JPS63223508A - 傾斜角測定方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は面形状測定装置に於ける傾斜角測定方法に関し
、特に非接触にて被測定物体の形状、例えば３次元形状
を高精度に求めることのできる面形状測定装置に於ける
傾斜角測定方法に関するものである。

〔従来技術〕

従来より被測定物体の形状、例えば３次元形状を非接触
にて測定する方法は種々提案されている。

例えば干渉計測法や光切断法や光プローブ法などが代表
的な方法であり、それぞれ以下述べる様な特長を有して
いる。

干渉計測法は表面全体を同時にしかも波長オーダーの精
度で計測できるが、基準面からの変位量が、参照光の波
長よりはなはだしく大きい場合は計測できない。又、大
きいうねり状の変位には強いが、細い凹凸の場合には横
方向の分解能が無いため計測できない。

光切断法は大きい物体の、しかも遠方の物体の計測に関
しては有利であるが、微小変位量の高精度計測には不向
きである。

光プローブ法はスポット計測であるため全面同時の計測
は出来ないが凹凸の大小にかかわらず高精度で計測でき
る。さらに、光プローブ方式において、被検物体の表面
の傾斜角度を同時に計測する方式をすでに特開昭６１−
１７９０７号公報で我々は提案している。

面傾斜角のデータは、被検物体の凹凸形状をより詳細に
表現するだけでなく、例えば被検物体がレンズであった
り、レンズモールドの型であったりする場合に、そのレ
ンズ加工の出来具合を調べるために行われる光線追跡計
算の有力なデータになっている。

本来、面の傾斜角は従来の光プローブ法で得られる凹凸
データから算出できるはずのものであるが、第４図の如
く測定のサンプリングピッチが１０８ｍ、装置の測定精
度を±０．０１μｍとすると角度誤差としてはΔθ＝０
．０１／１０　（約２００’）となり、算出データの精
度は良くない。これに対して特開昭６１−１７９０７号
公報に示す装置の様に、面の傾斜角を実測する場合は、
例えば傾斜角測定光学系の対物レンズの焦点距離を３．
３ｍｍ。

位置センサーの分解能を０．３μｍとすればはるかに高
い精度で傾斜角を計測することが出来る。このことも傾
斜角測定系を備えることの大きな利点である。

また、傾斜角データを積分することにより形状データに
変換することが可能であるが、その場合には、サンプリ
ングピッチに比してスポット径が小さいと、傾斜角デー
タαから復元された形状データは第５図の破線のように
なり、形状データへの変換誤差が大きくなって同図の実
線で示す真の形状とは全く異なってしまう。また、サン
プリングピッチに比してスプット径が大きい場合は、分
解能がスポット径になってしまいサンプリングピッチを
細かくとる意味がない。

また、スポット径は光学系で定まるもので、いくらか変
化の余地はあるもののむやみに大きくはでき□ない。サ
ンプリングピッチは測定時間にかかわるのでやはりむや
みに小さくはできない。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、分解能を低
下させることな（、精度良く形状データへの変換を行い
得る傾斜角測定方法を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る傾斜角測定方法
は、測定のサンプリング間隔に相当する時間だけ傾斜角
信号を積分することにより傾斜角データを得ることを特
徴としており、この傾斜角データから形状データを復元
することにより、正確な面形状を得ることが出来る。

本発明によれば、測定は光ビームで被検面を走査するこ
とにより行い、サンプリング間隔に比してスポット径が
小さい光ビームを用いることにより分解能の高い形状測
定を達成出来る。

上記目的を達成する為の本発明のある形態は、被検面に
光ビームを照射し、被検面からの反射光を光位置センサ
で受光し、被検面の傾斜角を反射光の光位置センサ上の
スポット位置情報として検出し、光位置センサから随時
傾き信号を出力し、該傾き信号を積分手段によって測定
のサンプリング時間分積し、該積分手段からデータ採取
のタイミング毎に積分信号を出力することにより、被検
面の傾斜角データを得ることを特徴としている。

本発明の更なる特徴は下記実施例から明らかになるであ
ろう。

〔実施例〕

第１図は本発明方法の一実施例を示す為の測定装置の光
学系概略図である。

第１図に於いて、遣は合焦状態判別光学系、まは傾斜角
測定光学系であり、双方の光学基又、マはケーシング６
内に組込まれている。８は光源であり、本実施例では合
焦状態判別系ヱと傾斜角測定基土とで共通の光源となっ
ているが、別光源でそれぞれの系２．４が独立していて
もさしつかえない。

１０はコリメータレンズ、　　１２は偏心アパーチャー
で、光軸Ｘから外れた位置に開口を有している。

１１はビーム縮小光学系、　　１４は偏光ビームスプリ
ッタ−，１６はハーフミラ−１１８はＡ波長板、２０は
対物レンズであり、これらの各要素は光学系２、および
４で共有している。

２２はバンドパスフィルター、２４は集光レンズ、２６
は光学的センサーであり、これらの各要素は合焦状態判
別光学系２の一部を構成している。

２８はバンドパスフィルター、３０は光センサーであり
、これらの各要素は傾斜角測定光学基土の一部を構成し
ている。

ケーシング６は外部に固設された駆動系であるところの
アクチュエータ４０に接続されている。又、該アクチュ
エータ４０を駆動せしめることにより、ケーシング６を
対物レンズ２０の光軸Ｘに沿って移動させることができ
る。アクチュエータ４０としては高精度な移動量コント
ロールを実現すべく流体移動軸受スライド機構を備えた
もの等を用いるのが望ましい。ケーシング６には、また
、その移動量を測定するための測長手段４２がとりつけ
られている。測長手段４２としては、格子干渉測長方式
が用いられ、ケーシング６に固設された基準格子４４、
外部に固設された格子ピッチ読取り装置４６から構成さ
れている。測長手段４２としては他の方式を用いても良
い。例えば、光へテロダイン方式やレーザー干渉方式が
あり、これらの方式によっても同様の精度が得られる。

又、５０はレンズ等の被測定物であり、１００は光セン
サ３０から傾斜角信号を積分する積分器で、該信号をサ
ンプリング間隔毎に積分して出力する。

合焦状態判別光学系上は、ＴＴＬ　（ＴｈｒｏａｇｈＴ
ｈｅ　　Ｌｅｎｓ）アクティブオートフォーカスシステ
ムを構成しており、常時被測定物の表面形状を追随して
ケーシング６を駆動させるべ（サーボ系に信号を発して
いる。従って、被測定物５０の表面形状を測定するため
にはケーシング６の位置を測長手段４２で精密に測定す
れば良い。また、常に被測定物５０の表面をケーシング
６と一定の位置関係に保つことにより傾斜角測定系まの
構築にも寄与している。

傾斜角測定系工は、光学系ヱとは異り、被測定物５０の
表面と光スポツト位置センサー３０の位置を意識的共役
配置から外している。つまり、合焦判断を要す光学系ｌ
に於いては被測定物５０の表面の傾斜角の影響を全く受
けない構成になっているのに対し、傾斜角測定系ユは被
測定物５０の表面の傾斜の影響を効率良く受ける構成に
なっている。

光センサ−３０の位置は第５図の（Ａ）、（Ｂ）。

（Ｃ）に示すように位置（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ
）のいずれであっても良い。本実施例では（ｃ）の状態
で光センサ３０を配置しているものとして説明する。

被測定物５０への投射光束は光軸Ｘに平行に対物レンズ
２０を通り、α０だけ傾いた被測定物５０の表面で反射
され、再度対物レンズ２０を通り光軸Ｘに平行に光セン
サ−３０に達する。このとき合焦状態判別光学系上によ
り被測定物５０は常に対物レンズと一定距離に保たれて
いることは言うまでもない。光センサー上のスポット位
置はｈ＝ｆｔａｎ２α　　（ｆ：対物レンズの焦点距離
）となり、面傾斜角αは で算出される。

次に被測定物の表面形状の座標データと面傾斜角の関係
を述べる。

第３図に示すような表面形状の被測定物５０を第１図に
示す装置で測定するものとする。

測長手段４２から得られる形状データ（座標データ）の
分解能はサンプリングピッチになってしまうものの、凹
凸の絶対量はほぼ正しく測定していると言える。これに
対し、傾斜角データはサンプリング時のデータが光スポ
ットが特定時刻に照明した被検面上にある領域の代表値
となってしまう。

このままの傾斜角データから形状を求める変換（積分）
を行うと先の第５図に示したごとく全く元の形状からか
け離れてしまう。

このようにしないためには測定領域（スポットの大きさ
）が連続していなければならない。サンプリングピッチ
を細かくして測定点を連続させることは可能ではあるが
測定点数が増大し測定時間がかかりすぎて事実上困難で
ある。

従って、本実施例では、傾斜角信号を形状データのサン
プリング間隔に相当する時間だけ積分することにより傾
斜角データを得ている。

即ち、第１図及び第３図に示す様に、傾斜角測定系学系
工の光センサ３０からの出力信号を積分回路に入力し、
形状データΔＸのサンプリング間隔相当時間ｔだけ随時
積分し、測定時の形状データ抽出のタイミングに併せて
積分された傾斜角信号、即ち傾斜角データに相当する信
号α′を出力するものである。

この様な方法により得られた傾斜角データα′は、第３
図の矢印で示す様に、サンプリング時間ｔに対応する被
検面の特定領域の傾斜角の代表値を示すことになる。

この為、この傾斜角データα′を用いて復現された被検
面の凹凸形状は、第３図に破線で示す形状データと良好
な一致を見た。

又、本実施例では光センサ３０の直後に積分回路１００
を配して光センサ３０からの出力信号を直接積分してい
るが、光センサ３０の直後に傾斜角を算出するαの演算
回路を設け、このα演算回路の出力値である傾斜角信号
を積分回路により積分する様な方式でも構わない。

〔発明の効果〕

以上本発明によれば、被検面の基準面から距離を測定す
る際のサンプリング時間に相当する時間だけ、所定基準
面に対する被検面の傾きを示す傾斜角信号を積分して、
該積分値を傾斜角データとして用いることにより、形状
測定の分解能を下げることなく被検面の面形状を正確に
再現出来る傾斜角の測定が可能となった。

又、被測定物がレンズであったり、レンズモールドの型
である場合に、レンズ加工の出来具合を検査する所謂光
線追跡計算に使用する傾斜角データとしても実際のレン
ズ形状を良好に近似するものとして有効である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明方法を用いる面形状測定装置の概略構成
図。 第２図（Ａ）〜（Ｃ）は傾斜角測定用の光センサの配置
例を示す為の説明図。 第３図は本発明方法の効果を示す為の説明図。 第４図及び第５図は従来の傾斜角測定方法の問題点を示
す為の説明図。 ２・・・・・・・・・合焦状態判別光学系４・・・・・
・・・・傾斜角測定光学系８・・・・・・・・・光源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被検面の傾斜角を測定する方法であって、被検面の基準
   面からの距離を測定する際のサンプリング間隔に相当す
   る時間だけ傾斜角信号を積分し、該積分された信号から
   傾斜角データを得ることを特徴とする傾斜角測定方法。