JP2012242207A - 形状検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズや凹凸が大きい被検物体であっても光干渉計測法により表面形状を検査することが可能な形状検査装置及び形状検査方法を提供する。
【解決手段】形状検査装置１は、ホログラム原器３及び結像手段を備える。ホログラム原器３は、被検物体Ｏの理想形状に対応する再生光を再生する。結像手段は、前記被検物体Ｏに所要の入射角で斜め方向に光Ｌ１を入射する一方、前記ホログラム原器３に光を入射することによって、前記被検物体Ｏに反射した反射光Ｌ３又は前記被検物体Ｏを経由した透過光と前記ホログラム原器３からの前記再生光との干渉光による干渉画像を取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状検査装置及び形状検査方法に関する。

光学素子や精密加工部品等の凹凸のある物体の表面形状の理想形状からの誤差を測定する方法として光干渉計測法が知られている。例えば、レンズの曲率を測定する場合には、理想の曲率を有する原器と加工したレンズとを密着させて、原器とレンズ間における光の干渉によってレンズの形状誤差を評価することができる。

このような２つの物体の表面間における光干渉を利用して形状誤差を検査するニュートン検査法では、被検査面の形状誤差が干渉縞の画像として得られる。光干渉計測法によれば、表面形状の測定結果が画像として得られるので、高速測定が可能である。加えて、光干渉計測法は、測定感度が使用する光の波長で決まり、高感度である。

また、光干渉計測法の応用として、計算機合成ホログラムを利用して被検物体の表面形状を検査する方法が知られている（例えば非特許文献１参照）。この方法は、計算機合成ホログラム原器で再生された光と、被検物体からの反射光とを干渉させて干渉縞の画像を得るものである。計算機合成ホログラムを利用すれば、容易に非球面形状の原器を製作することができる。このため、計算機合成ホログラムを利用した検査は、携帯電話用のカメラレンズの形状測定などに利用されている。

谷田貝 豊彦、斉藤 弘義、「計算機ホログラムとその応用」、精密機械４７巻１２号、Ｐ１５４１−１５４５、１９８１年１２月。

しかしながら、光干渉計測法では、凹凸の測定範囲が測定に用いられる光の数波長程度の狭い範囲に限定される。また、計算機合成ホログラム原器の大きさには製作上の限界がある。このため、計算機合成ホログラム原器を用いた光干渉計測法では、大型の被検物体や表面粗さの粗い被検物体を対象とする形状測定が困難である。

この結果、原器の製作が困難な非球面レンズ等の被検物体の形状検査には、従来、凹凸の測定範囲が広い三次元座標測定法による検査が行われている。すなわち、被検物体上に設定された複数の点を走査することによって被検物体の表面形状誤差が測定される。このため、球面度の低い被検物体やサイズの大きい被検物体の形状検査には、煩雑な作業と時間を要するという問題がある。

本発明は、サイズや凹凸が大きい被検物体であっても光干渉計測法により表面形状を検査することが可能な形状検査装置及び形状検査方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る形状検査装置は、ホログラム原器及び結像手段を備える。ホログラム原器は、被検物体の理想形状に対応する再生光を再生する。結像手段は、前記被検物体に所要の入射角で斜め方向に光を入射する一方、前記ホログラム原器に光を入射することによって、前記被検物体に反射した反射光又は前記被検物体を経由した透過光と前記ホログラム原器からの前記再生光との干渉光による干渉画像を取得する。

また、本発明の実施形態に係る形状検査方法は、被検物体に所要の入射角で斜め方向に光を入射する一方、前記被検物体の理想形状に対応する再生光を再生するホログラム原器に光を入射するステップと、前記被検物体に反射した反射光又は前記被検物体を経由した透過光と前記ホログラム原器からの前記再生光との干渉光による干渉画像を取得するステップとを有する。

本発明の実施形態に係る形状検査装置及び形状検査方法によれば、サイズや凹凸が大きい被検物体であっても光干渉計測法により表面形状を検査することができる。

本発明の第１の実施形態に係る形状検査装置の構成図。 図１に示す形状検査装置による被検物体の形状誤差の測定原理を説明する図。 図１に示す形状検査装置によって得られた干渉縞の画像の一例を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る形状検査装置の構成図。 本発明の第３の実施形態に係る形状検査装置の構成図。 本発明の第４の実施形態に係る形状検査装置の構成図。 本発明の第５の実施形態に係る形状検査装置の構成図。

本発明の実施形態に係る形状検査装置及び形状検査方法について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成および機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る形状検査装置の構成図である。

形状検査装置１は、被検物体Ｏの理想形状からの実際の表面形状の誤差を光干渉計測法により検査する装置である。そのために、形状検査装置１は、光源２、ホログラム原器３、複数の光学素子４、光学素子移動機構５、結合荷電素子(CCD: Charge Coupled Device)カメラ６、データ処理装置７及び表示装置８を備えている。

光源２は、レーザ光を発生させる光源とすることが実用的である。従って、以下、レーザ光を発生させる場合について説明する。また、光源２としては、必要な波長のレーザ光を発生できれば、光の波長を変更することが可能な光源及び所定の波長の光を発生させる光源のいずれを用いてもよい。

ホログラム原器３には、被検物体Ｏの理想形状に対応する再生光を再生するための干渉縞が記録されている。ホログラム原器３としては、任意の方法で作成した任意のタイプのホログラム原器を用いることができる。例えば、被検物体Ｏの理想形状を有する基準となる物体からの光を感光フィルムに感光させて撮影した写真をホログラム原器３として用いることができる。

また、ホログラム原器３として計算機合成ホログラム原器を用いれば、被検物体Ｏの理想形状を有する物体が存在しない場合であっても、被検物体Ｏの理想形状に対応する再生光を再生するホログラム原器を製作することができる。計算機合成ホログラム原器は、公知の手法で製作することができる。代表的な計算機合成ホログラム原器の製作法としては、ホログラム原図をプロッタで描画して写真に縮小する方法と、電子ビーム露光装置でフォトレジスト等に描画する方法が知られている。

複数の光学素子４の種類及び配置並びに光源２、ホログラム原器３及び被検物体Ｏの各配置は、光源２からのレーザ光を被検物体Ｏ及びホログラム原器３にそれぞれ入射させ、かつ被検物体Ｏに反射した反射光Ｌ３とホログラム原器３からの再生光との干渉光Ｌ４が得られるように決定される。特に、被検物体Ｏには、所要の入射角で斜め方向にレーザ光が入射するように複数の光学素子４の種類及び配置が決定される。

図１は、そのような光学素子群の配置の一例を示しているが、上述のような条件が満たされれば所望の光学素子を所望の位置に配置して形状検査装置１を構成することができる。以下、図１に示す複数の光学素子４の構成例を参照して説明する。

複数の光学素子４は、ノードフィルタ９、レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２、第２の反射鏡１３、コリメータレンズ１４、分波回折格子１５、結像レンズ１６及び第２のピンホール１７で構成される。

光源２により出力されたレーザ光の光路上には、順にノードフィルタ９、レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２、第２の反射鏡１３、コリメータレンズ１４及び分波回折格子１５が配置される。換言すれば、ノードフィルタ９、レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２、第２の反射鏡１３、コリメータレンズ１４及び分波回折格子１５が順に配置されることによってレーザ光の光路が形成される。

ノードフィルタ９は、光源２により出力されたレーザ光を入射可能な位置に配置される。ノードフィルタ９は、光源２により出力されたレーザ光の明るさを調整するフィルタである。

レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２及び第２の反射鏡１３は、ノードフィルタ９を経由したレーザ光の幅を所定の幅に拡大してコリメータレンズ１４に入射させる役割を担っている。

従って、レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２及び第２の反射鏡１３は、第２の反射鏡１３による反射光Ｌ３をコリメータレンズ１４に入射させることが可能な位置に配置される。換言すれば、コリメータレンズ１４は、第２の反射鏡１３からの反射光Ｌ３を入射することが可能な位置に配置される。

コリメータレンズ１４は、レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２及び第２の反射鏡１３によって幅が拡大された光から平行ビームＬ０が得られるように収差補正されたレンズである。

分波回折格子１５は、コリメータレンズ１４によって生成された平行ビームＬ０を被検物体Ｏに入射する斜め方向の平行な入射光Ｌ１と直進する平行な直進ビームＬ２とに分割する役割を担う光学素子である。従って、分波回折格子１５は、コリメータレンズ１４からの平行ビームＬ０を入射することが可能な位置に配置される。

尚、被検物体Ｏへの光の入射角は、少なくとも被検物体Ｏの表面粗さによる散乱の影響が無視でき、十分な強度の反射光Ｌ３を得ることが可能な限界角度以下に設定される。換言すれば、被検物体Ｏの表面が微視的に平面とみなせる角度の範囲内となるように光の入射角が決定される。従って、入射光Ｌ１の入射角は、被検物体Ｏの表面における凹凸の高さ及び傾斜、つまり表面粗さの指標値及び凹凸の形状に依存して決定される。

入射角の限界角度は、表面粗さの指標値をパラメータとする解析的な関係式に基づいて理論的に求めることができる。但し、入射角の限界角度を実験によって求めてもよい。同様に入射光Ｌ１の被検物体Ｏへの最適な入射角についてもシミュレーション又は実験によって予め決定しておくことができる。

そして、分波回折格子１５は、被検物体Ｏに対して予め決定された入射角で入射光Ｌ１として光を照射させることが可能な位置に配置される。逆に、被検物体Ｏが分波回折格子１５からの斜め方向の光を入射光Ｌ１として反射させることが可能な位置に配置されると言うこともできる。

ホログラム原器３は、被検物体Ｏからの反射光Ｌ３及び分波回折格子１５からの直進ビームＬ２の双方を入射することが可能な位置に配置される。

光学素子移動機構５は、ホログラム原器３を平行移動及び回転移動させる装置である。換言すれば、光学素子移動機構５は、分波回折格子１５を直進した直進ビームＬ２の進行方向と垂直な方向にホログラム原器３をスライドさせる機能と、分波回折格子１５を直進した直進ビームＬ２の進行方向に対してホログラム原器３を傾斜させる機能とを有する。

結像レンズ１６は、分波回折格子１５を直進した直進ビームＬ２がホログラム原器３に入射して回折した再生光とホログラム原器３を直進した被検物体Ｏからの反射光Ｌ３との干渉光Ｌ４を結像するためのレンズである。このため、結像レンズ１６は、ホログラム原器３からの干渉光Ｌ４を入射することが可能な位置に配置される。

第２のピンホール１７は、結像レンズ１６の焦点付近に配置され、不要な成分を除去する空間フィルタとしての役割を担う光学素子である。

CCDカメラ６は、受光面が結像レンズ１６による干渉光Ｌ４の結像面を形成する位置に配置される。すなわち、CCDカメラ６は、結像レンズ１６からの干渉光Ｌ４を受光し、受光した干渉光Ｌ４の位置ごとのエネルギに応じた強度の電気信号に変換することによってデジタル画像信号として２次元(2D: two dimensional)の干渉画像データを取得するカメラである。

すなわち、図１の例では、光源２、複数の光学素子４及びCCDカメラ６によって、被検物体Ｏに反射した反射光Ｌ３とホログラム原器３からの再生光との干渉光Ｌ４による干渉画像を取得する結像手段が形成される。但し、CCDカメラ６の代わりに、干渉画像取得手段として、干渉光Ｌ４の結像面を形成する位置に他の撮影機器を設置したり、或いは、干渉光Ｌ４の結像面に干渉画像の観察用の鏡面等の物体を設置することによって結像手段を構成してもよい。

データ処理装置７は、CCDカメラ６の出力側及び光学素子移動機構５と接続される。データ処理装置７は、コンピュータにプログラムを読み込ませて構築することができる。但し、回路を用いてデータ処理装置７を構成してもよい。

データ処理装置７は、CCDカメラ６から出力された干渉画像データに対して必要に応じてデータ解析処理を施すことによって被検物体Ｏの表面形状の理想形状からの誤差データを取得する機能と、干渉画像データ及び誤差データを表示装置８に表示させる機能を有する。

また、データ処理装置７には、光学素子移動機構５に制御信号を出力して制御することによってホログラム原器３の位置及び傾斜を調整する機能と、光学素子移動機構５によるホログラム原器３の位置制御情報としてホログラム原器３の位置及び傾斜を表す位置情報を取得する機能が備えられる。そして、データ処理装置７では、ホログラム原器３の位置及び傾斜に基づいて干渉画像データに対するデータ解析処理を施すことができるように構成されている。

ここで、形状検査装置１による被検物体Ｏの形状誤差の測定原理及び測定原理に基づくホログラム原器３の設計方法について説明する。

図２は、図１に示す形状検査装置１による被検物体Ｏの形状誤差の測定原理を説明する図である。

図２に示すように分波回折格子１５とホログラム原器３とが直線的な光路上に配置され、被検物体Ｏが分波回折格子１５により分波回折された斜め方向の入射光Ｌ１を反射し、かつ反射光Ｌ３をホログラム原器３に入射可能な位置に配置される場合を例に説明する。尚、ホログラム原器３に記録されている干渉縞のピッチは、ホログラム原器３に入射する光に対して位相変化を与えないように分波回折格子１５のピッチと同じであるものとする。

分波回折格子１５に垂直に平行ビームＬ０が入射すると、回折によって直進する０次光と±１次光に分波される。ここでは、＋１次光が入射光Ｌ１として被検物体Ｏに照射されるものとする。被検物体Ｏの表面に入射した＋１次光の反射光Ｌ３は、入射角と同じ反射角でホログラム原器３に入射する。一方、０次光は直進ビームＬ２となってホログラム原器３に入射する。

この結果、ホログラム原器３において分波回折格子１５からの直進ビームＬ２の回折によって生成された−１次方向に進む再生光と、ホログラム原器３に斜め方向に入射して直進する被検物体Ｏからの反射光Ｌ３とが互いに干渉する。そして、ホログラム原器３から−１次方向への再生光と斜め方向に直進する被検物体Ｏからの反射光Ｌ３とによる干渉光Ｌ４が得られる。

ここで、被検物体Ｏの理想形状に対する基準面として、実線及び点線で示されるように、分波回折格子１５からホログラム原器３への直進ビームＬ２である０次光の進行方向と平行な平面を仮定すると式(1)の関係が成立する。
p sin(π/2-θ) = p cos θ = λ (1)
但し式(1)において、pは分波回折格子１５のピッチ、θは被検物体Ｏへの入射光Ｌ１の入射角、λは分波回折格子１５に入射する平行ビームＬ０の波長である。

また、AからEの点を図２に示すように定めると、分波回折格子１５からホログラム原器３への直進ビームＬ２と、分波回折格子１５から被検物体Ｏに反射してホログラム原器３に入射する光との光路長の差は式(2)で与えられる。
(AC+CB)-AB = 2h(1-sinθ)/cosθ (2)
但し式(2)において、hは分波回折格子１５からホログラム原器３への直進ビームＬ２の中心線となる光線ABから被検物体Ｏの表面までの距離である。

一方、被検物体Ｏの理想形状が平面ではなく、基準面上に設定された二次元座標系の各位置(x, y)において基準面に対して垂直方向にΔh(x, y)だけ表面が変位している曲面や粗面である場合には、式(2)で示される光路長差は式(3)で示す長さだけ変化する。
(CD+DG)-CF = 2Δh(x, y)cosθ (3)

従って、被検物体Ｏの理想形状からの反射光Ｌ３は、基準面となる平面からの反射光Ｌ３に対して位相が変化する。具体的には、被検物体Ｏの理想形状からの反射光Ｌ３の位相変化量Δδ(x, y)は、式(4)で与えられる。
Δδ(x, y) = 4πΔh(x, y)cosθ/λ (4)

従って、被検物体Ｏの理想形状が基準面からの距離Δh(x, y)で表される場合には、ホログラム原器３からの−１次方向への再生光が-Δδ(x, y)の位相変化量だけ位相が変化するようにホログラム原器３を製作すればよい。そうすると、ホログラム原器３から−１次方向への再生光と斜め方向に直進する被検物体Ｏからの反射光Ｌ３との干渉による干渉縞が結像面に得られる。この干渉縞は、被検物体Ｏの表面の理想形状からの誤差を表している。

式(4)において最大の位相変化量Δδ(x, y)を２πとすると、式(5)の関係が得られる。
4πΔh(x, y)cosθ/λ = 2π (5)
よって式(5)から式(6)が導かれる。
Δh(x, y) =λ/(2cosθ) (6)

式(6)は、形状検査装置１の感度がλ/(2cosθ)であることを意味している。被検物体Ｏの表面に垂直に光を反射させて干渉を利用して表面形状の誤差を測定する従来法における感度は、λ/2である。

従って、形状検査装置１によれば、基準面からの変位量Δh(x, y)として表される表面形状の凹凸が従来よりも大きい被検物体Ｏであっても同一の波長λの光を用いて形状検査を行うことが可能である。換言すれば、被検物体Ｏへの入射光Ｌ１の入射角θを大きく設定すると、入射光Ｌ１の実効的な波長を、実際の波長λを1/cosθ倍だけ拡大した長さにする効果を得ることができる。

更に、被検物体Ｏからの反射光Ｌ３の進行方向と平行でない方向にホログラム原器３を光学素子移動機構５により平行移動させると、干渉光Ｌ４の位相を変調させることができる。同様に、分波回折格子１５及び被検物体Ｏの一方又は双方を、光を横切る方向に微小移動させることによってもホログラム原器３からの干渉光Ｌ４に位相変調を与えることができる。

従って、図１では、光学素子移動機構５によりホログラム原器３のみを移動させる場合の例を示しているが、ホログラム原器３、分波回折格子１５、被検物体Ｏ及び干渉光Ｌ４に位相変調を付与する光学素子の少なくとも１つを微小移動させる光学素子移動機構５を干渉光Ｌ４の位相を変調する位相変調手段として形状検査装置１に設けるようにしてもよい。

干渉光Ｌ４の位相変調を行う場合には、位置(x, y)に対応する干渉縞模様の濃淡を表す画像値I(x, y)は、式(7)に示す関数として表すことができる。
I(x, y) = a₁+a₂cos{φ(x, y)+Δφ} (7)
但し式(7)において、a₁及びa₂は係数を、φ(x, y)は位置(x, y)に対応する干渉光Ｌ４の位相を、Δφは位相変調量を、それぞれ示す。

式(7)に示すように、干渉縞模様を表す画像値I(x, y)は、係数及び位相の３つのパラメータを用いた関数で表すことができる。従って、干渉光Ｌ４の位相変調によって異なる複数の位相変調量に対応する３つ以上の複数の干渉画像を取得すれば、式(7)についての連立方程式を解くことにより、干渉縞模様の画像値I(x, y)を表す関数を求めることができる。すなわち、位相変調を伴う３枚以上の複数の干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データとして干渉縞模様を表す関数を求めることができる。

この互いに異なる位相変調を伴う複数の干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データを求める機能は、データ処理装置７に設けることができる。すなわち、データ処理装置７を、互いに異なる位相変調を伴う複数の干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データを求める検査データ取得手段として機能させることができる。

尚、干渉光Ｌ４の位相変調に代えて、或いは干渉光Ｌ４の位相変調に加えて、光源２から照射されるレーザ光の波長を変えるようにしてもよい。その場合には、光の波長を変更することが可能な光源２が形状検査装置１に備えられる。そして、データ処理装置７において、異なる光の波長又は異なる位相変調量に対応する３つ以上の複数の干渉画像データに基づいて、被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データとして干渉縞模様を表す関数を求めることができる。

一方、ホログラム原器３に記録されている干渉縞のピッチを、被検物体Ｏへの斜め方向の入射光Ｌ１を生成するための分波回折格子１５のピッチと異なるピッチにすることもできる。この場合、ホログラム原器３又は分波回折格子１５を異なるピッチを有する他のホログラム原器又は分波回折格子と置換すればよい。或いは、ホログラム原器３、分波回折格子１５及び被検物体Ｏの少なくとも１つを傾斜させることによっても簡易に分波回折格子１５に入射する光に対する実効的なピッチとホログラム原器３に入射する光に対する実効的なピッチとを互いに異なるピッチにすることができる。

図１は、光学素子移動機構５によりホログラム原器３のみを回転移動させて所定の角度に傾斜させるようにした例を示している。すなわち、ホログラム原器３の傾斜機能によってホログラム原器３の干渉縞が分波回折格子１５のピッチと異なるピッチとなるようにホログラム原器３を配置することができる。もちろん光学素子移動機構５により分波回折格子１５や被検物体Ｏを傾斜できるようにしてもよい。

ホログラム原器３と分波回折格子１５とを互いに異なるピッチにすると、ホログラム原器３からの再生光と被検物体Ｏからの反射光Ｌ３との干渉により搬送波を含む非対称な干渉縞を結像面に結像させることができる。すなわち、データ処理装置７において、変位させた干渉画像を取得することができる。特に、ホログラム原器３及び分波回折格子１５の少なくとも一方のピッチの適切な調整により、端部のない縞が存在しない干渉画像データを得ることができる。

このような閉じた縞のない開いた縞のみで構成される１枚分の干渉画像データが得られれば、変位させた干渉画像データに対するフーリエ変換(FT: Fourier transform)による周波数解析によって被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データを計算することができる。

この変位させた干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データを求める機能は、データ処理装置７に設けることができる。すなわち、データ処理装置７を、変位させた干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データを求める検査データ取得手段として機能させることができる。

データ処理装置７に、異なる位相変調を伴う複数の干渉画像データ又は変位させた干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状に対応する連続的な検査データを求める機能を設ければ、干渉縞における縞の間隔よりも被検物体Ｏの表面の凹凸のピッチが短い場合であっても、被検物体Ｏの表面形状を検査することが可能となる。

（動作および作用）
次に形状検査装置１の動作および作用について説明する。

まず図１に示すように予め被検物体Ｏの理想形状からの反射光Ｌ３が再生光として再生されるように縞模様が記録されたホログラム原器３を含む光学素子群及び光源２が配置されることによって形状検査装置１が構成される。そして、被検物体Ｏの設置位置に被検物体Ｏが設置される。

また、観測される干渉縞模様に位相変調を与える場合には、光学素子移動機構５により位相変調量に応じた距離だけホログラム原器３の位置がスライドされる。更に、変位させた干渉縞模様を観測しようとする場合には、光学素子移動機構５によりホログラム原器３が所定の角度に傾斜される。ホログラム原器３のスライド量及び傾斜量は、データ処理装置７による光学素子移動機構５の制御によって自動調整することができる。

次に、光源２からレーザ光が出力される。出力されたレーザ光はノードフィルタ９に入射し、ノードフィルタ９において明るさが調整される。ノードフィルタ９を直進したレーザ光は、レンズ１０に入射して一旦絞られる。レンズ１０で絞られた光からは、レンズ１０の焦点近傍において空間フィルタとして設けられた第１のピンホール１１により不要な成分が除去される。第１のピンホール１１を経由して広がった光は第１の反射鏡１２及び第２の反射鏡１３に順次反射することによって更に幅が拡大された光となる。

次に、第２の反射鏡１３に反射した光はコリメータレンズ１４に入射し、コリメータレンズ１４において平行ビームＬ０に変換される。コリメータレンズ１４からの平行ビームＬ０は分波回折格子１５に入射し、分波回折格子１５において被検物体Ｏに所定の入射角で入射する斜め方向の入射光Ｌ１と直進する直進ビームＬ２とに分割される。

分波回折格子１５における回折によって＋１次光として被検物体Ｏに入射した入射光Ｌ１は、位置ごとに異なる基準面からの変位を有する被検物体Ｏの表面において反射する。この結果、被検物体Ｏからは、変位量に応じた位置ごとに異なる位相を有する反射光Ｌ３が生じる。被検物体Ｏからの反射光Ｌ３は、−１次方向からホログラム原器３に入射する。

一方、分波回折格子１５を直進した直進ビームＬ２はホログラム原器３に入射する。この直進ビームＬ２によってホログラム原器３からは、−１次方向に進む再生光が生じる。

この結果、ホログラム原器３から−１次方向に進む再生光と、ホログラム原器３に−１次方向に入射して直進する被検物体Ｏからの反射光Ｌ３は、進行方向が同方向となるため互いに干渉する。この再生光と反射光Ｌ３との干渉光Ｌ４は、結像レンズ１６に入射して絞られる。そして、結像レンズ１６で絞られた干渉光Ｌ４からは、結像レンズ１６の焦点近傍において空間フィルタとして設けられた第２のピンホール１７により不要な成分が除去される。

第２のピンホール１７を経由して広がった干渉光Ｌ４は、結像面を形成するCCDカメラ６の受光面にて干渉縞模様として結像する。CCDカメラ６は、干渉縞模様となって結像した結像レンズ１６からの干渉光Ｌ４を受光し、干渉光Ｌ４の位置ごとのエネルギに応じた強度の電気信号に変換する。これにより干渉縞模様を表す干渉画像データが生成される。生成された干渉画像データは、CCDカメラ６からデータ処理装置７に出力される。

更に、必要な干渉画像データの収集が同様な流れで実行される。特に位相変調を伴う干渉画像データの収集を行う場合には、位相変調量を変えて同様な流れで同一の被検物体Ｏから異なる位相変調量に対応する３つ以上の複数の干渉画像データが収集される。例えば、位相変調量ΔφがΔφ=0, 2π/3, 4π/3の３つの値に設定されている場合には、３つの位相変調量Δφ=0, 2π/3, 4π/3に対応する干渉画像データがデータ処理装置７に収集される。

データ処理装置７では、必要に応じて干渉画像データに基づくデータ処理が実行される。ホログラム原器３を平行にスライドさせることによって、異なる位相変調量に対応する複数の干渉画像データが収集された場合には、複数の干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状誤差を数値又は関数として表す連続的な検査データを算出するデータ処理がデータ処理装置７において実行される。また、ホログラム原器３を傾斜させことによって、変位させた干渉画像データが収集された場合には、変位させた干渉画像データに基づいて被検物体Ｏの形状誤差を数値又は関数として表す連続的な検査データを算出する解析処理がデータ処理装置７において実行される。

そして、データ処理装置７において得られた被検物体Ｏの形状誤差を示す干渉画像データ又は連続的な検査データは表示装置８に表示される。これにより、ユーザは表示装置８に表示された干渉縞模様の干渉画像又は連続データを画像化した干渉縞模様の検査画像を観察することによって、被検物体Ｏの表面形状の理想形状からの誤差を確認することができる。

図３は、図１に示す形状検査装置１によって得られた干渉縞の画像の一例を示す図である。

図３は、形状検査装置１によりセラミックスで構成される被検物体Ｏの表面形状を検査して得られた干渉縞模様である。図３によれば、被検物体Ｏの表面形状の誤差を干渉縞模様として確認できることが分かる。

つまり以上のような形状検査装置１は、被検物体Ｏに斜め方向に光を照射して得られた反射光Ｌ３とホログラム原器３からの再生光との光干渉を利用して被検物体Ｏの表面形状の理想形状からの誤差を干渉縞模様として測定するようにしたものである。

（効果）
形状検査装置１によれば、被検物体Ｏへの入射光Ｌ１の入射角をθとすると、実効的な光の波長を1/cosθ倍に拡大することができる。すなわち、凹凸の高さが大きく非球面度の高い被検物体Ｏであっても表面形状の誤差を検査することが可能である。加えて、被検物体Ｏに斜め方向に光が照射されるため、従来よりも広い範囲の表面を検査することが可能である。

従って、形状検査装置１によれば、従来の被検物体に対するサイズ上の制限と非球面度上の制限の双方を解消することができる。このため、形状検査装置１を多種多様な工業部品の精密測定に利用することができる。特に比較的大型の非球面や粗面の形状誤差であっても形状検査装置１により簡便かつ高速に測定することができる。例えば、切削加工面やセラミックス材料面等の粗面の表面形状を、従来のように研磨することなく測定することができる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係る形状検査装置の構成図である。

図４に示された形状検査装置１Ａでは、分波回折格子１５とホログラム原器３とを互いに置換した点が図１に示す形状検査装置１と相違する。他の構成および作用については図１に示す形状検査装置１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

すなわち形状検査装置１Ａでは、コリメータレンズ１４からの平行ビームＬ０を入射可能な位置にホログラム原器３が配置される。また、ホログラム原器３から回折によって斜め方向に生じる＋１次再生光Ｌ５を所定の入射角で入射可能な位置に被検物体Ｏが配置される。更に、被検物体Ｏに＋１次再生光Ｌ５が反射して生じた反射光Ｌ３及び平行ビームＬ０の進行方向と平行な方向にホログラム原器３から生じた０次再生光Ｌ６の双方を入射可能な位置に分波回折格子１５が配置される。

このような構成を有する形状検査装置１Ａでは、ホログラム原器３からの位相差を伴う＋１次再生光Ｌ５が所定の入射角で被検物体Ｏに斜め方向に入射する。そして、被検物体Ｏから反射して−１次方向に分波回折格子１５を直進する反射光Ｌ３と、分波回折格子１５における０次再生光Ｌ６の回折によって−１次方向に分波される−１次再生光との干渉光Ｌ４が結像レンズ１６に入射してCCDカメラ６の受光面にて干渉縞模様として結像する。

このため、図４に示す第２の実施形態における形状検査装置１Ａによれば、図１に示す第１の実施形態における形状検査装置１と同様な効果を得ることができる。加えて、被検物体Ｏに、被検物体Ｏの理想形状に対応するホログラム原器３からの再生光を入射させることができる。すなわち、被検物体Ｏの表面形状の凹凸の高さ及び傾斜に最適な入射角で再生光を入射させることができる。

このため、基準面からの変位量が大きい表面形状を有する被検物体Ｏであっても、良好な反射光Ｌ３を得ることにより、より明瞭な干渉画像を収集することが可能となる。換言すれば、凹凸の高さ及び傾斜が大きい自由曲面を表面形状として有する被検物体Ｏであっても、表面形状の理想形状に対する誤差を測定することができる。

（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態に係る形状検査装置の構成図である。

図５に示された形状検査装置１Ｂでは、分波回折格子１５をホログラム原器３に置換することによって２つのホログラム原器３Ａ、３Ｂを設けた点が図１に示す形状検査装置１と相違する。他の構成および作用については図１に示す形状検査装置１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

すなわち形状検査装置１Ｂには、被検物体Ｏの理想形状に対応する再生光をそれぞれ再生する第１のホログラム原器３Ａ及び第２のホログラム原器３Ｂが備えられる。

第１のホログラム原器３Ａは、コリメータレンズ１４からの平行ビームＬ０を入射可能な位置に配置される。また、第１のホログラム原器３Ａから回折によって斜め方向に生じる＋１次再生光Ｌ５を所定の入射角で入射可能な位置に被検物体Ｏが配置される。

一方、第２のホログラム原器３Ｂは、被検物体Ｏに＋１次再生光Ｌ５が反射して生じた反射光Ｌ３及び平行ビームＬ０の進行方向と平行な方向に第１のホログラム原器３Ａから生じた０次再生光Ｌ６の双方を入射可能な位置に配置される。

このような構成を有する形状検査装置１Ｂでは、第１のホログラム原器３Ａからの＋１次再生光Ｌ５が所定の入射角で被検物体Ｏに斜め方向に入射する。そして、斜め方向に入射した＋１次再生光Ｌ５によって−１次方向に生じた被検物体Ｏからの反射光Ｌ３と、第１のホログラム原器３Ａから被検物体Ｏを経由しない０次再生光Ｌ６が第２のホログラム原器３Ｂに入射する。

このため、第２のホログラム原器３Ｂからは、第２のホログラム原器３Ｂを直進する被検物体Ｏからの反射光Ｌ３と、第２のホログラム原器３Ｂにおける０次再生光Ｌ６の回折によって−１次方向に分波される−１次再生光による干渉光Ｌ４が生じる。

図５に示す第３の実施形態における形状検査装置１Ｂによれば、第１のホログラム原器３Ａからの＋１次再生光Ｌ５を被検物体Ｏに斜め方向に入射することができるため、図４に示す第２の実施形態における形状検査装置１Ａと同様な効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態に係る形状検査装置の構成図である。

図６に示された形状検査装置１Ｃでは、被検物体Ｏの表面形状に応じた平行でない入射光Ｌ１'を被検物体Ｏに斜め方向に入射させるようにした点が図１に示す形状検査装置１と相違する。他の構成および作用については図１に示す形状検査装置１と実質的に異ならないため、分波回折格子１５とホログラム原器３との間における構成のみを図示し、同一の構成については同符号を付して説明を省略する。

形状検査装置１Ｃでは、被検物体Ｏの表面形状に応じた適切な入射角で入射光Ｌ１'が入射するように、平行でない入射光Ｌ１'を被検物体Ｏに入射させるためのレンズが設けられる。図６は、被検物体Ｏの表面形状が凹面であり、この凹面に適切な入射角で被検物体Ｏへの入射方向に向かって広がる入射光Ｌ１'を入射させるために２枚の凹レンズ２０Ａ、２０Ｂと１枚の凸レンズ２１を分波回折格子１５とホログラム原器３との間に配置した例を示している。

すなわち、第１の凹レンズ２０Ａが、分波回折格子１５において分波された直進ビーム及び斜め方向の平行ビームの双方を入射可能な位置に配置される。また、第１の凹レンズ２０Ａによって幅が拡大する斜め方向の入射光Ｌ１'を適切な入射角で凹面状の表面に入射させることが可能な位置に被検物体Ｏが配置される。

一方、凸レンズ２１は、第１の凹レンズ２０Ａを経由して中心線が直進する非平行ビームＬ７を入射可能な位置に配置される。更に、第２の凹レンズ２０Ｂが、幅が拡大する入射光Ｌ１'が被検物体Ｏの凹面に反射することによって中心線が−１次方向に生じ、かつ幅が収縮する反射光Ｌ３'及び凸レンズ２１を経由して中心線が直進する非平行ビームＬ７の双方を入射可能な位置に配置される。また、第２の凹レンズ２０Ｂを経由して平行ビームとなった−１次方向に進行する反射光及び第２の凹レンズ２０Ｂを経由して０次方向に進行する平行ビームの双方を入射可能な位置にホログラム原器３が配置される。

このような構成を有する形状検査装置１Ｃでは、分波回折格子１５において分波された＋１次方向への平行な入射光Ｌ１が第１の凹レンズ２０Ａにより幅が広がる入射光Ｌ１'となって所定の入射角で凹面状の表面形状を有する被検物体Ｏに斜め方向に入射する。このため、斜め方向に入射した入射光Ｌ１'の凹面における反射によって被検物体Ｏからは、幅が収縮する反射光Ｌ３'が−１次方向に生じる。

一方、分波回折格子１５において分波された０次方向への直進ビームＬ２も、第１の凹レンズ２０Ａにより中心線が０次方向に向かい、かつ幅が広がる非平行ビームＬ７となる。この幅が広がる非平行ビームＬ７は凸レンズ２１に入射して幅が狭くなる非平行ビームＬ７となって０次方向に進行する。

そして、幅が狭くなる非平行ビームＬ７は第２の凹レンズ２０Ｂにより再び０次方向に進行する直進ビームＬ２となってホログラム原器３に入射する。また、被検物体Ｏから−１次方向に進行する幅が収縮する反射光Ｌ３'も第２の凹レンズ２０Ｂにより平行な反射光Ｌ３となってホログラム原器３に入射する。これにより、ホログラム原器３における直進ビームＬ２の回折による−１次方向への再生光とホログラム原器３を−１次方向に直進する反射光Ｌ３との干渉光Ｌ４が得られる。

尚、図６において、被検物体Ｏの表面形状が凸面である場合には、各凹レンズ２０Ａ、２０Ｂを被検物体Ｏの表面の曲率に対応する凸レンズに置換する一方、凸レンズ２１を凹レンズに置換すればよい。この場合、凸レンズを経由した幅が狭くなる入射光Ｌ１'を被検物体Ｏの凸面に斜め方向に入射させることが可能となる。

図６に示す第４の実施形態における形状検査装置１Ｃによれば、曲率が大きい凸面状又は凹面状の表面形状を有する被検物体Ｏであっても、被検物体Ｏの曲率に合わせて幅が拡大又は収縮する非平行な入射光Ｌ１'を適切な入射角で被検物体Ｏに照射することができる。このため、良好な反射光Ｌ３をホログラム原器３に入射させることができる。この結果、曲率及び傾斜が大きな被検物体Ｏであっても、良好な精度で干渉画像データを得ることができる。

尚、図６に示すように被検物体Ｏの表面形状が凹面である場合には、レンズ１０、第１のピンホール１１、第１の反射鏡１２及び第２の反射鏡１３等の光学素子４の配置及び特性を調整することによって凹面の曲率に応じて所望の拡大率で幅が拡大する発散光を得ることができる。この場合、コリメータレンズ１４及び凹レンズ２０Ａを省略することができる。つまり、被検物体Ｏの曲率に合わせて幅が拡大又は収縮する非平行な光を分波回折格子１５に入射させるようにしてもよい。

他方、被検物体Ｏの凹面に反射した反射光Ｌ３は幅が収縮するため、凹レンズ２０ Ｂ及び結像レンズ１６を省略することもできる。

また、第２又は第３の実施形態における形状検査装置１Ａ、１Ｂにおいて、ホログラム原器３、３Ａから被検物体Ｏに入射させる＋１次再生光Ｌ５を、レンズによって幅が拡大又は収縮する非平行な再生光に変換して入射させるようにしてもよい。

（第５の実施形態）
図７は本発明の第５の実施形態に係る形状検査装置の構成図である。

図７に示された形状検査装置１Ｄでは、被検物体Ｏからの反射光Ｌ３の代わりに透明な被検物体Ｏを経由した透過光Ｌ８を利用して干渉光Ｌ４を生成するようにした点が他の実施形態における形状検査装置１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃと相違する。その他の構成および作用については他の実施形態における形状検査装置１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃと実質的に異ならないため、被検物体Ｏ近傍のみを図示して共通の特徴については説明を省略する。

形状検査装置１Ｄでは、透明な被検物体Ｏを経由した透過光Ｌ８が干渉光Ｌ４の生成に用いられる。図７は、分波回折格子１５からの入射光Ｌ１、Ｌ１'又はホログラム原器３、３Ａからの＋１次再生光Ｌ５が入射する被検物体Ｏの表面と反対側の裏面に第３の反射鏡３０を設けた例を示している。

この場合、所定の入射角で透明な被検物体Ｏに斜め方向に入射した入射光Ｌ１、Ｌ１'又は＋１次再生光Ｌ５の一部は、被検物体Ｏの材質に対応する屈折率に応じた屈折角で屈折して被検物体Ｏの内部に斜め方向に進行する。被検物体Ｏの内部に斜め方向に進行した入射光Ｌ１、Ｌ１'又は＋１次再生光Ｌ５は、第３の反射鏡３０において反射する。これにより、第３の反射鏡３０からの反射光が被検物体Ｏの内部を斜め方向に進行する。この反射光は、被検物体Ｏの屈折率に応じた屈折角で屈折し、被検物体Ｏの透過光Ｌ８として被検物体Ｏの外部に斜め方向に進行する。

従って、被検物体Ｏの表面形状に応じて被検物体Ｏの内部における光路長が変化する。このため、被検物体Ｏの表面形状に応じて位相が変化した被検物体Ｏの透過光Ｌ８がホログラム原器３、３Ｂ又は分波回折格子１５に−１次方向に入射する。これにより、被検物体Ｏの透過光Ｌ８を利用した干渉光Ｌ４を得ることができる。

尚、被検物体Ｏの表面形状に応じて位相が変化する透過光Ｌ８を得ることができれば、所望の光学素子群を所定の位置に配置することによって形状検査装置１Ｄを構成することができる。従って、第３の反射鏡３０を設けずに、被検物体Ｏの裏面側において透過光Ｌ７の進行方向を横切る位置にホログラム原器３、３Ｂ又は分波回折格子１５を配置して形状検査装置１Ｄを構成してもよい。

図７に示す第５の実施形態における形状検査装置１Ｄによれば、他の対応する実施形態における形状検査装置１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃと同様な効果を得ることができる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ、１Ｂ 形状検査装置
２ 光源
３、３Ａ、３Ｂ ホログラム原器
４ 光学素子
５ 光学素子移動機構
６ CCDカメラ
７ データ処理装置
８ 表示装置
９ ノードフィルタ
１０ レンズ
１１ 第１のピンホール
１２ 第１の反射鏡
１３ 第２の反射鏡
１４ コリメータレンズ
１５ 分波回折格子
１６ 結像レンズ
１７ 第２のピンホール
２０Ａ、２０Ｂ 凹レンズ
２１ 凸レンズ
３０ 第３の反射鏡
Ｌ０ 平行ビーム
Ｌ１、Ｌ１' 入射光
Ｌ２ 直進ビーム
Ｌ３、Ｌ３' 反射光
Ｌ４ 干渉光
Ｌ５ ＋１次再生光
Ｌ６ ０次再生光
Ｌ７ 非平行ビーム
Ｌ８ 透過光
Ｏ 被検物体

Claims (3)

1. 被検物体の理想形状に対応する再生光を再生するホログラム原器と、
   前記被検物体に所要の入射角で斜め方向に光を入射する一方、前記ホログラム原器に光を入射することによって、前記被検物体に反射した反射光又は前記被検物体を経由した透過光と前記ホログラム原器からの前記再生光との干渉光による干渉画像を取得する結像手段と、
   を備える形状検査装置。
2. 前記結像手段は、前記ホログラム原器の再生光を前記被検物体に斜め方向に入射させるように構成される請求項１記載の形状検査装置。
3. 被検物体に所要の入射角で斜め方向に光を入射する一方、前記被検物体の理想形状に対応する再生光を再生するホログラム原器に光を入射するステップと、
   前記被検物体に反射した反射光又は前記被検物体を経由した透過光と前記ホログラム原器からの前記再生光との干渉光による干渉画像を取得するステップと、
   を有する形状検査方法。

Images