JPH03225206A - 光学式表面形状測定装置 - 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、被測定物の表面に光を照射してその被測定物
の表面形状を非接触で測定する光学式表面形状測定装置
の改良に関するものである。

従来の技術 光プローブから出射される計測光を被測定物の表面に照
射しながらその光プローブと被測定物とを相対移動させ
るとともに、その被測定物の表面で反射された計測光と
参照光とを干渉させることによって得られる干渉光の位
相変化に基づいて、その被測定物の表面形状を測定する
光学式表面形状測定装置が、例えばガラスモールドレン
ズやプラスチックモールドレンズ、或いはそれ等の鋳型
等の形状９表面粗さを三次元測定する場合などに用いら
れている。このような光干渉を利用した測定装置によれ
ば、三角測量の原理を利用した測定装置に比較して分解
能が高く、表面粗さや表面形状を高い精度で測定するこ
とができる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、このような光干渉を利用した光学式表面
形状測定装置は、光プローブの光軸と直角な平面に対す
る被測定物表面の傾きが通常±３０°以上になると、計
測光の反射光量が充分に得られなくなって、精度の高い
表面形状測定を行うことができなくなるという問題があ
った。このことは、光プローブを被測定物に対して互い
に直角なＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ相対移動させる直交座標測
定であるか、光プローブまたは被測定物を一回転軸まわ
りに回転させる極座標測定であるかを問わず生じる問題
である。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、被測定物表面の傾きに拘らずその
表面形状を常に高い精度で測定できるようにすることに
ある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、被測定物の表
面に光を照射してその被測定物の表面形状を非接触で測
定する光学式表面形状測定装置であって、（ａ）光ファ
イバを介して光送受信部と光センサヘッド部との間で光
の送受信を行うとともに、その光センサヘッド部から出
射されて前記被測定物の表面で反射された計測光と参照
光とを干渉させることによって得られる干渉光の光強度
変化に対応する計測信号をその光送受信部で取り出す光
ファイバセンサ装置と、（ｂ）前記光センサヘッド部お
よび前記被測定物をそれぞれ移動させてそれ等を相対移
動させる移動装置と、（Ｃ）前記光センサヘッド部と前
記被測定物との相対移動量と、その相対移動に伴ってそ
の被測定物の表面形状に応じて変化する前記計測信号の
位相変化とに基づいて、その被測定物の表面形状を測定
する測定手段と、（ｄ）その測定手段によって測定され
た表面形状に基づいて、前記光センサヘッド部が位置さ
せられて表面形状測定が行われる部分の表面の法線方向
を求める法線方向判定手段と、（ｅ）前記光センサヘッ
ド部から出射される前記計測光の光軸が、前記法線方向
判定手段によって求められた法線方向と略一致させられ
、且つ、その計測光の照射位置が予め定められた走査経
路に従って変化させられるように、前記移動装置により
前記光センサヘッド部と前記被測定物とを相対移動させ
る移動制御手段とを有することを特徴とする。

ここで、光センサヘッド部と被測定物との間の離間距離
にばらつきがあると、計測光の光軸を被測定物表面の法
線方向と一致させるためにそれ等を相対移動させた場合
に、その計測光の照射位置すなわち測定位置がばらつい
て測定精度が損なわれたり、装置各部の寸法誤差などに
対する較正値を求めた時の離間距離と異なる場合にはそ
の較正値を適用できなくなったりする。このため、光セ
ンサヘッド部と被測定物との間の離間距離を、表面形状
測定に先立って一定の大きさ、具体的には上記較正値を
求めた時の大きさなどに調整しておくことが望ましく、
上記光センサヘッド部は、前記被測定物の表面に照射さ
れる計測光の焦点位置を光軸方向に微小振動させる振動
付与手段を有するとともに、前記移動制御手段は、前記
微小振動に伴う前記計測信号の信号強度変化に基づいて
、前記光センサヘッド部と前記被測定物との間の離間距
離が一定の大きさとなるように、表面形状測定に先立っ
て前記移動装置により初期調整させるように構成するこ
とが望ましい。

また、前記光ファイバセンサ装置としては、従来から種
々多様のものが提案されているが、例えば特開平１−１
７５０９９号公報、特開平１−１５６６２８号公報、特
開平１−２０３９０６号公報等に記載されている光ファ
イバセンサ装置が好適に採用され得る。

作用および発明の効果 このような光学式表面形状測定装置においては、光干渉
を利用して測定を行う光ファイバセンサ装置の光センサ
ヘッド部が、予め定められた走査経路に従って計測光の
照射位置が変化させられるように、移動制御手段によっ
て制御される移動装置により被測定物に対して相対移動
させられ、その相対移動量と光ファイバセンサ装置から
出力される計測信号の位相変化とに基づいて、測定手段
により被測定物の表面形状が測定される。その場合に、
上記測定手段によって測定された実際の表面形状に基づ
いて、表面形状測定が行われる部分の表面の法線方向が
法線方向判定手段によって求められ、上記移動制御手段
は、計測光の光軸がその法線方向と略一致するように移
動装置により光センサヘッド部と被測定物とを相対移動
させるため、被測定物表面の傾きに影響されることなく
常に高い精度で表面形状測定を行うことができるのであ
る。

また、本発明では、光干渉によって測定を行う装置とし
て、計測光を出射する光センサヘッド部を自由に動かす
ことができる光ファイバセンサ装置が用いられ、被測定
物のみならずその光センサヘッド部をも移動させるよう
になっているため、被測定物に対して光センサヘッド部
を自在に相対移動させることが可能で、計測光の光軸を
被測定物表面の法線方向と一致させつつ予め定められた
走査経路に従って計測光の照射位置を移動させることが
できるのである。

また、上記光センサヘッド部が、被測定物の表面に照射
される計測光の焦点位置を光軸方向に微小振動させる振
動付与手段を有するもので、移動制御手段が、その微小
振動に伴う計測信号の信号強度変化に基づいて光センサ
ヘッド部と被測定物との間の離間距離が一定の大きさと
なるように、表面形状測定に先立って移動装置により初
期調整させるものである場合には、測定開始時におｔす
る光センサヘッド部と被測定物表面との離間距離が常に
一定の大きさとされるため、例えばそのような測定条件
下において予め求められた寸法誤差などに対する較正値
を用いることにより、計測光の光軸を被測定物表面の法
線方向と一致させつつその計測光が予め定められた走査
経路上に照射されるように、光センサヘッド部と被測定
物とを高い精度で相対移動させることが可能となる。こ
れにより、光センサヘッド部と被測定物との間の離間距
離のばらつきに起因する測定精度の低下が防止される。

このような光学式表面形状測定装置においてはまた、被
測定物の表面に通常の光干渉による表面形状測定では測
定し得ないような段差が存在する場合でも、その段差の
手前で測定を中断し、段差の後で測定を再開する際に上
記のように光センサヘッド部と被測定物表面との間の離
間距離が一定の大きさとなるように初期調整を行うこと
により、その時の光センサヘッド部と被測定物との相対
移動量から段差の高さを測定することができる。

実施例 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図において、光ファイバセンサ装置１００の光セン
サヘッド部３８および被測定物６８は、移動装置１０２
に取り付けられて相対移動させられるようになっている
。移動装置１０２は、ベツド１０４上に配設されて矢印
Ａで示されているように略垂直な回転軸心まわりに回転
させられる高精度回転台１０６と、その高精度回転台１
０６上に配設されて矢印Ｂで示されているように上下方
向へ移動させられる高精度移動台１０８と、ベツド１０
４上に配設されて矢印Ｃで示されているように略水平な
方向へ移動させられる高精度移動台１１０と、その高精
度移動台１１０に配設されて矢印りで示されているよう
に略水平で且つ高精度移動台１１０の移動方向に対して
直角な回転軸心まわりに回転させられる高精度回転台１
１２とを含んで構成されている。上記高精度回転台１０
６゜１１２および高精度移動台１０８，１１０は、例え
ば静圧空気軸受などにより高い精度で回転または移動さ
せられるものである。

そして、光センサヘッド部３８は、その先軸（後述する
計測光ＬＨの光軸）が高精度回転台１１２の回転軸心と
略直交させられ且つ高精度回転台１０６の回転軸心と交
差するように、高精度回転台１１２に取り付けられてい
る。また、この実施例における被測定物６８は回転対称
軸を有するガラスモールドレンズなどであり、その被測
定物６８は、上記回転対称軸が高精度回転台１０６の回
転軸心と略一致する姿勢で、高精度移動台１０８上にセ
ットされるようになっている。

一方、光ファイバセンサ装置１００は、例えば第２図に
示されているように構成され、Ｈｅ　−Ｎｅレーザ、半
導体レーザなどのレーザ光源１ｏがら出射された単色の
レーザ光は、光軸まわりに４５°回転させて配置された
偏光ビームスプリッタ１２、ファラデー回転子１４、偏
光ビームスプリッタ１６を通過した後、集光レンズ１８
により定偏波光ファイバ２０の端面に入射させられる。

上記偏光ビームスプリッタ１２、ファラデー回転子１４
、および偏光ビームスプリッタ１６は、光アイソレータ
としても機能するものであり、反射光すなわち前記光セ
ンサヘッド部３８がら定偏波光ファイバ２０を通して戻
される光をレーザ光源ｌＯへ入射させないようにする。

また、偏光ビームスプリッタ１６は反射光を偏波面（電
気ペルトルの振動面）に従って分割する機能をも備えて
おり、偏光ビームスプリッタ１６により反射された光は
、集光レンズ２２により第１光センサ２４に入射させら
れる。また、偏光ビームスプリッタ１６を通過した反射
光は、ファラデー回転子１４により偏波面が光軸まわり
に４５°回転させられるので偏光ビームスプリッタ１２
により反射されて、集光レンズ２６により第２光センサ
２８に入射させられる。以上の光学素子および光センサ
によって光ファイバセンサ装置１００の光送受信部３０
が構成されており、この光送受信部３０の図示しない機
枠に定偏波光ファイバ２０の一端部が固定されている。

上記定偏波光ファイバ２０は、コア３２とこのコア３２
を挟む一対の応力付与部３４と、それらを覆うクラッド
３６とから構成されており、たとえば互いに直交する偏
波面にて光を伝送するＨＥ１１”モードおよびＨＥ＋ｔ
’モードの２伝送モードにて偏波面を保存しつつ光を伝
送する。前記のように定偏波光ファイバ２０の一端部に
入射させられる光は偏光ビームスプリッタ１６を通過し
た直線偏光であるから、定偏波光フアイバ２０内におい
ては２伝送モードのうちの一方のモードにて伝送される
ように、定偏波光ファイバ２０は光軸まわりの方位が調
整されて固定されている。

上記定偏波光ファイバ２０の他端部は光センサヘッド部
３８の機枠４０に固定されており、定偏波光ファイバ２
０の２種類の伝送モードのうちの一方の伝送モードにて
伝送された直線偏光は、集光レンズ４６を通って平行光
に変換された後、無偏光ビームスプリッタ４８により参
照光りえと計測光ＬＨとに分離される。無偏光ビームス
プリッタ４８を通過した計測光ＬＨは、１／４波長板５
４を通過させられた後に対物レンズ５６によって前記被
測定物６８の表面７０上に集光させられる一方、無偏光
ビームスプリッタ４８で反射された参照光Ｌｍは、１７
８波長板６２を通過させられた後にミラー６０によって
方向変換させられ、集光レンズ６４によってミラー６６
上に集光させられる。

上記対物レンズ５６は、振動付与手段としての円筒状の
圧電アクチュエータ５８を介して機枠４０に取り付けら
れており、その圧電アクチュエータ５８が伸縮させられ
ることにより対物レンズ５６はその光軸方向へ微小振動
させられ、それに伴って計測光ＬＨの焦点位置も光軸方
向へ微小振動させられる。

上記表面７０およびミラー６６で反射された計測光り、
および参照光り、は、それぞれ往路と逆の光路を辿って
定偏波光ファイバ２０に入射させられ、互いに干渉させ
られる。この干渉光の光強度は、光センサヘッド部３８
と被測定物６８との相対移動がなくて計測光ＬＨ２参照
光ＬＲの光路長がそれぞれ一定であれば変化しないが、
前記移動装置１０２によって光センサヘッド部３８と被
測定物６８とが相対移動させられ、表面７０の凹凸形状
に応じて計測光り、Ｈの光路長、更には位相が変化させ
られると、それに伴って変化する。なお、圧電アクチュ
エータ５８によって対物レンズ５６が微小振動させられ
た場合にも上記干渉光の光強度は変化させられる。

一方、前記１／４波長板５４の光軸は往路の計測光ＬＨ
の偏波面に対して２２．５°傾斜させられているため、
その１７４波長板５４を２回通過させられた復路の計測
光し、４の偏波面は４５°傾斜させられる。また、前記
１７８波長板６２の光軸は往路の参照光り、の偏波面に
対して４５°傾斜させられているため、その１／８波長
板６２を２回通過させられた復路の参照光ＬＲは円偏光
に変換される。

このため、計測光ＬＨは、定偏波光ファイバ２０の２種
類の伝送モードＨＥ、、”およびＨＥｌｌｙに対して偏
波面が４５°傾斜させられ、それ等２種類の伝送モード
ＨＥ、、ＸおよびＨＥ、、’に同じ位相で等分配される
が、円偏光の参照光Ｌｍは、伝送モードＨＥ、、Ｘおよ
びＨＥ、νに分配される際にその位相が互いに９０°ず
らされる。したがって、伝送モードＨＥ、、Ｘで伝送さ
れる干渉光の光強度変化の位相と伝送モードＨＥ、、Ｙ
で伝送される干渉光の光強度変化の位相は互いに９０°
ずらされることとなる。

上記２種類の干渉光は、光強度変化の位相が９０°ずら
されたまま定偏波光ファイバ２０によって光送受信部３
０まで伝送され、それぞれ集光レンズ１８により平行光
とされた後、偏光ビームスプリンタ１６によって分離さ
れ、前記第１光センサ２４．第２光センサ２８に入射さ
せられる。そして、それ等の第１光センサ２４および第
２光センサ２８からは、２種類の干渉光の光強度変化に
対応して変化するとともに、位相が９０°ずらされた２
種類の電気信号、すなわち計測信号ＭＳＩ。

ＭＳ２が出力される。

かかる光学式表面形状測定装置は第３図に示されている
制御回路を備えており、上記計測信号ＭＳｌおよびＭＳ
２は測定制御装置１１４に供給されるとともに、その測
定制御装置１１４からは、駆動信号ＤＭ１〜５がそれぞ
れ駆動制御装置１１６．１１８，１２０，１２２，１２
４に出力され、駆動モーフ１２６，１２８，１３０．１
３２および前記圧電アクチュエータ５８の作動が制御さ
れる。駆動モータ１２６，１２８，１３０，１３２は、
それぞれ前記移動装置１０２の高精度回転台１０６、高
精度移動台１０８，１１０．高精度回転台１１２を回転
または移動させるものであり、それ等の駆動モータ１２
６，１２８，１３０．１３２からは、高精度回転台１０
６．高精度移動台１０８．１１０．高精度回転台１１２
の位置に対応する位置信号ＳＸＩ〜４が測定制御装置１
１４に供給される。また、駆動制御装置１２４は、電圧
値が周期的に変化する駆動電力を圧電アクチュエータ５
８に出力するもので、これにより圧電アクチュエータ５
８が伸縮させられ、前記対物レンズ５６が光軸方向へ微
小振動させられる。この駆動制御装置１２４からは、上
記駆動電力の周期変化に対応して変化するモニタ信号Ｓ
Ｐが測定制御装置１１４に供給される。

上記測定制御装置１１４はマイクロコンピュータ等を含
んで構成されており、第４図に示されている機能を備え
ている。かかる第４図において、表面形状測定ブロック
１３４は、計測信号ＭＳ　ｌ。

ＭＳ２および位置信号ＳＸＩ〜ＳＸ４に基づいて被測定
物６８の表面形状を測定するブロックであり、計測信号
ＭＳＩおよびＭＳ２は、例えばその直流成分が除去され
た後電圧Ｏｖを闇値とするコンパレータによりその位相
が１／２位相πだけ変化する毎にパルスの発生、消滅を
繰り返し、且つ互いに位相が９０°ずらされたＡ相およ
びＢ相のパルス信号に変換され、可逆のアップダウンカ
ウンタによってその位相変化量が求められる。この位相
変化量は被測定物６８と光センサヘッド部３日との相対
移動に伴う被測定物表面７０と光センサヘッド部３８と
の間の離間距離の変動量に対応するもので、位置信号Ｓ
ｘ１〜４から求められる被測定物６８と光センサヘッド
部３８との相対移動量や移動方向と、上記変動量とに基
づいて、被測定物表面７０の凹凸形状や表面粗さが測定
される。

そして、この表面７０の形状を表す測定信号ＳＳが表示
記録装置１３６（第３図参照）、法線方向判定ブロック
１３８．および相対位置制御ブロック１４０に出力され
、表示記録装置１３６において、その表面形状が表示さ
れるとともに記録される。この表面形状測定ブロック１
３４は測定手段に相当する。

上記法線方向判定ブロック１３Ｂは、測定信号ＳＳが表
す表面形状に基づいて、光センサヘッド部３８から出射
された計測光り、が照射されて表面形状測定が行われて
いる部分の表面７０の法線方向を求めるブロックであり
、例えば前記移動装置１０２の高精度移動台１１０を矢
印Ｃの方向へ移動させながら被測定物６８の回転対称軸
を通る一直線方向へ走査して表面形状測定が行われる場
合には、直前の２点の測定データから表面７０の接線方
向を求め、高精度回転台１１２の回転による光センサヘ
ッド部３８の光軸の回転平面、すなわち上記２点を含む
垂直な平面内におけるその接線方向と直角な方向を法線
方向として算出すれば良い。被測定物６８は回転対称軸
を有するとともに、その回転対称軸が上記光センサヘッ
ド部３８の光軸の回転平面内に位置するようにセットさ
れるため、上記のように二次元的に法線方向を求めても
大きな狂いは生じないのである。この法線方向判定ブロ
ック１３８は法線方向判定手段に相当する。

上記法線方向を表す信号は相対位置制御ブロック１４０
に供給される。相対位置制御ブロック１４０は、ＲＯＭ
などの記憶ブロック１４２に予め記憶された走査経路を
示す走査データに従って走査、すなわち被測定物表面７
０に対する計測光ＬＨの照射位置が変更され、且つ光セ
ンサヘッド部３８の光軸が上記法線方向と一致するよう
に、光センサヘッド部３８と被測定物６８とを相対移動
させるための駆動信号ＤＭＩ〜４を出力する。走査デー
タは、被測定物６８の設計上の表面形状や同一形状の試
料を用いて試験的に測定した表面形状などに基づいて、
光センサヘッド部３８が表面７０に沿って移動させられ
るように予め定められており、本実施例では、高精度回
転台１０６を固定した状態において高精度移動台１１０
および１０８を移動させることにより、被測定物６８の
回転対称軸を通る矢印Ｃと平行な一直線方向へ表面７０
に沿って走査を行うとともに、高精度回転台１０６を一
定角度ずつ回転させて上記走査を繰り返すことにより、
表面７０全体の表面形状が三次元的に測定されるように
設定されている。また、光センサヘッド部３８の光軸を
法線方向と一致させるだめに、前記法線方向判定ブロッ
ク１３Ｂから供給される信号に従って高精度回転台１１
２の回転位置を変更するとともに、その時の計測光し。

の照射位置が矢印Ｃと平行な方向において上記走査デー
タに定められた位置となるように、測定信号ＳＳが表す
表面７０の高さに応じて高精度移動台１０８または１１
０の位置が補正される。なお、上記高精度移動台１０８
を固定した状態で表面形状測定を行うこともできる。

ここで、移動装置１０２の各部に寸法誤差や組付誤差、
調整不良等が存在すると、そのままでは充分な測定精度
が得られないため、それ等の誤差や調整不良等に拘らず
走査データ通りに計測光ＬＨの照射位置が変更され且つ
光軸が法線方向と一致させられるようにするための較正
値が、移動装置１０２毎に予め真球等を用いてその表面
形状測定を行うことにより求められている。第５図は上
記較正値の一例を示すもので、高精度回転台１１２の回
転軸心Ｏに対する光センサヘッド部３８の光軸ｌの偏差
ｅ２や、回転軸心０から光軸２に下した垂線の交点から
対物レンズ５６の焦点位置までの距離ｅ、がそれである
。そして、前記相対位置制御ブロック１４０は、走査デ
ータ通りに計測光り、の照射位置が変更され且つ光軸が
法線方向と一致させられるように、それ等の較正値に基
づいて駆動信号ＤＭ１〜４を補正して出力するようにな
っている。第５図の１４６は較正用の真球であり、この
真球１４６の表面形状測定を行うことにより、上記偏差
ｅ２や距Ｍｅｌその他の較正値が求められる。なお、こ
れ等の較正値は前記表面形状測定ブロック１３４におい
て表面形状を測定する際にも用いられる。

一方、上記のような較正値を求めて補正する場合、実際
に被測定物６８の表面形状測定を行う際に、較正値を求
めた時の条件を再現する必要がある。すなわち、較正値
を求める際の初期条件として、対物レンズ５６の焦点位
置を真球１４６の表面と一致させた場合には、被測定物
６８の表面形状測定に際しても、予め対物レンズ５６の
焦点位置を被測定物６８の表面７０と一致させる必要が
あるので、ある。このために、本実施例では前記測定制
御装置１１４に焦点位置調整ブロック１４４が設けられ
ている。

かかる焦点位置調整ブロック１４４は、前記駆動制御装
置１１６に駆動信号ＤＭ５を出力して圧電アクチュエー
タ５８を作動させることにより、対物レンズ５６を光軸
方向へ振動させるとともに、相対位置制御ブロック１４
０により光センサヘッド部３８と被測定物６８とを上記
光軸方向へ相対的に接近離間させることにより、その時
の計測信号ＭＳＩの信号強度変化から対物レンズ５６の
焦点位置が表面７０と一致する相対位置を割り出して、
光センサヘッド部３８と被測定物６８とをその相対位置
に位置させるものである。

対物レンズ５６の焦点位置が表面７０よりも手前にある
第６図、表面７０上にある第７図、および表面７０より
も遠くにある第８図を参照しつつ具体的に説明すると、
レーザ光の波長がＨｅ−Ｎｅレーザの代表的な波長６３
３ｎｍ、定偏波光ファイバ２０のコア３２の直径が約４
μｍの場合、そこから出射されて表面７０で反射された
計測光ＬＨは、焦点位置が表面７０と一致する第７図の
場合には高効率で元のコア３２内に再入射されるが、焦
点位置が表面７０からずれた第６図、第８図の場合には
、計測光ＬＭがコア３２内に入射する際にそのコア３２
がピンホールの機能を果たすため、コア３２内に入射す
る計測光ＬＭの光量は減少し、計測信号ＭＳＩの信号強
度も低下する。

そして、各図の状態において対物レンズ５６が圧電アク
チュエータ５８により光軸方向に微小振動させられると
、それに同期して計測信号ＭＳＩの信号強度も変化させ
られるが、第６図と第８図とでは逆相となり、また、第
７図では倍周波の信号となる。したがって、前記駆動制
御装置１２４から供給されるモニタ信号ＳＰを参照信号
として計測信号ＭＳＩを位相弁別検波し、その検波信号
が０となるように光センサヘッド部３８と被測定物６８
とを相対移動させれば、対物レンズ５６による計測光Ｌ
Ｈの焦点位置が表面７０と一致させられる。なお、第６
図および第８図は、理解を容易とするために表面７０で
反射された計測光り、の反射光のみを示したものである
。

本実施例では、この焦点位置調整ブロック１４４および
前記相対位置制御ブロック１４０によって移動制御手段
が構成されている。

以上のように構成された光学式表面形状測定装置におい
ては、被測定物６８が移動装置１０２の高精度移動台１
０８上にセットされると、相対位置制御ブロック１４０
から出力される駆動信号ＤＭ１〜４に従って光センサヘ
ッド部３８と被測定物６８とが測定開始位置へ相対移動
させられ、その測定開始位置において、焦点位置調整ブ
ロック１４４により光センサヘッド部３８から出射され
る計測光ＬＨの焦点位置が被測定物６８の表面７０と一
致させられるように初期調整が行われる。

その後、予め設定された走査データに従って表面形状測
定が行われるように、相対位置制御ブロック１４０によ
り光センサヘッド部３８と被測定物６８とが相対移動さ
せられ、表面形状測定ブロック１３４によりそれ等の相
対移動量と計測信号ＭＳｌおよびＭＳ２の位相変化量と
に基づいて表面７０の凹凸形状が測定される。

上記表面形状の測定時には、測定された表面形状に基づ
いて法線方向判定ブロック１３Ｂにより測定位置におけ
る表面７０の法線方向が求められ、光センサヘッド部３
８の光軸がその法線方向と一致させられ、且つ測定位置
が前記走査データに従って移動させられるように、相対
位置制御ブロック１４０によって光センサヘッド部３８
と被測定物６８とが相対移動させられる。

なお、被測定物６８の表面７０に通常の光干渉による表
面形状測定では測定し得ないような段差が存在する場合
には、その段差の手前で測定を中断し、段差の後で測定
を再開する際に前記焦点位置調整ブロック１４４によっ
て焦点位置を表面７０と一致させることにより、その時
の光センサヘッド部３８と被測定物６８との相対移動量
から段差の高さを測定することもできる。

このように、本実施例の表面形状測定装置は、表面７０
に対して計測光り、が常に略垂直な方向から照射される
ようになっているため、その表面７０の傾きに影響され
ることなく常に高い精度で表面形状測定を行うことがで
きるのである。

また、光ファイバセンサ装置１００の光センサヘッド部
３８を自由に動かすことができるところから、本実施例
では高精度移動台１１０および高精度回転台１１２によ
りその光センサヘッド部３８が直線移動および回転させ
られるようになっているため、被測定物６８の移動と相
俟って、計測光り。の光軸を被測定物表面７０の法線方
向と一致させつつ予め定められた走査データに従って計
測光り、の照射位置を精度良く移動させることができる
。

また、本実施例では表面形状測定に先立って計測光ＬＨ
の焦点位置が表面７０と一致させられ、寸法誤差等に対
する較正値を求めた時の測定条件が再現されるようにな
っているため、その較正値を用いることにより高い精度
で表面形状測定を行うことができる。

また、上記のように計測光ＬＨの焦点位置を表面７０と
一致させることができるところから、光干渉による測定
では不可能な段差の測定も可能なのである。

また、この実施例では、往路においては参照光Ｌｌｌお
よび計測光ＬＨを取り出すための直線偏光が一つの伝送
モードで定偏波光フアイバ２０内を伝送され、復路にお
いては２種類の干渉光が定偏波光ファイバ２０の２つの
伝送モードでそれぞれ伝送されるようになっているため
、温度変動、歪、振動などの外部刺激に起因する定偏波
光フアイバ２０内における干渉光の位相変化が相殺され
、高い測定精度が得られる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実
施例において前記第１実施例と実質的に共通する部分に
は同一の符合を付して説明を省略する。

第９図は移動装置の別の態様を示す図で、この移動装置
１５０は、ベツド１５２上に配設されて矢印Ｅで示され
ているように略水平な方向へ移動させられる高精度移動
台１５４と、その高精度移動台１５４上に配設されて矢
印Ｆで示されているように略水平で且つ上記矢印Ｅと直
角な方向へ移動させられる高精度移動台１５６と、その
高精度移動台１５６上に配設されて矢印Ｇで示されてい
るように上記矢印ＥおよびＦに対して直角な垂直方向へ
移動させられる高精度移動台１５８と、ベツド１５２の
両側部に配設された一対のコラム１６０に跨がって配設
され、矢印Ｈで示されているように上記矢印Ｆと平行な
回転軸心まわりに回転させられる高精度回転台１６２と
、その高精度回転台１６２に配設されて矢印■で示され
ているように高精度回転台１６２の回転軸心と直角な回
転軸心まわりに回転させられる高精度回転台１６４とを
備えて構成されている。そして、前記光センサヘッド部
３８は、その先軸が高精度回転台１６４の回転軸心と略
直交させられる姿勢でその高精度回転台１６４に取り付
けられ、表面１６６が湾曲させられた被測定物１６Ｂは
、その曲率中心が前記矢印Ｅと略平行止なる姿勢で高精
度移動台１５８上にセットされるようになっている。

このような移動装置１５０においては、高精度移動台１
５６により矢印Ｆで示す方向へ被測定物１６８を移動さ
せて表面形状測定を行うとともに、高精度移動台１５４
により矢印Ｅで示す方向へ順次被測定物１６８を移動さ
せることにより、表面１６６全体の表面形状を三次元的
に測定することができる。また、表面１６６に対して略
垂直な方向から計測光り、ｓを照射するためには、例え
ば走査方向（矢印Ｆ方向）における最新の２点の測定デ
ータと、その走査方向と直角な方向（矢印Ｅ方向）にお
いて隣接する既に測定された部分の測定データとを用い
て、計３点の測定データからその３点が含まれる平面を
求め、その平面に垂直な法線方向と光センサヘッド部３
８の光軸とが一致するように高精度回転台１６２および
１６４を駆動するようにしたり、走査方向の２点の測定
データからその２点を含む略垂直な平面内における法線
方向を求めるとともに、走査方向と直角な方向の２点の
測定データからその２点を含む略垂直な平面内における
法線方向を求め、その２つの法線方向に基づいて高精度
回転台１６４および１６２をそれぞれ駆動するようにし
たりすれば良い。この場合にも、光センサヘッド部３８
の光軸の変更に伴う照射位置のずれを防止するため、高
精度移動台１５４，１５６．１５８の位置が光軸方向や
測定データによって補正される。

なお、かかる移動装置１５０によって測定可能な被測定
物の表面形状は、上記被測定物１６Ｂからも明らかなよ
うに回転対称軸を有するものに限定されず、測定すべき
表面１６６がある程度滑らかであれば良い。

また、第１０図および第１１図は、それぞれ光ファイバ
センサ装置の他の態様を示すもので、第１０図の光ファ
イバセンサ装置２００においては、レーザ光源１０から
出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１２、フ
ァラデー回転子１４、偏光ビームスプリッタ１６、無偏
光ビームスプリッタ７４．１７４波長板７６を通過した
後、集光レンズ１８により定偏波光ファイバ２０に入射
させられる。上記無偏光ビームスプリッタ７４は、分岐
比が偏光成分に依存しないで反射光の一部を取り出すも
ので、その無偏光ビームスプリッタ７４により取り出さ
れた光は、光軸まわりに４５°回転して配置された信号
成分取出用の偏光ビームスプリッタ７８を透過させられ
て信号成分だけとされ、集光レンズ２２により第１光セ
ンサ２４に入射させられる。また、偏光ビームスプリッ
タ１６によって反射された反射光は、集光レンズ２６に
より第２光センサ２８に入射させられる。さらに、１７
４波長板７６は図に示す破線の矢印の方向に結晶軸を備
えていて、直線偏光を円偏光に変換する。

このため、定偏波光ファイバ２０の２種類の伝送モード
ＨＥ＋＋”およびＨＥ、、’では、互いに位相が９０°
異なる２種類の直線偏光が伝送される。

この２種類の直線偏光が計測光ＬＨおよび参照光り、で
ある。この実施例では、以上の光学素子および光センサ
によって、光ファイバセンサ装置２００の光送受信部８
０が構成されている。なお、無偏光ビームスプリッタ７
４により外部へ出された光は、レーザ光源１０の出力光
のモニタとじて利用される。

上記定偏波光ファイバ２０の他端部は、光センサヘッド
部８２の機枠８３に固定されており、その他端部から出
射された計測光ＬＭおよび参照光ＬＲは、集光レンズ４
６によって平行光とされた後、ファラデー回転子８４に
より偏波面が４５゜回転させられる。その後、かかる計
測光ＬＭおよび参照光ＬＲは偏光ビームスブリック８６
により分離され、この偏光ビームスプリッタ８６を透過
した計測光ＬＭは圧電アクチュエータ５８に取り付けら
れた対物レンズ５６によって被測定物６８の表面７０上
に集光させられる一方、偏光ビームスプリッタ８６によ
り反射された参照光り、は、ミラー６０により方向変換
された後集光レンズ６４によってミラー６６に集光させ
られる。

表面７０．ミラー６６によってそれぞれ反射された計測
光Ｌ８および参照光Ｌｍは、それぞれ往路と逆の光路を
辿って定偏波光ファイバ２０に入射させられるが、それ
等の偏波面は反射によりそれぞれ１８０°反転させられ
ているとともに、フアラデー回転子８４により４５°回
転させられるため、それぞれ往路と反対の伝送モードに
入射させられる。そして、定偏波光ファイバ２０により
光送受信部８０まで伝送された計測光り、および参照光
り、は、集光レンズ１８により平行光とされた後、１／
４波長板７６により右回転円偏光および左回転円偏光に
変換されるが、計測光ＬＨおよび参照光り、の振幅は略
等しいため、左右円偏光による干渉により直線偏光とな
り、その偏波面の向きは計測光り。と参照光ＬＲとの位
相差により決定される。たとえば、計測光り、と参照光
り。

との位相差が２πであると、直線偏光は１回転する。こ
の直線偏光は、計測光り、４と参照光り、とを干渉させ
ることによって得られる干渉光である。

このような直線偏光は、無偏光ビームスプリッタ７４に
より２分され、偏光ビームスプリッタ７８および１６を
通して第１光センサ２４および第２光センサ２８により
検出される。偏光ビームスプリッタ７８および１６の偏
波面は互いに４５゜傾斜させられているため、第１光セ
ンサ２４および第２光センサ２８によって検出される直
線偏光の光強度の位相は互いに９０°ずらされる。そし
て、これ等の光センサ２４．２Ｂから出力される計測信
号ＭＳＩおよびＭＳ２は前記測定制御装置１１４に供給
され、前記第１実施例と同様にして被測定物表面７０の
表面形状や表面粗さが測定される。

この実施例では、参照光ＬＲおよび計測光り。

が、定偏波光フアイバ２０内において往路と復路とでそ
れぞれ反対の伝送モードにて伝送されるようになってい
るため、温度変動、歪、振動などの外部刺激に起因する
定偏波光フアイバ２０内における位相変化が相殺され、
前記第１実施例と同様な効果が得られる。

なお、この実施例では光送受信部８０で計測光ＬＨと参
照光り、とを干渉させるようになっているため、それ等
の計測光り、と参照光ＬＲとの位相差を検出することが
できるものであれば、上記のように９０”位相のずれた
２種類の計測信号ＭＳ１およびＭＳ２から位相変化量を
読み取る方式以外にも種々の方式を採用することができ
る。また、周波数が僅かに異なる２種類の光を参照光お
よび計測光として用いて、それ等の干渉光のビート数の
変化から測定を行うヘテロゲイン方式の光ファイバセン
サ装置を利用することもできる。

また、第１１図の光ファイバセンサ装置２５０において
は、レーザ光源ｌＯから出射されたレーザ光は、光周波
数変調器９０により互いに偏波面が直交し且つ周波数が
異なる２種類の直線偏光に変換された後、無偏光ビーム
スプリッタ７４、および集光レンズ１８を通して定偏波
光ファイバ２０の端面に入射させられる。上記無偏光ビ
ームスプリッタ７４は、直線偏光の一部を反射により分
割し、集光レンズ９２を通してモニタ用光センサ９４へ
入射させる。また、定偏波光ファイバ２０から戻された
２種類の干渉光は、集光レンズ１８により平行光とされ
るとともに無偏光ビームスプリッタ７４により反射され
た後、偏光ビームスプリッタ１６によって偏波面毎に分
割され、一方の干渉光が集光レンズ２２を通して第１光
センサ２４によって受けられるとともに、他方の干渉光
が集光レンズ２６を通して第２光センサ２８によって受
けられるようになっている。本実施例では、以上の光学
素子および光センサによって光ファイバセンサ装置２５
０の光送受信部９６が構成されている。

定偏波光ファイバ２０の一端部に入射させられるレーザ
光は互いに直交する偏波面を有し且つ周波数が異なる直
線偏光であるから、定偏波光フアイバ２０内においては
前記２種類の伝送モードＨＥ１１におよびＨＥ、、’に
て伝送される。この定偏波光ファイバ２０の他端部は、
光センサヘッド部９８の機枠９９に固定されており、前
記２伝送モードにて伝送され且つ定偏波光ファイバ２０
の他端部から出射された互いに直交する直線偏光は集光
レンズ４６を通って平行光に変換された後、無偏光ビー
ムスプリッタ４８により上記２種類の直線偏光をそれぞ
れ含む参照光り、と計測光ＬＨとに分離される。無偏光
ビームスプリッタ４８を透過した計測光しいは、圧電ア
クチュエータ５８に取り付けられた対物レンズ５６によ
って被測定物６８の表面７０上に集光させられる一方、
無偏光ビームスプリンタ４８により反射された参照光り
。

は、１７４波長板５４を通過させられた後ミラー６０に
より方向変換され、集光レンズ６４によってミラー６６
に集光させられる。

表面７０．　　ミラー６６によってそれぞれ反射された
計測光り、および参照光り、は、それぞれ往路と逆の光
路を辿って無偏光ビームスプリッタ４８により合波され
るが、参照光り、を構成する２つの直線偏光は、往路に
おいて１／４波長板５４を通過させられることにより、
進行方向に対してそれぞれ右まわりおよび左まわりの円
偏光に変換され、復路において再び１７４波長板５４を
通過させられることにより、往路の偏波面に対して偏波
面がそれぞれ反対方向へ９０°回転した直線偏光とされ
る。すなわち、参照光り、を構成する互いに偏波面が直
交する２種類の直線偏光は、１／４波長板５４を往復透
過させられることにより、往路と復路とで偏波面が互い
に反対とされるのである。

そして、計測光り、を構成する２種類の直線偏光と参照
光Ｌｌｌを構成する２種類の直線偏光は、上記無偏光ビ
ームスプリッタ４日によりそれぞれ合波されて干渉させ
られ、かかる２種類の干渉光は定偏波光ファイバ２０の
２つの伝送モードＨＥＩＩｘおよびＨＥ、、’にてそれ
ぞれ伝送され、光送受信部９６まで戻される。光送受信
部９６において、上記２種類の干渉光は無偏光ビームス
プリッタ７４により反射された後、偏光ビームスプリッ
タ１６によって偏波面の方向により２つに分割され、第
１光センサ２４および第２光センサ２８に入射させられ
る。

ここで、光周波数、変調器９０から出力される２種類の
直線偏光の周波数をそれぞれｒ、、ｒ２、往路において
温度変化や振動等に起因して定偏波光ファイバ２０から
受ける周波数シフトをそれぞれΔ「７．Δｆ２、光セン
サヘッド部９日が被測定物６８の表面７０に沿って相対
移動させられ、表面７０の凹凸形状に応じて計測光り、
の位相が変化させられることによるその計測光り、の周
波数シフトをΔｆａ、復路において温度変化や振動等に
起因して定偏波光ファイバ２０から受ける周波数シフト
をそれぞれΔ（、ｌ　　Δｆ２　′とすると、計測光し
。に分配された元の周波数がｆｌの直線偏光の最終的な
周波数はｆ、十Δｒ１＋Δｆ。

＋Δ′ｆ１　°で、その直線偏光と干渉させられる参照
光り、に分配された元の周波数がｆ２の直線偏光の最終
的な周波数はｒ２＋Δｆ２＋Δｒ１　°となり、それ等
の干渉光の光強度は次式（１）で表されるビート周波数
ｆ、で変化させられる。また、参照光ＬＲに分配された
元の周波数がｆ、の直線偏光の最終的な周波数は「１＋
ΔｒＩ十Δ（２１で、その直線偏光と干渉させられる計
測光り、に分配された元の周波数がｒ２の直線偏光の最
終的な周波数はｆ２＋Δｆ２＋Δｆ、＋Δ（２１となり
、それ等の干渉光の光強度は次式（２）で表されるビー
ト周波数ｆ０で変化させられる。したがって、これ等の
干渉光が入射させられる前記光センサ２４゜２８から出
力される計測信号ＢＳＩ、ＢＳ２の一方は、上記ビート
周波数ｆ、で信号強度が変化させられ、他方はビート周
波数ｒａｔで信号強度が変化させられることとなる。

ｆｓ＋＝　（ｆ　＋　＋Δｆ　＋　＋Δｆ−＋Δｆ＋　
　’　）（ｒｚ＋Δｆ２＋Δｆ１１） ＝　（ｆｔ　　　ｆｚ　）＋　（Δｆ１−Δｒｚ）十Δ
ｒ、　　　　　　　　　　・・・（１）ｆｍｚ＝　（ｆ
ｔ　＋Δｆ＋　十Δｆｚ　　’）（ｒｚ＋Δｆ２＋Δｆ
、＋Δｆ２　′）＝（ｆｔ　　　ｆｚ）＋（Δｆ＋−Δ
ｒ２）−Δｆ１　　　　　　　　　　・・・（２）そし
て、上記計測信号ＢＳＩおよびＢＳ２の差動すなわち周
波数差を検出するとともに、たとえばそれらの差動量に
対応した時間だけ開かれるゲートを介して一定周波数の
クロック信号を計数するカウンタにより、計測信号ＢＳ
ＩとＢＳ２との１位相２π以下の位相変化量を求めるこ
とにより、計測光ＬＨの周波数シフトΔｆ、が高精度に
求められ、この周波数シフトΔｆ１に基づいて光センサ
ヘッド部３日と被測定物６８との相対移動に伴う表面７
０と光センサヘッド部３８との間の離間距離の変動量が
求められる。そして、この変動量と、光センサヘッド部
３８と被測定物６８との相対移動量とに基づいて、表面
７０の凹凸形状や表面粗さが測定される。なお、上記計
測信号ＢＳＩおよびＢＳ２の周波数差は単位時間当たり
の１位相２πをオーダーとする位相変化量に相当するも
ので、基本的には計測信号ＢＳＩおよびＢＳ２の位相変
化に基づくものである。

この実施例では、１７４波長板５４によって参照光ＬＲ
を構成する２種類の直線偏光を反対向きに９０°回転さ
せるとともに、その参照光ＬＲと計測光り、とを合波さ
せることによって得られる２種類の干渉光を表す計測信
号ＢＳＩとＢＳ２との周波数差を測定するようになって
いるため、往路の定偏波光ファイバ２０において発生す
るコア３２の歪などに起因する周波数シフトΔｆｌおよ
びΔｆ２が打ち消され、前記第２図、第１０図の実施例
と同様に高い測定精度が得られる。

なお、この場合には、往路と復路とで異なる定偏波光フ
ァイバを用いるように構成することもできる。

以上、本発明の幾つかの実施例を図面に基づいて詳細に
説明したが、本発明はその他の態様で実施することもで
きる。

例えば、前記実施例では圧電アクチュエータ５日によっ
て対物レンズ５６を微小振動させるようになっているが
、ＣＤプレーヤ等に多用されている対物レンズ付きのム
ービングマグネット式のものを用いたり、光センサヘッ
ド部３８自体を小型移動台で光軸方向へ移動させたりす
るようにしてもよい。

また、前記実施例では対物レンズ５６の焦点位置が表面
７０と一致させられるようになっているが、これは較正
値を求める際の測定条件、具体的には光センサヘッド部
３８と表面７０との離間距離が再現されればよく、必ず
しも焦点位置を表面７０と一致させる必要はない。

また、対物レンズ５６の焦点位置を表面７０に一致させ
るためには、必ずしも上記圧電アクチュエータ５８のよ
うな振動付与手段を用いる必要はなく、例えば計測信号
ＭＳＩ、ＭＳ２の信号強度や振幅が最大となるように、
光センサヘッド部３８と被測定物６８とを相対移動させ
るようにしてもよい。

上述したのは、第１Ｏ図、第１１図の光ファイバセンサ
装置２００，２５０についても同様である。

また、前記実施例の移動装置１０２，１５０はあくまで
も一例であり、表面形状測定が行われる被測定物の表面
形状に応じて、その移動台や回転台の数、移動方向９回
転軸心の向きなどは適宜定められる。

また、前述した光ファイバセンサ装置１００゜２００．
２５０はあくまでも一例であり、他の種々の光ファイバ
センサ装置を利用することができる。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である光学式表面形状測定装
置の測定部を説明する斜視図である。第２図は第１図の
測定装置における光ファイバセンサ装置の光学的構成を
説明する図である。第３図は第１図の測定装置に備えら
れている制御回路を説明するブロック線図である。第４
図は第３図の測定制御装置の機能を説明するブロック線
図である。第５図は第１図の測定装置における較正値の
求め方を説明する図である。第６図乃至第８図は計測光
の焦点位置を被測定物の表面に一致させる方法を説明す
る図で、第６図は焦点位置が表面より手前にある状態で
あり、第７図は焦点位置が表面と一致させられた状態で
あり、第８図は焦点位置が表面よりも遠くにある状態で
ある。第９図は本発明における移動装置の他の態様を示
す斜視図である。第１０図は本発明における光ファイバ
センサ装置の他の態様を説明する構成図である。第１１
図は本発明における光ファイバセンサ装置の更に別の態
様を説明する構成図である。 ：定偏波光ファイバ ８０，９６：光送受信部 ８２．９８：光センサヘッド部 ：圧電アクチュエータ（振動付与手段）１６８：被測定
物 １６６：表面 ２００．２５０：光ファイバセンサ装置１５０：移動装
置 二表面形状測定ブロック（測定手段） ：法線方向判定ブロック （法線方向判定手段） ０ ３０゜ ３８゜ ８ ６８゜ ７０゜ １００゜ １０２゜ 　３４ ３８ ＬＨ：計測光　　　　　ＬＲ：参照光

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定物の表面に光を照射して該被測定物の表面
   形状を非接触で測定する光学式表面形状測定装置であっ
   て、 光ファイバを介して光送受信部と光センサヘッド部との
   間で光の送受信を行うとともに、該光センサヘッド部か
   ら出射されて前記被測定物の表面で反射された計測光と
   参照光とを干渉させることによって得られる干渉光の光
   強度変化に対応する計測信号を該光送受信部で取り出す
   光ファイバセンサ装置と、 前記光センサヘッド部および前記被測定物をそれぞれ移
   動させてそれ等を相対移動させる移動装置と、 前記光センサヘッド部と前記被測定物との相対移動量と
   、該相対移動に伴って該被測定物の表面形状に応じて変
   化する前記計測信号の位相変化とに基づいて、該被測定
   物の表面形状を測定する測定手段と、 該測定手段によって測定された表面形状に基づいて、前
   記光センサヘッド部が位置させられて表面形状測定が行
   われる部分の表面の法線方向を求める法線方向判定手段
   と、 前記光センサヘッド部から出射される前記計測光の光軸
   が、前記法線方向判定手段によって求められた法線方向
   と略一致させられ、且つ、該計測光の照射位置が予め定
   められた走査経路に従って変化させられるように、前記
   移動装置により前記光センサヘッド部と前記被測定物と
   を相対移動させる移動制御手段と を有することを特徴とする光学式表面形状測定装置。
2. （２）前記光センサヘッド部は、前記被測定物の表面に
   照射される計測光の焦点位置を光軸方向に微小振動させ
   る振動付与手段を有するものであり、前記移動制御手段
   は、前記微小振動に伴う前記計測信号の信号強度変化に
   基づいて、前記光センサヘッド部と前記被測定物との間
   の離間距離が一定の大きさとなるように、表面形状測定
   に先立って前記移動装置により初期調整させるものであ
   る請求項（１）に記載の光学式表面形状測定装置。