JP4907201B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は，略厚さ一定の透明測定対象の表面形状を斜入射干渉計の原理を用いて測定する際に，上記透明測定対象の裏面から反射する光線に基づく測定誤差をなくすことの出来る形状測定装置に関するものである。

図８は，従来の斜入射干渉計の原理を説明する概念図である。
このような干渉計では，レーザなどの光源１から出た光線はコリメータレンズなどにより平行化された後，第１の回折手段である回折格子２に入射される。上記回折格子２は，上記平行光線を第１の光線（１次回折光）３と，第２の光線（０次回折光）４とに分離させる。
上記第１の回折手段２から出た上記第１の光線３は，透明測定対象５の表面に入射され，そこで反射されて上記第２の光線４と共に第２の回折手段である回折格子６に入射される。
この時，上記透明測定対象５の表面で反射した第１の光線３の光路長は，上記透明測定対象５の反射面の凹凸に基づいて変化するので，回折格子６に入射した第１の光線３と第２の光線４とが干渉し，回折格子５から出た光線を集光して受光するＣＣＤなどの観測部７において干渉縞が観測される。
上記のようにこの干渉縞は，上記透明測定対象５の反射面の凹凸に基づいて変化するので，上記干渉縞を評価することで上記透明測定対象５の表面形状を測定することが出来る。
上記のような測定原理に基づく斜入射干渉計は，特許文献１或いは特許文献２に公知である。
特開２００１−４３３６号公報 特開２０００−１７１２２８号公報

上記斜入射干渉計においては，図９に示すように，第１の光線３は透明測定対象５の表面５ａで反射するとき，その一部は上記透明測定対象５の内部に入射し（光線３ｊ），その後透明測定対象５の裏面で反射する（光線３ｋ）。この反射した光線３ｋは上記表面５ａでの反射光３ａと同じ方向に光線３ｂとして出射され，回折格子６に入射される。
そのためこの従来の斜入射干渉計においては，上記透明測定対象５の裏面での反射光３ｂに基づく干渉縞の外乱を避けることが出来ない。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その第１の目的とするところは，上記透明測定対象５の裏面での反射光３ｂに基づく干渉縞の外乱を完全になくすことの出来る形状測定装置を提供することである。
また本発明の第２の目的は，上記のようにして上記反射光３ｂによる誤差の無い干渉縞の画像を透明測定対象表面上の広い面積にわたって効率よく取得することの出来る形状測定装置を提供することである。

上記第１の目的を達成するための発明は，特許請求の範囲の請求項１に記載の通りである。
すなわち請求項１に記載の発明は，基本的に上述の斜入射干渉計の改良に係るものであり，上記透明測定対象の表面に近接して，短い幅のスリット透孔を備えたマスク体が上記表面に沿って配置される。そして，上記スリット透孔の幅は，上記第１の目的を達成するために，上記第１の光線の一部が透明測定対象表面で反射する位置と，第１の光線の一部が上記透明測定対象の裏面で反射した後上記透明測定対象表面から出射する位置との距離より短く設定される。
これにより，上記スリット透孔を経て透明測定対象内に入射された外乱光（反射光３ｂ）は，上記マスク体に遮られて前記図８に示した回折格子６に届かない。そのため上記外乱光に基づいて観測部７で観測される干渉縞の乱れ（測定誤差）が生じない。

上記スリット透孔の幅が広いほど，透明測定対象表面上の大きい面積にわたる干渉縞の画像を一度に得ることが出来るので，上記スリット透孔の幅は出来るだけ広いことが望ましい。
上記請求項１記載の発明のように外乱光がマスク体に遮られて透明測定対象から出射されないようにする原理からすると，上記スリット透孔の上記幅は，上記第１の光線の一部が透明測定対象表面で反射する位置と上記透明測定対象の裏面で反射した第１の光線の一部が上記透明測定対象表面から出射する位置との距離と同一か或いはそれより僅かに小さい幅において最大となり，その時透明測定対象表面上の最も大きい面積にわたる干渉縞の画像を一度に得ることが出来る。
このスリット透孔の幅に関する限定を具体的数値に沿って表現すると，前記第１の光線の一部が上記透明測定対象内部に入射しその屈折角をφ，上記透明測定対象の厚さをｄとした時，上記スリット透孔の幅の最大値は，２ｄ・ｔａｎφとなる。従って，実際にマスク体に形成されるスリット透孔の幅は上記値以下であればよい。

そしてこのようなスリット透孔を広く設けて，透明測定対象表面の広い範囲にわたって一度に干渉縞画像を得るための１つの方法は，上記スリット透孔をマスク体に複数形成し，それぞれに上記第１の光線を入射させることである。
更に上記マスク体を上記第２ の光線の進行方向に移動させることで，複数の或いは連続した前記干渉縞の画像を一度に取得することができる。
そして理論的には，上記スリット透孔の間隔を少なくとも上記スリット透孔の幅の２倍をとするような周期性を持って上記スリット透孔をマスク体に配置することで，上記透孔の幅と等しい（すなわち最小の）距離だけ上記マスク体を移動させるだけで，切れ目無く連続した干渉縞の画像を取得することが出来るので，この配置によって最も効率よく広い面積範囲の干渉縞画像を取得することが出来る。
なお、本発明の最も好ましい形態としては、一つの光路から出た光線を第１の光線と第２の光線とに分離させる第１の回折手段と，上記分離された第１の光線と第２の光線とを再度同じ光路に入射させる第２の回折手段とを具備し，上記第１の回折手段から第２の回折手段に至るまでの間において，上記第１の光線が透明測定対象の表面に反射して上記第２の回折手段に入射される位置に上記透明測定対象が配置されてなり，上記第２の回折手段から出た光線よる干渉縞の画像によって上記透明測定対象の表面形状を測定するための形状測定装置であって，上記透明測定対象の表面に近接して，上記第１の光線の一部が透明測定対象表面で反射する位置と上記透明測定対象の裏面で反射した第１の光線の一部が上記透明測定対象表面から出射する位置との距離より短い幅のスリット透孔が，同じ周期の繰り返しで上記幅方向に複数形成されたマスク体を上記表面に沿って配置するとともに，上記マスク体を上記第２の光線の進行方向に移動させることによって複数の或いは連続した前記干渉縞の画像を取得するようにしたことを特徴とする形状測定装置がある。

上記のように請求項１記載の発明によれば，上記特定幅のスリット透孔を備えたマスク体を透明測定対象の測定面に近接して配置するようにしたことによって，前記した透明測定対象の裏面で反射する外乱光を完全に上記マスク体で遮断することが出来るので，上記透明測定対象の裏面での反射光に基づく干渉縞の外乱を完全になくすことが出来る。

また請求項２記載の発明によれば，上記マスク体を上記第２の光線の進行方向に移動させることによって複数の或いは連続した前記干渉縞の画像を取得することが出来るので，上記のようにして上記透明測定対象裏面での反射光による誤差の無い干渉縞の画像を，透明測定対象表面上の広い面積にわたって効率よく取得することができる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は，本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の要部を示す概念図，図２は，上記図１に示した装置により取得された干渉縞の画像を示す図，図３は，スリット透孔を複数設けた実施形態にかかる形状測定装置に対応する図１相当図，図４は，上記図３に示した装置に対応する図２相当図，図５は，複数の干渉縞画像から１枚の大きい干渉縞画像を作成する概念を示す図，図６は，外乱光が透明測定対象内で複数回反射した場合の光路を示す概念図，図７は，実施例を説明するための概念図である。

まず，図１及び図２の概念図を用いて，この実施形態の概略構成を説明する。
この実施形態に係る形状測定装置は，基本的に上述の斜入射干渉計の改良に係るものであり，図８に示したような斜入射干渉計を基礎とする。
前記したようにこのような斜入射干渉計では，前記したように透明測定対象５内に入射して，透明測定対象５の裏面で反射する外乱光が，透明測定対象５の外部に漏れないように，図１に示すように，上記透明測定対象５の表面５ａに沿って，且つこの表面５ａに近接して，所定幅のスリット透孔１０を備えたマスク体１２が配置される。ここで特徴的なのは，上記スリット透孔１０の幅が，前記回折格子２で分離された第１の光線３の一部が上記透明測定対象５の表面５ａで反射する位置ａと，上記第１の光線の一部３ｋが上記透明測定対象５の裏面５ｂで反射した後上記透明測定対象５の表面５ａから出射する位置ｂとの距離Ｌより短く設定される点である。

これにより，上記スリット透孔１０を経て上記点ａ或いはそれよりスリット透孔１０の内側から透明測定対象内に入射された全ての光線３Ｊ（外乱光）は，上記マスク体１２に遮られて前記図８に示した回折格子６に届かない。そのため上記外乱光に基づいて観測部７で観測される干渉縞における測定誤差が生じない。これにより本発明の第１の目的が達成される。
上記のようなマスク体１２の遮光性から，マスク体１２は高品質ガラスの表面にクロムなどの金属膜をメッキ，或いは蒸着などの手段で光透過不能に形成したものが望ましい。上記金属膜は，上記マスク体１２の表面或いは裏面に形成しても，或いは両面に形成しても良い。もちろん，マスク体１２そのものをアルミ板などの光透過性の無い材質で構成することも考えられる。

上記スリット透孔１０の幅が広いほど，透明測定対象５の表面５ａ上の大きい面積にわたる干渉縞の画像を一度に得ることが出来る。従って，上記スリット透孔１０の幅は，上記点ａｂ間の距離を限度として出来るだけ広いことが望ましい。
このスリット透孔１０の幅は，透明測定対象５の厚さやその屈折率により定まる屈折角によって一般的に限定可能である。
すなわち，前記第１の光線３の一部３ａが上記透明測定対象５内部に入射した時の屈折率をｎ，上記透明測定対象５の厚さをｄ，第１の光線の透明測定対象への入射角度をθとした時，上記屈折角φはスネルの法則により次のように表される。
φ=ａｓｉｎ（ｓｉｎθ／ｎ）
上記スリット透孔１０の幅の最大値，すなわち前記点ａｂ間の距離は，２ｄ・ｔａｎφとなる。従って，実際にマスク体１２に形成されるスリット透孔１０の幅は上記２ｄ・ｔａｎφ以下であればよい。
なお，上記マスク体１２は，上記透明測定対象５の表面５ａに接触しない範囲で表面５ａから離れても差し支えない。もちろん光線３を横切ったり，回折格子２，６に接触してはならない。

上記のようにして，マスク体１２に単独のスリット透孔１０を形成した場合の，前記観測部７で得られる干渉縞の一例が図２に示される。
このようにスリット透孔１０が１個では，透明測定対象５の表面５ａ内の狭い幅の領域についての干渉縞画像が１個得られるだけである。しかしもし，透明測定対象５全面についての干渉縞画像を得ることができれば，透明測定対象５全表面についての形状測定が可能となる。
そのための１つの方法としては，上記マスク体１２を移動させることである。マスク体１２を透明測定対象５に対して相対的に移動させることで，上記干渉縞の領域が移動し，やがては透明測定対象５の表面全域についての干渉縞画像を得ることが出来る。
しかしこの方法では，狭いスリット幅のマスク体１２を長い距離に渡って移動させねばならないので，測定時間のロスは大きい。

この問題を解決するために，マスク体１２に複数のスリット透孔１０が形成され，且つ上記マスク体１２を上記第２の光線の進行方向に移動させることが効果的である。これにより，次に述べるように，複数の或いは連続した前記干渉縞の画像を一度に取得することができる。
例えば図３は，マスク体１２に複数のスリット透孔１０ａ，１０ｂ，…を前記第２の光線の進行方向に形成した場合を示している。
このような複数のスリット透孔１０ａ，１０ｂ…を一定間隔隔てて形成したマスク体１２を，透明測定対象５の表面５ａ近傍に配置することで，図４或いは図５の（ａ）に示すような一定の隙間を介して配列された複数の干渉縞を得ることが出来る。

次に，上記スリット透孔１０の配置間隔Ｍをスリット透孔１０の前記幅と等しくする設定の下で，上記マスク体１２を上記第２の光線４の進行方向に，前記距離Ｌ（＝Ｍ）だけ透明測定対象５に対して相対移動させた場合を考える。その時，図５（ｂ）に示したような干渉縞の画像が得られる。ここでスリット透孔１０ａ，１０ｂ，…の幅Ｌと，それらの間隔幅Ｍは，全て等しく設定されているので，これらのスリット透孔により形成される図５（ａ），（ｂ）に示される干渉縞の幅Ｌと間隔Ｍは全て等しいので，これらの画像を重ね合わせることで図５（ｃ）に示すような合成画像が得られる。
こうして，多数のスリット透孔１０ａ，１０ｂ…を１つのマスク体１２に形成し，マスク体１２を１度移動させるだけで，透明測定対象表面５ａの広い範囲についての干渉縞画像を短時間に取得することが出来る。即ち，マスクの面積とスリット透孔の数を増やすことで，理論的に透明測定対象５の表面全体についての干渉縞画像を，マスク体１２の１回の移動だけで取得することが出来る。従って，測定時間を著しく短縮することが出来，本発明の第２の目的が達成される。

なお，上記のようにスリット透孔１０をマスク体１２に複数形成すると，図６に示すように，第１の前記光線３から分離して透明測定対象５内に入射した光線３ｊが，上記透明測定対象５の裏面５ｂ及びマスク体１２の裏面間で複数回反射されることで，別のスリット透孔１０から外部に漏れる可能性がある。この場合，マスク体１２自体に低反射率の材料を使う方法のほか，表面に粗面処理を施して反射率を下げる方法，低反射コーティングにより反射率を下げる方法などにより，漏れ光線の光量を著しく少なくして漏れ光線の影響を無視しうるようにすることが出来る。またこの漏れ光線の光量は，上記透明測定対象５の裏面５ｂ及びマスク体１２の裏面間での反射により減衰するので，反射回数が大きければ，この漏れ光線による検出精度の悪化は無視しうるものとなる。従って，前記スリット透孔１０の幅とその間隔を，上記のような反射回数を多くするようなものに設定することが望ましい。

上記実施形態では，複数のスリット透孔１０とその間の間隔を上記のように２ｄ・ｔａｎφとしている。すなわち，スリット透孔の幅とその間の間隔を１：１に設定しているが，これを１:Ｎとしてもよい。この場合，Ｎ回の往復分のノイズを除去可能となる（Ｎが整数でなければ，Ｎを上回らない最大の整数値の回数分の往復ノイズを除去可能）。２回往復分以上のノイズ光が問題となる場合には，問題とならない程度に減衰するようなスリット透孔間の長さを設定すればよい。
上記実施形態では，スリット透孔の幅と間隔を同一値として，マスク体１２を上記間隔だけ１回移動させることで，干渉画像を２回取得している。

しかし実際には，スリット透孔１０の端部での回折の影響，或いはマスク体１２の移動距離の誤差，マスク体１２の製造誤差，などにより，図５に示した干渉縞画像の再構成時に，接続境界が不連続になる場合がある。この時，例えば図７のように上記スリット幅の２／３ずつマスク体１２を移動させて，境界部を重なるようにした映像を取得した後，これらを重ね合わせれば，上記スリット透孔端部における不連続性は解消される。
なお，上記の例では回折格子式の斜入射干渉計を基礎としているが，プリズム型そのほかの斜入射干渉計についても本発明は同様に適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る形状測定装置の要部を示す概念図。 図１に示した装置により取得された干渉縞の画像を示す図。 スリット透孔を複数設けた実施形態にかかる形状測定装置に対応する図１相当図。 図３に示した装置に対応する図２相当図。 複数の干渉縞画像から１枚の大きい干渉縞画像を作成する概念を示す図。 外乱光が透明測定対象内で複数回反射した場合の光路を示す概念図。 実施例を説明するための概念図。 従来の斜入射干渉計を示す概念図。 従来の斜入射干渉計における問題点を説明するための，透明測定対象への入射光の経路を示す概念図。

符号の説明

１…光源
２…第１の回折格子
３…第１の光線
４…第２の光線
５…透明測定対象
６…第２の回折格子
７…観測部
１０…スリット透孔
１２…マスク体

Claims (3)

1. 一つの光路から出た光線を第１の光線と第２の光線とに分離させる第１の回折手段と，
   上記分離された第１の光線と第２の光線とを再度同じ光路に入射させる第２の回折手段とを具備し，
   上記第１の回折手段から第２の回折手段に至るまでの間において，上記第１の光線が透明測定対象の表面に反射して上記第２の回折手段に入射される位置に上記透明測定対象が配置されてなり，
   上記第２の回折手段から出た光線よる干渉縞の画像によって上記透明測定対象の表面形状を測定するための形状測定装置であって，
   上記透明測定対象の表面に近接して，上記第１の光線の一部が透明測定対象表面で反射する位置と上記透明測定対象の裏面で反射した第１の光線の一部が上記透明測定対象表面から出射する位置との距離より短い幅のスリット透孔が，同じ周期の繰り返しで上記幅方向に複数形成されたマスク体を上記表面に沿って配置するとともに，上記マスク体を上記第２の光線の進行方向に移動させることによって複数の或いは連続した前記干渉縞の画像を取得するようにしたことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記スリット透孔の上記幅が，上記第１の光線の一部が透明測定対象表面で反射する位置と上記透明測定対象の裏面で反射した第１の光線の一部が上記透明測定対象表面から出射する位置との距離と同一か或いはそれより僅かに小さい幅である請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記第１の光線の一部が上記透明測定対象内部に入射しその屈折角をφ，上記透明測定対象の厚さをｄ とした時，上記スリット透孔の幅を少なくとも２ｄ ・ｔ ａ ｎ φ 以下とし，上記スリット透孔の間隔を少なくとも上記スリット透孔の幅の２倍とする請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置。

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