JP4197339B2 - 3D shape measuring device - Google Patents

3D shape measuring device Download PDF

Info

Publication number
JP4197339B2
JP4197339B2 JP2006007440A JP2006007440A JP4197339B2 JP 4197339 B2 JP4197339 B2 JP 4197339B2 JP 2006007440 A JP2006007440 A JP 2006007440A JP 2006007440 A JP2006007440 A JP 2006007440A JP 4197339 B2 JP4197339 B2 JP 4197339B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical path
path length
measurement
imaging
irradiation position
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006007440A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2007187622A (en
Inventor
映治 辻村
利幸 松岡
雅也 菅井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anritsu Corp filed Critical Anritsu Corp
Priority to JP2006007440A priority Critical patent/JP4197339B2/en
Publication of JP2007187622A publication Critical patent/JP2007187622A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4197339B2 publication Critical patent/JP4197339B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、複数のスペクトル成分（以下、スペクトル成分を波長成分で表現する。）を有する広帯域光（例えば、白色光）の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（例えば、白色光）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（反射鏡）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一方の光路長を変化させ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三次元形状測定装置であって、光路長の変化を連続的に行って測定することにより、測定時間を短縮する技術に関する。   The present invention provides a three-dimensional measurement of the shape of an object to be measured three-dimensionally using an interference phenomenon of broadband light (for example, white light) having a plurality of spectral components (hereinafter, spectral components are expressed by wavelength components). The present invention relates to a shape measuring apparatus. In particular, one of the broadband light (eg, white light) is incident on a reference optical path having a reference mirror at the far end, and the other of the broadband light is incident on a measurement optical path having an object to be measured at the far end. ) And an interference unit (interferometer) that generates interference due to each return light from the object to be measured, based on the optical path length in which interference fringes obtained by changing the optical path length of either the reference optical path or the measurement optical path are generated. Furthermore, the present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the shape of an object to be measured, which relates to a technique for shortening the measurement time by continuously measuring the change in optical path length.

一般的に、上記の白色光源による干渉現象を用いた形状測定装置においては、参照光路と測定光路の双方の光路長が等しくなったときに、干渉縞が最大の輝度を示すことを利用している。つまり、参照光路又は測定光路のいずれか一方の光路長を変化させたときの干渉縞が最大の輝度を示す光路長の位置を、光路長変化方向における被測定物の変位として測定している。
しかし、従来から、参照光路と測定光路の双方の光路長が等しくなったこと、つまり、干渉縞が最大の輝度を示す光路長の位置を特定することが困難なことから、各種の工夫が凝らされている（特許文献１及び２）。 In general, in the shape measuring apparatus using the interference phenomenon by the white light source described above, the fact that the interference fringes exhibit the maximum luminance when the optical path lengths of both the reference optical path and the measurement optical path are equal is utilized. Yes. That is, the position of the optical path length at which the interference fringe exhibits the maximum luminance when the optical path length of either the reference optical path or the measurement optical path is changed is measured as the displacement of the object to be measured in the optical path length change direction.
However, conventionally, since the optical path lengths of both the reference optical path and the measurement optical path are equal, that is, it is difficult to specify the position of the optical path length at which the interference fringe exhibits the maximum luminance, various ideas have been elaborated. (Patent Documents 1 and 2).

特許文献１においては、撮像手段により、被測定物のある測定点における光路長の変化に対応する干渉縞を撮像し、その撮像データから干渉縞が最大輝度となる（ピークとなる）光路長の位置（或いは、光路長の変化量でもある。以下、「ピーク位置」と言う。）を直接に検出している。しかも、そのピークを逃すことのないように、光路長の変化に対して（或いは、光路長が変化する時間に対して）十分高い密度でデータを取得する必要がある。   In Patent Document 1, an imaging device captures an interference fringe corresponding to a change in the optical path length at a measurement point of the object to be measured, and the interference fringe has the maximum luminance (peaks) from the imaging data. The position (or the change amount of the optical path length, hereinafter referred to as “peak position”) is directly detected. Moreover, it is necessary to acquire data at a sufficiently high density with respect to the change in the optical path length (or with respect to the time during which the optical path length changes) so as not to miss the peak.

ところで、一般には、図１１に示すように測定系の応答遅れがあると、遅れのない正常な干渉縞波形に対して、ピーク値が下がり、時間遅れした波形を生ずる。特許文献１の技術では、そのために、光路長の変化速度を、撮像手段等を含む測定系の応答等の問題がないような十分遅い速度で変化させるとともに、密度高くしていかなければならない。そうすると、測定時間が長くなるという問題があった。   By the way, in general, as shown in FIG. 11, when there is a response delay of the measurement system, a peak value is lowered and a time delayed waveform is generated with respect to a normal interference fringe waveform without delay. In the technique of Patent Document 1, therefore, the change speed of the optical path length must be changed at a sufficiently slow speed so that there is no problem such as the response of the measurement system including the imaging means and the density must be increased. Then, there was a problem that the measurement time became long.

特許文献２の技術は、光路長の変化を所定の距離ずつ（サンプリングピッチ毎に）段階的に変化させ、その変化した所定の距離毎に、撮像した離散的な撮像データ及びその微分値（差分値）を基に、演算によりピーク位置を求めている。そして、特許文献２の技術は、上記したような測定系の応答遅れを防止するために、図１２に示すように、光路長を変化させる時間に対して段階的に光路長を変化させて設定するとともに、測定系が応答するに十分な整定時間を設けて、その整定時間後に、サンプリングした撮像データを取得し、さらに同様に次々と整定時間を設定してデータを取得する。そして、全部、取得後にそれらのデータを基に離散的な処理演算によりピーク位置を求めている。   The technique of Patent Document 2 changes the optical path length step by step by a predetermined distance (for each sampling pitch), and takes discrete imaged data and its differential value (difference) for each changed predetermined distance. Value) to obtain the peak position by calculation. The technique of Patent Document 2 is set by changing the optical path length stepwise with respect to the time for changing the optical path length, as shown in FIG. 12, in order to prevent the response delay of the measurement system as described above. At the same time, a settling time sufficient for the measurement system to respond is provided, and after the settling time, the sampled imaging data is acquired, and similarly, the settling time is successively set to acquire the data. Then, after the acquisition, the peak position is obtained by discrete processing calculation based on these data.

したがって、特許文献２の技術においても、それらの整定時間が必要になるため、測定時間が長くなる。   Therefore, also in the technique of Patent Document 2, since the settling time is required, the measurement time becomes long.

特開平１−２８８７０２号公報JP-A-1-288702 特許第３２２０９５５号公報Japanese Patent No. 3220955

上記、特許文献２の問題をクリアして、より測定時間を短縮するためには、参照光路又は測定光路のいずれかの一方の光路長を連続して、しかも、測定系の応答より早く変化させて測定する必要がある。その場合、次のような問題がある。
（１） 上記の測定系の応答の問題
これは、上記したように撮像手段の応答遅れによるものである。原因としては、撮影手段としてカメラを用いた場合、そのカメラを構成する素子（ＣＣＤ，ＣＭＯＳ等）で信号（データ）が蓄積される。その蓄積時間のため、結果として干渉縞の遅延として現れる。図１１に示すように、撮像手段の遅れに対して、光路長の変化速度が速いと干渉縞の時間遅れ、振幅の減少が生じる。撮像手段が、光路長の変化速度に比べて、十分短い（蓄積）時間で撮影可能なカメラであれば時間遅れの影響を避けることができるが、そのようなカメラは、Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）が不足することが多い。Ｓ／Ｎを改善するには、白色光による高輝度の照明が必要になる。
（２） 光路長を連続変化させながら測定するにしても、撮像手段により撮影する取得タイミングは、所定間隔（時間間隔又は光路長間隔）になる。そして、被測定物の表面の測定範囲（測定光路が照射する範囲）の各照射点（測定点）を同時に撮像できることが望ましい。しかし、安価に入手できるＣＭＯＳタイプのカメラは、ＥＲＳ式（電子式ローリングシャッター方式）が主流であり、撮像手段を構成する撮像素子を走査（スキャン）して測定することになるので、被測定物の測定範囲の各照射点において、同時に測定できないで、いくらか照射点によって時間ズレが生じ、そのままでは、平坦な被測定物の表面であっても、そのズレによって傾斜があるかのように測定されてしまう。つまり、測定の非同時性が問題になってくる。なお、同時性が確保できるカメラであれば問題はない。 In order to clear the above-mentioned problem of Patent Document 2 and further shorten the measurement time, either one of the optical path lengths of the reference optical path or the measurement optical path is changed continuously and more quickly than the response of the measurement system. Need to be measured. In that case, there are the following problems.
(1) The problem of the response of the above measurement system This is due to the response delay of the imaging means as described above. As a cause, when a camera is used as the photographing means, signals (data) are accumulated in elements (CCD, CMOS, etc.) constituting the camera. Due to the accumulation time, it appears as a delay of interference fringes as a result. As shown in FIG. 11, when the change speed of the optical path length is fast with respect to the delay of the imaging means, the time delay of the interference fringes and the amplitude decrease occur. If the imaging means is a camera that can shoot in a sufficiently short (accumulation) time compared to the speed of change of the optical path length, the influence of time delay can be avoided. The noise ratio is often insufficient. In order to improve the S / N, high brightness illumination with white light is required.
(2) Even if the measurement is performed while continuously changing the optical path length, the acquisition timing for imaging by the imaging means is a predetermined interval (time interval or optical path length interval). It is desirable that each irradiation point (measurement point) in the measurement range (the range irradiated by the measurement optical path) on the surface of the object to be measured can be imaged simultaneously. However, CMOS type cameras that can be obtained at low cost are mainly ERS type (electronic rolling shutter system), and measurement is performed by scanning an image sensor that constitutes the imaging means. At each irradiation point in the measurement range, it is impossible to measure at the same time, and some time deviation occurs due to the irradiation point, and even if it is the surface of the flat object to be measured, it is measured as if there is an inclination due to the deviation. End up. In other words, measurement asynchrony becomes a problem. There is no problem as long as the camera can ensure simultaneity.

本発明の目的は、上記（１）又は／及び（２）の問題を解決し、光路長を連続して高速で変化させて形状測定を行える技術を提供することである。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problem (1) and / or (2) and to provide a technique capable of measuring a shape by continuously changing the optical path length at a high speed.

上記目的と達成するために、次の手段を備えた。
ａ）光路長を変化させつつ、撮像手段が測定範囲の各照射点をほぼ同時に撮像する構成とすれば、上記のような撮像手段による遅れは、各照射点に同程度生ずることになる。そこで、本発明では、被測定物の測定範囲の各照射点において測定された干渉縞が生ずる光路長、例えば、ピークが生ずる光路長の位置（上記のようにピークに着眼して説明しているときは「ピーク位置」と言うことがあり、光路長に着眼して説明するときは「特定光路長」と言う。光路長を所定起点から変化させればその起点からの「光路長変化量」でもある。）を基に、その内の一照射点の特定光路長と他の照射点の特定光路長との差を求めることにより、撮像手段の遅れの影響を軽減する構成とした。 In order to achieve the above object, the following means are provided.
a) If the image pickup means picks up each irradiation point in the measurement range almost simultaneously while changing the optical path length, the delay caused by the image pickup means as described above will occur to the same extent at each irradiation point. Therefore, in the present invention, the optical path length at which the interference fringe is measured at each irradiation point in the measurement range of the object to be measured, for example, the position of the optical path length at which the peak is generated (the above description is focused on the peak as described above). Sometimes it is referred to as “peak position”, and when focusing on the optical path length, it is referred to as “specific optical path length.” If the optical path length is changed from a predetermined starting point, the “optical path length change amount” from that starting point. Based on the above, the difference between the specific optical path length of one irradiation point and the specific optical path length of the other irradiation point is obtained to reduce the influence of the delay of the imaging means.

ｂ）上記の非同時性の問題については、補正又は測定方法により、非同時性によるズレを防止する構成とした。   b) Regarding the above-mentioned problem of asynchrony, a configuration in which a shift due to asynchrony is prevented by a correction or measurement method is adopted.

具体的には、請求項１に記載の発明は、広帯域スペクトル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、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記参照光路又は前記測定光路の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を所定時間間隔で撮像する撮像手段（１０）と、備え、該撮像手段によって出力される前記撮像信号から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長に応じて生ずる干渉縞に基づいて前記被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置において、前記光路長可変手段は、前記光路長を連続変化させている過程で生ずる前記干渉縞の変化に対する前記撮像手段が有する蓄積時間による応答遅れが、該干渉縞の周期の１／２よりも短い時間となる速度で該光路長を連続的に変化させる構成とされ、さらに、前記光路長可変手段が前記光路長を連続的に変化させ、前記撮像手段によって撮像された撮像信号から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長が等しくなるときの被測定物の測定面に対して垂直方向の光路長変化量を求める光路長検出手段（１４）と、前記光路長検出手段によって出力される、１つの照射位置の光路長変化量と他の照射位置の光路長変化量との差を基に、各照射位置の相対的変化を求める変位算出手段（１５）と、を備えた。 Specifically, the invention described in claim 1 is a broadband light source (1) that outputs broadband light having a broadband spectrum, a measurement optical path in which the broadband light is arranged with a reference optical path having a reference mirror and a device under test. An optical path forming unit (5) that divides and irradiates the reflected light from the reference mirror and outputs the reflected light from each irradiation position of the irradiation range irradiated with the object to be measured. And an optical path length varying means (8) for changing the optical path length of the reference optical path or the measurement optical path, and an output from the optical path forming unit according to a change in the optical path length by the optical path length varying means. And imaging means (10) for imaging in accordance with the interference fringes generated according to the optical path length of the reference optical path and the optical path length of the measurement optical path obtained from the imaging signal output by the imaging means 3D shape measurement for measuring the shape of objects In the apparatus, the optical path length changing means, the response delay due to the accumulation time during which the imaging means have with respect to a change in the interference fringes caused the optical path length in the process that is continuously changed, than 1/2 of the period of the interference fringes The optical path length is continuously changed at a speed that becomes a short time, and further , the optical path length variable means continuously changes the optical path length and is obtained from the imaging signal imaged by the imaging means. Optical path length detection means (14) for obtaining an optical path length change amount in a direction perpendicular to the measurement surface of the object to be measured when the optical path length of the reference optical path and the optical path length of the measurement optical path are equal, and the optical path length detection means Displacement calculating means (15) for obtaining a relative change of each irradiation position based on the difference between the optical path length change amount at one irradiation position and the optical path length change amount at another irradiation position, which is output by It was.

請求項２に記載の発明は、前記撮像手段は前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、前記光路長検出手段又は前記変位演算手段は、前記撮像手段が前記照射範囲の最初の撮像照射位置を起点として各照射位置を走査するまでの時間に変化する光路長差を記憶しておき、前記各照射位置における前記光路長変化量を、又は照射位置における変位を前記光路長差で補正する構成とした。 According to a second aspect of the present invention, the imaging unit scans and images each irradiation position of the irradiation range, and the optical path length detection unit or the displacement calculation unit is configured so that the imaging unit has the irradiation range. The optical path length difference that changes in time until each irradiation position is scanned starting from the first imaging irradiation position is stored, and the optical path length change amount at each irradiation position or the displacement at the irradiation position is defined as the optical path. It was set as the structure corrected with a long difference.

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記撮像手段は前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、前記変位演算手段は、前記照射範囲の中の所望の測定範囲の各照射位置の変位を求めるにあたって、前記所望の測定範囲に近接する一部の照射範囲内の各照射位置における前記光路長変化量を基に基準となる光路長変化量を求め、その求めた基準となる光路長変化量と、前記所望範囲の各照射位置における光路長変化量との相対的な差を求める構成とした。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the imaging unit is a unit that scans and images each irradiation position of the irradiation range, and the displacement calculation unit is configured to detect the irradiation range. When determining the displacement of each irradiation position in the desired measurement range, the optical path length change amount serving as a reference based on the optical path length change amount at each irradiation position in a part of the irradiation range close to the desired measurement range And the relative difference between the obtained optical path length change amount as a reference and the optical path length change amount at each irradiation position in the desired range is obtained.

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光路長可変手段は、前記参照光路又は前記測定光路の光路長を伸ばす方向の往路と伸ばした光路長を縮める方向の復路に、それぞれ同一速度で往復して連続変化させ、前記撮像手段は、前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、前記画像形成手段の往路の出力と復路の出力を撮像し、前記光路長検出手段は、前記撮像手段が出力する往路と復路の２回のデータを平均した平均データを基に各照射位置における光路長変化量として表す構成とした。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the optical path length varying means includes a forward path in a direction of extending the optical path length of the reference optical path or the measurement optical path and a return path in a direction of shortening the extended optical path length. In addition, the imaging unit is a unit that scans and images each irradiation position in the irradiation range, and images the forward path output and the backward path output of the image forming unit. The optical path length detection means is configured to represent the optical path length change amount at each irradiation position based on average data obtained by averaging two data of the forward path and the return path output from the imaging means.

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ほぼ単波長成分の参照光を出力するコヒーレント光源（１１）と、該参照光を前記広帯域光に合波して前記光路形成部に入射させる合成部（１２）と、を備え、前記光路長検出手段は、前記撮像手段から広帯域光による干渉縞とともに出力される、前記参照光による干渉縞の繰り返し又はその位相変化を基準として、前記照射範囲の各照射位置の光路長変化量を表す構成とした。 According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the coherent light source (11) that outputs a reference light having a substantially single wavelength component, and the optical path formation by combining the reference light with the broadband light. The optical path length detecting means is output together with the interference fringes due to the broadband light from the imaging means, based on the repetition of the interference fringes due to the reference light or the phase change thereof. The optical path length variation at each irradiation position in the irradiation range is represented.

請求項６に記載の発明は、広帯域スペクトル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、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、前記参照光路又は前記測定光路の光路長を連続可変する光路長可変手段（８）と、該光路長可変手段による該光路長の可変に応じた所定時間間隔で、前記光路形成部からの出力を撮像する撮像手段（１０）と、備え、該撮像手段の出力から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長に応じて生ずる干渉縞に基づいて前記被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置において、前記光路長可変手段は、前記光路長を連続変化させたときに生ずる前記干渉縞の変化に対する前記撮像手段が有する蓄積時間による応答遅れが、該干渉縞の周期の１／２よりも短い時間となる速度で該光路長を連続的に変化させる構成とされ、前記所定時間間隔は、少なくとも前記撮像手段の蓄積時間を超える時間間隔であり、さらに、該光路長が連続変化したときに前記撮像手段からの所定時間間隔の出力を基に前記干渉縞のピークが生ずる前記所定時間間隔上の時間位置を決定し、該時間位置に対する光路長を前記各照射位置の特定光路長として表す光路長検出手段（１４）と、前記光路長検出手段によって出力される、１つの照射位置の前記特定光路長と他の照射位置の前記特定光路長との差を基に、各照射位置の相対的変化を求める変位算出手段（１５）と、を備えた三次元形状測定装置。 According to the sixth aspect of the present invention, a broadband light source (1) that outputs broadband light having a broadband spectrum, and the broadband light is split into a reference optical path having a reference mirror and a measurement optical path in which an object to be measured is arranged. An optical path forming unit (5) for combining and outputting the reflected light from the reference mirror and the reflected light from each irradiation position of the irradiation range irradiated by the object to be measured; and the reference optical path Alternatively, the optical path length varying means (8) for continuously varying the optical path length of the measurement optical path, and imaging for imaging the output from the optical path forming section at predetermined time intervals according to the variation of the optical path length by the optical path length varying means Means (10), and a three-dimensional shape for measuring the shape of the object to be measured based on the optical path length of the reference optical path obtained from the output of the imaging means and the interference fringes generated according to the optical path length of the measurement optical path In the measuring apparatus, the optical path length varying means , The response delay due to the storage time included in the imaging means with respect to a change in the interference fringes generated when obtained by continuously changing the optical path length, the optical path length at a rate which is a time shorter than 1/2 of the period of the interference fringes The predetermined time interval is a time interval that exceeds at least the accumulation time of the imaging means, and further, when the optical path length continuously changes , the predetermined time interval from the imaging means Optical path length detection means (14) for determining a time position on the predetermined time interval at which the interference fringe peak occurs based on an output, and expressing the optical path length with respect to the time position as a specific optical path length of each irradiation position; output by the optical path length detecting means, based on a difference between the specific optical path length of the particular optical path length of one irradiation position and the other irradiation position, the displacement calculating means for calculating a relative change of each irradiation position (15 When, three-dimensional shape measuring apparatus equipped with a.

請求項１又は請求項６に記載の発明によれば、干渉縞のデータ変化に対する撮像手段の応答遅れがあったとしても、前期被測定物の一照射位置の特定光路長と他の特定光路長との差を基に、各照射位置の相対的変位を求める構成であるから、応答遅れによる測定結果への悪影響を軽減して、早い速度の光路長変化で測定できる。 According to the first or sixth aspect of the invention, even if there is a delay in the response of the imaging means to the interference fringe data change, the specific optical path length at one irradiation position of the previous measurement object and the other specific optical path length Thus, the relative displacement of each irradiation position is obtained based on the difference between the two, and the adverse effect on the measurement result due to the response delay can be reduced, and the measurement can be performed with a fast change in the optical path length.

請求項２に記載の発明は、照射範囲における各照射位置の間における撮像手段に固有な時間差で補正できる構成としたことから、撮像手段の操作による非同時性の影響を防止できる。 According to the second aspect of the present invention, since the correction can be made with the time difference specific to the imaging means between the respective irradiation positions in the irradiation range, the influence of asynchrony due to the operation of the imaging means can be prevented.

請求項３に記載の発明は、所望の測定範囲が照射範囲の中に在る場合は、所望の測定範囲の周辺にあるデータを基に基準の特定光路長を求めて、それと所望の測定範囲の各照射位置の特定光路長との差から変位を求める構成としたから、撮像手段の走査による非同時性の影響を防止できる。 According to the third aspect of the present invention, when the desired measurement range is within the irradiation range, the reference specific optical path length is obtained based on the data around the desired measurement range, and the desired measurement range is obtained. Since the displacement is obtained from the difference from the specific optical path length of each irradiation position , it is possible to prevent the influence of asynchrony due to the scanning of the imaging means.

請求項４に記載の発明は、光路長可変の往路と復路とで測定した特定光路長の平均としたことから、撮像手段の走査による非同時性の影響を防止できる。 According to the fourth aspect of the present invention , the average of the specific optical path lengths measured in the forward path and the return path with variable optical path lengths is used, so that it is possible to prevent the influence of asynchrony due to scanning of the imaging means.

請求項５に記載の発明は、ほぼ単一な波長の光源による干渉縞をスケールとして、特定光路長を校正できる構成としたことから、より精度良く変位（形状）測定できる。 According to the fifth aspect of the present invention, the displacement (shape) can be measured with higher accuracy because the specific optical path length can be calibrated using the interference fringes by the light source of substantially single wavelength as a scale.

本発明に係る実施形態を図を用いて説明する。図１は、実施形態の機能構成を示す図である。図２は、図１の実施形態による白色光の干渉縞の測定例を説明するための図である。図３は、図１の信号処理手段２０を非同時性の問題を解決するために変形した種々の形態を示す図である。図４は、カメラ１０による非同時性を補正するための説明のための図である。図５は、測定の基準点を選定することにより非同時性の影響を防止することを説明するための図である。図６は、往復測定することにより非同時性の影響を防止することを説明するための図である。図７は、ピエゾ８に代わる光路長可変手段の例である。図８は、光路長可変の方法の他の例である。図９は、図１の実施形態にＨｅ−Ｎｅレーザー１１を用いて、特定波長を校正する形態を説明するための機能構成を示す図である。図１０は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１１を用いたときの、信号処理手段２０の動作を説明するための図である。   An embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a functional configuration of the embodiment. FIG. 2 is a diagram for explaining a measurement example of white light interference fringes according to the embodiment of FIG. 1. FIG. 3 is a diagram showing various modifications of the signal processing means 20 of FIG. 1 in order to solve the problem of asynchrony. FIG. 4 is an explanatory diagram for correcting the asynchrony by the camera 10. FIG. 5 is a diagram for explaining that the influence of asynchrony is prevented by selecting a measurement reference point. FIG. 6 is a diagram for explaining that the influence of asynchrony is prevented by performing reciprocal measurement. FIG. 7 shows an example of an optical path length varying means that replaces the piezo 8. FIG. 8 shows another example of a method for varying the optical path length. FIG. 9 is a diagram showing a functional configuration for explaining a mode in which a specific wavelength is calibrated by using the He—Ne laser 11 in the embodiment of FIG. 1. FIG. 10 is a diagram for explaining the operation of the signal processing means 20 when the He—Ne laser 11 is used.

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について説明する。以下、実施形態を「構成と動作」、「２．非同時性の解決」、及び「３．構成の変形例」に分けて説明する。   A case where interference fringes are generated and three-dimensional shape data is acquired will be described with reference to FIG. Hereinafter, the embodiments will be described by dividing them into “configuration and operation”, “2. resolution of asynchrony”, and “3.

「１．構成と動作」
図１の光源１は、広帯域に亘る多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出射する光源であって、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２からの白色光（広帯域光）を集光してビームスプリッター３へ送る。ビームスプリッター３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、白色光を集光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、一つは測定光として被測定物７へ送り（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。）、他の一つは参照光として参照鏡６へ送る（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。）。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さとされている。
ビームスプリッター５は、ハーフミラーで構成することともできる。 "1. Configuration and operation"
The light source 1 in FIG. 1 is a light source that emits broadband light having a large number of wavelength components over a wide band and low coherency. Here, for example, a white light source is used. The collimator lens 2 collects the white light (broadband light) from the light source 2 and sends it to the beam splitter 3. The beam splitter 3 converts the direction of white light and sends it to the objective lens 4. The objective lens 4 condenses the white light and sends it to the beam splitter 5 (optical path forming unit). The beam splitter 5 branches the white light received from the objective lens 4 in two directions, and one is sent as measurement light to the measurement object 7 (the optical path from the beam splitter 5 to the measurement object 7 is used as a measurement optical path). The other one is sent as reference light to the reference mirror 6 (the optical path from the beam splitter 5 to the reference mirror 6 is taken as the reference optical path). In this example, the distance between the beam splitter 5 and the reference mirror 6 is fixed, that is, the optical path length of the reference optical path is fixed.
The beam splitter 5 can also be constituted by a half mirror.

測定光路は、被測定物７の表面上の測定したい所望の照射範囲を同時に照射する構成にされている。   The measurement optical path is configured to simultaneously irradiate a desired irradiation range to be measured on the surface of the object 7 to be measured.

被測定物７は、ピエゾ８の上に搭載されている。ピエゾ８は、電圧で駆動される圧電素子で構成され、光路長制御手段１６からの指示により、連続的に、被測定物７をＸＹ平面（図１の紙面に直交する面）に対してＺ軸方向（図１の紙面の上下方向）へ変化（移動）させることにより測定光路の光路長を連続的に一定速度で可変制御する（便宜上、一定速度として説明するが、後記するように必ずしも一定である必要はない。）。   The DUT 7 is mounted on the piezo 8. The piezo 8 is composed of a piezoelectric element driven by a voltage, and in accordance with an instruction from the optical path length control means 16, the measured object 7 is continuously Z with respect to the XY plane (a plane orthogonal to the paper surface of FIG. 1). The optical path length of the measurement optical path is continuously variably controlled at a constant speed by changing (moving) in the axial direction (the vertical direction of the paper in FIG. 1). Need not be.)

なお、本発明における光路長の連続的変化（或いは、連続変化）は、次のように段階的に変化させる場合も含まれる。つまり一定間の細かい時間隔おきに一定の細かい距離づつ、ステップで変化させる。つまり細かい距離ステップで変化させて実質的に連続的に変化させる場合も含まれる。このように連続変化には、後述するように、カメラ１０（撮像手段）で所定時間間隔（タイミング）で撮像され、データが取得されるが、その時間間隔で変化させる光路長変化の間隔に比べて、相対的に狭い距離間隔でステップ状に変化される態様が含まれる。この場合の所定時間間隔には、従来技術で説明した整定時間は含まれていない。   In addition, the continuous change (or continuous change) of the optical path length in the present invention includes a case where the optical path length is changed stepwise as follows. In other words, it is changed in steps by a certain fine distance at regular time intervals. That is, a case where the distance is changed in a minute distance step and changed substantially continuously is also included. As described later, the continuous change is captured at a predetermined time interval (timing) by the camera 10 (imaging means) and data is acquired, but compared with the optical path length change interval changed at the time interval. Thus, a mode in which the step is changed in a relatively narrow distance interval is included. In this case, the predetermined time interval does not include the settling time described in the related art.

ピエゾ８は、ビームスプリッター５の固定位置に対して、光路長制御手段１６の制御によって、測定光路の光路長を変化させる手段（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化させ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、参照光路の光路長を変化させる構成にしても可能である。   The piezo 8 is means (optical path length variable means) for changing the optical path length of the measurement optical path with the control of the optical path length control means 16 with respect to the fixed position of the beam splitter 5. Here, the description will be made by fixing the optical path length of the reference optical path and changing the optical path length of the measurement optical path. However, in order to generate the interference fringes described later, the piezo 8 is attached to the reference mirror 6 and the measurement optical path is fixed. The optical path length of the reference optical path can be changed.

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てカメラ１０へ入力される。このとき、光路長制御手段１６からの指示で、ピエゾ８が測定光路の光路長を変化させる距離（或いは、変化させる所定の時間）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１３に記憶される。このとき、測定光路は、上記のように被測定物７の所望の照射範囲を同時に照射する構成にされているので、照射範囲の各照射位置、つまり測定したい位置（以下、「測定位置」と言う。）からの戻り白色光に対応する干渉縞が撮像される。   Each white light reflected from the reference mirror 6 and the object to be measured 7 (hereinafter sometimes referred to as “return white light”) is combined (combined) by the beam splitter 5 and further collected by the objective lens 4. The light passes through the beam splitter 3, is converted into parallel light by the imaging lens 9, and is input to the camera 10. At this time, in response to an instruction from the optical path length control means 16, the camera 10 returns and captures white light according to the distance (or a predetermined time during which the piezo 8 changes the optical path length of the measurement optical path). Interference fringes due to the returning white light are imaged. The captured interference fringes are stored in the memory 13. At this time, since the measurement optical path is configured to irradiate the desired irradiation range of the DUT 7 as described above, each irradiation position of the irradiation range, that is, a position to be measured (hereinafter referred to as “measurement position”). The interference fringes corresponding to the returning white light from the above are imaged.

なお、図１の光学系の変形としては、測定光路と参照光路のそれぞれに対物レンズを配置する光学系を構成することもできるので、本発明は、図１の光学系に限らない。以下の説明は、図１に沿って説明する。   As a modification of the optical system in FIG. 1, an optical system in which an objective lens is arranged in each of the measurement optical path and the reference optical path can be configured. Therefore, the present invention is not limited to the optical system in FIG. 1. The following description will be given with reference to FIG.

メモリ１３は、光路長制御手段１６が所定時間間隔のタイミング信号を生成してピエゾ８へ時間間隔に応じて光路長を変化させる指示をするので、そのタイミング信号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、記憶する。例えば、光路長が時間的に直線的に連続して変化するのであれば、タイミング信号の時間間隔をアドレスとして撮像データを記憶する。これらのタイミング進行方向（つまりアドレス方向）が、Ｚ軸方向を表すことになる。そのとき、その撮像データを測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）と合わせて記憶する。測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）の情報は、カメラ１０の撮像素子の位置に対応したＸＹ方向の画素の位置である。このようにメモリ１３に記憶されているので、例えば、そのメモリ１３から、このアドレス順に撮像データを取り出して再現すれば、図２（Ａ）のような干渉縞のデータが得られる。   Since the optical path length control means 16 generates a timing signal at a predetermined time interval and instructs the piezo 8 to change the optical path length in accordance with the time interval, the memory 13 returns white light imaging data at the timing of the timing signal. (Returns to brightness data indicating the brightness of white light) is captured and stored. For example, if the optical path length changes linearly in time, the imaging data is stored using the time interval of the timing signal as an address. These timing advance directions (that is, address directions) represent the Z-axis direction. At that time, the imaging data is stored together with the measurement position (Xm, Yp). The information on the measurement position (Xm, Yp) is the position of the pixel in the XY direction corresponding to the position of the image sensor of the camera 10. Since the data is stored in the memory 13 in this way, for example, if the imaging data is extracted from the memory 13 in the order of the addresses and reproduced, the interference fringe data as shown in FIG. 2A can be obtained.

図２（Ａ）の干渉縞のほぼ中央のピークの位置が、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、干渉縞の間隔は、白色光（広帯域光）有する帯域の中心のほぼ１／２になる。また、図２（Ａ）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。   The position of the peak at the center of the interference fringes in FIG. 2A is a case where the optical path length of the reference optical path and the optical path length of the measurement optical path are the same. Further, the interval between the interference fringes is approximately ½ of the center of the band having white light (broadband light). Further, the spread of the interference fringes in FIG. 2A in the optical path length direction depends on the degree of coherency of white light. The lower the coherency, the narrower the spread.

なお「ピーク位置」（或いは、「ピークの位置」）については、上記に定義しているが、白色光による干渉縞の輝度（振幅）が最大（以下、「ピーク」と言う。）となる図２（Ａ）の横軸上の位置であって、横軸は、測定光路の光路長方向（図１のＺ軸方向：図１の紙面の上下方向）であり、また光路長を変化させるときの時間軸方向（カメラ１０により所定時間間隔で撮像されるときの時間軸方向）である。   The “peak position” (or “peak position”) is defined above, but the luminance (amplitude) of the interference fringes due to white light is maximum (hereinafter referred to as “peak”). 2 (A) is a position on the horizontal axis, and the horizontal axis is the optical path length direction of the measurement optical path (the Z-axis direction in FIG. 1: the vertical direction of the paper in FIG. 1), and when the optical path length is changed The time axis direction (time axis direction when images are captured by the camera 10 at predetermined time intervals).

信号処理手段２０は、光路長検出手段１４と変位演算手段１５とを備えている。光路長検出手段１４は、メモリ１３から、例えば測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）における撮像データを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を検出してそのピークの現れる時間位置を特定光路長として決定する。具体的には、先ず、そのピークにおけるアドレス位置（タイミング）、つまり所定の時間間隔における時間位置を決定する（図２（Ａ）のｔ１）。そして、さらに、光路長制御手段１６が一定の時間間隔に対して光路長を変化させる光路長変化速度から、時間位置（ｔ１）に対する光路長を決定し、それを特定光路長Ｚ１とする（図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照）。同様に、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特定光路長Ｚｓを求める。   The signal processing means 20 includes an optical path length detection means 14 and a displacement calculation means 15. The optical path length detection unit 14 reads out the imaging data at the measurement position (Xm, Yp), for example, from the memory 13 in the order of addresses, detects the peak as the position of the interference pattern of white light, and specifies the time position at which the peak appears. Determine as the optical path length. Specifically, first, an address position (timing) at the peak, that is, a time position at a predetermined time interval is determined (t1 in FIG. 2A). Further, the optical path length control means 16 determines the optical path length with respect to the time position (t1) from the optical path length change speed at which the optical path length is changed for a certain time interval, and sets it as the specific optical path length Z1 (FIG. 2 (see (A) and (B)). Similarly, the interference fringes are similarly measured at the reference measurement position (Xs, Ys), and the specific optical path length Zs indicating the peak value at that time is obtained.

なお、図２（Ｂ）は、光路長制御手段１６がピエゾ８に対して制御する、時間変化に対する光路長変化を示す（光路長を変化させる速度でもある。）。図２（Ｂ）の横軸は時間でもあるが、基準位置（光路長を変化させる前の位置、例えば、これをゼロとする。）からの測定光路の光路長の変化量でもある。   FIG. 2B shows the change in the optical path length with respect to the time change controlled by the optical path length control means 16 with respect to the piezo 8 (also the speed at which the optical path length is changed). The horizontal axis in FIG. 2B is also the time, but also the amount of change in the optical path length of the measurement optical path from the reference position (position before changing the optical path length, for example, this is zero).

そして、変位演算手段１５が、それらの差Ｚｓ−Ｚ１を求めることにより、測定位置（Ｘｍ、ＹＰ）の基準測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）に対する変位、つまり高さとなる。同様に、各測定位置について処理を行えば、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。測定位置間での特定光路長間の差をとることによって、相対的な高さ方向の変位を得るので、カメラ１０の応答遅れがあってもうち消すことができる。   And the displacement calculating means 15 calculates | requires those differences Zs-Z1, and becomes displacement with respect to the reference | standard measurement position (Xs, Ys) of a measurement position (Xm, YP), ie, height. Similarly, if processing is performed for each measurement position, the height (distance in the Z-axis direction) can be measured for the entire surface of the DUT 7. By taking the difference between the specific optical path lengths between the measurement positions, a relative displacement in the height direction is obtained, so that even if there is a response delay of the camera 10, it can be eliminated.

また、メモリ１３に記憶される撮像データは、上記のように所定時間間隔で記憶される（図２（Ａ）は、それらを結んで連続的に表現したものである。）ので、撮像データとしては離散的になる。この時間間隔（タイミング）が、図２（Ａ）の干渉縞の周期（縞の振幅間の間隔）に対して無視できる程度の細かさであれば、白色光干渉縞光路長検出手段１４ｃは、それら撮像データ（輝度データ）の極大点のうち最大値を示す点をピーク位置として求めて求めても良いし、極大点を結んで得られる包絡線のピーク位置を演算で求めても良い。離散的なため、極大点と包絡線のピーク位置が一致しないことがあるが、この場合は、推定して決定する必要がある。例えば、干渉縞の特性が滑らかな特性であるから前後の極大点から補間演算により求めても良い。また、撮像データの時間間隔と干渉縞の周期に関わらず、信号処理手段２０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。   Further, the imaging data stored in the memory 13 is stored at predetermined time intervals as described above (FIG. 2A is a continuous representation by connecting them). Becomes discrete. If this time interval (timing) is fine enough to be ignored with respect to the period of interference fringes (interval between fringe amplitudes) in FIG. 2A, the white light interference fringe optical path length detection means 14c The point indicating the maximum value among the maximum points of the imaging data (luminance data) may be obtained as a peak position, or the peak position of the envelope obtained by connecting the maximum points may be obtained by calculation. Since it is discrete, the maximum point may not match the peak position of the envelope. In this case, it is necessary to estimate and determine. For example, since the interference fringe characteristic is smooth, it may be obtained by interpolation calculation from the front and rear local maximum points. Regardless of the time interval of the imaging data and the period of the interference fringes, the signal processing means 20 may be obtained by discrete processing as described in JP-A-9-318329.

さらに、離散的な撮像データから干渉縞のピークを求める方法としては、光路長を段階的に変化させ、その変化した所定の光路長毎に撮像したされた離散的な撮像データを基に次ぎの処理を行う技術がある。撮像データから得られる干渉縞のデーからデジタル・ハイパスフィルタにより直流成分を除外する。交流成分となったデータを二乗して整流する。整流された繰り返し成分に比べ低い繰り返し成分を通過させるデジタル・ローパスフィルタを通して積分し、干渉縞の包絡線データを算出する。このとき、ピーク位置の細かさの要求に応じて、整流された繰り返し成分の間を例えば２次曲線で補間し、補間された繰り返し成分を積分して包絡線データを求める。この包絡線データのピークとなる位置を求める。また、別の方法として離散的な撮像データからフーリエ変換法を用いて、干渉縞の包絡線の振幅の最大となる位置を求める方法がある。   Furthermore, as a method for obtaining the peak of interference fringes from discrete imaging data, the optical path length is changed stepwise, and the following is performed based on the discrete imaging data captured for each of the changed predetermined optical path lengths. There is a technology for processing. A direct current component is excluded from the interference fringe data obtained from the imaging data by a digital high-pass filter. The AC component is squared and rectified. Integration is performed through a digital low-pass filter that passes a repetitive component lower than the rectified repetitive component, and envelope data of interference fringes is calculated. At this time, according to a request for the fineness of the peak position, the rectified repetitive components are interpolated with, for example, a quadratic curve, and the interpolated repetitive components are integrated to obtain envelope data. The position that becomes the peak of the envelope data is obtained. As another method, there is a method of obtaining the position where the amplitude of the envelope of the interference fringe becomes maximum by using a Fourier transform method from discrete imaging data.

上記のように、本実施形態によれば、カメラ１０に応答遅れがあっても特定光路長を測定可能であるが、光路長を変化させる速度が速いと図１１に示すように、干渉縞の横軸がズレ、かつ振幅がつぶれてくるので、干渉縞のピークの識別が可能な変化速度が限界である。したがって、光路長を変化させる速度は、次に説明するように干渉縞のピーク（位置）を特定できるような速度に設定する。   As described above, according to the present embodiment, the specific optical path length can be measured even when the camera 10 has a response delay. However, when the speed of changing the optical path length is fast, as shown in FIG. Since the horizontal axis is shifted and the amplitude is crushed, the speed of change at which interference fringe peaks can be identified is the limit. Therefore, the speed at which the optical path length is changed is set to a speed at which the peak (position) of the interference fringes can be specified as will be described below.

次に、離散的な撮像データから干渉縞を再現し、その干渉縞のピーク（その位置）を求めるにあたって、そのときの撮像データを取得するときの所定時間間隔（サンプリング間隔）、光路長変化速度、カメラ１０の蓄積時間等の関係について、次に説明する。   Next, when reproducing interference fringes from discrete imaging data and obtaining the peak (the position) of the interference fringes, a predetermined time interval (sampling interval) when acquiring the imaging data at that time, an optical path length change rate Next, the relationship such as the accumulation time of the camera 10 will be described.

離散的な撮像データから干渉縞を再現し、その干渉縞のピーク（その位置）を求めるには、撮像データの所定時間間隔、即ちサンプリング間隔は、サンプリング定理により干渉縞の周期の１／２以下である必要がある。より厳密には、干渉縞のスペクトルは広がりをもつため、その分、よりサンプリング間隔を細かくする必要がある。したがって、実用的には干渉縞の周期の１／３以下で使用されることが望ましい。   In order to reproduce interference fringes from discrete imaging data and to obtain the peak (position) of the interference fringes, the predetermined time interval of the imaging data, that is, the sampling interval is ½ or less of the period of the interference fringes according to the sampling theorem. Need to be. More precisely, since the spectrum of interference fringes has a spread, it is necessary to make the sampling interval finer accordingly. Therefore, in practice, it is desirable to use it with 1/3 or less of the period of interference fringes.

サンプリング間隔が干渉縞の周期に対して短いほど、つまり細かくサンプリングするほど、安定して干渉縞の包絡線のピークを求めることができる。しかし、その分、撮像枚数（撮像データ）が多くなることから、その処理に時間がかかったり、カメラ１０の撮像速度が固定である場合はより遅い速度で光路長を可変させる必要がある。したがって、測定時間と要求精度に応じたサンプリング間隔に設定する必要がある。   The shorter the sampling interval is with respect to the period of the interference fringes, that is, the finer the sampling, the more stable the peak of the interference fringe envelope can be obtained. However, since the number of images (image data) increases accordingly, it takes time for the processing, or when the imaging speed of the camera 10 is fixed, it is necessary to change the optical path length at a slower speed. Therefore, it is necessary to set the sampling interval according to the measurement time and the required accuracy.

カメラ１０の蓄積時間（いわば、露出時間である。）は、カメラ１０を構成する素子（光検出素子）の撮像データの転送時間が十分に短く、無視できると考えれば、最大で、サンプリング間隔まで蓄積（露出）が可能である。この蓄積時間（露光時間）の設定については、下記のように考察する。   The storage time (so-called exposure time) of the camera 10 is a maximum of the sampling interval, assuming that the transfer time of imaging data of the elements (photodetection elements) constituting the camera 10 is sufficiently short and can be ignored. Accumulation (exposure) is possible. The setting of the accumulation time (exposure time) is considered as follows.

蓄積時間のみで考えた場合、素子では蓄積時間内に検出した信号（撮像データ）が積分されることになるため、素子が出力する信号レベルは増加する。しかし、その信号のＤＣ成分は蓄積時間に対して比例して増加するのに対して、ＡＣ成分（干渉縞の振幅の大きさに相当）は蓄積時間が干渉縞の周期の１／２相当までは増加するが、周期の１／２を超えると減少傾向に変わり、１周期に近づくほど干渉縞の包絡線自体の波形が元の形と変わってしまう。それでもピークを検出可能であるが、干渉縞の振幅の値だけを考えれば、蓄積時間を干渉縞の周期の１／２相当にしたときに、干渉縞の振幅を最も大きくすることができる（Ｓ／Ｎを改善できる）。一方、カメラ１０の素子にはダイナミックレンジの制限があるので、蓄積時間は、その蓄積時間における信号レベルの増加で飽和しない範囲に設定される必要がある。以上により、実用上は、カメラ１０の蓄積時間は、干渉縞の周期の１／３より短い範囲で、かつ光源１の輝度（出力レベル）及びカメラ１０の素子の飽和レベルの関係から適切な値に設定することにより、低輝度な光源でもＳ／Ｎを良くして干渉縞のピークを求めることができる。   When considering only the accumulation time, the signal (imaging data) detected within the accumulation time is integrated in the element, so that the signal level output from the element increases. However, the DC component of the signal increases in proportion to the accumulation time, whereas the AC component (corresponding to the magnitude of the interference fringe amplitude) has an accumulation time up to half of the interference fringe period. However, the waveform of the interference fringe envelope itself changes from the original shape as it approaches one cycle. The peak can still be detected, but considering only the value of the interference fringe amplitude, the interference fringe amplitude can be maximized when the accumulation time is set to 1/2 of the interference fringe period (S / N can be improved). On the other hand, since the element of the camera 10 has a dynamic range limitation, the accumulation time needs to be set in a range that does not saturate due to an increase in signal level during the accumulation time. As described above, in practice, the accumulation time of the camera 10 is in a range shorter than 1/3 of the period of the interference fringes, and is an appropriate value from the relationship between the luminance (output level) of the light source 1 and the saturation level of the elements of the camera 10. By setting to, the peak of interference fringes can be obtained with improved S / N even with a low-luminance light source.

「２．非同時性の解決」
次に、非同時性の解決について説明する。先ず、非同時性の定量的影響を説明する。例えば、光路長変化速度：約１０ｕｍ／ｓ、ＣＭＯＳカメラ：１２８×１２８＝１６３８４ピクセル、画素ＣＬＫ（素子のクロック）：２４ＭＨｚとすると、撮像の最初と最後のピクセル（画素）間で６８０ｕｓの撮影時間差が生じる。光路長変化速度で換算すると、７ｎｍのズレが生ずる。次の説明は、このズレを軽減するための説明である。 “2. Resolving Asynchrony”
Next, the resolution of asynchrony will be described. First, the quantitative effect of non-synchronization will be explained. For example, assuming that the optical path length change rate is about 10 um / s, the CMOS camera is 128 × 128 = 16384 pixels, and the pixel CLK (device clock) is 24 MHz, the imaging time difference of 680 us between the first and last pixels (pixels) of imaging Occurs. When converted by the optical path length change speed, a deviation of 7 nm occurs. The following description is an explanation for reducing this deviation.

「２．１ 非同時性の解決１」
これは、上記したように平坦な被測定物の表面を測定すると、非同時性の影響で単純な傾斜として測定されるため、その傾斜を補正するための例である。
図３（Ａ）は、カメラ１０による非同時性を防止するために、光路長を補正するための光路長補正手段１４ａを設けたものである。他の構成は図１と同じである。例えば、カメラ１０の撮像素子（或いは画素）が図４のように配列されているものとする。その配列を、画素位置或いは測定位置を（Ｘ、Ｙ）の座表で表示すればカメラ１０の走査は、（Ｘ１，Ｙ１）から図４の右方向へ、（Ｘｎ，Ｙ１）へ走査し、次に（Ｘ１，Ｙ２）へ移って（Ｘｎ，Ｙ２）まで走査し、これらを（Ｘｎ，Ｙｎ）まで行う。カメラ１０の走査に係る時間は、Ｘ方向の影響は少ないが、Ｙ方向の時間が問題となることが大きい。ここでは、簡単のために、同じＸ位置でＹ方向だけの走査時間による光路長差の補正について説明する。光路長補正手段１４ａは、測定位置（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ１，Ｙ２）、（Ｘ１，Ｙ３）、・・・・（Ｘ１、Ｙｎ−１）、（Ｘ１，Ｙｎ）のうち、（Ｘ１，Ｙ１）を走査のスタート位置（時間差０）として（Ｘ１，Ｙ１）と（Ｘ１，Ｙ２）との走査の時間差１をｔ１，（Ｘ１，Ｙ１）と（Ｘ１，Ｙ３）との時間差をｔ２、以下、順次、（Ｘ１，Ｙ１）と（Ｘ１，Ｙｎ）との時間差ｔｎ−１を取得しておいて、光路長制御手段１６が制御する光路長変化速度ｖから各時間差ｔに対応する光路長差σを記憶しておく。例えば、光路長差σ１＝ｖ×ｔ１、σ２＝ｖ×ｔ２，・・・・・、σｎ−１＝ｖ×ｔｎ−１を、それぞれ、座標位置（Ｘ１，Ｙ２）、（Ｘ１，Ｙ３）、・・・・（Ｘ１、Ｙｎ−１）に対応づけて記憶しておく。そして、例えば、（Ｘ１、Ｙｎ−１）の特定光路長を求めたときは、その特定光路長からσｎ−１だけ差し引くことにより補正し、補正した値を変位演算手段１５が、変位を求めるための最終的な特定光路長として用いる。なお、変位演算手段１５が求めた変位に対して補正する事も可能である。いずれの補正であっても、非同時性の問題が解決する。上記説明は、Ｙ方向の補正だけ説明したが、Ｙ方向とＸ方向と合わせて補正することも可能である。 "2.1 Resolution of Asynchrony 1"
This is an example for correcting the inclination because the surface of the flat object to be measured is measured as a simple inclination under the influence of non-simultaneousness as described above.
3A is provided with optical path length correction means 14a for correcting the optical path length in order to prevent asynchrony by the camera 10. In FIG. Other configurations are the same as those in FIG. For example, it is assumed that the imaging elements (or pixels) of the camera 10 are arranged as shown in FIG. If the pixel position or the measurement position is displayed in the (X, Y) coordinate table, the camera 10 scans from (X1, Y1) to the right in FIG. 4, (Xn, Y1), Next, the process proceeds to (X1, Y2) and scans to (Xn, Y2), and these are performed to (Xn, Yn). The time for scanning by the camera 10 is less affected by the X direction, but the time in the Y direction is often a problem. Here, for the sake of simplicity, correction of the optical path length difference based on the scanning time only in the Y direction at the same X position will be described. The optical path length correction unit 14a is configured to select (X1, Yn) of the measurement positions (X1, Y1), (X1, Y2), (X1, Y3),. Y1) is a scanning start position (time difference 0), scanning time difference 1 between (X1, Y1) and (X1, Y2) is t1, time difference between (X1, Y1) and (X1, Y3) is t2, and below The time difference tn-1 between (X1, Y1) and (X1, Yn) is acquired sequentially, and the optical path length difference corresponding to each time difference t from the optical path length change speed v controlled by the optical path length control means 16. Remember σ. For example, optical path length differences σ1 = v × t1, σ2 = v × t2,..., Σn−1 = v × tn−1 are respectively represented by coordinate positions (X1, Y2), (X1, Y3), ... Stored in association with (X1, Yn-1). For example, when the specific optical path length of (X1, Yn-1) is obtained, correction is performed by subtracting σn-1 from the specific optical path length, and the displacement calculation means 15 obtains the displacement by the corrected value. Used as the final specific optical path length. It is also possible to correct the displacement obtained by the displacement calculating means 15. Either correction solves the problem of asynchrony. In the above description, only the correction in the Y direction has been described, but it is also possible to correct the correction in the Y direction and the X direction.

なお、上記説明の測定位置間の走査の時間差ｔは、カメラ１０固有の特性であるから、予め、調査又は実験により、取得できる値である。例えば、平坦な面を予め計測することにより、得られる。   Note that the scanning time difference t between the measurement positions described above is a characteristic unique to the camera 10, and is a value that can be acquired in advance by investigation or experiment. For example, it can be obtained by measuring a flat surface in advance.

「２．２ 非同時性の解決２」
図３（Ｂ）は、カメラ１０による非同時性を防止するために、変位演算手段１５により、被測定物７が殆ど平坦な物である場合の測定において、変位演算の基準の取り方を工夫したものである。他の構成は図１と同じである。図５に示すように、被測定物７の表面の照射範囲全体について測定されるが、実際に所望な測定範囲が図５の斜線部分であった場合、例えば、基準値算出手段１５ｂがその外側の基準範囲の範囲の各特定光路長を求め、さらにその平均値を算出する。測定値算出手段１５ａは、基準値算出手段１５ｂが算出した平均値と、所望の測定範囲内の各測定位置（照射位置）における特定光路長との差を変位として算出する。これを所望の測定範囲内の各測定位置の全てについて行えば、非同時性の影響を軽減して、所望の測定範囲における相対的な形状を求めることができる。基準範囲は、図５では、ドーナツ状の範囲としたが、これに限ることはないが、差をとる基準とするため、その一部は、少なくとも所望の測定範囲の周辺を囲むものであることが望ましい。 “2.2 Resolution of Asynchrony 2”
In FIG. 3B, in order to prevent non-synchronization by the camera 10, the displacement calculation means 15 devises a method for determining the reference for the displacement calculation in the measurement when the measured object 7 is an almost flat object. It is a thing. Other configurations are the same as those in FIG. As shown in FIG. 5, the entire irradiation range of the surface of the object to be measured 7 is measured. When the actually desired measurement range is the hatched portion in FIG. 5, for example, the reference value calculation means 15b The specific optical path lengths in the reference range are obtained, and the average value is calculated. The measurement value calculation means 15a calculates the difference between the average value calculated by the reference value calculation means 15b and the specific optical path length at each measurement position (irradiation position) within a desired measurement range as a displacement. If this is performed for all the measurement positions in the desired measurement range, the influence of asynchrony can be reduced and the relative shape in the desired measurement range can be obtained. Although the reference range is a donut-shaped range in FIG. 5, the reference range is not limited to this. However, in order to use a difference as a reference, it is desirable that a part of the reference range surrounds at least the periphery of the desired measurement range. .

なお、図５における所望の測定範囲、基準測定範囲の設定は、図１に示すユーザインタフェース１８から設定することができる。   Note that the desired measurement range and reference measurement range in FIG. 5 can be set from the user interface 18 shown in FIG.

「２．３ 非同時性の解決３」
図３（Ｃ）は、光路長制御手段１６が、同一比測定物７の同一照射面について、往復して光路長を変化させ、それをカメラ１０で撮影した双方のデータを基に求めた、各測定点における往路の特定波長と復路の特定波長の平均を算出して、その測定点における特定波長とするものである。他の構成は図１と同じである。往路と復路とで、時間差による影響がうち消すことにより、非同時性の問題を解消しようとするものである。図３（Ｃ）の平均値算出手段１４ｂがその算出処理を行う。図６を基に、その算出順を説明する。図６は、光路長制御手段１６が光路長を変化させたときの時間と特定光路長の変化を表した模擬的な図である。図６のように復路で取得した復路の特定光路長の変化を、往路と復路の切り返し時点で、往路で取得した特定光路長の変化に重なるように折返す。そして、図１０の拡大図に示すように、例えば、往路でのタイミングがｔｋポイント（これに対応する光路長が特定光路長でもある。）においては、ｔｋポイントの往路の測定開始点であり、復路の測定終了点である（Ｘ０、Ｙ０）における往路の特定光路長と復路の光路長との平均値を算出して、（Ｘ０、Ｙ０）の特定光路長とする（図６の拡大図の細かい点線を参照）。これを（Ｘｎ、Ｙｎ）までの全測定位置について行う。 “2.3 Resolution of Asynchrony 3”
In FIG. 3C, the optical path length control means 16 reciprocally changed the optical path length with respect to the same irradiated surface of the same ratio measurement object 7, and obtained it based on both data photographed by the camera 10. The average of the specific wavelength on the forward path and the specific wavelength on the return path at each measurement point is calculated to obtain the specific wavelength at the measurement point. Other configurations are the same as those in FIG. By eliminating the influence of the time difference between the outbound path and the inbound path, the problem of asynchrony is to be solved. The average value calculation means 14b in FIG. 3C performs the calculation process. The calculation order will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic diagram showing changes in the time and the specific optical path length when the optical path length control means 16 changes the optical path length. The change in the specific optical path length of the return path acquired in the return path as shown in FIG. 6 is folded back so as to overlap the change in the specific optical path length acquired in the outbound path at the time of switching between the outbound path and the return path. And, as shown in the enlarged view of FIG. 10, for example, when the timing in the forward path is tk point (the optical path length corresponding to this is also the specific optical path length), it is the measurement start point of the forward path of tk point, The average value of the specified optical path length of the forward path and the optical path length of the return path at (X0, Y0), which is the measurement end point of the return path, is calculated as the specific optical path length of (X0, Y0) (in the enlarged view of FIG. 6). See fine dotted lines). This is performed for all measurement positions up to (Xn, Yn).

［３ 構成の変形例］
「３．１ 光路長可変手段の変形例」
図７は、ピエゾ８に代わる光路長可変手段である。ピエゾ８の代わりに測定光路中に一定の厚みを有し、光を透過する回転素子を入れて、この回転素子を回転することによって回転素子への入射角を変化させことにより、回転素子と被測定物間の往復の光路長を変化させるものである。 [3 Modification of configuration]
"3.1 Modification of optical path length variable means"
FIG. 7 shows a variable optical path length means instead of the piezo 8. Instead of the piezo 8, a rotating element having a certain thickness in the measurement optical path and transmitting light is inserted, and by rotating the rotating element, the incident angle to the rotating element is changed. The optical path length between the measurement objects is changed.

「３．２ 光路長の変化速度の変形例」
図８は、光路長を変化させる時間間隔（タイミング）と変化した光路長の関係を示す図であって、ピエゾ８又は図７の回転素子等の光路長可変手段に対して光路長制御手段１６が、例えば、サインカーブの変化速度で駆動制御する事もできる例を示す。これまでの説明では、一定速度（つまり、一定時間間隔に対して一定の光路長）で変化させていたが、速度は、サインカーブであるが、サインカーブが既知であれば、一定光路長間隔ΔＺになる時間間隔で、ピエゾ８等の光路長可変手段を制御することもできる。この場合は、カメラ１０の撮像タイミング（時間間隔）は一定ではないが、メモリ１３のアドレスは、一定光路長間隔とすることができる。この場合も、図２（Ｂ）がサインカーブになるだけで、原理は一定速度で変化させたと同様に特定光路長を求めることができる。ただ、一定光路長間隔ΔＺが既知であれば、図２（Ｂ）を止めて図２（Ａ）の横軸をΔＺなる光路長間隔で表した方が便利である。 "3.2 Variation of speed change of optical path length"
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the time interval (timing) for changing the optical path length and the changed optical path length, and the optical path length control means 16 for the optical path length variable means such as the piezo 8 or the rotating element of FIG. However, for example, an example in which drive control can be performed at a changing speed of a sine curve is shown. In the description so far, the speed is changed at a constant speed (that is, a constant optical path length with respect to a constant time interval), but the speed is a sine curve. The optical path length variable means such as the piezo 8 can also be controlled at the time interval when ΔZ is reached. In this case, the imaging timing (time interval) of the camera 10 is not constant, but the address of the memory 13 can be a constant optical path length interval. Also in this case, the specific optical path length can be obtained in the same manner as in the case where the principle is changed at a constant speed only by changing the sine curve in FIG. However, if the constant optical path length interval ΔZ is known, it is more convenient to stop FIG. 2B and to express the horizontal axis of FIG. 2A by the optical path length interval ΔZ.

［３．３ 単一波長光による光路長を校正する例］
上記説明では、図２（Ａ）の光路長変化の時間対干渉縞の振幅についてのデータと、図２（Ｂ）の光路長の変化時間対光路長の変化の特性とから、時間を介在させて、干渉縞のピーク位置を示す特定光路長を決めていたが、ここでは、図９及び図１０を基に、より正確に特定光路長を決定する方法について説明する。 [3.3 Example of calibrating optical path length with single wavelength light]
In the above description, time is mediated from the data on the variation of the optical path length in FIG. 2A with respect to the amplitude of the interference fringe and the characteristic of the variation in the optical path length with respect to the optical path length in FIG. Thus, the specific optical path length indicating the peak position of the interference fringes has been determined. Here, a method of determining the specific optical path length more accurately will be described based on FIGS. 9 and 10.

図９において、白色光源によって干渉縞を測定するまでの構成は、「１．構成と動作」で説明したのと同じであるのでその説明は省略する。また、光路長検出手段１４が、図１と異なる。図９において、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１１は、ほぼ単一波長を有する光源である。つまり、「ほぼ単一波長」とは、ピエゾ８が変化させる光路長の範囲において、コヒーレンシーを確保できるほどの波長範囲に在ることを言う。このＨｅ−Ｎｅレーザー１１からのレーザー光は、ビームスプリッター１２により、白色光と同一の光路へ導入される。そして白色光と同様に、参照光路及び測定光路へ入り、それらの参照鏡６及び被測定物７からの戻り光に基づく干渉縞が、ピエゾ８の光路長変化と共に、撮像され、メモリ１３に記憶される。ただし、レーザー光は、対物レンズ４で集光され、戻り光も結像レンズ９でカメラ１０に集光される。つまり被測定物７上の一点での干渉縞の取得になる。   In FIG. 9, the configuration until the interference fringes are measured with the white light source is the same as that described in “1. Configuration and Operation”, and thus the description thereof is omitted. Further, the optical path length detection means 14 is different from that shown in FIG. In FIG. 9, a He—Ne laser 11 is a light source having a substantially single wavelength. In other words, “substantially single wavelength” means that the wavelength range is such that coherency can be ensured in the range of the optical path length changed by the piezo 8. The laser light from the He—Ne laser 11 is introduced into the same optical path as the white light by the beam splitter 12. Similar to the white light, the light enters the reference optical path and the measurement optical path, and interference fringes based on the return light from the reference mirror 6 and the object to be measured 7 are imaged together with the optical path length change of the piezo 8 and stored in the memory 13. Is done. However, the laser light is condensed by the objective lens 4, and the return light is also condensed by the imaging lens 9 on the camera 10. That is, interference fringes are obtained at one point on the object 7 to be measured.

そのとき、光路長検出手段１４は、分波手段１４ｃによってレーザー光による干渉縞を分離して取り出す。白色光による干渉縞は、分波して取り出しても良いし、こちらは必ずしも取り出す必要はない。分波手段１４ｃはメモリ１３からの時間に対する撮像データをフーリエ変換等により時間領域データを周波数（波長）領域のデータに変換して、周波数（波長）フィルタにより分離して取り出し、取り出したレーザー光のデータを再び時間領域のデータに再変換し、レーザー光路長参照手段１４ｅへ入力される。その再変換された波形を図１０（Ｂ）に示す。一方、白色光の干渉縞とレーザー光の干渉縞が分離されないで白色光干渉縞光路検出手段１４ｄに送られる（やはり、分離して、白色光の干渉縞だけ取り出しても良い。この波形が図１０（Ａ）である。）。この波形を図１０（Ｃ）に示す。図１０（Ｃ）に示すように、白色光の干渉縞に対して、レーザー光の干渉縞の大きさが適切な大きさであれば、重なっても、白色光のピーク位置が抽出できるので、特定光路長が検出できる。レーザー光の干渉縞の大きさは、レーザー光の干渉縞が適切な大きさはＨｅ−Ｎｅレーザー１１からのレーザー光の強さを調整する事により適切にすることできる。大凡では、レーザー光の干渉縞の大きさは、白色光の干渉縞の大きさに比べ小さい値、つまり白色光干渉縞のピーク検出に妨げない範囲の強度にする。   At that time, the optical path length detection means 14 separates and extracts the interference fringes due to the laser light by the demultiplexing means 14c. The interference fringes due to white light may be separated and taken out, and it is not always necessary to take them out. The demultiplexing means 14c converts the time-domain data from the memory 13 to the frequency (wavelength) domain data by Fourier transform or the like, and separates and extracts it by a frequency (wavelength) filter. The data is converted again into time domain data and input to the laser optical path length reference means 14e. The reconverted waveform is shown in FIG. On the other hand, the white light interference fringes and the laser light interference fringes are not separated and sent to the white light interference fringe optical path detecting means 14d (again, they may be separated and only the white light interference fringes may be taken out. 10 (A)). This waveform is shown in FIG. As shown in FIG. 10C, the white light peak position can be extracted even if the laser light interference fringes have an appropriate size with respect to the white light interference fringes. A specific optical path length can be detected. The size of the interference fringe of the laser beam can be made appropriate by adjusting the intensity of the laser beam from the He-Ne laser 11 so that the interference fringe of the laser beam is appropriate. Generally, the size of the interference fringes of the laser light is set to a value smaller than the size of the interference fringes of white light, that is, an intensity within a range that does not hinder the peak detection of the white light interference fringes.

白色光干渉縞光路検出手段１４ｄは、図１０（Ａ）に示すように白色光の干渉縞のピーク値を求めて、そのピーク値の出現する時間位置を求める（図２（Ａ）と同じ。）。例えば、測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）では時間位置ｔ１、測定位置（Ｘｓ、Ｙｓ）では時間位置ｔｓである。レーザー光路長参照手段１４ｅは、その時間位置ｔ１、ｔｓにはレーザー光の干渉縞の回転位置を求める。例えば、時間位置ｔ１、ｔｓに対応して、Ｚ１ｓ、Ｚｓｓとすると、そのＺ１ｓ、Ｚｓｓが測定位置（Ｘｍ、Ｙｐ）、（Ｘｓ、Ｙｓ）における特定光路長となる。そして変位演算手段１５により、相対的な変位Ｚｓｓ―Ｚ１ｓを求めることができる。図１０（Ｂ）のレーザー光による干渉縞は、ピエゾ８による光路長がゼロを起点と変化したときの波形であり、干渉縞の回転位置とこの起点から数えた周期の数である（光路長の変化量でもある。）。なお、レーザー光の干渉縞の周期は、レーザー光の周期と同じである。また、図１０（Ｂ）の下段に示すように、レーザー光の干渉縞の位相の周期を数えても良い。レーザー光の干渉縞の位相の変化は、ピエゾ８による光路長の変化がゼロである起点におけるレーザー光の干渉縞の位相に対する、相対的な位相変化を示す。   The white light interference fringe optical path detection means 14d obtains the peak value of the white light interference fringe as shown in FIG. 10A, and obtains the time position at which the peak value appears (same as FIG. 2A). ). For example, the measurement position (Xm, Yp) is the time position t1, and the measurement position (Xs, Ys) is the time position ts. The laser optical path length reference means 14e obtains the rotational position of the interference fringes of the laser light at the time positions t1 and ts. For example, assuming that Z1s and Zss correspond to the time positions t1 and ts, the Z1s and Zss become the specific optical path lengths at the measurement positions (Xm, Yp) and (Xs, Ys). Then, the relative displacement Zss−Z1s can be obtained by the displacement calculating means 15. The interference fringes due to the laser light in FIG. 10B are waveforms when the optical path length due to the piezo 8 changes from zero, and are the rotational position of the interference fringes and the number of cycles counted from this origin (optical path length). It is also the amount of change.) The period of the interference fringe of the laser light is the same as the period of the laser light. Further, as shown in the lower part of FIG. 10B, the phase period of the interference fringes of the laser light may be counted. The change in the phase of the interference fringe of the laser beam indicates a relative phase change with respect to the phase of the interference fringe of the laser beam at the starting point where the change in the optical path length by the piezo 8 is zero.

図１０（Ｂ）のレーザー光を用いた特定光路長の決定は、図２（Ｂ）の速度（光路長／時間）で換算して決定するのに比し、速度が関係なくなり実測したレーザー光の干渉縞を参照して（つまり、レーザー光の干渉縞をスケールとして）決定できるので、より信頼性良く決定できる。特に、何かの原因で速度が変わっても、その影響を防げる。   The determination of the specific optical path length using the laser beam of FIG. 10 (B) is actually measured with the speed being irrelevant as compared with the case of converting with the speed (optical path length / time) of FIG. 2 (B). Since it can be determined with reference to the interference fringes (that is, the interference fringes of the laser light as a scale), it can be determined more reliably. In particular, even if the speed changes for some reason, the effect can be prevented.

図９は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー１１からの光をビームスプリッター１２により白色光と同じ光路に導入する際、白色光の光路の中心から外した場合である。もちろん、白色光の中心にＨｅ―Ｎｅレーザー１１からの光を導入しても良い。図９の場合、測定位置とレーザー光の照射位置が異なるので、実際には、オフセットが生じるが、このオフセットは予め校正すれば良い。   FIG. 9 shows a case where the light from the He—Ne laser 11 is removed from the center of the optical path of the white light when the beam splitter 12 introduces the light into the same optical path as the white light. Of course, the light from the He—Ne laser 11 may be introduced into the center of white light. In the case of FIG. 9, since the measurement position and the irradiation position of the laser beam are different, an offset actually occurs, but this offset may be calibrated in advance.

また、レーザー光の干渉縞も、絶対値的にはカメラ１０の応答遅れの影響を受けるが、最終的に相対的な変位Ｚｓｓ―Ｚ１ｓが求められる時点で、相対的にその影響が無くなる。   The interference fringes of the laser light are also affected by the response delay of the camera 10 in absolute terms, but the influence is relatively eliminated when the relative displacement Zss-Z1s is finally obtained.

上記構成のうち、信号処理手段２０及び光路長制御手段１６は，ＣＰＵ及びメモリで構成することができる。   Among the above configurations, the signal processing means 20 and the optical path length control means 16 can be constituted by a CPU and a memory.

実施形態の機能構成を示す図である。It is a figure which shows the function structure of embodiment. 図１の実施形態による白色光の干渉縞の測定例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example of a measurement of the interference fringe of white light by embodiment of FIG. 図１の信号処理手段２０を非同時性の問題を解決するために変形した種々の形態を示す図である。It is a figure which shows the various form which deform | transformed the signal processing means 20 of FIG. 1 in order to solve the problem of asynchrony. カメラ１０による非同時性を補正するための説明のための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining an asynchronism caused by the camera 10. 測定の基準点を選定することにより非同時性の影響を防止することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating preventing the influence of asynchrony by selecting the reference point of a measurement. 往復測定することにより非同時性の影響を防止することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating preventing the influence of non-simultaneity by performing a reciprocating measurement. ピエゾ８に代わる光路長可変手段の例であるIt is an example of the optical path length variable means which replaces Piezo 8. 光路長可変の方法の他の例である。It is another example of the method of variable optical path length. 図１の実施形態にＨｅ−Ｎｅレーザー１１を用いて、特定波長を校正する形態を説明するための機能構成を示す図である。It is a figure which shows the function structure for demonstrating the form which calibrates a specific wavelength using the He-Ne laser 11 for embodiment of FIG. Ｈｅ−Ｎｅレーザー１１を用いたときの、信号処理手段２０の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of the signal processing means 20 when the He-Ne laser 11 is used. 従来の問題点としての撮像手段の応答遅れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the response delay of the imaging means as a conventional problem. 従来の問題点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the conventional problem.

符号の説明Explanation of symbols

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 Ｈｅ−Ｎｅレーザー
１２ ビームスプリッター
１３ メモリ
１４ 光路長検出手段
１５ 変位演算手段
１６ 光路長制御手段
１８ ユーザインタフェース
２０ 信号処理手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Collimator lens 3 Beam splitter 4 Objective lens 5 Beam splitter 6 Reference mirror 7 Measured object 8 Piezo 9 Imaging lens 10 Camera 11 He-Ne laser 12 Beam splitter 13 Memory 14 Optical path length detection means 15 Displacement calculation means 16 Optical path Length control means 18 User interface 20 Signal processing means

Claims (6)

広帯域スペクトル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、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路の光路長を変化させる光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の変化に応じて、前記光路形成部からの出力を所定時間間隔で撮像する撮像手段（１０）と、備え、該撮像手段によって出力される前記撮像信号から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長に応じて生ずる干渉縞に基づいて前記被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置において、
前記光路長可変手段は、前記光路長を連続変化させている過程で生ずる前記干渉縞の変化に対する前記撮像手段が有する蓄積時間による応答遅れが、該干渉縞の周期の１／２よりも短い時間となる速度で該光路長を連続的に変化させる構成とされ、
さらに、前記光路長可変手段が前記光路長を連続的に変化させ、前記撮像手段によって撮像された撮像信号から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長が等しくなるときの被測定物の測定面に対して垂直方向の光路長変化量を求める光路長検出手段（１４）と、
前記光路長検出手段によって出力される、１つの照射位置の光路長変化量と他の照射位置の光路長変化量との差を基に、各照射位置の相対的変化を求める変位算出手段（１５）と、
を備えた三次元形状測定装置。 A broadband light source (1) for outputting broadband light having a broadband spectrum;
The broadband light is split and incident on a reference optical path having a reference mirror and a measurement optical path on which the object to be measured is incident, and the reflected light from the reference mirror and the irradiation range of the object to be measured are irradiated. An optical path forming section (5) for combining and outputting the reflected light from each irradiation position;
Optical path length variable means (8) for changing the optical path length of the reference optical path or the measurement optical path;
In accordance with a change in the optical path length by the optical path length varying means, an imaging means (10) for imaging the output from the optical path forming unit at predetermined time intervals, and obtained from the imaging signal output by the imaging means In the three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the shape of the object to be measured based on the interference fringes generated according to the optical path length of the reference optical path and the optical path length of the measurement optical path,
The optical path length varying means is a time in which a response delay due to an accumulation time of the imaging means with respect to a change in the interference fringes that occurs in the process of continuously changing the optical path length is shorter than ½ of the period of the interference fringes. The optical path length is continuously changed at a speed of
Further , the optical path length variable means continuously changes the optical path length, and the optical path length of the reference optical path obtained from the imaging signal imaged by the imaging means is equal to the optical path length of the measurement optical path. An optical path length detection means (14) for obtaining an optical path length change amount in a direction perpendicular to the measurement surface of the object;
Based on the difference between the optical path length change amount at one irradiation position and the optical path length change amount at the other irradiation position output by the optical path length detection means, a displacement calculation means (15 )When,
3D shape measuring device. 前記撮像手段は前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、
前記光路長検出手段又は前記変位演算手段は、前記撮像手段が前記照射範囲の最初の撮像照射位置を起点として各照射位置を走査するまでの時間に変化する光路長差を記憶しておき、前記各照射位置における前記光路長変化量を、又は照射位置における変位を前記光路長差で補正する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。 The imaging means is means for scanning and imaging each irradiation position of the irradiation range,
The optical path length detection means or the displacement calculation means stores an optical path length difference that changes in time until the imaging means scans each irradiation position starting from the first imaging irradiation position of the irradiation range, The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 , wherein the optical path length change amount at each irradiation position or the displacement at the irradiation position is corrected by the optical path length difference. 前記撮像手段は前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、
前記変位演算手段は、前記照射範囲の中の所望の測定範囲の各照射位置の変位を求めるにあたって、前記所望の測定範囲に近接する一部の照射範囲内の各照射位置における前記光路長変化量を基に基準となる光路長変化量を求め、その求めた基準となる光路長変化量と、前記所望範囲の各照射位置における光路長変化量との相対的な差を求める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。 The imaging means is means for scanning and imaging each irradiation position of the irradiation range,
The displacement calculation means, when obtaining the displacement of each irradiation position of the desired measurement range in the irradiation range, the optical path length change amount at each irradiation position in a part of the irradiation range close to the desired measurement range A reference optical path length change amount is obtained based on the above, and a relative difference between the obtained reference optical path length change amount and an optical path length change amount at each irradiation position in the desired range is obtained. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 . 前記光路長可変手段は、前記参照光路又は前記測定光路の光路長を伸ばす方向の往路と伸ばした光路長を縮める方向の復路に、それぞれ同一速度で往復して連続変化させ、
前記撮像手段は、前記照射範囲の各照射位置を走査して撮像する手段であって、前記画像形成手段の往路の出力と復路の出力を撮像し、
前記光路長検出手段は、前記撮像手段が出力する往路と復路の２回のデータを平均した平均データを基に各照射位置における光路長変化量として表す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。 The optical path length variable means is continuously changed by reciprocating at the same speed on the forward path in the direction of extending the optical path length of the reference optical path or the measurement optical path and the return path in the direction of contracting the extended optical path length,
The imaging unit is a unit that scans and images each irradiation position of the irradiation range, and images the forward path output and the backward path output of the image forming unit,
The optical path length detection means, according to claim 1, characterized in that expressed as optical path length change amount at each irradiation position based on average data of forward and return two data were averaged for the imaging means outputs Three-dimensional shape measuring device. ほぼ単波長成分の参照光を出力するコヒーレント光源（１１）と、
該参照光を前記広帯域光に合波して前記光路形成部に入射させる合成部（１２）と、を備え、
前記光路長検出手段は、前記撮像手段から広帯域光による干渉縞とともに出力される、前記参照光による干渉縞の繰り返し又はその位相変化を基準として、前記照射範囲の各照射位置の光路長変化量を表す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。 A coherent light source (11) for outputting a reference light having a substantially single wavelength component;
A combining unit (12) that combines the reference light with the broadband light and enters the optical path forming unit;
The optical path length detection means outputs the optical path length change amount at each irradiation position in the irradiation range based on the repetition of the interference fringes by the reference light or the phase change, which is output from the imaging means together with the interference fringes by broadband light. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 , wherein the three-dimensional shape measuring apparatus is represented. 広帯域スペクトル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、参照鏡を有する参照光路と被測定物を配置した測定光路とに分岐して入射させて照射し、前記参照鏡からの反射光と前記被測定物の照射された照射範囲の各照射位置からの反射光を合波して出力する光路形成部（５）と、
前記参照光路又は前記測定光路の光路長を連続可変する光路長可変手段（８）と、
該光路長可変手段による該光路長の可変に応じた所定時間間隔で、前記光路形成部からの出力を撮像する撮像手段（１０）と、備え、該撮像手段の出力から得られる前記参照光路の光路長と前記測定光路の光路長に応じて生ずる干渉縞に基づいて前記被測定物の形状測定を行う三次元形状測定装置において、
前記光路長可変手段は、前記光路長を連続変化させたときに生ずる前記干渉縞の変化に対する前記撮像手段が有する蓄積時間による応答遅れが、該干渉縞の周期の１／２よりも短い時間となる速度で該光路長を連続的に変化させる構成とされ、
前記所定時間間隔は、少なくとも前記撮像手段の蓄積時間を超える時間間隔であり、
さらに、該光路長が連続変化したときに前記撮像手段からの所定時間間隔の出力を基に前記干渉縞のピークが生ずる前記所定時間間隔上の時間位置を決定し、該時間位置に対する光路長を前記各照射位置の特定光路長として表す光路長検出手段（１４）と、
前記光路長検出手段によって出力される、１つの照射位置の前記特定光路長と他の照射位置の前記特定光路長との差を基に、各照射位置の相対的変化を求める変位算出手段（１５）
と、
を備えることを特徴とする三次元形状測定装置。 A broadband light source (1) for outputting broadband light having a broadband spectrum;
The broadband light is split and incident on a reference optical path having a reference mirror and a measurement optical path on which the object to be measured is incident, and the reflected light from the reference mirror and the irradiation range of the object to be measured are irradiated. An optical path forming section (5) for combining and outputting the reflected light from each irradiation position;
Optical path length varying means (8) for continuously varying the optical path length of the reference optical path or the measurement optical path;
Imaging means (10) for imaging the output from the optical path forming section at a predetermined time interval according to the optical path length variable by the optical path length varying means, and the reference optical path obtained from the output of the imaging means In the three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the shape of the object to be measured based on the interference pattern generated according to the optical path length and the optical path length of the measurement optical path,
The optical path length varying means is configured such that a response delay due to an accumulation time of the imaging means with respect to a change in the interference fringes that occurs when the optical path length is continuously changed is shorter than ½ of the period of the interference fringes. The optical path length is continuously changed at a speed of
The predetermined time interval is a time interval that exceeds at least the accumulation time of the imaging means,
Furthermore, when the optical path length continuously changes, a time position on the predetermined time interval at which the interference fringe peak occurs is determined based on an output at the predetermined time interval from the imaging means, and the optical path length with respect to the time position is determined. An optical path length detection means (14) represented as a specific optical path length of each irradiation position;
Based on the difference between the specific optical path length at one irradiation position and the specific optical path length at another irradiation position, which is output by the optical path length detection means, a displacement calculation means (15) for obtaining a relative change in each irradiation position. )
When,
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising:
JP2006007440A 2006-01-16 2006-01-16 3D shape measuring device Expired - Fee Related JP4197339B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006007440A JP4197339B2 (en) 2006-01-16 2006-01-16 3D shape measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006007440A JP4197339B2 (en) 2006-01-16 2006-01-16 3D shape measuring device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2007187622A JP2007187622A (en) 2007-07-26
JP4197339B2 true JP4197339B2 (en) 2008-12-17

Family

ID=38342879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006007440A Expired - Fee Related JP4197339B2 (en) 2006-01-16 2006-01-16 3D shape measuring device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4197339B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4388113B2 (en) 2007-09-19 2009-12-24 アンリツ株式会社 3D shape measuring device
JP5273517B2 (en) * 2008-02-07 2013-08-28 独立行政法人産業技術総合研究所 Phase stabilization optical device
KR101085061B1 (en) 2009-04-08 2011-11-18 한국과학기술원 Viration-insensitive interferometer using high-speed camera and continuous phase-scanning method
DE102010029319B4 (en) * 2009-05-27 2015-07-02 Koh Young Technology Inc. Apparatus for measuring a three-dimensional shape and method thereto
JP5365419B2 (en) * 2009-08-28 2013-12-11 株式会社Ｊｖｃケンウッド 3D shape sensor
JP6199205B2 (en) * 2014-03-05 2017-09-20 住友重機械工業株式会社 Straight shape measuring method and straight shape measuring device
JP2021526631A (en) * 2018-05-18 2021-10-07 ザ リージェンツ オブ ザ ユニバーシティ オブ ミシガン Path variation monitoring for frequency modulation interferometer

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH061167B2 (en) * 1988-05-17 1994-01-05 日本鋼管株式会社 Measuring method and device for three-dimensional curved surface shape
JP3693771B2 (en) * 1996-11-13 2005-09-07 オリンパス株式会社 Shape measuring method and apparatus
JP4115624B2 (en) * 1999-04-27 2008-07-09 オリンパス株式会社 3D shape measuring device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2007187622A (en) 2007-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4197339B2 (en) 3D shape measuring device
Kühmstedt et al. 3D shape measurement with phase correlation based fringe projection
US8237933B2 (en) Method for image calibration and apparatus for image acquiring
JP4831760B2 (en) 3D information detection method and apparatus
CN110879398A (en) Time-of-flight camera and method for calibrating a time-of-flight camera
KR101011925B1 (en) An apparatus for measuring three-dimensional shape
JP2009511932A (en) Image measuring apparatus and method
JP2010286307A (en) Image pickup device
JP5488456B2 (en) Shape measuring apparatus and method, and program
JP6037254B2 (en) Surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method
US20010024280A1 (en) Shape measuring apparatus
JP5007069B2 (en) Mobile body information acquisition device
JP4218809B2 (en) 3D shape measuring device
TW200902964A (en) System and method for height measurement
JP2009204382A (en) Mtf measuring method and mtf measuring instrument
TWI760417B (en) Three-dimensional shape measurement method using scanning white interference microscope
JP2010223950A (en) Optical displacement meter
JP6047764B2 (en) White interferometer, image processing method, and image processing program
JP5219024B2 (en) Image processing apparatus, imaging apparatus, and image processing program
JPH0518714A (en) Speckle image displacement measuring apparatus
JP2009047527A (en) Measurement method and measuring device for step surface shape
JP2021148608A (en) Imaging device, range-finding device, and imaging program
JPH1062139A (en) Shape measuring equipment
JP6604514B2 (en) Surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method
JP2006017613A (en) Interference image measuring instrument

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20080625

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20080701

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20080829

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20080924

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20080925

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111010

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121010

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131010

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees