JPH02259510A - 面形状等測定方法及び装置 - 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、例えば被測定物体からの光を利用した干渉作
用を用いて３次元物体形状等を高精度に測定する方法及
び装置に関する。

［従来の技術］ 従来、非対称非球面やシリンドリカル、トーリックとい
った特殊形状を高精度に計測する方法としては、第４図
に示す様な構成を用いて被測定面の点座標測定を繰り返
して全体形状を得る方法が知られている（光学１２．１
９８３．４５０〜４５４頁参照）。

また、被測定面の形状全体を一括で測定する方法として
は、ヌルテストと呼ばれるものがあり、これは、第４図
に示す様に、被測定面形状とほぼ同じ形状を持つ形状の
知れた参照面を用いて通常の干渉縞による形状測定を行
なうものである。

更に両方法を組み合わせた測定方法として、軸対称非球
面を光軸方向に移動させて５粗い干渉縞を生み出す被測
定面の各部の測定形状を繋ぎ合わせて全体形状を得る方
法が知られている（光学２．１９８３，２９６〜３゜０
頁参照）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来例のうち点座標計測法は様々な
形状の被測定物体が測定できて汎用性が高い反面、測定
点数が多くなると測定時間が長くなるという欠点がある
。

また、ヌルテスト法は、１つの被測定物形状に対して１
つの参照用ミラーやレンズが必要となり、汎用性が低（
計測コストが高くなるという欠点がある。

更に、干渉縞の粗い部分を繋ぎ合わせて全体形状を得る
方法は、汎用性があり且つ測定時間も点座標計測に比べ
て短くなるという利点があるが、繋ぎ合わせるに際し重
複部分の１点の座標が同じであるとして繋ぎ合わせる為
、例えば、重複部分のその１点の測定データの測定誤差
が繋ぎ合わせた後の面形状データ全部の測定エラーとな
る。その上、機械的な移動をさせる事に伴う被測定物の
あおり方向の移動δθがあると、繋ぎ合わせる部分のラ
ジアル方向距離をｒとして、ｒ・δθの形状測定エラー
が発生するという精度上の問題を有している。また、こ
の従来例では、光軸方向にのみ被測定物を動かす構成な
ので、軸対称非球面などしか測定できず、シ・リントリ
カルやトーリックといった特殊形状は測定不可能であっ
た。

従って、本発明の目的は、上記問題点に鑑み、測定時間
が短縮され且つ多様な形状を測定可能として汎用性を高
めた面形状等測定方法及び装置を提供する事にある。

［課題を解決するための手段１ 上記目的を達成する為の本発明においては、被測定物を
い（つかの部分領域に分割し、光波干渉法を用いてその
３次元形状等が測定され、予め知られた被測定物の設計
データ又は別途行なわれた粗測定によって得たデータを
基に、干渉光波受光手段の隣接する画素間で、分割領域
の基準参照波面からのずれ量が位相・差で所定値（例え
ばπ）を越えない事を条件にして当該分割領域が決定さ
れる。

また、本発明の干渉測定装置においては。

干渉縞より分割部分領域の基準参照波面からのずれ量を
検出する為の干渉光波受光手段と、この受光手段より出
力される干渉縞信号を処理して各分割領域の参照波面か
らのずれ量の、上記受光手段の隣接する画素間での差を
演算する信号演算処理手段と、この演算処理手段からの
信号に基づき上記画素間での差が所定値を越えない様に
被測定物の干渉光学系に対する相対位置を最適位置にも
たらす為の制御手段が具備されている。上記所定値は典
型的には位相差でπである。

また、干渉光学系を用いて３次元形状等を測定する本発
明の干渉測定装置において、′＃ｒｌ測定部に形状測定
用波面を与える手段と、該測定用波面と参照用の波面よ
り被測定部の３次元形状等測定用干渉縞を発生する手段
と、被測定部をその形状に応じて測定に適正な波面が与
えられるように位置合わせする手段とが具備されている
。

［作用］ 上記構成を有する本発明では、各分割領域について上記
画素間での差が例えば位相差でπを越えない様にして測
定が行なわれるので、各分割領域の測定が高精度に行な
われる。

［実施例］ 第１図は本発明の１実施例を示し、同図において、ｌは
光源であるレーザ、２はビーム径を拡げるビームエキス
パンダ、３は入射光なＰ偏光成分とＳ偏光成分に２分す
る偏光ビームスプリッタ、４ａ、４ｂは往復する事で偏
光方向を９０度回転せしめるところの丸／４＠、５は参
照面である平面ミラー、６は平面波を球面波に変換する
コリメータレンズ、７は被測定物、８は互いに直交する
２偏光酸分を干渉せしめるところの偏光板、９は結像レ
ンズ、１０は干渉縞を観測するところのＣＣＤ素子など
の光検出器、１１は被測定物７にあおりを与えるチルト
ステージ、１２．１３．１４は被測定物７に並進移動を
与えるステージで、夫々、Ｚステージ、Ｙステージ、Ｘ
ステージ、１５は干渉縞をスキャンして縞走査測定を行
なわせる為のピエゾ素子、１６はステージの光軸方向（
Ｘ方向）の移動距離を測定するレーザ測長器、１７はピ
エゾ素子を光軸方向に駆動する為のＰＺＴドライバ、１
８はＣＣＤ素子１０からのデータを一時蓄積する画像メ
モリ、１９はステージを駆動する為のステージドライバ
、２０は全システムを管理すると共にＣＯＤ素子ｌＯか
らのデータを処理するマイクロコンビエータである。

上記構成において、レーザｌから出射した光はビームエ
キスパンダ２によって所定の径に拡げられ偏光ビームス
プリッタ３に入射する。この光のうち、Ｓ偏光成分は上
方に折り曲げられ、λ／４板４ａを通り参照ミラー５で
反射されて、再びλ／４板４ａを通って、偏光角が９０
度回転した状態で偏光ビームスプリッタ３に戻り下方に
直進する。こうして偏光板８、結像レンズ９を通ってＣ
ＣＤ素子１０に入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ３に入射した光のうち、Ｐ
偏光成分は右方に直進し、ａ、／４板４ｂを通ってコリ
メータレンズ６によって適当な球面波とされて被測定物
７に入射する。そして、ここで反射されて再びコリメー
タレンズ６、λ／４板４ｂを通り、偏光角が９０度回転
された状態で偏光ビームスプリッタ３に戻り、下方に折
り曲げられて偏光板８、結像レンズ９を通ってＣＣＤ素
子ｌｏに入射する。

このとき、被測定物７の位置が調整されて被測定物７の
形状とコリメータレンズ６が作り出す球面波との形状が
概略一致していれば、ＣＯＤ素子１０上には充分な粗さ
の干渉縞が観測される。観測された干渉縞は被測定物７
の形状と球面波との形状のズレ即ち波面収差の情報を与
えており、縞１本が丁度レーザｌからの光の波長んの半
分のズレに等しくなっている。

従って、被測定物７の形状が球面に近い場合は、全体に
亙って干渉縞の粗さが適当なものとなって干渉縞パター
ンを解析する事により被測定物７の全体形状を一括で測
定できるピエゾ素子１５を用いた縞走査測定を行なう事
で、ＣＯＤ画素間の位相差を読んで全体形状を高精度に
計測することができる。

ところが、被測定物７の形状が特殊で球面から大きくず
れている場合、全体形状を一括で測定しようとすると部
分的に縞間隔が細か（なり過ぎ測定不能となる。原理的
には、ｅＣＤＩＯ上でＣＣＤの隣接画素間の干渉縞パタ
ーンの位相差がπ以上になると測定不能となる。

しかし、被測定物７の形状を幾つかの小部分に分ければ
、その小領域内では干渉縞パターンを観測可能な粗さと
する事ができる。

このことについて第２図及び第３図を参照しつつ詳説す
る。先ず被測定物７が手作業によりステージ１１ヘセツ
トされ測定が開始される。開始信号がマイクロコンピュ
ータ２０により確認されるとマイクロコンピュータ２０
のメモリ中に記録されている被検物の設計形状データに
基づいて、被検物の全体が、受光手段であるＣＣＤ素子
１０の隣接する画素間の干渉縞の位相差がπを越えない
事を条件に、い（つかの部分領域すなわちサブアパーチ
ャーに分割される。

第３図はこの様子を示し、被検物７が例えば軸対称形状
であれば同図（ａ）の如く重なり合う部分を持つ同心輪
帯状に複数（例えば５）に分割され、非軸対称形状であ
れば同図（ｂ）の如く非同心円状ないし方形状に複数（
例えば１０）に分割される。

このデータは駆動部すなわちステージドライバー１９へ
転送され被測定物７が第１番目の測定初期位置（ｎ＝１
の分割領域がコリメータレンズ６からの測定波面で照射
される位置）へ移動される。

次に、被測定物７と干渉ないし測定光学系の光軸及び参
照球面波との光軸及び曲率合わせか、ステージ１２〜１
４により行なわれる。この先軸及び曲率合わせは、ＣＣ
Ｄ素子ｌＯ上の縞画像を２次元フーリエ変換しその空間
周波数が最も低くなる様にマイクロコンビエータ２０か
らステージ１２〜１４に指示が出され広くなった縞画像
が観測されるに至って終了する。

続いて、ＰＺＴ素子１５を駆動してＣＣＤ素子１０から
縞画像が取り込まれて測定が１回行なわれ、マイクロコ
ンビエータ２０により画素間位相差演算を行ない測定範
囲内で隣接画素間の位相差がπを越えていないかが判断
される。越えていれば前述の設計形状データと一致して
いなかったと見做して測定分割領域を小さ（し、隣接画
素間の位相差がπを越えない事が確認されるまで測定を
繰り返す位相差がπ以下である事が確認されると被測定
物７をコリメータレンズ６の焦点まで光軸方向に移動し
、前述した様に、マイクロコンビエータ２０による画像
判断によって干渉縞の縞間隔が最も広くなる事から上記
焦点位置まで移動したことが検出される。そしてこの移
動距離がレーザ測長器１６により測定されて参照球面波
の曲率を求め、この曲率データと干渉縞の画素間位相差
より被検物７の測定下にある分割領域の面形状データが
演算される。この結果はこの分割領域の面形状測定デー
タとして記録され１次の分割領域側定位ｒａ（例えばｎ
＝２）へ被検物７が移動される、以上のステップが全面
走査が終了する迄操り返される。

次いで、全部分領域で得られた面形状データはメモリよ
り次々と読み出され、互いに重なり合う部分のデータを
用いて、例えば両者のデータの差の自乗和が最小になる
様に一方のデータを座標変換して他方にフィッティング
させ、被検物の全体形状ケ復元してゆ（。

この全体形状が復元されたら、例えば、設計データから
のずれ量を３次元グラフィック表示するといった理解し
易い型にデータ加工し、表示ないしプリントアウトを行
なって測定を終了する。

［発明の効果〕 以上説明した様に、本発明においては、軸対称非球面の
みならずシリンドリカルやトーリックといった特殊形状
等も測定できると共に、複雑な分割領域の決定を粗形状
データ等を用いてコンピュータが行なう事により最小の
分割数で全体データが得られ１個人差による分割の不正
確さが排除されて精度が向上し更に測定が高速化される
。

更に、時間のかかる光軸合わせなども縞画像処理を用い
て行なえば測定時間が更に短縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例を示す図、第２図は本発明を
実施するシーケンスを示すフローチャート図、第３図は
測定領域の分割例を示す図、第４図は点計測の従来例の
図、第５図はヌルテストの従来例の図である。 １・・・・・レーザ、３・・・・・偏光ビームスプリッ
タ、５・・・・・参照平面ミラー、６・・・・・コリメ
ータレンズ、７・・・・・被測定物、１０・・・・・Ｃ
ＣＤ素子、１１・・・・・チルトステージ、１２．１３
１４・・・・・ステージ、１５・・・・・ピエゾ素子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定物をいくつかの部分領域に分割し、光波干渉
   法を用いて３次元形状等を測定する方法に於て、予め知
   られた被測定物の設計データ又は別途行なわれた粗測定
   によって得たデータを基に、干渉光波受光手段の隣接す
   る画素間で、分割領域の基準参照波面からのずれ量が位
   相差で所定値を越えない事を条件にして、当該分割領域
   を決定することを特徴とする面形状等測定方法。 ２、上記所定値がπである請求項１記載の測定方法。 ３、前記分割領域が測定域に来るように被測定物の干渉
   光学系に対する相対位置を変化させ、前記干渉光波受光
   手段上に干渉縞を発生せしめてその位相差を測定し、該
   受光手段の隣接する画素間で上記位相差が所定値を越え
   ているときは分割領域を小さくして測定を繰り返す請求
   項１記載の測定方法。 ４、前記分割領域が測定域に来るように被測定物の干渉
   光学系に対する相対位置を変化させるとき、前記干渉光
   波受光手段上の干渉縞が最も粗く現われるように上記相
   対位置を制御する請求項３記載の測定方法。 ５、前記分割領域を測定する際に、参照波面形状を各分
   割領域で測定する請求項１記載の測定方法。 ６、前記分割領域が被測定物内で同心輪帯状である請求
   項１記載の測定方法。 ７、前記分割領域が被測定物内で非同心円ないし方形状
   である請求項１記載の測定方法。 ８、被測定物をいくつかの部分領域に分割し、干渉光学
   系を用いて３次元形状等を測定する干渉測定装置におい
   て、干渉縞より部分領域の基準参照波面からのずれ量を
   検出する為の干渉光波受光手段と、該受光手段より出力
   される干渉縞信号を処理して各分割領域の参照波面から
   のずれ量の、該受光手段の隣接する画素間での差を演算
   する信号演算処理手段と、該演算処理手段からの信号に
   基づき上記画素間での差が所定値を越えない様に被測定
   物の干渉光学系に対する相対位置を最適位置にもたらす
   為の制御手段を有することを特徴とする干渉測定装置。 ９、上記所定値が位相差でπである請求項８記載の干渉
   測定装置。 １０、干渉光学系を用いて３次元形状等を測定する干渉
   測定装置において、被測定部に形状測定用波面を与える
   手段と、該測定用波面と参照用の波面より被測定部の３
   次元形状等測定用干渉縞を発生する手段と、被測定部を
   その形状に応じて測定に適正な波面が与えられるように
   位置合わせする手段とを有することを特徴とする干渉測
   定装置。