JP7317523B2 - 光干渉測定装置 - Google Patents

Description

本願は２０１８年３月７日付で出願された特願２０１８－０４０３７５の米国特許法第１１９条に基づく優先権を主張し、その開示はその全体が参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

本発明は三次元形状を測定する測定装置に関し、より詳しくは、本質的に円筒形の表面の形状を測定する光干渉測定装置に関する。

測定対象物の表面高さ、表面粗さ、三次元形状などを非接触で測定する測定方法の一つとして、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を利用する光干渉法が知られている。この用途の光干渉測定装置においては、参照光路の光路長と測定光路の光路長とが一致するピント位置において各波長の干渉縞のピークが重なり合い合成され、干渉縞の輝度が大きくなることを利用している。したがって、この光干渉測定装置では、参照光路または測定光路の光路長を変化させるスキャンを行いながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をＣＣＤカメラ等の撮像素子により撮影する。そして、撮影視野内の各測定位置で干渉縞の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定する（例えば、特許文献１～３参照。）。測定対象が複数の撮影視野に跨る場合には、各視野において順番にスキャンを行う。また、撮像視野内の様々な測定位置において干渉縞の強度がピークとなる焦点位置を検出することにより、各測定位置における測定面の高さおよびその測定面の３次元形状を測定する。 例えば、測定対象物を測定する（例えば、特開２０１１－１９１１１８号公報、特開２０１５－０４５５７５号公報および特開２０１５－１１８０７６号公報参照）。 測定対象物が複数の撮像視野にまたがると、各視野において順にスキャンが行われる。

しかしながら、測定対象物の表面が円筒形である場合、測定対象範囲をカバーすべく撮影視野を変更しながら、各視野についてスキャンを行う必要がある。また、対象物の表面は湾曲した形状となっているため、平坦な面を測定する場合と比べて半径方向にスキャンする範囲を大きくする必要があり、測定に時間がかかる。

本発明は、対象物の円筒形の表面について短時間で形状を測定することができる非接触表面測定のための光干渉法を利用した測定用光学装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光干渉測定装置は、対象物の円筒形の表面の形状を測定する光干渉測定装置であって、対象物の湾曲した表面に照明により生成された測定光を照射するとともに対象物からの反射光を集光し、当該反射光と参照光とを合成した合成波を生成する干渉光学系と、干渉光学系に結合され、干渉光学系を対象物の円筒形の中心軸と一致する回転軸を中心として回転移動させる回転駆動機構と、二次元に配列された複数の受光素子により、合成波の強度の二次元分布を取得するセンサと、回転駆動機構による回転角が異なる状態で取得した複数の二次元分布に基づいて対象物の形状を算出する演算装置とを備えることを特徴とする。このような構成によれば、対象物の円筒形の表面の形状について短時間で測定することができる。

本発明では、光干渉測定装置は、干渉光学系の回転軸からの距離を一定に保ちつつ干渉光学系を回転駆動機構により所定の単位回転角ずつ回転移動させ、各回転角にてセンサにより二次元分布を取得するとよい。このようにすれば、対象物の測定面に垂直な方向への走査を繰り返すことなく、対象物の円筒形の表面の形状を連続的に測定することができる。

本発明では、干渉光学系は、入射する光を参照光と測定光とに分岐するとともに、参照光路を経た光と対象物からの反射光とを合成した合成波を出力するビームスプリッタと、参照光路に設けられ参照光を反射する参照ミラーとを備え、参照ミラーは、測定光の光軸と平行な方向を傾斜軸として、参照光の光軸に対し傾斜して配置されるとよい。このようにすれば、対象物Ｗの凹凸に応じた干渉強度の変化の感度を高めることができる。

本発明では、参照ミラーは、測定される表面の形状に対応して反射面が部分円筒状の凹形または凸形に形成されることを特徴とするとよい。また、参照ミラーの反射面が成す曲面の曲率が可変であるとよい。

本発明では、干渉光学系は、対象物の円筒形の表面に照射する測定光の光軸を延長した直線が回転軸を通らないように配置されるとよい。このようにしても、対象物の凹凸に応じた干渉強度の変化の感度を高めることができる。

本発明では、光干渉測定装置は、干渉光学系を回転軸に沿った方向に移動させる軸方向駆動機構をさらに備え、干渉光学系をらせん状に移動させ、らせんに沿った各位置にて位置センサにより二次元分布を取得するとよい。

本発明では、光干渉測定装置は、回転軸に沿った方向における位置が互いに異なる複数の干渉光学系を備えるとよい。このようにすれば、回転軸に沿った方向における測定範囲を広げることができ、測定時間を短縮することができる。

本発明では、光干渉測定装置は、干渉光学系に結合され、干渉光学系を回転軸と直交する半径方向に移動させる動径方向駆動機構をさらに備えるとよい。このようにすれば、様々な径の円筒形の対象物について、適切なピント位置で測定を行うことができる。

本発明では、動径方向駆動機構は、系を半径方向に移動させないように構成するとよい。このようにすれば、動径方向駆動機構の負荷を軽くすることができ、半駅方向の移動を容易とすることができる。

本発明は、本発明の例示的な実施形態の非限定的な例として、言及した複数の図面を参照して、以下の詳細な説明においてさらに説明され、いくつかの図面を通して同様の参照番号は同様の部分を表す。
本実施形態に係る画像測定装置の全体構成を示す図である。 干渉光学系の構成を例示する模式図である。 参照ミラーの傾斜を説明するための模式図である。 駆動機構部の構成を干渉光学系とともに示す模式図である。 コンピュータの構成を例示するブロック図である。 本実施形態に係る測定プログラムの流れを例示するフローチャートである。 本実施形態に係る測定プログラムの流れを例示するフローチャートである。 図８Ａは、回転駆動機構による回転角を変化させて撮像した干渉画像を模式的に示している。 図８Ｂは、回転駆動機構による回転角を変化させて撮像した干渉画像を模式的に示している。 図８Ｃは、回転駆動機構による回転角を変化させて撮像した干渉画像を模式的に示している。 図８Ｄは、回転駆動機構による回転角を変化させて撮像した干渉画像を模式的に示している。 図９Ａは、データを３次元のメモリ空間に格納した画像スタックを模式的に示している。 図９Ｂは、図９Ａの画像スタックを再構成したシフト画像スタックを模式的に示している。 回転角の変化に対する干渉高強度の変化の一例を示すグラフである。 実施形態の一つの変形例における、干渉光学系の配置を説明するための模式図（上面図）である。 実施形態の他の変形例における干渉光学系の配置を説明するための模式図（斜視図）である。 実施形態のさらに他の変形例における干渉光学系の配置を説明するための模式図（側面図）である。

本明細書に示される詳細は、例として、そして本発明の実施形態の例示的な説明の目的のためだけのものであり、本発明の原理的および概念的側面の最も有用で容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示される。この点に関して、本発明の基本的な理解のために必要とされるよりも詳細に本発明の構造の詳細を示すことは試みられておらず、図面と共になされる説明は、本発明の形態が実際にどのように具体化され得るかを当業者に明らかにする。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

〔測定装置の全体構成〕
図１は、本実施形態に係る測定装置、より具体的には光干渉法を用いた表面測定が可能な光学的測定装置の全体構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る光学的測定装置１は、対象物Ｗの形状を測定する装置本体１０と、装置本体１０を制御するとともに、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム２０と、を備える。なお、光学的画像測定装置１は、これらのほかに、測定結果等をプリントアウトするプリンタ等を適宜備えていてもよい。本実施形態に係る光学的画像測定装置１は、２つの非排他的な例を挙げると、例えばシリンダの内壁のような円筒形の内壁、またはピストンのような円筒形の外壁を有し得る。

装置本体１０は、架台１１、ステージ１２、Ｘ軸ガイド１４および撮像ユニット１５を含む。本実施形態において、Ｘ軸方向（Ｘ軸に沿った方向）とは、ステージ１２の面に沿った一方向である。Ｙ軸方向（Ｙ軸に沿った方向）とは、ステージ１２の面に沿った方向でＸ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向（Ｚ軸に沿った方向）とは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向は上下方向とも言う。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は水平方向とも言う。

架台１１は、例えば除振台３の上に配置され、外部の震動が架台１１の上のステージ１２や撮像ユニット１５へ伝わることを抑制している。ステージ１２は、架台１１の上に配置される。ステージ１２は、測定の対象物Ｗを載置する台である。ステージ１２は、図示しないＹ軸駆動機構により架台１１に対してＹ軸方向に移動可能に設けられる。

架台１１の両側部には支持部１３ａおよび１３ｂが設けられる。支持部１３ａおよび１３ｂのそれぞれは架台１１の側部から上方に延びるよう設けられる。Ｘ軸ガイド１４はこの支持部１３ａおよび１３ｂの上に、これらを跨ぐように設けられる。Ｘ軸ガイド１４には撮像ユニット１５が取り付けられる。

撮像ユニット１５は、図示しないＸ軸駆動機構によりＸ軸ガイド１４に沿いＸ軸方向に移動可能に設けられ、Ｚ軸駆動機構によってＺ軸方向に移動可能に設けられる。このような駆動機構により、ステージ１２上の対象物Ｗと、撮像ユニット１５とのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれに沿った相対的な位置関係が設定可能になる。すなわち、この位置関係を調整することで、撮像ユニット１５による撮像領域を対象物Ｗの測定領域に合わせることができる。一つの態様によれば、対象物を測定するために対象物Ｗが固定され、撮像ユニット１５が固定された対象物に対して移動される。しかしながら、別の態様によれば、対象物を測定するために、撮像ユニット１５を固定し、対象物Ｗを固定された撮像装置に対して移動させることができる。

撮像ユニット１５は、対象物Ｗの二次元画像を撮像する画像光学系１５１および光干渉測定により対象物Ｗの三次元形状を測定する干渉光学系１５２を着脱可能に備え、いずれかの光学系を用いて、コンピュータシステム２０が設定する測定位置で対象物Ｗを測定する。撮像ユニット１５は、干渉光学系１５２を移動させるための駆動機構部１５３を備える。

画像光学系１５１の測定視野は干渉光学系１５２の測定視野よりも通常広く設定し、コンピュータシステム２０による制御により、両光学系を切り替えて使用できる。画像光学系１５１と干渉光学系１５２は、切り替えの前後で測定の座標軸が変化しないよう予めキャリブレーションされる。

画像光学系１５１は、撮像素子（ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラなど）、照明装置、フォーカシング機構等を備え、対象物Ｗの二次元画像を撮影する。撮影された二次元画像のデータはコンピュータシステム２０に取り込まれる。

干渉光学系１５２は、例えば白色光干渉法によって対象物Ｗの形状測定を行う。本実施形態において干渉光学系１５２は測定光学系の一例である。干渉光学系１５２の詳細については後述する。

コンピュータシステム２０は、コンピュータ本体２０１、キーボード２０２、マウス２０４およびディスプレイ２０５を備える。コンピュータ本体２０１は、装置本体１０の動作等を制御する。コンピュータ本体２０１は、制御ボード等の回路（ハードウェア）およびＣＰＵで実行されるプログラム（ソフトウェア）によって装置本体１０の動作を制御する。また、コンピュータ本体２０１は、装置本体１０から出力される信号に基づき対象物Ｗの情報を演算し、演算結果をディスプレイ２０５に表示する。

ジョイスティック２０３は、対象物Ｗを撮像する位置を設定する際に用いられる。すなわち、ユーザがジョイスティック２０３を操作することで、対象物Ｗと撮像ユニット１５との相対的な位置関係が変化して、ディスプレイ２０５に表示される撮像領域の位置を調整することができる。

図２は、干渉光学系の構成を例示する模式図である。図２に示すように、干渉光学系１５２は、光出射部（照明）２００と、照明光学部２１と、対物レンズ部２２と、参照ミラー部２３と、結像レンズ２４と、撮像部２５とを備える。対物レンズ部２２および参照ミラー部２３はさらに、干渉対物レンズアセンブリ１５２ａと見なすことができる。

光出射部（照明）２００は、広帯域にわたる多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出力する光源を備え、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源が用いられる。あるいは、狭帯域光源、例えばレーザまたは狭帯域幅ＬＥＤ照明を用いることもできる。

照明光学部２１は、ビームスプリッタ２１１と、コリメータレンズ２１２とを備えている。光出射部２００から出射した光は、対物レンズ部２２の光軸と直角の方向から、コリメータレンズ２１２を介してビームスプリッタ２１１に平行に照射され、ビームスプリッタ２１１からは光軸に沿った光が出射されて、対物レンズ部２２に対して上方から平行ビームが照射される。

干渉対物レンズアセンブリ１５２ａにおいて、対物レンズ部２２は、対物レンズ２２１、ビームスプリッタ２２２等を備えて構成される。対物レンズ部２２においては、上方から平行ビームが対物レンズ２２１に入射した場合、入射光は対物レンズ２２１で収束光となり、ビームスプリッタ２２２の内部の反射面２２２ａに入射する。ここで、入射光は、参照ミラー部２３内の参照ミラー２３１を有する参照光路（図中破線）を進む透過光（参照光）と、対象物Ｗを配置した箇所に向かって測定光路（図中実線）を進む反射光（測定光）とに分割される。反射面２２２ａにより、反射光の光軸方向は入射光の光軸方向と直交する方向となる。ここで、入射光の光軸方向と直交する方向として種々の方向が考えられるが、反射光の光軸方向は、後述する回転駆動機構１５３ａの中心から外側に向かう径方向に向けられ、対象物Ｗに照射される。透過光は、収束して参照ミラー２３１で反射され、更にビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａを透過する。一方、反射光は、収束して対象物Ｗで反射され、ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより反射される。参照ミラー２３１からの反射光と対象物Ｗからの反射光とはビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａにより合成されて合成波となる。

ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａの位置で合成された合成波は、対物レンズ２２１で平行ビームになり上方へ進み、照明光学部２１内のビームスプリッタ２１１を通過して、結像レンズ２４に入射する（図２中一点鎖線）。結像レンズ２４は合成波を収束させ撮像部２５上に干渉画像を結像させる。

参照ミラー部２３は、上述のビームスプリッタ２２２により分岐された参照光路を進む透過光（参照光）を反射する参照ミラー２３１を保持する。参照ミラー２３１の反射面は平坦な鏡面とされる。参照ミラー２３１は、透過光（参照光）の光軸と直交するように配置されてもよいが、本実施形態では、図３に示したように、反射光（測定光）の光軸Ｃと平行な方向を傾斜軸として透過光の光軸に対し傾斜して配置されるのが好ましい（図３中では傾斜角をθとして示した）。このように参照ミラー２３１を傾斜させることにより、参照ミラー２３１内の反射位置によって参照光路の光路長に差が生じる。参照ミラー２３１の傾斜量は、撮像部２５による撮像視野内における対象物Ｗの凹凸の大きさが、光路長の差と同程度となるようにするのが好ましい。このように参照ミラー２３１を傾斜させることで、対象物Ｗの凹凸に応じた干渉縞の変化の感度を高めることができる。

例えば対象物Ｗがシリンダのような円筒形の内壁の場合、内壁面はステージ１２に対してほぼ垂直に配置される。このため、対物レンズ２２１による収束光をビームスプリッタ２２２で直角に（水平方向に）反射して、垂直に配置されるシリンダの内壁面に測定光を照射する。

以上で説明した様に、照明光学部２１、対物レンズ部２２、及び参照ミラー部２３は、本発明における干渉光学系１５２に相当し、対象物Ｗの内壁に測定光を照射するとともに対象物Ｗからの反射光を集光し、当該反射光と参照光とを合成した合成波を生成する。以下では、照明光学部２１、対物レンズ部２２、及び参照ミラー部２３これらをまとめて「干渉光学系」と呼ぶ場合がある。

撮像部２５は、撮像手段を構成するための二次元の撮像素子からなるＣＣＤカメラ等であり、対物レンズ部２２から出力された合成波（対象物Ｗからの反射光と参照ミラー２３１からの反射光）の強度の二次元分布である干渉画像を撮像する。撮像された画像のデータはコンピュータシステム２０に取り込まれる。

駆動機構部１５３は、干渉光学系１５２を支持し、コンピュータシステム２０からの移動指令に基づき、干渉光学系１５２を移動させる。図４は、駆動機構部１５３の構成を干渉光学系１５２とともに示す模式図である。駆動機構部１５３は、回転駆動機構１５３ａと、動径方向駆動機構１５３ｂとを備える。回転駆動機構１５３ａは、干渉光学系１５２に直接又は間接的に結合され、干渉光学系１５２を回転軸Ａを中心として回転移動させる。なお、回転軸Ａは、対物レンズ２２１への入射光の光軸と平行になるように調整される。動径方向駆動機構１５３ｂは、干渉光学系１５２に直接又は間接的に結合され、干渉光学系１５２を回転軸Ａと直交する半径方向に移動させる。駆動機構部１５３は、回転駆動機構１５３ａ及び動径方向駆動機構１５３ｂの他に、干渉光学系１５２を、回転軸Ａと平行な方向に移動させる軸方向駆動機構を備えてもよいが、対物レンズ２２１への入射光の光軸がＺ軸と平行にアライメントされる場合には、本体のＺ軸駆動機構を軸方向駆動機構として流用することができる。本実施形態では、本体のＺ軸駆動機構を軸方向駆動機構として流用するものとする。

〔測定方法および測定プログラム〕
上記のような構成の画像測定装置１により、円筒形の表面を有する対象物Ｗについて表面の測定を行う方法を説明する。
測定方法は、次のような工程を有する。
（１）対象物Ｗに対する干渉光学系１５２の位置を決定する工程
（２）干渉光学系１５２の径方向位置を固定した状態で、回転駆動機構１５３ａを所定角度ずつ移動させながら干渉画像を順次撮像する工程
（３）複数の干渉画像に基づき、対象物Ｗの三次元形状を得る工程

上記（１）～（３）の各工程は、例えば、画像測定装置１のコンピュータシステム２０や、装置本体１０で取得した三次元データを読み込んだコンピュータによって実行されるプログラム（測定プログラム）によって実行される。コンピュータは、コンピュータシステム２０に含まれていてもよい。

図５は、コンピュータの構成を例示するブロック図である。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１１、インタフェース部３１２、出力部３１３、入力部３１４、主記憶部３１５及び副記憶部３１６を備える。

ＣＰＵ３１１は、各種プログラムの実行によって各部を制御する。インタフェース部３１２は、外部機器との情報入出力を行う部分である。本実施形態では、装置本体１０から送られる情報をインタフェース部３１２を介してコンピュータに取り込む。また、コンピュータからインタフェース部３１２を介して情報を装置本体１０へ送る。インタフェース部３１２は、コンピュータをＬＡＮ（Local Area Network）やＷＡＮ（Wide Area Network）に接続する部分でもある。

出力部３１３は、コンピュータで処理した結果を出力する部分である。出力部３１３には、例えば、図１に示すディスプレイ２０５や、プリンタなどが用いられる。入力部３１４は、ユーザから情報を受け付ける部分である。入力部３１４には、キーボードやマウスなどが用いられる。また、入力部３１４は、記録媒体ＭＭに記録された情報を読み取る機能を含む。

主記憶部３１５には、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）が用いられる。主記憶部３１５の一部として、副記憶部３１６の一部が用いられてもよい。副記憶部３１６には、例えばＨＤＤ（Hard disk drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）が用いられる。副記憶部３１６は、ネットワークを介して接続された外部記憶装置であってもよい。

図６及び図７は、本実施形態に係る測定プログラムの流れを例示するフローチャートである。
本実施形態に係る測定プログラムは、コンピュータを上記（１）～（３）の工程に対応した手段として機能させる。図６に示すステップＳ１１０～Ｓ１３０の処理は、上記（１）～（３）の工程に対応している。

先ず、対象物Ｗに対する干渉光学系１５２の位置を決定するアライメント工程を実施する（ステップＳ１１０）。図７は、ステップＳ１１０のアライメント工程の詳細手順を示している。アライメント工程では、まず、粗軸合わせを行う（ステップＳ１１１）。この粗軸合わせでは、例えば、画像光学系１５１により対象物Ｗを撮像して得られた二次元画像や、対象物Ｗの設計データ等に基づき、装置本体１０のＸ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、およびＺ軸駆動機構を用いて、干渉光学系１５２を対象物Ｗに対し相対的に移動させ、（対象物Ｗの）円筒形の表面の中心軸と回転駆動機構１５３ａの回転軸Ａとを大まかに一致させる。

続いて、精軸合わせを行う（ステップＳ１１２）。精軸合わせでは、回転駆動機構１５３ａによる回転角を固定した状態で、動径方向駆動機構１５３ｂにて干渉光学系１５２を径方向に移動させながら（すなわち、（対象物Ｗの）円筒形の表面と干渉光学系１５２との距離を変化させながら）、複数の干渉画像を撮像する。このように径方向に干渉光学系１５２を移動させながら撮像することを以下では径方向スキャンと呼ぶ。そして、撮影視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定面の高さを測定し、対象物Ｗの三次元形状を測定する。このとき得られる三次元形状を、理想的な円筒形にフィッティングすることで、対象物Ｗの正確な中心軸を求める。そして、その中心軸に回転駆動機構１５３ａの回転軸Ａが一致するよう、装置本体１０のＸ軸駆動機構、Ｙ軸駆動機構、およびＺ軸駆動機構を用いて、干渉光学系１５２を対象物Ｗに対し相対的に移動させる。

次に、対象物Ｗの中心軸と回転駆動機構１５３ａの回転軸Ａとが一致した状態で、ピント調整を行う（ステップＳ１１３）。ピント調整では、再び、径方向スキャンを行う。そして、撮影視野内の所定位置（例えば中心）における干渉光の強度がピークとなる径方向ピント位置を検出し、動径方向駆動機構１５３ｂによりその径方向ピント位置に干渉光学系１５２を移動させる。以上により、アライメント工程（Ｓ１１０）が完了する。

アライメント工程に続いて、対象物Ｗの干渉画像を順次撮像する撮像工程を実施する（ステップＳ１２０）。撮像工程では、アライメント工程における径方向スキャンとは異なり、干渉光学系１５２を径方向には移動させない。すなわち、干渉光学系１５２は、径方向の位置については径方向ピント位置に固定され、その状態で回転駆動機構１５３ａにより干渉光学系１５２を、回転軸Ａを中心に所定角度ずつ回転移動させながら干渉画像を順次撮像する。このとき１回の回転移動による回転角は、干渉画像の撮像視野が１ピクセルずれる回転角とするとよい。撮像工程では、径方向の位置については径方向ピント位置に固定された状態を保ちつつ、予め設定された測定範囲をカバーできるように、回転駆動機構１５３ａと軸方向駆動機構とによって撮像視野を移動しながら撮像を繰り返す。撮像視野の移動順序は、軸方向の位置を固定した状態で回転角を変化させ撮像視野を横方向（円筒形の表面の周方向）に移動しつつ、その軸方向の位置にて必要なすべての回転角での撮像を行い、その後、軸方向の位置を移動する、という手順を繰り返す。つまり、撮像工程では、干渉光学系１５２の回転軸Ａからの距離を一定に保ちつつ干渉光学系１５２を回転駆動機構１５３ａにより所定の単位回転角ずつ回転移動させ、各回転角にて干渉画像を取得する。

続いて、撮像工程で得られた複数の干渉画像に基づいて、対象物Ｗの三次元形状を得る解析工程を実施する（ステップＳ１３０）。
図８Ａ～図８Ｄは、回転駆動機構１５３ａによる回転角を変化させて撮像した干渉画像を模式的に示している。各図において正方形で描かれたマスは、１つの画素を表している。なお、本例では発明の思想を理解し易くすべく横方向の画素数を６画素、縦方向の画素数を４画素としたが、画素数は任意に拡張可能であることは言うまでもない。図８Ａは、初期位置で撮像した干渉画像（画像Ｉ_ａ）を模式的に示している。図８Ｂは、初期位置から１ピクセルに相当する角度だけ回転した回転角で撮像した干渉画像（画像Ｉ_ｂ）を模式的に示している。図８Ｃは、初期位置から３ピクセルに相当する角度だけ回転した回転角で撮像した干渉画像（画像Ｉ_ｄ）を模式的に示している。図８Ｄは、初期位置から干渉画像の横画素数より１ピクセル少ない画素数（本例では５ピクセル）に相当する角度だけ回転した回転角で撮像した干渉画像（画像Ｉ_ｆ）を示している。

ここで、各回転角で撮像した画像における対象物Ｗの横方向（円筒形の表面の周方向）の位置（以下では周方向位置という）に着目する。画像Ｉ_ａにおいて、右端（ａ_６）に写っている対象物の周方向位置Ｐは、画像Ｉ_ｂにおいては、撮像視野が相対的に１ピクセル分移動したことに伴い、右から２列目（ｂ_５）に写る。また、周方向位置Ｐは、画像Ｉ_ｄにおいては、右から４列目（ｄ_３）に写る。そして、周方向位置Ｐは、画像Ｉ_ｆにおいては、左端（ｆ_１）に写る。このように、対象物Ｗにおける一つの周方向位置が、複数の干渉画像においては、各画像を撮像時の回転角に応じて、撮像視野内の異なる画素位置に写ることになるが、撮像時の回転角に基づいて、異なる回転角で撮像した複数の画像について、対象物Ｗの同じ周方向位置（例えば周方向位置Ｐ）を特定することが可能である。この後、同様に１ピクセルに相当する回転と撮像を繰り返して、測定範囲を網羅する複数の干渉画像を撮像する。

一方、既に説明したように、本実施形態の画像測定装置１では、参照ミラー２３１が傾斜して配置されているので、撮像視野内の横方向の画素位置によって、参照光の光路長が異なる。したがって、回転駆動機構１５３ａにより干渉光学系１５２を回転させて図８Ａから図８Ｄに示したように対象物Ｗにおける一つの周方向位置（例えば周方向位置Ｐ）が、異なる画素位置に写るようにして複数枚の干渉画像を撮像することは、参照光路の光路長を変化させながら複数枚の干渉画像を撮像することと同様である。

図９Ａは、上記のようにして撮像した８枚の画像Ｉ_ａ～Ｉ_ｈのデータを３次元（画像内での縦（円筒の軸方向位置）、画像内での横（円筒の周方向位置）及び撮像時の回転角の３つの次元に相当）のメモリ空間に格納した画像スタックを模式的に示している。図９Ａに示すように、同一画素で受光したデータを時間軸方向に積み重ねると、画像Ｉ_ａからＩ_ｈまで、撮像時の回転角の違いに伴い、１画像毎に対象部Ｗにおける一つの位置が１ピクセルずつ左にずれる。例えば位置Ｐに対応するデータは、図９Ａ中で網掛けが施された領域に記憶される。このような複数の画像データを、図９Ｂに示したように、各画像における同一画素のデータ（例えば図９Ｂにおいて破線で囲んで示したａ_１～ｈ_１）毎に格納位置を１つずつシフトして再構成したシフト画像スタックとする。図９Ｂに示すように、シフト画像スタックでは、対象部Ｗにおける一つの周方向位置（例えば位置Ｐ。網掛けが施された領域に相当。）に対応するデータが重なる。そして、シフト画像スタックにおける同一の周方向位置に関して、縦方向（積層方向）は回転駆動機構１５３ａによる回転に伴って変化する参照光路の光路長に相当する軸となる。したがって、シフト画像スタックにおける各位置について、縦方向に積み重ねられた干渉光の強度をプロットすると、図１０に示したように、参照光路の光路長を変化させたのと同様、干渉縞に伴う干渉光の強度の増減が見られる。

そこで、シフト画像スタックにおける各位置について干渉光強度の振幅が最大となる参照光の光路長（この参照光の光路長は参照ミラー２３１の傾斜角から算出できる）を利用して、対象物Ｗにおける位置Ｐの高さ（すなわち、干渉光学系１５２からの距離）を求める。解析工程では、対象物Ｗにおける位置Ｐ以外の位置についても同様にして高さを求め、すべての測定点の高さの情報を総合して対象物Ｗの三次元形状として出力する。すなわち、コンピュータは、回転駆動機構１５３ａによる回転角が異なる状態で取得した複数の干渉画像に基づいて対象物Ｗの内壁形状を算出する。

本実施形態の画像測定装置１では、以上のようにして対象物Ｗの三次元形状を測定する。

〔実施形態の変形〕
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、参照ミラー２３１を上記のように傾斜させる場合には、参照ミラー２３１の反射面を対象物Ｗの湾曲に合わせた曲面としてもよい。例えば、参照ミラー２３１の反射面を、測定対象表面の形状に対応する凹形または凸形の部分円筒状に形成してもよい。参照ミラー２３１の反射面を曲面とする場合、その曲率を可変としてもよい。例えば、板バネ状の反射板の両端を、間隔を変更可能な２つの支持体で支持し、当該２つの支持体の間隔を変えることで反射板を撓ませて曲率を変更する構成とするとよい。このように参照ミラー２３１の反射面を対象物Ｗの湾曲に合わせた曲面とすることで、高さ（理想的な湾曲面を基準とする凹凸）と干渉強度の変化との関係が線形に近づき、凹凸の測定精度を高めることができる。

また、図１１に示すように、参照ミラー２３１を傾斜させる代わりに、ビームスプリッタ２２２の反射面２２２ａによる反射光（測定光）の光軸を延長した直線が、回転軸Ａを通らないように、対称な位置からずらして配置してもよい。このようにすれば、円筒形の内壁を対象物Ｗとする場合、当該対象物Ｗにおける１つの位置に着目すると、干渉光学系１５２の回転に伴い、内壁面の湾曲によって測定光の光路長が自ずと変化する。このため、上記の実施形態で参照ミラー２３１を傾斜させたのと同様の効果が得られる。

上記の実施形態では撮像工程において、軸方向の位置を固定した状態で回転角を変化させて干渉画像の撮像視野を横方向（円筒形の表面の周方向）に変更しつつ複数の干渉画像を撮像したが、回転駆動機構１５３ａと軸方向駆動機構とを用いて、撮像視野を螺旋状に変更しながら撮像するようにしてもよい。

上記の実施形態では、１つの回転角でアライメント工程の精軸合わせにおける径方向スキャンや、ピント調整における径方向スキャンを行ったが、これらの径方向スキャンは、１つの回転角だけでなく複数の回転角で行ってもよい。複数の回転角での径方向スキャンの結果を用いることで、誤差を抑制することができる。

上記の実施形態では、画像測定装置１は、対物レンズ部２２及び参照ミラー部２３を１組のみ備えていたが、図１２に示したように、回転軸Ａに沿った方向にずれた位置の干渉画像を撮像する複数の干渉光学系（すなわち、照明光学部２１、対物レンズ部２２及び参照ミラー部２３の組）を備えるように構成してもよい。このような構成を採用する場合、ある干渉光学系による回転軸Ａに沿った方向の撮像範囲が、他の干渉光学系による回転軸Ａに沿った方向の撮像範囲と一部が重複するように配置されるとよい。また、各干渉光学系は、それぞれ径方向に移動可能とされるとよい。アライメント工程においては、各干渉光学系を用いて径方向スキャンを行い、このとき得られる複数の測定結果を用いてアライメントを行うとよい。このようなアライメントの手順により、アライメントの時間を抑制しつつ精度を高めることができる。

上記の実施形態では、干渉光学ヘッド１５２全体（すなわち、光出射部２００、干渉対物レンズアセンブリ１５２ａと呼ばれる照明光学部２１、対物レンズ部２２、参照ミラー部２３、及び結像レンズ２４、並びに撮像部２５）を一体として駆動機構部１５３にて移動させたが、図１３に示したように、光出射部２００、照明光学部２１、結像レンズ２４、及び撮像部２５を、回転軸Ａ上に配置し、これらを動径方向駆動機構１５３ｂにより径方向に移動する対象に含めない構成としてもよい。次いで、干渉対物レンズアセンブリ１５２ａのみが半径方向に変位する。回転軸上に配置された反射鏡Ｍ２と干渉対物レンズアセンブリ１５２ａと位置合わせされた反射鏡Ｍ１とを設けて光路を形成するとよい。このようにすることで、動径方向駆動機構１５３ｂにより移動させる荷重が軽くなり、半径方向の移動を容易にできる。

光出射部２００、照明光学部２１、結像レンズ２４、及び撮像部２５を、回転軸Ａ上に配置する構成は、複数の干渉対物レンズアセンブリを備える構成を採用する場合、にも適用できる。この場合、画像測定装置１は、光出射部２００、照明光学部２１、結像レンズ２４、及び撮像部２５を装置内に１組だけ備え、複数の干渉対物レンズアセンブリに共用させるように構成すると特によい。複数の干渉対物レンズアセンブリの切り替えは、回転軸上に位置する反射鏡Ｍ２を回転させて、光干渉光学系毎に設けた反射鏡Ｍ１のいずれの方向を向けるかにより行うとよい。

上記説明した本実施形態に係る測定プログラムは、コンピュータ読取可能な記録媒体ＭＭに記録されていてもよい。すなわち、図６に示すステップＳ１０１～ステップＳ１０６の一部または全部を、コンピュータに読み取り可能な形式で記録媒体ＭＭに記録してもよい。また、本実施形態に係る測定プログラムは、ネットワークを介して配信されてもよい。

また、上記の実施形態では、測定ヘッドとして白色光干渉法による干渉光学系１５２を用いているが、画像プローブやレーザプローブであっても適用可能である。

また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

Claims (6)

1. 円筒形の対象物の湾曲した壁面の形状を測定する光干渉測定装置であって、
   前記対象物の湾曲した壁面に測定光を照射するとともに前記対象物からの反射光を集光し、当該反射光と参照ミラーからの参照光の光線とを合成した合成波を生成する干渉光学系と、
   前記干渉光学系に結合され、前記干渉光学系を前記対象物の円筒形の中心軸と一致する回転軸を中心として回転移動させる回転駆動機構と、
   二次元に配列された複数の受光素子により、前記合成波の強度の二次元分布を取得するセンサと、
   前記回転駆動機構による回転角が異なる状態で取得した複数の前記二次元分布に基づいて前記対象物の湾曲した壁面の形状を算出する演算装置と
   を備え、
   前記干渉光学系は、前記対象物の湾曲した壁面に照射する測定光の光軸を延長した直線が回転軸を通らないように配置されることを特徴とする光干渉測定装置。
2. 前記干渉光学系の前記回転軸からの距離を一定に保ちつつ前記干渉光学系を前記回転駆動機構により所定の単位回転角ずつ回転移動させ、各回転角にて前記センサにより前記二次元分布を取得することを特徴とする、請求項１に記載の光干渉測定装置。
3. 前記干渉光学系を前記回転軸に沿った方向に移動させる軸方向駆動機構をさらに備え、前記干渉光学系をらせん状に移動させ、らせんに沿った各位置にて位置前記センサにより前記二次元分布を取得することを特徴とする、請求項１に記載の光干渉測定装置。
4. 前記回転軸に沿った方向における位置が互いに異なる複数の前記干渉光学系を備えることを特徴とする、請求項１に記載の光干渉測定装置。
5. 前記干渉光学系に結合され、前記干渉光学系を前記回転軸と直交する半径方向に移動させる動径方向駆動機構をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の光干渉測定装置。
6. 前記回転駆動機構による回転角が異なる状態で複数の前記二次元分布を取得する際に、前記動径方向駆動機構は、前記干渉光学系を半径方向に移動させないことを特徴とする、請求項５に記載の光干渉測定装置。
   

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