JP3254453B2 - 位置測定 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、干渉計を使用して表面およびプロファイ
ルを測定するための装置に関するものである。この発明
はまた、干渉計からの出力から、そのような表面または
プロファイルに対するたとえばプローブの変位を決定す
るための方法および装置に関するものである。

対象物のきめ、または粗さ、または形状を得るため
に、その表面またはプロファイルを測定するための装置
を与えることが知られている。このような装置の一例
は、ランク・テイラー・ホブソン・リミテッド（Rank T
aylor Hobson Limited）、P O Box 36、２ニュー・スタ
ー・ロード（New Star Road）、レイセスター（Leicest
er）LE 4 7JQ、UKから入手可能なフォーム・タリサーフ
（FORM TALYSURF）（TM）測定システムである。この装
置はプローブ部材またはスタイラスを含み、これは測定
される表面に接触するために下方向に突出し、支持構造
へピボット装着された支持アームの一端に隣接して設け
られる。

支持構造は、測定される対象物の表面に対して平行な
（またはほぼ平行な）線形運動のために装着され、駆動
システムによって表面を一線に横方向に動く。支持アー
ムはピボット装着部から延び、平行光源（レーザ）がそ
れに沿って向けられる２本の光路のうちの１本の一方端
を規定する反射表面を備える。

その表面上の基準プローブ位置において、２つの光路
長は等しい。しかし、表面高さが異なると、プローブは
移動する旋回支持アームの他方端で表面および反射表面
を追うことを重力によって推され、一方の経路の光路長
を変え、したがって干渉計のフリンジパターンを生成す
る。

与えられた光検出位置を通るフリンジの数を数えるこ
とによって、プローブの変位の測定を行なうことができ
る。したがって、フリンジ計数装置は、プローブ構造が
表面を線形に横方向に動かされる間に、固定された検出
位置を通るフリンジを継続的に計数し、測定表面上のプ
ローブ変位を表わす出力信号をそこから出力するように
与えられる。むろん、プローブより表面の方を動かすこ
とも等しく可能であろう。

クランク軸や車軸のような回転自在な対象物の丸みま
たはプロファイルの測定を行なうために、対象物はスタ
イラス下に位置決めされ、回転自在に駆動されるように
装着される。対象物が回転するにともない、プローブは
対象物の周囲の長さを測定し、そこから所望のプロファ
イルからの偏心または偏差が検出され得る。

このような測定装置は、プローブ位置（およびしたが
って表面の高さ）の測定において極めて高い精度を有す
ることが要求される。上述の装置は10nmのオーダで変位
分解能を達成することができる。この装置の別な重要な
特質はスタイラスが測定することのできる最大変位であ
り、これはさまざまな型の表面またはプロファイルの測
定を行なうためにかなり大きいことが必要であり、典型
的にはミリメートルのオーダである。このような測定機
器の性能の有効な基準は、範囲Ｒ（mm）／分解能Ｒ（m
m）として規定される「ダイナミックレンジ」である。
これはできるだけ高いことが好ましい。

上述の測定装置は優れた性能を与えるが、多数の問題
が生じ得る。まず、使用されるマイケルスン（Michelso
n）型干渉計は与えられた２つの光路間の光路長におけ
る差を測定する。それは安定した光波長に決定的に依存
するが、光の波長は実際、気圧および温度の変化によっ
て変化し、それによって誤った測定が行なわれ得る。２
つの光路が広く異なる長さを有し得るので、光源は極め
て長い干渉長さを有さねばならず、したがって適当な光
源を与えるには高価でかさばる型のレーザが必要とさ
れ、高電圧源が要求され、かつ著しい熱消失が伴なわれ
る。

US3726595号は、図８−１で格子干渉計を代わりに使
用する表面測定装置を示す。格子干渉計において、光ビ
ームは格子を照射し、それによって回折され、１対の一
次回折ビームを生成する（高次も使用され得る）。２本
のビームは等しい路長を進むように反射され、再結合さ
れて干渉パターンを導出する。格子が横方向に動くと
き、各ビームの経路は一定のままであるが、各ビームの
位相は変化され、それによって干渉パターンのフリンジ
がシフトされる。したがって、フリンジの動きによって
格子の横方向の動きの測定を行なうことができる。

US3726595号において、格子は表面に対して垂直に位
置決めされ、その表面係合端でプローブを備え、それに
よって干渉計が表面に沿って横方向に動かされるとき、
格子は強制的に表面に対して垂直に動かされ、結果とし
て生じた干渉パターンの変化量によってプローブ位置の
測定を行なうことができる。

照射ビームに対し、かつ２本の回折次数ビームを２等
分する線に対して、格子が純粋に線形に横方向に動くよ
うに制限される必要性は、この装置の性質に固有のもの
である。しかし、粗い、もしくは不規則な表面、または
一般的にプローブにあたる立上り縁を含む表面の測定に
おいて、プローブを装着するこの方法は満足のいくもの
ではないであろう、というのはプローブがそのような立
上り縁と接触させられるとき、プローブ内の圧縮応力
が、プローブが縁へ動かされるに伴い生じ、これはまず
格子のアライメントをシフト（干渉パターンをくずす）
しやすく、次に表面との摩擦の増加によってプローブの
振動を生じやすくするからである。プローブ装着部上の
応力も増加しやすくなるであろう。

したがって、この発明の１つの局面に従い、ピボット
装着されたプローブにその一部が接続される格子干渉計
を組み込む、表面またはプロファイル測定装置が提供さ
れる。

しかし、そのような装置の直接実現においては、たと
えば、もしUS3726595号に示される装置が、格子／プロ
ーブが旋回アーム上に設けられるように配置されると、
格子の傾斜が、プローブおよびしたがって格子が表面上
を上下するとともに回転してしまうというような問題が
生じる。この回転は回折を完全に妨げるか、または回折
ビームの方向を変位し、いずれにしても装置の効果を失
わせる。

したがって、この発明のこの局面において、配置は光
学系に対する回折格子の傾斜および位置が干渉を維持す
るために十分一定に保たれるようなものである。

したがって、この発明のこの局面は、立上り縁を含む
粗い表面を測定するために機械的に適当であるが、回折
ビームの光路長が一定に保たれ、かつ回折パターンが照
射光の波長およびその干渉長さに極めて低い度合いでし
か依存せず、それによって半導体レーザのような比較的
安価で低電力の光源が使用され得る装置を提供する。

１つの特に好ましい構成において、格子は湾曲表面に
沿って設けられ、回折を与える格子の部分が干渉計の他
の光学コンポーネントに関して一定のアライメントを維
持するように、プローブに対して位置決めされ、接続さ
れる。好ましくは、格子はプローブからピボット接続の
反対側で支持アームへ接続される。これはピボットのプ
ローブ側に支持アームの有効長さを延長し、それはチュ
ーブのような囲まれた体積を測定するのに好都合であり
得る。

しかし、この実施例における格子の湾曲によって、回
折ビームは格子が凸型または凹型のいずれであるかに応
じてそれぞれ分散または収束する。したがって、好まし
くは格子によって導入された分散または収束を光学的に
補正するための手段が設けられる。この手段は好ましく
は単数または複数の補正レンズを含む。半導体レーザの
ような分散光源が使用される場合、補正手段は好ましく
は光源の分散に対しても補正を行なう。代替的に、光源
の分散が格子による収束を補償するために使用されても
よい。

US3726595号の図８−１に与えられた格子干渉計にお
いて、２本の回折ビームは、１対の平行な平面鏡を設
け、各ビームをビームスプリッタの方に再び向け、そこ
で２本の反射ビームを結合させることによって、同じ長
さの経路を横切るように配置される。

この発明のさらなる局面において、干渉計ゲージはプ
リズムを含み、このプリズムはその１対の側面がそれら
の内面で、等しくかつ反対の次数の格子によって回折さ
れた対応する１対のビームを受け、それらを光結合器に
向かう好ましくは等しい長さの経路上に向けて、それら
の間に干渉パターンを生成するように、回折格子に対し
て配置される。好ましくは、光結合器（たとえばビーム
スプリッタ）もプリズムの一部を含み、好ましくはビー
ムスプリッタはその中央内面として設けられる。好まし
くは、プリズムを含むその形状、位置および材料は、全
反射によって反射を行なうように選択される。１つのプ
リズムの一部として光学コンポーネントを設けることに
よって、必要とされる高精度のアライメントおよび校正
動作の数が大幅に減じられ、したがって装置の製造およ
びメンテナンスの費用が低減される。

好ましくは、プリズムは、その反射表面上の入射角が
45゜に近づくように配置され、これによってより単純な
結合器の使用が可能となる。

２つの反射表面は構成を簡略化するために平行にされ
得る。

前述のタリサーフ（TM）干渉計を参照すると、変位は
光検出位置を通るフリンジの数を計数することによって
測定されると述べられていた。この方法は測定を正確に
行なうことができるが、ひいては格子のピッチに関連す
るフリンジのピッチによって制限される。しかし、検出
位置でフリンジ間の光信号位相を測定することによって
より高い精度が得られ、これはフリンジ間の補間と称さ
れる。

US4629886号はスケールまたは回折格子を備えるVLSI
製造段の位置制御に使用される光スケール読取装置を説
明している。この段およびスケールの直線位置は格子干
渉計によって測定され、２つの光検出器は互いに90゜位
相を異にする信号を与えるように設けられる。フリンジ
計数を与えるとともに、この装置は補間器を与え、これ
は２つの信号のいずれが（小さい値の場合、正弦信号が
直線信号に近いという意味で）より直線に近いと考えら
れるかを選択し、その信号をデジタル化し、補間値の測
定値としてそのデジタル信号を使用することによって動
作する。

しかし、この型の補間器の精度は、数学的に複雑な正
規化ステップが位相信号の中の２つについて行なわれな
い限り制限される。さらに、かなりの精度のアナログ−
デジタル変換器が必要とされる。アナログ−デジタル変
換およびその後の計算は補間器の動作速度を制限する。

したがって、その発明の別の局面において、干渉測定
装置などとともに使用するための補間回路が提供され、
それは基準信号を発生するための手段と、基準信号およ
び干渉計から導出された信号の位相間の差異を表わす信
号を発生するための手段と、その差異を低減するように
基準信号を変化させるための手段とを含む。したがって
基準信号は干渉計から導出された信号を位相においてト
ラックし、干渉計から導出された信号の位相より基準信
号の位相の方が出力される。

好ましくは、基準信号を出力するための手段は、制御
信号を出力するための手段と、制御信号に応答して予め
定められた位相の信号を出力するための手段とを含む。
この配置は、制御信号が周波数（または位相変化の速
度）を制御する配置の方が好ましい、なぜならば位相が
一定である時（たとえばプローブが静的である場合）で
も正確であるからである。

回転機械トラッキングの分野において、デジタル推定
位相出力を与えるトラッキング装置を使用することが知
られており、その例としてはアナログ・デバイシズ（An
alog Devices）、ノーウッド（Norwood）、マサチュー
セッツ（Massachussetts）、USAから入手可能なそれぞ
れのデータシートに記述されているアナログ装置1S74お
よび2S81がある。しかし、これらの装置はフリンジ補間
には不適当であり、高いトラッキング速度における周波
数応答が不良である。

前述の好ましい実施例は主に干渉計装置を意図された
が、低周波数またはDCで動作する位相−デジタル変換器
が必要な場合にも使用され得ることが理解されるであろ
う。

好ましくは、制御信号はデジタル信号であり、したが
って制御信号は位相の直接デジタル出力測定を与えるこ
とができる。好ましくは、制御信号を出力するための手
段は簡単なデジタルカウンタであり、これは基準信号と
干渉計から導出された信号との間の位相差が予め定めら
れたレベルより大きくなると増分され、これによって構
成が単純な迅速動作デジタル位相出力回路が与えられ
る。

回路信号は便宜上デジタル関数発生器に接続され、こ
れは単にROMであってもよく、対応するデジタル基準信
号値を発生し、これはデジタル−アナログ変換器によっ
てアナログ信号へ変換される。このような配置では、比
較的正確、かつ迅速に応答するデジタル−アナログ変換
器が、先行技術のアナログ−デジタル変換器の代わりに
使用される。

突然の振動または機械的衝撃がプローブに与えられる
ときに特別な問題が生じ得る。プローブの速度が極めて
高速であると、補間器は干渉計からの信号をたどること
が不可能かもしれない。しかし、フリンジ計数回路は一
般にかなり高速で動作し、したがって偶然の振動によっ
て生じた急速なプローブの動きであってもほぼトラック
することができる。

補間器はフリンジカウンタと位相同期されることが好
ましく、それによって各フリンジカウントは補間位相を
再同期し、補間器とカウンタとが一致する。

前述のタリサーフ（TM）装置において、プローブは表
面と接触するように保たれ、その上を重力によって移動
する。したがって、プローブは測定される表面上に対し
て直接下方向でなければならず、それによって装置を下
から、または側面から本来の位置で表面を測定するよう
に適用させることが制限される。

したがって、この発明の別な局面に従うと、プローブ
と、測定される対象物に対してプローブを押さえるため
の手段とを含む表面またはプロファイル測定装置が提供
される。

先行技術の配置はUS4669300号、GB2085156号およびGB
1429973号から既知であり、そこではプローブがバイア
スされる。

この手段は単に引張または圧縮ばねであり得、それは
表面に対して一方向にプローブを押さえるように配置さ
れる。しかし、そのようなばねによって加えられた力は
プローブの変位に比例する。したがって、この手段はプ
ローブへ実質的に一定の押さえ力を与えることが好まし
い。

代替的に、押さえ力はプローブの振動を止めるような
ものであり、たとえばプローブ速度に関連するものであ
る。

この手段は、所望であれば、プローブを表面から持ち
上げるように配置されてもよい。

この手段は、比較的移動自在のコイルおよび磁極片を
含む電磁石を含み、それによって加えられる力は実質的
に一定であり、かつ／または、コイルに与えられる電流
によって制御可能である。代替の構成において、プロー
ブは、たとえばプローブを反対方向に押さえる１対の押
さえ手段を設けることによって、休止変位位置へバイア
スされてもよい。

この発明の他の局面および好ましい実施例はこれより
後の説明およびクレームから明らかになるであろう。

この発明は、添付の図面を参照して、例証によっての
みこれより示される。

図１は既知の形式の表面測定装置を概略的に示す。

図２は既知の形式の丸み測定装置を概略的に示す。

図３は図１および図２に使用される既知の型の測定装
置をより詳細に示す。

図４は格子干渉計の構成要素を概略的に示す。

図５は図１または図２の装置に使用されるこの発明の
好ましい実施例の配置を概略的に示す。

図６は図５の部分を概略的に示す。

図７は図６の部分の展開図である。

図8Aおよび図8Bは、湾曲した回折格子の効果と、その
補償を行なうレンズとを示す。

図9Aないし図9Cは図６および図７の装置によって生成
された出力信号を示す。

図10は図５ないし図７の実施例に使用される回折格子
を概略的に示す。

図11は図10に示される回折格子の格子表面の部分の断
面図を概略的に示す。

図12は図10の格子の生成を概略的に示す。

図13は図12の方法によって生成された格子を概略的に
示す。

図14は図５ないし図７の装置に使用されるプリズムの
正確にスケーリングされた立面図である。

図15は図６の装置の整列における第１の段を概略的に
示す。

図16は図６の装置の整列における第２の段を示す。

図17はこの発明の好ましい実施例に従った、図６およ
び図７の部分の概略をより詳細に示す。

図18は図17の代替実施例を示す。

図19は図17および図18の補足実施例を示す。

図20は図５ないし図７の第１の代替実施例を概略的に
示す。

図21は図５ないし図７の第２の代替実施例を概略的に
示す。

図22は図５ないし図７の第３の代替実施例を概略的に
示す。

図23は図５ないし図７の第４の代替実施例を概略的に
示す。

図24は図５ないし図７の第５の代替実施例を概略的に
示す。

図25は上述の実施例とともに使用するための第１の信
号処理回路を概略的に示す。

図26は図25の回路とともに使用するための第２の信号
処理出力回路を概略的に示す。

図27は図26の回路の部分を形成するカウンタの構造を
より詳細に示す。

図28は図27の回路の部分の概略をより詳細に示す。

図29A−Ｆは図28の回路のポイントにおける信号を概
略的に示す。

図30は図29の回路の部分をより詳細に示す。

図31は図26の回路の部分を形成する補間回路の一般構
造を概略的に示す。

図32は図31の回路の部分をより詳細に示す。

図33は第１の実施例に従った補間器の構造を概略的に
示す。

図34はこの発明の好ましい実施例に従った補間回路
を、カウンタ回路とともに概略的に示す。

図35A−Ｆは図34の回路のさまざまなポイントにおけ
る信号を概略的に示す。

表面およびプロファイル測定装置 図１を参照すると、表面測定システムは一般に支持台
100を含み、それはベース100aと、その上に横断ユニッ
ト110を装着可能な柱100bとを含む。横断ユニットは柱1
00b上に異なる垂直方向の位置で装着可能であり得る。
テーパされた先端を有するバーを含む下方向に向けられ
たスタイラスまたはプローブ130を備える支持部材また
はアーム120が横断ユニット110から延びている。

対象物140の表面を横切る直線プロファイルを測定す
るために、横断ユニット110は支持アーム120およびプロ
ーブ130を対象物140上で内方向に直線に引くための精密
モーダが設けられる。横断ユニット110は、コンピュー
タ端末またはワークステーション160のような表示また
は処理装置へ適当なフォーマットで信号を送信するため
の出力150が設けられる。

信号は典型的にはプローブ130の高さ（およびしたが
って対象物140の表面の高さ）、およびモータが対象物
に沿ってプローブを動かした距離を表わす信号を含む。

図２を参照すると、たとえば軸の偏心または丸みを測
定するために、横断ユニット110は直線駆動モータを必
要とせす、代わりに回転自在なモータが対象物140を回
転させるために設けられ、対象物の回転位置を表わす出
力170が同様に設けられる。

先行技術の干渉計装置 図３を参照すると、既知の干渉計ゲージの横断ユニッ
ト110は、ヘリウムネオンレーザ111と、測定される表面
に平行に（言い換えれば一般的に水平方向に）設けられ
た軸112と、軸112を係合して、軸112に沿って（減速ギ
アボックスを介して）キャリッジ113を動かすモータを
含むキャリッジユニット113と、軸112に沿ったキャリッ
ジ113の位置を表わす信号を発生するためのキャリッジ
位置センサ（図示せず）と、キャリッジ113と一体的に
比較的軽く密な外枠を形成するピックアップチューブ11
4とを含む。

光導体115aおよび115bは、ビームをレーザ111からピ
ックアップチューブ114へ下方に向ける。スタイラス130
は支持アーム120の端部で装着され、そのアームはピボ
ット軸121によってピックアップチューブ114へピボット
装着される。支持アーム120はピボット121から突出し、
アーム120の他方端でコーナ反射器を含む反射器122を装
着される。コーナ反射器は、図示され、かつさらなる説
明を必要としないマイケルスン干渉計の一方のアームの
端部を規定し、ビームスプリッタおよび４分の１波長板
アセンブリ123は、位相において90゜分間隔をあけられ
た１対の出力信号を与えるように配置される。これらの
信号はそれぞれ光電検出器へ供給され、これらの検出器
はフリンジ計数のための正弦および余弦電気信号をそれ
ぞれ出力する。この種の干渉計に必要なレーザおよび光
学系の体積は図３から明らかであろう。

プローブ130は軸112を横方向に移動するキャリッジ11
3によって対象物140の表面上を引かれるとき、重力によ
って表面上へ押さえられ、表面とともに上下し、反射器
122はそれぞれ対応して上下し、マイケルスン干渉計の
路長を変化させ、それによってフリンジはビームスプリ
ッタアセンブリ123を通り、検出器で信号を変化させ
る。検出信号は表示または出力装置160によって処理さ
れ、測定されているプロファイルの表示、またはそれに
関するデータを与える。

格子干渉計 図４を参照して、既知の型の格子干渉計を位置測定に
適用する簡単な説明がこれより行なわれる。

回折格子200は、先行技術において、回折格子を規定
するピッチｄ分間隔をあけられた表面上に複数の平行な
直線隆起部を有するプレートを含む。格子200は格子平
面の隆起部の線に対して垂直に移動可能である。格子20
0は光源210によって照射される。格子材料に透過性があ
れば、プレートの反対側から格子のある側へ照射が行な
われてもよい。光源210からの光は好ましくはレーザか
らのものであるが、長い干渉長さが不要なので、うまく
規定された周波数を有する他のコリメートされた源が使
用されることも可能である。格子200の線の間の間隔
と、光源210からの光の波長とが同じ次数である場合、
回折が生じ、たとえば670nmの光波長（レーザダイオー
ドによって生成可能）および1/1200mm＝833nmの格子間
隔またはピッチでは、強い＋１および−１の１対の一次
ビームが、格子200に対する垂直線に対して角度＋／−
θで生成され、この例のθはおよそ54゜である。

１対の鏡220aおよび220bは、２本のビームの経路中
に、結合器230が位置決めされる空間内の点でビームを
結合するように位置決めされる。鏡220aおよび220bは平
行である必要はなく、代替構成において、各々、等しい
角度分であるが、他方に対して反対方向にそれぞれのビ
ーム経路へ傾斜されてもよい。さらに、鏡220aおよび22
0bは格子200から等距離に位置づけられる必要はない。
鏡を介し結合器230へ各ビームが進む経路は等しい長さ
であることが好ましく、それによって短い干渉長さの光
源を使用することができる。

結合器230は便宜上２色ビームスプリッタプリズムで
あるが、代替的に半銀付けミラーであり得る。結合器23
0内の反射面235において、ビームのうち１本の少なくと
も一部が反射され、層235を透過する第２のビームの経
路と一致する。結合器からの出力ビームＣは、したがっ
て格子200からの一次回折ビームを両方含む。しかし、
２色結合器230が使用される場合、結合ビームＣの透過
および反射部分は異なる偏光を有するであろう。偏光シ
ートを含む検光子240aは、したがって結合ビームＣの経
路内に設けられ、その偏光軸はビームの反射および結合
部分の偏光間にあり、それによって各々等しい割合を通
過させ、検光子240aの通過後、結合ビームはしたがっ
て、その振幅が格子200からの２本の回折ビームの振幅
の和であるビームを含む。光電検出器または他の光ピッ
クアップまたは検出器がしたがって検光子240aの後ビー
ム内に位置決めされる。

結合器230が２色プリズムである場合、第２の結合ビ
ームＤも生成され得、それは同様に回折次数を両方含む
が、それらは直交偏光であり、２本のビームの偏光間に
偏光を有する偏光子を含む第２の検光子240bが対応して
設けられ、２本の回折ビームの振幅の和に応答して第２
の出力を与える。この第２の出力ビームは第２の信号を
与えるために利用されてもよく、この信号は検光子240a
による出力を固定位相遅れ、たとえば90゜分遅らせ、そ
れは光路長に対応する厚さ、光源210の波長の対応する
一部を有する透過プレート250、たとえば４分の１波長
板を設けることによって行なわれる。

予め定められた横方向の位置において、回折格子200
によって生成された２本の一次ビームは位相が同じであ
り、結合器240aの出力におけるビームはしたがって回折
ビームの内一本の２倍の振幅を有する正弦波であろう。
格子200の有限の長さを無視すると、格子200が１または
格子期間の整数部に等しい距離だけ、横方向にシフトさ
れた場合、格子200は光学的に同じであるように思わ
れ、検光子240aの後の結合ビームの振幅はしたがって等
しく、格子が１格子期間分、間隔をあけられた位置にあ
るとき最大であろう。

他方、格子200が格子期間の整数部ではない距離だけ
横方向に移動された場合、２本の回折ビームの位相は等
しくかつ反対の量だけシフトされる。言い換えると、一
方の次数ビームの位相は前方にシフトされ、他方の位相
は後方にシフトされる。位相シフトの効果は、結合ビー
ムＣの２つの成分が位相シフトの２倍分位相からはずれ
ることであり、これは検光子240aによって出力される結
合ビームの振幅を低減する。一方のビームが前方に90゜
シフトされ、他方が後方に90゜シフトされると、結合ビ
ームの２つの成分は180゜位相を異にし、検光子240a後
の結合ビームの振幅は０に近い（またはいずれにしても
最小である）。格子がそのピッチの1/2動かされると、
各回折ビームの位相は180゜シフトされ、それによって
検光子240aの結合出力中の２つの間の位相差は360゜と
なる、言い換えると、それらは再び同じ位相となる。

要約すると、回折格子200が横方向に動く際、検光子2
40a後のビームの振幅を測定するように位置決めされた
検出器は、格子期間の1/2、間隔をあけられ、かつ暗フ
リンジまたは最小振幅を干渉することによって分離され
た格子位置で最大振幅を測定し、一般にビーム振幅は格
子200の横方向の位置の、正弦曲線の正方向の関数であ
る。

したがって、上述の格子干渉計が、横方向に動かされ
る際、格子によって回折された光のビームの位相変化を
測定することは明らかであり、したがって、一次回折ビ
ームを使用する代わりに、１対のより高次の回折ビーム
が使用され得ることが明らかであろう。同様に、たとえ
ば等しいが反対の次数の１対の回折ビームを使用するこ
とによって以外に回折ビームの位相シフトを導出するこ
とが可能であり、たとえば光源210からの入射ビームが
基準位相源として使用され得る。

しかし、図４に示される型の対称配置を使用する利点
は、２本のビームによって横切られる光路長を実質的に
等しくできることである。干渉を生成するために、２本
のビームによって横切られる路長間の光路差は光源の干
渉長さより低く保たれねばならない。したがって、高い
干渉長さを有する（ヘリウムネオンレーザのような）レ
ーザ源が設けられたと仮定すると異なる光路長を使用す
ることが可能である一方、対称的な、ほぼ等しい光路長
の使用により、半導体レーザダイオードのような低い干
渉光源の使用が可能であり、それは１ミリの何分の１か
しか干渉長さを有し得ない。２本の路長が十分類似して
いる場合、実質的に非干渉の光源をレーザの代わりに使
用ることができる。

たとえば650nmの波長で動作する赤色LED（光放射ダイ
オード）がたとえば使用され得、そこからのビームは1n
m程度の帯域幅を有する狭帯域光フィルタによってフィ
ルタリングされ、それは路長が少なくともこの精度に実
質的に等しいので、上述の実施例が使用されるには十分
な、およそ400umの干渉長さを与える。LEDからのビーム
を平行にするために、ピンホールが同様にこの実施例に
おいて設けられる。完全な非干渉または広帯域源よりむ
しろLEDのような単色源を使用することが好ましい、と
いうのはそれによって干渉パターンにおける青色フリン
ジの出現が回避されるからである。

図４に示されるように相互に位相シフトされた１対の
出力ビームＣ、Ｄが生成される場合、２本のビームの振
幅は格子200の移動方向を示すように処理され得る。

格子200の隆起部のプロファイルは異なる次数の回折
ビームの相対強度に影響を及ぼし、この場合のように強
い一次回折ビームが必要とされる場合では、ほぼ正弦曲
線のプロファイルが好ましい。複数の隆起部として回折
格子を与える代わりに、交互の反射性かつ吸収性ストラ
イプを含む振幅格子を代わりに与えることが可能であ
る。

光源210の波長を変える効果は、sin θ＝ｍλ/dのよ
うな回折ビームの回折角θを変えることであり、ここで
λは波長である。波長が変化される場合、鏡220a、220
b、結合器230、検光子240などは回折角の予期される範
囲を受容するために十分広くされるべきである。

最後に、格子200をその平面に対して垂直に移動させ
る効果は、対応する方向に回折ビームをともにシフトす
ることであろうことが注目され、したがってこれによっ
て結果的に干渉計の１つまたは複数の光学コンポーネン
トを含まないようにビーム経路をシフトすることができ
る。しかし、格子200の角度の回転の効果は、回折ビー
ムの角度が反対方向にシフトされるであろうため、より
顕著である。したがって、ビームは結合器230でただち
に不一致となり、装置の動作不良に至る。図４に示され
る干渉計の動作はしたがって、格子200と、干渉計の他
のコンポーネントとの間の角度的なミスアライメントに
対して、格子200の長手方向の移動、または光源210の波
長のシフトに対するよりも著しく高感度である。

第１の実施例 図５を参照すると、この図は概して図３に対応し、同
一部分が対応して符号付けされており、横断ユニット11
0は横軸112と、モータ（たとえば減速ギアボックスを介
して駆動されるDCモータ）による軸112に沿って移動自
在のキャリッジ113とを含む。プローブまたはスタイラ
ス130は支持部材またはアーム120の一端の近くに設けら
れ、これはピボット軸受121によってキャリッジ113と一
体的にされたピックアップ本体アセンブリ114へ装着さ
れる。下に説明されるように本体114から電気信号を受
ける信号処理回路155、および信号処理回路155からの出
力信号を与える出力ポート155もまた設けられる。キャ
リッジモータのための電源および制御線、ならびに軸11
2上のキャリッジの位置を表わす信号を与える１出力回
路もまた、本体114および信号処理回路155への電源線と
ともに設けられるが、簡略化のため省略される。

図６を参照すると、本体114内には、ほぼ670nmの波長
のレーザダイオードを含む光源310と、ビーム内にコリ
メートレンズとが設けられる。支持アーム120はピボッ
ト軸受121から部分123内を延在し、その端部上には湾曲
面を有する光学エレメントが装着され、その湾曲はピボ
ット軸受121を中心とする円弧の湾曲と同じ形をとる。
湾曲面上には、回折格子が設けられ、これはピボット12
1に対して平行に傾斜を付けられた複数の平行回折形状
を含む。光源310からの光はプリズム317を介して回折格
子300の表面上へまっすく垂直に向けられる。回折格子3
00によって生成された２本の回折一次ビームは後により
詳細に説明されるプリズム317に入り、これは２本の出
力ビームを与え、これらは各々ビームスプリッタプリズ
ムを含むそれぞれの出力検光子340a、340bを通る。一方
のビームスプリッタプリズム340bは４分の１波長板350
の後にある。検光子ビームスプリッタ340a、340bの各々
の２つの面に設けられるのは、それぞれの検出器341a、
342a、341b、342b（図６では図示せず）である。各検出
器はフォトダイオードを含み、これはその上の光の振幅
に応答して対応する電気出力信号を発生する。

光源310と回折格子300との間の経路には、レンズ318
も設けられ、これは後により詳細に説明されるように、
光源310からの平行ビームを収束するように作用し、そ
れによって回折格子300の湾曲によって生成される分散
を低減する。

支持アーム123に接続されてさらに設けられるのは、
付勢力配置400であり、これは線形電磁コイル410を含
み、これは線形磁気接極子または磁極片420を取り囲
み、この磁極片420は支持アーム123へ接続され、それに
よってコイル410へ供給される電流に従いその上に引き
上げ力または押し下げ力を加える。

格子のピッチとピボット121からのその距離とはある
程度関連性があり、それはプローブの動きに対するゲー
ジの動きの割合がアーム部分120および123、または言い
換えると、プローブ130および格子表面301の半径方向の
変位、の割合によって決められるからである。格子のピ
ッチはある程度、利用可能な光源の波長によって、かつ
格子を生成するために使用される方法の制限によって決
められる。

与えられた格子サイズでは、プローブにより移動され
た距離に対する格子により移動された距離（およびした
がって移動によって発生したフリンジの数）は、ピボッ
ト121からのそれぞれの距離の割合である。このため、
比較的長いアーム部分123が望ましい。他方、もしアー
ム123が長過ぎると、ピボット121に関する慣性はゲージ
の応答時間を下げる。図示される実施例において、部分
123（ピボットから格子表面301まで）は支持アーム120
の長さの約1/2であるように選択される。表面測定に
は、支持アーム120の長さは典型的には60nmである。

図７を参照すると、図６に示される装置の動作がこれ
より、より詳細に説明される。レーザダイオード311は
出力レーザビームを与えるように付勢され、このビーム
はコリメートレンズ312によって平行にされる。典型的
にはレーザダイオードおよびコリメータレンズによって
生成されるビームは約2mm幅である。平行ビームは、ビ
ームの偏光方向の調整が可能なように設けられた半波長
厚さの透過性プレート319を通る。光ビームは円筒形レ
ンズ318へ向けられ、これは平行ビームを収束する。円
筒形レンズ318がない図8aを参照すると、凸型に湾曲さ
れた回折格子300によって回折されると、平行ビームは
分散する回折出力ビームを生成する。

円筒形レンズ318を設けることによって、入力ビーム
における対応の収束が与えられ、それによって図8Bに示
されるように回折格子からの回折ビームが平行にされ
る。レンズ318は光源310からのビームの発散または収束
を補正してもよい。

ビームは次にプリズム317の端面に対して垂直に受け
られ、プリズム317の中心対称軸に沿って通過し、回折
格子300の表面に対して垂直に突き当たる。

回折格子を備える表面301がピボット121を軸とする円
筒形表面上に配設されるので、光ビームがその上に突き
当たる表面301の部分（またはより正確には、表面の接
線）は、ピボット121に関するピボットアーム123の配向
に関係なく光ビームに対して常に垂直である。対照し
て、もし格子が平坦面上に設けられると、格子の光ビー
ムに対する角度は、光源310およびプリズム317からの距
離のように、ピボット121に関する回転をともにシフト
するであろう。

１対の一次回折ビームが、照射波長λおよびピッチま
たは格子の線の間の間隔に応じて角度θで生成され、ピ
ッチ1200ライン/mmおよび照射波長670nmの場合、格子に
対する垂直軸に対する回折角θは約54゜である。２本の
回折ビームはプリズム317の裏面に入り、それによって
その反射率に応じた量だけ反射される。反射ビームは各
々プリズムのそれぞれの側面320a、320b上に突き当た
り、その上の入射角がプリズムを形成する材料の総内部
反射角より臨界角が大きいと仮定すると、プリズムの中
心に向かって再反射される。プリズムの中心に対する面
320、320bの傾斜は等しくかつ反対であり、それによっ
て２本のビームは同じ点でプリズムの中心に到達する。

プリズムの長手方向の中央面に沿って配設されるの
は、２色層335であり、これは従来と同じように、第１
の偏光面でその一部を透過し、第２の偏光面でその一部
を反射することによって、入射光ビームに応答するよう
に配置される（ＳおよびＰ偏光）。

したがって、平面層335は各回折ビームの一部を、他
方の透過部分と同時に反射し、結合された出力ビームを
生成する。しかし、各結合ビームでは反射および透過部
分は異なる偏光を呈し、したがってそれらの振幅は加法
的なものではない。各ビームは、ビーム経路に対して垂
直に傾けられた端面を通ってプリズム317を離れる。一
法のビームは検光子340aに入り、第２のビームは検光子
340bに入る前に４分の１波長板350に入る。

各検光子340はさらなるビームスプリットプリズムを
含み、それは各々対角面に沿って切り取られた立方プリ
ズムを含み、これはそれを半分にした間に２色層構造を
含む。各検光子の45゜対角面における２色層の効果は、
ビームスプリッタとして作用し、入射ビームの一方の部
分を透過し、第２の部分を反射することである。各ビー
ムスプリッタ340a、340bの対角面の回転配向は、それに
よって生成された反射および透過ビームの各々が、プリ
ズム317からの出力ビームのＳおよびＰ偏光の等しい割
合、したがって回折格子300からの回折次数の各々の等
しい割合を含むように選択される。ビームスプリッタプ
リズム340a、340bは、したがって、それらが面している
プリズム317の平面に対して45゜回転方向に傾けられ
る。便宜上、ビームスプリッタ340aはプリズム317の一
端面に接着され、４分の１波長板350およびビームスプ
リッタ340bはその順序で他方へ接着される。

光検出器（たとえばフォトダイオード）341a、341bは
各検光子340a、340bからそれぞれ反射されたビームを受
けるように設けられ、さらなる検出器342a、342bがそれ
ぞれのビームスプリッタ340a、340bから透過された出力
を受けるように設けられる。各場合における反射出力は
反射によって180゜位相シフトされる。

図９を参照すると、隣接する格子線間の変位の半分に
対応する格子300の回転変位θに対する各検出器の出力
を示すグラフが示される。理想的には格子変位に対する
各検出器の出力は０と最大値の間の範囲の正弦曲線であ
るが、実際には最大値と０ではない最小値との間で変化
することがわかる（とりわけ、周囲光および有限ビーム
および格子サイズによる）。最小および最大強度は、反
射および透過ビームにおいて等しいか、またはそうであ
るように配置されるが、上述したように、正弦成分は18
0゜位相を異にする。

この実施例では、反射または透過出力信号の１つを直
接使用するよりむしろ、そのような１対の検出器342a、
341aまたは342b、341bを設け、それらの電気出力信号の
一方を他方から減算して図9Cに示される減算信号を与え
ることによって、フリンジ計数の後の信号処理が簡略化
される。その結果（一定の比率で図示せず）は、個々の
検出出力の正弦成分の振幅の２倍の正弦曲線で変化する
信号であり、２つの信号のDC成分が減算によって相殺さ
れるため０を中心とする。

湾曲格子300 図10を参照すると、図示される実施例において、格子
30はガラスブロックを含み、その下面はほぼ長方形であ
り、測定するとたとえば6mm×4mmであり、その上面はブ
ロックの高さ（典型的には5mm）に、装着されるアーム1
23の長さを加えたものに対応する半径の円筒プロファイ
ルに正確に磨かれるか、鋳造される。これは、たとえば
30mmであってもよい。図11を参照すると、その湾曲表面
上に、ブロックは典型的には0.833μｍ（1/1200mm）の
ピッチ分間隔をあけられた隆起部のパターンを含む回折
格子を備える。正弦プロファイルは強い一次回折ビーム
を与えることが好ましい。隆起面はアルミニウムのよう
な反射層で被覆され、反射格子を与える。

図12を参照すると、そのような格子を与える１つの方
法は、光硬化化合物の層でガラスブロックの湾曲表面を
覆いその上に必要な格子のオーダの波長を有する１対の
互いに傾けられたレーザビームを向けることである。こ
のホログラム技術によって正弦曲線の強度分布を有する
うまく規定された干渉パターンが作られ、それによって
感光性層に対応する露光のフリンジパターンが作られ
る。露光が完了すると、表面はエッチングされるか、ま
たは洗浄されて、感光性層の露光された、または露光さ
れない領域のいずれかを除去し、隆起部のパターンを残
す。隆起部を含むパターニングされた表面は次に適当な
工程でアルミニウムを被覆されてもよい。代替的に、隆
起部のパターンはマスクとして使用され得、それによっ
て選択的エッチングを行なう。

図13を参照すると、この技術が使用された場合、作り
出された湾曲格子のピッチは基板の頂点でのみ完全に正
確であり、縁に向かうにつれわずかに増加し、与えられ
た例では、中央のピッチが0.8333μｍの場合、縁のピッ
チは0.8372μｍとなる（約0.5％高い）。ビーム幅が2mm
のオーダであるので、各回折ビームを生じる格子間隔の
変化は１％の数分の１程度であるが、それでも格子の性
能をいくらか劣化する。

格子の縁に向かうに伴なう格子ピッチの増加は回折角
度もわずかにシフトする。しかし、角度はいずれの回折
ビームに関してもシフトされるので、それらは等しい路
長を有し、かつプリズム内で一致し続け、したがってこ
の効果は、光学コンポーネントおよび検出器が有限範囲
を有すると仮定するとわずかなものである。その縁に向
かうに伴なう格子のピッチの増加は、検出器によって検
出されるフリンジの数と、格子がそれによってその縁の
方へわずかに非線形に回転する角度との関係を作る。し
かし、プローブの垂直運動と格子の回転との間の関係は
反対の意味で非線形であり、したがってこの効果はいく
らか緩和される。

残りの非直線性は、うまく測定され、与えられたゲー
ジ寸法に対して特徴付けられるか、またはゲージの校正
を行なうことによって導出される。補正回路を設けて、
後により詳細に説明されるように干渉計から導出される
出力信号を補正することが簡単である、またはゲージが
接続されるコンピュータまたは他の装置160によって補
正が行なわれ得る。

それでもなお、装置の性能が、ピッチ変化がこのレベ
ルより下に低減された（かつ好ましくは除去された）湾
曲格子300を設けることによって高められ得ることが予
期される。

プリズム317 図14を参照すると、プリズム317の構造がより詳細に
説明される。

プリズムは２色層335に関して対称であり、１対の傾
斜側面320a、320bと、２色層に対して垂直の底および上
部面360、361とを含む。図14の紙面中への深さにおい
て、プリズム317は好ましくは格子300に等しいか、また
はそれよりわずかに広い、すなわち少なくとも4mmの深
さである。１対の出口面370a、370bは、中央面335に対
して平行面320aまたは320bの対向するものから全体的に
内部的に反射され、中央面335中の１点を通るビームに
対して垂直であるような角度で配置される。

便宜上、プリズムは図14の中央面355のそれぞれ上下
の２つの構成要素として製造され、中央面335で１つに
組み立てられる。

プリズムの材料は、寸法の安定性および製造を容易に
するために好ましくはガラスであり、たとえば反射率1.
51である。この場合、格子期間ｄ＝0.8333μｍと協働す
ると、それにより回折角θ_ｄ＝ｍλ/dとなり、ここでは
ｍ＝＋／−１、かつλ＝660nm−680nmであり、図14に示
されるプリズムの寸法は次のとおりとなる。

１ ２ λ 660nm 680nm θ_ｄ（゜） 52.37 54.69 x₁（mm） 3.75 3.75 x₂（mm） 4.86 5.29 x₃（mm） 22.50 22.50 x₄（mm） 9.55 9.55 （ｄ＝0.8333μ） 面335における多層２色コーティングは既知の態様で
計算され、堆積され、それによってその上の入射ビーム
が、一般に同じ振幅の異なる偏光を有する反射および透
過成分に分割される表面を与える。

側面320a、320bは等しい角度で内方向に傾けられ、側
面320a、320bからの反射後の回折ビームのビーム分割中
央面335上の入射角は45゜に近くなる。この配置によっ
て、ビーム分割層335内のコーティングは比較的簡単に
なる。

プリズム317の材料の反射率と、プリズム317と格子表
面301との間の距離と、回折ビームの角度とを（これら
はひいては入射光源の波長および回折格子300のピッチ
によって決められる）慎重に選択することによって、プ
リズム317に平行側面320a、320b、および中央層335で入
射角45゜を与えることも可能であろう。入射角45゜のた
めに、Ｐ偏光のビームを透過し、ほぼ等しい大きさのＳ
偏光のビームを反射するように、かつＳ平面の極めて低
い透過およびＰ平面の反射を有するように、中央層335
の適当なコーティングが選択される。これは、２つの異
なる反射率のものを交互に挟まれた層、たとえば厚さ26
4mmのMgF₂の７層によって挟まれた厚さ216nmのMgOを含
む８層、を設けることによって達成される。これらの層
はたとえば蒸着または他の便宜的工程によって堆積さ
れ、比較的同質の透過層を与える。同じ構造のコーティ
ングがビームスプリッタプリズム340a、340b内に使用さ
れてもよい。

機械的装着およびアライメント 実施例において、プローブ本体114は２つの本体部分1
14aおよび114bとして設けられている。第１の部分114a
はレーザ光源およびビームスプリッタプリズム317を含
む。第２の部分114bは、格子300および支持アーム123の
ためのピボット装着部121を含む。プリズム317は第１の
本体部分114a内に固定して装着され、レーザ311、レン
ズアセンブリ312およびに半波長板319は３つの面および
軸回転における限定された運動を行なうよう装着されて
いる。

第１のステップは、レーザからの光ビームをプリズム
317の中央光軸に沿って集めることである。これを達成
するために、第１の本体部分114aはジグに装着され、こ
れは自動反射機能およびx/yの経緯線網を有するアライ
メントテレスコープ1000である。円柱レンズ318は最初
はアセンブリにはない。テレスコープ1000の自動反射設
定を用いて、プリズム317のベース面360がテレスコープ
の軸に対して垂直であるように、本体114はジグ内で整
列される。次に、テレスコープの軸に対して垂直な面
（x/y面）内の、本体114aの位置を調整して、プリズム
面360の中央をテレスコープの軸と整合させる。

テレスコープは次にプリズムの面360上に向けられ
る。レーザ311をスイッチオンし、楕円形のビームスポ
ットを与える。楕円形がy/z面にくるまでレーザを回転
させる。

テレスコープ1000は次にインフでフォーカスされる。
本体114a内のレーザ312の位置は、レーザ312からの光の
スポットがテレスコープ1000の経緯線の中央にくるま
で、ｘおよびｙ方向に調整される。次にレーザ312は、
たとえば接着剤でレーザを固定することによって、本体
114a内に位置をロックされる。

円柱レンズ318はレーザビームのビーム経路内に、本
体114aに導入され、線状焦点が観測されるまでそのｙ方
向の位置が調整される。次に、レンズ318のアライメン
トは、ビームがテレスコープ内のｘ軸の経緯線に沿って
位置するまで調整される。これで円柱レンズ318は正し
く位置付けられ、固定またはほかの態様で位置付けられ
る。

これで第１の本体部分114aは正しく整列される。次の
ステップは、２つの部分114aおよび114bをアセンブルす
ることである。２つの部分114aおよび114bは接続機構に
よって接続され、最初はｘおよびｙ方向においていくら
かの運動を可能にし、さらにｚ軸についての回転も可能
にする。たとえば、２つの部分は互いに弾性的に押付け
られる対向するフランジを有してもよい。第２の本体部
分114bはジグ内に装着され、第１の部分114aは、レーザ
ビームのスポットを観測しながら、ビームが格子300の
中央にくるまで、「ｘ」方向に調整される。

ビームスプリッタ検光子340aの一つは取除かれ、厚紙
上で見るまたは光パワーメータを用いることによって、
ダイクロイック層335から反射されるおよび透過する２
つのビームが観測される。半波長板319は２つのビーム
の強度が等しくなるまで回転させられる。

次に、本体部分114bは、２つのビームがｙ方向におい
て整合して観測されるまで、「ｙ」方向に動かされる。
この時点において、レーザビームは格子300の表面に対
して垂直に当っている。

次に、本体部分114bは「ｚ」軸について回転され、格
子線をビームスプリッタプリズムと整合させる。本体部
分は、一枚の厚紙に表示される２つのビームが重畳する
まで回転させられる。これで２本のビームは干渉し、ス
タイラスまたはプローブ130を変位させると明るいおよ
び暗いフリンジが観測される。明確なフリンジが観測さ
れないのなら、上記で説明したｙ方向およびｚ軸の回転
のアライメント工程を繰り返す。

はっきりしたフリンジが観測されるのなら、検光子ビ
ームスプリッタプリズム340aは再度正しい位置に固定さ
れ、１対の検出器342aおよび342bの出力はオシロスコー
プに接続される。次にプローブ130を変位させ、発生し
たフリンジはオシロスコープで観測され、必要なら半波
長板319を調整してフリンジの振幅を向上させ、次に正
しい位置に固定される。２つの検出器の出力の位相は観
測され、４分の１波長板350は正しい90度の位相差が得
られるまで回転され、４分の１波長板350は正しい位置
に固定される。

次に、２つの本体部分114aおよび114bは典型的には粘
着性のセメントによって剛性的に互いに固定され、これ
でゲージは完全に整合される。

プローブ付勢ユニット400 図17を参照して、本実施例ではプローブ130に与えら
れる付勢または押え力は、先行技術のように重力ではな
く作動手段によって与えられる。作動手段400は線形コ
イル410からなる電気アクチュエータを含み、ピボット1
21の内側に、支持アーム123に対して剛性に接続される
バーを含む磁極片または接極子420を取囲む。

コイル410を付勢して、磁極片420を介して定付勢力を
アーム123に、およびプローブ130に与えることができる
が、必要なら付勢電流はたとえばプローブに対するロー
ドまたは加速に応答して歪ゲージまたは加速度計から引
出された信号に応答して、連続的に与えられる力を変え
るように制御することもできる。

たとえば、比較的大きい力を、（良いコンタクトを与
えるために）測定するべき実質的に剛性な表面に与えら
れるよう、かつ伸縮性または可塑性的に変形可能な表面
を図る場合には、それに対して変形または損傷を避ける
ために、比較的小さい力が与えられるよう、与える力を
手動的に変える手段を設けることが望ましいかもしれな
い。

付勢力を電気的に制御するのは特に便利であるが、た
とえば機械的ばね（引張りばねまたは圧縮ばね）または
ニューマチックアクチュエータを、コイル410および磁
極片420と置換えることができる。

プローブをバイアスするために用いられる方向と反対
方向に電流を与えることによって、プローブを作業表面
から持上げてプローブまたは表面を損傷することなくス
キャンの後プローブを戻すことができる。

さらに、発明の本局面はその適用が干渉計表面測定器
具に限定されず、たとえば、プローブを含む集中ピック
アップ型測定装置に適用することができる。ピボット12
1後の支持アームに作用するよりも、付勢手段400をピボ
ット121の前に設けて支持アーム120に作用することもで
きる。しかし、これはアーム120の有効長さを減じ、管
またはオリフィスのような囲まれた表面をプローブする
装置の有益性を限定する。

図18は代替の配置を示し、１対の反対方向に作動する
アクチュエータ400aおよび400bが、本実施例において、
反対方向に付勢されるコイル410aおよび410bを含み、対
応する磁極片420aおよび420bは支持アーム123の対向す
る端部に接続される。コイル410aおよび410bの付勢が、
２つのアクチュエータ400aおよび400bによって与えられ
る力が平衡である（または好ましくは、アクチュエータ
400aおよび400bによって与えられる上向きおよび下向き
力ならびに重力がバランスしている）ように制御されて
いるのなら、プローブ130は中央の静止または零位置を
占めるよう押えられる。本実施例は、装置の上もしくは
下のどちらかに位置付けられる表面またはそれに垂直な
表面を測定する場合の装置に対して適用を有する。

図19を参照して、さらなる実施例において、スタイラ
スアーム運動の活性減衰を与えるよう配置され、ほかの
利点の中で、これは装置との偶発的衝突のような外部的
影響による振動の重要性を減じる。したがって、コイル
410には、プローブ変位の変化率に比例する成分および
コイル410を介して与えられる力がカーソルの変位に対
抗するような極性を有する電流が与えられる。

たとえば、電流は定電流Imを与える第１の電流源430
と、上記で述べたように、プローブの変位信号の変化率
に比例する電流を与える第２の電流源440とによって与
えられてもよい。

たとえば、プローブ変位Ｚを表わすデジタル出力は、
以下でより詳細に説明される、信号処理回路の出力から
引出され、デジタル−アナログ変換器450によって対応
するアナログ信号に変換され、次にたとえば（反転）入
力にキャパシタを有し、反転入力に対するフィードバッ
ク経路において抵抗器を有する演算増幅器を含むアナロ
グ微分器460によって微分される。

微分器460からの信号は、次に電流源440を含む電流フ
ォロアによって電流信号に変換され、その出力は源430
からの定電流に加えられてコイル410に与えられる。

しかし、デジタル微分器はアナログ微分器と置換でき
ることは認識できる。この場合、デジタル−アナログ変
換器450はその後に位置付けられる。スタイラスの運動
を減衰するためにアクチュエータ410を制御する信号を
与えるほかの方法も等しく明らかであろう。

好ましくは、アクチュエータによって与えられる力を
変動するための制御も設けられる。好ましくは、本実施
例において、アクチュエータによって与えられる力の大
きさだけでなく、各々によって与えられる力間のバラン
スも変動させて、装置がプローブ130の下の表面を測定
するために下向きに、またはプローブ130上の表面を測
定するために上向きに押され得る。本実施例も干渉計測
定装置に対する適用に限定されるものではない。

代替の光学的配置 実施例の上記の記載から、等価の効果でもって光学シ
ステムに対していくつかの変形および代替が行なわれ得
ることは明らかである。いくつかの変形および代替の構
成は以下の図20ないし図24を参照して示されるが、上記
で述べたものに対応する部分は同様の番号が付けられて
いる。図20、図22、図23および図24では、プリズムは図
示のため平行な側部を有するが、入射角度が45度でなけ
ればより複雑なコーティング335を必要とするが、平行
側部の方が設けやすい。

図20を参照して、図６および図７の光学的配置は、図
11を参照して説明された反射回折格子300を透明または
部分的に透明な格子に置換えることによって変形するこ
とができる。光源310はビームを発して格子コンポーネ
ントの本体300を通って、透過格子として働く格子301の
内表面に向けられ、図７を参照して上記で記載した同じ
経路に沿って回折一次ビームをビームスプリッタプリズ
ム317に送る。したがって、ビームスプリッタプリズム3
17の構成は、凹部またはビームトランスレーションプリ
ズム316が不要であるという点において少し簡素化され
る。

鏡500が設けられて、ビームを光源310から回折格子に
向ける。湾曲した回折格子コンポーネント300はレンズ
として働き、入射するビームを収束させるので、図７の
収束レンズ318は分散レンズによって置換えられて、こ
れを補償し、平行回折ビームを与える。代替的に、多く
のダイオードレーザは分散ビームを生じるので、その分
散が回折格子コンポーネント300の収束を補償するよ
う、レーザダイオード311を選択することができる。ま
たは格子300自身の表面がこの目的のために湾曲しても
よい。

図21を参照して、特に好ましい実施例では、配置は本
質的に図６、図７および図14と同じである。

図22を参照して、図20の配置における光源310および
プリズム317などは入換えることができる。ここでも、
格子の湾曲による収束を補償するために、分散レンズ51
8または分散光源310が用いられる。

図23を参照して、光源310および回折格子300間の光路
における円柱レンズ318は、回折ビームの経路における
１対の円柱レンズ318aおよび318bによって、同じ効果で
もって、置換えてもよい。

図24を参照して、光源310から格子300に入射光を向け
るための配置は、ビームトランスレーションプリズム31
6を省き、かつピラミッド317の頂点を、プリズム317の
中央面335の中心に沿って正確に整列される光源310から
の光ビームに対して垂直である平坦な表面と置換えるこ
とによって、簡単にすることができる。これは配列を簡
素化するが、中央面335のビームスプリット特性が入射
ビームに影響しないよう、光源310からの入射ビームを
中央面335と精度よく整合することを必要とする。上記
の配列に加えて、湾曲した回折格子をピボット121の外
側（すなわち支持部材120上）に設けることも可能であ
る。しかし、この配列は支持アーム120の有効長さを減
じ、それゆえ長い支持アーム120が必要である（管のよ
うな）タイプのコンポーネントに対するプローブの適応
性を減じる。多くのほかの変形も明らかである。

信号処理 各検出器341a、341b、342aおよび342bからのアナログ
信号を運ぶアナログ出力ポート150を設けることが可能
であり、または光出力ポート150を設けて検出器が位置
付けられる場所で受取られたビームが光ファイバケーブ
ルによってそこに運ばれる。代替的に、上記で説明した
実施例のレーザおよび干渉計の比較的小さいサイズによ
るコンパクトな構造のおかげで、何らかの電気信号処理
を同じユニット内で行なうことを可能にし、電気的また
は無線周波数干渉の可能性を減らし、装置の多様性を高
める。上記で述べた装置によってもたらされる出力信号
は、従来のマイケルスン干渉計測定装置によってもたら
されるものと本質的に類似しているので、その種の装置
に用いられる信号処理回路は、上記で記載した好ましい
実施例において等しく用いられることができる。同様
に、以下に説明する好ましい信号処理装置は、従来のマ
イケルスン型の干渉計で用いることができる。

しかし、本実施例のある具体的な構成における図25を
参照して、検出器341a、341b、342aおよび342bの出力は
減算され、１対の差動増幅回路によって正弦および余弦
信号を形成し、これら２つの信号は横断ユニット110の
出力ポート150に与えられる。信号処理ユニット155の大
部分はコンピュータ端末160と並べられる。

図26を参照して、発明の本局面における好ましい実施
例において、信号処理回路155は、前に述べた干渉計ゲ
ージ装置の出力で検出される振幅の山また谷の合計数を
表わす係数をとるように配置されるフリンジカウンタ回
路600と、このような山または谷間で、出力信号の位相
位置を表わす出力を発生する補間器700とを含む。カウ
ンタ600からの低い分解能データおよび補間器700からの
高い分解能データは組合わせられて、線形補正回路800
およびスケーリング回路810に与えられ、データ処理の
ために出力される、またはストア手段、もしくは示され
るように表示装置820に出力される。都合のいいことに
は、補正回路800およびスケーリング回路810は両方とも
ストアされたプログラム制御下で動作するコンピュータ
160によって与えられる。

図27を参照して、カウンタ回路600がより詳細に示さ
れる。カウンタ回路600はたとえば16ビットカウンタで
ある、ラッチされた出力を有するデジタルカウンタ610
と、カウンタ610が昇順または降順にカウントするよう
制御する判定回路620とを含む。これは、以下で説明す
るように、プローブの変位はカウントしたフリンジの数
から引き出されるからであるが、一方方向における運動
に応答してカウントされたフリンジの数は、変位測定を
引出すためには、反対方向における運動に応答してカウ
ントされたフリンジの数から減算する必要がある。

これは特に、上記で説明したように、フリンジのカウ
ントが位置の非線形関数である場合に必要である。

したがって、判定回路620はカウンタ610に制御信号を
出力し、ラッチされたカウントが、次にカウントされる
フリンジに応答して増分または減分するべきかを示す。
フリンジを検出すると、能動信号がカウンタ610に与え
られて、カウントが増分または減分される。

判定回路620がカウントを増分または減分するかどう
かを判定するためには、位相で分けられている２つの別
個の入力を受取る。２つの信号が90度の位相で離れてい
ると、必要な信号処理は簡単になる。図9Cを参照して、
プローブ位置ｘに対する信号振幅の変動は一般的に正弦
波であり、θが距離ｘに比例する関係式ｙ＝sin θを
満足させ、および、上記で述べた回折格子干渉計に対し
て、Ｄが格子の周期であるθ＝４ πx/Dの関係式を満
足させる。したがって、上／下判定回路620が受取る２
つの信号y₁およびy₂は、Ａ sin θおよびＡ cos θ
によって与えられる任意の開始位相に相対し、以下でそ
れぞれsin θ信号およびcos θ信号と呼ぶ。

図28を参照して、好ましい実施例における判定回路62
0は、たとえば反転演算増幅回路のような１対の入力増
幅器621aおよび621bを含み、入力信号を後続の回路に対
して適切なレベルにスケールするのに十分な利得Ｋを有
する。

たとえば、上記記載の装置で用いるために、利得は−
2.4であってもよく、増幅器621aおよび621bのピーク間
出力を10vにする。増幅器621aおよび621bは帯域制限フ
ィルタを含んでもよく、0Hzから最大限（たとえば以下
で述べる理由により5MHz）の周波数を通す。

増幅器621aおよび621bの出力は比較器622aおよび622b
（たとえば、それぞれの入力信号が０より下または上で
あるかに依存して論理ハイまたはローの出力を与えるよ
うセットされる反転比較器）に与えられる。一般に、こ
のような比較器はしきい値レベル間に制限された量のヒ
ステリシスを含む。以下でより詳細に説明される態様で
カウンタ回路を補間回路700で動かすのなら、しきい値
レベルが補間回路700によって分解可能である最も低い
レベル内にあるよう制限する必要がある。360/256度の
補間器分解能に対して、しきい値は、ピーク間電圧が10
ボルトである場合、（10/2）.sin（360/256）＝123mVで
ある。

図29を参照して、図29Aはプローブまたは干渉計位置
の２つの入力信号のグラフを示し、図9Cに対応する。対
応して、図29Bはプローブ位置ｘまたは位相角θでの増
幅器61aおよび61bの出力の変動を示す。同様に、図29C
はプローブ距離または位相に対応する、比較器622aおよ
び622bの出力を示し、比較器の出力は入力信号の０交差
点において遷移を示す。

しかし、図29Aないし29Cは時間に対する、回路のこれ
らの段階の信号を示さない。各信号は、プローブが静止
しているまたは動いているかに応じて、静止または変動
する。プローブが、増加するプローブ距離ｘ（たとえ
ば、プローブが上昇する）およびそれゆえ一定速度での
増加する位相θに対応して、第１の方向に動くと、入力
信号、増幅器61aおよび61bの出力、ならびに比較器622a
および622bの出力は図29Aないし29Cに対応する。プロー
ブが静止しているのなら、すべての信号は一定である。
プローブが方向を変えて逆向きに動く（すなわち負のｘ
方向）なら、増幅器および比較器の出力の対応する信号
は、図29Aないし図29Cに示されるものに対して鏡面的逆
バージョンに対応する。

比較器622aおよび622bは、干渉計からの信号のゼロ交
差点を検出するよう配列されている。これはフリンジを
カウントする有利な方法である、なぜなら入力信号振幅
の変動に対してほとんど影響されず、各フリンジがカウ
ントされる、信号における正確に定義される位相点を与
え、カウンタの精度を上げる。さらに、この種のカウン
タが補間回路700で用いられる場合に特別な利点があ
る。なぜならフリンジをカウントするとともに、回路60
0は厳密に定義された位相基準点を与えるからである。

第１の問題は、プローブがどの方向に動いているかを
確定し、その結果、カウントがゼロ交差に応答して増分
または減分するかを定めることである。sin θ入力の
ゼロ交差がθ＝０゜で起こり、かつプローブは正のｘ方
向（すなわち、位相のθは増分する）に動いているのな
ら、ゼロ交差のすぐ後の信号の値は正である。他方で、
ゼロ交差がθ＝πで起こるのなら、ゼロ交差後の信号の
値は負である。逆に、プローブが反対の方向に動いてい
るのなら、θ＝０のゼロ交差のすぐ後の信号の振幅は負
であり、θ＝πのゼロ交差のすぐ後のものは正である。

したがって、所与のゼロ交差がどの位相位置に対応す
るか確定すると、プローブの移動方向は、ゼロ交差のす
ぐ後の信号の振幅を測ることによって決定することがで
きる。ゼロ交差がθ＝０点、またはθ＝π点であるかを
決定するためには、余弦信号の値が調べられる。

したがって、図28の回路は２つのさらなる要素、即ち
所与のゼロ交差が０゜またはπ゜であるかどうかを示す
信号を発生するための位相分解回路623と、プローブの
前進および後進の動きにそれぞれ対応して、所与のゼロ
交差が立上がり遷移または立下がり遷移であるかどうか
を示す方向決定回路624とを含む。

図30を参照して、好ましい実施例におけるゼロ交差位
相判定回路623はｄ型フリップフロップを含む１対のラ
ッチ625aおよび625bを含み、結晶発振器からの10MHzク
ロック信号によってクロック動作されて、クロック信号
が正となる縁において、比較器622aおよび622bからの信
号の状態をラッチする。したがって、ラッチの周波数の
応答は、5MHzに制限され、エイリアシングを防ぐため
に、増幅器621aおよび621b内のフィルタはこの周波数よ
り高いものをカットするよう選択されなければならな
い。

sin θラッチ625aの出力は、１対のANDゲート626aお
よび626bならびに１対のインバータ627aおよび627bを含
む論理ネットワークを介して、ORゲート628に与えられ
る。第１のANDゲート626aの出力はラッチ625aの正常な
出力をトラックし、第２の625bの出力はラッチ625aの反
転出力をトラックする。

cos θラッチ625bの反転出力はORゲート628の第３の
入力に与えられる。したがって、ORゲートへのこの入力
の信号は、図29Cで示される信号Ｂの反転である。この
信号がローである場合、ANDゲート626aおよび626bのス
イッチング時間における差は、両出力がローであるとき
に短い期間を引起こし、それゆえORゲート628のその他
ではハイの出力において、短い期間負となるパルスを与
える。しかし、ラッチ625bの出力がハイであるのなら、
ORゲート628の出力はハイのままである。cos θ信号の
自乗したものを受けるよう接続されるラッチ625bの出力
は、θ＝０に対応するゼロ交差を選択するよう働く。

図29Dに示されるORゲート628の出力はさらなるラッチ
629のCLEAR入力に与えられ、ラッチ629はインバータ630
を介して与えられかつANDゲート631を介してラッチ625b
の非反転出力によってゲートされるクロック信号によっ
て再びハイにセットされる。したがって、ラッチ629の
出力は、ORゲート628の出力の負となるパルスによって
ローとなる（ラッチ625aおよび625bをクロック動作した
正となるクロックパルスの後）、および次の負となるク
ロック信号縁で再度ハイとなる。したがって、ラッチ62
9の出力は、図29Eで示されるように、ゲージからのsin
θ入力信号の各０゜位相ゼロ交差の、0.1マイクロ秒
の持続期間の、負となるパルスである。

カウントを昇順または降順に行なうかどうかを選択す
るための回路624は、信号Ａの状態がθ＝０交差におい
て立上がっているのか立下がっているのかを確定する必
要がある。これはラッチ625aの出力から簡単に引出すこ
とができる。

図29Eに示されるクロック信号および図29Fに示される
昇順／降順カウント制御信号は、カウンタ610を含むデ
ジタルカウンタチップの対応する入力、たとえば１対の
74 AS 867カウンタチップに与えられる。

補間器700 図31を参照して、発明の本局面における補間器700は
干渉計からのsin θ信号を受取る入力710と、入力710
の入力信号の位相θの推定値を表わす信号θを生じるた
めかつその推定値φの関数（ここではＦ（φ）と示され
る）を生じるためのエスティメータ回路720と、推定さ
れた位相φおよび入力信号の実際の位相θ間の誤差の関
数である出力信号δを生じるための誤差発生回路730と
を含み、誤差出力信号はエスティメータ回路720を制御
を制御するためにフィードバックされる。

図32を参照して、エスティメータおよび関数ジェネレ
ータ720を与える１つの好ましい方法は、予測位相φを
表わすカウントをとるデジタルカウンタ721を含み、カ
ウントを変えるための能動化信号（CCK）およびカウン
トが増分または減分されるかどうかを示す方向指示信号
（U/D）が備えられる。したがって、このカウンタの出
力は入力信号の位相θの推定φを表わすデジタルワード
である。さらに、出力φはデジタル関数ジェネレータ回
路に与えられ、φの各値に対して関数Ｆ（φ）の対応す
る値をストアするルックアップテーブルを実現するリー
ドオンリーメモリを含む。ルックアップテーブル722の
データ出力は、デジタル−アナログ変換器723のデジタ
ル入力に結合され、これは関数Ｆ（φ）の値を表わすア
ナログ出力を対応して発生する。

図32に示される回路が、関数Ｆ（φ）＝sin（φ）で
もって、図31で示されるように用いられ、誤差信号ジェ
ネレータ730が単に減算器として働くのなら、出力δ
は： δ＝sin θ − sin φ、または δ＝2cos（（θ＋φ）/2）.sin（（θ＋φ）/2） となる。θはφによって近似化されるので、以下のよう
に簡単になる。

δ＝（cos φ）（θ−φ） 言換えると、誤差信号δは、望ましい誤差測定である
推定位相φおよび実際の位相θ間の差であるだけでな
く、実際の位相φまたはθの関数である。したがって、
カウンタ721を増分するための制御信号としてこの誤差
信号を用いるには、φまたはθの値で変動したテストし
きい値を与える必要がある。

図33を参照して、図31に示される原理の代替の実現
は、入力位相θおよび推定位相φ間の差のみの関数であ
る誤差信号δを引出すために動作する。この目的のた
め、干渉計からのsin θおよびcos θの入力信号の両
方が用いられる。図32のよに、デジタルカウンタ721は
推定位相φの値を表わす数値をラッチし、この数値が回
路700の出力を含む。この数値は、推定位相φの正弦お
よび余弦に対応するデジタルナンバーをそれぞれ示すル
ックアップテーブル（すなわち−１および＋１間の定数
のテーブル）をそれぞれストアする１対のROM722aおよ
び722bのアドレスバスに与えられる。たとえば、カウン
タ721は８ビットカウンタであってもよく、かつROM722a
および722bの各々は、256個の８ビット値を含んでもよ
く、その各々はφの各可能な値に対応する。

ROM722aおよび722bのデータバスはそれぞれ乗算デジ
タル−アナログ変換器740aおよび740bのデジタル入力線
に結合され、各乗算デジタル−アナログ変換器は抵抗ラ
ダーを含み、デジタル入力に従ってスイッチ可能であ
り、対応する抵抗を受取ったアナログ電流に与え、それ
によって乗算DACのデジタル入力に比例する量だけ電流
を減衰する。乗算DAC740aは補間器700のsin θ入力に
結合され、それによってsin θ cos φに比例するア
ナログ出力電流を出す。乗算DAC740bは補間器700のcos
θ入力を受取るように結合され、cos θ sin φに
比例するアナログ出力を発生する。誤差信号発生回路73
0は減算器回路を含み、 sin θ cos φ − cos θ sin φ ＝sin（θ−φ） に比例する出力を発生する。

この信号は比較器回路752に与えられ、誤差信号θ−
φの値が、θカウンタ721内の１つの下位ビットに対応
する予め定められたしきい値を超えた場合に、カウンタ
721を増分または減分する出力を発生し、しきい値は、
前に述べたように、Vpp＝10Vに対してVpp/2.sin（360/2
56）＝123mVで与えられる。カウンタ721は好ましくはカ
ウントし、それゆえ入来信号の位相を分割して、信号の
値： δ＝sin （φ−φ）が θ＝φ にほぼ等しくなるような十分な高い数値にする。

たとえば、カウンタ721が４ビットカウンタなら、各
カウンタの増分は22.5゜の位相シフトに対応し、比較器
725は推定位相φが22.5゜だけ本当の位相から外れた場
合にカウンタ721を増分させる。22.5゜では、sin Ｘは
Ｘに対する満足できる近似値ではなく、カウンタ721は
規則的に間隔があけられる位相間隔と正確に対応しない
点で増分される。他方で、カウンタ721が８ビットカウ
ンタなら、推定位相φおよび信号位相θ間の最大位相遅
れは sin θ＝360/256＝1.4゜で起こる。

０−1.4゜の範囲では、sin（θ−φ）はθ−φに対す
る良い近似値となる。

図34を参照して、ルックアップテーブル722aおよび72
2bには正の数値のみをストアするのが好ましいかもしれ
ない。したがって、ROMにストアされる関数値は代わり
に１＋cos φおよび１−sin φ（値は０および＋２の
間）を表わす。乗算DAC740aおよび740bの出力におけるs
in θおよびcos θの項は、その出力から入力のsin
θおよびcos θ値を減算することによって取除かれ
る。

最下位ビットの半分0.7゜のオフセットをφに加え
て、テーブルが１＋cos（φ＋0.7）１ − sin（φ＋
0.7）をストアして切上げを行なうようにしてもよい。

補間器700は１対の緩衝増幅器741aおよび741bをさら
に含み、−１の利得を有する、たとえば反転演算増幅回
路を含む。増幅器741aおよび741bの出力は、入力sinθ
およびcosθ信号とともに、単一利得反転演算増幅器731
の反転端子で合計され、sin θ cos φ − cos
θ sin φ ＝ sin（θ−φ） ＝θ − φに対応する出力を発生する。

上記で述べたように、ストアされた値がオフセットを
含む場合、出力はθ−φ−OFFSETに対応する。

この誤差信号（推定値が望ましい位相θよりリードし
ているかラグしているかを表わす）の極性は比較器751
によって感知され、その論理出力はカウンタ721の上／
下カウント入力を制御する。

誤差信号は比較器回路725に送られ、これはカウンタ7
21の下位ビットの１つに対応する予め定められたしきい
値を有する第１の比較器725aと、同じしきい値を有する
が単一利得726の反転演算増幅器が前にある第２の比較
器725bとを含む。比較器725aは誤差が正の所定しきい値
を超えた場合に出力信号をもたらし、比較器725bは誤差
信号が対応する負のしきい値を超えた場合に出力信号を
出す。

２つの比較器725aおよび725bの出力が論理回路727に
送られ、OR演算を行なってどちらかの比較器がそのしき
い値が超えたことを示した場合にカウンタ721のカウン
トを変えるための信号ENを出す。10MHzマスタクロック
信号は同期化論理回路760に与えられ、比較器回路725か
らの信号がマスタクロックの正しい位相に対応するよう
タイミングを変える（たとえばラッチおよび遅延す
る）。同期化論理回路760はクロック721のカウントイネ
ーブル入力に接続され、推定位相φを表わすラッチされ
たクロックカウントの対応する増分または減分を引起こ
す。

同期化論理回路760は比較器回路725からの信号をカウ
ンタ721の入力に与える前に、マスタクロック周波数を1
0で割るように配置され、カウンタ721は各マイクロ秒ご
とに１回だけ増分される。これは乗算DAC740aおよび740
b内のスイッチングによって引起こされる誤差信号のに
せの遷移値によるカウンタ721のスイッチングを防ぐた
めである。このような遷移を防ぐための手段がなけれ
ば、カウンタ721のカウント値が変わることによってDAC
740aおよび740bの出力にスイッチング遷移を引起し、こ
れがカウンタのカウント値を再度変えることになる。し
かし、このような遷移に対してシステムの応答を制限す
るほかの手段も可能である（たとえばアナログ回路経路
内の低域フィルタリング）。

図34の回路では、このような遷移がなくなるまで必要
な整定時間は、補間器の速度を制限する１つのファクタ
であることがわかっている。隣接フリンジ間に256の値
のφを与える８ビットカウンタでは、１マイクロ秒の整
定時間は3.9KHz（フリンジ／秒）の最大トラッキングレ
ートを与える。

位相φのデジタル推定値を与えることよって、かつア
ナログ領域においてこれを入力信号と比較するためにデ
ジタル−アナログ変換を用いることによって、入力信号
のアナログ−デジタル変換によって動作する装置と比べ
て、コスト効率がよくかつ比較的高くない補間器を提供
することができる。なぜなら安価なアナログ−デジタル
変換器は速度が遅く、速度の速いアナログ−デジタル変
換器は値段が高いからである。デジタル出力においてマ
イクロプロセッサよりむしろデジタルカウンタを設ける
ことによって、スピードの向上が同様に得られる。

図34および図26を再び参照すると、カウンタ600およ
び補間器700は本質的に独立して動くのがわかる。これ
によって、入力信号の位相θがゼロに近づくと問題が起
こる。補間器700がθ＝０位相点に達すると、その出力
は０およびその最大値（たとえば256）間で変化する。
この動作が、フリンジカウンタ600がゼロ遷移をレジス
タし、それゆえさらなるフリンジをカウントするときと
同期して起こらなければ、補間器700およびフリンジカ
ウンタ600の組合わせられた出力はカウンタ600が行なう
まで１フリンジだけ誤差を有する。回路が独立している
ので、各々がゼロ位相状態をレジスタする点が異なる可
能性は十分ある。

さらに、位相θがゼロを通る場合の、オフセットがテ
ーブルにストアされている図35Aでは、θ−φ−OFFSET
の値は極性を変える前の比較器725aおよび725bをトリガ
するのに十分なレベルに上がらないかもしれない。した
がって、カウンタ721を増分し、０で再度スタートさせ
るのに必要な信号は比較器回路725から出力されない。
カウンタ600および補間器700を同期化させるために、か
つ補間器700をゼロ位相交差に確実に応答させるため
に、カウンタ600内に引出されるクロック信号（CCK）
は、図32に示されるように同期化論理760に与えられ、
図33Cに示されるように反転されて、カウンタ721を増分
／減分するために与えられるさらなるスイッチング信号
を出力する。

代替の実施例 上記で説明したカウンタおよび補間器回路は、多様な
変形が可能である。たとえば、図31のエスティメータ回
路720は誤差信号δによって増分される位相カウンタを
含むよりむしろ、カウント周波数が誤差信号δによって
制御される自走カウンタを含むことができる。しかし、
表面またはプロファイル測定のための干渉計ゲージ装置
では、低いまたはゼロ周波数におけるこのような実施例
の応答は不安定でありかつ不正確であるので、望ましく
ない。

誤差信号sin（θ−φ）は位相誤差θ−φの近い近似
値であるので、より精度を上げるためにこの誤差信号を
デジタル化することができ、補間器の出力にさらなる下
位ビットを与える。代替的に、同じ正確さはカウンタ72
1のビットの数を減らすことによって保つことができ、s
in（θ−φ）がθ−φに対してまだ適切な近似値である
レベルまでフリンジ間の位相をより粗く分割し、その失
われた正確さは差信号をデジタルすることによって回復
することができる。これは補間器の最大トラッキングレ
ートを多少増加させる。

出力 位相角カウンタ721がフリンジ間の位相を２の冪であ
る数字に分割する図34を参照して、位相カウンタ721の
出力は、ワードの下位ビット０−７として、デジタル出
力データバスに接続されてもよく、そのためフリンジカ
ウンタ610のバイナリ出力は上位ビットを含む。

上記で記載の干渉計測定装置のように、プローブなど
が進んだ距離に対して、カウントされたフリンジの数が
絶対的直線関係にない場合、このデジタル出力バスは図
26に示される非線形補正回路800に接続され、これはデ
ジタル出力ワードが結合されるアドレス線に対してリー
ドオンリーメモリだけを含んでもよく、そのデータバス
線に対応する補正されたデジタルワードを出力する。

デジタルマルチプライヤ（たとえばさらなるROMルッ
クアップテーブル）を含むスケーリング回路810が設け
られて、必要なら補正回路800の補正された出力を何ら
かの便利な形の距離の単位に変える。前述の実施例で
は、各フリンジ間隔に対応するプローブ距離は0.833μ
ｍであり、それゆえ各々の1/256位相間隔は3.25nmに対
応して、補正された数値をナノメータに変えるためには
マルチプライヤ810が1/3.25で乗算する。

補正回路800およびスケーリング回路810は明確にする
ために別々に図示されているが、実際には補正およびス
ケーリングの両方を行なう同じルックアップテーブルRO
Mを含んでもよい。スケーリング回路810が与えるファク
タはゲージ寸法およびジオメトリから演算によって知る
ことができ、非線形の補正は、既知の表面またはプロフ
ァイルの測定に応答して、カウンタ600および補間器700
からのデジタル出力ワードを測定することによって、較
正フェーズでに引出される。

以上で説明したように、フリンジカウンタ600および
補間器700を含む信号処理回路150は上記で記載したもの
以外の種類の干渉計機器で用いることができ、上記で説
明した干渉計測定装置はほかの信号処理回路と用いられ
ることは明らかである。

さらに、上記で述べたようにゼロ交差検出フリンジカ
ウンタ回路を前述の補間器回路に関連して用いることは
特に有利であり、それによって正確な位相参照を設ける
ことができるが、フリンジ回路および補間器回路の各々
は別々に用いることができる。

さらに、プローブまたはスタイラスを測定するべき物
体に接触させるために押える付勢力手段400は上記で述
べたもの以外の種類の測定機器に適用可能であり、たと
えば集中的に感知される測定装置に適用可能である。し
かし、一緒に用いられると、上記で説明した信号処理出
力回路を備える測定装置は、その縦柱に過度のロードを
与えることなく単一の横断ユニット110に装着すること
ができ、ヘリウムネオンレーザのために今まで用いられ
たものより安全である低電圧源を用い、デジタル出力、
たとえば1.8×10⁶:1ほどの動的分解能を与えることがで
きる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−232502（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 G01B 11/00 - 11/30 G01B 9/02

Claims (48)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】位置および／または表面および／またはき
   めを測定するための装置であって、 表面に接触し、かつ表面に沿って動くためのプローブ
   と、 前記プローブを運ぶためのプローブ支持とを含み、前記
   支持は、前記プローブが前記表面の面の中または外に旋
   回的に動くことができるようにピボットを含み、さらに その変位測定を与えるために、支持またはプローブと動
   くよう接続された部分を含む格子干渉計を含み、前記部
   分の運動が格子と光源からの光のビームとの間に相対的
   運動を引起こして光のビームの格子を渡って動かすよう
   に、回折格子および干渉光源が配列され、ビームからの
   光は格子によって回折され、センサ出力が前記部分の運
   動で変わるよう、前記回折光はセンサで光学干渉を形成
   するよう用いられ、 前記干渉が旋回運動の間維持されるよう干渉計が配列お
   よび配置される、装置。
2. 【請求項２】干渉計の格子はプローブ支持に接続され
   る、請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】干渉計の格子は、そこに照射されるビーム
   に対して実質的に一定の位置および傾斜を与えるよう湾
   曲される、請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】格子は、ピボットよりもプローブから離れ
   て、プローブ支持に接続される、請求項３に記載の装
   置。
5. 【請求項５】格子湾曲の光学的影響を光学的に補正する
   ためのフォーカス手段が設けられている、請求項３に記
   載の装置。
6. 【請求項６】格子はビーム源からのビームによって照射
   され、格子はビームに関して凸状である、請求項５に記
   載の装置。
7. 【請求項７】フォーカス手段はビーム源および格子間に
   収束レンズを含む、請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】格子は、そこからのビームを集束するよう
   にビーム源からのビームによって照射され、格子はビー
   ムに関して凹状であり、格子によって発生する回折ビー
   ムの各々が実質的に平行であるようなビーム源の分散お
   よび湾曲した格子による集束を含む、請求項３に記載の
   装置。
9. 【請求項９】湾曲した表面上に配置される格子を含み、
   複数個の回折次数ビームを発生するよう配列され、その
   間に干渉を発生するための手段を含む、格子干渉計装
   置。
10. 【請求項１０】干渉計は、等しくかつ反対の次数の、１
    対の回折ビームを結合手段に向けて、その間に干渉を発
    生するための手段を含む、請求項９に記載の装置。
11. 【請求項１１】２つのビームが結合手段に進んだ光路長
    さは実質的に等しい、請求項10に記載の装置。
12. 【請求項１２】向けるための手段は２つの反射表面を含
    む、請求項10に記載の装置。
13. 【請求項１３】２つの表面は単一プリズムの外部表面を
    含む、請求項12に記載の装置。
14. 【請求項１４】回折格子を含み、等しくかつ反対の次数
    の１対の回折ビームが格子から指向されかつその表面か
    ら結合手段に反射されるプリズムを含む、干渉計装置。
15. 【請求項１５】格子から結合手段への光路長は実質的に
    等しい、請求項14に記載の装置。
16. 【請求項１６】表面からの反射が全反射であるようなプ
    リズムのジオメトリおよび屈折率を含む、請求項14に記
    載の装置。
17. 【請求項１７】反射表面は平行である。請求項14に記載
    の装置。
18. 【請求項１８】入射および反射の角度が45゜であるよう
    なプリズムのジオメトリおよび屈折率を含む、請求項14
    に記載の装置。
19. 【請求項１９】結合手段は前記プリズムの準反射内表面
    を含む、請求項14に記載の装置。
20. 【請求項２０】前記準反射表面はダイクロイック層を含
    む、請求項19に記載の装置。
21. 【請求項２１】そこに当るビーム入射角は約45゜であ
    る、請求項20に記載の装置。
22. 【請求項２２】半導体レーザダイオード照明源をさらに
    含む、先行のいずれかの請求項に記載の装置。
23. 【請求項２３】狭帯域フィルタによってフィルタされる
    一般的に単色の発光素子を含む照明源をさらに含む、請
    求項１ないし21のいずれか１つに記載の装置。
24. 【請求項２４】表面に接触するためのプローブ手段と、
    その変位を測定するために、プローブ手段に接続される
    測定手段とを含み、さらに予め定められた方向にプロー
    ブ手段をバイアスするためのバイアス手段をさらに含
    む、請求項１に記載の装置。
25. 【請求項２５】予め定められた方向は表面に向かう方向
    である、請求項24に記載の装置。
26. 【請求項２６】予め定められた方向は予め定められた位
    置に向かう方向である、請求項25に記載の装置。
27. 【請求項２７】位置、表面またはきめを測定するための
    装置であって、表面に接触するためのプローブ手段と、
    プローブ位置を測定するための測定手段とを含み、その
    振動を減衰するようにプローブに対して力を加えるよう
    配置されるバイアス手段をさらに含む、装置。
28. 【請求項２８】力はプローブ手段の速度に関連する、請
    求項27に記載の装置。
29. 【請求項２９】バイアス手段は電磁アクチュエータを含
    む、請求項27に記載の装置。
30. 【請求項３０】アクチュエータはコア片を囲むコイルを
    含む、請求項29に記載の装置。
31. 【請求項３１】バイアス手段は１対の反対方向に作動す
    るバイアス手段を含む、請求項26に記載の装置。
32. 【請求項３２】干渉をもらすために１対の回折ビームを
    結合するための手段をさらに含み、回折ビームは異なる
    偏光を有し、その手段は反射された出力および透過され
    た出力を発生するよう配列されるビームスプリッタを含
    み、さらに前記出力間の差に応答する信号を発生するた
    めの手段を含む、請求項１に記載の装置。
33. 【請求項３３】前記差手段は、それぞれの電気信号を発
    生するための１対の光電トランスデューサと、前記電気
    信号を受取りかつその間の差に比例する電気出力信号を
    発生するための手段とを含む、請求項32に記載の装置。
34. 【請求項３４】干渉計の出力から引出される信号を処理
    するための装置であって、前記信号の干渉フリンジ間の
    角位置に関連する出力信号を発生し、前記角位置に関連
    する推定信号を発生するための手段と、前記推定信号に
    依存して前記出力信号を発生するための手段と、前記推
    定信号からその関数を発生するための手段と、前記発生
    関数信号および入力信号に依存してその間の差を減らす
    ために、前記推定信号発生器を制御するための手段とを
    含む、装置。
35. 【請求項３５】前記推定信号はデジタル信号であり、前
    記関数発生手段はデジタル−アナログ変換手段を含む、
    請求項34に記載の装置。
36. 【請求項３６】前記推定信号はデジタル信号であり、制
    御手段は、前記差信号が予め定められたしきい値を超え
    た場合に、前記デジタル信号の値を１カウントだけ変え
    て、前記差信号を減じるための手段を含む、請求項34に
    記載の装置。
37. 【請求項３７】前記予め定められたしきい値は一定であ
    り、前記差信号は、少なくとも近似的に、前記角位置に
    線形的に関連する、請求項36に記載の装置。
38. 【請求項３８】差信号は、推定信号および入力信号の間
    の差の正弦に近似する、請求項37に記載の装置。
39. 【請求項３９】制御手段は入力信号の変動がない場合に
    推定信号を変えないよう配置され、装置の周波数範囲を
    DC動作に拡張する、請求項34に記載の装置。
40. 【請求項４０】異なる位相の１対の入力信号を受取るよ
    う配列される、請求項34に記載の装置。
41. 【請求項４１】前記１対の信号は、90゜の位相によって
    異なる正弦信号および余弦信号を含む、請求項40に記載
    の装置。
42. 【請求項４２】推定される正弦および余弦の信号を発生
    するための手段と、前記推定正弦および余弦信号の積お
    よび前記入力余弦および正弦信号の積のそれぞれに対応
    する積信号を発生するための手段と、その差から、前記
    入力信号および前記推定信号間の角位置差を表わす信号
    を発生し、前記推定信号発生手段を制御するための手段
    とを含む、請求項41に記載の装置。
43. 【請求項４３】前記推定信号発生手段はデジタル信号発
    生手段を含み、前記乗算手段は乗算デジタル−アナログ
    変換器を含む、請求項42に記載の装置。
44. 【請求項４４】干渉フリンジまたは前記入力信号もしく
    は信号に検出される極大をカウントするための手段をさ
    らに含む、請求項34に記載の装置。
45. 【請求項４５】前記カウンタから前記推定信号発生器を
    同期化するための手段をさらに含む、請求項44に記載の
    装置。
46. 【請求項４６】光干渉計などの出力を受取るためのフリ
    ンジカウンティング装置であって、そこからのゼロ平均
    出力信号を受取るための手段と、そのゼロ交差を検出す
    るための手段とを含む、装置。
47. 【請求項４７】第１のものに対して異なる位相の第２の
    入力信号を受取るための手段と、前記第１および第２の
    信号から前記ゼロ交差の位相を決定するための手段と、
    前記第１および第２の信号から前記ゼロ交差の位相を決
    定するための手段と、前記交差の方向を決定するための
    手段と、前記方向および前記位相に依存して、フリンジ
    カウントを増分または減分するための手段とをさらに含
    む、請求項46に記載の装置。
48. 【請求項４８】上記に記載の特徴のいずれかの組合わせ
    を含む装置。