JP6273109B2 - 光干渉測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いた測定を行う光干渉測定装置に関する。

従来、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いて例えば測定対象物の三次元形状を精密に測定する三次元形状測定装置などの光干渉測定装置が知られている。

このような光干渉測定装置においては、参照光路と測定光路の光路長が一致するピント位置では各波長の干渉縞のピークが重なり合い合成される干渉縞の輝度が大きくなる。したがって、光干渉測定装置では、参照光路または測定光路の光路長を変化させながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をＣＣＤカメラ等の撮像素子により撮影し、撮影視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定することができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−１９１１１８号公報

上述のような光干渉測定装置で用いられる撮像素子の個々の画素は、所定の面積の受光面を有し、受光面への入射光量を面内で積分した値を受光量として出力する。このとき、測定対象物の測定面が撮像素子の受光面に対し傾斜していると、１つの画素の受光面内に干渉縞の輝度が異なる部分が混在することとなる。例えば、１つの画素内のある部分で干渉光強度がピーク（明部）となっているときに同じ画素内の他の部分で干渉光強度がゼロ（暗部）となる場合には、画素内の各位置での干渉光強度が相殺し合い、各測定位置の高さを正しく測定できない。

このような測定対象物の傾斜の影響は、１つの画素がカバーする面積が大きいほど（つまり、測定倍率が低いほど）顕著であり、横方向分解能が低い撮像素子を用いると測定対応傾斜角が著しく制約され、光干渉測定装置を低倍率・広視野化する際の障害となっている。

そこで、本発明は上記の課題を解決することのできる光干渉測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光干渉測定装置は、光を出力する光源と、光源から出力された光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに、参照光路を経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成波を出力するビームスプリッタと、参照光路に配置され、ビームスプリッタで参照光路に分岐された光を、反射面に配された複数の微小ミラーによって反射する参照ミラーと、測定光路に配置され、測定対象物が載置されるステージと、参照光路および測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、二次元に配列された複数の受光素子により合成波における干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を撮像する撮像手段とを備え、複数の微小ミラーは、複数の受光素子と対応して配列され、各微小ミラーによる反射光が、当該微小ミラーに対応する受光素子に入射する。このような構成により、光干渉測定装置によって測定可能な測定対象物の最大の傾きを示す測定対応傾斜角を大きくすることができる。

本発明では、微小ミラーによる反射光が入射する領域の面積を、当該受光素子の受光部の面積よりも狭くすると更によい。このような構成により、光干渉測定装置の測定対応傾斜角を受光素子の受光部の面積によらず、大きくすることができる。

本発明では、微小ミラーは、円形に形成されると更によい。このような構成により、光干渉測定装置の測定対応傾斜角を、傾きの方向に依存せずに大きくすることができる。

本発明では、参照ミラーの反射面における微小ミラーが配されていない部分は、ビームスプリッタからの光を吸収すると更によい。微小ミラーに入射しなかった光がビームスプリッタに戻ることを防ぎ、不要な反射光によるノイズを低減することができる。

光干渉測定装置の一実施形態である形状測定装置１の構成を示す図である。 対物レンズ部３０の構成をステージＳおよびワークＷ示す要部拡大図である。 形状測定方法を示すフローチャートである。 参照ミラー３３の参照面（反射面）の構造を示す図である。 合成波の成分毎に、撮像部４０の１画素に入射する領域を示した模式図である。

以下、本発明に係る光干渉測定装置の一実施形態として、形状測定装置１について、図面を参照しつつ説明する。なお、ここではマイケルソン型の干渉計を示すが、ミロー型等、他の等光路干渉計を用いることもできる。

形状測定装置１は、図１に示すように、光出射部１０と、光学ヘッド部２０、対物レンズ部３０と、結像レンズ４１と、撮像部４０と、画像メモリ５０と、演算処理部６０と、入力部７０と、出力部８０と、表示部９０と、測定対象物（以下、「ワーク」という）Ｗを載置するためのステージＳと、を備える。

光出射部１０は、例えば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力する光源を備え、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源が用いられる。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。尚、光出射部１０から出射される光は特定波長（単波長）のものでも良い。

光学ヘッド部２０は、ビームスプリッタ２１と、コリメータレンズ２２とを備えている。光出射部１０から出射した光は、対物レンズ部３０の光軸と直角の方向から、コリメータレンズ２２を介してビームスプリッタ２１に平行に照射され、ビームスプリッタ２１からは光軸に沿った光が出射されて、対物レンズ部３０に対して上方から平行ビームが照射される。

対物レンズ部３０は、図２に示すように、対物レンズ３１、プリズム３２、参照ミラー３３、等を備えて構成される。対物レンズ部３０においては、上方から平行ビームが対物レンズ３１に入射した場合、入射光は対物レンズ３１で収束光となり、プリズム３２の内部の反射面３２１に入射する。ここで、入射光は、参照ミラー３３を有する参照光路（図中破線）を進む反射光（参照光）と、ワークＷを配置した測定光路（図中実線）を進む透過光（測定光）とに分岐する。反射光は、収束して参照ミラー３３で反射され、更にプリズム３２の反射面３２１により反射される。一方、透過光は、収束してワークＷで反射され、プリズム３２の反射面３２１を透過する。参照ミラー３３からの反射光と測定対象物Ｗからの反射光とはプリズム３２の反射面３２１により合波されて合成波となる。参照ミラー３３は、演算処理部６０による制御の下、ピエゾ素子のような駆動手段３４によって光軸方向に移動走査される。参照ミラー３３の走査位置はエンコーダ３５で測定され、演算処理部６０に入力される。参照光路（光路１＋光路２）と、測定光路（光路３＋光路４）の光路長が等しいときに、合成波に干渉縞が発生する。なお、参照ミラー３３の詳細な構造については後述する。

ビームスプリッタ３２の反射面３２１より合成された合成波は、対物レンズ３１で平行ビームになり上方へ進み、結像レンズ４１に入射する（図１中一点鎖線）。結像レンズ４１は合成派を収束させ撮像部４０上に干渉画像を結像させる。

撮像部４０は、２次元状に配列された複数個の画素を有する撮像素子からなるＣＣＤカメラ等であり、合成波の干渉画像を撮像する。干渉画像は、参照ミラー３３を移動走査しながら複数回撮像される。撮像部４０が撮像した干渉画像の画像データは、画像メモリ５０に記憶される。

演算処理部６０は、ワークＷの測定面の各位置での干渉光の強度とエンコーダ３５から入力される参照ミラー３３の走査位置とに基づいて、ワークＷの測定面の形状測定データを求める。入力部７０は、計測に必要なデータを演算処理部６０に入力する。出力部８０は、演算処理部で求められた測定結果を出力する。表示部９０は、入力操作に必要な情報および測定結果を表示する。

図３は、形状測定方法を示すフローチャートである。

形状測定を開始すると、参照ミラー３３を光軸方向に所定量移動し（Ｓ１）、測定面の干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を画像メモリ５０に記憶する（Ｓ２）。これを所定サンプリング数だけ繰り返し（Ｓ３）、所定枚の干渉画像が画像メモリ５０に蓄積されると、演算処理部６０が測定面の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列のピーク位置を検出する（Ｓ４）。そして、検出した各測定位置のピーク位置を測定点における高さとして表示、出力する（Ｓ５）。

図４は、参照ミラー３３の反射面（参照面）の構造を示す。参照ミラー３３の反射面は、広帯域光を吸収する基板３３１に円形の微小ミラー３３２が縦横にドットパターン状に配列された構造を有する。微小ミラー３３２に入射する光は、反射されてビームスプリッタ３２に戻る。一方、微小ミラー３３２のない基板３３１部分に入射する光は、基板３３１に吸収され、ビームスプリッタ３２には戻らない。微小ミラー３３２の配列パターンは撮像部４０が備える撮像素子の配列パターンに対応し、ある微小ミラー３３２による反射光は、ビームスプリッタ３２でワークＷからの反射光と合波され、結像ミラー４１を介して撮像部４０において当該微小ミラー３３２に対応する位置の画素に入射され結像する。

図５は、合成波の各成分が、撮像部４０の１つの画素に入射する領域を示した模式図である。ワークＷでの反射光は画素の受光部全域（図５（ａ）の領域Ａ）に入射され、参照ミラー３３での反射光は微小ミラー３３２に対応する領域（図５（ｂ）の領域Ｂ）にのみ入射される。したがって、干渉は領域Ｂ内のみで発生し、領域Ｂの外側では発生しない。

このように、図４に示したような参照ミラー３３を用いることにより、１つの画素の受光面内において光干渉が発生する領域を画素の受光面積よりも狭めることができ、これによりワークＷが傾斜していても光干渉が生じる範囲内での干渉のばらつきを低減することができる。また、１つの画素内で干渉が生じる領域の大きさは微小ミラー３３２の面積によって決まるので、横方向分解能が低い撮像素子を用いる場合でも測定対応傾斜角を大きくすることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。例えば、上記の実施形態ではマイケルソン型の干渉計を例に説明したが、図４に示したような微小ミラーを備える参照ミラーを、ミロー型等、他の等光路干渉計に適用することで、これらの方式の光干渉測定装置においても測定対応傾斜角を大きくすることができる。

また、上記実施形態では、微小ミラー３３２が縦横のマトリックス状のドットパターンで配列された構造の参照ミラー３３を例示したが、微小ミラーの配列は撮像素子の配列に対応するものとすればよく、例えば撮像素子がハニカム配列を採用する場合には、微小ミラーもこれに対応したハニカム配列とされ、１つの微小ミラーによる反射光が対応する１つの素子に入射するようにするとよい。

また、参照ミラー３３の基板３３１は、入射する光を吸収するのではなく散乱することにより、微小ミラー３３２に入射しなかった光が合成波における光干渉に寄与しないようにしてもよい。

本発明は、光干渉測定装置に適用して測定対応傾斜角を改善することができる。

１・・・形状測定装置
１０・・・光射出部
２０・・・光学ヘッド部
３０・・・対物レンズ部
４０・・・撮像部
４１・・・結像レンズ
５０・・・画像メモリ
６０・・・演算処理部
７０・・・入力部
８０・・・出力部
９０・・・表示部
Ｓ・・・ステージ
Ｗ・・・測定対象物（ワーク）

Claims (4)

1. 光を出力する光源と、
   前記光源から出力された光を参照光路と測定光路とに分岐するとともに、参照光路を経た反射光と測定光路に配置された測定対象物を経た反射光とを合成した合成波を出力するビームスプリッタと、
   前記参照光路に配置され、ビームスプリッタで参照光路に分岐された光を、反射面に配された複数の微小ミラーによって反射する参照ミラーと、
   前記測定光路に配置され、測定対象物が載置されるステージと、
   前記参照光路および前記測定光路のいずれか一方の光路長を変化させる光路長可変手段と、
   二次元に配列された複数の受光素子により前記合成波における干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を撮像する撮像手段と、
   を備える光干渉測定装置であって、
   前記複数の微小ミラーは、前記複数の受光素子と対応して配列され、各微小ミラーによる反射光が、当該微小ミラーに対応する受光素子に入射し、
   前記受光素子の受光部において、前記微小ミラーによる反射光が入射する領域の面積は、当該受光素子の受光部の面積よりも狭いことを特徴とする、光干渉測定装置。
2. 前記微小ミラーは、円形に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光干渉測定装置。
3. 前記参照ミラーの反射面における前記微小ミラーが配されていない部分は、前記ビームスプリッタからの光を吸収することを特徴とする、請求項１または２に記載の光干渉測定装置。
4. 前記参照ミラーの反射面における前記微小ミラーが配されていない部分は、前記ビームスプリッタからの光を散乱することを特徴とする、請求項１または２に記載の光干渉測定装置。