特許 6181978 干渉式間隔測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6181978

(24)【登録日】2017年7月28日

(45)【発行日】2017年8月16日

(54)【発明の名称】干渉式間隔測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/14 20060101AFI20170807BHJP

   G01D 5/38 20060101ALI20170807BHJP

   G01B 9/02 20060101ALI20170807BHJP

【ＦＩ】

   G01B11/14 G

   G01D5/38 G

   G01B9/02

【請求項の数】15

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2013-111986(P2013-111986)

(22)【出願日】2013年5月28日

(65)【公開番号】特開2014-2139(P2014-2139A)

(43)【公開日】2014年1月9日

【審査請求日】2016年1月8日

(31)【優先権主張番号】10 2012 210 079.2

(32)【優先日】2012年6月15日

(33)【優先権主張国】DE

(31)【優先権主張番号】10 2013 203 211.0

(32)【優先日】2013年2月27日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】390014281

【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング

【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100153419

【弁理士】

【氏名又は名称】清田 栄章

(72)【発明者】

【氏名】ヴァルター・フーバー

(72)【発明者】

【氏名】ラルフ・イェルガー

(72)【発明者】

【氏名】ヴォルフガング・ホルツアプフェル

【審査官】 神谷 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特表平１１−５０２６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２３５０５１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００７−５０６０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−０３５３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０３２４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ９／００−１１／３０

Ｇ０１Ｄ ５／２６− ５／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定反射体と、
光源と、
光源から放出された光ビームを少なくとも一つの測定光ビームと少なくとも一つの基準光ビームに分割して、この測定光ビームが、更なる光路において、少なくとも二回測定反射体に当たるようにする分割部品と、
測定光ビームと基準光ビームが到来したら、それらを重畳させて干渉させるための結合部品と、
干渉した測定光ビームと基準光ビームから測定反射体と本装置の一つ以上の別のコンポーネントの間の測定方向（ｚ）に沿った間隔に関する少なくとも一つの間隔信号を生成することが可能な検出器配列と、
を備えた干渉式間隔測定装置において、
この分割部品が、分割格子（１１；１１１；２１１）として構成され、この光源（１６；１１６；２１６）が測定反射体（１；１００；２００）の表面に対して平行に分割格子（１１；１１１；２１１）の方向に向けて光ビームを放出し、この分割格子（１１；１１１；２１１）が、測定反射体（１；１００；２００）の表面に対して垂直に配置されていることを特徴とする装置。

【請求項2】

光源（１６；１１６；２１６）、分割格子（１１；１１１；２１１）、結合部品及び検出器配列（１８；１１８；２１８）が、別のコンポーネントと一緒に、少なくとも測定反射体（１；１００；２００）に対する測定方向（ｚ）に沿った間隔を変更可能な形で配置された走査ユニット（１０；１１０；２１０）内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項3】

分割格子（１１；１１１；２１１）が板形状の支持部品（１２Ａ，１２Ｂ；１１２Ａ，１１２Ｂ；２１２Ａ，２１２Ｂ）の上に配置されており、この支持部品（１２Ａ，１２Ｂ；１１２Ａ，１１２Ｂ；２１２Ａ，２１２Ｂ）が測定反射体（１；１００；２００）の表面に対して垂直な方向を向いて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。

【請求項4】

分割格子（１１；１１１；２１１）と結合部品の間の基準光ビーム（Ｒ）と測定光ビーム（Ｍ）の光路内には、それぞれ少なくとも二つの偏向部品（１３．１，１３．２，１４．１，１４．２；１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ．１１４．２ｂ；２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２）が配置されており、各偏向部品（１３．１，１３．２，１４．１，１４．２；１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ．１１４．２ｂ；２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２）が、そこに入射する光ビームに対して、測定方向（ｚ）に沿った偏向作用又は測定方向（ｚ）に沿った偏向作用と測定方向（ｚ）に対して垂直な方向の偏向作用を及ぼすことを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項5】

偏向部品（１３．１，１３．２，１４．１，１４．２；１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ．１１４．２ｂ；２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２）が、
そこに入射するコリメートされた光ビームに対して、更に、線焦点（Ｌ）に集束させる作用を及ぼして、この線焦点（Ｌ）が測定方向（ｚ）に沿って延びており、並びに
そこに入射する拡散する光ビームに対して、更に、コリメート作用を及ぼす、
ことを特徴とする請求項４に記載の装置。

【請求項6】

当該の偏向部品が、測定反射体（１；１００；２００）に対して垂直に設置された支持部品（１２Ａ，１２Ｂ；１１２Ａ，１１２Ｂ；２１２Ａ，２１２Ｂ）上に配置された回折構造を有することを特徴とする請求項４に記載の装置。

【請求項7】

当該の偏向部品（１３．１，１３．２，１４．１，１４．２）が反射型フレネル円柱レンズとして構成され、これらの反射型フレネル円柱レンズが、そこに入射する光ビームに対して、集束作用の外に、更に、測定方向（ｚ）に沿った偏向作用を及ぼすことを特徴とする請求項５に記載の装置。

【請求項8】

当該の偏向部品（１３．１，１３．２，１４．１，１４．２）の中の二つが、そこに入射する光ビームに対して、線焦点（Ｌ）に集束させる作用を及ぼすことを特徴とする請求項７に記載の装置。

【請求項9】

偏向部品（１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂ）が、それぞれ反射体（１２０，１２１）と一緒に二つの支持部品（１１２Ａ，１１２Ｂ）に配置された透過型フレネル円柱レンズとして構成されており、
これらの透過型フレネル円柱レンズが、支持部品（１１２Ａ，１１２Ｂ）の互いに対向する側に配置されており、
これらの反射体（１２０，１２１）が、それぞれ支持部品（１１２Ａ，１１２Ｂ）の前記の側と対向する側に配置されるとともに、その反射する側が、透過型フレネル円柱レンズの方向を向いており、並びに
これらの透過型フレネル円柱レンズが、そこに入射するコリメートされた光ビームに対して、反射体（１２０，１２１）の反射する側に直線状に集束させる作用を及ぼす、
ことを特徴とする請求項５に記載の装置。

【請求項10】

当該の偏向部品（２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２）が、二つの支持部品（２１２Ａ，２１２Ｂ）の互いに対向する側に配置された反射型光軸外フレネル円柱レンズとして構成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。

【請求項11】

基準光ビーム（Ｒ）が、専ら走査ユニット（１１０，２１０）内の分割格子（１１；１１１；２１１）と結合部品の間を進行することを特徴とする請求項２に記載の装置。

【請求項12】

分割格子（１１；１１１；２１１）と結合部品の間の測定光ビーム（Ｍ）と基準光ビーム（Ｒ）の光路が、それぞれ測定反射体（１；１００；２００）の表面に対して垂直な方向を向いた対称面（Ｓ）に対して鏡面対称に延びていることを特徴とする請求項１から１１までの少なくとも一つに記載の装置。

【請求項13】

当該の偏向部品（３３０．１，３３０．２）が、分割格子（３１１）と結合部品を上に配置した外側の二つの板形状の支持部品（３１２Ａ，３１２．Ｂ）の間に設置された板形状の支持部品（３３０）の対向する側に配置された透過型フレネル円柱レンズとして構成さていることを特徴とする請求項４に記載の装置。

【請求項14】

走査ユニット（３１０）内のコンポーネントは、
測定光ビーム（Ｍ）が、分割格子（３１１）から測定反射体（３００）の方向に進行して、そこの第一の入射位置（Ａ１）で走査ユニット（３１０）内の第一の偏向部品（３３０．１）の方向への一回目の反射を起こし、
次に、測定光ビーム（Ｍ）が、第一の偏向部品（３３０．１）で第二の偏向部品（３３０．２）の方向への偏向を起こし、
次に、測定光ビーム（Ｍ）が、第二の偏向部品（３３０．２）で測定反射体（３００）の方向への偏向を起こして、そこの第二の入射位置（Ａ２）で結合部品の方向への二回目の反射を起こし、
基準光ビーム（Ｒ）が、分割格子（３１１）から第一の偏向部品（３３０．１）の方向に進行して、そこで第二の偏向部品（３３０．２）の方向への偏向を起こし、
基準光ビーム（Ｒ）が、第二の偏向部品（３３０．２）で結合部品の方向への偏向を起こす、
ように配置、構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。

【請求項15】

当該の結合部品が、結合格子（１５；１１５；２１５）として構成されるとともに、測定反射体（１；１００；２００）の表面に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項１から１４までのいずれか一つに記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、請求項１の上位概念に基づく干渉式間隔測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

横方向に互いに移動する二つの物体の位置の変化を検出する外に、専ら、或いは場合によっては、更に横方向に対して直交する垂直方向における、それらの物体の間隔を計測することが必要であるとの測定課題が存在する。そのような測定方向に沿った高精度な間隔測定のために、例えば、特許文献１又は２に開示されている通りの干渉式方法が提案されている。

【0003】

特許文献１により周知の干渉式間隔測定装置は、物体から検出すべき間隔を開けた位置に有る、ガラス板上に配置された放射器・受信器ユニットを備えており、その物体には、ミラーが配置されている。ガラス板上には、光源から放出された光ビームを少なくとも一つの測定光ビームと少なくとも一つの基準光ビームに分割する分割格子が配置されている。この測定光ビームは、物体上のミラーの方向に進行して、更に、放射器・受信器ユニットの方向に反射されて戻り、この基準光ビームは、専らガラス板内に進行して、複数回の反射後に、放射器・受信器ユニットに到達して、測定光ビームと重畳して干渉している。そのようにして得られた干渉信号から、ガラス板と物体の間の間隔又はそれらのコンポーネントの間の間隔の変化が検出可能となっている。そのような装置の欠点は、一方では、ガラス板とミラーの間に傾きが生じた場合に、誤った間隔信号が発生することである。他方では、測定結果が使用する光源の波長に依存することがそのような装置の欠点であることが分かっている。その波長は、周囲の環境条件の変動により変化し、そのため間隔測定時に誤差を生じさせる可能性が有る。

【0004】

特許文献２により周知の装置は、測定光ビーム及び基準光ビームの好適なビーム誘導によって、特許文献１の前記の問題を解決している。その場合、少なくとも所定の目標間隔では、間隔測定が場合によっては生じる波長変化に作用されないこと、並びに傾きに強いことが保証されている。

【0005】

それに対して一層最適化された干渉式間隔測定装置が、非特許文献１により周知であり、本発明の請求項１の上位概念を規定する際に、その装置を出発点とした。その装置は、測定反射体、光源、立方体型ビームスプリッタの形の分割部品、結合部品及び検出器配列を備えている。この分割部品によって、光源から放出された光ビームを少なくとも一つ測定光ビームと少なくとも一つ基準光ビームに分割している。この測定光ビームは、更なるビームの進行中に四回測定反射体に当たった後、結合部品に到達して、基準光ビームと重畳して干渉している。検出器配列によって、干渉する測定光ビームと基準光ビームから、測定反射体とこの装置の一つ以上の別のコンポーネントの間の測定方向に沿った間隔に関する少なくとも一つ間隔信号を生成している。

【0006】

そこで提案されている装置の欠点は、実際の波長と前提とする公称波長の間に偏差が有った場合、測定反射体が傾くと、間隔計測時に測定誤差が発生することである。それに関しては、前記の非特許文献１の装置の光路を簡略化した部分図を図示した図１を参照されたい。その図面では、測定光ビームＭが左上方から入射角α＝４５°で測定反射体ＭＲの入射位置Ａ１に入射した後、格子Ｇに到達し、次に、新たに測定反射体ＭＲの入射位置Ａ２に到達している。図示されていない逆反射体での逆方向への反射後に、測定光ビームＭは、その行程で二回逆方向に進行して、全体として四回測定反射体ＭＲに当たった後、図示されていない基準光ビームと干渉して重畳している。その結果得られた干渉信号は、図１に表示された測定方向ｚに沿った測定反射体ＭＲとそれ以外のコンポーネントの間隔が変化した場合の計測すべき間隔信号である。

【0007】

詳しく述べられていない進行した行程の推移における測定光ビームＭのｋベクトルを観察して、測定反射体ＭＲが所定のｙ軸の周りを傾いている場合、その結果生じる測定光ビームＭの位相シフトΦ_Ｋを次の式１の通り提示している。
Φ_Ｋ＝８＊√２＊π＊Ｒｙ＊Δｘ＊（１／λ_０−１／λ） （式１）

【0008】

ここで、
Φ_Ｋ：測定反射体ＭＲがｙ軸の周りを傾いており、測定光ビームと測定反射体の間の相互作用が四回、α＝４５°の場合の位相シフト、
Ｒ_ｙ：ｙ軸の周りの回転角、
Δｘ：ｘ方向における入射点Ａ１，Ａ２と傾斜軸の距離、
λ：実際の波長、
λ_０：公称波長。

【0009】

式１から明らかな通り、そのような傾斜と実際の波長λと公称波長λ_０の間に偏差が有る場合、測定光ビームＭの側に位相シフトΦ_Ｋ≠０が生じる。そのような位相シフトΦ_Ｋは、λ≠λ_０の場合、格子Ｇでの波長に応じた偏向とそれと関連した入射位置Ａ２のシフトによって起こる。それは、測定方向ｚに沿った測定すべき間隔に関して何も変化が無かったにも関わらず、生成された間隔信号に間隔の変化を引き起こしている。式１から、パラメータＲ_ｙ＝５ミリラジアン、Δｘ＝５ｍｍ、λ_０＝７８０ｎｍ、λ＝λ_０＋５ｎｍの場合に、測定光ビームＭに位相シフトΦ_Ｋ＝１．１５＊２πが生じ、それは、間隔計測時に重大な誤差を引き起こしている。

【0010】

従って、前記の特許文献に提案されている装置は、全ての条件において、場合によっては生じる波長の変化に左右されない訳ではなく、そのような波長の変化は、例えば、周囲の環境条件の変化によって生じたり、測定反射体が傾いている場合に、計測すべき間隔に関して誤った測定を引き起こす可能性が有る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】ドイツ特許公開第１０２００７０１６７７４号明細書

【特許文献2】ドイツ特許公開第１０２０１０００３１５７号明細書

【非特許文献】

【0012】

【非特許文献1】“Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｐｍ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ”， Ｈｉｄｅａｋｉ Ｔａｍｉｙａ， Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ， Ｓｐｒｉｎｇ Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｍａｒｃｈ ２０１２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

本発明の課題は、測定した間隔が使用する光源の波長に全く左右されない高精度の干渉式間隔測定装置を提供することである。特に、場合によっては測定反射体の傾斜が生じても、実際の波長と公称波長の偏差が有る場合に測定誤差を生じさせないものとする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本課題は、本発明による請求項１の特徴を有する装置によって解決される。

【0015】

本発明による装置の有利な実施形態は、従属請求項における措置から明らかである。

【0016】

本発明による干渉式間隔測定装置は、測定反射体、光源、分割部品、結合部品及び検出器配列を備えている。光源から放出された光ビームは、分割部品によって、少なくとも一つの測定光ビームと少なくとも一つの基準光ビームに分割され、この測定光ビームは、更なるビームの進行中に少なくとも二回測定反射体に当たる。測定光ビームと基準光ビームは、結合部品に到達して、重畳し干渉する。検出器配列を用いて、干渉する測定光ビームと基準光ビームから、測定反射体と本装置の一つ以上の別のコンポーネントの間の測定方向に沿った間隔に関する少なくとも一つの間隔信号を生成できる。この場合、分割部品は、分割格子として構成される。光源は、測定反射体の表面に対して平行に分割格子の方向に光ビームを放出する。分割格子は、測定反射体の表面に対して垂直に配置される。

【0017】

光源、分割格子、結合部品及び検出器配列は、それ以外のコンポーネントと一緒に、少なくとも測定方向に沿って測定反射体に対する間隔を変化させることが可能な形で設置した走査ユニット内に配置することが可能である。

【0018】

分割格子が板形状の支持部品上に配置され、その支持部品が測定反射体の表面に対して垂直な方向を向いた形で配置されるものと規定できる。

【0019】

有利には、分割格子と結合部品の間の基準光ビームと測定光ビームの光路内には、それぞれ少なくとも二つの偏向部品が配置され、各偏向部品によって、そこに入射する光ビームに対して、測定方向ｚに沿った偏向作用、或いは測定方向ｚに沿った偏向作用と測定方向ｚに対して垂直な偏向作用を生じさせる。

【0020】

この場合、これらの偏向部品によって、
そこに入射するコリメートされた光ビームが、更に、線焦点に集束する作用を受けて、その線焦点は、測定方向に沿って延び、並びに
そこに入射する拡散する光ビームが、更に、コリメートする作用を受ける、
ものと規定できる。

【0021】

これらの偏向部品は、測定反射体に対して垂直に設置かれた支持部品上に配置された回折構造を有することが可能である。

【0022】

例えば、これらの偏向部品は、反射型フレネル円柱レンズとして構成することができ、これらの反射型フレネル円柱レンズによって、そこに入射する光ビームに対して、集束作用の外に、更に、測定方向に沿った偏向作用が生じる。

【0023】

更に、これらの偏向部品の中の二つによって、そこに入射する光ビームに対して、線焦点に集束する作用を生じさせることが可能である。

【0024】

更に、これらの偏向部品は、それぞれ反射体と一緒に二つの支持部品上に配置された透過型フレネル円柱レンズとして構成することが可能であり、その場合、
これらの透過型フレネル円柱レンズは、支持部品の互いに対向する側に配置され、
これらの反射体は、それぞれ支持部品の対向する側に配置され、それらの反射する側が、透過型フレネル円柱レンズの方向を向いており、
これらの透過型フレネル円柱レンズは、そこに入射するコリメートされた光ビームを反射体の反射する側に線状に集束させるように構成される。

【0025】

それに代わって、これらの偏向部品は、二つの支持部品の互いに対向する側に配置された反射型光軸外フレネル円柱レンズとして構成することもできる。

【0026】

有利には、基準光ビームが専ら走査ユニット内の分割格子と結合部品の間を進行するものと規定する。

【0027】

更に、考え得る実施形態では、分割格子と結合部品の間の測定光ビームと基準光ビームの光路がそれぞれ測定反射体の表面に対して垂直な方向を向いた対称面に対して鏡面対称に延びるものと規定する。

【0028】

更に、これらの偏向部品は、分割格子と結合部品を上に配置した外側の二つの板形状の支持部品の間に設置された、板形状の支持部品の互いに対向する側に配置された透過型フレネル円柱レンズとして構成することが可能である。

【0029】

この場合、これらのコンポーネントは、
測定光ビームが、分割格子から測定反射体の方向に進行して、そこの第一の入射位置で、走査ユニット内の第一の偏向部品の方向への一回目の反射を起こし、
次に、この測定光ビームが、第一の偏向部品で、第二の偏向部品の方向への偏向を起こし、
次に、この測定光ビームは、第二の偏向部品で、測定反射体の方向への偏向を起こして、そこの第二の入射位置で、結合部品の方向への二回目の反射を起こし、
この基準光ビームが、分割格子から第一の偏向部品の方向に進行して、そこで、第二の偏向部品の方向への偏向を起こし、
この基準光ビームが、第二の偏向部品で、結合部品の方向への偏向を起こす、
ように、走査ユニット内に配置、構成されるものと規定できる。

【0030】

一つの考え得る実施構成では、この結合部品は、結合格子として構成されて、測定反射体の表面に対して垂直に配置されるものと規定する。

【0031】

本発明による解決策の重要な利点として、間隔測定が場合によっては生じる波長の変化に全く左右されないとの結果が得られる。それは、干渉する測定光ビームと基準光ビームの進む光路長が測定反射体の如何なる間隔に対しても同じであることに起因する。従って、場合によっては生じる波長の変動が、通常の動作でも、場合によっては測定反射体が傾斜した場合でも本発明による装置の間隔測定に影響を及ぼさない。

【0032】

更に、有利には、本発明による装置では、光の進路が対称的であるため、間隔が変化した場合でも、測定反射体上の実効的な測定点の位置がシフトせず、常に測定反射体上の測定光ビームの入射点の間の真中に有ることが分かっている。

【0033】

最後に、本発明による装置の利点として、例えば、ＬＥＤなどの広帯域の光源を本装置で使用できることも挙げられる。

【0034】

以下における図面と関連した本発明による装置の実施例の記述に基づき、本発明の更なる詳細及び利点を説明する。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】従来技術により周知の装置を説明するための模式図

【図2】本発明による装置を説明するための図１と同様の模式図

【図3】本発明による装置の第一の実施例の光路の第一の模式図

【図4】本発明による装置の第一の実施例の光路の断面図

【図5】第一の実施例の支持部品とその上に配置された偏向部品の平面図

【図6】測定反射体が傾いている場合の第一の実施例の光路の模式図

【図7】本発明による装置の第一の実施例の変化形態の光路の模式図

【図8】本発明による装置の第二の実施例の光路の第一の模式図

【図9a】本発明による装置の第二の実施例の光路の第二の模式図

【図9b】図９ａの図面の光路の別の模式図

【図10】第二の実施例の支持部品とそこに配置された様々な偏向部品の平面図

【図11】第二の実施例の測定反射体と測定光ビームの異なる入射位置の平面図

【図12】本発明による装置の第三の実施例の光路の第一の模式図

【図13a】本発明による装置の第三の実施例の光路の第二の模式図

【図13b】図１３ａの図面の光路の別の模式図

【図14】第三の実施例の支持部品とそこに配置された様々な偏向部品の平面図

【図15】第三の実施例の測定反射体と測定光ビームの異なる入射位置の平面図

【図16】本発明による装置の第四の実施例の光路の第一の模式図

【図17】本発明による装置の第四の実施例の光路の断面図

【図18】第四の実施例の異なる部品の多くの平面図

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下において、本発明による干渉式間隔測定装置の個々の実施例を詳しく説明する前に、先ずは、本発明による装置に関する幾つかの基本的な考えを図２に基づき説明する。

【0037】

この場合、図２は、図１と同様の本発明による装置の考え得る実施構成の測定光ビームＭの進路の部分図を図示している。上方から分割格子ＡＧに垂直に入射した光ビームＳＢは、そこで、測定光ビームＭと、図示されていない基準光ビームに分割される。測定光ビームＭは、この変化形態では、入射位置Ａ１，Ａ２で二回測定反射体ＭＲに当たり、測定反射体ＭＲに対して垂直な偏向部品又は格子により複数回偏向されて、最終的に基準光ビームと重畳して干渉する。

【0038】

入射する光ビームＳＢのｋベクトルｋ_０は、次の式で与えられる。
ｋ_０＝２π／λ （式２．１）

【0039】

ここで、λ：波長
分割格子ＡＧの格子ベクトルｋ_Ｇは、次の式で与えられる。
ｋ_Ｇ＝２π／ｄ （式２．２）

【0040】

ここで、ｄ：分割格子ＡＧの格子周期
測定反射体ＭＲに入射する測定光ビームＭのｋベクトルのｚ成分ｋ_ｚは、次の式で与えられる。
ｋ_ｚ＝２π／ｄ （式３．１）

【0041】

測定反射体ＭＲで反射された後の測定光ビームＭのｋベクトルのｚ成分の変化Δｋ_ｚは、次の式で与えられる。
Δｋ_ｚ＝４π／ｄ （式３．２）

【0042】

測定反射体ＭＲがｙ軸の周りをシフト及び／又は傾斜した場合、入射位置Ａ１，Ａ２における測定光ビームＭに関する位相シフトΦ_１，Φ_２は、次の式の通り生じる。
Φ_１＝Δｋ_１＊Δｚ_１＝４π／ｄ（Δｚ−Ｒ_ｙ＊Δｘ） （式４．１）
Φ_２＝Δｋ_２＊Δｚ_２＝４π／ｄ（Δｚ＋Ｒ_ｙ＊Δｘ） （式４．２）

【0043】

ここで、
Φ_１，Φ_２：入射位置Ａ１，Ａ２での測定光ビームの位相シフトΦ_１，Φ_２、
Δｋ_１，Δｋ_２：測定反射体の入射位置Ａ１，Ａ２での測定光ビームのｋベクトルのｚ成分の変化、
Δｚ_１，Δｚ_２：入射位置Ａ１，Ａ２でのｚ方向における測定反射体の位置の変位、
Δｚ：ｚ軸に沿ってシフトした場合のｚ方向における測定反射体の位置の変位、
Ｒ_ｙ：点ＭＰを通りｙ軸に対して平行に延びる傾斜軸の周りの測定反射体の回転角、
Δｘ：ｘ軸に沿った入射位置Ａ１，Ａ２と測定反射体の傾斜軸の間の間隔。

【0044】

そして、全体として発生する位相シフトΦは、次の式で与えられる。
Φ＝Φ_１＋Φ_２＝（４π／ｄ）＊２Δｚ＝８π／ｄ＊Δｚ （式５）

【0045】

従って、式５には、冒頭で考察した従来技術（式１）と異なり、実際の波長λが入っていない。この場合、間隔計測の波長λへの非依存性が、特に、測定反射体ＭＲがｙ軸の周りに傾いている場合でも得られている、即ち、その場合にΔｚ＝０が成り立つと、位相シフトΦ_１とΦ_２が加算されて、傾斜角に依存する項Ｒ_ｙ＊Δｘが消去されるので、式４．１、４．２及び５から、Φ_Ｋ＝０となる。それとは逆に、傾斜角に依存する項は、冒頭で考察した従来技術では、式１で規定されている。

【0046】

従って、本発明による装置では、場合によっては生じるｙ軸の周りの測定反射体ＭＲの傾斜は、測定光ビームＭの側に位相シフトΦ_Ｋを発生させない。そのため、本発明による装置による間隔測定は、如何なる場合でも、場合によっては生じる波長の変化に左右されない。

【0047】

本発明による装置では、分割格子ＡＧに入射する光ビームＳＢが測定反射体ＭＲに対して平行に進行して、測定反射体ＭＲの方向への全ての光の更なる偏向が、同様に、各格子の測定反射体ＭＲに対して垂直な偏向部品によって引き起こされることが、そのような非依存性に関して決定的に重要である。それによって、一方では、光源の波長が変化した場合に、両方の入射点Ａ１，Ａ２が、測定点ＭＰに対して、常に反対側、即ち、対称的にシフトする。他方では、測定反射体ＭＲに入射する毎の測定光ビームＭのｋベクトルのｚ成分ｋ_ｚが、専ら分割格子と様々な偏向部品の別の格子の格子定数によって与えられ、そのため、波長に依存しなくなる。従って、式４．１と４．２の変化Δｋ_１，Δｋ_２が、そのため、変位Δｚ_１，Δｚ_２をそれに対応する位相シフトΦ_１，Φ_２に変換した値も、それぞれ波長に依存しなくなる。

【0048】

以下では、図３，４及び５に基づき、本発明による干渉式間隔測定装置の第一の実施例を詳しく説明する。図３は、この実施例の光路を模式的に示した第一の側面図を図示し、図４は、光路の一部の第二の図面を図示し、図５は、本装置の支持部品とその上に配置された偏向部品の平面図を図示している。

【0049】

本発明による装置は、測定反射体１と、この実施例では、模式的に示された走査ユニット１０内に配置された一連の別のコンポーネント１１〜１８とを備えている。走査ユニット１０内に配備されたコンポーネント１１〜１８には、光源１６と、コリメータレンズ１７と、検出器配列１８と、光学機能を有する更に別のコンポーネントを配置した二つの支持部品１２Ａ，１２Ｂとが有り、そのコンポーネントには、例えば、分割格子１１、支持部品１２Ａ上の偏向部品１４．１，１４．２、結合格子１５として構成された結合部品及び支持部品１２Ｂ上の別の偏向部品１３．１，１３．２が有る。

【0050】

測定反射体１は、走査ユニット又は別のコンポーネント１１〜１８の少なくとも一部に対して、測定方向に沿って間隔を変化させることが可能な形で配置されており、測定方向は、図面では、それぞれ座標ｚで表されている。例えば、一方の測定反射体１と他方の走査ユニット１０は、測定方向ｚに沿って互いに移動可能な図示されていない機械部品と連結することができる。本発明による干渉式間隔測定装置によって、測定反射体１と走査ユニット又は別のコンポーネント１１〜１８の少なくとも一部の間の測定方向ｚに沿った間隔又は間隔の変化に関する間隔信号を生成している。そして、これらの間隔信号は、同じく図示されていない後置の機械制御部によって更に処理できる。

【0051】

本発明の範囲内では、全てのコンポーネント１１〜１８を共通の走査ユニット１０内に配置する代わりに、例えば、光源及び／又は検出器配列を走査ユニットと分離した場所に配置し、光ファイバを介して、別のコンポーネントを配置した走査ユニットと接続するなどと規定することもできる。

【0052】

本発明による装置では、測定方向ｚに沿った間隔に応じて間隔信号を生成するために、光学干渉方式を使用している。以下では、そのために規定された第一の実施例の走査光路を詳しく説明する。

【0053】

例えば、点状又はほぼ点状の半導体レーザとして構成された光源１６は、光ビームを放出して、その光ビームは、コリメータレンズ１７によってコリメートされ、それに代わる光源として、その代わりにＬＥＤも設置できる。次に、コリメートされた光ビームは、透過型位相格子の形の分割格子１１として構成された分割部品に当たる。図３から明らかな通り、この分割格子は、測定反射体１に対して垂直に配置されている、即ち、分割格子の格子面は、測定反射体１の表面に対して垂直である。光源１６は、所定の光ビームを測定反射体１の表面に対して平行に分割格子１１の方向に放出する。この方向は、図面ではｘ方向として表されており、この場合、以下において、光の入射方向ｘとも称する。

【0054】

分割格子１１において、光源１６から入射して来るコリメートされた光ビームは、測定光ビームＭと基準光ビームＲに分割される。そのため、分割格子１１は、そこに入射する光ビームを＋１次と−１次の回折次数の光ビームに分割し、この−１次の回折次数の光ビームは、後で測定光ビームＭとして動作し、＋１次の回折次数の光ビームは、基準光ビームＲとして動作する。図示されている実施例では、分割格子１１によって、０次の回折次数の光ビームは、出来る限り完全に抑制されている。

【0055】

その後、測定光ビームＭは、分割格子１１から測定反射体１の方向に進行して、そこの第一の入射位置Ａ１で、走査ユニット１０内の第一の偏向部品１３．１の方向への一回目の反射を起こす。支持部品１２Ｂに配置された第一の偏向部品１３．１は、測定方向ｚへの偏向機能を更に有する反射型フレネル円柱レンズとして構成されており、そこに入射する測定光ビームＭに所定の光学作用を及ぼす。

【0056】

即ち、第一の偏向部品１３．１に入射した測定光ビームＭは、この場合、測定方向ｚに沿った偏向作用を受ける。それは、ｘｚ平面において、斜め左下方から第一の偏向部品１３．１に入射した測定光ビームＭが、再び分割格子１１に入射する照明光ビームに対して平行な方向に向くことを意味する。従って、第一の偏向部品１３．１によって偏向又は反射された測定光ビームＭは、測定反射体１の表面に対して平行に、光の入射方向ｘに対して逆向きに、対向する支持部品１２Ａの第二の偏向部品１４．１の方向に進行する。

【0057】

第一の偏向部品１３．１は、そこに入射するコリメートされた測定光ビームＭに対して、測定方向ｚに沿った偏向作用の外に、更に別の光学作用も及ぼす。即ち、このコリメートされた測定光ビームＭは、第一の偏向部品１３．１によって、更に、線焦点Ｌに集束する作用を受ける、即ち、コリメートされた測定光ビームＭは、第一の偏向部品１３．１によって、直線状に集束される。この場合、その結果得られた線焦点Ｌは、特に、図４から明らかな通り、測定方向ｚに沿って延びており、二つの支持部品１２Ａ，１２Ｂの間のちょうど真中に位置する。

【0058】

この実施例では、測定反射体１に対して垂直な方向を向いた二つの支持部品１２Ａ，１２Ｂは、ガラス板として構成されている。そのため、二つの支持部品１２Ａ，１２Ｂの向きのために、その上に配置された全ての部品、即ち、様々な偏向部品１３．１，１３．２，１４．１，１４．２、分割格子及び結合格子１１，１５は、同じく測定反射体１の表面に対して垂直に配置されている。

【0059】

そして、図３から明らかな通り、測定光ビームＭは、光の入射方向ｘと逆向きに、対向する支持部品１２Ａに配置された第二の偏向部品１４．１にまで進行する。この実施例では、第二の偏向部品１４．１は、同じく第一の偏向部品１３．１のフレネル円柱レンズと同形である、ｚ方向に沿った偏向機能を更に有するフレネル円柱レンズとして構成されている。

【0060】

一方において、第二の偏向部品１４．１によって、又もや、そこに入射する測定光ビームＭに対するｘｚ平面内での測定方向ｚに沿った偏向作用が引き起こされる。この場合、右から第二の偏向部品１４．２に入射する測定光ビームは、第二の偏向部品１４．２によって、右下方の測定反射体１の方向に偏向され、そこで、測定反射体１上の第二の入射位置Ａ２に新たに当たる。測定反射体１上の測定光ビームＭの第一と第二の入射位置Ａ１，Ａ２は、光の入射方向ｘに対して互いに間隔を開けて位置に有る。

【0061】

そのような偏向作用の外に、第二の偏向部品１４．２によって、そこに入射する測定光ビームＭに対して別の光学作用も引き起こされる。図４から明らかな通り、線焦点Ｌから拡散する測定光ビームＭは、第二の偏向部品１４．１の方向に進行する。この第二の偏向部品１４．１は、そこに入射する拡散する測定光ビームＭに対して、前記の偏向作用の外に、更に、コリメート作用を及ぼす、即ち、コリメートされた測定光ビームＭは、再び測定反射体１上の第二の入射位置Ａ２の方向に進行する。

【0062】

測定反射体１の第二の入射位置Ａ２では、測定光ビームＭは、二回目の反射を起こして、最終的に走査ユニット１０内の結合格子１５の方向に進行する。

【0063】

分割格子１１で＋１次の回折次数の光ビームとして得られた基準光ビームＲは、先ずは、支持部品１２Ｂにおいて測定方向ｚに対して第一の偏向部品１３．１の上方に配置された第三の偏向部品１３．２の方向に進行する。この第三の偏向部品１３．２は、又もや第一及び第二の偏向部品１３．１，１４．１のフレネル円柱レンズと同形である、同じくｚ方向に沿った偏向機能を更に有するフレネル円柱レンズとして構成されている。第三の偏向部品１３．２は、第一の偏向部品１３．１と同じ構成であるために、並びに第三の偏向部品１３．２への基準光ビームＲと第一の偏向部品１３．１への測定光ビームＭの入射角が同じであるために、入射する測定光ビームＭに対する第一の偏向部品１３．１の光学作用と同じ光学作用を入射する基準光ビームＲに及ぼす。従って、測定方向ｚに沿った偏向作用の外に、前述した支持部品１２Ａ，１２Ｂの間の真中での線焦点への集束作用が、更に基準光ビームＲに対しても生じる。

【0064】

その後、そのような影響を受けた基準光ビームＲは、第三の偏向部品１３．２から、支持部品１２Ａ上の測定方向ｚに対して第二の偏向部品１４．１の上方に配置された第四の偏向部品１４．２にまで進行する。第四の偏向部品１４．２としては、それ以外の三つの偏向部品１３．１，１３．２，１４．１の場合と同様に、それら三つの偏向部品１３．１，１３．２，１４．１と同様に構成された、ｚ方向に沿った偏向機能を更に有する反射型フレネル円柱レンズが使用される。従って、第四の偏向部品１４．２では、そこに光の入射方向ｘと逆向きに入射する基準光ビームＲは、右下方の結合格子１５の方向への偏向作用を受ける。更に、第四の偏向部品１４．２に入射する拡散する基準光ビームＲは、その偏向部品によってコリメートされる、即ち、コリメートされた基準光ビームＲは、結合格子１５の方向に進行する。

【0065】

この実施例では、基準光ビームＲの光路の説明とそれに対応する図面から明らかな通り、基準光ビームＲは、専ら走査ユニット１０内の分割格子１１と結合格子１５の間を進行する。

【0066】

基準光ビームＲと測定光ビームＭは、前述した偏向部品１３．１，１３．２，１４．１，１４．２の同様の構成とそれらの走査ユニット１０内の所定の配置構成のために、互いに逆の対称的な入射角で結合格子１５に当たり、そこで、重畳して干渉する。

【0067】

測定反射体１と走査ユニット１０の間の測定方向ｚに沿った間隔が変化した場合、結合格子１５の後に配置された検出器配列１８によって、周期的な間隔信号を検出して、再処理のために提供する。この場合、間隔が変化する方向に関する情報も入手可能とするためには、複数の位相のずれた間隔信号を生成するのが有利である。即ち、例えば、それぞれ互いに１２０°位相のずれた三つの間隔信号、さもなければそれぞれ互いに９０°位相のずれた四つの間隔信号を生成できる。基本的に、位相のずれた間隔信号を生成するために、それぞれ本発明による装置に採用できる様々な周知の手法が入手可能である。

【0068】

即ち、例えば、結合格子１５の格子幅対格子間隔比率、エッチングの深さ又は位相偏移を好適に選定することによって、１２０°位相のずれた三つの間隔信号を生成できる。

【0069】

９０°位相のずれた四つの間隔信号の生成は、検出面内にバーニャ縞模様を発生させるとともに、所謂構造を持った検出器を検出器配列１８に配置することによって可能である。その場合、結合格子１５の格子周期は、分割格子１１の格子周期と僅かに異なるように選定される。

【0070】

最後に、９０°位相のずれた四つの間隔信号の生成は、偏光光学方式により実現することも可能である。そのために、好適な偏光光学部品が測定光ビームＭと基準光ビームＲの光路内に配置される。

【0071】

ここで、前述した本発明による装置で複数の位相のずれた間隔信号を生成する三つの手法に関しては、明らかに特許文献２を参照されたい。そこに記載された措置は、位相のずれた間隔信号の生成に関して、本発明でも使用できる。

【0072】

本発明による装置の前述した走査光路のために、測定反射体１と走査ユニット１０の如何なる間隔に対しても、測定光ビームＭと基準光ビームＲの進行する光路長が同じであるので、間隔測定が光源の波長に全く左右されないことが保証される。場合によっては生じる波長の変化は、特に、測定反射体１が場合により傾斜した場合でも、得られた間隔信号から生成される位置の値に影響を与えない。

【0073】

更に、ｘｚ平面内の走査光路が二つの支持部品１２Ａ，１２Ｂの間の真中の対称面Ｓに対して鏡面対称であるために、測定反射体１上の実効的な測定点ＭＰは、測定方向ｚに沿って間隔が変化した場合にシフトしない。この対称面Ｓは、図３の通り、支持部品１２Ａ，１２Ｂと同様に、測定反射体１に対して垂直な方向を向いている。更に、図３から明らかな通り、実効的な測定点ＭＰは、光の入射方向ｘに関して、測定反射体１上の測定光ビームＭの二つの入射位置Ａ１，Ａ２の間の真中に位置する。

【0074】

本発明による装置の第一の実施例の考え得る具体的な実施形態では、波長λ＝８５０ｎｍの光を放出する光源１６が使用され、分割格子１１と結合格子１５の格子周期は、それぞれ９６０ｎｍである。ｚ方向における偏向部品１３．１，１３．２，１４．１，１４．２、即ち、偏向機能を有する集束部品の実効的な偏向も、各位置において、９６０ｎｍの格子周期を有する格子と同じである。ｘ方向における二つの支持部品１２Ａ，１２Ｂの間隔は、１２ｍｍに選定される。周期的な間隔信号に関して、測定反射体１と走査ユニット１０の間の間隔が変化した場合、得られる間隔信号の信号周期は２４０ｎｍである。

【0075】

この第一の実施例でも、本発明による装置の後の実施例でも、各偏向部品は、それぞれ測定反射体１に対して垂直に配置された回折構造又は格子パターンを有するものと規定する。詳細には、以下において更に詳しく説明する通り、それぞれ規定された様々な変化形態の回折構造を区別できる。

【0076】

以下では、図６に基づき、本発明による装置の第一の実施例の場合に、測定反射体ＭＲがｙ軸の周りに傾いた場合に、基準光ビームＲに対する測定光ビームＭの向きが如何に変化するのかを更に図解して説明する。この場合、測定反射体ＭＲが傾斜角αだけ傾いた場合の測定光ビームと基準光ビームの光路が模式的な形で図示されている。

【0077】

図６では、β、α及びδは、次のパラメータを表す。
β：偏向部品又はそのために使用される回折構造の回折角、
α：ｙ軸の周りに傾斜した場合の測定反射体の傾斜角、
δ：結合格子後の測定光ビームＭと基準光ビームＲの間の角度。

【0078】

この場合、角度δに関して、次の式が得られる。
δ＝２＊Ｎ＊ｓｉｎβ＊α^２ （式６）

【0079】

ここで、α，β，δは、前に定義した通りであり、
Ｎ：測定光ビームと測定反射体の相互作用の回数（第一の実施例では、Ｎ＝２、第二及び第三の実施例では、Ｎ＝４）。

【0080】

式６によると、測定光ビームＭと基準光ビームＲの間の光方向の差は、より大きな次数で、ｙ軸の周りの測定反射体ＭＲの傾斜に左右される。それは、本発明による装置の本実施例では、そのようなｙ軸の周りの測定反射体ＭＲの傾斜が、生成される間隔信号の変調度と振幅に僅かな作用しか及ぼさないことを意味する。従って、場合によっては起こるｙ軸の周りの測定反射体ＭＲの傾斜は、測定光ビームＭの光路内の結像光学部品を用いて補償する必要がなく、そのことは、この実施例では、場合によっては起こるｘ軸の周りの測定反射体ＭＲの傾斜に関してのみ必要である。

【0081】

本発明による干渉式間隔測定装置の第一の実施例を僅かに修正した変化形態が、図７に模式的に図示されている。以下では、第一の実施例との主な相違点だけを説明する。

【0082】

即ち、この場合、一方において、破線で示した走査ユニット１０’内には、光源１６’と検出器配列１８’の間にシェード１９が配置されている。このシェード１９は、場合によっては分割格子１１’で発生する結合格子１５’の方向への０次の光ビームがそこに到達して、それによって起こる同一光成分により、間隔信号の変調度が悪化することを防止している。

【0083】

更に、測定反射体１’の方を向いた、走査ユニット１０’の下側には、カバーガラス２１が配備され、走査ユニット１０’の逆側には、裏面反射体２０が配備されている。第一の実施例と同様に、専ら走査ユニット１０’内を進行する基準光ビームＲは、分割格子１１’で分割された後、先ずは裏面反射体２０で一回目の反射を起こした後、第三の偏向部品１３．２’に当たる。更に、第四の偏向部品１４．２’と結合格子１５’の間で、裏面反射体２０での基準光ビームＲの再度の偏向が生じている。

【0084】

そのような本発明による装置の第一の実施例の変化形態の利点として、結像部品を用いたｘ軸の周りの傾斜の補正だけが必要なことが挙げられる。そして、間隔信号の変調度と振幅は、測定反射体１’の場合によっては起こる傾斜Ｒ_ｘ，Ｒ_ｙにより僅かしか左右されない。

【0085】

本発明による干渉式間隔測定装置の第二の実施例が図８，９ａ，９ｂ，１０及び１１に図示されている。図８，９ａ及び９ｂは、それぞれこの実施例の光路の異なる視点からの模式図を図示している。図１０は、支持部品、その上に配置された透過型フレネル円柱レンズ及びそこに入射する測定光ビームＭ又は基準光ビームＲの平面図であり、図１１は、測定反射体と測定光ビームの異なる入射位置の平面図である。

【0086】

以下において、又もや基本的に第一の実施例との主な相違点だけを説明する。

【0087】

以下では、測定光ビームＭと基準光ビームＲの光路を詳しく述べる代わりに、第二の実施例において、測定光ビームＭと基準光ビームＲが分割格子１１１と結合格子１１５の間で如何なる順序で本発明による装置の様々な部品に当たるのかを説明する。それに関しては、更に図８，９ａ，９ｂ，１０及び１１も参照されたい。

【0088】

測定光ビームＭの光路：
分割格子１１１→測定反射体１００の入射位置Ａ１→偏向部品１１３．１ａ→反射体１２０→偏向部品１１３．１ｂ→測定反射体１００の入射位置Ａ２→偏向部品１２３→偏向部品１２５→測定反射体１００の入射位置Ａ３→偏向部品１１４．１ａ→反射体１２１→偏向部品１１４．１ｂ→測定反射体１００の入射位置Ａ４→結合格子１１５

【0089】

基準光ビームＲの光路：
分割格子１１１→偏向部品１１３．２ａ→反射体１２０→偏向部品１１３．２ｂ→偏向部品１２２→偏向部品１２４→偏向部品１１４．２ａ→反射体１２１→偏向部品１１４．２ｂ→結合格子１１５
この光路の特性とそれに対応する図面から明らかな通り、特に、第二の実施例で測定光ビームＭと基準光ビームＲの光路内に使用される偏向部品は、第一の実施例の偏向部品と異なる。

【0090】

この場合、偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂとしては、一方において、それぞれ反射体１２０，１２１と一緒に支持部品１１２Ａ，１１２Ｂに配置された透過型フレネル円柱レンズが使用される。この場合、これらの透過型フレネル円柱レンズとして構成された偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂは、支持部品１１２Ａ，１１２Ｂの互いに対向する側に配置され、反射体１２０，１２１は、それぞれ支持部品１１２Ａ，１１２Ｂのそれと対向する側に配置されている。反射体１２０，１２１の反射する側は、それぞれ透過型フレネル円柱レンズとして構成された偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂの方向を向いている。

【0091】

これらの第二の実施例の偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂは、一方において、又もや、そこに入射する光ビーム（測定光ビームＭ，基準光ビームＲ）に対して所定の偏向作用を及ぼす。しかし、前記の実施例と異なり、この場合には、偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂは、そこに入射する光ビームをｙ方向と測定方向ｚの両方に偏向する作用を及ぼす。即ち、測定方向ｚに沿っても、測定方向ｚに対して垂直な方向に沿っても偏向作用を生じさせる。

【0092】

それと同様に、基準光ビームＲの光路内の偏向部品１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂも、それと同様にｚ方向とｙ方向への偏向作用を生じさせる。

【0093】

第二の実施例の偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ，１１４．２ｂは、光学的な偏向作用の外に、前述した通り、そこに入射する光ビームに対して、集束作用又はコリメート作用を及ぼす。即ち、例えば、偏向部品１１３．１ａ，１１３．２ａ，１１４．１ａ，１１４．２ａに入射する光ビームは、コリメートされて、それぞれ対応する反射体１２０，１２１上に直線状に集束され、この場合、その線焦点は、又もや測定方向ｚに沿って延びている。更に、偏向部品１１３．１ｂ，１１３．２ｂ，１１４．１ｂ，１１４．２ｂに入射する拡散する光ビームもコリメートされる。

【0094】

更に、第一の実施例と比べて、支持部品１１２Ａ，１１２Ｂ上には、反射格子として構成された、測定光ビームＭと基準光ビームＲが図示された通り当たる別の偏向部品１２２，１２３又は１２４，１２５も配置されている。この実施例では、これらの偏向部品１２２，１２３又は１２４，１２５は、そこに入射する光ビーム（測定光ビームＭ，基準光ビームＲ）をｘｚ平面内において、即ち、測定方向ｚに沿って偏向させる作用だけを有し、これらの偏向部品１２２〜１２５は、そこに入射する光ビームに対して、集束又はコリメートする光学作用を及ぼさない。

【0095】

そのため、全体として、測定光ビームＭは、この実施例で規定された分割格子１１１と結合格子１１１の間の光路のために、測定反射体１００の入射位置Ａ１〜Ａ４にも、四つの偏向部品１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂにも四回当たる。その結果、第一の実施例と比べて、得られる間隔信号の信号周期は半分になる、即ち、選定された光路のために、より高い測定分解能が得られる。

【0096】

以下において、本発明による干渉式間隔測定装置の第三の実施例を図１２，１３ａ，１３ｂ，１４及び１５に基づき説明する。図１２，１３ａ及び１３ｂは、前記の実施例と同様に、又もや、この実施例の光路の模式的な図面を異なる視点から図示している。図１４は、支持部品、その上に配置された偏向部品及びその上に入射する測定光ビームＭ又は基準光ビームＲの平面図を図示し、図１５は、測定反射体と測定反射体上の測定光ビームの入射位置の平面図を図示している。

【0097】

前記の実施例と同様に、この第三の実施例でも、以下において、測定光ビームＭと基準光ビームＲの光路に関して、測定光ビームＭと基準光ビームＲが分割格子２１１と結合格子２１５の間で如何なる順序で本発明による装置の様々な部品に当たるのかを説明する。これに関しては、更に、図１２，１３ａ，１３ｂ，１４及び１５を参照されたい。

【0098】

測定光ビームＭの光路：
分割格子２１１→測定反射体２００の入射位置Ａ１→偏向部品２１３．１→測定反射体２００の入射位置Ａ２→偏向部品２２３→偏向部品２２４→測定反射体２００の入射位置Ａ３→偏向部品２１４．１→測定反射体２００の入射位置Ａ４→結合格子２１５

【0099】

基準光ビームＲの光路：
分割格子２１１→偏向部品２１３．２→偏向部品２２２→偏向部品２２５→偏向部品２１４．２→結合格子２１５

【0100】

第三の実施例は、基本的にここで規定された偏向部品２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２，２２２，２２３，２２４，２２５に関して、前記の二つの実施例と異なる。

【0101】

この場合、偏向部品２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４は、格子の線が斜めに走る線形反射位相格子として構成されている。そこに入射する光ビーム（測定光ビームＭ，基準光ビームＲ）は、例えば、図１２と１３ａの図面から明らかな通り、これらの偏向部品２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２によって、ｘｙ平面内において測定方向ｚに対して垂直な偏向作用とｘｚ平面内において測定方向ｚに沿った偏向作用とを受ける。例えば、入射位置Ａ１から到来して偏向部品２１３．１に当たる測定光ビームＭは、斜め下方に測定反射体２００上の入射点Ａ２の方向に偏向される。そこに入射する光ビームの集束又はコリメート作用は、偏向部品２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２によっては生じない。

【0102】

この実施例では、更に別に規定された偏向部品２２２，２２３，２２４，２２５は、反射型光軸外フレネル円柱レンズとして構成されている。それらによって、そこに入射する光ビームは、測定方向ｚに沿った偏向作用とｙ方向の偏向作用を受ける。例えば、偏向部品２２２によって、偏向部品２１３．２から入射する基準光ビームＲが対向する偏向部品２２５の方向に偏向される。

【0103】

他方では、偏向部品２２２，２２３，２２４，２２５は、そこにコリメートされた、或いは散乱する光ビームが入射した場合、集束又はコリメート作用を及ぼす。即ち、例えば、偏向部品２２２に入射するコリメートされた基準光ビームＲは、支持部品２１２Ａ，２１２Ｂの間の真中に直線状に集束され、この線焦点Ｌは、図１３ｂから明らかな通り、又もや測定方向ｚに沿って延びている。それに続いて偏向部品２２５に入射する拡散する基準光ビームＲは、それによってコリメートされて、ｙ方向及びｚ方向に対して偏向部品２１４．２の方向に偏向される。

【0104】

第二の実施例の通り、測定光ビームＭは、分割格子２１１と結合格子２１５の間の所定の光路のために、又もや測定反射体２００に四回当たる。そのため、第一の実施例と比べて、又もや間隔信号の信号周期が半分となる。

【0105】

最後に、本発明による干渉式間隔測定装置の第四の実施例を図１６，１７及び１８に基づき説明する。図１６と１７は、又もや、それぞれこの実施例の光路の模式図を異なる視点から図示し、図１８は、この実施例の複数の部品の異なる平面図を図示している。

【0106】

前に説明した実施例との大きな相違点としては、走査ユニット３１０の真中に配置された第三の板形状の支持部品３３０が挙げられ、この場合、この部品には、二つの偏向部品３３０．１，３３０．２が配置されている。これらの偏向部品３３０．１，３３０．２は、これまでの実施例と異なり、そこに入射する光ビームに対して所定の光学作用を及ぼす透過格子の形の回折構造として構成されている。有利には、第三の支持部品３３０として、透明なガラス板が配備され、第一の支持部分３１２Ａの方を向いた側には、第一の偏向部品３３０．１が配置され、第二の支持部分３１２Ｂの方を向いた側には、第二の偏向部品３３０．２が配置されている。

【0107】

走査ユニット３１０は、測定反射体３００の方向に向かっては透明なガラス板３４０によって閉鎖され、走査ユニット３１０の逆側には、別のガラス板３４２が配置されている。図１６から明らかな通り、真中の第三の支持部品３３０と外側の二つの支持部分３１２Ａ，３１２Ｂの間には、更に補償部品３４１．１，３４１．２が配置されており、それらの補償部品は、同じく所定の厚さのガラス板として構成されるとともに、それぞれ真中の第三の支持部品３３０と隣接する支持部分３１２Ａ，３１２Ｂの間を延びており、この実施例の走査光路を以下で説明する時に、その機能に言及する。

【0108】

光源３１６から放出された光ビームは、これ以外の実施例と同様に、コリメータレンズ３１７によってコリメートされた後、又もや透過型位相格子の形の分割格子３１１として構成されるとともに、これ以外の実施例と同様に第一の支持部分３１２Ａに配置された分割部品に当たる。

【0109】

この分割格子３１１によって、光源３１６から入射するコリメートされた光ビームの測定光ビームＭと基準光ビームＲへの分割が行なわれ、そのために、又もや＋１次と−１次の回折次数の光ビームへの分割が行なわれ、この−１次の回折次数の光ビームは、後で測定光ビームＭとして機能し、＋１次の回折次数の光ビームは、基準光ビームＲとして機能する。図示されている実施例では、分割格子３１１によって、０次の回折次数の光ビームを出来る限り完全に抑制しているが、それでも場合によっては生じる０次の回折次数の光ビームが不必要に干渉コントラストを劣化させないこと、そのため走査信号の信号品質を劣化させないことを保証するために、走査ユニット３１０には、分割格子３１１に隣接してシェード３５０が配置されている。

【0110】

そして、測定光ビームＭは、分割格子３１１から測定反射体３００の方向に進行して、そこの第一の入射位置Ａ１で、走査ユニット３１０内の第一の偏向部品３３０．１の方向への一回目の反射を起こす。真中の支持部品３３０に配置された第一の偏向部品３３０．１は、前述した通り、透過型フレネル円柱レンズとして構成されており、そこに入射する測定光ビームＭに対して所定の光学作用を及ぼす。

【0111】

即ち、この場合、第一の偏向部品３３０．１に入射する測定光ビームＭは、測定方向ｚに沿った偏向作用を受ける。それは、ｘｚ平面内において、斜め左下方から第一の偏向部品３３０．１に入射する測定光ビームＭが、又もや分割格子３１１に入射する照明光ビームに対して平行な方向を向くことを意味する。従って、第一の偏向部品３３０．１によって偏向された、或いはそこを透過した測定光ビームＭは、測定反射体３００の表面に対して平行な光の入射方向ｘに、真中の支持部品３３０の対向する側に有る第二の偏向部品３３０．２の方向に進行する。

【0112】

この実施例でも、第一の偏向部品３３０．１は、測定方向ｚに沿った偏向作用の外に、そこに入射するコリメートされた測定光ビームＭに対して別の光学作用も及ぼす。言い換えると、コリメートされた測定光ビームＭは、第一の偏向部品３３０．１によって、更に、線焦点Ｌに集束する作用を受ける、即ち、コリメートされた測定光ビームＭは、第一の偏向部品３３０．１によって、直線状に集束される。この場合、その結果得られた線焦点Ｌは、図１７から明らかな通り、測定方向ｚに沿って延びており、外側の二つの支持部分３１２Ａ，３１２Ｂの間のちょうど真中に位置する。

【0113】

そして、図１６から明らかな通り、測定光ビームＭは、光の入射方向ｘに対して平行に、第三の支持部品３３０の対向する側に配置された第二の偏向部品３３０．２にまで進行する。この実施例では、第二の偏向部品３３０．２は、第一の偏向部品３３０．１のフレネル円柱レンズと同様に、同じくｚ方向に沿った偏向機能を更に有する透過型フレネル円柱レンズとして構成されている。

【0114】

第二の偏向部品３３０．２は、一方では、又もやそこに入射する測定光ビームＭに対してｘｚ平面内での測定方向ｚに沿った偏向作用を及ぼす。この場合、左から第二の偏向部品３３０．２に入射する測定光ビームＭは、第二の偏向部品３３０．２によって、右下方の測定反射体３００の方向に偏向されて、そこで、新たに測定反射体３００上の第二の入射位置Ａ２に当たる。測定反射体３００上の測定光ビームＭの第一と第二の入射位置Ａ１，Ａ２は、光の入射方向ｘにおいて互いに間隔を開けた位置に有る。

【0115】

第二の偏向部品３３０．２は、そのような偏向作用の外に、そこに入射する測定光ビームＭに対して、又もや別の光学作用も及ぼす。図１７から明らかな通り、拡散する測定光ビームＭは、線焦点Ｌから第二の偏向部品３３０．２の方向に進行する。第二の偏向部品３３０．２は、入射して来た拡散する測定光ビームＭに対して、前述した偏向作用の外に、更にコリメート作用を及ぼす、即ち、コリメートされた測定光ビームＭは、又もや測定反射体３００上の第二の入射位置Ａ２の方向に進行する。

【0116】

測定光ビームＭは、測定反射体３００の第二の入射位置Ａ２において、二回目の反射を起こし、次に、走査ユニット３１０内を結合格子３１５として構成された結合部品の方向に進行する。この結合格子３１５は、前の実施例と同様に、第二の支持部分３１２Ｂ上に配置されている。

【0117】

測定反射体３００に対して垂直な方向を向いた二つの支持部分３１２Ａ，３１２Ｂは、前述した実施例と同様に、ガラス板として構成され、そこには、更に第三の支持部品３３０が配備されている。そのため、支持部分３１２Ａ，３１２Ｂ及び３３０の向きのために、そこに配置された全ての部品、即ち、様々な偏向部品３３０．１，３３０．２と分割及び結合格子３１１，３１５は、同じく測定反射体３００の表面に対して垂直に配置されている。

【0118】

分割格子３１１で＋１次の回折次数の光ビームとして得られた基準光ビームＲは、先ずは真中の支持部品３３０に配置された第一の偏向部品３３０．１の方向に進行する。第一の偏向部品３３０．１は、測定光ビームＭと基準光ビームＲの入射角が同じであるために、入射する基準光ビームＲに対して、前述した通りのそこに入射する測定光ビームＭと同じ光学作用を及ぼす。従って、測定方向ｚに沿った偏向作用の外に、更に、前述した第三の支持部品３３０の真中の線焦点Ｌに集束させる作用が得られる。

【0119】

その後、そのような影響を受けた基準光ビームＲは、第一の偏向部品３３０．１から、第三の支持部品３３０の対向する側に配置された第二の偏向部品３３０．２にまで進行する。従って、そこに光の入射方向ｘに対して平行に入射する基準光ビームＲに対して、又もや右下方の結合格子３１５の方向への偏向作用が生じる。更に、第二の偏向部品３３０．２に入射する拡散する基準光ビームＲは、それによってコリメートされる、即ち、コリメートされた基準光ビームＲは、結合格子３１５の方向に進行する。

【0120】

前に説明した実施例と同様に、この実施例でも、基準光ビームＲは、専ら走査ユニット３１０内の分割格子３１１と結合格子３１５の間を進行する。

【0121】

基準光ビームＲと測定光ビームＭは、逆向きの対称的な入射角で結合格子３１５に当たり、そこで重畳して干渉する。

【0122】

測定反射体３００と走査ユニット３１０の間の測定方向ｚに沿った間隔が変化した場合、結合格子３１５の後に配置された検出器配列３１８によって、周期的な間隔信号を検出して、再処理のために提供できる。この場合、間隔が変化する方向に関する情報も提供可能とするためには、複数の位相のずれた間隔信号を生成するのが有利である。即ち、既に前に述べた通り、例えば、それぞれ１２０°位相のずれた三つの間隔信号、さもなければそれぞれ９０°位相のずれた四つの間隔信号を生成することができ、それに関しては、前の説明を参照されたい。

【0123】

図１６から明らかな通り、測定光ビームＭは、分割格子３１１と結合格子３１５の間で、測定反射体３００の方向に対して走査ユニット３１０を閉鎖するガラス板３４０を四回通過する。この場合に起こる測定光ビームＭの変化する光行程を補償するために、走査ユニット内の基準光ビームＲの光路には、同じくガラス板の形の二つの補償部品３４１．１，３４１．２が配置されている。基準光ビームＲは、補償部品３４１．１をちょうど一回通過し、補償部品３４１．２を同じくちょうど一回通過するので、補償部品３４１．１，３４１．２は、それぞれガラス板３４０の二倍の厚さを有する。そのようにして、測定光ビームＭと基準光ビームＲは、走査ユニット３１０内を同じガラス行程だけ通り、この場合、測定光ビームＭは、偏向部品３３０．１，３３０．２に対して相対的にシフトするので、光ビームＭ，Ｒの位相差は、専ら測定反射体３００と走査ユニット３１０の間の間隔が変化するために生じる。

【0124】

前述した実施構成に代わって、修正した変化形態では、第一と第二の偏向部品３３０．１，３３０．２をそれぞれ二つに分けて、即ち、ｚ方向に延びる単一の透過格子としてではなく、それぞれ測定光ビームＭと基準光ビームＲの入射点の領域に局所的にのみ配備された二つの透過格子の形で構成することも可能である。

【0125】

同様に、偏向部品３３０．１，３３０．２を、本構成の対称の中心から左右に測定反射体３００に対して垂直な方向を向いて設置された二つの薄いガラス板に分けて配置することが考えられる。そして、これら二つのガラス板の間隔は、第一と第二の偏向部品３３０．１，３３０．２の間の光ビームの光行程が前述した厚いガラス板３３０による実施構成の場合と同じになるように選定される。

【0126】

本発明による装置の第四の実施構成の利点として、前記の変化形態と比べて、ｚ方向に対して著しくコンパクトな走査ユニットが得られることが挙げられる。そのため、測定反射体３００が場合によって傾いた場合に、干渉する位置での測定光ビームＭと基準光ビームＲの相対的なシフト量が小さくなるので、場合によっては生じる測定反射体３００の傾斜に対して、より大きい耐性が得られる。

【0127】

ここで説明した具体的な実施例の外に、当然のことながら、それらに代わる本発明による干渉式間隔測定装置の更に別の実施形態も存在する。

【0128】

前述した全ての実施例では、基準光ビームの光路における対称性の理由から、測定光ビームの場合と同じ結像作用の光学部品又は偏向部品の光学機能を規定するものとする。別の考え得る実施構成では、測定反射体の傾斜が基準光ビームに影響を与えないので、基準光ビームの光路内の偏向部品を追加の光学機能を持たない純粋な偏向部品として構成することもできる。

【0129】

更に、結合部品は、様々な実施例に図示されている通り、結合格子として構成する必要はない。本発明の範囲内では、基本的に結合部品として、その代わりに、例えば、好適な光ファイバを配備することも考えられる。

【0130】

最後に、ここで説明した解決策と同じ光路として、光源と格子がここで述べた実施例と同じ位置に仮想的に存在する光路を実現することが可能である。それは、例えば、光路内の追加の鏡映部品などによって実現できる。

【符号の説明】

【0131】

１，１’，１００，２００，３００ 測定反射体
１０，１０’，１１０，２１０，３１０ 走査ユニット
１１，１１’，１１１，２１１，３１１ 分割部品（格子）
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ａ’，１２Ｂ’，１１２Ａ，１１２Ｂ，２１２Ａ，２１２Ｂ，３１２Ａ，３１２Ｂ 支持部品
１３．１，１３．２，１４．１，１４．２，１３．１’，１３．２’，１４．１’，１４．２’，１１３．１ａ，１１３．１ｂ，１１３．２ａ，１１３．２ｂ，１１４．１ａ，１１４．１ｂ，１１４．２ａ．１１４．２ｂ，１２２，１２３，１２４，１２５，２１３．１，２１３．２，２１４．１，２１４．２，３３０．１，３３０．２ 偏向部品
１５，１５’，１１５，２１５，３１５ 結合部品（格子）
１６，１６’，１１６，２１６，３１６ 光源
１７，１７’，１１７，２１７，３１７ コリメータレンズ
１８，１８’，１１８，２１８，３１８ 検出器配列
１９ シェード
２０ 裏面反射体
２１ カバーガラス
１２０，１２１ 反射体
３３０ 支持部品（ガラス板）
３４０ ガラス板
３４１．１，３４１．２ 補償部品
３４２ ガラス板
３５０ シェード
Ａ１，Ａ２，Ａ１’，Ａ２’，Ａ３，Ａ４ 入射点（位置）
Ｇ 格子
ＡＧ 分割格子
Ｌ 線焦点
Ｍ 測定光ビーム
ＭＰ 実効的な測定点
Ｒ 基準光ビーム
Ｓ 対称面
ＳＢ 光ビーム
ｘ 座標軸（光の入射方向）
ｙ 座標軸（傾斜軸）
ｚ 座標軸（測定方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9a】

【図9b】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13a】

【図13b】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】