(57)【要約】【課題】  コヒーレント照明イメージング・システムにおいて、スペックル雑音による画像の劣化を低減する。【解決手段】  コヒーレント光源により照明されたオブジェクトの画像や、干渉縞パターンにより照明されたオブジェクトの画像等におけるスペックル雑音を低減する方法及び装置について記述した。一の方法では、投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の構造的な照明パターンによりオブジェクトが照明される。上記投影軸の角度方向が、画像取得期間に或る角度範囲において変調される。好ましくは、画像取得の間は、オブジェクトの表面に投影された構造的な照明パターンの形状特徴は変化せず、スペックル雑音の低減された画像が取得される。構造的な照明パターンとして、照明されたオブジェクトの表面情報を取得する３Ｄ測定システムにより生成される干渉縞パターンなどの縞パターンを用いることができる。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造的な照明パターンにより照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する方法であって、該方法は、
投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の構造的な照明パターンによりオブジェクトを照明する行程と、
画像取得期間に前記投影軸の角度方向を或る角度範囲内で変調する行程であって、当該画像取得期間は、前記オブジェクトの表面上に投影された前記構造的な照明パターンの形状特徴が変化しないまま維持される行程と、
前記画像取得期間において、前記照明されたオブジェクトの画像を取得する行程と、
を有する方法。
【請求項２】
前記変調は、画像取得速度と同期した周波数で実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記構造的な照明パターンは縞パターンであり、当該縞の形状は、投影軸の角度方向の変調の際に変化しない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記縞パターンは、コヒーレント放射の２つの光源の干渉により生成される、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記構造的な照明パターンは、パターンマスクをコヒーレント光放射により照明することで生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
構造的な照明パターンにより照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する方法であって、当該方法は、
初期角度方向に設定された投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の、構造的な照明パターンによりオブジェクトを照明する行程と、
照明されたオブジェクトの画像を取得する行程と、
続いて一つ又は複数の角度方向に設定された前記投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の、構造的な照明パターンによりオブジェクトを照明する行程であって、オブジェクト表面に投影された前記構造的な照明パターンの形状特徴が変化しない行程と、
前記連続して設定された各角度方向を持つ投影軸により照明されたオブジェクトの画像を取得する行程と、
前記初期角度方向及び前記続いて設定された各角度方向を持つ投影軸により照明されたオブジェクトの各画像を加算し、前記照明された前記オブジェクトの、スペックル雑音の減少した画像を生成する行程と、
を有する方法。
【請求項７】
前記構造的な照明パターンは縞パターンであり、縞の形状は、前記各画像において同じである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記縞パターンは、コヒーレント光放射の２つの光源の干渉により生成される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記構造的な照明パターンは、パターンマスクをコヒーレント光放射により照明することで生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を減少させるプロジェクタであって、
構造的な照明パターンを持つコヒーレント放射ビームの光源であって、該ビームが投影軸に沿って伝搬してオブジェクト表面を照明するよう構成された光源と、
コヒーレント放射ビームの光源と光学的に接続され、投影軸の角度方向を変調するよう構成されたたダイナミック・ビーム・ディレクタであって、オブジェクト表面に投影された構造的な照明パターンの形状特徴が、前記投影軸の角度方向の変調時に変化しない、ダイナミック・ビーム・ディレクタと、
を有するプロジェクタ。
【請求項１１】
コヒーレント放射ビームの光源は、コヒーレント光放射の一対の光源で構成され、構造的な照明パターンは、干渉縞パターンである、請求項１０に記載のプロジェクタ。
【請求項１２】
コヒーレント光放射の前記一対の光源は、コヒーレント光放射の一対の仮想光源である、請求項１１に記載のプロジェクタ。
【請求項１３】
前記ダイナミック・ビーム・ディレクタはスキャンミラーである、請求項１０に記載のプロジェクタ。
【請求項１４】
前記スキャンミラーはガルバノメータ・ミラーである、請求項１４に記載のプロジェクタ。
【請求項１５】
さらに、構造的な照明パターンにより照明されたオブジェクトの画像を取得するイメージングシステムを備える、請求項１０に記載のプロジェクタ。
【請求項１６】
前記ダイナミック・ビーム・ディレクタは、連続的な角度範囲にわたり、投影軸の角度方向を変調するように構成されている、請求項１０に記載のプロジェクタ。
【請求項１７】
前記ダイナミック・ビーム・ディレクタは、離散的な角度ステップで、投影軸の角度方向を変調するように構成されている、請求項１０に記載のプロジェクタ。
【請求項１８】
コヒーレント放射により照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を減少させる方法であって、
コヒーレント放射ビームを、それぞれがオブジェクトに至る固有の光路を持つ複数のサブビームに分割する工程と、
各サブビームの光路長を、他の各サブビームの光路長と異ならせ、かつ、他の各サブビームの光路長に対し、当該コヒーレント放射ビームのコヒーレント長より大きな差を持たせて、少なくとも一つのサブビームの光路で遅れを生じさせる行程と、
前記各サブビームの少なくとも一部が他の前記各サブビームの少なくとも一部と、オブジェクトの位置において重なり合うように、前記各サブビームの方向を定める行程と、
を有する方法。
【請求項１９】
さらに、オブジェクトの画像を取得するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記コヒーレント放射ビームは、一対のコヒーレント光ビームで構成され、縞パターンがオブジェクトに投影される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
さらに、オブジェクト上に投影された縞パターンの画像を取得する行程を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を減少させる装置であって、
コヒーレント長を持つコヒーレント光源と、
コヒーレント光源と光学的に接続された光遅延板であって、固有の光学的厚さを持つ複数のゾーンを有し、各ゾーンは、その光学的厚さが、他の各ゾーンの光学的厚さに対し、少なくともコヒーレント光源のコヒーレント長だけ異なっている光遅延板と、
光遅延板と光学的に接続されたレンズレットのアレイであって、各レンズレットが光遅延板の対応する一つのゾーンを通って伝搬したコヒーレント放射を受けて、コヒーレント放射の発散ビームを生成してオブジェクトを照明するレンズレットのアレイと、
を有し、
コヒーレント放射の前記各発散ビームの位相は、光遅延板により、コヒーレント放射の他の各発散ビームに対して進み又は遅れを生じ、これらのビームアーク（beam arc）は時間的には互いにコヒーレントではなく、かつ、ビームが重なり合った領域内のオブジェクト表面上の点における各光ビームの入射角度は、互いに異なっている、装置。
【請求項２３】
前記レンズレットは、円筒状レンズレットである、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
さらに、前記コヒーレント光源と前記光遅延板との間に配された集束光学素子を備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記集束光学素子は円筒レンズである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記集束光学素子はコリメータであり、前記コリメータは、コヒーレント光源からのコヒーレント放射の発散ビームを受けて、コリメートされたビームを前記光遅延板に供給する、請求項２４に記載の装置。
【請求項２７】
前記集束光学素子と前記レンズレットのアレイは、コヒーレント放射の各発散光による前記オブジェクトの照明が、コヒーレント放射の他の各発散光による前記オブジェクトの照明と完全に重なりあう、請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記集束光学素子は円筒レンズである、請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記光遅延板の前記各ゾーンにおける厚さは、前記光遅延板の他の各ゾーンの厚さと異なっている、請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
均質化された照明パターンを生成するプロジェクタであって、
投影軸に沿って伝搬する光ビームを生成する光源と、
前記光源と光学的に接続され、投影軸を変更して前記光ビームによりオブジェクトを照明するよう構成されたダイナミック・ビーム・ディレクタであって、観測期間中に投影軸の角度方向を変調し、オブジェクト表面に沿って照明フィールドを移動させると共に、当該観測期間全体にわたって照明フィールドにおける不均一性の程度を減少させるダイナミック・ビーム・ディレクタと、
を有するプロジェクタ。
【請求項３１】
前記光観察時間は、イメージングシステムの画像取得時間である、請求項３０に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年２月２３日に米国においてなされた米国仮出願第６１／１５４，５６６号、名称「コヒーレント光イメージングにおけるスペックル雑音を低減する方法及び装置」についての出願日の利益を主張し、当該出願を参照することにより、当該出願の内容全体を包含するものである。
【０００２】
本発明は、一般に照明システムにおける強度雑音の低減に関し、特に、コヒーレント縞イメージングシステム（coherent fringe imaging system）に関する。
【背景技術】
【０００３】
縞干渉法に基づく高精度の非接触３次元（３Ｄ）測定法は、多くの工業用途向けに開発されている。一般に、測定は、大きな体積にわたってデータ取得を低速で行うことにより実施される。これらのシステムは、２つのコヒーレント光源により生成され測定対象であるオブジェクトの表面に投影される干渉縞を検出する。医療用途や歯科用途などの様々な用途で、３Ｄイメージングシステムの解像度の向上が求められている。しかしながら、コヒーレント照明を用いてオブジェクト位置に縞パターンを生成すると、取得された縞パターン画像にスペックル雑音が発生する。一般に、スペックル雑音は、空間解像度が向上するにしたがって、より大きな問題となる。
【０００４】
スペックルは、撮像装置（イメージャ、imager）におけるコヒーレント画像取得に用いる光学系において発生し、オブジェクトの表面粗さと、コヒーレント光源の波長とコヒーレント長の関数である。画像取得光学系の幾何学的パラメータ、例えば、アパーチャサイズ、入射角、及び観察角度も、スペックルに影響する。一つの光検出器素子（すなわち、ピクセル）により画像取得されるオブジェクトエリア内の表面粗さは、当該エリアから散乱される光の光路長変化となって現れる。したがって、そのピクセルで受信される光は干渉し、その輝度は増加又は減少して、コヒーレントでない照明を用いた場合の輝度に対し変動する。解像度の低い光イメージングシステムは、各ピクセルにオブジェクト表面の広いエリアの画像を形成し、これにより、ピクセル上で空間的に変化する多くの輝度特徴を平均化してスペックルの影響を抑制している。これに対し、より解像度の高い光システムでは、より狭いオブジェクト表面エリアの画像を各ピクセル上に形成するため、各ピクセル内に存在する空間的に変化する輝度特徴の数はより少なくなり、より多くのスペックルノイズが画像内で発生することとなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、縞干渉法においては、スペックル雑音による画像の劣化を低減し、測定精度を犠牲にすることなく高解像度を可能とする必要がある。本発明は、この要求に応えると共に、他の利点も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一の態様では、本発明は、構造的な照明パターンにより照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する方法である。本方法は、投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の構造的な照明パターンにより、オブジェクトを照明する工程を含む。画像取得期間に、オブジェクトの表面に投影された構造的な照明パターンの形状特徴が変化しないように、投影軸の角度方向が或る角度範囲にわたって変調される。照明されたオブジェクトの画像は、画像取得期間に取得される。
【０００７】
他の態様では、本発明は、構造的な照明パターンにより照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する方法である。本方法は、投影軸を初期角度方向に設定し、当該投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の構造的な照明パターンによりオブジェクトを照明する工程と、照明された当該オブジェクトの画像を取得する工程と、を含む。オブジェクトは、オブジェクト表面に投影された構造的な照明パターンの形状特徴が変化しないようにしつつ、続いて一つ又は複数の角度方向に設定された投影軸に沿って投影された、コヒーレント放射の構造的な照明パターンにより照明される。続いて設定された各角度方向を持つ投影軸により照明された物体の画像を取得する。初期角度方向及び続いて設定された角度方向を持つ投影軸により照明されたオブジェクトの画像は加算され、照明された当該オブジェクトの、スペックル雑音の減少した画像が生成される。
【０００８】
さらに他の態様では、本発明は、照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を減少させるプロジェクタである。本プロジェクタは、構造的な照明パターンを持つコヒーレント放射ビームの光源を有する。ビームは、オブジェクトの表面を照明する投影軸に沿って伝搬する。本プロジェクタは、コヒーレント放射ビームの光源と光学的に接続されたダイナミック・ビーム・ディレクタ（dynamic beam director）も有している。ダイナミック・ビーム・ディレクタは、オブジェクト表面に投影された構造的な照明パターンの形状特徴を変化させることなく、投影軸の角度方向を変調するよう構成されている。
【０００９】
他の態様では、本発明は、コヒーレント放射により照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を減少させる方法である。本方法は、コヒーレント放射ビームを、それぞれがオブジェクトまでの固有の光路を持つ複数のサブビームに分割する工程を含む。少なくとも一つのサブビームの光路は、その光路長が、他の各サブビームの光路長と比べて当該コヒーレント放射ビームのコヒーレント長より大きな差を持ち、遅れを生ずるように構成されている。各サブビームは、当該各サブビームの少なくとも一部が、他の各サブビームの少なくとも一部と、オブジェクトの位置において重なり合うように方向が定められる。
【００１０】
さらに他の態様では、本発明は、コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を減少させる装置である。本装置は、コヒーレント長を持つコヒーレント光源と、光遅延板（optical delay plate）と、レンズレット（lenslet）のアレイと、を有している。光遅延板は、コヒーレント光源と光学的に接続されており、固有の光学的厚さを持つ複数の領域を有している。各領域は、その光学的厚さが、他の各領域の光学的厚さに対し、少なくともコヒーレント光源のコヒーレント長だけ異なっている。レンズレットのアレイは、光遅延板と光学的に接続されている。各レンズレットは、光遅延板の対応する一つの領域を通って伝搬したコヒーレント放射を受けて、コヒーレント放射の発散ビームを生成してオブジェクトを照明する。コヒーレント放射の各発散ビームの位相は、光遅延板により、コヒーレント放射の他の各発散ビームに対して進み又は遅れを生じ、これらのビームは時間的には互いにコヒーレントではなくなる。ビームが重なり合った領域内のオブジェクト表面上の点における各光ビームの入射角度は、互いに異なっている。
【００１１】
さらに他の態様では、本発明は、均質化された照明パターン（homogenized illumination pattern）を生成するプロジェクタである。本プロジェクタは、光源と、ダイナミック・ビーム・ディレクタと、を有している。光源は、投影軸に沿って伝搬する光ビームを生成する。ダイナミック・ビーム・ディレクタは、光源と光学的に接続されており、投影軸を変更して光ビームによりオブジェクトを照明できるよう構成されている。ダイナミック・ビーム・ディレクタは、観測期間中に投影軸の角度方向を変調し、オブジェクト表面に沿って照明フィールドを移動させると共に、当該観測期間全体にわたって照明フィールドにおける不均一性の程度を減少させる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、オブジェクトの３Ｄイメージを取得するのに用いられる、アコーディオン縞干渉法に基づく測定システムのブロック図である。
【図２】図２は、コヒーレント光放射の２つの仮想光源と、観測面に投影された干渉縞パターンとの幾何学的関係を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明に係る、スペックル雑音が低減された干渉縞プロジェクタの一実施形態の概要図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示すプロジェクタにより生成される縞パターンの一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、２つの偏向角に設定されたスキャンミラー形式のダイナミック・ビーム・ディレクタを示す簡略図であり、コヒーレント光放射の仮想光源からオブジェクトポイントに至る１本の光線が、各偏向角について示されている。
【図４】図４は、本発明に従う、コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する装置の、一実施形態を示す図である。
【図５】図５は、図４に示す光遅延板の前面図である。
【図６】図６は、本発明に従う、コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する装置の、他の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の、上述の及びその他の利点は、以下に示す説明を添付図面と共に参照することにより、より良く理解することができる。添付図面では、種々の図面において同様の構成要素や特徴点には同様の番号を付すものとする。各図は、必ずしも同じ縮尺で描かれてはおらず、発明の原理を示す代わりに必ずしも強調表示が行われているというわけではない。
【００１４】
簡単に言えば、本発明は、コヒーレント光源により照明されたオブジェクトの画像や、干渉縞パターンで照明されたオブジェクトの画像などにおける、スペックル雑音を低減する方法及び装置に関する。本発明に係る一方法によれば、オブジェクトは、投影軸に沿って投影されたコヒーレント放射の構造的な照明パターンにより照明される。投影軸の角度方向は、画像取得期間中に、ある角度範囲にわたって変調される。好ましくは、オブジェクトの表面上に投影された構造的な照明パターンの形状特徴は、画像取得の間は変化せず、取得される画像のスペックル雑音が低減される。構造的な照明パターンは、例えば、照明されたオブジェクトの表面情報を取得するため３Ｄ測定システムにより生成される、干渉縞パターンなどの縞パターンとすることができる。
【００１５】
以下では、実施形態を添付図面と共に参照して、本発明の詳細について説明する。本発明は、種々の実施形態及び実施例に関連付けて説明されるが、これらの実施形態に限定されるものではない。そうではなく、本発明は、当業者により理解されるであろう種々の変更形態、変形形態、及び均等物を含む。ここに記載された本願の内容に触れた当業者が理解するであろう、他の実施形態、変形物、具体物、及び他の分野への応用も、本出願において記載され開示された本発明の範囲に含まれる。
【００１６】
本発明に係る方法及び装置は、オブジェクト上に構造的な照明パターンを投影する用途に用いることができる。以下に示す実施形態では、構造的な照明パターンは、オブジェクト表面上の点の位置情報を決定するため干渉縞を投影して画像取得（imaging）を行うシステムに主に関連している。これらの３Ｄ測定システムは、歯科用途において、歯のエナメル質表面、象牙質構造、歯肉組織、及び種々の歯科構造（例えば、ポスト、インサート、充填物）などの、口腔内表面の画像取得の用途に用いることができる。本方法及び装置を用いることにより、高精度の3D測定をリアルタイムに行うことができる。ただし、本発明に係る方法及び装置は、これらの実施形態に限定されるものではなく、構造的な照明パターンを利用する他のシステムにも利用することができることを理解すべきである。例えば、本発明の方法及び装置は、シャドウマスクやパターンマスクを用いる投影法を利用するシステムにも適用することができる。
【００１７】
位相測定干渉法（PMI、Phase Measurement Interferometry）は、高精度非接触の３Ｄ測定システムにしばしば用いられる。測定対象であるオブジェクトから散乱したコヒーレント光が参照用光源からのコヒーレント光と結合され、ＰＭＩシステムの検出器の位置に干渉縞パターンを生成する。
【００１８】
参照により本出願にその内容が包含される米国特許第５，８７０，１９１号は、高精度３Ｄ測定に用いられるアコーディオン縞干渉法（AFI、Accordion Fringe Interferometry）と称される技術について記述している。ＡＦＩに基づく測定システムは、一般に、近接して並べられた２つのコヒーレント光源を用いて、オブジェクト表面上に干渉縞パターンを投影する。縞パターンの画像は、当該パターンが少なくとも３つの空間位相を持つ場合について取得される。
【００１９】
ＰＭＩ法及びＡＦＩ法は、測定対象であるオブジェクトをコヒーレント放射により照明することを基本とする。これら２つの手法における精度は、取得画像に存在するスペックル雑音により制限される。スペックルは、画像取得に用いられるカメラにおいて、オブジェクトの表面粗さの結果として発生する。
【００２０】
図１は、オブジェクト２２の３Ｄ画像を取得するために用いられるＡＦＩ法を利用した測定システム１０を示す図である。フリンジプロジェクタ１８により生成された２つのコヒーレント光ビーム１４Ａ及び１４Ｂを用いて、干渉縞パターン２６によりオブジェクト２２の表面を照明する。オブジェクト２２における縞パターンの画像は、イメージングシステム又はレンズ３０により、光検出器アレイ３４を備える撮像装置（imager）上に形成される。例えば、検出器アレイ３４は、２次元の電荷結合型デバイス（CCD、charge coupled device）のイメージングアレイとすることができる。検出器アレイ３４により生成された出力信号は、プロセッサ３８に与えられる。この出力信号には、アレイ３４を構成する各光検出器により受信された光の輝度情報が含まれている。オプションである偏光子４２は、散乱光の主たる偏光成分の方向と一致するように配置されている。制御モジュール４６は、フリンジプロジェクタ１８から出射する２つのコヒーレント光ビーム１４のパラメータを制御する。制御モジュール４６は、２つのビーム１４の位相差を調整する位相シフトコントローラ５０と、オブジェクト２２における干渉縞２６のピッチ又は間隔を調整する空間周波数コントローラ５４を備えている。
【００２１】
縞パターンの空間周波数は、フリンジプロジェクタ１８内に設けられたコヒーレント光放射の２つの仮想光源の間隔と、当該仮想光源からオブジェクト２２までの距離と、上記放射の波長とにより定まる。ここで仮想光源とは、本明細書では、どこか他の位置に配置されている現実の光放射の光源とは別の、その光放射がその位置においてあたかも発生しているように見える点を意味するものとする。プロセッサ３８と制御モジュール４６とは互いに通信し、位相差及び空間周波数の変化に対し光検出器アレイ３４からの信号の処理を調和させる。プロセッサ３８は、縞パターン画像に従って、オブジェクト表面の３次元情報を決定する。
【００２２】
図２は、コヒーレント光放射の仮想光源５８Ａ及び５８Ｂと、観測面６６に投影された干渉縞パターン６２との間の幾何学的関係を示す図である。仮想光源５８は、観測面６６から距離Ｒだけ離れた第１の水平軸７０（即ち、ｘ軸）に沿って存在する。仮想光源５８から伝搬する一対の発散光ビームは、それらが重なり合った領域で干渉し、縞パターン６２を生成する。観測面６６までの距離Ｒが２つの仮想光源の間隔ｄよりも十分大きければ、この縞は、重なり領域において事実上直線となる。縞パターン６２は、第１の水平軸７０に対し直交する第２の水平軸（即ち、ｚ軸）に沿って投影される。当業者のうちには、ｙ−ｚ面は、縞パターン６２を二分し、２つの仮想光源５８から等しい距離にあることを理解する者がいるであろう。すなわち、第２の水平軸７４、すなわち投影軸は、縞パターン６２の中心において観察面を貫いている。
【００２３】
オブジェクトを照明する縞パターン６２の画像は、一般に、スペックルを含んでいる。
スペックルアーク（speckle arc）の特性は、オブジェクトの表面粗さと、コヒーレント光放射の波長と、イメージングシステムの構成と、により定まる。空間解像度の高い光撮像手段が取得した画像には、より多くのスペックル雑音が存在する。これは、低解像度の光撮像手段においては一つの撮像素子上に、より多くのスペックルが存在するものの、高解像度の光撮像手段では、一つの撮像素子における輝度変化、すなわちスペックルを、低解像度の光撮像手段ほどには効率的に平均化することができないことによる。
【００２４】
オブジェクト上に投影された干渉縞パターンの画像における、スペックル雑音を低減する方法についての一実施形態では、散乱光ビームの伝搬方向を仮想光源５８の中間点のまわりで回転又は旋回させ、縞パターン６２を、照明されたオブジェクトの表面に沿って垂直方向に移動させる。実際には、投影軸７４の方向は、図２に示すとおり、その角度がｙ−ｚ面内において図示上の破線と図示下の破線との間で掃引され、その結果、照明される領域が、オブジェクト表面に沿って垂直方向（即ち、ｙ軸に平行）に移動する。仮想光源５８からオブジェクトまでの距離が仮想光源５８の間隔ｄに比べて大きいときは、オブジェクト上の点に入射する２つの仮想光源からの光放射の間の位相差は、上記角度変調が行われている間には変化しない。したがって、縞は、縞パターン６２の位置が垂直方向に掃引されている間には変化しない。周期的な角度移動の大きさは、縞パターン６２の垂直方向位置が変化したときに、オブジェクト又はオブジェクト上の注目領域が照明され、かつ、縞画像内のスペックルパターンが平均化されるように選択される。この平均化は、スペックルが画像取得期間内に複数の撮像素子間を移動することにより起こる。これにより、取得された画像におけるスペックル雑音は、実質的に低減される。他の実施形態では、角度範囲内の個別の角度位置についての（即ち、角度ステップ毎の）、複数の画像を取得する。これらの画像は加算され、個々の画像に存在するスペックルが平均化される、すなわち「洗い流される」。
【００２５】
本発明は、縞の形状を維持しつつ限られた角度範囲内で縞パターン６２を支障なく掃引できる範囲において、仮想光源５８から伸びる投影軸７４が方向変換がなされるような種々の構成、例えば、折り返しミラーなどの光反射部品を用いた構成を予期したものであることに注意すべきである。折り返しミラーその他の光部品によって光の基準座標系が回転するような構成であっても、角度掃引によって生ずる投影される縞パターンの移動方向が、仮想光源５８の軸７０と事実上直交する面内に維持される限り、例えば、投影軸７４を、何度も折り曲げられる構成としてもよい。基準座標系のこのような変化は、投影軸７４の各点と仮想光源５８との間の等距離関係には影響しない。
【００２６】
一の検出器ピクセル（detector pixel）から隣接する他の検出器ピクセルへスペックルを移動させるのに必要な角度偏差θsは、検出器の開口角（aperture）と形状寸法との関数である。スペックルは、式（１）で与えられるファクタＮだけ低減される。
【数１】
2012518791.tif 000003
ここに、θm は、角度移動を発生させるダイナミック・ビーム・ディレクタにより生じた光軸の偏向角に等しい。例えば、θs が約1.0°である光システムでは、ビームディレクタの光軸回転角が+4.5°であれば、ファクタＮは約3となってスペックル雑音が低減される。
【００２７】
図３Ａは、本発明に従う、スペックル雑音が低減された干渉縞プロジェクタ１００の一実施形態を示す図である。フリンジプロジェクタ１００は、軸７０上に配置された仮想光源５８Ａ及び５８Ｂを備えている。各仮想光源５８は、発散光ビームの頂点部分に存在する。ミラー１０４は、一対の光ビームの伝搬経路１０８を折り返す。ダイナミック・ビーム・ディレクタ１１６は、発散光ビームがオブジェクト表面１２０を照明するように、伝搬経路１０８の方向を変換する。図示されているオブジェクト表面１２０は平らな面であるが、任意の形状を持つものとすることができる。ダイナミック・ビーム・ディレクタ１１６は、軸１２４（紙面の表から裏方向）の回りを、角度θ/2だけ前後に観点する。図３Ｂは、ダイナミック・ビーム・ディレクタ１１６が角度範囲の中間の角度位置に設定されているときの、平坦面１２０上の位置６２Ａに生じた縞パターンを示す図である。本図には、角度位置が最大（θ／２）及び最小（−θ／２）に設定されているときの、縞パターンの輪郭線６２Ｂ及び６２Ｃも示されている。
【００２８】
数値例として、仮想光源５８からオブジェクトまでの距離Ｒは115 mmであり、縞画像の取得に用いられたカメラの視野内に、400 μmの縞ピッチで40本の縞が存在する。ダイナミック・ビーム・ディレクタ１１６は、１枚の縞パターン画像を取得する際に、画像取得期間（例えば、カメラの積分時間（integration time））中に、5°の角度範囲θにわたって回転し、伝搬経路を全角度範囲10°にわたって掃引する。縞パターンに大きな位相シフトを生じないように、角度掃引中の回転軸１２４の揺らぎは、小さな値（例えば、1 ミリラジアン未満）に維持される。この例では、実質的に角度変調に起因する縞構造の歪みはなく、したがって測定精度は維持される。
【００２９】
具体的な実施形態においては、ダイナミック・ビーム・ディレクタは、ニューヨーク州リッジウッドのエレクトロ−オプティカル・プロダクツ社製スキャナ モデルSC-3などの、連続する正弦波状の角度移動を行う固定周波数の共鳴型光スキャナとすることができる。角度変調は、第２の軸１０８を第１の軸７０に対して直交するように維持しつつ、画像取得期間内に少なくとも１回は全角度範囲にわたって縞パターンを掃引するのに十分な速度（例えば、600 Hz）で実行される。画像の校正や均一性のため、角度変調を縞画像の取得と同期させるのが望ましい。この同期は、例えば、角度位置センサを用いて、ダイナミック・ビーム・ディレクタ１１６の回転位置を画像取得システムのタイミングと整合させることにより行うことができる。
【００３０】
仮想光源５８の間隔ｄが縞パターンまでの距離Ｒより十分小さければ、空間に投影された縞パターンは、（例えば、図３Ｂに示す平坦表面１２０上の縞１２８のように）パターンの端部においても実質的に真っ直ぐな、垂直方向の縞で構成される。当業者の一人であれば、照明されたオブジェクト上の縞の形は、オブジェクト表面の幾何形状に応じて変化し、平坦でない表面の場合には、縞は一般に直線的な構造を持たないことに気づくであろう。オブジェクト上に観察される縞の形状は、オブジェクトの形状にかかわらず、角度掃引の全範囲にわたって変化しないまま維持されることが理解されるであろう。すなわち、縞パターンから抽出される３Ｄ情報は、角度変調によっては失われず、したがって劣化しない。さらに、縞パターンの投影光学系の光学的な歪みによる初期の縞パターンにおける位相誤りは平均化され、照明が一次元方向に効果的に均一化される。
【００３１】
図３Ｃは、ダイナミック・ビーム・ディレクタとして用いられたスキャンミラー１３２（例えば、ガルバノメータ・ミラー）が、２つの異なる偏向角度を与える位置１３２Ａ及び１３２Ｂにある状態を示す図である。仮想光源５８からの１本の光線１３６Ａ及び１３６Ｂは、それぞれの偏向角度において、オブジェクトの点１４０に入射しており、これにより、偏向角が変化するにつれて仮想光源５８からの光路長がどのように変化していくのかが判る。
【００３２】
上述の実施形態は、コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を、角度変化を利用して低減する。図４は、コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を照明領域内の角度変化に基づいて低減する、他の実施形態である装置１５０を示す図である。装置１５０は、コヒーレント光放射の光源１５４と、円筒状のコリメーティングレンズ１５８と、光遅延版１６２と、円筒状レンズレットの線形配列（linear array）１６６と、を有している。アレイ１６６を構成するレンズレット毎に一つずつ、複数のサブビームが生成され、当該サブビームは、それぞれ照明サブフィールド（illumination subfield）を有している。照明サブフィールドは重なり合い、その領域内の各点は異なる角度で入射する光を受ける。その結果、照明サブフィールドの全体にわたってスペックル雑音が平均化されることにより、照明されたオブジェクトの画像における全スペックル雑音が低減される。装置１５０は、可動部品がないという利点を有している。ただし、光学的に大きな偏差を生じないように、光を媒介する部品の許容公差を規定する必要がある。
【００３３】
動作時に、円筒状コリメーティングレンズ１５８は、光源１５４からのコヒーレント光放射を受けて、一次元方向に平行光となった（コリメート（collimate）された）光を、光遅延板１６２とレンズレット・アレイ１６６へ向けて出射する。各レンズレットから出力されたコヒーレント放射は、公称焦点位置（nominal focus position）を通過後に、発散サブビームとなって広がり、レンズレット・アレイ１６６から伝搬する他の発散サブビームと重なり合う。全部で４つの発散サブビームの重なり合い領域における、オブジェクト面１７４上の各点は、各発散サブビームからの寄与を受ける。
【００３４】
図５は、４つのゾーン又はステップＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤを持つ光遅延板１６２の前面図である。各ゾーンは、互いに異なる固有の光学的厚さを持ち、ゾーン間の光学的厚さの差は、コヒーレント光源１５４のコヒーレント長よりも大きくなっている。光学的厚さは、光学基板すなわちガラスの物理的厚さにより定まる。ただし、他の実施形態においては、各ゾーンの光学的厚さは、ゾーン毎の屈折率の差により定まるものとしてもよいし、ゾーン毎に異なる物理的厚さと屈折率の組み合わせにより定まるものとしてもよい。これにより、各ゾーンを通過して光遅延板１６２の裏面から抜け出る光は、他のゾーンを抜け出た光との関連においては、もはや時間的にコヒーレントではなくなる。光遅延板１６２の図示４つのゾーンについて、取得される画像のスペックルの強度は、オブジェクトに対する従来のコヒーレント照明と比べて１／２に減少している。好ましくは、照明されたオブジェクトの画像における、他の方法によれば発生するであろう発散サブビームのペア間での干渉に起因する縞の発生は、防止される。数値例として、コヒーレント長1 mmのコヒーレント光源を用いたシステムにおいて、ステップ間の光学的厚さの差が少なくとも1 mmである光遅延板１６２を用いる。
【００３５】
図４に示すコヒーレント光源１５４は、図１ないし３に関連して上述したように、オブジェクトに縞パターンを生成する一対の仮想光源を備えている。この例では、装置１５０により生成される各照明サブフィールドは、他のサブフィールドの縞パターンに対して垂直方向にオフセットのある縞パターンを含んでいる。好ましくは、一つの照明サブフィールドについての縞パターンで観察されるスペックルは、他の照明サブフィールドにおける縞パターンのスペックルと平均化され、すべての照明サブフィールドを用いて構成される１枚の画像における全スペックル雑音は低減されることとなる。
【００３６】
図６は、コヒーレントに照明されたオブジェクトの画像におけるスペックル雑音を低減する、他の実施形態である装置１８０を示す図である。装置１８０は、図４に示す装置１５０と同様の構成を有し、複数の照明サブフィールドが、オブジェクト表面の各点において異なる入射角度を持つように生成される。ただし、円筒状コリメーティングレンズ１５８は、集束光学素子（focusing optical element）１８４に置き換わり、集束光学素子１８４は、レンズレットアレイ１６６と組み合わされて、４つの照明サブフィールドがオブジェクト位置で完全に重なり合うように配置されている。平坦面を持たない一般化されたオブジェクトに対しては、集束光学素子１８４とレンズレットアレイ１６６は、オブジェクトの中央平面（midplane）において完全に重なり合うように構成される。これにより、装置１８０は、図４に示す構成よりも、光学的にさらに有効である。
【００３７】
上述した実施形態はコヒーレント照明に関するものであるが、本発明は、角度変化を用いてコヒーレントな又は非コヒーレントな照明ビームにおける不均一性の効果を低減する場合にも適用することができる。不均一性は、光部品の欠陥や光路内の埃などの、種々の原因によって生ずる。図２及び図３に関連して上述した角度変調は、均一化された照明ビームの生成にも使用することができる。角度変調は、オブジェクト位置の照明領域を一つ又は二つの次元方向に移動させる。角度と変調速度を十分大きくすることにより、照明の空間的不均一性や輝度特徴は、観察者に対して目立たなくなり、不均一性の効果は、照明されたオブジェクトの画像において低減される。
【００３８】
本発明を具体的な実施形態と関連付けて説明したが、当業者は、本発明の主旨及び範囲を逸脱することなく、形式あるいは詳細について種々の変形が可能であることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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