JP4188515B2

JP4188515B2 - 光学式形状測定装置

Info

Publication number: JP4188515B2
Application number: JP28304699A
Authority: JP
Inventors: 直樹光谷; 川崎　　和彦; 宏配野
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2019-10-04
Also published as: US6552807B1; JP2001108417A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、被検面と参照面の間の干渉縞画像を撮像して被検面の形状測定を行う光学式形状装置に係り、特に位相シフトした複数の干渉縞画像を利用する装置における姿勢制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉計においては、被検面からの反射光（試料光）と干渉計内に組み込まれた参照面（基準面）からの反射光（参照光）との間の干渉縞が得られる。この干渉計を利用して干渉縞画像を撮像し、その撮像画像を解析して平面形状を測定する光学式形状測定装置が知られている。
【０００３】
干渉計において、被検面と参照面との相対的な姿勢制御を行うには、従来、干渉縞の縞間隔や縞方向から被検面と参照面の間の傾斜を判断することが行われている。この場合、傾斜の判断のためには、少なくとも２本の干渉縞が必要である。また、干渉縞画像１枚からは、傾斜の程度を知ることはできるが、傾斜の向きまではわからない。傾斜の向きを知るためには、被検面の姿勢を僅かに変化させた時の干渉縞のずれの方向を確認することが必要である。従って従来は、オペレータが干渉縞を視認しながら手動で姿勢を調整するということが行われていた。
【０００４】
一方、上述のように２本以上の干渉縞が見られる状態は、被検面が参照面に対して傾いていることを示しており、高精度計測には適しない状態である。干渉縞解析計測においては、被検面と参照面とのなす角度がでるだけゼロに近い状態であることが望ましい。しかし、被検面が平面で且つ参照面とのなす角度がゼロに近い状態では、干渉縞の間隔が観測面全体に拡がり、画面全体が一様に明るいか或いは一様に暗いヌル（ＮＵＬＬ）干渉状態となる。この状態では、被検面と参照面の間の微少な傾斜角を調整する高精度姿勢制御はできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように従来の干渉縞解析計測装置では、被検面と参照面の間の姿勢制御が容易ではなく、また平面に近い被検面と参照面との傾斜が小さいＮＵＬＬ干渉状態で高精度の形状測定を行いたいような場合には、姿勢制御ができないという問題があった。
【０００６】
この発明は、被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且つ高精度に制御可能とした、位相シフト法による干渉縞計測による光学式形状測定装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光学式形状測定装置は、コヒーレント光の照射により被検面で反射された試料光と参照面で反射された参照光による干渉縞画像を光学的位相の異なる状態で少なくとも３枚撮像する位相シフト干渉計と、この位相シフト干渉計により得られる少なくとも３枚の干渉縞画像を解析して前記被検面の形状を計測する形状解析手段と、この形状解析手段により得られる形状情報に基づいて前記被検面の代表平面を算出する代表平面算出手段と、この代表平面算出手段により求められた代表平面の前記参照面に対する傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、この傾斜角算出手段により求められた傾斜角情報に基づいて前記被検面と参照面との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機構とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
この発明によれば、位相シフト干渉計を用いることにより、被検面と参照面とのなす角度がゼロに近い状態であっても被検面の傾斜を求めることができ、これにより被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且つ高精度に制御可能とした、干渉縞計測による光学式形状測定装置が得られる。
【０００９】
この発明において、位相シフト干渉計は例えば、（ａ）参照面を光軸方向に微少移動させることにより、時間的にずれた状態で少なくとも３枚の干渉縞画像を得るもの、或いは（ｂ）コヒーレント光の光源波長を可変制御することにより、時間的にずれた状態で少なくとも３枚の干渉縞画像を得るもの、とすることができる。この場合撮像装置は、一つでよい。
或いはまた、位相シフト干渉計として、試料光と参照光とを無干渉状態で同一観測面内に重ねた原光束を生成する原光束生成手段と、この原光束生成手段により得られた原光束を３つの出力光束に分割する光束分割手段と、この光束分割手段により得られた３個の出力光束のそれぞれについて試料光と参照光に異なる光学的位相差を与えて干渉させる干渉手段と、この干渉手段により得られた３個の出力光束についての干渉縞をそれぞれ撮像する３個の撮像手段とから構成されたものを用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明の実施の形態による、位相シフト法による干渉縞計測装置の構成を示している。位相シフト干渉計４は、後述するように複数（少なくとも３枚）の位相の異なる干渉縞画像を得るもので、計測装置ベース１に立てられたフレーム６に、取り付け機構４０により固定的に取り付けられている。干渉計４は内部に参照面５を有する。干渉計４からの光束が照射される被検体３は被検面３ａを上向きにして、姿勢調整機構２に載せられて、ベース１上に配置される。
【００１１】
図２は、位相シフト干渉計４の構成例である。コヒーレント光を出すレーザ光源４１からの光束は、レンズ４２により絞られ、更にピンホールが形成された絞り４３により点光源とされる。この点光源からの光は、無偏光ビームスプリッタ４４を通り、コリメートレンズ４５で平行光に変換されて参照面５に照射される。参照面５は一部透過、一部反射であり、透過光が被検体３に照射される。
【００１２】
参照面５からの反射光（参照光）と被検面３ａからの反射光（試料光）は、ビームスプリッタ４４により反射されてＣＣＤカメラ４６に入力される。ＣＣＤカメラ４６では、参照光と試料光の位相差による干渉縞が撮像される。ここで参照面５については、移動機構４７によりガイド４８に沿って上下方向（参照面５に入射する光束の光軸方向）に微少移動が可能となっており、この移動機構４７により、僅かずつ位相の異なる複数枚の干渉縞画像を得ることができるようになっている。
【００１３】
位相シフト干渉計４により得られる複数枚の干渉縞画像は、画像入力部１１に入力され、被検面形状解析部１２に送られる。この被検面形状解析部１２では干渉縞画像データを解析して、参照面５に対する被検面３ａの傾斜情報を含む形状情報が算出される。
以上のような計測装置においてこの実施の形態では、被検面３ａの参照面５に対する姿勢制御を行うために、代表平面算出部１３、代表平面傾斜角算出部１４及び、姿勢調整制御信号発生部１５が設けられている。
【００１４】
代表平面算出部１３では、被検面形状解析部１２で求められた形状情報に基づいて被検面３ａの代表平面が求められる。この代表平面算出は例えば、（ａ）最小２乗法による近似計算による平均的平面形状を代表平面とする方法、或いは（ｂ）画像中央付近で交差する直交２断面での接平面を求める方法、等による。その他、全平面のデータに外接する平面（山の部分で最低３点で接する平面）を求める方法、内接平面（谷の部分で最低３点で接する平面）を求める方法等、公知の方法が用い得る。
代表平面算出部１３で算出された代表平面は、参照面５に対する傾斜情報を含む。そこで、傾斜角算出部１４において、代表面と参照面５との間の傾斜角が算出される。算出された傾斜角は姿勢調整制御信号発生部１５に送られる。姿勢制御信号発生部１５からは、姿勢調整機構２に対して算出された傾斜角が所定の値例えばゼロとなるような姿勢制御信号が供給される。
【００１５】
この実施の形態によると、位相シフト法による複数枚の干渉縞画像に基づいて被検面３ａの傾斜角を算出している。従って、１枚の干渉縞画像のみでは、例えばそれがＮＵＬＬ干渉状態であって判定できないような小さい傾斜角をも判定することができ、被検面３ａと参照面５との間の姿勢を高精度に自動調整することができる。
【００１６】
図３は、位相シフト干渉計４の他の構成例である。図２と対応する部分には図２と同じ符号を付して詳細な説明は省く。図２と異なる点は、参照面５を移動させる移動機構４７を用いず、代わりにレーザ光源４１ａとして波長可変型レーザを用いている点である。レーザ光源４１ａの波長を切り換えることにより、図２の場合と同様に複数位相の干渉縞画像を得ることができる。
【００１７】
図２及び図３の位相シフト干渉計４は、位相の異なる複数枚の干渉縞画像を時間的に順次撮像するものである。これに対して、位相シフト干渉計４として、複数枚の干渉縞画像を同時に撮像可能としたものを用いることもできる。図４は、その様な位相シフト干渉計４の構成例である。ここでも、図２と対応する部分には図２と同一符号を付してある。
【００１８】
図４の位相シフト干渉計４では、まずレーザ光源４１の出力部に、偏光板５１が配置され、出力光が直線偏光光に変換される。この直線偏光光は、レンズ４２，と絞り４３により点光源とされ、全反射ミラー５２により光路が変えられて無偏光ビームスプリッタ４４に入る。このビームスプリッタ４４の透過光は、コリメートレンズ４５により平行光とされて参照面５及び被検面３ａに照射されるが、参照面５ａと被検面３ａの間には１／４波長板５３が配置されている。従って、被検面３ａに照射される光は円偏光光となり、被検面３ａから反射されて１／４波長板５３を透過した試料光は、参照面５からの反射光である参照光とは直交した直線偏光光となる。
【００１９】
ビームスプリッタ４４により反射された参照光と試料光とは、再び１／４波長板５７を通って、回転方向が互いに反対の円偏光光となる。ここまでに得られる円偏光光からなる原光束は、無干渉状態で参照光と試料光が重ねられている状態である。この原光束は次に、３分割プリズム５４により３つの出力光束５８ａ，５８ｂ，５８ｃに分割される。３分割プリズム５４の第１の分割界面Ａでは、反射光強度１に対して透過光強度２なる分割が行われるものとし、その反射光が第１の出力光束５８ａとなる。第２の分割界面Ｂでは反射光強度と透過光強度が１：１の分割が行われるものとし、その反射光が第２の出力光束５８ｂとなり、透過光が第３の出力光束５８ｃとなる。
【００２０】
３分割プリズム５４により得られる３つの出力光束５８ａ，５８ｂ，５８ｃに対してそれぞれＣＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃが配置されるが、各ＣＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃの前には、光源側の偏光板５１との関係で偏光方向が例えば４５度ずつずれた偏光板５５ａ，５５ｂ，５５ｃが配置されている。これらの偏光板５５ａ，５５ｂ，５５ｃにより各出力光束の試料光と参照光は異なる位相差で干渉して干渉縞が生成され、これがＣＣＤカメラ４６ａ，４６ｂ，４６ｃでは、位相の異なる３枚の干渉縞画像として同時に撮像されることになる。
【００２１】
このような同時計測の位相シフト干渉計を用いれば、位相の異なる干渉画像を時間的に順次撮像する場合の時間経過に起因する揺らぎの影響がなくなる。従って、複数枚の干渉縞画像を用いる姿勢制御はより高精度になる。
【００２２】
具体的にこの実施の形態において、被検面形状解析部１２では、複数枚の干渉縞画像データから次のようにして、被検面の各位置の高さが算出される。干渉縞画像は少なくとも３枚必要であり、ここでは波長を微少範囲で切り換える図３の方式を用いて位相の少しずつずれた３枚の干渉縞画像を得る場合を例にとって説明する。３種の波長は、λ_k＝λ−α、λ及びλ＋βとする。被検面３ａと参照面５との間の距離を（ｘ，ｙ）∈Ｓに対して、ｚ（ｘ，ｙ）とすれば、位相のずれは、（２ｈ／λ_k）＊２π＝４πｈ／λ_kとなる。
【００２３】
従って、３つの干渉縞画像の光強度分布は、任意の位置（ｘ，ｙ）∈Ｓに関して、下記数１の関係式で表される。
【００２４】
【数１】

【００２５】
但し数１において、Ｉ_k（ｘ，ｙ）は光強度の測定値、Ｉ_B（ｘ，ｙ）は干渉縞のバイアス値、Ｉ_A（ｘ，ｙ）は振幅値である。数１において、４π（ｘ，ｙ）＝θ、４πｚ（ｘ，ｙ）α／λ²＝α’、４πｚ（ｘ，ｙ）β／λ²＝β’とおくと、数１は、次のように表される。
【００２６】
【数２】

【００２７】
ここで、α’，β’では高さ情報ｚ（ｘ，ｙ）は平均的なものを与えるとする。数２を解くと、位相θは次のようになる。
【００２８】
【数３】

【００２９】
数３を解くことにより、高さｚ（ｘ，ｙ）＝θλ／４πが求められ、形状が求められることになる。
また、最小２乗法による代表平面算出の手法は、具体的に説明すれば、次の通りである。上述のように形状解析部１２において被検面の各位置の高さがわかるから、被検面の平均的な傾斜の平面を、ｚ＝ａｘ＋ｂｙ＋ｃ（ｘ，ｙ∈Ｓ）とおいて、パラメータａ，ｂ，ｃを次の数４により求めればよい。
【００３０】
【数４】

【００３１】
ここで点数ｎは少なくとも３であるが、望ましくは９点とする。
以上のように、位相シフト法では１枚の画像における２次元的な濃淡情報から形状情報や傾斜情報を得るのではなく、３枚以上の位相シフトされた干渉縞画像情報から位相情報を算出するため、干渉縞の本数とは関係なく、従ってＮＵＬＬ干渉状態であっても、形状情報や傾斜情報を得ることが可能である。上述のように平均的傾斜情報パラメータａ，ｂ，ｃが求められると、その傾斜面の法面ベクトルは、Ｕ＝｛１／（ａ²＋ｂ²＋１）｝（−ａ，−ｂ，１）で表される。姿勢調整制御信号発生部１５では、この法面ベクトルと参照面とのなす角度が例えば９０度になるように制御すればよい。
【００３２】
図５は、図１の実施の形態を変形した実施の形態である。この実施の形態では、被検体３は単なる載置台３０によりベース１上に載置され、代わりに干渉計４の取り付け機構４０側に干渉計４の姿勢を可変できる姿勢調整機構２を内蔵している。それ以外は図１の実施の形態と変わらない。この実施の形態によっても、図１の実施の形態と同様に、被検面３ａの参照面５に対する姿勢を高精度に制御することが可能である。
【００３３】
更に、図５の実施の形態において、取り付け機構４０に、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の移動機構を備えて、位相シフト干渉計４を走査型干渉計とすることは有効である。これにより、被検面３ａの広い範囲の形状測定が可能になる。特に、位相シフト干渉計４が、図４に示した位相シフト干渉縞の同時計測装置である場合には、各観測領域で参照面の微少移動や波光源長の切換等を行う時間が必要ないので、高速の広域測定が可能である。これにより、大きな被検面について、うねりや傾斜による測定精度への影響を受けることなく平面形状測定が可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、位相シフト干渉計を用いた複数枚の干渉縞画像の解析により被検面と参照面の間の相対的姿勢を自動的且つ高精度に制御可能とした、干渉縞計測による光学式形状測定装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施の形態による光学式形状測定装置の構成を示す図である。
【図２】同実施の形態に用いられる位相シフト干渉計の構成例を示す図である。
【図３】同実施の形態に用いられる位相シフト干渉計の他の構成例を示す図である。
【図４】同実施の形態に用いられる位相シフト干渉計の他の構成例を示す図である。
【図５】この発明の他の実施の形態による光学式形状測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…ベース、２…姿勢調整機構、３ａ…被検面、４…位相シフト干渉計、５…参照面、６…アーム、４０…取り付け機構、１１…画像入力部、１２…被検面形状解析部、１３…代表平面算出部、１４…代表平面傾斜角算出部、１５…姿勢調整制御信号発生部。

Claims

コヒーレント光の照射により被検面で反射された試料光と参照面で反射された参照光による干渉縞画像を光学的位相の異なる状態で少なくとも３枚撮像する位相シフト干渉計と、
この位相シフト干渉計により得られる少なくとも３枚の干渉縞画像を解析して前記被検面の形状を計測する形状解析手段と、
この形状解析手段により得られる形状情報に基づいて前記被検面の代表平面を算出する代表平面算出手段と、
この代表平面算出手段により求められた代表平面の前記参照面に対する傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、
この傾斜角算出手段により求められた傾斜角情報に基づいて前記被検面と参照面との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機構と
を備え、
前記位相シフト干渉計は、前記コヒーレント光の光源波長を可変制御することにより、時間的にずれた状態で少なくとも３枚の干渉縞画像を得るものである
ことを特徴とする光学式形状測定装置。
コヒーレント光の照射により被検面で反射された試料光と参照面で反射された参照光による干渉縞画像を光学的位相の異なる状態で少なくとも３枚撮像する位相シフト干渉計と、
この位相シフト干渉計により得られる少なくとも３枚の干渉縞画像を解析して前記被検面の形状を計測する形状解析手段と、
この形状解析手段により得られる形状情報に基づいて前記被検面の代表平面を算出する代表平面算出手段と、
この代表平面算出手段により求められた代表平面の前記参照面に対する傾斜角を算出する傾斜角算出手段と、
この傾斜角算出手段により求められた傾斜角情報に基づいて前記被検面と参照面との間の相対的姿勢を自動調整する姿勢調整機構と
を備え、
前記位相シフト干渉計は、
前記試料光と参照光とを無干渉状態で同一観測面内に重ねた原光束を生成する原光束生成手段と、
この原光束生成手段により得られた原光束を３つの出力光束に分割する光束分割手段と、
この光束分割手段により得られた３個の出力光束のそれぞれについて試料光と参照光に異なる光学的位相差を与えて干渉させる干渉手段と、
この干渉手段により得られた前記３個の出力光束についての干渉縞をそれぞれ撮像する３個の撮像手段と
を有することを特徴とする光学式形状測定装置。
前記代表平面算出手段は、前記形状情報に基づいて最小２乗近似により前記被検面の平均化された平面形状を算出するものである
ことを特徴とする請求項１又は２記載の光学式形状測定装置。