(57)【要約】【課題】生産技術、光応用計測分野の動きを伴う微小可動物体の精度評価、動作性能評価分野において、高度な制御技術を必要とせず、被測定面の動作中、基準に対する被測定面の角度ごとに、高精度化と処理時間を短縮しながら、角度測定分解能を向上する表面形状測定方法及び装置を提供する。【解決手段】一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録し、干渉法で動作中の物体の表面形状を測定する方法において、被測定物振動周期に対して被測定物へ照射するパルス光のタイミングを所定量に調整し、被測定物振動面と水平な方向の干渉縞本数をカウントし、被測定物の干渉光学系の参照面に対する傾きを求め、動作中の物体の表面形状と干渉光学系の参照面への傾きを同時に求めることを特徴とする。【選択図】      図２
2004347426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、該光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、該干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、前記被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法、あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、前記被測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、前記被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、干渉縞の被測定物振動面と水平な方向における本数をカウントするカウント手段とからなることを特徴とする振動物体の形状測定装置。
【請求項２】
一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、該光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、該干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、前記被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための表面形状計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、干渉縞の被測定物振動面と水平な方向における位相のチルト成分を求めるためのチルト成分計算器とからなることを特徴とする振動物体の形状測定装置。
【請求項３】
一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、該光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、該干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、前記被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整する傾き調整手段と、前記傾き調整手段の傾き調整量を検出する傾き検出手段と、からなる振動物体の形状測定装置。
【請求項４】
被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整する手段と、前記傾き調整手段の傾き調整量を検出する傾き検出手段とを構成に付加したことを特徴とする請求項１、あるいは２に記載の振動物体の形状測定装置。
【請求項５】
一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、該干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物に照射するパルス光の照射周波数の調整手段とからなることを特徴とする振動物体の形状測定装置。
【請求項６】
被測定物に照射するパルス光の照射周波数の調整手段を構成に付加したことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の形状測定装置。
【請求項７】
一定周期で振動する被測定物に、該被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、
前記被測定物の振動周期に対して被測定物へ照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項８】
収録した干渉縞画像をフーリエ変換し、被測定物の振動面と水平な方向についてピークとなる波数より前記被測定物の振動面と水平な方向における干渉縞本数を求めることを特徴とする請求項７記載の形状測定方法。
【請求項９】
一定周期で振動する被測定物に、該被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項１０】
一定周期で振動する被測定物に、該被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数が最小となるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出することにより被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項１１】
一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の空間周波数が、前記撮像手段のサンプリング周波数より低くなるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出して傾き量１として記憶しておき、被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすること、あるいは被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、傾き調整後の被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾き量２を求め、前記傾き量１と傾き量２とを加算することにより被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法。
【請求項１２】
一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める動的測定方法において、被測定物に照射するパルス光の照射周波数を、被測定物の振動周波数の約数に設定することにより、発生する干渉縞の強度を調節することを特徴とする形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生産技術分野、光応用計測分野に関するもので、詳しくは、ＭＥＭＳ（マイクロマシン）等の動きを伴うデバイスである微小可動物体の加工精度評価分野および動作性能評価分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の従来技術として、可動デバイスの動作中の表面形状を測定する装置がある（例えば、特許文献１参照）。これは、微小周期振動変位の測定装置に関し、被測定物を周期的に振動させるために供給する信号に同期して光源をパルス発光させることにより、動作中の被測定物の表面変位を静止画像としてとりこみ、干渉法の原理を用いて被測定物の表面変位、あるいは表面形状をナノメータオーダで測定するというものである。
【特許文献１】特開平７−７２００５号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の装置は被測定物の角度を検知する手段を有さないため、上述のようなベースに対するミラーの角度ごとでミラーの変形量を測定することはできない。
ミラー面の形状は、反射した光ビームの位置やビーム径サイズに影響を与えるため、通常ナノメータオーダの精度が要求され、またミラーが揺動したときに、ミラー面に働く慣性力により静止している状態に比べて変形が生じるため、そのような動的な変形量にもナノメータオーダの許容値が設定される。またミラーに働く慣性力は、ベースに対するミラーの角度によって、大きさが異なるため、前記角度により変形量が異なってくる。そのため、上記公報の方法では、ベースに対するミラーの角度ごとで、ミラーの変形量を評価できないという問題がある。
そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、可動デバイスにおいて、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定するための方法を提供することを目的とする。
本発明ではさらに、請求項７記載の方法において、干渉縞の本数をカウントする場合、画像面内の任意方向断面において画像強度が極大、あるいは極小になる数をカウントするなど、画像処理により干渉縞本数を求めてもよいが、そのような方法は処理アルゴリズムが複雑になるため、カウント誤差が生じやすいうえ、処理時間がかかるという問題もある。
本発明では、これに対して、収録した干渉縞画像をフーリエ変換して被測定物の振動面と水平な方向についてピークとなる波数を求め、ピーク波数より前記被測定物の振動面と水平な方向における干渉縞本数を求めることにより、縞カウントの高精度化と処理時間の短縮を図ることを目的とする。
【０００４】
請求項７記載の方法において、干渉縞の本数をカウントすることにより被測定面の基準に対する角度を求めると、角度の測定分解能はｔａｎ−１｛（λ・Ｎ）／（２・Ｌ）｝が最小となる（λ：光源波長、Ｎ干渉縞の本数、Ｌ：振動面と水平な方向における被測定面の長さ）。本発明では、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、それにより請求項１記載の方法における角度測定分解能の向上を図ることを目的とする。
請求項７や請求項９記載の方法では、干渉縞の本数をカウントしたり、干渉縞解析したりすることにより、基準に対する被測定面の角度を求めたが、それらの場合、干渉縞の空間周波数が高くなり干渉縞の観測手段のサンプリング周波数を超えると、角度測定ができなくなるという問題もある。
本発明では、これに対しては、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数が最小となるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出することにより被測定物の前記参照面に対する傾きを求める。それにより干渉縞の空間周波数が高くなり干渉縞の観測手段のサンプリング周波数を超えた場合でも、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定するための方法を提供することを目的とする。
請求項１０記載の方法では、干渉縞の本数が最小となるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出することにより、被測定面の基準に対する角度を求めたが、そのような傾き調整には、高度な制御技術が必要となるうえ、調整時間がかかるため測定時間が増大するという問題もある。
【０００５】
本発明では、これに対しては、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の空間周波数が、前記撮像手段のサンプリング周波数より低くなるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出して傾き量１として記憶しておき、被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすること、あるいは被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、傾き調整後の被測定物の前記参照面に対する傾き量２を求め、前記傾き量１と傾き量２とを加算することにより被測定物の前記参照面に対する傾きを求める。それにより、高度な制御技術を必要とせず、また短い測定時間で、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定するための方法を提供することを目的とする。
また、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により動いている最中の物体の表面形状を求める動的測定方法では、測定精度を保証するために十分な干渉縞強度を必要とする。一方、被測定物の振動周期が高くなると、照射光に振動周期より十分短いパルス幅が要求される。パルス幅が短くなると被測定物への照射光量が落ちるため、十分な干渉縞強度が得られなくなるときがある。
本発明では被測定物に照射するパルス光の照射周波数を、被測定物の振動周波数の約数に設定することにより、発生する干渉縞の強度を調節する。それにより、被測定物の振動周期が高くなった場合でも、動いている最中の物体の表面形状を求めることができる方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１記載の発明では、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法、あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、被測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、干渉縞の被測定物振動面と水平な方向における本数をカウントする手段と、からなる振動物体の動的測定装置を最も主要な特徴とする。
請求項２記載の発明では、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、該光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、前記被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、該干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、前記被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための表面形状計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、干渉縞の被測定物振動面と水平な方向における位相のチルト成分を求めるためのチルト成分計算器とからなることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の発明では、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整する傾き調整手段と、前記傾き調整手段の傾き調整量を検出する傾き検出手段と、からなる振動物体の動的測定装置を最も主要な特徴とする。
請求項４記載の発明では、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整する手段と、前記傾き調整手段の傾き調整量を検出する傾き検出手段とを構成に付加した請求項２又は５に記載の振動物体の動的測定装置を主要な特徴とする。
請求項５記載の発明では、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物に照射するパルス光の照射周波数の調整手段と、からなる振動物体の動的測定装置を最も主要な特徴とする。
【０００８】
請求項６記載の発明では、被測定物に照射するパルス光の照射周波数の調整手段を構成に付加した請求項乃至５の何れか一項に記載の動的測定装置を主要な特徴とする。
請求項７記載の発明では、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求める形状測定方法を最も主要な特徴とする。
請求項８記載の発明では、収録した干渉縞画像をフーリエ変換し、被測定物の振動面と水平な方向についてピークとなる波数より前記被測定物の振動面と水平な方向における干渉縞本数を求める請求項１記載の形状測定方法を主要な特徴とする。
請求項９記載の発明では、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求める形状測定方法を最も主要な特徴とする。
【０００９】
請求項１０記載の発明では、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数が最小となるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出することにより被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求める形状測定方法を最も主要な特徴とする。
請求項１１記載の発明では、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の空間周波数が、前記撮像手段のサンプリング周波数より低くなるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出して傾き量１として記憶しておき、被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすること、あるいは被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、傾き調整後の被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾き量２を求め、前記傾き量１と傾き量２とを加算することにより被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求める形状測定方法を最も主要な特徴とする。
請求項１２記載の発明では、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物に照射するパルス光の照射周波数を、被測定物の振動周波数の約数に設定することにより、発生する干渉縞の強度を調節する形状測定方法を最も主要な特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明において測定対象となる可動デバイスの一例で、ベース２に軸３を介して振動ミラー１がとりつけられた構成となっている。ミラー１が３の部分を軸にして揺動（振動）することにより、ミラーに照射される光ビームを偏向するように作用する。ミラー面の形状は、反射した光ビームの位置やビーム径サイズに影響を与えるため、通常ナノメータオーダの精度が要求され、またミラーが揺動したときに、ミラー面に働く慣性力により静止している状態に比べて変形が生じるため、そのような動的な変形量にもナノメータオーダの許容値が設定される。またミラーに働く慣性力は、ベース２に対するミラー１の角度（図１（ｂ）におけるθ）によって、大きさが異なるため、前記角度により変形量が異なってくる。
【００１１】
図２に本発明による装置構成の一例を示す。光源は半導体レーザ４で、コンピュータ５からの電気信号を、ＤＡ変換器６を介して半導体レーザドライバ７に入力することにより、半導体レーザからの発光が制御される。
半導体レーザからの光の強度はＮＤフィルタ８で調整され、ビームエキスパンダ９で拡張される。ビームエキスパンダ９にて拡大された光の一部はビームスプリッター１０を透過し、一部はビームスプリッターで反射される。ビームスプリッター１０を透過した光は被測定物１１に照射され、被測定物１１で反射された光は往路の光路を逆行して、ビームスプリッター１０にて下方に反射され、レンズ１２を介してＣＣＤカメラ１３に到達する。一方、光源から入射しビームスプリッター１０で反射された光は、ＮＤフィルター１５を透過してミラー１６に照射され、このミラー１６で反射された光は入射光路を逆行して、ビームスプリッター１０を透過して、レンズ１２を介してＣＣＤ１３に到達する。被測定物１１にて反射された物体光とミラー１６にて反射された参照光について、物体光の光路長と参照光の光路長との差を光源の半導体レーザのコヒーレンス長以下に設定しておき、物体光と参照光の光軸を略一致させれば、両者は干渉をおこして干渉縞が発生する。
レンズ１２は被測定物１１の像がＣＣＤ１３の撮像面上で結像するように、その位置が調整されている。被測定物１１は、図１に示されたような振動ミラーである。コンピュータ５からの電気信号を、ＤＡ変換器６を介して増幅器１４に入力することにより、被測定物１１は駆動される。半導体レーザの駆動と被測定物の駆動を同一のＤＡ変換器６を用いて（チャンネルは別）行うことにより、レーザの発光と被測定物の振動との同期がとれる。物体光と参照光との間で発生した干渉縞はＣＣＤ１３にて撮像され、フレームグラバー１７にてキャプチャされてコンピュータ５に転送され、コンピュータ５のメモリに記憶されるとともにモニター１８に表示される。
ミラー１６にはピエゾアクチュエータ１９がとりつけられており、光源の波長以下のステップ量でピエゾアクチュエータ１９を駆動することによりミラー１６を光軸方向に動かすと、物体光と参照光の位相差に差が生じ、干渉縞に時間変調をかけることができる。
ピエゾアクチュエータ１３は、コンピュータ５からの信号を、ＤＡ変換器６を介してドライバ２０に入力することにより、駆動される。干渉縞に時間変調をかけて位相シフト法が実行される。半導体レーザと被測定物は、ＤＡ変換器を用いずパルスジェネレータを用いて同期をとって駆動してもよい。ＮＤフィルタ８は干渉縞強度を調整するために使用される。ＮＤフィルタ１５は参照光の強度を調整して干渉縞のコントラストを上げるために用いられる。なお上記では干渉法に位相シフト法の例を示したが、他にフーリエ変換法の原理なども用いることができる。
【００１２】
測定の手順を説明する。被測定物１１を図示しない被測定物ホルダーにセットすると、ＣＣＤ１３にて被測定物のミラーの像とベースの像が観測される、被測定物は、そのベース面についても鏡面とし、静止状態ではベース面とミラー面はほぼ平行とする。ミラーおよびベースからの反射光による干渉縞の空間周波数が最も低くなるように被測定物の姿勢を調整すれば、ミラーおよびベースと参照光用のミラー１６との傾きはほぼゼロとなる。コンピュータ５からの信号を、ＤＡ変換器６を介してドライバ１４に入力すると被測定物におけるミラーが振動し、ミラーの振動周波数がＣＣＤのビデオレートより高ければ、ＣＣＤで観測した画像において被測定ミラーの部分で発生していた干渉縞が消え、被測定物のベースの部分だけで干渉縞が観測される。
その後コンピュータ５からの信号を、ＤＡ変換器６を介して半導体レーザドライバ７に入力し、半導体レーザをパルス状に発光させる。同一のＤＡ変換器を用いるため、被測定物におけるミラーの振動と半導体レーザのパルス発光は同期がとれ、被測定ミラーの振動周波数と半導体レーザの発光周波数を一致させ、半導体レーザの発光パルス幅が被測定物の振動周期より十分短ければ、ＣＣＤで観測した画像において、消えていた被測定ミラーの部分の干渉縞が観測できるようになる。観測できない場合は、被測定物に供給する信号と半導体レーザに供給する信号との間のタイミングを調整すればよい。図３に被測定物におけるミラー面の振動変位の様子と半導体レーザのパルス発光のタイミングを示す。
図３において横軸は時間であり、上方のグラフの縦軸は変位、下方のグラフの縦軸は半導体レーザの発光強度である。被測定ミラーの振動に対する半導体レーザの発光タイミングをずらせばＣＣＤにて観測される被測定ミラーの傾きが変わり、被測定ミラーと参照ミラーとの傾きが変わってくるため、傾きに応じて干渉縞の間隔が変わる。
【００１３】
図４（ａ）に被測定ミラーと参照ミラーとの傾きがほぼゼロとなるように、半導体レーザの発光タイミングを調整したときの干渉縞の例（干渉縞が消えた状態）を示し、図４（ｂ）に半導体レーザの発光タイミングを所定量だけずらすことにより、被測定ミラーと参照ミラーとの傾きが最大になるようにしたときの干渉縞の例を示す。
図４（ａ）（ｂ）における符号は図１に対応しており、２１は干渉縞である。図４（ｂ）における矢印が振動面と水平な方向を表しており、矢印方向における干渉縞の本数をカウントすれば被測定ミラの参照ミラーに対する傾きを求めることができ、参照ミラーと被測定物のベースとの傾きは略ゼロであるため、被測定物のベースに対するミラーの角度を求めることができる。
振動面と水平な方向における干渉縞の本数を求める方法の一例としては、ＣＣＤにて撮像される画像の被測定ミラー領域における一断面を、ＣＣＤ画像モニター上のカーソルにて選択して、その断面の干渉縞強度分布を取り出すと図５のようになる。図５の分布で隣接画素の差をとったとき、差の符号が反転する部分が強度分布の極大点、あるいは極小点となるため、極大点、あるいは極小点の数を求めることにより干渉縞の本数がわかる。干渉縞の本数をＮとし、光源波長をλ、Ｌをミラーの振動面方向における長さとすると、式（１）より被測定ミラーのベースに対する角度θを求めることができる。
【数１】
2004347426.tif 000003
・・・  （１）
観測できる被測定物におけるミラーの領域の干渉縞を用いて位相シフト法を実行すると、物体光の二次元位相分布が求められ、そして位相値にλ／（４π）を乗じたのち、チルト成分を除去することにより、被測定ミラーの動いている瞬間での表面形状を測定される。表面形状測定結果はトポグラフィとしてモニターに表示される。
請求項８は、請求項７の方法について、振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントし、被測定ミラーのベースに対する角度を求めるための別の方法である。ＣＣＤにて撮像される画像の被測定ミラー領域における一断面を、ＣＣＤ画像モニター上のカーソルにて選択して、断面分布をフーリエ変換する。すると断面における干渉縞の本数に相当する波数で、フーリエスペクトルがピークとなるため、ピークとなる波数を求めて、式（１）におけるＮに代入することにより被測定ミラーのベースに対する角度θを求める。
【００１４】
請求項９、２では、請求項７の方法で、振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすることにより被測定ミラーのベースに対する角度を求めたのに対し、本請求項では、干渉縞解析により求められる物体表面形状の振動面方向のチルト成分より、被測定ミラーのベースに対する角度を求める。
被測定物におけるミラーの領域の干渉縞を用いて位相シフト法を実行すると物体光の二次元位相分布が求められ、そして位相値にλ／（４π）を乗じると、参照面に対する被測定ミラーの表面形状が得られる。被測定ミラーの表面形状における振動面と水平な方向における全断面を各々直線近似し、各断面の近似直線の傾きを求めて、全断面で平均をとることにより、被測定ミラーの振動面と水平な方向の参照面に対する傾き成分を得ることができる。被測定ミラーの表面形状から振動面と水平な方向のチルト成分を求めるためにＺｅｒｎｉｋｅ多項式を用いてもよい。
請求項１０、３では、図２の構成において、振動面と水平な方向が紙面に対して水平になるように、被測定物がセットされている場合を考え、被測定物をホルダーごと紙面と水平な面内で回転させるステージ上に、被測定物ホルダーを搭載したとする。図６において、部品番号は図１に対応し、ステージ２２が矢印方向に回転する。図６（ａ）は被測定ミラーがベースに対して水平なときであり、図６（ｂ）は被測定ミラーがベースに対して傾いたときである。図６（ｂ）では被測定ミラーにおける干渉縞の振動面方向における本数が最も少なくなるようにステージ２２を回転させた後の様子を示している。干渉縞の本数が最も少なくなったか否かは、ステージを回転させながらモニター上に映された干渉縞を目視で観測してチェックすればよい。
ステージ２２にロータリエンコーダのような回転角度検出手段を備えておき、被測定ミラーと参照ミラーとの傾きがほぼゼロのときにおけるロータリエンコーダ出力と、ステージ２２を回転させた後のロータリエンコーダ出力との差をとることにより、被測定ミラーのベースに対する角度を測定することができる。
被測定物ホルダーを回転ステージにのせるかわりに、測定光学系全体を回転ステージにのせてもよいし、測定光学系における参照ミラーのみを回転ステージにのせても同様の効果が得られる。
【００１５】
請求項１１、４は、請求項１０、３の方法及び装置と、請求項７、１、８、あるいは請求項９、２の方法及び装置の機能を併せた方法及び装置であり、請求項１０、３の方法及び装置で得られる角度測定値と請求項７、１、８、あるいは請求項９、２の方法及び装置による角度測定値を加算して、被測定ミラーのベースに対する角度とする。
請求項１２、５では、図３が被測定物の振動周期と光源の発光周期を等しくとった場合では、光源の発光パルス幅が被測定物の振動周期より十分短ければ、静止した干渉縞の観測が可能であったのに対し、図７では、被測定物振動周期の倍数の周期で光源を発光させても同様に静止した干渉縞が観測できることを示した。
被測定物の振動周期と光源の発光周期を等しくとったとき、干渉縞の光量が最も高くなり、振動周期の倍数を保ちながら発光周期を長くしていくと干渉縞光量が落ちていく。従って、光源の発光周期を調整して干渉縞の光量を調整することができる。被測定物の振動周波数が高くなり必要な光源の発光パルス幅が短くなって干渉縞光量が低くなった場合は、振動周期の倍数のうちで最も小さいものを光源の発光周波数に設定すればよい。
請求項６は、請求項１、２、３、あるいは４記載の方法及び装置に、請求項１２、５記載の方法及び装置の機能を併せた方法及び装置を示したものである。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によれば、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法、あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、被測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、干渉縞の被測定物振動面と水平な方向における本数をカウントする手段とからなることを特徴とする振動物体の動的形状測定装置により、請求項７記載の方法を実現するための装置を提供することができる。
請求項２によれば、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器１と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、干渉縞の被測定物振動面と水平な方向における位相のチルト成分を求めるための計算器とからなることを特徴とする振動物体の動的形状測定装置により、請求項９記載の方法を実現するための装置を提供することができる。
【００１７】
請求項３によれば、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物の振動とパルス光の照射のタイミングを調整するタイミング調整手段と、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整する手段と、前記傾き調整手段の傾き調整量を検出する傾き検出手段と、からなる振動物体の動的測定装置により、請求項１０記載の方法を実現するための装置を提供することができる。
請求項４によれば、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整する手段と、前記傾き調整手段の傾き調整量を検出する傾き検出手段とを構成に付加したことを特徴とする請求項１、あるいは２に記載の振動物体の動的形状測定装置により、請求項１１記載の方法を実現するための装置を提供することができる。
請求項５によれば、一定周期で振動する被測定物の振動周期より十分短いパルス光を発生する光源と、光源からの光を被測定物に照射するための照射光学系と、被測定物からの反射光と参照光とを干渉させるための干渉光学系と、前期干渉光学系による干渉縞を撮像する撮像手段と、被測定物の像を前記撮像手段の撮像面上で結像させるための結像光学系と、位相シフト法あるいはフーリエ変換法を実施するために干渉縞を時間的、あるいは空間的に変調する干渉縞変調手段と、時間的、あるいは空間的に変調しながら収録した干渉縞画像から動いている最中の被測定物の表面形状を計算するための計算器と、測定物の振動とパルス光の照射を同期させる同期手段と、被測定物に照射するパルス光の照射周波数の調整手段とからなることを特徴とする振動物体の動的形状測定装置により、請求項１２記載の方法を実現するための装置を提供することができる。
【００１８】
請求項６によれば、被測定物に照射するパルス光の照射周波数の調整手段を構成に付加したことを特徴とする請求項１、２、３、あるいは４のいずれか１項に記載の形状測定装置により、被測定物の振動周期が高くなった場合でも、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定するための装置を提供することができる。＄
請求項７の発明によれば、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすることにより、被測定物の干渉光学系における参照面に対する傾きを求めることが可能となる。それにより可動デバイスにおいて、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定することができる。
請求項８によれば、収録した干渉縞画像をフーリエ変換し、被測定物の振動面と水平な方向についてピークとなる波数より前記被測定物の振動面と水平な方向における干渉縞本数を求めることを特徴とする請求項７記載の形状測定方法により、干渉縞カウント制度の向上と処理時間の短縮を図ることができる。
請求項９によれば、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法により、被測定物の干渉光学系における参照面に対する傾きを求めることができる。それにより請求項７記載の方法における角度測定分解能の向上を図ることができる。
【００１９】
請求項１０によれば、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数が最小となるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出することにより被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法により、被測定物の前記参照面に対する傾きを求めることができ、それにより干渉縞の空間周波数が高くなり干渉縞の観測手段のサンプリング周波数を超えた場合でも、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定することができる。
請求項１１によれば、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める形状測定方法において、被測定物の振動周期に対して被測定物に照射するパルス光のタイミングを所定量に調整したときの被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の空間周波数が、前記撮像手段のサンプリング周波数より低くなるように、被測定物振動面と水平な方向における被測定物と前記干渉光学系における参照面との相対的な傾きを調整し、その傾き調整量を検出して傾き量１として記憶しておき、被測定物振動面と水平な方向における干渉縞の本数をカウントすること、あるいは被測定物振動面と水平な方向における干渉縞位相のチルト成分を求めることにより、傾き調整後の被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾き量２を求め、前記傾き量１と傾き量２とを加算することにより被測定物の前記干渉光学系における参照面に対する傾きを求め、動いている最中の物体の表面形状と前記干渉光学系における参照面に対する傾きを同時に求めることを特徴とする形状測定方法により、高度な制御技術を必要とせず、また短い測定時間で、基準に対する被測定面の角度（姿勢）ごとで、被測定面の動いている最中での表面形状を測定するための方法を提供することができる。
請求項１２によれば、一定周期で振動する被測定物に、被測定物の振動周期より十分短いパルス光を同期させて照射し、被測定物からの反射光と参照光との間で発生する干渉縞を収録して、干渉法の原理により、動いている最中の物体の表面形状を求める動的測定方法において、被測定物に照射するパルス光の照射周波数を、被測定物の振動周波数の約数に設定することにより、発生する干渉縞の強度を調節することを特徴とする形状測定方法により、被測定物の振動周期が高くなった場合でも、動いている最中の物体の表面形状を求めることができる方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する被測定物の１例の構造、動作の説明図である。
【図２】本発明の装置構成例の概略を説明するブロック構成図である。
【図３】本発明の被測定物の振動と光源の発光のタイミングの説明図である。
【図４】本発明の装置により振動中の被測定物反射光から得る干渉縞の説明図である。
【図５】本発明の被測定物の振動面方向における干渉縞断面強度分布の説明図である。
【図６】本発明の被測定ミラーとベースの傾きによる干渉縞の変化を説明する図である。
【図７】本発明の光源発光周期を被測定物振動周期の倍数にした干渉縞断面強度分布の説明図である。
【符号の説明】
１  振動ミラー、２  ベース、３  軸、４  半導体レーザ、５  コンピュータ、６  ＤＡ変換器、７  半導体レーザドライバ、８  ＮＤフィルタ、９  ビームエクスパンダ、１０  ビームスプリッタ、１１  被測定物、１２  レンズ、１３ＣＣＤカメラ、１４  増幅器、１５  ＮＤフィルタ、１６  ミラー、１７  フレームグラバー、１８  モニター、１９  ピエゾアクチュエータ、２０  ドライバ
【図１】
2004347426.tif 000004
【図２】
2004347426.tif 000005
【図３】
2004347426.tif 000006
【図４】
2004347426.tif 000007
【図５】
2004347426.tif 000008
【図６】
2004347426.tif 000009
【図７】
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