JP2003161610A - 光学式測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複雑な被測定物表面の形状を精度よく測定でき
る光学式測定装置を提供する。 【解決手段】対物レンズ２１から、被測定物３１の表面
に向かって出射された光束の反射光束が、光束の出射点
と同一位置で受光されたことを４分割フォトダイオード
１４で検出し、その際の法線方向から、被測定物３１の
反射点の面角度を求めることができる。更に、反射点を
変えて、この面角度を被測定物３１の全体にわたって測
定すれば、それから被測定物の形状全体を求めることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は，光学式測定装置に
関し、特に被測定物に光を投射することで、被測定物の
形状を測定できる光学式測定装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】被測定物の形状を測定できる光学式測定
法として、測定対象面が平面形状であれば、常に光軸方
向を一定に保ちながら面に光線を投射して、法線方向を
検出しながら面を走査するレーザオートコリメーション
法が知られている。一方、測定対称面が球面であれば，
その球面の中心とレンズの焦点を一致させてレンズで作
った球面波を対象球面の各法線方向に一致するように、
一挙に投射して球面形状を測定する方法も知られてい
る。 【０００３】また，円筒や，球などの回転体では，それ
を円や球の中心回りに回転させ，光線を回転中心に向け
ることで，円周に沿う法線方向の微小な誤差を検出する
手法も知られている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし，レーザオート
コリメーション法に従う測定は、被測定物が平面でない
と適用できないという欠点がある。又、球面波を対象球
面に投射する方法は、球面から大きくずれた複雑な形状
の対象面には適用できず、一般的な形状測定には使えな
いという欠点がある。更に，工具の刃先などのエッジ形
状のように急激な角度変化をする形状を被測定物とする
精密な測定手法は知られていない。このように、光学式
測定によれば、本来的には高精度な測定結果が得られる
が、その代わり測定対象となりえる面形状が制限される
という課題がある。すなわち、一般的な被測定物の表面
の角度や角度変化は複雑である場合が多く、それ故、複
雑な面の形状測定を光学的に行うことは困難であるとい
う実情があった。 【０００５】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑
み、複雑な被測定物表面の形状を精度よく測定できる光
学式測定装置を提供することを目的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明の光学式測定装置
は、光源と、前記光源からの光束を入射した後所定方向
に出射させ、且つ戻ってきた光束を受光する移動可能な
レンズと、前記レンズより、被測定物の表面に向かって
光束が出射されたとき、その反射光束が前記光束の出射
点と同一位置で受光されたことを検出し，あるいは前記
出射点に対してずれた位置で受光されたときは、そのズ
レ量を検出する検出手段と、を有し、前記検出手段の検
出時における前記レンズの位置に基づいて、前記測定物
の反射点の角度が求められることを特徴とする。 【０００７】 【作用】光束の出射点と、被測定物から反射した光束の
受光点とが同一位置であるとすれば、前記出射点と反射
点とを結ぶ線が、光束の反射点における法線になる。こ
れを利用して、本発明の光学式測定装置は、被測定物の
表面に向かって出射された光束の反射光束が前記光束の
出射点と同一位置で受光されたことを前記検出手段で検
出し、その検出時における前記レンズの位置から、反射
点における法線方向を求めることができる。従って、か
かる法線方向から、被測定物の反射点の面法線角度を求
めることができる。反射点を変えながら、この面法線角
度を被測定物の全体にわたって測定すれば、被測定物の
形状全体を求めることができる。尚、被測定物からの反
射光束が前記出射点に対してずれた位置で受光されたと
きは、そのズレ量を前記検出手段で検出すれば、所定の
計算により、反射点の法線方向を容易に求めることがで
きる。 【０００８】更に、前記光束の光路長（例えばレンズと
被測定物との間の光路長）を測定する測長手段を有し、
前記光束の光路長と前記反射点の面角度とに基づいて、
前記被測定物の形状を求めると好ましい。 【０００９】更に、前記レンズに対して前記光束を、前
記レンズの光軸に対して平行を含む既知の角度に入射さ
せたとき、前記光軸と前記光束の入射点との距離を変更
することで、前記光束の出射方向を変更可能となってい
ると好ましい。 【００１０】更に、前記レンズは、前記光源からの光束
の一成分を前記被測定物に反射させることなく前記測長
手段に導き、前記光源からの光束の別な成分を前記被測
定物に反射させて前記測長手段に導く分岐手段を有し、
前記測長手段は、前記光束の一成分と、前記光束の別な
成分とにより生じる干渉縞に基づいて、前記分岐手段か
ら前記被測定物までの光路長を測定すると好ましい。
「測長手段」としては、一般的な干渉計を利用すること
ができる。 【００１１】更に、前記被測定物の所定領域を球面の一
部とみなして、その球面の中心を前記レンズの焦点位置
に一致させたとき、前記光束の一成分と、前記所定領域
に出射され反射した前記光束の別な成分とにより生じる
干渉縞に基づいて、前記所定の領域における、球面に対
する誤差を求めると好ましい。 【００１２】更に、前記レンズは、その光軸方向にも，
それと直交する方向にも移動可能であり、且つレンズ光
軸直交方向に沿った軸周りに回転可能となっていると好
ましい。 【００１３】更に、前記レンズから出射された光束を反
射もしくは屈折させた後、前記被測定物に照射し、且つ
前記被測定物からの反射光束を反射もしくは屈折させ
て、前記レンズに入射させるための反射鏡もしくはレン
ズを有すると好ましい。 【００１４】更に、前記被測定物を、前記光学式測定装
置に対して相対移動させる相対移動装置を有し、前記被
測定物を相対移動させながら、同一反射点を前記光学式
測定装置で測定した結果に基づいて、装置の有する系統
的誤差を排除すると好ましい。かかる誤差の排除の手法
については、自律校正法と呼ばれるものがあり、例えば
干渉顕微鏡の高さ方向誤差のその場校正法（精密工学会
誌,64-2(1998)241-246，清野慧、高偉、金井雅也，In s
itu self-calibration of atomic force microscopy Na
notechnology 9 (1998) 72-76，Hyun-Kyu Kweon, Wei G
ao and SatoshiKiyono，Self-Calibration of a Scanni
ng White Light Interference Microscope, Optical En
gineering, 39-10,(2000), 2720-2725 S. Kiyono, Wei
Gao, S.Zhang）などに詳細が述べられている。 【００１５】前記光源の光束径より小さい径のピンホー
ルを有する遮光板を、前記光源から前記被測定物までの
光路内に挿入し、光軸に対して直角な方向に移動させる
ことで、前記被測定物への光束の出射方向を変更可能と
なっていると好ましい。 【００１６】 【発明の実施の形態】以下、図を用いて、本発明の実施
の形態にかかる光学式測定装置の構造と動作を説明す
る。図１は、第１の実施の形態にかかる光学式測定装置
の斜視図である。不図示の剛体に取り付けられた固定板
１０には、光源１１と、ビームスプリッタ１２と、集光
レンズ１３と、４分割フォトダイオード１４とが配置さ
れている。固定板１０に対して不図示のアクチュエータ
により移動自在となっており、しかも固定板１０に対す
る相対位置を検出可能なレンズステージ２０には、対物
レンズ２１がそれと一体的に移動可能なように支持され
ている。更に、固定板１０に対して不図示のアクチュエ
ータにより移動自在となっており、しかも固定板１０に
対する相対位置を検出可能な被測定物ステージ３０上に
は、被測定物３１が載置されている。ビームスプリッタ
１２，集光レンズ１３，４分割フォトダイオード１４が
検出手段を構成する。また、本実施の形態では、ビーム
スプリッタ１２と４分割フォトダイオード１４との間に
集光レンズ１３を挿入して、オートコリメーション方式
にしているが，反射光が拡散ビームになっているときに
は４分割フォトダイオード１４上に光スポットを絞る光
学系を設けてもよい。 【００１７】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。光源１１から出射された細い平行光束は，ビームス
プリッタ１２で反射され，対物レンズ２１の上面に入射
する。ここで、入射光が光軸に平行であるならば（光軸
に一致する場合を含む）、対物レンズ２１の下面から出
射する光束は、所定の出射角度で出射するが、常にその
焦点位置を通過するため、入射位置の光軸からの距離と
光軸からの方向とを選択することによって、出射角度
（或いは方向）を任意に変化させることができる。 【００１８】対物レンズ２１からの出射光束が、被測定
物３１上で反射したときに、レンズステージ２０の位置
と、被測定物ステージ３０の位置とが所定の範囲内にあ
ると、被測定物３１からの反射光束は、再度対物レンズ
２１の下面に入射し、その後対物レンズ２１の上面から
出射し、ビームスプリッタ１２を通過し、集光レンズ１
３で集光されて４分割フォトダイオード１４でスポット
光として検出される。４分割フォトダイオード１４から
の出力信号を不図示のＣＰＵで受信しながら、レンズス
テージ２０を対物レンズ２１の光軸に対して垂直あるい
は平行な方向に移動させると、４分割フォトダイオード
１４で検出されるスポット光がその中心に来ることにな
る。その位置では、対物レンズ２１における光束の出射
点と受光点が一致しているので、出射点と焦点とを結ぶ
線が、被測定物３１の反射点における法線と見なせる。
出射点は、レンズステージ２０の２次元方向の移動距離
からわかり、対物レンズ２１の焦点が既知だとすると、
その法線の方向及び角度が分かるので、反射点における
被測定物３１の面の傾きを求めることができる。更に、
被測定物ステージ３０を移動させながら、４分割フォト
ダイオード１４による検出を行い、それに応じてレンズ
ステージ２０を移動させれば、被測定物３１の表面全体
について、面法線方向を知ることができ，面形状を測定
できる。 【００１９】尚、４分割フォトダイオード１４は、光源
１１と共に固定板１０に固定され一体になっていて，反
射光束と出射光束の角度差だけを拡大検出ができるた
め，光学部品の誤差の影響を受けにくい高感度で高精度
の計測ができる。又，対物レンズ２１にも収差が存在す
るがこれはレンズ口径全体の光を一度に集めるときに難
しい問題となるだけで，本実施の形態のように、対物レ
ンズ２１の一部だけを使った計測では，あらかじめの計
算，校正のデータで補正をすれば，収差の影響はほとん
ど受けないという利点がある。 【００２０】次に、第２の本実施の形態について説明す
る。図２は、第２の実施の形態にかかる固定板周辺を正
面から見た図である。それ以外の構成については、図１
に示すものと同様であるので説明を省略する。図２にお
いて、光源１１から出射された細い平行光束の第１の成
分（一成分）は、分岐手段であるビームスプリッタ１２
Ａを透過し、参照鏡１５で反射した後、再度ビームスプ
リッタ１２Ａで反射され、干渉計１６に入射する。一
方、光源１１から出射された平行光束の第２の成分は、
ビームスプリッタ１２Ａで反射され、ビームスプリッタ
１２Ｂに向かい、ここを通過して対物レンズ２１（図
１）側に向かう。 【００２１】図１で説明したように、対物レンズ２１を
介して戻ってきた第２の成分の反射光束は、更に、ビー
ムスプリッタ１２Ｂで、第３の成分と第４の成分とに分
離される。より具体的には、反射光束の第３の成分は、
ビームスプリッタ１２Ｂで反射され、集光レンズ１３で
集光されて４分割フォトダイオード１４で検出される。
更に、反射光束の第４の成分（第１の成分とは別な成
分）は、ビームスプリッタ１２Ｂ、１２Ａを通過し、干
渉計１６に入射する。 【００２２】このように、干渉計１６には、参照鏡１５
から反射した第１の成分にかかる光束と、被測定物３１
（図１）から反射した第４の成分にかかる光束が入射す
る。この双方の光束によって、いわゆる干渉縞が生じる
ことを利用して、その干渉縞から、ビームスプリッタ１
２Ａから参照鏡１５までの光路長Ａと、ビームスプリッ
タ１２Ａから被測定物３１の反射点までの光路長Ｂとの
差の変化Ｃを求めることができる。かかる差の変化Ｃが
求められたとき、ビームスプリッタ１２Ａから対物レン
ズ２１までの距離が既知とすれば、差の変化Ｃから対物
レンズの移動にともなう光路長変化を差し引くことで、
対物レンズ２１から被測定物３１の反射点までの法線距
離を求めることができ、これを形状測定に用いることが
できる。ここで、干渉計が測長手段として機能する。
尚、投射方向と可能な限り一致した反射光成分のみを干
渉測長に使うため、出射光束と方向が一致する反射光成
分のみと干渉縞を作り出すようにすると好ましい。 【００２３】第３の実施形態について説明する。図２と
類似の光学系で，光源からの出射ビームを適切なものに
し、干渉計の受光部を画像計測が可能なエリアセンサ
（ＣＣＤカメラ等）に置き換えて、対物レンズ焦点を被
測定物の局所的な球の曲率中心に一致させることで、局
所的な球面に関する干渉形状計測が実施できる。この局
所的な球面形状計測を被測定面の各領域について連続的
に実施して，得られた局所的球面をつなぎ合わせること
で全体の形状を測定する。 【００２４】図３は、本実施の形態の変形例を示す概略
図である。かかる変形例においては、光源１１（図２）
から径の大きな光束が、ビームスプリッタ１２Ａに入射
するものとする。ここで、被測定物３１の表面が完全球
面であり、且つその曲率中心が対物レンズ２１の焦点と
一致していれば、径の大きな光束を対物レンズ２１を介
して被測定物３１に照射しても、一様な光路をたどって
干渉計１６（図２）に至ることになる。この特性を利用
すれば、原理的には、被測定物３１の表面が殆ど完全球
面である場合、その反射光を、参照鏡１５からの反射光
に干渉させて、その干渉縞より、被測定物３１の表面
を、完全球面に対してどれだけズレがあるかという観点
から精度よく測定ができる。しかしながら、実際的に
は、被測定物３１の表面が殆ど完全球面であるというこ
とは稀であり、従って径の大きな光束で干渉を生じさせ
ると、その干渉縞が複雑となって、測定が困難となる恐
れがある。 【００２５】そこで、本変形例では、ビームスプリッタ
１２Ａと、対物レンズ２１との間に、ピンホール１７ａ
を有する遮光板１７を配置させている。このように遮光
板１７を配置すると、光源１１からの光束の径が大きな
ものであっても、遮光板１７を通過できる光は、ピンホ
ール１７ａの径に制限されるので、干渉計１６で観測さ
れる干渉縞をよりシンプルなものとし、測定を容易にす
ることができる。ここで、対物レンズ２１を固定させた
まま、遮光板１７のみを、光軸に対して垂直方向に移動
させることで、対物レンズ２１に入射する光束の位置を
任意に変えることができ、それによりピンホール１７ａ
を通過する光束が届く範囲内の被測定物３１における表
面の任意の位置を、精度よく測定することができる。 【００２６】対物レンズ２１を固定した状態で、ピンホ
ール１７ａを通過する光束が届く所定の領域内の被測定
物３１の表面を測定した後、図４に示すように、対物レ
ンズ２１を光軸に垂直な方向に（或いは光軸方向にも）
移動させ、再度固定した状態で、その隣接する領域にお
ける被測定物３１の表面を測定し、その測定結果をつな
ぎ合わせれば、被測定物３１の表面全体を精度よく測定
することができるのである。 【００２７】図５は、本実施の形態の更に別な変形例を
示す概略図である。本変形例では、対物レンズ２１と被
測定物３１との間に、平面鏡１８を設けている。例え
ば、図１の構成において、対物レンズ２１は、レンズス
テージ２０と共に、光軸に対して垂直な方向に移動させ
ることができ、又既知の量で、その光軸を（例えば対物
レンズ２１の移動方向に沿った軸周りに回転させること
で）傾ければ、入射光に対して出射光の傾きを９０度近
くまで変化させることもでき、それにより広範な種類の
形状の測定を行える。しかしながら、かかる構成では、
例えば被測定物３１を裏返すことなく、その裏面形状を
精度よく測定することは困難である。 【００２８】これに対し、図５に示す変形例では、既知
の角度で傾けた平面鏡１８に、対物レンズ２１の出射光
を反射させ、被測定物３１から反射した光束を、平面鏡
１８で反射させて対物レンズ２１へ導くことにより、上
記と同様な測定が可能となる。かかる変形例によれば、
例えば，被測定物の側面にあるエッジ部などを精密に測
定することも可能となる。尚、被測定物３１の３次元的
な各点での面法線方向をあらかじめ計算しておき，対物
レンズ２１を移動することで光束がその焦点を通過する
方向を定め，対物レンズ２１の焦点に対して被測定物３
１を適切な位置に配置して，反射点での公称の法線方向
が出射光束の方向と一致する状態を創り出すようにして
公称値からの差を検出してもよい。平面鏡１８の代わり
にレンズを用いてもよい。 【００２９】本明細書中で説明する実施の形態では、い
わゆる自律校正手法を用いて、移動ステージの移動にお
ける誤差等をキャンセルすることができる。自律校正手
法については、良く知られているので、その詳細な説明
は省略する。 【００３０】以上述べた以外にも、対物レンズ２１への
光束の入射方向を変えたり、対物レンズ２１を光軸方向
に移動することで、屈折された光束を光軸方向に平行移
動したり、装置全体を被測定物３１に対して移動するこ
とで、方向を定めた光束を任意の点に照射することがで
きる。逆に、対物レンズ２１を固定して、固定板１０全
体を２次元ステージに搭載して相対移動させてもよい。 【００３１】更に、対物レンズを選ぶことによって単純
な光学系で±４５度を超える２次元の角度変化を与える
ことができる。この角度変化は，レンズを固定して，レ
ンズへの入射光束を移動する例では，空間の１点に向か
う光の方向を変えることもできる。 【００３２】又、現在の２次元ステージを用いれば、極
めて高い分解能と精度で位置決めを行えるので、入射角
度の方向も高い分解能と精度で制御できる。入射角度と
対象面の法線方向の一致は、４分割フォトダイオードを
受光面に採用すれば、零位法が採用できるので、角度測
定の分解能と精度も高くなる。 【００３３】図６は，エッジの断面形状や，エッジが描
く軌跡を計測するために有効な実施形態を示す図であ
る。図６では，光源１１からの出射光は、ビームスプリ
ッタ１２を透過後，矢印の方向に揺動する鏡３２等で高
速に振動させられ，更に鏡３２での反射点に焦点を有す
るコリメータレンズ３３を通過後，対物レンズ２１に入
射位置を変えながら入射し，対物レンズ２１から被測定
物３１上のナイフエッジＮの近傍の目標点に向かって，
角度を変えながら投射される。投射された光束の内，そ
の点での面法線方向とほぼ一致したものは、検出器１４
で検出され，それによってナイフエッジＮ断面上の複数
点での面法線方向を計測することができる。ナイフエッ
ジＮを対物レンズ２１の光軸方向に移動して同様の計測
を繰り返せば，ナイフエッジＮの一断面に沿った法線方
向の分布が測定できる。この断面をナイフエッジＮの長
手方向に走査測定すれば，ナイフエッジＮの３次元的な
法線方向分布がわかり，エッジの形状が測定できる。 【００３４】非球面のように法線方向が複雑に変化する
鏡面に対しても、その面上の各点の法線方向に光束を投
射できるので、正反射光が受光系に常に戻り正しい干渉
計測ができる。 【００３５】 【発明の効果】本発明の光学式測定装置は、被測定物の
表面に向かって出射された光束の反射光束が前記光束の
出射点と同一位置で受光されたことを前記検出手段で検
出し、その際の法線方向から、被測定物の反射点の面角
度を求めることができる。更に、反射点を変えて、この
面角度を被測定物の全体にわたって測定すれば、それか
ら被測定物の形状全体を求めることができる。 【００３６】加えて、本発明の光学式測定装置では，測
定対象面の局所的な曲率中心に対物レンズの焦点を合わ
せれば，測定対象面上の投射光スポットに広がりの範囲
で，既知の位置にある対物レンズの焦点からの光路長変
化を干渉形状計測することができる。これによって、従
来、平面や球面などの単純な形状にのみにしか適用でき
なかった干渉形状測定を非対称軸非球面などの一般的な
鏡面形状測定にも適用できることになった。

【図面の簡単な説明】 【図１】第１の実施の形態にかかる光学式測定装置の斜
視図である。 【図２】第２の実施の形態にかかる光学式測定装置の一
部正面図である。 【図３】本実施の形態の変形例を示す概略図である。 【図４】被測定物に対して対物レンズを移動させた状態
を示す図である。 【図５】本実施の形態の別な変形例を示す概略図であ
る。 【図６】エッジの断面形状や，エッジが描く軌跡を計測
するために有効な実施形態を示す図である。 【符号の説明】 １０ 固定板 １１ 光源 １２，１２Ａ、１２Ｂ ビームスプリッタ １３ 集光レンズ １４ ４分割フォトダイオード １５ 参照鏡 １６ 干渉計 ２０ レンズステージ ２１ 対物レンズ ３０ 被測定物ステージ ３１ 被測定物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 501461405 清水 浩貴 宮城県仙台市太白区八木山南６−７−16− １ (71)出願人 501407850 荒井 義和 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉01 機械電 子工学専攻 清野研究室 (72)発明者 清野 慧 宮城県仙台市青葉区土樋一丁目９−３− 101 (72)発明者 高 偉 仙台市青葉区川内元支倉35−３−403 (72)発明者 清水 浩貴 仙台市太白区八木山南６−７−16−１ (72)発明者 荒井 義和 宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉01 機械電 子工学専攻 清野研究室 Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA07 AA35 AA53 BB05 FF51 GG12 HH03 HH04 JJ03 JJ22 JJ26

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 光源と、 前記光源からの光束を入射した後所定方向に出射させ、
   且つ戻ってきた光束を受光する移動可能なレンズと、 前記レンズより、被測定物の表面に向かって光束が出射
   されたとき、その反射光束が前記光束の出射点と同一位
   置で受光されたことを検出し，あるいは前記出射点に対
   してずれた位置で受光されたときは、そのズレ量を検出
   する検出手段と、を有し、 前記検出手段の検出時における前記レンズの位置に基づ
   いて、前記測定物の反射点の角度が求められることを特
   徴とする光学式測定装置。