JP4286002B2 - 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

Description

（発明の背景）
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ため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ように作用する）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光（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フリンジ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、本発明の主要な目的は、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く拡がったソースを説明することであり、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。

本発明の別の目的は、干渉の位相を変調する簡便な方法を提供して、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ことである。

本発明のさらに別の目的は、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を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、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を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、等しくない経路長の干渉計（例えば、Ｆｉｚｅａｕ、Ｍｉｒａｕ、およびＴｗｙｍａｎ−Ｇｒｅｅｎ型等）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を提供することである。

本発明の他の目的は部分的に明白であり、以下の説明を図面と共に読む場合、以後明らかになる。

（発明の要旨）
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、点源は、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。

さらに別の実施形態では、ソースリングの半径（直接的または仮想的に生み出された）が、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一方で、検出器は干渉図形をセンシングする。リング半径が変化する場合、予想可能な方法で干渉図形の位相が変化するために、位相シフトまたは位相ステッピング干渉計用途によって必要とされた態様で干渉計の位相を変調する能力を提供する。

本発明の局面では、点源は、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源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フリンジを洗い流す。

本発明の他の目的および利点と共に、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。

（発明の詳細な説明）
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、測定され、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源として考えられ得る。各点源のそれぞれから、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、点源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、λが一定に保たれる場合、
ΔＬ＝Ｌｔａｎ（α）・Δα （５）
によって満たされ、
あるいは、Ｌが一定に保たれる場合、
Δλ＝λｔａｎ（α）・Δα （６）
によって満たされる。

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源の横方向の距離である。点源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、点源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の上部にある場合、点源Ｓに対する場所は、光軸の下にあり、図５の下部にある場合、点源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、空洞における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「同じ干渉フリンジ」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。点源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を向けるための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同一の経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、回転する点源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、ホログラフィックディフューザエレメント、バルク光学アキシコンまたはその回折等価物と共に点源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、点源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。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、回転する点源、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、点源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、回転可能なビームスプリッタ１１２上に結像され、その後、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板１０２に結像される。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を選択的に回転させる原因となる。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源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７Ｂ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８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８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。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、厳密な点源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ディフューザ（例えば、ＭＥＭＳ Ｏｐｔｉｃａｌ，Ｉｎｃ．， Ｈｕｎｔｓｖｉｌｌｅ，ＡＬ，ＵＳから市販で入手可能である）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ディフューザが軸方向にシフトされる場合、リングの直径が変更される。以下により詳細に説明されたようにこのような運動は、ホログラフィックディフューザ５０６上の垂直に延びている両頭矢印５０９によって図１０に示されている。

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。さらに別の解決策は、所望の出力ジオメトリを規定するために必要とされた入力のこれらの部分のみを選択的に伝達するソースと組み合わせて空間変調器（液晶ディスプレイ等）を使用することである。さらに、入力ソースによって適切に励起された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を発生させるために使用され得る。

このようなファイバ構成に対して、図９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。

図１０は、本発明の照明構成を利用する別の例示的な干渉計装置を示す。ここで、干渉計系５００は、対物ソースレンズ５０４を介してホログラフィックディフューザ５０６上に収束されたレーザソース５０２を含む。レーザソース５０２から入力を受け取り、それをリング形状に変換するように構成されるホログラフィックディフューザ５０６は、軸に沿って移動され、リングの直径を変更し得る。その後、リングは、回転可能なディフューザディスク５０８に収束し、回転可能なディフューザディスク５０８は、リング上の種々の点の間の相互コヒーレンスをランダム化するように構成される。モータ５１２は、本目的のためにディスク５０８を回転させる。

照明のリングがディフューザ面５１０を出た後、リングは拡散し、ビームスプリッタ５１４の対角反射面に衝突し、その後、リングがコリメートレンズ５１６に到達するまで発散し続ける。コリメートレンズ５１４を出る際に、ビームは、ここでは平面の形状であり、基準板５１８を通過し、次いで測定される物体面５２２を有する物体５２０に進む。これは、知られているＦｉｚｅａｕ干渉計として認識される。

基準板５１８および物体面５２２からの戻りビームは、干渉波面として結合され、コリメートレンズ５１６を介して、ビームスプリッタ５１４を介して、および開口５２４を介して収束される。その後、結合された波面は、結像対物レンズ５１６によってコリメートされ、別のディフューザディスク５２８を通過し、モータ５３２を介してさらに回転され、次いで、生じた波面パターンの強度をマッピングするための内部検出器を有するズームカメラ５３０によって結像される。カメラ５３０の出力は、例えば位相シフトアルゴリズム等を用いて強度パターンを低減するためのアルゴリズムを含む適切なソフトウエアが具備されたコンピュータ５３４を用いて処理される。

ステッパーモータ５０７等は、レンズ５０４から現われる収束放射の経路からホログラフィックディフューザ５０６を選択的に移動させるために使用されて、ディフューザ５０８の背面上の点源を形成する。この態様では、干渉計５００は、このような板が基準平面５１８と別の基準平面との間に配置される場合、高い横方向解像度を有する板の均一性の測定のための使用に対して変換され得る。この板は、物体５２０の代わりに使用され、必要に応じて適切に配置される。ホログラフィックディフューザ５０６が入来ソース経路から取り出される場合、平面波が基準平面５１８から出射する。このような平面波を用いて、板が導入され、基準５１８と物体５２０と置換される基準との間の介在間隔から除去され、比較測定がテスト中に板を含む物質の均一性への評価に対してなされ得る。

干渉計５００のジオメトリが物体および基準面上に衝突する入来波面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を処理するために容易に変更され得、ディスクは、ホログラフィックディフューザ５０６が経路外に全て除去する場合、点源の代わりに使用され得ることに留意すること。

回転ディフューザの機能が、必要とされた場合に適切に配置された単一の回転しているディフューザに有利に結合されてもよいし、ソースに最も近い回転ディフューザは、ソースが固体のリングではない場合に除去されることが当業者に明らかである。さらに、回転ディフューザが静止リングソースのみと共に使用される必要があることが明らかである。なぜなら、光学的または機械的に回転するソースは、ランダム化された相互コヒーレンスを自動的に処理するためである。

点源に加えて、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１１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、必ずしも点源が光軸上に存在する必要がない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°未満であるように厚さが形成されるべきであり、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。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に基づき、図１０に図解的に示されている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、以下のようになる。
ｔ＝λｆ^２／Ｌｄ
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。

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、必要に応じたビーム偏向に影響を与えるために、回転ウエッジ、インライン音響光学および電子光学変調器の代わりに、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８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９は、ファイバの出力モーダルパターンが、直径が変更され得る（例えば、励起ソースの入射角を変更することによって）円形リングの形態で存在す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系の実施形態の概略的透視図である。 図１０は、薄いリングソースの直径が光軸に沿ったホログラフィックディフューザを選択的に移動することによって変更され得るか、または適切に間隔が開けられた平面間に配置された板の均一性をテストするためのソースを提供するために光路から全体で除去され得る薄いリングソースを提供するために使用される以下のホログラフィックディフューザにレーザベースの点源によって提供される本発明の干渉計系の概略的正面図である。 図１１は、副図１１ａ〜１１ｈを含み、点またはディスクソースと共に代替的に使用され得る、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。

Claims (13)

1. 光軸に沿って測定されるべき物体を位置付けるための手段と、
   干渉計を形成し、該物体に関する位相情報が符号化される干渉波面の発生を容易にするために、物体と少なくとも部分的に共動するように適応された光学配置と、
   該光軸から離れている少なくとも２つの異なる場所から測定されるべき該物体に放射を向けることによって、該場所の各々に対応する干渉波面を発生させるための手段であって、各波面は、該干渉計からの該物体に関する実質的に同一の位相情報を含む、手段と、
   を含み、
   該放射を向けるための手段は、放射ソースと、該放射ソースからの放射を受け取り、少なくとも１つの照明の薄いリングを形成するための少なくとも１つの光学素子とを含み、該照明の薄いリングの全ての点は、該２つの場所が該照明の薄いリングによって含まれるように該光軸から離れており、該放射ソースは、該照明の薄いリングを形成するように、光源およびフォーカスされた該光源によって照明されたホログラフィックディフューザエレメントを含む、光軸を有する干渉計装置。
2. 前記ホログラフィックディフューザエレメントは、前記照明の薄いリングの半径を選択的に変化させるように、前記光軸に沿った移動のために取り付けられる、請求項１に記載の干渉計装置。
3. 前記ホログラフィックディフューザエレメントは、前記照明の薄いリングが形成される第１の位置と、前記ホログラフィックディフューザエレメントが前記光源によって供給された照明の経路からずれる第２の位置との間で前記光軸に対する横方向への移動のために取り付けられる、請求項１に記載の干渉計装置。
4. 光軸に沿って測定されるべき物体を位置付けるための手段と、
   干渉計を形成し、該物体に関する位相情報が符号化される干渉波面の発生を容易にするために、物体と少なくとも部分的に共動するように適応された光学配置と、
   該光軸から離れている少なくとも２つの異なる場所から測定されるべき該物体に放射を向けることによって、該場所の各々に対応する干渉波面を発生させるための手段であって、各波面は、該干渉計からの該物体に関する実質的に同一の位相情報を含む、手段と、
   を含み、
   該放射を向けるための手段は、点源および該点源から出射する放射が該２つの異なる場所から出ているように見えるように、所定の速度で該光軸の周りに該点源を光学的に回転させるための配置を含み、該配置は、一対の直列に配置された音響光学変調器を含む、光軸を有する干渉計装置。
5. 光軸に沿って測定されるべき物体を位置付けるための手段と、
   干渉計を形成し、該物体に関する位相情報が符号化される干渉波面の発生を容易にするために、物体と少なくとも部分的に共動するように適応された光学配置と、
   該光軸から離れている少なくとも２つの異なる場所から測定されるべき該物体に放射を向けることによって、該場所の各々に対応する干渉波面を発生させるための手段であって、各波面は、該干渉計からの該物体に関する実質的に同一の位相情報を含む、手段と、
   を含み、
   該放射を向けるための手段は、点源および該点源から出射する放射が該２つの異なる場所から出ているように見えるように、所定の速度で該光軸の周りに該点源を光学的に回転させるための配置を含み、該配置は、一対の直列に配置された電子光学変調器を含む、光軸を有する干渉計装置。
6. 光軸に沿って測定されるべき物体を位置付けるための手段と、
   干渉計を形成し、該物体に関する位相情報が符号化される干渉波面の発生を容易にするために、物体と少なくとも部分的に共動するように適応された光学配置と、
   該光軸から離れている少なくとも２つの異なる場所から放射を測定されるべき該物体に向けることによって、該場所の各々に対応する干渉波面を発生させるための手段であって、各波面は、該干渉計からの該物体に関する実質的に同一の位相情報を含む、手段と、
   を含み、
   該放射を向けるための手段は、点源、ならびに該点源からの放射を受け取る入力端および該点源から出射する放射が該２つの異なる場所から出ているように見えるように配置された出力端を有するファイバ面板を含む、光軸を有する干渉計装置。
7. 前記ファイバ面板の前記出力端が、該出力端からの出力が少なくとも１つのリングの形態であるように配置される、請求項６に記載の干渉計装置。
8. 少なくとも１つのソースから放射を発生させるステップと、
   光軸から離れている少なくとも２つの異なる場所から解析される物体に該少なくとも１つのソースからの放射を向けるステップと
   を包含し、
   該放射を向けるステップは、少なくとも１つの照明の薄いリングを形成するステップを含み、該照明の薄いリングの全ての点は、該少なくとも２つの場所が該照明の薄いリングに含まれるように該光軸から離れており、該照明の薄いリングは、ホログラフィックディフューザエレメント上に光を向けることによって形成される、光軸を有する干渉計と共に使用するための照明方法。
9. 前記照明の薄いリングの半径を選択的に変化させるように、前記ホログラフィックディフューザエレメントを前記光軸に沿って移動させるステップをさらに含む、請求項８に記載の照明方法。
10. 前記照明の薄いリングが形成される第１の位置と、前記ホログラフィックディフューザエレメントが前記向けられた光によって供給された照明の経路からずれる第２の位置との間で前記光軸に対して横方向に前記ホログラフィックディフューザエレメントを移動させるステップをさらに含む、請求項８に記載の照明方法。
11. 光軸に沿って測定されるべき物体を位置付けるステップと、
    干渉計を形成し、該物体に関する位相情報が符号化される干渉波面の発生を容易にするために、物体と少なくとも部分的に共動するように適応された光学配置を提供するステップと、
    該光軸から離れている少なくとも２つの異なる場所から測定されるべき該物体に放射を向けることによって、該場所の各々に対応する干渉波面を発生させるステップであって、各波面は、該干渉計からの該物体に関する実質的に同一の位相情報を含む、ステップと
    を包含し、
    該放射を向けるステップは、少なくとも１つの照明の薄いリングを形成するステップを含み、該照明の薄いリングの全ての点は、該２つの場所が該照明の薄いリングに含まれるように該光軸から離れており、該照明の薄いリングは、ホログラフィックディフューザエレメント上に光を向けることによって形成される、光軸を有する干渉計と共に使用するための照明方法。
12. 前記照明の薄いリングの半径を選択的に変化させるように、前記ホログラフィックディフューザエレメントを前記光軸に沿って移動させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の照明方法。
13. 前記照明の薄いリングが形成される第１の位置と、前記ホログラフィックディフューザエレメントが前記向けられた光によって供給された照明の経路からずれる第２の位置との間で前記光軸に対して横方向に前記ホログラフィックディフューザエレメントを移動させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の照明方法。

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