JP4131666B2 - 干渉測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
従来技術
本発明は、測定物の、表面特性量、形状、距離、距離変化、例えば振動をプローブ部を用いて測定するための干渉測定装置に関する。
【０００２】
この形式の干渉測定装置はＤＥ１９８０８２７３Ａ１に示されている。この公知の測定装置では、干渉測定装置においてコヒーレンス・マルチプレクサを用いて測定装置の光学系が２つのサブ系、すなわちいわゆる変調干渉計とプローブ部とに分割される。プローブ部はこの仕方において申し分なく操作可能でありかつ１つの測定ヘッドを有していて、これにより比較的長い、狭い孔内の測定も可能である。測定装置はマルチ波長干渉に対して構想されているので、測定領域の拡張が実現される。表面のアラウンド走査を実施するために、通例は測定物自体がまたは測定装置が回転するように駆動される。駆動は必ずしも簡単に実施できるとは限らず、測定精度に不都合に作用することもある。
【０００３】
ＤＥ１９８１９７６２Ａ１号に示されている、この形式の別の干渉測定装置では、測定系に対する種々の空間節約型測定プローブが提案されており、その際走査運動の生成は、上に述べたように、類似の困難に結び付く可能性がある。
【０００４】
ＥＰ０１２６４７５号には、マルチ波長−ヘテロダイン−干渉計のコンセプトに基づいておりかつ光源として１つまたは複数のレーザを含んでいる、凹凸のある表面の実際位置および／またはプロフィールを無接触測定するための方法および装置が示されている。ヘテロダイン技術により、位相評価に基づいて、振動の影響を大幅に抑圧することが可能になるが、この手法でも上に挙げた困難が発生する可能性がある。
【０００５】
本発明の課題は、測定装置のできるだけ簡単な操作において測定物の表面を回転子ながら走査する際に高められた精度が実現されかつ駆動装置から生じる、測定精度に対する不都合な影響に対して対向作用が生じるようにした、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。
【０００６】
この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成によって解決される。これによれば、プローブ部は、定置のプローブ部と該定置のプローブ部に機械的および光学的に結合されている回転可能なプローブ部とに分割されておりかつ干渉測定のために参照ビームおよび測定ビームを生成するためのビームスプリッターは前記回転可能なプローブ部に配置されている。
【０００７】
プローブ部を定置のプローブ部と回転可能なプローブ部とに分割することによって、測定物の走査に対して比較的簡単に配向することができかつプローブ部を精確な回転走査が可能であるように設計することができる。回転可能なプローブ部にビームスプリッターを配置することで、参照ビームと、測定すべき表面から到来する測定ビームとの間の捕捉検出すべき距離差に、定置のプローブ部と回転するプローブ部との間の移行領域に回転により生じるような差が重畳されることが妨げられる。
【０００８】
次のような措置を講ずることで操作は一段と簡単化される：プローブ部とは空間的に別個になっていて、中に短コヒーレントな光源を備えている復調干渉計があり、この場合には短コヒーレントな光源は回転可能なまたは定置のプローブ部に配置されている。その際プローブ部および復調干渉計が単一モードの光ファイバを介して相互に結合されていることによって一層有利な構成が実現される。
【０００９】
有利な構成は更に、ビームスプリッターがコモン・パス干渉計装置の部分であることによって実現される。これにより、参照ビームに対する固有の光分岐は不要になりかつ有利にも構造が細長くなる。
【００１０】
測定装置の構成に対するそれ自体公知の種々の形態では、干渉計の構成は、古典的な干渉計、白光干渉計またはヘテロダイン干渉計に相応しているようになっている。
【００１１】
有利な形態は更に、干渉計が測定領域を拡張するために多重波長干渉計として実現されているということにある。
【００１２】
例えば噴射ノズルのような非常に狭い通路ないし孔での測定は、プローブ部が測定物の走査のための測定ヘッドにおいて光学的な測定ファイバを有しており、該測定ファイバにはファイバ部分が前置されておりかつビームスプリッターとして、該ファイバ部分と測定ファイバとの間の分離面が実現されていることによって可能になる。その際例えば８０μｍと１ｍｍとの間の直径の孔の測定が可能である。その際測定ファイバの測定物側の端部はそれぞれの測定課題に相応して実現されている。
【００１３】
光源の光が別の光ファイバを介しておよびファイバビームスプリッターを介してファイバ部分にガイドされておりかつ該ファイバ部分から測定物の照射後光ファイバにガイドされるようにする手段は更に有利な構成を可能にする。
【００１４】
干渉測定装置の構成および動作法はそれ自体、冒頭に挙げた従来技術を参考にしたい。ここには干渉測定装置に対する更に別の文献も挙げられている。
【００１５】
次に本発明を図面を参照して実施例に基づいて詳細に説明する。その際：
図１は、変調干渉計およびそれとは空間的に分離されているプローブ部を備えている干渉測定装置の第１実施例を略示しており、
図２は、復調干渉計およびそれとは空間的に分離されているプローブ部が設けられている干渉測定装置の別の実施例を略示している。
【００１６】
図１に図示の干渉測定装置１において、変調干渉計２から成るモジュールと、プローブ部６を備えたモジュールとが相互に空間的に分離されて配置されておりかつ有利には単一モード光ファイバ５を介して相互に接続されている。測定物７の走査される物体表面から単一モード光ファイバ５を介してガイドされる測定光をピックアップするために、スペクトルエレメント４．２および光検出装置４．１を備えた受光装置４が設けられており、その出力信号は評価装置８に送られて計算により評価されるようになっている。評価装置はその他に干渉測定装置１の制御タスクも引き受けることができる。
【００１７】
変調干渉計は、短コヒーレントな、広帯域幅の光源３、例えばスーパールミネンスダイオードと、２つの変調器２．１、殊に音響光学変調器と、１つの分岐に配置されている遅延素子２．２、例えば面平行板と、一方は光ビームを、２つの変調器２．１に供給される部分ビームに分割しかつ他方は分割された光ビームを結合する２つのビームスプリッターと、２つの偏向素子とを有している。この形式の変調干渉計は例えば冒頭で述べたＤＥ１９８１９７６２Ａ１号に記載されており、そこには作用の仕方も詳細に説明されている。
【００１８】
プローブ部６は定置のプローブ部６．１とそれに機械的および光学的に結合されている回転可能なプローブ部６．２を有している。この中にはビームスプリッター６．３が配置されている。ビームスプリッター６．３が回転可能なプローブ部６．２に配置されていることで次の利点が生じる：回転により、ビームスプリッター６．３により生成される参照光と測定光との間に光路差が生じる可能性はなく、生じた光路差の変化は測定物７の走査される表面の表面特性または形状、距離、距離の変化、例えば振動にその原因を求めることができる。
【００１９】
変調干渉計２の短コヒーレントな光源３の光はレンズによってコリメートされかつ２つの部分光ビームに分割される。変調干渉計２は例えばマッハ・ツェンダー干渉計の原理に従って構成されている。２つの部分光ビームは変調器２．１を用いて相互に周波数がシフトされる。周波数差は例えば数キロヘルツである。変調干渉計２の１つのアームにおいて遅延素子３は、光源３のコヒーレンス長より長い２つの部分光ビームの光路に差が生じるようにする。２つの部分光ビームは後続のビームスプリッターにおいて重畳されかつ単一モード光ファイバ５に入力結合される。光路差に基づいて部分光ビームは干渉しない。光は導光体を介してプローブ部６にガイドされかつそこで出力結合される。
【００２０】
回転可能なプローブ部６．２はビームスプリッター６．３の他に別の光学素子を含んでいる。これらの素子は供給される光ビームを測定物７の測定すべき表面に集束する。ビームスプリッター６．３から測定面までの光路は変調干渉計２に持ち込まれている光路差を補償する。ビームスプリッター６．３によって光ビームは測定物にガイドされる測定ビームと参照ビームとに分割される。回転可能なプローブ部６．２の回転により、例えば孔壁が走査されかつ内部シリンダの形状偏差が測定される。その際測定表面から反射される光は参照ビームと重畳されかつ光ファイバ５に入力結合される。光路差補償に基づいて、測定ビームおよび参照ビームの光ビームは干渉することができる。光位相差は、測定表面との距離に関する情報を含んでいる。
【００２１】
光ファイバ５を介して変調干渉計２にガイドされる光は出力結合されかつスペクトルエレメント４．２、例えば格子またはプリズムを用いて波長λ_１，λ_２，…λ_ｎの複数のスペクトル成分に分割されかつホト検出器装置４．１において集束される。それぞれのホト検出器は、変調器２．１によって発生される差周波数と、測定物７までの距離の測定量ΔＬおよび対応している波長λ_ｎに関連している、式Δφ＝（２・Π／λ_ｎ）によって表される位相Δφとを有する電気信号を供給する。
【００２２】
複数のホト検出器（マルチ波長ヘテロダイン干渉）の信号の位相差の測定によって、個々の光波長より大きくなってよい距離ΔＬが一義的に突き止められる。評価は評価装置８を用いて行われる。
【００２３】
図１に示されている干渉測定装置１と基本的には相応して、図２に図示の別の干渉測定装置１も動作する。しかしここでは干渉測定装置１は復調干渉計２′およびそことは離れている、光ファイバ５を用いて結合されているプローブ部６において結合されている。プローブ部６は同様に定置のプローブ部６．１および回転可能なプローブ部６．２に区分けされている。
【００２４】
短コヒーレント光源３、例えばスーパールミナンスダイオードはここでは回転可能なプローブ部６．２に存在している。その光は別の光ファイバ６．４を介して、同じく有利には単一モード光ファイバを介して、ファイバ形ビームスプリッター６．３′を用いてファイバ部分６．５に入力結合される。この部分は測定ヘッド６．６内のファイバ結合体を用いて、測定物７の方の側の測定ファイバ６．７に結合されている。この測定ファイバの自由端に、測定面を照明しかつ測定面から反射される光を検出するように構成されている測定ファイバ６．２を用いて、測定物７の表面、例えば噴射ノズルの非常に狭い孔が光学的に走査される。
【００２５】
測定ファイバ６．７に対する移行部におけるファイバ部分（ファイバ部材）６．５の出射面は、この面がビームスプリッター６．３の機能を有しているように積層化されている。光はこのビームスプリッター６．３において２つの部分ビーム、すなわち測定ビームおよび参照ビームに分割される。参照ビームは戻ってファイバ部材６．５に入力結合されかつ回転可能なプローブ部６．２と定置のプローブ部６．１との間の移行部にある光結合器６．８を介して復調干渉計２′にガイドされる。測定ビームは、端部が特別に加工されている、例えば４５°の角度で研磨されかつ鏡面化されている測定ファイバから出力結合されかつ測定物７の小さな孔の測定すべき内壁を照射する。測定ファイバ６．７は例えば１２５μｍの直径を有している。孔の壁によって反射される光は測定ファイバ６．７、ファイバビームスプリッター６．３′および光結合器６．８を介して復調干渉計２′に入力結合されかつ参照ビームと重畳される。両ビームは干渉する可能性はない。というのは、光源３のコヒーレンス長は測定ファイバ６．７の１／２より短いからである。復調干渉計２′は例えばマッハ・ツェンダー干渉計の原理に従って構成されている。復調干渉計２′に到来する光は２つの部分光ビームに分割される。復調干渉計２′の１つのアームには遅延素子２．２、例えば同様に面平行なガラス板が挿入されている。これは測定ヘッド６．６において必然的に生じた、測定ビームと参照ビームとの間の光路差を元に戻す。２つの部分光ビームは変調器２．１、例えばここでも音響光学変調器を用いて周波数が反対方向にシフトされ、その際周波数差はここでは例えば数ｋＨｚである。２つの干渉能力のある部分光ビームは別のビームスプリッターにおいて重畳され、出力結合され、スペクトル素子４．２、例えば格子またはプリズムを用いて波長λ₁，λ₂，…λ_nを有する複数のスペクトル成分に分解されかつホト検出装置４．１に集束される。それから評価は図１の実施例に相応して行われる。
【００２６】
回転するプローブ部６．２から定置のプローブ部６．１への情報伝送は光結合器６．８を介して行われる。光結合器は例えば相応の光ファイバ５のファイバ端部に配置されている２つのグリン（Ｇｒｉｎ＝graduade-index、屈折率分布）レンズの形で実現されていることができる。光結合器６．８はファイバビームスプリッター６．３′ないしビームスプリッター６．３の後ろの光路に存在しているので、回転期間に、２つのプローブ部６．１，６．２に場合により小さな傾倒またはずれが生じても障害にはならず、走査の際の回転によって測定結果が歪みを受けることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 変調干渉計およびそれとは空間的に分離されているプローブ部を備えている干渉測定装置の第１実施例の概略図である。
【図２】 復調干渉計およびそれとは空間的に分離されているプローブ部が設けられている干渉測定装置の別の実施例の概略図である。

Claims (4)

1. 測定物（７）の、表面特性量、形状、距離、距離変化、例えば振動をプローブ部（６）を用いて測定するための干渉測定装置であって、
   該プローブ部（６）は、定置のプローブ部（６．１）と該定置のプローブ部に機械的および光学的に結合されている回転可能なプローブ部（６．２）とに分割されておりかつ
   干渉測定のために参照ビームおよび測定ビームを生成するためのビームスプリッター（６．３：６．３′）は前記回転可能なプローブ部（６．２）に配置されている形式のものにおいて、
   該プローブ部（６）とは空間的に別個になっている復調干渉計（２′）が設けられており、短コヒーレントな光源（３）は回転可能なまたは定置のプローブ部（６）に配置されており、かつ
   前記プローブ部（６）および前記復調干渉計（２′）は単一モードの光ファイバ（５）を介して相互に結合されており、かつ
   前記プローブ部（６）は測定物（７）の走査のための測定ヘッド（６．６）において光学的な測定ファイバ（６．７）を有しており、該測定ファイバにはファイバ部分（６．５）が前置されており、かつ
   ビームスプリッター（６．３）として、ファイバ部分（６．５）と測定ファイバ（６．７）との間の分離面が実現されており、かつ
   前記短コヒーレントな光源（３）の光は別の光ファイバ（６．４）を介しておよびファイバビームスプリッター（６．３′）を介してファイバ部分（６．５）にガイドされておりかつ該ファイバ部分から測定物（７）の照射後、前記光ファイバ（５）にガイドされている
   ことを特徴とする干渉測定装置。
2. ビームスプリッター（６．３）はコモン・パス干渉計装置の部分である
   請求項１記載の測定装置。
3. 干渉計の構成は、古典的な干渉計、白光干渉計またはヘテロダイン干渉計に相応している
   請求項１または２記載の測定装置。
4. 干渉計は測定領域を拡張するために多重波長干渉計として実現されている
   請求項３記載の測定装置。

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