JP3924076B2 - 非接触測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、その測定光線が顕微鏡の光線入射部で結合されるレーザー干渉計を使用して、測定対象の光学測定、特に経路の長さの測定及び／又は振動の測定を行う非接触測定装置に関するもので、本装置は測定光線をほぼ平行に移動させる装置を有するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー干渉計は、高解析度の経路の長さ測定又は振動測定用の理想的な測定装置である。ここでの測定は純粋に光学的、つまり、非接触で行われる。従って、この方法は、特に、測定対象自体が微小なので、例えば他の振動測定方法として一般的な加速度センサーを採用できない、マイクロ機械、マイクロ電子機器又は微生物のような測定対象に最適である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような微小な対象の測定では、測定範囲を顕微鏡で観察し、顕微鏡を利用して測定点を位置決めすることができるのが望ましい。これに関しては、測定光線が照明レーンを介して顕微鏡の光線入射部に結合される装置が知られている。しかし、照明レーンを介する結合で順守すべき形状条件があるため、干渉計と顕微鏡は共同ユニットとしてのみ設計できる。すなわち、干渉計に加えて、特に照明レーンの構造に関して使用する干渉計に適合する専用顕微鏡もいつでも製造しなければならないため、製作費が高くなり、この装置を使用しにくくしている。
【０００４】
請求項１の特徴は、Ａｃｏｕｓｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ．８３（４）の開示書類「光分散極微物体の１０億分の１レベルの振動変位の測定用レーザー干渉顕微鏡」から出発している。この測定装置では、測定対象で干渉する２つのレーザー光線を使用している。測定対象の運動は、観察方向に垂直に（平面内で）測定できる。
【０００５】
このことから、個々の対象点を容易に且つ正確に測定でき、また大きい対象範囲を分析できる非接触の、経路長さ測定装置及び／又は振動測定装置を提供する本発明の課題は出発している。さらに、コスト高な改造なしに市販の顕微鏡に使用できる非接触の、経路長さ測定装置及び／又は振動測定装置が提供されなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するため、本発明による非接触測定装置の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１から１６に記載した通りである。
この課題は、本発明では、測定光線の結合が、測定対象への測定光線入射点の移動を上記移動装置により起こさせる顕微鏡のカメラ接続部（Ｃマウント）を介して行われること、及び測定対象によって逆反射又は分散した測定光線がカメラ接続部を介して顕微鏡の光線入射部から分離され、測定システムに戻されることにより、解決されている。
【０００７】
ここでは、本発明は次の確認事項から出発している。顕微鏡と結合されていない従来の干渉計では、測定光線の角度調整が、通常、多数の連続した測定点を利用して実施できる。このため、顕微鏡では、相当な困難が発生する。すなわち、常に対物レンズを通して測定光線を当てるため、測定光線が偏向しなければならない点を顕微鏡の内部に置く必要がある。この点は、いつでも、絶対に正確でなければならない。これをいつでも実現するとすれば、顕微鏡外部の円形路を移動するもので、極端に正確なので非常に高価になる偏向機構を必要とするだろう。顕微鏡の形状によって偏向点の位置が必ず違っているので、このようなメカニズムを種々の顕微鏡に組み込めないだろう。
【０００８】
測定光線の本発明による平行移動によって、測定対象を動かさずに、測定対象の１点だけでなく、多数の点を含めることができ、この場合、測定光線を移動させる装置の費用は比較的低い。
顕微鏡のカメラ接続部（Ｃマウント）を介して測定光線を結合することによって、実際に、測定光線が接眼レンズを除く顕微鏡の光学機器全体を通過し、これにより、測定を周知の場合よりも相当正確に実行できる。
【０００９】
さらに、写真又はビデオカメラ用の上記接続部が規格として大部分の市販顕微鏡に付属しているので、このような測定装置を種々の顕微鏡に汎用できると云う利点もある。通常、規格の接続寸法であればよい。従って、全体として同一の光学的及び機械的接続条件を得られる。このことは、接続部のサイズに関してだけでなく、顕微鏡用光学機器が測定対象から来た光線をカメラ接続部の端部直後の特定平面、すなわち、ビデオカメラを取り付けた場合ＣＣＤチップがある位置で焦点を合わすと云う事実にも当てはまる。
【００１０】
特に有利な点は、測定対象によって分散された光が、送られた光と同一の光路を通って干渉計に戻され、そこで基準光線と干渉することである。ここでは、測定光線の方向に移動する測定対象のこのような動きの部分だけが含まれる（平面外）。これにより、測定対象に対する測定装置の位置決めに関して多くの利点が得られる。
【００１１】
移動装置より、有利な方法で、任意の方向、適切にはｘ及びｙ方向にある測定対象の点及び／又は線状の光学走査（スキャン）が可能である。このため、測定光線が手動により平行に移動されるか、その移動を自動的に、例えばコンピュータ制御により実行できる。
【００１２】
測定光線を平行に移動させるため、この移動装置は光線入力部に対してほぼ垂直な横方向に移動できるレンズを有する。このレンズの重量が非常に小さいので、レンズを非常に迅速に且つ正確に動かせ、能率的で正確なスキャンが可能である。
しかし、光線の平行移動は、レンズの代わりに鏡によって行える。この鏡は、多数の相互に一致し、偏向可能で、場合によっては離せるものである。
【００１３】
必要な調整経路を小さくできるよう、移動装置を調整するため、測微ねじ、ピエゾ素子又は同様なものを使用するのが好適である。ユーザが走査過程を簡単に実施できるように、ピエゾ素子も自動制御装置に非常に良好に接続できる。
【００１４】
測定光線を結合するため、測定光線を顕微鏡の焦点面（中間映像平面）で焦点を合わすことが適切である。このため、この装置は焦点合わせレンズを有することができる。次に、焦点が合った測定光線は、この焦点面から顕微鏡の光学機器を通って測定対象に当たる。
【００１５】
移動装置への光線導入は、光導体、例えばガラス光ファイバーの形の導体により、簡単に且つ有利に実現できる。光波導体の顕微鏡側の端部から、上記焦点合わせレンズは、その焦点距離に一致する間隔を取って配置されている。この配置により、測定光線が焦点面で合焦する点は、２つの軸内で横方向に移動可能なレンズを移動して動かせる。
【００１６】
特に、測定対象を見ると同時に測定できれば、有利である。このため、測定光線は、部分透過鏡又は光学カットオンフィルタの形の分光器を介して結合される。この分光器は、少なくとも顕微鏡用接続部、カメラ用接続部及び測定光線結合用接続部を有するハウジング内に配置するのが好適である。
【００１７】
部分透過鏡により、測定光線は顕微鏡の光線入射部の軸で偏向される。他方、部分透過鏡は、測定対象からの光線を通過させ、この光線がビデオカメラに達することができるので、測定対象を見ることができる。また、この鏡により、測定対象により反射された測定光線の一部でもビデオカメラに達すれば、この測定点もビデオ映像になる。明らかにこの配置は逆にも実施できる。この場合、測定光線が鏡を通過し、測定対象からの垂直な光線が部分透過鏡によりカメラに反射される。
【００１８】
部分透過鏡が周波数選択的な反射率を有すれば、好適である。この鏡では、可視光線（４５０ｎｍ〜５５０ｎｍ）の通過率が高いが、測定光線（６３３ｎｍ）に関して通過率が低い。好適には、通過率の値が可視光線に関して８０％で、測定光線に関して０．２％である。
中間に配置された分光器を介する顕微鏡の規定の焦点面をカメラが利用できなくなるので、カメラで顕微鏡映像を結ぶために、この場合、他のレンズが装備されている。
【００１９】
本発明の他の特徴と詳細は、図面による実施例の説明から判明する。図面は次の通りである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１で、顕微鏡３の載物台に測定対象１３があるのを確認できる。対象１３は、顕微鏡に組み込まれたランプユニット１２により、顕微鏡分光器１１と顕微鏡３の対物レンズ１０を通って照明される。対象１３により反射された光線は、対物レンズ１０と場合によっては顕微鏡コリメータレンズ９を通って、顕微鏡の接眼レンズ又は顕微鏡のカメラ接続部７ａの焦点面（中間映像面）７に当たる。ここで、光線は照明装置の顕微鏡分光器１１を通る。カメラ接続部７ａは、対象１３に対してほぼ垂直な顕微鏡３の上部にある。
【００２１】
図の右上に、顕微鏡と通常並んで配置されるレーザー干渉計１が図示されている。ここでは、とりわけ、基準光線に対する測定光線の光学的周波数変位を行ういわゆるヘテロダイン干渉計が使用されている。これにより、物体速度の正確な検出が可能である。このような干渉計は、例えば、完全な内容が参照されているＤＥ ４４ ２４ ９００ Ａ１から周知である。
【００２２】
光線は、レーザー干渉計１から光ファイバーの形の光導体２により、顕微鏡に導かれる。ファイバーの出力端部４から出た光は、コリメータレンズ５により、平行な２つの光線にされる。焦点合わせレンズ６が、顕微鏡の焦点面７で平行にされた光線の焦点を合わす。
さらに、この装置が光線をほぼ平行に移動させる装置を有することは重要である。図示実施形態では、この移動装置はコリメータレンズ５、焦点合わせレンズ６並びに図２及び図３に示す移動メカニズム１７から成る。
【００２３】
平行移動の原理は、特に図２から明白である。そこでは、コリメータレンズ５は光学軸に対してほぼ垂直に移動でき、上部位置と下部位置内に示されている。この場合、その時々に、ファイバー端４から出た光は平行な光線束ａ又はｂに集束し、光学軸に対して特定の角度で焦点合わせレンズ６に達する。光学軸に対するこの角度は、コリメータレンズ５の位置により決まる。この角度は、移動メカニズム１７を使用して、コリメータレンズ５を横方向に移動して調整できる。従って、図２では、光線束ａの代わりに、コリメータレンズ５を移動した後、光線束ｂが焦点合わせレンズ６に導かれる。
【００２４】
焦点合わせレンズ６によって、その時々に発生した平行な光線束、すなわち、ａ又はｂが焦点を合わせられ、顕微鏡の焦点面７に当たる。この焦点面は、当たった光線束ａ及びｂが交差して見にくくならないように、図２では、図１に対して９０°回転して示す。 光学軸に対して垂直にコリメータレンズ５を移動することにより、このレンズの背後で、平行な光線束の角度が調整される。平行な光線束は、焦点合わせレンズ６により、平行移動に変換される。光線束ａとｂは、レンズ６の背後で平行に延びるが、相対して移動する。
【００２５】
焦点合わせレンズ６前方で起こる角度調整に関しては、ファイバー端部４が旋回点である。従って、ファイバー端部は、焦点合わせレンズ６から正確にその焦点距離分、離れて位置しなければならない。他方、焦点合わせレンズ６も、光線の焦点合わせのため、顕微鏡の焦点面７から焦点距離分離れていなければならない。
【００２６】
図３は、コリメータレンズ５を移動する移動メカニズム１７を示す。両方のメインアクチュエータ１７ａを操作すれば、そのつど、内部移動エレメント１７ｂにより、円錐軸リセットばね１７ｄに抗して円錐軸１７ｃを移動できる。これにより、円錐軸１７が１つ以上の円筒形ピン１７ｅを押し、次にこれらの円筒形ピン１７ｅは円錐軸１７ｃの運動をそれと直角の運動に転換し、レンズ５用のほぼ正方形の固定ブロックに伝達する。この固定ブロックは、円筒形ピン１７ｅそれぞれに相対する側で、固定ブロックリセットばね１７ｆにより支持されている。これらのばね１７ｆは、メインアクチュエータ１７ａを内部に回転すれば、前記メカニズムにより圧縮され、それにより、メインアクチュエータと逆方向へのレンズ５の横方向移動が起こる。逆に、メインアクチュエータ１７ａを外部に回転すれば、レンズ５はそれぞれの固定台リセットばね１７ｆにより、側方へメインアクチュエータ１７ａの方向に移動される。２つのメインアクチュエータの直角配置により、１つの平面内のレンズ５を任意の方法で移動できる。
【００２７】
ここで、図示した測微ねじを介した純粋に機械的な調整の他に、ピエゾ素子による電気機械的調整も考えることができる。この調整装置は、ピエゾ素子を円筒形ピン１７ｅの位置に装着するので、原理的には類似した構造にできる。この素子は、加えられる電圧に応じて大きいか、小さい力を固定台に作用させ、ピエゾ素子の制御電圧は、好適には、コンピュータ支援コリメータレンズ５の移動及びそれによる測定光線の進行を可能にするため、ロジックプロセッサと結合できる制御電子機器を介して発生される。このように、多くの点、例えば、網目上に並列した点で、測定対象１３を迅速に且つ簡単に測定できる。
【００２８】
測定過程を説明するため、再度、図１に戻りたい。測定光線はファイバー端４からコリメータレンズ５及び焦点合わせレンズ６を介して、上記方法で顕微鏡の焦点面７に当たるか、この焦点面に垂直な方向に平行に移動する。ここでは、測定光線は分光器８により偏向される。この分光器８は、以下で詳細に説明されるように、観察カメラ１６の同時使用を可能にする。大分部の顕微鏡と同様に、実施形態では、測定光線は顕微鏡の焦点面７から顕微鏡の光学機器、すなわち、顕微鏡コリメータレンズ９、顕微鏡分光器１１及び対物レンズ１０を通って測定対象に当たる。この場合、焦点面７の測定光線の平行移動は、同様に、測定対象１３に当たる測定点の平行な移動を発生する。もちろん、この移動と測定点の大きさは顕微鏡光学機器に応じて小さい。
【００２９】
測定点１３から、測定光線は反射され、上記光学装置により再度干渉計で像を結ぶ。すなわち、レンズ５の移動は、光送信部と光受信部を常に同時に移動させる。
測定対象１３が、例えば、振動過程により、測定光線の方向に移動するか、測定対象が別々の測定点で別々の高さであれば、このことは干渉計の測定アームの光学経路の長さ（測定対象への及びその逆の測定光線の経路長さ）の変化として表われる。これに応じて、干渉計１内の測定光線及び基準光線の干渉が変化し、測定対象１３のこの変化を干渉計１で周知の方法で探知でき、正確に測定できる。
【００３０】
測定対象を動かさずに、多数の測定点の走査を実現するため、測定光線を顕微鏡３の焦点面で焦点を合わせ、平行に移動することは重要である。このような焦点面は多数の顕微鏡の接続部で規格として設けられている。通常、このいわゆるＣマウントにビデオカメラが接続されると、そのＣＣＤチップが焦点面７に位置し、それにより、測定対象１３がチップに写される。このように、顕微鏡３の接眼レンズによる方法の代わりに、ビデオカメラを介して、測定対象１３を観察でき、場合に応じて、観察過程を記録できる。本発明で必要なこと、すなわち、測定光線を顕微鏡３のカメラ接続部７ａでその光線入射部に結合できるような、重要な測定対象１３の光学測定装置の構造を採用して、本発明はこの規格カメラ接続部７ａを利用している。従って、同等なものだけでなく同一の部品及び光学的配置も種々の顕微鏡に使用できる。
【００３１】
ビデオカメラ１６で同時に観察しながら干渉計１を利用して測定対象１３を測定するため、例えば、測定光線を正確に位置決めるため、図１に示す配置を利用できる。このため、この配置は周波数選択的反射率を有する分光器８を備えている。この分光器８は、レーザー干渉計の通常の非常に狭い周波数範囲内で反射率が非常に高いので、ファイバー端４から出た測定光線は顕微鏡３の光線入射部にほぼ完全に反射される。測定対象１３で反射された後、測定光線は再度、分光器８からかなりの部分が干渉計１に逆反射される、しかし、ここで、測定光線の約０．２％が分光器８を通る。測定光線のこの０．２％をビデオカメラ１６の映像として目視できるので、測定対象１３のどの位置が測定されたか、確認できる。測定光線の波長範囲、通常、ヘリウム・ネオン・レーザーにより発生した６３３ｎｍでの高い反射率の他に、分光器８は約４５０ｎｍ〜５５０ｎｍの目視可能光の範囲で反射率が非常に小さい。これによって、目視可能光の約８０％が送られ、ビデオカメラ１６内で強光度の映像を発生する。
【００３２】
上記の本発明による配置では、ビデオカメラ１６のＣＣＤチップが顕微鏡３の焦点面７にもはや位置しないので、分光器８から送られる光が他のレンズ１４及び１５を通ってビデオカメラ１６で像を結ぶ。このことは、ランプユニット１２により発生した目視可能光、またレーザー干渉計１の測定光線の伝送された部分にも当てはまる。コリメータレンズ５、焦点合わせレンズ６、分光器８並びに他のレンズ１４及び１５は、適切に破線で示したハウジング２０に配置される。ハウジング２０は下端部に、Ｃマウント７ａを有する顕微鏡に簡単に接続できる規格に合致した接続部を有する。さらに、ハウジング２０は干渉計１の分光器２又はその端部４用で、また市販のビデオカメラ１６用接続部を有する。
【００３３】
要するに、本発明は、測定対象１３を動かさずに、測定対象１３で測定点を正確に位置決めることができること、さらに測定対象を走査して測定できること、及び、変更や光学的に新しく装備する必要なしに、測定に必要な部品をカメラ接続部付のどの市販の顕微鏡にも接続できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】非接触振動測定装置を装着した顕微鏡の光線入射部及び光学エレメトの略図
【図２】要部の説明図
【図３】移動装置の移動メカニズムの断面図
【符号の説明】
１ レーザー干渉計
３ 顕微鏡
５、６、１７ 移動装置
７ａ カメラ接続部
１３ 測定対象

Claims (16)

1. 測定光線が顕微鏡（３）の光線入射部に結合されるレーザー干渉計（１）を使用して、測定対象（１３）を光学測定する非接触測定装置であって、この装置が測定光線をほぼ平行に移動させる移動装置（５、６、１７）を有し、
   測定光線の結合が顕微鏡（３）のカメラ接続部（７ａ）を介して行われること、
   前記移動装置（５、６及び１７）が測定対象（１３）での光線入射点の移動を起こすこと、及び
   測定対象により反射されるか、分散された測定光線がカメラ接続部（７ａ）を通って顕微鏡の光線入射部から分離されることを特徴とする非接触測定装置。
2. レーザー光線が測定光線と基準光線に分割され、測定が両方の光線の重複により行われることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
3. 前記光学測定による、経路の長さの測定及び／又は振動測定が測定光線の方向に行われることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
4. 前記移動装置（５、６及び１７）が、測定対象（１３）の点状及び／又は線状の光学的走査を可能にすることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
5. 前記移動装置（５、６及び１７）が、光線入射部にほぼ垂直で、横方向に移動できるレンズ（５）と、１つ以上の偏向可能な、鏡又は平板を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触測定装置。
6. 前記移動装置（５、６及び１７）が、光線入射部にほぼ垂直で、横方向に移動できるレンズ（５）と、１つ以上の偏向可能で取りはずせる、鏡か又は平板を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の非接触測定装置。
7. 前記移動装置（５、６及び１７）が、測微ねじ（１７ａ）又はピエゾ素子で構成された調整装置を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の非接触測定装置。
8. 前記移動装置（５、６及び１７）が、顕微鏡（３）の焦点面（７）で測定光線の焦点を合わす焦点合わせレンズ（６）を有することを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
9. 前記移動装置（５、６及び１７）への光線導入が、分光器（２）を介して行われることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の非接触測定装置。
10. 前記移動装置（５、６及び１７）が、顕微鏡（３）の焦点面（７）で測定光線の焦点を合わす焦点合わせレンズ（６）を有し、前記焦点合わせレンズ（６）が、焦点距離に一致する間隔だけ、前記分光器端部（４）から離れて配置されていることを特徴とする請求項９に記載の非接触測定装置。
11. 測定光線の結合が、特に周波数選択反射率を有する部分透過分光器（８）を介して行われることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
12. 前記分光器（８）が、少なくとも顕微鏡（３）の接続部、カメラ（１６）用接続部及び測定光線の結合用接続部を有するハウジング内に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の非接触測定装置。
13. 両方のレンズ（５、６）を有する移動装置が、少なくとも顕微鏡（３）の接続部と干渉計（１）の測定光線用接続部を有するハウジング内に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
14. 両方のレンズ（５、６）を有する移動装置が、少なくとも顕微鏡（３）の接続部と干渉計（１）の測定光線用接続部とカメラ（１６）用接続部を有するハウジング内に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の非接触測定装置。
15. ハウジング（２０）がさらに、分光器（８）を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の非接触測定装置。
16. ハウジング（２０）がさらに、分光器（８）と、カメラ接続用に少なくとも１つの他のレンズ（１４、１５）を含むことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の非接触測定装置。

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