JPH02300618A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、レーザ光の干渉を利用して、物体の表面形状
等を測定する３次元形状測定装置に関するものである。

〈従来の技術〉 第４図は従来の３次元形状測定装置の一例を示ず構成図
であり、マイケルソンの干渉光学系を利用したものであ
る。

第４図において、１はレーザ光源、２ａ〜２Ｃはビーム
スプリッタ、３は光の位相遅れ量をヘテロタイン検出す
る為に参照光を周波数シフＩ〜する周波数シフタ、４は
周波数シフタ３を一定周波数ｆｂで駆動する発振器、５
ａ、５ｂはλ／４板、５ｃは偏光板、６はミラー、７は
光検出器、８は測定光を収束し、被測定物９（以下、測
定対象面９という）に照射する対物レンズ、１０は発振
器４の周波数を２倍する逓倍器、１１は光検出器７の出
力に含まれる位相遅れ量を検出する位相差計、１２は位
相遅れ量から測定対象面の変位量を演算する演算器、１
３ａ、１３ｂは補正動作に使用される４分割ディテクタ
、１４は円筒状のシリンドリカルレンズ、１５は４分割
ディテクタ１３ａ、１３ｂの出力に応じて対物レンズ８
をＸ、３／−７゜方向に移動させるレンズ駆動部、１６
は測定対象面９（被測定物）をｘ、ｙ方向に移動させる
被測定物駆動部、１７ａ、１７ｂは対物レンズ８及び被
測定物９におけるｘ、ｙ方向の移動量をモニタする移動
量モニタ、１８は移動量モニタ１．７　ａ、１７ｂの出
力から測定対象面９上の測定点の位置を算出する演算器
である。

この様な構成において、レーザ光源１より出射された光
はビームスプリッタ２ａで２つに分岐される。反射光（
基準光）は周波数シフタ３により周波数シフ１〜され、
λ／４板５ａ→ミラー６→λ／４板５ａを経て、再び周
波数シフタ３で周波数シフ１〜され、ビームスプリッタ
２ａに入射される。

一方、通過光（測定光）はビームスプリツタ２ｂ→λ／
４板５ｂ→対物レンズ８→測定対象面９→対物レンズ８
→λ／４板５ｂ→ビームスプリッタ２ｂを経てビームス
プリッタ２ａに入射され、基準光と合波されて、偏光板
５Ｃを経て光検出器７に入射される。

ここで、光検出器７の出力には発振器４の２倍の周波数
を持つビー１〜信号が発生ずる。このピー１〜信号の位
相は両者の光路差による光の位相差に応じて変化する。

このピー１−信号と発振器４の出力を逓倍器１０で２倍
した基準信号との位相差を位相差計１１で検出し、演算
器１２にて演算する事により測定対象面９の変位量を求
める様にしたものである。

以上か測定対象面９に対する測長原理であるか、この様
な光へテロタイン法では、測定光と基準光の波面を正確
に一致させなければビート周波数が発生しないので、測
定対象面９に対する光軸の傾きや焦点位置を補正する必
要がある。以下に、その補止機構を説明する。

測定対象面９がθなけ傾いていなとすると、反射光は２
０傾き、４分割ディテクタ１．３　ａに入射する反射ビ
ームの位置はその中心から２Ｆｓｉｎθ（■パは対物レ
ンズ８の焦点距離）だけ変位する。

この変位を４分割ディテクタ１．３　ａで検出すると共
に、レンズ駆動部１５を介して対物レンズ８をＸ又はｙ
方向に移動させ、反射光の位置を４分割ディテクタ１３
ａの中心に合せる様にすると、測定光の光軸を測定対象
面９に対して垂直とする事が出来る６ 又、焦点か測定対象面９上にない場合には、反射光は平
行光には戻らない為、反射光の一部をシリンドリカルレ
ンズ１４を介して、４分割ティテクタ１３１〕に受光さ
ぜると、反射光は楕円のスポットとなって４分割ディデ
クタｉ　３　ｂに当たる。

この時、測定対象面９か焦点位置より前にあれば、縦長
のスポットが得られ、焦点位置より後にあれは、横長の
スボッ１へか得られる。従って、このスポットが円とな
り、４分割ディテクタ１’３　ｂの各出力が等しくなる
様にレンズ駆動部１５を介して対物レンズ８をＺ方向に
移動させれば測定対象面９上に焦点を結ばせる事が出来
る。

又、この時の対物レンズ８の動き、及び測定点を走査さ
せる為の被測定物９の動きは演算器１８に入力され、測
定点の′ｉ確な位置が逐次算出される。

この様に、第４図の３次元形状測定装置では、光の干渉
を利用して測定対象面９との距離を測定しているので、
測定対象面９とは無接触で、しがも触釘法等に比べて遥
かに高精度で測定を行う事“か出来る。

〈発明か解決しようとする課題〉 しかしながら、上記従来技術に示す３次元形状測定装置
においては、測定対象面９が粗面てあった場合、測定対
象面９からの反射光には位相歪が生じる事となり、光検
出器７−にで位相分布が出来、測定精度を悪化させる要
因となっている。又、測定対象面９か傾斜している場合
、測定対象面９がらの反射光は入射光の光軸からすれた
り、測定対象面９」二に入射光が焦点を結んでいないと
反射光は対物レンズ８を通過後、平行光とはならない為
、上記従来例で示す様な光軸補正と焦点合ぜの機構か必
要となるが、その椙造が複雑なものであるという課題か
あっな。

本発明は、上記従来技術の課題を踏まえて成されたもの
であり、測定対象面が粗ｌ１１１であった場合にも、そ
の反射光に生しる位相歪を補正する様な構成とする事に
より、高精度な測定を行えると共に、光軸袖北や焦点合
ぜの機構を簡単な構成とする事か出来る３次元形状測定
装置を提供する事を目自勺としたものである。

く課題を解決するための手段〉 」１記課題を解決する為の本発明の構成は、光ビームを
測定対象面と基準面に照射し、これらの反射光の位相遅
れ量から前記測定対象面の変位量を求める様にしたマイ
ケルソンの干渉光学針を利用した３次元形状測定装置に
おいて、前記測定対象面からの反射光を自己ポンプ型位
相共役鏡に導き、この自己ポンプ型位相共役鏡からの反
射光を測定対象面で再び反射させ、この反射光をマイケ
ルソンの干渉計の一方の光として用いる様にした事を特
徴とするものである６ く作用〉 この様に、自己ポンプ型位相共役鏡を用いた構成とする
と、反射光は入射光と同じ方向に戻るので干渉計に対し
ての厳密なアライメントを必要としない為、光軸補正や
焦点合ぜの機構を簡単な構成とする事が出来、又、測定
対象面か粗面であった場合に生じる位相歪か補正される
為、光検出器上では位相歪の含まれない光か干渉する事
になり、測定精度を向上させる事か出来る。

く実方布例〉 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係わる３次元形状測定装置の一実施例
を示す構成図である。なお、第１図において第４図と同
一要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。

第１図において、２０は自己ポンプ型位相共役鏡（以下
、単にＰＣＭという）、２１は偏光ビームスプリッタ、
２２は４分割ディテクタ１３　ｂの出力に応じて対物レ
ンズ８をＺ方向に移動させるレンズ駆動部である。

この様な構成において、レーザ光源１より出射された光
はビームスグリツタ２ａで２つに分岐される。反射光（
基準光）は周波数シフタ３でｆｂたけ周波数シフ１〜さ
れミラー６で反射された後、再び周波数シフタ３でｆｂ
たけ周波数シフＩ〜され、ビームスプリッタ２ａを通過
して光検出器７に入射される。ここで、レーザ光源１の
周波数をνとすると、、光検出器７の入射光の周波数は
シ＋−２ｆｂである。一方、通過光はビームスプリッタ
２ａに対してｐ　ｆｌｉ光となる様に配置された偏光ビ
ームスグリツタ２１を通過し、λ／４板５ｂにより円偏
光となって対物レンズ８で集光され、測定対象面って反
射される。反射光は対物レンズ８で平行光とされ、λ／
４板５ｂによりＳ偏光となって偏光ビームスプリッタ２
１で反射され、ビームスプリッタ２Ｃで２つに分岐され
る。反射光はＰＣＭ２０で反射され、逆光路（ビームス
プリッタ２　ｃ　−（［光ビームスプリッタ２１→λ／
４板５ｂ→対物レンズ８→測定対象面９→対物レンズ８
→λ／４板５ｂ−＋（１ｍ光ビームスプリッタ２１−→
ビームスプリッタ２ａ）をなどって光検出器７に入射さ
れる。

この時の入射光の周波数はレーザ光源１の周波数と同じ
νとなる。従って、光検出器７の干渉出力信号は周波数
２ｆｂの正弦波となり、発振器４の出力信号を逓倍器１
０で２倍した基準信号との位相差を位相差計１１で検出
し、演算器１２で演算する事により、測定対象面９の変
位量を測定する事か出来る。

ここで、第１図の構成図に用いるＰＣＭについて概略説
明する。第２図はＰＣＭと通常の鏡とによる波面及び伝
搬方向の変化を比較したものであり、（イ）図は通常の
鏡を用いた場合、（ロ）図はＰＣＭを用いた場合をそれ
ぞれ示している。

第２図において、光源からの光か両者に照射すると、（
イ）図に示す通常の鏡によって反射された光は反射の法
則に従って方向を変え、拡かりなから伝搬するが、（ロ
）図に示すＰＣＭによって反射された光（位相共役波に
変換された光）は時間反転の性質に従って光源に向かっ
て収束しながら戻るものであり、ＰＣＭは必ず入射光方
向に光を反射させるという特徴かある。

又、第３図はＰ　ＣＭの他の特徴である光路上に生じる
位相歪を補正する性質を示す為の図である。

第３図において、■の平面波かカラスを通過するとカラ
スの屈折率分布により波面に位相歪か生じ■の様になる
。これかＰＣＭにより反射される（位相共役波に変換さ
れる）と、波面の形状はそのままで逆方向に伝搬する■
の光波となり、これが再びカラスを通過する事により元
の平面波の波面か回復され■となる。この様に光波か媒
質中を伝搬する時に生じた位相歪か、同じ媒質中を位相
共役波か再び逆方向に伝搬する事により補圧されるもの
である。

第１図の構成図に戻り、焦点か測定対象面９上にない場
合には、測定対象面９からの反射光は平行光には戻らな
い為、反射光の一部、即ちビームスプリッタ２ｃを通過
した光をシリンドリカルレンズ１４を介して４分割ディ
テクタ１３ｂに入射させると入射光は楕円のスポラＩ〜
となって４分割ディテクタ１３ｂに入射する。この時、
測定対象面９か焦点位置より前にあれば、縦長のスポッ
トか得られ、焦点位置より後にあれば、横長のスポット
が得られる。従って、このスポットか円となる様に４分
割ディテクタ１３ｂの出力によりレンズ駆動部２２を介
して対物レンズ８をＺ方向に移動させ、測定対象面９上
に焦点を結ばせる事が出来る。この様にして測定対象面
９」二の１点について測定を行えるので、被測定物駆動
部１６により＝　　１１　− 順次測定点を移動させる事により測定対象面９の形状を
測定する事が出来る事になる。

又、測定対象面９か＠１１ｍであり、反射光に生じる位
相歪か大きい場合においては、測定対象面９からの反射
光はＰＣＭ２０に入射され、ＰＣＭ２０で位相共役波と
して反射される。従って、この位相共役波が再び測定対
象面って反射され、対物レンズ８で平行光とされた光は
レーザ光源１からビームスプリッタ２ａ→偏光ビームス
プリツタ２１→λ／４板５ｂを経て対物レンズ８に入射
する光と同等に位相歪の小さな光であり、更に偏光ビー
ムスプリッタ２１、λ／４板５ｂ一対物レンズ８、ビー
ムスプリッタ２ａの光学部品で生じる位相歪も補正され
る事になる。従って、光検出器７上では測定対象面９か
粗面であった場合に生じる位相歪を含まないきれいな波
面を持った光か二１−渉する事になる為、光検出器７の
出力はきれいな正弦波となり、装置の測定精度を向上さ
せる事か出来る。

又、測定対象面９か入射光に対して傾斜している場合に
おいては、ＰＣＭ２’Ｏは入射光に対して同一方向に位
相共役波を発生させるので光検出器７上の光の位置は変
動しない事になる。従って、第４図に示す従来例の様な
対物レンズ８をｘ、ｙ方向に移動させて光軸合せを行う
機構が必要なくなる為、装置の構成を簡単にする事が出
来る。

又、レーザ光源１は例えば一定波長の光源と波長を任意
の量たけシフトさせる波長シフタにより構成し、波長の
異なる複数のコヒーレントな光を選択的に順次発生させ
、測定対象面までの距離に応じた光の位相遅れ量を順次
測定すると共に、これらの波長と位相遅れ量との関係か
ら測定対象面までの距離を検出し、測定対象物の形状を
求める様な多波長のものであってもよく、第１図の構成
のものが測定対象面における相対的な変位量を検出し、
これに応じた出力を演算する事により測定対象物の形状
を求めるインクリメンタルな装置であったのに対して、
測定対象面か段差の如き不連続な部分があった場合にも
正確な測定を続ける事の出来るアブソリュートな装置と
する事が出来る。

更にレーザ光源１を波長可変レーザ光源とし、使用する
波長を連続的に変化させ、この波長変化に伴い測定対象
面までの距離に応じた光の位相変化量を測定し、波長の
変化と位相の変化から測定対象面までの距離を検出し、
測定対象物の形状を求める様にしたものであってもよく
、同様に測定対象面が不連続な面であっても正確な測定
を続ける事の出来るアブンリュ−１・な装置とする事が
出来る。

なお、基準面側の光路を形成するミラー６にＰＣＭを用
いた構成としてもよく、基準面側の光路上で生じる空気
の屈折率分布や光学部品による位相歪が補正される事に
なる。従って、光検出器７上では、レーザ光源１がらの
出射光と同等の位相歪の小さな光同志か干渉する事とな
り、その出力はきれいな正弦波となって位相差計１１に
入力される為、第１図の構成の装置以上に測定精度を向
上させる事が出来る事になる。

〈発明の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明した様に、本発明によ
れば、測定対象面からの反射光をＰＧＭに導き、このＰ
ＣＭからの反射光を測定対象面で再び反射させ、この反
射光をマイケルソンの干渉計の一方の光として用いる様
にした構成とする事により、光路上に生じる光学部品や
測定対象物の粗面の影響による位相歪か補正される為、
光検出器上では位相歪の含まれない光か干渉する事とな
り測定精度を向」−する事か出来る。又、ＰＣＭの反射
光は入射光と同一の光路を通って戻る為、干渉計に対し
ての厳密なアライメントか必要なくなる為、光軸補正や
焦点合ぜの機構を簡単な構成とする事が出来る。更にレ
ーザ光源として多波長や波長可変構成のものを使用する
事により測定対象面が不連続な面であっても正確な測定
を行えるアブソリュートな３次元形状測定装置を実現す
る事か出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる３次元形状測定装置の一実施例
を示ず構成図、第２図及び第３図は第１図の装置に用い
られる自己ポンプ型位相共役鏡の特徴を示す図、第４図
は従来例を示す構成図である。 １・・・レーザ光源、２ａ、２Ｃ・・・ビームスプリッ
タ、３・・・周波数シフタ、４・・・発振器、５ｂ・・
・λ／４板、６・・・ミラー、７・・・光検出器、８・
・・対物レンズ、９・・・測定対象面（被測定物）、１
０・・・定倍器、１１・・・位相差計、１２・・・演算
器、１３ｂ・・・４分割ディテクタ、１４・・・シリン
ドリカルレンズ、１６・・・被測定物駆動部、２０・・
・自己ポンプ型位相共役鏡（ＰＣＭ）、２１・・・１扁
光ビームスプリツタ、２２・・・レンズ駆動部。 第２図 Ｃイノ 一＠竿の獲 Ｃ０） Ｐｃ／Ｖｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光ビームを測定対象面と基準面に照射し、これらの反射
   光の位相遅れ量から前記測定対象面の変位量を求める様
   にしたマイケルソンの干渉光学系を利用した３次元形状
   測定装置において、 前記測定対象面からの反射光を自己ポンプ型位相共役鏡
   に導き、この自己ポンプ型位相共役鏡からの反射光を測
   定対象面で再び反射させ、この反射光をマイケルソンの
   干渉計の一方の光として用いる様にした事を特徴とする
   ３次元形状測定装置。