(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定用光源から発せられた光を測定対象面に対し球面波として照射すると共に、前記光源からの光を参照面に照射し、各々の面での反射光により形成される干渉縞から反射光の位相分布を求め、該位相分布に基づいて測定対象面における干渉縞形成領域の面形状を算出し、測定対象面に対する球面波の照射位置のみ既知量だけ僅かに変化させ、その場合の干渉縞から同様にして測定対象面における干渉縞形成領域の面形状を算出し、さらに前記既知量に基づき先に求めた面形状と後に求めた面形状との連続状態を算出し、さらに既知量の移動と干渉縞形成領域の面形状及び連続状態の算出とを繰り返して測定対象面の形状を決定することを特徴とする非接触式形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いた非接触方式により面の形状を計測するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の形状を精度よく計測する方法として、触針を用いる接触方式と、光を用いる非接触方式とがある。前者では、例えば原子間力顕微鏡の原理を用いる等してできるだけ測定力を小さくする方法が用いられているが、柔らかい金属の面を測定する場合に傷が付くという欠点は完全には解消されていない。また、後者では、光波干渉法による面形状の測定法が一般的であり、これには照射光を面状として一度に広い面積を測定する場合と、点状照射光を対象領域を走査する方法とがある。面状照射の場合は、対象面全体に亘って、ほぼ面に垂直な光波を作るために、計算機ホログラム等を利用して入射波面をほぼ測定形状と同じ形にする必要がある。しかし、対象面に応じてホログラムを作る必要があり、精度の良いものを作るのが困難であり、柔軟性にも欠ける。点状照射の場合は、センサから走査領域に照射した光が再びセンサに戻ってくる必要があるので、一般的には、平面かこれに近い曲率の小さい曲面が測定対象となる。点状照射方式においては、常に光を対象面の法線方向から照射するようにすれば、曲率の大きい曲面も測定できるが、センサ部を対象曲面にしたがって傾けるように移動させる必要が生じるので、装置が複雑となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明は、平面のみならず曲面の測定も可能にする非接触式の形状計測方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、測定用光源から発せられた光を測定対象面に対し球面波として照射すると共に、前記光源からの光を参照面に照射し、各々の面での反射光により形成される干渉縞から反射光の位相分布を求め、該位相分布に基づいて測定対象面における干渉縞形成領域の面形状を算出し、測定対象面に対する球面波の照射位置のみ既知量だけ僅かに変化させ、その場合の干渉縞から同様にして測定対象面における干渉縞形成領域の面形状を算出し、さらに前記既知量に基づき先に求めた面形状と後に求めた面形状との連続状態を算出し、さらに既知量の移動と干渉縞形成領域の面形状及び連続状態の算出とを繰り返して測定対象面の形状を決定することを特徴とする非接触式形状計測方法を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明を実施するための計測装置を概略的に示している。この装置は、直交する水平及び垂直の３軸に沿って移動可能なテーブルを備えたＸＹＺステージ１と、ＸＹＺステージ１に向けて平行光を発するレーザ光源２と、これらに関連して以下のように配置された部分とを備えている。ＸＹＺステージ１とレーザ光源２との間には、光源からステージの方向へ順に、集光レンズＬ１，Ｌ２、フィルタＰ、ビームスプリッタＢ、集光レンズｌ３がレーザ光源２の光軸に沿って配置されている。また、ビームスプリッタＢで前記光軸に垂直に分岐された光を受けるように、該ビームスプリッタＢの一方の側に集光レンズＬ４及びＣＣＤカメラ３、他方の側に参照ミラーＭ及び該ミラーの支持装置４が配置されている。ＣＣＤカメラ３は画像表示のためモニタ５に接続されている。また、ＸＹＺステージ１、ＣＣＤカメラ３、支持装置４は、各々の制御のためコンピュータ６に接続されている。
【０００６】
集光レンズＬ１、Ｌ２は、レーザ光源２からの平行光の径を適度に調整するように設けられている。レンズＬ２を経た光はフィルタＰを通過して適切な光量となり、ビームスプリッタＢに達する。ビームスプリッタＢは、光軸に対して４５度傾斜したハーフミラーを備えており、到達して光を光軸に沿ってＸＹＺステージ１側へ透過する光と、該光軸に垂直な反射光とに分岐する。ビームスプリッタＢを透過した光は、集光レンズＬ３によりその焦点に集められた後、円錐状に広がってＸＹＺステージ１に達する。ビームスプリッタＢで反射された光は、参照ミラーＭに向かい、該ミラーで反射され、再びビームスプリッタＢに達し、ビームスプリッタＢを透過した光は集光レンズＬ４を経てＣＣＤカメラ３に達する。支持装置４は、支持したミラーＭをビームスプリッタＢから来る光の方向に必要な距離だけ正確に前後動させるように圧電アクチュエータを備えている。
【０００７】
次に、この装置を使用した本発明方法の実施形態について説明する。先ず、測定対象Ｓを、被測定面がレーザ光源２から延びる光軸に向くようにしてＸＹＺステージ１上に固定する。レーザ光源２から光を発すると、その光は、前述のように集光レンズＬ１，Ｌ２、フィルタＰ、ビームスプリッタＢ、集光レンズＬ３を通過して測定対象Ｓに到達する。集光レンズＬ３を通過した光は、集光レンズＬ３の焦点に集められた後、円錐状に広がりつつ測定対象Ｓに達する。したがって、その光は、球面波となって測定対象Ｓに達することになる。
【０００８】
ここで重要なことは、照射面の曲率に対して球面波の発散角が十分に大きい場合は、光の進行方向に垂直な点（微小面）が存在するということである。このように、光の進行方向に垂直な点が存在することにより、その点で反射された光は同じ経路を進行し集光レンズＬ３を経てビームスプリッタＢで一部が反射され集光レンズＬ４を経てＣＣＤカメラ３に達する。
【０００９】
一方、レーザ光源２からビームスプリッタＢに達し、ここで反射された光は、参照ミラーＭに達し、そこで反射されて再びビームスプリッタＢに向かう。そして、ビームスプリッタＢを透過した光は、集光レンズＬ４を経てＣＣＤカメラ３に達する。
【００１０】
したがって、ＣＣＤカメラ３には、測定対象Ｓで反射され入射光と同じ経路を辿ってビームスプリッタＢで反射された光と、参照ミラーＭで反射された光が到達する。２つの光の間には測定対象Ｓの反射面の形状に応じて位相差が生じるために干渉縞を形成する。この干渉縞から反射光の位相分布を求める。そして、その位相分布から測定対象面における干渉縞形成領域の面形状を算出する。干渉縞から位相分布を求め、面形状を算出する手法としては、位相シフト法等、公知の種々の方法を適用することができる。
【００１１】
次に、ＸＹＺステージ１を作動させて測定対象の位置を既知量だけ変化させる。そして、その場合にＣＣＤカメラ３上に生じる干渉縞から同様にして測定対象面における干渉縞形成領域の面形状を算出する。さらに前記既知量に基づき先に求めた面形状と後に求めた面形状とをつなぎ合わせるようにその連続状態を算出する。検出できる位相差の最大値が照射光の１波長に相当する量に制限されるために、干渉縞を生じている範囲が重なり合うような距離でＸＹＺステージ１を移動させるのが望ましい。尤も、面形状の変化が、照射光の２分の１波長以内に留まっていることが確実な場合は、それを越えた距離を移動する離散的な測定をしてもよい。隣り合う測定点の位置関係は、干渉縞の中心間距離に基づいて求めることができる。干渉縞の中心間距離は、以下の準備を予めしておくことにより、モニタ上の像間の画素数から求めることができる。すなわち、予め長さ目盛りを有するスケールをＸＹＺステージ１上で測定対象面と同じ位置に置いて、前述の装置によりモニタ５上に画像を形成し、スケール上の距離と画素数との関係を求めておくのである。なお、通常の測定において、ＸＹＺステージ１による隣り合う測定点への移動距離は、数十ミクロン〜数百ミクロン程度である。
【００１２】
このようにして、既知量の移動と干渉縞形成領域の面形状の算出及び移動前後干渉縞形成領域の連続状態の算出とを繰り返すことにより、測定対象面の三次元形状を決定することができる。なお、本発明に使用する装置は、前述のものに限定されないことは勿論であり、前記装置における各構成要素は、他の同様の機能を有するものに置き換えることができる。
【００１３】
測定用に球面波を使用することにより、切削などによる部材の加工後又は加工途中に部材を加工機に取り付けたまま部材形状を測定する、いわゆるオンマシン計測が可能になる。図２は、回転砥石（又はバイト）Ｃを工具として被削材Ｗを加工する状態を示している。工具は、作用面が球面の一部で構成された球面工具である。図２は、被削材の加工面が非回転対称で非球面の場合を示している。図２に示す被削材は、レーザビームプリンタのｆ−θレンズ等の走査系レンズ、マイクロレンズアレイ、回折格子、自由画面ミラー等に使用される形状のものである。加工と測定は、例えば以下のようにして行なわれる。
【００１４】
前述のような計測装置において球面波を被削面に照射する際の球面波形成用集光レンズ（対物レンズ）の焦点位置と被削面との距離を、加工に使用する工具の中心から工具表面までの距離と一致させる。工具による切削後、被削材から工具を遠ざけるなどして対物レンズが切削面に対して前記距離となるように計測装置を配置する。既に述べたようにしてレーザ（例えば波長λ＝632.8nmのHe-Neレーザ)の照射により、ＣＣＤカメラ上に干渉縞を生じさせる。参照ミラーＭをを照射光軸方向にλ／４ずつ移動させ、全部で４つの縞画像をサンプリングする。このとき得られる同心円上の縞の中心が照射光軸に対して垂直な面上の点であり、加工時に工具が接触した点を示している。４つの画像データから位相シフト法により同心縞の中心Ｏの被測定面内での位置と位相分布を求める。次式から位相φを距離ｄに変換し、中心Ｏでの相対的な高さ（光軸方向の位置）を得る。λは照射光の波長である。
【００１５】
ｄ＝λ・φ／（４π）
被削材をサンプリング間隔だけ移動し、上記と同様にして、同心縞中心の三次元的な相対位置を求める。この手順を被削材上の必要な領域に対して走査をしながら繰り返し行なう。これにより、切削加工による立体形状を計測することができる。このように、被削材を球面工具を用いて加工し、その球面工具の径と同じ照射距離で球面波を被削面に照射しながら形状計測をするようにすれば、計測時に加工時と同じ動きを被削材又は計測機に与えればよい。したがって、加工時と同じＮＣプログラムを使用することができる等、計測が簡略化されるという利点が得られる。なお、球面工具以外の工具での加工の際にも、球面波の照射に基づく形状計測を行なうことができる。この場合は、加工時と同じ動きによる計測はできないが、球面波を用いることによる前述の利点が得られる。
【００１６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、以下の効果を奏する非接触式形状計測方法を提供することができる。すなわち、測定対象面の微小領域への光照射により干渉縞を形成し、測定対象面上での走査により、干渉縞から得られる面形状及び微小領域間の連続状態を得、これに基づき測定対象面の立体形状を計測することができる。そして、測定対象面の照射光として球面波を使用しているので、照射面の中に光の進行方向に垂直な点（微小面）が存在する。したがって、これを利用して精密な測定を簡単な構造の装置により行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の実施に用いる装置の概略図である。
【図２】本発明の１実施形態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ＸＹＺステージ
２  レーザ光源
３  ＣＣＤカメラ
４  支持装置
Ｂ  ビームスプリッタ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  集光レンズ
Ｍ  参照ミラー
Ｐ  フィルタ
【図１】
0003635350.tif 000002
【図２】
0003635350.tif 000003