JP3810749B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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
【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】
【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】
【数３】
【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】
【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。
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