JP2015175603A - Calibration method for reference mirror surface shape of interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法に係り、特に、白色光干渉計搭載型画像測定機等の光干渉を利用した形状測定装置に用いるのに好適な、表面形状の幾何誤差が未知の基準器を用いて、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を校正することが可能な、干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法に関する。 The present invention relates to a method of calibrating a reference mirror surface shape in an interferometer, and in particular, a geometric error of a surface shape suitable for use in a shape measuring apparatus using light interference such as a white light interferometer-mounted image measuring machine. The present invention relates to a method for calibrating the shape of a reference mirror surface in an interferometer, which can calibrate the geometric error of the surface shape of the reference mirror using an unknown standard.
従来、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いて、例えば測定対象物の三次元形状を精密に測定する三次元形状測定装置などの光干渉を利用した形状測定装置(以下、単に光干渉測定装置とも称する)が知られている。 Conventionally, a shape measuring device using optical interference (hereinafter simply referred to as optical interference) such as a three-dimensional shape measuring device that accurately measures the three-dimensional shape of an object to be measured using luminance information of interference fringes caused by light interference. Also known as a measuring device).
このような光干渉測定装置においては、参照光路と測定光路の光路長が一致するピント位置では各波長の干渉縞のピークが重なり合い、合成される干渉縞の輝度が大きくなる。従って、光干渉測定装置では、参照光路又は測定光路の光路長を変化させながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をCCDカメラ等の撮像素子により撮影し、撮映視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定対象面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定することができる(例えば、特許文献1参照)。 In such an optical interference measurement apparatus, the interference fringe peaks of the respective wavelengths overlap at the focus position where the optical path lengths of the reference optical path and the measurement optical path coincide with each other, and the luminance of the combined interference fringe increases. Therefore, in the optical interference measurement apparatus, an interference image showing a two-dimensional distribution of the interference light intensity is photographed by an imaging device such as a CCD camera while changing the optical path length of the reference optical path or the measurement optical path, and each measurement within the imaging field is performed. By detecting the focus position where the intensity of the interference light reaches the peak at the position, the height of the measurement target surface at each measurement position can be measured, and the three-dimensional shape of the measurement target can be measured (for example, patents) Reference 1).
又、前記のような光干渉測定装置を含む干渉計における参照ミラーの形状は、測定精度に直接影響するため、高い幾何精度(平面ミラーであれば平面度)が求められる。特に高精度な干渉計測においては、参照ミラーの幾何誤差を補正することで、測定精度への影響を低減する手法が用いられている。 Moreover, since the shape of the reference mirror in the interferometer including the optical interference measuring apparatus as described above directly affects the measurement accuracy, high geometric accuracy (flatness in the case of a plane mirror) is required. In particular, in high-accuracy interference measurement, a technique for reducing the influence on the measurement accuracy by correcting the geometric error of the reference mirror is used.
参照ミラーの幾何誤差の校正方法として、参照ミラーよりも幾何誤差が十分に小さい基準器を干渉計測し、基準器からの誤差分布を補正テーブルとする方法がある(特許文献2参照)。 As a method for calibrating the geometric error of the reference mirror, there is a method in which a reference device having a sufficiently smaller geometric error than the reference mirror is subjected to interference measurement, and an error distribution from the reference device is used as a correction table (see Patent Document 2).
しかしながら、幾何誤差が十分小さい基準器を用意することが困難であるという問題があった。 However, there is a problem that it is difficult to prepare a reference device having a sufficiently small geometric error.
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、表面形状の幾何誤差が未知の基準器を用いて、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を校正できるようにすることを課題とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and it is an object of the present invention to be able to calibrate the geometric error of the surface shape of the reference mirror using a standard device whose geometric error of the surface shape is unknown. To do.
本発明は、測定対象表面との間で干渉光を発生させるための、表面形状の幾何誤差が未知の参照ミラーを備えた干渉計において、表面形状の幾何誤差が未知の基準器を測定対象の位置に配置して、一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラーを移動走査して、複数の方向について、各方向で複数領域の表面形状を測定し、各測定領域で、参照ミラーの表面形状の幾何誤差、基準器の表面形状の幾何誤差、及び、表面形状測定値間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を求めるようにして、前記課題を解決したものである。 The present invention relates to an interferometer having a reference mirror with an unknown surface shape geometric error for generating interference light with the surface to be measured. The reference mirror is moved and scanned while being overlapped with a part of the measurement area, and the surface shape of the plurality of areas in each direction is measured in a plurality of directions. By solving the geometric error of the surface shape, the geometric error of the surface shape of the reference unit, and the equation that holds between the surface shape measurement values, the geometric error of the surface shape of the reference mirror is obtained, thereby solving the above problem. Is.
ここで、前記基準器の表面形状の幾何誤差の和が既知の場合は、この関係も利用して、演算精度を高めたり、測定箇所を減らすことができる。 Here, when the sum of geometric errors of the surface shape of the reference device is known, this relationship can also be used to increase the calculation accuracy and reduce the number of measurement points.
本発明によれば、干渉計により基準器を複数箇所測定することで、基準器の幾何誤差と参照ミラーの幾何誤差を分離し、基準器の幾何誤差を排除した高精度な参照ミラーの校正が可能となる。 According to the present invention, by measuring a plurality of standard units with an interferometer, the geometric error of the standard unit and the geometric error of the reference mirror are separated, and a highly accurate reference mirror calibration that eliminates the geometric error of the standard unit is possible. It becomes possible.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by the content described in the following embodiment and an Example. In addition, the constituent elements in the embodiments and examples described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art, those that are substantially the same, and those in the so-called equivalent range. Furthermore, the constituent elements disclosed in the embodiments and examples described below may be appropriately combined or may be appropriately selected and used.
まず、本発明が適用される光干渉測定装置の一例である形状測定装置について説明する。なお、ここではマイケルソン型の干渉計を示すが、ミロー型等、他の等光路干渉計を用いることもできる。 First, a shape measuring apparatus which is an example of an optical interference measuring apparatus to which the present invention is applied will be described. Although a Michelson type interferometer is shown here, other iso-optical path interferometers such as a Millo type can also be used.
形状測定装置1は、図1に示すように、光出射部10と、光学ヘッド部20と、対物レンズ部30と、撮像部40と、結像レンズ41と、画像メモリ50と、演算処理部60と、入力部70と、出力部80と、表示部90と、測定対象物(以下、「ワーク」という)Wを載置するためのステージSと、を備える。
As shown in FIG. 1, the
光出射部10は、例えば広帯域に亘る多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出力する光源を備え、例えば、ハロゲンやLED(Light Emitting Diode)などの白色光源が用いられる。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。なお、光出射部10から出射される光は特定波長(単波長)のものでも良い。
The
光学ヘッド部20は、ビームスプリッタ21と、コリメータレンズ22とを備えている。光出射部10から出射した光は、対物レンズ部30の光軸と直角の方向から、コリメータレンズ22を介してビームスプリッタ21に平行に照射され、ビームスプリッタ21からは光軸に沿った光が出射されて、対物レンズ部30に対して上方から平行ビームが照射される。
The
対物レンズ部30は、図2に示すように、対物レンズ31、プリズム32、参照ミラー33等を備えた構成とされる。対物レンズ部30においては、上方から平行ビームが対物レンズ31に入射した場合、入射光は対物レンズ31で収束光となり、プリズム32の内部の反射面321に入射する。ここで、入射光は、参照ミラー33を有する参照光路(図中破線)を進む反射光(参照光)と、ワークWを配置した測定光路(図中実線)を進む透過光(測定光)とに分岐する。反射光は、収束して参照ミラー33で反射され、更にプリズム32の反射面321により反射される。一方、透過光は、集束してワークWで反射され、プリズム32の反射面321を透過する。参照ミラー33からの反射光と測定対象物(ワーク)Wからの反射光とはプリズム32の反射面321により合波されて合成波となる。参照ミラー33は、演算処理部60による制御の下、ピエゾ素子のような駆動手段34によって光軸方向に移動走査される。参照ミラー33の走査位置はエンコーダ35で測定され、演算処理部60に入力される。参照光路(光路1+光路2)と、測定光路(光路3+光路4)の光路長が等しいときに、合成波に干渉縞が発生する。
As shown in FIG. 2, the
プリズム32の反射面321より合成された合成波は、対物レンズ31で平行ビームになり上方へ進み、結像レンズ41に入射する(図1中一点鎖線)。結像レンズ41は合成波を収束させ撮像部40上に干渉画像を結像させる。
The synthesized wave synthesized from the reflecting
撮像部40は、2次元状に配列された複数個の画素を有する撮像素子からなるCCD力メラ等であり、合成波の干渉画像を撮像する。干渉画像は、参照ミラー33を移動走査しながら複数回撮像される。撮像部40が撮像した干渉画像の画像データは、画像メモリ50に記憶される。
The
演算処理部60は、ワークWの測定面の各位置での干渉光の強度とエンコーダ35から入力される参照ミラー33の走査位置とに基づいて、ワークWの測定面の形状測定データを求める。入力部70は、計測に必要なデータを演算処理部60に入力する。出力部80は、演算処理部60で求められた測定結果を出力する。表示部90は、入力操作に必要な情報及び測定結果を表示する。
The
図3は、形状測定方法を示すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing the shape measuring method.
形状測定を開始すると、参照ミラー33を光軸方向に所定量移動し(S1)、測定面の干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を画像メモリ50に記憶する(S2)。これを所定サンプリング数だけ繰り返し(S3)、所定枚の干渉画像が画像メモリ50に蓄積されると、演算処理部60が測定面の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列のピーク位置を検出する(S4)。そして、検出した各測定位置のピーク位置を測定点における高さとして表示、出力する(S5)。
When shape measurement is started, the
このような形状測定装置1においては、参照ミラー33の表面形状の幾何誤差(以下単に表面形状とも称する)が正確に分かっている必要があるが、ワークWのところに基準器WOを置いて比較測定しても、基準器WOの表面形状の幾何誤差が十分に小さくないと、参照ミラー33の表面形状を高精度で校正することができない。
In such a
そこで本発明では、図4に示す如く、表面形状の幾何誤差が未知の基準器WOを測定対象物Wの位置に配置して、一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラー33を図4中に矢印で例示する如く、複数の方向(図では左右のX方向と上下のY方向)で複数領域(図では1〜9の9領域)の表面形状を測定し、各測定領域1〜9で、図5(a)に示すような参照ミラー33の表面形状の幾何誤差Ma〜Md、図5(b)に示すような基準器WOの中央部分WOCの表面形状の幾何誤差Ra〜Rd、及び、表面形状測定値H1〜H16間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラー33の表面形状の幾何誤差Ma〜Mdを求めるようにしている。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 4, the
即ち、各測定領域1〜9では、参照ミラー33の表面形状の幾何誤差Ma〜Mdと、基準器WOの中央部分WOCの表面形状の幾何誤差Ra〜Rdの間に、それぞれ図6A〜図6Bの(a)〜(i)に示すような関係が成立する。なお、図6A、図6Bでは、理解を容易とするため、参照ミラー33と基準器中央部分WOCを少しずらしてあるが、実際は一致している。
That is, in each measurement region 1-9, between the geometric errors Ma to Md of the surface shape of the
例えば、図6A(a)に例示するスタート地点の測定領域1の参照ミラー33と基準器中央部分WOCが重なった位置の測定値H1は、次式に示す如く、参照ミラー33の右下部分の幾何誤差Mdと基準器中央部分WOCの左上部分の幾何誤差Raの和となる。
H1=Md+Ra ・・・(1)
For example, the measured value H1 at the position where the
H1 = Md + Ra (1)
又、測定領域1の状態から参照ミラー33を図の右方向に1ブロックずらした測定領域2の状態では、図6A(b)に示す如く、参照ミラー33の下半分と基準器中央部分WOCの上半分が重なり、その左側の測定値H2と右側の測定値H3では、それぞれ次の(2)式、(3)式の関係が成立する。
H2=Mc+Ra ・・・(2)
H3=Md+Rb ・・・(3)
Further, in the state of the measurement region 2 in which the
H2 = Mc + Ra (2)
H3 = Md + Rb (3)
又、参照ミラー33を更に図の右方向にもう1ブロックずらした測定領域3の状態では、図6A(c)に示す如く、参照ミラー33と基準器中央部分WOCが重なった位置の測定値H4について、次の(4)式の関係が成立する。
H4=Mc+Rb ・・・(4)
Further, in the state of the
H4 = Mc + Rb (4)
同様にして、参照ミラー33を図の下方向に1ブロック下げると共に左方向に2ブロック戻した位置とした測定領域4の状態では、図6A(d)に示す如く、次の(5)式、(6)式の関係が成立する。
H5=Mb+Ra ・・・(5)
H6=Md+Rc ・・・(6)
Similarly, in the state of the measurement region 4 in which the
H5 = Mb + Ra (5)
H6 = Md + Rc (6)
又、測定領域4の状態から参照ミラー33を図の右方向に1ブロックずらした測定領域5の状態、即ち参照ミラー33と基準器中央部分WOCが完全に重なった測定領域5の状態では、図6B(e)に示す如く、次の4つの(7)〜(10)式の関係が成立する。
H7=Ma+Ra ・・・(7)
H8=Mb+Rb ・・・(8)
H9=Mc+Rc ・・・(9)
H10=Md+Rd ・・・(10)
Further, in the state of the
H7 = Ma + Ra (7)
H8 = Mb + Rb (8)
H9 = Mc + Rc (9)
H10 = Md + Rd (10)
同様にして、参照ミラー33を更に図の右方向に1ブロックずらした測定領域6の状態では、図6B(f)に示す如く、次の(11)式、(12)式の関係が成立する。
H11=Ma+Rb ・・・(11)
H12=Mc+Rd ・・・(12)
Similarly, in the state of the measurement region 6 in which the
H11 = Ma + Rb (11)
H12 = Mc + Rd (12)
又、参照ミラー33を図の下方向に1ブロック下げると共に、左方向に2ブロック戻した次の測定領域7の状態では、図6B(g)に示す如く、次の(13)式の関係が成立する。
H13=Mb+Rc ・・・(13)
Further, in the state of the next measurement area 7 in which the
H13 = Mb + Rc (13)
又、参照ミラー33を図の右方向に1ブロックずらした次の測定領域8の状態では、図6B(h)に示す如く、次の(14)式、(15)式の関係が成立する。
H14=Ma+Rc ・・・(14)
H15=Mb+Rd ・・・(15)
Further, in the state of the next measurement region 8 in which the
H14 = Ma + Rc (14)
H15 = Mb + Rd (15)
又、参照ミラー33を図の右方向にもう1ブロックずらした最後の測定領域9の状態では、図6B(i)に示す如く、次の(16)式の関係が成立する。
H16=Ma+Rd ・・・(16)
Further, in the state of the last measurement region 9 in which the
H16 = Ma + Rd (16)
これらをまとめると、(17)式に示すような行列式が成立している。
ここで、未知数はMa〜MdとRa〜Rdの8個であるのに対して式は16式あるので、未知数Ma〜MdとRa〜Rdを、例えば最小二乗法に用いて算出することで、参照ミラー33の表面形状の幾何誤差Ma〜Mdを高精度に求めることができる。求められた幾何誤差Ma〜Mdは従来と同様に補正テーブルに格納され、測定時の補正に利用される。
Here, since there are 16 unknown expressions, while there are 16 unknown expressions Ma to Md and Ra to Rd, the unknown quantities Ma to Md and Ra to Rd are calculated using, for example, the least square method. The geometrical errors Ma to Md of the surface shape of the
なお、次の(18)式に示すように、例えば基準器WOの幾何誤差Ra〜Rdの和が0である場合には、次の(19)式に示すように、この条件を行列式に含めて、精度を高めるか、あるいは、測定箇所を減らすことができる。
Ra+Rb+Rc+Rd=0 ・・・(18)
Ra + Rb + Rc + Rd = 0 (18)
なお、前記実施形態においては、図5に示した如く、参照ミラー33と基準器中央部分WOCの区画数がX方向に2区画、Y方向に2区画の計4区画とされていたが、区画数はこれに限定されず、例えばX方向に2区画、Y方向に3区画、あるいはX方向に3区画、Y方向に2区画としたり、X方向、Y方向共に3区画とすることも可能であり、X方向m区画、Y方向n区画(m、nはいずれも2以上)とすることができる。走査方向や走査順も前記実施形態に限定されず、例えば上下のY方向に先に走査していくこともできる。
In the above embodiment, as shown in FIG. 5, the number of sections of the
又、本発明の適用対象は、白色光干渉計搭載型画像測定機等の光干渉測定装置に限定されず、測定対象表面との間で干渉光を発生させるための、表面形状の幾何誤差が未知の参照ミラーを備えた干渉計一般に同様に適用できる。参照ミラーの位置も対物レンズ部の側方に限定されず、対物レンズ部の下方でワークWとの間にあっても良い。 The application object of the present invention is not limited to an optical interference measuring device such as a white light interferometer-mounted image measuring machine, but there is a geometric error in the surface shape for generating interference light with the surface to be measured. The same applies to interferometers with unknown reference mirrors in general. The position of the reference mirror is not limited to the side of the objective lens unit, and may be between the workpiece W and below the objective lens unit.
1…形状測定装置
10…光出射部
20…光学ヘッド部
30…対物レンズ部
33…参照ミラー
40…撮像部
41…結像レンズ
50…画像メモリ
60…演算処理部
70…入力部
80…出力部
90…表示部
S…ステージ
W…測定対象物(ワーク)
WO…基準器
WOC…基準器中央部分
DESCRIPTION OF
WO ... Reference device WOC ... Central portion of reference device
Claims (2)
表面形状の幾何誤差が未知の基準器を測定対象の位置に配置して、
一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラーを移動走査して、複数の方向について、各方向で複数領域の表面形状を測定し、
各測定領域で、参照ミラーの表面形状の幾何誤差、基準器の表面形状の幾何誤差、及び、表面形状測定値間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を求めることを特徴とする、干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法。 In an interferometer with a reference mirror whose surface shape geometric error is unknown to generate interference light with the surface to be measured,
Place a reference device whose geometric error of the surface shape is unknown at the position to be measured,
While overlapping some measurement areas, move and scan the reference mirror to measure the surface shape of multiple areas in each direction for multiple directions,
In each measurement area, obtain the geometric error of the reference mirror surface shape, the standard surface geometry error, and the equation that holds between the surface shape measurement values by solving the equation. A method for calibrating the reference mirror surface shape in an interferometer.
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