專利名稱：用于干涉測量系統(tǒng)的高速相移的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及光束的高速相移并且更具體地涉及用于三維成像系統(tǒng)的干涉條紋圖案的高速相移。
背景技術(shù)：
基于條紋干涉測量法的精確非接觸三維(3D)計(jì)量已經(jīng)發(fā)展用于一系列的工業(yè)應(yīng)用。通常對大體積以低數(shù)據(jù)采集速度進(jìn)行測量。對于諸如醫(yī)學(xué)和牙齒成像的各種應(yīng)用，3D 成像系統(tǒng)典型地要求高的空間分辨率和短的測量持續(xù)時間。此外，許多系統(tǒng)在尺寸上被限制從而使得能夠由諸如技術(shù)人員、醫(yī)生或牙科醫(yī)生的操作人員使用。通過引用結(jié)合于此的 PCT專利申請No. PCT/US08/80940描述了緊湊3D成像系統(tǒng)的實(shí)例。由于要求精確地移動(即相移)投影在被測量對象的表面上的條紋的原因，解決上述限制的傳統(tǒng)系統(tǒng)在速度上受限制。一些系統(tǒng)基于以亞微米精度移動條紋投影儀中的部件。其它系統(tǒng)要求以小的步長精確移動條紋投影儀。例如，美國專利No. 4，964，770公開了一種將條帶(stripe)圖案投影在牙齒表面上的3D測量系統(tǒng)。在條帶投影儀移動到在那里采集到條帶圖案的附加圖像的其它位置之前，采集條帶圖案的圖像。因此該系統(tǒng)依賴于條帶投影儀的精確移動、投影儀指向穩(wěn)定性以及在數(shù)據(jù)采集間隔期間對象(牙齒)的穩(wěn)定性。相位測量干涉測量(PMI)技術(shù)被用在一些精確非接觸3D計(jì)量系統(tǒng)中，在其中將從要被測量的對象散射的相干輻射與相干參考光束結(jié)合從而在探測器陣列處生成干涉條紋圖案。參考光束的相位被改變，并且對于多個相位值采集到條紋圖案的圖像。如例如在美國專利No. 5，870，191中所描述并且通過引用結(jié)合于此的云紋干涉測量(AFI)技術(shù)利用了條紋投影儀，其包含兩個緊密隔開的相干光源以便將干涉條紋圖案投影在被測量的對象上。完成所述兩個光源的相位差中的兩個(或更多個)精確偏移，并且對于三個(或更多個)相位差中的每一個采集條紋圖案的至少一個圖像。用于實(shí)現(xiàn)相移的技術(shù)包含衍射光柵的精確平移和光纖的精確重定位。兩種技術(shù)都依賴于具有亞微米定位穩(wěn)定性的能力的機(jī)械平移機(jī)構(gòu)，并且由于平移機(jī)構(gòu)的安置時間的原因，采用這些技術(shù)的系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集速度上受限制。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明特征在于一種用于調(diào)制光束的相位的方法。利用光束沿著入射路徑在第一區(qū)域中的第一區(qū)段照明透明板，所述透明板具有光學(xué)厚度不同的第一區(qū)域和第二區(qū)域。在傳播通過透明板的第一區(qū)域之后，該光束具有根據(jù)第一區(qū)域的光學(xué)厚度確定的相位，并且該相位不依賴于在第一區(qū)域內(nèi)的入射位置。利用該光束沿著入射路徑在第二區(qū)域中的第二區(qū)段照明該透明板。入射路徑的第一和第二區(qū)段限定連續(xù)路徑，該連續(xù)路徑越過第一和第二區(qū)域之間的過渡。第一和第二區(qū)域之間的切換時間顯著小于光束在第一和第二區(qū)域的每一個中的渡越時間(transit time)。在傳播通過透明板的第二區(qū)域之后，該光束具有根據(jù)第二區(qū)域的光學(xué)厚度確定的相位，并且所述相位不依賴于在第二區(qū)域內(nèi)的入射位置。在另一方面，本發(fā)明特征在于一種用于光束的高速相移的設(shè)備。該設(shè)備包含具有第一區(qū)域和第二區(qū)域的透明板。每個區(qū)域具有的光學(xué)厚度不同于其它區(qū)域的光學(xué)厚度。該設(shè)備還包含相對平移機(jī)構(gòu)以便平移傳播通過該透明板的光束的入射位置。該入射位置沿著連續(xù)入射路徑被平移，所述連續(xù)入射路徑延伸通過第一和第二區(qū)域的每一個的至少一部分。光束在第一和第二區(qū)域之間的過渡時間(transition time)顯著小于光束在所述兩個區(qū)域的每一個中的渡越時間。在傳播通過在每個區(qū)域處的透明板之后，該光束具有根據(jù)相應(yīng)光學(xué)厚度確定的相位。該相位不依賴于在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的入射位置。在又一方面，本發(fā)明特征在于一種用于調(diào)制一對相干光束的相位差的方法。在第一時間利用一對相干光束照明透明板。該透明板具有帶有第一光學(xué)厚度的第一區(qū)域和帶有第二光學(xué)厚度的第二區(qū)域。每個相干光束在第一和第二區(qū)域的其中之一處入射在透明板， 并且離開該透明板的這對相干光束的相位差具有第一值。在第二時間利用這對相干光束照明該透明板，使得所述相干光束的其中之一入射在透明板的區(qū)域不同于該相干光束對于第一時間的相應(yīng)區(qū)域，以使得離開該透明板的這對相干光束的相位差具有第二值。在第三時間利用這對相干光束照明該透明板，使得所述相干光束的其中之一入射在透明板的區(qū)域不同于該相干光束對于第二時間的相應(yīng)區(qū)域，以使得離開該透明板的這對相干光束的相位差具有第三值。在再一方面，本發(fā)明特征在于用于調(diào)制一對相干光束的相位差的設(shè)備。該設(shè)備包含透明板，其具有帶有第一光學(xué)厚度的第一區(qū)域和帶有第二光學(xué)厚度的第二區(qū)域。透明板適于接收一對相干光束。該設(shè)備還包含耦合到透明板的循環(huán)移動機(jī)構(gòu)。該循環(huán)移動機(jī)構(gòu)適于平面平移。每個相干光束在第一和第二區(qū)域的其中之一處入射在該透明板并且根據(jù)在相應(yīng)區(qū)域的光學(xué)厚度被相位延遲。每個相干光束的入射位置在由平面平移限定的循環(huán)路徑上移動，使得相干光束的相位差根據(jù)當(dāng)相干光束的入射位置在第一和第二區(qū)域之間過渡時的光學(xué)厚度的差被周期性地調(diào)制。在再一方面，本發(fā)明特征在于條紋投影和成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含透明板、循環(huán)移動機(jī)構(gòu)、成像器和控制模塊。透明板適于接收一對相干光束并且具有帶有第一光學(xué)厚度的第一區(qū)域和帶有第二光學(xué)厚度的第二區(qū)域。循環(huán)移動機(jī)構(gòu)耦合到透明板并且適于平面平移。 每個相干光束在第一和第二區(qū)域的其中之一處入射在該透明板，并且根據(jù)在相應(yīng)區(qū)域的光學(xué)厚度被相位延遲。每個相干光束的入射位置在由平面平移限定的循環(huán)路徑上移動，使得相干光束的相位差被周期性地調(diào)制。該調(diào)制基于當(dāng)相干光束的入射位置在第一和第二區(qū)域之間過渡時的光學(xué)厚度的差。成像器配置成采集在由相干光束離開相位板之后照明的表面上生成的條紋圖案的圖像。對于所述相干光束的多個相位差值采集圖像?？刂颇K與該循環(huán)移動機(jī)構(gòu)和成像器電氣通信，并且同步對于每個相位差的條紋圖案的圖像的采集。


通過結(jié)合附圖參考下述描述可以更好地理解本發(fā)明的上述和其它優(yōu)點(diǎn)，在附圖中相似的數(shù)字指示各個圖中相似的結(jié)構(gòu)元件和特征。所述圖不一定按比例，反而將重點(diǎn)放在說明本發(fā)明的原理上。圖IA說明照明相位板的光束的入射路徑。
圖IB說明對于四個時間t” t2、t3和t4中的每一個的圖IA的光束的入射位置。圖IC通過圖表以時間的函數(shù)描述圖IA的光束在離開相位板之后的相位。圖2說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的一對相干光束的相位差被調(diào)制的3D測量系統(tǒng)。圖3說明根據(jù)本發(fā)明的包含用于調(diào)制一對相干光束的相位差的設(shè)備的干涉條紋投影儀的實(shí)施例。圖4說明根據(jù)本發(fā)明的干涉條紋投影儀的另一個實(shí)施例。圖5A和圖5B分別說明圖4所示相位板的實(shí)例的前視圖和側(cè)視圖。圖6A、6B和6C說明對于相位板的三個離散位置的相對于圖4所示虛擬源的圖5 的相位板。圖7A為對于如圖6A所示那樣定位的相位板，針對單個有源激光二極管在目標(biāo)平面處產(chǎn)生的條紋圖案的圖示。圖7B通過圖表描述跨越圖7A所示的條紋圖案的豎直切片的強(qiáng)度變化。圖8A為對于如圖6B所示那樣定位的相位板，針對單個有源激光二極管在目標(biāo)平面處產(chǎn)生的條紋圖案的圖示。圖8B通過圖表描述跨越圖8A所示的條紋圖案的豎直切片的強(qiáng)度變化。圖9A為對于如圖6C所示那樣定位的相位板，針對單個有源激光二極管在目標(biāo)平面處產(chǎn)生的條紋圖案的圖示。圖9B通過圖表描述跨越圖9A所示的條紋圖案的豎直切片的強(qiáng)度變化。圖10說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的可以與軌道平移機(jī)構(gòu)一起使用從而實(shí)現(xiàn)兩個相干光束之間的相位差的調(diào)制的相位板。圖11示出根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的附連到軌道平移機(jī)構(gòu)的圖10的相位板。圖12為示出使用圖11所示的相位板和軌道平移機(jī)構(gòu)在單個軌道循環(huán)期間事件同步的時序圖。圖13示出對于圖12的圖像采集間隔相對于虛擬源對的固定位置的圖11的相位板的位置。
具體實(shí)施例方式簡短地概括來說，本發(fā)明涉及用于高速調(diào)制光束的相位的方法和設(shè)備。利用光束照明具有不同光學(xué)厚度的各區(qū)域的透明板。光束沿著路徑入射，該路徑包含在不同區(qū)域中的區(qū)段。通過相對于透明板移動光束而建立該路徑。例如，可以操縱光束或者可以平移透明板。根據(jù)光束當(dāng)前入射到其中的區(qū)域的光學(xué)厚度確定光束在傳播通過透明板之后的相位。由于區(qū)域內(nèi)的光學(xué)厚度均勻性是不變的，所以當(dāng)光束保持入射在區(qū)域內(nèi)時，光束的相位保持穩(wěn)定，即使在該區(qū)域內(nèi)的入射位置發(fā)生變化。快速平移或光束操縱實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定相位值之間的高速切換。圖IA和IB分別示出相位板2的前視圖和俯視圖，該相位板2具有光學(xué)厚度不同的四個區(qū)域(區(qū)域A至區(qū)域D)。相位板2由光學(xué)性能透明板制成。每個區(qū)域的光學(xué)厚度是根據(jù)該區(qū)域的板的物理厚度確定的。如所說明的那樣，區(qū)域A具有由板厚度Γ和光學(xué)玻璃的折射率的乘積確定的光學(xué)厚度。區(qū)域B、C和D具有逐漸更小的物理厚度并且因此具有逐漸更小的光學(xué)厚度。在可替換實(shí)施例中，相位板2具有標(biāo)稱厚度，并且增加厚度的一個或多個區(qū)域被提供。在另一可替換實(shí)施例中，所述區(qū)域具有相同物理厚度；然而，每個區(qū)域的折射率不同于每個其它區(qū)域的折射率。通過使用標(biāo)準(zhǔn)離子銑削工藝從而在空間上選擇地減小光學(xué)性能透明板或窗的物理厚度，可以生成具有在空間上變化的光學(xué)厚度的期望圖案的相位板2。相鄰區(qū)域之間的過渡的寬度可以小至IMffl或更小。傳播通過相位板2的光束8的相位延遲的值依賴于光束8 的波長、各區(qū)域的板厚度的差以及相位板2的折射率。圖IA示出照明相位板2的前表面4的光束8的入射路徑4。路徑4在時間上順序地從左到右由入射位置的瞬時位點(diǎn)限定。通過移動相位板2和/或通過操縱光束8而改變?nèi)肷湮恢?。路?包含四個區(qū)段4A、4B、4C和4D，其中每個區(qū)段對應(yīng)于在相應(yīng)區(qū)域中的路徑 4的一部分。渡越時間(此處被限定為入射位置進(jìn)入?yún)^(qū)域直到該入射位置隨后離開該區(qū)域?yàn)橹沟臅r間)顯著地比恒定相位延遲之間的過渡時間更長。對于時間G、G、G和G描述了四個離散入射位置。圖IB說明對于四個時間“、t2、t3和t4中的每個入射光束8的位置。圖IC通過圖表以時間的函數(shù)描述在光束8，離開相位板2時光束8，的相位。該相位依賴于光束8所入射到其中的區(qū)域的光學(xué)厚度，因此獲得四個不同的相位值。只要光束8保持在單個區(qū)域內(nèi)，相位就是非常穩(wěn)定的，與在該區(qū)域內(nèi)的入射位置無關(guān)。例如，對于可見波長，相位在一個區(qū)域上的變化可以小于0.1°。這種相位穩(wěn)定性是由于每個區(qū)域的厚度均勻性的緣故。此外，只要光束8保持在一個區(qū)域內(nèi)，光束8’的相位就不依賴于入射位置的變化速率。當(dāng)入射位置從一個區(qū)域過渡到相鄰區(qū)域時，即，當(dāng)路徑4從一個區(qū)段過渡到下一個區(qū)段時，離開相位板2的光束8’的相位快速變化。相位變化速率根據(jù)下述各項(xiàng)確定在相位板2處的光束尺寸(例如直徑)、相鄰區(qū)域之間光學(xué)厚度過渡的有限寬度以及入射位置沿著板表面6的變化速率。因此，為了迅速在各相位值之間切換，入射位置的高變化速率是優(yōu)選的，并且與所述區(qū)域的橫向尺度相比，在相位板2處的光束尺寸應(yīng)該是小的。例如，100mm/sec的變化速率和IMm的光束尺寸導(dǎo)致li^sec的切換時間。為了實(shí)現(xiàn)小的光束尺寸，光束被聚焦在板表面6上或板表面6的附近。在一些實(shí)施例中，光束8被聚焦在板表面6上或板表面6的附近，因此相位在兩個恒定值之間過渡的時間減小?？商鎿Q地或附加地，相位板2可以以高的平移速率移動從而減小相位過渡時間。在可替換實(shí)施例中，使用光束定向器操縱光束8從而生成期望入射路徑4。例如， 光束定向器可以是使得能夠快速且可重復(fù)地利用電子控制操縱光束8的聲光調(diào)制器。在其它實(shí)例中，光束定向器為用于沿著入射路徑4定向光束8的可操縱的鏡或折射元件。盡管上述相位板2包含以線性配置布置的具有不同光學(xué)厚度的各區(qū)域，應(yīng)認(rèn)識到，區(qū)域的其它幾何配置是有可能的。此外，不要求入射路徑4是線性的，而且其可以是任何這樣的二維路徑，所述二維路徑在與區(qū)域的特定幾何布局一起使用時導(dǎo)致離開的光束8’ 的期望時間相位特性(即“相位分布”)。在另外其它實(shí)施例中，入射位置的平移速率根據(jù)期望相位分布和/或區(qū)域的幾何布局而改變。用于實(shí)現(xiàn)高精確度相移的傳統(tǒng)技術(shù)包含利用壓電致動器來調(diào)節(jié)光學(xué)元件(諸如鏡)的位置；然而，壓電致動器典型地要求若干毫秒或更多毫秒以在各相位值之間過渡。相比之下，諸如鈮酸鋰調(diào)制器的電光調(diào)制器可以以超過IGHz的速率改變光束的相位；然而， 電光調(diào)制器對于相位控制而言通常非常不精確。此外，電光調(diào)制器的相位穩(wěn)定性典型地依賴于環(huán)境條件并且因此對于要求精確相位控制的應(yīng)用通常要求溫度控制。由于圖1的相位板2的玻璃厚度的差典型地是小的(S卩，光束8的波長的一小部分)，所以可以容忍溫度顯著變化而沒有相移精確度的顯著減小。因此所說明的相位板2在與相對平移機(jī)構(gòu)(S卩，或者是光束定向器或者是平移機(jī)構(gòu))結(jié)合時使得能夠?qū)崿F(xiàn)不能通過傳統(tǒng)相移方法獲得的程度上的高精確度相移和高切換帶寬。本發(fā)明的方法和設(shè)備具有干涉條紋投影和成像系統(tǒng)中的應(yīng)用，諸如在3D AFI測量系統(tǒng)中用于確定對象表面上各點(diǎn)的位置信息的那些干涉條紋投影和成像系統(tǒng)。這種3D測量系統(tǒng)可以在牙齒應(yīng)用中用于諸如牙齒的琺瑯質(zhì)表面、牙齒的牙質(zhì)子結(jié)構(gòu)、牙床組織和各種牙齒結(jié)構(gòu)(例如柱狀物、插入物和填充物)的表面的口內(nèi)成像。該方法和設(shè)備使得能夠?qū)崟r執(zhí)行高精確度3D測量，而沒有與現(xiàn)有技術(shù)干涉條紋投影裝置中采用的機(jī)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的與安置時間相關(guān)聯(lián)的問題。圖2說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的諸如AFI測量系統(tǒng)的3D測量系統(tǒng)10，在其中一對相干光束的相位差被調(diào)制。由條紋投影儀18生成兩個相干光束14A和14B (通常為14) 并且所述兩個相干光束14A和14B被用于利用干涉條紋沈的圖案來照明對象22的表面。 條紋圖案在對象22處的圖像是由成像系統(tǒng)或透鏡30形成于包含光電探測器的陣列34的成像器上。例如，探測器陣列34可以是二維電荷耦合裝置(CXD)成像陣列。由探測器陣列 34生成的輸出信號被提供到處理器38。輸出信號包含關(guān)于在陣列34中每個光電探測器處接收的輻射的強(qiáng)度的信息?？蛇x的偏振器42被取向成與散射的輻射的主偏振分量一致?？刂颇K46控制從條紋投影儀18發(fā)射的所述兩個相干光束14的參數(shù)?？刂颇K46包含 相移控制器50以便調(diào)節(jié)兩個光束14的相位差；以及空間頻率控制器M以便調(diào)節(jié)對象22 處干涉條紋26的節(jié)距或間距。條紋圖案的空間頻率由條紋生成器18中兩個相干光學(xué)輻射的虛擬源的間距、從虛擬源到對象22的距離以及輻射的波長確定。如此處所使用的那樣，虛擬源意指輻射似乎源于其的點(diǎn)，盡管實(shí)際的輻射源可能位于別處。處理器38和控制模塊46通信以協(xié)調(diào)對來自光電探測器陣列34的關(guān)于相位差和空間頻率的變化的信號的處理，并且處理器38根據(jù)條紋圖案圖像確定對象表面的三維信息。在一個實(shí)施例中，條紋投影儀18包含耦合到循環(huán)移動機(jī)構(gòu)的相位板，該循環(huán)移動機(jī)構(gòu)由相移控制器50控制。相位板具有標(biāo)稱光學(xué)厚度以及一個或多個光學(xué)厚度不同的區(qū)域。因此，相對于相位板在那里具有不同光學(xué)厚度的不同入射位置處的光束的相位，入射在相位板表面的光束的相位被延遲或提前。為了實(shí)現(xiàn)光束14之間的三個不同的相位差值，具有標(biāo)稱光學(xué)厚度以及一個或多個光學(xué)厚度不同的區(qū)域的相位板被放置于如下所述三個不同位置
a)兩個光束14都通過標(biāo)稱光學(xué)厚度；
b)—個光束14A通過標(biāo)稱光學(xué)厚度且另一個光束14B通過該板的具有不同光學(xué)厚度的區(qū)域；以及
c)一個光束14A通過該板的具有不同光學(xué)厚度的區(qū)域且另一個光束14B通過標(biāo)稱光學(xué)厚度。在一個實(shí)施例中，選擇兩個板厚度之間的差，以便在入射在用于光束14的其中之一的相位板的光束在不同厚度的區(qū)域之間過渡時提供所述光束14之間的相位差的120°偏移。圖3說明干涉條紋投影儀58的一個實(shí)施例，該干涉條紋投影儀58包含用于調(diào)制一對相干光束14的相位差的設(shè)備。該設(shè)備使得能夠快速改變相位差同時在相位過渡之后維持穩(wěn)定和精確的相位差。條紋投影儀58包含激光二極管62、準(zhǔn)直透鏡66、衍射光柵70、 聚焦透鏡74、雙針孔掩模78以及具有厚度不同的區(qū)域的相位板82。激光二極管62發(fā)射發(fā)散相干輻射光束，該發(fā)散相干輻射光束被準(zhǔn)直透鏡66準(zhǔn)直。該準(zhǔn)直光束入射在衍射光柵70 上并且沿著一條軸衍射成不同階數(shù)的多個光束。對于每個衍射光束，聚焦透鏡74在針孔掩模78生成光束腰(即虛擬源)。+1和-1衍射階數(shù)光束的光束腰76A和76B(或者虛擬源，通常為76)存在于針孔孔徑處，因此光束傳播通過掩模78 ；然而，更高階衍射光束被阻擋。相位板82被定位為靠近掩模78，使得從所述虛擬源76擴(kuò)展的兩個光束14的截面區(qū)域具有在相位板78處的直徑，所述直徑相對于不同厚度的區(qū)域的橫向尺度是小的。因此，不要求精確定位相位板82，并且在圖像采集時間期間平移相位板82不影響測量精確度。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的干涉條紋投影儀84的另一個實(shí)施例。條紋投影儀84包含類似于針對圖3的單通道條紋投影儀58所示的那些部件的部件；然而，附加激光二極管 62B、準(zhǔn)直透鏡66以及衍射光柵86與折疊鏡88 —起用在第二光學(xué)路徑中。兩個激光二極管 62以基本上相同的波長操作。半波長(λ /2)波片90使來自下方激光二極管62Β的輻射的偏振旋轉(zhuǎn)，并且偏振相關(guān)光束組合器94組合沿著公共光學(xué)路徑來自兩個激光二極管62的輻射。所述兩個衍射光柵70和84的節(jié)距是不同的，因此對于每個激光二極管62的各階衍射光束的角度是不同的。結(jié)合針孔掩模78中的孔徑的尺寸和位置來選擇所述節(jié)距，使得兩個激光二極管62的+1和-1衍射階數(shù)的光束通過而更高階衍射光束被阻擋。由于針對兩個激光二極管62的+1和-1衍射光束的角度的差，上方針孔孔徑中的兩個虛擬源76Α和96Α的位置是不同的。類似地，下方針孔孔徑中的兩個虛擬源76Β和96Β 的位置是不同的。因此，一個激光二極管62Α的虛擬源76的間距不同于另一個激光二極管 62Β的虛擬源96的間距，并且兩個條紋圖案的空間頻率是不同的。在操作中，一個激光二極管62Α是有效的(active)而另一個激光二極管62B被禁用，使得對應(yīng)于單對虛擬源76的僅僅一個條紋圖案被生成。隨后，有源激光二極管62A被禁用并且另一個激光二極管62B被激活從而提供第二對虛擬源96和第二條紋圖案。圖5A和圖5B分別示出圖4的相位板82的實(shí)例的前視圖和側(cè)視圖。相位板82’ 具有標(biāo)稱厚度T1以及減小的厚度T2的兩個區(qū)域98A和98B (通常為98)。基于激光二極管波長和相位板82’的折射率選擇厚度差從而實(shí)現(xiàn)所述光束14之間的相位差的期望變化。在于405nm處操作的激光二極管62的一個實(shí)例中，由折射率為1. 4696且標(biāo)稱厚度為2. 28mm的Corning 7980UV級熔融石英制成相位板82’。減小厚度的區(qū)域被離子銑削至 287nm的Δ Γ深度，導(dǎo)致標(biāo)稱厚度區(qū)域和減小厚度區(qū)域之間的120°相移。圖6Α、6Β和6C說明對于三個離散位置的相對于虛擬源76和96的相位板82，。相位板82’在各位置之間的移動沿著垂直于包含虛擬源76和96的軸的方向，并且垂直于條紋投影儀84的光軸(見圖4)。圖7Α為在目標(biāo)平面處在單個有源激光二極管的兩個分散光束14之間的交疊區(qū)域中產(chǎn)生的條紋圖案的圖示。相位板82’相對于虛擬源76和96的位置對應(yīng)于圖6Α，其中不引入所述光束之間的相位差。圖7Β描述跨越圖7Α所示條紋圖案的小區(qū)域102的豎直切片強(qiáng)度如何變化。應(yīng)認(rèn)識到，如果激光二極管62A被禁用且另一個激光二極管62B被啟用(圖 4)，則生成具有不同條紋間隔的條紋圖案。圖6B示出對于相位板82，的第二位置，虛擬源76和96的位置。由于來自第一虛擬源76A和96A的光束入射在減小厚度的區(qū)域98A，所以離開相位板82’的相應(yīng)光束的相位相對于相對應(yīng)的虛擬源96A和96B的光束的相位被提前。例如，通過將相位板82’從第一位置移動到第二位置而給予的相位差的變化可以為120°。圖8示出通過將相位板82’移動到第二板位置而實(shí)現(xiàn)的第一激光二極管62A的偏移的條紋圖案。圖6C說明對于相位板82，的第三位置，虛擬源對76和96的位置。來自第二虛擬源76B和96B的光束入射在減小厚度的區(qū)域98B而來自第一虛擬源的光束傳播通過相位板 82’的標(biāo)稱厚度。結(jié)果，相對于來自第二虛擬源76B和96B的光束的相位，來自第一虛擬源 76A和96A的光束的相位被延遲。例如，通過將相位板82’從第一位置移動到第三位置而給予的相位差的變化可以為-120°。圖9示出通過將相位板82’移動到第三板位置而實(shí)現(xiàn)的第一激光二極管62A的偏移的條紋圖案。圖7至9說明根據(jù)圖6的相位板82’的定位如何實(shí)現(xiàn)三個不同相位差。雙線性移動(也就是說，相位板82’朝上以及朝下平移到三個位置)是指虛擬源76和96通過圖6A所示零值相移位置的頻率是通過圖6B和圖6C所示兩個非零相移位置的兩倍。當(dāng)期望對于所述三個相位差中的每個的相等的持續(xù)時間時，這導(dǎo)致復(fù)雜性。圖10說明根據(jù)本發(fā)明的可以與軌道平移機(jī)構(gòu)一起使用從而實(shí)現(xiàn)兩個相干光束之間的相位差的調(diào)制的相位板106。相位板106和軌道平移機(jī)構(gòu)克服上述雙線性平移技術(shù)引起的復(fù)雜性，諸如由非線性平移速度分布引起的圖像采集和傳遞的時序同步。與上文針對雙線性平移所述的相位板82’類似，所說明的相位板106包含減小厚度的兩個區(qū)域IlOA和 IlOB (通常為110)；然而，每個區(qū)域110呈餡餅狀并具有120°的楔角θ。圖11示出附連到軌道平移機(jī)構(gòu)114的相位板106。附連到安裝在該機(jī)構(gòu)的框架 122內(nèi)的微型電動機(jī)118的傳動軸的凸輪包含延伸到軌道板1 中的軸承內(nèi)的銷?？蚣?22 和軌道板1 之間的柔性桿130將軌道板維持在固定平面內(nèi)，同時允許有限的平面移動。相位板106被緊固在接近針孔掩模(未示出)的軌道板126內(nèi)的開口處。微型電動機(jī)118的激勵導(dǎo)致軌道板1 沿著圓形路徑的平面平移。因此，對于微型電動機(jī)傳動軸的每次回轉(zhuǎn)，相位板106以恒定角速度跟蹤圓形路徑。當(dāng)相位板沿著圓形路徑移動時，兩個減小厚度的區(qū)域110順序移入和移出虛擬源76B和96B以及接著76A和 96A的路徑。圖12為示出在單個軌道循環(huán)期間以33Hz圖像采集率(30msec時鐘周期)的事件同步的時序圖。圖13示出對于圖12的圖像采集間隔，相位板106相對于虛擬源對76和96 的固定位置的位置。在所說明的實(shí)例中，所考慮的虛擬源76和96跨越相位板106上的深度過渡的過渡時間由各豎直虛線示出并且為5msec。因此，+1階光束和_1階光束二者的相位均在每個30msec時鐘周期內(nèi)穩(wěn)定達(dá)25msec。5msec圖像采集時間導(dǎo)致士 IOmsec時序容差。在所說明的實(shí)例中，存在6個時序間隔
1.在第一時序間隔期間，激光二極管1被啟用，并且對于當(dāng)兩個1階光束均傳播通過相位板106的標(biāo)稱厚度時的時間的一部分，圖像LDla被采集，結(jié)果得到激光二極管1的+1階和-1階光束之間的0°的相對相位差。2.在第二時序間隔期間，激光二極管2被啟用，并且對于當(dāng)兩個1階光束均傳播通過相位板106的標(biāo)稱厚度時的時間的后一部分，圖像LDh被采集，結(jié)果得到激光二極管 2的+1階和-1階光束之間的0°的相對相位差。3.在第三時序間隔期間，激光二極管1被啟用，并且在當(dāng)+1階光束傳播通過減小厚度的區(qū)域IlOB并且-1階光束傳播通過相位板106的標(biāo)稱厚度時的時間的一部分期間， 圖像LDlb被采集，結(jié)果得到激光二極管1的+1階和-1階光束之間的-120°的相對相位差。4.在第四時序間隔期間，激光二極管2被啟用，并且在當(dāng)+1階光束傳播通過減小厚度的區(qū)域IlOB并且-1階光束傳播通過相位板106的標(biāo)稱厚度時的時間的后一部分期間，圖像LD2b被采集，結(jié)果得到激光二極管2的+1階和-1階光束之間的-120°的相對相位差。5.在第五時序間隔期間，激光二極管1被啟用，并且在當(dāng)+1階光束傳播通過相位板106的標(biāo)稱厚度并且-1階光束傳播通過減小厚度的區(qū)域IlOA時的時間的一部分期間， 圖像LDlc被采集，結(jié)果得到激光二極管1的+1階和-1階光束之間的+120°的相對相位差。6.在第六時序間隔期間，激光二極管2被啟用，并且在當(dāng)+1階光束傳播通過相位板106的標(biāo)稱厚度并且-1階光束傳播通過減小厚度的區(qū)域IlOA時的時間的后一部分期間，圖像LD2c被采集，結(jié)果得到激光二極管2的+1階和-1階光束之間的+120°的相對相位差。其它時序布置是有可能的。例如，如果時序容差的減小是可接受的，則增大的圖像采集持續(xù)時間是允許的。此外，圖像數(shù)據(jù)傳遞的持續(xù)時間可以增大，只要傳遞持續(xù)時間在下一個激光二極管激活的開始之前期滿。盡管已經(jīng)參考特定實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以在本發(fā)明中進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化而不背離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于調(diào)制光束的相位的方法，該方法包括利用光束沿著入射路徑在第一區(qū)域中的第一區(qū)段照明透明板，所述透明板具有光學(xué)厚度不同的第一區(qū)域和第二區(qū)域，其中在透射通過透明板的第一區(qū)域之后，該光束具有根據(jù)第一區(qū)域的光學(xué)厚度確定的相位，并且所述相位不依賴于在第一區(qū)域內(nèi)的入射位置；以及利用該光束沿著入射路徑在第二區(qū)域中的第二區(qū)段照明該透明板，所述入射路徑的第一和第二區(qū)段限定連續(xù)路徑，該連續(xù)路徑越過第一和第二區(qū)域之間的過渡，其中第一和第二區(qū)域之間的切換時間顯著小于該光束在第一和第二區(qū)域的每一個中的渡越時間，以及其中在透射通過透明板的第二區(qū)域之后，該光束具有根據(jù)第二區(qū)域的光學(xué)厚度確定的相位， 并且所述相位不依賴于在第二區(qū)域內(nèi)的入射位置。
2.權(quán)利要求1的方法，其中利用光束沿著入射路徑照明該透明板包括相對于該光束平移該透明板。
3.權(quán)利要求1的方法，其中利用光束沿著入射路徑照明該透明板包括操縱該光束。
4.權(quán)利要求1的方法，其中透明板在第一區(qū)域中的物理厚度不同于透明板在第二區(qū)域中的物理厚度。
5.權(quán)利要求1的方法，其中透明板在第一區(qū)域中的折射率不同于透明板在第二區(qū)域中的折射率。
6.一種用于光束的高速相移的設(shè)備，包括透明板，其具有第一區(qū)域和第二區(qū)域，每個區(qū)域具有不同于其它區(qū)域的光學(xué)厚度；以及相對平移機(jī)構(gòu)，其沿著延伸通過第一和第二區(qū)域的每一個的至少一部分的連續(xù)入射路徑平移傳播通過該透明板的光束的入射位置，其中光束在第一和第二區(qū)域之間的過渡時間顯著小于光束在每個區(qū)域中的渡越時間，以及其中在于每個區(qū)域傳播通過透明板之后，該光束具有根據(jù)相應(yīng)光學(xué)厚度確定的相位，所述相位不依賴于在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的入射位置。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中該相對平移機(jī)構(gòu)在基本上平行于透明板的表面的平面內(nèi)平移該透明板。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備，還包括光束定向器，其用于平移光束在透明板的入射位置。
9.權(quán)利要求8的設(shè)備，其中該光束定向器為聲光調(diào)制器。
10.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中該透明板在每個區(qū)域中的物理厚度不同于該透明板在每個其它區(qū)域中的物理厚度。
11.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中該透明板在每個區(qū)域中的折射率不同于該透明板在每個其它區(qū)域中的折射率。
12.一種用于調(diào)制一對相干光束的相位差的方法，該方法包括在第一時間利用一對相干光束照明透明板，該透明板具有帶有第一光學(xué)厚度的第一區(qū)域和帶有第二光學(xué)厚度的第二區(qū)域，每個相干光束在第一和第二區(qū)域的其中之一處入射在透明板，其中離開該透明板的該對相干光束的相位差具有第一值；在第二時間利用該對相干光束照明該透明板，使得所述相干光束的其中之一入射在透明板的區(qū)域不同于該相干光束對于第一時間的相應(yīng)區(qū)域，其中離開該透明板的該對相干光束的相位差具有第二值；以及在第三時間利用該對相干光束照明該透明板，使得所述相干光束的其中之一入射在透明板的區(qū)域不同于該相干光束對于第二時間的相應(yīng)區(qū)域，其中離開該透明板的該對相干光束的相位差具有第三值。
13.權(quán)利要求12的方法，其中周期性地重復(fù)在第一、第二和第三時間照明該透明板。
14.權(quán)利要求12的方法，其中相位差的第一、第二和第三值為-120°、0°和120°。
15.權(quán)利要求12的方法，其中沿著線性路徑移動該透明板，所述線性路徑包含對于第一、第二和第三時間中的每一個的相干光束的入射位置。
16.權(quán)利要求12的方法，其中沿著圓形路徑移動該透明板，所述圓形路徑包含對于第一、第二和第三時間中的每一個的相干光束的入射位置。
17.權(quán)利要求12的方法，其中所述相干光束被聚焦在透明板的表面上。
18.一種用于調(diào)制一對相干光束的相位差的設(shè)備，包括透明板，其具有帶有第一光學(xué)厚度的第一區(qū)域和帶有第二光學(xué)厚度的第二區(qū)域，并且適于接收一對相干光束；循環(huán)移動機(jī)構(gòu)，其耦合到所述透明板并適于平面平移，每個相干光束在第一和第二區(qū)域的其中之一處入射在該透明板并且根據(jù)在相應(yīng)區(qū)域的光學(xué)厚度被相位延遲，其中每個相干光束的入射位置在由平面平移限定的循環(huán)路徑上移動，使得相干光束的相位差根據(jù)當(dāng)相干光束的入射位置在第一和第二區(qū)域之間過渡時的光學(xué)厚度的差而被周期性地調(diào)制。
19.權(quán)利要求18的設(shè)備，其中該循環(huán)移動機(jī)構(gòu)包括線性平移機(jī)構(gòu)。
20.權(quán)利要求18的設(shè)備，其中該循環(huán)移動機(jī)構(gòu)包括軌道平移機(jī)構(gòu)。
21.一種條紋投影和成像系統(tǒng)，包括透明板，其具有帶有第一光學(xué)厚度的第一區(qū)域和帶有第二光學(xué)厚度的第二區(qū)域，并且適于接收一對相干光束；循環(huán)移動機(jī)構(gòu)，其耦合到所述透明板并適于平面平移，每個相干光束在第一和第二區(qū)域的其中之一處入射在該透明板并且根據(jù)在相應(yīng)區(qū)域的光學(xué)厚度被相位延遲，其中每個相干光束的入射位置在由平面平移限定的循環(huán)路徑上移動，使得相干光束的相位差根據(jù)當(dāng)相干光束的入射位置在第一和第二區(qū)域之間過渡時的光學(xué)厚度的差被周期性地調(diào)制；成像器，其配置成對于所述相干光束的多個相位差值采集在由相干光束在離開相位板之后照明的表面上生成的條紋圖案的圖像；以及控制模塊，其與該循環(huán)移動機(jī)構(gòu)和成像器電氣通信，以便同步對每個相位差的對條紋圖案的圖像的采集。
22.權(quán)利要求21的條紋投影和成像系統(tǒng)，其中第二區(qū)域包括兩個分開的矩形區(qū)域，每個矩形區(qū)域均具有第二光學(xué)厚度，以及其中平面平移包括雙向線性平移。
23.權(quán)利要求21的條紋投影和成像系統(tǒng)，其中第二區(qū)域包括兩個分開的餡餅狀區(qū)域， 每個餡餅狀區(qū)域均具有第二光學(xué)厚度，以及其中平面平移包括軌道移動。
全文摘要
描述了一種用于光束的高速相移的方法和設(shè)備。具有不同光學(xué)厚度的各區(qū)域的透明板由光束沿著延伸通過所述區(qū)域的入射路徑照明。透明板可以被移動或者光束可以被操縱從而生成入射路徑。離開透明板的光束根據(jù)光束入射到其中的區(qū)域而具有瞬時相位值。有利的是，相位值是可重復(fù)和穩(wěn)定的，而與光束在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的入射位置無關(guān)，并且以高調(diào)制率的相位變化是有可能的。該方法和設(shè)備可以用于調(diào)制諸如干涉條紋投影系統(tǒng)中的一對相干光束的相位差。
文檔編號G01B11/24GK102326049SQ200980157229
公開日2012年1月18日 申請日期2009年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月23日
發(fā)明者辛赫 G., E. 華萊士 N., H. K. 朱德爾 N., F. 狄龍 R., I. 菲利昂 T. 申請人:立體光子國際有限公司