JPH05502732A - 絶対的なモアレ距離を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 絶対的なモアレ距離を測定するための方法及び装置するための方法及び装置に関 する。

特許第２，８６７．１４９号明細書は、測定すべきすなわち検査すべき表面に角 度をなして設けられ、細い線すなわち平行な線から成る格子を用いた第１の技術 を記載している。平行な光線が上記格子に投射され、鋭角をなして表面に当たる 。

表面のすぐ上方から見た時に、格子の要素の影は、平坦な表面に対しては直線的 であり、また表面の高さに何等かの偏差がある場合には非直線的である。そのよ うな技術は、表面に生ずる明るい領域及び暗い領域の模様の故に、「ゼブラ（縞 模様）」テストと呼ぶことができる。そのような技術は、格子の各線の周ｊＪ］ （間隔）に応じて、所定の最小寸法の表面特性を見ることを可能とする。

第２の技術は周知のロンキーテストであり、このテストにおいては、光源からの 光線を格子を通してテストされる湾曲した拡散反射面（例えばＩＩ）に投射する 。

格子は、交互に設けられた平行な不透明な領域及び不透明ではない領域を備え、 それ自身の上に投影される。観察者は、テストされている光学的な湾曲面を格子 を介して像観察する。従って通常のロンキーテストにおいては、実際に１つの格 子が設けられ、光源と駁察手段又は観察者を構成する人の目の両方は接近して隔 置され、単一の格子を介して観察する。この点に関しては例えば、ハリソン（Ｒ ，Ｗ、　Ｈａｒｒｉｓｏｎ）によってＩＢＭ技術開示報（ＩＢＭ　Ｔｅｃｈｎｉ ｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）の１９７０年３月号第１２ ＠Ｎｏ、１２の１６４３頁に記載されている、平坦な表面を測定するための修正 されたロンキーデスト装置を参照されたい。このハリソンの装置においては、古 典的なロンキーテストで用いられる湾曲した表面の欠点を補うために、２つのｌ メンズを必要とする。

米国特許第４．８１０．８９５号明細書は、モアレの光線反射マッピング（写像 ）を用いて、対象物の表面を光Ｔ的に検査する第３の技術を開示｛，ている。こ のモアレの光線反射マノビング装置を用いた場合には、測定すべき対申物の表面 から反躬された光線は゛［ス行化され、接近ｊ−、て隔置された第１及び第２の 格子を通過する。，一れら格子はｑいに関して予め選定し，たｆ０度の向きで設 けられてｉｉり、検査表面の性質の指標をｌｊえるモアレ縞パターンを生ずる。

モアレ技術においては、検知器（観察者又はノ１メｊ）ｉ；Ｉ　一般に、第２の 格子のすぐ背後又は第２の格子Ｉ：の第１の格ｆの像に設けられる。他のモアＬ ノ格子横造（二関ｊ７では、例えば、米国特ｒ１・第：３．１６６、６２４号及 び米国特許第３．　５７　２．　！−１　：２４号並びに米国特許第３．６０４ ．ｓ＋：ｔｑを参Ｉｌｒ｛サレタイ。

モアレ技術はまた、表面の距ａｔなわち変位を検知するためにも用いられる。

そのようｔ，未モア”１ノ距＃測定技術は、表面の輪郭を測定するために、又は ある対象物の表面を他のス・１象物の表面に対（７て相対的に位２決めするため に用いることができる。例えば、米国特：Ｆ第４、７３：３．６０’．）号明細 書は、市反射而の小さｌＪ変位を高い精匣でｎ接触的に測定するのに有用なモア レ距Ｍ測定方法及び装置を開示している。この開示された技術は、平行化された 光線を第１の格子を介して正反発１面に投射することを含む。表面により反射さ れた光線は、第１の格子に関して角度θだけ回転された第２の格子により変調さ れ、距離を決定するために用いることのできるモアレパターンを形成する。表面 の変位がモアレパターンをシフ１・させ、モアレパターンにおけるこのシフトを 検知して表面により移動された距離を測定するために用いる。

一般的に、モアレ距離測定技術は通常、視野格子の背後のモアレパターンにおけ る測定強度が周期的な変化を遂げた回数をカウントすることにより得られる距離 測定を必要占する。これは、最初の位置からの等高線の間隔における距Ｍを与え るが、等高線の間隔とは、全周１υ１（すなわち、明るい状態から暗い状態へ更 に明るい状態まで）を遂行したモアレパターンにおｉフるある点において検知さ れた強度の変化である。しかしなから、等高線の間隔の数のカウントかなくなっ たりあるいは間違一）でいる場合には、測定されでいる表面の位置に関する情報 は失われろ。

モアレ距離の測定を行うたｙ）に等高線の間隔のカウントを必要としないモアレ 距ｉ１！ｉ測定１★術を得る、：ご−かｔ，Ｖよれる。

発明の総括 本発明は、絶対的なＴ：ｌ？Ｌ−距ｆｉ測定を行うための方法及び装置に関φ“ る。より訂細には、絶対的な千−γし・距離ポ１１定を行う方法は、（ａ）測定 ４−べき拡散レ射而に第１の格子を｛＼：ｊ’．：ｌ決めするか、形戚するかあ るいはブリン１・スる段階Ｊ−．（ｂ）第ｌの格子の像の・番一ンＪ二第２の格 ｒ：のパターンとの積によ、り形１戊される七アレパター　ンを発／ｌ゛ずるた めの像■一段により、第１の楕−１一の像を第２の楕ｒ−Ｌ−に形成する段階と ，（Ｃ）拡散反射而かその而に直角ｔｈ向１，一移動する際に、第１の格−ｒの 像のパターンと第２の格子のバター，ノＣＩＬの間の強度の差を検知し、基準位 １″ｆｔか・）の拡散反射而の絶対的な距離に関する情報を発４トする段階吉を 備える。

モアレ距Ｍ測定装百は、第１の格子と、第２の格子と、像手段と、光学的な検知 手段と、情報発生装胃とを備える。第１の格子は、測定すべき拡散反射面に定置 されるか、形１戊されるか、又はプリントされる。像手段は、第１の格子の像を 第２の格子上に形威し、第１の格子の像の第１のパターンと第２の格子の第２の パターンとの積により形成されるモアレパターンを発生させるために用いられる 。

光学的な検知手段は、拡散反射面かその面に直角な方向に移動する際に、第１の 格子の像の第１のパターンとモアレパターンの第２の格子の第２のパターンとの 間の強度の差を検知する。光学的ム検知手段はまた、上述のような強度の差を表 す出力信号を発生する。情報発生手段は、光学的な検知手段からの出力信号に応 答し、基準位置からの拡散反射而の絶対的な距離に関する情報を発生する。

添付の図面及び請求の範囲を参照（７なから以下のより詳細な説明を読むことに より、本発明がより良く理解されよう。

図面の簡単な説明 図１は、投射格子を用いて＾・ｊ象物すなわちサポートの拡散反射面のモアレ距 離測定を行うための従来技術の装置の例の平面図である。

図２は、拡散反射而にブリン［・されるかあるいは位置決めされた格子を用（１ て拡散反射而のモアレ距離測定を行うための装置の平面図である。

図３は、図２の装置の中で生ずる観察角度に対する等高線の間隔の変動を説明す るための図解である。

図４は、第１及び第２の格Ｆか互いに関して傾斜され、拡散反射而力・観察レン ズから基準距ｉ１Ｌに位置する時に、図２の装置において、第２の格子に市ね合 わされかつ第２の格子の周明に一致させられた第１の格子の像により生ずる例示 的なモアレパターンである。

図５は、第１及び第２の格子か互いに関して傾斜され、かつ拡散反射面力｛観察 レンズに対して基準距離よりも小さな距離だけ離れて位置して（１る時｛こ、第 ２の格子上に重ね合わされた第１の格子の像により生ずる図４と同様の例示的な モアレパターンである。

図６は、第１及び第２の格Ｐか互いに関して傾斜され、かつ拡散反射而が観察レ ンズに対して基準距離よりも大きな距離だけ離れて位置している時］こ、第２の 格子上に重ね合わされた第１の格子の像により生ずる図４と同様の例示的なモア レパターンである。

図７は、本発明に従い拡散反射而の絶対的なモアレ距Ｍ測定を行うための図２と 同様な装置の平面図である。

図８は、対象物すなわちサポートの絶対的な変位を決定するための第２の検知の 実行のシーケノスに関連する図７の信号処理装置のフローダイアグラムである。

図９は、対象物すなわちサポートの絶対的な変位を決定するための第４の検知の 実行のソーケンスに関連する図７の信号処理装置のフローダイアグラムである。

図面は必ずしも等スケールではない。

明細書に開示されている投射格子１８を用いたモアレ距離測定装置１０の平面図 か示されている。この装置１０は、第１の光学系１２（破線の四角形の中に示さ れている）と、第２の光学系３０（Ｗ線の四角形の中に示されている）とを備え 、これら光学系は、対象物すなわちサポート２４の拡散反射而２２のモアレ式距 離測定のために用いられる。第１の光学系１２は、光源１４と、集光レンズ１６ と、第１の格子［８と、段｝１レノズ２０とを備えている。光源１４は、集光レ ンズ１６、第１の格子１８及び投射レンズ２０を介して光線を投射する。投射レ ンズ２０は、第１の格子１８の像（図示せず）を対象物すなわちサポート２４の 拡散反射面２　２　．１′．に形成するために用いられる。投射レンズ２０の光 学軸２６は、拡散反射而２２に垂直な線２８からある角度をなして配向されてい る。第１の格子１８は例えば、周ｊｇ１ｐを間にもつ複数の平行なワイヤ又は不 透明な線から成るロノキ（Ｒｏｎｃｈｉ）ＦＪｉｉを備える。

第２の光学系３０は、像手段３２（以下においては観察レンズ３２と呼称する） と、第２の格子３４と、検知器手段；３６とを備えている。観察レンズ３２は、 拡散反射而２２からＰめ選択された距ｉｉ１ｔｒＬＪ（最初の位置）に設けられ ており、これにより、拡散反射面２２に現れるような第１の格子１８の投影像か 第２の格子３４上で再結像することを可能にする。装置１０は、対象物すなわち サポート２４が移動する際の位置の変化を正確に測定するのに有用である。観察 レンズ３２は、ｉａ２８に関してある士の角度で配向されている光学軸３８を備 えている。

（１）拡散反射而２２からの第１の格子１８の投影像の第２の格子３４における 像と、（２）第２の格子３４自身との組み合わせによりモアレパターン（図示せ ず）が形成される。その結果生じたモアレパターンは、検知器手段３６により結 像されかつ検知される。検知器手段３６は、モアレパターンを線形又は平面的に 配列された光学的な検知要素の列４２上に焦点付けるレンズ４０を備えている。

そうではなく、検知４手段３６は、人間の目、光電検知器又はビデオカメラ等の 適宜な装ｌを備えることができる。拡散反射而２２が線２８に平行に移動する際 に、検知器手段３６からの出力信号に見られるモアレパターンの変化は、適宜な 処理装１（図示せず）により処理することかできる。

幾つかの方法を用いて変化するモアレパターンを検知することができる。第１の 方法によれば、第１の格子１８の像を、観察レンズ３２により第２の格子３４上 に再結像させる。第２の格子３４上の第１の格子１８の像の再結像、及び第２の 格子３４自身は一致する（すなわち、同じ周期を有し、平行に整合される）。

その結果生じたモアレパターンは、拡散反射面２２が１１２８に平行な方向に所 定の距離移動するにつれて、明るい状態から暗い状態へまた更に明るい状態へと 変化して（すなわち、１つの縞の周期だけシフトして）１つの等高純の間隔ｒＣ Ｊを７ａ成する均一な視野である。

等高純の間隔１Ｃ１と装置の幾何゛ど′的なｌＦ３状とのｒｌ（１の関係を誘導 することは簡単である。投影された第１の格子１８が第２の格子３４と相対的に 格子１８．３４の周期だけ移動された時に、ＫＭ反射面２２は１つの等高純の間 隔「ｃＪだけ移動する。拡散反射面２２上の第１の格子■８の投影像の周Ｍｐｏ は次式により決定される。

Ｐ　ｏ　＝　ｍ　Ｐ　（１−） 上式において、１）はｉｌの格子１８の周期であり、またｍは次式により決定さ れる光学的な倍率である。

ｍ＝　（Ｌ−ｆ）／ｆ　（２） 上式において、Ｌは拡散反射面２２がらレンズ２ｏまでの距離であり、また［は レンズ２０の焦点距離である。

拡散反射面２２上に現れる第１の格子Ｉ８の投影像は、第２のレンズ３２によっ て、これも周３１７Ｉ　Ｐを有する第２の格子３４上でＰ７結像される。第１の 格子１８の像の再結像、及び第２の格子３４自身が重ね合わされ、これにより、 検知４手段３６により検知される伝達された光パターンは、２つの格子の槽（一 般にモアレと呼ばれる）である。第１及び第２の格子の線が平行である場合には 、検知器手段３６により検知されるこの伝達された光パターンは、均一な平均強 度を有している。

２つの格子が整合されると、これら格子は重なり合って１つのように見え、平均 強度は、装置に格子を何等設けない場合に測定される強度の半分である。すなわ ち、格子の線が光線の半分をブロックするので、単一の格子を介する伝達は強度 の半分であると想定し、また、個々の格子の線は検知器手段３６によっては解像 されないと想定している。２つの格子のパターンが半周期の相対的なシフトを有 している時には、拡散反射面２２からの第］の格子１８の投影像の明るい領域は 、第２の格子３４の線によりシフトされかつブロックされ、検知器手段３６にお いて検知される強度はセロである。従って、拡散反射面２２が特定の方向に移動 することにより、一方の格子か他方の格子と相対的に横方向にシフトすると、検 知器手段３６により検知される伝達された平均強度は、最大強度からゼロ強度へ また更に最大強度へと周期的に変化する。

より詳細には、拡散反射面２２が線２８と平行に第１の方向へ次いで反対方向の 第２の方向に移動すると、表面２２上の格子の投影像は側方ヘシフトするように 見えるが、その理由は、このパターンは投射レンズ２０の光学軸２６にその中心 を置いた状態に維持されるからである。このシフトは、第１の光学系１２を拡散 反射面２２の移動方向に関して角度θをなして配設することにより装置１ｏに傾 斜を与えていることに起因する。ソフト「ｓ」は次式により決定される。

５＝ｄ−ｊａｎ（θ）　（３） 上式において、ｄは、線２８に平行な拡散反射面２２の変位である。

検知器手段３６により検知されるモアレパターンは、第１の格子１８の投影像の 再結像を第２の格子３４上に重ね合わせることにより形成されるものであるが、 モアレパターンが拡散反射面２２上に形成されるように視覚化することはより容 易である。そのような視覚化を用いる場合には、図１の装置１ｏの対称性は、第 ２の格子３４が第１の格子１８の周期と同一の周ＪｇｌＰをもっことを必要とす る。

従って、拡散反射面２２が線２８に１’行に移動する時には、拡散反射面２２上 の第２の格子３４の像は、第１の格子■８の像と同一の周期を有するか反対方向 のシフトを有する。１つの等高純の間隔ｒＣＪは、２つの格子の像を互いに関し て１周期Ｐ。たけ（すなわち、明るい状態から暗い状態へ更に明るい状態へ）シ フトさせるのに必要とされる反射面２２の動きであると見なされる。等高純の間 隔「Ｃ」の変位に対して、各々の格子の像はＰ０／２だけ反対方向にシフトする ので次式か与えられる。

Ｐａ／２＝Ｃ−Ｌ　ａ　ｎ　（（７）　、又はＣ＝Ｐｏ／　（２Ｌ　ａｎθ〕　 （４）説明を簡単にするために、図１は、線２８に関して対称である装置１０を 示しているが、非対称の構成又は２つの格子が互いに関して傾斜している構成に おいても上述の結果を達成することかできることを理解する必要がある。いずれ の非対称の構成を用いた場合でも、各々の構成はその構成に特有の等高純の間隔 Ｃを持つことになる。次に、例えばホトセルによりモアレパターンの強度変化の サイクル数をカウントすることにより、拡散反射面２２が移動した等高純の間隔 である距離を決定することができる。次に、適宜な演算装置を用いて式（４）を 転換することにより、物理的な変位を得ることができる。

次に図２を参照すると、下に図７を参照して説明する絶対的なモアレ距離測定を 提供するためにＩ’ｌＪいられる、本発明に従って修正されたモアレ距離測定装 置５０が示されている。装ｆｆ１５０は、第１の格子５２と、像手段５４（以下 においてはレンズ５４と呼称する）と、第２の格子５６と、検知器手段５８と、 信号処理手段８０とを備えている。第１の格子５２は所定の周期Ｐ、を有してお り、この第１の格子は、対象物すなわちサポート６２の拡散反射面６０上にプリ ントされるかあるいは物理的に盛り付けられる。第１の格子５２の像は、レンズ ５４により第２の格子５６上に形成される。レンズ５４は、拡散反射面６０に垂 直な線７０に対して角度θをなして配向される光学軸Ｔ２を備えている。第１の 格子５２の像と第２の格子５６自身の組み合わせにより、モアレパターンが形成 される。

このモアレパターンは、検知器手段５８上に結像される。検知器手段５８はレン ズ６４を備え、該レンズは、線形又は平面状に配列された光学的な検知素子の列 ６６上にモアレパターンを焦点付ける。そうではなく、検知器手段５８は、人間 の目、ホトセル又はビデオカメラ等の適宜な装置を備えることができる。

重要なことは、レンズ５４、第２の格子５６及び検知手段５８が、図１の第２の 光学系３０の各要素に類似していることである。図２の装置５０と図１の装置１ ０との間の主要な違いは、図１の第１の光学系１２が実質的に取り除かれ、また 周期Ｐ。を有する第１の格子５２が、拡散反射面６０上に定置されて光＃６８に より照射される点である。従って、装置５０は、図１のｆｉＭＩＯよりも少ない 数の要素を備えている。図２の光源６８は自由な光源（例えば白熱電球）であり 、いずれの箇所に設けても十分な光線を提供してモアレパターンを検知器手段５ ８上に結像させることかできることは理解する必要がある。説明を簡単にするた めに、以下においては、図２の第１の格子５２の周Ｍｐｏは、式（１）に示すよ うな拡散反射面２２上の第１の格子１８の像の周期Ｐ。と同じであると仮定する ことを理解する必要がある。

第１の要件として、プリントされた又は物理的に取り付けられた第１の格子５２ を有する図２の装置５０は、図１の装置１０と極めて類似した態様で機能する。

対象物すなわちサポート６２が線７０に対して平行に移動すると、検知器手段５ ８によって検知される強度（あるいはモアレパターン）は周期的に変化し、かつ 等高純の間隔毎に変化する。しかしながら、図１に示す如き第１の光学系１２を 欠くために、図２の装置には何等傾きが存在せず、Ｃの値は式（４）の値とは２ 倍だけ異なり、次式によって示される。

Ｃ＝Ｐｏ／（ｔａｎθ）　（５） 図１及び図２の５ｚｉｏと５０との作用の主要な違いは、倍率及び倍率の変化に 関するものである。より詳細には、図１の装置ｆｌＯにおいては、拡散反射面２ ２の距離かＪｉ１２８に平行な方向に変化するにつれ、拡散反射面２２に現れる 第１の格子１８の像のパターンの周Ｍｐｏが、レンズ２ｏにより生ずる倍率の変 化のために変イヒする。この点に関しては式（２）を参照のこと。（、がしなが ら、レンズ１８による倍率の変化は、大きさが等しく方向が反対の倍率変化を生 ずる第２の光学系３０の１ノンズ３２により補償される。従って、拡散反射面２ ２がら第２の格Ｔ−３４七に結像される格−ｒのパターンの周期は一定のままで あり、がっ第２の格子３４の周期に一致した状態に維持される。その結果、対象 物すなわちサポ−１−２４の拡散反射面２２が移動するにつれ、一致した格子は 一致した状態に維持され、検知器手段３６における格子の像が相対的にモアレバ ターン全体にわたって均一にシフトする。

しｈ化ながら図２の装置？？５０を用いた場合には、拡散反射面Ｇｏ上にプリン トされた格−ｒ−５２を有し図１−の第２の光学系３０に相当する１つの光学系 しがないので、倍率変化における」二記捕信は行われない。従って、拡散反射面 ６ｏが線７０に平行に移動するにつれ、第２の格子５Ｇにおける２つの格子パタ ーンの間に倍率の不−徴が生ずる。この倍率の不一致は、別個の周期を有する第 １及び第２の格子パターンの間の、検知４Ｔ段５８により検知されるモアレによ り生ずる空間的に変化する強度パターンを示す。別個の周波数により生ずる低い 空間周波数のうなりパターンは、格子の間の不一致か大きくなるに従って減少す る周１１ｙ１を有し、不一致がなければうなり周期は無限大となる。従って、モ アレ舊離測定の最初の位置においては、第２の格子５６における格子パターンが 一致するのでうなりパターンは同等存在しない。対象物すなわちサポート６２が この最初の位置がら離れる方向に移動イーると、その結果生ずるモアレパターン のうなり周波数が増大する。

拡散反射面６０か線７０にｉ７ｉ行に移動すると、うなりパターンも検知器手段 ５８により検知される像を横断（７て動くように見え、従って、モアレパターン の小さな領域にわたって必要とされる強度の周期的な変化が依然として生じ、こ れにより、拡散反射面６０の移動量を符号化する。図２の装置５０に関する上記 倍率変化を観察する１つの方法は、等高純の間隔Ｃがレンズ５４の視野を横断し て変化しく第２の格子５６−１−の異なった点に相当する）、各々の位置に対し て等高純の間隔が一定であることである。

べに図３を参照すると、図２に関するダイアグ−７，７−％か示されでおり、こ のダイアグラムは下に説明するＪこうに、第１の格Ｆ５２に関連する゛Ｆ行斜線 を付した複数の矩形領域（その中の４つを符号８８．８９．９′／２および９３ で示しである）と、軸線８４を有するレンズ５４と、第２の格−Ｆ５６と、第１ 及び第２の光線８１．８２とを備えており、これらの光線は、第２の格子５６か ら斜線を付した矩形の領域へ向かって異なったそれぞれの観察角度θ１、θ２を なして配向されている。図；３は、観察角度に対する等「ａＩ線の間隔の変動を 説明するのに有用であり、各々の位置において一定の専晶線の間隔を有するとい う七の説明に対する理解を提供する。図：′Ｉにおいては、斜線を付した水中な 矩形の領域は実際の格子（７１線ではない。そうではなく、これらの斜線を付し た矩形のｇｒｉ域は、図２の拡散反射面６０か移動する（ある位置から他の位置 へ移動する）際に、第１の格子５２上の線によって排斥された空間の容積を示す 。これらの矩形の領域は、第１の格子５２に相当する固定周期すなわち間隔Ｐ。

を維持する。

レンズ５４の軸線８４からそれぞれ角度θ１及びθ２にある符号８】、８２をそ れぞれ付された第１及び第２の線は、レンズ５４の視野の別個の部分からの光線 を表している。線８１．８２は共にレンズ５４の中心（より厳密に言えば入射瞳 の中心ンを通過すると共に、第２の格子５６上の別個の位置から始まっているこ とに注意する必要がある。これらの光線は、図２の検知器手段５８の光学的な検 知列６６の要素の視野を画定し、各々の位置における強度の測定値を記録するも のと考えることができる。

これら各々の光線又は検知器手段の検知要素に関する等高純の間隔Ｃは、任意の 光線己第１の格子５２の格子の線の隣接する空間容積の中心との間のＺ軸方向（ 拡散反射面６０の移動方向に平行な）の距離を決定することにより見いだされる 。例えば、光線８１（！：空間８８．８９の斜線を付した隣接する容積の各々の 中心８６．８７とのそれぞれの交差点の間の距離にはｃｌを付しである。同様に 、光線８２と空間９２．９３の隣接する容積の中心９０．９１とのそれぞれの交 差点の間の距離には符号Ｃ２を付しである。図２の拡散反射面６０が所定の距離 ｃ。

たけ移動したｎ！Ｉには、光線８１は隣接する窄開容！ａ８８．８９の中心の間 で移動することに注意することか重要である。

より詳細には、第１の格７−５２を有する拡散反射面６０か、容１８８の点８６ において光＆１ｉ１８１との交差か生ずる点において開始する場合には、レンズ ５４に向かう距ＭＣ，の移動により、光線８１か表面６０と交差する点が、容積 ８８の点８６から容積８９の点８７へ変化する。同様に、第１−の格子５２を有 する拡散反射面６０がレンズ５４に向かって所定の距ＭＣｚだけ移動すると、光 線８２が表面６０と交差する点は、容積９２の点９０から容積９３の点９１へ変 化する。

この構成は、モアレパターンは、第１の格子５２の隣接する線の間を横断する際 に、明るい状態から暗い状態へ更に明るい状態へと変化することを示す。従って 、光線８１．８２の等高純の間隔は異なり、それぞれ距ｆｌｔ　Ｃ］及びＣ２に 等しい。等高純の間隔Ｃ１及びＣ２は次式により決定される。

Ｃ１＝Ｐｏ／　（Ｌａｎθ、）、及びＣ２＝ＰＯ／　（ｔ　ａｎθ２）　（６） Ｃ１及びＣ２についての」−２式は、２つの別個の角度において評価した式（５ ）を利用しており、これにより、観察角度０が図２の対象物すなわちサポート６ ２の拡散反射面６０にわたって変化するという事実を虫に反映するものであるこ とに注意を払うことが重要である。図３の破線により示された隣接する空間の容 積の間の各々の光線８１．８２に沿ういずれの位置においても同一の結果が得ら れるので、上記別個の等高純の間隔Ｃ５及びＣ２も一定である。従って、図２の 装置５０は、検知器手段５８の列６６の任意の位置に対して適正な等高純の間隔 を与えることによりモアレ距離測定を得るものと考えることができる。多数の等 高純の間隔を対象物すなわちサポート６２の移動距離に換算するために、式（６ ）に示す等高純の間隔の値が必要である。この等高純の間隔の値は検知器の位置 等の幾つかの因子に依存するので、その解法は、図２の装置を実験的に較正する ことである。較正を行うために、装置５０を既知の寸法で設定し、対象物すなわ ちサポート６２（拡散反射面６０及び第１の格子５２を有する）を！Ｉ７０に平 行に既知の距離だけ移動させる。その結果生じた測定値は、幾つかの数の等高純 の間隔を示す。次に、上記既知の距離を測定した数の等高純の間隔で除すること により、装置の設定に関する等高純の間隔の値か得られる。

以下の説明は、装置５０により生ずるモアレパターンにおいて何が起こるかを理 解するために行うものである。ＫＭ反反射６０か最初の距ＭＬに設けられている 時に、第１の格子５２の像は、レンズ５４によって、第２の格子５６の上に重ね 合わされかつ第２の格子の周期Ｉ）に合致する。従って、第１の格子の像の線か 第２の格子５６の線に整合されている時には、Ｌア１ツバターンは、周期Ｐを有 し交互に均等に隔置された明るい線及び暗い線として現れる。拡散反射面６０か 上記最初の位置から線７０に平行な第１の方向へ移動するにつれて、第１の格子 ５２の像か第２の格子５６と相対的に一方の側ヘノフトするばかりではなく、倍 率係数が変化するので、第１の格子５２の像の寸法もこれに伴って変化する。そ の結果、パターンの中心において明るい状態から暗い状態へ更に明るい状態への 変化か見られ、一方、モアレパターンの縁に向かって進むにつれて、図３の観察 角度に対して変化する等高純の間隔により示されるように、上記明るい状態から 暗い状態へ更に明るい状態への変化は異なった割合で相がずれる。

強度情報を等高純の間隔において測定した距離に変換するためにはいかなる適宜 な検知技術をも用いることができる。そのような検知技術の最初のものは、第２ の格子５６の背後の予め選択された位置に設けられる小さな光検知器を備えた検 知器手段５８を用いて、測定される等高純の間隔（強度変動の周期）の数をカウ ントすることである。しかしながらこの間隔な検知ｖｉ術は、拡散反射面６０の 方向性を有する移動に関連する情報を提供せず、光検知器により検知された強度 の値から断片的な等高純の間隔の情報が推定されるだけである。

第２の検知技術は、検知４手８５８を用いて第２の格子５６を通過する像のより 大きな部分を観察する技術であり、上記検知器手段５８は、格子の線に直交して 配向された線形の検知器列６６又は平面的に配列された列６６のいずれかを備え る。等高純の間隔は視野にわたって変化するので、（上記第１の技術と同様に） 小さな領域にわたってのみ強度の情報を分析し、ＪＩＴ！遇した等高純の間隔の 数をカウントすべきである。しかしながら、列全体を用いてモアレパターンにわ たってうなりパターンの動きを監視し、これにより移動の方向を推測する。対称 物６２の内方又は外方への運動により、うなりパターンはモアレパターンを横断 して一方へ又は反対方向へ移動する。この場合にも、強度情報を分析するために 小さな領域を用いるので、非常に断片的な等高純の間隔の情報が得られる。

第３の検知技術は、干渉測定においては一般的でありモアレ地勢図と共に用いら れる位相技術である。この技術は、本件出願人に譲渡された米国特許第４．７９ ４．５５０号明細書において詳細に説明されており、この技術においては、図１ の装置１０と同様の装置構成を用いている。しｈ化ながら、該米国特許明細書の 装置においては、投射格Ｆ（図１−の第１の格子１８に相当する）か、又はセン サ（図１の第２の格子３４に設けられるカメラの像を検知する列である）が横方 向にシフトされて、検知列の投影格子の像と検知列自身の間の強度パターンに位 相のずれを挿入している。カメラの像センサにより検知されるその結果生ずる位 相強度の値からは、カメラの像検出列の出力に時変信号が生ずる。この時変信号 を信号処理手段で用いて、以前の読みから等高純の間隔の小さな部分への表面距 離におけるどのような変化をも計算すると共に、移動の方向も決定する。図２の 装ｆｆ１５０においては、第２の格子５６を横方向に移動させることにより同様 の時ｆ信号を発生させることができる。この位相技術における主要な制約は、対 象物すなわちサポート６２の移動速度が、測定周期毎の半分の等高純の間隔の最 大値に限定されることである。この第３の位相検知技術は、多くの用途における 好ましい実施態様であり、装置５０に用いることができる。

次に図７を参照すると、本発明による絶対的なモアレ距離測定装置５００が示さ れている。装置５００は図２の装置５０に非常に類似しているが、信号処理装置 ５０２が図２の信号処理装置８０とは幾分異なった機能を行う点が違っている。

信号処理装置５０２は視野にわたって変化する倍率係数を利用し、基準位置から の拡散反射面６０の絶対的な距離を決定する。本発明を説明する前に、上述の位 相検知技術（又は他の検知技術）によりサンプルの周期の間に生ずる断片的な等 高純の間隔の情報とは別に、図２の信号処理装置８０を用い、第２の格子５６の 背後の点において測定した強度か周期的に変化する回数をカウントすることによ ｍｅ−（Ｌｏ−ｆ　）　／　ｆ　（７）す、基本的な変位情報か生ずることを理 解する必要がある。このカウントは、最初の位置からの等高純の間隔の変位を与 える。測定されている表面の運動に関する方向の情報は、位相技術により得られ る強度信号の測定された位相（移動の等高純の間隔に対応してＯから３６０°） と、各測定の間に生ずる移動の最大量が半周期よりも小さいという要件との組み 合わせにより生ずる。０から１８０°の読みの間の位相の変化は、一方の方向へ の動きを示し、１８０から３６０°の読みの間の位相の変化は、反対の方向への 動きを示す。これらの方向のいずれが正であるか負であるかは、装置５０に用い られる実際の形状及び符号の変換に依存する。いずれの非位相技術についての方 向の情報は、各測定の間のモアレパターンの移動方向から誘導される。しかしな がら、変位の等高純の間隔の数のカウントが失われたりあるいは誤っている場合 には、測定する表面の位置に関する情報は失われる。従って、上述の図１の装置 １０及び図２の装置５０は、「相対的」なモアレ距離測定装置であって、「絶対 的」なモアレ距離測定装置ではない。

図２の相対的な距離測定装置５０を図７の絶対的な距離測定装置５００に変換す るためには、基本的には縞又は強度サイクルカウント装置である装置５０を転換 しなければならない。より詳細には、通過した等高純の間隔の数を独立して決定 することを可能とする他の情報を、モアレパターンから得たデータから誘導しな ければならない。図７の装置５００においては、第１の格子５２の像と、第２の 格子５６との間の倍率の不一致を用い、本発明に従って絶対的な変位測定を行う 。下に説明するように、この倍率の不一致は、基準位置からの拡散反射面６０の 変位に比例するデータの発生につながる。この倍率の不一致を測定するすると、 等高純の間隔のカウントに依存しない独立した変位データ源が生ずる。本絶対的 なモアレ距離測定装置５００は、倍率の不一致の効果を利用して装置の追加の機 能を得ている。

Ｌｏを、第１の格子５２と第２の格子５６の間の一致を生ずる対象物すなわちサ ポート６２の基準位置（図２の装置に対する基準位置）とすれば、基準位置の倍 率ｍ０は次式で示される。

簡略化は、（ｍｏ）　（Ｆｏ）　＝Ｆ　（基準状態すなわち一致した状態）との 認識力・また、第１の格子５２の周期Ｐ。は、次式で示される。

Ｐ　ｏ　−ｍ　ｏ　Ｐ　（８） ここで、距＃１ｌｄｌは拡散反射面６０のこの基準位置からの変位（正の１−ｄ Ｊは表面６０がレンズ５４により近いことを表す）として定義され、また対象物 すなわちサポート６２の位ｆｆｉ＋、は次式により定義される。

Ｌ　＝　Ｌ。−ｄ　（９） 式（２）中の光学的な倍率ｒｍＪは次式の如く書き直すことができる。

ｍ＝　（Ｌａ−ｄ−ｒ）／ｆ＝ｍ、−ｄ／ｆ　（１０）第２の格子５４に当たる 第１の格子５２の像の周７ｇ１ｐ’　は次式により示される。

Ｐ’　＝Ｐｏ／ｍ　（１１） この点において、格子の周波数（周期の逆数）を第１及び第２の格子５２．５６ 並びに第１の格子の像の代わりに用いた場合には、数学的に簡略化される。従っ て、以下の記載においては、Ｆは第２の格子の周波数と定義し、Ｆｏは第１の格 子の周波数と定義し、更にＦｏは第２の格子上の第１の格子の像の周波数である とすると、Ｆｏは次式により定義される。

Ｆ’　＝ｍＦｏ＝　（ｍｅ−ｄ／ｒ）Ｆｏ　（１２）Ｆ’　−Ｆ　−（ｄ／　ｆ ）　（Ｆ／ｍｏ）　（１３）また式（７）を再び用いて次式が得られる。

Ｆ’　＝Ｆ−ｄＦ／　（ＬＯｌ）　（１４）うなり周波数δＦ、すなわち第１の 格子５２の像と第２の格子５６との間の差、は従って次式により得られる。

δＦ＝ｌ−Ｆ’　＝ｄＦ／（Ｌａｄ）　（１５）又は、 δＦ＝ｄ　Ｆ／ＬＯ（１６） この近似は、Ｌｏの値がレンズ５４の焦点距離よりもかなり大きし１場合に有効 である。上記誘導は、拡散反射面６０が動いている際に、レンズ５４力（拡散反 射面６０上に連続的に再焦点付けされることを仮定したものであることを理解す る必要がある。この仮定は、Ｌ０力吠きい値である場合に有効で、正確な計算を 行うことができる。式（１５）における非線形性から誤差が生じ、そのような誤 差は、Ｌよりもかなり小さい最大変位用ＲｒｄＪに対しては小さい。しかじな力 （らその誤差は、計算の過程で補償することができる。

第２の格子５６を介して検知器手段５８に伝達される像は、第２の格子５６の平 面において測定されるうなり周波数δＦを有する低周波うなリノ々ターンである 。

このうなり周波数δＦを用いて絶対的なモアレ距離測定を得る方法は少なくとも ２つある。第１の方法は、測定したうなり周波数δＦを用いて式（１６）から距 Ａｍ　ｒｄＪを直接推測する。このタイプの測定値は一般に、測定した変位距離 において低い解像麿を有する。

第２の方法は、うなり周波数δＦの測定値を、位相シフト等の上述の技術の１つ により生じた部分的な等高純の間隔の情報と組み合わせ、高い精度を有しかつ広 い明瞭な測定範囲を有する（等高純の間隔をカウントする必要のない）装置を提 供する。この後者のタイプの装置を考慮する１つの方法は、等高純の１つの間隔 の範囲にわたる精度が位相シフト操作から得られ、またうなり周波数δＦの情報 を用いて対象物すなわちサポート６２が幾つ目の等高純の間隔の中にあるかを知 ることができる。等高純の間隔の通過をカウントする必要がないために、この第 ２の方法を用いた装置は、絶対的なモアレ距離測定（ＡＭＤＭ）’ｌＨ！であり 、幾つかの実施例を下に説明する。

位相シフトの実施例を考慮する他の方法は、対象物すなわちサポート６２のモジ ューロＣ（０とＣの間の数）の位置の第１の測定値を生ずることである。既知で ないのは、対中物すなわちサポート６２のその基準位置からの実際の変位を得る ために上記第１の測定値に加えなければならない全等高線の間隔の数である。

「相対的」な距Ｍ測定装置においては、この数は等高純の間隔をカウントするこ とにより誘導され、従って間断無くデータを収集することが必要である。本発明 に従って絶対的なモアレ距離測定を得るための装置５００においては、距離の第 ２の測定値を得て上記等高線の間隔の数を決定する。この第２の距離の測定は、 対象物すなわちサポート６２の全体的な位置すなわち基準位置から実際の位置の ±Ｃ／２の範囲にある位置までの距離を与える。従って等高純の間隔の数が決定 されて第１の測定値に加えられ、高い精度の読みが生ずる。変化するうなり周波 数δＦはそのような第２の測定値を提供する。

本発明による第１の検知の実行は、図７の装置５００を用いる。モアレ／〈ター ンが、線形の又は平面的な検知器列６６上に結像される。検知器列６６からのｕ ｉ力（：号を分析してうなり周波数δＦを決定し、距１ｉｒｄＪを式（１６）か ら計算する。基準位置（一致した位置）からの変位の方向は、対象物すなわちサ ポート６２が移動する際の検知器列６６を横切るうなりパターンの運動方向に注 目することにより見いだされる。従って、正及び負の変位に対するうなり周波数 δＦに曖昧さがあるので、この方法は「中程度」に絶対的なものである。この曖 昧さは、対象物すなわちサポート６２を一致した位置すなわち基準位置の一方に のみ拘束することにより、又は上記基準位置を対象物すなわちサポート６２の移 動限界の位置にあるいはこの限界を超えた位置に等測的に設けることによって取 り除くことができる。

好ま（７い実施例であり装２５００を用いる本発明による第２の検知の実行は、 第１の検知の実行の方向に関する曖昧さを完全に取り除く。この第２の検知の実 行においては、水平（変位により生ずるモアレうなりパターンに直交する方向） なキャリアモアレパターンを、第１の格子５２及び第２の格子５６を互いに関し て若干傾斜させることにより導入する。対象物すなわちサポート６２の移動によ り垂直なモアレうなりパターンか４１ミするにつれ、図４、図５及び図６に示す ように正味のモアレパターンが回転するように見える。回転角度は、基準位置か らの距ＭＬ。を示し、また回転の方向は、基準位置までの距離の符号を与える。

第１及び第２の格子５２．５６か上βの角度に亙って回転した場合には、キャリ アモアレパターンを形成する水ゝ１１な線の周ｔｆｔ数Ｆ。は次式により決定さ れる。

Ｆｃ＝２Ｆ、ｔａｎβ　（１７） 上式において、Ｆ、は水平方向に沿う第２の格子５６の周波数であり、次式で与 えられる。

Ｆｘ＝Ｆｃａｓβ　（１８） 第１及び第２の格子５２．５６が回転すると、距離に依存するモアレ（式（１６ ））により形成される垂直な線のうなり周波数δＦは次式により与えられる。

δＦ＝ｄ　Ｆ、／Ｌ　（１９） その結果生ずる複合モアレパターンは」二記２つの直交パターンの和であり、正 味の周波数は、これら２つの周ｅＬ数のベクトル和を得ることによって見いださ れる。正味のモアレパターンは、水平面に対して角度τをなして配向されており 、次式により決定される。

ｔａｎｒ−ｄ／　（２Ｌｏｔａｎβ）　（２０）回転角度τは、基準位置からの 距Ｍ　ｒｄＪをコート化し、回転の符号は移動の方向を与える。式（２０）の誘 導にはある近似か存在するつ対象物すなわちサポート６２が基準位置から移動す るにつれ、キャリア縞の周波数ＦＣも変化するが、小さな傾斜角度に対してはこ の変化はδＦの変化よりもかなり小さいので無視することができる。上述の結果 を図４、図５及び図６に図解する。

次に図４を参照すると、拡散反射面６０が基準位置し。にある時に生ずる剛性モ アレパターンが示されている。図４においては、モアレパターンは水平であり、 モアレパターンのうなり周波数δＦはゼロである。

次に図５及び図６を参照すると、図５は、対象物すなわちサポート６２が基準位 置の内側に移動した時（ｄは正）に生ずるモアレパターンを示している。図５の モアレパターンにおいては、第１の格子５２の像の周波数Ｆ’　［式（１４）］ は、観察格子の像（これはより大きな周期を有する）よりも小さく、またモアレ パターンは反時計方向（正）に回転されている。図６は反対に、対象物すなわち サポート６２が基準位置の外側に移動した時に生ずるモアレパターンを示してい る。図６においては、第１の格子５２の像の周波数は、第２の格子５６の像の周 波数よりも高く　（周期が小さく）、またこのモアレパターンは、図５のモアレ パターンとは反対方向である時計方向（負）に回転されている。図１、図５及び 図６の間の変化は、第４の格子５２の像の水平方向の１法の小さな変化である。

特定の変位に対するモアレパターンの回転量は、第１及び第２の格子５２．５６ の傾斜角度を変えることによっても変化させることができること、及び、第１及 び第２の格子の傾斜角度を逆転させた場合には、モアレ縞の回転方向が変化する ことを理解する必要がある。装置５００において第２の検知を実行する縞回転概 念を実行するために、モアレパターンがＣＣＤ列等の平面的な列６６上に結像さ れ、検知器手段５８の出力側の信号処理装置５０２における像処理により回転角 度を決定する。次に、式（２０）を変形することにより得られる次式を用いて距 離「ｄ」を計算する。

ｄ＝２Ｌｏｔａｒ＋ｒ　ｔａｎβ　（２１）この第２の検知の実行の精度は、第 １及び第２の格子５２．５６のそれぞれのモアレパターンの間で測定される縞角 度の精度により決定され、真の絶対的なモアレ距離測定装置５００を提供する。

次に図８を参照すると、すぐ上で説明した第２の検知の実行を処理するために図 ７の信号処理装置５０２により用いられるシーケンスのフローダイアグラムが示 されている。図８においては、ブロック１００に示すように、モアレパターンが 二次元（平面）検知器列６６上に結像される。ブロック１０１に示すように、信 号処理手段５０２が、検知器列６６の出力信号（例えば図４乃至図６のいずれか に類似のモアレパターン）をデジタル化し、そのようなデジタル化されたモアレ パターンの信号をコンピュータのメモリに記憶する。換言すれば、検知器列６６ の各々のピクセル（画素）が強度値を提供し、その強度値はデジタル化され、コ ンピュータメモリの関連する位置に記憶される。コンピュータのソフトウェアは ブロック１０２に示すように、メモリに記憶されたデジタル化されたモアレパタ ーンから、デジタル化されたモアレ縞の中心（例えば最大デジタル値を有する最 大強度の点）を通るように線を調整する。デジタル化されたモアレ縞の中心を決 定すると、ブロック１０３に示すように、上記調整された線の水平面に関する角 腐τを計算する。回転角度τを決定した後に、信号処理装置５０２のコンピュー タはブロック１０４に示すように、式（２１）を用いて基準位置から対象物すな わちサポート６２の絶対的な距離を；計算する。例えば距Ｍｔ、ｏ　（レンズか ら供給までの距離）等のある種の要素、７及び角度β（相対的な格子の回転）は 、図゛ｒのバー　ドウエアの形状から既知であり、コンビ−ュータのメモリに記 憶されるこ占を理解する必要がある。

本発明による第３の検知の実行は、装ｕｉｆ：５００を用い、上に説明した位相 シフト技術を、うなり周波数δＦを決定しまた式（１６）から距ｔ！！Ｉｆ−ｄ Ｊを計算する第１の検知の実行に加えるものである。この第３の検知の実行にお いては、第２の格子５６をある手段（図示せず）により横方向に移動させ、これ により、光検知器等のｌ−の検知器−Ｌ段５８により監視される時変パターンを 導入する。検知されたうなりパターンは、信号処理手段（図示せず）により分析 され、対象物すなわちサポート６２が基準位置から移動した等高純の間隔の数を 決定する。この測定の精度は、位相ノット法を加えることにより向トするが、方 向に関する曖昧さが残る。

これも好ましい実施例でありｍ百５００を用いる本発明による第４の検知の実行 は、位相シフト技術を第２の検知の実行に加えるものである。この第４の検知の 実行においては、第２の格子５６がある手段（図示せず）により横方向に移動さ れ、光検知器等の弔−の検知器を用いて検知器手段５８により監視される時変パ ターンを導入する。その結果信号検知器から得られた出力信号は、信号処理手段 ５０２により使用され、対象物すなわちサポート６２が等高純の間隔の中に位置 している高い精度の読みを与え、また正味のパターン（図４、図５及び図６に示 すような）の回転角度τが等高純の間隔の特定の数を提供する。第２の検知の実 行と同様に、第４の検知の実ｊ−テは、真の絶対的なモアレ距離測定装！５００ を提供する。

次に図９を参照すると、直中ｉに説明した第４の検知の実行を処理するために図 ７の信号処理袋Ｘ　５０２により利用されるソーケンスのフローダイアグラムか 示されている。第４の検知の実行は、第２の検知の実行に位相ソフト技術を加え たものであるので、図９のブロック１．００．１０１．１．０２．１０３および １０４は、第２の検知の実行を行うための同一のＦｆ号が付された図８のブロッ クに対応する。ブロック１ｏｏ−ｉｏ４を実行した債に、ブロック１０５に示す ように、ブロック１０４において決定された対称物６２の絶対的な変位は、Ｃ（ ・１−ドウエｒの形状から既知である）で除し、またこの結果に最も近い整数Ｎ を選択するこ乏により、多数の専高純の間隔に変換される。ところで、第２の格 子５Ｇはブロック２（）０に示すように横方向に移動される。検知器列６６上の ある位置において、光検知器はブロック２０１に示すように、第２の格子の移動 １ごより生じたモアレバター・−ンの時変強度を測定する。その結果生じた光検 知器からの信号はブロック２０２に示すように、例えばうなり周波数を用いるた めの第２の方法に関しＣ上述した米国特許第４．７９４．５５０号明細欝に記載 される如き位相ノフトアルゴリズムを用いて分析される。ブロック２０２で行わ れた分析からの出力は、等高純の間隔Ｃの中の対象物すなわちサポート６２の変 位ｄ１であり、該変位は−Ｃ／２と＋Ｃ／２の間であ−）で高分解能の測定を提 供する。ブロック２０３に示すように、ブロック１０５からの多数の整数の等高 純の間隔と、カコツク２０２からの等高純の間隔の中の変位の正確な値を合計し 、対象物すなわち号ボー　ｈ　６２の基準位ＺＬ。からの絶対的な変位を得る。

第２の格子５６を複数の隔置されたビクセルから成る検知器列６６で置き換える ことにより、上述の４つの検知の実行のいずれもが、第５の検知の実行（これも ２２５００を用いる）となることができることを理解する必要がある。そのよう な装置５００を用いた場合には、モアレは、検知器列６６の隔置されたビクセル と第１の格子５２の像との間に形成される。モアレ縞は、検知器列６６からの電 気的な出力信号に現れる。検知信号処理装置によって、線形又は平面的な列６６ のいずれかを用いることができる。モアレの方向におけるビクセルの間隔は、検 知器列６６により置き換えられている第２の格子５６の線の周期に等しくなけれ ばならない。

本発明による第６の検知の実行は、装置５００と、有効な等高純の間隔を増加さ せる２又はそれ以上の別個の検知器１段５８とを用い、装置５００が広い明確な 測定範囲を有することを可能とする（等高純の間隔をカウントする必要はない） 。この技術は、オプティカル・アクタ（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｃｔａ）の１９８５ 年第３２巻の１４５５頁のフリース外（Ｋ、Ｃｒｅａｔｈ　ｅｔ　ａｔ、）の論 文に記載されている２波長位相シフト干渉（Ｔｗｏ−Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｐ ｈａｓｅ−５ｈｉｆｔｉｎｇ　Ｉｎｊｃｒｆｅｒｏｍｃｔｒｙ）技術と同様のも のであり、３技術は、非球面波面を測定するための干渉計の測定範囲を拡張する ために用いられる方法である。対象物すなわちサポート６２の可能な運動量か、 等高純の間隔の半分又はそれよりも小さいプラスあるいはマイナスの値に制限さ れた場合には、図１及び図２の従来技術のモアレ距離測定装置のいずれもか「絶 対的」な距離の情報を提供するであろう。換言すれば、カウントする等高純の間 隔か缶等存在しない。不運にして、これらの装置の大部分においては、等高純の 間隔は、何等かの価値のある絶対的な距ｇｆ　ｆｆ１ｌｌ定装置を提供するには 非常に小さく、実際的な用途のためにはｉＩｌ！！過した等高純の間隔の数を決 定しなければならなシへ〇等高線の間隔の寸法が増加した場合には、この制限を 受けることはなく、従ってこれか第６の検知の実行の目標である。

本発明による第６の検知の実行においては、２つの別個の隔置された検知器が第 ２の格子５６の背後に設けられていれば、各々の検知器は異なった視認角度を有 し、従って式（６）で表されかつ図３に示すような別個の等高純の間隔を有する 。位相シフト等の、各検知器において断片的な等高純の間隔の情報を提供する検 知技術を用いると、対象物すなわちサポート６２の与えられた変位「ｄ」が２つ の検知器により測定され、次式を得る。

ｄ　＝　ｍ　Ｃ＋＋δＣ，（２２） 及び ｄ＝ｎｃｚ＋δＣ２’　（２３） 上式において、ｍ及びｎは既知の＃！ｉＩＨであり、δＣ１及びδＣ２はそれぞ れ、第１及び第２の検知器からの断片的な等高純の間隔の情報である。「ｄ」の 最大値が、有効な等高純の間隔Ｃ゛の半分の値のプラスあるいはマイナス側に限 定された場合には、式（２２）及び（２３）はｒｄＪについて解くこＬができ、 この場合には上述のフリース外の論文は次式を与えている。

Ｃ”−Ｉ　Ｃ１Ｃｚ／　（Ｃｒ−Ｃ２）ｌ　（２４）この結果の他の観点は、± Ｃ゛／２の等高純の間隔の中で式（２２）及び（２３）の両方を満足させる「ｄ 」については、１つの解法だけか存在することである。

第４の検知の実行において複数の検知器を用いることにより向上した明確な測定 範囲か得られるので、この検知の実行は、ある種の用途に対して絶対的な距離測 定装置５００の役割を果たすことかできる。また、２よりも多い数の検知器を用 いる解法があり、これらのシステムは一般に、２つの検知器による解法の場合よ りも寸法か増大された効果的な等高純の間隔を有する。等価の大きさの等高純の 間隔を有する標準的なモアレ装置を用いる場合に比較して優れて（する第６の検 知の実行の重要な効果は、測定の精度である。複数の検知器を用Ｌ・ること（こ より、単一の検知器の測定のいずれか（Ｃ１又はＣ２の分数）に固有の測定精度 力（維持され、これはより大きな単一の等高純の間隔の同一の分数とは対称的で ある。

ここに開示する特定の実施例は、本発明の精神及び範囲の単なる例示であること を理解する必要がある。当業者は本発明の原理に則って、幾つかの変更を行うこ とができる。例えば、第１の格子５２の品質には同等制約的な要件がなく、また 必要に応じ、第１の格子５２をステッカ上に印刷すなわちプリントし、対象物す なわちサポート６２に置くことができる。生産において部品を関しするために、 第１の格子５２は、部品の中に成形するか、あるいは他の何等かの製造工程の段 階として部品に設けられる。また更に、検知器手段５８の出力側に、本件出願人 に譲渡された米国特許第４．７９４．５５０号明細書に開示されるものと同様な 装置等の適宜な信号処理装置を用いることができる。より詳細には、検知器手段 ５８の出力信号に生ずる情報を分析し、上述のいずれか１つの技術及び検知の実 行を行うように、コンピュータがプログラムされる。コンピュータは、絶対的な 距離「ｄ」、及び基準位置からの拡散反射面６０の変位の方向を動的に決定する ことができ、また必要であれば、そのような絶対的な変位を基準の距ｆｉＬ。に 加え、表面６０とレンズ５４との間の絶対的な全距離測定値を決定することがで きる。更に、以上に記載したことを利用し、第１、第２、第３、第４第５及び第 ６の検知の実行の各々についての図８及び図９と同様なフローチャートを、当業 者が容易に作成することができることを理解する必要がある。

ＦＩＧ、ｉ 偏号処理装置へ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩ６．　７ 富 ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、　９ 要約１ 基準位置からの拡散反射面の絶対的なモアレ距ｉＩＩ［１ｉｌＩ定値を提供する ための方ｄ及び装置が開示される。より詳細には、拡散反射面には第１の格子か 位置決めされるか、形成されるかあるいはプリントされる。第１の格子の像は、 検知４手ｋにおいては、第１の格子及び第２の格子の像の周期は合致する。拡散 反射面力哨準位１からこれに対して直角な方向に移動すると、該シフト及び第１ の格子の任と第２の格子のパターンとの間の倍率の不一致に起因する空間的な時 変強度パターンが検知器手段に生じる。上記２つのパターンの間の倍率の差の大 きさを側石することにより、基準位置からの拡散反射面のその時々の絶対的な距 離に関す／情報を提供する。検知器手段からの情報を用いて絶対的な距離の測定 値を決定）るための種々の方法が開示される。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．絶対的なモアレ距離測定値を提供するための方法において、（ａ）拡散反射 面に第１の格子を位置決めするか、形成するかあるいはプリントする段階と、 （ｂ）第１の格子の像のパターンと第２の格子のパターンとの積により形成され るモアレパターンを発生するための結像手段によって、前記第１の格子の像を前 記第２の格子上に形成する段階と、（ｃ）拡散反射面が該拡散反射面の平面に垂 直な方向に移動する際に、前記第１の格子の前記像のパターンと前記第２の格子 の前記パターンとの間の倍率の差を検知し、これにより、ある基準位置からの前 記拡散反射面の絶対的な距離に関する情報を発生する段階とを備えて成る方法。 ２．請求項１の方法において、前記段階（ｂ）では、前記結像手段の光学軸線を 、前記拡散反射面に直角な線に関して所定の鋭角をなして配設することを特徴と する方法。 ３．請求項１の方法において、前記第２の格子が所定の周期を有し、また前記段 階（ｂ）では、 （ｂ１）前記拡散反射面が前記結像手段からはなれた基準距離に位置する時に、 前記第１の格子の前記像に、前記第２の格子の周期に一致する周期を形成する段 階と、 （ｂ２）前記拡散反射面が前記基準位置にないときに、前記第１の格子の前記像 に前記第２の格子の前記周期に一致しない周期を形成し、前記第１の格子の前記 像のパターンと前記第２の格子の前記パターンとの間のモアレパターンに倍率の 不一致を生じさせ、これにより、前記基準位置からの前記拡散反射面の変位を測 定する段階を実行することを特徴とする方法。 ４．請求項３の方法において、前記段階（ｃ）では、（ｃ１）前記第１の格子の 前記像の第１の周波数と、前記第２の格子の第２の周波数とを測定することによ り、倍率における差を検知する段階と、（ｃ２）前記段階（ｃ１）において検知 した前記第１及び第２の周波数の間の差を取ることによりうなり周波数を決定す る段階と、（ｃ３）前記段階（ｃ２）で決定した前記うなり周波数を用いて、前 記基準位置からの前記拡散反射面の変位を決定する段階とを実行することを特徴 とする方法。 ５．請求項４の方法において、前記段階（ｃ）では更に、（ｃ４）前記拡散反射 面の動きを前記基準位置の一方の側にだけ制約する段階と、 （ｃ５）前記段階（ｃ４）において制約された動きの側に依存する所定の符号を 用いて、前記段階（ｃ３）において決定した変位を加算することにより、前記結 像手段からの前記拡散反射面の絶対的な距離決定する段階とを実行することを特 徴とする方法。 ６．請求項４の方法において、前記段階（ｃ）では更に、（ｃ４）線形又は平面 的に配列された検知器列を用いて前記基準位置において検知したうなり周波数か ら該うなり周波数の運動方向を検知し、これにより、前記拡散反射面の変位の方 向を決定する段階と、（ｃ５）前記段階（ｃ４）において決定した前記変位の方 向に依存する符号を用いて、前記段階（ｃ３）で決定した変位を加算することに より、前記基準位置からの前記拡散反射面の絶対的な距離を決定する段階とを実 行することを特徴とする方法。 ７．請求項６の方法において、前記段階（ｂ）では、隔置されたビクセルから成 る検知器列で前記第２の格子を置き換え、また前記モアレパターンが、前記隔置 されたビクセルと前記第１の格子の像との間に形成されることを特徴とする方法 。 ８．請求項４の方法において、 前記段階（ｂ１）及び（ｂ２）では前記第２の格子を一時的に移動させ、また、 前記段階（ｃ）では、 （ｃ４）前記第２の格子の前記一時的な移動により単一の検知器の出力側に生ず る時変信号を検知する段階と、 （ｃ５）前記時変信号を分析し、ある等高線の間隔の中で前記拡散反射面が前記 基準位置から変位している状態である第１の測定値を決定する段階と、（ｃ６） 前記段階（ｃ５）で得た第１の測定値と前記段階（ｃ３）で決定した特定の数の 等高線の間隔とを加算することにより、前記拡散反射面の前記基準位置からの絶 対的な距離を決定する段階とを実行することを特徴とする方法。 ９．請求項８の方法において、前記段階（ｂ）では、前記第２の格子を隔置され たビクセルから成る検知器列で置き換え、また前記モアレパターンを前記隔置さ れたビクセルと前記第１の格子の前記像との間に形成することを特徴とする方法 。 １０．請求項３の方法において、 前記段階（ｂ）では、前記第１及び第２の格子を互いに関して傾斜させ、これに より、第１の方向におけるキャリアモアレパターンと、前記拡散反射面が前記基 準位置から変位した時に前記キャリアモアレパターンに直交する方向において生 ずるモアレうなりパターンとの和である正味のモアレパターンを発生させ、該正 味のモアレパターンを、前記基準位置からの前記拡散反射面の所定の変位に依存 する所定の回転角度に亙って回転させ、前記段階（ｃ）では、 （ｃ１）前記拡散反射面が前記基準位置から移動する際に、前記正味のモアレパ ターンの前記回転角度を検知することにより倍率の差を検知し、これにより、前 記基準位置からの前記拡散反射面の変位の測定値を発生する段階を実行すること を特徴とする方法。 １１．請求項１０の方法において、前記段階（ｂ）では、前記第２の格子を隔置 されたビクセルから成る検知器列により置き換え、前記モアレパターンを前記隔 直されたビクセルと前記第１の格子の前記像との間に形成することを特徴とする 方法。 １２．請求項１０の方法において、前記段階（ｃ）では更に、（ｃ２）前記正味 のモアレパターンの回転方向を検知することにより、前記基準位置からの前記拡 散反射面の変位の方向を決定する段階と、（ｃ３）前記段階（ｃ２）で決定した 変位の方向に依存する符号を用いて、前記段階（ｃ１）で得た前記基準位置から の前記拡散反射面の絶対的な距離を決定する段階とを実行することを特徴とする 方法。 １３．請求項１２の方法において、前記段階（ｂ）では、前記第２の格子を隔置 されたビクセルから成る検知器列で置き換え、また前記モアレパターンを前記隔 置されたビクセルと前記第１の格子の前記像との間に形成することを特徴とする 方法。 １４．請求項１０の方法において、前記段階（ｃ１）では、前記回転角度を用い て特定の数の変位の等高線の間隔を提供し、また前記段階（ｃ）が更に、（ｃ２ ）前記第２の格子を一時的に移動させる段階と、（ｃ３）前記第２の格子の前記 一時的な移動により単一の検知器の出力側に任ずる時変信号を検知する段階と、 （ｃ４）前記時変信号を分析し、前記拡散反射面が前記基準位置から変位してい る等高線の間隔の中の第１の測定値を決定する段階と、（ｃ５）前記段階（ｃ４ ）で得た第１の測定値と前記段階（ｃ１）で決定した前記回転角度から決定され た特定の数の等高線の間隔とを加算することにより、前記拡散反射面の前記基準 位置からの絶対的な距離を決定する段階とを備えることを特徴とする方法。 １５．請求項１４の方法において、前記段階（ｂ）では、前記第２の格子を隔置 されたビクセルから成る検知器列で置き換え、また前記モアレパターンを、前記 検知器列の前記隔置されたビクセルと前記第１の格子の前記像との間に形成する ことを特徴とする方法。 １６．請求項３の方法において、 前記拡散反射面の前記基準位置からの最大変位量が等高線の間隔の半分であり、 前記段階（ｂ１）及び（ｂ２）では、前記第２の格子の背後の間隔を置いた位置 に複数の光学的な検知器を設け、これら各々の光学的な検知器は、前記モアレパ ターンの光線強度を測定すると共に、前記モアレパターンにおける前記光学的な 検知器の位置に依存する別個の等高線の間隔をそれぞれ有しており、前記段階（ ｃ）では、 （ｃ１）所定のサンプリング周期の間に各々の光学的検知器に対して、等高線の 間隔の半分である前記基準位置からの前記拡散反射面の最大変位の範囲内の変位 を表す部分的な等高線の間隔を決定する段階と、（ｃ２）前記光学的な検知器の 少なくとも２つにより決定された前記部分的な等高線の間隔の関数である有効な 等高線の間隔を発生させることにより、前記拡散反射面の前記基準位置からの絶 対的な距離を決定する段階とを更に実行することを特徴とする方法。 １７．絶対的なモアレ距離測定装置であって、測定すべき拡散反射面に位置決め されるか、形成されるかあるいはプリントされた第１の格子と、 第２の格子と、 前記第１の格子の像を前記第２の格子上に形成し、これにより、前記第１の格子 の前記像の第１のパターンと前記第２の格子の第２のパターンとの積により形成 されるモアレパターンを発生させる結像手段と、前記拡散反射面が該拡散反射面 の平面に対して直角な方向に移動する際に、前記モアレパターンの前記第１の格 子の像の前記第１のパターンと前記第２の格子の前記第２のパターンとの間の倍 率の差を検知し、該倍率の差を表す出力信号を発生させる光学的な検知手段と、 前記光学的な検知手段からの出力信号に応答し、前記拡散反射面のある基準位置 からの絶対的な距離に関する情報を発生する情報発生手段とを備える絶対的なモ アレ距離測定装置。 １８．請求項１７の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記結像手段の光学 軸線は、前記拡散反射面に直角な線に関して所定の鈍角をなして配設されること を特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 １９．請求項１７の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記第１の格子は、 所定の第１の周期を間に有する互いに平行な不透明な線及び不透明ではない線又 は不透明な領域及び不透明ではない領域を備え、前記第２の格子は、前記結像手 段が前記拡散反射面からある基準の距離だけ離れた位置にある時に、前記第１の 格子の前記像の周期に一致する所定の第２の周期を有する互いに平行な不透明な 線及び不透明ではない線又は不透明な領域及び不透明ではない領域を備え、前記 所定の第２の周期は、前記拡散反射面が前記基準距離から動いた時には前記第１ の格子の前記像の周期とは一致せず、これにより、前記第１の格子の像のパター ンと前記第２の格子のパターンとの間の前記モアレパターンにより生ずる空間的 な時変強度パターンを表す倍率の不一致が生じることを特徴とする絶対的なモア レ距離測定装置。 ２０．請求項１７の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記情報発生手段が 、前記光検知手段の前記出力信号において、前記第１の格子の像の第１の周波数 と前記第２の格子の第２の周波数とを検知する検知手段と、前記第１及び第２の 周波数の間の差を取ることによりうなり周波数を測定する測定手段と、 前記うなり周波数を用いて前記基準位置からの前記拡散反射面の変位を決定する 決定手段とを備えることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２１．請求項２０の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記拡散反射面の運 動は、前記基準位置の一方の側にのみ制約され、前記情報発生手段が更に、前記 決定手段により決定された変位に沿う前記制約された運動に用いられる前記一方 の側に依存する所定の符号を用い、前記基準位置からの前記拡散反射面の絶対的 な距離を決定するための距離決定手段を備えることを特徴とする絶対的なモアレ 距離測定装置。 ２２．請求項２１の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記光学的な検知手 段の前記第２の格子は、隔置されたビクセルから成る検知器列により置き換えら れ、前記モアレパターンは、前記隔置されたビクセルと前記第１の格子の前記像 との間に形成されることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２３．請求項２０の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記第２の格子が一 時的に移動され、 前記光検知手段は、前記第２の格子の前記一時的な移動により生ずる時変信号を 検出し、該時変信号を表す出力信号を発生する単一の光学的な検知器を備え、前 記情報発生手段が、 前記光学的な検知手段からの前記時変信号の出力信号を分析し、前記等高線の間 隔の中で前記拡散反射面が前記基準位置から変位された場合の第１の測定値を決 定する分析手段と、 前記分析手段により決定された前記第１の測定値、及び前記拡散反射面により移 動された多数の等高線の間隔を表す第２の測定値を加算し、これにより前記基準 位置からの前記拡散反射面の絶対的な距離の測定値を得る加算手段とを備えるこ とを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２４．請求項２３の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記光検知手段の前 記第２の格子が、隔置されたビクセルから成る検知器列により置き換えられ、ま た前記モアレパターンが、前記隔置されたビクセルと前記第１の格子の前記像と の間に形成されることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２５．請求項１９の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記第１及び第２の 格子を互いに関して傾斜させ、これにより、第１の方向におけるキャリアモアレ パターンと、前記拡散反射面が前記基準位置から変位した時に前記キャリアモア レパターンに直交する方向において生ずるモアレうなりパターンとの和である正 味のモアレパターンを発生させ、該正味のモアレパターンを、前記基準位置から の前記拡散反射面の所定の変位に依存する所定の回転角度に亙って回転させ、 前記光学的な検知手段は、前記拡散反射面が前記基準位置から移動する際に、前 記正味のモアレパターンの前記回転角度を決定することにより倍率の差を検知し 、これにより、前記基準位置からの前記拡散反射面の変位の測定値を発生する検 知手段を備えることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２６．請求項２５の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記第２の格子は、 隔置されたビクセルから成る検知器列により置き換えられ、また前記モアレパタ ーンが、前記隔置されたビクセルと、前記第１の格子の前記像との間に形成され ることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２７．請求項２５の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記情報発生手段が 、 前記モアレパターンの回転方向を検知することにより、前記光学的な検知手段に より発生された変位の測定値の方向を決定する決定手段と、前記光学的な検知手 段により与えられる上記基準位置からの前記拡散反射面の変位の測定値と共に、 前記決定手段により決定された前記変位の方向に依存する符号を用いる事により 、前記基準位置からの前記拡散反射面の絶対的な距離の測定値を提供するための 加算手段とを備えることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２８．請求項２７の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記第２の格子は、 隔置されたビクセルから成る検知器列により置き換えられ、前記モアレパターン は、前記隔置されたビクセルと前記第１の格子の前記像の間に形成されることを 特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ２９．請求項２５の絶対的なモアレ距離測定装置において、該装置が更に前記第 ２の格子を一時的に移動させる手段を備え、前記光学的な検知手段が、前記第２ の格子の前記一時的な移動により生ずる時変信号を検知し、該時変信号を表す出 力信号を発生する検知器を備え、前記情報発生手段が、 前記光学的な検知手段により検知されたモアレパターンの回転角度に応答し、特 定の数の前記変位の等高線の間隔に対する値を発生する発生手段と、前記検知器 からの前記時変出力信号を分析し、前記拡散反射面が前記基準位置から変位した 等高線の間隔の中の第１の測定値を決定する分析手段と、前記分析手段からの前 記第１の測定値、及び前記発生手段により生ずる特定の数の等高線の間隔を加算 することにより、前記基準位置からの前記拡散反射面の絶対的な距離を決定する ための決定手段とを備えることを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。 ３１．請求項１９の絶対的なモアレ距離測定装置において、前記基準位置からの 前記拡散反射面の最大変位量は、ある等高線の間隔の半分であり、 前記光学的な検知手段は、前記第２の格子の背後において隔置される複数の光学 的検知器を備え、これら各々の光学的検知器は、前記モアレパターンにおける光 線強度を測定しかつ該測定された光線強度を表す出力信号を発生し、前記情報発 生手段は、 前記各々の光学的検知器からの出力信号に応答し、前記モアレパターンにおける それぞれの位置に依存する各々の光学的検知器に関する別個の等高線の間隔を用 いることにより、所定のサンプリング周期の間に、各々の光学的検知器に対して 、前記基準位置からの前記拡散反射面の等高線の間隔の半分である最大変位の範 囲内にある変位を表す別個の部分的な等高線の間隔の測定値を提供すると共に出 力信号を発生する測定手段と、 前記測定手段からの各々の出力信号に応答し、前記光学的検知器の少なくとも２ つにより決定される部分的な等高線の間隔の関数である有効な等高線の間隔の距 離を発生するための発生手段と、 前記発生手段により決定される前記有効な等高線の間隔の距離を用い、前記基準 位置からの前記拡散反射面の絶対的な距離を決定するための加算手段とを備える ことを特徴とする絶対的なモアレ距離測定装置。