(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023036027
(43)【公開日】2023-03-13
(54)【発明の名称】計測システムで用いるためのヘテロダイン光源
(51)【国際特許分類】
G01B 11/24 20060101AFI20230306BHJP
G01B 9/02003 20220101ALI20230306BHJP
G01B 9/021 20060101ALN20230306BHJP
【ＦＩ】
G01B11/24 D
G01B9/02003
G01B9/021
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022137191
(22)【出願日】2022-08-30
(31)【優先権主張番号】17/460,993
(32)【優先日】2021-08-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100108213
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 豊隆
(72)【発明者】
【氏名】ニック ハートマン
【テーマコード（参考）】
2F064
2F065
【Ｆターム（参考）】
2F064AA09
2F064BB03
2F064FF01
2F064FF06
2F064GG12
2F064GG22
2F064GG23
2F064GG33
2F064GG38
2F064GG70
2F064JJ05
2F065AA53
2F065FF11
2F065FF51
2F065GG04
2F065GG23
2F065JJ03
2F065JJ26
2F065LL33
2F065LL36
2F065LL37
2F065LL46
2F065LL59
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ワークピースの品質管理は、スループット、測定分解能、及び精度の点で、要求が厳しくなっている。
【解決手段】ヘテロダイン光源を含む計測システムが提供される。ヘテロダイン光源は、第１の光源と、音響光学変調器と、光源光学機構と、を含む。音響光学変調器は、第１の光源から少なくとも１つの波長レーザビームを受け取り、少なくとも１つの（例えば直交偏光の）対応する周波数シフトレーザビームを生成する。光源光学機構は、受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含む。受信光学要素部は、１又は複数の波長レーザビーム及び１又は複数の対応する周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ向かわせる。複屈折光学要素部は、これらのビームを合成して合成ビームを出力する（例えば、ワークピース上の表面点までの測定距離を決定するための測定プロセスの一部等として使用され得る）。
【選択図】図１
【解決手段】ヘテロダイン光源を含む計測システムが提供される。ヘテロダイン光源は、第１の光源と、音響光学変調器と、光源光学機構と、を含む。音響光学変調器は、第１の光源から少なくとも１つの波長レーザビームを受け取り、少なくとも１つの（例えば直交偏光の）対応する周波数シフトレーザビームを生成する。光源光学機構は、受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含む。受信光学要素部は、１又は複数の波長レーザビーム及び１又は複数の対応する周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ向かわせる。複屈折光学要素部は、これらのビームを合成して合成ビームを出力する（例えば、ワークピース上の表面点までの測定距離を決定するための測定プロセスの一部等として使用され得る）。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の周波数の第１波長レーザビームを少なくとも提供する第１の光源と、
前記第１波長レーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成することが可能な音響光学変調器と、
前記音響光学変調器から前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力する光源光学機構であって、
受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含み、
前記受信光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向けることが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを合成して前記第１の合成ビームを出力することが可能である、
光源光学機構と、
を含むヘテロダイン光源を備える計測システム。
前記第１波長レーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成することが可能な音響光学変調器と、
前記音響光学変調器から前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力する光源光学機構であって、
受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含み、
前記受信光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向けることが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを合成して前記第１の合成ビームを出力することが可能である、
光源光学機構と、
を含むヘテロダイン光源を備える計測システム。
【請求項2】
処理部を更に備え、
前記処理部がワークピースの少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定する測定プロセスの一部として前記第１の合成ビームが使用される、
請求項１に記載の計測システム。
前記処理部がワークピースの少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定する測定プロセスの一部として前記第１の合成ビームが使用される、
請求項１に記載の計測システム。
【請求項3】
前記第１の合成ビームを受け取り、前記第１の合成ビームを使用して、前記ワークピースの前記少なくとも１つの表面点までの前記測定距離に関連する光学機構出力を提供することが可能な測定光学機構と、
前記光学機構出力を受け取り、前記光学機構出力に対応するセンサ機構出力を生成することが可能なセンサ機構と、
を更に備え、
前記処理部は、前記センサ機構出力を受け取り、前記ワークピースの前記少なくとも１つの表面点までの前記少なくとも１つの測定距離を決定するための前記測定プロセスの一部として前記センサ機構出力を使用する、請求項２に記載の計測システム。
前記光学機構出力を受け取り、前記光学機構出力に対応するセンサ機構出力を生成することが可能なセンサ機構と、
を更に備え、
前記処理部は、前記センサ機構出力を受け取り、前記ワークピースの前記少なくとも１つの表面点までの前記少なくとも１つの測定距離を決定するための前記測定プロセスの一部として前記センサ機構出力を使用する、請求項２に記載の計測システム。
【請求項4】
前記受信光学要素部及び前記複屈折光学要素部を含む前記光源光学機構は、インライン光学機構として構成され、
前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームのそれぞれは、直交偏光され、前記受信光学要素部に含まれる同じ受信光学要素及び前記複屈折光学要素部に含まれる同じ複屈折光学要素を通って進み、
前記複屈折光学要素は、前記直交偏光された第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを前記第１の合成ビームに合成する、
請求項１に記載の計測システム。
前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームのそれぞれは、直交偏光され、前記受信光学要素部に含まれる同じ受信光学要素及び前記複屈折光学要素部に含まれる同じ複屈折光学要素を通って進み、
前記複屈折光学要素は、前記直交偏光された第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを前記第１の合成ビームに合成する、
請求項１に記載の計測システム。
【請求項5】
前記受信光学要素部は、撮像レンズを含み、
前記音響光学変調器内の対物面は、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１に記載の計測システム。
前記音響光学変調器内の対物面は、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１に記載の計測システム。
【請求項6】
前記第１の光源は、少なくとも第２の周波数の第２波長レーザビームを提供する多波長レーザ光源であり、
前記音響光学変調器は、前記第２波長レーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する対応する第２周波数シフトレーザビームを生成することが可能であり、
前記光源光学機構は、前記音響光学変調器から前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し、
前記受信光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを前記光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向けることが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを合成した前記第２の合成ビームを、前記第１の合成ビームと共に出力することが可能である、
請求項１に記載の計測システム。
前記音響光学変調器は、前記第２波長レーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する対応する第２周波数シフトレーザビームを生成することが可能であり、
前記光源光学機構は、前記音響光学変調器から前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し、
前記受信光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを前記光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向けることが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを合成した前記第２の合成ビームを、前記第１の合成ビームと共に出力することが可能である、
請求項１に記載の計測システム。
【請求項7】
前記受信光学要素部は、クロマティック撮像システムを形成する複数の撮像レンズを含み、
前記音響光学変調器内の対物面は、前記第１波長レーザビーム及び第２波長レーザビームのそれぞれの前記第１の波長及び第２の波長の双方について、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項６に記載の計測システム。
前記音響光学変調器内の対物面は、前記第１波長レーザビーム及び第２波長レーザビームのそれぞれの前記第１の波長及び第２の波長の双方について、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項６に記載の計測システム。
【請求項8】
前記受信光学要素部は、プリズムを含む、請求項１に記載の計測システム。
【請求項9】
前記複屈折光学要素部は、複屈折ビーム変位器、ウォラストンプリズム、又はロションプリズムのうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の計測システム。
【請求項10】
ヘテロダイン光源を含む計測システムを動作させるための方法であって、
少なくとも第１の周波数の第１波長レーザビームを提供するように前記ヘテロダイン光源の第１の光源を動作させることと、
前記第１波長レーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成するように、前記ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させることとであって、
光源光学機構は、
前記音響光学変調器から前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力し、
受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含み、
前記受信光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向かわせ、
前記複屈折光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを合成して前記第１の合成ビームを出力する、
前記ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させることと、
前記第１の合成ビームを使用する測定プロセスに基づいて、ワークピースの少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定することと、
を含む方法。
少なくとも第１の周波数の第１波長レーザビームを提供するように前記ヘテロダイン光源の第１の光源を動作させることと、
前記第１波長レーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成するように、前記ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させることとであって、
光源光学機構は、
前記音響光学変調器から前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力し、
受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含み、
前記受信光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向かわせ、
前記複屈折光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを合成して前記第１の合成ビームを出力する、
前記ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させることと、
前記第１の合成ビームを使用する測定プロセスに基づいて、ワークピースの少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定することと、
を含む方法。
【請求項11】
測定光学機構は、前記第１の合成ビームを受け取り、前記第１の合成ビームを使用して、前記ワークピースの前記少なくとも１つの表面点までの前記測定距離に関連する光学機構出力を提供することが可能であり、
前記光学機構出力を受け取り、前記光学機構出力に対応するセンサ機構出力を生成することが可能なセンサ機構を動作させることを更に含み、
前記少なくとも１つの表面点までの前記少なくとも１つの測定距離の前記決定は少なくとも部分的に前記センサ機構出力に基づく、
請求項１０に記載の方法。
前記光学機構出力を受け取り、前記光学機構出力に対応するセンサ機構出力を生成することが可能なセンサ機構を動作させることを更に含み、
前記少なくとも１つの表面点までの前記少なくとも１つの測定距離の前記決定は少なくとも部分的に前記センサ機構出力に基づく、
請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記受信光学要素部は、撮像レンズを含み、
前記音響光学変調器内の対物面は、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１０に記載の方法。
前記音響光学変調器内の対物面は、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
第２の周波数の第２波長レーザビームを少なくとも提供するように前記第１の光源を動作させることと、
前記第２波長レーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第２波長レーザビームに対応する第２周波数シフトレーザビームを生成するように、前記音響光学変調器を動作させることと、を更に含み、
前記光源光学機構は、前記音響光学変調器から前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し、
前記受信光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向かわせ、
前記複屈折光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを合成した前記第２の合成ビームを、前記第１の合成ビームと共に出力し、
前記ワークピースの前記少なくとも１つの表面点までの前記少なくとも１つの測定距離の前記決定は、前記第１の合成ビーム及び前記第２の合成ビームの双方を使用する前記測定プロセスに基づく、
請求項１０に記載の方法。
前記第２波長レーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第２波長レーザビームに対応する第２周波数シフトレーザビームを生成するように、前記音響光学変調器を動作させることと、を更に含み、
前記光源光学機構は、前記音響光学変調器から前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し、
前記受信光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向かわせ、
前記複屈折光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを合成した前記第２の合成ビームを、前記第１の合成ビームと共に出力し、
前記ワークピースの前記少なくとも１つの表面点までの前記少なくとも１つの測定距離の前記決定は、前記第１の合成ビーム及び前記第２の合成ビームの双方を使用する前記測定プロセスに基づく、
請求項１０に記載の方法。
【請求項14】
前記受信光学要素部は、クロマティック撮像システムを形成する複数の撮像レンズを含み、
前記音響光学変調器内の対物面は、前記第１波長レーザビーム及び前記第２波長レーザビームのそれぞれの前記第１の波長及び前記第２の波長の双方について、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１３に記載の方法。
前記音響光学変調器内の対物面は、前記第１波長レーザビーム及び前記第２波長レーザビームのそれぞれの前記第１の波長及び前記第２の波長の双方について、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記複屈折光学要素部は、複屈折ビーム変位器、ウォラストンプリズム、又はロションプリズムのうち少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項16】
測定距離を決定する計測システムで用いるためのヘテロダイン光源であって、
第１の周波数の第１波長レーザビームを少なくとも提供するための第１の光源と、
前記第１波長レーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成することが可能な音響光学変調器と、
前記音響光学変調器から前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力する光源光学機構であって、
受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含み、
前記受信光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ誘導することが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを合成した前記第１の合成ビームを出力することが可能である、
光源光学機構と、
を備え、
前記第１の合成ビームは、ワークピースの少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定するための測定プロセスの一部として使用される、
ヘテロダイン光源。
第１の周波数の第１波長レーザビームを少なくとも提供するための第１の光源と、
前記第１波長レーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する、前記第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成することが可能な音響光学変調器と、
前記音響光学変調器から前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力する光源光学機構であって、
受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含み、
前記受信光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ誘導することが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第１波長レーザビーム及び前記第１周波数シフトレーザビームを合成した前記第１の合成ビームを出力することが可能である、
光源光学機構と、
を備え、
前記第１の合成ビームは、ワークピースの少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定するための測定プロセスの一部として使用される、
ヘテロダイン光源。
【請求項17】
前記受信光学要素部は、撮像レンズを含み、
前記音響光学変調器内の対物面は、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１６に記載のヘテロダイン光源。
前記音響光学変調器内の対物面は、前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１６に記載のヘテロダイン光源。
【請求項18】
前記第１の光源は、第２の周波数の第２波長レーザビームを少なくとも提供する多波長レーザ光源であり、
前記音響光学変調器は、前記第２波長レーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する対応する第２周波数シフトレーザビームを生成することが可能であり、
前記光源光学機構は、前記音響光学変調器から前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し、
前記受信光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向かわせることが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを合成した前記第２の合成ビームを、前記第１の合成ビームと共に出力することが可能である、
請求項１６に記載のヘテロダイン光源。
前記音響光学変調器は、前記第２波長レーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する対応する第２周波数シフトレーザビームを生成することが可能であり、
前記光源光学機構は、前記音響光学変調器から前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し、
前記受信光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを光路に沿って前記複屈折光学要素部の方へ向かわせることが可能であり、
前記複屈折光学要素部は、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを受け取り、前記第２波長レーザビーム及び前記第２周波数シフトレーザビームを合成した前記第２の合成ビームを、前記第１の合成ビームと共に出力することが可能である、
請求項１６に記載のヘテロダイン光源。
【請求項19】
前記受信光学要素部は、クロマティック撮像システムを形成する複数の撮像レンズを含み、
前記音響光学変調器内の対物面は、前記第１波長レーザビーム及び前記第２波長レーザビームのそれぞれの前記第１の波長及び前記第２の波長の双方について前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１８に記載のヘテロダイン光源。
前記音響光学変調器内の対物面は、前記第１波長レーザビーム及び前記第２波長レーザビームのそれぞれの前記第１の波長及び前記第２の波長の双方について前記音響光学変調器及び前記複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で前記複屈折光学要素部内に撮像される、
請求項１８に記載のヘテロダイン光源。
【請求項20】
前記複屈折光学要素部は、複屈折ビーム変位器、ウォラストンプリズム、又はロションプリズムのうち少なくとも１つを含む、請求項１６に記載のヘテロダイン光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、精密計測に関し、更に具体的には、精密ワークピース表面測定デバイス及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
特定の表面プロファイル（例えば成形及び／又は機械加工等によって生成される）を含む物体（例えばワークピース）の品質管理は、スループット、測定分解能、及び精度の点で、ますます要求が厳しくなっている。このようなワークピースは、限定ではないが、光学コンポーネント、電気コンポーネント、小型機械コンポーネント等を含み得る。理想的には、このようなワークピースを測定／検査して、適正な寸法や機能などを保証すべきである。しかしながら、いくつかの用途では、所望の特徴を有するワークピース表面を確認するために、サブミクロンレベル又はサブナノメートルレベルの測定公差が必要となり得る。
【発明の概要】
【0003】
ワークピース表面の測定及び検査のため、様々な精密計測システムを用いることができる。例えば、いくつかの例では、そのような動作を実行する計測システムは、デジタルホログラフィを利用する（例えば、カメラを用いてホログラムを取得し、これらのホログラムを処理して測定値等を決定することができる）。このようなシステム及び／又は他の同等の測定システムの重要な部分は、測定対象のワークピースを照明するために使用される光源である（例えば、不正確な又は安定しない光源は不正確な測定値等を生じる可能性がある）。また、このようなシステムの信号対雑音比も重要なファクタである（例えば、この比が低いと精度の低い測定値を生じる可能性がある）。このような計測システム（例えば、ワークピースの表面等を測定及び検査するための）を改良するか、又は他の方法で向上させることができる構成が望ましい。
【0004】
この概要は、以下で「発明を実施するための形態」において更に記載されるいくつかの概念を簡略化した形態で紹介するために提示する。この概要は、特許請求される主題の重要な特徴（ｆｅａｔｕｒｅｓ）を識別することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲の決定に役立てるため用いることも意図していない。
【0005】
ヘテロダイン光源を含む計測システムが提供される。ヘテロダイン光源は、第１の光源と、音響光学変調器と、光源光学機構と、を含む。第１の光源は、少なくとも第１の周波数の第１波長レーザビームを提供する。音響光学変調器は、第１波長レーザビームを受け取り、第１波長レーザビームの偏光に対して（例えば直交するように）回転した偏光を有する対応する第１周波数シフトレーザビームを生成するように構成されている。光源光学機構は、音響光学変調器から第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力する。光源光学機構は、受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含む。受信光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ誘導するように構成されている。複屈折光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを合成して対応する第１の合成ビームを出力するように構成されている。
【0006】
様々な実施例において、計測システムは処理部を更に含む。処理部がワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定する測定プロセスの一部として、第１の合成ビームが使用される。様々な実施例において、計測システムは更に測定光学機構及びセンサ機構を含む。測定光学機構は、第１の合成ビームを受け取り、ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの距離に関連する光学機構出力を提供するため第１の合成ビームを使用するように構成されている。センサ機構は、光学機構出力を受け取り、対応するセンサ機構出力を生成するように構成されている。処理部は、センサ機構出力を受け取り、ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定するための測定プロセスの一部としてセンサ機構出力を使用する。
【0007】
様々な実施例において、受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含む光源光学機構はインライン光学機構として構成されている。インライン光学機構に従って、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビーム（例えば直交偏光している）は、それぞれヘテロダイン光源内の同じコンポーネントセットを通って進む。例えば、インライン光学機構内の同じコンポーネントセットは、受信光学要素部の同じ受信光学要素及び複屈折光学要素部の同じ複屈折光学要素を含み得る。複屈折光学要素は、直交偏光した第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを第１の合成ビームに合成する。
【0008】
様々な実施例において、受信光学要素部は撮像レンズを含む。様々な実施例において、音響光学変調器内の対物面は、音響光学変調器及び複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で撮像レンズによって複屈折光学要素部内に撮像される。
【0009】
様々な実施例において、第１の光源は、少なくとも第２の周波数の第２波長レーザビームを提供する多波長光源（例えば多波長レーザ光源）である。このような実施例において、音響光学変調器は、第２波長レーザビームを受け取り、第２波長レーザビームの偏光に対して回転した（例えば直交した）偏光を有する対応する第２周波数シフトレーザビームを生成するように構成され得る。光源光学機構は、音響光学変調器から第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力することができる。受信光学要素は、第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ誘導するように構成され得る。複屈折光学要素部は、第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを合成して対応する第２の合成ビームを第１の合成ビームと共に出力するように構成され得る（例えば、第１及び第２の合成ビームは、共伝搬する及び／又はヘテロダイン光源が提供する全合成ビームの一部となり得る）。様々な実施例において、受信光学要素部はクロマティック撮像システムを形成する複数の撮像レンズを含む。音響光学変調器内の対物面は、第１及び第２波長レーザビームのそれぞれの第１及び第２の波長の双方について音響光学変調器及び複屈折光学要素部の双方の分離角に合わせた倍率で複屈折光学要素部内に撮像される。
【0010】
様々な実施例において、受信光学要素部はプリズムを含む。様々な実施例において、複屈折光学要素部は、複屈折ビーム変位器、ウォラストンプリズム、又はロションプリズムのうち少なくとも１つを含む。
【0011】
ヘテロダイン光源を含む計測システムを動作させるための方法が提供される。この方法は、ヘテロダイン光源の第１の光源を動作させることと、ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させることと、ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定することと、を含む。第１の光源は、少なくとも第１の周波数の第１波長レーザビームを提供するように動作させる。音響光学変調器は、第１波長レーザビームを受け取り、第１波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する対応する第１周波数シフトレーザビームを生成するように動作させる。光源光学機構は、音響光学変調器から第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームに対応する第１の合成ビームを出力する。光源光学機構は受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含む。受信光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ誘導する。複屈折光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを合成して対応する第１の合成ビームを出力する。ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定することは、第１の合成ビームを使用する測定プロセスに基づく。
【0012】
様々な実施例において、方法は、光学機構出力を受け取り、対応するセンサ機構出力を生成するように構成されたセンサ機構を動作させることを更に含む。光学機構出力は測定光学機構によって提供される。測定光学機構は、第１の合成ビームを受け取り、ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの距離に関連する光学機構出力を提供するため第１の合成ビームを使用するように構成されている。少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離の決定は、少なくとも部分的にセンサ機構出力に基づく。
【0013】
様々な実施例において、方法は、少なくとも第２の周波数の第２波長レーザビームを提供するように第１の光源（例えば多波長レーザ光源）を動作させることを更に含む。そのような実施例において、音響光学変調器は、第２波長レーザビームを受け取り、第２波長レーザビームの偏光に対して回転した偏光を有する対応する第２周波数シフトレーザビームを生成するように動作させ得る。受信光学要素部は、第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ誘導し得る。複屈折光学要素部は、第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを合成して、第２波長レーザビーム及び第２周波数シフトレーザビームに対応する第２の合成ビームを出力し得る（例えば、第１及び第２の合成ビームは、共伝搬する及び／又はヘテロダイン光源が提供する全合成ビームの一部となり得る）。ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離の決定は、第１の合成ビーム及び第２の合成ビームの双方を使用する測定プロセスに基づき得る。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】ヘテロダイン光源を含む計測システムの様々なコンポーネントを示すブロック図である。
【図4】デジタルホログラフィ計測システムの動作の一部としての位相アンラッピング（ｐｈａｓｅ ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）に使用されるルックアップテーブルの図である。
【図6A】デジタルホログラフィ計測システムの異なる動作モードを示す図である。
【図6B】デジタルホログラフィ計測システムの異なる動作モードを示す図である。
【図7】単一の撮像レンズ及びウォラストンプリズム（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ ｐｒｉｓｍ）プリズムを有する撮像システムを含むヘテロダイン光源の図である。
【図8】２つの撮像レンズ及びウォラストンプリズムを有する撮像システムを含むヘテロダイン光源の図である。
【図9】受光レンズ及び複屈折ビーム変位器（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）を含むヘテロダイン光源の図である。
【図10】受光プリズム及び複屈折ビーム変位器を含むヘテロダイン光源の図である。
【図11】空間フィルタリング構成及びコリメーションレンズを含むヘテロダイン光源の図である。
【図12】ヘテロダイン光源を動作させるためのルーチンの例示的な実施例を示すフロー図である。
【図13】ヘテロダイン光源を含むデジタルホログラフィ計測システムを動作させるためのルーチンの例示的な実施例を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
図１は、計測システム１００の実施例の様々なコンポーネントを示すブロック図である。図１で示されているように、計測システム１００は、ヘテロダイン光源１１０、光学機構１２０、センサ機構１３０、タイマ１４０、及び処理部１５０を含む。様々な実施例において、ヘテロダイン光源１１０は、（例えば図７から図１１の例を参照して以下で詳述されるように）光源、音響光学変調器、及び光源光学機構を含み得る。簡潔に述べると、音響光学変調器は、光源から１つ以上の入力波長レーザビームを受け取るように、更に、１つ以上の対応する周波数シフトレーザビーム（例えば直交偏光されている可能性がある）を生成するように構成され得る。光源光学機構は、音響光学変調器から直交偏光レーザビームを受け取ってこれらを合成し、対応する合成レーザビームを出力する。
【0016】
光学機構１２０（例えば測定光学機構とすることができる）は、ヘテロダイン光源１１０から合成出力ビームを受け取る。光学機構１２０は、合成ビームを測定プロセスの一部として使用する（例えば誘導する）（例えば、ワークピース表面１９２上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を測定／決定するプロセスの一部として、１つ以上のビームをワークピース１９０の表面１９２の方へ誘導することができる）。一例として、いくつかの実施例（例えば図２を参照して以下で詳述される）では、測定光学機構１２０は、ヘテロダイン光源１１０から合成ビームを受け取り、測定プロセスの一部として（例えば画像面に対して）ワークピース表面１９２を撮像するための出力を提供するため合成ビームを使用する干渉光学機構とすればよい。
【0017】
センサ機構１３０は、測定光学機構１２０から出力を受け取り、これらの出力を検知すると共に対応する出力信号を提供するための１つ以上のセンサを含む。タイマ１４０は、ヘテロダイン光源１１０の音響光学変調器とセンサ機構１３０のセンサの双方のタイミング等を制御するために使用されるタイミング信号（例えばクロック信号）を提供する。処理部１５０（例えば１つ以上のプロセッサ１５２を含む）は、センサ機構１３０から出力を受信し、これらの出力を使用する（例えば、ワークピース１９０の表面１９２上の表面点までの測定距離を決定するため）。
【0018】
処理部１５０（例えばコンピューティングシステムを含むかもしくはコンピューティングシステムで実施される）及び／又は、本明細書に記載される要素及び方法と共に記載されるかもしくは使用可能である他の処理システムもしくは制御システムは、一般的に、分散型又はネットワーク型コンピューティング環境等を含む任意の適切なコンピューティングシステム又はデバイスを用いて実施できることは、当業者には認められよう。そのようなシステム又はデバイスは、本明細書に記載される機能を実現するためにソフトウェアを実行する１つ以上の汎用プロセッサ又は特殊用途プロセッサ（例えば非カスタム又はカスタムデバイス）を含み得る。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等のメモリ、又はそのようなコンポーネントの組み合わせに記憶することができる。また、ソフトウェアは、光学ベースのディスク、フラッシュメモリデバイス、又はデータを記憶するための他の任意のタイプの不揮発性記憶媒体のような１つ以上の記憶デバイスに記憶することができる。ソフトウェアは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造等を含む１つ以上のプログラムモジュールを含み得る。分散型コンピューティング環境では、プログラムモジュールの機能性は、有線又は無線のいずれかの構成において、複数のコンピューティングシステム又はデバイスにまたがるように組み合わせるか又は分散させ、サービスコールを介してアクセスすることができる。
【0019】
図２は、様々な実施例において図１の計測システムと同様のいくつかの機能を実行し得る、ヘテロダイン光源２１０を含むデジタルホログラフィ計測システム２００のブロック図である。以下で特別に記載されている場合を除いて、図２のいくつかの番号を付けたコンポーネント２ＸＸは、図１の同様の番号を付けた対応するコンポーネント１ＸＸに相当する及び／又はそれらと同様の動作を有し、類推によって理解され得ることは認められよう。同様の設計及び／又は機能を有する要素を示す（すなわち、特別に例示及び／又は記載されている場合を除いて）ためのこの番号付けスキームは、本明細書の他の図にも適用される。図２で示されているように、デジタルホログラフィ計測システム２００は、ヘテロダイン光源２１０、干渉光学機構２２０、センサ機構２３０、タイマ２４０、及び処理部２５０を含む。様々な実施例において、デジタルホログラフィ計測システム２００はヘテロダイン撮像干渉計として動作することができる。
【0020】
様々な実施例において、ヘテロダイン光源２１０は、音響光学変調器に結合された多波長光源（例えば、異なる波長のレーザビームを提供するための多波長レーザ光源）を含む（例えば、以下で図７から図１１を参照していくつかの例を詳述する）。１つの実施例において、多波長レーザ光源は、第１の周波数ｖ1の第１波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器は、第１波長レーザビームを受け取り、当該第１波長レーザビームに対応する周波数ｖ1＋Δｖを示す第１周波数シフトレーザビームを生成し、当該第１周波数シフトレーザビームと前記第１波長レーザビームとを合成して第１の合成ビームを生成する。同様に、多波長レーザ光源は、第１の周波数とは異なる第２の周波数ｖ2の第２波長レーザビームを提供することができる（すなわち、対応する第２の波長は第１の波長とは異なる）。音響光学変調器は、第２波長レーザビームを受け取り、当該第２波長レーザビームに対応する周波数ｖ2＋Δｖを示す第２周波数シフトレーザビームを生成し、当該第２周波数シフトレーザビームと前記第２波長レーザビームとを合成して第２の合成ビームを生成する。同様に、多波長レーザ光源は、第１及び第２の周波数とは異なる第３の周波数ｖ3の第３波長レーザビームを提供することができる（すなわち、対応する第３の波長は第１及び第２の波長とは異なる）。音響光学変調器は、第３波長レーザビームを受け取り、第３波長レーザビームと合成した周波数ｖ3＋Δｖの対応する第３周波数シフトレーザビームを第３の合成ビームとして生成する。様々な実施例において、多波長レーザ光源が追加の波長レーザビームを提供し、音響光学変調器が対応する追加の周波数シフトレーザビームを生成することも可能である。様々な実施例では、レーザビームの周波数を表現するため／レーザビームの周波数に対応するため、異なる符号を交換可能に使用してもよい（例えば、ｖ、ｆ、ω等）。
【0021】
タイマ２４０は、（例えば音響光学変調器に対するヘテロダイン光源のドライバを介して）ヘテロダイン光源２１０に結合されて、基準クロック信号を提供する。この基準クロック信号に基づいて変調周波数Δｖが生成される。様々な実施例において、クロック信号は、変調周波数Δｖ（例えば、特定の実施例では４０ＭＨｚ～１００ＭＨｚの範囲内）で提供される。様々な実施例において、分散クロック信号は、音響光学変調器の音響波の周波数と同等であると共に光ビームの周波数シフトΔｖと同等であり得る（例えば光子周波数に１音響フォノンを加える）。種々の代替的な実施例において、分散クロック信号は、追加の電子コンポーネントによって所望のターゲット周波数に乗算／除算される他の任意の周波数とすることができる。
【0022】
干渉光学機構２２０（例えば、測定光学機構とも称することがある）は、ビームスプリッタ２２１、４分の１波長板２２３及び２２６、参照ミラー２２４（例えば、本明細書では参照面２２４とも称することがある）、撮像レンズ部２２７（例えば、カメラレンズ等の撮像レンズを含む）、及び偏光子２２８を含む。様々な実施例において、干渉光学機構２２０は、二重経路干渉計を形成する及び／又は二重経路干渉計として動作する。撮像レンズ部２２７（例えば、いくつかの実施例では複数のレンズを含み、テレセントリック構成であり得る）は、画像面に対してワークピース１９０（例えば測定及び／又は他の検査等の対象である）の表面１９２を撮像するように提供されている。様々な実施例において、画像面は、センサ機構２３０のセンサ（例えばセンサＴＯＦ－１、センサＴＯＦ－２等）の前方、これらのセンサ上、又はこれらのセンサの後方にあり得る（例えば様々な実施例では、これらのセンサは、撮像レンズ部２２７から各センサまでの光路長がほぼ同じになるように空間的に配置され得る）。以下で詳述されるように、様々な実施例において、各センサＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）は異なる周波数Δｖの光学ビート信号（ｂｅａｔ ｓｉｇｎａｌ）を検出し、画素ごとに復調することができる。様々な実施例において、１つの深さフレーム（ｄｅｐｔｈ ｆｒａｍｅ）は４つの位相測定から構成され得る。記録されたホログラムは画像面へ数値的に伝搬する（ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ）ことができ、画像面において、高さマップ（例えば、ワークピース１９０の拡大ワークピース表面１９２上の表面点の測定値を示す）が抽出される（例えば位相アンラッピングの後に）。
【0023】
ビームスプリッタ２２１は、軸２２２に沿って参照ミラー２２４と光学的に位置合わせされている。また、ビームスプリッタ２２１は、軸２２２と実質的に直交する軸２２５に沿ってワークピース表面１９２と光学的に位置合わせされている。４分の１波長板２２６はビームスプリッタ２２１とワークピース表面１９２との間に設けられ、４分の１波長板２２３はビームスプリッタ２２１と参照ミラー２２４との間に設けられ、撮像レンズ部２２７及び偏光子２２８は軸２２５に沿ってビームスプリッタ２２１とセンサ機構２３０との間に設けられている。撮像レンズ部２２７及び偏光子２２８は、ビームスプリッタ２２１とセンサ機構２３０との間で光学的に位置合わせされている。
【0024】
検査／測定対象のワークピース１９０は、ワークピース表面１９２が撮像レンズ部２２７によって撮像されるように、デジタルホログラフィ計測システム２００に対して位置決めされている。特定の実施例において、ワークピース表面１９２はセンサ機構２３０のセンサ（例えばセンサＴＯＦ－１、センサＴＯＦ－２等）上に撮像され得るが、これがデジタルホログラフィ計測システムの必要条件ではないことは認められよう（例えば様々な実施例では、各表面点を含むワークピース表面１９２は、センサ機構２３０のセンサＴＯＦの前方又は後方にある画像面上に撮像され得る）。
【0025】
本明細書に開示されているようなデジタルホログラフィ計測システムでは、画像面に対してセンサＴＯＦが位置付けられている場合はいつでも、センサＴＯＦによるレーザビームの測定を数値的に画像面へ伝搬させて、画像面で発生するであろう値を決定し、本明細書で記載されるような測定プロセスに利用することができる。このような数値的伝搬の一例として、測定面（例えばセンサＴＯＦ）でレーザビームの振幅及び位相が測定／決定された場合、レーザビームの振幅及び位相が時間及び距離と共にどのように変動するか分かっているので、画像面で発生するであろう対応する値を数値的に伝搬する（例えば計算する）ことができる（例えば、撮像レンズの特性等に従って画像面の相対位置／距離を知ることができる）。このような特徴は、特定のワークピース／ワークピース要素を測定するためには特に有用であり得る（例えば、いくつかのシステムでは、ワークピース表面の高さ変動が大きいのでワークピース表面全体がシステムの単一測定範囲内に収まらない可能性があるが、本明細書に開示されているようなデジタルホログラフィ計測システムは、代替的に、画像面に数値的な伝搬を行って、測定に必要な値等を取得／決定することができる）。
【0026】
図２の例では、各周波数シフトレーザビームは、対応する波長レーザビームの音響光学変調によって（すなわちヘテロダイン光源２１０において）取得される。しかしながら、他の実施例では他の技法を用いて各周波数シフトレーザビームを取得できることは認められよう。例えば、波長／周波数シフトレーザビームの各対について、レーザは、異なる波長／周波数を有する２つのレーザビームを生成するため、強い軸方向磁場内にレーザ媒質を有するゼーマンレーザとすることができる。本明細書で用いられる用語によれば、異なる波長／周波数を有するレーザビームは、同じビーム経路を共有する場合であっても、個別のレーザビームと呼ぶことがある。いくつかの例では、レーザビームがビーム経路を共有する及び／又は共伝搬する（ｃｏ－ｐｒｏｐａｇａｔｅ）等の場合、このようなレーザビームの組み合わせを合成ビームと呼ぶことがある。
【0027】
動作中、タイマ２４０は、センサ機構２３０及びヘテロダイン光源２１０のドライバにクロック又は基準信号を提供する。ヘテロダイン光源２１０の音響光学変調器は、ドライバによって変調周波数Δｖで駆動される。上述のように、ヘテロダイン光源２１０の多波長レーザ光源は、異なる周波数のレーザビームを生成する。例えば、上記のように、多波長レーザ光源は第１の周波数ｖ1の第１波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器は、入力された第１波長レーザビームを受け取り、第１波長レーザビームに沿って伝搬する周波数ｖ1＋Δｖの対応する第１周波数シフトレーザビームを生成／発生する。このため、第１波長レーザビームに関して、ヘテロダイン光源２１０の出力は第１の合成ビームである。以下で詳述されるように、第１の合成ビームはセンサ機構２３０によって検出することができ、エンベロープは異なる周波数Δｖで変調されている。
【0028】
同様に、ヘテロダイン光源２１０の多波長レーザ光源は、第２の周波数ｖ2の第２波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器は、入力された第２波長レーザビームを受け取り、第２波長レーザビームに沿って伝搬する周波数ｖ2＋Δｖの対応する第２周波数シフトレーザビームを生成／発生する。ヘテロダイン光源２１０の対応する出力は、第２の合成ビームである。同様に、多波長レーザ光源は、第３の周波数ｖ3の第３波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器は、入力された第３波長レーザビームを受け取り、第３波長レーザビームに沿って伝搬する周波数ｖ3＋Δｖの対応する第３周波数シフトレーザビームを生成／発生する。ヘテロダイン光源２１０の対応する出力は、第３の合成ビームである。従って、ヘテロダイン光源２１０の全出力は全合成ビーム（例えば第１、第２、及び第３の合成ビーム等を含み得る）を含み得ることは認められよう。様々な実施例では、ヘテロダイン光源２１０の多波長レーザ光源が追加の波長レーザビームを提供し、音響光学変調器が対応する追加の合成ビームを形成するため対応する追加の周波数シフトレーザビームを生成し、この追加の合成ビームをヘテロダイン光源２１０からの出力として全合成ビームに含めることも可能である。
【0029】
様々な実施例において、ヘテロダイン光源２１０の多波長レーザ光源は、いくつかの例では、異なる波長のレーザビームを提供するため個別のレーザ光源を含み得る。様々な実施例において、このような個別のレーザ光源（例えばレーザダイオード）は温度感受性が低いことが望ましい場合がある。個別のレーザ光源（すなわち、それぞれの波長を有するレーザ光源）を用いる様々な実施例では、各レーザ光源の波長が温度変化等に起因して同一方向にドリフトし、波長間の比は比較的安定した状態を維持し得るので、システムにおいて比較的安定した測定精度が得られる可能性がある。様々な実施例において、個別の各レーザ光源の温度感受性は対応する波長に合わせるよう構成することができ、温度に起因した波長比のドリフトは低減又は排除され得る。本明細書で開示されているようにヘテロダイン光源２１０を構成する場合、様々な実施例では、個別のレーザ光源（例えば製造公差等に起因して異なる値を有し得る）を試験し、波長間の所望の比を与えるレーザ光源の組み合わせを選択／使用することができる。
【0030】
従って、様々な実施例では、波長比の所望の組み合わせを提供する異なるレーザ光源を含めることができる（例えば、１つの具体的な実施例では、６３３ｎｍ、６８７ｎｍ、及び７６７ｎｍ等の波長を提供する）。一実施例において、多波長レーザ光源に含まれる第１のレーザ光源は第１波長レーザビームを提供することができる（例えば、１つの具体的な実施例では名目波長が６３３ｎｍである）。これに応じて、ヘテロダイン光源２１０は上述のように、垂直偏光の第１の波長λS1（例えば６３３ｎｍ）を有する第１波長レーザビームと水平偏光の波長λFS1を有する第１周波数シフトレーザビーム（それぞれ直線偏光である）とを含む第１の合成ビームを生成することができる。タイマ２４０は、ヘテロダイン光源２１０の音響光学変調器の駆動周波数を設定するクロック信号（例えば４０ＭＨｚ）を生成する。この結果、第１の合成ビームによって、（例えば４０ＭＨｚの）ビート信号が検出される。
【0031】
同様に、ヘテロダイン光源２１０の多波長レーザ光源に含まれる第２のレーザ光源は、第２波長レーザビームを提供することができる（例えば、１つの具体的な実施例では名目波長が６８７ｎｍである）。これに応じて、ヘテロダイン光源２１０は上述のように、垂直偏光の第１の波長λS2（例えば６８７ｎｍ）を有する第２波長レーザビームと水平偏光の波長λFS2を有する第２周波数シフトレーザビームとを含む第２の合成ビームを生成することができる。同様に、多波長レーザ光源に含まれる第３のレーザ光源は、第３波長レーザビームを提供することができる（例えば、１つの具体的な実施例では名目波長が７６７ｎｍである）。これに応じて、ヘテロダイン光源２１０は上述のように、垂直偏光の第３の波長λS３（例えば７６７ｎｍ）を有する第３波長レーザビームと水平偏光の波長λFS3を有する第３周波数シフトレーザビームとを含む第３の合成ビームを生成することができる。上記のように、タイマ２４０は、ヘテロダイン光源２１０の音響光学変調器の駆動周波数を設定するクロック信号（例えば４０ＭＨｚ）を生成し得る。この結果、第２及び第３の合成ビームの各々によって、（例えば４０ＭＨｚの）変調周波数で検出されるビート信号が生成される。
【0032】
上記のように、デジタルホログラフィ計測システム２００の動作中、ヘテロダイン光源２１０は、合成ビームを含む全合成ビームを干渉光学機構２２０に出力する。以下で詳述されるように、干渉光学機構２２０は、（例えば画像面に対して）ワークピース１９０の表面１９２を撮像するための出力を提供するため合成ビームを使用する。例えば以下で詳述されるように、３つの波長が用いられる１つの実施例では、干渉光学機構２２０の出力は第１、第２、及び第３の干渉ビームを含み得る。様々な実施例において、第１の干渉ビームはヘテロダイン光源からの第１の合成ビームに基づいて生成され、第２の干渉ビームはヘテロダイン光源からの第２の合成ビームに基づいて生成され、第３の干渉ビームはヘテロダイン光源からの第３の合成ビームに基づいて生成される。
【0033】
更に上記の例に関して、干渉光学機構２２０のビームスプリッタ２２１（例えば偏光ビームスプリッタ）に第１の合成ビームが入射すると、周波数ｖ1及び垂直偏光を有する第１の参照ビームが軸２２２に沿って参照ミラー２２４の方へ伝搬し、周波数ｖ1＋Δｖ及び水平偏光を有する第１の信号ビームが軸２２５に沿って伝搬してワークピース表面１９２の一部を照明する。次いで、第１の反射参照ビーム（すなわち参照ミラー２２４からの）及び第１の反射信号ビーム（すなわちワークピース表面１９２からの）がビームスプリッタ２２１によって合成され、軸２２５に沿って撮像レンズ部２２７を介してセンサ機構２３０の方へ伝搬する第１の反射合成ビームを形成する。４分の１波長板２２６を用いて、周波数ｖ1＋Δｖの第１の入射ビームを水平偏光から円偏光に変換すると共に、第１の反射信号ビームを円偏光から垂直偏光に変換する。同様に、４分の１波長板２２３を用いて、周波数ｖ1の第１の入射ビームを垂直偏光から円偏光に変換すると共に、第１の反射参照ビームを円偏光から水平偏光に変換する。この結果、第１及び第２の４分の１波長板をそれぞれ通った後の第１の反射信号ビーム及び第１の反射参照ビームの偏光は直交し、これにより干渉を防止する。
【0034】
以下で詳述されるように、ワークピース表面１９２は、撮像レンズ部２２７を介して画像面に撮像される。偏光子２２８を用いて、第１の２つの反射ビームの偏光を制御し、それらが第１の干渉ビームを形成することを可能とする。第１のダイクロイックコンポーネント２３１－１（例えば、個々の波長を分離するために用いられるダイクロイックフィルタ）は、第１の干渉ビームＩＢ－１を、センサ機構２３０のセンサＴＯＦ－１（例えばＴＯＦセンサであり、様々な実施例ではＴＯＦカメラ等とすることができる）の方へ反射するように動作する。以下で詳述されるように、第１のダイクロイックコンポーネント２３１－１は、異なる波長の他の干渉ビームを伝送／通過させて軸２２５に沿って進ませ続けるように動作し、これらの干渉ビームは、他のダイクロイックコンポーネントによってセンサ機構２３０の他のセンサの方へ反射される。様々な実施例において、本明細書で規定されるダイクロイックコンポーネントの各々は、光ビームを波長が異なる２つのビームに分割することができる１又は複数の光学コンポーネントを含み得る。上記のように、ワークピース表面１９２は、撮像レンズ部２２７を介して画像面に撮像される（例えば、画像面はセンサＴＯＦ－１の前方、センサＴＯＦ－１上、又はセンサＴＯＦ－１の後方にあり得る）。
【0035】
ビームスプリッタ２２１に第２の合成ビームが入射すると、周波数ｖ2及び垂直偏光を有する第２の参照ビームが軸２２２に沿って参照ミラー２２４の方へ伝搬し、周波数ｖ2＋Δｖ及び水平偏光を有する第２の信号ビームが軸２２５に沿って伝搬してワークピース表面１９２の一部を照明する。次いで、第２の反射参照ビーム及び第２の反射信号ビームがビームスプリッタ２２１によって合成され、軸２２５に沿って撮像レンズ部２２７を介してセンサ機構２３０の方へ伝搬する第２の反射合成ビームを形成する。４分の１波長板２２６を用いて、周波数ｖ2＋Δｖの第２の入射ビームを水平偏光から円偏光に変換すると共に、第２の反射信号ビームを円偏光から垂直偏光に変換する。同様に、４分の１波長板２２３を用いて、周波数ｖ2の第２の入射ビームを垂直偏光から円偏光に変換すると共に、第２の反射参照ビームを円偏光から水平偏光に変換する。この結果、第１及び第２の４分の１波長板をそれぞれ通った後の第２の反射信号ビーム及び第２の反射参照ビームの偏光は直交し、これにより干渉を防止する。
【0036】
以下で詳述されるように、ワークピース表面１９２は、撮像レンズ部２２７を介して画像面に撮像される。偏光子２２８を用いて、第２の２つの反射ビームの偏光を制御し、それらが第２の干渉ビームを形成することを可能とする。第２のダイクロイックコンポーネント２３１－２は、第２の干渉ビームＩＢ－２をセンサ機構２３０のセンサＴＯＦ－２の方へ反射するように動作する。また、第２のダイクロイックコンポーネント２３１－２は、異なる波長の他の干渉ビームを伝送／通過させて軸２２５に沿って進ませ続けるように動作し、これらの干渉ビームは、１又は複数の他のダイクロイックコンポーネントによってセンサ機構２３０の１又は複数の他のセンサの方へ反射される。これは、第１のダイクロイックコンポーネント２３１－１が第１の干渉ビームＩＢ－１を反射すると同時に第２の干渉ビームＩＢ－２を伝送／通過させるやり方と同様である。上記のように、ワークピース表面１９２は、撮像レンズ部２２７を介して画像面に撮像される（例えば、画像面はセンサＴＯＦ－２の前方、センサＴＯＦ－２上、又はセンサＴＯＦ－２の後方にあり得る）。
【0037】
システムの追加の合成ビームに対しても同様のプロセスが実行され得ることは認められよう。例えば、上述のプロセスと同様、最終合成ビーム（例えばＮ番目の合成ビームと番号が付けられる）が存在し、これに対応して、周波数ｖN及び垂直偏光を有する最終参照ビームと、周波数ｖN＋Δｖ及び水平偏光を有する最終信号ビームとが存在し得る。対応する最終反射参照ビーム及び最終反射信号ビームが最終反射合成ビームを形成し、このビームから最終干渉ビームを形成することができる。以下で詳述されるように、ワークピース表面１９２は、撮像レンズ部２２７を介して画像面に撮像され得る。最終ダイクロイックコンポーネント２３１－Ｎは、最終干渉ビームＩＢ－ＮをセンサＴＯＦ－Ｎの方へ反射するように動作する。上記のように、ワークピース表面１９２は、撮像レンズ部２２７を介して画像面に撮像される（例えば、画像面はセンサＴＯＦ－Ｎの前方、センサＴＯＦ－Ｎ上、又はセンサＴＯＦ－Ｎの後方にあり得る）。
【0038】
Ｎ＝３である実施例では、最終合成ビームは第３の合成ビームであり、又はＮが３よりも大きい実施例でも、システムの第３の合成ビームが存在し得ることは認められよう。いずれの場合でも、それに対応して、周波数ｖ3及び垂直偏光を有する第３の参照ビームと、周波数ｖ3＋Δｖ及び水平偏光を有する第３の信号ビームとが存在し得る。対応する第３の反射参照ビーム及び第３の反射信号ビームが第３の反射合成ビームを形成し、このビームから第３の干渉ビームを形成することができる。第３のダイクロイックコンポーネント２３１－３は、第３の干渉ビームＩＢ－３を、センサＴＯＦ－３（すなわち、Ｎ＝３の場合のセンサＴＯＦ－Ｎ）の方へ反射するように動作し得る。ダイクロイックコンポーネントを用いることで、ヘテロダイン光源２１０において複数波長レーザビームの使用が可能となることは認められよう。これらのビームは共通のビーム経路で合成され、次いでダイクロイックコンポーネントにより分割されて、センサＴＯＦによって受け取られる（例えば関連する測定機能の一部等として）。
【0039】
更に具体的には、上記のように、第１のダイクロイックコンポーネント２３１－１は、第１の干渉ビームＩＢ－１を第２及び第３の干渉ビームＩＢ－２及びＩＢ－３から分離するように構成されている。第１の干渉ビームＩＢ－１は、（例えば第１のダイクロイックコンポーネント２３１－１によって）向けられ、第１のセンサＴＯＦ－１（例えばＴＯＦセンサ）で受け取られる。第２のダイクロイックコンポーネント２３１－２は、第２の干渉ビームＩＢ－２を第３の干渉ビームＩＢ－３から分離するように構成されている。第２の干渉ビームＩＢ－２は、（例えば第２のダイクロイックコンポーネント２３１－２によって）向けられ、第２のセンサＴＯＦ－２（例えばＴＯＦセンサ）で受け取られる。第３の干渉ビームＩＢ－３は、（例えば第３のダイクロイックコンポーネント２３１－３によって）向けられ、第３のセンサＴＯＦ－３（例えばＴＯＦセンサ）で受け取られる。
【0040】
上記のように、ヘテロダイン光源２１０の全出力は全合成ビームとすることができる（例えば、Ｎ＝３である上記の例のように、第１、第２、及び第３の合成ビームを含み得る）。上述した動作によれば、ヘテロダイン光源２１０からの全合成ビームがビームスプリッタ２２１に入射すると、各周波数ｖ1、ｖ2、及びｖ3、並びに垂直偏光を有する第１、第２、及び第３の参照ビームを含む合成参照ビームが、軸２２２に沿って参照ミラー２２４の方へ伝搬する（例えば、参照ミラー２２４におけるビーム合成はΣｖiと表すことができ、この例では、合成参照ビームが周波数ｖ1、ｖ2、及びｖ3を有する参照ビームを含むことを示す）。また、上述した動作によれば、ヘテロダイン光源２１０からの全合成ビームがビームスプリッタ２２１に入射すると、各周波数ｖ1＋Δｖ、ｖ2＋Δｖ、及びｖ3＋Δｖ、並びに水平偏光を有する第１、第２、及び第３の信号ビームを含む合成信号ビームが、軸２２５に沿って伝搬して、ワークピース表面１９２の一部を照明する（例えば、ワークピース表面１９２におけるビーム合成はΣｖi＋Δｖと表すことができ、この例では、合成信号ビームが周波数ｖ1＋Δｖ、ｖ2＋Δｖ、及びｖ3＋Δｖを有する信号ビームを含むことを示す）。
【0041】
様々な実施例において、軸２２５はデジタルホログラフィ計測システム２００の測定軸に対応する／測定軸として規定することができる。測定距離は、デジタルホログラフィ計測システム２００から（例えば、４分の１波長板２２６もしくはその近く、又は干渉光学機構２２０を収容するケースの端部もしくはその付近等、デジタルホログラフィ計測システム２００の指定されたコンポーネント又は参照点から）ワークピース表面１９２上の表面点までの距離に相当し得る。様々な実施例において、追加的に又は代替的に、軸２２５はデジタルホログラフィ計測システム２００のｚ軸に対応する／ｚ軸として規定することができる。測定距離は、ｚ距離として又はｚ高さに従って規定することができる。様々な実施例において、（例えば全表面プロファイルの一部又は他のものとしての）ワークピース表面１９２上の表面点の様々なｚ高さは、参照点に関連付ける、及び／又は相対ｚ高さに従って相互に関連付けることができ、例えば、ｚ＝０のｚ高さを有すると指定され得るワークピース表面上の参照点を基準とすることができる。様々な実施例において、各表面点のｚ高さは、デジタルホログラフィ計測システム２００からその表面点までの各測定距離／ｚ距離に対応する／そのような距離に従って決定することができる。
【0042】
本明細書に開示されているようにダイクロイックコンポーネントを使用する構成において、様々な実施例では、波長選択性によってビームを効果的に分離できるように、ビーム間で波長を充分に分離することが望ましい場合がある。これに対して、いくつかの従来のシステムは、極めて近い波長を有するビームを用いている（例えば、長い絶対測定範囲等を達成するため、組み合わせ合成波長を達成するように、分離が１ｎｍ未満である）。あるいは、本明細書に開示されている構成では、波長に基づいて分離を行う波長選択性によってビームを効果的に分離できるように、比較的大きく分離された波長の組み合わせを用いることが有利であり得る（例えば、最短波長の値の少なくとも２％もしくは５％の分離、又は少なくとも１０ｎｍもしくは２０ｎｍの分離）。このような要件を満たす波長の組み合わせの１つの具体例は、λ1＝６３３ｎｍ、λ2＝６８７ｎｍ、及びλ3＝７６７ｎｍである（例えば、最短波長の２％は１３ｎｍ未満、５％は３２ｎｍ未満であり、これらは各々、最短波長と最長波長との間、又はこの例のいずれの波長間の分離よりも小さく、１０ｎｍ又は２０ｎｍの分離についても同様である）。
【0043】
センサ機構２３０の各センサＴＯＦ（例えばＴＯＦ－１、ＴＯＦ－２．．．ＴＯＦ－Ｎ）について、センサＴＯＦは、様々な実施例において、各画素で受信された変調信号と干渉ビームとの間の位相関係を決定するように構成されたＴＯＦセンサとすることができる。センサＴＯＦが出力する信号は、各画素に位置する光信号の変調強度の位相と、タイマ２４０からの信号から導出された変調周波数の電気参照信号（例えば共通クロック源として機能し得る）とを比較する。様々な実施例において、センサＴＯＦは直交信号（ＩＱ）を出力し、この信号から位相を計算することができる。様々な実施例において、このような計算は、センサ自体で（例えばセンサＴＯＦ上のチップ／プロセッサで）実行され得るか、又は関連するプロセッサ／チップ（例えば処理部２５０のセンサ電子機器２５５又はホストコンピュータ２５８等に設けられている）で実行され得る。一般に、処理部２５０は、センサ機構２３０のセンサＴＯＦ（例えばＴＯＦ－１、ＴＯＦ－２．．．ＴＯＦ－Ｎ）から出力を受信し、この出力を利用する（例えば、ワークピース１９０の表面１９２上の表面点までの測定距離を決定するため）。
【0044】
様々な実施例において、タイマ２４０は、センサＴＯＦのうち少なくとも１つ（例えばセンサＴＯＦ－１）の一部であるか、又はそれからタイミング信号を受信することができる。このような実施例では、ヘテロダイン光源２１０の音響光学変調器の位相及び周波数は、実質的にセンサＴＯＦによって（すなわちセンサＴＯＦのタイマによって）制御され得る。様々な実施例において、各センサＴＯＦは、振幅及び位相を測定するため、１つの深さフレーム内で９０度ずれた４つの位相測定を実行し得る。各センサＴＯＦ上の各画素は、検出と復調を組み合わせるフォトニックミキサデバイスとすることができる。様々な実施例において、センサＴＯＦは、測定信号及び参照アーム（すなわち参照ミラー２２４を含む）からの差周波数に対してのみ感受性を有し得る。和周波数の項は、相関二重サンプリングによって平均され、直流（ＤＣ）項と共に除去され得る。
【0045】
様々な実施例において、デジタルホログラフィ計測システム２００は、（例えば各反射信号ビームと反射参照ビームから）ワークピース波と参照波との間の位相差を画素ごとに測定する位相シフトホログラフィシステムとして動作する。いくつかの従来のシステムは、少なくとも３つのインターフェログラムからホログラムを計算する計算ステップを必要とするのに対し、本明細書で開示されている原理によれば、計算は少なくともほぼリアルタイムで（例えばセンサＴＯＦで又は処理部等で）実行され得る。様々な実施例において、測定されたホログラムは画像面へ数値的に伝搬される。画像面では、全ての波長からの位相情報が位相アンラッピングルーチンを用いて合成されて、比較的長い非曖昧範囲（例えば絶対測定範囲）にわたって表面プロファイルを再構築する。
【0046】
センサＴＯＦに関して、様々な実施例におけるＴＯＦカメラ等のＴＯＦセンサは極めて良好な位相分解能を有し、これを用いて、システムの測定のための（例えばワークピース上の表面点までの絶対測定距離等を決定するための）大きい非曖昧範囲（ＮＡＲ）を達成できることは認められよう。一般に、センサＴＯＦの分解能が良好になればなるほど、長い非曖昧範囲を達成することができる（例えば復号可能な経路として）。本明細書で規定されているように、ＴＯＦセンサは、レーザビームの振幅及び位相を示す値を検知するように構成された任意のセンサ又は構成である。達成可能な非曖昧範囲に関して、もう１つの重要なファクタは、使用する波長の比である。従って、様々な実施例では、所与のシステムにおいて、大きい非曖昧範囲の達成を可能とするようにアンラッピング／復号することができる信号が得られる波長比を決定／使用することが望ましい。
【0047】
図３Ａから図３Ｃは、図２のデジタルホログラフィ計測システム２００と同様のデジタルホログラフィ計測システム３００のいくつかの動作原理を示す図である。関連する動作原理の説明について簡略化するため、図３Ａから図３Ｃにはデジタルホログラフィ計測システム３００の特定の部分のみを示す。以下で特別に記載されている場合を除いて、図３Ａから図３Ｃのいくつかの番号を付けたコンポーネント３ＸＸは、図１又は図２の同様の番号を付けた対応するコンポーネント１ＸＸ又は２ＸＸに相当する及び／又はそれらと同様の動作を有し、類推によって理解され得ることは認められよう。図３Ａで示されているように、ヘテロダイン光源３１０の出力は干渉光学機構３２０によって受け取られる。これに対応して、干渉光学機構３２０の出力はセンサ機構３３０によって受け取られる。
【0048】
図２に関連付けて上述した動作と同様、ヘテロダイン光源３１０は、ある１つの偏光状態の複数の基本周波数と直交偏光状態の全ての周波数シフト成分とを有するコリメートビームから成る出力を提供することができる（例えば、第１の合成ビーム、第２の合成ビーム、第３の合成ビーム等を含む全合成コリメートビームとして提供される）。第１の合成ビームが干渉光学機構３２０のビームスプリッタ３２１（例えば偏光ビームスプリッタ）に入射すると、周波数ｆ1を有する第１の信号ビームが伝搬してワークピース表面１９２の一部を照明すると共に、直交偏光及び周波数ｆ1＋Δｆを有する第１の参照ビームが参照面３２４（例えば参照ミラー）の方へ伝搬する。この例で信号ビーム及び参照ビームに使用されるビームは、図２に関連付けて上述した例で使用したビームとは入れ替わっているが、いずれの構成も様々な実施例で使用され得ることは認められよう。次いで、第１の反射信号ビーム及び第１の反射参照ビームをビームスプリッタ３２１によって合成し、これにより、センサ機構３３０の方へ伝搬する第１の反射合成ビームを形成する。
【0049】
第２の合成ビームがビームスプリッタ３２１に入射すると、周波数ｆ2を有する第２の信号ビームが伝搬してワークピース表面１９２の一部を照明すると共に、直交偏光及び周波数ｆ2＋Δｆを有する第２の参照ビームが参照面３２４の方へ伝搬する。次いで、第２の反射信号ビーム及び第２の反射参照ビームをビームスプリッタ３２１によって合成し、これにより、センサ機構３３０の方へ伝搬する第２の反射合成ビームを形成する。第３の合成ビームがビームスプリッタ３２１に入射した場合等も、同様のプロセスが実行される。様々な実施例では、ワークピース表面１９２上の参照点ＲＰ（例えばｚ＝０又は他のｚ高さとして指定され得る）を測定するため、次いでワークピース表面上の他の表面点ＳＰを測定するために、このタイプのプロセスを実行することができる。これについては以下で図３Ｂに関連付けて詳述する。
【0050】
上述のプロセスと同様、ヘテロダイン光源３１０の全出力は全合成ビームとすることができる（例えば、Ｎ＝３の例では、第１、第２、及び第３の合成ビームを含み得る）。上述した動作によれば、ヘテロダイン光源３１０からの全合成ビームがビームスプリッタ３２１に入射すると、各周波数ｆ1、ｆ2、及びｆ3並びに垂直偏光を有する第１、第２、及び第３の信号ビームを含む合成信号ビームが、軸に沿って伝搬して、ワークピース表面１９２の一部を照明する（例えば、ワークピース表面１９２におけるビーム合成はΣｆiと表すことができ、この例では、合成信号ビームが周波数ｆ1、ｆ2、及びｆ3を有する信号ビームを含むことを示す）。また、上述した動作によれば、ヘテロダイン光源３１０からの全合成ビームがビームスプリッタ３２１に入射すると、各周波数ｆ1＋Δｆ、ｆ2＋Δｆ、及びｆ3＋Δｆ、並びに水平偏光を有する第１、第２、及び第３の参照ビームを含む合成参照ビームが、軸に沿って参照面３２４の方へ伝搬する（例えば、参照面３２４におけるビーム合成はΣｆi＋Δｆと表すことができ、この例では、合成参照ビームが周波数ｆ1＋Δｆ、ｆ2＋Δｆ、及びｆ3＋Δｆを有する参照ビームを含むことを示す）。
【0051】
図３Ｂは、第１の例示信号セット３８０－１及び第２の例示信号セット３８０－２を含む、上述のプロセスに関連した様々な例示信号を示す。第１の例示信号セット３８０－１は、第１の参照ビーム信号ＲＢ１（例えば周波数ｆ1＋Δｆを有する）、第１の信号ビーム信号ＳＢ１（例えば周波数ｆ1を有する）、第１の合成ビーム信号ＣＢ１（例えばビート周波数Δｆで変調されている）、及び第１の合成ビーム位相シフト信号ＣＢＰＳ１（例えばビート周波数Δで変調され、経路長差２Δｚの結果として追加の位相シフトを有する）を含む。様々な実施例において、第１の合成ビーム信号ＣＢ１は、ワークピース表面上の参照点（例えば図３Ａの参照点ＲＰ）の測定から得ることができる。第１の合成ビーム位相シフト信号ＣＢＰＳ１は、その後のワークピース表面上の異なる表面点（例えば図３Ａの表面点ＳＰ）の測定から得ることができる。図３Ｂで示されているように、信号ＣＢ１とＣＢＰＳ１との差は第１の位相シフトΦ1＝（ｆ1）（２Δｚ）／ｃに対応する。ここで、ｃは光の速度に相当する。
【0052】
第２の例示信号セット３８０－２は、第２の参照ビーム信号ＲＢ２（例えば周波数ｆ2＋Δｆを有する）、第２の信号ビーム信号ＳＢ２（例えば周波数ｆ2を有する）、第２の合成ビーム信号ＣＢ２（例えばビート周波数Δｆで変調されている）、及び第２の合成ビーム位相シフト信号ＣＢＰＳ２（例えばビート周波数Δで変調され、経路長差２Δｚの結果として追加の位相シフトを有する）を含む。様々な実施例において、第２の合成ビーム信号ＣＢ２は、ワークピース表面上の参照点（例えば図３Ａの参照点ＲＰ）の測定から得ることができる。第２の合成ビーム位相シフト信号ＣＢＰＳ２は、その後のワークピース表面上の表面点（例えば図３Ａの表面点ＳＰ）の測定から得ることができる。図３Ｂで示されているように、信号ＣＢ２とＣＢＰＳ２との差は第２の位相シフトΦ2＝（ｆ2）（２Δｚ）／ｃに対応する。ここで、ｃは光の速度に相当する。第３の位相シフトΦ3を決定するための第３の合成ビーム等を用いて、同様のプロセスが実行され得ることは認められよう。
【0053】
図３Ｃは、図３Ｂに示されている位相シフトの処理に関連するデジタルホログラフィ計測システム３００のいくつかのコンポーネントを示す。図３Ｃで示されているように、センサ機構３３０はセンサＴＯＦ－１、ＴＯＦ－２、及びＴＯＦ－３を含み、これらはそれぞれ画素アレイ３３５－１、３３５－２、及び３３５－３を含む。画素アレイの各々において、ワークピース表面１９２上の特定の表面点（例えば図３Ａに示されている表面点ＳＰ）を測定するため使用されるものとして、各画素３３６－１、３３６－２、及び３３６－３が示されている。様々な実施例において、処理部３５０は、位相シフトΦ1、Φ2、Φ3等に関するデータ（例えば上述したもの等）を（例えばセンサ電子機器３５５で）受信することができる。次いで、処理部３５０（例えばコンピュータ３５８を利用する）は、位相アンラッピングを実行することができる（例えば、位相シフトΦ1、Φ2、Φ3等に基づいてΔｚの値を決定するため）。様々な実施例において、Δｚの値を決定することは、ワークピース１９０の表面１９２上の表面点（例えば表面点ＳＰ）までの測定距離を決定することに相当する。以下で図４及び図５に関連付けて、ルックアップテーブルを用いて（例えばΔｚを決定するため）位相アンラッピングを実行するための単純化した例を詳述する。
【0054】
図４は、デジタルホログラフィ計測システムの動作の一部としての位相アンラッピングに用いられるルックアップテーブル４００の図である。図４の例において、第１の列は、第１の波長λ1（例えばλ1＝５００ｎｍ）を有する第１波長レーザビームに対応する信号を受信する第１のセンサＴＯＦ－１に対応する。第１の列は、考えられる様々な位相Φ1に対応する値を含む（例えば、図４の位相Φ1、Φ2、Φ3は図３Ａから図３Ｃに関連付けて上述した位相シフトに対応し得る）。図４において、第２の列は、第２の波長λ2（例えばλ2＝８００ｎｍ）を有する第２波長レーザビームに対応する信号を受信する第２のセンサＴＯＦ－２に対応する。第２の列は、考えられる様々な位相Φ2に対応する値を含む。第３の列は、第３の波長λ3（例えばλ3＝１０００ｎｍ）を有する第３波長レーザビームに対応する信号を受信する第３のセンサＴＯＦ－３に対応する。第３の列は、考えられる様々な位相Φ3に対応する値を含む。ルックアップテーブル４００を用いる具体例として、位相Φ1、Φ2、Φ3がそれぞれ２１６度、９０度、及び２８８度に対応する値を有する場合、このような値は、（例えば、図３Ａに示されているワークピース表面上の参照点ＲＰの高さに対する）測定表面点ＳＰの表面高さΔｚが、Δｚ＝０．９ミクロンに対応すると考えることができる。テーブル４００の第４の列の値は、表面高さΔｚ＝０からΔｚ＝２．０ミクロンまでの範囲（２．０ミクロンの全非曖昧範囲）にわたって０．１ミクロン刻みで示されている。このような関係は、以下で詳述される図５に更に示されている。
【0055】
図５は、図４のルックアップテーブルからのいくつかの値をグラフで示す図である。図５は３つのグラフ５００Ａ、５００Ｂ、及び５００Ｃを含み、各グラフのＹ軸上に位相値のサイクルが示され、グラフ５００Ａの上部でＸ軸に沿って含まれる表面高さスケールに対して値がプロットされている（また、各グラフの下部のＸ軸上に、０．１ミクロン刻みで示された各表面高さに対応する位相値も示されている）。図５で示されているように、グラフ５００Ａは、第１の波長λ1（すなわちλ1＝５００ｎｍ）を有するレーザビームに対応する第１の位相Φ1の値を示し、これらの値は８周期のサイクルが示されている。グラフ５００Ｂは、第２の波長λ2（すなわちλ2＝８００ｎｍ）を有するレーザビームに対応する第２の位相Φ2の値を示し、これらの値は５周期のサイクルが示されている。グラフ５００Ｃは、第３の波長λ3（すなわちλ3＝１０００ｎｍ）を有するレーザビームに対応する第３の位相Φ3の値を示し、これらの値は４周期のサイクルが示されている。
【0056】
図５で示されているように、表面高さΔｚの値は、各位相値に依存するだけでなく、各位相値がどの周期に含まれるかにも依存する。一例として、上記のように表面高さΔｚ＝０．９ミクロンでは、位相Φ1＝２１６度であり、対応する波形の第４の周期に含まれ、位相Φ2＝９０度であり、対応する波形の第３の周期に含まれ、位相Φ3＝２８８度であり、対応する波形の第２の周期に含まれる。従って、位相アンラッピングプロセスは、これらの位相値の一意の組み合わせ（すなわち、図５のグラフ図によれば、これらの位相値の各々が含まれる周期を示す）に対応する一意の表面高さΔｚを決定する。
【0057】
図４及び図５の例では、上述のように動作原理の説明を簡略化するため、波長λ1＝５００ｎｍ、波長λ2＝８００ｎｍ、波長λ3＝１０００ｎｍが選択され、この例では結果として非曖昧範囲は２．０ミクロンである。本明細書に開示されている原理に従って、他の波長の組み合わせを選択及び使用してもよい（例えば、これによって非曖昧範囲がより長くなり得る）。例えば、いくつかの市販のレーザ光源を用いて達成され得る波長λ1＝６３３ｎｍ、波長λ2＝６８７ｎｍ、波長λ3＝７６７ｎｍの組み合わせは、いくつかの実施例において、約８．８２ｍｍの非曖昧範囲となり得る。様々な実施例において、対応するΔｚ刻みの大きさは、位相測定がどのくらい精密であり得るか（例えば信号対雑音比等に関して）に基づいて選択／使用すればよい。
【0058】
様々な実施例において、様々なタイプの位相アンラッピングルーチンを使用することができる（例えば、位相値の一意の組み合わせに基づいて表面高さΔｚ値を決定するため）。例えば、図４及び図５に関連付けて上述したようなルックアップテーブルの代わりに又はルックアップテーブルに加えて、位相アンラッピングのために機械学習プロセスを利用してもよい。機械学習を利用したそのような位相アンラッピングの一例として、機械学習のデータに対してＫ最近傍リグレッサ（ＫＮＮ（Ｋ－ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ）ｒｅｇｒｅｓｓｏｒ）を訓練することができる。このようなプロセスは、雑音のないクリーンなデータに対してＫＮＮリグレッサを訓練し、次いでこれを用いて比較的雑音の多いデータに対して行われる位相アンラッピングを実演することによって、有効性が決定される。このような試験によって、これらのプロセス（ＫＮＮモデル等、位相アンラッピングに機械学習を利用することを含む）が測定値の決定において高い精度を与えることが確認されている。
【0059】
本明細書で開示されているようなデジタルホログラフィ計測システム（例えば、センサ等のＴＯＦカメラを用いたヘテロダイン検出を使用する）は、いくつかの従来の計測システムに比べて様々な利点を有し得ることは認められよう。利用されるヘテロダイン検出によって、ホログラフィにおける高い信号対雑音比が可能となり、これを利用して非曖昧範囲（ＮＡＲ）を拡大すると共に実行される測定の精度を向上させる。また、長い非曖昧範囲（例えば絶対測定範囲）を可能とするために合成波長に頼らない位相アンラッピングルーチンが用いられる。波長多重化が実行される（例えば、比較的低コストで入手され得るダイクロイックコンポーネント（ｄｉｃｈｒｏｉｃｓ）の利用によって可能となり、これを用いて別個の波長を有する信号ビームを分離することができる）。波長多重化の利用によって、複数のＴＯＦカメラを用いて１つの深さフレーム内で比較的同時に全ての波長の全ての位相をキャプチャし、環境ロバスト性の増大を図ることができる。
【0060】
このように迅速な測定データ取得は、測定データをキャプチャしている時にワークピースとシステムとの間の移動が最小限であるか又は皆無であることを保証するのに役立つ（例えば、これに対して従来のシステムでは、画像及び／又はデータが個別に又は順番にキャプチャされるので、より長い時間がかかり、例えばワークピースの振動、偶発的な移動、コンベヤに沿った正常な前進等に起因して、ワークピースがシステムに対して移動する可能性がある）。位相を直接測定することによって、位相検索ルーチンが不要となり、従来のシステムに比べて計算作業負荷が軽減する。本明細書で開示されている構成は、いくつかの実施例において、６つの異なる波長を用いる既存の多波長システムと同様の性能を３つの異なる波長を用いて達成できるので、同様の性能に対するコストが低くなり得る。様々な実施例において、本明細書で開示されているような構成は、高スループットインライン計測サンプリング／測定等の用途に利用することができる。
【0061】
図６Ａ及び図６Ｂは、本明細書で開示されているようなデジタルホログラフィ計測システム６００の異なる動作モードを示す図である。以下で特別に記載されている場合を除いて、デジタルホログラフィ計測システム６００は、図２及び図３Ａから図３Ｃのデジタルホログラフィ計測システム２００及び３００と同様である。異なる動作モードの関連する動作原理の説明について簡略化するため、図６Ａ及び図６Ｂにはデジタルホログラフィ計測システム６００の特定の部分のみを示す。図６Ａ及び図６Ｂで示されているように、デジタルホログラフィ計測システム６００は、ヘテロダイン光源６１０、干渉光学機構６２０、センサ機構６３０、タイマ６４０、及び処理部６５０を含む。ヘテロダイン光源６１０は、多波長レーザ光源６１１及び音響光学変調器（ＡＯＭ：ａｃｏｕｓｔｏ－ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）６１２を含む（例えば、図２のヘテロダイン光源２１０に含まれるものとして同様のコンポーネントが記載されている）。図２のデジタルホログラフィ計測システム２００との１つの相違点は、以下で詳述するように、デジタルホログラフィ計測システム６００が異なる動作モード間の切り替えのためのスイッチ６１９（例えばヘテロダイン光源６１０又は他のものに含まれる）を含むことである。
【0062】
図６Ａは、振幅変調連続波（ＡＭＣＷ）モード６０１Ａで動作しているデジタルホログラフィ計測システム６００を示し、図６Ｂは、デジタルホログラフィモード６０１Ｂで動作しているデジタルホログラフィ計測システム６００を示す（例えば、これらのモード間の切り替えの一部としてスイッチ６１９を用いる）。以下で詳述するように、ＡＭＣＷモード６０１Ａは、比較的粗いスケールの測定を与えるものとして特徴付けることができ（例えば、センサＴＯＦのうち１つ以上を用いて特定のＴＯＦ測定動作を実行する）、デジタルホログラフィモード６０１Ｂ（例えば、図２及び図３Ａから図３Ｃに関連付けて上述したように動作し得る）は、比較的細かいスケールの測定を与えるものとして特徴付けることができる。これら２つのモードの測定を組み合わせて、比較的大きい非曖昧範囲にわたって高精度の測定を与えることができる。
【0063】
図６Ａで示されているように、ＡＭＣＷモード６０１Ａでは、スイッチ６１９はタイマ６４０（例えばクロック信号を提供する）を多波長レーザ光源６１１に結合して（例えば多波長レーザ光源６１１の電流源に結合される）、光の強度を変調する。音響光学変調器６１２はタイマ６４０からクロック信号を受信せず、様々な実施例ではオフのままである。従って、多波長レーザ光源６１１からの光は音響光学変調器６１２を（例えばゼロ次の光として）通過する。この例の動作によれば、ビームスプリッタ６２１によって参照ミラー６２４の方へ向けられる参照ビームは存在しないことは認められよう。音響光学変調器６１２を通過したゼロ次の光はビームスプリッタ６２１を通過し、ワークピース１９０の表面１９２を照明し、これは反射光に従って光学機構６２０により撮像される（例えば、ビームスプリッタ６２１によってセンサ機構６３０の方へ向けられる）。センサ機構６３０のセンサＴＯＦ（例えば図２を参照のこと）のうち１つ以上は、ホモダイン検出によって、ワークピース表面１９２上の表面点の距離／表面高さを測定する。センサＴＯＦのうち１つ以上のこのような動作に従って、比較的粗い測定範囲を達成することができる（例えば、１つの具体的な実施例では約１．５メートルの非曖昧範囲を含み、このような距離における潜在的な距離誤差は約０．５％であり、約７．５ｍｍに相当する）。
【0064】
従って、ＡＭＣＷモード６０１Ａのこのような動作は粗いスケールの測定を効果的に与える。図６Ｂのデジタルホログラフィモード６０１Ｂは、潜在的な距離誤差よりも大きい非曖昧範囲（例えば、この例では７．５ｍｍよりも大きい非曖昧範囲）等、図６Ａの粗いスケールの測定の潜在的な距離誤差を解決することができる細かいスケールの測定を与えるために利用され得る。デジタルホログラフィモード６０１Ｂでは、スイッチ６１９がタイマ６４０を音響光学変調器６１２に結合してこれがオンになる。デジタルホログラフィ計測システム６００は、図２及び図３Ａから図３Ｃに関連付けて上述したように動作する。様々な実施例において、デジタルホログラフィ計測システム６００は、所望の測定を達成するため、フレームごとにモード６０１Ａとモード６０１Ｂとを交互に繰り返すことができる。
【0065】
上記のように、図２の構成の１つの具体的な実施例（すなわち、図６Ｂの構成が同様に動作する）では、いくつかの市販のレーザ光源を用いて達成され得る波長λ1＝６３３ｎｍ、波長λ2＝６８７ｎｍ、波長λ3＝７６７ｎｍの組み合わせを利用して、いくつかの実施例で約８．８２ｍｍの非曖昧範囲を得ることができる。これは、ＡＭＣＷモード６０１Ａについて上述した例における粗いスケールの測定の７．５ｍｍの潜在的な誤差よりも大きいことが分かる。従って、これらの例における２つのモードの測定を組み合わせて、約１．５メートルの全非曖昧範囲をサブミクロン精度で達成することができる。２つのモード６０１Ａ及び６０１Ｂを用いると、追加のレーザ光源を加える必要なく、全非曖昧範囲を（例えば１．５メートルに）拡大できることは認められよう。１つの具体例では、モード６０１Ｂ等のデジタルホログラフィモードのみを用いて非曖昧範囲を同様に拡大するために、追加のレーザ光源が必要となり得る（例えば、波長λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、及びλ6の合計６つのレーザ光源のため、３つの追加のレーザ光源を加える）。このような代替的な構成に比べて、図６Ａ及び図６Ｂに示されているように２つのモード６０１Ａ及び６０１Ｂを用いると、あまり複雑でなく低コストのシステムを得ることができる（例えば、６つ等でなく、３つだけのレーザ光源／波長λ1、λ2、λ3を使用し、これらから測定を実施する）。
【0066】
様々な実施例において、ＡＭＣＷモード６０１Ａ及びデジタルホログラフィモード６０１Ｂの測定を組み合わせるために異なる技法を用いることができる。上記のように、様々な実施例において、ＡＭＣＷモード６０１Ａは粗いスケールの表面高さデータを提供し、場合によっては、主として、オリジナルのホログラフィ範囲を超えたアンラッピングの曖昧さを解決するために使用され得る。１つの具体的な実施例において、α＝デジタルホログラフィモード６０１Ｂにおける測定の非曖昧範囲であり、ｚ＿ＡＭＣＷ＝ＡＭＣＷモード６０１Ａの表面高さ測定値であり、ｚ＿Ｈｏｌｏ＝デジタルホログラフィモード６０１Ｂのホログラフィｚ高さ測定値である。項ｌ＝下限（ｆｌｏｏｒ）（ｚ＿ＡＭＣＷ／α）は、デジタルホログラフィモード６０１Ｂのデジタルホログラフィ非曖昧範囲の整数の倍数を与える（例えば、測定高さがＡＭＣＷモード６０１Ａの非曖昧範囲内に収まることが望ましい）。上記のように、１つの具体的な実施例では、１００ＭＨｚの変調周波数は１．５メートルのＡＭＣＷ非曖昧範囲に相当し得る。デジタルホログラフィ非曖昧範囲は、潜在的な距離誤差よりも大きい可能性がある（例えば、この例では非曖昧範囲は７．５ｍｍよりも大きい）。最終ｚ高さは、Δｚ＝Ｉ・α＋ｚ＿Ｈｏｌｏによって決定することができる。この式に従って、ワークピース上の第１の表面点までの合成測定距離を決定するための１つの例では、第１のＡＭＣＷモード測定距離は、デジタルホログラフィ非曖昧範囲の整数の倍数を与える。この整数の倍数を第１のデジタルホログラフィモード測定距離と組み合わせて、ワークピース上の第１の表面点までの合成測定距離を決定する。
【0067】
図７から図１１は、ヘテロダイン光源の様々な実施例（例えば、図１のヘテロダイン光源１１０及び／又は図２のヘテロダイン光源２１０として使用され得る）を示す。様々な実施例において、図７から図１０の構成の各々は、（ヘテロダイン干渉法のため音響光学変調器等からの）共伝搬すると共に交差偏光したビームのためのインライン光学機構として特徴付けることができる。更に具体的には、これらの実施例の各々は、（例えば音響光学変調器からの）直交偏光出力ビームを、ヘテロダイン光源の出力として使用される単一のビームに合成することを目的とするインライン光学機構として特徴付けられる。本明細書に開示されているインライン光学機構では、直交偏光ビームはそれぞれ光源光学機構の同じコンポーネントセットを通って進むことが示され、複屈折光学要素部（すなわち複屈折光学要素を含む）は直交偏光出力ビームを単一の合成ビームの一部として単一のビームに合成する。
【0068】
以下に記載されている実施例は、いくつかの代替的な実施例に比べて利点を有し得ることは認められよう。例えば、１つの代替的な実施例では、ファイバ結合を用いることができる（例えば、音響光学変調器の出力をレンズによって偏光維持光ファイバ等の光ファイバ内に集束できる場合）。しかしながら、このような構成は、クリッピングを引き起こす焦点面内のビームオフセット、ビームサイズ／モードフィールド直径の不一致、及び／又は限定的なファイバ入力開口数（ＮＡ）が組み合わされることに起因して、高い結合損失を有し得る。別の代替的な実施例では、２つの偏光ビームスプリッタ及び反射器が使用され得る。音響光学変調器からの第１のビームは第１のビームスプリッタによって上方へ向けられ、第１の反射器によって第２の反射器へと反射され、第２の反射器は第１のビームを第２のビームスプリッタへと反射し、第２のビームスプリッタは第１のビームを前方へ誘導する。音響光学変調器からの第２のビームは第１及び第２のビームスプリッタを通って真っすぐ進み、第１のビームと共伝搬して構成から出る。しかしながら、このような構成は、経路長（すなわち第１及び第２のビームの）が同一でないことと、共通のビーム経路を持たない（すなわち異なる光学コンポーネントを介して進む）ことに起因して、一致しないビームパラメータを有し得る。この結果、ロバスト性が不足する可能性がある。以下で図７から図１１に関連付けて記載される実施例は、これらの構成に比べていくつかの利点を有することは認められよう。
【0069】
図７は、レーザ光源７１１と、音響光学変調器７１２と、ドライバ７１３と、光源光学機構７１８（すなわち受信光学要素部７１４ｐ及び複屈折光学要素部７１５ｐを含む）と、を含むヘテロダイン光源７１０の図である。受信光学要素部７１４ｐは、単一の撮像レンズ７１４を有する撮像システムを含む。複屈折光学要素部７１５ｐは、ウォラストンプリズム７１５を含む。
【0070】
動作中、タイマ（例えばタイマ１４０、タイマ２４０等）は、タイミング信号（例えばクロック／参照信号）をドライバ７１３に提供することができる。次いで、音響光学変調器７１２はドライバ７１３によって変調周波数Δωで駆動される。レーザ光源７１１は、第１の周波数ω1（すなわち対応する第１の波長を有する）の第１波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器７１２（例えばせん断波ＡＯＭ）は、入力された第１波長レーザビームを受け取り、この入力された第１波長レーザビームに対して直交偏光した周波数ω1＋Δωの対応する第１周波数シフトレーザビームを生成／発生する。音響光学変調器７１２内の対物面は、音響光学変調器７１２の分離角αとウォラストンプリズム７１５の分離角βの双方に合わせた倍率Ｍで、撮像レンズ７１４によってウォラストンプリズム７１５内に撮像される。ここで、Ｍ＝ｔａｎ（α）／ｔａｎ（β）である。ウォラストンプリズム７１５の動作特性に従って、第１の周波数ω1の合成第１波長レーザビームと周波数ω1＋Δωの直交偏光第１周波数シフトレーザビームとを含む第１の合成ビームが出力となる。
【0071】
従って、ヘテロダイン光源７１０のコンポーネント（例えば撮像レンズ７１４及びウォラストンプリズム７１５を含む）は、共伝搬すると共に交差偏光したビームのためのインライン光学機構として特徴付けることができる。更に具体的には、これらのコンポーネントは、直交偏光出力ビームをヘテロダイン光源から出力される単一のビームに合成することを目的とするインライン光学機構として特徴付けられる。図７で示されているように、ヘテロダイン光源７１０の出力は、例えば測定動作に使用するため（例えば、第１の合成ビームを利用する測定プロセスに基づいてワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定するため）、測定光学機構ＭＯＡ（例えば測定光学機構１２０、２２０等）に提供する／測定光学機構ＭＯＡによって受信することができる。
【0072】
図８は、レーザ光源８１１と、音響光学変調器８１２と、ドライバ８１３と、光源光学機構８１８（すなわち受信光学要素部８１４ｐ及び複屈折光学要素部８１５ｐを含む）と、を含むヘテロダイン光源８１０の図である。受信光学要素部８１４ｐは、２つの撮像レンズ８１４Ａ及び８１４Ｂを有する撮像システムを含む。複屈折光学要素部８１５ｐは、ウォラストンプリズム８１５を含む。以下で特別に記載されている場合を除いて、ヘテロダイン光源８１０、並びに図９、図１０、及び図１１のヘテロダイン光源９１０、１０１０、及び１１１０は、図７のヘテロダイン光源７１０と同様に動作するように理解される。単一の撮像レンズ７１４を備えた撮像システムを有する図７のヘテロダイン光源７１０に対して、図８のヘテロダイン光源８１０の主な相違点は、複数のレンズ８１４Ａ及び８１４Ｂを備えた撮像システムを含むことである。これによって、以下で詳述するように、いくつかの適用例に望ましい特定の動作特性を与えることができる。
【0073】
レーザ光源８１１が多波長レーザ光源であり得る実施例において、音響光学変調器８１２の回折角αは波長依存である可能性がある。従って、図８のような構成において、いくつかの実施例では異なる波長のビームが共伝搬しないことがある（例えば、これは構成の後段でビームクリッピングを生じ得る）。このような問題に対応するため、撮像システム（すなわちレンズ８１４Ａ及び図８１４Ｂを含む）をクロマティック撮像システム（ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）であるように構成し、倍率を波長依存として、音響光学変調器８１２の回折角αに合わせる（すなわち各波長で）ことができる（例えば、異なる波長のレーザビームが共伝搬するように及び／又は他の方法によって構成の後段でビームクリッピングを生じないように）。より具体的には、この構成に従って、音響光学変調器８１２内の対物面は、クロマティック撮像システム（すなわち撮像レンズ８１４Ａ及び図８１４Ｂを含む）によってウォラストンプリズム８１５内に倍率Ｍで撮像される。倍率Ｍは各波長ごとに変動し、各波長で音響光学変調器８１２の分離角α（ω）とウォラストンプリズム８１５の分離角β（ω）の双方に合っている。ここで、Ｍ＝ｔａｎ（α（ω））／ｔａｎ（β（ω））である。
【0074】
図９は、レーザ光源９１１と、音響光学変調器９１２と、ドライバ９１３と、光源光学機構９１８（すなわち、受信光学要素部９１４ｐ及び複屈折光学要素部９１５ｐを含む）と、を含むヘテロダイン光源９１０の図である。受信光学要素部９１４ｐは受信レンズ９１４を含む。複屈折光学要素部９１５ｐは複屈折ビーム変位器９１５を含む。
【0075】
図７に関連付けて上述した動作と同様、音響光学変調器９１２（例えばせん断波ＡＯＭ）は、入力された第１波長レーザビームを受け取り、この入力された第１波長レーザビームに対して直交偏光した対応する第１周波数シフトレーザビームを生成／発生する。入力レンズ９１４は、（例えば焦点距離ｆで）音響光学変調器９１２内に焦点が合っており、無限遠に結像する（すなわち、個々のビームがコリメートされる）。複屈折ビーム変位器９１５の動作特性に従って、第１波長レーザビームは通過するが、第１周波数シフトレーザビーム（すなわち直交偏光している）は実質的にシフトされて第１波長レーザビームと共に出力する。従って、複屈折ビーム変位器９１５の出力は、合成第１波長レーザビームと直交偏光第１周波数シフトレーザビームとを含む第１の合成ビームである。
【0076】
従って、ヘテロダイン光源９１０のコンポーネント（例えば撮像レンズ９１４及び複屈折ビーム変位器９１５を含む）は、共伝搬すると共に交差偏光したビームのためのインライン光学機構として特徴付けることができる。更に具体的には、これらのコンポーネントは、直交偏光出力ビームをヘテロダイン光源から出力される単一のビームに合成することを目的とするインライン光学機構として特徴付けられる。図９で示されているように、ヘテロダイン光源９１０の出力は、例えば測定動作に使用するため（例えば、第１の合成ビームを利用する測定プロセスに基づいてワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定するため）、測定光学機構ＭＯＡ（例えば測定光学機構１２０、２２０等）に提供する／測定光学機構ＭＯＡによって受信することができる。
【0077】
図１０は、レーザ光源１０１１と、音響光学変調器１０１２と、ドライバ１０１３と、光源光学機構１０１８（すなわち、受信光学要素部１０１４ｐ及び複屈折光学要素部１０１５ｐを含む）と、を含むヘテロダイン光源１０１０の図である。受信光学要素部１０１４ｐは受信プリズム１０１４を含む。複屈折光学要素部１０１５ｐは複屈折ビーム変位器１０１５を含む。以下で特別に記載されている場合を除いて、ヘテロダイン光源１０１０は図９のヘテロダイン光源９１０と同様に動作するように理解される。受信レンズ９１４を有する図９のヘテロダイン光源９１０に対して、図１０のヘテロダイン光源１０１０の主な相違点は、受信プリズム１０１４を代替的に含むことであり、これによってビームは結像されることなく合成され得る。様々な実施例において、受信プリズム１０１４では、プリズム頂角（例えば、いくつかの実施例では頂点の数）は、音響光学変調器１０１２の分離角及び１又は複数の入力波長レーザビームに合わせることができる。
【0078】
上述のように、図７から図１０の実施例はいくつかの同様の動作特徴を有する。各構成において、光源光学機構（例えば光源光学機構７１８、８１８、９１８、又は１０１８）は、少なくとも、音響光学変調器からの第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取ってこれらを合成し、対応する第１の合成ビームを出力する。各構成において、光源光学機構は、受信光学要素部（例えば、各レンズ７１４、８１４Ａ及び８１４Ｂ、９１４、並びにプリズム１０１４等、少なくとも１つの受信光学要素を含む）と、複屈折光学要素部（例えば、各ウォラストンプリズム７１５及び８１５並びに各複屈折ビーム変位器９１５及び１０１５等、少なくとも１つの複屈折光学要素を含む）と、を含む。他の実施例では、代替的な複屈折光学要素（例えばロション（Ｒｏｃｈｏｎ）プリズム）が使用され得ることは認められよう。各構成において、受信光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ誘導するように構成されている。複屈折光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを合成して対応する第１の合成ビームを出力するように構成されている。
【0079】
図７から図１０の各構成の複屈折光学要素（例えば、各ウォラストンプリズム７１５及び８１５並びに各複屈折ビーム変位器９１５及び１０１５含む）の各々は、様々な実施例において、このようなコンポーネントのいくつかの他の使用法に対して逆の／反対の向きで利用されるものとして特徴付けられることは認められよう。より具体的には、このような複屈折光学要素は、一方側で光路に沿ってビーム及び／又は共伝搬ビームを受け取り、次いでこれらのビームを分割して出力として提供するように用いられるのが典型的である。このような従来の使用法とは異なり、図７から図１０の構成によれば、各複屈折光学要素を用いて様々なビームを受け取り、次いでこれらのビームを合成して、単一の合成ビーム（例えば共伝搬するビームを含む）の一部として出力する。このため上記のように、図７から図１０の実施例の各々は、直交偏光出力ビームをヘテロダイン光源から出力される単一のビームに合成することを目的とするインライン光学機構として構成されている。図７から図１０で示されているように、各ヘテロダイン光源の出力は、例えば測定動作に使用するため（例えば、合成ビームを利用する測定プロセスに基づいてワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定するため）、測定光学機構ＭＯＡ（例えば測定光学機構１２０、２２０等）に提供する／測定光学機構ＭＯＡによって受信することができる。
【0080】
図１１は、レーザ光源１１１１と、音響光学変調器１１１２と、ドライバ１１１３と、光源光学機構１１１８（すなわち、空間フィルタリング構成１１１６及びコリメーションレンズ１１１７を含む）と、を含むヘテロダイン光源１１１０の図である。様々な実施例において、レーザ光源１１１１は多波長レーザ光源（例えば第１、第２、第３等の波長のレーザビームを提供する）とすることができ、音響光学変調器１１１２はこれに応じて本明細書で記載されているように合成ビームを生成することができる。様々な実施例において、音響光学変調器１１１２からの合成ビーム（例えば第１、第２、第３等の合成ビームを含む）は、測定光学機構ＭＯＡまでの経路上で空間フィルタリング構成１１１６及びコリメーションレンズ１１１７を通過する。運動量保存の法則に従って、異なる波長は音響光学変調器１１１２の動作によって異なる角度に回折され得る。一実施例において、空間フィルタリング構成１１１６は顕微鏡対物レンズ１１１６Ａ及びピンホールフィルタ要素１１１６Ｂを含み得る。音響光学変調器１１１２からの合成ビームは、対物レンズ１１１６Ａによってピンホールフィルタ要素１１１６Ｂ（例えば１０μｍのピンホールを含む）上に結像されて、異なる波長の回折ビーム及び非回折ビームが重複するようになっており、ピンホールフィルタ要素１１１６Ｂから出射する光は、実質的に、コリメーションレンズ１１１７にビームを与えるための点光源となる（例えば、図１１で示されているような使用可能重複エリアＵＡがある）。合成ビーム（例えば第１、第２、第３等の合成ビームを含む）が空間フィルタリング構成１１１６を通過した後、コリメーションレンズ１１１７はこれらの合成ビームをコリメートするように動作する。
【0081】
一般に、図７から図１１の実施例の様々な構成では多波長レーザ光源が使用され得る（例えば、特に図８及び図１１に関連付けて上述したが、他の構成でも同様に使用され得る）。以下の多波長レーザ光源の動作の記載は図１１の多波長レーザ光源１１１１に関連付けて行われるが、この記載は、多波長レーザ光源を用いる場合、図７から図１０の構成のいずれにも適用され得ることは認められよう。１つの実施例では、多波長レーザ光源１１１１は第１の周波数ω1（すなわち対応する第１の波長を有する）の第１波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器１１１２は第１波長レーザビームを受け取り、周波数ω1＋Δωの対応する第１周波数シフトレーザビームを生成する。同様に、多波長レーザ光源１１１１は第２の周波数ω2（すなわち対応する第２の波長を有する）の第２波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器１１１２は第２波長レーザビームを受け取り、周波数ω2＋Δωの対応する第２周波数シフトレーザビームを生成する。同様に、多波長レーザ光源１１１１は第３の周波数ω3（すなわち対応する第３の波長を有する）の第３波長レーザビームを提供することができる。音響光学変調器１１１２は第３波長レーザビームを受け取り、周波数ω3＋Δωの対応する第３周波数シフトレーザビームを生成する。様々な実施例において、多波長レーザ光源１１１１は、追加の又はより少ない波長レーザビームを提供してもよい（例えば、これに応じて音響光学変調器１１１２が追加の又はより少ない周波数シフトレーザビームを生成する）。一般に、音響光学変調器１１１２の動作において、音響波の位相シフトΔωは、波長とは無関係に全てのビームで同じ量Δωの光位相シフトを生成することは認められよう。このような動作では、様々な実施例において、ドライバ１１１３が位相固定無線周波数（ＲＦ）ドライバであることが望ましい場合がある。
【0082】
上記のように、音響光学変調器１１１２のドライバ１１１３にタイマが結合されて、ドライバ１１１３で変調周波数Δωを生成するためのベースとなる参照クロック信号を提供する。一実施例において、クロック信号は、変調周波数Δω（例えば４０ＭＨｚ～１００ＭＨｚの範囲内）で提供される。分散クロック信号は、音響光学変調器１１１２の音響波の周波数と同等であると共に光ビームの周波数シフトΔωと同等であり得る（例えば光子周波数に１音響フォノンを加える）。種々の代替的な実施例において、分散クロック信号は、他の任意の周波数とし、追加の電子コンポーネントによって所望のターゲット周波数に乗算／除算することができる。
【0083】
この例において、各周波数シフトレーザビームは、対応する波長レーザビームの音響光学変調によって取得される。この構成のいくつかの利点には、全てが同一の周波数シフトを有すると共に位相固定され得る複数の波長を提供できること、また、全体的な構成が（例えばいくつかの従来の構成に比べて）比較的複雑でなく、低コストとなり得ることが含まれる。種々の代替的な構成では、他の手法を用いて各周波数シフトレーザビームを取得することができる。例えば、光源／周波数シフトレーザビームの各対について、レーザは、異なる周波数を有する２つのビームを生成するため、強い軸方向磁場内にレーザ媒質を有するゼーマンレーザとすることができる。様々な他の代替的な実施例では、音響光学変調器の代わりに電気光学変調器を使用するか、又は、複数の２波長光源（例えば、同時に２つの波長で動作するレーザ）の組み合わせを使用することも可能である。
【0084】
様々な実施例において、多波長レーザ光源１１１１は、いくつかの構成では、異なる波長のレーザビームを提供するための個別のレーザ光源を含み得る。例えば、波長比の所望の組み合わせを提供する異なるレーザ光源を含めることができる（例えば、１つの具体的な実施例では、６３３ｎｍ、６８７ｎｍ、及び７６７ｎｍ等の波長を提供する）。例えば、一実施例において、多波長レーザ光源１１１１に含まれる第１のレーザ光源は第１波長レーザビームを提供することができる（例えば、１つの具体的な実施例では名目波長が６３３ｎｍである）。これに応じて、ヘテロダイン光源１１１０は上述のように、垂直偏光の第１の波長λS1（例えば６３３ｎｍ）を有する第１波長レーザビームと水平偏光の波長λFS1を有する第１周波数シフトレーザビーム（それぞれ直線偏光である）とを含む第１の合成ビームを生成することができる。タイマは、音響光学変調器１１１２の（例えばドライバ１１１３の）駆動周波数を設定するクロック信号（例えば４０ＭＨｚ）を生成する。この結果、第１の合成ビームによって、（例えば４０ＭＨｚの）ビート信号が検出される。
【0085】
同様に、多波長レーザ光源１１１１に含まれる第２のレーザ光源は、第２波長レーザビームを提供することができる（例えば、１つの具体的な実施例では名目波長が６８７ｎｍである）。これに応じて、ヘテロダイン光源１１１０は上述のように、垂直偏光の第１の波長λS2（例えば６８７ｎｍ）を有する第２波長レーザビームと水平偏光の波長λFS2を有する第２周波数シフトレーザビーム（それぞれ直線偏光である）とを含む第２の合成ビームを生成することができる。同様に、多波長レーザ光源１１１１に含まれる第３のレーザ光源は、第３波長レーザビームを提供することができる（例えば、１つの具体的な実施例では名目波長が７６７ｎｍである）。これに応じて、ヘテロダイン光源１１１０は上述のように、垂直偏光の第３の波長λS3（例えば７６７ｎｍ）を有する第３波長レーザビームと水平偏光の波長λFS3を有する第３周波数シフトレーザビーム（それぞれ直線偏光である）とを含む第３の合成ビームを生成することができる。上記のように、タイマは、音響光学変調器１１１２の（例えばドライバ１１１３の）駆動周波数を設定するクロック信号（例えば４０ＭＨｚ）を生成し得る。この結果、第２及び第３の合成ビームの各々によって、（例えば４０ＭＨｚの）変調周波数の検出されるビート信号が生成される。様々な実施例において、使用される個別のレーザ光源は、（例えば長いコヒーレンス帳を有するため）狭線幅を有することが望ましい場合がある。
【0086】
図１２は、ヘテロダイン光源を動作させるためのルーチン１２００の例示的な実施例を示すフロー図である。ブロック１２１０では、少なくとも第１波長レーザビームを提供するようにヘテロダイン光源の第１の光源を動作させる。ブロック１２２０では、第１波長レーザビームを受け取り、対応する第１周波数シフトレーザビーム（例えば第１波長レーザビームの偏光に直交する偏光を有する）を生成するように、ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させる。様々な実施例において、光源光学機構は、音響光学変調器から第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取ると共に合成し、対応する第１の合成ビームを出力する。光源光学機構は、受信光学要素部及び複屈折光学要素部を含む。受信光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを光路に沿って複屈折光学要素部の方へ誘導するように構成されている。複屈折光学要素部は、第１波長レーザビーム及び第１周波数シフトレーザビームを受け取り、これらのビームを合成して、対応する第１の合成ビームを（例えば測定光学機構に）出力するように構成されている。ブロック１２３０では、第１の合成ビームを使用する測定プロセスに基づいて、ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定する。
【0087】
図１３は、ヘテロダイン光源を含むデジタルホログラフィ計測システムを動作させるためのルーチン１３００の例示的な実施例を示すフロー図である。ブロック１３１０では、少なくとも第１波長レーザビーム及び第２波長レーザビームを提供するように、ヘテロダイン光源の多波長光源（例えば多波長レーザ光源）を動作させる。ブロック１３２０では、第１波長レーザビームを受け取り、この第１波長レーザビームに対応する第１周波数シフトレーザビームを生成し、この第１周波数シフトレーザビームと第１波長レーザビームとを合成して第１の合成ビームを生成するように、更に、第２波長レーザビームを受け取り、この第２波長レーザビームに対応する第２周波数シフトレーザビームを生成し、この第２周波数シフトレーザビームと第２波長レーザビームとを合成して第２の合成ビームを生成生成するように、ヘテロダイン光源の音響光学変調器を動作させる。干渉光学機構は、ヘテロダイン光源から合成ビームを受け取り、ワークピースを撮像するための出力を提供するため合成ビームを使用する。この出力は、少なくとも、ヘテロダイン光源からの第１の合成ビームに基づいて生成される第１の干渉ビームと、ヘテロダイン光源からの第２の合成ビームに基づいて生成される第２の干渉ビームと、を含む。
【0088】
ブロック１３３０では、干渉光学機構から出力を受け取るようにセンサ機構を動作させる。センサ機構は、少なくとも第１及び第２のＴＯＦセンサと第１のダイクロイックコンポーネントとを含む。第１のダイクロイックコンポーネントは、第１の干渉ビームを第２の干渉ビームから分離するように構成されている。第１の干渉ビームは第１のＴＯＦセンサによって受け取られるように向けられ、第２の干渉ビームは第２のＴＯＦセンサによって受け取られるように向けられる。ブロック１３４０では、第１及び第２のＴＯＦセンサから出力を受信し、これらの出力を使用して、ワークピース上の少なくとも１つの表面点までの少なくとも１つの測定距離を決定する。
【0089】
本開示の好適な実施例について図示及び記載したが、本開示に基づいて、図示及び記載した要素の構成及び動作のシーケンスにおける多数の変形が当業者には明らかであろう。種々の代替的な形態を用いて本明細書に開示された原理を実施することができる。更に、上述の様々な実施例を組み合わせて別の実施例を提供することも可能である。本明細書において言及した米国特許及び米国特許出願は全て、援用によりその全体が本願に含まれるものとする。これらの様々な特許及び出願の概念を用いて更に別の実施例を提供するために必要な場合は、上述の実施例の態様は変更可能である。
【0090】
前述の記載に照らして、実施例にこれら及び他の変更を行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は本明細書及び特許請求の範囲に開示される特定の実施例に特許請求の範囲を限定するものとして解釈されず、そのような特許請求の範囲の権利が与えられる（ｅｎｔｉｔｌｅｄ）均等物の全範囲に加えて全ての可能な実施例を包含するものとして解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
