JP2008256497A

JP2008256497A - 計測装置

Info

Publication number: JP2008256497A
Application number: JP2007098194A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Aoto; 和明青砥
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-23

Abstract

【課題】計測部分を目視で確認できる計測装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る計測装置は、プローブ光２３を被検物２００に向けて走査して照射させる主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０と、被検物によって反射された反射プローブ光３０とプローブ光との位相差から、被検物の走査領域の立体形状を表す三次元座標を測定する測定手段とを有して構成されている。さらに、この計測装置は、可視光領域の波長を有したマーカー光２４を発射するマーカー光源１１０と、マーカー光を反射するとともにプローブ光を透過するダイクロイックミラー１２０とを備えており、これらにより、プローブ光とダイクロイックミラーにおいて反射されたマーカー光とを、同一光路上に重ねた状態で走査して被検物に照射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、被検物の立体形状を計測する計測装置に関する。

被検物の立体形状を非接触で計測する場合において、光源から発したプローブ光（測定光）を走査しながら被検物に照射し、被検物から反射してくるプローブ光の反射光の位相と、光源からのプローブ光の位相とを比較し、この位相差から被検物の立体形状を表す三次元座標を求めることが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００２−１１６０１０号公報

しかし、従来の計測装置では、使用するプローブ光が赤外領域波長であるために、プローブ光が被検物のどの部分に当たっているのかを目視で確認できず、よって、被検物のどの部分を計測しているのかを目視で確認できなかった。

以上のような課題に鑑みて、本発明では、被検物の計測部分を目視で確認できる計測装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明に係る計測装置は、可視光以外の成分を含む測定光を被検物に向けて走査して照射させる走査手段と、前記被検物によって反射された前記測定光の前記反射に基づく遅延から、前記被検物の走査領域の立体形状を表す三次元座標を測定する測定手段とを有して構成されている。さらに、この計測装置は、可視光領域の波長を有した照明光を照射する照明手段と、前記照明光と前記測定光を合波する合波手段とを備えており、これらの手段により前記測定光と前記合波手段が合波した前記照明光とを、前記被検物に照射する。

上記構成の計測装置において、前記合波手段は、ビーム状の前記照明光とビーム状の前記測定光とが重なった状態で、同一光路上を通って前記走査手段に入射するように合波する構成が好ましい。また、上記構成の計測装置において、前記合波手段は、ビーム状の前記照明光およびビーム状の前記測定光のうち、一方を反射し他方を透過する反射透過機能を有することで、反射もしくは透過したビーム状の前記照明光および反射もしくは透過したビーム状の前記測定光が、同一光路上を通って前記走査手段に入射可能となる構成が好ましい。

さらに、上記構成の計測装置において、前記合波手段は前記走査手段により走査されたビーム状の前記測定光の、前記被検物に照射されるまでの間の光路中に設けられており、前記合波手段により合波された前記照明光がビーム状の前記測定光と同一光路上を通って、前記被検物に照射される構成が好ましい。また、上記構成の計測装置において、前記合波手段は、前記反射透過機能を有することにより、反射もしくは透過した前記照明光が、反射もしくは透過したビーム状の前記測定光と同一光路上を通って、前記被検物に照射可能となる構成が好ましい。

また、上記構成の計測装置において、前記照明手段が照射する前記照明光の前記被検物における照明領域が、ビーム状の前記測定光の前記走査領域と重なるように、前記照明光が照射される構成が好ましい。

本発明に関する計測装置によれば、プローブ光（測定光）が走査している被検物の表面部分に、可視光である照明光が照射されることから、被検物の表面上に照射されたこの照明光の位置を確認することにより、プローブ光が被検物のどの部分を走査しているのかを目視で確認可能となる。

以下、本発明に係る計測装置１の好ましい実施の形態について、図を参照して説明する。説明の便宜上、図２および図４に示す矢印の方向をＸＹＺ方向として定義する。計測装置１は、図１および図３のブロック図に示すように、破線で囲まれた測定部１０と走査部１００とを有して構成され、計測装置１で計測されて演算された被検物２００の立体形状が、ディスプレイ２１０に出力表示されるようになっている。

まず、測定部１０の構成について図１を用いて説明する。測定部１０は、レーザー光源２０、ビームスプリッタ４０、２つのフォトディテクタ５０および６０、位相計７０および演算回路８０から構成される。レーザー光源２０は、ビームスプリッタ４０に向けて、赤外領域波長を有した非可視光からなるビーム状のレーザー光２１を、フェムト秒（１０^−１５秒）オーダーの短い間隔で、連続して発射可能な機能を有する光源である。ビームスプリッタ４０は、入射する光を任意の割合で透過および反射させる機能を有するハーフミラーで、上記レーザー光２１の進行光路上に、レーザー光２１に対して４５度傾斜させて設置することで、レーザー光２１の一部はビームスプリッタ４０の表面で反射されて、入射光に対して９０度曲がった方向に出射する基準光２２となるとともに、残りは透過してプローブ光（測定光）２３となる。

フォトディテクタ５０は、入射する光を電気信号に変換する機能を有した装置であり、ビームスプリッタ４０の表面で反射された基準光２２を入射させて受光する位置に配置されている。フォトディテクタ６０は、フォトディテクタ５０と同様の機能を有した装置で、後述する反射プローブ光３０を入射させて受光する位置に配置されており、さらに、フォトディテクタ５０とフォトディテクタ６０は、それぞれレーザー光２１の光軸に関して対称となる位置に配置されている。

位相計７０は、フォトディテクタ５０で変換された電気信号５１と、フォトディテクタ６０で変換された電気信号６１とが入力されて、電気信号５１と電気信号６１との位相差を求め、後述するＺ方向データ７１を算出する機能を有した演算装置である。演算回路８０は、位相計７０で算出されたＺ方向データ７１と、後述する走査回路１５０で算出されたＸＹ位置データ１５１とが入力されることで、被検物２００の表面の立体形状を表す三次元データを演算し、これをディスプレイ２１０に出力する回路である。

次に、走査部１００の構成について説明する。この走査部１００の走査部光学系２を立体的に示したものが図２である。走査部１００は、図１に示すように、マーカー光源１１０、ダイクロイックミラー１２０、主走査ミラー１３０、副走査ミラー１４０、走査回路１５０および制御回路１６０から構成される。マーカー光源１１０は、可視領域波長を有するビーム状のマーカー光２４を出射する装置であり、後述するダイクロイックミラー１２０の表面上に、プローブ光２３が入射して透過する際の透過点に向けて、光路がプローブ光（測定光）２３と一致するように、マーカー光２４を出射する構成となっている。

ダイクロイックミラー１２０は、入射する光を波長に応じて反射もしくは透過させる機能を有するミラーで、この実施例１においては、非可視領域波長を有するプローブ光２３を透過し、可視領域波長を有するマーカー光２４を反射するように構成されており、さらに、ビームスプリッタ４０を透過したプローブ光２３の進行光路上に、プローブ光２３に対して４５度傾斜した状態で設置されている。このように設置することにより、プローブ光２３はダイクロイックミラー１２０を透過するとともに、上記マーカー光２４は、ダイクロイックミラー１２０の表面で反射し、入射光に対して９０度曲がった方向に出射した後、ダイクロイックミラー１２０を透過したプローブ光２３と、光路が一致した状態で同じ方向に進行し、主走査ミラー１３０に入射する構成となっている。

主走査ミラー１３０は、Ｙ軸方向を中心として回転振動するガルバノミラーであり、Ｙ軸方向を中心として回転振動することによって、同一光路を進行して入射するプローブ光（測定光）２３とマーカー光２４（以下、合成光２５と呼ぶ）とが、被検物２００上でＸ軸方向に往復走査されるようになっている。一方、副走査ミラー１４０は、Ｘ軸方向を中心として回転振動するガルバノミラーであり、Ｘ軸方向を中心として回転振動することによって、主走査ミラー１３０によって走査されて入射した合成光２５が、被検物２００上でＹ軸方向に往復走査されるようになっている。

上記副走査ミラー１４０において、走査された合成光２５は被検物２００の表面に照射され、その照射された合成光２５は被検物２００の表面で拡散反射するが、拡散反射した合成光２５のうち、反射して１８０度進行方向を変えて返ってきた合成光２５は副走査ミラー１４０に入射し、さらに、主走査ミラー１３０に進行するとともに、ダイクロイックミラー１２０に入射する。このとき、ダイクロイックミラー１２０において、マーカー光２４は反射除去されるとともに、プローブ光２３は透過して反射プローブ光３０を形成する。この反射プローブ光３０は、上記のように走査部光学系２を、被検物２００に向かう合成光２５と同一光路を逆方向に進行した後、ビームスプリッタ４０で反射し、入射光に対して９０度曲がった方向に出射して、フォトディテクタ６０に入射し受光される。

走査回路１５０は、主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０の回転振動を制御するとともに、各ミラー１３０、１４０の回転角度を検出することによって、走査された合成光２５が向かう被検物２００における走査領域のＸＹ平面上での位置を算出し、この算出結果をＸＹ位置データ１５１として演算回路８０に送る機能を有する回路である。制御回路１６０は、マーカー光源１１０および走査回路１５０の動作を制御する回路である。

以上が、各構成部の説明であるが、以下に、被検物２００の立体形状を表す三次元データの算出方法について説明する。まず、主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０による、プローブ光２３の走査方法を簡単に説明する。主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０は、それぞれが独立して回転振動することで走査領域全体を走査でき、例えば図２に示すように、被検物２００の表面上を、まず二点破線２０１のようにＸ軸の負方向から正方向へ走査するように、副走査ミラー１４０を固定した状態で、主走査ミラー１３０を回転振動させる。そして、走査領域のＸ軸正方向の端部を走査した後、副走査ミラー１４０を回転振動させることでＹ軸の負方向へ走査領域を移動させ、二点破線２０２のようにＸ軸の正方向から負方向へ走査するように、主走査ミラー１３０を回転振動させる。

上記の動作を繰り返すことで得られた、被検物２００表面の各走査位置における、基準光２２およびその基準光２２に対応する反射プローブ光３０は、フォトディテクタ５０において基準光２２が電気信号５１に変換され、フォトディテクタ６０において上記の基準光２２に対応する反射プローブ光３０が電気信号６１に変換される。これらの電気信号５１、６１は位相計７０に送られて、電気信号５１と６１との位相差から、被検物２００表面におけるＺ軸方向の凹凸を表すＺ方向データ７１を算出し、これを演算回路８０に送る。

ここで、上記Ｚ方向データ７１の求め方について簡単に説明すると、反射プローブ光３０がフォトディテクタ６０に達するには基準光２２対して、ビームスプリッタ４０から被検物２００表面の走査領域までを往復する分だけ時間がかかるため、反射プローブ光３０と基準光２２は、上記時間分だけ位相がずれることになる。そこで、上記位相のずれから時間を算出し、時間と光の速度との関係よりビームスプリッタ４０から被検物２００表面の走査領域までの往復距離が算出されることによって、Ｚ方向データ７１が求められる。

このように、実施例１に係る計測装置１は、ビーム状のマーカー光２４とビーム状のプローブ光２３とを同一光路上に重ね合わせた状態で、主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０に入射させて走査した後に被検物２００の表面に照射されるので、被検物２００の表面におけるプローブ光２３の走査領域は、常に可視光であるマーカー光２４で照らされて目視可能となる。さらに、主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０は、被検物２００の表面における走査領域全体を１秒間に約３０回走査するように回転振動する構成となっているので、この走査領域全体が１秒間に約３０回ずつマーカー光２４で照らされることになり、目視で確認する場合には、この走査領域全体がマーカー光２４によって照らされているように見えるため、走査領域全体を目視で確認可能となる。

実施例２は、実施例１と比較して走査部１００の走査部光学系３の構成が異なっており（図１および図３を参照）、実施例１と共通している測定部１０および立体形状の算出方法についての説明は省略し、以下に実施例２に係る走査部光学系３の構成を中心に説明する。

走査部光学系３は、図３および図４に示すように、ＬＥＤ光源１１５、投影レンズ１１６、マスク１１７、ダイクロイックミラー１２０、主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０から構成される。ＬＥＤ光源１１５は、可視領域波長を有するＬＥＤマーカー光２６を発射する光源で、ダイクロイックミラー１２０の表面上における、プローブ光２３が入射して透過する際の透過点に向けてＬＥＤマーカー光２６を発射するように構成されている。投影レンズ１１６は、ＬＥＤ光源１１５から発射されたＬＥＤマーカー光２６を集光する機能を有する。矩形状のマスク１１７は、その中央部に開口した矩形状のスリット１１７ａを有し、投影レンズ１１６で集光されたＬＥＤマーカー光２６が、スリット１１７ａを通過することで矩形状に整形されて、ダイクロイックミラー１２０に進行するように構成されている。

ダイクロイックミラー１２０は、入射する光をその波長に応じて反射もしくは透過させる機能を有するミラーで、この実施例２においては、非可視領域波長を有するプローブ光２３は透過し、可視領域波長を有するＬＥＤマーカー光２６を反射するように構成されている。また、ダイクロイックミラー１２０は、副走査ミラー１４０で走査されたプローブ光２３が、被検物２００に照射されるまでの光路途中に設置されて、プローブ光２３はダイクロイックミラー１２０を透過するとともに、ＬＥＤマーカー光２６はダイクロイックミラー１２０の表面で反射し、入射光に対して９０度曲がった方向に出射し、ダイクロイックミラー１２０を透過したプローブ光２３と光路がほぼ一致した状態で、被検物２００の表面に向かって進行する。つまり、ＬＥＤマーカー光２６は、主走査ミラー１３０および副走査ミラー１４０の回転振動に影響されず、常に被検物２００に照射可能となっている。ここで、光路がほぼ一致した状態で、被検物２００の表面に向かって進行するプローブ光２３とＬＥＤマーカー光２６を、合成光２７としておく。

また、矩形状に整形されたＬＥＤマーカー光２６が、ダイクロイックミラー１２０の表面で反射された後、ダイクロイックミラー１２０を透過したプローブ光２３とほぼ同じ光路を進行するように、ＬＥＤ光源１１５、投影レンズ１１６、マスク１１７およびダイクロイックミラー１２０が配置される。さらに、ダイクロイックミラー１２０の表面で反射されたＬＥＤマーカー光２６が、被検物２００の表面におけるプローブ光２３の走査領域全体を照射可能となるように、投影レンズ１１６およびマスク１１７において、ＬＥＤマーカー光２６の照射領域が拡大および整形されている。

主走査ミラー１３０は、Ｙ軸方向を中心として回転振動するガルバノミラーであり、Ｙ軸方向を中心として回転振動することによって、測定部１のビームスプリッタ４０を透過して進行するプローブ光２３が、被検物２００上でＸ軸方向に往復走査されるようになっている。一方、副走査ミラー１４０は、Ｘ軸方向を中心として回転振動するガルバノミラーであり、Ｘ軸方向を中心として回転振動することによって、主走査ミラー１３０によって走査されて入射したプローブ光２３が、被検物２００上でＹ軸方向に往復走査されるようになっている。

被検物２００表面に照射された合成光２７は、被検物２００表面で拡散反射するが、拡散反射した合成光２７のうち反射して１８０度進行方向を変えて返ってきた合成光２７は、ダイクロイックミラー１２０に入射する。このとき、ダイクロイックミラー１２０において、合成光２７のうちでＬＥＤマーカー光２６は反射除去されるとともに、プローブ光２３は透過して反射プローブ光３０が形成される。この反射プローブ光３０は、走査部光学系３を被検物２００に向かうプローブ光２３と同一光路を逆方向に進行した後、ビームスプリッタ４０で反射し、入射光に対して９０度曲がった方向に出射して、フォトディテクタ６０に入射する。

このように、実施例２に係る計測装置１は、副走査ミラー１４０と被検物２００との間における、プローブ光２３の光路上にダイクロイックミラー１２０を設置するとともに、被検物２００表面の走査領域全体を照射可能な面積を有したＬＥＤマーカー光２６を、ダイクロイックミラー１２０の表面で反射するように構成されている。このことにより、被検物２００表面の走査領域全体は、可視光のＬＥＤマーカー光２６で照らされるので、走査領域全体が目視で確認可能となる。

上述の第１実施例において、ダイクロイックミラー１２０はプローブ光２３を反射し、マーカー光２４を透過させることで、合成光２５を構成しても良い。

上述の第２実施例において、ダイクロイックミラー１２０はプローブ光２３を反射し、ＬＥＤマーカー光２６を透過させて、それらを被検物２００表面に照射するように構成しても良い。

上述の第２実施例において、マスク１１７およびスリット１１７ａの形状は、矩形状に限定されるものではなく、被検物２００表面上におけるＬＥＤマーカー光２６の照射領域等に支障がなければ、他の形状で構成しても良い。

第１実施例の計測装置の構成を示すブロック図である。第１実施例の走査部光学系を示す斜視図である。第２実施例の計測装置の構成を示すブロック図である。第２実施例の走査部光学系を示す斜視図である。

符号の説明

１計測装置２３プローブ光（測定光）
２４マーカー光（照明光）２６ＬＥＤマーカー光（照明光）
３０反射プローブ光１１０マーカー光源（照明手段）
１１５ＬＥＤマーカー光源（照明手段）１２０ダイクロイックミラー（合波手段）
１３０主走査ミラー（走査手段）１４０副走査ミラー（走査手段）
２００被検物

Claims

可視光以外の成分を含む測定光を被検物に向けて走査して照射させる走査手段と、
前記被検物によって反射された前記測定光の前記反射に基づく遅延から、前記被検物の走査領域の立体形状を表す三次元座標を測定する測定手段とを有する計測装置において、
可視光領域の波長を有した照明光を照射する照明手段と、
前記照明光と前記測定光を合波する合波手段とを有し、
前記測定光と前記合波手段が合波した前記照明光とを、前記被検物に照射することを特徴とする計測装置。
前記合波手段は、ビーム状の前記照明光とビーム状の前記測定光とを、同一光路上を通って前記走査手段に入射させるように合波することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
前記合波手段は、ビーム状の前記照明光およびビーム状の前記測定光のうち、一方を反射し他方を透過する反射透過機能を有することで、反射もしくは透過したビーム状の前記照明光および反射もしくは透過したビーム状の前記測定光が、同一光路上を通って前記走査手段に入射することを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
前記合波手段は、前記走査手段により走査されたビーム状の前記測定光の、前記被検物に照射されるまでの間の光路中に設けられて、合波された前記照明光がビーム状の前記測定光と同一光路上を通って、前記被検物に照射されることを特徴とする、請求項１に記載の計測装置。
前記合波手段は、前記反射透過機能を有することにより、反射もしくは透過した前記照明光が、反射もしくは透過したビーム状の前記測定光と同一光路上を通って前記被検物に照射されることを特徴とする、請求項４に記載の計測装置。
前記照明手段が照射する前記照明光の照明領域が、ビーム状の前記測定光の前記走査領域と重なるように、前記照明光が照射されることを特徴とする請求項４または５に記載の計測装置。