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表面形状測定装置 コモンズ 新技術説明会

国内特許コード P100001345
整理番号 P09-033
掲載日 2010年12月13日
出願番号 特願2010-093669
公開番号 特開2011-226785
登録番号 特許第5569963号
出願日 平成22年4月15日(2010.4.15)
公開日 平成23年11月10日(2011.11.10)
登録日 平成26年7月4日(2014.7.4)
発明者
  • 小野 明
  • 谷田貝 豊彦
出願人
  • 国立大学法人宇都宮大学
発明の名称 表面形状測定装置 コモンズ 新技術説明会
発明の概要 【課題】可干渉距離を超える奥行きを持つ被測定体の表面形状を迅速に測定できる装置を提供する。
【解決手段】フォトカプラ13との間の光路長に差を設けられて配置される参照ミラー251、252、253、254、25Nを有する参照光生成部20を備える。参照ミラー251、252、253、254、…25Nは、この順に可干渉距離ΔZの光路長差を設けて配置されている。走査軸24を中心に走査ミラー23を揺動させることで、走査ミラー23による反射光を参照ミラー251、252、253、254、…25Nに順に照射することができる。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要



被測定体の3次元形状を光の波長以下の高精度で測定する方法に、干渉計がある。しかし、奥行き方向の測定範囲が波長の数倍程度と狭く、また、床面振動等の外乱振動に大きく影響を受ける等、操作性に難点があった。

この短所を補う方法として白色干渉法(OCT;Optical Coherence Tomography)が開発され広く使われている。現在使われている主なOCTにはタイムドメインOCT(Time Domain OCT)とフーリエドメインOCT(Fourier Domain OCT,あるいはスペクトラルドメインOCT(Spectral Domain OCT))がある。光の干渉を用いるOCTの測定精度は光の波長以下と、他の一般的な形状測定手法に比べて1桁以上高い。





タイムドメインOCTを例にその原理を簡単に説明する。図9(a)において光源101を出た広帯域な光はビームスプリッタ103で分割されて一方は被測定体105に、他方は参照ミラー107に向かう。それぞれに反射した光はビームスプリッタ103で結合されお互いに干渉しあう。干渉強度は検出器109で測定される。

光源101から出力される光は広帯域である。したがって、ビームスプリッタ103から参照ミラー107で反射された光(以下、参照光という)が検出器109に入るまでの参照光路長E1と、ビームスプリッタ103から被測定体105で反射された光(以下、物体光という)が検出器109に入るまでの物体光路長E2が等しいときに最も強く干渉する。一方、参照光路長E1と物体光路長E2の差が大きくなると急激に干渉縞のコントラストは低下する。





参照ミラー107を白抜き矢印で示す光軸方向に移動させることで参照光路長E1を調整できる。参照ミラー107を移動させながら検出器109で得られる干渉縞の例(干渉信号)を図12(b)に示すが、参照光路長E1と物体光路長E2が等しくなったとき(E1=E2)に干渉信号はピークを示す。したがって、干渉信号がピークを示すときの参照ミラー107の位置を読み取ることによって、ビームスプリッタ103から被測定体105上の物体光の照射点までの距離が求められる。この深さ方向の距離を得るための走査はA-scanと称されている。

被測定体105の表面上を物体光の照射点を走査して、それぞれの照射位置における干渉縞のコントラスト(干渉信号)がピークを示す参照ミラー107の位置を順次読み取っていくことで、被測定体105の表面形状を特定できる。この走査はB-scanと称されている。

しかし、物体光の照射点を移動させるたびに、参照ミラー107を移動させて干渉縞のコントラストのピークを求めるプロセス、つまりA-scanとB-scanの両者を行うためには多大な時間と計算が必要である。さらに、参照ミラー107を正確に移動させる機構と、その位置を精度良く測定する機構は高価で大型となる。





これに対してフーリエドメインOCTは、B-scanに対応する走査のみで3次元形状の測定を可能にする。ただし、フーリエドメインOCTであっても、ラインCCD等からなる検出器109上で参照光と物体光とが干渉する範囲(以下、本願発明においてこの範囲を可干渉距離と称する)内の範囲の奥行きを持つ被測定体ならば、参照ミラーを移動させることなく3次元形状を測定できるにすぎない。一般に、この可干渉距離は数mmであり、これを超える奥行きを有する表面形状を測定するためには、参照ミラーを移動させなければならないので、タイムドメインOCTと同様の課題が残る。

ここで、光干渉を用いる距離あるいは長さの測定では、参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させたときの干渉縞の強度変化の回数を数えて測定するため、測定器と被測定体の間の光路が瞬時でも遮られると、再度、起点から測定をやり直さなければならないので、操作性に多大な問題があった。このような背景に基づき、フーリエドメインOCTおいて高精度で操作性の良い測定器が強く望まれていた。参照ミラーを光軸に沿って起点から精度良く移動させる機構も高価で操作性を著しく阻害するものであった。





特許文献1には、被測定体に対し1ライン状に光を集光、照射することにより、CCDカメラのワンショットで深さ方向の情報に加え、被測定体の横(又は縦)方向の位置の情報も1度で得ることができるフーリエドメイン干渉形状測定装置が提案されている。

また、特許文献2には、参照ミラーが複数の参照面を有し、複数の参照面は、隣接する参照面の各々で生成される参照光間に光源から出力される光の波長に基づく微小測定間隔に対応した光路長差が生じるように配置される表面形状測定装置が提案されている。

産業上の利用分野



本発明は、被測定体面からの反射光と参照光とを干渉させて、得られる干渉光強度の変化から被測定体の表面形状を特定する表面形状測定装置に関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
検査光を出力する光源と、
前記光源から出力される前記検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第1分割光と、参照光生成部に照射される第2分割光と、に分割する光分割部と、
前記被測定体の表面で前記第1分割光が反射して得られる物体光と、前記参照光生成部で前記第2分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成する干渉光生成部と、
前記干渉光生成部によって生成された前記干渉光の強度を検出する検出部と、を備え、
前記参照光生成部は、
各々の光路の末端に光反射面を有し、前記光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第1生成部ないし第N生成部(N=2以上の整数)からなる複数の参照光生成部を備え、
前記第1生成部から前記第N生成部にかけての前記光路長の差ΔDの総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されており、
前記光路長の差ΔDが、前記可干渉距離ΔZであり、
前記第1生成部から前記第N生成部に向けて、前記光路長の差ΔDが前記ΔZずつ増えるように前記第1生成部ないし前記第N生成部が順に配置され、かつ、
前記参照光生成部は、
前記第1生成部ないし前記第N生成部の各々の前記光反射面に対応して配置される、第1参照ミラーないし第N参照ミラーと、
前記第2分割光を反射させて、前記第1参照ミラーないし前記第N参照ミラーに向けて照射する第1走査ミラーと、を備える
ことを特徴とする表面形状測定装置。

【請求項2】
前記第1走査ミラーは、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置され、
前記第1参照ミラーないし前記第N参照ミラーは、前記走査軸を中心とする円弧上に、前記第1参照ミラーから前記第N参照ミラーの順に光路長の差ΔDを設けて配置され、
前記走査ミラーは、前記第1参照ミラーないし前記第N参照ミラーの順に、前記第2分割光を照射するように駆動される、
請求項に記載の表面形状測定装置。

【請求項3】
検査光を出力する光源と、
前記光源から出力される前記検査光を、被測定体の表面の測定位置に照射される第1分割光と、参照光生成部に照射される第2分割光と、に分割する光分割部と、
前記被測定体の表面で前記第1分割光が反射して得られる物体光と、前記参照光生成部で前記第2分割光が反射して得られる参照光と、を干渉させて干渉光を生成する干渉光生成部と、
前記干渉光生成部によって生成された前記干渉光の強度を検出する検出部と、を備え、
前記参照光生成部は、
各々の光路の末端に光反射面を有し、前記光分割部との間の光路長に差を設けられて配置される第1生成部ないし第N生成部(N=2以上の整数)からなる複数の参照光生成部を備え、
前記第1生成部から前記第N生成部にかけての前記光路長の差ΔDの総和が、可干渉距離ΔZの2倍以上に設定されており、
前記光路長の差ΔDが、前記可干渉距離ΔZであり、
前記第1生成部から前記第N生成部に向けて、前記光路長の差ΔDが前記ΔZずつ増えるように前記第1生成部ないし前記第N生成部が順に配置され、かつ、
前記参照光生成部は、
前記第1生成部ないし前記第N生成部の各々の前記光反射面に向けて前記第2分割光を導く、第1光ファイバないし第N光ファイバと、
前記第2分割光を反射させて、前記第1光ファイバないし前記第N光ファイバに向けて照射させる第2走査ミラーと、を備える
ことを特徴とする表面形状測定装置。

【請求項4】
前記第2走査ミラーは、その光反射面と平行な方向の走査軸を中心に回転可能に配置され、
前記第1光ファイバないし前記第N光ファイバの順に、前記第2分割光を照射するように駆動される、
請求項に記載の表面形状測定装置。
産業区分
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2010093669thum.jpg
出願権利状態 登録
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