JPS62204106A - ３次元形状測定装置 - 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、光の干渉を利用して、物体の表面形状等を測
定する３次元形状測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種の測定装置に使用される光の干渉を利用し
た測長部は、インクリメンタル形と呼ばれるもので、測
定対象面の変位量（干渉縞の変位）に応じて得られるパ
ルス、信号を積算カウントして、この測定対象面までの
距離を求めるようにしたものである。このため、測定対
象面上に段差の如き不連続な部分があった場合には、積
算入力が跡絶え、測定ができなくなってしまう。また、
測長動作中に電源が遮断されると、再度電源が投入され
ても、それまでの測定量がリセットされてしまい、その
後の測定値が全く無意味なものになってしまう。

このような問題点を／ｌ￥決するために、本願出（社）
人はすでに、特願昭６０−２７７３８１号として、測定
対象面上に不連続な部分があった場合にも、正確な測定
を続けることのできる３次元形状測定族行を提案してい
る。これは、マイケルソンの干渉光学系を利用した測長
部において、少なくとも２つ以上の波長の異なる光を切
り換えて、測定対象面までの距離に応じた光の位相遅れ
量を１１１次測定するとともに、これらの波長と位相遅
れ量との関係から前記測定対象面までの距離を求めるよ
うにしたものである。

第２図はこの３次元形状測定装置の構成を示すものであ
る。図において、　ＬＺＩは波長の累なる複数のコヒー
レントな光を選択的に発生するレーザ光源、ＡＯＭは光
の位相遅れ量をヘテロダイン検出するために参照側の光
を周波数シフトする音響光学変ａｌ器（以下、ＡＯ変調
器と略記する）　、　ＯＳＣはＡＯ変澗器ＡＯＭを一定
周波数ｆｂで駆動する変調信号源、Ｐ２．Ｐ３はλ／４
板、Ｐ４は偏光板、ＢＳ３〜ＢＳ５はビームスプリッタ
、ＭＲ２はミラー、Ｄｌはフォトディテクタ、ＰＤＩは
フォトディテクタＤ１の出ノＪに含まれる位相遅れ量を
検出する位相検出回路、ＣＯＮ２は測定に使用された光
の波長とその時の位相遅れ量との関係から、測定対象面
ＯＢＪまでの距離を求める演算回路、Ｄ３．Ｄ４は後述
する補正動作に使用される４分割ディテクタ、ＳＬは円
筒状のシリンドリカルレンズ、ＬＨは測定光ｆ１を収束
し、被測定物ＯＢＪ　　（以下、測定対象面ＯＢＪとい
う）に照射する対物レンズである。レーザ光７ｎＬＺＩ
は例えば一定波長の光源と波長を任意の量だけシフトさ
せる波長シフタにより構成され、任意の波長の光を１１
１１次発生するものである。

また、　ＤＲＩは４分割ディテクタＤ３．Ｄ４の出力に
応じて対物レンズＬＨをｘ、ｙ、ｚ方向に移動させるレ
ンズ駆動部、ＤＲ２は測定対象面ＯＢＪ　　Ｃ被測定物
）をＸ、Ｙ方向に移動させる被測定物駆動部、ＭＮｌ、
ＭＮ２は対物レンズＬＥおよび被測定物（ＯＢＪ　）に
おけるＸ、Ｙ方向の移動量をモニタする移動量モニタ、
Ｃ０Ｎ１は移動量モニタＭｉｌｌ、ＭＮ２の出力から測
定対象面ＯＢＪ上の測定点の位置を算出する演算回路で
ある。

さて、上記のように構成された３次元形状測定装置にお
いては、レーザ光源ＬＺＩから出射された光を測定対象
面ＯＢＪを含む干渉光学系に入射させるとともに、干渉
光学系を介してもどって来た光を受け、その波長と位相
遅れ量との関係から測定対象面ＯＢＪとの間隔、すなわ
ち、Ｚ軸方向（光軸方向）の距離を測定するようにして
いる。このため、干渉光学系において、照射光と反射光
の光軸が一致するように、測定対象面ＯＢＪに対する光
軸のＩＩＪＩきや焦点位はを補正する必要がある。

ここでは、まず、その補正４１横について説明する。い
ま、第３図（ａ）に示す如く、測定対象面ＯＢＪがθだ
け傾いていたとすると、反射光は２θ傾き、４分割ディ
テクタＤ３に入射する反射ビームの位置はその中心から
２Ｆｓｊｎθ（Ｆは対物レンズＬＥの焦点距りだけ変位
する。この変位を４分割ディテクタＤ３て検出するとと
もに、レンズ駆動部ＤＲＩを介して対物レンズＬＥｔ−
ＸまたはＹ方向に移動させ、反射光の位桁を４分割ディ
テクタＤ３の中心に合わせるようにすると、第３図（ｂ
）に示す如く、測定光の光軸を測定対象面ＯＢＪに対し
て垂直とすることができる。

一方、焦点が測定対象面ＯＢＪ上にない場合には、反射
光は平行光には戻らない。そこで、反射光の一部をシリ
ンドリカルレンズＳＬを介して、やはり４分割ディテク
タＤ４に受光させると、反射光は楕円のスポットとなっ
て４分割ディテクタＤ４に当たる。この時、測定対象面
ＯＢＪが焦点位置より曲にあれば、縦長のスポットが得
られ、焦点位置より後にあれば、横長のスポットが得ら
れる。したがって、このスポットが円となり、４分割デ
ィテクタＤ４の各出力が等しくなるように、レンズ駆動
部ＤＲＩを介して対物レンズＬＥｔ−Ｚ方向に移動させ
れば、測定対象面ＯＢＪ上に焦点を結ばせることができ
る。

また、この１１）の対物レンズＬＥの動き、および測定
点を走査させるための被測定物（ＯＢＪ）の動きは一／
Ａ算回路Ｃｏ）１１に入力され、測定点の正確な位置が
逐次算出される。

次に、第２図にもどって、測定対象面ＯＢＪとの距離を
測定する測長部の動作について説明する。

レーザ光源ＬＺ１から出射された光の角周波数をω、そ
のＩ＆幅’１０を Ｖｏｗ　　ｓｉｎωｔ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　（１）とし、ＡＯ変澗器ＡＯＭにおける変調
角周波数をωｂ　　（＝２ｆｆｂ）として、ＡＯ変調器
ＡＯＭの＋１次回折光を使うとすると、ＡＯ変調器ＡＯ
Ｍにより変調された光の振幅ｖ１は Ｖｌ＝　５ｉｎ（ω＋　ωｂ）ｔ　　　　　　　　　　
　（２）となり、測定対象面ＯＢＪを介してもどってき
た光の振幅ｖ２は Ｖ２−５ｉｎｃ　ｗ　ｔ　＋　ｄｌ）　　　　　　　　
　　（３）となる。なお、小は参照側および測定側の各
光路における光路長の′差に対応して発生する位相遅れ
分である。

フォトディテクタＤｌ上では、上記の（２）　、　（３
）式に示されるような２つの光が重畳されるので、入射
する光の振幅は Ｖｌ＋Ｖ２ｘ　５ｉｎ（ｃａ＋　＋　ｍｂ）ｔ　＋　ｓ
Ｓｎ（ｃｍ　ｔ　＋　ｔｂ　）＝　２５ｉｎ（ωｔ　＋
　（ωｂｔ＋　ｔｂ　）／２）−ｃｏｓｔ（ｍ　ｂｔ−
ｍ　）／２）　　　　　（４）のように、ｖｌ、ｖ２の
和となる。ここで、フォトディテクタＤ１の出力は入射
する光の振幅の２乗に比例するので、理論的には （’／１＋Ｖ２）’＝　４　ｓｉｎ’　（ωｔ　＋　（
（ＩＩ　ｂｔ＋　ｔｂ　）／２）・ｃｏｓ”（（ωｂｔ
　−ｃｂ　）／２）　　　　（５）となるが、フォトデ
ィテクタＤ１は光の周波数には応答できず、平均値を示
すようになるので、その出力ＶＰは Ｖｐ　−１＋　ｃｏｓ（ωｂｔ　−ｄｒ　）　　　　　
　　　　（６）となる。

したがって、ＡＯ変変調ＡＯＭにおける変調角周波数ω
ｂがわかっていれば、フォトディテクタＤ１の出力Ｖｐ
の萌から位相遅れ量６を算出することができる。

さて、マイケルソンの干渉光学系を使用すると、上記の
ようにして、距離に応じて変化する位相遅れ最小を測定
することが可能であるが、この位相遅れｆｆｉ小の値は （２ｆＮ＋６）　二Ｎは自然数 と等価であるので、位相遅れ量６の大きさからただちに
測定対象面ＯＢＪまでの距離を特定することはできない
。

そこで、図の３次元形状測定装置においては、測定に使
用する波長を変化させ、各波長に対応した位相遅れ量６
を順次測定するとともに、これらの測定結果を連立方程
式として解くことにより、測定対象面ＯＢＪまでの距離
を求めるようにしている。

いま、ビームスプリッタＢＳ３からミラーＭＲ２までの
距離をｄｌ、ビームスプリッタＢＳ３から測定対象面Ｏ
ＢＪまでの距離をｄ２とすると、これらの各光路長の差
は ２ｄｌ−２ｄ２＝　２　ｄ となる。したがって、測定に使用する光の波長をλ１．
λ２．λ３．λ４（Ａ１くＡ２くＡ３くＡ４）とし、こ
の時に得られる位相遅れ量をｄｌ　１．．６２．　＋６
３゜６４　（６１〜小４は０〜２ｙ）とすると、各測定
結果からは次のような式が成立する。

２ｄ＝ｎｌλｌ＋λ１ｄ）１／２ｒ　　　　　■２ｄ＝
ｎ２λ２＋λ２　ｄｒ２　／２ｆ（８）２ｄ＝ｎ３λ３
＋λ３　ｄｌ３　／２ｑ　　　　　（９）２ｄ＝ｎ４Ａ
４＋λ４！４／２ｗ　　　　　ＯのＴ＋１〜ＴＩ４は自
然数、 また、これらの関係式の中から、上記（７）　、　（８
）式を使用してｄを求めると、 ｄ　＝　Ａ　１２（ｎｌ　−Ｔ１２） ＋Ａ１２（Φ１／λ１−Φ２／λ２）　　　（１１）Φ
１ツλ１ｄ＋１／２ｆ、Φ２＝Ｉλ２小２／２テとなる
。ここで、Ａ１２は２つの波長λ１．＾２における最小
公債波長であり、このＡ１２の値を測定範囲と等しく、
またはそれより大きく選ぶようにすると、上記（１１）
式におけるＡ１２（ｒ＋１−Ｔ１２）の項の値を特定す
ることができ、これらの波長λ１．λ２に対応した位相
遅れｆｆｉ、＃１．．６２から距離ｄを一義的に算出す
ることができる。すなわち、測定範囲が最小公債波長Ａ
１２より狭ければ、この時の位相遅れｆｆｉ小は常に０
〜２ｆの間にあるので、距９Ｊ１　ｄと位相遅れ量６と
が一対一に対応することになり、位相遅れ量るからただ
ちに距３ｄを特定するこができる。例えば、測定範囲を
０〜１０００＋ｎｍとした場合、最小公債波長ＡＩ２が
１０００ｍｍとなるように、波長λ１．λ２の大きさを
選択すれば、上記（１１）式におけるＡ　１２（ｎｌ　
−ｎ２）の項は０となり、位相遅れｆｆｉ小１．．６２
から距ｆｉｄを一義的に算出することができる。

次に、上記のような波長λ１．λ２の組合せにより、測
定値ｄ　ｌｌがｔＦＪられ、この時の測定精度（測定誤
差）から、測定出力ｄ　Ｉｆにおける真値の範囲がｄ＋
　１ｆｆｌＩｎ＜　ｄ　＋　ｔ　＜　ｄ＋　＊ｍａＸの
ように求められたとすると、次回の波長の組合せ〔λ１
．λ３〕は、真値の範囲ｄ　、、ｍ１ｎｘｄ、、ｆｆ１
ａｘを測定範囲（ｎ小公債波長）とするように選ばれる
。したがって、測定範囲が狭く絞り込まれ、より高分解
能な測定が可能となる。

このように、上記の関係を利用して、波長の組合せ〔最
小公債波！＃、〕を選択し、測定範囲を順次絞り込んで
行けば、任意の測定範囲にわたってアブソリュートな測
定結果を得ることができるとともに、測定の分解能を波
長単位にまで高めることができる。また、常にアブソリ
ュートな測定結果を得ることができるので、測定対象面
ＯＢＪ上に段差の如き不連続な部分があった場合にも、
面の変化に対応した測定出力を得ることができ、正確な
測定を続けることができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のような測長部を使用した３次元形
状測定装置では、光の波長を１１１１１次切り換え、こ
の時の位相遅れ量を測定するとともに、この測定データ
を使用して測定対象面までの距離を算出するようにして
いるので、干渉光学系中の空気にゆらぎや屈折率の変化
などがあった場合には、各波長の光に対する測定条件が
測定の都度変化してしまい、距離の算出が著しく困難に
なってしまう。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、アブ
ソリュートな測定出力を得ることができるとともに、空
気のゆらぎなどの影響を受は難い測長部を有する３次元
形状測定装置を簡単な構成により実現することを目的と
したものである。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明の３次元形状測定装置は、測定対象面の変位量を
測定する測長部にマイケルソンの干渉光学系を利用し少
なくとも２つ以上の波長の異なる光を使用して測定対象
面までの距離に応じた光の位相遅れ量をそれぞれ測定す
るとともにこれらの波長と位相遅れ量との関係から前記
測定対象面までの距離を求めるようにした３次元形状測
定装置において、波長の異なる２つの光を偏波面を直交
させたうえで重畳しｆｆ１ｌ記干渉光学系に入射させる
重畳手段と、前記干渉光学系を介してもどってきた光を
前記偏波面の向きに応じて分離する分光手段と、この分
光手段により分離された光を受けそれぞれの光における
位相遅れ量を測定する位相測定手段とを有する測長部を
具備するようにしたものである。

〔作　用〕

このように、測長部において、偏波面の違いを利用して
波長の異なる２つの光を重畳し、干渉光学系に入射させ
るようにすると、干渉光学系を介してもどってきた光を
その偏波面の向きに応じて分離して、別々の測定手段で
受けることができるので、２つの波長に対する測定を同
時に行なうことができる。このため、同時に得られた測
定データを利用して距離の算出を行なうようにすれば、
ゆらぎなどの影響を等しく受けた測定データ間で演算を
行なうことができるので、真値に近い値を得ることがで
き、空気のゆらぎなどの影響を受は難い測長部を簡単な
構成により実現することができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の３次元形状測定装置の一実施例を示す
構成図である。図において、前記第２図と同様のものは
、同一符号を付して示す。なお、本発明の３次元形状測
定装置において、被測定物（ＯＢＪ　）および対物レン
ズＬＥの駆動系は、前記した第２図の装置と同一である
ので、その詳細は省略し、測長部のみを図示している。

ＬＺｌｌ、　！、Ｚ１２は例えば波長がλ１．λ２なる
２つの光を出射するレーザ光源、Ｐｌは光の偏波面を９
０°回転させるλ／２板、ＭＲｌはミラー、ＢＳｌ、Ｂ
ｉ１２は偏波面の向きに応じて光を透過または反射する
偏光ビームスプリッタ、ＨＭＲＩはハーフミラ−１ＣＣ
Ｉはキューブコーナ、Ｄ２はフォトディテクタである。

図に示されるように、偏光ビームスプリッタＢＳＩはλ
／２板Ｐ板上１もに、波長の異なる２つの光を偏波面を
直交させたうえで重畳する重畳手段を構成しており、重
畳した光はキューブコーナＣＣＩおよび測定対象面ＯＢ
Ｊなとよりなる干渉光学系に入射させている。また、偏
光ビームスプリッタＢＳ２は干渉光学系を介して得られ
た干渉光を偏波面の向きに応じて分層する分光手段であ
り、分離した光はフォトディテクタＤＩ　、　ｏ２およ
び位相検出回路ＰＤＩよりなる位相測定手段にそれぞれ
入射している。すなわち、レーザ光源ＬＺＩＩから出射
された波長λ１の光は、干渉光学系を介した後、フォト
ディテクタＤ１に入射し、レーザ光源ＬＺ１２から出射
された波長λ２の光は、干渉光学系を介した後、フォト
ディテクタＤ２に入射することになる。

したがって、上記のように構成された測長部においては
、波長の異なる２つの光が互に干渉することなく、それ
ぞれのフォトディテクタＤＩ　、　Ｄ２に入射するので
、異なる波長（λ１．λ２）の光に対して、それぞれ独
立の測定系が構成されていると考えることができる。ま
た、それぞれの測定系における動作は前記した第２図の
装置と同様であり、位相検出回路ＰＤＩからは、各波長
の光における位相遅れ量の差に応じた信号が出力される
。

このように、本発明に使用される測長部では、２つの波
長（λ］、λ２）の光に対する位相遅れ債の測定を同一
条件の中で同時に行なうことができる。ここで、同口）
に測定した位相遅れ量は、空気のゆらぎなどの影響を等
しく受けていることになるので、この測定データを利用
して正確の算出を行なえば、ゆらぎなどの影響を受けな
がらも、１１個に近い測定出力を得ることができる。こ
のため、同じ波長の相合せによる測定を多数回繰り返し
、得られた測定出力を平均するように処理すれば、ゆら
ぎなどの影響を除去して、高精度の測定を行なうことが
可能となる。

さらに、前記した第２図の装置と同様に、波長の組み合
せを変えれば、測定範囲を絞り込み、アブソリュートで
高精度な測定出力を得ることができる。

なお、上記の説明においては、２つの波長（λ１、λ２
）の光をそれぞれ独立のレーザ光源ＬＺＩＩ　。

ＬＺ１２により発生する場合を例示したが、波長の異な
る複数の光を発生する手段はこれに限られるものではな
い。また、測定に使用する波長の数は、目的とする分解
能に応じて決められるもので、４つに限られるものでは
ない。さらに、位相遅れ量６から距ａｄを求める演算手
順は、上記の方法に限られるものではない。

また、上記の説明では、光の位相遅れ量６をヘテロダイ
ン検出する場合について例示したが、位相遅れｆｆｉ小
により変化する干渉縞の位置を、フォトダイオードアレ
イを使用して検出するようにしても、同様の測定を行な
うことができる。一般に、フォトダイオードアレイにお
いては、これを構成するフォトダイオード素子を一定速
度で走査することにより、フォトダイオードアレイ自身
に空間フィルタ特性を持たせることができ、ＡＯ変変器
器どを使用することなく、位相遅れｍｔｂに応じた干渉
縞の位置を容易に検出することができる。

さらに、上記の説明では、Ｚ軸力向の測長のみを高精度
に行なう場合を例示したが、本発明の測長原理を利用し
て、被測定物駆動部ＤＲ２における駆動量（Ｘ、Ｙ）を
も測定するようにすれば、被測定物の形状をより正確に
測定することができる。

また、このような場合、本発明の３次元形状測定装置に
使用される測長部では、常にアブソリュートな測定を行
なうことができるので、２軸およびＸ軸、Ｙ軸方向に光
路を切り換えて測定を行なっても、何ら測定結果の連続
性に問題はなく、１つの測長部で３方向の測長動作を共
通に行なうことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の３次元形状測定装置では
、測定対象面の変ｆｔ量を測定する測長部にマイケルソ
ンの干渉光学系を利用し少なくとも２つ以上の波長の異
なる光を使用して測定対象面までの距離に応じた光の位
相遅れ量をそれぞれ測定するとともにこれらの波長と位
相遅れ量との関係から前記測定対象面までの距離を求め
るようにした３次元形状測定袋首において、波長の異な
る２つの光を偏波面を直交させたうえでｆｆｌ畏し前記
干渉光学系に入射させる重畳手段と、前記干渉光学系を
介してもどってきた光を前記偏波面の向きに応じて分離
する分光手段と、この分光手段により分離された光を受
けそれぞれの光における位相遅れ量を測定する位相測定
手段とを有する測長部を具備するようにしているので、
２つの波長に対する測定を同時に行なうことができ、常
に同時に得られた測定データを利用して距離の算出を行
なうようにすれば、アブソリュートな測定出力を得るこ
とができるとともに、空気のゆらぎなどの影響を受は難
い測長部を有する３次元形状測定装置を簡単な構成によ
り実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３次元形状測定装置の一実施例を示す
構成図、第２図および第３図は従来の３次元形状測定装
置の一例を示す構成図である。 ＬＺｌ、ＬＺｌｌ　、　ＬＺｌ２　・・−レーザ光源、
Ｐｌ・・・λ／２板、Ｐ２．Ｐ３・・・λ／４板、Ｐ４
・・・偏光板、ＢＳＩ〜ＢＳ５　　。 ・・ビームスプリッタ、ＭＲｌ、ＭＲ２・・・ミラー、
ＨＭＲｌ・・・ハーフミラ−１ＣＣ１・・・キューブコ
ーナ、Ｄｌ。 Ｄ２・・・フォトディテクタ、Ｄ３．Ｄ４・・・４分書
０ディテクタ、　ＳＬ・・・シリンドリカルレンズ、Ｌ
Ｅ・・・対物レンズ、ＯＢＪ　　・・・被測定物（測定
対象面）、ＤＲｌ　・・・レンズ駆動部、ＤＲ２・・・
被測定物駆動部、ＭＮＩ　、Ｍ）１２　、−・移動量モ
ニタ、Ｃ０ＮＩ　、　ＣＯＮ２　・・−演算回路、ＡＯ
Ｍ　　・・・ＡＯ変調器、Ｏ２０・・・変調信号源、Ｐ
Ｄｌ　　・・・位相検出回路。 第１図 第３図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定対象面の変位量を測定する測長部にマイケルソンの
   干渉光学系を利用し少なくとも２つ以上の波長の異なる
   光を使用して測定対象面までの距離に応じた光の位相遅
   れ量をそれぞれ測定するとともにこれらの波長と位相遅
   れ量との関係から前記測定対象面までの距離を求めるよ
   うにした３次元形状測定装置において、波長の異なる２
   つの光を偏波面を直交させたうえで重畳し前記干渉光学
   系に入射させる重畳手段と、前記干渉光学系を介しても
   どってきた光を前記偏波面の向きに応じて分離する分光
   手段と、この分光手段により分離された光を受けそれぞ
   れの光における位相遅れ量を測定する位相測定手段とを
   有する測長部を具備したことを特徴とする３次元形状測
   定装置。