JP3564569B2

JP3564569B2 - 実時間表面形状計測方法及び装置

Info

Publication number: JP3564569B2
Application number: JP30289696A
Authority: JP
Inventors: 一郎山口; 進桑村
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: JPH10141927A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元物体の表面形状を実時間で精密に計測するための方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
機械加工部品等の表面形状を計測する方法としては触針を用いた方法が古くから知られているが、近年では高精度・非接触・高速性などの利点を有する光学的な方法が多く用いられるようになっている。更に最近は、実時間で表面形状を計測できるシステムに対する関心が高まっている。実時間表面形状計測システムとしては、例えば電子的モアレ法を用いたものが開発されている。モアレ法では、格子状パターンを被検体表面に投影することによって得られる変形格子像と参照格子との積から被検体表面の等高線図を得る。しかし、モアレ法は周期的パターンを用いるため、不連続な高さ分布を有する段差の計測はできない。また、格子の投影方向が観測視線方向と異なることによって、穴やスロットなどの深さ情報が欠落するなどの問題点があった。さらに、幾何光学的方法による計測精度の限界もある。
【０００３】
一方、干渉計を用いることによって高い精度で距離や寸法の計測を行うことができる。レーザ等の単色光源を用いた干渉計によると極めて高精度の計測が可能であるが、波長の整数倍のあいまいさがあるため段差の計測は困難である。また、単色光源を用いる方法は鏡面にのみ適用可能である。
【０００４】
近年になって、干渉計による絶対距離計測法を表面形状計測に適用する手法が提案された。コヒーレンスレーダは、低コヒーレンス光源を用いた干渉法を表面形状計測に適用したものである。また、レーザダイオード等の半導体レーザの波長変調を用いた干渉計測により表面形状を計測する方法（ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍＳｐｅｃｋｌｅＰｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ，ＦＴＳＰ）も提案されている。この２つの方法は、被検体表面の各点までの絶対距離を独立に計測するものであるため、モアレ法や単色光源を用いた干渉法のような計測のあいまいさがなく、段差の計測も可能である。また、粗面にも適用可能である。さらに、干渉計の光学配置を用いることから、観測視線方向とビームの入射方向を一致させることができ、穴やスロットの計測も可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、コヒーレンスレーダ法及びＦＴＳＰ法は、モアレ法の欠点を克服したといえるが、被検体表面の形状を実時間で計測するのに適当な方法とはいえない。まず、コヒーレンスレーダ法は、被検体表面の各点に対する等光路長位置を求めるために、干渉計の参照鏡あるいは被検体自体を機械的に精度よく移動させなければならないため、実時間計測には適しない。
【０００６】
一方、ＦＴＳＰ法は、半導体レーザの波長変調によって生ずる干渉信号を被検体表面の各点に関して検出し、それらの信号をフーリエ変換を用いて解析することによって、被検体表面各点の絶対高さを求める。従って、干渉計の参照鏡や被検体自体を機械的に移動する必要はない。しかし、フーリエ変換を行なう必要から、信号処理は本質的に波長変調によって得られる信号全体をメモリに保持してから処理するオフライン処理となり、実時間処理を行うことはできない。また、計測精度は光源の波長変調幅によって決まるが、半導体レーザを使った場合、モードホップ現象のため連続的に変調できる波長幅は０．２ｎｍ程度と限界があるため、計測精度も０．４ｍｍ程度と比較的低い。
【０００７】
以上のように、干渉計による絶対距離計測に基づく表面形状計測法で、実時間計測を前提とした方法は今まで見当たらない。本発明は、このような表面形状計測の現状に鑑みてなされたもので、段差や穴を有する被検体に対してもその表面形状を実時間で高精度に計測することのできる方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、連続波長走査レーザを用い、レーザ光の波長走査に伴って発生する干渉信号をフリンジ計数法によって解析することにより、機械的移動やオフラインのフーリエ変換処理を伴うことなく、段差や穴を有することのある３次元物体の表面形状を実時間で精密に計測することを可能にする。
【０００９】
すなわち、本発明による実時間表面形状計測方法は、レーザ光を被検体表面に照射するステップと、被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光と前記レーザ光から形成された参照平面波とを被検体表面の結像位置に配置された光検出器アレイ上で干渉させるステップと、レーザ光の波長を単調変化させるステップと、光検出器アレイの各検出器から得られる物体干渉信号の位相シフト量とレーザ光の波数シフト量との比を用いて被検体表面の形状を計測するステップとを含むことを特徴とする。
【００１０】
レーザ光の波数シフト量は、レーザ光を所定の光路差を持たせて干渉させることで得られる参照干渉信号を用いて求めることができる。この参照干渉信号を得るための干渉計の光路差を十分大きく設定することにより、高精度な計測が可能となる。
【００１１】
位相シフト量は、例えば零平均化あるいは微分した物体干渉信号の零交差数を計数することによって求めることができ、波数シフト量は零平均化あるいは微分した参照干渉信号の零交差数を計数することによって求めることができる。
【００１２】
また、本発明による実時間表面形状計測装置は、波長可変レーザと、波長可変レーザの発振波長を制御するレーザ制御手段と、被検体表面の像を検出面に結像させる結像光学系と、検出面に配置された光検出器アレイと、波長可変レーザからのレーザ光が入射され、参照鏡で反射されたレーザ光と被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光とを検出面で干渉させる計測用干渉計と、光検出器アレイの各検出器から発生される干渉信号を個別に処理する信号処理系とを含み、信号処理系はレーザ制御手段により波長可変レーザの発振波長を単調に変化させたとき各検出器から発生される干渉信号の位相シフト量とレーザ光の波数シフト量との比を用いて被検体表面の形状を計測することを特徴とする。
【００１３】
レーザ光の波数シフト量は、波長可変レーザの波長を制御する手段の制御指令とその制御下で発振するレーザ波長との関係を予め校正しておくことにより、波長可変レーザの波長を制御する手段の制御指令から求めることができるが、波長可変レーザからのレーザ光が入射され、レーザ光を所定の光路差を持たせて干渉させる参照用干渉計から出力される参照干渉信号を用いて求める方がより信頼性の高い計測ができる。
【００１４】
信号処理系は、光検出器アレイの各検出器から発生された物体干渉信号の零交差数を計数する第１の計数手段と、参照用干渉計から出力された参照干渉信号の零交差数を計数する第２の計数手段とを含むことができる。
【００１５】
被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光と参照平面波とを干渉させる計測用干渉計としては、例えばマイケルソン型干渉計を用いることができる。計測用干渉計の一方の光路に参照鏡を置き、もう一方の光路には被検体を設置する。被検体表面の像は、結像光学系によって、例えばＣＣＤを用いた２次元光検出器アレイ上に結像される。２次元光検出器アレイの各ピクセルは、被検体表面の各点に対応する。波長可変レーザを波長走査するとき、被検体表面の各点と参照鏡との絶対光路差に応じた物体干渉信号が検出器アレイの各ピクセルで検出される。このとき、絶対光路差を被検体表面の高さと定義すると、物体干渉信号の位相シフト量とレーザ光の波数シフト量の比（位相勾配）は被検体表面の高さに比例する。これを波長可変レーザの発振波長を波数の掃引速度が一定となるように走査する場合について言い換えると、物体干渉信号の周波数もしくは周期の逆数は、被検体表面の高さに比例する。
【００１６】
高精度の実時間計測を行うには、以下の手段を講ずるのが好ましい。
第１に、２次元光検出器アレイの各ピクセルから得られる干渉信号をオンラインで処理する。すなわち、微分されたまたはバイアスを差し引いて零平均化された干渉信号の零交差の回数及び零交差時のレーザ波長（波数）をモニターし、それらから得られる位相シフト量と波数シフト量の比（位相勾配）を実時間で出力する。
【００１７】
第２に、光路長差が１波長以内の精度で既知である参照用干渉計を設けることによって、波長可変レーザの波数シフト量を実時間で精度よく校正する。すなわち、参照用干渉計の光路差を十分大きく取るとき、そこから出力される干渉信号は、波数のシフト量を計数するための精密なクロックとなる。これによってレーザの波長走査特性を予め校正する必要はなくなり、またこれに伴う計測誤差を防ぐことができる。
【００１８】
第３に、上記の干渉信号処理を２次元光検出器アレイの全てのピクセルに渡って同時（並列）に行なう。すなわち、各ピクセル毎に信号処理用の電子回路を個別に接続し、出力も各ピクセル毎で独立に行なう。こうすることによって、被検体表面の高さ分布が常に出力されている状態となり、実時間計測が実現される。本発明では更に、計測精度を向上させるために、波長可変レーザの波長走査幅を拡大する。ＦＴＳＰ法では、波長変調幅の狭い半導体レーザを使うことによる計測精度の限界があったが、本発明ではＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザや色素レーザなどに代表される波長走査幅の広い波長可変レーザを導入することによって、計測精度を１μｍ程度まで向上させることができる。
【００１９】
なお、物体干渉信号を検出する光検出器アレイとして２次元光検出器アレイを用いることは必ずしも必要ではない。例えば、被検体表面形状のプロファイルを求める場合には、１次元光検出器アレイを用いることもできる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による実時間表面形状計測装置の一例の概略構成図である。波長可変レーザ１１からのレーザビーム１２は、反射鏡１３で反射され、ビームスプリッタ１４により２分割され、一方は参照用干渉計ＲＩに、もう一方は計測用干渉計ＭＩに導かれる。計測用干渉計ＭＩに導入されるレーザビームは、ビームエキスパンダ１５を通過して適当な直径の平行ビームとされる。計測用干渉計ＭＩに導かれた平行ビームは、ハーフミラー１６によって二分割され、一方は参照平面鏡１７に入射し、もう一方は被検体表面１８を照射する。
【００２１】
被検体表面１８で反射又は散乱したレーザ光は、ハーフミラー１６及び結像光学系１９を通過して、同様に参照鏡１７から反射してきた平面波と干渉させられる。結像光学系１９は、被検体表面１８を２次元光検出器アレイ２０上に結像する。結像光学系１９の焦点面に置かれた開口板２１は、結像光学系１９の焦点深度を調整するためと結像系全体をテレセントリック系とするためのものである。この結像系によって、被検体表面１８の各点の高さｈ（ｘ，ｙ）に応じた干渉信号（物体干渉信号）が、被検体表面１８のｘｙ座標（ｘ，ｙ）と一対一対応する２次元光検出器アレイ２０上の各ピクセル２０_１，２０_２，２０_３，…によって検出される。ここで、被検体表面１８の各点の高さｈ（ｘ，ｙ）は、参照平面鏡１７のハーフミラー１６に関する鏡像１７Ｍから測るものとする。
【００２２】
一方、参照用干渉計ＲＩは、既知の光路長差ｌ_ｒを有する。図１では、参照用干渉計ＲＩは互いに平行に配置されたハーフミラー２３と全反射平面鏡２４から成っているが、マイケルソン型の干渉計でもよい。参照用干渉計ＲＩの検出器２５からは、波長可変レーザ１１から発生されたレーザ光１２の波数を校正するための干渉信号（参照干渉信号）が出力される。検出器２５から出力される参照干渉信号には、ハーフミラー２３と平面鏡２４の間での多重反射により光路長差ｌ_ｒで決まる基本周波数の整数倍の周波数成分も含まれるので、帯域フィルタ（ＢＰＦ）２６によって、基本周波数以外の周波数成分を除去する。
【００２３】
計測用干渉計ＭＩの２次元光検出器アレイ２０の各ピクセル２０_１，２０_２，２０_３，…の検出出力及び、帯域フィルタ２６によって基本周波数以外の周波数成分が除去された参照用干渉計ＲＩの検出器２５の出力は信号処理部３０に入力されて後述のように処理される。信号処理部３０は、２次元光検出器アレイ２０の各ピクセル２０_１，２０_２，２０_３，…に対応する出力３１_１，３１_２，３１_３，…を並列的に出力する。なお、レーザ制御装置１１ａ及び信号処理部３０は主制御装置１０によって統括的に制御されている。
【００２４】
次に、本発明による被検体表面の形状計測の原理について簡単に説明する。
レーザ制御手段１１ａにより波長可変レーザ１１の発振レーザ波長を連続的に走査したとき、２次元光検出器アレイ２０の各ピクセルで検出される物体干渉信号の位相φ（ｘ，ｙ）は、次の〔数１〕で与えられる。
【００２５】
【数１】
φ（ｘ，ｙ）＝２ｈ（ｘ，ｙ）ｋ_０＋２ｈ（ｘ，ｙ）Δｋ
【００２６】
ここで、ｋ_０は波長走査開始点における波数、Δｋは波数シフト量である。
従って、波数シフト量Δｋに対する干渉信号の位相シフト量Δφは、Δφ＝２ｈ（ｘ，ｙ）Δｋで与えられるから、表面高さｈ（ｘ，ｙ）は物体干渉信号の位相シフト量Δφと波数シフト量Δｋの比を用いて次の〔数２〕で与えられる。
【００２７】
【数２】
ｈ（ｘ，ｙ）＝（１／２）Δφ／Δｋ
【００２８】
位相シフト量Δφは、物体干渉信号の微分信号または零平均化信号の零交差を計数することによって、また波数シフト量Δｋは参照干渉信号の微分信号または零平均化信号の零交差数を計数することによって、それぞれ実時間で求められる。すなわち、波長走査開始点から現時点までの物体干渉信号の零交差計数値をＮ（ｘ，ｙ）とし、物体干渉信号の最初の零交差に対応する波数をｋ_１、最後（第Ｎ番目）の零交差に対応する波数をｋ_Ｎとすると、位相シフト量Δφ＝π（Ｎ−１）、波数シフト量Δｋ＝ｋ_Ｎ−ｋ_１となり、被検体表面の高さｈ（ｘ，ｙ）はそれらの比から次の〔数３〕のように求められる。
【００２９】
【数３】
ｈ（ｘ，ｙ）＝Δφ／２Δｋ＝π（Ｎ−１）／２（ｋ_Ｎ−ｋ_１）
【００３０】
ここで、レーザ光の波数がｋ_１からｋ_Ｎまで変化する間に計数される参照干渉信号の零交差数をＮ_ｒとすると、波数シフト量（ｋ_Ｎ−ｋ_１）はＮ_ｒを使って次の〔数４〕のように近似的に表される。
【００３１】
【数４】
ｋ_Ｎ−ｋ_１≒π（Ｎ_ｒ−１）／２ｌ_ｒ
【００３２】
ここで、参照干渉信号の零交差数Ｎ_ｒから求められる波数シフト量はπ／２ｌ_ｒだけの不確定さを持つ。従って、波数シフト量を正確に求めるためには、参照用干渉計の光路差ｌ_ｒを十分長く取って、十分細かい参照干渉信号を発生させる必要がある。
【００３３】
被検体表面の高さｈ（ｘ，ｙ）に関する上記の表式を、Ｎ_ｒ及びｌ_ｒを使って書き直すと次の〔数５〕が得られる。〔数５〕は、波数シフト量Δｋを陽に含まない式であり、これによって波数値は自動的に校正されたことになる。
【００３４】
【数５】
ｈ（ｘ，ｙ）＝ｌ_ｒ（Ｎ−１）／（Ｎ_ｒ−１）
【００３５】
以上の信号処理は、２次元光検出器アレイ２０の各ピクセル毎に行なわれる。各ピクセル２０_１，２０_２，２０_３，…には上記の信号処理を行なう電子回路３０_１，３０_２，３０_３，…が接続され、被検体表面１８の高さに比例した出力３１_１，３１_２，３１_３，…を与える。すなわち、被検体表面１８の高さ分布ｈ（ｘ，ｙ）は実時間で常時出力されている。
【００３６】
図２は、信号処理部３０に入力される計測用干渉計ＭＩの出力（物体干渉信号）と参照用干渉計ＲＩの出力（参照干渉信号）を示す説明図である。図２（ａ）は２次元光検出器２０の１つのピクセル２０_ｎから得られた物体干渉信号Ｉ（ｋ）を模式的に示し、図２（ｂ）は帯域フィルタ２６を通した参照用干渉計ＲＩの検出器２５から得られた参照干渉信号Ｉ_ｒ（ｋ）を模式的に示している。縦軸は信号出力、横軸は波数である。信号処理部３０では、いずれのピクセルの出力に対しても零平均化されるようにバイアスを設定し、零交差の数をカウントする。または、各ピクセルの出力信号を微分して、その零交差を計数しても同じである。
【００３７】
波長可変レーザ１１はレーザ制御手段１１ａによって波長が長くなる方向あるいは短くなる方向に単調に波長走査されており、計測を開始して最初に物体干渉信号が零交差したときのレーザ光の波数はｋ_１、現在のレーザ光の波数はｋである。その間に、物体干渉信号はＮ回の零交差を生じ、最後（Ｎ番目）の零交差時の波数はｋ_Ｎである。物体干渉信号の最初の零交差から最後（Ｎ番目）の零交差の間に、参照干渉信号はＮ_ｒ回の零交差を生じている。参照用干渉計ＲＩは、物体干渉信号Ｉ（ｋ）の零交差の発生頻度より十分大きな頻度で参照干渉信号Ｉ_ｒ（ｋ）の零交差が発生するように、十分長い光路差Ｉ_ｒが設定されている。
【００３８】
図３、図４、図５を用いて、信号処理部３０の動作について説明する。図３は、信号処理部３０の１ピクセル分の要素回路３０_ｎの構成を示すブロック図である。また、図４は信号処理部の要素回路に入力される各種信号及び物体干渉信号Ｉ（ｋ）から得られる零交差信号を説明するタイミングチャート、図５は参照干渉信号Ｉ_ｒ（ｋ）を説明するタイミングチャートである。
【００３９】
図３（ａ）は、ここに示す例の信号処理部で用いる零交差計数器ＺＣＣの説明図である。零交差計数器ＺＣＣは、信号入力端子、計数開始トリガ入力端子、及び計数終了トリガ入力端子からなる３つの入力端子と、零交差の数を出力する零交差計数値出力端子、及び零交差が計数される毎にパルスが発生する零交差発生パルス出力端子からなる２つの出力端子を備える。
【００４０】
２次元光検出器２０の各ピクセル２０_１，２０_２，２０_３，…に接続される各要素回路は、図３（ｂ）に示すように２個の零交差計数器３３，３４を用いて構成されている。物体干渉信号Ｉ（ｋ）及び参照干渉信号Ｉ_ｒ（ｋ）は、ともに直流バイアスフィルタ（コンデンサ）３５，３６を通して零平均化される。零平均化された物体干渉信号は第１の零交差計数器３３に入力され、零平均化された参照干渉信号は第２の零交差計数器３４に入力される。なお、直流バイアスフィルタ３５，３６の代わりに微分回路を用いてもよい。
【００４１】
図４（ａ）は、主制御装置１０からレーザ制御装置１０ａに発せられるレーザの波長走査ゲート信号ａを表し、この波長走査ゲート信号ａに基づいて発生されるレーザ波長走査開始トリガ信号ｂの入力により、第１の零交差計数器３３は物体干渉信号ｄの零交差計数を開始する。図４の横軸に示したｋ_０，ｋ_１，ｋ_２，…は、各タイミングにおける波長可変レーザの発振波数を表す。第１の零交差計数器３３の零交差発生パルス出力端子からは、図４（ｅ）に示すように、零交差が発生する度にパルスｅが出力される。また、第１の零交差計数器３３の零交差計数値出力端子からは、図４（ｆ）に示すように、零交差の計数値Ｎを表す信号ｆが実時間で出力される。
【００４２】
一方、図５（ａ）に示す零平均化された参照干渉信号ｇは第２の零交差計数器３４に入力される。この第２の零交差計数器３４は、前記〔数３〕によると、物体干渉信号ｄの第１零交差ｋ_１の時点で計数を開始しなければならない。従って、参照干渉信号用の第２の零交差計数器３４の開始トリガの入力端子には、物体干渉信号の零交差を計数する第１の零交差計数器３３から出力される零交差発生パルスｅが入力される。
【００４３】
図５（ｂ）に示すように、参照干渉信号ｇの零交差計数値Ｎ_ｒは、物体干渉信号ｄの零交差ｋ_０，ｋ_１，ｋ_２，…が発生する度に出力される。これは、物体干渉信号ｄの零交差の計数タイミングとの同期をとるためである。そのために、参照干渉信号ｇの計数値を表す出力ｉはゲート３７を通される。このゲート３７は物体干渉信号ｄの零交差発生パルスｅによって開かれ、計数値の更新が行われる。新しい計数値は、次の更新が生じるまでホルダ３８に保持される。物体干渉信号ｄの零交差の計数値Ｎと参照干渉信号ｇの零交差の計数値Ｎ_ｒの比はアナログ演算器やデジタル演算器等の演算手段３９を用いて得ることができ、演算処理部３０の各要素回路３０_１，３０_２，３０_３，…からは、前記〔数５〕の関係を用いて演算された被検体表面１８の高さに比例した出力３１_１，３１_２，３１_３，…が得られる。
【００４４】
レーザの波長走査終了トリガｃは第１及び第２の零交差計数器３３，３４に同時に入力され、これによって零交差の計数が中止される。
次に、本発明による表面形状計測の計測精度及び計測範囲について見積もる。前記〔数３〕より、高さの計測精度δｈは次の〔数６〕で表される。
【００４５】
【数６】
δｈ＝ｈ・δｋ／（ｋ_Ｎ−ｋ_１）＝δφ／（ｋ_Ｎ−ｋ_１）
【００４６】
ここで、δφ＝ｈ・δｋ、また、物体干渉信号の零交差の計数エラーδＮは無視した。高さの計測精度δｈは、波数の計測精度δｋが高くなるほど高くなる。また、波数シフト（ｋ_Ｎ−ｋ_１）が大きくなるほど高さの計測精度δｈ高くなる。したがって、信号処理部３０からは常に被検体表面１８の高さ分布ｈ（ｘ，ｙ）の計測結果が出力されているが、波長走査が進行するにつれて出力される高さ分布の精度は次第に高くなっていく。
【００４７】
一方、本発明を用いて計測できる最大高さは、第１にレーザのコヒーレンス長によって制限される。次に、参照用干渉計の光路差ｌ_ｒによって制限され、更に、結像系の焦点深度によって制限される。
【００４８】
次に、本発明を適用して段差を有する被検体表面の形状を計測した例について説明する。被検体表面としては、段差を有する光拡散表面（粗面）を用いた。図６は、被検体の断面模式図である。スライドガラス４０上に光拡散性の表面を有する鋼板４１を張り付け、さらにその上に光拡散性の表面を有するもう一枚の鋼板を位置をずらして重ねたものである。２枚の鋼板４１，４２による段差Ｈ１はマイクロメータによる鋼板の厚さ測定から０．２５ｍｍである。表面形状計測装置としては図１に示した構成の装置を用い、計測用干渉計ＭＩの被検体表面１８の位置に図６に示した被検体を、鋼板４１，４２の面にレーザ光が当たるようにして配置した。波長可変レーザとしてはローダミン６Ｇの色素レーザを用い、５６６ｎｍ〜５９１ｎｍの範囲で波長走査を行った。
【００４９】
図７は物体干渉信号の一例を示すもので、横軸はレーザ光の波長、縦軸は物体干渉信号の強度を表す。図７（ａ）は鋼板４１からの散乱レーザ光と参照光との干渉による物体干渉信号の一例であり、図７（ｂ）は鋼板４２からの散乱レーザ光と参照光との干渉による物体干渉信号の一例である。
【００５０】
図８は、信号処理部３０から得られた高さ分布ｈ（ｘ，ｙ）のデータをもとに、被検体の表面形状を３次元的に表示したものである。表面形状計測時に波長可変レーザ１１によって走査された全波数走査幅をΔＫとするとき、図８（ａ）は全走査幅ΔＫの４％に相当する波数走査が終わった時点で得られた計測結果を表す。同様に、図８（ｂ）は全走査幅ΔＫの３７％の波数走査が終わった時点で得られた計測結果を表し、図８（ｃ）は全走査幅ΔＫの７０％の波数走査が終わった時点で得られた計測結果を表す。図８（ｄ）は波長可変レーザ１１による予定の波長走査が完了した時点で得られた計測結果を表す。
【００５１】
図８からわかるように、本発明によると段差の計測が可能である。また、計測実行中は常に実時間で被検体の表面形状についての情報を得ることができ、その計測精度は計測時間の経過とともに次第に向上する。したがって、波長可変レーザ１１の波長（波数）走査範囲を任意に選択することにより、所望の計測精度で表面形状を計測することができる。換言すると、計測中は実時間で表面形状データが得られ、その精度は時間とともに上がっていくのであるから、所望の計測精度で表面形状のデータが得られた時点で計測を終了すればよいことになる。
【００５２】
図９は、計測された被検体の表面形状の断面プロフィールを示す図である。横軸は２次元光検出器２０のピクセル番号であり、縦軸は高さである。図９から明らかなように、段差が明瞭に現れており、その高さは上記のマイクロメータで計測した数値とよく一致している。断面プロフィールにおける計測された表面高さ分布の小さな揺らぎは計測精度によるものと考えられ、その標準偏差は計測精度を与える。
【００５３】
図１０は、波長走査量（波数シフト量）と計測精度の関係を表す図である。横軸は波数シフト、縦軸は再生された高さの２次元分布をフィッティングすることによって求めた平均的高さ分布からの高さ計測値の標準偏差である。図中、ａは図６の表面４１に対する〔数６〕に基づく理論計算値、ｂは表面４２に対する〔数６〕に基づく理論計算値の曲線、□及び×は実測値である。また、破線で示した直線ｃは表面４１から反射又は散乱されたレーザ光と参照光との干渉光について計測されるフリンジ数、直線ｄは表面４２から反射又は散乱されたレーザ光と参照光との干渉光について計測されるフリンジ数である。
【００５４】
図１０は、レーザ光の波数シフト量が増大するにつれて、測定精度が向上することを定量的に示している。すなわち、レーザ光の波長を時間とともに走査したとき、計測時間の経過とともに計測精度が向上していくことを実証している。計測精度は表面高さに依存するが、この例の場合、測定精度は４μｍが限界で、表面粗さがこの限界を与える。また、図１０から、最初の１０カウント程度で計測精度が急速に向上することが分かる。
【００５５】
次に、被検体表面として段差を有する鏡面を用いて同様の計測を行った。図１１は、被検体の断面模式図である。この被検体は、スライドガラス４５上に、表面にアルミニウム（Ａｌ）をコーティングして鏡面とした顕微鏡用のカバーガラス４６を張り付け、さらにその上に同様に表面にＡｌをコーティングして鏡面とした顕微鏡用のカバーガラス４７を位置をずらして重ねたものである。２枚のカバーガラス４６，４７による段差Ｈ２はマイクロメータによるカバーガラスの厚さ測定から０．１５ｍｍである。表面形状計測装置としては図１に示した構成の装置を用い、計測用干渉計ＭＩの被検体表面１８の位置に図１１に示した被検体を、カバーガラス４６，４７の表面にレーザ光が当たるようにして配置した。波長可変レーザとしてはローダミン６Ｇの色素レーザを用い、５６６ｎｍ〜５９１ｎｍの範囲で波長走査を行った。
【００５６】
図１２は、信号処理部３０から得られた高さ分布ｈ（ｘ，ｙ）のデータをもとに、被検体の表面形状を３次元的に表示したものである。表面形状計測時に波長可変レーザ１１によって走査された全波数走査幅をΔＫとするとき、図１２（ａ）は全走査幅ΔＫの４％に相当する波数走査が終わった時点で得られた計測結果を、図１２（ｂ）は全走査幅ΔＫの３７％の波数走査が終わった時点で得られた計測結果を、図１２（ｃ）は全走査幅ΔＫの７０％の波数走査が終わった時点で得られた計測結果を、図１２（ｄ）は波長可変レーザ１１による予定の波長走査が完了した時点で得られた計測結果をそれぞれ表す。
【００５７】
また図１３は、計測された被検体の表面形状の断面プロフィールを示す図である。横軸は２次元光検出器２０のピクセル番号であり、縦軸は高さである。
図１２は図８と同様、計測精度が計測時間とともに向上していくことを示している。図８の粗面の段差の高さ分布と、図１２の鏡面の段差の高さ分布を比べると、表面粗さの違いが明瞭に現れていることが分かる。図１３より、計測された段差が、上記のマイクロメータで計測した値とよく一致していることが分かる。
【００５８】
図１４は、波長走査量（波数シフト量）と計測精度の関係を表す図である。横軸は波数シフト、縦軸は平均的高さ分布からの高さ計測値の標準偏差である。図中、ａは図１１の表面４６に対する〔数６〕に基づく理論計算値、ｂは表面４７に対する〔数６〕に基づく理論計算値の曲線、□及び×は実測値である。また、破線で示した直線ｃは表面４６から反射されたレーザ光と参照光との干渉光について計測されるフリンジ数、直線ｄは表面４７から反射されたレーザ光と参照光との干渉光について計測されるフリンジ数である。
【００５９】
図１４は、図１０と同様、計測時間の経過とともに計測精度が向上していくことを定量的に示している。この例の場合、計測精度は１μｍが限界である。計測精度の限界が図１０と図１４とで異なるのは、表面粗さの相違によるものである。また図１４から、最初の１０カウント程度で計測精度が急速に向上することが分かる。
【００６０】
図１５は、本発明による実時間表面形状計測装置の他の例の概略構成図である。この例では参照干渉計を用いない。レーザ制御装置５１ａによって波長制御される波長可変レーザ５１からのレーザビームは、ビームエキスパンダ５５を通過して適当な直径の平行ビームとなって計測用干渉計ＭＩに導かれる。計測用干渉計ＭＩに導かれた平行ビームは、ハーフミラー５６によって二分割され、一方は参照平面鏡５７に入射し、もう一方は被検体表面５８を照射する。
【００６１】
被検体表面５８で反射又は散乱したレーザ光は、ハーフミラー５６で反射され、結像光学系５９によって２次元光検出器アレイ７０上で結像される。結像光学系５９の焦点面に置かれた開口板６１は、結像光学系５９の焦点深度を調整するためと結像系全体をテレセントリック系とするためのものである。参照鏡５７で反射されたレーザ光はハーフミラー５６及び結像光学系５９を通過し、被検体表面５８で反射又は散乱したレーザ光と２次元検出器アレイ７０上で干渉する。被検体表面５８のｘｙ座標（ｘ，ｙ）と一対一対応する２次元光検出器アレイ７０の各ピクセル７０_１，７０_２，７０_３，…からは、被検体表面５８の各点の高さｈ（ｘ，ｙ）に応じた干渉信号（物体干渉信号）が出力される。２次元光検出器アレイ７０の各ピクセル７０_１，７０_２，７０_３，…からの出力信号は、信号処理部７１に入力されて並列的に処理される。
【００６２】
波長可変レーザ５１の波長を制御するレーザ制御装置５１ａは、主制御装置５０からの指令によって制御され、主制御装置５０は、その波長制御指令によって波長可変レーザ５１から発振されるレーザ光の波長（波数）情報を信号処理部７１に供給する。この主制御装置５０による波長制御指令と、波長可変レーザ５１から発振されるレーザ光の波長（波数）の関係は、予め実験等によって校正されている。
【００６３】
信号処理部７１は、計測用干渉計ＭＩの２次元光検出器アレイ７０の各ピクセル７０_１，７０_２，７０_３，…の検出出力及び、主制御装置５０から供給されるレーザ光の波数情報を用いて前述と同様の処理を行い、２次元検出器アレイ７０の各ピクセル７０_１，７０_２，７０_３，…に対応する被検体表面５８の高さｈ（ｘ，ｙ）を表示装置等の出力装置７２に並列的に出力する。
【００６４】
このように参照干渉計を用いなくとも被検体表面５８の表面形状を実時間で計測することができる。ただし、この場合には、波長可変レーザ５１の発振波長を高い精度で校正しておく必要がある。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によると、穴や段差のある表面の形状を実時間で高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実時間表面形状計測装置の一例の概略構成図。
【図２】計測用干渉計から得られた物体干渉信号と、参照用干渉計から得られた参照干渉信号を模式的に示す図。
【図３】信号処理部の１ピクセル分の要素回路の構成を示すブロック図。
【図４】信号処理部の要素回路に入力される各種信号及び物体干渉信号から得られる零交差信号を説明するタイミングチャート。
【図５】参照干渉信号を説明するタイミングチャート。
【図６】光拡散表面を有する被検体の断面模式図。
【図７】物体干渉信号の一例を示す図。
【図８】計測された被検体の表面形状を３次元的に表示した図。
【図９】計測された被検体の表面形状の断面プロフィールを示す図。
【図１０】波長走査量（波数シフト量）と計測精度の関係を表す図。
【図１１】鏡面を有する被検体の断面模式図。
【図１２】計測された被検体の表面形状を３次元的に表示した図。
【図１３】計測された被検体の表面形状の断面プロフィールを示す図。
【図１４】波長走査量（波数シフト量）と計測精度の関係を表す図。
【図１５】本発明による実時間表面形状計測装置の他の例の概略構成図。
【符号の説明】
１０…主制御装置、１１…波長可変レーザ、１１ａ…レーザ制御装置、１２…レーザビーム、１３…反射鏡、１４…ビームスプリッタ、１５…ビームエキスパンダ、１６…ハーフミラー、１７…参照鏡、１８…被検体表面、１９…結像光学系、２０…２次元光検出器アレイ、２１…開口板、２３…ハーフミラー、２４…全反射平面鏡、２５…検出器、２６…帯域フィルタ、３０…信号処理部、３３，３４…零交差計数器、３５，３６…直流バイアスフィルタ、３７…ゲート、３８…ホルダ、３９…演算手段、４０…スライドガラス、４１，４２…鋼板、４５…スライドガラス、４６，４７…カバーガラス、５０…主制御装置、５１…波長可変レーザ、５１ａ…レーザ制御装置、５５…ビームエキスパンダ、６１…開口板、５６…ハーフミラー、５７…参照平面鏡、５８…被検体表面、５９…結像光学系、７０…２次元光検出器アレイ、７１…信号処理部、７２…出力装置、ＭＩ…計測用干渉計、ＲＩ…参照用干渉計

Claims

レーザ光を被検体表面に照射するステップと、
前記被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光と前記レーザ光から形成された参照平面波とを前記被検体表面の結像位置に配置された光検出器アレイ上で干渉させるステップと、
前記レーザ光の波長を単調変化させるステップと、
前記光検出器アレイの各検出器から得られる物体干渉信号の位相シフト量と前記レーザ光の波数シフト量との比を用いて前記被検体表面の形状を計測するステップとを含むことを特徴とする実時間表面形状計測方法。
前記レーザ光の波数シフト量は、前記レーザ光を所定の光路差を持たせて干渉させた参照干渉信号を用いて求めることを特徴とする請求項１記載の実時間表面形状計測方法。
前記位相シフト量は前記物体干渉信号の零交差数を計数することによって求め、前記波数シフト量は前記参照干渉信号の零交差数を計数することによって求めることを特徴とする請求項２記載の実時間表面形状計測方法。
波長可変レーザと、
前記波長可変レーザの発振波長を制御するレーザ制御手段と、
被検体表面の像を検出面に結像させる結像光学系と、
前記検出面に配置された光検出器アレイと、
前記波長可変レーザからのレーザ光が入射され、参照鏡で反射されたレーザ光と前記被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光とを前記検出面で干渉させる計測用干渉計と、
前記光検出器アレイの各検出器から発生される物体干渉信号を個別に処理する信号処理系とを含み、
前記信号処理系は前記レーザ制御手段により前記波長可変レーザの発振波長を単調に変化させたとき前記各検出器から発生される物体干渉信号の位相シフト量と前記レーザ光の波数シフト量との比を用いて前記被検体表面の形状を計測することを特徴とする実時間表面形状計測装置。
前記波長可変レーザからのレーザ光が入射され、前記レーザ光を所定の光路差を持たせて干渉させる参照用干渉計を備え、前記参照用干渉計から出力される参照干渉信号を用いて前記レーザ光の波数シフト量を求めることを特徴とする請求項４記載の実時間表面形状計測装置。
前記信号処理系は、前記光検出器アレイの各検出器から発生された物体干渉信号の零交差数を計数する第１の計数手段と、前記参照用干渉計から出力された参照干渉信号の零交差数を計数する第２の計数手段とを含むことを特徴とする請求項５記載の実時間表面形状計測装置。