(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結像光学系を介して測定用レーザー光束を被測定物体の表面に照射して前記表面上に微小照射光点を形成し、この照射光点における前記表面からの散乱／反射光束から光束分離光学系により各々の光軸方向を横断する面内でほぼ同等の光強度分布を有する二つの光束を取り出し、これら二つの光束を個々に光検出器で光電検出することにより三角測量法に従って前記表面上の照射光点からの距離を測定して前記表面の形状、特に表面粗さを非接触測定する方法において、前記表面からの散乱／反射光束を別の光学系によって光軸上の平行光束としてから光束分離光学系に導くことと、測定用レーザー光束の光強度を変化させて一方の光検出器からの出力信号又は両方の光検出器からの出力信号の和を基準に被測定物体の表面の反射率の変化を補償することを特徴とする物体表面形状測定方法。
【請求項２】
前記光束分離光学系として光学的に密度の異なる誘電体媒質間の境界面による偏向面を備えたプリズムを用い、前記別の光学系によって平行光束とされた前記散乱／反射光束を前記境界面に全反射角近傍の臨界角で入射させ、前記境界面での反射光束と前記境界面からの透過光束とを前記二つの光検出器で個々に光電検出することを特徴とする請求項１に記載の物体表面形状測定方法。
【請求項３】
前記光束分離光学系としてビームスプリッタとこれに後置された二つのプリズムを用い、前記別の光学系によって平行光束とされた前記散乱／反射光束を前記ビームスプリッタで分離して得た二つの光束をそれぞれ前記二つのプリズムにおいて順次二つのガラス／空気境界面にそれぞれ全反射角近傍の臨界角で個々に入射させ、これら二つずつのガラス／空気境界面で反射された二つの光束を前記二つの光検出器で個々に光電検出することを特徴とする請求項１に記載の物体表面形状測定方法。
【請求項４】
前記二つの光検出器のうちの一方の検出信号を測定用レーザー光束の強度の調整により一定値に保ちながら、他方の検出信号を測定出力として表示することを特徴とする請求項２又は３に記載の物体表面形状測定方法。
【請求項５】
前記二つの光検出器の検出信号強度の和を測定用レーザー光束の強度の調整により一定値に保ちながら、前記二つの光検出器の検出信号強度の差を測定出力として表示することを特徴とする請求項２又は３に記載の物体表面形状測定方法。
【請求項６】
被測定物体の表面からの距離を三角測量法により測定して前記表面の形状、特に表面粗さを非接触測定する装置であって、結像光学系を介して測定用レーザー光束を前記表面に照射して前記表面上に微小照射光点を形成する手段と、この照射光点における前記表面からの散乱／反射光束を各々の光軸方向を横断する面内でほぼ同等の光強度分布を有する二つの光束に分離する光束分離光学系と、これら二つの光束を個々に光電検出するフォトダイオードアレイによる光検出器とを備えた物体表面形状測定装置において、前記表面からの散乱／反射光束を光軸上の平行光束に変換してから前記光束分離光学系へ導くコリメータ光学系（６）と、測定用レーザー光束の光強度を変化させて一方の光検出器からの出力信号又は両方の光検出器からの出力信号の和を基準に被測定物体の表面の反射率の変化を補償する手段を備えたことを特徴とする物体表面形状測定装置。
【請求項７】
前記光束分離光学系として偏向プリズム(８)を備え、該プリズムの斜辺面に前記散乱／反射光束(５)が全反射角近傍の臨界角で入射されるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の物体表面形状測定装置。
【請求項８】
前記光束分離光学系としてビームスプリッタ(13)と該ビームスプリッタの各出射側に夫々配置された二組の複合プリズム(14, 15)および(16, 17)を備え、これら複合プリズムは、二つずつのプリズムからなると共に各プリズムの斜辺面に前記ビームスプリッタで分離された各光束が全反射角近傍の臨界角で入射され、しかも前記結像光学系に対する前記散乱／反射光束の入射角の変化により前記ビームスプリッタで分離された一方の光束の入射角が全反射角に近づいていく一方で他方の光束の入射角が全反射角から離れていくように配置され、前記複合プリズムの出射側には、前記ビームスプリッタで分離された各光束がそれぞれ前記各複合プリズム内で二回ずつ反射された後の光束を個々に光電変換するための各一個ずつのレンズ(18, 19)と各一個ずつの光検出器(20, 21)とが設けられていることを特徴とする請求項６に記載の物体表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被測定物体の表面からの距離を三角測量法により測定して前記表面の形状、特に表面粗さを高精度で非接触測定するための方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の高精度距離測定方法と装置は、例えばドイツ連邦共和国公開特許公報第 34 35 033号により知られている。この公知の方法では、シャイムプフルーク(Scheimpflug) の法則に従って光学系が配置されたときには、測定のために結像光学系の合焦をしなくても被測定物体の表面における高低すなわち距離の測定を実施することができる。これにより、特に光検出器上で光点を変位させる場合に測定精度を向上することができる。この光点はできるだけ小さく保たれる必要があるが、この場合、係る光点は光源光のエッジで生成され、このエッジは被測定表面に結像され、そこから光検出器に集束される。この場合、光源としてレーザーを使用すると、粗い表面の場合、特に光検出器に結像された光点中の多くのいわゆるスペックルによって測定値が強く雑音を受ける欠点がある。また、表面粗さの測定のためには照射光点の直径を数μｍと小さくする必要があるので測定光にはレーザー光を使用しなければならないが、スペックルに起因した雑音は被測定表面上の光点が小さければ小さいほど強く、他方では先鋭なエッジの形成は光点が小さいと制限されることになる。
【０００３】
また、ドイツ特許公報第 29 45 251号により、三角測量法で距離変化、従って表面の形状を極めて高精度に測定することができることも知られている。この場合、測定用レーザー光束は被測定表面に斜めに入射される。また被測定表面に垂直に配置された光学系により表面上の光点が位置検出能をもつ光検出器上に結像される。光検出器に結像された光点は被測定表面上の光点からの光軸方向の距離変化に比例して光検出器上で変位する。光検出器として差動検出形光電検出器やリニアイメージセンサまたはエリアイメージセンサを利用して、例えば電子的に光点の変位量、従って被測定表面からの距離の変化量が測定される。この方法の主な欠点は、レーザー光を用いて粗い表面を測定する場合に光点が多くのスペックルに分解される点にあり、この場合、やはり測定値が強い雑音の影響を受けることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
以上に述べた先行技術を前提に、本発明の課題は、三角測量法において測定値に対するレーザー雑音又はスペックル雑音を低減し、光点の直径がごく小さい場合でも距離変化を高精度で測定することができるような方法と装置を提供することにあり、特に、この種の測定によって被測定物体の表面粗さの測定を実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題を本発明は特許請求の範囲に明示した方法又は装置によって解決する。即ち、請求項１に記載の発明による物体表面形状測定方法では、結像光学系を介して測定用レーザー光束を被測定物体の表面に照射して前記表面上に微小照射光点を形成し、この照射光点における前記表面からの散乱／反射光束から光束分離光学系により各々の光軸方向を横断する面内でほぼ同等の光強度分布を有する二つの光束を取り出し、これら二つの光束を個々に光検出器で光電検出することにより三角測量法に従って前記表面上の照射光点からの距離を測定して前記表面の形状、特に表面粗さを非接触測定するに際して、前記表面からの散乱／反射光束は別の光学系によって光軸上の平行光束としてから光束分離光学系に導かれ、また測定用レーザー光束の光強度を変化させることにより一方の光検出器からの出力信号又は両方の光検出器からの出力信号の和を基準に被測定物体の表面の反射率の変化が補償される。
【０００６】
また請求項２に記載の発明による距離測定方法では、請求項１に記載の距離測定方法において、前記光束分離光学系として光学的に密度の異なる誘電体媒質間の境界面による偏向面を備えたプリズムが用いられ、前記別の光学系によって平行光束とされた前記散乱／反射光束は前記境界面に全反射角近傍の臨界角で入射され、前記境界面での反射光束と前記境界面からの透過光束とが前記二つの光検出器で個々に光電検出される。
【０００７】
また請求項３に記載の発明による距離測定方法では、請求項１に記載の距離測定方法において、前記光束分離光学系としてビームスプリッタとこれに後置された二つのプリズムが用いられ、前記別の光学系によって平行光束とされた前記散乱／反射光束を前記ビームスプリッタで分離して得た二つの光束がそれぞれ前記二つのプリズムにおいて順次二つのガラス／空気境界面にそれぞれ全反射角近傍の臨界角で個々に入射され、これら二つずつのガラス／空気境界面で反射された二つの光束が前記二つの光検出器で個々に光電検出される。
【０００８】
また請求項４に記載の発明による物体表面形状測定方法では、請求項２または３に記載の物体表面形状測定方法において、前記二つの光検出器のうちの一方の検出信号が測定用レーザー光束の強度の調整により一定値に保たれ、他方の検出信号が測定出力として表示される。
【０００９】
また請求項５に記載の発明による物体表面形状測定方法では、請求項２又は３に記載の物体表面形状測定方法において、前記二つの光検出器の検出信号強度の和が測定用レーザー光束の強度の調整により一定値に保たれ、前記二つの光検出器の検出信号強度の差が測定出力として表示される。
【００１０】
本発明は係る方法を実施するための装置も提供し、請求項６に記載の発明によれば、被測定物体の表面からの距離を三角測量法により測定して前記表面の形状、特に表面粗さを非接触測定する装置は、結像光学系を介して測定用レーザー光束を前記表面に照射して前記表面上に微小照射光点を形成する手段と、この照射光点における前記表面からの散乱／反射光束を各々の光軸方向を横断する面内でほぼ同等の光強度分布を有する二つの光束に分離する光束分離光学系と、これら二つの光束を個々に光電検出するフォトダイオードアレイによる光検出器とを備え、特に前述の課題を解決するために、前記表面からの散乱／反射光束を光軸上の平行光束に変換してから前記光束分離光学系へ導くコリメータ光学系（６）と、測定用レーザー光束の光強度を変化させて一方の光検出器からの出力信号又は両方の光検出器からの出力信号の和を基準に被測定物体の表面の反射率の変化を補償する手段を備えている。
【００１１】
また請求項７に記載の発明による物体表面形状測定装置では、請求項６に記載の物体表面形状測定装置において、前記光束分離光学系として偏向プリズム(８)を備え、該プリズムの斜辺面に前記散乱／反射光束(５)が全反射角近傍の臨界角で入射されるように配置されている。
【００１２】
更に、請求項８に記載の発明による距離測定装置では、請求項６に記載の距離測定装置において、前記光束分離光学系としてビームスプリッタ(13)と該ビームスプリッタの各出射側に夫々配置された二組の複合プリズム(14, 15)および(16, 17)を備え、これら複合プリズムは、二つずつのプリズムからなると共に各プリズムの斜辺面に前記ビームスプリッタで分離された各光束が全反射角近傍の臨界角で入射され、しかも前記結像光学系に対する前記散乱／反射光束の入射角の変化により前記ビームスプリッタで分離された一方の光束の入射角が全反射角に近づいていく一方で他方の光束の入射角が全反射角から離れていくように配置され、前記複合プリズムの出射側には、前記ビームスプリッタで分離された各光束がそれぞれ前記各複合プリズム内で二回ずつ反射された後の光束を個々に光電変換するための各一個ずつのレンズ(18, 19)と各一個ずつの光検出器(20, 21)とが設けられている。
【００１３】
【作用】
本発明では、結像光学系を介して測定用レーザー光束で照射された被測定物体の表面からの散乱／反射光束は、別の光学系（コリメータ光学系）で平行光束に集光されたのち、光検出器に集光結像する前に光束分離光学系により各々の光軸方向を横断する面内でほぼ同等の光強度分布を有する二つの光束に分離して取り出され、これら二つの光束がそれぞれ個々に光電検出される。本発明における光学系の配置においては、光束分離光学系から取り出される二つの光束間の強度比は、被測定表面からの散乱／反射光束の主光軸の向きに依存して変化することになる。従って、これら二つの光束の一方又は両方をフォトダイオード等による光検出器で検出して表面粗さの尺度として評価することができる。この場合、被測定物体の表面が粗面であることを念頭に置くとコヒーレント光であるレーザー光束で照射された該表面から散乱／反射してくる測定光束にはスペックルノイズが含まれているが、この測定光束をコリメータ光学系によって平行光束に変換してから光束分離光学系へ導くことにより、被測定物体の表面上の微小照射光点からみて光束分離光学系を介して光検出器が実質的に無限遠に位置することになり、光束分離光学系から光検出器までの光路における光束の拡散／集束が生じないので、その間における測定光束中のスペックル変化が抑制され、両方の光検出器にほぼ同等のノイズ成分を含む測定光束が入射されることになるから、信号処理によって最終的に得られる測定信号が測定光束中のスペックルノイズによる影響を受けにくい。
【００１４】
【実施例】
本発明の実施例を図面と共に詳しく説明すると、図１に示す実施例では、レーザダイオード１から射出された平行レーザ光束２は結像光学系３によって被測定試料表面４に照射される。勿論、この照射平行レーザ光束２と被測定試料の表面４との間の角度は選択的に調整されるものである。これによって表面４から生じた散乱／反射光束５はコリメータ６によりほぼ平行な光束７に変えられる。この光束７は次いで偏向プリズム８に入射し、この偏向プリズムにおいて各々の主光軸方向と直角な横断面内でほぼ同等の光強度分布を有する二つの光束９、10に分離される。光束７の主光軸方向に関して、偏向プリズム８の斜辺面への入射角は全反射角近傍の臨界角に設定されている。この場合、プリズム８の斜辺面がプリズム８を構成している誘電体媒質（ガラス）とプリズム８の周囲のより低密度の誘電体媒質（空気）との境界面を形成していることは述べるまでもない。かくして、両光束９、10のそれぞれ横断面にわたって合計した光強度同士の比は、単に入射角、即ち、表面４からの散乱／反射光を含む光束５の主光軸の向きだけに依存して変化することになる。偏向プリズム８の斜辺面を透過した光束９は第１光検出器11に送られ、また、反射された光束10は第２光検出器12に送られる。両光検出器11、12（これは例えば２個のフォトダイオードである。）からの電気信号は、一方のフォトダイオード11（又は12）の信号を例えばレーザダイオード１の光強度の調整で一定値に保ち、他方のフォトダイオード12（又は11）の信号を測定出力として表示に使用することができる。このようにして、表面４の反射率の変化を補償することができる。別の可能性として両フォトダイオードの信号強度の和を同様にレーザダイオード１の光強度の調整で一定に保ちながら両信号強度の差を測定出力として表示することもできる。これは、二つのフォトダイオード11と12を差動増幅器に接続することで実現可能であることは述べるまでもない。
【００１５】
図２に示す別の実施例では、実施例１と同様にレーザダイオード１からの平行レーザ光線２は結像光学系３により被測定試料表面４に照射され、表面４からの散乱／反射光束５はコリメータ６によりほぼ平行な光束７に変えられる。光束７はビームスプリッタ13によって２つのほぼ同等な光束に分離され、これら二光束はそれぞれ２個ずつのプリズムからなる複合プリズム（14、15）及び（16、17）の各斜辺面で２回ずつ内部全反射されて偏向される。プリズム14、15及び16、17の各斜辺面に対する光束の入射角は全反射角近傍の臨界角である。これらのプリズム14、15及び16、17は、光束７の角度（向き）が変化すると分離された一方の光束の入射角が全反射角に近づいていく一方で他方の光束の入射角が全反射角から離れていくように配置が調整されている。各２回反射した両光束は次にそれぞれレンズ18、19を介してフォトダイオードアレイ20、21に送られ、この場合、プリズム14、15及び16、17の各斜辺面における透過光束は本実施例の場合は利用されない。信号処理は実施例１と同様に行われる。各プリズムの組の配置調整により透過／反射曲線上の動作点の自由な選択が達成でき、これによって本方法の感度を最適に利用することが可能となる。
【００１６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、被測定表面からの散乱／反射光束の主放射方向成分のみを測定に利用するので、レーザー光束を利用していながら三角測量法において測定値に対するレーザー雑音又はスペックル雑音を低減することができ、照射光点の直径がごく小さい場合でも距離変化を高精度で測定することができ、従って被測定物体の表面粗さの測定を実現することができるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】入射角度に依存して光束を分離する偏向プリズムを用いた場合の本発明の第１実施例を示す光路図である。
【図２】ビームスプリッタとプッシュプル動作式の２個ずつの偏向プリズムとを用いた場合の本発明の第２実施例を示す光路図である。
【符号の説明】
１  レーザーダイオード
３  結像光学系
４  被測定表面
６  コリメータレンズ
８  偏向プリズム
11  光検出器
12  光検出器
13  ビームスプリッタ
14  偏向プリズム
15  偏向プリズム
16  偏向プリズム
17  偏向プリズム
18  レンズ
19  レンズ
20  フォトダイオードアレイ
21  フォトダイオードアレイ
【図１】
0004130236.tif 000002
【図２】
0004130236.tif 000003