JP2017090123A - 干渉計 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成、構造を有する干渉計を提供する。【解決手段】干渉計は、粗面から構成された参照面５１、光源１０、分割光学系２１，２２、結像光学系３０、及び、撮像装置４０を備えており、分割光学系は、光源から出射された光ビームＬＢ0を、第１光ビームＬＢ11及び第２光ビームＬＢ12に分割し、第１光ビームＬＢ11によって参照面５１を照射し、第２光ビームＬＢ12によって被対象物面６１を照射し、結像光学系３０は、参照面５１で反射・散乱した光及び被対象物面６１で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像ＳＩを撮像装置４０に結像させ、以て、被対象物面６１の変位量を計測する。【選択図】 図１

Description

本開示は、干渉計に関し、具体的には、所謂スペックル干渉計に関する。

従来から、光の波長レベルの測長や振動計測に干渉計が用いられている。代表的な干渉計としてマイケルソン干渉計が知られており、光源から出射された光ビームをビームスプリッターによって２つの光ビームに分割し、一方の光ビームで被対象物を照射し、他方の光ビームで反射ミラーを照射し、被対象物によって反射された光と反射ミラーによって反射された光とを、再度、同じビームスプリッターで結合させる。ビームスプリッターから被対象物までの距離（第１基線長）及びビームスプリッターから反射ミラーまでの距離（第２基線長）に依存して光が干渉し、発生する干渉縞の明暗で第１基線長と第２基線長の差や変動を計測することができる。この方式では波長以下の長さの計測も可能で、微小な振動測定等にも応用される。但し、このマイケルソン干渉計を用いた測長や振動計測は、被対象物が鏡面加工された平面でなければならず、粗面を有する物体を計測することは困難である。

一方で、鏡面ではない粗面を対象にした計測技術として、スペックル干渉計の開発が進められている。スペックル干渉計では、粗面によって発生するスペックルパターンのパターン変化を分析することで振動等の変位量を計測することができる。また、被対象物の歪変形を計測することもできる。スペックル干渉計の最大の特徴は、スペックルパターンを観察するために鏡面が必要とされず、粗面で計測できることにある。このように粗面計測が可能であるが故に、固形の対象物だけでなく、柔らかい生体物質にも対応できることが大きな利点である。スペックル干渉計を用いた計測方法は、そのアルゴリズム上、計測したスペックルパターンをデジタル画像としてコンピュータに取り込んで解析する必要があるため、ＥＳＰＩ（Electronic Speckle Pattern Interferometry）とも呼ばれている。ＥＳＰＩは、１９６０年代にレーザの発明と同時に提案され、長い歴史があるものの、イメージセンサ技術やコンピュータ解析の発展と共に漸次進化してきたため、現時点でもまだ余り広範囲に採用された技術ではない。

従来のスペックル干渉計（ホログラフィック干渉計）の概念図を図４Ａに示す。このスペックル干渉計は、レーザ光源１０、レーザ光源１０からの光ビームを第１光ビームＬＢ₁₀₁及び第２光ビームＬＢ₁₀₂の２つの光ビームに分割するビームスプリッター１０１、結像光学系１３０及び撮像装置１４０から構成されている。結像光学系１３０の前方焦点に粗面（被対象物面１１１）を位置させ、結像光学系１３０の後方焦点に撮像装置１４０を位置させる。そして、被対象物面１１１を第１光ビームＬＢ₁₀₁によって照射する一方、撮像装置１４０を第２光ビームＬＢ₁₀₂によって照射する。その結果、撮像装置１４０において、被対象物面１１１によって反射・散乱された光ＬＢ₁₀₁’と第２光ビームＬＢ₁₀₂とが干渉して、撮像装置１４０上で干渉縞の成分を有するスペックルパターンが形成される。このようなスペックル干渉計（ホログラフィック干渉計）の場合、被対象物面１１１からの光ＬＢ₁₀₁’と第２光ビームＬＢ₁₀₂とを同軸に近づける構成とすることができず、波面を合わせることができないため、発生する干渉縞が細か過ぎ、撮像装置で解像することが困難であるといった問題がある。そのため、ＣＣＤ素子等の電子的な撮像素子を有する撮像装置ではなく、高解像な写真乾板等が主に用いられている。

このような問題を解決するスペックル干渉計として、図４Ｂに示すようなアウトオブプレーン型スペックル干渉計や、図５に示すようなインプレーン型スペックル干渉計が周知である。尚、結像光学系１３０及び撮像装置１４０を結ぶ軸線をＺ軸とする。

例えば、Applied Optics, Vol.10(12), pp.2722-2727 (1971),A. Macovski, S. D. Ramsey and L. F. Schaefer,“Time-Lapse Interferometry and Contouring Using Television Systems.”に開示されたアウトオブプレーン型スペックル干渉計は、レーザ光源１０、３つのビームスプリッター１０２，１０３，１０４、反射鏡１０５、結像光学系１３０及び撮像装置１４０から構成されている。結像光学系１３０の前方焦点に粗面（被対象物面１１１）を位置させ、結像光学系１３０の後方焦点に撮像装置１４０を位置させる。そして、被対象物面１１１を第１光ビームＬＢ₁₀₃によって照射する一方、撮像装置１４０を第２光ビームＬＢ₁₀₄によって照射する。その結果、被対象物面１１１によって反射・散乱された光ＬＢ₁₀₃’と第２光ビームＬＢ₁₀₄とが干渉して、撮像装置１４０上で干渉縞の成分を有するスペックルパターンが形成される。アウトオブプレーン型スペックル干渉計にあっては、ビームスプリッター１０２，１０３，１０４を用いて被対象物面１１１からの光ＬＢ₁₀₃’と第２光ビームＬＢ₁₀₄とを同軸に配置することができ、波面が揃い、撮像されるスペックル像の干渉縞間隔が広くなり、ＣＣＤ素子等の撮像素子を用いた撮像装置の解像度で十分解像することができる。そして、主に、被対象物面１１１に垂直な方向（Ｚ軸方向）の変位量の測定に用いられる。

また、例えば、Optics and Laser Technology, Vol.8(5), pp.215-219 (1976),R. Jones,“The Design and Application of a Speckle Pattern Interferometer for Total Plane Strain Field Measurement.”に開示されたインプレーン型スペックル干渉計は、レーザ光源１０、１つのビームスプリッター１０６、２つの反射鏡１０７，１０８、結像光学系１３０及び撮像装置１４０から構成されている。結像光学系１３０の前方焦点に粗面（被対象物面１１１）を位置させ、結像光学系１３０の後方焦点に撮像装置１４０を位置させる。そして、被対象物面１１１を第１光ビームＬＢ₁₀₅及び第２光ビームＬＢ₁₀₆によって照射する。第１光ビームＬＢ₁₀₅及び第２光ビームＬＢ₁₀₆は、ＸＺ平面内において、Ｚ軸に対して対称に被対象物面１１１を入射角θ’，−θ’にて照射する。２つの光ビームＬＢ₁₀₅，ＬＢ₁₀₆の光軸がＺ軸から外れているので、２つの光ビームＬＢ₁₀₅，ＬＢ₁₀₆によって生成するスペックルパターンは、互いに相関がなく、単純な強度加算で１つのスペックルパターンになる。そして、Ｚ軸に沿った被対象物面１１１の変位、ＸＹ平面内での被対象物面１１１の変位ではスペックルパターンに変化が生じないが、２つの光ビームＬＢ₁₀₅，ＬＢ₁₀₆の光路差が変化する方向（例えば、光ビームの入射する方向）に被対象物面１１１が変位したとき、スペックルパターンが変化する。このスペックルパターンから得られたスペックル像の変化を解析することで、被対象物面１１１の変位を計測することができる。

Applied Optics, Vol.10(12), pp.2722-2727 (1971),A. Macovski, S. D. Ramsey and L. F. Schaefer,"Time-Lapse Interferometry and Contouring Using Television Systems." Optics and Laser Technology, Vol.8(5), pp.215-219 (1976),R. Jones,"The Design and Application of a Speckle Pattern Interferometer for Total Plane Strain Field Measurement."

これらの従来のホログラフィック干渉計やスペックル干渉計は、被対象物面１１１である粗面を撮像装置１４０に結像させる光学構成であるために、即ち、結像光学系１３０の前方焦点に粗面（被対象物面１１１）を位置させ、結像光学系１３０の後方焦点に撮像装置１４０を位置させるので、これらの光学的配置、特に、被対象物面１１１の近傍における光学系の配置や構成が複雑になり、また、設計上の制約条件も多い。アウトオブプレーン型スペックル干渉計のように、結像光学系と撮像装置１４０を照射する第２光ビームとを同軸に合わせようとすると、複雑な光学系を追加する必要があり、干渉計全体のサイズが大きくなるといった問題もある。

従って、本開示の目的は、簡素な構成、構造を有する干渉計を提供することにある。

上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る干渉計は、
粗面から構成された参照面、
光源、
分割光学系、
結像光学系、及び、
撮像装置、
を備えた干渉計であって、
分割光学系は、光源から出射された光ビームを、第１光ビーム及び第２光ビームに分割し、第１光ビームによって参照面を照射し、第２光ビームによって被対象物面を照射し、
結像光学系は、参照面で反射・散乱した光及び被対象物面で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する。

上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る干渉計は、
粗面から構成された参照面、
光源、
結像光学系、及び、
撮像装置、
を備えた干渉計であって、
光源から出射され、参照面を照射する光の一部は、参照面で反射・散乱され、
参照面を照射する光の残部は、参照面を通過し、被対象物面で反射・散乱されて、参照面を通過し、
結像光学系は、参照面で反射・散乱した光及び被対象物面で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する。

上記の目的を達成するための本開示の第３の態様に係る干渉計は、
光源、
分割光学系、
結像光学系、及び、
撮像装置、
を備えた干渉計であって、
結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、ＸＺ平面内において、光源から出射された光は、分割光学系によって第１光ビーム及び第２光ビームの２つの光ビームに分けられ、
ＸＺ平面内において、第１光ビームは第１入射角にて被対象物面を照射し、第２光ビームは第２入射角（第１入射角と同じ値であるが、逆の符号であり、第１入射角をθ₁、第２入射角をθ₂としたとき、θ₂＝−θ₁）にて、第１光ビームが照射する被対象物面の領域を照射し、
結像光学系は、第１光ビームが被対象物面で反射・散乱した光と第２光ビームが被対象物面で反射・散乱した光とが干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する。

本開示の第１の態様〜第３の態様に係る干渉計にあっては、撮像装置上に参照面や被対象物面それ自体の像を結像させるのではなく、参照面や被対象物面に対するフーリエ面に相当する空間像を撮像装置に結像させるので（即ち、被対象物面に光ビームを照射して、被対象物面から離れた面に散乱光によって投影された空間像を撮像装置に結像させるので）、被対象物面の近傍における光学系の配置や構成が複雑になることが無く、干渉計の小型化を図ることができ、設計上の制約条件も少なく、干渉計の構成、構造の簡素化を図ることができる。また、被対象物面における光ビームの照射位置と結像光学系の位置関係を調整するだけでよいので、光軸調整が極めて容易である。しかも、本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る干渉計にあっては、粗面から構成された参照面を用いることで、空間像（例えば、スペックルパターンに相当する像）が得られる領域を拡大することができる。しかも、他の振動成分の影響を受け難い。尚、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものでは無く、また、付加的な効果があってもよい。

図１Ａ及び図１Ｂは、実施例１の干渉計及びその変形例の概念図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、実施例２の干渉計及びその変形例の概念図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、実施例３の干渉計及びその変形例の概念図である。 図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、従来のスペックル干渉計（ホログラフィック干渉計）の概念図、及び、従来のアウトオブプレーン型スペックル干渉計の概念図である。 図５は、従来のインプレーン型スペックル干渉計の概念図である。

以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の第１の態様〜第３の態様に係る干渉計、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様に係る干渉計）
３．実施例２（本開示の第２の態様に係る干渉計）
４．実施例３（本開示の第３の態様に係る干渉計）
５．その他

〈本開示の第１の態様〜第３の態様に係る干渉計、全般に関する説明〉
本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る干渉計にあっては、結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に沿った参照面から空間像までの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面から結像光学系までの距離をＺ₂、参照面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₁としたとき、
（Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
を満足する形態とすることができる。

上記の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る干渉計において、結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、被対象物面は、ＸＹ方向において参照面と離間して位置する形態とすることができる。被対象物面と参照面とは同じＸＹ平面内に位置していてもよいし、異なるＸＹ平面内に位置していてもよい。後者の場合、異なるＸＹ平面間の距離（Ｚ軸に沿った参照面から被対象物面までの距離ΔＬ_Z）に、特段の制限は無い。一方、本開示の第２の態様に係る干渉計にあっては、結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、参照面と離間して位置する被対象物面はＺ軸に沿って位置している。

以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第１の態様あるいは第２の態様に係る干渉計において、空間像はスペックルパターンに相当する像から成ることが好ましい。

更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る干渉計において、第１光ビーム及び第２光ビームの可干渉距離は、上記のΔＬ_Z以上、具体的には、例えば、１ｍｍ以上であることが好ましい。

更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る干渉計において、第１光ビームの中心と第２光ビームの中心との間の距離は、参照面を照射する光ビームの大きさＤ₁の２倍以下であることが好ましい。

以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る干渉計において、参照面の光反射率は、０．５％以上、好ましくは０．５％乃至５０％、より好ましくは１０％乃至５０％であることが望ましい。

更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る干渉計において、参照面を照射する光ビーム及び参照面を通過する光ビームの可干渉距離は、参照面から被対象物面までの距離の２倍（往復）以上であることが好ましい。

更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第２の態様に係る干渉計において、Ｚ軸に沿った参照面から被対象物面までの距離に、特段の制限は無い。

本開示の第３の態様に係る干渉計にあっては、Ｚ軸に沿った被対象物面から空間像までの距離をＺ₁’、Ｚ軸に沿った被対象物面から結像光学系までの距離をＺ₂’、被対象物面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₂’としたとき、
（Ｄ₂’²／８λ）≦Ｚ₁’＜Ｚ₂’ （２）
を満足することが好ましい。

上記の好ましい形態を含む本開示の第３の態様に係る干渉計において、空間像はスペックルパターンに相当する像から成ることが好ましい。尚、スペックルパターンの平均的な大きさは、撮像装置の解像度よりも大きいことが必要とされる。スペックルパターンの平均的な大きさが撮像装置の解像度よりも小さいのでは、撮像装置によってスペックルパターンを撮像することができないからである。

更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第３の態様に係る干渉計において、第１光ビーム及び第２光ビームの可干渉距離として０．１ｍ以上を例示することができるが、これに限定するものではない。

本開示の第１の態様に係る干渉計にあっては、第１光ビーム及び第２光ビームの光路差が変化する方向における変位量を計測することができる。また、本開示の第２の態様に係る干渉計にあっては、参照面を照射する光の一部と、参照面を通過し、被対象物面を照射する光の残部の光路差が変化する方向における変位量を計測することができる。本開示の第３の態様に係る干渉計にあっては、ビームを照射した垂直な被参照物面の面方向の変位量を計測することができる。

更には、以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第３の態様に係る干渉計において、光源はレーザ光源から成ることが好ましい。

以上に説明した各種好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第３の態様に係る干渉計（以下、これらを総称して、単に『本開示の干渉計等』と呼ぶ場合がある）において、光源として半導体レーザ素子を例示することができる。光源から出射されるレーザ光の波長λは、本質的に任意であるが、上記の式（１）、式（２）に基づき、適切な波長を選択すればよい。本開示の干渉計等において、結像光学系は周知のレンズ系から構成すればよい。撮像装置は、高速でしかも連続撮影が可能なＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を撮像素子として備えた周知の撮像装置から構成すればよいが、撮像装置の画素数は、例えば、３０画素×５０画素程度であればよい。

本開示の第１の態様に係る干渉計において、参照面は、光を透過する必要は無く、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の金属あるいは合金をコーティングした粗面から構成することができる。また、本開示の第２の態様に係る干渉計において、参照面は、光を透過させる必要があり、例えば、磨りガラスから構成することができる。参照面の表面粗さＲａとして０．４μｍ乃至１０μｍを例示することができる。尚、表面粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ−６１０：２００１に規定されている。

光ビームの大きさＤ₁，Ｄ₂’を小さく絞ることで、フーリエ面のスペックル像の粒径サイズが大きくなり、撮像装置で解像し易くなるし、Ｚ₁，Ｚ₁’の値を小さな値とすることができる。その一方で、光ビームの大きさＤ₁，Ｄ₂’を小さく絞ると、スペックル干渉計の大きな機能の１つである物体の歪変形が観察し難くなる。それ故、これらを配慮して、光ビームの大きさＤ₁，Ｄ₂’を決定することが好ましい。

本開示の第１の態様及び第３の態様に係る干渉計において、分割光学系は、例えば、ビームスプリッター及び反射鏡から構成することができる。

本開示の干渉計等は、例えば、生体信号に基づく振動の測定に適用することができる。具体的には、本開示の干渉計等は、被対象物面を脈動によって変位する皮膚の部分とし、この皮膚の部分の変位量を計測することで、脈拍の測定を行うことができる。また、被対象物面を発声によって変位する咽頭に対応する皮膚の部分とし、この皮膚の部分の変位量を計測することで、音声の採取を行うことができる。皮膚の部分の変位量を計測するのであるが故に、他の振動成分（例えば、他の音）の影響を受けることがない。また、被対象物面を口唇とし、口唇の変位量を計測することで、例えば、会話の内容の採取を行うことができる。口唇の変位量を計測するのであるが故に、他の振動成分（例えば、他の音）の影響を受けることがない。また、被対象物面を建物の一部や物体、物品の一部とし、この建物の一部や物体、物品の一部の変位量を計測することにも適用することができる。また、音声等の面振動を計測するアプリケーションにも適用することができる。また、本開示の干渉計等は、ウエアラブル装置、ウエアラブル端末機器に適用することができる。そして、被対象物面の変位に起因して、例えば、スペックルパターンが変化し、この変化を撮像装置によって画像（スペックル像）として捉え、得られた画像（スペックル像）を解析することで、被対象物面の変位量の計測を行うことができる。被対象物面の変位量の解析（具体的には、画像解析）は、より具体的には、例えば、周知の位相シフト法に基づき行うことができる。

実施例１は、本開示の第１の態様に係る干渉計、具体的には、スペックル干渉計（ホログラフィック干渉計）に関する。

概念図を図１Ａに示すように、実施例１の干渉計は、
粗面から構成された参照面５１、
光源１０、
分割光学系、
結像光学系３０、及び、
撮像装置４０、
を備えた干渉計である。ここで、分割光学系は、ビームスプリッター２１及び反射鏡２２から構成されている。

そして、実施例１の干渉計において、分割光学系（具体的には、ビームスプリッター２１）は、半導体レーザ素子から成る光源１０から出射された光ビームＬＢ₀を、第１光ビームＬＢ₁₁及び第２光ビームＬＢ₁₂に分割し、第１光ビームＬＢ₁₁によって参照面５１を照射し、第２光ビームＬＢ₁₂によって被対象物面６１を照射する。焦点距離ｆのレンズから構成された結像光学系３０は、参照面５１で反射・散乱した光ＬＢ₁₁’（図１Ａにおいて、破線で示し、更には、右上から左下に延びるハッチング線を付す）及び被対象物面６１で反射・散乱した光ＬＢ₁₂’（図１Ａにおいて、一点鎖線で示し、更には、左上から右下に延びるハッチング線を付す）が干渉することで生成された空間像ＳＩ（図１Ａにおいて、点線で示す）を、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を撮像素子として備えた撮像装置４０に結像させる。そして、こうして得られたスペックル像に基づき、被対象物面６１の変位量を計測する。尚、空間像ＳＩは結像光学系３０の前方焦点の所に位置し、撮像装置４０は結像光学系３０の後方焦点の所に位置する。また、結像光学系３０の前方焦点から外れた位置に被対象物面６１及び参照面５１は位置する。即ち、結像光学系３０は、ピントのずれた被対象物面６１及び参照面５１の像を撮像する。

参照面５１は、研磨されていない金属粗面、セラミックスや樹脂材料、紙等の高散乱体等から構成されており、表面粗さＲａの値は、例えば、５μｍ乃至１０μｍである。

実施例１の干渉計にあっては、結像光学系３０と撮像装置４０とを結ぶ軸線をＺ軸とする。そして、Ｚ軸に沿った参照面５１から空間像ＳＩまでの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面５１から結像光学系３０までの距離をＺ₂、参照面５１を照射する波長λの光ビーム（第１光ビームＬＢ₁₁）の大きさをＤ₁としたとき、
（Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
を満足する。具体的には、
Ｄ₁ ：５０μｍ
λ ：５３２ｎｍ
Ｚ₁ ：１ｍｍ
Ｚ₂ ：１ｍ
ｆ ：２５０ｍｍ
とした。尚、Ｚ₁の値は、式（１）を満足する限りにおいて、如何なる値であってもよい。被対象物面６１を照射する波長λの第２光ビームＬＢ₁₂の大きさＤ₂を、第１光ビームＬＢ₁₁と同じ大きさとした。被対象物面６１は、ＸＹ方向において参照面５１と離間して位置している。空間像はスペックルパターンに相当する像から成る。参照面５１と被対象物面６１とは同じＸＹ平面内に位置していてもよいし、異なるＸＹ平面内に位置していてもよい。第１光ビームＬＢ₁₁及び第２光ビームＬＢ₁₂の可干渉距離は、１ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上、例えば、１０ｍｍであるし、第１光ビームの中心と第２光ビームの中心との間の距離Ｌ₁は、２００μｍ以下、例えば、１５０μｍである。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３においては、被対象物面６１を、例えば、紙等の振動膜や人体の皮膚の振動面とした。

このように、独立に変位する被対象物面６１と参照面５１とを隣接して設置し、波長λの高コヒレントな光源１０からの光ビームＬＢ₀を分割光学系２１，２２で分岐（分割）して参照面５１及び被対象物面６１を照射する。参照面５１及び被対象物面６１は、照射する光ビームＬＢ₁₁，ＬＢ₁₂に対して粗面であるが故に、参照面５１及び被対象物面６１を照射する光ビームＬＢ₁₁，ＬＢ₁₂の間隔Ｌ₁が十分に短ければ、参照面５１を照射し、反射・散乱された光ＬＢ₁₁’、及び、被対象物面６１で反射・散乱された光ＬＢ₁₂’が、或る距離だけ離れた空間でそれぞれ空間像として干渉し合い、スペックルパターンに相当する像から成る空間像ＳＩを形成する。このスペックルパターンに相当する像から成る空間像ＳＩを結像光学系３０を介して撮像装置４０に結像させることで、スペックル像を得ることができる。そして、取得したスペックル像を解析することで、被対象物面６１の変位量を見積もることができる。

取得したランダムな画像（スペックル像）を解析して変位量に相当する位相成分を抽出する方法は、位相シフト法による解析方法の応用例として確立している。例えば、被対象物面６１が時間を経て変形する過程を、実施例１のスペックル干渉計で撮像した４枚の画像（スペックル像）を用いて位相を計算する方法等が一般的である（例えば、文献：Katherine Creath, “Phase-shifting speckle interferometry”, Applied Optics, Vol. 24, Issue 18, pp. 3053-3058 (1985) を参照）。このような解析手法を用いることで、例えば、被対象物面６１の光軸方向（Ｚ軸方向）の変位を計測することができる。

図１Ａに示した実施例１の干渉計では、被対象物面６１と結像光学系３０との間に位置する空間像ＳＩを撮像装置４０に結像させる光学設計としたが、このような光学設計には限定されず、図１Ｂに示すように、結像光学系３０に対して被対象物面６１の反対側の虚像を結像する設計とすることもできる。

実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例３の干渉計にあっては、撮像装置上に参照面及び被対象物面それ自体の像を結像させるのではなく、参照面及び被対象物面に対するフーリエ面に相当する空間像を撮像装置に結像させるので、即ち、結像光学系の前方焦点から外れた位置に位置する被対象物面及び参照面の空間像（空間像は結像光学系の前方焦点に位置する）を、撮像装置に結像させればよいので、被対象物面の近傍における光学系の配置や構成が複雑になることが無く、干渉計の小型化を図ることができ、設計上の制約条件も少なく、干渉計の構成、構造の簡素化を図ることができる。また、被対象物面における光ビームの照射位置と結像光学系の位置関係を調整するだけでよいので、光軸調整が極めて容易である。しかも、実施例１あるいは後述する実施例２の干渉計にあっては、粗面から構成された参照面を用いることで、スペックルパターンが得られる領域を拡大することができる。

実施例２は、本開示の第２の態様に係る干渉計、具体的には、スペックル干渉計（アウトオブプレーン型スペックル干渉計）に関する。

概念図を図２Ａに示すように、実施例２の干渉計は、
粗面から構成された参照面５２、
光源１０、
結像光学系３０、及び、
撮像装置４０、
を備えた干渉計である。

そして、実施例２の干渉計において、半導体レーザ素子から成る光源１０から出射され、参照面５２を照射する光ビームの一部ＬＢ₂₁は、参照面５２で反射・散乱される。また、参照面５２を照射する光ビームの残部ＬＢ₂₂は、参照面５２を通過し、被対象物面６２で反射・散乱されて、参照面５２を通過する。焦点距離ｆのレンズから構成された結像光学系３０は、参照面５２で反射・散乱した光ＬＢ₂₁’（図２Ａにおいて、破線で示し、更には、右上から左下に延びるハッチング線を付す）及び被対象物面６２で反射・散乱した光ＬＢ₂₂’（図２Ａにおいて、一点鎖線で示し、更には、左上から右下に延びるハッチング線を付す）が干渉することで生成された空間像ＳＩ（図２Ａにおいて、点線で示す）を、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を撮像素子として備えた撮像装置４０に結像させる。そして、こうして得られたスペックル像に基づき、被対象物面６２の変位量を計測する。尚、空間像ＳＩは結像光学系３０の前方焦点の所に位置し、撮像装置４０は結像光学系３０の後方焦点の所に位置する。また、結像光学系３０の前方焦点から外れた位置に被対象物面６２及び参照面５２は位置する。即ち、結像光学系３０は、ピントのずれた被対象物面６２及び参照面５２の像を撮像する。

参照面５２の光反射率は０．５％乃至５０％であることが好ましい。具体的には、参照面５２の光反射率は１０％である。参照面５２は、磨りガラスから構成されており、表面粗さＲａの値は、例えば、３μｍである。

実施例２の干渉計にあっては、結像光学系３０と撮像装置４０とを結ぶ軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に沿った参照面５２から空間像ＳＩまでの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面５２から結像光学系３０までの距離をＺ₂、参照面５２を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₁としたとき、
（Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
を満足する。具体的には、
Ｄ₁ ：１０μｍ
λ ：５３２ｎｍ
Ｚ₁ ：０．１ｍｍ
Ｚ₂ ：１ｍｍ
ｆ ：０．５ｍｍ
とした。尚、Ｚ₁の値は、式（１）を満足する限りにおいて、如何なる値であってもよい。被対象物面６２を照射する波長λの光ビームＬＢ₂₂の大きさは、光ビームＬＢ₂₁とほぼ同じ大きさである。被対象物面６２は、ＸＹ方向において参照面５２と離間して位置している。空間像はスペックルパターンに相当する像から成る。参照面５２を照射する光ビームＬＢ₂₁及び被対象物面６２を照射する光ビームＬＢ₂₂の可干渉距離は、０．１ｍｍ以上、具体的には、例えば、０．５ｍｍであるし、Ｚ軸に沿った参照面５２から被対象物面６２までの距離Ｌ₂は、０．１ｍｍ以下、具体的には、例えば、０．０５ｍｍである。

ところで、実施例１において説明した干渉計では、被対象物面６２によって反射・散乱された光ＬＢ₁₂’を撮像装置４０に結像させる光学系の軸（Ｚ軸と平行な軸線）と、参照面５１によって反射・散乱された光ＬＢ₁₁’を撮像装置４０に結像させる光学系の軸（Ｚ軸と平行な軸線）とによって、干渉縞の間隔が決められるが、発生する干渉縞の間隔の値がスペックルの粒径サイズよりも狭い場合には、スペックルの形状に縞構造が重畳する状態でパターンが形成される。このような微細構造（間隔の狭い干渉縞）がスペックルパターン内に存在すると、解析の難易度が上がる一方、解析結果の精度が低下する。従って、出来る限り干渉縞の間隔の値を、スペックル粒径のサイズ以上となるように、２つの光学系の軸を合わせる必要がある。被対象物面６１を照射する波長λの光ビーム（第２光ビームＬＢ₁₂）の大きさをＤ₂としたとき、スペックルの粒径δは、
δ＝λ・Ｚ₁／Ｄ₂
で表される。また、発生する干渉縞の間隔Γの値は、
Γ＝λ・Ｚ₁／Ｌ₁
で表されるので、スペックル粒径δよりも干渉縞の間隔Γの値が大きくなる条件は、
Ｄ₂＞Ｌ₁
となる。以上の結果から、第１光ビームＬＢ₁₁によって照射される領域と、第２光ビームＬＢ₁₂によって照射される領域とは、ほぼ重なっていることが要求されることが判る。

実施例２の干渉計にあっては、参照面５２を照射する光学系の軸と、被対象物面６２を照射する光学系の軸とが、概ねＺ軸として重なっている。被対象物面６２を照射する光ビームＬＢ₂₂と、参照面５２を照射する光ビームＬＢ₂₁とは、１本の光ビームでよく、参照面５２を照射し、反射・散乱された光ＬＢ₂₁’、及び、参照面５２を透過し、被対象物面６２で反射・散乱された光ＬＢ₂₂’が、或る距離だけ離れた空間でそれぞれ空間像として干渉し合い、スペックルパターンに相当する像から成る空間像ＳＩを形成する。このスペックルパターンに相当する像から成る空間像ＳＩを結像光学系３０を介して撮像装置４０に結像させることで、スペックル像を得ることができる。取得した画像（スペックル像）を解析して変位量に相当する位相成分を抽出する方法は、前述した位相シフト法の応用例を用いることで解析できる。こうして光軸方向（Ｚ軸方向）の変位を高精度に求めることができる。

図２Ａに示した実施例２の干渉計では、参照面５２と結像光学系３０との間に位置する空間像ＳＩを撮像装置４０に結像させる光学設計としたが、このような光学設計には限定されず、図２Ｂに示すように、結像光学系３０に対して被対象物面６２の反対側の虚像を結像する設計とすることもできる。

実施例３は、本開示の第３の態様に係る干渉計、具体的には、スペックル干渉計（インプレーン型スペックル干渉計）に関する。

概念図を図３Ａに示すように、実施例３の干渉計は、
光源１０、
分割光学系、
結像光学系３０、及び、
撮像装置４０、
を備えた干渉計である。ここで、分割光学系は、ビームスプリッター２３及び反射鏡２４から構成されている。

そして、実施例３の干渉計において、結像光学系３０と撮像装置４０とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、ＸＺ平面内において、半導体レーザ素子から成る光源１０から出射された光ＬＢ₀は、分割光学系（具体的には、ビームスプリッター２３）によって第１光ビームＬＢ₃₁及び第２光ビームＬＢ₃₂の２つの光ビームに分けられる。ＸＺ平面内において、第１光ビームＬＢ₃₁は第１入射角（θ₁）にて被対象物面６３を照射し、第２光ビームＬＢ₃₂は第２入射角（θ₂であり、θ₂＝−θ₁）にて、第１光ビームＬＢ₃₁が照射する被対象物面６３の領域を照射する。焦点距離ｆのレンズから構成された結像光学系３０は、第１光ビームＬＢ₃₁が被対象物面６３で反射・散乱した光ＬＢ₃’（図３Ａにおいて、破線で示す）と第２光ビームＬＢ₃₂が被対象物面６３で反射・散乱した光ＬＢ₃’（図３Ａにおいて、破線で示す）とが干渉することで生成された空間像ＳＩ（図３Ａにおいて、点線で示す）を、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子を撮像素子として備えた撮像装置４０に結像させる。そして、こうして得られたスペックル像に基づき、被対象物面６３の変位量を計測する。尚、空間像ＳＩは結像光学系３０の前方焦点の所に位置し、撮像装置４０は結像光学系３０の後方焦点の所に位置する。また、結像光学系３０の前方焦点から外れた位置に被対象物面６３は位置する。即ち、結像光学系３０は、ピントのずれた被対象物面６３の像を撮像する。

実施例３の干渉計にあっては、Ｚ軸に沿った被対象物面６３から空間像ＳＩまでの距離をＺ₁’、Ｚ軸に沿った被対象物面６３から結像光学系３０までの距離をＺ₂’、被対象物面６３を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₂’としたとき、
（Ｄ₂’²／８λ）≦Ｚ₁’＜Ｚ₂’ （２）
を満足する。具体的には、
Ｄ₂’：５０μｍ
λ ：５３２ｎｍ
Ｚ₁’：１ｍｍ
Ｚ₂’：１ｍ
ｆ ：２５０ｍｍ
とした。尚、Ｚ₁’の値は、式（２）を満足する限りにおいて、如何なる値であってもよい。空間像はスペックルパターンに相当する像から成る。第１光ビームＬＢ₃₁及び第２光ビームＬＢ₃₂の可干渉距離は、０．１ｍ以上、好ましくは０．３ｍ以上、具体的には、例えば、０．５ｍである。

実施例３の干渉計にあっては、高コヒレントな光源１０からの光ビームＬＢ₀を分岐（分割）して、被対象物面６３の法線に対称な２方向の光ビームＬＢ₃₁，ＬＢ₃₂で被対象物面６３を照射する。被対象物面６３が照射する光ビームＬＢ₃₁，ＬＢ₃₂に対して粗面であれば、被対象物面６３を照射した光ビームＬＢ₃₁，ＬＢ₃₂は反射・散乱され、或る距離だけ離れた空間でそれぞれ空間像として干渉し合い、スペックルパターンに相当する像から成る空間像ＳＩを形成する。このスペックルパターンに相当する像から成る空間像ＳＩを結像光学系３０を介して撮像装置４０に結像させることで、スペックル像を得ることができる。そして、このような光学系で被対象物面６３を撮影した一連のランダムなスペックルパターンのフレーム間の２枚の画像（スペックル像）を解析することで、被対象物面６３がどのくらい変位しているかを調べることができる。具体的には、２枚のランダムな画像（スペックル像）の差分画像の明暗の変化の数（変化の周期数）Ｎ（明→暗→明を一周期とする）が、被対象物面６３の光軸に垂直な面方向の変位
ξ＝Ｎλ／（２ｓｉｎ（θ₁））
に換算される。こうして、第１光ビームＬＢ₃₁及び第２光ビームＬＢ₃₂の干渉状態が変化することで面方向（例えば、ＸＹＺ方向の３入射成分を有する光ビームの入射方向）における被対象物面６３の変位を高精度に求めることができる。

図３Ａに示した実施例３の干渉計では、被対象物面６３と結像光学系３０との間に位置する空間像ＳＩを撮像装置４０に結像させる光学設計としたが、このような光学設計には限定されず、図３Ｂに示すように、結像光学系３０に対して被対象物面６３の反対側の虚像を結像する設計とすることもできる。

以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示の干渉計はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した干渉計の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができることは云うまでもない。

尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《干渉計・・・第１の態様》
粗面から構成された参照面、
光源、
分割光学系、
結像光学系、及び、
撮像装置、
を備えた干渉計であって、
分割光学系は、光源から出射された光ビームを、第１光ビーム及び第２光ビームに分割し、第１光ビームによって参照面を照射し、第２光ビームによって被対象物面を照射し、
結像光学系は、参照面で反射・散乱した光及び被対象物面で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する干渉計。
［Ａ０２］結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に沿った参照面から空間像までの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面から結像光学系までの距離をＺ₂、参照面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₁としたとき、
（Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
を満足する［Ａ０１］に記載の干渉計。
［Ａ０３］結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、被対象物面は、ＸＹ方向において参照面と離間して位置する［Ａ０１］又は［Ａ０２］に記載の干渉計。
［Ａ０４］空間像はスペックルパターンに相当する像から成る［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の干渉計。
［Ａ０５］第１光ビーム及び第２光ビームの可干渉距離は、１ｍｍ以上である［Ａ０１］乃至［Ａ０４］のいずれか１項に記載の干渉計。
［Ａ０６］第１光ビームの中心と第２光ビームの中心との間の距離は、参照面を照射する光ビームの大きさＤ₁の２倍以下である［Ａ０１］乃至［Ａ０５］のいずれか１項に記載の干渉計。
［Ｂ０１］《干渉計・・・第２の態様》
粗面から構成された参照面、
光源、
結像光学系、及び、
撮像装置、
を備えた干渉計であって、
光源から出射され、参照面を照射する光の一部は、参照面で反射・散乱され、
参照面を照射する光の残部は、参照面を通過し、被対象物面で反射・散乱されて、参照面を通過し、
結像光学系は、参照面で反射・散乱した光及び被対象物面で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する干渉計。
［Ｂ０２］結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に沿った参照面から空間像までの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面から結像光学系までの距離をＺ₂、参照面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₁としたとき、
（Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
を満足する［Ｂ０１］に記載の干渉計。
［Ｂ０３］空間像はスペックルパターンに相当する像から成る［Ｂ０１］又は［Ｂ０２］に記載の干渉計。
［Ｂ０４］参照面の光反射率は０．５％乃至５０％である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０２］のいずれか１項に記載の干渉計。
［Ｂ０５］参照面を照射する光ビーム及び参照面を通過する光ビームの可干渉距離は、参照面から被対象物面までの距離の２倍（往復）以上である［Ｂ０１］乃至［Ｂ０４］のいずれか１項に記載の干渉計。
［Ｃ０１］《干渉計・・・第３の態様》
光源、
分割光学系、
結像光学系、及び、
撮像装置、
を備えた干渉計であって、
結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、ＸＺ平面内において、光源から出射された光は、分割光学系によって第１光ビーム及び第２光ビームの２つの光ビームに分けられ、
ＸＺ平面内において、第１光ビームは第１入射角にて被対象物面を照射し、第２光ビームは第２入射角（第１入射角と同じ値であるが、逆の符号である）にて、第１光ビームが照射する被対象物面の領域を照射し、
結像光学系は、第１光ビームが被対象物面で反射・散乱した光と第２光ビームが被対象物面で反射・散乱した光とが干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する干渉計。
［Ｃ０２］Ｚ軸に沿った被対象物面から空間像までの距離をＺ₁’、Ｚ軸に沿った被対象物面から結像光学系までの距離をＺ₂’、被対象物面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₂’としたとき、
（Ｄ₂’²／８λ）≦Ｚ₁’＜Ｚ₂’ （２）
を満足する［Ｃ０１］に記載の干渉計。
［Ｃ０３］空間像はスペックルパターンに相当する像から成る［Ｃ０１］又は［Ｃ０２］に記載の干渉計。
［Ｄ０１］光源はレーザ光源から成る［Ａ０１］乃至［Ｃ０４］のいずれか１項に記載の干渉計。

１０・・・光源、２１，２３・・・ビームスプリッター、２２，２４・・・反射鏡、３０・・・結像光学系、４０・・・撮像装置、５１，５２・・・参照面、６１，６２，６３・・・被対象物面、ＬＢ₀，ＬＢ₁₁，ＬＢ₁₂，ＬＢ₂₁，ＬＢ₂₂，ＬＢ₃₁，ＬＢ₃₂・・・光ビーム、ＬＢ₁₁’，ＬＢ₁₂’，ＬＢ₂₁’，ＬＢ₂₂’，ＬＢ₃’・・・反射・散乱された光、ＳＩ・・・空間像

Claims (15)

1. 粗面から構成された参照面、
   光源、
   分割光学系、
   結像光学系、及び、
   撮像装置、
   を備えた干渉計であって、
   分割光学系は、光源から出射された光ビームを、第１光ビーム及び第２光ビームに分割し、第１光ビームによって参照面を照射し、第２光ビームによって被対象物面を照射し、
   結像光学系は、参照面で反射・散乱した光及び被対象物面で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する干渉計。
2. 結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に沿った参照面から空間像までの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面から結像光学系までの距離をＺ₂、参照面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₁としたとき、
   （Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
   を満足する請求項１に記載の干渉計。
3. 結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、被対象物面は、ＸＹ方向において参照面と離間して位置する請求項１に記載の干渉計。
4. 空間像はスペックルパターンに相当する像から成る請求項１に記載の干渉計。
5. 第１光ビーム及び第２光ビームの可干渉距離は、１ｍｍ以上である請求項１に記載の干渉計。
6. 第１光ビームの中心と第２光ビームの中心との間の距離は、参照面を照射する光ビームの大きさＤ₁の２倍以下である請求項１に記載の干渉計。
7. 粗面から構成された参照面、
   光源、
   結像光学系、及び、
   撮像装置、
   を備えた干渉計であって、
   光源から出射され、参照面を照射する光の一部は、参照面で反射・散乱され、
   参照面を照射する光の残部は、参照面を通過し、被対象物面で反射・散乱されて、参照面を通過し、
   結像光学系は、参照面で反射・散乱した光及び被対象物面で反射・散乱した光が干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する干渉計。
8. 結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸とし、Ｚ軸に沿った参照面から空間像までの距離をＺ₁、Ｚ軸に沿った参照面から結像光学系までの距離をＺ₂、参照面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₁としたとき、
   （Ｄ₁ ²／８λ）≦Ｚ₁＜Ｚ₂ （１）
   を満足する請求項７に記載の干渉計。
9. 空間像はスペックルパターンに相当する像から成る請求項７に記載の干渉計。
10. 参照面の光反射率は０．５％乃至５０％である請求項７に記載の干渉計。
11. 参照面を照射する光ビーム及び参照面を通過する光ビームの可干渉距離は、参照面から被対象物面までの距離の２倍（往復）以上である請求項７に記載の干渉計。
12. 光源、
    分割光学系、
    結像光学系、及び、
    撮像装置、
    を備えた干渉計であって、
    結像光学系と撮像装置とを結ぶ軸線をＺ軸としたとき、ＸＺ平面内において、光源から出射された光は、分割光学系によって第１光ビーム及び第２光ビームの２つの光ビームに分けられ、
    ＸＺ平面内において、第１光ビームは第１入射角にて被対象物面を照射し、第２光ビームは第２入射角（第１入射角と同じ値であるが、逆の符号である）にて、第１光ビームが照射する被対象物面の領域を照射し、
    結像光学系は、第１光ビームが被対象物面で反射・散乱した光と第２光ビームが被対象物面で反射・散乱した光とが干渉することで生成された空間像を撮像装置に結像させ、以て、被対象物面の変位量を計測する干渉計。
13. Ｚ軸に沿った被対象物面から空間像までの距離をＺ₁’、Ｚ軸に沿った被対象物面から結像光学系までの距離をＺ₂’、被対象物面を照射する波長λの光ビームの大きさをＤ₂’としたとき、
    （Ｄ₂’²／８λ）≦Ｚ₁’＜Ｚ₂’ （２）
    を満足する請求項１２に記載の干渉計。
14. 空間像はスペックルパターンに相当する像から成る請求項１２に記載の干渉計。
15. 光源はレーザ光源から成る請求項１、請求項７又は請求項１２に記載の干渉計。

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