JP2008256463A - 計測装置及びミラー姿勢・回動監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物の表面の高精度の計測が可能な、計測装置などを提供すること。
【解決手段】被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置であって、回動軸を中心に回動可能な反射面を有し、該反射面により前記測定光を前記被検物へ反射させ且つ前記被検物で反射して戻る前記戻り光を前記測定光の光路上に導く偏向部と、前記測定光とは異なる方向へ反射するように前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部と、前記反射面で反射した前記モニター光を前記回動軸に対応する方向に沿って集光する集光部と、前記集光した前記モニター光の前記回動軸に対応する方向の位置を検出し前記回動軸の傾きを検出する傾斜検出部と、を備えてなる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、例えばフェムト秒レーザー光などを使用して被検物の３次元形状を非接触で計測する計測装置及びこの計測装置に装備されるミラー姿勢・回動監視装置に関する。

フェムト秒レーザー光を使用した計測装置として、例えば、フェムト秒レーザー光を二つに分け、一方のレーザー光を参照光とし、他方のレーザー光を拡大光学系によってビーム径を拡大した後、照射光として被検物に照射し、この被検物から反射してくる反射光（戻り光）の位相と参照光の位相とを比較し、両者の位相の位相差を求めて、被検物までの距離を計測する計測装置が提案されている（非特許文献１参照）。

上記計測装置は、波長安定性が非常に優れていて、高精度の計測が可能となる、フェムト秒レーザー光の特性を生かしたもので、被検物に照射されるレーザー光（照射光）としてはビーム径を拡大したビームを使用している。

ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（２００５）Ｎｏ．８Ｐ．１０３〜１０８

上記計測装置を使用して被検物の３次元形状を計測する場合、照射光を被検物の表面に走査させ、該被検物の表面から反射してくる反射光（戻り光）を照射光の光路上を通って位相計などを装備した測定部に導く光学系の部分の精度が重要となる。この光学系の部分でも、特に、照射光を振って被検物の表面に走査させる一方、被検物の表面から戻ってくる戻り光を反射させて照射光の光路上に導く可動ミラーの部分である。

可動ミラーは、回動軸を中心に予め設定された回動角度で回動駆動されるが、この回動角度に誤差が生じると、この誤差が被検物の立体形状の誤差となってあらわれ、高精度の計測が困難となるおそれがある。

また、可動ミラーの回動軸の傾き角についても、同様に誤差が生じると、この誤差が被検物の立体形状の誤差となってあらわれ、高精度の計測が困難となるおそれがある。

このように上記計測装置を被検物の形状測定に転用しようとしても、光学系の構成が原因となって、フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットである高精度の計測が困難となるおそれがある。

本発明は、フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットを生かすことが出来て、被検物の表面の高精度の計測が可能な、計測装置及びミラー姿勢・回動監視装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の計測装置は、被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置（例えば図１の測定部１０、走査部２０、演算部３０などを参照）であって、回動軸を中心に回動可能な反射面を有し、該反射面により前記測定光を前記被検物へ反射させ且つ前記被検物で反射して戻る前記戻り光を前記測定光の光路上に導く偏向部（例えば図３の主走査ミラー２１，副走査ミラー２１０などを参照）と、前記測定光とは異なる方向へ反射するように前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部（例えば図２の主モニター光源２２，副モニター光源２２０を参照）と、前記反射面で反射した前記モニター光を前記回動軸に対応する方向に沿って集光する集光部（例えば図３のシリンドカルレンズ２６を参照）と、前記集光した前記モニター光の前記回動軸に対応する方向の位置を検出し前記回動軸の傾きを検出する傾斜検出部（例えば図３のアレイディテクタ２７、図７の倒れ角度検出回路２４ｂなどを参照）と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の計測装置は、前記集光部がシリンドカルレンズであることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の計測装置は、前記傾斜誤差検出部が、アレイディテクタで、前記集光したモニター光を検出することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の計測装置は、被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置（例えば図１の測定部１０、走査部２０、演算部３０などを参照）であって、回動軸を中心に回動可能な反射面を有し、該反射面により前記測定光を前記被検物へ反射させ且つ前記被検物で反射して前記測定光と同じ光路を通って戻る前記戻り光を反射させる偏向部（例えば図３の主走査ミラー２１，副走査ミラー２１０などを参照）と、前記測定光とは異なる方向へ反射するように前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部（例えば図２の主モニター光源２２，副モニター光源２２０を参照）と、前記偏向部の前記回動により前記モニター光が移動する軌跡上に配置され前記モニター光を遮光する遮光部と前記モニター光を通過させる開口部を有する制限部（例えば図３のスリット２８を参照）と、前記開口部を通過した光を検出して前記偏向部の回動速度を検出する回動速度検出部（例えば図３のポイントディテクタ２９、図７の速度ムラ検出回路２４ｃなどを参照）と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の計測装置は、前記開口部が前記軌跡方向に並んで複数配置されることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の計測装置は、前記測定光がフェムト秒レーザーであることを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の姿勢・回動監視装置は、回動軸を中心に回動可能な反射面を有するミラーの該回動軸の傾きと回動速度とを監視する装置であって、前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部と、前記反射面で反射した前記モニター光を前記回動軸に対応する方向に沿って集光する集光部と、前記集光部で集光した前記モニター光の前記回動軸に対応する方向の位置を検出し前記回動軸の傾きを検出する傾斜誤差検出部と、前記反射面の回動により前記モニター光が移動する軌跡上に配置された前記モニター光を遮光する遮光部と前記モニター光を通過させる開口部とを有する制限部と、前記制限部の前記開口部を通過した光を検出して前記反射面の回動速度を検出する回動速度検出部と、を備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、被検物の表面の高精度の計測が可能である。

以下、本発明の計測装置の一実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。

図１は本発明の計測装置の一実施形態を示す機能ブロック図、図２は図１に示す計測装置の走査部の内容を示す概略図、図３は図２に示す走査部の概略的な斜視図、図４は図３に示す傾斜誤差検出部の出力を説明する説明図、図５は図３に回動速度検出部に入射するモニター光の説明図、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は回動速度検出部の出力波形を示す図で、図６（ａ）は速度ムラのない状態での出力波形図、同図（ｂ）は速度低下したときの出力波形図、同図（ｃ）は速度上昇したときの出力波形図、図７は図２に示す走査部を駆動する回路のブロック図、図８は被検物上をプローブ光が走査する状態を説明する説明図である。

本実施形態の計測装置には、図1に示すように、測定部１０と走査部２０と演算部３０とが装備される。

測定部１０は、フェムト秒レーザー光を発し、このレーザー光の位相と被検物Ｔから反射光（戻り光）の位相を比較して、その位相差を演算部３０に出力する装置である。

具体的には、測定部１０は、フェムト秒レーザー光を発射するレーザー光源１１と、このレーザー光を基準光（参照光）と測定光（プローブ光）とに分割するビームスプリッタ１２と、フォトディテクタ１３，１４と、位相計１５とを備える。

ビームスプリッタ１２は、レーザー光の一部を反射させる一方、残部を透過させることにより、レーザー光を基準光とプローブ光とに分割する。

フォトディテクタ１３は、ビームスプリッタ１２によって反射された基準光を受光し電気信号に変換する。ビームスプリッタ１２を透過したプローブ光は走査部２０を介して被検物Ｔに照射される。被検物Ｔで反射した戻り光はプローブ光の光路上を逆行して走査部２０を介して測定部１０に入射し、ビームスプリッタ１２によりフォトディテクタ１４側に反射される。フォトディテクタ１４は、この戻り光を受光して電気信号に変換する。

位相計１５は、これらフォトディテクタ１３とフォトディテクタ１４から電気信号（出力）を入力して両者（基準光と戻り光）の位相差（位相データ）を求め、この位相データを演算部３０に出力する。

走査部２０は、図２〜図７に示すように、プローブ光をその光軸に対して垂直な方向（ＸＹ方向 図３参照）に走査して被検物Ｔに出力する光学装置である。

図２に示すように、走査部２０には、主走査ミラー２１と、主モニター光源２２と、主角度検出部２３と、副走査ミラー２１０と、副モニター光源２２０と、副角度検出部２３０と、主走査回路２４及び副走査回路２４０（図７参照）とが設けられている。

ここで、副走査ミラー２１０、副モニター光源２２０、及び副角度検出部２３０は、それぞれ主走査ミラー２１、主モニター光源２２及び主角度検出部２３と同じ機能なので、その説明を省略する。同様に、図７に示す副走査回路２４０も主走査回路２４と同じ機能なので、その説明を省略する。

主走査ミラー２１は、図３に示すように、Ｙ軸に平行な回動軸２１ａをもつガルバノミラーで、その回動は、図７に示すように、ミラー駆動回路２４ａによって制御される。主走査ミラー２１の回動角度には、その反射面２１ｂの加工精度のばらつきやモーター軸の偏芯などにより、誤差を全く無くすことはできず、少なからず誤差が存在する。同様の理由で、回動軸２１ａには、倒れる方向（Ｘ軸を中心として、Ｙ軸が回動する方向）にも少なからず誤差が存在する。

主モニター光源２２は、主走査ミラー２１の回動角度の誤差と回動軸２１ａの倒れ誤差を検出するための主モニター光（図２に破線で表示）を発生するレーザー光源である。モニター光とプローブ光は、主走査ミラー２１の殆ど同じ位置で、反射する。モニター光とプローブ光は、主走査ミラー２１の回動により、Ｘ軸方向に走査される。

主角度検出部２３は、主走査ミラー２１を反射したモニター光から主走査ミラー２１の回動角度の誤差を検出する速度ムラ検出系（回動速度検出系）と、回動軸２１ａの倒れ誤差を検出するＹ軸倒れ検出系（傾斜検出系）とを有する。

これら主モニター光源２２と主角度検出部２３とにより、主走査ミラー２１の姿勢・回動監視装置が構成される。なお、副モニター光源２２０と副角度検出部２３０とにより、副走査ミラー２１０の姿勢・回動監視装置が構成される。

図３に示すように、主走査ミラー２１で反射したプローブ光（実線）とモニター光（破線）のうち、プローブ光は副走査ミラー２１０に向かい、副走査ミラー２１０によってＹ軸方向に走査されて、被検物Ｔに向かう。プローブ光は被検物ＴをＸＹ方向にラスタースキャンする。

一方、モニター光は、コリメータレンズ２５で平行光に変換されて、ビームスプリッタＢＳに入射する。ビームスプリッタＢＳは、この平行光を主角度検出部２３のＹ軸倒れ検出系（傾斜検出系）に向う光と、同じく主角度検出部２３の速度ムラ検出系（回動速度検出系）に向かう光とに分割する。

Ｙ軸倒れ検出系（傾斜誤差検出系）は、主走査ミラー２１（回動軸２１ａ）の倒れ誤差を検出する光学系で、シリンドリカルレンズ２６とアレイディテクタ２７を備えている。

シリンドリカルレンズ２６は、Ｙ軸方向に集光力を持たないレンズなので、シリンドリカルレンズ２６に平行光が入射すると、Ｙ軸方向に伸びる線分状に結像する。平行光が結像する位置には、アレイディテクタ２７が配置されている。

アレイディテクタ２７は、例えば、Ｙ軸方向に沿って配置した３つの感光部分（ポイントディテクタ）を備えた光電変換素子で、図４に示すように、主走査ミラー２１に倒れ誤差がない場合は、平行光は、３つの感光部分うちの中央のポイントディテクタ２７ｂに入射する。主走査ミラー２１に倒れ誤差がある場合は、平行光は、ポイントディテクタ２７ａ側の位置に到達し、ポイントディテクタ２７ａに出力が現れる。主走査ミラー２１が逆方向の倒れ誤差があると、平行光はポイントディテクタ２７ｃ側の位置に到達し、ポイントディテクタ２７ｃに出力が現れる。

図７に示すように、これらの出力は、倒れ角検出回路２４ｂに出力され、この回路２４ｂによってその倒れ角度が演算される。

このように、主走査ミラー２１の回動軸２１ａに倒れ誤差があると、その倒れる方向に対応して、アレイディテクタ２７（ポイントディテクタ２７ａ又はポイントディテクタ、２７ｃの何れか）に出力が現れるので、倒れ誤差を検出することができる。

速度ムラ検出系（回動速度検出系）は、主走査ミラー２１のＹ軸を中心に回動する回動角速度の誤差を検出する光学系で、スリット２８と集光レンズＣＬとポイントディテクタ２９を備えている。

スリット２８は、平行光のビーム径とほぼ等しい幅を持つ開口部２８ａが平行光（モニター光）の移動軌跡上に沿って適宜間隔をおいて複数設けられた部材で、開口部２８ａ以外の部分（開口部２８ａ間の部分）は平行光を遮光する遮光部２８ｂになっている。

スリット２８（開口部２８ａ）を通過した平行光は、集光レンズＣＬでポイントディテクタ２９上の1点に集光される。

図５に示すように、主走査ミラー２１の回動によって平行光が図中の矢印の方向に平行移動すると、平行光はスリット２８の遮光部２８ｂと開口部２８ａにおいて遮光と通過を繰り返す。

主走査ミラー２１の回動角度の誤差がない場合（速度ムラがない場合）、ポイントディテクタ２９の出力は、図６（ａ）に示すような、周期が一定の正弦波となる。

しかし、主走査ミラー２１の回動角速度に増減があると、減った場合には、同図（ｂ）のように、この周期が長くなり、増えた場合には、同図（ｃ）に示すように、短くなる。ポイントディテクタ２９の出力は、図７に示すように、速度ムラ検出回路２４ｃに出力され、この回路２４ｃによって、回動角速度の誤差が演算される。

このように、主走査ミラー２１の回動に角速度誤差があると、その誤差に対応して、ポイントディテクタ２９の出力波形の周期が変化するので、主走査ミラー２１の角速度誤差を検出することができる。

図７に示すように、主走査回路２４の倒れ角検出回路２４ｂが演算した主走査ミラー２１の倒れ角度誤差を表す主走査倒れ角度信号と、速度ムラ検出回路２４ｃが演算した角速度ムラを表す主走査ムラ信号とは、誤差検出回路２３ａに出力される。同様に、副走査ミラー２１０の倒れ角度誤差を表す副走査倒れ角度信号と角速度ムラを表す副走査ムラ信号も誤差検出回路２３ａに出力される。

誤差検出回路２３ａは、主走査倒れ角度信号と主走査ムラ信号と副走査倒れ角度信号と副走査ムラ信号とから、モニター光のＸＹ方向の誤差を検出する回路である。

演算部３０は演算回路３１を有し、測定部１０からの位相データと走査部２０からの同期パルスと誤差信号とを入力して、走査部２０から各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・（図８参照）までの距離を演算し、そのＸＹ座標を誤差信号に基づいて補正する回路である。モニター光とプローブ光とは、主走査ミラー２１と副走査ミラー２１０の同じ位置で反射するため、モニター光の誤差は、プローブ光の被検物Ｔ上のＸＹ座標の誤差と正確に対応する。

演算回路３１は、各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・（図８参照）のＸ（主走査方向）座標とＹ（副走査方法）座標をそれぞれ誤差信号に基づいて補正し、位相データがあらわす各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・の距離データをＺ座標として対応させる。求めた距離データは外部のＣＡＤ／ＣＡＭ装置などに出力する。これにより被検物Ｔの形状を非接触で計測することが出来る。

以上のように構成された本実施形態の計測装置によれば、モニター光により主走査ミラー２１と副走査ミラー２１０の各倒れ誤差及び回動誤差をそれぞれ検出して、各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・のＸ座標とＹ座標を補正するようにしてあるので、高精度の計測が可能となる。

また、主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の倒れ誤差を検出するのに、ポイントディテクタ２７ａ、２７ｂ、２７ｃを使用してあるので、主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の回動誤差（速度ムラ）があってもモニター光がポイントディテクタ２７ａ、２７ｂ、２７ｃの何れかを照明する限り倒れ誤差を検出することが可能である。

すなわち、主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の回動誤差に全く影響を受けることなく倒れ誤差を検出することが可能である。

また、スリット２８の開口部２８ａの高さ寸法を大きく設定し、主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の回動軸２１ａの倒れがあっても開口部２８ａに十分モニター光が入射するように形成することによって、主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の傾き誤差に影響を受けず、回動誤差を精度良く検出することが可能となる。

換言すると、開口部２８ａに十分モニター光が入射するように形成することによって、主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の傾斜に対する影響を受けないようにすること（倒れ誤差に対して感度を鈍くすること）ができ、これにより主走査ミラー２１（副走査ミラー２１０）の回動誤差を精度良く検出することが可能となる。

本発明の計測装置は上記実施形態に示すものに限定されるものではない。

例えば、プローブ光としてフェムト秒レーザー光を使用した場合を示したが、これに限定されず、他の光を使用してもよい。

また、主走査ミラー２１、副走査ミラー２１０の各倒れ誤差及び回動誤差をそれぞれ検出する場合を示したが、倒れ誤差と回動誤差の何れか一方を検出して、各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・のＸ座標とＹ座標を補正するようにしてもよい。

また、倒れ誤差を検出するのに、ポイントディテクタ２７ａ、２７ｂ、２７ｃを使用した場合を示したが、これらに代えて２次元センサ（２次元ＣＣＤ）を使用してもよい。

上記実施形態のように倒れ誤差を検出するのにポイントディテクタ２７ａ、２７ｂ、２７ｃを使用した場合には、倒れ誤差に対応して到着位置が変わるモニター光の位置を予測する必要がないが、２次元センサを使用するとモニター光の到着位置を予測する予測回路などが必要となる場合がある。

本発明の計測装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。 図１に示す計測装置の走査部の内容を示す概略図である。 図２に示す走査部の概略的な斜視図である。 図３に示す傾斜検出部の出力を説明する説明図である。 図３に回動速度検出部に入射するモニター光の説明図である。 回動速度検出部の出力波形を示す図で、図６（ａ）は速度ムラのない状態での出力波形図、同図（ｂ）は速度低下したときの出力波形図、同図（ｃ）は速度上昇したときの出力波形図である。 図２に示す走査部を駆動する回路のブロック図である。 被検物上をプローブ光が走査する状態を説明する説明図である。

符号の説明

１０ 測定部
１１ レーザー光源
１２ ビームスプリッタ
１３，１４ フォトディテクタ
１５ 位相計
２０ 走査部
２１ 主走査ミラー
２１ａ 回動軸
２１ｂ 反射面
２１０ 副走査ミラー
２２ 主モニター光源
２２０ 副モニター光源
２３ 主角度検出部
２３０ 副角度検出部
２４ 主走査回路
２４０ 副走査回路
２５ コリメータレンズ
２６ シリンドカルレンズ
２７ アレイディテクタ
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ ポイントディテクタ
２８ スリット
２８ａ 開口部
２８ｂ 遮光部
２９ ポイントディテクタ
３０ 演算部
３１ 演算回路

Claims (7)

1. 被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置であって、
   回動軸を中心に回動可能な反射面を有し、該反射面により前記測定光を前記被検物へ反射させ且つ前記被検物で反射して戻る前記戻り光を前記測定光の光路上に導く偏向部と、
   前記測定光とは異なる方向へ反射するように前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部と、
   前記反射面で反射した前記モニター光を前記回動軸に対応する方向に沿って集光する集光部と、
   前記集光した前記モニター光の前記回動軸に対応する方向の位置を検出し前記回動軸の傾きを検出する傾斜検出部と、
   を備えてなることを特徴とする計測装置。
2. 請求項１に記載の計測装置において、
   前記集光部がシリンドカルレンズであることを特徴とする計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の計測装置において、
   前記傾斜検出部がアレイディテクタで、前記集光したモニター光を検出することを特徴とする計測装置。
4. 被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置であって、
   回動軸を中心に回動可能な反射面を有し、該反射面により前記測定光を前記被検物へ反射させ且つ前記被検物で反射して前記測定光と同じ光路を通って戻る前記戻り光を反射させる偏向部と、
   前記測定光とは異なる方向へ反射するように前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部と、
   前記偏向部の前記回動により前記モニター光が移動する軌跡上に配置され前記モニター光を遮光する遮光部と前記モニター光を通過させる開口部を有する制限部と、
   前記開口部を通過した光を検出して前記偏向部の回動速度を検出する回動速度検出部と、
   を備えてなることを特徴とする計測装置。
5. 請求項４に記載の計測装置において、
   前記開口部が前記軌跡方向に並んで複数配置されることを特徴とする計測装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の計測装置において、
   前記測定光がフェムト秒レーザーであることを特徴とする計測装置。
7. 回動軸を中心に回動可能な反射面を有するミラーの該回動軸の傾きと回動速度とを監視する装置であって、
   前記反射面へ投光されるモニター光を投射するモニター光投射部と、
   前記反射面で反射した前記モニター光を前記回動軸に対応する方向に沿って集光する集光部と、
   前記集光部で集光した前記モニター光の前記回動軸に対応する方向の位置を検出し前記回動軸の傾きを検出する傾斜検出部と、
   前記反射面の回動により前記モニター光が移動する軌跡上に配置された前記モニター光を遮光する遮光部と前記モニター光を通過させる開口部とを有する制限部と、
   前記制限部の前記開口部を通過した光を検出して前記反射面の回動速度を検出する回動速度検出部と、
   を備えてなることを特徴とするミラーの姿勢・回動監視装置。

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