JPS61247908A - 表面形状測定方法およびシステム - 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】 発明の背景 本発明は表面形状（ｓｕｒｆ’ａｃｅ　ｐｒｏｒｌｌｅ
　）測定システムおよび方法に関する。更に詳しくは、
本発明は表面に照射される光学エネルギーの反射による
表面形状の測定に関する。

種々の種類の工業用の視覚センサを使用することが広く
普及するようになっている。このような視覚センサは一
般にロボット工学システム、特にロボット溶接システム
に用いられ、このシステムにおいてはセンサは溶接ヘッ
ドが溶接継目を追従するように溶接ヘッドを制御するた
めに使用されている。工業用視覚センサは他の多くの用
途、例えば表面の種々の寸法を表わすデータを発生する
ような多くの用途に使用されており、この場合このデー
タは電子的に都合良く分類できるようになっている。

本発明の目的は、表面上の線に沿って一点一点表面の垂
直方向の高さを測定する視覚システムを提供することに
ある。表面を観察する方向と平行な方向の座標軸Ｚに沿
って表面の高さを測定し、かつ２の方向に垂直な直線に
沿って座標軸Ｘを設定した場合、視覚システムはこの線
に沿った各Ｘの値に対するＺの値を得る。この情報は表
面形状として記述されるものであり、このシステムはプ
ロファイラ（ｐｒｏｆ’１ｌｅｒ）または形状測定シス
テムと呼ばれる。

従来、プロファイラはＴＶカメラ、線形検出器アレイお
よび飛点カメラ・システムを使用して構成されている。

表面形状を測定するために、種々の光学装置が使用され
、これにより、例えば表面に照射する光の単一の線また
は多重の線から成るパターンを発生している。この光パ
ターンは２つの適度に相異なる方向から投射および観察
して、観察および投射の全体的な方向（Ｚ方向）におけ
る表面の寸法の変化により光パターンに明確なシフトが
生ずるようにする。三角測量の原理を使用して、パター
ンにおける各点の正確な２寸法を測定し、１つ以上の表
面形状を求めることができる。

米国特許第４，３４９，２７１号にはこのような構造的
（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ）光プロファイラが開示されて
いる。この特許では２つの検出器アレー（２つの光波長
の各々に対して１つずつ）を使用してパターンからの反
射光を感知することによって複雑な表面の形状マツプを
形成することができることを教示している。

ＴＶカメラまたは固体検出器アレーを使用したこのよう
に構造的光プロファイラは一般に有益であるけれども、
いくつかの欠点があることが解っている。特に、ＴＶお
よび検出器アレー・システムの感度、ダイナミックレン
ジおよび背景光除去性能ではプロファイラにこれらを使
用した場合に重要な問題が生じる。典型的な工業用仕上
げを有するアングル金属表面の方向性反射率は数千の範
囲にわたって容易に変化することがあるので、標準的な
ＴＶカメラ・システムにおける１００乃至２００対１の
程度のダイナミックレンジを大幅に超える。更に、この
ような検出器の感度では、しばしばレーザーの安全性を
そこなうほどのパワーでレーザーから非協働的な表面を
照明することを必要とする。また、多くのＴＶおよび検
出器アレー・システムの別の欠点は、光源の光レベルを
高い周波数で変調することができず、また、背景放射に
対する感度を低減するために同期して検出することがで
きないということであり、これはＴＶシステムに用いら
れている検出器素子が一秒間に３０回のような比較的低
い周波数でしか繰り返し走査することができないからで
ある。

ところで、光電子増倍管は高感度の光検出器であって、
比較的広いダイナミックレンジを有するが、残念なこと
に、高価であり、かつプロファイラを構成するのに必要
とされる高密度のアレーを形成することが難しい。他方
、フォトダイオードのような検出器素子は高価でなく、
小型に作ることが容易であり、比較的低価格で好都合な
アレーを実現するのに使用することができるが、光電子
増倍管はどの感度およびダイナミックレンジを有してい
ない。

本発明においては、特別なタイプの飛点カメラを使用す
ることによって検出器アレーの必要性をなくす。検出器
アレーの代りに２つの光電子増倍管または単一構造の二
重光電子増倍管を用いて、この種の検出器の感度、ダイ
ナミックレンジおよび背景光除去性能の利点を利用する
。

従来の飛点プロファイラは典型的にはレーザー・ビーム
を用いて表面を走査している。表面に当たるビームの像
は検出器アレーによって追跡され、この検出器アレーは
ビームが表面に対して向けられている角度からずらして
設けられている。光学的な三角測量の技術を使用し、ビ
ームが表面に当たる角度および表面上のビームの像の位
置を知ることによって表面形状を測定する。このような
システムは固体検出器アレーを使用しているので、前述
の構造的光プロファイラで使用されている検出器アレー
の場合と同様に感度、ダイナミックレンジおよび解像度
についての制約を受ける。特に、表面の方向性反射率の
変化のため、比較的強力なレーザーを使用することが必
要なことがあり、これは種々の特別な安全性の予防手段
を必要とし、経済的にも不利益であるし、動作的にも取
り扱いにくいものである。

基本的な飛点カメラおよび検出器アレー・システムの変
更例として、米国特許第４．　１５８．　５０７号にレ
ーザー・ビームを使用する形状測定システムが開示され
ており、このシステムではレーザー・ビームで表面を走
査し、単一の光電子増倍管によってビームの像を検出し
ている。表面上の走査されるビームの経路を追跡するた
めに、光学的格子がビームの像と光電子増倍管との間に
配設されている。ビームが表面を掃引する時における格
子上の種々の不透明なストリップ間の掃引時間が表面の
傾斜を表わす。

光学的格子を使用したこの飛点システムは検出器アレー
の欠点のいくつかを克服しているが、その測定能力には
まだ望ましくない制約がある。特に、高い空間解像度が
得られるように格子を非常に細かくした（交互の透明な
ストリップと不透明なストリップの幅を非常に細くした
）場合には、この装置は表面の傾斜の小さな変化を検出
することができるが、このように非常に細い格子ストリ
ップにより測定に誤りが生じることがある。具体的にい
うと、表面に急峻な変化すなわち大きな垂直の段差があ
る場合には、ビームの像が格子の２つ以上のストリップ
にわたってジャンプすることがあり、このため検出装置
はこの段差の高さを適正に表示できない。

本発明の主な目的は形状情報を測定する新規で改良され
たシステムまたは装置および方法を提供することにある
。

本発明の特定の目的は、高感度の光学的感知または検出
装置を有し、安全でパワーの低い光源を用いることので
きる改良された表面形状測定方法および装置を提供する
ことにある。

本発明の他の目的は、大きなダイナミックレンジを有す
る改良された表面形状測定方法および装置を提供するこ
とにある。

本発明の更に他の目的は、背景光を十分に除去できる改
良された表面形状測定方法および装置を提供することに
ある。

本発明の更に別の目的は、非常に高い解像度を有する改
良された表面形状測定方法および装置を提供することに
ある。

発明の概要 本発明の上記および他の目的、ならびに利点は以下の説
明から明らかとなろう。これらの目的を達成するための
、物体の表面から形状情報を測定するシステムおよび方
法では、光ビームを発して、この光ビームを光変調器お
よびＹスキャナーに通し、更にＸスキャナーを通した後
、測定しようとする表面に向ける。表面によってビーム
から分散された光は光電子増倍管検出器システムに結像
される。この検出器システムは、結像した光スポットが
、観察される表面が完全に平坦であって、観察方法に直
角な平面内にある場合にＸ走査によって生じる像の移動
方向の直線に対して、その上方にあるか、直接その上に
あるのか、またはその下方にあるのかどうかを決定する
手段を有する。以下、前記直線を「感知線」と称する。

スポット投射の方向は光電子増倍管検出器システムの観
察方向に対して適度な角度を有するように構成され、こ
れら２つの方向は観察される表面におけるＸ走査の方向
に直角な平面内にあるように調整される。

この配向（オリエンテーション）の結果、ＸおよびＹ方
向に直角なＺ方向における表面の高さの変化によって検
出器における像位置に変化が発生し、Ｙ方向の偏向に変
化がない場合には像は感知線に直角な方向に移動する。

本発明の本質的な要素は、Ｙスキャナーを検出器からの
フィードバック成分によって制御して、表面上のビーム
の像を一定のＹ位置に安定化させ、像を検知線上に心合
わせした状態に維持するということである。この機能に
関連して、Ｙスキャナーを以下「像安定化ビーム調節器
」と称する。

光変調器の目的は、送り出す光ビームを比較的高い周波
数、例えば１００キロヘルツで変調して、この光の散乱
成分から生じる検出器信号成分がまた同じ周波数で変化
し、これにより検出器信号成分が背景光成分から電気フ
ィルタにより分離できるようにすることである。本発明
の第２の要素は、表面の反射率の変化に応じて変調振幅
を変化させて、表面の反射率が高い場合にはこの振幅を
低減し、また表面の反射率が低い場合には増大し、これ
により検出器信号の対応する変調振幅の振幅変化を最小
にして、検出器システムのダイナミックレンジを増大す
ることである。

本発明のシステムでは、表面に照射するための光ビーム
を発生する光ビーム源と、光ビーム源からのビームを受
けて、前記表面に照射する前にこのビームに対して可変
のＹ方向偏向角を加えるように動作する像安定化ビーム
調節器と、センサ・システム手段とが設けられる。この
センサ・システム手段は表面に当たるビームの像に対応
する反射した光学エネルギーを感知して、表面の高さの
変化によって生ずる像位置の変化を感知するように動作
すると共に、像安定化ビーム調節器に接続されて、感知
した像位置のＹ方向の基準位置からの変化に応じて前記
像安定化ビーム調節器にビーム偏向角を変更させるよう
に動作して、表面の高さの変化に無関係に像を基準位置
に維持するようにし、この変更量を検出することによっ
て表面の高さを決定する。センサ争システム手段はそれ
ぞれ別個の出力を有する第１および第２のセンサを備え
ており、この第１および第２のセンサは反射した光学エ
ネルギーの相異なる部分を感知するように動作し、両セ
ンサは各センサによって検出された光の部分が像のＹ位
置に応じて変わるように配置されている。減算器が第１
および第２のセンサの出力の差に応じた差出力を発生す
るように設けられており、この差出力に応じてＹ方向偏
向角が像安定化ビーム調節器により表面の高さの変化を
補償するように変更されて、像のＹ位置が一定に維持さ
れるようにする。表面の高さは、像を一定のＹ位置に維
持するのに必要なＹ方向偏向の変更量から決定される。

像安定化ビーム調節器は音響光学装置の形式のものであ
ってよく、更にセンサ・システム手段は制御発振器を有
していてもよい。光ビーム源としてレーザーを使用する
ことができる。

好適実施例の動作においては、像安定化ビーム調節器は
制御発振器の出力信号に応じたビーム偏向角を与え、制
御発振器はセンサ手段の少なくとも１つの出力から得ら
れる制御入力を受信する。

この制御入力は感知した像位置の基準位置からの変化に
応じている。制御入力は角度制御回路によって供給され
、この角度制御回路は像が基準位置にあるとき制御入力
を安定化させる。更に、本発明のシステムはＹ方向に直
角なＸ方向に表面をビームで走査するＸスキャナーを有
し、センサ・システム手段はビームのＸ位置を指示する
出力を存するＸ指示回路を含む。

更に、本発明のシステムでは、Ｘ方向のビームの走査に
よって生ずる像の移動量に正確に等しいが、方向が反対
である走査ビームの像の移動を生じさせる装置を設ける
ことができる。この像デスキャナー（ｄｅｓｃａｎｎｅ
ｒ　）はＸ方向に掃引されるビームの像が狭い線内に局
限されて現れるようにする。この結果、センサ手段に達
する背景光は像を狭いスリットを通過させることによっ
て低減することができる。実際には、像デスキャナーは
像からの光をＸスキャナーを介して戻すことによって簡
単に実施することができる。

更に、本発明のシステムでは光フィルタを設けることが
できる。この光フィルタは光ビーム源からの光を透過す
るが、他の色の光を阻止して、検出器に達する背景光を
低減する。

本発明のシステムでは、更に、高い周波数、典型的には
１００ｋＨｚ以上の周波数で振幅変調することによって
表面に照射されるビームの強度を変化させる手段を設け
てもよい。この場合、センサ・システム手段はセンサ手
段からの少なくとも第１のセンサ出力をろ波し、少なく
とも第１のろ波された出力を発生する電気フィルタ手段
を含む。

このフィルタ手段は変調関数の周波数をａする信号を通
過させるが他の信号を阻止し、このため第１のろ波され
た出力は背景の光学エネルギーにほとんど無関係な出力
となる。

本発明のシステムでは更に、表面に照射されるビームの
平均変調振幅に低周波（典型的には１０ｋＨｚ以下）の
変化を与える手段ならびに、センサ手段と強度変化手段
との間に接続されるフィードバック回路を設けてもよい
。フィードバック回路はセンサ手段によって感知された
反射光学エネルギーの大きさに応じた反射出力を発生す
るように動作し、比較的低い反射出力の場合にはビーム
の変調振幅を増大し、また比較的高い反射出力の場合に
はビームの変調振幅を低減するように、少なくとも部分
的に反射出力に従って強度変化手段を制御するように動
作する。この手順によって本発明のシステムのダイナミ
ックレンジが増大される。

本発明の上記およびその他の特徴は本発明を添付の図面
を参照して以下に説明することにより一層容易に理解さ
れるであろう。添付の図面では同じ符号は同じ部品を表
わす。

発明の詳細な説明 本発明の主構成要素が第１図に示されており、これらは
包括的に符号１０で示す形状測定システムを構成し、形
状を測定しようとする表面１４に対して光ビーム１３を
照射するように作用する。

表面１４は一部しか示されてないが、工作物または他の
物体の一部であってよく、１つ以上の物体または工作物
から成る表面部分を含んでいてもよい。システム１０は
形状情報を発生してコンピュータ１６に供給するように
なっており、このコンピュータ１６は形状情報を単に記
憶するもの、またはこの形状情報を使用してロボット溶
接機のような工具を案内するためのものであってよい。

光ビーム１３は、光学エネルギーのビーム２０を出力す
るレーザー１８のような光ビーム源によって発生される
。本明細書で使用する「光」または「光学エネルギー」
という用語は可視光、紫外線または赤外線源から得られ
るような電磁放射を含むものである。

レーザー１８によって発生されたビーム２０は第１図に
おいて組合せ要素２２として示されている変調器および
Ｙスキャナー安定化器に供給される。要素２２は、音響
光学装置であってよいものであるが、ビーム１３の移動
を制御して、ビームの像をＹ方向の基準位置に安定化す
るように使用される。更に、要素２２は、システム１０
に対する背景光の影響を最小にするために変調部でビー
ム２０を振幅変調する。また、要素２２は入力ビーム２
０の強度を変化させて、要素２２からの出力ビーム２４
の振幅変調が表面１４から検出器システムに向けて反射
された光学エネルギーの強度に逆比例するようにする。

要素２２のこれらの特徴の詳細については後で説明する
。

要素２２の出力ビーム２６はＸスキャナー２６に供給さ
れる。このＸスキャナー２６は第１図の図面の平面に対
して直角なＸ方向にビーム１３を走査する。Ｘスキャナ
ー２６は要素２２と同様に音響光学スキャナーまたは装
置であるが、検流計に取り付けられたミラーまたは回転
プリズムをＸスキャナー２６として使用してもよい。

Ｘスキャナーの出力ビーム１２は送光レンズ２８を通過
し、ミラー３０によって反射され、ビーム１３として表
面１４に当る。

表面１４から反射されたビーム３２（表面１４上のビー
ム１３の像の拡散反射）は受光レンズ３４を通過してＸ
スキャナー２６に戻る。本発明にとって不可欠なもので
はないが、反射されたビーム３２をＸスキャナー２６に
よってデスキャン（ｄｅｓｃａｎ）　Ｌデスキャンされ
た反射ビーム３６を発生することが好ましい。デスキャ
ンされた反射ビーム３６はＸスキャナー２６として使用
されているミラーの位置に無関係にほぼ一定のＸ位置を
有する。ビーム３６はセンサ・システム手段に供給され
、このセンサ・システム手段は開口付き光シールド３８
を有し、この光シールドは適当なＸ位置を持たない光を
阻止するために使用される。

希望により、光学フィルタ４０をＸスキャナー２６と光
シールド３８との間に設けてもよい。光学フィルタ４０
はレーザー１８によって供給される光の周波数以外の光
を最小にするように作用し、システム１０に対する光学
ノイズの影響を最小にする。

デスキャンされた反射ビーム３６は鋭い縁を持つ銀メッ
キされたプリズム４２に供給され、このプリズム４２は
光を相補的なオーバーラツプしない位置部分（即ち、位
置に依存した部分）に分割し、この分割された先部分は
光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂに供給される。この光
電子増倍管はそれぞれ反射器４６Ａおよび４６Ｂを有し
、この反射器は反射された光学エネルギーが対応する光
電子増倍管に確実に向けられるようにする。

光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂは単に２つのセンサの
みを構成する。即ち、センサ・アレーを必要とする多く
の従来の設計のものと異なって、本発明は２つの光電子
増倍管のみを必要とする。

光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂは表面１４に当たった
ビーム１３から生じる像に対応する反射光学エネルギー
を表わす第１および第２のセンサ出力を発生する。セン
サ出力はそれぞれ線４８Ａおよび４８Ｂを介してフィー
ドバック、制御および測定装置５０に供給される。この
装置５０の詳細については第７図を参照して後で説明す
るが、その主要機能は線５４を介して要素２２を制御し
、線５６を介してＸスキャナー２６を制御し、線５２に
示すようないくつかの信号線またはデータ・バスを介し
てコンピュータ１６に形状情報を供給することである。

また、装置５０は光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂから
の信号をろ波する機能を有し、また要素２２が振幅変調
によってビームに対して変調関数を加えて振幅変調する
ようにする。この変調および次に続くフィルタ処理は、
背景の光学エネルギーが光学フィルタ４０の通過帯域内
にあったとし　　　゛ても、背景の光学エネルギーに対
するシステム１０の応答を大幅に低減する。更に装置５
０は要素２２にビーム２０の変調振幅を制御させるよう
に動作し、これによりこの振幅が光電子増倍管４４Ａお
よび４４Ｂによって感知された反射光学エネルギーの和
に逆比例するようにする。このようにして、システム１
０のダイナミックレンジは、表面１４の方向性反射率が
悪い場合に光学ビーム１２の変調振幅を増大し、また表
面１４の方向性反射率が比較的高い場合には光学ビーム
１２の変調振幅を減少することによって拡大される。

本発明の別の実施例の主要構成要素が第２図に図示され
ている。この実施例のシステム１１ではＸスキャナー２
６と表面１４との間のビームの伝送方法のみが前記シス
テム１０と異なっている。

従って、構成要素の大部分は第１図の対応する構成要素
と同じであり、同じ符号を付しである。

システム１０と異なるシステム１１の部分について説明
すると、光ビーム１２は送光レンズ２８ル通過してコヒ
ーレントな光学繊維束５８の一端に入る。この光学繊維
束５８の他端はヘッド６０の一方の入力開口部５９に終
端している。光学繊維束５８はビーム１２をヘッド６０
に伝送する機能を有する。ヘッド６０は、断面で示され
ているが、工具（図示せず）に取り付けられており、そ
の動きはコンピュータ１６によって制御される。

ビーム１２は光学繊維束５８を通過し、最終のビーム１
３として表面１４に当る前にレンズ６２を通過する。表
面１４からの反射ビーム３２はヘッド６０に取り付けら
れたレンズ６８を通過し、コヒーレントな受光光学繊維
束７０に供給される。

この光学繊維束７０の一端はヘッド６０の第２の開口部
７１に取り付けられている。

第２図に示すシステムでは特に工作物の表面に沿ってヘ
ッド６０のようなヘッドを動かすことが望ましい用途に
おいて特に冑益である。これはシステムの光学的および
電気的構成要素の全てを動かす必要がないからである。

本発明は光学的三角測量の原理を使用して表面形状を測
定している。光学的三角測量法においては、光源の位置
、センサの位置、光源が表面に対してビームを送る角度
、およびセンサによって感知される表面上のビームの像
の位置を知ることにより、これらの情報を周知の数式に
適用すればセンサまたは検出器から表面までの距離を決
定することができる。光ビームを表面に沿って走査し、
光学的三角測量法を繰り返して行なうことにより、走査
方向に沿った表面の形状を測定することができる。

次に、第３図、第４図および第５図を参照して、本発明
の動作の原理を説明する。第３図は表面１４に照射され
るビーム１３および受光レンズ３４によって受光される
反射ビーム３２を示す簡略化された斜視図である。第４
図は第３図の線４−４に沿った断面図を示しており、第
５図は表面１４に対し鉛直な方向から見た図を示してい
る。

ビーム１３は表面１４に沿ってＸ方向に走査され、反射
ビーム３２に対応する像はレンズ３４によって受光され
る。ビーム１３が垂直な（即ちＸおよびＹ方向に垂直な
Ｚ方向の）段差７２を照射すると、反射ビーム３２に対
応する像は破線の反射ビーム７４として示されている位
置に瞬間的に変位する。前に点Ａに現れていた反射ビー
ム３２の像は、この反射ビーム７４に対応する点Ｂにお
いて受光レンズに現れる。

点Ａから点Ｂへの像位置の移動はＹ方向の変化を示して
おり、従来の設計のものでは、垂直な段差７２の大きさ
を計算するために検出器アレーによってこの変化を感知
していた。しかしながら、点Ｂは測定しようとする高さ
に対応するＺ方向に点Ａから変化するばかりでなく、点
ＡからＹ方向にも変化する。この好ましくない点Ａから
点ＢへのＹ方向の変化は反射ビーム３２から反射ビーム
７４への変化に対応する像位置の変化を測定するという
ことに基づいている測定処理に誤りを発生することにな
る。更に、このＹ方向の像位置の変化を測定するには像
位置の変化を追跡するためにセンサまたは検出器アレー
を必要とする。

点Ａから点Ｂへの像のＹ方向の位置の変化を使用するか
わりに、本発明の重要な特徴は、フィードバック、制御
および測定装置５０（第１図および第２図参照）を使用
して、照射される光ビーム１３が第３図および第４図に
一点鎖線で示すビーム７６のようにビーム７４のすぐ後
ろの位置に来るように、照射される光ビーム１３の偏向
角を変化させる。照射ビーム１３を照射ビーム７６の位
置に変化させることによってビームの像は反射ビーム３
２に対応する点Ｃに発生することに注意されたい。点Ｃ
に対応する像位置は点Ａと同じＹ座標を有し、照射され
るビームの像はＹ方向において正常な位置、即ち基準位
置に維持される。

本発明は第６図について後で詳細に説明する装置５０を
使用して、照射ビームの像をＹ方向の基準位置に維持す
るようにフィードバック制御を行う。この基準位置は点
Ａおよび点Ｃに対応しており、第５図において良く示さ
れているように点Ａおよび点Ｂを含む直線と考えること
ができる。従って、ビーム１２がＸ方向に走査される場
合、表面１４に沿ったその経路（特に第５図を参照）は
ほぼ点Ａおよび点Ｃを含み、かつ点Ａおよび点Ｃを越え
て伸びる線に沿って維持される。ビームが垂直の段差７
２を照射した時には、ビームはこの点ＡおよびＣの線か
ら僅かに変位して点Ｂの位置になるが、フィードバック
制御によりこのビームを点Ａおよび点Ｃの線上に戻す。

第３図乃至第５図は、点Ｂおよび点Ｃ間の走査線が左か
ら右（第４図および第５図で）へのＸ方向の走査に対応
するＸ方向の成分を含んでいるという点において図示の
ためにいくらか簡略化されていることが容易に理解され
るであろう。しかしながら、装置５０は非常に短いフィ
ードバック時間を有しており、点ＡおよびＣの線に対応
する基準位置に像位置を維持するために非常に急速にビ
ーム１２を変更する。従って、ビーム１２が垂直の段差
７２を照射した時には、ビームの偏向角はほとんど瞬時
に第３図の符号７６で示す位置に変化し、像をその基準
位置の線に戻す。

点Ａから点Ｂへの像位置のＹ方向の変化を考慮して垂直
の段差７２の大きさを計算する同じ光学的三角測量の原
理を使用して、ビーム７４からビーム７６へのビームの
偏向角の変化に基づいた段差７２の大きさを計算するこ
とができる。非常に都合の良いことには、高さの変化、
即ちＺ方向の変化は、システムが点ＡからＣへの線に対
応するＹ方向の基準位置に像位置を比較的一定に保持し
ていることにより、Ｙ方向の変化に比較的無関係である
。更に、像位置をＹ方向にほぼ一定に保持することによ
り、センサまたは検出器アレーを必要とすることなく、
またこれらによる制約もなく、光学的感知装置を使用す
ることができる。

次に第６図を参照して、第１図および第２図の装置５０
を構成するために使用することのできる種々の回路につ
いて詳細に説明する。第６図は、装置５０の回路を光電
子増倍管４４Ａおよび４４Ｂ、Ｘスキャナー２６、要素
２２、ならびにコンピュータ１６と組み合わせて示して
いる。

光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂを有するセンサ・シス
テム手段はそれぞれ第１および第２のセンサ出力を線４
８Ａおよび４８Ｂに供給する。線４８Ａおよび４８Ｂの
出力は反射光学エネルギーの相異なる位置部分を表わし
ている。即ち、光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂ、の出
力は面１４の相異なる部分からの反射された光学エネル
ギーを表わす。線４８Ａおよび４８Ｂの出力は共通の波
長の光学エネルギーの相異なる位置部分を表わしている
ばかりでなく、これらの和がセンサ手段によって感知さ
れた全ての光学エネルギーを表わしているという点にお
いて相補的である。以下の説明から明らかなように、第
１および第２の光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂは一緒
に動作して、装置５０が表面の高さを測定するのに十分
な光学エネルギーを感知する。

線４８Ａおよび４８Ｂのセンサ出力は並列に構成された
帯域フィルタ８２Ａおよび８２Ｂを有する電気的フィル
タ手段に供給される。帯域フィルタ８２Ａおよび８２Ｂ
は、要素２２によって光ビームに加えられた変調関数ｍ
（ｔ）の周波数を有する信号を通過させる。従って、光
学フィルタ４０（第１図および第２図）を通過した適当
な波長および位置を有する背景光があって、これによる
装置５０に対する影響は非常に小さくなる。フィルタ８
２Ａおよび８２Ｂはこのような背景の光学エネルギーに
ほぼ無関係な第１および第２のろ波された出力を発生す
る。

フィルタ８２Ａおよび８２Ｂを有するフィルタ手段から
の出力はそれぞれ実効値（ｒｍｓ）検出器８４Ａおよび
８４Ｂに並列に供給され、この検出器は対応する信号Ｒ
１およびＲ２を出力する。各信号Ｒ１およびＲ２はそれ
ぞれ光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂに対する放射束入
力に依存する。

特に、相補的反射信号Ｒ１およびＲ２は、変調された光
ビーム１３（第１図および第２図）からの反射によって
生ずるような光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂに供給さ
れる放射束入力の実効値にほぼ比例する。

光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂは一定の供給電圧では
限られた範囲にわたって放射束入力に正比例する出力電
流を発生することに注意されたい。

容易に理解されるように、電流−電圧変換器や（光電子
増倍管の非線形特性を補償するための）非線形関数発生
器を各光電子増倍管と対応するフィルタとの間に設けて
もよい。

信号Ｒ１およびＲ２は加算器８６において加算され、減
算器８８において減算される。割算器９０は差信号（Ｒ
１−Ｒ２）を和信号（Ｒ１＋Ｒ２）で割算し、その出力
を角度制御回路９２に供給する。

角度制御回路の出力は制御信号として電圧制御発振器９
４に供給され、この発振器９４は角度制御関数１’（ｔ
）を発生する。角度制御関数は電圧制御増幅器９６に供
給され、この増幅器９６は以下に説明するようにノイズ
低減用の振幅変調とシステムのダイナミックレンジを拡
大するための振幅フィードバックとを行なう。更に、角
度制御周波数は２指示器周波数カウンタ９８に供給され
、表面１４の高さを表わす出力を発生する。

和信号（Ｒ１＋Ｒ２）は更に割算器１００に供給され、
この割算器１００はこの和信号（Ｒ１＋Ｒ２）の逆数を
とる。和信号（Ｒ１＋Ｒ２）は光電子増倍管４８Ａおよ
び４８Ｂによって感知される反射光学エネルギーの大き
さに依存しているので、割算器１００の出力はこの大き
さに逆比例する。この逆数の反射出力は掛算器１０２に
供給され、ここで発振器１０４から供給される変調関数
ｍ（ｔ）と乗算される。掛算器１０２の出力は制御入力
として線１０２を介して電圧制御増幅器９６に供給され
る。

和信号（Ｒ１＋Ｒ２）は別の割算器１０６に供給される
。この割算器１０６には信号計算回路１１０から信号Ｓ
が供給される。信号計算回路１１０はその入力として線
１１２に電圧制御増幅器９６の出力が供給される。更に
具体的にいうと、信号計算回路１１０は表面に照射され
るビーム１３の光学エネルギーを表わす出力信号を発生
する関数発生器または他の周知の回路であってよい。要
素２２に供給される信号の周波数および振幅、およびレ
ーザー１８（第１図および第２図）の光出力の強度を知
ることにより、回路１１０は照射される光学エネルギー
を表わす信号Ｓを計算する。

照射される光学エネルギーを表わす出力信号Ｓで和信号
（Ｒ１＋Ｒ２）を割算して、特定の点における表面１４
の方向性反射率を表わす信号を線１１４に発生する。線
１１４のこの信号はコンピュータ１６に供給される。

更に、装置５０はＸ制御器１１６、Ｘ指示器１１８およ
びＹ指示器１２０を含む。Ｘ制御器１１６は単に比較的
低い周波数、例えば３０ヘルツでＸスキャナー２６が走
査するように指示する。Ｘ指示器１１８はＸスキャナー
に供給される制御信号を感知し、ビーム１２のＸ位置を
表す出力をコンピュータ１６に供給する。例えば、Ｘス
キャナー２６が検流計上に取り付けられたミラーである
場合には、Ｘ指示器１８は単にミラーの角度を検出する
種々の周知の装置のいづれであってもよい。

代りとして、Ｘスキャナーが音響光学素子である場合に
は、Ｘ制御器１１６は電圧制御発振器であり、Ｘ指示器
１１８は周波数カウンタである。Ｙ指示器１２０は、例
えばＹ方向偏向器が音響光学セルである場合には周波数
カウンタであって良い。

次に、本発明の像安定化機能の基本的な動作について第
３図乃至第５図および第６図を特に参照して概略的に説
明す、る。照射されたビーム１２が点Ａから点Ｂの方に
Ｘ方向に走査されると、表面１４上のビーム１２の像は
第５図の線ＡＣに対応する基準位置から外れる。像位置
におけるこの変位は検出器８４Ａおよび８４Ｂからの出
力信号Ｒ１およびＲ２の相対的な値に変化を生じさせる
。

特に、第６図の信号Ｒ１およびＲ２は、予め等しくなる
ように定められているが、このとき等しくなくなる。段
差７２によってビーム３６（第１図および第２図）の中
心がプリズム４２（第１図および第２図）の縁に存在し
なくなる。

信号Ｒ１およびＲ２におけるこの不平衡は割算器９０の
出力に反映され、その出力は差信号と和信号の比となる
。和信号（Ｒ１＋Ｒ２）による割算を行うことは、全体
の反射出力に無関係な不平衡信号を発生することになる
ので好ましい。

反射信号の和に対する反射信号の差の比としての割算器
９０からの不平衡信号出力は角度制御回路９２に供給さ
れる。角度制御回路９２は種々の回路構成を用いて、例
えば積分器により実現できる。角度制御回路９２に供給
される不平衡信号、即ち比信号が不平衡を表わしている
とき、線９３の出力は同様にしてこの不平衡に従う。線
９３の出力は電圧制御発振器９４に対する制御入力を構
成し、角度制御関数ｆ’（ｔ）の周波数を変化させる。

要素２２は角度制御開数ｆ’（ｔ）の周波数に依存した
偏向角を有しているので、割算器９０の比信号出力を用
いて、電圧制御発振器からの周波数を変化させることに
よって偏向角を変える。特に、光電子増倍管４４Ａおよ
び４４Ｂの出力間の不平衡は要素２２の偏向角を変える
ことによって補償される。このようにして、ビーム１２
は点線で示す位置７６（第３図および第４図）に移動し
、像位置を第５図の線ＡＣに対応する位置に戻す。

このフィードバック機能は像位置を表面の高さの変化に
無関係に線ＡＣの基準位置に沿って維持する。信号出力
Ｒ１およびＲ２は実質的に等しく維持され、ビーム３６
はプリズム４２によって二分される。

電圧制御発振器９４は例えばゼロ・ボルト入力に応じて
４０メガヘルツの中心周波数を有し、この周波数は線９
３上の制御入力電圧に応じて上下に変化する。

フィードバック機能により信号Ｒ１およびＲ２を同じ値
にすると、電圧制御発振器９４は同じ周波数の出力を維
持する。従って、角度制御回路９２は、信号Ｒ１および
Ｒ２間の差がゼロになると、線９３に供給する制御入力
を何ら変化させない。

上述したように角度制御回路９２は積分器で構成できる
。代りとして、種々のサンプルおよびホールド回路を使
用して、信号Ｒ１およびＲ２が同じになったときに角度
制御関数ｆ（ｔ）の周波数を安定化することができる。

希望により、代りに、電圧制御発振器９４の出力をその
入力に戻すフィードバック装置を使用することもできる
。このような装置は入力が電圧制御発振器９４の出力に
接続され、出力がフィードバック信号として差動増幅器
に供給される周波数−電圧変換器を使用するものである
。この差動増幅器の他方の入力は割算器９０によって出
力されるような差と和の不平衡比によって構成される誤
差信号である。割算器９０の出力がゼロに等しいとき、
発振器９４は一定周波数を維持する。しかしながら、像
位置がＹ方向に移動した場合には、システムは信号Ｒ１
およびＲ２が等しくなるように要素２２の偏向角を自動
的に修正する。

どのような角度制御回路を使用するかに拘らず、電圧制
御発振器９４の出力周波数は要素２２によって供給され
る偏向角を表わしているものであることは容易に理解さ
れるであろう。この偏向角は表面の高さの変化、即ち表
面１４の２方向の変化を補償するので、電圧制御発振器
９４の出力周波数はＺ指示器周波数カウンタ９８によっ
て計数されて、形状情報を表わす信号をコンピュータ１
６に供給する。Ｚ指示器周波数カウンタ９８は第１の測
定回路として、更に特定して言えば、光電子増倍管９４
Ａおよび９４Ｂに関係する第１の測定入力（角度制御関
数ｒ　（ｔ　）　）を受信する高さ指示回路として作用
する。高さ指示回路（９８）の出力は高さ信号、即ちよ
り一般的には形状出力である。所望により、高さ指示回
路（９８）には、要素２２の偏向角とその入力の角度制
御関数「（１）の周波数との関係における非線形性を考
慮して関数発生器を設けてもよい。

２指示器周波数カウンタ９８が表面１４からの２（高さ
）情報を供給するのと同時に、Ｘ指示器１１８が対応す
るＸ位置データをコンピュータ１６に供給する。

上述したシステムはＸ方向の規則的な走査を必要とし、
Ｙ方向の像安定化を必要とする。三次元の輪郭情報を収
集するために、種々の構成を使用してＹ方向の走査を達
成することができる。例えば第２図の実施例は、走査す
る表面工４のＹ方向の位置を変えるために表面１４に沿
って移動可能なヘッド６０を用いている。これはもちろ
んヘッド６０の位置に応じて像の基準位置が動くことに
なる。代りとして、Ｙ方向の走査を行なうために、ヘッ
ド６０に対してまたは第１図のシステム１０に対して表
面１４を動かすこともできる。

より精巧にＹ方向の走査を達成するためにＸスキャナー
２６と光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂ（第１図および
第２図）との間にＹスキャナーを使用してもよい。この
ようなＹスキャナーは光ビーム３６に対して作用し、信
号Ｒ１およびＲ２が等しくなる平衡位置を実効的に変え
る。このようなシステムを使用した場合には、Ｙ指示器
１２０（第６図）はこの別のＹスキャナーによって生ず
るＹ方向のビーム１２の像の基準位置の移動を考慮しな
ければならない。このような別のＹスキャナーは検流計
に取り付けられたミラーまたは音響光学素子で構成する
ことができる。このようなシステムでは、Ｙ方向に基準
線ＡＣ（第５図）を移動することができ、このためコン
ピュータ１６（第１図、第２図および第６図）はヘッド
６ｏまたは表面１４を動かす必要もなく、Ｘ１Ｙおよび
Ｚ入力を受信することができる。

コンピュータ１６が形状情報を種々の指示回路９８．１
１８および１２０から受信すると同時に、コンピュータ
１６は線１１４を介して方向性反射率の指示信号を受信
する。所望により、線１１４の信号はより複雑な関数発
生回路を用いて、信号Ｒ１およびＲ２における非線形性
をなくしまたは最小にすることができる。

ゼロによる割算を避けるために初期設定回路を割算器９
０，１００および１０６に使用することができることに
注意されたい。アナログ信号割算用の種々の周知の技術
を使用してもよい。ゼロによる割算を避ける１つの方法
は、割算器９ｏ、１００および１０８の除数入力に関数
発生回路を使用することであり、このような関数発生器
は各割算器の入力に最小の除数を与える。

特に第６図を参照して、本発明の振幅変調およびダイナ
ミックレンジ拡大法を実施する１つの方法について説明
する。割算器１００からの反射信号出力の逆数は掛算器
１０２において変調関数１（１）と乗算される。従って
、線１０６の掛算器１０２の出力信号は変調関数に比例
し、和信号（Ｒ１＋Ｒ２）に反比例する。この出力信号
は制御信号として電圧制御増幅器（ＶＣＡ）９６に供給
され、要素２２に供給されるＶＣＡ出力の振幅は変調関
数に比例し、和信号に反比例する。要素２２がこの振幅
に応じてビーム２０の光学エネルギーを変調するので、
ビーム２４は変調関数に比例し、和信号に反比例して変
調される。

変調関数ＩＩ（ｔ）は正の周期関数であることが好まし
い。例えば、変調関数は、正に維持するためにＤＣオフ
セット電圧を加えた１メガヘルツ（Ｉ　Ｍｈｚ）の正弦
波であってよい。変調関数は正でなければならない。こ
れは正負の符号が変化することにより電圧制御増幅器９
６の出力において１８０度の位相変化が簡単に生ずるか
らである。

更に、チョップ（ｃｈｏｐ）された、即ち変調されたビ
ーム２４は負の振幅を有してはならない。また、ＤＣオ
フセット電圧を用いる代りに、変調関数１（１）は単に
自乗して、常に正になる正弦波としてもよい。

電圧制御増幅器（ＶＣＡ）９６は強度変化手段として作
用して、変調関数に応じて、表面に照射されるビームの
強度を変える。即ち、強度変化手段またはＶＣＡ９６は
要素２２にビーム２０をチョップさせて、変調関数に応
じた振幅を有するチョップされたまたは変調されたビー
ム２４を発生させる。従って、光電子増倍管４４Ａおよ
び４４Ｂによって感知された放射束は変調関数に依存す
る。変調関数に依存しない光電子増倍管４４Ａおよび４
４Ｂの応答は単に背景光または光学ノイズに対する応答
である。従って、帯域フィルタ８２Ａおよび８２Ｂは、
光ビームをチョップする周波数で応答できる帯域特性を
有している。例えば、変調関数が１メガヘルツの周波数
を有する正弦波であると仮定すると、帯域フィルタは１
メガヘルツの中心周波数を有する。従って、外部雑音ま
たは背景光に対する応答は、表面に照射される光ビーム
をチョップし、光ビームをチョップまたは変調する周波
数に従って応答信号をろ波することによって最小にする
ことができる。フィルタ８２Ａおよび８．２Ｂは雑音信
号を阻止し、検出器８４Ａおよび８４Ｂは光電子増倍管
４４Ａおよび４４Ｂからの感知された反射信号の大きさ
に基づいて位相に無関係な出力信号を発生する。

変調関数に基づいてビームの強度を変える作用の他に、
電圧制御増幅器９６は表面１４の方向性表面反射率の変
化を補償するように作用する。基本的には、高反射性の
表面は信号Ｒ１およびＲ２を増大させるが、これらの信
号に応じて電圧制御増幅器９６が要素２２に供給する制
御信号の振幅を低減する。要素２２に供給される制御信
号の振幅をこのように低減すると、表面１４に供給され
る光学エネルギーの強度が下げられる。

フィードバック回路の一部として割算器１００およびＶ
ＣＡ９６を含む反射率フィードバック構成部がシステム
１０のダイナミックレンジをどのように拡大するかを説
明するため、信号Ｒ１とＲ２が等しくなる平坦な表面を
追跡する場合を仮定する。和信号（Ｒ１＋Ｒ２）が２倍
になるような高い反射率を有する平坦な表面の一部に向
けて光ビーム１２が照射された時、音響光学装置または
要素２２に対するＶＣＡ９６の動作によってビーム２４
の光強度のＲＭＳ振幅が約半分に下げられる。逆に、和
信号（Ｒ１＋Ｒ２）が半分になる非　　　　−常に低い
方向性反射率を有する表面１４の一部にビーム１３が移
動した場合には、ビーム２４のＲＭＳ強度は２倍にされ
、したがってビーム１３の強度が２倍にされる。

光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂ１要素２２ならびに種
々の他の構成要素における非線形性により、要素２２で
ビーム２０が表面１４の方向性反射率に反比例する量よ
りも少し変化して減衰することは容易に理解されるであ
ろう。しかしながら、本発明によるシステムは、測定値
に非線形性を生じさせるように部品が飽和したり歪みを
導入することなく、表面の方向性反射率における大きな
変化に容易に対処することができる。和信号（Ｒ１十Ｒ
２）における小さな非線形性はＸ、ＹおよびＺの測定に
影響を与えないことに注意されたい。

要素２２は、音響光学装置であることが好ましいもので
あるが、ビーム減衰器として作用し、表面に照射される
ビームの強度がシステム１ｏまたは１１のダイナミック
レンジを拡大するように変えられる。

反射信号Ｒ１およびＲ２に基づくフィードバック構成に
おいてはシステムに変調関数を加えるのに使用されるＶ
ＣＡ９６よりも異なる電圧制御増幅器を使用することが
できることに注意すべきである。実際に、ビームに変調
関数を与えるために、および反射率フィードバックの使
用によってダイナミックレンジを拡大するために他の多
くの構成が使用できるものである。

本発明の方法は、上述した説明から、表面１４に光学ビ
ーム１２を照射し、表面を照射したビームから生じる像
に対応した反射光学エネルギーを感知し、該像はＹ方向
に基準位置を有しており、表面の高さの変化（Ｚ方向の
変化）によって生じる像位置のＹ方向の変化を検出する
工程を有することが容易に理解されよう。次いで、ビー
ムが表面に向けられる角度を変更することにより、表面
の高さの変化によって生ずる像位置の変化を補償して、
像を第５図の線ＡＣに対応する基準位置に維持するよう
にする。この角度の変更量を検出することにより表面の
高さが決定される。第６図では表面の高さは電圧制御発
振器９４の周波数出力を用いて決定される。

ビームの角度の変更は、フィードバック装置５０と共に
要素２２として作用する音響光学装置によって達成する
ことが好ましい。表面１４はビーム１２によってＸ方向
に走査され、このＸ方向はＹ方向に直角である。反射光
学エネルギーの感知は第１および第２のセンサとして作
用する光電子増倍管４４Ａおよび４４Ｂから成る感知手
段によって達成される。センサ・システム手段は角度の
変更量を検出し、表面の高さを測定する装置５０を含む
。第１および第２のセンサ（光電子増倍管４４Ａおよび
４４Ｂ）は共に十分な光学エネルギー感知を行なうよう
に動作して、装置５０が表面の高さを決定できるように
する。

本発明の方法は更に第１および第２の光電子増倍管４４
Ａおよび４４Ｂの出力の差に応じた差出力を発生し、こ
の差出力をフィードバック信号として使用して像をその
基準位置に安定化させる工程を含む。

本発明の方法は更にビームを変調関数によって振幅変調
し、センサ手段の出力をフィルタ（８２Ａまたは８２Ｂ
）によって）Ｐ波して、背景の光学エネルギーによって
生ずる信号を阻止して変調関数を通過させる。更に、こ
の方法は感知した反射光学エネルギーに反比例してビー
ムの強度を調節することによってダイナミックレンジを
拡大する。

以上、種々の特定の構成および実施例を開示したが、こ
れらは例示の目的のためであることを理解されたい。本
技術分野に専門知識を有するものにおいては種々の変更
を行なったり、改変を行なうことができることは容易に
明白なことであろう。

例えば、装置５０はそれ自身が実施する種々のフィード
バック、制御および測定機能をディジタル回路で構成し
てもよい。また別の例としては、上述した２つの光電子
増倍管を使用したシステムのかわりに単一の位置感知光
電子増倍管を使用してもよい。従って、本発明の範囲は
特許請求の範囲にしたがって決定されるべきものである
ことを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はコンピュータに接続された本発明の主要構成要
素の概略構成図であり、 第２図はコンピュータに接続された本発明の他の実施例
の主要構成要素を示す構成図であり、第３図は本発明の
動作の原理を説明するための走査される表面の斜視図で
あり、 第４図は第３図の線４−４に沿った断面図であり、 第５図は第３図および第４図の表面の平面図であり、 第６図は本発明によるフィードバック、制御および測定
装置を示すブロック図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、物体の表面から形状情報を測定するシステムにおい
   て、 （ａ）前記表面に照射される光ビームを発生する光ビー
   ム源と、 （ｂ）前記光ビーム源からのビームを受光し、ビーム偏
   向角を変えるように動作する像安定化ビーム調節器と、 （ｃ）前記表面に当たるビームからの像に対応する反射
   光学エネルギーを感知するセンサ・システム手段とを有
   し、該センサシステム手段は表面の高さの変化によって
   生ずる像位置における変化を感知するように動作し、前
   記像安定化ビーム調節器に接続されていて、前記感知し
   た像位置のＹ方向の基準位置からの変化に応じて前記像
   安定化ビーム調節器にビーム偏向角を変更させるように
   動作し、前記システムは表面の高さの変化に無関係に像
   を基準位置に維持するようになっており、前記センサ・
   システム手段がビーム偏向の変更量を検出することによ
   って表面の高さを決定することを特徴とするシステム。 ２、特許請求の範囲第１項記載のシステムにおいて、前
   記像安定化ビーム調節器が制御発振器および音響光学装
   置を有し、前記光ビーム源がレーザーであり、前記像安
   定化ビーム調節器が前記制御発振器の周波数に応じてビ
   ーム偏向角を定めるシステム。 ３、特許請求の範囲第１項記載のシステムにおいて、Ｙ
   方向に直角なＸ方向に表面に対してビームを走査させる
   Ｘスキャナを含むと共に、ビームのＸ位置を指示する出
   力を有するＸ指示回路を含んでいるシステム。 ４、特許請求の範囲第１項記載のシステムにおいて、前
   記センサ・システム手段が更に前記表面に照射されるビ
   ームの強度を変える強度変化手段を有し、該強度変化手
   段は変調関数を使用してビームを振幅変調させるように
   動作し、更に前記センサ・システム手段は少なくとも前
   記センサ手段からの第１のセンサ出力をろ波して、少な
   くとも第１のろ波された出力を発生するフィルタ手段を
   有し、該フィルタ手段は前記変調関数の周波数の信号を
   通過させると共に他の信号を阻止して、前記第１のろ波
   された出力が背景の光学エネルギーに対してほぼ無関係
   になるようにしたシステム。 ５、特許請求の範囲第１項記載のシステムにおいて、前
   記センサ・システム手段は更に前記表面に照射されるビ
   ームの変調の平均振幅を変える強度変化手段と、前記セ
   ンサ手段および前記強度変化手段の間に接続されたフィ
   ードバック回路とを有し、該フィードバック回路は前記
   センサ手段によって感知された反射光学エネルギーの大
   きさに応じて反射出力を発生するように動作し、また前
   記反射出力に少なくとも部分的に応じて強度変化手段を
   制御するように動作して、比較的低い反射出力の場合に
   はビームの平均強度を増大し、比較的高い反射出力の場
   合にはビームの平均強度を低減するようにするシステム
   。 ６、特許請求の範囲第１項記載のシステムにおいて、前
   記センサ・システム手段は別個の第１および第２のセン
   サを有し、各センサは別々の出力を有し、該第１および
   第２のセンサは反射光学エネルギーの相異なる部分を感
   知するように動作し、前記センサ・システム手段は前記
   第１および第２のセンサの出力の差に応じた差出力を発
   生する減算器を有し、前記差出力に応じて表面の高さの
   変化を前記像安定化ビーム調節器で補償するようにした
   システム。 ７、特許請求の範囲第６項記載のシステムにおいて、前
   記センサ・システム手段の視野内の光学エネルギーが該
   光学エネルギーを急峻な縁に沿って分割するプリズムま
   たはミラーによって前記第１および第２のセンサの一方
   または他方に向けられるシステム。 ８、特許請求の範囲第１項記載のシステムにおいて、前
   記センサ・システム手段が一個以上の光電子増倍管光学
   センサを有するシステム。 ９、物体の表面から形状情報を測定する方法において、 （ａ）前記表面に光ビームを向け、 （ｂ）前記表面に当たるビームから生じた像であって、
   Ｙ方向の基準位置を有する該像に対応する反射光学エネ
   ルギーを感知し、 （ｃ）表面の高さの変化によって生ずる画像位置のＹ方
   向の変化を検出し、 （ｄ）ビームが前記表面に向けられる角度を変更して、
   像が基準位置に維持されるように表面の高さの変化によ
   って生ずる像位置の変化を補償し、（ｅ）前記角度の変
   更量を検出することによって表面の高さを決定する、 各工程を有する方法。