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JPH0695004B2 - Three-dimensional shape measuring device - Google Patents
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JPH0695004B2 - Three-dimensional shape measuring device - Google Patents

Three-dimensional shape measuring device

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Publication number
JPH0695004B2
JPH0695004B2 JP61073702A JP7370286A JPH0695004B2 JP H0695004 B2 JPH0695004 B2 JP H0695004B2 JP 61073702 A JP61073702 A JP 61073702A JP 7370286 A JP7370286 A JP 7370286A JP H0695004 B2 JPH0695004 B2 JP H0695004B2
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JP
Japan
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measurement
light
phase delay
distance
wavelength
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JP61073702A
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敏嗣 植田
英治 荻田
克己 磯崎
克哉 池澤
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光の干渉を利用して、物体の表面形状等を測
定する3次元形状測定装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus that measures the surface shape of an object by utilizing light interference.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、この種の測定装置に使用される光の干渉を利用し
た測長部は、インクリメンタル形と呼ばれるもので、測
定対象面の変位量(干渉縞の変位)に応じて得られるパ
ルス信号を積算カウントして、この測定対象面までの距
離を求めるようにしたものである。このため、測定対象
面上に段差の如き不連続な部分があった場合には、積算
入力が跡絶え、測定ができなくなってしまう。また、測
長動作中に電源が遮断されると、再度電源が投入されて
も、それまでの測定量がリセットされてしまい、その後
の測定値が全く無意味なものになってしまう。
Conventionally, the length measuring unit that uses the interference of light used in this type of measuring device is called an incremental type, and integrates the pulse signal obtained according to the amount of displacement (interference fringe displacement) of the measurement target surface. The distance is counted to obtain the distance to the measurement target surface. Therefore, if there is a discontinuous portion such as a step on the surface to be measured, the integrated input will be cut off and measurement will not be possible. Further, if the power is cut off during the length measurement operation, even if the power is turned on again, the measured amount up to that point is reset, and the measured value after that becomes completely meaningless.

このような問題点を解決するために、本願出願人はすで
に、特願昭60−277381号として、測定対象面上に不連続
な部分があった場合にも、正確な測定を続けることので
きる3次元形状測定装置を提案している。これは、マイ
ケルソンの干渉光学系を利用した測長部において、少な
くとも2つ以上の波長の異なる光を切り換えて、測定対
象面までの距離に応じた光の位相遅れ量を順次測定する
とともに、これらの波長と位相遅れ量との関係から前記
測定対象面までの距離を求めるようにしたものである。
In order to solve such a problem, the applicant of the present application has already been able to continue accurate measurement even when there is a discontinuous portion on the measurement target surface as Japanese Patent Application No. 60-277381. A three-dimensional shape measuring device is proposed. This is because, in the length measurement unit using Michelson's interference optical system, at least two or more lights having different wavelengths are switched to sequentially measure the phase delay amount of light according to the distance to the measurement target surface, The distance to the measurement surface is obtained from the relationship between the wavelength and the phase delay amount.

第2図はこの3次元形状測定装置の構成を示すものであ
る。図において、LZ1は波長の異なる複数のコヒーレン
トな光を選択的に発生するレーザ光源、AOM1は光の位相
遅れ量をヘテロダイン検出するために参照側の光を周波
数シフトする音響光学変調器(以下、AO変調器と略記す
る)、OSCはAO変調器AOM1を一定周波数fbで駆動する変
調信号源、P2,P3はλ/4板、P4は偏光板、BS2〜BS4はビ
ームスプリッタ、MR2はミラー、D1はフォトディテク
タ、PD1はフォトディテクタD1の出力に含まれる位相遅
れ量を検出する位相検出回路、CON2は測定に使用された
光の波長とその時の位相遅れ量との関係から、測定対象
面OBJまでの距離を求める演算回路、D3,D4は後述する補
正動作に使用される4分割ディテクタ、SLは円筒状のシ
リンドリカルレンズ、LEは測定光を収束し、被測定物OB
J(以下、測定対象面OBJという)に照射する対物レンズ
である。レーザ光源LZ1は例えば一定波長の光源と波長
を任意の量だけシフトさせる波長シフタにより構成さ
れ、任意の波長の光を順次発生するものである。
FIG. 2 shows the configuration of this three-dimensional shape measuring apparatus. In the figure, LZ1 is a laser light source that selectively generates a plurality of coherent lights with different wavelengths, AOM1 is an acousto-optic modulator that frequency shifts the light on the reference side in order to heterodyne detect the phase delay amount of the light (hereinafter, OSC is a modulation signal source that drives the AO modulator AOM1 at a constant frequency fb, P2 and P3 are λ / 4 plates, P4 is a polarizing plate, BS2 to BS4 are beam splitters, MR2 is a mirror, D1 is a photodetector, PD1 is a phase detection circuit that detects the amount of phase delay included in the output of the photodetector D1, and CON2 is the relationship between the wavelength of the light used for measurement and the amount of phase delay at that time, up to the measurement target surface OBJ. An arithmetic circuit for obtaining the distance, D3 and D4 are 4-division detectors used for the correction operation described later, SL is a cylindrical cylindrical lens, LE is for converging the measurement light, and the object to be measured OB
It is an objective lens that irradiates J (hereinafter referred to as the measurement target surface OBJ). The laser light source LZ1 is composed of, for example, a light source having a fixed wavelength and a wavelength shifter that shifts the wavelength by an arbitrary amount, and sequentially generates light having an arbitrary wavelength.

また、DR1は4分割ディテクタD3,D4の出力に応じて対物
レンズLEをX,Y,Z方向に移動させるレンズ駆動部、DR2は
測定対象面OBJ(被測定物)をX,Y方向に移動させる被測
定物駆動部、MN1,MN2は対物レンズLEおよび被測定物(O
BJ)におけるX,Y方向の移動量をモニタする移動量モニ
タ、CON1は移動量モニタMN1,MN2の出力から測定対象面O
BJ上の測定点の位置を算出する演算回路である。
DR1 is a lens driving unit that moves the objective lens LE in X, Y, and Z directions according to the outputs of the four-division detectors D3 and D4, and DR2 is a measurement target surface OBJ (measurement object) that is moved in X and Y directions. The measured object drive unit, MN1 and MN2, are the objective lens LE and the measured object (O
BJ) is a movement amount monitor that monitors the movement amount in the X and Y directions. CON1 is the output of movement amount monitors MN1 and MN2, and the measured surface O
This is an arithmetic circuit that calculates the position of the measurement point on the BJ.

さて、上記のように構成された3次元形状測定装置にお
いては、レーザ光源LZ1から出射された光を測定対象面O
BJを含む干渉光学系に入射させるとともに、干渉光学系
を介してもどって来た光を受け、その波長と位相遅れ量
との関係から測定対象面OBJとの間隔、すなわち、Z軸
方向(光軸方向)の距離を測定するようにしている。こ
のため、干渉光学系において、照射光と反射光の光軸が
一致するように、測定対象面OBJに対する光軸の傾きや
焦点位置を補正する必要がある。
Now, in the three-dimensional shape measuring apparatus configured as described above, the light emitted from the laser light source LZ1 is used as the measurement target surface O
The light is made incident on the interference optical system including BJ, and the light returned through the interference optical system is received. From the relationship between the wavelength and the phase delay amount, the distance from the measurement target surface OBJ, that is, the Z-axis direction (light The distance is measured in the axial direction. Therefore, in the interference optical system, it is necessary to correct the tilt of the optical axis with respect to the measurement target surface OBJ and the focus position so that the optical axes of the irradiation light and the reflected light match.

ここでは、まず、その補正機構について説明する。い
ま、第3図(a)に示す如く、測定対象面OBJがθだけ
傾いていたとすると、反射光は2θ傾き、4分割ディテ
クタD3に入射する反射ビームの位置はその中心から2Fsi
nθ(Fは対物レンズLEの焦点距離)だけ変位する。こ
の変位を4分割ディテクタD3で検出するとともに、レン
ズ駆動部DR1を介して対物レンズLEをXまたはY方向に
移動させ、反射光の位置を4分割ディテクタD3の中心に
合わせるようにすると、第3図(b)に示す如く、測定
光の光軸を測定対象面OBJに対して垂直とすることがで
きる。
Here, first, the correction mechanism will be described. As shown in FIG. 3 (a), if the measurement target surface OBJ is inclined by θ, the reflected light is inclined by 2θ and the position of the reflected beam incident on the 4-division detector D3 is 2Fsi from the center.
It is displaced by nθ (F is the focal length of the objective lens LE). When this displacement is detected by the 4-division detector D3 and the objective lens LE is moved in the X or Y direction via the lens driving unit DR1, the position of the reflected light is adjusted to the center of the 4-division detector D3. As shown in FIG. 6B, the optical axis of the measurement light can be made perpendicular to the measurement target surface OBJ.

一方、焦点が測定対象面OBJ上にない場合には、反射光
は平行光には戻らない。そこで、反射光の一部をシリン
ドリカルレンズSLを介して、やはり4分割ディテクタD4
に受光させると、反射光は惰円のスポットとなって4分
割ディテクタD4に当たる。この時、測定対象面OBJが焦
点位置より前にあれば、縦長のスポットが得られ、焦点
位置より後にあれば、横長のスポットが得られる。した
がって、このスポットが円となり、4分割ディテクタD4
の各出力が等しくなるように、レンズ駆動部DR1を介し
て対物レンズLEをZ方向に移動させれば、測定対象面OB
J上に焦点を結ばせることができる。
On the other hand, when the focus is not on the measurement target surface OBJ, the reflected light does not return to parallel light. Therefore, a part of the reflected light is passed through the cylindrical lens SL and the 4-division detector D4 is also used.
When it is received by, the reflected light becomes a spot of an inertia circle and hits the 4-division detector D4. At this time, if the measurement target surface OBJ is in front of the focus position, a vertically long spot is obtained, and if it is after the focus position, a horizontally long spot is obtained. Therefore, this spot becomes a circle and the 4-division detector D4
If the objective lens LE is moved in the Z direction via the lens driving unit DR1 so that the respective outputs of the
You can focus on J.

また、この時の対物レンズLEの動き、および測定点を走
査させるための被測定物(OBJ)の動きは演算回路CON1
に入力され、測定点の正確な位置が逐次算出される。
At this time, the movement of the objective lens LE and the movement of the object to be measured (OBJ) for scanning the measurement point are calculated by the arithmetic circuit CON1.
And the accurate position of the measurement point is sequentially calculated.

次に、第2図にもどって、測定対象面OBJとの距離を測
定する測長部の動作について説明する。
Next, returning to FIG. 2, the operation of the length measuring unit for measuring the distance from the measurement target surface OBJ will be described.

レーザ光源LZ1から出射された光の角周波数をω、その
振幅Voを Vo=sinωt (1) とし、AO変調器AOM1における変調角周波数をωb(=2
πfb)として、AO変調器AOM1の+1次回折光を使うとす
ると、AO変調器AOM1により変調された光の振幅V1は V1=sin(ω+ωb)t (2) となり、測定対象面OBJを介してもどってきた光の振幅V
2は V2=sin(ωt+φ) (3) となる。なお、φは参照側および測定側の各光路におけ
る光路長の差に対応して発生する位相遅れ量である。
The angular frequency of the light emitted from the laser light source LZ1 is ω, its amplitude Vo is Vo = sinωt (1), and the modulation angular frequency in the AO modulator AOM1 is ωb (= 2
Assuming that the + 1st-order diffracted light of the AO modulator AOM1 is used as πfb), the amplitude V1 of the light modulated by the AO modulator AOM1 becomes V1 = sin (ω + ωb) t (2), and returns through the measurement target surface OBJ. Amplitude of incoming light V
2 becomes V2 = sin (ωt + φ) (3). It should be noted that φ is a phase delay amount generated corresponding to the difference in optical path length between the reference side optical path and the measurement side optical path.

フォトディテクタD1上では、上記の(2),(3)式に
示されるような2つの光が重畳されるので、入射する光
の振幅は V1+V2=sin(ω+ωb)t+sin(ωt+φ)=2sin
{ωt+(ωbt+φ)/2}・cos{(ωbt−φ)/2}
(4) のように、V1,V2の和となる。ここで、フォトディテク
タD1の出力は入射する光の振幅の2乗に比例するので、
理論的には (V1+V2)2=4sin2{ωt+(ωbt+φ)/2}・cos
2{(ωbt−φ)/2} (5) となるが、フォトディテクタD1は光の周波数には応答で
きず、平均値を示すようになるので、その出力Vpは Vp=1+cos(ωbt−φ) (6) となる。
On the photodetector D1, the two lights as shown in the above equations (2) and (3) are superposed, so that the amplitude of the incident light is V1 + V2 = sin (ω + ωb) t + sin (ωt + φ) = 2sin
{Ωt + (ωbt + φ) / 2} ・ cos {(ωbt−φ) / 2}
As in (4), it is the sum of V1 and V2. Here, since the output of the photodetector D1 is proportional to the square of the amplitude of the incident light,
Theoretically (V1 + V2) 2 = 4sin 2 {ωt + (ωbt + φ) / 2} ・ cos
2 {(ωbt−φ) / 2} (5), but the photodetector D1 cannot respond to the frequency of light and shows an average value, so its output Vp is Vp = 1 + cos (ωbt−φ) (6)

したがって、AO変調器AOM1における変調角周波数ωbが
わかっていれば、フォトディテクタD1の出力Vpの値から
位相遅れ量φを算出することができる。
Therefore, if the modulation angular frequency ωb in the AO modulator AOM1 is known, the phase delay amount φ can be calculated from the value of the output Vp of the photodetector D1.

さて、マイケルソンの干渉光学系を使用すると、上記の
ようにして、距離に応じて変化する位相遅れ量φを測定
することが可能であるが、この位相遅れ量φの値は (2πN+φ):Nは自然数 と等価であるので、位相遅れ量φの大きさからただちに
測定対象面OBJまでの距離を特定することはできない。
By using the Michelson interference optical system, it is possible to measure the phase delay amount φ that changes according to the distance as described above. The value of the phase delay amount φ is (2πN + φ): Since N is equivalent to a natural number, it is not possible to immediately specify the distance to the measurement target surface OBJ from the magnitude of the phase delay amount φ.

そこで、図の3次元形状測定装置においては、測定に使
用する波長を変化させ、各波長に対応した位相遅れ量φ
を順次測定するとともに、これらの測定結果を連立方程
式として解くことにより、測定対象面OBJまでの距離を
求めるようにしている。
Therefore, in the three-dimensional shape measuring apparatus in the figure, the wavelength used for measurement is changed, and the phase delay amount φ corresponding to each wavelength is changed.
Is sequentially measured, and these measurement results are solved as simultaneous equations to obtain the distance to the measurement target surface OBJ.

いま、ビームスプリッタBS2からミラーMR2までの距離を
d1、ビームスプリッタBS2から測定対象面OBJまでの距離
をd2とすると、これらの各光路長の差は 2d1−2d2=2d となる。したがって、測定に使用する光の波長をλ1,λ
2,λ3,λ4(λ1<λ2<λ3<λ4)とし、この時に
得られる位相遅れ量をφ1,φ2,φ3,φ4(φ1〜φ4は
0〜2π)とすると、各測定結果からは次のような式が
成立する。
Now, set the distance from the beam splitter BS2 to the mirror MR2
Assuming that the distance from the beam splitter BS2 to the measurement target surface OBJ is d2, the difference between these optical path lengths is 2d1−2d2 = 2d. Therefore, the wavelength of light used for measurement is λ1, λ
2, λ3, λ4 (λ1 <λ2 <λ3 <λ4), and the phase delay amounts obtained at this time are φ1, φ2, φ3, φ4 (φ1 to φ4 are 0 to 2π), the following measurement results show that Such an expression holds.

2d=n1λ1+λ1φ1/2π (7) 2d=n2λ2+λ2φ2/2π (8) 2d=n3λ3+λ3φ3/2π (9) 2d=n4λ4+λ4φ4/2π (10) n1〜n4は自然数、 また、これらの関係式の中から、上記(7),(8)式
を使用してdを求めると、 d=A12(n1−n2)+A12(Φ1/λ1−Φ2/λ2)(11) Φ1=λ1φ1/2π,φ2=λ2φ2/2πとなる。ここ
で、A12は2つの波長λ1,λ2における最小公倍波長で
あり、このA12の値を測定範囲と等しく、またはそれよ
り大きく選ぶようにすると、上記(11)式におけるA12
(n1−n2)の項の値を特定することができ、これらの波
長λ1,λ2に対応した位相遅れ量φ1,φ2から距離dを
一義的に算出することができる。すなわち、測定範囲が
最小公倍波長A12より狭ければ、この時の位相遅れ量φ
は常に0〜2πの間にあるので、距離dと位相遅れ量φ
とが一対一に対応することになり、位相遅れ量φからた
だちに距離dを特定することができる。例えば、測定範
囲を0〜1000mmとした場合、最小公倍波長A12が1000mm
となるように、波長λ1,λ2の大きさを選択すれば、上
記(11)式におけるA12(n1−n2)の項は0となり、位
相遅れ量φ1,φ2から距離dを一義的に算出することが
できる。
2d = n1λ1 + λ1φ1 / 2π (7) 2d = n2λ2 + λ2φ2 / 2π (8) 2d = n3λ3 + λ3φ3 / 2π (9) 2d = n4λ4 + λ4φ4 / 2π (10) n1 to n4 are natural numbers. When d is calculated using the equations 7) and (8), d = A12 (n1-n2) + A12 (Φ1 / λ1-Φ2 / λ2) (11) Φ1 = λ1φ1 / 2π, φ2 = λ2φ2 / 2π. Here, A12 is the least common multiple wavelength at the two wavelengths λ1 and λ2. If the value of A12 is selected to be equal to or larger than the measurement range, A12 in the above equation (11)
The value of the term (n1-n2) can be specified, and the distance d can be uniquely calculated from the phase delay amounts φ1 and φ2 corresponding to these wavelengths λ1 and λ2. That is, if the measurement range is narrower than the least common wavelength A12, then the phase delay amount φ
Is always between 0 and 2π, the distance d and the phase delay amount φ
Since and correspond one-to-one, the distance d can be immediately specified from the phase delay amount φ. For example, if the measurement range is 0 to 1000 mm, the least common wavelength A12 is 1000 mm.
If the sizes of the wavelengths λ1 and λ2 are selected so that, the term of A12 (n1-n2) in the above equation (11) becomes 0, and the distance d is uniquely calculated from the phase delay amounts φ1 and φ2. be able to.

次に、上記のような波長λ1,λ2の組合せにより、測定
値d12が得られ、この時の測定精度(測定誤差)から、
測定出力d12における真値の範囲がd12min<d12<d12max
のように求められたとすると、次回の波長の組合せ(λ
1,λ3)は、真値の範囲d12min〜d12maxを測定範囲(最
小公倍波長)とするように選ばれる。したがって、測定
範囲が狭く絞り込まれ、より高分解能な測定が可能とな
る。
Next, the measurement value d 12 is obtained by the combination of the wavelengths λ1 and λ2 as described above. From the measurement accuracy (measurement error) at this time,
The true value range at the measurement output d 12 is d 12 min <d 12 <d 12 max
Then, the next combination of wavelengths (λ
1, λ3) is selected such that the true value range d 12 min to d 12 max is the measurement range (least common wavelength). Therefore, the measurement range is narrowed down and higher resolution measurement is possible.

このように、上記の関係を利用して、波長の組合せ(最
小公倍波長)を選択し、測定範囲を順次絞り込んで行け
ば、任意の測定範囲にわたってアブソリュートな測定結
果を得ることができるとともに、測定の分解能を波長単
位にまで高めることができる。また、常にアブソリュー
トな測定結果を得ることができるので、測定対象面OBJ
上に段差如き不連続な部分があった場合にも、面の変化
に対応した測定出力を得ることができ、正確な測定を続
けることができる。
In this way, by utilizing the above relationship, selecting a combination of wavelengths (least common wavelength) and narrowing down the measurement range in sequence makes it possible to obtain absolute measurement results over any measurement range. The measurement resolution can be increased to the wavelength unit. In addition, since it is possible to always obtain absolute measurement results, the measurement target surface OBJ
Even if there is a discontinuous portion such as a step above, it is possible to obtain a measurement output corresponding to the change of the surface and continue accurate measurement.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、上記のような測長部を使用した3次元形
状測定装置では、複数の波長と位相遅れ量との関係から
連立方程式を立て、測定対象面までの距離を算出するよ
うにしているので、高精度の測長動作を行なうために
は、各波長の光に対する位相遅れ量を高精度に測定しな
ければならず、位相測定手段が複雑となってしまう。
However, in the three-dimensional shape measuring apparatus using the length measuring unit as described above, the simultaneous equations are established from the relationship between the plurality of wavelengths and the phase delay amount, and the distance to the measurement target surface is calculated. In order to perform a highly accurate length measurement operation, it is necessary to measure the phase delay amount with respect to the light of each wavelength with high accuracy, and the phase measuring means becomes complicated.

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、アブ
ソリュートな測長出力を得ることができるとともに、高
精度,高分解能な測長を行なうことのできる測長部を有
する3次元形状測定装置を簡単な構成により実現するこ
とを目的としたものである。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention eliminates the above-mentioned drawbacks of the conventional apparatus, can obtain an absolute length measurement output, and has a three-dimensional shape measuring apparatus having a length measuring unit capable of performing high precision and high resolution length measurement. The purpose is to realize the above with a simple configuration.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明の3次元形状測定装置は、測定対象面の変位量を
測定する測長部にマイケルソンの干渉光学系を利用し波
長の異なる2つの光を使用して測定対象面までの距離に
応じた光の位相遅れ量をそれぞれ測定するとともにこれ
らの波長と位相遅れ量との関係から前記測定対象面まで
の距離を求めるようにした3次元形状測定装置におい
て、前記干渉光学系における干渉面での前記2つの光の
それぞれの位相遅れ量の差が常に一定の値となるよう
に、前記2つの光の一方または双方の位相遅れ量を変化
させ、この時の2波長の光における周波数差と前記設定
位相差とにより前記測定対象面までの距離を算出するよ
うにした測長部を具備するようにしたものである。
The three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention uses Michelson's interference optical system as a length measuring unit for measuring the amount of displacement of a surface to be measured and uses two lights having different wavelengths according to the distance to the surface to be measured. In the three-dimensional shape measuring apparatus configured to measure the phase delay amount of each light and determine the distance to the measurement target surface from the relationship between these wavelengths and the phase delay amount, The phase delay amount of one or both of the two lights is changed so that the difference between the phase delay amounts of the two lights is always a constant value. A length measuring unit is provided for calculating the distance to the surface to be measured based on the set phase difference.

〔作用〕[Action]

このように、測長部において、干渉面でのそれぞれの位
相遅れ量の差が一定の値となるように、2つの光の波長
差(周波数差)などを変化させると、測定対象面までの
距離に応じて2つの光による合成波長の長さを一定の関
係に変化させることになるので、後の演算処理が容易と
なる。また、2波長の光における位相遅れ量の差のみを
測定すればよいので、位相検出手段の構成を簡単にする
ことができる。特に、位相遅れ量の差を0または2πに
設定した場合には、各波長の光に対する位相遅れ量の絶
対値は問題にならないので、ミキサなどの簡単な回路に
より位相検出手段を構成することができる。
In this way, in the length measuring unit, if the wavelength difference (frequency difference) of two lights is changed so that the difference between the phase delay amounts on the interference surfaces becomes a constant value, Since the length of the combined wavelength of the two lights is changed in a fixed relationship according to the distance, the subsequent arithmetic processing becomes easy. Further, since it is only necessary to measure the difference in the amount of phase delay between the lights of two wavelengths, the configuration of the phase detecting means can be simplified. In particular, when the difference in the amount of phase delay is set to 0 or 2π, the absolute value of the amount of phase delay with respect to the light of each wavelength does not matter, so the phase detection means can be configured by a simple circuit such as a mixer. it can.

〔実施例〕〔Example〕

第1図は本発明の3次元形状測定装置の一実施例を示す
構成図である。図において、前記第2図と同様のもの
は、同一符号を付して示す。なお、本発明の3次元形状
測定装置において、被測定物(OBJ)および対物レンズL
Eの駆動系は、前記した第2図の装置と同一であるの
で、その詳細は省略し、測長部のみを図示している。LZ
2は可干渉性のある光を出射するレーザ光源、AOM2はレ
ーザ光源LZ2から出射された光に周波数シフトを与え、
波長(周波数)の異なる2つの光に分けるとともに、そ
の波長差を任意に制御するAO変調器、VC0はこのAO変調
器AOM2を駆動する電圧制御発振器、P1は一方の光の偏波
面を90°回転させるλ/2板、MR1はミラー、HMR1,HMR2は
ハーフミラー、CC1は一定の距離に固定された参照側の
キューブコーナ、BS1は偏波面の向きに応じて光を透過
または反射する偏光ビームスプリッタ、D2はフォトディ
テクタ、DAは後述する設定位相差Δθを変更するために
オフセット信号VΔθを発生するデジタル・アナログ変
換器である。ここで、AO変調器AOM2および電圧制御発振
器VC0は2つの光に対する位相可変手段を構成してお
り、AO変調器AOM2の駆動周波数を変化させることによ
り、2つの光の波長差(周波数差)を変化させ、それぞ
れの光における位相遅れ量を変化させている。また、2
波長の光における位相遅れ量の差に応じた位相検出回路
PD1の出力信号Vθは電圧制御発振器VC0に帰還され、2
つの光における位相遅れ量の差が任意の一定値Δθとな
るように電圧制御発振器VC0の発振周波数を制御してい
る。演算回路CON2はAO変調器AOM2の駆動周波数に応じた
光の波長差(周波数差Δf)とその時の設定位相差Δθ
との関係から、測定対象面OBJまでの距離を求めてい
る。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. 2 are designated by the same reference numerals. In the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, the object to be measured (OBJ) and the objective lens L
Since the drive system of E is the same as that of the device shown in FIG. 2, the details thereof are omitted and only the length measuring unit is shown. LZ
2 is a laser light source that emits coherent light, AOM2 gives a frequency shift to the light emitted from the laser light source LZ2,
An AO modulator that splits the light into two lights with different wavelengths (frequency) and controls the wavelength difference arbitrarily. VC0 is a voltage-controlled oscillator that drives this AO modulator AOM2. P1 is the polarization plane of one light 90 °. Λ / 2 plate to rotate, MR1 is a mirror, HMR1 and HMR2 are half mirrors, CC1 is a cube corner on the reference side fixed at a fixed distance, BS1 is a polarized beam that transmits or reflects light depending on the direction of the polarization plane. A splitter, D2 is a photodetector, and DA is a digital-analog converter that generates an offset signal VΔθ for changing a set phase difference Δθ described later. Here, the AO modulator AOM2 and the voltage-controlled oscillator VC0 constitute a phase varying means for two lights, and by changing the drive frequency of the AO modulator AOM2, the wavelength difference (frequency difference) between the two lights is changed. The amount of phase delay in each light is changed. Also, 2
Phase detection circuit according to the difference in the amount of phase delay in wavelength light
The output signal Vθ of PD1 is fed back to the voltage controlled oscillator VC0 and 2
The oscillation frequency of the voltage controlled oscillator VC0 is controlled so that the difference between the phase delay amounts of the two lights becomes an arbitrary constant value Δθ. The arithmetic circuit CON2 determines the wavelength difference (frequency difference Δf) of light according to the drive frequency of the AO modulator AOM2 and the set phase difference Δθ at that time.
The distance to the measurement target surface OBJ is calculated from the relationship with.

上記のように構成された測長部において、AO変調器AOM2
によって2つの波長λ1,λ2に分けられた光は、λ/2板
P1およびハーフミラーHMR1により偏波面が直交した状態
で重畳され、ハーフミラーHMR2およびキューブコーナCC
1などよりなる干渉光学系に入射させられる。また、こ
の干渉光学系を通った光は偏光ビームスプリッタBS1に
よりその偏波面の向きに応じて分離され、フォトディテ
クタD1,D2にそれぞれ入射する。すなわち、波長λ1の
光は干渉光学系を介した後、フォトディテクタD1に入射
し、波長λ2の光は干渉光学系を介した後、フォトディ
テクタD2に入射することになる。したがって、このよう
に構成された測長部においては、波長の異なる2つの光
が互に干渉することなく、それぞれのフォトディテクタ
D1,D2に入射するので、異なる波長(λ1,λ2)に光に
対して、それぞれ独立の測定系が構成されていると考え
ることができ、2つの波長(λ1,λ2)の光に対する位
相遅れ量の測定を同一条件の中で同時に行なうことがで
きる。このため、測定光路中の空気のゆらぎなどの影響
を受け難い測長部を実現することができる。
In the measuring unit configured as above, the AO modulator AOM2
The light divided into two wavelengths λ1 and λ2 by the λ / 2 plate
P1 and half mirror HMR1 are superimposed in a state where the polarization planes are orthogonal, and half mirror HMR2 and cube corner CC
It is incident on the interference optical system consisting of 1. Further, the light passing through the interference optical system is separated by the polarization beam splitter BS1 according to the direction of its polarization plane, and enters the photodetectors D1 and D2, respectively. That is, the light of wavelength λ1 enters the photodetector D1 after passing through the interference optical system, and the light of wavelength λ2 enters the photodetector D2 after passing through the interference optical system. Therefore, in the length measuring unit configured as described above, two light beams having different wavelengths do not interfere with each other, and
Since it is incident on D1 and D2, it can be considered that independent measurement systems are configured for light of different wavelengths (λ1, λ2), and phase delay for light of two wavelengths (λ1, λ2) The quantity can be measured simultaneously under the same conditions. Therefore, it is possible to realize a length measuring unit that is less likely to be affected by air fluctuations in the measurement optical path.

さて、干渉光学系に入射する波長λ1,λ2の2つの光に
おいて、その振幅をそれぞれ V1=A1sin(ω1t+φ1) V2=A2sin(ω2t+φ2) φ1,φ2は初期位相 とすると、V1の光において、干渉光学系を通った干渉面
上での振幅V11となる。これをフォトディテクタD1で受け、AC成分だけ
とると、 となる。
Now, with respect to the two lights of wavelengths λ1 and λ2 that are incident on the interference optical system, their amplitudes are respectively V 1 = A 1 sin (ω 1 t + φ 1 ) V 2 = A 2 sin (ω 2 t + φ 2 ) φ 1 , φ When 2 is set to the initial phase, in the light of V 1, the amplitude V 11 on the interference plane passing through the interference optical system Becomes If this is received by the photo detector D1 and only the AC component is taken, Becomes

同様に、V2の光について、フォトディテクタD2から得ら
れる出力を求めると、 となる。
Similarly, when the output obtained from the photodetector D2 is obtained for the light of V 2 , Becomes

したがって、位相検出回路PD1により検出されるV12,V
22の位相差θは となり、これより、 C :光速 Δf:2つの光の周波数差 Λ :合成波長 が求められる。
Therefore, V 12 , V detected by the phase detection circuit PD1
The phase difference θ of 22 is And from this, C: speed of light Δf: frequency difference between two lights Λ: synthetic wavelength Is required.

ここで、位相検出回路PD1の出力Vθはディジタル・ア
ナログ変換器DAの出力VΔθとともに電圧制御発振器VC
0に帰還され、位相差θが設定位相Δθと等しくなるよ
うに、AO変調器AOM2の駆動周波数を変化させているの
で、電圧制御発振器VC0の発振周波数から測定対象面OBJ
までの距離を求めることができる。すなわち、電圧制御
発振器VC0の発振周波数が決まれば、AO変調器AOM2によ
り発生される2波長λ1,λ2の差(周波数差Δf)が決
まるので、演算回路CON2において、この周波数差Δfと
設定位相差Δθを前記(15)式に代入すれば、測定対象
面OBJまでの距離を求めることができる。
Here, the output Vθ of the phase detection circuit PD1 and the output VΔθ of the digital-analog converter DA together with the voltage controlled oscillator VC
The driving frequency of the AO modulator AOM2 is changed so that the phase difference θ becomes equal to the set phase Δθ by being fed back to 0. Therefore, the measurement target surface OBJ is changed from the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator VC0.
You can find the distance to. That is, if the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator VC0 is determined, the difference (frequency difference Δf) between the two wavelengths λ1 and λ2 generated by the AO modulator AOM2 is determined. Therefore, in the arithmetic circuit CON2, the frequency difference Δf and the set phase difference are set. By substituting Δθ into the equation (15), the distance to the measurement target surface OBJ can be obtained.

また、Δθ=2πとした場合には、 (d1−d2)=C/2Δf となり、AO変調器AOM2の駆動周波数からΔfを求めれ
ば、直ちに測定対象面OBJまでの距離を算出することが
できる。この時、位相検出回路PD1は2つの波長の光に
おける位相遅れ量の差を検出すれば良く、各位相遅れ量
の絶対値は問題にならないので、ミキサなどの簡単な回
路により位相検出回路PD1を構成することができる。な
お、このような場合には、位相検出回路PD1の出力Vθ
にオフセット信号VΔθを重畳する必要がなくなるの
で、デジタル・アナログ変換器DAを省略することができ
る。
When Δθ = 2π, (d1−d2) = C / 2Δf, and if Δf is obtained from the drive frequency of the AO modulator AOM2, the distance to the measurement target surface OBJ can be calculated immediately. At this time, the phase detection circuit PD1 only needs to detect the difference in the amount of phase delay between the light of the two wavelengths, and the absolute value of each amount of phase delay does not matter, so the phase detection circuit PD1 can be changed by a simple circuit such as a mixer. Can be configured. In such a case, the output Vθ of the phase detection circuit PD1
Since it is not necessary to superimpose the offset signal VΔθ on, the digital / analog converter DA can be omitted.

このように、本発明に使用された測長部では、2つの波
長における位相遅れ量の差を電圧制御発振器VC0に帰還
して、この位相差が一定の値になるように、2波長の差
(周波数差)を制御すると、2つの光による合成波長の
長さを測定対象面OBJまでの距離に応じて変化させるこ
とができ、この時の周波数差から測定対象面OBJまでの
距離を容易に知ることができる。
As described above, in the length measuring unit used in the present invention, the difference between the phase delay amounts at the two wavelengths is fed back to the voltage controlled oscillator VC0 so that the phase difference becomes a constant value. By controlling the (frequency difference), the length of the combined wavelength of the two lights can be changed according to the distance to the measurement target surface OBJ. From this frequency difference, the distance to the measurement target surface OBJ can be easily I can know.

なお、上記の説明は第1図の実施例について記述したも
のであるが、本発明は第1図の実施例に限られるもので
はなく、以下に示すような他の実施例をも包含するもの
である。
Although the above description has been made with reference to the embodiment shown in FIG. 1, the present invention is not limited to the embodiment shown in FIG. 1, and includes other embodiments as shown below. Is.

上記の説明においては、一波長のレーザ光源LZ2とAO変
調器AOM2とにより2つの異なる波長λ1,λ2の光を発生
する場合を例示したが、波長の異なる2つの光を発生す
る手段はこれに限られるものではない。また、λ/板P1
および偏光ビームスプリッタBS1を使用して、2波長の
光に対する位相遅れ量の測定を同時に行なう場合を例示
したが、2つの光を重畳せず、それぞれの光に対する位
相遅れ量の測定を交互に行なうようにしても、同様の動
作を行なわせることができる。
In the above description, the case where the laser light source LZ2 of one wavelength and the AO modulator AOM2 generate light of two different wavelengths λ1 and λ2 has been exemplified, but the means for generating two light of different wavelengths is not limited to this. It is not limited. Also, λ / plate P1
The case where the measurement of the phase delay amount for two wavelengths of light is performed at the same time by using the and polarization beam splitter BS1 has been described as an example, but the phase delay amount for each light is alternately measured without overlapping the two lights. Even if it does so, the same operation can be performed.

上記の説明では、2波長の合成波長における位相遅れ量
を変化させる位相可変手段として、電圧制御発振器VC0
の出力により駆動されるAO変調器AOM2を例示したが、合
成波長の位相遅れ量を変化させるためには、例えば、AO
変調器AOM2における駆動信号の位相を変化させるように
してもよいし、また、参照側の光路中に水晶の如き光学
結晶を挿入し、参照側の光路長を等価的に変化させるよ
うにしてもよい。
In the above description, the voltage controlled oscillator VC0 is used as the phase changing means for changing the phase delay amount at the combined wavelength of two wavelengths.
The AO modulator AOM2 driven by the output of AO2 has been exemplified, but in order to change the phase delay amount of the composite wavelength, for example, AO
The phase of the drive signal in the modulator AOM2 may be changed, or an optical crystal such as a crystal may be inserted in the optical path on the reference side to change the optical path length on the reference side equivalently. Good.

上記の説明では、光の位相遅れ量φをヘテロダイン検出
する場合について例示したが、位相遅れ量φにより変化
する干渉縞の位置を、フォトダイオードアレイを使用し
て検出するようにしても、同様の測定を行なうことがで
きる。一般に、フォトダイオードアレイにおいては、こ
れを構成するフォトダイオード素子を一定速度で走査す
ることにより、フォトダイオードアレイ自身に空間フィ
ルタ特性を持たせることができ、AO変調器などを使用す
ることなく、位相遅れ量φに応じた干渉縞の位置を容易
に検出することができる。
In the above description, the case where the phase delay amount φ of the light is heterodyne-detected has been illustrated, but the position of the interference fringe that changes depending on the phase delay amount φ may be detected by using the photodiode array. The measurement can be performed. Generally, in a photodiode array, by scanning the photodiode elements that make up the photodiode array at a constant speed, the photodiode array itself can have a spatial filter characteristic, and the phase can be adjusted without using an AO modulator. The position of the interference fringe corresponding to the delay amount φ can be easily detected.

さらに、上記の説明では、Z軸方向の測長のみを高精度
に行なう場合を例示したが、本発明の測長原理を利用し
て、被測定物駆動部DR2における駆動量(X,Y)をも測定
するようにすれば、被測定物の形状をより正確に測定す
ることができる。また、このような場合、本発明の3次
元形状測定装置に使用される測長部では、常にアブソリ
ュートな測定を行なうことができるので、Z軸およびX
軸,Y軸方向に光路を切り換えて測定を行なっても、何ら
測定結果の連続性に問題はなく、1つの測長部で3方向
の測長動作を共通に行なうことができる。
Furthermore, in the above description, the case where only the length measurement in the Z-axis direction is performed with high accuracy has been illustrated, but the length measurement principle of the present invention is used, and the drive amount (X, Y) in the DUT drive unit DR2 is used. By also measuring, the shape of the measured object can be measured more accurately. Further, in such a case, since the length measuring unit used in the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention can always perform absolute measurement, the Z-axis and the X-axis are measured.
Even if the measurement is performed by switching the optical paths in the axis and Y-axis directions, there is no problem in the continuity of the measurement results, and one length measuring unit can commonly perform length measuring operations in three directions.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、本発明の3次元形状測定装置で
は、測定対象面の変位量を測定する測長部にマイケルソ
ンの干渉光学系を利用し波長の異なる2つの光を使用し
て測定対象面までの距離に応じた光の位相遅れ量をそれ
ぞれ測定するとともにこれらの波長と位相遅れ量との関
係から前記測定対象面までの距離を求めるようにした3
次元形状測定装置において、前記干渉光学系における干
渉面での前記2つの光のそれぞれの位相遅れ量の差が常
に一定の値となるように、前記2つの光の一方または双
方の位置遅れ量を変化させ、この時の2波長の光におけ
る周波数差と前記設定位相差とにより前記測定対象面ま
での距離を算出するようにした測長部を具備するように
しているので、測定対象面までの距離に応じて2つの光
による合成波長の長さを一定の関係に変化させることが
でき、2波長の光における位相遅れ量の差を測定するだ
けで、アブソリュートな測長出力を得ることができると
ともに、高精度,高分解能な測長を行なうことのできる
測長部を有する3次元形状測定装置を簡単な構成により
実現することができる。
As described above, in the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, the Michelson interference optical system is used in the length measuring unit that measures the amount of displacement of the measurement target surface, and the two measurement targets are used. The amount of phase delay of light according to the distance to the surface is measured, and the distance to the surface to be measured is obtained from the relationship between these wavelengths and the amount of phase delay 3
In the three-dimensional shape measuring apparatus, one or both of the two lights are position-delayed so that the difference between the phase delays of the two lights on the interference surface in the interference optical system is always a constant value. Since the distance measuring unit is configured to calculate the distance to the measurement target surface by changing the frequency difference between the two wavelengths of light and the set phase difference at this time, The length of the combined wavelength of the two lights can be changed in a fixed relationship according to the distance, and an absolute length measurement output can be obtained only by measuring the difference in the amount of phase delay between the lights of the two wavelengths. At the same time, it is possible to realize a three-dimensional shape measuring device having a length measuring unit capable of performing length measurement with high accuracy and high resolution with a simple configuration.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の3次元形状測定装置の一実施例を示す
構成図、第2図および第3図は従来の3次元形状測定装
置の一例を示す構成図である。 LZ1,LZ2…レーザ光源、P1…λ/2板、P2,P3…λ/4板、P4
…偏光板、BS1〜BS4…ビームスプリッタ、MR1,MR2…ミ
ラー、HMR1,HMR2…ハーフミラー、CC1…キューブコー
ナ、D1,D2…フォトディテクタ、D3,D4…4分割ディテク
タ、SL…シリンドリカルレンズ、LE…対物レンズ、OBJ
…被測定物(測定対象面)、DR1…レンズ駆動部、DR2…
被測定物駆動部、MN1,MN2…移動量モニタ、CON1,CON2…
演算回路、AOM1,AOM2…AO変調器、OSC…変調信号源、VC
0…電圧制御発振器、PD1…位相検出回路、DA…デジタル
・アナログ変換器。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are block diagrams showing an example of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus. LZ1, LZ2 ... laser light source, P1 ... λ / 2 plate, P2, P3 ... λ / 4 plate, P4
... Polarizer, BS1 to BS4 ... Beam splitter, MR1, MR2 ... Mirror, HMR1, HMR2 ... Half mirror, CC1 ... Cube corner, D1, D2 ... Photo detector, D3, D4 ... 4-division detector, SL ... Cylindrical lens, LE ... Objective lens, OBJ
… Object to be measured (measurement surface), DR1… Lens drive, DR2…
DUT drive unit, MN1, MN2 ... Movement amount monitor, CON1, CON2 ...
Arithmetic circuit, AOM1, AOM2 ... AO modulator, OSC ... Modulation signal source, VC
0 ... Voltage controlled oscillator, PD1 ... Phase detection circuit, DA ... Digital / analog converter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】測定対象面の変位量を測定する測長部にマ
イケルソンの干渉光学系を利用し少なくとも2つ以上の
波長の異なる光を使用して測定対象面までの距離に応じ
た光の位相遅れ量をそれぞれ測定するとともにこれらの
波長と位相遅れ量との関係から前記測定対象面までの距
離を求めるようにした3次元形状測定装置において、前
記干渉光学系における干渉面での前記2つの光のそれぞ
れの位相遅れ量の差が常に一定の値となるように、前記
2つの光の一方または双方の位相遅れ量を変化させるよ
うにした測長部を具備したことを特徴とする3次元形状
測定装置。
1. A light according to a distance to a surface to be measured by using Michelson's interference optical system for a length measuring unit for measuring a displacement amount of the surface to be measured and using at least two lights having different wavelengths. In the three-dimensional shape measuring apparatus configured to measure the phase delay amount of each of the two and determine the distance to the measurement target surface from the relationship between the wavelength and the phase delay amount, It is characterized by comprising a length measuring unit for changing the phase delay amount of one or both of the two lights so that the difference between the phase delay amounts of the two lights is always a constant value. Dimensional shape measuring device.
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