(57)【要約】  本発明は、表面測定装置、および該表面測定装置を好適に用いる方法に関する。表面測定装置は、多色光線（２）を生成するために用いる光源を備える。光学部材の色収差を利用して、結像光学系から異なる距離に配置される複数の点上に、結像光学系（１）により多色光線（２）の焦点を合わせることが可能である。焦点を合わせた光線（９）を、表面（３）の点にそらすことが可能である。反射光線（１０）を検出するために、センサーを備える。本発明の目的は、測定ヘッドと対象物間において可能な最大距離を維持することである。結像光学系（１）は、色収差の対象とする円用の光学部材（４）と付加的な光学部材（６）とを備えて、結像光学系（１）から放射する焦点を合わせた光線（９）を形成する。
2008541101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多色光線（２）を発生させる光源を有し、光学部材の色収差を利用して結像光学系（１）から異なる距離にある複数の位置に前記結像光学系（１）により多色光線（２）の焦点を合わせ、焦点を合わせた光線（９）を表面（３）上に案内し、センサーを備えて反射光線（１０）を検出する表面測定装置において、
前記結像光学系（１）が、目標とする色収差を生成するための光学部材（４）と付加的な光学部材（６）とを備えて、前記結像光学系（１）から放射する焦点を合わせた光線（９）の光路を変化させるように構成されていることを特徴とする表面測定装置。
【請求項２】
前記光学部材（４）が、色収差を変化させる手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の表面測定装置。
【請求項３】
前記光学部材（４）が、１ピッチよりも長いＧＲＩＮレンズ（４）を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の表面測定装置。
【請求項４】
前記ＧＲＩＮレンズ（４）が、結像倍率および／または測定範囲を変化させる補正手段（５）を備えていることを特徴とする請求項３記載の表面測定装置。
【請求項５】
前記補正手段（５）が、一定の長さを有していることを特徴とする請求項４記載の表面測定装置。
【請求項６】
前記補正手段（５）が、その長さを変化させることが可能になっていることを特徴とする請求項４記載の表面測定装置。
【請求項７】
前記付加的な光学部材（６）が、レンズ（７、８）により構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項８】
前記付加的な光学部材（６）が、非球面レンズ（７、８）を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項９】
前記付加的な光学部材（６）が、同じ焦点距離を有する複数のレンズによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項１０】
前記付加的な光学部材（６）が、異なる焦点距離を有する複数のレンズによって構成されていることを特徴とする請求項７または請求項８記載の表面測定装置。
【請求項１１】
前記光学部材（６）のレンズが、交換可能になっていることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項１２】
前記光学部材（６）が、１：１の像を作るように構成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項１３】
前記光学部材（６）が、該光学部材（６）のレンズ間にグラスファイバーを備えていることを特徴とする請求項７乃至請求項１２のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項１４】
前記光学部材（６）が、該光学部材のレンズ間にプリズムを備えていることを特徴とする請求項７乃至１３のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項１５】
前記光線を偏向させる偏向手段が、設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の表面測定装置。
【請求項１６】
前記偏向手段が、プリズム、ミラー、平行平面板（１１）、あるいは、その他の方向を変更する手段を有していることを特徴とする請求項１５記載の表面測定装置。
【請求項１７】
前記偏向手段（１１）が、電気的な補正要素によって制御できるように構成されていることを特徴とする請求項１５または請求項１６記載の表面測定装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１７のいずれか１項記載の表面測定装置を用いて表面を測定する表面測定方法であって、光学部材の色収差を利用して結像光学系（１）から異なる距離にある複数の位置に前記結像光学系（１）により多色光線（２）の焦点を合わせ、焦点を合わせた光線（９）を表面（３）上の点に指向させて、センサーにより反射光線（１０）を検出する表面測定方法において、
前記結像光学系（１）において、目標とする色収差を生成する光学部材（４）と付加的な光学部材（６）とを用いて、前記結像光学系（１）から放射して焦点を合わせた光線（９）の光路を変化させることを特徴とする表面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面測定装置および表面測定方法に関するものであり、表面測定装置は、多色光線を発生させる光源を有し、結像光学系からの距離が異なる複数の位置において、結像光学系により色収差を用いて結像可能であり、焦点を合わせた（focused）光線は表面上で制御可能であり、反射光線を検出するためにセンサーが設けられている。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多くの技術分野において、表面状態を正確に知ることが重要である。
多くの用途において、物体の製造工程中に形成される刻み目や起伏の許容誤差範囲は、非常に狭い。
特に、可動部品を備える高精度機構では、表面の品質不良が不適切な作用や早期の破損を招いたりする。
また、多くの技術分野では、表面品質に関する情報を得るとともに、表面構造の正確な測定が必要である。
例えば、多くの応用分野では、加工部品の孔や切削の深さや位置を知ることに関心がある。
【０００３】
そこで、実用的に表面を測定する種々の表面測定方法が公知である。
公知のある表面測定方法では、２つ以上のカメラを用いることによって３次元の表面状態に関する情報を三角測量により計算するようになっている。
しかし、この測定システムは、測定精度が非常に制約されている。
【０００４】
また、別の実用的な表面測定方法では、単色光線が、調査する表面に導かれて、その表面上で常に焦点を合わせるようになっている。
オートフォーカス回路は、表面が不均一なために光学部材と照射された像の位置との距離が変化して光線が表面上で焦点を合わせられなくなると、この光学部材を制御して光線が表面上で再び焦点を合わせられるようになっている。
距離の変化は、光学部材の調整の程度から求めることができる。
このような公知の表面測定方法では、表面が比較的正確に測定できるが、光学部材の調整が必要なため、測定速度は大幅に制限される。
そのため、稼働中の製造工程において、表面測定を実施することができない。
【０００５】
この問題の解決を回避するため、色収差と多色光（ほとんどの場合は白色光）とを用いる表面測定方法が公知である。
すなわち、結像光学系の焦点は、光の波長に依存するという事実を利用している。
いくつかの焦点に結像される光線が表面に入射する場合、光線は、その表面から反射するようになっている。
この場合、反射の際に焦点が表面の領域内にないスペクトル部分は、開口手段やグラスファイバーにより実質的に阻止されるか、遮断されている。
このため、表面の照射位置からの光学部材の距離は、このように処理した光線のスペクトル分析によって求められる。
したがって、測定速度は比較的速いが、光学部材と測定対象物の間隔は非常に厳しい制約を受ける。
非常に短い焦点距離でレンズを使用して、測定する対象物の表面までの間隔が変化する際に、検出したスペクトルに比較的強いシフトが発生するため、測定精度や解像度は比較的高いが、到達可能な測定距離、すなわち、センサーと測定対象物との間の距離が著しく縮小される。
焦点距離の長いレンズを用いると、測定間隔と測定領域を長くすることができるが、装置の測定精度あるいは解像度が著しく低下する。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の基本的な課題は、上述したタイプの表面測定装置を改良することにより、光学系と測定対象物間の距離を可能な限り最大にするとともに装置設計を可能な限り単純にして、高解像度の表面測定をできる限り迅速かつ簡単に実現可能とすることである。
さらに、その対応する表面測定方法が提供される。
【０００７】
上述したような課題は、請求項１に係る本発明によって解決される。
したがって、本発明の表面測定装置は、結像光学系が目標とする色収差を達成するための光学部材と付加的な光学部材とを備えて、結像光学系から放射する光の光路を変化させるように構成されている。
【０００８】
また、上述したような表面測定方法に関する課題は、請求項１８に係る本発明により解決される。
このような表面測定方法は、結像部から放射する焦点を合わせた光線の光路を変化させるために、色収差を意図的に生じる光学部材と付加的な光学部材とを結像光学系において用いることを特徴としている。
【０００９】
本発明では、解像度を可能な限り最高にしかつ測定距離を可能な限り最大にするために、両方の課題を同時に解決することは必ずしも必要ないことがまず認識された。
これは、測定距離を短くせずに、解像度、すなわち、色収差を増加させることが可能であり、この逆もまた同様である。
本発明によれば、２つの課題を結合することができることも認識された。
すなわち、結像部は、互いに独立して最適化することが可能な２つの光学部材から構成されている。
このため、本発明による結像光学系は、色収差を意図的に生成するための光学部材と付加的な光学部材とから構成され、結像光学系から放射される光線の光路を変化させるようになっている。
このため、強い色収差が第１の光学部材によって簡単に独立して生成可能である一方、光線の焦点が第２の光学部材によって合わせられるようになっている。
その結果、焦点を合わせた光線は、焦点位置において高い色分離を有しているとともに、同時に結像光学系から比較的離れた位置に生成することができる。
そして、色収差は、センサーの光学部材を最小型にすれば、特に小さな第１の光学部材によって意図的に生成できるようになっている。
また、第２の光学部材は、大きな開口数（numerical  aperture）と同時に大きな測定間隔と高解像度を実現するように用いることができる。
そのため、 第２の光学部材は、それ相当のサイズが必要である一方、第１の光学部材は任意に小型化できるようになっている。
【００１０】
本発明の実施例では、第１の光学部材が、この光学部材の色収差を変化させる手段を配置している。
実用的なすべての公知の方法を、この目的のために使用することができる。
【００１１】
第１の光学部材については、高い色収差を達成するために、ＧＲＩＮ（gradient  index；屈折率分布）レンズを用いて実施することができる。
ＧＲＩＮレンズは、比較的任意の幾何学的な構造を有しているとともに、光線の伝播方向に垂直な屈折率の方向によって特徴付けられている。
ＧＲＩＮレンズは、一般に、円筒状に構成されており、光線は、基部に入射あるいは出射するとともに円筒の表面を覆っている。
本発明の表面測定装置では、ピッチが１．０であるＧＲＩＮレンズを少なくとも１つ用いることが好ましい。
これは、レンズ内部の単色光線が、正弦振動（sine  oscillation）の周期を描いていることを意味している。
このために、屈折率の方向とレンズの長さとは、互いに調整する必要がある。
多色光線は、光線の特定のスペクトル成分、一般に光線スペクトルの中間波長をレンズの寸法を決めるために用いている。
【００１２】
そして、ＧＲＩＮレンズは、距離が増加するとともに色収差が大きくなるという特性を有している。
光線がＧＲＩＮレンズを通過すると、ＧＲＩＮレンズの焦点位置に中間像が再び不変に形成され、各中間像は、スペクトル成分の分離が以前のものよりも大きくなっている。
この効果は、１．０よりも大きなピッチのＧＲＩＮレンズ、すなわち、その内部において光線が正弦振動１つ分よりも多く描かれるＧＲＩＮレンズを用いて特に強い収差を生成することに利用できるようになっている。
また、長さが半周期（０．５ピッチ）の倍数であるレンズが好ましい。
そして、長手方向の色収差は、像倍率やシステム全体の焦点距離などその他のパラメータを変えることなく調整できるようになっている。
しかし、他の比較的任意の長さを有するＧＲＩＮレンズが、装置全体の要求に応じて使用されることも想定できる。
【００１３】
センサーの基礎間隔（最小の測定距離）あるいは測定範囲を変化させるために、補正手段がＧＲＩＮレンズに配置できるようになっており、ＧＲＩＮレンズとグラスファイバーまたは開口手段との間の間隔は、ＧＲＩＮレンズにより設定できるようになっている。
第１に、この補正手段は、一定の長さを有しているので、スペーサの機能をもつことができる。
第２に、補正手段を可変長さに構成できるようになっている。
一定の長さの補正手段は、ガラスあるいは透明プラスチックにより構成することができ、可変長さの補正手段は、空隙あるいはゲルおよび適切に調節可能な保持手段を備えることができるようになっている。
また、実用的な公知の方法と手段とが、すべて使用できるようになっている。
【００１４】
つぎに、第２の光学部材としては、1つ以上のレンズを有する望遠光学系（telescope  optics）のようなレンズシステムにより構成されているのが好ましい。
レンズシステムは、1つ以上の非球面レンズを用いるのが好ましい。
いくつかのレンズを使用する際には、少なくとも２つのレンズが同じ焦点距離を有しているか、あるいは、すべてのレンズが異なる焦点距離を有しているかが考えられる。
１：１の像は、第２の光学部材によって得ることができるが、像は拡大または縮小されていることも考えられる。
測定範囲と基礎間隔とは、結像のタイプに応じて第２の光学部材に接近して設置され、また、離間して設置されている。
【００１５】
本発明の表面測定装置を可変的に使用する場合、測定範囲の変更は、第２の光学部材のレンズの交換により達成されるようになっている。
【００１６】
光線を偏向する手段は、必要に応じて第２の光学部材の２つのレンズの間で使用できるようになっている。
これにより、光線を偏向する手段は、特定の幾何学的環境に対して有利に適用できるようになっている。
このため、例えば、グラスファイバー、プリズム、あるいは、いくつかのプリズムとスペーサを有するプリズム光学部材を用いることができる。
また、この光線を偏向する手段は、第１の光学部材に割り当てたり、あるいは、第１の光学部材と第２の光学部材との間に配置することもできるようになっている。
【００１７】
結像光学系から放射する光線は、別法としてあるいは付加的に、偏向手段を通過するように導くことができるようになっている。
この場合、光線は表面に導かれるようになっている。
このため、従来用いられているプリズム、ミラー、平行平面板、あるいはその他の方向を変更する手段を規定できるようになっている。
このような偏向手段あるいはその少なくとも一部は、表面の特定の場所に光線を制御し、かつ、測定される表面のカバー範囲を最も広範囲にすることができるように、２次元または３次元的に可動な状態で構成できるようになっている。
そして、異なる軸の回りの回転や傾動、異なる移動方向への直線運動、あるいはこれらの組合せを用いることができるようになっている。
【００１８】
偏向手段の移動は、測定の再現性を最も高めるため、電気的に補正する手段により達成できるようになっている。
これらの補正手段は、電子装置、好適にはマイクロコントローラあるいはその他のデジタルコンピュータにより制御できるようになっている。
【００１９】
表面で反射されて開口手段あるいはグラスファイバーにより処理される光線は、この光線を検出するセンサーに最終的に供給されるようになっている。
測定される対象物と光学部材との間の距離は、例えばマイクロコントローラあるいはその他のデジタルコンピュータなどの付加的な電子回路を用いて、受光した光線のスペクトルから計算できるようになっている。
このような距離の計算に必要な基準データ、すなわち、波長と距離との間の割り当て（assignment）は、キャリブレーション（calibration）測定用の装置を始動させる前に、決定され、電子装置に利用できるようになっている。
【００２０】
特に優位性のある態様において、結像光学系は、ＧＲＩＮレンズを付加的な光学部材と併用することによって非常に小型化できるように、かつ、比較的自由にパラメータ化できるように構成されている。
これにより、非常に小さな直径の測定ヘッドを実施できるようになっている。
【００２１】
表面センサーは、いくつかの好適かつ非常に小型化された本発明による結像光学系の配置により、または、ビームスプリッター（beam  splitter）を用いることにより、単純に構成できるようになっている。
このため、いくつかの測定は、同時に行うことができるようになっている。
測定点は、要求事項および表面センサーの配列に応じて、例えば線分、円の一部、または双曲線の一部など異なる曲線上に位置させることができるようになっている。
例えば、長方形などの２次元構造を配置させることも想定できる。
【００２２】
透明な材料の層で覆われた対象物は、色収差を用いて一連の測定点で光線の焦点を合わせることにより、また、測定間隔と範囲を増加させることにより、有利に測定できるようになっている。
光線のスペクトル成分は、界面ですでに反射されている一方、別の成分は、表面それ自体で反射されている。
このため、２つのスペクトル成分は、センサーで検出できるとともに、それぞれ２つの間隔を有している。
これらの間隔及び２つの値の差により求めた被膜の厚さから、表面の状態は同時に決定できるようになっている。
【００２３】
本発明は、従来と異なる方法で有利に構成または改良できることを教示している。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例とその変形例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明による結像光学系（imaging  optics）１を通過する多色光線２の光路を、図１に示す。
なお、図１の上段は、多色光線２の短波成分の状態を示し、長波成分の光路は図１の下段に示す。
表面３上に正確に焦点を合わせた多色光線２のスペクトル成分を中段に示し、その波長の値は図１の上段と下段に示す部分の値の間にあると推測される。
放射光線と反射光線とは、方向のみが反対の同じ光路となる。
【００２５】
結像光学系１における第１の光学部材は、補正手段５（所謂、「スペーサ」と称する）に接続されて光学システムの長さを変化させるＧＲＩＮレンズ４から構成されている。
補正手段５のＧＲＩＮレンズ４と対向する側と反対側には、グラスファイバー（図示せず）が補正手段５に直接配置されており、多色光線２は、このグラスファイバーを通って重合した状態で補正手段５及びＧＲＩＮレンズ４に入射した後、分離するようになっている。
そして、グラスファイバーを通って重合した状態でＧＲＩＮレンズを通過する多色光線２が、ＧＲＩＮレンズ４から放射された後、結像光学系１における第２の光学部材となる、すなわち、同じ焦点距離を有する２つの非球面レンズ７、非球面レンズ８とで構成されたレンズ６に入射するようになっている。
【００２６】
焦点を合わせた光線９は、結像光学系１から放射して、表面３に当たり、その上で反射するようになっている。
反射光線１０（図中に破線で示す）は、入射した多色光線２と同じように、結像光学系１を通過してグラスファイバー（図示せず）を通るようになっている。
そして、この反射光線１０は、適切な場所で、例えば、分光器（optical  divider）を用いて分光し、センサーに供給される。
なお、分光器とセンサーとは、図１に示されていない。
【００２７】
表面３で反射する反射光線１０が、異なるように拡大された範囲で、補正手段５から出射することは、図１から容易にわかる。
ＧＲＩＮレンズと反対側の端にグラスファイバーが位置していれば、補正手段５とグラスファイバーとの間の結合場所に焦点がある光線部分のみが、グラスファイバー中に良好に重合されるようになっている。
これは、表面３上に焦点を合わせたスペクトル成分に対して精密に適用されている。
このため、表面３に焦点を合わせたスペクトル成分は、センサーにより実質的に検出されるようになっている。
【００２８】
本発明による表面測定装置を表面スキャナーとして用いることが可能な平行平面板（plane-parallel  plate）１１による偏向手段の実施形態を図２に示す。
多色光線２は、斜めに位置する平行平面板１１に入射するとともに、周囲に対する屈折率ｎの相対的な増加によって界面１２、１３で屈折するようになっている。
このため、平行平面板１１の厚さｄと屈折率ｎと入射光線２の入射角εとに依存する、入射光線２に対して平行なずれ（shift）ｖが生じ、このようなずれｖは、屈折の法則と幾何学的な条件により、以下のように計算できる。
【００２９】
【数１】
2008541101.tif 000003
【００３０】
そして、平行にずれた光線１４は、平行平面板１１が軸１５の周りを回転すると、表面３上に円１６を描くようになっている。
さらに、角度ε、すなわち、平行平面板１１の傾き角を変化させると、円１６の半径も変化するようになっている。
これにより、表面３は、環状に走査することができる。
平行平面板１１の変化が傾き角のみであれば、表面３は、直線的に走査できるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による結像光学系を通過する異なる波長における光線の主な動きを示す概略図。
【図２】平行平面板を通過する偏向手段の実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
【００３２】
１  ・・・  結像光学系
２  ・・・  多色光線
３  ・・・  表面
４  ・・・  第１の光学部材（ＧＲＩＮレンズ）
５  ・・・  補正手段
６  ・・・  第２の光学部材
７  ・・・  非球面レンズ
８  ・・・  非球面レンズ
９  ・・・  焦点を合わせた光線
１０  ・・・  反射光線
１１  ・・・  平行平面
１２  ・・・  界面
１３  ・・・  界面
１４  ・・・  光線
１５  ・・・  軸
１６  ・・・  円
【図１】
2008541101.tif 000004
【図２】
2008541101.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月4日(2008.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多色光線（２）を発生させる光源を有し、光学部材の色収差を利用して結像光学系（１）から異なる距離にある複数の位置に前記結像光学系（１）により多色光線（２）の焦点を合わせ、焦点を合わせた光線（９）を物体の表面（３）上に案内するとともに、センサーを備えて反射光線（１０）を検出する物体の表面測定装置において、
前記結像光学系（１）が、目標とする色収差を生成するための第１光学部材（４）と付加的な第２光学部材（６）とを備えて、前記結像光学系（１）から放射する焦点を合わせた光線（９）の光路を変化させるように構成されていることを特徴とする物体の表面測定装置。
【請求項２】
前記第１光学部材（４）が、色収差を変化させる手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載された物体の表面測定装置。
【請求項３】
前記第１光学部材（４）が、１ピッチよりも長いＧＲＩＮレンズから構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された物体の表面測定装置。
【請求項４】
前記ＧＲＩＮレンズからなる第１光学部材（４）が、結像倍率および／または測定範囲を変化させる補正手段（５）を備えていることを特徴とする請求項３に記載された物体の表面測定装置。
【請求項５】
前記補正手段（５）が、一定の長さを有していることを特徴とする請求項４に記載された物体の表面測定装置。
【請求項６】
前記補正手段（５）が、その長さを変化させることが可能になっていることを特徴とする請求項４に記載された物体の表面測定装置。
【請求項７】
前記第２光学部材（６）が、レンズ（７、８）により構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項８】
前記第２光学部材（６）が、非球面レンズ（７、８）により構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項９】
前記第２光学部材（６）が、同じ焦点距離を有する複数のレンズによって構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１０】
前記第２光学部材（６）が、異なる焦点距離を有する複数のレンズによって構成されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１１】
前記第２光学部材（６）のレンズが、交換可能になっていることを特徴とする請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１２】
前記第２光学部材（６）が、１：１の像を作るように構成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１３】
前記第２光学部材（６）が、該付加的光学部材（６）のレンズ間にグラスファイバーを備えていることを特徴とする請求項７乃至請求項１２のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１４】
前記第２光学部材（６）が、該付加的光学部材（６）のレンズ間にプリズムを備えていることを特徴とする請求項７乃至請求項１３のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１５】
前記多色光線（２）を偏向させる偏向手段（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１６】
前記偏向手段（１１）が、プリズム、ミラー、平行平面板、あるいは、その他の方向を変更する手段を有していることを特徴とする請求項１５に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１７】
前記偏向手段（１１）が、電気的な補正要素によって制御できるように構成されていることを特徴とする請求項１５または請求項１６に記載された物体の表面測定装置。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載された物体の表面測定装置を用いて物体の表面を測定する表面測定方法であって、光学部材の色収差を利用して結像光学系（１）から異なる距離にある複数の位置に前記結像光学系（１）により多色光線（２）の焦点を合わせ、焦点を合わせた光線（９）を物体の表面（３）上の点に指向させて、センサーにより反射光線（１０）を検出する物体の表面測定方法において、
前記結像光学系（１）において、目標とする色収差を生成する第１光学部材（４）と付加的な第２光学部材（６）とを用いて、前記結像光学系（１）から放射して焦点を合わせた光線（９）の光路を変化させることを特徴とする物体の表面測定方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の表面測定装置およびその表面測定方法に関するものであって、多色光線を発生させる光源を有し、結像光学系からの距離が異なる複数の位置において結像光学系により色収差を用いて結像可能であり、焦点を合わせた（focused）光線が物体表面上で制御可能であり、反射光線を検出するためのセンサーが設けられているものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、多くの技術分野において、物体の表面状態を正確に知ることが重要である。
多くの用途において、物体の製造工程中に形成される刻み目や起伏の許容誤差範囲は、非常に狭い。
特に、可動部品を備える高精度機構では、物体表面の品質不良が不適切な作用や早期の破損を招いたりする。
また、多くの技術分野では、物体の表面品質に関する情報を得るとともにその表面構造の正確な測定が必要である。
例えば、多くの応用分野では、加工部品の孔や切削の深さや位置を知ることに関心がある。
【０００３】
そこで、実用的に物体の表面を測定する種々の物体の表面測定方法が公知である。
公知の物体の表面測定方法では、２つ以上のカメラを用いることによって３次元の表面状態に関する情報を三角測量により計算するようになっている。
しかし、この測定システムは、測定精度が非常に制約されている。
【０００４】
また、別の実用的な物体の表面測定方法では、単色光線が、調査する物体の表面に導かれて、その物体表面上で常に焦点を合わせるようになっている。
オートフォーカス回路は、物体表面が不均一なために光学部材と照射された像の位置との距離が変化して光線が物体表面上で焦点を合わせられなくなると、この光学部材を制御して光線を物体表面上で再び焦点を合わせている。
このような距離は、光学部材の調整度合いで変化させることができる。
したがって、このような公知の物体の表面測定方法では、物体の表面を比較的正確に測定することができるが、光学部材の調整が必要なため、測定速度が大幅に制限される。
そのため、稼働中の製造工程において、物体の表面測定を実施することができない。
【０００５】
そこで、このような問題を解決するため、色収差と多色光（ほとんどの場合は白色光）とを用いた物体の表面測定方法が知られている。
すなわち、この表面測定方法は、結像光学系の焦点が光の波長に依存するという事実を利用している。
いくつかの焦点に結像される入射光線が物体の表面に入射する場合、その入射光線は、物体の表面から反射するようになっている。
この場合、反射の際に、焦点が物体表面の領域内にないスペクトル部分は、開口手段やグラスファイバーにより実質的に阻止されるか、遮断されている。
このため、物体表面の照射位置からの光学部材の距離は、このように処理された光線のスペクトル分析によって求められている。
その結果、このような表面測定方法による測定速度は、比較的速いが、光学部材と測定対象物の間隔は、非常に厳しい制約を受ける。
したがって、非常に焦点距離の短いレンズを使用して、測定する対象物の表面までの間隔が変化する際に、検出したスペクトルに比較的強いずれ(shift)が発生するため、測定精度や解像度は比較的高いが、到達可能な測定距離、すなわち、表面センサーと測定対象物との間の距離が著しく縮小されるという問題があった。
また、焦点距離の長いレンズを用いると、測定間隔と測定領域を長くすることができるが、測定装置の測定精度あるいは解像度が著しく低下するという問題があった。
【発明の開示】
【０００６】
本発明の解決すべき課題、すなわち、本発明の目的は、上述したような物体の表面測定装置を改良することにより、結像光学系と測定対象物間の距離を可能な限り最大にするとともに装置設計を可能な限り単純にして、高解像度の表面測定をできる限り迅速かつ簡単に実現可能とすることである。
さらに、これに対応する物体の表面測定方法を提供するものである。
【０００７】
上述したような課題は、請求項１に係る本発明によって解決される。
したがって、本発明である物体の表面測定装置は、結像光学系が目標とする色収差を達成するための第１光学部材と付加的な第２光学部材とを備えて、結像光学系から放射する光の光路を変化させるように構成されている。
【０００８】
また、上述したような物体の表面測定方法に関する課題は、請求項１８に係る本発明により解決される。
このような物体の表面測定方法は、結像部から放射する焦点を合わせた光線の光路を変化させるために、色収差を意図的に生じる第１光学部材と付加的な第２光学部材とを結像光学系において用いることを特徴としている。
【０００９】
本発明では、解像度を可能な限り最高にしかつ測定距離を可能な限り最大にするために、両方の課題を同時に解決する必要はない。
これは、測定距離を短くせずに、解像度、すなわち、色収差を増加させることが可能であり、この逆もまた同様であるためである。
また、本発明によれば、２つの課題を結合することができる。
すなわち、結像部は、互いに独立して最適化することが可能な２つの光学部材から構成されている。
このため、本発明による結像光学系は、色収差を意図的に生成するための第１光学部材と付加的な第２光学部材とから構成され、結像光学系から放射される光線の光路を変化させるようになっている。
このため、強い色収差が第１光学部材によって簡単に独立して生成可能である一方、光線の焦点が付加的な第２光学部材によって合わせられるようになっている。
その結果、焦点を合わせた光線は、焦点位置において高い色分離を有しているとともに、同時に結像光学系から比較的離れた位置に生成することができる。
そして、表面センサーの光学部材を最小型化にすれば、色収差は、小さな第１光学部材によって意図的に生成できる。
また、第２光学部材は、高解像度と同時に大きな測定間隔を実現するために、大きな開口数（numerical  aperture）を用いることができる。
そのため、 第２光学部材は、それ相当のサイズが必要である一方、第１光学部材は、任意に小型化できるようになっている。
【００１０】
そして、本発明の実施例では、第１光学部材が、この第１光学部材の色収差を変化させる手段を配置している。
【００１１】
第１光学部材は、高い色収差を達成するために、ＧＲＩＮ（gradient  index；屈折率分布）レンズを用いて実施できる。
さらに、このＧＲＩＮレンズは、比較的任意の幾何学的な構造を有しているとともに、光線の伝播方向に垂直な屈折率の方向によって特徴付けられている。
ＧＲＩＮレンズは、一般に円筒状に構成されており、光線は、その基部に入射あるいは出射するとともに円筒の表面を覆っている。
本発明である物体の表面測定装置では、ピッチが１．０であるＧＲＩＮレンズを少なくとも１つ用いることが好ましい。
これは、レンズ内部の単色光線が、正弦振動（sine  oscillation）の周期を描いていることを意味している。
このために、屈折率の方向とレンズの長さとは、互いに調整する必要がある。
多色光線の特定のスペクトル成分、一般に光線スペクトルの中間波長は、レンズの寸法を決めるために用いられている。
【００１２】
そして、ＧＲＩＮレンズは、距離が増加するとともに色収差が大きくなるという特性を有している。
光線がＧＲＩＮレンズを通過すると、ＧＲＩＮレンズの焦点位置に中間像が再び不変に形成され、各中間像は、スペクトル成分の分離が以前のものよりも大きくなっている。
この効果は、１．０よりも大きなピッチのＧＲＩＮレンズ、すなわち、その内部において光線が正弦振動１つ分よりも多く描かれるＧＲＩＮレンズを用いて特に強い収差を生成することに利用できるようになっている。
また、長さが半周期（０．５ピッチ）の倍数であるレンズが好ましい。
そして、長手方向の色収差は、像倍率やシステム全体の焦点距離などその他のパラメータを変えることなく調整できるようになっている。
しかし、他の比較的任意の長さを有するＧＲＩＮレンズが、装置全体の要求に応じて使用されることも想定できる。
【００１３】
表面センサーの基礎間隔（最小の測定距離）あるいは測定範囲を変化させるために、補正手段が、ＧＲＩＮレンズとグラスファイバーまたは開口手段との間に間隔を生じさせた状態でＧＲＩＮレンズに配置されている。
第１に、この補正手段は、一定の長さを有しているので、スペーサの機能をもつことができる。
第２に、補正手段を可変長さに構成できるようになっている。
一定の長さの補正手段は、ガラスあるいは透明プラスチックにより構成することができ、可変長さの補正手段は、空隙あるいはゲルおよび適切に調節可能な保持手段を備えることができるようになっている。
また、実用的な公知の方法と手段とが、すべて使用できるようになっている。
【００１４】
つぎに、第２光学部材としては、1つ以上のレンズを有する望遠光学系（telescope  optics）のようなレンズシステムにより構成されているのが好ましい。
レンズシステムは、1つ以上の非球面レンズを用いるのが好ましい。
いくつかのレンズを使用する際には、少なくとも２つのレンズが同じ焦点距離を有しているか、あるいは、すべてのレンズが異なる焦点距離を有しているかが考えられる。
１：１の像は、第２光学部材によって得ることができるが、像は拡大または縮小されていることも考えられる。
測定範囲と基礎間隔とは、結像のタイプに応じて第２光学部材に接近して設置され、また、離間して設置されている。
【００１５】
本発明である物体の表面測定装置を可変的に使用する場合、測定範囲の変更は、第２光学部材のレンズの交換により達成されるようになっている。
【００１６】
光線を偏向する偏向手段は、必要に応じて第２光学部材の２つのレンズの間で使用できるようになっている。
これにより、光線を偏向する偏向手段は、特定の幾何学的環境に対して有利に適用できるようになっている。
このため、例えば、グラスファイバー、プリズム、あるいは、いくつかのプリズムとスペーサを有するプリズム光学部材を用いることができる。
また、この光線を偏向する偏向手段は、第１光学部材に割り当てたり、あるいは、第１光学部材と第２光学部材との間に配置することもできるようになっている。
【００１７】
結像光学系から放射する光線は、別法としてあるいは付加的に、偏向手段を通過するように導くことができるようになっている。
この場合、光線は、表面に導かれるようになっている。
このため、従来用いられているプリズム、ミラー、平行平面板、あるいはその他の方向を変更する偏向手段を規定できるようになっている。
このような偏向手段あるいはその少なくとも一部は、物体表面の特定の場所に光線を制御し、かつ、測定される物体表面のカバー範囲を最も広範囲にすることができるように、２次元または３次元的に可動な状態で構成できるようになっている。
そして、異なる軸の回りの回転や傾動、異なる移動方向への直線運動、あるいはこれらの組合せを用いることができるようになっている。
【００１８】
偏向手段の移動は、測定の再現性を最も高めるため、電気的に補正する手段により達成できるようになっている。
これらの補正手段は、電子装置、マイクロコントローラあるいはその他のデジタルコンピュータにより制御されることが好ましい。
【００１９】
物体の表面で反射されて開口手段あるいはグラスファイバーにより処理される光線は、この光線を検出する表面センサーに最終的に供給されるようになっている。
測定される対象物と第２光学部材との間の距離は、例えば、マイクロコントローラ、あるいは、その他のデジタルコンピュータなどの付加的な電子回路を用いて、受光した光線のスペクトルから計算できるようになっている。
このような距離の計算に必要な基準データ、すなわち、波長と距離との間の割り当て（assignment）は、キャリブレーション（calibration）測定用の装置を始動させる前に、決定され、電子装置に利用できるようになっている。
【００２０】
特に、結像光学系は、ＧＲＩＮレンズを付加的な第２光学部材と併用することによって非常に小型化できるように、かつ、比較的自由にパラメータ化できるように構成されている。
これにより、非常に小さな直径の測定ヘッドを実施できるようになっている。
【００２１】
表面センサーは、いくつかの非常に小型化された本発明による結像光学系の配置により、または、ビームスプリッター（beam  splitter）を用いることにより、単純に構成できるようになっている。
このため、いくつかの測定は、同時に行うことができるようになっている。
測定点は、要求事項および表面センサーの配列に応じて、例えば線分、円の一部、または双曲線の一部など異なる曲線上に位置させることができるようになっている。
例えば、長方形などの２次元構造を配置させることも想定できる。
【００２２】
透明な材料の層で覆われた対象物は、色収差を用いて一連の測定点で光線の焦点を合わせることにより、また、測定間隔と測定範囲を増加させることにより、測定できるようになっている。
光線のスペクトル成分は、界面ですでに反射されている一方、別の成分は、表面それ自体で反射されている。
このため、２つのスペクトル成分は、表面センサーで検出できるとともに、それぞれ２つの間隔を有している。
これらの間隔及び２つの値の差により求めた被膜の厚さから、物体の表面状態が同時に決定できるようになっている。
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施例とその変形例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明による結像光学系（imaging optics）１を通過する多色光線２の光路を、図１に示す。
なお、図１の（ａ）は、多色光線２の短波成分の状態を示し、長波成分の光路は、図１の（ｃ）に示す。
物体の表面３上に正確に焦点を合わせた多色光線２のスペクトル成分を図１の（ｂ）に示し、その波長の値は、図１の（ａ）と（ｃ）に示す部分の値の間にあると推測される。
放射光線と反射光線とは、方向のみが反対の同じ光路となる。
【００２５】
結像光学系１における第１光学部材は、補正手段５（所謂、「スペーサ」と称する）に接続されて光学システムの長さを変化させるＧＲＩＮレンズ４から構成されている。
補正手段５のＧＲＩＮレンズ４と対向する側と反対側には、グラスファイバー（図示せず）が補正手段５に直接配置されており、多色光線２は、このグラスファイバーを通って重合した状態で補正手段５及びＧＲＩＮレンズ４に入射した後、分離するようになっている。
そして、グラスファイバーを通って重合した状態でＧＲＩＮレンズ４を通過する多色光線２が、ＧＲＩＮレンズ４から放射された後、結像光学系１における第２光学部材となる、すなわち、同じ焦点距離を有する２つの非球面レンズ７、非球面レンズ８とで構成されたレンズ６に入射するようになっている。
【００２６】
焦点を合わせた光線９は、結像光学系１から放射して、物体の表面３に当たり、その上で反射するようになっている。
反射光線１０（図中に破線で示す）は、入射した多色光線２と同じように、結像光学系１を通過してグラスファイバー（図示せず）を通るようになっている。
そして、この反射光線１０は、適切な場所で、例えば、分光器（optical  divider）を用いて分光し、表面センサー(sensor device)に供給される。
なお、分光器と表面センサーとは、図１に示されていない。
【００２７】
物体の表面３で反射する反射光線１０が、異なるように拡大された範囲で、補正手段５から出射することは、図１から容易にわかる。
ＧＲＩＮレンズ４と反対側の端にグラスファイバーが位置していれば、補正手段５とグラスファイバーとの間の結合場所に焦点がある光線部分のみが、グラスファイバー中に良好に重合されるようになっている。
これは、物体の表面３上に焦点を合わせたスペクトル成分に対して精密に適用されている。
このため、物体の表面３上に焦点を合わせたスペクトル成分は、表面センサーにより実質的に検出されるようになっている。
【００２８】
本発明による物体の表面測定装置を表面スキャナーとして用いることが可能な平行平面板（plane-parallel  plate）１１による偏向手段の実施形態を図２に示す。
入射光線となる多色光線２は、斜めに位置する平行平面板１１に入射するとともに、周囲に対する屈折率ｎの相対的な増加によって界面１２、１３で屈折している。
このため、平行平面板１１の厚さｄと屈折率ｎと入射光線２の入射角εとに依存する、入射光線２に対して平行なずれ（shift）ｖが生じ、このようなずれｖは、屈折の法則と幾何学的な条件により、以下のように計算できる。
【００２９】
【数１】
2008541101.tif 000006
【００３０】
そして、平行にずれた光線１４は、平行平面板１１が軸１５の周りを回転すると、物体の表面３上に円１６を描くようになっている。
さらに、角度ε、すなわち、平行平面板１１の傾き角を変化させると、円１６の半径も変化するようになっている。
これにより、物体の表面３は、環状に走査することができる。
平行平面板１１の変化が傾き角のみであれば、物体の表面３は、直線的に走査できるようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による結像光学系を通過する異なる波長における光線の主な動きをそれぞれ示す概略図。
【図２】平行平面板からなる偏向手段を示す概略図。
【符号の説明】
【００３２】
１  ・・・  結像光学系
２  ・・・  多色光線
３  ・・・  表面
４  ・・・  第１光学部材（ＧＲＩＮレンズ）
５  ・・・  補正手段
６  ・・・  第２光学部材
７  ・・・  非球面レンズ
８  ・・・  非球面レンズ
９  ・・・  焦点を合わせた光線
１０  ・・・  反射光線
１１  ・・・  平行平面板
１２  ・・・  界面
１３  ・・・  界面
１４  ・・・  光線
１５  ・・・  軸
１６  ・・・  円
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2008541101.tif 000007
【国際調査報告】
2008541101.tif 000008
2008541101.tif 000009
2008541101.tif 000010
2008541101.tif 000011
2008541101.tif 000012
2008541101.tif 000013