JP2014228528A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定の異常を確認可能な形状測定装置を提供する。【解決手段】形状測定装置１０は、測定対象物１２を載置するためのステージ１３と、測定対象物１２を撮像すると共にステージ１３に対して相対移動可能に構成された撮像部と、ステージ１３に対して垂直な第１方向に撮像部を移動させながら第１方向の所定ピッチ毎に撮像部により測定対象物１２に基づく光学的な測定値を得ると共に測定値及び測定値を取得した際の第１方向の位置情報の系列からなる測定情報を取得する測定動作を実行し、測定情報から前記測定対象物１２の形状測定値を算出する制御部とを備える。制御部は、測定情報を判定し、測定情報に含まれるランダム誤差に起因する特徴量が所定のしきい値を超えたと判断したらエラー情報を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、光学系を用いて非接触で被測定物の三次元形状を測定する種々の形状測定装置が知られている。例えば、マイクロマシンやＬＳＩ等の微細な段差を有する被測定物の三次元計測が可能な形状測定装置としては、白色干渉計等が知られている（特許文献１）。このような形状測定装置では、撮像部をステージに対して垂直方向に操作して各垂直位置で得られた測定値の系列から測定対象物の形状を測定する。しかしながら、従来の形状測定装置においては、測定情報にランダム誤差が含まれる可能性があり、このようなランダム誤差が無視できない値になる異常が生じても、ユーザはその異常を確認できない。したがって、測定結果には、その異常により生じた誤差が含まれ得る。

特開２０１１−８９８９７号公報

本発明は、測定の異常を確認可能な形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る形状測定装置は、測定対象物を載置するためのステージと、前記測定対象物を撮像すると共に前記ステージに対して相対移動可能に構成された撮像部と、前記ステージに対して垂直な第１方向に前記撮像部を移動させながら前記第１方向の所定ピッチ毎に前記撮像部により前記測定対象物に基づく光学的な測定値を得ると共に前記測定値及び前記測定値を取得した際の前記第１方向の位置情報の系列からなる測定情報を取得する測定動作を実行し、前記測定情報から前記測定対象物の形状測定値を算出する制御部とを備え、前記制御部が、前記測定情報を判定し、前記測定情報に含まれるランダム誤差に起因する特徴量が所定のしきい値を超えたと判断したらエラー情報を出力することを特徴とする。

本発明の一つの実施形態では、前記制御部が、前記エラー情報が出力されたら、所定の試行回数を上限として前記エラー情報が出力されなくなるまで前記測定動作を繰り返す。

ここで、制御部が求めるランダム誤差に起因する特徴量としては、例えば
（１）前記第１方向の位置情報の系列に含まれる前記測定値の前記第１方向の取得ピッチと予め指定された前記所定ピッチとの間の最大誤差、
（２）前記測定情報から特定される波形形状から観測される外乱を示す幾何学的な特徴量、
（３）前記測定情報に含まれる測定信号と暗信号との振幅の比、
等を対象とすることができる。

この発明によれば、測定情報に含まれるランダム誤差に起因する特徴量が所定のしきい値を超えたと判断したらエラー情報を出力するようにしているので、測定の異常を確認可能な形状測定装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る形状測定装置置の全体構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係るコンピュータ本体２１を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る撮像ユニット１７の具体的構成を示す図である。 第１の実施の形態に係る干渉光強度の変化の変化を示す図である。 第１の実施の形態に係るピーク位置を求める処理の一例を説明するための図である。 第１の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。 撮像ユニット１７のＺ軸方向の位置に伴う干渉光の位相の変化を示す図である。 第４の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。 第５の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。 第６の実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置の全体構成を示す斜視図である。この形状測定装置は、非接触型の形状測定機１０と、この形状測定機１０を駆動制御すると共に必要なデータ処理を実行するコンピュータ２０とにより構成されている。

形状測定機１０は、次のように構成されている。即ち、架台１１上には、ワーク１２（測定対象物）を載置するためのステージ１３が装着されており、このステージ１３は、Ｙ軸方向に駆動される。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１４、１５が固定されており、この支持アーム１４、１５の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１６が固定されている。このＸ軸ガイド１６には、ワーク１２を撮像する撮像ユニット１７が支持されている。撮像ユニット１７は、Ｘ軸ガイド１６に沿ってＸ軸方向に移動可能に構成されている。また、撮像ユニット１７は、アクチュエータ１７ａによりＺ軸方向に移動可能に構成されている。以上のように、撮像ユニット１７は、ステージ１３、Ｘ軸ガイド１６及びアクチュエータ１７ａによりステージ１３に対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対的に移動可能に構成されている。なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向はステージ１３に対して平行方向であり、Ｚ軸方向はステージ１３に対して垂直方向である。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向は互いに直交する。

コンピュータ２０は、コンピュータ本体２１、キーボード２２、ジョイスティックボックス（Ｊ／Ｓ）２３、マウス２４及びディスプレイ２５を有する。コンピュータ本体２１は、例えば図２に示すように構成されている。即ち、撮像ユニット１７から入力されるワーク１２の画像情報は、インタフェース（Ｉ／Ｆ）３１を介して画像メモリ３２に格納される。

また、ワーク１２のＣＡＤデータは、Ｉ／Ｆ３３を介してＣＰＵ３５に入力され、ＣＰＵ３５で所定の処理がなされた後に画像メモリ３２に格納される。画像メモリ３２に格納された画像情報は、表示制御部３６を介してディスプレイ２５に表示される。

一方、キーボード２２、Ｊ／Ｓ２３、及びマウス２４から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ３４を介してＣＰＵ３５に入力される。ＣＰＵ３５は、ＲＯＭ３７に格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ３８からＩ／Ｆ３９を介してＲＡＭ４０に格納されたプログラムに従って各種処理を実行する。

ＣＰＵ３５は、プログラムに従ってＩ／Ｆ４１を介して形状測定機１０を制御する。ＨＤＤ３８は各種データを格納する記録媒体である。ＲＡＭ４０は各種処理のワーク領域を提供する。

次に、図３を参照して、撮像ユニット１７の具体的構成を説明する。図３に示す例では、撮像ユニット１７はマイケルソン型の干渉計である。しかしながら、撮像ユニット１７は、ミラウ型等、他の等光路干渉計であってもよい。また、撮像ユニット１７は他の光学測定装置と併用したものでも良い。

図３に示す撮像ユニット１７において、光源１７１は、例えばハロゲンランプ、キセノンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ等の広帯域スペクトルを有する白色光源である。光源１７１は光量を調整可能に構成されている。光源１７１から出射された白色光は、コリメータレンズ１７２でコリメートされ、ビームスプリッタ１７３で２方向に分割される。一方の分割光はワーク１２の測定面に照射され、他方の分割光は参照板１７５の参照面に照射される。測定面及び参照面からそれぞれ反射された白色光は、ビームスプリッタ１７３で合成され、その際の干渉光が結像レンズ１７７を介してＣＣＤカメラ１７８で撮像される。

以上のような撮像ユニット１７は、アクチュエータ１７ａによってＺ軸方向に走査され、各走査位置での干渉光（干渉像）がＣＣＤカメラ１７８によりサンプリングされ、コンピュータ２０内の画像メモリ３２に記憶される。コンピュータ２０は、ワーク１２の測定面の各位置での干渉光の強度とエンコーダ１７ｂから入力される撮像ユニット１７のＺ軸方向の位置（走査位置）とに基づいてワーク１２の高さ（Ｚ値）を求める。

図３に示すように、光源１７１からの白色光は、ワーク１２の測定面と参照板１７５の参照面で反射され、ビームスプリッタ１７３で合成される。そのときの干渉光強度は、撮像ユニット１７をＺ軸方向に走査することにより変化する。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。これにより、例えば、図４に示すように、参照面の走査により発生する測定面の各位置での干渉光強度の変化は、測定面の高さ（Ｚ軸方向の位置）に応じた位相で発生する。したがって、測定面の各位置での干渉光強度の変化のピーク値が観測される参照面の走査位置を、測定面の対応する部位の高さとして求めることができる。

図５は、各位置での干渉光強度の変化から、そのピーク位置を求める処理の一例を説明するための図である。この処理では、参照面を走査して得られた干渉光強度列に対して、所定の幾何要素（例えば、直線又は曲線）Ａを当てはめる。或いは、求められた干渉光強度列に対して平滑化して幾何要素（例えば、直線又は曲線）Ａを得る。次に、得られた幾何要素Ａをそれぞれ強度軸のプラス方向とマイナス方向にシフトさせて、スレッショルドレベルＢ，Ｃを設定する。このスレッショルドレベルを超える干渉光強度をピーク位置候補点として求める。そして、ピーク位置候補点が最も密集している領域の重心をピーク位置Ｐとして求める。このような処理により、処理点数を削減して高速でピーク位置Ｐを求めることが出来る。上述のように求められたピーク位置Ｐがその測定点における高さ（Ｚ値）に相当する。測定面の各位置でのＺ値を求めることで、ワーク１２の面データを求めることができる。なお、この面データの任意方向のデータを抽出することで、ある断面におけるプロファイルデータを求めることができる。

次に、図６を参照して本実施の形態に係る形状測定を具体的に説明する。図６は本実施の形態に係る形状測定を示すフローチャートである。図６に示すように、先ず、コンピュータ２０は撮像ユニット１７を初期位置に配置する（Ｓ１０１）。次に、コンピュータ２０は撮像ユニット１７によりワーク１２を撮像する（Ｓ１０２）。次に、コンピュータ２０は所定回数の撮像が終了したか否かを判定する（Ｓ１０３）。ここで、撮像が終了していないと判定すると（Ｓ１０３、ＮＯ）、コンピュータ２０は撮像ユニット１７を所定量だけＺ軸方向に移動させる（Ｓ１０４）。続いて、コンピュータ２０は、その位置においてエンコーダ１７ａからＺ値を取得し（Ｓ１０５）、その後に再びステップＳ１０２を実行する。

一方、ステップＳ１０３において撮像が終了したと判定すると（Ｓ１０３、ＹＥＳ）、1回の測定動作が終了する。これにより、取得したＺ値と撮像により取得した干渉光の対のデータの系列が測定情報として求められたことになる。コンピュータ２０は測定情報に含まれるエンコーダ１７ａから取得したＺ値に基づき、各干渉光を取得したＺ軸方向の実際の取得ピッチと予め設定された所定ピッチとの最大誤差が、予め設定されたしきい値を超えたかどうかで、撮像ユニット１７がＺ軸方向に所定ピッチで移動したか否かを判定する（Ｓ１０６）。ここで、撮像ユニット１７がＺ軸方向に所定ピッチで移動した、即ちＺ軸方向の実際の取得ピッチと前記所定ピッチとの最大誤差がしきい値を超えていないと判定すると（Ｓ１０６、ＹＥＳ）、コンピュータ２０はＺ軸方向の各位置で撮像した画像に基づき、ワーク１２の高さを算出し（Ｓ１０７）、処理を終了させる。

一方、ステップＳ１０６にて撮像ユニット１７がＺ軸方向に所定ピッチで移動していない、即ちＺ軸方向の実際の取得ピッチと前記所定ピッチとの最大誤差がしきい値を超えたと判定すると（Ｓ１０６、ＮＯ）、コンピュータ２０はエラー情報を報知し（Ｓ１０８）、処理を終了させる。

ここで、撮像ユニット１７がＺ軸方向に所定ピッチで移動していなければ、エラー情報を出力するのは、各干渉光が一定のピッチで得られたことを前提としてフーリエ変換等の波形分析が行われるからである。一定のピッチでないと、実際の波形とは異なる波形と認識されてしまう。このため、測定結果（ワーク１２の高さ）に誤差が生じる。これに対して、第１の実施の形態によれば、撮像ユニット１７がＺ軸方向に所定ピッチで移動していないとエラー情報が報知される。したがって、ユーザは撮像ユニット１７のＺ軸方向の移動量のずれに起因する測定の異常を確認できる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第２の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有する。一方、第２の実施の形態はその動作について第１の実施の形態と異なり、この点を以下説明する。

第２実施の形態においては、図７に示すように、コンピュータ２０は、第１の実施の形態と同様のステップＳ１０８の後に、エラー情報を報知した回数（エラー回数）に１を加算する（Ｓ１０９）。次に、コンピュータ２０は、エラー回数が上限値を超えたか否かを判定する（Ｓ１１０）。ここで、エラー回数が上限値未満であると判定すると（Ｓ１１０、ＮＯ）、コンピュータ２０は、再びステップＳ１０１からＳ１０６までの測定動作を実行する。一方、エラー回数が上限値以上であると判定すると（Ｓ１１０、ＹＥＳ）、コンピュータ２０は処理を終了させる。エラー回数が上限値に達するまでの間にエラー情報の出力がなくなったら、ワーク１２の高さを算出して（Ｓ１０７）、処理を終了させる。

第２の実施の形態は、実際の干渉光の取得ピッチと予め設定された所定ピッチの最大誤差が、アクチュエータ１７ａ等の垂直駆動系のランダム誤差に起因することに注目している。このようなランダム誤差は、再試行によって消滅することがある。このため、第２の実施の形態では、エラー情報が出力されなくなるまで、測定動作を再試行することにより、測定動作を中断させることになく、自動的にランダム誤差を排除させることが可能になる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第３の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有する。一方、第３の実施の形態はその動作について第１の実施の形態と異なり、この点を以下説明する。

第３実施の形態においては、図８に示すように、第１の実施の形態のステップＳ１０６の代わりに、ステップＳ１０６ａが実行される。ステップＳ１０６ａにおいてコンピュータ２０は、Ｚ軸方向における複数の位置で撮像ユニット１７にて受光した干渉光に基づき、干渉光の信号波形から観測される幾何学的な特徴量、例えば干渉光の各光の波長ごとの位相を求める。例えば、その波長の逆数と位相は、理想的には図９に示すように線形的に変化する。また、ステップＳ１０６ａにおいてコンピュータ２０は、上記の干渉光の各光の波長の逆数と位相の線形関係が所定範囲内にあるか否かを判定する。

ステップＳ１０６ａにおいて干渉光の各光の波長の逆数と位相の線形関係が所定範囲内にあると判定すると（Ｓ１０６ａ、ＹＥＳ）、コンピュータ２０はステップＳ１０７を実行する。一方、ステップＳ１０６ａにおいて干渉光の各光の波長の逆数と位相の線形関係が所定範囲内にないと判定すると（Ｓ１０６ａ、ＮＯ）、コンピュータ２０はステップＳ１０８を実行する。

ここで、干渉光による信号波形の幾何学的な特徴量である各光の波長の逆数と位相の線形関係は、測定機の振動やノイズ、照射光のゆらぎ等の外乱よって変化し、この変化により測定結果（ワーク１２の高さ）に誤差が生じる。これに対して、第３の実施の形態によれば、干渉光の各光の波長の逆数と位相の線形関係が所定範囲内にないとエラー情報が報知される。したがって、ユーザは外乱による干渉光の波形の変形に起因する測定の異常を確認できる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第４の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有し、第３の実施の形態と略同様の動作を実行する。第４実施の形態においては、図１０に示すように、コンピュータ２０は、第３の実施の形態と同様のステップＳ１０６ａを実行する。また、コンピュータ２０は、第２の実施の形態と同様のステップＳ１０９，Ｓ１１０を実行する。

即ち、測定機の振動やノイズ、照射光のゆらぎ等の外乱は、ランダム誤差であるから、測定動作の再試行により、消滅することがあり、そのような点で、第４の実施の形態は、第２の実施の形態と同様の効果を奏する。

［第５の実施の形態］
次に、第５の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第５の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有する。一方、第５の実施の形態はその動作について第１の実施の形態と異なり、この点を以下説明する。

第５実施の形態においては、図１１に示すように、第１の実施の形態のステップＳ１０６の代わりに、ステップＳ１０６ｂが実行される。ステップＳ１０６ｂにおいて、コンピュータ２０は、Ｚ軸方向における複数の位置で撮像ユニット１７にて受光した干渉光の強度（信号振幅）が所定範囲内にあるか否かを判定する。

ステップＳ１０６ｂにおいて干渉光の強度が所定範囲内にあると判定すると（Ｓ１０６ｂ、ＹＥＳ）、コンピュータ２０はステップＳ１０７を実行する。一方、ステップＳ１０６ｂにおいて干渉光の強度が所定範囲内にないと判定すると（Ｓ１０６ｂ、ＮＯ）、コンピュータ２０はステップＳ１０８を実行する。

ここで、光源１７１の光量が適切でない場合、撮像ユニット１７により検出される光において干渉信号よりも暗信号（ノイズ等）が相対的に大きくなり、測定結果（ワーク１２の高さ）に誤差が生じる。これに対して、第５の実施の形態によれば、干渉光の強度が所定範囲内にないとエラー情報が報知される。したがって、ユーザは照射光の光量に起因する測定の異常を確認できる。なお、ここでランダム誤差を起因とする特徴量である干渉光の強度として、干渉光の振幅から予め測定しておいた暗電流を引いた本来の信号と暗電流との比を用いても良い。

［第６の実施の形態］
次に、第６の実施の形態に係る形状測定装置について説明する。第６の実施の形態は第１の実施の形態と同様の構成を有し、第５の実施の形態と略同様の動作を実行する。第６実施の形態においては、図１２に示すように、コンピュータ２０は、第５の実施の形態と同様のステップＳ１０６ｂを実行する。また、コンピュータ２０は、第２の実施の形態と同様のステップＳ１０９，Ｓ１１０を実行した後、光源１７１の光量を調整し（Ｓ１１１）、再びステップＳ１０１を実行する。

第６の実施の形態も、第２、第４の実施の形態と同様の効果を奏する。

１０…形状測定機、 ２０…コンピュータ、 １１…架台、 １２…ワーク、 １３…ステージ、 １４，１５…支持アーム、 １６…Ｘ軸ガイド、 １７…撮像ユニット、 ２１…コンピュータ本体、 ２２…キーボード、 ２３…Ｊ／Ｓ、 ２４…マウス、 ２５…ディスプレイ、 ３１，３３，３４，３９…Ｉ／Ｆ、 ３２…画像メモリ、 ３５…ＣＰＵ、 ３６…表示制御部、 ３７…ＲＯＭ、 ３８…ＨＤＤ、 ４０…ＲＡＭ、 １７ａ…アクチュエータ、 １７ｂ…エンコーダ、 １７１…光源、 １７２…コリメータレンズ、 １７３…ビームスプリッタ、 １７５…参照板、 １７７…結像レンズ、 １７８…ＣＣＤカメラ。

Claims (5)

1. 測定対象物を載置するためのステージと、
   前記測定対象物を撮像すると共に前記ステージに対して相対移動可能に構成された撮像部と、
   前記ステージに対して垂直な第１方向に前記撮像部を移動させながら前記第１方向の所定ピッチ毎に前記撮像部により前記測定対象物に基づく光学的な測定値を得ると共に前記測定値及び前記測定値を取得した際の前記第１方向の位置情報の系列からなる測定情報を取得する測定動作を実行し、前記測定情報から前記測定対象物の形状測定値を算出する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記測定情報を判定し、前記測定情報に含まれるランダム誤差に起因する特徴量が所定のしきい値を超えたと判断したらエラー情報を出力する
   ことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記制御部は、前記エラー情報が出力されたら、所定の試行回数を上限として前記エラー情報が出力されなくなるまで前記測定動作を繰り返す
   ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記制御部は、前記ランダム誤差に起因する特徴量として、前記第１方向の位置情報の系列に含まれる前記測定値の前記第１方向の取得ピッチと予め指定された前記所定ピッチとの間の最大誤差を求める
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の形状測定装置。
4. 前記制御部は、前記ランダム誤差に起因する特徴量として、前記測定情報から特定される波形形状から観測される外乱を示す幾何学的な特徴量を求める
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の形状測定装置。
5. 前記制御部は、前記ランダム誤差に起因する特徴量として、前記測定情報に含まれる測定信号と暗信号との振幅の比を求める
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の形状測定装置。

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