JP2010127758A

JP2010127758A - 三次元形状測定装置

Info

Publication number: JP2010127758A
Application number: JP2008302525A
Authority: JP
Inventors: Masaki Takahashi; 正樹高橋
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP5135183B2

Abstract

【課題】三次元形状測定装置において、単一の位置検出器で複数の複数の測定ミラーの変位を測定可能とする。
【解決手段】互いに平行なレーザービームが偏光ビームスプリッタ２０４の偏光面Ｅの異なる位置に入射する。一方のレーザービームは偏光面で２つに分岐して第１の測定ミラー４と参照ミラー６に入射する。他方のレーザービームは偏光面で２つに分岐して測定ミラー５と参照ミラー６に入射する。偏光ビームスプリッタ２０４と測定ミラー２１０，２１１の間には、測定ミラー２１０に向かうレーザービームを透過させ、測定ミラー２１１に向かうレーザービームを反射される部分反射ミラー２１４が配置されている。測定ミラー４，５と参照ミラー６で反射されたレーザービームの干渉から測定ミラー４，５の参照ミラー６に対する相対位置を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は三次元形状測定装置に関するものであり、例えばナノメートルオーダーで測定対象の形状を測定するための高精度の測長光学干渉計を位置検出器として備える三次元形状測定装置に関するものである。

光干渉は、測定感度が非常に高く、物体形状を超精密に測定できる一般的な測定技術として、長年にわたって研究開発が進められてきた。中でも、マイケルソン干渉計は、光の偏光と干渉を利用し２枚のミラーの相対変位を、ナノオーダーの高精度で測定することができる測長光学干渉計であり、位置検出器として三次元形状測定装置に広く用いられている。マイケルソン干渉計のうちミラー間に２本の光路が通っているものは一般にダブルパスと言われ、参照ミラーと測定ミラーの相対変位を測定する位置検出器を構成している。図１０はダブルパスの位置検出器の一例を示す。この位置検出器では、レーザーヘッド２０１から出射されたレーザービームは偏光ビームスプリッタ２０４で分離され、１／４波長板２０６，２０７を経て参照ミラー２０９と測定ミラー２１０に入射する。偏光ビームスプリッタ２０４と１／４波長板２０６及び参照ミラー２０９の間には光路調整用のミラー２１１が配置されている。それぞれのミラー２０９，２１０で反射されたレーザービームは、コーナーキューブ２０５と偏光ビームスプリッタ２０４を経由し、再度それぞれのミラー２０９，２１０に入射する。ミラー２０９，２１０で再度反射された２つのレーザービームは、偏光ビームスプリッタ２０４で再び同一のレーザービームとなり、レシーバー２１２で干渉波がレーザーパワーとして検知される。レシーバー２１２で検知された干渉波から参照ミラー２０９に対する測定ミラー２１０の相対変位が測定される。この図１０に示す位置検出器では、単一の参照ミラー２０９に対する単一の測定ミラー２１０の相対変位を測定している。つまり、位置を測定したいミラー（測定ミラー）が１個あれば、それに対応して１個の位置検出器を設ける必要がある。そのため、この位置検出器を三次元形状測定装置に搭載する場合、測定ミラーの数を多くしようとすると、それに伴って位置検出器自体の数が多くなってしまう。

一方で近年、形状をナノオーダーで測定するニーズは光学部品の分野に多い。例えば近年、デジタルカメラ等に使用される非球面レンズの薄型化、高画質化、高倍率化等の要求に応えるため、回転対称物体であるレンズの形状、表裏面の軸の傾き・偏心に要求される精度が高まってきている。非球面レンズは、設計値に対して０．１ミクロン以下の誤差範囲で製作しなければならず、そのためには形状を０．０１ミクロンオーダーで測定し、傾き・偏心を高精度に測定し、その測定結果をレンズの加工条件にフィードバックすることが求められている。

以上の背景を受け、位置検出器としてマイケルソン干渉計を搭載し、非球面レンズやその金型の形状を、表裏の片面について０．０１ミクロンオーダーの超高精度で測定し、表裏の軸の傾き・偏心を測定する三次元測定装置が開発されている。例えば、特許文献１，２にこの種の三次元形状測定装置が記載されている。

図１１は、特許文献１に記載された三次元形状測定装置を示す。測定対象１に、上下両面に配置された測定用プローブ５０１ｆ、５０１ｂを接触させる。Ｘ方向の変位の測定を説明すると、上下の測定用プローブ５０１ｆ、５０１ｂに固定されたミラーに４本のレーザービームＸ１ｕ、Ｘ２ｕ、Ｘ１ｄ、Ｘ２ｄを設け、ミラー変位を各々のマイケルソン干渉計で測定している。この図１１の三次元形状測定装置では、上下の測定用プローブ５０１ｆ，５０１ｂの水平２方向（Ｘ方向及びＹ方向）についての移動距離及び傾きに加え、上下の測定用プローブ５０１ｆ，５０１ｂの垂直方向の移動距離をそれぞれ測定する必要がある。つまり、個々の測定用プローブ５０１，５０１ｆについて５個の位置測定が必要となり、それぞれについて干渉計ないし位置検出器が必要である。そのため、三次元形状測定装置全体としては、少なくとも１０個の位置検出器が必要となる。それぞれの位置検出器にはミラー、偏光ビームスプリッタ、コーナーキューブ等の高価な光学部品が必要であるので、三次元形状測定装置内部の位置検出器の数が多くなると、その分光学部品の数も多くなり、コストが莫大になる。また位置検出器が多数存在すると、それらを構成する光学部品の位置調整をする手間が長くかかるという課題があった。さらに、光学部品には個体差があり各々に光学的誤差が存在する上、光学部品の固定部材や接着材料が、熱変形等の経時変化を起こし、これらが測定誤差となって装置性能に影響する。そのため、位置検出器の数が多くなり、それに使用される光学部品が異なると、それらの個体差が足し合わされて、測定結果に誤差が生じる。以上の課題は、三次元形状装置を量産する上で精度やコストの点で極めて深刻な課題であった。特許文献１の三次元形状測定装置は、前記のようにＸＹＺの直交座標系についてマイケルソン干渉計を合計１０個も使用しているため、装置が極めて複雑、大型、高価であり、調整も煩雑な上、十分な精度が得られない。

図１２は、特許文献２に記載された三次元形状測定装置を示す。この三次元形状測定装置では、特許文献１と同様に、測定対象１に、上下両面に配置された測定用プローブ６０１ｆ、６０１ｂを接触させている。測定用プローブ６０１ｆ、６０１ｂは、共通のガイドレール部６０２に沿った上下方向の移動のみが可能な可動部にそれぞれ固定されており、測定対象１を固定しているステージ６０３（水平２方向に可動）に固定されたミラー６０４にレーザービームＸを設け、このミラー６０４の変位をマイケルソン干渉計で測定している。特許文献２の三次元形状測定装置では、測定対象１は水平方向に可動なステージ６０３に乗せられている。そして、ガイドレール部６０２に沿った上下方向への可動部で支持されている２つの測定プローブ６０１ｆ、６０１ｂが測定対象１に接触し、測定対象１を両面同時に測定する構成となっている。

特許文献２の三次元形状測定装置では、２つの可動部のガイドレール部６０２は、同一加工面で構成されているため、特許文献１の三次元形状測定装置とは異なり、２つの測定用プローブ６０１ｆ，６０１ｂのそれぞれについて水平２方向（Ｘ方向とＹ方向）の変位と傾きを測定する必要はない。また、上下の測定用プローブ６０１ｆ、６０１ｂのＸＹＺ方向の位置ズレは、校正球を測定した測定データと設計値との差が最小になるようにＸＹＺ方向に座標変換するアライメントを行う事で補正できるので、測定誤差とならない。つまり、測定対象（レンズやその金型等）の測定前に、予め形状寸法が既知である校正球を測定し、上下の測定用プローブ６０１ｆ，６０１ｂの同軸度、高さ方向の基準座標を校正し、校正球を基準とした測定物の測定結果が得られる。特許文献２の三次元形状測定装置は、特許文献１のものと比較して以上の利点があった。

特許文献２に記載の三次元形状測定装置では、前述の校正作業の直後は校正球を基準とした測定結果（上下の測定用プローブ６０１ｆ、６０１ｂの位置ズレを測定誤差として含まない。）が得られる。しかし、校正作業後に一定の時間が経過すると、校正された上下の測定用プローブ６０１ｆ，６０１ｂの同軸度・高さ方向の基準座標は校正値から変化し、その結果正しい測定結果が出力されないという課題があった。この同軸度・高さ方向の基準座標の校正値からの変化は、温度・湿度・振動等の外部環境・測定機内部環境が経時的に変化するために、光学系のミラーが固定されている基板や接着剤が熱変形し、２つの測定用プローブ６０１ｆ，６０１ｂの相対位置が変化することに起因する。具体的には、上下の測定要プローブ６０１ｆ，６０１ｂの位置ズレが最大で約０．１ミクロン程度生じ、この値がそのまま測定誤差となるという課題があった。測定中に誤って触れることで測定用プローブ６０１ｆ、６０１ｂの位置が変わってしまうことも度々ある。この場合には都度、校正作業を実施することが必要となり、全体の測定作業時間が非常に長くなり、作業自体も煩雑であるという課題があった。

特許第３４８６５４６号明細書特開第２００８−１１６２７９号公報

本発明は、三次元形状測定装置における前述の課題を解決するもので、単一の位置検出器で複数の測定ミラーの変位を測定可能とし、測定ミラーの数が増えても位置検出器を増やす必要をなくし、それによって小型で安価な三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、位置検出器の光学部品の個体差、光学部品の経時変化等の誤差因子の影響を受けず安価で構成しやすい三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、測定用プローブ間の位置ズレの校正の必要がない単純な測定作業を実現し、短時間で測定対象の傾き・偏心を高精度に測定できる三次元形状測定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、互いに異なる方向から測定対象の表面を走査する第１及び第２の測定用プローブと、前記第１及び第２の測定用プローブの特定の可動方向の位置を検出する位置検出器とを備える三次元形状測定装置であって、それぞれ前記第１及び第２の測定用プローブに固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な第１及び第２の測定ミラーと、前記可動方向の位置が固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な参照ミラーとを備え、前記位置検出器は、互いに平行な第１及び第２のレーザービームを発生するレーザー光源部と、前記レーザー光源部からの前記第１及び第２のレーザービームが偏光面の異なる位置に入射し、前記レーザー光源部から入射した前記第１のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記第１の測定ミラーと前記参照ミラーに入射させると共に、前記レーザー光源部から入射した前記第２のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記第２の測定ミラーと前記参照ミラーに入射させる偏光ビームスプリッタと、前記第１の測定ミラー、前記第２の測定ミラー、及び前記参照ミラーと、前記偏光ビームスプリッタとの間にそれぞれ配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタと前記第１の測定ミラーの間の前記第１のレーザービームと、前記偏光ビームスプリッタと前記第２の測定ミラー間の前記第２のレーザービームとのうち、一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラーと、前記第１の測定ミラーと前記参照ミラーで反射された前記第１のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第１のレーザービームの干渉から前記第１の測定ミラーの前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第１の受光・演算部と、前記第２の測定ミラーと前記参照ミラーで反射された前記第２のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第２のレーザービームの干渉から前記第２の測定ミラーの前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第２の受光・演算部とを備える、三次元形状測定装置を提供する。

具体的には、前記第１及び第２の測定用プローブのうち、一方は前記測定対象の上面を走査し、他方は測定対象の下面を走査する。

この三次元形状測定装置が備える位置検出器は、偏光ビームスプリッタの偏光面の異なる位置に第１及び第２のレーザービームを入射させ、かつ偏光ビームスプリッタと第１及び第２の測定ミラーの間に第１及び第２のレーザービームのうち一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラーを設けている。この位置検出器では共通の参照ミラーに対する第１及び第２の測定ミラーの相対位置を測定する。つまり、単一の位置検出器で複数の測定ミラーの変位が測定可能である。従って、測定ミラーの数が増えても位置検出器を増やす必要がなく、この点で三次元形状測定装置は小型で安価なものとなる。

また、少ない光学部品からなるシンプルな構成の単一の位置検出器で複数の測定ミラー（第１及び第２の測定ミラー）の変位を測定できるため、光学部品の光学特性の個体差、光学部品の接着条件の差異、光学部品接着基板の熱膨張、外部雰囲気のゆらぎによるレーザービームの波長の変化等の誤差因子の影響を排除ないし軽減でき、さらに位置検出器自体がシンプルであるため容易に光学部品を配置、組み立てることが可能である。

さらに、第１及び第２の測定用プローブの位置を共通の位置検出器で検出するので、第１及び第２の測定用プローブ間の位置ズレの校正が必要なく、測定作業を単純化でき、短時間で測定対象の傾き・偏心を高精度に測定できる。

第２の発明は、測定対象の表面を走査する測定用プローブと、前記測定用プローブの特定の可動方向の位置を検出する位置検出器とを備える三次元形状測定装置であって、前記測定用プローブに固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な反射面を有する測定ミラーと、前記可動方向の位置が固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な反射面を有する参照ミラーとを備え、前記位置検出器は、互いに平行な第１及び第２のレーザービームを発生するレーザー光源部と、前記レーザー光源部からの前記第１及び第２のレーザービームが偏光面の異なる位置に入射し、前記レーザー光源部から入射した前記第１のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記測定ミラーの一部である第１の領域と前記参照ミラーに入射させると共に、前記レーザー光源部から入射した前記第２のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記測定ミラーのうちの前記第１の領域とは異なる部分である第２の領域と前記参照ミラーに入射させる偏光ビームスプリッタと、前記測定ミラー及び前記参照ミラーと、前記偏光ビームスプリッタとの間にそれぞれ配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタと前記測定ミラーの前記第１の領域間の前記第１のレーザービームと、前記偏光ビームスプリッタと前記測定ミラーの前記第２の領域間の前記第２のレーザービームとのうち、一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラーと、前記測定ミラーの前記第１の領域と前記参照ミラーで反射された前記第１のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第１のレーザービームの干渉から前記第１の測定ミラーの第１の領域の前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第１の受光・演算部と、前記測定ミラーの前記第２の領域と前記参照ミラーで反射された前記第２のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第２のレーザービームの干渉から前記測定ミラーの第２の領域の前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第２の受光・演算部と、
前記第１及び第２の受光・演算部が算出した前記測定ミラーの前記第１及び第２の領域の前記参照ミラーに対する相対位置から前記測定ミラーの前記可動方向に対する傾きを算出する傾き演算部とを備える、三次元形状測定装置を提供する。

この三次元形状測定措置が備える位置検出器は、偏光ビームスプリッタの偏光面の異なる位置に第１及び第２のレーザービームを入射させ、かつ偏光ビームスプリッタと測定ミラーの第１及び第２の領域の間に第１及び第２のレーザービームのうちの一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラーを設けている。この位置検出器では共通の参照ミラーに対する測定ミラーの第１及び第２の領域の相対位置を測定する。つまり、単一の位置検出器で単一の測定ミラーの異なる領域の変位が測定し、単一の位置検出器で測定ミラーの変位と傾きの両方を測定可能である。従って、測定ミラーの変位と傾きのそれぞれについて位置検出器を設ける必要がなく、この点で三次元形状測定装置は小型で安価なものとなる。

また、少ない光学部品からなるシンプルな構成の単一の位置検出器で測定ミラーの複数の領域の変位を測定し、それによって測定ミラーの変位と傾きの両方を測定できるため、光学部品の光学特性の個体差、光学部品の接着条件の差異、光学部品接着基板の熱膨張、外部雰囲気のゆらぎによるレーザービームの波長の変化等の誤差因子の影響を排除ないし軽減でき、さらに位置検出器自体がシンプルであるため容易に光学部品を配置、組み立てることが可能である。

本発明の三次元形状測定装置が備える位置検出器は、共通の参照ミラーに対する第１及び第２の測定ミラーや、測定ミラーの第１及び第２の領域に対する相対位置を測定できる。つまり、単一の位置検出器で複数の測定ミラーや測定ミラーの複数の領域の相対位置を測定可能である。従って、測定ミラーの数の増加や測定ミラーの傾き測定のために位置検出器を増やす必要がなく、小型で安価な三次元形状測定装置を実現できる。

また、少ない光学部品からなるシンプルな構成の単一の位置検出器で複数の測定ミラーや測定ミラーの複数の変位を測定できるため、光学部品の光学特性の個体差、光学部品の接着条件の差異、光学部品接着基板の熱膨張、外部雰囲気のゆらぎによるレーザービームの波長の変化等の誤差因子の影響を排除ないし軽減でき、さらに位置検出器自体がシンプルであるため容易に光学部品を配置、組み立てることが可能である。

さらに、第１及び第２の測定用プローブの位置を共通の位置検出器で検出できるので、第１及び第２の測定用プローブ間の位置ズレの校正が必要なく、測定作業を単純化でき、短時間で測定対象の傾き・偏心を高精度に測定できる。

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本発明の実施形態を図１から図９を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態の三次元形状測定装置を示す。

この三次元形状測定装置は、石定盤１１上をＸＹ方向移動装置１２によって水平２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に移動するガイドレール１３（Ｚ方向に延びる）を備える。このガイドレール１３上をＺ方向に昇降する測定用プローブ２，３が設けられている。上側の測定プローブ２は下向きに延びるスタイラス２ａを備え、下側の測定プローブ３は上向きに延びるスタイラス３ａを備える。測定用プローブ２，３はスタイラス２ａ，３ａの先端が微小な接触圧で測定対象１の上下面に接触した状態を維持するように、測定プローブ移動装置１４，１５によりガイドレール１３上をＺ方向に移動する。例えば軸対称非球面レンズやその金型である測定対象１は、石定盤１１に対して固定されたステージ１６に保持される。

上側の測定用プローブ２には、Ｘ測定ミラー４、Ｙ測定ミラー（図示せず）、及びＺ測定ミラー８が固定されている。同様に下側の測定用プローブ３には、Ｘ測定ミラー５、Ｙ測定ミラー（図示せず）、及びＺ測定ミラー９が固定されている。つまり、Ｘ測定ミラー４，５、２個のＹ測定ミラー、及びＺ測定ミラー８，９は、それぞれ測定用プローブ２，３のＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の変位に伴って変位する。Ｘ測定ミラー４，５、２個のＹ測定ミラー、及びＺ測定ミラー８，９の反射面は、それぞれＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に対して垂直である。Ｘ測定ミラー４，５に対応して、Ｘ方向に対して垂直な反射面を有するＸ参照ミラー６が設けられている。このＸ参照ミラー６は石定盤１１から鉛直方向上向きに延びる固定壁１７に固定されている。同様に、前述した２個のＹ測定ミラー（図示せず）に対応して、Ｙ方向に対して垂直な反射面を有し、かつ石定盤１１に対して固定されてＹ参照ミラー（図示）が設けられている。２つのＹ測定ミラーとそれに対応するＹ参照ミラーの配置は、Ｘ測定ミラー４，５とＸ参照ミラー６の配置をＺ軸周りに９０度回転させた配置である。Ｚ測定ミラー８，９に対応して、Ｚ方向に対して垂直な反射面を有するＺ参照ミラー１０が設けられている。このＺ参照ミラー１０は石定盤１１に対して固定されている。

図１の三次元形状測定装置は、測定対象１に対する測定用プローブ２，３の相対位置を、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向について測定する構成となっている。Ｘ方向の位置測定は、ダブルパスのマイケルソン干渉計である位置検出器７により実行される。具体的には、位置検出器７はＸ測定ミラー４に対しレーザービームＸ１を、Ｘ測定ミラー５に対しレーザービームＸ２を、Ｘ参照ミラー６に対しレーザービームＸ３を、それぞれ入射させる（図１では、レーザーの経路が重複したダブルパスを図示しているが、各ミラーで反射するレーザーを１本としてレーザー名称をつけている）。レーザービームＸ１〜Ｘ３は位置検出器７のレシーバー２１２，２１３で受光され、演算部１８がレシーバー２１２，２１３で検知された干渉波から単一のＸ参照ミラー６に対するＸ測定ミラー４，５のＸ方向の変位を算出する。なお、レーザービームＸ３は、測定用プローブ２，３と測定対象１が接触する点を通る延長線上に出来るだけ配置し、アッベの誤差を可能な限り軽減することが望ましい。

Ｚ方向の位置測定も、同様に、マイケルソン干渉計である位置検出器１１により実行される。具体的には、位置検出器１１は、Ｚ測定ミラー８に対しレーザービームＺ１を、Ｘ測定ミラー９に対しレーザービームＺ２を、Ｘ参照ミラー１０に対しレーザービームＺ３を、それぞれ入射させる。レーザービームＺ１〜Ｚ３は位置検出器１１の演算部１８がレシーバー２１２，２１３で検知された干渉波から単一のＺ参照ミラー１０に対するＺ測定ミラー８，９のＺ方向の変位を算出する。

Ｙ方向の測定に関しては、Ｘ方向及びＹ方向の位置検出器７，１１全く同様の位置検出器が２個の単一のＹ参照ミラーに対する２枚のＹ測定ミラーのＹ方向の変位を測定する。

位置検出器７，１１の詳細を、図２を参照して説明する。位置検出器７，１１は、レーザーヘッド２０１、レシーバー２１２，２１３、参照ミラー９、測定ミラー２１０，２１１、１／４波長板２０６，２０７，２０８、ミラー２０３，２２０，２２１（ミラー２２１は図１にのみ図示する。）、無偏光ビームスプリッタ２０２、偏光ビームスプリッタ２０４、コーナーキューブ２０５、及び部分反射ミラー２１４を備える。図２における測定ミラー２１０，２１１は位置検出器７の場合のＸ測定ミラー４，５と位置検出器１１の場合のＺ測定ミラー８，９とを代表している。また、図２における参照ミラー２０９は位置検出器７の場合のＸ参照ミラー６と位置検出器１１の場合のＺ参照ミラー１０とを代表している。

レーザーヘッド２０１から発信周波数安定化レーザー（波長λ）が発信され、無偏光ビームスプリッタ２０２でレーザービームＬ１，Ｌ２に２分割される。レーザービームＬ２はミラー２０３によって反射され、レーザービームＬ１，Ｌ２は平行光となって偏光ビームスプリッタ２０４に入射する。その他、コーナーキューブ２０５、１／４波長板（λ／４波長板）２０６〜２０８、参照ミラー２０９、測定ミラー２１０、２１１を配置し、干渉計を構成する。レーザービームのパワーを検知できるよう２個のレシーバー２１２、２１３を配置している。また、偏光ビームスプリッタ２０４と測定ミラー２１０，２１１の間には、部分反射ミラー２１４を配置している。

位置検出器７，１１は、従来の一般的なダブルパスのマイケルソン干渉計を複数個（本実施形態では２個）組み合わせたものである。図３Ａ，Ｂは、位置検出器７，１１に含まれる干渉計をそれぞれ抜粋した平面図である。図３Ａの光学系は、参照ミラー２０９の光軸と平行方向の変位に対する、測定ミラー２１０の相対変位を測定する。また、図３Ｂの光学系は、参照ミラー２０９の変位に対する、測定ミラー２１１の相対変位を測定する。このように２個の干渉計を組み合わせたものである位置検出器７，１１では、光学系内を光路が複雑に交錯する。そのため、図４から図６に示すように光学部品上で光軸が通過する点の名称を説明し、これらの通過点を用いて位置検出器７，１１の光学系を説明する。

まず、図４、図５、図６はそれぞれ、偏光ビームスプリッタ２０４、コーナーキューブ２０５、及び部分反射ミラー２１４におけるレーザービームの光軸通過点の名称を示している。図４を参照すると、偏光ビームスプリッタ２０４の外側面を面Ａ、面Ｂ、面Ｃ、６９及び面Ｄとし、偏光面を面Ｅとする。また、図５を参照すると、コーナーキューブ２０５におけるレーザービーム透過面を面Ｆとする。さらに、図６を参照すると、部分反射ミラー２１４におけるレーザービームの入射面（レーザービームを反射する反射面２１４ａ，２１４ｂとレーザービームを透過する透明面２１４ｃ，２１４ｄを有する。）を面Ｇとする。図４から図６には、各面Ａ〜Ｇに対する法線ベクトルを併せて図示している。各面Ａ〜Ｇは、それぞれ4本のレーザービームが通過する。各面Ａ〜Ｆにおけるレーザービームの通過点は、個々の面を示す符号に右上から通し番号を１〜４を付して表す。例えば、図４に図示する偏光ビームスプリッタ２０４の透過面Ａについては、レーザービーム通過点をＡ１〜Ａ４で表す。また、各光学部品によって反射、分光されるレーザービームを符号Ｌ1〜Ｌ１２で示す。

図７に位置検出器７，１１のうち、参照ミラー２０９と測定ミラー２１０の相対変位を測定する干渉部分のみを抜粋したものを示す。この図７に示す干渉部分をレーザービームが通過する過程を、図８Ａから図８Ｄを参照して説明する。

図８Ａにおいて、レーザーヘッド２０１から出射された後に無偏光ビームスプリッタ２０２に入射して２つに分光されたレーザービームのうち、レーザービームＬ２はミラー２０３でさらに反射され、偏光ビームスプリッタ２０４に入射される。このレーザービームＬ２は、偏光ビームスプリッタ２０４の通過点Ａ４（図４）に入射され、偏光面Ｅの通過点Ｅ４において、横偏光Ｐ波と縦偏光Ｓ波に分光される。横偏光Ｐ波はレーザービームＬ２として偏光面Ｅを通過して直進する一方、縦偏光Ｓ波は偏光面Ｅで反射されるレーザービームＬ８（図８Ｃを併せて参照）となる。レーザービームＸ２（横偏光Ｐ波）は、偏光ビームスプリッタ２０４の通過点Ｅ４（図４）を通過した後、部分反射ミラー２１４の透過面２１４ｄを通過点Ｇ４（図６）で透過し、１／４波長板２０７を通過して測定ミラー２１０で反射する。

図６を参照すると、部分反射ミラー２１４のレーザービームの入射面Ｇは４分割された斜面であり、レーザービームの反射面２１４ａ，２１４ｂと透過面２１４ｃ，２１４ｄが点ｇ２（例えば入射面Ｇの図心）に対して点対称に配置されている。図６では、透過面２１４ｃ，２１４ｄに含まれる通過点Ｇ２，Ｇ４ではレーザービームは透過される。通過点Ｇ２，Ｇ４を含む透過面２１４ｃ，２１４ｄでは入射面２１４はミラーにはなっておらず、ガラス基板をレーザービームが透過する光学部品となっている。一方、通過点Ｇ１，Ｇ３を含む反射面２１４ａ，２１４ｂには、金属が蒸着されておりミラーとして機能し、レーザービームを反射する。透過面２１４ｃ，２１４ｄのうちレーザービームの通過点のみに透過性を持たせても良く、反射面２１４ａ，２１４ｂのうち通過点Ｇ１，Ｇ３にのみ金属蒸着等により反射性を持たせても良い。

図８Ｂに示すように、測定ミラー２１０において反射されて、再び１／４波長板２０７を通過した際、レーザービームＬ２は偏光の方向は９０度回転されて縦偏光Ｓ波となる。縦偏光Ｓ波となったレーザービームＬ２は、偏光ビームスプリッタ２１４に入射して偏光面Ｅの通過点Ｅ４（図４）で反射してレーザービームＬ８となって外側面Ｂの通過点Ｂ１（図４）を経由後、コーナーキューブ２０５における通過点Ｆ４（図５）を通過する。コーナーキューブ２０５内部で反射した後、通過点Ｆ２（図５）から出射された戻り光であるレーザービームＬ６は、偏光ビームスプリッタ２１４の外側面Ｂの通過点Ｂ３（図４）に入射される。このコーナーキューブ２０５から戻るレーザービームＬ６は縦偏光Ｓ波であるため、偏光ビームスプリッタ２１４の偏光面Ｅの通過点Ｅ２（図４）において反射されてレーザービームＬ４となる。このレーザービームＬ４は、偏光ビームスプリッタ２０４の外側面Ｃの通過点Ｃ３を経由した後、部分反射ミラー２１４の透過面２１４ｃを通過点Ｇ２において透過され、１／４波長板２０７を通過して測定ミラー２１０に入射される。レーザレーザービームＬ４は測定ミラー２１０において反射されて再び１／４波長板２０７を通過した際、偏光の方向が再度９０度回転され、横偏光Ｐ波となる。この横偏光Ｐ波となったレーザービームＬ４は、偏光ビームスプリッタ２０４の外側面Ｃの通過点Ｃ３（図４）を経由した後に偏光面Ｅの通過点Ｅ２（図４）を通過し、さらに外側面Ａの通過点Ａ２（図４）を経由して、レシーバー２１２に入射される。

一方、図８Ｃに示すように、レーザーヘッド２０１から無偏光ビームスプリッタ２０２とミラー２０３を経て偏光ビームスプリッタ２０４に入射して分光されたレーザービームＬ２のうち、偏光面Ｅの通過点Ｅ４（図４）で反射されたレーザービームＬ８（縦偏光Ｓ波）は、外側面Ｄの通過点Ｄ４（図４）を経由した後、１／４波長板２０６を通過して参照ミラー２０９で反射される。参照ミラー２０９で反射されて再び１／４波長板２０６を通過した際、レーザービームＬ８の偏光方向は９０度回転され、横偏光Ｐ波となる。

図８Ｄに示すように、参照ミラー２０９で反射されて１／４波長板２０６を再通過したレーザービームＬ８（横偏光Ｐ波）は、偏光ビームスプリッタ２０４の外側面Ｄの通過点Ｄ４（図４）を経由した後、偏光面Ｅの通過点Ｅ４（図４）を通過し、外側面Ｂの通過点Ｂ１（図４）を経由してコーナーキューブ２０５における通過点Ｆ４（図５）に入射される。さらに、通過点Ｆ２（図５）から出射されるコーナーキューブ２０５からの戻り光であるレーザービームＬ６は、偏光ビームスプリッタ２０４の外側面Ｂの通過点Ｂ３に入射される。このレーザービームＬ６は横偏光Ｐ波であるため、偏光ビームスプリッタ２０４の偏光面Ｅの通過点Ｅ２（図４）を通過、外側面Ｄの通過点Ｄ２（図４）を経由した後、１／４波長板２０６を通過して参照ミラー２０９に入射される。参照ミラー２０９において反射されて再び１／４波長板２０６を通過する際、レーザービームＬ６は偏光方向が再度９０度回転されて、縦偏光Ｓ波となっている。参照ミラー２０９で反射されたレーザービームＬ６（縦偏光Ｓ波）は、偏光ビームスプリッタ２０４の外側面Ｄの通過点Ｄ２（図４）を経由した後、偏光面Ｅの通過点Ｅ２（図４）で反射され、外側面Ａの通過点Ａ２（図４）を経由して、レーザービームＬ４としてレシーバー２１２に入射される。レシーバー２１２では、参照ミラー２０９からの縦偏光Ｓ波と測定ミラー２１０からの横偏光Ｐ波が干渉し、干渉波の照度を電圧に変換することで位相差を出力し、測長を行う。

全く同様の原理で、図２の複数ミラー同時位置検出器のうち、図３Ｂに示す測定ミラー２１１と参照ミラー２０９の相対変位を測定することができる。図２、図３Ａ、及び図４から図８Ｄにおいて測定ミラー２１０と参照ミラー２０９に関するレーザービーム（光路）を実線で示すのに対し、図３Ｂ及び図４から図６において測定ミラー２１１と参照ミラー２０９に関するレーザービーム（光路）は点線で示している。

以上は、レーザーヘッド１から出射されたレーザービームがレーザービームＬ１，Ｌ２に分光され、それら２本のレーザービームＬ１，Ｌ２が偏光ビームスプリッタ２０４に入射される場合を説明したものである。この位置検出器７，１１では、参照ミラー２０９、測定ミラー２１０、２１１がレーザービームに対して垂直な姿勢を維持して変位する場合、参照ミラー２０９の変位に対する測定ミラー２１０の相対変位がレシーバー２１２で、参照ミラー２０９の変位に対する測定ミラー２１１の相対変位がレシーバー２１３で、測定することが出来る。つまり、位置検出器７，１１では、単一の参照ミラー２０９に対する２枚の測定ミラー２１０，２１１の変位を測定することが出来る。

このように、本実施形態の三次元形状測定装置が備える位置検出器７，１１は、偏光ビームスプリッタ２０４の偏光面Ｅの異なる位置に２本のレーザービームＬ１，Ｌ２を入射させ、かつ偏光ビームスプリッタ２０４と測定ミラーの間に第１及び第２のレーザービームのうち一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラー２１４を設け、共通の参照ミラー２０９に対する第１及び第２の測定ミラー２１０，２１１の相対位置を測定する。つまり、単一の位置検出器７，１１で複数の測定ミラー２１０，２１１の変位が測定可能である。従って、測定ミラーの数が増えても位置検出器を増やす必要がなく、この点で三次元形状測定装置は小型で安価なものとなる。

また、少ない光学部品からなるシンプルな構成の単一の位置検出器７，１１で複数の測定ミラー２１０，２１１の変位を測定できるため、光学部品の光学特性の個体差、光学部品の接着条件の差異、光学部品接着基板の熱膨張、外部雰囲気のゆらぎによるレーザービームの波長の変化等の誤差因子の影響を排除ないし軽減でき、さらに位置検出器７，１１自体がシンプルであるため容易に光学部品を配置、組み立てることが可能である。

さらに、測定用プローブ２，３の位置のＸ方向及びＹ方向の位置を共通の位置検出器７，１１で検出するので、測定用プローブ２，３間の位置ズレの校正が必要なく、測定作業を単純化でき、短時間で測定対象の傾き・偏心を高精度に測定できる。

複数ミラー同時位置検出器を前述の三次元形状測定装置のプローブの傾きを測定するのに応用した場合を、図９を用いて説明する。図９の三次元形状測定装置は、図１の位置検出器７と同様の構成の２つの位置検出器３０１，３０２を備える。これらの位置検出器３０１，３０２は、２個の測定ミラーの参照ミラー６に対する相対位置を測定するだけでなく、同一の測定ミラー４，５の上側領域４ａ，５ａと下側領域４ｂ，５ｂの参照ミラー６に対する相対変位が測定できる。例えば、位置検出器３０１では、レーザービームＸ１，Ｘ２が同一の測定ミラー４の上側領域４ａと下側領域４ｂに入射し、レーザービームＸ３が参照ミラー６に入射する。偏心・傾き検出器３０３は、演算部１８で算出された同一の測定ミラー４，５の上側領域４ａ，５ａと下側領域４ｂ，５ｂの相対位置から測定ミラー４，５のＸ方向に対する傾きと、参照ミラー６に対する測定ミラー４，５の相対変位を算出する。Ｙ方向についてもＸ方向と同様の構成によって２つの位置検出器がそれぞれＹ方向に対して垂直な測定ミラーの上側領域と下側領域のＹ方向の参照ミラーに対する相対変位を測定し、それによって測定ミラーの相対変位と傾きが得られる。

図９の単一の位置検出器３０１，３０２で単一の測定ミラー４，５の異なる領域４ａ〜５ａの変位が測定し、単一の位置検出器３０１，３０２で測定ミラー４，５の変位と傾きの両方を測定可能である。従って、測定ミラー４，５の変位と傾きのそれぞれについて位置検出器を設ける必要がなく、小型で安価な構成を実現できる。

また、図９の三次元形状測定装置では、少ない光学部品からなるシンプルな構成の単一の位置検出器３０１，３０２で測定ミラー４，５の複数の領域４ａ〜５ｂの変位を測定し、それによって測定ミラー４，５の変位と傾きの両方を測定できるため、光学部品の光学特性の個体差、光学部品の接着条件の差異、光学部品接着基板の熱膨張、外部雰囲気のゆらぎによるレーザービームの波長の変化等の誤差因子の影響を排除ないし軽減でき、さらに位置検出器３０１，３０２自体がシンプルであるため容易に光学部品を配置、組み立てることが可能である。

図９の三次元形状測定装置のその他の構成及び機能は図１のものと同様であり、同一の要素には同一の符号を付している。

本発明の三次元形状測定装置は実施形態のものに限定されず、例えば以下に列挙するような種々の変形が可能である。

個々の位置検出器７，１１で参照ミラー２０９に対する変位を測定できる測定ミラーの枚数は２枚に限定されない。偏光ビームスプリッタ２０４に対し３本以上のレーザービームを入射させ、レーザービームの本数に対応して部分反射ミラー２１４の入射面Ｇにおける反射面と透過面の配置の幾何形状を変更すれば、単一の参照ミラーに対する３枚以上の測定ミラーの変位を測定することが可能である。部分反射ミラー２１４は物理的に一体の構造である必要はなく、特に偏光ビームスプリッタ２０４に対し３本以上のレーザービームを入射させる場合には、互いに分離された複数個の部分反射ミラーを使用してもよい。

図２における偏光ビームスプリッタの周辺の参照ミラー、キューブミラーならびに部分反射ミラーの位置関係は一意的ではなく他の位置関係としてもマイケルソン干渉計である位置検出器を構成できる。

本発明の三次元形状測定装置は、少ない光学部品でシンプルな位置検出器から構成され、複数ミラーの変位を測定できるため、光学部品の光学特性の個体差、光学部品の接着条件の差異、光学部品接着基板の熱膨張、外部雰囲気のゆらぎによるレーザービームの波長の変化等の影響による誤差を軽減でき、さらに位置検出器自体がシンプルであるため容易に光学部品を配置、組み立てることが可能である。この位置検出器は物体形状の計測分野において、三次元形状測定装置に適用できるのみならず、加工機の用途にも幅広く適用できる。

本発明の実施形態を示す三次元形状測定装置の正面図である。図１の三次元形状測定装置が備える位置検出器の模式的な斜視図である。図２の位置検出器におけるレーザービームの経路（参照ミラー２０９に対する測定ミラー２１０の変位測定）を示す模式図。図２の位置検出器におけるレーザービームの経路（参照ミラー２０９に対する測定ミラー２１１の変位測定）を示す模式図。レーザービームが偏光ビームスプリッタ２０４を通過する点及びレーザービームの名称を説明するための模式的な斜視図である。レーザービームがコーナーキューブ２０５を通過する点及びレーザービームの名称を説明するための模式的な斜視図である。レーザービームが部分反射ミラー２１４を通過する点及びレーザービームの名称を説明するための模式的な斜視図である。図２の位置検出器において、測定ミラー２１０と参照ミラー２０９の相対位置を出力する干渉計の斜視図である。図２の位置検出器において、測定ミラー２１０と参照ミラー２０９の相対位置を出力する干渉計のレーザービーム通過点の名称を説明するための図である。図２の位置検出器において、測定ミラー２１０と参照ミラー２０９の相対位置を出力する干渉計のレーザービーム通過点の名称を説明するための図である。図２の位置検出器において、測定ミラー２１０と参照ミラー２０９の相対位置を出力する干渉計のレーザービーム通過点の名称を説明するための図である。図２の位置検出器において、測定ミラー２１０と参照ミラー２０９の相対位置を出力する干渉計のレーザービーム通過点の名称を説明するための図である。本発明の他の実施形態を示す三次元形状測定装置の正面図である。従来のマイケルソン干渉計を示す模式図である。従来の測定対象を上下両面から同時に測定できる三次元形状測定装置の一例を示す概略構成図である。従来の測定対象を上下両面から同時に測定できる三次元形状測定装置の他の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１測定対象
２，３測定用プローブ
２ａ，３ａスタイラス
４，５Ｘ参照ミラー
６Ｙ参照ミラー
７，１１位置検出器
８，９Ｚ測定ミラー
１０Ｚ参照ミラー
１１石定盤
１２ＸＹ方向移動装置
１３ガイドレール
１４，１５測定プローブ移動装置
１６ステージ
１７固定壁
１８演算部
２０１レーザーヘッド
２０２無偏光ビームスプリッタ
２０３，２２０，２２１ミラー
２０４偏光ビームスプリッタ
２１４部分反射ミラー
２０５コーナーキューブ
２０６，２０７，２０８１／４波長板
２０９参照ミラー
２１０，２１１測定ミラー
２１２，２１３レシーバー
３０１，３０２位置検出器
３０３偏心・傾き算出器

Claims

互いに異なる方向から測定対象の表面を走査する第１及び第２の測定用プローブと、前記第１及び第２の測定用プローブの特定の可動方向の位置を検出する位置検出器とを備える三次元形状測定装置であって、
それぞれ前記第１及び第２の測定用プローブに固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な第１及び第２の測定ミラーと、
前記可動方向の位置が固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な参照ミラーと
を備え、
前記位置検出器は、
互いに平行な第１及び第２のレーザービームを発生するレーザー光源部と、
前記レーザー光源部からの前記第１及び第２のレーザービームが偏光面の異なる位置に入射し、前記レーザー光源部から入射した前記第１のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記第１の測定ミラーと前記参照ミラーに入射させると共に、前記レーザー光源部から入射した前記第２のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記第２の測定ミラーと前記参照ミラーに入射させる偏光ビームスプリッタと、
前記第１の測定ミラー、前記第２の測定ミラー、及び前記参照ミラーと、前記偏光ビームスプリッタとの間にそれぞれ配置された１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタと前記第１の測定ミラーの間の前記第１のレーザービームと、前記偏光ビームスプリッタと前記第２の測定ミラー間の前記第２のレーザービームとのうち、一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラーと、
前記第１の測定ミラーと前記参照ミラーで反射された前記第１のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第１のレーザービームの干渉から前記第１の測定ミラーの前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第１の受光・演算部と、
前記第２の測定ミラーと前記参照ミラーで反射された前記第２のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第２のレーザービームの干渉から前記第２の測定ミラーの前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第２の受光・演算部と、
を備える、三次元形状測定装置。
前記第１及び第２の測定用プローブのうち、一方は前記測定対象の上面を走査し、他方は測定対象の下面を走査する、請求項１に記載の三次元形状測定装置。
測定対象の表面を走査する測定用プローブと、前記測定用プローブの特定の可動方向の位置を検出する位置検出器とを備える三次元形状測定装置であって、
前記測定用プローブに固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な反射面を有する測定ミラーと、
前記可動方向の位置が固定され、かつ前記可動方向に対して垂直な反射面を有する参照ミラーと
を備え、
前記位置検出器は、
互いに平行な第１及び第２のレーザービームを発生するレーザー光源部と、
前記レーザー光源部からの前記第１及び第２のレーザービームが偏光面の異なる位置に入射し、前記レーザー光源部から入射した前記第１のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記測定ミラーの一部である第１の領域と前記参照ミラーに入射させると共に、前記レーザー光源部から入射した前記第２のレーザービームを前偏光面で２つに分岐させて前記測定ミラーのうちの前記第１の領域とは異なる部分である第２の領域と前記参照ミラーに入射させる偏光ビームスプリッタと、
前記測定ミラー及び前記参照ミラーと、前記偏光ビームスプリッタとの間にそれぞれ配置された１／４波長板と、
前記偏光ビームスプリッタと前記測定ミラーの前記第１の領域間の前記第１のレーザービームと、前記偏光ビームスプリッタと前記測定ミラーの前記第２の領域間の前記第２のレーザービームとのうち、一方を反射して他方を通過させる部分反射ミラーと、
前記測定ミラーの前記第１の領域と前記参照ミラーで反射された前記第１のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第１のレーザービームの干渉から前記第１の測定ミラーの第１の領域の前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第１の受光・演算部と、
前記測定ミラーの前記第２の領域と前記参照ミラーで反射された前記第２のレーザービームを、前記部分反射ミラーと前記偏光ビームスプリッタを介して受光し、受光した前記第２のレーザービームの干渉から前記測定ミラーの第２の領域の前記参照ミラーに対する相対位置を算出する第２の受光・演算部と、
前記第１及び第２の受光・演算部が算出した前記測定ミラーの前記第１及び第２の領域の前記参照ミラーに対する相対位置から前記測定ミラーの前記可動方向に対する傾きを算出する傾き演算部と
を備える、三次元形状測定装置。