光応用計測装置
【課題】
本発明は、縞解析を用いた光応用計測装置の高速化を目的とする。
【解決手段】
縞走査により強度が時間的に振動する信号光を生成し、信号光の振動数と同じ周波数であるが、互いに位相が異なる透過率変化を示す複数の光学素子を通して、複数の検出器により信号光をある時間露光し得られる値を用いて、信号光の振動振幅と位相を求める。
【効果】
従来不可能であった、一回の計測での信号光の振動振幅、位相演算が可能となり、縞解析が高速化できる。特に低コヒーレンス干渉計測においては、振動振幅のピークを求めることが簡単にできることになり大幅な高速化が実現できる。
本発明は、縞解析を用いた光応用計測装置の高速化を目的とする。
【解決手段】
縞走査により強度が時間的に振動する信号光を生成し、信号光の振動数と同じ周波数であるが、互いに位相が異なる透過率変化を示す複数の光学素子を通して、複数の検出器により信号光をある時間露光し得られる値を用いて、信号光の振動振幅と位相を求める。
【効果】
従来不可能であった、一回の計測での信号光の振動振幅、位相演算が可能となり、縞解析が高速化できる。特に低コヒーレンス干渉計測においては、振動振幅のピークを求めることが簡単にできることになり大幅な高速化が実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて物体の表面形状などの物理特性を計測する光応用計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
縞を解析することにより、物体の変位や表面の形状を計測する各種の技術が存在する。２光束干渉計、格子パターン投影表面形状測定機などである。２光束干渉計は、古くから精密計測の要の手法として利用されており、また格子パターン投影表面形状測定機も自動車、半導体、飛行機などの形状計測技術として広く普及してきている。
【０００３】
２光束干渉計は、２光束の分岐のさせ方に数え切れないほどのバリエーションがあるが、基本的に２光束を干渉させるという意味では共通なのでここでは分岐のさせ方については問題としない。その他のバリエーションとしては低コヒーレンス干渉計と高コヒーレンス光を用いた干渉計（一般的な言葉ではないが以下では高コヒーレンス干渉計と呼ぶ）に分けて考えることができる。低コヒーレンス干渉計は、干渉させる２光束の光路（一つ一つを以下では腕と呼ぶことにする）の光路長が一致したときに現れるいわゆる０次の干渉縞を検出することで、急峻で大きな起伏のある物体の表面形状や物体内部の層間間隔の計測などに利用されている。高コヒーレンス干渉計は、レンズ表面のように段差のないなだらかな曲面や平坦な物体の計測に用いられる。構造上の大きな違いは低コヒーレンス干渉計では２つの腕の光路長が同じでなければならず、高コヒーレンス干渉計は２つの腕は必ずしも等光路長である必要はない。コヒーレンス度が高ければ何十ｍも差があっても干渉縞を観測することができる。
【０００４】
低コヒーレンス干渉計は、腕の一方の光路長を変化させて、２つの腕の光路長が正確に一致する位置を０次の干渉縞から求める手法である。図９にマイケルソン干渉計を用いた低コヒーレンス干渉計の構造を示す。Ｚテーブル１１６を用いて一方の腕の光路長を変化させながらＣＣＤカメラ１０８の、ある画素の値を観測すると図２のような波形が観測される。両腕の光路長が等しくなる付近で干渉縞が発生し激しく振動している。振動振幅（干渉振幅）の最大の位置が求めるべき等光路長の位置、０次干渉の位置である。０次干渉の位置をすべての画素について求めれば物体の表面形状を求めることができる。
【０００５】
高コヒーレンス干渉計は、コヒーレント長が長いから一方の腕を変化させても干渉の振幅はほとんど変化せず、図１０のような波形が観測される。この場合０次干渉縞を特定することは不可能であるから物体表面の絶対位置を特定することはできないが、縞一本に相当する光路差であるλ／２のレンジで、Ａの画素はＢの画素より何ｎｍ高いといった形で相対的に表面形状を求めることができる。具体的には、一方の腕を数回規定量変化させて、少なくとも３枚の縞がシフトしたデータを得て、それらのデータから縞の初期位相を各画素毎に求めることで実現される。位相が表面形状高さに比例している。このような手法は縞走査法あるは位相シフト法と呼ばれる。以下では位相シフト法と称する。
【０００６】
格子パターン投影法は、光の波としての干渉現象を用いるわけではなく、たとえば透過率あるいは反射率が周期的に変化して縞状になったパターンの像を照明光源とレンズを用いて物体の表面上に投影する手法である。縞を斜め方向から物体に投影して、投影方向とは異なる方向から縞を観察すると物体の起伏に応じて縞が歪んで観測される。縞の歪みに物体の起伏情報が含まれていることになるので、２光束干渉計とは原理的には異なるが同じように縞の位相を求めることで物体の表面形状高さを計測することが可能になる。具体的には高コヒーレンス干渉計と同様に縞を規定量シフトさせて位相を求める位相シフト法をもちいて実現される。
【０００７】
以上簡単に従来の干渉計および格子パターン投影法の得失を解説したが、詳しくはたとえば非特許文献１に述べられている。
【非特許文献１】吉澤徹編著「最新光三次元計測」朝倉書店、２００６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらの手法の、課題の一つは、計測の高速性である。近年、精密計測を生産工程中であるいは加工マシン上で実施する、インライン計測あるいはオンマシン計測が普及してきている。これらの計測においては精度のみでなく、それ以上に速度が重要であることは言を俟たない。特に非常に汎用性が高く重要な測定法である低コヒーレンス干渉計測法は、非常に多くのデータを必要とし、計測時間が著しくかかる典型的な手法である。
【０００９】
一般に、デジタルデータ入力のためにはサンプリング定理に従う必要がある。サンプリング定理によれば最高周波数の少なくとも倍の周波数でサンプリングをする必要がある。つまり図２の一回の明暗の変化内で２回以上データをとらなければならない、一回の明暗がλ／２であるから、λ＝５５０ｎｍとして１３０ｎｍ以下の間隔でデータをとる必要がある。一般的には精度を重視して数十nm間隔でサンプリングされることが多い。１００ｎｍと考えても１００μｍ程度を計測するためには１０００点を超えるデータが必要となる。これでは高速な計測は難しい。
【００１０】
近年、高速化のために一般的なサンプリング定理を満たさない粗い間隔でデータをとっても、もとの波形を復元することができる手法が開発され実用化されている。低コヒーレンス干渉の波形は、一般波形と異なり、高周波成分が制限されているだけでなく、低周波成分も制限されているいわゆる峡帯域波形であるから、一般的なサンプリング定理を満たしていなくても元の波形を復元することができるのである。
【００１１】
このような高速手法であっても現実的にはなかなか精度を保ちながら十分な高速化を実現することは難しいのが実情である。実際の計測においては、一方の腕の光路長を連続的に変化させながらある間隔、例えば１００ｎｍ間隔毎にデータを取得することになるが、表面形状計測の場合データとしては画像であり、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳ等の２次元検出器を使用することになり、これら２次元検出器で画像を得る場合はある程度の露光時間（シャッター時間）を確保する必要があるが、露光時間中に光路長が大きく移動すると、良いサンプル値が得られなくなる。例えば、極端な場合露光時間中に明暗一周期分移動したとすると、干渉縞がえられないのと同等となってしまい計測不可能なる。そこまで行かないにしても、平滑化の効果でコントラストが低下してしまい、好ましくない。逆に露光時間を小さくしてしまうと十分なＳ／Ｎを持った信号光が得られないためやはり精度、信頼性的にも好ましくない。結局は、高速化により精度の低下を招くか、または、移動速度を低くして低速で計測をすることになる。
【００１２】
高コヒーレンス干渉法に関しては、通常縞の位相を機械的にシフトさせた、それぞれ時間的にずれのある３枚以上の画像を用いるが、偏光を利用して位相がシフトした３枚の画像を同時に得ることができるリアルタイム位相シフト干渉計が提案されている。しかしながら、格子パターン投影法においてはそのような高速化手法がないのが実情である。
【００１３】
本発明は、このような高速化の課題の解決を与えるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決するために、
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を直線偏光化し、その偏光方位を変化させる直線偏光変化手段と、
前記直線偏光変化手段を通過した光を少なくとも２つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、
分割された入射光のそれぞれを受光し、光量に応じて光電変換し、電気信号として出力する、同期した動作を行う少なくとも２つの蓄積型検出器と、
前記蓄積型検出器から出力された複数の信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記直線偏光変化手段および検光手段の組み合わせによる透過率の変化周波数とを近い値とし、前記蓄積型検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を露光蓄積し得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期的変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施するように光応用計測装置を構成する。
【００１５】
前記蓄積型検出器を、２次元のアレイ状に検出器が配列された蓄積型画像検出器とし、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されるようにすることもできる。
【００１６】
前記検光手段を、前記蓄積型画像検出器の各画素毎に取り付け、隣接する画素が異なる偏光方向の光を受光するようにすることもできる。
【００１７】
または、強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を受光し光量に応じて光電変換して得られる信号と、自身で生成あるいは外部から与えられる基底電気信号との積に比例する信号を出力する少なくとも２つの相関検出器と、
前記複数の相関検出器から出力された信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記基底電気信号の変化周波数とを近い値とし、前記相関検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を相関検出して得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施するように光応用計測装置を構成する。
【００１８】
前記相関検出器を、２次元のアレイ状に検出器が配列された相関画像検出器とし、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されるようにすることもできる。
【００１９】
前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの光を２分岐して参照鏡からの反射光と物体から反射光を重ねあわせて干渉させる２光束干渉計と、
２つの光路のうち、少なくとも一方の光路長を変更可能な光路長変化手段とにより構成され、
光路長変化手段による定速の光路長変化により干渉の強度値を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成するように光応用計測装置を構成する。
【００２０】
前記光源は低コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の２つの光路の光路長はほぼ等しい等光路長干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させながら前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を複数回繰り返し、２つの光路が正確に等光路長となる位置を検出することで対象物体表面の起伏形状を求めるようにする。
【００２１】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅が最大となる位置を、補間法によって前記間隔より細かい分解能で求めるようにして高速化する。
【００２２】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅と位相を用いて、振幅が最大でかつ位相が変化のピークを示す位置を求めるようにして高速化しても良い。
【００２３】
あるいは、前記光源は高コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の、２つの光路の光路長は必ずしも等光路長ではない干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めるようにする。
【００２４】
このとき、前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの照明光を格子縞パターンとして物体に投影する格子パターン投影機と、
投影される格子パターンを連続的にシフトさせる位相シフト機構とにより構成され、
位相シフト機構による定速の格子パターン位相のシフトにより、対象物体上の各点の輝度を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有するように光応用計測装置を構成する。
【００２５】
前記位相シフト機構により格子縞パターンを定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めるように光応用計測装置を構成することもできる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように構成することで、高速性に優れた光応用計測装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。
【実施例１】
【００２８】
まず、本発明を具現化した実施形態の第一の例を、図１を参照して説明する。
【００２９】
光源１０１は、放電タイプあるいはフィラメントタイプの広帯域光源あるいはＬＥＤ、またはコヒーレント長の短い比較的帯域幅の広いレーザであり、帯域幅をコントロールするために帯域フィルタ１０２を有している。帯域フィルタ１０２により帯域がコントロールされた照明光は、ハーフミラー１０３によって対物レンズ１０４方向へ向かい、対物レンズ１０４を通過して物体１０６方向に照射される。対物レンズ１０４と物体１０６との間にあるハーフミラー１０５により照明光は物体方向と参照ミラー１０７方向に分けられ、それぞれで反射してきた光が再びハーフミラー１０５によって重ね合わされ再び対物レンズ１０４を通過し、ハーフミラー１０３を透過して蓄積型画像検出器であるＣＣＤカメラ１０８の方へ向かう。
【００３０】
ＣＣＤカメラ１０８は２台用意されている。ハーフミラー１０９によりＣＣＤカメラ１０８へ入射する光を分岐することで光学的にはどちらも同一位置と見なせるように配置されている。それぞれのＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂの前には偏光フィルタ（以下検光子と称する）１１０a、１１０ｂが配置され、２台のＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂはそれぞれに対しπ／４異なる偏光成分を受光するように構成されている。ハーフミラー１０９は偏光に関係なく、光の強度を２等分するだけの機能を持つ無偏光ハーフミラーである。
【００３１】
ハーフミラー１０３とハーフミラー１０９の間には、回転直線偏光を生成する機構が挿入されている。
偏光フィルタ（以下偏光子と称する）１１１により直線偏光とし、その後λ／４位相差板１１２により円偏光とし、さらにもう一枚のλ／４位相差板１１３をベアリング中空部に配置して内側軌道輪（以下内輪と称する）をモータ１１４により回転させて、回転する直線偏光を得ている。
【００３２】
回転直線偏光を生成する機構も色々と考えられる。もっとも単純な実現方法は、偏光板を回転させる手法である。先ほどと同様にベアリングの中空部に偏光板を取り付け、内輪をモータにより回転させることで実現できる。ただしこの場合は、偏光板への入射光が完全に無偏光状態であれば良いが、偏光していると偏光の方向によって透過光強度が変化してしまう。先の例では、偏光方向の変化により透過強度が変化してしまうことはない。
【００３３】
あるいは、偏光子により直線偏光化した光を、液晶などの旋光性を有する電気光学素子を用いて電気的に回転させることも可能である。偏光の方位を、ある方位から直交する方位へと変化させ、またもとの方位へ変化させる動作を繰り返せば、回転直線偏光と同じことになる。
【００３４】
変化する偏光方位の速度は角速度ωで表すことができ、角速度ωで回転する直線偏光が２つのＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂ前面の検光子１１０a、１１０ｂを透過する透過率の変化はπ／２の位相差を持つ正弦波Ｋ（１＋Ｃｏｓ（２ωｔ））、Ｋ（１＋Ｓｉｎ（２ωｔ））で表すことができる。ここにｔは時間を、Ｋは偏光素子の特性によって決まる実透過率に合わせるための係数を示している。Ｋは固定値である。
【００３５】
物体１０６は、光軸方向へ移動可能なＺテーブル１１６上に載っており、Ｚテーブル１１６の移動によりハーフミラー１０３によって分けられた２つの腕の光路長差を変化させることが可能である。Ｚテーブル１１６を移動させることでハーフミラー１０３により重ね合わされＣＣＤカメラ１０８に向かう反射光が干渉する。両腕からの光の位相差が０あるいは波長λの倍数ｎ・λ（ｎは整数）であれば正の干渉で強め合い、位相差が半波長λ／２あるいは半波長＋波長の倍数（１／２＋ｎ）λずれていれば負の干渉で弱め合う。Ｚテーブル１１６を一定速度で移動させると、位相差が連続的に変化することになるから正の干渉と負の干渉が移動量λ／２（位相差は移動量の倍）の周期で繰り返す振動波形が得られることになる。Zテーブル１１６の移動速度をｖとすれば、信号光の強度はａ＋ｂ×Ｃｏｓ（４πｖｔ／λ＋φ）と表される。ここに、ａは干渉が無い（しない）場合の光強度であり、ｂは振動振幅（いわゆる干渉縞のビジビリティ）を表している。φは初期位相であり物体の起伏に応じて位置（ＸＹ座標値）によって異なる値を持つ。
【００３６】
ここで、Ｚテーブル１１６の速度および回転直線偏光の回転速度（角速度）を調節してω＝２πｖ／λとすれば、ＣＣＤカメラそれぞれで得られる信号Ｖ１およびＶ２は、（ａ＋ｂ×Ｃｏｓ（２ωｔ＋φ））×Ｋ（１＋Ｃｏｓ（２ωｔ））と（ａ＋ｂ×Ｃｏｓ（２ωｔ＋φ））×Ｋ（１＋Ｓｉｎ（２ωｔ））とをそれぞれ露光時間Δｔ積分した以下の式となる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
また、露光時間Δｔを適切に選んで２ωΔｔ=２π・ｎとなるようにすればＳｉｎ（ｎ・２ωｔ）、Ｃｏｓ（ｎ・２ωｔ）の積分は０となり、結局以下のように表すことができる。
【００３９】
【数２】
【００４０】
さらにＫａΔｔが別に何らかの形で得られるとすれば、得られた信号値Ｖ１，Ｖ２からそれぞれＫａΔｔを引くことで、ｂおよびφの値は以下の式により簡単に求めることができる。
【００４１】
【数３】
【００４２】
今、ある程度帯域の広い帯域フィルタ１０２により図２のようないわゆる低コヒーレンス干渉波形が得られる場合を考えてみる。この場合、波長λを帯域の中心（重心）波長と考え、０次の干渉位置から離れるほど、コヒーレンスが低下することにより減衰するモデルで考えることができる。この場合、０次の干渉位置から十分離れ振動波形が現れない位置（すなわちコヒーレント長を超える光路長差がある領域）では、振動波形の振幅を表すｂは０であるから、直接ＫａΔｔの値が得られることになる。ＫａΔｔの値が得られれば上記の式から振動振幅ｂの値あるいは初期位相φを求めることができることになる。
【００４３】
今、ＫａΔｔは既に得られているものとすれば、図２にｖ・Δtで示すような数周期の振動分を露光して得られるＶ１、Ｖ２を用いてその位置での振動振幅ｂを求めることができる。振動振幅は露光時間内で一定ではないが、その露光範囲内での平均のｂが得られると考えることができる。
【００４４】
図３は、このようにして得られる図２の振動波形の局所振幅ｂ（ｚ）の値の変化を描いたものである。
例えば、図３の黒丸ように一定間隔でｂの値を求めていけば、その最大値を示す位置がほぼ０次の干渉位置であるとわかる。さらに、補間法を用いれば最大位置をより精度良く推定することもできる。例えば、ｂの最大の値ｂ(ｚ０)とその前後の値ｂ(ｚ１)、ｂ(ｚ−１)の３点からガウス関数にフィッティングして最大位置Ｚpeakを推定することを考えると以下のように計算することができる。
【００４５】
【数４】
【００４６】
低コヒーレンス干渉計測は先に述べたように高速化が難しいが、このような手法を用いれば、大幅な高速化が可能になる。例えば、コヒーレント長３０μmの照明光を使用した場合を考えてみる。正確ではないがここではコヒーレント長が図３の山の、裾野の長さに相当すると考えることにする。このコヒーレント長内で最低３点のｂの値が得られれば（数４）より０次干渉の位置を求めることができるから、１０μm間隔で値を取得すればよい、しかも露光中に振動波形が変化するのが前提であるから、Zテーブル１１６を高速で移動しても十分露光時間をとることができる。
【００４７】
例えば１００μmの計測範囲を計測するのには、十数枚程度の画像の取得だけでことたりるから、３０フレーム／秒のフレームレートの、通常のＴＶカメラを用いたとしても、データ取得のためにわずか０．４ｓ程度しか必要としない。従来手法に比較すれば桁違いの高速化が可能となる。
【００４８】
振動波形の振幅ｂだけでも前記のように０次干渉位置を特定できるが、位相を考慮すればさらに高精度な計測が可能になる。０次の干渉位置は、正の干渉が最大の位置であるから位相は特定されている。すなわちＣｏｓ波で考えるとφ=２π・ｎの位置である。ｂの値から概略の０次干渉位置を推定し、その近辺で上記を満たす位相を与える位置を最終結果とすればさらに精度が上がると考えられる。
【００４９】
ここでは、検出器としてＣＣＤカメラを想定したが、蓄積型検出器であればなんでもよい。２次元検出器である必要さえなく、いわゆるラインセンサと呼ばれる１次元検出器でも良いし、１点のみを検出する０次元検出器であっても良い。
【００５０】
また、Ｚテーブル１１６により物体１０６を移動させることを考えたが、対物レンズ１０４のＮＡが小さくデフォーカスが大きく問題にならないのであれば、参照ミラー１０７を移動させる構造としても良い。また、干渉計をマイケルソンタイプとしているが、ミロー干渉計であってもリニック干渉計であっても良い。低コヒーレンス干渉計として機能する干渉計であれば何でも良い。検出器の数や、補間演算の方法などもここでは一例を示しただけであり、他の手法であっても良い。
【００５１】
次に、帯域フィルタ１０２を著しく絞って、あるいは、コヒーレンシイの高いレーザを用いて高コヒーレンス干渉計とした場合を考えてみる。高コヒーレンス干渉計では０次の干渉位置は求められないが、初期位相を求めることにより相対計測が可能であることは先に述べた通りである。低コヒーレンス干渉では、広い計測レンジに渡り、ある間隔毎に振動波形の振幅・位相を求めたが、高コヒーレンス干渉では、初期位相を求めるだけでよい（逆に言えばそれしかできない）から、わずか１回の計測のみで良い。
【００５２】
低コヒーレンス干渉のときと同様にＺテーブル１１６を移動し初期位相を求めれば良いわけであるが、この場合は、前記のａΔｔに相当する値はわからないから、低コヒーレンス干渉のときと同様の計算手法では初期位相は求められない。この場合は、検出器は少なくとも３台必要となる。例えば、図４に示すように１：２の強度比に光を分割する光学素子４０１とハーフミラー１０９とを組み合わせて、強度が１／３ずつにわかれるように構成し、それぞれ異なる偏光方向を透過（例えば、０度、π／３、２π／３の方位角の偏光光を透過）する検光子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを、３つの検出器１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃに前置して構成する。（数３）の未知数はａ、ｂ、φの３つであるから３つ以上のデータが得られれば初期位相φを求めることができる。
【００５３】
または、図５に示すようにＣＣＤカメラの隣接する４画素にそれぞれ異なる偏光方位の検光子をつけることでも同様のことが実現できる。この場合、画素数が１／４で、それぞれの偏光方向が異なる４枚の画像が得られると考えることができる。画素に入射する結像光のスポットサイズは通常サンプリング定理を満たすように数画素レベルのサイズを持たせるのが普通であるから、このような位置による偏光分割でも基本的に問題はない。
【実施例２】
【００５４】
図６は、実施例１を示す図１とほぼ同じであるが、検出器周辺部分のみが異なっている。実施例１においては入射光の時間的な振動波形に対し、回転直線偏光生成機構と検光子により周期的に透過率を変化させ、露光時間分積分処理を行っていた。これは、入射光に、正弦波を乗じて時間積分していることであるから、つまり入射時間変化波形と正弦波との相関値を求めていることになる。複数の検出器に前置される検光子の方向が異なることにより、透過率の変化波形の周波数は同じで、位相が異なる正弦波で複数の相関値を同時に求めていることになる。例えば、２台の検出器とπ／４偏光軸の異なる検光子を用いた場合、π／２位相が異なる正弦波、つまり、Ｓｉｎ波、Ｃｏｓ波との相関を同時に検出することになる。いわゆる直交関数による展開となる。
【００５５】
このような、相関検出は実施例１のように光学的に行うこともできるが、電気的に行うことも可能である。つまり、入射光に比例して発生するフォトダイオードの電流信号に、電気的に正弦波信号を乗じ、ある時間積算する回路を作ればよい。このような機能を持つ素子を、２次元的に並べることで２次元相関検出器１１７が製作できる。さらに、互いに位相の異なる複数の正弦波信号と相関検出が同時にできるように、１つのフォトダイオードに対して複数の相関検出回路を持つようにすれば、実施例１と全く同じことが電気的にできることになる。
【実施例３】
【００５６】
次に、格子パターン投影法による実施例を図７と図８を用いて示す。マスクパターン１１８は、図８のような正弦波状の透過率分布を持つ正弦波格子パターンであり、照明光源１０１により透過照明され、照明光学系により物体１０６上に投影されている。
【００５７】
物体１０６に投影された格子パターンは、照明光学系とは異なる方向の光軸を持つ結像光学系により撮像される。対物レンズ１０４による結像光路中に、実施例１と同様に、偏光板１１１、λ／４位相差板１１２、モータ１１４により定速回転するλ／４位相差板１１３が挿入され、光量を１／３づつに分割するプリズム４０１，１０９、およびそれぞれ異なる偏光方位角を有する検光子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃとＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃとにより構成されている。
【００５８】
基本的な動作、演算等、実施例１における高コヒーレンス干渉計の場合と全く同様である。異なる点は、Ｚテーブルを移動させたときに、時間的に振動する波形を得るために、実施例１においては光波干渉という物理原理を用いたのに対し、ここでは、あらかじめ透過率が振動波形状となったマスクパターン１１８の結像投影によっているという点だけである。
【００５９】
すなわち、Ｚテーブル１１６を移動することにより、物体１０６上の各点の輝度は、マスクパターン１１８の透過率変化に伴って正弦波的に上下する。その周期と、結像光学系の透過率変化の周期とを一致させた状態で、一定時間露光すると、３つのＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃそれぞれの同一座標値の値は、それぞれ位相の異なる正弦波により相関検出した結果が得られることになる。それらの結果から、投影された格子パターンの初期位相φを演算できる。初期位相φは物体１０６の起伏情報を含んでいるため、表面形状計測が可能となる。
【００６０】
格子パターン投影法に関しても図５のような偏光分割が可能であるし、また、実施例２と同様に相関検出部分は、電気的に行うことも可能である。
【００６１】
この例では、時間的に振動する波形を得るために、Zテーブル１１６の移動を行っているが、他の手法ももちろん考えることができる。例えばマスクパターン１１８を、リニアアクチュエータを用いて移動させることでも可能であるし、照明光学系全体をリニアに移動させるようなことでも実現できる。その手法は何でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
インラインやオンマシン計測のように、高速であることに価値のある用途において本発明は大きな需要があると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第一の実施例を示した図である。
【図２】低コヒーレンス干渉波形を説明するための図である。
【図３】図２の波形の、振動振幅の変化を示す図である。
【図４】３種類の偏光方向に分離する方法を説明するための図である。
【図５】複数種類に偏光方向を分離する他の手法を説明するための図である。
【図６】本発明の第二の実施例を示した図である。
【図７】本発明の第三の実施例を示した図である。
【図８】マスクパターンを説明するための図である。
【図９】従来の低コヒーレンス干渉計測を説明するための図である。
【図１０】高コヒーレンス光による干渉波形を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１…光源
１０２…帯域フィルタ
１０３…ハーフミラー
１０４…対物レンズ
１０５…ハーフミラー
１０６…物体
１０７…参照ミラー
１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ…ＣＣＤカメラ
１０９…ハーフミラー
１１０a、１１０ｂ、１１０ｃ…検光子
１１１…偏光フィルタ
１１２…λ／４位相差板
１１３…λ／４位相差板
１１４…モータ
１１５…解析装置
１１６…Ｚテーブル
１１７…２次元相関検出器
１１８…マスクパターン
４０１…光学素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて物体の表面形状などの物理特性を計測する光応用計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
縞を解析することにより、物体の変位や表面の形状を計測する各種の技術が存在する。２光束干渉計、格子パターン投影表面形状測定機などである。２光束干渉計は、古くから精密計測の要の手法として利用されており、また格子パターン投影表面形状測定機も自動車、半導体、飛行機などの形状計測技術として広く普及してきている。
【０００３】
２光束干渉計は、２光束の分岐のさせ方に数え切れないほどのバリエーションがあるが、基本的に２光束を干渉させるという意味では共通なのでここでは分岐のさせ方については問題としない。その他のバリエーションとしては低コヒーレンス干渉計と高コヒーレンス光を用いた干渉計（一般的な言葉ではないが以下では高コヒーレンス干渉計と呼ぶ）に分けて考えることができる。低コヒーレンス干渉計は、干渉させる２光束の光路（一つ一つを以下では腕と呼ぶことにする）の光路長が一致したときに現れるいわゆる０次の干渉縞を検出することで、急峻で大きな起伏のある物体の表面形状や物体内部の層間間隔の計測などに利用されている。高コヒーレンス干渉計は、レンズ表面のように段差のないなだらかな曲面や平坦な物体の計測に用いられる。構造上の大きな違いは低コヒーレンス干渉計では２つの腕の光路長が同じでなければならず、高コヒーレンス干渉計は２つの腕は必ずしも等光路長である必要はない。コヒーレンス度が高ければ何十ｍも差があっても干渉縞を観測することができる。
【０００４】
低コヒーレンス干渉計は、腕の一方の光路長を変化させて、２つの腕の光路長が正確に一致する位置を０次の干渉縞から求める手法である。図９にマイケルソン干渉計を用いた低コヒーレンス干渉計の構造を示す。Ｚテーブル１１６を用いて一方の腕の光路長を変化させながらＣＣＤカメラ１０８の、ある画素の値を観測すると図２のような波形が観測される。両腕の光路長が等しくなる付近で干渉縞が発生し激しく振動している。振動振幅（干渉振幅）の最大の位置が求めるべき等光路長の位置、０次干渉の位置である。０次干渉の位置をすべての画素について求めれば物体の表面形状を求めることができる。
【０００５】
高コヒーレンス干渉計は、コヒーレント長が長いから一方の腕を変化させても干渉の振幅はほとんど変化せず、図１０のような波形が観測される。この場合０次干渉縞を特定することは不可能であるから物体表面の絶対位置を特定することはできないが、縞一本に相当する光路差であるλ／２のレンジで、Ａの画素はＢの画素より何ｎｍ高いといった形で相対的に表面形状を求めることができる。具体的には、一方の腕を数回規定量変化させて、少なくとも３枚の縞がシフトしたデータを得て、それらのデータから縞の初期位相を各画素毎に求めることで実現される。位相が表面形状高さに比例している。このような手法は縞走査法あるは位相シフト法と呼ばれる。以下では位相シフト法と称する。
【０００６】
格子パターン投影法は、光の波としての干渉現象を用いるわけではなく、たとえば透過率あるいは反射率が周期的に変化して縞状になったパターンの像を照明光源とレンズを用いて物体の表面上に投影する手法である。縞を斜め方向から物体に投影して、投影方向とは異なる方向から縞を観察すると物体の起伏に応じて縞が歪んで観測される。縞の歪みに物体の起伏情報が含まれていることになるので、２光束干渉計とは原理的には異なるが同じように縞の位相を求めることで物体の表面形状高さを計測することが可能になる。具体的には高コヒーレンス干渉計と同様に縞を規定量シフトさせて位相を求める位相シフト法をもちいて実現される。
【０００７】
以上簡単に従来の干渉計および格子パターン投影法の得失を解説したが、詳しくはたとえば非特許文献１に述べられている。
【非特許文献１】吉澤徹編著「最新光三次元計測」朝倉書店、２００６年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これらの手法の、課題の一つは、計測の高速性である。近年、精密計測を生産工程中であるいは加工マシン上で実施する、インライン計測あるいはオンマシン計測が普及してきている。これらの計測においては精度のみでなく、それ以上に速度が重要であることは言を俟たない。特に非常に汎用性が高く重要な測定法である低コヒーレンス干渉計測法は、非常に多くのデータを必要とし、計測時間が著しくかかる典型的な手法である。
【０００９】
一般に、デジタルデータ入力のためにはサンプリング定理に従う必要がある。サンプリング定理によれば最高周波数の少なくとも倍の周波数でサンプリングをする必要がある。つまり図２の一回の明暗の変化内で２回以上データをとらなければならない、一回の明暗がλ／２であるから、λ＝５５０ｎｍとして１３０ｎｍ以下の間隔でデータをとる必要がある。一般的には精度を重視して数十nm間隔でサンプリングされることが多い。１００ｎｍと考えても１００μｍ程度を計測するためには１０００点を超えるデータが必要となる。これでは高速な計測は難しい。
【００１０】
近年、高速化のために一般的なサンプリング定理を満たさない粗い間隔でデータをとっても、もとの波形を復元することができる手法が開発され実用化されている。低コヒーレンス干渉の波形は、一般波形と異なり、高周波成分が制限されているだけでなく、低周波成分も制限されているいわゆる峡帯域波形であるから、一般的なサンプリング定理を満たしていなくても元の波形を復元することができるのである。
【００１１】
このような高速手法であっても現実的にはなかなか精度を保ちながら十分な高速化を実現することは難しいのが実情である。実際の計測においては、一方の腕の光路長を連続的に変化させながらある間隔、例えば１００ｎｍ間隔毎にデータを取得することになるが、表面形状計測の場合データとしては画像であり、ＣＣＤあるいはＣＭＯＳ等の２次元検出器を使用することになり、これら２次元検出器で画像を得る場合はある程度の露光時間（シャッター時間）を確保する必要があるが、露光時間中に光路長が大きく移動すると、良いサンプル値が得られなくなる。例えば、極端な場合露光時間中に明暗一周期分移動したとすると、干渉縞がえられないのと同等となってしまい計測不可能なる。そこまで行かないにしても、平滑化の効果でコントラストが低下してしまい、好ましくない。逆に露光時間を小さくしてしまうと十分なＳ／Ｎを持った信号光が得られないためやはり精度、信頼性的にも好ましくない。結局は、高速化により精度の低下を招くか、または、移動速度を低くして低速で計測をすることになる。
【００１２】
高コヒーレンス干渉法に関しては、通常縞の位相を機械的にシフトさせた、それぞれ時間的にずれのある３枚以上の画像を用いるが、偏光を利用して位相がシフトした３枚の画像を同時に得ることができるリアルタイム位相シフト干渉計が提案されている。しかしながら、格子パターン投影法においてはそのような高速化手法がないのが実情である。
【００１３】
本発明は、このような高速化の課題の解決を与えるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題を解決するために、
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を直線偏光化し、その偏光方位を変化させる直線偏光変化手段と、
前記直線偏光変化手段を通過した光を少なくとも２つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、
分割された入射光のそれぞれを受光し、光量に応じて光電変換し、電気信号として出力する、同期した動作を行う少なくとも２つの蓄積型検出器と、
前記蓄積型検出器から出力された複数の信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記直線偏光変化手段および検光手段の組み合わせによる透過率の変化周波数とを近い値とし、前記蓄積型検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を露光蓄積し得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期的変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施するように光応用計測装置を構成する。
【００１５】
前記蓄積型検出器を、２次元のアレイ状に検出器が配列された蓄積型画像検出器とし、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されるようにすることもできる。
【００１６】
前記検光手段を、前記蓄積型画像検出器の各画素毎に取り付け、隣接する画素が異なる偏光方向の光を受光するようにすることもできる。
【００１７】
または、強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を受光し光量に応じて光電変換して得られる信号と、自身で生成あるいは外部から与えられる基底電気信号との積に比例する信号を出力する少なくとも２つの相関検出器と、
前記複数の相関検出器から出力された信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記基底電気信号の変化周波数とを近い値とし、前記相関検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を相関検出して得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施するように光応用計測装置を構成する。
【００１８】
前記相関検出器を、２次元のアレイ状に検出器が配列された相関画像検出器とし、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されるようにすることもできる。
【００１９】
前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの光を２分岐して参照鏡からの反射光と物体から反射光を重ねあわせて干渉させる２光束干渉計と、
２つの光路のうち、少なくとも一方の光路長を変更可能な光路長変化手段とにより構成され、
光路長変化手段による定速の光路長変化により干渉の強度値を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成するように光応用計測装置を構成する。
【００２０】
前記光源は低コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の２つの光路の光路長はほぼ等しい等光路長干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させながら前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を複数回繰り返し、２つの光路が正確に等光路長となる位置を検出することで対象物体表面の起伏形状を求めるようにする。
【００２１】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅が最大となる位置を、補間法によって前記間隔より細かい分解能で求めるようにして高速化する。
【００２２】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅と位相を用いて、振幅が最大でかつ位相が変化のピークを示す位置を求めるようにして高速化しても良い。
【００２３】
あるいは、前記光源は高コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の、２つの光路の光路長は必ずしも等光路長ではない干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めるようにする。
【００２４】
このとき、前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの照明光を格子縞パターンとして物体に投影する格子パターン投影機と、
投影される格子パターンを連続的にシフトさせる位相シフト機構とにより構成され、
位相シフト機構による定速の格子パターン位相のシフトにより、対象物体上の各点の輝度を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有するように光応用計測装置を構成する。
【００２５】
前記位相シフト機構により格子縞パターンを定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めるように光応用計測装置を構成することもできる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように構成することで、高速性に優れた光応用計測装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下では、本発明を具体的に実施するにあたり最良と思われる実施形態について述べる。
【実施例１】
【００２８】
まず、本発明を具現化した実施形態の第一の例を、図１を参照して説明する。
【００２９】
光源１０１は、放電タイプあるいはフィラメントタイプの広帯域光源あるいはＬＥＤ、またはコヒーレント長の短い比較的帯域幅の広いレーザであり、帯域幅をコントロールするために帯域フィルタ１０２を有している。帯域フィルタ１０２により帯域がコントロールされた照明光は、ハーフミラー１０３によって対物レンズ１０４方向へ向かい、対物レンズ１０４を通過して物体１０６方向に照射される。対物レンズ１０４と物体１０６との間にあるハーフミラー１０５により照明光は物体方向と参照ミラー１０７方向に分けられ、それぞれで反射してきた光が再びハーフミラー１０５によって重ね合わされ再び対物レンズ１０４を通過し、ハーフミラー１０３を透過して蓄積型画像検出器であるＣＣＤカメラ１０８の方へ向かう。
【００３０】
ＣＣＤカメラ１０８は２台用意されている。ハーフミラー１０９によりＣＣＤカメラ１０８へ入射する光を分岐することで光学的にはどちらも同一位置と見なせるように配置されている。それぞれのＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂの前には偏光フィルタ（以下検光子と称する）１１０a、１１０ｂが配置され、２台のＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂはそれぞれに対しπ／４異なる偏光成分を受光するように構成されている。ハーフミラー１０９は偏光に関係なく、光の強度を２等分するだけの機能を持つ無偏光ハーフミラーである。
【００３１】
ハーフミラー１０３とハーフミラー１０９の間には、回転直線偏光を生成する機構が挿入されている。
偏光フィルタ（以下偏光子と称する）１１１により直線偏光とし、その後λ／４位相差板１１２により円偏光とし、さらにもう一枚のλ／４位相差板１１３をベアリング中空部に配置して内側軌道輪（以下内輪と称する）をモータ１１４により回転させて、回転する直線偏光を得ている。
【００３２】
回転直線偏光を生成する機構も色々と考えられる。もっとも単純な実現方法は、偏光板を回転させる手法である。先ほどと同様にベアリングの中空部に偏光板を取り付け、内輪をモータにより回転させることで実現できる。ただしこの場合は、偏光板への入射光が完全に無偏光状態であれば良いが、偏光していると偏光の方向によって透過光強度が変化してしまう。先の例では、偏光方向の変化により透過強度が変化してしまうことはない。
【００３３】
あるいは、偏光子により直線偏光化した光を、液晶などの旋光性を有する電気光学素子を用いて電気的に回転させることも可能である。偏光の方位を、ある方位から直交する方位へと変化させ、またもとの方位へ変化させる動作を繰り返せば、回転直線偏光と同じことになる。
【００３４】
変化する偏光方位の速度は角速度ωで表すことができ、角速度ωで回転する直線偏光が２つのＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂ前面の検光子１１０a、１１０ｂを透過する透過率の変化はπ／２の位相差を持つ正弦波Ｋ（１＋Ｃｏｓ（２ωｔ））、Ｋ（１＋Ｓｉｎ（２ωｔ））で表すことができる。ここにｔは時間を、Ｋは偏光素子の特性によって決まる実透過率に合わせるための係数を示している。Ｋは固定値である。
【００３５】
物体１０６は、光軸方向へ移動可能なＺテーブル１１６上に載っており、Ｚテーブル１１６の移動によりハーフミラー１０３によって分けられた２つの腕の光路長差を変化させることが可能である。Ｚテーブル１１６を移動させることでハーフミラー１０３により重ね合わされＣＣＤカメラ１０８に向かう反射光が干渉する。両腕からの光の位相差が０あるいは波長λの倍数ｎ・λ（ｎは整数）であれば正の干渉で強め合い、位相差が半波長λ／２あるいは半波長＋波長の倍数（１／２＋ｎ）λずれていれば負の干渉で弱め合う。Ｚテーブル１１６を一定速度で移動させると、位相差が連続的に変化することになるから正の干渉と負の干渉が移動量λ／２（位相差は移動量の倍）の周期で繰り返す振動波形が得られることになる。Zテーブル１１６の移動速度をｖとすれば、信号光の強度はａ＋ｂ×Ｃｏｓ（４πｖｔ／λ＋φ）と表される。ここに、ａは干渉が無い（しない）場合の光強度であり、ｂは振動振幅（いわゆる干渉縞のビジビリティ）を表している。φは初期位相であり物体の起伏に応じて位置（ＸＹ座標値）によって異なる値を持つ。
【００３６】
ここで、Ｚテーブル１１６の速度および回転直線偏光の回転速度（角速度）を調節してω＝２πｖ／λとすれば、ＣＣＤカメラそれぞれで得られる信号Ｖ１およびＶ２は、（ａ＋ｂ×Ｃｏｓ（２ωｔ＋φ））×Ｋ（１＋Ｃｏｓ（２ωｔ））と（ａ＋ｂ×Ｃｏｓ（２ωｔ＋φ））×Ｋ（１＋Ｓｉｎ（２ωｔ））とをそれぞれ露光時間Δｔ積分した以下の式となる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
また、露光時間Δｔを適切に選んで２ωΔｔ=２π・ｎとなるようにすればＳｉｎ（ｎ・２ωｔ）、Ｃｏｓ（ｎ・２ωｔ）の積分は０となり、結局以下のように表すことができる。
【００３９】
【数２】
【００４０】
さらにＫａΔｔが別に何らかの形で得られるとすれば、得られた信号値Ｖ１，Ｖ２からそれぞれＫａΔｔを引くことで、ｂおよびφの値は以下の式により簡単に求めることができる。
【００４１】
【数３】
【００４２】
今、ある程度帯域の広い帯域フィルタ１０２により図２のようないわゆる低コヒーレンス干渉波形が得られる場合を考えてみる。この場合、波長λを帯域の中心（重心）波長と考え、０次の干渉位置から離れるほど、コヒーレンスが低下することにより減衰するモデルで考えることができる。この場合、０次の干渉位置から十分離れ振動波形が現れない位置（すなわちコヒーレント長を超える光路長差がある領域）では、振動波形の振幅を表すｂは０であるから、直接ＫａΔｔの値が得られることになる。ＫａΔｔの値が得られれば上記の式から振動振幅ｂの値あるいは初期位相φを求めることができることになる。
【００４３】
今、ＫａΔｔは既に得られているものとすれば、図２にｖ・Δtで示すような数周期の振動分を露光して得られるＶ１、Ｖ２を用いてその位置での振動振幅ｂを求めることができる。振動振幅は露光時間内で一定ではないが、その露光範囲内での平均のｂが得られると考えることができる。
【００４４】
図３は、このようにして得られる図２の振動波形の局所振幅ｂ（ｚ）の値の変化を描いたものである。
例えば、図３の黒丸ように一定間隔でｂの値を求めていけば、その最大値を示す位置がほぼ０次の干渉位置であるとわかる。さらに、補間法を用いれば最大位置をより精度良く推定することもできる。例えば、ｂの最大の値ｂ(ｚ０)とその前後の値ｂ(ｚ１)、ｂ(ｚ−１)の３点からガウス関数にフィッティングして最大位置Ｚpeakを推定することを考えると以下のように計算することができる。
【００４５】
【数４】
【００４６】
低コヒーレンス干渉計測は先に述べたように高速化が難しいが、このような手法を用いれば、大幅な高速化が可能になる。例えば、コヒーレント長３０μmの照明光を使用した場合を考えてみる。正確ではないがここではコヒーレント長が図３の山の、裾野の長さに相当すると考えることにする。このコヒーレント長内で最低３点のｂの値が得られれば（数４）より０次干渉の位置を求めることができるから、１０μm間隔で値を取得すればよい、しかも露光中に振動波形が変化するのが前提であるから、Zテーブル１１６を高速で移動しても十分露光時間をとることができる。
【００４７】
例えば１００μmの計測範囲を計測するのには、十数枚程度の画像の取得だけでことたりるから、３０フレーム／秒のフレームレートの、通常のＴＶカメラを用いたとしても、データ取得のためにわずか０．４ｓ程度しか必要としない。従来手法に比較すれば桁違いの高速化が可能となる。
【００４８】
振動波形の振幅ｂだけでも前記のように０次干渉位置を特定できるが、位相を考慮すればさらに高精度な計測が可能になる。０次の干渉位置は、正の干渉が最大の位置であるから位相は特定されている。すなわちＣｏｓ波で考えるとφ=２π・ｎの位置である。ｂの値から概略の０次干渉位置を推定し、その近辺で上記を満たす位相を与える位置を最終結果とすればさらに精度が上がると考えられる。
【００４９】
ここでは、検出器としてＣＣＤカメラを想定したが、蓄積型検出器であればなんでもよい。２次元検出器である必要さえなく、いわゆるラインセンサと呼ばれる１次元検出器でも良いし、１点のみを検出する０次元検出器であっても良い。
【００５０】
また、Ｚテーブル１１６により物体１０６を移動させることを考えたが、対物レンズ１０４のＮＡが小さくデフォーカスが大きく問題にならないのであれば、参照ミラー１０７を移動させる構造としても良い。また、干渉計をマイケルソンタイプとしているが、ミロー干渉計であってもリニック干渉計であっても良い。低コヒーレンス干渉計として機能する干渉計であれば何でも良い。検出器の数や、補間演算の方法などもここでは一例を示しただけであり、他の手法であっても良い。
【００５１】
次に、帯域フィルタ１０２を著しく絞って、あるいは、コヒーレンシイの高いレーザを用いて高コヒーレンス干渉計とした場合を考えてみる。高コヒーレンス干渉計では０次の干渉位置は求められないが、初期位相を求めることにより相対計測が可能であることは先に述べた通りである。低コヒーレンス干渉では、広い計測レンジに渡り、ある間隔毎に振動波形の振幅・位相を求めたが、高コヒーレンス干渉では、初期位相を求めるだけでよい（逆に言えばそれしかできない）から、わずか１回の計測のみで良い。
【００５２】
低コヒーレンス干渉のときと同様にＺテーブル１１６を移動し初期位相を求めれば良いわけであるが、この場合は、前記のａΔｔに相当する値はわからないから、低コヒーレンス干渉のときと同様の計算手法では初期位相は求められない。この場合は、検出器は少なくとも３台必要となる。例えば、図４に示すように１：２の強度比に光を分割する光学素子４０１とハーフミラー１０９とを組み合わせて、強度が１／３ずつにわかれるように構成し、それぞれ異なる偏光方向を透過（例えば、０度、π／３、２π／３の方位角の偏光光を透過）する検光子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃを、３つの検出器１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃに前置して構成する。（数３）の未知数はａ、ｂ、φの３つであるから３つ以上のデータが得られれば初期位相φを求めることができる。
【００５３】
または、図５に示すようにＣＣＤカメラの隣接する４画素にそれぞれ異なる偏光方位の検光子をつけることでも同様のことが実現できる。この場合、画素数が１／４で、それぞれの偏光方向が異なる４枚の画像が得られると考えることができる。画素に入射する結像光のスポットサイズは通常サンプリング定理を満たすように数画素レベルのサイズを持たせるのが普通であるから、このような位置による偏光分割でも基本的に問題はない。
【実施例２】
【００５４】
図６は、実施例１を示す図１とほぼ同じであるが、検出器周辺部分のみが異なっている。実施例１においては入射光の時間的な振動波形に対し、回転直線偏光生成機構と検光子により周期的に透過率を変化させ、露光時間分積分処理を行っていた。これは、入射光に、正弦波を乗じて時間積分していることであるから、つまり入射時間変化波形と正弦波との相関値を求めていることになる。複数の検出器に前置される検光子の方向が異なることにより、透過率の変化波形の周波数は同じで、位相が異なる正弦波で複数の相関値を同時に求めていることになる。例えば、２台の検出器とπ／４偏光軸の異なる検光子を用いた場合、π／２位相が異なる正弦波、つまり、Ｓｉｎ波、Ｃｏｓ波との相関を同時に検出することになる。いわゆる直交関数による展開となる。
【００５５】
このような、相関検出は実施例１のように光学的に行うこともできるが、電気的に行うことも可能である。つまり、入射光に比例して発生するフォトダイオードの電流信号に、電気的に正弦波信号を乗じ、ある時間積算する回路を作ればよい。このような機能を持つ素子を、２次元的に並べることで２次元相関検出器１１７が製作できる。さらに、互いに位相の異なる複数の正弦波信号と相関検出が同時にできるように、１つのフォトダイオードに対して複数の相関検出回路を持つようにすれば、実施例１と全く同じことが電気的にできることになる。
【実施例３】
【００５６】
次に、格子パターン投影法による実施例を図７と図８を用いて示す。マスクパターン１１８は、図８のような正弦波状の透過率分布を持つ正弦波格子パターンであり、照明光源１０１により透過照明され、照明光学系により物体１０６上に投影されている。
【００５７】
物体１０６に投影された格子パターンは、照明光学系とは異なる方向の光軸を持つ結像光学系により撮像される。対物レンズ１０４による結像光路中に、実施例１と同様に、偏光板１１１、λ／４位相差板１１２、モータ１１４により定速回転するλ／４位相差板１１３が挿入され、光量を１／３づつに分割するプリズム４０１，１０９、およびそれぞれ異なる偏光方位角を有する検光子１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃとＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃとにより構成されている。
【００５８】
基本的な動作、演算等、実施例１における高コヒーレンス干渉計の場合と全く同様である。異なる点は、Ｚテーブルを移動させたときに、時間的に振動する波形を得るために、実施例１においては光波干渉という物理原理を用いたのに対し、ここでは、あらかじめ透過率が振動波形状となったマスクパターン１１８の結像投影によっているという点だけである。
【００５９】
すなわち、Ｚテーブル１１６を移動することにより、物体１０６上の各点の輝度は、マスクパターン１１８の透過率変化に伴って正弦波的に上下する。その周期と、結像光学系の透過率変化の周期とを一致させた状態で、一定時間露光すると、３つのＣＣＤカメラ１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃそれぞれの同一座標値の値は、それぞれ位相の異なる正弦波により相関検出した結果が得られることになる。それらの結果から、投影された格子パターンの初期位相φを演算できる。初期位相φは物体１０６の起伏情報を含んでいるため、表面形状計測が可能となる。
【００６０】
格子パターン投影法に関しても図５のような偏光分割が可能であるし、また、実施例２と同様に相関検出部分は、電気的に行うことも可能である。
【００６１】
この例では、時間的に振動する波形を得るために、Zテーブル１１６の移動を行っているが、他の手法ももちろん考えることができる。例えばマスクパターン１１８を、リニアアクチュエータを用いて移動させることでも可能であるし、照明光学系全体をリニアに移動させるようなことでも実現できる。その手法は何でも良い。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
インラインやオンマシン計測のように、高速であることに価値のある用途において本発明は大きな需要があると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第一の実施例を示した図である。
【図２】低コヒーレンス干渉波形を説明するための図である。
【図３】図２の波形の、振動振幅の変化を示す図である。
【図４】３種類の偏光方向に分離する方法を説明するための図である。
【図５】複数種類に偏光方向を分離する他の手法を説明するための図である。
【図６】本発明の第二の実施例を示した図である。
【図７】本発明の第三の実施例を示した図である。
【図８】マスクパターンを説明するための図である。
【図９】従来の低コヒーレンス干渉計測を説明するための図である。
【図１０】高コヒーレンス光による干渉波形を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０１…光源
１０２…帯域フィルタ
１０３…ハーフミラー
１０４…対物レンズ
１０５…ハーフミラー
１０６…物体
１０７…参照ミラー
１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ…ＣＣＤカメラ
１０９…ハーフミラー
１１０a、１１０ｂ、１１０ｃ…検光子
１１１…偏光フィルタ
１１２…λ／４位相差板
１１３…λ／４位相差板
１１４…モータ
１１５…解析装置
１１６…Ｚテーブル
１１７…２次元相関検出器
１１８…マスクパターン
４０１…光学素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を直線偏光化し、その偏光方位を変化させる直線偏光変化手段と、
前記直線偏光変化手段を通過した光を少なくとも２つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、
分割された入射光のそれぞれを受光し、光量に応じて光電変換し、電気信号として出力する、同期した動作を行う少なくとも２つの蓄積型検出器と、
前記蓄積型検出器から出力された複数の信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記直線偏光変化手段および検光手段の組み合わせによる透過率の変化周波数とを近い値とし、前記蓄積型検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を露光蓄積し得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期的変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施することを特徴とする光応用計測装置。
【請求項２】
前記蓄積型検出器は、２次元のアレイ状に検出器が配列された蓄積型画像検出器であり、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されることを特徴とする請求項１記載の光応用計測装置。
【請求項３】
前記検光手段は、前記蓄積型画像検出器の各画素毎に取り付けられ、隣接する画素が異なる偏光方向の光を受光することを特徴とする請求項２記載の光応用計測装置。
【請求項４】
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を受光し光量に応じて光電変換して得られる信号と、自身で生成あるいは外部から与えられる基底電気信号との積に比例する信号を出力する少なくとも２つの相関検出器と、
前記複数の相関検出器から出力された信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記基底電気信号の変化周波数とを近い値とし、前記相関検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を相関検出して得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施することを特徴とする光応用計測装置。
【請求項５】
前記相関検出器は、２次元のアレイ状に検出器が配列された相関画像検出器であり、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されることを特徴とする請求項４記載の光応用計測装置。
【請求項６】
前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの光を２分岐して参照鏡からの反射光と物体から反射光を重ねあわせて干渉させる２光束干渉計と、
２つの光路のうち、少なくとも一方の光路長を変更可能な光路長変化手段とにより構成され、
光路長変化手段による定速の光路長変化により干渉の強度値を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかの項記載の光応用計測装置。
【請求項７】
前記光源は低コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の２つの光路の光路長はほぼ等しい等光路長干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させながら前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を複数回繰り返し、２つの光路が正確に等光路長となる位置を検出することで対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項６記載の光応用計測装置。
【請求項８】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅が最大となる位置を、補間法によって前記間隔より細かい分解能で求めることを特徴とする請求項７記載の光応用計測装置。
【請求項９】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅と位相を用いて、振幅が最大でかつ位相が変化のピークを示す位置を求めることを特徴とする請求項７記載の光応用計測装置。
【請求項１０】
前記光源は高コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の２つの光路の光路長は必ずしも等光路長ではない干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項６記載の光応用計測装置。
【請求項１１】
前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの照明光を格子縞パターンとして物体に投影する格子パターン投影機と、
投影される格子パターンを連続的にシフトさせる位相シフト機構とにより構成され、
位相シフト機構による定速の格子パターン位相のシフトにより、対象物体上の各点の輝度を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有すること特徴とする請求項１から５のいずれかの項記載の光応用計測装置。
【請求項１２】
前記位相シフト機構により格子縞パターンを定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項６記載の光応用計測装置。
【請求項１】
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を直線偏光化し、その偏光方位を変化させる直線偏光変化手段と、
前記直線偏光変化手段を通過した光を少なくとも２つの異なる直線偏光成分に分割する検光手段と、
分割された入射光のそれぞれを受光し、光量に応じて光電変換し、電気信号として出力する、同期した動作を行う少なくとも２つの蓄積型検出器と、
前記蓄積型検出器から出力された複数の信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記直線偏光変化手段および検光手段の組み合わせによる透過率の変化周波数とを近い値とし、前記蓄積型検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を露光蓄積し得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期的変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施することを特徴とする光応用計測装置。
【請求項２】
前記蓄積型検出器は、２次元のアレイ状に検出器が配列された蓄積型画像検出器であり、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されることを特徴とする請求項１記載の光応用計測装置。
【請求項３】
前記検光手段は、前記蓄積型画像検出器の各画素毎に取り付けられ、隣接する画素が異なる偏光方向の光を受光することを特徴とする請求項２記載の光応用計測装置。
【請求項４】
強度が時間軸上で周期的に変化するような信号光を生成する周期変化信号光発生手段と、
前記周期変化信号光を受光し光量に応じて光電変換して得られる信号と、自身で生成あるいは外部から与えられる基底電気信号との積に比例する信号を出力する少なくとも２つの相関検出器と、
前記複数の相関検出器から出力された信号を解析する解析装置とから構成され、
前記周期変化信号光の周波数と、前記基底電気信号の変化周波数とを近い値とし、前記相関検出器により前記周期変化信号光の少なくとも一周期の信号光を相関検出して得られた複数の電気信号から、前記解析装置により前記周期変化信号光の振幅に比例する値もしくは位相もしくはその両方を演算する周期変化信号光解析処理を実施することを特徴とする光応用計測装置。
【請求項５】
前記相関検出器は、２次元のアレイ状に検出器が配列された相関画像検出器であり、前記解析装置により画像の各画素毎に前記周期変化信号光解析処理が実施されることを特徴とする請求項４記載の光応用計測装置。
【請求項６】
前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの光を２分岐して参照鏡からの反射光と物体から反射光を重ねあわせて干渉させる２光束干渉計と、
２つの光路のうち、少なくとも一方の光路長を変更可能な光路長変化手段とにより構成され、
光路長変化手段による定速の光路長変化により干渉の強度値を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかの項記載の光応用計測装置。
【請求項７】
前記光源は低コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の２つの光路の光路長はほぼ等しい等光路長干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させながら前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を複数回繰り返し、２つの光路が正確に等光路長となる位置を検出することで対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項６記載の光応用計測装置。
【請求項８】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅が最大となる位置を、補間法によって前記間隔より細かい分解能で求めることを特徴とする請求項７記載の光応用計測装置。
【請求項９】
前記周期変化信号光解析処理は、２つの光路の光路長が等しい位置付近で観測される干渉区間の中で、３回から１０回程度となるよう間隔をあけて実施し、２つの光路の光路長が正確に一致する位置は、前記周期変化信号光解析処理により得られる振幅と位相を用いて、振幅が最大でかつ位相が変化のピークを示す位置を求めることを特徴とする請求項７記載の光応用計測装置。
【請求項１０】
前記光源は高コヒーレントな光を射出する光源であり、前記２光束干渉計の２つの光路の光路長は必ずしも等光路長ではない干渉計であり、前記光路長変化手段により一方の光路の光路長を定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項６記載の光応用計測装置。
【請求項１１】
前記周期変化信号光発生手段は、
光源と、光源からの照明光を格子縞パターンとして物体に投影する格子パターン投影機と、
投影される格子パターンを連続的にシフトさせる位相シフト機構とにより構成され、
位相シフト機構による定速の格子パターン位相のシフトにより、対象物体上の各点の輝度を周期的に変化させることで周期変化信号光を生成する機能を有すること特徴とする請求項１から５のいずれかの項記載の光応用計測装置。
【請求項１２】
前記位相シフト機構により格子縞パターンを定速で変化させて前記解析装置により前記周期変化信号光解析処理を実施し、演算された位相情報から対象物体表面の起伏形状を求めることを特徴とする請求項６記載の光応用計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１９７３７０（Ｐ２０１０−１９７３７０Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２９９６２（Ｐ２００９−１２９９６２）
【出願日】平成２１年５月２９日（２００９．５．２９）
【出願人】（０００００２８４２）株式会社高岳製作所 (72)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２９日（２００９．５．２９）
【出願人】（０００００２８４２）株式会社高岳製作所 (72)
【Ｆターム（参考）】
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