JP7410853B2 - 表面に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法と装置 - Google Patents
表面に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法と装置 Download PDFInfo
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Description
a)多色の測定光が発生され;
b)測定光が、光学的な測定ヘッドによって測定対象上へ向けられて、測定対象から反射された測定光が光学的な測定ヘッドによって受け取られ;
c)測定対象から反射されて、光学的な測定ヘッドによって受け取られた測定光が、スペクトログラフ内でスペクトル分析され、前記スペクトログラフが分散性の光学素子と、多数の感光性セルを備えた検出器とを有し;
d)少なくとも一部の感光性セルの測定信号から間隔値が計算され、その場合に感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出される変量との間のあらかじめ定められた対応づけが使用され;
e)既知のスペクトル組成を有する、較正光が発生され;
f)較正光が測定対象へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、較正光が分散性の光学素子を通して検出器上へ向けられ;
g)検出器の感光性セルの少なくともいくつかの上で較正光によって発生されるスペクトルの変化から、補正値が導き出され、
h)あらかじめ定められた対応づけが、補正値によって修正され;
i)少なくともステップa)からd)が繰り返され、その場合にステップd)においてステップh)で修正された対応づけが使用される。
多色光というのは、スペクトル的に広帯域であり、かつたとえば複数の色を含むことができ、あるいは、たとえばコームフィルタによって発生されるような、複数の狭帯域のスペクトル成分を有する光である。
図1は、従来技術に基づく測定装置10を図式的な表示で示している。測定光源11は、多色測定光12を発生させ、その測定光は、たとえばビームスプリッタキューブとすることができる、光分割装置14と測定ヘッド16とを介して測定対象18へ向けられる。図1において、測定光12の、測定対象16の表面19から反射された部分が、黒い矢印で示唆され、かつ参照符号12’を有している。反射された測定光12’は、測定ヘッド16によって受け取られて、光分割装置14によってスペクトログラフ20へ向けられる。スペクトログラフ20は、分散性の光学素子22を有しており、それは、回折格子又は拡散プリズムとすることができる。さらにスペクトログラフ20は、検出器24を有しており、その検出器が多数の感光性のセル26を有している。感光性のセル26は、直線又は湾曲した線に沿って配置されており、以下においてはピクセルと称される。ピクセルから発生された信号は、評価装置28によって評価されて、それに基づいて表面19に対する間隔値が計算される。
図4は、図1に準拠した表示において、本発明に係る測定装置10のための第1の実施例を示している。これは、図1に示し、かつ従来技術において知られている測定装置のように、測定光源11、光分割装置14、測定ヘッド16及びスペクトログラフ20を有しており、そのスペクトログラフが分散性の光学素子22と、ピクセル26を備えた検出器24とを有している。
図5は、色共焦点の測定原理に従って作動する測定装置10のための第2の実施例を図式的な表示で示している。測定光源11は、LED34からなり、そのLEDが約500nmと700nmの間の波長を有する多色光を発生する。測定光12は、集光レンズ36によって光学ファイバー38内へ結合されて、ファイバーカップラー40として形成されている光分割装置を介して測定ヘッド16へ達する。そこで測定光12は、光学ファイバー39から出て、2つのレンズ42、44からなる、色補正されない対物レンズによって測定対象18上へ向けられる。対物レンズの色的な長手収差によって、出射する測定光12は様々な波長平面内に合焦され、それが図5に3つの異なる波長について示唆されている。測定対象18の表面19において反射された測定光12は、測定ヘッド18を介して光学ファイバー39内へ戻り、ファイバーカップラー40を介して、スペクトログラフ20へ通じる他の光学ファイバー41へ供給される。
上述した実施例において、様々な光学素子が測定光と較正光を発生させる。このようにして特に簡単に、スペクトルが重ならず、かつ測定の間でも較正を実施できることが、保証される。
図12は、本発明に係る測定装置10のための他の実施例を示しており、それは、図7に示す変形例に実質的に相当する。測定光源11、較正光源30、測定ヘッド16及びスペクトログラフ20の間で、測定光12と較正光32は伝播するが、光学ファイバー内ではなく、自由空間内で伝播する。したがって図5に示す実施例のファイバーカップラーは、ビームスプリッタキューブ40’によって代用される。
本発明に係る測定装置についてこれまで説明した実施例はすべて、共焦点-色間隔測定の原理に基づいている。しかし、上ですでに定められたように、本発明は間隔測定するための干渉法的装置においても使用可能である。この種の装置においては、測定ヘッド16ははっきりとした色の長手収差をもたない。その代わりに間隔情報は、反射された測定光12’のスペクトルから、それが参照光と干渉した後に、得られる。
上述した実施例においては、較正光と測定光のスペクトルが重なりなしでなければならないか、あるいは較正は測定と同時に実施することはできない。
本明細書に開示される発明は以下を含む。
[態様1]
表面(19)に対する間隔、あるいは2つの表面の間の間隔を非接触で測定する測定装置であって、
多色の測定光(12)を発生させるように整えられた、測定光源(11)を有し、
測定光源(11)から発生された測定光(12)を測定対象(18)へ向けて、測定対象(18)から反射され測定光(12')を受け取るように整えられた、光学的な測定ヘッド(16)を有し、
測定対象(18)から反射されて、光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた測定光(12')をスペクトル分析するように整えられた、スペクトログラフ(20)を有し、その場合にスペクトログラフ(20)が分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(24)とを有しており、
少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値を計算するように整えられた、評価装置(28)を有する、
ものにおいて、
測定装置(10)が較正光源(30)を有し、前記較正光源が、既知のスペクトル組成を有する較正光(32)を発生させるように、整えられており、その場合に較正光(32)は、前もって測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、分散性の光学素子(20)を通して検出器(24)へ向けることができ、かつ
評価装置(28)がさらに、較正光(32)によって検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかにおいて発生されるスペクトルの変化から、補正値を導き出すように、整えられており、前記補正値によって、感光性セル(26)の少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが修正される、
ことを特徴とする測定装置。
[態様2]
評価装置(28)が、検出器(24)の感光性セル(26)の少なくとも一部の上に較正光(32)によって発生される、強度パターンの位置の変化から補正値を導き出すように、整えられている、ことを特徴とする態様1に記載の測定装置。
[態様3]
較正光(32)が、時間的に安定した、温度に依存しないスペクトル組成を有している、ことを特徴とする態様1又は2に記載の測定装置。
[態様4]
較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と温度安定のモノクロメータ(50)とを有している、ことを特徴とする態様3に記載の測定装置。
[態様5]
較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と反射する面の配置とを有しており、前記配置が干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調する、ことを特徴とする態様3に記載の測定装置。
[態様6]
較正光(32)と測定光(12)が、重なり合わないスペクトルを有している、ことを特徴とする態様1から5のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様7]
較正光(32)と測定光(12)が、重なり合うスペクトルを有するが、較正光(32)は測定光(12)と同時に検出器(24)へ向けることができない、ことを特徴とする態様1から5のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様8]
較正光(32)と測定光(12)が、少なくとも部分的に重なり合うスペクトルを有し、かつ
較正光(32)は、ある波長を有する較正光(32)が、同じ波長を有する反射された測定光(12')が入射することのできない感光性セル上に入射するようにして、分散性の光学素子(20)を通して検出器(24)へ向けることができる、
ことを特徴とする態様1から5のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様9]
較正光(32)が、反射された測定光(12')とは異なる方向から分散性の光学素子(20)へ入射し、かつ
好ましくは感光性のセル(26)が、第1のセル(26-1)と第2のセル(26-2)を有し、前記第1のセルには較正光(32)のみが入射することができ、かつ前記第1のセルが第1の行(86)に沿って配置されており、前記第2のセルには反射された測定光(12')のみが入射することができ、かつ前記第2のセルが、第1の行(86)に対して平行に延びる第2の行(88)に沿って配置されている、
ことを特徴とする態様8に記載の測定装置。
[態様10]
較正光源(30)が、測定光源(11)から発生された測定光(12)の一部を分岐させるビームスプリッタ(40)と、モノクロメータ(50)又は態様5に記載の平面平行のプレート(58)とを有している、ことを特徴とする態様1から9のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様11]
様々なスペクトル組成を有する較正光を発生させるように整えられた、2つの較正光源が設けられ、その場合に2つの較正光源(30)から発生された較正光(32)が、前もって測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に拡散性の光学素子(20)を通って検出器(24)へ向けることができる、ことを特徴とする態様1から10のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様12]
分散性の光学素子が回折格子(50)であって、かつ
較正光(32)のスペクトルが、検出器(24)によって較正光の2つの異なる回折次数が検出可能であるように、選択されている、ことを特徴とする態様1から10のいずれか一つに記載の測定装置。
[態様13]
表面(19)に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法であって、以下のステップ:
a)多色の測定光(12)が発生され;
b)測定光(12)が、光学的な測定ヘッド(16)によって測定対象(18)上へ向けられて、測定対象(18)から反射された測定光(12')が光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られ;
c)測定対象(18)から反射されて、光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた測定光(12')が、スペクトログラフ(20)内でスペクトル分析され、前記スペクトログラフが分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(14)とを有し;
d)少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値が計算され、その場合に感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが使用され;
e)既知のスペクトル組成を有する、較正光(32)が発生され;
f)較正光(32)が測定対象(18)へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、較正光(32)が分散性の光学素子(22)を通して検出器(24)上へ向けられ;
g)検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかの上で較正光(32)によって発生されるスペクトルの変化から、補正値が導き出され、
h)あらかじめ定められた対応づけが、補正値によって修正され;
i)少なくともステップa)からd)が繰り返され、その場合にステップd)においてステップh)で修正された対応づけが使用される、
ステップを有する方法。
[態様14]
態様1から12のいずれか一つの特徴を有する、態様13に記載の方法。
11 測定光源
12 測定光
12’ 反射された測定光
14 光分割装置
16 測定ヘッド
18 測定対象
19 表面
20 スペクトロメータ
22 分散性の光学素子
24 検出器
26 感光性セル(ピクセル)
28 評価装置
30 較正光源
32 較正光
34 測定光源のLED
36 集光レンズ
38 光学ファイバー
39 光学ファイバー
40 ファイバーカップラー
40’ ビームスプリッタキューブ
41 光学ファイバー
42 集光レンズ
44 集光レンズ
46 較正光源のLED
48 集光レンズ
50 モノクロメータ
51 絞り
52 集光レンズ
53 ビームスプリッタキューブ
54 光学ファイバー
55 集光レンズ
56 反射格子
57 集光レンズ
58 プレート
59 集光レンズ
60 後ろ側
62 前側
64 スペクトルフィルタ
70 射出窓
72 絞り
74 絞り
80 参照アーム
82 ミラー
84 透過格子
86 第1のピクセル行
88 第2のピクセル行
90 光学軸
Claims (8)
- 表面(19)に対する間隔、あるいは2つの表面の間の間隔を非接触で測定する測定装置であって、
多色の測定光(12)を発生させるように整えられた、測定光源(11)を有し、
前記測定光源(11)から発生された測定光(12)を測定対象(18)へ向けて、前記測定対象(18)から反射され測定光(12')を受け取るように整えられた、光学的な測定ヘッド(16)を有し、
前記測定対象(18)から反射されて、前記光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた前記測定光(12')をスペクトル分析するように整えられた、スペクトログラフ(20)を有し、その場合に前記スペクトログラフ(20)が分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(24)とを有しており、
少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値を計算するように整えられた、評価装置(28)を有する、
ものにおいて、
前記測定装置(10)が較正光源(30)を有し、前記較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と反射する面の配置とを有しており、前記配置が、干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調し、前記較正光源(30)が、時間的に安定するとともに温度に依存しない既知のスペクトル組成を有する較正光(32)を発生させるように、整えられており、その場合に前記較正光(32)は、前もって前記測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、分散性の光学素子(20)を通して前記検出器(24)へ向けることができ、かつ
前記評価装置(28)がさらに、前記較正光(32)によって前記検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかにおいて発生されるスペクトルの変化から、補正値を導き出すように、整えられており、前記補正値によって、前記感光性セル(26)の少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが修正され、
前記較正光(32)と前記測定光(12)が、少なくとも部分的に重なり合うスペクトルを有し、かつ
前記較正光(32)は、ある波長を有する較正光(32)が、同じ波長を有する反射された測定光(12')が入射することのできない感光性セル上に入射するようにして、前記分散性の光学素子(20)を通して前記検出器(24)へ向けることができ、
前記較正光(32)が、反射された前記測定光(12')とは異なる方向から前記分散性の光学素子(20)へ入射し、かつ
前記感光性セル(26)が、第1のセル(26-1)と第2のセル(26-2)を有し、前記第1のセルには前記較正光(32)のみが入射することができ、かつ前記第1のセルが第1の行(86)に沿って配置されており、前記第2のセルには反射された前記測定光(12')のみが入射することができ、かつ前記第2のセルが、前記第1の行(86)に対して平行に延びる第2の行(88)に沿って配置されている、
ことを特徴とする測定装置。 - 前記評価装置(28)が、前記検出器(24)の前記感光性セル(26)の少なくとも一部の上に前記較正光(32)によって発生される、強度パターンの位置の変化から補正値を導き出すように、整えられている、ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。
- 前記較正光(32)と前記測定光(12)が、重なり合わないスペクトルを有している、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 前記較正光(32)と前記測定光(12)が、重なり合うスペクトルを有するが、前記較正光(32)は前記測定光(12)と同時に前記検出器(24)へ向けることができない、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 前記較正光源(30)が、前記測定光源(11)から発生された前記測定光(12)の一部を分岐させるビームスプリッタ(40)と、モノクロメータ(50)又は平面平行のプレート(58)とを有している、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 様々なスペクトル組成を有する較正光を発生させるように整えられた、2つの較正光源が設けられ、その場合に2つの較正光源(30)から発生された前記較正光(32a,32b)が、前もって前記測定対象(18)へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に前記分散性の光学素子(20)を通って前記検出器(24)へ向けることができる、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。
- 前記分散性の光学素子が回折格子(50)であって、かつ
前記較正光(32)のスペクトルが、前記検出器(24)によって較正光の2つの異なる回折次数が検出可能であるように、選択されている、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。 - 表面(19)に対する間隔又は2つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法であって、
a)多色の測定光(12)が発生されるステップと、
b)前記測定光(12)が、光学的な測定ヘッド(16)によって測定対象(18)上へ向けられて、前記測定対象(18)から反射された測定光(12')が光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られるステップと、
c)前記測定対象(18)から反射されて、前記光学的な測定ヘッド(16)によって受け取られた前記測定光(12')が、スペクトログラフ(20)内でスペクトル分析され、前記スペクトログラフが分散性の光学素子(22)と、多数の感光性セル(26)を備えた検出器(14)とを有するステップと、
d)少なくとも一部の感光性セル(26)の測定信号から間隔値が計算され、その場合に感光性セルの少なくとも一部と、波長又は波長から導き出された変量との間のあらかじめ定められた対応づけが使用されるステップと、
e)時間的に安定するとともに温度に依存しない既知のスペクトル組成を有する較正光(32)を較正光源(30)によって発生させるステップであって、前記較正光源(30)が、広帯域の光源(46)と反射する面の配置とを有しており、前記配置が、干渉の発生によって較正光の強度をスペクトル変調する、ステップと、
f)前記較正光(32)が測定対象(18)へ通じる光学路内で前もって反射されることなしに、前記較正光(32)が前記分散性の光学素子(22)を通して前記検出器(24)上へ向けられるステップと、
g)前記検出器(24)の感光性セル(26)の少なくともいくつかの上で前記較正光(32)によって発生されるスペクトルの変化から、補正値が導き出されるステップと、
h)あらかじめ定められた対応づけが、前記補正値によって修正されるステップと、
i)少なくともステップa)からd)が繰り返され、その場合にステップd)においてステップh)で修正された前記対応づけが使用されるステップと、
を有し、
前記較正光(32)と前記測定光(12)が、少なくとも部分的に重なり合うスペクトルを有し、かつ
前記較正光(32)は、ある波長を有する較正光(32)が、同じ波長を有する反射された測定光(12')が入射することのできない感光性セル上に入射するようにして、前記分散性の光学素子(20)を通して前記検出器(24)へ向けることができ、
前記較正光(32)が、反射された前記測定光(12')とは異なる方向から前記分散性の光学素子(20)へ入射し、かつ
前記感光性セル(26)が、第1のセル(26-1)と第2のセル(26-2)を有し、前記第1のセルには前記較正光(32)のみが入射することができ、かつ前記第1のセルが第1の行(86)に沿って配置されており、前記第2のセルには反射された前記測定光(12')のみが入射することができ、かつ前記第2のセルが、前記第1の行(86)に対して平行に延びる第2の行(88)に沿って配置されている、方法。
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