JP2008268237A - 干渉計におけるコヒーレントアーティファクトの低減 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉計におけるコヒーレントアーティファクトの影響を低減するための干渉計装置および方法を提供すること。
【解決手段】干渉計におけるフリンジコントラストは、干渉図形内のフリンジコントラストが維持される一方で、干渉計において発生された望ましくない放射光のコヒーレントな重なりが抑制されるために、干渉計においてコヒーレントアーティファクトが存在する。干渉計における照明の異なるオフアクシス場所の視界からテスト表面の選択された特性の個々の干渉図形を生成する照明および干渉結像アーキテクチャの使用がなされ、次いで、それらのアーキテクチャを結合して、フリンジコントラストを維持すると同時に、異なる視界領域において存在するようにアーティファクトを配列することにより、結合された干渉図形における寄与が弱められる。
【選択図】図６

Description

本発明は、概して干渉計装置および方法に関し、特に、コヒーレントアーティファクト、あるいは干渉図形に存在するコヒーレントアーティファクトが全体の信号対ノイズ比を改善するように抑制され得る光源の構築および使用に関する。

全てのタイプの光学系は、バックグランドライト、ゴースト反射、および／または光学アセンブリ内の素子から散乱された望ましくない光によって悪影響を受け、そしてこのような望ましくない光が像に到達する程度を制限するために、多くの技術が開発されてきた（隔壁および開口等）。光学系が非干渉性光を使用する場合、バックグランドは、単に画像において全体の光のレベルを追加する。フォトグラフィック系では、最終的なフォトグラフにおけるコントラストを低減するように作用するこのような光は、ベイリンググレアとして特徴付けられ得る。別の一般的な例は、汚れた風防ガラス（そこでは、散乱が風景周囲におけるコントラストを低減する全体のグレアを生成するために作用する）を通して見る場合、自動車の運転者が経験するビジビリティの低減である。

しかし、多くのタイプの干渉計と同様に、光学系がコヒーレントな放射（例えばレーザ光）を使用する場合、散乱光は、所望された干渉パターンを完全にマスクし得る空間的および／または一時的な構造に伴って大きい振幅の光のレベルを生み出すための干渉計の像においてコヒーレントに干渉し得る。これらの干渉計の極端な感度は、任意の実用的な系における最小の不完全性によって生み出され得る非常にわずかなバックグランドによってもこれらの干渉計に悪影響を受けさせる。系の光学面上の埃または引っかき傷、あるいは反射防止コーティングの変化は、問題となり得る不完全性の数例にすぎない。まとめると、これらの欠陥は、しばしば光アーティファクトと呼ばれ、コヒーレントな光学系において観測された場合、コヒーレントなアーティファクトとして公知である。

一般的に使用された市販の干渉計のジオメトリは、Ｆｉｚｅａｕジオメトリとして公知である。Ｆｉｚｅａｕジオメトリは、多くの利点を有する。すなわち、光学系は共通の経路を有し、光学系は最小数の光学素子を有し、そして光学系は高度に製造可能である。しかし、不均等な経路の設計は、コヒーレントな光源の使用を強制する。従って、スクラッチ、ピットまたは埃（または気泡等の体積欠陥）等の小さい表面欠陥からの散乱を含む系の光学系および干渉計における全ての場所からの光は、干渉図形に影響を与え得る。これらの欠陥は、光散乱中心として機能し、測定された位相マップ上に刻まれ得るニュートンリングまたは「Ｂｕｌｌｓ−ｅｙｅ」パターンと呼ばれる特徴的なリングパターンを生み出し、抽出された表面トポグラフィーに影響を与える。十分に磨かれた表面の擬似微小粗さ（ｓｕｐｒｉｏｕｓ ｍｉｃｒｏ−ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）および反射防止コーティングは、干渉計内の波面のマイクロ形状に寄与し、波面は、粗さのこのような横方向スケールにおいてもはや共通の経路ではないために、波面は、最終的に測定された波面において波面自体を確立する。

アーティファクトを導入する原因がある１つの一般的な実施は、干渉計構成での使用のために特別に設計されていない市販で入手可能な光学素子の使用であり、検討中のアーティファクトの最小化を有する光源は、経済的な理由のためにその使用を商業的に魅力的にする他の特性をさらに有する。市販の（Ｏｆｆ−ｔｈｅ−ｓｈｅｌｆ）レンズは、しばしば、例えば、開口、視界、焦点距離、および収差制御についての望ましい性能の詳細を有するが、他の用途に適する一方で、干渉計に望ましくないアーティファクトを導入する内部構造を有し得る。

コヒーレントアーティファクトの影響を低減させるための１つの周知の方法は、空間的に拡がったソース（典型的には、ディスク形状で）を使用することである。しかし、ソースの空間的なコヒーレンスは、ソースの直径によって決定された制限された範囲の干渉計の長さにのみ対する可視干渉縞の生成を生じる拡がったソースによって補償される。

従って、本発明は、従来の拡がったソースのコントラスト低下を受けない新しい拡がったソースの提供を探求し、その拡がったソースは、関心のある物体から離れている表面および物体から望ましくない優れた干渉の抑制をさらに提供して、位相シフト干渉計を用いて表面プロファイリングの精度および分解能を改良する。

本発明はまた、位相シフト干渉計に対して開発された特定の用途の利益をさらに得るために、干渉の位相を変調する簡便な方法の提供を探求する。

本発明はまた、平行な平面の１つの表面の測定におけるような関心のある表面に平行な表面からの干渉を抑制する方法の提供を探求する。

本発明はまた、市販のコンポーネントを用いて干渉計内のアーティファクトの影響を低減するためのソースの提供を探求する。

本発明はまた、等しくない経路長の干渉計（例えば、Ｆｉｚｅａｕ、Ｍｉｒａｕ、およびＴｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ型）におけるアーティファクトを低減する際に使用するためのソースの提供を探求する。

最後に、本発明は、逆反射エレメント（キャッツアイ（ｃａｔ’ｓ ｅｙｅ）等）が干渉計空洞の一部を形成する干渉計内のアーティファクトを低減する際に使用するためのソースの提供を探求する。

概して、本発明は、干渉計内で生成された望ましくない放射のコヒーレントの重ね合せのために、干渉計内に存在するコヒーレントアーティファクトを抑制しつつ、干渉図形におけるフリンジコントラストを維持するための干渉計装置および方法に関する。本発明のいくつかの異なる実施形態は、干渉計における異なるオフアクシス点の視界からテスト表面（波面、トポグラフィー）の予め選択された特性または性質の同じ位相情報を含む個々の干渉図形を発生させる照明および干渉計結像アーキテクチャの使用によってこの結果を達成する。このような個々の干渉図形は、フリンジコントラストを維持するように結合され、同時に、異なる視界の場所において存在するようにアーティファクトを配置することにより、結合された干渉図形における寄与が弱められる。従って、テスト表面上の特定の位置に対応する干渉計内の同じ位相差は、異なる光路に沿って光学系を介してマッピングされる。

本発明の一実施形態は、例えば、干渉計系光軸の周りに名目上集中された名目上一定の半径のリングの形状において拡がったソース構造を生み出す照明機構を含む。このリングは、干渉計ソース平面を規定する。この干渉計系は、ソース照明を干渉計に投射し、その照明は、２つの別個の照明経路に分割される。２つの別個の経路からの照明は、干渉計から出た後、再結合され、干渉図形が検出され、その後解析される結像平面における検出器に投射される。

別の実施形態では、点ソースは、１つの検出器のフレームを露出するためにかかる時間
よりも少ない時間で光軸の周囲の一定の半径の円を記述するような態様でソース平面内で移動される。このように「仮想」リングが形成されたソースが確立される。

本発明のさらに別の実施形態では、少なくとも一対の反対に互いに配置された照明のコヒーレントな点の少なくとも１つの対を含むソースは、空洞内のキャッツアイ等の逆反射エレメントを有する干渉計におけるコヒーレントなアーティファクトを低減する際に使用するための一対の反対に傾斜された平面を提供する。

本発明の局面では、点ソースは、光軸に対して横方向移動することによって、干渉計の位相変化を生成する一方で、同時に、干渉位相は、干渉位相を名目上一定に維持するように別の位相変調器によってシフトされる。このように、干渉位相は、一定に保持される一方で、照明方向は、コヒーレントアーティファクトの影響を実質的に不鮮明にする。さらなる位相シフトは、従来の機械的変換器を用いて、干渉計表面の１つを変換するかまたは照明波長を調整することによって達成され得る。

本発明の別の局面では、透明で平面の１つの表面は、光軸に対して横方向に点ソースを移動させることによって他の表面から干渉の存在について測定される、干渉位相変化を生み出し、同時に、干渉位相は、１つの検出器フレームを曝すのにかかる時間の間に、名目上一定である所望された表面によって生み出された干渉図形の干渉位相を維持するように、別の変調器によってシフトされる。このように、所望された表面からの干渉計位相が一定に保たれる一方で、他の表面からの干渉位相が実質的に変化し、所望されていない面から干渉縞を洗い流す。

本発明の他の利点と共に、本発明の構造、動作、および方法論は、図面と共に詳細な説明を読むことによって最も理解され得る。図面内において、各部分は割り当てられた数字を有し、この数字は、それが種々の図面において現れる度にそれを識別する。

本発明は、概して、フリンジコントラストを維持しつつ、干渉計内で発生された望ましくない放射のコヒーレントな重なりのために干渉図形内に存在するコヒーレントアーティファクトを抑制するための干渉計装置および方法に関する。本発明のいくつかの異なる実施形態は、照射および干渉計結像アーキテクチャの使用によってこの結果を達成し、このアーキテクチャは、全てがその光学軸から離れている（すなわちオフアクシス）異なる照明点の視界から関心のあるテスト表面特性の個々の干渉図形を生成する。これらの個々の干渉図形は、次いで完全な干渉図形におけるフリンジコントラストを維持するように結合され、同時に、異なる視界領域において存在するアーティファクトを配置することにより、結合された干渉図形におけるアーティファクトの寄与が弱められ、スメアされ、または平均化される。従って、テスト表面上の特定の場所に対応する干渉計の同じ位相差は、異なる光路に沿った光学系を介してマッピングされる。本発明は、位相シフトおよび位相ステッピング干渉計技術と共に使用することに対して受け入れられるようにする位相変調に対する他の特徴を含む。

本発明の動作を理解するために、個々の干渉図形を生成するように利用するソースの性質および個々の干渉図形がアーティファクトを抑制しつつ有利に結合され得るように、個々の干渉図形の各々に含まれた位相情報がどれくらい実質的に一致するかをまず調べることが有用である。

任意の拡がったソースは、多数の物理的に別個の点ソースとして考えられ得る。各点ソースのそれぞれから、アーティファクトの点は、視差により視界内でシフトする。従って、適切に結像された最終的な干渉像は、点ソースの全てに対応する個々の干渉図形からの像の和であるように作成され、アーティファクトから生じる干渉パターンを効率的にスメ
ア除去する。しかし、典型的に拡がったソースとは異なり、本発明のソースは、各ソース点によって生成された干渉図形が同一である（すなわち、その光路差（ＯＰＤ）が同じである）ことを確実にすることにより良好なフリンジコントラストを維持する。

本発明のソースと典型的に拡がったソースとの間の差を理解するために、光軸上に集中された典型的なディスクソースの性質を調べることが有用である。このようなディスクソースは、本発明によって満たされた要求を満たさない。なぜなら、ディスクの半径に沿った異なる位置におけるソース点が異なる干渉図形を生成するためである。これは、ディスクの中心に置かれたソース点およびディスクの端上のソース点からテスト表面上の特定の位置に対するＯＰＤを比較することによって容易に示され得る。簡便のために、図１に示されるようなＦｉｚｅａｕジオメトリ（直径ｄの円形の拡がったソース、干渉計の長さＬ、コリメータの焦点距離ｆ）を有する干渉計を想定する。この固定された構成に対して、ＯＰＤの差Δは、概略的に、

によって与えられる。明らかにΔはｄと共に増加し、干渉図形のコントラストは、ディスク直径が成長するに伴い急激に降下することを意味する。図２に加えて以下の説明は、ディスク直径が降下する理由およびこの条件下でこのコントラスト低減が最小化されることを詳細に説明する。

ここで、照明平面波Σは、傾斜角αで長さＬのＦｉｚｅａｕ干渉計に衝突する、図２に示された光学系を考慮する。Ｆｉｚｅａｕ干渉計は、基準表面Ｒおよびテスト表面Ｔから構成され、介在する空間は空気で満たされる。基準表面Ｒおよびテスト表面Ｔを保有する板の前方表面および後方表面は、内容を簡略化するために省略される。テスト表面Ｔは点Ａを保有し、点Ａの像に対して中央の光線である、ＣＣＤへの斜光線が示される。ＣＣＤ検出器自体、および干渉計を含む他の光学エレメントは、図５に示され、以後さらに詳細に説明される。

図２および図５から理解され得るように、照明平面波Σからの異なる光線（本来、基準面において横方向の距離２ｈを有する）は、基準表面およびテスト表面のそれぞれからの反射の後に結合して、最終的に、検出器上で望ましい干渉効果を生じる。２つの表面上への反射（入来光線）の「後」に、２つの表面が平行に調整される限り、これらの２つの光線が検出器まで全体の機器を通る共通の経路であることに留意されるべきである。従って、理想的には、光学面の全ての不完全性は、両方の光線に関して同じ影響を有し、干渉パターンにおいて示されない。光線が非常にわずかな量だけ互いに偏向している場合は、この幸運な挙動は真実ではなく、これにより、干渉計が完全に無効にされる（ｎｕｌｌｅｄ）か、またはテスト要素が平面性からのいくらかの偏向を有する場合に発生する。これは、一般的な場合であり、この場合について、本発明は、測定の質の改善を提供する。

検出器上の最終的な干渉パターンを決定する位相差

は、Ｆｉｚｅａｕ干渉計内の光路差（ＯＰＤ）および光の波長の関数である。ＯＰＤは、干渉計を含む２つの表面の距離Ｌおよび照明ビームの傾斜角αによって定義される。以下の式を適用する。

結果として、位相差

は、波長λ、厚さＬ、および傾斜角αの関数である。干渉計の光学系の全てを通って点Ａに照射し、点Ａに結像させる光線の位置および方向は、傾斜角αに伴って変化する。αが１つのカメラフレームの集積時間の間に変更される場合、テスト要素自体を除いた全ての光学部分上のマイクロ粗さの影響が速やかに変化し、時間平均で打ち消される。傾斜角αを変更しつつ、

を固定させるために、Ｔａｙｌｏｒ級数展開によって推論され得るように、Ｌまたはλのいずれかを適用することによって補償し得る。

式（２）は、以下の条件下で満たされる。

ここで、

式（３）は、
ΔＬ＝Ｌｔａｎ（α）・Δα （５）
によって満たされる。λが一定に保たれるか、またはＬが一定に保たれる場合、
Δλ＝λｔａｎ（α）・Δα （６）
である。

αが０〜α_１まで変化する場合、Ｌは、以下の式に従ってＬ_０〜Ｌ_１に変化されるべきである。

または同様に、

Ｇａｕｓｓによるコリメータの焦点距離の決定（図４を参照）から、以下の式に従う。ｙ＝ｆ・ｔａｎα （９）
ここで、ｙは、コリメータの光軸から点ソースの横方向の距離である。点ソースの場所がオンアクシス位置から位置ｙに横方向にシフトする場合、（９）を（７）および（８）に代入することによって、それぞれ必要な干渉計の長さまたは波長を与える。

実行される補償の量「および符号（ｓｉｇｎ）」は、傾斜角αの両方の符号に対して（すなわち、例えば図５に示された光軸の両側上の２つの相補的なソース点からの照射に対して）同じであることが式（７）および（８）から理解され得る。この効果は、偶関数であるｃｏｓ（α）によって説明される。同じことが式（１０）および（１１）に対して真実である。ここでｙが２乗され、従って、点ソースの場所がある光軸のいずれかの側の両側とも等価である。

本発明が動作するいくつかの基本的な原理が説明され、ここで図５の装置に対する参照がより詳細になされる。

図５は、系１０として一般的に指定された本発明の実施形態の概略的正面図である。系１０は、光源Ｓ、レーザ等の点源、コリメーションレンズ２０および対物または接眼レンズ４０、ＣＣＤまたは他の等価検出器５０、ならびにＦｉｚｅａｕ干渉計３０を含むコリメーションおよび結像光学系を含み、ここで、テスト表面上の物体点ＡおよびＢは、検出器５０上の像点Ａ’およびＢ’に結像される。ＡおよびＢは、テスト表面平面Ｔに配置され、Ａ’およびＢ’は、ＣＣＤ検出器平面に配置される。図５の上図および下図は、異なる位置の光源Ｓを示し、これらの図の両方は、光軸ＯＡに対して全体的に離れているかまたはオフセットしている。上図では、光源Ｓは、光軸から光軸の下のオフアクシス位置までシフトされ、下図では、同じ量だけシフトされているが、光軸よりは上にある。両方の場合において、ＯＰＤは、上記で詳述された理由と同様に同じＯＰＤを有する異なる物体点ＡおよびＢと同一である。テスト表面Ｔを照射する光がコリメートされ、コリメートレンズ２０と対物レンズ４０との間を進む反射された光もまたコリメートされる。このタイプの結像に対して、中央の光線（斜光線）のみが示されたとしても、像点に寄与する全ての光線は、物体点と像点との間で同じ光路長を有することに留意すること。無限焦点系の場合、同じ物体平面内の異なる物体点間の光路長であっても、等しい光路長を有する。

必要な補償は符号ｙから独立している（ここで、図５の上部において、点ソースＳに対する場所は、光軸の下にあり、図５の下部において、点ソースＳに対する場所は、光軸の上にある）ことが、図５を検討することによって明らかになるべきである。両方の場合、干渉計におけるＯＰＤは同じである。

図５の上部からさらに明らかになるべき別の重要な事実は、Ｆｉｚｅａｕ干渉計３０を含む２つの面が正確に平行である場合、ＣＣＤカメラ上に「フリンジ」が現われないということである。２つの点ＡおよびＢは、図５の上部で考慮され、その両方は、正確に、同じＯＰＤを有する。言い換えると、点Ｂが点Ａの位置にシフトされる場合、ＯＰＤは変更されない。従って、この場合、その両方は、無限に広い「同じ干渉縞」上にある。同じことが、図５には示されない他の座標ｘに対して真実である。これは、干渉計上に入射する平面波面が干渉計の面に対して垂直であることを考慮することによって推論され、従って、Ａより「上」（図の平面の上）またはＡより下の任意の点がＡと同じＯＰＤを有する。従って、点Ａを保持することは、Ｔの全体の表面に対して真実のままである。点ソースＳの場所が、干渉計のＯＰＤを全体的に変更することなく、半径ｒ＝｜ｙ｜を有する円を説
明し得ることがここで明らかになる。任意のこれらの場所は、非干渉性であるが、強め合う態様で同じ固定した干渉パターンに寄与する。従って、全てのこれらのパターンは、例えば、干渉コントラストを低下させることなく、またはフレームの列を追加のバッファに蓄積することによってフレームの列を結合させることによって集積されることなく、１つのフレームに対する露出時間の間、ＣＣＤチップ上に蓄積され得る。

上記態様では、干渉計において検討されている物体上に異なる場所からの放射光方向付手段が提供されており、この場所は、この場所からの放射が干渉波面を発生させるために干渉計の実質的に同一の光路差を有する光路に沿った物体上の同じ点に入射するように、光軸に対して離れている。すなわち、各場所からの放射は、光干渉ビームを発生させ、異なる場所の各々からの異なる視差投影（ｐａｒａｌｌａｘ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ）のためにアーティファクトに対応する位相情報の視界位置が異なる一方で、物体の関心のある性質（戻りビームの波面またはそのトポグラフィー等）は、実質的に同一の位相情報として符号化される。

あるいは、拡がった静的なリング形状のソースが使用され得る。この場合、拡がったソースを形成する数百の点の各々の「個々の」干渉パターンは、コヒーレントであるが、再度強め合う態様で加算する。あるいは、理解されたように、回転する点ソースまたは横方向にシフトするソース（「動的な」）もまた使用され得る。リングソースを形成するために、バルク光学アキシコンまたはその回折等価物と共に点ソースの使用がなされ得る。このようなソースの結合もまた有益に使用され得る。

図５は、点ソースＳの異なる場所に対して光学系を通る光線の全体の過程が異なることを示す。これは、正確に所望された効果である。なぜなら、これは、拡がった開口を効率的に用いることによってコヒーレントアーティファクトを克服する方法であるためである。説明される種々の他の装置および方法に加えて、この性質は、単一のリングで形成されたソース、回転する点ソース、あるいは、干渉計の長さＬまたは波長λのいずれか、またはその両方を変更することによってＯＰＤの変更の適切な補償によって横方向にシフトするソースにより空間的なコヒーレンスを維持し、非常に精密な物体の細部、ならびにＭｉｃｈｅｌｓｏｎまたはＭｉｒａｕタイプの干渉計等の等しい経路の干渉計を用いて達成され得る非常に小さい表面高さ変動の非常に良好な分解能に対して高い像品質を有するように等しくない経路の干渉計（Ｆｉｚｅａｕ干渉計等）を提供する。

これまで、コヒーレントノイズの抑制のみが説明された。しかし、点ソースＳの距離ｙを変動させることによって、およびＯＰＤを同時に調整することによって、「二重の」Ｆｉｚｅａｕ空洞内部の望ましくない第３の表面からの干渉を抑制することもまた可能である。これは、図６を参照しながら説明される。

図６は、一般的に系１００として指定された本発明の実施形態の概略的正面図である。一般的に、系１００は、ＰＺＴ、回転可能なビームスプリッタ、透明な平面平行板の測定の際に、二重位相シフト手段および「仮想拡大ソース」として共動して作用する回転ウエッジを利用するＦｉｚｅａｕ干渉計である。測定される透明な板は、１０４における基準面を用いて１０２において示される。ソース１０６は、回転ウエッジ１０８を通って、収束レンズ１１０およびコリメータレンズ１１８を含む結像光学系を介して、回転可能なビームスプリッタ１１２にされ、その後板１０２に進む。周知の回転デバイス１１４は、コンピュータ１２４の制御下でビームスプリッタ１１２を選択的に回転する原因となる。基準面１０４およびテスト表面１０２から反射された光ビームは、コリメータレンズ１１８および対物または接眼レンズ１２０を介して適切なセンサ１２２上に投射される。センサ１２２の出力は、表示および計測学的目的のための任意の像処理要求に加えて周知の位相および以後の数値解析のためにコンピュータ１２４に供給される。コンピュータ１２４は
また、モータ１０９を選択的に回転するためにウエッジ１０８に接続されたモータ１０９を制御し、光軸ＯＡに沿ってそれを変調するために基準１０４を選択的に駆動するＰＺＴ１２６にさらに接続する。

示されたように、３つのコヒーレントな波が系１００で干渉する。第１の波は、基準表面１０４から反射された照明平面波の一部であり、第２の波は、透明板１０２の前方表面から反射された一部であり、第３の波は、透明板１０２の後方表面から反射された一部である。前方表面または後方表面のいずれかが一度に測定されるために、残りの反射の存在は、妨害として作用し、特別の場合では、妨害は所望された波と同じ大きさのオーダーである。この望ましくない第３の波の影響は、系１００のコンポーネントを用いて２つの独立した位相シフトを導入することによって打ち消され得る。固体の平面平行板において、他の面に対する面の内の１つの物理的な運動によって前方表面および後方表面の２つの反射の相対位相を変更することは可能ではないために、照明波長の変化は、最終的に測定された位相マップにおける反射間で識別するのに必要とされた必要な自由度を与え得る。同じことがここでは可能であるが、ここでは、波長の変化は、Ｆｉｚｅａｕ「二重」干渉計を照明する平面波の傾斜角αの変化と置き換えられる。

ここで図３を参照すると、この図は、以下のように、この傾斜角は、厚さＬおよび屈折率ｎを有する固体のガラス板のＯＰＤの変化を生じることを示す。

ガラス板（例えば、Ｌ＝５ｍｍ、ｎ＝１．５の屈折率）に対して、αは、λ／２（λ＝６３３ｎｍ）付近の変化に対する以下に作表された値を考慮しなければならない。

表における最後の行は、５００ｍｍの焦点距離を有するコリメータレンズが使用された場合に必要である光軸から離れた点ソースの横方向のシフトを示す。

傾斜角の変化は、図６におけるビームスプリッタ１１２の角度を変更することによって、系１００において容易に生成される。ビームスプリッタ１１２は、コンピュータ１２４によって制御される回転デバイス１１４上に取り付けられる。回転デバイス１１４はまた、測定のための検出器フレームを獲得する。第２に、一般的な場合における全制御のために必要な独立した位相シフトが従来のＰＺＴデバイス１２６によって実行され、光軸ＯＡに沿って基準表面１０４をシフトさせる。

本例は、多くの場合、本発明が調整可能な光源の使用の代替を提供することを示す。図６では、回転可能なビームスプリッタ１１２に加えて、回転ガラスウエッジ１０８が示される。ウエッジ１０８は、以前に説明されたようなコヒーレントノイズをさらに低減するためにビームスプリッタ１１２と共に使用され得る。この場合、光軸周辺の光源の仮想的な軌道は楕円で記述され得る。ここでは、１つの軸はウエッジ角度によって与えられ、固定され、そして楕円の他の軸はビームスプリッタ１１２の角運動によって定義され、平行
板の表面の内の１つの望ましくない影響を抑制するための必要性に適合するように制御され得る。

別の非常に好ましい解決策は、図７Ａに示されたような直列の２つのウエッジを使用することである。ここでは、系２００として一般的に示された本発明の別の実施形態の概略的な上面図が示されている。系２００では、専用電子機器またはコンピュータによって制御された直列の２つのウエッジがレンズの焦点面内の複数のパターン（例えば、異なる直径を有する円、異なる短軸および長軸を有する楕円、異なる向きを有する直線）を記述し、これらのウエッジの全てが互いに同期して駆動され、そしてさらにカメラフレームと同期されると同時に（さらにコンピュータ２１６の制御下で）、角位相関係を変更させる。

図７Ｃにおいて理解されるように、系２００は、任意の公知の態様で設けられた光バンドル２０２、モータ２１２および２１４（これらのモータは、コンピュータ２１６または他の適切な制御電子機器の制御下にある）によって、各々駆動される、一対の直列に取り付けられた回転可能なウエッジ２０４および２０６を含む。光バンドル（ｌｉｇｈｔ ｂｕｎｄｌｅ）２０２は、相対位置および回転の角速度に従って、ウエッジ２０４および２０６によって選択的に偏向され、その後、図解的に示されたレンズ系２０８を介して焦点平面２１０にフォーカスされる。ここで、焦点平面２１０における光バンドル２０２の像は、拡張された干渉計ソースとして使用され、干渉図形における信号対ノイズ性能を高めつつ、アーティファクトを抑制し得る。

ウエッジ２０４および２０６が同じウエッジ角を有する場合、ウエッジ２０４および２０６は、その影響を打ち消すように調整され得る。すなわち、ウエッジを同期的に回転させながら、フォーカスされた点を光軸上に残すことである。しかし、ウエッジが互いに１８０°回転される場合、その影響が追加され、その点は、最大半径を有する円を記述する。ウエッジ１０４および１０６の相対的回転の中間位置は、０〜ｒ_ｍａｘの任意の半径ｒを提供するように動作し得る。十分に定義されると、１つの波を打ち消す場合、およびコヒーレントなノイズを低減すると同時に、離散的な半径が必要とされる。相互垂直軸の周りに回転可能な反射スキャニングミラーの対が、この目的のために系２００において、または同様な理由のために図６の系１００において使用され得ることもまた明らかになるべきである。上記態様では、位相シフトは、モータ２１２およびモータ２１４の互いにの回転位相を変化させることによって管理される。

図７Ｂは、位相シフトが、ミラーが取り付けられるモータの回転位相を変化させることによって管理され得ることによって連続的に（ｉｎ ａ ｒｏｗ）２つのミラーを利用する実施形態である。ここで、ミラー２０５および２０９は、それぞれモータ２０７および２１１上での回転のために取り付けられる。ミラー２０５および２０９の表面は、光軸に垂直でないように作製される（ミラー「ウエッジ」）。従って、入来ビーム２０３は、上記ウエッジの場合と同様の円錐状の出力を生じ、モータ２０７および２０９の相対位相に依存している。この影響は、２つのミラーによって連続的に打ち消されるかまたは追加され得、それにより、ミラーは、伝達の際に上記ウエッジと完全に等価である。

図７Ｃは、直列の２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）が所望の照射を提供すように選択的に変調される、本発明のさらに別の実施形態の概略的正面図である。図７Ｃにおいて理解されるように、本実施形態は、入力ビーム３０２を含む系３００として概略的に示され、入力ビーム３０２は、収束レンズ３０４によって光軸上にフォーカスされる。集束レンズ３０４による焦点を越えると、ビーム３０２は、コリメートレンズ３０６によってコリメートされ、その後、ビーム３０２は、一対の直列に配置された音響光学変調器３０８および３１０に供給される。音響光学変調器３１０から出ると、ビーム３０２は、対物レンズ３１２によって焦点平面３１４に再フォーカスされ、その後、ビーム３０２は、コリメー
タレンズ３１６への入力として機能するように再拡散する。次いで、コリメータレンズ３１６の出力は、以前のように下流干渉計のための照明または照射ソースとして機能する。

音響光学変調器３０８および３１０は、直列に配置されることにより、それらの変調器の内の一方は伝達されたビームをｚｙ平面に偏向し、他方は、ｚｘ平面に偏向する。それらの変調器の両方が同期され、一方は、Ａ・ｃｏｓ（２πνｔ）に従って変調された信号を用いて処理され、他方は、Ａ・ｓｉｎ（２πνｔ）に従って変調された信号を用いて処理される。半径ｒを有する円は、コリメータレンズ３１６の焦点平面３１４において記述される。この半径ｒは、ＡＯＭの変調の振幅Ａによって変更され得る。ｒが変更されると、Ｆｉｚｅａｕ干渉計もまた以前に説明したように変更される。変調の周波数νは、カメラのフレームレートと同期され得る。すなわち、時定数Ｔ＝１／νは、フレームレートに等しくされ得る。ここで、Ｔがフレームレートよりもはるかに小さいように選択された場合、その振幅が変更され、ＣＣＤカメラに対する全体の露出時間（Ｔ_ｃｍｓ）の間継続する１フレームレート内にあり得る。振幅Ａに対してｍ個の異なる値が実現され得る。これらの値は、Ａ_１、Ａ_２、．．．Ａ_ｍであり得、コリメータレンズ３１６の焦点平面３１４における半径ｒ_１、ｒ_２、．．．ｒ_ｍを生じ、そしてＴ_１＋Ｔ_２＋．．．＋Ｔ_ｍ＝Ｔ_ｃである条件において、Ｔ_１、Ｔ_２、．．．Ｔ_ｍの周期の間継続する。同様な機能性を提供するために、音響光学変調器３０８および３１０は、電子光学変調器で置換され得ることが明らかになる。

良好な結果が、小さなスポット、マルチモードファイバ等、あるいは焦点からわずかにずれた収束または発散ビームを用いる場合、および回転しているグランドグラスに向かう（ｆａｌｌｉｇ）場合に獲得され得るために、スキャンする場合には、厳密な点ソースを使用する必要はない。

拡散されたリング形状の光源の実現のために、アキシコンまたは屈折等価物を通る収束ビームは、既述のように鮮やかな解決策を提供し得る。アキシコンまたは屈折等価物が軸方向にシフトされる場合、リングの直径が変化される。

別の解決策は、ファイバーバンドルを使用することである。これは円形の入口面を有するがリング状の出口面を有する。入力ソースによって適切に励起されるマルチモードファイバは、リングソースまたは種々の半径のリングソース発生させるために使用され得る。このような構成に対して、図８への参照がなされ得る。この図は、レンズ系４０４を介してファイバの入口フェーセットに結像されるレーザ源４０２によって励起されたマルチモードファイバ４００を示す。レンズ系４０４は、入射角を制御するように設計され得、開口数は、マルチモードファイバ４００を周知の態様で励起させ、例えば、以後、コリメートされたリング４１０を提供するように後に続く光学素子４０８によってさらに制御され得る照明のリング４０６を生成するようにマルチモードファイバ４００に整合させる。リング４０６の直径は、例えばレーザビームがマルチモードファイバ４００に入る条件を変化させることによって選択的に変化され得る。

上述の干渉計のジオメトリが、物体および基準表面に衝突する入来波形の形状を制御する原因となるレンズを適切に設計することによって同様に球面表面を処理するように容易に変更され得ることに留意のこと。

連続的または段階的態様のいずれかで動的に変化される半径を有し得る本発明の薄く仮想的なリングを提供するための種々の構造を説明することによって、ここで図９および以下の表を参照することによって、可能な本発明のソース構成の範囲を検討することが有用である。

二重リング以外の多重リングが使用され得ることが当業者に明らかである。さらに、薄いリングの厚さが仮想的または実際的（ｓｏｌｉｄ）であろうとも、薄いリングの厚さは、式１ａの使用によって容易に決定され得、いつリングの内径および外径間に生成された位相シフトが１８０°を越えそれにより破壊的な干渉を生じるかを計算する。その後、この位相シフトが１８０°未満であり、この位相シフトは、行われるべき測定のコントラスト要求に一致するように厚さが形成されるべきである。最小のリングの名目上の直径は、明示的に決定され、一般的には、波長、干渉計の長さ、およびテスト中の表面に対するアーティファクトのソースの近接度に依存する。一般的には、アーティファクトソースが関心のあるテスト表面に近いほど、アーティファクトを抑制する必要があるソース直径が大きくなる。２つ以上のリングが異なる軸位置におけるコントラストを代替的に無効化かつ最大化するために使用される場合、名目上のリング直径は、高いコントラストが所望される場合には位相差が小さく、低コントラストが所望される場合には位相差が１８０°であるように一般的に選択されるべきである。

実験から、０．２５ｍｍ〜１ｍｍのリング直径は、典型的なアーティファクトを抑制するのに適切であることが、主にＧＰＩ Ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆ Ｚｙｇｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍｉｄｄｌｅｆｉｅｌｄ，ＣＴ，ＵＳに基づいてブレッドボード干渉計におけるビームスプリッタの近接度から見出された。これらの結果から、１ｍｍの代表的なリング直径が適切であることが見出された。なぜなら、この直径は、ブレッドボードに使用された市販のコリメータ設計の設計に影響を与えないからである。

リング厚さに関して、式（１ａ）は、既述のような最大許容可能な厚さを推定するためにＯＰＤに対して使用され得る。

内径と外径との間の差がλ／２のＯＰＤ差を作成するような厚さｔを見出す。

ｔについて解くと、
ｔ＝λｆ^２／Ｌｄ
を得る。焦点距離５００ｍｍのＧＰＩを用い、６００ｎｍの波長および３ｍの最大実効干渉計の長さを想定すると、約５０ミクロンの厚さが上記解析から見出される。これは、半分の厚さ（約２５ミクロン）の横方向ミスアライメント許容差を暗示することに留意すること。

上記オフアクシス照明方式および干渉計アーキテクチャは、通常構成された干渉計におけるコヒーレントなアーティファクトの影響を低減する場合に極端に有効になるが、逆反
射エレメント（例えば、キャッツアイ）を含む異常に構成された干渉計アーキテクチャでは、本目的のための使用は、あまり効率的ではない。これは、光軸から異常な空洞構成におけるオフアクシスの場所に移動された点ソースが元の位置に逆進行する反射された波の内の１つを生じ（この波は、伝達球の焦点において反射する）、光源の像は、その元の位置に再結像されるからである。他の波は、常光ミラーから反射し、その像は、光軸の他の側における元の位置とは反対側である。従って、フリンジ系にティルトが導入され、このティルトは強いために、フリンジがＣＣＤカメラを用いて解像できない。

異常構成と共にティルトフリンジがどれくらい導入されるかを理解するために、オフアクシス照明を用いて通常の構成の干渉計内部で何が発生することを再検討することが有用である。光軸の法線に対して傾斜角αを有する入射平面波がＦｉｚｅａｕレンズ（例えば図６参照）に入力する場合（この場合、干渉計のコリメートレンズの光軸からの距離ｙ＝ｆｔａｎ（α）を有する光源が使用される）、２つの平面波は、基準表面および適切に整列されたテスト表面の球面ミラーにおいて反射した後、これら両方が同じ傾斜角−αを有するＦｉｚｅａｕレンズを出る。従って、ティルトフリンジが検出器上に形成されない。２つの球面ミラーによって結像された「物体点」は、ｙ_１＝ｆ_１ｔａｎ（α_１）の量だけオフアクシスで配置される。ここで、ｆ_１は、Ｆｉｚｅａｕレンズの焦点距離である。両方の像点は、レンズの光軸の他の側上の物体点とは反対に配置される。これらは、物体点が球面の中心点の近くにある場合、球面ミラーの結像の倍率βが曲率半径に依存しないからである。非常に弱い収差が球面表面の真の中心点からの小さな変位によって導入され、これらの収差は、２つの球面の曲率半径に依存する。半径の差のために、これらは完全には打ち消されず、原理的には、生じた干渉図形内で見ることができる。しかし、コリメータの焦点平面における点ソースの方位位置が変化される場合（すなわち、点ソースが光軸周りに一定の半径を有する１つの全円を記述する場合）、集積された干渉図形に含まれる収差は、平均して０の平均値となる。なぜなら、異なる収差の項（ｔｅｒｍ）（コマおよび非点収差のような、最も重要なもののみ挙げる）のいずれも、回転対称ではないためである。

本発明と共にＦｉｚｅａｕレンズの「通常の使用」の動作を検討することによって、異常な状況がここで説明される。これは、３点テストと呼ばれる較正手順と共に頻繁に使用される構成を考慮することによってなされる。球形のテスト表面の絶対的な知識をもたらすと言われているこのテストでは、３つの測定の内の２つは、上述のような「通常の」構成においてなされる一方で、残りの１つは、図１０において示されそして以後に詳述されたような球面基準表面における球形波面の通常の反射と共にキャッツアイ構成を使用する。簡単に、このテスト構成の結果は、いわゆる回転シヤリング（ｓｈｅａｒ）干渉図形であり、２つの干渉波面は、互いに１８０°回転される。これは、この第３の構成の望ましい効果であり、他の２つの測定と共にテスト表面エラーの絶対的な評価に対して必要な情報を提供する。

ここで、図１０を参照すると、Ｆｉｚｅａｕレンズ（透過球面）５００を有する異常に構成されたキャビティを示す。Ｆｉｚｅａｕレンズ５００は、傾斜された入射平面波面１ａ１ｂおよび反射表面５０２の反射によって生成した波面１ａ’１ｂ’および一般的に５０４と示されたキャッツアイミラーからの反射による１ａ’’１ｂ’’を有する。レンズを出た２つの波面間の角度は２αであることに留意すること。Ｆｉｚｅａｕレンズ５００に入射する平面波が角度αで傾けられる場合、２つの表面によって反射された２つの波は、角度−αおよび＋αだけ傾けられ、それによりｄ＝（λ／２ｓｉｎα）の間隔のフリンジを有するティルトフリンジを生み出し、距離Ｄを有する干渉図形は、Ｆｉｚｅａｕレンズ真後ろに置かれる。ＣＣＤカメラ上の干渉図形の直径がＤ_ＣＣＤである場合、カメラ上のフリンジ間隔は、
ｄ_ＣＣＤ＝（λ／２ｓｉｎα）・（Ｄ_ＣＣＤ／Ｄ） （１３）
である。なぜなら、光線バンドルの直径を変化させる場合に、フリンジの数が一定に保たれるからである。この結果は、有用な干渉図形は、２つの波間の強いティルトにより確立されないことである。

この「キャッツアイ」問題の解決策は、異常なＦｉｚｅａｕレンズを同時に照明する反対の符号の傾斜角を有する２つのコヒーレントな平面波面を使用することである。この構成は、図１１に示される。ここで、Ｆｉｚｅａｕレンズを照明する２つの傾斜されたコヒーレントな波面１ａ１ｂおよび２ａ２ｂは、２つの波面１ｂ’’１ａ’’および２ａ２ｂをもたらし、２つの波面は、互いに傾けられておらず、これもまた互いに傾けられていない別の２つの波面２ｂ’’２ａ’’および１ａ’１ｂ’をもたらし、これにより、ティルトフリンジのない有用な干渉縞系をもたらす。これらの２つの波干渉は、両方の場合、基準表面とキャッツアイ波面との間の位相差から生じる（ｓｔｅｍ）。さらに、２つの波系の両方は、以前のような非常に精細な干渉縞系を生み出す。なぜなら、これらは、互いに角度２α傾けられ、互いにコヒーレントであるためである。

ティルトフリンジのない２つの有用なフリンジ系に加えて、以前と同じ高密度ティルトフリンジを有するさらなるフリンジ系が存在することが図１１によって示される。フリンジが１つのカメラフレームの集積時間の間（すなわち、約３０ｍｓの間）、３６０°だけ回転される場合、この第２のフリンジ系がスメア除去され得る。入射波の入射角を含む平面が、回転の軸である光軸と共に方位角で回転する場合、有用な干渉パターンが回転されないことに留意すること。

２つの傾けられたコヒーレントな波面が生み出され得る多くの方法が存在する。１つの好適な実施形態は、図１２に示される。図１２では、レーザ５１０からのコヒーレント平面波面がビームスプリッタ５１２によって拡げられ、次いで、回転位相格子５１６上で衝突する。格子５１６が図１３で示される場合、全ての一様な回折次数は、非常に小さい（第１次およびマイナス第１次の範囲内のエネルギーの約４０％を生じる）。格子５１６は、「Ｋｌｅｐｌｅｒ望遠鏡」として公知の、焦点距離ｆ１を有する「接眼レンズ」５１８および焦点距離ｆ２を有する「コリメータレンズ」５２０からなる無限焦点系の後方に配置される。両方のレンズの共通の焦点平面において、回折格子５１６の擬似次数を遮光するために物理開口を導入することが可能である。

この構成を用いて回折格子５１６を結像することが可能である。図１２では、像は、コリメータレンズ５２０付近に配置されるが、距離ｚ_１が変化する場合、格子５１６の像の場所もまた変更され、別の場所（例えば、Ｆｉｚｅａｕレンズの基準表面における場所）が選択され得る（図１１参照）。距離ｚ_１の変化は、接眼レンズ５１８の後方のリング形状の開口の場所を変更しない。再度、回折格子５１６は、図１３に示される。

２つの対称的に配置された点を生み出すための別の実施形態は、図１４に示され、この図は、同一の光路長を進む２つの反対に配置された点ソースを発生させるように、ビームスプリッタ５２６の出力切子面に取り付けられたプリズムエレメント５２２および５２４を示す。

図１５は、回転シヤリング干渉計を用いる光軸に対してティルトされた対称的な２つのコヒーレントな平面波面を発生させるためのさらに別の実施形態を示す。冒頭で言及したように、回転格子は、回転の間に使用された２つの回折次数の間に位相変化を導入しないように、非常に精密に調整されなければならない。グランドグラスの回転と共に、非常に多数のソースのリングを生み出すホログラフィックエレメントを用いて、これらのソースを互いに非干渉性にし、ホログラフィックエレメントは、調整が臨界的ではないフリップインデバイスであり、グランドグラスは、横方向に調整される必要が全くない。すなわち
、その回転軸は任意である。別のアプローチは、さらに、波面の同一のコピーを生み出すことが可能であるが、元の位置に対して１８０°に回転されるデバイスとして回転シヤリング干渉計を含むことである。図１５に示されるように、レーザ５３０は、拡大器（ｅｘｐａｎｄｅｒ）５３２を介してビーム拡大を行う。この拡大されたビームは、リングを生成するためにホログラフィックデバイス５３０によって受け取られる。拡大されたビームは、互いに非干渉性のリングの全ての点を作成する回転グランドグラス５３６によって受け取られる。回転シヤリング干渉計５３８（ＲＳＩ）は、回転グランドグラス５３６から波面の２つの同一なコピー（位相変化の同じ動力学）を生み出すが、互いに１８０°回転される。接眼レンズおよび対物レンズ（いずれも図示されない）を含むビーム拡大器５４０は、２つのティルトされた波面を拡大する。ビームスプリッタ５４２は、戻り波面をＣＣＤデバイス（図示せず）に向けるためのビーム拡張器において提供される。２つのコヒーレントな平面が傾けられた波面５４２および５４４は、ビーム拡散器５４０から出て、共焦点基準表面を用いて透過球５４６に入る。このキャッツアイミラーは、５４８で示される。この構造の結果として、キャッツアイ構成を有するティルトされた波面の有害な影響もまた改善される。

シヤリング干渉計５３８によって生成された２つの波面は、Ａ_０およびＡ_１００として示される（図１６Ｃを参照）。両方の波面はＦｉｚｅａｕ透過球に入る場合、これは、キャッツアイ位置において使用される。以下の波面が生み出される。
基準表面からのＢ_０およびキャッツアイ表面からのＢ_１８０ Ａ_０外部
基準表面からのＢ_１８０およびキャッツアイ表面からのＢ_０ Ａ_１８０外部
ここで、２つの波面Ｂ_０および２つの波面Ｂ_１８０が、巨視的に分解可能な、コヒーレントな干渉計において互いに干渉することが可能である。なぜなら、波面の微細構造が関係されるためである。

しかしここで、干渉に対する両方のパートナーが異なる照明波面に抵抗する。これは、Ａ_０およびＡ_１８０を生み出したデバイスが異なる収差をこれらの波面に導入し得ることを意味する。従って、Ａ_０およびＡ_１８０の傾斜を有するテスト表面の波面を絶対的に測定するための手順を再検討する必要がある。

式の検討のために、非常に簡略化された構成の概略的なバージョンが使用され、エラーのソースが非常に少数の条件（ｔｅｒｍ）で要約される。実施されたこの３つの測定は、図１６Ａ〜図１６Ｃで導入された条件を用いて表現され、３つの測定を概略的に示す。

３つの測定された波面をＷ_１、Ｗ_２、およびＷ_３とする。測定内に含まれたエラーは、以下の３つの式（式１４、１５、および１６）に従って表現される。明瞭にするために、この区別は、基準波面とテスト波面との間でなされ、これらは最終的に互いに減算される。両方の波面に共通する条件は、波面が互いに打ち消される前に、まず二回表現される。Ａ_０ グランドグラス＋第１のアームに対するＲＳＩのエラーによって導入された位相マップ。
Ａ_１８０ グランドグラス＋第２のアームに対するＲＳＩのエラーによって導入された位相マップ。
Ｌ_０ 最初の位置における単一の透過の際にレンズによって引き起こされたＷＥＦ
Ｌ_１８０ 回転された位置における単一の透過の際にレンズによって引き起こされたＷＦＥ
Ｔ_０ 最初の位置における反射の際にテスト表面によって引き起こされたＷＥＦ
Ｔ_１８０ 回転された位置における反射の際にテスト表面によって引き起こされたＷＥＦＲ_０ 最初の位置における反射の際に基準表面によって引き起こされたＷＥＦ
Ｒ_１８０ 回転された位置における反射の際に基準表面によって引き起こされたＷＥＦ

Ｗ_３におけるＡ_１８０の上のバーおよびＡ_０の上のバーは、波面がキャッツアイ構成によって回転されることを意味する。しかし、第１の回転シヤリング干渉計は、２つの異なる区間（ｌｅｇ）における回転シヤリング干渉計自体のエラーを導入し得るために、２つの干渉計におけるロウ内の２つの以後の回転の後に、元の波面を用いて自動的に終了しない。すなわち、

である。この式は、空間的なコヒーレンス関数の問題に対して真実であるのみである。なぜなら、微細構造は、再度２つの回転の後に整合するからである。

最終的な推定のために、測定された波面の内の２つは、１８０°だけソフトウエアによって回転される。これは、波面の上のバーによって再度示される。Ｗ_２およびＷ_３を回転する。

元のアルゴリズム（ＪｅｎｓｅｎおよびＳｃｈｗｉｄｅｒ）を用いるように、以下の式がテスト表面エラーＴの抽出のために使用される。

この結果の有効性は、式（１４）〜（１８）に与えられた条件を式（１９）に代入することによって示され得る。これは、テストセットアップにおいて導入されたさらなる回転シヤリング干渉計の場合に、正確な結果が球の絶対的なテスト基準に対してさらに得られることを意味する。

回転シヤリング干渉計５３８は、多くの態様で実現され得る。例えば、図１７は、２つの対称的に配置された点を発生させるために４５°だけ反対に回転される回転シヤリング干渉計を示す。このタスクの別の問題が図１８および図１９に示され、ここでは、３つのガラス部品のみから作製された新しいタイプの回転シヤリング干渉計が示される。この干渉計は、対称的な干渉計の設計（幾分、Ｓａｇｎａｃ干渉計と同様である）が、実際には循環的ではない。従って、２つの区間に導入されたエラーは異なり、自動的に打ち消されない。バンドルは、Ｋｏｅｓｔｅｒのプリズムに入り、半分に分割され、次いでその両半
分は、４面ピラミッド型として作製されたプリズム６０４によって反射される。ここで、ビームは、その元の平面から出る。すなわち、両上のビームの９０°の回転が導入される。ビームの最終的な相対回転は、これら２つの回転（すなわち、１８０°）の合計である。ピラミッドの２つのミラー上での反射の後、ビームの各々は、再度Ｋｏｅｓｔｅｒのプリズムに入り、ビームは、最終的にビームスプリッタによって再結合される。ビームは、別の高さおよびＫｏｅｓｔｅｒのプリズム６０２の他の面上を出る。

図１９では、干渉計メインフレームにおける回転シヤリング干渉計などの使用が示される。ここで、フォーカスレンズ６１０は、リングを生み出すために入力ビームをホログラフィックエレメント６１２に収束する。次いで、このリングは、コリメータレンズ６０８の焦点において配置された回転ディフューザ６１４と遭遇する。次いで、Ｋｏｅｓｔｅｒのプリズム６０２に入り、その後上述のように処理される。６０°の入射バンドルの方向の変化と遭遇するが高さの変化は図１９では見えない。

回転シヤリング干渉計の使用によってこのようなメインフレームの構成長さを増加させないために、コリメータレンズ６０８の前に、発散ビームにおけるデバイスを導入することが有利である。両方のアームの経路長さにおける完全な対称性のために、これは可能である。ガラス内の経路長は、考慮可能であり、これは、図２０において明らかにされる。この場合、図面について仮定すると、ガラス内の経路長は、コリメータ６０８の焦点距離の約４４％であり、これは典型的な値であると考えられている。任意の場合では、ガラスから作製された厚い平面平行板は、コリメータレンズ６０８の光学設計に対して考慮されなければならない。図１９の光学配置は、図１５における構成とはわずかに異なる。

光軸に対して反対側上の同じ位相を有するコヒーレントなソースの対を用いて２つの波面を実現するための別の可能な方法は、散乱板の使用である。散乱板を作製するための基本的な手順は、レーザビームを用いてグランドグラスの部品を照明することによって生み出されたスペックルパターンにフォトリソグラフィック板を露出することである。散乱板は、反転対称性を有しなければならないために、スペックルパターンへの２つの重ねられた露出がなされなければならず、板は露出間で１８０°回転される。散乱板が、散乱板の作製中にテスト中の表面をできる限り均一に照明することを確実にするように、グランドグラスの照明部分によって範囲が規定される、フォトグラフィック板から見た立体角は、テスト中の散乱板から見たテスト下の表面の立体角と少なくとも同じ大きさであるべきである。現像（ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）の後、フォトグラフィック板が位相散乱板を生み出すために漂白される（ｂｌｅａｃｈｅｄ）べきである。露出、現像、漂白は、散乱板が１０％〜２０％の入射光を散乱するように制御されるべきである。本目的のために、散乱板は、コリメータレンズにおいて使用される開口数よりも大きい開口数を有する製造のためのグランドグラスによって照明されるべきであり、露出、現像、および漂白は、最高の量の散乱光が到達されるようになされるべきであり、そして２つの露出が、回転のための高精度なベアリングを実質的に含む元のホルダにおいてなされるべきである。従って、光学中心は、散乱板の機械的中心に自動的に一致する。

散乱板を使用するために、図２１に示されるような構成が作製される。唯一のアライメントの必要性は、光軸に対する散乱板６２０のホルダを整列することであり、アライメントは、レンズ６２４の頂点およびホログラフィックデバイス６２２の対称中心によって規定される。

回転する回転対称散乱板と共に、ホログラフィックアキシコンを用いる問題の解決策は、以下の２つのジョブを行うため非常に鮮やかになる。

−ランダムな位相を有する光源のリングを生み出す通常のホログラフィックデバイス
−通常の回転ディフューザ
−回転シヤリング干渉計
−光軸に対して反対の位置において対称に配置された２つの点を生み出す他の方法が存在する。例えば、Ｗｏｌｌａｓｔｏｎプリズムは、１／４波長板と共に使用され得る。さらに、２つの反対に配置された明らかな開口を有するディスクを使用することが可能であるが、これは、利用可能な光の使用を効率的にしない。

一度に２より多くのコヒーレントな点を生成することが有用であり得ることに留意のこと。これは、特殊なホログラフィックエレメントでなされ得る。例えば、図１５の共通の焦点平面における図２２の点のパターンは、非常に有用である。このような６つの照明点の構成が使用される場合、エレメントの回転速度は、３倍低減し、これにより高速モータおよびベアリングを避けるために重要であり得る。望ましくない干渉縞系は、この場合、より粗くなるが、図１３からの格子５１６の２点系によってのみ、依然として適切である。円上のより多数の点であっても、実現可能であり得る。なぜなら望ましくない干渉系が回転し、それにより、平均に洗い流されるためである。図２２において近すぎるコヒーレント点は、より粗いフリンジ系を生み出し、ノイズ成分は、空間周波数の波帯域（ｗａｖｅｂａｎｄ）に導入され、測定されるべき有用な情報もまた位置付けられる。これは、高精度な測定において避けられるべきである。

図２３ａ〜図２３ｄでは、図１３の格子または図２２のホログラフィックデバイスに対する回転軸は、格子幅（ｐｅｒｉｏｄ）の中央と正確に一致すべきであり、フーリエ変換における位相条件を導入しないために、「偶関数」（正弦状ではなく、余弦状）であるように軸に対して配置される。図２３ａおよび２３ｂは、格子の回転軸に対する可能な受理可能な場所を示し、図２３ａは、光軸と一致する回転軸を示す一方で、図２３ｂは、別の可能性を示す。図２３ｃは、回転軸に対して不可能な場所を示す。なぜなら、格子が１８０°回転される場合、コヒーレントなビーム間で２πの位相シフトを導入するためである。図２３ｄは、軸の回転が光軸から２．５格子線だけ離れている、５ｘ２πの著しい位相シフトが存在する場合を示す。ここで、この有用な干渉系は、集積時間が格子の１回転時間に等しいように選択される場合に消耗される。

上記観点において、照明の少なくとも２つの反対に配置されたオフアクシス点に対する使用はまた、干渉計空洞における逆反射によって導入されたティルトされたフリンジ問題を解決するが、コヒーレントアーティファクトの影響を低減する通常の干渉計アーキテクチャと共に有益に使用され得る。

本発明は、Ｆｉｚｅａｕ干渉計の場合に限定されないが、全ての他の種の干渉計（以下に限定されないが、等しくないパスのタイプのＭｉｒａｕおよびＴｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ等）に適用され得ることが言及されるべきである。本発明の基礎をなすこの原理は、球面のテストに対して等しく適用され得る。さらに、回転ウエッジの代わりに、検流計等によって駆動された１つ以上のビーム指向ミラー（ｂｅａｍ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｉｒｒｏｒ）の使用がなされ得る。

他の変更が、本明細書中で説明された本発明の教示および実施形態に基づいて関連分野における当業者に明らかになり、このような変更は、特許請求の範囲に記載されたように本発明の範囲内含まれることが意図される。

図１は、直径ｄのソースディスクのエッジ上のソース点からの照射を用いて軸上（ｏｎ−ａｘｉｓ）のテスト点によって生み出された干渉計とディスク上の中心におけるソース点（オンアクシス）との間の光路長（ＯＰＤ）の差を評価するための概略図である。軸上のソース点経路は、実線のオンアクシス（２倍含まれる）線を生み出す一方で、オフアクシスソース点は、破線によって示された経路を生み出す。 図２は、空気ギャップの厚さをＬとして、入射角αが大きくなる場合に、空気で満たされたＦｉｚｅａｕ干渉計におけるＯＰＤがどのようにして小さくなるかを示す概略図である。 図３は、Ｆｉｚｅａｕ干渉計が図２における空気の代わりに屈折率（ｉｎｄｅｘ）ｎのガラス（透明板に平行な板）で満たされる以外は図２と同様である。 図４は、レンズの像の高さ（ｉｍａｇｅ ｈｅｉｇｈｔ）、視界角、焦点距離間の関係を示す概略図である。 図５は、光源Ｓ、コリメーションおよび結像光学系、ＣＣＤ検出器、ならびにＦｉｚｅａｕ干渉計を示す本発明の実施形態の概略的正面図であり、物体点ＡおよびＢは、像点Ａ’およびＢ’に結像され、ＡおよびＢは、テスト表面板Ｔに配置され、Ａ’およびＢ’は、ＣＣＤ検出面において配置され、光源は、光軸（ＯＡ）に対して異なる位置で示される。上図では、光源は、軸から光軸よりも下にあるオフアクシス距離位置にシフトされ、下図では、光源は、同じ量であるが光軸よりも上にシフトされる。ＯＰＤは、同様に、同じＯＰＤを有する異なる物体点ＡおよびＢを有する両方の場合において同一である。 図６は、ＰＺＴ、回転可能なビームスプリッタ、および回転ウエッジは、仮想的に拡がったソースと同様な二重位相シフト手段として機能する。 図７Ａは、特殊電子機器またはコンピュータによって制御された直列の２つのくさびは、レンズの焦点平面における複数のパターン（例えば、異なる直径を有する円、異なる短軸および長軸を有する楕円、異なる向きを有する直線）を説明する本発明の別の実施形態の概略的正面図である。 図７Ｂは、２つのミラーが図７Ａの実施形態の結果に等しい結果を提供する本発明の別の実施形態概略的正面図である。 図７Ｃは、直列の２つの音響光学変調器（ＡＯＭ）が所望の照明を提供するために選択的に変調される本発明のさらに別の実施形態の概略的正面図である。 図８は、ファイバの出力モーダルパターンが、円形のリングの形態で存在し、円形のリングの直径は、励起ソースの入射角を変更することによって変化され得るように、ソースによって励起されたマルチモードファイバを利用する本発明の照明システムの概略的正面図である。 図９は、副図９ａ〜９ｄを含み、実際の（ｓｏｌｉｄ）および仮想の一重および二重リングの可能性を利用する種々の本発明のソースパターンを示す。 図１０は、傾斜された平面波面で照射された場合、そのキャビティ内で逆反射エレメントを有するＦｉｚｅａｕ干渉計から戻った生成波面を示す概略的上面図である。 図１１は、一対の反対に傾斜された平面波面で照射された場合、図１０のＦｉｚｅａｕ干渉計から戻った生成波面を示す概略的上面図である。 図１２は、回転格子が図１１に示されたタイプの傾斜された波面を発生する本発明の実施形態である。 図１３は、図１２の実施形態で使用された位相格子の概略的上面図である。 図１４は、ビームスプリッタおよびそれに関連するものの使用によって反対に傾斜された波面を提供するための代替の実施形態の概略的上面図である。 図１５は、回転可能なシヤリングリング干渉計を利用する本発明の干渉計システムの概略的上面図である。 図１６Ａは、詳細な説明において現われる数学的関係において使用された種々の用語の意味を導入するために使用された概略的上面図である。 図１６Ｂは、詳細な説明において現われる数学的関係において使用された種々の用語の意味を導入するために使用された概略的上面図である。 図１６Ｃは、詳細な説明において現われる数学的関係において使用された種々の用語の意味を導入するために使用された概略的上面図である。 図１７は、一対のＤｏｖｅプリズムと共に実現された回転シヤリング干渉計の使用によって反対に傾斜された波面を提供するための別の代替の実施形態の概略的上面図である。 図１８は、回転可能なシヤリング干渉計としてＫｏｅｓｔｅｒのプリズムおよび正方形のピラミッドの構成の詳細の概略的上面図である。 図１９は、図１８に示された正方形ピラミッドと共にＫｏｅｓｔｅｒのプリズムを有する１８０°の回転シヤリングを有する回転シヤリング干渉計の実施形態の概略的上面図である。 図２０は、図１８のＫｏｅｓｔｅｒのプリズムおよび正方形のピラミッドを介して展開された概略的上面図である。 図２１は、高精度ベアリングにおいて取り付けられ、回転される特殊な位相散乱板の使用によって互いに１８０°だけ回転された２つの同一の波面を生み出す非常に簡単な配置の概略的上面図である。 図２２は、ホログラフィック回折エレメントによって同時に生み出された照明点のパターンを示す概略的正面図である。 図２３ａは、本発明において使用された格子の回転の軸の配置のための良好な実施を示す概略図である。 図２３ｂは、本発明において使用された格子の回転の軸の配置のための良好な実施を概略図である。 図２３ｃは、本発明において使用された格子の回転の軸の配置のための不良な実施を示す概略図である。 図２３ｄは、本発明において使用された格子の回転の軸の配置のための不良な実施を示す概略図である。

Claims (1)

1. 光軸を有する干渉装置であって、該干渉装置は、
   該光軸に沿ってそれらの間に干渉キャビティを形成するための基準表面および測定されるべき対象表面と、
   該対象表面から複数の像を受け取る検出器と、
   照明を該基準表面および該対象表面の上に方向付け、該基準表面および該対象表面から反射された光から形成された複数の干渉波面を該検出器の上に確立する光学システムであって、該複数の干渉波面は、該対象表面に関する位相情報を含む、光学システムと、
   照明の異なるオフアクシス点から該基準表面および該測定されるべき対象表面の上に放射を方向付けるように該光学システムを照明するコヒーレントソースと
   を備え、
   該照明の複数の異なるオフアクシス点のそれぞれは、該光軸から等距離であり、かつ、該光軸に対して傾いている直線に沿って配置されており、該照明の複数の異なるオフアクシス点のそれぞれからの放射は、該干渉キャビティ内で実質的に等しい光路差を有する光路に沿って該対象表面の同一の点に入射され、これにより、該照明の複数の異なるオフアクシス点のそれぞれに対応する複数の干渉波面が生成され、各干渉波面は、該対象表面に関する情報を含む実質的に強調された信号を含み、該照明の複数の異なるオフアクシス点のそれぞれに対応する該複数の干渉波面のそれぞれは、該干渉装置における非対象表面の散乱サイトからの所望されない位相情報をも含み、該所望されない位相情報は、該所望されない位相情報が該検出器上で平均化されるように、異なる視差投影のために、該照明の異なるオフアクシス点に対応して異なる光路に沿って該検出器上の異なる位置に伝わり、これにより、該装置の信号対ノイズ比が向上される、干渉装置。

Images