JP6784831B2 - 干渉測定機用光学ペン - Google Patents

Description

光学測定の分野において、座標測定機は、光学ペンを用いて、試験対象物の点ごとの干渉測定値を得るように構成することができる。光学ペンは、光を試験対象物に向けて方向づけし、試験対象物から出る光を方向づける。測定形態としての干渉を生じさせるための光学系が、光学ペン内に収容されている。

点ごとの相対光路長の変動の測定は、波数に伴う干渉位相の変化率を測定することによって、そのような変動の範囲にわたって行うことができる。例えば、複数の波長から構成される空間的にコヒーレントな光源ビームすなわち、時間的コヒーレンスが低いビーム、又は連続した異なる波長が、ビームスプリッタによって、対象ビームと参照ビームに分割される。対象ビームは試験対象物で反射される。参照ビームは参照反射器で反射される。試験対象物と参照反射器で反射された光はビームスプリッタにおいて再結合されて測定ビームとなり、分光計等の検出器内で再集束される。この分光計は、戻ってきた測定ビームの異なるスペクトル成分の干渉強度を記録する。（ａ）ビーム周波数の変化に伴う干渉位相の変化率（変調周波数と称される）と、（ｂ）対象ビームと参照ビームとの光路長差との関係に基づいて、異なる測定点間の相対的光学的変位を検出することができる。

光源ビームを対象ビームと参照ビームとに分割し、この対象ビームと参照ビームを再結合して共通の測定ビームにする干渉部品を、光学ペン内に収容することができる。この光学ペンはまた、対象ビームを試験対象物に向けて方向づけ、試験対象物からの対象ビームを方向づける。干渉部品を光学ペン内に組み込むことで、望ましくない外乱の可能性を減らすことができる。外乱は対象ビームと参照ビームに対する差動効果を有し、測定の正確性及び信頼性を減じかねない。

しかし、干渉計を光学ペン内に収容するために要求される部品の数及び複雑さによって、光学ペンの寸法及び複雑さが増大する可能性がある。光学ペンは、試験対象物上のある範囲の測定点を取得するために、試験対象物に対して相対移動可能でなければならない。特に、干渉計の対象アームと参照アームをそれぞれ通る、対象ビームの光路長と参照ビームの光路長が同程度であることが要求される場合は、干渉計のこれら２つのアームが光学ペンの寸法を増大させ、形を歪める可能性があり、様々な表面形状を有する試験対象物に対する、光学ペンの要求される相対移動を妨げることになりかねない。例えば、対象アームを光学ペンの中心軸と同一線上に配置させることができても、参照アームは概して中心軸からずれ、光学ペンの寸法を増大させ、形を歪めて軸対称性を損なう。ミラウ型干渉計のような干渉計構成によれば、光学ペンと試験対象物との間の作動距離を大幅に短縮することができる。

実施形態において、より小型で軸対称性を有する光学ペンを提供する。これら光学ペンは、前記の欠点を克服し、特に小さな作動空間における光学ペンの測定機会を拡大する等の目的に備えるものであり、光学ペン内の干渉部品の複雑さと数を減らし、光学ペンの干渉機能に影響を及ぼす外乱の可能性をさらに減少させる。

例えば、試験対象物のフィーチャ上における複数箇所の干渉距離測定を行うための光学ペンは、シングルモード光ファイバの端部を収容するように構成されたペン本体を有している。シングルモード光ファイバは、光源ビームをペン本体に伝送し、ペン本体からの測定ビームを遠隔の検出器に伝達する。ペン本体に支持される第一集束光学系は、シングルモードファイバの端部から出射される光源ビームをコリメートする。ペン本体に支持されるビームスプリッタは、光源ビームの第１部分を対象ビームとして通過させ、光源ビームの第２部分を、参照ビームとして非垂直入射角で反射して第一集束光学系に戻しこの第一集束光学系を通す。ペン本体に支持される第二集束光学系は、対象ビームをペン本体を越えて、試験対象物近傍の対象焦点に集束させ、試験対象物から反射する対象ビームを戻り対象ビームとしてコリメートする。参照反射器は、参照ビームを戻り参照ビームとして反射し、第一集束光学系を通してビームスプリッタに戻す。ビームスプリッタは戻り対象ビームを透過させ、戻り参照ビームを反射して戻り対象ビームと同軸にし（整列させ）、それによって、戻り対象ビームと戻り参照ビームとを結合して測定ビームにする。第一集束光学系は測定ビームをシングルモードファイバの端部に集束し、ペン本体から離れた検出器に測定ビームを伝送する。

上述の実施形態では、第一集束光学系を光源ビームと測定ビームがそれぞれ１度ずつ通り、参照ビームが２度通る（すなわち、参照ビームと戻り参照ビームとして）。対象ビームは、第二集束光学系を２度通る（すなわち、対象ビームと戻り対象ビームとして）。このように、光源ビームをコリメートし測定ビームを集束するのに用いられる同じ集束光学系が、参照ビームをコリメートし集束するためにも用いられ、参照ビームを適切に整形するための別個の集束光学系が不要となる。

第一集束光学系は光軸を有し、ビームスプリッタは、好ましくは、少なくとも部分的に反射する面を含む。この部分的に反射する面は、第一集束光学系の光軸に非垂直をなして傾斜する。この少なくとも部分的に反射する面の、第一集束光学系の光軸に対する垂直からのずれは３度未満であり、参照ビームは光源ビーム及び測定ビームと、その光路のかなりの部分が重なり合う。参照ビームと光源ビーム及び測定ビームが重なり合うことにより、一層の小型化が可能である。加えて、第一及び第二の集束光学系は、同軸をなす光軸を共有することができる。好ましくは、光源ビーム、対象ビーム、参照ビーム及び測定ビームを含む全てのビームは、同一又はほぼ同一の軸に沿って伝搬する。これにより、各ビームに異なる影響を及ぼす相対外乱の可能性を制限することができる。

しかし、ビームスプリッタで起こる、参照ビームの、光源ビーム及び測定ビームからのわずかな角度のズレは、第一及び第二集束光学系の光軸の向きに関して異なる方法で実現できる。例えば、光源ビームと測定ビームの共通の光軸が、第一集束光学系の光軸と同軸をなし、参照ビームの光軸が、第一集束光学系の光軸に対して傾斜していてもよい。あるいは、参照ビームの光軸は第一集束光学系の光軸と同軸をなし、光源ビームと測定ビームの共通光軸が、第一集束光学系の光軸に対して傾斜していてもよい。

特に、参照ビームが第一集束光学系を通り、その軸から少し外れた方向に伝搬する場合、参照ビームを光源ビームの中心光線又は近軸光線に限定することによって、分散効果その他の収差効果を減じることができる。例えば、部分反射面は、光源ビームの中心光線又は近軸光線を、光源ビームと測定ビームの共通光軸に対して傾斜する参照軸線に沿って反射し、対象ビームを形成する光源ビームの周辺光線を、同様には反射せず、あるいはその透過を妨げない。

ビームスプリッタは、少なくとも部分的に反射する面を含む透過板として形成することができ、この透過板は第一集束光学系の光軸に対して非垂直に傾斜してもよい。好ましくは、透過板は第一集束光学系の光軸に対して非垂直の角度で傾斜する前面と背面とを含み、少なくとも部分的に反射する面は、反射コーティングとして形成される。この反射コーティングは、上記前面と背面の一方において第一集束光学系の光軸を中心とする部分を占める。ビームスプリッタは、中央に配置された反射体を含むこともできる。この反射体は、非垂直の角度で傾斜するとともに、透過領域により境界づけられている（縁取られている）。この中央に配置された反射体は、好ましくは円盤形状（例えば、円形又は楕円形）をなすが、環状であってもよい。

光源ビーム及び測定ビームが占める体積からの空間的拡張を制限しながら参照ビームの光路を延ばすために、中間反射器を装備することができる。この中間反射器は、参照反射器に出入りする途中で参照ビームの経路を折り曲げる。好ましくは、参照ビームの経路は、光源ビームと測定ビームの共通の光軸を横切って折り曲げられる。このようにして、参照反射器は、ペン本体の径方向周辺の調節しやすい位置に配置することができる。

好ましくは、シングルモードファイバの端部が受容円錐（アクセプタンスコーン）を画成する。光がこの受容円錐を通ってシングルモードファイバに入る。好ましくは、参照反射器は、戻り参照ビームをデフォーカスするために参照光軸に沿って調節可能である。これにより、シングルモードファイバの受容円錐内での、測定ビームにおける戻り参照ビーム部分と戻り対象ビーム部分のビームエネルギーのバランスを取ることができる。特に、光源ビームの周辺光線を反射することなく光源ビームの中心光線又は近軸光線を反射するために、部分的反射面がビームスプリッタの一部内にある場合には、好ましくは、参照光軸に沿う第一集束光学系から参照反射器までの光学距離が、第一集束光学系の焦点距離と実質的に等しいかそれより長い。戻り参照ビームが、部分的反射面を越えて広がらないようにするためである。

対象ビームと戻り対象ビームは、対象光軸に沿って、ビームスプリッタと対象焦点との間を第一光学距離だけ伝送される。参照ビームと戻り参照ビームは、参照光軸に沿って、ビームスプリッタと参照反射器との間を第二光学距離だけ伝送される。このように構成されているので、好ましくは、第一光学距離と第二光学距離は、無干渉状態を回避する量だけオフセットされている。これは、第二集束光学系の軸位置を調整することによって達成できる。加えて、第一集束光学系と第二集束光学系を修正して、色分散を制限することができ、第一集束光学系を通る参照ビームを含む光の伝送に関連した分散を、第一、及び第二集束光学系を通る対象ビームを含む光の伝送に一致させることができる。

実施形態はさらに、シングルモードファイバを介して光源と検出器とに接続された光学ペンを有する光学測定システムを用いて、試験対象物の複数箇所を干渉距離測定する方法を含む。シングルモードファイバの端部から出射された光源ビームは、光学ペンの第一集束光学系を通ってコリメートされる。光源ビームは、瞬時帯域幅、又は、一連の波長にわたる逐次的に確立された帯域幅を含むことができる。ビームスプリッタにおいて、コリメートされた光源ビームが、（ａ）光学ペンの第二集束光学系を通過して試験対象物の近くの対象焦点まで伝達される対象ビームと、（ｂ）非垂直の入射角で反射され、光学ペンの第一集束光学系に戻りこの第一集束光学系を通って光学ペンの参照反射器に至る参照ビームと、に分割される。試験対象物で反射された対象ビームは、戻り対象ビームとして第二集束光学系を通ってコリメートされる。参照反射器で反射された参照ビームは、戻り参照ビームとして、第一集束光学系を通ってコリメートされる。戻り対象ビームと戻り参照ビームはビームスプリッタで結合されて測定ビームとなり、第一集束光学系の集束経路を通って、シングルモードファイバの端部に伝送される。

好ましくは、戻り対象ビームと戻り参照ビームとを結合する工程は、戻り対象ビームをビームスプリッタを通過させて伝送する工程と、ビームスプリッタで戻り参照ビームを戻り対象ビームと同軸をなすように反射する工程とを含む。結果として生じる測定ビームは、好ましくは、シングルモードファイバの受容円錐内においてシングルモードファイバの端部に集束される。

好ましくは、ビームスプリッタにおけるコリメートされた光源ビームを分割する工程は、光源ビームの一部を、参照ビームとして、光源ビームと測定ビームの共通光軸に対して６度以内の傾斜をなす方向に反射する工程を含む。光源ビームの一部を参照ビームとして反射する工程は、好ましくは、対象ビームを構成する光源ビームの周辺光線を反射することなく、光源ビームの中心光線又は近軸光線を反射する工程を含む。加えて、参照ビーム及び戻り参照ビームは、参照反射器に出入りする途中で折り曲げられた経路に沿って、さらに反射されてもよい。好ましくは、折り曲げられた経路は光源ビーム及び測定ビームの経路と交差し、これにより、参照ビームと戻り参照ビームによって占められる体積のより大きな部分が、光源ビームと測定ビームとによって占められる体積内にとどまるようにする。

加えて、戻り参照ビームをデフォーカスするために、参照反射器は参照光軸に沿って調整可能である。シングルモードファイバの端部の受容円錐内での、測定ビームにおける戻り参照ビーム部分と戻り対象ビーム部分のビームエネルギーのバランスを取るためである。特に、光源ビームの一部を参照ビームとして反射する工程が、光源ビームの周辺光線を反射することなく、光源ビームの中心光線又は近軸光線を反射する工程を含む場合は、好ましくは、参照反射器は、第一集束光学系からの光学距離が、第一集束光学系の焦点距離と実質的に等しいか又はより長くなる位置に配置される。

垂直方向に変位可能なスライド機構を有する多軸測定機の概略側面図である。

図１の測定機のための光学測定システムの略図であり、干渉計の対象アームと参照アームが、光学ペンに設けられるとともに、シングルモードファイバによって光源と検出器に接続されている。

干渉計の測定出力をグラフで示したものである。異なる変調周波数における波数の関数として、対物ビームと参照ビームの異なる光路長に関連して、強度が変動する。 干渉計の異なる測定出力をグラフで示したものである。

検出器の出力に基づいて変調周波数を同定するためのプロセッサの計算出力をグラフで示したものである。

図２の構成によるビームマニピュレータの効果を示したものであり、参照ビームの一部がシングルモードファイバの受容円錐の外に広がっている。

代替の光学ペンの略図であり、より小型の構成とするために、参照アームが折り曲げられている。

図２のシステムと類似の光学測定システムの略図であるが、集束光学系の構成が異なる光学ペンを示す。

図１に示す多軸測定機１０は、光学測定機の多くの可能な構成の1つであり、Ｘ座標軸及びＹ座標軸に沿って試験対象物を水平に平行移動させるためのｘ−ｙステージ１４と、（干渉計プローブの目に見える部分としての）光学ペン２０をＺ座標軸に沿って垂直に平行移動させるためのスライド機構１６とを含んでいる。ｘ−ｙステージ１４はマシンベース２２に支持されている。スライド機構１６は、柱２４に担持されたスライドサポート２６に支持されている。光学ペン２０は関節式アーム２８に担持されている。この関節式アーム２８は水平軸線の周りを旋回可能であり、且つＺ座標軸の周りを旋回軸線と共に回動可能である。なお、光学ペン２０は、Ｚ座標軸に固定的に設けてもよい。プローブ光学系の他の目に見えない部分は、１又はそれ以上の光源と、検出器と、その他に測定機１０の計測機能をサポートする装置を含むが、これらは、スライド機構１６が平行移動するスライドサポート２６に収容することができる。光学ペン２０と試験対象物１８との相対運動を様々な軸に沿って、又は様々な軸の周りで測定し、これにより共通の座標系内における光学ペン２０の試験対象物１８に対する相対的位置をモニタすることができる。多軸測定機は、光学ペン２０の他に、Ｚ座標に取り付けられた視覚光学系その他のプローブを含んでいてよい。

測定機１０は、試験対象物１８及び光学ペン２０の一方又は他方を相対移動させるために、回動軸線及び平行移動軸線の他の組合せを有していてもよい。好ましくは、試験対象物プロファイルの実験記述等の試験対象物１８の情報を集めるために、この相対運動は、試験対象物１８の異なる位置の範囲にわたり、試験対象物１８の近くに、光学ペン２０の光学素子を通して放射される光の光学焦点を維持する。試験対象物１８からの光の鏡面反射又は拡散反射は、光学ペン２０の同じ光学素子を通して集められる。

測定機１０のための光学測定システムを用いて試験対象物１８の測定を行うための光学的配置を図２に示す。スライドサポート２６等のマシンの収容部内に収容されたスーパールミネッセントダイオード等の光源３２は、シングルモードファイバ３４を通して、空間的コヒーレンスが高く時間的コヒーレンスが低い光（すなわち、ある範囲にわたって連続した波長を含む光）を光学ペン２０に伝送する。好ましくは、同じスライドサポート２６等の収容部内に、シングルモードファイバ３８を通って光学ペン２０から戻る光を受け取るための検出器３６が配置される。好ましくは、検出器３６からの情報を処理するためのプロセッサ４０は、ユーザインターフェイス（図示せず）と通信するために、収容部外に配置される。

好ましくは、動作スペクトルにわたる利得リップルは低く、帯域幅は検出器３６の動作帯域幅と共に整合される。しかし、光源３２は、瞬時帯域幅を生成する代わりに、目指す帯域幅にわたって逐次的に異なる波長を生成することによって、同様の帯域幅を確立することができる。試験対象物１８の所定の測定箇所について、各波長によって単一干渉位相が生成されるため、検出器３６は、単純な光検知器のような形で単純化することができる。

空間的コヒーレンスが高く時間的コヒーレンスが低い光を、干渉計プローブ２０に向かって伝送し、干渉計プローブ２０から伝送するために、ファイバカプラ４２はシングルモードファイバ３４、３８を共通のシングルモードファイバ４４に接続する。このファイバカプラ４２は５０％／５０％カプラであってよい。シングルモードファイバ４４はシングルモード偏光ファイバであってよい。概略的に示すように、シングルモードファイバ４４は、干渉計プローブ２０のスライドサポート２６に対する動きに対応するため、余分な長さを有している。

光学ペン２０のペン本体２０ａは、破線で示す光学ペン２０を示す輪郭と一致するようにして概略的に示されている。このペン本体２０ａ内で、空間的コヒーレンスが高く時間的コヒーレンスが低い光が、シングルモードファイバ４４の端部４６から光源ビーム４８（点線で示す）として出射される。ペン本体２０ａ内の第一集束光学系５０（２枚構成レンズとして示す）が光源ビーム４８を集め、コリメートする。ペン本体２０ａ内のビームスプリッタ５２は、コリメートされた光源ビーム４８を、（ａ）ビームスプリッタ５２を通過して伝達される対象ビーム６０（点線で示す）と、（ｂ）ビームスプリッタ５２によって反射され、第一集束光学系５０の光軸５８に対して非直角の角度をなす参照ビーム６２（これも点線で示す）とに分割する。

ビームスプリッタ５２は、透過性の平行平面板５４として描かれており、反射面５６を板５４前面の中央部に有している。この透過性の平行平面板５４と反射面５６は、光軸５８に対して角度αだけ傾斜しており、この傾斜角度αは、参照ビームがビームスプリッタ５２によって反射される反射角（２α）の２分の１に等しい。描写の都合上、図２では誇張して描かれているが、角度αは、好ましくは３度以下であり、好ましくは約１．５度である。

反射面５６は光軸５８を中心にした円形領域を有しており、光源ビーム４８の中心光線又は近軸光線を参照ビーム６２として反射する。この反射面５６は、対象ビーム６０を形成する残りの周辺光線を反射せず、またはその通過を妨げない。反射面５６は光学コーティングとして形成されるのが好ましいが、反射板として形成されていてもよく、又は透過板５４の前面又は背面に設けた付加的な反射体として形成されていてもよい。反射面５６は、光軸５８に対して中心に位置するのが好ましいが、環状等、別の形状をなしていてもよい。あるいは、反射面５６は、同様のビームスプリッティング機能を得るため、いわゆる半透過・半反射面（"half-silvered surface";「半鍍銀面」）等の部分的反射面として、透過板５４のいずれかの側の全領域又は一部に形成されていてもよい。

対象ビーム６０は、ビームスプリッタ５２を通過して伝送されると、ペン本体２０ａ内の第二集束光学系６４（２枚構成レンズとして示す）を通り、対象アーム７０に沿って伝搬する。この第二集束光学系６４は、対象ビーム６０を、ペン本体２０ａを越えて、試験対象物１８近傍の対象焦点６６に集束させる。好ましくは、対象ビーム６０は光軸６８を第二集束光学系６４と共有する。この光軸６８は、好ましくは、第一集束光学系の光軸５８と同軸（一直線）をなす。

参照ビーム６２は、ビームスプリッタ５２で反射されると、第一集束光学系５０に戻ってここを通過し、参照アーム７２に沿って伝搬する。第一集束光学系５０は、傾斜した参照ビーム６２を参照反射器７６近傍の参照焦点７４に集束させる。この参照反射器７６は平面鏡の形態にすることができ、プローブ本体２０ａ内に配置されている。参照ビーム６２の参照焦点７４は、シングルモードファイバ４４の端部４６から空間的にオフセットしている。このオフセット量は、反射角（２α）と第一集束光学系５０の焦点距離の関数に相当する。参照ビーム６２の光軸７８は、第一集束光学系５０の光軸５８に対して同様に約２α傾斜している。この角度は、反射面５６の傾斜角度αによって決まる。角度αは、光源ビーム４８がシングルモードファイバ４４の端部４６から第一集束光学系５０を通って意図された伝搬をするのを妨げることなく、集束された参照ビーム６２を反射するために必要な、最小限の角度とするのが好ましい。

参照ビーム６２は、第一集束光学系５０を通って、若干軸からずれた方向に伝搬するが、参照ビーム６２の成分を光源ビーム４８の中心光線又は近軸光線に限定することによって、収差（例えば、コマ収差）効果を最小限にすることができる。このように、第一集束光学系５０によって集束される参照ビーム６２の開口数は、同様に第二集束光学系６４によって集束される対象ビーム６０の開口数よりも小さい。光源ビーム４８に対する参照ビーム６２の傾斜角度が制限されていることは、参照ビーム６２の寸法が制限されていることと相俟って、光源ビーム４８と参照ビーム６２の重なり合いの最適化に貢献し、それによって、ペン本体２０ａの一層の小型化及び軸対称性を可能にする。好ましくは、集束光学系５０、６４は、対象ビーム６０と参照ビーム６２の異なる波長の集束効果に適合させるために、無色の低分散レンズとするのが好ましい。軸を外れた参照ビームのより大きなサイズに対応するため、３枚構成レンズ、非球面の無色レンズ、その他のより自由度の高いレンズ設計を用いることができる。

試験対象物１８からの対象ビーム６０の鏡面反射または拡散反射は、ビームスプリッタ５２に戻る途中で、第二集束光学系６４によって集められ、再コリメートされる。同様に、参照反射器７６からの再反射は、ビームスプリッタ５２に戻る途中で、第一集束光学系５０によって集められ、実質的に再コリメートされる。ビームスプリッタ５２において、ビームスプリッタ５２を通って伝送された戻り対象ビーム６０の少なくとも一部と、反射面５６で反射された戻り参照ビーム６２の少なくとも一部が、同軸をなすようにして再結合されて、共通の測定ビーム８０となる。この測定ビーム８０は、第一集束光学系５０によって、シングルモードファイバ４４の端部４６近傍の測定焦点８２に集束される。ファイバ４４の端部４６は、受容円錐（アクセプタンスコーン）の体積を通して測定ビーム８０を受け取る。受容円錐の体積は、一般的にファイバのコアとクラッドの屈折率に関係する。

分光計として構成された検出器３６内で、測定ビーム８０は再コリメートされ、回折格子から、スペクトル的に分散された方向の範囲にわたって反射される。拡散された測定ビーム８０は、フォトダイオードまたは電荷結合素子（ＣＣＤ）のリニアアレイに沿って収束することができる。測定ビーム８０の対象ビーム６０部分からの異なる周波数（波長の逆数）の各々は、前記アレイに沿う異なる焦点位置で、測定ビーム８０の参照ビーム６２部分の対応する周波数と干渉する。アレイに沿って収束された光の強度は、modulo2π位相差(測定ビーム８０の対象ビーム５６部分と参照ビーム５８部分との間の位相差）を表し、検出可能な周波数で変調し変調周波数と呼ばれる。変調周波数は、ナイキスト間隔（ピクセルサンプリングに起因する）内で、測定ビーム８０における対象ビーム５６部分と参照ビーム５８部分との間の光路長差に比例して変化する。この強度情報は、分離したピクセルによって収集されるので、識別可能な周波数の範囲は、一般に、ゼロから測定に関与するピクセル数の１/２までである。

図３Ａおよび図３Ｂは、リニアアレイのピクセルに沿って捕捉された強度変動の２つの異なる例をグラフで示している。このリニアアレイに沿って異なる周波数（波数）の焦点位置が分散される。干渉位相の変化に対応する強度の変化は、測定可能な周波数において実質的に周期的であり、変調周波数と呼ばれる。測定ビーム８０の対象ビーム６０部分と参照ビーム６２部分との間の光路長差がゼロ（すなわちゼロ位置；null position）から増加すると、変調周波数は測定のナイキスト間隔内で比例的に増加する。例えば、図３Ａに示す変調周波数は図３Ｂに示す変調の周波数よりも高い。このことは、図３Ａに示すようにして検出器３６によって捕捉された測定ビーム８０の対象ビーム６０部分と参照ビーム６２部分との間の光路長差の測定値が、図３Ｂに示すようにして検出器３６によって捕捉された光路長差の測定値に対して、より大きいことを証明している。図４は、図示された測定範囲内の周波数スパイク８６としての演算された変調周波数を示し、プロセッサ４０からグラフィカルに出力することができる。

プロセッサ４０内で、計算された変調周波数を、試験対象物１８の表面の高さに変換することもできる。共通の座標系内での試験対象物１８上の点のある範囲にわたるデータを収集するために、光学ペン２０と試験対象物１８との間の相対運動を監視して、空間内の光学ペン２０の対象焦点６６の位置を追跡する。セットアップ中、理想的な焦点位置で考慮される対象ビーム６０と参照ビーム６２との間の光路長差は、所与の変調周波数に設定される。測定中に、表面高さの変化として解釈される所与の変調周波数からのずれ量を、対象焦点６６の測定された相対位置に加算または減算することができ、これにより、試験対象物１８上の測定点の位置をより高精度に測定することができる。

所与の変調周波数からのずれは、理想的な焦点位置からのずれの尺度でもあるので、所与の変調周波数からのずれを用いて、使用可能な範囲内にフォーカスを維持することもできる。言い換えれば、光学ペン２０の相対位置を光学ペン２０をＺ軸に沿って変えることにより、理想的な焦点が試験対象物１８の表面に近づく位置に修正し、変調周波数を所与の変調周波数に近づけることができる。前記焦点補正は、意図されたナイキスト間隔測定内で、かつ集束光学系６４の焦点深度内で、光学ペンを維持する。

変調周波数を決定することができる精度は、部分的には干渉位相変調が表れるコントラストに基づいている。強度は波形の振幅の２乗に関係するので、干渉位相変調の最大のコントラストは、測定ビーム８０における対象ビーム６０部分と参照ビーム６２部分の相対強度が等しい場合に生じる。測定ビーム８０の戻り対象ビーム６０の成分の強度は、測定点での試験対象物１８の反射率に依存し、この反射率は試験対象物間または同一試験対象物の異なる部分間でかなり変化し得る。

一般的に試験対象物１８の反射率は参照反射器７６の反射率よりも小さいため、好ましくはビームスプリッタ５２は、光を反射するより、光をより効果的に透過するように構成される。それにより、参照ビーム６２を犠牲にして、光源ビーム４８のエネルギーのより多くの部分が対象ビーム６０に優先的に分配される。反射面５６の寸法、配置、及び反射率を制御して、対象ビーム６０と参照ビーム６２との間でのエネルギーの分配を調整することができる。

反射された対象ビーム６０と反射された参照ビーム６２とのバランスをより厳密に取るために、参照ビーム６２の寸法の異なる部分がシングルモードファイバ４４の受容円錐内に集束されるのを、調整可能に除外することができる。例えば、図２に示すように、参照反射器７６をリニアアジャスタ８４の形態をなすビームマニピュレータに接続することができる。リニアアジャスタ８４には、調整ねじ駆動機構、又はプロセッサ４０その他の制御装置により制御される駆動装置（例えば、トランスデューサ）等がある。これにより、参照反射器７６を参照ビーム６２の光軸７８に沿って変位させて、参照ビーム６２を調節可能にデフォーカスする（焦点をぼかす）ことができる。

参照ビーム６２のデフォーカスにより、反射された参照ビーム５８に波面曲率の偏差量が導入され、測定ビームの収束された体積がシングルモードファイバ４４の受容円錐を超えて広がる。デフォーカスを増大させると、測定ビーム８０のうちの反射された参照ビーム６２部分のより大きな部分が排除される。この調節は、反射参照ビーム６２の強度を調節する簡単で対称的な方法を提供する。所望のデフォーカス量を決めるために、全体的な測定強度の変動によって、検出器３６内で干渉コントラストを測定することができる。デフォーカス量の調節により、測定された強度変動をより良好に最適化することができる。

図５に示すように、第一集束光学系５０によって再集束されると、測定ビーム８０のうちの参照ビーム６２部分は、光軸５８の周りにより大きな角度範囲１１１又はより小さな角度範囲１０６を含み、シングルモードファイバ４４の端部４６により大きなスポットサイズをもたらす。これにより、測定ビーム８０の参照ビーム６２部分の集束成分の少なくとも一部が、シングルモードファイバ４４の受容円錐１００（仮想線で示す）の外側を向く。

シングルモードファイバ４４に入ることができる光の体積は、受容円錐１００に含まれる。シングルモードファイバ４４の断面には、シングルモードファイバ４４のコア１０２と、それを取り囲むクラッド１０４とが示されている。実線で示す別の円錐１０６は、参照反射器７６によってデフォーカスされた測定ビーム８０の参照ビーム６２部分を表わしている。この参照ビーム６２部分は、シングルモードファイバ４４の端部４６の前で収束するようにデフォーカスされている。円錐１０６は第一集束光学系５０の光軸５８の周りで対称性をもって収束しているが、この円錐１０６は、受容円錐１００の外側に分配された角度成分を有している。その結果、測定ビーム８０の参照ビーム６２部分の、測定ビーム８０の対象ビーム６０部分に対する相対的強度が減じられる。反射された対象ビーム６０の相対強度を測定中にモニタして、測定ビーム８０の対象ビーム６０部分と参照ビーム６２部分の強度のバランスを再度図るために、デフォーカスの増減のいずれが要求されるのかを決定することができる。

特に、光源ビーム４８の周辺光線を反射することなく、光源ビーム４８の中心光線又は近軸光線を反射するために、反射面５６がビームスプリッタ板５４の部分の中央に位置する場合は、参照反射器７６は好ましくは、参照光軸７８に沿って、第一集束光学系５０からの距離が、第一集束光学系５０の焦点距離と実質的に等しいか又はそれより長い位置にある。戻り参照ビーム６２が、反射面５６を越えて広がらないようにするためである。このような広がりは、一次変調周波数に大きな影響を及ぼす可能性は低いが、集束光学系５０、６４の光学開口内に残る迷光が、背景放射を増大させかねない。例えば、戻り参照ビーム６２が、第二集束光学系６４によって、試験対象物１８のオフセットした焦点スポットに集束されかねない。

対象ビーム６０は、対象光軸６８に沿って、ビームスプリッタ５２と対象焦点６６との間を第一光学距離だけ進むことができ、参照ビーム６２は、参照光軸７８に沿って、ビームスプリッタ５２と参照反射器７６との間を第二光学距離だけ進むことができる。このように構成されているので、好ましくは、第一光学距離と第二光学距離は、無干渉状態を回避する最小限の量だけオフセットされている。しかし、ペン本体２０ａと対象焦点６６との間に長い作動距離が必要であることを考慮すると、対象ビーム６０の光路長が長くなる傾向があり、従って、参照ビーム６２の光路長は、同程度の長さ、又はそれより長いことが好ましい。第二集束光学系６４は所望のオフセットを提供するため、その軸６８に沿って調整することができる。

好ましくは、（ａ）所望のとおり測定ビーム８０をシングルモードファイバ４４の端部４６に集束し得る形で戻し、（ｂ）対象ビームと参照ビームとの間の意図せぬ差動効果を避けるために、好ましくは、第一集束光学系５０と第二集束光学系６４を含む様々な光学系は、色分散その他の収差を最小限にするか制御するように、構成されている。測定ビームを所望のとおりシングルモードファイバ４４の端部４６に確実に集束させるために、収差は最小限とすることが好ましい。また、測定に意図しない影響が及ぶのを避けるために、収差は最小限とするか、伝搬するビームの対象ビーム成分と参照ビーム成分との間のバランスを取ることが好ましい。例えば、対象ビームを構成する光は、第一集束光学系５０と第二集束光学系６４をそれぞれ２度通って伝搬し、参照ビームを構成する光は、第一集束光学系５０を４度通って伝搬する。異なる伝播経路に関連した差動収差効果は、いかなるものであっても、最小化するのが好ましい。対象ビームと参照ビームとを構成する光は光源ビーム４８と測定ビーム８０の中を共に伝搬するが、第一集束光学系５０を通る異なる伝搬経路も考慮することが好ましい。

図６は代替の光学ペン９０を示す。この光学ペン９０は、参照ビームを所望の光路長にしているにも拘わらず、よりコンパクトに構成され、ペン本体９２がより細くなっている。ほとんどの部材は光学ペン２０と同じであり、同一の参照番号で示す。しかし、参照アーム９６をよりコンパクトに折り曲げるために、平面鏡等の中間反射器９４が加えられている。参照ビーム６２の経路は、光学ペン２０について説明したように、光源ビーム４８から分割されたものであってよいが、第一集束光学系５０の光軸５８を横切って折り曲げられる（折り畳まれる）。すなわち、光源ビーム４８と測定ビーム８０の経路を横切って折り曲げられる。このようにして、参照ビーム６２が占める体積のより大きな部分が、光源ビーム４８が占める体積内にとどまる。加えて、参照ビーム６２の折り曲げられた経路は、参照ビーム６２の光源ビーム４８からの径方向のオフセットを制限し、これにより、ペン本体９２がより細く、及び／又は、集束光学系の一直線をなす光軸５８、６８を中心により径方向対称に近づく。

このような折り曲げ状態で、参照反射器７６は、第一集束光学系５０の光軸５８と直角に配向された面法線を有することができる。これにより、参照反射器７６は、ペン本体９２の径方向周辺に配置することが可能となり、これにより、調整機構８４はペン本体９２を通してより容易にアクセス可能、又は調整可能である。ペン本体９２の径方向周辺で同様にアクセス可能でありながら、参照反射器７６の面法線は、第一集束光学系５０の光軸５８に対して直角から少しだけ（例えば、３度〜１０度）傾斜していてもよい。調節機構８４は、前記のように傾斜した参照反射器７６を光軸５８に沿って平行移動させて、参照ビーム６２のシングルモードファイバ４４の受容円錐の中にとどまる部分を調整することができる。参照反射器７６の面法線は傾斜してはいても、光源ビーム４８と参照ビーム６２の交差する経路を支持するために、依然として光軸５８に対してほぼ直角である。中間反射器９４の傾斜は、傾斜した参照反射器７６からの戻り反射のために参照ビーム６２の向きを維持するように設定される。それによって、光軸５８に沿った平行移動の効果が、参照ビーム６２を変化可能にデフォーカスさせ、それによって、参照ビーム６２のうち、シングルモードファイバ４４の受容円錐内にとどまる部分を調整できる。

図７は別の代替の光学ペン１１０を示している。この光学ペン１１０においては、第一集束光学系５０の光軸５８が参照ビーム６２の光軸７８と一致している。第二集束光学系６４と対象ビーム６０は、前述の実施形態と同じく、共通の光軸６８を共有している。そのため、光学ペン１１０においては、参照ビーム６２と対象ビーム６０の両方が、軸上ビームとして、それぞれ第一集束光学系５０と第二集束光学系６４に沿って伝搬し、対象ビーム６０と参照ビーム６２との間の差動（difference）の原因を制限する。しかし、第一集束光学系５０の光軸５８は第二集束光学系６４の光軸６８に対して傾斜している。加えて、第一集束光学系５０の光軸５８は、シングルモードファイバ４４の端部４６に出入りする光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２に対しても同様に傾斜している。光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２は、第二集束光学系６４の光軸６８と一直線（同軸）をなしたままである。

光学ペン１１０のペン本体２０ａ内において、光ファイバ４４によって伝送される空間的コヒーレンスが高く時間的コヒーレンスが低い光が、シングルモードファイバ４４の端部４６から光源ビーム４８として出射し、第一集束光学系５０に向かう拡散ビームとして伝搬する。しかし、第一集束光学系５０の光軸５８に沿った位置にあるシングルモードファイバ４４の端部４６から出射するのではなく、シングルモードファイバ４４の端部４６は、第一集束光学系５０の焦点面において第一集束光学系５０の光軸５８からずれた位置にある。そのため、集束光学系５０は依然として光源ビーム４８をコリメートするように配置されている。しかし、光源ビーム４８は第一集束光学系５０の光軸５８に対して傾斜した配向でコリメートされる。

ペン本体２０ａ内のビームスプリッタ５２は、コリメートされた光源ビーム４８を（ａ）ビームスプリッタ５２を通過して伝搬する対象ビーム６０と、（ｂ）ビームスプリッタ５２によって反射され、第一集束光学系５０の光軸５８と同軸をなす参照ビーム６２とに分割する。第一集束光学系５０の光軸５８は、光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２に対して、参照ビーム６２の光源ビーム４８に対する意図された傾斜と同じ角度だけ傾斜している。参照ビーム６２を第一集束光学系５０の光軸５８と同軸をなして反射させるために、ビームスプリッタ５２の反射面５６の面法線は、光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２に対して、半分の角度だけ相対的に傾斜している。したがって、前の実施形態と同様に、ビームスプリッタ５２の反射面５６の面法線は、光軸５８に対してα度だけ傾斜している。これは、参照ビーム６２がビームスプリッタ５２によって反射される反射角（２α）の半分である。同じ面法線が、光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２に対して、α度だけ傾斜しており、その結果、第一集束光学系５０と参照ビーム６２の光軸５８、７８が、光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２に対して、２α度だけ傾斜している。ここでもまた、図７では便宜上誇張して示されているが、角度αは、好ましくは３度以下であり、好ましくは約１．５度である。

前述の実施形態と同様に、対象ビーム６０はビームスプリッタ５２を通過して伝送され、対象アーム７０に沿い、ペン本体２０ａ内の第二集束光学系６４を通って伝搬する。この第二集束光学系６４は、対象ビーム６０を、ペン本体２０ａを越えて試験対象物１８の近傍の対象焦点６６に集束させる。対象ビーム６０は第二集束光学系６４と光軸６８を共有する。この光軸６８も好ましくは、光源ビーム４８と測定ビーム８０の共通の光軸１１２と同軸をなすが、第一集束光学系５０の光軸５８に対しては傾斜している。

ビームスプリッタ５２で反射すると、参照ビーム６２は参照アーム７２に沿って伝搬し、第一集束光学系５０に戻ってここを通る。この第一集束光学系５０は傾斜した参照ビーム６２を参照反射器７６近傍の参照焦点７４に集束させる。これまでの実施形態とは異なり、参照ビーム６２の軸線７８は第一集束光学系５０の光軸５８と一致し、それは軸ずれの影響を抑制する（この軸ずれは、対象ビーム６０とは異なって参照ビーム６２に影響を及ぼしかねない）。それでも、参照ビーム６２の参照焦点７４は、シングルモードファイバ４４の端部４６から、反射角（２α）及び第一集束光学系５０の焦点距離に関連した関数に相当する量だけ、空間的にずれている。この位置ずれにより、参照ビーム６２が参照反射器７６によって反射され第一集束光学系５０に戻る際に、シングルモードファイバ４４の端部４６から第一集束光学系５０を通って意図された伝搬をする光源ビーム４８との干渉を回避できる。

ビームスプリッタ５２は、参照ビーム６２を中心光線又は近軸光線に制限する反射面５６を、中央に配置して描かれているが、反射面５６は、同様のビームスプリッティング機能を得るため、いわゆる半透過・半反射面（"half-silvered surface";「半鍍銀面」）等の部分的反射面として、透過板５２のいずれかの側の全領域又は一部領域に形成されていてもよい。このようにすれば、参照ビーム６２と対象ビーム６０間の系統的対応関係を加えて、参照ビーム６２を対象ビーム６０と同程度の寸法にすることができる。しかし、部分的反射体とした場合、戻り対象ビーム６０及び戻り参照ビーム６２に関連した意図せぬ二次的困難が起こりかねない。そのような二次的困難では、強度が減じられ、測定範囲を超えた相対的経路長で伝搬する傾向がある。例えば、参照ビーム６２の戻り光線の一部は、軸ずれ角度（off-axis angle）で第二集束光学系６４に達し、試験対象物１８で集束する可能性がある。この焦点からの光は、参照ビーム６２で意図された距離の２倍の距離を伝搬した後、参照ビーム６２に再結合する可能性がある。

前述の実施形態と同様に、試験対象物１８からの対象ビーム６０の鏡面反射又は乱反射が、ビームスプリッタ５２に戻る途中で、第二集束光学系６４によって集められ再コリメートされる。同様に、参照反射器７６からの戻り反射が、ビームスプリッタ５２に戻る途中で、第一集束光学系５０によって集められ実質的に再コリメートされる。ビームスプリッタ５２において、ビームスプリッタ５２を通過して伝送される戻り対象ビーム６０の少なくとも一部が、反射面５６で反射して対象ビーム６０と同軸をなす戻り参照ビーム６２の少なくとも一部と再結合して、共通の測定ビーム８０となる。この測定ビーム８０は、第一集束光学系５０によって、シングルモードファイバ４４の端部４６近傍の測定焦点８２に集束する。シングルモードファイバ４４の端部４６は、ファイバのコアとクラッドの屈折率に関係する受容円錐の体積を通して、測定ビーム８０を受け取る。

しかし、前述の実施形態とは対照的に、再コリメートされて同軸をなす（共通の測定ビーム８０とみなされる）対象ビーム６０と参照ビーム６２は、軸ずれ角度（off-axis angle;２α）で第一集束光学系と出会い、シングルモードファイバ４４の端部４６の近傍に集束される。この端部４６は第一集束光学系５０の焦点面において、第一集束光学系５０の光軸５８からずれた位置にある。そのため、第一集束光学系５０は、収差（例えば、コマ収差）効果を最小限にするのに十分な品質で設計される必要がある。この収差は、シングルモードファイバの端部での受容円錐に対する測定焦点８２の相対的な寸法又は形状に悪影響を及ぼしかねない。

前述の２つの実施形態と同様に、測定ビーム８０における対象ビームと参照ビームの相対強度は、測定される強度の変動をより最適化するように調整することができる。この調節には、プロセッサ４０その他の制御装置の制御を受けるリニアアジャスタ８４等の調整可能なビームマニピュレータを用いる。このビームマニピュレータは、シングルモードファイバ４４の端部４６の近傍で参照ビーム６２を変動可能にデフォーカスするために、参照反射器７６を参照ビーム６２の光軸７８に沿って変位させる。図６の実施形態と同様に、平面鏡等の中間反射器９４を追加し、新しい参照アームを折り曲げて、よりコンパクトな構成にしてもよい。

当業者には、本発明の全体的教示に従って、例示された実施形態で開示された要素の代替、変形、改変、追加及び異なる組合せが可能であることが理解されよう。本発明の全体的教示は、以下の特許請求の範囲に包含される。

Claims (20)

1. 試験対象物上の複数の点にわたって干渉距離測定を行うための光学ペンであって、
   シングルモード光ファイバの端部を受け入れるように構成されるペン本体を備え、前記シングルモード光ファイバは、前記ペン本体に光源ビームを伝送し、前記ペン本体からの測定ビームを伝送するためのものであり、
   さらに、
   前記ペン本体に支持され、前記シングルモードファイバの端部から出射された前記光源ビームをコリメートする第一集束光学系と、
   前記ペン本体に支持され、前記光源ビームの第１部分を対象ビームとして通過させ、前記光源ビームの第２部分を、参照ビームとして、非垂直の入射角で反射させて前記第一集束光学系へ戻すとともに通過させるビームスプリッタと、
   前記ペン本体に支持され、前記対象ビームを、前記ペン本体を超えて試験対象物に近接する対象焦点に集束させ、試験対象物から反射された対象ビームを、戻り対象ビームとしてコリメートする第二集束光学系と、
   前記参照ビームを戻り参照ビームとして反射して前記第一集束光学系を通って前記ビームスプリッタに戻す参照反射器と、
   を備え、
   前記ビームスプリッタは、前記戻り対象ビームを通過させ、前記戻り参照ビームを反射して戻り対象ビームと同軸にし、それによって前記戻り対象ビームと前記戻り参照ビームとを結合して前記測定ビームにし、
   前記第一集束光学系は、前記測定ビームを前記シングルモードファイバの端部に集束させるように構成されており、
   さらに、前記参照反射器への前記参照ビームおよび前記参照反射器からの前記参照ビームの経路を、途中で折り曲げるための中間反射器を備えており、
   前記光源ビームと前記測定ビームとが、前記光ファイバの前記端部と整列した共通光軸を含み、前記中間反射器が、前記光源ビームと前記測定ビームの共通光軸を横切るようにして、前記参照ビームの経路を折り曲げる、光学ペン。
2. （ａ）前記シングルモードファイバの端部が、受容円錐を画定し、この受容円錐を通して光が前記シングルモードファイバに入るようになっており、 （ｂ）前記参照ビームおよび前記戻り参照ビームが、前記中間反射器と前記参照反射器との間の参照光軸の折り曲げ端部を共有し、
   （ｃ）前記参照反射器は、戻り参照ビームをデフォーカスするために前記参照光軸の折り曲げ端部に沿って調整可能であり、これにより、前記シングルモードファイバ端部の受容円錐内での、前記測定ビームにおける戻り参照ビーム部分と戻り対象ビーム部分の間のビームエネルギーのバランスをとることが可能である、請求項１に記載の光学ペン。
3. 前記第一集束光学系が光軸を含み、前記ビームスプリッタが、前記第一集束光学系の光軸に対して非垂直の角度で傾斜する少なくとも部分的に反射する面を含み、前記少なくとも部分的に反射する面の法線は、前記第一集束光学系の光軸から３度以下の角度で離れている、請求項１に記載の光学ペン。
4. 前記第一、第二集束光学系がそれぞれの光軸を含み、前記対象ビームおよび戻り対象ビームが前記第二集束光学系を通って延びる対象光軸を共有し、前記参照ビームおよび前記戻り参照ビームが、第一集束光学系を通って延びる参照光軸を共有し、前記光源ビームおよび前記測定ビームは、前記第一集束光学系を通って延びる共通光軸を共有し、前記参照光軸は、前記光源ビームおよび前記測定ビームの前記共通光軸に対して傾斜している、請求項１〜３のいずれかに記載の光学ペン。
5. 前記参照光軸が前記第一集束光学系の光軸に対して傾斜しており、前記光源ビームおよび前記測定ビームの前記共通光軸が、前記第一集束光学系の光軸と同軸をなし、前記対象光軸は前記第二集束光学系の光軸と同軸をなし、前記第一集束光学系の光軸は前記第二集束光学系の光軸と同軸をなす、請求項４に記載の光学ペン。
6. 前記参照光軸が前記第一集束光学系の光軸と同軸をなし、前記光源ビームと前記測定ビームの前記共通光軸が前記第二集束光学系の光軸と同軸をなし、前記対象光軸は前記第二集束光学系の光軸と同軸をなし、前記第一集束光学系の光軸は前記第二集束光学系の光軸に対して傾斜している、請求項４に記載の光学ペン。
7. 試験対象物上の複数の点にわたって干渉距離測定を行うための光学ペンであって、
   シングルモード光ファイバの端部を受け入れるように構成されるペン本体を備え、前記シングルモード光ファイバは、前記ペン本体に光源ビームを伝送し、前記ペン本体からの測定ビームを伝送するためのものであり、
   さらに、
   前記ペン本体に支持され、前記シングルモードファイバの端部から出射された前記光源ビームをコリメートする第一集束光学系と、
   前記ペン本体に支持され、前記光源ビームの第１部分を対象ビームとして通過させ、前記光源ビームの第２部分を、参照ビームとして、非垂直の入射角で反射させて前記第一集束光学系へ戻すとともに通過させるビームスプリッタと、
   前記ペン本体に支持され、前記対象ビームを、前記ペン本体を超えて試験対象物に近接する対象焦点に集束させ、試験対象物から反射された対象ビームを、戻り対象ビームとしてコリメートする第二集束光学系と、
   前記参照ビームを戻り参照ビームとして反射して前記第一集束光学系を通って前記ビームスプリッタに戻す参照反射器と、
   を備え、
   前記ビームスプリッタは、前記戻り対象ビームを通過させ、前記戻り参照ビームを反射して戻り対象ビームと同軸にし、それによって前記戻り対象ビームと前記戻り参照ビームとを結合して前記測定ビームにし、
   前記第一集束光学系は、前記測定ビームを前記シングルモードファイバの端部に集束させるように構成されており、
   さらに、前記参照反射器への前記参照ビームおよび前記参照反射器からの前記参照ビームの経路を、途中で折り曲げるための中間反射器を備えており、
   前記第一集束光学系が光軸を含み、前記ビームスプリッタが、前記第一集束光学系の光軸に対して非垂直の角度で傾斜する少なくとも部分的に反射する面を含み、前記少なくとも部分的に反射する面の法線は、前記第一集束光学系の光軸から３度以下の角度で離れており、
   前記部分的に反射する面が、前記光源ビームと前記測定ビームの前記共通光軸に対して傾斜した参照光軸に沿って、前記光源ビームの中心光線または近軸光線を反射し、前記対象ビームを形成する前記光源ビームの周辺光線を反射しない、光学ペン。
8. 試験対象物上の複数の点にわたって干渉距離測定を行うための光学ペンであって、
   シングルモード光ファイバの端部を受け入れるように構成されるペン本体を備え、前記シングルモード光ファイバは、前記ペン本体に光源ビームを伝送し、前記ペン本体からの測定ビームを伝送するためのものであり、
   さらに、
   前記ペン本体に支持され、前記シングルモードファイバの端部から出射された前記光源ビームをコリメートする第一集束光学系と、
   前記ペン本体に支持され、前記光源ビームの第１部分を対象ビームとして通過させ、前記光源ビームの第２部分を、参照ビームとして、非垂直の入射角で反射させて前記第一集束光学系へ戻すとともに通過させるビームスプリッタと、
   前記ペン本体に支持され、前記対象ビームを、前記ペン本体を超えて試験対象物に近接する対象焦点に集束させ、試験対象物から反射された対象ビームを、戻り対象ビームとしてコリメートする第二集束光学系と、
   前記参照ビームを戻り参照ビームとして反射して前記第一集束光学系を通って前記ビームスプリッタに戻す参照反射器と、
   を備え、
   前記ビームスプリッタは、前記戻り対象ビームを通過させ、前記戻り参照ビームを反射して戻り対象ビームと同軸にし、それによって前記戻り対象ビームと前記戻り参照ビームとを結合して前記測定ビームにし、
   前記第一集束光学系は、前記測定ビームを前記シングルモードファイバの端部に集束させるように構成されており、
   さらに、前記参照反射器への前記参照ビームおよび前記参照反射器からの前記参照ビームの経路を、途中で折り曲げるための中間反射器を備えており、
   前記ビームスプリッタが、非垂直の角度で傾斜し中央に配置された反射体と、この反射体を境界付ける円盤形状または環状の透過領域とを有している、光学ペン。
9. （ａ）前記対象ビームを形成する前記光源ビームの周辺光線を反射することなく、前記光源ビームの中心光線または近軸光線を反射するために、部分的に反射する面がビームスプリッタの一部にあり、
   （ｂ）前記第一集束光学系は焦点距離を有し、
   （ｃ）前記参照反射器は、前記第一集束光学系からの距離が、第一集束光学系の焦点距離と実質的に等しいか又はそれより大きい位置にあり、これにより前記戻り参照ビームが中央に配置された反射体を超えて広がらない、請求項８に記載の光学ペン。
10. 前記第一、第二集束光学系がそれぞれの光軸を有し、前記第一集束光学系の光軸が前記第二集束光学系の光軸に対して傾斜しており、前記ビームスプリッタはさらに、前記第二集束光学系の光軸と同軸をなす対象光軸に沿って、前記光源ビームの第１部分を前記対象ビームとして透過し、前記第一集束光学系の光軸と同軸をなす参照光軸に沿って、前記光源ビームの第２部分を前記参照ビームとして反射するように構成されている、請求項１に記載の光学ペン。
11. 前記対象ビームおよび前記戻り対象ビームが、前記第二集束光学系の光軸と同軸をなす前記対象光軸を共有し、前記参照ビームおよび前記戻り参照ビームが、前記第一集束光学系と同軸をなす前記参照光軸を共有する、請求項１０に記載の光学ペン。
12. 前記光源ビームと前記測定ビームの前記共通光軸が、前記第二集束光学系の光軸と同軸をなしている、請求項１１に記載の光学ペン。
13. 前記ビームスプリッタは、少なくとも部分的に反射する面を含む透過板として形成され、前記透過板は、前記第一集束光学系の光軸に対して非垂直の角度で傾斜し、前記少なくとも部分的に反射する表面の法線は、第一集束光学系の光軸から３度以下の角度だけ離れている、請求項１２に記載の光学ペン。
14. シングルモードファイバを介して光源と検出器の両方に接続された光学ペンを有する光学測定システムを用いて、試験対象物上の複数の点にわたって干渉距離測定を行う方法であって、
    前記光学ペンの第一集束光学系を通して、前記シングルモードファイバの端部から出射される光源ビームをコリメートする工程と、
    コリメートされた光源ビームをビームスプリッタにおいて、（ａ）前記光学ペンの第二集束光学系を通過して試験対象物に近接する対象焦点に向かう対象ビームと、（ｂ）非垂直の入射角度で反射され、前記第一集束光学系に戻るとともに前記第一集束光学系を通って前記光学ペンの参照反射器に向かう参照ビームと、に分割する工程と、
    試験対象物で反射された対象ビームを戻り対象ビームとして、前記第二集束光学系を通してコリメートする工程と、
    前記参照反射体で反射された参照ビームを戻り参照ビームとして、前記第一集束光学系を通してコリメートする工程と、
    前記ビームスプリッタで前記戻り対象ビームと前記戻り参照ビームとを結合して測定ビームにし、前記第一集束光学系を通して前記シングルモードファイバの端部への集束経路に伝送する工程と、
    を備え、
    前記光源ビームおよび測定ビームと、前記対象ビームおよび戻り対象ビームが、前記第二集束光学系の光軸および前記シングルモードファイバの端部と同軸をなすそれぞれの光軸に沿って伝搬し、
    前記参照ビームおよび前記戻り参照ビームが、前記第一集束光学系の光軸と同軸をなし、前記第二集束光学系の光軸に対して傾斜する参照光軸に沿って伝播し、
    さらに、前記参照ビームと前記戻り参照ビームの両方を、前記参照反射器へ向かう途中及び前記参照反射器から戻る途中で、折り曲げられた経路に沿って反射する工程を含み、 前記折り曲げられた経路は、前記光源ビームおよび前記測定ビームの経路と交差しており、これにより、前記参照ビームおよび戻り参照ビームによって占められる体積のより多くの部分が、前記光源ビームおよび測定ビームによって占められる体積内に残る、方法。
15. さらに、
    前記シングルモードファイバに沿って前記光源から前記光源ペンへ前記光源ビームを伝送する工程と、
    前記測定ビームを前記シングルモードファイバに沿って検出器に伝送する工程と、
    前記測定ビームを前記シングルモードファイバの受容円錐内で、前記シングルモードファイバの端部に集束させる工程と、
    前記シングルモードファイバの端部の受容円錐内で、前記測定ビームにおける戻り参照ビーム部分と戻り対象ビーム部分との間のビームエネルギーのバランスをとるために、前記折り曲げ経路に沿って前記参照反射器を調整することにより、前記戻り参照ビームをデフォーカスする、請求項１４に記載の方法。
16. 前記光源ビームが、ある波長範囲にわたる帯域幅を含んでおり、
    さらに、前記第一集束光学系を介しての前記参照ビームを含む光の透過に関連する色分散を、前記第一集束光学系と前記第二集束光学系を介しての前記対象ビームを含む光の透過に関連した色分散に適合させる工程を備えた、請求項１４または１５に記載の方法。
17. シングルモードファイバを介して光源と検出器の両方に接続された光学ペンを有する光学測定システムを用いて、試験対象物上の複数の点にわたって干渉距離測定を行う方法であって、
    前記光学ペンの第一集束光学系を通して、前記シングルモードファイバの端部から出射される光源ビームをコリメートする工程と、
    コリメートされた光源ビームをビームスプリッタにおいて、（ａ）前記光学ペンの第二集束光学系を通過して試験対象物に近接する対象焦点に向かう対象ビームと、（ｂ）非垂直の入射角度で反射され、前記第一集束光学系に戻るとともに前記第一集束光学系を通って前記光学ペンの参照反射器に向かう参照ビームと、に分割する工程と、
    試験対象物で反射された対象ビームを戻り対象ビームとして、前記第二集束光学系を通してコリメートする工程と、
    前記参照反射体で反射された参照ビームを戻り参照ビームとして、前記第一集束光学系を通してコリメートする工程と、
    前記ビームスプリッタで前記戻り対象ビームと前記戻り参照ビームとを結合して測定ビームにし、前記第一集束光学系を通して前記シングルモードファイバの端部への集束経路に伝送する工程と、
    を備え、
    前記光源ビームおよび測定ビームと、前記対象ビームおよび戻り対象ビームが、前記第二集束光学系の光軸および前記シングルモードファイバの端部と同軸をなすそれぞれの光軸に沿って伝搬し、
    前記参照ビームおよび前記戻り参照ビームが、前記第一集束光学系の光軸と同軸をなし、前記第二集束光学系の光軸に対して傾斜する参照光軸に沿って伝播し、
    （ａ）コリメートされた前記光源ビームを前記ビームスプリッタで分割する工程が、前記光源ビームの一部を前記参照ビームとして、前記第一集束光学系の光軸に対して傾斜した方向に反射させる工程を含み、
    （ｂ）前記参照ビームとしての前記光源ビームの一部を反射する工程は、前記対象ビームを形成する前記光源ビームの周辺光線を反射することなく、前記光源ビームの中心光線または近軸光線を反射する工程を含み、
    前記参照反射器を、前記第一集束光学系からの光学距離が、前記第一集束光学系の焦点距離と実質的に等しいかそれよりも大きい位置に、位置決めする工程を含む、方法。
18. コリメートされた前記光源ビームを前記ビームスプリッタで分割する工程が、
    （ａ）前記光源ビームの一部を前記参照ビームとして、前記光源ビームおよび前記測定ビームの共通光軸と前記第一集束光学系の光軸の両方に対して傾斜する方向に反射する工程と、
    （ｂ）前記光源ビームの一部を前記対象ビームとして、前記光源ビームおよび前記測定ビームの共通光軸と前記第一集束光学系の光軸の両方に対して同軸をなす方向に透過させる工程と、
    を含む請求項１４または１５に記載の方法。
19. さらに、
    前記シングルモードファイバに沿って前記光源から前記光源ビームを前記光学ペンに伝送する工程と、
    前記シングルモードファイバに沿って前記測定ビームを前記検出器に伝送する工程と、
    前記測定ビームを前記シングルモードファイバの受容円錐内で前記シングルモードファイバの端部に集束させる工程と、
    を備えた、請求項１４に記載の方法。
20. さらに、前記参照反射器を前記参照光軸に沿って調整して、前記戻り参照ビームをデフォーカスし、これにより、前記シングルモードファイバの端部の受容円錐内での、前記測定ビームにおける戻り参照ビーム部分と戻り対象ビーム部分との間のビームエネルギーをバランスさせる工程を含む、請求項１９に記載の方法。
    

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