JP2011027605A

JP2011027605A - 形状測定装置

Info

Publication number: JP2011027605A
Application number: JP2009174867A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Yamada; 智明山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-10

Abstract

【課題】より正確かつ確実に形状測定装置の校正を行う。
【解決手段】俯瞰カメラ、光切断プローブ、および、接触式プローブを用いて被検物の形状を測定する形状測定装置のステージの上面には、校正用のゲージ２１が設けられている。ゲージ２１は、形状測定装置の校正に用いる凹球面状の凹部５１と、凹部５１を構成する凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光を遮光する遮光部材５２により構成される。本発明は、例えば、被検物の３次元形状を測定する形状測定装置に適用できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、より正確かつ確実に校正が行えるようにした形状測定装置に関する。

従来、接触式または非接触式のプローブを用いて被検物の形状を測定する三次元形状測定装置では、高い測定精度を実現するために、所定の形状のゲージをステージ上の所定の位置に設けておき、そのゲージの形状および位置を測定した結果に基づいて、装置の校正が行われている。すなわち、既知のゲージの形状および位置と測定値との関係を求め、例えば、測定値の補正を行うための補正値を設定したり、ゲージに対する測定誤差が所定の範囲内になるように三次元形状測定装置の各部の調整を行ったりすることが行われている。

ところで、校正用のゲージとしては、ゲージの中心の位置を求めるのが容易などの理由により、球体のゲージがよく用いられる（例えば、特許文献１参照）。しかし、回転や傾斜が可能なステージに球体のゲージを設けた場合、ステージを回転したり傾けたりしたときに、プローブに接触するなどの要因により、ゲージが測定の妨げになる場合がある。

そこで、凹球面状の凹部を校正用のゲージとして用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３００５６８１号公報特開２００６−３４９４１０号公報

しかしながら、被検物に光を照射し、被検物からの反射光を検出する光学式の非接触式プローブを用いた形状測定装置の校正に凹球面のゲージを用いた場合、凹球面からの非常に強い正反射光が、光学式の非接触式プローブの光検出器（例えば、カメラ、光センサなど）に入射し、ゲージの形状および位置が正確に測定できず、正確に校正を行えない場合があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より正確かつ確実に形状測定装置の校正が行えるようにするものである。

本発明の一側面の形状測定装置は、ステージに設置されている被検物に光を照射する照射部と、照射する前記光の進行方向と異なる方向から前記被検物により反射された反射光を検出する検出部と、前記検出部で検出された反射光に基づいて前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記ステージに設けられている、前記形状測定装置の校正に用いる凹球面状の凹部と、前記凹部を構成する凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光を遮光する遮光部とを備える。

本発明の一側面の形状測定装置においては、形状測定装置の校正に用いる凹部を構成する凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光が遮光される。

本発明の一側面によれば、より正確かつ確実に形状測定装置の校正を行うことができる。

本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態を模式的に示す外観図である。形状測定装置のゲージを拡大した図である。形状測定装置のゲージの遮光部材を拡大した図である。

以下、図を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態を模式的に示す外観図である。なお、以下、形状測定装置１の横方向をｘ軸方向と称し、奥行き方向をｙ軸方向と称し、高さ方向をｚ軸方向と称する。

図１の形状測定装置１は、俯瞰カメラ１４、光切断プローブ１５、および、接触式プローブ１６を用いて、円筒状のステージ１２の上面１２Ａに設置された被検物（不図示）の形状を測定する三次元形状測定装置である。

ステージ１２は、ｘ軸回りの回転、および、ｚ軸回りの回転が可能となるように、基台１１の上に設けられている。なお、以下、ステージ１２のｘ軸回りの回転角を回転角φと称し、ステージ１２のｚ軸回りの回転角を回転角θと称する。

基台１１上のステージ１２の奥には、柱１３Ａおよびガイド部材１３Ｂからなる逆Ｌ字型の支持部材１３が設けられている。柱１３Ａは、基台１１に対して垂直に立設され、柱１３Ａの上端に、長手方向がｙ軸方向に延び、基台１１の上面に対して水平なガイド部材１３Ｂが設けられている。ガイド部材１３Ｂの下面には、俯瞰カメラ１４、光切断プローブ１５、および、接触式プローブ１６が、ｘ軸方向に並ぶように設けられている。

俯瞰カメラ１４、光切断プローブ１５、および、接触式プローブ１６は一体となって、図示せぬ駆動機構により、ガイド部材１３Ｂの長手方向に沿ってｙ軸方向に平行移動できるとともに、ｚ軸方向に平行移動できる。また、支持部材１３は、図示せぬ駆動機構により、基台１１の上をｘ軸方向に平行移動でき、その結果、俯瞰カメラ１４、光切断プローブ１５、および、接触式プローブ１６が、ｘ軸方向に平行移動する。

俯瞰カメラ１４は、ステージ１２に設置されている被検物を撮影し、その結果得られた画像（以下、俯瞰画像と称する）のデータ（以下、俯瞰画像データと称する）を、形状測定装置１の図示せぬ演算装置に供給する。そして、図示せぬ演算装置は、俯瞰画像に基づいて、被検物の形状を測定する。

光切断プローブ１５は、例えば、ｙ軸方向に延びるスリット光を、投光部１５Ａからステージ１２に設置された被検物に照射する。なお、以下、投光部１５Ａが照射するスリット光（照射光）の進行方向を、適宜投光部１５Ａの光軸もしくはスリット光の光軸と称する。そして、光切断プローブ１５は、スリット光の照射位置を所定の間隔で少しずつｘ軸方向に移動させながら、スリット光の光軸と異なる方向から、例えば、CCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサなどの２次元撮像素子を有するカメラ１５Ｂによりスリット光が投影された被検物を撮影する。すなわち、光切断プローブ１５は、スリット光をｘ軸方向に走査させながら、スリット光の反射光を含む被検物の画像（以下、スリット画像と称する）を複数撮影する。光切断プローブ１５は、撮影した複数のスリット画像のデータ（以下、スリット画像データと称する）を、形状測定装置１の図示せぬ演算装置に供給する。そして、図示せぬ演算装置は、各スリット画像におけるスリット光の結像位置に基づいて、被検物の形状を測定する。

接触式プローブ１６は、その先端を被検物に接触させ、そのときの接触式プローブ１６の位置から、接触した被検物の表面の各位置を検出する。例えば、接触式プローブ１６は、その先端を被検物に接触させたときの、接触式プローブ１６のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の位置、並びに、ステージ１２のｘ軸およびｚ軸回りの回転位置から、所定の基準位置に対する接触した被検物の位置の相対位置を検出し、検出した位置情報を形状測定装置１の図示せぬ演算装置に供給する。そして、図示せぬ演算装置は、接触式プローブ１６により検出された被検物の複数の点の位置情報に基づいて、被検物の形状を測定する。

なお、形状測定装置１では、被検物の形状や材質などに応じて、これらの３種類の測定部（俯瞰カメラ１４、光切断プローブ１５、および、接触プローブ１６）を使い分けながら、被検物の形状を測定することが可能である。

また、ステージ１２の上面１２Ａの外周付近には、校正用のゲージ２１−１乃至２１−４が、ほぼ９０度間隔で設けられている。ゲージ２１−１乃至２１−４の形状および位置は予め分かっており、形状測定装置１は、各プローブを用いてゲージ２１−１乃至２１−４の形状および位置を測定した結果に基づいて校正を行う。例えば、既知のゲージ２１−１乃至２１−４の凹部５１（図２）の形状および位置と、各プローブよる測定値との関係を求め、測定値の補正を行うための補正値がプローブ毎に設定されたり、ゲージ２１−１乃至２１−４の凹部５１（図２）に対する測定誤差が所定の範囲内になるように形状測定装置１の各部の調整が行われたりする。

なお、以下、ゲージ２１−１乃至２１−４を個々に区別する必要がない場合、単に、ゲージ２１と称する。

図２は、ゲージ２１を拡大した図である。ゲージ２１は、ステージ１２の上面１２Ａに設けられた凹球面状の凹部５１、および、遮光部材５２により構成される。

凹部５１の表面は、凹部５１の表面で正反射する正反射光の強度が弱くなるように、拡散反射面により構成される。また、凹部５１の表面は、凹部５１の底を中心とする同心円により複数の領域Ｒ１乃至Ｒ６に区分されている。領域Ｒ１乃至Ｒ６は、それぞれ異なる模様または色などが施され、視覚的にそれぞれ個別に識別することが可能である。なお、凹部５１の底とは、凹部５１の縁の外周円Ｃから最も遠い部分であって、上面１２Ａが水平になるようにステージ１２を設置した場合に、最も下になる部分である。

なお、以下、領域Ｒ１乃至Ｒ６を個々に区別する必要がない場合、単に、領域Ｒと称する。

図３に示されるように、遮光部材５２は、球状の遮光部５２Ａおよび棒状の支持部５２Ｂにより構成される。支持部５２Ｂは、凹部５１の底から垂直に突出するように凹部５１を構成する凹球面の中心（以下、単に凹球面の中心と称する）に向かって（すなわち、凹球面の径方向に）設けられ、遮光部５２Ａを支持している。遮光部５２Ａは、支持部５２Ｂにより凹球面の中心を含む位置に設置され、凹球面の中心と遮光部５２Ａの中心とがほぼ一致する。従って、凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光が、遮光部５２Ａにより遮光される。また、支持部５２Ｂも透過率の低い材質からなり、支持部５２Ｂに入射する光を遮光する。

従って、形状測定装置１の校正時に、光切断プローブ１５の投光部１５Ａからスリット光をゲージ２１に照射した場合に、凹部５１の表面で光切断プローブ１５のカメラ１５Ｂの方向に反射される反射光のうち、凹部５１の表面で正反射される正反射光のほとんどが、遮光部材５２により遮光され、カメラ１５Ｂのレンズに入射することが防止される。従って、凹部５１からの非常に強い正反射光によりカメラ１５Ｂのレンズにフレアが発生したり、イメージセンサが飽和したりして、凹部５１に投影されたスリット光の結像位置の検出が困難になったり、結像位置が誤検出されたりして、校正が正確に行われなくなることが防止される。

なお、遮光部５２Ａの大きさ（半径）、すなわち、遮光部５２Ａにより遮光される範囲は、例えば、投光部１５Ａの光軸方向とカメラ１５Ｂの光軸方向との間の角度、凹部５１を構成する凹球面の半径などにより決定される。例えば、投光部１５Ａの光軸方向とカメラ１５Ｂの光軸方向との間の角度が小さいほど、凹部５１の表面でカメラ１５Ｂの方向に正反射される正反射光は、凹球面の中心により近い位置を通過するため、遮光部５２Ａを小さくすることができる。一方、投光部１５Ａの光軸方向とカメラ１５Ｂの光軸方向との間の角度が大きいほど、凹部５１の表面でカメラ１５Ｂの方向に正反射される正反射光は、凹球面の中心からより遠い位置を通過するため、遮光部５２Ａを大きくする必要がある。

また、遮光部材５２の形状は、この例に限定されるものではない。例えば、遮光部５２Ａの形状は、凹球面の中心を含む所望の範囲に入射する光を遮光できるのであれば、特に球に限定されるものではない。また、例えば、支持部５２Ｂを太くし、支持部５２Ｂの先端に、遮光部５２Ａと半径が同じ半球が取付けられたような形状にしてもよい。

さらに、凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光を遮光するだけでよいのであれば、必ずしも支持部５２Ｂを設けなくてもよい。例えば、ゲージ２１を用いて接触式プローブ１６の校正を行う必要がない場合、透明な円板状の部材により凹部５１に蓋をし、その蓋の中心付近を遮光できるようにして、凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光を遮光できるようにしてもよい。

また、俯瞰カメラ１４からゲージ２１を見た場合、ステージ１２の回転角θおよび回転角φにより、遮光部５２Ａが重なって見える凹部５１の位置が異なる。従って、俯瞰画像において、遮光部５２Ａが凹部５１のどの領域Ｒと重なっているかを検出することにより、エンコーダやパルスメータなどの高価な部品を用いなくても、ステージ１２の回転角θおよび回転角φを大まかに検出することができる。これは、例えば、設定可能な回転角θおよび回転角φが、０度、１０度、２０度・・・など、予め離散的に決められている場合に、特に有効である。

なお、区分する領域Ｒの数は、この例に限定されるものではなく、任意の数に設定することができるが、領域Ｒの数を増やすほど、より正確にステージ１２の回転角θおよび回転角φを検出することが可能になる。

さらに、遮光部５２Ａのやや下寄りに、遮光部５２Ａの周囲を取り囲むように送風口６１−１乃至６１−ｎが設けられている。形状測定装置１の電源が投入されている間、常にこの送風口６１−１乃至６１−ｎから凹部５１の表面に向かって風が吹き出され、凹部５１に溜まった埃などの異物が除去され、より正確に校正を行うことが可能になる。

なお、形状測定装置１に設けるゲージの数は、４つに限定されるものではなく、ステージ１２の自由度等に基づいて、校正に必要な数に設定するようにすればよい。

また、ステージ１２の移動および回転方向は、上述した例に限定されるものではなく、例えば、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸方向に平行移動できるようにしたり、ｙ軸回りに回転できるようにしたりすることも可能である。

さらに、本発明は、光切断法に限らず、被検物に光を照射し、その反射光を用いて被検物の形状を測定する形状測定装置に適用できる。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１形状測定装置，１２ステージ，１４俯瞰カメラ，１５光切断プローブ，１５Ａ投光部，１５Ｂカメラ，１６接触式プローブ，２１−１乃至２１−４ゲージ，５１凹部，５２遮光部材，５２Ａ遮光部，５２Ｂ支持部，６１−１乃至６１−ｎ送風口，Ｒ１乃至Ｒ６領域

Claims

ステージに設置されている被検物に光を照射する照射部と、照射する前記光の進行方向と異なる方向から前記被検物により反射された反射光を検出する検出部と、前記検出部で検出された反射光に基づいて前記被検物の形状を測定する形状測定装置において、
前記ステージに設けられている、前記形状測定装置の校正に用いる凹球面状の凹部と、
前記凹部を構成する凹球面の中心を含む所定の範囲に入射する光を遮光する遮光部と
を備える形状測定装置。
前記検出部は、２次元撮像素子を有する
請求項１に記載の形状測定装置。
前記遮光部は、前記凹部の底から突出するように設けられている
請求項１に記載の形状測定装置。
前記遮光部は、
前記凹球面の中心を含む位置に設けられている所定の形状の遮光部材と、
前記凹部の底から突出するように前記凹球面の径方向に設けられ、前記遮光部材を支持するとともに、入射する光を遮光する支持部材と
を備える請求項３に記載の形状測定装置。
前記凹部の表面は、前記凹部の底を中心とする同心円により複数の識別可能な領域に区分されている
請求項１乃至４のいずれかに記載の形状測定装置。
前記凹部の表面は、拡散反射面により構成される
請求項１乃至５のいずれかに記載の形状測定装置。