JPH02242103A - 多種の用途に独立かつ選択的に操作可能な光学的検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は独立して、モアレ式たわみ計、フィシ関する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によれば、対象物体の特性を決定するための光学
的検査装置であって、該装置は、直接光の発散ビームを
生ずる点光源；第１の光学系であって、抜糸は検査され
るべき対象物体を備えて、かつ直接光のビームを受光す
る場合に、被検物体から反射された光の収斂ビームの形
式で該光を該点光源に向けて後戻りさせるが如く配置さ
れた第１の光学系；該反射された光の収斂ビームを遮断
する手段；観察装置；第２の光学系であって、上記遮断
された反射光のビームを受光し、それを平行化し、かつ
該平行化されたビームを上記観察装置に指向させるよう
に配置された第２の光学系；部分的透過率基準板であっ
て、該第１の光学系に含まれ、それにより対象物体の地
形図の輪郭画描が直接光ビームと反射光ビームの間の干
渉によって得られるようになっている部分的透過率基準
板：シュリーレンフィルタであって、該シュリーレンフ
ィルタは画像のフーリエ変換を作り直すように該反射ビ
ームの焦点において上記第２の光学系に含まれ、それに
より上記観察装置にシュリーレン画像が生ずるようにな
っているシュリーレンフィルタ；および上記部分的透過
率基準板または上記シュリーレンフィルタを上記第１お
よび第２の光学系のそれぞれの位置に選択的に配置せし
める手段； とを具備することを更に具備する、、光学的検査装置、
が提供される。

上記基本的な配置図はモアレ式たわみ計として動作する
のみならず、また、フィゾー型干渉計として、シュリー
レン装置として、または、光投影式測定装置として動作
する如く使用されることが可能である。

Ｃ実施例〕 第１図は、相物体を検査するための基本的な望遠鏡の配
置図を図示している。同様な基本的配置図は僅かの修正
を加えて、また湾曲した鏡面を有する鏡面体を検査する
ために使用できる。

第１図に図示の装置は発散する光ビームを発生する点光
源２を具備している。この点光源２は平行化ビームを生
ずるレーザとすることが可能で、このビームは引続いて
発散レンズを通過され発散ビームを生ずる。発散ビーム
はビーム分割器４を通過し、一般に１０で表わされる光
学系に指向され、この光学系は、１２で表わされる被検
査相物体を含んでいる。

光学系１０は、光が相物体１２を通過する前に点光源２
からの光を平行化する対物レンズ１４および、相物体１
２を通過する光を相物体を通って対物レンズ１４に反射
する平坦な反射面１６とを具備している。後者の対物レ
ンズは相物体１２を通過後に反射ビームを収斂し、点光
源２に向けて向きを戻す。対物レンズ１４、検査された
相物体１２および反射面１６を含む光学系１０は、した
がって２度相物体１２を通過した後に、光ビームを収斂
ビームの形式で点光源２に向けてもと来た路に戻すよう
にさせる。

ビーム分割器４は、反射光の収斂ビームを点光源２に達
する前にさえぎって、第２の対物レンズ２２を含む、一
般に２０で表わされる第２の光学系にビームを指向する
。光学系２０は、ビーム分割器４から反射したビームを
平行化し、平行化ビームをつや消し形スクリーン２４の
形式で観察装置に向ける。

モアしたわみ計としてこのシステムを動作させるために
、ビーム分割器４から反射したビームを平行化した後に
光学系２０は相互に関して予め選定された角度定位置と
予め選定された位置において、平行化ビームを第１と第
２の格子Ｇ、、Ｇ２を介して指向することにより、つや
消し形スクリーン２４上にモアレ縞パターンを生ずる。

周知の技術によれば、モアレ縞パターンは検査される相
物体１２の特性を指示させるために使用することが可能
である。

光学系１０の焦点距離は光学系２０の焦点距離よりは大
きく、その結果第１．第２格子Ｇ、、　Ｇ。

を介して指向された像を減少する。これにより感度が増
加される。その上、光学系１０のレンズ１４は軸方向の
近似を維持するために被検相物体１２に向かっておよび
それから離れる如く移動可能なように取付けることが可
能であり、それにより装置をして短い焦点距離のレンズ
用にも使用を可能にしている。

第２図に図示された配置図は、顕微鏡対物レンズとレー
ザに装着し軸外れ望遠鏡ミラーを備えた反転望遠鏡によ
りビーム拡大が達成される古典的たわみ計の配置図とは
異っている。それよりはむしろ第２図に示された配置図
は、フィゾー干渉計のような、ニュートン型望遠鏡を使
用している。

レーザビームが所望の幅まで拡大され大きな対物レンズ
１４を通過した後に、レーザビームが相物体１２を通過
しくそれが近軸近似に対し平行を保つことを仮定してい
る）、それから平坦なミラー１６により望遠鏡内に反射
し戻され、従って２度相物体を通過する。もとに戻され
たビームはビーム分割器４によりビームが再平行化され
るより小さな対物レンズ１４に対し９０°進路を変える
。

今度は小さな直径のたわみ計が再偏向を検知するのに使
用可能である。

第２図に示された配置図は、検査されるべき物体により
平坦な反射器を置換するのみによって、平坦な鏡面物体
を測定するように容易に修正され得る。被検物体を含む
光学系はまた第１図と第２図のレンズ１４に対応して、
大きな対物レンズを具備し得るが、これは凹面状鏡面物
体を検査するための配置において本質的なことではない
。

第３図はフィゾー干渉計として動作するように修正され
た第１図の基本的配置図を図示する。これは部分的透過
率基準板３０を第１図の基本的配置図の光学系１０に加
えるのみで行われ得るものである。反射されたビームと
直接ビーム間の干渉から、物体の地形図の等高線図がか
くして得られる。各編は１／２波長の標高（ｅｌｅｖａ
ｔｉｏｎ）の変化を表わす。相物体１２を試験する場合
、各編は基準板３０と反射器表面１６との間に設置され
、光路の等高線図は高度等高線図の代りに得られること
になる。

したがって部分的透過率基準板３０を光学系１０に単に
加えることにより、第１図の基本的配置図はフィゾー干
渉計として使用するために変換される。

干渉計使用法の主要な利点は微少な偏移を測定する能力
に帰因するその高感度である。不幸にも、この高感度は
また比較的大きな偏移から結果を分析することの不可能
という結果に導かれる。

通常のシュリーレン技術は半定量的な技術である。第１
図に図示された基本的な配置図は刃先形空間フィルタま
たは他の空間フィルタを反射ビームの焦点に設置するこ
とによりシュリーレン装置として動作するように変更さ
れ得る。この空間フィルタは単に画像のフーリエ変換を
切断するのみである。

したがって第４図に示すように、図示されたシュリーレ
ン装置は第１図に図示の基本的配置図を含むが、ビーム
分割器４と対物レンズ２２の間の第２の光学系２０にお
いて刃先形空間フィルタ４０を附加したものである。回
折効果を無視すると、試験物体が平坦であれば、反射ビ
ームは平行化を維持し、光線のすべては無限小点に焦点
合わせされるであろう。物体がＸ方向の勾配（ｇｒａｄ
ｉｅｎｔ）を含むならば、光源のうちには焦点４０の下
または上で焦点合わせされるものもあるであろう。Ｙ方
向の傾斜を決定するために、物体または刃先のいずれか
が９０°宛回転されなければならない。

刃先形フィルタ４０は画像をして勾配の方向に依存して
明又は暗の状態に見えるようにさせる。

相対的な大きさは、刃先を焦点にゆっくり向かわせて、
いつある領域が暗くなるかを観察することにより評価さ
れ得る。暗くなる第１の領域は、平坦な領域が後続する
正の勾配となり、最後に負の勾配となるという点で岡と
谷とが区別され得る。

正確な大きさは一定の物体勾配に対し刃先の位置を予め
校正することにより決定され得る。より定量的な測定は
試験物体の傾斜に対し敏感なものとなる。

基本的な望遠鏡構成の動作は簡単な変更により極めて大
きく修正され得る。基準板を試験物体の領域に挿入する
ことによりフィゾー干渉計が達成される。刃先を焦点面
に加えることにより、シュリーレン配置図が得られる。

２個のロンチ（Ｒｏｎｃｈｉ）基準刻線を小さな対物レ
ンズの後方に設置することにより、モアしたわみ計が得
られる。これらの附加物の各々は配置図の相異なる領域
内に設置されるので、技術の組合せを同時に適用するこ
とが可能である。

第５図と第６図とは、第１図の基本的配置図が光投影式
（影絵式）測定装置としてまた如何に動作され得るかを
図示している。光投影法は基本的な装置のみを必要とす
る時に、４種の技術のうち最も簡単なものである（即ち
基準板、格子、または刃先のない平面望遠鏡、第５図参
照）。鏡面から反射した平行化ビームを考えることにし
よう。

表面がくぼみ（ｄｉｐ）又は***部（ｂｕｍｐ）を含む
ならば、表面から反射した光線は観察用スクリーンに達
する前に交差するであろう。

観察用スクリーンが非常に狭い角の平行化ビームを集め
るならば、偏向ビームは観察スクリーン上に現われるこ
となく影で掩う方法が発生することになる。これは望遠
鏡を使用するか、またははるかに離れた距離でビームを
観察することにより達成される。この効果の寸法は配置
図の収集角により決定される。寸法は試験物体の傾斜の
変化、即ち曲率、または相物体による光線の偏向の導関
数、即ち屈折率の２次導関数を敏感に検知する。

光投影法は偏向角の導関数を敏感に検知するから、これ
は工学的構成成分における小さな欠点補正用の欠点をも
検知するのに極めて有用である。

これは欠点を観察するために人間の眼が使用するのと同
じ量である。

第５図は機器が全熱変更されないことが知られる最も簡
単な配置図を図示している。干渉計法、たわみ針法また
はシュリーレン法を用いて測定する場合には、物体は望
遠鏡の共役平面、即ち対物レンズ１４を含む第１の光学
系の共役面において設置されるべきで、これにより光投
影法の縞を消去し、かつ幾何学的ひづみや回折のような
他の効果を最小にするものである。光投影式装置を測定
する場合物体は望遠鏡の共役面から離れるように設置さ
れねばならない。

第６図はより複雑な配置図を図示するもので、これは附
加的なビーム分割器３４を第２の光学路、即ち反射光の
収斂ビームの通路に挿入して、別の部分を遮り光を屈折
させることを必要とするものである。屈折されたビーム
はレンズによって、カメラ、ＣＣＤアレイ、または他の
２次元検出器アレイであり得る第２の観察用スクリーン
上に画像表示される。この構成により他の３方法の組合
せに対して光投影法の同時観察を許容することができる
。たわみ計用スクリーン上に正確に画像表示するために
、物体は正確な共役面に設置される。

第２の観察システムは、光投影式装置が可視的であるよ
うに意図的に焦点がボケルようにされる。

第２の検知システムは、物体が正確な共役面まで移動さ
れると、フィゾー干渉計型装置用に使用され得る。これ
は干渉計装置の図形のコントラストを減少するモアレ格
子からの擾乱を受けないようにさせるものである。

機器のこの配置の主要な利点は、ゆるやかに変化する表
面の等高線とすり傷やその他の欠陥が同時に測定し得る
ということである。これは製品のあらゆる形式の欠陥の
評価を必要とする多くの製造業者にとって重要なことで
ある。

上記の説明により、第１図の基本的な望遠鏡の配置図が
モアしたわみ計、フィゾー干渉計、シュリーレン装置、
光投影式測定装置および種々の組合せとしての動作方法
が示される。フィゾー干渉計式測定装置はほぼ完全に近
い物体の高感度測定に最も適していることが見出された
。たわみ計測定方式は、高感度測定用に使用し得るもの
ではあるけれども、低感度分析を必要とする物体用に使
用されねばならない。たわみ針形測定方式はまた物体の
傾斜が干渉計形の結果を実施する平坦度分析において好
適している。シュリーレン形測定装置は、縞の解説を行
ったり（有限差縞たわみ計測定方式）や物体を動的に移
動させる（干渉針形測定方式）必要なしに、極めて簡単
な方法で丘と谷を決定し得る望ましい非定量式の追加装
置である。

光投影式測定法は光学的構成部品における小さな表面欠
陥を検知するのに特に有用である。

たわみ針形測定と干渉針形測定の組合せ動作は広範囲の
傾斜をもつ物体を解析するのに理想的な解決法である。

比較的小さな高度の平均からのずれをもった物体の領域
に対しては固定式高傾斜の干渉針形測定方式が利用され
得るし、第２Ｃ図に示したように比較的高い傾斜の領域
に対しては低感度のモアレ装置を利用することができる
。

第１図の同じ機器はまた、第２図の２個の格子Ｇ１．Ｇ
２を取除いてせん断機式干渉針形測定法で知られるよう
に、せん断（ｓｈｅａｒ　ｉｎｇ　）装置を置換するこ
とによりせん新方式干渉計として用いることができる。

第１図の機器はまた光弾性効果による応力を決定する装
置として用いることができる。

偏光ビーム分割器と組合せた線形偏光レーデ光は種々の
レベルの応力を表わす高品質の縞を生ずる。

この現象は光弾性効果によるものである。

第１図の同一の機器は第５図に関して上記したような第
１の光学系の共役面から離れて物体を配置することによ
り、または第２のビーム分割器と第６図に関して上記し
た如き別の光学系とを含むことにより、物体の影絵を生
ずる如く使用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本出願の発明において使用される基本的な望遠
鏡の機構を図示する図面； 第２．３および４図はそれぞれモアレ式たわみ計、フィ
ゾー干渉計およびシュリーレン装置として動作するよう
に修正された第１図の基本的機構を図示する図面、およ
び 第５図と第６図とは光投影式測定装置として動作するよ
うに修正された第１図の基本的な機構を図示する、図面
である。 ２・・・　点光源、　　　４・・・ビーム分割器、１０
・・・第１の光学系、１２・・・相物体、１４・・・対
物レンズ、　　１６・・・反射面、２０・・・第２の光
学系、２２・・・対物レンズ、２４・・・つや消し形ス
クリーン、 ３０・・・部分的透過率基準板、 ３４・・・ビーム分割器、 ４０・・・刃先形空間フィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対象物体の特性を決定するための光学的検査装置で
   あって、該装置は、 直接光の発散ビームを生ずる点光源； 第１の光学系であって、該系は検査されるべき対象物体
   を備えて、かつ直接光のビームを受光する場合に、被検
   物体から反射された光の収斂ビームの型式で該光を該点
   光源に向けて後戻りさせるが如く配置された第１の光学
   系； 該反射された光の収斂ビームを遮断する手段；観察装置
   ； 第２の光学系であって、上記遮断された反射光のビーム
   を受光し、それを平行化し、かつ該平行化されたビーム
   を上記観察装置に指向させるように配置された第２の光
   学系； 部分的透過率基準板であって、該第１の光学系に含まれ
   、それにより対象物体の地形図の等高線画描が直接光ビ
   ームと反射光ビームの間の干渉によって得られるように
   なっている部分的透過率基準板；シュリーレンフィルタ
   であって、該シュリーレンフィルタは画像のフーリエ変
   換を作り直すように該反射ビームの焦点において上記第
   ２の光学系に含まれ、それにより上記観察装置にシュリ
   ーレン画像が生ずるようになっているシュリーレンフィ
   ルタ；および 上記部分的透過率基準板または上記シュリーレンフィル
   タを上記第１および第２の光学系のそれぞれの位置に選
   択的に配置せしめる手段； とを具備することを特徴とする光学的検査装置。 ２、上記遮断用手段がビーム分割器を具備することを特
   徴とする、請求項１記載の装置。 ３、該装置が、上記観察装置と上記第２の光学系との間
   に配列された第１と第２の格子相互に関し、予め選択さ
   れた角度定位置と分離距離において第１および第２の格
   子を更に備え、第２の光学系が上記第１および第２の格
   子を介して反射光の平行化ビームを指向させることによ
   り、被検物体の特性の指示を与えるモアレ光パターンを
   生ずるようになっている、請求項２記載の装置。 ４、該装置が、対象物体の光投影図を生ずるように、上
   記第１の光学系の共役面から離れて対象物体を配置する
   ための手段を更に具備する、請求項２記載の装置。 ５、該装置が、別の部分を横断するために、反射光の収
   斂ビームの通路に第２のビーム分割器を更に具備し、お
   よび 別の光学系が、反射光の収斂ビームの上記別の部分を、
   焦点ボケの条件で受光する如く配置され、それによって
   対称物体の光投影図を生ずる第２の観察装置を具備する
   、 ことを特徴とする、請求項２記載の装置。