JPH1163945A - 面形状測定装置及びこれに好適な干渉測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光プローブを利用することにより、非球面等
の面形状を高精度に測定することができる面形状測定装
置を得ること。 【解決手段】 僅かに周波数の異なる２つの光のうち一
方の光は参照面にて反射させ、他方の光は被測定面上に
所定の半開角のレンズ系を用いて入射させ、双方の反射
光を干渉させて、複数の素子を有する光検出器で測定信
号を得る際、該レンズ系と光検出器は筐体内に収納して
おり、測定信号は被測定面上で垂直反射して帰ってきた
光束に対応する該光検出器中の素子を選択し、この素子
を中心とする近傍素子によって得られるビート信号を加
算して得ており、該参照信号と該測定信号の位相差が一
定となるように該筐体と被測定面の間隔を光軸方向に制
御し、該筐体と被測定面を光軸直交方向に相対位置変化
させたときの該筐体の位置情報を測長手段にて読みとる
ことにより被測定面の面形状を測定すること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、面形状測定装置及
びこれに好適な干渉測定装置に関し、例えば、カメラ、
ビデオ、半導体素子製造装置などに用いられる比較的大
口径のレンズ、ミラー、金型などの滑らかに連続した物
体の面形状を計測する装置において、特に通常の干渉計
では測定困難な、非球面形状等を高精度に計測するのに
好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より非球面形状等の物体の面形状を
測定する装置として光の干渉現象を利用した干渉装置が
多く利用されている。図８は光学第１２巻第６号（1983
年12月）p450-454に開示された面形状測定装置の要部概
略図である。

【０００３】同図において９０１は光源ゼーマンレーザ
ー、９０２はビームスプリッタ、９０３、９０４は偏光
ビームスプリッタ、９０５ａ、ｂはλ／４板、９０６は
対物レンズ、９０７は参照面、９０８はワーク（被測定
物）、９０９はワークステージ、９１０はフォーカス検
出器、９１１ａ、９１１ｂはビート信号検出器である。

【０００４】同図においては光源であるところのゼーマ
ンレーザー９０１から射出された偏光方位が直交する周
波数ｆ１、ｆ２のわずかに周波数の異なる２つの光をｆ
１、ｆ２とすると、これらの光はビームスプリッタ９０
２で２分され、このうちビームスプリッタ９０２を通過
した光は第１の偏光ビームスプリッタ９０３にて空間的
に分離される。このうち光ｆ１の光は直進して第２の偏
光ビームスプリッタ９０４を通過してλ／４板９０５ａ
で円偏光に変換され対物レンズ９０６にて被測定物（ワ
ーク）９０８の表面に焦点を結ぶように照射され、いわ
ゆるCat's Eye反射で対物レンズ９０６にもどり、λ／
４板９０５ａを再び通過して直線偏光に変換されるが、
反射前の直線偏光とは９０°方位が回転した状態で第２
の偏光ビームスプリッタ９０４に入射する。

【０００５】この偏光ビームスプリッタ９０４は、特殊
なコーティングが施されており、戻ってきた光を２分割
して一方は透過させて第１の偏光ビームスプリッタ９０
３へ、もう一方は反射させてフォーカス検出器９１０へ
と導く。

【０００６】フォーカス検出器９１０からの信号を用い
て前記対物レンズ９０６を矢印で示す光軸方向にサーボ
しワークが光軸と直交方向に移動しても常にワーク表面
上に焦点を結ぶようにしている。

【０００７】一方偏光ビームスプリッタ９０３で反射さ
れた光ｆ２の光はλ／４板９０５ｂにて円偏光に変換さ
れ、レンズ、ミラーを介してワークステージ上に配置さ
れた参照面９０７で反射されて偏光ビームスプリッタ９
０３に戻るが、λ／４板９０５ｂをもう一度通るため、
偏光方位が９０°回転した直線偏光となっており、偏光
ビームスプリッタ９０３を透過してビート信号検出器９
１１ｂへ向かう。

【０００８】ワーク９０８で反射して偏光ビームスプリ
ッタ９０３に戻ってきた光もビート信号検出器９１１ｂ
へ向かうため、参照面９０７で反射した光と干渉し、測
定ビート信号（Ｆ１−Ｆ２）がビート信号検出器９１１
ｂにて検出される。

【０００９】光源９０１から射出直後の光ｆ１、ｆ２を
ビームスプリッタ９０２で反射させて、干渉させて、ビ
ート信号検出器９１１ａで参照ヒント信号を得ている。
ヒント信号検出器９１１ｂで得られる測定ヒント信号
と、ビート信号検出器９１１ａにて得られる参照ビート
信号との位相差を測定し、ワーク９０８を光軸に直交す
る方向に走査させたときの位相差を積分することでワー
ク９０８の面形状を測定している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図８に示す面形状測定
装置では、被測定物９０８の表面上に光をフォーカスさ
せて反射してきた反射光の波面情報を取得している。こ
の方法では、被測定面９０８上に小さなゴミやキズ等が
あると、反射光が散乱するため、検出器９１１ｂに戻る
光量、位相が極端に変化し測定困難となるという問題が
あり、積算カウンタエラーによりその地点で測定が中断
してしまうという問題点があった。

【００１１】本発明は、被測定面上に小さなゴミやキズ
等があっても測定されるビート信号が途切れることな
く、常に高精度に面形状を測定することができる面形状
測定装置の提供を目的とする。

【００１２】本発明は干渉状態に応じて常に適切に干渉
信号を得ることができる干渉測定装置の提供を他の目的
とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の面形状測定装置
は （１−１）僅かに周波数の異なる２つの光より基準とな
る参照信号を得るとともに該２つの光のうち一方の光は
参照面にて反射させ、他方の光は被測定面上に被測定物
の最大面傾斜角度以上の半開角を有するレンズ系を用い
て入射させ、該被測定面にて反射させ、双方の反射光を
干渉させて、複数の素子を有する光検出器で検出して測
定信号を得る際、該レンズ系と光検出器は筐体内に収納
しており、測定信号は被測定面上で垂直反射して帰って
きた光束に対応する該光検出器中の素子を選択し、この
素子を中心とする近傍素子によって得られるビート信号
を加算して得ており、該参照信号と該測定信号の位相差
が一定となるように該筐体と被測定面の間隔を光軸方向
に制御し、該筐体と被測定面を光軸直交方向に相対位置
変化させたときの該筐体の位置情報を測長手段にて読み
とることにより被測定面の面形状を測定することを特徴
としている。

【００１４】特に （１−１−１）前記光検出器より測定信号を得る際、前
記被測定物の測定位置に移動に伴う面傾斜の変化に対し
て選択すべき光検出器の素子の切り替えを行っており、
このとき加算する複数の素子の一部は、前回用いた複数
の素子の一部と重複していること。

【００１５】（１−１−２）前記光検出器よりビート信
号を得る際、複数のマルチプレクサとアナログ加算器を
組み合わせて得ていること。

【００１６】（１−１−３）前記被測定面上には光束を
ややｄｅｆｏｃｕｓした状態で入射させていること。

【００１７】（１−１−４）前記筐体内からの光束で前
記被測定面上を同心円又はスパイラル状にスキャンして
該被測定面の３次元形状を求めていることを特徴等を特
徴としている。

【００１８】（１−２）異なる２周波数成分を含む光束
を発生する手段と、該２周波数成分の一方を参照光路を
経由させ、且つ他方を被測定面の被測定域で反射させた
後、双方の反射光を干渉させる為の干渉光学系と、該干
渉光学系からの干渉光束を受光する光検出器とを有し、
該光検出器が複数の光検出素子を有し、前記被測定面の
被測定域を順次変更しながら、該複数の光検出素子中の
前記被測定域から垂直に反射した光束による干渉光束部
分に概略対応する位置の複数の光検出素子からの検出信
号を加算して得られる周期信号を用いて前記被測定面の
面形状を測定する事を特徴としている。

【００１９】特に （１−２−１）前記被測定面の被測定域を順次変更しな
がら、前記周期信号を参照信号と比較し、相互の位相差
が一定となるように前記干渉光学系を前記被測定面に対
して相対変位させたときの該相対変位を測定する事によ
り、前記被測定面の面形状を測定すること。

【００２０】（１−２−２）前記複数の光検出素子中の
前記被測定域から垂直に反射した光束による干渉光束部
分に概略対応する部分の複数の光検出素子を選択し該選
択された光検出素子からの検出信号を加算する手段を有
すること等を特徴としている。

【００２１】本発明の干渉測定装置は （２−１）２光束を干渉させる為の干渉光学系と、該干
渉光学系からの干渉光束を受光する光検出器とを有し、
該光検出器が複数の光検出素子を有し、該複数の光検出
素子中の特定の干渉光束部分に概略対応する位置の複数
の光検出素子からの検出信号を加算して干渉信号を得る
事を特徴としている。

【００２２】特に （２−１−１）前記複数の光検出素子中の特定の干渉光
束部分に概略対応する部分の複数の光検出素子を選択し
該選択された光検出素子からの検出信号を加算する手段
を有すること等を特徴としている。

【００２３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施例）図1 は本発明の実施形態１の要部概略
図、図２は図１の測定光学ヘッド（測定ヘッド）の部分
説明図である。

【００２４】同図において、１は光源であり、レーザー
より成っている。２はＡＯＭ周波数シフターであり、レ
ーザ１からのレーザ光を周波数の異なる２つの波長に変
換している。３は偏波面保存作用のある光ファイバーで
あり、ＡＯＭ周波数シフター２からのレーザ光を測定光
学ヘッド７に導光している。測定光学ヘッド７は図２に
示す構成より成り、被測定物としての８の面形状を後述
する方法で測定している。

【００２５】１０１はベース定盤であり、各部材を載置
している。１０２はコラム、１０３はｒ移動テーブルで
あり、図中ｒ方向へ移動している。１０４はＺ移動テー
ブルであり、図中Ｚ方向（光軸方向）に移動している。
１０５はワークホルダ、１０６はθ回転テーブルであ
り、図中θ方向に回転している。、１０７ａ、１０７ｂ
はボールねじ、１０８ａ、１０８ｂ、はテーブル駆動モ
ーターであり、これらによってｒ移動テーブル１０３、
Ｚ移動テーブル１０４を所定方向に駆動させている。

【００２６】２０１はレーザー測長器ヘッド、２０２
ａ、２０２ｂ、２０２ｃはレーザー測長用干渉計（測長
手段）、２０３はレーザー測長器用の光ファイバー、２
０４、２０５は位置測定用の基準平面ミラーであり、こ
れらの各要素でｒ移動テーブル１０３、Ｚ移動テーブル
１０４の移動情報（位置情報）を検出している。

【００２７】本実施形態では図１に示すように、測定機
上にｒ、θ、Ｚの円筒座標系を想定したとき、測定光学
ヘッド７はｒ移動テーブル１０３上に配置されたＺ移動
テーブル１０４上に配置されており、測定光学ヘッド７
の測定光軸がＺ軸に平行となっている。ワーク８はθ回
転テーブル１０６上に配置されたワークホルダ１０５上
に載置されている。

【００２８】このうちｒ移動テーブル１０３とＺ移動テ
ーブル１０４の位置はレーザー測長器ヘッド２０１から
射出した光を、光ファイバー２０３にて、レーザー測長
器用干渉計２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ等に導くこと
により、それぞれ位置測定用基準ミラー２０４、２０５
との相対位置が精密に測定されている。

【００２９】また、これらの移動テーブル１０３、１０
４はボールねじ１０７ａ、１０７ｂやテーブル駆動モー
ター１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの作用により、自在
に移動可能となっている。

【００３０】またθ回転テーブル１０６には不図示の回
転角検出エンコーダが具備されている。

【００３１】このような構成により測定光学ヘッド７
と、ワーク８は、それらの相対位置関係がこのｒ、θ、
Ｚ円筒座標系において任意に変化可能となっており、か
つその位置関係が精密に測定可能となっている。

【００３２】次に図２を用いて、測定光学ヘッド７とそ
の周辺部の構成とその動作を説明する。

【００３３】光源１から射出したレーザー光は、ＡＯＭ
シフタ２の作用で偏光方位が直交する２つのわずかに周
波数が異なる光（２周波光）Ｌａに変換され、偏波面保
存光作用のある光ファイバー３に入射し、ファイバー線
を伝送して測定光学ヘッド７へ導かれ、末端部より偏光
方位を維持した状態で２周波光Ｌａを射出する。

【００３４】光ファイバー３から射出された光は発散光
であるため、コリメータレンズ７１で平行光として偏光
ビームスプリッタ７２に入射し、２周波光のうち一方の
光Ｌａ１は反射されて参照平面７４側へ、もう一方の光
Ｌａ２は透過してワーク８側へ進む。

【００３５】参照平面７４側へ進んだ光Ｌａ１はλ／４
板７３ａで円偏光に変換されて参照平面７４で正反射さ
れ、再びλ／４板７３ａを通って直線偏光に変換されて
偏光ビームスプリッタ７２に戻るが、偏光方位が９０°
回転しているために、今度は透過して一次元アレイから
成る光検出器９側へ進む。

【００３６】ワーク８側へ進んだ光Ｌａ２は同様にλ／
４板７３ｂで円偏光に変換されて対物レンズ７５で収斂
光となってワーク８表面で焦点を結び、いわゆるCat's
Eye（キャッツアイ）反射されて対物レンズ７５、λ／
４板７３ｂ、と戻り、直線偏光に変換されて光ビームス
プリッタ７２に戻るが、偏光方位が９０°回転している
ために、今度は反射して光検出器９側へ進む。

【００３７】このとき、対物レンズ７５はワークの最大
面傾斜角よりも大きな半開角を有し、また対物レンズ７
５に入射させる光も、この半開角いっぱいに入れてい
る。

【００３８】参照平面７４と、ワーク８で反射されたそ
れぞれの光を偏光板７６を介して円偏光とし、この作用
で干渉させ、拡散レンズ７８を通して１次元アレイより
成る光検出器（センサ）９の幅いっぱいに入射させる。
この１次元アレイより成るセンサ９の各素子からは、２
つの周波数の差に相当する周波数のいわゆるビート信号
が観測されるが、ワーク８の面傾斜に対応するために被
測定面８から正反射してくる光束に相当する素子からの
信号をマルチプレクサ８０で高速に切り替えて、あたか
も連続したデータのように取り出している。

【００３９】なお、ここで言うマルチプレクサとは多数
の入力信号の中からアドレスされた信号のみを出力線に
導く高速なスイッチ機能を有する素子を意味するもので
ある。

【００４０】この測定されたビート信号（以下測定ビー
ト信号）と基準となるビート信号（以下基準ビート信
号）との位相差を測定することにより、参照平面７４側
に向かった光とワーク８側に向かった光の光路長差の変
化を求めている。このとき逆に位相が一定になるように
測定光学ヘッド７を光軸方向にサーボしておき（位相ロ
ックサーボ）、ワーク８と測定光学ヘッド７の相対位置
を光軸に直交する面内で変化させながら、その移動量を
別の直交座標測定系で読むことによりワーク８の表面の
３次元形状を原理的に測定している。例えば各要素を収
納した筐体ＴＳの面ＴＳａからワーク８の表面までの距
離情報を得ている。

【００４１】本実施形態では参照ビート信号はＡＯＭド
ライバ４からミキサ回路を通して２つのドライブ周波数
の差（ｆ１−ｆ２）を得ている。この参照ビート信号を
位相計５に入力している。尚、従来例のように干渉計に
入射する直前の光を干渉させて基準ビート信号としても
良い。

【００４２】図１の構成で示したように、ワーク８と測
定光学ヘッド７（筐体ＴＳの面ＴＳａ）の相対位置は装
置上の円筒座標系内で任意に移動かつ測定可能となって
いる。例えばＺステージ１０４を測定光学ヘッド７から
の信号によりサーボしながらθ移動ステージ１０６を回
転させるとともに、ｒ移動ステージ１０３にてワーク半
径方向ｒに移動させて、ワーク８の表面を同心円または
スパイラル状にスキャンして、各移動ステージの位置を
読み取ることにより３次元形状を測定している。

【００４３】本実施形態において、ワーク８の表面に小
さなゴミやキズがあった場合、対物レンズ７５で完全に
フォーカスした状態だと光のスポット径は、波長ＮＡに
依存するが、スポット径が数μｍとゴミ、キズと同レベ
ルとなるとワーク８の表面からの信号を失い、データ飛
びを起こすことになる。

【００４４】そこで、本実施形態では、ワーク８と測定
光学ヘッド７の間隔をわずかに移動させ、いわゆるｄｅ
ｆｏｃｕｓを故意に与え、光のスポット径を拡大してい
る。

【００４５】今、対物レンズ７５の半開角をＰとすると
き、光軸方向にｄｅｆｏｃｕｓ量ｄを与えると、スポッ
ト径ｕは φｕ＝２ｆ・ｔａｎＰ で表される。このとき図３に示すように反射光波面は湾
曲し、干渉縞にしてＷ（本）の同心円状縞を生じること
になる。

【００４６】

【数１】 例えば、半開角３０°の対物レンズ７５を用いるとき、
光の波長をλ＝６３３とすればｄｅｆｏｃｕｓ＝０．１
ｍｍを与えるとスポット径は１１５μｍとなり、この時
の波面湾曲は干渉縞約４２本相当を生じる。ｄｅｆｏｃ
ｕｓによる波面変化はほぼ２次式で近似できるから同心
円の中心部１０％の波面変化は約０．４本となる。すな
わち、スポットの中心１１μｍの波面変化は０．４本と
小さく、対応するアレイセンサ９からの信号を加算して
もビート信号の強度低下はさほど起きない。

【００４７】このように本実施形態においては、キズの
大きさとｄｅｆｏｃｕｓ量とは所定の関係にあり、例え
ば想定されるゴミ、キズの大きさ２倍以上のエリアから
信号をとれば信号とびは回避されるとすれば、１〜２μ
ｍのゴミ、キズに対してφ５μｍ程度のエリアから信号
をとれば良く、ｄｅｆｏｃｕｓ＝０．０５ｍｍを与えれ
ばスポット径はφ５８μｍとなり、その約１０％である
φ５μｍ内での波面変化は０．２本となり、十分なビー
ト信号が得られる。

【００４８】従って、測定初期位置に於いて、故意に
０．０５ｍｍのｄｅｆｏｃｕｓを与え、そのときの位相
を保持するようにサーボをかけると良いことになる。

【００４９】アレイセンサの結線は、例えば図４に示す
ように４８素子より成るアレイセンサ（光検出器）９か
らの出力信号を３個の１６ｃｈマルチプレクサ８０（Ｍ
ＰＸ１〜３）の入力チャンネルに端から順番に１、２、
３、１、２、３…と結線しておき、出力線をアナログ加
算器８９に結線しておく。各マルチプレクサの出力信号
はアドレス信号（ＤＡ１〜ＤＡ４、ＤＢ１〜ＤＢ４、Ｄ
Ｃ１〜ＤＣ４）により任意に選択できるから、不図示の
コンピュータからの指令でアレイセンサ９の内の任意の
連続する３素子からの出力の加算信号を得ることができ
る。

【００５０】加算する素子数を増加したいときはマルチ
プレクサ８０の数を増やせば良いことは明らかである。

【００５１】またアレイセンサ９の素子数が多い場合は
入力チャンネル数の多いマルチプレクサ８０を用いる
か、マルチプレクサ８０を多段に接続し、１段目で選択
した出力からさらに２段目で選択するといった方法で対
応が可能である。

【００５２】本実施例で示したようにアレイセンサ９と
マルチプレクサ８０を接続しておき、連続する素子から
の出力を加算して出力とする場合、滑らかに連続した面
を測定する場合、測定面傾斜に応じて中心とする素子を
切り替えるときに測定信号が失われないという利点があ
る。例えば図４の例だと連続する３素子の加算を行う場
合、ある測定位置の面傾斜に対応する素子が５番目の素
子であったとし、その前後の素子を加算する信号とすれ
ば、４、５、６番目の素子を加算して出力とするが、次
の測定位置で面傾斜に対応する素子が６番目となったと
きは、素子５、６、７を用いており、このとき４番目の
信号を７番目の信号に切り替えるだけでよく、この切り
替えの間も５、６番目の信号は出力されている。

【００５３】このように、本実施形態では、複数の素子
５、６、７の一部５が前回用いた複数の素子４、５、６
の一部５と重複するようにしている。これにより測定す
る面が滑らかに連続した面であれば面傾斜に対応する素
子も滑らかに変化するはずだから、測定領域全体におい
て、このような切り替えを可能としている。

【００５４】尚、本測定は位相測定なので、瞬間的にビ
ート信号の振幅が変化しても位相の変化への影響は小さ
い。

【００５５】図５は本発明の実施形態２の測定光学ヘッ
ドとその周辺の説明図である。

【００５６】本実施形態は、図１、図２の実施形態１に
比べて、測定座標系が直交座標系に変わるとともに、面
傾斜に対応する素子配置が２次元状になり、したがって
測定ビート信号を検出する手段が１次元のアレイセンサ
９から２次元のエリアセンサ９１に置き換わった点が異
なっており、その他の構成は同じである。

【００５７】このような配置を取ることにより、軸対称
でない任意の形状に対しても良好に形状を測定すること
ができるようにしている。

【００５８】実施形態１で説明したのと同様に、ワーク
８上のゴミ、キズによる影響を避けるために、測定光学
ヘッド７と、ワーク８間の距離をCat's Eye位置よりわ
ずかにずらし、ワーク８上のスポット径を大きくすると
ともに、測定信号センサであるところの２次元エリアセ
ンサ９１の面傾斜に対応する素子近傍の信号を加算して
いる。

【００５９】エリアセンサのうち図６に示すような対応
素子を中心とする９素子を加算する場合、後段のマルチ
プレクサの配線は図７のようなものが適用可能である。

【００６０】すなわち、エリアセンサ９１の行番号を
Ａ、Ｂ、Ｃ…、列番号を１、２、３…をしたとき、Ａ行
のセンサ出力を３つのマルチプレクサの入力端子に列番
号順に結線しておき、この３つのマルチプレクサの出力
を３チャンネルの加算器の入力端子に結線しておく。こ
のようにしておくことで、一つの行について見たとき、
連続する３つの素子の加算結果が得られる。

【００６１】同様に、Ｂ、Ｃ…行についても配線し、そ
れぞれの加算器出力を後段の３つのマルチプレクサ入力
に行番号順に結線しておき、この３つの後段マルチプレ
クサの出力を３チャンネルの後段加算器の入力端子に結
線しておく。このようにすることで連続する３行の加算
結果をさらに加算する事ができる。

【００６２】したがって、これらマルチプレクサ群のア
ドレスを適切に指定することで面傾斜に対応する素子と
その近傍素子９個の出力の加算結果を得ることができ
る。

【００６３】もちろん、４×４の１６素子の加算やそれ
以上の素子の加算も同様の考え方で対応可能である。

【００６４】エリアセンサ９１の場合もアレイセンサ９
と同様に面傾斜に対応する中心素子を切り替えるとき、
加算する全素子を切り替える必要は無いため、切り替え
時に信号が途絶えることが無いという効果を生じる。

【００６５】当然のことながら、多くの素子信号を加算
することで、受光量は増えるため信号強度の増大も期待
できる。又、干渉状態に応じて常に適切に干渉信号を得
ることができる干渉測定装置を達成することができる。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、以上のように各要素を
設定することにより被測定面上に小さなゴミやキズ等が
あっても測定されるビート信号が途切れることなく、常
に高精度に面形状を測定することができる面形状測定装
置を達成することができる。又、干渉状態に応じて常に
適切に干渉信号を得ることができる干渉測定装置を達成
することができる。

【００６７】この他、本発明では、 （Ａ１）わずかに周波数の異なる２つの光（ヘテロダイ
ン光）を測定光学ヘッドへ導く。 （Ａ２）ヘテロダイン光の一方の光は参照面にて正反射
させ、他方の光は被測定面上に被測定物の最大面傾斜角
度以上の開口数（ＮＡ）を有するレンズを用いてフォー
カスさせ、Cat's Eye反射で戻ってきた両方の光を干渉
させてビート信号が検出できる１次元または２次元アレ
イ光検出器に入射させる。 （Ａ３）このとき、測定光学ヘッドと被測定物間距離を
調整して被測定面上で光束をわずかにｄｅｆｏｃｕｓさ
せ、広い面積の情報を拾えるようにしておく。 （Ａ４）前記ビート信号は被測定面上で垂直反射して帰
ってきた光束に対応する光検出器画素を中心とする近傍
画素によって得られるビート信号を加算して得るものと
し、測定位置の変化に伴って垂直反射光束に対応する光
検出器画素を高速に切り替える。 （Ａ５）参照信号と測定信号の位相差が一定となるよう
に該測定光学ヘッドと被測定物の間隔を光軸方向に制御
する。 （Ａ６）該測定光学ヘッドもしくは被測定物に移動装置
を設けておき、直交座標系において相対位置が変化可能
とし、該直交座標系の一つの軸（例えばＺ軸）を該ヘテ
ロダイン干渉計の測定光軸と一致させ、被測定物の存在
範囲をＸ、Ｙに走査して移動させたときの移動物体の
Ｘ、Ｙ、Ｚ位置を別に設けた測長装置にて正確に読み取
ることにより被測定物の３次元形状を測定する。等の構
成をとることにより （Ｂ１）被測定面に小さなゴミ、キズがあっても測定さ
れるビート信号が完全に途切れることが少なくなり、安
定した測定が可能となった。 （Ｂ２）連続する素子の加算結果を使用するので、素子
の切り替え時に加算している全素子を切り替える必要が
なく、素子切り替え時の信号途切れが無くなった。 （Ｂ３）多くの素子信号を加算するため多くの光量が集
められ、信号強度が向上した。 等の効果を得ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態１の全体構成をあらわす正
面図

【図２】 本発明の実施形態１の光学ヘッド部分を表す
詳細図

【図３】 本発明の実施形態１のｄｅｆｏｃｕｓに対す
る動作説明図

【図４】 本発明の実施形態１の信号処理系の説明図

【図５】 本発明の実施形態２の光学ヘッド部分を表す
詳細図

【図６】 本発明の実施形態２の信号処理系の説明図

【図７】 本発明の実施形態２の信号処理系の説明図

【図８】 従来の面形状測定装置の要部概略図

【符号の説明】

１ レーザーヘッド ２ ＡＯＭ周波数シフター ３ 偏波面保存光ファイバー ４ ＡＯＭドライバー ５ 位相計 ６ サーボドライバー ７ 測定光学ヘッド ８ ワーク ９ １次元アレイセンサ １１ コンピュータ ７１ コリメータレンズ ７２ 偏光ビームスプリッタ ７３ａ、７３ｂ λ／４板 ７４ 参照平面版 ７５ 対物レンズ ７６ 偏光板 ７８ 拡散レンズ ８０ マルチプレクサ ８９ 加算演算器 ９１ ２次元エリアセンサ １０１ ベース定盤 １０２ コラム １０３ ｒ移動テーブル １０４ Ｚ移動テーブル １０５ ワークホルダー １０６ θ移動ホルダー １０７ａ、１０７ｂ ボールねじ １０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ モーター １０９ エンコーダ ２０１ レーザ測長器ヘッド ２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ レーザー測長器用干渉計 ２０３ レーザー測長器用光ファイバー ２０４、２０５ 位置測定基準ミラー

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 僅かに周波数の異なる２つの光より基準
   となる参照信号を得るとともに該２つの光のうち一方の
   光は参照面にて反射させ、他方の光は被測定面上に被測
   定物の最大面傾斜角度以上の半開角を有するレンズ系を
   用いて入射させ、該被測定面にて反射させ、双方の反射
   光を干渉させて、複数の素子を有する光検出器で検出し
   て測定信号を得る際、該レンズ系と光検出器は筐体内に
   収納しており、測定信号は被測定面上で垂直反射して帰
   ってきた光束に対応する該光検出器中の素子を選択し、
   この素子を中心とする近傍素子によって得られるビート
   信号を加算して得ており、該参照信号と該測定信号の位
   相差が一定となるように該筐体と被測定面の間隔を光軸
   方向に制御し、該筐体と被測定面を光軸直交方向に相対
   位置変化させたときの該筐体の位置情報を測長手段にて
   読みとることにより被測定面の面形状を測定することを
   特徴とする面形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記光検出器より測定信号を得る際、前
   記被測定物の測定位置に移動に伴う面傾斜の変化に対し
   て選択すべき光検出器の素子の切り替えを行っており、
   このとき加算する複数の素子の一部は、前回用いた複数
   の素子の一部と重複していることを特徴とする請求項１
   の面形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記光検出器よりビート信号を得る際、
   複数のマルチプレクサとアナログ加算器を組み合わせて
   得ていることを特徴とする請求項１の面形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記被測定面上には光束をややｄｅｆｏ
   ｃｕｓした状態で入射させていることを特徴とする請求
   項１の面形状測定装置。
5. 【請求項５】 前記筐体内からの光束で前記被測定面上
   を同心円又はスパイラル状にスキャンして該被測定面の
   ３次元形状を求めていることを特徴とする請求項１の面
   形状測定装置。
6. 【請求項６】 異なる２周波数成分を含む光束を発生す
   る手段と、該２周波数成分の一方を参照光路を経由さ
   せ、且つ他方を被測定面の被測定域で反射させた後、双
   方の反射光を干渉させる為の干渉光学系と、該干渉光学
   系からの干渉光束を受光する光検出器とを有し、該光検
   出器が複数の光検出素子を有し、前記被測定面の被測定
   域を順次変更しながら、該複数の光検出素子中の前記被
   測定域から垂直に反射した光束による干渉光束部分に概
   略対応する位置の複数の光検出素子からの検出信号を加
   算して得られる周期信号を用いて前記被測定面の面形状
   を測定する事を特徴とする面形状測定装置。
7. 【請求項７】 前記被測定面の被測定域を順次変更しな
   がら、前記周期信号を参照信号と比較し、相互の位相差
   が一定となるように前記干渉光学系を前記被測定面に対
   して相対変位させたときの該相対変位を測定する事によ
   り、前記被測定面の面形状を測定する事を特徴とする請
   求項６の面形状測定装置。
8. 【請求項８】 前記複数の光検出素子中の前記被測定域
   から垂直に反射した光束による干渉光束部分に概略対応
   する部分の複数の光検出素子を選択し該選択された光検
   出素子からの検出信号を加算する手段を有する請求項６
   の面形状測定装置。
9. 【請求項９】 ２光束を干渉させる為の干渉光学系と、
   該干渉光学系からの干渉光束を受光する光検出器とを有
   し、該光検出器が複数の光検出素子を有し、該複数の光
   検出素子中の特定の干渉光束部分に概略対応する位置の
   複数の光検出素子からの検出信号を加算して干渉信号を
   得る事を特徴とする干渉測定装置。
10. 【請求項１０】 前記複数の光検出素子中の特定の干渉
    光束部分に概略対応する部分の複数の光検出素子を選択
    し該選択された光検出素子からの検出信号を加算する手
    段を有する請求項９の干渉測定装置。