JP4199848B2 - 干渉測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビーム発生ユニットと、第１のビームスプリッタと、光路変更装置と、重畳エレメントと、フォト検出装置と、制御評価装置とを有し、前記ビーム発生ユニットは短コヒーレントなビームを送出し、前記第１のビームスプリッタは第１の部分ビームおよび第２の部分ビームを形成し、前記光路変更装置は光路を周期的に変化させるための反射エレメントを有し、前記第１の部分ビームは測定すべき表面へ配向され、前記第２の部分ビームは前記光路変更装置へ配向され、前記重畳エレメントは表面および装置から入射したビームを干渉させ、前記フォト検出装置は干渉されたビームを受信し、かつ対応する電気信号を制御評価装置に送出する、測定対象物での粗い表面の形状を測定するための干渉測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の干渉測定装置は刊行物 T.Dresel, G.Haeusler, H.Venzke “Three- Dimensional sensing of rough surfaces by coherence radar”, App.Opt., Vol.3, No.7, 01.03.1992 に公知の技術として記載されている。この刊行物では短コヒーレントな光を発生する光源およびピエゾ作動される反射鏡を有する、粗い表面の形状を測定するための干渉計が紹介されている。この測定のための装置では、光波の形の、測定対象物から反射して戻ってくる第１の部分ビームが基準波の形の第２の部分ビームと重畳される。２つの光波はきわめて短いコヒーレンス長（数μｍ）を有し、そのため干渉コントラストは光路差がゼロである場合に最大値に達する。基準波の光路を変更するために、ピエゾ作動される反射鏡の形の反射エレメントが設けられている。ピエゾ作動される反射鏡の位置を干渉の最大状態の発生時間と比較することにより、測定対象物への距離を求めることができる。ただしこの種の測定のための装置を実際に適用する場合の取扱いは簡単でないことが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冒頭に述べた形式の干渉測定装置を提供して、例えば測定対象物の中空室も正確に完全に測定できるようにすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この課題は本発明により、第１の部分ビームはダブルビームスプリッタへ配向され、該ダブルビームスプリッタの偏光作用を有する第１の分割面を介して、相互に異なって偏光された基準部分ビームと第１の測定部分ビームとが形成され、さらに該ダブルビームスプリッタの第２の分割面を介して、第２の測定部分ビームが形成され、前記基準部分ビームは、前記２つの分割面から所定の距離をおいて設けられる基準反射鏡へ案内され、２つの測定部分ビームは測定対象物のそれぞれの測定点へ偏向され、前記基準部分ビームおよび前記２つの測定部分ビームの複数の干渉最大値は前記フォト検出装置および前記制御評価装置により個々に検出されることにより解決される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
第１の部分ビームが基準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され、それぞれの基準最大値が検出されることにより、少なくとも１つの測定点に対して付加的な基準値が得られる。この基準値により比較的簡単な手段で測定対象物での接近の困難な個所における形状測定も可能となる。
【０００６】
有利には基準部分ビームおよび少なくとも１つの測定部分ビームの複数の干渉最大値は、時間のずれおよび／または相互に異なるビームの識別により個別化される。この手段により、基準部分ビームの干渉最大値と少なくとも１つの測定部分ビームの干渉最大値とを簡単な手段で分離する際に正確な検出と評価とが可能である。
【０００７】
前記別のビームスプリッタのうち１つは偏光ビームスプリッタであり、基準部分ビームと偏光ビームスプリッタにより分離された測定部分ビームとは相互に異なって偏光され、基準部分ビームおよび該基準部分ビームとは異なって偏光された測定部分ビームはフォト検出装置の異なるフォト検出器へ案内されるように設けられる場合に、基準部分ビームおよび少なくとも１つの偏光された測定部分ビームを一義的に、簡単な手段で個々に検出可能である。
【０００８】
装置の取扱いは、少なくとも１つのビームスプリッタおよび基準反射鏡は共通の測定センサ内に設けられ、測定センサに共通の光入射面、光出射面、およびフォーカシングレンズが設けられ、測定センサに少なくとも１つの測定部分ビームの出射および入射のためのウィンドウが設けられることにより簡単化される。この構成では調整作業が省略され、装置は測定ヘッドを所定の位置に固定する構成により簡単化される。
【０００９】
装置の構成と評価の単純化のための別の手段は、光路変更装置が第２の部分ビームのビーム路内に、この部分ビームの光路を変更するために設けられた音響光学偏向装置を有し、音響光学偏向装置は少なくとも２つの音響光学偏向器と、これらの偏向器の後方に位置固定されて設けられる反射エレメントを有し、音響光学偏向器は周波数変調されて制御され、音響光学偏向器は入射する第２の部分ビームおよび反射エレメントに関して次のように設けられる、すなわち重畳エレメントへ案内される第２の部分ビームが音響光学偏向器内の偏向により光路を変更することにより得られる。この場合に有利には、第１の偏向器は入射する部分ビームを、周波数に依存して時間的に変化する角度だけ偏向させ、第２の偏向器は偏向された角度を元に戻し、第２の部分ビームが再び第１の偏向器への入射方向で平行に移動されてさらに進むようにし、反射エレメントは回折格子として構成され、回折格子は第２の偏向器から入射した部分ビームを基準として斜めに配向され、この部分ビームは入射方向に戻される。
【００１０】
干渉最大値の評価は例えば、相互に干渉する２つの部分ビーム間の周波数シフトを行う周波数シフト装置が第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設けられることにより正確に行われる。この場合に簡単化のために、２つの偏向器の搬送周波数は共通の制御評価装置により変調されるように構成してもよい。
【００１１】
簡単で正確な干渉最大値の評価は、周波数シフト装置が変調器駆動装置により制御される音響光学変調器として構成され、この周波数シフト装置が第１の部分ビームのビーム路内で第１のビームスプリッタと測定対象物との間に設けられるように構成することもできる。
【００１２】
【実施例】
本発明を以下に実施例により図に則して詳細に説明する。
【００１３】
短コヒーレントなビームを発生するビーム発生ユニットから発生され、コリメータ２によりコリメートされるビームは第１のビームスプリッタＳＴ１において、第１の部分ビーム３および第２の部分ビーム４に分割される。前記ビーム発生ユニットは光源であり、例えばレーザダイオードである。第１の部分ビーム３は測定センサ５へ案内される。第２の部分ビーム４は反射鏡ＳＰ１および補正格子２１を介して２つの音響光学偏向器８、９を通過する。前記補正格子により角度の偏差および空間的な非干渉性が補正される。前記２つの音響光学偏向器は、共通の偏向器駆動器１２により周波数変調されて制御される。
【００１４】
周波数変調により第２の部分ビーム４の偏向角は第１の音響光学偏向器８において角度αだけ変化させられる。続いて第２の音響光学偏向器９において第２の部分ビーム４は、第１の音響光学偏向器８へ入射してきた方向へ再び偏向される。この手段により第２の音響光学偏向器９から出射する第２の部分ビーム４の平行移動が生じる。この第２の部分ビームは続いて回折格子１０の形の反射エレメントを照射する。回折格子１０は所定の角度で傾いて構成されるため、回折して戻る第２の部分ビーム４が平行移動に無関係に、干渉測定装置において、回折格子１０に光学的に平行に設けられた補正格子２１を介して第１のビームスプリッタＳＴ１へ戻り、かつこのビームスプリッタにおいて戻ってきた第１の部分ビーム３と重畳され、これとの干渉を生じさせる。２つの部分ビーム３、４が同じ光学的区間を進む場合には、干渉コントラストは最大となる。
【００１５】
２つの音響光学偏向器８、９は、第１の偏向器８の角度の偏向が第２の偏向器９において元に戻され、第２の部分ビームが光路の変化ｄにより平行にのみシフトされるように構成されているので、第２の部分ビーム４の光路または光学的区間（走向時間）は変調される。２つのビーム３、４の光路差がゼロである場合には、干渉ビームのビーム路内に設けられたフォト検出装置のフォト検出器１１.１または１１.２も干渉の最大値をとる。干渉が最大ないしフォト検出器１１.１、１１.２の信号が最大の時点と偏向器駆動器１２の瞬時周波数とを制御評価装置１４において比較することにより、測定対象物７の測定点７.１または７.２までの距離を正確に求めることができる。
【００１６】
干渉の最大値を正確に求めるために、ヘテロダイン干渉法による評価が行われる。このために２つの音響光学偏向器８、９は偏向器駆動装置１２の第１の駆動器１２.１および第２の駆動器１２.２により、わずかに異なる搬送周波数によって制御される。この場合に周波数の差は例えば搬送周波数が数１０ＭＨｚである場合に０.５ＭＨｚである。これにより第２の部分ビーム４は搬送周波数の差の２倍に対応する周波数シフト、すなわち例えば１ＭＨｚの周波数シフトを有する。２つの搬送周波数は制御評価装置１４により変調されており、これらの搬送周波数は干渉の最大値の評価にも使用される。２つの偏向器８、９をわずかに異なる搬送周波数で制御することにより、第２の部分ビーム４の光路（走向時間）の変調が行われる。ヘテロダイン干渉信号が最大となる時点と、例えば制御評価装置１４の瞬時周波数とを比較することにより、測定点７.１、７.２への距離が求められる。
【００１７】
測定対象物７の中空室内の測定点７.１、７.２を検出するために、第１の部分ビーム３はフォーカシングレンズ６を介して管状の測定センサ５へ案内され、ダブルビームスプリッタ１５へ配向される。このダブルビームスプリッタは第１の分割面１６および第２の分割面１７を有する。第１の分割面１６で第１の部分ビーム３は２つの成分、すなわち測定部分ビームの形の第１の更なる部分ビーム１８と、基準部分ビームの形の第２の更なる部分ビーム１９とに分割される。第１の更なる部分ビーム１８および第２の更なる部分ビーム１９は、偏光作用を生じさせる第１の分割面１６を介して相互に垂直に偏光される。第２の分割面１７では、第１の分割面１６を通って進み、基準部分ビーム１９を形成する部分ビームから、第３の更なる部分ビーム２０が測定部分ビームとして、基準部分ビーム１９と同様に分割される。基準部分ビーム１９はダブルビームスプリッタ１５を通って直進し、基準反射鏡１３でフォーカシングされる。またこの基準部分ビーム１９は戻り方向に反射してフォーカシングレンズ６を通過した後、第１の更なる部分ビーム１８および第３の更なる部分ビーム２０と同様に、重畳エレメントとして作用する第１のビームスプリッタＳＴ１を照射する。さらにこの基準部分ビーム１９は第２の部分ビーム４との干渉を生じさせる。
【００１８】
基準部分ビーム１９は第１のビームスプリッタＳＴ１から、偏光面で阻止作用する別のビームスプリッタＳＴ２および別の反射鏡ＳＰ２を介して第２のフォト検出器１１.２へ達する。第１の測定点７.１により後方散乱されたビームは、第１の分割面１６での反射の後に第１のビームスプリッタＳＴ１、および偏光面に対して透過性を有する別のビームスプリッタＳＴ２を介して第１のフォト検出器１１.１へ達する。一方第３の更なる部分ビーム２０すなわち測定部分ビームは、第２の測定点７.２により後方散乱され、同様に第２のフォト検出器１１.２を照射する。基準部分ビーム１９も測定部分ビーム１８、２０も戻ってくる第２の部分ビーム４との干渉を生じさせるので、フォト検出器はそのつど電気信号（エコー）を送出する。これらの信号の交流成分はそれぞれ３つの干渉が最大となる場合に最大値に達する。図２においては、第１の測定点７.１からのエコーＥ₁、基準部分ビーム１９のエコー、および第２の測定点７.２からのエコーの形で得られた複数の信号が時間に関して２つのフォト検出器１１.１、１１.２の後方で分離されて示されている。
【００１９】
測定対象物７に対する測定装置例えば測定センサ５をエタロンを用いて較正することができる。このためには測定センサ５が既知の直径Ｌ₀を有するエタロンへ挿入され、測定点７.１からのエコーＥ₁の最大値と基準反射鏡１３からのエコーＥ_Rの最大値との間の時間差がゼロとなるように位置ぎめされる。このことは図２に示されている。この位置において、基準反射鏡１３のエコーＥ_Rの最大値と測定点７.２のエコーＥ₂の最大値との間の時間差Ｔ₀が測定され、この時間差Ｔ₀は対応する基準路Ｌ₁へ換算される。測定センサ５の配置は有利には、全ての測定対象物７に対して基準路Ｌ₁が決してゼロにならないように定められる。直径Ｌ₀および基準路Ｌ₁は系の較正量であり、未知の直径Ｌ_Xは関係式
Ｌ_X＝Ｌ₀−Ｌ₁＋ΔＬ_M1Ｌ_R＋ΔＬ_M2Ｌ_R
により求められる。この場合にΔＬ_M1Ｌ_Rは測定対象物７の第１の測定点７.１と基準反射鏡１３との間の測定された光路差であり、ΔＬ_M2Ｌ_Rは測定対象物７の第２の測定点７.２と基準反射鏡１３との間の測定された光路差である。
【００２０】
測定すべき測定対象物７で直径が未知の場合には、一方では第１の測定点７.１のエコーＥ₁および基準反射鏡１３のエコーＥ_R間の時間のずれから、他方では第２の測定点７.２のエコーＥ₂から基準反射鏡１３のエコーＥ_Rへの距離の差から、形状の偏差をきわめて正確に（数ｎｍの領域で）測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】干渉の最大値を検出するための干渉測定装置の構成の概略図である。
【図２】図１に示される干渉測定装置の信号特性の図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ コリメータ
３、４ 部分ビーム
５ 測定センサ
６ フォーカシングレンズ
７ 測定対象物
８、９ 偏向器
１０ 回折格子
１１ フォト検出器
１２ 偏向器駆動装置
１３ 基準反射鏡
１４ 制御評価装置
１８、１９、２０ 更なる部分ビーム
２１ 補正格子
ＳＴ１、ＳＴ２ ビームスプリッタ
ＳＰ１、ＳＰ２ 反射鏡

Claims (10)

1. ビーム発生ユニットと、第１のビームスプリッタ（ＳＴ１）と、光路変更装置と、重畳エレメントと、フォト検出装置と、制御評価装置とを有し、
   前記ビーム発生ユニットは短コヒーレントなビームを送出し、前記第１のビームスプリッタ（ＳＴ１）は第１の部分ビーム（３）および第２の部分ビーム（４）を形成し、前記光路変更装置は光路を周期的に変化させるための反射エレメントを有し、前記第１の部分ビームは測定すべき表面へ配向され、前記第２の部分ビームは前記光路変更装置へ配向され、前記重畳エレメントは表面および装置から入射したビームを干渉させ、前記フォト検出装置は干渉されたビームを受信し、かつ対応する電気信号を前記制御評価装置に送出する、測定対象物での粗い表面の形状を測定するための干渉測定装置において、
   第１の部分ビーム（３）はダブルビームスプリッタ（１５）へ配向され、該ダブルビームスプリッタの偏光作用を有する第１の分割面（１６）を介して、相互に異なって偏光された基準部分ビーム（１９）と第１の測定部分ビーム（１８）とが形成され、さらに該ダブルビームスプリッタの第２の分割面（１７）を介して、第２の測定部分ビーム（２０）が形成され、
   前記基準部分ビーム（１９）は、前記２つの分割面（１６、１７）から所定の距離をおいて設けられる基準反射鏡（１３）へ案内され、２つの測定部分ビーム（１８、２０）は測定対象物（７）のそれぞれの測定点（ＭＰ１、ＭＰ２）へ偏向され、
   前記基準部分ビーム（１９）および前記２つの測定部分ビーム（１８、２０）の複数の干渉最大値（Ｅ_Ｒ、Ｅ_１、Ｅ_２）は前記フォト検出装置（１１．１、１１．２）および前記制御評価装置（１４）により個々に検出される
   ことを特徴とする測定対象物での粗い表面の形状を測定するための干渉測定装置。
2. 前記基準部分ビーム（１９）および前記２つの測定部分ビーム（１８、２０）の複数の干渉最大値（Ｅ_Ｒ、Ｅ_１、Ｅ_２）は、時間のずれまたは相互に異なるビームの識別により個別化される、請求項１記載の装置。
3. 前記基準部分ビーム（１９）および偏光された第１の測定部分ビーム（１８）は前記フォト検出装置（１１）の異なるフォト検出器（１１．１、１１．２）へ案内される、請求項１または２記載の装置。
4. 前記ダブルビームスプリッタ（１５）および前記基準反射鏡（１３）は共通の測定センサ内に設けられ、該測定センサに共通の光入射面、光出射面およびフォーカシングレンズ（６）が設けられ、該測定センサに前記２つの測定部分ビーム（１８、２０）の出射および入射のためのウィンドウが設けられる、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記光路変更装置は前記第２の部分ビーム（４）のビーム路内に、該部分ビームの光路を変更するために設けられる音響光学偏向装置を有し、該音響光学偏向装置は２つの音響光学偏向器（８、９）と、該偏向器の後方に位置固定されて設けられる反射エレメント（１０）とを有し、前記音響光学偏向器（８、９）は周波数変調されて制御され、該偏向器（８、９）は入射する第２の部分ビーム（４）および前記反射エレメント（１０）に関して、前記重畳エレメント（ＳＴ１、ＳＴ２）へ案内される前記第２の部分ビーム（４）が前記音響光学偏向器（８、９）内の偏向（α）により光路を変更されるように設けられる、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 第１の偏向器（８）は入射する部分ビームを、周波数に依存して時間的に変化する角度だけ偏向させ、第２の偏向器（９）は偏向された角度を元に戻し、前記第２の部分ビーム（４）が再び前記第１の偏向器（８）への入射方向で平行に移動されてさらに進むようにし、前記反射エレメントは回折格子（１０）として構成され、該回折格子は前記第２の偏向器（９）から入射した部分ビームを基準として斜めに配向され、該部分ビームは入射方向に戻される、請求項５記載の装置。
7. 相互に干渉する２つの部分ビーム（３、４）間の周波数シフトを行う周波数シフト装置が前記第１の部分ビーム（３）のビーム路または前記第２の部分ビーム（４）のビーム路に設けられる、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記２つの偏向器（８、９）はわずかに異なる搬送周波数で２つの偏向器駆動器（１２.１、１２.２）により制御され、前記第２の部分ビーム（４）は周波数シフトされる、請求項５から７のいずれか１項記載の装置。
9. 前記２つの偏向器（８、９）の搬送周波数は共通の前記制御評価装置（１４）により変調される、請求項８記載の装置。
10. 前記周波数シフト装置が変調器駆動装置により制御される音響光学変調器として構成され、該周波数シフト装置は前記第１の部分ビーム（３）のビーム路内で前記第１のビームスプリッタ（ＳＴ１）と前記測定対象物（７）との間に設けられる、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。

Images