JP2010185727A

JP2010185727A - 干渉計

Info

Publication number: JP2010185727A
Application number: JP2009029138A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Ichikawa; 良一市川
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-26

Abstract

【課題】安価な構成で、被検物等の検査を容易に行うことができる干渉計を提供する。
【解決手段】本発明の干渉計は、ワークＷの表面形状によって形成される干渉縞を撮像するＣＣＤ３１を有する干渉計本体と、ＣＣＤ３１により撮像された干渉縞の画像を表示する表示部７０と、表示部７０に表示された干渉縞の評価基準となる基準線を含むチャートを表示させるパソコン６０とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉計、より詳しくは光学素子等の光学面の検査等に用いられる干渉計に関する。

従来、光学素子における光学面の加工精度等を検査する目的で、各種の干渉計が用いられている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の干渉計は、撮像素子を有する干渉計本体と、当該撮像素子から出力される干渉縞画像を表示するための表示装置とを備えて構成されている。そして、取得された干渉縞画像を解析したり、目視により検査したりすることによって、所定の水準以上の加工精度が光学面において確保されているかどうかが検査される。

解析装置付の干渉計は、安価なものから高価なものまで様々あるが、フリンジスキャンタイプのような高精度の測定ができるものは高価である傾向があり、例えば工場で全数検査を行う等の場合には導入が困難な場合がある。このような場合、解析装置の付いていない干渉計で目視により検査を行ったり、縞二値化方式やフーリエ変換方式等による安価な解析装置を備えた干渉計を用いて検査が行われたりすることが多い。

特開平８−１１０２０３号公報

しかしながら、解析装置の付いていない干渉計では、表示装置に干渉縞が表示されるだけであるので、目視による検査において、微妙な縞の曲がり等を評価、判断するのには熟練を要するという問題がある。
一方、安価な解析装置を備えた干渉計を使用する場合、解析に数秒程度の時間がかかるため、全数検査が必要な工程等に導入することは、タクトタイムの問題等で難しいという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、安価な構成で、被検物等の検査を容易に行うことができる干渉計を提供することを目的とする。

本発明の干渉計は、被検物の表面形状によって形成される干渉縞を撮像する撮像素子を有する干渉計本体と、前記撮像素子により撮像された前記干渉縞の画像を表示する表示部と、前記表示部に表示された前記干渉縞の評価基準となる基準線を含むチャートを表示させるチャート表示手段とを備えることを特徴とする。

前記チャート表示手段は、複数の異なるチャートから１つ以上のチャートを選択して前記表示部に表示可能であってもよい。

本発明の干渉計は、前記チャートにおける前記基準線の本数、間隔、及び走行態様の少なくとも１つに関する設定を入力可能な入力部と、前記入力部に入力された前記設定に基づいて、前記チャートの基準線の本数、間隔、及び走行態様の少なくとも１つを制御する制御部とをさらに備えてもよい。

本発明の干渉計によれば、安価な構成で、被検物等の検査を容易に行うことができる。

本発明の第１実施形態の干渉計の構成を示す図である。同干渉計のパソコンの機能ブロックを示す図である。（ａ）から（ｄ）は、いずれも同干渉計の表示部に表示される画面の例を示す図である。（ａ）から（ｃ）は、いずれも本発明の第２実施形態の干渉計の表示部に表示される画面の例を示す図である。本発明の第３実施形態の干渉計の動作を示すフローチャートである。

本発明の第１実施形態について、図１から図３（ｄ）を参照して説明する。図１は、本実施形態の干渉計１の構成を示す図である。
干渉計１は、例えば光学素子等のワーク（被検物）Ｗの被測定面（表面）１００の形状を測定するためのものであり、被測定面１００に基づいて形成される干渉縞の画像を取得する干渉計本体１０と、干渉計本体１０に接続されたパソコン（チャート表示部）６０と、パソコン６０に接続されて干渉計本体１０の取得した干渉縞の画像を表示する表示部７０とを備えている。

干渉計本体１０は、公知のフィゾー型干渉計である。その構成及び作用を簡潔に説明すると、以下の通りである。
干渉計本体１０は、レーザ光源１１と、干渉縞を取得するための干渉計測光学系２０と、干渉縞画像を撮像する撮像部３０とを備えている。干渉計測光学系２０は、後述するコリメートレンズ２１、ビームスプリッタ２２、及びフィゾーレンズ２３を有し、撮像部３０は、撮像素子としてのＣＣＤ３１と、ＣＣＤ３１に干渉縞を結像させる集光レンズ３２とを有する。

レーザ光源１１から射出された発散光Ｌ１は、干渉計測光学系２０のコリメートレンズ２１によって平行光Ｌ２とされてビームスプリッタ２２に入射される。ビームスプリッタ２２は、平行光Ｌ２を反射してフィゾーレンズ２３の光軸上に導くとともに、フィゾーレンズ２３側から入射する後述の被測定面反射光Ｌ３、参照面反射光Ｌ４を透過する。

フィゾーレンズ２３は、光軸上に入射された平行光Ｌ２の一部をフィゾー面（参照面）２３Ａで反射して、参照面反射光（参照光）Ｌ４を形成し、光軸上に入射された平行光Ｌ２の他の部分を透過光Ｌ５として透過し、かつ集光するレンズである。フィゾー面２３Ａの形状は、被測定面１００の理想的な形状に併せて精度よく仕上げられている。

被測定面１００は、少なくとも被測定面１００の面形状の測定を行う際には、被測定面１００の光軸をフィゾーレンズ２３の光軸に一致させるとともに、被測定面１００の曲率中心がフィゾーレンズ２３による透過光Ｌ５の集光位置に一致するように配置される。このような配置を実現するため、フィゾーレンズ２３と被測定面１００とは、不図示の移動機構により相対的な位置関係が調整可能となっている。

被測定面１００に入射された透過光Ｌ５は、被測定面反射光Ｌ３として反射される。このとき、被測定面１００、フィゾーレンズ２３の光軸が一致するとともに、被測定面１００の曲率中心がフィゾーレンズ２３の集光位置に一致しているため、透過光Ｌ５の光線が被測定面１００の法線に沿って入射し、被測定面反射光Ｌ３は、透過光Ｌ５と同一の光路を逆進してフィゾーレンズ２３に再入射し、ビームスプリッタ２２に向けて透過される。

したがって、被測定面反射光Ｌ３、参照面反射光Ｌ４は、いずれも、同一の光束である平行光Ｌ２がフィゾー面２３Ａによって分割されて形成された光束である。そして、被測定面反射光Ｌ３は、被測定面１００で反射されることで、被測定面１００の形状に応じて波面が変化した測定光となっている。一方、参照面反射光Ｌ４は、フィゾー面２３Ａで反射されることでフィゾー面の形状に対応した波面を有する参照光となっている。また、被測定面反射光Ｌ３は、被測定面１００で反射されて同一光路を逆進するため、被測定面１００の形状に応じた波面形状となる。そのため、被測定面反射光Ｌ３と参照面反射光Ｌ４との波面形状の差に基づいた干渉縞が形成される。この際、フィゾー面２３Ａは高精度に加工されていることから、前記干渉縞は被測定面１００の表面形状にもとづいて形成される。

ＣＣＤ３１は、撮像面３１Ａ上に結像された干渉縞の画像を所定のビデオレートで光電変換する撮像素子であり、パソコン６０によって撮像動作を制御される。ＣＣＤ３１によって撮像された干渉縞を含む画像信号はパソコン６０に送出される。
集光レンズ３２は、上述した被測定面反射光Ｌ３、参照面反射光Ｌ４による干渉縞を、ＣＣＤ３１の撮像面３１Ａ上に結像する位置に配置されている。
上記のように構成された干渉計本体１０によって、干渉縞の画像情報が取得されてパソコン６０に送られる。なお、本実施形態では、干渉計本体としてフィゾー型の構成が採用されているが、これに代えて、例えばトワイマングリーン型等の他の公知の構成が採用されてもよい。

図２は、パソコン６０の機能ブロックを示す図である。パソコン６０は、干渉計本体１０から送られてくる干渉縞画像を取り込むための画像取得部６１と、プログラムや各種パラメータを格納しておくためのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）６２と、干渉縞画像や画像処理のための一時データを保存するメモリ６３と、ユーザの入力を受け付けるための入力部６４と、これらの構成と接続され、各種プログラムを実行し画像処理を行う中央演算装置（ＣＰＵ）６５とを備えている。

画像取得部６１は、干渉計本体１０で取得された干渉縞の画像情報を取り込む部位であり、画像入力ボードやＵＳＢポート等のインターフェースを備えている。画像取得部６１は、インターフェースを介して撮像部３０のＣＣＤ３１と接続されている。
ＣＣＤ３１と画像取得部６１とを接続するインターフェースとしては、特に制限はなく、様々なものが使用可能である。例えばＣＣＤ３１がアナログ出力の場合は、ＮＴＳＣやＰＡＬといわれる規格のビデオ信号として出力されるが、このような信号は直接コンピュータに取り込むことができないため、図示しない画像入力ボード等によりデジタル信号に変換された上でパソコン６０に取り込まれる。
一方、ＣＣＤ３１がデジタル出力のものである場合は、撮像素子から直接コンピュータのインターフェースで取り込めるような信号を出力するものもあり、ＵＳＢポート等を介して直接パソコン６０に取り込むことが可能である。

ＨＤＤ６２には、干渉計本体１０で取得された干渉縞の画像を評価するための基準線を含むチャートが記憶されている。チャートはメモリ６３に記憶されてもよいし、ＨＤＤ６２及びメモリ６３の両方に記憶されてもよい。なお、チャートの詳細な態様については後述する。
入力部６４は、キーボードやマウス等の公知の各種構成が採用可能であり、ユーザがパソコンに対して種々の設定や命令を入力するためのものである。
表示部７０はディスプレイ等の公知の構成を有し、パソコン６０から送信された干渉縞の画像及びチャートを画面上に表示する。本実施形態においては、パソコン６０のモニタが表示部７０として機能している。なお、表示画面の構成については後述する。

上記のように構成された干渉計１の使用時の動作について説明する。
まず、ユーザはワークＷを干渉計本体１０に取り付け、被測定面１００の検査に最適な干渉縞が得られるように、フィゾーレンズ２３と被測定面１００との相対位置を調整する。そして、レーザ光源１１から発散光Ｌ１を射出させて、干渉計本体１０により被測定面１００の干渉縞の画像情報を取得する。取得された干渉縞の画像情報は、パソコン６０の画像取得部６１に送られる。

パソコン６０では、画像取得部６１が取得した干渉縞の画像情報と、ＨＤＤ６２等に記憶された干渉縞の評価基準となるチャートとが、ＣＰＵ６５によって表示部７０に送信される。

図３（ａ）は、表示部７０の表示画面の一例を示す図である。表示画面の中央付近には、干渉計本体１０によって取得された干渉縞の画像情報が、干渉縞画像４０として表示されている。そして、干渉縞画像４０に重畳するように、複数の基準線５１を含むチャート５０が表示されている。なお、チャート５０は、干渉縞画像４０と同時に表示部７０に表示されてもよいし、ユーザが入力部６４に所定の入力を行うことによって任意のタイミングで表示部７０に表示されてもよい。

各々の基準線５１は、直線状であり、等間隔で互いに平行に配置されている。ユーザは、干渉縞画像４０における個々の干渉縞と、重畳する又はその付近に表示された基準線５１とを比較照合することによって、干渉縞の曲がり度合い等にもとづき、被測定面１００の収差等を推定して、ワークＷの被測定面１００の仕上がり具合等を判定する。必要に応じて、ユーザはフィゾーレンズ２３とワークＷとの位置関係を変化させて干渉縞画像４０の個々の干渉縞がチャート５０と照合しやすくなるようにその形状を調節してもよい。

判定が終わったら、ユーザは、ワークＷを干渉計本体１０から取り外して、当該ワークの検査を終了する。続けて、別のワークを干渉計本体１０に取り付けて、次の検査を開始してもよい。

本実施形態の干渉計１によれば、干渉計本体１０によって取得された干渉縞画像４０と、干渉縞画像４０の評価基準となる基準線５１を含むチャート５０とが、共に表示部７０に表示される。したがって、干渉計が特定の解析機能を有さなくても、ユーザは干渉縞画像４０とチャート５０の基準線５１とを比較することによって、直感的に干渉縞４０の評価を行い、ワークＷの被測定面１００の仕上がり等を容易に検査することができる。

また、表示部７０の画面にチャート５０を表示させるだけであるので、容易に被測定面の形状測定が可能な干渉計を安価に構成することができる。

表示部７０に表示されるチャート５０としては、様々な態様のものを採用することができる。例えば、図３（ａ）に示した、縦線状の基準線５１を有するチャート５０のほか、図３（ｂ）に示すような横線状の基準線５２を有するチャート５０Ａや、図３（ｃ）に示すような同心円状の基準線５３を有するチャート５０Ｂが用いられてもよい。さらに、これら複数種類のチャートがＨＤＤ６２やメモリ６３等に集中又は分散して記憶され、ユーザの入力部６４を介した指示によって、一つ又は複数選択されて表示部７０に表示されてもよい。一例として、図３（ｄ）には、チャート５０及び５０Ｂが同時に表示された表示画面の例を示している。
なお、記憶されるチャートは、ＨＤＤ６２、メモリ６３の他に、パソコン６０に接続される外部記憶装置等に格納されていてもよい。

次に、本発明の第２実施形態について、図４（ａ）から図４（ｃ）を参照して説明する。本実施形態の干渉計８１と上述の干渉計１との異なるところは、チャートに含まれる基準線に対して各種設定が可能となっている点である。なお、以降の説明において、既出の各実施形態の干渉計と共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図４（ａ）は、干渉計８１の表示部７０に表示された画面の例を示す図である。表示部７０に表示された干渉縞画像８２は、同心円状の干渉縞の中心が円形の干渉縞画像８２の中心に対して偏心している。このため、干渉縞画像８２と基準線５３を有するチャート５０Ｂとを、干渉縞画像８２の外縁と基準線５３とが同軸（略同軸を含む）となるように重畳させて表示しても、干渉縞の評価を好適に行うことは困難である。

そこで、ユーザは、チャート５０Ｂを干渉縞画像８２に対して相対移動させるよう、入力部６４に所定の入力を行う。すると、チャート５０Ｂが干渉縞画像８２に対して図４（ａ）に矢印で示すように相対移動することで、干渉縞画像８２内の個々の干渉縞とチャート５０Ｂの基準線５３とが同軸（略同軸を含む）となり、干渉縞画像８２の評価を容易に行うことができる。

本実施形態の干渉計８１によれば、ユーザが入力部６４に所定の入力を行うことによって、干渉縞の評価に適した態様にチャートの基準線を変化させることができるので、干渉縞画像内における干渉縞の様々な態様に左右されず、常に容易に被測定面の検査を行うことができる。

ユーザの入力によるチャートの変化態様は、上記の例に限定されない。例えば、縦線状の基準線５１を有するチャート５０の基準線５１を、表示画面に対する法線回りに所定角度回転させることによって、図４（ｂ）に示すように、斜めに延びる干渉縞を有する干渉縞画像８３を容易に評価可能なチャート５０Ｃに変化されてもよい。また、各々の基準線５１間の間隔が狭まり、かつ基準線５１の本数が増えることによって、図４（ｃ）に示すような、より密に延びる干渉縞を有する干渉縞画像８４の評価に適したチャート５０Ｄに変化されても構わない。さらに、上述した移動量、回転量、間隔等が適宜組み合わされてチャートにおける基準線の走行態様が変化されてもよい。

また、入力部６４の入力態様も、キーボードやマウス等を用いた直接的な操作によってもよいし、いわゆるグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を利用するものが採用されてもよい。

次に、本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。本実施形態の干渉計９１と上述の各実施形態の干渉計との異なるところは、ユーザの入力によらず、取得された干渉縞画像に適したチャートが選択されて表示される点である。

干渉計９１の構成は、第２実施形態の干渉計８１とほぼ同様であるが、パソコン６０のＣＰＵ６５が、干渉計本体１０で取得された干渉縞の画像情報にもとづいてチャートの基準線を最適化する制御部としても機能する点が異なっている。以下、干渉計９１の使用時の動作について、説明する。

図５は、干渉計９１の使用時の動作について、その流れの一部を示すフローチャートである。
ワークＷの検査開始にあたって、ユーザが入力部６４を介してＣＰＵ６５に指示を行うと、処理に必要なプログラムがＨＤＤ６２からメモリ６３に読み出されて実行される。

ステップＳ１０１において、画像取得部６１により干渉計本体１０からの干渉縞画像がＣＰＵ６５に取り込まれ、メモリ６３に保存される。
ステップＳ１０２では、メモリ６３に保存された干渉縞画像に対して、ＣＰＵ６５がスムージング、クロージング、オープニング、２値化等の公知のフィルター処理を適宜選択して処理を行う。

ステップＳ１０３では、フィルター処理された干渉縞画像に対し、ＣＰＵ６５がラベリングを行い、干渉縞画像を構成する粒子（塊）ごとに番号が付与される。
ステップＳ１０４では、ラベリング処理で番号が付与された各粒子ごとに、ＣＰＵ６５が最小二乗法等の手段により直線近似や円形近似の処理を行い、直線度や円形度が計算される。この際、直線近似の結果はｙ＝ａｘ＋ｂにおいて、粒子ごとにａ、ｂの定数が決定される。また、円形近似の結果は、（ｘ−ａ）^２＋（ｙ−ｂ）^２＝ｒ^２において、粒子ごとにａ、ｂ、ｒの定数が決定される。

ステップＳ１０５では、ステップＳ１０４で抽出した各粒子ごとの直線度や円形度の特徴にもとづいて、干渉縞画像に含まれる干渉縞が直線か円形かが総合的に判断される。判断の方法としては、例えば、最小二乗法近似を行った際の標準偏差の値の平均値が小さい方の形状を選択する等の方法が挙げられる。この判断において、干渉縞が直線であると判断された場合は、処理はステップＳ１０６に進み、干渉縞が円形であると判断された場合は、処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０６では、各粒子の直線近似結果の傾き（ｙ＝ａｘ＋ｂにおけるａ）の平均値に基づき、直線状の基準線を有するチャートにおける各基準線の角度（基準角度）が決定される。また、隣接する粒子ごとの距離の平均値に基づき、各基準線の間隔（基準間隔）が決定される。また、面積が最大の粒子の直線近似結果に基づき各基準線の表示位置（基準位置）が決定される。

ステップＳ１０７では、各粒子の円形近似結果の中心位置（（ｘ−ａ）^２＋（ｙ−ｂ）^２＝ｒ^２のaとｂ）の平均値に基づき、円形の基準線を有するチャートにおける各基準線の基準位置が決定される。また、隣接する粒子ごとの距離（半径ｒの差）の平均値に基づき、各基準線の基準間隔が決定される。一般に、円形の干渉縞の場合は、外側にいくほど縞の間隔が小さくなる傾向があるので、基準間隔を決定せずに、粒子ごとに半径を求め、当該半径に基づいて各基準線の表示位置が設定されてもかまわない。

ステップＳ１０６、Ｓ１０７のいずれも、処理後はステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、ステップＳ１０６又はステップＳ１０７で決定された基準位置、基準角度、基準間隔等の各種パラメータにもとづいて各々の基準線の態様が設定されたチャートが、ステップＳ１０１で取得した干渉縞画像に重畳されてメモリ６３に保存される。

ステップＳ１０９では、上述のチャートが重畳された干渉縞画像がメモリ６３から読み出されて，表示部７０の画面上に表示され、パソコン６０のＣＰＵ６５における一連の処理が終了する。
ユーザは上述した各実施形態の干渉計使用時同様、チャートの基準線と干渉縞画像の干渉縞とを比較照合してワークＷの被測定面１００の検査を行うが、干渉計９１の表示部７０に表示される画面においては、既に干渉縞画像の評価に対して最適化された状態でチャートが重畳されているので、ユーザは入力部６４を介してさらにチャートの表示位置等を調整することなく、そのまま容易に被測定面１００の評価を行うことができる。
本実施形態の干渉計９１によれば、干渉計本体１０から取得された干渉縞画像に対して、制御部としてのＣＰＵ６５が、当該干渉縞画像に含まれる干渉縞の評価に最適なようにチャートの基準線を設定する。つまり、干渉縞に基づいてチャートの基準線を設定する。そして、当該チャートが好適に干渉縞画像に重畳されて表示部７０に表示される。したがって、ユーザは干渉計本体１０に被検物たるワークＷを取り付けて干渉計９１を動作させるだけで、特別な操作を必要とせずに、容易に被測定面１００の検査を行うことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の各実施形態においては、パソコンを用いてチャート表示部及び表示部を構成した例を示したが、これに代えて、例えばハードウエア的な手段で干渉縞画像にチャート画像をスーパーインポーズするような構成にしてもよい。

また、上述の各実施形態においては、チャートが複数の基準線を有する例を説明したが、これに代えて、一本の基準線を有するようにチャートが構成されてもよい。この場合、評価する干渉縞に合わせて当該基準線を順次移動させながら被測定面の評価を行ってもよい。

１、８１、９１干渉計
１０干渉計本体
３１ＣＣＤ（撮像素子）
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄチャート
５１、５２、５３基準線
６０パソコン（チャート表示手段）
６４入力部
６５ＣＰＵ（制御部）
７０表示部
Ｗワーク（被検物）

Claims

被検物の表面形状によって形成される干渉縞を撮像する撮像素子を有する干渉計本体と、
前記撮像素子により撮像された前記干渉縞の画像を表示する表示部と、
前記表示部に表示された前記干渉縞の評価基準となる基準線を含むチャートを表示させるチャート表示手段と、
を備えることを特徴とする干渉計。
前記チャート表示手段は、複数の異なるチャートから１つ以上のチャートを選択して前記表示部に表示可能であることを特徴とする請求項１に記載の干渉計。
前記チャートにおける前記基準線の本数、間隔、及び走行態様の少なくとも１つに関する設定を入力可能な入力部と、
前記入力部に入力された前記設定に基づいて、前記チャートの基準線の本数、間隔、及び走行態様の少なくとも１つを制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の干渉計。