JPH10141927A

JPH10141927A - 実時間表面形状計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH10141927A
Application number: JP8302896A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Yamaguchi; 一郎山口; Susumu Kuwamura; 進桑村
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1996-11-14
Filing date: 1996-11-14
Publication date: 1998-05-29
Anticipated expiration: 2016-11-14
Also published as: JP3564569B2

Abstract

(57)【要約】【課題】段差や穴のある被検体の表面形状を実時間か
つ高精度で計測する。【解決手段】被検体表面１８からの反射光と参照鏡１
７からの反射光を２次元光検出器アレイ２０上で干渉さ
せる計測用干渉計ＭＩと、参照用干渉計ＲＩに波長可変
レーザ１１からのレーザ光１２を入射させ、波長可変レ
ーザ１１の発振波長を走査する。信号処理部３０では、
２次元光検出器アレイの各ピクセル２０_nの出力から物
体干渉信号の位相シフト量を、検出器２５の出力からレ
ーザ光１２の波数シフト量を求め、その比から各ピクセ
ルに対応する被検体表面１８の高さ分布ｈ(ｘ,ｙ)を演
算し、実時間で並列的に出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、３次元物体の表面
形状を実時間で精密に計測するための方法及び装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械加工部品等の表面形状を計測する方
法としては触針を用いた方法が古くから知られている
が、近年では高精度・非接触・高速性などの利点を有す
る光学的な方法が多く用いられるようになっている。更
に最近は、実時間で表面形状を計測できるシステムに対
する関心が高まっている。実時間表面形状計測システム
としては、例えば電子的モアレ法を用いたものが開発さ
れている。モアレ法では、格子状パターンを被検体表面
に投影することによって得られる変形格子像と参照格子
との積から被検体表面の等高線図を得る。しかし、モア
レ法は周期的パターンを用いるため、不連続な高さ分布
を有する段差の計測はできない。また、格子の投影方向
が観測視線方向と異なることによって、穴やスロットな
どの深さ情報が欠落するなどの問題点があった。さら
に、幾何光学的方法による計測精度の限界もある。

【０００３】一方、干渉計を用いることによって高い精
度で距離や寸法の計測を行うことができる。レーザ等の
単色光源を用いた干渉計によると極めて高精度の計測が
可能であるが、波長の整数倍のあいまいさがあるため段
差の計測は困難である。また、単色光源を用いる方法は
鏡面にのみ適用可能である。

【０００４】近年になって、干渉計による絶対距離計測
法を表面形状計測に適用する手法が提案された。コヒー
レンスレーダは、低コヒーレンス光源を用いた干渉法を
表面形状計測に適用したものである。また、レーザダイ
オード等の半導体レーザの波長変調を用いた干渉計測に
より表面形状を計測する方法（Fourier Transform Spec
kle Profilometry, ＦＴＳＰ）も提案されている。この
２つの方法は、被検体表面の各点までの絶対距離を独立
に計測するものであるため、モアレ法や単色光源を用い
た干渉法のような計測のあいまいさがなく、段差の計測
も可能である。また、粗面にも適用可能である。さら
に、干渉計の光学配置を用いることから、観測視線方向
とビームの入射方向を一致させることができ、穴やスロ
ットの計測も可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、コヒー
レンスレーダ法及びＦＴＳＰ法は、モアレ法の欠点を克
服したといえるが、被検体表面の形状を実時間で計測す
るのに適当な方法とはいえない。まず、コヒーレンスレ
ーダ法は、被検体表面の各点に対する等光路長位置を求
めるために、干渉計の参照鏡あるいは被検体自体を機械
的に精度よく移動させなければならないため、実時間計
測には適しない。

【０００６】一方、ＦＴＳＰ法は、半導体レーザの波長
変調によって生ずる干渉信号を被検体表面の各点に関し
て検出し、それらの信号をフーリエ変換を用いて解析す
ることによって、被検体表面各点の絶対高さを求める。
従って、干渉計の参照鏡や被検体自体を機械的に移動す
る必要はない。しかし、フーリエ変換を行なう必要か
ら、信号処理は本質的に波長変調によって得られる信号
全体をメモリに保持してから処理するオフライン処理と
なり、実時間処理を行うことはできない。また、計測精
度は光源の波長変調幅によって決まるが、半導体レーザ
を使った場合、モードホップ現象のため連続的に変調で
きる波長幅は０．２ｎｍ程度と限界があるため、計測精
度も０．４ｍｍ程度と比較的低い。

【０００７】以上のように、干渉計による絶対距離計測
に基づく表面形状計測法で、実時間計測を前提とした方
法は今まで見当たらない。本発明は、このような表面形
状計測の現状に鑑みてなされたもので、段差や穴を有す
る被検体に対してもその表面形状を実時間で高精度に計
測することのできる方法及び装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、連続波長走
査レーザを用い、レーザ光の波長走査に伴って発生する
干渉信号をフリンジ計数法によって解析することによ
り、機械的移動やオフラインのフーリエ変換処理を伴う
ことなく、段差や穴を有することのある３次元物体の表
面形状を実時間で精密に計測することを可能にする。

【０００９】すなわち、本発明による実時間表面形状計
測方法は、レーザ光を被検体表面に照射するステップ
と、被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光と前記レ
ーザ光から形成された参照平面波とを被検体表面の結像
位置に配置された光検出器アレイ上で干渉させるステッ
プと、レーザ光の波長を単調変化させるステップと、光
検出器アレイの各検出器から得られる物体干渉信号の位
相シフト量とレーザ光の波数シフト量との比を用いて被
検体表面の形状を計測するステップとを含むことを特徴
とする。

【００１０】レーザ光の波数シフト量は、レーザ光を所
定の光路差を持たせて干渉させることで得られる参照干
渉信号を用いて求めることができる。この参照干渉信号
を得るための干渉計の光路差を十分大きく設定すること
により、高精度な計測が可能となる。

【００１１】位相シフト量は、例えば零平均化あるいは
微分した物体干渉信号の零交差数を計数することによっ
て求めることができ、波数シフト量は零平均化あるいは
微分した参照干渉信号の零交差数を計数することによっ
て求めることができる。

【００１２】また、本発明による実時間表面形状計測装
置は、波長可変レーザと、波長可変レーザの発振波長を
制御するレーザ制御手段と、被検体表面の像を検出面に
結像させる結像光学系と、検出面に配置された光検出器
アレイと、波長可変レーザからのレーザ光が入射され、
参照鏡で反射されたレーザ光と被検体表面で反射又は散
乱されたレーザ光とを検出面で干渉させる計測用干渉計
と、光検出器アレイの各検出器から発生される干渉信号
を個別に処理する信号処理系とを含み、信号処理系はレ
ーザ制御手段により波長可変レーザの発振波長を単調に
変化させたとき各検出器から発生される干渉信号の位相
シフト量とレーザ光の波数シフト量との比を用いて被検
体表面の形状を計測することを特徴とする。

【００１３】レーザ光の波数シフト量は、波長可変レー
ザの波長を制御する手段の制御指令とその制御下で発振
するレーザ波長との関係を予め校正しておくことによ
り、波長可変レーザの波長を制御する手段の制御指令か
ら求めることができるが、波長可変レーザからのレーザ
光が入射され、レーザ光を所定の光路差を持たせて干渉
させる参照用干渉計から出力される参照干渉信号を用い
て求める方がより信頼性の高い計測ができる。

【００１４】信号処理系は、光検出器アレイの各検出器
から発生された物体干渉信号の零交差数を計数する第１
の計数手段と、参照用干渉計から出力された参照干渉信
号の零交差数を計数する第２の計数手段とを含むことが
できる。

【００１５】被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光
と参照平面波とを干渉させる計測用干渉計としては、例
えばマイケルソン型干渉計を用いることができる。計測
用干渉計の一方の光路に参照鏡を置き、もう一方の光路
には被検体を設置する。被検体表面の像は、結像光学系
によって、例えばＣＣＤを用いた２次元光検出器アレイ
上に結像される。２次元光検出器アレイの各ピクセル
は、被検体表面の各点に対応する。波長可変レーザを波
長走査するとき、被検体表面の各点と参照鏡との絶対光
路差に応じた物体干渉信号が検出器アレイの各ピクセル
で検出される。このとき、絶対光路差を被検体表面の高
さと定義すると、物体干渉信号の位相シフト量とレーザ
光の波数シフト量の比（位相勾配）は被検体表面の高さ
に比例する。これを波長可変レーザの発振波長を波数の
掃引速度が一定となるように走査する場合について言い
換えると、物体干渉信号の周波数もしくは周期の逆数
は、被検体表面の高さに比例する。

【００１６】高精度の実時間計測を行うには、以下の手
段を講ずるのが好ましい。第１に、２次元光検出器アレ
イの各ピクセルから得られる干渉信号をオンラインで処
理する。すなわち、微分されたまたはバイアスを差し引
いて零平均化された干渉信号の零交差の回数及び零交差
時のレーザ波長（波数）をモニターし、それらから得ら
れる位相シフト量と波数シフト量の比（位相勾配）を実
時間で出力する。

【００１７】第２に、光路長差が１波長以内の精度で既
知である参照用干渉計を設けることによって、波長可変
レーザの波数シフト量を実時間で精度よく校正する。す
なわち、参照用干渉計の光路差を十分大きく取るとき、
そこから出力される干渉信号は、波数のシフト量を計数
するための精密なクロックとなる。これによってレーザ
の波長走査特性を予め校正する必要はなくなり、またこ
れに伴う計測誤差を防ぐことができる。

【００１８】第３に、上記の干渉信号処理を２次元光検
出器アレイの全てのピクセルに渡って同時（並列）に行
なう。すなわち、各ピクセル毎に信号処理用の電子回路
を個別に接続し、出力も各ピクセル毎で独立に行なう。
こうすることによって、被検体表面の高さ分布が常に出
力されている状態となり、実時間計測が実現される。本
発明では更に、計測精度を向上させるために、波長可変
レーザの波長走査幅を拡大する。ＦＴＳＰ法では、波長
変調幅の狭い半導体レーザを使うことによる計測精度の
限界があったが、本発明ではＴｉ：sapphireレーザや色
素レーザなどに代表される波長走査幅の広い波長可変レ
ーザを導入することによって、計測精度を１μｍ程度ま
で向上させることができる。

【００１９】なお、物体干渉信号を検出する光検出器ア
レイとして２次元光検出器アレイを用いることは必ずし
も必要ではない。例えば、被検体表面形状のプロファイ
ルを求める場合には、１次元光検出器アレイを用いるこ
ともできる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による実時間表面
形状計測装置の一例の概略構成図である。波長可変レー
ザ１１からのレーザビーム１２は、反射鏡１３で反射さ
れ、ビームスプリッタ１４により２分割され、一方は参
照用干渉計ＲＩに、もう一方は計測用干渉計ＭＩに導か
れる。計測用干渉計ＭＩに導入されるレーザビームは、
ビームエキスパンダ１５を通過して適当な直径の平行ビ
ームとされる。計測用干渉計ＭＩに導かれた平行ビーム
は、ハーフミラー１６によって二分割され、一方は参照
平面鏡１７に入射し、もう一方は被検体表面１８を照射
する。

【００２１】被検体表面１８で反射又は散乱したレーザ
光は、ハーフミラー１６及び結像光学系１９を通過し
て、同様に参照鏡１７から反射してきた平面波と干渉さ
せられる。結像光学系１９は、被検体表面１８を２次元
光検出器アレイ２０上に結像する。結像光学系１９の焦
点面に置かれた開口板２１は、結像光学系１９の焦点深
度を調整するためと結像系全体をテレセントリック系と
するためのものである。この結像系によって、被検体表
面１８の各点の高さｈ(ｘ,ｙ)に応じた干渉信号（物体
干渉信号）が、被検体表面１８のｘｙ座標（ｘ,ｙ）と
一対一対応する２次元光検出器アレイ２０上の各ピクセ
ル２０₁，２０₂，２０₃，…によって検出される。こ
こで、被検体表面１８の各点の高さｈ(ｘ,ｙ)は、参照
平面鏡１７のハーフミラー１６に関する鏡像１７Ｍから
測るものとする。

【００２２】一方、参照用干渉計ＲＩは、既知の光路長
差ｌ_rを有する。図１では、参照用干渉計ＲＩは互いに
平行に配置されたハーフミラー２３と全反射平面鏡２４
から成っているが、マイケルソン型の干渉計でもよい。
参照用干渉計ＲＩの検出器２５からは、波長可変レーザ
１１から発生されたレーザ光１２の波数を校正するため
の干渉信号（参照干渉信号）が出力される。検出器２５
から出力される参照干渉信号には、ハーフミラー２３と
平面鏡２４の間での多重反射により光路長差ｌ_rで決ま
る基本周波数の整数倍の周波数成分も含まれるので、帯
域フィルタ（ＢＰＦ）２６によって、基本周波数以外の
周波数成分を除去する。

【００２３】計測用干渉計ＭＩの２次元光検出器アレイ
２０の各ピクセル２０₁，２０₂，２０₃，…の検出出
力及び、帯域フィルタ２６によって基本周波数以外の周
波数成分が除去された参照用干渉計ＲＩの検出器２５の
出力は信号処理部３０に入力されて後述のように処理さ
れる。信号処理部３０は、２次元光検出器アレイ２０の
各ピクセル２０₁，２０₂，２０₃，…に対応する出力
３１₁，３１₂，３１₃，…を並列的に出力する。な
お、レーザ制御装置１１ａ及び信号処理部３０は主制御
装置１０によって統括的に制御されている。

【００２４】次に、本発明による被検体表面の形状計測
の原理について簡単に説明する。レーザ制御手段１１ａ
により波長可変レーザ１１の発振レーザ波長を連続的に
走査したとき、２次元光検出器アレイ２０の各ピクセル
で検出される物体干渉信号の位相φ(ｘ,ｙ)は、次の
〔数１〕で与えられる。

【００２５】

【数１】φ(ｘ,ｙ)＝２ｈ(ｘ,ｙ)ｋ₀＋２ｈ(ｘ,ｙ)Δｋ

【００２６】ここで、ｋ₀は波長走査開始点における波
数、Δｋは波数シフト量である。従って、波数シフト量
Δｋに対する干渉信号の位相シフト量Δφは、Δφ＝２
ｈ(ｘ,ｙ)Δｋで与えられるから、表面高さｈ(ｘ,ｙ)は
物体干渉信号の位相シフト量Δφと波数シフト量Δｋの
比を用いて次の〔数２〕で与えられる。

【００２７】

【数２】ｈ(ｘ,ｙ)＝（１／２）Δφ／Δｋ

【００２８】位相シフト量Δφは、物体干渉信号の微分
信号または零平均化信号の零交差を計数することによっ
て、また波数シフト量Δｋは参照干渉信号の微分信号ま
たは零平均化信号の零交差数を計数することによって、
それぞれ実時間で求められる。すなわち、波長走査開始
点から現時点までの物体干渉信号の零交差計数値をＮ
(ｘ,ｙ)とし、物体干渉信号の最初の零交差に対応する
波数をｋ₁、最後（第Ｎ番目）の零交差に対応する波数
をｋ_Nとすると、位相シフト量Δφ＝π（Ｎ−１）、波
数シフト量Δｋ＝ｋ_N−ｋ₁となり、被検体表面の高さｈ
(ｘ,ｙ)はそれらの比から次の〔数３〕のように求めら
れる。

【００２９】

【数３】ｈ(ｘ,ｙ)＝Δφ／２Δｋ＝π（Ｎ−１）／２
（ｋ_N−ｋ₁）

【００３０】ここで、レーザ光の波数がｋ₁からｋ_Nま
で変化する間に計数される参照干渉信号の零交差数をＮ
_rとすると、波数シフト量（ｋ_N−ｋ₁）はＮ_rを使って
次の〔数４〕のように近似的に表される。

【００３１】

【数４】ｋ_N−ｋ₁≒π（Ｎ_r−１）／２ｌ_r

【００３２】ここで、参照干渉信号の零交差数Ｎ_rから
求められる波数シフト量はπ／２ｌ_rだけの不確定さを
持つ。従って、波数シフト量を正確に求めるためには、
参照用干渉計の光路差ｌ_rを十分長く取って、十分細か
い参照干渉信号を発生させる必要がある。

【００３３】被検体表面の高さｈ(ｘ,ｙ)に関する上記
の表式を、Ｎ_r及びｌ_rを使って書き直すと次の〔数
５〕が得られる。〔数５〕は、波数シフト量Δｋを陽に
含まない式であり、これによって波数値は自動的に校正
されたことになる。

【００３４】

【数５】ｈ(ｘ,ｙ)＝ｌ_r（Ｎ−１）／（Ｎ_r−１）

【００３５】以上の信号処理は、２次元光検出器アレイ
２０の各ピクセル毎に行なわれる。各ピクセル２０₁，
２０₂，２０₃，…には上記の信号処理を行なう電子回
路３０₁，３０₂，３０₃，…が接続され、被検体表面
１８の高さに比例した出力３１₁，３１₂，３１₃，…
を与える。すなわち、被検体表面１８の高さ分布ｈ(ｘ,
ｙ)は実時間で常時出力されている。

【００３６】図２は、信号処理部３０に入力される計測
用干渉計ＭＩの出力（物体干渉信号）と参照用干渉計Ｒ
Ｉの出力（参照干渉信号）を示す説明図である。図２
（ａ）は２次元光検出器２０の１つのピクセル２０_nか
ら得られた物体干渉信号Ｉ(ｋ)を模式的に示し、図２
（ｂ）は帯域フィルタ２６を通した参照用干渉計ＲＩの
検出器２５から得られた参照干渉信号Ｉ_r(ｋ)を模式的
に示している。縦軸は信号出力、横軸は波数である。信
号処理部３０では、いずれのピクセルの出力に対しても
零平均化されるようにバイアスを設定し、零交差の数を
カウントする。または、各ピクセルの出力信号を微分し
て、その零交差を計数しても同じである。

【００３７】波長可変レーザ１１はレーザ制御手段１１
ａによって波長が長くなる方向あるいは短くなる方向に
単調に波長走査されており、計測を開始して最初に物体
干渉信号が零交差したときのレーザ光の波数はｋ₁、現
在のレーザ光の波数はｋである。その間に、物体干渉信
号はＮ回の零交差を生じ、最後（Ｎ番目）の零交差時の
波数はｋ_Nである。物体干渉信号の最初の零交差から最
後（Ｎ番目）の零交差の間に、参照干渉信号はＮ_r回の
零交差を生じている。参照用干渉計ＲＩは、物体干渉信
号Ｉ(ｋ)の零交差の発生頻度より十分大きな頻度で参照
干渉信号Ｉ_r(ｋ)の零交差が発生するように、十分長い
光路差Ｉ_rが設定されている。

【００３８】図３、図４、図５を用いて、信号処理部３
０の動作について説明する。図３は、信号処理部３０の
１ピクセル分の要素回路３０_nの構成を示すブロック図
である。また、図４は信号処理部の要素回路に入力され
る各種信号及び物体干渉信号Ｉ(ｋ)から得られる零交差
信号を説明するタイミングチャート、図５は参照干渉信
号Ｉ_r(ｋ)を説明するタイミングチャートである。

【００３９】図３（ａ）は、ここに示す例の信号処理部
で用いる零交差計数器ＺＣＣの説明図である。零交差計
数器ＺＣＣは、信号入力端子、計数開始トリガ入力端
子、及び計数終了トリガ入力端子からなる３つの入力端
子と、零交差の数を出力する零交差計数値出力端子、及
び零交差が計数される毎にパルスが発生する零交差発生
パルス出力端子からなる２つの出力端子を備える。

【００４０】２次元光検出器２０の各ピクセル２０₁，
２０₂，２０₃，…に接続される各要素回路は、図３
（ｂ）に示すように２個の零交差計数器３３，３４を用
いて構成されている。物体干渉信号Ｉ(ｋ)及び参照干渉
信号Ｉ_r(ｋ)は、ともに直流バイアスフィルタ（コンデ
ンサ）３５，３６を通して零平均化される。零平均化さ
れた物体干渉信号は第１の零交差計数器３３に入力さ
れ、零平均化された参照干渉信号は第２の零交差計数器
３４に入力される。なお、直流バイアスフィルタ３５，
３６の代わりに微分回路を用いてもよい。

【００４１】図４（ａ）は、主制御装置１０からレーザ
制御装置１０ａに発せられるレーザの波長走査ゲート信
号ａを表し、この波長走査ゲート信号ａに基づいて発生
されるレーザ波長走査開始トリガ信号ｂの入力により、
第１の零交差計数器３３は物体干渉信号ｄの零交差計数
を開始する。図４の横軸に示したｋ₀，ｋ₁，ｋ₂，…
は、各タイミングにおける波長可変レーザの発振波数を
表す。第１の零交差計数器３３の零交差発生パルス出力
端子からは、図４（ｅ）に示すように、零交差が発生す
る度にパルスｅが出力される。また、第１の零交差計数
器３３の零交差計数値出力端子からは、図４（ｆ）に示
すように、零交差の計数値Ｎを表す信号ｆが実時間で出
力される。

【００４２】一方、図５（ａ）に示す零平均化された参
照干渉信号ｇは第２の零交差計数器３４に入力される。
この第２の零交差計数器３４は、前記〔数３〕による
と、物体干渉信号ｄの第１零交差ｋ₁の時点で計数を開
始しなければならない。従って、参照干渉信号用の第２
の零交差計数器３４の開始トリガの入力端子には、物体
干渉信号の零交差を計数する第１の零交差計数器３３か
ら出力される零交差発生パルスｅが入力される。

【００４３】図５（ｂ）に示すように、参照干渉信号ｇ
の零交差計数値Ｎ_rは、物体干渉信号ｄの零交差ｋ₀，
ｋ₁，ｋ₂，…が発生する度に出力される。これは、物
体干渉信号ｄの零交差の計数タイミングとの同期をとる
ためである。そのために、参照干渉信号ｇの計数値を表
す出力ｉはゲート３７を通される。このゲート３７は物
体干渉信号ｄの零交差発生パルスｅによって開かれ、計
数値の更新が行われる。新しい計数値は、次の更新が生
じるまでホルダ３８に保持される。物体干渉信号ｄの零
交差の計数値Ｎと参照干渉信号ｇの零交差の計数値Ｎ_r
の比はアナログ演算器やデジタル演算器等の演算手段３
９を用いて得ることができ、演算処理部３０の各要素回
路３０₁，３０₂，３０₃，…からは、前記〔数５〕の
関係を用いて演算された被検体表面１８の高さに比例し
た出力３１₁，３１₂，３１₃，…が得られる。

【００４４】レーザの波長走査終了トリガｃは第１及び
第２の零交差計数器３３，３４に同時に入力され、これ
によって零交差の計数が中止される。次に、本発明によ
る表面形状計測の計測精度及び計測範囲について見積も
る。前記〔数３〕より、高さの計測精度δｈは次の〔数
６〕で表される。

【００４５】

【数６】 δｈ＝ｈ・δｋ／（ｋ_N−ｋ₁）＝δφ／（ｋ_N−ｋ₁）

【００４６】ここで、δφ＝ｈ・δｋ、また、物体干渉
信号の零交差の計数エラーδＮは無視した。高さの計測
精度δｈは、波数の計測精度δｋが高くなるほど高くな
る。また、波数シフト（ｋ_N−ｋ₁）が大きくなるほど高
さの計測精度δｈ高くなる。したがって、信号処理部３
０からは常に被検体表面１８の高さ分布ｈ(ｘ,ｙ)の計
測結果が出力されているが、波長走査が進行するにつれ
て出力される高さ分布の精度は次第に高くなっていく。

【００４７】一方、本発明を用いて計測できる最大高さ
は、第１にレーザのコヒーレンス長によって制限され
る。次に、参照用干渉計の光路差ｌ_rによって制限さ
れ、更に、結像系の焦点深度によって制限される。

【００４８】次に、本発明を適用して段差を有する被検
体表面の形状を計測した例について説明する。被検体表
面としては、段差を有する光拡散表面（粗面）を用い
た。図６は、被検体の断面模式図である。スライドガラ
ス４０上に光拡散性の表面を有する鋼板４１を張り付
け、さらにその上に光拡散性の表面を有するもう一枚の
鋼板を位置をずらして重ねたものである。２枚の鋼板４
１，４２による段差Ｈ１はマイクロメータによる鋼板の
厚さ測定から０．２５ｍｍである。表面形状計測装置と
しては図１に示した構成の装置を用い、計測用干渉計Ｍ
Ｉの被検体表面１８の位置に図６に示した被検体を、鋼
板４１，４２の面にレーザ光が当たるようにして配置し
た。波長可変レーザとしてはローダミン６Ｇの色素レー
ザを用い、５６６ｎｍ〜５９１ｎｍの範囲で波長走査を
行った。

【００４９】図７は物体干渉信号の一例を示すもので、
横軸はレーザ光の波長、縦軸は物体干渉信号の強度を表
す。図７（ａ）は鋼板４１からの散乱レーザ光と参照光
との干渉による物体干渉信号の一例であり、図７（ｂ）
は鋼板４２からの散乱レーザ光と参照光との干渉による
物体干渉信号の一例である。

【００５０】図８は、信号処理部３０から得られた高さ
分布ｈ(ｘ,ｙ)のデータをもとに、被検体の表面形状を
３次元的に表示したものである。表面形状計測時に波長
可変レーザ１１によって走査された全波数走査幅をΔＫ
とするとき、図８（ａ）は全走査幅ΔＫの４％に相当す
る波数走査が終わった時点で得られた計測結果を表す。
同様に、図８（ｂ）は全走査幅ΔＫの３７％の波数走査
が終わった時点で得られた計測結果を表し、図８（ｃ）
は全走査幅ΔＫの７０％の波数走査が終わった時点で得
られた計測結果を表す。図８（ｄ）は波長可変レーザ１
１による予定の波長走査が完了した時点で得られた計測
結果を表す。

【００５１】図８からわかるように、本発明によると段
差の計測が可能である。また、計測実行中は常に実時間
で被検体の表面形状についての情報を得ることができ、
その計測精度は計測時間の経過とともに次第に向上す
る。したがって、波長可変レーザ１１の波長（波数）走
査範囲を任意に選択することにより、所望の計測精度で
表面形状を計測することができる。換言すると、計測中
は実時間で表面形状データが得られ、その精度は時間と
ともに上がっていくのであるから、所望の計測精度で表
面形状のデータが得られた時点で計測を終了すればよい
ことになる。

【００５２】図９は、計測された被検体の表面形状の断
面プロフィールを示す図である。横軸は２次元光検出器
２０のピクセル番号であり、縦軸は高さである。図９か
ら明らかなように、段差が明瞭に現れており、その高さ
は上記のマイクロメータで計測した数値とよく一致して
いる。断面プロフィールにおける計測された表面高さ分
布の小さな揺らぎは計測精度によるものと考えられ、そ
の標準偏差は計測精度を与える。

【００５３】図１０は、波長走査量（波数シフト量）と
計測精度の関係を表す図である。横軸は波数シフト、縦
軸は再生された高さの２次元分布をフィッティングする
ことによって求めた平均的高さ分布からの高さ計測値の
標準偏差である。図中、ａは図６の表面４１に対する
〔数６〕に基づく理論計算値、ｂは表面４２に対する
〔数６〕に基づく理論計算値の曲線、□及び×は実測値
である。また、破線で示した直線ｃは表面４１から反射
又は散乱されたレーザ光と参照光との干渉光について計
測されるフリンジ数、直線ｄは表面４２から反射又は散
乱されたレーザ光と参照光との干渉光について計測され
るフリンジ数である。

【００５４】図１０は、レーザ光の波数シフト量が増大
するにつれて、測定精度が向上することを定量的に示し
ている。すなわち、レーザ光の波長を時間とともに走査
したとき、計測時間の経過とともに計測精度が向上して
いくことを実証している。計測精度は表面高さに依存す
るが、この例の場合、測定精度は４μｍが限界で、表面
粗さがこの限界を与える。また、図１０から、最初の１
０カウント程度で計測精度が急速に向上することが分か
る。

【００５５】次に、被検体表面として段差を有する鏡面
を用いて同様の計測を行った。図１１は、被検体の断面
模式図である。この被検体は、スライドガラス４５上
に、表面にアルミニウム（Ａｌ）をコーティングして鏡
面とした顕微鏡用のカバーガラス４６を張り付け、さら
にその上に同様に表面にＡｌをコーティングして鏡面と
した顕微鏡用のカバーガラス４７を位置をずらして重ね
たものである。２枚のカバーガラス４６，４７による段
差Ｈ２はマイクロメータによるカバーガラスの厚さ測定
から０．１５ｍｍである。表面形状計測装置としては図
１に示した構成の装置を用い、計測用干渉計ＭＩの被検
体表面１８の位置に図１１に示した被検体を、カバーガ
ラス４６，４７の表面にレーザ光が当たるようにして配
置した。波長可変レーザとしてはローダミン６Ｇの色素
レーザを用い、５６６ｎｍ〜５９１ｎｍの範囲で波長走
査を行った。

【００５６】図１２は、信号処理部３０から得られた高
さ分布ｈ(ｘ,ｙ)のデータをもとに、被検体の表面形状
を３次元的に表示したものである。表面形状計測時に波
長可変レーザ１１によって走査された全波数走査幅をΔ
Ｋとするとき、図１２（ａ）は全走査幅ΔＫの４％に相
当する波数走査が終わった時点で得られた計測結果を、
図１２（ｂ）は全走査幅ΔＫの３７％の波数走査が終わ
った時点で得られた計測結果を、図１２（ｃ）は全走査
幅ΔＫの７０％の波数走査が終わった時点で得られた計
測結果を、図１２（ｄ）は波長可変レーザ１１による予
定の波長走査が完了した時点で得られた計測結果をそれ
ぞれ表す。

【００５７】また図１３は、計測された被検体の表面形
状の断面プロフィールを示す図である。横軸は２次元光
検出器２０のピクセル番号であり、縦軸は高さである。
図１２は図８と同様、計測精度が計測時間とともに向上
していくことを示している。図８の粗面の段差の高さ分
布と、図１２の鏡面の段差の高さ分布を比べると、表面
粗さの違いが明瞭に現れていることが分かる。図１３よ
り、計測された段差が、上記のマイクロメータで計測し
た値とよく一致していることが分かる。

【００５８】図１４は、波長走査量（波数シフト量）と
計測精度の関係を表す図である。横軸は波数シフト、縦
軸は平均的高さ分布からの高さ計測値の標準偏差であ
る。図中、ａは図１１の表面４６に対する〔数６〕に基
づく理論計算値、ｂは表面４７に対する〔数６〕に基づ
く理論計算値の曲線、□及び×は実測値である。また、
破線で示した直線ｃは表面４６から反射されたレーザ光
と参照光との干渉光について計測されるフリンジ数、直
線ｄは表面４７から反射されたレーザ光と参照光との干
渉光について計測されるフリンジ数である。

【００５９】図１４は、図１０と同様、計測時間の経過
とともに計測精度が向上していくことを定量的に示して
いる。この例の場合、計測精度は１μｍが限界である。
計測精度の限界が図１０と図１４とで異なるのは、表面
粗さの相違によるものである。また図１４から、最初の
１０カウント程度で計測精度が急速に向上することが分
かる。

【００６０】図１５は、本発明による実時間表面形状計
測装置の他の例の概略構成図である。この例では参照干
渉計を用いない。レーザ制御装置５１ａによって波長制
御される波長可変レーザ５１からのレーザビームは、ビ
ームエキスパンダ５５を通過して適当な直径の平行ビー
ムとなって計測用干渉計ＭＩに導かれる。計測用干渉計
ＭＩに導かれた平行ビームは、ハーフミラー５６によっ
て二分割され、一方は参照平面鏡５７に入射し、もう一
方は被検体表面５８を照射する。

【００６１】被検体表面５８で反射又は散乱したレーザ
光は、ハーフミラー５６で反射され、結像光学系５９に
よって２次元光検出器アレイ７０上で結像される。結像
光学系５９の焦点面に置かれた開口板６１は、結像光学
系５９の焦点深度を調整するためと結像系全体をテレセ
ントリック系とするためのものである。参照鏡５７で反
射されたレーザ光はハーフミラー５６及び結像光学系５
９を通過し、被検体表面５８で反射又は散乱したレーザ
光と２次元検出器アレイ７０上で干渉する。被検体表面
５８のｘｙ座標（ｘ,ｙ）と一対一対応する２次元光検
出器アレイ７０の各ピクセル７０₁，７０₂，７０₃，
…からは、被検体表面５８の各点の高さｈ(ｘ,ｙ)に応
じた干渉信号（物体干渉信号）が出力される。２次元光
検出器アレイ７０の各ピクセル７０₁，７０₂，７
０₃，…からの出力信号は、信号処理部７１に入力され
て並列的に処理される。

【００６２】波長可変レーザ５１の波長を制御するレー
ザ制御装置５１ａは、主制御装置５０からの指令によっ
て制御され、主制御装置５０は、その波長制御指令によ
って波長可変レーザ５１から発振されるレーザ光の波長
（波数）情報を信号処理部７１に供給する。この主制御
装置５０による波長制御指令と、波長可変レーザ５１か
ら発振されるレーザ光の波長（波数）の関係は、予め実
験等によって校正されている。

【００６３】信号処理部７１は、計測用干渉計ＭＩの２
次元光検出器アレイ７０の各ピクセル７０₁，７０₂，
７０₃，…の検出出力及び、主制御装置５０から供給さ
れるレーザ光の波数情報を用いて前述と同様の処理を行
い、２次元検出器アレイ７０の各ピクセル７０₁，７０
₂，７０₃，…に対応する被検体表面５８の高さｈ(ｘ,
ｙ)を表示装置等の出力装置７２に並列的に出力する。

【００６４】このように参照干渉計を用いなくとも被検
体表面５８の表面形状を実時間で計測することができ
る。ただし、この場合には、波長可変レーザ５１の発振
波長を高い精度で校正しておく必要がある。

【００６５】

【発明の効果】本発明によると、穴や段差のある表面の
形状を実時間で高精度に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実時間表面形状計測装置の一例の
概略構成図。

【図２】計測用干渉計から得られた物体干渉信号と、参
照用干渉計から得られた参照干渉信号を模式的に示す
図。

【図３】信号処理部の１ピクセル分の要素回路の構成を
示すブロック図。

【図４】信号処理部の要素回路に入力される各種信号及
び物体干渉信号から得られる零交差信号を説明するタイ
ミングチャート。

【図５】参照干渉信号を説明するタイミングチャート。

【図６】光拡散表面を有する被検体の断面模式図。

【図７】物体干渉信号の一例を示す図。

【図８】計測された被検体の表面形状を３次元的に表示
した図。

【図９】計測された被検体の表面形状の断面プロフィー
ルを示す図。

【図１０】波長走査量（波数シフト量）と計測精度の関
係を表す図。

【図１１】鏡面を有する被検体の断面模式図。

【図１２】計測された被検体の表面形状を３次元的に表
示した図。

【図１３】計測された被検体の表面形状の断面プロフィ
ールを示す図。

【図１４】波長走査量（波数シフト量）と計測精度の関
係を表す図。

【図１５】本発明による実時間表面形状計測装置の他の
例の概略構成図。

【符号の説明】

１０…主制御装置、１１…波長可変レーザ、１１ａ…レ
ーザ制御装置、１２…レーザビーム、１３…反射鏡、１
４…ビームスプリッタ、１５…ビームエキスパンダ、１
６…ハーフミラー、１７…参照鏡、１８…被検体表面、
１９…結像光学系、２０…２次元光検出器アレイ、２１
…開口板、２３…ハーフミラー、２４…全反射平面鏡、
２５…検出器、２６…帯域フィルタ、３０…信号処理
部、３３，３４…零交差計数器、３５，３６…直流バイ
アスフィルタ、３７…ゲート、３８…ホルダ、３９…演
算手段、４０…スライドガラス、４１，４２…鋼板、４
５…スライドガラス、４６，４７…カバーガラス、５０
…主制御装置、５１…波長可変レーザ、５１ａ…レーザ
制御装置、５５…ビームエキスパンダ、６１…開口板、
５６…ハーフミラー、５７…参照平面鏡、５８…被検体
表面、５９…結像光学系、７０…２次元光検出器アレ
イ、７１…信号処理部、７２…出力装置、ＭＩ…計測用
干渉計、ＲＩ…参照用干渉計

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を被検体表面に照射するステッ
プと、前記被検体表面で反射又は散乱されたレーザ光と前記レ
ーザ光から形成された参照平面波とを前記被検体表面の
結像位置に配置された光検出器アレイ上で干渉させるス
テップと、前記レーザ光の波長を単調変化させるステップと、前記光検出器アレイの各検出器から得られる物体干渉信
号の位相シフト量と前記レーザ光の波数シフト量との比
を用いて前記被検体表面の形状を計測するステップとを
含むことを特徴とする実時間表面形状計測方法。
【請求項２】前記レーザ光の波数シフト量は、前記レ
ーザ光を所定の光路差を持たせて干渉させた参照干渉信
号を用いて求めることを特徴とする請求項１記載の実時
間表面形状計測方法。
【請求項３】前記位相シフト量は前記物体干渉信号の
零交差数を計数することによって求め、前記波数シフト
量は前記参照干渉信号の零交差数を計数することによっ
て求めることを特徴とする請求項２記載の実時間表面形
状計測方法。
【請求項４】波長可変レーザと、前記波長可変レーザの発振波長を制御するレーザ制御手
段と、被検体表面の像を検出面に結像させる結像光学系と、前記検出面に配置された光検出器アレイと、前記波長可変レーザからのレーザ光が入射され、参照鏡
で反射されたレーザ光と前記被検体表面で反射又は散乱
されたレーザ光とを前記検出面で干渉させる計測用干渉
計と、前記光検出器アレイの各検出器から発生される物体干渉
信号を個別に処理する信号処理系とを含み、前記信号処理系は前記レーザ制御手段により前記波長可
変レーザの発振波長を単調に変化させたとき前記各検出
器から発生される物体干渉信号の位相シフト量と前記レ
ーザ光の波数シフト量との比を用いて前記被検体表面の
形状を計測することを特徴とする実時間表面形状計測装
置。
【請求項５】前記波長可変レーザからのレーザ光が入
射され、前記レーザ光を所定の光路差を持たせて干渉さ
せる参照用干渉計を備え、前記参照用干渉計から出力さ
れる参照干渉信号を用いて前記レーザ光の波数シフト量
を求めることを特徴とする請求項４記載の実時間表面形
状計測装置。
【請求項６】前記信号処理系は、前記光検出器アレイ
の各検出器から発生された物体干渉信号の零交差数を計
数する第１の計数手段と、前記参照用干渉計から出力さ
れた参照干渉信号の零交差数を計数する第２の計数手段
とを含むことを特徴とする請求項５記載の実時間表面形
状計測装置。