JP2009250983A - 振動計および、物体の光学的測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】物体12によって反射された測定ビーム9と参照ビーム10とを干渉させるための光学干渉装置と、測定ビームと参照ビームとの間の周波数差からビート周波数を生成する光学周波数シフタとを備えたヘテロダイン振動計。ビームスプリッタと前記光学周波数シフタとは元ビーム8を回折させるための音響光学変調器2として1つの光学素子によって構成されている。音響光学変調器は進入する元ビームが少なくとも2つの回折ビームとして回折次数1の第1の回折ビーム及び回折次数−1の第2の回折ビームに分割するように構成され、この2つの回折ビームの一方が測定ビームとなり、他方の回折ビームが参照ビーム10となる。
【選択図】図1
Description
本発明による振動計では、前記ビーム源によって発生させられた元ビームは前記ビームスプリッタに当たり、前記ビームスプリッタによって測定ビームと参照ビームとに分割され、光学干渉装置は、測定さるべき物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームと前記参照ビームとを検出器上で干渉させるように構成されていることで、前記検出器によって測定ビームと参照ビームから生ずる干渉信号が測定可能となっている。
さらに、本発明による振動計は、光学周波数シフタを備えたヘテロダイン振動計として構成されている。前記光学周波数シフタは振動計の光路に配置されているため、測定ビームと参照ビームとの間に周波数差が生成され、これに応じて、重ね合わされた測定ビームと参照ビームの前記干渉信号に前記周波数差に相当するビート周波数が生ずる。
ここで重要な点は、ビームスプリッタと光学周波数シフタとが音響光学変調器として1つの光学素子によって構成されていることである。前記音響光学変調器によって前記元ビームの回折が行われ、こうして、前記音響光学変調器から少なくとも2つの回折ビーム、すなわち回折次数1の第1の回折ビームならびに回折次数−1の第2の回折ビームが出る。
前記回折ビームの一方が測定ビームとなり、他方の回折ビームが前記参照ビームとなるように、振動計の光路に前記音響光学変調器が配置されている。したがって、前記測定ビームは回折次数1の回折ビームであり、前記参照ビームは回折次数−1の回折ビームとなるか、またはその逆でとなる。
したがって、前記検出器の測定信号の評価は同期して行われるのではなく、前記検出器の測定信号がディジタル化されて、記憶媒体に書き込まれるようにするのが特に好適である。これにより、所定のサンプリング周波数と共に相応した評価速度も実時間処理における制限を受けることがなくなる。
したがって、本発明による好適な振動計は、評価ユニット、記憶デバイス、およびディジタル化デバイスを備えており、前記ディジタル化デバイスは前記検出器と連係して、前記検出器の測定信号が所定のサンプリング時間で前記ディジタル化デバイスによってディジタル化可能であると共に、ディジタル化された形で前記記憶デバイスに記憶するように構成されている。
それゆえ、本発明は、最大可測振動周波数の向上は元ビームの、回折次数1と−1の回折ビームの使用によって達成されるとの知見を基礎としている。
方法ステップAにおいて元ビームが発生させられ、方法ステップBにおいて前記元ビームは参照ビームと測定ビームとに分割されて、参照ビームと測定ビームとの間の周波数差が取り出され、方法ステップCにおいて、前記参照ビームと、物体によって少なくとも部分的に反射された測定ビームとを検出器上で干渉させ最後に、方法ステップDにおいて、前記検出器の測定信号の評価が行われる。この発明にとって重要な点は、方法ステップBにおいて元ビームの分割と周波数差の取り出しとが音響光学変調器によって実施され、元ビームが前記音響光学変調器によって少なくとも2つの回折ビームに、すなわち回折次数1の回折ビームと回折次数−1の回折ビームとに分割されることである。その際、前記2つの回折ビームの一方は参照ビームとなり、他方の回折ビームは測定ビームとなる。
さらにステップBにおいて、前記音響光学変調器により、参照ビームと測定ビームとの間の周波数差が求められる。
前記ステップBにおいて、前記元ビームの分割と前記周波数差の取り出しとは1つの音響光学変調器により、前記元ビーム)が少なくとも2つの回折ビームとして回折次数1の回折ビームと回折次数−1の回折ビームとに分割されて、前記2つの回折ビームの一方は前記参照ビームとされ、他方の回折ビームは前記測定ビーム(9)とされ、さらに、前記ステップBにおいて、前記音響光学変調器によって参照ビームと測定ビーム(9)との間の周波数差が取り出される。そして、前記ステップDは以下のステップ、
所定のサンプリング周波数fsで前記検出器の前記測定信号をサンプリングして、所定の数n個の測定値が得られるステップD1と、
前記検出器の前記測定信号の各々の測定値A[i](i=1,2…,n)を各々の測定値につきディジタル化された形で記憶するステップD2と、
記憶された前記測定値A[i](i=1,2…,n)から離散フーリエ変換または高速フーリエ変換によって複素スペクトルF[i](i=1,2…,n)を決定するステップD3と、
所定の数m>0につき総計n+2m個の値を有する拡張複素スペクトルFerw[j](Ferw[j];j=1,2…,n+2m)を決定するステップD4とを備えている。
さらに前記決定するステップは以下のサブステップ、
周波数分解能としての離散スペクトルの周波数線間の距離ΔFを決定するサブステップiと、
生じ得る丸め誤差を許容した上でのfc=F[ic]の成立である、複素スペクトル中のビート周波数fcの指数icを決定するサブステップiiと、
指数ic,erw=ic+m: Ferw[ic,erw]=F[ic]での拡張スペクトル中のビート周波数を確定するサブステップiiiと、
Ferw[iL+m]=F[iL](式中、iLは奇数nについてはすべての指数2…(n+1)/2を表し、偶数nについては2…n/2+1を表す)に対する値Ferw[i]を決定するサブステップivと、
−CC(x)は複素数xの負の複素共役を表しているところの式、Ferw[ic,erw−i]=−CC(Ferw[ic,erw+i])を通じて、指数i=(1,2,…,ic,erw−2)に関する値であるFerw[ic,erw−i]を決定するサブステップvと、
条件として、偶数n+2mについてはFerw[iH,erw]=Ferw[iL,max+m−iL,erw+1]、奇数n+2mについてはFerw[iH,erw]=Ferw[iL,max+m−iL,erw+2]、その際、指数に関しては、iL,erw=2,3,…iL,max+m
iH,erw=iL,max+m+1,…,n+2mとなっているところの、
値Ferw[iH,erw]を決定するサブステップviと、
拡張複素スペクトルFerwを時間域に逆変換するサブステップviiと、
逆変換された拡張複素スペクトルFerwを拡張ビート周波数fc,erw=fc+mΔFを使用して復調するサブステップviiiと、
を備えている。
本発明によるこの方法は最大可測振動周波数の向上をもたらし、この方法だけで使用できるだけでなく、または先述した方法とのコンビネーションによって使用可能である。双方の方法がコンビネーションされる場合には最大可測振動周波数のさらなる向上が達成される。
この本発明による方法は、前記検出器の測定信号の評価手順の改良によって最大可測振動周波数のさらなる向上がもたらされるとの本願出願人の知見を基礎としている。
重要な点は、ステップDが以下のステップを含んでいることである;つまり、
ステップD1において、前記検出器の測定信号が所定のサンプリング周波数fsで所定のサンプリング時間Tsにわたってサンプリングされる。これによって、所定の数n=rd[fs *Ts]+1のサンプリング動作が生ずるが、ここでrd[x]は丸めによって決定された、xに最も近い整数であることから、前記所定の数nは自然数である。したがって、ステップD1において、前記検出器の測定信号の時間的離散化が行われる。
ステップD2において、前記サンプリング動作で得られた測定値は各々の測定動作につきディジタル化された形の測定値A[i]として記憶される。この記憶はステップB1に述べられたサンプリング動作と同時かまたはバッファ記憶デバイスを経て時間的にずらされて行われることができる。それゆえ、総計n個の測定値がディジタル化された形で記憶される。
ステップiにおいて、前記離散スペクトルの周波数線間の距離ΔFが決定される。ΔFは周波数分解能としても知られている。これは好ましくは差ΔF=F[iL+1]−F[iL]の形成によって行なわれるが、ここでiLは以下のように、すなわち、iLは奇数nについてはすべての指数2…(n+1)/2を表し、偶数nについては2…n/2+1を表す、と定義されている。iLに属する最大指数はiL,maxと称される。
ステップiiにおいて、複素スペクトル中のビート周波数fcの指数ic、つまり、fc=F[ic]が成立する指数が決定される。
この決定は好ましくはic=rd[(fc/ΔF)+1]を経て行われるが、ここでrd[x]は丸めによって決定された、xに最も近い整数である。したがって、指数icは複素スペクトル中のいずれの離散変数F[ic]がビート周波数fcに一致しているかを表している(丸めによって場合により生じ得る誤差を除く)。
周波数分解能を総サンプリング時間を経て決定すること、つまりΔF=1/Ts、も同じく本発明の範囲内にある。
ステップiiiにおいて、指数ic,erw=ic+mでの拡張スペクトル中のビート周波数がFerw[ic,erw]=F[ic]を経て確定される。
ステップivにおいて、値Ferwは以下のように定義される:Ferw[iL+m]=F[iL]。
ステップvにおいて、指数i=(1,2,…,ic,erw−2)に対する値Ferw[ic,erw−i]がFerw[ic,erw−i]=−CC(Ferw[ic,erw+i]を経て決定されるが、ここで−CC(x)は複素数xの負の複素共役を表している。
ステップviにおいて、値F[iH,erw]が以下の計算規則つまり
偶数n+2mについてはFerw[iH,erw]=Ferw[iL,max+m−iL,erw+1]、奇数n+2mについてはFerw[iH,erw]=Ferw[iL,max+m−iL,erw+2]を経て決定されるが、ここで指数にはiL,erw=2,3,…iL,max+mおよびiH,erw=iL,max+1,…,n+2mが当てはまる。
ステップviiにおいて、拡張複素スペクトルFerw[j](j=1,2,…,n+m)は時間域に逆変換される。この変換は好ましくは逆離散フーリエ変換または逆高速フーリエ変換を経て行われる。
ステップviiiにおいて、逆変換された拡張複素スペクトルFerwの復調が拡張ビート周波数fc,erw=fc+mΔFを使用して行われる。
特に、拡張スペクトルにおいて2倍のビート周波数を選択すること、つまりmをm=rd[fc/ΔF](ここで、rd[x]は丸めによって決定された、xに最も近い整数である)のように選択するのが好適である。これにより、fc,erw=fc+mΔFはおおよそ(mの丸めに基づく誤差を除き)ビート周波数fcの2倍に相当することが保証される。
先述した変数において、fs,fcおよびfc,erwは単位[1/s]を有し、変数Tsは単位[s]を有している。
測定ビーム9は、ミラー4b、ビームスプリッタ5b、レンズ6a,6bならびにλ/4波長板7によって、振動している測定さるべき物体12上に導かれる。
参照ビーム10はミラー4aとビームスプリッタ5aとを経て同じくフォトダイオード3a上に導かれるため、フォトダイオード3aの検出面上で測定ビームと参照ビームとは重ね合わされ、こうして、フォトダイオード3aによって測定ビームと参照ビームの干渉信号が測定可能である。
したがって、図1に示した振動計はビート周波数が612MHzのヘテロダイン振動計である。
Claims (12)
- 元ビームを放射するビーム源(1)と、前記元ビームを測定ビーム(9)と参照ビーム(10)とに分割するためのビームスプリッタと、前記参照ビームを物体(12)によって少なくとも部分的に反射された測定ビーム(9)と干渉させるための光学干渉装置と、検出器とを備え、光学干渉装置と検出器とは連係して、前記測定ビーム(9)と前記参照ビーム(10)とを前記検出器上で干渉させるように構成されている物体(12)の光学振動測定を行うための振動計であって、前記振動計は、前記振動計の光路に配置された、測定ビームと参照ビーム(10)との間の周波数差からビート周波数を生成する光学周波数シフタを備えたヘテロダイン振動計として構成されており、
前記ビームスプリッタと前記光学周波数シフタとは前記元ビームを回折させるための音響光学変調器として1つの光学素子によって構成され、
前記音響光学変調器は前記音響光学変調器に進入する元ビーム(8)が少なくとも2つの回折ビームとして回折次数1の第1の回折ビーム及び回折次数−1の第2の回折ビームに分割するように構成され、
前記2つの回折ビームの一方が前記測定ビーム(9)となり、他方の回折ビームが前記参照ビーム(10)となるようにして前記音響光学変調器が前記振動計の光路に配置されていることを特徴とする振動計。 - 前記音響光学変調器がスローシェア-モードブラッグセル(2)として構成されていることを特徴とする請求項1に記載の振動計。
- 前記ビーム源が所定の波長の単色ビームを発生するように構成され、前記音響光学変調器が少なくとも前記所定の波長の入射ビームにつき、回折次数1の回折ビームの最大輝度にとっての最適入射角が回折次数−1の回折ビームの最大輝度にとっての最適入射角と同じであるように形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の振動計。
- 前記振動計が前記検出器の測定信号を評価するための評価ユニットを備え、前記評価ユニットが記憶デバイスとディジタル化デバイスとを含み、前記ディジタル化デバイスが前記検出器と連係して前記検出器の測定信号を所定のサンプリング周波数でディジタル化するとともにディジタル化された形で前記記憶デバイスに記憶するように構成され、前記サンプリング周波数は前記ビート周波数の少なくとも2倍であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の振動計。
- 前記振動計が前記検出器の前記測定信号を復調するための評価ユニットを備え、前記記憶デバイスが前記記憶されたディジタルデータを出力するためのデータ出力部を有し、前記評価ユニットがディジタルデータを読込むためのデータ入力部を有し、前記評価ユニットが前記記憶されたディジタル測定信号をオフライン復調するために前記記憶デバイスと連係するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載の振動計。
- 前記振動計が少なくとも1つの光学ビームトラップ(11)を備え、前記光学ビームトラップは回折次数1および−1の回折ビームを除く1または複数の回折ビームである、主に回折次数0の回折ビームを吸収するようにして前記音響光学変調器の光路に配置されていることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の振動計。
- 元ビームを発生させるステップAと、
前記元ビームを参照ビームと測定ビーム(9)とに分割し、参照ビームと測定ビームとの間の周波数差を取り出すステップBと、
前記参照ビームと、物体(12)によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを検出器上で干渉させるステップCと、
前記検出器の前記測定信号を評価するステップDと、
からなる物体の光学的測定方法であって、
ステップBにおいて、前記元ビームの分割と前記周波数差の取り出しとは1つの音響光学変調器により、前記元ビーム(8)が少なくとも2つの回折ビームとして回折次数1の回折ビームと回折次数−1の回折ビームとに分割されて、前記2つの回折ビームの一方は前記参照ビーム(10)とされ、他方の回折ビームは前記測定ビーム(9)とされ、
ステップBにおいて、さらに、前記音響光学変調器によって参照ビームと測定ビーム(9)との間の周波数差が取り出されることを特徴とする方法。 - ステップDにおいて、前記検出器の測定信号はディジタル化され、ディジタル化された形で記憶媒体に記憶され、ステップDにおいて、前記測定信号の評価は、ディジタル化された形で記憶された前記測定信号が評価ユニットによって読み出されて評価されることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 元ビームを発生させるステップAと、
前記元ビームを参照ビームと測定ビーム(9)とに分割し、所定のビート周波数fcに相当する、参照ビームと測定ビームとの間の周波数差を取り出すステップBと、
前記参照ビームと、物体(12)によって少なくとも部分的に反射された前記測定ビームとを検出器上で干渉させるステップCと、
前記検出器の前記測定信号を評価するステップDとからなる光学的測定を行うための方法であって、
前記ステップBにおいて、前記元ビームの分割と前記周波数差の取り出しとは1つの音響光学変調器により、前記元ビーム(8)が少なくとも2つの回折ビームとして回折次数1の回折ビームと回折次数−1の回折ビームとに分割されて、前記2つの回折ビームの一方は前記参照ビーム(10)とされ、他方の回折ビームは前記測定ビーム(9)とされ、
前記ステップBにおいて、さらに、前記音響光学変調器によって参照ビームと測定ビーム(9)との間の周波数差が取り出され、
前記ステップDは以下のステップ、
所定のサンプリング周波数fsで前記検出器の前記測定信号をサンプリングして、所定の数n個の測定値が得られるステップD1と、
前記検出器の前記測定信号の各々の測定値A[i](i=1,2…,n)を各々の測定値につきディジタル化された形で記憶するステップD2と、
記憶された前記測定値A[i](i=1,2…,n)から離散フーリエ変換または高速フーリエ変換によって複素スペクトルF[i](i=1,2…,n)を決定するステップD3と、
所定の数m>0につき総計n+2m個の値を有する拡張複素スペクトルFerw[j]、ここでj=1,2…,n+2m、を決定するステップD4とを備え、
さらに前記決定するステップは以下のサブステップ、
周波数分解能としての離散スペクトルの周波数線間の距離ΔFを決定するサブステップiと、
生じ得る丸め誤差を許容した上でのfc=F[ic]の成立である、複素スペクトル中のビート周波数fcの指数icを決定するサブステップiiと、
指数ic,erw=ic+m: Ferw[ic,erw]=F[ic]での拡張スペクトル中のビート周波数を確定するサブステップiiiと、
Ferw[iL+m]=F[iL](式中、iLは奇数nについてはすべての指数2…(n+1)/2を表し、偶数nについては2…n/2+1を表す)に対する値Ferw[i]を決定するサブステップivと、
−CC(x)は複素数xの負の複素共役を表しているところの式、Ferw[ic,erw−i]=−CC(Ferw[ic,erw+i])を通じて、指数i=(1,2,…,ic,erw−2)に関する値であるFerw[ic,erw−i]を決定するサブステップvと、
条件として、偶数n+2mについてはFerw[iH,erw]=Ferw[iL,max+m−iL,erw+1]、奇数n+2mについてはFerw[iH,erw]=Ferw[iL,max+m−iL,erw+2]、その際、指数に関しては、iL,erw=2,3,…iL,max+m
iH,erw=iL,max+m+1,…,n+2mとなっているところの、
値Ferw[iH,erw]を決定するサブステップviと、
拡張複素スペクトルFerwを時間域に逆変換するサブステップviiと、
逆変換された拡張複素スペクトルFerwを拡張ビート周波数fc,erw=fc+mΔFを使用して復調するサブステップviiiと、
を備えていることを特徴とする物体の光学的測定方法。 - 前記所定の数mとして、m=rd[fc/ΔF]、
ここで、rd[x]は丸めによって決定された、xに最も近い整数である、
が選択されることを特徴とする請求項9に記載の物体の光学的測定方法。 - サンプリング時間が前記ビート周波数の周期Tcの整数倍、すなわちTs=N・Tc=N/fc(ここで、Nは自然数である)であるように選択されることを特徴とする請求項9または10に記載の物体の光学的測定方法。
- 検出器からディジタル化デバイスまでの信号伝達路での複素周波数応答Gch(ω)がディジタルフィルタによって補償され、前記補償は、離散スペクトルの場合、複素離散スペクトルGch[i]による要素ごとの増倍がエントリとして1を有するベクトルGch[i]Gkomp[i]=1を生ずるように選択された複素離散周波数応答Gkomp(ω[i])=Gkomp[i]によって行われるか、または逆変換された周波数応答Gkomp[i]が記憶された検出器信号の時間信号で畳み込まれることを特徴とする請求項9〜11のいずれか一項に記載の物体の光学的測定方法。
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