(57)【要約】  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測定装置は、多色の測定光（１２）を発生させる測定光源（１１）と光学的な測定ヘッド（１６）とを有し、その測定ヘッドが測定光源（１１）から発生された測定光（１２）を測定対象（１８）上へ向け、かつそれから反射された測定光（１２'）を受け取る。分散性の光学素子（２２）と検出器（１４）とを有するスペクトログラフ（２０）が、反射された測定光（１２'）をスペクトル分析する。較正光源（３０）が、既知かつ温度に依存しないスペクトル組成の較正光（３２）を発生させる。評価装置（２８）が、較正光（３２）によって検出器（２４）の感光性セル（２６）上に発生されるスペクトルの変化から補正値を導き出し、その補正値によって、感光性セル（２６）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修正される。
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【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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、ことを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項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、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項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、
ことを特徴とする請求項８に記載の測定装置。
【請求項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）又は請求項５に記載の平面平行のプレート（５８）とを有している、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項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、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の測定装置。
【請求項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。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか１項の特徴を有する、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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測定装置と方法に関するものであって、その場合に多色光が測定対象へ向けられて、測定対象から反射された測定光がスペクトル分析される。本発明は、特に熱効果によって測定精度が損なわれることを減少させる問題に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定技術においてしばしば生じる問題は、参照点と固体又は液体の測定対象の表面との間の間隔を測定することである。それぞれ測定課題に応じて、表面上の唯一又は少数の点が測定されるか、あるいは間隔の狭い多数の点が測定される。後者の場合においては、間隔測定値から測定対象の表面の類型論的な１次元又は２次元の高さプロフィールが導き出される。このようにして、たとえば正確に加工された表面の凹凸を証明し、あるいは粗さ指数を定めることができる。これらの測定においては、通常、間隔を絶対的に測定することは重要ではなく、相対的な間隔変化のみが高い精度で検出される。
【０００３】
表面の間の間隔及び特に光学的に透明な層の厚みを測定しようとする場合に、同じことが言える。この場合においても、参照点に対する絶対的な間隔は必要とされない。というのは、層の厚みは、層を画成する表面のための間隔値の差から生じるからである。
【０００４】
これに関連して、固体のボディによって支持され、あるいはそれに固定されている材料からなる層だけでなく、支持を必要としない薄い固体の構造も、層と称される。その例は、ガラス又は半導体材料からなるディスクあるいはビン又は同様な対象の壁である。
【０００５】
間隔を非接触で測定するために、容量的又は他の電気的測定原理の他に、特に光学的な測定原理も使用される。というのは、それによって特に高い測定精度が得られるからである。このような光学的な測定原理の１つにおいて、多色の測定光が光学的な測定ヘッドによって測定対象へ向けられる。測定対象の表面から反射された測定光が、測定ヘッドによって受け取られて、スペクトログラフへ供給され、そのスペクトログラフが反射された測定光をスペクトル分析する。測定光のスペクトル組成から、測定対象の表面に対する間隔を推定することができる。屈折率の異なる２つの媒体の間の各光学的境界面は、入射する光の一部を反射するので、このようにして、測定光の伝播方向に相前後して配置された複数の表面に対する間隔も定めることができる。そのための条件は、測定光が透過する光学的媒体が、使用される測定光のために充分に透き通っていることだけである。
【０００６】
この測定原理によって使用される、第１のタイプの測定装置において、色的に共焦点の測定のコンセプトが利用される。このタイプの測定装置は、測定ヘッドを有し、その測定ヘッドが色的に補正されない光学系を有しており、それが測定対象の表面上に測定光を合焦させる。強い分散を有するガラスからなるレンズ及び／又は回折光学素子を有することができる、光学系の色長手収差によって、測定光のスペクトル成分が様々な焦点面に合焦される。共焦点で配置された絞りによって、測定光の、その焦点面が正確に測定対象の表面上に位置するスペクトル成分のみが、スペクトログラフへ達し、そこでスペクトル分析できることが、保証される。スペクトログラフは、格子又は他の分散的光学素子と検出器を有し、その検出器が多数の感光性のセルを有している。各感光性のセルには、極めて狭い波長領域が対応づけられているので、検出器の個々のセルに、間隔値を直接対応づけることができる。間隔値とセルの間の対応づけは、特許文献１（独国特許出願公開第１０２００４０４９５４１（Ａ１）号明細書）に記述されているように、較正を介して定めることができる。
【０００７】
同様に測定対象の表面から反射された測定光がスペクトル分析される、他のタイプの測定装置においては、光学的干渉のコンセプトが利用される。測定対象から反射された測定光が、参照アーム内で反射された測定光と干渉する。干渉によって、反射された測定光がスペクトル変調され、その場合に求める間隔値は変調周波数から導き出すことができる。この目的のために、対象から反射されて、参照アーム内で反射された測定光と干渉する測定光が、スペクトログラフ内でスペクトル的に検出されて、逆フーリエ変換される。
【０００８】
上述した２つのタイプの光学的測定装置は、しばしば製造環境内で品質保証のために使用される。製造環境においては、もちろん周囲温度は著しく変動する。したがって測定装置は、典型的に、＋５℃と＋６０℃の間の温度領域について、駆動可能と定められている。
【０００９】
その場合に様々な周囲温度が、測定された間隔値に直接作用する問題が生じる。温度が変動した場合には、光学素子の熱的膨張によって、曲率半径と光学的境界面の間の間隔のような重要な光学的パラメータの変化がもたらされる。さらに、レンズ及び他の屈折光学素子の屈折率は、温度に直接依存する。測定光がそれを通して伝播する、空気又は他のガスの屈折率自体、−固定のボディにおけるよりもずっと少ない程度ではあるが−温度に依存する。さらに、光学素子をハウジングに固定するホルダの熱膨張は、光学素子の位置変化をもたらすことがあり、それも同様に光学系の作用に影響する。
【００１０】
熱に基づく測定エラーを補償するために、特許文献２（欧州特許第２３６９２９４（Ｂ１）号明細書）は、測定ヘッドに含まれる色的に補正されない光学系を、温度変化における個々の光学素子の光学作用の変化が相互に補償されるように、設計することを、提案している。
【００１１】
特許文献３（欧州特許第２１４９０２８（Ｂ１）号明細書）からは、測定値の熱的にもたらされる変化を許すが、この変化を後段の補正ステップにおいて補正することが、知られている。補正値を得るために、スペクトログラフを用いて、測定ヘッド内の光学的な表面において反射された測定光成分のスペクトル組成が求められる。その場合に反射された測定光が結合される、光学ファイバーの端部に対するこの表面の間隔が、測定ヘッド内の温度に依存すると仮定される。このようにして温度が測定ヘッド内の光学的な表面からの間隔を介して間接的に測定されるので、後に測定対象において測定する場合に温度の影響を考慮することができる。
【００１２】
同様なやり方で、特許文献４（独国特許出願公開第１０２０１５１１８０６９（Ａ１）号明細書）から知られた測定装置においても、測定ヘッド内の温度に依存する効果が考慮される。その場合に温度変化の作用を定めるために、測定ヘッドの内部の固定の光学的境界面における反射ではなく、測定ヘッドの外部の境界面における反射が使用される。実施例において、付加的な測定アーム内の測定光が段付きの反射する面へ向けられ、その場合に光学軸に沿った段の高さは、正確に知られている。２つの表面の間で測定された間隔値が変化した場合に、この作用が変化した温度に割り当てられ、かつ補正ファクターを定めるために使用される。その後、後続の測定において、測定された間隔値が補正ファクターによって乗算される。
【００１３】
特許文献５（米国特許第９５４１３７６（Ｂ２）号明細書）は、スペクトログラフにおける変化がどのように、色的に共焦点の測定原理に従って作動する間隔測定装置の測定精度に作用するか、という問題と根本的に取り組んでいる。この問題を解決するために、スペクトログラフの検出器によって、＋１又は−１の回折次数ではなく、＋１の回折次数も−１の回折次数も検出することが、提案される。間隔情報は、２つの回折次数の最大値が発生する、検出器の感光性のセル間の間隔から導き出される。温度変化によって格子及び／又は検出器の位置が変化した場合に、それによってしばしば回折次数の最大値が同じ大きさだけ変位するので、最大値の間の間隔は一定に留まる。この間隔のみが以降の評価に入るので、温度変化は測定精度に作用しない。
【００１４】
もちろんこの既知の考え方の欠点は、検出器によって２つの回折次数を評価しなければならないことである。それによって、提供される感光性セルの数が等しい場合には、スペクトル解像度及びそれに伴って測定精度も低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００４０４９５４１（Ａ１）号明細書
【特許文献２】欧州特許第２３６９２９４（Ｂ１）号明細書
【特許文献３】欧州特許第２１４９０２８（Ｂ１）号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０２０１５１１８０６９（Ａ１）号明細書
【特許文献５】米国特許第９５４１３７６（Ｂ２）号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の課題は、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測定装置と方法を、スペクトロメータにおける温度変化が測定精度に作用せず、あるいは少なくとも従来よりもずっと少ない程度で作用するように、改良することである。既知の解決においては容認しなければならなかった、スペクトル解像及びそれに伴う測定精度における損害を容認する必要はない。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
測定装置に関して、上述した課題は、多色の測定光を発生させるように整えられた測定光源を有する、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ための測定装置によって解決される。測定装置は、さらに、光学的な測定ヘッドを有しており、その測定ヘッドは、測定光源から発生された測定光を測定対象へ向けて、測定対象から反射された測定光を受け取るように、整えられている。さらに、測定装置はスペクトログラフを有しており、そのスペクトログラフは、測定光から反射されて、光学的な測定ヘッドによって受け取られた測定光をスペクトル分析するように、整えられており、その場合にスペクトログラフは、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ている。測定装置の評価装置は、少なくとも一部の感光性セルの測定信号から間隔値を計算するように、整えられている。本発明によれば、測定装置は較正光源を有しており、その較正光源は、既知のスペクトル組成を有する較正光を発生させるように、整えられている。較正光は、前もって測定対象へ通じる光学路内で反射されることなしに、分散性の光学素子を通して検出器上へ向けることができる。評価装置は、検出器の感光性セルの少なくともいくつかにおいて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を導き出すように、整えられており、その補正値によって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修正される。
【００１８】
本発明は、スペクトログラフ内の温度変化が測定精度のための重要な要因である、という認識から出発している。その場合に、測定ヘッドにおいて、かつスペクトログラフ内で、異なる温度が支配する可能性があることが、考慮される。スペクトログラフのすぐ近傍には、たとえば評価装置が配置されていることが多く、その評価装置は通常多数の電子的なコンポーネントを有している。それらから発生された熱損失によって、測定ヘッド内よりも高い温度がスペクトログラフ内を支配することになり得る。
【００１９】
スペクトログラフ内の温度変化の影響を検出して、後続の測定において考慮することができるようにするために、本発明によれば、既知のスペクトル組成を有する較正光が、スペクトログラフの分散性の光学素子を通してその検出器へ向けられる。このようにして、較正光のスペクトルと検出器の感光性セルとの間の一義的な関係が形成される。温度変化によって、感光性セルの位置の変化がもたらされた場合に、較正光のスペクトル内の最大強度は、他の感光性セルにおいて生じる。本発明によれば、この変位は、感光性セルと波長又は波長から導き出される変量との間あらかじめ定められた対応づけが修正されることによって、後の測定対象における測定を評価する際に直接考慮される。もっとも簡単な場合において、この種の修正された対応づけは、所定の感光性セルがもはや元のあらかじめ定められた波長にではなく、修正された波長に相当すると、見なすことができる。求める間隔情報は、測定光のスペクトル内でコード化されているので、修正された対応づけの結果であるスペクトルの正しい検出は、自動的に間隔についての温度に依存しない測定値を提供する。較正のこの直接的なやり方は、温度変化の影響が間隔測定から導き出される考え方に比較して、効果的である。
【００２０】
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、スペクトログラフへ供給されるので、較正光によって、スペクトログラフ内の温度変化の影響のみが検出される。スペクトログラフ内の温度変化の影響を、測定ヘッド内に温度変化があってもその影響に関係なく定めることができるようにする、本発明によって与えられる可能性は、複数の理由から効果的である。上述した特許文献３（欧州特許第２１４９０２８（Ｂ１）号明細書）の場合のように、スペクトログラフ内と測定ヘッド内の温度変化が組み合わせて検出される場合には、２つの効果の重なりのみが検出される。２つの効果は、通常、評価する際に異なる補正措置を必要とするので、温度変化が組み合わせて検出される場合には、最適な補正を実施することはできない。すなわち、たとえば、上述した測定ヘッド内の反射する表面に対応づけられた波長について、測定ヘッド内とスペクトログラフ内の効果が偶然に相殺され、それによって温度変化が検出されない場合が生じ得る。しかし他の波長については、絶対的に補正の必要が生じることがあり、それは、特許文献３に基づいて効果を組み合わせて検出する場合には、認識されない。
【００２１】
温度変化を別々に検出することは、測定装置のモジュラー構造に関しても、効果的である。まさに、スペクトログラフ内に温度変化によってもたらされる効果が、測定ヘッド内の効果に比較して優先的である場合に、測定ヘッドが温度検出する手段を有するか否かに関係なく、補正を実施することができると、効果的である。したがって本発明に係る測定装置は、特殊な測定ヘッドを必要とせず、任意の測定ヘッドによって駆動することができ、したがってユニバーサルに使用可能である。
【００２２】
較正光をスペクトログラフの分散性の光学素子へ供給することができるようにするために、一般的に、光路内に光分割装置を導入し、それを用いて較正光と測定光を共通に分散性の光学素子へ供給することが必要となる。光分割装置は、たとえばビームスプリッタキューブ又はファイバーカップラーとすることができる。
【００２３】
もっとも効果的なのは、評価装置が、検出器の感光性セルの少なくとも一部上に較正光によって発生された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、整えられている場合である。この種のパターンは、通常、ローカルな最大強度と最小強度の連続からなる。もっとも簡単な場合において、この種の強度パターンは個々の（ローカルな）最大強度又は最小強度からなる。
【００２４】
本発明に係る較正は、較正光が時間的に安定し、かつ温度に依存しないスペクトル組成を有する場合に、もっとも簡単に実施される。そのために較正光源は、周囲温度に関係なく、変化しないスペクトル組成を有する較正光を発生させる特性をもたなければならない。しかし原理においては、温度に依存するスペクトル組成を有する較正光を使用することも、考えられる。しかしその場合には、スペクトログラフ内の温度だけでなく、スペクトル組成の温度依存性も正確にわかっていなければならず、それによって評価する際にそれを計算で考慮することができる。
【００２５】
もっとも簡単な場合においては、較正光源は狭帯域の光源、たとえばレーザーダイオードである。スペクトル組成のさらに小さい温度依存性は、較正光源が（場合によっては広帯域の）光源と温度安定のモノクロメータ、たとえばファブリ・ペロー干渉計を有する場合に、得られる。
【００２６】
時間的に安定し、かつ温度に依存しないスペクトル組成を有する較正光を発生させる特に簡単な可能性は、広帯域の光源と、干渉の形成によって較正光の強度をスペクトル変調する、反射する表面の配置とを有する較正光源を使用することにある。したがってレーザーダイオードの使用とは異なり、この較正光源は、所定の波長における唯一の最大強度ではなく、比較的広いスペクトルを有するが、そのスペクトルは変調によって複数のローカルな最大強度を有している。その場合にスペクトログラフの検出器は、個々の最大強度の位置だけでなく、複数の最大強度の位置も検出する。この種の配置は、たとえば光学的に透明な材料からなる平面平行のプレートとして形成することができる。プレートが非熱伝導性のガラスからなる場合に、温度変動における厚み変化は、逆方向の屈折率変化によって補償されて、プレートの光学的厚みとそれに伴って変調周波数は一定に留まる。ガラスプレートの代わりに、厚みｄのエアギャップもスペクトル変調に使用することができる。このエアギャップは、たとえば、第１の透明かつ下側が部分反射するプレートと、第２の反射するプレートとの間に形成することができる。プレート間の間隔は、スペースホルダによって調節され、そのスペースホルダは、熱膨張の小さい材料（クォーツガラス又はゼロデュア）からなる。それによってエアギャップによって発生されるスペクトル変調は、とりたてて言うほど温度に依存しない。
【００２７】
較正光と測定光が、重なり合わないスペクトルを有する場合に、較正は間隔測定と同時に実施することができる。特に較正光のスペクトルは、測定光のスペクトルよりも短波とすることができる。スペクトルが重なる場合には、較正は、間隔測定の間のタイムインターバルで実施されなければならない。というのは、そうでないと間隔測定が較正光によって歪曲されてしまうからである。ここでは重なり合うというのは、同一性の特殊場合（したがって完全な重なり）でもある。
【００２８】
較正光と測定光のスペクトルが重なり合う場合でも、ある波長を有する較正光が感光性セルへ入射し、そのセルに同じ波長を有する反射された測定光が入射できないようにして、分散性の光学素子を通して較正光を検出器へ向けることができる場合には、同時の較正と測定が可能である。好ましくは逆の場合も成立し、すなわち同じ波長を有する較正光が入射することのできる感光性セルへ、反射された測定光は入射できない。これはたとえば、較正光と測定光が異なるように分極されており、かつ分極フィルタによって感光性セル上で、較正光と反射された測定光が同一のセル上に入射できないことが保証されることによって、達成することができる。
【００２９】
分極フィルタは光損失をもたらすので、多くの場合において、較正光を反射された測定光とは異なる方向から分散性の光学素子へ入射させると、より効果的である。それによって、較正光は分散性の光学素子の後方で測定光とは異なるルートをとり、かつ空間的にそれから分離することができる。その場合に感光性のセルは、第１のセルと第２のセルを有し、第１のセル上には較正光のみが入射することができ、かつその第１のセルは第１の列に沿って配置されており、第２のセル上には反射された測定光のみが入射することができ、かつ第２のセルは、第１の行に対して平行に延びる第２の行に沿って配置されている。
【００３０】
これに関連して、較正光源という概念は、広く解釈すべきである。特に、較正光と測定光が異なる光学的コンポーネントから発生されることは、不要である。実施例においては、較正光源と測定光源は光を発生させるために同一の光学的コンポーネントを使用する。その場合に較正光源は、たとえばビームスプリッタを有し、そのビームスプリッタが光学コンポーネントから発生された光の一部を測定光として測定ヘッドへ供給し、光の他の部分をモノクロメータへ供給し、そのモノクロメータが光からスペクトルフィルタリングによって較正光を発生させる。その代わりに、光のこの部分を、変調された較正光スペクトルを発生させるために平面平行のプレートへ向けることもできる。このようにして較正光源は、専用の光学的コンポーネントを必要としない。その場合にはもちろん、較正の間光路内に測定対象が存在しないこと、あるいは測定対象へ通じる光学路が遮蔽されており、それによって一方で、測定光が測定対象へ通じる光学路内で反射されて、検出器へ達することが、保証されなければならない。
【００３１】
２つの較正光源が設けられており、それらが、異なるスペクトル組成を有する較正光を発生させるように、整えられていると、特に効果的である。その場合に２つの較正光源から発生された較正光は、前もって測定対象へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に分散性の光学素子を通して検出器へ向けられる。このようにして、統一的な場所に依存しない変位（オフセット）として記述されない、感光性セルの温度に基づく位置変化が検出される。異なるスペクトル組成を有する第１と第２の較正光が使用される場合に、変位が波長に線形に依存することが検出されて、感光性セルと波長又は波長から導き出される変量との間の対応づけを修正する際に考慮される。この場合においては、２つの較正光源から発生される較正光のスペクトルは、もちろん重なり合わない。理想的には、測定光のスペクトルは、２つの較正光源から発生される第１と第２の較正光のスペクトルの間に位置する。
【００３２】
検出器上の様々な場所において較正光によって発生される測定信号をもたらす他の可能性は、分散性の光学素子として回折格子を使用し、かつ較正光のスペクトルを、検出器によって較正光の２つの異なる回折次数が検出可能であるように、選択することにある。ここでも、較正光が検出器へ入射する場所は、理想的にはその対向する端部及びその間に位置する、測定光用に予約された領域の外部に位置する。
【００３３】
本発明の対象は、さらに、対象への間隔又は２つの表面の間の間隔を非接触で測定する方法に関するものであり、以下のステップを有する：
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。
【００３４】
測定装置について上で与えられた説明と好ましい形態に対する指摘は、方法についても同様に当てはまる。
【００３５】
較正光が時間的に安定で、温度に依存しないスペクトル組成を有していると、特に効果的である。
【００３６】
較正光は、ステップｅ）において温度安定のモノクロメータによって発生され、そのモノクロメータは広帯域の光源によって照明される。
【００３７】
較正光を発生させる較正光源は、広帯域の光源と光学的に透明な材料からなるプレートとを有し、そのプレート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。
【００３８】
較正光と測定光は、好ましくは、重なり合わないスペクトルを有しており、その場合に較正光のスペクトルは、特に測定光のスペクトルよりも短波とすることができる。この場合においては、較正光を測定光と同時に検出器へ向け、スペクトル分析することが、可能である。
【００３９】
較正光と測定光が、重なり合うスペクトルを有する場合には、較正光は測定光と同時に検出器へ向けてはならない。
【００４０】
測定光源から発生された測定光の一部を分岐させることができる。その場合にスペクトルフィルタリングによって、測定光の分岐された部分から較正光が発生される。
【００４１】
実施例において、異なるスペクトル組成を有する第１と第２の較正光が発生されて、前もって測定対象へ通じる光学路内で反射されることなしに、同時に分散性の光学素子を通して検出器へ向けられる。その場合に第１と第２の較正光のスペクトルは、好ましくは重ならない。
【００４２】
分散性の光学素子が回折格子である場合に、較正光のスペクトルは、検出器によって較正光の２つの異なる回折次数を検出することができるように、選択することができる。
【００４３】
較正光による較正は、比較的大きい時間間隔で実施することができる。というのは、温度は通常比較的ゆっくりと変化するからである。しかしまた、各測定において同時に（たとえばスペクトルが異なる場合において）、あるいはその直後又は前に、較正光によって較正を実施することが、可能である。この場合において、ステップｉ）でステップａ）からｄ）だけでなく、先行するすべてのステップａ）からｈ）が繰り返される。
【００４４】
定義
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。
【００４５】
分散性の光学素子というのは、機能のために前面にでてくる光学的特性、たとえば屈折率又は回折角度がはっきりとした分散を示し、かつ機能のために分散が望ましい、光学素子である。したがってガラスからなるノーマルなレンズは、−屈折力がわずかな程度波長に依存しているが−分散性の光学素子ではない。それに対して他方でこれは、著しい分散を示し、かつそのように設計されている分散プリズム又は回折格子の場合には、異なる波長の光を異なる強さで屈折又は回折させる。
【００４６】
以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来技術に基づく間隔を測定する装置を図式的に示している。
【図２ａ】スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。
【図２ｂ】スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。
【図３ａ】スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の２つの最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。
【図３ｂ】スペクトログラフに含まれる検出器のピクセルがどのようにしてスペクトル内の２つの最大強度を、特に温度上昇の前又は後において検出するかを、図式的に示している。
【図４】図１と同様の図式的な表示において、色共焦点の測定の原理を使用する、本発明の第１の実施例を示している。
【図５】同様に色共焦点の測定の原理を使用し、かつ較正光源がモノクロメータを有している、本発明の第２の実施例を示している。
【図６】２つの異なるモノクロメータを有する、較正光源のための変形例を示している。
【図７】スペクトル変調された較正光を発生させるためのガラスプレートを有する、較正光源のための変形例を示している。
【図８】ガラスプレートによって発生された較正光源のスペクトルを示している。
【図９】較正光がガラスプレート上に合焦して入射する、較正光源のための変形例を示している。
【図１０】較正光がガラスプレートを透過して通過する、較正光源のための変形例を示している得。
【図１１】同様に色共焦点の測定の原理を使用し、かつ較正光が測定光と同じ光学素子によって発生される、本発明の第３の実施例を示している。
【図１２】同様に色共焦点の測定の原理を使用し、かつ較正光と測定光が自由空間内で伝播する、本発明の第４の実施例を示している。
【図１３】測定装置が干渉法測定原理を使用する、本発明の第５の実施例を示している。
【図１４】較正光と測定光が検出器の同一のピクセルへ入射することができる、第６の実施例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
１．測定原理と問題提起
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。
【００４９】
測定において、反射された測定光１２’は、分散性の光学素子２２によって偏向され、その場合に偏向角度は、反射された測定光１２’の波長に依存している。反射された測定光１２’が、色共焦点の測定装置の場合にそうであるように、単色である場合に、その反射された測定光は、図１に黒く強調されたピクセル２６’によって示唆されるように、検出器２４の１つ又はわずかなピクセル２６へ入射する。反射された測定光１２’が、その前に参照アーム（図示せず）内で反射された測定光と干渉するような測定装置においては、検出器２４上に幅広のスペクトルが得られ、それがスペクトル変調されている。その場合に検出器２４は、多数の最大強度を検出し、その場合に測定対象１８と測定ヘッド１６の間の各間隔に、変調周波数が対応づけられている。フーリエ変換によって、検出器１６から発生された信号から所望の間隔値が計算され、これは従来技術においてそれ自体知られている。
【００５０】
以下においては単純化するために、測定装置１０が色共焦点の測定の原理に従って作動するものとする。しかしすべての考え方は、必要な変更を加えて、干渉法的に作動する測定装置についても当てはまる。
【００５１】
図２は、検出器２４の複数のピクセル２６を示し、さらに、反射された測定光１２’から分散性の光学素子２２によって発生される、強度分布を示している。スペクトル強度分布が複数のピクセル２６にわたって広がっていることが認識される。各ピクセル２６が電気信号を発生し、その信号は、好ましくは線形に、あるいは複雑な特性曲線に従って、発生する光の強度に依存している。ピクセル２６の出力信号を比較することによって、どのピクセル２６上で最高の強度が達成されるか、が容易に定められる。図２ａにおいて、このピクセルは黒でマーキングされ、かつ符号２６’で示されている。このピクセルに、所定の波長を対応づけることができる。色共焦点の測定装置においては、各波長に間隔が対応づけられているので、どのピクセルにおいて最大の強度が発生したかの情報から、直接間隔値が導き出される。ピクセルｐと波長λの間の対応づけは、たとえば、以下に示すような対応テーブルの形状を有することができる：
【表１】
2020535433.tif 000003
【００５２】
各ピクセルｐ1に、所定の波長λ1が対応づけられている。対応テーブルの使用は、特に、ピクセルと波長の間の関係が、単純な式で示されない場合に、効果的である。対応テーブルは、測定装置のメーカーにより較正によって定められ、その較正において同調可能な較正光源によって、拡散光学素子２２からの波長λの光がどのピクセルへ向けられるかが求められる。この較正は、正確に明細を定められた温度において実施される。
【００５３】
スペクトログラフ２０内で、たとえば直接隣接し、かつ熱損失を発生させる電子評価装置２８によって、温度が上昇した場合に、ピクセル２６とスペクトルの間の相対配置は、その中に含まれる最大強度と共に変化する。その原因は、ピクセル２６及び／又は拡散光学素子２２の位置変化とすることができる。図２ａと２ｂの比較が示すように、相対配置のこの種の変化によって、最大の強度はもはやピクセル２６’上ではなく、隣接する、あるいはさらに隔たったピクセル２６”上に生じる。
【００５４】
それに伴って生じる測定の不正確さを回避するために、本発明によれば、ピクセルと波長の間の対応テーブルが修正される。たとえばすべてのピクセルにおいて、シフトがΔｐピクセルである場合に、以下の補正計算が実施される：
【数１】
2020535433.tif 000004
【００５５】
その場合にｐ1,korrが補正されたピクセル番号であり、ｐ1が元のピクセル番号である。その場合に波長については以下の補正された対応規則が生じる：
【数２】
2020535433.tif 000005
【００５６】
その中で、λ1,korrは、ピクセルｐ1における信号のための補正された波長であり、λ（ｐ1）は元の対応テーブルから生じる値である。
【００５７】
しかし、しばしばスペクトログラフ２０内の温度変化は、図２ａと２ｂに示されるように、単純かつすべてのピクセル２６について同一の変位Δｐをもたらさないだけではない。むしろ、検出器２４の様々なピクセルについて変位は、異なる大きさになることがあり得る。
【００５８】
この場合が、図３ａと３ｂに示されている。図３ａにおいては、２つの最大強度が、検出器２４の互いにずっと離れた場所に示唆されている。初期温度において、これらの最大強度はピクセル２６−１’と２６−２’に位置している。しかし温度が上昇した場合には、シフトは異なる大きさとなることがあり、それが図３ｂに示されている。左に示す最大強度は、１ピクセルだけ左へシフトしているが、右に示す最大強度においては、右へ３ピクセルだけシフトしている。波長に依存するこの種のピクセル変位Δｐ＝Δｐ（λ）は、以下においてスケーリングエラーと称される。
【００５９】
色共焦点の測定装置において波長に依存しない変位Δｐ＝ｃｏｓｔが存在する場合には、これが測定された間隔値に直接作用する。というのは、各ピクセルに間隔値が直接対応づけられているからである。透明なボディの表面の間の間隔が測定される場合に、間隔値におけるオフセットは、差形成によって認められなくなる。スケーリングエラー（Δｐ＝Δｐ（λ））が発生する場合にも、２つの表面の間の間隔測定は、それに当てはまる。というのはこの場合において、変位の波長依存性に基づいて、エラーのある間隔値はもはや算出されないからである。
【００６０】
干渉法的測定装置においては、変位が波長に依存しない場合Δｐ＝ｃｏｓｔに、同様に間隔測定においてエラーがもたらされる。色共焦点の測定方法におけるのと同様に、測定対象の２つの表面の間の間隔を測定する場合に、スケーリングエラーが測定の不正確さをもたらす。それについての詳細は、第５の実施例に関連して以下で説明する。
【実施例１】
【００６１】
２．第１の実施例
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。
【００６２】
付加的に、本発明に係る測定装置１０は、較正光源３０を有しており、図示される実施例においてその較正光源は、較正光を発生させるように設計されている。較正光は、２つの互いに分離された狭帯域のスペクトル成分を有し、それらは以下で第１と第２の較正光と称される。
【００６３】
波長λａを有する第１の較正光３２ａは、ピクセル３２ａによって、そして波長λｂを有する第２の較正光３２ｂは、ピクセル３２ｂによって示唆されている。第１と第２の較正光３２ａ、３２ｂ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、光分割装置１４を通り、分散性の光学素子２２を通って検出器２４上へ向けられる。分散性の光学素子２２は、波長に従って較正光を偏向させるので、第１の較正光３２ａの最大強度は第１のピクセル２６ａへ、そして第２の較正光３２ｂの最大強度は第２のピクセル２６ｂへ入射する。その場合に較正光源３０は、第１と第２の較正光３２ａ、３２ｂが時間的に安定し、かつ温度に依存しないスペクトル組成を有するように設計されているものと仮定する。したがって波長λａ、λｂは、通常の駆動の間に発生するすべての温度において、一定である。
【００６４】
スペクトログラフ２０内で、温度変化においてピクセル２６とスペクトルの間の相対配置が変化した場合に、これは較正光３２ａ、３２ｂを用いて直接検出される。その場合に、上で図３ａと３ｂに関して説明したのと同じ考えが利用される。したがって２つの波長λａ、λｂの各々について、較正光がどのピクセルへ当接するかが定められる。元の対応テーブルと比較することによって、２つの波長について温度変化した場合にピクセル変位Δｐがどの位の大きさか、を容易に定めることができる。２つの波長において変位が同じ場合には、波長に依存しない変位（Δｐ＝ｃｏｓｔ）が存在するので、式（１）に従って特に簡単な補正が生じる。
【００６５】
変位が波長に依存する場合に、補正されたピクセル番号ｐkorrは、以下の線形の式によって計算される；
【数３】
2020535433.tif 000006
【００６６】
その場合にΔｐ（λａ）とΔｐ（λｂ）は、２つの波長λａ、λｂについて較正光３２ａ、３２ｂを用いて測定された変位であり、ｐmessは、最高の強度が測定されたピクセルである。その後、補正されたピクセル位置から、色共焦点の間隔測定において、補正された間隔値を容易に計算することができる。
【００６７】
２つの異なる波長を有する較正光の代わりに、唯一の波長のみを有する較正光を使用して、それが２つの異なる場所において検出器２６へ入射するようにすることができる。たとえば分散性の光学素子２２として、回折格子が使用される場合に、これは、較正光の＋１次の回折も、−１次の回折も検出器２６によって検出することができるように、設計することができる。このようにして、同様に、検出器２４上の既知の波長の較正光が当接する２つのずっと離れた箇所が得られる。理想的には、間隔測定において測定光が入射するピクセルは、これらの場所の間にある。このようにして、間隔測定は較正によって妨げられず、かつ同時に較正光が検出器２４上に当接する場所は、互いに最大に離れており、それは、式（３）によって記述される線形の関数の決定に関して効果的である。較正光と測定光のスペクトルが重なる場合には、較正光が測定光と同じピクセルへ入射し、それによって測定を歪曲し得る。これを回避するために、この場合においては較正は、測定光による測定の間の期間内に実施されなければならない。それに対して代替的に、適切な措置によって、スペクトルが重なるにもかかわらず、較正光が測定光と同じピクセルへ入射できないようにすることができる。それについての詳細は、第６の実施例に関連して、下でさらに説明する。
【００６８】
較正光源３０が、唯一の波長を有する較正光のみを発生させる場合には、それによってスケーリングエラーは定められない。したがってスケーリングエラーが発生せず、あるいは無視できるくらい小さい測定装置においては、１つの波長のみを有する較正光を発生させれば、充分である。
【実施例２】
【００６９】
３．第２の実施例
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。
【００７０】
図示される実施例において、較正光源３０は広帯域のＬＥＤ４６を有しており、それが青紫のスペクトル領域内の光を発生する。較正光３２は、集光レンズ４８によってコリメートされて、モノクロメータ５０を通過し、そのモノクロメータが較正光３２のスペクトルから狭い周波数帯域を濾過する。今や単色の較正光３２は、集光レンズ５２によって光学ファイバー５４内へ結合され、その光学ファイバーがファイバーカップラー４０と結合されて、較正光が光学ファイバー４１を介してスペクトログラフ２０へ案内される。
【００７１】
スペクトログラフ２０内で、較正光３２及び測定光１２も集光レンズ５５によってコリメートされて、分散性の光学素子へ向けられ、その光学素子が反射格子５６として形成されている。それにおいて反射されて、回折された光は、他の集光レンズ５７を介して、ピクセル２６を有する検出器２４上へ向けられ、その検出器が評価装置２８と接続されている。
【００７２】
したがってこの実施例において、較正光源３０は唯一の波長を有する較正光のみを発生するので、波長に依存するピクセル変位は検出できない。
【００７３】
図６は、変形例に基づく較正光源３０を示しており、それにおいてコリメートされた光路内でレンズ４８の後方に、２つの分離部材からなるモノクロメータ５０が配置されている。２つの分離部材は光路内に次のように、すなわち較正光３２の半分が分離部材５０ａを通過し、他の半分が分離部材５０ｂを通過するように、配置されている。２つの分離部材５０ａ、５０ｂは、異なるフィルタ作用を有しているので、図６に示す実施例において、異なる波長を有する第１と第２の較正光３２ａ、３２ｂが発生される。
【００７４】
分離部材５０ａ、５０ｂは、たとえばファブリ・ペロー干渉計とすることができる。この種の干渉計の可能な組立て形状は、平面平行かつ部分反射するようにコーティングされた表面を備えたプレートを含んでいる。干渉計を通過することができる光の波長は、プレートの厚みに依存している。したがって様々なプレート厚によって、様々なスペクトル濾過が得られる。
【００７５】
較正光源３０の他の変形例が、図７に示されている。この変形例において、較正光は１つ又は２つの単色の成分からではなく、測定光１２と正確に同じに多色である。それにもかかわらず検出器２４のピクセル２６に波長を対応づけることができるようにするために、図８に示すように、較正光のスペクトル（ｐ）が変調されている。最大強度が互いに対して充分に遠く離れている場合に、それらは充分な精度で検出器２４によって解像して、個々のピクセルに対応づけることができる。
【００７６】
図７が示すように、スペクトル変調を発生させるために、ＬＥＤ４６によって発生された広帯域の較正光が絞り５１、ビームスプリッタキューブ５３及び集光レンズ５９を介して透明なプレート５８へ向けられ、そのプレートの後ろ側６０は較正光３２を完全に反射し、その前側６２は部分的に反射する。後ろ側６０と前側６２において反射された較正光３２の干渉によって、図８に示すスペクトル変調が生じ、その可変の部分は、
【数４】
2020535433.tif 000007
に比例する。式（４）内でｎはプレート５８の屈折率、ｄは厚みである。
【００７７】
プレート５８の厚みｄと屈折率ｎが温度と共に変化しない場合には、最大干渉が発生する波長は、一定に留まる。したがってプレート５８は好ましくはガラスからなり、その熱膨張係数と屈折率変化は、通常発生する温度においては無視できるくらい小さい。その場合に変調周波数及びそれに伴って検出器２６上の最大強度の位置は、特に温度が変化した場合にＬＥＤ４６の放出スペクトルが変化する場合でも、広い温度領域にわたって一定に留まる。
【００７８】
他の可能性は、プレート５８のために非熱伝導性のガラスを使用することにあって、それにおいて熱的に誘導される幾何学的厚みの増大は、少なくとも実質的に屈折率の逆方向の減少によって補償される。このようにして、幾何学的厚みと屈折率の積によって定められ、かつ変調周波数を定めるプレート５８の光学的厚みは、温度が変化した場合でも高い精度で一定に留まる。この種の非熱伝導性のガラスの例は、たとえばＳｃｈｏｔｔ社のＮ−ＰＫ５１とＮ−ＦＫ５１Ａである。
【００７９】
この種の変調されたスペクトルによっても、検出器２６上の２つの場所が照明され、それらの間に測定光によって照明されるピクセルが存在する。もっとも簡単な場合において、そのために、較正光の２つの回折次数が検出器２６によって検出され、それについては第１の実施例に関連して上ですでに説明されている。
【００８０】
図７において破線で、スペクトルフィルタ６４が記入されており、それは限界波長よりも小さい波長のみを通過させる。限界波長は、測定光１２の最小の波長よりも短い。このようにして、測定光のスペクトル内にある較正光が検出器２４へ達し得ないことが、保証される。したがって較正光３２は、本来の間隔測定を損なうことがない。この種のスペクトルフィルタ６４は、較正光源３０のＬＥＤ４６のスペクトルが、測定光源１１のＬＥＤ３４のスペクトルと重畳する場合に、効果的である。スペクトルの重畳がない場合には、スペクトルフィルタ６４は省くことができる。
【００８１】
図９は、較正光源３０の他の変形例を示しており、それは図７に示す変形例から、較正光３２がコリメートされず、合焦された光束としてプレート５８上に当接することによってのみ、異なっている。
【００８２】
図１０に示す、較正光源３０の変形例においては、図７と９に示す変形例とは異なり、プレート５８は透過して通過される。それによって較正光源３０の構造が簡略化される。というのは、ビームスプリッタキューブ５３が必要とされないからである。
【実施例３】
【００８３】
４．第３の実施例
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。
【００８４】
間隔測定の間に規則的な較正を実施するために、充分に時間が提供される場合に、測定光と較正光は同一の光学素子から発生させることができる。図１１は、この種の構造の実施例を示しており、それにおいて較正光源３０は単に、図７に示す実施例の集光レンズとプレート５８からなる。測定光源１１から発生された測定光１２は、ファイバーカップラー４０を介して較正光源３０へ供給され、かつプレート５８へ向けられる。そこで、図７に関して上で説明したように、較正光にスペクトル変調がもたらされる。その場合にスペクトル変調された較正光は、図５に示す実施例におけるように、光学ファイバー４１を介してスペクトログラフ２０内へ達する。較正光源内のＬＥＤ４６を省くことによって、較正光源３０の構造が簡略化される。
【００８５】
スペクトルフィルタを用いて測定光の一部が分岐されて、スペクトログラフへ供給される場合にも、光を発生させる付加的な光学素子を省くことができる。この場合において、較正は間隔測定と同時に実施される。もちろんこの変形例においては、間隔測定のために少ない帯域幅が提供され、それによって間隔測定のための測定領域が縮小される。
【実施例４】
【００８６】
５．第４の実施例
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。
【００８７】
スペクトログラフ２０内の光路は、さらに、測定光１２と較正光３２が反射格子５６における回折の前も後も、同じレンズ５６を通過するように、折りたたまれている。
【００８８】
測定光１２は、この実施例において、その他においては示されない測定光源の射出窓７０から出射して、２つの絞り７２、７４を介し、ビームスプリッタキューブ４０’を介して測定ヘッド１６へ向けられる。
【実施例５】
【００８９】
６．第５の実施例
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。
【００９０】
図１３は、この種の測定装置１０の実施例を示している。これは、図５に示す実施例にほぼ相当するが、測定ヘッド１６内に含まれる対物レンズが色補正されており、かつ付加的に参照アーム８０の終端側のミラー８２がファイバーカップラー８４に接続されていることが、異なっている。参照アーム８０内で、測定光源１１から発生された測定光１２がミラー８６で反射されて、ファイバーカップラー８４内で、測定対象１８の表面１９で反射された測定光１２’と干渉する。この干渉は、スペクトログラフ２０内で検出されて、検出器２４上へ変調されたスペクトルを発生させる。逆高速フーリエ変換（IFFT, inverse Fast Fourier Transformation）によって、スペクトルから、それぞれ間隔値に対応づけられた、変調周波数を得ることができる。これ以上の詳細については、本出願人の独国特許出願公開第１０２０１６００５０２１（Ａ１）号明細書を参照するよう指示する。
【００９１】
逆ＦＦＴを実施することができるようにするために、まず、個々のピクセルｐiから測定された強度値Ｐint(pi)から、位相に依存する強度ｐint(Ki)を導き出さなければならない。その場合に波数ｋは、式
【数５】
2020535433.tif 000008
によって波長λと結合され、その場合にｎ（λ）は、媒体の拡散を表し、測定対象１８がその媒体からなり、かつ場合によってはその中へ測定光が進入する。波長λは、ここでもセクション１で説明した対応テーブルｐ1＝ｐ1（λ1）を介してピクセル番号ｐに対応づけられている。ピクセル番号ｐを補正するために、ここでも式１又は３に基づいて補正されたピクセル番号ｐkorrが使用される。その結果が、波数ｋとピクセル番号ｐの間の修正された対応づけであり、それが、ピクセルに依存する強度ｐint(pi)を位相に依存する強度ｐint(ki)に換算するために必要である。
【実施例６】
【００９２】
７．第６の実施例
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。
【００９３】
第１の実施例に関連してすでに簡単に記載したが、適切なビームガイドによって、較正光と測定光のスペクトルの重畳にもかかわらず、測定光による測定の間に較正を実施することができる。このようにして、たとえば個々の測定のために、較正光を用いて同時に定められる対応テーブルを利用することができる。
【００９４】
図１４は、スペクトロメータ２０の一部を図式的に示している。分散性の光学素子が見られ、その素子はここでは特に表示しやすい理由から、透過格子８４として形成されている。透過格子８４は、図５、１１及び１２に示される反射格子５６においてもそうであるように、コリメートされた光路内に配置されている。他の実施例におけるのと同様に、集光レンズ５７が回折された光を検出器２４上へ合焦させる。
【００９５】
上述した実施例とは異なり、検出器２４は１つだけでなく、２つのピクセル行８６、８８を有している。図示される実施例において、ｚ方向に対して平行の光学軸９０がそれを通って延びる、第１のピクセル行８６に沿って、第１のピクセル２６−１が配置されており、それらの上には測定光１２'のみが入射することができる。ｘ方向に沿って変位しているが、第１のピクセル行８６に対して平行に延びる、第２のピクセル行８８に沿って、第２のピクセル２６−２が配置されており、その上には較正光３２のみが入射することができる。
【００９６】
測定光１２’は、この実施例においても軸平行に分散性の光学素子（透過格子８４）へ入射する。透過格子８４の回折する構造が、ｘ方向に沿って延びているので、測定光１２’は波長に従ってｙｚ平面内で偏向されて、集光レンズ５７によって第１のピクセル行８６の第１のピクセル２６−１上へ向けられ、これは、上述した実施例においても同様である。
【００９７】
それに対してコリメートされ、かつ図１４に破線で示唆される較正光３２は、この実施例においては透過格子８４上へ軸平行ではなく、ｘｚ平面に関してゼロとは異なる角度で入射する。それによって集光レンズ５７は、ｙｚ平面内で回折された較正光３２を、第１のピクセル行８６のピクセル２６−１上ではなく、それに対してｘ方向に変位して配置された第２のピクセル行８８の第２のピクセル２６−２上へ合焦させる。したがって、図１４において想定されるように、入射方向が異なることによって、較正光３２と測定光１２’は、波長及びそれに伴って回折角度が同一である場合でも、同じピクセル上に合焦することはできない。したがってこの実施例において、較正と測定は、較正光３２と測定光１２’が等しいスペクトルを有する場合でも、同時に実施することができる。したがってこの考え方は、図１１に示す実施例と特に良好に組み合わせることができ、それにおいて較正光３２と測定光１２’は、同じＬＥＤから発生され、したがって同一のスペクトルを有している。
【００９８】
２つのピクセル行８６、８８は同じ検出器２４内に、かつ図示される実施例において特に直接隣接して配置されているので、２つのピクセル行８６、８８内のピクセルは、常に同一のｙ位置を有している。それによって、較正光３２を供給される第２のピクセル１６−２の位置から、その下方に配置されている第１のピクセル２６−１の位置を直接推定することができる。したがって評価するために、較正光３２が第１のピクセル２６−１に入射するか、あるいはその上方に配置されている第２のピクセル２６−２へ入射するかは、区別されない。
【００９９】
較正光３２と測定光１２’を異なる方向から分散性の光学素子へ向けることができるようにするために、図５と１１に示されるような、ファイバーベースの配置において、較正光３２を専用のファイバーを介して案内することができる。その場合に集光レンズ５５の焦点面内に、ファイバーの２つの端部が並べて配置される。図１４に示す実施例において、ファイバー端部の変位は、ｘ方向に沿って設けられる。
【０１００】
図１２に例示されるような、フリービーム伝播を有する配置においては、較正光源３０の絞り５１を用紙平面に対して垂直に移動させればよい。
【０１０１】
もちろんビームチルトは、他のやり方でも、たとえばくさびプリズムの使用によって、もたらされる。
【０１０２】
検出器上の較正光と測定光の所望の空間的分離は、分散性の光学素子上への較正光と測定光の異なる入射方向によって保証されるだけではない。それに対して代替的に、たとえば、較正光と測定光を異なるように分極し、たとえば直交して線形に分極し、あるいは逆に循環して分極することが、考えられる。その場合には、ピクセル２６−１、２６−２の直前又はその上に配置された、適切な分極フィルタを用いて、較正光を、同じ波長を有する反射された測定光が入射することのできないピクセル上のみへ、そしてその逆に、入射させる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０   測定装置
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
【図１】
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【図２ａ】
2020535433.tif 000010
【図２ｂ】
2020535433.tif 000011
【図３ａ】
2020535433.tif 000012
【図３ｂ】
2020535433.tif 000013
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020535433.tif 000020
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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