JP2007033169A - Surface property measuring apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物の表面性状を測定する表面性状測定装置に関する。 The present invention relates to a surface texture measuring apparatus for measuring the surface texture of a measurement object.
被測定物上に光源からの光を投影して測定光を得る一方、参照ミラーからの参照光を測定光と干渉させるとともに、被測定物を相対的に移動させ、干渉光の光強度の変化を画素毎に求めることにより、被測定物の表面性状を計測するようにした形状測定装置が、例えば特許文献1により知られている。このような装置では、被測定物を相対移動させるための駆動機構と、この駆動量を測定するための機構(エンコーダ等)が必須となり、システムの複雑化が避けられないという問題があった。
本発明は、機械的な駆動機構による被測定物の相対移動を必要とせず、これによりシステムを簡略化すると共に機械的な走査精度やスケール精度の影響を受けることが無い表面性状測定装置を提供することを目的とする。 The present invention provides a surface texture measuring apparatus that does not require relative movement of an object to be measured by a mechanical drive mechanism, thereby simplifying the system and not being affected by mechanical scanning accuracy or scale accuracy. The purpose is to do.
上記目的を達成するため、本発明に係る表面性状測定装置は、中心波長を中心とした一定の波長幅を有する入射光を出力しその中心波長が所定の可変波長範囲内において可変とされた波長可変光源と、測定対象物に向かう物体光と参照面に向かう参照光とに前記入射光を分離すると共に前記測定対象物及び前記参照面でそれぞれ反射した前記物体光及び前記参照光を合成して合成光とするビームスプリッタと、前記合成光を受光する撮像部と、前記物体光の光路又は前記参照光の光路のいずれか一方に挿入され前記中心波長が前記可変波長範囲内において変化した場合において前記物体光の光路又は前記参照光の光路の光路長に所定の測定レンジ以上の変化を与える光路長変更光学部材と、前記合成光を前記撮像部に導くようにされ前記中心波長の変化に拘わらず前記合成光の合焦位置が不変となるようにされた結像光学系と、前記波長可変光源を制御して前記中心波長を変化させる波長制御手段と、前記撮像部上の特定の受光位置における前記合成光の光強度が最大となったときにおける前記中心波長に基づき前記特定の受光位置に対応する前記測定対象物上の部位の高さを計測する計測部とを備えたことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the surface texture measuring device according to the present invention outputs incident light having a constant wavelength width centered on the center wavelength, and the center wavelength is variable within a predetermined variable wavelength range. The incident light is separated into a variable light source, object light directed to the measurement object, and reference light directed to the reference surface, and the object light and the reference light reflected by the measurement object and the reference surface are combined. In the case where the center wavelength changes within the variable wavelength range inserted into one of the optical path of the object light or the optical path of the reference light, and a beam splitter that is combined light, an imaging unit that receives the combined light An optical path length changing optical member that changes the optical path length of the object light path or the optical path of the reference light by a predetermined measurement range or more, and guides the combined light to the imaging unit. An imaging optical system in which the in-focus position of the combined light is invariable regardless of a change in length; a wavelength control unit that controls the variable wavelength light source to change the central wavelength; and an imaging unit A measurement unit that measures the height of the part on the measurement object corresponding to the specific light receiving position based on the center wavelength when the light intensity of the combined light at the specific light receiving position becomes maximum. It is characterized by that.
この発明によれば、機械的な駆動機構による被測定物の相対移動を必要とせず、これによりシステムを簡略化すると共に機械的な走査精度やスケール精度の影響を受けることが無い表面性状測定装置を提供することができる。 According to the present invention, a surface texture measuring device that does not require relative movement of the object to be measured by a mechanical drive mechanism, thereby simplifying the system and not being affected by mechanical scanning accuracy or scale accuracy. Can be provided.
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
この実施の形態の表面性状測定装置1は、図1に示すように、波長可変光源11と、コリメータレンズ12と、ビームスプリッタ13と、平行平面板14と、参照ミラーRPと、結像光学系15と、CCD撮像素子16と、コンピュータ20と、波長制御部21とを備え、測定対象物Wの表面性状の干渉縞計測により測定するトワイマングリーン干渉計を構成している。
As shown in FIG. 1, the surface
波長可変光源11は、図2に示すように、中心波長λcをピークとして一定の波長幅Δλのスペクトル分布を有する光を発する低コヒーレンス光源である。従って、この表面性状測定装置では、参照光路と物体光路との間の光路差を、一定距離lc=λc2/Δλ以下とした場合にCCD撮像素子16により干渉縞が観察される。この波長可変光源11は、波長制御部21からの制御信号を受けて、中心波長λcを、λmin〜λmaxの範囲で変化させることができるように構成されている。なお、コンピュータ20は、CCD撮像素子16で得られた干渉縞信号を解析して測定対象物Wの形状を測定する他、波長制御部21などの制御を担当するものである。
As shown in FIG. 2, the wavelength
コリメータレンズ12は、この波長可変光源11からの光を平行光束に変換するものである。ビームスプリッタ13は、この平行光束を参照ミラーRPに向かう参照光と、測定対象物Wに向かう物体光とに分割すると共に、参照ミラーRP及び測定対象物Wで反射した参照光及び物体光を合成する機能を有する。ビームスプリッタ13は、図1のようなハーフミラーでも、また、プリズム型のものでも構わない。平行平面板14は、例えばF2ガラスなど高分散材料から形成されており、その屈折率nが通過する光の波長により大きく異なる。中心波長λcがλmin〜λmaxの範囲で変化した場合、参照光の光路長を、表面性状測定装置1の測定レンジ以上に変化させるものである。図3は、中心波長λcの変化に対し、測定対象物W上のある一点からの光(測定光)と参照光とによる合成光の光強度の変化の様子の一例を示したものである。中心波長λcが変化し、参照光路と物体光路の光路長差が零となるような波長となった場合、干渉光の光強度が最大となるので、これにより、測定対象物W上のある一点の高さhを判定することができる。干渉縞は、この光路長差が零の位置から±lc=λc2/Δλの範囲で観察することができる。
The
結像光学系15は、中心波長λcの変化によって結像位置に変化が生じないよう、色収差を除去された光学系が採用される。好適な例として、測定対象物Wの位置によってCCD撮像素子16上での干渉縞の結像状態、及び大きさが変わらないよう、図4に示すような両側テレセントリック光学系を採用することができる。
The imaging
この両側テレセントリック光学系は、第1結像レンズ151と、絞り152と、第2結像レンズ153とを備えている。絞り152は、第1結像レンズ151の像側焦点位置と一致し、かつ第2結像レンズ153の物側焦点位置と一致するように配置され、これにより両側テレセントリック光学系が形成される。さらに、第1結像レンズ151及び第2結像レンズ153は、絞り152に関し相似であり、また、第1結像レンズ151、第2結像レンズ153は、それぞれ前側焦点、後側焦点に対して色消しがされた構造となっている。従って、測定対象物W側から第1結像レンズ151に対し光軸Aに平行に入射した光は、絞り152の開孔を通って第2結像レンズ153に入射し、光軸Aに平行な光として第2結像レンズ153から射出されてCCD撮像素子16の撮像面に至る。
This double telecentric optical system includes a
中心波長λcの大きさが、例えばλ1,λ2のように変化すると、第1結像レンズ151の物側焦点も図4に示すFλ1、Fλ2のように位置が変化し(測定対象物Wの基準位置からの距離がXλ1,Xλ2)、第2結像レンズ153の像側焦点もF”λ1、F”λ2のように変化する(CCD撮像素子16の撮像面からの距離がX”λ1,X”λ2)。第1結像レンズ151の主点の位置も変化し(絞り152からの距離f1λ1、f2λ2)、また第2結像レンズ153の主点の位置も変化する(絞り152からの距離f2λ1、f2λ2)。しかし、両側テレセントリック光学系が構成されるため、このような波長λcの変化による焦点位置の移動や測定対象物16の位置(高さ)に拘わらず、CCD撮像素子16には略同じ大きさの干渉縞画像が観察され得る。
When the size of the center wavelength λc changes, for example, as λ1 and λ2, the object-side focal point of the
次に、このように構成された表面性状測定装置の作用を、図5を参照して説明する。波長可変光源から射出される光の中心波長λcが、λmin〜λmaxの範囲で徐々に大きくなるとき、参照光路の光路長は、平行平面板14の作用により徐々に短くなり、λmaxとなると、光路長は、λminの場合に比べ、2×t×(nmin−nmax)だけ短くなる。ただし、tは平行平面板14の厚さ、nmax、nminはそれぞれ中心波長λがλmax、λminの場合の平行平面板14の屈折率を示す。 Next, the operation of the thus-configured surface texture measuring device will be described with reference to FIG. When the center wavelength λc of the light emitted from the wavelength tunable light source gradually increases in the range of λmin to λmax, the optical path length of the reference optical path is gradually shortened by the action of the plane parallel plate 14, and when it becomes λmax, The length is shorter by 2 × t × (nmin−nmax) than in the case of λmin. Where t is the thickness of the plane parallel plate 14, and nmax and nmin are the refractive indices of the plane parallel plate 14 when the center wavelengths λ are λmax and λmin, respectively.
測定対象物W上の高さhの異なる点A(高さhA)、点B(高さhB<hA)では、図6及び図7に示すように、それぞれ異なる波長λA、λB(λB<λA)となった場合に、参照光の光路長が物体光の光路長と一致して、干渉信号の大きさが最大となる。干渉信号が最大値となった場合の中心波長λcの大きさを特定することにより、測定対象物W上の各点の高さを演算することができる。これにより、測定対象物Wの表面性状を測定することができる。 At points A (height hA) and B (height hB <hA) having different heights h on the measurement object W, different wavelengths λA and λB (λB <λA) are obtained as shown in FIGS. ), The optical path length of the reference light coincides with the optical path length of the object light, and the magnitude of the interference signal is maximized. By specifying the size of the center wavelength λc when the interference signal reaches the maximum value, the height of each point on the measurement object W can be calculated. Thereby, the surface property of the measuring object W can be measured.
以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、平行平面板14が参照光の光路に挿入されている例を説明したが、物体光の光路の方に挿入するようにしてもよい。また、参照光の光路、物体光の光路の両方に平行平面板を挿入し、その厚さ又は材質を異なるものとするのでもよく、要するに波長可変光源11の出射光の中心波長λcが変化した場合に参照光路と物体光路との間の光路長差を所定の測定レンジ以上に変化させることが可能なものであればよい。
Although the embodiments of the invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and additions can be made without departing from the spirit of the invention. For example, in the above-described embodiment, an example in which the plane-parallel plate 14 is inserted in the optical path of the reference light has been described, but it may be inserted in the optical path of the object light. In addition, a plane-parallel plate may be inserted in both the optical path of the reference light and the optical path of the object light, and the thickness or material thereof may be different. In short, the center wavelength λc of the emitted light from the wavelength
11・・・波長可変光源、 12・・・コリメータレンズ、 13・・・ビームスプリッタ、 14・・・平行平面板、 RP・・・参照ミラー、 15・・・結像光学系、 16・・・CCD撮像素子、 20・・・コンピュータ、 21・・・波長制御部21、 151、153・・・結像レンズ、 152・・・絞り。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
測定対象物に向かう物体光と参照面に向かう参照光とに前記入射光を分離すると共に前記測定対象物及び前記参照面でそれぞれ反射した前記物体光及び前記参照光を合成して合成光とするビームスプリッタと、
前記合成光による干渉縞画像を撮像する撮像部と、
前記物体光の光路又は前記参照光の光路のいずれか一方に挿入され前記中心波長が前記可変波長範囲内において変化した場合において前記物体光の光路又は前記参照光の光路の光路長に所定の測定レンジ以上の変化を与える光路長変更光学部材と、
前記合成光を前記撮像部に導くようにされ前記中心波長の変化に拘わらず前記合成光の合焦位置が不変となるようにされた結像光学系と、
前記波長可変光源を制御して前記中心波長を変化させる波長制御手段と、
前記撮像部上の特定の受光位置における前記合成光の光強度が最大となったときにおける前記中心波長に基づき前記特定の受光位置に対応する前記測定対象物上の部位の高さを計測する計測部と
を備えたことを特徴とする表面性状測定装置。 A wavelength tunable light source that outputs incident light having a constant wavelength width centered on the center wavelength and whose center wavelength is variable within a predetermined variable wavelength range;
The incident light is separated into object light directed to the measurement object and reference light directed to the reference surface, and the object light and the reference light reflected by the measurement object and the reference surface, respectively, are combined to obtain a combined light. A beam splitter,
An imaging unit for imaging an interference fringe image by the combined light;
When the central wavelength is inserted in either the optical path of the object light or the reference light and changes in the variable wavelength range, a predetermined measurement is performed on the optical path length of the optical path of the object light or the optical path of the reference light. An optical path length changing optical member that gives a change over the range;
An imaging optical system configured to guide the combined light to the imaging unit and to make the in-focus position of the combined light unchanged regardless of the change in the center wavelength;
Wavelength control means for controlling the wavelength tunable light source to change the center wavelength;
Measurement for measuring the height of the part on the measurement object corresponding to the specific light receiving position based on the center wavelength when the light intensity of the combined light at the specific light receiving position on the imaging unit becomes maximum And a surface texture measuring device.
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