JPH0843534A

JPH0843534A - 微分測距装置及びその測定方法

Info

Publication number: JPH0843534A
Application number: JP7102943A
Authority: JP
Inventors: Anand Hariharan; アナンド・ハリハラン; Donald J Harter; ドナルド・ジェイ・ハーター
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1994-04-01
Filing date: 1995-04-03
Publication date: 1996-02-16
Also published as: US5489984A; DE19512445A1

Abstract

(57)【要約】【目的】超短光パルスを用いた計測に自己相関技術を
応用して妨害信号による影響の少ない精密な測定を可能
とする測距装置を提供することを目的とする。【構成】超短光パルスのビームを基準ビームと測定ビ
ームとに分配し、基準ビームは予め規定の光路を往復し
て集光捕捉手段１０６に入射し、測定ビームは各試験対
象から反射して集光捕捉手段１０６に入射する。集光捕
捉手段１０６では、反射された測定ビーム間の伝播時間
差に応じた離散時点に極値をもつ自己相関関数のタイム
ゲートで相関点を検出し、検出手段１０８で上記試験対
象間の微分距離を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超短光パルスのビーム
を用いて対象までの距離及び対象のその他の特徴を検索
する微分測距装置及びその測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】超高速レーザー発振器は現在、１００Ｍ
Ｈｚ以上の繰り返しレートの、１０フェムト秒の幅で、
ほぼ１０億分の１ジュールレベルのエネルギーの超短光
パルスを発生できることが知られている。この分野の発
展により、超短レーザーパルスによる計測技術に利用さ
れるようになってきている。

【０００３】例えば、Ｅ．Ｐ．Ｉｐｐｅｎａｎｄ
Ｃ．Ｖ．Ｓｈａｎｋ「ＵｌｔｒａｓｈｏｒｔＬｉｇｈ
ｔＰｕｌｓｅ」ｅｄ．Ｓ．Ｌ．Ｓｈａｐｉｒｏ、Ｊ．
Ａ．Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ；Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３８
２２３１（１９６７）、Ｍ．Ｍａｉｅｒ、Ｗ．Ｋａｉｓ
ｅｒ、Ｊ．Ａ．Ｇｉｏｒｄｍａｉｎｅ、Ｐｈｙｓ．Ｒｅ
ｖ．Ｌｅｔｔ．１７１２７５（１９６６）、Ｅ．Ｐ．Ｉ
ｐｐｅｍｎとＣ．Ｖ．Ｓｈａｎｋ、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．２７４８８（１９７５）、Ｋ．Ｌ．Ｓａ
ｌａ、Ｇ．Ａ．Ｋｅｎｎｅｙ−Ｗａｌｌａｃｅ、Ｇ．
Ｅ．Ｈａｌｌ、ＩＥＥＥＪ．ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅ
ｃｔｒｏｎ．１６（９）９９０（１９８０）、Ｊ．
Ｊ．ＦｏｎｔａｉｎｅとＪ．−Ｃ．ＤｉｅｌｓとＣ−Ｙ
ＷａｎｇとＨ．Ｓｈａｌｌａｂａ、Ｏｐｓｔ．Ｌｅｔ
ｔ．６（９）４０５（１９８１）の文献がある。これ
らの文献は、パルス自体が検査の対象である。

【０００４】フェムト秒レーザーの分野として比較的に
新しく、そのようなレーザーの応用は、開発段階にあ
る。本発明の目的は、距離測定（微分距離）及びその関
連分野にフェムト秒レーザー技術と相関技術とを組み合
わせて適用される。観測点と対象との間の距離の測定、
また、二つの離れた対象間の距離の測定のためには、種
々の従来技術がある。極超短波パルスによる測距技術
は、測定有効距離より２〜３ｃｍ以内の精度を達成す
る。ナノ秒パルスレーザーレーダー技術は、２〜３ｍｍ
以内の優れた距離分解能の手段として用いられる。Ｄｉ
ｅｌｓなどのＯｐｔ．＆ＬａｓｅｒＥｎｇ．４１４
５（１９８３）によると、光学時間領域の反射時間で距
離を測定するためにサブピコ秒の光学パルスを利用した
可能性を示唆している。その他では、これと同様の技術
が半透明媒体、または拡散媒体内の対象を象徴する問題
に適用される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、超短
光パルスの自己相関技術に基づいた測距装置の提供にあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、遠隔点から少
なくとも二つの対象間の位置差を測定する装置であっ
て、超短光パルスのビームを発生する手段と、上記超短
光パルスのビームを基準ビームを含む複数のビームに分
配する手段と、上記二つの対象に上記基準ビーム以外の
ビームを配光する手段と、予め規定した光路に上記基準
ビームを配光する手段と、上記二つの対象で反射された
ビームの一部を集光するとともに、上記反射されたビー
ム間の伝播時間差に応じた離散時点に極値をもつ自己相
関関数のタイムゲートで反射或いは散乱されたビームを
上記基準ビームと共に捕捉する手段と、上記自己相関関
数に応じて上記二つの対象間の微分距離を決定する検出
手段とを具備した微分測距装置である。

【０００７】

【作用及び発明の効果】本発明による超短光パルスを利
用した装置では、離れた観測点から一つの試験対象に対
する他の一つの試験対象の距離の測定に使用される。そ
のために以下のような関数が使われる。レーザからの超
短光パルスは、二つの振幅成分に分離される。これらの
振幅成分の一つは、ある基準時に、予め設定された光学
遅延経路に従って反復的に伝播する。

【０００８】他の成分は、更に観察されるべき対象があ
ると同じで多くの成分に分離される。互いの成分は、同
時瞬時に生成されるか、他成分に関し互いの成分の発生
が正確な指標時間となる遅延間隔で生成される。互いの
成分は、試験対象に照射される。そして、反射成分は、
集光され、更に基準ビームに関してタイムゲートされ
る。タイムゲートプロセスは、互いの成分から自己相関
の極値を生成するものである。各成分間における伝播時
間中の遅延は、互いの成分がタイムゲーティングされる
過程で現れる。光源のパルス幅は、極めて正確に分かっ
ているので、互いの遅延時間はこのパルス幅に基づいて
測量することができる。パルス幅測定は、距離測定と協
動的に行うことができ、別途の測定は要しない。興味あ
る測距の光路伝播の遅延時間は、検索される各試験対象
間の差分として精密に測定される。

【０００９】タイムゲーティングは、非線形結晶による
第２次高調波発生を行うものである。そして、出力信号
は、例えば光電子増倍管のような一般的な光検出装置に
よって検出される。非線形第２次高調波発生プロセス
は、測定ビームと基準ビームとの強度の積を表す関数と
なる。この強い（強度）基準ビームの出現は、試験対象
からの弱いビームに依存した信号の損失を打ち消す。そ
れ故、本装置は高感度であり、超短パルスの使用は、タ
イムゲイティング過程のために極めて短いデューティと
なり、スプリアス信号が確実に阻止される。

【実施例】測距装置の目的は、空間における固定点と被
験体との間の距離を、非常に綿密にそして正確に測定す
ることにある。距離測定において、レーザー源から超短
光パルスは、伝播時間をタイムゲートで設定された範囲
内にしながら、空間分解能をパルス幅のフラクションま
で下げるために、効果的に利用することができる。

【００１０】自己相関技術を使ったレーザー測距装置の
概念的な説明が、図１に示される。図２および図３に示
されるその装置の実施に加えて、この装置は、公に譲渡
された同時係属出願（出願番号＃＃＃＃、１９９４年４
月１日出願）の主題であり、その出願には引例が含まれ
ている。この装置は実施で利用されている物理要素ばか
りでなく、概念として詳細に述べられる。ここで、光源
１０１より発生し、分配／配光器１０２で基準ビームと
測定ビームに分割される電磁放射は、１０３に運ばれｄ
１＋ｄ２＋ｄ３＋ｄ４＋ｄ５の光路を横切ることにな
る。この時、それはビーム出射器１０３から発生し、試
験体１００で反射／分散し集光器１０４を通って戻り、
捕捉器１０６で基準ビームに再結合される。分配器１０
２での振幅分離と、捕捉器１０６と非線形タイムゲート
１０７での再結合／タイムゲートの間の時間遅延は、正
確に分かれば、試験光路に沿った電磁放射速度から求め
ることができる距離△ｄのゲージとなる。この時間遅延
（１０５により起こる）が、光測距経路内のビームの伝
播の時間にほぼ等しければ、捕捉器に到達する両パルス
はちょうど一致する。従ってタイムゲートが作動し、信
号が光検出器１０８により記録され、これには積分光フ
ィルターが含まれる。それ以外の時は、遅延パルスは測
定ビームと一致せず、タイムゲートは作動せず、検出装
置における出力は見られない。多くのパルスについて記
録した信号は、パルスの自己相関関数を与える。一番重
要なのは、もちろん測定ビームと基準ビームとの間の時
間遅延である。

【００１１】図１および図２に関して、この装置は電磁
エネルギーの極短パルスの光源１０１（図２では２０
０）を含んでおり、これはむしろ超高速パルスレーザー
発振器である。光源は多くの異なる公知の型から選ばれ
たものである。１つの好ましい光源は、モードロックさ
れた可視範囲のチタンドープサファイアレーザーであ
り、これは６０ｆｓ（ｆｗｈｍ）持続時間、１００ｍＭ
ｈｚ反復率、８００ｎｍの波長の、変換制限されたパル
スをつくることができる。レーザー出力は水平に分極さ
れ、約１００Ｍｗの平均電力を有している。本発明で使
用されているフェムト秒パルスの他の光源には、以下の
ものがある。つまり、（ａ）カーレンズモードロックレ
ーザー、（ｂ）ＲＰＭ、ＡＰＭレーザー、（ｃ）分極感
知モードロックファイバーレーザー、（ｄ）動的モード
ロックレーザー、（ｅ）ｐｓパルス源の帯域幅を高め
るファイバー／ファイバー回折格子／ファイバープリズ
ムパルスコンプレッサー、（ｆ）テラヘルツダイポール
アンテナ、（ｇ）連続発生源、（ｈ）シンクロトロン発
生源、（ｉ）部分干渉Ｘ線発生源、（ｊ）マイクロ波／
ＲＦ発振器、（ｋ）能動あるいは受動光電式導波スイッ
チである。

【００１２】光源の出力波長は比較的自由に選択でき
る。しかしながら、最大パルス幅は光源波長により決定
される。好ましい出力波長は、ＥＭエネルギーが伝わっ
てくる媒体における、ビームの集光と一時分散のような
関数によっても決定される。ビームは変換制限される必
要はない。すなわち、ビームのパルス幅とそのエネルギ
ー帯域幅との積は、ハイゼンベルグの不確定性原理によ
って決定されるように最小である必要はない。しかしな
がら、非変換制限パルスに存在している周波数の絶対値
と関数の形は、測距される距離の分解能と装置のＳ／Ｎ
比に影響を与える。分解能の低下および／あるいはＳ／
Ｎ減少は、パルス周波数の増加で起こる。

【００１３】振幅分配および／あるいは再結合要素１０
２と１０６は、様々な方法で実現することができる。つ
まり、分極板ビームスプリッター、分極立方体ビームス
プリッター、ウォラストンプリズムやグランプリズムの
ような分極プリズム、−３ｄファイバーカプラーなどで
ある。後述の図２では、両方の成分の関数は非分極ビー
ムスプリッター２０２で結合される。

【００１４】可変時間遅延要素１０５は典型的な光学遅
延電送路であり、様々な方法で実現可能である。ビーム
は一直線に、立方体あるいは直角プリズムのような再反
射装置（図２の２０３）から再反射させることができ、
基準光路を定義する。再反射装置は、三角形あるいは他
の波形により繰り返し行われる移行段階に設置すること
ができる。移行に影響を与える機械式アクチュエーター
は、電気機械式あるいは圧電式変換器要素から成ってい
る。これは光路長を平均値あたりで発振させるようにす
る。これと同じ目的は、ガラス板を基準光ビームの光路
に回転して入れたり出したりすることで、達成される。
再反射立方体／鏡に代わる曲管を有する光ファイバーも
また、遅延電送路として使うことができる。遅延電送路
の他の使用可能な実施は、Ｋ．Ｋ．Ｋｗｏｎｇｅｔ
ａｌ．、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．１８（７）５５８（１９９
３）に開示されているように、回折格子と角ディザーを
施した鏡より成っている。

【００１５】自己相関信号を加えるために、基準アーム
の光学的通路は繰り返し振動を与えられる。実時間基準
の試験アームを追っていくのに、サーボシステムは、フ
ィードバックを移行装置へ供給するのに使われて、それ
から自己相関信号を最大化するように基準光学通路距離
を調整する。図１で構図的に示されるシステムの実施
が、図２で表されている。自己相関器は、多様な基準ア
ーム及び試験アーム２２０と２３０や、レーザービーム
（平均約１００mW）をお互いに垂直な２つの等振幅の構
成要素に分割する、薄さ０．５ｍｍで非分極性の薄いビ
ームスプリッター２０２を構造として持つ。基準アーム
２２０での光は、定格最大距離４ｃｍの機械アクチュエ
ーターに据え付けられた、直角ＢＫ−７プリズム２０３
から逆反射される。オーディオスピーカー音声コイルは
適正なアクチュエーターとして役立つ。プリズムは入射
ビームを反射し、同時に１０ｍｍ分平行にそれを変移す
る。この変移は変換段階（図示なし）でアクチュエータ
ー一式全体に取り付けられて多様に反射される。約２０
Ｈｚの正弦電圧または三角電圧はアクチュエーターを挟
んで適用され、光学通路距離行程は約２ｃｍになり、そ
れによって基準アームの光学通路は約４ｃｍ分の平均値
の前後を正弦的に変化する。

【００１６】レーザービームの他半分はビームスプリッ
ターを通って進み、凸レンズ（ｆ＝２０ｃｍ）２０４の
形を取ったビーム出射器／集光器を使って、試験表面に
焦点を合わされる。実試験表面はいつも高反射され得る
わけではなく、大量の拡散とそれゆえの減衰が予期され
る。たとえば、均等拡散表面は、光線をテーパ角度２θ
に制限し、殆ど２πステラジアンに拡散する結果、信号
を一振幅以上消耗している。比較的短い焦点距離のレン
ズはこの消耗を最小限度にとどめるが、あまりにも小さ
な焦点距離のものを選ぶと、共焦パラメーターが小さく
なり、それゆえ、光線の焦点を厳密に合わせている光学
軸に沿った小範囲になる。観察点を考慮に入れた表面の
位置で、大きな変化を適正に測るという最終目的と、そ
の位置の範囲全体を焦点に合わせている被試験体の必要
を鑑みると、集光の影響と焦点の深さの間に妥協がなさ
れなければならない。

【００１７】２つの光線２２０、２３０からの反射は、
その２つの光線の間の側方移行で、ビームスプリッター
２０２での再結合のために互いに平行に反射する。その
後、それらは短焦点距離レンズ（１０ｃｍでｆ＝３）２
０６によって焦点を合わされ、上で詳細に説明されたよ
うな非線形周波数２倍結晶の形をとるであろうタイムゲ
−ト装置２０７に向けられる。実際上は、レンズ２０４
と２０６は、拡散信号から結晶の小さな焦点を生み出す
ように設定された結像システムを構成している。

【００１８】従来の反射率計においては、制限された試
験対象と制限装置の間に存在する媒体での拡散と吸収の
存在は、実験でのスプリアス信号と散逸につながる。サ
ブピコ秒タイムスケールでのタイムゲイティングは拡散
器からのスプリアス信号を除去する。なぜなら、タイム
ゲートはゲイティング振動が存在しないとき、信号成分
を遮断するからである。これは、実用距離測定装置に相
当の利点であり、典型的に、振動幅より大きな６かそれ
以上の絶対値の次数である、信号の標本周期（例えば振
動反復レート）で特に卓越している。また、タイムゲイ
ティングの非線形媒質のために、本システムは信号に極
端に敏感である。タイムゲーティングした信号は、試験
対象から反射した信号I(t)だけでなく、相関関数I(t)＊
I(t ＋γ)dγにも比例的である。それは一つの又はその
他の独立的機能というよりむしろ信号とタイムゲイティ
ング振動の時間相関生産物である。実際、強基準振動は
弱振動の光子エネルギー全体をタイムゲートできる。タ
イムゲイティング振動は、高感度を保証するために、信
号を反射するよりももっと大きな量にされる。この感度
により、試験表面からの拡散はタイムゲイティングした
信号を加えるのに十分である。このため、高反射を確保
するために、ターゲット２０５の反射面を特別にコーテ
ィングしたり処理したりする必要はない。表面の粗さや
汚れは許容できるものとなる。

【００１９】このシステムによる非線形タイムゲートと
発明の実施例は第２次高調波発生結晶である。この装置
では、非線形周波数上昇コンバーターはインプットとし
て同周期の２つの光子を受ける。第２次高調波の発生に
よる信号は

【００２０】

【数式１】で表せる。ここで△K は2 つの入力信号光線の間のベク
トル差、L は相互の距離、I(t)は振動の彩度エンベロー
プ関数を表す。

【００２１】本発明によると、好ましい非線形の周波数
二倍結晶は、βバリウムホウ酸塩（ＢＢ０）の結晶1.0
ｍｍでできている。この特殊な結晶（ＢＢＯ結晶）は、
高複合効果、広角度帯域幅、比較的高い損失域、ＵＶに
対する透過性、及び群速度の分散による低い振動域とい
う特徴により選ばれたものである。ＢＢ０結晶はＣ軸で
は２８度、Ａ軸では９０度で分けられ、光学上の軸に沿
っても、その軸の垂線に沿っても、第２調波信号の発生
を最大にするように配光される。結晶に垂直な軸と、両
方の入力光線を含む平面にある軸に沿った結晶の配光は
入力光線の偏光に関する結晶の配光を最適化する。上述
の位相整合状態により、第２調波信号は、結晶に投じる
２本の光線で形成される角度の二等分線に沿って生じ
る。結晶においては、入力光線 800nmの一部は、周波数
が二倍化され 400nmになる。ＢＢＯは本質的に複屈折の
物質である。つまり、結晶の中に、二つの基本光線の位
相速度が周波数二倍化光線の位相速度と同値である光学
軸について唯一の独特な方向がある。この配光状態は、
結晶の長さに沿って青色（周波数二倍化された）光の強
度が増すならば、満たされなくてはならない。他の軸に
沿って、屈折率のずれによってフェーズエラーが青い光
線の中に生まれでる。そして、既定の位置で生じた光子
は、前の位置で生じた光子と衝突しあい、減少する。３
光線の位相整合条件は、

【００２２】

【数式２】

【００２３】開口か絞りは他の無関係の光からこの光線
を選びだすのに使用されてきた。特に、第２調波信号の
ある程度の量は、結晶の上に入射した各光線に、一直線
上（共線）に生じることも特記すべき点である。それら
は開口で遮断される。結晶の前のレンズの焦点距離が短
くなればなる程、共線でない余分の光線と共線の周波数
二倍化光線との間隔は大きくなる。それゆえ、２つの光
線が結晶の長さに重なる限りは、より短い焦点距離のレ
ンズが好ましい。共線成分から信号を減少させる事が大
切である。これは自己相関信号それ自身の雑音の源だか
らである。上記のように、実施例では、中央光線に伴う
周辺部の青い点は絞り２０８で現れ、中央光線は、各基
本光線の成分を遮断するために、フィルターＢＧ２３、
２０９を通して濾過される。濾過された光線は光電子増
倍管（ＰＭＴ）２１０によって検出される。光電子増倍
管は多目的な装置と言える。必ずしも低雑音ではない
し、立ち上がり時間が限定されている。表示目的のため
には、ＰＭＴ出力信号はデジタル・オシロスコープとタ
イムインターバル・カウンターで映し出される。信号線
は１M Ωで終端する。

【００２４】基準アームと試験アームから、２つの光線
が平行というより、完全に共線にされると、自己相関器
は、ゆっくり変化するエンベロープ関数によって変調さ
れ、高速振動の「搬送周波数」を起こす干渉計システム
を形成する。この方式において、可能な解像度は、基本
波の波長の１／５０である。上記で開示した平行光線構
造への選択では、特殊な応用が必要とされる場合、高い
解像度をもつ、この干渉計システムが採用される。しか
し、干渉計の測定値は、殆どの応用にはシステム許容度
が厳密すぎるので（干渉計システムは、特に精密であ
る）、この構造は、この発明による測定の方式としては
あまり好ましくない。その上、干渉計システムの共線的
光線が、広いバックグラウンドＤＣシグナルに乗ってい
る自己相関のピークをおこすので、自己相関は曖昧にな
り、結果として、検出及び測定システムはますます精密
に識別されなければならない。

【００２５】それゆえ、本発明の好ましい方式では、結
晶に焦点を合わせて重ねた、結晶の非共線に光線を入れ
た。アームの長さが完全に合致したとすると、青い（周
波数二倍の）光の３点が結晶から生じるのが見られる。
周辺の点は上述のように遮蔽される。上記で実行された
ように、システムの特徴の多くは、不調和な環境で協調
的なことである。各成分の干渉計アライメントには何も
必要条件はないので、振動や衝撃、熱応力からは影響を
受けない。アライメントは単純で分かりやすく、データ
は使用可能なフォーマットに簡単に記憶できる。

【００２６】図３を参照すると、振動する基準アームに
よる、自己相関の記録及びその働きが表されている。図
３では、縦軸は基準アームの実際の長さによる再帰反射
器２０３の位置を表し、横軸は時間に相応している。
（ａ）（ｂ）（ｃ）の３つの場合が提示され、試験アー
ムの３つの異なった長さ、すなわち試験対象の３つの異
なった位置に相当している。図中、再帰反射器の位置に
相当する下の線図は三角になる。これは、電気機械アク
チュエーター（例えば音声コイルなど）への駆動電圧が
三角状だからである。（ａ）では、両方のアームが正確
に同等である。正弦波上の四角マーク”ｑ”は、２つの
アームの光学上の長さが正確に等しい点をかなり誇張し
た印である。そして、そこで基準振動は２０５から影響
された振動の信号と重なる。各”四角”は、ＰＭＴ出力
信号においてスパイク波形を起こす。これは必要な自己
相関である。グラフ中の四角の垂直線は、レーザー振動
幅を表す。１００fs振動は線型空間の約３０ミクロン分
を占める。アクチュエーターの進行は２ｃｍで、図中、
正弦波の全体の振動振幅は２ｃｍである。このように、
振動の重なり時間はアクチュエーターの行程に必要とす
る時間より小さい絶対値の３次数である。

【００２７】図３（ａ）は自己相関関数の発生を示す。
試験対象が動くと、装置から離れて点線は（ｂ）の正弦
波上の新しい相対位置に動く。それゆえに四角は自己相
関線図（ｂ）を描きながら移動する。隣合う自己相関の
頂点の間隔”ｔ”は変化するにも係わらず、他の頂点毎
の間隔である時間”Ｔ”は一定のままである。これ
は、”Ｔ”はアクチュエーターの駆動周波数が一定であ
ることを反映するからである。さらに試験対象を調査し
ていくと、２つの隣合う自己相関の頂点は、（ｃ）に示
すように合体するし、最後に消えてしまう。試験振動と
基準振動の間には重なりが無くなるからである。自己相
関線図上の”ｔ”と、試験アームの実際上の長さとの関
係は、アクチュエーターを駆動させる三角の波型を使う
ことによって、直線を保つ。基準アームの行程の増加
は、明らかに利点をもつ変動の限界を増幅する。

【００２８】レーザー源の繰り返し率１００ＭＨｚ
で、ＰＭＴで受け取る信号は、原因を単振動に負うの
で、平均何千をこえるレーザー振動である。これは、繰
り返し率２０Ｈｚで、再帰反射器は２５msをこえて２ｃ
ｍ、つまり２４μｓで３０ミクロン進むからである。１
０ns毎にレーザーから出る１つの振動で、２４００レー
ザー振動が２４ｎ８４μｓの重なり時間をもつ。別様に
述べられるように、再帰反射器が一つのレーザー振動に
相当する物質的距離を動くのにかかる時間中、２４００
レーザー振動が発する。アクチュエーターの繰り返し率
の減少は、信号対雑音を増加する。より多量のレーザー
振動が平均化されるからである。これは全面的な獲得時
間を増やしもし、試験対象の位置に変化する全面的なシ
ステムの反応に影響する。発明者によって達成された検
索の限界は、振動毎に１０光子で、１pw/(Ｈｚ)^1／２の
次数のノイズ等価電力が測定された。

【００２９】上記で詳細に説明された超短ノイズの測距
法と、この発明の微分測距技術の相違点を以下に述べ
る。微分自己相関器によって測定された信号は、一方の
第１対象物から観察点までの距離と、もう片方の第２対
象物から観察点までの距離との違いに比例している。２
つの個別距離の光学通路を測り、他方から一方を引くよ
り、実際の距離が直接、測定される。

【００３０】光学距離は、レーザー源の振動幅で測定さ
れる。レーザー振動幅が正確に判れば、微分距離が算出
できる。ゆえに基準アームの絶対光学遅延は、測定され
る必要はない。微分自己相関器の単純な実施例では、波
面目盛りの後の従来の試験アームから生じた光線は、波
面ディバイダーで２つの等しい成分に分解されると考え
られる。結果は、付加アームのついた従来の自己相関器
である。それゆえ、図４にみられるように、光線は、レ
ーザー装置５０１またはその同種のものによって生じ、
ビームスプリッター５０２によって分解される。再帰反
射器５０３に反射された光線の一部は、基準経路ｄ３に
沿って進む。他の２つの経路（ｄ１）と（ｄ４）での光
線は、ビームスプリッター５０２から同時瞬間に生じ
る。それから、経路ｄ２とｄ５での光線は、光線送信装
置（レンズ）５０４と５０５から各々生じる。よって基
準アーム経路ｄ３で経路（ｄ１＋ｄ２）と（ｄ４＋ｄ
５）を創出し得、（ｄ４＋ｄ５）で直接（ｄ１＋ｄ２）
を創出ことが可能である。

【００３１】表面Ｓ１とＳ２で反射した光線の光路ｄ２
とｄ５の各一部は、５０４と５０５のレンズで各々集め
られ、ビームスプリッター５０２をとおって、タイムゲ
イティング装置５０６に供給される。合成信号は検出装
置５０７に供給される。図５は、図４で表されたシステ
ムの導入を図式的に描いたものである。図５では、図４
での振幅分離装置５０２は、非分極性プレーンビームス
プリッター（６１２と６１３）とプレーンミラー（６１
４、６１５、６１６）の組として表される。６１２から
分離しら構造要素の一つは、コーナー・キューブまたは
再帰反射器６１１から６１２の上に再帰反射される。こ
の過程で、光線が６１２に達すると、入射レーザービー
ムに関係して、その光線は側方置換を受ける。再帰反射
器６１１は、機械化アクチュエーターで繰り返し振動を
与えられるので、基準光学経路距離は平均基準位置に関
連して振動する。光線の他の構造要素は、さらに６１３
で分離され、集光し分離した光線は、試験対象に別々に
発射される。

【００３２】光線送信装置５０４と５０５は各々焦点距
離１４ｃｍの凸レンズ（６１８、６１９）をもち、その
凸レンズは微分位置を測定する必要のある試験表面Ｓ１
とＳ２に測定ビームの焦点を合わせる。連なる対象の数
は、２に制限される必要はない。各成分の空間分離が適
度に制限されている限り、また個別の要素が同一である
とみなしうる限りは、振幅分離は空間分離成分が実用的
である程度の量になるようにされ得る。集められた信号
の再結合は６１３で起こり、基準光線との再結合は６１
２で起こる。両方のアームからの分散は、焦点距離２．
８ｃｍのレンズ６２１によって非線型タイムゲート６１
９に写されると、できる限り厳密に絞りの焦点を合わせ
られる。前記のように、６１９の導入は周波数２倍ＳＨ
Ｇ結晶として、検出ユニット６２０は適正フィルター６
２２に先行される光電子増倍管として表されている。微
分自己相関線図は図６の図に表れている。

【００３３】図７は発明の一実施例を説明している。こ
こで、上記で述べられている測距技術は、回転シャフト
に押しつけられたトルクの測定に適用される。微分自己
相関のこの実施例では、トルクはトルクを送信するシャ
フトの軸可撓性を実用の可能性を測定する。シャフトに
はめられたギアのような物のアークに沿って、ねじれは
行程容積に変換される。シャフトの上の２つの差動点
で、２つのギアの行程容積の測定は、出力トルクの測定
を規定する。その技術は、トルクを正確に回転させ、同
時に伝動するシャフトの実時間非接触測定に特に有効で
ある。

【００３４】自己相関器は、不定な基準アーム（６０
２）と試験アーム（６０３、６０４）、１０フェムト秒
の典型的な幅で振動を生む超速レーザー源６００、レー
ザービームを平等な振幅構造要素に拡散する無極化ビー
ムスプリッターＢＳ１に対してビームスプリッターを含
む。基準アームからの光は、ビームスプリッターに逆反
射される。基準アームの光学経路距離は、試験対象の差
動行程容積より広く経路遅延行程をとりながら、周期関
数で変化する。レーザービームのもう半分は、ビーム
スプリッターを通ってすすみ、その後ビームスプリッタ
ーＢＳ２経由で２つの光線ｂ１とｂ２に分離される。各
光線ｂ１とｂ２は、トルクを伝動するシャフトに据えつ
けられた２つの各スパーギアＧ１とＧ２で衝突する。ギ
アの歯の前面から拡散した光は焦点距離ｆのレンズＬ１
とＬ２で集められ、経路ｂ１とｂ２に帰結される。

【００３５】入射光線はシャフトの軸から最適な高さで
ギアの歯の前表面に当たるので、Ｌ１又はＬ２への拡散
は最高度になる。拡散信号は、ＢＳ２で再結合され、Ｂ
Ｓ１に戻り伝播する。２つのアームからの逆行は、それ
ゆえ光線の間の横行程容積で互いに平行にされる。その
後、それらは非線形結晶６０９に焦点を合わされ、入射
光線を非線形周期二倍にする。その時の二倍化光の彩度
の機能的形態は、二倍化光へ寄与している振動のエンベ
ロープ関数の自己相関である。３アーム全てが完全に一
致し、非線形結晶が、二倍化のために適正に位相整合さ
れると、３つの青い光の点が結晶より生じる。中央点は
望ましい彩度の自己相関を含む。そして、光電子倍増管
で検出する。

【００３６】レンズＬ１とＬ２は、試験表面の行程容積
の推定範囲を焦点深度が網羅する、十分な長さの焦点距
離である。最適な自己相関信号のために、非線形結晶に
厳密に焦点を合わせることによって a＋b1(2) ＋c 〜f
＋f2 が検出される。ここでf2とはレンズ６２０の焦点
距離である。その時の、２つの各試験アームからの自己
相関信号の間隔は、２つのレーザービームの伝播の方向
に沿った相対位置の微分測定である。この測定は、２つ
の振動の間の２点の最高度を検出し、時間遅延を算出す
る時間遅延カウンターによって電気的になされる。この
時間遅延は、レーザー振動幅によって相対分離を供給す
る、レーザー振動の自己相関幅によって分割される。信
号の一つの自己相関幅の測定は、既知のレーザー振動幅
によって２つのギアの歯の相対的な間隔を特定化する。
２つの緩い状況は、自己相関信号ｂ１〜ｂ２とｄ〜ａ＋
ｂ１の発現を満たさなければならない。これは、相対的
度量であり、アームｄの絶対価値は重要ではない。

【００３７】その時のどの瞬間でも、ギアの間の測定さ
れた角間隔は、シャフトを通って伝導するトルクの度量
である。０トルクでの間隔が０とすると、トルクの応用
上、測定された行程容積は次の関係によってトルクの量
に相対する。

【００３８】

【数式３】ここで△は他のギアの結合された歯に関連した、一つの
ギアの歯の接線の行程容量、T はトルク、l は二つのギ
アの間の軸分割、d はシャフトの直径、G はシャフトの
物質のねじりの弾性係数である。全てＦＰＳで結合され
ている。

【００３９】発明のシステムは角速度と角馬力を測定す
るのにも使用できる。自己相関関数は幾つかの周期的基
準点に関連して継続的に検査される。多くの便利な同期
係数は、基準ア−ムを駆動する波形である。この同期基
準に関連して、ギアの一つ、例えばＧ１などからの信号
の位置の変化のレートは角速度の度量である。この変化
のレートは、角行程容量の変化の測定と、時間の間隔に
よる、それの分割を継続的に計算できる。基準アームの
通過ごとにこの質は更新され、その結果、角速度だけで
なく、トルクの並行測定も終わる。同時的トルクと同時
的角速度の生産は同時的馬力を生む。適当に自動車のエ
ンジンなどに設置された上記のような器具は、与えられ
たどの瞬間にでも出力馬力の自動車のオペレーターに指
示をすることか、車両の自動制御ユニットへ変数を供給
することに使われ得る。

【００４０】自己相関技術の感知性により、試験中の"n
ative"表面からの分散は、自己相関信号を得るのに十分
である。従って本発明の技術は、反射表面、特殊反射皮
膜あるいはその表面に取り付けられる再帰反射器の要素
を必要としない。均等な表面の粗さは許容される。表面
の清浄は不要であり、油脂やほこりや油膜などが表面に
付着してもよく、これはもちろん上述した伝導装置の場
合のことであろう。どの成分の干渉性アラインメントも
必要としないので、この装置は振動・衝撃・熱応力とは
無縁である。アラインメントは単純で分かり易く、デー
タは使用可能な形態で都合よく入手できる。

【００４１】本発明の他の実施例によれば、伸縮自在に
変形可能な物体に加わる応力は、その変形の微分測定に
よって求めることができる。例えば、図９は応力による
ツールの切断端部の変形を示しており、一方図１２は図
９における物体の歪み曲線を示している。物質のユング
／剪断／曲げ係数と一致する部品の幾何学的配置が公知
ならば、変形の実時間測定は、物質の疲労と差し迫った
破損についての情報を提供できるであろう。例えば、蒸
気タービンの疲労したローターブレード、ジェットエン
ジン、自動変速機のトルクコンバーターや自動車インテ
ークマニホルドのターボチャージャーが壊滅的な状況に
なるかもしれない。もう１つのこのようなケースは、疲
労あるいは超荷重の高速マシンツールである。しかしな
がらローターブレードのための従来の歪みセンサーを、
付随する対立環境において確実に使用することは大変困
難である。歪みセンサーを各ブレードに取り付けたり、
センサーのバッテリーを測定ユニットまで多重化するこ
とは、法外に高くつくことがわかる。干渉計のような従
来の光学技術は、こういった状況下で、高分散と減衰の
ため使われなくなっている。ホログラフィ技術は、綿密
に制御されたモードプロファイルを伴う振動高出力レー
ザーを必要としており、これらの試験から得られたデー
タは精密に習得されなければならないので、実時間診断
法としてのこの技術の有効性は減少する。またこれらの
技術は、分散やタービンエンジンの燃焼室に特有な時間
可変屈折指数勾配とは、無縁である。

【００４２】微分相関技術は、高空間分解能であり、高
感知性であり、光経路に分散がないという理由から、完
璧にこういった状況に適している。光学の基本セットア
ップは図７に示されている。図１０と図１１に示される
ように、相関器の２つの試験アームからの２つの測定ビ
ーム１５１と１５２は、ツール本体へ向けられている。
マシンツールの場合、示されているように、これは切断
歯の本体である。Ｐ１とＰ２は応力を受けていない本体
において、探査あるいは測定された点である。分散は通
常の方法で集められる。応力をかけると、歯の上の点Ｐ
２は新しい地点Ｐ３に移動し、光線１５２はこの地点で
歯に当たる。Ｐ１−Ｐ２とＰ１−Ｐ３はこの２つの状態
における歪みに比例しており、これは上述したように、
ツールの他の媒介変数の知識から直接測定することがで
きる。図１０と図１１は、２方向に沿った情報を得るた
めに、探査光線の２つの異なる方位を示している。この
技術から、ツールに存在する瞬間的な歪みの測定が可能
となり、ツールの差し迫った破損を示す、前もって設定
された値と比較することができ、破損の兆候を知ること
ができる。

【００４３】内部歪みに関する微分自己相関距離の典型
的な曲線は図１２に示されている。本発明のさらなる実
施例は、図１３と図９に示されている。この実施例にお
いて、本発明の装置は、加工工程によって形が修正され
ている表面の、局部的なプロファイルの実時間測定を得
るために使用される。この技術は、専門光学、精密なカ
ムなどを含む多様な物体の製造において有益である。正
確なstep-and-repeat 工程を利用することにより、物体
の表面指数をラスター走査可能として、表面プロファイ
ルを作る。図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、
図１８はこの概念を表している。

【００４４】図１４において、９００はプロファイルが
測定されることになっている試験表面である。図７に示
されている、微分自己相関器の２つの試験アームからの
２つの探査光線は、表面９００に向けられている。△
Ｘ、つまり図１３に示されている走査移行距離は、相関
器の幾何学的配置から公知である。△ｚ１は微分自己相
関より測定される。その後、探査光線はそれと同距離の
△Ｘにより変換され、その新しい位置で、第１光線は第
２光線の以前の位置を占め、以前に第２位置を占めてい
た第２光線は、第３の位置を占める（図１３参照）。Δ
ｚ２は測定され、ついに所望の表面が走査される。水平
変移に関する差分変移の座標は表面プロファイルを与え
る。

【００４５】図１４は、微分自己相関を使用する試験表
面のstep-and-repeat プロファイリングにおける、この
装置の利用を示している。ウォラストンプリズム９１０
は、入力光線を、プリズムの幾何学的配置によって定め
られた値だけ、間隔を隔てて２光線に分ける。典型的
に、この離角距離はおよそ２ｍｍである。この光線一対
は、ビームスプリッター９１２と表面上の焦点レンズ９
１１を通って発射される。この２点からの分散は、受像
レンズ一対９１１、９１４を使って、倍加水晶体９１５
のような非線形のタイムゲーティング装置に、受像され
る。レンズ上に集束した各点は、倍加水晶体において独
立した光線として集束し直す。その後この信号は、直角
プリズム９１９による遅延時間を含む、基準源からの振
動と混じり合う。このより好ましい周波数倍加の幾何学
的配置は、上述した理由から、基準ビームと測定ビーム
との非共線の交点である。この周波数倍加信号は、測定
ビームと基準ビームとで形成された角の二等分線に沿っ
て現れる。この場合それは、残差共線周波数倍加成分と
一致する、倍加された光の２光線として現れる。これら
は色付きガラスシャープカットフィルター９１６を通っ
て基本波長光を除去され、光電子倍増管やアバランシェ
光ダイオード９１７によって測定される。この２光線か
らの信号間の時間差は、表面に垂直なもう１点に対す
る、レンズ上の１点の距離の微分測定である。

【００４６】相対的な高屈折指数物質９２０の部品は、
アームの一方に挿入されている。これはちょうど２点か
らの信号を分離し、相当する光経路は測定された微分信
号から差しひかれる。この工程は、微分距離の信号に関
して起こり得るいかなる曖昧さをも取り除く。試験表面
に平行な光線の分離は公知なので、表面のstep-and-rep
eat 走査は実行され、２光線間の横方向サイズと等しい
ステップは、表面上のひとつの起点によって、表面プロ
ファイルを作る。

【００４７】この概念のもう１つの試みは、実時間にお
ける横方向速度の測定をすることにある。表面プロファ
イルは、試験表面を動かし深度データを得ることによっ
て、自己相関器により得ることができる。表面上の点に
相当する信号として広がる、基準アームの光経路が得ら
れる。その表面は、識別方向に対して横方向に、既に分
かっている距離だけ進み、その操作が繰り返される。一
連のこのような点は、表面プロファイルを生ずる。この
実施例において、測定方向に対して垂直な表面の速度
は、表面が矢印で示された方向に動くので、大変重要で
ある。

【００４８】図７に示される２つの試験アームを有する
微分自己相関器は、この測定に使用される。ちょうど異
なる２点で両方の探査アームにおいて作られた表面マッ
プの比較が行われた。一方のアームにおけるデータポイ
ントの捕捉と、他方のアームにおける同じポイントの認
知の間で経過する時間が測定される。２つの自己相関器
からの探査光線間の横方向距離は、詳細に知られてお
り、従って、物体の横方向の速度は測定することができ
る。

【００４９】図１５はこの実施例を示している。アイテ
ム９０１は超高速レーザー源であり、９０２と９０４は
ビームスプリッターである。９０３は基準アームにおけ
る遅延光を変えるための再帰反射器である。９０５と９
０６は鏡であり、９０９は試験表面である。測定ビーム
の分散はレンズに集められ、前の実施例で述べた方法
で、水晶体９０７において基準アームからの光線と相互
に関係し合い、検出器９０８で検出された２つの信号ピ
ークを生む。上述したプロトコルによれば、試験アー
ムからの光線は２つの成分（図１５のＰＱＲとＰＳＴ）
に分割され、横方向の速度が測定される。一方の成分は
他方のそれよりも長い光経路長を有している。つまりＰ
ＱＲ＞ＰＳＴである。しかし基準アームＮＯのエクスカ
ーションの距離は、ＯＰＱＲやＯＰＳＴよりも長い。こ
の方法において、各アームからの２つの信号はちょうど
（ＰＱＲ−ＰＳＴ）／ｃだけ、間隔を隔てて得られる。

【００５０】これは、信号がどちらのアームから発生し
たかに関する混乱を解消する。この２つの信号は電子的
に記録できるものであり、独立して操作される。時間調
整は以下のように行われる。データ捕捉として始まる時
間調整は、図１６に示されるように開始される。休止時
間経過後に表面は前方へ進み、図１７に示されているよ
うに、第１アームは、表面上の一定数の識別点に相当す
る表面プロファイル（γ１）を捕捉する。このプロファ
イルは記憶に留められる。同時に第２自己相関器は、図
１８に示されるように、独自の表面プロファイルデータ
（γ２）を捕らえる。２つの自己相関器間のマップから
記録される表面上の特徴は、絶えず電子手段によって比
較される。

【００５１】時間Ｔの後、目標表面マップと第２自己相
関器によって作られたマップの間には、近接適合が見ら
れる。Ｔが決定されると、表面の横方向速度が求められ
るだろう。いくらかの手頃な単語サイズの、１組の大型
ＦＩＦＯ（first-in-first-out）メモリーセルは比較工
程のために使用することができる。第１アームからのデ
ータは小さい固定サイズの１つのセルに与えられる。例
えば”ｍ”という単語である。”ｍ”サンプリングポイ
ントよりなる表面プロファイルは、捕捉後、次の復帰振
動までセル＃１に蓄積される。同時に他方のアームから
のデータポイントは、セル＃２に蓄積される。各データ
ポイントによって、ＦＩＦＯ操作は”ｍ”という単語に
よって実行され、第２メモリーセルはセル＃１から差し
ひかれる。

【００５２】各セルにおいて差しひかれた単語がゼロあ
るいは任意の少量である場合、２つのデータセット間に
相関が得られる。相当する時間間隔が読み取られ、横方
向速度を求めるために使われる。代わりに、ある識別特
徴を表面の部分に捜し出すことができる。例えば、シャ
ープエッジ、プロファイルの逐点勾配などを電子的に比
較するための変数として、探し出すのである。

【００５３】もうひとつの実施例では、測距方向に沿っ
た好ましくない動作を行う、物体の差動寸法の精密な測
定が行われるだろう。本発明による測定スキーマの微分
的性質は、この好ましくない動作を相殺するのに役立つ
であろう。例えば、ほとんどの機械加工操作は、ワーク
ピースそのものに配置された原点を参照する、ディメン
ジョニングを使用して実行される。精密な機械加工技術
はほとんど、ワークピースに対して横方向に取りつけら
れている（ＣＷレーザーのような）測距装置を利用して
いるので、ワークピースに関する空間での固定位置を基
準とする。しかしながら、自動機械加工ツールに実時間
寸法情報を提供する測距装置は、修正されたワークピー
スの振動を受け易い。本発明は、この問題を取り除いた
微分測距技術を提供するものである。

【００５４】この技術において、微分自己相関器の一方
のアームは、ワークピース上の定められた原点を基準と
するものである。他方のアームは機械加工された表面を
識別するものである。測距された微分距離は所望の寸法
である。探査光線の伝播の方向に沿った振動は、両方の
アームの光経路長に等しく影響を与え、相殺される。微
分測距装置のさらなる実施例において、表面上の部分的
または全部透明な液体の薄膜の厚みは、サブミクロン精
度の範囲内となりうる。この施行によって、異なる混じ
らない液体のいくつもの透明の層の厚みを測定すること
もできる。このように試験アームはただ１つのブランチ
しか必要としない。試験レーザー振動は観察されている
液状膜から発射される。分散／反射は、液体表面と液体
−固体インターフェースの両方、あるいはこの場合がそ
うであるように、２つの液体間のインターフェースによ
って生ずる。

【００５５】各反射は、タイムゲートすることができ、
その信号は検出される。液体の屈折指数は等しくはない
かもしれないので、わずかな修正が、このように求めら
れた液体の各層の厚みに加えられなければならない。固
体表面からの反射は液体空気からのそれよりも弱いもの
である。このことは、例えば水の膜あるいはアスファル
ト上の氷の厚みを測定するために、効果的に使用されう
る。

【００５６】本発明は非接触高分解能表面プロファイル
メーターとしても実施されるであろう。従来の表面プロ
ファイルメーターは接触探査を利用し、探査ヘッドに関
して表面を位置決めするものである。表面上の接触探査
の走査は、ミクロン型分解能を伴うステップモータによ
り実行され、これらの動きは、回転式エンコーダーによ
り機械原点位置入力装置に関して、機械的に指標される
ものである。ここに示される技術は、接触探査型プロフ
ァイルメーターと比較してより優れた分解能を提供する
ものである。しかしこれに加えて、表面探査の方向に垂
直な座標に沿って、比較に値する分解能を提供する。こ
の探査の非接触性質により、測定工程から生じる表面損
傷は存在しない。

【００５７】図１９は本発明の非接触表面プロファイル
メーターの、一実施例を示している。基準の固定フレー
ムを与えられ、この基準固定フレームにおける表面上の
多数の点のカルテシアン座標が求められる。ラスター方
向のｚ方向に直交するその他の２軸の値を探査し、デー
タを絶え間なく捕捉し蓄積することによって、３次元表
面を写像することができる。図１９に示されるように、
アイテム１２０１はプロファイルされた物体であり、フ
レーム１２０２は基準固定フレームとして物体の上に配
置される。このフレームは１つの透明な精密フラットガ
ラス１２０３、２つの半ミラーフラット１２０４と１２
０５よりなっており、これらの全ての表面は互いに垂直
となっている。

【００５８】超短光振動は、ほとんど等しい輝度を有す
る、３つの垂直に伝播する光線ａ、ｂ、ｃを作りだす３
方向ビームスプリッター上に入射される。物体表面から
の分散ばかりでなく、各基準表面からの反射も、集めら
れ再結合される。この実施例では、ビームスプリッター
装置もまた再結合を行う。試験表面上の個々の点に関し
てこのように得られた信号は、図２０に示される。タイ
ムゲーティング相関技術の感知性と高Ｓ／Ｎを与えら
れ、試験表面からの分散は自己相関信号を発生するのに
十分である。ｃはフラットガラスなので、ｃとｄの間の
相違が表面プロファイルの寸法である。コンピューター
制御信号から移行ステージにかけて入手される値ａ、ｂ
は、ｘ、ｙカルテシアン座標軸情報を提供する。この情
報は図２１に示されるように、３−Ｄ表面グリッドに変
換することができる。

【００５９】基準平面の上に広がっているこのユニット
は、探査ヘッドを構成する。この探査ヘッドは分散を集
めるための装置というよりもむしろ超短探査振動の発進
位置として働く。しかしながら、観察されている移行ス
テージの分解能がミクロンスケール上にある必要はな
い、ということは指摘されなければならない。ｘ、ｙ光
線により与えられた高分解指数は、従来の移行ステージ
では得られない精密な位置情報を提供する。移行ステー
ジにおける振動と屈折及び構内搭載ハードウェアは、走
査の正確さに影響を与えるものではない。なぜなら全て
の動作は、測定装置とは機械的に完全に切り離された、
基準固定フレームに関して指標されるからである。

【００６０】セットアップで使用されるフラットガラス
の寸法は、移行ステージのエクスカーションよりも大き
いものである。超短振動源と相関ユニットは、移行ステ
ージの上に物理的に取り付けることができる。代わりに
この源からの振動の連続は、外部から１組の鏡を通して
相関器に導くことができる。この自己相関器ユニット
（非線形水晶体、光を集束して検知する装置）は、走査
ヘッドの上に取り付けるられるように、コンパクトにす
ることができる。

【００６１】前述したように、信号収集光の設計に特有
なトレードオフもまた、ここでは有効である。"passiv
e" 結像装置の綿密な設計は、１ｃｍの範囲内の焦点深
度を可能とする。代わりに、データ捕捉速度をなくして
も、電子的に制御されたズームレンズ装置が、比較に値
する焦点深度を補うために使用されうる。より大きい焦
点深度は、被験体の寸法上でより束縛が少なくなり、よ
り多用途の物体プロファイルとなる。

【００６２】数々の模範実施例がここに示され、述べら
れているが、当業者は多くの変更や修正が可能なことが
分かるであろうし、追加クレームによってさえも本発明
を推し量ることが意図されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本概念を示す構成図である。

【図２】図１をより具体化した一実施例を示す構成図で
ある。

【図３】可動基準アームを使用した場合の自己相関信号
とアーム位置との関係を示す動作説明図である。

【図４】本発明の簡潔な実施例を示すブロック図であ
る。

【図５】図４を具体化した一実施例を説明するものであ
る。

【図６】自己相関信号を示す特性図である。

【図７】可変送り装置と試験アームがビームスプリッタ
ーと一体に構成された一実施例を示す構成図である。

【図８】平歯車Ｇ１と平歯車Ｇ２から受信される信号の
一例を示す特性図である。

【図９】応力による工具の変形を示す説明図である。

【図１０】上記工具の発した光線を示すものである。

【図１１】上記工具の発した光線を示すものである。

【図１２】図１０および図１１の光線から限定される内
部歪みによった微分自己相関の測定結果の一例を示す特
性図である。

【図１３】切削加工法によって修正された対象の表面を
本発明により実時間測定した表面プロファイルの一例を
示す説明図である。

【図１４】対象表面のプロフアィルを実時間測定する装
置の一実施例を示す構成図であり、横（ラテラル）方向
の速度の測定が可能な構成図である。

【図１５】対象の表面プロファイルを実時間測定する他
の実施例を示す構成図である。

【図１６】図１５に示された実施例による自己相関信号
のタイミング図である。

【図１７】図１５に示された実施例に要求される表面プ
ロファイルデータτ１を示す説明図である。

【図１８】図１５に示された実施例に要求される表面プ
ロファイルデータτ２を示す説明図である。

【図１９】本発明の非接触表面プロファイル測定の実施
例を示す構成図である。

【図２０】図１９に示された装置から得られた自己相関
データを示す説明図である。

【図２１】図１９に示された装置から得られた三次元自
己相関データを示す説明図である。

【符号の説明】

１０１は光源、１０２は分配配光器、１０３はビーム出
射器、１０４は集光器、１０６は捕捉器、１０７はタイ
ムゲート、１０８はフィルタ／検出器である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】遠隔点から少なくとも二つの対象間の位
置差を測定する装置であって、超短光パルスのビームを発生する手段と、上記超短光パルスのビームを基準ビームを含む複数のビ
ームに分配する手段と、上記二つの対象に上記基準ビーム以外のビームを配光す
る手段と、予め規定した光路に上記基準ビームを配光する手段と、上記二つの対象で反射されたビームの一部を集光すると
ともに、上記反射されたビーム間の伝播時間差に応じた
離散時点に極値をもつ自己相関関数のタイムゲートで反
射或いは散乱されたビームを上記基準ビームと共に捕捉
する手段と、上記自己相関関数に応じて上記二つの対象間の微分距離
を決定する検出手段とを具備した微分測距装置。
【請求項２】上記タイムゲートは、非線形第２次高調
波発生結晶からなることを特徴とする請求項１記載の微
分測距装置。
【請求項３】上記予め規定した光路は、絶対長さが平
均値を中心に変動する可変長光路であることを特徴とす
る請求項１記載の微分測距装置。
【請求項４】上記捕捉する手段は、上記タイムゲート
に平行に上記ビームを配光し、上記タイムゲートの中で
上記ビームを重ねる手段を含むことを特徴とする請求項
１記載の微分測距装置。
【請求項５】上記非線形第２次高調波発生結晶からな
る上記タイムゲートは、上記基準ビームと上記反射され
たビームとが該タイムゲートに入射されたとき、上記反
射されたビームが暫時上記基準ビームに符号する点で極
値をもつ上記ビームの自己相関関数を生成することを特
徴とする請求項１記載の微分測距装置。
【請求項６】上記基準ビームは、固定長の基準光路に
沿って往復し、かつ、上記反射されたビームは、経時的
に変化する長さをもつ測定光路に沿って往復することを
特徴とする請求項１記載の微分測距装置。
【請求項７】上記二つの対象は、回転部材であり、上
記検出手段は、該回転部材材の間の相対回転位相差を決
定することとを特徴とする請求項１記載の微分測距装
置。
【請求項８】上記各回転部材は、回転シャフトに噛合
したギヤであり、上記検出手段は、上記相対回転位相か
ら上記シャフトに作用する瞬時トルクを決定することを
特徴とする請求項７記載の微分測距装置。
【請求項９】上記検出手段は、上記ギヤのいずれか一
方の瞬時角速度を決定することを特徴とする請求項８記
載の微分測距装置。
【請求項１０】上記検出手段は、上記トルクと角速度
値とから上記シャフトを駆動する駆動源の瞬時馬力を決
定することを特徴とする請求項９記載の微分測距装置。
【請求項１１】上記二つの対象は、一体成形体の各一
部分であり、上記検出手段は、上記各一部分間の相対位
置変位を決定し、上記成形体の瞬時的な張力を測定する
ことを特徴とする請求項１記載の微分測距装置。
【請求項１２】対象の表面を計測する装置であって、光パルスのビームを発生する手段と、上記ビームを空間的に分散した複数の平行測定ビームと
基準ビームとに分配する手段と、上記各測定ビームを上記表面に配光する手段と、上記表面を上記各測定ビームで走査する手段と、上記表面で反射された上記各平行測定ビームの一部を集
光するとともに、上記ビームの自己相関関数を与えるタ
イムゲートで上記各平行測定ビームと上記基準ビームと
を捕捉する手段と、上記表面のプロファイルデータを得るべく上記各平行測
定ビームが進んだ光学経路の微分距離を測定する手段と
を具備した微分測距装置。
【請求項１３】上記微分の曖昧さを打ち消すために上
記計測に先立って上記測定ビームの一つを一時的に遅延
する手段を設けたことを特徴とする請求項１２記載の微
分測距装置。
【請求項１４】上記走査する手段は、上記測定ビーム
間のラテラル距離に等しいステップ量をもつことを特徴
とする請求項１２記載の微分測距装置。
【請求項１５】上記測定する手段は、上記第１及び第
２測定ビームが同じ位置を走査した時間の差を決定する
ことによって、上記表面の動き速度を求めることを特徴
とする請求項１２記載の微分測距装置。
【請求項１６】上記測定する手段は、上記第１の測定
ビームによって検出された第１表面プロフアィルをスト
アするメモリ手段と、上記第１表面プロフアィルと上記
第２の測定ビームによって検出された第２表面プロフア
ィルとの整合性を判断する比較手段とを含むことを特徴
とする請求項１２記載の微分測距装置。
【請求項１７】単層表面を探層する装置であって、光パルスのビームを発生する手段と、上記ビームを少なくとも一つの測定ビームと基準ビーム
とに分配する手段と、上記測定ビームを上記単層表面に配光する手段と、上記表面の異層で反射された上記測定ビームの一部を集
光するとともに、上記ビームの自己相関関数を与えるタ
イムゲートで上記測定ビームと上記基準ビームとを捕捉
する手段と、上記単層表面の少なくとも厚みデータを得るべく上記測
定ビームが進んだ光学経路の微分距離を測定する検出手
段とを具備した微分測距装置。
【請求項１８】遠隔点から対象の少なくとも第１及び
第２の部分間の位置差を測定する装置であって、超短光パルスのビームを発生する手段と、上記ビームを少なくとも一つの測定ビームと基準ビーム
とに分配する手段と、基準部分を示す上記対象の第１の部分に上記基準ビーム
を配光する手段と、上記対象の第２の部分に上記測定ビームを配光する手段
と、上記第１及び第２の部分で反射されたビームの一部を集
光するとともに、上記反射されたビーム間の伝播時間差
に応じた離散時点に極値をもつ自己相関関数のタイムゲ
ートによって反射されたビームを捕捉する手段と、上記第１及び第２の部分の結合した動きとは独立に、上
記第１及び第２の部分の間の微分距離を決定する検出手
段とを具備した微分測距装置。
【請求項１９】対象までの距離を測定する方法であっ
て、超短光パルスのビームを発生するステップと、上記少なくとも二つの測定ビームと基準ビームを含む複
数のビームに分配するステップと、上記対象に上記測定ビームを配光するステップと、上記対象で反射された上記測定ビームの一部を集光する
とともに、上記ビームの自己相関関数を与えるタイムゲ
ートで上記反射されたビームと基準ビームとを捕捉する
ステップと、上記各々のビームが往復した光学経路の微分距離を測定
するステップとを具備した微分測距方法。
【請求項２０】上記捕捉するステップは、上記非線形
第２次高調波発生結晶中の上記反射されたビームと上記
基準ビームの各一部を合焦し捕捉することを特徴とする
請求項１９記載の微分測距方法。
【請求項２１】遠隔点からある対象の座標値間の微分
距離を測定する装置であって、与えられたカーテシアン座標を決定する装置であって、
上の対象の任意点に超短光パルスのビームを発生する手
段と、上記超短光パルスのビームを基準ビームと複数の測定ビ
ームに分配する手段と、上記対象と座標化された基準平面に対して上記ビームを
それぞれ配光する手段と、上記対象で反射した上記ビームの一部を集光するととも
に、上記反射されたビーム間の伝播時間差に応じた離散
時点に極値をもつ自己相関関数のタイムゲートで反射さ
れたビームを捕捉する手段と、少なくとも上記座標化された基準平面で反射されたビー
ムよりＸ軸及びＹ軸座標を決定するとともに、少なくと
も上記対象で反射されたビームよりＺ軸座標を決定する
検出手段とを具備した微分測距装置。
【請求項２２】上記検出手段が上記Ｚ軸座標の多数の
測定値を得て上記対象の表面のマップを描くように、少
なくとも上記分配する手段を上記Ｘ軸方向とＹ軸方向と
に走査的に移動する手段を設けたことを特徴とする請求
項２１記載の微分測距装置。
【請求項２３】上記走査的な移動は、上記自己相関関
数の少なくとも一つの成分持ちいて光学的に検索される
ことを特徴とする請求項２１記載の微分測距装置。
【請求項２４】上記集光する手段は、焦点距離の深い
ズームレンズであることを特徴とする請求項２１記載の
微分測距装置。
【請求項２５】上記対象と上記分配する手段との間に
光学フラットを配置し、ビームが配光されることによっ
て、上記対象で反射されたビームが、該光学フラットを
通過し、かつ、該光学フラットで反射され、上記光学フ
ラットで反射されたビームと上記対象で反射されたビー
ムとから得られる上記自己相関関数の微分要素によって
Ｚ軸座標を計測することを特徴とする請求項２１記載の
微分測距装置。