(57)【要約】      （修正有）【課題】フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットを生かすことが出来て、高精度の計測が可能な、計測装置を提供すること。【解決手段】被検物Ｔに照射する光源（レーザー光源１１）からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて被検物の形状を測定する計測装置であって、測定光を被検物へ照射させ且つ測定光と同じ光路を通って戻る戻り光を反射させる回転可能な反射面（ＭＥＭＳミラー２３１）を有した偏向部（偏向素子２３）と、前記測定光とは異なる光路を通り前記反射面で反射したモニター光から前記反射面の偏向量を検出する偏向量検出部（ミラーアレイ２５、位置センサー２６）と、偏向量検出部からのモニター光が測定光の光路を通る戻り光と合流するのを防止する防止部（アイソレータ２７）と、を備えてなる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置であって、
前記測定光を前記被検物へ照射させ且つ前記測定光と同じ光路を通って戻る前記戻り光を反射させる回転可能な反射面を有した偏向部と、
前記測定光とは異なる光路を通り前記反射面で反射したモニター光から前記反射面の偏向量を検出する偏向量検出部と、
前記偏向量検出部で反射した前記モニター光が前記測定光の光路を通る前記戻り光と合流するのを防止する防止部と、
を備えてなることを特徴とする計測装置。
【請求項２】
請求項１に記載の計測装置において、
前記モニター光は、前記測定光を分岐する光分岐器により該測定光から分岐された光であることを特徴とする計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の計測装置において、
前記防止部は、前記モニター光を一方向から通すが、該一方向と反対の方向からは通さないアイソレータを有し、
前記アイソレータは、前記光分岐器と前記偏向量検出部との間の前記モニター光の光路上に配置されることを特徴とする計測装置。
【請求項４】
被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて前記被検物の形状を測定する計測装置であって、
前記測定光を前記被検物へ照射させ且つ前記測定光と同じ光路を通って戻る前記戻り光を反射させる回動可能な反射面を有した偏向部と、
前記光源とは独立したモニター光用の光源と、
前記測定光とは異なる光路を通り前記反射面で反射したモニター光から前記反射面の偏向量を検出する偏向量検出部と、
を備えてなることを特徴とする計測装置。
【請求項５】
請求項１ないし４の何れか一項に記載の計測装置において、
前記測定光はフェムト秒レーザーであることを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばフェムト秒レーザー光などを使用して被検物の３次元形状を非接触で計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェムト秒レーザー光を使用した計測装置として、例えば、フェムト秒レーザー光を二つに分け、一方のレーザー光を参照光とし、他方のレーザー光を拡大光学系によってビーム径を拡大した後、照射光として被検物に照射し、この被検物から反射してくる反射光（戻り光）の位相と参照光の位相とを比較し、両者の位相の位相差を求めて、被検物までの距離を計測する計測装置が提案されている（非特許文献１）。
【０００３】
上記計測装置は、波長安定性が非常に優れていて、高精度の計測が可能となる、フェムト秒レーザー光の特性を生かしたもので、被検物に照射されるレーザー光（照射光）としてはビーム径を拡大したビームを使用している。
【０００４】
【非特許文献１】ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（２００５）Ｎｏ．８Ｐ．１０３〜１０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記計測装置を使用して被検物の３次元形状を計測する場合、照射光を被検物の表面に走査させ、該被検物の表面から反射してくる反射光（戻り光）を照射光の光路上を通って位相計などを装備した測定部に導く光学系の部分の精度が重要となる。この光学系の部分でも、特に、照射光を振って被検物の表面に走査させる一方、被検物の表面から戻ってくる戻り光を反射させて照射光の光路上に導く可動ミラーの部分が重要となる。
【０００６】
可動ミラーは、予め設定された回転角度で回転駆動されるが、この回転角度に誤差が生じると、この誤差が被検物の立体形状の誤差となってあらわれ、高精度の計測が困難となるおそれがある。
【０００７】
このように上記計測装置を被検物の形状測定に転用しようとしても、光学系の構成が原因となって、フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットである高精度の計測が困難となるおそれがある。
【０００８】
そこで、可動ミラーの回転角度を検出してその回転誤差を求め、この回転誤差情報により計測値を補正することが考えられる。
【０００９】
この場合、例えば、照射光が照射される可動ミラーの反射面の箇所にモニター光を照射し、該反射面で反射されるモニター光の位置をセンサーで検出することによって可動ミラーの回転角度を実測するが、この際、センサーに入射したモニター光の一部が該センサーで散乱光として反射し、さらにこの散乱光の一部が可動ミラーを経由して、照射光と反射光（戻り光）との位相を比較する部分まで逆行し、合流するおそれがある。合流した散乱光はノイズの原因となり、正確な立体形状が測定できなくなる新たな課題が生じる。
【００１０】
本発明は、フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットを生かすことが出来て、高精度の計測が可能な、計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の計測装置は、被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて被検物の形状を測定する計測装置であって、測定光を被検物へ照射させ且つ測定光と同じ光路を通って戻る戻り光を反射させる回転可能な反射面（例えば図２中のＭＥＭＳミラー２３１を参照）を有した偏向部（例えば図２中の偏向素子２３を参照）と、前記測定光とは異なる光路を通り前記反射面で反射したモニター光から前記反射面の偏向量を検出する偏向量検出部（例えば図２中のミラーアレイ２５及び位置センサー２６を参照）と、偏向量検出部からのモニター光が測定光の光路を通る戻り光と合流するのを防止する防止部（例えば図２中のアイソレータ２７を参照）とを備えてなることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の計測装置は、前記モニター光が、測定光を分岐する光分岐器により該測定光から分岐された光であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の計測装置は、前記防止部が、モニター光を一方向から通すが、該一方向と反対の方向からは通さないアイソレータを有し、該アイソレータが、光分岐器と偏向量検出部との間のモニター光の光路上に配置されることを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項４に記載の計測装置は、被検物に照射する光源からの測定光と該被検物で反射する戻り光とに基づいて被検物の形状を測定する計測装置であって、測定光を被検物へ照射させ且つ測定光と同じ光路を通って戻る戻り光を反射させる回動可能な反射面を有した偏向部と、測定光用の光源とは独立したモニター光用の光源と、前記測定光とは異なる光路を通り前記反射面で反射したモニター光から前記反射面の偏向量を検出する偏向量検出部と、偏向部にモニター光を入射させて測定光の偏向量を検出する偏向量検出部とを備えてなることを特徴とする。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の計測装置は、前記測定光が、フェムト秒レーザー光であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、フェムト秒レーザー光を使用してもそのメリットを生かすことが出来て、高精度の計測が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の計測装置の一実施形態について図１乃至図１０を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明の計測装置の一実施形態を示す機能ブロック図、図２は図１に示す走査部の内容を示す概略図、図３は図２に示すミラーアレイを概略的に図解した平面図、図４（ａ）、（ｂ）は図３に示すミラーを構成する微小ミラー上のプローブ光反射位置とモニター光反射位置が移動する状態を説明する説明図、図５は図２に示すミラーアレイの微小ミラーで反射するモニター光の一部が散乱光となって反射する状態の説明図、図６（ａ）は図２に示す位置センサーを概略的に図解した平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）に示す検出セルの拡大平面図、図７は図２に示す位置センサーの検出セルで反射したモニター光の一部が散乱光となって反射する状態の説明図、図８は被検物上をプローブ光が走査する状態を説明する説明図、図９は図２に示す走査部を駆動する回路のブロック図、図１０は走査部の他の実施形態を示す概略図である。
【００１９】
本実施形態の計測装置には、図1に示すように、測定部１０と走査部２０と演算部３０とが装備される。
【００２０】
測定部１０は、フェムト秒レーザー光を発し、このレーザー光の位相と被検物Ｔから反射光（戻り光）の位相を比較して、その位相差を演算部３０に出力する装置である。
【００２１】
具体的には、測定部１０は、フェムト秒レーザー光を発射するレーザー光源１１と、このレーザー光を基準光（参照光）と測定光（プローブ光）とに分割するビームスプリッタ１２と、フォトディテクタ１３，１４と、位相計１５とを備える。
【００２２】
ビームスプリッタ１２は、レーザー光の一部を反射させる一方、残部を透過させることにより、レーザー光を基準光とプローブ光とに分割する。
【００２３】
フォトディテクタ１３は、ビームスプリッタ１２によって反射された基準光を受光し電気信号に変換する。ビームスプリッタ１２を透過したプローブ光は走査部２０を介して被検物Ｔに照射される。被検物Ｔを反射した戻り光はプローブ光の光路上を逆行して走査部２０を介して測定部１０に入射し、ビームスプリッタ１２によりフォトディテクタ１４側に反射される。フォトディテクタ１４は、この戻り光を受光して電気信号に変換する。
【００２４】
位相計１５は、これらフォトディテクタ１３とフォトディテクタ１４から電気信号（出力）を入力して両者（基準光と戻り光）の位相差（位相データ）を求め、この位相データを演算部３０に出力する。
【００２５】
走査部２０は、プローブ光をその光軸に対して垂直な方向（ＸＹ方向  図８参照）に走査して被検物Ｔに出力する光学装置である。
【００２６】
図２に示すように、走査部２０には、複屈折結晶２１と、結像レンズ２２と、偏向素子２３と、コリメータ２４と、ミラーアレイ２５と、位置センサー２６と、アイソレータ２７と、これらを駆動などする回路（図９参照）が設けられている。
【００２７】
複屈折結晶２１は、例えば方解石、サバール板などからなり、測定部１０からのプローブ光から偏向素子２３の回転角度を検出するためのモニター光を分離（分岐）する光分岐器として機能する。プローブ光とこのプローブ光から分岐されたモニター光は別の光路を通り共に結像レンズ２２によって偏向素子２３上の１点に向かう。
【００２８】
偏向素子２３は、ＸＹ方向（図８参照）に直交する２つの回転軸（図示せず）をもつ、反射面としてのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー２３１を備えており、このＭＥＭＳミラー２３１の回転は、図９に示す、偏向回路２３２によって制御される。なお、偏向素子２３は、１軸の回転軸を持つガルバノミラーを組み合わせて構成してもよい。ＭＥＭＳミラー２３１の回転角度には偏向素子２３を構成する材料の諸特性のばらつきなどにより誤差がある。モニター光とプローブ光は、ＭＥＭＳミラー２３１上の殆ど同じ位置に入射し、該位置で反射する。
【００２９】
偏向素子２３で偏向されたプローブ光とモニター光は、コリメータ２４で平行光に変換されて、ミラーアレイ２５に入射する。偏向素子２３に入射する際、プローブ光の入射角とモニター光の入射角は異なり、その反射光の反射角も異なり、したがってコリメータ２４で平行光になったプローブ光とモニター光はミラーアレイ２５上の異なる箇所に入射する。
【００３０】
モニター光は、上述したように、ＭＥＭＳミラー２３１上の殆ど同じ位置に入射し、該位置で反射するが、その際の入射角はプローブ光のそれよりも大きく、したがって反射角もプローブ光のそれよりも大きいという、プローブ光と所定の関係を有している。なお、モニター光の入射角をプローブ光の入射角よりも小さくしてもよい。何れにしても、プローブ光とモニター光は、ミラーアレイ２５上の異なる箇所に入射するようにしておけばよい。
【００３１】
ミラーアレイ２５は、図3に示すように、シリコンからなる方形板状の基板２５１上に微小ミラー２５２を格子状に設けた反射素子である。
【００３２】
各微小ミラー２５２は、厚さが約１００μｍ、反射面の１辺が約１０μｍ四方の大きさで、光の反射率の高いアルミニウムを主成分とする金属から蒸着などの手段によって形成される。ミラーアレイ２５は、図４（ａ）（ｂ）に示すように、プローブ光とモニター光とが並ぶ方向（図４（ａ）に示す矢印の方向）とその直角方向とに格子状に並ぶ微小ミラー２５２の集合体である。各微小ミラー２５２は、プローブ光とモニター光とが並ぶ方向と直角方向に回転軸を持つ可動ミラーで、反射面が基板２５１と平行な位置（平行位置）と、反射面が基板２５１に対して傾いている位置（傾斜位置）との間で回転する。微小ミラー２５２の回転は、図９に示す位置予測回路２５４とミラー駆動回路２５３とで制御される。
【００３３】
通常、微小ミラー２５２は平行位置にある。偏向素子２３を駆動する偏向回路２３２が出力するＭＥＭＳミラー２３１の回転角度を表す偏向角信号に基づいて、位置予測回路２５４がモニター光のミラーアレイ２５上の到達位置を予測して、その位置とその周辺にある微小ミラー２５２を傾斜位置に回転することを指示するミラー位置信号を、ミラー駆動回路２５３に出力する。モニター光の到達予想位置と、その周辺にある微小ミラー２５２が、傾斜位置に回転するので、偏向素子２３の偏向方向に誤差（ＭＥＭＳミラー２３１の回転角の誤差）があっても、モニター光は常に傾斜位置にある微小ミラー２５２に入射する。
【００３４】
モニター光の到達予測位置以外の微小ミラー２５２は、平行位置に制御されるので、プローブ光は常に平行位置にある微小ミラー２５２に入射する。平行位置にある微小ミラー２５２にプローブ光が入射すると、被検物Ｔの方向に反射する。これにより、プローブ光は、図８に示すように、被検物ＴをＸ方向、Ｙ方向に各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３、Ｓ４・・・Ｓ１１・・・を移動する。
【００３５】
傾斜位置にある微小ミラー２５２にモニター光が入射すると、位置センサー２６の方向に反射する。
【００３６】
位置センサー２６は、例えば２次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）からなる。位置センサー２６は、図６（ａ）に示すように、フェムト秒レーザー（モニター光）を受光して、その光強度に比例する電圧を出力する検出セル２６１が、格子状に並んだ検出素子である。図６（ｂ）に示すように、検出セル２６１の１辺の長さは、モニター光のビーム径の数分の一なので、モニター光の位置を高精度に検出できる。
【００３７】
アイソレータ２７は、複屈折結晶２１と結像レンズ２２との間のモニター光の光路に配置される。このアイソレータ２７は、例えば、ファラデー回転子による偏光の回転現象を利用した、光を一方向には通すが、その逆方向には殆ど通さない素子である。
【００３８】
複屈折結晶２１によりプローブ光から分岐したモニター光は、アイソレータ２７を通過して、上述の如く、結像レンズ２２、偏向素子２３、コリメータ２４を経由してミラーアレイ２５に入射する。
【００３９】
図５に示すように、ミラーアレイ２５の傾斜した微小ミラー２５２に入射したモニター光の大部分は、傾斜した微小ミラー２５２で正反射されて位置センサー２６に向かうが、残りの光量は、傾斜した微小ミラー２５２のエッジ部分などで散乱光となる。このうちの一部が、コリメータ２４、偏向素子２３、結像レンズ２２を経由してアイソレータ２７まで逆行する。アイソレータ２７は、この逆行してきた光の通過を阻止する。従って、偏向素子２３の回転角度（偏向角）を検出する光学系から測定部１０に逆行する光量が殆どなくなり、ノイズが殆どなく、この結果、被検物Ｔまでの距離を高精度で測定できる。
【００４０】
また、図７に示すように、モニター光は、検出セル２６１に約１０度の入射角で入射するように設定されている。モニター光が検出セル２６１に入射すると、入射光量の殆どは、約１０度の反射角で正反射する。この正反射光は、その光路上に配置した光吸収体２８（図２参照）に入射して吸収され、測定部１０には逆行しない。残りの光量は散乱光となる。散乱光は広い範囲の方向に反射するので、モニター光が検出セル２６１に入射する方向の反対方向に逆行する散乱光の光量は殆どない。万が一、この散乱光の一部が、ミラーアレイ２５、コリメータ２４、偏向素子２３、結像レンズ２２を経由してアイソレータ２７まで逆行しても、このアイソレータ２７によって阻止される。従って、位置センサー２６からの反射光が測定部１０に逆行することがなく、ノイズが殆どなく、被検物Ｔまでの距離を高精度で測定できる。
【００４１】
上述した位置センサー２６の各検出セル２６２の出力信号は、位置信号として、図９に示す誤差検出回路２６２に出力される。
【００４２】
誤差検出回路２６２は、複数の検出セル２６１の位置信号から、位置センサー２６上のモニター光の位置を検出し、且つ、この検出したモニター光の位置と、偏向回路２７１からの偏向角信号から予測される位置センサー２６上のモニター光の位置との誤差を求める回路である。この誤差は、偏向素子２３のＭＥＭＳミラー２３１の回転角度の誤差に対応するので、被検物Ｔ上でのプローブ光の受光位置のＸＹ座標の誤差に対応する。求めた誤差は、誤差信号として、演算部３０に出力される。
【００４３】
演算部３０は、測定部１０からの位相データと走査部２０からの同期パルスと誤差信号とを入力して、走査部２０から各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・（図８参照）までの距離を演算し、そのＸＹ座標を誤差信号に基づいて補正する回路である。モニター光とプローブ光とは、偏向素子２３のＭＥＭＳミラー２３１の１点で反射するため、モニター光の位置モニター上の位置と、プローブ光の被検物上の位置とは、正確に対応する。従って、求めたモニター光の位置センサー２６上の誤差は、プローブ光の被検物Ｔ上の誤差と正確に対応する。求めた距離データは外部のＣＡＤ／ＣＡＭ装置などに出力する。
【００４４】
演算部３０には演算回路３１が設けられている。演算回路３１は、同期パルスから各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・のＸ方向（主走査方向）の位置座標（Ｘ座標）とＹ方向（副走査方向）の位置座標（Ｙ座標）とを求め、各測定点のＸ座標とＹ座標を誤差信号に基づいて補正し、位相データがあらわす各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・の距離データをＺ座標として対応させる。これにより被検物Ｔの形状を非接触で計測することが出来る。
【００４５】
以上のように構成された本実施形態の計測装置によれば、モニター光によりＭＳＭＥミラー２３１の回転誤差を検出し、各測定点Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・・のＸ座標とＹ座標を補正するようにしてある上に、モニター光の一部が散乱光になって測定部１０側に逆行しようとしてもアイソレータ２７により阻止されて、測定部１０に逆行して戻り光と混ざることがなく、ノイズの原因となることがなく、高精度の計測が可能となる。
【００４６】
図１０は走査部２０の別の実施形態を示す。なお、図１０中、図２に示す構成部分と同じ構成部分には同一符号を付して、その説明を省略する。
【００４７】
上述した実施形態では、プローブ光の一部を分岐してこれをモニター光としたため、このモニター光が反射するミラーアレイ２５や位置センサー２６で散乱光が生じ、これが逆行して測定部１０に入射するおそれがあることから、アイソレータ２７をモニター光の光路上に配置したが、そもそもモニター光をプローブ光から分岐せず、モニター光専用の光源を配置すれば何ら問題は生じない。
【００４８】
そこで、本実施形態では、複屈折結晶２１を使用してプローブ光の一部を分岐してモニター光にする代わりに、モニター光専用のＬＥＤ２９を使用し、このＬＥＤ２９からの光をコリメータ２９１、ミラー２９２を介して結像レンズ２２に導き、該結像レンズ２２により偏向素子２３上のプローブ光が入射する１点に照射するようにしてある。
【００４９】
従って、仮に、モニター光が入射、反射するミラーアレイ２５や位置センサー２６で散乱光が生じ、これが逆行しても、この散乱光は光源としてのＬＥＤ２９に戻るだけであって、測定部１０に逆行（入射）することはなく、モニター光の散乱光が戻り光に混ざってノイズになるような事態は生じない。
【００５０】
本発明の計測装置は上記実施形態に示すものに限定されるものではない。
【００５１】
例えば、光吸収体２８を省略することが可能である。位置センサー２６に入射して反射する光のうち、正反射光を光吸収体２８で吸収するようにしているが、位置センサー２６への入射角を適宜設定すれば、この入射角と等しい角度の反射角でモニター光を反射させることができ、測定部１０に逆行させないようにすることが出来るからである。
【００５２】
また、ミラーアレイ２５の代わりにモニター光を透過させて位置センサー２６に導く一方、プローブ光を反射させて被検物Ｔに導く透過方式のミラーを使用してもよい。
【００５３】
さらに、プローブ光としてフェムト秒レーザー光を使用した場合を示したが、これに限定されず、他の光を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の計測装置の一実施形態を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示す走査部の内容を示す概略図である。
【図３】図２に示すミラーアレイを概略的に図解した平面図である。
【図４】図４（ａ）、（ｂ）は図３に示すミラーを構成する微小ミラー上のプローブ光反射位置とモニター光反射位置が移動する状態を説明する説明図である。
【図５】図２に示すミラーアレイの微小ミラーで反射するモニター光の一部が散乱光となって反射する状態の説明図である。
【図６】図６（ａ）は図２に示す位置センサーを概略的に図解した平面図、図６（ｂ）は図５（ａ）に示す検出セルの拡大平面図である。
【図７】図２に示す位置センサーの検出セルで反射したモニター光の一部が散乱光となって反射する状態の説明図である。
【図８】被検物上をプローブ光が走査する状態を説明する説明図である。
【図９】図２に示す走査部を駆動する回路のブロック図である。
【図１０】走査部の他の実施形態を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０            測定部
１１            レーザー光源
１２            ビームスプリッタ
１３，１４      フォトディテクタ
１５            位相計
２０            走査部
２１            複屈折結晶
２２            結像レンズ
２３            偏向素子（偏向部）
２３１          ＭＥＭＳミラー
２４            コリメータ
２５            ミラーアレイ（偏向量検出部）
２５１          基板
２５２          微小ミラー
２６            位置センサー（偏向量検出部）
２６１          検出セル
２７            アイソレータ（防止部）
２９            ＬＥＤ（モニター光用の光源）
２３２          偏向回路
２５３          ミラー駆動回路
２５４          位置予測回路
２６２          誤差検出回路
【図１】
2008256465.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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