JP5569963B2 - 表面形状測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、被測定体面からの反射光と参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から被測定体の表面形状を特定する表面形状測定装置に関するものである。
被測定体の３次元形状を光の波長以下の高精度で測定する方法に、干渉計がある。しかし、奥行き方向の測定範囲が波長の数倍程度と狭く、また、床面振動等の外乱振動に大きく影響を受ける等、操作性に難点があった。
この短所を補う方法として白色干渉法（ＯＣＴ；Optical Coherence Tomography）が開発され広く使われている。現在使われている主なＯＣＴにはタイムドメインＯＣＴ（Time Domain OCT）とフーリエドメインＯＣＴ（Fourier Domain OCT，あるいはスペクトラルドメインＯＣＴ（Spectral Domain OCT））がある。光の干渉を用いるＯＣＴの測定精度は光の波長以下と、他の一般的な形状測定手法に比べて１桁以上高い。
この短所を補う方法として白色干渉法（ＯＣＴ；Optical Coherence Tomography）が開発され広く使われている。現在使われている主なＯＣＴにはタイムドメインＯＣＴ（Time Domain OCT）とフーリエドメインＯＣＴ（Fourier Domain OCT，あるいはスペクトラルドメインＯＣＴ（Spectral Domain OCT））がある。光の干渉を用いるＯＣＴの測定精度は光の波長以下と、他の一般的な形状測定手法に比べて１桁以上高い。
タイムドメインＯＣＴを例にその原理を簡単に説明する。図９（ａ）において光源１０１を出た広帯域な光はビームスプリッタ１０３で分割されて一方は被測定体１０５に、他方は参照ミラー１０７に向かう。それぞれに反射した光はビームスプリッタ１０３で結合されお互いに干渉しあう。干渉強度は検出器１０９で測定される。
光源１０１から出力される光は広帯域である。したがって、ビームスプリッタ１０３から参照ミラー１０７で反射された光（以下、参照光という）が検出器１０９に入るまでの参照光路長Ｅ１と、ビームスプリッタ１０３から被測定体１０５で反射された光（以下、物体光という）が検出器１０９に入るまでの物体光路長Ｅ２が等しいときに最も強く干渉する。一方、参照光路長Ｅ１と物体光路長Ｅ２の差が大きくなると急激に干渉縞のコントラストは低下する。
光源１０１から出力される光は広帯域である。したがって、ビームスプリッタ１０３から参照ミラー１０７で反射された光（以下、参照光という）が検出器１０９に入るまでの参照光路長Ｅ１と、ビームスプリッタ１０３から被測定体１０５で反射された光（以下、物体光という）が検出器１０９に入るまでの物体光路長Ｅ２が等しいときに最も強く干渉する。一方、参照光路長Ｅ１と物体光路長Ｅ２の差が大きくなると急激に干渉縞のコントラストは低下する。
参照ミラー１０７を白抜き矢印で示す光軸方向に移動させることで参照光路長Ｅ１を調整できる。参照ミラー１０７を移動させながら検出器１０９で得られる干渉縞の例（干渉信号）を図１２（ｂ）に示すが、参照光路長Ｅ１と物体光路長Ｅ２が等しくなったとき（Ｅ１＝Ｅ２）に干渉信号はピークを示す。したがって、干渉信号がピークを示すときの参照ミラー１０７の位置を読み取ることによって、ビームスプリッタ１０３から被測定体１０５上の物体光の照射点までの距離が求められる。この深さ方向の距離を得るための走査はＡ−ｓｃａｎと称されている。
被測定体１０５の表面上を物体光の照射点を走査して、それぞれの照射位置における干渉縞のコントラスト（干渉信号）がピークを示す参照ミラー１０７の位置を順次読み取っていくことで、被測定体１０５の表面形状を特定できる。この走査はＢ−ｓｃａｎと称されている。
しかし、物体光の照射点を移動させるたびに、参照ミラー１０７を移動させて干渉縞のコントラストのピークを求めるプロセス、つまりＡ−ｓｃａｎとＢ−ｓｃａｎの両者を行うためには多大な時間と計算が必要である。さらに、参照ミラー１０７を正確に移動させる機構と、その位置を精度良く測定する機構は高価で大型となる。
被測定体１０５の表面上を物体光の照射点を走査して、それぞれの照射位置における干渉縞のコントラスト（干渉信号）がピークを示す参照ミラー１０７の位置を順次読み取っていくことで、被測定体１０５の表面形状を特定できる。この走査はＢ−ｓｃａｎと称されている。
しかし、物体光の照射点を移動させるたびに、参照ミラー１０７を移動させて干渉縞のコントラストのピークを求めるプロセス、つまりＡ−ｓｃａｎとＢ−ｓｃａｎの両者を行うためには多大な時間と計算が必要である。さらに、参照ミラー１０７を正確に移動させる機構と、その位置を精度良く測定する機構は高価で大型となる。
これに対してフーリエドメインＯＣＴは、Ｂ−ｓｃａｎに対応する走査のみで３次元形状の測定を可能にする。ただし、フーリエドメインＯＣＴであっても、ラインＣＣＤ等からなる検出器１０９上で参照光と物体光とが干渉する範囲（以下、本願発明においてこの範囲を可干渉距離と称する）内の範囲の奥行きを持つ被測定体ならば、参照ミラーを移動させることなく３次元形状を測定できるにすぎない。一般に、この可干渉距離は数ｍｍであり、これを超える奥行きを有する表面形状を測定するためには、参照ミラーを移動させなければならないので、タイムドメインＯＣＴと同様の課題が残る。
ここで、光干渉を用いる距離あるいは長さの測定では、参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させたときの干渉縞の強度変化の回数を数えて測定するため、測定器と被測定体の間の光路が瞬時でも遮られると、再度、起点から測定をやり直さなければならないので、操作性に多大な問題があった。このような背景に基づき、フーリエドメインＯＣＴおいて高精度で操作性の良い測定器が強く望まれていた。参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させる機構も高価で操作性を著しく阻害するものであった。
ここで、光干渉を用いる距離あるいは長さの測定では、参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させたときの干渉縞の強度変化の回数を数えて測定するため、測定器と被測定体の間の光路が瞬時でも遮られると、再度、起点から測定をやり直さなければならないので、操作性に多大な問題があった。このような背景に基づき、フーリエドメインＯＣＴおいて高精度で操作性の良い測定器が強く望まれていた。参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させる機構も高価で操作性を著しく阻害するものであった。
特許文献１には、被測定体に対し１ライン状に光を集光、照射することにより、ＣＣＤカメラのワンショットで深さ方向の情報に加え、被測定体の横（又は縦）方向の位置の情報も１度で得ることができるフーリエドメイン干渉形状測定装置が提案されている。
また、特許文献２には、参照ミラーが複数の参照面を有し、複数の参照面は、隣接する参照面の各々で生成される参照光間に光源から出力される光の波長に基づく微小測定間隔に対応した光路長差が生じるように配置される表面形状測定装置が提案されている。
また、特許文献２には、参照ミラーが複数の参照面を有し、複数の参照面は、隣接する参照面の各々で生成される参照光間に光源から出力される光の波長に基づく微小測定間隔に対応した光路長差が生じるように配置される表面形状測定装置が提案されている。
特許文献１によると、機械的走査なしで、ＣＣＤカメラワンショットで被測定体の１つの測定が可能となり、従来のＯＣＴにおいて２次元画像を得る際に必要であった一方の走査が不要となるから、フーリエドメインＯＣＴの高速測定化に寄与する。また、特許文献２においても、被測定体面の表面形状を高精度で迅速に測定可能な装置が提供される。しかしながら、特許文献１、特許文献２は、あくまで可干渉距離以下の範囲における測定を前提としており、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体を高速で測定するための解決策を示していない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる装置を提供することを目的とする。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる装置を提供することを目的とする。
フーリエドメインＯＣＴは基本的に参照ミラーを移動させる機構がいらないので操作性の面でも優れた方法である。しかし、参照ミラーを固定したままで奥行き方向の測定が可能な範囲は可干渉距離ΔＺ以下（数ｍｍ）と狭い。したがって、適用範囲が制限される。そこで、被測定体の奥行きが深いときに、可干渉距離ΔＺ毎に奥行き方向の領域を分け、それぞれの領域毎に最適な参照光の光路長を与えてやれば、奥行きの深い物体も測定できるようになる。参照光の光路長を変える方法として参照ミラーを移動させる方法が一般的に行われる。しかし、この方法では、移動させるのに時間がかかり、奥行きの深い物体を測定するには時間がかかり、実用的ではない。しかも、参照ミラーを正確に移動させる機構は大型で価格も高い。
そこでなされた本発明の表面形状測定装置は、光源と、光分割部と、参照光生成部と、干渉光生成部と、検出部とを備えている。
光源は、検査光を出力するものである。
光分割部は、光源から出力される検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第１分割光と、参照光生成部に照射される第２分割光とに分割するものである。
干渉光生成部は、被測定体の表面で第１分割光が反射して得られる物体光と、参照光生成部で第２分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成するものである。
検出部は、干渉光生成部によって生成された干渉光の強度を検出するものである。
本発明の特徴部分である参照光生成部は、各々の光路の末端に光反射面を有し、光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第１生成部ないし第Ｎ生成部（Ｎ＝２以上の整数）からなる複数の参照光生成部を備えている。そして、第１生成部から第Ｎ生成部にかけての光路長の差ΔＤの総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されている。
そこでなされた本発明の表面形状測定装置は、光源と、光分割部と、参照光生成部と、干渉光生成部と、検出部とを備えている。
光源は、検査光を出力するものである。
光分割部は、光源から出力される検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第１分割光と、参照光生成部に照射される第２分割光とに分割するものである。
干渉光生成部は、被測定体の表面で第１分割光が反射して得られる物体光と、参照光生成部で第２分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成するものである。
検出部は、干渉光生成部によって生成された干渉光の強度を検出するものである。
本発明の特徴部分である参照光生成部は、各々の光路の末端に光反射面を有し、光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第１生成部ないし第Ｎ生成部（Ｎ＝２以上の整数）からなる複数の参照光生成部を備えている。そして、第１生成部から第Ｎ生成部にかけての光路長の差ΔＤの総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されている。
本発明の装置は、第１生成部から第Ｎ生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されているので、第１生成部から第Ｎ生成部に順に第２分割光を照射して反射される参照光を得ることで、第１生成部から第Ｎ生成部を移動させることなく、可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる。なお、Ｎは２以上の整数から選択されるが、可干渉距離が数ｍｍであることを踏まえて、被測定体の奥行きの程度に応じてＮは適宜設定されるべきである。
また、本発明の装置は、フーリエドメインＯＣＴに適用できるのはもちろんであるが、タイムドメインＯＣＴ、スペクトルスキャニングＯＣＴについても適用できる。
また、本発明の装置は、フーリエドメインＯＣＴに適用できるのはもちろんであるが、タイムドメインＯＣＴ、スペクトルスキャニングＯＣＴについても適用できる。
第１生成部から第Ｎ生成部にかけての光路長の差ΔＤの総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されていれば本発明は機能するので、各光路長の差ΔＤは任意である。しかし、本発明は、各光路長の差ΔＤを可干渉距離ΔＺに一致させる。そうすることで、第１生成部から第Ｎ生成部の数を最小限に抑えながら、可干渉距離ΔＺを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。例えば、各光路長の差を１／２ΔＺとした場合に比べて、第１生成部から第Ｎ生成部の数を１／２にすることができる。
この場合、第１生成部から第Ｎ生成部に向けて、光路長の差ΔＤが前記ΔＺずつ増えるように第１生成部ないし第Ｎ生成部を順に配置する。
この場合、第１生成部から第Ｎ生成部に向けて、光路長の差ΔＤが前記ΔＺずつ増えるように第１生成部ないし第Ｎ生成部を順に配置する。
本発明の特徴部分である参照光生成部は、第１〜第２の２つの形態を包含する。第１の形態は、異なる光路上に配置されるＮ枚の参照ミラーにより、第１生成部ないし第Ｎ生成部を構成する。第２の形態は、異なる光路上に配置されるＮ本の光ファイバにより、第１生成部ないし第Ｎ生成部を構成する。
第１の形態は、参照光生成部が、第１生成部ないし第Ｎ生成部の各々の光反射面に対応して配置される、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーを備えるとともに、第２分割光を反射させて、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーに向けて照射する第１走査ミラーを備える。
この第１の形態は、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーから順に参照光が反射されるように第１走査ミラーを走査することで、可干渉距離ΔＺを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。
この第１の形態は、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーから順に参照光が反射されるように第１走査ミラーを走査することで、可干渉距離ΔＺを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。
第１の形態において、第１走査ミラーを、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置し、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーを、走査軸を中心とする円弧上に、第１参照ミラーから第Ｎ参照ミラーの順にΔＺの光路長差を設けて配置する。そして、第１走査ミラーを、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーの順に、第２分割光を照射するように駆動する。第１走査ミラーの駆動が、直線運動させるよりもはるかに容易な回転運動でなされるので、奥行きを持つ被測定体の表面形状の迅速化に寄与する。
第２の形態は、参照光生成部が、第１光生成部ないし第Ｎ生成部の各々の光反射面に向けて第２分割光を導く、第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバを備えるとともに、第２分割光を反射させて、第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバに向けて照射させる第２走査ミラーを備える。
この第２の形態は、第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバから順に参照光が出力されるように、第２走査ミラーを走査することで、可干渉距離ΔＺを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。
この第２の形態は、第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバから順に参照光が出力されるように、第２走査ミラーを走査することで、可干渉距離ΔＺを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を漏れなく測定できる。
第２の形態において、第２走査ミラーを、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置する。そして、第２走査ミラーを、第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバの順に、第２分割光を照射するように駆動する。第２走査ミラーの駆動が、直線運動させるよりもはるかに容易な回転運動でなされるので、奥行きを持つ被測定体の表面形状の迅速化に寄与する。また、線径の細い光ファイバを用いる第２の形態は、複数のミラーを用いる第１の形態に比べて、装置の小型化を実現できる。
前述した第１走査ミラー、第２走査ミラーは、回転多面ミラー（いわゆる、ポリゴンミラー）であることが、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーへの第２分割光の照射の切替え又は第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバへの第２分割光の照射の切替えにとって好ましい。
前述した第１走査ミラー、第２走査ミラーは、回転多面ミラー（いわゆる、ポリゴンミラー）であることが、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーへの第２分割光の照射の切替え又は第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバへの第２分割光の照射の切替えにとって好ましい。
本発明によれば、第１生成部から第Ｎ生成部にかけての光路長の差の総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されているので、第１生成部から第Ｎ生成部に順に第２分割光を照射して反射される参照光を得ることで、第１生成部から第Ｎ生成部を移動させることなく、可干渉距離ΔＺを超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる。
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
＜全体構成概要＞
図１に基づいて、第１実施形態にかかる表面形状測定装置１０の構成を説明する。
表面形状測定装置１０は、光源１１から出力された検査光Ｌ０を、物体光ＬＳを生成するための第１分割光Ｌ１と参照光ＬＲを生成するための第２分割光Ｌ２とに分割する。表面形状測定装置１０は、また、参照ミラー部２５を経由した参照光ＬＲと被測定体ＭＢを経由した物体光ＬＳとを重畳して検出光ＬＣを生成し、この検出光ＬＣの検出結果を解析して被測定体ＭＢの表面形状を測定するように構成されている。表面形状測定装置１０は、フーリエドメインＯＣＴに基づいて被測定体ＭＢの表面の形状を測定する。
〔第１実施形態〕
＜全体構成概要＞
図１に基づいて、第１実施形態にかかる表面形状測定装置１０の構成を説明する。
表面形状測定装置１０は、光源１１から出力された検査光Ｌ０を、物体光ＬＳを生成するための第１分割光Ｌ１と参照光ＬＲを生成するための第２分割光Ｌ２とに分割する。表面形状測定装置１０は、また、参照ミラー部２５を経由した参照光ＬＲと被測定体ＭＢを経由した物体光ＬＳとを重畳して検出光ＬＣを生成し、この検出光ＬＣの検出結果を解析して被測定体ＭＢの表面形状を測定するように構成されている。表面形状測定装置１０は、フーリエドメインＯＣＴに基づいて被測定体ＭＢの表面の形状を測定する。
＜光源１１＞
表面形状測定装置１０は、光源１１を備えている。光源１１は低コヒーレンスな検査光Ｌ０を出力する。光源１１としては、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の広帯域光源を用いる。
表面形状測定装置１０は、光源１１を備えている。光源１１は低コヒーレンスな検査光Ｌ０を出力する。光源１１としては、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の広帯域光源を用いる。
＜光ファイバとそれに繋がる各構成要素＞
表面形状測定装置１０は、光源１１から出力される検査光Ｌ０をその一端側で受光する、たとえばシングルモードファイバからなる光ファイバ１２ａを備えている。光ファイバ１２ａの他端側はフォトカプラ（ｃｏｕｐｌｅｒ）１３に接続されている。フォトカプラ１３は、光を分割する手段（スプリッタ；ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、及び、光を重畳する手段（カプラ）の双方の機能を有しているが、ここでは慣用的に「フォトカプラ」と称している。光源１１から出力される検査光Ｌ０は、光ファイバ１２ａを通ってフォトカプラ１３に導かれ、ここで第１分割光Ｌ１と第２分割光Ｌ２とに分割される。
表面形状測定装置１０は、光源１１から出力される検査光Ｌ０をその一端側で受光する、たとえばシングルモードファイバからなる光ファイバ１２ａを備えている。光ファイバ１２ａの他端側はフォトカプラ（ｃｏｕｐｌｅｒ）１３に接続されている。フォトカプラ１３は、光を分割する手段（スプリッタ；ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、及び、光を重畳する手段（カプラ）の双方の機能を有しているが、ここでは慣用的に「フォトカプラ」と称している。光源１１から出力される検査光Ｌ０は、光ファイバ１２ａを通ってフォトカプラ１３に導かれ、ここで第１分割光Ｌ１と第２分割光Ｌ２とに分割される。
フォトカプラ１３には光ファイバ１２ｂ、光ファイバ１２ｃ及び光ファイバ１２ｄが各々その１端側で接続されている。光ファイバ１２ｂの他端側には参照光生成部２０が設けられている。また、光ファイバ１２ｃの他端側には物体光生成部３０が設けられている。さらに、光ファイバ１２ｄの他端側には測定部４０が設けられている。
＜参照光生成部２０＞
フォトカプラ１３で分割された第２分割光Ｌ２は、光ファイバ１２ｂを通ってその他端面から参照光生成部２０に向けて出射される。参照光生成部２０は、コリメータレンズ２１、走査ミラー２３及び参照ミラー部２５を備えており、光ファイバ１２ａから出射される第２分割光Ｌ２は、コリメータレンズ２１により平行光束とされた後、走査ミラー２３を経由し、参照ミラー部２５によって反射され、参照光ＬＲとなる。
フォトカプラ１３で分割された第２分割光Ｌ２は、光ファイバ１２ｂを通ってその他端面から参照光生成部２０に向けて出射される。参照光生成部２０は、コリメータレンズ２１、走査ミラー２３及び参照ミラー部２５を備えており、光ファイバ１２ａから出射される第２分割光Ｌ２は、コリメータレンズ２１により平行光束とされた後、走査ミラー２３を経由し、参照ミラー部２５によって反射され、参照光ＬＲとなる。
走査ミラー２３は、走査軸２４を中心軸として所定の揺動角の範囲で図中の矢印２６で示すように揺動される。コリメータレンズ２１から受けた第２分割光Ｌ２は、揺動位置に応じた向きとなって走査ミラー２３で反射され参照ミラー部２５に向けて導光される。なお、従来の参照ミラー１０７を直線往復運動させるよりも、走査ミラー２３を揺動させる機構は軽量でかつ低コストである。
参照ミラー部２５は、複数の参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎを備えている。参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎは、走査軸２４を中心とする径の異なる円弧上に配置されている。参照ミラー２５１、２５２、２５３…２５Ｎは同じ仕様のミラーを用いているが、配置されている位置が相違する。具体的には、フォトカプラ１３から走査ミラー２３を介する各参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎまでの光路長Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、ＤＮとすると、以下を満足する。ここで、ΔＺは物体光ＬＳと参照光ＬＲとの間に干渉が生ずる光路長差の範囲であり、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎは、この順にΔＺの光路長差を設けて配置されている。走査軸２４を中心に走査ミラー２３を揺動させることで、走査ミラー２３による反射光を参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎに順に照射することができる。
Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ
Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ＝Ｄ２＋ΔＺ
Ｄ４＝Ｄ１＋３×ΔＺ＝Ｄ３＋ΔＺ
ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺ
Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ
Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ＝Ｄ２＋ΔＺ
Ｄ４＝Ｄ１＋３×ΔＺ＝Ｄ３＋ΔＺ
ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺ
各参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎにより反射されて生成された参照光ＬＲは、再び走査ミラー２３を経由し、コリメータレンズ２１によって光ファイバ１２ｂの他端面に集光される。集光された参照光ＬＲは、光ファイバ１２ｂを通じてフォトカプラ１３に導かれる。
なお、参照光ＬＲと物体光ＬＳの光路長（光学距離）を合わせるための遅延手段として、また参照光ＬＲと物体光ＬＳの分散特性を合わせるための手段として、ガラスブロック、濃度フィルタ等の他の光学系を配置してもよい。
なお、参照光ＬＲと物体光ＬＳの光路長（光学距離）を合わせるための遅延手段として、また参照光ＬＲと物体光ＬＳの分散特性を合わせるための手段として、ガラスブロック、濃度フィルタ等の他の光学系を配置してもよい。
＜物体光生成部３０＞
フォトカプラ１３で分割された第１分割光Ｌ１は、光ファイバ１２ｃを通ってその他端面より物体光生成部３０に向けて出射される。物体光生成部３０は、コリメータレンズ３１、走査ミラー３３及び対物レンズ３５を備えており、光ファイバ１２ｃから出射される第１分割光Ｌ１は、コリメータレンズ３１により平行光束とされた後、走査ミラー３３、対物レンズ３５を経由し、被測定体ＭＢに照射される走査ミラー３３は二次元方向に揺動が可能とされている。第１分割光Ｌ１は被測定体ＭＢの表面に結像Ｌ、反射されて、物体光ＬＳとなる。被測定体ＭＢで反射された物体光ＬＳは、対物レンズ３５、走査ミラー３３を順に経由し、コリメータレンズ３１によって光ファイバ１２ｃの他端面に集光される。集光された物体光ＬＳは、光ファイバ１２ｃを通じてフォトカプラ１３に導かれる。
フォトカプラ１３で分割された第１分割光Ｌ１は、光ファイバ１２ｃを通ってその他端面より物体光生成部３０に向けて出射される。物体光生成部３０は、コリメータレンズ３１、走査ミラー３３及び対物レンズ３５を備えており、光ファイバ１２ｃから出射される第１分割光Ｌ１は、コリメータレンズ３１により平行光束とされた後、走査ミラー３３、対物レンズ３５を経由し、被測定体ＭＢに照射される走査ミラー３３は二次元方向に揺動が可能とされている。第１分割光Ｌ１は被測定体ＭＢの表面に結像Ｌ、反射されて、物体光ＬＳとなる。被測定体ＭＢで反射された物体光ＬＳは、対物レンズ３５、走査ミラー３３を順に経由し、コリメータレンズ３１によって光ファイバ１２ｃの他端面に集光される。集光された物体光ＬＳは、光ファイバ１２ｃを通じてフォトカプラ１３に導かれる。
＜検出光ＬＣ生成＞
フォトカプラ１３は、光ファイバ１２ａを通ってきた参照光ＬＲと光ファイバ１２ｃを通ってきた物体光ＬＳとを重畳して検出光ＬＣを生成する。生成された検出光ＬＣは、光ファイバ１２ｄを通じて測定部４０に導光される。
フォトカプラ１３は、光ファイバ１２ａを通ってきた参照光ＬＲと光ファイバ１２ｃを通ってきた物体光ＬＳとを重畳して検出光ＬＣを生成する。生成された検出光ＬＣは、光ファイバ１２ｄを通じて測定部４０に導光される。
＜測定部４０＞
測定部４０は、コリメータレンズ４１、回折格子４３、結像レンズ４５及びラインＣＣＤ（Line Charge Coupled Device）４７を備えている。本実施形態の回折格子４３は、透過型回折格子であるが、もちろん反射型回折格子を用いることも可能である。また、ラインＣＣＤ４７に代えて、その他の光検出素子（検出部）を適用することももちろん可能である。
測定部４０は、コリメータレンズ４１、回折格子４３、結像レンズ４５及びラインＣＣＤ（Line Charge Coupled Device）４７を備えている。本実施形態の回折格子４３は、透過型回折格子であるが、もちろん反射型回折格子を用いることも可能である。また、ラインＣＣＤ４７に代えて、その他の光検出素子（検出部）を適用することももちろん可能である。
測定部４０に入射した検出光ＬＣは、コリメータレンズ４１により平行光束とされた後、回折格子４３によって分光（スペクトル分解）される。分光された検出光ＬＣは、結像レンズ４５によってラインＣＣＤ４７の撮像面上に結像される。ラインＣＣＤ４７は、この検出光ＬＣを受光して電気的な検出信号に変換し、この検出信号を制御部５０に出力する。ラインＣＣＤ４７は回析格子４３で分解される光の各波長に対応する画素を備えている。
＜制御部５０＞
制御部５０は、ラインＣＣＤ４７から入力される検出信号を解析して、被測定体ＭＢの表面形状を特定する処理を行う。このときの解析手法は、従来のフーリエドメインＯＣＴの手法と同じである。
また、制御部５０は、表面形状測定装置１０の各部の制御を実行する。この制御としては、光源１１からの検査光Ｌ０の出力、参照光生成部２０にかかる走査ミラー２３の駆動、物体光生成部３０にかかる走査ミラー３３及び被測定体ＭＢを載せるステージの駆動を含んでいる。より詳しい制御内容は後述される。
制御部５０は、公知のコンピュータと同様のハードウェア構成を備えている。具体的には、ＣＰＵ等のマイクロプロセッサと、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ等の記憶手段と、キーボード、マウス等からなる入力手段と、ディスプレイ等の表示手段と、通信インターフェイスと、を少なくとも含んでいる。そして、制御プログラムをハードディスクドライブに格納しておき、これをＲＡＭ上に展開するとともにＣＰＵがこれを解釈することで、制御部５０が行う制御を実現する。
制御部５０は、ラインＣＣＤ４７から入力される検出信号を解析して、被測定体ＭＢの表面形状を特定する処理を行う。このときの解析手法は、従来のフーリエドメインＯＣＴの手法と同じである。
また、制御部５０は、表面形状測定装置１０の各部の制御を実行する。この制御としては、光源１１からの検査光Ｌ０の出力、参照光生成部２０にかかる走査ミラー２３の駆動、物体光生成部３０にかかる走査ミラー３３及び被測定体ＭＢを載せるステージの駆動を含んでいる。より詳しい制御内容は後述される。
制御部５０は、公知のコンピュータと同様のハードウェア構成を備えている。具体的には、ＣＰＵ等のマイクロプロセッサと、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスクドライブ等の記憶手段と、キーボード、マウス等からなる入力手段と、ディスプレイ等の表示手段と、通信インターフェイスと、を少なくとも含んでいる。そして、制御プログラムをハードディスクドライブに格納しておき、これをＲＡＭ上に展開するとともにＣＰＵがこれを解釈することで、制御部５０が行う制御を実現する。
＜測定手順＞
次に、表面形状測定装置１０にかかる測定手順を説明する。
光源１１から出力された検査光Ｌ０はフォトカプラ１３によって第１分割光Ｌ１、第２分割光Ｌ２の２つの光線に分けられる。第１分割光Ｌ１は物体光ＬＳに、第２分割光Ｌ２は参照光ＬＲとなる。物体光ＬＳは被測定体ＭＢで反射され、参照光ＬＲは参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎで反射され、各々もとの光路に戻る。そして再びフォトカプラ１３に入り、これら２つの光は重畳される。重畳された光の１部は検出光ＬＣとなりラインＣＣＤ４７へ向かう。物体光ＬＳと参照光ＬＲの光路長が等しいときのみ２つの光、つまり物体光ＬＳと参照光ＬＲは干渉する。物体光ＬＳと参照光ＬＲとの間に干渉が生ずる光路長差の範囲、つまり可干渉距離ΔＺは、光源１１の種類によって異なるが、一般的にＯＣＴに用いられる光源では長くとも数ｍｍである。
次に、表面形状測定装置１０にかかる測定手順を説明する。
光源１１から出力された検査光Ｌ０はフォトカプラ１３によって第１分割光Ｌ１、第２分割光Ｌ２の２つの光線に分けられる。第１分割光Ｌ１は物体光ＬＳに、第２分割光Ｌ２は参照光ＬＲとなる。物体光ＬＳは被測定体ＭＢで反射され、参照光ＬＲは参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎで反射され、各々もとの光路に戻る。そして再びフォトカプラ１３に入り、これら２つの光は重畳される。重畳された光の１部は検出光ＬＣとなりラインＣＣＤ４７へ向かう。物体光ＬＳと参照光ＬＲの光路長が等しいときのみ２つの光、つまり物体光ＬＳと参照光ＬＲは干渉する。物体光ＬＳと参照光ＬＲとの間に干渉が生ずる光路長差の範囲、つまり可干渉距離ΔＺは、光源１１の種類によって異なるが、一般的にＯＣＴに用いられる光源では長くとも数ｍｍである。
フーリエドメインＯＣＴにおいて、フォトカプラ１３から出射された後、検出光ＬＣはコリメータレンズ４１に導かれ平行拘束とされた後に、回折格子４３に入射される。光源１１から出力される低コヒーレンス光は、異なる周波数を有するコヒーレンス光の集合体と考えることができる。したがって、検出光ＬＣは周波数成分ごとに回折角が異なるので、回折格子４３に入射すると波長分解されてからラインＣＣＤ４７に照射される。
ラインＣＣＤ４７が備える画素は、光路長差によって生じた物体光ＬＳと参照光ＬＲの位相が一致する波長の光にのみ特に強く干渉する。ラインＣＣＤ４７の各画素は回析格子４３で分解された各波長に対応しているので、位相が一致する波長に対応する画素上で干渉による光強度が強くなる。上記光路長差が長くなるほど位相が一致する波長の出現頻度は高くなるので、ラインＣＣＤ４７上で光強度が強くなる画素の間隔は狭くなる。つまり、ラインＣＣＤ４７からの出力信号の周波数は高くなる。出力信号の周波数分析を行うと光路長差が算出できるので、参照ミラーを固定し、物体光ＬＳを走査ミラー３３によって被測定体ＭＢ上で走査すると被測定体ＭＢの表面形状が測定できる。上記出力信号の周波数分析はフーリエ変換で求められる。フーリエドメインＯＣＴではこのように被測定体ＭＢの測定点の位置が瞬時に求められる。
ラインＣＣＤ４７が備える画素は、光路長差によって生じた物体光ＬＳと参照光ＬＲの位相が一致する波長の光にのみ特に強く干渉する。ラインＣＣＤ４７の各画素は回析格子４３で分解された各波長に対応しているので、位相が一致する波長に対応する画素上で干渉による光強度が強くなる。上記光路長差が長くなるほど位相が一致する波長の出現頻度は高くなるので、ラインＣＣＤ４７上で光強度が強くなる画素の間隔は狭くなる。つまり、ラインＣＣＤ４７からの出力信号の周波数は高くなる。出力信号の周波数分析を行うと光路長差が算出できるので、参照ミラーを固定し、物体光ＬＳを走査ミラー３３によって被測定体ＭＢ上で走査すると被測定体ＭＢの表面形状が測定できる。上記出力信号の周波数分析はフーリエ変換で求められる。フーリエドメインＯＣＴではこのように被測定体ＭＢの測定点の位置が瞬時に求められる。
表面形状測定装置１０は、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎを備えており、走査ミラー２３の揺動角を調整することにより、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎに第２分割光Ｌ２を順に照射させる。参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの各々に照射される第２分割光Ｌ２を、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４、…Ｌ２Ｎとすると、これらが照射された各参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの各々から、参照光ＬＲ１、参照光ＬＲ２、参照光ＬＲ３、参照光ＬＲ４、参照光ＬＲＮが反射される。この参照光ＬＲ１、参照光ＬＲ２、参照光ＬＲ３、参照光ＬＲ４、参照光ＬＲＮの各々と物体光ＬＳとが順に重畳されて生成される検出光ＬＣ１、検出光ＬＣ２、検出光ＬＣ３、検出光ＬＣ４、検出光ＬＣＮについて上述した表面形状の測定が行われる。以上の第２分割光Ｌ２、参照光ＬＲ及び検出光ＬＣを対応させて以下に示す。同じ参照ミラーで検出光が生成されるまでの一連の行程を「ステップ」と称することにすれば、表面形状測定装置１０は、被測定体ＭＢ上の同じ測定位置において、第１ステップ〜第Ｎステップからなる表面形状の測定が行われる。
第１ステップ ： 第２分割光Ｌ２１ → 参照光ＬＲ１ → 検出光ＬＣ１
第２ステップ ： 第２分割光Ｌ２２ → 参照光ＬＲ２ → 検出光ＬＣ２
第３ステップ ： 第２分割光Ｌ２３ → 参照光ＬＲ３ → 検出光ＬＣ３
第４ステップ ： 第２分割光Ｌ２４ → 参照光ＬＲ４ → 検出光ＬＣ４
第Ｎステップ ： 第２分割光Ｌ２Ｎ → 参照光ＬＲＮ → 検出光ＬＣＮ
第１ステップ ： 第２分割光Ｌ２１ → 参照光ＬＲ１ → 検出光ＬＣ１
第２ステップ ： 第２分割光Ｌ２２ → 参照光ＬＲ２ → 検出光ＬＣ２
第３ステップ ： 第２分割光Ｌ２３ → 参照光ＬＲ３ → 検出光ＬＣ３
第４ステップ ： 第２分割光Ｌ２４ → 参照光ＬＲ４ → 検出光ＬＣ４
第Ｎステップ ： 第２分割光Ｌ２Ｎ → 参照光ＬＲＮ → 検出光ＬＣＮ
ここで、以上のＮ個の参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎは、参照ミラー２５１から順に光路長をΔＺずつ長くなるように配置されている。フォトカプラ１３から参照ミラー２５１までの参照光についての光路長をＤ１とすると、参照ミラー２５Ｎまでの光路長はＤ１＋Ｎ×ΔＺである。つまり、フォトカプラ１３から被測定体ＢＭまでの物体光ＬＳの光路長が、Ｄ１〜Ｄ１＋Ｎ×ΔＺの範囲に入っていれば形状が測定できる。
例えば、物体光ＬＳの光路長がＤ１＋ΔＺであるとすれば、上述した第２ステップにおいて、被測定体ＭＢの表面上の位置を特定できる。この場合、第３ステップ以降のステップを省略できるし、第Ｎステップまでのステップを全て実行してもよい。また、物体光ＬＳの光路長がＤ１＋３×ΔＺであるとすれば、上述した第４ステップにおいて、被測定体ＭＢの表面上の位置を特定できる。この場合、第５ステップ以降のステップを省略できるし、第Ｎステップまでのステップを全て実行してもよい。なお、被測定体ＢＭの奥行きが深い場合には、それに合わせて参照ミラーの数Ｎを増やせばよい。
例えば、物体光ＬＳの光路長がＤ１＋ΔＺであるとすれば、上述した第２ステップにおいて、被測定体ＭＢの表面上の位置を特定できる。この場合、第３ステップ以降のステップを省略できるし、第Ｎステップまでのステップを全て実行してもよい。また、物体光ＬＳの光路長がＤ１＋３×ΔＺであるとすれば、上述した第４ステップにおいて、被測定体ＭＢの表面上の位置を特定できる。この場合、第５ステップ以降のステップを省略できるし、第Ｎステップまでのステップを全て実行してもよい。なお、被測定体ＢＭの奥行きが深い場合には、それに合わせて参照ミラーの数Ｎを増やせばよい。
表面形状測定装置１０で用いる参照光生成部２０を構成する走査ミラー２３としては、参照光の直径よりわずかに大きい程度の直径（数ｍｍ程度）を有していればよいので、小さく軽いものを使うことができる。しかも、走査ミラー２３は揺動されるものであるから、走査ミラー２３の走査に要する時間は、前述のタイムドメインＯＣＴで述べた直線往復運動する参照ミラー１０７を操作するのに要する時間より１桁から２桁短くて足りる。フーリエドメインＯＣＴでの測定時間は、ラインＣＣＤ４７からのデータ取り込み時間と演算時間に依存するが、走査ミラー２３の走査時間を短縮できるので、１点あたり（第１ステップ〜第Ｎステップ）の測定時間をｍｓ以下にすることが可能である。したがって、表面形状測定装置１０によると、非常に短時間に高精度な形状測定が可能となる。
以上説明した、表面形状測定装置１０は、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎは、参照ミラー２５１から順に光路長がΔＺずつ長くなるように配置されているが、この順序は必須ではない。光路長が、Ｄ１、Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ、Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ、Ｄ４＝Ｄ１＋３×ΔＺ、ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺとなる参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎが順不同に配置されていても、フォトカプラ１３から被測定体ＢＭまでの物体光ＬＳの光路長がＤ１〜Ｄ１＋Ｎ×ΔＺの範囲で表面形状の測定が行える。
また、以上説明した表面形状測定装置１０は、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの光路長の差（参照ミラーの間隔）をΔＺとしているが、これも本発明において必須でない。参照ミラーの間隔がΔＺ以下であれば本発明の効果を享受できることは明らかである。ただし、参照ミラーの間隔をΔＺより小さくしすぎると、参照ミラーの数を多くしなければならないことをも考慮して、参照ミラーの間隔を定めるのがよい。
さらに、参照ミラーの間隔は同じであることが好ましいが、本発明は個々の間隔が相違することを許容する。もちろん、この間隔はΔＺ以下であることを前提としている。
さらにまた、回析格子４３を用いる代わりに、光源の波長を時間とともに変化させて同等な信号を得るスペクトルスキャニングＯＣＴについても、本発明を適用できる。
また、以上説明した表面形状測定装置１０は、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの光路長の差（参照ミラーの間隔）をΔＺとしているが、これも本発明において必須でない。参照ミラーの間隔がΔＺ以下であれば本発明の効果を享受できることは明らかである。ただし、参照ミラーの間隔をΔＺより小さくしすぎると、参照ミラーの数を多くしなければならないことをも考慮して、参照ミラーの間隔を定めるのがよい。
さらに、参照ミラーの間隔は同じであることが好ましいが、本発明は個々の間隔が相違することを許容する。もちろん、この間隔はΔＺ以下であることを前提としている。
さらにまた、回析格子４３を用いる代わりに、光源の波長を時間とともに変化させて同等な信号を得るスペクトルスキャニングＯＣＴについても、本発明を適用できる。
〔第２実施形態〕
次に、図２に基づいて、第２実施形態に係る表面形状測定装置１１０を説明する。
表面形状測定装置１１０は、参照光生成部１２０を除けば、第１実施形態に係る表面形状測定装置１０と同じ構成を有し、また、被測定体ＭＢの表面形状の測定手順も同様である。したがって、参照光生成部１２０について以下で説明する一方、第１実施形態と同じ構成については、図１と同じ符号を図２に付けて、その説明を省略する。
次に、図２に基づいて、第２実施形態に係る表面形状測定装置１１０を説明する。
表面形状測定装置１１０は、参照光生成部１２０を除けば、第１実施形態に係る表面形状測定装置１０と同じ構成を有し、また、被測定体ＭＢの表面形状の測定手順も同様である。したがって、参照光生成部１２０について以下で説明する一方、第１実施形態と同じ構成については、図１と同じ符号を図２に付けて、その説明を省略する。
表面形状測定装置１１０の参照光生成部１２０は、コリメータレンズ２１、走査ミラー２３及び参照光ファイバ部２７を備えており、光ファイバ１２ａから出射される第２分割光Ｌ２は、コリメータレンズ２１により平行光束とされた後、走査ミラー２３を経由し、参照光ファイバ部２７によって反射され、参照光ＬＲが生成される。
参照光ファイバ部２７は、複数の光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎを備えている。光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎは、１端側が走査ミラー２３から反射される第２分割光Ｌ２が入射されるように配置され、他端側には入射された第２分割光Ｌ２を反射する参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎが設けられている。なお、図２では理解を容易にするために、参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎの寸法を大きく示しているが、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの線径以上の径を有していれば、他端側において第２分割光Ｌ２を反射できる。一端側から入射された第２分割光Ｌ２は、参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎで各々反射されて、参照光ＬＲとなる。光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの一端側は、走査軸２４を中心とする共通の円弧上に配置されている。また、参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎは、同じ仕様のミラーを用いている。
フォトカプラ１３から走査ミラー２３を介する各参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎまでの光路長Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…ＤＮは、この順にΔＺの光路長差が設けられている。Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…ＤＮとΔＺの関係を以下に示すが、第１実施形態と同様である。光路長の差は、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの長さをこの順にΔＤずつ変えることにより設けられている。ΔＺとΔＤの関係はΔＺ＝ｎΔＤである。ここでｎは光ファイバの屈折率である。
Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ
Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ＝Ｄ２＋ΔＺ
ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺ
Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ
Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ＝Ｄ２＋ΔＺ
ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺ
以上の通りであるから、フォトカプラ１３から被測定体ＢＭまでの物体光ＬＳの光路長が、Ｄ１〜Ｄ１＋Ｎ×ΔＺの範囲に入っていれば形状が測定できることになる。つまり、物体光ＬＳの光路長がＤ１〜Ｄ１＋Ｚとなる範囲が、表面形状測定装置１１０の奥行き方向の測定範囲となる。
被測定物ＭＢの表面形状を測定する差異には、走査軸２４を中心に走査ミラー２３を揺動させることで、走査ミラー２３による反射光を光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの順に照射する。光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎにより反射されて生成された参照光ＬＲは、再び走査ミラー２３を経由し、コリメータレンズ２１によって光ファイバ１２ｂの他端面に集光される。集光された参照光ＬＲは、光ファイバ１２ｂを通じてフォトカプラ１３に導かれる。
表面形状測定装置１１０によると、第１実施形態による表面形状測定装置１０で得られる効果に加えて以下の効果を奏する。
光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの本数を増やすことで、任意の範囲で奥行き方向の測定を行うことができる。光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎは、線径が数μｍのものを用いることができるし、軽量であるとともに、曲げて使用できる。また、参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎは、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎと径が同じで足りる。また、走査ミラー２３を参照光ＬＲの直径を超える大きさがあれば足りるので、微小なミラーを用いることができる。したがって、第２実施形態によると、小型かつ軽量の表面形状測定装置１１０が得られる。
光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの本数を増やすことで、任意の範囲で奥行き方向の測定を行うことができる。光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎは、線径が数μｍのものを用いることができるし、軽量であるとともに、曲げて使用できる。また、参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎは、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎと径が同じで足りる。また、走査ミラー２３を参照光ＬＲの直径を超える大きさがあれば足りるので、微小なミラーを用いることができる。したがって、第２実施形態によると、小型かつ軽量の表面形状測定装置１１０が得られる。
また、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの第２分割光Ｌ２が入射される一端側を束ねておけば、走査ミラー２３を走査する範囲（揺動角）を微小にできる。したがって、ｍｓオーダーの非常に短時間に、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎに第２分割光Ｌ２を順に照射できるので、表面形状測定装置１１０は表面形状測定装置１０よりも測定時間を短くできる。なお、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎは、直線状に並べて束にすることができるし、格子状に並べて束にすることができる。ただし、格子状に並べる場合には、走査ミラー２３を２次元的に駆動させる必要がある。
さらに、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの他端側にそれぞれ参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎを取り付けたが、光ファイバの他端面に反射膜をコーティングしてもよい。また、光ファイバの屈折率が十分に高いと、他端面が反射面となりで一部の光は反射するので、参照ミラー、反射膜を設けなくてもよい。
さらに、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎの他端側にそれぞれ参照ミラー２８１、２８２、２８３、…２８Ｎを取り付けたが、光ファイバの他端面に反射膜をコーティングしてもよい。また、光ファイバの屈折率が十分に高いと、他端面が反射面となりで一部の光は反射するので、参照ミラー、反射膜を設けなくてもよい。
〔参考例〕
次に、図３に基づいて、本発明の参考例に係る表面形状測定装置２１０を説明する。
表面形状測定装置２１０も、参照光生成部２２０を除けば、第１実施形態に係る表面形状測定装置１０と同じ構成を有し、また、被測定体ＭＢの表面形状の測定手順も同様である。したがって、参照光生成部２２０について以下で説明する一方、第１実施形態と同じ構成については、図１と同じ符号を図３に付けて、その説明を省略する。
次に、図３に基づいて、本発明の参考例に係る表面形状測定装置２１０を説明する。
表面形状測定装置２１０も、参照光生成部２２０を除けば、第１実施形態に係る表面形状測定装置１０と同じ構成を有し、また、被測定体ＭＢの表面形状の測定手順も同様である。したがって、参照光生成部２２０について以下で説明する一方、第１実施形態と同じ構成については、図１と同じ符号を図３に付けて、その説明を省略する。
表面形状測定装置２１０の参照光生成部２２０は、コリメータレンズ２１及び部分透過ミラー部２９を備えており、光ファイバ１２ａから出射される第２分割光Ｌ２は、コリメータレンズ２１により平行光束とされた後、部分透過ミラー部２９によって反射され、参照光ＬＲが生成される。
部分透過ミラー部２９は、複数の部分透過ミラー部２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎを備えている。各部分透過ミラー部２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎは、ΔＺの間隔を空けて、同軸上に配置されている。
フォトカプラ１３からコリメータレンズ２１を介する各部分透過ミラー部２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎまでの光路長Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、…ＤＮは、この順にΔＺの光路長差が設けられている。つまり、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、…ＤＮとΔＺの関係は、以下に示すように、第１実施形態と同様である。したがって、表面形状測定装置２１０の物体光ＬＳの光路長がＤ１〜Ｄ１＋Ｚとなる範囲が、表面形状測定装置２１０の奥行き方向の測定範囲となる。
Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ
Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ＝Ｄ２＋ΔＺ
Ｄ４＝Ｄ１＋３×ΔＺ＝Ｄ３＋ΔＺ
ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺ
フォトカプラ１３からコリメータレンズ２１を介する各部分透過ミラー部２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎまでの光路長Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、…ＤＮは、この順にΔＺの光路長差が設けられている。つまり、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、…ＤＮとΔＺの関係は、以下に示すように、第１実施形態と同様である。したがって、表面形状測定装置２１０の物体光ＬＳの光路長がＤ１〜Ｄ１＋Ｚとなる範囲が、表面形状測定装置２１０の奥行き方向の測定範囲となる。
Ｄ２＝Ｄ１＋ΔＺ
Ｄ３＝Ｄ１＋２×ΔＺ＝Ｄ２＋ΔＺ
Ｄ４＝Ｄ１＋３×ΔＺ＝Ｄ３＋ΔＺ
ＤＮ＝Ｄ１＋Ｎ×ΔＺ
参照光生成部２２０において、第２分割光Ｌ２は部分透過ミラー２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎによってそれぞれその一部が反射されて、参照光ＬＲが生成される。例えば、部分透過ミラー２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎの、反射率をα、透過率をβ（α＋β＝１）とすると、各部分透過ミラー２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎにかかる反射光（参照光ＬＲ）及び透過光は以下のように示される。ただし、部分透過ミラー２９１を除く各部分透過ミラー２９２、２９３、２９４、…２９Ｎによる参照光ＬＲは、前段に位置する部分透過ミラーを再び透過したものとされる。
部分透過ミラー２９１： 参照光ＬＲ１；α 透過光；β
部分透過ミラー２９２： 参照光ＬＲ２；α＋（β×α×β） 透過光；β２
部分透過ミラー２９３： 参照光ＬＲ３；α＋（β×α×β）２ 透過光；β３
部分透過ミラー２９４： 参照光ＬＲ４；α＋（β×α×β）３ 透過光；β４
部分透過ミラー２９１： 参照光ＬＲ１；α 透過光；β
部分透過ミラー２９２： 参照光ＬＲ２；α＋（β×α×β） 透過光；β２
部分透過ミラー２９３： 参照光ＬＲ３；α＋（β×α×β）２ 透過光；β３
部分透過ミラー２９４： 参照光ＬＲ４；α＋（β×α×β）３ 透過光；β４
以上のようにして生成される、参照光ＬＲ１、ＬＲ２、ＬＲ３、ＬＲ４、…ＬＲＮのいずれかが物体光ＬＳとの光路長差が可干渉距離ΔＺ以下であれば、被測定体ＭＢの表面形状が測定できる。ただし、どの部分透過ミラー２９１、２９２、２９３、２９４、…２９Ｎにより生成された参照光ＬＲなのかを区別することはできないので、そのままでは奥行きの深い被測定体ＭＢの表面形状を測定できない。したがって、表面形状測定装置２１０は以下に示す処理を行う。
被測定体ＭＢには、通常、設計値が存在する。したがって、この設計値を参照することで、走査ミラー３３によって第１分割光Ｌ１が照射されている被測定体ＭＢ上の点からの物体光ＬＳの光路長を概ね推定する。この物体光ＬＳの光路長の推定値から、コントラストの高い干渉縞がどの参照部分透過ミラーから戻ってきた参照光によって形成されているかを推定できる。
表面形状測定装置２１０は、稼働部がないので、表面形状測定装置１０、１１０よりも測定時間を短くできるとともに、装置のコストも低下できる。
ところで、被測定体ＭＢの表面が粗面のとき、光の干渉によりスペックルパターンノイズ（Speckle Pattern Noise）が発生する。スペックルパターンは粒状のパターンであり、多数個の粒のパターンがファイバカプラーのファイバの中に導かれると、干渉強度は平均化され著しくコントラストは低下する。したがって、干渉強度のコントラストが検出できるようにするために、スペックルパターンの粒の大きさは、ファイバカプラーのファイバ径程度より大きくすることが望ましい。これには、ファイバの径をスペックルパターンの粒径と同等以下にする方法と、コリメータレンズ３１の開口数を小さくしてゆきスペックルパターン粒径をファイバの径より大きくする方法がある。この様にすると表面が粗面の被測定体の場合も形状が測定できる。
フーリエドメインＯＣＴの基本型を用いる表面形状測定装置２１０においても、ラインＣＣＤ４７面上に現れるスペックルパターンの粒径はセンサ各画素のサイズより大きくなるように調整される。
フーリエドメインＯＣＴの基本型を用いる表面形状測定装置２１０においても、ラインＣＣＤ４７面上に現れるスペックルパターンの粒径はセンサ各画素のサイズより大きくなるように調整される。
〔第４実施形態〕
次に、図４に基づいて、第４実施形態に係る表面形状測定装置３１０を説明する。
第１実施形態〜参考例は、フーリエドメインＯＣＴに本発明を適用した例であるが、本発明は以下に示すようにタイムドメインＯＣＴに適用することもできる。
第４実施形態に係る表面形状測定装置３１０は、図１に示した構成に対して、参照光路長変化機構６０を付加したところ、参照ミラー１０７の代わりに参照光生成部３２０を設けたところに特徴がある。また、表面形状測定装置３１０は、被測定体１０５を移動させる２軸直交型の移動テーブル１０８を備えている。
次に、図４に基づいて、第４実施形態に係る表面形状測定装置３１０を説明する。
第１実施形態〜参考例は、フーリエドメインＯＣＴに本発明を適用した例であるが、本発明は以下に示すようにタイムドメインＯＣＴに適用することもできる。
第４実施形態に係る表面形状測定装置３１０は、図１に示した構成に対して、参照光路長変化機構６０を付加したところ、参照ミラー１０７の代わりに参照光生成部３２０を設けたところに特徴がある。また、表面形状測定装置３１０は、被測定体１０５を移動させる２軸直交型の移動テーブル１０８を備えている。
参照光路長変化機構６０は、プリズム６１と、ビームスプリッタ１０３から出射される第２分割光Ｌ２をプリズム６１に向けて反射させるミラー６２と、プリズム６１をＸ軸方向にΔＸの範囲で移動させるアクチュエータ（図示省略）を備えている。プリズム６１がミラー６２に最も近い位置を始点といい、プリズム６１がミラー６２に最も遠い位置を終点というものとすると、プリズム６１は始点から終点までΔＸだけ移動する。なお、ミラー６２は固定されている。
ビームスプリッタ１０３からの第２分割光Ｌ２はミラー６２により向きを９０度だけ変えられてプリズム６１の第１面６０ａに照射される。第２分割光Ｌ２は、第２分割光Ｌ２と直交する第１面６０ａを透過した後に、第２面６０ｂ、第３面６０ｃで順に向きを９０度だけ変えられた後に、第１面６０ａから走査ミラー２２３に向けて出射される。
以上のように構成されている参照光路長変化機構６０は、プリズム６１をΔＸだけ移動させることで、第２分割光Ｌ２（参照光ＬＲ）の光路長を２ΔＸだけ変化させることができる。
ビームスプリッタ１０３からの第２分割光Ｌ２はミラー６２により向きを９０度だけ変えられてプリズム６１の第１面６０ａに照射される。第２分割光Ｌ２は、第２分割光Ｌ２と直交する第１面６０ａを透過した後に、第２面６０ｂ、第３面６０ｃで順に向きを９０度だけ変えられた後に、第１面６０ａから走査ミラー２２３に向けて出射される。
以上のように構成されている参照光路長変化機構６０は、プリズム６１をΔＸだけ移動させることで、第２分割光Ｌ２（参照光ＬＲ）の光路長を２ΔＸだけ変化させることができる。
参照光生成部３２０は、走査ミラー２２３及び参照ミラー部２２５を備えており、構成する部材（コリメータレンズ２１を除く）は、第１実施形態にかかる参照光生成部２０と共通する。ただし、参照ミラー部２２５を構成する複数の参照ミラー２２５１、２２５２、２２５３、２２５４、…２２５Ｎは、走査ミラー２２３からの各々の距離をＸ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、…ＸＮとすると、以下を満足するように配置されている。つまり、隣り合う参照ミラー２２５１、２２５２、２２５３、２２５４、…２２５Ｎの走査ミラー２２３から距離の差を２ΔＸにしてある。
Ｘ２＝Ｘ１＋２ΔＸ
Ｘ３＝Ｘ１＋４ΔＸ
Ｘ４＝Ｘ１＋６ΔＸ
ＸＮ＝Ｘ１＋２（Ｎ−１）ΔＸ
Ｘ２＝Ｘ１＋２ΔＸ
Ｘ３＝Ｘ１＋４ΔＸ
Ｘ４＝Ｘ１＋６ΔＸ
ＸＮ＝Ｘ１＋２（Ｎ−１）ΔＸ
以上のように構成される表面形状測定装置３１０は、参照光路長変化機構６０のプリズム６１を反復移動させながら走査ミラー２２３を駆動させることで参照ミラー２２５１、２２５２、２２５３、２２５４、…２２５Ｎに順に第２分割光Ｌ２を照射させる。より具体的には以下の通りである。
走査ミラー２２３を参照ミラー２２５１に対向させた状態で、プリズム６１を始点から終点にむけてΔＸだけ移動させる。この間に参照ミラー２２５１で反射され生成される参照光ＬＲ２１は、光路長が２ΔＸだけ変化する。この行程を第１ステップとする。ここで、走査ミラー２２３を参照ミラー２２５１に対向させる、とは、走査ミラー２２３から反射された第２分割光Ｌ２が参照ミラー２２５１に照射される揺動角にあることをいう。以下も同様である。
プリズム６１を始点に復帰させるとともに、走査ミラー２２３を参照ミラー２２５２に対向させる。そうしたならば、プリズム６１を始点から終点にむけてΔＸだけ移動させる。この間に参照ミラー２２５２で反射され生成される参照光ＬＲ２１は、光路長が２ΔＸだけ変化する。この行程を第２ステップとする。
以後も、プリズム６１を始点に復帰させるとともに、走査ミラー２２３を参照ミラー２２５３に対向させたならば、プリズム６１を始点から終点にむけてΔＸだけ移動させる、という手順を参照ミラー２２５Ｎまで繰りかえす。走査ミラー２２３が参照ミラー２２５３に対向してなされる行程を第３ステップ、走査ミラー２２３が参照ミラー２２５４に対向してなされる行程を第４ステップ、走査ミラー２２３が参照ミラー２２５Ｎに対向してなされる行程を第Ｎステップというものとする。
走査ミラー２２３を参照ミラー２２５１に対向させた状態で、プリズム６１を始点から終点にむけてΔＸだけ移動させる。この間に参照ミラー２２５１で反射され生成される参照光ＬＲ２１は、光路長が２ΔＸだけ変化する。この行程を第１ステップとする。ここで、走査ミラー２２３を参照ミラー２２５１に対向させる、とは、走査ミラー２２３から反射された第２分割光Ｌ２が参照ミラー２２５１に照射される揺動角にあることをいう。以下も同様である。
プリズム６１を始点に復帰させるとともに、走査ミラー２２３を参照ミラー２２５２に対向させる。そうしたならば、プリズム６１を始点から終点にむけてΔＸだけ移動させる。この間に参照ミラー２２５２で反射され生成される参照光ＬＲ２１は、光路長が２ΔＸだけ変化する。この行程を第２ステップとする。
以後も、プリズム６１を始点に復帰させるとともに、走査ミラー２２３を参照ミラー２２５３に対向させたならば、プリズム６１を始点から終点にむけてΔＸだけ移動させる、という手順を参照ミラー２２５Ｎまで繰りかえす。走査ミラー２２３が参照ミラー２２５３に対向してなされる行程を第３ステップ、走査ミラー２２３が参照ミラー２２５４に対向してなされる行程を第４ステップ、走査ミラー２２３が参照ミラー２２５Ｎに対向してなされる行程を第Ｎステップというものとする。
ビームスプリッタ１０３からプリズム６１（始点に位置）を介する走査ミラー２２３までの光路長をＤ２１とする。
第１ステップでは、ビームスプリッタ１０３から参照ミラー２２５１までの光路長が、Ｄ２１＋Ｘ１からＤ２１＋Ｘ１＋２ΔＸまで変化する。
次に、第２ステップでは、ビームスプリッタ１０３から参照ミラー２２５１までの光路長が、Ｄ２１＋Ｘ２（＝Ｘ１＋ΔＸ）からＤ２１＋Ｘ１＋２ΔＸまで変化する。第３ステップ〜第Ｎステップも含めて、各ステップにおける光路長の範囲を下記する。
第１ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋２ΔＸ
第２ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋２ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋４ΔＸ
第３ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋４ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋６ΔＸ
第４ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋６ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋８ΔＸ
第Ｎステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋２（Ｎ−１）ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋２ＮΔＸ
第１ステップでは、ビームスプリッタ１０３から参照ミラー２２５１までの光路長が、Ｄ２１＋Ｘ１からＤ２１＋Ｘ１＋２ΔＸまで変化する。
次に、第２ステップでは、ビームスプリッタ１０３から参照ミラー２２５１までの光路長が、Ｄ２１＋Ｘ２（＝Ｘ１＋ΔＸ）からＤ２１＋Ｘ１＋２ΔＸまで変化する。第３ステップ〜第Ｎステップも含めて、各ステップにおける光路長の範囲を下記する。
第１ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋２ΔＸ
第２ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋２ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋４ΔＸ
第３ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋４ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋６ΔＸ
第４ステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋６ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋８ΔＸ
第Ｎステップ ： Ｄ２１＋Ｘ１＋２（Ｎ−１）ΔＸ 〜 Ｄ２１＋Ｘ１＋２ＮΔＸ
以上の通りであり、走査ミラー２２３を対向させる参照ミラーを参照ミラー２２５１から参照ミラー２２５Ｎまで順に切替えることで、参照光ＬＲの光路長をＤ２１＋Ｘ１ないしＤ２１＋Ｘ１＋２ＮΔＸの広範な範囲に亘って切れ目なく変化させることができる。つまり、ビームスプリッタ１０３から被測定体ＢＭまでの物体光ＬＳの光路長がＤ２１＋Ｘ１ないしＤ２１＋Ｘ１＋２ＮΔＸの範囲に入っていれば、表面形状測定装置３１０は表面形状を測定できる。第Ｎステップが完了すると、移動テーブル１０８を駆動することによって、次の測定点へ第１分割光Ｌ１を移動させる。
表面形状測定装置３１０は、第１実施形態と同様に、走査ミラー２２３の走査に要する時間は、前述のタイムドメインＯＣＴで述べた直線往復運動する参照ミラー１０７を操作するのに要する時間より１桁から２桁短い。したがって、表面形状測定装置３１０によると、従来のタイムドメインＯＣＴに比べて非常に短時間に高精度な形状測定が可能となる。
しかも、参照光路長変化機構６０のプリズム６１を用いることで、プリズム６１の移動距離に対して参照光ＬＲの光路長の変化を２倍になり、同じ光路長の変化に対してプリズム６１の移動距離を短くできる。したがって、表面形状測定装置３１０は、さらに測定時間を短くできる。さらに、プリズム６１の移動距離を短くできるので、ピエゾ素子等の超精密アクチュエータで高精度移動を実現できる。
なお、参照光生成部３２０の代わりに、第２実施形態の参照光生成部１２０を、また、参考例の参照光生成部２２０を用いることができる。
しかも、参照光路長変化機構６０のプリズム６１を用いることで、プリズム６１の移動距離に対して参照光ＬＲの光路長の変化を２倍になり、同じ光路長の変化に対してプリズム６１の移動距離を短くできる。したがって、表面形状測定装置３１０は、さらに測定時間を短くできる。さらに、プリズム６１の移動距離を短くできるので、ピエゾ素子等の超精密アクチュエータで高精度移動を実現できる。
なお、参照光生成部３２０の代わりに、第２実施形態の参照光生成部１２０を、また、参考例の参照光生成部２２０を用いることができる。
〔第１変形例〕
第１実施形態〜参考例では、被測定体ＭＢ上に物体光ＬＳを走査する方法として、走査ミラー３３を用いた。この方法では第１分割光Ｌ１（物体光ＬＳ）の照射点の移動を短時間に行える利点があるが、物体光ＬＳを所望する位置に正確に照射するには非常に精度の高い、つまりコストの高い回転機構を必要とする。これに対して、第４実施形態で用いた２軸直交型の移動テーブル１０８は、低コストでありながら高精度な位置決めができる。したがって、測定時間を多少は犠牲にしてもよい場合には、２軸直交型の移動テーブル１０８で被測定体ＭＢを移動させて第１分割光Ｌ１の照射位置を移動させることが好ましい。
第１実施形態〜参考例では、被測定体ＭＢ上に物体光ＬＳを走査する方法として、走査ミラー３３を用いた。この方法では第１分割光Ｌ１（物体光ＬＳ）の照射点の移動を短時間に行える利点があるが、物体光ＬＳを所望する位置に正確に照射するには非常に精度の高い、つまりコストの高い回転機構を必要とする。これに対して、第４実施形態で用いた２軸直交型の移動テーブル１０８は、低コストでありながら高精度な位置決めができる。したがって、測定時間を多少は犠牲にしてもよい場合には、２軸直交型の移動テーブル１０８で被測定体ＭＢを移動させて第１分割光Ｌ１の照射位置を移動させることが好ましい。
〔第２変形例〕
第１実施形態では、Ｎ個の参照ミラーを所定の位置に正確に置かなければならないが、その位置の校正が必要となる場合がある。この場合には、校正機構を用いることができる。この校正機構としては、図５に示す様に被測定体ＭＢの代わりに校正ミラー移動機構７０を用いることができる。校正ミラー移動機構７０は、ベース７１と、ベース７１上を第１分割光Ｌ１（物体光ＬＳ）の光軸方向に位置を特定しながら精度よく移動できる校正用ミラー７２を備えている。
校正用ミラー７２を正確に移動させる。この移動の過程において、校正用ミラー７２の位置、つまり物体光ＬＳの光路長は既知である。したがって、校正用ミラー７２の位置と測定結果を比較することによって、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの位置の誤差を特定できる。この誤差を補正値とし、実際の被測定体ＭＢの測定値にこの補正値を加算することによって、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの位置の誤差にかかわらず正確な形状測定を行うことができる。
第１実施形態では、Ｎ個の参照ミラーを所定の位置に正確に置かなければならないが、その位置の校正が必要となる場合がある。この場合には、校正機構を用いることができる。この校正機構としては、図５に示す様に被測定体ＭＢの代わりに校正ミラー移動機構７０を用いることができる。校正ミラー移動機構７０は、ベース７１と、ベース７１上を第１分割光Ｌ１（物体光ＬＳ）の光軸方向に位置を特定しながら精度よく移動できる校正用ミラー７２を備えている。
校正用ミラー７２を正確に移動させる。この移動の過程において、校正用ミラー７２の位置、つまり物体光ＬＳの光路長は既知である。したがって、校正用ミラー７２の位置と測定結果を比較することによって、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの位置の誤差を特定できる。この誤差を補正値とし、実際の被測定体ＭＢの測定値にこの補正値を加算することによって、参照ミラー２５１、２５２、２５３、２５４、…２５Ｎの位置の誤差にかかわらず正確な形状測定を行うことができる。
〔第３変形例〕
第２実施形態では、参照光生成部１２０に揺動される走査ミラー２３を用いたが、図６に示すように、ポリゴンミラー８０を用いることができる。ポリゴンミラー８０を用いると、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎに対する第２分割光Ｌ２の照射を速く切り替えることができる。
第２実施形態では、参照光生成部１２０に揺動される走査ミラー２３を用いたが、図６に示すように、ポリゴンミラー８０を用いることができる。ポリゴンミラー８０を用いると、光ファイバ２７１、２７２、２７３、…２７Ｎに対する第２分割光Ｌ２の照射を速く切り替えることができる。
〔第４変形例〕
第１実施形態〜参考例では走査ミラー３３を動作させて第１分割光Ｌ１を被測定体ＭＢに照射しているが、図７に示すように、回転エンコーダが設けられた回転テーブル８３に被測定体ＭＢを載せて、回転テーブル８３を回転させながら第１分割光Ｌ１を被測定体ＭＢに照射するようにすれば、第１分割光Ｌ１の走査は上下方向だけで足りる。また、上述した２軸直交型の移動テーブルにおいて、水平軸方向の移動をこの回転テーブル８３に受け持たせれば、装置のコストが下がるとともに、移動の精度も向上する。被測定体ＭＢが軸対称の回転体又はそれに近似する形状の場合、回転テーブル８３を用いるのが有効である。
第１実施形態〜参考例では走査ミラー３３を動作させて第１分割光Ｌ１を被測定体ＭＢに照射しているが、図７に示すように、回転エンコーダが設けられた回転テーブル８３に被測定体ＭＢを載せて、回転テーブル８３を回転させながら第１分割光Ｌ１を被測定体ＭＢに照射するようにすれば、第１分割光Ｌ１の走査は上下方向だけで足りる。また、上述した２軸直交型の移動テーブルにおいて、水平軸方向の移動をこの回転テーブル８３に受け持たせれば、装置のコストが下がるとともに、移動の精度も向上する。被測定体ＭＢが軸対称の回転体又はそれに近似する形状の場合、回転テーブル８３を用いるのが有効である。
〔第５変形例〕
第１分割光Ｌ１が被測定面に照射されるまでの光路を戻る物体光ＬＳが弱くなると、高い精度で測定を行うことができなくなる。したがって、被測定体ＭＢに照射される面（被測定面）に対して第１分割光Ｌ１は垂直に入射されることが要求される。したがって、被測定体ＭＢが、例えばバックミラーのように光沢があり、かつ第１分割光Ｌ１が照射される面が湾曲した面を有する場合には、第１分割光Ｌ１が被測定面に垂直に入射されるように制御することが望まれる。
第１分割光Ｌ１が被測定面に照射されるまでの光路を戻る物体光ＬＳが弱くなると、高い精度で測定を行うことができなくなる。したがって、被測定体ＭＢに照射される面（被測定面）に対して第１分割光Ｌ１は垂直に入射されることが要求される。したがって、被測定体ＭＢが、例えばバックミラーのように光沢があり、かつ第１分割光Ｌ１が照射される面が湾曲した面を有する場合には、第１分割光Ｌ１が被測定面に垂直に入射されるように制御することが望まれる。
そこで、図８に示すように、被測定体ＭＢの姿勢を制御して第１分割光Ｌ１が被測定面に垂直に入射されるように制御する姿勢制御機構９０を設けることが好ましい。
姿勢制御機構９０は、物体光ＬＳの位置を測定する位置センサ９１と、物体光ＬＳを位置センサ９１上に集光させる対物レンズ９３と、位置センサ９１による測定結果に基づいて被測定体ＭＢの姿勢を制御する姿勢制御装置９５を備える。姿勢制御機構９０における走査ミラー３３は、物体光ＬＳの一部を透過させる部分透過ミラーを採用する。
姿勢制御機構９０は、被測定体ＭＢをＸ軸方向（水平方向）、Ｚ軸方向（鉛直方向）に移動させることができるとともに、回転補正及び煽り補正が行える機械要素を備えている。また、姿勢制御機構９０はエンコーダを備える。位置センサ９１からの出力を姿勢制御装置９５にフィードバックし、被測定面に第１分割光Ｌ１が垂直に入射するように被測定体ＭＢの姿勢を制御する。このとき、被測定体ＭＢの姿勢、位置はエンコーダで把握し、その値を３次元測定値に補正する。このようにすると、被測定面が湾曲しかつ光沢があっても、被測定面の形状を高い精度で測定できる。
なお、被測定体ＭＢの設計値に基づいて、第１分割光Ｌ１が垂直に入射するように被測定体ＭＢの姿勢を予め制御しておくと、位置センサ９１に確実に物体光ＬＳを照射させることができる。
姿勢制御機構９０は、物体光ＬＳの位置を測定する位置センサ９１と、物体光ＬＳを位置センサ９１上に集光させる対物レンズ９３と、位置センサ９１による測定結果に基づいて被測定体ＭＢの姿勢を制御する姿勢制御装置９５を備える。姿勢制御機構９０における走査ミラー３３は、物体光ＬＳの一部を透過させる部分透過ミラーを採用する。
姿勢制御機構９０は、被測定体ＭＢをＸ軸方向（水平方向）、Ｚ軸方向（鉛直方向）に移動させることができるとともに、回転補正及び煽り補正が行える機械要素を備えている。また、姿勢制御機構９０はエンコーダを備える。位置センサ９１からの出力を姿勢制御装置９５にフィードバックし、被測定面に第１分割光Ｌ１が垂直に入射するように被測定体ＭＢの姿勢を制御する。このとき、被測定体ＭＢの姿勢、位置はエンコーダで把握し、その値を３次元測定値に補正する。このようにすると、被測定面が湾曲しかつ光沢があっても、被測定面の形状を高い精度で測定できる。
なお、被測定体ＭＢの設計値に基づいて、第１分割光Ｌ１が垂直に入射するように被測定体ＭＢの姿勢を予め制御しておくと、位置センサ９１に確実に物体光ＬＳを照射させることができる。
〔第６変形例〕
以上説明した実施形態では、測定部４０にラインＣＣＤ４７を用いたが、特許文献１にて提案されているように、２次元ＣＣＤとシリンドリカルレンズの組み合わせを本発明に適用することができる。そうすると、特許文献１で述べられているように、ワンショットで深さ方向の情報に加え、被測定体の横（又は縦）方向の位置の情報も一度で得ることができる。この場合、被測定体ＭＢの移動機構は、２軸直交型の移動テーブルとする必要がなく、１軸移動型のテーブルで足りるので、装置のコストを低減できるとともに、測定時間の短縮にも寄与する。
以上説明した実施形態では、測定部４０にラインＣＣＤ４７を用いたが、特許文献１にて提案されているように、２次元ＣＣＤとシリンドリカルレンズの組み合わせを本発明に適用することができる。そうすると、特許文献１で述べられているように、ワンショットで深さ方向の情報に加え、被測定体の横（又は縦）方向の位置の情報も一度で得ることができる。この場合、被測定体ＭＢの移動機構は、２軸直交型の移動テーブルとする必要がなく、１軸移動型のテーブルで足りるので、装置のコストを低減できるとともに、測定時間の短縮にも寄与する。
以上説明し以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
１０、１１０…表面形状測定装置
１１…光源、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…光ファイバ、１３…フォトカプラ
２０，１２０，２２０…参照光生成部
２１…コリメータレンズ、２３…走査ミラー、２４…走査軸
２５…参照ミラー部、２５１、２５２、２５３、２５４、２５Ｎ…参照ミラー
２７…参照光ファイバ部、２７１、２７２、２７３、２７Ｎ…光ファイバ
２９…部分透過ミラー部、２９１、２９２、２９３、２９４、２９Ｎ…部分透過ミラー
３０…物体光生成部
３１…コリメータレンズ、３３…走査ミラー、３５…対物レンズ
４０…測定部
４１…コリメータレンズ、４３…回折格子、４５…結像レンズ、４７…ラインＣＣＤ
５０…制御部、６０…参照光路長変化機構、７０…校正ミラー移動機構
８０…ポリゴンミラー、８３…回転テーブル
９０…姿勢制御機構、９１…位置センサ、９３…対物レンズ、９５…姿勢制御装置
ＭＢ…被測定体
Ｌ０…検査光、ＬＳ…物体光、ＬＲ…参照光、ＬＣ…検出光
Ｌ１…第１分割光、Ｌ２…第２分割光
１１…光源、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…光ファイバ、１３…フォトカプラ
２０，１２０，２２０…参照光生成部
２１…コリメータレンズ、２３…走査ミラー、２４…走査軸
２５…参照ミラー部、２５１、２５２、２５３、２５４、２５Ｎ…参照ミラー
２７…参照光ファイバ部、２７１、２７２、２７３、２７Ｎ…光ファイバ
２９…部分透過ミラー部、２９１、２９２、２９３、２９４、２９Ｎ…部分透過ミラー
３０…物体光生成部
３１…コリメータレンズ、３３…走査ミラー、３５…対物レンズ
４０…測定部
４１…コリメータレンズ、４３…回折格子、４５…結像レンズ、４７…ラインＣＣＤ
５０…制御部、６０…参照光路長変化機構、７０…校正ミラー移動機構
８０…ポリゴンミラー、８３…回転テーブル
９０…姿勢制御機構、９１…位置センサ、９３…対物レンズ、９５…姿勢制御装置
ＭＢ…被測定体
Ｌ０…検査光、ＬＳ…物体光、ＬＲ…参照光、ＬＣ…検出光
Ｌ１…第１分割光、Ｌ２…第２分割光
Claims (4)
- 検査光を出力する光源と、
前記光源から出力される前記検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第１分割光と、参照光生成部に照射される第２分割光と、に分割する光分割部と、
前記被測定体の表面で前記第１分割光が反射して得られる物体光と、前記参照光生成部で前記第２分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成する干渉光生成部と、
前記干渉光生成部によって生成された前記干渉光の強度を検出する検出部と、を備え、
前記参照光生成部は、
各々の光路の末端に光反射面を有し、前記光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第１生成部ないし第Ｎ生成部（Ｎ＝２以上の整数）からなる複数の参照光生成部を備え、
前記第１生成部から前記第Ｎ生成部にかけての前記光路長の差ΔＤの総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されており、
前記光路長の差ΔＤが、前記可干渉距離ΔＺであり、
前記第１生成部から前記第Ｎ生成部に向けて、前記光路長の差ΔＤが前記ΔＺずつ増えるように前記第１生成部ないし前記第Ｎ生成部が順に配置され、かつ、
前記参照光生成部は、
前記第１生成部ないし前記第Ｎ生成部の各々の前記光反射面に対応して配置される、第１参照ミラーないし第Ｎ参照ミラーと、
前記第２分割光を反射させて、前記第１参照ミラーないし前記第Ｎ参照ミラーに向けて照射する第１走査ミラーと、を備える
ことを特徴とする表面形状測定装置。 - 前記第１走査ミラーは、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置され、
前記第１参照ミラーないし前記第Ｎ参照ミラーは、前記走査軸を中心とする円弧上に、前記第１参照ミラーから前記第Ｎ参照ミラーの順に光路長の差ΔＤを設けて配置され、
前記走査ミラーは、前記第１参照ミラーないし前記第Ｎ参照ミラーの順に、前記第２分割光を照射するように駆動される、
請求項１に記載の表面形状測定装置。 - 検査光を出力する光源と、
前記光源から出力される前記検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第１分割光と、参照光生成部に照射される第２分割光と、に分割する光分割部と、
前記被測定体の表面で前記第１分割光が反射して得られる物体光と、前記参照光生成部で前記第２分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成する干渉光生成部と、
前記干渉光生成部によって生成された前記干渉光の強度を検出する検出部と、を備え、
前記参照光生成部は、
各々の光路の末端に光反射面を有し、前記光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第１生成部ないし第Ｎ生成部（Ｎ＝２以上の整数）からなる複数の参照光生成部を備え、
前記第１生成部から前記第Ｎ生成部にかけての前記光路長の差ΔＤの総和が、可干渉距離ΔＺの２倍以上に設定されており、
前記光路長の差ΔＤが、前記可干渉距離ΔＺであり、
前記第１生成部から前記第Ｎ生成部に向けて、前記光路長の差ΔＤが前記ΔＺずつ増えるように前記第１生成部ないし前記第Ｎ生成部が順に配置され、かつ、
前記参照光生成部は、
前記第１生成部ないし前記第Ｎ生成部の各々の前記光反射面に向けて前記第２分割光を導く、第１光ファイバないし第Ｎ光ファイバと、
前記第２分割光を反射させて、前記第１光ファイバないし前記第Ｎ光ファイバに向けて照射させる第２走査ミラーと、を備える
ことを特徴とする表面形状測定装置。 - 前記第２走査ミラーは、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置され、
前記第１光ファイバないし前記第Ｎ光ファイバの順に、前記第２分割光を照射するように駆動される、
請求項３に記載の表面形状測定装置。
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