JP2005274345A - 可動物体又は静止物体の形状測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】時間や手間を掛けることなく高精度の形状測定ができるように、符号を明確化したピーク波数を用いて形状を求めることにより、形状測定値の符号についても正確な測定ができるようにして、従来技術の問題を解決すること。
【解決手段】 パルス光を発光するパルス光源と、このパルス光源からのパルス光を分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された一方のパルス光を略一定周期で動く可動被測定物に照射して、その反射光を物体光とし、他方のパルス光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得する干渉縞取得手段と、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出するための符号検出手段とを有することである。
【選択図】図３

Description

本発明は、可動物体の動的形状測定、又は静止物体の形状測定などの性能評価を行う測定装置及び測定方法に関するものであり、生産技術、光応用計測技術、可動物の動作性能評価、例えばポリゴンミラーの動的形状測定等の分野に応用することができる。

図１に示されているものは、本発明において測定対象となる被測定物の一例であるポリゴンミラーである。このポリゴンミラー１は、レーザプリンターやデジタルコピー機といった画像機器の書き込み光学系に使用されており、軸心１ｂを軸にして高速で回転しながら、光源からポリゴンミラー面１ａに照射された光ビームを高速走査するものである。このポリゴンミラー面１ａは、その形状が設計どおりに成っていないと、走査する光ビームの結像スポット径や結像位置などが所期のものからずれるので、高い形状精度が要求される。
また、ポリゴンミラーの回転数は、画像機器に要求される書き込み速度に応じて決められるが、近年のポリゴンミラーでは高速書き込みのため高速回転が要求され、この高速回転に伴う熱や遠心力の影響等によりミラー面が変形を生じることがある。このように変形したミラー面により反射されたビームは所定の位置に結像しなくなるため、高速回転中のポリゴンミラーの面形状を正確に測定し評価したいという要求がある。

静止状態のポリゴンミラーの面形状測定には干渉計を使用するが、ミラー面が回転していると干渉縞が観察できなくなるため、回転中のポリゴンミラー面の形状を測定することはできない。回転中のポリゴンミラー面の形状を測定する測定器としては、特許第３０１７９９８号公報（ポリゴンミラーの動的面形状測定器）に記載されたものがある。この測定器では、回転中のポリゴンミラー面にレーザビームを走査して、このミラー面の場所による傾きの違いを時間差として検知することにより、回転中のポリゴンミラー面の形状を測定している。
しかしながら、この測定器ではビームを走査するためのメカ駆動部が必要であり、測定時間がかかる上、駆動誤差が測定誤差となる。そして、ミラーの折返しによりメカ駆動部の誤差を補正しているが、補正のために構成要素が多くなるため、それらの設置誤差、位置ずれ誤差等、誤差要因が増えることになる。さらに、面内の空間分解能は走査するビーム径に依存するため、一般に高い空間分解能は望めない。また、空間分解能を上げるためにビーム径を絞ると測定時間が非常に長くなる。

ナノメータオーダの高精度の動的形状測定を高い面内空間分解能をもって、短い測定時間で実現するための測定装置としては、特許第３１５０２３９号公報（微小周期振動変位の測定装置）に記載されたものがある。この測定装置は、被測定物に入力する信号の周期と光源をパルス発光させるための信号の周期との間に僅かな差を与えて、被測定物の表面変位を前記両周期の差に基づくビート信号として測定するものである。ただし、この測定装置では、被測定物の表面変位が完全な周期振動であることが前提となる。上述したようなポリゴンミラーでは機械的な回転運動を行うため、ミラーの回転偏心等により、回転中のミラー面がナノメータオーダで常に同じ位置に戻ることは困難である。即ち、完全な周期運動にはなり難いものである。
したがって、上記特許公報に記載された測定装置では周期の差を検出するため、被測定物の変位の非周期成分が測定誤差となり、正確な測定が困難になる。

また、上記特許第３１５０２３９号公報において参考例として示されている方法では、信号に応じて変位する被測定物に与える信号と同期させて、光源を瞬間的に発光させることにより、表面変位を静止画像データとして取り込むことにより測定している。
しかしながら、この方法においても、被測定物の運動に非周期成分があると、被測定物への変位と光源の発光とに同期がとれなくなり、静止画像データを取得することが困難になって測定できなくなる。

単一の干渉画像を収録して被測定物の表面形状を求める方法としては、例えばフーリエ変換法（「フーリエ変換と光応用計測」光技術コンタクトVol.36，No.2(1998)）など、干渉縞の空間的な強度分布から形状を求める、いわゆる空間変調法がある。この空間変調法と、上記特許第３１５０２３９号公報に記載されている方法である、被測定物に与える信号と同期させて瞬間的に光源を発光させる方法とを組み合わせれば、単一の干渉画像を収録して被測定物の動的形状を測定することができる。したがって、被測定物の運動に非周期成分があり、干渉縞が完全に静止しない場合であっても、任意のタイミングで取り込んだ画像に干渉縞が記録されていれば動的形状の測定が可能となるため、ポリゴンミラー等の非周期な運動成分のある被測定物であっても動的形状測定が可能となる。

しかしながら、フーリエ変換法により形状を測定するとき、空間変調した干渉縞のピーク波数を検出して用いるが、例えば干渉縞をフーリエ変換することによりピーク波数を求める場合、ピーク波数は正負いずれの値も取り得、ピーク波数を正の数として形状を計算したときと、ピーク波数を負の数として形状を計算したときとでは、形状測定値の正負が反転する。測定値の正負が反転すると、面が凹面状に変形しているのか、凸面状に変形しているのかが不明確となる。ピーク波数の符号は、被測定物反射光と参照光との相対的な傾きにより決定されるため、例えば被測定ミラーに対して参照ミラーが右に傾いたときと左に傾いたときとでは水平方向のピーク波数の符号が異なり、また、下向きに傾いたときと上向きに傾いたときとでは垂直方向のピーク波数の符号が異なる。被測定物を測定装置にセットするときのセッティング傾き誤差や干渉縞変動に伴う波数変動により、前記相対的な傾きは任意に変化し、干渉縞をみるだけでピーク波数の符号は決められない場合がある。そこで、静止状態における被測定物の形状を別の形状測定装置であらかじめ測定しておき、本装置により静止状態における被測定物の形状を前もって測定して両結果を比較することによって、ピーク波数の符号と形状測定値の符号との整合を確認しておいてもよいが、静止状態での被測定物の形状を前もって知っておく必要があるため、測定作業に手間がかかる。

特許第３０１７９９８号公報 特許第３１５０２３９号公報 「フーリエ変換と光応用計測」光技術コンタクトVol.36，No.2(1998)

本発明の課題は、時間や手間を掛けることなく高精度の形状測定ができるように、符号を明確化したピーク波数を用いて形状を求めることにより、形状測定値の符号についても正確な測定ができるようにして、従来技術の問題を解決することである。

上記課題に対する解決手段は、物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得し、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出することが基本となる。
〔解決手段１〕（請求項１に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段１は、パルス光を発光するパルス光源と、このパルス光源からのパルス光を分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された一方のパルス光を略一定周期で動く可動被測定物に照射して、その反射光を物体光とし、他方のパルス光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得する干渉縞取得手段と、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出するための符号検出手段とを有することである。
なお、上記「パルス光源」は、パルス光を発光する光源のみに限定するものでなく、連続発光する光源からの光を何らかの手段（例えば、シャッタ等）により、パルス光にする光源手段を含むものとして用いている。また、上記「干渉縞のパワースペクトル」は、これに限定するものではなく「干渉縞の振幅スペクトル」を含むものとして用いている。これらのことは、この明細書のみでなく、特許請求の範囲についても同じである。

〔作 用〕
フーリエ変換法により形状を測定するとき、空間変調した干渉縞のピーク波数を検出して用いるが、干渉縞をみるだけでピーク波数の符号は決められない場合がある。静止状態における被測定物の形状を別の形状測定装置で予め測定しておき、本装置により静止状態における被測定物形状を前もって測定して両結果を比較することによって、ピーク波数の符号と形状測定値の符号との整合を確認しておいてもよいが、静止状態での被測定物形状を前もって知っておく必要があるため、手間がかかる。
この解決手段１によれば、干渉縞のピーク波数の符号検出手段を構成として付加し、符号を明確化したピーク波数を用いて形状を求めるので、手間をかけずに形状測定値の符号についても正確な測定をすることが可能である。

〔実施態様１〕（請求項２に対応）
実施態様１は、上記解決手段１の動的形状測定装置において、可動被測定物の動きと、パルス光源の発光タイミングと、符号検出手段の検出タイミングを調整するタイミング調整手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様１の作用は、前記解決手段１の作用と共通するものである。

〔実施態様２〕（請求項３に対応）
実施態様２は、上記解決手段１又は実施態様１の動的形状測定装置において、符号検出手段は、可動被測定物に光を照射する符号検出用光源と、該可動被測定物からの反射光の位置を検出する位置検出手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様２では、符号検出用光源により、干渉測定光学系の光軸以外の方向から被測定物に光を照射し、該被測定物からの反射光を位置検出手段にて受光する。該干渉測定光学系における参照光の光軸と該反射光の光軸が略一致したときの位置検出手段の出力を把握しておけば、形状測定時の位置検出手段の出力をモニターすることにより、参照光と被測定物からの反射光との相対的な傾きを検出することができる。

〔実施態様３〕（請求項４に対応）
実施態様３は、上記解決手段１又は実施態様１の動的形状測定装置において、符号検出手段は、物体光と参照光を結像させる結像手段と、該結像手段により結像された該物体光による物体光像と該参照光による参照光像の位置を検出する位置検出手段を有することである。
〔作 用〕
被測定物からの反射光を分岐して所定位置に結像させ、該被測定物からの反射光の光軸と略垂直な平面内での位置を検出することにより、参照光と該被測定物からの反射光との相対的な傾きを検知することができる。

〔実施態様４〕（請求項５に対応）
実施態様４は、上記実施態様３の動的形状測定装置において、物体光像の形状と参照光像の形状が異なる光学系を有することである。
〔作 用〕
前記実施態様３によれば、被測定物からの反射光を部分的に取り出して像を作り、その像の位置を検出することによって、干渉縞のピーク波数の符号を求めている。しかしながら、被測定物からの反射光を部分的に取り出すための光学系の配置によっては、該反射光による像と参照光による像の２つの像が現れる。この参照光による像の位置を所定位置に決めておいて、該参照光の像に対する該反射光の像の相対的位置関係を求めればよいが、該参照光による像の位置は時間がたつと移動する可能性がある。その場合、２つの像のうちどちらが被測定物からの反射光によるものかが判らなくなるため、上記ピーク波数の符号が把握できなくなる。
この実施態様４では、参照面と反射面の大きさ又は形態を異なるものとすることにより、反射像の大きさ、形態、又は明るさに違いを生じさせ、両像の識別を可能にしている。

〔実施態様５〕（請求項６に対応）
実施態様５は、上記実施態様４の動的形状測定装置において、物体光像の形状と参照光像の形状を識別する像識別手段を有することである。
〔作 用〕
前記実施態様３において、参照面と被測定物の反射面との間で形態や大きさが似通っていると、反射像の大きさや形態が似通ってくるため、像の相違を検出し難くなる。
この実施態様５では、２つの像の大きさ、形状、又は明るさを検出することにより、どちらが被測定物からの反射光による像かを識別するための像識別手段を構成に加えることによって、２つの像の相対的位置関係を把握可能にしている。

〔実施態様６〕（請求項７に対応）
実施態様６は、上記解決手段１、又は実施態様１〜実施態様５のいずれかの動的形状測定装置において、光源は可干渉距離の短い光源であり、干渉縞の振幅スペクトルから可動被測定物の略照射光光軸方向における位置を検出するための位置検出手段を有することである。
〔作 用〕
可動物体の中には、可動部が並列に並べられ、それぞれが運動するものがある。例えば、図２に示されているポリゴンミラーアレイでは、２ａ,２ｂがそれぞれポリゴンミラーであって、共通の軸心２cを回転軸にしてそれぞれ回転する。このような可動物体の場合、回転中の各ポリゴンミラー面の形状を測定することも必要であるが、加えて各ポリゴンミラー面の相対的な位置関係を測定したいという要求がある。しかし、これまでに述べたような干渉計測の原理では不連続領域を挟んだ形状測定値の関連性がなくなるため、各ポリゴンミラー２ａ,２ｂの相対的な位置関係が分からなくなる。
この実施態様６では、光源に低コヒーレンス光源を用い、参照光路長と物体光路長の相違により干渉縞のコントラストが変わるという低コヒーレンス干渉の原理を用いて、各ポリゴンミラー２ａ,２ｂのミラー面上で発生した干渉縞の振幅スペクトルの差を検出することにより、不連続領域を挟んだ形状測定値に関連性を持たせている。これにより、不連続領域を挟んだ面であっても相互の位置関係を把握した上で、各面の形状を測定することができる。

〔解決手段２〕（請求項８に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段２は、光源と、この光源からの光を分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された一方の光を可動被測定物に照射してその反射光を物体光とし、他方の光を参照光として、該物体光と参照光を干渉させることにより発生する干渉縞を、該可動被測定物の動作速度に対して十分短い時間幅で受光するための干渉縞受光手段と、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出する符号検出手段とを有することである。
〔作 用〕
前記解決手段１の動的形状測定装置では、被測定物の動作速度に対して十分短い時間幅のパルス光を被測定物に照射することにより、被測定物の動きの影響を受けずに干渉縞を発生させている。これに対して、光源に連続発光（ＣＷ）光源を用いて、干渉縞を受光する手段の干渉縞露光の時間幅を被測定物の動作に対して十分短くすることによっても、被測定物にパルス光を照射する場合と同様に、被測定物の動きの影響を受けずに干渉縞を発生させることができる。この解決手段２においても、前記解決手段１と同様の効果を得ることができる。

〔解決手段３〕（請求項９に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段３は、光源と、この光源からの光を分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された一方の光を被測定物に照射してその反射光を物体光とし、他方の光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得する干渉縞取得手段と、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出する符号検出手段とを有することである。
〔作 用〕
この解決手段３の作用は、前記解決手段１の作用と共通するものである。

〔実施態様７〕（請求項１０に対応）
実施態様７は、上記解決手段３の形状測定装置において、符号検出手段は、被測定物に光を照射する符号検出用光源と、該被測定物からの反射光の位置を検出する位置検出手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様７の作用は、前記実施態様２の作用と共通するものである。

〔実施態様８〕（請求項１１に対応）
実施態様８は、上記解決手段３の形状測定装置において、符号検出手段は、物体光と参照光を結像させる結像手段と、該結像手段により結像された該物体光による物体光像と該参照光による参照光像の位置を検出する位置検出手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様８の作用は、前記実施態様３の作用と共通するものである。

〔実施態様９〕（請求項１２に対応）
実施態様９は、上記実施態様８の形状測定装置において、物体光像の形状と参照光像の形状が異なる光学系を有することである。
〔作 用〕
この実施態様９の作用は、前記実施態様４の作用と共通するものである。

〔実施態様１０〕（請求項１３に対応）
実施態様１０は、上記実施態様９の形状測定装置において、物体光像の形状と参照光像の形状を識別する像識別手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様１０の作用は、前記実施態様５の作用と共通するものである。

〔実施態様１１〕（請求項１４に対応）
実施態様１１は、上記解決手段３、又は実施態様７〜実施態様１０のいずれかの形状測定装置において、光源は可干渉距離の短い光源であり、干渉縞の振幅スペクトルから被測定物の略照射光光軸方向における位置を検出するための位置検出手段を有することである。
〔作 用〕
この実施態様１１の作用は、前記実施態様６の作用と共通するものである。

〔解決手段４〕（請求項１５に対応）
上記課題を解決するために講じた解決手段４は、光源から発光される可干渉距離の短い光を分割し、この分割された一方の光を可動被測定物に照射してその反射光を物体光とし、他方の光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得し、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出し、該干渉縞の振幅スペクトルから上記可動被測定物の略照射光光軸方向における位置を検出する動的形状測定方法であって、上記取得した干渉縞の画像において複数の領域に分割し、分割した各領域ごとに求めた干渉縞のピーク波数を用いて上記可動被測定物の形状又は位置を測定することである。

〔作 用〕
前記実施態様６の動的形状測定装置により、図２に示されているポリゴンミラーアレイのように独立した複数の領域で干渉縞が発生する場合において、各ポリゴンミラー２ａ,２ｂで偏心特性や形状特性がほぼ同じであれば、干渉画像における各ポリゴンミラー２ａ,２ｂが観察される領域で、ほぼ同じピーク波数の干渉縞が観察される。しかし、偏心特性や形状特性が異なれば、領域ごとにピーク波数の異なる干渉画像が得られる。ピーク波数を用いて形状を演算するとき、ピーク波数近傍での干渉縞の歪みが検出されるため、実際の干渉縞のピーク波数に近い干渉縞のピーク波数を計算で求めた方が、測定精度が高い。
この解決手段４では、上述のように干渉画像における領域ごとで干渉縞のピーク波数が異なる場合、干渉画像における複数の領域を分割し、分割した各領域ごとで干渉縞のピーク波数を求めて被測定物の動作中における形状又は位置を求める。これにより、測定精度を向上させることができる。

本発明の効果を主な請求項毎に整理すると、次ぎのとおりである。
(１) 請求項１、請求項２及び請求項９に係る発明
干渉縞のピーク波数の符号検出手段を構成として付加し、符号を明確化したピーク波数を用いて形状を求めることにより、手間をかけずに形状測定値の符号についても正確な測定をすることができる。
(２) 請求項３及び請求項１０に係る発明
形状測定時に位置検出手段の出力をモニターすることにより、参照光と被測定物からの反射光との相対的な傾きを検知できるので、干渉縞ピーク波数の符号が明確になり、形状測定値の符号を明確化することができる。

(３) 請求項４及び請求項１１に係る発明
参照光と被測定物からの反射光との相対的な傾きを検知することにより、干渉縞ピーク波数の符号が明確になり、形状測定値の符号を明確化することができる。
(４) 請求項５及び請求項１２に係る発明
参照面と反射面の大きさ、又は形態を異なるものとすることにより、反射像の大きさ、形態、又は明るさに違いを生じさせ、両像の識別を可能にすることより、干渉縞ピーク波数の符号が明確になり、形状測定値の符号を明確化することができる。

(５) 請求項６及び請求項１３に係る発明
２つの像の大きさ、形状、又は明るさを検知して、どちらが被測定物からの反射光による像かを識別するための像識別手段を構成に加えることにより、２つの像の相対的位置関係を把握可能となるので、干渉縞ピーク波数の符号が明確になり、形状測定値の符号を明確化することができる。
(６) 請求項７及び請求項１４に係る発明
光源に低コヒーレンス光源を用い、参照光路長と物体光路長の相違により干渉縞のコントラストが変わるという低コヒーレンス干渉の原理を用いて、それぞれのポリゴンミラー２ａ,２ｂの各ミラー面上で発生した干渉縞の振幅スペクトルの差を検出して、不連続領域を挟んだ形状測定値に関連性をもたせることにより、不連続領域を挟んだ面であっても相互の位置関係を把握した上で、各面の形状を測定し得るばかりでなく、測定の機能性を高めることができる。

(７) 請求項８に係る発明
光源に連続発光（ＣＷ）光源を用い、干渉縞を受光する手段の干渉縞露光の時間幅を被測定物の動作に対して十分短くすることによっても、請求項１に係る発明のような被測定物にパルス光を照射する場合と同様に、被測定物の動きの影響を受けずに干渉縞を発生させることができる。これにより、請求項１に係る発明と同様の効果を生じる。
(８) 請求項１５に係る発明
干渉画像における領域ごとで干渉縞のピーク波数が異なる場合、干渉画像における複数の領域を分割し、分割した各領域ごとで干渉縞のピーク波数を求めて被測定物の動作中における形状、又は位置を求めることにより、測定精度を向上することができる。

時間や手間を掛けることなく高精度の形状測定ができるようにするという目的を、物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得して、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出することにより実現した。

本発明の実施例１（請求項１〜３、請求項８〜１０に対応）について、図３〜図６を参照しながら説明する。図３は形状測定装置の構成を示し、図４は半導体レーザへの信号と被測定物への信号のタイミングを示しており、図５は空間変調された干渉縞を示し、また図６はポリゴンミラーの回転速度について説明している。
図３において、３は所定のパルス幅のパルス光を発光する光源の半導体レーザであり、４は半導体レーザからの光の強度を調整するためのＮＤフィルタであり、５はビームエキスパンダである。この半導体レーザ３の光は、図示しないビーム整形レンズとコリメートレンズにより平行化されている。ビームエキスパンダ５により拡大された光の一部はビームスプリッター６を透過し、他の一部は該ビームスプリッター６で反射される。このビームスプリッター６を透過した光は、被測定物であるポリゴンミラー１に照射され、このポリゴンミラー１にて反射された光は往きの光路を逆行して、該ビームスプリッター６にて反射され、レンズ７を介してＣＣＤカメラ８に到達する。一方、上記ビームスプリッター６にて反射された光はミラー９を照射し、このミラー９にて反射された光は往きの光路を逆行して、該ビームスプリッター６を透過して、レンズ７を介して上記ＣＣＤカメラ８に到達する。

上記ポリゴンミラー１にて反射された物体光と上記ミラー９にて反射された参照光について、物体光の光路長と参照光の光路長との差を光源の半導体レーザのコヒーレンス長以下に設定しておき、物体光と参照光の光軸を略一致させれば、両者は干渉をおこして干渉縞が発生する。上記レンズ７は被測定物１の像がＣＣＤカメラの撮像面上で結像するように、その位置が調整されている。上記物体光と参照光との間で発生した干渉縞はＣＣＤカメラ８にて撮像され、フレームグラバー１０にてキャプチャされてコンピュータ１１に転送され、このコンピュータ１１のメモリに記憶されると共に、該コンピュータ１１のモニターに表示される。

被測定物が図３に示す光学系の光軸と略平行な方向に変位する物体である場合は、この被測定物の動作中に任意のタイミングで被測定物にパルス光を照射すればよいが、ポリゴンミラー１のように光学系の光軸に対する被測定面の角度が動作中に変化し、面を複数有する多面体の場合は、被測定物の回転に伴い、被測定物の光を照射する面の角度が時間によって変化する。そのために、任意のタイミングでは被測定物からの反射光と参照光とが干渉しないので、干渉縞画像を観察することができない。したがって、被測定物の回転とパルス光の照射との間で同期をとったうえで、両者のタイミングを調整する必要がある。図３において、１２はポリゴンミラーを回転させるためのドライバ１３に対して信号を出力するパルスジェネレータである。このパルスジェネレータ１２は２つ以上のチャンネルをもち、ポリゴンミラードライバ１３に信号を出力する以外のチャンネルを用いて、半導体レーザドライバ１４に対してパルス光を照射するためのトリガー信号を出力する。同一のパルスジェネレータ１２からの信号を用いることにより、該ポリゴンミラー１の駆動とパルス光照射との同期をとることができる。例えば、ポリゴンミラー１の回転数が１８００ｒｐｍであれば、このポリゴンミラー１のある特定の面が同じ位置に戻る周波数は３０Ｈｚとなる。そのため３０Ｈｚの周波数で上記半導体レーザドライバ１４に発光のトリガー信号を繰返し出力して、上記ポリゴンミラー１の特定の面における干渉縞が観察できるまで、図４に示すようにポリゴンミラー１への信号と半導体レーザドライバ１４への信号の位相を調整する。

この位相調整は、パルスジェネレータ１２が保有する回転ノブなどによるチャンネル間の位相調整機能を利用すればよい。チャンネル間の位相調整によってポリゴンミラー１の任意の面が光学系の光軸に対して略垂直となり、ポリゴンミラー面上に発生した干渉縞が観察できるようになる。特定の面を測定する場合は、その面に印をつけておき、印のついた面の干渉縞が観察されるまで位相調整を実施すればよい。上述の場合では、半導体レーザ３の発光周波数をポリゴンミラー１の回転周波数と一致させたが、該半導体レーザ３の発光周波数をポリゴンミラー１の回転周波数の約数に設定しても、同様に干渉縞を観察することができる。上記半導体レーザ３の発光周波数がＣＣＤカメラ８の撮像周波数（フレームレート）を上回った場合は、この半導体レーザ３の発光周波数をＣＣＤカメラ８の撮像周波数で割算した商の整数値だけ平均化した干渉画像が得られることになる。また、該半導体レーザ３の発光周波数がＣＣＤカメラ８の撮像周波数を下回る場合は、この半導体レーザ３の発光に同期してＣＣＤカメラドライバ１５にトリガーをかければ、欠落なく画像を撮像することができる。上述の場合では、半導体レーザ３の発光とポリゴンミラー１の回転とで同期をとったが、ＣＣＤカメラ８の撮像とポリゴンミラー１の回転とで同期をとっても同様の効果が得られる。また、半導体レーザ３からのパルス光は、リニア変調をかけて生成してもよいし、パルス変調をかけて生成してもよい。パルス光源としては半導体レーザだけでなく、固体レーザ等の他のパルスレーザを用いても良い。

図５には、図３の光学系により観測されるポリゴンミラー面１ａの像と、ポリゴンミラー面上に発生した干渉縞１ｄの様子を示している。１１ａはコンピュータモニターを表している。
図６において、ポリゴンミラー１における回転に伴う面外変位の様子を示しているが、ミラー面の中心からの距離ｘに応じてポリゴンミラー中心からの距離ｒが変化するため、ミラー面では場所によって変位速度Ｖが変わり、(１)式のように表される。

ｆはポリゴンミラーの回転周波数であり、他の記号は図６に示す通りである。光源のパルス発光時間中におけるポリゴンミラー面の変位量が光源波長の半分より小さければ、ポリゴンミラー面の全面で十分コントラストの高い干渉縞を得ることができる。

図５に示された干渉縞において、ポリゴンミラー面反射光の光軸と参照光の光軸が略一致したとき干渉縞の本数は最も少なくなるが、ここでは単一の干渉縞画像からポリゴンミラー面の表面形状を求めるために、干渉縞に空間的な変調をかける。すなわち、ポリゴンミラー面反射光と参照光の光軸を傾けて多数の干渉縞を発生させる。そして、ポリゴンミラー面の表面に凹凸があると、この凹凸により干渉縞の明暗分布が変化するため、その変化を検出することによりポリゴンミラー面の表面形状を求めることができる。ポリゴンミラーを測定する場合、このポリゴンミラーの回転平面と垂直な方向（ここでは、Ｙ方向と呼ぶ）におけるポリゴンミラー面反射光と参照光との傾きは、参照ミラーかポリゴンミラーのどちらかをＹ方向に傾けておくことにより与えることができる。また、ポリゴンミラーの回転平面と平行な方向（ここでは、Ｘ方向と呼ぶ）におけるポリゴンミラー面反射光と参照光との傾きは、ポリゴンミラーに供給する信号と半導体レーザ光源を発光させるための信号のタイミングを調整することにより与えることができる。ポリゴンミラー面反射光と参照光の光軸との傾きが大きくなるほど、干渉縞の本数が多くなる。

干渉縞画像から形状を求める計算処理方法について、空間変調した干渉縞の強度分布は次の(２)式にて表される。この(２)式において、ｘ，ｙはＣＣＤカメラの撮像面上での座標を表し、ｇ(ｘ,ｙ)は干渉縞強度分布、ａ(ｘ,ｙ)は干渉縞のバックグラウンド強度分布、ｂ(ｘ,ｙ)は干渉縞の振幅分布、φ(ｘ,ｙ)はポリゴンミラー面形状に対応した干渉縞の位相分布を表している。

上記(２)式において、形状測定に不要な項ａ(ｘ,ｙ)とｂ(ｘ,ｙ)を除去し、ポリゴンミラー面反射光の位相φ(ｘ,ｙ)を抽出して、それを形状に変換することにより、表面形状が求められる。空間変調法では、参照光と物体反射光との間に傾きを与えた状態で両者を干渉させることにより、(３)式に示されるような空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０をもつ干渉縞を得る。

上記(３)式の干渉画像を変数ｘ，ｙについてフーリエ変換すると、(４)式に示すような二次元空間周波数スペクトルが得られる。ここで、*は複素共役、Ａ(ｆ_Ｘ,ｆ_Ｙ)はａ(ｘ,ｙ)のフーリエスペクトルを表し、Ｃ(ｆ_Ｘ,ｆ_Ｙ)は、(５)式で表される干渉縞の複素振幅分布ｃ(ｘ,ｙ)のフーリエスペクトルを表す。

空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０に対してバックグラウンド強度分布ａ(ｘ,ｙ)や干渉縞の複素振幅分布ｃ(ｘ,ｙ)の変化がゆるやかであれば、各スペクトルがキャリヤ周波数により分離されるため、(４)式における第２項の成分のみを抽出し、フーリエスペクトル座標における原点の位置に移動することにより空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０を取り除き、Ｃ(ｆ_Ｘ,ｆ_Ｙ)を得ることができる。空間キャリヤ周波数ｆ_Ｘ０とｆ_Ｙ０は、干渉縞画像をフーリエ変換したときのＸ方向、Ｙ方向のピーク波数からそれぞれ求めることができる。スペクトルＣ(ｆ_Ｘ,ｆ_Ｙ)の逆フーリエ変換により(５)式の複素振幅分布が得られる。得られた複素振幅の虚部と実部の比のアークタンジェントをとることにより、(６)式のように位相φ(ｘ,ｙ)を求めることができ、(６)式の位相を形状に変換することにより被測定物の表面形状を求めることができる。

図３に示された形状測定装置により、干渉縞のピーク波数の符号を検知する方法について説明する。１６はポリゴンミラー１に連続光を照射するための半導体レーザであり、１７は半導体レーザ１６を駆動するためのドライバである。１８はポリゴンミラー１からの反射光を受光し、その位置を検出するための位置検出素子である。上記半導体レーザ１６からの光は、図示しないビーム整形レンズとコリメートレンズにより平行化されている。上記位置検出素子１８は、水平、垂直方向における光の受光位置に応じてそれぞれ出力電流が変化する素子であり、この位置検出素子１８の出力により、ポリゴンミラー１により反射された半導体レーザ１６からの光の位置検出素子上における位置を検知することができる。１９は該位置検出素子１８からの出力を電流から電圧に変換するための電流電圧変換器であり、２０は電流電圧変換器１９からのアナログ電圧出力をデジタル電圧に変換するＡ／Ｄ変換器である。上記位置検出素子１８の出力は、これらの変換器を介してデジタルデータとしてパソコン１１に取り込まれる。

ポリゴンミラー１を静止させた状態で干渉縞を発生させ、干渉縞がＣＣＤ画像で１本以下になるまで参照光とポリゴンミラー反射光の光軸を合わせる。その状態で、ポリゴンミラー１にて反射された半導体レーザ１６からの光の位置検出素子１８における位置出力が、所定の値（例えば、ｘ，ｙ方向とも出力が略０）になるように、位置検出素子１８の位置を決めておく。また、パルスジェネレータ１２から半導体レーザドライバ１４に入力する信号と同じタイミングの信号をＡＤ変換器２０にトリガー信号として入力し、トリガー信号が入った時の位置出力のみ取り出すようにする。それにより、半導体レーザ３が発光したときにおける位置検出素子１８の出力を抽出することができる。位置検出素子１８の出力をもとにポリゴンミラー反射光の参照光に対する傾きがわかるため、それにより干渉縞のピーク波数の符号を把握する。したがって、動的形状測定において、位置検出素子１８からの出力をもとに干渉縞ピーク波数の符号を求めることにより、形状測定値の符号が明確化される。位置検出素子にはＣＣＤカメラを用いてもよく、そのときにはポリゴンミラー１による半導体レーザ１６からの光のスポット像を画像にて把握できるため、画像処理にてスポット位置を検出することにより、上記と同様の作用が得られる。

被測定物が動作せず静止している場合は、測定に用いる光源はＣＷ光源でよく、その場合には、光の照射や画像の取り込みのタイミングを調整するための構成や手順はなくてもよい。
また、本実施例ではポリゴンミラーを被測定物の例として示したが、ＤＭＤや共振ミラー等の鏡面可動物にも適用可能である。

本発明の実施例２（請求項４,１１に対応）について、図７及び図８を参照しながら説明する。
図７は形状測定装置の構成を示し、図８はポリゴンミラーと参照ミラーそれぞれの反射像の違いを示す図である。
２１はポリゴンミラー１からの反射光と参照ミラー９からの反射光の合成光の一部を反射するビームスプリッタであり、２２はレンズ７による該合成光のほぼ結像位置に設置されたＣＣＤカメラである。このＣＣＤカメラ２２により撮像された画像は、フレームグラバ１０を介してパソコン１１に取り込まれる。該ＣＣＤカメラ２２では参照光とポリゴンミラー反射光の各スポット像が観察され、該参照光の光軸とポリゴンミラー反射光の光軸がほぼ一致していると、両スポット像はほぼ重なって観察され、両光軸が傾いていると図８に示すようにポリゴンミラー１によるスポット像２３と参照光によるスポット像２４は分離して観察される。

測定装置の初期設定として、参照光のスポット像２４がＣＣＤ２２の所定の位置、例えば画像の中心にくるように参照ミラー９の傾きを調整して決めておいてから、形状が既知の被測定物を静止させて測定装置にセットして干渉縞を発生させる。形状測定の際、干渉縞を空間的に変調する必要があるために、被測定物を傾けてポリゴンミラー１によるスポット像２３を参照光によるスポット像２４から分離させる。図８に示すように第１〜４象限のうち、例えば第２象限に被測定物の反射スポット像がくるよう被測定物の傾きを調整して干渉縞を空間変調し、測定を実施する。測定結果の形状の凹凸が既知の形状と一致するように、Ｘ方向とＹ方向の干渉縞の波数の符号を決め、同様に被測定物の反射スポット像が観察される象限を変えて、Ｘ方向とＹ方向の干渉縞の波数の符号と各象限との関係を求める。それにより実際の被測定物を測定する際に、被測定物の反射スポット像のＣＣＤ画像内での象限を検出することにより、形状の符号を求めることができる。ポリゴンミラー１のように、面倒れや回転周波数変動があって非周期運動成分が大きい被測定物の場合、測定時に被測定面の角度が時間的に変化し形状の符号が不確かになるが、そのような場合でも、干渉縞取得時に被測定物からの反射スポット像について図８に示すような画像内での象限を検出すれば、形状の符号を明確化できる。

本発明の実施例３（請求項５,６,１２,１３に対応）について、図７及び図９を参照しながら説明する。図７は形状測定装置の構成を示し、図９はポリゴンミラーと参照ミラーそれぞれの反射像の形状の違いを示す図である。
ポリゴンミラー１からの反射像と参照ミラー９からの反射像を、ＣＣＤカメラ２２で撮像すると、例えば図９に示すような画像が得られる。この図９において、２５がポリゴンミラー１による反射像であり、２４が参照ミラー９による反射像である。ポリゴンミラー１による反射像２５は矩形であり、参照ミラー９による反射像２４は円形であるため、両反射像の形態の相違は画像処理にて容易に検知することができる。参照光の光軸は、参照ミラー像の位置を検出することで把握できるため、ポリゴンミラー反射光と参照光の相対的な傾きがわかる。それにより、干渉縞のピーク波数の符号を把握することができるため、動的形状測定においてＣＣＤカメラ２２からの出力をもとに干渉縞ピーク波数の符号を求めることにより、形状測定値の符号が明確化される。

また、前記実施例２（図７参照）の測定装置において、例えば、被測定物の反射面が参照ミラーと同じような直径の球形である場合は、参照光による像と被測定物反射光による像とを識別することが困難である。その場合には、例えば、該参照ミラーを矩形形状にすれば、形態の違いから参照光による像と被測定物の反射光による像が識別できるようになる。また、球形の参照ミラーであっても、その直径を被測定物の反射面に対して大きくしたり小さくしたりすれば、反射像の明るさが両者で異なるので、この明るさの違いを検知することにより、参照光による像と被測定物の反射光による像が識別できるようになる。

本発明の実施例４（請求項７,１４,１５に対応）について、図２、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図２はポリゴンミラーアレイの概略を示し、図１０及び図１１は、ポリゴンミラーアレイの高さの差による干渉縞コントラストの違い、及びこの違いに依存する振幅スペクトルの差を示す。
前記実施例１（図３参照）又は実施例２（図７参照）において、光源３にコヒーレンス長が短いものを用い、被測定物には図２に示すようなポリゴンミラーアレイ２をセットする。測定において干渉縞を発生させたとき、膨張の差などの理由により各ポリゴンミラー２ａ，２ｂにおいて高さの差（各ポリゴンミラーのミラー面の位置の差）が生じると、図１０において概略的に示すように各ポリゴンミラー２ａ，２ｂにおいてコントラストの異なる干渉縞が得られる。参照光路長と物体光路長が最もよく一致したとき、干渉縞のコントラスト（干渉縞の明るい部分と暗い部分の比）は最も高くなり、両光路長の差が大きくなるにつれて干渉縞のコントラストは低くなる。

したがって、干渉縞コントラストと高さとの関係を予め実測するなどして明確にしておけば、干渉縞コントラストを検出することにより被測定面の高さ、即ち、形状を求めることができる。半導体レーザ３のコヒーレンス長は一般に短いが、スーパールミネッセンスダイオードなどではコヒーレンス長が数μｍレベルのものがあり、コヒーレンス長の短さを活かした高さ（形状）測定では、コヒーレンス長が短いほど高さに伴うコントラスト変化が顕著になり高さ測定の分解能が上がる。

次に、処理方法を説明する。干渉縞の強度分布は前記(３)式のように表すことができる。各ポリゴンミラー２ａ,２ｂにおいて干渉縞のピーク波数が略等しい場合は、同じピーク波数を用いてそれぞれの干渉縞のフーリエスペクトルＣａ(ｘ,ｙ)、Ｃｂ(ｘ,ｙ)を求め、それらを用いて(７)式により干渉縞の振幅スペクトルを求めることができるため、各ポリゴンミラー２ａ,２ｂの干渉縞の振幅スペクトルＡａ(ｘ,ｙ)、Ａｂ(ｘ,ｙ)がそれぞれ求められる。

図１１に振幅スペクトル分布の計算結果例の概略図が示されているが、それぞれのポリゴンミラー２ａ,２ｂにおいて高さの差が振幅スペクトルの明るさの差として生じる。上記各ポリゴンミラー２ａ,２ｂの領域を構成しているＣＣＤ画素の平均の差を求めることにより、上記それぞれのポリゴンミラー２ａ,２ｂの高さの差を求めることができる。また、上記振幅スペクトルはＣＣＤカメラの画素毎に得られるため、この画素毎にポリゴンミラーの高さを求めてもよい。ＣＣＤカメラの各画素では、実施例１（図３参照）に記載したように、干渉縞の位相スペクトルも同時に得られて形状を求めることができるため、ＣＣＤカメラの各画素により振幅スペクトルによる高さ測定値と位相スペクトルによる形状測定値を同時に得ることができる。また、上述の説明では、２つのポリゴンミラーを測定する場合について説明したが、それ以上の数のポリゴンミラーであっても同様に測定することができる。

前記実施例４（図１０、図１１参照）の装置の処理方法において、それぞれのポリゴンミラー２ａ,２ｂにおいて干渉縞のピーク波数が異なる場合は、例えばパソコンモニター上に表示した干渉画像において、上記各ポリゴンミラー２ａ,２ｂに相当する領域をマウスカーソルで囲うなどして、それぞれ独立した領域としておき、ＣＣＤ画像のそれぞれの領域でフーリエ変換を実行してピーク波数を求め、それぞれを用いて干渉縞のフーリエスペクトルＣａ(ｘ,ｙ)、Ｃｂ(ｘ,ｙ)を求める。このフーリエスペクトルから振幅スペクトルを求め、該振幅スペクトルから高さ測定値を得ることができる。それにより、上記各ポリゴンミラー２ａ,２ｂで干渉縞のピーク波数が異なっている場合でも、高精度な測定を行うことができる。

本発明の実施例５（請求項８に対応）について、図３を参照しながら説明する。図３は形状測定装置の構成を示す。
前記実施例１（図３参照）においては、パルスジェネレータ１２からポリゴンミラードライバ１３と半導体レーザドライバ１４に対してトリガー信号を出力し、これによりポリゴンミラーの駆動とパルス光照射との同期をとって干渉縞を発生させていた。ここで、半導体レーザ３はそのドライバ１４の駆動電圧を一定にすれば連続発光させることができる。また、パルスジェネレータ１２からのトリガー信号をＣＣＤカメラドライバ１５に入力することにより、ポリゴンミラーの回転に同期した干渉画像をＣＣＤカメラ８により収録することができる。回転中におけるポリゴンミラー面の測定光学系光軸方向への変位量が半導体レーザ３の波長の半分以下になるような露光時間で、干渉縞をＣＣＤカメラの受光面に露光すれば、半導体レーザ３の発光時間幅を短くするのと同様に、ポリゴンミラー面全体にわたって発生した干渉縞の画像を取得することができる。ＣＣＤが機能として持っているシャッターが開く時間の調整により、ＣＣＤの露光時間を調整することができる。高速度カメラを用いればより短い時間での露光が可能となり、より高速で回転するポリゴンミラーに対しても干渉縞を発生させて測定を行うことができる。

は、ポリゴンミラーの概略を説明する模式図である。 は、ポリゴンミラーアレイの概略を説明する模式図である。 は、本発明の実施例１の形状測定装置の構成を説明する模式図である。 は、半導体レーザへの信号と被測定物への信号のタイミングを説明する図である。 は、空間変調された干渉縞を説明する図である。 は、ポリゴンミラーの回転速度を説明する図である。 は、実施例２の形状測定装置の構成を説明する図模式である。 は、ポリゴンミラーによる反射像と参照ミラーによる反射像の違いを説明する図である。 は、ポリゴンミラーによる反射像と参照ミラーによる反射像の違いを説明する図である。 は、ポリゴンミラーアレイにおける各ミラー面の高さの差による干渉縞コントラストの相違を説明する図である。 は、上記干渉縞コントラストの相違に依存する振幅スペクトルの相違を説明する図である。

符号の説明

１‥‥ポリゴンミラー １ａ‥‥ミラー面
１ｄ‥‥干渉縞 ２‥‥ポリゴンミラーアレイ
２ａ,２ｂ‥‥ポリゴンミラー ３‥‥半導体レーザ（光源）
６，２１‥‥ビームスプリッター ８，２２‥‥ＣＣＤカメラ
９‥‥ミラー １０‥‥フレームグラバー
１１‥‥コンピュータ １２‥‥パルスジェネレータ
１６‥‥半導体レーザ １８‥‥位置検出素子
１９‥‥電流電圧変換器
２３,２５‥‥スポット像（ポリゴンミラーの反射光による）
２４‥‥スポット像（参照光による）

Claims (15)

1. パルス光を発光するパルス光源と、
   このパルス光源からのパルス光を分割する光分割手段と、
   この光分割手段で分割された一方のパルス光を略一定周期で動く可動被測定物に照射して、その反射光を物体光とし、他方のパルス光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得する干渉縞取得手段と、
   この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出するための符号検出手段と、
   を有することを特徴とする動的形状測定装置。
2. 上記可動被測定物の動きと、上記パルス光源の発光タイミングと、上記符号検出手段の検出タイミングを調整するタイミング調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の動的形状測定装置。
3. 上記符号検出手段は、上記可動被測定物に光を照射する符号検出用光源と、該可動被測定物からの反射光の位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動的形状測定装置。
4. 上記符号検出手段は、上記物体光と参照光を結像させる結像手段と、該結像手段により結像された該物体光による物体光像と該参照光による参照光像の位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の動的形状測定装置。
5. 上記物体光像の形状と上記参照光像の形状が異なる光学系を有することを特徴とする請求項４に記載の動的形状測定装置。
6. 上記物体光像の形状と上記参照光像の形状を識別する像識別手段を有することを特徴とする請求項５に記載の動的形状測定装置。
7. 上記光源は可干渉距離の短い光源であり、上記干渉縞の振幅スペクトルから上記可動被測定物の略照射光光軸方向における位置を検出するための位置検出手段を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の動的形状測定装置。
8. 光源と、
   この光源からの光を分割する光分割手段と、
   この光分割手段で分割された一方の光を可動被測定物に照射してその反射光を物体光とし、他方の光を参照光として、該物体光と参照光を干渉させることにより発生する干渉縞を、該可動被測定物の動作速度に対して十分短い時間幅で受光するための干渉縞受光手段と、
   この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出する符号検出手段と、を有することを特徴とする動的形状測定装置。
9. 光源と、
   この光源からの光を分割する光分割手段と、
   この光分割手段で分割された一方の光を被測定物に照射してその反射光を物体光とし、他方の光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得する干渉縞取得手段と、
   この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出する符号検出手段と、を有することを特徴とする形状測定装置。
10. 上記符号検出手段は、上記被測定物に光を照射する符号検出用光源と、該被測定物からの反射光の位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
11. 上記符号検出手段は、上記物体光と参照光を結像させる結像手段と、該結像手段により結像された該物体光による物体光像と該参照光による参照光像の位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
12. 上記物体光像の形状と上記参照光像の形状が異なる光学系を有することを特徴とする請求項１１に記載の形状測定装置。
13. 上記物体光像の形状と上記参照光像の形状を識別する像識別手段を有することを特徴とする請求項１２に記載の形状測定装置。
14. 上記光源は可干渉距離の短い光源であり、上記干渉縞の振幅スペクトルから上記被測定物の略照射光光軸方向における位置を検出するための位置検出手段を有することを特徴とする請求項９〜請求項１３のいずれかに記載の形状測定装置。
15. 光源から発光される可干渉距離の短い光を分割し、この分割された一方の光を可動被測定物に照射してその反射光を物体光とし、他方の光を参照光として、この物体光と参照光とを干渉させて干渉縞を取得し、この干渉縞のパワースペクトルがピークとなる波数の符号を検出し、該干渉縞の振幅スペクトルから上記可動被測定物の略照射光光軸方向における位置を検出する動的形状測定方法であって、上記取得した干渉縞の画像において複数の領域に分割し、分割した各領域ごとに求めた干渉縞のピーク波数を用いて上記可動被測定物の形状又は位置を測定することを特徴とする動的形状測定方法。

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