JPS63223510A - 面形状測定装置 - 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】 〔技術分野〕 本発明は面形状測定装置に関し、特に光プローブを使用
して非接触且つ高速に被検面の面形状を測定することが
出来る面形状測定装置に関するものである。

〔従来技術〕

従来、物体の３次元形状即ち立体的形状を非接触にて測
定するために種々の方法が用いられている。

この様な測定方法としては、コヒーレント光を利用した
干渉計測法や、スリット光による光切断像を読取る方法
等が用いられている。しかしながら、干渉計測法は被測
定物の表面全体を同時に精度良く測定できるという利点
を有する反面、被測定物表面の凹凸が光の波長に対して
かなり大きい場合には測定が困難であるという欠点があ
る。また、光切断像を読取る方法は光の波長のオーダー
の凹凸形状の測定は困難であり従って高精度は望めない
という欠点がある。

そこで、内部光源を有する合焦状態判別光学系を移動台
上に載置し、該光学系を被測定物表面にフォーカシング
せしめるべく移動台を移動せしめることにより、該移動
台の移動量から３次元形状を測定する方法が提案されて
いる（特公昭４６−４０２３１号公報）。これによれば
、被測定物表面の凹凸の程度によらず、かなりの精度で
形状測定を行うことができる。

ところが、被測定物表面に微細な凹凸（即ち、うねり）
がある場合には、該凹凸の形状を高さの差即ち距離のみ
の測定により表現するよりは、傾斜角をも同時に測定し
て表現した方がより正確な情報となるが、上記の如き従
来の測定方式においてはこの様な正確な情報を得ること
はできない。

この為に、本件出願人は特開昭６１−１７９０７号にて
合焦状態判別光学系と傾斜角測定光学系とを有する形状
測定装置を提案した。

該公報で示した傾斜角測定光学系は、被検面に対物レン
ズを介して光束を集光させ、被検面の傾きに応じて変化
する反射光束の反射角変化をラインセンサー上の反射光
束の入射位置にもとづき検出するものである。

ところが、従来の面形状測定装置では、被検面の傾きを
検出する為に被検面からの反射光を受けるセンサがライ
ンセンサであった為、被検面が凹凸のランダムな自由曲
面である場合には反射光束の反射方向がランダムになり
ラインセンサで検出することが不可能となっていた。

又、言うまでもなく、上記ラインセンサで検出可能な傾
斜は特定方向の傾斜に限られ、被測定対象物が制限され
る為に汎用性のある測定装置とは言えなかった。

〔発明の概要〕

本発明の目的は、上記従来の測定装置の欠点を解消し、
被検面の状態に依らず、常時安定した被検面の傾斜角測
定が可能で、自由曲面を持つ被測定物の面形状を測定す
る際に好適な面形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る面形状測定装置
は、被検面に対する収斂光の合焦状態を判別する合焦状
態判別手段と該判別手段からの信号にもとづいて被検面
の所定基準面との距離を検出する検出手段と前記被検面
に光束を指向し被検面からの反射光の状態にもとづいて
被検面の傾きを検出する傾き検出手段とを有し、該傾き
検出手段が前記反、射光を受光する２次元センサを備え
、該２次元センサからの出力信号にもとづいて被検面の
任意の方向への傾斜を測定す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により明らかになるで
あろう。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ本発明測定装置の具体的実施例
を説明する。

第１図は本発明の形状測定装置の実施例を示す概略構成
図である。第１図において、λは合焦状態判別光学系で
あり、土は傾斜角測定光学系である。光学系ａ及び４は
ケーシング６に組込まれている。

合焦状態判別光学系２において、８は光源であり、１０
はコリメーターレンズであり、１２はビーム縮小光学系
であり、１４は偏光ビームスプリッタ−であり、１６は
ハーフミラ−であり、１８はＡ波長板であり、２０は対
物レンズであり、２２はバンドパスフィルターであり、
２４はレンズであり、２６は光学的センサーである。

傾斜角測定光学系４において、２８は光源であり、３０
．３１及び３２はレンズであり、３４は偏光ビームスプ
リッタ−であり、３６はバンドパスフィルターであり、
３８は光学的センサーである。尚、この光学系４におい
てはハーフミラ−１６，４波長板１８及び対物レンズ２
０は光学系２と共用されている。

ケーシング６は外部に固設されたアクチュエーター４０
に接続されている。該アクチュエーター４０を駆動せし
めることにより、ケーシング６は対物レンズ２０の光軸
Ｘに沿って移動することができる。アクチュエーター４
０としては高精度な移動量コントロールを実現すべ（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好
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が付設されている。測長手段４２としてはたと
えば格子干渉測長方式によるもの（Ｏｐｌｕｓ　　Ｅ、
　　１９８１年４月号９８４〜）が用いられ、この場合
、第１図における４４はケーシング６に固定された基準
格子であり、４６は外部に固設された格子ピッチ読取装
置である。

５０は形状を測定されるべき被測定物である。

本実施例における合焦状態判別光学系ｌの合焦状態判別
法につき以下説明する。

光源８から発せられた光はコリメーターレンズ１０によ
り平行光束とされ、該平行光束は偏光ビームスプリッタ
−１４を透過してハーフミラ−１６により反射されて、
％波長板１８を透過し対物レンズ２０に入射する。尚、
コリメーターレンズ１０を出た平行光束はビーム縮小光
学系１２を通り、対物レンズ２０にはその光軸Ｘを通る
境界面により２分される２つのゾーンのうちの一方（図
においては下半分のゾーン）にのみ入射する。かくして
、対物レンズ２０により集束せしめられた光は被測定物
５０の表面上にスポットを結ぶ。該スポットから反射さ
れた光は、再び対物レンズ２０を透過し、Ａ波長板１８
を経てハーフミラ−１６により反射せしめられ、ビーム
スプリッタ−′ｉ４により反射せしめられ、バンドパス
フィルター２２及びレンズ２４を透過した後、センサー
２６に到達する。

しかして、この際、被測定物５０の表面と対物レンズ２
０との距離によりセンサー２６に到達する光に差が生ず
る。即ち、第２図に示される様に、被測定物５０の表面
がちょうど対物レンズ２０の焦点位置に存在する場合（
図中のイの位置）には、被測定物５０の表面におけるス
ポットはちょうど光軸Ｘ上にその中心が位置するため、
反射光はセンサー２６において光軸Ｙ上に中心をもって
位置することになる。また、被測定物５０の表面が対物
レンズ２０の焦点位置よりも遠くに位置する場合（図中
の口の位置）には、被測定物５０の表面におけるスポッ
トは光軸Ｘからずれた図におけるＡゾーン内に中心をも
って位置する様になるため、その反射光はセンサー２６
において光軸Ｙからずれた図におけるＡ′　ゾーンに中
心をもって位置することになる。一方、被測定物５０の
表面が対物レンズ２０の焦点位置よりも近くに位置する
場合（図中のハの位置）には、被測定物５０の表面にお
けるスポットは光軸Ｘからずれた図におけるＢゾーンに
中心をもって位置する様になるため、その反射光はセン
サー２６において光軸Ｙからずれた図におけるＢ′　ゾ
ーンに中心をもって位置することになる。

センサー２６としてはＣＣＤ　（Ｃｈａｒｇｅ　　Ｃｏ
ｕｐｌｏｄＤｅｖｌｅｅ）等のアレイセンサーが用いら
れる。第３図はこの様なセンサー２６の平面図である。

この−図は第２図におけるセンサー２６を下方から見た
ものである。図中、斜線を付した部分はセンサーセグメ
ント間を分離しているチャンネルストッパ一部を示す。

第３図のセンサー２６には、被測定物５０の表面位置が
第２図の４９口又はハである場合のスポット位置及びそ
の光量分布のグラフが記されている。

センサー２６において、Ａ′　　ゾーンにおける全セン
サーセグメントの出力の和をＩＡ・とじ、Ｂ′　ゾーン
における全センサーセグメントの出力の和をＩｓ・とす
ると、光学系旦の被測定物５０に対する合焦状態に応じ
てΔＩ＝Ｉ＾・−ＩＢ・が変化する。その関係を第４図
に示す。第４図から分る様に、フォーカシングが完全に
なされている場合（上記イの状態）の近傍においてはΔ
■はほぼリニアに変化する。

この特性を利用することによって光学系２が前ピント外
れ状態であるか、完全フォーカシング状態であるか、後
ピント外れ状態であるかが判別できる。

従って、この出力Δ■に基づきΔＩをＯにするべ（アク
チュエーター４０をサーボ駆動せしめることにより、自
動フォーカシングが実現できる。この際のケーシング６
の移動量を測長手段４２で測定することにより被測定物
５０の表面の光軸Ｘと交わる部分の位置が測定される。

この位置測定を被測定物表面の全体について行うことに
より３次元形状が測定できる。

次に、本実施例における傾斜角測定光学系上の傾斜角測
定法につき以下説明する。

光源２８から発せられた光はレンズ３０．３１及び３２
を透過した後、平行光束となって偏光ビームスプリッタ
−３４に入射して反射せしめられ、ハーフミラ−１６及
びＡ波長板１８を透過して、対物レンズ２０により集束
せしめられる。尚、この光学系４においては対物レンズ
２０に入射する光束の重心が光軸Ｘと一致しない様に設
定されかつ光軸Ｘに平行に入射する様になっている。

ここで、被測定物が自由曲面形状を有する場合に傾斜角
測定用光束が対物レンズを介して被測定物に入射する空
間位置と被測定物からの反射光の反射状況及びセンサへ
入射する状態について更に詳しく図面を参照しながら説
明する。

第５図及び第６図はこの状況について示したものである
。第５図は第１図に示した全体配置図の中で、傾斜角測
定光学系４の一部を示したもので、第６図は第５図の光
学系を２軸方向からみた配置図である。

第５図に於いて１、被測定物５０はＺ軸を回転軸として
回転し、順次被検面上の測定点の測定を行い被測定物の
断面形状が得られる。又、傾斜角測定用光束は対物レン
ズ２０の光軸と角度θを成して被測定物５０に入射して
いる。

第５図及び第６図に於いて、被測定物５０の対物レンズ
２０の光軸Ｘとの交点、即ち対物レンズ２０の焦点位置
における被測定物５０の面、が対物レンズ２０の光軸Ｘ
と垂直な面とＹ方向にα、Ｚ方向にβの角度をなしてい
るとすると図のように被測定物５０の表面から反射した
光束は、光軸とＹ方向に２α、Ｚ方向にθ＋２βの角度
をもって再び対物レンズ２０に入射してセンサ３８に入
射する。ここで、センサ３８に入射する光の中心光線の
センサ３８中心を通る軸３９からのずれは、Ｙ方向がり
、ｙ　＃　ｆ−ｓｉｎ２ａ、Ｚ方向がｈｚ　＝　ｆ　＊
　５ｉｎ２β（ｆは対物レンズ２０の焦点距離）で与え
られる。

従って、センサ３８として、エリアタイプの２次元セン
サ、例えば半導体装置検出素子（ＰＳＤ）やＣＯＤなど
を用いて光束がセンサ中心からどの程度ずれているかを
電気的に検出してやれば、として、被測定物５０の面の
直交する２方向の傾斜角α、βが求められる。

従って、被測定物５０の被検面が自由曲面で、被検面か
らの反射光束が任意の方向に反射するものとしても必ず
センサ上で捕えることが出来る。

又、上述の様に、異なる方向に傾斜した被検面の傾き状
態を、互いに直交するα、βなる角度で表現することが
出来、如何なる自由曲面の形状をも精確に把握すること
が可能になる。

以上の説明から分る様に、傾斜角測定に際しては被測定
物５０の表面が対物レンズ２０の焦点位置にあることが
必要であるが、上記光学系旦とアクチュエーター４０と
の作用により常にフォーカシングがなされているのでこ
の条件は常に満たされている。

また、合焦状態判別光学系２と傾斜角測定光学系４とは
一部共通部分を有するので、各光学系において用いる光
源の波長帯域を異ならせたり、偏光状態を異ならせたり
して、クロストークが生じない様にする。このため、バ
ンドパスフィルター２２及び３６、更には偏光ビームス
プリッタ−１４及び３４及びＡ波長板１８が用いられて
いる。

以上の如き実施例の３次元形状測定装置の性能につき以
下に評価を試みる。

先ず、位置測定の精度は光学系且の合焦状態判別分解能
と、測長手段４２の測定精度とにより定まる。

たとえば、対物レンズ２０として焦点距離ｆ＝２．１ｍ
ｍ。

ＮＡ＝０．９のものを、レンズ２４として焦点距離ｆ　
３〜８５ｍｍのものを用い、センサー２６としてＣＣＤ
センサーアレイを用いた場合には、第４図のグラフにお
けるリニア部分の傾きとして２００　＝　ｌ　ＯＯＯｍ
　Ｖ／μｍが得られ、更にこの時のΔ■の出力のノイズ
として１〜２　ｍ　Ｖ以下が達成される。これにより、
光学系２の合焦状態判別分解能として、０．０１〜０．
０２μｍが得られる。また、測長手段４２として格子干
渉測長方式によるものを用いれば、０．１〜０．０１μ
ｍの精度が達成される。尚、測長手段４２としては、そ
の地元ヘテロダインの干渉方式によるもの（たとえば、
Ｈｅｗｌｅｔｔ　　Ｐａｃｋａｒｄ社のレーザー測長機
、Ｏｐｌｕｓ　　Ｅ、　１９８２年１２月号ｐ８６〜）
や、レーザー干渉計の波数読取り方式によるもの等を用
いることもでき、これらによっても同様な精度が達成さ
れる。

次に、位置測定のストロークはアクチュエーター４０の
ストローク及び測長手段４２のストロークにより決まる
。上記の如き格子干渉測長方式、光へテロダイン干渉方
式、レーザー干渉計の波数読取り方式等はいづれも１０
０ｍｍ以上の高ストロークを実現することができ、また
アクチュエーターも同様なストロークを実現できる。

更に、投光スポット径は、対物レンズ２０に入る光束の
なす実効的なＮ、Ａ、（開口数）により決まる。

スポット径中は入射光の波長をλとすると一般にれる。

従って、例えばビーム径を０．５ｍｍ、焦点距離ｆを３
　、３　ｍ　ｍ　、波長を０．７８　μｍとすると、こ
の場合のスポット径φは、φ＝２．４４Ｘ６．６ＸＯ，
７８＝１２．６μｍとなる。尚、スポット径を小さくし
ようとすれば、光学系２の投光有効光束径を太き（して
実効的な光束のＮＡを大きくすればよい。

また、傾斜角測定精度はセンサー３８の位置検出精度に
より定まる。たとえば、センサー３８の検出精度０．３
μｍで、対物レンズ２０の焦点距離ｆ＝３゜３　ｍ　ｍ
の場合には約９′の傾斜角測定精度が実現できる。更に
、傾斜角の測定範囲としては、対物レンズ２０としてＮ
Ａ＝０．５〜０．９のものを用いれば１０〜３０°位ま
で測定が可能となる。

尚、以上の実施例においては、合焦状態判別光学系２は
合焦のため全体が移動する様になっている例を示したが
、光学系２はその一部のみが移動する様になっていても
よい。

以上の実施例においては自動合焦の方式としていわゆる
ＴＴＬ−Ａ”Ｆ　（Ｔｈｒｅｕｇｈ　　ｔｈｅ　　Ｔａ
ｋｉｎｇＬｅｎａ　　Ａｅｔｉｖｅ　　Ａｕｔｅ　　Ｆ
ｅｅｕｓ）方式（テレビジョン学会誌、第３５巻第８号
、１９８１年、　ｐ６３７〜）を用いた例を示したが自
動合焦の方式としては他の方式、たとえばビデオのピッ
クアップに用いられている方式やカメラのオートフォー
カスで使用されている方式等を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、傾斜角測定用のセンサとして２
次元センサを用いることにより、被測定対象物が自由曲
面を有するものであっても正確に傾斜角を測定すること
が可能になる。又、各測定点に於ける傾斜角を互いに直
交する２方向について検出可能であり、測定精度も向上
し汎用性に富む面形状測定装置を提供することが出来た
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る形状測定装置の一実施例を示す概
略構成図。 第２図は第１図に示す測定装置の一部分を示す模式図。 第３図は第１図に示された合焦状態判別光学系のセンサ
ーの平面図。 第４図は第３図に示すセンサーの出力を示すグラフ図。 への入射状態を示す為の説明図。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被検面に対する収斂光の合焦状態を判別する合焦状態判
   別手段と該判別手段からの信号にもとづいて被検面の所
   定基準面との距離を検出する検出手段と前記被検面に光
   束を指向し被検面からの反射光の状態にもとづいて被検
   面の傾きを検出する傾き検出手段とを有し、 該傾き検出手段が前記反射光を受光する２次元センサを
   備え、該２次元センサからの出力信号にもとづいて被検
   面の複数の方向への傾斜角を測定することを特徴とする
   面形状測定装置。