JPH05223536A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】３次元的に変化する物体の表面形状を非接触で
高精度に検出する測定装置を実現すること。 【構成】音響光学素子から周波数の異なる２ビーム光を
発生させ、光ヘテロダイン干渉により２ビーム光の間の
光路差を電気信号の位相で検出する。このとき、２ビー
ム光の間の距離を２通りに設定し、位相が｜π｜より小
さい状態での位相を基準とし、位相が｜π｜を超えた場
合に位相補正を行う。 【効果】位相が｜π｜を超えた場合でも正確な表面形状
が測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ光を用いた光学的
な３次元表面形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の精密加工技術の進歩により、サブ
ミクロン以下のオーダで３次元的に変化する表面の加工
が行われるようになり、被加工物の表面形状を０．０１
μｍ以上の精度で測定するニーズが高まっている。この
種の測定には非接触測定が必要で、従来から光干渉法が
用いられている。高精度な表面形状測定として最近は、
（１）干渉縞の強度変化から光の位相変化を検出する干
渉縞解析法、（２）光ヘテロダイン干渉法が用いられて
いる。（１）の干渉縞解析法は、干渉縞パターンの明暗
の強度変化を細かい強度変化に分割して検出し、対応す
る位相変化を計算機処理により１／１００波長程度で検
出する。（２）の光ヘテロダイン法は、周波数の異なる
２つのレーザ光を干渉させて差の周波数のビート信号を
作成し、ビート信号の位相変化から１／５００波長程度
の分解能で２ビーム光の間の光路差を検出して表面形状
を測定する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】（１）の干渉縞解析法
は、干渉縞の強度変化を安定に検出するために、特に振
動による外乱を除去する必要があり、精度の良い防振機
構が重要になる。また、位相の微小な変化を安定に検出
するために、複雑なソフトウエアー処理が必要になる。
従って装置が高級、複雑になり、生産現場でのインライ
ン的測定機として必ずしも適していない。（２）の２ビ
ーム光を用いる光ヘテロダイン干渉法は、２ビーム光の
間の光路差による位相変化を電気信号の位相で検出する
とき、光路差が絶対値で１／４波長を越えたときに位相
検出に飛びが生じ、表面の凹凸の正確な検出が出来ない
という問題点がある。それは、電気信号の位相の検出範
囲が位相の正、負の方向を含めると０から±πまでの範
囲しか検出できないため、位相差が絶対値でπを越える
とき凹と凸の判定が逆になることによる。本発明は上記
問題点を解消し、簡素な構成で正確に表面形状を測定す
る表面形状測定装置を実現することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明は、音響光学素子から作成された周波数の異
なる２ビーム光を物体面上に照射させ、２ビーム光の相
互の光路長の差によって生じる位相変化を検出する光ヘ
テロダイン干渉法による表面形状測定装置において、２
ビーム光を構成する個々のビームの各ピーク強度間距離
を第一の距離に設定して被測定物上を走査し、走査の各
点で位相変化を検出して走査の一周期で第一の位相デー
タを記憶し、次に前記ピーク強度間距離を前記第一の距
離よりも長い第二の距離に設定して被測定物面上を走査
し、走査の各点で位相変化を検出して走査の一周期で第
二の位相データを記憶し、前記第一の位相データの符号
の変化から、被測定物の高さ方向への形状変化を検出
し、第一の位相データの結果に基ずいて第二の位相デー
タの補正を行って第三の位相データを作成し、該第三の
位相データから被測定物の表面形状を測定するものであ
る。

【０００５】

【作用】音響光学素子を２周波数成分を持つ電気信号で
駆動し、周波数が異なり、接近して異なる方向に進行す
る２ビーム光を発生させる。２ビーム光を構成する個々
のビームのピーク強度間距離を電気信号の周波数で制御
する。最初に、周波数を低くしてピーク強度間距離を個
々のビームスポット半径程度の第一の距離に設定して被
測定物面上を走査する。この状態では、物体表面に照射
された２ビーム光の間の光路差による位相変化の範囲が
±π（ラディアン）以下になるような設定にする。第一
の距離に設定した２ビーム光の走査はプリスキャン的走
査で、走査の各位置で検出される第一の位相データをメ
モリー回路に記憶する。この第一の位相データは、２ビ
ーム光の間の高さ方向の変化が凸か凹かの判定に用い
る。次に、周波数を高くして２ビーム光のピーク強度間
距離を第一の距離よりも大きい第二の距離に設定して被
測定物面上を走査する。この状態では物体表面に照射さ
れた２ビーム光の間の光路差が大きく、位相の変化も大
きくなるような設定とする。走査の各位置で検出される
第二の位相データをメモリー回路に記憶する。

【０００６】第二の位相データは物体表面の形状に応じ
ては、位相の変化が±πを越えたものも含まれている。
位相変化が±πを超えていても、第一の位相データから
表面の凹と凸の区別が付けられている。そこで、第一の
位相データを参照して、位相が±πを越えた場合につい
て位相変化が接続するように第二の位相データの補正を
行い、第三の位相データを作成する。この第三の位相デ
ータでは表面の凹凸の方向が予め分かっているため、正
確な表面形状が測定できる。本方式で測定される位相は
２ビーム光の間の光路差に対応するもので、差動型の位
相検出である。そのため、２ビーム光が照射されている
２点間の光路差に対応する位相変化だけを考慮すれば良
い。なお、第一の位相データに対して、第三の位相デー
タは位相の変化が大きいため、位相変化を形状に変換す
るときの精度が高い。

【０００７】

【実施例】以下図面により本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の動作を説明するシステムブロック図であ
る。１０はレーザ光源で、例えばＨｅ−Ｎｅレーザ管、
半導体レーザ等から成り、レーザ光１００を放射する。
１１０はレーザ光１００の制御を行い、光ヘテロダイン
干渉を行わせる光学系で、音響光学素子１１（以下にＡ
Ｏと略記する）、ビームスプリッター１１５、対物レン
ズ１２０、受光素子１２５、１３０及び図示していない
が他のレンズ、ミラー等の光学素子から構成される。１
２は音響光学素子駆動ドライバー（以下ＡＯドライバー
と略記する）で、周波数ｆｍの交流信号を発生する交流
信号発生器１３５と、電圧が連続的に変化するランプ波
信号を発生する直流信号発生器１４０からの信号を入力
とし、直流信号発生器１４０で発生される直流電圧Ｖａ
を周波数ｆａの交流信号に変換すると共に、周波数ｆｍ
の交流信号との間で振幅変調を行い、２つの周波数成分
ｆａ±ｆｍをもつ駆動信号１４５を作成してＡＯ１１を
駆動する。

【０００８】ＡＯ１１は２周波数成分の電気信号で駆動
されると、互いに周波数が異なり、異なる方向に進行す
る２ビーム光１５０、１５５を発生する。この２ビーム
光は１次回折光がさらに２つのビームに分割されたもの
である。入射レーザ光１００の周波数をｆ０としたと
き、ビーム１５０、１５５の周波数はｆ０＋ｆａ＋ｆｍ
及びｆ０＋ｆａ−ｆｍとなり、互いの差の周波数は２ｆ
ｍである。このような周波数の変調は、ＡＯ１１内部を
進行するレーザ光と超音波進行波との間のドップラーシ
フト効果による。２ビーム光１５０、１５５の間の分離
角度はθｍで、周波数ｆｍに比例して変化する。また、
ＡＯ１１は直流信号発生器１４０の直流電圧を変化させ
ることにより、２ビーム光１５０、１５５の分離角度θ
ｍを一定に保った状態で回折角度を変化させ、２ビーム
光を走査することができる。

【０００９】２ビーム光１５０、１５５をビームスプリ
ッター１１５で２つの方向に分割する。ビームスプリッ
ターで反射された一方の２ビーム光は参照光１６０、１
６５として第一の受光器１２５で直接受光する。ビーム
スプリッター１１５を透過して進行する２ビーム光を対
物レンズ１２０で微小なスポット径に集光して互いに平
行に進行する２ビーム光に変換し、表面形状が測定され
る被測定物１３の面上に照射する。被測定物１３の面上
を走査する２ビーム光を構成する個々のビームのピーク
強度間距離は、前述の分離角度θｍを周波数ｆｍで変え
ることによって任意に可変でき、ピーク強度間距離は周
波数ｆｍに比例して変化する。被測定物１３の面上を走
査する２ビーム光は反射されて元の光路を逆進し、ビー
ムスプリッター１１５で進路を変え、反射光１７０、１
７５として第二の受光器１３０で受光される。

【００１０】第一の受光器１２５、第二の受光器１３０
で受光される２ビーム光は周波数が異なるため、受光器
上で干渉すると周波数２ｆｍのビート信号が発生する。
このビート信号はＡ＋Ｂ・ｃｏｓ（２π・２ｆｍｔ＋
φ）なる形で表される。Ａは直流の光強度、Ｂは交流の
光強度の振幅、φは位相である。ここで、直流成分Ａは
カットし、交流成分Ｂ・ｃｏｓ（２π・２ｆｍｔ＋φ）
を検出し、位相φの変化を検出する。このようなビート
信号の位相を検出する技術は光ヘテロダイン干渉法とし
て知られており、本願発明者による特許公報平３−４４
２４３号公報の光ヘテロダイン干渉法による表面形状測
定装置に詳細に述べている。受光器１２５で得られるビ
ート信号１８０は参照光信号で、その位相φｒは一定の
値である。受光器１３０で得られるビート信号１８５は
反射光信号で、その位相φｓは被測定物の形状に応じて
変化する。１４は位相差検出器で、参照光信号１８０と
反射光信号１８５の間の位相差φｓ−φｒを検出する。
位相φｒは一定であるから位相差φｒ−φｓの検出で反
射光信号の位相φｓの変化が検出できる。位相差の検出
は２ビーム光の各走査位置毎に行う。レーザ光の波長を
λ、２ビーム光の間の光路差をΔｈ、位相φｓの変化を
Δφとしたとき、Δｈ＝λΔφ／４πの関係がある。従
って、光路差Δｈ＝λ／４の場合に位相差はΔφ＝πと
なる。レーザ光源１０にＨｅ−Ｎｅレーザを用いたと
き、位相φｓの変化が１度であるとき、光路差Δｈは
０．８８ｎｍに相当する。

【００１１】１５は第一の位相データ記憶部、１６は第
二の位相データ記憶部である。２ビーム光を被測定物１
３の面上で走査するとき、同一場所を２回走査する。最
初は交流信号発生器１３５の周波数ｆｍを小さくし、２
ビーム光のピーク強度間距離が小さい第一の距離に設定
して走査する。この走査で検出される反射光信号の位相
φｓの変化データが第一の位相データで、第一の位相デ
ータ記憶部１５に記憶する。この走査では、２ビーム光
の間の光路差が絶対値でλ／４を超えず、従って位相差
φｓの変化が絶対値でπを超えない範囲で位相変化を検
出する。この第一の位相データの正、負の符号変化か
ら、被測定物１３の面上での２ビーム光が照射されてい
る２点間の形状変化が凸であるか、凹であるかを検出す
る。次に交流信号発生器１３５の周波数ｆｍを大きく
し、２ビーム光のピーク強度間距離を第一の距離より大
きい第二の距離に設定して走査する。このとき検出され
る位相φｓの変化データを第二の位相データ記憶部１６
に記憶する。この走査で検出される位相は、２ビーム光
の間の光路差が絶対値でλ／４を超え、位相φｓの変化
が絶対値でπを超える場合が含まれている。

【００１２】１７は位相データ補正部で、第一の位相デ
ータを基準として、第二の位相データが絶対値でπを超
えている場合に位相の補正を行う。第一の位相データは
形状変化の凸、凹の正しい情報を含んでいるが、第二の
位相データは位相の絶対値がπを超えた場合に位相の飛
びが生じるため、位相が接続するように補正する。補正
された位相データを第三の位相データ記憶部１８に記憶
する。１９は表面形状判定部で、第三の位相データをデ
ータ処理して被測定物１３の形状を測定する。本測定で
は２ビーム光の間の位相を検出する差動型検出である。
従って被測定物の高さ方向の変化の微分が検出される。
そのため、検出された位相を積分することにより表面形
状が算出できる。

【００１３】図２で位相の検出を説明する。位相の検出
範囲は、正、負の符号を考慮すると０〜±πまでの範囲
である。位相が正の方向ＯＡＰであるφａは２ビーム光
の間の表面形状の変化が凸の状態であるとする。位相が
負の方向ＯＢＰであるφｂは同じく凹の状態であるとす
る。位相が−πを超えた凹の状態では位相が−（２π−
φａ）と検出されるべきであるが、位相の検出範囲は±
πまでであるため、実際の凹の状態は位相が正でφａを
持つ凸の状態として検出されてしまう。このように位相
の絶対値がπを超えたときは、形状が逆転すると共に位
相の値にも誤差が生じてしまう。このような状況は２ビ
ーム光の間の光路差がλ／４を超えたときに現れる。

【００１４】光路差は表面の形状と共に２ビーム光の間
の距離にも関係するため、位相を小さくするためには２
ビーム光の間の距離を小さくすれば良い。そこで、前述
の位相がφｂの場合に、位相が−πを超えないように２
ビーム光の間の距離を小さくし、位相が負の方向ＯＢＱ
であるφｃの状態に設定する。こうすれば、表面が凹で
あることが確実に検出できる。位相データから表面形状
を測定するとき位相の変化が大きい方が測定精度が高く
なる。それは、位相の検出に伴うジッターなどの誤差要
因を相対的に小さくすることができるためである。その
ため、最初に２ビーム光の間の距離を小さくして位相φ
ｃを検出し、表面形状の変化の方向を知る。次に２ビー
ム光の間の距離を大きくして位相φａを検出する。しか
し、実際には表面が凹であることの情報が得られている
ため、位相が−（２π−φａ）となるように位相の補正
を行って正確な形状を測定する。

【００１５】図３に表面形状例を示し位相検出との関係
を説明する。図３（ａ）は３つの面３０、３１、３２を
有する、形状が測定される被測定物１３である。このと
き面３０の角度θａ、面３２の角度θｂを測定するもの
とする。３３、３４は被測定物１３の面上を走査する２
ビーム光で、個々のビームのピーク強度間距離をＤとす
る。図３（ｂ）は距離Ｄを小さく（２ビーム光の個々の
ビームの半径程度）した第一の距離で走査したときに検
出される第一の位相データである。この位相の変化は｜
π｜よりも小さく、面３０、３１、３２での位相がそれ
ぞれφａ、０、−φｂで、表面の凸、凹の区別が容易で
ある。図３（ｃ）は距離Ｄを第一の距離より大きくした
第二の距離で走査したときに検出される第二の位相デー
タで、位相の絶対値がπを超え、面３０、３１、３２の
位相がそれぞれ−φｃ、０、φｄである。図３（ｄ）は
位相の補正を行った第三の位相データで、面３０、３
１、３２での位相がそれぞれ２π−φｃ，０、−２π＋
φｄに補正される。例えば第二の距離がＤのとき、ｔａ
ｎ（θａ）＝（２π−φｃ）／Ｄにより角度θａを求め
ることができる。

【００１６】図４に本発明の光ヘテロダイン干渉を行う
光学系１１０の構成例を示す。レーザ光源１０から放射
されたレーザ光１００をシリンドリカルレンズ４１、凸
レンズ４２の組合せで紙面に平行な面内に広がりを持
ち、紙面に垂直な面内に集光するシート状ビームに変換
し、ＡＯ１１に入射させる。ＡＯ１１からは前述した２
ビーム光が発生する。ＡＯ１１を出射したシート状ビー
ムを凸レンズ４３とシリンドリカルレンズ４４の組合せ
で再び円形状のビームに変換する。シリンドリカルレン
ズ４１と４４の屈折作用面は互いに直交する方向に設定
する。さらに、凸レンズ４３とシリンドリカルレンズ４
４の共通の焦点位置にビームスプリッター１１５を設置
し、２方向に進行する２ビーム光に分割する。

【００１７】ビームスプリッター１１５で反射した２ビ
ーム光は凸レンズ４５を介して受光器１２５で受光さ
れ、参照光信号１８０を作成する。ビームスプリッター
１１５を透過した２ビーム光は凸レンズ４６でコリメー
トされ、対物レンズ１２０で微小なスポットに集光され
て被測定物１３の面上に照射されて走査する。反射した
２ビーム光はビームスプリッター１１５で反射し、レン
ズ４７を介して別の受光器１３０で受光されて反射光信
号１８５を作成する。この光ヘテロダイン干渉を行わせ
る光学系１１０は参照光、反射光ともに接近した光路を
たどる。振動等の外乱が起こった場合、２ビーム光が同
時に影響を受け、結果的には光路差の変化が現れないた
め、安定した位相検出が可能になる。

【００１８】

【発明の効果】上記のごとく本発明による位相の検出で
は、位相の変化の少ない状態での測定と、位相変化の大
きい状態での測定を組み合わせることにより、実質的に
位相の検出範囲を従来よりも拡大し、表面の凹、凸の変
化を正確に検出すると共に、形状を高精度で測定でき
る。また、２ビーム光を同時に被測定物面上に照射する
ため、振動による外乱の影響を受けない。さらには、位
相の変化の検出だけでよいため、被測定物の表面反射に
左右されず、複雑なデータ処理が不用となり、リアルタ
イム的な測定が可能で、生産ラインでの測定装置として
適している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作を説明するシステムブロック図で
ある。

【図２】位相の検出を説明する図である。

【図３】被測定物の形状と位相の関係を説明する図であ
る。

【図４】光ヘテロダイン干渉を行う光学系の一実施例で
ある。

【符号の説明】

１０ レーザ光源 １１ 音響光学素子 １３ 被測定物 １４ 位相差検出器 １５ 第一の位相データ記憶部 １６ 第二の位相データ記憶部 １７ 位相データ補正部 １８ 第三の位相データ記憶部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響光学素子から作成された周波数の異
   なる２ビーム光を物体面上に照射させ、２ビーム光の相
   互の光路長の差によって生じる位相変化を検出する光ヘ
   テロダイン干渉法による表面形状測定装置において、２
   ビーム光を構成する個々のビームのピーク強度間距離を
   第一の距離に設定して被測定物面上を走査し、各走査位
   置で位相変化を検出して走査の一周期で第一の位相デー
   タを記憶し、次に前記ピーク強度間距離を前記第一の距
   離よりも長い第二の距離に設定して被測定物面上を走査
   し、各走査位置で位相変化を検出して走査の一周期で第
   二の位相データを記憶し、前記第一の位相データの符号
   の変化から被測定物の形状の変化する方向を検出し、第
   一の位相データの結果に基ずいて第二の位相データの補
   正を行って第三の位相データを作成し、該第三の位相デ
   ータから被測定物の表面形状を測定することを特徴とす
   る表面形状測定装置。