JP5669182B2 - 白色干渉法による振動測定装置及び振動測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）測長器を用いた非接触寸法測定装置において、測定対象物の微小振動を測定する技術、即ち測定対象物の振動周波数及び振動変位量の測定技術に関する。

干渉法は、複数の波を干渉させるとき、波長の整数倍に近付くと強め合い、その中間に近付くにつれ弱め合うことを利用して、波長や位相差を測定する技術である。

尚、白色干渉法（低コヒーレンス干渉法）は、コヒーレンス長（干渉縞を得ることの出来る最大の光路差）の短い白色光源を用いる手法で、微小距離の測定や、物体の微細な構造や形状を計測することができる。

図４は、本発明である白色干渉測長技術の原理を示す図である。図４（Ａ）は白色干渉法１３の装置構成であり、図４（Ｂ）は白色干渉法１３で得られる干渉波形を示すインターフェログラム１４である。

白色光源１３ａからハーフミラー１３ｃに向け、白色光１３ｂを照射し、白色光１３ｂをハーフミラー１３ｃで参照光１３ｄと測定光１３ｅに分割する。尚、ハーフミラー１３ｃは、反射光と透過光の強さがほぼ１：１のビームスプリッタである。

ハーフミラー１３ｃで反射した参照光１３ｄは位置移動可能（図中両矢印）な参照鏡１３ｇに照射され、ハーフミラー１３ｃを透過した測定光１３ｅはレンズ１３ｆを介して対象物１３ｈに照射される。

参照鏡１３ｇで反射しハーフミラー１３ｃを透過した参照光１３ｄと、対象物１３ｈから返りハーフミラー１３ｃで反射した測定光１３ｅとを、検出器１３ｉに取り込み、干渉させる。

白色光源１３ａによる干渉縞１４ａ（図４（Ｂ））は、測定光１３ｅと参照光１３ｄの光路差がないとき、即ち各光路長がほぼ等しいときに見られ、各光路長が一致したとき干渉縞１４ａの振幅が最大となる。そのときの干渉縞１４ａのコントラスト最大位置１４ｂが対象物１３ｈの表面高さとなる。そして、干渉縞１４ａの最大振幅を示す参照鏡の位置の決定精度が対象物１３ｈの位置、構造を測定する際の測定精度となる。

参照光１３ｄの光路長を精度良く走査し白色干渉縞１４ａの位相情報を得ることで、対象物の位置、形状をナノメートル精度で計測することも可能となる。

特許文献１等には、レーザーを用いた非接触で対象物の振動を計測する技術が公開されている。また、特許文献２〜４には、白色干渉法を用いた技術が公開されている。

特開２００９−００８５２９号公報 特開２０１０−１０１６２９号公報 特開２０１０−０９６５５１号公報 特開２００９−１８６１９１号公報

従来の振動測定センサでは、センサ自体を対象に接触させて測定するものが多く、さらにｋＨｚオーダの高速応答が困難で、振動変位量の検出精度もμメートルオーダであった。また、非接触式（レーザー式（特許文献１）や音波式）のセンサでは、μメートルオーダ精度で振動変位量の検出が可能であるが、測定対象物の位置を検出することに課題があった。さらに、白色干渉法を用いた技術（特許文献２〜４）では、白色干渉法を用いた位置の決定と振動計測とは別々の手法で行われている。

そこで、本発明は、白色干渉法を用いた非接触測定器において、μメートルオーダの高精度で測定対象物の位置を決定し、さらに、測定対象物の振動周波数をｋＨｚオーダの高速で検出でき、かつナノメートルオーダの振動変位量を測定できる白色干渉法による振動測定装置及び白色干渉法による振動測定方法を提供することを目的とするものである。

白色光源から照射される白色光を参照光と測定光に分割する光カプラと、
前記光カプラから光ファイバを介して照射された参照光の進行方向を変える光学素子、前記光学素子から出た参照光の進行方向を反転する反射素子、前記光学素子を往復移動させる直動ステージ、及び前記光学素子の位置を取得するスケールヘッドからなる参照光路長スキャナ部と、
前記光カプラから光ファイバを介して照射された測定光を発散又は収束させる集光レンズと、前記参照光路長スキャナ部と同期して前記集光レンズを移動させ測定光のスポットサイズを調整するレンズ移動機構からなるセンサ部と、
前記参照光路長スキャナ部から返った参照光と前記センサ部から返った測定光を合成させ、合成結果を電気信号である干渉信号として出力する光検出器と、
干渉信号を所定時間取得し、得られた干渉信号の強度を高速フーリエ変換処理で干渉信号の強度の周波数と振幅を解析して、測定対象物の振動周波数及び振動変位量を同時に求める処理装置と、
からなり、
前記所定時間取得する干渉信号は、
前記処理装置が、
前記光検出器で得られた干渉信号から最大振幅を示す干渉縞の振幅の中心を通るゼロベース直線を求めるとともに、前記直動ステージを移動させることにより、前記干渉縞と前記ゼロベース直線の交差点位置に対応する位置に前記光学素子を位置させたときの所定時間の干渉信号の強度であることを特徴とする
白色干渉法による振動測定装置の構成とした。

白色光源から出射された白色光を測定対象物に向かう照射光と、移動可能な光学素子に向かう参照光に分割し、測定対象物及び光学素子で反射した測定光及び参照光を干渉させて干渉縞を得る白色干渉法を利用した測定対象物の振動を測定する方法であって、
干渉縞の振幅の中心を通るゼロベース直線を求め、前記干渉縞と前記ゼロベース直線の交差点に対応する位置へ前記光学素子を移動させ、干渉信号を所定時間取得し、取得した干渉信号の強度を高速フーリエ変換処理で干渉信号の強度の周波数と振幅を解析して、測定対象物の振動周波数及び振動変位量を同時に求めることを特徴とする白色干渉法による振動測定方法の構成とした。

本発明は、上記構成であるので、μメートルオーダの高精度で測定対象物の位置を決定し、さらに測定対象物の振動をｋＨｚオーダの高速で検出でき、かつナノメートルオーダの振動変位量の測定が可能になる。

例えば、加速空洞モジュールのように、測定対象物が容器内にある場合に、光透過性の窓を通して、測定対象物の振動周波数、振動変位量を測定することができる。

さらに、放射光ナノビーム等で、分光器のミラーや回析格子といった真空中にある光学素子の位置、振動を、真空封止してある光透過性の窓を通じて測定することができる。

本発明である白色干渉法による振動測定装置の模式図である。 白色干渉法による振動測定方法のフローである。 図２フローに沿ったデータの解析手順を示す図である。 本発明である白色干渉法測長技術の原理を示す図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示すように、本発明である白色干渉法による振動測定装置１は、干渉計部２と、参照光路長スキャナ部７と、センサ部８と、処理装置１１とからなり、測定対象物の振動周波数と振動変位量を求めることができる。

振動変位量とは、測定対象物１３ｈがある特定のまたは複数の周波数で時間的に周期的な微小移動している際の移動量である。

干渉計部２は、白色光源３と、光カプラ４と、光検出器５とからなる。そして、光カプラ４と、白色光源３及び参照光路長スキャナ部７及びセンサ部８及び光検出器５とは、光ファイバ６で繋がれる。干渉計部２は、白色光３ａを参照光と測定光（もしくは２つ以上の光路）に分割し、さらに参照光と測定光（もしくは２つ以上の光路からの光）を干渉させる。

白色光源３は、白色光３ａを照射する装置であり、高輝度で低コヒーレンス性であるＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）、パルス幅がフェムト秒レベルであるフェムト秒レーザー、波長走査型レーザー等がある。

光カプラ４は、光ファイバ６中の光を分割する装置である。入射した白色光３ａを参照光４ｂと測定光４ｃに分割し、参照光４ｂは参照光路長スキャナ部７に送り、測定光４ｃはセンサ部８に送る。

光カプラ４は、例えば、ビームスプリッタ（ハーフミラー１３ｃ）又はそれと同等の機能を有する他の手段を備える。すなわち光ファイバ６中の光を２つまたはそれ以上の経路に、１：１もしくは他の比率に分割する。

光検出器５は、参照光路長スキャナ部７から返る参照光４ｂと、センサ部８から返る測定光４ｃを光カプラ４において合成し、電気信号（アナログ）である干渉信号１１ａとして処理装置１１に出力する。

光ファイバ６は、光の伝送路であり、機器間で光を送受する。透過率の高い石英ガラス又はプラスチックで出来ており、外側よりも芯の屈折率を高くすることで光を芯にだけ伝搬させる。

参照光路長スキャナ部７は、光カプラ４から入射した参照光４ｂを反射して光カプラ４に戻す。そして、干渉計部２から入射した参照光４ｂを反射させて干渉計部２に返す過程において、参照光４ｂの光路長を変化させる。

参照光路長スキャナ部７は、光学素子７ａ、直動ステージ７ｂ、スケールヘッド７ｃ、リニアスケール７ｄ、反射素子７ｅ、ファイバコネクタ７ｆ等からなり、光ファイバ６に接続され、干渉計部２から出た参照光４ｂが入射される。

参照光路長スキャナ部７内には、位置を示すリニアスケール７ｄが配され、直動ステージ７ｂが往復移動可能に設置される。直動ステージ７ｂに取り付けたスケールヘッド７ｃでリニアスケール７ｄ上の目盛りを読み取り直動ステージ７ｂの位置を取得することができる。

直動ステージ７ｂ上には、光学素子７ａが光ファイバ６に接続されるファイバコネクタ７ｆに対向するように載置され、ファイバコネクタ７ｆの隣に反射素子７ｅが光学素子７ａに対向するように固定される。

光学素子７ａは、再帰性反射ができる直角プリズムミラーやＣＣＰ（コーナーキューブ・プリズム）などが用いられ、直角に組み合わせた面に光を入射させ、数回の反射により光を元来た方向へ返す。

直動ステージ７ｂは、参照光４ｂの進行方向と同方向又は逆方向にスライドできる移動体である。直動ステージ７ｂを移動させることで、参照光４ｂの光路長を変化させることができる。直動ステージ７ｂの移動は、処理装置１１が、光検出器５からの干渉信号１１ａ及びスケールヘッド７ｃからのスケール信号１１ｂを基に、処理装置１１が移動制御信号１１ｄを生成し、直動ステージ７ｂに出力して制御される。

スケールヘッド７ｃは、直動ステージ７ｂと共に移動しながらリニアスケール７ｄ上の位置情報を読み取る。尚、直動ステージ７ｂが車輪やローラ等の回転体で移動する場合は、回転体の回転量から移動量を把握しても良い。スケールヘッド７ｃが取得した直動ステージ７ｂの位置は、スケールヘッド７ｃがスケール信号１１ｂとして出力し、処理装置１１で使用される。

リニアスケール７ｄは、直動ステージ７ｂの可動範囲に目盛り等を付したものであり、直動ステージ７ｂの移動量を取得することで、参照光４ｂの光路長を把握することができるようにしたものである。

反射素子７ｅは、ミラーなどが用いられ、光の進行方向を反対方向にすることができる。尚、反射素子７ｅは終端であり、ファイバコネクタ７ｆから反射素子７ｅに至るまで、間に光学素子７ａを複数個用いて光を複数回往復させても良い。それにより、参照光４ｂの光路長の変化量を長くすることができる。即ち、センサ部８から測定対象物１３ｈまでの距離が長い場合でも測定可能になる。

ファイバコネクタ７ｆは、干渉計部２に接続する光ファイバ６の先端を保持し、光ファイバ６から出射された参照光４ｂを直動ステージ７ｂ上の光学素子７ａに当てることができるように固定したものである。

直動ステージ７ｂを往復移動させると、参照光４ｂの光路長は光カプラ４からファイバコネクタ７ｆと光学素子７ａを経て反射素子７ｅに至るまでとなるので、参照光４ｂの光路長を直動ステージ７ｂの移動量の２倍で変化させることができる。

尚、光学素子７ａを直動ステージ７ｂ上とファイバコネクタ７ｆの隣に配置し、反射素子７ｅを直動ステージ７ｂ上に配置すると、参照光４ｂの光路長を直動ステージ７ｂの移動量の３倍で変化させることができる。即ち、光学素子７ａと反射素子７ｅの組み合わせを増やすことにより、参照光４ｂの光路長のスキャン長さを長くすることができる。

反射素子７ｅで反射された参照光４ｂは、そのまま同じ経路を逆戻りして光ファイバ６の先端を保持するファイバコネクタ７ｆまで到達し、光ファイバ６内を通って干渉計部２へ返る。

センサ部８は、ファイバコネクタ８ｂ、集光レンズ８ｃ、８ｄ、レンズ移動機構８ｅ等からなり、光カプラ４から延びる光ファイバ６を介して、集光レンズ８ｃに向けて測定光４ｃを照射する。そして、光カプラ４から入射した測定光４ｃを測定対象物１３ｈで反射させて光カプラ４に戻す。

ファイバコネクタ８ｂは、光ファイバ６の測定光４ｃの測定対象物１３ｈ側の終端を保持する。光ファイバ６から出射された測定光４ｃは、集光レンズ８ｃに至る。

集光レンズ８ｃ、８ｄは、凸レンズ等を２枚又は複数枚用いて測定光４ｃを発散又は収束させることで、測定光４ｃの焦点距離を変化させて、測定対象物１３ｈに対する測定光４ｃのスポットサイズ（照射面積）の最適化に用いる。

レンズ移動機構８ｅは、集光レンズ８ｄを移動させて測定光４ｃの焦点を可変にするための装置である。レンズ移動機構８ｅの例としては、中空ボイスコイルモータや、小型ステージを用いた手段などがある。

通常、集光レンズ８ｃの位置を固定して集光レンズ８ｄの位置を可動にするが、集光レンズ８ｃの位置を可動にして集光レンズ８ｄの位置を固定しても良いし、集光レンズ８ｃと集光レンズ８ｄの両方を可動にしても良い。レンズ移動機構８ｅの移動制御は、処理装置１１で行われる。

Ａ／Ｄ変換器９は、アナログ信号である干渉信号１１ａをデジタル信号に変換する装置である。カウンター１０は、スケールヘッド７ｃから取得したスケール信号１１ｂを数値に変換する装置である。カウンター値はスケール信号１１ｂを数値に変換しただけであるので等価と見なせる。

処理装置１１は、必要に応じて各部材の動作制御、取得データの演算処理を行うコンピュータ装置である。

動作制御としては、参照光路長スキャナ部７から取得したスケール信号１１ｂに応じてレンズ移動機構８ｅにレンズ移動制御信号１１ｃを出力し、測定光４ｃのスポットサイズの最適化を行う。上述のように、干渉縞５ａが最大振幅を示す光学素子７ａの位置に直動ステージ７ｂの移動を制御する。さらに、光学素子７ａを所定の位置に位置させ、所定時間干渉信号１１ａを取得するため、スケール信号１１ｂを基に移動制御信号１１ｄで直動ステージ７ｂの移動を制御する。

処理装置１１の演算処理としては、光検出器５からの干渉信号１１ａを基に、最大振幅を示す干渉縞５ａを決定する。最大振幅を示す干渉縞５ａは、直動ステージ７ｂの移動量即ちスケール信号１１ｂに対して干渉信号１１ａの強度を得ることで決定される。

また、処理装置１１は、干渉信号１１ａ、スケール信号１１ｂを基に、レンズ移動機構８ｅの集光レンズ８ｄ、８ｃの位置、直動ステージ７ｂの位置を移動する。これら移動は同期して行う。直動ステージ７ｂを所定の位置に移動させた後に所定時間干渉信号１１ａの強度を取得して、そのデータを高速フーリエ変換処理して、干渉信号の強度の周波数及び振幅を解析する。その解析に基づき、測定対象物１３ｈの振動周波数及び振動変位量を求める。

図２に、本発明である白色干渉法による振動測定方法の一例として、図１に示す白色干渉法による振動測定装置１を用いた白色干渉法による振動測定方法１２のフローを示した。

白色干渉法による振動測定方法１２は、白色光照射、センサ部移動・固定、参照光の光路長スキャン、測定光のスポットサイズ最適化、干渉縞の検出ステップ、干渉縞ゼロベース直線の計算、光学素子移動、データ収集、データ解析、振動周波数・振動変位量の計算（振動測定結果表示）の各ステップからなる。

白色光照射ステップは、白色光源３から白色光３ａを照射し、光ファイバ６を介して光カプラ４に白色光３ａを送る。光カプラ４で白色光３ａを参照光４ｂと測定光４ｃに分割し、参照光４ｂを参照光路長スキャナ部７に、測定光４ｃをセンサ部８に送る。

センサ部移動・固定ステップは、センサ部８の先端部を測定対象物１３ｈに向け、固定する。

参照光の光路長スキャンステップは、直動ステージ７ｂを直動ステージ７ｂが移動可動な全範囲または一部を移動させる。直動ステージ７ｂの移動とともに干渉信号１１ａは、光検出器５から処理装置１１に出力される。

測定光のスポットサイズ最適化ステップは、参照光の光路長スキャナステップに同期して、処理装置１１でレンズ移動制御信号１１ｃを生成し、レンズ移動機構８ｅを駆動させ、集光レンズ８ｄを移動させる。そして、測定光４ｃの測定対象物１３ｈにおけるスポットサイズを最適化する。

参照光４ｂと測定光４ｃの光路長がほぼ一致したとき干渉縞５ａが得られることから、参照光路長スキャナ部７の直動ステージ７ｂの移動と、センサ部８の集光レンズ８ｄの移動は、測定位置１０ａのスポットサイズを最適化するように連動する。

干渉縞の検出ステップは、処理装置１１が、干渉信号１１ａを基に、干渉縞５ａの最大振幅を示す直動ステージ７ｂの位置を決定する。そのときの直動ステージ７ｂの位置、即ちスケール信号１１ｂが示す位置を測定対象物１３ｈの基準位置とする。検出される干渉縞５ａは、図３（Ａ）に示す波形となる。縦軸が干渉信号強度、横軸が光学素子（参照鏡）位置である。図３（Ｂ）、（Ｃ）においても同じ。

干渉縞ゼロベース直線の計算ステップは、処理装置１１の演算により最大振幅干渉縞の振幅の中心を通るゼロベース直線を求める。ゼロベース直線は、図３（Ｂ）（Ｃ）に示した。

光学素子移動ステップは、干渉縞５ａとゼロベース直線との交差点の位置に対応する位置へ、光学素子７ａを位置させるため、直動ステージ７ｂを移動させる。前記交差点は、振動変位量に対する干渉信号の強度の変化率が大きいため、ナノメートルレベルの振動変位量も検出できることとなる。

データ収集ステップは、ある交差点位置に対応する光学素子７ａの位置において、所定時間、干渉信号１１ａを取得する。測定対象物１３ｈが振動することにより、干渉信号１１ａの強度は時間ともに変化する。処理装置１１は、取得した干渉信号１１ａの強度（図３の（Ｄ））を処理装置１１或いは別体の記憶装置に格納する。図３（Ｄ）における縦軸は干渉信号強度であり、横軸は参照鏡（光学素子７ａ）位置を固定した後の経過時間である。

データ解析ステップは、処理装置１１の演算部で、図３の（Ｄ）に示す所定時間の干渉信号１１ａの強度データを、高速フーリエ変換処理して、所定時間の干渉信号１１ａの強度データから周波数及び振幅を解析する。

本発明における高速フーリエ変換は、公知の高速フーリエ変換技術（例えばウェブページhttp://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%AB%98%E9%80%9F%E3%83%95%E3%83%BC%E3%83%AA%E3%82%A8%E5%A4%89%E6%8F%9B参照）を用いて行われ、デジタル信号に対するフーリエ変換を高速に計算する手法である。

即ち、ここでの高速フーリエ変換では、横軸時間に対して縦軸干渉信号強度の所定時間のデータにある１つ又は複数の周波数成分を横軸周波数、縦軸振幅のデータに変換する。つまり、本発明における高速フーリエ変換は、ある一定時間の時間サンプリングした干渉信号１１ａの周波数成分を抽出する演算である。

振動周波数・振動変位量の計算ステップは、処理装置１１の演算部で、データ解析ステップの解析結果を計算することで、測定対象物１３ｈの振動周波数及び振動変位量を求める。即ち、高速フーリエ変換によって、振動周波数に応じた振幅のデータが得られる。この振幅データは、予め振動変位量の決まっている振幅との相関から、比較校正しておき、高速フーリエ変換によって得られた振幅のデータを振動変位量に換算する。

なお、図２に示すように、データ収集、データ解析、振動周波数・振動変位量の計算は、リアルタイムで行われる。リアルタイムとは、データ収集を実施しながらデータ解析を行い、振動周波数・振動変位量を得ることが連続同期的に行われるということである。

そして、測定対象物１３ｈの振動周波数及び振動変位量が求められたら、画面等に結果を出力する。

このようにして、本発明である白色干渉法による振動測定方法１２では、測定対象物１３ｈに非接触で、μメートルオーダの高精度で測定対象物の位置を測定し、さらに、測定対象物の振動をｋＨｚオーダの高速で検出でき、かつナノメートルオーダの振動変位量の測定が可能になる。

１ 白色干渉法による振動測定装置
２ 干渉計部
３ 白色光源
３ａ 白色光
４ 光カプラ
４ｂ 参照光
４ｃ 測定光
５ 光検出器
５ａ 干渉縞
６ 光ファイバ
７ 参照光路長スキャナ部
７ｃ スケールヘッド
７ｄ リニアスケール
７ｅ 反射素子
７ｆ ファイバコネクタ
８ センサ部
８ｂ ファイバコネクタ
８ｃ 集光レンズ
８ｄ 集光レンズ
８ｅ レンズ移動機構
９ Ａ／Ｄ変換器
１０ カウンター
１１ 処理装置
１１ａ 干渉信号
１１ｂ スケール信号
１１ｃ 移動制御信号
１１ｄ 移動制御信号
１２ 白色干渉法による振動測定方法
１３ 白色干渉法
１３ａ 白色光源
１３ｂ 白色光
１３ｃ ハーフミラー
１３ｄ 参照光
１３ｅ 測定光
１３ｆ レンズ
１３ｇ 参照鏡
１３ｈ 対象物
１３ｉ 検出器
１４ インターフェログラム
１４ａ 干渉縞
１４ｂ コントラスト最大位置

Claims (2)

1. 白色光源から照射される白色光を参照光と測定光に分割する光カプラと、
   前記光カプラから光ファイバを介して照射された参照光の進行方向を変える光学素子、前記光学素子から出た参照光の進行方向を反転する反射素子、前記光学素子を往復移動させる直動ステージ、及び前記光学素子の位置を取得するスケールヘッドからなる参照光路長スキャナ部と、
   前記光カプラから光ファイバを介して照射された測定光を発散又は収束させる集光レンズと、前記参照光路長スキャナ部と同期して前記集光レンズを移動させ測定光のスポットサイズを調整するレンズ移動機構からなるセンサ部と、
   前記参照光路長スキャナ部から返った参照光と前記センサ部から返った測定光を合成させ、合成結果を電気信号である干渉信号として出力する光検出器と、
   干渉信号を所定時間取得し、得られた干渉信号の強度を高速フーリエ変換処理で干渉信号の強度の周波数と振幅を解析して、測定対象物の振動周波数及び振動変位量を同時に求める処理装置と、
   からなり、
   前記所定時間取得する干渉信号は、
   前記処理装置が、
   前記光検出器で得られた干渉信号から最大振幅を示す干渉縞の振幅の中心を通るゼロベース直線を求めるとともに、前記直動ステージを移動させることにより、前記干渉縞と前記ゼロベース直線の交差点位置に対応する位置に前記光学素子を位置させたときの所定時間の干渉信号の強度であることを特徴とする
   白色干渉法による振動測定装置。
2. 白色光源から出射された白色光を測定対象物に向かう照射光と、移動可能な光学素子に向かう参照光に分割し、測定対象物及び光学素子で反射した測定光及び参照光を干渉させて干渉縞を得る白色干渉法を利用した測定対象物の振動を測定する方法であって、
   干渉縞の振幅の中心を通るゼロベース直線を求め、前記干渉縞と前記ゼロベース直線の交差点に対応する位置へ前記光学素子を移動させ、干渉信号を所定時間取得し、取得した干渉信号の強度を高速フーリエ変換処理で干渉信号の強度の周波数と振幅を解析して、測定対象物の振動周波数及び振動変位量を同時に求めることを特徴とする白色干渉法による振動測定方法。