(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物体の測定面に光を斜めに入射させ測定物体からの反射光と基準光とを重ね合わせて干渉させる斜入射干渉計において、干渉縞の画像解析のための空間キャリア周波数を与える機能を備え、ワンステップ位相シフト方式による縞画像解析を行うことを特徴とする斜入射干渉計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、光波干渉を利用することにより非接触で三次元形状を測定する干渉計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光波干渉による三次元計測では二次元に広げたレーザ光等を何らかの方法で二光波に分け、一方を参照光としてミラーなどの基準面で反射させ、もう一方の光波を測定光として測定したいサンプルで反射させ、両者を再び重ね合わせることによって干渉縞が生じる。
【０００３】
図３は従来より用いられているトワイマン・グリーン干渉計を示す。
同図において１０１はレーザ発振装置、１０２は参照ミラー、１０３は測定サンプル、１０４は半透過ミラー、１０５は位相シフトを行うための位相シフタとして参照ミラー１０２を動かすためのピエゾアクチュエータ、１０６はカメラで結像させるためのレンズ、１０７は得られた干渉縞を検出するためのＣＣＤカメラ、１０８はレーザ光を広げた後、平行光にするビームエキスパンダである。
【０００４】
前記レーザ発振装置１０１からのレーザ光はビームエキスパンダ１０８によって広げられた上で平行光となり、半透過ミラー１０４によって２光波に分けられる。一方の光波は参照光として参照ミラー１０２によって反射し、この反射光が半透過ミラー１０４を透過する。他方の光波は半透過ミラー１０４を透過して測定サンプル１０３で反射するが、このとき測定サンプル１０３の形状に応じた位相差δを有し、半透過ミラー１０４で反射する。そして、これらの光波が干渉して干渉縞画像を形成し、ＣＣＤカメラ１０７で検出される。この画像データはコンピュータに送られ三次元情報として算出される。ここで光強度Ｉは数１により算出される。数１において、δは測定サンプルの表面形状によって生じる位相、φは初期位相である。
【０００５】
【数１】
【０００６】
このときの測定サンプルの高さｈは数２で表わされる関係を有している。
数２において、λはレーザ光の波長である。
【０００７】
【数２】
【０００８】
このようにして得られる干渉縞の明線または暗線はサンプル形状の等高線であるが、これだけではコンピュータによって、面の凹凸の判別と縞の間の高さ情報を得ることができない。
そこで位相シフト法を従来より用いている。この位相シフト法はピエゾアクチュエータなどの電歪素子によって参照ミラー１０２を既知の量移動させて、測定サンプル１０３の高さｈに対応した位相δを最小自乗法によって求めるものである。なお、かかる参照ミラー１０２の移動は数１における初期位相φを変化させるものであるが、φが０、π／２、π、３／２πとなる４ステップ法が一般的に用いられている。この一般的な４ステップ法によると位相δは数３で表わされる関係を有する。数３において、Ｉ0 ，Ｉ1 ，Ｉ3 ，Ｉ4 はそれぞれφが０，π／２，π，３／２πにおける光強度である。
【０００９】
【数３】
【００１０】
次に図４は斜入射による干渉縞を得るため従来より用いられているアブラムソン干渉計を示す。同図において、２０１はレーザ発振装置、２０２はレーザ光を広げ平行光にするビームエキスパンダ、２０３は斜入射を行うためのミラー、２０４はプリズム、２０５は測定サンプル、２０６はスクリーン、２０７はＣＣＤカメラ、２０８はＣＣＤカメラ２０７からのデータをコンピュータに転送するためのＡ／Ｄコンバータ、２０９はコンピュータである。この場合の基準面はプリズム２０４の底面２０４ａである。
【００１１】
レーザ発振装置２０１からのレーザ光はビームエキスパンダ２０２によって広げられた上で平行光となり、プリズム２０４への斜入射を行うためミラー２０３に斜め入射される。この光がプリズム２０４に入射し、光線の一部はプリズム２０４の底面２０４ａで反射する。一方、プリズム２０４を透過した光は、測定サンプル２０５で反射し、この反射の際にサンプル２０５の形状に応じた位相差δを有し、再びプリズム２０４に戻り、プリズム２０４の底面２０４ａでの反射光と干渉してスクリーンに干渉縞として結像し、これがＣＣＤカメラ２０７で検出される。この画像データはＡ／Ｄコンバータ２０８を介してコンピュータ２０９に送られ三次元情報として算出される。
【００１２】
ここでプリズム２０４の底面２０４ａを基準面とした場合、測定サンプル２０５までの高さｈは数４により算出される。数４において、αはプリズム２０４の底面２０４ａからの出射角、ｎ0 は空気の屈折率であり、通常は１．０となる、ｎはプリズム２０４の屈折率、δは干渉縞の位相である。
【００１３】
【数４】
【００１４】
このようなアブラムソン干渉計で得られた干渉縞によって凹凸を含む三次元形状の解析を行う場合においては、図３に示すフィゾー干渉計と同様に数４における位相δを求める必要がある。このため数３を用いた位相ソフト法を行うが、斜入射干渉計の場合、フィゾー干渉計と同様にプリズムを電歪素子を用いて上下に移動させるかプリズムとサンプルの間にガス等を用いて屈折率を変化させ、干渉縞をπ／２ごとに変化させてその各々の光強度を検出している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
アブラムソン干渉計をはじめとして各種の斜入射干渉計に上述した位相ソフト法を適用する場合においては、以下の問題がある。
（１）干渉縞のみを観察することは容易であるが、凹凸の判断や１フリンジの間を読み取ることが困難である。
（２）位相シフト法を適用する場合、位相シフタに参照光の光路を変化させる必要がある。このため、電歪素子であるピエゾアクチュエータを用いて参照ミラーを移動させることによって行っている。ところが、これを斜入射干渉計に適用すると干渉縞画像が移動する不都合がある。また４画面取込み中は振動、温度変化、空気流などの外乱があるが、この外乱に対して安定している必要がある。ガスによって空気の屈折率を変化させる方法ではシフト量の決定が非常に不安定である。加えて、４画面の干渉縞が必要となるところから、算出に大量の画像メモリを必要としている。
【００１６】
本発明はこのような問題点を考慮してなされたものであり、１画面の干渉縞画像のみでの位相シフト法を可能とすると共に、１フリンジ以下の干渉縞の読み取りおよび凹凸の判別を可能とし、三次元形状の容易な算出を可能とした斜入射干渉計を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の斜入射干渉計は、測定物体の測定面に光を斜めに入射させ測定物体からの反射光と基準光とを重ね合わせて干渉させる斜入射干渉計において、干渉縞の画像解析のための空間キャリア周波数を与える機能を備え、ワンステップ位相シフト方式による縞画像解析を行うことを特徴とする。
【００１８】
上記構成においては基準プリズムの下にスペーサーを設置し、基準面に既知の傾き情報を与えることで、空間キャリア周波数を与え、これによりワンステップ位相シフトを行うことが可能になる。これによって１フリンジ以下の位相解析および凹凸の判定が可能になる。
【００１９】
【実施例】
図１は本発明の一実施例における光学系を示し、レーザ光を発するレーザ発振装置１の出射側にレーザ光を広げると共に平行光とするビームエキスパンダ２が配され、このビームエキスパンダ２の後側にプリズム４へレーザ光を斜入射させるミラー３が配されている。
【００２０】
ここでビームエキスパンダ２は、レーザ発振装置１からのレーザ光を対物レンズによって、スペーシャルフィルタとしてのピンホールを介して広げ、波面収差を防ぐように組み合わせたレンズ系によって平行光にしている。ミラー３は、広げられたレーザ光を斜めに反射させて、プリズム４への入射角、すなわち測定サンプル６への入射角の変化を可能にする。
【００２１】
プリズム４にはミラー３からのレーザ光が斜めに入射し、このプリズム４を通過したレーザ光が測定サンプル６に入射する。７は干渉縞が結像するスクリーン、８はスクリーンで結像した干渉縞を検出するＣＣＤカメラである。ＣＣＤカメラで検出したデータはＡ／Ｄコンバータ９を介してコンピュータ１０に転送される。
【００２２】
図２はプリズム４と測定サンプル６との関係を示し、プリズム４に入射した光の一部は基準面であるプリズム４の底面４ａで反射してプリズム４から出射し、他の光はプリズム４を通過し、測定サンプル６で反射した後、プリズム４に戻って出射する。
【００２３】
このような図２において、プリズム４の底面４ａを基準面としたときの測定サンプルまでの高さ（距離）ｈは数５の関係を有している。数５において、αはプリズム４の底面４ａからの出射角、ｎ0 は空気の屈折率（通常はｎ0 ＝１．０）、ｎはプリズム４の屈折率、δは干渉縞の位相である。
【００２４】
【数５】
【００２５】
数５において、参照面であるプリズム底面４ａからの出射角αを７９度とした場合、干渉縞の等高線間隔は１．６６ミクロンとなり、斜入射を行わない場合の等高線間隔０．３２ミクロンに対して約５倍に感度を低下させることができる。また、この角度を調整することによって、数５に従う任意の等高線間隔を得ることが可能となる。さらに、この干渉系は分離する２光波間が短いために、非常に安定な干渉系を形成しており、振動や大気の揺らぎなどの外乱の影響に非常に強い干渉系とすることができる。
【００２６】
図１に示す構成において、ビームエキスパンダ２によって広げられた平行光は、ミラー３によって一定の角度を与えられてプリズム４に至り、一部は参照光の基準面であるプリズム底面４ａで反射して出射し、一方、プリズム４を透過した光波は測定サンプル６の測定面に斜めに入射することによって鏡面のように反射し、再びプリズム４を透過する。この際、空間キャリア周波数を与えるためにプリズム４を傾けることによって基準面（プリズムの底面４ａ）にティルトを与える。この２光波が干渉して、干渉縞としてスクリーン７に投影される。このスクリーン７への投影ではサンプルへの入射光が斜入射のため、実際の形状倍率が変わって検出されることを防ぐことができる。ワンステップ位相シフトを行うためのキャリア周波数を作るためのプリズム４のティルトの関係は、ＣＣＤカメラ８で検出した干渉縞がＣＣＤカメラ８の画素上で干渉縞の明暗の関係が１周期４画素になるように調整することにより行われる。
【００２７】
このように空間キャリア周波数を与えることにより、ワンステップ位相シフト法によって測定サンプルの位相分布を求めることができる。ここで、空間的に得られる光強度分布ＩはＣＣＤカメラ８内の結像面の画素位置（ｉ，ｊ）において数６となる。数６において、ｉ，ｊはＣＣＤカメラの画素、ａは干渉縞バイアス成分、ｂは干渉縞のコントラスト、φは測定サンプルの形状の高さに対応した位相である。
【００２８】
【数６】
【００２９】
次に連続する３画素を用いたワンステップ位相シフト法により、位相は数７となる。
【００３０】
【数７】
【００３１】
この位相情報を用いることにより、三次元形状がコンピュータ１０によって算出される。この場合、位相シフト法は悪く見積もっても干渉縞一周期を１００分割できるので、約１０ナノメールの測定感度を持つ。
【００３２】
また、ＣＣＤカメラによる干渉縞の検出においてはスクリーンに投影する必要がなく、直接検出することも可能であるし、回転ディフューザ等を用いた強度調節を経て検出することもできるが、これらの場合は斜入射による縦横の倍率を考慮して行われる。
【００３３】
さらに、プリズムは一体である必要はなく、プリズムの頂点から二つに分割したものを用いてもよい。また、バーチの斜入射干渉計等に代表されるように回析格子を用いて測定物体に斜入射を与える干渉計に適用することも可能である。なおプリズムの形状も三角形である必要はなく、たとえば四角形のガラス板でもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明は空間キャリア周波数を導入することにより、ワンステップ位相シフト法を用いて干渉縞の凹凸の判断を含む位相解析を１画面のみで可能にし、従来の干渉計よりも凹凸の大きいものや表面反射率の低い物体の表面形状に対して非接触での三次元測定が可能になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の構成図。
【図２】空間キャリア周波数を与える側面図。
【図３】トワイマン・グリーン干渉計の構成図。
【図４】アブラムソン干渉計の構成図。
【符号の説明】
１  レーザ発振装置
２  ビームエキスパンダ
３  ミラー
４  プリズム
６  測定サンプル
７  スクリーン
８  ＣＣＤカメラ
９  Ａ／Ｄコンバータ
１０  コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003540004.tif 000005