JP2008309653A - 寸法測定装置及び寸法測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】寸法測定装置1は、白色光源ユニット2からの光を、被測定物10に向かう第1の光束と第2の光束に分岐し、第1の光束と第2の光束の間に被測定物10の測定対象寸法に対応する第1の光路差を生じさせる第1の干渉計3と、第1の干渉計3を出射した光束を、参照鏡43に向かう第3の光束と光路に沿って移動可能な移動鏡44に向かう第4の光束に分岐して、第3の光束と第4の光束との間に第2の光路差を生じさせる第2の干渉計4と、第3及び第4の光束を受光し、第1の光路差と第2の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出する検出器5と、干渉信号の最大値から、光の中心波長に依存した被測定物の測定対象寸法を測定し、得られた測定値を波長依存特性に基づいて補正して測定対象寸法の真値を推定するコントローラ6を有する。
【選択図】図1
Description
そのコントローラは、第1の中心波長または第2の中心波長について、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長または第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、第2の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値または第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部とを有する。
なお、被測定物の測定対象寸法の真値とは、測定光の中心波長に依存しない、したがって、光の染み込みなどがないとした場合の、測定対象寸法の値をいう。
そのコントローラは、第1の中心波長または第2の中心波長について、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長または第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、第1の光路差を計算することにより、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値または第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部とを有する。
係る寸法測定方法は、第1の中心波長及び第2の中心波長のそれぞれについて、干渉信号の最大値に対応する移動鏡の位置を測定するステップと、ピーク位置測定部で測定された第1の中心波長及び第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、第2の光路差をそれぞれ計算することにより、被測定物の測定対象寸法の第1の測定値及び第2の測定値を求めるステップと、波長依存寸法決定部で求められた第1の測定値及び第2の測定値から、被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、被測定物の測定対象寸法の真値を推定するステップと、を有することを特徴とする。
なお、上記の各実施態様において、白色光源とは、可視光域において広帯域発光する光源に限られず、所定の波長を中心波長とした一定の波長帯域の光を放射する光源をいう。
本発明を適用した内径測定装置は、白色光源ユニットからの光を第1の干渉計に入射させ、第1の干渉計で、被測定物の内径に対応する光路差を有する二つの光束を生成する。その二つの光束を第2の干渉計に入射して、上記光路差とほぼ等しい光路差を生じる二つの光路に光束を分割して干渉させることにより、白色干渉縞を生じさせる。そして、検出器で白色干渉縞の最大信号値を検出して第2の干渉計の二つの光路間の光路差を測定することにより、被測定物の内径を求める。その際、内径測定装置は、白色光源ユニットから出射される光の中心波長を変化させ、各中心波長について干渉縞が最大信号値となる移動鏡の位置を求めて、中心波長に依存した内径の測定値を算出する。そして、算出したそれらの測定値から、その波長依存特性にしたがって、被測定物の内径の真値を推定する。
なお、移動鏡44を移動させつつ、その移動の間に連続的に干渉信号を測定する場合には、ピエゾ微動ステージ46及びピエゾコントローラ51を省略してもよい。
また、検出器5は、コントローラ6と電気的に接続され、検出した光量に対応する電気信号を、コントローラ6へ送信する。
コントローラ6は、いわゆるPCで構成され、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリ、磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等からなる記憶部61と、RS232C、イーサネット(登録商標)などの通信規格にしたがって構成された電子回路及びデバイスドライバなどのソフトウェアからなる通信部62を有する。
さらにコントローラ6は、図示していないCPU、ROM、RAM及びその周辺回路と、CPU上で実行されるコンピュータプログラムによって実現される機能モジュールとして、検出された光量及び移動鏡44の位置に基づいて、干渉信号の最大値に対応する移動鏡44の位置を測定するピーク位置測定部63と、測定された移動鏡44の位置から、測定光の中心波長に対応する被測定物10の内径Dの測定値を求める波長依存寸法測定部64と、その測定値から、内径Dの真値を推定する寸法推定部65と、コントローラの各部、位置計測用干渉計49、ピエゾコントローラ51、ステージコントローラ52及び検出器5など、コントローラ6に接続された機器を制御する制御部66とを有する。
白色光源2からの光は、コヒーレンス長が短いため、光路差がほぼ等しい場合にのみ干渉縞を生じる。ここで、第2の干渉計4の第1の光路における、ビームスプリッタ42から参照鏡43までの距離がL1であり、第2の光路における、ビームスプリッタ42から移動鏡44までの距離がL2であるとすると、第3の光束と第4の光束との間に、2(L2−L1)の光路差が生じる(ただし、L2>L1とする)。このとき、(L2−L1)とDが等しければ、第1の干渉計3において、被測定物10の内面S1、S2で反射された光束B1のうち、第2の干渉計4において、第1の光路を通った光束B11と、第1の干渉計3においてビームスプリッタ33を素通りした光束B2のうち、第2の干渉計4において、第2の光路を通った光束B22との光路差が0となる。そのため、最大の干渉信号を観測することができる。そして、(L2−L1)とDとの差が大きくなるにつれて、干渉信号の大きさは急激に低下する。したがって、干渉信号が最大となるときの(L2−L1)を計測することにより、被測定物10の内径Dを求めることができる。
図5に示すグラフ501は、内径Dの測定値についての、白色光源ユニット2から放射される光の中心波長に対する波長依存特性の概要を表す。図5において、横軸は中心波長を表し、縦軸は内径Dの測定値を表す。図5に示すように、中心波長が長くなるほど染み込み量が少なくなるので、中心波長が長くなるほど内径Dの測定値は減少する。そして、中心波長の長さがある値以上となると、光は被測定物10の内面S1、S2においてほとんど染み込まなくなるので、内径Dの測定値は一定の値に収束する。この収束した値が、内径Dの真値であると考えられる。なお、波長依存特性は、内面S1、S2の表面粗さ、表面に含有される水分の量などによって変動する。
被測定物10の測定を行う際、内径測定装置1は、白色光源ユニット2において、中心波長の異なる光を用いてそれぞれ被測定物10の内径Dを測定する。そして、それらの測定結果と、参照テーブルに記録されたマスタの内径の測定値とを比較する。内径測定装置1は、その比較結果に基づいて、光の染み込みがない場合における被測定物10の内径Dの測定値、すなわち内径Dの真値を推定する。
また、上記のように、複数の中心波長で各マスタを測定することにより、測定光学系の波長による測定誤差も含めて評価することができる。例えば、ビームスプリッタ34が、1辺10mmの立方体であり、光学ガラスの一種であるBK7で作成されており、1.5μmの中心波長を有する測定光と1.3μmの中心波長を有する測定光でマスタを測定する場合を考える。BK7の屈折率は、1.5μmの波長の光に対するよりも、1.3μmの波長の光に対する方が、約0.0004だけ大きい。ここで、光束B1は、光束B2よりもビームスプリッタ34を2回多く透過する。そのため、1.5μmの中心波長を有する測定光と、1.3μmの中心波長を有する測定光でマスタの内径を測定した場合、1.3μmの中心波長を有する測定光で測定を行った方が、約8μm測定値が大きくなる。
測定光の中心波長の差に応じて生じる測定光学系の誤差は、被測定物10の測定時にも同様に生じる。そのため、上記のような、測定光学系で生じる誤差を含んだ参照テーブルを作成しておけば、測定光学系の誤差の影響を排除することができる。
最初に、初期化手順として、移動鏡44の基準位置、すなわち、第2の干渉計4の第1の光路と第2の光路間の光路差が0となる移動鏡44の位置を決定する(ステップS101)。そのために、内径測定装置1の第1の干渉計3に、被測定物10を設置せず、第2の干渉計4で干渉縞の検出される位置を求める。このとき、被測定物10の内面で反射される光束は存在しないから、第1の干渉計3を出射する光束は、全てB2となる。そのため、第2の干渉計4では、第1の光路におけるビームスプリッタ42から参照鏡43までの距離L1と、第2の光路におけるビームスプリッタ42から移動鏡44までの距離L2との差が0のとき、干渉信号は最大となる。そこで、コントローラ6の制御部66は、ピエゾコントローラ51を通じてピエゾ微動ステージ46を駆動し、移動鏡44を移動させる。そして、コントローラ6のピーク位置測定部63は、複数の測定点で検出器5で検出される光量を観測し、検出光量が最大、すなわち、干渉信号が最大値となる位置を見つける。その際、ピーク位置測定部63は、各測定点における検出器5からの出力信号に対して、時間平均値または移動平均値を求めてその測定点の出力信号としてもよい。そして、出力信号値の最大値、すなわち干渉信号の最大値を求める。ピーク位置測定部63は、干渉信号が最大値となったときの移動鏡44の位置を、位置計測用干渉計49から受信し、L1=L2となる位置P1として、コントローラ6の記憶部61に記憶する。
図7に示すように、第1の中心波長(1550nm)及び第2の中心波長(1200nm)に対する被測定物10の内径Dの第1及び第2の測定値が得られると、コントローラ6の寸法推定部65は、記憶部61から、上記の各参照テーブルを読み込む(ステップS108)。次に、寸法推定部65は、第1の測定値と第2の測定値との差(以下、被測定物変化量という)を求める(ステップS109)。同様に、寸法推定部65は、各参照テーブルについても、第1の中心波長に対する被測定物10のマスタの内径Dの測定値と、第2の中心波長に対する被測定物10のマスタの内径Dの測定値との差(以下、マスタ変化量という)を求める(ステップS110)。寸法推定部65は、各参照テーブルについて求めたマスタ変化量のうち、被測定物変化量との差が最も小さいものを検出する(ステップS111)。そして、被測定物変化量との差が最も小さいマスタ変化量に対応する参照テーブルを選択する(ステップS112)。
そのために、コントローラ6の寸法推定部65は、上記の第1の測定値と、選択した参照テーブルから抽出した第1の中心波長に対する被測定物10のマスタの内径Dの測定値との差を補正値として求める(ステップS113)。最後に、寸法推定部65は、その選択された参照テーブルに関連付けて記憶されたマスタの内径Dの真値に、求めた補正値を加え、被測定物10の内径Dの真値とする(ステップS114)。
このように、被測定物10とビームスプリッタ33の位置関係を変化させながら、内径Dの最大測定値を探索することにより、内径測定装置1は、ビームスプリッタ33を正確に被測定物10の中心に配置した状態の内径測定結果を得られるので、高精度で被測定物10の内径を測定することができる。なお、ビームスプリッタ33について、一度被測定物10の中心に位置決めされると、以後の測定においては、被測定物10を交換しない限り、上記のビームスプリッタ33の位置決め手順を省略することができる。
図8に、マイケルソン型の干渉計を一つのみ使用する寸法測定装置11の構成の概略構成図を示す。この構成では、白色光源12から出射された測定光を、ビームスプリッタ13で被測定物10’に向かう第1の光束と、光路に沿って移動可能な移動鏡14に向かう第2の光束とに分割する。そして、被測定物10’で反射された第1の光束と移動鏡14で反射された第2の光とを、ビームスプリッタ13で再度一つの光束とし、検出器15でその干渉信号を検出する。検出器15から出力された信号は、コントローラ16に送信される。そして、コントローラ16は、干渉信号がピークとなる位置を求め、第1の光束と第2の光束との光路差が0となる移動鏡14の位置を求める。そして、被測定物10’との関係で予め定められた移動鏡14の基準位置と、求めた移動鏡14の位置との差を計算することにより、被測定物10’の寸法(例えば、表面高さなど)を求める。
以上のように、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
11 寸法測定装置
10、10’ 被測定物
2、12 白色光源ユニット
3、4 干渉計
5、15 検出器
6、16 コントローラ
31、41 コリメータレンズ
32、34 ウェッジプリズム
33、42、13 ビームスプリッタ
35 集光レンズ
36 XYZステージ
37 ステージコントローラ
43 参照鏡
44、14 移動鏡
45 支持部材
46、17 ピエゾ微動ステージ
47 粗動ステージ
48 コーナーキューブ
49 位置計測用干渉計
51 ピエゾコントローラ
52 ステージコントローラ
61 記憶部
62 通信部
63 ピーク位置測定部
64 波長依存寸法決定部
65 寸法推定部
66 制御部
7,8 光ファイバ
Claims (7)
- 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、
前記白色光源ユニットから放射された光を、前記被測定物に向かう第1の光束と第2の光束に分岐し、該第1の光束を前記被測定物で反射させて該第2の光束との間に前記被測定物の測定対象寸法に対応する第1の光路差を生じさせ、該第1の光束と該第2の光束を一つの光束に合わせて出射させる第1の干渉計と、
位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する第2の干渉計であって、前記第1の干渉計を出射した光束を、該参照鏡に向かう第3の光束と、該移動鏡に向かう第4の光束に分岐して、該第3の光束と該第4の光束との間に第2の光路差を生じさせる第2の干渉計と、
前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、該干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の中心波長または前記第2の中心波長について、前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長または前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、前記第2の光路差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値または前記第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 前記第1の干渉計と前記第2の干渉計との間に配置される光ファイバをさらに有し、前記第1の干渉計を出射した光束は、該光ファイバを通じて前記第2の干渉計に入射する、請求項1に記載の寸法測定装置。
- 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、
位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する第1の干渉計であって、前記白色光源から放射された光を、該参照鏡に向かう第1の光束と、該移動鏡に向かう第2の光束に分岐して、該第1の光束と該第2の光束との間に第1の光路差を生じさせる第1の干渉計と、
前記第1の干渉計から出射された前記第1の光束及び第2の光束を、前記被測定物に向かう第3の光束と第4の光束に分岐し、該第3の光束を前記被測定物で反射させて該第4の光束との間に前記被測定物の測定対象寸法に対応する第2の光路差を生じさせ、該第3の光束と該第4の光束を一つの光束に合わせて出射させる第2の干渉計と、
前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、該干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の中心波長または前記第2の中心波長について、前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長または前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、前記第1の光路差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値または前記第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 被測定物の寸法を測定する寸法測定装置であって、
放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットと、
光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する干渉計であって、前記白色光源ユニットから放射された光を、前記被測定物に向かう第1の光束と前記移動鏡に向かう第2の光束に分岐して、該第1の光束を前記被測定物で反射させて該第1の光束と該第2の光束との間に光路差を生じさせる干渉計と、
前記干渉計を出射した前記第1の光束と前記第2の光束を受光し、前記第1の光束についての光路長と前記第2の光束についての光路長とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、該干渉信号に対応する信号を出力する検出器と、
前記被測定物の測定対象寸法を求めるコントローラであって、
前記第1の中心波長または前記第2の中心波長について、前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定するピーク位置測定部と、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長または前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置と、予め定められた前記移動鏡の基準位置との差を計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値または第2の測定値を求める波長依存寸法決定部と、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値または前記第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定する寸法推定部と、
を有するコントローラと、
を有することを特徴とする寸法測定装置。 - 前記コントローラは、前記被測定物として基準用被測定物を用い、該基準用被測定物の測定対象寸法の真値と、異なる中心波長を持つ複数の白色光で該基準用被測定物の測定対象寸法を測定して得られるそれぞれの波長依存寸法と該中心波長とを関連付けて記録することにより、該基準用被測定物の測定対象寸法の波長依存特性を表す参照テーブルを記憶した記憶部をさらに有し、
前記寸法推定部は、前記記憶部に記憶された前記参照テーブルを参照して、前記第1の中心波長に対する前記基準用被測定物の測定対象寸法の第1の波長依存寸法を求め、前記第1の測定値と前記第1の波長依存寸法との差を算出し、前記基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、該差を加えた値を前記被測定物の測定対象寸法の真値とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の寸法測定装置。 - 前記コントローラは、前記被測定物として基準用被測定物を用い、該基準用被測定物の測定対象寸法の真値と、異なる中心波長を持つ複数の白色光で該基準用被測定物の測定対象寸法を測定して得られるそれぞれの波長依存寸法と該中心波長とを関連付けて記録することにより、該基準用被測定物の測定対象寸法の波長依存特性を表し、前記第1の光束が反射する前記基準用被測定物の面の状態に応じて作成された複数の参照テーブルを記憶した記憶部をさらに有し、
前記寸法推定部は、前記第1の測定値と前記第2の測定値の差を第1の変化量として算出し、前記複数の参照テーブルのそれぞれについて、前記第1の中心波長及び第2の中心波長のそれぞれに対する前記基準用被測定物の測定対象寸法の第1の波長依存寸法と第2の波長依存寸法の差を第2の変化量として算出し、前記複数の参照テーブルのそれぞれについて算出された前記第2の変化量のうち、前記第1の変化量との差が最も少ないものに対応する参照テーブルを選択し、前記第1の測定値と選択された参照テーブルについて求めた前記第1の波長依存寸法との差を算出し、前記基準用被測定物の測定対象寸法の真値に、該差を加えた値を前記被測定物の測定対象寸法の真値とする、請求項1〜4の何れか一項に記載の寸法測定装置。 - 放射する光の中心波長を、少なくとも第1の中心波長または第2の中心波長の何れかに設定可能な白色光源ユニットから放射された光を、被測定物に向かう第1の光束と第2の光束に分岐し、該第1の光束を該被測定物で反射させて該第2の光束との間に該被測定物の測定対象寸法に対応する第1の光路差を生じさせ、該第1の光束と該第2の光束を一つの光束に合わせて出射させる第1の干渉計と、位置が固定された参照鏡と、光路に沿って移動可能な移動鏡とを有する第2の干渉計であって、前記第1の干渉計を出射した光束を、該参照鏡に向かう第3の光束と、該移動鏡に向かう第4の光束に分岐して、該第3の光束と該第4の光束との間に第2の光路差を生じさせる第2の干渉計と、前記第3の光束と前記第4の光束を受光し、前記第1の光路差と前記第2の光路差とが略等しい場合に生じる干渉信号を検出し、該干渉信号に対応する信号を出力する検出器とを有する測定システムにおける被測定物の寸法測定方法であって、
前記第1の中心波長及び前記第2の中心波長のそれぞれについて、前記干渉信号の最大値に対応する前記移動鏡の位置を測定するステップと、
前記ピーク位置測定部で測定された前記第1の中心波長及び前記第2の中心波長に対する移動鏡の位置から、前記第2の光路差をそれぞれ計算することにより、前記被測定物の測定対象寸法の第1の測定値及び第2の測定値を求めるステップと、
前記波長依存寸法決定部で求められた前記第1の測定値及び第2の測定値から、前記被測定物の測定対象寸法の波長依存特性にしたがって、前記被測定物の測定対象寸法の真値を推定するステップと、
を有することを特徴とする寸法測定方法。
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