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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6283562
(24)【登録日】2018年2月2日
(45)【発行日】2018年2月21日
(54)【発明の名称】物体の３次元構造を検出する装置
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20180208BHJP
G01B 9/02 20060101ALI20180208BHJP
G01B 11/06 20060101ALI20180208BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 D
G01B9/02
G01B11/06 G
【請求項の数】16
【外国語出願】
【全頁数】24
(21)【出願番号】特願2014-90746(P2014-90746)
(22)【出願日】2014年4月24日
(65)【公開番号】特開2014-215300(P2014-215300A)
(43)【公開日】2014年11月17日
【審査請求日】2016年12月9日
(31)【優先権主張番号】13165409.7
(32)【優先日】2013年4月25日
(33)【優先権主張国】EP
(73)【特許権者】
【識別番号】514104944
【氏名又は名称】ヴォコ・ゲー・エム・ベー・ハー
【氏名又は名称原語表記】ＶＯＣＯ ＧＭＢＨ
(74)【代理人】
【識別番号】110001818
【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ
(72)【発明者】
【氏名】アレクサンダー・クニュッテル
【審査官】
八木 智規
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１２−１０４５８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００９／４０５２７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｂ ９／００− ９／１０
Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
物体（１５）の３次元構造を検出する装置であって、
第１の波長を有するレーザー光線を生成する第１のレーザーエミッタ（２ａ）と、第２の波長を有するレーザー光線を生成する第２のレーザーエミッタ（２ｂ）とを備え、
前記第１の波長は前記第２の波長とは異なり、
光学素子（４、９、１０、１３、１４、３８、５０、５３、５６）を備え、前記光学素子（４、９、１０、１３、１４、３８、５０、５３、５６）の少なくとも１つは、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）からの前記レーザー光線をそれぞれ参照光（５）と照射光（６）に分割するビームスプリッタ（４、４８、５０、５４）であって、
前記照射光（６）は測定対象となる前記物体（１５）に入射し、前記物体（１５）によって物体光（２１）として反射し、かつ、前記参照光（５）に干渉し、
干渉によって形成される干渉縞を記録する検出器（１２）を備え、
前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）が、前記第１のレーザーエミッタ（２ａ）の前記照射光（６）と前記第２のレーザーエミッタ（２ｂ）の前記照射光（６）が前記物体（１５）に異なる入射角（β）で入射するように配置され、また前記装置（１）が、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）からの前記レーザー光線の２本の波長を測定する測定装置（２７）を備え、前記干渉縞の記録に影響を及ぼすことによって特徴付けられる装置。
第１の波長を有するレーザー光線を生成する第１のレーザーエミッタ（２ａ）と、第２の波長を有するレーザー光線を生成する第２のレーザーエミッタ（２ｂ）とを備え、
前記第１の波長は前記第２の波長とは異なり、
光学素子（４、９、１０、１３、１４、３８、５０、５３、５６）を備え、前記光学素子（４、９、１０、１３、１４、３８、５０、５３、５６）の少なくとも１つは、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）からの前記レーザー光線をそれぞれ参照光（５）と照射光（６）に分割するビームスプリッタ（４、４８、５０、５４）であって、
前記照射光（６）は測定対象となる前記物体（１５）に入射し、前記物体（１５）によって物体光（２１）として反射し、かつ、前記参照光（５）に干渉し、
干渉によって形成される干渉縞を記録する検出器（１２）を備え、
前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）が、前記第１のレーザーエミッタ（２ａ）の前記照射光（６）と前記第２のレーザーエミッタ（２ｂ）の前記照射光（６）が前記物体（１５）に異なる入射角（β）で入射するように配置され、また前記装置（１）が、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）からの前記レーザー光線の２本の波長を測定する測定装置（２７）を備え、前記干渉縞の記録に影響を及ぼすことによって特徴付けられる装置。
【請求項2】
前記測定装置（２７）が、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）からの前記レーザー光線の波長の時間変動を測定し、制御装置（２８）が、波長がほぼ一定な場合に前記検出器（１２）を作動させ、前記干渉縞の記録を開始させることにより特徴付けられる請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記装置（１）が、前記測定装置（２７）の測定結果に応じて、前記送出されたレーザー光線の波長がほぼ一定となるように、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）を調節する調節装置（２９）を備えることにより特徴付けられる請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記測定装置（２７）が、ファブリペロー干渉計として構成されることにより特徴付けられる請求項２又は３に記載の装置。
【請求項5】
前記第１のレーザーエミッタ（２ａ）と前記第２のレーザーエミッタ（２ｂ）が、共通のエミッタチップ（３）に間隔を置いて配置されることにより特徴付けられる請求項１〜４の何れか一項に記載の装置。
【請求項6】
前記光学素子（４、９、１０、１３、５４）の少なくとも１つが、前記参照光（５）を前記各々のレーザーエミッタ（２）の前記参照光（５）が異なる基準入射角（α）で前記検出器（１２）に入光するように反射する構成になっていることにより特徴付けられる請求項１〜５の何れか一項に記載の装置。
【請求項7】
前記光学素子の少なくとも１つが、前記照射光（６）を１つ以上の照射帯（１９）として前記物体（１５）に入射するように偏向させるホログラム（５０）であることにより特徴付けられる請求項１〜６の何れか一項に記載の装置。
【請求項8】
マイクロ光学アレイ（３８）が、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）の前記レーザー光線を前記参照光（５）と前記照射光（６）に分割し、両方の光（５、６）の群に異なる照射プロファイルを提供する前記ビームスプリッタ（４８、５０）を備えることにより特徴付けられる請求項１〜７の何れか一項に記載の装置。
【請求項9】
前記マイクロ光学アレイ（３８）が、前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）の前記照射光（６）および／または前記参照光（５）を偏光させるために、少なくとも１つの偏光子（４７、５１）を備えることにより特徴付けられる請求項８に記載の装置。
【請求項10】
前記マイクロ光学アレイが（３８）が、少なくとも１つのホログラム（５０）を備えることにより特徴付けられる請求項８に記載の装置。
【請求項11】
前記光学素子の少なくとも１つが、色分散レンズ（１４、５３、５６）として、または色分散鏡（１０）として構成されることにより特徴付けられる請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置。
【請求項12】
前記装置（１）が、２つのエミッタチップ（３）と２つの検出器（１２、５８）を備えており、前記１つのエミッタチップ（３）に配置される前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）の前記レーザー光線が、前記１つの検出器（１２）に入射し、前記別のエミッタチップ（３）に配置される前記レーザーエミッタ（２、２ａ、２ｂ）の前記レーザー光線が、前記別の検出器（５８）に入射することにより特徴付けられる請求項１〜１１の何れか一項に記載の装置。
【請求項13】
前記装置（１）が、前記物体（１５）に配置される層（７５）の前記厚さを測定するための測定器（３１）を備えることにより特徴付けられる請求項１〜１２の何れか一項に記載の装置。
【請求項14】
前記測定器（３１）が、周波数走査干渉分光法の原理に従って作動する白色光ポイントセンサー（６６）を備えることにより特徴付けられる請求項１３に記載の装置。
【請求項15】
前記測定器（３１）が、偏光解析法の原理に基づいて、前記物体（１５）に配置された前記層（７５）の厚さを測定するように構成されていることにより特徴付けられる請求項１３に記載の装置。
【請求項16】
前記装置（１）が、複数の光学素子（５０、５３、５６、５７、６３）を有する光学系（５２）を備え、前記光学系（５２）が、患者の口腔内領域または孔（６２）に挿入可能に構成されていることにより特徴付けられる請求項１〜１５の何れか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、第１の波長を有するレーザー光線を生成する第１のレーザーエミッタと、第２の波長を有するレーザー光線を生成する第２のレーザーエミッタとを備え、第１の波長は第２の波長とは異なり、その光学素子の少なくとも１つがレーザーエミッタのレーザー光線を、それぞれ参照光と照射光に分割するビームスプリッタである、物体の３次元構造を検出するための装置に関する。
【背景技術】
【0002】
照射光は、測定対象物に入射すると、物体光として物体より反射し、参照光に干渉する。装置の検出器は、物体より生じる干渉縞を受信する。
【0003】
３次元構造を検出する装置は、例えば、産業において品質保証のために使用されている。こうして、処理面に関して、品質の調査、例えば、寸法精度および／または既定の粗さの適合状況を調べることができる。さらにまた、斯様な装置を用いることで、物体全体をデジタル的に検出し、３次元的にマッピングすることが可能である。
【0004】
斯様な装置は、特許文献１より既知である。この装置は、ホログラフィーの原理によって作動する。異なる波長を有する２種類のレーザー波が、２本のレーザーにより生成される。個々のレーザー波は、測定対象物に入射する物体波と、参照波とに分割される。物体から反射した１つの波長の物体波とそれに従属する参照波が組み合わさって、相互に干渉し、二波の位相関係が記録される。物体の反射面の３次元モデルは、第１の波長を有するレーザー波により生成される位相関係と第２の波長を有するレーザー波により形成される位相関係との差を用いて作成することができる。Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（ネオジムをドープしたＹＡＧレーザー）やＨｅＮｅレーザー（ヘリウムネオンレーザー）等のレーザーに加えて、装置は、鏡、ビームスプリッタ、フィルターおよび開口部を複数備えている。装置の設置には、広い空間が必要である。
【0005】
特許文献２にはまた、表層構造の３次元検出を行うための装置について開示している。２つのレーザー源からレーザー波が発生する。これらのレーザー波は、その一部分同士が結合して合成ビームとなり、測定対象物に入射する。合成ビームは、次いで物体より反射し、カメラで検出される。送出されたレーザー波の残りの部分は、異なる入射角を有する参照波としてカメラに入射する。レーザー波はビームスプリッタを介して部分的に併合されるため、装置の空間要件は増大する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】米国特許第６，８０９，８４５号明細書
【特許文献2】米国特許第８，０６８，２３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
いずれの特許明細書でも、２種類以上の波長を有する光が同一の角度で物体に入射する。これにより、表面が若干粗い物体の後方散乱光における波動性の結果として、いわゆる建設的（光）かつ破壊的（暗部）な干渉が生じるため、いわゆるスペックルノイズが発生する。物体は、そのため観察者の眼には、スペックルまたはスペックルノイズを示す「粒状物」として映る。
【0008】
上述の理由より、物体は、物体の３次元構造の検出ならびにスペックルノイズを低減するための小型の装置を提供することで得られる。
【課題を解決するための手段】
【0009】
請求項１の前文に係る装置は、この物体解析の出発点としてとらえられる。物体は、請求項１の特徴部分に付与されている建設的特徴によって解析される。
【0010】
装置は、レーザーエミッタのレーザー光線の２本の波長を測定する測定装置を備えている。測定装置は、検出器による干渉縞の記録に影響を及ぼす。例えば、温度変化等の不安定要素により、レーザーエミッタが波長変動を呈する光線を発生させる場合がある。測定装置を用いることで、干渉縞を評価する際、レーザーエミッタから生じるレーザー光線の波長と、波長の時間的効率性を確実に知ることができる。
【0011】
任意選択的に、測定装置によってレーザーエミッタのレーザー光線の波長の時間効率性を測定し、制御装置は波長がほぼ一定の場合に検出器を作動させ、干渉縞の記録を開始させる。
【0012】
これは、装置が、任意選択的に、レーザーエミッタのレーザー光線の波長の時間効率性の測定を可能にする測定装置を備え、測定装置が、任意選択的に波長がほぼ一定の場合に検出器を作動させ干渉縞の記録を開始させるのに適切な制御装置に接続されていることを意味している。
【0013】
検出器を用いて干渉縞の記録を行う間、波長の時間効率性がほぼ一定であれば、好都合である。本発明の背景において、ほぼ一定の波長という用語は、波長変動が送出波長の１０−６〜１０−７倍、すなわち約０．１〜１ｐｍであるものと理解される。干渉縞は、１０〜１００μ／秒の露光時間で記録されることが好ましい。露光時間を短くすることにより、物体が多少動いても、位相感受性の記録が不明確なものとなることはない。
【0014】
装置は、送出されるレーザー光線の波長をほぼ一定にして、測定装置の測定結果に応じてレーザーエミッタを調節する調節装置を有することも可能である。
【0015】
レーザーエミッタは、第１のレーザーエミッタの照射光と第２のレーザーエミッタの照射光が異なる入射角で物体に入射するように配置される。個々のレーザーエミッタの照射光は、比較的小さい入射角で物体に入射するのが好ましい。例えば、２基のレーザーエミッタを用いる場合、典型的な入射角は約０．１１°である。発明の背景において、好都合にも２基以上のレーザーエミッタを使用する場合、例えば、照射光が８本の場合は、最大１°、約０．８°の入射角で物体に入射することが好ましいと判っている。照射光の入射角をより大きくすることも可能能である。
【0016】
レーザーエミッタは、少なくとも総出力１００ｍＷのレーザー光線を送出し、総出力は露光時間に強く依存していることが、好ましい。
【0017】
照射光という用語は、発明の背景において、測定対象物に入射する送出レーザー光線の一部と理解される。物体光という用語は、物体から反射する照射光を示す。参照光は、参照波として不変の物体光に干渉し検出器に入射する送出レーザー光線の一部分である。
【0018】
本発明の背景において、発明に係る装置はまたヒトの口腔領域内でも使用可能であることが判っている。特に、口腔内領域において、例えば、デンタルスキャナとして、表面部分や物体を検出する装置を使用することが可能である。これらの要件を満たすために、装置は、少なくとも装置の一部分を口腔内領域に挿入可能な対応した寸法を有していることが好ましい。
【0019】
測定装置をファブリペロー干渉計として構成することが好都合である。ファブリペロー干渉計は、一般的に先行技術より既知である。本例では、ファブリペロー干渉計の共振器は２枚のガラス板を備えており、それぞれに鏡面が蒸着されている。共振器の共振条件により、特定の波長を有するレーザー光線が蒸着された鏡を透過し、本例では、検出器アレイによって検出される。ファブリペロー干渉計を用いることで、個々のレーザーエミッタが特定の波長帯でレーザー光線を送出する場合、波長を正確に測定することができる。ファブリペロー干渉計は、レーザーエミッタによって送出されるレーザー光線の波長が基本的に一定の安定性を有していることが必要である。本発明のレーザーエミッタは、斯様な基本的な安定性を提供することが可能である。
【0020】
第１のレーザーエミッタと第２のレーザーエミッタは、間隔を置いて共通のエミッタチップ上に配置することが好ましい。例えば、レーザーエミッタは、マルチレーザーダイオードとして構成される。個々のレーザーエミッタは、好ましくは相互に最大０．５ｍｍ離して、特に好ましくは最大０．２ｍｍ離して、とりわけ好ましくは最大０．１ｍｍ離して配置される。
【0021】
このように距離を小さくすることで、極狭小な空間に複数のエミッタを配置することが可能になる。複数のエミッタが波長群を形成し、その波長群を用いることによって、物体の３次元表面情報および物体の個々の物点（物体の表面点）の深さに関する情報を検出することができる。２つ以上の波長群を同じチップ上に配置して、スペックルを減少させることも可能である。
【0022】
装置は、好都合には最大３２基のレーザーエミッタを備え、好ましくは最大１６基のレーザーエミッタが各々１つのエミッタチップ上に配置される。例えば、１つのエミッタチップ上に配置される１６基のレーザーエミッタすべてが異なる波長のレーザー光線を送出する。１６基のレーザーエミッタはすべて、中心波長の割り当てが可能な波長群を形成する。本発明の背景において、中心波長は、１つの波長群のレーザーエミッタより送出されるすべての波長の平均と理解される。
【0023】
ただし、４基のレーザーエミッタを１つのエミッタ上に隣接させて４列に並べ、１６基のレーザーエミッタを配置することも可能である。４基のレーザーエミッタを有する各列が波長群を形成し、そこに中心波長を割り当てることが可能である。１つの波長群のレーザーエミッタが、それぞれ異なる波長を有するレーザー光線を送出する。好ましくは個々の列、すなわち異なる波長群は、その中心波長が一致している。
【0024】
中心波長は、好ましくは７５０〜８５０ｎｍ、特に約８００ｎｍとすることができる。９５０ｎｍ前後または１３００ｎｍの中心波長も可能である。可視スペクトル域の中心波長も可能であるが、この達成は技術的な課題である。
【0025】
他の構成も可能であり、１つ、２つまたは４つの波長群を１つのエミッタチップ上に配置することが好ましい。１つの波長群のレーザーエミッタ数は変更可能であり、４、１６または、３２基に確定されるものではない。また、個々の波長に関するエミッタの配置は、必ずしも単調に上昇または下降させるものではなく、「ランダム」な場合もある。同様に、エミッタチップ上の波長群の数は、上述の数と異なる場合がある。
【0026】
１つのエミッタチップ上に複数の波長群を隣接させて配置する方法が好都合であり、それによってスペックルの減少が達成可能となる。スペックルパターンは、物体の一様でない面からのレーザー光線の反射によって形成され、その構成は物体に対する照射光の入射角に強く依存するため、物体の識別を困難にする。複数の波長群をエミッタチップ上で隣接して配置する場合、照射光の入射角より大きい角度のスペクトルが生じる。個々の波長群において、照射された同じ物点の深さ情報が、次いで異なる平均入射角で検出される。平均入射角は、１つの波長群の入射角を平均化した入射角と解釈される。波長群の深さ情報を平均化することにより、スペックルパターンの影響が低減する。
【0027】
スペックルを低減させることができた場合、異なる波長群と中心波長が一致すれば、好都合である。干渉縞のその後の評価における支出は、これにより低く抑えられる。但し、個々の波長群が異なる中心波長を有するレーザー光線を送出する場合にも、スペックルの減少は可能である。波長群の中心波長が相互に異なる場合も、中心波長は相互に近接しており、中心波長の変動は約５０〜１００ｎｍとなる。
【0028】
１つ以上の波長群を各々有する２つ以上のエミッタチップを使用することが可能であり、中心波長が一致または異なる場合があることが理解される。
【0029】
本発明は、レーザーエミッタ数が３２基に限定されるものではないことが、明確に指摘されている。２つのエミッタチップに分けられる計３２基のレーザーエミッタによる構成は、好ましい一実施形態にすぎない。好ましくは、複数のエミッタチップ／波長群に分割して、計３２基よりはるかに多くのレーザーエミッタを使用することが可能である。波長群の数が多いほど、干渉縞の評価時のシグナルノイズを低減することができる。使用されるレーザーエミッタと波長群の数は、検出器の大きさ／画素密度、物体上の照射野の選択、並びに干渉縞の評価で利用可能な計算能力によってのみ制限される。
【0030】
光学素子の１つは、参照光を反射して、個々のレーザーエミッタの参照光が異なる入射角で検出器に入射するように構成されている。同一の波長の参照光と物体光が異なる入射角で検出器に入射することが好ましい。例えば、調査対象の物体の物点から反射する物体光は、波長にかかわらず、同じ入射角で検出器に入射する。この状態で、物体の表層構造の最小限の粗度が予想される。理想的に平滑な物体の場合、物体光に関して異なる関係が得られる。
【0031】
参照光と照射光のビーム経路は、部分的に重複しており、波長が１つの、すなわち同じレーザーエミッタから送出された参照光と物体光が相互に干渉する。送出される波長ごとに干渉縞が形成されるため、例えば、処理装置では、すべての波長依存的な干渉縞から、物体表面上の物点の位置と物点の深さ位置が、フーリエ変換やフレネル変換によって求められる。
【0032】
任意選択の実施形態において、光学素子の少なくとも１つは、ホログラムである。ホログラムは、照射光を偏光させて、照射帯として物体に入射させる。例えば、ホログラムはマイクロホログラムとして用いられる。物体が検出されると、物体は、装置と物体が相対運動する間に走査方向に沿って走査される。好ましくは、照射帯は矩形に構成され、矩形の短辺は走査方向と平行しており、長辺は走査方向と直角になっている。マイクロホログラムは、矩形の照射帯の長辺に沿った開口数が矩形の照射帯の短辺に沿った開口数より大きくなるように、照射光の開口数を変化させる。
【0033】
例えば、溶接線を検出する場合、溶接線の輪郭を走査方向と定義する。矩形の照射帯の長辺が走査方向と交差するため、溶接線の全幅は、照射帯を用いて検出することが可能である。
【0034】
干渉縞の記録での露光時間は短いため、検出器で記録される溶接線の領域は一部重複する。これにより、例えば、検出器に対する物体の動き、または検出時の装置の補償される機械的誤差によって、高低差が生じる。
【0035】
但し、ホログラムが照射光を分割し、２本の照射帯が物体に入射するように照射光を偏光させることも可能である。両方の照射帯は、走査方向（短辺）に沿って配置されていることが好都合である。これにより、本発明に係る装置をハンドスキャナとして動作させることができる。２本の照射帯が使用されるため、考えられる相対運動、特に物体に対する装置の相対回旋運動が検出可能であり、評価に加味することができる。ホログラムは、２本以上の照射帯が物体に入射するように、照射光を分割し偏光させることが可能であると理解される。
【0036】
光学素子の少なくとも１つはマイクロ光学アレイであることが、好都合である。マイクロ光学アレイは、例えば、レンズ、ビームスプリッタ、サーキュレータおよび／またはホログラム等の極めて緻密に配置された異なる光学部品の組合せである。マイクロ光学アレイは、好ましくは、ビーム経路のレーザーエミッタの直後に設置される。
【0037】
マイクロ光学アレイは、レーザーエミッタのレーザー光線を参照光と照射光に分割するビームスプリッタを備えていることが好都合である。好ましくは、参照光と照射光は少なくとも部分的に重複している。従って、装置の光学系の構造は、特に小型化が可能である。
【0038】
好ましくは、マイクロ光学アレイは、照射光および／または参照光を偏光させるために、偏光子および／またはサーキュレータを備えている。好ましくは、参照光は照射光に対して偏光され、偏光面は、偏光子および／またはサーキュレータにより９０°回転する。一方、照射光の偏光は、影響を受けない。これは、偏光ビームスプリッタがビーム経路において、例えば、１度偏光されたレーザー光線、特に参照光を透過させ、２度偏光されたレーザー光線特に照射光を反射するマイクロ光学アレイの後に配置されている場合に有利である。また、照射光を偏光子および／またはサーキュレータを用いて９０°回転させ、参照光には影響を与えないようにしておくことも可能である。
【0039】
マイクロ光学アレイは、ホログラムを備えることも可能である。ビーム経路に配置されるレンズの精度要件は、それにより低減される。これにより、装置の製造に要するコストが削減される。
【0040】
マイクロ光学アレイのホログラムはまた、好ましくは、参照光および照射光がそれぞれ異なる開口数でマイクロ光学アレイから出るようにする効果を有している。例えば、参照光の開口数は多くなるが、照射光は、少なくとも矩形の照射帯の短辺に沿って、極めて少ない開口数で、マイクロ光学アレイから出てくる。さらに、ホログラムを用いることで、複数の照射帯、例えば、２本の照射帯を容易に発生させることができる。
【0041】
任意選択的に、光学素子の１つは、色分散レンズとして構成される。好ましくは、色分散レンズは物体光のビーム経路、すなわち、物体の照射光が反射した後のビーム方向に配置される。これにより干渉縞の評価を行うためのフーリエ変換またはフレネル変換に要する費用を削減することが可能となる。
【0042】
発明の更なる実施形態は、装置が２つのエミッタチップと２つの検出器を備え、送出されるレーザーの第１の中心波長を有し１つのエミッタチップ上に配置されたレーザー光線が１つの検出器に入射し、送出されるレーザーの第２の中心波長を有し別のエミッタチップ上に配置されたレーザー光線が別の検出器に入射する点で特徴付けられている。例えば、異なる中心波長を有する２つのエミッタチップを使用する場合、個々のレーザー光線は、例えば、レーザー光線をその中心波長に応じて透過または反射させるビームスプリッタによって分割可能となり、第１の中心波長を有するレーザー光線は、第１の検出器に入光し、第２の中心波長を有するレーザー光線は、第２の検出器に入光する。
【0043】
好都合にも、この装置は、物体上の層の厚さを測定するための測定器を備えている。従って、物体の表面に加えて、物体上に存在すると考えられる層の厚さを検出することも可能である。装置をデンタルスキャナとして使用する場合、歯肉厚さを測定することが可能である。例えば、斯様な層厚さの測定は、追加のコンポーネントを用いることなく本発明に係る装置によって、可能である。好ましくは、測定器は、処理装置の一部分として構成される。１つのみならず複数の表面、例えば、２つまたは３つの表面に対して、複数の波長の干渉縞からの位相情報を用いることで、検出を行うことが可能である。基本的に、波長群において波長が多くなるほど、１つ以上のさらなる表面に対する検出が確実に行われる。好ましくは、この装置を用いて２つの面を検出し、相互の関係を設定しておく。物体上の層の外面は第１の表面として検出され、測定対象となる層が配置されている物体の表面は第２の層として検出される。
【0044】
屈折率が判っていれば、２つの表面の距離の差から、層の厚さ、例えば、歯肉厚さが求められる。
【0045】
同様の好ましい実施形態は、測定器が周波数走査干渉分光法の原理に従って作動する白色光ポイントセンサーを備える点で特徴付けられる。周波数走査干渉分光法の原理は、先行技術より既知である。代替的に、この測定器に代わる他の方法を用いることも可能である。好ましくは、白色光ポイントセンサーは、中心波長が１３００ｎｍ前後でスペクトル幅が１０ｎｍ〜１００ｎｍの広域スペクトルを有する光を発生する光源を備えている。特に散乱層、例えば、歯肉は、１３００ｎｍの中心波長を有する白色光ポイントセンサーを用いて直接測定することができる。歯肉厚さを測定した後、歯肉厚さは、次いで、測定器を用いない発明に係る装置のみで検出される歯肉の表面と関連付けられる。これにより、歯肉下の歯の表面を３Ｄ測定することが可能になる。
【0046】
測定器は、偏光解析法の原理に基づいて構成し、物体上の層の厚さを測定することも可能である。偏光解析法の原理は、先行技術より既知である。極めて薄い層、すなわち約０．０１μｍ〜１μｍの極めて薄い層は、偏光解析手法を用いて測定可能である。このため、本発明は、別のエミッタがマルチエミッタチップ上の別の側方位置に装着されていることで、物体に異なる角度で光を送出することが可能な場合に使用される。照射光の個々のエミッタの固定調整された偏光子および／または物体光上の異なる場所で固定調整された解析器（偏光子）を用いることで、すべての情報を総合し薄い皮膜の厚さを測定することができる。同時に、物体の完全な３次元表面情報は、上記の手順により入手可能である。
【0047】
本発明によれば、追加の光学系は、偏光解析手法において薄い被覆に対する感度が顕著に上昇することが知られている極平坦な角度で、光が物体に入光するように構成することができる。
【0048】
本発明は、以下、図に示される好ましい実施形態を参照して説明する。図中に示される特定の特徴は、本発明の好ましい構成を展開するために、個別または組合せで用いることができる。記載される実施形態は、請求項で定義される主題の一般性を何ら限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1a】マッハツェンダー型の第一の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図1b】偏光解析法の原理に従って動作する測定器を備える第二の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図2】マッハツェンダー型の第三の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図3】ビームスプリッタを備える第一の実施形態に係るマイクロ光学アレイの側面図である。
【図4】ホログラムを備える第二の実施形態に係るマイクロ光学アレイの側面図である。
【図5】複数の照射帯を発生するホログラムを備える第四の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図6】２基の検出器を備える第五の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図7】孔内スキャナとして構成された第六の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図8】マイクロ光学アレイにホログラムを備える第七の実施形態に係る本発明の装置の概略図である。
【図9】白色光干渉分光法の原理に従って動作する測定器を備える第八の実施形態に係る本発明の装置の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0050】
図１ａは、複数のレーザーエミッタ２、とりわけ第１のレーザーエミッタ２ａと第２のレーザーエミッタ２ｂを備えるマッハツェンダー型の（マッハツェンダー型に係る）装置１の第一の実施形態を示している。レーザーエミッタ２は、エミッタチップ３上に配置される。レーザーエミッタ２同士は、好ましくは、互いに１ｍｍ以下から０．１ｍｍ未満の距離をおいて配置され、マルチレーザーダイオードとして構成される。
【0051】
図１ａにおいて、エミッタチップ３上に配置される５基のレーザーエミッタ２を、例示することができる。しかしながら、エミッタチップ３上には３２基以上のレーザーエミッタ２を配置することも可能である。
【0052】
レーザーエミッタ２は各々、単一の波長を有するレーザー光線を送出する。レーザーエミッタ２の波長はそれぞれ異なるため、レーザーエミッタ２は各々異なる波長を有するレーザー光線を送出する。好ましくは、隣接する２基のレーザーエミッタ２からのレーザー光線の波長は、例えば、１ｎｍと僅かに異なるのみである。エミッタチップ３上に８基または１６基のレーザーエミッタ２が構成される場合、これはスペクトル幅が８ｎｍまたは１６ｎｍであることを意味する。
【0053】
装置１は、レーザーエミッタ２のレーザー光線をそれぞれ参照光５と照射光６に分割する第１のビームスプリッタ４として構成される光学素子を備える。第１のビームスプリッタ４は、参照光５を反射して、照射光６を透過する半透過鏡であり得る。
【0054】
図１ａにおいて、参照光５は、エミッタチップ３上に配置される第１のレーザーエミッタ２ａの参照波７の形態で例示されている。照射光６は、エミッタチップ３の第１のレーザーエミッタ２ａでは照射波８ａの形で示され、第２のレーザーエミッタ２ｂでは照射波８ｂの形で示されている。
【0055】
参照波７は第１のビームスプリッタ４で反射した後、その経路の先で、鏡９として構成される光学素子と、放物面鏡１０として設計されたさらなる光学素子に入射する。鏡９と放物面鏡１０は、一方では、集束された状態で鏡１０から発し、一方では、０ではない基準入射角αで平面波１１として検出器１２に入射するよう、参照光５を反射する。検出器１２は、好ましくは高解像度の２Ｄ表面センサとして構成される。
【0056】
鏡９と放物面鏡１０は、異なる波長を有する、すなわち、異なるレーザーエミッタ２から来た参照光５が、異なる基準入射角αで検出器１２に入射するよう個々のレーザーエミッタ２の参照光５を反射する構成になっている。図１において、放物面鏡１０は、ある時には破線で、またある時には実線で、２つの異なる位置に示されている。参照光５の基準入射角は、放物面鏡１０の配置によって影響される場合がある。
【0057】
第２のビームスプリッタ１３として構成される光学素子は、放物面鏡１０と検出器１２の間に配置され、それにより通過する参照波７を若干減衰させることができる。
【0058】
第１のビームスプリッタ４を通った後、照射波８ａ、８ｂは、第２のメインビームスプリッタ１３によって僅かに減衰した状態で透過し、レンズ１４として構成される光学素子に入射する。レンズ１４は照射波８ａ、８ｂを、例に示すように、物体１５上の物点１６に導く。物点１６は理想的には、レンズ１４の焦点ｆ０に、あるいは焦点ｆ０付近の集束帯に位置している。物体１５はまた、物点１６が集束帯の外側に位置する場合には、依然として３次元的に検出可能である。
【0059】
レンズ１４の焦点付近の光軸に沿ったレンズ１４の集束帯（図１ａにおける物点１６）は、レンズ１４を透過するレーザー光線の波長とレンズ１４の開口数に依存して延長する。本事例において、レンズ１４の開口数を約０．２とする場合、レンズ１４の焦点から始まる集束帯の延長部分の長さは光軸に沿って物体方向に約＋／−１５μｍである。
【0060】
レーザーエミッタ２から送出される照射波８ａは、僅かに球面を呈するため、レンズ１４を用いることで平面波に変換される。図１において、これは、レンズ１４を通った後互いに平行に走る照射波８ａのビーム端１７において確認することができる。照射波８ａは、ほぼ平面波として、略直角に、すなわち約０°の入射角で物体１５に入射する。
【0061】
照射波８ｂは、レンズ１４を通過すると、照射波８ａとは対照的に、平面波に変形するだけにとどまらない。照射波８ｂは、レンズ１４により更に偏光し、照射波８ａの入射角とは異なる入射角βで物体１５に入射する。レンズ１４に対するレーザーエミッタ２の異なる配置により、個々のレーザーエミッタ２の照射光５は、異なる入射角βで物体１５に入光する。好ましくは、個々のレーザーエミッタ２の照射波８ａ、８ｂはすべて、矩形の照射帯１９内で物体１５に入射する。
【0062】
物体１５は、いずれもレーザー光線を反射する限定数の物点１６を有すると理解される。以降、照射波８ａ、８ｂの反射については、選択された物点、特に物点１６に関し、そして検出器１２の方向の更なるビーム経路に関する例として説明する。物体１５で反射する照射波８ａ、８ｂや物体１５で反射する照射光６は、以降、物体波２０または物体光２１と称する。
【0063】
照射波８ａ、８ｂは、入射角βに関係なく、エッジビーム２２を有する物体波２０として物点１６から球面波の形で反射する。物体波２０はレンズｌ４に入射し、レンズｌ４によって略平面波２３に変換される。これは、物点１６が上記の集束帯内または、図１に示すように、レンズ１４の焦点ｆ０に存在する場合にみられる。物点２４が集束帯の外にある場合、物点２４から送出される物体波２０は、レンズ１４によって僅かに湾曲した波に変換される。
【0064】
物体波２０は、第２のビームスプリッタ１３に入光し、第２のビームスプリッタ１３は、次いで、約０°の入射角γ、すなわち９０°の角度で検出器１２の検出器表面２５に入射するよう、物体波２０を反射させる。平面波２３としての物体波２０は、図１ａにおいて検出器表面２５と平行に走る水平線として示されている。
【0065】
物体波２０の入射角γは、物点１６、２４の位置に依存する。図１における物点１６と同じように、物体波２０がレンズ１４の光軸上に存在する場合、既に記載しているように、物体波２０は、次いで、検出器表面２５に０°の入射角γで入射する。もう１つの物点、例えば、物点２６で反射する場合、検出器表面２５に入射する際の入射角γは、ゼロではない。
【0066】
物体波２０が検出器表面２５に入射角γで入射するのに対して、参照波７は、基準入射角αで検出器表面２５に入光する。基準入射角αと入射角γは、ゼロとは異なる差角度δだけ相違する。
【0067】
参照波７と同じ波長の物体波２０とは、検出器表面２５の方向の経路上において、第２のビームスプリッタ１３より後方で遭遇するため、相互に干渉する。この干渉の結果、特定の空間周波数の干渉縞が、差角度δの関数として形成され、その差角度δは検出器１２を用いて記録される。空間周波数は、１つの波長の参照光５と物体光２１との建設的（信号強調）かつ破壊的（信号減衰）な干渉によって形成される信号振幅の（擬似）正弦波振動によって得られる。
【0068】
基準入射角αがレーザーエミッタ２の位置の関数として変化するため、物点１６、２４、２６の各々において、波長ごとに異なる差角度δが形成される。物体１５上の照射領域、レーザーエミッタ２の数、それらの間隔（したがって、基準入射角α）および２次元面検出器１２の画素条件の整合が可能であるため、空間周波数は不明確なものとはならない。
【0069】
検出器１２で干渉縞を記録するための要件は、干渉縞が記録されるレーザー光線が、個別のレーザーエミッタ２によって、ほぼ一定の波長で送出されることである。この目的において、装置１は、ファブリペロー干渉計２７として構成される測定装置を有していることが好ましい。ファブリペロー干渉計２７は、一般的に先行技術より既知であり、レーザーエミッタ２より送出されるレーザー光線の波長の連続的な測定を可能にする。ファブリペロー干渉計２７は、波長がほぼ一定の場合に検出器１２を作動させ、検出器１２によるレーザー光線の記録を開始させる制御装置２８に接続されている。
【0070】
従ってこのことは、装置１が、レーザーエミッタ２、２ａ、２ｂからのレーザー光線の波長の時間効率性の測定を可能にする測定装置２７を備え、波長がほぼ一定の場合、検出器１２を作動させ干渉縞の記録を開始させるのに適した制御装置２８に、測定装置２７が接続されていることを意味している。
【0071】
任意選択的に、装置１は、ファブリペロー干渉計２７による測定結果の関数として、送出されるレーザー光線の波長がほぼ一定となるようレーザーエミッタ２を調節する調節装置２９を有することが可能である。
【0072】
干渉縞は、レーザーエミッタ２ごとに、したがって検出器１２を用いて波長ごとに記録され、処理装置３０によって分析および評価される。処理装置３０は、種々の空間周波数から成る干渉縞を、３Ｄ画像情報を含む周波数領域に変換させる。
【0073】
レーザーエミッタ２の照射光６の物点１６、２４、２６での反射と従属する参照光５に対する干渉によって形成される干渉縞の評価については、以下で詳細に説明する。
【0074】
物点１６、２６が焦点ｆ０またはレンズ１４の焦点領域に位置する場合、すなわち、レンズ１４通過後の物体波２１が準平面波２３として構成される場合、フーリエ変換を用いて周波数領域（周波数範囲）に変換することが好ましい。物点２４が集束帯の外側に位置する場合、すなわち、物体波２０がレンズ１４の通過後に僅かに湾曲した波として構成される場合、周波数領域への変換は、フレネル変換を用いて行うことが好ましい。
【0075】
周波数領域では、干渉縞を２つの態様に関して評価する。１つの態様では、物体１５上の物点１６、２４、２６の位置が、参照光５を用いて測定されるため、レーザーエミッタ２の配置によって、レーザー光線が現在の干渉縞を構成する結果となる。別の態様においては、深さ情報が、物点１６、２４、２６ごとに測定される。深さ情報という用語は、本発明の背景において、物点１６、２４、２６の深さにおける位置、即ち図１ａにおけるレンズ１４の光軸に沿った位置と解釈される。深さ情報は、物体１５上の隆起部や陥凹部を識別する場合に用いられる。
【0076】
物点１６、２４、２６の位置と個々のレーザーエミッタ２の位置は、差角度δを用いることにより測定される。物体波の入射角γと、したがって差角度δもが、物点１６、２４、２６の位置に依存するため、物点１６、２４、２６の位置の特定の空間周波数特性を有する異なる干渉縞が、物点１６、２４、２６の位置の関数として得られる。同時に、物点１６、２４、２６の位置の関数として空間周波数が変動する周波数帯の幅は、個々のレーザーエミッタ２ごとに狭められて制限されている。
【0077】
差角度δはさらに、エミッタチップ３上における個々のレーザーエミッタ２の位置に依存している。更に上記において既に述べているように、個々のレーザーエミッタ２の参照光５は、個々のレーザーエミッタ２の位置に応じて、異なる基準入射角αで検出器１２に入射する。結果的に、個々のレーザーエミッタ２は、例えば、隣接するレーザーエミッタ２から有意に異なる空間周波数を発生させる。異なるレーザーエミッタ２の位置に基づいて空間周波数にこれらの有意な差が生じ、結果、空間周波数の差は、異なる物点１６、２４、２６に基づく変動と混同されることはない。個々のレーザーエミッタの位置で、特にエミッタ２ごとの物点の数をカバーし得る空間周波数帯が可能になる。隣接するエミッタ２には、空間周波数の別の帯域等が存在することになる。従って、相数変換（例えば、フーリエ変換、フレネル変換）の後、深さ情報は、特定の水平方向の物点１６、２４、２６ごとに、局所的な干渉縞の位相値より求めることができる。
【0078】
物点１６、２４、２６の位置に関する情報と、個々のレーザーエミッタ２に関する情報並びに個々の物点１６、２４、２６の深さ情報とを組み合わせることにより、物体１５の３次元構造が測定可能である。
【0079】
実際の測定において、すべてのレーザーエミッタ２は、レーザー光線を同時に送出し、それにより複数の干渉縞が検出器表面２５に形成される。すべての干渉縞は、検出器１２によって同時に記録され、処理装置３０によって評価される。物体１５の３次元構造は、次いで、すべての干渉縞のこれらの評価に基づいて形成される。
【0080】
装置１は、好ましくは、物体１５上に配置される層（図示せず）の層厚さをさらに測定することが可能である。物体１５上に層が配置される場合、レーザーエミッタ２によって送出されるレーザー光線の波長が異なり、結果、照射波８ａ、８ｂは、一部が層の表面で反射し、照射波８ａ、８ｂの他の部分は層を通過して、物体１５の表面で反射する。周波数領域における干渉縞の評価では、物点１６、２４、２６ごとに僅かに異なる２組の深さ情報が入手可能である。層の厚さは、異なる深さ情報によって測定することができる。装置１は、従って、層の厚さを測定するために、処理装置３０の一部として構成することが可能な固有の測定器を備えている。装置１で測定可能な最も小さい層の厚さは、波長群の送出波長のスペクトル幅によって求められる。
【0081】
図１ｂは、装置１の第二の実施形態を示す。装置１は、測定対象となる層７５で反射するレーザーエミッタ２の物体光２１を測定可能な測定器３１を備えている。図１ａの装置１とは対照的に、測定器３１は偏光解析法の原理に基づいて作動するため、物体上に配置される層７５の厚さを測定することが可能である。層の厚さを測定するための偏光解析法は、先行技術より既知である。
【0082】
測定器３１は、レーザーエミッタ２を備えている。図１ａとは対照的に、図１ｂのレーザーエミッタは異なった偏光を示す。例えば、図１ｂでエミッタチップ３上に示される３基の上側のレーザーエミッタ２、２ａは、Ｐ偏光等の第１の形態で偏光される。図１ｂの下側の３つのレーザーエミッタ２、２ｂは、Ｓ偏光等の第２の偏光であり、第１の偏光とは異なる。
【0083】
例えば、図１ｂの最上部のレーザーエミッタ２ａの第１の照射波３２と、図１ｂの最下部のレーザーエミッタ２ｂの第２の照射波３３は、エミッタチップ３上に示されている。２つの照射波３２および３３のビーム経路は、以下で詳細に説明する。
【0084】
照射波３２は、レンズ１４によって平面波に変換され、物体１５の層７５の表面７６に入射角φで入射する。照射波３２の一部は、層７５の表面７６で物体光２１として反射する。照射波３３の一部は、層７５を通過し、層７５が配置されている物体１５の表面３４で、同じく物体光２１として反射する。物体光２１として反射する照射波３３は、図１ｂで第１の物体波３５として示されている。
【0085】
第１の物体波３５は、表面３４および表面７６の平面波として反射し、反射後、再度レンズ１４に入射する。レンズ１４は、以降の経路において、第２のビームスプリッタ１３で反射し、点光として検出器１２の検出器表面２５に入射する第１の物体波３５を焦束させる。検出器１２は、点光として検出器表面２５に入射する物体波３５を検出する。
【0086】
第１の照射波３２が反射する層７５の極平滑表面７６と物体１５の極平滑表面３４は、記載のビーム経路と想定される。僅かに湾曲した表面７６または３４によって点光は検出器１２に導かれ、湾曲に応じて広がる。
【0087】
第２の照射波３３は、鏡像として第１の照射波３２に進む。第２の照射波３３と第１の物体波３５は、このため少なくとも一部重なり合っている。第２の照射波３３は、表面７６、３４で第２の物体波３６として反射し、レンズ１４によって焦束され、第２のビームスプリッタ１３で反射して、点光として検出器１２の検出器表面２５に入射することになる。検出器１２は、その検出器表面２５に点光として入射する物体波３６を検出する。
【0088】
物体波３５、３６を基にして、物体１５上に配置される層７５の厚さは、次いで、既知の方法にて、処理装置３０を用いて測定可能である。
【0089】
層７５および物体１５は、図１ａに示すように、物体光２１を球面波として反射する粗面７６、３４を有することも基本的に可能である。斯様な方法も、先行技術より既知である。この場合、層７５の表面７６上の個々の表面点（図示せず）および物体１５の個々の物点１６は、散乱点と解釈される（図１ａを参照）。個々の表面点および物点１６のすべての情報は、これにより、平滑面とは対照的に、全検出器表面２５にマッピングされる。
【0090】
任意選択的に、装置１は、第２のビームスプリッタ１３と検出器表面２５の間に配置された１基以上の解析器を備えることが可能である。解析器３７は、それを用いることによりレーザー光線の偏光状態を測定することが可能な偏光子として構成される。解析器３７を使用する場合、レーザーエミッタ２は、好ましくは４５°の偏光角を有するレーザー光線を送出し、照射波３２、３３は線形に送出され、層７５または物体１５上に偏光される。照射波３２、３３が、層７５または物体１５で反射した後、物体波３５、３６は、エミッタ２ａおよび２ｂの位置に対応するように配置された、物体波３５、３６の偏光を測定するための解析器３７に入射する。例えば、レーザーエミッタ２ａのレーザー光線とレーザーエミッタ２ｂのレーザー光線は、層７５の層厚さによって、異なる偏光を示す。物体波３５、３６は、次いで、これらを検出する検出器１２に入光する。この状況において、エミッタ２ａおよび２ｂの位置に対応するように配置されるとは、解析器３７がレーザーエミッタ２ａ、２ｂより送出されるレーザー光線のビーム経路に従って配置されることを意味している。
【0091】
レンズ１４を２枚の部分レンズとして用いることも更に可能であり、その場合、２つの照射波３２、３３の各々は、それぞれ２枚の部分レンズの１つを透過する。追加の鏡（図示せず）を用いることで、照射波３２、３３は、２枚の部分レンズを透過した後、層７５または物体１５に導かれる。このため、３０°以上の入射角φを達成することが可能となる。尚、入射角は、５７°に近いことが好ましい。層厚さが１００ｎｍ未満でも、これにより測定可能である。
【0092】
図２は、マイケルソン型の第三の実施形態に係る装置１を示す。本装置１は、光学素子がマイクロ光学アレイ３８として構成される点で、図１ａに示される装置１と異なる。マイクロ光学アレイ３８は、図１ａに示される第１のビームスプリッタ４の関数を含んでいる。さらに、マイクロ光学アレイ３８を用いることにより、参照光５と照射光６とで異なった偏光を生じさせることができる。マイクロ光学アレイ３８は、レーザーエミッタ２のレーザー光線を参照光５と照射光６に分割し、参照光５は、照射光６に比して顕著に高い開口数を有する。
【0093】
さらに、図２に係る装置では、図１ａの装置１と比較して、鏡９が省かれている。レーザーエミッタ２の参照波７は、ビームスプリッタ鏡として構成されるビームスプリッタ１３で反射し、放物面鏡１０に導かれる。放物面鏡１０は、参照波７が検出器１２の検出器表面２５に基準入射角αで入射するように参照波７を反射させる。
【0094】
ビームスプリッタ鏡１３を、レーザー光線をその偏光状態に応じて反射または透過させる偏光ビームスプリッタとして構成することも可能である。例えば、偏光状態が異なる結果、参照波５は反射し、照射光６は透過する。
【0095】
入射角αに対する放物面鏡１０の反射特性は、図２で示すように、検出器表面２５に対して僅かに傾斜した放物面鏡１０によっても達成可能である。しかしながら、検出器表面２５に対して放物面鏡１０を傾斜させず、エミッタチップ３とレーザーエミッタ２を水平に配置して、参照光５が常時、０ではない基準入射角αで検出器１２に入射するようにすることも可能である。この状況において、レーザーエミッタ２を平行に配置するということは、図２においてレーザーエミッタ２を垂直方向に置き換える、および／または図２において像平面に横方向に置き換えることを意味している。
【0096】
放物面鏡１０は、円偏光層を２度通過した後偏光状態をビームスプリッタ１３の方向に再度９０°回転させる円偏光層（図示せず）を任意選択的に有することができる。これは、可能な限り多くの光が検出器１２に達するという利点を有する。
【0098】
ビームスプリッタ１３は、図２において４本の光学アームを定義する。これらの光学アームについては、マイケルソン構成の理解を深めるべく以下で説明する。第１の光学アームは、レーザーエミッタ２とマイクロ光学アレイ３８を有するエミッタチップ３が配置された照射アーム３９と定義される。照射アーム３９において、照射光６は、ビームスプリッタ１３の方向に進む。
【0099】
ビームスプリッタ１３は、参照アーム４０を第２の光学アームと定義する。参照アーム４０では、ビームスプリッタ１３によって反射した参照光５は、放物面鏡１０の方向に偏光され、放物面鏡１０から再びビームスプリッタ１３の方向に戻ってくる。放物面鏡１０は、好ましくは、参照アーム４０に配置されている。
【0100】
３つ目の光学アームは、物体アーム４１と称される。レンズ１４と物体１５は、物体アームに配置されている。任意選択的に、更なるレンズまたは光学素子を物体アーム４１に配置することが可能である。物体アーム４１では、照射光６は物体１５上に偏光し、物体１５で反射する物体光は、ビームスプリッタ１３の方向に導かれる。
【0101】
４つ目の光学アームは、検出アーム４２である。検出アームは、ビームスプリッタ１３から検出器１２までのセクションと定義される。検出アーム４２は、検出器１２と、任意選択的に、例えば、複数の検出器１２を使用する場合などには、更なるビームスプリッタを含む。
【0102】
可視偏光回転素子は、物体アーム４１および参照アーム４０において使用可能であることが好ましい。いずれの場合も、照射波および参照波が偏光されることにより、解析器（図に示されていない偏光子）が、光線を検出器１２より手前で干渉可能な共通の平面上に戻すようになっていなければならない。偏光素子（マイクロ光学アレイ３８を含む）が用いられない場合、物体光２１と参照光５の間において「クロストーク」（摂動作用）の増加が予想され、いくらかの費用を投じて修正を行うことが必要となる。
【0103】
図３は、第一の実施形態における図２のマイクロ光学アレイ３８の側方向からの詳細な図を示す。マイクロ光学アレイ３８は、原則的に、図２に係るマイケルソン構成に配置されるだけではなく、任意選択的に、図１ａに係るマッハチェンダー構成においても、装置１のレーザーエミッタ２と更なる光学素子との間に配置されている（図１ａ）。
【0104】
個々のレーザーエミッタ２のレーザー光線は、それぞれマイクロ光学アレイ３８を透過する。例として、マイクロ光学アレイ３８の構造を、以下でレーザーエミッタ２に関して説明する。他のレーザーエミッタ２の場合のマイクロ光学アレイ３８の構造は、同じである。
【0105】
マイクロ光学アレイ３８は、入力４３、第１の出力４４、および第２の出力４５を有し、レーザー光線はそれらを介して再度マイクロ光学アレイ３８から発する。
【0106】
レーザーエミッタ２から送出されたレーザー光線は、入力４３を経てマイクロ光学アレイ３８に送出された後、好ましくは開口数約０．１の略円形のレーザー光線が形成されるように、レーザー光線を焦束させる棒状の円筒レンズ４６を通過する。
【0107】
偏光子４７は、円筒レンズ４６の後にビーム方向に配置され、図３のレーザー光線をシート面と直角に偏光させる。ビームスプリッタ４８は、次いで、レーザー光線を参照光５と照射光６に分割する。こうして形成された参照光５は、次いで、サーキュレータ４９を通過し、サーキュレータ４９は偏光面を９０°回転させて、即ち参照光５を偏光させて図３の紙面と平行にさせる。一方、照射光６は、偏光による影響を受けることはない。結果的に、参照光５と照射光６は、異なる方向に偏光される。当然のことながら、偏光状態を逆転させることも可能であり、例えば、図３のレーザー光線は、偏光子４７によって偏光されてシート面と平行になり、参照光５は、サーキュレータ４９によって紙面と直角に偏光される。
【0108】
参照光５と照射光６の双方は、次いで、参照光５には多くの開口数をもたらし、照射光６には参照光５より少ない開口数をもたらすホログラム５０をそれぞれ通過する。照射帯（１以上）の形状は、これにより事前に定義しておくことが可能である。
【0109】
ホログラム５０を通過した後、参照光５および照射光６は、出力４４または４５を通してマイクロ光学アレイ３８から現れる。ただし、個々の光学素子の順序を入れ替えることも、原則可能である。複数のホログラム面を提供することも可能である。
【0110】
図４は、第二の実施形態に係るマイクロ光学アレイ３８を示す。マイクロ光学アレイ３８は、図３のマイクロ光学アレイ３８に比べて簡略化された構成である。この簡略化されたマイクロアレイ３８は、ビームスプリッタ４８（図３）がホログラム５０として形成され、マイクロ光学アレイ３８がさらにサーキュレータ４９と二重偏光子５１のみを備えている点が異なっている。
【0111】
レーザーエミッタ２のレーザー光線は、入力４３を経てマイクロ光学アレイ３８に入る。ホログラム５０において、レーザー光線は最初に参照光５と照射光６に分割される。参照光５は、ホログラム５０において開口数が多く、照射光６は、参照光５に比べて開口数が少なくなる。同じようにして、照射帯（１以上）の形状は、事前に定義しておくことができる。
【0112】
以下のサーキュレータ４９では、参照光５は９０°回転させると偏光する。一方、照射光６は、偏光による影響を受けることはない。当然、この逆の場合もあり得る。以下の二重偏光子５１では、参照光５と照射光６の両方が偏光される。照射光６の偏光の方向は、先述の通り、参照光５の偏光とは９０°異なる。参照光５と照射光６の両方において不要な回転によって生じる偏光片は、二重偏光子５１においてともに抑制される。
【0113】
参照光５と照射光６は、次いで、マイクロ光学アレイ３８からそれぞれ出力４４、４５を通じて現れる。また、原則的に、光学素子の順番は入替が可能であり、またホログラム５０は、それぞれ少しの作業で２つの単一のホログラムに分割することが可能である。
【0114】
図５は、第四の実施形態に従う本発明に係る装置１を示す。その構造は、図２のマイケルソン構成に対応したものであり、ビームスプリッタ１３に対するレーザーエミッタ２と検出器１２の位置は入れ替わっている。さらにまた、ビームスプリッタ１３は、偏光ビームスプリッタとして設計され、偏光に応じて光を透過または反射する。
【0115】
前述の装置１に加えて、図５に係る装置１は、複数の光学素子を含む光学系５２を有する。光学系５２は、レンズ１４から装置１の物体側の端部まで広がる。光学素子の１つは、後方反射器５４を備えた第２のレンズ５３として構成される。後方反射器５４に入射するレーザー光線のうち９０％が透過し、１０％が反射するのが好ましい。後方反射器５４は、レンズ５３の前面曲率とともに、図２の放物面鏡１０の関数を引き継いでいる。
【0116】
第２のレンズ５３の前面５５には、円偏波器（図示せず）が配置されており、それを用いることにより、レンズ５３に入射する参照光５と物体光２１は、偏光によって９０°回転する。これにより、レンズ１４を透過した後、完全な後方放射レーザー光線が、偏光ビームスプリッタ１３を透過することになる。
【0117】
光学系５２の別の光学素子は、レーザーエミッタ２の照射光６が照射帯１９として物体１５に入射するように偏光させるホログラム５０として構成される。特に、個々のレーザーエミッタ２の照射光６の開口数は、ホログラム５０を用いることで、一方で２つの相殺し合う照射帯１９が形成され、他方でこれらの照射帯１９の各々が略矩形の形状を有するように、変更される。光学系５２の光学素子でもある第３のレンズ５６を用いることで、ホログラム５０によって偏光される照射光６は鏡５７に導かれ、鏡５７は照射光６を物体１５に偏光させる。
【0118】
図２と比較してレーザーエミッタ２と検出器１２の位置が異なっているため、照射アーム３９と検出アーム４２の位置は図２と入れ替わっていた。図２の装置１とは対照的に、図５に係る装置では、基準アーム４０と物体アーム４１は、少なくとも部分的に重なり合っている。
【0119】
照射光６（実線で表示）と参照光５（破線で表示）の経路は、下記において、例として詳細に説明する。
【0120】
レーザーエミッタ２によって送出されるレーザー光線７７は、マイクロ光学アレイ３８を通過し、偏光状態で、即ち偏光されて再び現れる。レーザー光線７７の参照光５および照射光６への分割は、マイクロ光学アレイ３８では起こらない（図３を参照）。
【0121】
マイクロ光学アレイ３８から現れるレーザー光線７７は、偏光ビームスプリッタ１３が、レンズ１４を通じてレーザー光線７７を物体１５の方向に反射させるように、線形に偏光される。レンズ１４は、レーザー光線７７を平面波に変換する。レーザー光線７７は、次いで第２のレンズ５３に入光し、レンズ５３の前面５５で、円偏波器によってその偏光面にて円形に偏光される。レーザー光線７７は、更に後方反射器５４に入光し、小さな光線片、例えば、レーザー光線７７の１０％が反射して、第２のビームスプリッタ１３の方向に戻る。この反射した光線片は、サーキュレータの新たな経路を通るため、再びレンズ５３の前面５５で円形に偏光し、その偏光状態が効率的に９０°回転することになる。これは、その光線片が円偏波器を２度通過することによって、レーザー光線７７の偏光状態が９０°回転することを意味している。
【0122】
後方反射器５３で反射する光線片は、参照光５を形成し、第２のレンズ１４に再び入射する。参照光５は、次いで、偏光状態が変えられた結果、第２のビームスプリッタ１３を透過する。第２のビームスプリッタ１３を透過した後、参照光５は、検出器１２に入射し、それにより記録される。
【0123】
後方反射器５４を透過したレーザー光線７７の光線片は、照射光６を形成する。透過した光線片は、レーザー光線７の約９０％にあたる。後方反射器５４は、従って、レーザー光線７７を参照光５と照射光６に分割するビームスプリッタとして構成される。
【0124】
照射光６は、第２のレンズ５３を用いることでホログラム５０に焦束される。ホログラム５０は、照射光６を２本の光波束６４に分割し、分割された光波束は、第３のレンズ５６と鏡５７によって、２本の照射帯１９として、物体１５へ偏光される。
【0125】
物体光２１として反射する照射光６の経路については、以降、物点２４を参照して説明する。物点２４から反射し、先述のサーキュレータを通過することによって円偏光される物体光２１（点線で表示）は、鏡５７に入射する。鏡５７は、物体光２１を第３のレンズ５６に偏光させ、第３のレンズ５６は物体光２１を平面波に変換する。物体光２１は、次いで第２のレンズ５３に入射することで、前面に配置されたサーキュレータに入射し、サーキュレータは、物体光２１を、参照光の場合と同様に、偏光ビームスプリッタ１３を通過する方向に従って偏光させる。第２のレンズ５３は、物体光２１を第２のビームスプリッタ１３に投射するレンズ１４にマッピングする。ビームスプリッタ１３は、対応する偏光の結果として、物体光２１を透過することで、物体光２１は検出器１２に入射する。検出器１２は、物体光２１を記録する。
【0126】
検出器１２では、図１ａに関して記載するように、参照光５と物体光２１で干渉が生じる。ここで形成される干渉縞の評価は、図１ａの装置１と同じ方法で行われる。物体１５で反射する物体光６が発生する照射帯１９は、検出器１２の検出器表面２５上の物体光２１の評価において、入射角γと差角度δ（図１ａ）を用いることで測定可能である。
【0127】
図６に示される第五の実施形態に係る装置１は、図５に示される装置１とは、第２の検出器５８と、レーザー光線を第２の検出器５８に偏光させる追加のビームスプリッタ５９が異なっている。図６に係る装置１は、２つのエミッタチップ３を有し、図６の前部エミッタチップ３が後部エミッタチップを覆っている。図６の前部エミッタチップ３に配置されているレーザーエミッタ２からのレーザー光線は、検出器１２に入射する。図６の後部エミッタチップに配置されるレーザーエミッタのレーザー光線は、第２の検出器５８に入射する。
【0128】
個々のエミッタチップ３のレーザーエミッタ２は、それぞれ中心波長を割り当てることが可能な波長群を形成する。中心波長は、エミッタチップ３のレーザーエミッタ２より送出されるレーザー光線の種々の波長を平均化することによって決定される。
【0129】
追加のビームスプリッタ５９は、レーザーエミッタ２から入光するレーザー光線を、中心波長に応じて分割する。追加のビームスプリッタ５９のこの波長依存性は、その追加のビームスプリッタ５９が、図６の前側エミッタチップ３のレーザーエミッタ２より送出される第１の中心波長を有するレーザー光線を透過させるかたちで選択される。一方、図示されない後部エミッタチップのレーザーエミッタからのレーザー光線は、第２の中心波長で、追加のビームスプリッタ５９において検出器５８の方に反射する。
【0130】
２つのエミッタチップ３を使用することにより、レーザー光線７７は、ビームスプリッタ１３および図６のシート面に対して僅かに傾斜した装置１の更なる光学素子に入射する。
【0131】
ただし、図６のシート面に投影される場合には、照射アーム３９、参照アーム４０と物体アーム４１の領域におけるレーザー光線７７の経路は、図５に示される経路と一致している。ビーム経路の差は、先述のように、検出アーム４２において、追加のビームスプリッタ５９によってのみ求められる。
【0132】
図７は、孔内スキャナとして構成される第六の実施形態に従う本発明に係る装置１を示す。これは、内部、特に孔６２の内部または孔６２の内壁６１を調査するために用いることができる。そのため、装置１は、２つのビームスプリッタ６３を有している。
【0133】
図５の装置１と同様に、ホログラム５０は２つの光波束６４を形成し、それら光波束は、図５の装置１とは異なり、ビームスプリッタ６３を用いることで、孔６２の内壁６１で対抗する２つの方向に偏光される。
【0134】
孔６２を全周に亘って調査するために、装置１の光学系５２の少なくとも一部が孔６２内に導入される。光学系５２は、孔６２の中心に配置する必要はない。考えられるセンタリングエラーは、孔６２の内壁６１の反対の領域に入射する２つの照射帯１９によって補償可能である。光学系５２または装置１が、孔６２の内部で回転することで、孔６２を全周に亘って調査することが可能になる。
【0135】
図７によれば、装置１の光学系５２は、図５に係るコンポーネントに加えて、２基のビームスプリッタ６３を備える。図７に係る光学系５２は、例えば、直径１１ｍｍ〜３００ｍｍの孔６２に挿入できるように構成されている。
【0136】
図８は、第七の実施形態に従う本発明に係る、マイケルソン構成の原理に基づいた装置１を示す（図２）。図５に係る装置１と比較すると、ホログラムがマイクロ光学アレイ３８に組み込まれており、それによって物体に入光する２つの光波束６４が照射帯１９として形成される。光束６４は、レンズ１４、５３、５６および鏡５７によって物体１５に偏光される。
【0137】
また、図５に示す装置とは対照的に、装置１のマイクロ光学アレイ３８は、レーザーエミッタ２のレーザー光線を参照光５と照射光６に分割する。
【0138】
さらに、後方反射器５４（参照図５）はレンズ５３に組み込まれていないが、放物面鏡１０が参照光５をレーザーエミッタ２から検出器１２に偏光させるために使用されている。マイクロ光学アレイ３８から発生する参照光５は、放物面鏡１０で反射し、次いで第２のビームスプリッタ１３で反射し、解析器（偏光子）６５に入射した後、検出器１２に入射することになる。放物面鏡１０は、エミッタチップ３上のレーザーエミッタ２の位置に係る参照光５が、一定の基準入射角αで検出器１２に入射するように構成される（図１ａを参照）。
【0139】
参照光５および照射光６は、異なる偏光状態でマイクロ光学アレイ３８から出る。第２のビームスプリッタ１３は、偏光感受性ビームスプリッタとして構成されることで、１度偏光された参照光５を透過させ、２度偏光された照射光６を反射する。当然、この逆も可能である。
【0140】
第２のレンズ５３は、サーキュレータ（図示せず）をその前面５５上に有しており、サーキュレータは照射光６と、次いで物体１５で反射した物体光２１（図５を参照）を合計９０°回転させることで、第２のビームスプリッタ１３によって検出器１２の方向に透過し、検出器１２に入光する。
【0141】
解析器（偏光子）６５を用いることで、干渉縞は、物体波２１と参照波５から同一の偏光面によって確実に形成することができる。
【0142】
図９は、第八の実施形態に従う本発明に係る装置１を示しており、物体１５上に配置された層７５の厚さを測定するための測定器３１を有する点が、図８に係る実施形態とは異なっている。測定器３１は、干渉分光法の既知の原理に従って動作する白色光ポイントセンサー６６を備えている。
【0143】
白色光ポイントセンサー６６は、光源６７として、好ましくはスペクトル幅１０ｎｍ〜１００ｎｍの広域スペクトル点光源を備える。光源６７は、好ましくは、散乱する媒体（例えば組織）を十分に透過する好ましくは１３００ｎｍの中心波長を送出する。光源６７の光線は、例えば、光線６８によって示されている。
【0144】
白色光ポイントセンサー６６の一部は、また、光源６７の光線を検出する第２の検出器５８でもある。この第２の検出器５８に光線を偏光させるために、装置１は、波長に応じて光を反射または透過させる追加のビームスプリッタ５９を有する。
【0145】
干渉分光法に基づいて層の厚さを測定するために、装置１は、更に第２の参照アーム６９と第２の物体アーム７０を有する。第２の参照アーム６９は、装置１の光学系５２に配置される参照鏡７１から第３のレンズ５６の半透過鏡７２までの距離の２倍と定義される。第２の物体アーム７０は、半透過鏡７２から物体１５の物点２４までの距離と定義される。例えば、０．１ｍｍから最大３ｍｍの光路差を除いて、参照アーム６９と物体アーム７０は、装置１が物体１５からの相応する距離に配置されている限り、必ずしも完全に同じものとはならない。
【0146】
白色光ポイントセンサー６６の光路については、以下で説明する。先行技術によって知られているように、層の厚さ情報は、その関数として、可変同調型波長を用いて、検出器５８で周波数を測定することにより求めることができる。この目的において、物体アーム７０と参照アーム６９の光路差は、ゼロであってはならない。
【0147】
白色光ポイントセンサー６６の光源６７は光線６８を送出し、光線６８はビームスプリッタ１３によって偏光され、レンズ１４および第２のレンズ５３を通り、参照鏡７１を通過して、半透過鏡７２に至る。半透過鏡７２は、光線６８を反射による参照波７３と透過による照射波７４に分割する。
【0148】
半透過鏡７２で反射した参照波７３は、参照鏡７１に入射し、参照鏡７１から半透過鏡７２に反射し、第２のビームスプリッタ１３の方向に再度反射する。参照鏡７１を、参照波７３を白色光ポイントセンサー６６の波長に感受性を示す半透過鏡７２に反射させるホログラムとして、構成することも可能である。
【0149】
半透過鏡７２を透過した照射波７４は、鏡５７によって物体１５に偏光される。照射波７４は、物体１５上に配置される層７５を通過し、例えば、物体１５の物点２４に入射する。物点２４で物体波（図示せず）として反射する照射波７４の経路は、図８の物体１５で反射する物体光２１と同様の方法で完成する。ただし、装置１の第八の実施形態に係る物体波は、その波長のために追加のビームスプリッタ５９で反射し、検出器５８へ偏光される。
【産業上の利用可能性】
【0152】
本発明は、物体の３次元構造を検出するための装置に利用できる。
【符号の説明】
【0153】
１ 装置２ レーザーエミッタ
２ａ 第１のレーザーエミッタ
２ｂ 第２のレーザーエミッタ
３ エミッタチップ
４ 光学素子
５ 参照光
６ 照射光
１０ 色分散鏡
１２ 検出器
１４ 色分散レンズ
１５ 物体
１９ 照射帯
２１ 物体光
２７ 測定装置
２８ 制御装置
２９ 調節装置
３１ 測定器
３８ マイクロ光学アレイ
４７ 偏光子
４８ ビームスプリッタ
５０ ホログラム
５１ 偏光子
５２ 光学系
５３ 色分散レンズ
５６ 色分散レンズ
５８ 検出器
６２ 孔
６６ 白色光ポイントセンサー
７５ 層
α 基準入射角
β 入射角