JPH06507706A - 位置測定 - 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】 位置測定 この発明は、干渉計を使用して表面およびプロファイルを測定するための装置に 関するものである。この発明（よまアイルに対するたとえばプローブの変位を決 定するための方法および装置に関するものである。

対象物のきめ、または粗さ、または形状を得るために、その表面またはプロファ イルを測定するための装置を与えることか知られている。このような装置の一例 は、ランク・ティラー・ポプリン・リミテッド（Ｒａｎｋ　Ｔａｙｌｏｒ　Ｈｏ ｂｓｏｎから入手可能なフオーム・タリサーフ（ＦＯＲＭ　ＴＡＬＹＳＵＲＦ　 ）（ＴＭ）測定システムである。この装置はプローブ部材まｔこはスタイラスを 含み、これは測定される表面に接触するＩこめに下方向に突出し、支持構造ヘビ ホ・ソト装着された支持アームの一端に隣接して設けられる。

支持構造は、測定される対象物の表面に対して平行なステムによって表面を一線 に横方向に動く。支持アームはピボット装着部から延び、平行光源（レーザ）が それに沿って向けられる２本の光路のうちの１本の一方端を規定する反射表面を 備える。

は等しい。しかし、表面高さが異なると、プローブは移動する旋回支持アームの 他方端で表面および反射表面を追うことを重力によって推され、一方の経路の光 路長を変え、したがって干渉計のフリンジパターンを生成する。

与えられた光検出位置を通るフリンジの数を数えることによって、プローブの変 位の測定を行なうことができる。

したがって、フリンジ計数装置は、プローブ構造が表面を線形に横方向に動かさ れる間に、固定された検出位置を通るフリンジを継続的に計数し、測定表面上の プローブ変位を表わす出力信号をそこから出力するように与えられる。

むろん、プローブより表面の方を動かすことも等しく可能であろう。

クランク軸や車軸のような回転自在な対象物の丸みまたはプロファイルの測定を 行なうために、対象物はスタイラス下に位置決めされ、回転自在に駆動されるよ うに装着される。対象物が回転するにともない、プローブは対象物の周囲の長さ を測定し、そこから所望のプロファイルからの偏心または偏差が検出され得る。

このような測定装置は、プローブ位置（およびしたかつて表面の高さ）の測定に おいて極めて高い精度を存することが要求される。上述の装置はｌｏｎｍのオー ダで変位分解能を達成することができる。この装置の別な重要な特質はスタイラ スか測定することのできる最大変位であり、これはさまざまな型の表面またはプ ロファイルの測定を行なうためにかなり大きいことか必要であり、典型的にはミ リメートルのオーダである。このような測定機器の性能の可動な基準は、範囲Ｒ （ｍｍ）　／分解能Ｒ（ｍｍ）として規定される［ダイナミックレンジ」である 。これはできるだけ高いことか好ましい。

上述の測定装置は優れた性能を与えるが、多数の問題か生し得る。まず、使用さ れるマイケルスン（Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ　）型干渉計は与えられた２つの光路間 の光路長における差を測定する。それは安定した光波長に決定的に依存するか、 光の波長は実際、気圧および温度の変化によって変化し、それによって誤った測 定か行なわれ得る。２つの光路が広く異なる長さを有し得るので、光源は極めて 長い干渉長さを任さねばならず、したかって適当な光源を与えるには高価でかさ ばる型の１ノ−ザか必要とされ、高電圧源が要求され、かつ著しい熱消失か伴な われる。

０３３７２６５９５号は、図８−１で格子干渉計を代わりに使用する表面測定装 置を示す。格子干渉計において、光ビームは格子を照射し、それによって回折さ れ、１対の一次回折ビームを生成する（高次も使用され得る）。２本のビームは 等しい路長を進むように反射され、再結合されて干渉パターンを導出する。格子 か横方向に動くとき、各ビームの経路は一定のままであるか、各ビームの位相は 変化され、それによって干渉パターンのフリンジがシフトされる。したか−で、 フリンジの動きによって格子の横方向の動きの測定を行なうことかできる。

０３３７２６５９５号において、格子は表面に対して垂直に位置決めされ、その 表面保合端でプローブを備え、それによって干渉計か表面に沿って横方向に動か されるとき、格子は強制的に表面に対して垂直に動かされ、結果として生じた干 渉パターンの変化量によってプローブ位置の測定を行なうことかできる。

照射ビームに対し、かつ２本の回折次数ビームを２等分する線に対して、格子か 純粋に線形に横方向に動くように制限される必要性は、この装置の性質に固有の ものである。

しかし、粗い、もしくは不規則な表面、または一般的にプローブにあたる立上り 縁を含む表面の測定において、プローブを装着するこの方法は満足のいくもので はないてあろう、というのはプローブがそのような立上り縁と接触させられると き、プローブ内の圧縮応力か、プローブが縁へ動かされるに伴い生じ、これはま ず格子のアライメントをシフト（干渉パターンをくずす）しやすく、次に表面と の摩擦の増加によってプローブの振動を生じやすくするからである。プローブ装 着部上の応力も増加しやすくなるであろう。

したがって、この発明の１つの局面に従い、ピボット装着されたプローブにその 一部か接続される格子干渉計を組み込む、表面またはプロファイル測定装置か提 供される。

しかし、そのような装置の直接実現においては、たとえば、もしＩＪＳ３７２６ ５９５号に示される装置が、格子／プローブか旋回アーム上に設けられるように 配置されると、格子の傾斜が、プローブおよびしたがって格子が表面上を上下す るとともに回転してしまうというような問題が生じる。この回転は回折を完全に 妨げるか、または回折ビームの方向を変位し、いずれにしても装置の効果を失わ せる。

したがって、この発明のこの局面において、配置は光学系に対する回折格子の傾 斜および位置が干渉を維持するために十分一定に保たれるようなものである。

したがって、この発明のこの局面は、立上り縁を含む粗い表面を測定するために 機械的に適当であるか、回折ビームの光路長か一定に保たれ、かつ回折パターン が照射光の波長およびその干渉長さに極めて低い度合いでしか依存せず、それに よって半導体レーザのような比較的安価で低電力の光源から構される装置を提供 する。

１つの特に好ましい構成において、格子は湾曲表面に沿って設けられ、回折を与 える格子の部分が干渉計の他の光学コンポーネントに関して一定のアライメント を維持するよ−うに、プローブに対して位置決めされ、接続される。好ましくは 、格子はプローブからピボット接続の反対側で支持アームへ接続される。これは ピホットのプローブ側に支持アームの有効長さを延長し、それはチューブのよう な囲まれた体積を測定するのに好都合であり得る。

しかし、この実施例における格子の湾曲によって、回折ビームは格子が凸型また は凹型のいずれであるかに応じてそれぞれ分散または収束する。したかって、好 ましくは格子によって導入された分散または収束を光学的に補正するための手段 か設けられる。この手段は好ましくは単数または複数の補正レンズを含む。半導 体レーザのような分散光源が使用される場合、補正手段は好ましくは光源の分散 に対しても補正を行なう。代替的に、光源の分散が格子による収束を補償するた めに使用されてもよい。

１３３７２６５９５号の図８−１に与えられた格子干渉計において、２本の回折 ビームは、１対の平行な平面鏡を設け、各ビームをビームスプリッタの方に再び 向け、そこで２本の反射ビームを結合させることによって、同じ長さの経路を横 切るように配置される。

この発明のさらなる局面において、干渉計ゲージはプリズムを含み、このプリズ ムはその１対の側面がそれらの内面で、等しくかつ反対の次数の格子によって回 折された対応する１対のビームを受け、それらを光結合器に向かう好ましくは等 しい長さの経路上に向けて、それらの間に干渉パターンを生成するように、回折 格子に対して配置される。

好ましくは、光結合器（たとえばビームスプリッタ）もプリズムの一部を含み、 好ましくはビームスプリッタはその中央内面として設けられる。好ましくは、プ リズムを含むその形状、位置および材料は、全反射によって反射を行なうように 選択される。１つのプリズムの一部として光学コンポーネントを設けることによ って、必要とされる高精度のアライメントおよび校正動作の数か大幅に減じられ 、したかって装置の製造およびメンテナンスの費用が低減される。

好ましくは、プリズムは、その反射表面上の入射角か４５°に近づくように配置 され、これによってより単純な結合器の使用か可能となる。

２つの反射表面は構成を簡略化するために平行にされ得る。

前述のタリサーフ（ＴＭ）干渉計を参照すると、変位は光検出位置を通るフリン ジの数を計数することによって測定されると述べられていた。この方法は測定を 正確に行なうことができるが、ひいては格子のピッチに関連するフリンジのピッ チによって制限される。しかし、検出位置でフリンジ間の光信号位相を測定する ことによってより高い精度か得られ、これはフリンジ間の補間と称される。

１３４６２９８８６号はスケールまたは回折格子を備えるＶＬＳｌ製造段の位置 制御に使用される光スケール読取装置を説明している。この段およびスケールの 直線位置は格子干渉計によって測定され、２つの光検出器は互いに９０°位相を 異にする信号を与えるように設けられる。フリンジ計数を与えるとともに、この 装置は補間器を与え、これは２つの信号のいずれが（小さい値の場合、正弦信号 が直線信号に近いという意味で）より直線に近いと考えられるかを選択し、その 信号をデジタル化し、補間値の測定値としてそのデジタル信号を使用することに よって動作する。

しかし、この型の補則器の精度は、数学的に複雑な正規化ステップが位相信号の 中の２つについて行なわれない限り制限される。さらに、かなりの精度のアナロ グ−デジタル変換器が必要とされる。アナログ−デジタル変換およびその後の計 算は補間器の動作速度を制限する。

したがって、この発明の別の局面において、干渉測定装置などとともに使用する ための補間回路が提供され、それは基準信号を発生するための手段と、基準信号 および干渉計から導出された信号の位相間の差異を表わす信号を発生するための 手段と、その差異を低減するように基準信号を変化させるための手段とを含む。

したがって基準信号は干渉計から導出された信号を位相においてトラックし、干 渉計から導出された信号の位相より基準信号の位相の方が出力される。

好ましくは、基準信号を出力するための手段は、制御信号を出力するための手段 と、制御信号に応答して予め定められた位相の信号を出力するための手段とを含 む。この配置は、制御信号が周波数（または位相変化の速度）を制御する配置の 方が好ましい、なぜならば位相が一定である時（たとえばプローブが静的である 場合）でも正確であるからである。

回転機械トラッキングの分野において、デジタル推定位相出力を与えるトラッキ ング装置を使用することが知られており、その例としてはアナログ・デバイシズ （Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｅｅｓ）　、ノーウッド（Ｎｏｒｗｏｏｄ　）　、マ サチューセッツ（Ｍａｓｓａｃｈｕｓｓｅｔｔｓ）　、ＵＳＡから入手可能なそ れぞれのデータシートに記述されているアナログ装置ｌ５７４および２Ｓ８１が ある。しかし、これらの装置はフリンジ補間には不適当であり、高いトラッキン グ速度における周波数応答が不良である。

前述の好ましい実施例は主に干渉計装置を意図されたが、低周波数またはＤＣで 動作する位相−デジタル変換器が必要な場合にも使用され得ることが理解される であろう。

好ましくは、制御信号はデジタル信号であり、したがって制御信号は位相の直接 デジタル出力測定を与えることができる。好ましくは、制御信号を出力するため の手段は簡単なデジタルカウンタであり、これは基準信号と干渉計から導出され た信号との間の位相差が予め定められたレベルより大きくなると増分され、これ によって構成が単純な迅速動作デジタル位相出力回路が与えられる。

回路信号は便宜上デジタル関数発生器に接続され、これは単にＲＯＭであっても よく、対応するデジタル基準信号値を発生し、これはデジタル−アナログ変換器 によってアナログ信号へ変換される。このような配置では、比較的正確、かつ迅 速に応答するデジタル−アナログ変換器が、先行技術のアナログ−デジタル変換 器の代わりに使用される。

突然の振動または機械的衝撃がプローブに与えられるときに特別な問題か生じ得 る。プローブの速度が極めて高速であると、補間器は干渉計からの信号をたどる ことが不可能かもしれない。しかし、フリンジ計数回路は一般にがなり高速で動 作し、したがって偶然の振動によって生じた急速なプローブの動きであってもほ ぼトラックすることができる。

補間器はフリンジカウンタと位相同期されることが好ましく、それによって各フ リンジカウントは補間位相を再同期し、補間器とカウンタとが一致する。

前述のタリサーフ（ＴＭ）装置において、プローブは表面と接触するように保た れ、その上を重力にょって移動する。

したがって、プローブは測定される表面上に対して直接下方向でなければならず 、それによって装置を下がら、または側面から本来の位置で表面を測定するよう に適用させることが制限される。

したがって、この発明の別な局面に従うと、プローブと、測定される対象物に対 してプローブを押さえるための手段とを含む表面またはプロファイル測定装置が 提供される。

先行技術の配置は０３４６６９３００号、ＧＢ２０８５１５６号おヨヒＧＢ１４ ２９９７３号から既知であり、そこではプローブがバイアスされる。

この手段は単に引張または圧縮ばねであり得、それは表面に対して一方向にプロ ーブを押さえるように配置される。

しかし、そのようなはねによって加えられた力はプローブの変位に比例する。し たかって、この手段はプローブへ実質的に一定の押さえ力を与えることが好まし い。

代替的に、押さえ力はプローブの振動を止めるようなものであり、たとえばプロ ーブ速度に関連するものである。

この手段は、所望であれば、プローブを表面から持ち上げるように配置されても よい。

この手段は、比較的移動自在のコイルおよび磁極片を含む電磁石を含み、それに よって加えられる力は実質的に一定であり、かつ／または、コイルに与えられる 電流によって制御可能である。代替の構成において、プローブは、たとえばプロ ーブを反対方向に押さえる１対の押さえ手段を設けることによって、休止変位位 置へバイアスされてもよい。

この発明の他の局面および好ましい実施例はこれより後の説明およびクレームか ら明らかになるであろう。

この発明は、添付の図面を参照して、例証によってのみこれより示される。

図１は既知の形式の表面測定装置を概略的に示す。

図２は既知の形式の丸み測定装置を概略的に示す。

図３は図１および図２に使用される既知の型の測定装置をより詳細に示す。

図４は格子干渉計の構成要素を概略的に示す。

図５は図１または図２の装置に使用されるこの発明の好ましい実施例の配置を概 略的に示す。

図６は図５の部分を概略的に示す。

図７は図６の部分の展開図である。

図８Ａおよび図８Ｂは、湾曲した回折格子の効果と、その補償を行なうレンズと を示す。

図９Ａないし図９０は図６および図７の装置によって生成された出力信号を示す 。

図１Ｏは図５ないし図７の実施例に使用される回折格子を概略的に示す。

図１１は図１０に示される回折格子の格子表面の部分の断面図を概略的に示す。

図１２は図１Ｏの格子の生成を概略的に示す。

図１３は図１２の方法によって生成された格子を概略的に示す。

図１４は図５ないし図７の装置に使用されるプリズムの正確にスケーリングされ た立面図である。

図１５は図６の装置の整列における第１の段を概略的に示す。

図１６は図６の装置の整列における第２の段を示す。

図１７はこの発明の好ましい実施例に従った、図６および図７の部分の概略をよ り詳細に示す。

図１８は図１７の代替実施例を示す。

１ｇ１９は図１７および図１８の補足実施例を示す。

図２０は図５ないし図７の第１の代替実施例を概略的に示す。

図２１は図５ないし図７の第２の代替実施例を概略的に示す。

図２２は図５ないし図７の第３の代替実施例を概略的に示す。

図２３は図５ないし図７の第４の代替実施例を概略的に示す。

図２４は図５ないし図７の第５の代替実施例を概略的に示す。

図２５は上述の実施例とともに使用するための第１の信号処理回路を概略的に示 す。

図２６は図２５の回路とともに使用するための第２の信号処理出力回路を概略的 に示す。

図２７は図２６の回路の部分を形成するカウンタの構造をより詳細に示す。

図２８は図２７の回路の部分の概略をより詳細に示す。

図２９Ａ−Ｆは図２８の回路のポイントにおける信号を概略的に示す。

図３０は図２９の回路の部分をより詳細に示す。

図３１は図２６の回路の部分を形成する補則回路の一般構造を概略的に示す。

図３２は図３１の回路の部分をより詳細に示す。

図３３は第１の実施例に従った補間器の構造を概略的に示す。

図３４はこの発明の好ましい実施例に従った補間回路を、カウンタ回路とともに 概略的に示す。

図３５Ａ−Ｆは図３４の回路のさまざまなポイントにおける信号を概略的に示す 。

表面およびプロファイル測定装置 図１を参照すると、表面測定システムは一般に支持台１００を含み、それはベー ス１００ａと、その上に横断ユニット＋１０を装着可能な柱１００ｂとを含む。

横断ユニットは柱１００ｂ上に異なる垂直方向の位置で装着可能であり得る。テ ーパされた先端を有するバーを含む下方向に向けられたスタイラスまたはプロー ブ１３０を備える支持部材またはアーム１２０か横断ユニッｌ−１１０から延び ている。

対象物１４０の表面を横切る直線プロファイルを測定するために、横断二ニット ＋１０は支持アーム＋２０およびプローブ１３０を対象物＋４０上で内方向に直 線に引くための精密モータが設けられる。横断ユニット＋１０は、コンピュータ 端末またはワークステーション】６０のような表示または処理装置へ適当なフォ ーマットで信号を送信するための出力１５０が設けられる。

信号は典型的にはプローブ１３０の高さくおよびしたがって対象物１４０の表面 の高さ）、およびモータが対象物に沿ってプローブを動かした距離を表わす信号 を含む。

図２を参照すると、たとえば軸の偏心または丸みを測定するために、横断ユニッ ト＋１０は直線駆動モータを必要とせず、代わりに回転自在なモータか対象物１ ４０を回転させるために設けられ、対象物の回転位置を表わす出力１７０が同様 に設けられる。

先行技術の干渉計装置 図３を参照すると、既知の干渉計ゲージの横断ユニット１１０は、ヘリウムネオ ンレーザ１１１と、測定される表面に平行に（言い換えれば一般的に水平方向に ）設けられた軸１１２と、軸１１２を係合して、軸１１２に沿って（減速ギアボ ックスを介して）キャリッジ１１３を動かすモータを含むキャリツノユニット１ １３と、軸１１２に沿ったキャリッジ１１３の位置を表わす信号を発生するため のキャリッジ位置センサ　（図示せず）と、キャリッジｌ１３と一体的に比較的 軽く密な外枠を形成するピックアップチューブ＋１４とを含む。

光導体１１５ａおよび１１５ｂは、ビームをレーザ１１１からピックアップチュ ーブ１１４へ下方に向ける。スタイラス１３０は支持アーム１２０の端部で装着 され、そのアームはピボット軸１２］によってピックアツプチューブ＋１４ヘビ ポツト装着される。支持アーム１２０はピボット１２１から突出し、アーム１２ ０の他方端てコーナ反射器を含む反射器１２２を装着される。コーナ反射器は、 図示され、かつさらなる説明を必要としないマイケルスン干渉計の一方のアーム の端部を規定し、ビームスプリッタおよび４分の１波長板アセンブリ１２３は、 位相において９０°分間隔をあけられた１対の出力信号を与えるように配置され る。これらの信号はそれぞれ光電検出器へ供給され、これらの検出器はフリンジ 計数のための正弦および余弦電気信号をそれぞれ出力する。この種の干渉計に必 要なレーザおよび光学系の体積は図３から明らかであろう。

プローブ１３０は軸１１２を横方向に移動するキャリッジ】１３によって対象物 １４０の表面上を引かれるとき、重力によって表面上へ押さえられ、表面ととも に上下し、反射器１２２はそれぞれ対応して上下し、マイケルスン干渉計の路長 を変化させ、それによってフリンジはビームスプリッタアセンブリ１２３を通り 、検出器で信号を変化させる。検出信号は表示または出力装置＋６０によって処 理され、測定されているプロファイルの表示、またはそれに関するデータを与え る。

格子干渉計 図４を参照して、既知の型の格子干渉計を位置測定に適用する簡単な説明がこれ より行なわれる。

回折格子２００は、先行技術において、回折格子を規定するピッチｄ分間隔をあ けられた表面上に複数の平行な直線隆起部を有するプレートを含む。格子２００ は格子平面の隆起部の線に対して垂直に移動可能である。格子２００は光源２１ ０によって照射される。格子材料に透過性があれば、プレートの反対側から格子 のある側へ照射が行なわれてもよい。光源２１０からの光は好ましくはレーザか らのものであるか、長い干渉長さが不要なので、うまく規定された周波数を有す る他のコリメートされた源が使用されることも可能である。格子２００の線の間 の間隔と、光源２１０からの光の波長とが同じ次数である場合、回折が生し、た とえば６７０ｒ＋＋＋＋の光波長（レーザダイオードによって生成可能）および １／　１２００ｍｍ＝　８３３ｎｍの格子間隔またはピッチでは、強い＋１およ び＝ｌの１対の一次ビームか、格子２００に対する垂直線に対して角度十／−θ で生成され、この例のθはおよそ５４°である。

１対の鏡２２０ａおよび２２０ｂは、２本のビームの経路中に、結合器２３０か 位置決めされる空間内の点でビームを結合するように位置決めされる。鏡２２０ ａおよび２２０ｂは平行である必要はなく、代替構成において、各々、等しい角 度分であるが、他方に対して反対方向にそれぞれのビーム経路へ傾斜されてもよ い。さらに、鏡２２０ａおよび２２０ｂは格子２００から等距離に位置づけられ る必要はない。鏡を介し結合器２３０へ各ビームか進む経路は等しい長さである ことか好ましく、それによって短い干渉長さの光源を使用することができる。

結合器２３０は便宜上２色ビームスプリッタプリズムであるか、代替的に半銀付 はミラーであり得る。結合器２３０内の反射面２３５において、ビームのうち１ 本の少なくとも一部が反射され、層２３５を透過する第２のビームの経路と一致 する。結合器からの出力ビームＣは、したがって格子２００からの一次回折ビー ムを両方含む。しかし、２色結合器２３０が使用される場合、結合ビームＣの透 過および反射部分は異なる偏光を存するであろう。偏光シートを含む検光子２４ ０ａは、したがって結合ビームＣの経路内に設けられ、その偏光軸はビームの反 射および結合部分の偏光間にあり、それによって各々等しい割合を通過させ、検 光子２４０ａの通過後、結合ビームはしたがって、その振幅が格子２００からの ２本の回折ビームの振幅の和であるビームを含む。光電検出器または他の光ピツ クアップまたは検出器がしたがって検光子２４０ａの後ビーム内に位置決めされ る。

結合器２３０が２色プリズムである場合、第２の結合ビームＤも生成され得、そ れは同様に回折次数を両方含むが、それらは直交偏光であり、２本のビームの偏 光間に偏光を有する偏光子を含む第２の検光子２４０ｂが対応して設けられ、２ 本の回折ビームの振幅の和に応答して第２の出力を与える。この第２の出力ビー ムは第２の信号を与えるために利用されてもよく、この信号は検光子２４０ａに よる出力を固定位相遅れ、たとえば９０’分遅らせ、それは光路長に対応する厚 さ、光源２１０の波長の対応する一部を有する透過プレート２５０、たとえば４ 分の１波長板を設けることによって行なわれる。

予め定められた横方向の位置において、回折格子２００によって構成された２本 の一次ビームは位相が同じであり、結合器２４０ａの出力におけるビームはした がって回折ビームの内一本の２倍の振幅を有する正弦波であろう。格子２００の 有限の長さを無視すると、格子２００が１または格子期間の整数部に等しい距離 だけ、横方向にシフトされた場合、格子２００は光学的に同しであるように思わ れ、検光子２４０ａの後の結合ビームの振幅はしたかって等しく、格子かｌ格子 期間分、間隔をあけられた位置にあるとき最大であろう。

他方、格子−２００か格子期間の整数部ではない距離だけ横方向に移動された場 合、２本の回折ビームの位相は等しくかつ反対の量たけシフトされる。言い換え ると、一方の次数ビームの位相は前方にシフトされ、他方の位相は後方にシフト される。位相シフトの効果は、結合ビームＣの２つの成分か位相シフトの２倍分 位相からはずれることであり、これは検光子２４０ａによって出力される結合ビ ームの振幅を低減する。一方のビームが前方に９０°シフトされ、他方か後方に ９０’シフトされると、結合ビームの２つの成分は１８０°位相を異にし、検光 子２４０ａ後の結合ビームの振幅は０に近い（またはいずれにしても最小である ）。格子がそのピッチの１／２動かされると、各回折ビームの位相は１８０°シ フトされ、それによって検光子２４０ａの結合出力中の２つの間の位相差は３６ ｏ０となる、言い換えると、それらは再び同じ位相となる。

要約すると、回折格子２００か横方向に動く際、検光子２４０ａｌのビームの振 幅を測定するように位置決めされた検出器は、格子期間の１／２、間隔をあけら れ、かつ暗フリンジまたは最小振幅を干渉することによって分離された格子位置 で最大振幅を測定し、一般にビーム振幅は格子２００の横方向の位置の、正弦曲 線の正方向の関数である。

したがって、上述の格子干渉計が、横方向に動かされる際、格子によって回折さ れた光のビームの位相変化を測定することは明らかてあり、したがって、−次回 折ビームを使用する代わりに、１対のより高次の回折ビームが使用され得ること が明らかであろう。同様に、たとえば等しいが反対の次数の１対の回折ビームを 使用することによって以外に回折ビームの位相シフトを導出することか可能であ り、たとえば光源２１０からの入射ビームが基準位相源として使用され得る。

しかし、図４に示される童の対称配置を使用する利点は、２本のビームによって 横切られる光路長を実質的に等しくできることである。干渉を生成するために、 ２本のビームによって横切られる路長間の光路差は光源の干渉長さより低く保た れねばならない。したがって、高い干渉長さを有する（ヘリウムネオンレーザの ような）レーザ源が設けられたと仮定すると異なる光路長を使用することが可能 である一方、対称的な、はぼ等しい光路長の使用により、半導体レーザダイオー ドのような低い干渉光源の使用か可能であり、それは１ミリの何分の１かしか干 渉長さを存し得ない。２本の路長が十分類似してしＶる場合、実質的に非干渉の 光源をレーザの代わりに使用ることかできる。

たとえば６５０ｎｍの波長で動作する赤色ＬＥＤ　（光放射ダイオード）がたと えば使用され得、そこからのビームはＩｎｍ程度の帯域幅を存する狭帯域光フィ ルタによってフィルタリングされ、それは路長が少なくともこの精度に実質的に 等しいので、上述の実施例か使用されるには十分な、およそ４００ｕｍの干渉長 さを与える。ＬＥＤからのビームを平行にするために、ピンホールが同様にこの 実施例において設けられる。完全な非干渉または広帯域源よりむしろＬＥＤのよ うな単色源を使用することが好ましい、と１・・〉のはそれによって干渉パター ンにおける有色フリンジの出現か回避されるからである。

図４に示されるように相互に位相シフトされたＩ対の出力ビームＣ，Ｄが生成さ れる場合、２本のビームの振幅は格子２００の移動方向を示すように処理され得 る。

格子２００の隆起部のプロファイルは異なる次数の回折ビームの相対強度に影響 を及ぼし、この場合のように強い一次回折ビームが必要とされる場合では、はぼ 正弦曲線のプロファイルが好ましい。複数の隆起部として回折格子を与える代わ りに、交互の反射性かつ吸収性ストライブを含む振幅格子を代わりに与えること が可能である。

光源２１０の波長を変える効果は、ｓｉｎ　θ＝ｍλ／ｄのような回折ビームの 回折角θを変えることであり、ここでλは波長である。波長が変化される場合、 鏡２２０　ａ。

２２０ｂ、結合器２３０、検光子２４０などは回折角の予期される範囲を受容す るために十分広くされるべきである。

最後に、格子２００をその平面に対して垂直に移動させる効果は、対応する方向 に回折ビームをともにシフトすることであろうことが注目され、したがってこれ によって結果的に干渉計の１つまたは複数の光学コンポーネントを含まないよう にビーム経路をシフトすることができる。しかし、格子２００の角度の回転の効 果は、回折ビームの角度か反対方向にシフトされるであろうため、より顕著であ る。

したがって、ビームは結合器２３０でただちに不一致となり、装置の動作不良に 至る。図４に示される干渉計の動作はしたがって、格子２００と、干渉計の他の コンポーネントとの間の角度的なミスアライメントに対して、格子２００の長手 方向の移動、または光源２１０の波長のシフトに対するよりも著しく高感度であ る。

第１の実施例 図５を参照すると、この図は概して図３に対応し、同一部分が対応して符号付け されており、横断ユニッｌ−１１０は横軸１１２と、モータ（たとえば減速ギア ボックスを介して駆動されるＤＣモータ）による軸１１２に沿って移動自在のキ ャリッジ１１３とを含む。プローブまたはスタイラス１３０は支持部材またはア ーム１２０の一端の近くに設けられ、これはピボット軸受１２１によってキャリ ッジ１１３と一体的にされたピックアップ本体アセンブリ１１４へ装着される。

下に説明されるように本体＋１４から電気信号を受ける信号処理回路１５５、お よび信号処理回路１５５からの出力信号を与える出力ボート１５５もまた設けら れる。キャリッジモータのための電源および制御線、ならびに軸１１２上のキャ リッジの位置を表わす信号を与える１出力回路もまた、本体１１４および信号処 理回路１５５への電源線とともに設けられるか、簡略化のため省略される。

図６を参照すると、本体＋１４内には、はぼ６７０ｎｍの波長のレーザダイオー ドを含む光源３１０と、ビーム内にコリメートレンズとが設けられる。支持アー ム＋２０はピボット軸受＋２１から部分１２３内を延在し、その端部上には湾曲 面を有する光学エレメントか装着され、その湾曲はピボット軸受１２１を中心と する円弧の湾曲と同じ形をとる。湾曲面上には、回折格子が設けられ、これはピ ボット＋２１に対して平行に傾斜を付けられた複数の平行回折形状を含む。光源 ３１０からの光はプリズム３１７を介して回折格子３００の表面上へまっすぐ垂 直に向けられる。

回折格子３００によって生成された２本の回折−次ビームは後により詳細に説明 されるプリズム３１７に入り、これは２本の出力ビームを与え、これらは各々ビ ームスプリッタプリズムを含むそれぞれの出力検光子３４０ａ、３４０ｂを通る 。一方のビームスプリッタプリズム３４０ｂは４分の１波長板３５０の後にある 。検光子ビームスプリッタ３４０ａ、３４０ｂの各々の２つの面に設けられるの は、それぞれの検出器３４１ａ、３４２ａ、３４１ｂ、３４２ｂ（図６では図示 せず）である。各検出器はフすトダイオードを含み、これはその上の光の振幅に 応答して対応する電気出力信号を発生する。

光源３１０と回折格子３００との間の経路には、レンズ３１８も設けられ、これ は後により詳細に説明されるように、光源３１０からの平行ビームを収束するよ うに作用し、それによって回折格子３００の湾曲によって生成される分散を低減 する。

支持アーム１２３に接続されてさらに設けられるのは、付勢力配置４００であり 、これは線形電磁コイル４１０を含み、これは線形磁気接極子または磁極片４２ ０を取り囲み、この磁極片４２０は支持アーム１２３へ接続され、それによって コイル４１０へ供給される電流に従いその上に引き上げ力または押し下げ力を加 える。

格子のピッチとピボット１２１からのその距離とはある程度関連性があり、それ はプローブの動きに対するゲージの動きの割合がアーム部分１２０および１２３ 、または言い換えると、プローブ１３０および格子表面３０１の半径方向の変位 、の割合によって決められるからである。格子のピッチはある程度、利用可能な 光源の波長によって、かつ格子を生成するために使用される方法の制限によって 決められる。

与えられた格子サイズでは、プローブにより移動された距離に対する格子により 移動された距離（およびしたがって移動によって発生したフリンジの数）は、ビ ボ・ソト１２１からのそれぞれの距離の割合である。このため、比較的長いアー ム部分１２３か望ましい。他方、もしアーム１２３か長過ぎると、ピボット１２ １に関する慣性はゲージの応答時間を下げる。図示される実施例において、部分 １２３（ピボットから格子表面３０１まで）は支持アーム１２０の長さの約１／ ２であるように選択される。表面測定には、支持アーム１２０の長さは典型的に は６０ｎｍである。

図７を参照すると、図６に示される装置の動作がこれより、より詳細に説明され る。レーザダイオード３１１は出力レーザビームを与えるように付勢され、この ビームはコリメートレンズ３１２によって平行にされる。典型的にはレーザダイ オードおよびコリメートレンズによって生成されるビームは約２ｍｍ輻である。

平行ビームは、ビームの偏光方向の調整か可能なように設けられた半波長厚さの 透過性プレート３１９を通る。光ビームは円筒形レンズ３１８へ向けられ、これ は平行ビームを収束する。円筒形レンズ３１８かない図８ａを参照すると、凸型 に湾曲された回折格子３００によって回折されると、平行ビームは分散する回折 出力ビームを生成する。

円筒形レンズ３１８を設けることによって、入力ビームにおける対応の収束が与 えられ、それによって図８Ｂに示されるように回折格子からの回折ビームが平行 にされる。

レンズ３１８は光源３１０からのビームの発散または収束を補正してもよい。

ビームは次にプリズム３１７の端面に対して垂直に受けられ、プリズム３１７の 中心対称軸に沿って通過し、回折格子３００の表面に対して垂直に突き当たる。

回折格子を備える表面３０１がピボット１２１を軸とする円筒形表面上に配設さ れるので、光ビームがその上に突き当たる表面３０１の部分（またはより正確に は、表面の接線）は、ピボット１２１に関するピボットアーム１２３の配向に関 係なく光ビームに対して常に垂直である。対照して、もし格子か平坦面上に設け られると、格子の光ビームに対する角度は、光源３１０およびプリズム３１７か らの距離のように、ピボット１２１に関する回転をともにシフトするであろう。

１対の一次回折ビームか、照射波長λおよびピッチまたは格子の線の間の間隔に 応じて角度θで生成され、ピッチ１２００ライン／ｍｍおよび照射波長６７０ｎ ｍの場合、格子に対する垂直軸に対する回折角θは約５４°である。２本の回折 ビームはプリズム３１７の裏面に入り、それによってその反射率に応じた量だけ 反射される。反射ビームは各々プリズムのそれぞれの側面３２０ａ、３２ｏｂ上 に突き当たり、その上の入射角がプリズムを形成する材料の総出部反射角より臨 界角が大きいと仮定すると、プリズムの中心に向かって再反射される。プリズム の中心に対する面３２０．３２０ｂの傾斜は等しくかつ反対であり、それによっ て２本のビームは同し点てプリズムの中心に到達する。

プリズムの長手方向の中央面に沿って配設されるのは、２色層３３５てあり、こ れは従来と同じように、第１の偏光面でその一部を透過し、第２の偏光面てその 一部を反射することによって、入射光ビームに応答するように配置される（Ｓお よびＰ偏光）。

したがって、平面層３３５は各回折ビームの一部を、他方の透過部分と同時に反 射し、結合された出力ビームを生成する。しかし、各結合ビームでは反射および 透過部分は異なる偏光を呈し、したがってそれらの振幅は加法的なものではない 。各ビームは、ビーム経路に対して垂直に傾けられた端面を通ってプリズム３１ ７を離れる。一方のビームは検光子３４０ａに入り、第２のビームは検光子３４ ０ｂに入る前に４分の１波長板３５０に入る。

各検光子３４０はさらなるビームスブリットプリズムを含み、それは各々対角面 に沿って切り取られた立方プリズムを含み、これはそれを半分にした間に２色層 構造を含む。

各検光子の４５°対角面における２色層の効果は、ビームスプリッタとして作用 し、入射ビームの一方の部分を透過し、第２の部分を反射することである。各ビ ームスプリッタ３４０ａ、３４０ｂの対角面の回転配向は、それによって生成さ れた反射および透過ビームの各々が、プリズム３１７からの出力ビームのＳおよ びＰ偏光の等しい割合、したがって回折格子３００からの回折次数の各々の等し い割合を含むように選択される。ビームスプリッタプリズム３４０ａ、３４０ｂ は、したがって、それらが面しているプリズム３１７の平面に対して４５°回転 方向に傾けられる。

便宜上、ビームスプリッタ３４０ａはプリズム３１７の一端面に接着され、４分 の１波長板３５０およびビームスプリッタ３４０ｂはその順序で他方へ接着され る。

光検出器（たとえばフォトダイオード）３４１ａ、３４１ｂは各検光子３４０ａ 、３４０ｂからそれぞれ反射されたビームを受けるように設けられ、さらなる検 出器３４２ａ、３４２ｂかそれぞれのビームスプリッタ３４０ａ、３４０ｂから 透過された出力を受けるように設けられる。各場合における反射出力は反射によ って１８０°位相シフトされる。

図９を参照すると、隣接する格子線間の変位の半分に対応する格子３００の回転 変位θに対する各検出器の出力を示すグラフが示される。理想的には格子変位に 対する各検出器の出力は０と最大値の間の範囲の正弦曲線であるが、実際には最 大値と０ではない最小値との間で変化することがわかる（とりわけ、周囲光およ び有限ビームおよび格子サイズによる）。最小および最大強度は、反射および透 過ビームにおいて等しいか、またはそうであるように配置されるが、上述したよ うに、正弦成分は１８０°位相を異にする。

この実施例では、反射または透過出力信号の１つを直接使用するよりむしろ、そ のような１対の検出器３４２ａ。

３４１ａまたは３４２ｂ、３４　ｌｂを設け、それらの電気出力信号の一方を他 方から減算して図９０に示される減算信号を与えることによって、フリンジ計数 の後の信号処理か簡略化される。その結果（一定の比率で図示せず）は、個々の 検出出力の正弦成分の振幅の２倍の正弦曲線で変化する信号であり、２つの信号 のＤＣ成分が減算によって相殺されるため０を中心とする。

湾曲格子３００ 図１Ｏを参照すると、図示される実施例において、格子３０はガラスブロックを 含み、その下面はほぼ長方形であり、測定するとたとえば６ｍｍＸ４ｍｍであり 、その上面はブロックの高さく典型的には５　ｍｍ）に、装着されるアーム１２ ３の長さを加えたものに対応する半径の円筒プロファイルに正確に磨かれるか、 鋳造される。これは、たとえば３０ｍｍであってもよい。図１１を参照すると、 その湾曲表面上に、ブロックは典型的には０．８３３３μｍ（１／１２００ｍｍ ）のピッ千分間隔をあけられた隆起部のパターンを含む回折格子を備える。正弦 プロファイルは強い一次回折ビームを与えることか好ましい。隆起面はアルミニ ウムのような反射層で被覆され、反射格子を与える。

図１２を参照すると、そのような格子を与える１つの方法は、光硬化化合物の層 でガラスブロックの湾曲表面を覆いその上に必要な格子のオーダの波長を有する １対の互いに傾けられたレーザビームを向けることである。このホログラム技術 によって正弦曲線の強度分布を有するうまく規定された干渉パターンか作られ、 それによって感光性層に対応する露光のフリンジパターンか作られる。露光が完 了すると、表面はエツチングされるか、または洗浄されて、感光性層の露光され た、または露光されない領域のいずれかを除去し、隆起部のパターンを残す。隆 起部を含むパターニングされた表面は次に適当な工程でアルミニウムを被覆され てもよい。代替的に、隆起部のパターンはマスクとして使用され得、それによっ て選択的エツチングを行なう。

図１３を参照すると、この技術が使用された場合、作り出された湾曲格子のピッ チは基板の頂点てのみ完全に正確であり、縁に向かうにつれわずかに増加し、与 えられた例ては、中央のピッチが０．８３３３μｍの場合、縁のピッチは０．８ ３７２μｍとなる（約０．５％高い）。ビーム幅か２ｍｍのオーダであるので、 各回折ビームを生じる格子間隔の変化は１％の数分の１程度であるが、それでも 格子の性能をいくらか劣化する。

格子の縁に向かうに伴なう格子ピッチの増加は回折角度もわずかにシフトする。

しかし、角度はいずれの回折ビームに関してもシフトされるので、それらは等し い路長を有し、か−）ブリズｊ、内で一致し続け、したがってこの効果は、光学 コンポーネントおよび検出器が有限範囲を有すると仮定するとわずかなものであ る。その縁に向かうに伴なう格子のピッチの増加は、検出器によって検出される フリンジの数と、格子がそれによってその縁の方へわずかに非線形に回転する角 度との関係を作る。しかし、プローブの垂直運動と格子の回転との間の関係は反 対の意味で非線形であり、したかってこの効果はいくらか緩和される。

残りの非直線性は、うまく測定され、与えられたゲージ寸法に対して特徴付けら れるか、またはゲージの校正を行なうことによって導出される。補正回路を設け て、後により詳細に説明されるように干渉計から導出される出力信号を補正する ことが簡単である、またはゲージが接続されるコンピュータまたは他の装（１＋ ６０によって補正が行なわれ得る。

それでもなお、装置の性能が、ピッチ変化がこのレベルより下に低減された（か つ好ましくは除去された）湾曲格子３００を設けることによって高められ得るこ とか予期される。

プリズム３１７ 図１４を参照すると、プリズム３１７の構造がより詳細に説明される。

プリズムは２色層３３５に関して対称であり、１対の傾斜側面３２０ａ、３２０ ｂと、２色層に対して垂直な底および上部面３６０．３６１とを含む。図１４の 紙面中への深さにおいて、プリズム３１７は好ましくは格子３００に等しいか、 またはそれよりわずかに広い、すなわち少なくとも４ｍｏ＋の深さである。！対 の出口面３７０ａ、３７０ｂは、中央面３３５に対して平行面３２０ａまたは３ ２０ｂの対向するものから全体的に内部的に反射され、中央面３３５中の１点を 通るビームに対して垂直であるような角度で配置される。

便宜上、プリズムは図Ｉ４の中央面３５５のそれぞれ上下の２つの構成要素とし て製造され、中央面３３５で１つに組み立てられる。

プリズムの材料は、寸法の安定性および製造を容易にするために好ましくはガラ スであり、たとえば反射率１．５１である。この場合、格子期間ｄ＝０．８３３ ３μｍと協働すると、それにより回折角θ、＝ｍλ／ｄとなり、ここではｍ＝＋ ／−ｔ、かつλ＝６６０ｎｍ−６８０ｎｏ＋であり、図１４に示されるプリズム の寸法は次のとおりとなる。

ＪＸ’丁余白 ｅｄ（’　）　５２．３７　５４．６９ｘ１（叩）　３．７５　３．７５ ｘ２（＋ｎｍ）　４．８６　５．２９ ｘ３（ｍｍｌ　２２．５０　２２．５０ｘ４（聞）　９．５５　９．５５ （ｄ　＝　０．８３３３μ） 面３３５における多層２色コーティングは既知の態様で計算され、堆積され、そ れによってその上の入射ビームが、一般に同じ振幅の異なる偏光を有する反射お よび透過成分に分割される表面を与える。

側面３２０ａ、３２０ｂは等しい角度で内方向に傾けられ、側面３２０ａ、３２ ０ｂからの反射後の回折ビームのビーム分割中央面３３５上の入射角は４５°に 近くなる。

この配置によって、ビーム分割層３３５内のコーティングは比較的簡単になる。

プリズム３１７の材料の反射率と、プリズム３１７と格子表面３０１どの間の距 離と、回折ビームの角度とを（これらはひいては入射光源の波長および回折格子 ３００のピッチによって決められる）慎重に選択することによって、プリズム３ １７に平行側面３２０ａ、３２０ｂ、および中央層３３５で入射角４５°を与え ることも可能であろう。

入射角４５°のために、Ｐ偏光のビームを透過し、はぼ等しい大きさのＳ偏光の ビームを反射するように、かっＳ平面の極めて低い透過およびＰ平面の反射を存 するように、中央層３３５の適当なコーティングが選択される。これは、２つの 異なる反射率のものを交互に挟まれた層、たとえば厚さ２６４ｎｍのＭ　ｇ　Ｆ 　＊の７層によって挟まれた厚さ２１６ｎｍのＭｇＯを含む８層、を設けること によって達成される。これらの層はたとえば蒸着または他の便宜的工程によって 堆積され、比較的同質の透過層を与える。同じ構造のコーティングがビームスプ リッタプリズム３４０ａ、３４０ｂ内に使用されてもよい。

ｊＸ丁糸白 機械的装着およびアライメント 実施例において、プローブ本体１１４は２つの本体部分１１４ａおよび１１４ｂ として設けられている。第１の部分１１４ａはレーザ光源およびビームスプリッ タプリズム３１７を含む。第２の部分１１４ｂは、格子３００および支持アーム １２３のためのピボット装着部１２１を含む。

プリズム３１７は第１の本体部分１１４ａ内に固定して装着され、レーザ３１１ 、レンズアセンブリ３１２およびに半波長板３１９は３つの面および軸回転にお ける限定された運動を行なうよう装着されている。

第１のステップは、レーザからの光ビームをプリズム３１７の中央光軸に沿って 集めることである。これを達成するために、第１の本体部分１１４ａはジグに装 着され、これは自動反射機能およびｘ／ｙの経緯線網を有するアライメントテレ スコープ１０００である。円柱レンズ３１８は最初はアセンブリにはない。テレ スコープ１０００の自動反射設定を用いて、プリズム３１７のベース面３６０が テレスコープの軸に対して垂直であるように、本体１１４はジグ内で整列される 。次に、テレスコープの軸に対して垂直な面（ｘ　／　ｙ面）内の、本体１１４ ａの位置を調整して、プリズム面３６０の中央をテレスコープの軸と整合させる 。

テレスコープは次にプリズムの面３６０上に向けられる。

レーザ３１１をスイッチオンし、楕円形のビームスポットを与える。楕円形がｙ ／ｚ面にくるまでレーザを回転させる。

テレスコープ１０００は次にインフでフォーカスされる。

本体１１４ａ内のレーザ３１２の位置は、レーザ３１２からの光のスポットがテ レスコープ１０００の経緯線の中央にくるまで、Ｘおよびｙ方向に調整される。

次にレーザ３１２は、たとえば接着剤でレーザを固定することによって、本体１ １４ａ内に位置をロックされる。

円柱レンズ３１８はレーザビームのビーム経路内に、本体１１４ａに導入され、 線状焦点が観測されるまでそのｙ方向の位置が調整される。次に、レンズ３１８ のアライメントは、ビームがテレスコープ内のＸ軸の経緯線に沿って位置するま で調整される。これで円柱レンズ３１８は正しく位置付けられ、固定またはほか の態様で位置付けられる。

これで第１の本体部分１１４ａは正しく整列される。次のステップは、２つの部 分１１４ａおよび１１４ｂをアセンブルすることである。２つの部分１１４ａお よび１１４ｂは接続機構によって接続され、最初はＸおよびｙ方向においていく らかの運動を可能にし、さらにｚ軸についての回転も可能にする。たとえば、２ つの部分は互いに弾性的に押付けられる対向するフランジを有してもよい。第２ の本体部分１１４ｂはジグ内に装着され、第１の部分１１４ａは、レーザビーム のスポットを観測しながら、ビームが格子３００の中央にくるまで、ｒｘＪ方向 に調整される。

ビームスプリッタ検光子３４０ａの一つは取除かれ、厚紙上で見るまたは光パワ ーメータを用いることによって、ダイクロイック層３３５から反射されるおよび 透過する２つのビームが観測される。半波長板３１９は２つのビームの強度が等 しくなるまで回転させられる。

次に、本体部分１１４ｂは、２つのビームがｙ方向において整合して観測される まで、「ｙ」方向に動かされる。

この時点において、レーザビームは格子３００の表面に対して垂直に当っている 。

次に、本体部分１１４ｂはｒｚＪ軸について回転され、格子線をビームスプリッ タプリズムと整合させる。本体部分は、一枚の厚紙に表示される２つのビームが 重畳するまで回転させられる。これで２本のビームは干渉し、スタイラスまたは プローブ１３０を変位させると明るいおよび暗いフリンジが観測される。明確な フリンジが観測されないのなら、上記で説明したｙ方向およびｚ軸の回転のアラ イメント工程を繰り返す。

はっきりしたフリンジが観測されるのなら、検光子ビームスプリッタプリズム３ ４０ａは再度圧しい位置に固定され、１対の検出器３４２ａおよび３４２ｂの出 力はオシロスコープに接続される。次にプローブ１３０を変位させ、発生したフ リンジはオシロスコープで観測され、必要なら半波長板３１９を調整してフリン ジの振幅を向上させ、次に正しい位置に固定される。２つの検出器の出力の位相 は観測され、４分の１波長板３５０は正しい９０度の位相差が得られるまで回転 され、４分の１波長板３５０は正しい位置に固定される。

次に、２つの本体部分１１４ａおよび１１４ｂは典型的には粘着性のセメントに よって剛性的に互いに固定され、これでゲージは完全に整合される。

プローブ付勢ユニット４００ 図１７を参照して、本実施例ではプローブ１３０に与えられる付勢または押え力 は、先行技術のように重力ではなく作動手段によって与えられる。作動手段４０ ０は線形コイル４１０からなる電気アクチュエータを含み、ピボット１２１の内 側に、支持アーム１２３に対して剛性に接続されるバーを含む磁極片または接極 子４２０を取囲む。

コイル４１０を付勢して、磁極片４２０を介して定付勢力をアーム１２３に、お よびプローブ１３０に与えることができるが、必要なら付勢電流はたとえばプロ ーブに対するロードまたは加速に応答して歪ゲージまたは加速度計から引出され た信号に応答して、連続的に与えられる力を変えるように制御することもできる 。

たとえば、比較的大きい力を、（良いコンタクトを与えるために）測定するべき 実質的に剛性な表面に与えられるよう、かつ伸縮性または可塑性的に変形可能な 表面を図る場合には、それに対して変形または損傷を避けるために、比較的小さ い力が与えられるよう、与える力を手動的に変える手段を設けることが望ましい かもしれない。

付勢力を電気的に制御するのは特に便利であるが、たとえば機械的ばね（引張り ばねまたは圧縮ばね）またはニューマチックアクチュエータを、コイル４１０お よび磁極片４２０と置換えることができる。

プローブをバイアスするために用いられる方向と反対方向に電流を与えることに よって、プローブを作業表面から持上げてプローブまたは表面を損傷することな くスキャンの後プローブを戻すことができる。

さらに、発明の本局面はその適用が干渉計表面測定器具に限定されず、たとえば 、プローブを含む集中ピックアップ型測定装置に適用することができる。ピボッ ト１２１後の支持アームに作用するよりも、付勢手段４００をピボット１２１の 前に設けて支持アーム１２０に作用することもできる。しかし、これはアーム１ ２０の有効長さを減じ、管またはオリフィスのような囲まれた表面をプローブす る装置の有益性を限定する。

図１８は代替の配置を示し、１対の反対方向に作動するアクチュエータ４００ａ および４００ｂが、本実施例において、反対方向に付勢されるコイル４１０ａお よび４１０ｂを含み、対応する磁極片４２０ａおよび４２０ｂは支持アーム１２ ３の対向する側部に接続される。コイル４１０ａおよび４１０ｂの付勢が、２つ のアクチュエータ４００ａおよび４００ｂによって与えられる力が平衡である（ または好ましくは、アクチュエータ４００ａおよび４００ｂによって与えられる 上向きおよび下向き力ならびに重力がバランスしている）ように制御されている のなら、プローブ１３０は中央の静止または零位置を占めるよう押えられる。本 実施例は、装置の上もしくは下のどちらかに位置付けられる表面またはそれに垂 直な表面を測定する場合の装置に対して適用を有する。

図１９を参照して、さらなる実施例において、スタイラスアーム運動の活性減衰 を与えるよう配置され、ほかの利点の中で、これは装置との偶発的衝突のような 外部的影響による振動の重要性を減じる。したがって、コイル４１０には、プロ ーブ変位の変化率に比例する成分およびコイル４１０を介して与えられる力がカ ーソルの変位に対抗するような極性を有する電流が与えられる。

たとえば、電流は定電流Ｉｍを与える第１の電流源４３０と、上記で述べたよう に、プローブの変位信号の変化率に比例する電流を与える第２の電流源４４０と によって与えられてもよい。

たとえば、プローブ変位２を表わすデジタル出力は、以下でより詳細に説明され る、信号処理回路の出力から引出され、デジタル−アナログ変換器４５０によっ て対応するアナログ信号に変換され、次にたとえば（反転）入力にキャパシタを 有し、反転入力に対するフィードバック経路において抵抗器を有する演算増幅器 を含むアナログ微分器４６０によって微分される。

微分器４６０からの信号は、次に電流源４４０を含む電流フォロアによって電流 信号に変換され、その出力は源４３０からの定電流に加えられてコイル４１０に 与えられる。

しかし、デジタル微分器はアナログ微分器と置換できることは認識できる。この 場合、デジタル−アナログ変換器４５０はその後に位置付けられる。スタイラス の運動を減衰するためにアクチュエータ４１０を制御する信号を与えるほかの方 法も等しく明らかであろう。

好ましくは、アクチュエータによって与えられる力を変動するための制御も設け られる。好ましくは、本実施例において、アクチュエータによって与えられる力 の大きさだけでなく、各々によって与えられる方間のバランスも変動させて、装 置がプローブ１３０の下の表面を測定するために下向きに、またはプローブ１３ ０上の表面を測定するために上向きに押され得る。本実施例も干渉計測定装置に 対する適用に限定されるものではない。

代替の光学的配置 実施例の上記の記載から、等価の効果でもって光学システムに対していくつかの 変形および代替が行なわれ得ることは明らかである。いくつかの変形および代替 の構成は以下の図２０ないし図２４を参照して示されるが、上記で述べたものに 対応する部分は同様の番号が付けられている。

図２０、図２２、図２３および図２４では、プリズムは図示のため平行な側部を 有するが、入射角度が４５度でなければより複雑なコーティング３３５を必要と するが、平行側部の方が設けやすい。

図２０を参照して、図６および図７の光学的配置は、図１１を参照して説明され た反射回折格子３００を透明または部分的に透明な格子に置換えることによって 変形することができる。光源３１０はビームを発して格子コンポーネントの本体 ３００を通って、透過格子として働く格子３０１の内表面に向けられ、図７を参 照して上記で記載した同じ経路に沿って回折−次ビームをビームスプリッタプリ ズム３１７に送る。したがって、ビームスプリッタプリズム３１７の構成は、凹 部またはビームトランスレーションプリズム３１６が不要であるという点におい て少し簡素化される。

鏡５００が設けられて、ビームを光源３１０から回折格子に向ける。湾曲した回 折格子コンポーネント３００はレンズとして働き、入射するビームを収束させる ので、図７の収束レンズ３１８は分散レンズによって置換えられて、これを補償 し、平行回折ビームを与える。代替的に、多くのダイオードレーザは分散ビーム を生じるので、その分散が回折格子コンポーネント３００の収束を補償するよう 、レーザダイオード３１１を選択することができる、または格子３００自身の裏 面がこの目的のために湾曲してもよい。

図２１を参照して、特に好ましい実施例では、配置は本質的に図６、図７および 図１４と同じである。

図２２を参照して、図２０の配置における光源３１０およびプリズム３１７など は入換えることができる。ここでも、格子の湾曲による収束を補償するために、 分散レンズ５１８または分散光源３１０が用いられる。

図２３を参照して、光源３１０および回折格子３００間の光路における円柱レン ズ３１８は、回折ビームの経路における１対の円柱レンズ３１８ａおよび３１８ ｂによって、同じ効果でもって、置換えてもよい。

図２４を参照して、光源３１０から格子３００に入射光を向けるための配置は、 ビームトランスレーションプリズム３１６を省き、かつピラミッド３１７の頂点 を、プリズム３１７の中央面３３５の中心に沿って正確に整列される光源３１０ からの光ビームに対して垂直である平坦な表面と置換えることによって、簡単に することができる。これは配列を簡素化するが、中央面３３５のビームスブリッ ト特性が入射ビームに影響しないよう、光源３１０からの入射ビームを中央面３ ３５と精度よく整合することを必要とする。　上記の配列に加えて、湾曲した回 折格子をピボット１２１の外側（すなわち支持部材１２０上）に設けることも可 能である。しかし、この配列は支持アーム１２０の有効長さを減じ、それゆえ長 い支持アーム１２０が必要である（管のような）タイプのコンポーネントに対す るプローブの適応性を減じる。多くのほかの変形も明らかである。

各検出器３４１ａ、３４１ｂ、３４２ａおよび３４２ｂからのアナログ信号を運 ぶアナログ出力ポート１５０を設けることが可能であり、または光出力ボート１ ５０を設けて検出器が位置付けられる場所で受取られたビームが光フアイバケー ブルによってそこに運ばれる。代替的に、上記で説明した実施例のレーザおよび 干渉計の比較的小さいサイズによるコンパクトな構造のおかげで、何らかの電気 信号処理を同じユニット内で行なうことを可能にし、電気的または無線周波数干 渉の可能性を減らし、装置の多様性を高める。上記で述べた装置によってもたら される出力信号は、従来のマイケルスン干渉計測定装置によってもたらされるも のと本質的に類似しているので、その種の装置に用いられる信号処理回路は、上 記で記載した好ましい実施例において等しく用いられることができる。同様に、 以下に説明する好ましい信号処理装置は、従来のマイケルスン型の干渉計で用い ることができる。

しかし、本実施例のある具体的な構成における図２５を参照して、検出器３４１ ａ、３４１ｂ、３４２ａおよび３４２ｂの出力は減算され、１対の差動増幅回路 によって正弦および余弦信号を形成し、これら２つの信号は横断ユニット１１０ の出力ポート１５０に与えられる。信号処理ユニット１５５の大部分はコンピュ ータ端末１６０と並べられる。

図２６を参照して、発明の本局面における好ましい実施例において、信号処理回 路１５５は、前に述べた干渉計ゲージ装置の出力で検出される振幅の山また谷の 合計数を表わす係数をとるように配置されるフリンジカウンタ回路６００と、こ のような山または谷間で、出力信号の位相位置を表わす出力を発生する補間器７ ００とを含む。カウンタ６００からの低い分解能データおよび補間器７００から の高い分解能データは組合わせられて、線形補正回路８００およびスケーリング 回路８１０に与えられ、データ処理のために出力される、またはストア手段、も しくは示されるように表示装置１８２０に出力される。都合のいいことには、補 正回路８００およびスケーリング回路８１０は両方ともストアされたプログラム 制御下で動作するコンピュータ１６０によって与えられる。

図２７を参照して、カウンタ回路６００がより詳細に示される。カウンタ回路６ ００はたとえば１６ビツトカウンタである、ラッチされた出力を有するデジタル カウンタ６１０と、カウンタ６１０が昇順または降順にカウントするよう制御す る判定回路６２０とを含む。これは、以下で説明するように、プローブの変位は カウントしたフリンジの数から引き出されるからであるが、−力方向における運 動に応答してカウントされたフリンジの数は、変位測定を引出すためには、反対 方向における運動に応答してカウントされたフリンジの数から減算する必要があ るにれは特に、上記で説明したように、フリンジのカウントが位置の非線形関数 である場合に必要である。

したがって、判定回路６２０はカウンタ６１０に制御信号を出力し、ラッチされ たカウントが、次にカウントされるフリンジに応答して増分または減分するべき かを示す。

フリンジを検出すると、能動信号がカウンタ６１０に与えられて、カウントが増 分または減分される。

判定回路６２０がカウントを増分または減分するかどうかを判定するためには、 位相で分けられている２つの別個の入力を受取る。２つの信号が９０度の位相で 離れていると、必要な信号処理は簡単になる。図９０を参照して、プローブ位置 Ｘに対する信号振幅の変動は一般的に正弦波であり、θが距離Ｘに比例する関係 式ｙ＝ｓ　ｉ　ｎ　θを満足させ、および、上記で述べた回折格子干渉計に対し て、Ｄが格子の周期であるθ＝４　πｘ　／　Ｄの関係式を満足させる。したが って、上／下判定回路６２０が受取る２つの信号ｙ　およびｙ２は、Ａ　ｓｉｎ 　θおよびＡ　ＣＯ８θによって与えられる任意の開始位相に相対し、以下でそ れぞれｓｉｎ　θ信号およびＣＯＳ　θ信号と呼ぶ。

図２８を参照して、好ましい実施例における判定回路６２０は、たとえば反転演 算増幅回路のような１対の入力増幅器６２１ａおよび６２１ｂを含み、入力信号 を後続の回路に対して適切なレベルにスケールするのに十分な利得Ｋを有する。

たとえば、上記記載の装置で用いるために、利得は−２゜４であってもよく、増 幅器６２１ａおよび６２１ｂのピーク間出力を１０ｖにする。増幅器６２１ａお よび６２１ｂは帯域制限フィルタを含んでもよく、ＯＨｚから最大限（たとえば 以下で述べる理由により５　Ｍ　Ｈｚ　）の周波数を通す。

増幅器６２１ａおよび６２１ｂの出力は比較器６２２ａおよび６２２ｂ　（たと えば、それぞれの入力信号が０より下または上であるかに依存して論理ハイまた はローの出力を与えるようセットされる反転比較器）に与えられる。一般に、こ のような比較器はしきい値レベル間に制限された量のヒステリシスを含む。以下 でより詳細に説明される態様でカウンタ回路を補間回路７００で動かすのなら、 しきい値レベルが補間回路７００によって分解可能である最も低いレベル内にあ るよう制限する必要がある。３６０／２５６度の補間器分解能に対して、しきい 値は、ピーク間電圧が１０ボルトである場合、（１０／２）、ｓ　ｉｎ　（３６ ０／２５６）　＝　１２３ｍＶ’テある。

図２９を参照して、図２９Ａはプローブまたは干渉計位置の２つの入力信号のグ ラフを示し、図９Ｃに対応する。

対応して、図２９Ｂはプローブ位置Ｘまたは位相角θでの増幅器６１ａおよび６ １ｂの出力の変動を示す。同様に、図２９Ｃはプローブ距離または位相に対応す る、比較器６２２ａおよび６２２ｂの出力を示し、比較器の出力は入力信号の０ 交差点において遷移を示す。

しかし、図２９Ａないし２９Ｃは時間に対する、回路のこれらの段階の信号を示 さない。各信号は、プローブが静止しているまたは動いているかに応じて、静止 または変動する。プローブが、増加するプローブ距離Ｘ（たとえば、プローブが 上昇する）およびそれゆえ一定速度での増加する位相θに対応して、第１の方向 に動くと、入力信号、増幅器６１ａおよび６１ｂの出力、ならびに比較器６２２ ａおよび６２２ｂの出力は図２９Ａないし２９Ｃに対応する。

プローブが静止しているのなら、すべての信号は一定である。プローブが方向を 変えて逆向きに動く　（すなわち負のＸ方向）なら、増幅器および比較器の出力 の対応する信号は、図２９Ａないし図２９Ｃに示されるものに対して鏡面的逆バ ージョンに対応する。

比較器６２２ａおよび６２２ｂは、干渉計からの信号のゼロ交差点を検出するよ う配列されている。これはフリンジをカウントする有利な方法である、なぜなら 入力信号振幅の変動に対してほとんど影響されず、各フリンジがカウントされる 、信号における正確に定義される位相点を与え、カウンタの精度を上げる。さら に、この種のカウンタが補間回路７００で用いられる場合に特別な利点がある。

なぜならフリンジをカウントするとともに、回路６００は厳密に定義された位相 基準点を与えるからである。

第１の問題は、プローブがどの方向に動いているかを確定し、その結果、カウン トがゼロ交差に応答して増分または減分するかを定めることである。ｓｉｎ　θ 入力のゼロ交差がθ＝０°で起こり、かつプローブは正のＸ方向（すなわち、位 相のθは増分する）に動いているのなら、ゼロ交差のすぐ後の信号の値は正であ る。他方で、ゼロ交差がθ＝πで起こるのなら、ゼロ交差後の信号の値は負であ る。

逆に、プローブが反対の方向に動いているのなら、θ＝０のゼロ交差のすぐ後の 信号の振幅は負であり、θ＝πのゼロ交差のすぐ後のものは正である。

したがって、所与のゼロ交差がどの位相位置に対応するか確定すると、プローブ の移動方向は、ゼロ交差のすぐ後の信号の振幅を測ることによって決定すること ができる。

ゼロ交差がθ＝θ点、またはθ；π点であるかを決定するためには、余弦信号の 値が調べられる。

したがって、図２８の回路は２つのさらなる要素、即ち所与のゼロ交差が０°ま たはπ０であるかどうかを示す信号を発生するための位相分解回路６２３と、プ ローブの前進および後進の動きにそれぞれ対応して、所与のゼロ交差が立上がり 遷移または立下がり遷移であるかどうかを示す方向決定回路６２４とを含む。

図３０を参照して、好ましい実施例におけるゼロ交差位相判定回路６２３はｄ型 フリップフロップを含む１対のラッチ６２５ａおよび６２５ｂを含み、結晶発振 器からの１０ＭＨｚクロック信号によってクロック動作されて、クロック信号が 正となる縁において、比較器６２２ａおよび６２２ｂからの信号の状態をラッチ する。したがって、ラッチの周波数の応答は、５ＭＨｚに制限され、エイリアシ ングを防ぐために、増幅器６２１ａおよび６２１ｂ内のフィルタはこの周波数よ り高いものをカットするよう選択されなければならない。

ｓｉｎ　θラッチ６２５ａの出力は、１対のＡＮＤゲー）６２６ａおよび６２６ ｂならびに１対のインバータ６２７ａおよび６２７ｂを含む論理ネットワークを 介して、ＯＲゲート６２８に与えられる。第１のＡＮＤゲート６２６ａの出力は ラッチ６２５ａの正常な出力をトラックし、第２の６２５ｂの出力はラッチ６２ ５ａの反転出力をトラックする。

ｃｏｓ　θラッチ６２５ｂの反転出力はＯＲゲート６２８の第３の入力に与えら れる。したがって、ＯＲゲートへのこの入力の信号は、図２９Ｃで示される信号 Ｂの反転である。この信号がローである場合、ＡＮＤゲート６２６ａおよび６２ ６ｂのスイッチング時間における差は、両出力がローであるときに短い期間を引 起こし、それゆえＯＲアゲ−６２８のその他ではハイの出力において、短い期間 負となるパルスを与える。しかし、ラッチ６２５ｂの出力がハイであるのなら、 ＯＲゲート６２８の出力はハイのままである。ｃｏｓ　θ信号の自乗したものを 受けるよう接続されるラッチ６２５ｂの出力は、θ＝０に対応するゼロ交差を選 択するよう働く。

図２９Ｄに示されるＯＲゲート６２８の出力はさらなるラッチ６２９のＣＬＥＡ Ｒ入力に与えられ、ラッチ６２９はインバータ６３０を介して与えられかつＡＮ Ｄゲート６３１を介してラッチ６２５ｂの非反転出力によってゲートされるクロ ック信号によって再びハイにセットされる。したがって、ラッチ６２９の出力は 、ＯＲゲート６２８の出力の負となるパルスによってローとなる（ラッチ６２５ ａおよび６２５ｂをクロック動作した正となるクロックパルスの後）、および次 の負となるクロック信号縁で再度ハイとなる。したがって、ラッチ６２９の出力 は、図２９Ｅで示されるように、ゲージからのｓｉｎ　θ入力信号の各００位相 ゼロ交差の、０．１マイクロ秒の持続期間の、負となるパルスである。

カウントを昇順または降順に行なうかどうかを選択するための回路６２４は、信 号Ａの状態がθ＝０交差において立上がっているのか立下がっているのかを確定 する必要がある。これはラッチ６２５ａの出力から簡単に引出すことができる。

図２９Ｈに示されるクロック信号および図２９Ｆに示される昇順／降順カウント 制御信号は、カウンタ６１０を含むデジタルカウンタチップの対応する入力、た とえば１対の７４　Ａ３　８６７カウンタチツプに与えられる。

補間器７００ 図３１を参照して、発明の本局面における補間器７００は干渉計からのｓｉｎ　 θ信号を受取る入カフ１０と、入カフ１０の入力信号の位相θの推定値を表わす 信号φを生じるためかつその推定値φの関数（ここではＦ（φ）と示される）を 生じるためのエステイメータ回路７２０と、推定された位相φおよび入力信号の 実際の位相０間の誤差の関数である出力信号δを生じるための誤差発生回路７３ ０とを含み、誤差出力信号はエステイメータ回路７２０を制御するためにフィー ドバックされる。

図３２を参照して、エステイメータおよび関数ジェネレータ７２０を与える１つ の好ましい方法は、予測位相φを表わすカウントをとるデジタルカウンタ７２１ を含み、カウントを変えるための能動化信号（ＣＣＫ）およびカウントが増分ま たは減分されるかどうかを示す方向指示信号（Ｕ／Ｄ）が備えられる。したがっ て、このカウンタの出力は入力信号の位相θの推定φを表わすデジタルワードで ある。さらに、出力φはデジタル関数ジェネレータ回路に与えられ、φの各値に 対して関数Ｆ（φ）の対応する値をストアするルックアップテーブルを実現する リードオンリーメモリを含む。ルックアップテーブル７２２のデータ出力は、デ ジタル−アナログ変換器７２３のデジタル入力に結合され、これは関数Ｆ（φ） の値を表わすアナログ出力を対応して発生する。

図３２に示される回路が、関数Ｆ（φ）＝ｓｊｎ（φ）でもって、図３１で示さ れるように用いられ、誤差信号ジエネレータ７３０が単に減算器として働くのな ら、出力δは： δ＝ｓｔｎ　θ　−ｓｉｎ　φ、またはδ＝２ＣＯ８（（θ＋φ）／２）、５ｉ ｎ（（θ−φ）となる。θはφによって近似化されるので、以下のように簡単に なる。

δ＝（ｃｏｓ　φ）（θ−φ） 言換えると、誤差信号δは、望ましい誤差測定である推定位相φおよび実際の位 相０間の差であるだけでなく、実際の位相φまたはθの関数である。したがって 、カウンタ７２１を増分するための制御信号としてこの誤差信号を用いるには、 φまたはθの値で変動したテストしきい値を与える必要がある。

図３３を参照して、図３１に示される原理の代替の実現は、入力位相θおよび推 定位相φ間の差のみの関数である誤差信号δを引出すために動作する。この目的 のため、干渉計からのｓｉｎ　θおよびｃｏｓ　θの入力信号の両方が用いられ る。図３２のよに、デジタルカウンタ７２１は推定位相φの値を表わす数値をラ ッチし、この数値が回路７００の出力を含む。この数値は、推定位相φの正弦お よび余弦に対応するデジタルナンバーをそれぞれ示すルックアップテーブル（す なわち−１および＋１間の定数のテーブル）をそれぞれストアする１対のＲＯＭ ７２２ａおよび７２２ｂのアドレスバスに与えられる。たとえば、カウンタ７２ １は８ビツトカウンタであってもよく、かつＲＯＭ７２２ａおよび７２２ｂの各 々は、２５６個の８ビツト値を含んでもよく、その各々はφの各可能な値に対応 する。

ＲＯＭ７２２ａおよび７２２ｂのデータバスはそれぞれ乗算デジタル−アナログ 変換器７４０ａおよび７４０ｂのデジタル入力線に結合され、各乗算デジタル− アナログ変換器は抵抗ラダーを含み、デジタル入力に従ってスイッチ可能であり 、対応する抵抗を受取ったアナログ電流に与え、それによって乗算ＤＡＣのデジ タル入力に比例する量だけ電流を減衰する。乗算ＤＡＣ７４０ａは補間器７００ のＳｉｎ　θ入力に結合され、それによってｓｉｎ　θ　ＣＯ８φに比例するア ナログ出力電流を出す。乗算ＤＡＣ７４０ｂは補間器７００のｃｏｓ　θ入力を 受取るように結合され、ＣＯＳ　θ　ｓｉｎ　φに比例するアナログ出力を発生 する。誤差信号発生回路７３０は減算器回路を含み、ｓｉｎ　θ　ｃｏｓ　φ　 −ｃｏｓ　θ　ｓｉｎ　φ＝ｓｉｎ（θ−φ） に比例する出力を発生する。

この信号は比較器回路７２５に与えられ、誤差信号θ−φの値が、θカウンタ７ ２１内の１つの下位ビットに対応する予め定められたしきい値を超えた場合に、 カウンタ７２１を増分または減分する出力を発生し、しきい値は、前に述べたよ うに、Ｖｐｐ＝１０Ｖｉ：対してＶｐｐ／２．ｓｉｎ　（３６０／２５６）　＝ １２３ｍＶで与えられる。カウンタ７２１は好ましくはカウントし、それゆえ入 来信号の位相を分割１５て、信号の値： δ＝ｓｉｎ　（φ−φ）が θ−φ にほぼ等しくなるような十分な高い数値にする。

たとえば、カウンタ７２１が４ビツトカウンタなら、各カウンタの増分は２２． ５°の位相シフトに対応し、比較器７２５は推定位相φが２２．５°だけ本当の 位相から外れた場合にカウンタ７２１を増分させる。２２．５°では、ｓｉｎ　 ＸはＸに対する満足できる近似値ではなく、カウンタ７２１は規則的に間隔があ けられる位相間隔と正確に対応しない点で増分される。他方で、カウンタ７２１ が８ビツトカウンタなら、推定位相φおよび信号位相０間の最大位相遅れは ｓｉｎ　θ＝３６０／２５６＝１．４°で起こる。

０−１．４°の範囲では、５ｉｎ（θ−φ）はθ−φに対する良い近似値となる 。

図３４を参照して、ルックアップテーブル７２２ａおよび７２２ｂには正の数値 のみをストアするのが好ましいかもしれない。したがって、ＲＯＭにストアされ る関数値は代わりにｌ＋ｃｏｓ　φおよび１−ｓｉｎ　φ（値は０および＋２の 間）を表わす。乗算ＤＡＣ７４０ａおよび７４０ｂの出力におけるｓｉｎ　θお よびＣＯＳ　θの項は、その出力から入力のｓｉｎ　θおよびｃｏｓ　θ値を減 算することによって取除かれる。

最下位ビットの半分０．７°のオフセットをφに加えて、テーブルがｌ＋ｃｏｓ 　（φ十０．７）１　−　５ｉｎ（φ＋０．７）をストアして切上げを行なうよ うにしてもよい。

補間器７００は１対の緩衝増幅器７４１ａおよび７４１ｂをさらに含み、−１の 利得を有する、たとえば反転演算増幅回路を含む。増幅器７４１ａおよび７４１ ｂの出力は、入力ｓｉｎθおよびｃｏｓθ信号とともに、単一利得反転演算増幅 器７３１の反転端子で合計され、ｓｉｎ　θ　ＣＯ８φ　−ＣＯ８θ　ｓｉｎ　 φ　＝　５ｉｎ（θ−φ） ＝θ　−φに対応する出力を発生する。

上記で述べたように、ストアされた値がオフセットを含む場合、出力はθ−φ− ０ＦＦＳＥＴに対応する。

この誤差信号（推定値が望ましい位相θよりリードしているかラグしているかを 表わす）の極性は比較器７５１によって感知され、その論理出力はカウンタ７２ １の上／下カウント入力を制御する。

誤差信号は比較器回路７２５に送られ、これはカウンタ７２１の下位ビットの１ つに対応する予め定められたしきい値を有する第１の比較器７２５ａと、同じし きい値を有するが単一利得７２６の反転演算増幅器が前にある第２の比較器７２ ５ｂとを含む。比較器７２５ａは誤差が正の所定しきい値を超えた場合に出力信 号をもたらし、比較器７２５ｂは誤差信号が対応する負のしきい値を超えた場合 に出力信号を出す。

２つの比較器７２５ａおよび７２５ｂの出力が論理回路７２７に送られ、ＯＲ演 算を行なってどちらかの比較器がそのしきい値が超えたことを示した場合にカウ ンタ７２１のカウントを変えるための信号ＥＮを出す。１０ＭＨｚマスタクマス タクロック信化論理回路７６０に与えられ、比較器回路７２５からの信号がマス タクロックの正しい位相に対応するようタイミングを変える（たとえばラッチお よび遅延する）。同期化論理回路７６０はクロック７２１のカウントイネーブル 入力に接続され、推定位相φを表わすラッチされたクロックカウントの対応する 増分または減分を引起こす。

同期化論理回路７６０は比較器回路７２５からの信号をカウンタ７２１の入力に 与える前に、マスタクロック周波数を１０で割るように配置され、カウンタ７２ １は各マイクロ秒ごとに１回だけ増分される。これは乗算ＤＡＣ７４０ａおよび ７４０ｂ内のスイッチングによって引、起こされる誤差信号のにせの遷移値によ るカウンタ７２１のスイッチングを防ぐためである。このような遷移を防ぐため の手段がなければ、カウンタ７２１のカウント値が変わることによってＤＡＣ７ ４０ａおよび７４０ｂの出力にスイッチング遷移を引起し、これがカウンタのカ ウント値を再度変えることになる。しかし、このような遷移に対してシステムの 応答を制限するほかの手段も可能である（たとえばアナログ回路経路内の低域フ ィルタリング）。

図３４の回路では、このような遷移がなくなるまで必要な整定時間は、補間器の 速度を制限する１つのファクタであることがわかっている。隣接フリンジ間に２ ５６の値のφを与える８ビツトカウンタでは、１マイクロ秒の整定時間は３．９ ＫＨｚ　（フリンジ７秒）の最大トラッキングレートを与える。

位相φのデジタル推定値を与えることよって、かつアナログ領域においてこれを 入力信号と比較するためにデジタル−アナログ変換を用いることによって、入力 信号のアナログ−デジタル変換によって動作する装置と比べて、コスト効率がよ くかつ比較的高くない補間器を提供することができる。なぜなら安価なアナログ −デジタル変換器は速度が遅く、速度の速いアナログ−デジタル変換器は値段が 高いからである。デジタル出力においてマイクロプロセッサよりむしろデジタル カウンタを設けることによって、スピードの向上が同様に得られる。

図３４および図２６を再び参照すると、カウンタ６００および補間器７００は本 質的に独立して動くのがわかる。

これによって、入力信号の位相θがゼロに近づくと問題が起こる。補間器７００ がθ＝０位相点に達すると、その出力は０およびその最大値（たとえば２５６） 間で変化する。

この動作が、フリンジカウンタ６００がゼロ遷移をレジスタし、それゆえさらな るフリンジをカウントするときと同期して起こらなければ、補間器７００および フリンジカウンタ６００の組合わせられた出力はカウンタ６００が行なうまで１ フリンジだけ誤差を有する。回路が独立しているので、各々がゼロ位相状態をレ ジスタする点が異なる可能性は十分ある。

さらに、位相θがゼロを通る場合の、オフセットがテーブルにストアされている 図３５Ａでは、θ−φ−０ＦＦＳＥＴの値は極性を変える前の比較器７２５ａお よび７２５ｂをトリガするのに十分なレベルに上がらないかもしれない。したが って、カウンタ７２１を増分し、０で再度スタートさせるのに必要な信号は比較 器回路７２５から出力されない。カウンタ６００および補間器７００を同期化さ せるために、かつ補間器７００をゼロ位相交差に確実に応答させるために、カウ ンタ６００内に引出されるクロック信号（ＣＣＫ）は、図３２に示されるように 同期化論理７６０に与えられ、図３３Ｃに示されるように反転されて、カウンタ ７２１を増分／減分するために与えられるさらなるスイッチング信号を出力する 。

代替の実施例 上記で説明したカウンタおよび補間器回路は、多様な変形が可能である。たとえ ば、図３１のエステイメータ回路７２０は誤差信号δによって増分される位相カ ウンタを含むよりむしろ、カウント周波数が誤差信号δによって制御される自走 カウンタを含むことができる。しかし、表面またはプロファイル測定のための干 渉計ゲージ装置では、低いまたはゼロ周波数におけるこのような実施例の応答は 不安定でありかつ不正確であるので、望ましくない。

誤差信号５ｉｎ（θ−φ）は位相誤差θ−φの近い近似値であるので、より精度 を上げるためにこの誤差信号をデジタル化することができ、補間器の出力にさら なる下位ビットを与える。代替的に、同じ正確さはカウンタ７２１のビットの数 を減らすことによって保つことができ、５ｉｎ（θ−φ）がθ−φに対してまだ 適切な近似値であるレベルまでフリンジ間の位相をより粗（分割し、その失われ た正確さは差信号をデジタルすることによって回復することができる。これは補 間器の最大トラッキングレートを多少増加させる。

出力 位相角カウンタ７２１がフリンジ間の位相を２の幕であ−る数字に分割する図３ ４を参照して、位相カウンタ７２１の出力は、ワードの下位ビット０−７として 、デジタル出力データパスに接続されてもよく、そのためフリンジカウンタ６１ ０のバイナリ出力は上位ビットを含む。

上記で記載の干渉計測定装置のように、プローブなどが進んだ距離に対して、カ ウントされたフリンジの数が絶対的直線関係にない場合、このデジタル出力バス は図２６に示される非線形補正回路８００に接続され、これはデジタル出力ワー ドが結合されるアドレス線に対してリードオンリーメモリだけを含んでもよく、 そのデータバス線に対応する補正されたデジタルワードを出力する。

デジタルマルチプライヤ（たとえばさらなるＲＯＭルックアップテーブル）を含 むスケーリング回路８１０が設けられて、必要なら補正回路８００の補正された 出力を何らかの便利な形の距離の単位に変える。前述の実施例では、各フリンジ 間隔に対応するプローブ距離は０．８３３μｍであり、それゆえ各々の１／２５ ６位相間隔は３．　２５ｎｍに対応して、補正された数値をナノメータに変える ためにはマルチプライヤ８１０が１／３．２５で乗算する。

補正回路８００およびスケーリング回路８１０は明確にするために別々に図示さ れているが、実際には補正およびスケーリングの両方を行なう同じルックアップ テーブルＲＯＭを含んでもよい。スケーリング回路８１０が与えるファクタはゲ ージ寸法およびジオメトリから演算によって知ることができ、非線形の補正は、 既知の表面またはプロファイルの測定に応答して、カウンタ６００および補間器 ７００からのデジタル出力ワードを測定することによって、較正フェーズでに引 出される。

以上で説明したように、フリンジカウンタ６００およびもの以外の種類の干渉計 機器で用いることができ、上記で説明した干渉計測定装置はほかの信号処理回路 と用いられることは明らかである。

さらに、上記で述べたようにゼロ交差検出フリンジカウンタ回路を前述の補間器 回路に関連して用いることは特に有利であり、それによって正確な位相参照を設 けることができるが、フリンジ回路および補間器回路の各々は別々に用いること ができる。

さらに、プローブまたはスタイラスを測定するべき物体に接触させるために押え る付勢力手段４００は上記で述べたちの以外の種類の測定機器に適用可能であり 、たとえば集中的に感知される測定装置に適用可能である。しかし、−緒に用い られると、上記で説明した信号処理出力回路を備える測定装置は、その縦柱に過 度のロードを与えることなく単一の横断ユニット１１０に装着することができ、 ヘリウムネオンレーザのために今まで用いられたものより安全である低電圧源を 用い、デジタル出力、たとえば１．８×１０６　：１はどの動的分解能を与える ことができる。

θｘ−ｗ　θＸ＋ ｊ ＣＣｋか゛フリン；ジカウンク６００を史Ｈした８４ｍｔ、；

Claims (48)

【特許請求の範囲】
1. １．位置および／または表面および／またはきめを測定するための装置であって 、 表面に接触し、かつ表面に沿って動くためのプローブと、前記プローブを運ぶた めのプローブ支持とを含み、前記支持は、前記プローブが前記表面の面の中また は外に旋回的に動くことができるようにピボットを含み、さらにその変位測定を 与えるために、支持またはプローブと動くよう接続された部分を含む格子干渉計 を含み、干渉が旋回運動の間維持されるよう干渉計が配列および配置される、装 置。
2. ２．干渉計の格子はプローブ支持に接続される、請求項１に記載の装置。
3. ３．干渉計の格子は、そこに照射されるビームに対して実質的に一定の位置およ び傾斜を与えるよう湾曲される、請求項１に記載の装置。
4. ４．格子は、ピボットよりもプローブから離れて、プローブ支持に接続される、 請求項３に記載の装置。
5. ５．格子湾曲の光学的影響を光学的に補正するためのフォーカス手段が設けられ ている、請求項３に記載の装置。
6. ６．格子はビーム源からのビームによって照射され、格子はビームに関して凸状 である、請求項５に記載の装置。
7. ７．フォーカス手段はビーム源および格子間に収束レンズを含む、請求項６に記 載の装置。
8. ８．格子は、そこからのビームを集束するようにビーム源からのビームによって 照射され、格子はビームに関して凹状であり、格子によって発生する回折ビーム の各々が実質的に平行であるようなビーム源の分散および湾曲した格子による集 束を含む、請求項３に記載の装置。
9. ９．湾曲した表面上に配置される格子を含み、複数個の回折次数ビームを発生す るよう配列され、その間に干渉を発生するための手段を含む、格子干渉計装置。
10. １０．干渉計は、等しくかつ反対の次数の、１対の回折ビームを結合手段に向け て、その間に干渉を発生するための手段を含む、請求項９に記載の装置。
11. １１．２つのビームが結合手段に進んだ光路長さは実質的に等しい、請求項１０ に記載の装置。
12. １２．向けるための手段は２つの反射表面を含む、請求項１０に記載の装置。
13. １３．２つの表面は単一プリズムの外部表面を含む、請求項１２に記載の装置。
14. １４．回折格子を含み、等しくかつ反対の次数の１対の回折ビームが格子から指 向されかつその表面から結合手段に反射されるプリズムを含む、干渉計装置。
15. １５．格子から結合手段への光路長は実質的に等しい、請求項１４に記載の装置 。
16. １６．表面からの反射が全反射であるようなプリズムのジオメトリおよび屈折率 を含む、請求項１４に記載の装置。
17. １７．反射表面は平行である、請求項１４に記載の装置。
18. １８．入射および反射の角度が４５°であるようなプリズムのジオメトリおよび 屈折率を含む、請求項１４に記載の装置。
19. １９．結合手段は前記プリズムの準反射内表面を含む、請求項１４に記載の装置 。
20. ２０．前記準反射表面はダイクロイック層を含む、請求項１９に記載の装置。
21. ２１．そこに当るビーム入射角は約４５°である、請求項２０に記載の装置。
22. ２２．半導体レーザダイオード照明源をさらに含む、先行のいずれかの請求項に 記載の装置。
23. ２３．狭帯域フィルタによってフィルタされる一般的に単色の発光素子を含む照 明源をさらに含む、請求項１ないし２１のいずれか１つに記載の装置。
24. ２４．表面に接触するためのプローブ手段と、その変位を測定するために、プロ ーブ手段に接続される測定手段とを含み、さらに予め定められた方向にプローブ 手段をバイアスするためのバイアス手段をさらに含む、請求項１に記載の装置。
25. ２５．予め定められた方向は表面に向かう方向である、請求項２４に記載の装置 。
26. ２６．予め定められた方向は予め定められた位置に向かう方向である、請求項２ ５に記載の装置。
27. ２７．位置、表面またはきめを測定するための装置であって、表面に接触するた めのプローブ手段と、プローブ位置を測定するための測定手段とを含み、その振 動を減衰するようにプローブに対して力を加えるよう配置されるバイアス手段を さらに含む、装置。
28. ２８．力はプローブ手段の速度に関連する、請求項２７に記載の装置。
29. ２９．バイアス手段は電磁アクチュエータを含む、請求項２７に記載の装置。
30. ３０．アクチュエータはコア片を囲むコイルを含む、請求項２９に記載の装置。
31. ３１．バイアス手段は１対の反対方向に作動するバイアス手段を含む、請求項２ ６に記載の装置。
32. ３２．干渉をもたらすために１対の回折ビームを結合するための手段をさらに含 み、回折ビームは異なる偏光を有し、その手段は反射された出力および透過され た出力を発生するよう配列されるビームスプリッタを含み、さらに前記出力間の 差に応答する信号を発生するための手段を含む、請求項１に記載の装置。
33. ３３．前記差手段は、それぞれの電気信号を発生するための１対の光電トランス デューサと、前記電気信号を受取りかつその間の差に比例する電気出力信号を発 生するための手段とを含む、請求項３２に記載の装置。
34. ３４．干渉計の出力から引出される信号を処理するための装置であって、前記信 号の干渉フリンジ間の角位置に関連する出力信号を発生し、前記角位置に関連す る推定信号を発生するための手段と、前記推定信号に依存して前記出力信号を発 生するための手段と、前記推定信号からその関数を発生するための手段と、前記 発生関数信号および入力信号に依存してその間の差を減らすために、前記推定信 号発生器を制御するための手段とを含む、装置。
35. ３５．前記推定信号はデジタル信号であり、前記関数発生手段はデジタル−アナ ログ変換手段を含む、請求項３４に記載の装置。
36. ３６．前記推定信号はデジタル信号であり、制御手段は、前記差信号が予め定め られたしきい値を超えた場合に、前記デジタル信号の値を１カウントだけ変えて 、前記差信号を減じるための手段を含む、請求項３４に記載の装置。
37. ３７．前記予め定められたしきい値は一定であり、前記差信号は、少なくとも近 似的に、前記角位置に線形的に関連する、請求項３６に記載の装置。
38. ３８．差信号は、推定信号および入力信号の間の差の正弦に近似する、請求項３ ７に記載の装置。
39. ３９．制御手段は入力信号の変動がない場合に推定信号を変えないよう配置され 、装置の周波数範囲をＤＣ動作に拡張する、請求項３４に記載の装置。
40. ４０．異なる位相の１対の入力信号を受取るよう配列される、請求項３４に記載 の装置。
41. ４１．前記１対の信号は、９０°の位相によって異なる正弦信号および余弦信号 を含む、請求項４０に記載の装置。
42. ４２．推定される正弦および余弦の信号を発生するための手段と、前記推定正弦 および余弦信号の積および前記入力余弦および正弦信号の積のそれぞれに対応す る積信号を発生するための手段と、その差から、前記入力信号および前記推定信 号間の角位置差を表わす信号を発生し、前記推定信号発生手段を制御するための 手段とを含む、請求項４１に記載の装置。
43. ４３．前記推定信号発生手段はデジタル信号発生手段を含み、前記乗算手段は乗 算デジタル−アナログ変換器を含む、請求項４２に記載の装置。
44. ４４．干渉フリンジまたは前記入力信号もしくは信号に検出される極大をカウン トするための手段をさらに含む、請求項３４に記載の装置。
45. ４５．前記カウンタから前記推定信号発生器を同期化するための手段をさらに含 む、請求項４４に記載の装置。
46. ４６．光干渉計などの出力を受取るためのフリンジカウンティング装置であって 、そこからのゼロ平均出力信号を受取るための手段と、そのゼロ交差を検出する ための手段とを含む、装置。
47. ４７．第１のものに対して異なる位相の第２の入力信号を受取るための手段と、 前記第１および第２の信号から前記ゼロ交差の位相を決定するための手段と、前 記第１および第２の信号から前記ゼロ交差の位相を決定するための手段と、前記 交差の方向を決定するための手段と、前記方向および前記位相に依存して、フリ ンジカウントを増分または減分するための手段とをさらに含む、請求項４６に記 載の装置。
48. ４８．上記に記載の特徴のいずれかの組合わせを含む装置。