JPH0695004B2

JPH0695004B2 - ３次元形状測定装置

Info

Publication number: JPH0695004B2
Application number: JP61073702A
Authority: JP
Inventors: 敏嗣植田; 英治荻田; 克己磯崎; 克哉池澤
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1986-03-31
Publication date: 1994-11-24
Anticipated expiration: 2009-11-24
Also published as: JPS62229007A

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解決するために、本願出願人はすで
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次元形状測定装置を提案している。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順次測定する
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、LZ1は波長の異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、AOM1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調器（以下、AO変調器と略記す
る）、OSCはAO変調器AOM1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、BS2〜BS4はビ
ームスプリッタ、MR2はミラー、D1はフォトディテク
タ、PD1はフォトディテクタD1の出力に含まれる位相遅
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、LEは測定光を収束し、被測定物OB
J（以下、測定対象面OBJという）に照射する対物レンズ
である。レーザ光源LZ1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、任意の波長の光を順次発生するものである。

また、DR1は４分割ディテクタD3,D4の出力に応じて対物
レンズLE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（被測定物）をX,Y方向に移動させる被測
定物駆動部、MN1,MN2は対物レンズLEおよび被測定物（O
BJ）におけるX,Y方向の移動量をモニタする移動量モニ
タ、CON1は移動量モニタMN1,MN2の出力から測定対象面O
BJ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LZ1から出射された光を測定対象面O
BJ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に対する光軸の傾きや
焦点位置を補正する必要がある。

ここでは、まず、その補正機構について説明する。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2Fsi
nθ（Ｆは対物レンズLEの焦点距離）だけ変位する。こ
の変位を４分割ディテクタD3で検出するとともに、レン
ズ駆動部DR1を介して対物レンズLEをＸまたはＹ方向に
移動させ、反射光の位置を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、反射光は惰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
点位置より前にあれば、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DR1を介し
て対物レンズLEをＺ方向に移動させれば、測定対象面OB
J上に焦点を結ばせることができる。

また、この時の対物レンズLEの動き、および測定点を走
査させるための被測定物（OBJ）の動きは演算回路CON1
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
振幅Voを Vo＝sinωｔ（１）とし、AO変調器AOM1における変調角周波数をωｂ（＝２
πfb）として、AO変調器AOM1の＋１次回折光を使うとす
ると、AO変調器AOM1により変調された光の振幅V1は V1＝sin（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V
2は V2＝sin（ωｔ＋φ）（３）となる。なお、φ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量である。

フォトディテクタD1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 V1＋V2＝sin（ω＋ωｂ）ｔ＋sin（ωｔ＋φ）＝2sin
｛ωｔ＋（ωbt＋φ）/2｝・cos｛（ωbt−φ）/2｝
（４）のように、V1,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 (V1+V2)²＝４sin²｛ωｔ＋（ωbt＋φ）/2｝・cos
²｛（ωbt−φ）/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−φ）（６）となる。

したがって、AO変調器AOM1における変調角周波数ωｂが
わかっていれば、フォトディテクタD1の出力Vpの値から
位相遅れ量φ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量φを測定
することが可能であるが、この位相遅れ量φの値は（２πＮ＋φ）:Nは自然数と等価であるので、位相遅れ量φ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φ
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BS2からミラーMR2までの距離を
d1、ビームスプリッタBS2から測定対象面OBJまでの距離
をd2とすると、これらの各光路長の差は 2d1−2d2＝2d となる。したがって、測定に使用する光の波長をλ1,λ
2,λ3,λ４（λ１＜λ２＜λ３＜λ４）とし、この時に
得られる位相遅れ量をφ1,φ2,φ3,φ４（φ１〜φ４は
０〜２π）とすると、各測定結果からは次のような式が
成立する。

2d＝n1λ１＋λ１φ1/2π （７） 2d＝n2λ２＋λ２φ2/2π （８） 2d＝n3λ３＋λ３φ3/2π （９） 2d＝n4λ４＋λ４φ4/2π （10） n1〜n4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＝A12（n1−n2）＋A12（Φ1/λ１−Φ2/λ２）（11） Φ１＝λ１φ1/2π，φ２＝λ２φ2/2πとなる。ここ
で、A12は２つの波長λ1,λ２における最小公倍波長で
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
（n1−n2）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量φ1,φ２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
最小公倍波長A12より狭ければ、この時の位相遅れ量φ
は常に０〜２πの間にあるので、距離ｄと位相遅れ量φ
とが一対一に対応することになり、位相遅れ量φからた
だちに距離ｄを特定することができる。例えば、測定範
囲を０〜1000mmとした場合、最小公倍波長A12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A12（n1−n2）の項は０となり、位
相遅れ量φ1,φ２から距離ｄ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d₁₂が得られ、この時の測定精度（測定誤差）から、
測定出力d₁₂における真値の範囲がd₁₂min＜d₁₂＜d₁₂max
のように求められたとすると、次回の波長の組合せ（λ
1,λ３）は、真値の範囲d₁₂min〜d₁₂maxを測定範囲（最
小公倍波長）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
小公倍波長）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、複数の波長と位相遅れ量との関係から
連立方程式を立て、測定対象面までの距離を算出するよ
うにしているので、高精度の測長動作を行なうために
は、各波長の光に対する位相遅れ量を高精度に測定しな
ければならず、位相測定手段が複雑となってしまう。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、アブ
ソリュートな測長出力を得ることができるとともに、高
精度，高分解能な測長を行なうことのできる測長部を有
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。

〔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波
長の異なる２つの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、前記干渉光学系における干渉面での前記２つの光の
それぞれの位相遅れ量の差が常に一定の値となるよう
に、前記２つの光の一方または双方の位相遅れ量を変化
させ、この時の２波長の光における周波数差と前記設定
位相差とにより前記測定対象面までの距離を算出するよ
うにした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、干渉面でのそれぞれの位
相遅れ量の差が一定の値となるように、２つの光の波長
差（周波数差）などを変化させると、測定対象面までの
距離に応じて２つの光による合成波長の長さを一定の関
係に変化させることになるので、後の演算処理が容易と
なる。また、２波長の光における位相遅れ量の差のみを
測定すればよいので、位相検出手段の構成を簡単にする
ことができる。特に、位相遅れ量の差を０または２πに
設定した場合には、各波長の光に対する位相遅れ量の絶
対値は問題にならないので、ミキサなどの簡単な回路に
より位相検出手段を構成することができる。

〔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L
E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。LZ
2は可干渉性のある光を出射するレーザ光源、AOM2はレ
ーザ光源LZ2から出射された光に周波数シフトを与え、
波長（周波数）の異なる２つの光に分けるとともに、そ
の波長差を任意に制御するAO変調器、VC0はこのAO変調
器AOM2を駆動する電圧制御発振器、P1は一方の光の偏波
面を90°回転させるλ/2板、MR1はミラー、HMR1,HMR2は
ハーフミラー、CC1は一定の距離に固定された参照側の
キューブコーナ、BS1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、D2はフォトディ
テクタ、DAは後述する設定位相差Δθを変更するために
オフセット信号ＶΔθを発生するデジタル・アナログ変
換器である。ここで、AO変調器AOM2および電圧制御発振
器VC0は２つの光に対する位相可変手段を構成してお
り、AO変調器AOM2の駆動周波数を変化させることによ
り、２つの光の波長差（周波数差）を変化させ、それぞ
れの光における位相遅れ量を変化させている。また、２
波長の光における位相遅れ量の差に応じた位相検出回路
PD1の出力信号Ｖθは電圧制御発振器VC0に帰還され、２
つの光における位相遅れ量の差が任意の一定値Δθとな
るように電圧制御発振器VC0の発振周波数を制御してい
る。演算回路CON2はAO変調器AOM2の駆動周波数に応じた
光の波長差（周波数差Δｆ）とその時の設定位相差Δθ
との関係から、測定対象面OBJまでの距離を求めてい
る。

上記のように構成された測長部において、AO変調器AOM2
によって２つの波長λ1,λ２に分けられた光は、λ/2板
P1およびハーフミラーHMR1により偏波面が直交した状態
で重畳され、ハーフミラーHMR2およびキューブコーナCC
1などよりなる干渉光学系に入射させられる。また、こ
の干渉光学系を通った光は偏光ビームスプリッタBS1に
よりその偏波面の向きに応じて分離され、フォトディテ
クタD1,D2にそれぞれ入射する。すなわち、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、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、このよう
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
D1,D2に入射するので、異なる波長（λ1,λ２）に光に
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、２つの波長（λ1,λ２）の光に対する位
相遅れ量の測定を同一条件の中で同時に行なうことがで
きる。このため、測定光路中の空気のゆらぎなどの影響
を受け難い測長部を実現することができる。

さて、干渉光学系に入射する波長λ1,λ２の２つの光に
おいて、その振幅をそれぞれ V₁＝A₁sin（ω₁ｔ＋φ₁） V₂＝A₂sin（ω₂ｔ＋φ₂） φ₁，φ₂は初期位相とすると、V₁の光において、干渉光学系を通った干渉面
上での振幅V₁₁はとなる。これをフォトディテクタD1で受け、AC成分だけ
とると、となる。

同様に、V₂の光について、フォトディテクタD2から得ら
れる出力を求めると、となる。

したがって、位相検出回路PD1により検出されるV₁₂，V
₂₂の位相差θはとなり、これより、Ｃ：光速 Δｆ:2つの光の周波数差 Λ ：合成波長が求められる。

ここで、位相検出回路PD1の出力Ｖθはディジタル・ア
ナログ変換器DAの出力ＶΔθとともに電圧制御発振器VC
0に帰還され、位相差θが設定位相Δθと等しくなるよ
うに、AO変調器AOM2の駆動周波数を変化させているの
で、電圧制御発振器VC0の発振周波数から測定対象面OBJ
までの距離を求めることができる。すなわち、電圧制御
発振器VC0の発振周波数が決まれば、AO変調器AOM2によ
り発生される２波長λ1,λ２の差（周波数差Δｆ）が決
まるので、演算回路CON2において、この周波数差Δｆと
設定位相差Δθを前記（15）式に代入すれば、測定対象
面OBJまでの距離を求めることができる。

また、Δθ＝２πとした場合には、（d1−d2）＝C/2Δｆとなり、AO変調器AOM2の駆動周波数からΔｆを求めれ
ば、直ちに測定対象面OBJまでの距離を算出することが
できる。この時、位相検出回路PD1は２つの波長の光に
おける位相遅れ量の差を検出すれば良く、各位相遅れ量
の絶対値は問題にならないので、ミキサなどの簡単な回
路により位相検出回路PD1を構成することができる。な
お、このような場合には、位相検出回路PD1の出力Ｖθ
にオフセット信号ＶΔθを重畳する必要がなくなるの
で、デジタル・アナログ変換器DAを省略することができ
る。

このように、本発明に使用された測長部では、２つの波
長における位相遅れ量の差を電圧制御発振器VC0に帰還
して、この位相差が一定の値になるように、２波長の差
（周波数差）を制御すると、２つの光による合成波長の
長さを測定対象面OBJまでの距離に応じて変化させるこ
とができ、この時の周波数差から測定対象面OBJまでの
距離を容易に知ることができる。

なお、上記の説明は第１図の実施例について記述したも
のであるが、本発明は第１図の実施例に限られるもので
はなく、以下に示すような他の実施例をも包含するもの
である。

上記の説明においては、一波長のレーザ光源LZ2とAO変
調器AOM2とにより２つの異なる波長λ1,λ２の光を発生
する場合を例示したが、波長の異なる２つの光を発生す
る手段はこれに限られるものではない。また、λ／板P1
および偏光ビームスプリッタBS1を使用して、２波長の
光に対する位相遅れ量の測定を同時に行なう場合を例示
したが、２つの光を重畳せず、それぞれの光に対する位
相遅れ量の測定を交互に行なうようにしても、同様の動
作を行なわせることができる。

上記の説明では、２波長の合成波長における位相遅れ量
を変化させる位相可変手段として、電圧制御発振器VC0
の出力により駆動されるAO変調器AOM2を例示したが、合
成波長の位相遅れ量を変化させるためには、例えば、AO
変調器AOM2における駆動信号の位相を変化させるように
してもよいし、また、参照側の光路中に水晶の如き光学
結晶を挿入し、参照側の光路長を等価的に変化させるよ
うにしてもよい。

上記の説明では、光の位相遅れ量φをヘテロダイン検出
する場合について例示したが、位相遅れ量φ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変調器などを使用す
ることなく、位相遅れ量φ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軸方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、Ｚ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波長の異なる２つの光を使用し
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、前記干渉光学系における干
渉面での前記２つの光のそれぞれの位相遅れ量の差が常
に一定の値となるように、前記２つの光の一方または双
方の位置遅れ量を変化させ、この時の２波長の光におけ
る周波数差と前記設定位相差とにより前記測定対象面ま
での距離を算出するようにした測長部を具備するように
しているので、測定対象面までの距離に応じて２つの光
による合成波長の長さを一定の関係に変化させることが
でき、２波長の光における位相遅れ量の差を測定するだ
けで、アブソリュートな測長出力を得ることができると
ともに、高精度，高分解能な測長を行なうことのできる
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。 LZ1,LZ2…レーザ光源、P1…λ/2板、P2,P3…λ/4板、P4
…偏光板、BS1〜BS4…ビームスプリッタ、MR1,MR2…ミ
ラー、HMR1,HMR2…ハーフミラー、CC1…キューブコー
ナ、D1,D2…フォトディテクタ、D3,D4…４分割ディテク
タ、SL…シリンドリカルレンズ、LE…対物レンズ、OBJ
…被測定物（測定対象面）、DR1…レンズ駆動部、DR2…
被測定物駆動部、MN1,MN2…移動量モニタ、CON1,CON2…
演算回路、AOM1,AOM2…AO変調器、OSC…変調信号源、VC
0…電圧制御発振器、PD1…位相検出回路、DA…デジタル
・アナログ変換器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、前
記干渉光学系における干渉面での前記２つの光のそれぞ
れの位相遅れ量の差が常に一定の値となるように、前記
２つの光の一方または双方の位相遅れ量を変化させるよ
うにした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。