(57)【要約】検査下の対象物の３Ｄ画像取得のための表面測定モジュール。このモジュールは、（ａ）光源からの光が通過する固定パターン光学部品を有しているパターン変位装置を収容し、前記パターン変位装置の出力が偏光用ビームスプリッタで導かれ、かつ、上記スプリッタの偏光出力が少なくとも１つのレンズ素子を備えるレンズアセンブリを通して導かれるケーシング、および（ｂ）上記検査下の対象物の表面を照射するように、上記レンズアセンブリから出る上記偏光出力を導く反射器、を備えてなり、（ｃ）上記表面の散乱光照射が画像センサによる撮像のために上記レンズアセンブリを通して後方へ導かれ、（ｄ）上記ケーシングが、偏光用ビームスプリッタ、上記レンズアセンブリ、および上記画像センサをさらに収容している。このパターン変位装置は、直線あるいは回転タイプであってもよい。
2016522883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査下の対象物の３Ｄ画像取得のための表面測定モジュールであって、
（ａ）光源からの光が通過する固定パターン光学部品を有しているパターン変位装置を収容し、前記パターン変位装置の出力が偏光用ビームスプリッタで導かれ、かつ、前記スプリッタの偏光出力が少なくとも１つのレンズ素子を備えるレンズアセンブリを通して導かれるケーシング、および
（ｂ）前記検査下の対象物の表面を照射するように、前記レンズアセンブリから出る前記偏光出力を導く反射器、
を備えてなり、
（ｃ）前記表面の散乱光照射が画像センサによる撮像のために前記レンズアセンブリを通して後方へ導かれ、
（ｄ）前記ケーシングが、偏光用ビームスプリッタ、前記レンズアセンブリ、および前記画像センサをさらに収容している
表面測定モジュール。
【請求項２】
（ａ）前記パターン変位装置の前記出力が、同時に投影された第１および第２の重ね合わせ正弦曲線を少なくとも表す複数の画素を含んでいる多周波数パターンを備え、
（ｂ）前記画素によって表された前記正弦曲線のそれぞれが、唯一の一時的周波数を有し、かつ、前記画素のそれぞれが
【数１】
2016522883.tif 000017
を満たすように投影され、
ここで、Ｉｎｐは、時間のうちの特定の瞬間におけるｎ番目の投影画像についてのプロジェクタの中におけるある画素の強度であり、Ｋは、構成要素正弦曲線の数を表す整数であり、それぞれの構成要素正弦曲線は個別の一時的周波数を有し、ここでＫ≦（Ｎ＋１）／２であり、パラメータＢｋｐは、構成要素正弦曲線の振幅あるいは信号強度を決定する定数を表し、Ａｐはスカラー定数であり、ｆｋは、一時的周波数ｋに対応するｋ番目の空間周波数であり、ｙｐは、投影画像の中における空間座標を表している、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項３】
（ａ）試験下の対象物の前記表面と前記レンズアセンブリへ導かれる通路との間に介在する四分の一波長板、および
（ｂ）前記レンズアセンブリを逆に通過した後に撮像された前記散乱光照射の複数の画像
をさらに備え、前記表面が３Ｄ画像取得のために使用される、請求項１の表面測定モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般に、この発明は、構造化照明照射（ＳＬＩ）技術を使用する表面の３次元（３Ｄ）測定の分野に関する。使用時に、「ＳＬＩ」は、構造化照明照射（Structured Light Illumination）という用語、あるいはしばしば単に構造化照明（Structured Light）という用語を表す。さらに詳しくは、この発明は、試験下の対象物／検査下の被検体の３Ｄ表面の諸特性を測定するとともに記録するための新しい携帯型モジュール／装置および関連した光学技術に向けられている。このモジュールは、直線状あるいは回転状のパターン変位（shifting）装置であって、重ね合わせ／載置ＳＬＩパターンが複数のＳＬＩパターンから構成された選択ずみ重ね合わせＳＬＩパターンとしてそこから現れる固定パターン光学部品を備えているパターン変位装置を介する通路に沿って、光が外へ導かれる光源を採用している。直線状パターン変位装置から現れる新規なＳＬＩパターンは偏光用ビームスプリッタを介して導かれ、偏光された光は次いで、動作時にこのＳＬＩパターンの投影およびカメラ機能の両方を支援するために独自に構成されたレンズアセンブリを介して導かれる。偏光され、投影されたこのＳＬＩパターン光はその後進行して、試験下の関心のある区域／被検対象物あるいは検査下の対象物の３Ｄ表面を照射するために、再び導かれる（例えば反射によって）。
【０００２】
このモジュール／装置の設計にとってさらに特有であるのは、照明された関心のある３Ｄ表面で反射された光が、（検査下の哺乳類の歯の場合のように、表面下の性質が半透明であっても）このモジュールの中へ逆に導かれ、そしてさらに、上記レンズアセンブリ（好ましくは複数のレンズ素子を備えている）を介して逆に再び導かれることである。特有のレンズアセンブリを介して逆に再び導かれたこの戻り光は、同じように出て、その後、カメラ画像センサの中へ導かれる。この画像センサによって取得されたデジタルＳＬＩ画像情報は、従来の処理および記憶のための関心のある３Ｄ表面の諸特性についての情報からなっている。
【０００３】
この発明のモジュール／装置および関連技術は、３Ｄ対象物／被検体の広範囲の関心のある区域を検査するために使用することができる。この明細書中では、手によって操作するように構成された携帯型装置として表されているが、これらの新規な構成要素は、いっそう小さいかあるいは小型のモジュールを必要とする区域／内部において使用するために小型化することができ、または、きわめて大きい区域を取り扱う関心のある３Ｄ区域についての情報を収集するためにいっそう大きい大きさにすることができる、ということが認識されるであろう。そのような関心のある区域には、歯科衛生を試験するときにおける哺乳類の口腔の内部区域あるいは皮膚もしくは組織の区域、またはパイプライン（試験下のパイプラインの内部から測定値を受ける）の内部の特性を明らかにするための区域、または組み立てを受けている半導体ウエハの３Ｄ表面を検査するための区域、またはプリント配線回路／配線盤（ＰＣＢ／ＰＷＢ）を検査するための区域、および商品あるいは製造製品（部品、組立品、食品、包装材料）の表面検査のような他の区域が含まれる。
【０００４】
追加の背景情報および技術的支援は、この特許出願の譲受人のために所有されかつ提出された米国特許出願第１３／２９７，２３３号および第１３／２９７，２４６号に認めることができる。
（発明の背景−歴史的視点）
【０００５】
構造化照明（あるいはＳＬＩ）法と称される対象物測定技術は、対象物の３Ｄ諸特性を測定するために何年間も使用されてきた。しかしながら、現在のインプリメンテーション（implementations）はコンピュータ的に重いため、利用可能なシステムは大きい設置面積を有している。従来のＳＬＩ表面測定システムは、投影されるそれぞれのＳＬＩパターンが専用のプロジェクタユニットを必要とするＳＬＩパターンを投影するために、洗練された電子駆動型ＳＬＩ信号処理投影ユニットを採用しているので、リアルタイム測定を実行して、哺乳類の口および耳の内側（口腔内表面および耳介内表面）、機械類（例えば製造工場の中に見られる機械類）の内側、パイプラインの内側などのような比較的小さい空間（容積）の中に位置する表面を監視するために、従来のＳＬＩ表面測定システムを採用することは実際的ではなかった。さらにまた、３Ｄ表面測定をするために必要な洗練された多数のＳＬＩパターンを投影する特質は、投影されるそれぞれのＳＬＩパターンが専用プロジェクタユニットを必要とするものであり、３Ｄ表面のリアルタイム測定をするために従来のＳＬＩ表面測定システムの適用からさらに離れたものになった。
【０００６】
構造化照明（すなわち、構造化照明照射）、共焦点画像形成、飛行時間計測、および平行共焦点顕微鏡試験はそれぞれ、３Ｄ測定技術とみなされている。ＳＬＩは、多数のＳＬＩパターン（格子、縞、楕円形のパターンなど）をプロジェクタで関心のある表面の上に投影することによって関心のある表面を観察するために、また、その関心のある表面で反射された画像をカメラ（レンズおよび処理ユニット）で測定して、その関心のある表面に作成されたパターンの結果として生じるゆがみを導き出すために、現在、使用されている。カメラおよびプロジェクタの構造（そのようなマッピングのために多くの従来技術が存在している）を知ることで、上記表面ゆがみについての一点ごとの深さ情報が三角測量によって算出される。カメラに対する世界座標が、vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/:で「このツールボックスは、Windows、UnixおよびLinux SystemにおけるMatlab 5.x、Matlab 6.xおよびMatlab 7.xで機能し、従って、どのような特定のMatlabツールボックスも必要でない（例えば、最適化ツールボックスは必要でない）」として認められたような公知のマッピング技術を使用して算出される。Matlabについての従来のカメラ較正ツールボックスを使用すると、世界座標をカメラおよびプロジェクタの座標系の上にマッピングするために必要な係数がコンピュータによって算出される。このようにして、数学的関係が、カメラ(すなわち、カメラの中のそれぞれの個別画素)、プロジェクタ(すなわち、投影された情報列の原点)、および「実在世界」座標系としばしば称される外部準拠座標系に置かれた試験下の対象物の間に規定される。
【０００７】
発明の名称が「デジタルビデオ投影システムを使用する３次元表面輪郭形成および測距のための方法および装置」である米国特許US6,788,210号は、関心表面に所望の投影多重パターン画像を生成するために、相互接続された複合組の専用プロジェクタユニットを使用しており、その図５は投影システムについての従来の１つの光学的形態を示している。米国特許US5,633,755号は、ある光学系およびその電子制御システムの形態に関する付加的細部を提供する。発明の名称が「ＤＭＤ装備型プロジェクタ」である米国特許US6,874,894号は、「Texas Instruments DMD」、すなわちプロジェクタの「ＤＬＰ装置」として知られたシステムを詳細に記載している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
何人も認識することができるように、US6,788,210号の図５に描かれた上記システムおよびUS6,874,894号の図５に描かれた上記システムは、構造的にも機能的にも同一である。US6,788,210号に説明されたように、画像を生成するために構成要素４６が使用されている。この構成要素は、US6,874,894号B2の図６に、従来技術として符号１１３が付けられていた。これまたＤＭＤ装置あるいはＤＬＰ装置として知られた上記Texas Instruments DMDは、複雑な半導体装置であり、特に光学ＭＥＭＳ装置と称されている。このＤＭＤは、ＳＰＩＥの第３０１３巻第２７−４０ページにおけるHornbeck,Larry J.の「高輝度、高解像度用途のためのデジタル式光処理法」に、背景だけとして、さらに詳細に記載されており、その内容は、インターネットにおいてドメインdlp.comで確認される。
【０００９】
米国特許US6,977,732号は、小さい対象物の３次元形状を測定するために、上記ＤＭＤの用途を記載している。その中に記載されたように、そのＤＭＤに基づいた投影システムを操作するためには、複雑な付加的電子システムが必要である。それは、３次元測定のための電子マイクロディスプレイを有している。Seiko-Epsonは、投影用途のための液晶装置を製造している。Sony、Omnivision、およびＪＶＣはそれぞれ、投影用途のためのシリコン上液晶装置を製造している。上記ＤＭＤのように、従来の装置は電子的に制御されるため、光パターンの投影には、複雑な光学制御電子機器および光学部品構造体が必要である。
【００１０】
コンピュータ化装置、メモリおよび記憶装置／媒体
Ｉ．デジタル型コンピュータ
プロセッサは、命令に応答するとともにその命令を処理してコンピュータ化装置を駆動する１組の論理機構／論理回路である。中央処理装置（ＣＰＵ）は、デジタル型あるいは他の型のコンピュータ化システムの演算部とみなされている。しばしば単にプロセッサと称されるＣＰＵは、制御ユニット、プログラムシーケンサ、および演算論理ユニット（ＡＬＵ）−計算および比較を行う高速回路−から作られている。数字は、計算のために、メモリから上記ＡＬＵの中に転送され、また、その結果はメモリの中に返送される。英数字データは、比較のために、メモリから上記ＡＬＵの中に送られる。コンピュータのＣＰＵは、単一の「チップ」の上に含まれていてもよく、この「チップ」は、ごく小さい物理的寸法のために、しばしばマイクロプロセッサと称される。よく知られたように、簡単なコンピュータの基本的要素はＣＰＵ、時計およびメインメモリを含んでおり、一方、完全なコンピュータシステムは、オペレーティングシステムとともに、制御ユニット、入力装置、出力装置および記憶装置を必要とする。「マイクロプロセッサ」と称される上記のごく小さい装置は典型的には、集積回路としての処理用構成要素を関連バスインターフェイスとともに含んでいる。マイクロコントローラは、１つ以上のマイクロプロセッサ、メモリ、および集積回路（ＩＣ）としてのＩ／Ｏ回路を組み入れている。コンピュータの命令は、そのＣＰＵによって実行される演算を起動するために使用される。
【００１１】
II．コンピュータメモリおよびコンピュータ読取可能記憶装置
「メモリ」という用語は歴史的には、長期間保有するためにユーザによって入れられるようなデジタルデータのための半永久的あるいは永久的な保有箇所について言及するために伝統的に使用された記憶装置に一時的に記憶されたものを称したが、しかしながら、これらの用語の定義はあいまいなものにされてきた。さまざまなコンピュータ処理用構造体と互換性のある公知のコンピュータ読取可能記憶装置技術の非網羅的リストは、参照のために、ここでは次のように分類されている。（１）磁気テープ技術、（２）フロッピーディスク／ディスケット、固定型ハードディスクを含む磁気ディスク（しばしば、クラウド環境などを作り出すために相互接続されるデスクトップ、ラップトップ、ワークステーションおよびメインフレームの中におけるもの）、（３）ＤＲＡＭおよび「フラッシュメモリ」を含んでいるソリッドステートディスク（ＳＳＤ）技術、および（４）磁気光学ディスク、PD、CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD-RAM、WORM、OROM、ホログラフィー技術、ソリッドステート光ディスク技術などを含んでいる光学ディスク技術。
【００１２】
発明の背景−多周波数パターン
ここに開示されたこの新規な技術およびシステムは、Ｌｉｕらによって２０１０年８月６日に提出された、発明の名称が「３Ｄ立体照明システムにおける２周波位相多重送信（ＤＦＰＭ）および期間コード化位相測定（ＰＣＰＭ）パターン計画、および位相測定パターン計画のためのリアルタイムデータ処理に基づいた参照表（ＬＵＴ）」の米国仮特許出願第61/371,626号（「仮出願626」）に開示され、その技術的背景の検討が参照によってこの明細書にすべて組み入れられた特有の技術を利用する。Ｌｉｕらによって２０１１年８月８日に提出された米国特許出願第13/205,607号（「特許出願607」）はＬｉｕらの仮出願626を優先権として登録され、仮出願626および特許出願607の両方の技術的開示は、それらの技術明細書と矛盾しない程度への参照によって、ここでこの明細書にすべて組み入れられた。仮出願626も特許出願607も上記特許出願の譲受人によって一般に所有されていないことに留意されたい。
【００１３】
仮出願626および特許出願607に開示された特有のＳＬＩパターン化技術は、（１）特有のパターン計画構成要素（仮出願６２６においてSection A.「高速３Ｄ形状測定のための２周波パターン案」と標記され、また、Section B.「３Ｄリアルタイム取得およびデータ処理のための期間コード化位相測定計画」と標記されたように、仮出願626に認められる技術的検討においてさらに詳しく記載されており、これらSection A.およびB.のそれぞれは、次の２つの伝統的な電子回路信号／電流伝播型、すなわち、以下でさらに説明されるように、ＡＣ(交流)およびＤＣ(直流)の類推によって導入された新規な多周波数パターンの例を取扱範囲に入れている）と、
（２）特有の非体系化画像処理用構成要素（仮出願626においてSection C.「立体照明照射リアルタイム位相および３Ｄ表面再構成のためのＬＵＴに基づいた処理」と標記されたように、仮出願626の技術的検討においてさらに詳しく記載されている）とを備えている。
【００１４】
上記のように、また、仮出願626および特許出願607にさらに詳しく記載されたように、Section A.およびB.に記載された上記２つの例は、伝統的な電子回路信号／電流伝搬型、すなわち、ＡＣ特性およびＤＣ特性の類推によって導入された。
【００１５】
ＡＣ電気システムを律する原理の後に形成され、Section A.に詳しく説明された多周波パターンは、「２周波位相多重送信」（DFPM）で作成された。
【００１６】
Section A.における材料は、Optics ExpressのVol.18のNo.5の第5233ページとして2010年３月１日に先に刊行され、また、特許出願607のEXAMPLE 01と標記された節において言及されている。ＤＣ電気システムを律する原理の後に形成された、Section B.に詳しく説明された多周波数パターンは、「期間コード化位相測定」（PCPM）で作成された。２周波位相多重送信（DFPM）パターンは２つの重ね合わせ正弦曲線を含んでおり、その一方は単一周波位相正弦波であり、その他方は高周波周波位相正弦波であり、それによって、パターンデータを画像センサによって受信／取得した後に上記２つのパターンの位相が分離される。単一周波位相は高周波位相を明らかにするために使用される。明らかにされた高周波位相はその後、３Ｄ再構成のために採用される。期間コード化位相測定（PCPM）パターン−ＤＣ電流伝播−は、上記高周波位相が上記PCPMパターンから一時的に明らかにすることができるように、高周波ベースパターンの中へ直接埋め込まれた期間情報で生成される。
【００１７】
その明細書が以下で広範囲にわたって引用される特許出願607に説明されたように、特有の多周波パターンを使用すると、上記607の技術が遂行される。
【００１８】
……特許出願607から引用されたテキストの開始……
…少なくとも１つのカメラによるか、上記関心表面の上への多周波パターンの投影による、輪郭形成された関心表面（または単に「輪郭」あるいは「関心輪郭」）の３Ｄ三角測量に基づいた画像取得であって、上記多周波パターンは、同時に投影された少なくとも第１および第２の重ね合わせ正弦曲線を表す複数の画素を備え、これらの正弦曲線のそれぞれが特有の一時的周波数を有する画素によって表され、かつ、上記画素のそれぞれが
【数１】
2016522883.tif 000003
を満たすように投影され、ここで、Ｉｎｐは、時間のうちの特定の瞬間／時点におけるｎ番目の投影画像についてのプロジェクタの中におけるある画素の強度であり（ｐはプロジェクタを表す）、Ｋは、構成要素正弦曲線の数を表す整数であり（例えば、２周波正弦曲線パターンについてはＫ＝２であり、３周波正弦曲線パターンについてはＫ＝３である、など）、それぞれの構成要素正弦曲線は個別の一時的周波数を有し、ここでＫ≦（Ｎ＋１）／２である。パラメータＢｋｐは、構成要素正弦曲線の振幅あるいは信号強度を決定する定数を表し、Ａｐは、Ｉｎｐのすべての値がゼロ(０)よりも大きい（すなわち、プロジェクタユニットは強度が０に満たない光を投影しないであろう）ということを保証するために使用されるスカラー定数であり、ｆｋは、一時的周波数ｋに対応するｋ番目の空間周波数であり、ｙｐは、投影画像の中における空間座標を表している。例えば、ｙｐは、投影された画像の垂直行座標あるいは水平列座標を表し、ｎは、位相シフト指数あるいは連続順位を示す（例えば、ｎ＝０パターンは１番目に投影されたものであり、ｎ＝１パターンなどは個別時点における特定のモーメントを有効に表している）。Ｎは、位相シフトの総数−すなわちパターンの総数−であり、これらのパターンは投影され、投影されたそれぞれのパターンについて対応する画像がカメラ（あるいは、どちらかといえばカメラの画像センサ）によって取得されるであろう。全体を通して使用される場合、下付き文字「ｃ」は、カメラによって取得された１つの画像あるいは一連の画像（ビデオ）に関連したパラメータを指し、また、上付き文字「ｐ」はプロジェクタを指す。
【００１９】
式１．１を満たすために画素が投影されると、カメラによってその後に取得された画像の画素が、次の式によって規定された特有の技術により画定される。
【数２】
2016522883.tif 000004
式(1.2)
術語η（「エータ」）は、カメラの光センサによって画像の中に導入されたある誤差量によるノイズを表す。カメラ画像はそれぞれの画素が式１．２により画定された多数の画素から作り上げられ、ここでＡｃ、Ｂｋｃ、およびηｃはそれぞれの画素ごとに異なっている、ことを再認識されたい。上付き文字「ｃ」は、ある値がカメラセンサ中で言及された画素の位置（「カメラ空間」）に左右されることを表している。式１．２に従って投影された画素から位相項を得るために、以下の特有の式がそれぞれのｋについて遂行される。
【数３】
2016522883.tif 000005
ここで、前記のように、ｙｐは、投影された画像における空間座標を表す。EXAMPLE 01において、この明細書では以下のように、ここでｋは２に等しく設定され、ｋ＝１かつｋ＝２である事例について（すなわち、重ね合わされた２つの正弦曲線について）の位相項が決定される必要がある。図８Ａおよび図８Ｂは、コンピュータ生成／遂行画像の再現であり、図８Ｃは、例として先頭の１から１０まで番号が付けられた代表的な縞を観察するために拡大された図８Ｂである。図８Ａは、ｋ＝１についての位相項を表している画像であり、ここでｆ＝１（単一周波）である。図８Ｂおよび図８Ｃは、ｋ＝１についての位相項を表している画像の再現であり、ここでｆ＝２０（すなわち、高周波正弦曲線）である。図５Ｂ／Ｃにおけるはがされたパターンは２０本の縞を有していることに留意されたい。
【００２０】
ｋ＝２である事例について、式１．１を使用して一時的明確化技術の使用を適用すると、何人も、投影された画素が
【数４】
2016522883.tif 000006
を満たすであろうということを判定することができる。
ここで、このことは、２０本の縞をもたらす（例えば、図８Ｂで人間の手に投影されたパターンとして示されたように、これらの縞をより良好に観察するためにその拡大図が図８Ｃに示されている）ときには、何人も、それぞれ特定の画素である２０本の縞のうちのどれが投影画像（例えば図８Ｃ）の中に入るかを判定しなければならない。それぞれの画素が投影画像の中に入る場合を判定するために伝統的な位相明確化取り組みを使用するには、「縞の集計」の数学的形態−これはコンピュータ的にはきわめてわずらわしい−が必要であろう。
【００２１】
もっと適切に言えば、この発明によると、すべて単一周波正弦曲線（すなわちｆ＝１）である第２組のパターン（ｋ＝１）が、２０本の縞、ｋ＝２のパターンのうちの１つのような高周波正弦曲線に重ね合わされる。その単一周波信号は式1.1の適用によって定義される。
【数５】
2016522883.tif 000007
従って、Ｎパターンのすべてを輪郭形成された関心のある表面の上に投影するのとは異なり、ここでは、（ｋ＝２であり、プロジェクタから投影されたそれぞれの画素が２周波パターンから構成され、その１つが単一周波正弦曲線であり、第２のものが高周波正弦曲線であるように）投影された2*Nのパターンがある。しかしながら、この発明による出願人の技術にきわめて特有であるのは、投影された画素Ｉｎｐのそれぞれがどの縞の中にあるかということを、また、（画素強度Ｉｎｃの）カメラ画像の2πｆ２ｙｐ（すなわち位相）を、手近な参照のために以下で再び作成された式1.3に従って判定するデータおよび手段をプロジェクタおよびカメラユニットとともにコンピュータ化装置のコンピュータ処理ユニット（CPU）がこの時点ですでに有するように、式1.1を使用して投影された複数の画素が「即時復号化可能」なものであることである。
【数６】
2016522883.tif 000008
高周波正弦曲線の位相明確化を遂行するために、以下のステップを採用することができる。
2016522883.tif 000009
または、図１９において行われたような疑似符号略記表記で要約すると、上記演算ステップは次のように再改訂することができる。
単一位相＝arctan(cosSumK1/sinSumK1）
高位相＝arctan(cosSumK2/sinSumK2）/F2
一時位相＝round（（単一位相−高位相）/(2＊PI)＊F2）
最終位相＝一時位相＋高位相＊2＊PI/F2
【００２２】
重ね合わされた前記第１および第２の正弦曲線は例えば、EXAMPLE 01において以下に記載されたように、高周波正弦曲線の上に重ね合わされた単一周波正弦曲線（この文脈において「単一」とは１の大きさの値を有していることをいう)を含むことがあり、ここで、単一周波正弦曲線および高周波正弦曲線は、投影ユニットあるいはプロジェクタから、投影された画素のそれぞれが次の式を満たすような複数の画素として、同時に(すなわち、選択された日時／フレームの持続時間にわたって「互いの上に」効果的に)投影される。
【数７】
2016522883.tif 000010
ここで、Iｎｐは、そのプロジェクタの中におけるある画素の強度であり、Ap、B1p、およびB2pは、Iｎｐの値が標的強度範囲（例えば、８ビットカラー深さのプロジェクタについては０〜２５５）の中に入るように設定された定数であり、fhは正弦波の高周波数であり、fuは正弦波の「単一」周波数である。
【００２３】
加えて、この処理は、少なくとも１つの画像取得装置によって得られたビデオ画像データの参照表(LUT)準拠処理の遂行による投影パターンの復号化を含んでいる。この復号化ステップは、関心表面形状についてのリアルタイム座標情報を引き出すことで実施される。上記ＬＵＴ準拠処理は、輪郭形成された関心表面についてのテクスチュアマップを得るために予備算出された変調参照表（ＭＬＵＴ）を実施（あるいは照会）し、かつ、輪郭形成された関心表面についての取得されたビデオ画像データについての対応位相を得るために予備算出された位相参照表（ＰＬＵＴ）を実施（あるいは照会）するステップを含んでいる。さらにまた、従来のデジタル像点クラウドの使用は、取得されたデータをリアルタイムで表示するために行うことができる。
【００２４】
１つの観点では、特有のコンピュータ実施式の処理法、システム、および実行可能なプログラムコードおよび命令の備わったコンピュータ読取可能記憶媒体は、２つの段階を有している点で特徴付けることができる。その第１の段階は、２周波パターン生成・投影段階であり、その２周波パターンは次の式によって特徴付けられる。
【数８】
2016522883.tif 000011
ここで、Iｎｐは、そのプロジェクタの中におけるある画素の強度であり、Ap、B1p、およびB2pは、例として、Iｎｐの値を８ビットカラー深さのプロジェクタについては０〜２５５の中に入れるように好ましく設定された定数であり、fhは正弦波の高周波数であり、fuは正弦波の単一周波数であって１に等しく、nは位相シフト指数を表し、Ｎは、位相シフトの総数であって、好ましくは５以上である。第２段階は、位相、強度／触感、および深さデータについての参照表(LUT)法を採用する脱集大成段階からなっている。
【００２５】
参照表(LUT)を使用することにより、次の式によって変調(M)および位相(P)を得る。
【数９】
2016522883.tif 000012
例えば、高周波正弦曲線の位相明確化を遂行するために、次のステップが採られて、位相項が結合されて単一の位相画像が得られる。
2016522883.tif 000013
【００２６】
次に、Ｘ、Ｙ、Ｚ点クラウドへの位相の変換は、次の式を使用して実施される。
【数１０】
2016522883.tif 000014
ここで
【数１１】
2016522883.tif 000015
【００２７】
指数（ｘｃ、ｙｃ）（カメラの行指数および列指数）についての参照表によって７つのパラメータ、すなわち、Mz、Nz、C、Ex、Ey、Fx、およびFyを実施することは、位相項からの３Ｄ点クラウドに由来する関連したコンピュータ的複雑さをすべて減少させる。
……特許出願６０７から引用されたテキストの終了……
【００２８】
特許出願６０７における図１９に表されたフロー図は、すぐ上のページにおいて広範囲に引用されたように、Liuらの技術２００を要約している。例示として、特許出願607からの図１９のこのフロー図は、この明細書の中に組み入れられるとともに加えられ、図２０としてこの開示の一部をなし、それによって、Liuらの特許出願607において参照された技術は、この明細書の中で参照され、２１００「従来技術」と標記されている。
【００２９】
この発明の小型モジュール−装置１００、２００は、投影システム光源１２２、２２２を採用しており、その光源には、複数のレンズ素子、および独創的な直線状パターン変位装置１３０（図７において、特有の固定パターン光学部品１３２を有するものとして詳しく記載されている）が備わっており、この変位装置１３０は、この事例では、複数のＳＬＩパターン（図１９において９１０として図示されている）から構成された重ね合わせ／載置ＳＬＩパターンが、そこから出力されて、ビームスプリッタ１６０および投影カメラレンズアセンブリ１６２を通過し、その後、第２ビームスプリッタ１６４を通過してミラー１６６に当たり、試験下の３Ｄ対象物／被検体（あるいは、検査下の３Ｄ区域）１９０を照射する。固定パターン化光学部品１３２（図７）の中に固定された画素強度プロフィールパターン（図１９において９１０で図形的に表されたような）は、２つの正弦曲線を備えることができ、その少なくとも１つは高周波正弦曲線の上に重ね合わされた単周波正弦曲線（すなわち１の大きさの値を有している）であり、それによって、単周波正弦曲線および高周波正弦曲線は、選択された日時／フレームｎの持続時間にわたって同時に投影され、それによって、投影された画素のそれぞれは、図１９の式９５０を満たし、以下で再生成される。以下の式は、特許出願607のSection Aにおける従来技術の式(8)として引用され、さらにEXAMPLE 01においても引用されたものに類似している。
【数１２】
2016522883.tif 000016
ここで、Iｎｐは、そのプロジェクタの中におけるある画素の強度であり、Ap、B1p、およびB2pは、Iｎｐの値が標的強度範囲（たとえば、８ビットカラー深さのプロジェクタについては０〜２５５）の中に入るように設定された定数であり、fhは正弦波の高周波数であり、fuは正弦波の「単一」周波数である。単一周波信号／正弦曲線は、復号化可能な明確化位相項を一時的に作成する復調ステップの間に使用される。この明細書の他の箇所で詳しく説明されるように、好ましいのは、所望の画素強度プロフィールパターンを有しているパターン光出力（例えば、図１４ＡのSLIパターン）として出て行くために、画素強度プロフィールパターン（図１９において９１０で図解されたような）が、透明レンズ部材の中に、直線状変位パターン装置１３０の上記レンズ部材の中へのエッチング、上への蒸着、さもなければ中への「固定」、固定パターン化光学部品１３２の中へ入る光の引き起こしによって、「固定」されることである。
【００３０】
この特有の小型測定装置／モジュールは、リアルタイムでの高解像度測定と、仮出願６２６および実用新案出願６０７にさらに詳しく記載され、固定パターン光学部品を組み入れているパターン変位装置を有している特有の携帯可能なＳＬＩを結果としてもたらすＳＬＩパターン化技術の活用とを行うように構成されている。
【００３１】
発明の概要
一人以上の出願人によって発明され、あらゆる従来設計を含んでいて公知の３Ｄ形状認識技術の特徴的構成と区別できる、この明細書の中に記載されたシステムおよび関連技術の特徴的構成がよく理解されるであろう。これらの特有の特徴的構成のいくつか、あるいは、さらに特有の特徴的構成の組み合わせは、この明細書の中で支持されかつ検討されたように、さまざまな利点の１つ以上を提供することができ、それらの利点はとりわけ、（ａ）迅速な一体化および融通性／適用性（すなわち、相異なる試験下の区域／対象物／被検体の多数について３Ｄ表面データを集積するための広範囲の環境における使用）、（ｂ）試験下の区域／被検体／対象物の単一の「スナップショット」調査および／または区域／被検体／対象物の周りの表面環境を破壊しない区域／被検体／対象物の継続的な監視／調査／試験の提供、および／または（ｃ）表面データが測定されるときに動いている対象物あるいは被検体（例えば哺乳動物）の動きから結果として得られる偽画像を最小限にするのに特に有用である測定およびリアルタイム結果の速さである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
この新規なシステムおよび関連技術の革新的な特性、設計の融通性および適用性を慣例として図示するという目的のために、図面が含まれている。何人も、これらの利点と、この発明を従来のコンピュータ実施型機器／技術から区別する新規な特徴的構成とを即座に認識することができる。これらの図面は、組み入れられた任意の技術的要素とともに、出願人の新機軸の特徴的構成を例示としてのみ伝達するために含まれており、これらはいかなる意味でも、ここにおける開示を制限するものではない。
図１Ａ，１Ｂは、構造化照明を使用してこの発明に従って実施された好ましい携帯型測定モジュール１００の断面図をそれぞれ含んでいる。図１Ａは、図１Ｂにおける黒色断面および白色断面の色付き断面図である。パターンの空間的変位は、好ましくは直線状パターン変位装置１３０によって達成される。１つの好ましい実施形態では、記載されたように、その直線状パターン変位装置が熱作動によって上記パターンを変位する。
図２Ａ，２Ｂは、図１Ａの拡大された、すなわち拡張された断面図１００．１をそれぞれ示しており、直線状パターン変位装置１３０、カメラ画像センサ１７２、および光学系の一部分をそれぞれ強調表示している（装置１００の中央領域の拡大、強調表示の結果として、特徴的構成はここでは必ずしも示されていない）。第１偏光用ビームスプリッタは１６０で示されている。図２Ａは、図２Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。
図３Ａ，３Ｂは、図１Ａ、１Ｂに示された装置１００の測定先端１００．２の拡大された、すなわち拡張された断面図をそれぞれ示している。ここにおいて測定先端１００．２で強調表示されているのは、第２偏光用ビームスプリッタ１６４およびミラー１６６であり、これらは、配置されたように、３ＤＳＬＩ測定の三角測量角１６９を確立するために協働する。図３Ａは、図３Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。
図４Ａ，４Ｂは、図１Ａに類似した構造化照明を使用して、この発明に従って実施された好ましい携帯型測定モジュール１００の等角投影図をそれぞれ含んでいる。図４Ａは、図４Ｂにおける黒白等角投影図の色付き等角投影図である。パターンの空間的変位は、好ましくは直線状パターン変位装置１３０によって達成される。１つの好ましい実施形態では、記載されたように、直線状パターン変位装置がパターンを熱作動によって変位させる。
図５Ａ，５Ｂは、図４Ａの拡大された、すなわち拡張された等角投影図１００．４をそれぞれ示しており、直線状パターン変位装置１３０、カメラ画像センサ１７２、および光学系の一部分をそれぞれ強調表示している（装置１００の中央領域の拡大、強調表示の結果として、特徴的構成はここでは必ずしも示されていない）。第１偏光用ビームスプリッタは１６０で示されている。図５Ａは、図５Ｂにおける等角投影図の色付き等角投影図である。
図６Ａ，６Ｂは、図１Ａ、１Ｂに示された装置１００の測定先端１００．５の拡大された、すなわち拡張された断面図をそれぞれ示している。ここにおいて測定先端１００．５で強調表示されているのは、第２偏光用ビームスプリッタ１６４およびミラー１６６のような反射鏡であり、これらは、配置されたように、３ＤＳＬＩ測定の三角測量角１６９を確立するために協働する。図６Ａは、図６Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。
図７は、直線状パターン変位装置１３０の平面図である。この平面図は、シリコン基板１３２の中にエッチングされたパターン、この装置を支持するとともに変位させるシリコン梁１３２、この装置に電圧源を接続するための金属パッド１３６、およびこの装置を支持するためのシリコンフレームを強調表示している。この装置の直線状変位は、電圧を一方の組の金属パッド１３６に適用するとともに、他方の組の金属パッド１３６を接地することによって、達成される。シリコン梁１３２を通る電流の流れは、このシリコン梁の温度を上昇させる。温度の増加はシリコン梁１３４を膨張させ、減少はその梁を収縮させるであろう。シリコン梁１３４の膨張は、シリコン基板１３２を直線方向に移動させる（固定パターン光学部品として機能して）力を直線方向にもたらす。
図８Ａ，８Ｂは、立体照明を使用して、この発明に従って実施された好ましい携帯型測定モジュール２００の断面図をそれぞれ含んでいる。図８Ａは、図８Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。パターンの空間的変位は、好ましくはさらに特有の回転状パターン変位装置３００によって達成される（図９、１０に詳しく示されている）。何人も、装置２００と装置１００との間における構成要素のある種の類似性に気付くであろう。
図９は、回転状パターン変位装置３００の側面図である。この特有の設計は、空間的に直線状に変化する強度を有するパターンの投影を可能にする。パターン光学ホイール３１０（図１０に詳しく示されている）の回転は、投影されたパターンを直線状に変位させる。ホイール３１０の回転速度を変化させると、そのパターンが直線方向に変位する割合が変化する。
図１０は、パターン光学ホイール３１０の中にエッチングされたパターン（暗い部分は材料を示し、明るい部分は光が通ることのできる開口を示す）の正面図である。ある好ましい実施形態では、ホイール３１０の中にエッチングされたパターンを介して前方から後方へ光が通ると、視野を横切って、強度が一方方向に沿って直線状に変化し、他方方向に沿って一定である光の投影がもたらされる。従って、回転光学ホイール３１０は上記パターンを空間的に変位させる。この空間的変位は、光の強度が変化する方向において生じる。上記パターンに加えて、３４０、３５０の番号の付けられた一組の同期穴あるいは同期開口が上記光学ホイールの中にエッチングされている。一組の３４０は、光学スイッチとして振る舞って、カメラの中におけるシャッタを開閉するタイミングマークをもたらす。穴／開口３５０は、上記光学ホイールの回転速度を記録（かつ追跡）するための単一のタイミングマークをもたらす。
図１１，１２および１３は、図形的に表されている（図１３の４００で）のは、デカルト座標系における試験下の対象物／被検体４９０´、４９０´´の３Ｄ形状を取得するために、それらの点の位置を測定するために採用された三角測量法である。伝統的なＳＬＩ３Ｄ画像取得において三角測量を採用するためのこの基本的な取り組みはよく知られている。図１１は、ＳＬＩにおいて使用することができるように設定された伝統的なカメラプロジェクタを示しており、図１１において取り扱われた光の「点光源」および位置は、線図４００（図１３）にマッピングされている。一例として図１２において、ＳＬＩパターン４１０´が、ある例（エンゼル像）の試験下の対象物４９０´に投影されて示されている（４９０´´としてマッピングされている）。
図１４Ａは、試験下の対象物／被検体に投影された光パターン４１０の好ましい実施形態の平面図である。ＳＬＩ光パターン４１０は、好ましくは、装置１００に投影される（すなわち、直線状パターン変位装置１３０から投影される）。このパターンは、単一の平行軸に沿って変化する２つの正弦曲線状に変化する強度パターンの合計からなっている。
図１４Ｂ，１４Ｃは、図１４Ａに示された光パターン４１０の拡大された、すなわち拡張された平面図４１０．１、４１０．２をそれぞれ示している。何人も、拡大図４１０．１、４１０．２におけるパターン４１０の特有の性質をよりよく認識することができる。独自なことに、パターン４１０を作成するためにハーフトーン処理が使用されている。エッチング処理の間に、シリコン、金属、あるいは他の適切な支持基材のうちのいずれかの材料は、除去、例えばエッチングされ（あるいは、不透明材料が透明基板の上に蒸着され）、投影の間の操作時に、光が所定パターンの中で、そのエッチングされた（透明な）領域を介して進むことができる。材料が残っている不透明領域では、投影の際の操作においてすべての光がブロックされる。材料が除去された（例えばエッチングされた）領域では、すべての光が、関心の／試験下あるいは検査下の／表面／被検者／対象物の上への投影のために透過される。中間的な（勾配のある）光レベルを達成して、正弦曲線状に変化する強度パターンの中に認められる勾配を再現するために、ハーフトーン処理に類似した処理が使用された。投影されたその光の強度は局部区域にわたって平均化され、所定の中間値が達成される。小さい穴（そこでは、材料が除去、例えばエッチングされた）と不透明な区域（そこでは、材料は損なわれることなく残っている）との組み合わせが使用されて、パターン４１０の投影の際の操作において、所定の勾配（中間的な光）値が作成される。
図１５は、三角測量の公知の概念を、３Ｄ画像取得法および表面認識法に組み合わせ、構造化照明照射（ＳＬＩ）技術を使用して理解できるようにモデル化するいくつかの基本的な公知の数式５００を示している。示された数式５００は、参照によってこの明細書に組み入れられた上記Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａを含む他の箇所で、詳細に説明されかつ参照されている。
図１６Ａ，１６Ｂおよび１６Ｃは、しばしば単に「点クラウド」と称される点クラウド画像６００のデジタル再生物をそれぞれ示している。図１６Ａ、１６Ｂは、単一ショット測定値から得られた点クラウド６１０、６２０をそれぞれ示し、図１６Ｃは、互いに組み合わされた−あるいは縫い合わされた−２つの単一ショット測定値６１０、６２０から作成されて単一の一体化／交錯点クラウド６３０を形成する複合点クラウドである。
図１７，１８は、図形的表現および数式を含んでいる。図１７は７００で、数学的モデルを表し、また、図形的表現は３つの直交軸の周りの任意回転を表し、また、図１８は８００で、３つの直交軸に沿った任意平行移動の数学的モデルを表している。
図１９は、図形的表現９１０は、画素プロフィール強度パターンを数式９５０の使用により示しており、これは、上記Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａ（２０１０年３月１日  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｒｅｓｓ  第１８巻、第５号、５２３３としても刊行された）に、式（８）でいっそう詳しく説明されている。９５０によって投影されたパターン（基板の上に物理的にエッチングされ、あるいは蒸着された）は、９０５で表されたように、例えば高周波正弦波パターンおよび低周波正弦波パターンから構成されているのが好ましい。
図２０は、この発明の測定モジュール／装置および技術によって活用された特有の技術２１００−上記の仮出願６２６および実用新案出願６０７に開示されている−を表している高レベルフロー図（従来技術と名付けられている）である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
上記図面と、参照によってこの明細書の中に組み入れられた参考資料とを見れば、何人も、特有な核心の特性を、この明細書に開示された新規な装置／モジュールおよび関連システムの付加的および代替的な特徴的構成とともに、さらに認識することができる。上記図面によって表されあるいは上記図面の中で確認されたさまざまな特徴的構成および構成要素に対する相互の参照および関連が行われた。全体を通して使用されたように、「図面１」は「図１」として互換可能に言及することができるが、いずれも、同一の図、すなわち、上記一組の図面において図１の符号が付けられた図に言及することを意図している。構造的および機能的な細部は、投影システム光源１２２、２２２と、独創的な直線状パターン変位装置１３０（図７において、特有の固定パターン光学部品１３２を有するものとして詳しく記載されている）の内部に組み込まれたレンズ素子とを採用するこの発明の小型測定装置１００（および２００）の使用を強調して示すために、例示的なものとしてだけこの明細書の中に組み入れられているが、ここで、上記直線状パターン変位装置は、この事例では、複数のＳＬＩパターン（図１９において９１０で写実的に表されている）から構成された重ね合わせ／載置ＳＬＩパターン（例えば、図１４ＡのＳＬＩパターン４１０）が、そこから出力されてビームスプリッタ１６０および投影カメラレンズアセンブリ１６２を通過し、その後、第２ビームスプリッタ１６４を通過してミラー１６６に当たり、試験下の３Ｄ対象物／被検体（あるいは、検査下の３Ｄ区域）１９０を照射する。
【００３４】
装置／モジュール１００の独創的な特徴的構成は、この明細書の全体を通して、図１Ａ−Ｂ、２Ａ−Ｂ、３Ａ−Ｂ、４Ａ−Ｂ、５Ａ−Ｂ、６Ａ−Ｂ、７、１１、１２、１３、１４Ａ−Ｃ、１５、１６Ａ−Ｃ、１７Ａ−Ｄ、および１８にさらに詳しく説明されている。この発明の装置の隠れた機械的設計を強調するために、好ましい第２測定装置２００が強調して示されているが、この第２測定装置は、高輝度光源２２２および回転状パターン変位装置３００を採用しており、回転状パターン変位装置３００が、位相シフトのさまざまな選択肢の備わった２周波パターンを含めるために、次のように番号が付けられたエッチングずみパターン光学ホイール３１０を有している。
３２０    ０度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３２２    ４５度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３２４    ９０度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３２６    １３０度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３３０    １８０度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３３２    ２２５度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３３４    ２７０度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
３３６    ３１５度の位相シフトが備わった２周波数パターンについての機能性を表す
【００３５】
回転状パターン変位装置３００（さらなる細部は図９−１０を参照のこと）を通過した後に、複数のＳＬＩパターンから構成されたＳＬＩパターンは、出力されてビームスプリッタ２６０および投影カメラレンズアセンブリ２６２を通過し、その後、第２ビームスプリッタ２６４を通過してミラー２６６に当たり、最後に、試験下の３Ｄ対象物／区域／被検体２９０を照射する。装置２００の独創的な特徴的構成は、この明細書の全体を通して、図８Ａ−Ｂ、９、１０、１１、１２、１３、１５、１６Ａ−Ｃ、１７Ａ−Ｄ、および１８にさらに詳しく説明されている。
【００３６】
この発明の装置および技術は、リアルタイム信号処理を活用する光学的かつ機構的な実施例を確立する。以下のものは、図１−１８を通じて示されかつ番号が付けられた構成要素／特徴的構成部／アセンブリのリストであり、図示された構成要素／特徴的構成部／アセンブリについて選択された用語を備えた参照符号に一致している。
参照符号 構成要素／特徴的構成の説明
１００        この発明に従って実施され、直線状パターン変位装置１３０を通過す
る立体照明光を使用する携帯型測定モジュール
１００．１      モジュール中心に焦点が合っている携帯型測定モジュール１００の拡
大図
１００．２      モジュール先端に焦点が合っている携帯型測定モジュール１００の拡
大図
１００．３      斜視図で示された図１Ａ、１Ｂの測定モジュール１００
１００．４      モジュール中心に焦点が合っている測定モジュール１００．３の拡大
図
１００．５      モジュール先端に焦点が合っている測定モジュール１００．３の拡大
図
１１０        機械フレーム
１２０        光源用ヒートシンク
１２２        投影システムの光源
１２４        光均質化光学部品
１３０        直線状パターン変位装置（ＭＥＭＳ技術を利用して組み立てられた）
１３２        固定パターン光学部品（例えばシリコンあるいはエッチングされた金
属板）
１３４        直線状位相要素（例示としてだけ、「Ｈ」形状である梁）
１３６        直線状位相要素のための入力電圧
１３８        直線状位相要素のための接地パッド
１４０        固定線が備わったぼけフィルタ
１５０        直線状パターン変位装置用機械マウント
１６０        第１ビームスプリッタ
１６１        ビーム出力／取得装置
１６２        少なくとも１つのレンズ素子を有している投影／カメラレンズアセン
ブリ
１６４        第２ビームスプリッタ
１６６        ミラーあるいは他の反射面のような反射鏡
１６７        反射鏡１６６のためのクリップ／支持具
１６８        光学回転体
１６９        三角測量角
１７０        画像センサボード
１７２        画像センサ
１７４        画像センサ用マウント
１７６        画像センサ用ヒートシンク
１８０        画像センサ制御回路
１８２        直線状パターン変位装置用制御回路
１８４        電源、データおよび制御信号用入力・出力コネクタ
１８６        システム制御部
１９０        試験下あるいは検査下の対象物／被検体
２００        この発明に従って実施され、回転状パターン変位装置３００を通過す
る立体照明光を使用する携帯型測定モジュール
２１０        機械フレーム
２２０        高輝度光源用ヒートシンク
２２２        高輝度光源
２２４        高輝度光源均質化光学部品
２４０        固定線が備わったぼけフィルタ
２５０        回転状パターン変位装置３００用機械マウント
２６０        第１ビームスプリッタ
２６２        投影・カメラレンズアセンブリ
２６４        第２ビームスプリッタ
２６６        ミラー
２６７        ミラークリップ
２６８        光学回転体
２７０        画像センサボード
２７２        画像センサ
２７４        画像センサ用マウント
２７６        画像センサ用ヒートシンク
２８０        画像センサ制御回路
２８２        回転状パターン変位装置３００用制御回路
２８４        電源、データおよび制御信号用入力・出力コネクタ
２８６        システム制御部
２９０        試験下あるいは検査下の対象物／被検体
３００        回転状パターン変位装置
３１０        パターン光学ホイール
３２０        ０度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を表す
３２２        ４５度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を表
す
３２４        ９０度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を表
す
３２６        １３０度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を
表す
３３０        １８０度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を
表す
３３２        ２２５度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を
表す
３３４        ２７０度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を
表す
３３６        ３１５度の位相シフトが備わった２周波パターンについての機能性を
表す
３４０        カメラ（光学スイッチとして作用する）での同期のための穴／開口
３５０        低周波パターンのゼロ位相シフト位置を識別するための穴／開口
３６０        モータを取り付けるための中心穴／開口
３７０        パターン光学ホイールをモータ／回転手段に取り付けるためのマウン
ト
３８０        モータ／回転体／回転手段
４００        試験下の対象物の３Ｄ形状をデカルト座標系において取得するために
点の位置を測定する目的で採用された三角測量法を写実的に示す。図形
４００において識別された点は、試験下の対象物／被検体／表面４９０
´の上に４１０´で番号が付けられたような立体照明光パターンを作成
するために、伝統的なプロジェクタカメラアセンブリに関連している（
図１２）。試験下の対象物／被検体／表面は、図形４００において４９
０´´で表されている（図１３）。
４１０        試験下の対象物／被検体の上に投影された光パターンの好ましい実施
形態。ＳＬＩ光パターンは装置１００において投影されるのが好ましい
（すなわち、直線状パターン変位装置１３０から投影される）。このパ
ターンは、単一の平行軸に沿って変化する２つの正弦曲線状変化型強度
パターンの和からなっている。
４１０．１
４１０．２      ４１０．１および４１０．２のそれぞれは、上記直線状パターン変位
装置によって実施されたようなＳＬＩ光パターン４１０（図１４Ａに示
されている）のさらに別の拡大平面図である。
４２０        従来の投影システム
４３０        従来のカメラシステム
４４０        カメラシステムと投影システムとの間の距離
４５０        投影された行とカメラ列との交点
４９０´      試験下の対象物／被検体／表面の代表例
４９０´´    試験下の対象物／被検体／表面の代表例
５００        三角測量の従来の／標準的な技術をモデル化する数個の式を含んでい
る数学的公式であり、上記Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａを参照のこと。
５１０        構造化照明光三角測量技術についての投影パターンに関する式
５２０        立体照明光三角測量技術についてのカメラによって取得された画像に
関する式
５３０        構造化照明光三角測量技術についての位相計算方法
５４０        構造化照明光三角測量技術についてのカメラ画素座標と投影パターン
行との関係
５５０        構造化照明光三角測量技術についてのＸＹＺ位置計算方法
６００        点クラウドの概念を集合的に表している測定値出力物
６１０        測定された第１点クラウド
６２０        測定された第２点クラウド
６３０        第１点クラウド６１０と第２点クラウド６２０とからなる交錯点クラ
ウド
７００        ３つの直交軸の周りの随意回転の数学的モデル化／グラフ状図示
８００        ３つの直交軸に沿った随意平行移動の数学的モデル化
９００        上記Section A（また、Optics ExpressのVol.18のNo.5の第５２
３３ページとして２０１０年３月１日に刊行された）により検討された
ようなパターン化された光学的実装
９１０        上記Section A（また、Optics ExpressのVol.18のNo.5の第５２
３３ページとして２０１０年３月１日に刊行された）にいっそう詳しく
説明された式９５０を使用する画素プロフィール強度パターンの図形的
表現であり、ここでは式（８）の番号が付けられている。９５０に従っ
て投影されたパターン（この明細書の中で検討されたように、基板の上
に物理的にエッチングされるかあるいは蒸着された）は例えば、図１９
の９０５で表されたような高周波正弦波パターンおよび低周波正弦波パ
ターンからなっているのが好ましい。
９５０        この発明に従って、１３２（図７）あるいは３１０（図１０）のよう
な固定パターン光学部品とともに使用するために、１０で図形的に描か
れた画像強度のプロフィールパターンを規定する式。この式は、上記
Section A（また、Optics ExpressのVol.18のNo.5の第５２３３ページ
として２０１０年３月１日に刊行された）にいっそう詳しく説明された
式を使用する画素プロフィール強度パターンの図形的表現であり、ここ
では式（８）の番号が付けられている。
９０５        式９５０、すなわち上記Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａにおいて式（８）下で検
討されたような重ね合わせ正弦波−高周波正弦波パターンおよび低周波
正弦波パターン−の周期的相関を図形的に表す。
【００３７】
図１１−１３は、関心の対象物／被検体４９０´、４９０´´の３Ｄ表面におけるある点の位置を決定するために現在採用された三角測量として知られたＳＬＩ数学的技術を図形的に描いている。プロジェクタ（４２０）は、ＳＬＩパターンを試験下の対象物の上に投影するために使用される。カメラ（４３０）は試験下の対象物を観察する。三角形が、上記プロジェクタと、上記試験下の対象物と、上記カメラとの間に形成されている。較正を通して、上記カメラと上記プロジェクタとの関係が確立されている。この関係に基づいて、上記測定システムと試験下の対象物における点との間の距離を決定することができる。
【００３８】
伝統的な構造化照明では、試験下の対象物までの距離、三角測量角、上記カメラの光軸と上記プロジェクタの光軸との角度が、この測定システムの全体の大きさを決定する。正確な測定を行うためには１５度以上の三角測量角が一般に必要であり、従って、対象物の表面を測定するためには、その対象物が小さいものであっても大きいものであっても、従来のＳＬＩシステムはすべて、比較的大きい設置面積を必要とする。同一の三角測量角を維持するためには、試験下の対象物からの距離が増大すると、基線、および上記カメラの光軸と上記プロジェクタとの間の距離もまた、増大するにちがいない。
【００３９】
伝統的なＳＬＩシステムは、ＳＬＩパターンを投影するために、しばしばデジタルプロジェクタを使用する。デジタルプロジェクタの使用によれば、これらの測定システムが、プロジェクタの処理ユニットの洗練されたプログラミングでさまざまなパターンを投影することができるようになる。しかしながら、高価なデジタルプロジェクタの使用は、これらの測定システムの大きさ、コストおよび複雑性が増えるとともに、３Ｄ表面測定の速度がきびしく制限されるおそれがある。
【００４０】
再び、４００で図形的に表された図１１−１３に戻ると、図１３は、デカルト座標系における試験下の対象物／被検体４９０´、４９０´´の３Ｄ形状を取得するために、それらの点の位置を測定するべく採用された三角測量技術である。伝統的なＳＬＩ３Ｄ画像取得に三角測量を採用するこの基本的な取り組みはよく知られている。図１１は、ＳＬＩに使用することができるように設定された伝統的なカメラ−プロジェクタを示している。図１１に識別された光の「点光源」および位置は、図１３において４００でマッピングされている。図１２における例として、ＳＬＩパターン４１０´が、試験下の対象物／被検体４９０´の例（エンゼル像）に投影されて示されている（４９０´´としてマッピングされている）。操作時に、投影システム４２０は、試験下の対象物４９０´、４９０´´の上に焦点が合わされたプロジェクタにおける開口（簡潔さのために番号が付けられていない）を通してパターンを投影する（図１２および１３）。パターン４１０´は、上記対象物の３Ｄ表面特性による対象物４９０´の形状によってゆがんでいる。このゆがんだパターンがカメラ４３０の視野の内側にあれば、そのゆがみは、試験下の対象物をカメラの開口（簡潔さのために番号が付けられていない）を通して観察するカメラによって記録される。ＳＬＩパターン照射区域４１０´の内部およびカメラの視野の内部の両方における試験下の対象物の部分だけを測定することができる。
【００４１】
この明細書の中に開示されたきわめて独創的なこの取り組みは、カメラの光学部品およびプロジェクタの光学部品が同一の軸の近位に沿って配置された携帯型モジュールを作り出すために、偏光光学部品を組み込むものである。上記三角測量角は、ミラーと偏光用ビームスプリッタとのさらに特有の組み合わせを使用して設定されている。従って、充分に大きい効果的な三角測量角が、上記カメラと上記プロジェクタとの間の大きい物理的引き離しを必要とすることなく達成される。さらにまた、代わりの２つの独創的な取り組みが、この発明におけるＳＬＩパターンを生成するとともに投影するために発展してきたが、それらのパターンは、（１）固定パターンを直線方向に変位することによる投影用パターン、および（２）固定パターンを回転することによる投影用パターンである。
【００４２】
好ましい１つの実施形態では、複雑なパターンを採用することができ、そのパターンは、Liuらによる米国仮特許出願第61/371,626号（「仮出願626」）の中に開示された２周波立体照明技術を組み入れるとともに実施する。仮出願626の中に開示された特有のＳＬＩパターン化技術は、（１）特有のパターン計画構成要素（仮出願626においてSection A.「高速３Ｄ形状測定のための２周波パターン案」と標記され、また、Section B.「３Ｄリアルタイム取得およびデータ処理のための期間コード化位相測定計画」と標記されたように、仮出願626に認められる技術的検討においてさらに詳しく記載されており、これらSection A.およびB.のそれぞれは、次の２つの伝統的な電子回路信号／電流伝播型、すなわち、以下でさらに説明されるように、ＡＣ(交流)およびＤＣ(直流)の類推によって導入された新規な多周波パターンの例を取扱範囲に入れている）と、
（２）特有の非体系化画像処理用構成要素（仮出願626においてSection C.「立体照明照射リアルタイム位相および３Ｄ表面再構成のためのLUTに基づいた処理」と標記されたように、仮出願６２６の技術的検討においてさらに詳しく記載されている）とを備えている。
【００４３】
図１Ａの装置／モジュール１００の実施において、この装置／モジュール１００は、直線状変位パターン装置１３０を組み込んでいて、図１４ＡのＳＬＩパターン４１０がそこから投影され、シリコン基板の中へエッチングすることができ、かつ／または、金属基板の中へエッチングすることができる固定パターン光学部品１３２を有している。いずれの場合も、公知の技術と選ばれた基板に依存して選択された化学腐食液とを使用することで、その腐食液が適用されて上記固定パターンが作成される。従来の公知の処理法を使用すると、上記シリコン基板あるいは金属基板のうちの好ましくは露出部分が、上記腐食液を除去することでエッチングされ、代わりに、不透明な材料を透明な基板／レンズ部材の上に蒸着することができる。従来のエッチング処理方法は、入射光を完全に阻止する区域および入射光を完全に透過させる区域からなる基板を残す。不透明な材料を透明な基板／レンズの上に蒸着すると、光が阻止されるとともに光がそこを通して透過される区域を同じように作り出す。この意味で、従来のエッチング処理法および基板蒸着処理法は、光を「二元」状態に表示する（すなわち、材料がそのまま残された不透明区域が暗い区域を作り出し、また、材料がエッチングされたエッチングずみ基板支持体の透明区域が明るい区域を作り出す）ものであるとみなすことができる。
【００４４】
グレースケール値は構造化照明を使用する正確な３Ｄ測定に必要であるので、出願人は、所定の固定ＳＬＩパターンの基板支持体からのエッチングによる除去、基板支持体への蒸着、さもなければ基板支持体の中への固定についての彼らのきわめて特有な取り組みを設計して実施した。出願人は、変化するグレースケール値の備わった投影パターンを作成するために、エッチング／材料蒸着の伝統的に「二元の」処理を独自に適用した。中間的な（勾配のある）光レベルを達成して、正弦曲線的に変化する強度パターンの中に認められた勾配を再現するために、ハーフトーン処理に類似した処理が使用された。パターン４１０（図１４Ａ−１４Ｃの410.1、410.2で示された拡大図を参照のこと）は、試験下の３Ｄ対象物／被検体の表面を照射するために、モジュール１００、３００の内部を最終的に進む投影された重ね合わせ／載置ＳＬＩパターン（複数のＳＬＩパターンから構成されている）の二元的変形の形態にエッチングされ、蒸着され、さもなければ固定されるのが好ましい。パターン４１０の投影の際の操作において、所定の勾配（中間光）の値を作成するために、ある穴（ここでは、材料が例えばエッチングされて除去されている）および不透明区域（ここでは、材料が元のままで残っている）の組み合わせが使用される。二元的パターン４１０の連続状トーングレースケール画像を達成し、かつ、装置１００を通して投影する１９３Ａ、Ｂのために、レンズの変調伝達関数（ＭＴＦ）が採用されて上記二元的固定パターンがぼやけさせられる。それは、実際には、空間的に変位しているパターン１３２による（一方の組の金属パッド１３６に電圧を加えるとともに他方の組の金属パッド１３８を接地させることで、上記パターンを直線状に変位させることによる）装置１３０の内部における「空間的ぶれ」である。
【００４５】
背景だけにより、写真画像形成システムあるいは同システムのそれぞれの構成要素（レンズ、画像センサ、スキャナなど）の鮮明度は、ＭＴＦ、低周波数でのコントラストに対する所定の空間周波数ｆでのコントラストの測定値を表す一組の点によって特徴付けられる。ＭＴＦは空間周波数を含む周波数応答である（従って、用語「空間周波数応答」）。それは、報告されて、単位距離（ミリメートルあるいはインチ）当たりのサイクル（線の対）において、またはデジタルカメラ、サイクル／画素（ｃ／ｐ）あるいは写真の単位高さ当たりの線の幅（ＬＷ／ＰＨ）の状況で図形的に表されている。高い空間周波数は細かい画像細部に対応している。上記応答が延長されればされるほど、上記細部はより細かくなり、また、上記画像はより鮮明になる。
【００４６】
代わりに、上記二元的固定パターン４１０の連続状トーングレースケール画像を達成するために、投影された光の強度を局部的区域にわたって平均化することで、所定の中間値が達成される（すなわち、上記処理ユニットの中におけるデジタル画像をぼやけさせること、実際には、上記プロジェクタレンズにＭＴＦを採用するのではなく、上記画像センサの焦点を外すことで）。
【００４７】
ユニット２００の事例では、装置３００（図９）のパターン化ホイール３１０（図１０）は、他の箇所で詳しく説明されたように、上記ホイールの二元的パターンを「空間的にぼやけさせる」ために所定の速度で回転させることにより、装置２００（図８）を通して投影された１９３Ａ、Ｂを得るホイール３１０の二元的固定パターンの連続状トーングレースケール画像を達成する。
【００４８】
上記パターン変位装置（モジュール１００では１３０、モジュール２００では３００）は、重ね合わせ／載置ＳＬＩパターン（複数のＳＬＩパターンから構成されている）がそこから出力されてモジュール１００、２００の内部を進んで試験下の３Ｄ対象物／被検体（例えば１９０、２９０）の表面を照射する固定パターン光学部品（例えば、装置１３０の事例では１３２、装置３００の事例では３１０）を採用している。パターン１３２の空間的変位は、一方の組の金属パッド１３６に電圧を加えるとともに他方の組の金属パッド１３８を接地させることで上記パターンを直線状に変位させて、達成される。シリコン梁１３４を通る電流は、そのシリコン梁の温度を上昇させる。温度の増加はシリコン梁１３４を膨張させ、減少はそれらの梁を収縮させる。シリコン梁１３４の膨張は、結果として、シリコン板１３２（固定パターン光学部品として機能する）を直線方向に移動させる力を直線方向にもたらす。
【００４９】
何人も、装置設計の大きい融通性を認識することができる。試験下の対象物／被検体１９０、２９０は、関心／検査の任意区域であってもよく、言わば、関連の区域、すなわち崩壊、亀裂、あるいは他の異常の区域、哺乳動物の口腔（例えば子供の歯、感染した歯肉）の内部、製造中の製品における欠陥、管／チューブ類の内部における疑わしい破損あるいは弱体化の区域、油圧系統の空洞の内部における関連の区域などであってもよい。高級な処理ユニットで実施された、洗練されたＳＬＩ位相明確化アルゴリズムは、視野（ＦＯＶ）が上記立体照明パターンの明確な範囲よりもさらに延びる距離を伴うときには、より大きいＦＯＶの内部で正確な測定の位置決めを可能にすることを伝統的に必要とする。この発明についてはそれほどでもない。３Ｄ測定は、位相明確化（上記Section Aの「高速３Ｄ形状測定のための２周波パターン案」を参照のこと）によることなく２周波取り組みを採用する測定装置１００あるいは２００を使用して関心表面について行なわれるのが好ましいが、何人も、位相明確化を適切な条件の下で実施することを選択するであろう。
【００５０】
装置１３０の固定パターン光学部品１３２かあるいは装置３００の固定パターンホイール３１０かのいずれかの事例では、好ましく実施された上記固定パターンは、上記Section Aおよび上記Section Bに記載されたような合成ＳＬＩパターンの中へ重ね合わされた複数の正弦波パターンを有している。図１９の式９５０は、固定パターン化光学部品１３２、３１０（それぞれ図７および１０）とともに使用するための画素強度のプロフィールパターン（９１０）を数学的にモデル化している。画素強度プロフィールパターン（９１０）は、透明レンズ部材の中に、レンズ部材（１３２、３１０のような）の中へのエッチング、上への蒸着、さもなければ中への「固定」によって、「固定され」ており、光源（図１Ａなどでは１２２、図８Ａなどでは２２２のような）から上記パターン化光学部品に入る光が、式９５０によって規定された上記画素強度プロフィールパターンを有しているパターン化された光出力として出ることになる。式９５０は、上記Section Aにおいていっそう詳しく検討されており、ここではそれは式（８）として番号が付けられている。その結果、上記投影パターン（物理的にエッチングされているかあるいはレンズ部材の上に蒸着されている）は例えば、高周波正弦波パターンおよび低周波正弦波パターンから構成されている（この正弦波の組み合わせは、図１９の９０５で図形的に表されている）。上記高周波パターンは、試験下の対象物の３Ｄ形状の正確な測定を、点をいっそう正確に配置することで可能にする（微細測定）。より低い周波数パターンは、大まかな（粗い）測定を可能にし、試験下の３Ｄ表面／対象物における点と上記測定システムとの間の距離を概算する。他の箇所で言及されたように、このことは、デジタルＳＬＩパターン投影のために必要な位相明確化アルゴリズムを適用するときに必要とされる付加的で洗練されたコンピュータ処理を省略する。
【００５１】
実施形態の特徴的構成および代わりの有用な構造を示している例
この発明の技術およびシステムは、試験下の対象物／被検体１９０、２９０が、関心／検査の区域あるいは表面のような、言わば、関連の区域、すなわち崩壊、亀裂、あるいは他の異常の区域、哺乳動物の口腔（例えば子供の歯、感染した歯肉）の内部、製造中の製品における欠陥、管／チューブ類の内部における疑わしい破損あるいは弱体化の区域、油圧系統の空洞の内部における関連の区域などのような試験下の対象物／被検体１９０、２９０の表面から、カメラサブシステムで測定された３Ｄデータのリアルタイム計算を行うための操作に有用である。
【００５２】
従来の構造化照明測定システムとは異なり、この小型３Ｄ測定モジュール１００、２００は、パターン投影サブシステムのための投影レンズと画像取得サブシステムのためのカメラレンズとの両方として機能するレンズ系を有している。投影情報と画像情報との間の識別は、偏光用ビームスプリッタと四分の一波長板とによって達成される。図１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、５Ｂ、６Ｂ、および８Ｂはそれぞれ、方向を示す矢印を有しているが、これらの矢印は、この明細書の以下でまた他のどこかでさらに詳しく説明されるように、光源１２２、２２２から装置／モジュール１００、２００を通過し、光路１９３Ａ、１９３Ｂ、１９３Ｃに沿って試験下あるいは検査下の対象物／被検体１９０、２９０の照射部へ到り、次いで、通路１９５Ａ、１９３Ｂ、１９３Ｃに沿って装置／モジュール１００、２００を通り、画像センサ１７２の中へ到る光路の一般的な方向を表している。
【００５３】
集光レンズ系を使用して、非偏光光源（例えば発光ダイオードあるいはＬＥＤ）１２２、２２２からの光が集束されてパターン化光学部品（１３２、３１０）の上に焦点合わせされ、投影光パターンが形成される。その光（通路１９３Ａ）は次いで、偏光用ビームスプリッタ（１６０、２６０）を通過する。この出力光は、単一偏光状態に偏光されており、光路（１９３Ｂ）に沿って先端部（図３Ａ−Ｂ、６Ａ−Ｂの１００．２、１００．５）へ向かう。この光は、その途中で投影／カメラレンズアセンブリ（１６２、２６２）を通って進み、試験下あるいは検査下の対象物／被検体（１９０、２９０）を照射する。投影された光パターンは、軸がこの光の偏光状態に整合された第２偏光用ビームスプリッタ（１６４、２６４）を通過して、ミラー（１６６、２６６）で反射され、次いで、１９３Ｃに沿って四分の一波長板（すなわち光学回転体１６８、２６８）を通過し、試験下あるいは検査下の対象物／被検体（１９０、２９０）に入射する。
【００５４】
四分の一波長板（１６８、２６８）は、入射光の偏光状態を４５度、回転させる。試験下の対象物（１９０、２９０）によって散乱された光は、四分の一波長板（１６８、２６８）を逆に通過して、さらに４５度、回転される。投影された光パターンの偏光状態に対する最終的な回転は９０度であり、散乱光の偏光状態は、装置／モジュール（１００、２００）の本体を通過する投影光パターンに対しておおむね直交しており、従って、散乱光は、第２偏光用ビームスプリッタ（１６４、２６４）によって反射されて、投影／カメラレンズアセンブリ（１６２、２６２）へ戻る。
【００５５】
上記散乱光は第１偏光用ビームスプリッタ（１６０、２６０）へ入り、また、その偏光状態がモジュール１００、２００の本体を通過する上記投影光パターンに対して直交しているので、試験下の対象物１９０、２９０で反射された戻りの散乱光は光源まで進まない。さらに詳しく説明すると、所望信号の偏光状態は投影パターンに対して直交しているが、しかしながら、戻りの信号は、上記第１偏光用ビームスプリッタの設計内容のために、上記カメラモジュールへ反射される。上記第１偏光用ビームスプリッタは、ｓ偏光を透過させるとともにｐ偏光を反射させるように設計されている。初めは非偏光状態にある上記投影パターンは、上記第１偏光用ビームスプリッタを通過した後にｐ偏光状態になる。戻り光はｓ偏光され、この偏光状態は上記第２偏光用ビームスプリッタによって設定される。代わりに、上記散乱光は、上記カメラモジュール（示されたように、画像センサボード１７０、画像センサ１７２、画像センサ用マウント１７４、画像センサ用ヒートシンク１７６、画像センサ制御回路１８０からなっている）へ反射され、画像センサ１７２によって検出されるとともに測定される。上記カメラモジュールは画像を取得し、次いで、その画像は、３Ｄ点クラウドを作成するためにさらに処理されるが、点クラウド画像を完全に仕上げる一例は図１６Ａ−１６Ｃに示されている。
【００５６】
ＭＥＭＳ技術
公知の半導体ウエハ処理技術を使用することで、上記所望パターンはシリコン基板の中に物理的にエッチングされる。このシリコン基板は、シリコンフレームの内側で一組の梁によって吊り下げられる。このフレームは、これまたエッチングによって組み立てられた。梁１３４は、金属によって金属パッドへ接続されている。電圧が金属パッド１３６を通じてこの装置へ加えられ、かつ、電流が一組の梁１３４を通って流れることができるようになると、その電流によって上記梁の温度が上昇する。この温度の変化によって、梁１３４が膨張する。梁の膨張によって、上記シリコン板が一方向に直線状に移動される。上記梁を通る電流を制御することで、上記シリコン板の変位が制御される。このようにして、上記投影光パターンは、試験下の対象物を越えて変位することができる。
【００５７】
２つの好ましい実施形態のうちの第２のものでは、上記ＳＬＩパターンは、適切にしっかりした基板、例えば金属から作られたホイール３１０（図１０）の中にエッチングされる。上記パターンの空間的変位は、上記パターンを回転させることによって達成される。ホイール３１０を円形に（例えば３３９の番号が付けられた方向に回転状に）回転させると、空間的に直線状に変化するとともに直線状に変位される上記投影パターンの強度が作り出される。加えて、カメラサブシステム（画像センサ２７２、画像センサ制御回路２８０など）との適切な同期を保証するために、さらに特有の特徴的構成がホイール３１０の設計に組み込まれた。
【００５８】
上記投影光パターンを上記ホイールの中にエッチングすることに加えて、２種類の同期穴が、上記ホイールの中にこれまたエッチングされた。カメラシャッタの開閉が上記投影パターンとタイミング調整されたことを保証するために、パターン同期穴（わずかに細長い開口）３４０がエッチングされている。カメラとの同期を達成するための電子式信号が、写真断続器回路の使用によって達成された。この回路はＬＥＤおよびＰＩＮダイオード光検出器の両方を含んでいる。上記ホイールの回転の間に、上記写真断続器回路からのＬＥＤ光がパターン同期穴を通過すると、そのＬＥＤ光は上記ＰＩＮダイオード光検出器によって検出される。上記ＰＩＮダイオード光検出器は、シャッタを開くためにカメラによって使用される電気信号を出力する。上記ホイールの金属部分によって光が阻止されると、上記ＰＩＮダイオード光検出器の出力が低下して上記カメラシャッタが閉まる。同様にして、ホイールの回転を計数するための同期穴もまた実施された。
【００５９】
正確な測定を行うために、装置／モジュール１００、２００には較正が必要である。較正は、それが固定パターン光学部品（１３２、３１０）を出るときの投影パターンと上記カメラモジュールの上記画像センサとの関係を決定するものである。そのシステムが所望精度の内側にあることを保証するために、検証が行われる。この検証は周期的に実施され、その測定システムが検証試験に合格しないときには、その測定システムを遵守状態に戻すために較正が実施される。較正は、平坦で散乱反射性の標的の使用により達成することができ、その標的には、公知であって均一の空間的配置でその表面に黒点が備わっている。この較正標的は、いくつかの位置へ、典型的には５つの位置へ移動され、それぞれの位置で上記カメラを使用してデータが取得される。それぞれの位置どうしの距離は正確に知られている。この較正の精度は、上記点の配置の精度と上記較正標的が移動される精度との関数である。較正は公知の寸法の対象物をさまざまな角度および距離で測定することによって達成される。
【００６０】
この特有の３Ｄ測定モジュール１００、２００は、パターン投影および画像取得のための投影／カメラレンズアセンブリ１６２、２６２を使用する。他の箇所で説明されたように、また、側面断面図である図１Ａ−Ｂ、２Ａ−Ｂ、４Ａ−Ｂ、５Ａ−Ｂおよび８Ａ−Ｂに詳しく示されたように、投影／カメラレンズアセンブリ１６２、２６２は同一の軸に沿って（すなわち「同軸に」）配置されている。示されたように、投影／カメラレンズアセンブリ１６２、２６２の軸は、光源１２２、２２２から直線状パターン変位装置１３０あるいは回転状パターン変位装置３００を介して到来する光から投影されたＳＬＩパターンのための通路（１９３Ｂで番号が付けられている）と、試験下の対象物で反射されてモジュール１００、２００に戻る光の通路（１９５Ｂで番号が付けられている）との両方に対してほぼ平行である。上記投影された光と上記取得された光と上記カメラモジュールによって観察された光との間の識別は、偏光分離光学部品（１６０、２６０および１６４、２６４で表されたような）を通して達成される。
【００６１】
これらの光学部品は機械的フレーム１１０の中に保持されている。投影システムの光源１２２、２２２から熱を有効に引き出してその区域の過熱を防止し上記光源の安定的作用を支援するために、ヒートシンク１２０、２２０が使用されている。１２２から出力された光は均一な空間的強度を有していない。パターン光学部品１３２が均一強度の光で照射されると、より良好な性能が達成される。１２２の出力は、光均質化光学部品１２４で均質化され、あるいは均一にされる。１２４の出力は１３２を照射する。直線状パターン変位装置１３０は、電圧を直線状変位要素（例えばパッド）１３６のための入力電圧に適用することによって、１３２を直線方向に変位させる。固定パターン光学部品／板１３２の動きを作り出すために、装置１３０の好ましい実施形態が、熱作動で実施される。米国特許第7043910号公報においてHickeyは、シリコンを基材とする微小電子機械システムの中に動きを作り出すために熱エネルギを使用する方法について記載している。米国特許第6410361号公報においてDhulerらもまた、微小電子機械システムの中において動きを可能にする熱方法を記載している。従って、熱を発生させてごく小さいＭＥＭＳ要素を動かすために電圧を適用する一般的な概念は知られている。
【００６２】
区域／パッド１３６に適用された電圧によって、電流が装置１３０の導電性領域を通って流れる。その電流は、導電性トレースから作られているのが好ましく、一例としてだけ「Ｈ」の形状に形成された直線状変位要素１３４を通って流れることで、１３４の温度を上昇させる。１３４の材料は、温度の増加が周囲温度における直線状変位要素１３４の「静止状態にある」物理的寸法から所定の膨張あるいは長さの側方変化δをもたらすように、選択される。１つの好ましい実施形態では、１３４を組み立てるためにシリコンが使用される。１３４の物理的寸法の膨張δによって、１３２にある力の適用がもたらされることになる。従って、固定パターン光学部品１３２は、長さの変化δにほぼ比例した量だけ、かつ、適用された電圧に関連して、側方へ動く。例えば、示されたように、３Ｖの電圧を加えると、２００マイクロメートルの動きがもたらされる。上記直線状変位装置の回路が要素１３８を介して接地される。加えられた電圧と１３２のそれぞれの直線状変位のためのタイミングとの正確な制御は、制御回路１８２によって制御される。上記の諸構成要素および諸要素は、時間の関数とともに空間的に変化する強度の光のＳＬＩパターンの投影をもたらす
【００６３】
投影された光パターンは固定線が備わったぼけフィルタ１４０の表面に入射し、１４０はこのシステムの変調伝達関数をわずかに劣化させるが、このことは、投影されたグレースケール値が均一であって階段状に突然変化することがない、ことを保証する。１４０の固定線は、試験下の対象物１９０のＸＹＺ点の算出に、位相明確化ステップのための参照事項を提供する。直線状パターン変位装置１３０は、適切な機械的マウント１５０（図４に最も良好に表されている）によって支持されている。マウント１５０のための適切な材料は、差がある熱膨張率（ＣＴＥ）のために装置が故障するのを防止することができるような材料である。好ましくは、マウント１５０のために選択された材料のＣＴＥは、１３０の材料のＣＴＥ値に密に合致するように選択される。例えば、シリコン基板が装置１３０のための基礎材料として選択される場合には、マウント１５０はアルミナから組み立てることができる。
【００６４】
投影された光とカメラによって取得された光との識別は、さまざまな代替手段によって達成することができ、この明細書に記載されたような１つの好ましい実施形態では、識別は光の偏光に基づいている。付加的な参照のためには、図１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ、５Ｂ、６Ｂ、および８Ｂを参照のこと。１４０、２４０から出力された投影光は偏光されておらず（通路１９３Ａ）、この光は、ｐ偏光を透過させるとともにｓ偏光を反射させるように設計された第１ビームスプリッタ１６０、２６０の表面に入射する。偏光状態の有用な定義は例えば、ケンブリッジ大学のプレスシンジケート社が１９９９年に刊行したPrinciples of OpticsのBorn、MaxおよびWolf、Emilによる「伝播の電磁理論、光の干渉および回折」に認められる。ｐ偏光は１６０を通って伝播し（通路１９３Ｂ）、また、ｓ偏光はビームダンプ１６１へ反射される（通路１９３Ｓ）。機能的には、ビームダンプ１６１は、ｓ偏光を吸収し（通路１９３Ｓ）、光の大部分がこの光学系の中に散乱して戻るのを防止する。この投影されたパターンは次いで、組み合わせ投影／カメラレンズアセンブリ１６２、２６２を通って伝播して、第２ビームスプリッタ１６４、２６４の表面に入射する。１つの好ましい実施形態では、要素１６４、２６４は、ｐ偏光を透過させるとともにｓ偏光を反射させる偏光用ビームスプリッタである。１６４、２６４に入射する光は、その最大部分についてｐ偏光を１９３Ｂに沿って透過させる「第１の」偏光用ビームスプリッタをすでに通過しているので、１６４、２６４に入射する光は大部分がｐ偏光される。その結果、１６４、２６４に入射する光は、１６４、２６４を通って伝播して、ミラー１６６、２６６の表面に入射する。ミラー１６６はミラークリップ１６７（図３Ａ−Ｂ、４Ａ−Ｂ、および６Ａ−Ｂに示されて、番号が付けられている）によって定位置に保持されている。ミラー要素１６６、２６６に入射する光は、光学回転体１６８、２６８によって反射されて（通路１９３Ｃ）、試験下の対象物１９０、２９０の表面に入射する。１６２、２６２の中のレンズは、１９０、２９０が反射性ミラー１６６、２６６に対して適切に配置されているときには、パターン化された光学部品１３２によって（あるいは、モジュール２００の事例ではパターン化されたホイール３１０によって）作成された光パターンの焦点が合うように、設計されている。固定パターン光学部品１３２が梁１３４によって変位されると、光の投影パターンは、関心の３Ｄ表面／対象物１９０に焦点が合った状態で残るとともに、３Ｄ表面／対象物１９０を越えて変位される。光学回転体１６８、２６８（通路１９３Ｃ）は、ミラー１６６、２６６から反射された光の偏光状態をｐ偏光から円偏光に回転させる。このようにして、光の投影パターンが適切に変位されて、構造化照明三角測量測定のために必要なパターンが提供される。
【００６５】
入射する円偏光は１９０、２９０から散乱される（１９５Ａの番号が付けられた通路）。散乱された光の一部分はこの光学系の受光角の内側にある。この光は、集束され、通路１９５Ｂおよび１９５Ｃ（拡大図である図３Ｂおよび５Ｂに最もよく認められる）に沿って伝播して画像センサ１７２に到る。１９０から散乱された光（１９５Ａ）は１６８の表面に入射する。この散乱光は円偏光である。光学回転体１６８、２６８は入射した円偏光をｓ偏光された直線状偏光に回転させ、この光は第２ビームスプリッタ１６４、２６４の表面に入射する。ビームスプリッタ要素１６４、２６４の表面に入射するｐ偏光は、すべて透過され、もはやこの光学系を通って伝播されることはない。第２ビームスプリッタ１６４、２６４の表面に入射するｓ偏光は、投影／カメラレンズアセンブリ１６２、２６２の中に反射される。三角測量角は、装置／モジュール１００および２００の両方についての高品質３次元測定を行う際の重要なパラメータであるが、第２ビームスプリッタ１６４、２６４とミラー要素１６６、２６６との間の角度（参考のため、図３Ａ−Ｂにおいて１６９の番号が付けられている）によって確立される。
【００６６】
画像センサ１７２、２７２に到達する光は、投影／カメラレンズアセンブリ１６２、２６２によって１７２、２７２の表面に焦点が合わされる。画像センサ１７２のためのマウント１７４、２７４は、表面／対象物１９０、２９０の画像が画像センサ１７２、２７２の表面に焦点が合わされて残ることを保証するために、画像センサ１７２、２７２を定位置に保持するように機能する。画像センサ１７２、２７２のためのヒートシンク１７６、２７６は、１７２、２７２が最適な測定のための適切な温度に残ることを保証する。画像センサ１７２、２７２は、画像センサボード１７０、２７０の上に搭載されているとともに、画像センサ制御回路１８０、２８０によって制御される。この全体システムの局部的制御は、システム制御部１８６、２８６によって管理される。モジュール１００、２００の電源、データ転送およびモジュール／システム制御のための処理ユニット（例えば、オペレーティングシステムの善し悪しに関わりのない「パーソナルコンピュータ」）への接続は、入力および出力（ＩＯ）コネクタ／インターフェイス１８４、２８４を通して達成される。
【００６７】
３Ｄ測定は例えば、次の手順に従って行うことができる。
１．  このシステムに１８４を介して電力を加える
２．  １８６を１８０に通じさせ、１７２の電源を入れてその入力トリガーを待つ
３．  １８６と１８２とを通じさせ、１３０を初期位置にリセットする
４．  １８６が１２２の電源を入れる
５．  このシステムの準備が整っていることを判断するために、ホストＰＣが１８４を
介してレジスタにポーリングし、このシステムの準備が整っていると、測定を開始
する
６．  １８６が、１８２に命令して電圧を１３０に加え、次いでトリガー信号を１８０
へ送信する
７．  １８０が１７２に命令して画像を取得し、その画像が取得されると、１８０が１
８６にその画像が利用可能であることを通知する
８．  １８６がその取得画像を１８４を介してホストＰＣへ転送し、そこにおいて画像
情報が記憶される
９．  １３０が必要な数の直線状変位を完了するまで、ステップ６−８が繰り返され、
ここで、この明細書中に記載された好ましい実施形態では上記必要な変位の数が８
である
１０．  １３０の最終変位数および１６７による対応画像取得が完了すると、一連の取得
画像が使用されて、以下に記載されかつ図１５において５００で示された方法によ
って１９０の３次元形状が算出される
【００６８】
ここで、Ｌｉｕらによる米国仮特許出願第61/371,626号（全体を通して「仮出願626」という）および、その優先権を主張し、全体を通して単に「特許出願607」という米国特許出願第13/205,607号を思い起こすと、これらは２周波パターンの実施について開示しており、それによって、２周波パターン数学的記載が採用されてコンピュータ画像ファイルが作成されるが、その画像ファイルは、その後、デジタルプロジェクタへ転送される。この技術は、融通性があり、またユニークなものであるが、小型のＳＬＩ測定モジュールには扱いにくく、また、容易に実施されるものではない。この出願（およびその譲受人のために所有されかつ提出された米国特許出願第13/297,233号および第13/297,246号）において考察されかつさらに特有のものとされたように、上記仮出願626および上記実用新案出願607に開示された２周波パターン技術を活用するために、ＳＬＩパターンをエッチングし、蒸着し、さもなければシリコン基板の中に固定して、固定パターン光学部品を作成する。エッチングされたシリコン固定パターン部材／光学部品はその後、三角測量測定を行うのに必要な位相の変位をもたらすために変換される。
【００６９】
シリコンは、室温において可視光を透過させない（それを反射するミラーのように作用するが、その理由は、可視光スペクトルにおける電磁放射線が全般的にシリコンを貫通することができないためである）。１つの好ましい実施形態では、３００ｎｍ−１０００ｎｍの範囲にある光波長が使用されている。この範囲の波長を超えると、光はシリコン板を通って伝播することがない。上記パターンを投影するために、シリコン板の中に穴がエッチングされる。シリコン板の区域を考慮すると、穴のある箇所では光は透過され、シリコンが残っている箇所では光は阻止される。このようにして、パターンは投影することができる。グレースケール値を投影するために、シリコンをエッチングするときに、ハーフトーン処理に類似した処理が使用された。ハーフトーン印刷の技術が存在しているが（例えば、1977年11月22日に発行された米国特許第4059481号のNaganoによる「インタリオハーフトーングラビア印刷板の製造方法」を参照のこと）、２周波ＳＬＩパターンを投影するように構成されたＭＥＭＳ装置を作り出すために、ハーフトーン特性を有しているＳＬＩパターンでシリコン基板をエッチングする（さもなければ固定する）処理にハーフトーン技術を適用することは、きわめて独創的なものである。
【００７０】
半導体処理法の使用によれば、ごく小さい特徴的構成要素のエッチングが可能になる。一例としてだけ、シリコン基板を通してエッチングされたごく小さい穴であって形状が正方形ありかつそれぞれの辺の長さが５マイクロメートルである穴について考慮すると、この大きさの穴は、投影画素と称することができるであろう。次に、試験下の対象物１９０の上に投影された最小解像可能なスポットが、９個の投影画素と等価な区域によって作られると仮定する。９個の画素がすべてエッチングされると、１９０の上におけるそれら９個の画素からの同スポットの輝度は最大である。どの画素もエッチングされないときには、光は１９０の上における同スポットへ透過することがなく、これは最小強度である。１個以上であって９個に満たない画素がエッチングされると、１９０の上における同スポットの投影強度は中間的な値であろう。このようにして、グレースケールレベルを投影することができる。
【００７１】
図１４Ａは４１０で、直線状パターン変位装置１３０からの投影について実施されたパターンの好ましい実施形態を描いている。図１９の９００で表されたように、パターン４１０の２周波数特性（上記仮出願６２６およびその中のSection A.を参照のこと。これはまたOptics ExpressのVol.18のNo.5の第５２３３ページとして２０１０年３月１日に刊行されている）を理解することができる。このパターンは２つの正弦曲線パターンの合成物であり、このパターン４１０は、シリコンの中におけるエッチング、蒸着、さもなければ固定によって達成される。図１４Ｂ−Ｃは図１４Ａの拡大図である。この明細書の中で実施されたように、この光学系の点広がり関数によって、個別ハーフトーン処理法（拡大図である図１４Ｃで最もよく認められる）を使用して組み立てられたようなこのパターンは、焦点がいくらかぼやけたものになり、このパターンの個別特性はもはや見ることができず、また、その投影パターンは、２つの正弦曲線パターンの集合物をいっそうスムーズに変化させることになるであろう。
【００７２】
図８Ａ−８Ｂは、回転状パターン変位装置３００の備わった立体照明測定装置／モジュール２００を詳しく示している。回転状パターン変位装置３００は、パターン光学ホイール３１０、モータ取り付け用の中心穴／開口３６０、上記パターン光学ホイールをモータ３８０に取り付けるためのマウント３７０、およびこの回転状パターン変位装置のための機械的支持体／マウント２５０から構成されている。ホイール３１０は、３６０を介して３８０へ固定されており、また、３７０によって定位置に保持されている。この全体アセンブリは、２５０で番号が付けられたような適切な手段によって２００へ取り付けられている。
【００７３】
図１０は、パターン光学ホイール３１０の中にエッチングされたパターン（暗い部分は材料を表し、明るい部分は光が通過することのできる開口を表す）の正面図である。好ましい実施形態では、視野を横切って、ホイール３１０の中におけるエッチングパターンを前方から後方へ通過し、その強度が一方方向に沿って直線状に変化しかつ他方方向に沿って一定である光の投影をもたらしている。従って、光学ホイール３１０を回転させると、上記パターンは空間的に変位することになる。この空間的変位は光の強度が変化する方向において生じる。上記パターンに加えて、３４０、３５０の番号の付けられた一組の同期穴あるいは同期開口が上記光学ホイールの中にエッチングされている。一組の３４０は、光学スイッチとして振る舞って、カメラの中におけるシャッタを開閉するタイミングマークをもたらす。穴／開口３５０は、上記光学ホイールの回転速度を記録（かつ追跡）するための単一のタイミングマークをもたらす。モータ３８０に電圧および電流が加えられると、ホイール３１０が回転する。３１０が回転すると、制御回路２８２が開口３５０を監視して、低周波パターンのゼロ位相変位位置を確認する。電気信号が、回転ごとに一回、作成されて、ホイール３１０の上記ゼロ位相変位位置を確認するために使用されるが、この信号は、制御回路２８２からＩＯコネクタ２８４へ送信される。コネクタ２８４は、電源、データ、モジュール２００への制御信号およびモジュール２００からの制御信号のためのＩＯインターフェイスとして機能する。
【００７４】
開口３５０を監視することに加えて、制御回路２８２は、カメラとの同期のために開口３４０の動きを追跡する。１つの好ましい実施形態では、制御回路２８２は写真断続器回路を備えており、この写真断続器回路は、その前方を開口３４０が通るときに電圧信号を発生する。この電圧信号は、画像センサ制御回路２８０へ送信されて、画像センサシャッタの開放および閉鎖を制御するために使用される。開口３４０の前縁（細長い長方形形状であることに留意）が、画像取得の開始を誘発する上昇電圧を発生させる。上記の細長い円弧状長方形３４０の後縁が、画像取得の終了を誘発する下降電圧を発生させる。全体の取得時間は、ホイール３１０の回転速度、開口３４０の円弧長さ、および装置３００と画像センサ制御回路２８０とのために制御回路２８２の中に組み入れられたあらゆる遅延の関数である。８個の２周波パターンが存在し、これらは、図１０においてホイール３１０における番号３２０、３２２、３２４、３２６、３３０、３３２、３３４、３３６によって全体が表されている。それぞれのパターンは、弦が弧に対して４５度の角度をなす円弧状のものである。それぞれのパターンは、カメラとの同期のために、それ自体の専用の穴／開口（例示として、形状が細長い円弧状長方形であり、参照のために１つは３４０の番号が付けられている）を有している。３１０からの投影パターンは２周波パターンであり、それは、このパターンの周波内容により一方方向では空間的に変化し、かつ、他方方向では変化しない。光通過区分３２２に由来する投影パターンは、光通過区分３２０に由来する投影パターンに対して４５度の角度だけ空間的に変位している。同様に、３２４と３２２との間、３２６と３２４との間、３３０と３２６との間、３２２と３３０との間、３３４と３３２との間、３３６と３３４との間、および３２０と３３６との間における相対空間的変位は、それぞれ４５度である。
【００７５】
装置／モジュール２００を使用すると、３Ｄ測定は、次の手順を採用して行うことができる。
１．  このシステムに２８４を介して電力を加える
２．  ２８６を２８０に通じさせ、２７２の電源を入れてその入力トリガーを待つ
３．  ２８６と２８２とを通じさせる
４．  ２８６が２２２の電源を入れる
５．  このシステムの準備が整っていることを判断するために、ホストＰＣが２８４を
介してレジスタにポーリングし、このシステムの準備が整っていると、測定を開始
する
６．  ２８６が、２８２に命令して電圧を３８０に加える
７．  ３１０が回転し、３４０の前縁が２８２によって観察され、かつ、トリガー信号
が２８０へ送られる
８．  ２８０が２７２に命令して画像取得を開始する
９．  ３４０の後縁が２８２によって観察され、かつ、トリガー信号が２８０へ送られ
る
１０．  ２８０が２７２に命令して画像取得を終了する
１１．  ２８６がその取得画像を２８４を介してホストＰＣへ転送し、そこにおいて画像
情報がその画像の取得時点についてのタイムスタンプとともに記憶される
１２．  ３１０が充分な回転を完了するまで、ステップ８−１１が繰り返され、ここで、
この明細書中に記載された好ましい実施形態では３１０の充分な回転によって８つ
の取得画像がもたらされる
１３．  ステップ８−１１と同期することなく、２８２が３５０を観察するとともにトリ
ガー信号を２８０へもたらし、２８０がこの信号の上記タイムスタンプを記録する
１４．  ３１０の最終変位数および２７２による対応画像取得および３５０のタイムスタ
ンプ記録が完了すると、一連の取得画像と対応するタイムスタンプとが使用され
て、以下に記載されかつ図１５において５００で示された技術によって２９０の３
Ｄ形状が算出される。
【００７６】
図１６Ａ−Ｃにおいて６００で図形的に表されたように、第１測定点クラウド６１０および第２測定点クラウド６２０が組み合わされて示され、単一の交錯点クラウド６３０が作られている。この周知の光学処理法は、画像の「縫い合わせ」とも称されている。Kenneth R.Kressinに付与された米国特許第6407753号の「積層されたデータから対象物の表面画像を生成する方法」には、点クラウドの縫い合わせのデジタル光学技術に関する有用な背景技術例が詳しく記載されている。
【００７７】
測定モジュール１００、２００は、測定モジュール１００、２００の較正の間に決定された座標系に基づいて試験下の対象物１９０、２９０から取得されたそれぞれの点のＸＹＺ値を選定する。このための式は、５００（図１５）で、標準構造化照明三角測量法のためのＸＹＺ位置計算式５５０として示されており、５００（図１５）で提案された技術の適用に関するさらに別の参照については、J.Opt.Soc.Am.A20,106-115(2003)におけるLaurence G.Hassebrook、およびChun Guanの「最適化された２周波位相測定粗面法の光センサ一時ノイズ感度」を参照のこと。５５０に示された較正係数ｍｉｊは、１００、２００の座標系に対する試験下の対象物１９０、２９０の位置に関連している。
【００７８】
操作の１つのモードでは、試験下の対象物１９０、２９０についての多数の測定は、１９０、２９０に対する相異なる相対位置で行われる。このことは、１００、２００の座標系と１９０、２９０のそれぞれの座標系との間に回転および平行移動をもたらす。１００、２００と１９０、２９０との間の相対回転および相対平行移動の計算は、すべての測定値が１９０、２９０の座標系の中に平行移動することを可能にする。
【００７９】
図１７Ａ−Ｄで７００として全体が示されたものは、３つの直交軸の周りの任意回転の数学的記載を示している。図１８は８００で、３つの直交軸に沿った任意平行移動の数学的記載を示している。この発明では、システム制御部１８６、２８６は、３つの直交軸に沿った回転の変化と３つの直交軸における位置の変化とを監視する装置１３０、３００の出力物を標本化する。そのデータは次いで、７００および８００において表示されたような行列の中へ集められ、収集された点クラウド、例えば６１０および６２０に適用されて、単一の点クラウド６３０の中へのそのデータのアセンブリが可能になる。
【００８０】
いくらかの典型的な実施形態および細部が、この発明の特徴的構成を例示する目的のために示されてきたが、当業者は、この明細書の中で特に指定してあるいは明白に識別するかどうかにかかわりなく、この技術的開示の独創的な中核の教示あるいは範囲から逸脱することなく、さまざまな改変をこれらの典型的な実施形態に行うことができる、ということを容易に認識するであろう。従って、そのような改変のすべては、特許請求の範囲の適用範囲内に含まれることが意図されている。方法の請求項では、共通して採用された前置きの語句「〜の諸ステップを含んでいる」が、ここであるいはこれ以降に使用されているが、本出願人は、権利をその特許請求された発明に過度に制限するようにして米国特許法を行使することを意図していない。さらにまた、これとともにあるいはこれ以降に提出されたどのような請求項も、使用されるどのようなミーンズプラスファンクション条項も、あるいは存在していることが後に発見されたものも、引用された関数を実行するときにこの明細書の中に記載されたすべての構造および構造的等価物のみならず等価構造物も、少なくとも包含することが意図されている。
【図１Ａ】
2016522883.tif 000018
【図１Ｂ】
2016522883.tif 000019
【図２Ａ】
2016522883.tif 000020
【図２Ｂ】
2016522883.tif 000021
【図３Ａ】
2016522883.tif 000022
【図３Ｂ】
2016522883.tif 000023
【図４Ａ】
2016522883.tif 000024
【図４Ｂ】
2016522883.tif 000025
【図５Ａ】
2016522883.tif 000026
【図５Ｂ】
2016522883.tif 000027
【図６Ａ】
2016522883.tif 000028
【図６Ｂ】
2016522883.tif 000029
【図７】
2016522883.tif 000030
【図８Ａ】
2016522883.tif 000031
【図８Ｂ】
2016522883.tif 000032
【図９】
2016522883.tif 000033
【図１０】
2016522883.tif 000034
【図１１】
2016522883.tif 000035
【図１２】
2016522883.tif 000036
【図１３】
2016522883.tif 000037
【図１４Ａ】
2016522883.tif 000038
【図１４Ｂ】
2016522883.tif 000039
【図１４Ｃ】
2016522883.tif 000040
【図１５】
2016522883.tif 000041
【図１６Ａ−１６Ｃ】
2016522883.tif 000042
【図１９】
2016522883.tif 000043
【図１７】
2016522883.tif 000044
【図１８】
2016522883.tif 000045
【図２０】
2016522883.tif 000046
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月2日(2016.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
追加の背景情報および技術的支援は、この特許出願の譲受人のために所有されかつ提出され、２０１２年５月１７日にU.S.2012／0120412A1として刊行された米国特許出願第１３／２９７，２３３号および２０１２年５月１７日にU.S.2012／0120413A1として刊行されその後２０１５年３月１０日にU.S.8,976,367号として特許された第１３／２９７，２４６号に認めることができる。
（発明の背景−歴史的視点）
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
発明の背景−多周波数パターン
ここに開示されたこの新規な技術およびシステムは、Ｌｉｕらによって２０１０年８月６日に提出された、発明の名称が「３Ｄ立体照明システムにおける２周波位相多重送信（ＤＦＰＭ）および期間コード化位相測定（ＰＣＰＭ）パターン計画、および位相測定パターン計画のためのリアルタイムデータ処理に基づいた参照表（ＬＵＴ）」の米国仮特許出願第61/371,626号（「仮出願626」）に開示され、その技術的背景の検討が参照によってこの明細書にすべて組み入れられた特有の技術を利用する。Ｌｉｕらによって２０１１年８月８日に提出され、２０１５年２月３日にU.S.8,947,677B2号として特許された米国特許出願第13／205,607号（「特許出願607」）はＬｉｕらの仮出願626を優先権として登録され、仮出願626および特許出願607の両方の技術的開示は、それらの技術明細書と矛盾しない程度への参照によって、ここでこの明細書にすべて組み入れられた。仮出願626も特許出願607も上記特許出願の譲受人によって一般に所有されていないことに留意されたい。  
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
仮出願626および特許出願607（U.S.8,947,677号）に開示された特有のＳＬＩパターン化技術は、（１）特有のパターン計画構成要素（仮出願６２６においてSection A.「高速３Ｄ形状測定のための２周波パターン案」と標記され、また、Section B.「３Ｄリアルタイム取得およびデータ処理のための期間コード化位相測定計画」と標記されたように、仮出願626に認められる技術的検討においてさらに詳しく記載されており、これらSection A.およびB.のそれぞれは、次の２つの伝統的な電子回路信号／電流伝播型、すなわち、以下でさらに説明されるように、ＡＣ(交流)およびＤＣ(直流)の類推によって導入された新規な多周波数パターンの例を取扱範囲に入れている）と、
（２）特有の非体系化画像処理用構成要素（仮出願626においてSection C.「立体照明照
射リアルタイム位相および３Ｄ表面再構成のためのＬＵＴに基づいた処理」と標記されたように、仮出願626の技術的検討においてさらに詳しく記載されている）とを備えている
。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査下の対象物の３Ｄ画像取得のための表面測定モジュールであって、
（ａ）非干渉性光源からの光の少なくとも第１および第２の重ね合わせ正弦曲線を表す複数の画素が含まれる多周波パターンを備えている出力が偏光用ビームスプリッタで導かれるパターン変位装置を収容するために、
（ｂ）前記スプリッタの偏光出力が少なくとも１つのレンズ素子を備えるレンズアセンブリを通して導かれるケーシング、
（ｃ）前記検査下の対象物の表面を照射するように、前記レンズアセンブリから出る前記偏光出力を導く反射器、
を備えてなり、
（ｄ）前記表面の散乱光照射が画像センサによる撮像のために前記レンズアセンブリを通して後方へ導かれ、
（ｅ）前記ケーシングが、偏光用ビームスプリッタ、前記レンズアセンブリ、および前記画像センサをさらに収容している
表面測定モジュール。
【請求項２】
検査下の対象物の３Ｄ画像取得のための表面測定モジュールであって、
（ａ）光源からの光の出力が偏光用ビームスプリッタで導かれるパターン変位装置を収容するために、
（ｂ）前記スプリッタの偏光出力が少なくとも１つのレンズ素子を備えるレンズアセンブリを通して導かれるケーシング、
（ｃ）前記検査下の対象物の表面を照射するように、前記レンズアセンブリから出る前記偏光出力を導く反射器、
を備えてなり、
（ｄ）前記表面の散乱光照射が画像センサによる撮像のために前記レンズアセンブリを通して後方へ導かれ、
（ｅ）前記ケーシングが、偏光用ビームスプリッタ、前記レンズアセンブリ、および前記画像センサをさらに収容しているとともに、
（ｉ）前記パターン変位装置の前記出力が、同時に投影された少なくとも第１および第２の重ね合わせ正弦曲線を表す複数の画素を含んでいる多周波パターンを備え、
（ｉｉ）前記画素によって表された前記正弦曲線のそれぞれが、唯一の一時的周波数を有し、かつ、前記画素のそれぞれが
【数１】
2016522883.tif 000047
を満たすように投影され、
ここで、Ｉｎｐは、時間のうちの特定の瞬間におけるｎ番目の投影画像についてのプロジェクタの中におけるある画素の強度であり、Ｋは、構成要素正弦曲線の数を表す整数であり、それぞれの構成要素正弦曲線は個別の一時的周波数を有し、ここでＫ≦（Ｎ＋１）／２であり、パラメータＢｋｐは、構成要素正弦曲線の振幅あるいは信号強度を決定する定数を表し、Ａｐはスカラー定数であり、ｆｋは、一時的周波数ｋに対応するｋ番目の空間周波数であり、ｙｐは、投影画像の中における空間座標を表している表面測定モジュール。
【請求項３】
（ａ）試験下の対象物の前記表面と前記レンズアセンブリへ導かれる通路との間に介在する四分の一波長板、および
（ｂ）前記レンズアセンブリを逆に通過した後に撮像された前記散乱光照射の複数の画像
をさらに備え、前記表面が３Ｄ画像取得のために使用される、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項４】
前記表面が、哺乳類組織の表面、パイプラインの内部の表面、油圧系統の空洞の内部における表面、組み立て中の半導体ウエハの表面、試験中のプリント配線回路（ＰＣＢ）の表面、および製造中の製品の表面から構成されている群から選択された検査のために配置される、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項５】
哺乳類組織の前記表面が、哺乳類の口腔の内側に位置する表面からなり、また、製造中の前記製品が、部品、組立品、食品、および包装材料からなる群から選択される、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項６】
前記パターン変位装置が、基板支持体の中へ固定された前記多周波パターンを有している固定パターン光学部品からなる、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項７】
前記多周波パターンは、前記固定パターン光学部品の出力が前記検査下の対象物の前記表面への前記投影の間にハーフトーン特性を有するように、前記基板支持体の中へ固定されている、請求項６の表面測定モジュール。
【請求項８】
前記多周波パターンが、前記基板支持体をエッチングすることによって固定され、前記基板支持体が、シリコン基板および金属基板から構成される群から選択されている、請求項６の表面測定モジュール。
【請求項９】
前記多周波パターンが、反射性材料を前記基板支持体の中へ組み入れることによって固定され、前記基板支持体が、ガラスおよびシリコンから構成される群から選択されている、請求項６の表面測定モジュール。
【請求項１０】
前記多周波パターンが、材料を前記基板支持体の上へ蒸着することによって固定され、前記基板支持体が、ガラスおよびシリコンから構成される群から選択されている、請求項６の表面測定モジュール。
【請求項１１】
前記パターン変位装置が、直線状平行移動要素からなる変位要素をさらに備えている、請求項６の表面測定モジュール。
【請求項１２】
前記直線状平行移動要素が、導電性であり、かつ、操作時に電圧が適用される、請求項１１の表面測定モジュール。
【請求項１３】
（ａ）前記パターン変位装置が、固定パターンホイールからなり、
（ｂ）前記ホイールの組は、作動時に、前記パターン変位装置の前記出力が前記多周波パターンを含むように空間的変位を引き起こす、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項１４】
前記パターン変位装置が、少なくとも１つのミラーを含んでいる反射性材料をその中に組み入れることによって基板支持体の中へ固定された前記多周波パターンを有している固定パターン光学部品からなる、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項１５】
前記パターン変位装置が、
（ａ）基板支持体の中へ固定された前記多周波パターンを有している固定パターン光学部品と、
（ｂ）変位要素と
を備えている、請求項１の表面測定モジュール。
【請求項１６】
前記変位要素および前記固定パターン光学部品は、少なくとも１つのミラーを備えている反射性材料構成要素が前記基板支持体の中へ組み入れられるように、一体化されている、請求項１５の表面測定モジュール。
【請求項１７】
検査下の対象物の３Ｄ画像取得のための表面測定モジュールであって、
（ａ）非干渉性光源からの光の少なくとも第１および第２の重ね合わせ正弦曲線を表す複数の画素が含まれる多周波パターンを備えている出力が偏光用ビームスプリッタで導かれるパターン変位装置を収容するために、
（ｂ）前記スプリッタの偏光出力が少なくとも１つのレンズ素子を備えるレンズアセンブリを通して導かれるケーシング、
（ｃ）前記検査下の対象物の表面を照射するように、前記レンズアセンブリから出る前記偏光出力を導く反射器、
を備えてなり、
（ｄ）前記表面の散乱光照射が画像センサによる撮像のために前記レンズアセンブリを通して後方へ導かれ、
（ｅ）ここで、前記第１および第２の重ね合わせ正弦曲線が同時に投影され、また、前記画素によって表された前記正弦曲線のそれぞれが唯一の一時的周波数を有し、かつ、前記画素のそれぞれが
【数２】
2016522883.tif 000048
を満たすように投影され、
ここで、Ｉｎｐは、時間のうちの特定の瞬間におけるｎ番目の投影画像についてのある画素の強度であり、Ｋは、構成要素正弦曲線の数を表す整数であり、それぞれの構成要素正弦曲線は個別の一時的周波数を有し、ここでＫ≦（Ｎ＋１）／２であり、前記出力が少なくともＮ個の投影パターンを備え、パラメータＢｋｐは、前記構成要素正弦曲線の振幅あるいは信号強度を決定する定数を表し、Ａｐはスカラー定数であり、ｆｋは、一時的周波数ｋに対応するｋ番目の空間周波数であり、ｙｐは、投影画像の中における空間座標を前記出力の結果として表している表面測定モジュール。
【請求項１８】
（ａ）前記パターン変位装置が、基板支持体の中へ固定された前記多周波パターンを有している固定パターン光学部品からなり、
（ｂ）前記ケーシングが、偏光用ビームスプリッタ、前記レンズアセンブリ、および前記画像センサをさらに収容している、請求項１７の表面測定モジュール。
【請求項１９】
前記パターン変位装置が、操作時に電圧が適用される導電性の直線状平行移動要素からなる変位要素をさらに備えている、請求項１８の表面測定モジュール。
【請求項２０】
前記多周波パターンが、少なくとも１つのミラーを含んでいる反射性材料を前記基板支持体の中に組み入れることによって固定されている、請求項１８の表面測定モジュール。
【手続補正書】
【提出日】平成28年3月14日(2016.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３２】
この新規なシステムおよび関連技術の革新的な特性、設計の融通性および適用性を慣例として図示するという目的のために、図面が含まれている。何人も、これらの利点と、この発明を従来のコンピュータ実施型機器／技術から区別する新規な特徴的構成とを即座に認識することができる。これらの図面は、組み入れられた任意の技術的要素とともに、出願人の新機軸の特徴的構成を例示としてのみ伝達するために含まれており、これらはいかなる意味でも、ここにおける開示を制限するものではない。
【図１Ａ−１Ｂ】構造化照明を使用してこの発明に従って実施された好ましい携帯型測定モジュール１００の断面図をそれぞれ含んでいる。図１Ａは、図１Ｂにおける黒色断面および白色断面の色付き断面図である。パターンの空間的変位は、好ましくは直線状パターン変位装置１３０によって達成される。１つの好ましい実施形態では、記載されたように、その直線状パターン変位装置が熱作動によって上記パターンを変位する。
【図２Ａ−２Ｂ】図１Ａの拡大された、すなわち拡張された断面図１００．１をそれぞれ示しており、直線状パターン変位装置１３０、カメラ画像センサ１７２、および光学系の一部分をそれぞれ強調表示している（装置１００の中央領域の拡大、強調表示の結果として、特徴的構成はここでは必ずしも示されていない）。第１偏光用ビームスプリッタは１６０で示されている。図２Ａは、図２Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。
【図３Ａ−３Ｂ】図１Ａ、１Ｂに示された装置１００の測定先端１００．２の拡大された、すなわち拡張された断面図をそれぞれ示している。ここにおいて測定先端１００．２で強調表示されているのは、第２偏光用ビームスプリッタ１６４およびミラー１６６であり、これらは、配置されたように、３ＤＳＬＩ測定の三角測量角１６９を確立するために協働する。図３Ａは、図３Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。
【図４Ａ−４Ｂ】図１Ａに類似した構造化照明を使用して、この発明に従って実施された好ましい携帯型測定モジュール１００の等角投影図をそれぞれ含んでいる。図４Ａは、図４Ｂにおける黒白等角投影図の色付き等角投影図である。パターンの空間的変位は、好ましくは直線状パターン変位装置１３０によって達成される。１つの好ましい実施形態では、記載されたように、直線状パターン変位装置がパターンを熱作動によって変位させる。
【図５Ａ−５Ｂ】図４Ａの拡大された、すなわち拡張された等角投影図１００．４をそれぞれ示しており、直線状パターン変位装置１３０、カメラ画像センサ１７２、および光学系の一部分をそれぞれ強調表示している（装置１００の中央領域の拡大、強調表示の結果として、特徴的構成はここでは必ずしも示されていない）。第１偏光用ビームスプリッタは１６０で示されている。図５Ａは、図５Ｂにおける等角投影図の色付き等角投影図である。
【図６Ａ−６Ｂ】図１Ａ、１Ｂに示された装置１００の測定先端１００．５の拡大された、すなわち拡張された断面図をそれぞれ示している。ここにおいて測定先端１００．５で強調表示されているのは、第２偏光用ビームスプリッタ１６４およびミラー１６６のような反射鏡であり、これらは、配置されたように、３ＤＳＬＩ測定の三角測量角１６９を確立するために協働する。図６Ａは、図６Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。
【図７】直線状パターン変位装置１３０の平面図である。この平面図は、シリコン基板１３２の中にエッチングされたパターン、この装置を支持するとともに変位させるシリコン梁１３２、この装置に電圧源を接続するための金属パッド１３６、およびこの装置を支持するためのシリコンフレームを強調表示している。この装置の直線状変位は、電圧を一方の組の金属パッド１３６に適用するとともに、他方の組の金属パッド１３６を接地することによって、達成される。シリコン梁１３２を通る電流の流れは、このシリコン梁の温度を上昇させる。温度の増加はシリコン梁１３４を膨張させ、減少はその梁を収縮させるであろう。シリコン梁１３４の膨張は、シリコン基板１３２を直線方向に移動させる（固定パターン光学部品として機能して）力を直線方向にもたらす。
【図８Ａ−８Ｂ】立体照明を使用して、この発明に従って実施された好ましい携帯型測定モジュール２００の断面図をそれぞれ含んでいる。図８Ａは、図８Ｂにおける黒白断面図の色付き断面図である。パターンの空間的変位は、好ましくはさらに特有の回転状パターン変位装置３００によって達成される（図９、１０に詳しく示されている）。何人も、装置２００と装置１００との間における構成要素のある種の類似性に気付くであろう。
【図９】回転状パターン変位装置３００の側面図である。この特有の設計は、空間的に直線状に変化する強度を有するパターンの投影を可能にする。パターン光学ホイール３１０（図１０に詳しく示されている）の回転は、投影されたパターンを直線状に変位させる。ホイール３１０の回転速度を変化させると、そのパターンが直線方向に変位する割合が変化する。
【図１０】パターン光学ホイール３１０の中にエッチングされたパターン（暗い部分は材料を示し、明るい部分は光が通ることのできる開口を示す）の正面図である。ある好ましい実施形態では、ホイール３１０の中にエッチングされたパターンを介して前方から後方へ光が通ると、視野を横切って、強度が一方方向に沿って直線状に変化し、他方方向に沿って一定である光の投影がもたらされる。従って、回転光学ホイール３１０は上記パターンを空間的に変位させる。この空間的変位は、光の強度が変化する方向において生じる。上記パターンに加えて、３４０、３５０の番号の付けられた一組の同期穴あるいは同期開口が上記光学ホイールの中にエッチングされている。一組の３４０は、光学スイッチとして振る舞って、カメラの中におけるシャッタを開閉するタイミングマークをもたらす。穴／開口３５０は、上記光学ホイールの回転速度を記録（かつ追跡）するための単一のタイミングマークをもたらす。
【図１１−１３】図形的に表されている（図１３の４００で）のは、デカルト座標系における試験下の対象物／被検体４９０´、４９０´´の３Ｄ形状を取得するために、それらの点の位置を測定するために採用された三角測量法である。伝統的なＳＬＩ３Ｄ画像取得において三角測量を採用するためのこの基本的な取り組みはよく知られている。図１１は、ＳＬＩにおいて使用することができるように設定された伝統的なカメラプロジェクタを示しており、図１１において取り扱われた光の「点光源」および位置は、線図４００（図１３）にマッピングされている。一例として図１２において、ＳＬＩパターン４１０´が、ある例（エンゼル像）の試験下の対象物４９０´に投影されて示されている（４９０´´としてマッピングされている）。
【図１４Ａ】試験下の対象物／被検体に投影された光パターン４１０の好ましい実施形態の平面図である。ＳＬＩ光パターン４１０は、好ましくは、装置１００に投影される（すなわち、直線状パターン変位装置１３０から投影される）。このパターンは、単一の平行軸に沿って変化する２つの正弦曲線状に変化する強度パターンの合計からなっている。
【図１４Ｂ−１４Ｃ】図１４Ａに示された光パターン４１０の拡大された、すなわち拡張された平面図４１０．１、４１０．２をそれぞれ示している。何人も、拡大図４１０．１、４１０．２におけるパターン４１０の特有の性質をよりよく認識することができる。独自なことに、パターン４１０を作成するためにハーフトーン処理が使用されている。エッチング処理の間に、シリコン、金属、あるいは他の適切な支持基材のうちのいずれかの材料は、除去、例えばエッチングされ（あるいは、不透明材料が透明基板の上に蒸着され）、投影の間の操作時に、光が所定パターンの中で、そのエッチングされた（透明な）領域を介して進むことができる。材料が残っている不透明領域では、投影の際の操作においてすべての光がブロックされる。材料が除去された（例えばエッチングされた）領域では、すべての光が、関心の／試験下あるいは検査下の／表面／被検者／対象物の上への投影のために透過される。中間的な（勾配のある）光レベルを達成して、正弦曲線状に変化する強度パターンの中に認められる勾配を再現するために、ハーフトーン処理に類似した処理が使用された。投影されたその光の強度は局部区域にわたって平均化され、所定の中間値が達成される。小さい穴（そこでは、材料が除去、例えばエッチングされた）と不透明な区域（そこでは、材料は損なわれることなく残っている）との組み合わせが使用されて、パターン４１０の投影の際の操作において、所定の勾配（中間的な光）値が作成される。
【図１５】三角測量の公知の概念を、３Ｄ画像取得法および表面認識法に組み合わせ、構造化照明照射（ＳＬＩ）技術を使用して理解できるようにモデル化するいくつかの基本的な公知の数式５００を示している。示された数式５００は、参照によってこの明細書に組み入れられた上記Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａを含む他の箇所で、詳細に説明されかつ参照されている。
【図１６Ａ−１６Ｃ】しばしば単に「点クラウド」と称される点クラウド画像６００のデジタル再生物をそれぞれ示している。図１６Ａ、１６Ｂは、単一ショット測定値から得られた点クラウド６１０、６２０をそれぞれ示し、図１６Ｃは、互いに組み合わされた−あるいは縫い合わされた−２つの単一ショット測定値６１０、６２０から作成されて単一の一体化／交錯点クラウド６３０を形成する複合点クラウドである。
【図１７−１８】図形的表現および数式を含んでいる。図１７は７００で、数学的モデルを表し、また、図形的表現は３つの直交軸の周りの任意回転を表し、また、図１８は８００で、３つの直交軸に沿った任意平行移動の数学的モデルを表している。
【図１９】図形的表現９１０は、画素プロフィール強度パターンを数式９５０の使用により示しており、これは、上記Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａ（２０１０年３月１日  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｒｅｓｓ  第１８巻、第５号、５２３３としても刊行された）に、式（８）でいっそう詳しく説明されている。９５０によって投影されたパターン（基板の上に物理的にエッチングされ、あるいは蒸着された）は、９０５で表されたように、例えば高周波正弦波パターンおよび低周波正弦波パターンから構成されているのが好ましい。
【図２０】この発明の測定モジュール／装置および技術によって活用された特有の技術２１００−上記の仮出願６２６および実用新案出願６０７に開示されている−を表している高レベルフロー図（従来技術と名付けられている）である。
【国際調査報告】
2016522883.tif 000049
2016522883.tif 000050
2016522883.tif 000051