JPH0510733A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 装置構成を簡略すると共に、測定精度を向上
できる装置を実現する。 【構成】 光源３０からの出射光を、ＢＳ３１で分岐し
た一方の光を測定対象９に集光する対物レンズ８、測定
対象９からの第１の反射光が対物レンズ８を介して入射
される偏光ＢＳ３４及び１／４波長板７からなる光アイ
ソレ−タに入射された光を再び測定対象９へ入射する平
面ミラ−３５、測定対象９からの反射光の拡がり角から
対物レンズ８の焦点誤差を検出して対物レンズ８の位置
に帰還をかけ常に合焦状態にする自動焦点機構、ＢＳ３
１で分岐された他方の光を参照ミラ−３２で反射させ測
定対象９からの第２の反射光と干渉させ干渉縞から測定
対象９の変位を検出するＢＳ３１を含む干渉計、測定対
象９を光軸に対して垂直方向に移動させその変位を出力
するステ−ジ１０、干渉計及びステ−ジ１０からの変位
出力から測定対象９の形状を求めて表示する信号処理装
置３６を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レ−ザ光の干渉を利用
して、物体の表面形状などを測定する３次元形状測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来の３次元形状測定装置の一例
を示す構成図である。図４において、周波数ｆ1 とｆ2
の２つの周波数の光（円偏光）を出力するゼ−マン効果
を利用したＨｅ−Ｎｅレ−ザである光源１の出力は、１
／４波長板２を通して、直交した２周波の直線偏光とな
る。この光は、ビ−ムスプリッタ（以下、単にＢＳとい
う）３で２つに分岐される。一方の光は、光検出器４で
検出され、２周波の差周波数（ｆ1 −ｆ2 ）が取り出さ
れる。他方の光は、偏光ＢＳ５で更に２つに分岐され、
ｐ偏光（周波数ｆ1 ）とｓ偏光（周波数ｆ2 ）に分けら
れる。ｐ偏光は、偏光ＢＳ５を透過して、ＢＳ６をその
一部が透過し、１／４波長板７を通して円偏光となり、
対物レンズ８を介して、測定対象９上に集光される。測
定対象９からの反射光は、逆回りの円偏光となり、対物
レンズ８を介して再び平行光となる。この光は、１／４
波長板７を通ることにより、ｓ偏光となる。ｓ偏光の一
部は、ＢＳ６で反射され、ＢＳ１１で更に２つに分岐さ
れる。一方の光は、ＢＳ１１で反射され、４分割フォト
ダイオ−ド（以下、簡単にＰＤという）１２に入射す
る。このＰＤ１２の出力からｘ，ｙ各方向の出力の差を
とることで、ｘ，ｙ面内（光軸に対して垂直面内）にお
ける反射ビ−ムの位置がわかるので、対物レンズ駆動機
構１３に帰還をかけて、対物レンズ８をｘ，ｙ面内で動
かして、測定対象９からの反射光がＰＤ１２の中心に常
時あるようにしておく。このようにして、測定対象９に
対して入・反射光は常に同じ空間を通り、参照光と干渉
を起こすことができる。

【０００３】また、ＢＳ１１を透過した光は、レンズ１
４，シリンドリカルレンズ（以下、単にＳＬという）１
５，ＰＤ１６からなる非点収差法の焦点誤差検出機構に
よって焦点誤差を検出して、誤差分を対物レンズ駆動機
構１３に帰還し、対物レンズ８をｚ方向（光軸方向）に
動かして、対物レンズ８の焦点が常に測定対象９上に合
うようにしておく。このようにして、測定対象９での反
射光はコリメ−トされて、参照光と干渉するので、干渉
縞のビジビリティを高くすることができる。

【０００４】ＢＳ６に戻り、ＢＳ６を透過したｓ偏光
は、偏光ＢＳ５で反射し、偏光板２０を通って、レンズ
２１で集光されて、光検出器２２に入射する。また、光
源１を出射して偏光ＢＳ５で２つに分岐された内のｓ偏
光（周波数ｆ2 ）は、偏光ＢＳ５で反射されて、レンズ
１８により集光され、参照ミラ−１９で反射され、レン
ズ１８によって再び平行光として偏光ＢＳ５に戻る。そ
の間に１／４波長板１７を入れることで偏光ＢＳ５に戻
る時にはｐ偏光となっており、偏光ＢＳ５を透過して、
偏光板２０，レンズ２１を通って、光検出器２２に入射
する。ここで、測定対象９をｘ，ｙ面内でステ−ジ１０
により動かすことにより、焦点位置がｚ方向に速度ｖの
移動をした場合、測定対象９への入射光の周波数ｆ1
は、ドップラ−効果によって周波数変調され、ｆ1 ＋Δ
ｆ（ただし、Δｆ＝２ｖ／λ）として反射される。した
がって、光検出器２２では、参照光ｆ2 とのビ−ト周波
数ｆ1＋Δｆ−ｆ2 を得ることができる。この信号と光
検出器４で得られるｆ1 −ｆ2との差Δｆ（＝（ｆ1 ＋
Δｆ−ｆ2 ）−（ｆ1 −ｆ2 ））を差動アンプ２３で検
出し、速度ｖを積分することによって変位を求めてい
る。

【０００５】

【発明が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、次のよう
な問題点がある。対物レンズ８をｘ，ｙ，ｚ方向に動
かす３軸のアクチュエ−タを対物レンズ８に設置しなけ
ればならない。したがって、構成が複雑で重量も大きく
なり、測定ヘッドを小型化する妨げとなっていた。測
定対象９上の測定位置は、測定対象９をｘ，ｙ面内で移
動させるステ−ジ１０の変位に対物レンズ８の変位を加
えた量となり、３次元形状を精度良く求めるためには、
ＰＤ１２，１６による変位を高精度に測定する必要があ
る。しかし、ｚ方向がレ−ザ干渉でμｍ以下まで求めら
れるのに対して、ＰＤによる変位測定は、アナログ式の
ため、高精度にできず、結果として装置精度に制限がで
き、測定精度を向上できなかった。

【０００６】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、対物レンズを光軸方向（ｚ方向）に
対して垂直方向（ｘ，ｙ方向）に移動させることなし
に、入・反射光の光軸を一致させて、参照光との干渉法
による変位測定を可能にさせることにより、装置構成を
簡略化できると共に、測定精度を向上できる３次元形状
測定装置を提供することを目的としたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、光ビ−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差から前記測定対象の形状
を求める３次元形状測定装置において、安定した波長の
光を出力する光源と、この光源からの出射光を２つに分
岐する光学部品と、この光学部品で分岐された一方の光
を前記測定対象に集光させるための対物レンズと、前記
測定対象からの第１の反射光が前記対物レンズを介して
入射される偏光ビ−ムスプリッタおよび１／４波長板か
らなる光アイソレ−タと、この光アイソレ−タに入射さ
れた光を再び前記対物レンズを介して前記測定対象へ入
射させるための平面ミラ−と、前記測定対象からの反射
光の拡がり角から前記対物レンズの焦点誤差を検出し
て、対物レンズの位置に帰還をかけて常に合焦状態にす
る自動焦点機構と、前記光学部品で分岐された他方の光
を参照ミラ−で反射させ、この反射光と前記測定対象か
らの第２の反射光とを干渉させ、その干渉縞から前記測
定対象の変位を検出する前記光学部品を含む干渉計と、
前記測定対象を光軸に対して垂直方向に移動させ、その
変位を出力するステ−ジと、前記干渉計およびステ−ジ
からの変位出力から前記測定対象の形状を求めて表示す
る信号処理装置とを備えた構成としたことを特徴とする
ものである。

【０００８】

【作用】本発明によると、測定対象上に対物レンズの焦
点を合わせて、反射光を偏光ＢＳと１／４波長板からな
る偏光方向の変換機能を用いて、再び測定対象上の同じ
点で反射させることにより、測定対象の傾斜によらず、
反射光の光軸は常に同じにできる。したがって、対物レ
ンズを光軸に対して垂直方向に移動させる機構を設けな
くとも良い。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明の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、図１において図４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。図１において、
３０は安定した波長の直線偏光を出射するＨｅ−Ｎｅレ
−ザである光源、３１は光源３０から出射した光を２つ
に分岐するＢＳ、３２はＢＳ３１で分岐された一方の光
が入射される参照ミラ−、３３は測定対象９からの反射
光を２つに分岐するＢＳ、３４は１／４波長板７と組み
合わせて光アイソレ−タとして機能する偏光ＢＳ、３５
は測定対象９からの反射光を再び測定対象９に戻すため
の平面ミラ−、３６は干渉縞を計数して変位を求め、ス
テ−ジ１０の動きと合わせて測定対象９の形状を計算、
表示する信号処理装置、３７は焦点誤差をなくすように
対物レンズ８を光軸上で動かす対物レンズ駆動機構であ
る。なお、対物レンズ８は測定対象９上に光を集光さ
せ、測定対象９は光軸に対して垂直面内に動くステ−ジ
１０上に固定されている。レンズ１４，ＳＬ１５，ＰＤ
１６は対物レンズ８の焦点誤差を検出するための非点収
差法による焦点誤差検出機構を構成する。レンズ２１は
光検出器２２に参照光と測定光を集光させ、光検出器２
２は参照光と測定光を受光する。

【００１０】このような構成において、光源３０から出
射した光（ここではｐ偏光とする）は、ＢＳ３１で２つ
に分岐される。一方の光は、ＢＳ３１で反射され、参照
ミラ−３２へ入射されて反射された後、再びＢＳ３１に
入射され、レンズ２１を通して光検出器２２に集光され
る。他方の光は、ＢＳ３１を透過して、ＢＳ３３で更に
２つに分岐される。一方は、ＢＳ３３、偏向ＢＳ３４を
透過して、１／４波長板７を通ることにより、円偏光と
なる。この光は、対物レンズ８により測定対象９上に集
光される。なお、この時、測定対象９上で焦点を結ぶよ
うに対物レンズ８の光軸方向位置を調整する。測定対象
９からの反射光は、対物レンズ８で再びコリメ−トさ
れ、平行光になる。なお、測定対象９の面が傾いていて
も、再びコリメ−トされた平行光の光軸は、入射光の光
軸と平行である。測定対象９からの反射によって、円偏
光は逆回りの円偏光となり、１／４波長板７を再び通る
ことで、ｓ偏光となる。ｓ偏光となった反射光は、偏光
ＢＳ３４で反射され、平面ミラ−３５に入射される。入
射光は、平面ミラ−３５で反射され、偏光ＢＳ３４→１
／４波長板７→対物レンズ８を介して、測定対象９に再
び入射され、反射される。反射光は、対物レンズ８を介
して１／４波長板７を通ることにより、ｐ偏光となり、
偏光ＢＳ３４を透過する。偏光ＢＳ３４を透過した光の
一部は、ＢＳ３３で反射され、非点収差法による焦点誤
差検出機構（１４，１５，１６）で焦点誤差を検出し
て、対物レンズ駆動機構３７に帰還し、常に合焦状態と
なるように、対物レンズ８の光軸方向位置を調整する。
ＢＳ３３を透過した光は、ＢＳ３１で反射され、レンズ
２１により光検出器２２に集光され、参照ミラ−３２か
らの光と干渉されて、干渉縞の変化を測定され、測定対
象９上の焦点の変化を測定する。測定対象９はステ−ジ
１０に固定され、光軸と垂直面内を動かすことによっ
て、焦点位置に変位を与える。この測定される変位とス
テ−ジ１０の動きから、信号処理装置３６にて、測定対
象９の３次元形状が求められる。

【００１１】このように、上記実施例では、測定対象上
に対物レンズの焦点を合わせて、反射光を偏光ＢＳと１
／４波長板からなる偏光方向の変換機能を用いて、再び
測定対象上の同じ点で反射させる構成としている。した
がって、測定対象の傾斜によらず、反射光の光軸は常に
同じにできるため、対物レンズを光軸に対して垂直方向
に移動させる機構を設けなくとも良いため、図４装置に
比べ、装置構成を簡略化できる。

【００１２】図２は本発明の３次元形状測定装置の他の
実施例を示す構成図である。なお、図２において図４ま
たは図１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。なお、図２装置では、図４装置と同様に、
直交した周波数の異なる直線偏光の光源を用いて測定対
象９の移動速度を周波数変化として検出するものであ
る。図２において、光源１からの出射光は、偏光ＢＳ５
で参照光路と測定光路に分岐される。測定光路に入った
光は、磁石４１から磁界を与えられているファラデ−媒
体４０に入射する。ファラデ−効果によって、直線偏光
の向きが対物レンズ８側から見て、反時計方向に４５°
回転するように、ファラデ−媒体４０と磁石４１とを設
定する。ここで、図３（イ）〜（ヘ）に、対物レンズ８
側から見た直線偏光の方向を示す。なお、向きは（イ）
が紙面と平行（ｐ偏光）であるとする。ファラデ−媒体
４０を透過すると、（ロ）のように、反時計方向に４５
°回転しているので、再び（イ）と同じ向き（ハ）にす
るように、１／２波長板４２の主軸方向を設定する。測
定対象９からの反射光は、（ハ）と同じ向きの直線偏光
（ニ）であるから、１／２波長板４２によって、（ホ）
のように４５°回転する。この偏光が再びファラデ−媒
体４０中を通ると、入射時と同じ方向に回転を受け、フ
ァラデ−媒体４０を再透過後の直線偏向の向きは、紙面
に垂直方向（（ヘ）、ｓ偏光）となり、偏光ＢＳ５によ
って反射される。

【００１３】以下の動作は図１装置と同様であるため、
その説明は省略するが、図１装置では、ＢＳ３１のｐ偏
光の透過率を５０％とすると、光源３０からの光は、Ｂ
Ｓ３１でまず５０％が反射ないしは吸収され、測定には
用いられない。更に、測定対象９からの反射光もＢＳ３
１で５０％は透過して、光源３０へ戻ってしまうので、
信号とはならず、結果として、５０％×５０％＝２５％
しか、測定に関与しないことになる。しかし、図２装置
では、偏光を用いるために、偏光ＢＳ５においては、光
のパワ−損失は生じない。したがって、図１装置と同様
に、対物レンズを光軸に対して垂直方向に移動させる機
構を設けなくとも良いため、図４装置に比べ、装置構成
を簡略化できると共に、図１装置に比べて、光のパワ−
損失を防止できるため、測定精度を向上できる。

【００１４】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、測定対象上に対物レンズの焦点
を合わせて、反射光を偏光ＢＳと１／４波長板からなる
偏光方向の変換機能を用いて、再び測定対象上の同じ点
で反射させる構成としている。したがって、測定対象の
傾斜によらず、反射光の光軸は常に同じにできるため、
対物レンズを光軸に対して垂直方向に移動させる機構を
設けなくとも良く、別光路で得られる参照光との間で干
渉を起こさせ、その干渉縞数の変化から、測定対象の変
位を求めることができる。そのため、装置構成を簡略化
できると共に、光のパワ−損失を防止するため、光路上
にガ−ネット素子などを用いた光アイソレ−タを配置し
た構成とすることにより、測定精度を向上できる等の効
果を有する３次元形状測定装置を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の３次元形状測定装置の一実施例を示す
構成図である。

【図２】本発明の３次元形状測定装置の他の実施例を示
す構成図である。

【図３】図２装置における光路上での偏光の様子を示す
図である。

【図４】３次元形状測定装置の従来例である。

【符号の説明】

７ １／４波長板 ８ 対物レンズ ９ 測定対象 １０ ステ−ジ １４，２１ レンズ １５ シリンドリカルレンズ １６ ４分割フォトダイオ−ド ２２ 光検出器 ３０ 光源 ３１，３３ ビ−ムスプリッタ ３２ 参照ミラ− ３４ 偏光ビ−ムスプリッタ ３５ 平面ミラ− ３６ 信号処理装置 ３７ 対物レンズ駆動機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 光ビ−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差から前記測定対象の形状を
   求める３次元形状測定装置において、 安定した波長の光を出力する光源と、 この光源からの出射光を２つに分岐する光学部品と、 この光学部品で分岐された一方の光を前記測定対象に集
   光させるための対物レンズと、 前記測定対象からの第１の反射光が前記対物レンズを介
   して入射される偏光ビ−ムスプリッタおよび１／４波長
   板からなる光アイソレ−タと、 この光アイソレ−タに入射された光を再び前記対物レン
   ズを介して前記測定対象へ入射させるための平面ミラ−
   と、 前記測定対象からの反射光の拡がり角から前記対物レン
   ズの焦点誤差を検出して、対物レンズの位置に帰還をか
   けて常に合焦状態にする自動焦点機構と、 前記光学部品で分岐された他方の光を参照ミラ−で反射
   させ、この反射光と前記測定対象からの第２の反射光と
   を干渉させ、その干渉縞から前記測定対象の変位を検出
   する前記光学部品を含む干渉計と、 前記測定対象を光軸に対して垂直方向に移動させ、その
   変位を出力するステ−ジと、 前記干渉計およびステ−ジからの変位出力から前記測定
   対象の形状を求めて表示する信号処理装置と を備えた構成としたことを特徴とする３次元形状測定装
   置。