが条件Ｌｍｉｎ＜Ｌ＜Ｌｍａｘを満たす、幅Δ＝Ｌｍａｘ−Ｌｍｉｎの光ビーム距離領域内では、ビーム半径ｄは最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さく、スキャン装置をスキャンのために用いることができる。
【００２９】
図３には、スキャンされる二次元スキャン面の上面図が例示されている。この場合、ｘ軸は光ビーム３の送出方向に対応し、ここで、ｘ座標は、拡大レンズ６からの光ビーム３の拡大レンズ−光ビーム距離ｘ＝Ｌ−Ｄ２に対応する。マイクロミラー４はｘｙ平面で偏向され、その際、マイクロミラー４のミラー軸とｘ軸とが成す角度は、９０°＋Δαと９０°−Δαとの間で周期的に変化し、但し、Δαは予め定められた値、例えば、１０°、２０°、３０°又は４５°である。これによって、光ビーム３は、ｘ軸に対称に形成された第１の半直線３０１と第２の半直線３０２との間の三角形領域において、周期的に変化させられる。上述のように、最短光ビーム距離Ｌｍｉｎと最長光ビーム距離Ｌｍａｘとの間の光ビーム距離Ｌしか測定できないことから、それによって、半直線３０１と半直線３０２とにより形成された三角形領域の中に完全に収まる矩形面３０３が規定される。この場合、矩形領域３０３は、ｘ軸に沿って値Ｌｍｉｎ−Ｄ２である座標原点までの最短距離ｘｍｉｎと、矩形面３０３の外側の角のところで値Ｌｍａｘ−Ｄ２である座標原点までの最長距離ｘｍａｘとを有する。矩形面３０３はスキャン可能領域に対応する。拡大レンズ６の焦点距離ｆ２を調整することによって、矩形面３０３のｙ方向における幅を拡げることができ、ひいてはスキャン可能領域の全面積も拡大することができる。ｙ方向における矩形面３０３の幅をスキャン幅と称する。
【００３０】
従って、拡大レンズ６によって、ｘｙ平面にアライメントされたスキャン装置のスキャン幅が拡げられる。拡大レンズ６は拡大率Ｍを有する。よって、拡大レンズ６が設けられていないときのスキャン偏向＋／−Δαは、拡大率Ｍを有する拡大レンズの挿入により、値＋／−Ｍ・Δαまで増大される。
【００３１】
図４ａには、本発明の第１実施形態によるスキャン装置が示されている。スキャン装置はレーザ１を備えており、これを特に垂直共振器面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）とすることができる。レーザ１から距離Ｄ４のところにコリメータレンズ２が設けられており、このレンズは、レーザ１により放射された光ビーム３を集束するように構成されている。この場合、コリメータレンズ２のレンズ軸は、光ビーム３に垂直である。ここでは、コリメータレンズ２は、焦点距離ｆ１を調整可能なレンズである。コリメータレンズ２は、接続線５を介して、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１を調整するように構成された制御装置（図示せず）と接続されている。この場合、コリメータレンズ２は、例えば、液晶レンズ、液体光学レンズ、ポリマーレンズ、又は、機械的に調整可能なレンズを含むことができる。コリメータレンズ２を、例えば、ＭＥＭＳ技術に基づくものとすることができ、そのようにすれば、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１を調整するために、ｍｓのオーダの特に高速な反応時間を達成することができる。
【００３２】
光ビーム３の光路中、コリメータレンズ２の後方においてレーザ１から距離Ｄ１のところに、光ビーム３を変調するように構成されたマイクロミラー４が設けられている。マイクロミラー４を、例えば、マイクロスキャナ又はマイクロ振動ミラーとすることができる。マイクロミラー４の偏向によって、光ビーム３の送出方向に垂直な平面内で光ビーム３を偏向させることができる。マイクロミラー４の制御を、例えば、電磁的、静電的、熱電的、又は、圧電的な動作原理に従って実行することができる。
【００３３】
光ビーム３は、図１に示したスキャン装置と同様、ガウスビームとして表され、レーザ１から光ビーム距離Ｌのところで、この光ビーム距離Ｌに依存するビーム半径ｄを有する。光ビーム３のビーム半径ｄは、所定の最適光ビーム距離Ｌｆと等しい光ビーム距離Ｌのときに最少であり、これはビームウェストｄｍｉｎと等しい。この場合、最適光ビーム距離Ｌｆは、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１と、コリメータレンズ２からレーザまでの距離Ｄ４とに依存する。特に、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１を変化させることにより、最適光ビーム距離Ｌｆを変化させることができる。
【００３４】
さらに図４ｂの場合には、光ビーム３のビーム路中に物体７が存在している。これによれば、レーザにより送出された光ビーム３と、物体７から反射した光ビーム３との干渉を測定することによって、物体７の距離、速度及び／又は角度変位を測定することができる。物体７の角度変位を、特にマイクロミラーの偏向に基づき求めることができる。物体７のポジションを、マイクロミラーのポジションによって求めることもできる。
【００３５】
図５ａ、図５ｂ、図５ｃは、本発明の第１実施形態によるコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に依存する、光ビーム３の光ビーム距離Ｌとビーム半径ｄとの関係を説明するための、例示的なグラフである。図５ａには、マイクロミラー４からの光ビーム距離Ｌ−Ｄ４の関数としてビーム半径ｄが示されている。ここで、曲線５０１は、４．４ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５０２は、４．４８ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、さらに曲線５０３は、４．５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の距離ｆ１に対応する。
【００３６】
図５ｂの場合、曲線５０４は、４．５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５０５は、４．５０５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、さらに曲線５０６は、４．５１ｍｍと等しいコリメータレンズ２の距離ｆ１に対応する。
【００３７】
図５ｃの場合、距離５０７は、４．０ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５０８は、４．１５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５０９は、４．２５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１０は、４．３２５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１１は、４．３７５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１２は、４．４ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１３は、４．４３ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１４は、４．４５５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１５は、４．４７ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１６は、４．４８ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１７は、４．４８５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１８は、４．４９ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５１９は、４．４９５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応し、曲線５２０は、４．５ｍｍと等しいコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１に対応する。
【００３８】
図５ａ、図５ｂ、図５ｃからわかるように、測定可能領域は、即ち、ビーム半径ｄが最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さい領域は、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１の値が大きくなるにつれて、最終的に測定可能領域が消滅するまで、マイクロミラー４からの光ビーム３の距離Ｌ−Ｄ４が大きくなる値に向かってシフトする。
【００３９】
図６には、最適光ビーム距離Ｌｆとコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１との関係を説明するグラフが示されている。このグラフからわかるように、最適光ビーム距離Ｌｆは、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１と共に指数関数的に増大する。
【００４０】
図５ａ、図５ｂ、図５ｃ及び図６に示されているすべての数値は、説明のために用いたにすぎず、例示的なものにすぎない。
【００４１】
コリメータレンズ２の焦点距離は、最長焦点距離ｆ１ｍａｘと最短焦点距離ｆ１ｍｉｎとの間の特定の領域内で調整可能である。特定の用途では、例えば、ある領域をスキャンする場合、一般に最長測定距離Ｌｍｅｓｓもなお測定可能でなければならない。最長測定距離Ｌｍｅｓｓもなお測定可能であることが保証されるように、コリメータレンズ２は好ましくは、最長焦点距離ｆ１ｍａｘに対応する最適光ビーム距離Ｌｆが、最長測定距離Ｌｍｅｓｓよりも長くなるように選定される。
【００４２】
図７には、本発明によるさらに別の実施形態が示されており、これは、図４ａに示した実施形態の１つの発展形態を成すものである。これによれば、光ビーム３の光路中、マイクロミラー４の後方においてレーザ１から距離Ｄ２のところに、拡大レンズ６が付加的に設けられている。拡大レンズ６は拡大率Ｍを有する。ビームウェストｄｍｉｎは以下の関係を有する。即ち、
ｄｍｉｎ〜λ・Ｍ・Ｌｆ／Ｄ
但し、Ｄはマイクロミラー４の絞りの開口幅であり、λはレーザ１により送出される光ビーム３の波長である。即ち、ビームウェストｄｍｉｎは、拡大率Ｍに比例して増大する。拡大レンズ６の前方でビーム成形を整合させることによって、焦点距離の増大を制限することができる。これによれば、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１と拡大レンズ６の焦点距離ｆ２とが整合される。
【００４３】
マイクロミラー４による光ビーム３の偏向と拡大レンズ６とによって、光学収差が発生する。好ましくは、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１の調整によって、収差、特に球面収差を補償することができる。この場合、第１の制御ループにおいて、スキャンすべき領域内の物体が追跡される。第２の制御ループにおいて、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１の値が、マイクロミラー４がコリメータレンズ２と平行である位置について調整される。マイクロミラー４がこのポジションから離れて偏向されると、即ち、マイクロミラー４がもはやコリメータレンズ２とは平行ではなくなると、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１がそれに応じて調整される。
【００４４】
図８には、スキャン装置が側面図として例示されている。ここでは、レーザ１により送出される光ビーム３のビーム路中、レーザ１の後方において距離Ｄ４のところに、コリメータレンズ２ａが設けられており、このコリメータレンズ２ａは、調整不可能な固定の焦点距離ｆ１を有する。レーザ１の後方、距離Ｄ１のところに、マイクロミラー４が設けられている。この場合、マイクロミラー４のミラー軸は、光ビーム３の送出方向と角度α０＜９０°を成し、例えば、α０は２０°、４５°又は６０°と等しい。ここで、角度を、最小値α０−Δαから最大値α０＋Δαとの間で変化させることができ、但し、Δαは角度変量であり、例えば、Δαは１０°又は１５°と等しい。光ビーム３はマイクロミラー４のところで反射し、角度α０を変化させることにより、開口角βを有する面９０が光ビーム３によって走査される。光ビーム３はガウスビームとして表され、マイクロミラー４から距離Ｄ３のところにビームウェストｄｍｉｎを有する。この場合、面９０の幅は、距離Ｄ３において最小幅ｗ１と等しい。これによれば、特にマイクロミラー４からビームウェストｄｍｉｎまでの短い距離Ｄ３で幅ｗ１が小さくなることがわかる。
【００４５】
図９には、スキャン面の上面図が示されており、この場合、マイクロミラー４の後方においてビーム路中に、拡大率Ｍを有する拡大レンズ６が付加的に組み込まれる。ここで、ｖ軸は、拡大レンズ６に垂直な方向に対応し、拡大レンズのところではｖ＝０である。ｕ軸は、拡大レンズのレンズ軸に対応する。この場合、拡大率Ｍ＝３のスキャン面１０１は開口角α１０１で結像されており、拡大率Ｍ＝２．５のスキャン面１０２は開口角α１０２で、拡大率Ｍ＝２のスキャン面１０３は開口角α１０３で、拡大率Ｍ＝１．５のスキャン面１０４は開口角α１０４で、さらに拡大率Ｍ＝１のスキャン面１０５は開口角α１０５で、結像されている。このことから、開口角が拡大率と共に大きくなることがわかる。従って、拡大率Ｍを大きくすれば、図９に示したようにスキャン面の幅を大きくすることができる。
【００４６】
図１０には、本発明の別の実施形態が示されている。図７に示したスキャン装置とは異なり、ここでは拡大レンズ６は、焦点距離ｆ２を調整可能な拡大レンズ６ｂによって置き換えられている。拡大レンズ６ｂは、接続線５ｂを介して（図示されていない）制御装置と接続されており、この接続線を介して、拡大レンズ６ｂの焦点距離ｆ２を、従って、拡大レンズ６ｂの拡大率Ｍを、調整することができる。この場合、焦点距離ｆ２を調整可能な拡大レンズ６ｂは、特に液晶レンズ、液体光学レンズ、ポリマーレンズ、又は、機械的に調整可能なレンズを含み得る。予め定められた領域をスキャンするためにスキャン装置が用いられる場合、短い距離であれば最初に、拡大レンズ６ｂの拡大率Ｍが大きくなるように、例えば、Ｍ＝２又はＭ＝３になるように、拡大レンズ６ｂの焦点距離ｆ２が調整される。この場合、拡大レンズ６ｂの拡大率Ｍの正確な値は、スキャンすべき物体の測定距離に依存する。第２のステップにおいて、光ビーム３のビーム半径ｄが所望の距離において最小となるように、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１が調整される。これとは逆に、測定すべき物体までの距離が長い場合には、拡大レンズ６の拡大率Ｍが小さくなるように調整され、例えば、Ｍ＝１又はＭ＝１．５となるように調整される。第２のステップにおいて、光ビーム３のビーム半径ｄが、スキャンされる物体までの所望の距離において最小となるように、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１が調整される。このようにすれば、どのような測定距離であっても測定幅が広く保持されることが保証される。
【００４７】
図１１には、本発明に係るスキャン方法が示されている。これによれば、第１のステップＳ１０１において、物体７がレーザ１特にＶＣＳＥＬにより捕捉可能な距離範囲内にあるか否か、を識別する。この場合、捕捉可能な距離範囲とは、レーザ１により送出される、ガウスビームとみなされる光ビーム３のビーム半径ｄが、用いられる測定機器の分解能に依存する最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さくなっている領域である。物体７が捕捉可能な距離範囲内にあるか否かの識別は、好ましくは、物体７から反射した光ビーム３の測定によって行われる。
【００４８】
物体７が識別された場合には、第２のステップＳ１０２において、レーザ１からの光ビーム距離Ｌを、即ち、レーザ１により送出された光ビームのビーム半径ｄが最小となる、レーザ１により送出された光ビーム３の距離を、コリメータレンズ２の焦点距離の調整によって調整する。この場合、コリメータレンズ２は、レーザ１の光路中、レーザ１の後方に設けられているので、光ビーム３はコリメータレンズ２を通過して進行する。ここでコリメータレンズ２は、焦点距離ｆ１を調整可能なレンズであり、例えば、液晶レンズ、液体光学レンズ、ポリマーレンズ、又は、機械的に調整可能なレンズである。
【００４９】
さらに別の実施形態によれば、レーザ１により送出された光ビームのビーム半径ｄが最小となる光ビーム距離Ｌは、物体７から反射した光ビーム３の信号雑音比が最大になるように調整される。
【００５０】
さらに別の実施形態によれば、レーザ１により送出された光ビームのビーム半径ｄが最小となる光ビーム距離Ｌは、物体７までの物体距離Ｄ５に合わせて調整され、この距離Ｄ５は好ましくは、物体７からの光ビーム３の反射測定によって測定される。
【００５１】
図１２には、別の実施形態によるスキャン方法を説明するフローチャートが示されている。このスキャン方法は、検査を実施する第１のステップＳ３０９を含み、このステップＳ３０９において、定められた固定の焦点距離に合わせてコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１を調整することにより、予め定められた固定の距離範囲にわたり光ビーム３のビーム半径ｄを最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さくしておくことが可能か否かを検査する。
【００５２】
この場合、予め定められた固定の距離範囲は、測定を行うべき距離範囲、即ち、測定可能でなければならない距離範囲に対応する。換言すれば、単一の固定の焦点距離に合わせて焦点距離ｆ１を調整することにより、予め定められた距離範囲全体を測定可能か否か、を検査する。このことが該当するのは、光ビーム３のビーム半径ｄが距離範囲全体において最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さい場合である。
【００５３】
このことが可能である場合には、次のステップＳ３０１において、その固定の焦点距離に合わせてコリメータレンズ２の焦点距離ｆ１を調整し、さらに次のステップＳ３０２においてマイクロミラー４を起動する。
【００５４】
コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１を単一の固定の焦点距離に合わせて調整することにより、予め定められた固定の距離範囲にわたり光ビーム３のビーム半径ｄを最大ビーム半径ｄｍａｘよりも小さく保持するのが不可能である場合には、ステップＳ３０８において、コリメータレンズ２の焦点距離ｆ１の値を、定められた値の範囲内で連続的に変化させ、ステップＳ３０７においてマイクロミラー４を起動する。この場合、焦点距離ｆ１を、特にコリメータレンズ２の最短可能焦点距離と最長可能焦点距離との間の範囲内で変化させることができ、ここで変化時間を、例えば、数ｍｓの範囲にすることができる。但し、本発明はこのことに限定されるものではなく、特にこれよりも小さい範囲内で変化させることができる。
【００５５】
両方のケースともに、次のステップＳ３０３において、マイクロミラー４により光ビーム３を変調することによって、予め定められた固定の距離範囲をスキャンする。例えば、マイクロミラー４を偏向させ、それによって光ビーム３を偏向させて、１つの平面又は１つの体積をスキャンすることができる。これに加えて、コリメータレンズの焦点距離ｆ１を変化させることができる。
【００５６】
ステップＳ１０１において、スキャン方法の上述の実施形態の場合のように、物体７が捕捉可能な距離範囲内に存在するか否かを識別する。
【００５７】
予め定められた固定の距離範囲内で物体７が識別された場合には、上述の実施形態の場合のように、ステップＳ１０２において、レーザ１により送出された光ビームのビーム半径ｄが最小であるレーザ１からの光ビーム距離Ｌを、コリメータレンズ２の焦点距離の調整によって、調整する。特に、光ビーム距離Ｌを物体距離Ｄ５に合わせて調整することができ、又は、物体７から反射した光ビーム３の信号雑音比が最大になるように調整することができる。
【００５８】
ステップＳ３０６において物体を追跡し、例えば、物体７から反射した光ビームの信号雑音比がいかなる時点でも最大となるように、焦点距離を調整する。
【００５９】
例えば、物体が予め定められた距離範囲内にもはや存在しないことから、又は、物体が他の物体によって覆われたことから、物体がもはや識別されない場合には、スキャン方法を検査ステップＳ３０９から再び始めることができる。
【００６０】
スキャン方法の上述の実施形態は、ここで述べたことに限定されるものではない。特に、レーザ１のビーム路中、コリメータレンズ２及びマイクロミラー４の後方に、拡大レンズ６を付加的に配置することができる。
【図１】
2018518708.tif 000003
【図２】
2018518708.tif 000004
【図３】
2018518708.tif 000005
【図４ａ】
2018518708.tif 000006
【図４ｂ】
2018518708.tif 000007
【図５ａ】
2018518708.tif 000008
【図５ｂ】
2018518708.tif 000009
【図５ｃ】
2018518708.tif 000010
【図６】
2018518708.tif 000011
【図７】
2018518708.tif 000012
【図８】
2018518708.tif 000013
【図９】
2018518708.tif 000014
【図１０】
2018518708.tif 000015
【図１１】
2018518708.tif 000016
【図１２】
2018518708.tif 000017
【国際調査報告】
2018518708.tif 000018
2018518708.tif 000019
2018518708.tif 000020
2018518708.tif 000021
2018518708.tif 000022
2018518708.tif 000023