JP3810749B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定面の形状を測定する形状測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
比較的鏡面に近く、且つ、起伏の少ない面形状を測定する方法として、被測定面の傾斜角度を測定し、得られた傾斜角度を積分することにより面形状を得る方法が広く用いられている。
【0003】
この方法を用いた従来の形状測定装置としては、例えば特開平8−261734号公報に開示されているようなものがあり、この従来の形状測定装置は、平行光束を変位させる手段とアフォーカル系をなす小口径のレンズと大口径のレンズとにより光束を被測定面上で走査する走査光学系を構成し、光束の走査方向の傾斜角度を測定するものである。
【0004】
ところが、正確な傾斜角度を測定するには、上記の小口径のレンズと大口径のレンズとに光源の波長に応じた数種の光学補正を施したり、このレンズを無色にしたりする必要があり、このような複数枚の特注レンズを用いて構成した走査光学系は、複雑且つ高価となってしまい形状測定装置が高価となる原因となっていたのが現状である。
【0005】
また,単に断面形状を得る方法として、触針式あるいは光触針式が広く利用されているが、この場合には測定に時間がかかるという欠点がある。
【0006】
本発明は、上述のような現状に鑑み、光源から放射される光束を光束変向手段により実時間で変向し、この光束変向手段により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラーで反射して被測定面と対向状態に設けた凹面ミラーを介して前記被測定面に入射すると共に、光束変向手段により変向角度を変化させることで前記被測定面上を走査し得るように走査光学系を構成し、前記光束変向手段と位置センサとは夫々前記平面ミラー若しくは被測定面を介して互いに凹面ミラーの共役点に設けることで、走査光学系に高価なレンズを用いることなく、レンズを用いた場合と同様に高速に被測定面の面形状を測定できるコスト安にして極めて実用性に秀れた形状測定装置を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【0008】
光源1から放射される光束を走査光学系を介して被測定面9に入射させ、この被測定面9により反射された前記光束を位置センサ6で確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置2で積分することにより被測定面9の形状を求める形状測定装置であって、光源1から放射される光束を光束変向手段3により実時間で変向し、この光束変向手段3により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラー5で反射して前記被測定面9と対向状態に設けた凹面ミラー4を介して前記被測定面9に入射すると共に、光束変向手段3により変向角度を変化させることで前記被測定面9上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段3と位置センサ6とは夫々前記平面ミラー5若しくは被測定面9を介して互いに凹面ミラー4の共役点に設けたことを特徴とする形状測定装置に係るものである。
【0009】
また、光源1から放射される光束を走査光学系を介して被測定面9に入射させ、この被測定面9により反射された前記光束を位置センサ6で確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置2で積分することにより被測定面9の形状を求める形状測定装置であって、光源1から放射される光束を光束変向手段3により実時間で変向し、この光束変向手段3により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラー5で反射して前記被測定面9と対向状態に設けた凹面ミラー4を介して前記被測定面9に入射すると共に、光束変向手段3により変向角度を変化させることで前記被測定面9上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段3を前記平面ミラー5を介して凹面ミラー4の一方の共役点に設け、この凹面ミラー4の他方の共役点を一方の共役点とするように設けられたレンズ8の他方の共役点に前記位置センサ6を前記被測定面9を介して設けたことを特徴とする形状測定装置に係るものである。
【0010】
また、前記凹面ミラー4を凹球面ミラーとし、この凹球面ミラーの曲率中心に前記光束変向手段3を配設し得るように、前記凹面ミラー4と一若しくは複数の平面ミラー5及び被測定面9とを配設したことを特徴とする請求項1,2のいずれか1項に記載の形状測定装置に係るものである。
【0011】
また、被測定面9で反射した光束を光束変向手段3で反射することで光源1に向かう光束を変向させ、その光束を位置センサ6に入射させるように構成したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の形状測定装置に係るものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
光源から放射される光束は、光束変向手段3により変向されて平面ミラー5で反射され、被測定面9と対向状態に設けた凹面ミラー4に入射し、この凹面ミラー4で反射されてこの凹面ミラー4と対向する被測定面9に入射する。
【0013】
この被測定面9で反射された光束を位置センサ6で確知して前記被測定面9の傾斜分布を求める。
【0014】
具体的には、前記光束変向手段3と位置センサ6とは夫々前記平面ミラー5若しくは被測定面9を介して互いに凹面ミラー4の共役点に設けているから、一方の共役点にある光束変向手段3の変向角度を変化させ、光束を被測定面9上で走査しても前記被測定面9が平坦であれば、この被測定面9で反射された光束は他方の共役点に収束する。
【0015】
即ち、前記被測定面9に平面ミラー5を設置した場合に前記位置センサ6に入射する光束のスポット位置を基準点とし、被測定面9により反射された光束のスポット位置と、前記基準点との差を前記光束を被測定面9上で走査しながら測定することで、前記被測定面9の傾斜分布を求めることができ、この傾斜分布を演算装置2で積分することにより被測定面9の形状を求めることができる。
【0016】
従って、安価な凹面ミラー4と平面ミラー5とを組み合わせた走査光学系を用いて、高価なレンズを用いて構成した走査光学系と同様にして前記被測定面9の形状を測定できることになる。
【0017】
また、例えば、前記凹面ミラー4のいずれかの共役点と、一方の共役点とが重なるように設けられたレンズ8の他方の共役点に前記位置センサ6を設けた場合には、前記凹面ミラー4の共役点に前記位置センサ6を配置できない場合であっても、レンズ8を利用して上述と同様に被測定面9の傾斜分布を測定できることになり、前記位置センサ6の取り付け位置を変更できることになり、測定感度を調節する目的で、このレンズを利用することもできる。
【0018】
また、例えば、前記凹面ミラー4を凹球面ミラーとし、この凹球面ミラーの曲率中心に光束変向手段3を配設できるように、前記凹面ミラー4と一若しくは複数の平面ミラー5及び被測定面9とを配設した場合には、前記一若しくは複数の平面ミラー5又は被測定面9から前記光束変向手段3に入射した光束の反射方向は、光束変向手段3の変向角度にかかわらず一定となる。
【0019】
即ち、一若しくは複数の平面ミラー5又は被測定面9から光束変向手段3に入射した光束の反射方向の直線上は、すべての点において凹面ミラー4の共役距離となるので、位置センサ6をその直線上に必要な測定感度に応じて配置できることになる。
【0020】
また、例えば、被測定面9で反射した光束を光束変向手段3で反射することで、光源1に向かう光束を変向させ、その光束を位置センサ6に入射させるように構成した場合には、一若しくは複数の平面ミラー5又は被測定面9からの光束が光束変向手段3で反射して光源1から放射された光束に接近して上述のレンズ8を用いても位置センサ6を配置できないような場合であっても、前記位置センサ6に測定に必要な光束だけを入射させることができることになる。
【0021】
従って、本発明は、走査光学系に高価なレンズを用いることなく、レンズを用いた場合と同様に高速に被測定面の面形状を測定できるコスト安にして極めて実用性に秀れた形状測定装置となる。
【0022】
【実施例】
図1,2,6は本発明の第一実施例、図3〜5は本発明の第二実施例を図示したものであり、以下に説明する。
【0023】
第一実施例は、光源1から放射される光束を走査光学系を介して被測定面9に入射させ、この被測定面9により反射された前記光束を位置センサ6で確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置2で積分することにより被測定面9の形状を求める形状測定装置であって、光源1から放射される光束を光束変向手段3により実時間で変向し、この光束変向手段3により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラー5で反射して前記被測定面9と対向状態に設けた凹面ミラー4を介して前記被測定面9に入射すると共に、光束変向手段3により変向角度を変化させることで前記被測定面9上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段3と位置センサ6とは夫々前記平面ミラー5若しくは被測定面9を介して互いに凹面ミラー4の共役点に設けたものである。
【0024】
光源1は、所定の光束を放射する光源であり、気体または半導体レーザ等の単色光源若しくはLED等の白色光源と、光束を被測定面9上で測定の目的に応じた径にするためのフォーカスレンズとを組み合わせたものを採用している。
【0025】
光束変向手段3は、光源1より放射された光束を実時間で変向させる手段であり、光束を被測定面9上でほぼ一定速度で走査させるために一定の変向角速度で光源より放射された光束を変向させるものである。
【0026】
具体的には、モータの回転軸に取り付けられた平面ミラー,ハーフミラー,ポリゴンミラーや,ガルバノスキャナ等が好適であり、第一実施例においてはハーフミラーを採用している。
【0027】
平面ミラー5は、光束変向手段3で反射した光束を凹面ミラー4に入射させるべく、この光束を変向させたり、凹面ミラー4で反射した光束を位置センサ6に入射させるべく、この光束を変向させるものである。
【0028】
凹面ミラー4は、一若しくは複数の平面ミラー5で反射した光束を被測定面9に入射させるべくこの光束を変向させたり、被測定面9で反射した光束を光束変向手段に入射させるべくこの光束を変向させるものである。
【0029】
この凹面ミラー4には、凹球面ミラーや楕円体凹面ミラーが好適であり、本実施例においては凹球面ミラーを採用している。
【0030】
位置センサ6は、凹面ミラー4はCCD素子,PSD,フォトダイオードアレイが好適であり、第一実施例においてはCCD素子を採用しているが、市販の光位置検出センサを採用しても良い。
【0031】
演算手段2は、位置センサ6で得られた信号に対し所定の演算を行う手段であり、具体的には以下のような処理をするものである。
【0032】
被測定面9上における光束の走査方向をx軸に取り、x軸方向の被測定面9の高さをz=z(x)とすると、
【数1】
である。ここでθ(x)は、被測定面9上の光束走査方向の座標xにおける被測定面9の傾斜である。第一実施例において傾斜分布はθ(x)を指す。
【0033】
もし、被測定面9が起伏の少ない滑らかな面であれば、θ≪1とできるので、このとき、
【数2】
である。従って、θ(x)の積分
【数3】
を実行すれば、光束走査方向の面形状を得ることができる。
【0034】
傾斜分布θ(x)は位置センサ6に入射する光束のスポット位置によって得る。
【0035】
位置センサ6は、被測定面9が完全な平坦ならば、もう一方の共役距離に配置された光束変向手段3が実時間で光束の方向を変化させても、位置センサ6に入射する光束のスポット位置は変化しない。
【0036】
被測定面が傾斜分布θ(x)を持てば、被測定面9に入射する光束は、座標xで平坦面における反射方向から2θ(x)異なる方向へ反射する。
【0037】
よって、被測定面9と位置センサ6の距離をL、位置センサ6の受光面における入射光束スポットの受光面中心からの位置をΔ(x)とすると、θ≪1のとき、Δ(x)=2θ(x)Lの関係がある。従って、位置センサ6によって得られたΔ(x)から、傾斜分布θ(x)を知ることができ、結局、
【数4】
を数値的に実行することにより、被測定面9の形状が得られる。
【0038】
第一実施例を更に具体的に図面に基づいて説明する。
【0039】
図1の光学系は、光源1と、光束変向手段3と、凹面ミラー4と、光束分離手段7と、位置センサ6とから成るものであり、凹面ミラー4は凹球面ミラーとし、光束変向手段3の光束変向中心Sが凹球面ミラーの曲率中心に配置されるとし、そのため、光源1より放射された光束は光束変向手段3の光束変向中心Sに入射する。
【0040】
このとき、光束変向中心Sで反射した光束は、光束変向手段3の光束変向角度にかかわらず、凹面ミラー4のミラー面Mに垂直に入射し、その光束は入射光束の方向へ正確に反射し、再び光束変向中心Sで反射し光源1の光束出射口へ向かう。
【0041】
光源1と光束変向手段3との間に、ハーフミラー等で構成される光束分離手段7を挿入し、光束変向中心Sから光源1へ向かう光束を分離し、位置センサ6に入射させたとき、光束変向手段3の光束変向角度にかかわらず、位置センサ6の受光面上のスポットは変位しないはずである。
【0042】
第一実施例は、図1の光学系の光束変向手段3と凹面ミラー4との中間に、平面ミラー5と被測定面9を挿入し、折りたたんだ構成(図2参照)をとる。具体的には、前記凹面ミラー4を凹球面ミラーとし、この凹球面ミラーの曲率中心に光束変向手段3を配設し得るように、前記凹面ミラー4と一若しくは複数の平面ミラー5及び被測定面9とを配設し、前記被測定面9を有する対象物を載置する測定ステージ10を設け、前記演算手段2を行う演算制御装置11を位置センサ6と連動させるように構成した構成である。尚、図中符号12は表示装置である。
【0043】
また、凹面ミラー4と平面ミラー5及び被測定面9の配置は、光路S1−R−MとM−Q−S2の長さが共に凹面ミラー4の曲率半径に等しくなるように行われる。このとき、凹面ミラー4は無収差となる。
【0044】
このとき、被測定面9の傾斜分布は、位置センサ6の受光面上の光束スポット位置の変化となって現れる。
【0045】
光源1より放射された光束は、光束変向手段3上の点S1に入射する。点S1で反射した光束は、平面ミラー5上の点Rで反射し、凹面ミラー4上の点Mに入射する。続いて、点Mで反射した光束は、被測定面9上の点Qで反射し、光束変向手段3上の点S2で反射し、位置センサ6に入射する。
【0046】
測定は、光束変向手段3の光束変向角を実時間で連続的に変化させることにより、光束を被測定面9上で走査させ行われる。1回の光束走査で、光束走査範囲の1つの断面形状を得る。
【0047】
この光束走査範囲は、平面ミラー5の光束走査方向の長さと、凹面ミラー4の光束走査方向の長さで決まる。これは、光束変向角が大きいと平面ミラー5若しくは凹面ミラー4から光束がはみ出てしまうからである。
【0048】
被測定面9が平坦のとき、光束変向手段3の光束変向角にかかわらず、光束変向手段3上の点S2の反射光束方向と、光源1の出射光束の方向を平行にできる。
【0049】
従って、位置センサ6は、点S2の反射光束方向ならばどこに配置しても良く、被測定面9が平坦のとき、受光面上のある点Pに光束のスポットがあるとすると、そのスポットは点Pより変位しない。
【0050】
被測定面9がある傾斜分布を持っており、被測定面9上の点Qで傾斜がθだとすると、位置センサ6の受光面上の光束スポット位置が点PからΔ=Ltan(2θ)だけ変位した点P’に移動する。ここでLは光路Q−S2−Pの長さである。
【0051】
光路長Lは、光束変向手段3の光束変向角により変化する。仮に、光束変向手段3上の点S2から被測定面9に下ろした垂線と被測定面9の交わる点までの距離をlとし、その垂線の方向で光束変向手段3の光束変向角φがφ=0となるように選ぶと(図6参照)、光路S2−Pの長さをl5とすれば、L=lcosφ+l5である。この補正は、演算制御装置11で行われるが、被測定面9上の光束走査範囲が、光束変向手段3と被測定面9間の光路Q−S2の長さに比べ小さければφ≪1でcosφ≒1とできるので、このとき光路長Lは一定であるとして良い。また、θ≪1ならば、位置センサ6の受光面上の光束スポット位置変位Δは、Δ=2θLで与えられる。この式より、測定感度は光路長Lに依存することがわかる。
【0052】
先に説明したとおり、位置センサ6は、点S2の反射光束方向ならばどこに配置しても良いので、光路長Lは必要な感度に応じて自由に決められる。
【0053】
位置センサ6により測定した変位は、演算制御装置11により数値積分され、被測定面9の断面形状が得られる。この数値積分開始の指令は、光束変向手段3より演算制御装置11に与えられ、光束変向手段3が所定の角度だけ回転すると数値積分が終了し、1つの断面形状が得られる。
【0054】
1つの断面形状を得るのにかかる時間は、光束変向手段3の回転数を1000rpmとし、被測定面9と光束変向手段3の距離を200mm、測定範囲を20mmとすると、約0.3msecと非常に高速である。
【0055】
この測定時間は光束変向手段3と位置センサ6と演算制御装置11の能力により、短くすることが可能である。1つの断面形状が得られると、演算制御装置11が測定ステージ10を光束走査方向と垂直の方向に移動させる。
【0056】
これを繰り返すことにより、被測定面9の形状が得られる。測定結果は表示装置12により可視化される。
【0057】
また、位置センサ6を2次元の位置センサとすれば、光束走査方向と垂直方向の被測定面9の面倒れ角を得られるので、演算制御装置11により測定ステージ10を制御し、被測定面9を所定の位置に定めることができる。
【0058】
第二実施例について説明すると図3と図4は、光源1から放射される光束を走査光学系を介して被測定面9に入射させ、この被測定面9により反射された前記光束を位置センサ6で確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置2で積分することにより被測定面9の形状を求める形状測定装置であって、光源1から放射される光束を光束変向手段3により実時間で変向し、この光束変向手段3により変向した光束を、一若しくは複数の平面ミラー5で反射して前記被測定面9と対向状態に設けた凹面ミラー4を介して前記被測定面9に入射すると共に、光束変向手段3により変向角度を変化させることで被測定面9上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段3を前記平面ミラー5を介して凹面ミラー4の一方の共役点に設け、前記凹面ミラー4の他方の共役点を一方の共役点とするように設けられたレンズ8の他方の共役点に前記位置センサ6を被測定面9を設けると共に、この被測定面9で反射した光束を光束変向手段3で反射することで、光源1に向かう光束を変向させ、その光束を位置センサ6に入射させるように構成したものである。尚、図4は図3の側面図である。
【0059】
被測定面9が大きいとき、第一実施例(図2の構成)では平面ミラー5が障害となり、被測定面9上の任意の個所を測定できない。この障害を取り除くために平面ミラー5を複数の平面ミラー5で構成する方法があるが、第二実施例は平面ミラー5と被測定面9の位置を図2の位置からずらし、光束変向手段3からの距離を異ならせる方法を用いたものである。
【0060】
即ち、光束変向手段3と位置センサ6は、それぞれ平面ミラー5と被測定面9を介して凹面ミラー4の共役距離に配置すればよいが(第一実施例)、図3と図4では位置センサ6を凹面ミラー4の共役点に配置できないときの構成を示しており、図3と図4の位置センサ6は、レンズ8の一方の共役距離に配置され、凹面ミラー4の一方の共役距離が光束分離手段7を介してレンズ8の他方の共役点となっている。
【0061】
光源1より放射された光束は、光束変向手段3上の点S1に入射する。点S1で反射した光束は、平面ミラー5上の点Rで反射し、凹面ミラー4上の点Mに入射する。続いて、点Mで反射した光束は、被測定面9上の点Qで反射し、光束変向手段3上の点S2で反射し、光束分離手段7上の点Bで方向を変えられ、レンズ8を経て位置センサ6に入射する。
【0062】
ここで仮に、凹面ミラー4の共役点が光束変向手段3上の点S1及びS2となるように光学系を構成したとすると、光路S1−R−MとM−Q−S2の長さは図2の場合と異なり等しくないが、その長さは凹面ミラー4の共役距離となる。
【0063】
また、レンズ8の中心点をZ、位置センサ6の受光面とレンズ8の光軸の交わる点をPとし、平坦な被測定面9を測定したとき位置センサ6の受光面上の点Pに光束が入射するように構成したとき、光路S2−B−Zの長さl1と光路Z−Pの長さl2はレンズ8の共役距離であり、レンズ8の倍率mはm=l2/l1である。
【0064】
上記の光学系で、被測定面9上の点Qの傾斜がθのとき、光路Q−S2の長さをLとして、凹面ミラー4の共役点S2における光束の変位は2θLである。
【0065】
従って、位置センサ6の受光面上における光束スポットの変位は、レンズ8の効果により、Δ=2mθLとなる。
【0066】
光路S1−R−Mの長さl3とM−Q−S2の長さl4が等しくなく、且つ凹面ミラー4が凹球面ミラーのとき、収差のためにΔに対して最低次で(d/r)2φ3の誤差を生ずる。ここでは、dはd=l3−l4,rは球凹面ミラーの曲率半径,φは光束変向手段3の光束変向角である(図6参照)。
【0067】
この誤差は、オプティカルフラット等の基準器であらかじめ測定し取り除くか、凹面ミラー4を楕円体凹面ミラーとすれば収差を生じない。
【0068】
その余は第一実施例と同様である。
【0069】
また、図5は、図3及び図4とは異なり、位置センサ6を被測定面9を介して凹面ミラー4の一方の共役距離に配置した第二実施例の別例である。このときの光束変向手段3は、ハーフミラーと回転するモータ,若しくはガルバノスキャナモータを組み合わせて利用する。被測定面9の面形状を得る方法は前述と同様である。
【0070】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したから、走査光学系に高価なレンズを用いることなく、レンズを用いた場合と同様に高速に被測定面の面形状を測定できる極めて実用性に秀れた形状測定装置となる。
【0071】
また、請求項2,3に記載の発明においては、位置センサの取り付け位置をより柔軟に変更することができる一層実用性に秀れたものとなる。
【0072】
また、請求項4に記載の発明においては、測定に必要な光束だけを位置センサに入射させることができるより一層実用性に秀れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第一実施例の概略説明図である。
【図2】第一実施例の説明斜視図である。
【図3】第二実施例の説明斜視図である。
【図4】第二実施例の説明側面図である。
【図5】第二実施例の別例の説明側面図である。
【図6】第一実施例の概略説明図である。
【符号の説明】
1 光源
2 演算装置
3 光束変向手段
4 凹面ミラー
5 平面ミラー
6 位置センサ
8 レンズ
9 被測定面
Claims (4)
- 光源から放射される光束を走査光学系を介して被測定面に入射させ、この被測定面により反射された前記光束を位置センサで確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置で積分することにより被測定面の形状を求める形状測定装置であって、光源から放射される光束を光束変向手段により実時間で変向し、この光束変向手段により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラーで反射して前記被測定面と対向状態に設けた凹面ミラーを介して前記被測定面に入射すると共に、光束変向手段により変向角度を変化させることで前記被測定面上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段と位置センサとは夫々前記平面ミラー若しくは被測定面を介して互いに凹面ミラーの共役点に設けたことを特徴とする形状測定装置。
- 光源から放射される光束を走査光学系を介して被測定面に入射させ、この被測定面により反射された前記光束を位置センサで確知して傾斜分布を測定し、得られた傾斜分布を演算装置で積分することにより被測定面の形状を求める形状測定装置であって、光源から放射される光束を光束変向手段により実時間で変向し、この光束変向手段により変向した光束が、一若しくは複数の平面ミラーで反射して前記被測定面と対向状態に設けた凹面ミラーを介して前記被測定面に入射すると共に、光束変向手段により変向角度を変化させることで前記被測定面上を走査し得るように前記走査光学系を構成し、前記光束変向手段を前記平面ミラーを介して凹面ミラーの一方の共役点に設け、この凹面ミラーの他方の共役点を一方の共役点とするように設けられたレンズの他方の共役点に前記位置センサを前記被測定面を介して設けたことを特徴とする形状測定装置。
- 前記凹面ミラーを凹球面ミラーとし、この凹球面ミラーの曲率中心に前記光束変向手段を配設し得るように、前記凹面ミラーと一若しくは複数の平面ミラー及び被測定面とを配設したことを特徴とする請求項1,2のいずれか1項に記載の形状測定装置。
- 被測定面で反射した光束を光束変向手段で反射することで光源に向かう光束を変向させ、その光束を位置センサに入射させるように構成したことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の形状測定装置。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2003068687A JP3810749B2 (ja) | 2003-03-13 | 2003-03-13 | 形状測定装置 |
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