JP4145670B2

JP4145670B2 - 位相シフト干渉縞同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法

Info

Publication number: JP4145670B2
Application number: JP2003010563A
Authority: JP
Inventors: 和彦川▲崎▼; 泰上島
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-01-20
Also published as: JP2004226075A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は位相シフト干渉稿同時計測装置に関し、特に、被検面と参照面からの反射光が光学的に無干渉状態にある原光束を複数の分枝原光束に分割し、それぞれ分枝原光束に異なる固定的光学位相差を与えて干渉させ、複数の撮像機構で同時撮像し、被検面の形状を計測する位相シフト干渉稿同時撮像機構における分枝撮像機構の調整方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
例えば、特願平１１−１３６８３１号出願に示すような図１の位相シフト干渉稿同時計測装置においては、レーザ光源１からのレーザー光束は、レンズ２によりビーム径を拡大され、ビームスプリッタ３を透過してコリメートレンズ４にて平行光束にされる。そして、この平行光束から参照面５で反射された参照光と参照面５，λ／４板６を透過し被検面７で反射された試料光を生成するが、試料光は再びλ／４板６を透過することで偏光面が参照光とは直交した光学的無干渉状態の原光束となる。
【０００３】
ビームスプリッタ３で反射された原光束に含まれる参照光と試料光はλ／４板８を透過することでそれぞれ互いに回転方向の異なる円偏光状態となり、三分割プリズム９で３つの分枝光束に分割される。それぞれの分枝光束の光路上には偏光板１０〜１２が配置され、光軸に対して概略直交する面内において偏光板の透過軸角度が設定され、固定的光学位相差を与えた分枝位相シフト干渉稿が発生され、撮像機構１３〜１５により撮像が行われる。
【０００４】
この装置において、被検面形状を高精度に計測するためには、三分割プリズム９にて分割して発生させた分枝位相シフト干渉稿を異なる撮像機構にて撮像する際に、被検面の観測範囲にある任意の位置がそれぞれ分枝観測座標系において同一位置になるように位置の整合調整を施さなければならない。
しかし、実際には、一つの被検体を異なる撮像機構にて撮像しようとした場合、図２の例に示したように、個々の撮像機構の設置位置が設計値と異なることにより、出力画像中にて得られる被検体の位置は互いにずれたものとなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この課題を解決する方法としては、撮像機構１３〜１５にて撮像された基準図形の図芯の位置より、分枝観測座標系のずれ量を算出し、ソフトウェアによる座標変換により整合調整を施す方法が「画像計測システム及びその画像校正方法（特願平１１−２７６８）」にて提案されている。
ところが、基準図形を撮像して座標系のずれ量を算出する方法では、入力画像の強度情報が明らかでない場合には、撮像された基準図形の縁の決定の仕方などにより、算出される図芯の位置は異なってしまう。つまり、従来技術において、観測座標系の異なる複数の撮像機構の設置位置調整を高精度に行うためには、図芯を得るために使用される被検体から発せられる光強度が精度よく校正されており、しかもこの被検体を忠実に撮像する精度の高い観測光学系が必要である。
【０００６】
しかしながら、これら被検体および観測光学系が用いられたとしても、画素という有限サイズの離散的な輝度の集合から成る画像では、画素サイズ以下の精度で図芯を算出することは極めて困難である。
【０００７】
本発明の目的は、位相シフト干渉稿同時撮像装置において、異なる撮像機構により撮像する複数の分枝位相シフト干渉稿の位置ずれの補正を高精度に行うことができる分枝撮像機構の調整方法を得るにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、レーザ光源より発するコヒーレント光束を参照面と被検面に照射し、前記参照面、前記被検面それぞれからの反射光である参照光と試料光の偏光面を偏光光学素子を介在させて互いに直交させ、光学的無干渉状態となした原光束を生成する観測光学系を備え、
前記原光束を複数の分枝原光束に分け、前記分枝原光束のそれぞれに偏光光学素子を介して異なる固定的光学位相差を与えた複数の分枝位相シフト干渉稿を発生させ、前記被検面の観測範囲にある任意の位置がそれぞれの分枝観測座標系にて同一位置になるよう位置の整合を施し、分枝ごとに設けられた分枝撮像機構によりこれら干渉稿に対応する画像データを取得し、位相シフト法にて前記被検面の観測範囲の平面起伏形状を数値データにより再現する位相シフト干渉稿同時撮像装置であって、
前記観測光学系は、参照光と試料光の間に前記試料光光軸に対して直交する面内で相対的に一様な光学位相差を前記固定的光学位相差と別途に複数の分枝位相シフト干渉稿それぞれに与える第１調整手段と、干渉稿が撮像可能な被検面を前記試料光光軸に対して傾斜させた時と等価な光学位相差を前記固定的光学位相差と別途に複数の分枝位相シフト干渉稿それぞれに与える第２調整手段とを備えた位相シフト干渉稿同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法において、
前記第１調整手段により、前記参照光と前記試料光との間に相対的な光学的位相差を与えたときにそれぞれの前記分枝撮像機構にて得られる複数の位相シフト干渉稿画像データから分枝ごとの平面起伏形状を位相シフト法により数値データとして算出し、この数値データの各点が各分枝の同じ位置に対応しているものとして得られる前記数値データの相対的な差により第１の固定的光学位相差を求め、
次に、前記第２調整手段により前記試料光光軸に対して被検面を傾斜させた時と等価な光学的位相差を与え、この光学的位相差を与えた状態で、前記第１調整手段により参照光と前記試料光との間に相対的な光学的位相差を与えたときにそれぞれの前記分枝撮像機構にて得られる複数の位相シフト干渉稿画像データから分枝ごとの平面起伏形状を位相シフト法により数値データとして算出し、分枝ごとに得られた前記数値データの相対的な差により第２の固定的光学位相差を求め、
第１の固定的光学位相差と第２の固定的光学位相差、および前記傾斜させた角度の関係から分枝撮像機構間の観測座標の相対的な位置ずれを算出して、被検面観測範囲にある任意位置がそれぞれの前記分枝観測座標系において同一位置になるように前記分枝撮像機構を前記分枝原光束と概略直交する面内において配置調整することを特徴とする位相シフト干渉稿同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法を提案するものである。
【０００９】
後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、
１）前記被検面観測範囲のある位置がそれぞれの前記分枝観測座標系において同一位置になるように前記分枝撮像機構を前記分枝原光束と概略直交する面内において調整する際、前記固定的光学位相と前記固定的光学位相の関係から算出した位置的な前記対応点と実際に対応する点の差を用い、配置調整を行うか、あるいは、ソフトウェアによる位置座標変換により調整する位相シフト干渉稿同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法、
２）前記参照光と前記試料光の間に前記試料光光軸に対して直交する面内で相対的に一様な光学位相差を与える前記第１調整手段は、前記参照光の光軸方向に平行移動できるステージを有し、前記試料光光軸に対して被検面を傾斜させた時と等価な光学位相差を与える前記第２調整手段は、前記試料光光軸に対して傾斜するステージを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の位相シフト干渉稿同時撮像機構における分枝撮像機構の調整方法、
３）前記参照光と前記試料光の間に前記試料光光軸に対して直交する面内で相対的に一様な光学位相差を別途与える前記第１調整手段は、前記レーザ光源の波長をわずかずつ変化させることにより前記光学位相差を与え、前記試料光光軸に対して被検面を傾斜させた時と等価な光学位相差を与える第２調整手段は、前記試料光光軸に対して傾斜するステージを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の位相シフト干渉稿同時撮像機構における分枝撮像機構の調整方法が説明される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図３から図６について本発明の好ましい実施例を説明する。
図３は本発明による一実施例に係る位相シフト干渉稿同時撮像装置における撮像機構の調整方法の装置構成を示す。
【００１１】
即ち、図３においては、位相シフト干渉稿同時撮像装置の開口部下に、参照光の光軸方向への平行移動と傾斜が可能なステージが設置され、このステージには干渉稿が撮像可能な被検面が配置される。
そして、被検面と参照面が平行になるように傾斜調整する。この時に個々の撮像機構が設計値に設置されているものとし、撮像機構１３〜１５それぞれで得られる分枝位相シフト干渉稿においては、被検面上の各点はそれぞれの分枝観測座標系上で同じ位置にあり、（ｘ，ｙ）座標上で仮に対応しているとみなせば、次式にて表される。

【００１２】
ここでは、Ｂ（ｘ，ｙ）及びＡ（ｘ，ｙ）は３枚の分枝位相シフト干渉稿のバイアス及び振幅をそれぞれ示し、φ（ｘ，ｙ）は参照面に対する被検面の相対起伏形状を表す干渉稿の位相を、そして、α（ｘ，ｙ）、β（ｘ，ｙ）は偏光板の透過軸角度などによって発生する第１の固定的光学位相差を表している。
【００１３】
次に、図３に示した平行移動が可能なステージ（第１調整手段）により被検面を光軸方向に平行移動させて参照光と試料光の間に光学的位相差δiを与え、それぞれの撮像機構にて干渉稿を３枚以上ずつ撮像する。
この時に得られる分枝ごとの位相シフト干渉稿は次式で表される。

この時に得られた干渉稿から分枝ごとに独立に被検面起伏形状を算出するが、例えば、「δi」を干渉稿位相１周期２πを等しく分割する値

に相当する量だけ被検面を平行移動させた場合には、各分枝ごとの被検面起伏形状は次式より得られる。

【００１４】
つまり、式（４−１），（４−２），（４−３）の左辺の関係から、お互いの差をとると、第１の固定的光学位相差であるα（ｘ，ｙ）とβ（ｘ，ｙ）が被検面観測領域内の各点にて算出できる。
【００１５】
次に、被検面を干渉稿が観測される範囲内で角度κだけ傾斜させて、同様に干渉稿を撮像する。
ここでは説明の簡略化のため、被検面をθ_y 軸回りに傾斜させた場合のｘ軸方向１ラインの参照面と被検面の相対関係にて示す。また、撮像機構１３の分枝観測座標系上の被検面位置を基準とし、撮像機構１４の分枝観測座標系上の被検面を同一位置に調整する場合を例に示す。
【００１６】
被検面を参照面に対して平行状態に設置した場合の光路差をｈ（ｘ）とし、傾斜が可能なステージ（第２調整手段）により角度κだけ傾斜させた場合の様子を図５に示す。角度κは干渉稿が観測される範囲の微小な角度である。この時に撮像機構１３、１４にて得られる分枝位相シフト干渉稿は、図６に示す参照面に対する被検面の相対形状を表したものである。この時の干渉稿強度は、撮像機構１３と１４の間に生じる第２の固定的光学位相差をα’（ｘ）で表すと、次式にて表される。

【００１７】
第１の固定的光学位相差の算出は、それぞれの撮像機構において設置誤差はなく、被検面上の任意の位置は同一の座標上に撮像されるものとしたが、ここで、撮像機構に設置誤差がある場合を考える。図２に示すように被検面の位置が、それぞれの撮像機構から得られる出力画像においてずれているものとする。
図６に示すように、撮像機構１３のｘ１に対応する点が撮像機構１４上ではｘ2であったとして表すと、被検面を傾斜させた時に算出されるα’（ｘ）には、α_{x_error}が含まれていることになる。
よって、図６に示す幾何的な関係から、観測座標系が異なることによるｘ方向の画像の横ずれ量Δx21とα_{x_error}の間には次式の関係が得られる。

【００１８】
したがって、傾斜前後に算出されたα（ｘ）とα’（ｘ）及び傾斜角度κが得られれば、撮像機構１３に対する撮像機構１４のｘ方向の位置ずれ量を算出することができる。撮像機構１５についても、先に示した方法で傾斜前後のβ（ｘ）とβ’（ｘ）を算出すれば、撮像機構１３に対する位置ずれ量Δ x31を算出することができる。

【００１９】
また、撮像機構１４と撮像機構１５のｙ方向の位置ずれ量Δｙ₂₁、Δｙ₃₁も同様に、角度κ傾斜前後のα（ｙ）、α’（ｙ）とβ（ｙ）とβ’（ｙ）から算出できる。

このようにして得られる撮像機構間の位置ずれ量Δx₂₁、Δx₃₁、Δy₂₁、Δy₃₁の精度は、画素サイズに係わらず、傾斜角度κ、波長λ、およびα_{x_error}の精度によって決定される。すなわち、必要精度に応じてこれらパラメータを設定すればよいと言える。角度κを与える傾斜装置やα_{x_error}などを得るためにδ_iを付与する機構（ステージなど）は、既存の技術にて十分な精度が得られるため、画素サイズより細かく高精度に位置決めすることは容易である。
【００２０】
本発明においては、傾斜前では被検面を参照面に対して平行に設置することを示したが、平行でない場合でも傾斜前後の角度差κが既知であればよいことは自明である。
【００２１】
先の実施例にて撮像機構１４、１５を配置調整することを示したが、Δx₂₁、Δx₃₁、Δy₂₁、Δy₃₁を基に出力される分枝位相シフト干渉稿の画像を、ソフトウェアにて位置座標変換すれば、容易に位置の整合調整を行なえるのは改めて説明するまでもない（請求項２）。
【００２２】
また、参照光と試料光の間に光学的位相差δ_i を別途与える方法としては、被検面を光軸面を光軸方向に平行移動させるステージを使用する代わりに、レーザ光源の波長をわずかに変化させることでも、先に示した方法にて、Δx₂₁、Δx₃₁、Δy₂₁、Δy₃₁を算出し、位置の整合調整をすることができる（請求項４）。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、位相シフト干渉稿同時計測装置において、異なる撮像機構により得られる分枝シフト干渉稿間の位置の整合調整を行う際に、基準図形が不要で容易にかつ高精度に位置ずれ量を算出することができ、その結果、位相シフト干渉稿同時撮像装置の高精度化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】位相シフト干渉縞同時撮像装置の原理説明図である。
【図２】分枝観測座標系での出力画像中での被検体の位置ずれの説明図である。
【図３】本発明による位相シフト干渉稿同時撮像装置における撮像機構の調整方法の装置構成の一例を表す。
【図４】傾斜ステージにおいてｙ軸を中心として傾斜させる場合の参照面と被検面との関係を示す。
【図５】ｘｚ面内において被検面を角度κ傾斜させた時の、参照面との相対的な関係を表したκ説明図である。
【図６】α_{x_error}とｘ方向の位置ずれ量の関係を表した説明図である。
【符号の説明】
１レーザ光源
２レンズ
３ビームスプリッタ
４コリメータレンズ
５参照面
６ λ／４板
７被検面
８ λ／４板
１０，１１，１２偏光板
１３，１４，１５撮像機構

Claims

レーザ光源より発するコヒーレント光束を参照面と被検面に照射し、前記参照面、前記被検面それぞれからの反射光である参照光と試料光の偏光面を偏光光学素子を介在させて互いに直交させ、光学的無干渉状態となした原光束を生成する観測光学系を備え、
前記原光束を複数の分枝原光束に分け、前記分枝原光束のそれぞれに偏光光学素子を介して異なる固定的光学位相差を与えた複数の分枝位相シフト干渉稿を発生させ、前記被検面の観測範囲にある任意の位置がそれぞれの分枝観測座標系にて同一位置になるよう位置の整合を施し、分枝ごとに設けられた分枝撮像機構によりこれら干渉稿に対応する画像データを取得し、位相シフト法にて前記被検面の観測範囲の平面起伏形状を数値データにより再現する位相シフト干渉稿同時撮像装置であって、
前記観測光学系は、参照光と試料光の間に前記試料光光軸に対して直交する面内で相対的に一様な光学位相差を前記固定的光学位相差と別途に複数の分枝位相シフト干渉稿それぞれに与える第１調整手段と、干渉稿が撮像可能な被検面を前記試料光光軸に対して傾斜させた時と等価な光学位相差を前記固定的光学位相差と別途に複数の分枝位相シフト干渉稿それぞれに与える第２調整手段とを備えた位相シフト干渉稿同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法において、
前記第１調整手段により、前記参照光と前記試料光との間に相対的な光学的位相差を与えたときにそれぞれの前記分枝撮像機構にて得られる複数の位相シフト干渉稿画像データから分枝毎の平面起伏形状を位相シフト法により数値データとして算出し、この数値データの各点が各分枝の同じ位置に対応しているものとして得られる前記数値データの相対的な差により第１の固定的光学位相差を求め、
次に、前記第２調整手段により前記試料光光軸に対して被検面を傾斜させた時と等価な光学的位相差を与え、この光学的位相差を与えた状態で、前記第１調整手段により参照光と前記試料光との間に相対的な光学的位相差を与えたときにそれぞれの前記分枝撮像機構にて得られる複数の位相シフト干渉稿画像データから分枝ごとの平面起伏形状を位相シフト法により数値データとして算出し、分枝ごとに得られた前記数値データの相対的な差により第２の固定的光学位相差を求め、
第１の固定的光学位相差と第２の固定的光学位相差、および前記傾斜させた角度の関係から分枝撮像機構間の観測座標の相対的な位置ずれを算出して、被検面観測範囲にある任意位置がそれぞれの前記分枝観測座標系において同一位置になるように前記分枝撮像機構を前記分枝原光束と概略直交する面内において配置調整することを特徴とする位相シフト干渉稿同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法。
前記被検面観測範囲のある位置がそれぞれの前記分枝観測座標系において同一位置になるように前記分枝撮像機構を前記分枝原光束と概略直交する面内において調整する際、前記第１の固定的光学位相と前記第２の固定的光学位相の関係から算出した位置的な前記対応点と実際に対応する点の差を用い、ソフトウェアによる位置座標変換により調整することを特徴とする請求項１記載の位相シフト干渉稿同時撮像装置における分枝撮像機構の調整方法。
前記参照光と前記試料光の間に前記試料光光軸に対して直交する面内で相対的に一様な光学位相差を与える前記第１調整手段は、前記参照光の光軸方向に平行移動できるステージを有し、前記試料光光軸に対して被検面を傾斜させた時と等価な光学位相差を与える前記第２調整手段は、前記試料光光軸に対して傾斜するステージを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の位相シフト干渉稿同時撮像機構における分枝撮像機構の調整方法。
前記参照光と前記試料光の間に前記試料光光軸に対して直交する面内で相対的に一様な光学位相差を与える前記第１調整手段は、前記レーザ光源の波長をわずかずつ変化させることにより前記光学位相差を与え、前記試料光光軸に対して被検面を傾斜させた時と等価な光学位相差を与える第２調整手段は、前記試料光光軸に対して傾斜するステージを有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の位相シフト干渉稿同時撮像機構における分枝撮像機構の調整方法。