JP2007187623A - 三次元形状測定装置及び三次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動的に焦点を合わす構成にすることにより初期時の調整時間を極力少なくして、測定時間早めることができる技術を提供する。
【解決手段】白色光を、対物レンズ４を介してビームスプリッター５へ入射させて、反射鏡６側の参照光路と被測定物側の測定光路に分岐して入射させ、光路長可変手段８により測定光路の光路長を変更し、カメラ１０が干渉光を撮像し、その撮像データを基に干渉の生ずる光路長を求めることにより被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置であって、ミラー２５により投光用光源１２からの測定光を白色光の光路と同じ光路に導入し、対物レンズ４を介して被測定物から戻ってくる測定光をカメラ１０で撮像し、Ｚ軸制御手段２０が、カメラ１０の出力を基に対物レンズ４と前記被測定物との距離を対物レンズ４の焦点距離に位置するようにヘッド１１を移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のスペクトラム（以下、波長で説明する。）を含む広帯域光（例えば、白色光）による干渉現象を用いて被測定物の形状を立体的に測定する三次元形状測定装置に関する。特に、広帯域光の一方を遠端に参照鏡を有する参照光路に入射し、広帯域光の他方を遠端に被測定物を有する測定光路へ入射し、参照鏡及び被測定物からの各戻り光による干渉を生じさせる干渉部（干渉計）において、参照光路又は測定光路のいずれかの光路長を所定範囲を変更して得られた干渉縞が生ずる光路長を基に、被測定物の形状を測定する形状測定装置であって、広帯域光を対物レンズにより測定光路を介して被測定物へ照射するにあたり、光路長の変更範囲を有効になるように被測定物又は参照鏡の初期位置を調整できる技術に関する。

一般的に、対物レンズは、被測定物側に対して照射するために用いられる。そして、被測定物が設定されて、測定する前に、その対物レンズと被測定物の間の距離が対物レンズの例えば、焦点距離に合うように調整される。その焦点距離を機械的に調整する際、今までは結像レンズ＋カメラ等で焦点位置を目視で確認若しくは画像処理により確認して調整することが多かった。

上記干渉部を用いた三次元形状測定分野において、対物レンズを使用している技術として、特許文献１の技術があった。特許文献１の詳細説明に、オートフォーカス装置を扱っている記載があるが、このオートフォーカス装置は、対物レンズのオートフォーカスを目的としておらず、基板高さ及びそりの測定を行っている。つまり、干渉測定で得た相対的な位置情報に対し、オートフォーカス装置で得た測定結果を用いて基板のそりによる凹凸の影響を補正し、基板からバンプ頂点の距離の絶対値を算出している。したがって、特許文献１に添付されている構成図及びその説明には、オートフォーカス装置での測定結果に基づいて光軸と並行な方向へ移動を行なっていない。つまり、対物レンズと被測定物間の距離や焦点距離を調整する技術については、開示されていない。

特許文献２の従来技術を説明するための図面にも、フォーカス検出回路が配置されているが、恐らく、これは観察面から基準面までの光路長と観察面から測定対象面までの光路長の差がゼロとなる位置を検出しているものであって、焦点距離を調整することについては、何ら説明がされていない。

特開２０００−３１０５１８号公報 特開２０００−２２１０１３号公報

干渉計を用いて、干渉計の光路長を変化させて被測定物の表面の非常に小さな変位を測定する場合、干渉計側の対物レンズと被測定物間の距離が適切な位置に設定されていないと、干渉縞を出現させるために変更する光路長の所定範囲（いわば、干渉縞を出現するためのダイナミックレンジ）を確保できない恐れがある。

つまり、干渉縞は、参照光路と測定光路が一致したときに生ずるので、他方の光路長を固定にし、一方の光路長を変更して一致するところを検出する必要がある。したがって、例えば、その一方の光路長を測定光路の光路長とすれば（参照光路のほうでも良い。）、その測定光路の光路長を変更する前の光路長は、所定範囲を変更したときに参照光路と一致するであろうと見込まれる位置でなければならない。以下、この位置を「目標位置」と言い、固定された特定の手段からのこの位置までの距離を「目標距離」と言う。例えば、この特定の手段を対物レンズとすることができる。さらには、対物レンズの焦点距離を目標距離に設定することもできる。

この目標距離は、被測定物の位置に関与するので、被測定物を代える度に位置調整が必要になる。そのため、目標距離の調整、例えば対物レンズと被測定物間の距離の調整は重要であり、慎重に行われる。例えば、光路長を数十ｎｍ間隔で５００ポイント変化させた場合、その変化範囲は、数十μｍである。したがって、光路長を変化させる前の初期位置で対物レンズと被測定物との間の距離が目標距離（焦点距離）に合っていれば、数十μｍのダイナミックレンジがそのまま利用できるが、対物レンズと被測定物との間の距離が目標距離（焦点距離）からズレていれば、そのズレ分の距離がダイナミックレンジに影響し、狭くなる恐れがある。被測定物の表面の変位の変化が大きい場合や、被測定物が板状でそりがあるような場合もその分だけ、ダイナミックレンジが狭くなる恐れがある（つまり、光路長の有効な変更範囲が狭くなる）。最悪は、光路長を変更しても干渉縞が現出できない場合もある。その場合は、被測定物の位置を再設定するなり、光路長の変更範囲を広げる必要がある。

したがって、測定の初期時に焦点距離を目視調整や複雑な画像処理で対応していたのでは、調整に時間がかかり過ぎること、それに被測定物の変位の大きさや、被測定物のそりに対応できない等の問題があった。

本発明の目的は、例えば、自動的に被測定物の位置を目標位置（対物レンズの焦点位置）に合わす構成にすることにより、実効的な光路長の変更範囲（ダイナミックレンジ）を確保し、初期時の調整時間を極力少なくして、測定時間を早めることができる技術を提供することである。

上記目的である、実効的な光路長の変更範囲を確保を達成するためには、その変更範囲だけ光路長を変更したとき、測定光路の光路長と参照光路の光路長とが一致する場合があるように、形状測定前の初期に被測定物の設定位置を自動的に調整できる構成とする。これは、例えば、測定のために被測定物を取り替えた場合、そのときの「被測定物の測定光路方向の位置」によっては、光路長の変更前の初期時点で、参照光路の光路長に対する測定光路の光路長が変わってしまうことがある。そこで、被測定物を取り替えた場合でも「参照光路の光路長に対する初期の測定光路の光路長」を一定（その位置或いは距離が「目標位置（目標距離）」である。）にするための調整である。その、「目標位置（目標距離）」は、有効な光路長可変範囲（ダイナミックレンジ）を確保できる位置（距離）である。参照光路と測定光路に分岐する光学系が、例えばヘッドに固定配置され、その参照光路の光路長が固定であれば、そのヘッドと被測定物との距離を目標距離に合うよう調整することで対応できる。そのヘッドに対物レンズが配置されてあれば、その対物レンズと被測定物との距離を目標距離（例えば、対物レンズの焦点距離）に合うように調整することにしても良い。上記の事項はいずれも同じ技術的意義を有する。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、広帯域スペクトラムを有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、該広帯域光を、参照鏡に照射させる参照光路と被測定物の所望の測定範囲に照射させる測定光路とに分岐させ、該参照鏡及び該被測定物からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記広帯域光源と該光路形成部との間に又は前記測定光路に設けられ、前記広帯域光を前記被測定物の表面の測定範囲に照射する対物レンズ（４）と、を搭載したヘッド（１１）と、前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を所定範囲に亘って変化させる光路長可変手段（８）と、該光路長の変更に応じて前記測定範囲に対応した前記光路形成部の出力を撮像する撮像手段（１０）と、を備え、前記撮像手段の出力から得られる干渉縞を基に形状の測定を行う三次元形状測定装置において、
前記形状を測定する初期に前記被測定物へ位置検出用の光を照射し、被測定物からの反射光を基に、前記ヘッドと被測定物との距離を検出する位置検出部（１６）と、
該位置検出部から出力される前記ヘッドと被測定物との距離を基に、前記光路長を前記所定範囲に亘って変化させたとき前記干渉縞が得られるように、前記参照光路又は前記測定光路の初期の光路長を調整する手段（２０，２２）と、を備えた。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において前記照光路の光路長が固定長にされ、予め前記所定範囲に亘って光路長を変更したときに測定光路の光路長が前記固定長を超えて変化できる前記ヘッドと被測定物との距離を予め目標距離として設定されており、
前記前記測定光路の初期の光路長を調整する手段は、該位置検出部から出力される前記ヘッドと前記被測定物との距離と前記目標距離との距離差を求める位置情報抽出手段（２２）と、
該位置情報抽出手段が求めた前記距離差がなくなるように、前記ヘッドと被測定物間の距離を相対的に変更するＺ軸制御手段（２０）と、を備えた。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ヘッドと前記被測定物との距離は、前記対物レンズと被測定物との距離であり、前記目標距離は、前記対物レンズの焦点距離である構成とした。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２又は３に記載の発明において、前記位置検出部は、前記ヘッドに搭載され、前記位置検出用の光を照射する投光用光源（１２）と、該位置検出用の光を前記広帯域光源と同じ光路に導入する光路導入手段（２５）と、該光路導入手段により前記対物レンズ及び前記光路形成部を介して前記被測定物へ入射された位置検出用の光が、更に該被測定物から所定角度で反射されて前記光路形成部及び前記対物レンズを介して戻ってくるのを撮像する前記撮像手段（１０）とを含んで構成され、前記ヘッドと被測定物との距離を検出する構成とした。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２又は３に記載の発明において、前記位置検出部は、前記位置検出用の光を照射する投光用光源（１２）と、該位置検出用の光を前記広帯域光源と同じ光路に導入する光路導入手段（２５）と、該光路導入手段により前記対物レンズ及び前記光路形成部を介して前記被測定物へ入射され、戻ってくる位置検出用の光を前記広帯域光源と別な光路へ取り出す光路分離手段（２６）と、該光路分離手段により分離された位置検出用の光を検出する受光手段（１４）とを備え、前記ヘッドと被測定物との距離を検出する構成とした。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２又は３に記載の発明において、前記位置検出部は、前記ヘッドに搭載され、前記広帯域光源の光路とは別個の光路で、被測定物に直接に位置検出用の光を照射し、前記所定角度で被測定物から反射された測定光を直接に受けて、前記被測定物の位置を検出する構成にした。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一つに記載の発明において、 前記対物レンズの光軸方向に直交する方向における、被測定物を移動させるＸＹ移動手段（２１）を備え、
前記位置情報検出手段は、該ＸＹ移動手段による移動中における位置検出部からの出力を基に、該移動中における前記ヘッドと被測定物との間の距離の変動を検出し、
前記光路長可変手段は、光路長を変化させる範囲を前記距離の変動分を含む範囲に変更して光路長を変更する構成とした。

請求項８に記載の発明は、広帯域光源（１）からの広帯域光を受けて、参照鏡に照射させる参照光路と被測定物の所望の測定範囲に照射させる測定光路とに分岐させ、該参照鏡及び該被測定物からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記広帯域光源と該光路形成部との間又は前記測定光路に前記被測定物へ向けて広帯域光を集光する前記対物レンズ（４）と、搭載したヘッドを備え、該光路形成部の出力を基に形状を測定する三次元形状測定装置による三次元形状測定方法において、
前記広帯域光による前記形状を測定する前に、
位置検出部により、前記被測定物へ位置検出用の光を直接に又は間接に照射し、被測定物から反射された反射光を受けて、前記ヘッドと被測定物との間の距離を検出する位置検出段階と、
該位置検出段階で検出された前記ヘッドと被測定物との間の距離と、予め設定されている目標距離との距離差を求める位置情報抽出段階と、
該位置情報抽出段階で求める距離差がゼロになるように前記対物レンズと前記被測定物との相対的距離を変更する光軸方向移動段階と、
前記相対的距離が設定された後に、前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変段階と、
該光路長の変化に応じて前記光路形成部の出力を前記測定範囲に亘って撮像する撮像段階と、
前記撮像手段の出力から得られる、前記測定範囲の各点おける干渉縞が現れる光路長を検出する段階と、
前記測定範囲の各点に対応して検出された光路長を基に、前記被測定物の形状の測定を行う測定段階とを備えた。

請求項８を除く各請求項に記載の発明によれば、被測定物の位置を検出し、目標位置（対物レンズの焦点位置）と被測定物の位置が一致するように制御する構成であるから、焦点距離が自動的に、早く調整される。したがって、早く測定が行え、かつ実効的なダイナミックレンジを確保できる。

請求項８に記載の発明によれば、被測定物を移動させたときの被測定物の位置の変動を検出して、光路長の変更範囲に反映できる構成であるから、被測定物にそり等があっても、実効的なダイナミックレンジを確保できる。

請求項４に記載の発明は、撮像手段を、干渉縞検出と、焦点距離調整の双方に使用できる構成であるから、構成が簡易になる。

請求項５に記載の発明は、対物レンズと被測定物との距離を測定する位置検出部が、光路形成部と独立した構成なので、光学系の構成が簡易にできる。

本発明に係る実施形態を図を用いて説明する。図１は、第１の実施形態の機能構成を示す図であり、撮像手段（カメラ１０）を、光路形成部が生成した干渉縞の撮像と、対物レンズ４と被測定物７との距離を測定する位置検出部１６の双方に兼用した例を示す。図２は、第２の実施形態の機能構成を示す図で、ビームスプリッター５（請求項に記載の光路形成部に相当）が生成した干渉縞の撮像する撮像手段（カメラ１０）とは別に、対物レンズ４と被測定物７との距離を測定するための受光センサ１４を設けた例を示す。図３は、第３の実施形態の機能構成を示す図であり、干渉を起こさせるビームスプリッター５と、対物レンズ４と被測定物７との距離を測定する位置検出部１６とを独立して設けた例を示す。図４は、干渉縞を基に形状測定を説明するための図である。図５は、本発明の動作を説明するフロー図である。図６は、被測定物７にそりが在った場合の焦点距離調整への影響を説明するための図である。

「第１の実施形態」
以下、図１を基に、干渉縞を生成して三次元形状のデータを取得する場合と、測定初期の被測定物７のＺ軸方向（光路長変更方向）の位置調整を行う場合とに、場合分けして説明する。以下の説明においては、図１の紙面に直交する方向の平面をＸＹ平面とし、横方向をＸ軸方向とし、図１の紙面の上下方向をＺ軸方向とする。そのとき、Ｚ軸方向は、測定光路方向であり、光路長変更方向でもある。測定光路の光路長の変更が時間とともに行われ、干渉縞を得るので、Ｚ軸方向は、干渉縞が現れる時間軸方向でもある。以下、これらの用語を説明内容に応じて使い分けることがある。

［干渉縞を生成する光学系及び処理系の構成］
図１を基に、光学系の構成を説明する。干渉縞を生成するときは、被測定物７の位置調整に用いられる投光用レーザー１２は、使用されないので、そのレーザー光（測定光）がミラー２５に入らないように遮断しておく。以下、この状態で説明する。

光源１は、広帯域に亘る多数のスペクトラム成分（波長成分）を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を射出する光源であって、ここでは、例えば、白色光源を用いる。コリメータレンズ２は、光源１からの白色光（広帯域光）を絞り込んでビームスプリッター３へ送る。ビームスプリッター５は、白色光の方向を変換して対物レンズ４へ送る。対物レンズ４は、絞り込まれてきた白色光を平行光にしてビームスプリッター５（光路形成部）へ送る。ビームスプリッター５は、対物レンズ４から受けた白色光を２方向へ分岐し、一つは被測定物７へ平行光で送（ビームスプリッター５から被測定物７への光路を測定光路とする。）り、他の一つは参照光として参照鏡６へ平行光で送る（ビームスプリッター５から参照鏡６への光路を参照光路とする。）。なお、対物レンズ４を、ビームスプリッター５の前ではなく、ビームスプリッター５と被測定物７との間に配置する構成にしても良い。この場合は、参照光路にも同じ対物レンズ４を入れる。いずれも、平行光で被測定物７及び参照鏡６を照射する構成とする。

この例では、ビームスプリッター５と参照鏡６との間は固定、つまり参照光路の光路長は一定の固定長とされている。光源１、コリメータレンズ２、ビームスプリッター３、ビームスプリッター５及び対物レンズ４は、ヘッド１１に搭載され、それらの寸法関係は固定にされている。さらには、参照鏡６、カメラ１０及び結像レンズ９もヘッド１１に搭載されている。

測定光路を通過した白色光の束は、被測定物７の表面における所望の測定範囲（ＸＹ平面方向に広がる面）を照射する広さにされている。測定光路方向（Ｚ軸方向）に対物レンズ４を移動させれば、その範囲も変更できる。

被測定物７は、ピエゾ８の上に搭載され、かつピエゾ８は、ＸＹステージ２１（ＸＹ移動手段）に搭載されている。ＸＹステージ２１は、測定開始時に被測定物７を搬送し、測定光路により照射される初期位置に設定するためのものであり、測定制御手段２３の指示により、Ｘ方向（図１の紙面において横方向）及びＹ方向（図１の紙面に直交する方向）に移動可能な機構を有する。ピエゾ８は、圧電素子で構成され、光路長制御手段１８からの指示により、段階的に又は連続的に、被測定物７をＸＹ平面に対してＺ軸方向（図１の紙面の上下方向）へ変位（移動）させることにより測定光路の光路長を可変制御する。段階的に変更させる場合は、一定間時間隔おきに一定の距離をステップで変化させる。ただし、これを細かくステップで変化させると、実質的に連続的に変化させるのと同じである。連続的に変更させる場合は、一定速度で変更させる。

したがって、ビームスプリッター５の位置が固定であれば、ピエゾ８は、光路長制御手段１８の制御によって、測定光路の光路長を変更する手段（光路長可変手段）である。なお、ここでは、参照光路の光路長を固定、測定光路の光路長を変更することで説明するが、後記する干渉縞を生成するには、ピエゾ８を参照鏡６へ取り付け、測定光路を固定とし、参照路の光路長を変更する構成にしても可能である。

参照鏡６及び被測定物７から反射されてきた各白色光（以下、「戻り白色光」と言うことがある。）は、ビームスプリッター５で合波（合成）され、さらに対物レンズ４で集光されて、ビームスプリッター３を通過して結像レンズ９により平行光にされカメラ１０へ入力される。このとき、光路長制御手段１８からの指示で、ピエゾ８が測定光路の光路長を変更する距離に応じて、カメラ１０が戻り白色光を撮像することにより、戻り白色光による干渉縞が撮像される。撮像された干渉縞は、メモリ１７に記憶される。

カメラ１０は、測定光路の光路長（Ｚ軸方向）の変化に対応して、測定光路を通過した白色光によって照射された所望の測定範囲から反射されてきた光と参照光路からの光で生じる干渉縞を撮影する。したがって、所望の測定範囲の各点（ＸＹ方向の各測定位置）、言い換えればカメラ１０の配列された撮像素子（画素に相当するので、以下「画素」と言うことがある。）で撮影できる各照射点の画像を撮影する。

メモリ１７は、光路長制御手段１８がピエゾ８へ光路長を変更指示するその変化の長さに応じた一定時間間隔のタイミング信号を生成するので、それを受けてそのタイミングで戻り白色光の撮像データ（戻り白色光の輝度を示す輝度データになる。）を取り込み、かつ測定範囲の各測定位置（各画素）毎に記憶する。例えば、光路長が時間的に直線的に連続して変更されるのであれば、或いは、一定時間間隔のタイミング信号を受けてその一定時間間隔（タイミング間隔）のステップで変更されるのであれば、そのステップのタイミング信号をＺ軸アドレスとして記憶される。これらのタイミング進行方向（つまりＺ軸アドレス方向）が、Ｚ軸方向を表すことになる。そのとき、各被測定物７の表面上の測定範囲における測定位置毎に、ほぼ同時にその撮像データを記憶する。被測定物７の測定範囲における各測定位置の撮像データは、いわば画素位置に対応する。そして、メモリ１７から、このＺ軸アドレス順に撮像データを取り出して再現すれば、図５のような干渉縞のデータが得られる。

図５には、測定範囲の中の測定位置を代表して、例えば（Ｘｍ、Ｙｐ）、（Ｘｓ、Ｙｓ）の２点における干渉縞の測定例を示す。図５の各干渉縞のほぼ中央が、参照光路の光路長と測定光路の光路長が同一になった場合である。また、干渉縞の波長は、ほぼ白色光（広帯域光）の要素となる各波長の合成で作られ、それらの帯域のほぼ中央の波長の略１／２になる。また、図５の干渉縞の光路長方向への広がりは、白色光のコヒーレンシーの程度による。コヒーレンシーが低いほど広がり幅は、狭くなる。

信号処理手段１９は、メモリ１７から、例えば図５のように測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）における撮像データをＺ軸アドレス順に読み出して、白色光の干渉縞の位置としてそのピーク値を検出してその位置における光路長Ｚ１（以下、これを「特定光路長」と言う。）を求める（図５を参照）。そして、基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）でも同様にして干渉縞を測定し、そのときのピーク値を示す光路長Ｚｓ（特定光路長）を求める。そして、それらの差Ｚｓ−Ｚ１が、測定位置（Ｘｍ、ＹＰ）の基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）に対する高さとなる。したがって、メモリ１７から各測定位置（画素位置）について、同様の演算処理を行えば、被測定物７の全面について高さ（Ｚ軸方向の距離）が測定できる。なお、メモリ１７に記憶される撮像データは、上記タイミング信号を受けて、一定時間間隔でサンプリングして記憶される（図５は、それらを結んで連続的に模式的に表現したものである。）ので、離散的になる。この時間間隔が、図５の干渉縞の１本１本の横幅に対して無視できる程度の細かさであれば、信号処理手段１９は、それら撮像データ（輝度データ）の極大点を結んで得られる包絡線のピーク値を演算で求めても良い。また、信号処理手段１９は、特開平９−３１８３２９号公報に記載のように、離散的処理で求めてもよい。図５のような干渉縞の繰り返し波形は、一周期に３ポイントのサンプリングデータがあれば復元可能である。

[被測定物７のＺ軸方向の初期位置を調整するための光学系及び処理系の構成]
被測定物７のＺ軸方向（光路長変更方向）の初期位置の調整は、干渉縞の測定の前段階として行うので、以下の説明は、光源１からの白色光が、ビームスプリッター３へ入射されても良いが、ここでは白色光の入射を無視して説明する。

上記したように、干渉縞を測定する測定前の初期段階（光路長を変更する前の初期段階）で、被測定物７のＺ軸方向の位置を光路長の変更範囲が有効となる目標位置に合わせる必要がある。図１で言えば、光路長制御手段１８により測定光路の光路長を変更したときの変更範囲に、参照光路の光路長をよぎるように初期の測定光路の光路長を目標距離に調整し設定しておく必要がある。その調整対象とする距離は、光路長を変更する前の初期時点のヘッド１１と被測定物７との距離である。これは広い意味であって、ＸＹステージ２１と固定した位置関係にあるビームスプリッター５と被測定物７の距離、或いは被測定物７と対物レンズ４との間の距離であっても良い。以下の説明は、「被測定物７と対物レンズ４の距離」を「調整対象距離」として、対物レンズ４の焦点距離を「目標距離」として説明することがある。

投光用レーザー１２、投光用コリメータレンズ１３、ミラー２５，及びカメラ１０は、対物レンズ４と被測定物７との間の距離を測定する位置検出部１６を構成している。これらは、光源１，ビームスプリッター３及び５と共に、Ｚ軸方向に移動可能な機構を有するヘッド１１に固定されている。カメラ１０は、白色光による干渉縞による形状測定の場合と兼用している。

上記のように干渉縞を測定する測定前の初期段階で、被測定物７と対物レンズ４との間の距離を目標距離（例えば、対物レンズ４の焦点距離）に合わせる調整が行われるが、このときのピエゾ８は、光路長制御手段１８により、初期のスタート位置（光路長変更方向の位置）、例えば変更範囲（可変範囲でもある。）がゼロに設定されているとする。この状態で、投光用レーザー１２からのレーザー光は、投光用コリメータレンズ１３により平行光にされて、ミラー２５（光路導入手段）により、対物レンズ２５の光軸から離れた位置（図１の紙面で光軸の右側）に入射され、ビームスプリッター５により、被測定物７へ所定角度で投光される。被測定物７から反射されたレーザー光（以下、「戻りレーザー光」と言うことがある。）は、ビームスプリッター５を介して対物レンズ４の光軸を挟んで先に入射された位置とは反対側の位置（図１の紙面で光軸の左側）に入射される。その戻りレーザー光は対物レンズ４、ビームスプリッター３及び結像レンズ９を経てカメラ１０で撮像される。なお、対物レンズ４は、図１のようにビームスプリッター５よりカメラ１０に配置された場合で説明するが、対物レンズ４は測定光路側、つまりビームスプリッター５と、被測定物７との間にあっても良い。

この入射のレーザー光と戻りレーザー光が、対物レンズ４の光軸を挟んで対象にされているのは、対物レンズ４と被測定物７との距離を、いわゆる三角測量で検出するためである。したがって、対物レンズ４と被測定物７との距離の変動は、カメラ１０の位置では、レーザー光が被測定物７で反射する角度の広がり方向、つまりＸ軸方向（紙面の横方向）の距離として現れる。

そこで、カメラ１０は、例えば、レーザー光が被測定物７で反射する角度の広がり方向、つまりＸ軸方向（紙面の横方向）に所定間隔で配列された撮像素子（例えば、画素単位でのＣＣＤ素子、或いはＣＭＯＳタイプの素子）を配列し、それらを例えば、ｂ_ｎ、ｂ_{（ｎ−１）}・・・・ｂ_１、ｂ_０、ｂ_−１・・・ｂ_{−（ｎ―１）}、ｂ_−ｎの素子列とし、そのうち素子ｂ_０が検出したときに丁度、対物レンズ４と被測定物７との距離＝焦点距離になるように位置を調整して校正し、かつ対物レンズ４と被測定物７間の距離と目標距離（焦点距離）とのズレ量を、ｂ_ｎ、ｂ_{（ｎ−１）}・・・・ｂ_１、ｂ_−１・・・ｂ_{−（ｎ―１）}、ｂ_−ｎの各素子の位置に対応づける校正を行うことにより、値付けを予め行っておく必要がある。それらの校正した値は、予め位置情報抽出手段２２が記憶している。

メモリ１７は、カメラ１０が戻りレーザー光を撮像したデータを受けて記憶する。そのときのデータは、戻りレーザー光を受光した素子（画素）からのデータであって、その素子を示すデータである（例えば、素子ｂ_ｋ）。干渉縞を撮像するデータとは別領域に記憶する。

位置情報抽出手段２２は、メモリ１７からカメラ１０が撮像したデータを読み出し、例えば、そのデータが、戻りレーザー光を素子ｂ_ｋが撮像したものであれば、ｂ_ｋ―ｂ_０（ｋが正の場合）又はｂ_０−ｂ_ｋ（ｋが負の場合）なる演算を行って、目標距離に対する相対的な位置（対物レンズ４と被測定物７との距離と、目標距離、例えば焦点距離とのズレ量）を検出して、出力する。ｂ_ｋ、ｂ_０は、校正された値を用いる。

Ｚ軸制御手段２０は、位置情報抽出手段２２の出力を受けて、ヘッド１１をＺ軸方向へ移動させて、対物レンズ４と被測定物７との距離と、目標距離（焦点距離）とのズレ量がゼロになるように制御する。例えば、ｂ_ｋ―ｂ_０又はｂ_０−ｂ_ｋに相当する量だけ負帰還するようにヘッド１１を制御する。ただし、ズレ量は、ゼロになるのが望ましいが、一般的には、ノイズ等の問題があり、ズレ量が所定閾値の範囲内であればＯＫとする。位置情報抽出手段２２及びＺ軸制御手段２０は、ヘッド１１の位置を調整することにより、初期の光路長（位置）を調整している。

ヘッド１１は、モータ等でＺ軸方向へ移動する機構を有し、Ｚ軸制御手段２０によって、例えば、ｂ_ｋ―ｂ_０又はｂ_０−ｂ_ｋの距離に相当する駆動量に変換されて制御される。

上記のように、形状測定の開始前の初期段階で、つまり、形状測定で光路長が変更される前の初期時点で、被測定物７の初期位置が自動設定さる。したがって、その後の形状測定時に、光路長を変更することにより、測定光路の光路長の変化中に、必ず参照光路の光路長と一致させることができる。つまり、ダイナミックレンジを確保できる。

[実施形態の一連の動作]
図４を用いて、第１の実施形態の動作フローを説明する。なお、後記する他の実施形態でも動作フローは、ほぼ同じである。

ステップＳ１：ユーザインターフェース２４から開始指示を出すと、測定制御手段２３は、被測定物７を設定し、光路長制御手段１８は、ピエゾ８に対する制御量を初期値（例えば、ゼロ）に設定する。
ステップＳ２、３：投光用レーザー１２からのレーザー光が、ミラー２５、対物レンズ４及びビームスプリッター５を介して被測定物７へ入射される。そして、その戻りレーザー光をカメラ１０で撮像されて、メモリ１７にその撮像位置（例えば、ｂ_ｋ）が記憶される。位置情報抽出手段２２は、対物レンズ４と被測定物７との距離と、目標距離（焦点距離）とのズレ量ｂ_ｋ―ｂ_０又はｂ_０−ｂ_ｋを求めて、Ｚ軸制御手段２０が、そのズレ量がゼロになるようにヘッド１１を負帰還制御する。つまり、対物レンズ４と被測定物７との距離が、目標距離に一致するように制御する（Ｓ２）。Ｚ軸制御手段２０は、そのズレ量が所定範囲内（例えば、ズレ量がノイズレベルになったとき）にあるかどうか判断し（Ｓ２）、範囲内でなければ、範囲に入るまで、ヘッド１１を移動させて、目標距離に合わす（Ｓ３）。ズレ量が所定範囲以下になったとき（Ｓ２―ＹＥＳ）、ヘッド１１を制御していた制御量を保持する。そして、白色光による干渉縞の測定を終えるまで保持する。その測定を終えるまでの間、投光用レーザー１２からのレーザー光がミラー２５に入らないように遮断される。

ステップＳ４：対物レンズ４と被測定物７との距離が目標距離（焦点距離）に一致したとき、光源１からの白色光による干渉縞測定が行われる。まず、ピエゾ８の変更がゼロ、つまり変更光路長がゼロにおける戻り白色光をカメラ１０で撮像し、メモリ１７に記憶する。同様に、タイミング信号が周期Ｔで０〜ｎまでのタイミングで光路長を所定長さづつ変更するとすれば、各タイミングｋ（ｎ≧ｋ≧０）毎に、光路長（Ｌｋ）を変更設定し、撮像し、これを光路長Ｌｎまで繰り返し実行して、その各画素毎に（測定範囲の測定位置毎に）撮像データをメモリ１７に順に記憶させる。
ステップＳ５： 信号処理手段１９は、各測定範囲における各撮像データをメモリ１７から読み出して、その干渉縞のピークが現れる点の特定光路長を求める。所望測定範囲の全ての位置での特定光路長を求めることにより被測定物７の三次元形状を求めることができる。信号処理手段１９は、例えば、基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）の特定光路長と、他の測定位置Ｘｍ、Ｙｐ）の特定光路長Ｚm,pとの差を求めることにより相対的な形状を求めることができる。この形状を表示装置に表示させることができる。

ステップＳ６：次に同種の他の被測定物７を測定する場合は、ステップ８へ飛び、測定を終えるのであれば、ステップ７で形状値を出力（表示）して終了する。

ステップ８：次の被測定物７を測定する場合、測定制御手段２３は、ＸＹステージ２１を移動させることにより、前に測定した被測定物７を移動させ、次の被測定物７を搬送しては位置を設定する。そのとき、再び、投光用レーザー１２からのレーザー光がミラー２５に入るように設定する。被測定物７の搬送は、被測定物７の面のＸ方向又はＹ方向のいずれかの方向に移動させることになるので、その移動中も前回測定した被測定物７と対物レンズ４との間の距離を測定し、その距離の変動を記憶して置く。その距離の変動は、被測定物７のそり（被測定物７の表面の変位も含む）になる。
ステップ９：次の被測定物７を測定するときの光路長制御手段１が光路長を変更できる範囲を、ＸＹステージ２１を移動中に測定した距離の変動分を加えた新たな変更範囲にする。そして、実際に、次の被測定物７の測定がステップＳ１から行われたとき、ステップＳ４で、前回より上記距離の変動分を含む広い新たな変更範囲で測定する。したがって、変動分を変更範囲に吸収できるので、ダイナミックレンジが確保される。

例えば、図６は、被測定物７の移動中にＡ点とＢ点での距離の変動分、つまりそり等による変動分Δｅが測定された例である。Ａ点で光路長変更範囲、つまりダイナミックレンジがＤ１で干渉縞が測定可能であったとすると、変動分（そり等）の大きさΔｅは、光路長変更範囲Ｄ１に影響しない。しかし、例えば、Ｂ点では、測定された変動分により光路長変更範囲Ｄ２＝Ｄ１＋Δｅにする必要がある。そうすることにより、実質的なダイナミックレンジＤ１が確保できる。この処理をしないと、Ｂ点のダイナミックレンジはＤ１−Δｅとなり、狭くなってしまう。

なお、位置情報抽出手段２２が、例えば、図６の測定位置Ａ点（Ｘa、Ｙａ）とＢ点（Ｘｂ、Ｙｂ）における、それぞれの対物レンズ４と被測定物７との距離と、目標距離（焦点距離）とのズレ量を、それぞれΔｅ(ａ)とΔｅ(ｂ)として記憶し、それらの差からその点におけるそりの大きさを知ることができる。つまり、被測定物７のそりの大きさを操作者に知らせることもできる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、干渉縞を生成して三次元形状のデータを取得する場合の構成動作は第１実施形態と同じで、測定初期の被測定物７のＺ軸方向の位置調整を行うことにおいて、第１の実施形態と構成を相違する。以下、その違いについて説明する。

第２図を基に、第２の実施形態について説明する。図２において、第１の実施形態と異なる点は、投光用レーザー１２から対物レンズ４を介して被測定物７へ入射されて戻ってきた戻りレーザー光が、図１では、カメラ１０で撮像していたが、図２では、ミラー２６（光路分離手段）により、白色光の光路から分離、変更されて、受光用結像レンズ１５で集光されて受光センサ１４で受光されることである。いわば、受光センサ１４は、カメラ１０の代わりをしている。受光センサ１４は、受光センサ１４の表面の受光位置に応じた信号を出力する変位センサー（例えば、ＰＳＤ）が用いられる。つまり、対物レンズ４と被測定物７との間の距離が変化すると、受光センサ１４の受光位置の変化になり、その変化に応答した信号が得られる（いわば位置情報であって、上記カメラ１０で説明したときの素子の位置が表す位置情報と同様に考えることができる。）ので、位置情報抽出手段２２及びＺ軸制御手段２０は、ヘッド１１を制御して、対物レンズ４と被測定物７との間の距離を目標距離（対物レンズ４が有する焦点距離）に合わせることができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、干渉縞を生成して三次元形状のデータを取得する場合の構成動作は第１実施形態と同じで、測定初期の被測定物７のＺ軸方向の位置調整を行うことにおいて、第１及び第２の実施形態と構成を相違する。以下、その違いについて説明する。

第３図を基に、第３の実施形態について説明する。図３における位置検出部１６は、図２における、投光用レーザー１２，投光用コリメータレンズ１３，受光センサ１４及びレーザー光を被測定物７へ集光させるための対物レンズ（不図示であるが、対物レンズ４と同じでよい。）を一組として有している。距離（変位）の測定動作は、図２と同じである。いわば、図２のビームスプリッター５が無いものとして動作するのと同じである。ただし、対物レンズ４を通さないで独立した位置にあるので、直接に、対物レンズ４と干渉縞を測定したい測定位置における被測定物７との間の距離を測定できないので、少々ずれた位置で目標距離（焦点距離）への距離合わせが行われることになる。例えば図３のように被測定物７の測定の位置の中央から外れた端部等で目標位置（焦点距離）合わせが行われることになる。この場合、形状測定しようとする測定範囲の位置と端部との間に距離差がある場合は、予めその距離差を測定しておいて光路長制御手段１８の光路長変更範囲にオフセットしておくことで対応できる。一つの被測定物７でオフセット調整すれば、他の被測定物７に取り替えても、同じく対応できるので、オフセット調整は不要である。

上記構成において、処理制御部１００、位置情報検出手段２２、及びＺ軸制御手段２２は、上記動作フローをプログラムしたメモリ及びそれを実行するＣＰＵで構成することができる。

第１の実施形態の機能構成を示す図であり、撮像手段（カメラ１０）を、ビームスプリッター５（光路形成部）から生成される干渉縞の撮像と、被測定物７の位置を測定する位置検出部１６の双方に兼用した例を示す。 第２の実施形態の機能構成を示す図で、干渉部が生成した干渉縞の撮像する撮像手段（カメラ１０）とは別に、被測定物７の位置を測定するための受光センサ１４を設けた例を示す。 第３の実施形態の機能構成を示す図であり、干渉部１１と、対物レンズ４と被測定物７との距離を測定する位置検出部１６とを独立して設けた例を示す。 本発明の動作を説明するフロー図である。 干渉縞を基に形状測定を説明するための図である。 被測定物７に合った場合の焦点距離調整への影響を説明するための図である。

符号の説明

１ 光源
２ コリメータレンズ
３ ビームスプリッター
４ 対物レンズ
５ ビームスプリッター
６ 参照鏡
７ 被測定物
８ ピエゾ
９ 結像レンズ
１０ カメラ
１１ ヘッド
１２ 投光用レーザー
１３ 投光用コリメータレンズ
１５ 受光用結像レンズ
１６ 位置検出部
１７ メモリ
１８ 光路長制御手段
１９ 信号処理手段
２０ Ｚ軸制御手段
２１ ＸＹステージ
２２ 位置情報抽出手段
２３ 測定制御手段
２４ ユーザインターフェース
２５ ミラー
２６ ミラー

Claims (8)

1. 広帯域スペクトラムを有する広帯域光を出力する広帯域光源（１）と、該広帯域光を、参照鏡に照射させる参照光路と被測定物の所望の測定範囲に照射させる測定光路とに分岐させ、該参照鏡及び該被測定物からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記広帯域光源と該光路形成部との間に又は前記測定光路に設けられ、前記広帯域光を前記被測定物の表面の測定範囲に照射する対物レンズ（４）と、を搭載したヘッド（１１）と、
   前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を所定範囲に亘って変化させる光路長可変手段（８）と、該光路長の変更に応じて前記測定範囲に対応した前記光路形成部の出力を撮像する撮像手段（１０）と、を備え、前記撮像手段の出力から得られる干渉縞を基に形状の測定を行う三次元形状測定装置において、
   前記形状を測定する初期に前記被測定物へ位置検出用の光を照射し、被測定物からの反射光を基に、前記ヘッドと被測定物との距離を検出する位置検出部（１６）と、
   該位置検出部から出力される前記ヘッドと被測定物との距離を基に、前記光路長を前記所定範囲に亘って変化させたとき前記干渉縞が得られるように、前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の初期の光路長を調整する手段（２０，２２）と、を備えたことを特徴とする三次元形状測定装置。
2. 前記参照光路の光路長が固定長にされ、予め前記所定範囲に亘って光路長を可変したときに測定光路の光路長が前記固定長を超えて変化できる前記ヘッドと被測定物との距離を予め目標距離として設定されており、
   前記測定光路の初期の光路長を調整する手段は、該位置検出部から出力される前記ヘッドと前記被測定物との距離と前記目標距離との距離差を求める位置情報抽出手段（２２）と、
   該位置情報抽出手段が求めた前記距離差がなくなるように、前記ヘッドと被測定物間の距離を相対的に変更するＺ軸制御手段（２０）と、を備えたことを特徴とする請求項１に記載の三次元形状測定装置。
3. 前記ヘッドと前記被測定物との距離は、前記対物レンズと被測定物との距離であり、前記目標距離は、前記対物レンズの焦点距離であることを特徴とする請求項２に記載の三次元形状測定装置。
4. 前記位置検出部は、前記ヘッドに搭載され、前記位置検出用の光を照射する投光用光源（１２）と、該位置検出用の光を前記広帯域光と同じ光路に導入する光路導入手段（２５）と、該光路導入手段により前記対物レンズ及び前記光路形成部を介して前記被測定物へ入射された位置検出用の光が、更に該被測定物から所定角度で反射されて前記光路形成部及び前記対物レンズを介して戻ってくるのを撮像する前記撮像手段（１０）とを含んで構成され、前記ヘッドと被測定物との距離を検出することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
5. 前記位置検出部は、前記位置検出用の光を照射する投光用光源（１２）と、該位置検出用の光を前記広帯域光源と同じ光路に導入する光路導入手段（２５）と、該光路導入手段により前記対物レンズ及び前記光路形成部を介して前記被測定物へ入射され、戻ってくる位置検出用の光を前記広帯域光源と別な光路へ取り出す光路分離手段（２６）と、該光路分離手段により分離された位置検出用の光を検出する受光手段（１４）とを備え、前記ヘッドと被測定物との距離を検出することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
6. 前記位置検出部は、前記ヘッドに搭載され、前記広帯域光源の光路とは別個の光路で、被測定物に直接に位置検出用の光を照射し、前記所定角度で被測定物から反射された位置検出用の光を直接に受けて、前記被測定物の位置を検出する構成にされたことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の三次元形状測定装置。
7. 前記対物レンズの光軸方向に直交する方向における、被測定物を移動させるＸＹ移動手段（２１）を備え、
   前記位置情報検出手段は、該ＸＹ移動手段による移動中における位置検出部からの出力を基に、該移動中における前記ヘッドと被測定物との間の距離の変動を検出し、
   前記光路長可変手段は、光路長を変化させる範囲を前記距離の変動分を含む範囲に変更して光路長を変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の三次元形状測定装置。
8. 広帯域光源（１）からの広帯域光を受けて、参照鏡に照射させる参照光路と被測定物の所望の測定範囲に照射させる測定光路とに分岐させ、該参照鏡及び該被測定物からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記広帯域光源と該光路形成部との間又は前記測定光路に前記被測定物へ向けて広帯域光を集光する前記対物レンズ（４）と、搭載したヘッドを備え、該光路形成部の出力を基に形状を測定する三次元形状測定装置による三次元形状測定方法において、
   前記広帯域光による前記形状を測定する前に、
   位置検出部により、前記被測定物へ位置検出用の光を直接に又は間接に照射し、被測定物から反射された反射光を受けて、前記ヘッドと被測定物との間の距離を検出する位置検出段階と、
   該位置検出段階で検出された前記ヘッドと被測定物との間の距離と、予め設定されている目標距離との距離差を求める位置情報抽出段階と、
   該位置情報抽出段階で求める距離差がゼロになるように前記対物レンズと前記被測定物との相対的距離を変更する光軸方向移動段階と、
   前記相対的距離が設定された後に、前記参照光路又は前記測定光路のいずれか一方の光路長を変更させる光路長可変段階と、
   該光路長の変化に応じて前記光路形成部の出力を前記測定範囲に亘って撮像する撮像段階と、
   前記撮像手段の出力から得られる、前記測定範囲の各点おける干渉縞が現れる光路長を検出する段階と、
   前記測定範囲の各点に対応して検出された光路長を基に、前記被測定物の形状の測定を行う測定段階とを備えたことを特徴とする形状測定方法。
   
   
   

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