JP2014228529A

JP2014228529A - 形状測定装置

Info

Publication number: JP2014228529A
Application number: JP2013111237A
Authority: JP
Inventors: 日高　和彦; Kazuhiko Hidaka; 和彦日高; 敦島岡; Atsushi Shimaoka
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】高精度の測定結果を得ることができる形状測定装置を提供する
【解決手段】形状測定装置は、測定機及び制御部を有する。測定機は、測定対象物を載置するためのステージと、測定対象物の形状を非接触で測定する測定部と、ステージに対して測定部を移動可能に構成された移動機構とを有する。制御部は、移動機構により測定部を移動させながら測定部により測定対象物の形状を測定する間、測定機の振動を検出し、この振動を相殺するように測定部の移動量を変化させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、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）。しかしながら、従来の形状測定装置では、振動により測定精度に問題が生じる。

特開２０１１−８９８９７号公報

本発明は、高精度の測定結果を得ることができる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、測定機及び制御部を有する。測定機は、測定対象物を載置するためのステージと、測定対象物の形状を非接触で測定する測定部と、ステージに対して測定部を移動可能に構成された移動機構とを有する。制御部は、移動機構により測定部を移動させながら測定部により測定対象物の形状を測定する間、測定機の振動を検出し、この振動を相殺するように測定部の移動量を変化させる。

この発明によれば、高精度の測定結果を得ることができる形状測定装置を提供することができる。

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。実施の形態に係るコンピュータ本体３１を示すブロック図である。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。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。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。実施の形態に係るモーションコントローラ２０を示すブロック図である。（数１）の質量ｍ_０〜ｍ_２、及びばね定数ｋ０〜ｋ２を示す図である。経過時間に伴う形状測定機１０及び撮像ユニット１７のＺ軸方向の位置を示す図である。他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。

図１は、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、形状測定機１０の駆動を制御するモーションコントローラ２０と、モーションコントローラ２０を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３０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、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３０は、図１に示すように、コンピュータ本体３１、キーボード３２、ジョイスティックボックス（Ｊ／Ｓ）３３、マウス３４及びディスプレイ３５を有する。コンピュータ本体３１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）３６ａを介して画像メモリ３７ａに格納される。

また、ワーク１２のＣＡＤデータは、Ｉ／Ｆ３６ｂを介してＣＰＵ３８に入力され、ＣＰＵ３８で所定の処理がなされた後に画像メモリ３７ａに格納される。画像メモリ３７ａに格納された画像情報は、表示制御部３９を介してディスプレイ３５に表示される。

一方、キーボード３２、Ｊ／Ｓ３３、及びマウス３４から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ３６ｃを介してＣＰＵ３８に入力される。ＣＰＵ３８は、ＲＯＭ３７ｂに格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ３７ｃからＩ／Ｆ３６ｄを介してＲＡＭ３７ｄに格納されたプログラムに従って各種処理を実行する。

ＣＰＵ３８は、プログラムに従ってＩ／Ｆ３６ｅを介して形状測定機１０及びモーションコントローラ２０を制御する。ＨＤＤ３７ｃは各種データを格納する記録媒体である。ＲＡＭ３７ｄ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像がＣＣＤカメラ１７８によりサンプリングされ、コンピュータ３０内の画像メモリ３７ａに記憶される。コンピュータ３０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の高さを求める。本実施の形態においては、この高さの変位から形状測定機１０の振動が検出される。

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。

ここで、形状測定機１０は、外来振動及びその内部振動によって振動する。このため、測定精度が低下するおそれがある。そこで、モーションコントローラ２０は、撮像ユニット１７を移動させながら撮像ユニット１７によりワーク１２の形状を測定している間、形状測定機１０の振動を検出し、この振動を相殺するように撮像ユニット１７の移動量を変化させる。これにより、本実施の形態はステージ１３に対する撮像ユニット１７の振動による変位を抑制して、測定精度を向上させる。

次に、図６を参照して上記制御を実行するためのモーションコントローラ２０の具体的構成を説明する。図６に示すように、モーションコントローラ２０は、振動波形生成部２１、バンドパスフィルタ２２、バンドエリミネーションフィルタ２３、ゲイン調整部２４、位相調整部２５、インバータ２６、及び制御信号生成部２７を有する。

振動波形生成部２１は、撮像ユニット１７の測定結果に基づき撮像ユニット１７の振動を示す信号Ｓ１を生成する。また、振動波形生成部２１は、形状測定機１０への外来振動及び形状測定機１０の内部振動に対応する周波数ｆ０、ｆ１に基づく計算によって信号Ｓ１を生成する。

バンドパスフィルタ２２は、周波数ｆ０、ｆ１成分を信号Ｓ１から抽出して信号Ｓ２を生成する。バンドエリミネーションフィルタ２３は、アクチュエータ１７ａの固有振動に対応する周波数ｆ２成分を信号Ｓ２から除去して信号Ｓ３を生成する。

上記の周波数ｆ０〜ｆ２は、撮像ユニット１７により予め測定された測定結果から求められる。また、周波数ｆ０〜ｆ２は、以下の（数１）からも求められる。ここで、（数１）において、ｍ_０〜ｍ_２、ｋ１、ｋ２は図７に示す質量及びばね定数である。図７に示すようにｍ_０はステージ１３、撮像ユニット１７及びアクチュエータ１７ａを除く形状測定機１０（本体）の質量である。ｍ_１はステージ１３の質量であり、ｍ_２は撮像ユニット１７の質量である。また、ｋ０は本体とその設置面との間のばね定数である。ｋ１は本体とステージ１３との間のばね定数である。ｋ２は本体と撮像ユニット１７との間のばね定数である。なお、ｍ_０〜ｍ_２、ｋ_１、ｋ_２は予め求められている。

ゲイン調整部２４は、信号Ｓ３のゲインを調整して信号Ｓ４を生成する。位相調整部２５は、信号Ｓ４の位相を調整して信号Ｓ５を生成する。上記のゲイン及び位相の調整は、撮像ユニット１７により予め測定された複数回の測定結果に基づきなされる。また、ゲイン及び位相の調整は、画像コントラストを用いたオードフォーカスによる場合、コントラストカーブのＱ値に基づきなされても良い。

インバータ２６は、信号Ｓ５を反転させて信号Ｓ６を生成する。制御信号生成部２７は信号Ｓ６、Ｓ７を受け付ける。信号Ｓ７は、コンピュータ３０から送られた撮像ユニット１７の位置を制御するため情報を有する。制御信号生成部２７は、信号Ｓ６に信号Ｓ７を加算して信号Ｓ８を生成する。この信号Ｓ８に従って撮像ユニット１７の移動は制御される。例えば、図８に示すように、振動により形状測定機１０のＺ軸方向の位置が変位しているとする。この場合、モーションコントローラ２０は、信号Ｓ８によって形状測定機１０の振動と逆の位相で撮像ユニット１７を振動させつつＺ軸方向に沿って移動させる。

以上、本発明に係る形状測定装置の一実施の形態を説明してきたが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。例えば、図９に示すように、本実施の形態は撮像ユニット１７にレーザ変位計４０を設けて、そのレーザ変位計４０により形状測定機１０の振動を検出しても良い。

１０…形状測定機、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、１７ａ…アクチュエータ、２０…モーションコントローラ、２１…振動波形生成部、２２…バンドパスフィルタ、２３…バンドエリミネーションフィルタ、２４…ゲイン調整部、２５…位相調整部、２６…インバータ、２７…制御信号生成部、３０…コンピュータ、４０…レーザ変位計。

Claims

測定対象物を載置するためのステージと、前記測定対象物の形状を非接触で測定する測定部と、前記ステージに対して前記測定部を移動可能に構成された移動機構とを有する測定機と、
前記移動機構により前記測定部を移動させながら前記測定部により前記測定対象物の形状を測定する間、前記測定機の振動を検出し、この振動を相殺するように前記測定部の移動量を変化させる制御部と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
前記測定部は、前記ステージに対する変位を検出する変位計を備え、
前記制御部は、前記変位計の検出結果に基づき前記測定機の振動を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
前記測定部は、前記測定対象物の高さ方向に移動しながら前記測定対象物の画像を複数撮像し、
前記制御部は、複数の画像に基づき前記測定機の振動を検出する
ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
前記制御部は、
前記測定部の変位を示す第１信号を検出する振動検出部と、
前記測定機への外来振動及び前記測定機の内部振動に対応する周波数成分を前記第１信号から抽出して第２信号を生成するバンドパスフィルタと、
前記移動機構の固有振動に対応する周波数成分を前記第２信号から除去して第３信号を生成するバンドエリミネーションフィルタと、
前記第３信号を反転させて第４信号を生成するインバータとを備え、
前記制御部は、前記第４信号に基づき前記測定部の移動量を変化させる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の形状測定装置。