JP4026929B2 - 干渉測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定物体の粗面における形状を測定するための干渉測定装置であって、短コヒーレントビームを放射するためのビーム発生ユニットを備え、第１の部分ビームおよび第２の部分ビームを形成するための第１のビームスプリッタを備え、該２つの部分ビームのうち一方の部分ビームは前記測定すべき面に配向されておりかつ他方の部分ビームは光路を周期的に変えるための、反射エレメントを備えている装置に配向されており、前記面から到来するビームと前記光路を周期的に変えるための装置から到来するビームとを干渉させる重畳エレメントを備え、かつ該干渉されたビームを検出するホト検出器を備えている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この形式の干渉測定装置は、T. Dresel, G. Haeusler, H. 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）において公知として示されている。この刊行物において、粗面の形状を測定するために短単色光源と圧電式移動鏡とを有する干渉計が提案されている。測定装置において、測定物体から反射された光波の形の第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。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、光路差が零であるとき、干渉コントラストは最大値に達する。基準波の光路を変えるために、圧電式移動鏡の形の反射エレメントが設けられている。圧電式移動鏡の位置と干渉最大値の発生時点との比較によって、測定物体に対する距離が突き止められる。干渉最大値の正確な検出および最大値を光路に対応付けることは比較的煩雑である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この課題は、冒頭に述べた形式の干渉測定装置において、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。即ちこれによれば、第１の部分ビームのビーム路および／または第２の部分ビームのビーム路に、２つの干渉する部分ビーム間で周波数シフト作用をする装置が設けられている。
【０００５】
２つの干渉する部分ビーム間で周波数シフト作用をする装置によって、ヘテロダイン干渉法の手段を用いた評価が実現される。これにより、干渉最大値の発生時点を一層正確に調整することができる。従って簡単な構成で、アクセスするのが難しい測定物体に対する距離が比較的僅かなコストで正確に突き止められる。この種のヘテロダイン干渉法による測定方法に関しては、文献を参照されたい。
更に、光路を変えるための装置が、第２の部分ビームのビーム路にその光路を変えるために配置されている、少なくとも２つの音響光学偏向器を備えた音響光学偏向器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おりかつ偏向器が周波数変調制御されかつ到来する第２の部分ビーム並びに反射エレメントに関連して、重畳エレメントに導かれる第２の部分ビームが偏向器での偏向によってその光路を変えるように配置されているようになっているので、より簡単な評価が可能になりしかも評価精度が高められる。というのは、機械的に移動される反射エレメントが回避されるからである。光路は非常に正確に突き止められかつ干渉最大値に対応付けられる。
更に、第１の偏向器が到来する部分ビームを周波数に依存して時間的に変化する角度だけ偏向しかつ第２の偏向器がこの偏向を元に戻し、その結果第２の部分ビームは再び入射方向において第１の偏向器に関して平行移動して更に進むようになり、かつ反射エレメントは回折格子として構成されており、該回折格子は第２の偏向器から出射する部分ビームに関して、部分ビームが入射方向に戻されるように斜めに配向されている。これにより一層正確な評価が可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
測定装置の簡単な構成は例えば、周波数シフト作用をする装置を、変調器ドライバによって制御される音響光学変調器として構成し、該変調器を第１の部分ビームのビーム路において第１のビームスプリッタと測定物体との間に配置することによって実現される。
【０００８】
２つの偏向器を、第２の部分ビームの周波数がシフトされる程度に僅かに異なった搬送波周波数によって２つの偏向器ドライバにより制御する手法によって、ヘテロダイン周波数を発生するための付加的な音響光学変調器の使用が省かれる。ヘテロダイン周波数の形成のためにむしろ、光路の変化のためにも用いられる既存の音響光学偏向器が利用される。例えば数１０ＭＨｚの搬送波周波数の変調周波数では、搬送波周波数間の僅かな周波数差は０．５ＭＨｚとすることができる。偏向器ドライバは偏向器ドライバユニットの２つのドライバ段によって形成することができる。
【０００９】
搬送波周波数の変調周波数を発生するために、簡単な構成のためには、１つの共通の制御ユニットが設けられており、それに２つの偏向器ドライバも接続することができる。
【００１０】
信号処理および評価に関して特別有利な構成によれば、制御ユニットは変調を制御する制御回路と共に評価回路に一体構成されておりかつ搬送波周波数の変調周波数に関する情報は評価回路に送出され、該評価回路には、ホト検出器の出力信号も供給され、かつ評価回路においてこの情報および出力信号に基づいて、測定物体の測定点に対する距離を求めることができるようになっている。
【００１１】
好適な実施例によれば、ビーム発生装置と第１のビームスプリッターとの間にコリメータが配置されており、第１のビームスプリッターと測定物体との間に、第１の部分ビームを集束レンズを介して測定物体に導きかつ該測定物体から反射される第１の部分ビームを、別のビームスプリッタの形の重畳エレメントに導くための第２のビームスプリッタが配置されており、かつ第１のビームスプリッタと第１の偏向器との間に、第３のビームスプリッタが配置されており、該第３のビームスプリッタによって、第１の偏向器を介して戻された第２の部分ビームが測定物体から反射された第１の部分ビームと干渉されるように別のビームスプリッタに配向されている。
【００１２】
【実施例】
次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
光源１、例えばレーザダイオードの形の短コヒーレントビーム発生ユニットのコリメートされたビームは、第１のビームスプリッタＳＴ１において第１の部分ビーム３ないし第２の部分ビーム４に分割される。第１の部分ビーム３は音響光学変調器５を介して第２のビームスプリッタＳＴ２および集束レンズ６を介して測定物体７の表面に指向される。戻り反射後、第１の部分ビーム３は第４のビームスプリッタＳＴ４に達する。
【００１４】
第１のビームスプリッタＳＴ１で分岐された第２の部分ビーム４は第３のビームスプリッタＳＴ３および引き続いて２つの音響光学偏向器８，９を通過する。これら音響光学偏向器は１つの共通の偏向器ドライバ１２によって周波数変調されて制御される。周波数変調によって、第２の部分ビーム４の偏向角度は第１の音響光学偏向器８において角度αだけ変化される。第２の音響光学偏向器９において第２の部分ビーム４は引き続いて再び、それが第１の音響光学偏向器８に当たる方向に偏向される。このようにして、第２の音響光学偏向器９から出て行く第２の部分ビーム４の平行移動が生じる。この第２の部分ビームは引き続き回折格子の形の反射エレメントを照射する。回折格子１０は、戻し回折された第２の部分ビーム４がこの平行移動に無関係に、干渉装置において、ビームスプリッタＳＴ３を介して戻りかつビームスプリッタＳＴ４において測定物体７から到来する第１の部分ビーム３と重畳されるように、所定の角度で傾けられている。２つの部分ビーム３および４が同じ光学距離を通ってきたとき、干渉コントラストは最大値に達している。
【００１５】
２つの音響光学偏光器８，９は、第１の偏向器８の偏向が第２の偏向器９において元に戻されかつ第２の部分ビーム４が平行移動しかしないように配置されているので、第２の部分ビーム４の光路、ないし光学距離（走行時間）は変調される。２つの部分ビーム３，４の光路差が零であるとき、第４のビームスプリッタＳＴ４の後ろの光路に配置されているホト検出器１１も干渉最大値を観測する。干渉最大値ないしホト検出器１１の信号最大値の発生時点と偏向器ドライバ１２の瞬時の周波数を評価回路１４において比較することによって、測定物体７に対する距離が正確に突き止められる。その際第１のビームスプリッタＳＴ１と第２のビームスプリッタＳＴ２との間に配置されている音響光学変調器５が第１の部分ビームの周波数をシフトするように制御されるとき、ホト検出器１１は、音響光学変調器５を変調器ドライバ１３を用いて制御する周波数を有する交流信号の形の干渉最大値を検出する。
【００１６】
図２には、ヘテロダイン干渉法による評価部が接続されている、短コヒーレントビームを用いた粗面の形状を測定するための測定装置の択一的な構成が略示されている。ここでも、短単色光源１のコリメートされたビームが第１のビームスプリッタＳＴ１において２つの部分ビームに分割される。第１の部分ビーム３は、集束レンズ６を介して測定物体７の表面に進む。第２の部分ビーム４は２つの音響光学偏向器８，９を通って進みかつ回折格子１０を照射する。ここでも、回折格子１０は、戻し回折された第２の部分ビーム４が平行移動に無関係に、干渉装置において、ビームスプリッタＳＴ３を介して戻りかつビームスプリッタＳＴ４において測定物体７から到来する第１の部分ビーム３と重畳されるように、所定の角度で傾けられている。重畳された部分ビーム３，４は頬ホト出器１１を照射する。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定物体の粗面の形状を測定するための干渉測定装置の構成の概略図である。
【図２】別の実施例の概略図である。
【符号の説明】
１ ビーム発生ユニット、 ２ コリメータ、 ３ 第１の部分ビーム、 ４第２の部分ビーム、 ５ 音響光学変調器、 ７ 測定物体、 ８，９ 音響光学偏向器、 １０ 反射エレメント、 １１ ホト検出器、 １２ 偏向器ドライバ、 １３ 変調器ドライバ、 １４ 評価回路、 ＳＴ１〜ＳＴ４ ビームスプリッタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定物体の粗面における形状を測定するための干渉測定装置であって、短コヒーレントビームを放射するためのビーム発生ユニットを備え、第１の部分ビームおよび第２の部分ビームを形成するための第１のビームスプリッタを備え、該２つの部分ビームのうち一方の部分ビームは前記測定すべき面に配向されておりかつ他方の部分ビームは光路を周期的に変えるための、反射エレメントを備えている装置に配向されており、前記面から到来するビームと前記光路を周期的に変えるための装置から到来するビームとを干渉させる重畳エレメントを備え、かつ該干渉されたビームを検出するホト検出器を備えている形式のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この形式の干渉測定装置は、T. Dresel, G. Haeusler, H. 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）において公知として示されている。この刊行物において、粗面の形状を測定するために短単色光源と圧電式移動鏡とを有する干渉計が提案されている。測定装置において、測定物体から反射された光波の形の第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。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、光路差が零であるとき、干渉コントラストは最大値に達する。基準波の光路を変えるために、圧電式移動鏡の形の反射エレメントが設けられている。圧電式移動鏡の位置と干渉最大値の発生時点との比較によって、測定物体に対する距離が突き止められる。干渉最大値の正確な検出および最大値を光路に対応付けることは比較的煩雑である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この課題は、冒頭に述べた形式の干渉測定装置において、請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。即ちこれによれば、第１の部分ビームのビーム路および／または第２の部分ビームのビーム路に、２つの干渉する部分ビーム間で周波数シフト作用をする装置が設けられている。
【０００５】
２つの干渉する部分ビーム間で周波数シフト作用をする装置によって、ヘテロダイン干渉法の手段を用いた評価が実現される。これにより、干渉最大値の発生時点を一層正確に調整することができる。従って簡単な構成で、アクセスするのが難しい測定物体に対する距離が比較的僅かなコストで正確に突き止められる。この種のヘテロダイン干渉法による測定方法に関しては、文献を参照されたい。
更に、光路を変えるための装置が、第２の部分ビームのビーム路にその光路を変えるために配置されている、少なくとも２つの音響光学偏向器を備えた音響光学偏向器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おりかつ偏向器が周波数変調制御されかつ到来する第２の部分ビーム並びに反射エレメントに関連して、重畳エレメントに導かれる第２の部分ビームが偏向器での偏向によってその光路を変えるように配置されているようになっているので、より簡単な評価が可能になりしかも評価精度が高められる。というのは、機械的に移動される反射エレメントが回避されるからである。光路は非常に正確に突き止められかつ干渉最大値に対応付けられる。
更に、第１の偏向器が到来する部分ビームを周波数に依存して時間的に変化する角度だけ偏向しかつ第２の偏向器がこの偏向を元に戻し、その結果第２の部分ビームは再び入射方向において第１の偏向器に関して平行移動して更に進むようになり、かつ反射エレメントは回折格子として構成されており、該回折格子は第２の偏向器から出射する部分ビームに関して、部分ビームが入射方向に戻されるように斜めに配向されている。これにより一層正確な評価が可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
測定装置の簡単な構成は例えば、周波数シフト作用をする装置を、変調器ドライバによって制御される音響光学変調器として構成し、該変調器を第１の部分ビームのビーム路において第１のビームスプリッタと測定物体との間に配置することによって実現される。
【０００８】
２つの偏向器を、第２の部分ビームの周波数がシフトされる程度に僅かに異なった搬送波周波数によって２つの偏向器ドライバにより制御する手法によって、ヘテロダイン周波数を発生するための付加的な音響光学変調器の使用が省かれる。ヘテロダイン周波数の形成のためにむしろ、光路の変化のためにも用いられる既存の音響光学偏向器が利用される。例えば数１０ＭＨｚの搬送波周波数の変調周波数では、搬送波周波数間の僅かな周波数差は０．５ＭＨｚとすることができる。偏向器ドライバは偏向器ドライバユニットの２つのドライバ段によって形成することができる。
【０００９】
搬送波周波数の変調周波数を発生するために、簡単な構成のためには、１つの共通の制御ユニットが設けられており、それに２つの偏向器ドライバも接続することができる。
【００１０】
信号処理および評価に関して特別有利な構成によれば、制御ユニットは変調を制御する制御回路と共に評価回路に一体構成されておりかつ搬送波周波数の変調周波数に関する情報は評価回路に送出され、該評価回路には、ホト検出器の出力信号も供給され、かつ評価回路においてこの情報および出力信号に基づいて、測定物体の測定点に対する距離を求めることができるようになっている。
【００１１】
好適な実施例によれば、ビーム発生装置と第１のビームスプリッターとの間にコリメータが配置されており、第１のビームスプリッターと測定物体との間に、第１の部分ビームを集束レンズを介して測定物体に導きかつ該測定物体から反射される第１の部分ビームを、別のビームスプリッタの形の重畳エレメントに導くための第２のビームスプリッタが配置されており、かつ第１のビームスプリッタと第１の偏向器との間に、第３のビームスプリッタが配置されており、該第３のビームスプリッタによって、第１の偏向器を介して戻された第２の部分ビームが測定物体から反射された第１の部分ビームと干渉されるように別のビームスプリッタに配向されている。
【００１２】
【実施例】
次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。
【００１３】
光源１、例えばレーザダイオードの形の短コヒーレントビーム発生ユニットのコリメートされたビームは、第１のビームスプリッタＳＴ１において第１の部分ビーム３ないし第２の部分ビーム４に分割される。第１の部分ビーム３は音響光学変調器５を介して第２のビームスプリッタＳＴ２および集束レンズ６を介して測定物体７の表面に指向される。戻り反射後、第１の部分ビーム３は第４のビームスプリッタＳＴ４に達する。
【００１４】
第１のビームスプリッタＳＴ１で分岐された第２の部分ビーム４は第３のビームスプリッタＳＴ３および引き続いて２つの音響光学偏向器８，９を通過する。これら音響光学偏向器は１つの共通の偏向器ドライバ１２によって周波数変調されて制御される。周波数変調によって、第２の部分ビーム４の偏向角度は第１の音響光学偏向器８において角度αだけ変化される。第２の音響光学偏向器９において第２の部分ビーム４は引き続いて再び、それが第１の音響光学偏向器８に当たる方向に偏向される。このようにして、第２の音響光学偏向器９から出て行く第２の部分ビーム４の平行移動が生じる。この第２の部分ビームは引き続き回折格子の形の反射エレメントを照射する。回折格子１０は、戻し回折された第２の部分ビーム４がこの平行移動に無関係に、干渉装置において、ビームスプリッタＳＴ３を介して戻りかつビームスプリッタＳＴ４において測定物体７から到来する第１の部分ビーム３と重畳されるように、所定の角度で傾けられている。２つの部分ビーム３および４が同じ光学距離を通ってきたとき、干渉コントラストは最大値に達している。
【００１５】
２つの音響光学偏光器８，９は、第１の偏向器８の偏向が第２の偏向器９において元に戻されかつ第２の部分ビーム４が平行移動しかしないように配置されているので、第２の部分ビーム４の光路、ないし光学距離（走行時間）は変調される。２つの部分ビーム３，４の光路差が零であるとき、第４のビームスプリッタＳＴ４の後ろの光路に配置されているホト検出器１１も干渉最大値を観測する。干渉最大値ないしホト検出器１１の信号最大値の発生時点と偏向器ドライバ１２の瞬時の周波数を評価回路１４において比較することによって、測定物体７に対する距離が正確に突き止められる。その際第１のビームスプリッタＳＴ１と第２のビームスプリッタＳＴ２との間に配置されている音響光学変調器５が第１の部分ビームの周波数をシフトするように制御されるとき、ホト検出器１１は、音響光学変調器５を変調器ドライバ１３を用いて制御する周波数を有する交流信号の形の干渉最大値を検出する。
【００１６】
図２には、ヘテロダイン干渉法による評価部が接続されている、短コヒーレントビームを用いた粗面の形状を測定するための測定装置の択一的な構成が略示されている。ここでも、短単色光源１のコリメートされたビームが第１のビームスプリッタＳＴ１において２つの部分ビームに分割される。第１の部分ビーム３は、集束レンズ６を介して測定物体７の表面に進む。第２の部分ビーム４は２つの音響光学偏向器８，９を通って進みかつ回折格子１０を照射する。ここでも、回折格子１０は、戻し回折された第２の部分ビーム４が平行移動に無関係に、干渉装置において、ビームスプリッタＳＴ３を介して戻りかつビームスプリッタＳＴ４において測定物体７から到来する第１の部分ビーム３と重畳されるように、所定の角度で傾けられている。重畳された部分ビーム３，４は頬ホト出器１１を照射する。
【図面の簡単な説明】
【図１】測定物体の粗面の形状を測定するための干渉測定装置の構成の概略図である。
【図２】別の実施例の概略図である。
【符号の説明】
１ ビーム発生ユニット、 ２ コリメータ、 ３ 第１の部分ビーム、 ４第２の部分ビーム、 ５ 音響光学変調器、 ７ 測定物体、 ８，９ 音響光学偏向器、 １０ 反射エレメント、 １１ ホト検出器、 １２ 偏向器ドライバ、 １３ 変調器ドライバ、 １４ 評価回路、 ＳＴ１〜ＳＴ４ ビームスプリッタ
Claims (6)
- 測定物体の粗面における形状を測定するための干渉測定装置であって、短コヒーレントビームを放射するためのビーム発生ユニットを備え、第１の部分ビームおよび第２の部分ビームを形成するための第１のビームスプリッタを備え、該２つの部分ビームのうち一方の部分ビームは前記測定すべき面に配向されておりかつ他方の部分ビームは光路を周期的に変えるための、反射エレメントを備えている装置に配向されており、前記面から到来するビームと前記光路を周期的に変えるための装置から到来するビームとを干渉させる重畳エレメントを備え、かつ該干渉されたビームを検出するホト検出器を備えている形式のものにおいて、
前記第１の部分ビーム（３）のビーム路および／または前記第２の部分ビーム（４）のビーム路に、該２つの干渉する部分ビーム（３，４）間の周波数シフト作用をする装置（５；８，９）が設けられており、
前記光路を変えるための装置は、前記第２の部分ビーム（４）のビーム路に該第２の部分ビームの光路を変えるために配置されている音響光学偏向装置と、その後ろに定置に配置されている反射エレメント（１０）とを有しており、前記偏向装置は少なくとも２つの音響光学偏向器（８，９）を備えており、かつ該偏向器（８，９）は周波数変調制御されかつ前記到来する第２の部分ビーム（４）並びに前記反射エレメント（１０）に関連して、前記重畳エレメント（ＳＴ１；ＳＴ４）に導かれる第２の部分ビーム（４）が前記偏向器（８，９）での偏向（α）によって該第２の部分ビームの光路の変化が行われるように、配置されており、かつ
前記第１の偏向器（８）は到来する部分ビームを周波数に依存して時間的に変化する角度だけ偏向しかつ前記第２の偏向器（９）は該角度偏向を戻し、その結果前記第２の部分ビーム（４）は再び、前記第１の偏向器（８）に関する入射方向において平行にずらされて更に延び、かつ
前記反射エレメントは回折格子（１０）として実現されており、該回折格子は、前記第２の偏向器（９）から出射された部分ビームに関して、該部分ビームが入射方向に戻されるように斜めに配向されている
ことを特徴とする干渉測定装置。 - 前記周波数シフト作用をする装置は、変調器ドライバ（１３）によって制御される音響光学変調器（５）として実現されており、該音響光学変調器は、前記第１の部分ビーム（３）のビーム路に、前記第１のビームスプリッタ（ＳＴ１）と前記測定物体（７）との間に配置されている
請求項１記載の干渉測定装置。 - 前記２つの偏向器（８，９）は、前記第２の部分ビーム（４）が周波数シフトを受けるように僅かに異なった搬送波周波数によって２つの偏向器ドライバ（１２．１，１２．２）により制御される
請求項１または２記載の干渉測定装置。 - 前記２つの偏向器（８，９）の搬送波周波数は共通の制御ユニット（１４）を用いて変調される
請求項３記載の干渉測定装置。 - 前記制御ユニットは評価回路（１４）と一体構成されておりかつ
前記搬送波周波数の変調周波数に関する情報は前記評価回路に送出され、該評価回路には、前記ホト検出器（１１）の出力信号も供給され、かつ
前記評価回路（１４）において前記情報および出力信号に基づいて、前記測定物体（７）の測定点に対する距離を求めることができる
請求項４記載の干渉測定装置。 - 前記ビーム発生装置（１）と前記第１のビームスプリッター（ＳＴ１）との間にコリメータ（２）が配置されており、
前記第１のビームスプリッター（ＳＴ１）と測定物体（７）との間に、前記第１の部分ビーム（３）を集束レンズ（６）を介して測定物体（７）に導きかつ該測定物体（７）から反射される第１の部分ビーム（３）を、別のビームスプリッタ（ＳＴ４）の形の重畳エレメントに導くための第２のビームスプリッタ（ＳＴ２）が配置されており、かつ
前記第１のビームスプリッタ（ＳＴ１）と前記第１の偏向器（８）との間に、第３のビームスプリッタ（ＳＴ３）が配置されており、該第３のビームスプリッタによって、前記第１の偏向器（８）を介して戻された第２の部分ビーム（４）が測定物体（７）から反射された第１の部分ビーム（３）と干渉されるように前記別のビームスプリッタ（ＳＴ４）に配向されている
請求項１から５までのいずれか１項記載の干渉測定装置。
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| JP14272798A Expired - Fee Related JP4026929B2 (ja) | 1997-05-26 | 1998-05-25 | 干渉測定装置 |
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