JP3781408B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，測定装置に関し、特に被測定物の鏡面状表面における複数の点の傾斜角度を同時に測定するのに好適な測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鏡面状の表面を有する被測定物の形状を高精度に測定する超精密測定においては、鏡面上表面の各点での接線の傾斜角度の相対値を計測して、数値積分で形状を求める方法が有効である。鏡面状表面の各点での接線傾斜角を計測する方法として従来から知られている技術のひとつは、ペンタプリズムの入射光が入射光軸に対して直角に曲がる性質を利用して、このペンタプリズムを光軸方向に移動して光の投射方向を一定に保ちながら、投射位置を変える方法である。
【０００３】
この方法では光源の光軸方向に並ぶ２点での、光源光軸方向の傾斜角の相対値は知ることができるが、平面的な広がりのある点での傾斜角を相対的に正しく知ることはできない。また、超精密計測などは、空中での光の揺らぎのため光軸の直進性は長い直線範囲では十分な精度の基準となり得ない。これに対し、光の直進性を直接の基準としないで直線断面の高さ形状を求める方法として、直線上の２点の接線の傾斜角の相対変化を計測する技術がある。
【０００４】
直線上に並ぶ２点の、直線に沿う方向の傾斜角度を同時に計測する装置として、あるいはその角度の差を直接測定する装置として、差動レーザオートコリメーション法を適用した装置が知られている。しかし、かかる装置では、傾斜角を知りたい２点へ完全に同じ方向からの光を投射することが困難で，２点の傾斜角の差がゼロになる点が正確に定められず、大きな広がりを持つ鏡面の形状測定等に適用する上では問題があった。
【０００５】
かかる問題を解決するために、交互に点灯する二つ光源からの光ビーム、回転軸に載せた一つのビームスプリッタおよびｆθレンズとＰＳＤ（光スポットの位置検出デバイス）を組み合わせた一つの角度センサからなる装置が提案された。この装置は、ビームスプリッタの回転位置を、目標物の接線傾斜角測定位置とゼロ点補正位置に回転軸のエンコーダで位置決めして交互に角度データを取るもので、受光系を一つにすることによってコンパクトな構成を得ることができ、又、受光系のドリフトの影響を受けにくいという利点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このゼロ点補正機構付きの差動レーザオートコリメーション装置は，二つの光源からの光線を測定対象点での反射点間隔で平行に配置する必要があり，受光系を一つにするために交互に点灯する必要があるため、次のような欠点があり，その解決が実用化を図る上での課題として存在している。
【０００７】
（１）傾斜の測定と二つのビームによる角度センサのゼロ点補正は、ビームスプリッタの回転を止めて行う必要があるため、加速及び減速のための時間が必要となり、結果としてトータルでの測定時間が長くかかる。
（２）形状測定などのために目標物を走査するときも、対象物も静止させてから傾斜角度を測定する必要がある。これも測定所要時間を長くする。
（３）一つの光源から、複数の光ビームを作成して用いることが容易でなく，光源のドリフトの影響を低下させることができない。
（４）ビームスプリッタの大きさ、ｆθレンズの開口に制限されてビーム間隔をあまり大きくとれず、また、対象面に投射するビームの数を２本以上にすることはきわめて難しい。
（５）角度検出器の受光部上での光スポットを静止させて測定するので、移動中のスポットのゼロクロス点を利用した測定ができない。
（６）ビームスプリッタの回転軸に組み込まれた高い分解能のエンコーダを用いたディジタル角度測定ができない。
（７）決められたビームスプリッタの位置以外での測定ができないため、ゼロ点補正のためビームスプリッタの９０度回転に要する時間が無駄になり、走査測定における測定点を増やすためには、時間をかける以外の手段がない。
（８）平面度などの２次元形状を測定するために適した装置とはなり得ない。
【０００８】
その他，受光系が一つではあるが，２つの光線が受光レンズを通過する経路は二つのビームの間隔だけ異なっているため，厳密に言えば二つの受光センサを用いているのと同じで，このセンサの違いが補正されないこと，光源からビームスプリッタを通過して測定目標面に向かう光線がビームスプリッタの２平面の平行度誤差によって受ける影響が考慮されていないことのため，レンズやビームスプリッタの二つの光学部品の形状精度に依存してしまうという難点も残っていた。
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、被測定物の表面形状を短時間で高精度に測定できる測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定装置は、
被測定物に対して相対移動可能な基板と、
前記基板に対して回転自在に支持された回転板と、
前記回転板に取り付けられた第１及び第２のビームスプリッタと、
前記基板に取り付けられた第１及び第２の光源と、
前記光源から受光した光束の位置を検出する第１及び第２のセンサと、を有し、
前記回転板が所定位置にあるときに、前記第１の光源から出射された光束の一部は、前記第１のビームスプリッタで反射されて前記第１のセンサで検出され、前記第１の光源から出射された光束の残りは、前記第１のビームスプリッタを透過し前記第２のビームスプリッタで反射されて前記第２のセンサで検出され、
前記回転板が所定位置から１８０度回転したときに、前記第２の光源から出射された光束の一部は、前記第１のビームスプリッタで反射されて被測定物の表面に向かい、その表面からの反射光が前記第１のビームスプリッタを透過して前記第２のセンサで検出され、前記第２の光源から出射された光束の残りは、前記第１のビームスプリッタを透過し前記第２のビームスプリッタで反射されて被測定物の表面に向かい、その表面からの反射光が前記第２のビームスプリッタを透過して前記第１のセンサで検出され、
被測定物の表面の傾きを検出する際に、前記回転板が所定位置にあるときの前記第１及び第２のセンサの角度出力と、前記回転板が所定位置から１８０度回転したときの前記第１及び第２のセンサの角度出力とを比較することにより、前記第１及び第２のセンサ間にあるゼロ点のずれを補正することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
本発明の装置では、光源から出射される一つの光束の経路上に複数個のビームスプリッタとそれと対をなすセンサをそれぞれ設けることで、被測定物表面における複数の点からの反射光の傾斜角を、回転板が回転中に同時にサンプリングできるようにするものである。このことで、決められた一つのセンサがゼロになる瞬間をトリガにして、他のセンサの出力を同時に検出することで、複数の反射点での相対的な傾斜角の差を正確に検出することができる。回転板の回転角度を検出するロータリエンコーダがあれば，その信号から複数のセンサの出力を回転中に同時サンプリングすることもできる。
【００１２】
また，回転板を挟んで対向する形でもう一つの光源を設けることで，ビームスプリッタの反射角の違いを含む各センサのゼロ点の差を、両方の光源を用いて得られる計測データから計算で取り除くことができる。特に、従来技術においては、大きな対物レンズを備えた単一の受光系を使用しているために，レンズの形状誤差を考えると２つのセンサを用いているのと同等の誤差が生じてしまい，その誤差を分離することが困難であるのに対し、本発明の測定装置では、２つのセンサのゼロ点の違いを理論上完全に分離できる。また，一つの光源からの光で２つのセンサの差動出力を得るので，光源の揺らぎの影響は相殺されてしまうという大きな特長も得られる。
【００１３】
さらに、本発明によれば、光線が常にビームスプリッタのほぼ中心を通過するように設定することで，個々のビームスプリッタを回転板上で反転することにより平行度を校正し補正データを得るか，あるいは，円板に取り付ける前に２次元的に平行度を校正して補正データを得ておくことで、ビームスプリッタの対向面の平行度誤差を解消することができる。
【００１４】
又、本発明によれば、複数のビームスプリッタを異なる円周上に配置できるので、ビーム間隔を必要な幅に広げることも自由にできる。
【００１５】
また、ビームスプリッタ回転中のそれぞれのセンサ出力信号をトリガに使えば、ビームスプリッタを取り付けた回転板の回転軸の回転角度を検出するロータリエンコーダで、決められた位置でのビームスプリッタ回転方向の接線傾斜角度をディジタル化して取り出せる。
【００１６】
また，ロータリエンコーダの出力から，ビームスプリッタの回転位置が求められるので，これに基づいて，センサの出力をエンコーダの出力でトリガをかけながらサンプリングすれば，一つのビームスプリッタの開口およびセンサの測定範囲の許す範囲でデータ点数を増やすことが出来るため、移動平均を取ったり，合成法と呼ばれる形状復元法を適用する上でも有効である。
【００１７】
すなわち、ビームスプリッタが決められた回転位置にある瞬間の信号をエンコーダから発してセンサによる光束読みとりのタイミングを決めるために用いることもでき、また、逆に、ビームスプリッタの回転に伴う光束の方向が決められた角度になった瞬間のビームスプリッタ回転角度位置およびそれを通じて被被測定物やビームスプリッタからの反射光の傾斜角をロータリエンコーダで読みとることができるのである。
【００１８】
センサを２次元方向に検出可能なのもの（これを２次元センサと呼ぶ）にして、走査方向に直交する方向の傾斜も同時に計測し、平面の直交する２方向の接線の傾斜を計測することで平面度などの２次元形状への対応も可能にする。
【００１９】
尚、ビームスプリッタ回転テーブルの回転軸に沿った方向に光ビームと２次元センサ及びビームスプリッタの付いた回転テーブルを配置することで，平面の計測にも適した装置になる。なお，この場合の回転軸方向に並んだセンサのゼロ点の違いは，測定対象鏡面を90度回転して，上で得た真直形状を基準にして補正することができる。
【００２０】
複数のビームスプリッタを取り付けた複数の回転板の代わりに，軸方向に長いビームスプリッタを用いて，回転板を単一とした構造で，回転軸に沿って複数の光源とセンサとを配置してもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に図を用いて、本発明の実施の形態にかかる測定装置の構造と動作を説明する。図１は、本実施の形態にかかる測定装置の斜視図である。図２は、図１に示す所定の位置から回転板を１８０回転させた状態を示す図である。測定装置は、被測定物ＯＢに対してＸ又はＹ軸方向に移動可能に配置された基板１と、基板１に回転自在に保持された円盤状の回転板２と、基板１において、回転板２の直径に沿って水平方向に光束を出射し且つ出射方向を向き合わせるように配置された第１の光源３及び第２の光源４と、回転板２において、その中心からそれぞれ等距離に離れ（すなわち同一円周上で）且つ直径方向に配置された第１のビームスプリッタ７及び第２のビームスプリッタ８と、両ビームスプリッタ７，８の間に配置された１／４波長板５，６と、両ビームスプリッタ７，８の上方において、基板１にそれぞれ配置された光学系９，１０及び第１のセンサ１１及び第２のセンサ１２と、両ビームスプリッタ７，８の下方において、基板１にそれぞれ配置された１／４波長板１３，１４とを有している。第１のセンサ１１及び第２のセンサ１２は光電変換素子であって、光学系９，１０により集光させた光束の位置に応じた信号を出力することで、光束の傾斜角度（被測定物表面の法線の傾斜角度に相当）を高精度に測定できるものである。
【００２２】
尚、第１のセンサ１１及び第２のセンサ１２を、１次元の測定のみ可能なものにするときは，両方ともＸ軸方向の傾斜角を検出できる方向に設置するとよい。どちらか一方または両方を２次元の測定が可能なセンサにするときは，本実施の形態のように、Ｘ、Ｙ軸方向の傾斜角が検出できるものにする。また，光学系９，第１のセンサ１１及び光学系１０と第２のセンサ１２，それぞれの対がオートコリメーションの原理で光束の傾斜角度を測定しているが，これを臨界角法，その他の角度検出器に置き換えても同様の結果になる．
【００２３】
次に、測定装置の動作について説明する。まず図１に示す基板１と回転板２との位置において、第１の光源３から出射された光束は、まず第１のビームスプリッタ７に入射し、ここで反射成分と透過成分に分離される。光束の一部である反射成分は、光学系９を通過し第１のセンサ１１に向かい，光束の残りである透過成分は、１／４波長板５，６を通過して、第２のビームスプリッタ８で反射し，光学系１０を通過し第２のセンサ１２に向かう。
【００２４】
一方、第２の光源４から出射された光束は、第２のビームスプリッタ８に入射し、ここで反射成分と透過成分に分離される。光束の一部であるで反射成分は、１／４波長板１４を通過後被測定物ＯＢに投射され、鏡面状であるその表面からの反射光は１／４波長板１４を通過後、第２のビームスプリッタ８を透過して、さらに光学系１０を通過し第２のセンサ１２に向かう。これに対し、光束の残りである透過成分は１／４波長板５，６を通過後、第１のビームスプリッタ７で反射され，１／４波長板１３通過後被測定物ＯＢに向かい，その表面からの反射光は１／４波長板１３，第１のビームスプリッタ７を通過して，光学系９を通過し第１のセンサ１１に向かう。なお，１／４波長板５，６の代わりに１／２波長板一個を配置しても同様の効果が得られる。
【００２５】
これに対し、基板１に対して回転板１８０度回転させた図２においては、第２の光源４から出射された光束は、第１のビームスプリッタ７に入射し、ここで反射成分と透過成分に分離される。光束の一部であるで反射成分は、１／４波長板１４を通過後被測定物ＯＢに投射され、鏡面状であるその表面からの反射光は１／４波長板１４を通過後、第１のビームスプリッタ７を透過して、さらに光学系１０を通過し第２のセンサ１２に向かう。これに対し、光束の残りである透過成分は１／４波長板５，６を通過後、第２のビームスプリッタ８で反射され，１／４波長板１３を通過後被測定物ＯＢに向かい，その表面からの反射光は１／４波長板１３，第２のビームスプリッタ８を通過して，光学系９を通過し第１のセンサ１１に向かう。
【００２６】
一方、第１の光源３から出射された光束は、まず第２のビームスプリッタ８に入射し、ここで反射成分と透過成分に分離される。光束の一部である反射成分は、光学系９を通過し第１のセンサ１１に向かい，光束の残りである透過成分は、１／４波長板５，６を通過して、第１のビームスプリッタ７で反射し，光学系１０を通過し第２のセンサ１２に向かう。
【００２７】
第１の光源３及び第２の光源４は、互いに異なる位相で点灯，消灯を繰り返し，第１のセンサ１１及び第２のセンサ１２は、それらの点灯のタイミングと同期して二つの光源に関係した測定データを分離するか，あるいは，２つの光源３，４を異なる周波数で変調して、それぞれのセンサ１１，１２の出力信号から２つの光源３，４に関する情報を分離検出することができる。得られた情報は、不図示のＣＰＵにて処理され、それによりセンサ１１，１２に入射した光束の傾斜角度を求めることができる。
【００２８】
いま，第１の光源３からの光束を基準にして，Ｘ軸に沿う正しい幾何学的関係からビームスプリッタ７，８のそれぞれの反射角の誤差をＭ１１，Ｍ２１とし，センサ１１，１２に、それぞれの前にある光学系９，１０を介して入射する光束のずれをそれぞれＳ１，Ｓ２とし，ビームスプリッタ７，１／４波長板５，６を通過することで生じる光線の振れ角をＰ０とすると，図１の状態で光源３からの光束の傾斜角度を求めるためセンサ１１，１２から出力される出力（これを角度出力という）は，それぞれ次の出力Ａ０、Ｂ０となる。
Ａ０＝Ｍ１１＋Ｓ１ （１）
Ｂ０＝Ｍ２１＋Ｓ２＋Ｐ０ （２）
【００２９】
これに対し、回転板２を180度回転した状態（図２の状態）では，被測定物ＯＢの表面の角度をＴ１，Ｔ２とし，被測定物ＯＢからの反射光がビームスプリッタ７，８を通過することによる光束の振れをそれぞれＰ１，Ｐ２，第１の光源３と第２の光源４からそれぞれ出射される光束の平行度のずれをＣとすると，光源４からの光束に関するセンサ１１，１２の角度出力Ａ１、Ｂ１はそれぞれ以下のように表せる。
Ａ１＝Ｓ１−Ｍ２１＋Ｔ１＋Ｐ２＋Ｃ−Ｐ０ （３）
Ｂ１＝Ｓ２−Ｍ１１＋Ｔ２＋Ｐ１＋Ｃ （４）
【００３０】
ここで、センサ１１，１２のゼロ点を調整した差動出力として，次式を得る。
（Ａ１−Ｂ１）−（Ａ０−Ｂ０）＝Ｔ１−Ｔ２＋（Ｐ２−Ｐ１） （５）
【００３１】
先に述べたように，ビームスプリッタ７，８の透過による光束の振れの違いを求めるため，個々のビームスプリッタ７，８を回転板２上で反転して、上と同じ測定をすると次式を得る。
（Ａ１−Ｂ１）−（Ａ０−Ｂ０）＝Ｔ１−Ｔ２−（Ｐ２−Ｐ１） （６）
式（５）、（６）から、誤差分として除外したい値（Ｔ１−Ｔ２）と（Ｐ２−Ｐ１）を分離することができる。一度（Ｐ２−Ｐ１）を測定してしまえば，以降の測定は不要となるから、この測定を，ビームスプリッタ７，８を回転板２に取り付ける前に行ってもよい。
【００３２】
上述のゼロ点補正は、１次元の角度変化（入射光束の位置ズレに対応する）を検出できるセンサについて述べたが，２つのセンサが２次元の角度変化を検出できるものである場合は，その２次元のそれぞれの成分のゼロ点補正を、同じ式に従って同時に行える。なおこの場合は，プリズムの平行度の誤差も２次元で計測しておく必用があり，式（２）と（３）に入っているＰ０に相当する項についても，あらかじめの計測をしておく必要がある。
【００３３】
なお，式（１），（２）の値を得たときの，第２の光源４からの光束により得た測定データと，式（３）、（４）を得たときの第１の光源３からの光束により得た測定データを組み合わせても、上と同様の，被測定物における特定面の差動傾斜角と測定装置の誤差が分離できる。従って，測定装置と被測定物を相対移動して走査測定をするときには，円板半回転ごとに目的のデータが１回得られることになる。これは，測定の迅速化に有効に使える。
【００３４】
図３は，別な実施の形態を示す図であり、第１の光源３と第２の光源４から対向して出射される２つの光束の軸を意図的に微小角αだけずらせて，相手の光源に向かってビームスプリッタを透過した光束が、相手の光源への外乱光にならない位置関係にして，波長板を省略した測定装置を示している。ビームスプリッタ７，８が配置された直径が，第１の光源３の光束の光軸に対して±α／２ずれた回転板２の回転位置で、第２の光源４からの光束の光軸による測定データを読みとるようにすると，図１、２の場合と同様のゼロ点調整が可能な測定装置が構成される。
【００３５】
図１、２のビームスプリッタ７，８が載っている直径と直交する直径上で同じ円周上に同様のビームスプリッタ系を並べると，回転板２を１／４回転（９０度）ごとに測定データが得られることは明らかである。同様に，一つの測定系（光源−ビームスプリッタ−センサ）を結ぶ光束が邪魔されない範囲で、多数の直径上にビームスプリッタ系を配列して，測定の迅速化を図ることができる。被測定物ＯＢが長い場合は、一般にビーム間隔も長くする方が有利になるので、ビームスプリッタを取り付ける回転板２の直径も大きくなり、光束が互いに干渉しない範囲でビームスプリッタを多数配置することができる。
【００３６】
本実施の形態によれば、ビームスプリッタを定常的に回転することで、絶えずゼロ点のずれ（２本の投射ビームの相対傾斜角の変化や受光系のゼロ点の変動）を補正して、被測定物表面の各点における相対傾斜角の精度よい測定を保証することができる。又、被測定物と測定装置とを相対移動させながら連続的に光束投射点を変化させて、必要な間隔でデータをサンプリングすることができる。更に、ビームスプリッタの回転によって振れる方向の角度出力をトリガ信号に使い、例えばロータリーエンコーダで回転板の角度を読みとることができるため、比較的大きな角度変化に対しても分解能の高い角度検出ができる。なお、２次元方向の角度変化を検出できるセンサの場合、同時にサンプリングするビームスプリッタの回転角と直交する方向の角度は、角度変化が微小である場合が多いのでアナログ量として、同時にサンプリングすることができる。回転角方向の角度変化は、大きい角度分をエンコーダでディジタル的に読み、微小な変動をアナログで読むこともできる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の測定装置によって、従来から知られていたビームスプリッタ反転法によるゼロ点誤差補正法の欠点が取り除かれ，高い精度で真直度，平面度の測定ができる実現できる。又、ゼロ点補正を繰り返し実施することで、光学系のドリフトの影響を低減する一方で、ゼロ点補正をしない場合と同程度の走査測定の速度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる測定装置の斜視図である。
【図２】図１に示す位置から回転板を１８０回転させた状態を示す図である。
【図３】別な実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ 回転板
３ 第１の光源
４ 第２の光源
５，６ １／４波長板
７ 第１のビームスプリッタ
８ 第２のビームスプリッタ
９，１０ 光学系
１１ 第１のセンサ
１２ 第２のセンサ
１３、１４ １／４波長板
ＯＢ 被測定物

Claims (4)

1. 被測定物に対して相対移動可能な基板と、
   前記基板に対して回転自在に支持された回転板と、
   前記回転板に取り付けられた第１及び第２のビームスプリッタと、
   前記基板に取り付けられた第１及び第２の光源と、
   前記光源から受光した光束の位置を検出する第１及び第２のセンサと、を有し、
   前記回転板が所定位置にあるときに、前記第１の光源から出射された光束の一部は、前記第１のビームスプリッタで反射されて前記第１のセンサで検出され、前記第１の光源から出射された光束の残りは、前記第１のビームスプリッタを透過し前記第２のビームスプリッタで反射されて前記第２のセンサで検出され、
   前記回転板が所定位置から１８０度回転したときに、前記第２の光源から出射された光束の一部は、前記第１のビームスプリッタで反射されて被測定物の表面に向かい、その表面からの反射光が前記第１のビームスプリッタを透過して前記第２のセンサで検出され、前記第２の光源から出射された光束の残りは、前記第１のビームスプリッタを透過し前記第２のビームスプリッタで反射されて被測定物の表面に向かい、その表面からの反射光が前記第２のビームスプリッタを透過して前記第１のセンサで検出され、
   被測定物の表面の傾きを検出する際に、前記回転板が所定位置にあるときの前記第１及び第２のセンサの角度出力と、前記回転板が所定位置から１８０度回転したときの前記第１及び第２のセンサの角度出力とを比較することにより、前記第１及び第２のセンサ間にあるゼロ点のずれを補正することを特徴とする測定装置。
2. 前記第１及び第２のビームスプリッタは、前記回転板に複数組取り付けられており、一つの組の前記第１もしくは第２のビームスプリッタを透過もしくは反射した光束は、他の組の前記第１もしくは第２のビームスプリッタに遮られることなく前記第１及び第２のセンサに到達することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記第１及び第２の光源と、前記第１及び第２のセンサ及びビームスプリッタを取り付けた前記回転板を、それぞれ複数組有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記回転板の回転角を検出するエンコーダを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。

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