JP2011095239A - 面形状計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測ヘッドを走査して形状計測するには、傾斜角および変位量の双方を検出する必要があり、計測ヘッドが大型化し、重量も重くなるため、計測ヘッドの小型化および軽量化に有利な技術を提供する。
【解決手段】被検面の形状を計測する面形状計測装置は、基準点から光を放射し被検面１０で正反射して戻ってくる被検光と参照光との干渉を検出することによって基準点と被検面との間の距離を計測するための計測ヘッド１１０と、計測ヘッドを走査する走査機構と、計測ヘッドを使って計測された垂直距離と前記基準点の座標とに基づいて被検面の形状を計算する処理部とを備え、処理部は、基準点の座標を（ｓ，ｔ，ｕ）、基準点から被検面までの垂直距離をｑ、前記被検面上の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）としたときに、（ｘ，ｙ，ｚ）＝（ｓ，ｔ，ｕ）−ｑ（α，β，γ）（α，β，γ）＝（∂ｑ／∂ｓ，∂ｑ／∂ｔ，∂ｑ／∂ｕ）に基づいて被検面の形状を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検面の形状を計測する面形状計測装置に関する。

近年、カメラ、複写機、望遠鏡、露光装置などに搭載される光学系では、非球面レンズなどの非球面光学素子が多用されるようになってきた。更には、被検面として、例えば、自由曲面形状を有するもの、起伏が大きいもの、傾斜角が大きいものもある。したがって、面形状計測装置には、このような様々な被検面を計測することができる機能が要求される。特許文献１には、三次元形状測定装置が開示されている。この測定装置は、微小開口を通して被検物面に球面波を照射し、被検物面で反射し微小開口を通して戻ってくる光（戻り光）を利用して被検物面の形状を測定する。より具体的には、この測定装置は、光軸に対する戻り光の傾斜角を傾斜角計測部により検出し、被検物面を走査したときの被検物面上の光の反射位置と微小開口との距離の変位量を変位量検出部によって検出する。そして、この測定装置は、検出した傾斜角および変位量に基づいて被検物面の形状を求める。

特開平２００２−１１６０１０公報 特許第２７６４６３０公報

計測ヘッド（プローブ）を走査して形状を計測する面形状計測装置においては、計測ヘッドが小型であり、軽量であることが望ましい。計測ヘッドが小型であることは、計測装置において計測ヘッドが占める空間を小さくし走査可能範囲を広くすることに寄与する。計測ヘッドが軽量であることは、計測ヘッドの移動により計測装置の構造体へ偏加重がかかることによる構造体の微小な変形を少なくし計測精度を安定化するために寄与する。特許文献１に記載された装置では、傾斜角および変位量の双方を検出する必要があるので、そのための計測ヘッドが大型化するし、重量も重くなる。

本発明は、上記の課題認識を契機としてなされたものであり、面形状計測装置における計測ヘッドの小型化および軽量化に有利な技術を提供することを目的とする。

本発明の１つの側面は、被検面の形状を計測する面形状計測装置に係り、該面形状計測装置は、基準点から光を放射し被検面で正反射して戻ってくる被検光と参照光との干渉を検出することによって前記基準点と前記被検面との間の距離を計測するための計測ヘッドと、前記計測ヘッドを走査する走査機構と、前記計測ヘッドを使って計測された垂直距離と前記基準点の座標とに基づいて前記被検面の形状を計算する処理部とを備え、前記処理部は、前記基準点の座標を（ｓ，ｔ，ｕ）、前記基準点から前記被検面までの垂直距離をｑ、前記被検面上の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）としたときに、
（ｘ ｙ ｚ）＝（ｓ ｔ ｕ）−ｑ（α β γ）
（α β γ）＝（∂ｑ／∂ｓ ∂ｑ／∂ｔ ∂ｑ／∂ｕ）
に基づいて前記被検面の形状を計算する。

本発明によれば、面形状計測装置における計測ヘッドの小型化および軽量化に有利な技術が提供される。

本発明の一実施形態の面形状計測装置の概略構成を示す図である。 本発明の一実施形態における計測ヘッドの構成を概略的に示す図である。 本発明の第１実施形態の面形状計測装置の概略構成を示す図である。 計測ヘッドの原点を決定する方法を説明する図である。 計測ヘッドからの距離を算出する基準を決定する方法を説明する図である。 アブソリュートに測長計測する構成の例を示す図である。

本発明に係る面形状計測装置は、例えば、カメラ（ビデオカメラを含む）、複写機、望遠鏡、露光装置などに用いられるレンズ、ミラー、金型などの滑らかに連続した物体の面形状を計測するために好適である。

まず、本発明に係る面形状計測装置の基本原理について説明する。図３に関連するパラメーターを示す。面形状計測装置は、被検面１０の面形状を計測するための計測ヘッド１１０を有する。図３では、計測ヘッド１１０は球面波を放射し、その球面波の中心を基準点とする場合を示している。点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）は、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心すなわち基準点の座標である。点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を中心とする球面波が被検面１０において正反射する点の座標である。ｑは、点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）と点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）との間の垂直距離である。ｎ＝（α，β，γ）は、被検面１０の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）における単位法線ベクトルである。面形状計測装置は、計測ヘッド１１０を走査しながら点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の座標と距離ｑを計測し、その結果から被検面１０上の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）の座標群、即ち、面形状を決定する。

点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を中心とする半径ｑの球面上にあるから、式（１）が成り立つ。
（ｘ−ｓ）^２＋（ｙ−ｔ）^２＋（ｚ−ｕ）^２＝ｑ^２ ・・・（１）
ここで、式（１）の両辺を、ｓ，ｔ，ｕで偏微分すると、式（２）が得られる。
ｘ＝ｓ−ｑ∂ｑ／∂ｓ
ｙ＝ｔ−ｑ∂ｑ／∂ｔ
ｚ＝ｕ−ｑ∂ｑ／∂ｕ・・・（２）
したがって、計測ヘッド１１０の基準点位置Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）と点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）から被検面１０までの距離ｑとを計測することにより、式（２）に従って被検面１０上の点の座標群、即ち被検面１０の面形状を求めることができる。これを基本原理としている。

単位法線ベクトルの性質により、α＝∂ｑ／∂ｓ、β＝∂ｑ／∂ｔ、γ＝∂ｑ／∂ｕであるから、式（２）は、式（３）、（４）のようにベクトル形式で表現することができる。
（ｘ ｙ ｚ）＝（ｓ ｔ ｕ）−ｑ（α β γ） ・・・（３）
（α β γ）＝（∂ｑ／∂ｓ ∂ｑ／∂ｔ ∂ｑ／∂ｕ） ・・・（４）
式（４）を使うことにより、計測ヘッド１１０の基準点位置Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）と、点Ｆから被検面１０までの垂直距離ｑとから、単位法線ベクトル（α β γ）が得られる。それを式（３）に代入することにより、被検面形状（ｘ ｙ ｚ）が得られる。以上が基本原理である。

また、離散的な計測データの処理においては、偏分は差分として扱われるので、式（４）は、差分形式である式（５）と等価である。

・・・（５）

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の面形状計測装置の概略構成を示す図である。図１（ａ）は正面図、図１（ｂ）は側面図である。ここでは、図１に示すようにｘｙｚ座標系が定義されている。面位置計測装置は、ベース定盤１０１と、ベース定盤１０１によって支持された基準フレーム１０２と、ベース定盤１０１によって支持されたワークホルダー１０６と、計測ヘッド１１０とを備えている。ワークホルダー１０６によって被検面１０を有する被検物が保持されている。面位置計測装置は、計測ヘッド１１０のｘ位置を計測するための基準平面ミラー１０３、計測ヘッド１１０のｙ位置を計測するための基準平面ミラー１０４、計測ヘッド１１０のｚ位置を計測するための基準平面ミラー１０５を備えている。これらは基準フレーム１０２に取り付けられている。

面形状計測装置は、更に、計測ヘッド１１０を走査する走査機構として、Ｘスライド１０７、Ｙスライド１０８、Ｚスライド１０９を含むＸＹＺステージ機構を備えている。計測ヘッド１１０は、Ｚスライド１０９に搭載され、Ｚスライド１０９は、Ｘスライド１０７に搭載され、不図示の駆動機構によりｚ軸方向に駆動される。Ｘスライド１０７は、Ｙスライド１０８に搭載されており、不図示の駆動機構によりｘ軸方向に駆動される。Ｙスライド１０８は、ベース定盤１０１に搭載されており、不図示の駆動機構によりｙ軸方向に駆動される。これにより、計測ヘッド１１０と被検面１０とは３次元的に相対的な位置関係を変更可能な構成を有する。

ヘテロダイン干渉測長のための２周波数発振レーザー１から射出されたレーザー光束は、偏波面保存ファイバー２により、ファイバー入力コリメーター３に導光される。コリメーター３より出射されたレーザー光束は、Ｙスライド１０８に取り付けられたミラー１１１で反射される。その後、該レーザー光束は、Ｘスライド１０７上に取り付けられた無偏光ビームスプリッタ１１２および反射プリズム１１３、Ｚスライド１０９上に取り付けられた無偏光ビームスプリッタ１１４とにより、レーザー干渉計１１５、１１６、１１７へ導光される。ここで、レーザー干渉計１１５、１１６、１１７は、それぞれ、ｘ位置、ｙ位置、ｚ位置の計測用の干渉計である。１１７はｚ位置計測用のレーザー測長用干渉計である。レーザー干渉計１１５、１１６、１１７で得られる干渉信号は、不図示の光ファイバーを通して信号処理ユニット７に提供される。Ｘスライド１０７、Ｙスライド１０８、Ｚスライド１０９は、ＸＹＺステージ制御ユニット８によって制御される。

コンピューター（処理部）９は、計測ヘッド１１０の走査経路を設定する機能、計測データ群を取得する機能、被検面１０の面形状を３次元座標群として求める機能、走査経路の座標を校正する機能、被検面１０の面形状の計測結果を補正する機能を含む。コンピューター９は走査経路を表す座標群を生成し、ＸＹＺステージ機構の制御ユニット８は、その座標群に基づいて、ＸＹＺステージ機構における不図示の駆動機構を制御して計測ヘッド１１０を走査経路に沿って走査する。コンピューター９は、信号処理ユニット７を介して走査経路における計測ヘッド１１０からの距離情報ｑとレーザー干渉計１１５、１１６、１１７からの計測ヘッド１１０の位置情報とを計測データ群として取得する。コンピューター９は、これらの計測データ群を演算処理して、被検面１０の面形状を３次元座標群として求めたり、走査経路の座標を校正したり、被検面１０の面形状の計測結果を補正したりする。

面形状計測装置は、当該面形状計測装置のｘｙｚ座標系の原点を定める原点ユニット１２１を備えている。原点ユニット１２１は、その内部に不図示の凹球面を有し、その球面の曲率中心が面形状計測装置のｘｙｚ座標系の原点とされている。

レーザーユニット４は、計測ヘッド１１０に光束を提供する光源である。レーザーユニット４は、ヘテロダイン干渉測長のための２つの光束（これらは、偏光方向が互いに直交し、周波数が互いに僅かに異なる）を同一光路上に出射して計測ヘッド１１０に提供する。レーザーユニット４はまた、計測ヘッド１１０に提供する２つの光束の周波数差によるビートを含む基準ビート信号を生成し、信号処理ユニット７に提供する。レーザーユニット４から発したレーザー光が、偏波面保存ファイバー５、ファイバー入力コリメーター６、ミラー１１８、ミラー１１９、ミラー１２０を介して、図２に示された計測ヘッド１１０のビームエキスパンダ２０１に導かれる。

図２を参照しながら計測ヘッド１１０について説明する。計測ヘッド１１０は、トワイマングリーン型の干渉計を構成している。照明光学系は、ビームエキスパンダ２０１、偏光ビームスプリッタ２０２、λ／４板２０９、および対物レンズ２１０によって構成されている。受光光学系は、対物レンズ２１０、λ／４板２０９、偏光ビームスプリッタ２０２、集光レンズ２０５、および遮蔽部材２０７により構成されている。ビームエキスパンダ２０１から出射された光束は、偏光ビームスプリッタ２０２により、Ｐ成分が透過し、Ｓ成分が反射し、互い直交する偏光方向をもつ直線偏光に分れる。透過した光束は、参照面２０４側へ進み、反射した光束は被検面１０側へ進む。参照面２０４へ進んだ光束は、λ／４板２０３で円偏光に変換されて参照面２０４で正反射され、再びλ／４板２０３を透過して直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ２０２に戻る。こんどは、偏光ビームスプリッタ２０２に対してＳ成分の直線偏光となっているので、反射して集光レンズ２０５側へ進む。

一方、被検面１０側へ進んだ光束は、λ／４板２０９で円偏光に変換されて対物レンズ２１０に入射する。この光束は、対物レンズ２１０の集光点２１１（点Ｆ）を曲率中心とする球面波に変換され被検面１０で反射される。被検面１０で反射した光のうち、ほぼ正反射した光束２１２は、被検光として対物レンズ２１０を戻り、λ／４板２０９へ戻る。こんどは、偏光ビームスプリッタ２０２に対してＰ成分の直線偏光となっているので、透過して集光レンズ２０５側へ進む。参照面２０４で反射された光（参照光）と被検面１０で反射された光（被検光）は干渉波となり、集光レンズ２０５により干渉信号検出ユニット２０８に至り、測定ビート信号が検出される。この測定ビート信号は、ケーブル２１３を介して、信号処理ユニット７に提供される。信号処理ユニット７において、レーザーユニット４から提供される参照ビート信号と干渉信号検出ユニット２０８から提供される測定ビート信号との周波数差を積分することにより、参照面２０４と被検面１０との間の光路長の変化が検出される。

図２において、集光レンズ２０５の集光点２０６は、対物レンズ２１０の集光点２１１（点Ｆ）と共役な関係を有する。遮蔽部材２０７は、集光レンズ２０５の集光点２０６およびその近傍に集光してきた光束のみを通過させる。これにより、被検面１０において反射された光束のうち正反射された光束２１２のみが干渉信号検出ユニット２０８に入射する。したがって、信号処理ユニット７において検出される参照面２０４と被検面１０との間の光路長の変化は、集光点２１１と被検面１０における光束を正反射する部分との間の光路長の変化と等価である。これにより、集光点２１１と被検面１０における光束を正反射する部分との間の距離を検出することができる。以上により、集光点２１１を球面波の中心、即ち基準点とする構成としている。また、遮蔽部材２０７を集光レンズ２０５と干渉信号検出ユニット２０８との間に配置することにより、基準点である球面波の中心となる集光点２１１には部材を配置しないので、計測ヘッド１１０の走査範囲を広くすることができる。

ただし、被検面１０の形状によっては、光路長の変化を正しく得られない場合がある。例えば、被検面１０が広い領域で共通の曲率中心を持ち、走査経路において被検面１０の曲率中心位置と基準点Ｆが一致する場合である。この場合、被検面１０の広い領域からの反射光が曲率中心の近傍にしか戻らない状態となるので、わずかの走査でも干渉信号が得られなくなるためである。例えば、被検面１０が球面の場合に起こりうる。このような場合は、走査経路を被検面の曲率中心から充分に離れたものとすることによって、光路長の変化を正しく得ることができる。したがって、被検面１０の形状の計測が可能となる。

また、被検面１０が交差する２以上の法線を持ち、走査経路において被検面１０の２以上の法線の交点と基準点Ｆが一致する場合においても光路長の変化を正しく得ることができない。複数の異なる領域からの反射光による干渉が起きるためである。このような場合においても、走査経路を被検面の２以上の法線の交点から充分に離れたものとすることにより、光路長の変化を正しく得ることができる。したがって、被検面１０の形状の計測が可能となる。

前述のとおり、点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）は、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心、即ち基準点の座標である。点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を中心とする球面波が被検面１０において正反射する点の座標である。ｑは、点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）と点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）との距離である。ｎ＝（α，β，γ）は、被検面１０の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）における単位法線ベクトルである。

点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の座標は、詳細は後述されるが、レーザー干渉計１１５、１１６、１１７を使って計測される。点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）と点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）との距離ｑは、詳細は後述されるが、計測ヘッド１１０を使って計測される。前述のとおり、被検面１０上の点Ｃ（ｘ，ｙ，ｚ）は、式（３）、（４）、（５）のように表現することができる。計測ヘッド１１０を走査経路に沿って走査しながらレーザー干渉計１１５、１１６、１１７によって点Ｆの位置を計測するとともに計測ヘッド１１０によって距離ｑを計測する。そして、式（３）、（４）、（５）に従って、被検面１０上の点Ｃの座標群、即ち面形状を求めることができる。

計測ヘッド１１０を走査経路走査しながら、レーザー干渉計１１５、１１６、１１７によって点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）の位置を計測するとともに計測ヘッド１１０によって距離ｑを計測することによって、次のような計測データ群が得られる。なお、添え字として付された１、２、・・・、ｊ、・・・、Ｎは、データの番号を意味する。
（ｓ_１，ｔ_１，ｕ_１），ｑ_１
（ｓ_２，ｔ_２，ｕ_２），ｑ_２
・
・
（ｓ_ｊ，ｔ_ｊ，ｕ_ｊ），ｑ_ｊ
・
・
（ｓ_Ｎ，ｔ_Ｎ，ｕ_Ｎ），ｑ_Ｎ
このデータ群のうち、ｊ番目の計測点における単位法線ベクトルｎ_ｊ＝（α_ｊ，β_ｊ，γ_ｊ）を、次のようにして求めることができる。

ｊ番目の点の近傍に位置する計測点として、ｊ番目の計測点を含めて（ｋ＋１）個の計測点を選ぶ。このとき、（ｋ＋１）個の計測点のうち少なくとも３点は同一直線上には並ばないように選ぶ。選んだ各計測点において、前述の式（５）の関係を適用して次の連立方程式が得られる。

・・・（６）
ただし、
（Δｓ_ｊｍ，Δｔ_ｊｍ，Δｕ_ｊｍ）＝（ｓ_ｊｍ，ｔ_ｊｍ，ｕ_ｊｍ）−（ｓ_ｊ，ｔ_ｊ，ｕ_ｊ）
Δｑ_ｊｍ＝ｑ_ｊｍ−ｑ_ｊ
（ｓ_ｊｍ，ｔ_ｊｍ，ｕ_ｊｍ）：ｊ番目の計測点の近傍に位置する計測点、
ｑ_ｊｍ：ｍ番目の計測点における点Ｃと点Ｆとの距離
ｍ＝１，２，・・・，ｋ
である。
また、単位法線ベクトルの性質から、
α_ｊ ^２＋β_ｊ ^２＋γ_ｊ ^２＝１ ・・・（７）
である。

式（６）は、前記計測点の選び方により、２以上の独立な行を含む。したがって、式（７）の条件のもとに式（６）へ最小二乗法を適用して、ｊ番目の計測点における単位法線ベクトルｎ_ｊ＝（α_ｊ，β_ｊ，γ_ｊ）を決定することができる。この結果を式（３）に適用することにより、ｊ番目の計測点における被検面１０の座標Ｃ_ｊ（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ，ｚ_ｊ）が次のように定まる。
（ｘ_ｊ ｙ_ｊ ｚ_ｊ）＝（ｓ_ｊ ｔ_ｊ ｕ_ｊ）−ｑ_ｊ（α_ｊ β_ｊ γ_ｊ） ・・・（８）
これを各計測点について行うことにより、被検面１０の面形状を表す座標点の集合を式（９）のように決定することができる。
（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）
（ｘ_２，ｙ_２，ｚ_２）
・
・
（ｘ_ｊ，ｙ_ｊ，ｚ_ｊ）
・
・
（ｘ_Ｎ，ｙ_Ｎ，ｚ_Ｎ） ・・・（９）
ここで、レーザー干渉計１１５、１１６、１１７によって、計測ヘッド１１０の基準点Ｆ（ｓ，ｔ，ｕ）を計測する方法について説明する。通常、レーザー干渉計は、インクリメンタル型の測長計であるから、原点からの変位量を検出することにより位置を計測する。この実施形態では、原点を提供する構成として原点ユニット１２１が使用される。原点ユニット１２１により提供される面形状計測装置の原点に計測ヘッド１１０が放射する球面波の中心すなわち基準点Ｆを一致させ、そのときにレーザー干渉計１１５、１１６、１１７によって提供される値を原点に対応する値とする。

図４を参照してより詳細に説明すると、原点ユニット１２１に備えられている凹球面１２２の曲率中心が面形状計測装置の原点１２３である。この原点１２３と計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心すなわち基準点Ｆとが一致したとき、凹球面１２２で反射された光束が全て計測ヘッド１１０に戻るので、信号処理ユニット７に提供される計測ビート信号の振幅は最も強いものとなる。計測ビート信号の振幅が最大になる位置をもって、原点ユニット１２１により提供される面形状計測装置の原点と計測ヘッド１１０の基準点Ｆとが一致していると判断することができる。このときにレーザー干渉計１１５、１１６、１１７から提供される値を原点に相当する値とする。

次に、計測ヘッド１１０によって、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心点すなわち基準点Ｆと該球面波が被検面１０において正反射する点Ｃとの距離ｑを計測する方法を説明する。計測ヘッド１１０も、インクリメンタル型の測長計を構成している。そこで、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心点すなわち基準点Ｆと該球面波が被検面１０において正反射する点Ｃとの距離が分かっている状態で計測ヘッド１１０から提供される値が基準とされる。そして、その値からの変化量を変位量に換算することにより距離ｑを計測することができる。

図５（ａ）、（ｂ）を参照してより詳細に説明する。図５（ａ）は、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心点すなわち基準点Ｆが被検面１０上の点と一致するように計測ヘッド１１０を位置決めした状態を示している。このとき、距離ｑはゼロである。また、この場合において計測ヘッド１１０から放射される球面波は、頂点反射の状態（いわゆるキャッツアイの状態）で、被検面１０により反射されるので、計測ヘッド１１０に戻る光束が最も多い。したがって、信号処理ユニット７に提供される計測ビート信号の振幅は最も強いものとなる。計測ビート信号の振幅が最大になるときの計測値を、計測ヘッド１１０から放射される球面波の中心点すなわち基準点Ｆと該球面波が被検面１０において正反射する点Ｃとの距離ｑの基準値Ｑ_０を決定することができる。図５（ｂ）は、図５（ａ）の状態から、計測ヘッド１１０を走査して、他の位置へ移動させた状態を示している。前述の如く、計測ヘッド１１０は、集光点２１１すなわち点Ｆと被検面１０で正反射する部分Ｃとの間の光路長の変化を計測する構成を有する。したがって、このときの読み値をＱとすると、求める距離ｑは、式（１０）で表される。

ｑ＝Ｑ−Ｑ_０ ・・・（１０）
以上のように、計測ヘッド１１０を走査しながら、計測ヘッド１１０の基準点Ｆの位置と、基準点Ｆから被検面１０までの垂直距離ｑとを計測することにより、被検面１０の面形状を計測することができる。

垂直距離ｑは、例えば、アブソリュート型測長器によって計測されうる。特許第２７６４６３０号公報にアブソリュート型測長器が開示されている。特許第２７６４６３０号公報に開示されたアブソリュート型測長器は、光の干渉縞の干渉次数を特定する機能を有し、これにより物体までの絶対距離を測定する。前記アブソリュート型測長器は、（ａ）出力光の周波数を所定範囲で連続的に変化させることができる光源と、（ｂ）前記光源の周波数安定化手段とを有する。前記アブソリュート型測長器はまた、（ｃ）前記物体からの反射光と参照光との干渉位相を測定する干渉位相測定手段と、（ｄ）少なくとも一つの長さ基準を具備し該長さ基準を光路差として得られる干渉位相を測定する手段とを有する。前記周波数安定化手段は、光吸収用セルと、光センサと、帰還手段とを具備する。前記光吸収用セルは、特定の周波数域において光吸収のピークを有し、前記光源の出力光を入力とする。前記光センサは、前記光吸収用セルを通過した光の強度を測定する。前記帰還手段は、前記光センサの出力の低下により前記光源の出力光の周波数が前記光吸収用セルの吸収ピークの周波数に達したことを検出し、制御信号を前記光源に帰還させる。前記周波数安定化手段は、前記光源の周波数が前記吸収ピークの周波数と一致すると、前記光源の周波数を前記吸収ピークの周波数に固定する。

本発明の１つの実施形態において、アブソリュート型測長器は、図８に例示される光源ユニット５２２と、干渉位相測定部と、演算部を含んで構成されうる。光源ユニット５２２は、図１に示されたレーザーユニット４として使用されうる。光源ユニット５２２は、光源５２０と、補正部５２１とを含みうる。前記干渉位相測定部は、計測ヘッド１１０で構成されうる。前記演算部は、信号処理ユニット７に組み込まれうる。

光源５２０は、ＤＢＲレーザ５０１と、コリメータレンズ５０２と、ハーフミラー５０８、５０９と、Ｒｂガスセル５０３と、光センサ（フォトダイオード）５０５と、光センサ５０６と、比較器５０７とを含む。ＤＢＲレーザ５０１は、駆動電流により発振周波数を変化させることができる。光センサ５０５は、ＤＢＲレーザ５０１の出力光の強度を直接に計測する。光センサ５０６は、Ｒｂセル５０３を通過した後のレーザ光の強度を計測する。

補正部５２１は、ハーフミラー５１０、５１１と、反射ミラー５１２と、基準長さＬｒを有する基準ギャップ（ゼロデュアー、スーパーインバー等の熱膨脹率の小さな材料で構成されている）５１３と、光センサ５１４とを含む。光源５２０が発生した光束は、ハーフミラー５１０を介して光源５２２から射出される。この光束は、偏波面保存ファイバー５、ファイバー入力コリメーター６、ミラー１１８、ミラー１１９、ミラー１２０を介して、図２に例示された計測ヘッド１１０のビームエキスパンダ２０１に導かれる。計測ヘッド１１０は、前記干渉位相計測部として機能し、計測ヘッド１１０による検出信号は、信号処理ユニット７に提供される。補正部５２１の光センサー１４の検出信号もまた、信号処理ユニット７に提供される。信号処理ユニット７に組み込まれる演算部は、計測ヘッド１１０からの検出信号と、補正部５２１の光センサー１４からの検出信号を受けて、この検出信号に基づいて距離ｑをアブソリュートに計算する。

なお、本実施形態の計測ヘッド１１０は、球面波を基準点Ｆから一度に放射していた。しかし、その球面波の一部に相当する細い光束を基準点から放射し、被検面１０上のその球面波が入射する領域をその細い光束で走査するように、計測ヘッド１１０を構成しても良い。このように計測ヘッド１１０を構成することで、被検面１０上の狭い領域のみで反射された被検光を干渉信号検出ユニット２０８で検出することになるため、検出結果に含まれるノイズを低減することが可能となる。また、光源からの光束を狭い領域のみに照射するので、低出力の光源の使用が可能となる。

本実施形態によれば、被検面から正反射して戻ってくる光束の角度を計測することなく、距離ｑを計測するだけで被検面の面形状を計測することができる。したがって、計測ヘッドの構成が単純化され、計測ヘッドの小型化および軽量化が可能になる。

更に、アブソリュート型測長器を用いることによって、被検面が段差や穴などの不連続な面である場合や、被検面上に異物や傷がある場合などのように被検面からの光束が一時的に遮断される場合においても距離ｑを計測することができる。したがって、アブソリュート型測長器を用いることによって、被検面からの光束が一時的に遮断される場合においても、被検面の形状の計測が可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

Claims (3)

1. 被検面の形状を計測する面形状計測装置であって、
   基準点から光を放射し被検面で正反射して戻ってくる被検光と参照光との干渉を検出することによって前記基準点と前記被検面との間の距離を計測するための計測ヘッドと、
   前記計測ヘッドを走査する走査機構と、
   前記計測ヘッドを使って計測された距離と前記基準点の座標とに基づいて前記被検面の形状を計算する処理部とを備え、
   前記処理部は、前記基準点の座標を（ｓ，ｔ，ｕ）、前記基準点から前記被検面までの距離をｑ、前記被検面上の点の座標を（ｘ，ｙ，ｚ）としたときに、
   （ｘ ｙ ｚ）＝（ｓ ｔ ｕ）−ｑ（α β γ）
   （α β γ）＝（∂ｑ／∂ｓ ∂ｑ／∂ｔ ∂ｑ／∂ｕ）
   に基づいて前記被検面の形状を計算する、
   ことを特徴とする面形状計測装置。
2. 前記計測ヘッドは、前記基準点を中心とする球面波を前記基準点から放射することを特徴とする請求項１に記載の面形状計測装置。
3. 前記計測ヘッドを使って前記距離がアブソリュートに計測されることを特徴とする請求項１に記載の面形状計測装置。

Images