JP2780868B2 - 放散的に反射する対象物の表面輪郭を決定する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、計測光学に関するものであり、低感度スペ
ックル干渉の原理を用いることにより、とくに、放散物
体から反射した光のスペックル構造と基準ビームとの間
の干渉により生ずる干渉パターンのコントラストの評価
に基づく方法を用いることにより、放散的に反射する物
体の表面形状（contour）を判定するために使用され得
る。

先行技術 反射する物体の表面形状を判定するのに要する時間
は、光検出器のアパーチャーダイアフラムへの光の量
に、大きく依存する。この依存性は、他の条件が同一で
あれば、露光量が大きいほど、光検出器の出力における
信号とノイズの比が大きくなり、物体または基準ビーム
の光路変調器の移動速度が増大し、その結果、光検出器
の応答速度に制限があることに起因して、信号レベルの
低下するにもかかわらず、測定サイクルをより速やかに
終了させることができるという事実によるものである。

基準ビームおよび放散物体から反射されたビームによ
り形成され、スペックル構造を備えた干渉パターンのコ
ントラストを分析するために、スペックルの相がランダ
ムな値をとるので、干渉パターンを受ける光検出器のア
パーチャーダイアフラムのサイズは、スペックル構造の
平均要素のサイズと等しくなければならない（J.Vest
“Holographic Interferometry",1979,John Willy and
Son's（New−Jork））。

放散的に反射する物体の表面形状を判定する方法とし
て、物体のホログラムをとる時に、一方は物体に向けら
れ、他方は基準ビームとして用いられる２つのビームの
コヒーレント光を分割し、基準ビームおよび物体ビーム
の干渉フィールドを生成し、スペックル構造により変調
されたホログラム面において、干渉バンド間の最大コン
トラストを有する点を判定する方法が知られている。

これらの点において、光路長の間の差はゼロに等し
く、したがって、既知の基準ビームの光路長は、物体の
寸法を特徴づける（N.Abramson“The Making and Evalu
ation of Holograms"981,ed.Acad.Press,（London）,p
p.315−319）。

ホログラフィー干渉法に基づき、放散的に反射する物
体の表面形状を決定する装置で、コヒーレント光の光源
（レーザー）、ミラーからなる振幅ビーム分割器を含む
干渉計、基準ビームを生成するための第二のミラー、基
準ビームおよび物体ビームの干渉フィールド内に位置す
るホログラムの形の光検出器を備えた装置が知られてい
る（N.Abramson“The Making and Evaluation of Holog
rams"1981,ed.Acad.Press,（London）,pp.315−319）。

ホログラムは、干渉するビームの光路長の間の差が、
レーザー・エミッションのコヒーレンス長より小さいフ
ォトプレートのそれらの部分内においてのみ、記録され
る。干渉バンドのコントラストが最も強いこれらの位置
およびホログラムのそれらに対応する物体の表面の領域
は、基準ビームによりホログラムを照射することによ
り、再生された物体イメージを観察することによって、
決定され得る。基準ビームの構成は既知であるので、物
体物の表面形状は、干渉パターンのコントラストが最大
であるフォトプレートの部分までのビームの光路長が等
しいという条件から得られる。

放散的に反射する物体の表面形状を判定するための上
述した方法および装置によれば、高解像力の検出器の役
割を果たすホログラムを用いているため、物体から反射
した光のスペックル構造における要素のいかなるサイズ
においても、同じ時間で、対象物の形を分析することが
できる。しかしながら、基準ビームおよび物体から反射
したビームの干渉の結果を記録するための手段として、
ホログラムを使用しているため、リアル・タイム・スケ
ールで、上述したデザインを実現することができず、し
たがって、この方法を実行するには、多大な時間を要す
る。

放射源からの干渉光を反射させて物体の表面形状を検
出する方法は公知である。この方法では、二つのビーム
を用いる。一方は基準ミラーに向けられ、基準ビームを
形成する。他方は物体に向けられ、物体ビームを形成す
る。次いで、物体からの反射光と基準ミラーからの反射
光とを結合して干渉させて比較する。次いで、基準ビー
ムの光路長を変える。次いで、基準ビームと物体ビーム
の光路長の差がゼロになるように平面の位置を修正した
領域内に位置する平面上に物体ビームの焦点を合わせ
る。次いで、最大のコントラストが干渉パターンにおい
て生じる瞬間までの範囲で基準ビームの光路長のその初
期値からの差を測定する。コントラストは評価対象とな
るパラメーターを特徴づけるものである（米国特許第4,
647,205号）。

上述の方法を実現する装置は公知である。その装置
は、順次取り付けられた、干渉光源（レーザー）、レン
ズ、ビーム分割器を有するマイケルソン形干渉計、光路
変調器上において分割器の一表面に向かっており、ビー
ム経路に垂直に取り付けられている基準ミラー（米国特
許第4,647,205号）を有する。光路変調器は所定の範囲
内においてビーム経路に沿って振動を生じる可能性があ
るように取りつけられており、この変調器の変位を測定
するための装置を有している。光路変調器の変位の範囲
はこの変調器と物体表面の取り得る位置の範囲との間の
対応関係によって変わる。同時に、変調器は光源の二つ
以上の干渉長さによって光路を修正するものでなければ
ならない。この条件はバンド間のコントラストの機能を
分析するために必要なものであり、干渉ビームの光路長
の間の差の上記範囲内において変化する。そのうえ、本
装置は干渉計の出力部に取り付けられた光検出器を有し
ており、光路変調器の位置を求める装置を有しており、
この装置は変調器の変位を測定する装置と、干渉バンド
相互間のコントラストを評価する装置の出力部の双方に
結合している。

光路変調器は、のこぎり歯形電流発生器に結合された
コイルの形状における電磁駆動に嵌め込まれた薄膜であ
る。基準ミラーはこの薄膜に取り付けられている。変調
器の変位を測定する装置は光路変調器の初期位置とその
相対変位を測定するシステムを備えている。このシステ
ムは薄膜に通されたのこぎり歯形電流を測定するアンメ
ーターと、薄膜に印加された電流と基準ミラー位置との
間の対応校正チャートとを備えている。変調器の初期位
置は基準ミラーが取り付けられている薄膜のそれと同じ
であり、この場合電流はゼロである。

前述の解決法は米国特許4,647,205号に記載の方法と
は異なる。この米国特許ではリアルタイムで、従って極
めて短時間に実行されるが、それでもその時間は比較的
長い。その理由は、基準ビームと物体からの反射ビーム
とにより形成され、スペックル構造により特徴づけられ
る干渉パターンのコントラストの分析の間において、光
検出器アパーチャのダイアフラムの大きさがスペックル
構造内の平均要素の大きさと等しくなければならないか
らである。これも公知のことであるが、スペックルの大
きさはビームを物体表面に焦点合わせするときのその正
確さに依存する。上記米国特許の方法及び装置において
は、物体ビームは焦点合わせて装置の空間分解能を向上
させている。この物体ビームは、基準ビームと物体ビー
ムとの光路の差がゼロである平面の位置領域において不
変位置に位置する平面上に焦点が合わせられる。これが
意味することは、物体表面が上記平面内に位置していな
い場合には、物体ビームの焦点が合っていないことにな
り、これに伴ってスペックル構造の大きさが減少する。
基準ビームと物体ビームとの光路長の差がゼロである平
面と同時に実行する測定を行うためには、光検出器アパ
ーチャーのダイアグラムを減少させて、このダイアグラ
ムを物体の位置の全範囲内にわたってスペックル構造内
の平均要素の大きさに合わせ、次いで、これによって光
検出器の露出度が減少し、信号対雑音の比率を低下させ
る。測定に所望の正確さを与えるために、光路変調器の
移動速度を低下させることにより、すなわち、測定時間
を増大させることにより、信号レベルを増大させること
は可能である。

さらに、膜に引加される電流と光路モジュレータの初
期位置の測定のための基準ミラー位置とに対応する校正
と、その相対変位の校正を使用する際、例えば環境温度
の変化やモジュレータ膜の経年変化などにより、光路変
調器のパラメータの変化が要求される装置において、頻
繁に校正が要求される。

発明の開示 本発明の目的は、以下のような方法と装置を提供する
ことにある。すなわち、本発明の方法は、拡散性の反射
物体の表面形状を判定する方法であって、物体ビームが
そのように位置を定められている面上で焦点が合わされ
る。本発明の装置は、拡散性の反射物体の表面形状を判
定する装置であって、光路変調器がそのように構成さ
れ、さらに、干渉計内の基準ビームと物体ビームとのゼ
ロ路長差に対応する面に物体表面が一致した瞬間に、す
なわち、最大差異の干渉パターンが発生した瞬間に、拡
散物体により座が取り付けられたコヒーレント光のスペ
ックル構造体の平均サイズのエレメントを増大させるよ
うに、レンズが作られると共に位置しており、このよう
にして、光検出器上に当たる光量を増大させ、これによ
り、拡散性の反射物体の表面形状の判定に要求される時
間を短縮している。

また拡散性の反射物体の輪郭面を決定する本発明の方
法は、以下の工程を有する。まず、２つのビームにおけ
るコヒーレント光源からの放射を分離する。上記ビーム
の一方は、基準ビームを構成するために基準ミラーに向
けられており、他方のビームは、物体ビームを形成する
ために測定される物体に向けられる。一致させさらに基
準ミラー物体から反射したビームを干渉計により比較す
る。ビームの光路を変化させ、物体ビームの焦点を合わ
せる。最大コントラストの干渉パターンが発生した瞬間
まで、その初期長さからビームの光路の上記変化を測定
し、検出されるべきパラメータを示す。本発明によれ
ば、知られた物体ビーム光路長の変化自体が実現され、
一方、比較される物体ビームと基準ビームとのゼロ路長
差に対応する面上に物体ビームの焦点が合わされる。

また拡散性の反射物体の表面形状を判定する本発明の
装置は、連続的な順番で配置されたレンズと、コヒーレ
ント放射源と、ビーム分割器を備えた二重ビーム干渉計
と、ビーム分割器表面の第１面に向けて曲げられ、ビー
ム経路と垂直に取り付けられた基準ミラーと、特定の領
域内でビーム経路に沿って振動を発生させることができ
るように取り付けられた光路変調器であって、この光路
変調器がこの変調器の変位を測定する装置と光路変調器
の初期位置を測定するシステムを有する光路変調器と、
干渉計の出力に位置する光検出器と、干渉帯の差異を評
価し且つ光検出器の出力に接続された入力を有する装置
と、光路変調器の位置を検出する装置であって、この装
置は、光路変調器の変位を測定する装置及び干渉帯の差
異を検出する装置の出力とに接続されている装置と、を
有する。本発明の装置によれば、光路変調器は、ビーム
分割器表面の第２面の前方に取り付けられており、さら
に、ビーム分割器表面の第２面にその反射面が曲げられ
ているコーナ反射器を備えている。コーナ反射器の対称
軸は、ビーム経路とビーム分割器表面の外側に平行であ
り、一方、コヒーレント放射源と干渉計のゼロ路長差に
対応する面とを光学的に一体化することができるように
レンズが構成されている。

干渉光線との間の光路差ゼロに対応する平面上への物
体ビームの焦点合わせを行うことは、その物体ビームが
変化している場合には、その物体ビームの焦点とこの平
面との一致した動きを与えることになり、したがって、
この表面と、干渉光線との間の行路の光路差ゼロの平面
とが一致した瞬間に行われ、かつ最大のコントラストを
与える干渉パターンによって特徴づけられる、測定の
間、評価される物体の表面と物体ビームとを一致させる
ことになる。物体ビームの上記した焦点合わせに関し、
分散した物体よって分散されたコヒーレント光のスペッ
クル構造におけるエレメントの平均サイズは、測定の瞬
間にその最大値まで成長する。すなわち、そのとき干渉
パターンに最大コントラストが生じる。したがって、米
国特許出願第4647205号で提案される光検出器のアパー
チャダイヤグラムよりも大きいアパーチャダイヤグラム
を有する光検出器を構成することができる。この結果、
その光検出器上に落ちる光量を増加させることができ、
反射物体の表面形状を決定するのに必要な時間を短縮す
ることが可能になる。

光路変調器に関し、この変調器に取り付けられるコー
ナー反射器を使用することによって、干渉光線の間の光
路差ゼロの平面に対応する平面に関し放射源を光学的に
収束させる可能性を有するレンズを使用することと同様
に、基準光線と干渉光線間のゼロ光路差に対応する平面
を同時に変位させることができ、干渉パターンの最大コ
ントラストが記録される瞬間に、物体ビームの焦点がつ
ねに上記平面に、したがって、研究にかかるオブジェク
トの表面に一致するという方法で物体ビームの焦点合わ
せを再度行うことができる。

他の実施例では、２つの要素からそのレンズを実現す
ることが有効である。この場合、第１の要素をコヒーレ
ント光源の後ろにかつその第１の要素の焦点距離と等し
い距離だけ離しておき、第２の要素を、ビーム分割器と
光路変調器との間の、ビーム分割器と基準ミラーとの距
離と、第２の要素の焦点距離との差だけ前者から離れた
点に置く。

この装置の実施例では、干渉計のゼロ光路差に対応す
る平面に関し光源の光学的収束は、ビーム分割器と光路
変調器との間に配置された第２の構成要素のレンズによ
って与えられる。第１要素のレンズは、その光源からの
光線を平行にする役割を果たし、一般に装置の大きさを
小さくするのを助けることとなる。

本装置の他の可能な実施例においては、そのレンズを
コヒーレント光源とビーム分割器との間に配置すること
が便宜である。ここでは、干渉計のゼロ光路差に対応す
る平面に関しコヒーレント光源の光学的収束は、コヒー
レント光源の後ろに取付けられレンズによって達成する
ことができる。この場合、そのレンズの焦点距離と光源
との相対的位置は、そのレンズを選択した公知の方法で
選択される。

分散した反射物体の表面形状を判定するための装置の
上記二つの実施例は、解決すべき問題点から、すなわ
ち、分散した物体によって壊れたコヒーレント光のスペ
ックル構造におけるエレメントの平均サイズを、測定
中、すなわち、最大のコントラストに生じる瞬間に、増
大するという目的に関し、２つの等価な解決手段であ
る。

分散した反射物体の表面形状を判定する装置が、レン
ズが２つの要素を有する実施例にしたがって構成されて
いる場合には、装置の大きさは、とくに、その物体がか
なり離れている場合には、第２の実施例より一般に小さ
くなる。一方、光源の後ろに取付けられたレンズが光源
を基準ミラー表面と干渉計のゼロ光路差に対応する平面
上に投影するという第２の実施例による装置は、その干
渉計の配置調整に関しより効果があり、それを使用する
ことによって、振動、高温に晒されるようなプロセスに
好適に使用することができる。

レンズが２つの要素を含む実施例によって装置が構成
される場合、レンズの第２要素の対称軸をビームスプリ
ッタの対称軸に対してシフトするのが望ましく、光路の
変調器の初期位置を判定するシステムには、光検出器
と、干渉バンドのコントラストを検出する装置と、ビー
ム分割器及びこの分割器に平行な基準ミラーの間に配置
された第１ミラーと、光路変調器のコーナー反射器の反
射面に対して回転し且つビームには直交するがビーム分
割器と反対方向のコーナー反射器の対称軸からシフトし
た第２ミラーとが設けられ、上記ミラーの中心は、第２
レンズ要素と反対方向のビーム分割器の対称軸に対して
シフトされ、且つビーム分割器から等しい光路に相当す
る距離だけ離れて配置されており、上記光検出器は、光
路変調器初期位置測定システムの光軸上の干渉計の出口
窓の後ろに配置され、この光検出器の出力は、光路変調
器の初期位置の測定システムの干渉バンドコントラスト
検出装置の入力に接続されている。

光路変調器は最初に、この変調器の初期位置測定シス
テムのミラーがビームスプリッタから等しい光路長さに
相当する距離だけ離れて位置するように、配置される。
変調器の初期位置は、装置のベースに固着された２つの
ミラーを用いて測定されるので、この測定は装置の校正
を必要としないし、初期位置の測定は光路変調器の位置
の変化（例えば、周囲温度が不安定になったり、膜（メ
ンブレーン）の経年変化によって生じうる）にも依存し
ない。

ビーム分割器に対するレンズの第２要素の対称軸の変
位は、光路変調器初期位置測定システムにおいて平行な
ビームを形成し、コヒーレント放射線源から発した光を
最も有効に使用できるようにする。本発明に係るこの実
施例の装置は、上述したように、物体が長い距離にある
場合（例えば、物体が大きな寸法であったり、深い空洞
であったりする場合）に適している。これは、光路変調
器初期位置測定システムのミラーの配置が、対象物の遠
さに依存しないからである。

本発明の第２実施例によって装置が構成される場合、
光路初期位置測定システムには、光検出器と、干渉バン
ドのコントラストを検出する装置と、コーナー反射器の
反射面の前面にその対称軸に対して角度をもって配置さ
れ且つビーム分割器と反対の方向のコーナー反射器の対
称軸からシフトして配置された第１ミラーと、第１ミラ
ーの後ろ側のビーム経路上であってそのビーム経路の直
交して配置された第２ミラーとが設けられ、第２ミラー
と基準ミラーとはビーム分割器から等しい光路長さに相
当する距離だけ離されて配置されており、上記光検出器
は、光路変調器の初期位置の測定システムの光軸上の干
渉計の出口窓の後ろに配置され、この光検出器の出力
は、干渉バンドコントラスト検出装置の入力に接続され
ている。

光路変調器は最初に、この変調器の初期位置測定シス
テムの第２ミラーがビームスプリッタから等しい光路長
さに相当する距離だけ離れて位置するように、配置され
る。この場合、変調器の初期位置の測定は、第１実施例
と同様に、変調器のパラメータには依存しない。しかし
ながら、変調器の初期位置測定システムの第２ミラーの
位置が基準ミラーの位置に依存するので、装置の寸法が
大きくなって長い距離になる場合等には、基準ミラーの
位置は、物体の最終距離によって規定されるべきであ
る。この場合、基準ミラーと第２ミラーとが点光源から
の投影を受けることによって、両ミラーの角度に変化が
生ずるが、この角度変化は装置の動作に影響しない。す
なわち、かかる装置は、全ミラーが１つの平行ビームを
受ける第１実施例のものと対比すると、干渉計の不整列
に対して変動しない。従って、振動や昇温による処理に
は、かかる装置を使用するのが好ましい。

本願発明の上記利点及び特徴は、添付図面を参照し
て、本願発明の以下の好適な実施例を考慮することによ
って、より良く理解することができる。

図面の簡単な説明 図１は、レンズが２つの要素からなる本発明の一実施
例による拡散反射物体の表面形状を判定する装置を示す
概略図である。

図２は、変調器の初期位置及び変調器の相対変位を測
定する装置を備えた図１の装置を示す図である。

図３は、本発明の第２実施例による拡散反射物体の表
面形状を判定するための図である。

本発明を実施するための最良の形態 拡散反射する物体の表面形状を判定する装置は、レン
ズ１（図１）及び、連続する順番で設置されたコヒーレ
ント放射源２、例えば固体レーザ、２重ビーム干渉計
３、例えばビーム分割器４、このビーム分割器の面の第
１の面６の方向に折り返し、直交するビーム経路上に位
置する基準ミラー５を含むマイケルソン型干渉計、ビー
ム経路変調器７でありこの変調器７の変位を測定する素
子８を有する変調器からなる。この光経路変調器７はビ
ーム分割器４の面の第２の面９の前に取りつけられてお
り、コーナー反射器10が装着されている。この反射器の
反射面はビーム分割器４の面の上記第２の面９に向けら
れている。コーナー反射器10の対称軸はビーム経路に平
行であり、ビーム分割器４の面の外にある。変調器７
は、放射源２の２つのコヒーレンス長を越える光路長の
変動に対応する範囲内で、ビーム経路に沿って振動移動
できるように取りつけられている。変調器７のコーナー
反射器10は基準ミラーと同様に米国特許第4647205号に
従って設計され、薄膜（図示せず）上に取り付けられ
る。この薄板には、このぎり歯状電流発生器（図示せ
ず）に接続したコイル形状の電磁駆動装置（図示せず）
が装着されている。ビーム分割器４は基準ミラー５と共
に基準ビームを形成し、ビーム分割器４は光経路変調器
７のコーナー反射器10と共に物体ビームを形成してい
る。

光経路変調器７の変位の範囲は、この変調器の位置と
物体11の面との間の伝達状態に基づいて選択される。同
時に、変調器７の光路の変動は放射源２の２つのコヒー
レント長よりも短くない場合がある。この状態は、干渉
ビームの光路長間の差のこの間隔内で変化する帯間の濃
淡の機能を解析する必要によって生じる。

光経路変調器７のコーナー反射器10の大きさは、ビー
ム分割器４の入口開口と出口開口との間の伝達状態によ
って決まる。ビーム分割器４の面に対するコーナー反射
器10の対称軸の変位は、物体11がビーム分割器４の瞳孔
の出口開口の外にあることから結果される。（通常見ら
れる様に）ビーム分割器４が立法体形状で形成されてい
る時は常に、変調器７のコーナー反射器10の対称軸の変
位は、この変位に直角な前記反射器の直線状変位と同様
に立法体ビームスプリッタ４の一側辺と等しくすること
ができる。この変位に直角な大きさは立方体ビーム分割
器４の側辺の２倍に等しくすることができる。レンズ１
を、その面が物体と基準ビーム光路長間のゼロ差に対応
した、放射源２と光学的に集積することができる。干渉
計の出口には、光検出器12が取りつけられており、その
出力は、干渉帯の濃淡を検出する様機能する素子13の入
力に接続されている。後者の出力は光経路変調器７の位
置を検出する素子14に接続されており、素子14は変調器
７の変位を測定する様意図された素子８に接続されてい
る。干渉帯の濃淡を検出する素子13は公知の構造で作る
ことができ、例えば、直接接続された、検出器（図示せ
ず）、差動装置（図示せず）、及びレベルリミッタ（図
示せず）（J.Marchais“L amplificateur operational
et ses applications"1971,masson et C.Editeures（pa
ris））を使用することができる。

変調器７の位置を検出する装置14は既知の形態のもの
であり、３つのフリップフロップ（図示せず）を含み、
その中の２つは調整入力を有している。調整入力を設け
たフリップフロップの出力はセル・コインシデンス（図
示せず）を介してカウンタ（図示せず）へ接続されてい
る。第３のフリップフロップの同期入力は調整入力を設
けたフリップフロップの一つの出力へ接続されている。
光路変調器７の移動を測定する装置８は、光路変調器７
（図２）の初期位置を測定する装置15と、それに相対的
移動を測定する装置16とを含んでいる。光路変調器７の
初期位置を測定する装置15の光学的部分は図２と図３の
２つの形で構成され、それの電子的な部分は原則として
光検出器17と干渉帯のコントラストを関知する装置18と
を含み、この装置は干渉帯のコントラストを感知する装
置13と同じ構成である。変調器７の相対的移動を測定す
る装置16は既知の構成であって、発光ダイオード19、光
検出器20そしてそれらの間にある２つの平行面ラスター
21を含み、これらのラスターの一つは変調器７に固定さ
れている。平行面ラスター21の面が平行となるように、
そしてそれらの線が変調器７のコーナー反射器の対称軸
と垂直となるようにラスター21の向きを決める。光検出
器20の出力は光路変調器の位置を検出する装置14のコイ
ンシデンス・セルの自由入力（図示せず）へ接続され
る。この装置14の第１と第２のフリップフロップ（図示
せず）の（「零状態」への）調整入力Ｒは干渉帯のコン
トラストを感知する装置13、19の出力へ接続され、従っ
てこれらのフリップフロップ（図示せず）の（「１状
態」への）調整入力Ｓは干渉帯のコントラストを感知す
る装置19、13の出力へ接続される。

図２は、レンズ１が２つの要素22、23を含んでいる分
散反射体の表面の形状を判定する装置の実施例を示す。
レンズ１の第１の要素22は、その要素の焦点距離に等し
い距離にコヒレーント光源２の後に配置されており、そ
してレンズ１の第２の要素23は、ビーム分割器４から基
準ミラー５までの距離と第２の要素23の焦点距離との間
の差に等しい距離だけ離してビーム分割器４と変調器７
との間に配置されている。上に説明したように変調器７
の初期位置を判定する装置15は光学部分と上に説明した
電子部分とを含んでいる。変調器７の初期位置を測定す
る装置15の光学部分は、ビーム分割器４とこれと平行な
基準ミラー５との間に位置した第１のミラー24と、変調
器７のコーナー反射体10の反射面の前面にそれと垂直な
ビーム路に取りつけられ、そしてその面の方へ向いてい
る第２のミラー25とを含んでいる。第２のミラー25はビ
ーム分割器４と反対の方向へコーナー反射体10の対称軸
に対して動かされる。従って、第１と第２のミラー24、
25は同じ方向にビーム分割器４に相当する距離だけビー
ム分割器４から離れている。ミラー24、25がビーム分割
器４から同じ光学的距離だけ離れている光学路変調器７
の位置がその変調器の初期位置である。コヒーレント光
源２からの光りを最も有効に利用するにはレンズ１の第
２の要素23の対称軸をミラー24、25の移動中心と反対の
方向にビーム分割器４の対称軸に対して動かす。ビーム
分割器４の対称軸に対してレンズ１の第２の要素23の対
称軸を動かす量は、物体11を照射しているビームの約20
％が変調器７の初期位置を測定する装置15の方へ向かう
ように決める。変調器７の初期位置を測定する装置15の
ホトデテクタ17はその装置の光軸上の干渉計３の入射窓
の後へ取りつけられている。ホトデイテクタ17の出力
は、光路変調器７の初期位置を測定する装置15内の干渉
帯のコントラストを感知する装置18の入力へ接続され
る。レンズ１が光源２とビーム分割器４との間に取りつ
けられた分散反射物体の表面形状を判定するための装置
の第２の実施例を図３に示す。レンズ１の焦点距離と光
源２に対しレンズ１を取りつける距離とは、物体の光路
と干渉計３の基準ビームの光路との差がゼロとなる面と
光源とが光学的に一体となるという条件でレンズ１を選
定するという既知の方法で決定する（図１）。

本装置のこの実施例において、変調器17の初期位置を
測るシステム15（図３）は電子部分を有している。この
電子部分は、第１の実施例におけるように、このシステ
ム15（図３）の光軸上にある干渉計３（図１）の入力窓
の後にマウントされた光検出器17と干渉バンドのコント
ラストを感知する装置18から成っている。そしてその入
力は光検出器17の出力に接続されている。また変調器７
の初期位置を測るシステム15の光学部分は二つのミラー
24と25を有している。第１のミラー24は変調器７のコー
ナー反射器10の反射面の前に位置しており、上記表面に
向かって回転され、ビーム分割器４の反対方向にコーナ
ー反射器10の対称軸にシフトされ、そしてコーナー反射
器10の対称軸にある角度で向けられる。第２のミラー25
はビーム経路上にある第１のミラーの後に位置し、そし
て上記第２のミラー25は等しい光路長に相当する距離に
よってビーム分割器４から離れて位置している。ビーム
分割器４に関連して第２及び基準ミラー25と５の上記配
置に相当する変調器７の位置は上記変調器の初期位置で
ある。一般的な場合、コーナー反射器10の対称軸に関す
る第１のミラー24の変位は物体11を照射するビームのお
よそ20％が第２のミラー25に向けられるという条件に基
づく知られた方法で選ばれる。第２のミラー25と基準ミ
ラー５が等しい光路長に相当する距離ビーム分割器４か
ら離れているという事実のために、もし物体11が大きな
距離にあれば（およそ１メートル）、第２のミラー25の
位置は本装置の第１の実施例と比較して装置を大きくす
るであろう。これは変調器７の初期位置を測るシステム
15のミラー24と25の位置が物体11を離している距離に依
存していないことが条件である。（本装置の二つの実施
例において）変調器７の初期位置を測るシステム15のミ
ラー24と25が本装置のベースにしっかりと固定されてい
るという事実のために、本装置の較正は必要でなく、変
調器の位置の測定は変調器７のパラメータの偶発的な変
動例えば周囲の温度変化や変調器７の膜（図示せず）の
老化によって生じる変動に依存しない。広く反射する物
体の表面形状を判定する装置の第１及び第２の実施例に
おいて、レンズ１（第１の実施例）とレンズ１（図３）
の部分22（図２）と23はレンズ列と同様にレンズとして
認識し得る。広く反射する物体の表面形状を判定するた
めの本装置を示している光路変調器７の変位間隔は物体
11の表面位置の範囲を本装置にとって都合よく示してい
る。本装置を使用する前に、本装置は詳細に示した範囲
に従って物体11に関連してマウントされる。

広く反射する物体の表面形状を判定する装置は以下の
ように動作する。

コヒーレント放射源２（図１）から放射された光ビー
ムはレンズ１の第１の部分22によって平行にされ、ビー
ム分割器４によって２つのビームに分けられる。そのビ
ームの一つは基準ビームを形成する基準ミラー５に向け
られる。第２のビームは（このビームへ変調器表面から
連続して反射された後）変調器７のコーナー反射器10を
経てレンズ１の第２の部分23を経て物体11に向けられ、
物体ビームを形成する。レンズ１の第２の部分23が、ビ
ーム分割器４を基準ミラー５から離れている距離とレン
ズ１の第２の部分23の焦点距離の差に等しい距離ビーム
分割器から離れて位置している。物体11の表面を照射し
ているビームは、それがレンズ１の前記第２の部分23を
通ると、基準ビームと物体ビームの光路長のゼロ差に対
応している面に焦点を結ぶ。スペックル構造によって変
調され、そして広がった物体11によって散乱された光波
の前面はレンズ１の第２の部分23を経て、光路変調器７
を通して反対方向に進む。

基準ミラー５から反射されたビームは、ビーム分割器
４を逆方向に通過して物体ビームと一致させられ、また
干渉計３の出口窓（図示せず）を通過して光検出器12に
当たる。光検出器では基準ビーム及び物体ビームが干渉
的に比較される。一般の場合には、物体パラメータは、
最大のコントラストを示す干渉パラメータが現れる瞬間
に到るまでの、基準ビームおよび物体ビームの光路長の
初期値からの変化の値で評価される。提案された設計で
は、物体ビームの光路長は、変調器７のコーナー反射器
10の移動により変化させられる。変調器７のコーナー反
射器10を電磁駆動装置（図示せず）により変位させるこ
とにより、基準ビームと物体ビームとの光路差ゼロに対
応する平面の位置は特定範囲内で変化する。その平面と
物体11の平面が一致した瞬間では、最大のコントラスト
の干渉パターンが光検出器12の入口窓に現れる。レンズ
１の第２要素23の焦点平面が干渉計３の光路長ゼロに対
応する平面と一致するという事実のために、物体ビーム
の焦点及び上記光路長ゼロに対応する平面が同時に移動
している。光路長ゼロに対応する平面が物体ビーム11の
表面と一致した瞬間に、物体ビームが物体11の表面に結
像し、拡散物体により散乱した光の波面のスペックル構
造における要素の平均的な寸法が、最大光路長の干渉パ
ラメータが現れる瞬間に最大となる。従って、提案され
た設計では、光検出器12が、既知の設計、例えば米国特
許第4647205号公報に記載されたもの、よりも大きな寸
法を有する開口ダイアフラムを有してもよい。それによ
り、光検出器12に当たる光量も物体11の位置において大
きくなり、従って光路変調器７の動きの速度を増大する
ことができ、それにより拡散反射物体の表面の形状を判
定する動作に要する時間を短縮することができる。変調
器７の運動は干渉パターンのコントラストの減衰の前に
認識される。最大コントラストの干渉パターンが起きる
瞬間に、干渉バンドのコントラストを検出する装置13
が、一つのパルスを、光路変調器７の位置を検出する装
置14の入力の一つに送る。さらに、装置の動作中に、光
路変調７の位置を検出する装置14の他の入力が、変調器
７の相対運動を測定するシステム16（図２）においてそ
の相対位置に関する情報を永久的に受取るともに、変調
器の初期値を測定するように意図されているシステム15
からのパルスを受け取る。そのパルスは、ビーム分割器
４とミラー24、25との間の光路長が等しい場合のコーナ
ー反射器10に対する変調器７の位置に対応する。光路変
調器７の初期位置を測定するシステム15からのパルスの
時間的な位置は、システム15の光検出器17に投影される
コントラスト干渉パターンに対応する。光路変調が移動
するとき、同時に変調器７に配置されたラスタ21の一つ
もラスタ21のラインに垂直な方向に移動する。その後、
光検出器20の出力が、変調器７に配置されたラスタ21の
ラスタ期間に等しい距離だけの変位に対応する時間間隔
でパルスを発生するだろう。上記情報は装置14の入力に
永久に送られる。

光路変調器７の位置を検出する装置14は次のように動
作する。干渉バンドのコントラストを検出する装置13及
び18から変調器７の位置を検出する装置14へパルスが到
達する順序は、光路変調器７が初期位置に配置されたと
きの干渉ビーム管の光路差ゼロに対応する平面に対する
物体11の表面の位置に依存する。測定サイクルが始まる
までは、フリップフロップ（図示せず）は、光路変調器
の位置を検出する装置14のカウンタ（図示せず）ととも
に初期状態にセットされる。光路変調器がある極大位置
から他の位置へと動くときに、干渉バンドのコントラス
トを検出する装置13及び18からのパルスが、光路変調器
７の位置を検出する装置14の最初の２つのフリップフロ
ップの一つの状態を２回変え、他のフリップフロップの
状態を一回だけ変える。

最初の２つのフリップフロップのうちの一方の出力に
接続され且つこのフリップフロップの第２の切り換えに
応答する装置14の第３のフリップフロップ（図示してい
ない）は、このようにして、フリップフロップのうちの
どのフリップフロップが二回切り換えられるかを定め
る。換言するならば、それは、干渉帯のコントラストを
感知する装置13および18からのパルスの到着シーケンス
を定める。２回切り換えられたフリップフロップは、一
致セル（図示していない）を用いて、光路変調器７の相
対的変位を測定するシステム16へカウンタ（図示してい
ない）を接続する。このカウンタは、システム16からの
パルスの量を記録することによって、光路変調器７がそ
の初期状態にあるときに、干渉ビームの間のゼロ光路長
差に対応する平面に対する対象物11の表面の位置を決定
する。ここで、光路変調器の位置を検出する装置14にお
ける第３のフリップフロップの動作の事実は、上述の２
つのカウンタのうちのどちらが情報を含むかを指示し且
つその情報の符号、すなわち、上述の平面に対する物体
表面の状態を決定する。したがって、光学路変調器７の
位置を検出する装置14のカウンタのうちの一方にて行わ
れる測定の１サイクル中において、光路変調器７がその
初期位置にあるときに、干渉ビームの間のゼロ光路長差
に対する対象物の表面の位置についての情報が検出され
る。第３図に示した装置は、基本的には、上述の装置と
同様に動作するものであるが、上述の装置と違って、こ
の装置（第３図）においては、対象物ビームは、コヒー
レントな放射線源２の後に取り付けられたレンズ１を用
いて、物体と基準ビームとの間のゼロ光路長差に対応す
る平面上に収束させられている、物体表面と物体ビーム
焦点との一致が、測定中、すなわち、干渉パターンが最
大コントラストを表示する瞬時に与えられる。この提案
装置において、コヒーレント放射線源２の後にレンズ１
が取り付けられている事実のために、光の点源が初期位
置を測定しようとしているシステム15の基準ミラー５と
第２のミラー25へ投影され、したがって、これらのミラ
ー５および25が向けられている角度の変動が装置の動作
に影響を与えない。すなわち、このような装置は、第２
図に示した第１の実施例による装置であって、すべての
ミラー５、24および25が光の平行ビームを受け、振動を
伴い温度上昇を伴うプロセスにおいて使用するのに好ま
しい装置よりも、不整列に対してより耐性のあるもので
ある。その上第３図の装置の動作は、光路変調器７の初
期位置を決定する方法において、他の装置とは異なる。
ここで説明する装置においては、光路変調器７の初期位
置は、ビーム分割器４から基準ミラー５までの光学路長
と、ビーム分割器４から変調器７の初期位置を測定する
システムの第２のミラー25までの光路長とが等しくなる
位置に相当している。物体11の表面の位置は、光学路変
調器７が初期位置にあるとき、干渉ビームの間のゼロ路
長差に対応する平面の位置に対して評価される。

産業上の利用性 拡散反射を示す物体の表面輪郭を測定する、ここに提
案した方法および装置は、加工片の諸寸法をすばやく且
つ正確に非接触して測定することができるため、機械工
学に適用して最も効果のあるものであろう。

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】拡散性反射物体の表面形状を判定する方法
   であって、この方法が： コヒーレントな光源から射出される放射線をビーム分割
   器にて第１ビームと第２ビームとに分割する工程と； 上記ビーム分割器から第１光路長に位置する基準反射器
   に上記第１ビームを向けて基準ビームを形成し且つこの
   基準反射器から第１反射ビームを生成する工程と； 上記ビーム分割器から第２光路長に位置する測定すべき
   物体に上記第２ビームを向けて物体ビームを形成し且つ
   この物体表面からの第２反射ビームを生成する工程と； 上記第１反射ビームと第２反射ビームをビーム分割器で
   再結合し、この再結合されたビームから干渉パターンを
   生成する工程と； 上記第１光路長と第２光路長を変化させる工程と； この可変光路長の変化を測定する工程であって、上記第
   １光路長と第２光路長が同じとき上記干渉パターンのコ
   ントラストが最大となる工程と； 上記干渉パターンのコントラストが最大となったとき所
   定の初期長さから上記可変光路長の変化を判定する工程
   と； を有する方法において： 上記物体ビームと基準ビームとの間のゼロ光路長差に対
   応する面上に物体ビームの焦点を合わせる工程と； 上記光路長の変化が上記物体ビームの焦点と上記面が同
   時に移動することにより生じている間に上記面内の物体
   ビームの焦点を維持する工程と； を有することを特徴とする方法。
2. 【請求項２】上記基準ビームの光路長が固定されている
   ときに、上記物体の光路長が、変化する請求項１記載の
   方法。
3. 【請求項３】更に、上記基準反射器上の所定の点に上記
   基準ビームの焦点を合わせる工程を有する請求項１記載
   の方法。
4. 【請求項４】上記可変光路長の所定の初期長さは： この初期長さの位置でビーム分割器から等光路長となる
   位置に配置された反射器に上記第１及び第２ビームの各
   々の一部を向ける工程と； 上記ビーム分割器で上記反射器からの反射ビームを干渉
   させ且つこの干渉するビームから干渉パターンを生成す
   る工程と； この干渉パターンのコントラストの値を判定する工程で
   あって、この値が上記可変光路長の変化に伴って変化す
   る工程と； 上記コントラストの値が最大値となったときに信号を生
   成する工程と； により設定される請求項１記載の方法。
5. 【請求項５】拡散性反射物体の表面形状を判定する装置
   であって、この装置が： コヒーレントな放射線原（２）と； この放射線を第１ビームと第２ビームに分割するために
   上記コヒーレント放射線の経路内に配置されたビーム分
   割器（４）を有する二重ビーム干渉計（３）であって、
   この第１ビームが第１光路長の基準ビームを形成するた
   めに基準ミラー（５）に向けられ、この第２ビームが第
   ２光路長の物体ビームを形成するために測定されるべき
   物体の表面に向けられ、上記ビーム分割器が上記基準ミ
   ラーと物体表面から反射ビームを受光しこれらの反射ビ
   ームを結合ビームに再結合する二重ビーム干渉計（３）
   と； この結合ビームの経路内に取り付けられ結合ビーム内の
   干渉パターンを検出する光検出器（12）と、この干渉パ
   ターンのコントラストの値を判定し且つこのコントラス
   トが最大値となったときに信号を生成する手段（13）と
   を有する光検出システムと； 少なくとも上記物体ビームの焦点を合わせるレンズシス
   テム（１）と； 光路変調器（７）と； 上記第１光路長又は第２光路長を変化させるために上記
   光路変調器を変位させる手段と； 所定の初期位置に関して上記光路変調器の位置を判定し
   且つ上記干渉パターンが最大コントラストとなった瞬間
   に上記光路変調器を示す出力を生成する手段（13,14,1
   5）と； を有する装置において： 上記物体ビームが、この物体ビームと基準ビームとの間
   のゼロ光路長差に対応する面上に上記レンズシステム
   （１）によりその焦点を合わせられ、さらに、上記光路
   長の変化が生じている間に上記物体ビームの焦点と上記
   面が同時に移動することを保証する手段（７）を有する
   ことを特徴とする装置。
6. 【請求項６】上記レンズシステム（１）が、上記放射線
   源（２）と上記ビーム分割器（４）との間で放射線源か
   ら第１レンズの焦点距離と等しい距離だけ離れた位置に
   配置された第１レンズ（22）と、上記ビーム分割器
   （４）と光路変調器（７）との間で上記第１光路長と第
   ２レンズの焦点距離との差に等しい距離だけビーム分割
   器から離れた位置に配置された第２レンズとを有する請
   求項５記載の装置。
7. 【請求項７】上記レンズシステム（１）が、上記放射線
   源（２）と上記ビーム分割器（４）との間に配置され、
   それを通過する放射線が上記基準ミラー上の所定の点に
   焦点が合うような距離だけ上記放射線源から離れている
   第１レンズを有する請求項５記載の装置。
8. 【請求項８】上記光路変調器の位置判定手段が： 上記光路変調器の初期位置を判定し且つ光路変調器がこ
   の初期位置にあるとき第１信号を生成する手段（15）
   と； 上記光路変調器の瞬間位置を測定し且つ上記変位の値を
   連続的に示す第２信号を生成する手段（16）と； 上記光検出システムからの信号、上記第１及び第２信号
   を受信し且つ上記出力を生成する手段（14）と； を有する請求項５記載の装置。
9. 【請求項９】上記光路変調器の初期位置の判定が、上記
   基準ビームの経路内に配置され基準ビームの一部を反射
   して上記ビーム分割器へ戻す第１反射器（24）と、上記
   物体ビームの経路内に配置されビーム分割器で上記反射
   された基準ビームの一部と結合されて結合ビームを生成
   するために物体ビームの一部を反射してビーム分割器へ
   戻す第２反射器（25）と、この結合ビームの干渉パター
   ンを検出する別の光検出器（17）と、この干渉パターン
   のコントラストの値を判定し且つこのコントラストが最
   大値となったとき上記第１信号を生成する別の手段（1
   8）と、を有する請求項８記載の装置。
10. 【請求項１０】上記光路変調器が、上記物体ビームの経
    路内に取り付けられたコーナー立方体逆反射体と、この
    逆反射体を振動移動させる手段を有する請求項５記載の
    装置。