JP2005274429A

JP2005274429A - 形状測定装置

Info

Publication number: JP2005274429A
Application number: JP2004089509A
Authority: JP
Inventors: Toru Yaku; 亨夜久
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP4334380B2

Abstract

【課題】簡便な構成で検出感度が向上する形状測定装置を提供する。
【解決手段】被測定面Ｓに対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部２００と、測定ヘッド部２００の対向位置における被測定面Ｓの形状が測定ヘッド部２００と被測定面Ｓとの平行移動に伴なって変化する量を測定する信号処理部４１０と、を備え、測定ヘッド部２００は、同位相の多光束からなる光Ｌ１を被測定面Ｓに向けて照射させる照射光形成手段（２１０、２３０）と、被測定面Ｓからの反射光Ｌ２を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段（２４０）と、干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光素子アレイ３１０と、を備え、信号処理部４１０は、受光素子アレイ３１０からの受光信号に基づく干渉縞の変位から被測定面Ｓの形状変化を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状測定装置に関し、例えば、面形状の凹凸やうねり等を測定する面形状測定装置に関する。

近年、光学式変位測定装置に利用されるガラススケールは非常に長くなりつつあり、例えば、２ｍを超える長さを有する。そして、光学式変位測定装置の検出精度は、このガラススケールの平面度に影響されるので、長いスケールの平面度を測定して評価する必要がある。
従来、ガラススケールの平面度をはじめとする面形状を測定する方法として、レーザー干渉計（例えばマイケルソン型干渉計）による方法や３角測量法やなどが知られている。

しかしながら、３角測量法では検出精度（具体的には検出感度）を十分に高めることが難しいという問題がある。
レーザー干渉計による方法では、一回に測定できる領域の面積が狭いので、長いスケールの全体を測定するには個々のデータを繋ぎあわせる必要がある。すると、測定誤差が大きくなるうえに測定に手間がかかるという問題が生じる。また、レーザー干渉計の構成は複雑であるので、測定装置が高価になるという問題がある。

本発明の目的は、簡便な構成で検出感度が向上する形状測定装置を提供することにある。

本発明の形状測定装置は、被測定面に対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部と、前記測定ヘッド部の対向位置における前記被測定面の形状が前記測定ヘッド部と前記被測定面との平行移動に伴なって変化する量を検出する形状変化検出部と、を備え、前記測定ヘッド部は、同位相の多光束からなる光を前記被測定面に向けて照射させる照射光形成手段と、前記被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段と、前記干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光手段と、を備え、前記形状変化検出部は、前記受光手段からの前記受光信号に基づいて検知される前記干渉縞の変位から前記被測定面の形状変化を検出することを特徴とする。

この構成において、照射光形成手段により被測定面に向けて光が照射される。被測定面からの反射光は、干渉縞形成手段により回折され、干渉縞が形成される。この干渉縞の光が受光手段で受光される。
このとき、被測定面にうねり等があると、測定ヘッド部と被測定面との相対移動に伴なって測定ヘッド部と被測定面との距離が変化したり、被測定面による光の反射角度が変化する。すると、照射光形成手段から受光手段までの光学経路が変化するので、干渉縞が変位する。従って、受光手段の受光信号から検出される干渉縞の変位に基づいて、形状変化検出部により測定ヘッドの対向位置における被測定面の傾斜変化（形状変化）が検出される。
干渉縞の変位は、被測定面の傾斜変化（形状変化）に鋭敏に感応し、これにより被測定面の傾斜変化（形状変化）が高感度で検出される。なお、この測定原理（検出原理）については実施形態（図４）において説明する。
また、例えばマイケルソン型干渉計では一回の測定領域が狭く、広い面積の被測定面を測定するには、測定データを繋ぎ合わせる必要があるので測定誤差につながりやすい。この点、本発明の構成によれば、測定ヘッド部が被測定面に沿って連続的に移動する際の干渉縞の変位を連続的に受光手段で受光すればよいので、測定データを繋ぎ合わせる必要がなく、データを繋ぎ合わせる際に生じる測定誤差を排除することができる。
測定ヘッド部の構成としては、被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成し、この干渉縞を受光すればよいだけであるので、光源、回折格子および受光素子等を有する簡易な構成とすることができる。その結果、部品コスト、組み立てコスト等を安価にすることができる。

本発明では、前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第１回折格子と、を備えることが好ましい。
本発明では、前記照射光形成手段は、レーザー光源と、前記レーザー光源からの光を前記被測定面の手前で集光させたのちに前記被測定面に光を照射するレンズと、を備えることが好ましい。

このような構成によれば、同位相の多光束からなる光を被測定面に照射することができる。
ここで、レーザー光源以外の光源（例えば、単色の発光ダイオード）からの光を回折格子で回折させて照射光を得る場合、光の波束が短いので可干渉距離が短く、厳密な干渉条件を満たさなければ干渉縞が形成されない。従って、レーザー光源以外の光源（例えば、単色の発光ダイオード）を用いた場合には、光路長の変化に鋭敏に干渉縞が反応し、被測定面の傾斜変化（形状変化）が高感度で検出可能となる。

本発明では、前記受光手段は、受光面において干渉縞の所定位相に対応して配列された受光素子を有する受光素子アレイであることが好ましい。
この構成によれば、所定位相の受光素子からの受光信号を処理して干渉縞の変位量を検出することができる。

本発明では、前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第１回折格子と、を備え、前記干渉縞形成手段は、前記被測定面にて反射された反射光を再度前記被測定面に向けて反射させる第２回折格子であり、前記受光手段は、前記第２回折格子で反射されたのちに前記被測定面にて再び反射された反射光が干渉縞を形成する第３回折格子と、前記第３回折格子を透過した干渉縞の光を受光する受光部と、を備え、一の回折格子により前記第１回折格子、前記第２回折格子および前記第３回折格子の機能が果たされることが好ましい。

この構成によれば、一本の回折格子で３つの機能が果たされる。従って、部品点数が削減されるとともに組み立てコストを削減することができる。また、回折格子が一本であるので部品の取付誤差が排除され、その結果、検出精度が向上する。
この際、長手状の回折格子の一端側を第１回折格子として機能させ、中央部を第２回折格子として機能させ、他端側を第３回折格子として機能させてもよい。
あるいは、短手状の回折格子に対して、光源からの光が被測定面に向けてこの回折格子透過する際に第１回折格子として機能させ、被測定面からの反射光がこの回折格子で反射して再び被測定面に入射する際に第２回折格子として機能させ、被測定面からの二度目の反射光がこの回折格子を透過する際に第３回折格子して機能させてもよい。

本発明では、前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第１回折格子と、を備え、前記干渉縞形成手段は、前記被測定面にて反射された反射光を透過させるとともに回折させる第２回折格子であり、一の回折格子により前記第１回折格子と前記第２回折格子との機能が果たされることが好ましい。

この構成によれば、被測定面での反射が一回であるので、一つの反射点における被測定面の傾斜（形状）が正確に検出される。そして、一つの回折格子が第１回折格子と第２回折格子との機能を兼ねることにより部品点数が削減される。つまり、光源から被測定面に向けて光が回折格子を透過する際には、この回折格子が第１回折格子として機能し、被測定面からの反射光が回折格子を透過する際には、この回折格子が第２回折格子として機能する。

なお、以上において、照射光形成手段（光源、第１回折格子）に偏光板等を設けて照射光を偏光にし、さらに、第２回折格子（干渉縞形成手段）と被測定面との間に１／４波長板等を配設して被測定面からの反射光の偏光方向を変化させ、さらに、受光手段の手前に偏光板あるいは偏光ビームスプリッタを配設して、被測定面からの所定回数の反射光のみが受光手段に入射するようにしてもよい。
この構成によれば、被測定面での所定回数の反射光のみが受光手段に入射するので、受光手段の受光信号にノイズが混じることがなく、検出精度が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第１実施形態）
本発明の形状測定装置としての面形状測定装置にかかる第１実施形態について図１〜図４を参照して説明する。
この面形状測定装置１００によって測定される被測定面Ｓとしては、略平坦であるが、わずかにうねりを有し、例えば光学式変位測定装置（光学式エンコーダ）に利用されるガラススケール基材などで長さが数メールに及ぶものが例として挙げられる。

図１に、面形状測定装置１００の全体図を示す。
面形状測定装置１００は、被測定面Ｓに対して略平行移動可能に設けられた測定ヘッド部２００と、測定ヘッド部２００からの信号を処理する形状変化検出部としての信号処理部４１０と、を備える。
測定ヘッド部２００は、被測定面Ｓから一定距離Ｄを保ちつつ被測定面Ｓに対して略平行に移動する。
なお、測定ヘッド部２００を被測定面Ｓに対して平行移動させる移動機構９１０としては、従来知られた機構を利用すればよい。例えば、図１に示されるように、被測定物Ｗを載置する載置台９１１と、この載置台９１１の両側縁に設けられたガイドレール９１２、９１２と、ガイドレール９１２に沿ってスライド移動する門型フレーム９１３と、門型フレーム９１３のビーム９１４をスライド移動するＸスライダ９１５と、を備えた移動機構９１０が例示される。
この際、門型フレーム９１３およびＸスライダ９１５の変位を検出するエンコーダ（不図示）をそれぞれのスライド部分（ガイドレール９１２と門型フレーム９１３との間、ビーム９１４とＸスライダ９１５との間）に介装しておいて、測定ヘッド部２００の座標値（例えば、ｘ座標値、ｙ座標値）を検出する構成としておく。

図２に、測定ヘッド部２００の内部構成を示す。
測定ヘッド部２００は、筐体９２０と、光源２１０と、回折格子２２０と、受光素子アレイ３１０と、を備えている。
筐体９２０は、内部に収納空間を有するとともに、被測定面Ｓに対向する一面には光を発射あるいは入射させる開口９２１を有する。なお、この開口９２１にはガラス等の光透過部材が嵌設されてもよい。
光源２１０としては、例えば単色光源が利用され、単色の発光ダイオードなどが例として挙げられる。
回折格子２２０は、被測定面Ｓに対して略平行になるように配置され、長手方向に光透過部２２１と光反射部２２２とからなる光学格子を有する。光学格子の格子ピッチとしては８μｍピッチにすることが例として挙げられる。回折格子２２０は、光源２１０からの光を透過させつつ回折させて被測定面Ｓに照射するために、光源２１０と被測定面Ｓとの間に配置されている。

受光素子アレイ３１０は、回折格子２２０の長手方向の延長上において回折格子２２０と面一に配置されており、受光面には受光素子３１１〜３１４のアレイを有する（図３参照）。受光素子アレイ３１０は、回折格子２２０を間にして光源２１０と反対側に配設され、すなわち、光源２１０が回折格子２２０の一端側に配設されると、受光素子アレイ３１０は回折格子２２０の他端側に配設される。受光素子３１１〜３１４は、受光素子アレイ３１０の受光面において図３（Ａ）に示されるように、９０°ずつ位相が異なる受光信号を発信するように配列されている。
なお、回折格子２２０および受光素子アレイ３１０から被測定面Ｓまでの距離（エアギャップＤ）は１０ｍｍ程度にすることが例として挙げられる。

信号処理部４１０は、図３（Ａ）に示されるように、各受光素子３１１〜３１４からの電気信号を増幅するアンプ４１１〜４１４と、アンプ４１１〜４１４からの信号を差動増幅する差動増幅器４１５、４１６と、を備える。
差動増幅器４１５により位相０°の信号と位相１８０°の信号とが差動増幅され、差動増幅器４１６により位相９０°の信号と位相２７０°の信号とが差動増幅される。そして、各差動増幅器４１５、４１６からの出力値が直交座標系に変換されることによって、図３（Ｂ）に示されるようなリサージュ図形上を移動する点が得られる。この点の移動から、受光素子アレイ３１０の受光面における干渉縞の変位が検知される。

次に、図２を参照して、光源２１０から発せられた光が被測定面Ｓに反射されて受光素子アレイ３１０に達するまでの光学経路について説明する。
光源２１０から発せられた光は、回折格子２２０の一端側を透過する際に回折される。すると、同位相の多光束からなる光Ｌ１が被測定面Ｓに照射される。ここに、光源２１０と回折格子２２０の一端側（図２中の符号２３０、以下第１回折格子と称する）により照射光形成手段が構成される。
光源２１０から被測定面Ｓに照射された光は、被測定面Ｓにより反射されて回折格子２２０に向かい（図２中のＬ２）、回折格子２２０の他端側にて反射されるとともに回折されて（図２中のＬ３）、被測定面Ｓに再照射される。ここに、回折格子２２０の他端側（図２中の符号２４０、以下第２回折格子と称する）により干渉縞形成手段が構成される。
被測定面Ｓに再照射された光Ｌ３は、被測定面Ｓにて反射されて（図２中のＬ４）、受光素子アレイ３１０の受光面に干渉縞を形成する。この干渉縞の光が受光素子アレイ３１０の受光素子３１１〜３１４で受光されて、光電変換により電気信号が出力される。
なお、被測定面Ｓ上における一回目の反射地点Ｐ１と二回目の反射地点Ｐ２との距離は光の入射角によるが、例えば４ｍｍ程度にすることが例として挙げられる。

次に、このような構成による面形状測定装置の検出原理および検出感度について図４を参照して簡便に説明する。
本発明の原理を説明するために、図４に、光学経路が略直線になるように第２回折格子２４０（回折格子２２０の他端側）および受光素子アレイ３１０を被測定面Ｓに関して対称に移動させた場合の模式図を示す。また、光は被測定面Ｓを透過するとするが、光が被測定面Ｓを透過する際には、実際の反射光を被測定面Ｓに関して対称移動させた光路を進むとして描いてある。
また、図４中において、測定ヘッド部２００と被測定面Ｓとが平行であるときの被測定面Ｓおよび光学経路を破線で示し、測定ヘッド部２００に対して被測定面Ｓが傾斜角αを有する場合の被測定面Ｓおよび光学経路を実線で示す。

被測定面Ｓの傾斜角が変化すると被測定面Ｓによる反射の方向が変化する。すると、図４に示されるように、第２回折格子２４０および受光素子アレイ３１０における光の到達点が変化し、第１回折格子２３０から受光素子アレイ３１０までの光学距離が変化するので、受光素子アレイ３１０の受光面上での干渉縞が変位する。したがって、干渉縞の変位から被測定面Ｓの傾斜角の変化が検知される。
そして、測定ヘッド部２００の座標値と、その位置での被測定面Ｓの傾斜角とに基づいて被測定面Ｓの形状が求められる。

まず、被測定面の傾斜角によって光の到達点がシフトする量について説明する。
図４において、被測定面Ｓへの入射角をθ（ラジアン）とすると、被測定面Ｓに傾斜がない場合における反射地点からの戻り量ｒは次の式で表される。

ｒ＝Ｄｔａｎθ

すると、一回の反射において、被測定面Ｓが微小に傾斜したときの光軸の変化角（Δθ）と戻り量の変化（Δｒ）との関係は、次の式で表される。

Δｒ＝（Ｄ／ｃｏｓ^２θ）・Δθ

ここで、平面における光反射の性質より、光軸変化（Δθ）は平面傾斜角（α）の２倍で変化する。

Δθ＝２α

したがって、一回の反射において戻り量の変化Δｒと被測定面Ｓの傾斜角αとの関係は、次の式で表される。

Δｒ＝２・Ｄ・α／ｃｏｓ^２θ

第１回折格子２３０から受光素子アレイ３１０までの経路において、被測定面Ｓでの一回目の反射光は距離３Ｄ進み、さらに、被測定面Ｓでの二回目の反射光は距離Ｄだけ進むので、受光素子アレイ３１０における光の到達点の変化量ΔＲは、上記の関係式により次のように求められる。

ΔＲ＝Δｒ×４＝８・Ｄ・α／ｃｏｓ^２θ

すなわち、測定ヘッド部２００の移動に伴なって被測定面Ｓの形状が傾斜角α分だけ変化したとすると、干渉縞はΔＲだけ変位することになる。

ここで、入射角θを４５°、エアギャップＤを１０ｍｍ、傾斜角度αを１秒とすると、干渉縞変位量（ΔＲ）は７７．５ｎｍとなる。
一方、回折格子２２０の格子ピッチを８μｍとすれば、受光素子アレイ３１０からの信号変化の１周期（リサージュ図形の一回転）は干渉縞変位の４μｍに相当する。
この場合、受光信号の１周期分に相当する干渉縞変位（４μｍ）に対して、傾斜角度αが１秒である場合の干渉縞変位（ΔＲ＝７７．５ｎｍ）は約２％に相当するところ、十分に検出にかかる値である。
すなわち、本実施形態によれば、被測定面Ｓの傾斜角度変化を１秒単位で検出することができる。

このような構成を備える第１実施形態によれば、次の効果を奏することができる。
（１）主要構成部品として、光源２１０、回折格子２２０および受光素子アレイ３１０を備えるだけの非常に簡便な構成であるので、部品コスト、組み立てコストなどを非常に安価にすることができる。
（２）例えば従来の干渉計では一回の測定領域が狭いことから広い被測定面Ｓを測定する場合にデータを繋ぎ合わせる必要があったところ、本実施形態によれば、測定ヘッド部２００を被測定面Ｓに対して平行移動させることで連続的に被測定面Ｓを測定できるので、データを繋ぎあわせる必要もなく、測定が簡便で、かつ、測定精度が向上する。
（３）被測定面Ｓの１秒の傾斜角変化を検出できることから、検出感度が高く、その結果、被測定面Ｓの形状を高精度に測定することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。
第２実施形態の基本的構成は、第１実施形態と同様であるが、第２実施形態は受光手段の構成に特徴を有する。
図５において、回折格子５００を備えているところ、回折格子５００の長さが第１実施形態に比べて若干長くなっている。そして、被測定面Ｓからの反射光Ｌ４（二度目の反射光）は、回折格子５００を透過して受光部３２０に入射する構成となっている。受光部３２０は、受光面に受光素子を有し、光の強弱を電気信号に変換する。受光部３２０からの信号は、信号処理部４２０で処理される。

このような構成において、被測定面Ｓからの二度目の反射光Ｌ４は、回折格子５００の他端側に干渉縞を形成する。そして、干渉縞の明暗が回折格子５００の他端側を透過するにあたって、干渉縞の明部が光学格子の透過部２２１にあたれば受光部３２０で強い光が受光され、干渉縞の明部が光学格子の反射部２２２にあたれば受光部３２０に光が入射しないことになる。ここに、回折格子５００の他端側（図５中の符号２５０、以後第３回折格子と称する）と、受光部３２０により受光手段が構成される。

測定ヘッド部２００が被測定面Ｓに対して平行移動するに伴なって被測定面Ｓの傾斜角度が変化すると、第３回折格子２５０の格子面に形成される干渉縞が変位するので、受光部３２０で受光される光量が変化する。すると、被測定面Ｓの傾斜角度により受光部３２０からの信号強度値は、例えば、図６に示されるように、Ｓ字カーブを描くことになる。
測定ヘッド部２００の移動に伴なう信号強度値の変化に基づいて所定の演算装置により被測定面の形状が求められる。

このような第２実施形態によれば、上記実施形態の効果（１）〜（３）と同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７を参照して説明する。
第３実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、照射光形成手段に特徴を有する。
図７において、光源２１０はレーザー光源であり、光源２１０からのレーザー光はレンズ２１１を通して被測定面Ｓに照射される。
なお、レンズ２１１の焦点は、回折格子６００（第１実施形態の第２回折格子に相当する）および受光素子アレイ３１０に対して面一に位置し、レンズ２１１の焦点を過ぎたのちレーザー光が拡散して同位相の多光束からなる光が被測定面Ｓに照射される。
ここに、レーザー光源２１０とレンズ２１１により照射光形成手段が構成される。

なお、レンズ２１１の焦点は、必ずしも回折格子６００および受光素子アレイ３１０に対して面一でなくてもよく、要は、レンズ２１１の焦点から被測定面Ｓを経由して回折格子６００に至るまでの光学距離と、回折格子６００から被測定面Ｓを経由して受光素子アレイ３１０に至るまでの光学距離とが等しければよい。

このような構成において、レーザー光源２１０から発射されてレンズ２１１で集光された光が受光素子アレイ３１０に達する光学経路は基本的に第１実施形態に同様である。
このような本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果（１）〜（３）を奏することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図８を参照して説明する。
第４実施形態の基本的構成は、第１実施形態に同様であるが、被測定面Ｓでの反射回数が一回である点に特徴を有する。
図８において、光源２１０と回折格子７００との間にはハーフミラー２６０が配設されている。そして、被測定面Ｓから反射した光が回折格子７００を透過する際に回折された後、ハーフミラー２６０で反射されて受光素子アレイ３１０で受光される構成である。
ここで、光が回折格子７００を透過してから被測定面Ｓで反射して回折格子７００に戻るまでの光学距離（図７中のＬ１＋Ｌ２）と、回折格子７００を透過してから受光素子アレイ３１０までの光学距離（図７中のＬ５＋Ｌ６）と、が等しくなるように各光学部品（ハーフミラー２６０、回折格子７００、受光素子アレイ３１０）が配設されている。

このような構成において、光源２１０からの光が回折格子７００を透過しつつ回折されることによって同位相の多光束からなる光が被測定面Ｓに照射される。ここに、光源２１０と回折格子７００により照射光形成手段が構成される。
そして、被測定面Ｓからの反射光が回折格子７００を透過する際に回折されることにより、受光素子アレイ３１０の受光面に干渉縞が形成される。ここに、回折格子７００により干渉縞形成手段が構成される。そして、受光手段としての受光素子アレイ３１０によって干渉縞が受光される。

このような構成を備える第４実施形態によれば、上記実施形態の効果（１）〜（３）に加えて、次の効果を奏する。
（４）前記第１実施形態においては、被測定面Ｓでの反射が二回であったのでこの２つの反射点（Ｐ１、Ｐ２）の平均傾斜角が測定値として得られるが、本実施形態では被測定面Ｓでの反射が一回であるので、一つの反射点における被測定面Ｓの傾斜が測定される。その結果、座標値に対する被測定面Ｓの傾斜（形状）がより正確に測定される。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図９を参照して説明する。
第５実施形態の基本的構成は、第４実施形態に同様であるが、第５実施形態は受光手段の構成および各種偏光板を備えている点に特徴を有する。
図９において、光源２１０と回折格子７００との間には光源２１０側から順に偏光板２７１と、偏光ビームスプリッタ２６１とが、偏光方向を揃えて配設されている。
また、回折格子７００と被測定面Ｓとの間に１／４波長板２７２が配設されている。
受光手段は、被測定面Ｓからの反射光が回折格子７００を透過したのちに偏光ビームスプリッタ２６１で反射された光を受光するところ、第２実施形態において説明した構成と同様に回折格子２５０と受光部３２０とにて構成されている。

このような構成において、光源２１０からの光は、偏光板２７１および偏光ビームスプリッタ２６１を通過する際に例えばＰ波であったとすると、１／４波長板２７２を二回通過することによって偏光方向が９０°回転されてＳ波になる。すると、被測定面Ｓにて一回反射されて回折格子７００を通過した光は、その総てが偏光ビームスプリッタ２６１で反射されて受光手段（回折格子２５０および受光部３２０）で受光される。
一方、被測定面Ｓにて一回反射された光が回折格子７００を透過せずに回折格子７００で反射されると、光は被測定面Ｓに再度照射される（不図示）。そして、回折格子７００を透過したのち偏光ビームスプリッタに入射するが、この光は、１／４波長板２７２により偏光方向がＳ波からさらに９０°回転してＰ波になってしまうので、偏光ビームスプリッタ２６１を透過してしまい受光部３２０での検出にかからない。
このような構成によれば、上記実施形態の効果（１）〜（４）に加えて、次の効果を奏する。
（５）被測定面Ｓからの一回目の反射光の総てを受光手段で受光できるので、被測定面Ｓの形状変化（傾斜変化）を強く反映した受光信号を得ることができる。その一方、被測定面Ｓからの二回目の反射光は受光部３２０に入射しないので、ノイズになることがない。その結果、被測定面形状を高精度に測定することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１０を参照して説明する。
第６実施形態の基本的構成は、第５実施形態に同様であるが、被測定面Ｓにおいて光が二回反射する点に特徴を有する。
図１０において、光源２１０と回折格子８００との間に、光源２１０側から順にハーフミラー２６０と、偏光板２７１と、が配設されている。
回折格子８００と被測定面Ｓとの間には１／４波長板２７２が配設されている。
受光手段としては、受光素子アレイに代えて、受光部３２０が配設されている。
なお、前記第４実施形態においては、被測定面Ｓからの反射光が回折格子７００を透過してから受光素子アレイ３１０に至るまでの光路長（図８中のＬ５＋Ｌ６）は、光が回折格子７００を透過してから被測定面Ｓで反射して回折格子７００に戻るまでの光学距離（図８中のＬ１＋Ｌ２）と等しかったが、本第６実施形態においては被測定面Ｓからの反射光（図１０中のＬ４）が回折格子８００を透過してから受光部に至るまでの光路長（図１０中のＬ５＋Ｌ６）は特に限定されない。

このような構成において、光源２１０からの光は、ハーフミラー２６０、偏光板２７１、回折格子８００および１／４波長板２７２を透過して被測定面Ｓに入射する（図１０中のＬ１）。ここに、光源２１０および回折格子８００により照射光形成手段が構成される。被測定面Ｓからの反射光Ｌ２は、回折格子８００にて反射されつつ回折されて再度被測定面Ｓに入射し（図１０中のＬ３）、被測定面Ｓからの二度目の反射光Ｌ４が回折格子８００の格子面上に干渉縞を形成する。ここに、回折格子８００により干渉縞形成手段が構成される。そして、回折格子８００を透過した干渉縞の光が受光部３２０で受光される。ここに、回折格子８００と受光部３２０により受光手段が構成される。

ここで、被測定面Ｓからの一回目の反射光Ｌ２が回折格子８００に至るまでには、偏光板２７１を通過してから１／４波長板２７２を二回通過することになるので、被測定面Ｓからの一回目の反射光Ｌ２は偏光板２７１の偏光方向に対して垂直の偏光方向となる。そのため、被測定面Ｓからの一回目の反射光が回折格子８００を透過しても偏光板２７１でカットされて受光部３２０に入射することはない。

このような構成を備える第６実施形態によれば、上記実施形態の効果（１）〜（３）に加えて、次の効果を奏することができる。
（６）第１実施形態に比べて、照射光形成手段としての回折格子と干渉縞形成手段とを同一とすることにより光源からの光が被測定面Ｓに入射する入射角を小さくできる（入射光を被測定面の法線に近づけることができる）。その結果、被測定面Ｓでの一回目の反射点Ｐ３と二回目の反射点Ｐ４との間隔が小さくなり、その結果、座標値に対する被測定面Ｓの傾斜（形状）がより正確に測定される。
（７）被測定面Ｓからの一回目の反射光Ｌ２は偏光板２７１でカットされるのでノイズになることがなく、被測定面Ｓからの二度目の反射光Ｌ４で形成される干渉縞の光だけが受光部３２０で検出される。その結果、被測定面Ｓの形状変化（傾斜変化）を反映した受光信号のみを得ることができ、被測定面形状を高精度に測定することができる。

本発明は、上記実施形態にのみ限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加え得ることはもちろんである。
例えば、測定ヘッド部を移動させる移動機構は特に限定されず、種々の構成を取り得る。また、測定ヘッド部と被測定面とのいずれを移動させてもよい。
測定ヘッド部の構成としては、被測定面からの反射光を用いて干渉縞を形成しこの干渉縞の変位を検出できればよく、その構成は特に限定されない。
図７の第３実施形態においては光源をレーザー光源とするが、その他の実施形態においてはレーザー光源以外であれば特に光源の種類は限定されず、単色あるいは白色の発光ダイオード等を利用できる。

本発明は、形状測定装置に利用でき、特に、広い面積の面形状を測定するのに好適である。

本発明の第１実施形態において全体図を示す図。第１実施形態において、測定ヘッド部の内部構成を示す図。（Ａ）第１実施形態において受光素子アレイの受光素子と、信号処理部の回路図と、を示す図。（Ｂ）受光信号によるリサージュ図形を示す図。第１実施形態において、検出原理を説明するための模式図。本発明の第２実施形態において、測定ヘッド部の内部構成を示す図。第２実施形態において、受光信号から得られるＳ字カーブを示す図。本発明の第３実施形態において、測定ヘッド部の内部構成を示す図。本発明の第４実施形態において、測定ヘッド部の内部構成を示す図。本発明の第５実施形態において、測定ヘッド部の内部構成を示す図。本発明の第６実施形態において、測定ヘッド部の内部構成を示す図。

符号の説明

１００…面形状測定装置（形状測定装置）、２００…測定ヘッド部、２１０…レーザー光源、２１０…光源、２１１…レンズ、２２０…回折格子、２２１…光透過部、２２２…光反射部、２３０…第１回折格子、２４０…第２回折格子、２５０…第３回折格子、２６０…ハーフミラー、２６１…偏光ビームスプリッタ、２７１…偏光板、２７２…１／４波長板、３１０…受光素子アレイ、３１１〜３１４…受光素子、３２０…受光部、４１０…信号処理部、４１１…アンプ、４１５…差動増幅器、４１６…差動増幅器、４２０…信号処理部、５００…回折格子、６００…回折格子、７００…回折格子、８００…回折格子、９１０…移動機構、９１１…載置台、９１２…ガイドレール、９１３…門型フレーム、９１４…ビーム、９１５…Ｘスライダ、９２０…筐体、９２１…開口、Ｓ…被測定面、Ｗ…被測定物。

Claims

被測定面に対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部と、
前記測定ヘッド部の対向位置における前記被測定面の形状が前記測定ヘッド部と前記被測定面との平行移動に伴なって変化する量を検出する形状変化検出部と、を備え、
前記測定ヘッド部は、
同位相の多光束からなる光を前記被測定面に向けて照射させる照射光形成手段と、
前記被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段と、
前記干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光手段と、を備え、
前記形状変化検出部は、前記受光手段からの前記受光信号に基づいて検知される前記干渉縞の変位から前記被測定面の形状変化を検出する
ことを特徴とする形状測定装置。
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第１回折格子と、を備える
ことを特徴とする形状測定装置。
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記照射光形成手段は、レーザー光源と、前記レーザー光源からの光を前記被測定面の手前で集光させて前記被測定面に光を照射するレンズと、を備える
ことを特徴とする形状測定装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の形状測定装置において、
前記受光手段は、受光面において干渉縞の所定位相に対応して配列された受光素子を有する受光素子アレイである
ことを特徴とする形状測定装置。
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第１回折格子と、を備え、
前記干渉縞形成手段は、前記被測定面にて反射された反射光を再度前記被測定面に向けて反射させる第２回折格子であり、
前記受光手段は、前記第２回折格子で反射されたのちに前記被測定面にて再び反射された反射光が干渉縞を形成する第３回折格子と、前記第３回折格子を透過した光を受光する受光部と、を備え、
一の回折格子により前記第１回折格子、前記第２回折格子および前記第３回折格子の機能が果たされる
ことを特徴とする形状測定装置。
請求項１に記載の形状測定装置において、
前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第１回折格子と、を備え、
前記干渉縞形成手段は、前記被測定面にて反射された反射光を透過させるとともに回折させる第２回折格子であり、
一の回折格子により前記第１回折格子と前記第２回折格子との機能が果たされる
ことを特徴とする形状測定装置。