专利名称：光干涉测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光干涉测量装置。
背景技术：
传统已知诸如三维形状测量装置等光干涉测量装置。三维形状测量装置例如通过使用由光的干涉产生的干涉条纹的辉度信息精确地测量测量对象的三维形状。在该光干涉测量装置中，广泛公知使用宽带光(broad band light)(白光等)作为光源的技术(例如参见日本特开2003-148921号公报)。图9A和图9B示出通过使用宽带光作为光源获得的干涉条纹的示例。图9A示出各波长的干涉条纹的辉度，图9B示出合成的干涉条纹的辉度。如图9A和图9B所示，当宽带光被用作光源时，各波长的干涉条纹的辉度的峰值互相重叠并且重叠的干涉条纹的辉度在聚焦位置变得较大。然而，距聚焦位置越远，各波长的干涉条纹的最大辉度位置彼此偏离越远并且合成的干涉条纹的辉度的幅值逐渐变小。因此，光干涉测量装置可以通过检测视域内的各个位置处峰值辉度位置由此测量例如测量对象的三维形状。用于这样的光干涉测量装置的干涉物镜主要包括根据干涉物镜的放大倍率而使用的Michelson型透镜和Mirau型透镜。通常，Michelson型透镜被用于低放大倍率的干涉物镜，而Mirau型透镜被用于高放大倍率的干涉物镜。图10是示出使用Mirau型干涉物镜时的基本构造的示意图。如图10所示，在使用Mirau型干涉物镜的情况下，从干涉物镜发出的光的光路被分束器(beam splitter)分成参照光路(图中由虚线表示)和测量光路(图中由实线表示)，该参照光路中包括参照镜，该测量光路包括配置于其中的测量对象。此后，来自参照镜的反射光(参照光)和来自测量对象的反射光(对象光)被合成。在聚焦位置，即，当参照光路的光路长度与测量光路的光路长度彼此相等时，这里如图11所示，参照光和对象光变成具有彼此相同的相位的光波。因此，参照光的光波和对象光的光波在聚焦位置彼此加强并且变成如图IlB所示的干涉波。这样的光学系统中的实际干涉条纹的样子如图IlC所示。在图IlC中，在聚焦位置看到明亮的0次(zero-order)干涉条纹，在聚焦位置的周围看到明亮的1次 (first-order)干涉条纹。

发明内容
然而，当利用上述的这种光干涉测量装置测量图12所示的在视域中具有诸如具有高反射率的部分(高反射率部分)和具有低反射率的部分(低反射率部分)等不同反射率部分的对象时，用于测量视域中的各部分的所需的光量彼此不同。图13A示出当基于高反射率部分调整光量时获得的干涉条纹的对照的示例，图 1 示出当根据低反射率部分调整光量时获得的干涉条纹的对照的示例。这里，在图13A和图13B中，高反射率部分中的干涉条纹以实线示出，低反射率部分中的干涉条纹以虚线示
出ο如图13A所示，当基于高反射率部分调整光量时，低反射率部分中的干涉条纹的辉度变低，且难以检测到该干涉条纹的最大辉度位置。另外，如图1 所示，当基于低反射率部分调整光量时，高反射率部分的辉度可能会超过摄像装置的容限(tolerance)导致摄像装置中的饱和。因此，当要测量具有不同的反射率部分的测量对象时，传统上存在如下问题需要通过使用不同的光量对测量对象进行两次测量并且之后合成数据的处理，导致处理能力 (throughput)降低。本发明的一个目的是提供一种即使在测量包括不同反射率的部分的测量对象时也能使用户容易地进行测量的光干涉测量装置。为了解决该问题，根据本发明的光干涉测量装置包括光源，其输出宽带光；物镜部，其将从所述光源输出的所述宽带光的光路分成包括参照镜的参照光路和包括测量对象的测量光路，并且所述物镜部输出被所述参照镜反射的参照光和被所述测量对象反射的对象光的合成波；光路长度改变部，其改变所述参照光路的光路长度或者改变所述测量光路的光路长度；以及摄像部，其形成从所述物镜部输出的所述合成波的干涉图像数据；其中，所述物镜部包括相位差控制构件，其控制所述参照光与所述对象光之间的相位差，以在所述参照光路和所述测量光路之间的光路差为零的位置处产生相消干涉条纹，及最小辉度位置检测部，其基于由所述摄像部形成的所述干涉图像数据而检测所述相消干涉条纹的最小辉度位置。此外，在根据本发明的光干涉测量装置中，优选地，所述相位差控制构件是包括介电多层膜的薄膜。此外，在根据本发明的光干涉测量装置中，优选地，金属膜被层叠在所述介电多层膜上。此外，在根据本发明的光干涉测量装置中，优选地，所述物镜部包括将从所述光源输出的所述宽带光的所述光路分成所述参照光路和所述测量光路的分束器；所述相位差控制构件被附设到所述分束器；通过所述测量光路的光两次透射过所述相位差控制构件，透射光的相位由此被反转 180° 。此外，在根据本发明的光干涉测量装置中，优选地，在所述物镜部中，所述相位差控制构件被布置在所述参照镜的反射面侧；且所述参照光透射过所述相位差控制构件的次数比所述对象光透射过所述相位差控制构件的次数多两次，所述光的相位由此被反转180°。根据本发明，在光路差为零的位置处产生相消干涉条纹，且检测相消干涉条纹的最小辉度位置。由于检测到的相消干涉条纹的最小辉度位置不会招致任何饱和，所以，即使测量对象包括高反射率部分和低反射率部分时，也能够一次就检测到最小辉度位置。因此，即使在测量包括不同的反射率部分的测量对象的情况下，也可以容易地进行测量。


通过下面的附图和详细的描述，将更充分地理解本发明，但是这些仅用于说明，并不用于限制本发明的范围，在附图中图1是示出作为第一实施方式的光干涉测量装置的三维形状测量装置的整体构造的示意图；图2是示出图1的三维形状测量装置的物镜部的构造的主要部分的放大图；图3是示出图1的三维形状测量装置的控制构造的框图；图4A是示出参照光的光波和对象光的光波的图；图4B是示出参照光和对象光的干涉的图；图4C是示出实际干涉条纹的示例的图；图5是示出通过图1的三维形状测量装置获得的干涉条纹的对照的图；图6是示出第一变型的三维形状测量装置的物镜部的构造的主要部分的放大图；图7是示出第二变型的三维形状测量装置的物镜部的构造的主要部分的放大图；图8是示出第二实施方式的三维形状测量装置的物镜部的构造的示意图；图9A和图9B是用于描述通过白光产生的干涉条纹的发生原理的图；图10是示出Mirau型干涉物镜的基本构造的示意图；图IlA是示出由传统的装置产生的参照光的光波和对象光的光波的图；图IlB是示出由传统的装置产生的参照光和对象光的干涉的图；图IlC是示出由传统的装置产生的实际干涉条纹的示例的图；图12是示出包括不同反射率部分的测量对象的测量的示意图；图13A是示出在基于高反射率部分调整光量的情况下由传统的装置获得的干涉条纹的对照的示例的图1 是示出在基于低反射率部分调整光量的情况下由传统的装置获得的干涉条纹的对照的示例的图。
具体实施例方式下面，将参照附图详细说明作为根据本发明的光干涉测量装置的三维形状测量装置(下文中称为形状测量装置)。(第一实施方式)本实施方式的形状测量装置1使用Mirau型光学头(optical head)。如图1所示，形状测量装置1包括光射出部10、光学头部20、物镜部30、成像透镜 41、摄像部40、驱动机构部50、显示部60、控制部70以及用于载置测量对象(被测量部)W 的台S。光射出部10包括输出宽带光的光源，该宽带光包括宽带范围的多个波长成分，宽带光具有低相干性。至于光源，例如，可以使用诸如卤素灯或发光二极管等白光光源。
光学头部20包括分束器21和准直透镜(collimato rlens) 22。从光射出部10射出的光经由准直透镜22被准直，且准直光从与物镜部30的光轴L正交的方向照射到分束器21。被分束器21反射的准直光沿着光轴L向下射出，且该准直光从上方照射到物镜部 30。如图2所示，物镜部30在同一光轴L上从上部开始顺次包括物镜31、具有参照镜 32的玻璃板33、具有相位差控制构件34的分束器35以及上面载置有分束器35的玻璃板 36。测量对象W被载置在物镜部30下方的台S上。这里，将假定准直光已经经由光学头部20从物镜部30的上部进入物镜31，来使用图2说明干涉操作。这里，将使用沿着图2中的箭头的光路来给出说明，然而，实际的干涉相对于光轴L旋转对称地发生。进入物镜31的入射光在物镜31中变成会聚光，而进入上面具有相位差控制构件 34的分束器35。这里，进入分束器35的会聚光的光路被分成参照光路(图2中以虚线示出)和测量光路(图2中以实线示出)，其中，参照光路中具有参照镜32，被分束器35反射的光在参照光路中行进，测量光路具有配置在其中的测量对象W，穿过分束器35的光在测量光路中行进。被分束器35反射的反射光会聚以被参照镜32反射，然后，被参照镜32反射的反射光再次被上面具有相位差控制构件34的分束器35反射。另一方面，透过分束器35的透射光会聚以照射测量对象W的一个点，并在该点处被反射以再次进入并透过上面具有相位差控制构件34的分束器35。这里，反射自参照镜32的反射光(参照光)和反射自测量对象W的反射光(对象光)被上面具有相位差控制构件34的分束器35合成以形成合成波。合成波在物镜31中变成平行光束以(向上)行进到上部(图1中以点划线来表示)并进入成像透镜41。当参照光路(光路1+光路2)的光路长度与测量光路(光路3+ 光路4)的光路长度彼此相等时，产生干涉条纹。此后，合成波在成像透镜41中会聚以进入摄像部40，然后在摄像部40聚焦，且摄像部形成干涉图像数据。干涉图像数据被输入控制部70并且对该干涉图像数据进行预定的图像处理。在这样的物镜部30中，如上所述，分束器35包括其上的相位差控制构件34。相位差控制构件34是含有TW2介电多层膜的薄膜或类似物，并且将透射过相位差控制构件34的光的相位移位90°。在该实施方式中，相位差控制构件34被附设到分束器35。因此，经过测量光路的对象光两次透过相位差控制构件；34并且对象光的相位被反转180°。因此，如图4A到图4C所示，参照光和对象光均变成在聚焦位置具有彼此相反相位的光波，由于光波互相削弱，所以产生相消干涉(destructive interference)条纹。这里， “聚焦位置”表示参照光路的光路长度与测量光路的光路长度彼此相等的位置，即，参照光路和测量光路之间的光路差为零的位置(光路差为零的位置)。如上所述，相位差控制构件34具有控制参照光和对象光之间的相位差以在物镜部30中的光路差为零的位置产生相消干涉条纹的功能。摄像部40是由用于构造摄像部的两维摄像装置构成的电荷耦合器件(CXD)相机等。摄像部40形成从物镜部30输出的(参照光和对象光的)合成波的干涉图像数据。
由摄像部40形成的干涉图像数据作为电信号被输入到控制部70中，并且对该图像数据进行预定图像处理。此后，干涉图像被显示在显示部60上。驱动机构部50依照来自控制部70的移动指令沿光轴L的方向移动光学头部20。物镜部30与光学头部20 —起沿光轴L的方向移动，且将物镜31的聚焦位置设定在测量对象W的表面上的预定位置。这里，光路长度之间的差在图2中的Cl1 = d2的位置处变为零。距离Cl1表示从上面具有相位差控制构件34的分束器35到参照镜32的距离，距离d2表示从上面具有相位差控制构件34的分束器35到测量对象W的表面位置的距离。因此，驱动机构部50在测量时沿光轴L的方向移动光学头部20和物镜部30使得光路长度之间的差可以为零W1 = d2)，以调整距离d2。在上述内容中，尽管以示例的方式说明了移动光学头部20和物镜部30的情况，但是，也可以采用通过移动台S来调整距离d2的构造。另外，还可以采用改变从分束器35到参照镜32的距离(I1的构造。如上所述，驱动机构部50作为光路长度改变部改变参照光路的光路长度或测量光路的光路长度。显示部60例如是安装在个人电脑等上的监视器，且显示被输入到控制部70中并且被进行了预定图像处理等的干涉图像的图像数据。如图3所示，控制部70包括中央处理器(CPU) 71、随机存取存储器(RAM) 72、储存部73等。 CPU 71依照例如储存在储存部73中的各种处理程序进行各种控制处理。RAM 72形成工作存储区域，用于储存通过CPU 71执行算术处理的数据。例如，储存部73储存能够被CPU 71执行的系统程序、能够被系统程序执行的各种处理程序、执行各种处理程序时使用的数据以及由CPU 71对数据执行的算术处理所获得的各种处理结果的数据。顺便提及，程序以能够被计算机读取的程序代码的形式储存在储存部73中。具体地，储存部73例如储存图像数据储存部731和最小辉度位置检测程序732。图像数据储存部731将由摄像部40形成的干涉图像的图像数据储存为多个帧。这里，储存在图像数据储存部731中的图像数据在基于事先建立的校正表等适当地校正了该图像数据的干涉强度值等之后被储存，以排除例如摄像部40的灵敏特性等的影响。最小辉度位置检测程序732是例如用于使得CPU 71能够基于由摄像部40形成的干涉图像数据实现检测在光路差为零的位置处产生的相消干涉条纹的最小辉度位置功能的程序。具体地，当干涉条纹产生时，CPU 71将干涉条纹的强度变化表现出最小强度的位置检测为光路差为零的位置。CPU 71通过执行上述的最小辉度位置检测程序732而起到作为最小辉度位置检测部的功能。接着，将详细说明本实施方式的形状测量装置1的最小辉度位置检测处理。首先，将测量对象W安放在台S上；通过驱动机构部50调整测量对象W和物镜部
730之间的距离；并且基于上述原理，通过感知产生的干涉条纹而检测物镜的聚焦位置。分束器35包括在形状测量装置1中将透射光的相位移位90°的相位差控制构件 34。因此，如图4A所示，在参照光路和测量光路的光路长度彼此相等的聚焦位置，对象光的相位相对于参照光的相位移位180°。这样，因为参照光和对象光的相位彼此移位180°， 所以参照光的光波和对象光的光波彼此削弱，且参照光和对象光的合成波变成如图4B所示的相消干涉波。图4C示出该光学系统中的实际干涉条纹的状态。在图4C中，在聚焦位置观察到 0次相消干涉条纹，并且在该聚焦位置的周边观察到1次相消干涉条纹。这里将考察测量包括不同反射率的部分的测量对象的测量情况。图5示出使用形状测量装置基于低反射率部分通过调整本实施方式的形状测量装置1的光量而获得的干涉条纹的对照的示例。这里，在图5中，高反射率部分的干涉条纹由实线示出，低反射率部分的干涉条纹由虚线示出。如图5所示，当将形状测量装置1的光量调整到低反射率部分的光量时，高反射率部分中的干涉条纹的某些部分的辉度超过摄像装置的容限导致其饱和。然而，在要被检测的暗部的最小辉度位置处不招致饱和。因此，发现，能够检测高反射率部分和低反射率部分两者。S卩，当条纹的亮位置和暗位置反转时，甚至能够测量具有不同的反射率部分的测
量对象。如上所述，本实施方式的形状测量装置1在光路差为零的位置处产生相消干涉条纹，并且检测该相消干涉条纹的最小辉度位置。由于在要被检测的相消干涉条纹的最小辉度位置处不招致饱和，所以即使在包括高反射率部分和低反射率部分的测量对象中，也能够一次检测到最小辉度位置。因此，即使当测量包括反射率彼此不同的部分的测量对象时，该测量对象也能够被容易地测量。另外，本实施方式的形状测量装置1的相位差控制构件34是包含介电多层膜的薄膜。仅通过将包含介电多层膜的薄膜附设到分束器35，就能够在光路差为零的位置处产生相消干涉条纹。因此，容易安装该形状测量装置1。还有，本实施方式的形状测量装置1的物镜部30包括分束器35，该分束器35将从光射出部10输出的宽带光的光路分成参照光路和测量光路。而且，形状测量装置1的相位差控制构件34被附设到分束器35，且通过两次透射过相位差控制构件34，穿过测量光路的对象光的相位适于被反转180°。仅通过将相位差控制构件34附设到分束器35就能够在光路差为零的位置产生相消干涉条纹。因此，容易安装形状测量装置1。(第一变型)如图6所示，第一变型的物镜部30A的基本构造与第一实施方式的物镜部的基本构造类似，然而，物镜部30A包括相位差控制构件34A。该相位差控制构件34包括层叠在介电多层膜上的金属膜。在物镜部30A处，通过相位差控制构件34A可以使参照光和对象光的偏振状态一致，且可以由此增强干涉条纹的对比。
因此，第一变型必然可以获得与第一实施方式类似的优点，而且，由于在第一变型中可以使干涉条纹的较暗部更暗，所以第一变型能够进行更精确的测量。(第二变型)如图7所示，第二变型的物镜部30B的基本构造与第一实施方式的物镜部的基本构造类似，然而，物镜部30B包括相位差控制构件34B，相位差控制构件34B设置在参照镜 32所在的一侧。具体地，在物镜部30B中，参照镜32被设置为搭载在玻璃板33的上表面上；相位差控制构件34B被设置在玻璃板33的下表面；且通过两次透射过相位差控制构件34B，参照光的相位被反转180°。当参照光路的光路长度与测量光路的光路长度彼此相等时，参照光的相位相对于对象光的相位移位180°，反之亦然。即，由于参照光两次透射过配备有介电多层膜的玻璃板33，其中配备有介电多层膜的玻璃板33使得相位在光的一次透过中移位90°，所以参照光的相位相对于对象光的相位总共移位180°。因此，由于参照光的相位与对象光的相位相对于彼此移位180°，所以参照光与对象光的合成波在聚焦位置处的变成相消干涉波。顺便提及，这里使用的相位差控制构件34B当然能够采用第一变型中所示的在介电多层膜上层叠金属膜的构造。(第二实施方式)下面将说明本发明的第二实施方式。第二实施方式的形状测量装置(未示出)包括物镜部80，该物镜部80是Micheson 型干涉物镜。如图8所示，物镜部8包括物镜81、棱镜82和参照镜83。在物镜部80中，当准直光从上方进入物镜81时，入射光被物镜81会聚成会聚光， 且该会聚光进入棱镜82中的反射面821。这里，该入射光分成参照光和对象光，参照光被反射面821反射，对象光透射过反射面821。参照光在参照光路(图中以虚线表示)中行进， 参照光路中包括参照镜83。对象光在测量光路(图中以实线表示)中行进，测量光路中包括测量对象W。参照光会聚以被参照镜83反射，并且进一步被棱镜82的反射面821反射。另一方面，对象光会聚以被测量对象W反射，并透射过棱镜82的反射面821。参照光和对象光被棱镜82的反射面821合成为干涉波。这里，在棱镜82的反射面821上形成相位差控制构件84。因此，由于对象光两次穿过相位差控制构件84，所以对象光的相位被反转180°。 结果，参照光和对象光能够在光路差为零的位置产生相消干涉条纹。这里，可以将相位差控制构件84设置在参照镜83上，或设置在棱镜82的与测量对象W相对的表面822上。另外，相位差控制构件可以是第一实施方式中所示的介电多层膜，或者可以是第一变型中示出的由介电多层膜和金属膜形成的层叠体。尽管以使透过相位差控制构件的光的相位移位90°的相位差控制构件为例说明了第一实施方式、第二实施方式以及第一变型、第二变型，但是，只要能够控制参照光和对象光之间的相位差以在光路差为零的位置产生相消干涉条纹，任何构造都可以被包括在本发明的范围内。例如，可以采用这样的构造用于使透射光反转90°的构件被设置在参照镜上；或者可以采用这样的构造设置两个均使透射光反转45°的构件且光透射过各构件两次，从而被反转180°。 尽管已经示出并说明了多种示例性实施方式，但是本发明并不限于示出的实施方式。因此，本发明的范围仅由所附的权利要求书限定。
权利要求
1.一种光干涉测量装置，其包括光源，其输出宽带光；物镜部，其将从所述光源输出的所述宽带光的光路分成包括参照镜的参照光路和包括测量对象的测量光路，并且所述物镜部输出被所述参照镜反射的参照光和被所述测量对象反射的对象光的合成波；光路长度改变部，其改变所述参照光路的光路长度或者改变所述测量光路的光路长度；以及摄像部，其形成从所述物镜部输出的所述合成波的干涉图像数据；其中，所述物镜部包括相位差控制构件，其控制所述参照光与所述对象光之间的相位差，以在所述参照光路和所述测量光路之间的光路差为零的位置处产生相消干涉条纹，及最小辉度位置检测部，其基于由所述摄像部形成的所述干涉图像数据而检测所述相消干涉条纹的最小辉度位置。
2.根据权利要求1所述的光干涉测量装置，其特征在于，所述相位差控制构件是包括介电多层膜的薄膜。
3.根据权利要求2所述的光干涉测量装置，其特征在于，金属膜被层叠在所述介电多层膜上。
4.根据权利要求1所述的光干涉测量装置，其特征在于，所述物镜部包括将从所述光源输出的所述宽带光的所述光路分成所述参照光路和所述测量光路的分束器；所述相位差控制构件被附设到所述分束器；通过所述测量光路的光两次透射过所述相位差控制构件，透射光的相位由此被反转 180°。
5.根据权利要求1所述的光干涉测量装置，其特征在于，在所述物镜部中，所述相位差控制构件被布置在所述参照镜的反射面侧；且所述参照光透射过所述相位差控制构件的次数比所述对象光透射过所述相位差控制构件的次数多两次，所述光的相位由此被反转180°。
全文摘要
一种光干涉测量装置，其包括宽带光的光源；物镜部，其将宽带光的光路分成包括参照镜的参照光路和包括测量对象的测量光路，并且物镜部输出两个分支光的合成波；以及光路长度改变部，其改变参照光路的光路长度或改变测量光路的光路长度；其中，物镜部包括控制参照光和对象光之间的相位差以产生相消干涉条纹的相位差控制构件以及检测相消干涉条纹的最小辉度位置的最小辉度位置检测部。
文档编号G01B11/24GK102192714SQ201110057679
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月10日 优先权日2010年3月12日
发明者久保光司, 宫仓常太, 浅野秀光, 长滨龙也 申请人:株式会社三丰