JP3842301B2 - 干渉測定装置 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、測定対象物の粗面の形状を測定するための干渉測定装置であって、
該干渉測定装置はビーム発生ユニットと、ビームスプリッタと、重畳エレメントと、フォト検出器を有しており、
前記ビーム発生ユニットは短コヒーレントなビームを放射し、
前記ビームスプリッタは、光路長を周期的に変える為の反射エレメントを備えた装置に配向される基準ビームと、当該測定対象物に配向されている測定ビームとを形成し、
前記重畳エレメントにおいて当該測定対象物からくる測定ビームと前記装置からくる基準ビームとが干渉され、
干渉されたビームが前記フォト検出器において受光される形式の、
干渉測定装置に関する。
この形式の干渉測定装置は、T. Dresel, G. Haeusler, V. Venzke著の刊行物;″Three Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar″(Appl. Opt., Vol.3, No.7, １９９２年３月１日)において、公知であると呈示されている。この刊行物においては、短コヒーレントな光源とピエゾ移動鏡を備えた、粗面の形状測定のための干渉計が提案されている。この測定装置では、測定対象物から反射されて戻る光波の形の第１の部分ビームと基準波の形の第２の部分ビームとが重畳される。この２つの光波は非常に短いコヒーレント長（数μｍ）を有しているので、光路長差が零のとき、干渉コントラストは最大値になる。基準波の光路長を変えるために、ピエゾ移動鏡の形の反射エレメントが設けられている。ピエゾ移動鏡の位置と干渉最大値の発生時間とを比較することにより、測定対象物までの距離を求めることができる。ピエゾ移動鏡の位置を正確に検出することは比較的煩雑である。
発明の利点
本発明の課題は、構造が簡単化されかつ測定精度が高められた、冒頭に述べた形式の干渉測定装置を提供することである。
この課題は、請求項１に記載された特徴部分によって解決される。これによれば本発明に係る測定装置は光路長を変えるために、ビーム路中に配置された平行シフト装置と、その後ろに定置に配置された反射エレメントとを有している。また、平行シフト装置の前の、基準ビームのビーム路中に補償格子が配置されており、この補償格子において基準ビームは、平行シフト装置を通過する前でも後でも回折される。ビーム路中に配置された平行シフト装置と、その後ろに定置に配置された反射エレメントとにより、機械的に移動をする部分の全くない測定装置が実現されるので、測定感度が高くなり、また機械的な干渉影響が排除される。さらに補償格子により、角度分散や波面の空間的なデコヒーレンス性の形の光学的な干渉影響も除去される。これにより比較的広帯域の光源が使用可能となり、測定系の分解能も改善する。このように比較的簡単な構造で高い測定精度が得られる。
平行シフト装置はビーム路中に配置された音響光学偏向装置を有し、反射エレメントは反射格子として実現され、また前記偏向装置は周波数変調されて制御されかつ到来する基準ビーム及び反射格子に関連して次のように配置されている、つまり重畳エレメントに導かれる基準ビームが、前記偏向装置において偏向されることによりその光路長を変えるように配置されている。このように構成すると、光路長を正確に規定された方法で簡単に変えることができ、また光路長に依存して干渉最大値を一義的に求めることができる。
角度分散や波面の空間的なデコヒーレンス性を除去するために有利には、補償格子の格子定数が反射格子の格子定数の２倍の大きさに構成されている。
補償格子と反射格子とを互いに平行に配置されているようにすると、空間的なデコヒーレンス性が補償される。
計測精度の向上した測定装置を簡単な構成でなすために、補償格子は反射するように実現され、基準ビームのビーム路中にビームスプリッタと補償格子との間に反射鏡を配置する。当該反射鏡により基準ビームは往路では補償格子に、復路ではビームスプリッタに配向される。該ビームスプリッタは同時に重畳エレメントの役割も果たしている。
以下本発明を、本発明の実施例につき図面を参照して詳細に説明する。図は粗面を有する測定対象物１０の形状を測定するための干渉測定装置１の構成の概略図である。
光源８の形のビーム発生ユニットから短コヒーレントなビームが発射され、このビームはビームスプリッタ６により基準ビーム９と測定ビーム１１とに分割される。測定ビーム１１は測定対象物１０に配向され、そこから入射方向でビームスプリッタ６に戻るように反射される。基準ビーム９は反射鏡５と例えば反射する補償格子４とを介し、さらに２つの直列に接続された音響光学偏向器２．１、２．２を有する、平行シフト装置２を介して反射格子３の形の再帰格子に到達する。そして基準ビーム９は反射格子３により入射方向に反射され、平行シフト装置２、補償格子４及び反射鏡５を介してビームスプリッタ６に到達し、そこで測定対象物１０から入射する測定ビーム１１と干渉される。干渉されたビームはビームスプリッタ６から図示しない評価回路に接続されたフォト検出器７に導かれる。前記評価回路において、基準ビーム９と測定ビーム１１との等しい光路長（走行時間）を示す干渉最大値が検出される。
２つの音響光学偏向器２．１、２．２は（図示しない）駆動回路により、偏向器２．１から出射する基準ビームが二重矢印で示すように相応に周期的に偏向されるように、周期的に制御される。別の偏向器２．２において基準ビーム９は第１の偏向器２．１による偏向とは反対方向に偏向されるため、基準ビーム９はこの別の偏向器２．２から、基準ビーム９が第１の偏向器２．１へ入射した方向に出射するので、結果として大きさが周期的に変化する平行移動が生じる。第２の偏向器２．２から出射する基準ビーム９は反射格子３に当たる。反射格子３は基準ビーム９に対し傾いて配置されている。反射格子３の傾斜は、そこで再回折される基準ビーム９が干渉装置における平行移動に影響されずにビームスプリッタ６に戻るように傾いている。干渉コントラストは、基準ビーム９と測定ビーム１１とが等しい光学的距離若しくは等しい光路長を進む時に最大値になる。
２つの音響光学偏向器２．１、２．２は、第１の偏向器２．１での角度偏向が別の偏向器２．２で元に戻り、基準ビーム９が単に平行にシフトされるように配置されるので、基準ビーム９の光路長は変調される。基準ビーム９と測定ビーム１１との光路長差が零のとき、ビーム路中に配置されたフォト検出器７も干渉最大値を観測する。フォト検出器７の干渉最大値若しくは信号最大値の時点と評価回路中の駆動回路の瞬間的な周波数とを比較することにより、測定対象物１０までの距離を求めることができる。
補償格子４は有利には反射格子３に対し光学的に平行に配向され、また有利には補償格子４の格子定数は反射格子３の格子定数の２倍の大きさである。補償格子４において基準ビーム９が２回回折することにより基準ビームの角度分散や波面の空間的なデコヒーレンス性は補償される。この補償により比較的広帯域を有する光源８を使用することも可能となり、測定装置１の分解能も改善される。

Claims (5)

1. 測定対象物の粗面の形状を測定するための干渉測定装置であって、
   該干渉測定装置はビーム発生ユニットと、ビームスプリッタと、重畳エレメントと、フォト検出器を有しており、
   前記ビーム発生ユニットは短コヒーレントなビームを放射し、
   前記ビームスプリッタは、光路長を周期的に変える為の反射エレメントを備えた装置に配向される基準ビームと、当該測定対象物に配向される測定ビームを形成し、
   前記重畳エレメントにおいて当該測定対象物からくる測定ビームと前記装置からくる基準ビームとが干渉され、
   干渉されたビームが前記フォト検出器において受光される形式の、
   干渉測定装置において、
   前記装置は光路長を変えるために、ビーム路中に配置された平行シフト装置（２．１、２．２）と、その後ろに定置に配置された反射エレメント（３）とを有し、
   前記平行シフト装置（２．１、２．２）の前の、基準ビーム（９）のビーム路中に補償格子（４）が配置されており、
   この補償格子（４）において基準ビーム（９）は、平行シフト装置（２．１、２．２）を通過する前でも後でも回折されることを特徴とする
   干渉測定装置。
2. 平行シフト装置はビーム路中に配置された音響光学偏向装置（２．１、２．２）を有し、
   反射エレメントは反射格子（３）として実現されており、
   また前記偏向装置（２．１、２．２）は周波数変調されて制御されかつ到来する基準ビーム（９）及び反射格子（３）に関連して次のように配置されている、つまり重畳エレメントに導かれる基準ビーム（９）が前記偏向装置（２．１、２．２）において偏向されることによりその光路長を変えるように配置されていることを特徴とする
   請求項１記載の干渉測定装置。
3. 補償格子（４）の格子定数は反射格子（３）の格子定数の２倍の大きさであることを特徴とする
   請求項２記載の干渉測定装置。
4. 補償格子（４）と反射格子（３）とは互いに平行に配置されていることを特徴とする
   請求項２または３記載の干渉測定装置。
5. 補償格子（４）は反射するように実現されており、
   基準ビーム（９）のビーム路中でビームスプリッタ（６）と補償格子（４）との間に反射鏡（５）が配置され、該反射鏡（５）により基準ビーム（９）は往路では補償格子（４）に、復路では重畳エレメントの役割も同時に果たしているビームスプリッタ（６）に配向されていることを特徴とする
   請求項１から４までのいずれか１項記載の干渉測定装置。

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