JP2001108417A - 光学式形状測定装置 - Google Patents
光学式形状測定装置Info
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且
つ高精度に制御可能とした、位相シフト法による干渉縞
計測による光学式形状測定装置を提供する。 【解決手段】 コヒーレント光の照射により被検面３ａ
で反射された試料光と参照面５で反射された参照光によ
る干渉縞画像を光学的位相の異なる状態で複数枚撮像す
る位相シフト干渉計４と、この位相シフト干渉計４によ
り得られる複数の干渉縞画像を解析して被検面３ａの形
状を計測する形状解析部１２と、この形状解析部１２に
より得られる形状情報に基づいて被検面３ａの代表平面
を算出する代表平面算出部１３と、この代表平面算出部
１３により求められた代表平面の参照面５に対する傾斜
角を算出する傾斜角算出部１４と、この傾斜角算出部１
４により求められた傾斜角情報に基づいて被検面３ａと
参照面５との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機
構２とを備えた。
つ高精度に制御可能とした、位相シフト法による干渉縞
計測による光学式形状測定装置を提供する。 【解決手段】 コヒーレント光の照射により被検面３ａ
で反射された試料光と参照面５で反射された参照光によ
る干渉縞画像を光学的位相の異なる状態で複数枚撮像す
る位相シフト干渉計４と、この位相シフト干渉計４によ
り得られる複数の干渉縞画像を解析して被検面３ａの形
状を計測する形状解析部１２と、この形状解析部１２に
より得られる形状情報に基づいて被検面３ａの代表平面
を算出する代表平面算出部１３と、この代表平面算出部
１３により求められた代表平面の参照面５に対する傾斜
角を算出する傾斜角算出部１４と、この傾斜角算出部１
４により求められた傾斜角情報に基づいて被検面３ａと
参照面５との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機
構２とを備えた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、被検面と参照面
の間の干渉縞画像を撮像して被検面の形状測定を行う光
学式形状装置に係り、特に位相シフトした複数の干渉縞
画像を利用する装置における姿勢制御方式に関する。
の間の干渉縞画像を撮像して被検面の形状測定を行う光
学式形状装置に係り、特に位相シフトした複数の干渉縞
画像を利用する装置における姿勢制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】干渉計においては、被検面からの反射光
（試料光）と干渉計内に組み込まれた参照面（基準面）
からの反射光（参照光）との間の干渉縞が得られる。こ
の干渉計を利用して干渉縞画像を撮像し、その撮像画像
を解析して平面形状を測定する光学式形状測定装置が知
られている。
（試料光）と干渉計内に組み込まれた参照面（基準面）
からの反射光（参照光）との間の干渉縞が得られる。こ
の干渉計を利用して干渉縞画像を撮像し、その撮像画像
を解析して平面形状を測定する光学式形状測定装置が知
られている。
【０００３】干渉計において、被検面と参照面との相対
的な姿勢制御を行うには、従来、干渉縞の縞間隔や縞方
向から被検面と参照面の間の傾斜を判断することが行わ
れている。この場合、傾斜の判断のためには、少なくと
も２本の干渉縞が必要である。また、干渉縞画像１枚か
らは、傾斜の程度を知ることはできるが、傾斜の向きま
ではわからない。傾斜の向きを知るためには、被検面の
姿勢を僅かに変化させた時の干渉縞のずれの方向を確認
することが必要である。従って従来は、オペレータが干
渉縞を視認しながら手動で姿勢を調整するということが
行われていた。
的な姿勢制御を行うには、従来、干渉縞の縞間隔や縞方
向から被検面と参照面の間の傾斜を判断することが行わ
れている。この場合、傾斜の判断のためには、少なくと
も２本の干渉縞が必要である。また、干渉縞画像１枚か
らは、傾斜の程度を知ることはできるが、傾斜の向きま
ではわからない。傾斜の向きを知るためには、被検面の
姿勢を僅かに変化させた時の干渉縞のずれの方向を確認
することが必要である。従って従来は、オペレータが干
渉縞を視認しながら手動で姿勢を調整するということが
行われていた。
【０００４】一方、上述のように２本以上の干渉縞が見
られる状態は、被検面が参照面に対して傾いていること
を示しており、高精度計測には適しない状態である。干
渉縞解析計測においては、被検面と参照面とのなす角度
がでるだけゼロに近い状態であることが望ましい。しか
し、被検面が平面で且つ参照面とのなす角度がゼロに近
い状態では、干渉縞の間隔が観測面全体に拡がり、画面
全体が一様に明るいか或いは一様に暗いヌル（ＮＵＬ
Ｌ）干渉状態となる。この状態では、被検面と参照面の
間の微少な傾斜角を調整する高精度姿勢制御はできな
い。
られる状態は、被検面が参照面に対して傾いていること
を示しており、高精度計測には適しない状態である。干
渉縞解析計測においては、被検面と参照面とのなす角度
がでるだけゼロに近い状態であることが望ましい。しか
し、被検面が平面で且つ参照面とのなす角度がゼロに近
い状態では、干渉縞の間隔が観測面全体に拡がり、画面
全体が一様に明るいか或いは一様に暗いヌル（ＮＵＬ
Ｌ）干渉状態となる。この状態では、被検面と参照面の
間の微少な傾斜角を調整する高精度姿勢制御はできな
い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の干
渉縞解析計測装置では、被検面と参照面の間の姿勢制御
が容易ではなく、また平面に近い被検面と参照面との傾
斜が小さいＮＵＬＬ干渉状態で高精度の形状測定を行い
たいような場合には、姿勢制御ができないという問題が
あった。
渉縞解析計測装置では、被検面と参照面の間の姿勢制御
が容易ではなく、また平面に近い被検面と参照面との傾
斜が小さいＮＵＬＬ干渉状態で高精度の形状測定を行い
たいような場合には、姿勢制御ができないという問題が
あった。
【０００６】この発明は、被検面と参照面の間の相対的
姿勢を自動的且つ高精度に制御可能とした、位相シフト
法による干渉縞計測による光学式形状測定装置を提供す
ることを目的としている。
姿勢を自動的且つ高精度に制御可能とした、位相シフト
法による干渉縞計測による光学式形状測定装置を提供す
ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明に係る光学式形
状測定装置は、コヒーレント光の照射により被検面で反
射された試料光と参照面で反射された参照光による干渉
縞画像を光学的位相の異なる状態で少なくとも３枚撮像
する位相シフト干渉計と、この位相シフト干渉計により
得られる少なくとも３枚の干渉縞画像を解析して前記被
検面の形状を計測する形状解析手段と、この形状解析手
段により得られる形状情報に基づいて前記被検面の代表
平面を算出する代表平面算出手段と、この代表平面算出
手段により求められた代表平面の前記参照面に対する傾
斜角を算出する傾斜角算出手段と、この傾斜角算出手段
により求められた傾斜角情報に基づいて前記被検面と参
照面との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機構と
を備えたことを特徴としている。
状測定装置は、コヒーレント光の照射により被検面で反
射された試料光と参照面で反射された参照光による干渉
縞画像を光学的位相の異なる状態で少なくとも３枚撮像
する位相シフト干渉計と、この位相シフト干渉計により
得られる少なくとも３枚の干渉縞画像を解析して前記被
検面の形状を計測する形状解析手段と、この形状解析手
段により得られる形状情報に基づいて前記被検面の代表
平面を算出する代表平面算出手段と、この代表平面算出
手段により求められた代表平面の前記参照面に対する傾
斜角を算出する傾斜角算出手段と、この傾斜角算出手段
により求められた傾斜角情報に基づいて前記被検面と参
照面との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機構と
を備えたことを特徴としている。
【０００８】この発明によれば、位相シフト干渉計を用
いることにより、被検面と参照面とのなす角度がゼロに
近い状態であっても被検面の傾斜を求めることができ、
これにより被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且
つ高精度に制御可能とした、干渉縞計測による光学式形
状測定装置が得られる。
いることにより、被検面と参照面とのなす角度がゼロに
近い状態であっても被検面の傾斜を求めることができ、
これにより被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且
つ高精度に制御可能とした、干渉縞計測による光学式形
状測定装置が得られる。
【０００９】この発明において、位相シフト干渉計は例
えば、（ａ）参照面を光軸方向に微少移動させることに
より、時間的にずれた状態で少なくとも３枚の干渉縞画
像を得るもの、或いは（ｂ）コヒーレント光の光源波長
を可変制御することにより、時間的にずれた状態で少な
くとも３枚の干渉縞画像を得るもの、とすることができ
る。この場合撮像装置は、一つでよい。或いはまた、位
相シフト干渉計として、試料光と参照光とを無干渉状態
で同一観測面内に重ねた原光束を生成する原光束生成手
段と、この原光束生成手段により得られた原光束を３つ
の出力光束に分割する光束分割手段と、この光束分割手
段により得られた３個の出力光束のそれぞれについて試
料光と参照光に異なる光学的位相差を与えて干渉させる
干渉手段と、この干渉手段により得られた３個の出力光
束についての干渉縞をそれぞれ撮像する３個の撮像手段
とから構成されたものを用いることができる。
えば、（ａ）参照面を光軸方向に微少移動させることに
より、時間的にずれた状態で少なくとも３枚の干渉縞画
像を得るもの、或いは（ｂ）コヒーレント光の光源波長
を可変制御することにより、時間的にずれた状態で少な
くとも３枚の干渉縞画像を得るもの、とすることができ
る。この場合撮像装置は、一つでよい。或いはまた、位
相シフト干渉計として、試料光と参照光とを無干渉状態
で同一観測面内に重ねた原光束を生成する原光束生成手
段と、この原光束生成手段により得られた原光束を３つ
の出力光束に分割する光束分割手段と、この光束分割手
段により得られた３個の出力光束のそれぞれについて試
料光と参照光に異なる光学的位相差を与えて干渉させる
干渉手段と、この干渉手段により得られた３個の出力光
束についての干渉縞をそれぞれ撮像する３個の撮像手段
とから構成されたものを用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１は、この発明の実施の形態に
よる、位相シフト法による干渉縞計測装置の構成を示し
ている。位相シフト干渉計４は、後述するように複数
（少なくとも３枚）の位相の異なる干渉縞画像を得るも
ので、計測装置ベース１に立てられたフレーム６に、取
り付け機構４０により固定的に取り付けられている。干
渉計４は内部に参照面５を有する。干渉計４からの光束
が照射される被検体３は被検面３ａを上向きにして、姿
勢調整機構２に載せられて、ベース１上に配置される。
の実施例を説明する。図１は、この発明の実施の形態に
よる、位相シフト法による干渉縞計測装置の構成を示し
ている。位相シフト干渉計４は、後述するように複数
（少なくとも３枚）の位相の異なる干渉縞画像を得るも
ので、計測装置ベース１に立てられたフレーム６に、取
り付け機構４０により固定的に取り付けられている。干
渉計４は内部に参照面５を有する。干渉計４からの光束
が照射される被検体３は被検面３ａを上向きにして、姿
勢調整機構２に載せられて、ベース１上に配置される。
【００１１】図２は、位相シフト干渉計４の構成例であ
る。コヒーレント光を出すレーザ光源４１からの光束
は、レンズ４２により絞られ、更にピンホールが形成さ
れた絞り４３により点光源とされる。この点光源からの
光は、無偏光ビームスプリッタ４４を通り、コリメート
レンズ４５で平行光に変換されて参照面５に照射され
る。参照面５は一部透過、一部反射であり、透過光が被
検体３に照射される。
る。コヒーレント光を出すレーザ光源４１からの光束
は、レンズ４２により絞られ、更にピンホールが形成さ
れた絞り４３により点光源とされる。この点光源からの
光は、無偏光ビームスプリッタ４４を通り、コリメート
レンズ４５で平行光に変換されて参照面５に照射され
る。参照面５は一部透過、一部反射であり、透過光が被
検体３に照射される。
【００１２】参照面５からの反射光（参照光）と被検面
３ａからの反射光（試料光）は、ビームスプリッタ４４
により反射されてＣＣＤカメラ４６に入力される。ＣＣ
Ｄカメラ４６では、参照光と試料光の位相差による干渉
縞が撮像される。ここで参照面５については、移動機構
４７によりガイド４８に沿って上下方向（参照面５に入
射する光束の光軸方向）に微少移動が可能となってお
り、この移動機構４７により、僅かずつ位相の異なる複
数枚の干渉縞画像を得ることができるようになってい
る。
３ａからの反射光（試料光）は、ビームスプリッタ４４
により反射されてＣＣＤカメラ４６に入力される。ＣＣ
Ｄカメラ４６では、参照光と試料光の位相差による干渉
縞が撮像される。ここで参照面５については、移動機構
４７によりガイド４８に沿って上下方向（参照面５に入
射する光束の光軸方向）に微少移動が可能となってお
り、この移動機構４７により、僅かずつ位相の異なる複
数枚の干渉縞画像を得ることができるようになってい
る。
【００１３】位相シフト干渉計４により得られる複数枚
の干渉縞画像は、画像入力部１１に入力され、被検面形
状解析部１２に送られる。この被検面形状解析部１２で
は干渉縞画像データを解析して、参照面５に対する被検
面３ａの傾斜情報を含む形状情報が算出される。以上の
ような計測装置においてこの実施の形態では、被検面３
ａの参照面５に対する姿勢制御を行うために、代表平面
算出部１３、代表平面傾斜角算出部１４及び、姿勢調整
制御信号発生部１５が設けられている。
の干渉縞画像は、画像入力部１１に入力され、被検面形
状解析部１２に送られる。この被検面形状解析部１２で
は干渉縞画像データを解析して、参照面５に対する被検
面３ａの傾斜情報を含む形状情報が算出される。以上の
ような計測装置においてこの実施の形態では、被検面３
ａの参照面５に対する姿勢制御を行うために、代表平面
算出部１３、代表平面傾斜角算出部１４及び、姿勢調整
制御信号発生部１５が設けられている。
【００１４】代表平面算出部１３では、被検面形状解析
部１２で求められた形状情報に基づいて被検面３ａの代
表平面が求められる。この代表平面算出は例えば、
（ａ）最小２乗法による近似計算による平均的平面形状
を代表平面とする方法、或いは（ｂ）画像中央付近で交
差する直交２断面での接平面を求める方法、等による。
その他、全平面のデータに外接する平面（山の部分で最
低３点で接する平面）を求める方法、内接平面（谷の部
分で最低３点で接する平面）を求める方法等、公知の方
法が用い得る。代表平面算出部１３で算出された代表平
面は、参照面５に対する傾斜情報を含む。そこで、傾斜
角算出部１４において、代表面と参照面５との間の傾斜
角が算出される。算出された傾斜角は姿勢調整制御信号
発生部１５に送られる。姿勢制御信号発生部１５から
は、姿勢調整機構２に対して算出された傾斜角が所定の
値例えばゼロとなるような姿勢制御信号が供給される。
部１２で求められた形状情報に基づいて被検面３ａの代
表平面が求められる。この代表平面算出は例えば、
（ａ）最小２乗法による近似計算による平均的平面形状
を代表平面とする方法、或いは（ｂ）画像中央付近で交
差する直交２断面での接平面を求める方法、等による。
その他、全平面のデータに外接する平面（山の部分で最
低３点で接する平面）を求める方法、内接平面（谷の部
分で最低３点で接する平面）を求める方法等、公知の方
法が用い得る。代表平面算出部１３で算出された代表平
面は、参照面５に対する傾斜情報を含む。そこで、傾斜
角算出部１４において、代表面と参照面５との間の傾斜
角が算出される。算出された傾斜角は姿勢調整制御信号
発生部１５に送られる。姿勢制御信号発生部１５から
は、姿勢調整機構２に対して算出された傾斜角が所定の
値例えばゼロとなるような姿勢制御信号が供給される。
【００１５】この実施の形態によると、位相シフト法に
よる複数枚の干渉縞画像に基づいて被検面３ａの傾斜角
を算出している。従って、１枚の干渉縞画像のみでは、
例えばそれがＮＵＬＬ干渉状態であって判定できないよ
うな小さい傾斜角をも判定することができ、被検面３ａ
と参照面５との間の姿勢を高精度に自動調整することが
できる。
よる複数枚の干渉縞画像に基づいて被検面３ａの傾斜角
を算出している。従って、１枚の干渉縞画像のみでは、
例えばそれがＮＵＬＬ干渉状態であって判定できないよ
うな小さい傾斜角をも判定することができ、被検面３ａ
と参照面５との間の姿勢を高精度に自動調整することが
できる。
【００１６】図３は、位相シフト干渉計４の他の構成例
である。図２と対応する部分には図２と同じ符号を付し
て詳細な説明は省く。図２と異なる点は、参照面５を移
動させる移動機構４７を用いず、代わりにレーザ光源４
１ａとして波長可変型レーザを用いている点である。レ
ーザ光源４１ａの波長を切り換えることにより、図２の
場合と同様に複数位相の干渉縞画像を得ることができ
る。
である。図２と対応する部分には図２と同じ符号を付し
て詳細な説明は省く。図２と異なる点は、参照面５を移
動させる移動機構４７を用いず、代わりにレーザ光源４
１ａとして波長可変型レーザを用いている点である。レ
ーザ光源４１ａの波長を切り換えることにより、図２の
場合と同様に複数位相の干渉縞画像を得ることができ
る。
【００１７】図２及び図３の位相シフト干渉計４は、位
相の異なる複数枚の干渉縞画像を時間的に順次撮像する
ものである。これに対して、位相シフト干渉計４とし
て、複数枚の干渉縞画像を同時に撮像可能としたものを
用いることもできる。図４は、その様な位相シフト干渉
計４の構成例である。ここでも、図２と対応する部分に
は図２と同一符号を付してある。
相の異なる複数枚の干渉縞画像を時間的に順次撮像する
ものである。これに対して、位相シフト干渉計４とし
て、複数枚の干渉縞画像を同時に撮像可能としたものを
用いることもできる。図４は、その様な位相シフト干渉
計４の構成例である。ここでも、図２と対応する部分に
は図２と同一符号を付してある。
【００１８】図４の位相シフト干渉計４では、まずレー
ザ光源４１の出力部に、偏光板５１が配置され、出力光
が直線偏光光に変換される。この直線偏光光は、レンズ
４２，と絞り４３により点光源とされ、全反射ミラー５
２により光路が変えられて無偏光ビームスプリッタ４４
に入る。このビームスプリッタ４４の透過光は、コリメ
ートレンズ４５により平行光とされて参照面５及び被検
面３ａに照射されるが、参照面５ａと被検面３ａの間に
は１／４波長板５３が配置されている。従って、被検面
３ａに照射される光は円偏光光となり、被検面３ａから
反射されて１／４波長板５３を透過した試料光は、参照
面５からの反射光である参照光とは直交した直線偏光光
となる。
ザ光源４１の出力部に、偏光板５１が配置され、出力光
が直線偏光光に変換される。この直線偏光光は、レンズ
４２，と絞り４３により点光源とされ、全反射ミラー５
２により光路が変えられて無偏光ビームスプリッタ４４
に入る。このビームスプリッタ４４の透過光は、コリメ
ートレンズ４５により平行光とされて参照面５及び被検
面３ａに照射されるが、参照面５ａと被検面３ａの間に
は１／４波長板５３が配置されている。従って、被検面
３ａに照射される光は円偏光光となり、被検面３ａから
反射されて１／４波長板５３を透過した試料光は、参照
面５からの反射光である参照光とは直交した直線偏光光
となる。
【００１９】ビームスプリッタ４４により反射された参
照光と試料光とは、再び１／４波長板５７を通って、回
転方向が互いに反対の円偏光光となる。ここまでに得ら
れる円偏光光からなる原光束は、無干渉状態で参照光と
試料光が重ねられている状態である。この原光束は次
に、３分割プリズム５４により３つの出力光束５８ａ，
５８ｂ，５８ｃに分割される。３分割プリズム５４の第
１の分割界面Ａでは、反射光強度１に対して透過光強度
２なる分割が行われるものとし、その反射光が第１の出
力光束５８ａとなる。第２の分割界面Ｂでは反射光強度
と透過光強度が１：１の分割が行われるものとし、その
反射光が第２の出力光束５８ｂとなり、透過光が第３の
出力光束５８ｃとなる。
照光と試料光とは、再び１／４波長板５７を通って、回
転方向が互いに反対の円偏光光となる。ここまでに得ら
れる円偏光光からなる原光束は、無干渉状態で参照光と
試料光が重ねられている状態である。この原光束は次
に、３分割プリズム５４により３つの出力光束５８ａ，
５８ｂ，５８ｃに分割される。３分割プリズム５４の第
１の分割界面Ａでは、反射光強度１に対して透過光強度
２なる分割が行われるものとし、その反射光が第１の出
力光束５８ａとなる。第２の分割界面Ｂでは反射光強度
と透過光強度が１：１の分割が行われるものとし、その
反射光が第２の出力光束５８ｂとなり、透過光が第３の
出力光束５８ｃとなる。
【００２０】３分割プリズム５４により得られる３つの
出力光束５８ａ，５８ｂ，５８ｃに対してそれぞれＣＣ
Ｄカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃが配置されるが、各Ｃ
ＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃの前には、光源側の
偏光板５１との関係で偏光方向が例えば４５度ずつずれ
た偏光板５５ａ，５５ｂ，５５ｃが配置されている。こ
れらの偏光板５５ａ，５５ｂ，５５ｃにより各出力光束
の試料光と参照光は異なる位相差で干渉して干渉縞が生
成され、これがＣＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃで
は、位相の異なる３枚の干渉縞画像として同時に撮像さ
れることになる。
出力光束５８ａ，５８ｂ，５８ｃに対してそれぞれＣＣ
Ｄカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃが配置されるが、各Ｃ
ＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃの前には、光源側の
偏光板５１との関係で偏光方向が例えば４５度ずつずれ
た偏光板５５ａ，５５ｂ，５５ｃが配置されている。こ
れらの偏光板５５ａ，５５ｂ，５５ｃにより各出力光束
の試料光と参照光は異なる位相差で干渉して干渉縞が生
成され、これがＣＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃで
は、位相の異なる３枚の干渉縞画像として同時に撮像さ
れることになる。
【００２１】このような同時計測の位相シフト干渉計を
用いれば、位相の異なる干渉画像を時間的に順次撮像す
る場合の時間経過に起因する揺らぎの影響がなくなる。
従って、複数枚の干渉縞画像を用いる姿勢制御はより高
精度になる。
用いれば、位相の異なる干渉画像を時間的に順次撮像す
る場合の時間経過に起因する揺らぎの影響がなくなる。
従って、複数枚の干渉縞画像を用いる姿勢制御はより高
精度になる。
【００２２】具体的にこの実施の形態において、被検面
形状解析部１２では、複数枚の干渉縞画像データから次
のようにして、被検面の各位置の高さが算出される。干
渉縞画像は少なくとも３枚必要であり、ここでは波長を
微少範囲で切り換える図３の方式を用いて位相の少しず
つずれた３枚の干渉縞画像を得る場合を例にとって説明
する。３種の波長は、λk＝λ−α、λ及びλ＋βとす
る。被検面３ａと参照面５との間の距離を（ｘ，ｙ）∈
Ｓに対して、ｚ（ｘ，ｙ）とすれば、位相のずれは、
（２ｈ／λk）＊２π＝４πｈ／λkとなる。
形状解析部１２では、複数枚の干渉縞画像データから次
のようにして、被検面の各位置の高さが算出される。干
渉縞画像は少なくとも３枚必要であり、ここでは波長を
微少範囲で切り換える図３の方式を用いて位相の少しず
つずれた３枚の干渉縞画像を得る場合を例にとって説明
する。３種の波長は、λk＝λ−α、λ及びλ＋βとす
る。被検面３ａと参照面５との間の距離を（ｘ，ｙ）∈
Ｓに対して、ｚ（ｘ，ｙ）とすれば、位相のずれは、
（２ｈ／λk）＊２π＝４πｈ／λkとなる。
【００２３】従って、３つの干渉縞画像の光強度分布
は、任意の位置（ｘ，ｙ）∈Ｓに関して、下記数１の関
係式で表される。
は、任意の位置（ｘ，ｙ）∈Ｓに関して、下記数１の関
係式で表される。
【００２４】
【数１】
【００２５】但し数１において、Ｉk（ｘ，ｙ）は光強
度の測定値、ＩB（ｘ，ｙ）は干渉縞のバイアス値、ＩA
（ｘ，ｙ）は振幅値である。数１において、４π（ｘ，
ｙ）＝θ、４πｚ（ｘ，ｙ）α／λ2＝α’、４πｚ
（ｘ，ｙ）β／λ2＝β’とおくと、数１は、次のよう
に表される。
度の測定値、ＩB（ｘ，ｙ）は干渉縞のバイアス値、ＩA
（ｘ，ｙ）は振幅値である。数１において、４π（ｘ，
ｙ）＝θ、４πｚ（ｘ，ｙ）α／λ2＝α’、４πｚ
（ｘ，ｙ）β／λ2＝β’とおくと、数１は、次のよう
に表される。
【００２６】
【数２】
【００２７】ここで、α’，β’では高さ情報ｚ（ｘ，
ｙ）は平均的なものを与えるとする。数２を解くと、位
相θは次のようになる。
ｙ）は平均的なものを与えるとする。数２を解くと、位
相θは次のようになる。
【００２８】
【数３】
【００２９】数３を解くことにより、高さｚ（ｘ，ｙ）
＝θλ／４πが求められ、形状が求められることにな
る。また、最小２乗法による代表平面算出の手法は、具
体的に説明すれば、次の通りである。上述のように形状
解析部１２において被検面の各位置の高さがわかるか
ら、被検面の平均的な傾斜の平面を、ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋
ｃ（ｘ，ｙ∈Ｓ）とおいて、パラメータａ，ｂ，ｃを次
の数４により求めればよい。
＝θλ／４πが求められ、形状が求められることにな
る。また、最小２乗法による代表平面算出の手法は、具
体的に説明すれば、次の通りである。上述のように形状
解析部１２において被検面の各位置の高さがわかるか
ら、被検面の平均的な傾斜の平面を、ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋
ｃ（ｘ，ｙ∈Ｓ）とおいて、パラメータａ，ｂ，ｃを次
の数４により求めればよい。
【００３０】
【数４】
【００３１】ここで点数ｎは少なくとも３であるが、望
ましくは９点とする。以上のように、位相シフト法では
１枚の画像における２次元的な濃淡情報から形状情報や
傾斜情報を得るのではなく、３枚以上の位相シフトされ
た干渉縞画像情報から位相情報を算出するため、干渉縞
の本数とは関係なく、従ってＮＵＬＬ干渉状態であって
も、形状情報や傾斜情報を得ることが可能である。上述
のように平均的傾斜情報パラメータａ，ｂ，ｃが求めら
れると、その傾斜面の法面ベクトルは、Ｕ＝｛１／（ａ
2＋ｂ2＋１）｝（−ａ，−ｂ，１）で表される。姿勢調
整制御信号発生部１５では、この法面ベクトルと参照面
とのなす角度が例えば９０度になるように制御すればよ
い。
ましくは９点とする。以上のように、位相シフト法では
１枚の画像における２次元的な濃淡情報から形状情報や
傾斜情報を得るのではなく、３枚以上の位相シフトされ
た干渉縞画像情報から位相情報を算出するため、干渉縞
の本数とは関係なく、従ってＮＵＬＬ干渉状態であって
も、形状情報や傾斜情報を得ることが可能である。上述
のように平均的傾斜情報パラメータａ，ｂ，ｃが求めら
れると、その傾斜面の法面ベクトルは、Ｕ＝｛１／（ａ
2＋ｂ2＋１）｝（−ａ，−ｂ，１）で表される。姿勢調
整制御信号発生部１５では、この法面ベクトルと参照面
とのなす角度が例えば９０度になるように制御すればよ
い。
【００３２】図５は、図１の実施の形態を変形した実施
の形態である。この実施の形態では、被検体３は単なる
載置台３０によりベース１上に載置され、代わりに干渉
計４の取り付け機構４０側に干渉計４の姿勢を可変でき
る姿勢調整機構２を内蔵している。それ以外は図１の実
施の形態と変わらない。この実施の形態によっても、図
１の実施の形態と同様に、被検面３ａの参照面５に対す
る姿勢を高精度に制御することが可能である。
の形態である。この実施の形態では、被検体３は単なる
載置台３０によりベース１上に載置され、代わりに干渉
計４の取り付け機構４０側に干渉計４の姿勢を可変でき
る姿勢調整機構２を内蔵している。それ以外は図１の実
施の形態と変わらない。この実施の形態によっても、図
１の実施の形態と同様に、被検面３ａの参照面５に対す
る姿勢を高精度に制御することが可能である。
【００３３】更に、図５の実施の形態において、取り付
け機構４０に、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の移動機構を備え
て、位相シフト干渉計４を走査型干渉計とすることは有
効である。これにより、被検面３ａの広い範囲の形状測
定が可能になる。特に、位相シフト干渉計４が、図４に
示した位相シフト干渉縞の同時計測装置である場合に
は、各観測領域で参照面の微少移動や波光源長の切換等
を行う時間が必要ないので、高速の広域測定が可能であ
る。これにより、大きな被検面について、うねりや傾斜
による測定精度への影響を受けることなく平面形状測定
が可能になる。
け機構４０に、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の移動機構を備え
て、位相シフト干渉計４を走査型干渉計とすることは有
効である。これにより、被検面３ａの広い範囲の形状測
定が可能になる。特に、位相シフト干渉計４が、図４に
示した位相シフト干渉縞の同時計測装置である場合に
は、各観測領域で参照面の微少移動や波光源長の切換等
を行う時間が必要ないので、高速の広域測定が可能であ
る。これにより、大きな被検面について、うねりや傾斜
による測定精度への影響を受けることなく平面形状測定
が可能になる。
【００３４】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、位
相シフト干渉計を用いた複数枚の干渉縞画像の解析によ
り被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且つ高精度
に制御可能とした、干渉縞計測による光学式形状測定装
置が得られる。
相シフト干渉計を用いた複数枚の干渉縞画像の解析によ
り被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且つ高精度
に制御可能とした、干渉縞計測による光学式形状測定装
置が得られる。
【図１】 この発明の一実施の形態による光学式形状測
定装置の構成を示す図である。
定装置の構成を示す図である。
【図２】 同実施の形態に用いられる位相シフト干渉計
の構成例を示す図である。
の構成例を示す図である。
【図３】 同実施の形態に用いられる位相シフト干渉計
の他の構成例を示す図である。
の他の構成例を示す図である。
【図４】 同実施の形態に用いられる位相シフト干渉計
の他の構成例を示す図である。
の他の構成例を示す図である。
【図５】 この発明の他の実施の形態による光学式形状
測定装置の構成を示す図である。
測定装置の構成を示す図である。
１…ベース、２…姿勢調整機構、３ａ…被検面、４…位
相シフト干渉計、５…参照面、６…アーム、４０…取り
付け機構、１１…画像入力部、１２…被検面形状解析
部、１３…代表平面算出部、１４…代表平面傾斜角算出
部、１５…姿勢調整制御信号発生部。
相シフト干渉計、５…参照面、６…アーム、４０…取り
付け機構、１１…画像入力部、１２…被検面形状解析
部、１３…代表平面算出部、１４…代表平面傾斜角算出
部、１５…姿勢調整制御信号発生部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 配野 宏 茨城県つくば市上横場430番地の１ 株式 会社ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F065 AA37 AA53 BB05 DD03 DD06 FF04 FF52 GG04 GG12 GG25 HH09 JJ03 JJ05 JJ26 LL04 LL21 LL30 LL33 LL34 LL36 LL46 LL47 NN20 PP12 PP22 QQ18 TT02 5L096 BA08 CA04 FA67 FA70 9A001 BB06 HH23 KK16 KK32 KK37
Claims (5)
- 【請求項１】 コヒーレント光の照射により被検面で反
射された試料光と参照面で反射された参照光による干渉
縞画像を光学的位相の異なる状態で少なくとも３枚撮像
する位相シフト干渉計と、 この位相シフト干渉計により得られる少なくとも３枚の
干渉縞画像を解析して前記被検面の形状を計測する形状
解析手段と、 この形状解析手段により得られる形状情報に基づいて前
記被検面の代表平面を算出する代表平面算出手段と、 この代表平面算出手段により求められた代表平面の前記
参照面に対する傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、 この傾斜角算出手段により求められた傾斜角情報に基づ
いて前記被検面と参照面との間の相対的姿勢を自動調整
する姿勢調整機構とを備えたことを特徴とする光学式形
状測定装置。 - 【請求項２】 前記位相シフト干渉計は、前記参照面を
光軸方向に微少移動させることにより、時間的にずれた
状態で少なくとも３枚の干渉縞画像を得るものであるこ
とを特徴とする請求項１記載の光学式形状測定装置。 - 【請求項３】 前記位相シフト干渉計は、前記コヒーレ
ント光の光源波長を可変制御することにより、時間的に
ずれた状態で少なくとも３枚の干渉縞画像を得るもので
あることを特徴とする請求項１記載の光学式形状測定装
置。 - 【請求項４】 前記位相シフト干渉計は、 前記試料光と参照光とを無干渉状態で同一観測面内に重
ねた原光束を生成する原光束生成手段と、 この原光束生成手段により得られた原光束を３つの出力
光束に分割する光束分割手段と、 この光束分割手段により得られた３個の出力光束のそれ
ぞれについて試料光と参照光に異なる光学的位相差を与
えて干渉させる干渉手段と、 この干渉手段により得られた前記３個の出力光束につい
ての干渉縞をそれぞれ撮像する３個の撮像手段とを有す
ることを特徴とする請求項１記載の光学式形状測定装
置。 - 【請求項５】 前記代表平面算出手段は、前記形状情報
に基づいて最小２乗近似により前記被検面の平均化され
た平面形状を算出するものであることを特徴とする請求
項１記載の光学式形状測定装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28304699A JP4188515B2 (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 光学式形状測定装置 |
| US09/676,935 US6552807B1 (en) | 1999-10-04 | 2000-10-02 | Apparatus and method for shape measurement using interferometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28304699A JP4188515B2 (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 光学式形状測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001108417A true JP2001108417A (ja) | 2001-04-20 |
| JP4188515B2 JP4188515B2 (ja) | 2008-11-26 |
Family
ID=17660522
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28304699A Expired - Fee Related JP4188515B2 (ja) | 1999-10-04 | 1999-10-04 | 光学式形状測定装置 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6552807B1 (ja) |
| JP (1) | JP4188515B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007046938A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Mitsutoyo Corp | 干渉計 |
| JP2007205918A (ja) * | 2006-02-02 | 2007-08-16 | Olympus Corp | 計測内視鏡 |
| JP2009204502A (ja) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Lasertec Corp | 表面形状測定装置及び表面形状測定方法 |
| JP2010539458A (ja) * | 2007-09-14 | 2010-12-16 | ライカ ジオシステムズ アクチエンゲゼルシャフト | 表面の測定方法および測定装置 |
| CN102322817A (zh) * | 2011-06-13 | 2012-01-18 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种使用菲索干涉仪检测被测元件的快速自动调整的方法 |
| CN111238422A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-05 | 上海大学 | 一种基于小偏摆的三平面参考镜平面度绝对测量方法 |
| JP7508150B2 (ja) | 2020-07-22 | 2024-07-01 | 上海図漾信息科技有限公司 | 深度データ測定機器及び構造化光投影ユニット |
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| US7274467B2 (en) * | 2005-01-04 | 2007-09-25 | Carl Zeiss Smt Ag | Phase shifting interferometric method, interferometer apparatus and method of manufacturing an optical element |
| JP2006242570A (ja) * | 2005-02-28 | 2006-09-14 | Fuji Xerox Co Ltd | 表面形状測定装置 |
| JP4897572B2 (ja) | 2006-06-30 | 2012-03-14 | 株式会社ミツトヨ | 斜入射干渉計 |
| DE102007020860A1 (de) * | 2007-05-02 | 2008-11-13 | Carl Mahr Holding Gmbh | XY- und Winkelmessung mittels kombinierter Weißlichtinterferometrie |
| CN102506763B (zh) * | 2011-10-13 | 2013-11-06 | 保定天威集团有限公司 | 一种高精度投影仪模具检测方法 |
| JP6355023B2 (ja) * | 2014-10-20 | 2018-07-11 | 株式会社東京精密 | 表面形状測定装置における測定対象物アライメント方法及び表面形状測定装置 |
| CN104330050B (zh) * | 2014-11-05 | 2017-09-29 | 上海大学 | 大口径光学元件动态干涉拼接测量装置及测量方法 |
| CN104330051B (zh) * | 2014-11-05 | 2018-03-02 | 上海大学 | 大口径光学元件中低频面形快速检测装置和方法 |
| CN110487208B (zh) * | 2019-08-24 | 2020-12-08 | 西安应用光学研究所 | 一种用于大尺寸光学窗口零件面形和平行差开放式检测装置及检测方法 |
| KR102571018B1 (ko) * | 2020-12-29 | 2023-08-25 | 중앙대학교 산학협력단 | Cmp 연마패드 표면 거칠기 측정을 위한 장치 및 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5398112A (en) | 1993-10-04 | 1995-03-14 | Wyko Corporation | Method for testing an optical window with a small wedge angle |
| JP3065489B2 (ja) * | 1994-10-12 | 2000-07-17 | 捷夫 本田 | 耐振動型干渉計 |
| JPH10104524A (ja) * | 1996-08-08 | 1998-04-24 | Nikon Corp | 微分干渉顕微鏡 |
-
1999
- 1999-10-04 JP JP28304699A patent/JP4188515B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2000
- 2000-10-02 US US09/676,935 patent/US6552807B1/en not_active Expired - Lifetime
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| JP2007046938A (ja) * | 2005-08-08 | 2007-02-22 | Mitsutoyo Corp | 干渉計 |
| JP2007205918A (ja) * | 2006-02-02 | 2007-08-16 | Olympus Corp | 計測内視鏡 |
| JP2010539458A (ja) * | 2007-09-14 | 2010-12-16 | ライカ ジオシステムズ アクチエンゲゼルシャフト | 表面の測定方法および測定装置 |
| US9127929B2 (en) | 2007-09-14 | 2015-09-08 | Leica Geosystems Ag | Method and measuring device for gauging surfaces |
| JP2009204502A (ja) * | 2008-02-28 | 2009-09-10 | Lasertec Corp | 表面形状測定装置及び表面形状測定方法 |
| CN102322817A (zh) * | 2011-06-13 | 2012-01-18 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种使用菲索干涉仪检测被测元件的快速自动调整的方法 |
| CN111238422A (zh) * | 2020-03-13 | 2020-06-05 | 上海大学 | 一种基于小偏摆的三平面参考镜平面度绝对测量方法 |
| CN111238422B (zh) * | 2020-03-13 | 2022-06-14 | 上海大学 | 一种基于小偏摆的三平面参考镜平面度绝对测量方法 |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4188515B2 (ja) | 2008-11-26 |
| US6552807B1 (en) | 2003-04-22 |
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