JPH06194125A - 対物レンズの焦点から物体のずれ又は位置変化を検出する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対物レンズの焦点から物体のずれ又は位置変
化を検出する方法を提供する。 【構成】 該方法は、２つの平行な、かつ対物レンズの
光軸に対して同じ距離にある部分光路内を誘導される光
を対物レンズによって物体の方向にフォーカシングし、
両者の部分光路の反射した光をオーバラップさせかつ検
出し、かつずれ又は位置変化を周期的周波数又は少なく
とも１つの検出器で生じる干渉パターンの位相数の誘導
につき測定することよりなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対物レンズの焦点から
物体のずれ又は位置変化を検出する方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】製造に付随する測定技術において、基本
的課題の１つは、長さ及び距離の測定にある。このため
にしばしば、例えば軟質の表面を有する物体の測定の際
には、無接触走査が必要とされる。

【０００３】社報“Appleid Laser Technology”におけ
るタイトル“A novel optoelectronic instrument for
on-line precise measurements”オランダ、１９８７の
記載から、オプトエレクトロニック測定ヘッドが公知で
ある。この場合には、２つのレーザダイオードがそれぞ
れ１つのコリメートされたビームを発生し、該ビームの
両者は共通の主体物レンズによってその焦点にフォーカ
シングされる。物体で散乱した光は主体物レンズによっ
て再び集光されかつコリメータレンズによって位置感知
検出器にフォーカシングされる。位置感知検出器上の光
スポットの位置は、主体物レンズの焦点から物体までの
距離の尺度である。この三角測量の原理に基づき作業す
る測定ヘッドは、４０ｍｍの最大測定範囲で０．２μｍ
以下の測定解像力を提供する。測定解像力は測定範囲内
で著しく異なるので、測定ヘッドは測定のために、測定
すべき物点が主体物レンズの焦点に位置するまで、物体
に向かって又はそれから離れる方向に運動せしめられ
る。該測定ヘッドの運動は、位置感知検出器の信号によ
り制御される。

【０００４】物体上の走査点並びにまた位置感知検出器
上の像は有限の直径を有しているので、最大解像力を達
成するためには、位置感知検出器上の像点の重点を決定
することが必要である。測定物体が走査領域内に異なっ
た散乱又は反射特性を有する場合には、重点測定の際
に、測定結果を誤らせる誤差が生じる。

【０００５】更に、表面測定のためには、干渉計測定法
が公知である。この方法に関するまさに十分な概説は、
“Laser und Optoelektronik" Vol. 22, p.76(1990)の
論文“Interferometrische Verfahren zur Rauhigkeits
messung”に記載されている。この方法では、光波長の
数分の１程度の測定解像力が可能である。２つの僅かに
異なった光波長を有するヘテロダイン干渉計を使用する
ことにより、物体表面の反射特性に依存する測定信号を
得ることができる。しかしながら、鮮鋭範囲は光波長の
半分に制限される。測定範囲の拡大は、確かに、測定物
体が連続して２つの異なった波長で測定される２波長干
渉計により可能である。その際には、鮮鋭範囲は、両者
の波長から形成される、可視光線を使用する際には約１
００μｍで可能であるうなり波長の相当する。

【０００６】最後に挙げた論文並びに米国特許第３９５
８８８４号明細書から、測定物体が同時に干渉面である
装置が公知である。その際には、物体表面は物体表面の
外部にある座標原点にはいかなる関係もなくそれお自体
で相対的に測定される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、１０
０μｍを越える鮮鋭範囲で１μｍ未満の測定解像力を可
能にし、かつ測定結果を走査される物体領域の異なった
散乱又は反射特性を誤らせない方法及び装置を提供する
ことである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題は、その方法に
関しては、対物レンズの焦点から物体のずれ又は位置変
化を検出する方法において、２つの平行な、かつ対物レ
ンズの光軸に対して同じ距離にある部分光路内を誘導さ
れる光を対物レンズによって物体の方向にフォーカシン
グし、両者の部分光路の反射した光をオーバラップさせ
かつ検出し、かつずれ又は位置変化を周期的周波数又は
少なくとも１つの検出器で生じる干渉パターンの位相数
の誘導につき測定することにとり解決され、かつ装置に
関しては、対物レンズの焦点から物体のずれ又は位置変
化を検出する装置において、２つの平行な、かつ対物レ
ンズの光軸に対して同じ距離にある部分光路内を誘導さ
れる光を対物レンズによって物体の方向にフォーカシン
グしかつ物体で散乱又は反射した光を集める対物レンズ
と、光源の光を両者の部分光路に誘導するビームスプリ
ッタと、両者の部分光路の、物体で反射した光を干渉性
オーバラップさせる手段と、干渉性オーバラップによっ
て生じるパターンを検出する少なくとも１つのセンサ
と、パターンの周期性又は位相数の導関数を計算する処
理計算機とから構成されていることにより解決される。

【０００９】本発明の方法のために重要なことは、物体
の焦点ずれ又は位置変化を周期的周波数又は少なくとも
１つの検出器で生じる干渉パターンの位相数の数学的誘
導につき測定することである。この干渉パターンを発生
させるためには、２つの平行な、かつ対物レンズの光軸
に対して同じ距離にある部分光路内を誘導される光を対
物レンズによって物体の方向にフォーカシングする。対
物レンズは両者の部分光路を量的に同じ角度で物体にフ
ォーカシングする。次いで、物体で反射した両者の光路
の光を干渉できるようにオーバラップさせかつ検出す
る。走査された物体領域が対物レンズの焦点の外部にあ
る場合には、物体で散乱しかつ対物レンズによって集光
された光の光路は互いに傾斜している。次いで、これら
の両者の互いに傾斜した部分光路の干渉性オーバラップ
において、傾斜縞が生じ、この縞の縞周期は両者の部分
光路の間の角度、ひいては光軸の方向での対物レンズの
焦点から走査される物体領域までの距離に依存する。

【００１０】測定機構の幾何学的ファクターが既知であ
れば、前記縞パターンの周期を絶対的測定尺度として使
用することが可能である。しかしながら、この測定法で
も測定解像力は測定範囲内で変動するので、最大の測定
精度を達成するには、縞周波数から、それを用いて測定
ヘッドと測定物体との間の間隔を最適化する、すなわち
測定物体を対物レンズの焦点面に移動させるのが有利で
ある。

【００１１】本発明による測定装置は、２つの平行なか
つ光軸に対して同じ距離にある部分光路内を導かれる光
を物体にフォーカシングしかつ物体で散乱又は反射した
光を集光する対物レンズを有する。両者の部分光路の光
は、唯一の光源によって発生せしめられかつビームスプ
リッタによって２つの部分光路に転向され、それによっ
て反射した光の後からの干渉性オーバラップが可能であ
る。さらに、本発明による装置は、物体で反射した、両
者の部分光路の光を干渉性オーバラップさせる手段と、
干渉性オーバラップにより生じるパターンを検出する少
なくとも１つのセンサと、パターンの周期性を計算する
ための処理計算機とを有する。この場合、光は両者の光
路内で偶数の反射か、又は両者の光路内で奇数の反射を
受ける。

【００１２】ビームスプリッタは有利には偏光ビームス
プリッタとして構成されており、かつ同時に両者の部分
光路の、物体で反射した光のオーバラップのために役立
つ。それにより、一方ではオーバラップの際にロスが生
ぜず、他方では物体自体の上には干渉パターンは生じな
い。それというのも、物体上では両者の部分光路の光は
互いに垂直に偏光されているからである。

【００１３】原則的に、本発明による測定装置を用いた
測定結果は、再反射されたビームが対物レンズアパーチ
ャの内部にある限り、対物レンズの光軸に対する測定物
体法線のずれに対して影響を受けない。対物レンズ光軸
に対する測定物体法線の傾斜は、もっぱら一定の縞周波
数で検出器上の縞の移動を生じる。

【００１４】そのような縞移動を回避するために、偏光
ビームスプリッタの後方に部分光路のオーバラップした
領域に四分の一波長板、引き続き平面橋が配置されてい
てもよい。それにより、測定解像力をなお倍加する２重
パス装置が生じる。その際には、検出器への反射は、第
２のビームスプリッタにより行う。

【００１５】両者の部分光路内の光が互いに垂直な偏光
を有する場合には、干渉パターンを形成するために付加
的な手段が必要である。そのためには、センサの前に、
その透過方向が両者の部分光路の偏光方向に対して４５
°の角度である分析器が設けられていてもよい、有利に
は、測定物体の焦点ずれの量並びにその方向は測定可能
であるべきである。このために、第１実施例において
は、それぞれ９０°位相がシフトしたパターンを検出す
る４つのセンサが設けられている。この場合、これらの
４つのセンサのそれぞれは、２次元的カメラセンサとし
て構成されている。第２の、特に簡単の実施例において
は、唯一のセンサ、及び分析器の前方に付加的に１つの
ウォラストンピリズムが設けられている。ウォラストン
ピリズムの偏光に依存する角度変向により、両者の部分
光路はセンサ上に互いに僅かな角度ずれを有する。その
際、測定物体が測定対物レンズの焦点にあれば、既に干
渉パターンが生じる。この干渉パターンの周波数は、ウ
ォラストンピリズムの角度分割により与えられる。その
際、測定物体の対物レンズの方向への移動又は対物レン
ズから離れる方向への移動は、縞周期の減少又は拡大を
生じる、それにより該運動を明らかに検出可能である。

【００１６】単数又は複数のセンサは、２次元的カメラ
センサであってよい。しかしながら、干渉パターンは縞
パターンであり、従って周期性は１つの方向でのみ生じ
るので、センサとしてラインセンサを設け、該ラインセ
ンサをそれぞれ前方に配置された円柱レンズの火線に沿
って配置するのが特に有利である。この場合、円柱レン
ズは、光学的情報をリアルタイムで発生する。

【００１７】それぞれの部分光路の光が物体で反射した
後にそれぞれ実質的にそれぞれ別の光路内を導かれる実
施態様が、特に有利であることが立証された。焦点に内
に配置された物体の場合には、この装置は、光が同じ光
路内を、但しそれぞれ偏光した後に反対方向で巡回する
環状干渉計を構成する。物体が焦点からずれると、環状
干渉計内を反対向きに巡回する光波は、専ら、両者の光
波の反対側の傾斜から生じる光路差を有する。従って、
光源としては僅かな時間的干渉性を有する光源を使用す
ることができ、それにより粗い物体表面を走査する際に
もスペックルの発生が最少化される。

【００１８】偏光ビームスプリッタは、通常の立方体偏
光ビームスプリッタであってよい。その際には、両者の
部分光路の平行配向のために、付加的鏡が必要である。
著しく廉価な構成は、偏光ビームスプリッタとして、一
方の面に部分的に偏光ビームスプリッタ被膜及び他方の
面に単一ビームスプリッタ被膜を有する厚い面平行板を
設けることよりなる。その際には、付加的鏡は不必要で
ある。

【００１９】センサ上の干渉縞もしくは干渉パターンの
最大のコントラストを達成するためには、それぞれの部
分光路は干渉計内で同じ数の反射を受けかつ同じ光路を
透過すべきである。このことは、対物レンズの光軸を含
む面内に１つの偏光ビームスプリッタ層を有する組立て
られたプリズムを使用し、かつそれぞれの部分ビームを
その偏光とは無関係にインレットとアウトレットの間で
３回反射させることにより可能である。この実施態様の
場合も、付加的な鏡は不必要である。

【００２０】付加的に、物体での反射の際に生じる位相
信号を検出するためには、本発明による測定装置ではな
お第２の干渉計をビームスプリッタを介して固有のライ
ンセンサ及び干渉面と、干渉面で反射した部分光波が物
体で反射した物体光波と干渉するように接続されていて
もよい。

【００２１】

【実施例】次に図示の実施例を参照して本発明を詳細に
説明する。

【００２２】図１内の測定ヘッドは、光源としてスーパ
ーブライト発光ダイオード１を有し、その光は僅かな時
間的コヒーレンスを有する。発光ダイオード１は、コリ
メータ２の焦点に配置されている。２つの互いに垂直な
偏光成分を含有するコリメートされた光ビームは、偏光
ビームスプリッタプリズム３の偏光分光する層３ａによ
って互いに垂直な偏光を有する２つの部分ビームに分割
される。鏡４により、両者の部分光路（これらの光軸は
６及び７で示されている）は互いに平行に配向されてい
る。両者の部分光路６，７内に、対物レンズ８が配置さ
れており、その光軸５は両者の部分光路６，７の光軸５
に対してそれぞれ同じ距離を有する。両者の部分光路の
光軸及び対物レンズ８の光軸は、共通の面内にある。対
物レンズ８は、両者の部分光軸６，７のコリメートされ
た光を焦点９にフォーカシングし、該焦点内に測定物体
１０の走査すべき点が存在する。

【００２３】測定物体表面１０で反射した後に、反射し
たビームは対物レンズ８によって再び集光される。この
場合、今や、偏光ビームスプリッタ層３ａで透過した、
部分光路６に沿って物体１０に導かれた光は、復路で部
分光路７を透過する。相応して反対にビームスプリッタ
層３ａで反射した光は測定物体１０で反射した後に、部
分光路６を透過する。両者の部分光路は、次いでビーム
スプリッタ層３ａにより再び互いに幾何学的にオーバラ
ップして干渉計アウトレット１１に転向される。両者の
偏光方向は干渉計内部で、すなわちビームスプリッタの
間で偏光ビームスプリッタ層３ａを経て測定物体にかつ
再び逆方向で偏光ビームスプリッタ層３ａに向かって同
じ光路を戻るので、該装置は白色光で作動可能である。

【００２４】干渉計アウトレット１１の後方に、まずλ
１／２板１２、それに引き続き５０％ビームスプリッタ
１３が配置されている。５０％ビームスプリッタ１３の
透過分岐路内に、その直後に偏光ビームスプリッタ１４
が配置されており、該偏光ビームスプリッタは光をそれ
ぞれ偏光後に２つのカメラセンサ１５，１６に転向す
る。この場合、該カメラセンサ１５，１６は、互いに位
相が１８０°シフトされた干渉縞パターンを記録する。
５０％ビームスプリッタ１３で転向された光路内には、
まずλ１／４板１７、それに引き続きもう１つの偏光ビ
ームスプリッタ１８が配置されており、該偏光ビームス
プリッタは出射光を別のカメラセンサ１９，２０に転向
する。これらの両者のカメラセンサ１９，２０も、それ
ぞれ互いに１８０°位相がシフトした干渉縞パターンを
記録する。しかしながら、該干渉縞パターンは、カメラ
センサ１５，１６で記録されたパターンに対して、λ１
／４板１７の偏光旋回に基づきそれぞれ９０°位相シフ
トされている。従って、特に、互いにそれぞれ９０°位
相シフトされた４つの縞パターンが記録される。

【００２５】図１に示されているように、物体表面１０
の走査される測定点がまさに対物レンズ８の焦点に配置
されている場合には、縞幅並びに縞周期は有限である。
走査される測定物体範囲を移動ΔＸだけ対物レンズ８の
焦点から運動させると、対物レンズ８の半分の開口高さ
にわたってピッチ差ΔＦを有する縞が発生する。この場
合、ピッチ差ΔＦと移動ΔＸとの間に以下の関係式： ΔＦ＝ΔＸ／２Ｋ² が当てはまる。上記式中、Ｋ＝Ｆ／Ｙは対物レンズの開
口数である。

【００２６】このピッチ差は、カメラ検出器１５，１
６，１９，２０上に縞パターンを生じる。この場合、周
期性、すなわち縞幅は、対物レンズ８の光軸５に対する
物体表面１０の配向に依存する。図平面に対して垂直で
ある軸を中心として測定物体１０の回転は、もっぱら検
出器上の縞の移動をもたらす。

【００２７】４つのカメラ１５，１６，１９，２０の像
から、計算機２１で移動ΔＸの量及び方向を計算する。
次いで、この計算値から焦点制御信号を得る。該信号
は、図面にモータ２２として図示された焦点駆動装置を
介して測定物体を、走査される物点が対物レンズ８の焦
点にあるようになるまで移動させる。

【００２８】シフトを計算するためには、まず、例えば
B. Doerbad著の論文、シュトッツガルト大学、１９８６
に記載された、干渉計でしばしば使用される４段階評価
アルゴリスムスを用いてそれぞれのカメラピクセルに対
して位相値を計算する（該４つのカメラは、正確にそれ
ぞれ９０°位相がシフトした干渉パターンを提供す
る）。このためには、４つのカメラの互いの配置関係の
認識が必要である。その際、縞周波数はそれぞれの縞周
期内の位相値の誘導に直接比例する。その際、導関数
（縞方向に対して垂直な位相値の上昇）は、移動ΔＸの
値に比例しかつ該導関数の符号は移動方向を決定する。

【００２９】図１につき記載した実施例は、全部で４個
の２次元的カメラ検出器を必要とし、該検出器は例えば
ＣＣＤチップとして構成されていてもよい。移動ΔＸの
値だけを求めたい場合には、その透過方向が両者の部分
光路偏光方向と４５°の角度を形成する分析の後方に唯
一のカメラを配置すれば十分である。付加的なカメラ
は、専ら移動ΔＸの方向をも測定するために必要であ
る。このことは図２に図示した実施例により極めて好ま
しく解決される。図２には、図１の実施例に等しい構成
要素には、数値１００を加算した参照符号で示されてい
る。干渉計のアウトレット１１１に至るまでの発光ダイ
オード１０１と物体１１０との間の光路は、先の実施例
における光路と同じである。従って、この光路に関して
は図１を参照されたい。

【００３０】干渉計アウトレット１１１の後方に、ウォ
ラストンプリズム１２３、引き続き分析器１２４が配置
されており、該分析器の透過方向は部分光路１０６，１
０７の両者の偏光とまさに４５°である、従って両者の
偏光成分はほぼ同じ強度で透過することができる。ウォ
ラストンプリズム１２３は両者の偏光相互の僅かな角度
ずれを惹起する。両者の偏光方向の角度ずれに基づき、
測定物体１１０の走査される範囲が正確に対物レンズ１
０８の焦点１０９内にある場合には、分析器１２４にす
でに縞パターンが生じる。対物レンズの光軸１０５に沿
った対物レンズ１０８に相対的な物体表面１１０の両者
の起こり得る移動方向は、縞幅の拡大もしくは縮小をも
たらす。従って、測定すべき、焦点位置によって惹起さ
れる縞周波数は、変調位相としてウォラストンプリズム
１２３によって惹起される搬送周波数に変調されてい
る。このような位相変調は簡単にかつ極めて正確にドイ
ツ連邦共和国特許出願公開第４０１４０１９号明細書に
記載された方法で測定することができる。

【００３１】縞は図２内の図面平面に対して垂直に延び
ているので、縞方向に沿った光強度において付加的な情
報は含有していない。従って、分析器１２４の後方に円
柱レンズ１２５が配置されており、その円柱軸線はウォ
ラストンプリズム１２３によって惹起されたビーム曲が
りの方向にある。この円柱レンズの火線に沿って、唯一
のラインセンサ１１５、ダイオードアレイが配置されて
いる。計算機１２１は、該ラインセンサ１１５を読み出
しかつセンサ１１５によって記録された輝度パターンを
コンボルーションにより計算し、引き続き変調周波数を
決定する。この変調周波数から、再び焦点制御信号が得
られ、該信号はここには図示されていない方式で、走査
された測定物体１１０の領域が対物レンズ１０８の焦点
１０９に存在するようになるまで、対物レンズ１０８と
測定物体１１０との間の移動を起こさせる。対物レンズ
と測定物体との間の移動は冒頭に記載して刊行文献から
公知であるので、ここに詳細に説明する必要はないと思
われる。

【００３２】図２の実施例では干渉パターンは唯一のラ
インセンサ１１５で記録されかつこのようなラインセン
サにおいては一貫して数ＭＨｚのピクセル周波数が達成
可能であるので、この実施例においては数１０ｋＨｚま
での測定周波数が達成可能である。従って、このセンサ
は振動測定技術においても使用可能である。

【００３３】図３の測定ヘッドは、２重パス装置を有す
る。先に記載した実施例におけると同様に、コリメータ
２０２は発光ダイオード２０１のコリメートされた光ビ
ームを発生する。偏光ビームスプリッタ２０３及び鏡２
０７を介して、コリメートされた光ビーム２つの平行な
部分光路２０６，２０７に分割し、該部分光路は対物レ
ンズ２０８を介して物体２１０の方向でフォーカシング
される。反射した部分ビーム２０６，２０７はオーバラ
ップした後に偏光ビーム２０３を経てまずλ／４板２１
２を透過し、引き続き光路に対して垂直に配置された鏡
２１３から自体で反射される。λ／４板２１２を２回透
過することに基づき、両者の部分光路の偏光は９０°旋
回せしめられ、その結果再度の偏光ビームスプリッタ２
０３での分割後に２回物体２１０の方向にフォーカシン
グされる。測定物体２１０での２回目のの反射後に、両
者の部分光路は偏光ビームスプリッタ２０３によって２
回目のオーバラップが行われ、かつコリメートされた入
射光路内に配置された５０％ビームスプリッタ２１４に
よって干渉計アウトレットに向かって反射される。干渉
計アウトレット内で、先に記載した実施例におけると同
様に連続してウォラストンプリズム２２３、分析器２１
５、円柱レンズ２２５及びラインセンサ２１５が配置さ
れている。図２の実施例に類似して、ウォラストンプリ
ズム２２３によるビーム分割は、測定物体の焦点ずれに
関する情報が位相変調としてオーバラップされた搬送波
周波数を有するパターンを生じる。この位相変調の周波
数は、既知のアルゴリスムを有する処理計算機２２１で
計算され、それから測定物体２１０と対物レンズ２０８
との間の相対移動のために焦点制御信号が得られる。２
重通過装置、すなわち測定ビームが部分光路２０６，２
０７をそれぞれ２回同じ方向で透過するという事実に基
づき、このセンサの場合には、測定感度、すなわち焦点
ずれを測定することができる精度は倍加されている。同
時に、測定物体２１０が対物レンズ２０８の光軸２０５
に対して相対的に傾く際に惹起されるセンサ２１５上で
の干渉パターンの移動は補償される。従って、センサ２
１５で検出されたパターンは、光軸２０５と測定物体２
１０との間の角度には依存しない。

【００３４】ここまで記載した実施例においては、コリ
メートされた入射光路を２つの互いにずらされた閉口な
部分光路に分解するために、立方体偏光ビームスプリッ
タ３，１０３，２０３及び鏡４，１０４，２０４からの
それぞれ１つのが設けられている。構成部材及び調整費
用を低減させるために、図４ａに示す実施例では、厚い
平行平面板３０３が設けられている。対物レンズ３０８
に面した、平行平面板の面は、部分的に偏光ビームスプ
リティング層３０３ａ、及び対物レンズ３０８の反対側
の、平行平面板の面はほぼその半分に高反射性層３０３
ｂを有している。偏光されていない、コリメートされた
入射ビーム３０２は、平行平面板３０３から出射する際
に偏光ビームスプリティング層３０３ａを透過する第１
の部分光路と、垂直な偏光を有する偏光ビームスプリテ
ィング層３０３ａで反射される第２の部分光路とに分割
される。この第２の部分光路３０７は、高反射性層３０
３ｂでの反射後及び平行平面板からの出射後に第１の部
分光路３０６に対して平行に配向される。

【００３５】図４ｂに示された実施例は、入射ビーム４
０２を２つの互いに平行な部分光路４０６，４０７に分
割するために２つのブリズム部材４０３，４０４から構
成されたプリズムを有する。両者のプリズム部材４０
３，４０４の間に、対物レンズ０８の光軸を有する面
に、偏光ビームスプリティング層４０３ａが配置されて
いる。互いに垂直な偏光を有する両者の部分光路は、前
記プリズム組み合わせ内でそれぞれ３回反射しかつ対物
レンズに入射する前並びにまた対物レンズ４０８に入射
した後に同じ光路を通過する。それにより、両者の部分
光路４０６，４０７は同じ強度を有するので、該図面に
示されていない、干渉計アウトレット４１１内に配置さ
れたセンサに強力なコントラストを有する干渉パターン
が生じる。

【００３６】この実施例において対物レンズ４０８への
入射前及び後の両者の部分光路の光路長さは同じである
ので、この場合干渉計インレット４０２に円柱レンズを
使用することにより火線を生ぜしめることができる。そ
の際には、干渉計アウトレット４１１に二次元的カメラ
センサ（図示せず）を用いて、この火線に沿ったトポグ
ラフ測定が可能である。そのために、干渉計アウトレッ
トに、それぞれ火線の点を１つのカメラのラインに結像
するもう１つの結像光学系が必要である。

【００３７】図５の実施例は、図２の実施例に極めて類
似している。従って、ここには図２の構成成分に相当す
る構成成分には同一の符号が付けられている。従って、
この成分に関しては図２の説明を参照されたい。これま
での実施例と決定的に相異する点は、図５においては５
０％立方体ビームスプリッタ５０４（鏡１０４の代わ
り）が環状干渉計内に配置されており、それによって付
加的に一種のミハエルソン干渉計が構成されている点に
ある。環状干渉計のために不必要な立方体ビームスプリ
ッタのアウトレットの後方には、平面鏡５２６が配置さ
れており、かつ立方体ビームスプリッタ５０４の第２の
アウトレットの後方には、ウォラストンプリズム５２
３、偏光子５２４、円柱レンズ５２５及びラインセンサ
５１５からなる第２の検出装置が設けられている。付加
的なラインセンサ上に、一方では両者のビームスプリッ
タプリズム１０３，５０４を透過しかつ物体１１０を介
して導かれた部分光波と、他方では偏光ビームスプリッ
タ１０３及び鏡５２６で反射した部分光波とのオーバラ
ップによる干渉パターンが生じる。

【００３８】第１のラインセンサ１１５上で干渉する部
分光波の両者は測定物体１１０を介して導かれており、
従って両者は測定物体１１０の光学的に密な媒体で反射
する際登場する位相飛躍を含有するが、この位相飛躍は
測定物体１１０を介して導かれた、第２のラインセンサ
５１５で干渉する部分光波の部分光波内にのみ含有され
ている。従って、処理計算機１２１で形成された、両者
の干渉パターンの差から、物体１１０で登場する位相飛
躍を確認することができる。第２のラインセンサ５１５
で干渉する部分光波の光路長さは著しく異なっているの
で、この場合には大きな時間的コヒーレンスを有する光
源、例えばレーザダイオード５０１が必要である。

【００３９】前記測定装置は、焦点ずれを発生する干渉
パターンの縞周波数につき確認する点で全て共通してい
る。異なった屈折率を有する複数の層を有する透明な測
定物体の場合には、それぞれの層境界で屈折率飛躍に基
づき光の一部が反射される。その際、それぞれの反射
は、その都度の境界層に異なって焦点ずれに基づき固有
の変調周波数を生じる。これらの変調周波数を位置周波
数の分析により選択すると、また個々の境界層の焦点ず
れ、ひいては個々の層の厚さに関する情報が得られる。
位置周波数の分析は簡単に異なった境界層で反射した部
分光波のインコヒーレント加算により実施可能であるの
で、該光源は僅かな時間的コヒーレンスを有するべきで
ある。従って、本発明による測定装置は、例えば層状に
構成されたプラスチックフィルムにおける層厚測定にも
使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】４個のセンサを有する本発明による測定装置の
第１実施例の構成図である。

【図２】唯一のラインセンサを有する本発明による測定
装置の第２実施例の構成図である。

【図３】２重パス装置を有する本発明による測定装置の
第３実施例の構成図である。

【図４】ａは偏光ビームスプリッタとして平行平面板を
有する実施例の測定ヘッドの断面図、及びｂは両者の部
分光路の反射回数が同じである実施例の測定ヘッドの断
面図である。

【図５】図２の測定装置がミハエルソン干渉計と組み合
わせられた第４実施例の構成図である。

【符号の説明】

３，２０３ 偏光ビームスプリッタ、 ５ 光軸、
６，７ 部分光路、 ８対物レンズ、 ９ 焦点、 １
０ 測定物体、 １５，１６，１９，２０，１１５，２
１５ 検出器、 １２３，２２３ ウォラストンプリズ
ム、 １２５，２２５ 円柱レンズ， ２１２ 四分の
一波長板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対物レンズ（８）の焦点（９）から物体
   （１０）のずれ又は位置変化を検出する方法において、 ２つの平行な、かつ対物レンズ（８）の光軸（５）に対
   して同じ距離にある部分光路（６，７）内を誘導される
   光を対物レンズ（８）によって物体（１０）の方向にフ
   ォーカシングし、 両者の部分光路（６，７）の反射した光をオーバラップ
   させかつ検出し、かつずれ又は位置変化を周期的周波数
   又は少なくとも１つの検出器（１５，１６，１９，２
   ０）で生じる干渉パターンの位相数の誘導につき測定す
   ることを特徴とする、対物レンズの焦点から物体のずれ
   又は位置変化を検出する方法。
2. 【請求項２】 縞パターンの周波数から、対物レンズ
   （８）の光軸（５）の方向での対物レンズ（８）と測定
   物体（１０）との間の相対運動を起こさせる信号を得
   る、請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 対物レンズ（８）の焦点（９）から物体
   （１０）のずれ又は位置変化を検出する装置において、 ２つの平行な、かつ対物レンズ（８）の光軸（５）に対
   して同じ距離にある部分光路（６，７）内を誘導される
   光を対物レンズ（８）によって物体（１０）の方向にフ
   ォーカシングしかつ物体（１０）で散乱又は反射した光
   を集める対物レンズ（８）と、 光源（１）の光を両者の部分光路（６，７）に誘導する
   ビームスプリッタ（３）と、 両者の部分光路（６，７）の、物体（１０）で反射した
   光を干渉性オーバラップさせる手段と、 干渉性オーバラップによって生じるパターンを検出する
   少なくとも１つのセンサ（１５，１６，１９，２０）
   と、 パターンの周期性又は位相数の導関数を計算する処理計
   算機とから構成されていることを特徴とする、対物レン
   ズの焦点から物体のずれ又は位置変化を検出する装置。
4. 【請求項４】 ビームスプリッタ（３）が偏光ビームス
   プリッタであり、かつ該偏光ビームスプリッタ（３）が
   両者の部分光路（６，７）の、物体（１０）で散乱又は
   反射した光をオーバラップさせる、請求項３記載の装
   置。
5. 【請求項５】 偏光ビームスプリッタ（２０３）の後方
   の、部分光路のオーバラップ領域内に四分の一波長板
   （２１２）及び鏡（２１３）が配置されている、請求項
   ４記載の装置。
6. 【請求項６】 ４つのセンサ（１５，１６，１９，２
   ０）がそれぞれ９０°位相シフトしたパターンを検出す
   るために設けられている、請求項４又は５記載の装置。
7. 【請求項７】 少なくとも１つのセンサ（２１５）の前
   方に分析器（２２４）が設けられており、唯一のセンサ
   （１１５；２１５）が設けられており、分析器の前方に
   ウォラストンプリズム（１２３；２２３）が配置されて
   おり、かつ少なくとも１つのセンサ（１１５；２１５）
   がラインセンサであり、該行センサがそれぞれ前方に配
   置された円柱レンズ（１２５，２２５）の火線に沿って
   配置されている、請求項４又は５記載の装置。
8. 【請求項８】 それぞれ一方の部分光路（６，７）の光
   が物体（１０）での反射後にそれぞれ他方の部分光路
   （７，６）に誘導される、請求項４記載の装置。