JP2007531887A - 特殊光学系の使用のための干渉システム - Google Patents

Abstract

本発明は、干渉システムに関し、この干渉システムは、光源及び照明光学系を有する照明ビーム路を形成するための照明アームを有し、オブジェクトを測定するための特殊光学系を有する結像ビーム路を形成するためのオブジェクトアームを有し、調整エレメント及びこの調整エレメントに結合された基準エレメントを有する基準アームを有し、検出器を有する検出器アームを有し、ビームスプリッタを有し、基準アームの中にオブジェクトアームの光学的コンポーネントの分散を補償するための分散補償媒質が挿入され、この分散補償媒質は少なくとも部分的に透明である、干渉システムにおいて、分散補償媒質は交換可能であり、特殊光学系にも適合される。これにより、普遍的な白色光干渉計プラットフォームが提供され、この普遍的な白色光干渉計プラットフォームによって様々な測定課題が特殊光学系の単なる交換によって可能になる。

Description

従来技術
本発明は、干渉システムに関し、この干渉システムは、光源及び照明光学系を有する照明ビーム路を形成するための照明アームを有し、オブジェクトを測定するための特殊光学系を有する結像ビーム路を形成するためのオブジェクトアームを有し、調整エレメント及びこの調整エレメントに結合された基準エレメントを有する基準アームを有し、検出器を有する検出器アームを有し、ビームスプリッタを有し、基準アームの中にオブジェクトアームの光学的コンポーネントの分散を補償するための分散補償媒質が挿入され、この分散補償媒質は少なくとも部分的に透明である。

精密部材の製造は、相応の部材の品質を保証するために部材の幾何学的形状及び性質の検出のための測定方法を必要とする。例えば画像検出及び画像評価、干渉法又は白色干渉法のような光学的測定方法がこの場合重要な寄与をする。

白色干渉計の原理は、結像系の照明のために短コヒーレント光源を利用することに基づく。結像系は通常の結像光学系に加えて基準アームを有し、この基準アームは入射された光の一部分によって通過される。オブジェクトアーム内の光の伝播距離∧₀と基準アーム内の伝播距離∧_Rとが距離差を有し、この距離差が光のコヒーレンス長ｌ_Cより小さい場合、すなわち、
｜∧_R−∧₀｜＜ｌ_C （１）
である場合、再び一緒になる光フィールドは測定可能な干渉を有しうる。このことが、測定中に光フィールドの距離差を限定的に変化させると同時に再び一緒になる光フィールドの強度を面状測定検出器、通常はＣＣＤカメラで測定することによって利用される。干渉により発生された強度変調のピクセル毎の評価、強度コレログラムが各個別ピクセル毎に一意的な高さ情報を与える。これは全ピクセルフィールドに対して実施され、オブジェクトの完全な高さ情報をもたらす。

商業的白色光干渉計は典型的には次のような仕様を有する：
高さ分解能Δｚは、使用される光の平均波長λ_m、コヒーレンス長ｌ_C及びコレログラム評価アルゴリズムの種類によって与えられる。λ_m＝６００ｎｍ、ｌ_C＝２μｍのような典型的なパラメータはΔｚ＝１ｎｍの値を可能にする。

横方向分解能δは従来の結像系のそれと同じであり、原理的にはλ_m及び結像光学系の開口数ＮＡによって制限される。
δ≧０．６１λ_m／ＮＡ （２）
最大限測定可能な全高度差ｚ_maxは全区間に亘って精密に導かれる基準アーム及びオブジェクトアームにおける距離差を発生する技術的な実現可能性から決定される。制御された圧電システムは今日ではｚ_max≦４００μｍの値を可能にする。

従来の干渉計、とりわけ白色光干渉計システムは、測定すべき箇所が容易にアクセス可能であり主に平坦な幾何学的形状を有する場合に上述の課題のために利用される。そうでない場合には、測定すべきオブジェクトに適合した特殊光学系（Sonderoptik）を有する干渉計が使用される。

よって、例えば内視鏡光学系を有する干渉計が公知であり（Lindner MW 2002 "White-light interferometry via an endoscope" Proc SPIE 4777: 90-101）、これらの干渉計は、アクセスし難い箇所を測定技術的に検出することを可能にする。光学的内視鏡は、結像レンズをオブジェクトの直ぐ前にもたらすことができ、式（２）の開口数ＮＡが十分な分解能δを可能にする値を取ることによって際立っている。

ＤＥ１０１１５５２４Ａ１には白色光干渉計が記述されており、測定光路長内に平らな中間像を発生するための光学的装置が配置されている。しかし、この場合、目的は深さスキャンを可能にすることである。

ＤＥ１００４７４９５Ａ１には中間像を有する白色光干渉計が記述されており、これは深くて狭い穿孔内の測定のための内視鏡を使用し、数ナノメートルの深さ分解能を有する。

ＤＥ１０１６２１８０Ａ１からは測定装置が公知であり、この測定装置は基準アーム内に基準ビームと測定ビームの強度の適合のための電気的に制御可能なフィルタを含む。

白色光干渉計のための構成部材に合った特殊光学系の代表的なものはいわゆる全周視界光学系（Rundsichtoptik）である。これらは光学軸に対して相対的に大きな角度をもって存在するオブジェクトの結像を可能にする。

しかしこの場合、特殊光学系によって干渉システムのアーキテクチャが大きく決定されてしまい、他の特殊光学系による他の測定課題のためにこのシステムが使用できなくなってしまうことが欠点である。

本発明の課題は、システムをフレキシブルに設計し、僅少なコストで測定課題に適合しうる干渉システムを提供することである。

発明の利点
上記課題は、分散補償媒質が交換可能でありかつ特殊光学系にも適合されることによって解決される。これによって様々な特殊光学系の使用が干渉計における僅かな変更によって可能になる。従って、この干渉計は普遍的に使用可能となり、極めて異なる測定課題に、その構想においてまだ知られていないような測定課題にも適合されうる。

基準アームの長さがオブジェクトアームの長さに適合される場合、様々な光路長の特殊光学系が使用されうる。

有利な実施形態では、分散補償媒質はガラスから成る。光学的ガラスの多様性によって極めて異なる特殊光学系への適合が可能である。さらに、このようなガラス体の交換も容易に可能である。

オブジェクトアームの中に中間像が形成される場合、交換可能な特殊光学系に対する一意的なインターフェースが定義されうる。

工業的使用の観点において設計される構成では、オブジェクトアーム及び検出器に導く検出器アームの中でテレセントリックな結像ビーム路が形成される。これによって拡大エラー画像エラー及び角度エラーが大幅に阻止され、このことは様々な特殊光学系の使用を促進させる。

基準アームの中に少なくとも１つのレンズが設けられることによって、オブジェクトアームの中のテレセントリックなビーム路が基準アームにおいてとりわけ良好に複製（duplizieren）される。

オブジェクトアームの中に特殊光学系の交換のための機械的装置が設けられることによって、様々な測定課題への容易な適合可能性が実現される。

照明ビーム路が中間像の箇所において実質的にパラレルに形成される場合、オブジェクトがパラレルな光によって照明されることが実現される。これによって、とりわけ良好な結像品質が達成される。

パラレルな照明ビーム路の直径が可変的に調整可能に設計される場合、照明される、すなわち測定に含まれる面が選択可能である。

照明光の照明強度及び／又はスペクトル特性が可変的に調整可能であることによって、特殊光学系及びオブジェクト表面の様々な光学的特性へのとりわけ良好な適合が達成される。

照明アームの中には有利に変化可能な絞りが設けられていることによって照明強度のとりわけ簡単な適合が達成される。

照明アームの中にフィルタが配置されている場合、照明光のスペクトル特性がとりわけ容易に測定課題に合わせられる。

オブジェクトに適合された特殊光学系は、特殊光学系によって異なるオブジェクト点から戻り反射されるビームの光路長が基準アームの波面によって与えられる基準面に関して調整（angleichen）されるように形成されることによって普遍的な簡単な構造に対する有利な実施形態が得られる。

図面
本発明を次に図面に図示された実施例に基づいて詳しく説明する。

図１は従来技術による白色光干渉計装置を概略的に示し、
図２は本発明の構成における干渉システムを概略的に示し、
図３ａは測定課題に対する実施例を概略的に示し、
図３ｂは図３ａによる測定課題におけるビーム路を概略的に示す。

実施例の記述
図１に概略的に示された従来技術による白色光干渉計装置の干渉システム１はオブジェクトアーム４０を含み、このオブジェクトアーム４０には測定すべきオブジェクト４１の表面が存在し、照明アーム２０を含み、この照明アーム２０は光源２１及び１つ以上のレンズから構成される照明光学系２２を有する。照明アーム２０及びオブジェクトアーム４０に対して直交に配置されてこの干渉システム１は基準エレメント１２を有する基準アーム１０を有し、この基準エレメント１２は機械的に調整エレメント１３と、通常は圧電システムと結合されている。基準アーム１０に向かい合って検出器アーム３０が存在し、検出器アーム３０は検出器３１、通常は例えばＣＣＤカメラのような面状に測定する検出器３１を有する。評価のために（ここには詳しく示されていない）評価装置が存在する。

ビームススプリッタ５０はこの場合異なる光ビームを分割し乃至はこれらの異なる光ビームを一つにまとめ、この結果、基準アーム１０からの光ビーム及びオブジェクトアーム４０からの光ビームは検出器アーム３０において検出器３１で上記のように干渉しうる。従来技術による干渉システム１のアーキテクチャはこの場合大幅に固定されている。様々な測定課題から生じうる構造における変更はほんの限定的にのみ可能である。

これに対して、図２は本発明の様々な測定課題が干渉計アーキテクチャの簡単な適合によって成し遂げられうる干渉システム１を概略的に示している。

干渉システム１は光源２１及び照明光学系２２を有する照明アーム２０、例えばオブジェクト４１のアクセスし難い表面の測定のための特殊光学系４２を有するオブジェクトアーム４０を有する。特殊光学系はここに示された実施例では内視鏡として構成されており、例えば内視鏡の端部の球面レンズを有する全周視界光学系４２．１によって光学軸に対して相対的に大きな角度をもって存在するオブジェクト４１の結像を可能にする。

基準アーム１０には調整エレメント１３、通常は圧電システム及びこれに機械的に結合された平面基準ミラーとして形成された基準エレメント１２が設けられており、これによってオブジェクト４１の深さ走査（深さスキャン）が可能となる。検出器アーム３０はＣＣＤカメラとして構成された検出器３１を有し、この検出器３１によって干渉によって発生される強度変調の面状のピクセル毎の評価が実現され、これは各個別ピクセル毎の、すなわちオブジェクト４１の表面の一意的な高さ情報を可能にする。深さスキャンに対する更に別の可能性は、干渉システム１が特殊光学系４２とともに又は特殊光学系４２なしでオブジェクト４１に対して相対的に運動することにある。

照明ビーム路６０は光源２１から出発して照明光学系２２を介してビームスプリッタ５０に供給され、このビームスプリッタ５０は光を部分的に基準アーム１０に通過させる。光の一部分はオブジェクト４１の照明のためにオブジェクトアーム４０の中に偏向される。オブジェクトから反射される光は結像ビーム路７０として検出器アーム３０に供給される。そこで結像ビーム路７０（反射された基準ビーム）は基準ミラー１２から戻り反射された照明ビーム路６０と干渉しうる。

本発明によれば基準アーム１０の中に分散補償媒質１１が特殊光学系４２の分散の補償のために組み込まれ、この分散補償媒質１１は少なくとも部分的に透明である。有利な実施形態では、分散補償媒質１１は交換可能であり、特殊光学系４２の光学的特性に適合されうる。同様に基準アーム１０の長さが特殊光学系４２に適合されることも考えられる。

分散補償媒質１１は有利な実施形態では少なくとも１つのガラス体から成り、このガラス体は基準アーム１０の他のコンポーネントと一緒になってオブジェクトアーム４０のコンポーネントと近似的に同じ分散を有する。別の実施形態では少なくとも部分的に透明なプラスチック体又は液体又は気体充填物を有する小鉢も考えられる。

この装置によって、様々な特殊光学系４２の使用が干渉システム１によって可能となることが達成される。基準アーム１０における分散の必要不可欠な適合はこの場合簡単に分散補償媒質１１の交換によって及び場合によっては基準アーム１０の長さの適合によって行われる。

図２に示された実施例はさらにオブジェクトアーム４０の中にレンズ４４を有するレンズ装置を有し、このレンズ４４によってレンズ４４と特殊光学系４２との間の領域において中間像４３が形成され、この中間像４３はオブジェクトアーム４０及び検出器アーム３０の中で検出器３１へのテレセントリックな結像ビーム路７０によって結像される。このように構成されるテレセントリック光学系はとりわけ工業的な画像処理の使用のために構想され、拡大エラー、画像エラー及び角度エラーを大幅に阻止する。オブジェクトに対する異なる作動間隔はこの場合結像スケールには作用せず、このことはとりわけ様々な特殊光学系４２の交換を可能にする。照明ビーム路６０はこの場合理想的なケースでは中間像４３の箇所においてパラレルなビーム路が生じるように設計される。

有利な実施形態では有利にはテレセントリックな結像ビーム路７０と特殊光学系４２との間に機械的な装置が特殊光学系４２の交換のために設けられ、この結果、特殊光学系４２はリフレクスカメラのように簡単に交換できる。この場合差し込み継ぎ手又はネジ式継ぎ手（Bajonett-oder Gewindeverschluesse）が有利である。

照明アーム２０の中の照明光学系２２は変化可能な絞り２３を有し、この絞り２３によって照明アパーチャを変化させ、パラレルな照明ビーム路６０の直径が中間像４３の箇所において可変的に調整可能である。照明強度の可変的な調整のほかに、同様に有利な実施形態では照明アーム２０においてフィルタ２４が設けられ、これによりスペクトル特性が、すなわち分解能条件も変化されうる。とりわけ、この場合、可変的な調整を可能にするフィルタ装置が有利である。さらに、照明強度も例えば光学楔フィルタ（Graukeilfilter）によって無段階的に変化されると有利である。

実施例は前述の特徴的構成を有する干渉システム１の使用を内燃機関の検査のために、とりわけディーゼル噴射システムにおける弁座の品質管理のために設ける。

図３ａは概略的にこのような測定課題を示す。この場合、特殊光学系４２は全周視界光学系４２．１を有する。これは光学軸８０に対して相対的に大きな角度をもって存在するオブジェクトの結像を可能にする。このような全週視界光学系は例えば弁座の測定に使用され、この測定によって円錐角γ、シールエッジに沿った真円度及び粗度のような表面特性パラメータが検出される。

幾何学的に弁座の形は大きく内側円錐面の形に相応する。図３ｂは概略的にこの幾何学的形状を示す。理想的な面を仮定して内側円錐の結像において発生される干渉縞の強度経過
Ｉ_(r)
＝ｃｏｎｓｔ．Ｉ_o{Ｉ−Ｉ_mｃｏｓ（（２π／λ_m）２ｃｏｓ（（γ／２）ｒ）} （３）
が生じる。ただしここで、ｒは円錐面の半径方向であり、Ｉ_oは平均強度であり、Ｉ_mは干渉により発生される強度変調である。隣接する干渉最大値に対する条件はこの場合

である。式（３）から強度が周期長Π
Π＝λ_m／（２ｃｏｓ（γ／２）） （５）
によって変調されることが導出される。

干渉縞が見えるためには周期長Πよりも良好な分解能を必要とする。

周期長Πの拡大はオブジェクト形態に適合された基準エレメント１２の使用によって可能である。これによってシステムの光学分解能への要求は低減される。この場合しかしその都度基準エレメント１２は（分散補償エレメント１１のほかに）測定すべきオブジェクト４１に適合され、これにより幾分かのコストが生じる。

周期長Πの更に別の拡大はオブジェクト４１に適合された特殊光学系４２によって可能であり、特殊光学系４２によって異なるオブジェクト点の光路長が基準アーム１０の波面によって与えられる（仮想的な）基準面に関して調整（angleichen）される。

例えば基準面が平面である場合、特殊光学系４２はオブジェクト４１が少なくとも近似的に相応の平面に結像されるように形成される。

干渉システム１のこの構成によって、とりわけ例えばオブジェクト４１の真円度又は円錐角が測定されなければならない場合には、結像及び検出装置の高い分解能はもはや決定的に問題とはならない。

この干渉システム１によって、シャープな結像が実現され、測定中に特殊光学系４２とオブジェクト４１との間の相対運動が再集束のために必要ではない。これによって例えば屈曲した又は非常に長い内視鏡のような内視鏡ジオメトリも使用されうる。深さスキャンは基準アーム１０内の基準エレメント１２の運動によって実施される。

基準アーム１０は干渉計プラットホームの部分である。結像光学系の変化は基準アーム１０の光学距離の一回の変化ならびに分散補償媒質１１の適合を必要とし、これはこれらの交換可能性によって容易に可能となる。

まとめると、本発明の干渉システム１によって普遍的な白色光干渉計プラットホームが提供され、このプラットホームによって異なる測定課題が特殊光学系４２の簡単な交換によって果たされる。これによって周囲環境からの影響に対してロバストな干渉測定構造がつくられる。

従来技術による白色光干渉計装置を概略的に示す。 本発明の構成における干渉システムを概略的に示す。 図３ａは測定課題に対する実施例を概略的に示し、図３ｂは図３ａによる測定課題におけるビーム路を概略的に示す。

符号の説明

１ 干渉システム
１０ 基準アーム
１１ 分散補償媒質
１２ 基準ミラー
１３ 調整エレメント
１４ レンズ
２０ 照明アーム
２１ 光源
２２照明光学系
２３ 絞り
２４ 楔フィルタ
３０ 検出器アーム
３１ 検出器
４０ オブジェクトアーム
４１ オブジェクト
４２ 特殊光学系
４２．１ 全週視界光学系
４３ 中間像
４４ レンズ
５０ ビームスプリッタ
６０ 照明ビーム路
７０ 結像ビーム路

Claims (13)

1. 干渉システム（１）であって、該干渉システム（１）は、光源（２１）及び照明光学系（２２）を有する照明ビーム路（６０）を形成するための照明アーム（２０）を有し、オブジェクト（４１）を測定するための特殊光学系（４２）を有する結像ビーム路（７０）を形成するためのオブジェクトアーム（４０）を有し、調整エレメント（１３）及び該調整エレメント（１３）に結合された基準エレメント（１２）を有する基準アーム（１０）を有し、検出器（３１）を有する検出器アーム（３０）を有し、ビームスプリッタ（５０）を有し、前記基準アーム（１０）の中に前記オブジェクトアーム（４０）の光学的コンポーネントの分散を補償するための分散補償媒質（１１）が挿入され、該分散補償媒質（１１）は少なくとも部分的に透明である、干渉システム（１）において、
   前記分散補償媒質（１１）は交換可能であり、前記特殊光学系（４２）にも適合されることを特徴とする、干渉システム（１）。
2. 基準アーム（１０）の長さはオブジェクトアーム（４０）の長さに適合されていることを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 分散補償媒質（１１）はガラスから成ることを特徴とする、請求項１又は２記載の装置。
4. オブジェクトアーム（４０）の中には中間像（４３）が形成されることを特徴とする、請求項１〜３のうちの１項記載の装置。
5. オブジェクトアーム（４０）及び検出器（３１）に導く検出器アーム（３０）の中にはテレセントリックな結像ビーム路（７０）が形成されることを特徴とする、請求項１〜４のうちの１項記載の装置。
6. 基準アーム（１０）の中には少なくとも１つのレンズ（１４）が配置されることを特徴とする、請求項１〜５のうちの１項記載の装置。
7. オブジェクトアーム（４０）の中には特殊光学系（４２）の交換のための機械的装置が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のうちの１項記載の装置。
8. 照明ビーム路（６０）は中間像（４３）の箇所において実質的にパラレルに形成されることを特徴とする、請求項４〜７のうちの１項記載の装置。
9. パラレルな照明ビーム路（６０）の直径は可変的に調整可能であることを特徴とする、請求項８記載の装置。
10. 照明光の照明強度及び／又はスペクトル特性は可変的に調整可能であることを特徴とする、請求項１〜９のうちの１項記載の装置。
11. 照明アーム（２０）の中には有利に変化可能な絞り（２３）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１０記載の装置。
12. 照明アーム（２０）の中にはフィルタ（２４）が配置されていることを特徴とする、請求項１〜１１のうちの１項記載の装置。
13. オブジェクト（４１）に適合された特殊光学系（４２）は、該特殊光学系（４２）によって異なるオブジェクト点から戻り反射されるビームの光路長が基準アーム（１０）の波面によって与えられる基準面に関して調整（angleichen）されるように形成されることを特徴とする、請求項１〜１２のうちの１項の装置。

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