JPS62200209A - 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） 本発明は光の干渉を使用して被測定面の形状を測定する
形状測定装置に関する。

（従来の技術） 近年、被測定面の形状を測定するのに、従来の光学式形
状測定装置の代わりに、光の干渉による干渉縞から被測
定面の形状を測定するようにした形状測定装置が用いら
れるようになってきている。

従来の光学式形状測定装置の場合、被測定面を光学的に
拡大して、面の形状を測定するものであるが、光学的に
拡大する方法では分解能に一定の制限があるため、高精
度の形状測定ができなかった。

一方、光の干渉を用いる方式では、光の波長の１／１０
程度以上の分解能で面の形状を測定することができるた
め、極めて高精度の形状測定が行える。このため、高精
度の形状測定装置としては、光の干渉を利用した方式の
ものが用いられるようになった。

第４図は光の干渉を利用した形状測定装置の原理図であ
る。入射したレーザ光はビームスプリッタ１で反射光と
透過光に分離される。反射光は反射面より距離Ｉ１１だ
け離れた基準平面２に入射し、透過光は透過面から距離
／２だけ離れた被測定面３に入射する。基準平面２及び
被測定面３に入射した光は、反射し、ビームスプリッタ
１に戻ってくる。そして、このビームスプリッタ１で、
位相差に基づく干渉光を生じる。

２つの平行光を重ね合せたときの光の強度■は一般に次
式で表わされる。

Ｔ（Ｘ、Ｖ）−ＩＡ　（Ｘ、ｙ）＋Ｉｅ　　（ｘ、、ｙ
）ｃｏｓ　　（φ（ｘ　、　ｙ　）　） ・・・（１） ここで、ｒＡ　（Ｘ、ｙ）、ＩＢ　（Ｘ、Ｖ）は光量む
らや基準平面及び被測定面の反射率分布の不均一性によ
って生じる空間的な強度分布である。

φ（ｘ　、　ｙ　）は２平面間の各点における光路差に
３６０°／（λ／２）を掛け、位相に変換したものであ
る（但しλは光の波長）。

基準平面に対する被測定面の相対的な形状は位相φ（Ｘ
　、　Ｖ　）を求めることで得られる。形状を表わすφ
（Ｘ　、　Ｖ　’）は、（１）式の変数の数である３（
ＴＡ、１Ｂ、φ）以上の既知の光路差変化（θ！、θ２
．θ３．・・・）時における強度の変化（Ｉｔ、Ｉ２．
Ｉ３．・・・）を検出することにより決定することがで
きる。即ち、次の連立方程式により求めることができる
。

Ｉｔ（Ｘ、Ｖ） ＝ＴＡ（Ｘ　　、　　Ｖ　　）＋ＩＢ　　（Ｘ　　、　
　Ｖ　　）ＸＣＯＳ　　（φ　（ｘ　　、　　ｙ　　）
　　＋θｌ　）１２　（Ｘ、Ｖ） ＝ＩＡ（Ｘ　　、　Ｖ　　）＋Ｉｎ　　（Ｘ　　、　　
Ｖ　　）ＸＣＯＳ　　（φ　（Ｘ　　、　　Ｖ　　）　
　＋θ２　）Ｉ　３　（Ｘ、Ｖ） −Ｉ　Ａ　（Ｘ　　、Ｖ　　）＋Ｉ　Ｂ　（Ｘ　　、Ｖ
　　）ＸＣＯＳ　　（φ　（ｘ　　、　　ｙ　　）　　
＋０３　）・・・　〈２） 具体的には、連立方程式の解が簡単となるλ／２を４分
割した光路差を用いると、φ（ｘ　、　ｙ　）は次式で
表わされる。

θ１−Ｏ°　　のとぎの強度　Ｉｔ（Ｘ、ｙ）θ２＝９
０”　　のときの強度　Ｉ２（Ｘ、■）θ３＝１８０’
のときの強度　Ｉａ（Ｘ、Ｖ）θ４＝２７０°のときの
強度　Ｉ４（Ｘ、Ｖ）として φ　（ｘ、ｙ）＝ ｊａｎ’　　［（Ｉｔ　　（Ｘ、Ｖ）　　　Ｉｓ　　（
Ｘ、Ｖ））Ｘ１／（Ｉ２　　（Ｘ、Ｖ）−Ｉ４　　（Ｘ
、Ｖ）、）］・・・　（３） つまり、φ（ｘ　、　ｙ　）を求めることにより縞と縞
の間の位置を正確に測定できることになり、被測定面の
形状を正確に計測できることになる。以上が干渉光を用
いた形状測定の原理である。

上述の説明では、縞と縞との間の任意の明かるさの点の
位置を正確に測定するために、基準平面を上下方向にｎ
段階、例えば４段階シフトさせる場合を例にとって説明
した。このように、反射点Ｑ（第４図参照）から基準平
面２までの光路長を変えると、再びＱ点に戻ってきた参
照光と被参照光の間の位相差は変化する。同様の効果は
、第５図に示す方法によっても得ることができる。即ち
、図に示すように、ビームスプリッタ１と基準平面２と
の間にλ／４板（１／４波長板）２１と円偏光板２２を
配置するものである。このように構成されたシステムに
おいて、レーザ光（直線偏光）は、ビームスプリッタ１
でその一部は透過し、被測定面３に当たってはね返り、
そのままＱ点に戻ってくる。

一方、ビームスプリッタ１で反射した光は、円偏光板２
２に入って円偏光に変換された後、λ／４板２１に入る
。λ／４板２１を固定せずに連続的に回転させてやると
光をＯ″〜３６０°まで位相を遅らせてやることができ
る。このことは、とりもなおさず、基準平面２を上下方
向にシフトさせて、参照光と被参照光の位相差を変えて
やるのと等価である。

（発明が解決しようとする問題点） 前記した形状測定装置のうち、基準平面を機械的に上下
にシフトさせて位相を変化させる方式は、駆動系の微小
位置決めに高い精度が要求される。

又、参照光を形成する光路にλ／４板を挿入して、これ
を回転させて位相を変える方式は、λ／４板の精度（均
一度、平面度等）が悪いと、これを回転させた場合に、
（１）式のφ（Ｘ、Ｖ）、ＩＡ（Ｘ、Ｖ）、Ｉａ　　（
Ｘ、Ｖ）が変化し、測定精度が劣化してしまうという不
具合があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであって、
その目的は、高精度の形状測定ができる形状測定装置を
実現することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記した問題点を解決する本発明は、レーザ光をビーム
スプリッタで２分して、一方は基準平面に他方は被測定
面に入射せしめ、基準平面からの参照光と被測定面から
の被参照光を干渉させて干渉縞をつくり干渉縞の明暗の
分布より被測定面の形状を測定するようにした形状測定
装置において、位相の究なる干渉縞形成を参照光と被参
照光を重ねた後に行うように構成したことを特徴とする
ものである。

（作用） 本発明は、位相を複数段階変化させることによる干渉縞
形成を参照光と被参照光を重ねた後に行う。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図である
。第５図と同一のものは、同一の番号を付して示す。図
において、３０はｔ−Ｉｅ−Ｎｅレーザ、３１はＨｅ−
Ｊｌｅレーザ３０の出射光を拡大するビームエキスパン
ダ、３２は該ビームエキスパンダ３１の通過光を受ける
λ／４板である。２１はビームスプリッタ１と基準平面
２との間に配されたλ／４板、３３は干渉光を受ける円
偏光板、３４は該円偏光板３３の通過光を集光する結像
レンズ、３５は該結像レンズ３４の通過光を受けて、電
気信号に変ａｉ−る２次元光電変換素子（例えばＣＯＤ
エリアセンサ、以下エリアセンサと称す）である。エリ
アセンサ３５は光電変換素子がマトリクス上に配置され
たエリアセンサであり、受光面を画素単位で光電変換す
る。このように構成された装置の動作を説明すれば、以
下の通りである、直線偏光のト１ｅ−Ｎｅレーザ３０よ
り出射されたレーザ光は、第２図（イ）に示すように、
λ／４板の光軸に対し４５°傾いた直線偏光である。

このレーザ光はλ／４板３板金２過すると、第２図（ロ
）に示すような直交２方向の位相関係の光が合成された
光と考えられる。これを一般的に円偏光という。このよ
うにして円偏光となったレーザ光はビームスプリッタ１
に入射し、反射する光と、透過する光とに分離される。

透過した光は被測定面３に当たってはね返り、そのまま
戻ってくる。従って、被測定面３からの光〈被参照光）
の直交２方向に分離した場合の位相関係は第２図（ロ）
に示すそれと同じである。

一方、反射した光は／ｌ／４板２１に入射するが、基準
平面２に当たってはね返り、再びλ／４板２板金１過し
てビームスプリッタ１に戻ってきた時の光は、λ／４板
の光軸方向のみ１８０°位相が遅れる。従って、基準平
面２からの光（参照光）の直交２方向に分離した場合の
位相関係は第２図（ハ）に示すように、位相が２７ｏ°
遅れた円偏光となる。２７０６遅れているということは
とりもなおさず位相が９０°進んでいることと同じであ
る。

このようにして、被参照光と参照光はビームスプリッタ
１で重ね合わせられて干渉光となるが、このままでは干
渉縞は生じない。そこで、円偏光板３３によって特定の
振動方向をもつ光のみ通過させてやれば、参照光と被参
照光との間の位相差に基づく干渉縞が得られる。この干
渉縞を結像レンズ３４で集光して、エリアセンサ３５上
に結像させる。エリアセンサ３５は、受光素子単位毎に
受光量に応じた電気信号を発生する。

次に、参照光と被参照光との位相差をｎ段階に変えて、
縞の位置をシフトさせる方法について説明する。前述し
たように、円偏光板３３に入射する参照光と被参照光は
共に円偏光である。そこで、円偏光板３３の光軸を回転
させてやって、特定方向の振動面のみもつ干渉光のみを
通過させるようにすれば、参照光と被参照光との位相差
をｎ段階に変えることができる。

第３図は円偏光板３３の光軸を変化させた時の位相関係
を示す図である。図では４段階に変化させた場合を、即
ちｎ＝４の場合を示している。このように光軸を変化さ
せると、参照光と被参照光との間の位相が４段階に変化
するので干渉縞の位置も変化する。そこで、■リアセン
サ３５で変化する光最を電気信号に変換し、任意の明か
るさの位置を正確に測定することができる。エリアセン
サ３５で全面の光重変化を検知し、所定の処理を行うこ
とにより、被測定面の３次元形状を正確に測定すること
ができる。

上述の説明では、位相を回転させるのに、円偏光板を回
転させる場合を例にとって説明したが、代わりに相対的
に入射光を回転させるようにしてもよい。又、用いるレ
ーザも、Ｈｅ−Ｎｅレーザに限るものではなく、他の種
類のレーザを用いることができる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、複数段階
の位相の異なる干渉縞形式を参照光と被参照光を重ねた
後に行っているために、参照先の光路中のλ／４板の形
状誤差の影響が位相変化中に生じない。従って、高精度
の形状測定を行うことができる。又、本発明によれば、
参照光と被参照光を重ねた後に、ビームスプリッタによ
り複数に分割し、それぞれに所定の方向に光軸を傾けた
偏光板を透過させ、別々のエリアセンナで検出しても同
様である。但し、エリアセンサ１個で検出するのに比べ
て同じ測定位置の対応を各検出器で精度よく出す必要が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成ブロック図、第２
図はレーザ光の位相変化を示す図、第３図は円偏光板の
光軸変化を示す図、第４図は干渉光を用いた形状測定の
原理を示す図、第５図は形状測定装置の従来の具体的構
成例を示す図である。 １・・・ビームスプリッタ ２・・・基準平面　　　　３・・・被測定面１ｏ・・・
受光素子　　　２１．３２・・・λ／４板２２．３３・
・・円偏光板 ３Ｏ−Ｈｅ　−Ｎｅ　Ｌ／−＋ｌ” ３１・・・ビームエキスパンダ ３４・・・結像レンズ ３５・・・２次元光電変換素子 特許出願人　株式会社　東京精密 代　理　人　　弁理士　井島藤治 外１名 第２図 （イ）　　　　　　　　　　　　（Ｏ）（ハ） ＝Ｓｉｎ（Ｑ＋９０’）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光をビームスプリッタで２分して、一方は基準平
   面に他方は被測定面に入射せしめ、基準平面からの参照
   光と被測定面からの被参照光を干渉させて干渉縞をつく
   り干渉縞の明暗の分布より被測定面の形状を測定するよ
   うにした形状測定装置において、位相の異なる干渉縞形
   成を参照光と被参照光を重ねた後に行うように構成した
   ことを特徴とする形状測定装置。