JP2001227927A - 形状計測装置 - Google Patents
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 被計測物の観測面の形状計測を正確に行うこ
とができると共に、装置全体の小型化と軽量化を図るこ
とができる形状計測装置を提供する。 【解決手段】 位相シフト干渉縞画像同時計測装置１０
０は、主として、レーザ光源１１と、全反射ミラー１５
と、ビームスプリッタ２１と、参照面２３と、λ／４波
長板２４と、３分光プリズム３２と、単一の撮像装置３
６とから成りる。レーザ光源１１からの光束は全反射ミ
ラー１５で反射され、さらに、ビームスプリッタ２１を
透過する。次いで、参照面２３の表面からの反射光は参
照光として利用され、そして、この参照光と、被計測物
１０１の被検面１０２からの計測光を含む無干渉光束と
は、ビームスプリッタ２１により反射される。ビームス
プリッタ２１で反射された光学的無干渉状態の光束は、
λ／４波長板３１を透過した後、３分光プリズム３２に
より、第１分光光束４１、第２分光光束４２、第３分光
光束４３に分光され、夫々、単一の撮像装置３６に照射
されて、これにより撮像装置３６は３つの干渉縞画像を
取得する。
とができると共に、装置全体の小型化と軽量化を図るこ
とができる形状計測装置を提供する。 【解決手段】 位相シフト干渉縞画像同時計測装置１０
０は、主として、レーザ光源１１と、全反射ミラー１５
と、ビームスプリッタ２１と、参照面２３と、λ／４波
長板２４と、３分光プリズム３２と、単一の撮像装置３
６とから成りる。レーザ光源１１からの光束は全反射ミ
ラー１５で反射され、さらに、ビームスプリッタ２１を
透過する。次いで、参照面２３の表面からの反射光は参
照光として利用され、そして、この参照光と、被計測物
１０１の被検面１０２からの計測光を含む無干渉光束と
は、ビームスプリッタ２１により反射される。ビームス
プリッタ２１で反射された光学的無干渉状態の光束は、
λ／４波長板３１を透過した後、３分光プリズム３２に
より、第１分光光束４１、第２分光光束４２、第３分光
光束４３に分光され、夫々、単一の撮像装置３６に照射
されて、これにより撮像装置３６は３つの干渉縞画像を
取得する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、形状計測装置、特
に、複数分光方式位相シフト法を用いて取得された複数
の位相シフト干渉縞画像を同時に撮像することによって
被計測物の形状を計測する形状計測装置に関する。
に、複数分光方式位相シフト法を用いて取得された複数
の位相シフト干渉縞画像を同時に撮像することによって
被計測物の形状を計測する形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、被計測物の平面形状の計測装置に
は、被計測物の平面形状を位相シフト法を用いて非接触
方式で計測する装置がある。この位相シフト法は、光源
から出射した光の一部を参照面で反射させると共に、参
照面を通過した光を被計測物の観測面で反射させ、参照
面からの光学的反射像と被計測物の観測面からの光学的
反射像とを干渉させることにより干渉縞を生起させ、次
いで、所定の位相シフト量で位相シフトを行いながら撮
像装置により被計測物の観測面から少なくとも３つの干
渉縞画像情報を取得するものである。
は、被計測物の平面形状を位相シフト法を用いて非接触
方式で計測する装置がある。この位相シフト法は、光源
から出射した光の一部を参照面で反射させると共に、参
照面を通過した光を被計測物の観測面で反射させ、参照
面からの光学的反射像と被計測物の観測面からの光学的
反射像とを干渉させることにより干渉縞を生起させ、次
いで、所定の位相シフト量で位相シフトを行いながら撮
像装置により被計測物の観測面から少なくとも３つの干
渉縞画像情報を取得するものである。
【０００３】この位相シフト法としては、参照面を光軸
に沿って移動させることにより物理的に光路長を微少量
変化させる光路長可変方式や、光路長一定のまま光源の
波長を微小量変化させる波長可変方式により干渉縞の位
相を経時的に変化させるのが一般的である。
に沿って移動させることにより物理的に光路長を微少量
変化させる光路長可変方式や、光路長一定のまま光源の
波長を微小量変化させる波長可変方式により干渉縞の位
相を経時的に変化させるのが一般的である。
【０００４】しかし、このような干渉縞の位相を経時的
に変化させる位相シフト法では、解析の基となる干渉縞
を取り込む段階で少なくとも干渉縞画像情報を取得する
のに一定時間を要するから、解析時間が長くなるばかり
でなく、解析結果は、解析中の空気の揺らぎや振動等の
影響を受けるので、解析結果の信頼性を維持するのが困
難であった。
に変化させる位相シフト法では、解析の基となる干渉縞
を取り込む段階で少なくとも干渉縞画像情報を取得する
のに一定時間を要するから、解析時間が長くなるばかり
でなく、解析結果は、解析中の空気の揺らぎや振動等の
影響を受けるので、解析結果の信頼性を維持するのが困
難であった。
【０００５】このような干渉縞画像の位相を経時的に変
化させる位相シフト法における問題を解決するために、
レーザー光源からの光を２つのビームスプリッタにより
３つの光束に分光し、これらの光を夫々異なる波長板に
通した後、各撮像装置で撮像することにより、位相の異
なる３つの干渉縞画像を同時に取得する３分光方式位相
シフト法が用いられている（例えば、特開平１０−２８
１７３８号公報及び特開平１１−３３７３２１号公
報）。
化させる位相シフト法における問題を解決するために、
レーザー光源からの光を２つのビームスプリッタにより
３つの光束に分光し、これらの光を夫々異なる波長板に
通した後、各撮像装置で撮像することにより、位相の異
なる３つの干渉縞画像を同時に取得する３分光方式位相
シフト法が用いられている（例えば、特開平１０−２８
１７３８号公報及び特開平１１−３３７３２１号公
報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記３
分光方式位相シフト法では３つの撮像装置を用いて３つ
の干渉縞画像を同時に取得することができるが、各々の
撮像装置間で感度特性等を完全に一致させることは難し
く、実際には、個々の撮像装置の干渉縞画像の位置ず
れ、相対的な大きさ（バイアス値）、及び相対的明るさ
（コントラスト値）が夫々異なり、個々の撮像装置の感
度特性の差が重畳して、これらが誤差を発生させる原因
となるため、正確な形状誤差が得られない等の問題があ
った。
分光方式位相シフト法では３つの撮像装置を用いて３つ
の干渉縞画像を同時に取得することができるが、各々の
撮像装置間で感度特性等を完全に一致させることは難し
く、実際には、個々の撮像装置の干渉縞画像の位置ず
れ、相対的な大きさ（バイアス値）、及び相対的明るさ
（コントラスト値）が夫々異なり、個々の撮像装置の感
度特性の差が重畳して、これらが誤差を発生させる原因
となるため、正確な形状誤差が得られない等の問題があ
った。
【０００７】また、例えば３分光方式位相シフト法で
は、３つの撮像装置が必要なことから、干渉縞画像情報
を取得する際に各々の撮像装置を同期させるための対策
を講じなければならず、３つの干渉縞画像情報を同時に
取込み可能な画像入力装置も必要である。
は、３つの撮像装置が必要なことから、干渉縞画像情報
を取得する際に各々の撮像装置を同期させるための対策
を講じなければならず、３つの干渉縞画像情報を同時に
取込み可能な画像入力装置も必要である。
【０００８】このように、複数分光方式位相シフト法に
は、撮像装置が複数（例えば、３つ）必要であることに
起因して、撮像装置間の電気的調整及び物理的配置位置
調整が困難であり、もって正確な形状計測が困難である
という問題、撮像系が大きく、且つその構造が複雑であ
る等の問題があった。
は、撮像装置が複数（例えば、３つ）必要であることに
起因して、撮像装置間の電気的調整及び物理的配置位置
調整が困難であり、もって正確な形状計測が困難である
という問題、撮像系が大きく、且つその構造が複雑であ
る等の問題があった。
【０００９】本発明の目的は、被計測物の観測面の形状
計測を正確に行うことができると共に、装置全体の小型
化と軽量化を図ることができる形状計測装置を提供する
ことにある。
計測を正確に行うことができると共に、装置全体の小型
化と軽量化を図ることができる形状計測装置を提供する
ことにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の形状計測装置は、被計測物の観測面
からの光学的反射像と参照面からの光学的反射像とを干
渉させる干渉光学系と、前記干渉により生じた干渉光を
少なくとも３つの光束に分光する分光手段と、前記分光
された少なくとも３つの光束を夫々所定の位相シフト量
シフトするシフト手段と、前記所定の位相シフト量シフ
トして得られた少なくとも３つの干渉縞画像を同時に取
得する干渉縞画像取得手段と、前記取得された少なくと
も３つの干渉縞画像及び前記所定の位相シフト量を用い
て少なくとも３つの干渉縞画像情報を算出し、当該少な
くとも３つの干渉縞画像情報から前記観測面の形状を算
出する算出手段を備える形状計測装置において、前記干
渉縞画像取得手段は前記干渉縞画像の数より少ない数の
撮像装置から成ることを特徴とする。
に、請求項１記載の形状計測装置は、被計測物の観測面
からの光学的反射像と参照面からの光学的反射像とを干
渉させる干渉光学系と、前記干渉により生じた干渉光を
少なくとも３つの光束に分光する分光手段と、前記分光
された少なくとも３つの光束を夫々所定の位相シフト量
シフトするシフト手段と、前記所定の位相シフト量シフ
トして得られた少なくとも３つの干渉縞画像を同時に取
得する干渉縞画像取得手段と、前記取得された少なくと
も３つの干渉縞画像及び前記所定の位相シフト量を用い
て少なくとも３つの干渉縞画像情報を算出し、当該少な
くとも３つの干渉縞画像情報から前記観測面の形状を算
出する算出手段を備える形状計測装置において、前記干
渉縞画像取得手段は前記干渉縞画像の数より少ない数の
撮像装置から成ることを特徴とする。
【００１１】請求項１記載の形状計測装置によれば、干
渉縞画像取得手段は、少なくとも３つの干渉縞画像の数
より少ない数の撮像装置から成るので、位相シフトされ
た少なくとも３つの干渉縞画像を少なくとも３つの干渉
縞画像の数より少ない数の撮像装置により撮像すること
により、該少なくとも３つの干渉縞画像を少なくとも３
つの撮像装置を用いて撮像する場合に生じる各撮像装置
個体間の誤差を低減させることができ、もって被測定物
の観測面の形状を正確に計測することができ、加えて、
装置全体の小型化と軽量化を図ることができる。
渉縞画像取得手段は、少なくとも３つの干渉縞画像の数
より少ない数の撮像装置から成るので、位相シフトされ
た少なくとも３つの干渉縞画像を少なくとも３つの干渉
縞画像の数より少ない数の撮像装置により撮像すること
により、該少なくとも３つの干渉縞画像を少なくとも３
つの撮像装置を用いて撮像する場合に生じる各撮像装置
個体間の誤差を低減させることができ、もって被測定物
の観測面の形状を正確に計測することができ、加えて、
装置全体の小型化と軽量化を図ることができる。
【００１２】請求項２記載の形状計測装置は、請求項１
記載の形状計測装置において、前記干渉縞画像取得手段
は単一の撮像装置から成ることを特徴とする。
記載の形状計測装置において、前記干渉縞画像取得手段
は単一の撮像装置から成ることを特徴とする。
【００１３】請求項２記載の形状計測装置によれば、請
求項１記載の形状計測装置による効果を確実に奏するこ
とができる。
求項１記載の形状計測装置による効果を確実に奏するこ
とができる。
【００１４】請求項３記載の形状計測装置は、請求項１
又は２記載の形状計測装置において、前記少なくとも３
つの光束の各光路長が幾何学的に同一であることを特徴
とする。
又は２記載の形状計測装置において、前記少なくとも３
つの光束の各光路長が幾何学的に同一であることを特徴
とする。
【００１５】請求項３記載の形状計測装置によれば、幾
何学的光路長を同一としたので、位相シフトされた３つ
の干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞
画像を確実に同一の条件で撮像することができる。
何学的光路長を同一としたので、位相シフトされた３つ
の干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞
画像を確実に同一の条件で撮像することができる。
【００１６】請求項４記載の形状計測装置は、請求項１
又は２記載の形状計測装置において、前記少なくとも３
つの光束の各光路長が光学的に同一となるように前記少
なくとも３つの光束の各光路上に夫々屈折率等が異なる
屈折率媒体が配されることを特徴とする。
又は２記載の形状計測装置において、前記少なくとも３
つの光束の各光路長が光学的に同一となるように前記少
なくとも３つの光束の各光路上に夫々屈折率等が異なる
屈折率媒体が配されることを特徴とする。
【００１７】請求項４記載の形状計測装置によれば、光
学的光路長を同一としたので、位相シフトされた３つの
干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画
像を確実に同一の条件で撮像することができる。
学的光路長を同一としたので、位相シフトされた３つの
干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画
像を確実に同一の条件で撮像することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。
施の形態を説明する。
【００１９】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
形状計測装置であって、３分光方式位相シフト法を用い
た形状計測装置の概略構成を示す構成図である。
形状計測装置であって、３分光方式位相シフト法を用い
た形状計測装置の概略構成を示す構成図である。
【００２０】図１において、本実施の形態に係る形状計
測装置は、位相シフト干渉縞同時計測装置１００から成
り、この装置１００は、主として、発光部１０と、参照
部２０と、撮像部３０と、画像入力部４０と、解析装置
５０とから成る。
測装置は、位相シフト干渉縞同時計測装置１００から成
り、この装置１００は、主として、発光部１０と、参照
部２０と、撮像部３０と、画像入力部４０と、解析装置
５０とから成る。
【００２１】発光部１０は、レーザ光源１１と、偏光板
１２と、レンズ１３と、ピンホール１４と、全反射ミラ
ー１５とから成る。
１２と、レンズ１３と、ピンホール１４と、全反射ミラ
ー１５とから成る。
【００２２】レーザ光源１１からの光束は偏光板１２に
より直線偏光となった後レンズ１３により集光され、さ
らに、ピンホール１４を通って拡大光として全反射ミラ
ー１５で反射される。
より直線偏光となった後レンズ１３により集光され、さ
らに、ピンホール１４を通って拡大光として全反射ミラ
ー１５で反射される。
【００２３】参照部２０は、反射率と透過率が偏光に依
存しないビームスプリッタ２１と、コリメートレンズ２
２と、参照面２３と、基準面に相当する面精度で加工さ
れたλ／４波長板２４とから成る。
存しないビームスプリッタ２１と、コリメートレンズ２
２と、参照面２３と、基準面に相当する面精度で加工さ
れたλ／４波長板２４とから成る。
【００２４】全反射ミラー１５で反射された直線偏光拡
大光は、ビームスプリッタ２１を透過してコリメートレ
ンズ２２により平行光とされる。次いで、参照面２３の
表面からの反射光は参照光として利用され、そして、こ
の参照光と、被計測物１０１の被検面（観測面）１０２
からの計測光を含む無干渉光束とは、ビームスプリッタ
２１により反射される。
大光は、ビームスプリッタ２１を透過してコリメートレ
ンズ２２により平行光とされる。次いで、参照面２３の
表面からの反射光は参照光として利用され、そして、こ
の参照光と、被計測物１０１の被検面（観測面）１０２
からの計測光を含む無干渉光束とは、ビームスプリッタ
２１により反射される。
【００２５】撮像部３０は、λ／４波長板３１と、３分
光プリズム３２と、第１偏光板３３と、第２偏光板３４
と、第３偏光板３５と、単一の撮像装置３６とから成
る。
光プリズム３２と、第１偏光板３３と、第２偏光板３４
と、第３偏光板３５と、単一の撮像装置３６とから成
る。
【００２６】ビームスプリッタ２１で反射された光学的
無干渉状態の光束は、λ／４波長板３１を透過した後、
３分光プリズム３２により、第１分光光束、第２分光光
束、第３分光光束に分光され、夫々、第１偏光板３３、
第２偏光板３４、第３偏光板３５を介して単一の撮像装
置３６に達する。
無干渉状態の光束は、λ／４波長板３１を透過した後、
３分光プリズム３２により、第１分光光束、第２分光光
束、第３分光光束に分光され、夫々、第１偏光板３３、
第２偏光板３４、第３偏光板３５を介して単一の撮像装
置３６に達する。
【００２７】画像入力部４０は撮像装置３６に接続さ
れ、解析装置５０は画像入力部４０に接続されている。
れ、解析装置５０は画像入力部４０に接続されている。
【００２８】本第１の実施の形態において、全反射ミラ
ー１５は必ずしも設けなくてもよい。
ー１５は必ずしも設けなくてもよい。
【００２９】以下、被検面１０２における各位置におけ
る高さ（形状情報）の算出法について説明する。
る高さ（形状情報）の算出法について説明する。
【００３０】位相シフト法では、位相シフトされた３枚
以上の画像データ（光強度分布）が必要となる。例え
ば、レーザの波長を既知の微小量ずつ変化させて、それ
ぞれ３枚の画像を撮像する場合を想定するとき、３種類
の波長をλk＝λ−α、λ、λ＋βとおき、被検面と参
照面との距離を（ｘ，ｙ）∈Ｓに対してｚ（ｘ，ｙ）と
すれば、位相のずれは、（２ｈ／λk）＊２π＝４πｈ
／λkとなる。
以上の画像データ（光強度分布）が必要となる。例え
ば、レーザの波長を既知の微小量ずつ変化させて、それ
ぞれ３枚の画像を撮像する場合を想定するとき、３種類
の波長をλk＝λ−α、λ、λ＋βとおき、被検面と参
照面との距離を（ｘ，ｙ）∈Ｓに対してｚ（ｘ，ｙ）と
すれば、位相のずれは、（２ｈ／λk）＊２π＝４πｈ
／λkとなる。
【００３１】よって、３つの干渉縞の光強度分布Ｉ
k（ｘ，ｙ）（ｋ＝１，２，３）は、任意の位置（ｘ，
ｙ）に対して、
k（ｘ，ｙ）（ｋ＝１，２，３）は、任意の位置（ｘ，
ｙ）に対して、
【００３２】
【数１】
【００３３】なる関係式で表される。但し、光強度分布
Ｉk（ｘ，ｙ）は測定値、ＩB（ｘ，ｙ）は干渉縞のバイ
アス値、ＩA（ｘ，ｙ）は振幅値である。
Ｉk（ｘ，ｙ）は測定値、ＩB（ｘ，ｙ）は干渉縞のバイ
アス値、ＩA（ｘ，ｙ）は振幅値である。
【００３４】次に、上記式（１）、（２）及び（３）か
ら、
ら、
【００３５】
【数２】
【００３６】が得られる。ここで、
【００３７】
【数３】
【００３８】における高さ情報ｚ（ｘ，ｙ）は平均的な
値を与えるが、具体的には、
値を与えるが、具体的には、
【００３９】
【数４】
【００４０】を解いて、ｚ（ｘ，ｙ）＝θλ／４πから
求めることができる。
求めることができる。
【００４１】以下、図２を参照して、本実施の形態にお
ける撮像部３０を詳細に説明する。
ける撮像部３０を詳細に説明する。
【００４２】図２は、本発明の第１の実施の形態に係る
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。なお、図２では、撮像部３０の主要部である３分光
プリズム３２及び撮像装置３６の撮像素子３６ａのみを
示し、λ／４波長板３１、第１偏光板３３、第２偏光板
３４、及び第３偏光板３５は省略してある。このこと
は、他の実施の形態においても同様である。
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。なお、図２では、撮像部３０の主要部である３分光
プリズム３２及び撮像装置３６の撮像素子３６ａのみを
示し、λ／４波長板３１、第１偏光板３３、第２偏光板
３４、及び第３偏光板３５は省略してある。このこと
は、他の実施の形態においても同様である。
【００４３】図２において、３分光プリズム３２は、一
組のビームスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、ビームスプ
リッタ３２ａに隣接した全反射ミラー付き直角プリズム
３２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂに隣接した全反射ミ
ラー付き直角プリズム３２ｄとの組み合わせからなる。
組のビームスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、ビームスプ
リッタ３２ａに隣接した全反射ミラー付き直角プリズム
３２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂに隣接した全反射ミ
ラー付き直角プリズム３２ｄとの組み合わせからなる。
【００４４】３分光プリズム３２は、ビームスプリッタ
３２ａに入射した入射光を、ビームスプリッタ３２ａに
て一部透過させると共に、残りを反射して９０度進行方
向を曲げ、この曲げられた光をさらに直角プリズム３２
ｃにて再度９０度進行方向を曲げることにより、撮像装
置３６の単一の撮像素子３６ａに向けて第１分光光束４
１として分光する。次いで、３分光プリズム３２は、ビ
ームスプリッタ３２ａを透過した一部の光を、ビームス
プリッタ３２ｂにて一部透過し、残りを反射して９０度
進行方向を曲げ、この曲げられた光をさらに直角プリズ
ム３２ｄにて再度９０度進行方向を曲げることにより、
撮像素子３６ａに向けて第１分光光束４１に平行な第２
分光光束４２として分光すると共に、ビームスプリッタ
３２ｂにて透過した一部の光を撮像素子３６ａに向けて
第１分光光束４１に平行な第３分光光束４３として分光
する。
３２ａに入射した入射光を、ビームスプリッタ３２ａに
て一部透過させると共に、残りを反射して９０度進行方
向を曲げ、この曲げられた光をさらに直角プリズム３２
ｃにて再度９０度進行方向を曲げることにより、撮像装
置３６の単一の撮像素子３６ａに向けて第１分光光束４
１として分光する。次いで、３分光プリズム３２は、ビ
ームスプリッタ３２ａを透過した一部の光を、ビームス
プリッタ３２ｂにて一部透過し、残りを反射して９０度
進行方向を曲げ、この曲げられた光をさらに直角プリズ
ム３２ｄにて再度９０度進行方向を曲げることにより、
撮像素子３６ａに向けて第１分光光束４１に平行な第２
分光光束４２として分光すると共に、ビームスプリッタ
３２ｂにて透過した一部の光を撮像素子３６ａに向けて
第１分光光束４１に平行な第３分光光束４３として分光
する。
【００４５】これら第１分光光束４１、第２分光光束４
２及び第３分光光束４３は、夫々、第１偏光板３３、第
２偏光板３４、及び第３偏光板３５を介して撮像素子３
６ａに照射される。これにより、撮像装置３６は、単一
の撮像素子３６ａの撮像領域の物理的に異なった部位
で、位相シフトされた３つの干渉縞画像を同時に撮像
し、その干渉縞画像を画像入力部４０に送出する。画像
入力部４０は、これらの干渉縞画像の位置ずれ、相対的
な大きさ（バイアス値）、及び相対的明るさ（コントラ
スト値）を一致させるような較正処理を行った後、所定
のソフトウェアを用いて各干渉縞画像情報として必要数
切り出した上でそれらの干渉縞画像情報を解析装置５０
に送出する。解析装置５０は、これらの干渉縞画像情報
を位相シフト解析画像として使用することにより、被計
測物の観測面の形状を算出する。
２及び第３分光光束４３は、夫々、第１偏光板３３、第
２偏光板３４、及び第３偏光板３５を介して撮像素子３
６ａに照射される。これにより、撮像装置３６は、単一
の撮像素子３６ａの撮像領域の物理的に異なった部位
で、位相シフトされた３つの干渉縞画像を同時に撮像
し、その干渉縞画像を画像入力部４０に送出する。画像
入力部４０は、これらの干渉縞画像の位置ずれ、相対的
な大きさ（バイアス値）、及び相対的明るさ（コントラ
スト値）を一致させるような較正処理を行った後、所定
のソフトウェアを用いて各干渉縞画像情報として必要数
切り出した上でそれらの干渉縞画像情報を解析装置５０
に送出する。解析装置５０は、これらの干渉縞画像情報
を位相シフト解析画像として使用することにより、被計
測物の観測面の形状を算出する。
【００４６】本第１の実施の形態に係る形状計測装置に
よれば、位相シフトされた３つの干渉縞画像を単一の撮
像装置で捉えることができるので、該３つの干渉縞画像
を３つの撮像装置を用いて撮像する場合に生じる各撮像
装置個体間の誤差を低減させることができ、もって既存
の解析アルゴリズムを変更することなく被測定物の観測
面の形状計測を正確に行うことができ、加えて、装置全
体の小型化と軽量化を図ることができる。
よれば、位相シフトされた３つの干渉縞画像を単一の撮
像装置で捉えることができるので、該３つの干渉縞画像
を３つの撮像装置を用いて撮像する場合に生じる各撮像
装置個体間の誤差を低減させることができ、もって既存
の解析アルゴリズムを変更することなく被測定物の観測
面の形状計測を正確に行うことができ、加えて、装置全
体の小型化と軽量化を図ることができる。
【００４７】本第１の実施の形態においては、干渉縞画
像の数が３つのときに撮像装置の数は１台であったが、
その数は、干渉縞画像の数より少ない台数であれば、２
台以上であってもよい。このことは、他の実施の形態に
おいても同様である。
像の数が３つのときに撮像装置の数は１台であったが、
その数は、干渉縞画像の数より少ない台数であれば、２
台以上であってもよい。このことは、他の実施の形態に
おいても同様である。
【００４８】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
【００４９】本第２の実施の形態に係る形状計測装置
は、上記第１の実施の形態に係る装置１００において、
図２の３分光プリズム３２を図３の３分光プリズム６２
に置き換えたものである。
は、上記第１の実施の形態に係る装置１００において、
図２の３分光プリズム３２を図３の３分光プリズム６２
に置き換えたものである。
【００５０】以下、図３を参照して、本実施の形態にお
ける撮像部３０を詳細に説明する。
ける撮像部３０を詳細に説明する。
【００５１】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
【００５２】図３において、３分光プリズム６２は、一
組のビームスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、ビームスプ
リッタ３２ａに隣接した全反射ミラー付き直角プリズム
３２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂに隣接した全反射ミ
ラー付き直角プリズム３２ｄとの組み合わせから成る図
２の３分光プリズム３２に加えて、直角プリズム３２ｃ
の出力側において第１分光光束４１の光路上に立方体状
の屈折率調整部材６２ａ，６２ｂと、直角プリズム３２
ｄの出力側において第２分光光束４２の光路上に立方体
状の屈折率調整部材６２ｃとを備える。
組のビームスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、ビームスプ
リッタ３２ａに隣接した全反射ミラー付き直角プリズム
３２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂに隣接した全反射ミ
ラー付き直角プリズム３２ｄとの組み合わせから成る図
２の３分光プリズム３２に加えて、直角プリズム３２ｃ
の出力側において第１分光光束４１の光路上に立方体状
の屈折率調整部材６２ａ，６２ｂと、直角プリズム３２
ｄの出力側において第２分光光束４２の光路上に立方体
状の屈折率調整部材６２ｃとを備える。
【００５３】３分光プリズム６２による、入射光の第１
〜第３分光光束４１，４２，４３への分光の作用は上記
第１の実施の形態の場合と同様であり、第１の実施の形
態との相違点は、第１分光光束４１は屈折率調整部材６
２ａ，６２ｂを経由し、第２分光光束４２は屈折率調整
部材６２ｃを経由する点である。屈折率調整部材６２
ａ，６２ｂ，６２ｃは、その屈折率に依存して各光学的
光路長が決まる。屈折率調整部材６２ａ，６２ｂ，６２
ｃの各屈折率は、第１〜第３分光光束４１，４２，４３
の各光路長が光学的に同一になるように調節される。
〜第３分光光束４１，４２，４３への分光の作用は上記
第１の実施の形態の場合と同様であり、第１の実施の形
態との相違点は、第１分光光束４１は屈折率調整部材６
２ａ，６２ｂを経由し、第２分光光束４２は屈折率調整
部材６２ｃを経由する点である。屈折率調整部材６２
ａ，６２ｂ，６２ｃは、その屈折率に依存して各光学的
光路長が決まる。屈折率調整部材６２ａ，６２ｂ，６２
ｃの各屈折率は、第１〜第３分光光束４１，４２，４３
の各光路長が光学的に同一になるように調節される。
【００５４】従って、本第２の実施形態に係る形状計測
装置によれば、第１〜第３分光光束４１，４２，４３の
光路長は光学的に同一であるので、位相シフトされた３
つの干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉
縞画像を確実に同一の条件で撮像することができる。
装置によれば、第１〜第３分光光束４１，４２，４３の
光路長は光学的に同一であるので、位相シフトされた３
つの干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉
縞画像を確実に同一の条件で撮像することができる。
【００５５】図４は、本発明の第３の実施の形態に係る
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
【００５６】本第３の実施の形態に係る形状計測装置
は、上記第１の実施の形態に係る装置１００において、
図２の３分光プリズム３２を図４の３分光プリズム７２
に置き換えたものである。
は、上記第１の実施の形態に係る装置１００において、
図２の３分光プリズム３２を図４の３分光プリズム７２
に置き換えたものである。
【００５７】以下、図４を参照して、本実施の形態にお
ける撮像部３０を詳細に説明する。
ける撮像部３０を詳細に説明する。
【００５８】図４は、本発明の第３の実施の形態に係る
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
形状計測装置における撮像部３０の主要部の説明図であ
る。
【００５９】図４において、３分光プリズム７２は、一
組のビームスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、ビームスプ
リッタ３２ａに隣接した全反射ミラー付き直角プリズム
３２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂに隣接した全反射ミ
ラー付き直角プリズム３２ｄとの組み合わせから成る図
２の３分光プリズム３２に加えて、直角プリズム３２ｃ
の出力側において第１分光光束４１の光路上に配された
立方体ガラス７２ａ，７２ｂと、直角プリズム３２ｄの
出力側において第２分光光束４２の光路上に配された立
方体ガラス７２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂの出力側
に配された一対の全反射ミラー付き直角プリズム７２ｄ
及び７２ｅとを備える。これらのビームスプリッタ３２
ａ，３２ｂ、直角プリズム３２ｃ，３２ｄ，７２ｄ及び
７２ｅ、並びに直方体ガラス７２ａ〜７２ｃは、同一の
ガラス材料から成る。
組のビームスプリッタ３２ａ及び３２ｂと、ビームスプ
リッタ３２ａに隣接した全反射ミラー付き直角プリズム
３２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂに隣接した全反射ミ
ラー付き直角プリズム３２ｄとの組み合わせから成る図
２の３分光プリズム３２に加えて、直角プリズム３２ｃ
の出力側において第１分光光束４１の光路上に配された
立方体ガラス７２ａ，７２ｂと、直角プリズム３２ｄの
出力側において第２分光光束４２の光路上に配された立
方体ガラス７２ｃと、ビームスプリッタ３２ｂの出力側
に配された一対の全反射ミラー付き直角プリズム７２ｄ
及び７２ｅとを備える。これらのビームスプリッタ３２
ａ，３２ｂ、直角プリズム３２ｃ，３２ｄ，７２ｄ及び
７２ｅ、並びに直方体ガラス７２ａ〜７２ｃは、同一の
ガラス材料から成る。
【００６０】３分光プリズム７２による入射光の第１分
光光束４１及び第２分光光束４２への分光の作用は、上
記第２の実施の形態と同様である。
光光束４１及び第２分光光束４２への分光の作用は、上
記第２の実施の形態と同様である。
【００６１】ビームスプリッタ３２ｂを透過した一部の
光は、直角プリズム７２ｄ及び７２ｅで夫々直角に進行
方向を曲げられて第３分光光束４３として分光される。
光は、直角プリズム７２ｄ及び７２ｅで夫々直角に進行
方向を曲げられて第３分光光束４３として分光される。
【００６２】本第３の実施形態に係る形状計測装置によ
れば、第１〜第３分光光束４１，４２，４３の各光路長
は幾何学的に同一であり、しかも、ガラス材料中を通過
する距離も同一であるので、位相シフトされた３つの干
渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画像
を確実に同一の条件で撮像することができる。
れば、第１〜第３分光光束４１，４２，４３の各光路長
は幾何学的に同一であり、しかも、ガラス材料中を通過
する距離も同一であるので、位相シフトされた３つの干
渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画像
を確実に同一の条件で撮像することができる。
【００６３】上記第１〜第３の実施の形態において、ビ
ームスプリッタ２１，３２ａ，３２ｂは無偏光型のもの
が適しているが、形状計測装置の形態によっては偏光型
のものが使用される。
ームスプリッタ２１，３２ａ，３２ｂは無偏光型のもの
が適しているが、形状計測装置の形態によっては偏光型
のものが使用される。
【００６４】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１記
載の形状計測装置によれば、干渉縞画像取得手段は、少
なくとも３つの干渉縞画像の数より少ない数の撮像装置
から成るので、位相シフトされた少なくとも３つの干渉
縞画像を少なくとも３つの干渉縞画像の数より少ない数
の撮像装置により撮像することにより、該少なくとも３
つの干渉縞画像を少なくとも３つの撮像装置を用いて撮
像する場合に生じる各撮像装置個体間の誤差を低減させ
ることができ、もって被測定物の観測面の形状を正確に
計測することができ、加えて、装置全体の小型化と軽量
化を図ることができる。
載の形状計測装置によれば、干渉縞画像取得手段は、少
なくとも３つの干渉縞画像の数より少ない数の撮像装置
から成るので、位相シフトされた少なくとも３つの干渉
縞画像を少なくとも３つの干渉縞画像の数より少ない数
の撮像装置により撮像することにより、該少なくとも３
つの干渉縞画像を少なくとも３つの撮像装置を用いて撮
像する場合に生じる各撮像装置個体間の誤差を低減させ
ることができ、もって被測定物の観測面の形状を正確に
計測することができ、加えて、装置全体の小型化と軽量
化を図ることができる。
【００６５】請求項２記載の形状計測装置によれば、請
求項１記載の形状計測装置による効果を確実に奏するこ
とができる。
求項１記載の形状計測装置による効果を確実に奏するこ
とができる。
【００６６】請求項３記載の形状計測装置によれば、幾
何学的光路長を同一としたので位相シフトされた３つの
干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画
像を確実に同一の条件で撮像することができる。
何学的光路長を同一としたので位相シフトされた３つの
干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画
像を確実に同一の条件で撮像することができる。
【００６７】請求項４記載の形状計測装置によれば、光
学的光路長を同一としたので、位相シフトされた３つの
干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画
像を確実に同一の条件で撮像することができる。
学的光路長を同一としたので、位相シフトされた３つの
干渉縞画像を単一の撮像装置で捉える際に、各干渉縞画
像を確実に同一の条件で撮像することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置
であって、３分光方式位相シフト法を用いた形状計測装
置の概略構成を示す構成図である。
であって、３分光方式位相シフト法を用いた形状計測装
置の概略構成を示す構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る形状計測装置
における撮像部３０の主要部の説明図である。
における撮像部３０の主要部の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る形状計測装置
における撮像部３０の主要部の説明図である。
における撮像部３０の主要部の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る形状計測装置
における撮像部３０の主要部の説明図である。
における撮像部３０の主要部の説明図である。
１０ 発光部 １１ レーザ光源 １２ 偏光板 １５ 全反射ミラー１５ ２０ 参照部 ２１ ビームスプリッタ ２２ コリメートレンズ ２３ 参照面 ３０ 撮像部 ３１ λ／４波長板 ３２，６２，７２ ３分光プリズム ３３ 第１偏光板 ３４ 第２偏光板 ３５ 第３偏光板 ３６ 撮像装置 ４０ 画像入力部 ５０ 解析装置 １００ 位相シフト干渉縞同時計測装置 １０１ 被計測物 １０２ 被検面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川▲崎▼ 和彦 茨城県つくば市上横場430番地の１ 株式 会社ミツトヨ内 (72)発明者 配野 宏 茨城県つくば市上横場430番地の１ 株式 会社ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F064 AA09 CC01 FF01 GG12 GG13 GG23 GG32 GG38 GG53 HH03 HH08 2F065 AA53 DD02 DD04 FF49 FF52 GG04 GG25 JJ03 JJ26 LL12 LL30 LL32 LL36 LL37 LL46 LL47 QQ31
Claims (4)
- 【請求項１】 被計測物の観測面からの光学的反射像と
参照面からの光学的反射像とを干渉させる干渉光学系
と、前記干渉により生じた干渉光を少なくとも３つの光
束に分光する分光手段と、前記分光された少なくとも３
つの光束を夫々所定の位相シフト量シフトするシフト手
段と、前記所定の位相シフト量シフトして得られた少な
くとも３つの干渉縞画像を同時に取得する干渉縞画像取
得手段と、前記取得された少なくとも３つの干渉縞画像
及び前記所定の位相シフト量を用いて少なくとも３つの
干渉縞画像情報を算出し、当該少なくとも３つの干渉縞
画像情報から前記観測面の形状を算出する算出手段を備
える形状計測装置において、 前記干渉縞画像取得手段は前記干渉縞画像の数より少な
い数の撮像装置から成ることを特徴とする形状計測装
置。 - 【請求項２】 前記干渉縞画像取得手段は単一の撮像装
置から成ることを特徴とする請求項１記載の形状計測装
置。 - 【請求項３】 前記少なくとも３つの光束の各光路長が
幾何学的に同一であることを特徴とする請求項１又は２
記載の形状計測装置。 - 【請求項４】 前記少なくとも３つの光束の各光路長が
光学的に同一となるように前記少なくとも３つの光束の
各光路上に夫々屈折率が異なる屈折率媒体が配されるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の形状計測装置。
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000041620A JP3426552B2 (ja) | 2000-02-18 | 2000-02-18 | 形状計測装置 |
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ID=18564831
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|---|---|---|---|
| JP2000041620A Expired - Fee Related JP3426552B2 (ja) | 2000-02-18 | 2000-02-18 | 形状計測装置 |
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- 2000-02-18 JP JP2000041620A patent/JP3426552B2/ja not_active Expired - Fee Related
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- 2001-02-15 US US09/783,207 patent/US6496269B2/en not_active Expired - Lifetime
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