JP2014044060A - 形状測定装置、および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検面上での光束入射位置の変化に起因して発生し得る測定精度への影響を抑えるのに有利な形状測定装置を提供する。
【解決手段】形状測定装置１は、対象物に対する光束３の投受光を行う測長計６と、測長計６からの光束３を基準点Ｑを基準として偏向させる光束偏向機構７と、対象物の被検面２に対して光束３が垂直に入射する場合の被検面２と基準点Ｑとの間の距離Ｌ０と光束偏向機構７による最大光束偏向角θｍａｘとの少なくとも一方を、被検面２での光束３のスポット径の変化に依存する第１の測定誤差と、被検面２での光束３の入射角αに依存する第２の測定誤差との合成誤差が、許容される測定誤差の閾値以下となるように決定する制御部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置、および形状測定方法に関する。

例えば、レーザー光を対象物表面に照射し、対象物表面にて反射したレーザー光を受光することで、非接触にて対象物の３次元形状を測定する装置が存在する。このような形状測定装置として、特許文献１は、対象物表面に向けて照射されたレーザー光を、基準点から放射状に偏向走査する光束偏向機構としてのガルバノミラーを設けた３次元形状測定装置を開示している。一方、対象物表面上に照射されたレーザー光束のスポット径は、測定精度の変化を避ける観点から、対象物表面上での位置が変化したときでも、可能な限り変動が小さいことが望ましい。そこで、特許文献２は、この対象物表面上のレーザー光束のスポット径を一定にするものとして、レーザー光束の焦点を調整し得る焦点調整レンズをプローブ内に配置した立体回路基板の製造装置を開示している。

特許第４３７５７１０号公報 特開２０１０−５１９８３号公報

ここで、特許文献１に示す３次元形状測定装置では、レーザー光束が光束偏向機構により放射状に走査されるため、レーザー光束の被検面（対象物表面）への入射角は、被検面上での位置により変化する。したがって、この入射角に依存して変化する被検面からの反射光の光量や被検面が粗面のときに生じるスペックルパターン（干渉縞）により測定誤差が発生する可能性があり、この測定誤差も被検面上のレーザー光束の入射位置により変化することになる。また、レーザー光束のビームウエストの位置（測長計からビームウエストまでの距離）が一定であるため、被検面と測長計との間の距離に応じてスポット径が変化する。特に被検面でのスポット径が一定ならば、被検面のうねり成分や粗さ成分の平均化効果による振幅の劣化を補正し得る。これに対して、スポット径が変化してしまう場合には、特許文献２に示す製造装置に採用されているように焦点調整レンズをプローブ内に設置することで、スポット径を一定の範囲内に調整し得る。しかしながら、この場合にはプローブが大型化し、結果的に形状測定装置全体も大型化する。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、例えば、被検面上での光束入射位置の変化に起因して発生し得る測定精度への影響を抑えるのに有利な形状測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光束の投受光により対象物の形状を測定する形状測定装置であって、対象物に対する光束の投受光を行う測長計と、測長計からの光束を基準点を基準として偏向させる光束偏向機構と、対象物の被検面に対して光束が垂直に入射する場合の被検面と基準点との間の距離と光束偏向機構による最大光束偏向角との少なくとも一方を、被検面での光束のスポット径の変化に依存する第１の測定誤差と、被検面での光束の入射角に依存する第２の測定誤差との合成誤差が、許容される測定誤差の閾値以下となるように決定する制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、被検面上での光束入射位置の変化に起因して発生し得る測定精度への影響を抑えるのに有利な形状測定装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る形状測定装置の構成を示す図である。 基準値算出シーケンスの流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

まず、本発明の一実施形態に係る形状測定装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る形状測定装置１の構成を示す概略図である。この形状測定装置１は、対象物（被測定物）の表面を被検面２として、非接触にて被検面２の３次元形状を測定する。また、本実施形態における被検面２の概略形状は、図１に示すように、球面または曲面であるものと想定し、測定時の対象物は、測定のために照射される光束３の出射方向に凸面が向かうように不図示の保持部に載置（保持）されるものとする。さらに、図１では、対象物が保持部に載置された状態での平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、また、このＸ軸およびＹ軸を含むＸＹ平面に対して垂直な方向（本実施形態では鉛直方向）にＺ軸を取っている。この形状測定装置１は、被検面２の形状を非接触で測定するためのプローブ４と、制御部５とを備える。

プローブ４は、その内部に、測長計６と、光束偏向機構７とを含み、不図示の駆動ステージにより移動可能に保持されている。測長計６は、被検面２に対してレーザー光（レーザー光束（以下「光束」という））３を投受光する、すなわち、被検面２に対して光束３を照射するとともに、被検面２にて反射された反射光を検出する。光束偏向機構７は、測長計６から照射された光束３を偏向する偏向部材８と、この偏向部材８の回転位置（傾き）を変化させる不図示の駆動部とを含む。この光束偏向機構７としては、例えばガルバノミラーを採用し得る。このガルバノミラーは、駆動部の動作により基準点Ｑを基準として回転可能であり、光束３を任意の角度の方向に偏向させる。すなわち、基準点Ｑは、光束３の進行方向（角度）を変化させる際の中心となる点であり、図１に示す光束３の被検面２への偏向角（光束偏向角）θを定めるときの原点となる。なお、光束偏向機構７は、本実施形態では、光束３を１軸方向（Ｘ軸方向）にのみ偏向させるものとするが、例えばＸ軸とＹ軸の２軸方向に偏向可能な構成としてもよい。さらに、光束偏向機構７は、本実施形態では、図１に示すように偏向部材（ミラー）８の回転中心と光束３の偏向中心とを一致させる構成としているが、一致させない構成でもよい。制御部５は、形状測定装置１の各構成要素に配線を介して接続され、プログラムなどにしたがって演算処理や各構成要素の動作制御を実行し得る。

次に、形状測定装置１による対象物の形状測定について説明する。形状測定装置１において、制御部５は、まず、プローブ４を対象物のＺ軸方向上部に位置させた後、測長計６から光束３を照射させ、この光束３の偏向角θを光束偏向機構７により連続的に変化させる。このとき、光束３は、被検面２上を放射状に走査されるので、制御部５は、この走査により変化した被検面２上の複数の位置での反射光を測長計６に受光させ、その度に受光信号を取得する。そして、制御部５は、取得した複数の位置における複数の受光信号に基づいて被検面２の表面形状を算出する。

ここで、光束３の被検面２への入射角（光束入射角）αは、被検面２上での入射位置により変化し、この光束入射角αに依存して被検面２からの反射光の検出光量が変化することなどにより測定誤差が発生し得る。また、この測定誤差自体も、被検面２上の位置で異なるものとなる。一方、測長計６から照射された光束３は、測長計６内の不図示の光学系により、基準点Ｑから一定の位置でビームウエストを形成する。図１において、距離Ｌｂｗは、基準点Ｑからビームウエストが形成される位置Ｐｂｗまでの距離を示す。この距離Ｌｂｗは、一定であるため、プローブ４と被検面２との間の距離に応じてレーザー光束径が変化し、特に被検面２でのレーザー光束径（スポット径φ）も変化する。このスポット径φの変化も測定精度に対して影響を及ぼす場合がある。そこで、本実施形態では、形状測定装置１は、測定誤差の発生を含む測定精度への影響を可能な限り抑えるために、この影響が許容される範囲で通常時の測定を実施する。具体的には、制御部５は、通常時の測定の前に、予め２つの基準値を決定する。２つの基準値とは、プローブ４と被検面２との間の基準距離Ｌ０と、光束偏向機構７による光束３の最大偏向角度である最大光束偏向角θｍａｘとである。基準距離Ｌ０は、具体的には、図１に示すように、被検面２に対して光束３が垂直（被検面２側に９０度傾いた軸方向（Ｚ軸方向））に入射する場合の基準点Ｑから被検面２までの距離である。一方、最大光束偏向角θｍａｘは、ここまでの偏向角度であれば測定精度への影響が許容されるという角度である。

次に、上記の基準距離Ｌ０と最大光束偏向角θｍａｘとを決定する基準値算出シーケンスについて説明する。図２は、本実施形態に係る基準値算出シーケンスの流れを示すフローチャートである。制御部５は、基準値算出シーケンスを開始すると、まず、初期パラメーターを取得する（ステップＳ１００）。ここで、初期パラメーターは、被検面２のＣＡＤデータなどの設計に係る被検面形状データ、測定誤差の閾値Ｅｔｈ、基準距離Ｌ０および最大光束偏向角θｍａｘの限界値、ならびに測定誤差に関するルックアップテーブル（以下「ＬＵＴ」と表記する）である。このうち、設計に係る被検面形状データは、制御部５が被検面２の大まかな形状を認識するために用いるものであり、ＣＡＤデータの他に、例えば別の測定装置や本実施形態とは異なる測定により予め得られた被検面２の形状であってもよい。閾値Ｅｔｈとしては、形状測定装置１のオペレーターが指定してもよいし、ＣＡＤデータに付帯した管理情報が記載してある製造公差に関する情報に基づいて決定してもよい。このとき、製造公差に関する情報に基づいて決定する場合には、例えば、公差値の１／３〜１／１０が閾値Ｅｔｈとして適切な値となる。基準距離Ｌ０の限界値は、形状測定装置１の動作保証範囲などであり、被検面２の大きさやプローブ４の駆動範囲などで決定される。また、最大光束偏向角θｍａｘの限界値も、光束偏向機構７の精度保証範囲などで決定される。なお、いずれの限界値も、小さくなる方向であるならば、オペレーターが任意で入力可能である。さらに、測定誤差に関するＬＵＴは、形状測定装置１に固有の個体情報であり、例えば、装置出荷時に予め測定される装置固有の測定誤差が記されている。この測定誤差に関するＬＵＴには、光束入射角αに依存するものと、スポット径φの変化に依存するものとがある。制御部５は、これらの初期パラメーターを、制御部５自体にある記憶部に保存されているものを読み出したり、形状測定装置１のオペレーターが入力したり、制御部５にネットワーク回線を介して接続された他の記憶部から読み込んだりすることができる。

次に、制御部５は、基準距離Ｌ０および最大光束偏向角θｍａｘの予め想定した範囲内で、被検面２上での測定可能な複数の測定点（測定可能点）Ｐｉを決定する（ステップＳ１０１）。なお、測定点Ｐｉの添え字「ｉ」は、ｉ番目と言う意味であり、以下の各パラメーターでも同様とする。ここで、測定点Ｐｉは、被検面２上において適当な間隔で位置するものとする。

次に、制御部５は、ステップＳ１０１で決定した複数の測定点Ｐｉのそれぞれにおける２つのパラメーターを算出する（ステップＳ１０２）。これら２つのパラメーターのうち、１つは、基準点Ｑと測定点Ｐｉとの間の距離Ｌｉであり、もう１つは、その測定点Ｐｉにおける光束入射角αｉである。ここで、光束入射角αｉは、以下のような演算で算出し得る。まず、測定点Ｐｉの座標を（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）、および基準点Ｑの座標を（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とし、測定点Ｐｉから基準点Ｑに向かうベクトルをＰｉＱとする。そして、制御部５は、以下の式（１）のように、ベクトルＰｉＱに対して、ステップＳ１００で取得した被検面２の設計に係る被検面形状から求めた測定点Ｐｉの法線ベクトルｎｉとの内積を取ることで、光束入射角αｉを算出する。
ｃｏｓ（αｉ）＝ＰｉＱ・ｎｉ／｜ＰｉＱ・ｎｉ｜ （１）
ここで、ベクトルＰｉＱのノルムは、距離Ｌｉであり、Ｚ軸からの角度が光束偏向角θであるので、光束入射角αｉは、プローブ４と被検面２との間の基準距離Ｌ０および光束偏向角θに依存する。例えば、被検面２の形状が球面の場合には、光束入射角αｉは、被検面２の曲率半径をＲとすると、以下の式（２）で表される。
ｃｏｓ（αｉ）＝（（Ｌ０＋Ｒ）^２＋Ｌｉ^２＋Ｒ^２）／Ｌｉ／Ｒ （２）

次に、制御部５は、ステップＳ１０２で得られた距離Ｌｉおよび光束入射角αｉを用いて、複数の測定点Ｐｉのそれぞれにおける光束３のスポット径φｉを算出する（ステップＳ１０３）。ここで、スポット径φｉは、以下のような演算で算出し得る。まず、光束３が例えばガウスビームであると想定し、ビームウエスト位置Ｐｂｗ（距離Ｌｂｗ）におけるビームウエストの半径をｗ０とし、光束３の波長をλとする。そして、制御部５は、以下の式（３）に示すガウスビームの伝播式よりスポット径φｉを算出する。
φｉ＝１／ｃｏｓ（αｉ）×２×ｗ０
×（１＋（λ×（Ｌｉ−Ｌｂｗ）／（π×ｗ０^２））^２）^０．５ （３）
ここで、スポット径φｉは、距離Ｌｉと光束入射角αｉとに依存する。さらに、距離Ｌｉおよび光束入射角αｉは、基準距離Ｌ０と光束偏向角θとに依存する。したがって、制御部５は、被検面２の設計に係る被検面形状データに基づいて、基準距離Ｌ０と光束偏向角θとをパラメーターとして、スポット径φｉの変化量を、スポット径φｉの変化に起因する誤差を閾値内とするように設定し得る。なお、スポット径φｉの算出については、測長計６が採用するレーザーの種類により、エルミートガウシアンビーム、ラゲールガウシアンビーム、またはベッセルビームに関する演算としてもよいし、幾何光学を用いた演算としてもよい。次に、制御部５は、すべての測定点Ｐｉにおけるスポット径φｉの変化量Δφを算出する（ステップＳ１０４）。ここで、スポット径φｉの変化量Δφとは、ｉ番目の測定点Ｐｉにおけるスポット径φｉから、ｉ＋１番目の測定点Ｐ（ｉ＋１）におけるスポット径φ（ｉ＋１）までの変化量（差分）をいう。

次に、制御部５は、ステップＳ１００にて取得した測定誤差に関するＬＵＴを参照し、スポット径φｉの変化量Δφに対応した測定誤差（第１の測定誤差）Ｅφを導出する（ステップＳ１０５）。次に、制御部５は、光束入射角αｉに対応した測定誤差（第２の測定誤差）Ｅαを導出する（ステップＳ１０６）。このとき、制御部５は、すべての測定点Ｐｉにおける最大の光束入射角αｉを算出した後、ステップＳ１００にて取得した測定誤差に関するＬＵＴを参照することで、測定誤差Ｅαを決定する。次に、制御部５は、測定誤差（合成誤差）Ｅを算出する（ステップＳ１０７）。このとき、制御部５は、測定誤差Ｅを、Ｅ＝Ｅφ＋Ｅαとして算出してもよいし、または、ＥφとＥαとの二乗和平方根として算出してもよい。次に、制御部５は、ステップＳ１０７にて得られた測定誤差Ｅが、ステップＳ１００で取得した閾値以下（閾値Ｅｔｈ以下）となっているかどうかを判断する（ステップＳ１０８）。ここで、制御部５は、測定誤差Ｅが閾値Ｅｔｈ以下であると判定した場合には（ＹＥＳ）、このときの基準距離Ｌ０および最大光束偏向角θｍａｘを確定する（ステップＳ１０９）。一方、制御部５は、測定誤差Ｅが閾値Ｅｔｈを超えていると判定した場合には（ＮＯ）、このときの基準距離Ｌ０と最大光束偏向角θｍａｘとの両方または一方のみの値を変更する（ステップＳ１１０）。そして、制御部５は、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０８での判断にて測定誤差Ｅが閾値Ｅｔｈ以下となるまで演算を繰り返す。

制御部５は、上記のように決定した基準距離Ｌ０に基づいて図１でのＸＹＺ座標系における光束３の偏向基準点Ｑの座標を演算し、この基準点Ｑを用いて通常時の測定を実施させる。さらに、制御部５は、測定時に光束３の角度を偏向させるに際し、光束偏向角θが上記のように決定した最大光束偏向角θｍａｘを超えないように光束偏向機構７の動作を制御する。これにより、形状測定装置１は、測定精度への影響が許容される範囲で通常時の測定を実施することが可能となる。さらに、本実施形態の形状測定装置１によれば、特許文献２に示すような光束の焦点を調整するための焦点調整レンズなどをプローブ内に設置することもないため、プローブの大型化を避け、結果的に形状測定装置全体の大型化も避けられる。なお、本実施形態では、基準距離Ｌ０と最大光束偏向角θｍａｘとの双方を決定し通常時の測定に反映させるものとして説明した。これに対して、基準距離Ｌ０と最大光束偏向角θｍａｘとの双方を厳密に決定せずとも測定精度への影響が許容される範囲となり得る場合には、これらのうちのいずれかのみを決定して反映させるものとしてもよい。

以上のように、本実施形態によれば、被検面上の光束入射位置の変化に起因して発生し得る測定精度への影響を抑えるのに有利な形状測定装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 形状測定装置
５ 制御部
６ 測長計
７ 光束偏向機構

Claims (9)

1. 光束の投受光により対象物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記対象物に対する前記光束の投受光を行う測長計と、
   前記測長計からの前記光束を基準点を基準として偏向させる光束偏向機構と、
   前記対象物の被検面に対して前記光束が垂直に入射する場合の前記被検面と前記基準点との間の距離と前記光束偏向機構による最大光束偏向角との少なくとも一方を、前記被検面での前記光束のスポット径の変化に依存する第１の測定誤差と、前記被検面での前記光束の入射角に依存する第２の測定誤差との合成誤差が、許容される測定誤差の閾値以下となるように決定する制御部と、
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記制御部は、前記閾値を、前記被検面の設計に係る被検面形状データに付帯した管理情報が記載してある製造公差に基づいて決定することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記制御部は、前記形状測定装置の固有の個体情報としての前記スポット径の変化に依存した測定誤差が記されたルックアップテーブルを取得し、
   前記第１の測定誤差を、前記ルックアップテーブルを参照して求めることを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
4. 前記制御部は、前記形状測定装置の固有の個体情報としての前記入射角に依存した測定誤差が記されたルックアップテーブルを取得し、
   前記第２の測定誤差を、前記ルックアップテーブルを参照して求めることを特徴とする請求項１または２に記載の形状測定装置。
5. 前記制御部は、前記測定点から前記基準点に向かうベクトルに基づいて、前記被検面での複数の測定点のそれぞれにおける前記測定点と前記基準点との間の距離および前記入射角を算出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
6. 前記制御部は、前記測定点と前記基準点との間の前記距離および前記入射角に基づいて前記スポット径を算出し、
   算出された複数の前記スポット径に基づいて前記スポット径の変化量を算出する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記制御部は、前記スポット径を、ガウスビームの伝播式に基づいて算出することを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
8. 前記制御部は、前記スポット径の変化量を、前記被検面の設計に係る被検面形状に基づく、決定される前の前記対象物の被検面に対して前記光束が垂直に入射する場合の前記被検面と前記基準点との間の距離と、前記測定点における前記光束偏向角とをパラメーターとして、前記第１の測定誤差が閾値以下となるように設定することを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
9. 光束の投受光により対象物の形状を測定する形状測定方法であって、
   測定誤差が記憶されたルックアップテーブルを取得する工程と、
   前記対象物の被検面に対して前記光束が垂直に入射する場合の、前記被検面と前記光束を前記被検面に対して偏向させる際の基準となる基準点との間の距離、および最大光束偏向角の予め想定した範囲内で前記被検面での測定可能な複数の測定点を決定する工程と、
   前記複数の測定点のそれぞれにおける、前記基準点と前記測定点との間の距離、および前記光束の入射角を算出する工程と、
   前記基準点と前記測定点との間の前記距離および前記入射角に基づいて前記光束のスポット径を算出し、算出された複数の前記スポット径に基づいて前記スポット径の変化量を算出する工程と、
   前記被検面での前記スポット径の変化に依存する第１の測定誤差と、前記被検面での前記入射角に依存する第２の測定誤差とを、前記ルックアップテーブルを参照して取得する工程と、
   前記第１の測定誤差と第２の測定誤差との合成誤差が、許容される測定誤差の閾値以下となるように、前記対象物の被検面に対して前記光束が垂直に入射する場合の前記被検面と前記基準点との間の距離、または前記最大光束偏向角の少なくとも一方を決定する工程と、
   を含むことを特徴とする形状測定方法。

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