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【発明の名称】 光学干渉縞計測装置
【発明者】 【氏名】川崎 和彦

【氏名】光谷 直樹

【氏名】配野 宏

【氏名】岡本 清和

【要約】 【課題】機械的な可動部がなく、計測光と参照光から複数の干渉縞画像が同時に得られる光学干渉縞計測装置を得るにある。

【解決手段】ビームスプリッタ3によって光源1からの光を、被測定面4からの反射光である複数の分光計測光9A〜9Cとそれぞれ位相の異なった複数の分光参照光11A〜11Cとに同時的に分割し、前記各分光計測光9A〜9Cに組み合わされる前記各分光参照光11A〜11Cで複数の光学干渉系を構成し、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込む光電変換手段19A〜19Cを各光学干渉系に設けた光学干渉縞計測装置。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 ビームスプリッタによって光源からの光を、被測定面からの反射光である複数の分光計測光とそれぞれ位相の異なった複数の分光参照光とに同時的に分割し、前記各分光計測光に組み合わされる前記各分光参照光で複数の光学干渉系を構成し、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込む光電変換手段を各光学干渉系に設けたことを特徴とする光学干渉縞計測装置。
【請求項2】 光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記投射光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の位相とは異なる位相の参照光を生成する光学媒質あるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の位相とは異なる位相の計測光を生成する光学媒質と、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備えることを特徴とする光学干渉縞計測装置。
【請求項3】 光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記投射光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の位相とは異なる位相の参照光を生成する液晶位相シフト板あるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の位相とは異なる位相の計測光を生成する液晶位相シフト板と、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備えることを特徴とする光学干渉縞計測装置。
【請求項4】 光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記投射光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の位相とは異なる位相の参照光を生成する光学クサビあるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の位相とは異なる位相の計測光を生成する光学クサビと、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備えることを特徴とする光学干渉縞計測装置。
【請求項5】 光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記投射光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の光路長とは異なる光路長とすることにより異なった位相の分光参照光とする少なくとも1組の参照光スプリッタと光路長ミラーあるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の光路長とは異なる光路長とすることにより異なった位相の分光計測光とする少なくとも1組の計測光スプリッタと光路長ミラーと、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備えることを特徴とする光学干渉縞計測装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光学干渉縞計測装置に関し、特に、高精度解析が可能な位相シフト法による光学干渉縞計測装置に関する。
【0002】
【背景技術】周知のように、光の干渉により生じる干渉縞を解析して被測定面の形状を解析する光学干渉縞計測装置においては、参照面を光軸方向に移動させて参照光の位相を変化させ、移動前後の複数枚の干渉縞画像を解析して、被測定面の形状を知る(例えば、特開平8−159709号公報)。
【0003】即ち、図5はこのような位相シフト法よる従来の光学干渉縞計測装置の光学系を示し、レンズAで平行光とされた光源Bからのコヒーレント光はビームスプリッタCを透過して被測定面Dで反射され、ビームスプリッタCにて反射されて、結像レンズEでCCD素子等のカメラFに入力される。また、前記ビームスプリッタCと前記被測定面Dとの間には、測定光の光軸方向に移動される参照面部材Gが位置され、この参照面部材Gの介在により前記被測定面Dからの反射光が干渉される。
【0004】つまり、このような従来の光学干渉縞計測装置では、参照面部材Gの光軸方向の位置変化により参照光の位相がシフトされるから、参照面部材Gの移動前後の干渉縞をカメラFから処理装置Hに取り込んで解析することにより、被測定面Dの形状を知ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このような構成の光学干渉縞計測装置によると、参照面部材Gの移動により参照光の位相をシフトするので、参照面部材Gの精密な移動のために装置が高価になりがちで、実際の解析のためには、参照面部材Gの移動の度に複数枚の干渉縞画像を順次処理装置に取り込む必要があるから、解析作業に時間がかかる難点がある。このため、各干渉縞画像の取り込み時に、空気揺らぎ、機械的な振動、温度変化といった環境の変化があると、これらの影響により干渉縞画像が変化してしまう。勿論、この光学干渉縞計測装置にあっては、参照面部材Gの移動による時間的に異なった干渉縞画像の取り込みであるから、その解析手法自体高速移動体の計測はできなかった。
【0006】本発明の目的は、以上に述べたような従来の光学干渉縞計測装置の問題に鑑み、機械的な可動部がなく、計測光と参照光との間の複数の干渉縞画像が同時に得られる光学干渉縞計測装置を得るにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため、本発明は、ビームスプリッタによって光源からの光を、被測定面からの反射光である複数の分光計測光とそれぞれ位相の異なった複数の分光参照光とに同時的に分割し、前記各分光計測光に組み合わされる前記各分光参照光で複数の光学干渉系を構成し、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込む光電変換手段を各光学干渉系に設けた光学干渉縞計測装置を提案するものである。
【0008】後述する本発明の好ましい実施例の説明においては、1)光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記計測光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の位相とは異なる位相の参照光を生成する光学媒質あるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の位相とは異なる位相の計測光を生成する光学媒質と、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備える構成、2)光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記計測光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の位相とは異なる位相の参照光を生成する液晶位相シフト板あるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の位相とは異なる位相の計測光を生成する液晶位相シフト板と、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備える構成、3)光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記計測光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の位相とは異なる位相の参照光を生成する光学クサビあるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の位相とは異なる位相の計測光を生成する光学クサビと、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備える構成、4)光源からの平行光を被測定面への投射光と参照光に分割するビームスプリッタと、被測定面から反射された前記計測光を複数の分光計測光に分解する複数の計測光スプリッタと、前記参照光を複数の分光参照光に分解する参照光スプリッタと、前記分光参照光の少なくともひとつに介在されて他の分光参照光の光路長とは異なる光路長とすることにより異なった位相の分光参照光とする少なくとも1組の参照光スプリッタと光路長ミラーあるいは前記分光計測光の少なくともひとつに介在されて他の分光計測光の光路長とは異なる光路長とすることにより異なった位相の分光計測光とする少なくとも1組の計測光スプリッタと光路長ミラーと、前記各分光計測光に前記分光参照光を組み合わせて複数の光学干渉系を構成する複数の干渉部スプリッタと、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込んで記憶させる手段とを備える構成が説明される。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図1から図4について本発明の実施例の詳細を説明する。図1は本発明の第1実施例による光学干渉縞計測装置の光学系を示し、光源1から出射されるコヒーレント光はレンズ2で平行光束とされる。
【0010】この平行光束はその光軸上に位置するビームスプリッタ3により被測定面4への投射光と被測定面4からの反射光に対する参照光とに分割される。被測定面4への投射光は被測定面4により反射され、再び前記ビームスプリッタ3により反射された後、計測光反射ミラー5で全反射されて計測光となるけれども、この計測光は2つの計測光スプリッタ6,7及び第1全反射ミラー8により3系統の分光計測光9A,9B,9Cに分岐される。
【0011】即ち、計測光反射ミラー5からの計測光は第1計測光スプリッタ6を通る間に反射光と透過光に分けられ、同第1計測光スプリッタ6の反射光が第1分光計測光9Aとなり、同第1計測光スプリッタ6の透過光は第2計測光スプリッタ7で同様に反射光と透過光とに分けられ、第2計測光スプリッタ7の反射光が第2分光計測光9Bとなる。また、第2計測光スプリッタ7の透過光は第1全反射ミラー8で反射されて、第1分光計測光9A及び第2分光計測光9Bに平行な第3分光計測光9Cとされる。
【0012】一方、ビームスプリッタ3からの反射光である参照光は、波面を左右反転させる反転光学レンズ10に通過された後、前記各分光計測光9A,9B,9Cに対応された3系統の分光参照光11A,11B,11Cとされる。つまり、参照光は第1参照光スプリッタ12を通る間に反射光と透過光に分けられ、同第1参照光スプリッタ12の反射光が第1分光参照光11Aとされ、同第1参照光スプリッタ12の透過光は第2参照光スプリッタ13で同様に反射光と透過光とに分割され、第2参照光スプリッタ13の反射光が第2分光参照光11Bとされ、この第2分光参照光11Bの光路には特定の屈折率をもつ第1屈折媒質14が位置される。また、第2参照光スプリッタ13の透過光は第2全反射ミラー15で反射されて第1分光参照光11A及び第2分光参照光11Bに平行な第3分光参照光11Cとされるが、この第3分光参照光11Cの光路には前記第1屈折媒質14とは異なった屈折率をもつ第2屈折媒質16が位置される。
【0013】略直角に交差される第1分光計測光9Aと第1分光参照光11Aはそれらの交差部に位置する第1干渉部スプリッタ17Aを介して干渉され、得られた干渉縞画像情報は第1結像レンズ18A及びCCD素子等の第1光電変換カメラ19Aに取り込まれる。同様に、第2分光計測光9Bと第2分光参照光11Bはそれらの交差部に位置する第2干渉部スプリッタ17Bを介して、また、第3分光計測光9Cと第3分光参照光11Cはそれらの交差部に位置する第3干渉部スプリッタ17Cを介してそれぞれ干渉され、第2結像レンズ18B及び第3結像レンズ18Cに組み合わされる第2光電変換カメラ19B及び第3光電変換カメラ19Cに取り込まれる。また、第1から第3光電変換カメラ19A〜19Cに取り込まれた3つの干渉縞情報は記憶装置20に記憶され、記憶された複数の干渉縞情報より形状を算出した結果がモニタ21に再現される。
【0014】第1実施例による光学干渉縞計測装置は、以上のような構成であるので、光源1からの投射光に対して位相の異なった複数系統の分光参照光11A〜11Cが同時に作られ、これらの分光参照光11A〜11Cが被測定面4からの反射光からなる分光計測光9A〜9Cにそれぞれ干渉され、これらの干渉縞情報が同時的に複数の光電変換カメラ19A〜19Cに取り込まれ、記憶装置20に記憶されて、複数枚の干渉縞画像情報の比較により、被測定面4の表面の形状が解析される。したがって、第1実施例の光学干渉縞計測装置は精密加工が要求される機械的可動部がないばかりでなく、複数の分光計測光9A〜9Cに組み合わされる位相の異なった複数の分光参照光11A〜11Cで複数の光学干渉系が同時的に構成されるため、高速移動体の計測も可能となり、空気揺らぎ、機械的な振動、温度変化等の環境の変化による影響の少ない光学干渉縞計測装置を得ることができる。
【0015】なお、前述した第1実施例においては、第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cに屈折率が異なった屈折媒質14,16を用いるものを例示したけれども、これらの屈折媒質14,16は、互いに屈折率が同一で厚みのみが異なる複数の厚み媒質にそれぞれ置換して、結果的に第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cの光路長を異ならせて位相シフトを行っても、同一の効果を得ることができる。ここで、屈折媒質14,16の屈折率や厚みを調節あるいは選択することにより、任意の位相シフトを得ることができる。
【0016】図2は本発明の第2実施例による光学干渉縞計測装置を示し、前述した第1実施例の場合と同一構成部分については、図1と同一符号を付して示してある。即ち、光源1から出射されるコヒーレント光はレンズ2で平行光束とされ、ビームスプリッタ3により被測定面4への投射光と被測定面4からの反射光に対する参照光とに分割される。前記被測定面4からの反射光は再び前記ビームスプリッタ3により反射された後、計測光反射ミラー5で全反射され、2つの計測光スプリッタ6,7及び第1全反射ミラー8により3系統の分光計測光9A,9B,9Cとされる。
【0017】また、ビームスプリッタ3から反射される参照光は、波面を左右反転させる反転光学レンズ10に通過された後、参照光スプリッタ12,13及び第2全反射ミラー15により3系統の分光参照光11A,11B,11Cとされる。また、各分光計測光9A,9B,9Cと対応された分光参照光11A,11B,11Cはそれらの交差部に位置する干渉部スプリッタ17A,17B,17Cを介してそれぞれ干渉され、得られた干渉縞画像情報は複数の結像レンズ18A,18B,18C及び光電変換カメラ19A,19B,19Cに取り込まれる。そして、各光電変換カメラ19A,19B,19Cに取り込まれた3つの干渉縞情報は記憶部と処理部を有する記憶処理装置20に記憶され、記憶された複数の干渉縞情報より形状を算出した結果がモニタ21に再現される点では第1実施例の場合と同様である。
【0018】第2実施例による光学干渉縞計測装置の特徴は、第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cにそれぞれ組み込まれた2つの液晶位相シフト板14A,16Aにあり、前述の屈折媒質14,16に置換された液晶位相シフト板14A,16Aにより第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cの参照光は位相をそれぞれ異ならせた状態とされる。
【0019】第2実施例による光学干渉縞計測装置は、以上のような構成であるので、光源1からの投射光に対して位相の異なった複数系統の分光参照光11A〜11Cが同時に作られ、これらの分光参照光11A〜11Cが被測定面4からの反射光からなる分光計測光9A〜9Cにそれぞれ干渉され、これらの干渉縞情報が同時的に複数の光電変換カメラに取り込まれ、記憶装置20に記憶されて、複数枚の干渉縞画像情報の比較により、被測定面4の表面の形状が解析される。この場合、液晶位相シフト板14A,16Aの組み込みにより分光参照光11A〜11Cの参照光の位相が異なった状態とされるので、第2実施例の構成でも、第1実施例と全く同様の作用効果を期待できる。
【0020】図3は本発明の第3実施例による光学干渉縞計測装置を示し、前述した第1実施例及び第2実施例の場合と同一構成部分については、図1と同一符号を付して示してある。即ち、光源1から出射されるコヒーレント光はレンズ2で平行光束とされ、ビームスプリッタ3により被測定面4への投射光と被測定面4からの反射光に対する参照光とに分割される。前記被測定面4からの反射光は再び前記ビームスプリッタ3により反射された後、計測光反射ミラー5で全反射され、2つの計測光スプリッタ6,7及び第1全反射ミラー8により3系統の分光計測光9A,9B,9Cとされる。
【0021】また、ビームスプリッタ3から反射される参照光は、波面を左右反転させる反転光学レンズ10に通過された後、参照光スプリッタ12,13及び第2全反射ミラー15により3系統の分光参照光11A,11B,11Cとされる。また、各分光計測光9A,9B,9Cと対応された分光参照光11A,11B,11Cはそれらの交差部に位置する干渉部スプリッタ17A,17B,17Cを介してそれぞれ干渉され、得られた干渉縞画像情報は複数の結像レンズ18A,18B,18C及び光電変換カメラ19A,19B,19Cに取り込まれることになる。そして、各光電変換カメラ19A,19B,19Cに取り込まれた3つの干渉縞情報は記憶処理装置20に記憶され、記憶された複数の干渉縞情報より形状を算出した結果がモニタ21に再現される点では第1実施例及び第2実施例の場合と同様である。
【0022】第3実施例による光学干渉縞計測装置の特徴は、第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cにそれぞれ組み込まれた2つの光学クサビ14B,16Bにあり、前述の屈折媒質14,16及び液晶位相シフト板14A,16Aに置換されたこれらの光学クサビ14B,16Bにより第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cの参照光の光路長を異ならせ、結果として第2分光参照光11B及び第3分光参照光11Cの位相をそれぞれ異ならせてある。
【0023】第3実施例による光学干渉縞計測装置は、以上のような構成であるので、光源1からの投射光に対して位相の異なった複数系統の分光参照光11A〜11Cが同時に作られ、これらの分光参照光11A〜11Cが被測定面4からの反射光からなる分光計測光9A〜9Cにそれぞれ干渉され、これらの干渉縞情報が同時的に複数の光電変換カメラに取り込まれ、記憶装置20に記憶されて、複数枚の干渉縞画像情報の比較により、被測定面4の表面の形状が解析される。この場合、光学クサビ14B,16Bの組み込みにより分光参照光11A〜11Cの参照光の位相が異なった状態とされるので、第3実施例の構成であっても、第1実施例及び第2実施例と全く同様の作用効果を期待できる。
【0024】図4は本発明の第4実施例による光学干渉縞計測装置を示し、前述した各実施例の場合と同一構成部分については、図1と同一符号を付して示してある。即ち、光源1から出射されるコヒーレント光はレンズ2で平行光束とされ、ビームスプリッタ3により被測定面4への投射光と被測定面4からの反射光に対する参照光とに分割され、前記被測定面4からの反射光は再び前記ビームスプリッタ3により反射された後、計測光反射ミラー5で全反射され、2つの計測光スプリッタ6,7及び第1全反射ミラー8により3系統の分光計測光9A,9B,9Cとされる。
【0025】また、ビームスプリッタ3から反射される参照光は、光路長のそれぞれ異なる3系統の分光参照光11A,11B,11Cとされる。即ち、第1分光参照光11A、第2分光参照光11B、第3分光参照光11Cには、位置の異なった参照光スプリッタ22A,22B,第2全反射ミラー22C及び参照光スプリッタ22A,22B,第2全反射ミラー22Cからの参照光を対応する干渉部スプリッタ17A,17B,17Cに向かって反射する光路長ミラー23A〜23Cが介装され、これらの参照光スプリッタ22A,22B,第2全反射ミラー22C及び光路長ミラー23A〜23Cにより第1分光参照光11A、第2分光参照光11B、第3分光参照光11Cに対して相互に異なった位相差を与えている。
【0026】第4実施例による光学干渉縞計測装置は、以上のような構成であるので、参照光スプリッタ22A,22B,第2全反射ミラー22C及び光路長ミラー23A〜23Cの介装により位相の異なった複数系統の分光参照光11A〜11Cが同時に作られ、これらの分光参照光11A〜11Cが被測定面4からの反射光からなる分光計測光9A〜9Cにそれぞれ干渉されることになる。そして、これらの干渉縞情報は同時的に複数の光電変換カメラに取り込まれ、記憶装置20に記憶されて、複数枚の干渉縞画像情報の比較により、被測定面4の表面の形状が解析されるから、第4実施例の構成であっても、第1実施例及び第2実施例と全く同様の作用効果を期待できる。
【0027】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ビームスプリッタによって光源からの光を、被測定面からの反射光である複数の分光計測光とそれぞれ位相の異なった複数の分光参照光とに同時的に分割し、前記各分光計測光に組み合わされる前記各分光参照光で複数の光学干渉系を構成し、これらの光学干渉系の干渉縞光学情報を取り込む光電変換手段を各光学干渉系に設けるので、精密加工を要求される機械的可動部が全くなく、同時に任意位相を異ならせた複数の光学干渉縞画像情報を同時的に得られるから、高速移動体の形状解析を行うことができ、環境変化による影響の少ない光学干渉縞計測装置を達成できる。また、請求項2〜請求項5に記載のように、複数の分光参照光に屈折媒質、厚み媒質、液晶位相シフト板、複数の光路長ミラーを組み込むだけで位相の異なった複数の光学干渉縞情報を簡単に得ることができる。
【出願人】 【識別番号】000137694
【氏名又は名称】株式会社ミツトヨ
【出願日】 平成10年(1998)4月17日
【代理人】
【公開番号】 特開平11−304417
【公開日】 平成11年(1999)11月5日
【出願番号】 特願平10−123961