以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本発明による移相撮像素子および他の光学素子の様々な実施の形態が使用可能な干渉計100の一実施の形態を示す。図1に示すように、干渉計100は、一般に、伝送部102および撮像部104を含む。伝送部102は、コヒーレント光波面112を伝送するレーザ光源110を含む。様々な実施の形態において、レーザ光源110は、コヒーレント光波面112に関して異なる時間で少なくとも2つの波長を提供する、2つのレーザ、波長変調、または、他の公知または後に開発されるデバイス、機構または装置を含む。
ここで用いられるように、用語「光」は、可視光だけでなく、本発明の原理に従って別の方法で使用可能である電磁波スペクトルの一部を包含する。光の少なくとも2つの波長が提供されるとき、干渉計100は、絶対測定のある形式を提供する。いかなる場合でも、レーザ光源110によって伝送されたコヒーレント光波面112は、ミラー114によって向きが変えられ、単一の偏光波面スプリッタ120に導かれる。特に、単一の偏光波面スプリッタ120は、伝送部102と撮像部104の両方によって分けられる。すなわち、単一の偏光波面スプリッタ120は、コヒーレント光波面112を参照波面122と対象波面126の両方に分けるとともに、戻る参照波面124および戻る対象波面128を混合して混ぜ合わされた波面129にする。そして、混ぜ合わされた波面129は、光学入力部135を通過する。
図1に示すように、干渉計100の撮像部104は、単一の偏光波面スプリッタ120および光学入力部135に加えて、多重移相画像発生部1600を含む。様々な実施の形態において、光学入力部135は、光学入力部135によって伝送された混ぜ合わされた波面129が多重移相画像発生部1600に適合するように、レンズ、絞りなどの1つ以上の光学素子を含む。様々な実施の形態において、光学入力部は、絞りおよびレンズのテレセントリック配置を含む。図1に示すように、多重移相画像発生部1600は、光学入力部135から混ぜ合わされた波面129を入力し、多重位相変位干渉画像情報600を検出サブシステム700に出力する多重移相発生機構1400を含む。
検出サブシステム700は、一般に、光学アレイによって規定される活性表面を有する。光学アレイは、二次元画素アレイで、電荷結合素子(CCD)カメラなどの撮像センサである。検出サブシステム700は、多重位相変位干渉画像情報600を入力し、信号線172を介して検出サブシステム700によって捕らえられた画像データを制御システム170に出力する。制御システム170は、測定定量を含む捕らえられた画像データに所望の画像処理を施し、かつ/または解析する。制御システム170は、また、伝送部102のレーザ光源110を駆動するための制御信号174を出力する。
図2は、米国特許6,034,330に開示されている多重移相画像発生装置200の一例を模式的に示す。多重移相画像発生装置200は、図1を参照して前述した多重移相発生機構1400の公知の実施態様を提供するように組み合わせて使用可能な波面スプリッティング素子210および移相干渉素子220を含む。多重移相画像発生装置200は、また、検出アレイ240を含み、これは、同様に、検出サブシステム700の公知の実施態様を提供する。
図2に示すように、光学入力部135によって伝送された混ぜ合わされた波面129は、伝送部102からの参照波面124と、偏光波面スプリッタ120を通して対象物130によって戻されたすなわち反射された対象波面128を含む。偏光波面スプリッタ120は、参照波面124と対象波面128が直交に偏光されるように構成され、それは、波面124および128に適用される矢印およびドットによって図2に示される。
光学入力部135から、混ぜ合わされた波面129は、波面スプリッティング素子210上に導かれる。米国特許6,034,330に開示されているように、波面スプリッティング素子210は、二次元回折光学素子(DOE)であり、特に、ホログラフィック光学素子(HOE)である。いかなる場合でも、波面スプリッティング素子210は、混ぜ合わされた波面129を、空間分割されかつ名目上一致する4つのサブ波面250,260,270および280に分け、各サブ波面は、様々な実施の形態において、出力レンズ(図示せず)を介して伝送される。特に、米国特許6,034,330に開示されているように、各サブ波面250〜280は、空間離散経路に従う。各サブ波面250〜280は、それぞれ、波面スプリッティング素子210から移相干渉素子220に導かれ、移相干渉素子220は、各サブ波面250〜280に対するセクション232,234,236および238を含む。
特に、米国特許6,034,330に開示されているように、移相干渉素子220は、複数のサブ波面250〜280がそれぞれセクション232〜238に入射するように波面スプリッティング素子210に関して設けられる。特に、移相干渉素子220の各セクション232〜238は、どこでも、離散位相変位量Δφiによってそのセクション232〜238に入射するサブ波面250〜280のそれぞれの参照波面124と対象波面128の間の相対位相を変える。そして、移相干渉素子220のセクション232〜238は、図1を参照して前述した多重干渉画像情報600の1つの公知例を提供するように、それぞれの偏光器を通して生じた波面を伝送する。
特に、よって、移相干渉素子220の各セクション232〜238は、空間分離移相インタフェログラム(interferogram)600a,600b,600cおよび600dの完全なそれぞれを検出アレイ240に伝送する。各空間分離移相インタフェログラム600a〜600dの位相変位は、どこでも同じで、様々な離散位相変位量Δφiに関連する因子によって他の移相インタフェログラムの位相変位を持つ位相の範囲外になる。
米国特許6,034,330に開示されているように、検出アレイ240は、電荷結合素子(CCD)カメラなどのような撮像センサとしてもよい。米国特許6,034,330に開示されているように、検出アレイ240は、複数の空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dが実質的かつ同時に検出アレイ240の活性表面に入射するように移相干渉素子220に関して設けられる。すなわち、検出アレイ240の活性表面は、それぞれの空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dを撮像することができる。撮像された空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dに基づいて、各空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dの空間的に分解された位相を、検出アレイ240の異なるそれぞれの領域において瞬時に測定することができる。
図3は、米国特許6,034,330に開示されている移相干渉素子20の一例を示す。図3に示すように、移相干渉素子220は、第1のプレート222と第2のプレート226を含む。図3において、第1および第2のプレート222,226は、図の簡単化のために、互いに離されて示されている。しかしながら、干渉計100の操作において、第1および第2のプレート222,226は、突き合わされた関係で互いに隣接して置かれる。
図3に示すように、第1のプレート222は、1/4波長板223と空白すなわち中立板224を含む。一般に、1/4波長板は、π/2(rad)によって、2つの直交偏光された入射波面の相対位相を変える。これに対し、空白すなわち中立板は、0(rad)によって、2つの直交偏光された入射波面の相対位相を変える。すなわち、空白すなわち中立板224は、2つの直交偏光された入射波面間の相対位相変化を生成しない。図3に示すように、プレート223,224は、同一平面で第1のプレート222をそれぞれ半分に分割する。
移相干渉素子220の第2のプレート226は、伝送された波面の電界ベクトルが互いに直角になるように、直線的に入射波面を偏光するように構成された一対の偏光部分227,228を含む。特に、図3に示す実施の形態において、例えば第1の偏光部分227のような偏光部分の1つは、垂直軸に関してπ/4(rad)で偏光された光を伝送するように構成される。その結果、これにより、参照波面124と対象波面128から生じる同位相の成分が干渉する。
同様に、例えば第2の偏光部分228のような他の偏光部分は、垂直軸に関して−π/4(rad)で光を偏光するように構成される。その結果、参照波面124と対象波面128から生じる位相不一致の成分が干渉する。1/4波長板223および空白すなわち中立板224と同様に、第2のプレート226の第1および第2の偏光部分227,228は、また、一般に、同一平面で第2のプレート226をそれぞれ半分に分割する。
従って、図3に示す構成によれば、移相干渉素子220の第1の部分232は、中立板224が第1の偏光部分(+π/4(rad))227と重なる移相干渉素子220の一部に対応する。同様に、第2の部分234は、第1の偏光部分(+π/4(rad))227と重なる1/4波長板223に対応する。これに対し、第3の部分236は、第2の偏光部分228(−π/4(rad))と重なる中立板224に対応し、一方、第4の部分238は、第2の偏光部分228(−π/4(rad))と重なる中立板223に対応する。
特に、図3に示す例において、第1および第2のプレート222,226は、第1のプレート222のそれぞれの部分223,224が第2のプレート226の第1および第2の偏光部分227,228に垂直になるように構成される。
その結果、図3に示す移相干渉素子220において、そして図4に示されるように、第1の部分232、中立板224および第1の偏光部分(+π/4(rad))227において、同位相の成分が干渉する、すなわち、参照波面124と対象波面128の間の0(rad)成分が移相干渉素子220上に入射し、インタフェログラム600aを発生させる。これに対し、第2の部分234、1/4波長板223および第1の偏光部分(+π/4(rad))227において、同位相の直交成分が混ざって干渉する、すなわち、入射参照波面124と対象波面128の間のπ/2(rad)成分がインタフェログラム600bを発生させる。第1および第2の部分232,234の両方に対して、第3の部分236、中立板224および第2の偏光部分(−π/4(rad))228に関しては、位相不一致の成分が混ざって干渉する、すなわち、入射参照波面124と対象波面128の間のπ(rad)成分がインタフェログラム600cを発生させる。最後に、第4の部分238、1/4波長板223および第2の偏光部分(−π/4(rad))228に関しては、位相不一致の直交成分が混ざって干渉する、すなわち、参照波面124と対象波面128の間の3π/2(rad)成分がインタフェログラム600dを発生させる。
米国特許6,034,330に開示されているように、検出アレイ240の撮像エリアを最大にすることが好ましい。従って、検出アレイ240の撮像エリアを最大化するために、空間分離されたインタフェログラム600a,600b,600c,600dで照明される検出アレイ240の表面エリアの一部は、最大化されるべきである。よって、米国特許6,034,330に開示されている多重移相画像発生装置200において、検出アレイ240の撮像エリアを最大化するために、移相干渉素子220が検出アレイ240の活性表面に近接してまたは実質上活性表面上に置かれることが好ましい。検出アレイ240を用いて実質的に瞬時に複数の空間分離された移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dを検出することによって、制御システム170は、検査対象物130全体を瞬時に測定することができる。さらに、空間分離された移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dの全てを瞬時に検出することによって、対象物130の表面を通してまたは亘って空間的に入射対象波面128を個々にスキャンする必要がない。
図5に示すように、撮像サブ波面250,260,270,280は、検出アレイ240の表面に亘って互いに空間的に分離される。しかしながら、1つ以上の光学入力部135、波面スプリッティング素子210、および/または出力レンズ(存在するならば)は、検出アレイ240の表面に入射した各撮像されたサブ波面250,260,270,280、すなわち各移相インタフェログラム600a〜600dが、図5に示すように、少なくとも1つの他のサブ波面に近接しまたは実質的に接触するように、構成される。例えば、図5に示すように、サブ波面250は、実質的にサブ波面260および270に接触し、一方サブ波面260は、実質的にサブ波面250および280に接触し、サブ波面270は、実質的にサブ波面250および280に接触し、サブ波面280は、実質的にサブ波面270および260に接触する。
さらに、図5に示すように、波面スプリッティング素子210によって生成された半径の角変位βは、その角変位βがπ/2(rad)になり4つの画像の全てが放射相称になるように構成される。そのようなものとして、各サブ波面250,260,270,280は、波面スプリッティング素子210から検出アレイ240の表面への独立した光学経路に従う。理想的には、それぞれの独立した光学経路は、他の光学経路のそれぞれと実質的に同じ長さを有する。従って、複数のサブ波面250,260,270,280は、実質的に同時に検出アレイ240の表面に到達する。
図5に示すように、検出アレイ240は、各サブ波面250,260,270,280が、移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dのように、それぞれ名目上合同に撮像される区分可能な部分242,244,246,248を有するように考慮することができる。特に、図5に示すように、米国特許6,034,330に開示されている波面スプリティング素子210および移相干渉素子220が多重移相発生機構1400として使用されるとき、各部分242〜248は、検出アレイ240内で互いに間隔があけられる。
従って、米国特許6,034,330に開示されている多重位相変位干渉画像情報600の公知例の結果、対象物130に対する測定値を求めるために画素を比較するとき、検出アレイ240の各部分242〜248における広く分離された画素が比較される必要がある。例えば、第1の部分242における与えられた画素243に関して、第2〜第4の部分244〜248における対応する位置にある画素245,247および/または249が、それぞれ、比較される必要がある。
上述したように、公知の波面スプリッティング素子210は、図1および図2に示すように、公知の移相干渉素子220との組み合わせにおいて、干渉計100が使用されるとき、非同相誤差である他の干渉計においての多数の誤差を同相誤差に変換する。しかしながら、図2に示すように、波面スプリティング素子210は、各サブ波面250,260,270,280間の適当な発散および空間を得るための十分な距離を移相干渉素子220から離す必要がある。さらに、米国特許6,034,330において認められているように、波面スプリッティング素子210から移相干渉素子220までのサブ波面250,260,270,280の経路長は、理想的には、同じにしなければならない。
しかしながら、これらの経路長が理想的に同じであるという要求は、誤差の新たな源を持ち込む。すなわち、サブ波面250,260,270,280の経路に影響を与えないいかなる回転および/または平行移動も、同等に、これらの経路の経路長を変化させる。一般に、これは、関連する空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dにおける異なる合焦状態を招き、そして/または、検出アレイ上の空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dの様々な部分の相対位置における移動を招き、これが誤差を導く。例えば、第1の部分242における与えられた画素243に関して、図5に関して上述したように、第2〜第4の部分244〜248において対応する位置にある画素245,247および/または249は、それぞれ、もはや対象物130の同じ部分に正確に対応せず、その結果、もはや正確に比較可能ではない。これは、換言すれば、検出アレイ240から信号線172を経た画像データ出力から制御システム170によって生成された測定値へ、誤差を持ち込む。
同様に、サブ波面250,260,270,280の関連する空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dは、検出アレイ240の表面に亘って互いに離されているから、サブ部分242,244,246,248の1つによって生成された与えられた強度値に対する出力信号振幅の、他のサブ部分242,244,246または248の1つによるその出力に対する変化は、誤差の源を持ち込む。
従来技術において公知であるように、CCDアレイ、C−MOSに基づいたアレイなどの半導体撮像装置に関しては、2つの隣接する画素が、ほぼ同じの入力強度と出力信号振幅の間の応答曲線すなわち伝達関数を有する。しかしながら、従来技術において公知であるように、そのような半導体撮像装置に関して、画素243,245,247および249などのアレイ内で著しく離された画素が、著しく異なる入力強度と出力信号振幅の間の応答曲線すなわち伝達関数を有する。
従って、これは、検出アレイ240によって生成された画像データから、誤差を制御システム170によって生成された測定値に持ち込む。さらに、空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dの比較可能領域間で変化する様々な光行差を持ち込むことなく、図2〜図5を参照して上述した機能を提供する波面スプリティング素子210を含む多重移相画像発生装置200を作ることは困難かつ/または高価である。
図2〜図5に示される素子および操作を参照して上述した様々な誤差および困難性は、多重移相発生機構1400および位相変位干渉画像情報600が空間分離された波面すなわち空間分離移相インタフェログラムを検出サブシステム700の分離部分すなわち表面に分配する範囲でいかなるシステムにも生じる同様の誤差および困難性の例となる。
非同相誤差のこれらの新たな源を認識するのに加えて、多重位相変位干渉画像情報が検出サブシステム700における小さい領域内で多重移相に提供され得る範囲で、これらおよび他の誤差が減少し、そして理想的には排除されることが求められた。これは、各サブ波面250,260,270,280を分配することと対照的であり、従って、それぞれの区分可能な空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dが、独立した光路を経て、検出サブシステム700を具体化する検出アレイ240の分離部分に分配される。
言い換えれば、米国特許6,034,330に開示されているサブ波面250,260,270,280などの空間的に分離されたサブ波面のいくつか、および多重位相変位干渉画像情報600におけるそれらの空間分離移相インタフェログラムが、多重位相変位干渉画像情報600に含まれるいくつかの位相に対して減少されるならば、これらの非同相誤差減に関連する少なくともいくつかの誤差が排除され、そして/または同相誤差に変換されることが求められた。いずれの場合も、これは、関連測定における誤差量を減少させるのに貢献する。
例えば、空間分離移相インタフェログラム600a,600b,600c,600dの組み合わせによって生成された多重位相変位干渉画像情報を保持し、その上、多重位相変位干渉画像情報に含まれる少なくともいくつかの位相に対する光路の少なくともいくつかがもはやQ0〜Q3および検出サブシステム700の表面に亘って離れていないように波面スプリティング素子210を改造または排除すると、これらの非同相誤差源を排除しそして/または同相誤差源に変換することができる。いずれの場合も、これは、信号線172を経て検出サブシステム700によって出力された画像から制御システム170によって生成された測定値において、誤差量を減少させ、または理想的には、誤差を生成しないことに貢献する。
図6は、本発明による高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態の一部を示す。図6(a)に示す高密度移相アレイ素子410は、本発明による移相撮像素子の第1および第2の実施の形態3000,4000に関して以下に述べるように、多重移相発生機構1400の様々な実施の形態において使用可能である。本発明による実施の形態3000,4000および同様の移相撮像素子は、図2〜図5に示す多重移相画像発生装置200に代えて、さらに一般的には、図1を参照して述べた多重移相画像発生部1600において使用可能である。
図6は、さらに、図6(b)に示す高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態の一部を示し、この高密度移相アレイ素子420は、本発明による移相撮像素子の第1および第2の実施の形態3000,4000において使用可能であり、第1および第2の実施の形態3000,4000は、換言すれば、多重移相画像発生装置200に代えて、さらに一般的には、図1を参照して述べた多重移相画像発生部1600において使用可能である。
図6に示すように、高密度移相アレイ素子410および420の第1および第2の実施の形態は、それぞれ、複屈折材から形成された「可変厚さ」タイプの相対遅延アレイである。高密度移相アレイ素子410,420の第1および第2の実施の形態においては、相対遅延アレイの複屈折材の速軸および遅軸が遅延アレイを通して一様に向けられる。相対遅延アレイの「厚さパターン」の各部における厚さは、遅軸に平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の光の成分が速軸に平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の光の成分に比して相対的に遅延される量を決定する。
光の与えられた波長に関して、相対遅延アレイの一部を通過した様々な偏光された光の成分の間の相対的な遅延は、様々な偏光された光の成分の間の相対的位相変化として特徴付けることができる。従って、相対遅延アレイの一部を通過した偏光された光の成分間のそのような相対的遅延は、代わりに、相対的遅延、相対的位相変化として、または単に相対的位相変化または移相として呼ぶことができる。そのような用語は、前後のまたは関連の記述によって示されるにも拘らず、一般に、以下の同じ意味を有する。
用語「速軸」および「遅軸」は、ここでは主に、相対的な意味で使用される。すなわち、ここで使用されるように、速軸は、遅軸として作用する軸の有効な屈折率より小さい有効な屈折率を有する軸である。様々な実施の形態において、速軸および遅軸は、いくつかの分野において厳密な意味で速軸および遅軸と呼ばれる特定の結晶軸などと合わせられる。しかしながら、より一般的には、本発明の原理に従う操作的に有効な「速軸」および「遅軸」を提供するように働くいかなる材料の軸も、ここで使用されるとき、それぞれ、用語の速軸および遅軸の範囲に含まれる。
図6に示すように、様々な実施の形態において、図6(a)に示す高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態は、低次数のクォーツ波長板などの複屈折基板412を用いて形成される。複屈折基板412は、表面419および速軸418を有する。図示していない遅軸は、速軸418に直交し、表面419に平行である。図6に示すように、高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態の複屈折基板412は、複屈折基板412の遅軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が複屈折基板412の速軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、波長の整数倍分遅延されるような、公称厚さT0を有する。
図6に示すように、様々な実施の形態において、図6(b)に示す高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態は、また、低次数のクォーツ波長板などの複屈折基板422を用いて形成される。複屈折基板422は、表面429および速軸428を有する。図6に示すように、高密度移相アレイ素子420の第1の実施の形態の複屈折基板422は、複屈折基板422の遅軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が複屈折基板422の速軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、波長の整数倍に波長の1/4が加えられた分遅延されるような、公称厚さT90を有する。
従って、高密度移相アレイ素子410の各部分P0は、公称厚さT0を有する。その結果、高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態の各部分P0は、波面129の成分間で正味の相対位相変化を生成しない。すなわち、各部分P0は、ここで慣習的に使用され、添字「0」によって示されるように、波面129の成分間でゼロ(rad)位相変化を生成する。これに対し、高密度移相アレイ素子420の各部分P90は、公称厚さT90を有する。すなわち、基板422は、名目上1/4波長板である。その結果、高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態の各部分P90は、ここで慣習的に使用され、添字「90」によって示されるように、波面129の成分間でπ/2(rad)の相対位相変化を生成する。
図6に示すように、高密度移相アレイ素子410,420の第1および第2の実施の形態は、基板412,422に刻まれた凹部のアレイを含む。図6に示すように、凹部は、長方形である。しかしながら、より一般的には、様々な実施の形態において、凹部の形状は、検出サブシステム700の検出アレイの画素または画素群の形状および本発明による移相アレイ撮像素子3000,4000または同様のものにおいて使用される関連信号処理に対応する使用可能な形状とすることができる。
様々な実施の形態において、凹部は、基板412または422の名目上の表面に対して可能な限り垂直な側で刻まれる。このようなエッチングは、リアクティブイオンエッチングまたは他の方法によって達成される。図6に示すように、高密度移相アレイ素子410,420の第1および第2の実施の形態の凹部は、以下に詳述するように、複屈折基板412における1/2波長板の厚さに対応する寸法を有する深さに刻まれる。従って、基板412,422に刻まれている凹部に関して、凹部によって生成された相対位相変化は、速軸および遅軸に沿った偏光された波面成分に対して、エッチングされていないエリアによって生成された相対位相変化とπ(rad)異なる。
すなわち、図6に示すように、凹部において基板412は、複屈折基板412の遅軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が複屈折基板412の速軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、波長の整数倍に波長の1/4が加えられた分遅延されるような、厚さT180を有する。高密度移相アレイ素子410の各部分P180は、公称厚さT180を有する。すなわち、基板412の各凹部は、名目上1/2波長板に対応する。その結果、高密度移相アレイ素子410の第1実施の形態の各部分P180は、ここで慣習的に使用され、添字「180」によって示されるように、波面129の成分間でπ(rad)の相対位相変化を生成する。高密度移相アレイ素子410の第1実施の形態のこれらのπ(rad)の移相部分P180は、公称厚さT180を有し、0(rad)の部P0に対してπ(rad)異なる位相変化を生成する。
同様に、凹部において基板422は、複屈折基板422の遅軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が複屈折基板422の速軸と平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、波長の整数倍に波長の1/4が加えられた分遅延されるような、厚さT270を有する。高密度移相アレイ素子420の各部分P270は、公称厚さT270を有する。すなわち、基板422の各凹部は、名目上3/4波長板に対応する。その結果、高密度移相アレイ素子420の第2実施の形態の各部分P270は、ここで慣習的に使用され、添字「270」によって示されるように、波面129の成分間で3π/2(rad)の相対位相変化を生成する。高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態のこれらの3π/2(rad)の移相部分P270は、公称厚さT270を有し、π/2(rad)の部P90に対してπ(rad)異なる位相変化を生成する。
図6に示すように、様々な実施の形態において、0およびπ/2(rad)の移相部分P0およびP90は、それぞれ、第1および第2の基板412,422の表面419,429の表面によって形成される。πおよび3π/2(rad)の移相部分P180およびP270は、それぞれ、複屈折基板412,422における1/2波長板の厚さに対応するエッチング深さ寸法で、第1および第2の基板412,422をエッチングすることによって形成される。様々な実施の形態において、そのエッチング深さ寸法は、第1および第2の基板412,422のそれぞれに対して、0次1/2波長板の厚さに対応する。しかしながら、第1および第2の基板412,422のいずれかの一方のエッチング深さ寸法は、0次1/2波長板の厚さの奇数倍に対応する。
様々な実施の形態において、厚さT0は、厚さT180より小さい。同様に、厚さT90は、厚さT270より小さい。このような場合、πおよび3π/2(rad)の移相部分P180およびP270は、それぞれ、第1および第2の基板412,422の表面419,429の表面によって形成される。0およびπ/2(rad)の移相部分P0およびP90は、それぞれ、複屈折基板412,422における1/2波長板の厚さに対応するエッチング深さ寸法で、第1および第2の基板412,422をエッチングすることによって形成される。
図6に示すように、高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態は、パターン411で表面419に亘って分散された交互に並ぶ第1すなわち0(rad)移相部分P0および第2すなわちπ(rad)移相部分P180を含む。特に、図6に示すように、第1および第2の移相部分P0,P180のパターン411は、高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態の水平および垂直方向の両方に交互に並ぶ。これは、第1および第2の移相部分P0,P180の格子縞模様の配置を生成する。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態が本発明による図7,8,10および11に示される検出装置3000,4000のそれぞれに組み込まれるとき、第1および第2の移相部分P0,P180の格子縞模様は、検出サブシステム700を実施するのに用いられる検出装置710の一部の全体表面エリアを実質的に覆うように広がる。
同様に、図6に示すように、高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態は、パターン421で表面429に亘って分散された交互に並ぶ第1すなわちπ/2(rad)移相部分P90および第2すなわち3π/2(rad)移相部分P270を含む。特に、図6に示すように、第1および第2の移相部分P90,P270のパターン421は、高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態の水平および垂直方向の両方に交互に並ぶ。これは、第1および第2の移相部分P90,P270の格子縞模様の配置を生成する。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態が本発明による図7,8,10および11に示される検出装置3000,4000のそれぞれに組み込まれるとき、第1および第2の移相部分P90,P270の格子縞模様は、検出サブシステム700を実施するのに用いられる検出装置710の一部の全体表面エリアを実質的に覆うように広がる。
図6に示す高密度移相アレイ素子410および420の実施の形態において、第1および第2の複屈折基板412,422の速軸418,428は、それぞれ、表面419,429に対して垂直である平面上にある。様々な実施の形態において、速軸418,428は、0およびπ(rad)移相部分P0,P180とπ/2および3π/2(rad)移相部分P90,P270との垂直な縁に対して平行である。しかしながら、様々な実施の形態において、速軸418,428は、混ぜ合わされた波面129の偏光された成分の相対的な方向性および他の関連する設計要素によって、様々な移相部分の水平な縁と平行に、これらの縁に対してπ/2(rad)で、または他の操作可能な方向にある。高密度移相アレイ素子410および420の第1および第2の実施の形態において、速軸418,428は、それぞれ、第1および第2の基板412,422全体を通して固定されかつ一定であり、移相部分P0,P90,P180,P270は、第1および第2の基板412,422内の加工された厚さを制御可能に変えることによって得られる。
高密度移相アレイ素子410および420の第1および第2の実施の様々な移相部分P0,P90,P180,P270は、公知または後に開発される製作方法によって形成される。そのような方法は、限定されることはないが、パターン蒸着またはコーティングなどの材料付加方法、パターンエッチングなどの材料除去方法、マイクロ成形、マイクロエンボス加工などの材料置換方法を含む。特に、唯一の製作要求は、移相部分P0,P90,P180,P270が高密度アレイで製作されることである。具体的には、以下に詳述するように、移相部分P0,P90,P180,P270の寸法が、光学検出アレイの1つの画素または小さい画素群の寸法に近づくことができる必要がある。本発明による様々な実施の形態において、図6に示すように、様々な移相部分P0,P90,P180,P270のアレイが、複屈折材から形成される第1および第2の基板412,422内で異なる厚さを有するパターン領域を生成するエッチングまたは他の方法によって実現される。
特に、各基板412,422が、薄膜形成などに用いられる方法などの適当な公知または後に開発される方法によって覆い隠される。従って、第1、第2、第3および第4の移相部分P0,P180,P90,P270のパターン411,421は、リアクティブイオンエッチングまたは他の方法など、適切な公知のまたは後に開発される方法によって、基板412,422の表面419,429に刻まれる。前述したように、様々な実施の形態において、移相部分P180,P270は、それぞれ、複屈折基板412,422に、1/2波長板の厚さに対応するエッチング深さ寸法で刻まれる。例えば、基板412,422として代表的な商業的に有用なクォーツ波長板を使用する様々な実施の形態において、移相部分P180,P270に対する表面419,429から35ミクロンの公称エッチング深さは、633nmの波長を有するレーザ波面を放射するレーザ光源に対して適切である。
図6に示すように、様々な移相部分P0,P180,P90,P270の複製方向は、水平および垂直に配置される。しかしながら、より一般的には、様々な移相部分P0,P180,P90,P270の複製方向は、本発明による多重移相発生機構の他の要素との組み合わせにおいて、完全に制御可能でかつ選択可能である。様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P180,P90,P270は、同じサイズおよび形状であり、検出サブシステム700の検出アレイの同じ部分を覆う。
様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P180,P90,P270は、検出サブシステム700の検出アレイの整数の画素に亘って広がる。様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P180,P90,P270の境界は、検出アレイの画素間の境界と合わせられる。従って、このような実施の形態において、様々な移相部分P0,P180,P90,P270の各対または組は、高密度移相アレイ素子410,420の第1および第2の実施の形態内のユニットセルと対応する検出サブシステム700の検出アレイを規定する。極端には、様々な移相部分P0,P180,P90,P270のそれぞれは、対応する検出サブシステム700の検出アレイのそれぞれの単一の画素と関連付けられ調整される。
第1の高密度移相アレイ素子410の0およびπ(rad)の移相部分P0,P180と、第2の高密度移相アレイ素子420のπ/2および3π/2(rad)の移相部分P90,P270とをグループ化することは、ある同相のオフセット誤差を削除しようとするときにはより適切であるが、そうでなければ、いくらか任意である。すなわち、これは、本発明による高密度移相アレイ素子に使用可能な様々な移相グループ化におけるいくつかの基礎的な制限のために、行われない。従って、高密度移相アレイ素子は、代わりに、0およびπ/2(rad)の移相部分P0,P90を含むことができ、一方、他の高密度移相アレイ素子は、代わりに、πおよび3π/2(rad)の移相部分P180,P270を含むことができる。よって、本発明による移相撮像素子の様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P180,P90,P270の他の組み合わせは、高密度移相アレイ素子において実現され、本発明による高密度移相アレイ素子の少なくともいくつかの効果および利点が提供されるであろう。
図7および図8は、本発明による移相撮像素子3000の一例を示す。図7に示すように、移相撮像素子3000は、本発明による多重移相発生機構1400の第1の実施の形態および本発明による検出サブシステム700の第1の実施の形態を含み、検出サブシステム700の第1の実施の形態は、検出装置710a,710bを含む。図7および図8に示す実施の形態において、多重移相発生機構1400は、本発明による1対の高密度移相アレイ素子410,420を組み込む。多重移相発生機構1400は、また、ビームスプリッタ310および2つの偏光素子510a,510bを含む。
米国特許6,034,330に開示され図2〜図5を参照して述べた移相画像発生装置200は、第1の部分222の1/4波長板223および空白すなわち中立板224の2つの「移相」部分と、第1の+π/4(rad)の偏光部227および第2の−π/4(rad)の偏光部228の2つの異なる方向の偏光器とを使用し、空間的に分離されている4つの干渉画像を生成する。これに対し、本発明による第1の例の移相撮像素子3000は、交互配置された部分P0,P180および交互配置された部分P90,P270の4つの移相部分すなわち高密度移相アレイ素子410,420の部分と、偏光素子510a,510bの同一の有効な方向性を有する2つの偏光器とを使用し、異なる位相を有する2つの交互配置された干渉画像部分をそれぞれ含む2つの干渉画像を生成する。
図7および図8に示すように、この第1の実施の形態において、第1の高密度移相アレイ素子410および第1の偏光素子510aは、第1の方向に沿ってビームスプリッタ310に隣接する。この第1の方向に沿って、多重移相発生機構1400は、検出装置710aとの境界で、多重位相変位干渉画像情報610を発生する。第2の高密度移相アレイ素子420および第2の偏光素子510bは、第2の方向に沿ってビームスプリッタ310に隣接する。この第2の方向に沿って、多重移相発生機構1400は、検出装置710bとの境界で、多重位相変位干渉画像情報620を発生する。しかしながら、高密度移相アレイ素子410,420は、それぞれ、第1および第2の方向に沿って位置する必要はない。すなわち、高密度移相アレイ素子410,420は、代わりに、移相撮像素子3000の動作原理を実質的に変えることなく、それぞれ、第1および第2の方向に沿って位置することができる。
図7および図8に示すように、混ぜ合わされた波面129は、光学入力部135’によって伝送される。光学入力部135’に関連する様々な設計考慮は、図24〜図27を参照してさらに以下に述べられる。伝送された混ぜ合わされた波面129は、参照波面124および対象波面128を含む。伝送された混ぜ合わされた波面129は、ビームスプリッタ310を通過し、ビームスプリッタ310は、混ぜ合わされた波面129を2つのそれぞれの混ぜ合わされたサブ波面すなわち複製されたもの129a,129bに分離する。ビームスプリッタ310の作用によって、サブ波面すなわち複製されたもの129a,129bは、互いに鏡像である。しかしながら、適切な信号処理で、この違いは重要ではない。さらに、様々な実施の形態において、この違いは利点でさえある。サブ波面129aは、第1の方向に沿って第1の高密度移相アレイ素子410および偏光素子510aに導かれて検出装置710aに至る。これに対し、サブ波面129bは、第2の方向に沿って第2の高密度移相アレイ素子420および偏光素子510bに導かれて検出装置710bに至る。
前述したように、高密度移相アレイ素子410の0(rad)の移相部分P0およびπ(rad)の移相部分P180は、混ぜ合わされたサブ波面129aを備える0(rad)およびπ(rad)で直交に偏光された2つのサブ波面の成分124a,128a間の相対位相を変えるように製作される。従って、第1の方向に沿って導かれたサブ波面129aが第1の高密度移相アレイ素子410によって伝送されるとき、第1の高密度移相アレイ素子410の格子縞パターン411は、混ぜ合わされたサブ波面129aにおいて、パターン411に対応する空間的に交互配置された格子縞移相パターンを生成する。格子縞移相パターン411において、2つの直交偏光されたサブ波面成分124a,128aは、相対的に、部分P0に対応する0(rad)および部分P180に対応するπ(rad)によって移相される。
格子縞移相パターン411を含む第1の高密度移相アレイ素子410を通過する混ぜ合わされたサブ波面129aは、偏光素子510a上に導かれる。偏光素子510aは、混ぜ合わされたサブ波面129aの直交偏光されたサブ波面成分124a,128aの同位相成分を伝送するように方向付けられている。その結果、多重位相変位干渉画像情報610は、0(rad)の移相部分P0およびπ(rad)の移相部分P180の格子縞パターンに対応する高空間周波数で交互配置された第1の「0(rad)」干渉部分と第2の「π(rad)」干渉部分の、パターン411に対応する、格子縞パターンを含む。
同様に、第2の高密度移相アレイ素子410のπ/2(rad)の移相部分P90および3π/2(rad)の移相部分P270は、混ぜ合わされたサブ波面129bを備えるπ/2(rad)および3π/2(rad)で直交偏光された2つのサブ波面の成分124b,128b間の相対位相を変えるように製作される。従って、第2の方向に沿って導かれたサブ波面129bが第2の高密度移相アレイ素子420によって伝送されるとき、第2の高密度移相アレイ素子420の格子縞パターン422は、混ぜ合わされたサブ波面129bにおいて、パターン421に対応する空間的に交互配置された格子縞移相パターンを生成するように作用する。格子縞移相パターン421において、2つの直交偏光されたサブ波面成分124b,128bは、相対的に、部分P90に対応するπ/2(rad)および部分P270に対応する3π/2(rad)によって移相される。
格子縞移相パターン421を含む第2の高密度移相アレイ素子420を通過する混ぜ合わされたサブ波面129bは、偏光素子510b上に導かれる。偏光素子510bは、混ぜ合わされたサブ波面129bの直交偏光されたサブ波面成分124b,128bの同位相成分を伝送するように方向付けられている。その結果、多重位相変位干渉画像情報620は、π/2(rad)の移相部分P90および3π/2(rad)の移相部分P270の格子縞パターンに対応する高空間周波数で交互配置された第1の「π/2(rad)」干渉部分と第2の「3π/2(rad)」干渉部分の、パターン421に対応する、格子縞パターンを含む。
様々な実施の形態において、第1および第2の高密度移相アレイ素子410,420のパターン化された表面419,429は、それぞれ、対応する検出装置710a,710bに向けられている。この場合、サブ波面129a,129bは、それぞれ、第1および第2の高密度移相アレイ素子410,420のエッチングされていないすなわち「平面」側に入射し、第1および第2の偏光素子510a,510b上のパターン化された表面419,429を経て射出する。
様々な実施の形態において、第1および第2の高密度移相アレイ素子410,420のパターン化されたすなわちエッチングされた表面419,429は、それぞれ、偏光素子510a,510bに突き合わされる。様々な実施の形態において、第1および第2の偏光素子510a,510bは、別個の偏光素子である。しかしながら、様々な他の実施の形態において、偏光素子510a,510bは、それぞれ、対応する検出装置710a,710bに最も近接する第1および第2の高密度移相アレイ素子410,420の表面上に直接製作するようにしてもよい。従って、様々な実施の形態において、偏光素子510aおよび/または510bの構造および/または機能は、対応する第1および/または第2の高密度移相アレイ素子410,420と合併しかつ/または区別できない。パターン化された表面419,429が対応する検出装置710a,710bに最も近接する実施の形態において、パターン化された表面419,429は、偏光素子510a,510bに適用されるならば、薄膜および半導体処理分野において公知の平坦化技術によって、平坦化されてもよい。
様々な実施の形態において、平坦化は、高密度移相アレイ素子410または420の基板の名目上の屈折率に合致する屈折率を有し、非結晶そうでなければ遅延効果を欠く光学材で様々な移相部分P0〜P270を塗りつぶすことを含む。様々な実施の形態において、表面419,429が平坦化されるとき、移相材を除去することを避けることが注意される。これは、移相アレイ素子410および/または420の表面419および/または429の全体に亘って中立光学材の薄膜を残すことによって達成される。移相アレイ素子410および/または420がそれぞれ分離した偏光素子510a,510bと結合される様々な実施の形態において、適切な光学指数を有する光学等級の接着剤は、パターン化された表面419,429を塗りつぶすことと、移相アレイ素子410および/または420のパターン化された表面419,429を偏光素子510a,510bとそれぞれ結合することの両方に用いることができる。
様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子410,420は、本発明による高密度移相アレイ素子410,420の移相部分P0〜P270間の縁と一致する遮光材の1組の「バリアストリップ」を含む。一般に、バリアストリップは、高密度移相アレイ素子410,420の移相部分P0〜P270間のエッチングされた側壁の傾斜部分を塞ぐのに十分な幅を有する。
これらの実施の形態において、バリアストリップは、また、多重位相変位干渉画像情報610,620の特定の干渉部分から意図されない検出素子すなわち画素への望まれない漏れを防止するのに十分な広さを有する。例えば、そのような漏れは、本発明による第1の例の移相撮像素子3000の製作および組み立て時に、アライメント公差によって生じる。
様々な実施の形態において、偏光素子510a,510bは、ワイヤ格子偏光素子であり、これらは、図18〜図22に関して以下に述べるようなものであって、それぞれ、対応する検出装置710aまたは710bに最も近接する、第1および第2の高密度移相アレイ素子410,420の平面上に直接作られる。そのような実施の形態において、特に、ワイヤ格子偏光素子の製作に用いられる薄膜ステップ中に、バリアストリップの組を形成することは容易である。
様々な他の実施の形態において、偏光素子510aおよび/または510b、および/またはバリアストリップは、それぞれ、検出装置710a,710bの表面上に直接作られてよい。偏光素子510a,510bがワイヤ格子偏光素子であるとき、薄い絶縁層が、検出装置710aまたは710bの活性部分とワイヤ格子偏光器の素子との間に使用されるべきである。従って、様々な実施の形態において、偏光素子510aおよび/または510bと検出装置710aおよび/または710bの構造および機能は、それぞれ、合併される。
様々な実施の形態において、製作のそれぞれの方法に関係なく、移相アレイ素子410,420のパターン化された表面419,429は、検出装置710a,710bに向けられ、偏光素子510a,510bに突き合わされている。様々な実施の形態において、偏光素子510a,510bは、検出装置710a,710bの近傍において、多重位相変位干渉画像情報610および/または620の焦点深度に対して薄い。様々な実施の形態において、偏光素子510a,510bは、偏光素子510a,510bがそれぞれ薄膜絶縁層すなわち無視可能な空隙などによって検出装置710a,710bの検出素子の表面から分離されるように、それぞれの検出装置710a,710bに突き合わされる。
そのような突合せ例において、様々な移相部分P0〜P270および対応する検出装置710aまたは710bの検出素子間の最良の配置調整は、容易にされ、隣接する検出素子または画素間の異なるそれぞれの移相の干渉光の漏れは、減少され、そして、理想的には、最小化される。さらに、第1および第2の偏光素子510a,510bの偏光機構によって分散または回折される光は、主に、隣接する画素によって限定され、そして平均化され、その結果、捕らえられた多重位相変位干渉画像情報610および/または620を乱さないであろう。
様々な実施の形態において、それぞれの製作方法に関係なく、偏光素子510a,510b、高密度移相アレイ素子410,420、検出装置710a,710bおよびビームスプリッタ310は、互いに有効に接着または結合され、図7に示す移相撮像素子3000のようなモノリシック移相撮像素子を形成する。本発明による様々な実施の形態において、各混ぜ合わされたサブ波面129a,129bの有効光路長の各部分が可能な限り同様に、理想的には等しくなるように、同じ偏光素子510a,510b、高密度移相アレイ素子410,420およびビームスプリッタ310を製作することは、有利である。
移相撮像素子3000の第1の実施の形態において、参照波面124および対象波面128は、図8に示す直交する鉛直および水平方向132A,133Aに沿って偏光される。この実施の形態において、それぞれの移相アレイ素子410または420の複屈折材基板の速軸418,428は、図6に示すように、鉛直方向に向けられ、偏光素子510a,510bは、それぞれ、例えば直交する鉛直および水平方向132A,133Aに対してπ/2(rad)の位置にある偏光方向512Aを有する。その結果、偏光素子510aは、第1の高密度移相アレイ素子410を通過する格子縞移相パターンにおける混ぜ合わされたサブ波面129aの直交偏光されたサブ波面成分124a,128aの同一位相成分を伝送し干渉させ、多重位相変位干渉画像情報610を生成する。同様に、偏光素子510bは、第2の高密度移相アレイ素子420を通過する格子縞移相パターンにおける混ぜ合わされたサブ波面129bの直交偏光されたサブ波面成分124b,128bの同一位相成分を伝送し干渉させ、多重位相変位干渉画像情報620を生成する。
特に、多重位相変位干渉画像情報610は、「Q0」および「Q2」干渉部分の格子縞パターンを含む。「Q0」干渉部分は、第1の高密度移相アレイ素子410および偏光素子510aのゼロ(rad)の移相部分P0を通過するサブ波面成分124a,128a間のゼロ(rad)の相対位相変位に対応する。「Q2」干渉部分は、第1の高密度移相アレイ素子410および偏光素子510aのπ(rad)の移相部分P180を通過するサブ波面成分124a,128a間のπ(rad)の相対位相変位に対応する。
従って、多重位相変位干渉画像情報610内の「Q0」および「Q2」干渉部分は、高密度移相アレイ素子410のパターン411に対応する高空間周波数での格子縞パターン上に交互配置される。ある意味では、「Q0」および「Q2」干渉部分のこの格子縞パターンは、図4に示すQ0象限232およびQ2象限236の高密度交互配置に対応し、検出装置710aの表面上に単一の画像として伝送される。
多重位相変位干渉画像情報610の「Q0」および「Q2」干渉部分と同様に、多重位相変位干渉画像情報620は、「Q1」および「Q3」干渉部分の格子縞パターンを含む。「Q1」干渉部分は、第2の高密度移相アレイ素子420および偏光素子510bのπ/2(rad)の移相部分P90を通過するサブ波面成分124b,128b間のπ/2(rad)の相対位相変位に対応する。これに対し、「Q3」干渉部分は、第2の高密度移相アレイ素子420および偏光素子510bの3π/2(rad)の移相部分P270を通過するサブ波面成分124b,128b間の3π/2(rad)の相対位相変位に対応する。
従って、多重位相変位干渉画像情報620内の「Q1」および「Q3」干渉部分は、高密度移相アレイ素子420のパターン421に対応する高空間周波数での格子縞パターン上に交互配置される。ある意味では、「Q1」および「Q3」干渉部分のこの格子縞パターンは、図4に示すQ1象限234およびQ3象限238の高密度交互配置に対応し、検出装置710bの表面上に単一の画像として伝送される。
サブ波面すなわち「複製されたもの」129aおよび129bは、上述したように、互いに鏡像であり、多重位相変位干渉画像情報610および多重位相変位干渉画像情報620は、同様に、対象物130に関するそれらの情報内容に関して互いに鏡像である。しかしながら、適切な信号処理で、この違いは、重要ではなく、様々な実施の形態において、利点でさえある。
移相撮像素子3000の第2の実施の形態において、参照波面124および対象波面128は、図8に示す直交する方向132B,133Bに沿って偏光される。特に、直交する偏光方向132B,133Bは、第1の実施の形態の水平および鉛直方向132A,133Aに対してπ/4(rad)回転されている。この第2の実施の形態において、それぞれの移相アレイ素子410または420の基板材の速軸418,428は、同様に、図6に示す鉛直方向に対してπ/4(rad)回転されているが、移相アレイ素子410,420は、その他の点では、構造上変更されていない。
この第2の実施の形態において、偏光素子510a,510bは、それぞれ、例えば直交する鉛直および水平方向132B,133Bの間の半分の位置にある偏光方向512Bを有する。その結果、第1の実施の形態と同様に、偏光素子510aは、第1の高密度移相アレイ素子410を通過する格子縞移相パターンにおける直交偏光されたサブ波面成分124a,128aの同一位相成分を伝送し干渉させる。これに対し、偏光素子510bは、第2の高密度移相アレイ素子420を通過する格子縞移相パターンにおける直交偏光されたサブ波面成分124b,128bの同一位相成分を伝送し干渉させる。
従って、この第2の実施の形態は、実質的に、上述した移相撮像素子3000の第1の実施の形態と同様の態様で動作する。その結果、様々な実施の形態において、移相撮像素子3000の第2の実施の形態によって提供された多重位相変位干渉画像情報610および多重位相変位干渉画像情報620は、移相撮像素子3000の第1の実施の形態に関して上述したと同じ格子縞パターンを含む。
図7および図8に示すように、本発明による多重移相発生機構1400の第1の実施の形態と例示的な移相撮像素子3000は、それぞれ、モノリシックすなわち集積構造であり、図7および図8に示す様々な光路は、互いに独立していない。すなわち、出会う振動、他の回転および/または並進運動は、本質的に、等しく全ての光路に適用される。従って、そのような回転および/または並進運動によって生じた誤差は、同相誤差である。よって、そのような誤差は、制御システム170によって生成された測定値の精度に影響を与えない。
さらに、Q0干渉部分と呼ばれる「0(rad)相対位相変位」干渉部分およびQ2干渉部分と呼ばれる「π(rad)相対位相変位」干渉部分は、検出装置710aの表面に亘って高空間周波数格子縞パターンで交互配置される。その結果、様々な非同相誤差は、図2〜図5に示す多重移相画像発生装置2002出現し、Q0およびQ2象限における移相インタフェログラム600a,600cの空間分離によって、減少され、理想的には排除される。すなわち、0(rad)およびπ(rad)位相変化干渉部分が検出装置710aの全体に亘って各位置で互いに隣接するから、各位置がそれぞれの位置で0(rad)およびπ(rad)位相変化干渉部分における対象物130の一部の同じ部分を実質的に画像化すると仮定することができる。さらに、各位置の画素に関して、入射光強度から出力信号振幅へ至る伝達関数における不整合は、減少し、そして理想的には最小化される。従って、様々な実施の形態において、これらの要素に関連する誤差は減少しかつ/または最小化され、そして、多数の実施の形態において、理想的には、排除される。
本発明による様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報600が検出サブシステム700上の小さい領域内の多重移相に与えられるから、そのような利点が生じる。言い方を変えれば、本発明による様々な実施の形態において、単一のサブ波面から生じる単一の画像が2つ以上の異なる相対位相変位のそれぞれに対する、画像全体に亘って交互配置される情報を含むから、そのような利点が生じる。本発明による様々な実施の形態において、同じ利点がQ1干渉部分と呼ばれる「π/2(rad)相対位相変位」干渉部分およびQ3干渉部分と呼ばれる「3π/2(rad)相対位相変位」干渉部分から引き出され、それぞれの干渉部分は、同様の理由で、検出装置710bの表面に亘って高空間周波数格子縞パターンで交互配置される。
本発明による多重移相発生機構1400の第1の実施の形態および例示的な移相撮像素子3000は、単一のサブ波面から引き出された単一の画像のみから生じる相対的な位相変位干渉情報の2つの異なる位相を提供する。同様に、本発明による多重移相発生機構1400の第1の実施の形態および例示的な移相撮像素子3000は、単一のそれぞれのサブ波面からそれぞれ引き出された2つの空間分離された画像のみから生じる相対的な位相変位干渉情報の4つの異なる位相を提供する。
様々な実施の形態において、移相撮像素子3000の部品は、混ぜ合わされたサブ波面129a,129bの光路長が実質的に等しくなることを保証するように、選択されて組み立てられる。従って、光学入力部135’の焦点、絞り、および/または倍率特性などは、検出装置710a,710bで同じ画像効果を生成する。
さらに、様々な実施の形態において、検出装置710a,710bは、適合したセットして選択され、そして/または、2つの検出装置710a,710b間の画素の比較可能な検出素子の出力を一致させるように較正される。2つの検出装置710a,710bを使用することは、それぞれのサブ波面129a,129bの画像が単一の同サイズの検出装置の空間分離された領域に結像されるなら、両画像すなわち多重位相変位干渉画像情報610,620が取得可能なものより大きくなることを許容する。移相撮像素子3000の利用可能な信号および空間分解能が結果的に改良される。
しかしながら、この実施の形態は、名目上の画像光強度における違いおよび/または入力光強度から出力信号振幅へ至る伝達関数における不整合が、異なる検出装置710a,710bの比較可能な検出素子すなわち画素間に出現するという一部不利な点を有する。そのような違いによって、いくつかの残りの非同相誤差が制御システム170によって生成された測定値に関連する操作の全てではないが、いくつかにおいて残る。これらの残存誤差は、2つの検出装置を適合させ、そして/または較正する上述した様々な実施の形態において減少される。
図9は、本発明による高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態の一部を示す。図9に示す高密度移相アレイ素子430は、本発明による移相撮像素子の第1および第2の実施の形態3000,4000のそれぞれに関して上述しそして以下に述べるように、多重移相発生機構1400の様々な実施の形態において、使用可能である。図9は、さらに、図9(b)および図9(c)において、多重移相アレイ素子450と取り替え可能な本発明による高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態の一部と高密度移相アレイ素子440の第4の実施の形態の一部を示す。
高密度移相アレイ素子430,450は、本発明による移相アレイ撮像素子の第1および第2の実施の形態3000,4000のそれぞれにおいて使用可能である。実施の形態3000,4000および本発明による同様の移相撮像素子は、図2〜図5に示す多重移相画像発生装置200に代えて、より一般的には、図1を参照して述べた多重移相画像発生部1600において使用可能である。
図9に示すように、様々な実施の形態において、図9(a)に示す高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態は、ゼロ移相基板432を用いて形成される。様々な実施の形態において、ゼロ移相基板432は、アモルファス材または他の非複屈折材を用いて形成することができ、基板432の基板厚さTSは、所望の値にすることができる。しかしながら、様々な実施の形態において、基板432の厚さTSが、複屈折基板432の遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が速軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して波長の整数倍遅延されるようなものにする必要があり、基板432の遅軸が操作可能に調整されてその材料層433以下に述べるように動作する必要があるという条件で、複屈折材が用いられる。
高密度移相アレイ素子430は、さらに、表面439を含む複屈折材層433を含む。特に、複屈折材層433は、以下に詳述するように、選択的にパターン化された速軸を有することができる複屈折材から形成される。図9(a)に示すように、高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態の複屈折材層433は、名目上の厚さT’180を有する。厚さのT’180によって、複屈折材層433の遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が、必要に応じて、複屈折材層433の速軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、半波長に整数倍の波長が加えられた分遅延される。図9(a)に示すように、複屈折材層433は、格子縞パターン431に配置された0(rad)移相部分P0(45)およびπ(rad)移相部分P180(V)を含む。
複屈折材層433の各部分P0(45)は、名目上の厚さT’180を有する。各部分P0(45)は、例示的な「REFERNCE」および「OBJECT」の直交成分および図9(a)に示す実施の形態における各部分P0(45)に示される代表的な調整ラインによって示されるように、その部分における複屈折材層433の速軸が混ぜ合わされた波面129の直交成分の要求された操作方向に対してπ/4(rad)で向けられるように製作される。これらの相対的な方向で、高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態の部分P0(45)は、等しく、直交成分を遅延させ、よって、波面129の成分間で正味の相対位相変位を生成しない。
すなわち、各部分P0は、添え字「0」によって示されるように、波面129の成分間でゼロ(rad)の相対位相変位を生成する。付加された添え字「(45)」は、「可変速軸」移相アレイ素子の部分を示すために使用され、複屈折材層の対応する部分における速軸の相対方向が「π/4rad(45度)」であることを示す。
複屈折材層433の各部分P180(v)は、名目上の厚さT’180を有する。各部分P180(v)は、その部分における複屈折材層433の速軸が鉛直方向に向けられるように形成される。すなわち、各部分P180(v)の速軸は、例示的な「REFERNCE」および「OBJECT」の直交成分および図9(b)に示す実施の形態における各部分P180(V)に示される代表的な調整ラインによって示されるように、混ぜ合わされた波面129の直交成分の鉛直方向に向けられた1つの要求された操作方向に対して平行である。これらの相対的な方向で、高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態の部分P180(V)において、複屈折材層433のその部分における遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の水平成分は、混ぜ合わされた波面129の鉛直成分に対して、半波長すなわちπ(rad)位相分遅延される。
すなわち、各部分P180(V)は、添え字「180」によって示されるように、波面129の成分間でπ(rad)の相対位相変位を生成する。付加された添え字「(V)」は、「可変速軸」移相アレイ素子の部分を示すために使用され、複屈折材層の対応する部分における速軸の相対方向が「鉛直」であることを示す。
上述から、高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態の部分P0(45)およびP180(V)は、多重位相変位干渉画像情報におけるそれらの正味の光学的効果に関して、高密度移相アレイ素子410の第1の実施の形態のP0およびP180に機能的に等しい。従って、本発明による移相撮像素子3000,4000の様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子430,410は、名目上交換可能である。その結果、高密度移相アレイ素子430,410は、同様の設計考慮に従って採用され、同様に大きさが決められ、例えば、図7および図8を参照して上述したように、類似または同一の交互配置された移相画像情報を生成するように移相撮像素子3000,4000内に組み込まれる。
図9(b)に示す高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態は、上述した高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態に類似する方法で形成される。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子450は、基板432に関して前述した方法および寸法に従って製作された基板452を含む。高密度移相アレイ素子450は、同様に、表面459を含む複屈折材層453を含む。同様に、複屈折材層453は、以下に詳述するように、選択的にパターン化された速軸を有することができる複屈折材から形成される。
図9(b)に示すように、高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態の複屈折材層453は、名目上の厚さT’90を有する。厚さT’90によって、複屈折材層453の遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が、必要に応じて、複屈折材層453の速軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、半波長に整数倍の波長が加えられた分遅延される。図9(b)に示すように、複屈折材層453は、格子縞パターン451に配置されたπ/2(rad)移相部分P90(V)および3π/2(rad)移相部分P270(h)を含む。
複屈折材層453の各部分P90(V)は、名目上の厚さT’90を有する。各部分P90(V)は、その部分における複屈折材層453の速軸が鉛直方向に向けられるように製作される。すなわち、各部分P90(V)の速軸は、例示的な「REFERNCE」および「OBJECT」の直交成分および図9(b)に示す実施の形態における各部分P90(V)に示される代表的な調整ラインによって示されるように、混ぜ合わされた波面129の直交成分の鉛直方向に向けられた1つの要求された操作方向に対して平行である。
これらの相対的な方向で、高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態の部分P90(V)において、複屈折材層453のその部分における遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の水平成分は、混ぜ合わされた波面129の鉛直成分に対して、1/4波長すなわちπ/2(rad)位相分遅延される。すなわち、各部分P90(V)は、添え字「90」によって示されるように、波面129の成分間でπ/2(rad)の相対位相変位を生成する。付加された添え字「(V)」は、上述したように、「可変速軸」移相アレイ素子の部分を示すために使用され、複屈折材層の対応する部分における速軸の相対方向が「鉛直」であることを示す。
複屈折材層453の各部分P270(h)は、名目上の厚さT’90を有する。各部分P270(h)は、その部分における複屈折材層453の速軸が水平方向に向けられるように製作される。すなわち、各部分P270(h)の速軸は、例示的な「REFERNCE」および「OBJECT」の直交成分および図9(b)に示す実施の形態における各部分P270(h)に示される代表的な調整ラインによって示されるように、混ぜ合わされた波面129の直交成分の水平方向に向けられた1つの要求された操作方向に対して平行である。これらの相対的な方向で、高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態の部分P270(h)において、複屈折材層453のその部分における遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の鉛直成分は、混ぜ合わされた波面129の水平成分に対して、1/4波長すなわちπ/2(rad)位相分遅延される。
これは、多重位相変位干渉画像情報におけるそれらの正味の光学的効果に関して、混ぜ合わされた波面129の鉛直成分に対して、水平成分を3π/2(rad)位相分遅延させることに機能的に等しい。従って、各部分P270(V)は、実質的に、添え字「270」によって示されるように、波面129の成分間で3π/2(rad)の相対位相変位を生成する。付加された添え字「(h)」は、「可変速軸」移相アレイ素子の部分を示すために使用され、複屈折材層の対応する部分における速軸の相対方向が「水平」であることを示す。
従って、上述から、高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態の部分P90(V)およびP270(h)は、高密度移相アレイ素子420の第2の実施の形態のP90およびP270に機能的に等しい。その結果、高密度移相アレイ素子450,420は、同様の設計考慮に従って採用され、同様に大きさが決められ、例えば、図7および図8を参照して上述したように、類似または同一の交互配置された移相画像情報を生成するように移相撮像素子3000,4000内に組み込まれる。
図9(c)に示す高密度移相アレイ素子440の第4の実施の形態は、高密度移相アレイ素子440が名目上の厚さT90を有する複屈折基板442を要求することを除いて、上述した高密度移相アレイ素子430の第3の実施の形態に類似する方法で形成される。厚さT90によって、複屈折基板442の遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が、必要に応じて、複屈折基板442の速軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、1/4波長に整数倍の波長が加えられた分遅延される。矢印448は、図9(c)に示す実施の形態における基板速軸方向を示し、高密度移相アレイ素子440の構造および動作の次の記述に一致する。
別の点では、高密度移相アレイ素子440は、同様に、表面449を含む複屈折材層443を含む。同様に、複屈折材層443は、以下に詳述するように、選択的にパターン化された速軸を有することができる複屈折材から形成される。図9(c)に示すように、高密度移相アレイ素子440の第4の実施の形態の複屈折材層443は、名目上の厚さT’180を有する。厚さのT’180によって、複屈折材層443の遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分が、必要に応じて、複屈折材層443の速軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の成分に対して、半波長に整数倍の波長が加えられた分遅延される。図9(c)に示すように、複屈折材層443は、格子縞パターン441に配置されたπ/2(rad)移相部分P90(45)および3π/2(rad)移相部分P270(V)を含む。
複屈折材層443の各部分P90(45)は、名目上の厚さT’180を有する。各部分P90(45)は、例示的な「REFERNCE」および「OBJECT」の直交成分および図9(c)に示す実施の形態における各部分P90(45)に示される代表的な調整ラインによって示されるように、その部分における複屈折材層443の速軸が混ぜ合わされた波面129の直交成分の要求された操作方向に対してπ/4(rad)で向けられるように製作される。
これらの相対的な方向で、高密度移相アレイ素子440の第4の実施の形態の部分P90(45)は、等しく、混ぜ合わされた波面129の直交成分を遅延させる。よって、各部分P90(45)は、それ自身では、混ぜ合わされた波面129の正味の移相を生成しない。しかしながら、厚さT90を有する複屈折基板442がいずれに位置においても混ぜ合わされた波面129の水平成分のπ/2(rad)の遅延を生成するから、各部分P90(45)は、添え字「90」によって示されるように、波面129の成分間でπ/2(rad)の相対位相変位を有する伝送光を生成する。付加された添え字「(45)」は、前述した意味を有する。
複屈折材層443の各部分P270(V)は、名目上の厚さT’180を有する。各部分P270(V)は、その部分における複屈折材層443の速軸が鉛直に向けられるように製作される。すなわち、各部分P270(V)の速軸は、例示的な「REFERNCE」および「OBJECT」の直交成分および図9(c)に示す実施の形態における各部分P270(V)に示される代表的な調整ラインによって示されるように、混ぜ合わされた波面129の直交成分の鉛直方向に向けられた1つの要求された操作方向に対して平行である。
これらの相対的な方向で、高密度移相アレイ素子440の第4の実施の形態の部分P270(V)において、複屈折材層443のその部分における遅軸に対して平行に偏光された混ぜ合わされた波面129の水平成分は、さらに、混ぜ合わされた波面129の鉛直成分に対して、1/2波長すなわちπ(rad)位相分遅延される。厚さT90を有する複屈折材層443がいずれの位置でも、混ぜ合わされた波面129の水平成分のπ/2(rad)の遅延を生成するから、よって、部分P270(V)は、添え字「270」によって示されるように、波面129の成分間で合計3π/2(rad)の相対位相変位を有する伝送光を生成する。付加された添え字「(V)」は、前述した意味を有する。
従って、上述から、高密度移相アレイ素子440の第4の実施の形態の部分P90(45)および部分P270(V)は、高密度移相アレイ素子450の第5の実施の形態の部分P90(V)および部分P270(h)に機能的に等しい。従って、高密度移相アレイ素子440,450は、同様の設計考慮に従って採用され、同様に大きさが決められ、例えば、図7および図8を参照して上述したように、類似または同一の交互配置された移相画像情報を生成するように移相撮像素子3000,4000内に組み込まれる。
本発明による移相撮像素子の様々な実施の形態において、結果として生じた干渉測定値の精度および分解能は、混ぜ合わされた波面129の全ての光路長が名目上本発明による移相撮像素子を通して同じであるときに、向上される。「可変厚さ」の高密度移相アレイ素子410,420は、本質的に、異なる移相部分において異なる光路長を生成する。正確に等しい光路長が必要ならば、そのような実施の形態は、屈折率適合充填材などを用いた付加処理を要求する。これに対し、各「可変速軸」高密度アレイ素子430,440,450は、名目上、それぞれ、一定厚さの複屈折材層433,443,453を使用する。従って、高密度アレイ素子430,440,450は、それぞれ、付加処理の必要がなく、異なる移相部分において本質的に等しい光路長を提供する。
複屈折材層433,443,453は、制御可能に変えそしてパターン化することができる速軸および/または遅軸を有する複屈折材を用いて形成することができる。
様々な実施の形態において、層433,443,453は、「反応メソゲン(mesogens)」として知られている種類の材料を用いて形成される。様々な実施の形態において、反応メソゲンは、重合可能な液晶材料として本質的に反応する。一般に、反応メソゲン材層の様々な部分の速軸方位は、材料が様々な部分の速軸合せを調整する製造条件に直面するときに、反応メソゲン材層の様々な部分に適用される調整条件に依存するであろう。様々な公知の製作過程において、調整条件は、調整する領域の1つ以上の方向、調整する光偏光の方向、調整する表面の調整方向とすることができる。
反応メソゲンなどの材料を用いることによって、様々な移相部分における異なる速軸方向のパターンを含む移相部分のアレイを生成することが可能である。すなわち、アレイの各特定部分が方位調整製造条件に直面した時点で、アレイの各特定の移相部分において特定の調整条件を適用することによって、そのような各特定の移相部分に関して、反応メソゲン材の分子の方向および速軸は、調整される。これは、米国特許6,055,103および5,073,294と、「”3D Display Systems Hardware Research at Sharp Laboratories of Europe: an update”,J. Harrold et al., Sharp Technical Journal, May 21, 1999」により詳細に述べられている。
様々な他の実施の形態において、関連する技術を用いて、層433,443,453は、重合可能な液晶材料として本質的に振る舞う液晶ポリマ(LCP)として知られている種類の材料を用いて形成される。これらは、線形光重合(LPP)材の助けをかりて製作される。線形光重合は、液晶ポリマ(LCP)の調整を可能にする光パターン化技術である。
液晶ポリマ/線形光重合(LPP/LCP)素子は、光マスクを通した線形光重合の構成された光調整によって生成され、その結果、本発明による可変速軸高密度移相アレイ素子を製作するのに必要な調整情報を担持する高分解能の光パターン化された調整層を発生する。次の液晶ポリマ層は、調整情報を本発明によるパターン化された複屈折材層に変換する。これは、米国特許6,300,991、6,160,597および6,369,869と、「"Optical LPP/LCP Devices: A new Generation of Optical Security Elements", F. Moia et al., Proceedings of SPIE; Optical Security and Counterfeit Deterrence Techniques III, Vol. 3973, pp. 196-203, San Jose (CA), January 27-28, 2000」に詳細に述べられている。
高密度移相アレイ素子430,440,450の第3,第4および第5の実施の形態の様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)に関して、層433,443,453内の速軸の方位は、層433,443,453を形成するのに用いられる可変速軸材の速軸の方位を制御する公知のまたは後に開発される方法によって形成される。特に、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)は、高密度アレイに製作することができる。具体的には、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)の寸法は、さらに以下に述べるように、光学検出アレイの1画素または小さい画素群の寸法に近づけることができる必要がある。本発明による様々な実施の形態において、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)のアレイは、異なる方向に沿って様々な基板表面、被覆された基板表面、および/または複屈折材層433,443,453に対する操作可能な近似調整によって形成された調整層(図示せず)を磨くことによって実現される。
代わりに、本発明による様々な実施の形態において、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)のアレイは、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)が重合されるとき、所望の方向に調整するための層433,443,453を形成するのに使用される材料をもたらす1つ以上の外部領域を連続して適用することによって実現される。例えば、材料層433においてパターン431を形成するために、第1の移相部分P0(45)は、第1の「π/4(rad)」の方位を有する外部の磁気的、電子的または偏光された光の領域を適用したとき、硬化刺激にこれらの部分を選択的に露出することによって形成することができる。そして、第2の移相部分P180(V)は、第2の「鉛直」の方位を有する外部の磁気的、電子的または偏光された光の領域を適用したとき、硬化刺激にこれらの部分を選択的に露出することによって形成することができる。
図9に示すように、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)の複製方向は、水平方向および鉛直方向に配置される。しかしながら、より一般的には、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)のそれぞれの複製方向は、完全に、本発明による多重移相発生機構の他の素子との組み合わせにおいて、制御可能で選択可能である。様々な実施の形態において、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)は、同じサイズおよび形状であり、検出サブシステム700の検出アレイの相当する部分を覆う。
一般に、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)は、検出アレイの整数の画素に亘って広がる。一般に、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)の境界は、検出アレイの画素間の境界に合わせられる。従って、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)の対または組は、高密度移相アレイ素子430,440,450の第3、第4および第5の実施の形態およびそれらの対応する検出アレイ内のユニットセルを定義する。極端には、様々な移相部分P0(45),P180(V),P90(45),P270(V),P90(V),P270(h)は、対応する検出アレイのそれぞれの単一の画素に関連し、合わせることができる。
図10および図11は、本発明による第2の例の移相撮像素子4000を示す平面図である。図10に概略的に示すように、移相撮像素子4000は、本発明による多重移相発生機構1400’の第2の実施の形態と、検出サブシステム700’を含み、検出サブシステム700’は、検出装置710a,710bを有する検出装置710’を含む。多重移相発生機構1400’は、本発明による第1および第2の移相アレイサブ素子410’,420’を含む高密度移相アレイ素子400’を組み込む。多重移相発生機構1400’は、また、ビームスプリティング表面310’、反射面312a,312bおよび偏光素子510’を含む。
図11に示す実施の形態において、移相撮像素子4000のビームスプリッティング面310’および反射面312a,312bは、下部ブロック半部320aおよび上部ブロック半部320bを含む光学ブロックアセンブリ320によって提供される。上部および下部ブロック半部320a,320bは、公知のまたは後に開発されるビームスプリッタ製造方法に従って、非偏光ビームスプリッティング面310’で結合される。上部および下部ブロック半部320a,320bは、また、反射面312a,312bを提供または装着するように製作された端面または鏡装着面を有する。移相撮像素子4000の残りの部品は、図示するように、光学ブロックアセンブリ320の反対側の端部に装着される。
伝送された混ぜ合わされた波面129は光学ブロックアセンブリ320を通過し、ここで、ビームスプリッティング面310’は、混ぜ合わされた波面129を2つの混ぜ合わされたサブ波面すなわち「複製されたもの」129a’,129b’に分離する。ビームスプリッティング面310’の作用によって、サブ波面すなわち「複製されたもの」129a’,129b’は、互いに鏡像である。しかしながら、適切な信号処理で、この違いは重要ではない、すなわち様々な実施の形態において、利点でさえある。サブ波面129a’は、反射面312aに導かれ、ビームスプリッティング面310’の一方の側の第1の光路に沿ってビームスプリッティング面310’と平行に反射される。これに対し、サブ波面129b’は、反射面312bに導かれ、ビームスプリッティング面310’の他方の側の第2の光路に沿ってビームスプリッティング面310’と平行に反射される。
点線390および実線391は、混ぜ合わされた波面129が移相撮像素子4000を介して伝搬するとき、混ぜ合わされた波面129の異なる部分に対する第1および第2の例示的な光路を示す。移相撮像素子4000の部品は、入力された混ぜ合わされた波面129の入射角に対する移相撮像素子4000の方位と同様に、点線390および実線391によって示された例示的な光路の光路長の合計が実質的に等しくなるように配置される。混ぜ合わされた波面129が移相撮像素子4000を介して伝搬するときの、混ぜ合わされた波面129の様々な部分の光路についても同様である。
様々な実施の形態において、光学ブロックアセンブリ320は、混ぜ合わされた波面129が光学ブロックアセンブリ320の入力表面311に対してほぼ垂直である方向から到達されるように光学入力部135’に対して配置される。様々な他の実施の形態において、入力表面311は、意図的に、垂直な方向からわずかに離れる。これは、偽の反射および干渉縞を減少させようとするときに完全に垂直な入射より有利である。いずれの場合も、様々な実施の形態において、混ぜ合わされた波面129は、ビームスプリッティング面310’に対して名目上π/4(rad)の入射角で伝搬する。そのような実施の形態において、上部および下部ブロック半部320a,320bの端面は、ビームスプリッティング面310’と平行である仮想平面314に対してπ/8(rad)の角度313で各反射面312a,312bを提供するように製作される。
図10および図11に示すように、高密度移相アレイ素子400’は、第1および第2の移相アレイサブ素子410’,420’を含む。様々な実施の形態において、第1および第2の移相アレイサブ素子410’,420’は、図10および図11に示すように、高密度アレイ素子400’の一部である。
そのような実施の形態において、高密度移相アレイ素子400’の移相アレイサブ素子410’は、移相部分P0,P180または移相部分P0(45),P180(V)を有する第1の移相アレイサブ素子410’を構成するように、第1の例の移相アレイ素子410または第3の例の移相アレイ素子430に関して上述したように製作される。同様に、高密度移相アレイ素子400’の移相アレイサブ素子410’は、移相部分P90,P270、移相部分P90(45),P270(V)、または移相部分P90(V)を有する第2の移相アレイサブ素子420’を構成するように、対応する第2の例の移相アレイ素子420、第4の例の移相アレイ素子440または第5の例の移相アレイ素子450のいずれかに関して上述したように製作される。
様々な他の実施の形態において、第1および第2の移相アレイサブ素子410’,420’は、高密度移相アレイ素子400’を形成するように、互いに隣接して置かれ、互いに突き合わされるなどの分離した部材である。代わりに、分離された第1および第2の移相アレイサブ素子410’,420’は、単一の機械部材として作用する高密度移相アレイ素子400’を構成するように、接着剤、留め具などを用いて製作後に互いに結合することができる。そのような実施の形態において、第1および第2の移相アレイサブ素子410’,420’は、単一の機械部材として作用する高密度移相アレイ素子400’を構成するように互いに結合される前に、第1〜5の例の移相アレイ素子410〜450に従って上述したように形成される。
もちろん、これらの実施の形態において、第2の移相アレイサブ素子420’は、移相部分P0,P180を含むことができ、一方、移相アレイサブ素子410’は、移相部分P90,P270を含むことができる。同様に、これらの実施の形態において、第1の移相アレイサブ素子410’および第2の移相アレイサブ素子420’は、上述した組合せと異なる、移相部分P0,P90,P180,P270の組み合わせを含むことができる。
様々な実施の形態において、第1の移相アレイサブ素子410’、偏光素子510’の第1の部分および検出部710a’は、ビームスプリッティング面310’の一方の側における第1の光路に沿ってサブ波面129a’を受光し、処理するように並べられる。この第1の光路に沿って、多重移相発生機構1400’は、検出部710a’との境界で多重位相変位干渉画像情報610’を発生する。同様に、第2の移相アレイサブ素子420’、偏光素子510’の第2の部分および検出部710b’は、ビームスプリッティング面310’の他方の側における第2の光路に沿ってサブ波面129a’を受光し、処理するように並べられる。この第2の光路に沿って、多重移相発生機構1400’は、検出部710b’との境界で多重位相変位干渉画像情報620’を発生する。
様々な実施の形態において、サブ波面129a’,129b’は、様々な実施の形態のいずれかにおいて図7および図8に示す移相撮像素子3000に関してサブ波面129a,129bについて上述したと同じ方法で、同様に番号が付された素子で受光され、処理される。特に、サブ波面129a’129b’は、混ぜ合わされた波面129a’129b’の偏光方向に関して同様に構成され方向付けられている同様に番号は付された素子で受光され、処理される。
さらに、多重位相変位干渉画像情報610’,620’の構造は、様々な実施の形態のいずれかにおいて図7および図8に示す移相撮像素子3000に関して上述したように多重位相変位干渉画像情報610,620の構造と類似または一致するであろう。様々な実施の形態において、検出部710a’,710b’が機能的に検出部710a,710bに一致するとき、多重位相変位干渉画像情報610’,620’は、多重位相変位干渉画像情報610,620に一致する。
いずれの場合でも、図7および図8に示す多重移相発生機構1400および移相撮像素子3000の様々な実施の形態の前述した特徴および利点の全ては、同様に、図10および図11に示す多重移相発生機構1400’および移相撮像素子4000の様々な実施の形態によって提供される。さらに、様々な実施の形態において、多重移相発生機構1400’および移相撮像素子4000は、高密度移相アレイ素子400’が単一の「平面」素子として提供されるという点でさらなる利益を享受する。さらに、様々な実施の形態において、検出部710a’,710b’は、単一の検出装置の一部であり、便利な組み立ておよび信号処理だけでなく、全ての比較可能な画素の利得特性などの間の本質的に改良された適合も提供する。その結果、様々な実施の形態において、コストおよび測定誤差の両方が、移相撮像素子4000において、移相撮像素子3000に比してさらに減少される。
しかしながら、移相撮像素子3000および移相撮像素子4000の両方の様々な実施の形態は、「Smythe, R., et al, “Instantaneous Phase Measuring Interferometry”, Optical Engineering 23:4 (1984) 361-4」に開示されているように、図2〜図5に示す多重移相画像発生装置200と、4つの分離された検出素子を使用する前述したシステムの両方に類似する、異なる相対位相変位を有する4つの干渉情報部分Q0〜Q3から生じる4つの分離された「位相変位信号」を提供する。しかしながら、移相撮像素子3000,4000の両方は、一般に、より簡単かつ/または少ない重要な部品を使用し、調整および組み立てがより容易であり、そして/またはより安定かつ簡素化し、一方、同時に従来のシステムにおいて見つけられた非同相誤差の少なくともいくつかを排除する。
本発明による様々な実施の形態において、使用される信号処理およびソフトウェア方法は、米国特許6,034,330において述べられているそれらと類似する。特に、本発明による干渉計の様々な実施の形態において、4つの別個の「位相信号」は、レーザ光源110の1つ以上の異なる波長についてここで述べたように提供される。しかしながら、本発明による様々な実施の形態において、米国特許6,034,330に開示された式で処理された画素位置座標は、本発明による様々な実施の形態において提供される多重位相変位干渉画像情報600の統合されたパターンに一致するように修正されるであろう。
例えば、米国特許6,034,330の式(10)は、多重位相変位干渉画像情報600が図2〜図5に従って提供されるものに対応するとき、特定の(x,y)の位置での位相が比較可能な適合画素から以下の式(1)で計算されることを示す。
Φ(x,y)=tan-1{[I3(x,y)-I1(x,y)] / [I0(x,y)-I2(x,y)]} (1)
ここで、I0,I1,I2,I3は、検出アレイ240すなわち象限Q0,Q1,Q2,Q3に入射する移相インタフェログラム600a〜600dのそれぞれの強度である。
式(1)に関して、米国特許6,034,330における関連記述において、上述した図2〜図5に従って提供されるものに対応する多重位相変位干渉画像情報600において4つの一致する「サブ波面画像」すなわちインタフェログラムがあることが理解される。その結果、各画像すなわちインタフェログラムにおける比較可能な画素は、これらの画像が単一の検出アレイまたは複数の検出アレイの異なる部分に結像されたかに拘わらず、一致する画像における「一致する画素アドレス」を有することが示される。その結果、1つ以上の検出器における比較可能な画素の実際のオフセットによる実際の信号処理アドレスの関連したオフセットは、「一致する画素アドレス」に組み込まれたと推定される。
しかしながら、本発明によりそれぞれ移相撮像素子3000または4000の様々な実施の形態によって提供される多重位相変位干渉画像情報600a’,600b’または600a”,600b”の場合、式(1)内の第1のサブ式[I3(x,y)-I1(x,y)]に対応する多重位相変位干渉画像情報は、本発明による干渉情報部分Q3,Q1として、単一の画像620または620’において交互配置される。従って、「一致する画素アドレス」は、式(1)内の第1のサブ表記に対して適切でない。どちらかと言えば、多重位相変位干渉画像情報が干渉情報部分Q3,Q1を交互配置し、位置(x,y)を中心として置かれた2つの干渉情報部分Q3,Q1の隣接するブロックについて、干渉情報部分Q3,Q1が干渉情報部分Q3(x,y),Q1(x,y)として名目上認識される本発明の実施の形態に関して、上記第1のサブ式に匹敵する1つの式は、
[IQ3(x,y)-IQ1(x,y)]
となり、ここで、Iは、各干渉部分に対する画像強度値を示す。
同様に、多重位相変位干渉画像情報が干渉情報部分Q0,Q2を交互配置し、位置(x,y)が中心として置かれた2つの干渉情報部分Q0,Q2の隣接するブロックについて、干渉情報部分Q0,Q2が干渉情報部分Q0(x,y),Q2(x,y)として名目上認識される本発明による様々な実施の形態において、上記式(1)内の第2のサブ式[I0(x,y)-I2(x,y)]は、
[IQ0(x,y)-IQ2(x,y)]
となる。
各干渉部分が検出器上の1画素以上の組に対応すると、様々な実施の形態において、画像強度値Iは、画素の全体の組に対する平均または代表強度値を示す。従って、画素の全体の組は、「メタ画素」としてみなされる。様々な実施の形態において、そのようなメタ画素は、本発明に従って与えられた高密度偏光アレイ330の第1および第2の部分の広がりに対応する広がりを有し、そのようなメタ画素は、本発明の原理に従って使用可能な空間平均の1つの好ましい方法を提供する。
様々な実施の形態において、個々の干渉部分は、4つの比較可能な近接する干渉部分と比較可能な干渉部分の4つの境界に対応する少なくとも4つの異なる(x,y)位置での測定値に包含される比較可能な干渉部分である。
従って、米国特許6,034,330における式(10)に匹敵する1つの全体式は、
Φ(x,y)=tan-1{[IQ3(x,y)-IQ1(x,y)]/[IQ0(x,y)-IQ2(x,y)]} (2)
となる。
代わりに、行または列に沿った3つの隣接する干渉部分のブロックに関して、すなわち、位置(x,y)を中心に置かれたQ3−Q1−Q3,Q1−Q3−Q1,Q0−Q2−Q0,Q2−Q0−Q2などの干渉部分パターンに関して、次の代わりの式が使用可能である。
Φ(x,y)=tan-1{[Iave Q3(x,y)-Iave Q1(x,y)]/[Iave Q0(x,y)-Iave Q2(x,y)]} (3)
ここで、Iaveは、3つの隣接する干渉部分において1つまたは2つの様々な干渉部分があるかに拘わらず、各干渉部分に対するエリア平均画像強度値を示す。
式(3)は、(x,y)の中央画素の各側にある画素を平均し、式(2)に現れる最小の勾配またはオフセット誤差を名目上取り除く。すなわち、式(3)による「匹敵する平均」は、理想的には(x,y)の中央位置に一致する名目上の空間位置を有する。
上述した式に関して、様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報610,620または多重位相変位干渉画像情報610’,620’は、それぞれ、前述したように、互いに鏡像である。このような場合、(x,y)位置アドレス計画は、同様に、多重位相変位干渉画像情報610,620または多重位相変位干渉画像情報610’,620’においてそれぞれ鏡像である。「合同(x,y)位置アドレス」に対するそのような「鏡像」(x,y)位置アドレス計画は、潜在的な画像の鏡像構造を重要でないもの、すなわち本発明による様々な実施の形態において、利点でさえあるものにする。
先の例と記述に基づいて、本発明によるこれらおよび他の実施の形態に使用可能である様々な変更および他の信号処理方法は、当業者には明らかであろう。
本発明による様々な実施の形態において、米国特許6,034,330に記載された2つの波長すなわち「2つの色干渉分光法」信号処理および測定方法は、ここで述べた様々な実施の形態の様々な成分がいずれかの波長で操作可能であるように2つの波長が互いに十分に接近しているときに適用される。このような場合、米国特許6,034,330の式(14)に匹敵する、対象物に対する距離または範囲を求めるための式は、
R(x,y)={[(l1l2)/4p(l1-l2)]x[Φl1(x,y)-Φl2(x,y)]} (4)
となる。
ここで、l1およびl2は、2つの波長であり、Φl1(x,y)は、式(2),式(3)などに従って求められた第1の波長に対する位相測定値であり、Φl2(x,y)は、第2の波長に対する位相測定値である。
図12は、本発明による高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の一部を示す。高密度移相アレイ素子460は、図13に示す本発明による移相撮像素子の第3の実施の形態5000に関して以下に述べるように、様々な部分において4つの異なる相対位相変位を生成し、多重移相発生機構1400”の様々な実施の形態において使用可能である。
説明のために、高密度移相アレイ素子460は、図6に示す高密度移相アレイ素子410,420の交互配置された組み合わせとして機能的にみなされる。図12に示すように、様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態は、低次数のクォーツ波長板などの複屈折基板462を用いて形成される。複屈折基板462は、表面469および速い光軸すなわち速軸468を有する。複屈折基板462の名目上の厚さT90は、同じ光学的効果を生成するように、高密度移相アレイ素子420の複屈折基板422の名目上の厚さT90と同じ方法で決定される。すなわち、基板462は、名目上クォーツ波長板である。各部分P90に対応する高密度移相アレイ素子460の各部分466aは、名目上の厚さT90を有する。その結果、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の部分P90は、添え字「90」によって示されるように、波面129の成分間のπ/2(rad)の相対位相変位を生成する。
同様に、複屈折基板462の凹部466cの厚さT270は、同じ光学的効果を生成するように、高密度移相アレイ素子420の複屈折基板422の部分P270の厚さT270と同じ方法で決定される。すなわち、基板462の凹部466cは、名目上の3/4波長板である。高密度移相アレイ素子460の各部分466cは、各部分P270に対応し、名目上の厚さT270を有する。その結果、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の部分P270は、添え字「270」によって示されるように、波面129の成分間の3π/2(rad)の相対位相変位を生成する。
複屈折基板462の凹部466bの厚さT180は、同じ光学的効果を生成するように、高密度移相アレイ素子420の複屈折基板422の部分P180の厚さT180と同じ方法で決定される。すなわち、基板462の凹部466bは、名目上の1/2波長板である。高密度移相アレイ素子460の各部分466bは、各部分P180に対応し、名目上の厚さT180を有する。その結果、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の部分P180は、添え字「180」によって示されるように、波面129の成分間のπ(rad)の相対位相変位を生成する。
複屈折基板462の凹部466dの厚さT0は、同じ光学的効果を生成するように、高密度移相アレイ素子420の複屈折基板422の厚さT0と同じ方法で決定される。すなわち、基板462の凹部466dは、名目上の全波長板に対応する。高密度移相アレイ素子460の各部分466dは、各部分P0に対応し、名目上の厚さT0を有する。その結果、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の部分P0は、添え字「0」によって示されるように、波面129の成分間の0(rad)の相対位相変位を生成する。
図12に示すように、高密度移相アレイ素子460の各部466aは、各部分P90に対応し、基板462の表面469の一部である。各部466b〜466dは、各部分P180,P270,P0に対応し、それぞれ、前述したように、T180,T270,T0を生成しそして/または対応する3つの別個の深さで基板462に形成される凹部である。従って、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態は、表面部分と、パターン461に対応する基板462の表面469に形成される凹部とのアレイを含み、パターン461は、移相部分P0〜P270に対応する。
様々な実施の形態において、凹部は、図6に示す高密度移相アレイ素子410,420を参照して前述したように、エッチングによって形成される。より一般的には、高密度移相アレイ素子460は、公知または後に開発される製作方法によって形成される。特に、唯一の製造要求は、様々な移相部分P0,P90,P180,P270を高密度アレイ上に製作することができる。具体的には、様々な移相部分P0,P90,P180,P270の寸法は、さらに以下に述べるように、光学検出アレイの1画素または小グループ画素の寸法に近づけることができる必要がある。
図12に示すように、部分466b〜466dを形成するのに用いられる凹部および部分466aを形成するのに用いられる表面469の残りのエリアは、矩形である。しかしながら、より一般的には、様々な実施の形態において、表面469の凹部および残りの部分の形状は、本発明による移相撮像素子3000,4000などに使用される検出サブシステム700および関連信号処理の検出アレイの1画素または画素群の形状に対応する使用可能な形状とすることができる。
高密度移相アレイ素子460の様々な部分466a〜466dは、基板462における1/4移相差板の厚さに対応するステップによって変化する厚さを有する。従って、様々な他の実施の形態において、移相部分P0〜P270に対応する表面部分および凹部のアレイのそれぞれの名目上のエッチング深さまたは平面は、基板462における1/4波長板の厚さに対応する1つ以上のステップによって様々な部分466a〜466dの厚さの全てを増加しまたは減少させることに相当する様々な置換で製作される。上述または以下に述べることに基づいて、他の代わりの変形および適切な形態は、当業者にとって明らかであろう。
図12に示すように、様々な実施の形態において、表面469は、部分466a〜466dをエッチングすることによって形成される表面469の凹部に埋め込まれる平面層464で覆われる。平面層464が設けられる場合、平面層464は、基板462に入射する波面129に対して厚さ依存性の移相を適用せず、複屈折基板462の名目上の屈折率に適合する屈折率を有することができる材料から形成することができ、その結果、高密度移相アレイ素子460を通した様々な光路の光路長がより同じように、または理想的には、等しくなる傾向がある。しかしながら、様々な実施の形態において、平面層464は、省略される。
図12に示すように、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態は、パターン461で表面469に亘って分散された4つの近接した移相部分P0〜P270を含む。特に、図12に示すように、パターン461は、第1〜第4の移相部分P0〜P270の繰り返し交互配置を生成する。様々な実施の形態において、図13に示す本発明による移相撮像素子の第3の実施の形態5000に関して以下に述べたように、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態が多重移相発生機構1400’の様々な実施の形態に組み込まれるとき、第1〜第4の移相部分P0〜P270の交互配置パターンは、検出サブシステム700を実現するのに使用される検出装置710の表面領域の全体を実質的に覆うように広がる。
図6に示すように、第1〜第4の移相部分P0〜P270のそれぞれの複製方向は、水平および鉛直方向に配置される。しかしながら、より一般的には、第1〜第4の移相部分P0〜P270のそれぞれの複製方向は、第1〜第4の移相部分P0〜P270の様々なパターンにおいて、本発明による多重移相発生機構に対する信号処理で、完全に制御可能で選択可能である。様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P90,P180,P270は、同じサイズおよび形状であり、検出サブシステム700の検出アレイの相当する部分を覆う。
様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P90,P180,P270は、検出サブシステム700の検出アレイの整数の画素に亘って覆うであろう。様々な実施の形態において、様々な移相部分P0,P90,P180,P270の境界は、検出アレイの画素間の境界と一直線に並べられる。従って、そのような実施の形態において、様々な移相部分P0〜P270の各組は、高密度移相アレイ素子46の第6の実施の形態内のユニットセルと対応する検出アレイを規定する。極端には、様々な移相部分P0,P90,P180,P270は、対応する検出アレイの別個の単一の画素に関連付けそして一直線に並べることができる。
図12に示すように、複屈折基板462の速軸468は、基板469に対して垂直な面にある。様々な実施の形態において、速軸468は、移相部分P0,P90,P180,P270の鉛直な縁に対して平行である。しかしながら、様々な他の実施の形態において、速軸468は、様々な移相部分の水平縁と平行に、またはこれらの縁に対してπ/4(rad)で、または他の操作可能な方位にあり、混ぜ合わされた波面129の偏光された成分のそれぞれの方位および他の関連設計要素に依存する。高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態において、速軸468は、固定され、基板462全体を通して一定であり、移相部分は、基板432内の製作厚さを制御可能に変えることによって得られる。
前述したように、様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子460の様々な部分466a〜466dは、基板462における1/4波長板の厚さに対応するステップで変わる厚さを有する。例えば、代表的な商業的に有用なクォーツ波長板を基板462として使用する様々な実施の形態において、17.5マイクロの厚さステップは、波長633nmの波長を有するレーザ波面を照射するレーザ源に好適である。
一般に、複屈折材の速軸に沿って偏光された光成分の位相Φfastと複屈折材の遅軸に沿って偏光された光成分の位相Φslow間の相対位相変位は、
となる。
ここで、Φfast−Φslowは相対位相変位、tは複屈折材の厚さ、λは光成分の波長、nslowは遅軸に沿った複屈折材の屈折率、nfastは速軸に沿った複屈折材の屈折率、βは材料の複屈折すなわち速軸および遅軸に沿った複屈折材の屈折率間の差である。
従って、様々な複屈折基板および/または複屈折材層を使用する本発明による様々な実施の形態において使用可能な様々な厚さおよび/または厚さステップ寸法は、式(6)に従って求めることができ、この式は、光成分の波長λの比1/xによって複屈折材の速軸に沿って偏光された光成分の位相に対して複屈折材の遅軸に沿って偏光された光成分の位相を変えることが要求される複屈折材の厚さを表す。
ここで、kは0以上の整数で、厚さtに含まれる全波移相の数に対応する。
従って、ここで述べた様々な実施の形態において、光成分の与えられた波長λおよび与えられた複屈折βに関して、T0および/またはT’0は、厚さ(k+1/1)λ/βに対応する。T90および/またはT’90は、厚さ(k+1/4)λ/βに対応する。T180および/またはT’180は、厚さ(k+1/2)λ/βに対応する。T270および/またはT’270は、厚さ(k+3/4)λ/βに対応する。
様々な実施の形態において、厚さステップすなわちエッチングステップは、可能な限り、アスペクト比を低く維持するために、最小化される。従って、kはゼロにセットされ、高い複屈折を有する材料が選択される。例えば、0.009の複屈折を有し、633nmで17.5umの最小1/4波長ステップ寸法を与えるクォーツ(石英)に比して、様々な実施の形態において、複屈折材カルサイト(方解石)は、0.172の複屈折を有し、0.92μの最小1/4波長ステップ寸法を与える。様々な実施の形態において、前述した反応メソゲン材は、0.16の複屈折を有し、1.075μの最小1/4波長ステップ寸法を与える。
本発明による高密度移相アレイ素子の様々な部分の理想的な厚さが製作中に達成されない、すなわち様々な部分から結果として生じた移相が別の点では理想的でなく、本発明による移相撮像素子は、次の較正処理および信号処理によって較正そして/または補正することができる。そのような較正処理および信号処理は、画素レベルと同じような高い分解能レベルで、遅延アレイに亘って、そして、様々な実施の形態において、様々な位相誤差および/または変化を補正するための様々な位相補正係数または他の技術を用いて実行することができる。
図13は、本発明による移相撮像素子5000の第3の実施の形態を示す分解図である。図13に示すように、移相撮像素子5000は、本発明による多重移相発生機構1400”の第3の実施の形態と検出サブシステム700”を含む。様々な実施の形態において、好適な公知のまたは後に開発されるタイプの単一の検出装置710が、サブ検出システム700”を実施するために用いられる。多重移相発生機構1400”は、本発明による第6の実施の形態の高密度移相アレイ素子460を組み込み、高密度移相アレイ素子460は、偏光素子510と組み合わされる。前述した実施の形態に対して、ビームスプリッタが移相撮像素子5000には必要でない。
図13に示すように、混ぜ合わされた波面129は、光学入力部135”によって伝送される。伝送された混ぜ合わされた波面129は、参照波面124と対象波面129を含む。伝送された混ぜ合わされた波面129は、高密度移相アレイ素子460を満たす単一の波面として伝搬する。
高密度移相アレイ素子460の構造および操作についての先の記述から、高密度移相アレイ素子460から伝搬する伝送された混ぜ合わされた波面129は、高密度移相アレイ素子460に現れる第1〜第4の移相部分P0〜P270のパターン461(図13(b))に対応する異なる相対位相変位を有する4つの異なる交互配置の移相部分のパターンを含む。
高密度移相アレイ素子460を通過し、交互配置の移相パターンを含む伝送された混ぜ合わされた波面129は、偏光素子510に導かれる。偏光素子510は、混ぜ合わされた波面129の直交偏光されたサブ波面成分124,128の同一位相成分を伝送するように方向付けられている。その結果、多重位相変位干渉画像情報630は、第1の「0(rad)相対位相変位」すなわち部分P0に対応する干渉部分Q0、第2の「π/2(rad)相対位相変位」すなわち部分P90に対応する干渉部分Q1、第3の「π(rad)相対位相変位」すなわち部分P180に対応する干渉部分Q2、第4の「3π/2(rad)相対位相変位」すなわち部分P270に対応する干渉部分Q3を含み、これらは、部分P0〜P270の交互配置パターン461に対応する。
偏光素子510を通過した多重位相変位干渉画像情報630における干渉部分Q0〜Q3の2次元交互配置パターンは、検出サブシステム700”を実施するために用いられる検出装置710の表面エリア全体に亘って実質的に広がる単一の画像として受光される。多重位相変位干渉画像情報630における第1、第2、第3および第4の干渉部分の2次元交互配置パターンは、図4に示すQ0〜Q3象限232〜238の高密度交互配置に対応し、検出装置710の表面上に単一画像として伝送される。
様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子460のパターン化された面469は、偏光素子510および検出装置710に向けられている。より一般的には、様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子460の製作、方向付けおよび組み立ては、図7,8,10および11を参照し述べた、移相撮像素子3000,4000の対応する素子の製作、方向付け、組み立てについて前述した様々な実施の形態のものと同様である。様々な実施の形態において、それらの製作方法に拘わらず、偏光素子510、高密度移相アレイ素子460および検出装置710は、互いに効果的に接合または結合され、モノリシック移相撮像素子として図13に示す移相撮像素子5000を形成する。
本発明による様々な実施の形態において、混ぜ合わされた波面129の有効光路長の各部が可能な限り同じ、理想的には等しくなるように、偏光素子510、高密度移相アレイ素子460および検出装置710を製作することは有利である。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子460のパターン化された面469と検出装置710の検出面の間の距離d(図示せず)が、検出装置710に与えられた画像の最大焦点深度より小さい。様々な実施の形態において、距離dは、約1〜2mmまたはそれより小さい。様々な他の実施の形態において、0.2mm未満である。
偏光素子510の偏光方向512(A,B)は、図8に示す偏光素子510a,510b0の第1の実施の形態において、参照波面124および対象波面128は、図13(a)に示す直交方向132A,133Aに沿って偏光される。この第1の実施の形態において、偏光素子510は、偏光素子510上に示される偏光方向512Aを有する。
撮像移相素子5000の第2の実施の形態において、参照波面124および対象波面128は、図13(a)に示すように直交方向132B,133Bに沿って偏光される。この第2の実施の形態において、偏光素子510は、偏光素子510上に示される偏光方向512Bを有する。その結果、いずれの場合も、偏光素子510は、高密度移相アレイ素子460を通過する交互配置移相パターンにおける波面129の直交偏光された成分124,128の同位相の成分を伝送し、干渉し、多重位相変位干渉画像情報を生成する。
しかしながら、様々な他の実施の形態において、偏光素子510は、波面129の直交偏光された成分124,128の位相不一致の成分を伝送し、干渉するように方向付けることができる。それにもかかわらず、結果として生じる多重位相変位干渉画像情報は、まだ、多重位相変位干渉画像情報630における干渉部分Q0〜Q3の2次元交互配置パターンに類似する4つの異なる使用可能な干渉部分を含むであろう。
様々な実施の形態において、2つのレーザ波長が絶対干渉計を作るのに使用されるとき、各波長は、1つの高密度移相アレイ素子460が両波長に好適であるように、非常に類似する。
多重移相発生機構1400”の様々な実施の形態と例示の移相画像素子5000は、単一の分割されていない波面から分割された単一の画像から生じる相対位相変位干渉情報の4つの異なる位相を提供する。従って、図7および図8に示す多重移相発生機構1400および移相撮像素子3000と、図10および図11に示す多重移相発生機構1400’および移相撮像素子4000の様々な実施の形態の前述した特徴および利益の全ては、図13に示す多重移相発生機構1400”および移相撮像素子5000の様々な実施の形態によって同様に提供される。
さらに、様々な実施の形態において、図13に示す多重移相発生機構1400”および移相撮像素子5000は、高密度移相アレイ素子460が単一の素子として提供されるという付加された利点を享受する。さらに、高密度移相アレイ素子460は、2つ以上の異なるタイプの干渉部分が単一の光路に沿ってすなわち検出装置710上の単一の画像内に提供されることを許すから、ビームスプリッティング素子は要求されない。これは、わずかな光学素子の収差、およびより便利な組み立ておよび/または信号処理だけでなく、全ての匹敵する画素のゲイン特性などの間の改良された適合性を招く。これは、全ての匹敵する画素が検出器の同じ小さい領域に位置決めされるから、起こる。
さらに、全ての匹敵する画素は、検出器の同じ小さい領域に位置決めされる。従って、対象物の特定の部分から多重位相変位干渉画像情報630の特定の局部における特定の対応する干渉部分Q0〜Q3のそれぞれへの光路長は、本質的に同様である。よって、関連する相対位相変位情報および関連する測定値は、一般に、例示の移相撮像素子5000の合理的に予測された回転および/または並進運動を感知しないであろう。その結果、様々な実施の形態において、コストおよび測定誤差の両方は、移相撮像素子5000においては、移相撮像素子3000,4000に比して、さらに減少される。
図14は、本発明による高密度移相アレイ素子470の第7の実施の形態の一部を示す。高密度移相アレイ素子470は、移相撮像素子5000の第3の実施の形態に関して上述したように、多重移相発生機構1400”の様々な実施の形態において使用可能である。図14に示すように、第7の実施の形態の高密度移相アレイ素子470は、中立移相基板472を含む。中立移相基板472は、アモルファスまたは他の非複屈折材を用いて形成することができる。そのような実施の形態において、基板472の厚さは、所望の値にすることができる。これは、そのような基板472が厚さ依存性の移相を基板472に入射する光に対して適用しないから、可能である。基板472は、凹部475を含む。特に、以下に詳述するように、第1の部分475aは、移相部分P90(V),P270(h)の下に横たわり、一方、第2の部分475bは、移相部分P0(45),P180(V)の下に横たわる。
説明のために、高密度アレイ素子470は、図9に示す高密度移相アレイ素子430,450の交互配置の組み合わせとして機能的にみなされる。高密度移相アレイ素子470は、表面479を含む複屈折材層473を含む。高密度移相アレイ素子430,450と同様に、複屈折材層473は、前述したように、選択的にパターン化された速軸方向を有することができる複屈折材から形成される。
図14に示すように、高密度移相アレイ素子470の第7の実施の形態の複屈折材層473は、第1の部分475aを覆いそして/または規定された名目上の厚さT’90を有する。複屈折材層473の名目上の厚さT’90は、同じ光学的効果を生成するように、高密度移相アレイ素子450の複屈折材層453の名目上の厚さT’90と同じ方法で決定される。図14に示すように、複屈折材層473は、第1の部分475aに一致する行に沿った代わりのパターン上に並べられたπ/2(rad)の移相部分P90(V)と3π/2(rad)の移相部分P270(h)を含む。複屈折材層473の各移相部分P90(V)と各移相部分P270(h)は、名目上の厚さT’90を有する。
様々な実施の形態において、各移相部分P90(V)は、その部分における複屈折材層473の速軸が鉛直方向に向けられるように製作される。すなわち、各移相部分P90(V)における速軸は、混ぜ合わされた波面129の直交成分の鉛直方向に向けられた1つの予期された操作可能な方向と平行に向けられる。これに対し、各移相部分P270(h)は、その部分における複屈折材層473の速軸が水平方向に向けられるように製作される。すなわち、各移相部分P270(h)における速軸は、混ぜ合わされた波面129の直交成分の水平方向に向けられた1つの予期された操作可能な方向と平行に向けられる。これは、例示的な「REFERENCE」および「OBJECT」の直交成分と図14に示す実施の形態において様々な移相部分P90(V),P270(h)に示す代表的な調整ラインによって示される。これらの方向に関して、移相部分P90(V),P270(h)は、高密度移相アレイ素子450の同様に番号が付された部分に対して理想的に機能し、同じ光学的効果を生成する。
類似の方法で、図14に示すように、高密度移相アレイ素子470の第7の実施の形態の複屈折材層473は、第2の部分475bを覆いそして/または規定された名目上の厚さT’180を有する。複屈折材層473の名目上の厚さT’180は、同じ光学的効果を生成するように、高密度移相アレイ素子430の複屈折材層433の名目上の厚さT’180と同じ方法で決定される。図14に示すように、複屈折材層473は、第2の部分475bに一致する行に沿った代わりのパターン上に並べられたπ(rad)の移相部分P180と0(rad)の移相部分P0(45)を含む。複屈折材層473の各移相部分P180(V)と各移相部分P0(45)は、名目上の厚さT’180を有する。
様々な実施の形態において、各移相部分P180(V)は、その部分における複屈折材層473の速軸が鉛直方向に向けられるように製作される。すなわち、各移相部分P180(V)における速軸は、混ぜ合わされた波面129の直交成分の鉛直方向に向けられた1つの予期された操作可能な方向と平行に向けられる。これに対し、各移相部分P0(45)は、その部分における複屈折材層473の速軸がπ/4(rad)に向けられるように製作される。すなわち、各移相部分P0(45)における速軸は、混ぜ合わされた波面129の直交成分の予期された操作可能な方向間の中途に向けられる。これは、例示的な「REFERENCE」および「OBJECT」の直交成分と図14に示す実施の形態において様々な移相部分P180(V),P0(45)に示す代表的な調整ラインによって示される。これらの方向に関して、移相部分P180(V),P0(45)は、高密度移相アレイ素子430の同様に番号が付された部分に対して理想的に機能し、同じ光学的効果を生成する。
上述から、高密度移相素子470の第7の実施の形態の移相部分P0(45),P90(V),P180(V),P270(h)は、多重位相変位干渉画像情報における正味の光学的効果に関して、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の移相部分P0,P90,P180,P270と機能的に等しい。従って、本発明による移相撮像素子5000の様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子470,460は、例えば図13を参照して上述したように、類似または合致する交互配置の移相画像情報を生成するように、同様の設計考慮に従って採用され、同様に寸法決めされ、そして、移相撮像素子5000に同様に組み込まれる。
図14に示すように、様々な実施の形態において、交互配置の厚さT’180,T’90は、予め、基板472に形成され、T’180,T’90を生成しそして/または対応する2つの区別可能な深さを有する第1および第2の凹部475a,475bを製作することによって、それぞれ製作される。第1および第2の凹部475a,475bの2つの区別可能な深さは、公知のエッチングまたはマイクロエンボス技術、または他の適切な公知または後に開発される技術によって基板472に形成され、第1および第2の凹部475a,475bの表面は、必要に応じて、上述および参考文献のように様々な調整処理を受け、そして複屈折材の複屈折材層473で満たされる。
速軸調整およびパターン化処理を受けることができ、特定の実施の形態において使用される様々な速軸調整処理に適合する前述した重合可能な複屈折材は、層473を形成するのに使用することができる。特に、図14に示す実施の形態において、様々な部分において、層473を形成する材料は、その部分における層473の厚さに依存する遅延効果と、その部分が前述したように重合されるときに層473の様々な部分が経験する状態に基づいたその部分について制御可能に変え、求めることができる速軸を提供する。様々な実施の形態において、複屈折材層473の表面479は、基板472の周辺表面と同一平面上にある。
図15は、本発明による高密度移相アレイ素子480の第8の実施の形態の一部を示す。高密度移相アレイ素子480は、移相撮像素子5000の第3の実施の形態に関して上述したように、多重移相発生機構1400”の様々な実施の形態において使用可能である。図15に示すように、第8の実施の形態の高密度移相アレイ素子480は、中立移相基板482を含む。中立移相基板482は、アモルファスまたは他の非複屈折材を用いて形成することができる。そのような実施の形態において、基板482の厚さは、所望の値にすることができる。これは、そのような基板482が厚さ依存性の移相を基板482に入射する光に対して適用しないから、可能である。基板482は、凹部485(a,b,c,d)を含む。以下に詳述するように、第1の凹部485aは、移相部分P90(V)の下に横たわり、第2の凹部485bは、P180(V)の下に横たわり、第3の凹部485cは、移相部分P270(V)の下に横たわり、第4の凹部485dは、P0(V)の下に横たわる。
説明のために、高密度アレイ素子480は、高密度移相アレイ素子480において全ての位置で速軸方向488が同じであるという点で、図12に示す高密度移相アレイ素子460と同様に動作するものとしてみなしてもよい。しかしながら、図12に示す高密度移相アレイ素子460に対して、高密度移相アレイ素子480における基板材料は、基板が相対位相変位を提供しないように、非複屈折材である。どちらかといえば、高密度移相アレイ素子480において、複屈折材層483の充填材料は、複屈折であり、図15に示す相対移相部分P0(V)〜P270(V)を生成する。従って、製作および材料について、高密度移相アレイ素子480は、上述したように、高密度移相アレイ素子470と同様に製作される。しかしながら、この第8の実施の形態において、速軸調整方向は、全ての位置で同じである。
高密度移相アレイ素子480は、表面489を含む複屈折材層483を含む。複屈折材層483は、図14に示す複屈折材層473を参照して前述した複屈折材から形成される。特に、層483を形成する材料は、層483の厚さに依存する遅延量を提供する。上述したように、複屈折材の速軸がある方向は、層483が重合される現在の調整状態に基づいてセットされる。
図15に示すように、高密度移相アレイ素子480の第8の実施の形態の複屈折材層483は、第1の凹部485aを覆いそして/または規定された名目上の厚さT’90に対応する移相部分P90(V)を有する。複屈折材層483の名目上の厚さT’90は、同じ遅延効果を生成するように、高密度移相アレイ素子470の複屈折材層473の名目上の厚さT’90と同じ方法で決定される。同様に、複屈折材層483は、第2の凹部485bを覆いそして/または規定された名目上の厚さT’180に対応する移相部分P180(V)を有する。複屈折材層483の名目上の厚さT’180は、同じ遅延効果を生成するように、高密度移相アレイ素子470の複屈折材層473の名目上の厚さT’180と同じ方法で決定される。
同様の方法で、複屈折材層483は、第3の凹部485cを覆いそして/または規定された名目上の厚さT’270に対応する移相部分P270(V)を有する。第3の凹部485cを覆いそして/または規定された複屈折材層483の名目上の厚さT’270は、高密度移相アレイ素子480がそれらの部分において3/4波長遅延効果を生成するように、決定される。同様の方法で、複屈折材層483は、第4の凹部485dを覆いそして/または規定された名目上の厚さT’0に対応する移相部分P0(V)を有する。第4の凹部485dを覆いそして/または規定された複屈折材層483の名目上の厚さT’0は、高密度移相アレイ素子480がそれらの部分において全波長遅延効果を生成するように、決定される。上述した様々な厚さおよび/または基板ステップ高さは、前述したように、式(6)に従って求めることができ、ここで、使用される複屈折値は、調整および重合状態における複屈折材層483の値である。
図15に示すように、複屈折材層483の速軸488は、鉛直方向に向けられる。すなわち、複屈折材層483の速軸488は、混ぜ合わされた波面129の直交成分の鉛直方向に向けられた1つの予期された操作方向と平行に向けられる。これは、例示的な「REFERENCE」および「OBJECT」の直交成分と図15に示す速軸調整ライン488によって示される。これらの方向に関して、全ての移相部分P0(V)〜P270(V)は、図12に示す高密度移相アレイ素子460の同様に番号が付された移相部分P0〜P270に対して同様に機能し、同じ光学的効果を生成する。
上述から、高密度移相アレイ素子480の移相部分P0(V)〜P270(V)は、多重位相変位干渉画像情報における正味の光学的効果に関して、高密度移相アレイ素子460の第6の実施の形態の移相部分P0〜P270に対して機能的に等しい。従って、本発明による移相撮像素子5000の様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子480,460は、名目上互換性がある。従って、高密度アレイ素子480,460は、例えば図13を参照して上述したように、類似または合致する交互配置の移相画像情報を生成するように、同様の設計考慮に従って採用され、同様に寸法決めされ、そして、移相撮像素子5000に同様に組み込まれる。
図15に示すように、様々な実施の形態において、交互配置の厚さT’0,T’90,T’180,T’270は、予め、基板482に形成され、T’0〜T’270を生成しそして/または対応する4つの区別可能な深さを有する凹部485a〜485dを製作することによって、それぞれ製作される。第1〜第4の凹部485a〜485bの4つの区別可能な深さは、公知のエッチングまたはマイクロエンボス技術、または他の適切な公知または後に開発される技術によって基板482に形成される。様々な実施の形態において、第1〜第4の凹部485a〜485dの表面は、必要に応じて、上述および参考文献のように様々な調整処理を受け、そして複屈折材の複屈折材層473で満たされる。
速軸調整を受けることができ、特定の実施の形態において使用される様々な速軸調整処理に適合する前述した重合可能な複屈折材は、使用することができる。特に、図15に示す実施の形態において、様々な部分において、層483を形成する材料は、その部分における層483の厚さに依存する遅延効果を提供する。速軸方向488は、前述したように、層483が重合されるときに層483が経験する状態に基づいて全てに部分についてセットされる。様々な実施の形態において、複屈折材層483の表面489は、基板482の周辺表面と同一平面上にある。
図16および図17は、それぞれ、図12、図14および図15に示すパターン461,471および/または481に代えてそれぞれ使用することができる相対移相部分の2つのパターン401,401’を示す。図16および図17に示すように、これらのパターン401,401’は、4つの異なる移相部分のアレイを規定するパターン461,471,481に対して、3つの異なる移相部分のアレイを規定する。すなわち、図16および図17に示すパターン401,401’において、その移相部分は、パターン461,471,481において移相部分を分離するπ/2(rad)の相対位相変位の代わりに、2π/3(rad)の位相変位によって互いにオフセットされた相対位相変位を提供する。
図16に示す第1の例の3相パターン401において、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれが、図16に示す特定の実施の形態において、下方、右に向けて傾斜する対角線方向に沿って一貫して繰り返される。さらに、図16に示す第1の例の3相パターン401において、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれは、各タイプの移相部分が鉛直および水平方向の両方において他の2つのタイプの移相部分に隣接するような、簡単なパターンで分配される。同様に、図16に示す第1の例の3相パターン401において、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれは、各タイプの移相部分がそれぞれのすなわち4個の隣接する移相部分の4角形において少なくとも1回表されるような、規則的なパターンで分配される。
しかしながら、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれが図16に示す第1の例の3相パターン401において規則的なパターンで分配されるとき、特に高い干渉測定精度および空間分解能を要求する様々な実施の形態において述べたように、結果として生じた画像における同じポイントで、各移相部分P0,P120,P240から生じる干渉情報を比較することは難しい。これの困難性は、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれのローカルファミリに対する有効な空間加算平均ポイントが一致しないから、生じる。
図17に示す第2の例の3相パターン401’において、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれは、図17に示す特定の実施の形態において、下方、右に向けて傾斜する対角線方向に沿って一貫して繰り返され、3つの異なる移相部分P0,P120,P240の他の2つは、その対角線方向に沿って交互に繰り返される。特に、図17に示す第2の例の3相パターン401’において、第1の移相部分P0は、対角線方向に沿って一貫して繰り返され、2つの移相部分P120,P240は、対角線方向に沿って交互に繰り返される。
その結果、図17に示す第2の例の3相パターン401’において、3つの異なる移相部分P0,P120,P240は、強調された空間加算平均配置を提供するような、複雑なパターンで分配される。特に、図17に示す第2の例の3相パターン401’の特定の実施の形態において、第1の移相部分P0に関して、他の2つの移相部分は、第1の移相部分P0の周りに、側面に沿って隣接し、対称に分配される。さらに、第1の移相部分P0の他の1つは、対角線上にかつ対称にその第1の移相部分P0の周りに分配される。
同様に、図17に示す第2の例の3相パターン401’の特定の実施の形態において、他の移相部分P120,P240に関して、第1の移相部分P0は、これらの移相部分の周りに、側面に沿って隣接し、対称に分配され、一方、他の移相部分P120,P240の他の1つは、対角線上にかつ対称にその移相部分の周りに分配される。その結果、各組すなわち9個の隣接する移相部分の4角形に関して、3つの異なる移相部分P0,P120,P240のそれぞれのローカルファミリに対する有効な空間加算平均ポイントが一致する。
パターン401,401’は、図12および図15を参照して上述した実施の形態460,480と同様の方法で製作される高密度移相アレイ素子の実施の形態に採用することができる。速軸調整方向は、これらの実施の形態における高密度移相アレイ素子の全体に亘る各部分について一致する。パターン401,401’を提供するのに必要な様々な厚さおよび/または基板ステップ高さは、前述したように、式(6)に従って求めることができる。
さらに、パターン401,401’を使用する高密度移相アレイ素子の沿うような実施の形態は、図13に示す移相撮像素子5000のと同様に構成された代替の実施の形態において使用することができ、移相部分P0,P120,P240のパターン401,401’に対応するパターンで配置された3つの交互配置の干渉部分Q0,Q120,Q240を含む多重位相変位干渉画像情報600を提供する。
干渉測定値は、以下に述べるように、3つの交互配置の干渉部分を含む多重位相変位干渉画像情報を受光する検出サブシステム700に生じる3つの対応する位相信号から求めることができる。3つの強度信号は、IQ0(x,y),IQ120(x,y),IQ240(x,y)として表され、特定の(x,y)位置に関連する干渉測定値を求めるための特定の計算の仕組みにおいて利用され、ここで、各強度信号の記号は、平均化される1つ以上の様々な干渉部分があるかに拘わらず、各タイプの干渉部分のエリア平均画像強度値を示す。一般に、3つの強度信号は、特定の(x,y)位置の近傍において次のようにほぼ関連付けられる。
ここで、d(x,y)は、対象物の対応する(x,y)位置までの名目上の「対象ビーム」の光路長であり、A0は(x,y)位置の近傍における干渉パターンの名目上のピーク振幅であり、λは干渉パターンにおける光の波長である。
そして、新たな信号が、互いから、IQ0(x,y),IQ120(x,y),IQ240(x,y)信号を2つ1組で引き算することによって生成される。
そして、干渉測定計算に対する信号VRを補完する求積信号VQUADを得るために、VSおよびVTは組み合わされる。
増加波長λ内の適用可能な1/4波長測定値象限を特定した後に、1/4波長測定値象限内の補間された求積位相位置は、次の式(14)によって計算される。
最終的には、適用可能な1/4波長測定値象限内の干渉測定値d(x,y)を解くことは、次の式(15)および(16)を発生する。
図18は、本発明による高密度偏光アレイ530の一実施の形態の一部を示す。高密度偏光アレイ530は、図19〜22に示される本発明による移相撮像素子の第4および第5の実施の形態3000’,4000’に関して以下に述べるように、多重移相発生機構1400’’’,1400’’’’の様々な実施の形態において使用可能である。高密度偏光アレイ530は、また、図23に示す本発明による移相撮像素子の第6の実施の形態6000に関して以下に述べるように、多重移相発生機構1400’’’’’の様々な実施の形態において使用可能である。本発明による実施の形態3000’,4000’および同様の移相撮像素子は、図6〜16に関して上述した実施の形態3000,4000と同様に、図2〜5に示す多重移相画像発生装置200の代わりに、より一般的には、図1を参照した述べた多重移相画像発生部160として、使用可能である。
図18に示すように、高密度偏光アレイ530は、交互の第1の偏光部532および第2の偏光部534を含む。特に、図18に示すように、第1および第2の偏光部532,534は、高密度偏光アレイ530の水平および垂直方向の両方に交互になる。これは、第1および第2の偏光部532,534の格子縞の配置を生成する。様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530が本発明による移相撮像素子6000の様々な実施の形態に組み込まれるとき、第1および第2の偏光部532,534の格子縞パターンは、検出サブシステム700を実施するのに使用される検出装置710の各部の表面エリア全体を実質的に覆うように広がる。
高密度偏光アレイ530の第1の偏光部532および第2の偏光部534は、公知のまたは後に開発される製作方法によって形成される。特に、唯一の製造要求は、第1の偏光部532および第2の偏光部534が高密度アレイで製作されることである。具体的には、第1の偏光部および第2の偏光部534の寸法は、さらに以下に述べるように、光学検出アレイの1画素、または小さい画素群の寸法に近づくことが必要である。本発明のよる様々な実施の形態において、図18に示すように、第1および第2の偏光部532,534のそれぞれは、間隙538によって分離された平行な導電性素子536のアレイによって形成されたワイヤ格子偏光素子を用いて実現される。米国特許6,108,131,6,122,103および6,243,199は、そのようなワイヤ格子偏光素子を形成するためのシステムおよび方法を開示する。
図18に示すように、第1および第2の偏光部532,534は、それぞれ、入射した光の波面の水平および鉛直方向に偏光された成分を伝送する。しかしながら、より一般的には、第1および第2の偏光部532,534の偏光方向は、本発明による多重移相発生機構の補完的な素子の組み合わせで任意に選択可能である。しかしながら、様々な実施の形態において、第1および第2の偏光部532,534の偏光方向は、結果として生じた画像の最良のコントラストを得るために、混ぜ合わされた波面129を備える2つの直交偏光された入射波面124,128に対してπ/4(rad)回転され、相互に直交する。
従って、様々な実施の形態において、2つの直交偏光された入射波面124,128が、図13に示すように、偏光方向132A,133Aに沿って方向付けられたとき、第1の偏光部532における平行な導電性素子536および間隙538は、π/4(rad)に向けられるであろう。同様に、2つの直交偏光された入射波面124,128が、図13に示すように、偏光方向132A,133Aに沿って方向付けられたとき、第2の偏光部534における平行な導電性素子536および間隙538は、π/4(rad)に向けられるであろう。
図18に示す実施の形態において、第1および第2の偏光部532,534の複製方向は、水平および鉛直方向に配置される。しかしながら、より一般的には、第1および第2の偏光部532,534のそれぞれの複製方向は、本発明による多重移相発生機構の補完的な素子の組み合わせにおいて完全に制御可能で選択可能である。様々な実施の形態において、第1および第2の偏光部532,534は、同じサイズおよび形状であり、検出装置710の相当する部分を覆うであろう。
様々な実施の形態において、第1および第2の偏光部532,534は、検出装置710の整数の画素に亘って広がる。様々な実施の形態において、第1および第2の偏光部532,534の境界は、検出装置710の画素間の境界に並べられる。従って、そのような実施の形態において、第1および第2の偏光部532,534の各対または組は、高密度偏光アレイ530および検出装置700内のユニットセルを規定する。極端には、第1および第2の偏光部532,534は、検出装置710のそれぞれの単一の画素に関連付けられ、並べられる。
図19および図20は、本発明による第4の実施の形態の移相撮像素子3000’を示す。図19に示すように、移相撮像素子3000’は、多重移相発生機構1400’’’の第4の実施の形態と、検出部710a,710bを含む上述した検出サブシステム700の第1の実施の形態とを含む。図19および図20に示す第4の実施の形態において、多重移相発生機構1400’’’の第4の実施の形態は、本発明による1対の高密度偏光アレイ530a,530bを組み込む。多重移相発生機構1400’’’の第4の実施の形態は、また、ビームスプリッタ310、1/4波長板520および空白すなわち中立板525を含む。
空白すなわち中立板525および高密度偏光アレイ530aは、第1の方向に沿ってビームスプリッタ310に隣接する。この第1の方向に沿って、多重移相発生機構1400’’’は、検出部710aとの境界で多重位相変位干渉画像情報610を発生する。1/4移相差板520および第2の高密度偏光アレイ530bは、第2の方向に沿ってビームスプリッタ310に隣接する。この第2の方向に沿って、多重移相発生機構1400’’’は、検出部710bとの境界で多重位相変位干渉画像情報620を発生する。
図20に示す素子135’,310は、図8に示す素子135’および310として波面129に関して同様に動作する。従って、これらの素子の動作の記述は、繰り返さない。しかしながら、図8に示す実施の形態に対して、図20に示す実施の形態においては、ビームスプリッタ310が、サブ波面129aを、1つの方向に沿って中立板525および高密度偏光アレイ530aに導く。同様に、図20に示すように、サブ波面129bは、1つの方向に沿って1/4波長板520および高密度偏光アレイ530bに導く。
1/4波長板520および中立板525は、図2〜4に示す移相干渉素子220の第1の部分222の1/4波長板223および空白すなわち中立板224と同様に動作する。しかしながら、米国特許6,034,330に開示され、図2〜5を参照して述べた移相画像発生装置200に対して、本発明による移相撮像素子3000’の実施の形態においては、1/4波長板520が単一のサブ波面で満たされ、中立板525が同様に単一のサブ波面で満たされる。
1/4波長板223と同じように、1/4波長板520は、混ぜ合わされたサブ波面129bを備える2つの直交偏光されたサブ波面成分124b,128b間の相対位相をπ/2(rad)変え、位相が変えられた混ぜ合わされたサブ波面を生成する。同様に、中立板224と同じように、中立板525は、1/4波長板520の光路長に適合するが、混ぜ合わされたサブ波面129bを備える2つの直交偏光されたサブ波面成分124b,128b間の相対位相を変えない。
そして、空白すなわち中立板525を通過した混ぜ合わされた波面129aは、高密度偏光アレイ530a上に導かれる。高密度偏光アレイ530aは、混ぜ合わされた波面129aの直交偏光されたサブ波面124a,128bを、第1の偏光部532(図20(b)および(c)に示す532A,B)および第2の偏光部534(図20(b)および(c)に示す534A,B)にそれぞれに伝送する。その結果、多重位相変位干渉画像情報610は、第1の偏光部532および第2の偏光部534の格子縞パターンに対応する高空間周波数で交互配置された第1の干渉部分および第2の干渉部分の格子縞パターンを含む。
様々な実施の形態において、図18に示すように、間隙538によって分離された平行な導電性素子536などの第1の偏光部532および第2の偏光部534の偏光素子、または偏光フィルムなどは、図20の分解図によって示されるように、検出装置710aの表面に最も近接する高密度偏光アレイ530aの表面535a上に設けられる。同様に、第1の偏光部532および第2の偏光部534は、検出装置710bの表面に最も近接する高密度偏光アレイ530bの表面535b上に設けられる。
様々な他の実施の形態において、高密度偏光アレイ530aは、検出装置710aに最も近い空白すなわち中立板525の表面上に直接製作されてもよい。同様に、様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530bは、検出装置710bに最も近い1/4波長板520の表面上に直接製作されてもよい。従って、様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530a,530bの構成および/または機能は、対応する1/4波長板520および/または空白すなわち中立板525に合併され、または区別されない。特に、様々な実施の形態において、空白すなわち中立板525の構造および機能は、高密度偏光アレイ530aの基板によって提供されてもよい。
様々な他の実施の形態において、高密度偏光アレイ530a,530bは、それぞれ、検出装置710a,710bの表面上に直接製作されてもよい。高密度偏光アレイ530aまたは530bがワイヤ格子偏光素子であるとき、薄い絶縁層が検出装置710a,710bの活性部分とワイヤ格子偏光素子の間に用いられてもよい。従って、様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530aおよび/または530b、および検出装置710aおよび/または710bの構造および機能は、それぞれ、合併されてもよい。
様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530a,530bの偏光素子は、薄膜絶縁層または無視可能な空隙などのみによって、検出装置710a,710bの検出素子の表面からそれぞれ分離されている。そのような「突合せ」の例において、第1および第2の偏光部532,534と検出装置710a,710bの検出素子の間の最良の調整は、容易であり、隣接する検出素子すなわち画素間の異なる相対位相の干渉光の「漏れ」は、減少され、そして理想的には最小化される。さらに、第1の偏光部532および第2の偏光部534の偏光素子がワイヤ格子偏光素子であるとき、各素子に関連する回折効果は、突合せ画素に限定され、そしてそれによって平均化され、その結果、多重位相変位干渉画像情報610および/または620を乱さないであろう。
移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の様々な実施において、参照波面124および対象波面128は、図20に示す直交方向132A,133Aに沿って偏光される。そのような実施において、高密度偏光アレイ530a,530bは、パターン531Aを含み、パターン531Aは、パターン531Aの詳細図(図20(c))において、それぞれの「格子ライン」によって示されるようにそれぞれの偏光方向を有する第1の偏光部532Aおよび第2の偏光部534Aを含む。そのような場合、第1の偏光部532Aおよび第2の偏光部534Aは、それぞれ、図3を参照して上述したように、第1の偏光部277および第2の偏光部228と同様に機能する。その結果、高密度偏光アレイ530aは、多重位相変位干渉画像情報610を伝送する。同様に、高密度偏光アレイ530bは、多重位相変位干渉画像情報620を伝送する。
その結果、図8に関して上述したように、多重位相変位干渉画像情報610は、「Q0」,「Q2」の干渉部分の格子縞パターンを含む。しかしながら、この場合、「Q0」干渉部分は、空白すなわち中立板525と高密度偏光アレイ530aの第1の偏光部532Aを通過したサブ波面124a,128aの間の0(rad)の相対位相変位に対応する。「Q1」干渉部分は、空白すなわち中立板525と高密度偏光アレイ530aの第2の偏光部534Aを通過したサブ波面124a,128aの間のπ(rad)の相対位相変位に対応する。
第1の実施の形態において、「Q0」,「Q2」の干渉部分は、それぞれ、高密度偏光アレイ530aの第1の偏光部532Aおよび第2の偏光部534Aのパターン531Aに対応する。従って、多重位相変位干渉画像情報610内の「Q0」,「Q2」の干渉部分は、パターン531Aに対応する高空間周波数での格子縞パターンで交互配置される。この「Q0」,「Q2」の干渉部分の格子縞パターンは、図4に示すQ0象限232、Q2象限236の高密度交互配置に対応し、検出装置710aの表面上に単一の画像として伝送される。
同様に、図8に関して上述したように、多重位相変位干渉画像情報620は、「Q1」,「Q3」の干渉部分の格子縞パターンを含む。「Q1」干渉部分は、1/4波長板520と高密度偏光アレイ530bの第1の偏光部532Aを通過したサブ波面124b,128bの間のπ/2(rad)の相対位相変位に対応する。これに対し、「Q3」干渉部分は、1/4波長板520と高密度偏光アレイ530bの第1の偏光部532Aを通過したサブ波面124b,128bの間の3π/2(rad)の相対位相変位に対応する。
第1の実施の形態において、「Q1」,「Q3」の干渉部分は、それぞれ、高密度偏光アレイ530bの第1の偏光部532Aおよび第2の偏光部534Aのパターン531Aに対応する。従って、多重位相変位干渉画像情報620内の「Q1」,「Q3」の干渉部分は、パターン531Aに対応する高空間周波数での格子縞パターンで交互配置される。この「Q1」,「Q3」の干渉部分の格子縞パターンは、図4に示すQ1象限234、Q3象限238の高密度交互配置に対応し、検出装置710bの表面上に単一の画像として伝送される。
移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の第2の実施の形態において、参照波面124および対象波面128は、図20に示す直交方向132B,133Bに沿って偏光される。この第2の実施の形態において、高密度偏光アレイ530a,530bは、パターン531Bを含み、パターン531Bは、パターン531Bの詳細図(図20(b))において、それぞれの「格子ライン」によって示されるようにそれぞれの偏光方向を有する第1の偏光部532Bおよび第2の偏光部534Bを含む。このような場合、この第2の実施の形態の各素子の相互に作用する偏光方向の全ては、上述した移相撮像素子3000’の第4の実施の形態におけるそれらの対応素子に比して同じπ/4(rad)によって回転される。
従って、様々な実施の形態において、この第2の実施例は、上述した移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の第1の実施と実質的に同じ態様で、動作する。その結果、様々な実施の形態において、移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の第2の実施によって提供された多重位相変位干渉画像情報610および多重位相変位干渉画像情報620は、移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の第1の実施例に関して上述したと同じ格子縞パターンを含む。
図19に示すように、多重移相画像発生機構1400’’’の第4の実施の形態および移相撮像素子3000’の第4の実施の形態は、それぞれ、モノリシックすなわち集積構造であり、図19および図20に示す様々な光路は、互いに独立していない。すなわち、遭遇するかもしれない変化または他の回転および/または並進運動は、本質的に等しく、光路の全てに適用される。従って、そのような回転および/または並進運動によって生じる誤差は、同相誤差であり、よって、制御システム170によって生成された測定値の精度に影響を与えない。
さらに、Q0干渉部分と呼ばれる「0(rad)の相対位相変位」の干渉部分、およびQ2干渉部分と呼ばれる「π(rad)の相対位相変位」の干渉部分は、検出装置710aの表面に亘って高空間周波数格子縞パターンで交互配置される。その結果、Q0およびQ2象限における移相インタフェログラム600a,600cの空間分離によって図2〜5に示す多重移相画像発生装置200に出現する様々な非同相誤差は、減少され、そして、理想的には排除される。すなわち、0(rad)およびπ(rad)の位相変化干渉部分は、検出装置710aの全体に亘って各位置で隣接し、各位置は、各位置での0(rad)およびπ(rad)の位相変化干渉部分における対象物130の同じ部分を実質的に撮像する。さらに、各位置での画素に関しては、入射光強度から出力信号振幅までの伝達関数における不一致は、減少され、そして理想的には最小化される。よって、様々な実施の形態において、これらの要因に関連する誤差は、減少されそして/または最小化され、多くの実施の形態において、理想的には排除される。
本発明による様々な実施の形態において、そのような利益は、多重位相変位干渉画像情報600が検出サブシステム1502おける小さい領域内に多重の位相で提供されるから、生じる。言い方を変えれば、本発明による様々な実施の形態において、そのよう利益は、単一のサブ波面から生じる単一の画像が2つ以上の異なる相対位相変位についての情報を含むから、生じる。その情報は、画像全体に亘って交互配置される。本発明による様々な実施の形態において、同じ利益が、Q1干渉部分と呼ばれる「π/2(rad)の相対位相変位」の干渉部分、およびQ3干渉部分と呼ばれる「3π/2(rad)の相対位相変位」の干渉部分から得られるから、生じる。それらの干渉部分は、同じ理由で、検出装置710bの表面に亘って高空間周波数格子縞パターンで交互配置される。
多重移相発生機構1400’’’の第4の実施の形態と移相撮像素子3000’の第4の実施の形態は、単一のサブ波面から得られた単一の画像から生じる相対位相変位干渉情報の2つの異なる位相を提供する。同様に、多重移相発生機構1400’’’の第4の実施の形態と移相撮像素子3000’の第4の実施の形態は、単一のそれぞれのサブ波面からそれぞれ得られた2つのみの空間分離画像から生じる相対位相変位干渉情報の4つの異なる位相を提供する。
様々な実施の形態において、移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の部品は、混ぜ合わされた波面129a,129bの光路長が実質的に等しくなることを保証するように選択され、組み立てられる。従って、光学入力部135’の焦点合わせ、絞りおよび/または倍率特性などは、検出装置710a,710bで同じ撮像効果を生成するであろう。様々な実施の形態において、空白すなわち中立板525は省略されるが、高密度偏光アレイ530aおよび検出装置710aは、1/4波長板520の光路長に等しい光路長を提供する間隔をあけて強固にセットされる。
さらに、様々な実施の形態において、検出装置710a,710bは、2つの検出装置間の画素に匹敵する検出素子の出力を一致させるために、適合した組として選択されそして/または較正される。2つの検出装置を使用することは、各サブ波面すなわち多重位相変位干渉画像情報610,620が、両画像が単一の同サイズの検出装置の空間分離された領域で撮像される場合に得ることができるものより大きくなることを許容する。従って、移相撮像素子3000’の第4の実施の形態の有効信号および空間解像度は、向上される。
しかしながら、この実施の形態は、名目上の入射光強度における違いおよび/または入射光強度から出力信号振幅までの伝達関数における不一致が異なる検出装置の匹敵する検出素子すなわち画素間に出現するかもしれないという点で、一部不利な点を有する。そのような違いによって、いくつかの残りの非同相誤差が、制御システム170によって生成された測定値に関連したいくつかの、全てではないが、操作において残存する。さらに、これらの残存誤差は、2つの検出装置を適合させそして/または較正する上述した様々な実施の形態において、減少される。
図7および図8に関して上述した式(1)〜(4)に関して述べた様々な有利な点および動作の結果は、図19および図20に示す実施の形態に等しく適用され、当業者によって容易に評価されるであろう。従って、図19および図20に示す実施の形態に対する式(1)〜(4)の詳細な応用例は、省略される。
図21および図22は、本発明による移相撮像素子4000’の第5の実施の形態を示す平面図である。図21に模式的に示すように、移相撮像素子4000’の第5の実施の形態は、本発明による多重移相発生機構1400’’’’の第5の実施の形態と検出サブシステム700’を含む。多重移相発生機構1400’’’’の第5の実施の形態は、本発明による1対の高密度偏光アレイ530a’,530b’を組み込む。また、多重移相発生機構1400’’’’の第5の実施の形態は、ビームスプリティング表面310’、反射面312a,312b、空白すなわち中立板325’および1/4波長板320’を含む。
図10および図21と、図11および図22とに示す様々な実施の形態における共通素子は、同様に動作する。従って、これらの素子の記述は、繰り返さない。図21および図22に示す移相撮像素子4000’の第5の実施の形態においては、空白すなわち中立板525’、高密度偏光アレイ530’および検出装置710a’が、ビームスプリティング面310’の一方の側において第1の光路に沿ってサブ波面129a’を受光し、処理するように直線上に並べられる。この第1の光路に沿って、多重移相発生機構1400’’’’は、検出装置710a’との境界で多重位相変位干渉画像情報610’を発生する。同様に、1/4波長板520’、高密度偏光アレイ530’の第2の部分、および検出装置710b’は、ビームスプリティング面310’の他方の側において第2の光路に沿ってサブ波面129b’を受光し、処理するように直線上に並べられる。この第2の光路に沿って、多重移相発生機構1400’’’’は、検出装置710b’との境界で多重位相変位干渉画像情報620’を発生する。
図10および図11に関して上述した様々な有利な点および動作の結果は、図19および図20に示す実施の形態のそれらと同様に、図21および図22に示す実施の形態に等しく適用され、当業者によって容易に評価されるであろう。特に、上述した式(1)〜(4)に関して図10および図11に対して述べた動作および解析の結果は、図21および図22に示す実施の形態に適用される。従って、図21および図22に示す実施の形態に対する式(1)〜(4)の詳細な応用例は、省略される。
図23は、本発明による移相撮像素子6000の第6の実施の形態を示す分解図である。図23に示すように、移相撮像素子6000は、多重移相発生機構1400’’’’’の第6の実施の形態と検出サブシステム700”を含む。様々な実施の形態において、好適な公知のまたは後に開発される単一の検出装置710は、サブ検出システム700”を実現する。図23に示すように、多重移相発生機構1400’’’’’は、本発明による高密度偏光アレイ530と組み合わせて、上述した高密度移相アレイ素子410または430、または本発明による高密度移相アレイ素子490を組み込む。図13に関して前述した第3の例の移相撮像素子5000のように、移相撮像素子6000においては、ビームスプリッタは必要ない。
図23に示すように、混ぜ合わされた波面129は、光学入力部135”によって伝送される。伝送された混ぜ合わされた波面129は、参照波面124および対象波面128を含む。伝送された混ぜ合わされた波面129は、高密度移相アレイ素子490を満たす単一の波面として伝搬され、以下に述べるように、2つの交互配置の遅延板の組み合わされた機能を提供する。2つの遅延板は、それらの間で1/4波長の遅延差を有する。従って、様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子490から伝搬された、伝送された混ぜ合わされた波面129は、π/2(rad)の相対位相変位によって分離される異なる相対位相変位を有する少なくとも2つの移相部分の交互配置のパターンを含む。
π/2(rad)の異なる相対位相変位の交互配置のパターンを含む高密度移相アレイ素子490を通過した伝送された混ぜ合わされた波面129は、高密度偏光アレイ530に導かれる。図18〜22に関して上述したように、様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530の第1および第2の偏光部532,534の一方は、高密度移相アレイ素子490を通過し、π/2(rad)によって分離されている異なる相対位相変位の第1の相対位相変位を有する伝送された混ぜ合わされた波面129の様々な部分における直交偏光された成分124,128の同位相成分を伝送し、干渉するように方向付けられる。同様に、高密度偏光アレイ530の第1および第2の偏光部532,534の他方は、高密度移相アレイ素子490を通過し、π/2(rad)によって分離されている異なる相対位相変位の第2の相対位相変位を有する伝送された混ぜ合わされた波面129の様々な部分における直交偏光された成分124,128の位相不一致成分を伝送し、干渉するように直交して方向付けられる。
その結果、様々な実施の形態において、Q0〜Q3干渉部分の二次元の交互配置のパターンは、高密度偏光アレイ530を通過した多重位相変位干渉画像情報640において生成される。Q0〜Q3干渉部分の二次元の交互配置のパターンは、検出サブシステム700”を実現するのに用いられる検出装置710の表面エリア全体に亘って実質的に広がる単一の画像として受光される。
様々な実施の形態において、上述した様々な実施の形態と同様に、高密度移相アレイ素子490のパターン化された表面は、高密度偏光アレイ530および検出装置710に向けられる。より一般的には、様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子490、高密度偏光アレイ530および検出装置710のそれぞれの製作、方向付けおよび組み立ては、図7,8,10および11を参照して上述した移相撮像素子3000,4000の対応する素子のそれぞれの製作、方向付けおよび組み立てに関して前述した様々な実施の形態と同様にすることができる。様々な実施の形態において、それらの製作方法に拘わらず、高密度偏光アレイ530、高密度移相アレイ素子490および検出装置710は、互いに有効に接着されまたは結合され、モノリシック移相撮像素子として図23に示す移相撮像素子6000を形成する。
本発明による様々な実施の形態において、混ぜ合わされた波面129の有効光路長の各部が可能な限り同じになり、そして理想的には等しくなるように、高密度偏光アレイ530、高密度移相アレイ素子490および検出装置710を製作することは有利である。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子490の活性部分と検出装置710の検出面の間の距離d(図示せず)は、検出装置710に出現された画像の最大焦点深度より小さい。様々な実施の形態において、距離dは、約1〜2mmまたはそれにより小さい。様々な他の実施の形態において、距離dは、0.2mm未満である。
様々な実施の形態において、高密度偏光アレイ530は、第1の偏光部532および第2の偏光部534のパターンを含み、該パターンは、高密度移相アレイ素子490に含まれる0(rad)の移相部分P0およびπ/2(rad)の移相部分P90のパターンを補完する。高密度移相アレイ素子490および高密度偏光アレイ530の補完的なパターンは、結合され、多重位相変位干渉画像情報640における高空間周波数で交互配置された第1、第2、第3および第4の相対位相干渉部分の所望の二次元の交互配置のパターンを生成する。
そのような実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報640における第1、第2、第3および第4の相対位相干渉部分の二次元の交互配置のパターンは、検出サブシステム700”を実現するのに用いられる検出装置710の表面上に単一の画像として伝送される、図4に示すQ0〜Q3象限232〜238の高密度交互配置に対応する。そのような補完的なパターンの様々な実施の形態、および多重位相変位干渉画像情報640の様々な結果として生じる実施の形態は、以下にさらに詳細に述べる。
移相撮像素子6000の第1の実施において、参照波面124および対象波面128は、図23に示す直交する方向132A,133Aに沿って偏光される。この第1の実施において、高密度偏光アレイ530は、パターン531Cを含み、該パターン531Cは、パターン531Cの詳細図(図23(c))においてそれぞれの「格子ライン」によって示されるそれぞれの偏光方向を有する帯状の第1の偏光部532Cおよび帯状の第2の偏光部534Cを含む。
この実施において、高密度偏光アレイ530がパターン531Cを含むとき、移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1の実施は、パターン491Aを含む高密度移相アレイ素子490を含む。パターン491Aは、図23(b)に詳細に示すように、交互に配置された帯状の0(rad)の移相部分P0および帯状のπ/4(rad)の移相部分P90を含む。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子490の帯状の0(rad)の移相部分P0および帯状のπ/4(rad)の移相部分P90は、図14の帯状の例など、前述した方法に従って複屈折材層すなわち複屈折基板に適切な厚さを形成することによって、製作される。しかしながら、この特定の実施において、複屈折材層すなわち複屈折基板の速軸方向は、図15に示す実施の形態のように、一様に鉛直方向である。
そのような実施において、第1の偏光部532Cは、高密度移相アレイ素子490から消え去る伝送された混ぜ合わされた波面129における直交偏光された成分124,128の同位相成分を伝送し、干渉するように作用する。同様に、第2の偏光部534Cは、高密度移相アレイ素子490から消え去る伝送された混ぜ合わされた波面129における直交偏光された成分124,128の位相不一致成分を伝送し、干渉するように作用する。この実施の形態に対応する多重位相変位干渉画像情報640は、さらに、図24を参照して以下に述べる。
移相撮像素子6000の第2の実施において、参照波面124および対象波面128は、図23に示す直交する方向132B,133Bに沿って偏光される。この第2の実施において、高密度偏光アレイ530は、パターン531Bを含み、該パターン531Bは、図20に関して上述したように、第1の偏光部532Bおよび第2の偏光部534Bを含む。
この第2の実施において、高密度偏光アレイ530がパターン531Bを含むとき、移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1の例は、パターン491Bを含む高密度移相アレイ素子490を含む。パターン491Bは、図19(d)の詳細図に示すように、0(rad)の移相部分P0およびπ/4(rad)の移相部分P90の格子縞パターンを含む。様々な実施の形態において、高密度移相アレイ素子490の0(rad)の移相部分P0およびπ/4(rad)の移相部分P90の格子縞パターンは、図6または15に示す例など、前述した方法に従って複屈折材層すなわち複屈折基板に適切な厚さを形成することによって、製作される。この特定の実施において、複屈折材層すなわち複屈折基板の速軸方向は、図6および15に示す実施の形態のように、全ての位置で、一様に鉛直方向である。
そのような実施において、第1の偏光部532Bは、高密度移相アレイ素子490から消え去る伝送された混ぜ合わされた波面129における直交偏光された成分124,128の同位相成分を伝送し、干渉するように作用する。同様に、第2の偏光部534Bは、高密度移相アレイ素子490から消え去る伝送された混ぜ合わされた波面129における直交偏光された成分124,128の位相不一致成分を伝送し、干渉するように作用する。この実施の形態に対応する多重位相変位干渉画像情報640の構造は、さらに、図25を参照して以下に述べる。
より一般には、移相撮像素子6000の第4の実施の形態において使用可能である高密度移相アレイ素子および高密度偏光アレイ530のパターンの使用可能な組み合わせが、多数ある。さらに、様々な補完的な偏光、速軸および方向付けにおける高密度偏光アレイ530および高密度移相アレイ素子490の様々な形態を製作する様々な他の代替方法は、可能であり、それは上述および以下に述べることの両方に基づいて明らかになるであろう。
多重移相発生機構1400”,1400’’’’’の様々な実施の形態および例示の移相撮像素子5000,6000は、3つ以上の異なる位相を提供し、単一の分割されていない波面から得られる単一の画像から生じる相対移相干渉画像情報の上述および以下に述べる様々な実施の形態に関して開示された、3つの異なる位相および4つの異なる位相を含むが、これに限定されることはない。従って、図7および図8に示す多重移相発生機構1400’と移相撮像素子3000、および図10および図11に示す多重移相発生機構1400’と移相撮像素子4000の様々な態様の前述した特徴および利点は、図13および図23に示す多重移相発生機構1400”,1400’’’’’および移相撮像素子5000,6000の様々な態様によって同様に提供される。
さらに、様々な実施の形態において、13および図23に示す多重移相発生機構1400”,1400’’’’’および移相撮像素子5000,6000は、高密度移相アレイ素子460,470,480または490などが単一の素子として提供されるという、さらなる利益を享受する。さらに、高密度移相アレイ素子460,470,480または490などは、2以上の異なるタイプの位相干渉部分が単一の光路に沿ってすなわち検出装置710上の単一の画像内に提供されることを許容するから、ビームスプリティング素子は必要ではない。この結果は、より少ない光学素子の収差とより便利な組み立ておよび/または信号処理をもたらすだけでなく、全ての匹敵する画素のゲイン特性などの間の改善された適合性をもたらす。これは、全ての匹敵する画素が検出装置の同一の小さい領域に位置するから、生じる。
さらに、全ての匹敵する画素は、検出装置の同一の小さい領域に位置する。従って、対象物の特定の部分から、多重位相変位干渉画像情報630,640の特定位置部分における特定の対応するQ0〜Q3干渉部分までの光路長は、本質的に、同じである。従って、関連する相対移相情報および関連する測定値は、移相撮像素子5000,6000の合理的に予期された回転および/または並進運動に対して感知しない。その結果、様々な実施の形態において、コストおよび測定誤差の両方が、移相撮像素子3000,3000’,4000,4000’に比して、移相撮像素子5000,6000においては、さらに減少される。
図24〜図27は、図18〜22に示す高密度偏光アレイ530と本発明による高密度移相アレイ素子490の両方を組み込む図23に示す移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1〜第4のより詳細なパターンと動作を概要図である。
特に、図24は、図23を参照して上述した第6の実施の形態の第1の実施のパターンと動作を示す概要図である。この第1の実施は、参照波面124および対象波面128が図23に示す直交する方向132A,133Aに沿って偏光されるときに使用可能である。図24は、高密度偏光アレイ530のパターン531C例の一部、パターン531Cの一部と名目上直線に並べられる高密度移相アレイ素子490のパターン491A例の一部を示す。これらの素子は、図23に示す移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1の実施を参照して前述されている。
図24は、また、検出装置710の表面上の単一の画像として伝送される多重位相変位干渉画像情報640AにおけるQ0〜Q3干渉部分の結果として生じた交互配置のパターン640Aの名目上調整された部分を示す。これの交互配置のパターン640Aは、図23に示す移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1の実施を参照して上述したように、高密度偏光アレイ490のパターン531Cと高密度移相アレイ素子490のパターン491Aの組み合わせから得られる。様々なQ0〜Q3干渉部分の光学的生成および特性は、前述したと同じである。名目上の横分解能指標800Aは、さらに以下に詳述されるように、示される。
様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報640AにおけるQ0〜Q3干渉部分の縁は、名目上、検出装置710の検出素子の縁と直線に並べられる。すなわち、各Q0〜Q3干渉部分は、整数画素の高さ、整数画素の幅を有し、名目上、対応する画素の組と直線に並べられる。例えば、様々な実施の形態において、粗い横分解能のみが要求されるとき、整数の画素は、約16画素以上である。細かい横分解能が要求される様々な実施の形態においては、整数の画素は、約4〜8画素である。最も細かい横分解能が要求される様々な実施の形態においては、整数の画素は、約1〜4画素である。高密度偏光アレイ530および高密度移相アレイ素子490の様々な寸法は、適宜に設計され、当業者にとっては明らかであろう。
上述したように、移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1の実施は、単一の画像から生じる相対位相変位干渉情報の4つの異なる位相すなわちQ0〜Q3干渉部分を提供する。従って、移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1の実施は、上述した移相撮像素子3000,3000’,4000,4000によって提供される位相信号と同様な、Q0〜Q3干渉部分から生じる4つの異なる「位相信号」を提供する。
従って、式(2)および図7,8,10,11および19〜22に関連した上述からの類推によって、多重位相変位干渉画像情報が4つのQ0〜Q3干渉部分を交互配置する本発明による様々な実施の形態に関して、図24に示すように、位置(x,y)に中心が置かれる4つの隣接する異なる干渉部分の2x2領域が名目上、干渉情報部分Q3(x,y),Q1(x,y),Q0(x,y),Q2(x,y)であることに対して、米国特許6,034,330の式(10)および上記式(2)に匹敵する1つの式は、
Φ(x,y)=tan-1{[IQ3(x,y)-IQ1(x,y)] / [IQ0(x,y)-IQ2(x,y)]} (17)
となる。ここで、Iは、干渉部分のそれぞれに対する画像強度値を示す。
式(2),(3)に関して上述したと同様に、各干渉部分が検出器上の1画素以上の組に対応すると、様々な実施の形態において、画像強度値Iは、画素の全体の組に対する平均または代表強度値を示す。従って、画素の全体の組は、「メタ画素」としてみなすことができる。様々な実施の形態において、そのようなメタ画素は、本発明による高密度偏光アレイ530の第1および第2の部分と高密度移相アレイ素子490のパターン491Aの0(rad)の移相部分P0およびπ/2(rad)の移相部分P90とのそれぞれの重なり合うエリアの組み合わせの広がりに対応する広がりを有する。様々な実施の形態において、そのようなメタ画素は、本発明の原理に従って使用可能な空間平均の1つの好ましい方法を提供する。
また、式(2),(3)に関して上述したと同様に、様々な実施の形態において、個々の干渉部分は、近接するすなわち隣接する4つの対応可能な近接干渉部分との干渉部分の4つの境界に対応する少なくとも4つの異なる(x,y)位置での測定値に包含される匹敵する干渉部分である。
さらに、式(3)に関連した上述からの類推によって、中央画素に一致する位置(x,y)に中心が置かれる9つの隣接する異なる干渉部分の3x3領域について、次の代替式が使用可能である。
Φ(x,y)=tan-1{[Iave Q3(x,y)-Iave Q1(x,y)] / [Iave Q0(x,y)-Iave Q2(x,y)]} (18)
ここで、Iaveは、9つの隣接する干渉部分において1、2または4つの様々な干渉部分があるかに拘わらず、各干渉部分に対するエリア平均画像強度値を示す。
式(18)は、(x,y)の中央画素の各側にある画素を平均し、式(17)に現れる最小の勾配またはオフセット誤差を名目上取り除く。すなわち、様々な実施の形態において、式(18)による「匹敵する平均」は、理想的には(x,y)の中央位置に一致する名目上の空間位置を有する。様々な実施の形態において、個々の干渉部分は、その干渉部分の4つの縁に隣接の匹敵する近接干渉部分と、その干渉部分の4つの対角上に位置する匹敵する近接干渉部分に対応する少なくとも8つの異なる(x,y)位置での測定値に包含される匹敵する干渉部分である。
前述の例および議論に基づいて、本発明に従うこれらおよび他の実施の形態に使用可能な様々な変形および他の信号処理は、当業者にとっては明らかであろう。
図25は、図23を参照して上述したように、第6の実施の形態の移相撮像素子6000の第2の実施のパターンおよび動作を示す概要図である。この第2の実施は、参照波面124および対象波面128が直交する方向132B,133Bに偏光されるときに使用可能である。図25は、高密度偏光アレイ530のパターン531Bの例の一部と、パターン531Bの一部と名目上直線に並べられる高密度移相アレイ素子490のパターン491Bの例の一部を示す。これらの素子は、図23に示す第6の実施の形態の移相撮像素子の第2の実施を参照して前述されている。
図25は、また、検出装置710の表面上に単一の画像として伝送された多重位相変位干渉画像情報640におけるQ0〜Q3干渉部分の結果として生じた交互配置のパターン640Bの名目上調整された部分を示す。この交互配置のパターン640Bは、図23に示す第6の実施の形態の移相撮像素子6000の第2の例を参照して上述したように、高密度偏光アレイ530のパターン531Bと高密度移相アレイ素子490のパターン491Bの組み合わせから得られる。Q0〜Q3干渉部分の光学的発生および特性は、前述したと同様である。名目上の横分解能指標800Bが、また、以下にさらに詳述するように、示される。
図24を参照して述べた第1の実施と同様に、様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報640BにおけるQ0〜Q3干渉部分の縁は、検出装置710の検出素子の縁と名目上直線に並べられる。すなわち、各Q0〜Q3干渉部分は、整数画素の高さおよび整数画素の幅を有し、名目上、対応する画素組と直線に並べられる。高密度偏光アレイ530および高密度移相アレイ素子490の様々な素子の寸法は、適宜に設計され、当業者にとっては明らかであろう。
この第2の実施は、また、上述した第1の実施によって提供された4つの位相信号と同様な、Q0〜Q3干渉部分から生じる4つの分離された「位相信号」を提供する。従って、図24に示す第1の実施に関連して上述からの類推によって、式(17)は、位置(x,y)に中心が置かれる4つの隣接する異なる干渉部分の2x2領域について、使用可能である。しかしながら、第2の実施の特定の構造によって、図25に示すパターン640Bにおける点線によって示されるように、4つの隣接する異なる干渉部分の中心は、高密度移相アレイ素子490のパターン491Bにおけるπ/2(rad)の移相部分P90と0(rad)の移相部分P0間の縁の中心に一致する(x,y)位置で生じる。従って、式(17)は、第2の実施に対するこれらの特定の位置で測定値を作るのに適用されるのみである。
しかしながら、π/2(rad)の移相部分P90と0(rad)の移相部分P0間の縁の中心に一致する前述した(x,y)位置間の中途の各(x,y)位置で、「平均化」式(18)は、x方向に沿った2つの干渉部分の幅およびy方向に沿った4つの干渉部分の高さ、または逆、を有する8つの隣接する干渉部分の領域について、第2の特定の実施で使用可能である。前述した例および議論に基づいて、第2の実施に使用可能である様々な変形および他の信号処理方法は、当業者にとっては明らかであろう。
図26は、図23を参照して上述したように、第6の実施の形態の移相撮像素子6000の第3の実施のパターンおよび動作を示す概要図である。第3の実施は、参照波面124と対象波面128が図23に示す直交する方向132B,133Bに沿って偏光されるときに、使用可能である。図26は、高密度偏光アレイ530のパターン531Bの一例の一部と、パターン531Bの一部と名目上直線に並べられる高密度移相アレイ素子490のパターン491Aの一例の一部を示す。これらの素子は、図23に示す移相撮像素子6000の第6の実施の形態の第1および第2の実施を参照して前述されている。
図26は、また、検出装置710の表面上に単一の画像として伝送された多重位相変位干渉画像情報640におけるQ0〜Q3干渉部分の結果として生じた交互配置のパターン640Cの名目上調整された部分を示す。この交互配置のパターン640Cは、図23に示す第6の実施の形態の移相撮像素子6000を参照して上述したように、高密度偏光アレイ530のパターン531Bと高密度移相アレイ素子490のパターン491Aの組み合わせから得られる。Q0〜Q3干渉部分の光学的発生および特性は、前述したと同様である。名目上の横分解能指標800Cが、また、以下にさらに詳述するように、示される。
図24を参照して述べた第1の実施と同様に、様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報640CにおけるQ0〜Q3干渉部分の縁は、検出装置710の検出素子の縁と名目上直線に並べられる。すなわち、各Q0〜Q3干渉部分は、整数画素の高さおよび整数画素の幅を有し、名目上、対応する画素組と直線に並べられる。高密度偏光アレイ530および高密度移相アレイ素子490の様々な素子の寸法は、適宜に設計され、当業者にとっては明らかであろう。
この第3の実施は、図24を参照して上述した第1の実施によって提供された4つの位相信号と同様な、Q0〜Q3干渉部分から生じる4つの分離された「位相信号」を提供する。図24に示す第1の実施のパターン640Aと第3の実施のパターン640Cの間の4つのQ0〜Q3干渉部分の配置における小さい差にもかかわらず、式(17)は、位置(x,y)に中心が置かれる4つの隣接する異なる干渉部分の2x2領域について、この第3の実施で使用可能である。同様に、中央画素に一致する位置(x,y)に中心が置かれる9つの隣接する干渉部分の3x3領域について、式(18)は使用可能である。前述した例および議論に基づいて、第3の実施に使用可能である様々な変形および他の信号処理方法は、当業者にとっては明らかであろう。
図27は、第6の実施の形態の移相撮像素子6000の第4の実施のパターンおよび動作を示す概要図である。この第4の実施は、参照波面124と対象波面128が図23に示す直交する方向132B,133Bに沿って偏光されるときに、使用可能である。図24〜26に示す実施に対して、図27は、3つの異なる干渉部分、Q0,Q1およびQ3干渉部分を提供する実施を示す。高密度偏光アレイ530のパターン531Bの一例の一部と、パターン531Bの一部と名目上直線に並べられる高密度移相アレイ素子490のパターン491Aの一例の一部を示す。従って、3つの位相のみを使用する測定に使用可能である。
図27は、高密度偏光アレイ530の代替パターン531”の一例の一部と、パターン531”の一部と名目上直線に並べられる高密度移相アレイ素子490のパターン491”の一例の一部を示す。これらの素子の全般特性は、図23に示す同様の数の素子を参照して前述したとそれらと同様である。図27は、また、検出装置710の表面上に単一の画像として伝送された多重位相変位干渉画像情報640におけるQ0,Q1およびQ3干渉部分の結果として生じた交互配置のパターン640Dの名目上調整された部分を示す。この交互配置のパターン640Dは、図23に示す第6の実施の形態の移相撮像素子6000の第4の実施において、高密度偏光アレイ530のパターン531”と高密度移相アレイ素子490のパターン491”の組み合わせから得られる。Q0,Q1およびQ3干渉部分の光学的発生および特性は、前述したと同様である。
図24を参照して述べた第1の実施と同様に、様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報640におけるQ0,Q1およびQ3干渉部分の縁が、名目上、検出装置710の検出素子の縁と直線に並べられる。すなわち、各Q0,Q1およびQ3干渉部分は、整数画素の高さおよび整数画素の幅を有し、名目上、対応する画素の組と直線に並べられる。高密度偏光アレイ530および高密度移相アレイ素子490の寸法は、適宜に設計され、当業者にとっては明らかであろう。
この第4の実施は、3つのQ0,Q1およびQ3干渉部分から生じる3つの別個の「位相信号」を提供する。この第1の実施のパターン640Aと第4の実施のパターン640Dの間の小さい差によって、式(17)に代えて、式(19)が、位置(x,y)に中心が置かれる3つの隣接する異なる干渉部分について、この第4の実施で使用可能である。この3つの隣接する異なる干渉部分は、行に沿った配置、列に沿った配置、またはL形状の配置である。L形状の場合、(x,y)位置は、名目上、「L」の内側のコーナである。従って、位置(x,y)に中心が置かれる3つのそのような隣接し、Q3(x,y),Q1(x,y),Q0(x,y)として名目上特定される干渉部分の領域について、米国特許6,034,330の式(10)および上記式(2)に匹敵する1つの式は、
Φ(x,y)=tan-1{[IQ3(x,y)-IQ1(x,y)]/[2IQ0(x,y)-(IQ3(x,y)+IQ1(x,y))]} (19)
となり、ここで、Iは、各干渉部分に対する画像強度値を示す。
同様に、第4の実施が3つのQ0,Q1およびQ3干渉部分から生じる3つの別個の「位相信号」のみを提供するから、第1の実施のパターン640Aと第4の実施のパターン640Dの間の小さい差によって、式(18)に代えて、式(20)がこの第4の実施で使用可能である。従って、位置(x,y)に中心が置かれる少なくとも3つの異なるタイプの干渉部分を含むことができる4つの隣接する干渉部分について、式(20)が使用可能である。この4つの隣接する干渉部分は、行に沿って、列に沿って、または2x2ブロック内にある。すなわち、次の代替式はまた使用可能である。
Φ(x,y)=tan-1{[Iave Q3(x,y)-Iave Q1(x,y)]/[2Iave Q0(x,y)-(Iave Q3(x,y)+Iave Q1(x,y))]} (20)
ここで、Iaveは、4つの隣接する干渉部分の領域における様々な干渉部分の数に拘わらず、各干渉部分に対するエリア平均画像強度値を示す。
式(17),(18)に匹敵する各式(19),(20)において、「IQ2(x,y)」項はない。従って、IQ0(x,y)信号に現れる信号オフセットのいくつかは、取り除かれない。しかしながら、本発明の原理による様々な実施の形態を使用するときに前述した「同相」誤差の利点が得られるから、IQ0(x,y)信号における多数の信号オフセットは、IQ3(x,y),IQ1(x,y)信号における信号オフセットと同じであると仮定することができる。従って、式(20)におけるサブ式(Iave Q3(x,y)+Iave Q1(x,y))は、IQ0(x,y)信号に現れる大部分のオフセット効果を効率的に取り除かれる。
従って、小さな不利にも拘らず、図27に示すパターン構成は、3つの異なる干渉部分の様々な組み合わせを生成する他のパターン構成と同様に、本発明の原理による様々な実施の形態において使用可能である。前述の例および議論に基づいて、第4の実施に使用可能である様々な変形例および他の信号処理方法は、当業者にとっては明らかであろう。より一般には、図24〜27に示した様々なパターンに関する前述の例および議論に基づいて、本発明の原理に従って使用可能な様々な他の変形例および他のパターンは、当業者にとっては明らかであろう。
図28は、図11および22に示す移相撮像素子4000および4000’と同様に機能する移相撮像素子7000の一実施の形態を示す。従って、図28の以下の詳述は、移相撮像素子4000,4000’に対する移相撮像素子7000の違いのみに焦点を合わせる。図28に示す移相撮像素子7000において、移相撮像素子4000’に使用されるビームスプリッティング面310’および反射面312a,312bは、回折光学素子310”によって置き換えられ、回折光学素子310”は、混ぜ合わされた波面129を2つの混ぜ合わされたサブ波面すなわち「複製」129a”,129b’にそれぞれの光路に沿って分離するビームスプリティング面310’と同様に機能する。図28に示す様々な角度、長さおよび比率は、描かれているのみであり、明確にするために誇張されている。様々な実施の形態において、選択された角度、長さおよび比率は、特定の回折光学素子310”で達成される光学ビームの分散に重く依存するであろう。
回折光学素子310”は、図11および図22に示すサブ波面129a’に対して、サブ波面129a”がサブ波面129b’の鏡像でないように製作される。さらに、光学ブロックアセンブリ320’は、光学ブロックアセンブリ320に対して、均質材のブロックからなり、移相撮像素子7000の様々な実施の形態において様々な装着面を提供し、重要な間隙を維持するように主に作用する。回折光学素子310”によって提供されるサブ波面129a”,129b’の方向に応じて、様々な実施の形態において、光学ブロックアセンブリ320’は、偏光素子410’または空白すなわち中立板525’および1/4波長板420’または520’にそれぞれ近接して位置決めされているプリズム形状の端部を含む。光学ブロックアセンブリ320’のプリズム形状の端部の構成は、ライン390,391によって表される光路の光路長が実質的に等しくなることを保証するように選択される。混ぜ合わされた波面129が移相撮像素子7000を通して伝搬するときに混ぜ合わされた波面129の様々な部分の全ての光路については、事実、同じである。
他の面に関して、移相撮像素子7000は、図11および図22に示す移相撮像素子4000,4000’と同様に機能する。従って、図10に示す多重移相発生機構1400および移相撮像素子4000または図23に示す多重移相発生機構1400’’’’’および移相撮像素子4000’の様々な実施の形態の前述した特徴および利点の全ては、図28に示す移相撮像素子7000の様々な実施の形態によって同様に提供される。
前述したように、様々な実施の形態において、約633nmのレーザ光源波長に対して、高密度移相アレイ素子490は、代表的な商業上利用可能なクォーツ1/4波長板とすることができ、該波長板は、公称エッチング深さ17.5マイクロでエッチングされたP0 Portionの領域を有する。便利にそして/または経済的にそのような高密度移相アレイ素子490を製作するために、様々な実施の形態において、図24〜図28に示すP0Portionの最小のxおよび/またはy寸法がエッチング深さまたは層とほぼ同じであることは利点である。
従って、様々な実施の形態において、検出装置710の検出素子の画素サイズおよび中心間隔は、ほぼ6マイクロであり、そして、多重位相変位干渉画像情報640A,640Bまたは640Cにおける各Q0〜Q3干渉部分が整数画素の高さおよび整数画素の幅を有するとき、最小Q0〜Q3干渉部分は、ほぼ3x6=18マイクロ、または4x6=24マイクロなどの側長を有する領域である。従って、図24〜図28に示す実施の形態において、各部分532,534は、約18マイクロの側長を有する。補完的な方法において、図24および図26に示す対応するP90 PortionおよびP0 Portionが、18マイクロの狭い寸法を有する。同様に、図25において、P90PortionおよびP0 Portionがが、約2x8=16マイクロの側長を有する。
もちろん、様々な実施の形態において、大きいまたは小さい寸法が、また、用いられてもよい。薄い1/4波長寸法を許容するまたはエッチング深さと中立の側長とのより高いアスペクト比を許容する新しい材料および/または処理が得られるとき、1/4波長領域1120,1125の寸法は、経済的に、検出装置710の根底にある画素の寸法の限界値まで減少させることができる。また、より一般的には、様々な実施の形態において、多重位相変位干渉画像情報640A,640B,640Cおよび/または640Dにおける各Q0〜Q3干渉部分のアスペクト比は、検出装置710の画素のアスペクト比に適合する。高密度偏光アレイ530および高密度移相アレイ素子490の様々な寸法は、適宜設計され、そして当業者にとっては明らかであろう。
本発明による移相撮像素子3000,3000’,4000,4000’,5000,6000および/または7000の様々な実施の形態において、他の例135’または135”の代表としての光学入力部135は、その出力側に1/2波長板を含み、出力撮像レンズから1/2波長板を通して混ぜ合わされた波面129を出力する。当該分野では公知であるように、1/2波長板の速軸の選択された方向は、選択された量で混ぜ合わせた波面を形成する2つの直交された入射波面124,128の偏光を回転することができる。例えば、図8および図13に示すような、方向132A,133Aに沿ったまたは方向132B,133Bに沿った方向のいずれかは、光学入力部135に入射する前に直交偏光された入射波面124,128の初期方向に拘わらず、容易に達成される。もちろん、代わりに、移相撮像素子全体が、所望の偏光角関係を達成するように、光学入力軸の周りに回転されてもよい。しかしながら、これは、光学入力部135における調整可能な1/2波長板を含むものに対して、より複雑で、不安定で、または不便である。
さらに、本発明による移相撮像素子3000,3000’,4000,4000’,5000,6000および/または7000の様々な実施の形態において、他の例135’または135”の代表としての光学入力部135は、入力撮像レンズを介して、混ぜ合わされた波面129を入力し、絞りを介して、混ぜ合わされた波面129を空間的にフィルタリングし、出力撮像レンズを介して、結果として生じた混ぜ合わされた波面129を伝搬する。そのようなテレセントリック配置は、図1に示すものと同様の様々な干渉計の分野において公知である。光学入力部135のレンズは、焦点距離fを有し、倍率Mを提供する。これらのパラメータは、実験によって本発明による装置の特定の応用例に対して適切に選択することができ、または基本的な光学的解析によって適切に選択することができる。
本発明による様々な実施の形態において、これらのパラメータの値を選択するときの2つの関連した考慮は、検出サブシステム700の様々な例における検出装置の表面上でのある対象物によって生成されるスペックルサイズすなわちスペックルのサイズと、光学入力部135によって決定される横分解能である。一般に、スペックルがある応用例において、名目上のスペックルサイズは、システムの名目上の横分解能に一致する。
様々な実施の形態において、式(21)は、名目上の横分解能LR、および/またはスペックルサイズSを解析し、調整することができる。
LR=S=1.22(M+1)*λ*f/a (21)
ここで、Mは倍率、fは撮像レンズの焦点距離、aは有効開口直径、λはレーザ光源110によって放射される光の波長である。
平行なコヒーレント参照ビーム波面が検出装置近傍の偏光器によって対象ビーム波面と混合される様々な実施の形態で得られたスペックルサイズは、実際に式(21)によって示されたほぼ2倍になる。スペックルサイズは、様々な実施の形態において、入力光学部の開口を変えることによって調整される。さらに、開口は、与えられた応用例に対して所望されたスペックルサイズおよび/または横分解能を達成するように、実験的に調整される。
一般に、様々な実施の形態において、対象物130上の特定の位置に対応する測定値を求めるのに使用されるQ0〜Q3の組における匹敵するQ0〜Q3のいずれもが唯一のスペックル内容を持たないことが好ましい。そのような唯一のスペックル内容は、関連した匹敵する画素の画像強度値Iを歪め、関連する測定値に誤差を持ち込む。同様に、様々な実施の形態において、対象物130上の特定の位置に対応する測定値を求めるのに使用されるQ0〜Q3の組における匹敵するQ0〜Q3のいずれもが対象物130上の唯一の局所の高さに対応しないことが好ましい。そのような唯一の高さは、関連の匹敵する画素の唯一の名目上の位相差と唯一の画像強度値Iを生成する。その結果、関連の測定値は、対象物130上の特定の位置での平均高さの最良の推定値を反映しない。
従って、様々な実施の形態において、光学入力部135によって検出装置上の画像に提供される横分解能は、名目上、本発明によるシステムおよび方法の様々な実施の形態を用いて発生された多重位相変位干渉画像情報600における匹敵する干渉部分Q0〜Q3の完全な組のそれぞれの最大横寸法と同じまたはより大きい。すなわち、様々な実施の形態において、光学入力部135の横分解能によって提供される横空間平均化は、名目上、本発明によるシステムおよび方法の様々な実施の形態を用いて発生された多重位相変位干渉画像情報600における匹敵する干渉部分Q0〜Q3の完全な組のそれぞれに対応する横空間分解能に等しいまたはより大きい。
図24〜27における横分解能指標800A〜800Dは、様々な実施の形態に対して、それぞれ、匹敵するQ0〜Q3画素の組と光学入力部135によって提供される横分解能の間のおおよその関係を示す。様々な他の実施の形態において、比較的大きな横分解能が使用され、そのような実施の形態のシステムの横空間分解能における制限的な要素になる。
いずれの場合でも、本発明による様々な実施の形態において、少なくとも、横分解能、本発明による様々な高密度偏光アレイ530の様々な部分および/または様々な高密度移相アレイ素子490の様々な部分の寸法、および検出装置の画素サイズは、上述した様々な所望の特徴および関係を達成するように、様々な制限的な設計要素、コストなどの点で、相互依存して、選択される。
交互配置の2,3,4相干渉画像情報を生成する様々な実施の形態が上記のように重視されるとき、上記に開示された様々な素子、技術、および素子の組み合わせは、凹部および/または「周期的な」交互配置の位相情報を含む交互配置の干渉情報の少数以上の位相を生成することができる様々なさらなる素子、技術、および素子の組み合わせを例示する。例えば、さらなる遅延厚さは、さらなる相対位相変位を提供するように、本発明による様々な高密度移相アレイ素子に容易に組み込まれる。さらに、本発明による様々な高密度偏光アレイは、さらなる遅延厚さを有するそのような高密度移相アレイ素子との組み合わせに用いることができる。様々な実施の形態において、そのようなさらなる交互配置の位相情報は、補間された精度および分解能のより高いレベルを達成するための様々な対応する信号処理方法との組み合わせに使用可能である。
従って、本発明が上述した実施の形態との結合において述べられる一方、多くの代替、改良、変形は、当業者にとっては明らかであろう。従って、本発明の実施の形態は、上述したように、描かれているものに限定されない。様々な変形は、本発明の精神および範囲から逸脱することなくなされてもよい。