JPS6138401B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体表面の凸凹状態を非接触で、し
かも光学的に等高線を以て表示する装置に関する
ものである。

従来物体表面の凸凹状態を等高線を以て表示す
るには、物体の前面に配置されたグレーテイング
を介して一様照明光を物体に投射し、グレーテイ
ングの影を物体に投影くることによつて生じた縞
を、その前面に配置されたグレーテイングを通し
て観察することによりモアレ縞として表示してい
るのが実状である。しかし、このようにして物体
表面の凸凹状態を表示するとすれば、グレーテイ
ングの投影縞は物体の最も突出した部分の前面に
なければならないから、物体面の奥の方に形成さ
れる投影縞は光の回折現象のために不明瞭となる
欠点がある。この欠点は特にグレーテイングのピ
ツチを小さくして一等高縞当りの高さを小さくす
る場合に顕著となるが、この欠点を解消するため
には上記したモアレトポグラフイによる方法とは
別に、グレーテイングを物体面上にレンズを介し
て結像させるようにすることも考えられている。
しかしながら、この方法も本質的な問題の解決と
はなつていない。何做ならば、そのようにグレー
テイングを物体面上に投影しても、グレーテイン
グのピツチを小さくして微細な凸凹状態について
の等高線を得ようとすれば、グレーテイングが結
像される面の深度は極めて浅く、ごく限られた範
囲内でしか物体に縞を投影することができないか
らである。

本発明の目的は、物体面上にその物体の高さに
無関係に一定の縞を投影することによつて、深い
深度で、且つコントラストの高い鮮明な等高線を
観察できるようにした等高線表示装置を供するこ
とにある。

この目的のため、本発明は、可干渉性光ビーム
を出射する光源と、該光源より出射される光ビー
ムを２分する光学系と、該光学系によつて２分さ
れた光ビームを所望の入射角度で対象物体上で重
ね合せるようにして干渉縞を該物体上に生じせし
める光学系と、上記対象物体上に生じせしめられ
た干渉縞を所望の結像面に結像せしめ、且つ上記
入射角度と異なる光軸を有する結像光学系と、上
記結像面に配置され、且つ光透過部と遮光部が所
定のピツチで交互に配置され、光透過部の幅／
（光透過部の幅＋遮光部の幅）の値が0.05より
0.35の範囲内にあるグレーチとを備え、コントラ
ストの高い、鮮明な等高線を得られるようにした
ことを特徴とする等高線表示装置である。

以下、本発明を第１図から第４図により説明す
る。

先ず第１図ａより説明すると、これは等高線を
得る手段としてグレーテイングを用いた場合の本
発明の１例での構成を示したものである。これに
よるとレーザ発振器等の可干渉性光源１より出射
された光ビーム３はビーム拡大レンズ９，１０、
ミラー１１を介してビームスプリツタ２に入射さ
れ、この部分で光ビーム３は２つの光ビーム１
３，１４に分離される。これらの光ビームのうち
一方は直接ビームスプリツタ２より物体４に照射
され、また他方は一且ミラー１２を介してからそ
の一方の光ビームに重ね合せられるようにして物
体４に照射される。各ビーム１３，１４の断面は
それぞれ断面円形状である。このようにして２つ
の光ビームを重ね合せることにより干渉縞５が物
体４上に形成されるが、この干渉縞５は２分され
た光ビームが重複する全ての部分で生じることか
ら、縞の投影される部分が狭い範囲に限定されて
しまうという従来からの問題はこれによつて完全
な解決をみることができる。

物体４面上に形成される干渉縞５としては、こ
れは例えば第１図ｂに示すようなものである。干
渉縞５は物体４表面の凸凹状態と照射ビーム入射
角度θに応じて形成されるものである。本発明に
よれば、このようにして形成された物体面上の干
渉縞５は結像レンズ６により結像面７上に結像さ
れるようにされ、その結像面７にグレーテイング
８が配置される。このグレーテイング８の構造，
形状は第２図ａ，ｂがその正面と平面を示してい
るように、遮光性物体よりなる遮光部１７を所定
のピツチＰでガラス基板１８上に付着させたもの
で、幅の遮光部１７とこの遮光部１７の間に存
在する幅ｄの光透過部１９が平行に多数形成され
るようにしたものである。このグレーテイング８
を通して結像面７に結像形成された物体像を観察
することにより、第１図ｃに示すように物体の像
１５中に物体の凸凹状態に対応したモアレ等高線
縞１６を観察することができるわけである。

このようにして形成されるモアレ等高線縞は明
るい縞と暗い綺とが交互に現われることによつて
識別されるが、これらの明度差あるいは強度差
（コントラスト）が大きい程識別し易くなる。こ
のコントラストが大きいということは種々の点で
有利である。例えばモアレ等高線を画像として取
り込み、これを電気的に処理する場合、コントラ
ストが大きい程信号処理での信号対雑音比（Ｓ／
Ｎ）が大きくなるからである。したがつて、コン
トラストを大きくすることは一般に重要なことで
ある。以下、第３図ａ〜ｃによりこのコントラス
トをいかにして大きくするかについて説明する。

第３図ａは物体面上に形成される干渉縞の位置
ｘ変化に対する強度Ｉの変化を示したもので、図
示のように正弦波形状に強度が変化することが判
る。また、第３図ｂはグレーテイングの透過率ｔ
を示したものである。図示のように実線表示位置
が光透過部の位置となるようにグレーテイングを
配置した場合、グレーテイングの光透過部を通過
する干渉縞像の強度（ｔ×Ｉ）は第３図ｃに示す
ように最大値（ｔ×Ｉ）maxをとる。しかしグレ
ーテイングを光透過部が点線表示位置となるよう
に配置した場合には、光透過部を介する光の強度
は最小となることから、最小値（ｔ×Ｉ）minと
なる。これらの最大値（ｔ×Ｉ）max、最小値
（ｔ×Ｉ）minの比（ｔ×Ｉ）max／（ｔ×Ｉ）
minはモアレ縞の鮮明度を表わすコントラストＣ
である。このコントラストＣがグレーテイングの
光透過部の幅ｄとピツチｐとの間の比ｄ／ｐに対
していかに変化するかを示したのが第４図であ
る。なおコントラストＣとｄ／ｐとの間にはＣ＝
（πα＋sinπα）／（πα−sinπα）なる関係
がある。但し、α＝ｄ／ｐである。

この第４図からも明らかなように、光透過部の
幅ｄをピツチｐに比して小さくする程コントラス
トＣは大きくなるが、ｄ／ｐを小さくする程光透
過部を透過する光量はｄ／ｐに比例して小さくな
るから、モアレ等高線像の相対強度Imはコント
ラストＣとは逆に低くなることが判る。しかして
第４図よりｄ／ｐの値は任意に定められるもので
はなく、適当な範囲内において定められるべきで
ある。本発明ではこの範囲を0.05ｄ／ｐ0.35
と定めているが、この理由は以下のようである。

即ち、物体を照明するためのレーザ干渉光の照
明方向はある限られた方向からなされることから
照明むらが生じ、結像面７にはこのむらに対応し
た像の強度むらが生じるようになる。このような
むらが生じても連続した縞模様として等高線が観
測されるにはコントラストＣの値が10程度以上で
あることが望ましく、また必要であるからであ
る。この条件よりｄ／ｐの上限が0.35と定られた
ものである。一方、ｄ／ｐの値が小さ過ぎるとモ
アレ縞の強度が小さくなることから、レーザ光源
のパワーを有効に活かすことができなくなる。し
かもモアレ縞のコントラストを500以上にすると
撮像系のノイズ等によつて生じるコントラストの
限度を越えることになつてその意義がなくなると
ともに、ｄ／ｐが小さくなるためによつて生じる
光の回折現象によりグレーテイングの透過光が結
像レンズの外へ逃げてしまうという不都合も生じ
てくる。このような事情を考慮してコントラスト
の上限を500と定め、ｄ／ｐの下限を0.05とした
ものである。

最後に本発明によつた場合、どれくらいのピツ
チの小さい干渉縞を物体面上に形成し得るかにつ
いて具体的に数値例を以て考察する。

第１図ａにおいてビーム１３，１４のなす角度
を２δとし、同図の物体４にθ＋δ、θ−δの角
度で入射（入射角はｘ−ｚ平面）するものとすれ
ば、両ビームの干渉光は次式で示される強度変化
Ｉ（ｘ，ｚ）で物体４を照射する。

Ｉ（ｘ，ｚ）＝Ａ〔１＋cos｛２π・２ｓｉｎδ／λ（c
os θ・ｘ−sinθ・ｚ）＋φ〕 ……(1) 但し、Α；光の強度に比例する定数、λ；レー
ザ光の波長、φ；位相を表わす定数である。ここ
で干渉光の明るい部分は式１中の〔 〕内が2n
π（ｎ；整数）で表わされる部分であるから、明
るい縞は次式を満たす面郡である。

２ｓｉｎδ／λ（cosθ・ｘ−sinθ・ｚ）＋c₀＝ｎ……
(2) 但しC₀＝φ／２πである。一方、物体の表面
の高さｈ、即ち、ｚ座様は次式で表わされる。

ｚ＝ｈ（ｘ，ｙ） ……(3) したがつて、物体面上に投影される干渉縞の明
部の方程式は式１，２を用いて以下のように表わ
される。

ｈ（ｘ，ｙ）＝１／ｓｉｎθ ｛cosθ・ｘ＋（_０− λｎ／２ｓｉｎδ）｝ ……(4) 但し、_０は定数である。この縞を倍率が１倍
の結像レンズを用いてグレーテイングに結像させ
ると、その像は式４そのものとなる。また、グレ
ーテイングの光透過部の中心の式はピツチｐを用
いて以下のように表わし得る。

ｘ＝mp＋_１ ……(5) 但し、ｍ、_１はそれぞれ整数、定数である。
グレーテイングを通して観測される像の最も明る
い縞は式４，５を同時に満たすから、この縞は次
式をも満たす。

ｈ（ｘ，ｙ）＝１／ｓｉｎθ（cosθ・mp−p′n＋ｃ）
… …(6) p′≡λ／２ｓｉｎδ ……(7) 但しＣ＝_０＋cosθ・_１である。p′はレー
ザ干渉縞面郡のピツチである。モアレ等高線が観
測されるのはｍ＝ｎ＋Ｎ＋ｋ（Ｎ；定整数、ｋ；
整数）を式６に代入したとき、ｈ（ｘ，ｙ）がｎ
に依存しない形で表現することができるときであ
る。したがつて、次式に示される条件が成立する
ように光学系を調整する必要がある。

pcosθ＝p′ ……(8) このとき式６よりｋ次の等高線は次式で表わさ
れる。

ｈ（ｘ，ｙ）＝ｐ′ｋ＋ｃ′／ｓｉｎθ ……(9) 但し、C′は定数でC′＝Ｃ＋Npである。また、
等高線間の高差Δｈは上式より以下のように求め
られる。

Δｈ＝ｐ′／ｓｉｎ（＝λ／２ｓｉｎθｓｉｎδ）…
…(10) これにより例えばレーザ光源としてHe−Ne
（ヘリウムイオン）レーザ（λ＝0.63μｍ）を用
い、２δ＝14゜、θ＝30゜とすれば、Δｈは５μ
ｍとなる。また、２δ＝0.36°とするとΔｈは
100μｍとなる。即ち、本発明によれば、等高線
間の高さ変化が小さい等高線を簡単な構成で表示
することができるものである。

以上説明したように本発明によれば、焦点深度
の深い干渉縞を物体面上に形成することが可能で
あるばかりか、数μｍ〜数百μｍというピツチの
小さい干渉縞を物体面上に形成することが可能で
あるから、等高線間の高さ変化が小さい等高線を
簡単な構成を以て、空間的制約を受けることなく
表示することが可能となり、更に光透過部の幅／
（光透過部の幅＋遮光部の幅）の値が0.05より
0.35の範囲内にあるグレーチイングを備えたこと
により自由な観察が可能であるのみならず、コン
トラストの高い、鮮明な等高線が得られる作用効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｃは、それぞれ本発明による等高線
表示装置の１例での構成、物体面上に形成される
干渉縞の例、グレーテイングを通して観測される
モアレ等高線の例を示す図、第２図ａ，ｂは第１
図ａにおけるグレーテイングの構成を示す正面図
と平面図、第３図ａ〜ｃは、グレーテイングの配
置状態とモアレ縞の強度との関係を説明するため
の図、第４図は、グレーテイングの光透過部の幅
がピツチに占める割合によつてコントラスト、相
対強度が如何に変化するかを示す図。 １……可干渉性光源、２……ビームスプリツ
タ、６……結像レンズ、７……結像面、８……グ
レーテイング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 可干渉性光ビームを出射する光源と、該光源
   より出射される光ビームを２分する光学系と、該
   光学系によつて２分された光ビームを所望の入射
   角度で対象物体上で重ね合せるようにして干渉縞
   を該物体上に生じせしめる光学系と、上記対象物
   体上に生じせしめられた干渉縞を所望の結像面に
   結像せしめ、且つ上記入射角度と異なる光軸を有
   する結像光学系と、上記結像面に配置され、且つ
   光透過部と遮光部が所定のピッチで交互に配置さ
   れ、光透過部の幅／（光透過部の幅＋遮光部の
   幅）の値が0.05より0.35の範囲内にあるグレーチ
   ングとを備えたことを特徴とする等高線表示装
   置。