JP2003529053A - 形状測定用の干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、測定対象（Ｏ）の粗表面の形状測定用の干渉測定装置に関しており、例えば、短コヒーレントビームを放射するビーム形成装置（ＳＬＤ）、第１及び第２の部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）を形成するためのビームスプリッタ（ＳＴ１）、干渉要素及び画像変換器を有しており、前記第１及び第２の部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）のうち、前記第１の部分ビームは、対象光路を介して前記測定対象（Ｏ）の方に配向され、且つ、前記第２の部分ビームは、参照光路を介して、反射された参照面（ＲＳＰ）の方に配向され、前記干渉要素では、前記測定対象（Ｏ）及び前記参照面（ＲＳＰ）からのビームが干渉され、前記画像変換器は、前記干渉されたビームを受光して、相応の信号を評価装置に供給し、測定のために、対象光路の光路長が参照光路の光路長に対して相対的に変えられる。対象光路内に、光プローブ（ＯＳ，ＯＳＯ）を少なくとも１つの光中間結像の形成用光学装置と共に設けることにより、３次元の狭い中空空間内で、高い精度で対象表面を正確に測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、測定対象の粗表面の形状測定用の干渉測定装置であって、例えば、
短コヒーレントビームを放射するビーム形成装置、第１及び第２の部分ビームを
形成するためのビームスプリッタ、干渉要素及び画像変換器を有しており、第１
及び第２の部分ビームのうち、第１の部分ビームは、対象光路を介して測定対象
の方に配向され、且つ、第２の部分ビームは、参照光路を介して、反射された参
照面の方に配向され、干渉要素では、測定対象及び参照面からのビームが干渉さ
れ、画像変換器は、干渉されたビームを受光して、相応の信号を評価装置に供給
し、測定のために、対象光路の光路長が参照光路の光路長に対して相対的に変え
られる測定装置に関する。

【０００２】 その種の干渉測定装置は、ドイツ連邦共和国特許第１９７２１８４２号公報に
記載されている。この公知測定装置では、ビーム発生ユニット、例えば、発光ダ
イオード又は超光発光ダイオードは、短コヒーレントビームを放射し、この短コ
ヒーレントビームは、ビームスプリッタを介して、対象光路を介して案内される
第１の部分ビームと、参照光路を介して案内される第２の部分ビームとに分割さ
れる。参照光路は、２つの偏向要素及び当該偏向要素の後ろ側に設けられた固定
の回折格子を用いて、偏向要素の制御により周期的に変えられて、対象表面を深
さ方向に走査することができる。対象光路及び参照光路が一致する場合、光検出
器の後ろ側に設けられた評価装置を用いて検知される干渉コントラストの最大値
が生じる。

【０００３】 このような測定方式（白色光干渉法、又は、短コヒーレント干渉法）に相応す
る干渉測定装置は、ドイツ連邦共和国特許公開第４１０８９４４号公報にも記載
されている。ここで、参照ビーム路内での光路の変化のために、可動ミラーが使
用されている。この方法では、対象の表面は、光検出装置上に光学系を用いて結
像され、その際、空洞内で測定するのは困難である。

【０００４】 その種の別の、白色光干渉方式に基づく干渉測定装置乃至干渉測定方式は、 P
. de Groot, L. Deck, "Surface profiling by analysis of white-light inter
ferograms in the spatial frequency domain" J. Mod. Opt., Vol.42, No. 2,
389-401, 1995 及び T. Maack, G. Notni, W. Schreiber, W.-D. Prenzel, "end
oskopisches 3-D-Formmesssystem", in Jahrbuch fuer Optik und Feinmechanik
, Ed. W.-D. Prenzel, Verlag Schiele und Schoen, Berlin, 231-240, 1998 に
記載されている。

【０００５】 所謂干渉測定装置乃至測定方式の難点は、深い空洞乃至狭いチャネル内で測定
するという点にある。白色光干渉測定方式を用いて空洞内でも測定することがで
きるようにした測定装置の提案が、ドイツ連邦共和国特許第１９７２１８４３号
公報に記載されている。ここで、第１の部分ビームを更に参照部分ビームと少な
くとも１つの測定部分ビームとに分割することが提案されており、その際、別の
ビームスプリッタと参照ミラーとが、共通の測定センサ内に設けられている。そ
の種の測定センサは、空洞内に設けることができるが、しかし、この装置を以て
しては、測定毎に、実質的に表面の極めて小さな、点状の個所しか走査すること
ができない。深さ方向に表面の複数個所を測定するために、測定対象と測定セン
サとの相対運動を必要とし、その際、正確に側方に対応付けるのが手間がかかり
、困難である。

【０００６】 従って、本発明が基づく課題は、殊に、深い空洞内で、高い精度で簡単に測定
することができるようにした冒頭に記載した種類の干渉測定装置を提供すること
である。

【０００７】 本発明によると、この課題は、請求項１記載の要件により、つまり、対象光路
内に、光プローブ（ＯＳ，ＯＳＯ）を少なくとも１つの光中間結像の形成用光学
装置と共に設ける により解決される。

【０００８】 光学装置を用いて中間結像することにより、考察している表面を極めて高い縦方
向分解能且つ高い横方向分解能で、結像光学系の直径よりも大きい区間に亘って
結像することができる。光プローブは、例えば、孔内の弁座又は医療測定の目的
で器官の管内に挿入される。従来技術の内視鏡とは異なり、定量的な深さ情報が
得られる。有利な実施例では、その際、少なくとも１つの中間結像を対象光路内
に形成する。その際、測定対象の方に向かうビームも測定対象から反射されて戻
ってくるビームも光プローブを通過するようにされている場合、測定対象上の測
定個所の照射用及び測定対象からのビームを光検出装置に伝送するために、同じ
光装置が使用される。

【０００９】 光検出装置の光学的結像は、参照光路内に、光プローブ内のガラス部分を、中
間部での単数乃至複数の結像用の要素に関して補償するために、同一の別の光プ
ローブ又は少なくとも１つのガラス装置が設けられている。

【００１０】 操作し易い構成は、第１の分枝と第２の分枝との光路差が、ビームのコヒーレ
ントの長さよりも大きく、第１のミラー及び反射要素からのビームが、別のビー
ム部分を用いて、共通の光プローブを通るように案内され（コモンパス）、この
光プローブ内に、参照ミラーが設けられる際に、第１ミラーと反射要素との光路
差がなくなるような、測定対象からの距離に設けられ、参照ミラーに入射するビ
ームの一部分は、光検出器で反射され、他の一部分は、測定対象を透過し、該測
定対象から光検出器の方に反射される。この構成では、別の利点は、対象波及び
参照波が殆ど同一の光学系を透過し、そうすることによって、収差がかなりの程
度補償される。更に、この装置は機械的な振動に対してローブストである。その
際、２つの実施例では、参照ミラーが平面基板又はプリズム上に設けられる。

【００１１】 本発明の有利な実施例は、従属請求項から得られる。

【００１２】 その際、処理は、更に、ビームスプリッタと別のビームスプリッタとの間に光
ファイバが設けられているようにして軽減化することができる。

【００１３】 この構成でも、実質的に、センサ部と変調装置を有する部分とに分けることが
でき、その際、処理は同様に有利となる。

【００１４】 以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。

【００１５】 その際、 図１は、測定光路内に光プローブを有する干渉測定装置の第１の実施例、 図２は、測定光路内に光プローブを有する干渉測定装置の第２の実施例、 図３は、共通の参照及び測定光路を有する干渉測定装置の構成、 図４は、図３の構成に対して、第１のビームスプリッタと別のビームスプリッタ
との間に光ファイバが設けられている別の実施例、 図５は、干渉測定装置の別の構成例 である。

【００１６】 図１には、短コヒーレントビームを放射するビーム発生ユニットＳＬＤ、例え
ば、発光ダイオード、又は、超光発光ダイオードを有する干渉測定装置が図示さ
れており、そのビームは、ビームスプリッタＳＴ１を用いて、測定光路の第１の
部分ビームＴ１と参照光路の第２の部分ビームＴ２とに分割される。構成は、マ
イケルソン干渉計に相応する。参照光路内で、第２の部分ビームが、参照ミラー
ＲＳＰの形式での参照面によって反射され、その際、参照光路は、例えば、参照
ミラーＲＳＰの移動又は音響光学的偏向器（例えば、冒頭に紹介したドイツ連邦
共和国特許第１９７２１８４２号公報に記載されているような）を用いて、周期
的に変えることができる。２つの音響光学的偏向器を用いて、光路を変える場合
には、機械的に可動の反射要素は必要なく、その代わりに、固定の要素、例えば
、格子を使用することができる。ガラスブロックＧを用いて、必要に応じて、対
象光路内に設けられた光プローブＯＳＯの分散を補償することができる。

【００１７】 対象光路内で、ビームが光プローブＯＳＯ内に入力結合され、その結果、ビー
ムが、測定対象の測定すべき表面を照射する。対象の表面は、光プローブＯＳＯ
によって、一つ又は複数の中間の結像を介して、画像絵変換器乃至画像センサＢ
Ｓの形式での光検出装置、例えば、ＣＣＤカメラ上に結像される。画像センサＢ
Ｓ上での測定対象Ｏの画像は、第２のビームスプリッタの参照軸と干渉される。
参照光路と測定光路との光路差がコヒーレント長よりも短い場合、測定対象Ｏの
画像内に、高い干渉コントラストが発生する。その際、測定原理は、冒頭に紹介
した刊行物に詳細に説明されている白色光干渉法（短コヒーレント干渉法）に基
づく。干渉光路の長さは、測定領域全体に亘って、測定すべき表面の深さ方向に
走査するために変えられ、その際、各測定点で、最大干渉コントラストが生じる
参照光路の長さが検出される。中間の結像によって、測定対象の表面を高い横方
向分解能で、結像光学系の直径よりも大きな区間に亘って結像することができる
。光プローブＯＳＯは、内視鏡乃至ボアスコープと似ており、その際、測定表面
からのビームを、同一の光学装置を介して少なくとも１つの中間の結像を介して
、照射及び反射されて戻る。図１には、別の結像要素として略示して１つのレン
ズＬが示されている。本来の中間の結像は、光プローブＯＳＯ内に形成される。

【００１８】 光プローブＯＳＯの結像レンズの影響を正確に補償する必要がある用途では、
参照光路乃至参照分枝内に、ビームスプリッタＳＴ１と参照ミラーＲＳＰとの間
に、ビームスプリッタＳＴ１と測定対象Ｏとの間の対象光路内に設けられている
のと同一の光プローブＯＳＲが統合されている（図２に示されているように）。

【００１９】 図３の変形構成では、干渉測定装置を共通の参照及び測定分枝を有する装置と
して構成することができる（コモンパス装置）。干渉測定装置は、再度、短コヒ
ーレント（広帯域）ビーム発生ユニットで照射される。ビームスプリッタＳＴ１
は、光を２つの分枝内で第１の部分ビームＴ１及び第２の部分ビームＴ２とに分
割し、その際、第１の部分ビームＴ１は、第１の固定ミラーＳＰ１に入射し、第
２の部分ビームＴ２は、参照ミラーの形式での反射要素ＲＳＰに入射する。

【００２０】 そのように形成された各分枝の光路差は、ビーム発生ユニットＳＬＤによって
発生されたビームのコヒーレント長よりも大きい。両ミラーＳＰ１及びＲＳＰか
ら、反射ビームがビームスプリッタＳＴ１及び別のビームスプリッタＳＴ２を介
して光プローブＯＳに供給される。この構成に特有なのは、参照ミラーＲＳＰ２
が光プローブＯＳ自体の内部に設けられている点にある。

【００２１】 ビームの一部分は、この参照ミラーＲＳＰ２で反射され、ビームの他の部分は
、測定すべき表面を照射する。参照ミラーＲＳＰ２は、平面基板上にコーティン
グするか、又は、プリズム上にコーティングすることができる。プリズムを用い
ることによって、対象表面を照射するビームの波面、即ち、対象波が、測定すべ
き表面の幾何学的形状（例えば、傾斜）に適合化されている。測定対象Ｏは、光
プローブＯＳを用いて１つ又は複数の中間の結像を介して画像センサＢＳ上に結
像され、参照波と干渉される。高い情報を得るために、反射要素ＲＳＰは、測定
領域に亘って作用するか、又は、前述のように光路を変える。固定ミラーＳＰ１
と反射要素ＲＳＰとの光路差乃至両分枝の光路差が、正確に参照ミラーＲＳＰ２
と測定対象Ｏとの光路差である場合、測定対象Ｏの画像内に、高い干渉コントラ
ストが生じる。高さプロフィールを得るために、最高干渉コントラストの検出の
ための公知の方法が、各画素（ピクセル）内で使用される。この構成の利点は、
対象波及び参照波が殆ど同一の光学系を通過し、そうすることによって、収差を
ほぼ補償することができる。更に、装置を機械的振動に対してローブストに構成
することができる。

【００２２】 測定装置の更に簡単な操作のために、ビームスプリッタＳＴ１のビームを光フ
ァイバＬＦを用いて、別のビームスプリッタＳＴ１に伝送してもよい（図４に示
されているように）。

【００２３】 別の択一選択的な構成は、図５に示されている。図３及び４の共通の参照及び
測定光路での構成に対して択一選択的に、組み合わせマッハ−ツェンダ−マイケ
ルソン−装置が設けられる。ここでも、ビームが光ファイバ内に入力結合される
広帯域ビーム発生ユニットＳＬＤが使用されている。第１のビームスプリッタＳ
Ｔ１は、ビームを対象分枝ＯＡ及び参照分枝ＲＡとに分割する。対象分枝ＯＡ内
では、第１の部分ビームＴ１が相応の光導波ファイバから出力結合され、別のビ
ームスプリッタＳＴ２を介して光プローブＯＳＯ内に入力結合され、その結果、
測定対象ＯＳＯの測定すべき表面が照射される。対象表面は、光プローブＯＳＯ
によって、１つ又は複数の中間の結像を介して画像センサＢＳ上に結像される。
参照分枝ＲＡ内では、光は相応の光導波ファイバから出力結合され、必要な場合
、対象分枝ＯＡ内で使用されているのと同じ光プローブＯＳＲが使用され、第２
のファイバカプラＲ２で、そこに設けられた光導波ファイバ内に入力結合される
。この光導波ファイバを介して、参照波が別のビームスプリッタＳＴ２に伝送さ
れる。別のビームスプリッタＳＴ２で、参照波が出力結合され、別のビームスプ
リッタＳＴ２を介して画像センサＢＳで対象波と干渉される。両分枝内で、光学
路は空気中、光プローブＯＳＯ乃至ＯＳＲ並びに光導波ファイバ内で結像される
必要がある。参照分枝ＲＡ内で波長は、例えば、第２のファイバカップラＲ２の
シフトにより調整され、その結果、参照分枝内で光空気路が変えられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 測定光路内に光プローブを有する干渉測定装置の第１の実施例

【図２】 測定光路内に光プローブを有する干渉測定装置の第２の実施例

【図３】 共通の参照及び測定光路を有する干渉測定装置の構成

【図４】 図３の構成に対して、第１のビームスプリッタと別のビームスプリッタとの間
に光ファイバが設けられている別の実施例

【図５】 干渉測定装置の別の構成例

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ Ｆターム(参考） 2F064 AA09 CC10 DD01 DD05 DD08 EE01 EE04 FF03 FF07 GG02 GG12 GG13 GG22 GG51 GG70 HH03 HH08

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象（Ｏ）の粗表面の形状測定用の干渉測定装置であっ
   て、例えば、短コヒーレントビームを放射するビーム形成装置（ＳＬＤ）、第１
   及び第２の部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）を形成するためのビームスプリッタ（ＳＴ
   １）、干渉要素及び画像変換器を有しており、前記第１及び第２の部分ビーム（
   Ｔ１，Ｔ２）のうち、前記第１の部分ビームは、対象光路を介して前記測定対象
   （Ｏ）の方に配向され、且つ、前記第２の部分ビームは、参照光路を介して、反
   射された参照面（ＲＳＰ）の方に配向され、前記干渉要素では、前記測定対象（
   Ｏ）及び前記参照面（ＲＳＰ）からのビームが干渉され、前記画像変換器は、前
   記干渉されたビームを受光して、相応の信号を評価装置に供給し、測定のために
   、対象光路の光路長が参照光路の光路長に対して相対的に変えられる測定装置に
   おいて、 対象光路内に、光プローブ（ＯＳ，ＯＳＯ）を少なくとも１つの光中間結像の形
   成用光学装置と共に設ける ことを特徴とする測定装置。
2. 【請求項２】 少なくとも１つの中間結像を対象光路内に形成する請求項１
   記載の測定装置。
3. 【請求項３】 測定対象（Ｏ）に向かうビームも、当該測定対象（Ｏ）から
   戻ってくるビームも光プローブ（ＯＳ，ＯＳＯ）を通る請求項１又は２記載の測
   定装置。
4. 【請求項４】 光プローブ（ＯＳＯ）内の、一つ又は複数の中間結像用の要
   素に関してガラス部分の補償のために、参照光路内に、もう一つの同じ光プロー
   ブ（ＯＳＲ）又は少なくとも１つのガラス装置が設けられている請求項１から３
   迄の何れか１記載の補償測定装置。
5. 【請求項５】 ビームスプリッタ（ＳＴ１）によって形成された第１の部分
   ビーム（Ｔ１）は、先ず第１の分枝を介して、固定の第１ミラー（ＳＰ１）に配
   向され、第２の部分ビーム（Ｔ２）は、第２の分枝を介して、反射要素（ＲＳＰ
   ）の方に配向され、前記第１の分枝と前記第２の分枝との間の光路差は、ビーム
   のコヒーレント長よりも大きく、前記第１ミラー（ＳＰ１）に入射するビームは
   、別のビームスプリッタ（ＳＴ２）を用いて共通の光プローブ（ＯＳＯ）を通る
   ように案内され、該光プローブ（ＯＳＯ）内に、参照ミラー（ＲＳＰ２）が設け
   られる際に、前記第１ミラー（ＳＰ１）と前記反射要素（ＲＳＰ）との光路差が
   なくなるような、測定対象（Ｏ）からの距離に設けられ、前記参照ミラー（ＲＳ
   Ｐ２）に入射するビームの一部分は、光検出器（ＢＳ）で反射され、他の一部分
   は、前記測定対象（Ｏ）を透過し、該測定対象（Ｏ）から前記光検出器（ＢＳ）
   の方に反射される請求項１から４迄の何れか１記載の測定装置。
6. 【請求項６】 参照ミラー（ＲＳＰ２）は、平面基板又はプリズムで設けら
   れている請求項５記載の測定装置。
7. 【請求項７】 ビームスプリッタ（ＳＴ１）と別のビームスプリッタ（ＳＴ
   ２）との間に光ファイバ（ＬＦ）が設けられている請求項５又は６記載の測定装
   置。
8. 【請求項８】 ビーム形成ユニット（ＳＬＤ）から放射されたビームは、光
   ファイバに入力結合され、続いて、ビームスプリッタ（ＳＴ１）によって第１及
   び第２の部分ビーム（Ｔ１，Ｔ２）に分割され、前記第１の部分ビーム（Ｔ１）
   は、対象分枝（ＯＡ）内で前記光ファイバから出力結合され、別のビームスプリ
   ッタ（ＳＴ２）を介して光プローブ（ＯＳＯ）内に入力結合され、測定対象（Ｏ
   ）の方に案内され、該測定対象（Ｏ）から、ビームが光装置（Ｌ；Ｌ１−Ｌ５；
   Ｌ６）を介して光検出器（ＢＳ）に案内され、 前記第２の部分ビーム（Ｔ２）は、参照分枝（ＲＡ）内で当該参照分枝（ＲＡ）
   の前記光ファイバから出力結合され、前記参照分枝（ＲＡ）は、別の光プローブ
   （ＯＳＲ）に伝搬され、別の光ファイバを介して、別のビームスプリッタ（ＳＴ
   ２）に案内され、該別のビームスプリッタから画像変換器（ＢＳ）に案内され、
   前記測定対象（Ｏ）からのビームと干渉される請求項１から４迄の何れか１記載
   の測定装置。