JP2002148025A

JP2002148025A - ３次元形状測定装置

Info

Publication number: JP2002148025A
Application number: JP2000342539A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suhara; 浩之須原
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2002-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】小型であって簡単な構成であり、信頼性の高
い高精度測定が可能である３次元形状測定装置を提供す
る。【解決手段】本発明は、微小開口を有しこの微小開口
に光放射装置１光を照射することにより光プローブとな
る球面波を発生させて被測定物８に照射する微小開口形
成部材２と、被測定物８からの反射光のうち前記微小開
口に再入射する戻り光を受けてこの戻り光の基準点から
の距離に基づいて被測定物８の測定面の基準面に対する
傾斜角度を計測する傾斜角度計測装置ＰＳ１と、前記戻
り光および参照光を受けてこれらの戻り光および参照光
が形成する干渉縞の強度の変化を検出することにより被
測定物８と微小開口形成部材２との相対的な変位量を計
測する変位量計測装置ＰＤ１とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の３次元
形状を測定する３次元形状測定装置に関し、特にレンズ
の面形状を測定する３次元形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、複写機などの画像形成装置の
光書込光学装置に搭載されるｆθレンズやカメラ用のレ
ンズの面形状及び面精度を高精度に計測する必要があ
り、複数の測定装置が知られている。近年において非球
面の加工技術の発達に伴い、ますます測定装置の精度が
高いものが要求さっれている。特に、ｆθレンズなどの
被測定物の測定装置においては、精度が高く、測定範囲
が広いことが要求され、かつ、傾斜角が大きい自由曲面
形状を測定することができるものが要求されている。こ
れらの要求に対応する３次元形状測定装置として、特開
平１１−２１１４２７号公報に記載のものが提案されて
いる。この特開平１１−２１１４２７号公報に記載の３
次元形状測定装置は、３軸の直進ステージと、２軸の回
転ステージおよび６軸の位置検出用のレーザー測長機を
有する構成となっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の３次元形状測定装置においては、非常に装置が大型
であって複雑であり、かつ、動作が不安定になりがちで
あるという問題がある。本発明の課題は、小型であって
簡単な構成であり、信頼性の高い高精度測定が可能であ
る３次元形状測定装置を提供することにある。本発明の
他の課題は、形状の測定値と真直度誤差を分離すること
ができる高精度な３次元形状計測装置を提供することに
ある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明は、光を放射する光放射手段
と、微小開口を有しこの微小開口に前記光放射手段から
の光を照射することにより光プローブとなる球面波を発
生させて被測定物に照射する微小開口形成部材と、前記
被測定物からの反射光のうち前記微小開口に再入射する
戻り光を受けてこの戻り光の基準点からの距離に基づい
て前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜角度を計
測する傾斜角度計測手段と、前記戻り光および参照光を
受けてこれらの戻り光および参照光が形成する干渉縞の
強度の変化を検出することにより前記被測定物を前記微
小開口形成部材に対し相対的に移動した時における前記
被測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位量を
計測する変位量計測手段とを有することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、光を放射する光放射手段と、
複数の微小開口を有しこれらの微小開口に前記光放射手
段からの光を照射ことにより複数の光プローブとなる球
面波を発生させて被測定物に照射する微小開口形成部材
と、前記被測定物からの反射光のうち前記微小開口に再
入射する戻り光を受けてこの戻り光の基準点からの距離
に基づいて前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜
角度を計測する傾斜角度計測手段と、前記戻り光および
参照光を受けてこれらの戻り光および参照光が形成する
干渉縞の強度の変化を検出することにより前記被測定物
を前記微小開口形成部材に対し相対的に移動した時にお
ける前記被測定物と前記微小開口形成部材との相対的な
変位量を計測する変位量計測手段とを有することを特徴
とする。請求項３に記載の発明は、光を放射する光放射
手段と、複数の微小開口を有しこれらの微小開口に前記
光放射手段からの光を照射ことにより複数の光プローブ
となる球面波を発生させて被測定物に照射する微小開口
形成部材と、前記被測定物からの反射光のうち前記微小
開口に再入射する戻り光を受けてこの戻り光の基準点か
らの距離に基づいて前記被測定物の測定面の基準面に対
する傾斜角度を計測する傾斜角度計測手段と、前記戻り
光および参照光を受けてこれらの戻り光および参照光が
形成する干渉縞の強度の変化を検出することにより前記
被測定物を前記微小開口形成部材に対し相対的に移動し
た時における前記被測定物と前記微小開口形成部材との
相対的な変位量を計測する変位量計測手段と、前記傾斜
角度計測手段および変位量計測手段からの前記複数の光
プローブに基づいた前記傾斜角度の計測値および前記変
位量の計測値により形状の計測値と真直度誤差とを分離
する計測値演算手段とを有することを特徴とする。

【０００５】請求項４に記載の発明は、請求項２または
３に記載の３次元形状測定装置において、前記光放射手
段は、異なる波長の光を放射する複数の光源を有し、こ
れらの光源から放射される異なる波長の光をそれぞれ前
記微小開口形成部材の前記複数の微小開口に照射するこ
とを特徴とする。請求項５に記載の発明は、請求項１乃
至４のいずれか１つに記載の３次元形状測定装置におい
て、前記微小開口形成部材の前記微小開口と前記被測定
物との間に配置され前記戻り光のみを選択的に通過させ
る戻り光通過手段を有することを特徴とする。請求項６
に記載の発明は、請求項５に記載の３次元形状測定装置
において、前記戻り光通過手段は、偏光素子で構成され
ていることを特徴とする。請求項７に記載の発明は、請
求項２乃至４のいずれか１つに記載の３次元形状測定装
置において、前記光放射手段と前記微小開口形成部材と
の間に配置され前記光放射手段からの光を２つの偏光光
束に分離する光束分離手段を有することを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、異なる第１および第２の波長
の第１の光束および第２の光束を放射する２つの光源を
有する光放射手段と、この光放射手段からの前記第１の
光束および第２の光束を分離してそれぞれ第１の被測定
光と第１の参照光および第２の被測定光と第２の参照光
を生成する被測定参照光分離手段と、２つの微小開口を
有しこれらの微小開口に前記第１の被測定光および第２
の被測定光を照射ことにより第１および第２の光プロー
ブとなる第１および第２の球面波を発生させて被測定物
に照射する微小開口形成部材と、前記第１および第２の
光プローブを受けた前記被測定物からの第１および第２
の反射光のうち前記微小開口に再入射する第１および第
２の戻り光を受けてこれらの戻り光の基準点からの距離
に基づいて前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜
角度を計測する第１および第２の傾斜角度計測手段と、
前記第１の戻り光および前記第２の参照光を受けてこれ
らの第１の戻り光および第２の参照光が形成するヘテロ
ダイン干渉縞の強度の変化を検出することにより前記被
測定物を前記微小開口形成部材に対し相対的に移動した
時における前記被測定物と前記微小開口形成部材との相
対的な変位量を計測する第１の変位量計測手段と、前記
第２の戻り光および前記第１の参照光を受けてこれらの
第２の戻り光および第１の参照光が形成するヘテロダイ
ン干渉縞の強度の変化を検出することにより前記被測定
物を前記微小開口形成部材に対し相対的に移動した時に
おける前記被測定物と前記微小開口形成部材との相対的
な変位量を計測する第２の変位量計測手段とを有するこ
とを特徴とする。

【０００６】請求項９に記載の発明は、異なる第１およ
び第２の波長の第１の光束および第２の光束を放射する
２つの光源を有する光放射手段と、この光放射手段から
の前記第１の光束および第２の光束を分離してそれぞれ
第１の被測定光と第１の参照光および第２の被測定光と
第２の参照光を生成する被測定参照光分離手段と、２つ
の微小開口を有しこれらの微小開口に前記第１の被測定
光および第２の被測定光を照射ことにより第１および第
２の光プローブとなる第１および第２の球面波を発生さ
せて被測定物に照射する微小開口形成部材と、前記第１
および第２の光プローブを受けた前記被測定物からの第
１および第２の反射光のうち前記微小開口に再入射する
第１および第２の戻り光を受けてこれらの戻り光の基準
点からの距離に基づいて前記被測定物の測定面の基準面
に対する傾斜角度を計測する第１および第２の傾斜角度
計測手段と、前記第１の戻り光および前記第２の参照光
を受けてこれらの第１の戻り光および第２の参照光が形
成するヘテロダイン干渉縞の強度の変化を検出すること
により前記被測定物を前記微小開口形成部材に対し相対
的に移動した時における前記被測定物と前記微小開口形
成部材との相対的な変位量を計測する第１の変位量計測
手段と、前記第２の戻り光および前記第１の参照光を受
けてこれらの第２の戻り光および第１の参照光が形成す
るヘテロダイン干渉縞の強度の変化を検出することによ
り前記被測定物を前記微小開口形成部材に対し相対的に
移動した時における前記被測定物と前記微小開口形成部
材との相対的な変位量を計測する第２の変位量計測手段
と、前記第１および第２の傾斜角度計測手段および前記
第１および第２の変位量計測手段からの前記第１および
第２の光プローブに基づいた前記傾斜角度の計測値およ
び前記変位量の計測値により形状の計測値と真直度誤差
とを分離する計測値演算手段とを有することを特徴とす
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施
の形態としての３次元形状測定装置を示す概略正面図で
ある。図２は図１の３次元形状測定装置の１部を拡大し
て示す部分拡大図である。図１に示すように、本発明の
第１の実施の形態としての３次元形状測定装置は、光放
射装置（光放射手段）１と、微小開口形成部材２と、ビ
ームスプリッタＢＳ１、ＢＳ２と、参照光反射鏡３と、
λ/４板４、５と、対物レンズ６と、傾斜角計測装置
（傾斜角計測手段）ＰＳ１と、変位量計測装置（変位量
計測手段）ＰＤ１および結像レンズ７とを有している。
光放射装置１は、光を放射するレーザ装置１ａと、この
レーザ装置１ａから放射される光束を拡大して平行な光
束とする光束エキスバンダ１ｂとで構成されている。微
小開口形成部材２は、微小開口ＰＨを有している。ビー
ムスプリッタＢＳ１は、光束エキスバンダ１ｂと微小開
口形成部材２との間に配置されている。ビームスプリッ
タＢＳ２は、ビームスプリッタＢＳ１と微小開口形成部
材２との間に配置されている。参照光反射鏡３は、ビー
ムスプリッタＢＳ１の直上に配置されている。λ/４板
４は、ビームスプリッタＢＳ１と参照光反射鏡３との間
に配置されている。λ/４板５は、ビームスプリッタＢ
Ｓ１とビームスプリッタＢＳ２の間に配置されている。
対物レンズ６は、ビームスプリッタＢＳ２と微小開口形
成部材２との間に配置されている。傾斜角計測装置ＰＳ
１は、ビームスプリッタＢＳ２の直下に配置されてい
る。変位量計測装置ＰＤ１は、ビームスプリッタＢＳ１
の直下に配置されている。結像レンズ７は、ビームスプ
リッタＢＳ１と変位量計測装置ＰＤ１との間に配置され
ている。ビームスプリッタＢＳ１は、光放射装置１から
の光束を分離して被測定光と参照光とにし、被測定光を
対物レンズ６の方向へ向け、かつ、参照光を参照光反射
鏡３の方向へ向ける。ビームスプリッタＢＳ１からの参
照光はλ/４板４を通って参照光反射鏡３に入射され
る。参照光反射鏡３は、ビームスプリッタＢＳ１からの
参照光を反射してλ/４板４およびビームスプリッタＢ
Ｓ１を介して対物レンズ７に入射させる。対物レンズ７
は、参照光反射鏡３からの参照光を結像して変位量計測
装置ＰＤ１に入射させる。

【０００８】一方、ビームスプリッタＢＳ１からの被測
定光は、λ/４板５およびビームスプリッタＢＳ２を通
って対物レンズ６に入射する。対物レンズ６は、ビーム
スプリッタＢＳ２からの被測定光を結像して微小開口形
成部材２の微小開口ＰＨに照射する。微小開口形成部材
２は、微小開口ＰＨに被測定光が照射されると回折光ま
たは直接光により光プローブとなる球面波を発生させて
被測定物８に照射する。光プローブである被測定光が曲
面を有する被測定物８に照射されると、被測定物８から
の反射光のうち波面の方向ベクトルと被測定面の法線ベ
クトルが一致した部分だけが、微小開口ＰＨを再び通過
することができる。波面の方向ベクトルと被測定面の法
線ベクトルが一致しない面からの反射光は、微小開口Ｐ
Ｈを通過せず微小開口形成部材２の遮光部で遮光され
る。被測定光である戻り光は、対物レンズ６を通過した
後にビームスプリッタＢＳ２により分離されて、一方の
戻り光は傾斜角度計測装置ＰＳ１へ向けられ、かつ、他
方の戻り光はビームスプリッタＢＳ１へ向けられる。傾
斜角度計測装置ＰＳ１は、ビームスプリッタＢＳ２から
の戻り光を受けてこの戻り光の基準点からの距離に基づ
いて被測定物の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測
する。ビームスプリッタＢＳ２を通過した戻り光は、λ
/４板５を通過してビームスプリッタＢＳ１に入射す
る。ビームスプリッタＢＳ１は、ビームスプリッタＢＳ
２からの戻り光を受けて分離して一方の戻り光を結像レ
ンズ７の方向へ向ける。結像レンズ７は、ビームスプリ
ッタＢＳ１からの戻り光を結像して変位量計測装置ＰＤ
１に入射させる。したがって、変位量計測装置ＰＤ１
は、ビームスプリッタＢＳ１からの戻り光と参照光反射
鏡３からの参照光とを受け、これらの戻り光および参照
光が形成する干渉縞の強度の変化を検出することにより
被測定物８を微小開口形成部材２に対し相対的に移動し
た時における被測定物８と微小開口形成部材２との相対
的な変位量を計測する。この場合に、戻り光と参照光の
強度比を約1:1としてコントラストが最良となるように
参照光反射鏡３の反射率を予め適切に設定しておくとよ
く、また、参照光反射鏡３とビームスプリッタＢＳ１と
の間に可変の光量減衰板を配置して戻り光と参照光の強
度比を調整するようにしてもよい。

【０００９】図３に示すように、光を偏光ビームスプリ
ッタＢＳ３で分離して分離した光を偏光子９、１０を通
して受光素子１１、１２に入射させる場合に、受光素子
１２は、位相をπ/2づつシフトした光を受けることがで
きる。そこで、変位量を計測する場合に、参照光と被測
定光の偏光方向を直交状態とし、変位量計測装置ＰＤ１
において位相をπ/2づつシフトした２つ以上の干渉光を
取り込むことにより、さらにＳ/Ｎ比の高い測定をする
ことができる（図３参照)。このような構成を実現する
ためには、図１に示す３次元形状測定装置において、ビ
ームスプリッタＢＳ１は偏光ビームスプリッタを用い、
かつ、偏光状態を変換するλ/4板４、５を配置すると良
い。被測定物８の移動量xと、被測定物８の傾斜角θと
変位量ΔLを計測することによって、被測定物８の面の
位置が一意的に決まる。x、θとΔLより被測定物８の曲
面座標を算出する方法を図２に基づいて説明する。ここ
でxyzの座標軸は図２のように定義する。計算を簡単に
するためにxz断面の形状を測定する場合で、光学系側が
相対的に移動するものとする。微小開口点O=O(x(t),z
0)、L=L(t)、θ=θ(t)とすれば、曲面上の点P=P(x,z)
は、P(x,z)=(x(t)-L(t)sin{θ(t)},z0-L(t)cos{θ(t)})
（ただし、L(t)=L(0)+∫ΔL(t)dt）とう式で表わすこと
ができる。３次元計測の場合にも同様で、２次元のエリ
アセンサで、戻り光の入射角の方向を２次元ベクトル的
に検出し、被測定物８を２軸方向に相対的に移動するこ
とにより、任意曲面の点P(x,y,z)の座標を算出すること
ができる。２軸の方向は、xy軸に平行でなくとも独立で
あればよい。

【００１０】次に、本発明の第２の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態
としての３次元形状測定装置の要部を示す図である。本
発明の第２の実施の形態としての３次元形状測定装置
は、図１に示す本発明の第１の実施の形態において、光
放射装置が異なる波長λ１および波長λ２の光束を放射
する２つの光源を有し、微小開口形成部材２が２つの微
小開口ＰＨ１、ＰＨ２を有し、微小開口ＰＨ１、ＰＨ２
が被測定物８の移動方向において距離ｄだけ離れてい
る。光放射装置１は波長λ１および波長λ２を有する光
束をそれぞれ微小開口形成部材２の微小開口ＰＨ１、Ｐ
Ｈ２に照射することにより２つの光プローブとなる球面
波を発生させて被測定物８に照射する。１つの球面波を
用いた３次元形状測定装置の場合には、被測定物８の移
動時にz軸方向の真直度誤差がそのまま変位量として光
信号に乗ってしまうため、形状の測定値と移動時に起こ
る真直度誤差との区別がつかない。このため、１つの球
面波を用いた３次元形状測定装置の場合には、要求精度
に比べて十分小さい真直度誤差の範囲で走査しなければ
ならない。しかしながら、２つの球面波を同時に被測定
物８に照射する３次元形状測定装置の場合には、真直度
誤差が同時刻に現れ、かつ、被測定物８の形状の測定値
は距離ｄに相当する時間分だけ遅れて現れるので、形状
の測定値と真直度誤差とを区別することができる。この
ため、２つの光プローブによる測定値を比較することに
よって、測定値から真直度誤差の成分を取り除くことが
できる（図５参照）。なお、図４に示す本発明の第２の
実施の形態において、微小開口ＰＨ１より照射した１つ
の光プローブが、微小開口ＰＨ２から戻るとゴーストと
なり、誤差を生じる可能性がある。微小開口ＰＨ１から
出射した光のみ微小開口ＰＨ１に戻り、かつ、微小開口
ＰＨ１から出射した光のみ微小開口ＰＨ１に戻る構成と
することが望ましい。このため、微小開口形成部材２の
微小開口ＰＨ１、ＰＨ２と被測定物８との間に戻り光の
みを選択的に通過させる戻り光選択フィルタ（戻り光通
過手段）１３を配置すると良い。戻り光選択フィルタ１
３としては、波長の異なる複数の光源を用い、かつ、色
フィルタを用いる手段や、偏光成分が異なる光プローブ
を偏光フィルタで選択的に通過させる手段がある。

【００１１】次に、本発明の第３の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図６は、本発明の第３の実施の形態
としての３次元形状測定装置を示す概略正面図である。
図７は図６の３次元形状測定装置の戻り光を説明するた
めの概略正面図である。本発明の第３の実施の形態にお
ては、本発明の第１および第２の実施の形態と同じ構成
要素には同じ参照符号が付されている。図６に示すよう
に、本発明の第３の実施の形態としての３次元形状測定
装置は、光放射装置１と、微小開口形成部材２と、ビー
ムスプリッタＢＳ１、ＢＳ２と、参照光反射鏡１４と、
ビームスプリッタＰＢＳ１、ＰＢＳ２と、対物レンズ６
と、ウォラストンプリズム（光束分離手段）ＷＰと、傾
斜角計測装置ＰＳ１、ＰＳ２と、変位量計測装置ＰＤ
１、ＰＤ２と、結像レンズ１５、１６および計測値演算
装置（計測値演算手段）１７とを有している。傾斜角計
測装置ＰＳ１、ＰＳ２および変位量計測装置ＰＤ１、Ｐ
Ｄ２は、計測値演算装置１７に接続されている。光放射
装置１は、直交偏光成分を有する光束を放射するレーザ
装置１ａと、このレーザ装置１ａから放射される光束を
拡大して平行な光束とする光束エキスバンダ１ｂとで構
成されている。微小開口形成部材２は、２つの微小開口
ＰＨ１、ＰＨ２を有している。ビームスプリッタＢＳ１
は、光束エキスバンダ１ｂと微小開口形成部材２との間
に配置されている。ビームスプリッタＢＳ２は、ビーム
スプリッタＢＳ１と微小開口形成部材２との間に配置さ
れている。参照光反射鏡１４は、ビームスプリッタＢＳ
１の直下に配置されている。ビームスプリッタＰＢＳ１
は、参照光反射鏡１４と結像レンズ１６との間に配置さ
れている。ビームスプリッタＰＢＳ１の直下には、結像
レンズ１５が配置されている。結像レンズ１５による参
照光の結像位置には、変位量計測装置ＰＤ１が配置され
ている。また、結像レンズ１６による参照光の結像位置
には、変位量計測装置ＰＤ２が配置されている。

【００１２】ビームスプリッタＢＳ１は、光放射装置１
からの放射される直交偏光成分を有する光束を２つに分
離して被測定光Ｔｅｓと参照光Ｒｅｆにし、被測定光Ｔ
ｅｓをビームスプリッタＢＳ２の方向へ向け、かつ、参
照光Ｒｅｆを参照光反射鏡１４の方向へ向ける。参照光
反射鏡１４は、ビームスプリッタＢＳ１からの参照光Ｒ
ｅｆをビームスプリッタＰＢＳ１の方向へ向ける。ビー
ムスプリッタＰＢＳ１は、参照光反射鏡１４からの参照
光Ｒｅｆを２つに分離して２つの参照光Ｒｅｆにし、一
方の参照光Ｒｅｆを結像レンズ１５の方向へ向け、か
つ、他方の参照光Ｒｅｆを結像レンズ１６の方向へ向け
る。結像レンズ１５は、ビームスプリッタＰＢＳ１から
の参照光Ｒｅｆを結像して変位量計測装置ＰＤ１に入射
させる。また、結像レンズ１６は、ビームスプリッタＰ
ＢＳ１からの参照光Ｒｅｆを結像して変位量計測装置Ｐ
Ｄ２に入射させる。ウォラストンプリズムＷＰは、ビー
ムスプリッタＢＳ２と対物レンズ６との間に配置されて
いる。ビームスプリッタＰＢＳ２は、ビームスプリッタ
ＢＳ１の直上に配置されている。傾斜角計測装置ＰＳ１
は、ビームスプリッタＰＢＳ２の直上に配置されてい
る。また、傾斜角計測装置ＰＳ２は、ビームスプリッタ
ＰＢＳ２の横に配置されている。ウォラストンプリズム
ＷＰは、ビームスプリッタＢＳ１からの被測定光Ｔｅｓ
をビームスプリッタＢＳ２を介して受け、異なる角度を
もった２つの偏光された被測定光Ｔｅｓに分離して対物
レンズ６に入射させる。対物レンズ６は、ウォラストン
プリズムＷＲからの２つの被測定光Ｔｅｓを結像して微
小開口形成部材２の微小開口ＰＨ１、ＰＨ２に照射す
る。対物レンズ６は、２つの被測定光Ｔｅｓを距離ｄだ
け離れたところに集光することができるので、これらの
集光位置に２つの微小開口ＰＨ１、ＰＨ２を配置するこ
とにより２つの光プローブである被測定光Ｔｅｓを発生
することができる。微小開口ＰＨ１、ＰＨ２の対物レン
ズ側の近傍には、それぞれ偏光板ＰＯＬ１、ＰＯＬ２が
配置されている。偏光板ＰＯＬ１、ＰＯＬ２は、それぞ
れ入射される被測定光Ｔｅｓの偏光成分と同じ方向のみ
を透過する。これにより、２つの光プローブである被測
定光Ｔｅｓのクロストークが抑えられる。

【００１３】図７において、微小開口ＰＨ１を通過した
光プローブである被測定光Ｔｅｓに注目すると、被測定
物８の面から反射され、法線方向が入射方向と一致した
反射光のみが再び微小開口ＰＨ１を通過し戻り光となっ
て傾斜角計測定装置ＰＳ１および変位量計測装置ＰＤ１
に達する。傾斜角計測定装置ＰＳ１は、戻り光を受けて
この戻り光の基準点からの距離に基づいて被測定物８の
測定面の基準面に対する傾斜角度を計測する。変位量計
測装置ＰＤ１は、戻り光と参照光とを受け、これらの戻
り光および参照光が形成する干渉縞の強度の変化を検出
することにより被測定物８を微小開口形成部材２に対し
相対的に移動した時における被測定物と微小開口形成部
材２との相対的な変位量を計測する。微小開口ＰＨ２を
通過した光プローブである被測定光Ｔｅｓに注目する
と、被測定物８の面から反射され、法線方向が入射方向
と一致した反射光のみが再び微小開口ＰＨ２を通過し戻
り光となって傾斜角計測定装置ＰＳ２および変位量計測
装置ＰＤ２に達する。傾斜角計測定装置ＰＳ２は、戻り
光を受けてこの戻り光の基準点からの距離に基づいて被
測定物８の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測す
る。変位量計測装置ＰＤ２は、戻り光と参照光とを受
け、これらの戻り光および参照光が形成する干渉縞の強
度の変化を検出することにより被測定物８を微小開口形
成部材２に対し相対的に移動した時における被測定物８
と微小開口形成部材２との相対的な変位量を計測する。
計測値演算装置１７は、傾斜角度計測装置ＰＳ１、ＰＳ
２および変位量計測装置ＰＤ１、ＰＤ２からの２つの光
プローブに基づいた傾斜角度の計測値および変位量の計
測値により形状の計測値と真直度誤差とを分離して前記
傾斜角度の計測値および変位量の計測値から前記真直度
誤差の成分を取り除く。

【００１４】次に、本発明の第４の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図８は、本発明の第４の実施の形態
としての３次元形状測定装置を示す概略正面図である。
図９は図７の３次元形状測定装置の戻り光を説明するた
めの概略正面図である。本発明の第４の実施の形態にお
ては、本発明の第１乃至３の実施の形態と同じ構成要素
には同じ参照符号が付されている。図８に示すように、
本発明の第４の実施の形態としての３次元形状測定装置
は、光放射装置１と、微小開口形成部材２と、ビームス
プリッタＢＳ１、ＢＳ２と、参照光反射鏡３と、λ/4板
４と、ビームスプリッタＰＢＳ１、ＰＢＳ２と、対物レ
ンズ６と、ウォラストンプリズムＷＰと、傾斜角計測装
置ＰＳ１、ＰＳ２と、変位量計測装置ＰＤ１、ＰＤ２
と、結像レンズ１５、１６および計測値演算装置１７と
を有している。傾斜角計測装置ＰＳ１、ＰＳ２および変
位量計測装置ＰＤ１、ＰＤ２は、計測値演算装置１７に
接続されている。光放射装置１は、２周波数ｆ１、ｆ２
の直交偏光の光束を放射するゼーマンレーザ装置１ｃ
と、このゼーマンレーザ装置１ｃから放射される光束を
拡大して平行な光束とする光束エキスバンダ１ｂとで構
成されている。微小開口形成部材２は、２つの微小開口
ＰＨ１、ＰＨ２を有している。ビームスプリッタＢＳ１
は、光束エキスバンダ１ｂと微小開口形成部材２との間
に配置されている。ビームスプリッタＢＳ２は、ビーム
スプリッタＢＳ１と微小開口形成部材２との間に配置さ
れている。参照光反射鏡３は、ビームスプリッタＢＳ１
の直上に配置されている。λ/4板４は、ビームスプリッ
タＢＳ１と参照光反射鏡３との間に配置されている。ビ
ームスプリッタＰＢＳ１は、ビームスプリッタＢＳ１の
直下に配置されている。ビームスプリッタＰＢＳ１は、
ビームスプリッタＢＳ２の直下に配置されている。ビー
ムスプリッタＰＢＳ１の直下には、結像レンズ１５が配
置されている。また、ビームスプリッタＰＢＳ１の横に
は、結像レンズ１６が配置されている。結像レンズ１５
による参照光の結像位置には、変位量計測装置ＰＤ１が
配置されている。また、結像レンズ１６による参照光の
結像位置には、変位量計測装置ＰＤ２が配置されてい
る。

【００１５】ビームスプリッタＢＳ１は、光放射装置１
から放射される２周波数ｆ１、ｆ２の直交偏光の光束を
２つに分離して被測定光と参照光にし、被測定光をビー
ムスプリッタＢＳ２の方向へ向け、かつ、参照光を参照
光反射鏡３の方向へ向ける。ここで、便宜上、周波数ｆ
１、ｆ２の参照光をＲｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２とし、ま
た、周波数ｆ１、ｆ２の被測定光をＴｅｓ_ｆ１、Ｔｅ
ｓ_ｆ２とする。図中の丸と矢印は、偏光方向を表す。
ヘテロダイン干渉を起こすためには、Ｒｅｆ_ｆ１とＴ
ｅｓ_ｆ２とが干渉し、Ｒｅｆ_ｆ２とＴｅｓ_ｆ１とが
とが干渉するように光学系を構成すればよい。ビームス
プリッタＢＳ１は、光放射装置１から放射される光束を
２つに分離して被測定光Ｔｅｓ_ｆ１、Ｔｅｓ_ｆ２と参
照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２にし、被測定光Ｔｅｓ_
ｆ１、Ｔｅｓ_ｆ２をビームスプリッタＢＳ２の方向へ
向け、かつ、参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２を参照光
反射鏡３の方向へ向ける。参照光反射鏡３は、ビームス
プリッタＢＳ１からの参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２
をλ/４板４を介して受けて反射してビームスプリッタ
ＢＳ１の方向へ向ける。参照光反射鏡３から反射された
参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２は、λ/４板４および
ビームスプリッタＢＳ１を通過してビームスプリッタＰ
ＢＳ１に入射する。ビームスプリッタＰＢＳ１は、参照
光反射鏡３からの参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２を２
つに分離して２つの参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２に
し、一方の参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２を結像レン
ズ１５の方向へ向け、かつ、他方の参照光Ｒｅｆ_ｆ
１、Ｒｅｆ_ｆ２を結像レンズ１６の方向へ向ける。結
像レンズ１５は、ビームスプリッタＰＢＳ１からの参照
光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２を結像して変位量計測装置
ＰＤ１に入射させる。また、結像レンズ１６は、ビーム
スプリッタＰＢＳ１からの参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_
ｆ２を結像して変位量計測装置ＰＤ２に入射させる。ウ
ォラストンプリズムＷＰは、ビームスプリッタＢＳ２と
対物レンズ６との間に配置されている。ビームスプリッ
タＰＢＳ２は、ビームスプリッタＢＳ１の直下に配置さ
れている。傾斜角計測装置ＰＳ１は、ビームスプリッタ
ＰＢＳ２の直下に配置されている。また、傾斜角計測装
置ＰＳ２は、ビームスプリッタＰＢＳ２の横に配置され
ている。ウォラストンプリズムＷＰは、ビームスプリッ
タＢＳ１からの被測定光Ｔｅｓ_ｆ１、Ｔｅｓ_ｆ２をを
ビームスプリッタＢＳ２を介して受け、異なる周波数お
よび角度をもった２つの偏光された被測定光Ｔｅｓ_ｆ
１と被測定光Ｔｅｓ_ｆ２に分離して対物レンズ６に入
射させる。対物レンズ６は、ウォラストンプリズムＷＰ
からの２つの被測定光Ｔｅｓ_ｆ１、Ｔｅｓ_ｆ２を結像
して微小開口形成部材２の微小開口ＰＨ１、ＰＨ２に照
射する。対物レンズ６は、２つの被測定光Ｔｅｓ_ｆ
１、Ｔｅｓ_ｆ２を距離ｄだけ離れたところに集光する
ことができるので、これらの集光位置に２つの微小開口
ＰＨ１、ＰＨ２を配置することにより２つの光プローブ
を発生することができる。微小開口ＰＨ１、ＰＨ２の対
物レンズ側の近傍には、それぞれ偏光板ＰＯＬ１、ＰＯ
Ｌ２が配置されている。偏光板ＰＯＬ１、ＰＯＬ２は、
それぞれ入射される被測定光Ｔｅｓ_ｆ１、Ｔｅｓ_ｆ２
の偏光成分と同じ方向および周波数のみを透過する。こ
れにより、２つの光プローブである被測定光Ｔｅｓ_ｆ
１、Ｔｅｓ_ｆ２のクロストークが抑えられる。

【００１６】図９において、微小開口ＰＨ１を通過した
光プローブである被測定光Ｔｅｓ_ｆ１に注目すると、
被測定物８の面からの反射光され、法線方向が入射方向
と一致した反射光のみが再び微小開口ＰＨ１を通過し戻
り光となって傾斜角計測定装置ＰＳ１および変位量計測
装置ＰＤ１に達する。傾斜角計測定装置ＰＳ１は、戻り
光である被測定光Ｔｅｓ_ｆ１を受けてこの戻り光の基
準点からの距離に基づいて被測定物８の測定面の基準面
に対する傾斜角度を計測する。変位量計測装置は、戻り
光であると被測定光Ｔｅｓ_ｆ１と参照光Ｒｅｆ_ｆ１、
Ｒｅｆ_ｆ２とを受け、戻り光である被測定光Ｔｅｓ_ｆ
１と参照光Ｒｅｆ_ｆ２とが形成するヘテロダイン干渉
縞の強度の変化を検出することにより被測定物８を微小
開口形成部材２に対し相対的に移動した時における被測
定物８と微小開口形成部材２との相対的な変位量を計測
する。微小開口ＰＨ２を通過した光プローブである被測
定光Ｔｅｓ_ｆ２に注目すると、被測定物８の面からの
反射光され、法線方向が入射方向と一致した反射光のみ
が再び微小開口ＰＨ２を通過し戻り光となって傾斜角計
測定装置ＰＳ２および変位量計測装置ＰＤ２に達する。
傾斜角計測定装置ＰＳ２は、戻り光である被測定光Ｔｅ
ｓ_ｆ２を受けてこの戻り光の基準点からの距離に基づ
いて被測定物８の測定面の基準面に対する傾斜角度を計
測する。変位量計測装置ＰＤ２は、戻り光である被測定
光Ｔｅｓ_ｆ２と参照光Ｒｅｆ_ｆ１、Ｒｅｆ_ｆ２とを
受け、戻り光である被測定光Ｔｅｓ_ｆ２と参照光Ｒｅ
ｆ_ｆ１とが形成するヘテロダイン干渉縞の強度の変化
を検出することにより被測定物８を微小開口形成部材２
に対し相対的に移動した時における被測定物８と微小開
口形成部材２との相対的な変位量を計測する。計測値演
算装置１７は、傾斜角度計測装置ＰＳ１、ＰＳ２および
変位量計測装置ＰＤ１、ＰＤ２からの２つの光プローブ
に基づいた傾斜角度の計測値および変位量の計測値によ
り形状の計測値と真直度誤差とを分離して前記傾斜角度
の計測値および変位量の計測値から前記真直度誤差の成
分を取り除く。

【００１７】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、２次元走査により３次元形状計測ができるの
で、小型であって簡単な構成であり、信頼性の高い高精
度測定が可能であり、高速な測定が可能となり、かつ、
任意の自由曲面形状に対して３次元形状計測が可能とな
る。請求項２に記載の発明によれば、請求項１の発明の
効果に加えて、複数の球面波を被測定物に照射すること
により、同時に複数の測定が可能となる。請求項３に記
載の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、複
数の球面波を被測定物に照射することにより、同時に複
数の測定が可能となり、かつ、形状の測定値と真直度誤
差を分離することができるので、高精度な３次元形状計
測が可能となる。請求項４に記載の発明によれば、波長
の異なる光を放射する光源を用いることにより、２つの
光プローブを照射することができ、かつ、識別すること
が容易になる。請求項５に記載の発明によれば、微小開
口形成部材の微小開口と被測定物との間に配置され戻り
光のみを選択的に通過させる戻り光通過手段を有するか
ら、複数の光のクロストークの影響を抑えることができ
る。請求項６に記載の発明によれば、戻り光通過手段が
偏光素子で構成されているから、簡単な構成によい消光
比の高い信号が得ることができる。請求項７に記載の発
明によれば、光放射手段と微小開口形成部材との間に配
置され前記光放射手段からの光を２つの偏光光束に分離
する光束分離手段を有するから、光束分離手段をウオラ
ストンプリズムのような光学異方性材料で構成すること
により、偏光を所望の角度で分離することができるの
で、同一素子を通過しても２つの光プローブを生成する
ことができる。請求項８に記載の発明によれば、ヘテロ
ダイン干渉を用いて、変位量の計測することにより、外
乱の影響を受けにくく、空間分解能の高い測定をするこ
とが可能となる。請求項９に記載の発明によれば、請求
項８に記載の発明の効果に加えて、形状の測定値と真直
度誤差を分離することができるので、高精度な３次元形
状計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態としての３次元形状
測定装置を示す概略正面図である。

【図２】図１の３次元形状測定装置の１部を拡大して示
す部分拡大図である。

【図３】本発明の実施の形態における動作を説明するた
めの図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態としての３次元形状
測定装置の要部を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態としての３次元形状
測定装置の動作を説明するための図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態としての３次元形状
測定装置を示す概略正面図である。

【図７】図６の３次元形状測定装置の戻り光を説明する
ための概略正面図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態としての３次元形状
測定装置を示す概略正面図である。

【図９】図８の３次元形状測定装置の戻り光を説明する
ための概略正面図である。

【符号の説明】

１光放射装置（光放射手段）、２微小開口形成部
材、ＰＨ、ＰＨ１、ＰＨ２微小開口、ＢＳ１、ＢＳ２
ビームスプリッタ、３参照光反射鏡、４、５λ/４
板、６対物レンズ、ＰＳ１、ＰＳ２傾斜角計測装置
（傾斜角計測手段）、ＰＤ１、ＰＤ２変位量計測装置
（変位量計測手段）、７結像レンズ、８被測定物、
９、１０偏光子、１１、１２受光素子、１３戻り
光選択フィルタ、１４参照光反射鏡、１５，１６結
像レンズ、１７計測値演算装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を放射する光放射手段と、微小開口を
有しこの微小開口に前記光放射手段からの光を照射する
ことにより光プローブとなる球面波を発生させて被測定
物に照射する微小開口形成部材と、前記被測定物からの
反射光のうち前記微小開口に再入射する戻り光を受けて
この戻り光の基準点からの距離に基づいて前記被測定物
の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測する傾斜角度
計測手段と、前記戻り光および参照光を受けてこれらの
戻り光および参照光が形成する干渉縞の強度の変化を検
出することにより前記被測定物を前記微小開口形成部材
に対し相対的に移動した時における前記被測定物と前記
微小開口形成部材との相対的な変位量を計測する変位量
計測手段とを有することを特徴とする３次元形状測定装
置。
【請求項２】光を放射する光放射手段と、複数の微小
開口を有しこれらの微小開口に前記光放射手段からの光
を照射ことにより複数の光プローブとなる球面波を発生
させて被測定物に照射する微小開口形成部材と、前記被
測定物からの反射光のうち前記微小開口に再入射する戻
り光を受けてこの戻り光の基準点からの距離に基づいて
前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測
する傾斜角度計測手段と、前記戻り光および参照光を受
けてこれらの戻り光および参照光が形成する干渉縞の強
度の変化を検出することにより前記被測定物を前記微小
開口形成部材に対し相対的に移動した時における前記被
測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位量を計
測する変位量計測手段とを有することを特徴とする３次
元形状測定装置。
【請求項３】光を放射する光放射手段と、複数の微小
開口を有しこれらの微小開口に前記光放射手段からの光
を照射ことにより複数の光プローブとなる球面波を発生
させて被測定物に照射する微小開口形成部材と、前記被
測定物からの反射光のうち前記微小開口に再入射する戻
り光を受けてこの戻り光の基準点からの距離に基づいて
前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測
する傾斜角度計測手段と、前記戻り光および参照光を受
けてこれらの戻り光および参照光が形成する干渉縞の強
度の変化を検出することにより前記被測定物を前記微小
開口形成部材に対し相対的に移動した時における前記被
測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位量を計
測する変位量計測手段と、前記傾斜角度計測手段および
変位量計測手段からの前記複数の光プローブに基づいた
前記傾斜角度の計測値および前記変位量の計測値により
形状の計測値と真直度誤差とを分離する計測値演算手段
とを有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項４】請求項２または３に記載の３次元形状測
定装置において、前記光放射手段は、異なる波長の光を
放射する複数の光源を有し、これらの光源から放射され
る異なる波長の光をそれぞれ前記微小開口形成部材の前
記複数の微小開口に照射することを特徴とする３次元形
状測定装置。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１つに記載の
３次元形状測定装置において、前記微小開口形成部材の
前記微小開口と前記被測定物との間に配置され前記戻り
光のみを選択的に通過させる戻り光通過手段を有するこ
とを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項６】請求項５に記載の３次元形状測定装置に
おいて、前記戻り光通過手段は、偏光素子で構成されて
いることを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項７】請求項２乃至４のいずれか１つに記載の
３次元形状測定装置において、前記光放射手段と前記微
小開口形成部材との間に配置され前記光放射手段からの
光を２つの偏光光束に分離する光束分離手段を有するこ
とを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項８】異なる第１および第２の波長の第１の光
束および第２の光束を放射する２つの光源を有する光放
射手段と、この光放射手段からの前記第１の光束および
第２の光束を分離してそれぞれ第１の被測定光と第１の
参照光および第２の被測定光と第２の参照光を生成する
被測定参照光分離手段と、２つの微小開口を有しこれら
の微小開口に前記第１の被測定光および第２の被測定光
を照射ことにより第１および第２の光プローブとなる第
１および第２の球面波を発生させて被測定物に照射する
微小開口形成部材と、前記第１および第２の光プローブ
を受けた前記被測定物からの第１および第２の反射光の
うち前記微小開口に再入射する第１および第２の戻り光
を受けてこれらの戻り光の基準点からの距離に基づいて
前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測
する第１および第２の傾斜角度計測手段と、前記第１の
戻り光および前記第２の参照光を受けてこれらの第１の
戻り光および第２の参照光が形成するヘテロダイン干渉
縞の強度の変化を検出することにより前記被測定物を前
記微小開口形成部材に対し相対的に移動した時における
前記被測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位
量を計測する第１の変位量計測手段と、前記第２の戻り
光および前記第１の参照光を受けてこれらの第２の戻り
光および第１の参照光が形成するヘテロダイン干渉縞の
強度の変化を検出することにより前記被測定物を前記微
小開口形成部材に対し相対的に移動した時における前記
被測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位量を
計測する第２の変位量計測手段とを有することを特徴と
する３次元形状測定装置。
【請求項９】異なる第１および第２の波長の第１の光
束および第２の光束を放射する２つの光源を有する光放
射手段と、この光放射手段からの前記第１の光束および
第２の光束を分離してそれぞれ第１の被測定光と第１の
参照光および第２の被測定光と第２の参照光を生成する
被測定参照光分離手段と、２つの微小開口を有しこれら
の微小開口に前記第１の被測定光および第２の被測定光
を照射ことにより第１および第２の光プローブとなる第
１および第２の球面波を発生させて被測定物に照射する
微小開口形成部材と、前記第１および第２の光プローブ
を受けた前記被測定物からの第１および第２の反射光の
うち前記微小開口に再入射する第１および第２の戻り光
を受けてこれらの戻り光の基準点からの距離に基づいて
前記被測定物の測定面の基準面に対する傾斜角度を計測
する第１および第２の傾斜角度計測手段と、前記第１の
戻り光および前記第２の参照光を受けてこれらの第１の
戻り光および第２の参照光が形成するヘテロダイン干渉
縞の強度の変化を検出することにより前記被測定物を前
記微小開口形成部材に対し相対的に移動した時における
前記被測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位
量を計測する第１の変位量計測手段と、前記第２の戻り
光および前記第１の参照光を受けてこれらの第２の戻り
光および第１の参照光が形成するヘテロダイン干渉縞の
強度の変化を検出することにより前記被測定物を前記微
小開口形成部材に対し相対的に移動した時における前記
被測定物と前記微小開口形成部材との相対的な変位量を
計測する第２の変位量計測手段と、前記第１および第２
の傾斜角度計測手段および前記第１および第２の変位量
計測手段からの前記第１および第２の光プローブに基づ
いた前記傾斜角度の計測値および前記変位量の計測値に
より形状の計測値と真直度誤差とを分離する計測値演算
手段とを有することを特徴とする３次元形状測定装置。