JP2011226785A - Surface shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定体面からの反射光と参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から被測定体の表面形状を特定する表面形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a surface shape measuring device that causes reflected light from a surface of a measured object to interfere with reference light and identifies the surface shape of the measured object from a change in the intensity of interference light obtained.
被測定体の3次元形状を光の波長以下の高精度で測定する方法に、干渉計がある。しかし、奥行き方向の測定範囲が波長の数倍程度と狭く、また、床面振動等の外乱振動に大きく影響を受ける等、操作性に難点があった。
この短所を補う方法として白色干渉法(OCT;Optical Coherence Tomography)が開発され広く使われている。現在使われている主なOCTにはタイムドメインOCT(Time Domain OCT)とフーリエドメインOCT(Fourier Domain OCT,あるいはスペクトラルドメインOCT(Spectral Domain OCT))がある。光の干渉を用いるOCTの測定精度は光の波長以下と、他の一般的な形状測定手法に比べて1桁以上高い。
There is an interferometer as a method for measuring the three-dimensional shape of a measurement object with high accuracy below the wavelength of light. However, the measurement range in the depth direction is as narrow as several times the wavelength, and it is difficult to operate because it is greatly affected by disturbance vibrations such as floor vibrations.
As a method for compensating for this disadvantage, white interference method (OCT) has been developed and widely used. The main OCT currently used includes a time domain OCT (Time Domain OCT) and a Fourier domain OCT (Fourier Domain OCT, or Spectral Domain OCT). The measurement accuracy of OCT using light interference is one digit or more higher than the wavelength of light and other general shape measurement methods.
タイムドメインOCTを例にその原理を簡単に説明する。図9(a)において光源101を出た広帯域な光はビームスプリッタ103で分割されて一方は被測定体105に、他方は参照ミラー107に向かう。それぞれに反射した光はビームスプリッタ103で結合されお互いに干渉しあう。干渉強度は検出器109で測定される。
光源101から出力される光は広帯域である。したがって、ビームスプリッタ103から参照ミラー107で反射された光(以下、参照光という)が検出器109に入るまでの参照光路長E1と、ビームスプリッタ103から被測定体105で反射された光(以下、物体光という)が検出器109に入るまでの物体光路長E2が等しいときに最も強く干渉する。一方、参照光路長E1と物体光路長E2の差が大きくなると急激に干渉縞のコントラストは低下する。
The principle will be briefly described by taking time domain OCT as an example. In FIG. 9A, the broadband light emitted from the
The light output from the
参照ミラー107を白抜き矢印で示す光軸方向に移動させることで参照光路長E1を調整できる。参照ミラー107を移動させながら検出器109で得られる干渉縞の例(干渉信号)を図12(b)に示すが、参照光路長E1と物体光路長E2が等しくなったとき(E1=E2)に干渉信号はピークを示す。したがって、干渉信号がピークを示すときの参照ミラー107の位置を読み取ることによって、ビームスプリッタ103から被測定体105上の物体光の照射点までの距離が求められる。この深さ方向の距離を得るための走査はA−scanと称されている。
被測定体105の表面上を物体光の照射点を走査して、それぞれの照射位置における干渉縞のコントラスト(干渉信号)がピークを示す参照ミラー107の位置を順次読み取っていくことで、被測定体105の表面形状を特定できる。この走査はB−scanと称されている。
しかし、物体光の照射点を移動させるたびに、参照ミラー107を移動させて干渉縞のコントラストのピークを求めるプロセス、つまりA−scanとB−scanの両者を行うためには多大な時間と計算が必要である。さらに、参照ミラー107を正確に移動させる機構と、その位置を精度良く測定する機構は高価で大型となる。
The reference optical path length E1 can be adjusted by moving the
Scanning the surface of the object to be measured 105 with the irradiation point of the object light, and sequentially reading the position of the
However, each time the object light irradiation point is moved, the
これに対してフーリエドメインOCTは、B−scanに対応する走査のみで3次元形状の測定を可能にする。ただし、フーリエドメインOCTであっても、ラインCCD等からなる検出器109上で参照光と物体光とが干渉する範囲(以下、本願発明においてこの範囲を可干渉距離と称する)内の範囲の奥行きを持つ被測定体ならば、参照ミラーを移動させることなく3次元形状を測定できるにすぎない。一般に、この可干渉距離は数mmであり、これを超える奥行きを有する表面形状を測定するためには、参照ミラーを移動させなければならないので、タイムドメインOCTと同様の課題が残る。
ここで、光干渉を用いる距離あるいは長さの測定では、参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させたときの干渉縞の強度変化の回数を数えて測定するため、測定器と被測定体の間の光路が瞬時でも遮られると、再度、起点から測定をやり直さなければならないので、操作性に多大な問題があった。このような背景に基づき、フーリエドメインOCTおいて高精度で操作性の良い測定器が強く望まれていた。参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させる機構も高価で操作性を著しく阻害するものであった。
On the other hand, the Fourier domain OCT enables measurement of a three-dimensional shape only by scanning corresponding to B-scan. However, even in the Fourier domain OCT, the depth of the range within the range in which the reference beam and the object beam interfere on the
Here, in the measurement of distance or length using optical interference, the number of changes in the intensity of interference fringes when the reference mirror is accurately moved from the starting point along the optical axis is measured. If the optical path between the measuring bodies is interrupted even instantaneously, the measurement must be performed again from the starting point, which causes a great problem in operability. Based on such a background, there has been a strong demand for a measuring device with high accuracy and good operability in the Fourier domain OCT. The mechanism for accurately moving the reference mirror from the starting point along the optical axis is also expensive and significantly impedes operability.
特許文献1には、被測定体に対し1ライン状に光を集光、照射することにより、CCDカメラのワンショットで深さ方向の情報に加え、被測定体の横(又は縦)方向の位置の情報も1度で得ることができるフーリエドメイン干渉形状測定装置が提案されている。
また、特許文献2には、参照ミラーが複数の参照面を有し、複数の参照面は、隣接する参照面の各々で生成される参照光間に光源から出力される光の波長に基づく微小測定間隔に対応した光路長差が生じるように配置される表面形状測定装置が提案されている。
In Patent Document 1, by collecting and irradiating light to the object to be measured in one line, in addition to the information in the depth direction by one shot of the CCD camera, in the lateral (or longitudinal) direction of the object to be measured. There has been proposed a Fourier domain interference shape measuring apparatus capable of obtaining position information at a time.
Further, in Patent Document 2, the reference mirror has a plurality of reference surfaces, and the plurality of reference surfaces are minute based on the wavelength of light output from the light source between the reference light generated on each of the adjacent reference surfaces. There has been proposed a surface shape measuring device arranged so that an optical path length difference corresponding to a measurement interval is generated.
特許文献1によると、機械的走査なしで、CCDカメラワンショットで被測定体の1つの測定が可能となり、従来のOCTにおいて2次元画像を得る際に必要であった一方の走査が不要となるから、フーリエドメインOCTの高速測定化に寄与する。また、特許文献2においても、被測定体面の表面形状を高精度で迅速に測定可能な装置が提供される。しかしながら、特許文献1、特許文献2は、あくまで可干渉距離以下の範囲における測定を前提としており、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体を高速で測定するための解決策を示していない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる装置を提供することを目的とする。
According to Patent Document 1, it is possible to measure one object to be measured with a single shot of a CCD camera without mechanical scanning, and one of the scans necessary for obtaining a two-dimensional image in conventional OCT is not necessary. Therefore, it contributes to high-speed measurement of Fourier domain OCT. Also in Patent Document 2, an apparatus capable of measuring the surface shape of the surface of the object to be measured with high accuracy and speed is provided. However, Patent Document 1 and Patent Document 2 are premised on measurement within the range of the coherence distance or less, and do not show a solution for measuring a measured object having a depth exceeding the coherence distance at high speed.
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide an apparatus capable of quickly measuring the surface shape of a measurement object having a depth exceeding a coherent distance.
フーリエドメインOCTは基本的に参照ミラーを移動させる機構がいらないので操作性の面でも優れた方法である。しかし、参照ミラーを固定したままで奥行き方向の測定が可能な範囲は可干渉距離ΔZ以下(数mm)と狭い。したがって、適用範囲が制限される。そこで、被測定体の奥行きが深いときに、可干渉距離ΔZ毎に奥行き方向の領域を分け、それぞれの領域毎に最適な参照光の光路長を与えてやれば、奥行きの深い物体も測定できるようになる。参照光の光路長を変える方法として参照ミラーを移動させる方法が一般的に行われる。しかし、この方法では、移動させるのに時間がかかり、奥行きの深い物体を測定するには時間がかかり、実用的ではない。しかも、参照ミラーを正確に移動させる機構は大型で価格も高い。
そこでなされた本発明の表面形状測定装置は、光源と、光分割部と、参照光生成部と、干渉光生成部と、検出部とを備えている。
光源は、検査光を出力するものである。
光分割部は、光源から出力される検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第1分割光と、参照光生成部に照射される第2分割光とに分割するものである。
干渉光生成部は、被測定体の表面で第1分割光が反射して得られる物体光と、参照光生成部で第2分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成するものである。
検出部は、干渉光生成部によって生成された干渉光の強度を検出するものである。
本発明の特徴部分である参照光生成部は、各々の光路の末端に光反射面を有し、光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第1生成部ないし第N生成部(N=2以上の整数)からなる複数の参照光生成部を備えている。そして、第1生成部から第N生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されている。
Since the Fourier domain OCT basically does not require a mechanism for moving the reference mirror, it is an excellent method in terms of operability. However, the range in which the measurement in the depth direction can be performed with the reference mirror fixed is as narrow as the coherence distance ΔZ or less (several mm). Therefore, the application range is limited. Therefore, when the depth of the object to be measured is deep, if an area in the depth direction is divided for each coherent distance ΔZ and an optimum optical path length of reference light is given to each area, an object having a deep depth can be measured. It becomes like this. As a method of changing the optical path length of the reference light, a method of moving the reference mirror is generally performed. However, this method takes time to move and takes time to measure a deep object, and is not practical. Moreover, the mechanism for accurately moving the reference mirror is large and expensive.
The surface shape measuring device of the present invention made there is provided with a light source, a light splitting unit, a reference light generating unit, an interference light generating unit, and a detecting unit.
The light source outputs inspection light.
The light splitting unit splits the inspection light output from the light source into first split light that is applied to the measurement position on the surface of the object to be measured and second split light that is applied to the reference light generation unit. is there.
The interference light generation unit interferes by interfering the object light obtained by reflecting the first divided light on the surface of the measurement object and the reference light obtained by reflecting the second divided light on the reference light generation unit. It generates light.
The detection unit detects the intensity of the interference light generated by the interference light generation unit.
The reference light generation unit, which is a characteristic part of the present invention, has a light reflection surface at the end of each optical path, and is arranged with a difference in optical path length with respect to the light splitting unit. A plurality of reference light generation units each including an N generation unit (an integer greater than or equal to N = 2) are provided. And the sum total of the difference of the optical path length from a 1st production | generation part to the Nth production | generation part is set to 2 times or more of coherence distance (DELTA) Z.
本発明の装置は、第1生成部から第N生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されているので、第1生成部から第N生成部に順に第2分割光を照射して反射される参照光を得ることで、第1生成部から第N生成部を移動させることなく、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる。なお、Nは2以上の整数から選択されるが、可干渉距離が数mmであることを踏まえて、被測定体の奥行きの程度に応じてNは適宜設定されるべきである。
また、本発明の装置は、フーリエドメインOCTに適用できるのはもちろんであるが、タイムドメインOCT、スペクトルスキャニングOCTについても適用できる。
In the apparatus of the present invention, the sum of the optical path length differences from the first generation unit to the Nth generation unit is set to at least twice the coherence distance ΔZ, so the first generation unit to the Nth generation unit By sequentially irradiating the second divided light and obtaining the reflected reference light, the surface shape of the measurement object having a depth exceeding the coherent distance can be quickly obtained without moving the Nth generation unit from the first generation unit. Can be measured. Note that N is selected from an integer of 2 or more, but N should be appropriately set according to the degree of the depth of the measured object in view of the coherence distance being several mm.
In addition, the apparatus of the present invention can be applied to Fourier domain OCT, but can also be applied to time domain OCT and spectrum scanning OCT.
第1生成部から第N生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されていれば本発明は機能するので、各光路長の差は任意である。しかし、各光路長の差を可干渉距離ΔZに一致させることが好ましい。そうすることで、第1生成部から第N生成部の数を最小限に抑えながら、可干渉距離ΔZを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。例えば、各光路長の差を1/2ΔZとした場合に比べて、第1生成部から第N生成部の数を1/2にすることができる。
この場合、第1生成部から第N生成部に向けて、光路長の差が前記ΔZずつ増えるように第1生成部ないし第N生成部を順に配置することが好ましい。
Since the present invention functions if the sum of the optical path length differences from the first generation unit to the Nth generation unit is set to be twice or more the coherence distance ΔZ, the difference between the optical path lengths is arbitrary. However, it is preferable to make the difference between the optical path lengths coincide with the coherence distance ΔZ. By doing so, the surface shape of the measurement object having a depth exceeding the coherence distance ΔZ can be measured without omission while minimizing the number of first to Nth generation units. For example, the number of first to Nth generation units can be halved compared to a case where the difference between the optical path lengths is ½ΔZ.
In this case, it is preferable to arrange the first generation unit to the N-th generation unit in order from the first generation unit toward the N-th generation unit so that the optical path length difference increases by ΔZ.
本発明の特徴部分である参照光生成部は、少なくとも第1〜第3の3つの形態を包含する。第1の形態は、異なる光路上に配置されるN枚の参照ミラーにより、第1生成部ないし第N生成部を構成する。第2の形態は、異なる光路上に配置されるN本の光ファイバにより、第1生成部ないし第N生成部を構成する。さらに、第3の形態は、同じ光路上に光軸方向に間隔をおいて配置されるN枚の部分透過ミラーにより、第1生成部ないし第N生成部を構成する。 The reference light generation unit that is a characteristic part of the present invention includes at least first to third modes. In the first embodiment, the first generation unit to the Nth generation unit are configured by N reference mirrors arranged on different optical paths. In the second embodiment, a first generation unit to an Nth generation unit are configured by N optical fibers arranged on different optical paths. Further, in the third mode, the first generation unit to the Nth generation unit are configured by N partial transmission mirrors arranged on the same optical path at intervals in the optical axis direction.
第1の形態は、参照光生成部が、第1生成部ないし第N生成部の各々の光反射面に対応して配置される、第1参照ミラーないし第N参照ミラーを備えるとともに、第2分割光を反射させて、第1参照ミラーないし第N参照ミラーに向けて照射する第1走査ミラーを備える。
この第1の形態は、第1参照ミラーないし第N参照ミラーから順に参照光が反射されるように第1走査ミラーを走査することで、可干渉距離ΔZを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。
In the first mode, the reference light generation unit includes a first reference mirror to an Nth reference mirror arranged corresponding to each light reflection surface of the first generation unit to the Nth generation unit, and second A first scanning mirror is provided that reflects the split light and irradiates the first reference mirror to the Nth reference mirror.
In the first embodiment, the surface of the measured object having a depth exceeding the coherence distance ΔZ is obtained by scanning the first scanning mirror so that the reference light is sequentially reflected from the first reference mirror to the Nth reference mirror. The shape can be measured without omission.
第1の形態において、第1走査ミラーを、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置し、第1参照ミラーないし第N参照ミラーを、走査軸を中心とする円弧上に、第1参照ミラーから第N参照ミラーの順にΔZの光路長差を設けて配置する。そして、第1走査ミラーを、第1参照ミラーないし第N参照ミラーの順に、第2分割光を照射するように駆動する。第1走査ミラーの駆動が、直線運動させるよりもはるかに容易な回転運動でなされるので、奥行きを持つ被測定体の表面形状の迅速化に寄与する。 In the first embodiment, the first scanning mirror is disposed so as to be rotatable about a scanning axis in a direction parallel to the light reflecting surface, and the first reference mirror to the Nth reference mirror are arcs centered on the scanning axis. The optical path length difference of ΔZ is provided in the order from the first reference mirror to the Nth reference mirror. Then, the first scanning mirror is driven so as to emit the second divided light in the order of the first reference mirror to the Nth reference mirror. Since the first scanning mirror is driven by a rotational movement that is much easier than a linear movement, it contributes to speeding up the surface shape of the object to be measured having a depth.
第2の形態は、参照光生成部が、第1光生成部ないし第N生成部の各々の光反射面に向けて第2分割光を導く、第1光ファイバないし第N光ファイバを備えるとともに、第2分割光を反射させて、第1光ファイバないし第N光ファイバに向けて照射させる第2走査ミラーを備える。
この第2の形態は、第1光ファイバないし第N光ファイバから順に参照光が出力されるように、第2走査ミラーを走査することで、可干渉距離ΔZを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。
In the second mode, the reference light generation unit includes the first optical fiber to the Nth optical fiber that guides the second divided light toward the light reflecting surfaces of the first light generation unit to the Nth generation unit. And a second scanning mirror that reflects the second divided light and irradiates the first divided optical fiber or the Nth optical fiber.
In the second embodiment, the second measuring mirror scans the second scanning mirror so that the reference light is output in order from the first optical fiber to the Nth optical fiber, so that the measurement object having a depth exceeding the coherent distance ΔZ is obtained. The surface shape can be measured without omission.
第2の形態において、第2走査ミラーを、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置する。そして、第2走査ミラーを、第1光ファイバないし第N光ファイバの順に、第2分割光を照射するように駆動する。第2走査ミラーの駆動が、直線運動させるよりもはるかに容易な回転運動でなされるので、奥行きを持つ被測定体の表面形状の迅速化に寄与する。また、線径の細い光ファイバを用いる第2の形態は、複数のミラーを用いる第1の形態に比べて、装置の小型化を実現できる。
前述した第1走査ミラー、第2走査ミラーは、回転多面ミラー(いわゆる、ポリゴンミラー)であることが、第1参照ミラーないし第N参照ミラーへの第2分割光の照射の切替え又は第1光ファイバないし第N光ファイバへの第2分割光の照射の切替えにとって好ましい。
In the second embodiment, the second scanning mirror is disposed so as to be rotatable around a scanning axis in a direction parallel to the light reflecting surface. Then, the second scanning mirror is driven so as to irradiate the second divided light in the order of the first optical fiber to the Nth optical fiber. Since the second scanning mirror is driven by a rotational movement that is much easier than a linear movement, it contributes to speeding up the surface shape of the measurement object having a depth. Further, the second embodiment using the optical fiber having a thin wire diameter can realize a reduction in the size of the apparatus as compared with the first embodiment using a plurality of mirrors.
The first scanning mirror and the second scanning mirror described above are rotary polyhedral mirrors (so-called polygon mirrors), and switching of irradiation of the second divided light to the first reference mirror or the Nth reference mirror or the first light is performed. It is preferable for switching the irradiation of the second split light to the fiber or the Nth optical fiber.
第3の形態は、参照光生成部を、第1生成部ないし第N生成部(N=2以上の整数)に対応して、光路長差に相当する間隔を隔てて同軸状に順に配置される、第1参照部分透過ミラーないし第N参照部分透過ミラーを備える。
第3の形態は、被測定体に後述する制約があるものの、第1の形態、第2の形態に必要な第1走査ミラー、第2走査ミラーを設けることなく、光分割部から出力される第2分割光を第1参照部分透過ミラーないし第N参照部分透過ミラーに直接照射できる。つまり、第3の形態は、光学系を駆動する必要がないため、奥行きを持つ被測定体の表面形状の測定をより迅速にできる利点がある。
In the third embodiment, the reference light generation units are sequentially arranged coaxially with an interval corresponding to the optical path length difference corresponding to the first generation unit to the Nth generation unit (N = 2 or greater integer). A first reference partial transmission mirror to an Nth reference partial transmission mirror.
In the third mode, the measured object is output from the light splitting unit without providing the first scanning mirror and the second scanning mirror necessary for the first mode and the second mode, although there are restrictions to be described later. The second divided light can be directly applied to the first reference partial transmission mirror or the Nth reference partial transmission mirror. In other words, since the third embodiment does not need to drive the optical system, there is an advantage that the surface shape of the object to be measured having a depth can be measured more quickly.
本発明によれば、第1生成部から第N生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されているので、第1生成部から第N生成部に順に第2分割光を照射して反射される参照光を得ることで、第1生成部から第N生成部を移動させることなく、可干渉距離ΔZを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる。 According to the present invention, since the sum of the optical path length differences from the first generation unit to the Nth generation unit is set to at least twice the coherence distance ΔZ, the first generation unit to the Nth generation unit The surface shape of the measurement object having a depth exceeding the coherence distance ΔZ is obtained without moving the Nth generation unit from the first generation unit by sequentially irradiating the second divided light and obtaining the reflected reference light. It can be measured quickly.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
〔第1実施形態〕
<全体構成概要>
図1に基づいて、第1実施形態にかかる表面形状測定装置10の構成を説明する。
表面形状測定装置10は、光源11から出力された検査光L0を、物体光LSを生成するための第1分割光L1と参照光LRを生成するための第2分割光L2とに分割する。表面形状測定装置10は、また、参照ミラー部25を経由した参照光LRと被測定体MBを経由した物体光LSとを重畳して検出光LCを生成し、この検出光LCの検出結果を解析して被測定体MBの表面形状を測定するように構成されている。表面形状測定装置10は、フーリエドメインOCTに基づいて被測定体MBの表面の形状を測定する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[First Embodiment]
<Overview of overall configuration>
Based on FIG. 1, the structure of the surface
The surface
<光源11>
表面形状測定装置10は、光源11を備えている。光源11は低コヒーレンスな検査光L0を出力する。光源11としては、スーパールミネセントダイオード(SLD)や発光ダイオード(LED)等の広帯域光源を用いる。
<
The surface
<光ファイバとそれに繋がる各構成要素>
表面形状測定装置10は、光源11から出力される検査光L0をその一端側で受光する、たとえばシングルモードファイバからなる光ファイバ12aを備えている。光ファイバ12aの他端側はフォトカプラ(coupler)13に接続されている。フォトカプラ13は、光を分割する手段(スプリッタ;splitter)、及び、光を重畳する手段(カプラ)の双方の機能を有しているが、ここでは慣用的に「フォトカプラ」と称している。光源11から出力される検査光L0は、光ファイバ12aを通ってフォトカプラ13に導かれ、ここで第1分割光L1と第2分割光L2とに分割される。
<Optical fiber and each component connected to it>
The surface
フォトカプラ13には光ファイバ12b、光ファイバ12c及び光ファイバ12dが各々その1端側で接続されている。光ファイバ12bの他端側には参照光生成部20が設けられている。また、光ファイバ12cの他端側には物体光生成部30が設けられている。さらに、光ファイバ12dの他端側には測定部40が設けられている。
An
<参照光生成部20>
フォトカプラ13で分割された第2分割光L2は、光ファイバ12bを通ってその他端面から参照光生成部20に向けて出射される。参照光生成部20は、コリメータレンズ21、走査ミラー23及び参照ミラー部25を備えており、光ファイバ12aから出射される第2分割光L2は、コリメータレンズ21により平行光束とされた後、走査ミラー23を経由し、参照ミラー部25によって反射され、参照光LRとなる。
<Reference
The second split light L2 split by the
走査ミラー23は、走査軸24を中心軸として所定の揺動角の範囲で図中の矢印26で示すように揺動される。コリメータレンズ21から受けた第2分割光L2は、揺動位置に応じた向きとなって走査ミラー23で反射され参照ミラー部25に向けて導光される。なお、従来の参照ミラー107を直線往復運動させるよりも、走査ミラー23を揺動させる機構は軽量でかつ低コストである。
The
参照ミラー部25は、複数の参照ミラー251、252、253、254、…25Nを備えている。参照ミラー251、252、253、254、…25Nは、走査軸24を中心とする径の異なる円弧上に配置されている。参照ミラー251、252、253…25Nは同じ仕様のミラーを用いているが、配置されている位置が相違する。具体的には、フォトカプラ13から走査ミラー23を介する各参照ミラー251、252、253、254、…25Nまでの光路長D1、D2、D3、D4、DNとすると、以下を満足する。ここで、ΔZは物体光LSと参照光LRとの間に干渉が生ずる光路長差の範囲であり、参照ミラー251、252、253、254、…25Nは、この順にΔZの光路長差を設けて配置されている。走査軸24を中心に走査ミラー23を揺動させることで、走査ミラー23による反射光を参照ミラー251、252、253、254、…25Nに順に照射することができる。
D2=D1+ΔZ
D3=D1+2×ΔZ=D2+ΔZ
D4=D1+3×ΔZ=D3+ΔZ
DN=D1+N×ΔZ
The
D2 = D1 + ΔZ
D3 = D1 + 2 × ΔZ = D2 + ΔZ
D4 = D1 + 3 × ΔZ = D3 + ΔZ
DN = D1 + N × ΔZ
各参照ミラー251、252、253、254、…25Nにより反射されて生成された参照光LRは、再び走査ミラー23を経由し、コリメータレンズ21によって光ファイバ12bの他端面に集光される。集光された参照光LRは、光ファイバ12bを通じてフォトカプラ13に導かれる。
なお、参照光LRと物体光LSの光路長(光学距離)を合わせるための遅延手段として、また参照光LRと物体光LSの分散特性を合わせるための手段として、ガラスブロック、濃度フィルタ等の他の光学系を配置してもよい。
The reference light LR generated by being reflected by the respective reference mirrors 251, 252, 253, 254,... 25N passes through the
In addition, as a delay means for adjusting the optical path length (optical distance) of the reference light LR and the object light LS, and as a means for adjusting the dispersion characteristics of the reference light LR and the object light LS, a glass block, a density filter, etc. These optical systems may be arranged.
<物体光生成部30>
フォトカプラ13で分割された第1分割光L1は、光ファイバ12cを通ってその他端面より物体光生成部30に向けて出射される。物体光生成部30は、コリメータレンズ31、走査ミラー33及び対物レンズ35を備えており、光ファイバ12cから出射される第1分割光L1は、コリメータレンズ31により平行光束とされた後、走査ミラー33、対物レンズ35を経由し、被測定体MBに照射される走査ミラー33は二次元方向に揺動が可能とされている。第1分割光L1は被測定体MBの表面に結像L、反射されて、物体光LSとなる。被測定体MBで反射された物体光LSは、対物レンズ35、走査ミラー33を順に経由し、コリメータレンズ31によって光ファイバ12cの他端面に集光される。集光された物体光LSは、光ファイバ12cを通じてフォトカプラ13に導かれる。
<Object
The first split light L1 split by the
<検出光LC生成>
フォトカプラ13は、光ファイバ12aを通ってきた参照光LRと光ファイバ12cを通ってきた物体光LSとを重畳して検出光LCを生成する。生成された検出光LCは、光ファイバ12dを通じて測定部40に導光される。
<Detection light LC generation>
The
<測定部40>
測定部40は、コリメータレンズ41、回折格子43、結像レンズ45及びラインCCD(Line Charge Coupled Device)47を備えている。本実施形態の回折格子43は、透過型回折格子であるが、もちろん反射型回折格子を用いることも可能である。また、ラインCCD47に代えて、その他の光検出素子(検出部)を適用することももちろん可能である。
<
The measuring
測定部40に入射した検出光LCは、コリメータレンズ41により平行光束とされた後、回折格子43によって分光(スペクトル分解)される。分光された検出光LCは、結像レンズ45によってラインCCD47の撮像面上に結像される。ラインCCD47は、この検出光LCを受光して電気的な検出信号に変換し、この検出信号を制御部50に出力する。ラインCCD47は回析格子43で分解される光の各波長に対応する画素を備えている。
The detection light LC incident on the
<制御部50>
制御部50は、ラインCCD47から入力される検出信号を解析して、被測定体MBの表面形状を特定する処理を行う。このときの解析手法は、従来のフーリエドメインOCTの手法と同じである。
また、制御部50は、表面形状測定装置10の各部の制御を実行する。この制御としては、光源11からの検査光L0の出力、参照光生成部20にかかる走査ミラー23の駆動、物体光生成部30にかかる走査ミラー33及び被測定体MBを載せるステージの駆動を含んでいる。より詳しい制御内容は後述される。
制御部50は、公知のコンピュータと同様のハードウェア構成を備えている。具体的には、CPU等のマイクロプロセッサと、RAM、ROM、ハードディスクドライブ等の記憶手段と、キーボード、マウス等からなる入力手段と、ディスプレイ等の表示手段と、通信インターフェイスと、を少なくとも含んでいる。そして、制御プログラムをハードディスクドライブに格納しておき、これをRAM上に展開するとともにCPUがこれを解釈することで、制御部50が行う制御を実現する。
<
The
Further, the
The
<測定手順>
次に、表面形状測定装置10にかかる測定手順を説明する。
光源11から出力された検査光L0はフォトカプラ13によって第1分割光L1、第2分割光L2の2つの光線に分けられる。第1分割光L1は物体光LSに、第2分割光L2は参照光LRとなる。物体光LSは被測定体MBで反射され、参照光LRは参照ミラー251、252、253、254、…25Nで反射され、各々もとの光路に戻る。そして再びフォトカプラ13に入り、これら2つの光は重畳される。重畳された光の1部は検出光LCとなりラインCCD47へ向かう。物体光LSと参照光LRの光路長が等しいときのみ2つの光、つまり物体光LSと参照光LRは干渉する。物体光LSと参照光LRとの間に干渉が生ずる光路長差の範囲、つまり可干渉距離ΔZは、光源11の種類によって異なるが、一般的にOCTに用いられる光源では長くとも数mmである。
<Measurement procedure>
Next, the measurement procedure concerning the surface
The inspection light L0 output from the
フーリエドメインOCTにおいて、フォトカプラ13から出射された後、検出光LCはコリメータレンズ41に導かれ平行拘束とされた後に、回折格子43に入射される。光源11から出力される低コヒーレンス光は、異なる周波数を有するコヒーレンス光の集合体と考えることができる。したがって、検出光LCは周波数成分ごとに回折角が異なるので、回折格子43に入射すると波長分解されてからラインCCD47に照射される。
ラインCCD47が備える画素は、光路長差によって生じた物体光LSと参照光LRの位相が一致する波長の光にのみ特に強く干渉する。ラインCCD47の各画素は回析格子43で分解された各波長に対応しているので、位相が一致する波長に対応する画素上で干渉による光強度が強くなる。上記光路長差が長くなるほど位相が一致する波長の出現頻度は高くなるので、ラインCCD47上で光強度が強くなる画素の間隔は狭くなる。つまり、ラインCCD47からの出力信号の周波数は高くなる。出力信号の周波数分析を行うと光路長差が算出できるので、参照ミラーを固定し、物体光LSを走査ミラー33によって被測定体MB上で走査すると被測定体MBの表面形状が測定できる。上記出力信号の周波数分析はフーリエ変換で求められる。フーリエドメインOCTではこのように被測定体MBの測定点の位置が瞬時に求められる。
In the Fourier domain OCT, after being emitted from the
The pixels included in the
表面形状測定装置10は、参照ミラー251、252、253、254、…25Nを備えており、走査ミラー23の揺動角を調整することにより、参照ミラー251、252、253、254、…25Nに第2分割光L2を順に照射させる。参照ミラー251、252、253、254、…25Nの各々に照射される第2分割光L2を、L21、L22、L23、L24、…L2Nとすると、これらが照射された各参照ミラー251、252、253、254、…25Nの各々から、参照光LR1、参照光LR2、参照光LR3、参照光LR4、参照光LRNが反射される。この参照光LR1、参照光LR2、参照光LR3、参照光LR4、参照光LRNの各々と物体光LSとが順に重畳されて生成される検出光LC1、検出光LC2、検出光LC3、検出光LC4、検出光LCNについて上述した表面形状の測定が行われる。以上の第2分割光L2、参照光LR及び検出光LCを対応させて以下に示す。同じ参照ミラーで検出光が生成されるまでの一連の行程を「ステップ」と称することにすれば、表面形状測定装置10は、被測定体MB上の同じ測定位置において、第1ステップ〜第Nステップからなる表面形状の測定が行われる。
第1ステップ : 第2分割光L21 → 参照光LR1 → 検出光LC1
第2ステップ : 第2分割光L22 → 参照光LR2 → 検出光LC2
第3ステップ : 第2分割光L23 → 参照光LR3 → 検出光LC3
第4ステップ : 第2分割光L24 → 参照光LR4 → 検出光LC4
第Nステップ : 第2分割光L2N → 参照光LRN → 検出光LCN
The surface
First step: second split light L21 → reference light LR1 → detection light LC1
Second step: second split light L22 → reference light LR2 → detection light LC2
Third step: second split light L23 → reference light LR3 → detection light LC3
Fourth step: second split light L24 → reference light LR4 → detection light LC4
Nth step: second split light L2N → reference light LRN → detection light LCN
ここで、以上のN個の参照ミラー251、252、253、254、…25Nは、参照ミラー251から順に光路長をΔZずつ長くなるように配置されている。フォトカプラ13から参照ミラー251までの参照光についての光路長をD1とすると、参照ミラー25Nまでの光路長はD1+N×ΔZである。つまり、フォトカプラ13から被測定体BMまでの物体光LSの光路長が、D1〜D1+N×ΔZの範囲に入っていれば形状が測定できる。
例えば、物体光LSの光路長がD1+ΔZであるとすれば、上述した第2ステップにおいて、被測定体MBの表面上の位置を特定できる。この場合、第3ステップ以降のステップを省略できるし、第Nステップまでのステップを全て実行してもよい。また、物体光LSの光路長がD1+3×ΔZであるとすれば、上述した第4ステップにおいて、被測定体MBの表面上の位置を特定できる。この場合、第5ステップ以降のステップを省略できるし、第Nステップまでのステップを全て実行してもよい。なお、被測定体BMの奥行きが深い場合には、それに合わせて参照ミラーの数Nを増やせばよい。
Here, the N reference mirrors 251, 252, 253, 254,... 25 N are arranged so that the optical path length is increased by ΔZ in order from the
For example, if the optical path length of the object light LS is D1 + ΔZ, the position on the surface of the measurement object MB can be specified in the second step described above. In this case, the steps after the third step can be omitted, and all the steps up to the Nth step may be executed. If the optical path length of the object light LS is D1 + 3 × ΔZ, the position on the surface of the measurement object MB can be specified in the fourth step described above. In this case, the steps after the fifth step can be omitted, and all the steps up to the Nth step may be executed. Note that when the measured object BM is deep, the number N of reference mirrors may be increased accordingly.
表面形状測定装置10で用いる参照光生成部20を構成する走査ミラー23としては、参照光の直径よりわずかに大きい程度の直径(数mm程度)を有していればよいので、小さく軽いものを使うことができる。しかも、走査ミラー23は揺動されるものであるから、走査ミラー23の走査に要する時間は、前述のタイムドメインOCTで述べた直線往復運動する参照ミラー107を操作するのに要する時間より1桁から2桁短くて足りる。フーリエドメインOCTでの測定時間は、ラインCCD47からのデータ取り込み時間と演算時間に依存するが、走査ミラー23の走査時間を短縮できるので、1点あたり(第1ステップ〜第Nステップ)の測定時間をms以下にすることが可能である。したがって、表面形状測定装置10によると、非常に短時間に高精度な形状測定が可能となる。
As the
以上説明した、表面形状測定装置10は、参照ミラー251、252、253、254、…25Nは、参照ミラー251から順に光路長がΔZずつ長くなるように配置されているが、この順序は必須ではない。光路長が、D1、D2=D1+ΔZ、D3=D1+2×ΔZ、D4=D1+3×ΔZ、DN=D1+N×ΔZとなる参照ミラー251、252、253、254、…25Nが順不同に配置されていても、フォトカプラ13から被測定体BMまでの物体光LSの光路長がD1〜D1+N×ΔZの範囲で表面形状の測定が行える。
また、以上説明した表面形状測定装置10は、参照ミラー251、252、253、254、…25Nの光路長の差(参照ミラーの間隔)をΔZとしているが、これも本発明において必須でない。参照ミラーの間隔がΔZ以下であれば本発明の効果を享受できることは明らかである。ただし、参照ミラーの間隔をΔZより小さくしすぎると、参照ミラーの数を多くしなければならないことをも考慮して、参照ミラーの間隔を定めるのがよい。
さらに、参照ミラーの間隔は同じであることが好ましいが、本発明は個々の間隔が相違することを許容する。もちろん、この間隔はΔZ以下であることを前提としている。
さらにまた、回析格子43を用いる代わりに、光源の波長を時間とともに変化させて同等な信号を得るスペクトルスキャニングOCTについても、本発明を適用できる。
In the surface
In the surface
Further, although the reference mirror spacing is preferably the same, the present invention allows individual spacing to be different. Of course, it is assumed that this interval is equal to or less than ΔZ.
Furthermore, instead of using the
〔第2実施形態〕
次に、図2に基づいて、第2実施形態に係る表面形状測定装置110を説明する。
表面形状測定装置110は、参照光生成部120を除けば、第1実施形態に係る表面形状測定装置10と同じ構成を有し、また、被測定体MBの表面形状の測定手順も同様である。したがって、参照光生成部120について以下で説明する一方、第1実施形態と同じ構成については、図1と同じ符号を図2に付けて、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, the surface
The surface
表面形状測定装置110の参照光生成部120は、コリメータレンズ21、走査ミラー23及び参照光ファイバ部27を備えており、光ファイバ12aから出射される第2分割光L2は、コリメータレンズ21により平行光束とされた後、走査ミラー23を経由し、参照光ファイバ部27によって反射され、参照光LRが生成される。
The reference
参照光ファイバ部27は、複数の光ファイバ271、272、273、…27Nを備えている。光ファイバ271、272、273、…27Nは、1端側が走査ミラー23から反射される第2分割光L2が入射されるように配置され、他端側には入射された第2分割光L2を反射する参照ミラー281、282、283、…28Nが設けられている。なお、図2では理解を容易にするために、参照ミラー281、282、283、…28Nの寸法を大きく示しているが、光ファイバ271、272、273、…27Nの線径以上の径を有していれば、他端側において第2分割光L2を反射できる。一端側から入射された第2分割光L2は、参照ミラー281、282、283、…28Nで各々反射されて、参照光LRとなる。光ファイバ271、272、273、…27Nの一端側は、走査軸24を中心とする共通の円弧上に配置されている。また、参照ミラー281、282、283、…28Nは、同じ仕様のミラーを用いている。
The reference optical fiber unit 27 includes a plurality of
フォトカプラ13から走査ミラー23を介する各参照ミラー281、282、283、…28Nまでの光路長D1、D2、D3、…DNは、この順にΔZの光路長差が設けられている。D1、D2、D3、…DNとΔZの関係を以下に示すが、第1実施形態と同様である。光路長の差は、光ファイバ271、272、273、…27Nの長さをこの順にΔDずつ変えることにより設けられている。ΔZとΔDの関係はΔZ=nΔDである。ここでnは光ファイバの屈折率である。
D2=D1+ΔZ
D3=D1+2×ΔZ=D2+ΔZ
DN=D1+N×ΔZ
The optical path lengths D1, D2, D3,... DN from the
D2 = D1 + ΔZ
D3 = D1 + 2 × ΔZ = D2 + ΔZ
DN = D1 + N × ΔZ
以上の通りであるから、フォトカプラ13から被測定体BMまでの物体光LSの光路長が、D1〜D1+N×ΔZの範囲に入っていれば形状が測定できることになる。つまり、物体光LSの光路長がD1〜D1+Zとなる範囲が、表面形状測定装置110の奥行き方向の測定範囲となる。
As described above, the shape can be measured if the optical path length of the object light LS from the
被測定物MBの表面形状を測定する差異には、走査軸24を中心に走査ミラー23を揺動させることで、走査ミラー23による反射光を光ファイバ271、272、273、…27Nの順に照射する。光ファイバ271、272、273、…27Nにより反射されて生成された参照光LRは、再び走査ミラー23を経由し、コリメータレンズ21によって光ファイバ12bの他端面に集光される。集光された参照光LRは、光ファイバ12bを通じてフォトカプラ13に導かれる。
The difference in measuring the surface shape of the object MB to be measured is that the
表面形状測定装置110によると、第1実施形態による表面形状測定装置10で得られる効果に加えて以下の効果を奏する。
光ファイバ271、272、273、…27Nの本数を増やすことで、任意の範囲で奥行き方向の測定を行うことができる。光ファイバ271、272、273、…27Nは、線径が数μmのものを用いることができるし、軽量であるとともに、曲げて使用できる。また、参照ミラー281、282、283、…28Nは、光ファイバ271、272、273、…27Nと径が同じで足りる。また、走査ミラー23を参照光LRの直径を超える大きさがあれば足りるので、微小なミラーを用いることができる。したがって、第2実施形態によると、小型かつ軽量の表面形状測定装置110が得られる。
According to the surface
By increasing the number of
また、光ファイバ271、272、273、…27Nの第2分割光L2が入射される一端側を束ねておけば、走査ミラー23を走査する範囲(揺動角)を微小にできる。したがって、msオーダーの非常に短時間に、光ファイバ271、272、273、…27Nに第2分割光L2を順に照射できるので、表面形状測定装置110は表面形状測定装置10よりも測定時間を短くできる。なお、光ファイバ271、272、273、…27Nは、直線状に並べて束にすることができるし、格子状に並べて束にすることができる。ただし、格子状に並べる場合には、走査ミラー23を2次元的に駆動させる必要がある。
さらに、光ファイバ271、272、273、…27Nの他端側にそれぞれ参照ミラー281、282、283、…28Nを取り付けたが、光ファイバの他端面に反射膜をコーティングしてもよい。また、光ファイバの屈折率が十分に高いと、他端面が反射面となりで一部の光は反射するので、参照ミラー、反射膜を設けなくてもよい。
Further, if the one end side where the second split light L2 of the
Further, the reference mirrors 281, 282, 283,... 28N are attached to the other ends of the
〔第3実施形態〕
次に、図3に基づいて、第3実施形態に係る表面形状測定装置210を説明する。
表面形状測定装置210も、参照光生成部220を除けば、第1実施形態に係る表面形状測定装置10と同じ構成を有し、また、被測定体MBの表面形状の測定手順も同様である。したがって、参照光生成部220について以下で説明する一方、第1実施形態と同じ構成については、図1と同じ符号を図3に付けて、その説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a surface
The surface
表面形状測定装置210の参照光生成部220は、コリメータレンズ21及び部分透過ミラー部29を備えており、光ファイバ12aから出射される第2分割光L2は、コリメータレンズ21により平行光束とされた後、部分透過ミラー部29によって反射され、参照光LRが生成される。
The reference
部分透過ミラー部29は、複数の部分透過ミラー部291、292、293、294、…29Nを備えている。各部分透過ミラー部291、292、293、294、…29Nは、ΔZの間隔を空けて、同軸上に配置されている。
フォトカプラ13からコリメータレンズ21を介する各部分透過ミラー部291、292、293、294、…29Nまでの光路長D1、D2、D3、D4、…DNは、この順にΔZの光路長差が設けられている。つまり、D1、D2、D3、D4、…DNとΔZの関係は、以下に示すように、第1実施形態と同様である。したがって、表面形状測定装置210の物体光LSの光路長がD1〜D1+Zとなる範囲が、表面形状測定装置210の奥行き方向の測定範囲となる。
D2=D1+ΔZ
D3=D1+2×ΔZ=D2+ΔZ
D4=D1+3×ΔZ=D3+ΔZ
DN=D1+N×ΔZ
The partial
The optical path lengths D1, D2, D3, D4,... DN from the
D2 = D1 + ΔZ
D3 = D1 + 2 × ΔZ = D2 + ΔZ
D4 = D1 + 3 × ΔZ = D3 + ΔZ
DN = D1 + N × ΔZ
参照光生成部220において、第2分割光L2は部分透過ミラー291、292、293、294、…29Nによってそれぞれその一部が反射されて、参照光LRが生成される。例えば、部分透過ミラー291、292、293、294、…29Nの、反射率をα、透過率をβ(α+β=1)とすると、各部分透過ミラー291、292、293、294、…29Nにかかる反射光(参照光LR)及び透過光は以下のように示される。ただし、部分透過ミラー291を除く各部分透過ミラー292、293、294、…29Nによる参照光LRは、前段に位置する部分透過ミラーを再び透過したものとされる。
部分透過ミラー291: 参照光LR1;α 透過光;β
部分透過ミラー292: 参照光LR2;α+(β×α×β) 透過光;β2
部分透過ミラー293: 参照光LR3;α+(β×α×β)2 透過光;β3
部分透過ミラー294: 参照光LR4;α+(β×α×β)3 透過光;β4
In the reference
Partially transmitting mirror 291: Reference light LR1; α transmitted light; β
Partially transmitting mirror 292: Reference light LR2; α + (β × α × β) Transmitted light; β 2
Partial transmission mirror 293: Reference light LR3; α + (β × α × β) 2 transmitted light; β 3
Partial transmission mirror 294: Reference light LR4; α + (β × α × β) 3 transmitted light; β 4
以上のようにして生成される、参照光LR1、LR2、LR3、LR4、…LRNのいずれかが物体光LSとの光路長差が可干渉距離ΔZ以下であれば、被測定体MBの表面形状が測定できる。ただし、どの部分透過ミラー291、292、293、294、…29Nにより生成された参照光LRなのかを区別することはできないので、そのままでは奥行きの深い被測定体MBの表面形状を測定できない。したがって、表面形状測定装置210は以下に示す処理を行う。
If any of the reference lights LR1, LR2, LR3, LR4,... LRN generated as described above has an optical path length difference from the object light LS equal to or less than the coherence distance ΔZ, the surface shape of the measurement object MB Can be measured. However, since the reference light LR generated by which partial transmission mirrors 291, 292, 293, 294,... Accordingly, the surface
被測定体MBには、通常、設計値が存在する。したがって、この設計値を参照することで、走査ミラー33によって第1分割光L1が照射されている被測定体MB上の点からの物体光LSの光路長を概ね推定する。この物体光LSの光路長の推定値から、コントラストの高い干渉縞がどの参照部分透過ミラーから戻ってきた参照光によって形成されているかを推定できる。
The measured value MB usually has a design value. Therefore, by referring to this design value, the optical path length of the object light LS from the point on the measurement object MB irradiated with the first divided light L1 by the
表面形状測定装置210は、稼働部がないので、表面形状測定装置10、110よりも測定時間を短くできるとともに、装置のコストも低下できる。
Since the surface
ところで、被測定体MBの表面が粗面のとき、光の干渉によりスペックルパターンノイズ(Speckle Pattern Noise)が発生する。スペックルパターンは粒状のパターンであり、多数個の粒のパターンがファイバカプラーのファイバの中に導かれると、干渉強度は平均化され著しくコントラストは低下する。したがって、干渉強度のコントラストが検出できるようにするために、スペックルパターンの粒の大きさは、ファイバカプラーのファイバ径程度より大きくすることが望ましい。これには、ファイバの径をスペックルパターンの粒径と同等以下にする方法と、コリメータレンズ31の開口数を小さくしてゆきスペックルパターン粒径をファイバの径より大きくする方法がある。この様にすると表面が粗面の被測定体の場合も形状が測定できる。
フーリエドメインOCTの基本型を用いる表面形状測定装置210においても、ラインCCD47面上に現れるスペックルパターンの粒径はセンサ各画素のサイズより大きくなるように調整される。
By the way, when the surface of the measurement object MB is rough, speckle pattern noise is generated by light interference. The speckle pattern is a granular pattern, and when multiple grain patterns are introduced into the fiber coupler fiber, the interference intensity is averaged and the contrast is significantly reduced. Therefore, in order to be able to detect the contrast of the interference intensity, it is desirable that the size of the speckle pattern grains is larger than the fiber diameter of the fiber coupler. This includes a method of making the diameter of the fiber equal to or smaller than the particle size of the speckle pattern, and a method of decreasing the numerical aperture of the
Also in the surface
〔第4実施形態〕
次に、図4に基づいて、第4実施形態に係る表面形状測定装置310を説明する。
第1実施形態〜第3実施形態は、フーリエドメインOCTに本発明を適用した例であるが、本発明は以下に示すようにタイムドメインOCTに適用することもできる。
第4実施形態に係る表面形状測定装置310は、図1に示した構成に対して、参照光路長変化機構60を付加したところ、参照ミラー107の代わりに参照光生成部320を設けたところに特徴がある。また、表面形状測定装置310は、被測定体105を移動させる2軸直交型の移動テーブル108を備えている。
[Fourth Embodiment]
Next, a surface
The first to third embodiments are examples in which the present invention is applied to the Fourier domain OCT, but the present invention can also be applied to the time domain OCT as described below.
In the surface
参照光路長変化機構60は、プリズム61と、ビームスプリッタ103から出射される第2分割光L2をプリズム61に向けて反射させるミラー62と、プリズム61をX軸方向にΔXの範囲で移動させるアクチュエータ(図示省略)を備えている。プリズム61がミラー62に最も近い位置を始点といい、プリズム61がミラー62に最も遠い位置を終点というものとすると、プリズム61は始点から終点までΔXだけ移動する。なお、ミラー62は固定されている。
ビームスプリッタ103からの第2分割光L2はミラー62により向きを90度だけ変えられてプリズム61の第1面60aに照射される。第2分割光L2は、第2分割光L2と直交する第1面60aを透過した後に、第2面60b、第3面60cで順に向きを90度だけ変えられた後に、第1面60aから走査ミラー223に向けて出射される。
以上のように構成されている参照光路長変化機構60は、プリズム61をΔXだけ移動させることで、第2分割光L2(参照光LR)の光路長を2ΔXだけ変化させることができる。
The reference optical path
The second split light L2 from the
The reference optical path
参照光生成部320は、走査ミラー223及び参照ミラー部225を備えており、構成する部材(コリメータレンズ21を除く)は、第1実施形態にかかる参照光生成部20と共通する。ただし、参照ミラー部225を構成する複数の参照ミラー2251、2252、2253、2254、…225Nは、走査ミラー223からの各々の距離をX1、X2、X3、X4、…XNとすると、以下を満足するように配置されている。つまり、隣り合う参照ミラー2251、2252、2253、2254、…225Nの走査ミラー223から距離の差を2ΔXにしてある。
X2=X1+2ΔX
X3=X1+4ΔX
X4=X1+6ΔX
XN=X1+2(N−1)ΔX
The reference
X2 = X1 + 2ΔX
X3 = X1 + 4ΔX
X4 = X1 + 6ΔX
XN = X1 + 2 (N-1) ΔX
以上のように構成される表面形状測定装置310は、参照光路長変化機構60のプリズム61を反復移動させながら走査ミラー223を駆動させることで参照ミラー2251、2252、2253、2254、…225Nに順に第2分割光L2を照射させる。より具体的には以下の通りである。
走査ミラー223を参照ミラー2251に対向させた状態で、プリズム61を始点から終点にむけてΔXだけ移動させる。この間に参照ミラー2251で反射され生成される参照光LR21は、光路長が2ΔXだけ変化する。この行程を第1ステップとする。ここで、走査ミラー223を参照ミラー2251に対向させる、とは、走査ミラー223から反射された第2分割光L2が参照ミラー2251に照射される揺動角にあることをいう。以下も同様である。
プリズム61を始点に復帰させるとともに、走査ミラー223を参照ミラー2252に対向させる。そうしたならば、プリズム61を始点から終点にむけてΔXだけ移動させる。この間に参照ミラー2252で反射され生成される参照光LR21は、光路長が2ΔXだけ変化する。この行程を第2ステップとする。
以後も、プリズム61を始点に復帰させるとともに、走査ミラー223を参照ミラー2253に対向させたならば、プリズム61を始点から終点にむけてΔXだけ移動させる、という手順を参照ミラー225Nまで繰りかえす。走査ミラー223が参照ミラー2253に対向してなされる行程を第3ステップ、走査ミラー223が参照ミラー2254に対向してなされる行程を第4ステップ、走査ミラー223が参照ミラー225Nに対向してなされる行程を第Nステップというものとする。
The surface
With the
The
Thereafter, when the
ビームスプリッタ103からプリズム61(始点に位置)を介する走査ミラー223までの光路長をD21とする。
第1ステップでは、ビームスプリッタ103から参照ミラー2251までの光路長が、D21+X1からD21+X1+2ΔXまで変化する。
次に、第2ステップでは、ビームスプリッタ103から参照ミラー2251までの光路長が、D21+X2(=X1+ΔX)からD21+X1+2ΔXまで変化する。第3ステップ〜第Nステップも含めて、各ステップにおける光路長の範囲を下記する。
第1ステップ : D21+X1 〜 D21+X1+2ΔX
第2ステップ : D21+X1+2ΔX 〜 D21+X1+4ΔX
第3ステップ : D21+X1+4ΔX 〜 D21+X1+6ΔX
第4ステップ : D21+X1+6ΔX 〜 D21+X1+8ΔX
第Nステップ : D21+X1+2(N−1)ΔX 〜 D21+X1+2NΔX
The optical path length from the
In the first step, the optical path length from the
Next, in the second step, the optical path length from the
First step: D21 + X1 to D21 + X1 + 2ΔX
Second step: D21 + X1 + 2ΔX to D21 + X1 + 4ΔX
Third step: D21 + X1 + 4ΔX to D21 + X1 + 6ΔX
Fourth step: D21 + X1 + 6ΔX to D21 + X1 + 8ΔX
Nth step: D21 + X1 + 2 (N−1) ΔX to D21 + X1 + 2NΔX
以上の通りであり、走査ミラー223を対向させる参照ミラーを参照ミラー2251から参照ミラー225Nまで順に切替えることで、参照光LRの光路長をD21+X1ないしD21+X1+2NΔXの広範な範囲に亘って切れ目なく変化させることができる。つまり、ビームスプリッタ103から被測定体BMまでの物体光LSの光路長がD21+X1ないしD21+X1+2NΔXの範囲に入っていれば、表面形状測定装置310は表面形状を測定できる。第Nステップが完了すると、移動テーブル108を駆動することによって、次の測定点へ第1分割光L1を移動させる。
As described above, the
表面形状測定装置310は、第1実施形態と同様に、走査ミラー223の走査に要する時間は、前述のタイムドメインOCTで述べた直線往復運動する参照ミラー107を操作するのに要する時間より1桁から2桁短い。したがって、表面形状測定装置310によると、従来のタイムドメインOCTに比べて非常に短時間に高精度な形状測定が可能となる。
しかも、参照光路長変化機構60のプリズム61を用いることで、プリズム61の移動距離に対して参照光LRの光路長の変化を2倍になり、同じ光路長の変化に対してプリズム61の移動距離を短くできる。したがって、表面形状測定装置310は、さらに測定時間を短くできる。さらに、プリズム61の移動距離を短くできるので、ピエゾ素子等の超精密アクチュエータで高精度移動を実現できる。
なお、参照光生成部320の代わりに、第2実施形態の参照光生成部120を、また、第3実施形態の参照光生成部220を用いることができる。
In the surface
In addition, by using the
Instead of the reference
〔第1変形例〕
第1実施形態〜第3実施形態では、被測定体MB上に物体光LSを走査する方法として、走査ミラー33を用いた。この方法では第1分割光L1(物体光LS)の照射点の移動を短時間に行える利点があるが、物体光LSを所望する位置に正確に照射するには非常に精度の高い、つまりコストの高い回転機構を必要とする。これに対して、第4実施形態で用いた2軸直交型の移動テーブル108は、低コストでありながら高精度な位置決めができる。したがって、測定時間を多少は犠牲にしてもよい場合には、2軸直交型の移動テーブル108で被測定体MBを移動させて第1分割光L1の照射位置を移動させることが好ましい。
[First Modification]
In the first to third embodiments, the
〔第2変形例〕
第1実施形態では、N個の参照ミラーを所定の位置に正確に置かなければならないが、その位置の校正が必要となる場合がある。この場合には、校正機構を用いることができる。この校正機構としては、図5に示す様に被測定体MBの代わりに校正ミラー移動機構70を用いることができる。校正ミラー移動機構70は、ベース71と、ベース71上を第1分割光L1(物体光LS)の光軸方向に位置を特定しながら精度よく移動できる校正用ミラー72を備えている。
校正用ミラー72を正確に移動させる。この移動の過程において、校正用ミラー72の位置、つまり物体光LSの光路長は既知である。したがって、校正用ミラー72の位置と測定結果を比較することによって、参照ミラー251、252、253、254、…25Nの位置の誤差を特定できる。この誤差を補正値とし、実際の被測定体MBの測定値にこの補正値を加算することによって、参照ミラー251、252、253、254、…25Nの位置の誤差にかかわらず正確な形状測定を行うことができる。
[Second Modification]
In the first embodiment, N reference mirrors must be accurately placed at predetermined positions, but the positions may need to be calibrated. In this case, a calibration mechanism can be used. As the calibration mechanism, a calibration
The
〔第3変形例〕
第2実施形態では、参照光生成部120に揺動される走査ミラー23を用いたが、図6に示すように、ポリゴンミラー80を用いることができる。ポリゴンミラー80を用いると、光ファイバ271、272、273、…27Nに対する第2分割光L2の照射を速く切り替えることができる。
[Third Modification]
In the second embodiment, the
〔第4変形例〕
第1実施形態〜第3実施形態では走査ミラー33を動作させて第1分割光L1を被測定体MBに照射しているが、図7に示すように、回転エンコーダが設けられた回転テーブル83に被測定体MBを載せて、回転テーブル83を回転させながら第1分割光L1を被測定体MBに照射するようにすれば、第1分割光L1の走査は上下方向だけで足りる。また、上述した2軸直交型の移動テーブルにおいて、水平軸方向の移動をこの回転テーブル83に受け持たせれば、装置のコストが下がるとともに、移動の精度も向上する。被測定体MBが軸対称の回転体又はそれに近似する形状の場合、回転テーブル83を用いるのが有効である。
[Fourth Modification]
In the first to third embodiments, the
〔第5変形例〕
第1分割光L1が被測定面に照射されるまでの光路を戻る物体光LSが弱くなると、高い精度で測定を行うことができなくなる。したがって、被測定体MBに照射される面(被測定面)に対して第1分割光L1は垂直に入射されることが要求される。したがって、被測定体MBが、例えばバックミラーのように光沢があり、かつ第1分割光L1が照射される面が湾曲した面を有する場合には、第1分割光L1が被測定面に垂直に入射されるように制御することが望まれる。
[Fifth Modification]
If the object light LS returning on the optical path until the first split light L1 is irradiated onto the surface to be measured becomes weak, measurement with high accuracy cannot be performed. Therefore, the first split light L1 is required to be incident perpendicularly to the surface (measurement surface) irradiated on the measurement object MB. Therefore, when the measured object MB has a glossy surface such as a rearview mirror and the surface irradiated with the first divided light L1 has a curved surface, the first divided light L1 is perpendicular to the measured surface. It is desirable to control so that it is incident on.
そこで、図8に示すように、被測定体MBの姿勢を制御して第1分割光L1が被測定面に垂直に入射されるように制御する姿勢制御機構90を設けることが好ましい。
姿勢制御機構90は、物体光LSの位置を測定する位置センサ91と、物体光LSを位置センサ91上に集光させる対物レンズ93と、位置センサ91による測定結果に基づいて被測定体MBの姿勢を制御する姿勢制御装置95を備える。姿勢制御機構90における走査ミラー33は、物体光LSの一部を透過させる部分透過ミラーを採用する。
姿勢制御機構90は、被測定体MBをX軸方向(水平方向)、Z軸方向(鉛直方向)に移動させることができるとともに、回転補正及び煽り補正が行える機械要素を備えている。また、姿勢制御機構90はエンコーダを備える。位置センサ91からの出力を姿勢制御装置95にフィードバックし、被測定面に第1分割光L1が垂直に入射するように被測定体MBの姿勢を制御する。このとき、被測定体MBの姿勢、位置はエンコーダで把握し、その値を3次元測定値に補正する。このようにすると、被測定面が湾曲しかつ光沢があっても、被測定面の形状を高い精度で測定できる。
なお、被測定体MBの設計値に基づいて、第1分割光L1が垂直に入射するように被測定体MBの姿勢を予め制御しておくと、位置センサ91に確実に物体光LSを照射させることができる。
Therefore, as shown in FIG. 8, it is preferable to provide a
The
The
Note that if the posture of the measurement object MB is controlled in advance so that the first divided light L1 is incident vertically based on the design value of the measurement object MB, the
〔第6変形例〕
以上説明した実施形態では、測定部40にラインCCD47を用いたが、特許文献1にて提案されているように、2次元CCDとシリンドリカルレンズの組み合わせを本発明に適用することができる。そうすると、特許文献1で述べられているように、ワンショットで深さ方向の情報に加え、被測定体の横(又は縦)方向の位置の情報も一度で得ることができる。この場合、被測定体MBの移動機構は、2軸直交型の移動テーブルとする必要がなく、1軸移動型のテーブルで足りるので、装置のコストを低減できるとともに、測定時間の短縮にも寄与する。
[Sixth Modification]
In the embodiment described above, the
以上説明し以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。 In addition to the above description, the configurations described in the above embodiments can be selected or changed to other configurations as appropriate without departing from the gist of the present invention.
10、110…表面形状測定装置
11…光源、12a、12b、12c、12d…光ファイバ、13…フォトカプラ
20,120,220…参照光生成部
21…コリメータレンズ、23…走査ミラー、24…走査軸
25…参照ミラー部、251、252、253、254、25N…参照ミラー
27…参照光ファイバ部、271、272、273、27N…光ファイバ
29…部分透過ミラー部、291、292、293、294、29N…部分透過ミラー
30…物体光生成部
31…コリメータレンズ、33…走査ミラー、35…対物レンズ
40…測定部
41…コリメータレンズ、43…回折格子、45…結像レンズ、47…ラインCCD
50…制御部、60…参照光路長変化機構、70…校正ミラー移動機構
80…ポリゴンミラー、83…回転テーブル
90…姿勢制御機構、91…位置センサ、93…対物レンズ、95…姿勢制御装置
MB…被測定体
L0…検査光、LS…物体光、LR…参照光、LC…検出光
L1…第1分割光、L2…第2分割光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110 ... Surface
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記光源から出力される前記検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第1分割光と、参照光生成部に照射される第2分割光と、に分割する光分割部と、
前記被測定体の表面で前記第1分割光が反射して得られる物体光と、前記参照光生成部で前記第2分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成する干渉光生成部と、
前記干渉光生成部によって生成された前記干渉光の強度を検出する検出部と、を備え、
前記参照光生成部は、
各々の光路の末端に光反射面を有し、前記光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第1生成部ないし第N生成部(N=2以上の整数)からなる複数の参照光生成部を備え、
前記第1生成部から前記第N生成部にかけての前記光路長の差の総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されている、
ことを特徴とする表面形状測定装置。 A light source that outputs inspection light;
A light splitting unit that splits the inspection light output from the light source into a first split light that is irradiated to a measurement position on the surface of the measurement object and a second split light that is irradiated to a reference light generation unit; ,
Interfering the object light obtained by reflecting the first divided light on the surface of the object to be measured and the reference light obtained by reflecting the second divided light on the reference light generation unit to produce interference light An interference light generating unit to generate,
A detection unit that detects the intensity of the interference light generated by the interference light generation unit,
The reference light generator is
From the 1st generation part thru / or the Nth generation part (an integer greater than or equal to 2) which has a light reflective surface at the end of each optical path, and is arranged with a difference in optical path length with respect to the light splitting part A plurality of reference light generators,
The sum of the optical path length differences from the first generation unit to the Nth generation unit is set to at least twice the coherence distance ΔZ;
The surface shape measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
前記第1生成部から前記第N生成部に向けて、前記光路長の差が前記ΔZずつ増えるように前記第1生成部ないし前記第N生成部が順に配置される、
請求項1に記載の表面形状測定装置。 The difference in optical path length is the coherence distance ΔZ,
From the first generation unit to the Nth generation unit, the first generation unit to the Nth generation unit are sequentially arranged so that the optical path length difference is increased by ΔZ.
The surface shape measuring apparatus according to claim 1.
前記第1生成部ないし前記第N生成部の各々の前記光反射面に対応して配置される、第1参照ミラーないし第N参照ミラーと、
前記第2分割光を反射させて、前記第1参照ミラーないし前記第N参照ミラーに向けて照射する第1走査ミラーと、
を備える請求項1又は2に記載の表面形状測定装置。 The reference light generator is
A first reference mirror to an Nth reference mirror disposed corresponding to the light reflecting surface of each of the first generation unit to the Nth generation unit;
A first scanning mirror that reflects the second split light and irradiates the first reference mirror to the Nth reference mirror;
The surface shape measuring device according to claim 1 or 2.
前記第1参照ミラーないし前記第N参照ミラーは、前記走査軸を中心とする円弧上に、前記第1参照ミラーから前記第N参照ミラーの順に光路長差ΔDを設けて配置され、
前記走査ミラーは、前記第1参照ミラーないし前記第N参照ミラーの順に、前記第2分割光を照射するように駆動される、
請求項3に記載の表面形状測定装置。 The first scanning mirror is disposed so as to be rotatable around a scanning axis in a direction parallel to the light reflecting surface,
The first reference mirror to the N-th reference mirror are arranged on an arc centered on the scanning axis with an optical path length difference ΔD in order from the first reference mirror to the N-th reference mirror,
The scanning mirror is driven to irradiate the second divided light in the order of the first reference mirror to the Nth reference mirror.
The surface shape measuring apparatus according to claim 3.
前記第1生成部ないし前記第N生成部の各々の前記光反射面に向けて前記第2分割光を導く、第1光ファイバないし第N光ファイバと、
前記第2分割光を反射させて、前記第1光ファイバないし前記第N光ファイバに向けて照射させる第2走査ミラーと、
を備える請求項1又は2に記載の表面形状測定装置。 The reference light generator is
A first optical fiber to an Nth optical fiber that guides the second split light toward the light reflecting surface of each of the first generation unit to the Nth generation unit;
A second scanning mirror that reflects the second split light and irradiates the first optical fiber to the Nth optical fiber;
The surface shape measuring device according to claim 1 or 2.
前記第1光ファイバないし前記第N光ファイバの順に、前記第2分割光を照射するように駆動される、
請求項5に記載の表面形状測定装置。 The second scanning mirror is disposed so as to be rotatable about a scanning axis in a direction parallel to the light reflecting surface,
Driven to irradiate the second split light in the order of the first optical fiber to the Nth optical fiber,
The surface shape measuring apparatus according to claim 5.
前記第1生成部ないし前記第N生成部(N=2以上の整数)に対応して、前記光路長差ΔDに相当する間隔を隔てて同軸状に順に配置される、第1参照部分透過ミラーないし第N参照部分透過ミラーを備える、
請求項1又は2に記載の表面形状測定装置。 The reference light generator is
Corresponding to the first generation unit through the Nth generation unit (an integer equal to or greater than N = 2), a first reference partial transmission mirror is sequentially arranged coaxially with an interval corresponding to the optical path length difference ΔD. Or an Nth reference partial transmission mirror,
The surface shape measuring apparatus according to claim 1 or 2.
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