JP2001304826A

JP2001304826A - ３次元形状測定装置

Info

Publication number: JP2001304826A
Application number: JP2000122886A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ueda; 健上田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2000-04-24
Filing date: 2000-04-24
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】干渉を用いてレンズ等の被検物面を高精度に
測定する３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】可干渉光を参照面６へ照射し同一光源１
からの被検光を微小開口４ａより球面波にして被検物５
へ照射する照射手段と、被検物５を光軸Ｘと直交方向に
移動する移動手段と、被検物５から反射し同一光路を戻
る戻り光Ｌを検出する検出手段１１，１２と、参照面６
から参照光Ｌに重畳させる干渉手段と、戻り光Ｌに重畳
される参照光の一部を選択的に透過させる遮光手段７
と、を有し、上記被検物５の移動量、戻り光Ｌの角度及
び位相変化に基づいて被検物形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、干渉を用いて被検
物の面形状を測定する３次元形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複写機等の書込光学系に搭載されるｆθ
レンズやカメラ用のレンズは、面形状及び面精度を高精
度に計測する必要があり、現在、その種の測定装置も幾
つか市販されている。一方、近年における非球面加工技
術の発達に伴い、レンズ等の光学素子の面形状は複雑化
し、被検物面が自由曲面形状であることから、この測定
における要求仕様は益々高まっている。特にｆθレンズ
は、もともと要求精度が高く高分解能計測が必要とされ
る上に、測定範囲が広いため高ダイナミックレンジ計
測、さらに、傾斜角が大きいため高傾斜角計測に対応す
るものでなければならない。

【０００３】従来の干渉光学系を用いた測定装置では、
被検物面の基準となる参照面で反射された参照光と、被
検物面で反射された被検光とを重畳させて得られる干渉
縞を観測することにより行われていた。この種の従来の
測定手法によれば、被検物が理想的な位置及び形状であ
るときはヌルの干渉縞を形成でき、参照面と被検物面と
の間に僅かな位置或いは形状誤差があれば干渉が観測さ
れる。その干渉縞データを公知の位相シフト法などで解
析することにより、被検物面の３次元形状を測定するこ
とができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の３次元形状測定では、参照光の波面が被検物面の形
状に一致するように参照面を高精度に加工する必要があ
り、また、被検物の位置誤差によって大きな影響を受け
る。このため縞解析に必要とされる良好な干渉縞は得る
には、かなりの熟練を要する測定作業となっている。

【０００５】しかも、被検物面が非球面等の自由曲面形
状であると、その参照面の形状も複雑となるばかりか、
干渉縞データの解析はさらに複雑化し、測定作業は困難
を極める。上記の干渉計を用いた測定手法は、既に球面
レンズ測定の分野において様々な試みがなされている
が、非球面のように形状の複雑な被検物には不向きであ
ると認識されているのが現状である。以上のように、非
球面形状の測定においては、その複雑さや面倒さから生
じる種々の問題点を抱えている。

【０００６】また、結局のところ、非球面形状の測定精
度の向上を図るには、特開平１１−２１１４２７号に示
される面形状測定装置のように、被検物の６軸制御とい
った機械的に複雑な制御を行う必要があり、このような
機械的な制御を行うためには必然的に装置が大型化・複
雑化するだけでなく、測定システムとしても不安定にな
りがちといった問題点を有している。

【０００７】本発明は、そのような現状に鑑み且つ上記
問題点を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、非球面形状を含めたレンズの３次元形
状の高精度な測定を可能とした３次元形状測定装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の３次元形状測定装置は、可干渉光を参照面
へ照射するとともに同一光源からの被検光を微小開口よ
り球面波にして被検物へ照射する照射手段と、上記被検
物を光軸と交わる方向に移動させる移動手段と、上記被
検物に照射された被検光のうち同一光路を戻る戻り光を
検出する検出手段と、上記戻り光を参照面からの参照光
に重畳させる干渉手段と、上記戻り光に重畳される参照
光の一部を選択的に透過させる遮光手段と、を有し、上
記被検物の移動量、上記戻り光の角度及び位相変化に基
づいて、上記被検物の３次元形状を測定可能としたこと
を特徴としている。

【０００９】上記遮光手段は、上記参照光の透過部分の
位置が可変な構成や、上記参照光の透過部分の大きさが
可変な構成にするとよい。また、上記参照光の透過光量
を可変とする透過光量可変手段を有する構成にすること
もできる。

【００１０】また、上記同一光源と上記微小開口との間
の光路上に半鏡面からなる参照面を設けてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を適
用した測定装置の実施例を説明する。図１は、本測定装
置の第１実施例の概略構成図である。図２は、図１の遮
光板７の正面図で、図３は微小開口４ａ周辺の拡大図で
ある。

【００１２】半導体レーザ等を用いた光源１からの光軸
Ｘ上には、ビームエキスパンダ２、偏光ビームスプリッ
タＰＢＳ、ビームスプリッタＢＳ、対物レンズ３及び遮
光部材４の微小開口４ａが配置され、これらにより照射
手段が構成されている。光源１からの光束（レーザビー
ム）は、ビームエキスパンダ２により拡げられ、偏光ビ
ームスプリッタＰＢＳ及びビームスプリッタＢＳを直進
すると、対物レンズ３により微小開口４ａ位置に収束
し、この微小開口４ａを通過して被検物５の方向へ広角
な球面波が形成されるようになっている。この球面波の
拡がりは、主として対物レンズ３の開口数によって与え
られるが、微小開口４ａの縁による回折も加味したもの
である。このような球面波の拡がりによって、広範囲な
照射域による高ダイナミックレンジ、かつ広角な球面波
による高傾斜角計測が可能である。

【００１３】被検物５は、移動ステージ等の図示しない
移動手段により、光軸Ｘ方向に直交するＹ方向へ移動可
能に保持されている。図示の例では、被検物５としてｆ
θレンズが保持されている。以下、この被検物面５ａで
反射して微小開口４ａを再び通過する光を戻り光Ｌと称
する。

【００１４】また、同一の光源からの可干渉光の一部
は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ及びビームスプリッタ
ＢＳによって折り曲げられる。ビームスプリッタＢＳに
より分割された光路には、戻り光Ｌの角度を検出する検
出手段として傾斜角検出部１１が設けられている。戻り
光Ｌの一部は、傾斜角検出部１１の受光素子１１ａに入
射する。また、偏光ビームスプリッタＰＢＳにより分割
された光路にはミラーからなる参照面６が設けられてい
る。この参照面６に向かう光路中であって参照光軸と直
交する方向に、遮光板７すなわち遮光手段が設けられて
いる。遮光板７には、参照光の一部を透過可能な部分と
して小さな開口部７ａが設けられている。各図におい
て、Ｌ′は透過した参照光の一部である。

【００１５】図２に示すように、参照光Ｌ′の透過位置
を可変とするには、例えば、ステッピングモータＳＭ１
で駆動される水平方向の螺子棒１３に螺合する部材に、
さらにステッピングモータＳＭ２を取付け、このステッ
ピングモータＳＭ２に駆動される鉛直方向の螺子棒１４
に遮光板７の一部を螺合して構成することができる。直
交し合う各螺子棒１３，１４を所定量回動することによ
り、遮光板７の開口部７ａを参照光軸の直交面上に沿っ
た２次元方向の任意の位置へ移動させ、その開口部７ａ
から参照光Ｌ′を選択的に透過させることができる。

【００１６】本実施例の干渉手段は、参照面６を反射し
て開口部７ａと１／４波長板８′を通過した参照光Ｌ′
と、ビームスプリッタＢＳを透過し１／４波長板８を通
過した戻り光Ｌとを偏光ビームスプリッタＰＢＳにより
重ね合わせ、偏光子９により偏光面を一致させ、変位量
検出部１２の受光素子１２ａへ入射するように構成され
ている。上記受光素子１１ａ，１２ａとしては、ＣＣＤ
やポジションセンサ等を用いることができる。

【００１７】上記構成の測定装置における被検物面５ａ
の有する傾斜面θの計測方法は、つぎの通りである。図
３は、被検物５がＹ方向に移動したときの戻り光Ｌの経
路変化を例示している。あらかじめ所定の場所に設置し
た被検物５に球面波を照射すると、照射波面の方向ベク
トルと被検物面５ａの法線方向とが一致した部分からの
反射光のみが同一の経路を戻り、この戻り光Ｌが微小開
口４ａを再び通過する。その照射方向と法線方向とが一
致しない反射面位置からの反射光はすべて微小開口４ａ
を通過せずに、遮光部材４でけられてしまう。

【００１８】戻り光Ｌは、対物レンズ３により光軸Ｘ方
向の平行光に戻され、ビームスプリッタＢＳ２で直角に
曲げられ、傾斜角検出部１１ａに入射する（図１参
照）。被検物面５ａから反射したときの戻り光Ｌの角度
（傾き）は傾斜角θに相当し、傾斜角θは光軸Ｘの中心
線からの「平行なズレ」に変換される。こうして傾斜角
検出部１１ａでは、受光素子１１ａ上における戻り光Ｌ
の光軸Ｘ方向に対する相対的な入射位置が計測される。
その入射位置から反射面位置の傾斜角θが算出される。
図示したｆθレンズの被検物面５ａの測定では、戻り光
Ｌの反射位置が被検物面５ａのＹ方向移動により緩やか
な凸曲面に沿って上方へ移動されつつ、相対的にはレン
ズ面の上端から下端まで戻り光Ｌで走査される格好とな
る。このときの傾斜角検出部１１ａの出力に基づいて３
次元の面形状の角度変化が計測される。

【００１９】つぎに、被検物面５ａの変位量検出につい
て説明する。図１において、被検物５からの戻り光Ｌ
と、参照面６からの参照光Ｌ′は、それぞれ１／４波長
板を２回通過することにより、偏光面が９０゜回転し、
変位量検出部１２に到達する。ここで参照光Ｌ′は、上
記遮光板７の開口部７ａの位置を調整して戻り光Ｌと同
じ光路へ入射させている。これにより観測に良好な干渉
縞が受光素子１２ａ上に結像し、測定精度が向上すると
ともに外乱に強い測定システムとなる。

【００２０】変位量検出部１２では、被検物５の移動に
伴う干渉縞の強度変化を検出する。この干渉縞の強度変
化は、戻り光Ｌの反射面位置から微小開口４ａとの間の
距離変化に基づくもので、具体的には位相が一定の参照
光Ｌ′と、被検物５の移動による戻り光Ｌとの位相差に
基づいて相対的に変化する干渉縞の明暗変化として観測
される。図示の干渉手段は反射光路系であるため、干渉
縞の明暗変化の１周期が１／２波長の変位量に相当す
る。

【００２１】観測される干渉縞は、被検物５からの反射
光（戻り光Ｌ）の光強度が比較的微弱であることから、
そのコントラストを高めるため、戻り光Ｌの光強度に対
して、これに干渉する参照光の光強度をほぼ等しいレベ
ルに揃えてやる必要がある。したがって、本実施例で
は、遮光板７に小さな開口部７ａを設けることによっ
て、細いレーザである参照光Ｌ′の強度に低下させ、こ
れにより高コントラストな干渉縞が観測可能としてい
る。また、被検物面５ａの反射強度は、被検物５の材料
や反射面位置の傾斜角θによって異なるので、開口部７
ａの大きさを可変とした構成がより好ましい。開口部７
ａの大きさを可変とするには、例えば、開口部７ａに少
なくとも２つの羽からなる絞りなどを設けることにより
可能である。

【００２２】本測定装置を制御する図示しないコンピュ
ータでは、上記変位量検出部１２により検出される明暗
数をカウントし被検物面５ａの相対的な変位量が算出さ
れ、初期値に基づいて反射面位置から微小開口４ａまで
の距離が求まる。コンピュータにより位置制御される被
検物５のＹ方向の移動量をｙとすれば、移動量ｙ、各移
動量における変位量及び傾斜角θから、被検物５の３次
元形状が一意的に決まるのである。これらのデータをコ
ンピュータのプログラムより繋ぎ合わせることで、被検
物５の３次元形状を求めることができる。

【００２３】上記の測定原理によれば、従来の干渉を用
いた測定装置のように、光路中に被検物形状を模した参
照面６を設定する必要など全くないことから、その形状
が凹面であっても凸面であっても戻り光Ｌの位置が相対
的に異なるだけで、被検物形状の複雑さや大きさに関わ
らず、３次元形状データを精度良く容易に得ることがで
きる。本発明によって測定可能な３次元形状は、レンズ
の球面や共軸非球面のみならず、これらを非共軸非球面
と任意に組み合わせた連続面も含まれる。

【００２４】図４は、本測定装置の第２実施例の概略構
成図である。図５は、ＮＤフィルタ切替え機１５の構成
例の正面図である。第２実施例の基本構成は上記第１の
実施例と同様で、同じの構成部分には同じ符号を使用し
ている。第２実施例の装置は、偏光ビームスプリッタＰ
ＢＳと遮光板７との間に、透過光量可変手段としてＮＤ
フィルタ切替え機１５を設けている。図５に示すよう
に、このＮＤフィルタ切替え機１５は、例えば、円盤１
６に異なる種類のＮＤフィルタ１７を複数取付け、この
円盤１６の中心軸１６ａを支持してステッピングモータ
等で回動させるなどによって構成可能である。

【００２５】図示のＮＤフィルタ切替え機１５にあって
は、ＮＤフィルタ１７が４種で、円盤１６を９０゜単位
で回動させると、参照光Ｌ′の光路上へ各種ＮＤフィル
タの一つが選択的に配置される。このように透過光量の
異なるＮＤフィルタ１７を切り替えることによって参照
面６からの反射光強度が調整され、上記第１実施例で説
明した開口部７ａの大きさを可変とする機構が不要とな
り、開口部７ａの構成を簡素化することができる。

【００２６】図６は、本測定装置の第３実施例の概略構
成図である。第３実施例の装置は、参照面６が光源１か
らの光軸Ｘ上に設けられ、この参照面６は、照射される
光束の一部を反射し、一部を透過させる半鏡面（ハーフ
ミラー）となっている。遮光板７は、ビームスプリッタ
ＢＳ１と上記参照面６との間に設置され、参照光と被検
光の双方が通るようになっている。また、被検光の光路
に１／４波長板８が設けられ、ビームエキスパンダ２
と、ビームスプリッタＢＳ１との間に偏光子９が設けら
れている。光源１から出射された光束は、ビームエキス
パンダ２で拡げられ偏光子９及びビームスプリッタＢＳ
１を通過して、遮光板７に至る。

【００２７】ここで、遮光板７の開口部７ａを通過した
光束のみが参照面６へ向かう。開口部７ａの位置で選択
された可干渉光のうち、参照面６で反射された光束の一
部がビームスプリッタＢＳ１へ戻り、この参照面６を透
過した一部が被検物５へ向かう。開口部７ａの位置は、
被検物５で反射された戻り光Ｌが再び遮光板７の開口部
７ａを通過するように位置調整されている。このように
して、参照面６と被検物５からの戻り光Ｌを極力同じ経
路を通過させるように構成することができ、これにより
外乱の影響をさらに減らし測定精度を向上させることが
できる。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
面形状測定装置は、可干渉光を参照面へ照射するととも
に同一光源からの被検光を微小開口より球面波にして被
検物へ照射する照射手段と、上記被検物を光軸と交わる
方向に移動させる移動手段と、上記被検物に照射された
被検光のうち同一光路を戻る戻り光を検出する検出手段
と、上記戻り光を参照面からの参照光に重畳させる干渉
手段と、上記戻り光に重畳される参照光の一部を選択的
に透過させる遮光手段と、を有し、上記被検物の移動
量、上記戻り光の角度及び位相変化に基づいて、上記被
検物の３次元形状を測定可能とした構成なので、３次元
面形状の測定に干渉計を用いて安定性及び精度の高い測
定システムを提供できるとともに、上記遮光手段によっ
て観測に良好な干渉を行わせることができ、高精度な測
定が可能でである。

【００２９】上記遮光手段は、上記参照光の透過部分の
位置が可変である構成によれば、遮光手段を透過する参
照光を戻り光と同じ光路に変更することができ、外乱に
対して強くなる。

【００３０】上記遮光手段は、上記参照光の透過部分の
大きさが可変である構成によれば、上記参照面に反射さ
れ干渉に用いられる参照光の強度を調整でき、被検物か
らの戻り光の強度とほぼ等しくすることにより、高コン
トラストな測定が可能である。

【００３１】さらに、上記参照光の透過光量を可変とす
る透過光量可変手段を有する構成によれば、上記参照面
に反射され干渉に用いられる参照光の強度を調整でき、
被検物からの戻り光の強度とほぼ等しくすることにより
高コントラストな測定が可能である。

【００３２】上記同一光源と上記微小開口との間の光路
上に半鏡面からなる参照面を設けた構成によれば、上記
参照面に反射され干渉に用いられる参照光と、被検物か
らの戻り光とが必ず同一の光路を通るので、外乱に対し
て強くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に関わる測定装置の第１実施例の全体構
成図である。

【図２】図１の遮光板の正面図である。

【図３】図１の微小開口周辺の拡大図である。

【図４】本発明に関わる測定装置の第２実施例の全体構
成図である。

【図５】図４のＮＤフィルタ切替え機を示す正面図であ
る。

【図６】本発明に関わる測定装置の第３実施例の全体構
成図である。

【符号の説明】

１同一光源４ａ微小開口５被検物６参照面７遮光板（遮光手段）７ａ参照光の透過部分１１，１２検出手段１５ＮＤフィルタ切り替え機（透過光量可変手段）Ｌ戻り光Ｌ′ 参照光Ｘ光軸 θ 傾斜角（戻り光の角度）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F064 AA09 BB04 CC01 CC02 FF02 GG12 GG22 GG23 GG33 GG38 GG41 GG52 HH07 HH08 2F065 AA35 AA53 BB05 CC21 CC22 DD09 FF49 FF52 GG06 GG12 HH13 JJ01 JJ05 JJ09 JJ16 JJ26 LL00 LL04 LL09 LL24 LL30 LL36 LL37 LL46 MM02 PP12 QQ00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可干渉光を参照面へ照射するとともに同
一光源からの被検光を微小開口より球面波にして被検物
へ照射する照射手段と、上記被検物を光軸と交わる方向
に移動させる移動手段と、上記被検物に照射された被検
光のうち同一光路を戻る戻り光を検出する検出手段と、
上記戻り光を参照面からの参照光に重畳させる干渉手段
と、上記戻り光に重畳される参照光の一部を選択的に透
過させる遮光手段と、を有し、上記被検物の移動量、上
記戻り光の角度及び位相変化に基づいて、上記被検物の
３次元形状を測定可能としたことを特徴とする３次元形
状測定装置。
【請求項２】上記遮光手段は、上記参照光の透過部分
の位置が可変であることを特徴とする請求項１記載の３
次元形状測定装置。
【請求項３】上記遮光手段は、上記参照光の透過部分
の大きさが可変であることを特徴とする請求項１又は２
記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】上記参照光の透過光量を可変とする透過
光量可変手段を有することを特徴とする請求項１から３
のいずれかに記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】上記同一光源と上記微小開口との間の光
路上に半鏡面からなる参照面を設けたことを特徴とする
請求項１から４に記載の３次元形状測定装置。