JP4372321B2

JP4372321B2 - 拡散照明とカメラの同期制御方法及び装置

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Publication number: JP4372321B2
Application number: JP2000245886A
Authority: JP
Inventors: ジーグラッドニックポール
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-09-23
Filing date: 2000-08-14
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2020-08-14
Also published as: US6525303B1; JP2001103371A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、拡散照明を発生する方法及びシステムに係り、特に機械観察システムのために拡散光源を電子カメラ或いはディジタルカメラに同期させる制御方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
試料部分の均一な拡散照明は、ある指定された照明領域内で試料部分のエッジを強調するための業務用の観察システムとしてしばしば必要とされる。多くの試料部分は透明ではなく、試料部分の拡散照明は試料部分からの反射光をよく撮像システムで捉えることを可能とするためにも必要である。更に、調整可能な拡散照明源は、幅広い形状を持つ試料部分に適用できる。
一般に、光源から出力される光の強度は、撮像システムの倍率が調整可能であるときに調整可能とされる。そのような調整可能な照明は、例えば形状、構成、表面仕上げ等、異なる性状を持つ試料部分の照明を可能にする。
また、従来の光源は、試料部分上に、撮像面に垂直な平面に対してある角度で光を照射する。その角度は入射角といわれる。０°から９０°の間の入射角で光を照射することにより、画像の表面コントラストを改善し、またよりクリアに組織面を照らすことが可能となる。通常その様な光源は、所定の入射角レンジを持つ。従来は、その入射角は、撮像システムの光軸に直交する平面に対して１０°から７０°の間で可変としている。この様に比較的入射角レンジが広いと、試料部分の画像のコントラストを十分なものとすることができる。
【０００３】
従来の観察システムはまた、拡散光源の光軸に関して境界位置の調整も可能である。代表的には、拡散光源の位置は例えば、アドレス可能なセクタ或いは四分円の中で調整可能とされる。その様なセクタ及び四分円の組み合わせにより円形の光パターンの照明が可能である。更に、光源の強度レベルと光源の境界位置とを調整することにより、試料部分エッジの照明を最適化することができる。
例えば、従来のいくつかの観察システムは、矩形パターン或いは環状パターンを放射する環状光源を含む。その光源は、４象限に分けられた一つの環形である。また他の従来の観察システムでは、８セクタに分けられた環形を持つリング光源を含む。更に他の観察システムでは、半球状に形成された光源を用いて、光軸に対する複数の位置から光を照射する。その半球の中心は光源にとっての焦点である。更に、セクタと四分円の組み合わせにより、種々の照明レベルでの照明が可能になる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
最近、従来の観察システムの製造業者は、拡散光源として用いられてきた伝統的なタングステンフィラメントランプ（例えば、ハロゲンランプ）に代わって固体光源を試み始めた。これらの業者は現在、高信頼性、長寿命、高輝度、低コスト、良好な変調能力、広い周波数レンジといった特徴の発光ダイオードを試みている。
その様な従来の観察システムの製造業者は、上述した従来の拡散光源の特性を実現するオプトエレクトロメカニカルデザインを提供している。しかし、これらのオプトエレクトロメカニカルのデバイスは、複雑であり、コストが高く、融通性に欠け、ビデオ検査処理を改善していない。例えば、これらの光源は、観察システムの生産性低下とコスト増大をもたらす過剰に複雑な動きが要求されている。他の固体光源では、二次元配列される多数の個別光源と、それへのエネルギー供給のため複雑な配電装置を必要とする。更に、他の従来の固体光源では、大きなキャリッジの中に三次元的に少なくとも５０個の個別の光源を配置しなければならない。
従って、従来の拡散光源は、十分な特徴を持ち、信頼性が高く、且つ低コストで、拡散光により試料部分を照明するシステム及び方法を提供することができない。また従来の拡散光源は、強度、入射角、及び境界位置を変更する能力は限られている。また従来の拡散光源は、試料部分が種々の構成（例えば形状）、材料（例えば吸収性か、散乱性か等）及び表面性状（例えば、カラー或いはテクスチャー）を含む場合の寸法測定のための照明の最適化ができない。
【０００５】
この発明は、現在市場に出されている拡散照明の効果を達成することができる制御システム及び方法を提供することを目的とする。
この発明はまた、ＬＥＤやレーザダイオード等の一つ或いは少数の固体光源を用いて上述した全ての拡散照明の効果を達成することができる制御システム及び方法を提供することを目的とする。
この発明は更に、所望の位相角から所望のアーク長にまたがって照明されるべき部分を電子カメラカメラいはディジタルカメラのフレームキャプチャタイミングと同期させることを可能とした制御システム及び方法を提供することを目的とする。
この発明は更に、電子カメラ或いはディジタルカメラのフレームキャプチャタイミングとの同期により、間欠的な部分照明を可能とする制御システム及び方法を提供することを目的とする。
この発明は更に、より簡単で信頼性の高いデバイスを用いて、便利である上に多用途の拡散照明を作りうる制御システム及び方法を提供することを目的とする。
この発明は更に、照明色の選択が可能な制御システム及び方法を提供することを目的とする。
この発明は更に、不必要に高価な電子カメラ或いはディジタルからら技術を用いることなく、寸法測定に必要な高解像度を得ることができる制御システム及び方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る制御システム及び方法は、白黒の電子カメラ或いはディジタルカメラからＲＧＢ画像の組み合わせによるカラー画像を得る、経済的に実施可能な手法を提供する。白黒の電子カメラ或いはディジタルカメラは、高価な電子カメラ或いはディジタルカラーカメラ技術を用いることなく、寸法測定に必要な高い空間解像度を提供する。
【０００７】
この発明に係る制御システム及び方法は、光源を電子カメラ或いはディジタルカメラのフレーム撮像と同期させることによって、カメラの各画素が同数の照明ストローブ及び／或いは掃引を感知するようにする。この発明に係る制御システム及び方法は、光源を電子カメラ或いはディジタルカメラと同期させることにより、カメラの各画素が同じ入力強度を受光するようにする。この発明に係る制御システム及び方法はまた、電子カメラ或いはディジタルカメラを光ビームと同期させる。
【０００８】
この発明の制御システム及び方法を用いることにより、照明カラーは、画像コントラストを改善するために、試料部分の特性（例えば、着色等）に基づいて制御可能とされる。また照明カラーの選択は、白黒の電子的画像検出器を用いて高解像度のカラー画像を得るために利用される。従ってこの発明に係る制御システム及び方法は、不必要に高価な電子カメラ或いはディジタルカラーカメラ技術を用いることなく、形状寸法測定に必要な高解像度を提供することができる。
【０００９】
この発明に係るシステム及び方法の実施例では、モータシャフトに搭載されたビーム偏向器を含む光パターンコントローラが用いられる。このビーム偏向器はミラーを有する。ビーム偏向器は、モータシャフトが回転するとき、モータシャフトに作用する遠心力に比例して傾く。ミラーに入射する光ビームは、上述したビーム偏向器の傾きにより決まる角度で偏向される。
【００１０】
ビーム偏向器が回転することにより、偏向光ビームは円錐を描く。偏向された光ビームコーンは、集光要素に入射され、その集光要素の表面に円形パターンを描く。その円形パターンの径は、集光要素のビーム偏光器からの距離及び光ビーム偏向の角度に依存する。偏向角度が大きいほどまた、集光要素のビーム偏光器からの距離が大きいほど、円形パターンは大きくなる。従って、モータシャフトの回転速度が偏向角にそのまま比例し、円形パターンのサイズが偏向角にそのまま比例するから、円形パターンのサイズはモータ回転シャフトの回転速度に比例する。
【００１１】
光ビームが円形パターンを描く速度もまた、モータシャフトの回転速度にそのまま比例する。従ってモータシャフトの回転速度は、円形パターンのサイズを制御すると共に、光パターンを描く光ビームの速度をも制御する。これにより、モータとビーム偏光器は光パターンを制御することになる。
【００１２】
光ビームは、集光要素により平行化（コリメート）されて円柱を描く。この光円柱（光カラム）は、ミラーにより、観察システムの撮像デバイスの光軸を取り巻いて光軸に実質的に平行になるように反射される。ＣＣＤを含む撮像デバイスは、光学レンズを用いることにより、照明領域内に位置して検査面に配置された試料部分の画像を生成する。コリメートされた光パターンは同じ照明領域に他の集光要素を用いて集光される。その照明領域からの反射及び散乱光は光学レンズを介してＣＣＤに撮像される。
【００１３】
この発明による制御システム及び方法の他の実施例においては、光パターンコントローラは、二次元走査のガルバノメータを用いる。このガルバノメータは、光ビームを偏向して円錐を描くように駆動される。
【００１４】
この発明による制御システム及び方法の他の実施例においては、光パターンコントローラは、液晶デバイスを用いる。この液晶デバイスは、光源からの光の一部をコリメータに入射させないように制御的にブロックし、或いは光源からの光の一部をコリメータに入射させるように制御的に反射する、アドレス可能なセクタのアレイにより構成される。即ち、光パターンコントローラの液晶デバイスは、光源からの光の平行器（コリメータ）に入射する光パターンを制御する。
【００１５】
この発明による拡散照明の制御システム及び方法は、光源を、光ビームが所望の第１の位置を通過するようにターンオンし、また光ビームが所望の第２の位置を通過するようにターンオフすることによって、拡散光源の光軸まわりの境界位置、セクタ及び／又は四分円を制御する。有効な照明源の位置は、上記第１及び第２の位置により決定される。更に、複数の有効な照明源は、ビーム偏向器の各回転周期毎に光源を複数回ターンオン及びターンオフすることにより作られる。照明セクタの境界の長さは、光源がターンオンされた時刻とターンオフされた時刻の間の時間経過に基づいて決定される。この時間は、ビーム偏向器が搭載されたモータシャフトの回転速度及び位置を測定することにより、或いはガルバノメータを駆動することにより決定される。いずれの場合も、撮像システムの光軸に対する光ビームの角度偏位は予め知られているものとする。
この発明のこれらの及び他の目的は、以下の好ましい実施例において説明され、明らかになるであろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
この発明の制御システム及び方法の実施例においては、特願平１１−３２７８７０に述べられた光源モニタリングが用いられる。この光源モニタリングは、固体デバイスからのリアルタイムの光パワー出力を測定する。これは連続の或いはパルス動作のシステムで可能である。その様な測定を行うことにより、パワー出力変動が修正される。パワー出力変化は、原理的には、エージング、駆動電流変動及び温度ドリフトに依存する。強度測定は、機械モデルラインの再生産性のよい照明を実現することを可能とする、校正及び機械標準化のレベルを与える。
【００１７】
この発明の制御システム及び方法の実施例においてはまた、特願２０００−１０６８１５に述べられた拡散照明システム及び方法、或いは制御的に拡散照明パターンを生成するシステム及び方法が用いられる。
【００１８】
図１は、この発明による拡散照明システム１００の一例の概略構成を示している。システム１００は、光ビーム１１１を出力する光源１１０、光パターンコントローラ１１５、コリメーティング要素１４０、ミラー１５０、及び集光要素１６０を有する。光パターンコントローラ１１５はモータ１２０とビーム偏向器１３０を含む。図１はまた、試料部分３００の画像を作る電子カメラ又はディジタルカメラ２２０と光学システム２１０を含む撮像システム２００を示している。システム１００は、検査面３１０上の試料部分３００を照明することにより、撮像システム２００は試料部分３００の画像を得ることができる。
【００１９】
光源１１０は、安定で長寿命の一つ又はそれ以上の固体発光素子を持つ。この固体発光素子は、ＬＥＤ、レーザダイオードその他、既に知られ、改良された固体発光構造を用いることができる。更に固体発光素子は、紫外、可視及び／又は近赤外領域の電磁スペクトルの放射を行うものである。固体発光素子は、電子カメラ或いはディジタルカメラ２２０の電荷結合素子（ＣＣＤ）が感応するスペクトル領域の発光をするように選択される。
【００２０】
ＬＥＤはまた、ハロゲンランプより高精度の光パワー制御ができることから発光素子として用いられている。これは少なくとも部分的に、動作に必要な駆動電流が小さいことによる。加えて、個別のＬＥＤは、発光波長をより柔軟に選択できる特性を持つ。また、ＬＥＤをその動作パラメータ内で電子的に駆動したとき、ＬＥＤの出力の再現性及び信頼性は共に非常に高い。更に、いくつかのＬＥＤは、紫外領域の発光が可能であり、これを用いることにより撮像光学系の解像度を向上させることができる。
【００２１】
更に、光源１１０は、内部に一乃至複数の光パワーモニタ素子を含む。好ましくはこれらの素子は、光源１１０内の固体発光素子の出力スペクトルと整合したスペクトル応答性を有するシリコンフォトダイオードである。これらの光パワーモニタ素子は、材料及び設計は制限されず、光源１１０内の固体発光素子の光出力を測定できるものであれば用い得る。最後に、照明カラーの複合ができる光源１１０においては、各色について、光源１１０内で光モニターできるデバイスが用いられる。異なる照明カラーを得るために異なる固体発光デバイスを組み合わせる光源１１０の構成においては、各固体発光デバイスは光源１１０内で光パワーを専らモニターするデバイスを持つ。
【００２２】
図１に示すように、光源１１０は、光パターンコントローラ１１５のビーム偏向器１３０に入射する光ビーム１１１を出力する。ビーム偏向器１３０は、送信軸１２２と一列に並ぶモータ１２０のシャフト１２１に搭載されている。ビーム偏向器１３０は、モータシャフト１２１が回転したときビーム偏向器１３０に作用する遠心力に比例してシャフト１２１の軸に対して傾く。図４により明瞭に示したように、光源１１０からの光ビーム１１１は、ミラー１３４上に直進し、ミラー１３４により、ビーム偏向器１３０の傾きに応じて決まる角度で反射される。
【００２３】
また、ビーム偏向器１３０が回転することにより、反射した光ビーム１１１はコーン１１３を描く。偏向された光ビームコーン１１３は、コリメータ１４０に入射し、その表面に円形パターンを描く。コリメータ１４０は、例えばコンデンサレンズ、フレネルレンズ、或いは１セットの反射ルーバー、その他光コーン１１３をコリメートすることができるいかなるデバイスでもよい。円形パターンの径は、コリメータ１４０のビーム偏向器１３０からの距離及び、ビーム偏向器１３０により光ビーム１１１がビーム偏光器１３０により偏向される角度に依存する。偏向の角度が大きい程、またコリメータ１４０のビーム偏向器１３０からの距離が大きい程、コリメータ１４０の表面に描かれる円形パターンが大きくなる。そして、偏向角はモータシャフト１２１の回転速度にそのまま比例し、円形パターンのサイズは偏向角にそのまま比例するから、円形パターンのサイズはモータシャフト１２１の回転速度にそのまま比例する。
【００２４】
また、反射した光ビーム１１１が円形パターンを描く速度は、モータシャフト１２１の回転速度にそのまま比例する。従って、モータシャフト１２１の回転速度は円形パターンのサイズをコントロールし、その円形パターンを描く反射した光ビーム１１１の速度をコントロールする。これにより、光パターンコントローラ１１５は、コリメータ１４０上に反射した光ビーム１１１が描くパターンをコントロールする。
【００２５】
光コーン１１３は、コリメータ１４０によりコリメートされてシリンダを描く。この光シリンダは、ミラー１５０により反射されて実質的に撮像システム２００の光軸２１２に平行になり且つ光軸２１２を取り囲むことになる。撮像システム２００は、光学レンズ２１０を用いることにより、電子カメラ或いはディジタルカメラ２２０の撮像面に、被検査面の観察領域を撮像する。コリメートされたパターンは、集光要素１６０を用いることにより同じ観察領域に集光される。
【００２６】
モータ１２０は、直流（ＤＣ）モータ、交流（ＡＣ）モータ、又はステッピングモータである。他のいかなるモータでも、正確な回転位置及び速度コントロール情報が得られるものであれば、モータ１２０として用い得る。望ましくは、回転モータの速度コントロールは、１％以上のものとすべきである。
ミラー１５０は、光軸２１２に対して傾斜しており、且つ光軸２１２がミラー１５０の面を通る位置にアパーチャ（開口）１５１を有する。アパーチャ１５１は、試料部分３００の像が通過してカメラ２２０に到達することを妨げない大きさに設定されている。
【００２７】
光シリンダはミラー１５０により反射されて集光要素１６０に向かう。集光要素１６０は、コンデンサレンズ、フレネルレンズ等である。集光要素１６０はまた、独立に径の関数である角度に設定された鏡面ルーバーの環状リングの１セットである。集光要素１６０の個々の径方向位置に個々のルーバー或いは環状偏向器が位置する結果、試料部分への光ビームの入射角の変化は別々になる。コリメート手段及び集光手段として、他のものを用いることができる。またコリメータ１４０は集光要素１６０と同じものであってもよい。
【００２８】
反射した光ビーム１１１は、集光要素１６０によって検査面３１０上の試料部分３００に直進する。集光要素１６０は、対物レンズ２１０の作動距離と一致する焦点距離を有する。例えば、対物レンズ２１０が、１ｘ，３ｘ，５ｘ及び１０ｘの倍率で、対応する有効作動距離５９．０ｍｍ，７２．５ｍｍ，５９．５ｍｍ及び４４．０ｍｍ、従って平均作動距離５８．７５ｍｍを持つものとし、集光要素１６０として対物レンズ２１０の平均作動距離に一致するほぼ５９．０ｍｍの名目焦点距離を選択すると、動作倍率レンジの範囲でよい性能が実現できる。
【００２９】
コントローラ１７０は、モータ１２０に関して信号線１７１を介してエンコーダ及び／又はタコメータ１２３と接続される。コントローラ１７０は、エンコーダ及び／又はタコメータ１２３から信号線１７１を介して角度位置及び／又は速度データを受信する。コントローラ１７０はまた、信号線１７２を介してモータ１２０とも接続されている。コントローラ１７０は信号線１７２を介してモータ１２０に駆動信号を送る。コントローラ１７０は、信号線１７１から受信した位置及び／又は速度データを所定の位置及び／又は速度データ値と比較することにより、信号線１７１を介して受信する位置及び／又は速度データが所望の値に実質的に一致するまで、モータ１２０の位相と速度をコントロールし、信号線１７２を介してモータ１２０に送られる駆動信号を変更する。コントローラ１７０はモータ１２０の速度を所望の入射角との関係でコントロールする。
【００３０】
コントローラ１７０は、信号線１７３を介して光源１１０とも接続されている。コントローラ１７０は、モータ１２０の位置及び／又は速度に基づいて光源１１０のオン／オフのタイミングを調整する。光源１１０の駆動タイミングは、モータ１２０の位相に合わせられて、照明領域の照明セクタの数を制御する。コントローラ１７０はまた、光源１１０の駆動タイミングを調整して、照明領域の照明セクタの幅を制御する。
【００３１】
コントローラ１７０はまた、トリガ信号線１７４を介し電子カメラ又はディジタルカメラ２２０と接続されている。コントローラ１７０はトリガ信号線１７４を介してトリガ信号の送受信を行い、電子カメラ又はディジタルカメラの撮像期間（即ち、カメラ画素の対応する組が活性化になりカメラの入射光に応答する期間）を光源１１０及びモータ１２０と同期させる。
【００３２】
図２に示すように、光源１１０は、それぞれ異なる特性を持つ固体素子１１２，１１４，１１６のアレイを含んでもよい。ある例においては、ＬＥＤ１１２，１１４，１１６はそれぞれ、赤、緑、青のスペクトル帯で発光する。他の例においては、ＬＥＤ１１２−１１６は、試料部分３００の観察に適当な近赤外或いは他のスペクトル帯の発光素子を用い得る。複数の固体素子を持つ光源１１０は、個々の固体素子を組み合わせることにより最適化された試料照明を行うことができる。また、多波長アドレス可能な光源を用いると、試料部分の平均スペクトル吸収特性に整合させ、或いはこれを避けることにより、撮像コントラストを上げることができる。
【００３３】
図３に示すように、固体素子１１２−１１６は、アクリル封止パッケージ１１８に面搭載して光源１１０を構成することができる。例えば、搭載された固体素子１１２−１１６は、集光及び／又はコリメートレンズとの組み合わせにより、光源１１０を形成する。
【００３４】
図４は、光源１１０からの光ビーム１１１を偏向する偏向器１３０を含む光パターンコントローラ１１５の例の断面図である。図４に示すように、ビーム偏向器１３０は、光源１１０からの光ビーム１１１を偏向する。この例においては、ビーム偏向器１３０は、第１の端部１３２と第２の端部１３３を持つ、円筒状に加工されたバレル１３１を有する。第２の端部１３３にはミラー１３４が取り付けられている。ビーム偏向器１３０の内部空間１３５は、モータシャフト１２１を受け入れる領域である。
モータシャフト１２１は、伝達軸１２２と一列に並べられている。モータシャフト１２１はまた、ビーム偏向器１３０がその周りを回転するＵリンクピン１２４を受ける孔１２６を有する。
【００３５】
図４に示すように、ビーム偏向器１３０の重心は、伝達軸１２２の左側に偏位している。従ってモータシャフト１２１が回転すると、ビーム偏向器１３０の重心を通ってその重心をモータシャフト１２１から引き離すような遠心力が作用する。
ビーム偏向器１３０内のスプリング１３６はその遠心力に対抗する力を作用する。スプリング１３６は対抗力を与えるものとして示されているが、この対抗力を与えるものとして他の素子を用いることもできる。
【００３６】
バレル１３１の内部空間１３５には位置調整器１３７が配置されている。この位置調整器１３７は、バレル１３１の長手方向軸と伝達軸１２２の間の角度を調整する。一例においては、位置調整器１３７は、その角度を、シャフトの角速度がしきい値速度ω０のときに実質的にゼロとなるように調整する。
【００３７】
図４に示すミラー１３４は、伝達軸１２２と一致する中心を持つ凹面球面ミラーである。ミラー１３４は、平面或いは凸面ミラーであってもよい。ミラー１３４として、光源１１０の発光素子から出力される波長の電磁波を反射できるものであれば他の反射器を用いることができる。
【００３８】
図５は、図４におけるビーム偏向器１３０のＶ−Ｖに沿った断面を示している。空間１３５は、バレル１３１をその内部でＵリンクピン１２４の周りに回転可能とする横長のスロットを構成している。
従って、ビーム偏向器１３０は、回転によって二次元の円形光パターンを生成する。この二次元光パターンは、ビーム偏向器１３０の回転角速度ωの関数である可変の径を持つ。
【００３９】
上述のように、ミラー１３４は、光源１１０の発光素子からの出力光を反射する。ミラー１３４の焦点距離は、光ビームが所定の径ｄを持つように選択されている。ミラー１３４の焦点距離はまた、光源１１０の性能に基づいて選択される。検査面３１０に入射する反射した光ビーム１１１の径ｄは、十分な画像の明るさが得られ、且つ観察領域に適合するように選択される。例えば、ほぼ１２．５ｍｍの径を持つミラー１３４を用いて、ほぼ１２ｍｍ〜４０ｍｍの焦点距離を与えることができる。ミラー１３４の焦点距離は、試料部分３００の最も明瞭な画像が得られるように選択される。光ビーム１１１の方向及び／又は拡がりは、ミラー１３４を選択する際に考慮しなければならない。
上述のように、光ビーム１１１はミラー１３４で反射された後、試料部分３００上に直進しなければならない。ミラー１５０と集光要素１６０により、反射した光ビーム１１１は試料部分３００に直進することになる。
【００４０】
図６は、この発明による光パターンコントローラ１１５の他の構成例であり、図１とは別のビーム偏向器２３０を持つ。図６に示すように、ビーム偏向器２３０は、二つの角走査ガルバノメータ２３２，２３４を用いた二次元走査型のガルバノメータである。二つの角走査ガルバノメータ２３２，２３４は互いに直交する軸を持つ。撮像系の光軸２１２について対称的な照明を行うために、描かれるパターンは円形に形成される。この例の場合、この円形パターンは、走査角度が互いに直交する二次元走査のガルバノメータ２３２，２３４を用いることにより作られる。駆動信号（Ｖ_x，Ｖ_y）を各ガルバノメータに入力することにより円形パターンが作られる。二つの走査入力波形は、次式で与えられる正弦波形である。
【００４１】
【数１】
Ｖ_x＝Ａ_xｓｉｎ（２πｆ_xｔ＋θ_x） …（１）
Ｖ_y＝Ａ_yｓｉｎ（２πｆ_yｔ＋θ_y） …（２）
【００４２】
ここで、Ａ_xは、正弦波入力駆動信号Ｖ_xの基本或いは最大振幅、Ａ_yは、正弦波入力駆動信号Ｖ_yの基本或いは最大振幅、θ_xは、正弦波駆動信号Ｖ_xの参照正弦波に関する位相角、θ_yは正弦波信号Ｖ_yのＶ_xとの関係の位相角、２πｆ_xは、ｘ軸ガルバノメータ２３２の角走査周波数、２πｆ_yはｙ走査ガルバノメータ２３４の角走査周波数である。
正弦波駆動信号Ｖ_xは、参照正弦波に正確にゼロ位相差で追随するように設計されるべきである。
【００４３】
ガルバノメータ２３２，２３４はそれぞれ、駆動信号Ｖ_x，Ｖ_yの振幅に対応する静止位置から傾いている。特に、ガルバノメータ２３２，２３４は、それらが静止位置にある時に光源１１０からの光ビームが光軸２１２と同一直線上にあるように、即ちＸ，Ｙ軸上の入射角が共にゼロとなるように、位置が設定される。即ち、駆動信号Ｖ_x又はＶ_yがゼロ振幅の時、ガルバノメータ２３２又は２３４は対応する静止位置で傾きがゼロとなる。これに対して、駆動信号Ｖ_x，Ｖ_yが最大振幅Ａ_x，Ａ_yを持つ時、ガルバノメータ２３２，２３４は対応する静止位置に対して最大傾き角を持つ。
【００４４】
走査ガルバノメータ２３２，２３４は、上述のように正弦波或いは余弦波の駆動信号Ｖ_x，Ｖ_yにより駆動される。これらの駆動信号でガルバノメータ２３２，２３４が駆動されることにより作られるパターンは、試料部分３００上で基本波の又は最大の振幅Ａ_x，Ａ_yの関数である入射角を持つ。基本波の又は最大の振幅Ａ_x，Ａ_yが同じであれば、パターンは円形であり、そのパターンをガルバノメータ２３２，２３４の走査により掃引してもパターンの入射角は変わらない。基本波の又は最大の振幅Ａ_x，Ａ_yが同じでなければ、パターンは楕円になり、或いは基本波の又は最大の振幅が時間的に変化する場合には他の形状になり、入射角はパターン掃引に応じて変化する。
また、対称的な円形パターンを得るために、入力波形は次の条件を満たすように制御されねばならない。
【００４５】
【数２】
（θ_x−θ_y）＝π／２，３π／２ …（３）
【００４６】
また、駆動周波数ｆ_x，ｆ_yは、カメラのＣＣＤ撮像面に適当な数の円形の掃引円パターンを描くように制御される。撮像面当たり少なくとも二つの完全掃引円形を描くことが、カメラのナイキスト基準に合致させることになるであろう。更に、撮像面に描く全ての掃引円の数は、インタレースされたフィールドがそれを組み合わせたフレーム内で空間的に同様の照明パターンを作ることを確実にするためには、完全な整数であるべきである。駆動周波数は、次のように制御される。
【００４７】
【数３】
ｆ_x＝ｆ_y …（４）
【００４８】
但し、動作周波数ｆ_iの範囲は、次の通りである。
【００４９】
【数４】
ｆ_min＜ｆ_i＜ｆ_resonant …（５）
【００５０】
フレーム撮像モードで動作するインタレースフィールドを持つＲＳ１７０カメラの場合、ｆ_minは、奇数フィールドと偶数フィールドの間のオーバラップ周期の２倍である。このオーバラップ周期は、１６²/₃ｍｓｅｃである。従って、ｆ_minは、この周期又は、各８¹/₃ｍｓｅｃ（１２０Ｈｚ）内で少なくとも２度発生する掃引速度に対応する。ＸＹスキャナの選択と各ミラーの慣性は上限周波数ｆ_resonantを制限する。等しい駆動周波数を入力することは、対称的な円形掃引パターンを得るための最終的な要求に合致する。
【００５１】
各波形の振幅はまた、ユーザーにより設計される入射角αに基づいて制御される。基本的には波形の振幅は次のように選択される。
【００５２】
【数５】
Ａ_x＝Ａ_y …（６）
【００５３】
ここで、Ａ_iは、設計された各照明入射角αについての最大値、ピーク、振幅を示し、掃引円の径を決める。この径又は振幅は、鏡面走査角の範囲ζ_i（−ζ_max≦ζ_i≦ζ_max）内で選択可能である。この結果、円形に走査されたパターンの径は、波形振幅の選択により制御される。
【００５４】
この発明の制御システムの一例においては、入射角とガルバノメータを走査する入力電圧値の間を変換するルックアップテーブルが用いられる。パラメータについて上述したように、ユーザーにより選択される照明条件は、各走査軸に対する特定の入力セッティングを指示する。
【００５５】
加えて、光シリンダ（反射した光ビーム１１１）の径ｄを円弧部分（セクタ）毎に変えることにより、入射角が可変できることを理解すべきである。例えば、モータ１２０は、光ビームがコリメータ１４０上で円を描くというより、楕円を描くように変化する速度で動作するように制御してもよい。この場合、コントローラ１７０は、パルス繰り返し周波数と位相角を、各セクタの幅の領域で光シリンダの径ｄが変化することによって、変化した入射角の光ビームが照明領域上に位置するように選択すればよい。同様に、二次元走査ガルバノメータ２３０は、入射角を常に異なるセクタ毎に変化させるように制御してもよい。
【００５６】
ビーム偏向器と二次元走査ガルバノメータを上に詳細に説明したが、光パターンをコリメータ上に描くために、他の装置や方法を用い得ることを理解すべきである。
【００５７】
図７は、この発明のシステム及び方法により照明された集光要素１６０の面での照明領域の時間軌跡の一例を示している。図１０は、信号線１７１上で受信されたエンコーダ信号及び、コントローラ１７０から光源１１０に供給される、図７の照明領域を発生するための駆動信号１７３Ａのタイミングを示している。コントローラ１７０は、光源１１０に供給するために信号線１７３に出力する変調又は駆動信号１７３Ａと、ビーム偏向器１３０又は２３０の回転位置との間で、エンコーダ信号１７１により示されるように同期をとり、照明領域２４０及び２４２を形成する。ここで光源１１０に出力される駆動信号１７３Ａは、パルスモードで変調されている。駆動信号の光源１１０に供給されるタイミングが、ビーム偏向器１３０又は２３０の角周波数の２倍のパルス繰り返し周波数に設定されていることから、二つの照明領域２４０，２４２が得られる。図１０に示すように、パルスは、信号線１７１上のエンコーダ信号により決定され、π／２及び３π／２の位相角位置γに発生する。
【００５８】
或いは、光源１１０に供給される駆動信号は、連続波（ＣＷ）モードで変調することもできる。例えば、正弦波、三角鋸歯状波、その他の適当な波形で変調することができる。照明領域２４０，２４２は、光源１１０がパルスモードで駆動されて試料部分３００を瞬間的に（即ち低いデューティサイクルで）照明するため、円形となっている。ビーム偏向器の基準位置２４４に対して、照明領域２４０は、位相角γ＝π／２の位置にあり、照明領域２４２は、位相角γ＝３π／２の位置にある。
【００５９】
図８は、この発明のシステム及び方法により照明された集光要素１６０の面での照明領域の時間軌跡の第２の例を示している。図１０は、信号線１７１上で受信されたエンコーダ信号及び、コントローラ１７０から光源１１０に供給される、図８の照明領域を発生するための駆動信号１７３Ｂのタイミングを示している。コントローラ１７０は、光源１１０に供給するために信号線１７３に出力する変調又は駆動信号１７３Ｂと、ビーム偏向器１３０又は２３０の回転位置との間で、エンコーダ信号１７１により示されるように同期をとり、照明領域３４０及び３４２を形成する。
【００６０】
駆動信号１７３Ｂの光源１１０に対するタイミングは、光パターンコントローラ（照明位置コントローラ）の角周波数の２倍のパルス繰り返し周波数に設定されている。この例では、駆動信号１７３Ｂは、矩形波である。図８及び図１０に示すように、照明領域３４０，３４２の先頭エッジ３４１，３４３は、基準位置２４４に対して、γ＝７π／４及び３π／４の位相角位置γにある。光パターンコントローラ１１５の角周波数は、光源１１０のデューティサイクルと共に、照明領域３４０，３４２のアーク長βを決定する。
【００６１】
図９は、この発明のシステム及び方法により照明された集光要素１６０の面での照明領域の時間軌跡の第３の例を示している。図１０は、信号線１７１上で受信されたエンコーダ信号及び、コントローラ１７０から光源１１０に供給される、図９の照明領域を発生するための駆動信号１７３Ｃのタイミングを示している。コントローラ１７０は、光源１１０に供給するために信号線１７３に出力する変調又は駆動信号１７３Ｃと、ビーム偏向器１３０又は２３０の回転位置との間で、エンコーダ信号１７１により示されるように同期をとり、照明領域４４０，４４２，４４４，４４６を形成する。光源１１０のパルス繰り返し周波数がビーム偏向器１３０又は２３０の角周波数の４倍に設定されていることから、図示のように４つの照明領域が得られる。各照明領域４４０，４４２，４４４，４４６の境界の長さ（アーク長）βは、図８のそれのほぼ半分である。
【００６２】
他の例においては、各照明領域を、各セクタ毎に異なる色で照明することが可能である。例えば、照明領域４４０は、赤色ビームにより照明し、照明領域４４２は緑色ビームにより照明し、照明領域４４４は、青色ビームにより照明し、照明領域４４６は他の色のビームで照明する。固体発光素子により出力される各色の色相や強度は、コントローラ１７０の制御によりセクタ毎にまた時間毎に可変できる。
【００６３】
以上の動作において、コントローラ１７０には望ましい位相角γ、望ましいアーク長β、望ましい入射角α等が入力される。これに応じて、コントローラ１７０は、モータ１２０に対する駆動信号を信号線１７２に出し、望ましい入射角αを与える回転速度ωでモータ１２０を駆動する。またコントローラ１７０は、変調駆動信号を信号線１７３を介して光源１１０に供給し、光源１１０を所定のパルス繰り返し周波数、パルス幅（即ちデューティサイクル）、位相角で駆動することにより、試料部分３００を望ましい位相角γ及びアーク長βで照明する。
【００６４】
図１１は、この発明のシステム及び方法の一例において、照明タイミングがフレーム撮像タイミングに如何に同期されるかを示したタイミング図である。信号”フィールド１”及び”フィールド２”はそれぞれ、インタレースされたフレーム撮像モード即ち最大垂直解像度で動作する電子カメラの撮像期間を示している。或いは電子カメラ２２０は、インタレースされたフィールド撮像モード、或いはインタレースされないフィールド撮像モードのいずれかで動作するものであってもよい。撮像信号”フィールド１”により制御される電子カメラ２２０の第１フィールドは、時刻ｔ１で撮像を開始し、時刻ｔ３で撮像を停止する。撮像信号”フィールド２”により制御される電子カメラ２２０の第２フィールドは、時刻ｔ２で撮像を開始し、時刻ｔ４で撮像を停止する。”ビデオ出力”信号は、カメラ２２０内で電子的に生成されたフォーマットされたビデオ信号を示している。時刻ｔ３とｔ４の間に、ビデオ出力信号は、第１フィールドの撮像データを出力する。時刻ｔ４とｔ５の間に、ビデオ出力信号は、第２フィールドの撮像データを出力する。
【００６５】
カメラ２２０の第１及び第２フィールドでそれぞれ受信される照明量又は光エネルギーは同じであるべきである。そうでないと、フィールドのインタレースの結果の画像のライン上下に隣接するもので異なった平均光強度を持つことになるからである。この様な平均光強度の相違は、得られる画像を正しく解析することを、不可能にしないまでも困難にする。
【００６６】
電子カメラ２２０の第１及び第２フィールドの受信光をバランスさせるためには、この発明のシステム及び方法は、光パターンコントローラ１１５をコントロールして、各撮像期間に発生される照明パターンの数が同じになるようにする。例えば、光パターンコントローラ１１５がビーム偏向器１３０或いは二次元走査ガルバノメータ２３０であり、また光パターンコントローラ１１５が照明領域３４０及び３４２を生成するとき、光パターンコントローラは、光ビームを各撮像期間で照明領域３４０が同じ数だけ発生するようにコントロールする。
【００６７】
一般に、同数の照明領域３４０及び３４２が各撮像期間で生成される場合には、各照明領域から得られる光強度は同じになる。しかし、各撮像期間に生成される照明領域３４０の数が各撮像期間に生成される照明領域３４２の数と同じである必要がないような場合（通常その様なことは望まれないが）には、同じ照明強度であることは必要がない。
【００６８】
各照明パターンの数が各撮像期間で同数であることを確実にする最も簡単な方法は、電子カメラ２２０の撮像期間或いは、ビーム偏向器１３０又は二次元走査ガルバノメータ２３０の回転数を制御して、ビーム偏向器１３０又は二次元走査ガルバノメータ２３０の整数回の回転が各撮像期間に生じるようにすることである。しかし、これは最も簡単な方法であるが、ビーム偏向器１３０又は二次元走査ガルバノメータ２３０の回転数が非整数であってもよい。
【００６９】
例えば、図８に示す照明領域３４０及び３４２について、電子カメラ２２０の撮像期間又は、ビーム偏向器１３０又は二次元走査ガルバノメータ２３０の回転速度は、もしパターンの一つの撮像期間が位相位置７π／４で開始するとすると、第１フィールドの撮像期間を（ｘ＋７／８）回転と２ｘ回転の間まで伸ばして各照明領域３４０と３４２の（ｘ＋１）回の全期間生成を記録するようにコントロールするべきである。そして、もし第２フィールドの撮像期間が同様に（ｘ＋７／８）回転と２ｘ回転の間まで伸びた場合には、第２フィールドは位相位置（ｘπ＋５π／８）で始まり、各照明領域３４０と３４２の（ｘ＋１）回の全期間生成を記録することになるだろう。即ち、第１フィールドの撮像期間が位相位置７π／４で開始し、（ｘ＋７／８）×２π期間だけ継続した場合、第２フィールドの撮像期間は、７π／４に対して（ｘ＋７／８）×２π／２だけ遅れて開始することになるため、７π／４＋（ｘ＋７／８）×２π／２の位相位置（＝ｘπ＋（５π／８））で開始することになる。
【００７０】
図１１に示す同期タイミング図において、各時刻ｔ_x+1は、先行する時刻ｔ_xの後、ｄｘの時間で発生する。この発明による電子カメラ２２０の例では、時間ｄｘは、１６＋２／３ｍｓｅｃである。これにより、各フィールドの撮像時間は、３３＋１／３ｍｓｅｃとなる。
【００７１】
図１１に示すように、図１及び図５に示したシステム１００の例では、コントローラ１７０は、ビーム偏向器１３０が回転して基準位置を通過する各タイミングでビーム偏向器１３０から信号線１７１を介して基準位置信号を受信する。図１１の同期タイミング図では、この基準位置は、図７−９における位置２４４に対応する。この基準位置信号により、コントローラ１７０はビーム偏向器１３０の回転位置をモニターし、その回転速度をコントロールすることが可能となる。
【００７２】
コントローラ１７０はこの基準位置信号を用いて、ビーム偏向器１３０の回転速度の加速或いは減速をコントロールするコントロール信号を信号線１７２上に送り出し、ビーム偏向器１３０を撮像信号フィールド１及びフィールド２の立ち上がりエッジに対して所望の相対位相に合わせることが可能になる。コントローラ１７０はまたこの基準位置信号を用いて、電子カメラ或いはディジタルカメラ２２０に、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジを、ビーム偏向器１３０が所望の位相位置に到達したとき或いはその前にトリガするように、信号線１７４上にコントロール信号を送り出ことができる。コントローラ１７０は、ビーム偏向器１３０の回転速度と電子カメラ又はディジタルカメラ２２０の第１フィールドの撮像期間のトリガリングとを共に、動作の撮像モードに応じてコントロールできることは注意すべきである。
【００７３】
コントローラ１７０はまた、信号線１７２を介してモータ１２０に送られる速度コントロール信号を発生する。この速度コントロール信号は、ビーム偏向器１３０の回転速度をコントロールし、各照明領域の数がカメラ２２０の各フィールドの撮像期間毎に同数ずつになることを確実にする。より簡単には、コントローラ１７０は、各３３＋１／３ｍｓｅｃのフレーム撮像期間にビーム偏向器１３０が整数回の回転を行うように、即ち毎分当たり（１８００・ｚ）回転或いは毎秒当たり（３０・ｚ）回転の回転速度（ここで、ｚは、各撮像期間における回転数の整数である）となるように、回転速度をコントロールする。
【００７４】
しかしながら、上述したように、所望の入射角αを得るためには、ビーム偏向器１３０の特殊な回転速度を必要とする場合もある。この場合には、ビーム偏向器１３０の回転速度は、毎分当たり１８００回転（毎秒当たり３０回転）に最も近い倍数となる。或いは、電子カメラ又はディジタルカメラ２２０の撮像期間が調整可能ならば、コントローラ１７０は、信号線１７４を介してカメラ２２０にフレーム撮像期間調整信号を送るようにすることができる。そしてこの場合、カメラ２２０の撮像期間は、ビーム偏向器１３０の回転数（整数）が所望の入射角αを得るに必要な特定の回転速度で調整された撮像期間内に得られるように調整される。
【００７５】
上述したように、コントローラ１７０は、所望の入射角αを得るに必要な特殊な回転速度のために、たとえビーム偏向器１３０の整数の回転数が標準撮像時間内に生じないとしても、第１及び第２フィールドについて共に標準撮像時間内で等しい数の照明領域が生じるように、設定することができる。この場合、コントローラ１７０は、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジのタイミングを、第１及び第２フィールドについて共に標準フレーム撮像期間内に同数の照明領域が生じるようにコントロールすることができる。
【００７６】
図１１はまた、コントローラ１７０からカメラ２２０に対して信号線１７４を介して出力されるトリガ信号、撮像信号フィールド１及びフィールド２と、信号線１７３を介して光源１１０に出力される駆動信号１７３Ａ−１７３Ｃとの間の相対タイミングを示している。駆動信号１７３Ａ−１７３Ｃは、図１０に示された駆動信号１７３Ａ−１７３Ｃと同じであり、図７−９に示された光パターンにそれぞれ対応する。
【００７７】
図１１に示されるように、カメラがフレーム撮像モードで動作するとき、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジは、カメラ２２０により信号線１７４に出力される。コントローラ１７０は、必要な照明パターンが信号線１７３上に光源１１０に対して出力される駆動信号により発生されるべき必要な照明パターンと、ビーム偏向器１３０の基準位置２４４に対する相対位相位置とを、図７−９に示すように、予め設定している。
【００７８】
図７に示す照明パターンを作るためには、コントローラ１７０は、光源１１０に対して駆動信号１７３Ａを出力する。特に、図１１に示すように、ビーム偏向器が毎秒３０回転で回転するものと仮定すると、駆動信号１７３Ａは、第１撮像期間の間に、第１撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジから約８．３３ｍｓｅｃ後及び２５ｍｓｅｃ後に瞬間的にオンする。従って、一つずつの照明領域２４０，２４２が各撮像期間に発生する。
【００７９】
図８に示す照明パターンを作るためには、コントローラ１７０は、光源１１０に対して駆動信号１７３Ｂを出力する。特に、図１１に示すように、ビーム偏向器が毎秒３０回転で回転するものと仮定すると、駆動信号１７３Ｂは、第１の撮像期間の間に、第１撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジでオンになって、ターンオフする前に約４．１７ｍｓｅｃの間オンを維持する。駆動信号１７３Ｂはまた、第１撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジから１２．５ｍｓｅｃ及び２９．１７ｍｓｅｃ後にオンになり、それぞれ約８．３３ｍｓｅｃ維持される。駆動信号１７３Ｂは、第２の撮像信号フィールド２がオンになるときにオンになり、約４．１７ｍｓｅｃの間維持される。駆動信号１７３Ｂはまた、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジから、約２９．１７ｍｓｅｃ及び４５．８３ｍｓｅｃの後に、第２の撮像期間でオンになり、それぞれ約８．３３ｍｓｅｃ及び４．１７ｍｓｅｃの間維持される。
【００８０】
従って、一つずつの照明領域３４０，３４２がそれぞれの撮像期間で得られる。特に照明領域３４０の後半は第１の撮像期間の始めに生じ、照明領域３４２は第１の撮像期間の中間帯に生じ、照明領域３４０の前半は第１の撮像期間の終わりに生じる。同様に、照明領域３４２の後半は第２の撮像期間の始めに生じ、照明領域３４０は第２の撮像期間の中間帯に生じ、照明領域３４２の前半は第２の撮像期間の終わりに生じる。
【００８１】
何らかの理由でこの様な照明パターンの照明領域の分割を避ける必要がある場合には、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりを相対的に照明領域の先端に合わせることができる。例えば、図８に示す照明パターンについて、カメラがあるフィールド撮像モードで動作しているときに、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジを約４．２ｍｓｅｃから約１２．４ｍｓｅｃの間に発生するように遅延する。即ち、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジを、照明領域３４０の後端と照明領域３４２の先端の間に来るように遅延すればよい。
【００８２】
図９に示す照明パターンを作るためには、コントローラ１７０は、光源１１０に対して駆動信号１７３Ｃを出力する。特に、図１１に示すように、ビーム偏向器が毎秒３０回転で回転するものと仮定すると、駆動信号１７３Ｃは、第１の撮像期間の間に、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジでオンになって、約２．０８ｍｓｅｃの間オンを維持する。そして駆動信号１７３Ｃは、第１のフィールド撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジから、約６．２５ｍｓｅｃ，１４．４８ｍｓｅｃ，２２．９２ｍｓｅｃ，３１．２４ｍｓｅｃでオンになり、それぞれ約４．１７ｍｓｅｃの間オンを維持する。また駆動信号１７３Ｃは、第２の撮像信号フィールド２がオンになるときにオンとなり、２．０８ｍｓｅｃの間これが維持される。駆動信号１７３Ｃはまた、第２の撮像期間の間で、第１の撮像信号フィールド１の立ち上がりエッジから約２２．９２ｍｓｅｃ，３１．２４ｍｓｅｃ，３９．５８ｍｓｅｃ，４７．９２ｍｓｅｃでオンになり、最後のオン期間を除いて約４．１７ｍｓｅｃの間オンを維持する（最後は、２．０８ｍｓｅｃだけオンになる）。
【００８３】
従って、それぞれ一つずつの照明領域４４０，４４２，４４４，４４６が各撮像期間に生じる。特に、照明領域４４０の後半は、第１の撮像期間の始めに生じ、照明領域４４２−４４６は第１の撮像期間内に生じ、照明領域４４０の前半は第１の撮像期間の終わりに生じる。同様に、照明領域４４４の後半は、第２の撮像期間の始めに生じ、照明領域４４０，４４２，４４６は第２の撮像期間内に生じ、照明領域４４４の前半は第２の撮像期間の終わりに生じる。
【００８４】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、この発明による制御方法の一例のフローチャートである。ステップＳ１００で制御スタートし、ステップＳ１１０では、各照明領域毎の先端エッジの所望の位相角γ、各照明領域毎の所望のアーク長β、各照明領域毎の所望の入射角αを入力する。次にステップＳ１２０では、各照明領域毎の入射角に基づいて、その入射角を得るためのモータの所望の回転速度ωを決定する。ステップＳ１３０では、所望の回転速度を、カメラの撮像周期から決まる基準回転速度の整数倍に最も近い値になるように端数処理する。これは、各撮像期間の間、ビーム偏向器１３０が整数回回転することを保証するためである。
【００８５】
次にステップＳ１４０において、ビーム偏向器のモータを、ステップＳ１１０で入力された所望の入射角をほぼ得ることができるように端数処理された回転速度ωで駆動する。そして、ステップＳ１５０において、モータの瞬時位置及び／又は瞬時回転速度を求める。次いでステップＳ１６０において、測定された回転速度又は、端数処理された回転速度ωにいずれかに基づいて、及び決定されたモータ位置又は測定されたモータ位置のいずれかに基づいて、光源の駆動信号を発生する。
【００８６】
ステップＳ１７０では、第１の撮像期間の開始を示すトリガ信号をカメラによって又はカメラに対して出力する。カメラがフレーム撮像モードで動作する場合には、トリガ信号は、第１の撮像期間の途中で第２の撮像期間が始まるようにカメラを制御する。そしてステップＳ１８０において、発生された駆動信号で光源を駆動して、試料部分の各照明領域を所望の位相角γで所望のアーク長βにまたがって照明するように光ビームを発生する。特に駆動信号は、カメラの第１及び第２フィールドが照明領域を検出可能になったときに、そしてビーム偏向器が適当な回転位置にあって所望の位相角γ及び所望のアーク長βを持つ照明領域を作るときに、出力される。
【００８７】
次にステップＳ１８５では、カメラの第１及び第２フィールドが所望の各照明領域の整数回にまたがって照明された部分の画像を捕らえる。ステップＳ１９０では、各フィールドの画像が読み出されてフル画像が生成され、これが出力され或いは表示される。ステップＳ１９５で制御ルーチンは終了する。
【００８８】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、この発明の制御方法の他の例のフローチャートである。ステップＳ２００で制御スタートし、ステップＳ２１０において、各照明領域毎の先端エッジの所望の位相角γ、各照明領域毎の所望のアーク長β、各照明領域毎の所望の入射角αを入力する。次にステップＳ２２０で、所望の入射角αを得るに必要な、走査ガルバノメータに入力する駆動信号Ｖｘ，Ｖｙの振幅値Ａｘ，Ａｙを入力する。そしてステップＳ２３０では、所望の位相角γを得るに必要な正弦波状駆動信号Ｖｘｄ，Ｖｙｄの位相角θｘｄ，θｙｄを決定する。
【００８９】
次に、ステップＳ２４０では、正弦波入力駆動信号Ｖｘ，Ｖｙの瞬時各走査周波数２πｆｘ，２πｆｙをカメラの撮像周期に基づいて決定する。特に、正弦波入力駆動信号Ｖｘ，Ｖｙの瞬時各走査周波数２πｆｘ，２πｆｙは、走査ガルバノメータからの反射光ビームが各撮像期間内で整数回回転するように決定される。そして次に、ステップＳ２５０において、走査ガルバノメータは、ステップＳ２２０，Ｓ２３０，Ｓ２４０において決定されたパラメータを持つ駆動信号Ｖｘ，Ｖｙを用いて駆動される。
【００９０】
ステップＳ２６０では、正弦波入力駆動信号Ｖｘ，Ｖｙの瞬時位相角θｘａ，θｙａが求められる。そして、ステップＳ２７０では、所望の位相角θｘｄ，θｙｄ、瞬時位相角θｘａ，θｙａ及び瞬時走査周波数２πｆｘ，２πｆｙに基づいて光源の駆動信号を発生する。次いでステップＳ２７５では、第１の撮像期間の開始を示すトリガ信号をカメラによって又はカメラに対して出力する。カメラがフレーム撮像モードで動作する場合には、トリガ信号は、第１の撮像期間の途中で第２の撮像期間が始まるようにカメラを制御する。
【００９１】
そして、ステップＳ２８０では、発生された駆動信号で光源を駆動して、試料部分の各照明領域を所望の位相角γで所望のアーク長βにまたがって照明するように光ビームを発生する。特に駆動信号は、走査ガルバノメータが適当な位置にあるときに出力され、所望の位相角γ及び所望のアーク長βを持つ照明領域を作る。
【００９２】
次にステップＳ２８５では、カメラの第１及び第２フィールドが所望の各照明領域の整数回にまたがって照明された部分の画像を捕らえる。ステップＳ２９０では、各フィールドの画像が読み出されてフル画像が生成され、これが出力され或いは表示される。ステップＳ２９５で制御ルーチンは終了する。
【００９３】
図１４は、光パターンコントローラ１１５の他の構成例である。この例では、光パターンコントローラ１１５は液晶デバイス光パターンコントローラ３３０を有する。液晶デバイス光パターンコントローラ３３０は、透過型液晶デバイス或いは液晶シャッタである。光源３１０は、液晶デバイス光パターンコントローラ３３０に当たる発散光ストリームを発生する。液晶デバイス光パターンコントローラ３３０は、光源３１０から発生された光の一部がコリメータ３４０に当たるのを選択的にブロックすることを可能とするアドレス可能なセクタアレイを含む。例えば、光線３１１Ａは、液晶デバイス光パターンコントローラ３３０に当たり、透過してコリメータ３４０でコリメートされる。これに対して、光線３１１Ｂは、液晶デバイス光パターンコントローラ３３０に当たってブロックされ、コリメータ３４０に到達しない。従ってこの液晶デバイス光パターンコントローラ３３０は、光源３１０からコリメータ３４０に達する光パターンをコントロールすることができる。
【００９４】
液晶デバイス光パターンコントローラ３３０のアドレサブルなセクタは、例えば正方形の画素形状、或いは正確なセクタ形状等、どの様に設計してもよい。また液晶デバイスは、アドレサブルな画素アレイを含むことができ、更に上述した透過モードでの光遮断ではなく、反射モードで動作するものとしてもよい。
【００９５】
図１５は、この発明による制御方法の他のフローチャートである。ステップＳ３００で制御スタートし、ステップＳ３１０で、各照明領域毎の先端エッジの所望の位相角γ、各照明領域毎の所望のアーク長β、各照明領域毎の所望の入射角αを入力する。次にステップＳ３２０で、所望の入射角αを得るに必要な液晶デバイス光パターンコントローラのアドレッサブルなセクタの組を決定する。次いでステップＳ３３０において、各照明領域毎に、所望の位相角γ及び所望のアーク長βを得るに必要なセクタの特定の組を決定する。
【００９６】
次に、ステップＳ３４０において、液晶デバイス光パターンコントローラを駆動し、決定された特定のセクタの組では入射光を透過し（液晶デバイスが透過型シャッタの場合）、或いは決定された特定のセクタの組では入射光を反射して（液晶デバイスが反射型の場合）、選択された光ビームをコリメータに送る。これにより、試料を所望の入射角α、位相角γ及びアーク長βで照明する。次にステップＳ３５０では、第１の撮像期間の開始を示すトリガ信号をカメラによって又はカメラに対して出力する。カメラがフレーム撮像モードで動作する場合には、トリガ信号は、第１の撮像期間の途中で第２の撮像期間が始まるようにカメラを制御する。
【００９７】
次いで、ステップＳ３６０において、カメラの第１及び第２フィールドが所望の各照明領域の画像を捕らえる。ステップＳ３７０では、各フィールドの画像が読み出されてフル画像が生成され、これが出力され或いは表示される。ステップＳ３８０で制御ルーチンは終了する。
【００９８】
この方法においては、セクタにより入射角を可変できることを理解すべきである。例えばモータ１２０の速度をコントロールすることにより、ビームがコリメータ１４０上で円を描くのではなく、楕円を描くようにすることができる。この場合コントローラ１７０は、各セクタの幅の領域で変化した入射角の光ビームが照明領域に位置するように、パルス繰り返し周波数と位相角を選択することができる。同様に、二次元走査ガルバノメータ３０も、異なるセクタ内で常に入射角を可変するように制御することができる。
【０１００】
上の説明は、一般に固体発光デバイスを持つ光源から光が出力される場合であるが、この発明の制御システム及び方法はより一般的な光源例えば、タングステンハロゲンランプを用いることもできる。またこの発明の制御システム及び方法において、光源として、検出可能であれば可視域外の光を出力するものを用いることもできる。例えばその様なスペクトル帯として、紫外Ａ及び近赤外がある。更にこの発明による制御システム及び方法では、光源は、連続波光ビーム、変調された光ビーム、パルス化された光ビームを出すように光源をコントロールしてもよい。
【０１０１】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、機械観察システムに好ましい、優れた特徴を持ち、安価で且つ信頼性の高い拡散照明制御システム及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による拡散照明システムを示す図である。
【図２】同システムの光源の平面図である。
【図３】同システムの光源の断面図である。
【図４】同システムのビーム偏向器の断面図である。
【図５】図４におけるビーム偏向器のＶ−Ｖ位置の断面図である。
【図６】光パターンコントローラの構成を示す図である。
【図７】照明領域の時間軌跡の一例を示す図である。
【図８】照明領域の時間軌跡の他の例を示す図である。
【図９】照明領域の時間軌跡の他の例を示す図である。
【図１０】照明制御の動作を説明するためのタイミング図である。
【図１１】ビーム偏向器駆動信号とカメラ動作の関係を示す図である。
【図１２Ａ】照明制御のフローチャートの一例（前半）である。
【図１２Ｂ】同フローチャートの後半である。
【図１３Ａ】照明制御のフローチャートの他の例（前半）である。
【図１３Ｂ】同フローチャートの後半である。
【図１４】他の光パターンコントローラの構成を示す図である。
【図１５】照明制御のフローチャートの他の例である。
【符号の説明】
１００…拡散照明システム、１１０…光源、１１５…光パターンコントローラ、１２０…モータ、１３０…ビーム偏向器、１４０…コリメータ、１５０…ミラー、１６０…集光要素、２００…撮像システム、２２０…カメラ、３００…試料部分。

Claims

拡散光により照明される対象物の画像を生成する装置であって、
一つの照明領域がある入射角、位相角、アーク長の少なくとも一つを有するように少なくとも一つの照明領域を持つ光パターンを制御的に発生する光パターン発生システムと、
少なくとも第１及び第２の撮像期間をもって前記対象物を撮像するカメラと、
前記光パターン発生システムによる光パターンの発生と前記第１及び第２の撮像期間との同期をとり、前記第１及び第２の撮像期間に前記光パターンを整数回生じさせることにより、前記カメラの各フィールドが前記対象物からの実質同じ光量の光を撮像するように制御するコントローラと
を備えたことを特徴とする画像生成装置。
前記コントローラは、偏向器による偏向及び光源の変調の少なくとも一方を、前記第１及び第２の撮像期間に同期させるものであることを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
前記第１及び第２の撮像期間を、偏向器による偏向及び光源の変調の少なくとも一方に同期させるものであることを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
前記第１及び第２の撮像期間は、インタレースされた二つの画素フィールドに対応することを特徴とする請求項１記載の画像生成装置。
変調された光ビームを出力する光源と、
この光源からの光ビームを偏向して、その光ビームをコリメートするためのコリメート要素の面上にパターンを描く偏向器と、
コリメート光を、照明光ビームを反射できる対象物に集光する集光要素と、
少なくとも第１及び第２のフィールドをもって前記対象物の画像を撮像するカメラと、
前記第１及び第２のフィールド、前記光ビームの変調及び前記偏向器による偏向を同期させ、前記第１及び第２のフィールドに前記偏光器で描かれるパターンを整数回生じさせることにより、前記第１及び第２のフィールドがそれぞれ照明された前記対象物からの反射光を実質的に同じ量だけ撮像するように制御するコントローラと
を備えたことを特徴とする機械観察システム。
前記コントローラは、前記偏向器による偏向と前記光ビームの変調を、前記第１及び第２のフィールドの撮像期間に同期させるものであることを特徴とする請求項５記載の機械観察システム。
前記コントローラは、前記第１及び第２のフィールドの撮像期間を、前記偏向器による偏向と前記光ビームの変調に同期させるものであることを特徴とする請求項５記載の機械観察システム。
拡散光により制御的に照明される対象物の画像を生成する方法であって、
一つの照明領域がある入射角、位相角、アーク長の少なくとも一つを有するように少なくとも一つの照明領域を持つ光パターンを制御的に発生し、
前記対象物の照明された領域からの光を集光して、前記対象物を少なくとも第１及び第２の撮像期間を持つカメラで撮像し、
前記光パターンの発生と前記第１及び第２の撮像期間とを同期させ、前記第１及び第２の撮像期間に前記光パターンを整数回生じさせることにより、前記第１及び第２の撮像期間のそれぞれにおいて前記対象物からの光が実質的に同量だけ集光されるように制御する
ことを特徴とする画像生成方法。
前記光パターンを制御的に発生するステップは、光偏向器を制御的に動作させると共に、光ビームを制御的に変調するものであり、
前記光パターンの発生と前記第１及び第２の撮像期間とを同期させるステップは、前記光偏向器による偏向と前記光ビームの変調の少なくとも一方を、前記第１及び第２の撮像期間に同期させるものである
ことを特徴とする請求項８記載の画像生成方法。
前記光パターンを制御的に発生するステップは、光偏向器を制御的に動作させると共に、光ビームを制御的に変調するものであり、
前記光パターンの発生と前記第１及び第２の撮像期間とを同期させるステップは、前記第１及び第２の撮像期間を、前記光偏向器による偏向と前記光ビームの変調の少なくとも一方をに同期させるものである
ことを特徴とする請求項８記載の画像生成方法。
拡散光により制御的に照明される対象物の画像を生成する方法であって、
光ビームを変調し、
変調された光ビームを偏向して照明パターンを描き、
偏向された光ビームをコリメートし、
コリメートされた光ビームを前記対象物に集光し、
前記対象物からの反射光を、少なくとも第１及び第２の撮像期間があるカメラで受光し、
前記第１及び第２の各撮像期間、前記光ビームの変調及び変調された光ビームの偏向を同期させ、前記第１及び第２の撮像期間に前記照明パターンを整数回生じさせることにより、前記第１及び第２の撮像期間のそれぞれにおいて前記対象物からの光が実質的に同量だけ撮像されるように制御する
ことを特徴とする画像生成方法。
前記第１及び第２の各撮像期間、前記光ビームの変調及び変調された光ビームの偏向を同期させるステップは、前記光ビームの変調と変調された光ビームの偏向を、前記第１及び第２の各撮像期間に同期させるものであることを特徴とする請求項１１記載の画像生成方法。
前記第１及び第２の各撮像期間、前記光ビームの変調及び変調された光ビームの偏向を同期させるステップは、前記第１及び第２の各撮像期間を、前記光ビームの変調と変調された光ビームの偏向に同期させるものであることを特徴とする請求項１１記載の画像生成方法。