JP2017049117A - Dimension measurement device and reference optical path length scanning device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、寸法測定装置及び参照光路長走査装置に係り、特に低コヒーレンス干渉法の原理を利用して被測定物の寸法を測定する寸法測定装置及び参照光路長走査装置に関する。なお、本発明は、コヒーレント干渉への適用も排除するものでない。 The present invention relates to a dimension measuring apparatus and a reference optical path length scanning apparatus, and more particularly to a dimension measuring apparatus and a reference optical path length scanning apparatus that measure the dimension of an object to be measured using the principle of low coherence interferometry. Note that the present invention does not exclude application to coherent interference.
被測定物の寸法(表面高さ)を非接触で精密に測定する方法として、低コヒーレンス干渉の原理を利用した走査型の白色干渉法が、特許文献1、2に開示されている。
白色干渉法は、スペクトルが広く、コヒーレント長の短い白色光源を利用する。すなわち、白色光源から放射された白色光を測定光と参照光とに分割し、分割した測定光を被測定物に照射し、分割した参照光を参照鏡に照射する。そして、被測定物で反射した測定光と、参照鏡で反射した参照光とを干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞に基づき、測定光を照射した位置における被測定物の寸法を測定する。 White interferometry uses a white light source with a broad spectrum and a short coherent length. That is, the white light emitted from the white light source is divided into measurement light and reference light, the measured light is irradiated onto the object to be measured, and the divided reference light is irradiated onto the reference mirror. Then, interference fringes are formed by causing interference between the measurement light reflected by the object to be measured and the reference light reflected by the reference mirror, and based on the interference fringes, the dimensions of the object to be measured at the position irradiated with the measurement light are measured. To do.
干渉縞は、測定光の光路長と参照光の光路長とが略等しいときに形成され、各光路長が一致したときに干渉縞の振幅が最大となる。そこで、参照鏡を移動させて参照光の光路長を走査し、干渉縞の振幅が最大となるときの参照光の光路長を測定することにより、測定対象物の寸法を測定する。白色干渉法によれば、参照光の光路長を精度良く走査させることによって、被測定物の寸法をナノメートル精度で測定可能である。 The interference fringes are formed when the optical path length of the measurement light and the optical path length of the reference light are substantially equal, and the amplitude of the interference fringes becomes maximum when the optical path lengths match. Therefore, the dimension of the measurement object is measured by moving the reference mirror, scanning the optical path length of the reference light, and measuring the optical path length of the reference light when the amplitude of the interference fringes is maximized. According to the white light interferometry, the dimension of the object to be measured can be measured with nanometer accuracy by accurately scanning the optical path length of the reference light.
ところで、特許文献1には、参照鏡としてのコーナキューブプリズムを、回転テーブルに複数設置した参照光路長走査装置が開示されている。この参照光路長走査装置によれば、回転テーブルを高速で回転させることによって、コーナキューブプリズムが円形の移動軌跡に沿って高速で移動するので、参照光の光路長を高速で走査させることができる。これによって、測定速度が向上する。
By the way,
寸法の測定範囲が広い場合、参照鏡の移動範囲も広くなるが、上記参照光路長走査装置を用いることによって、測定時間を短縮することができる。なお、測定時間の比較は、ボールねじ装置等の直動装置によって参照鏡を移動させた装置との比較である。 When the measurement range of the dimension is wide, the movement range of the reference mirror is also widened, but the measurement time can be shortened by using the reference optical path length scanning device. The comparison of the measurement time is a comparison with a device in which the reference mirror is moved by a linear motion device such as a ball screw device.
ところで、図13の如く、回転テーブル1に配置されたコーナキューブプリズム2に、光ファイバ3からレンズ4を介して参照光5を直接照射する参照光路長走査装置では、回転テーブル1の矢印Aで示す回転に伴いコーナキューブプリズム2の姿勢(参照光5に対する入射面2Aの向き)が変化するので、測定精度が低下するという問題があった。
By the way, in the reference optical path length scanning device that directly irradiates the
すなわち、コーナキューブプリズム2の入射面2Aに対する参照光5の入射角は、実線で示すコーナキューブプリズム2の入射角0度の位置から、回転テーブル1の回転に伴って変化する。つまり、二点鎖線で示すコーナキューブプリズム2の入射面2Aに対する参照光5の入射角は、実線で示したコーナキューブプリズム2の入射角0度よりも大きくなる。これにより、入射面2Aにおける参照光5の受光面積が減少するので、コーナキューブプリズム2に入射する参照光5の光量が低下する。この結果、測定光と干渉する参照光5の光強度が低下するので、測定精度が低下するという問題があった。
That is, the incident angle of the
このような不具合を解消するには、入射角0度を含むその近傍の回転角度の範囲内でコーナキューブプリズムが移動したときの参照光のみを抽出し、その参照光を測定光と干渉させることが考えられるが、これでは参照光5の走査範囲が狭くなり、測定範囲が狭くなるという問題があった。
In order to solve such a problem, only the reference light when the corner cube prism moves within the range of the rotation angle in the vicinity including the incident angle of 0 degrees is extracted, and the reference light interferes with the measurement light. However, in this case, there is a problem that the scanning range of the
なお、図13において、符号6は回転テーブル1の回転軸を示し、符号7はコーナキューブプリズム2から出射した参照光5をコーナキューブプリズム2に反射して戻す反射鏡を示し、符号8はコーナキューブプリズム2の円形の移動軌跡を示している。
In FIG. 13,
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる寸法測定装置及び参照光路長走査装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can improve the measurement speed, shorten the measurement time, improve the measurement accuracy, and expand the scanning range of the reference light. It is an object to provide a measuring device and a reference optical path length scanning device.
本発明の一態様は、本発明の目的を達成するために、白色光を放射する光源と、白色光を測定光と参照光とに分割して出射する光分割手段と、測定光を被測定物に照射する測定光照射手段と、回転軸を中心に回転される回転部材と、回転部材に配置され参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、回転部材を回転させて回転軸を中心に屈折率が2であるボールレンズを回転させることにより、参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させる参照光路長走査手段と、被測定物で反射した測定光とボールレンズで反射した参照光とが合成された干渉光を検出する光検出手段と、光検出手段によって検出された干渉光に基づいて被測定物の寸法を算出する演算手段と、を備える寸法測定装置を提供する。 According to one aspect of the present invention, in order to achieve the object of the present invention, a light source that emits white light, a light dividing unit that divides the white light into measurement light and reference light, and a measurement light to be measured A measuring light irradiating means for irradiating an object; a rotating member that rotates about a rotation axis; and a ball lens that is disposed on the rotating member and reflects the reference light incident thereon, and rotates by rotating the rotating member Reference light path length scanning means for changing the position of the ball lens with respect to the optical axis direction of the reference light by rotating a ball lens having a refractive index of 2 around the axis, and the measurement light and the ball lens reflected by the object to be measured A dimension measuring apparatus comprising: a light detecting means for detecting interference light combined with the reference light reflected by the light; and an arithmetic means for calculating a dimension of the object to be measured based on the interference light detected by the light detecting means. provide.
本発明の寸法測定装置の一態様によれば、光源から放射された白色光を、光分割手段によって測定光と参照光とに分割し、測定光及び参照光を光分割手段から出射する。出射した測定光を、測定光照射手段によって被測定物に照射し、また、出射した参照光をボールレンズに照射する。そして、被測定物の表面で反射又は散乱した測定光と、ボールレンズで反射した参照光とを光分割手段で合成し、その干渉光を光検出手段で検出する。そして、演算手段が、光検出手段で検出された干渉光に基づいて、被測定物の寸法を算出する。 According to the aspect of the dimension measuring apparatus of the present invention, the white light emitted from the light source is divided into the measurement light and the reference light by the light dividing means, and the measurement light and the reference light are emitted from the light dividing means. The measurement light emitted is applied to the object to be measured by the measurement light irradiation means, and the emitted reference light is applied to the ball lens. Then, the measurement light reflected or scattered on the surface of the object to be measured and the reference light reflected by the ball lens are combined by the light splitting means, and the interference light is detected by the light detection means. Then, the calculation means calculates the dimension of the object to be measured based on the interference light detected by the light detection means.
本発明の一態様は、参照鏡として屈折率が2であるボールレンズを使用し、このボールレンズを回転部材によって回転させて、参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させることにより、参照光の光路長を走査する。ボールレンズは、回転軸を中心とする円形の移動軌跡に沿って位置が変化しても参照光に対する入射面の姿勢は変化しない。よって、ボールレンズは、回転位置に関係無く、入射した参照光を、参照光の入射方向と対向する方向に反射する。 One aspect of the present invention uses a ball lens having a refractive index of 2 as a reference mirror, and rotates the ball lens by a rotating member to change the position of the ball lens with respect to the optical axis direction of the reference light. The optical path length of the reference light is scanned. Even if the position of the ball lens changes along a circular movement locus centering on the rotation axis, the attitude of the incident surface with respect to the reference light does not change. Therefore, the ball lens reflects the incident reference light in a direction opposite to the incident direction of the reference light regardless of the rotational position.
よって、本発明の一態様によれば、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。 Therefore, according to one embodiment of the present invention, the measurement speed can be improved and the measurement time can be shortened, the measurement accuracy can be improved, and the scanning range of the reference light can be expanded.
また、本発明の一態様によれば、ボールレンズで反射した参照光の強度ムラを抑制することができるので、測定精度が更に向上する。 In addition, according to one embodiment of the present invention, the intensity unevenness of the reference light reflected by the ball lens can be suppressed, so that the measurement accuracy is further improved.
更に、本発明の一態様によれば、参照光の走査範囲が拡大することに起因して、ボールレンズの小型化が可能になるので、参照光路長走査手段を小型化することができる。 Furthermore, according to one aspect of the present invention, the ball lens can be downsized due to the expansion of the scanning range of the reference light, so that the reference optical path length scanning unit can be downsized.
更にまた、本発明の一態様によれば、コーナキューブプリズムと比較して空気抵抗の小さいボールレンズを使用するので、ボールレンズの移動速度を上げることができる。よって、測定速度が更に向上する。 Furthermore, according to one aspect of the present invention, since a ball lens having a lower air resistance than that of a corner cube prism is used, the moving speed of the ball lens can be increased. Therefore, the measurement speed is further improved.
本発明の一態様は、ボールレンズは、回転部材の回転軸を中心とする周方向に沿って複数配置されることが好ましい。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that a plurality of ball lenses be arranged along a circumferential direction around the rotation axis of the rotation member.
本発明の一態様によれば、回転軸を中心に回転部材を回転させることによって、ボールレンズを円形の軌跡に沿って容易に移動させることができる。また、ボールレンズを複数配置することにより、測定速度が向上する。 According to one embodiment of the present invention, the ball lens can be easily moved along a circular locus by rotating the rotating member around the rotation axis. Also, the measurement speed is improved by arranging a plurality of ball lenses.
本発明の一態様は、参照光を反射する屈折率が2のボールレンズの反射面には、光反射膜が備えられることが好ましい。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that a light reflection film is provided on a reflection surface of a ball lens having a refractive index of 2 that reflects reference light.
本発明の一態様によれば、ボールレンズに入射した参照光を、最大限有効に反射することができる。これにより、走査精度及び測定精度がより一層向上する。 According to one aspect of the present invention, the reference light incident on the ball lens can be reflected as effectively as possible. Thereby, scanning accuracy and measurement accuracy are further improved.
本発明の一態様は、光源と光分割手段との間には、エタロン(この場合のボールレンズは屈折率が2より小さくても良い)が備えられることが好ましい。 In one embodiment of the present invention, an etalon (a ball lens in this case may have a refractive index smaller than 2) is preferably provided between the light source and the light splitting unit.
本発明の一態様によれば、白色光をエタロンによって強度変調光に生成することができるので、測定光と干渉する参照光の実効的な光路長を長くとることができる。 According to one embodiment of the present invention, white light can be generated as intensity-modulated light by an etalon, so that an effective optical path length of reference light that interferes with measurement light can be increased.
本発明の一態様は、本発明の目的を達成するために、光分割手段によって分割された測定光と参照光のうち、参照光の光路長を走査する参照光路長走査装置において、回転軸を中心に回転される回転部材と、回転部材に配置され参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、回転部材を回転させて回転軸を中心にボールレンズを回転させることにより、参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させる、参照光路長走査装置を提供する。 In order to achieve the object of the present invention, an aspect of the present invention provides a reference optical path length scanning device that scans the optical path length of the reference light out of the measurement light and the reference light divided by the light dividing means. A rotating member that is rotated about the center, and a ball lens that is disposed on the rotating member and reflects the reference light incident thereon. The reference is obtained by rotating the rotating member and rotating the ball lens about the rotation axis. Provided is a reference optical path length scanning device for changing a position of a ball lens with respect to an optical axis direction of light.
本発明の一態様の参照光路長走査装置によれば、参照光を走査する参照鏡としてボールレンズを使用したので、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。 According to the reference optical path length scanning device of one aspect of the present invention, since the ball lens is used as the reference mirror that scans the reference light, the measurement speed can be improved, the measurement time can be shortened, and the measurement accuracy can be improved. In addition, the scanning range of the reference light can be expanded.
本発明の寸法測定装置及び参照光路長走査装置によれば、参照鏡としてボールレンズを使用したので、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。 According to the dimension measuring apparatus and the reference optical path length scanning apparatus of the present invention, since the ball lens is used as the reference mirror, the measurement speed can be improved and the measurement time can be shortened, and the measurement accuracy can be improved. The scanning range can be expanded.
以下、添付図面に従って本発明に係る寸法測定装置及び参照光路長走査装置の好ましい実施形態について詳説する。 Hereinafter, preferred embodiments of a dimension measuring device and a reference optical path length scanning device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の寸法測定装置及び参照光路長走査装置が適用された実施形態の寸法測定装置10の構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram of a
〔寸法測定装置10〕
寸法測定装置10は、ブロードスペクトル光源(以下、光源と略称する。)12、共振器(エタロン)14、サーキュレータ16、ビームスプリッタ(光分割手段)18、測定物走査光学系(測定光照射手段)20を有する。
[Dimension measuring device 10]
The
また、寸法測定装置10は、参照鏡としてのボールレンズ24を有する参照光路長走査装置(参照光路長走査手段)22、検出器(光検出手段)26、周波数型増幅器28、コントローラ(演算手段)30、及び光ファイバ32、34、36、38、40、42を有する。
Further, the
寸法測定装置10では、光源12から放射された白色光が、光ファイバ32を介して共振器14に入射する。共振器14は、光の周波数に関して離散的な光透過帯域を持ち、光源12からの白色光を受光して特定の光周波数成分の強度変調光15を生成し、強度変調光15のみを出射する。共振器14については後述する(図2〜図5参照)。
In the
共振器14から出射された強度変調光15は、光ファイバ34、サーキュレータ16、及び光ファイバ36を介してビームスプリッタ18に入射する。
The intensity modulated light 15 emitted from the
そして、強度変調光15は、ビームスプリッタ18によって、測定物走査光学系20へ向かう測定光と、参照光路長走査装置22へ向かう参照光とに分割された後、それぞれの方向に出射される。
The intensity-modulated
ビームスプリッタ18から出射された測定光は、光ファイバ38を介して測定物走査光学系20に入射し、測定物走査光学系20のレンズ46によって、被測定物44の表面の測定点へ結像される。そして、測定点で反射又は散乱された測定光は、測定物走査光学系20及び光ファイバ38を介してビームスプリッタ18に戻される。
The measurement light emitted from the
一方、ビームスプリッタ18から出射された参照光は、光ファイバ40を介して参照光路長走査装置22に入射し、参照光路長走査装置22のコリメータレンズ48を介してボールレンズ24に入射する。そして、ボールレンズ24で反射した参照光(以下、反射光とも言う。)は、コリメータレンズ48、及び光ファイバ40を介してビームスプリッタ18に戻される。
On the other hand, the reference light emitted from the
ここで、符号58はボールレンズ24に入射する参照光を示し、符号60はボールレンズ24で反射した反射光を示す。明細書では、参照光58と反射光60とを区別して説明する場合もあるが、反射光60は、参照光58の一部である。
Here,
一方、ビームスプリッタ18に戻された測定光と参照光は、ビームスプリッタ18で合成された後、光ファイバ36、サーキュレータ16、及び光ファイバ42を介して検出器26に入射する。
On the other hand, the measurement light and the reference light returned to the
以下、寸法測定装置10の各部について詳説する。
Hereinafter, each part of the
〈光源12〉
光源12は、コヒーレント長が短く、広帯域な波長の光を放射可能な白色光源である。光源12として、例えば、LED(Light Emitting Diode)、SLD(Super Luminescence Diode)、ハロゲンランプ、光周波数コム(ただし、光周波数コムを使用する場合、エタロンの長さと強度変調光の繰り返し周波数が合わなければいけない)を使用できる。また、光源12から出射される光の中心波長は、例えば750nm、1300nm、1550nm等に設定することができる。
<
The
〈共振器14〉
図2は、共振器14の構成を示す側面図である。
<
FIG. 2 is a side view showing the configuration of the
共振器14は、干渉間距離が固定されたファブリー・ペロー・エタロンであり、離間して配置される一対の反射プレート14A、14B、及び反射プレート14Aと反射プレート14Bとの間の反射域14Cを有する。
The
反射プレート14Aは、光源12からの白色光を透過するが、反射プレート14Bからの光は反射する。一方、反射プレート14Bは、特定の光周波数成分の強度変調光15のみを透過し、他の周波数帯域の光成分を反射する。
The
反射域14Cは、反射プレート14Aと反射プレート14Bとの間で入射光が反射を繰り返す領域であり、反射域14Cを構成する要素は特に限定されない。例えば、反射域14Cがエアによって構成される共振器14はエアギャップエタロンと呼ばれ、反射域14Cが石英等の固体によって構成される共振器14はソリッドエタロンと呼ばれる。
The reflection area 14C is an area where incident light repeats reflection between the
反射プレート14Aから反射域14Cに、光源12から白色光が入射すると、反射プレート14Aと反射プレート14Bとの間で入射光は反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分(周波数成分)が強められて反射プレート14Bを透過し、共振器14から射出される。共振器14から射出される強度変調光15の特性は、FSR(自由スペクトル領域:Free Spectral Range)とフィネス(FSR/半値全幅:Finesse)とによって特定される。
When white light from the
図3は、共振器14の透過特性の一例を示すグラフである。図3の横軸はフリンジ次数(m、m+1、m+2)を示し、縦軸は共振器14の透過率を示す。
FIG. 3 is a graph illustrating an example of the transmission characteristics of the
周波数に関して隣接する光透過帯域の間隔は一定である。すなわち、共振器14の透過帯域の間隔を表すFSRと透過ピークの半値全幅であるFWHMとに基づいて共振器14の特性が定まる。また、フィネスは、干渉縞の鋭さの程度を示す指標となる。
The interval between adjacent light transmission bands with respect to frequency is constant. That is, the characteristics of the
図4は、共振器14の透過特性の一例を示す図であり、横軸は周波数を表し、縦軸は透過率を表す。図4の如く、透過率のピークを示す周波数は、離散的に出現する。また、隣接する透過率のピークの間隔は、FSRに基づいて定められる。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the transmission characteristics of the
図5は、図4に示した共振器14の透過特性において透過率のピークを示す周波数を「周波数−電場」に基づいて表した図である。
FIG. 5 is a diagram showing the frequency indicating the transmittance peak in the transmission characteristics of the
実施形態の共振器14は、「frep」が15GHzの強度変調光15を生成し出射する。したがって、実施形態の寸法測定装置10は、共振器14からの強度変調光15の周期性を利用することで、光コムを利用した計測と同様の効果、つまり、測定光と干渉する参照光の実効的な光路長を長くとることができる。
The
〈ビームスプリッタ18〉
図1のビームスプリッタ18は、光ファイバ36を介して入射した強度変調光15を、光ファイバ38へ出射する測定光と光ファイバ40へ出射する参照光とに分割する。また、ビームスプリッタ18は、光ファイバ38を介して戻された測定光と、光ファイバ40を介して戻された参照光とを合成して、光ファイバ36へ出射する。ビームスプリッタ18として、例えば、そのような機能を有する公知の様々な光カプラを用いることができる。
<
The
〈測定物走査光学系20〉
測定物走査光学系20は、光ファイバ38から出射された測定光を、レンズ46を介して被測定物44の表面上の任意の測定点に結像させる。そして、測定物走査光学系20は、その測定点で反射又は散乱された測定光を集光し、光ファイバ38へ入射させる。そのために、測定物走査光学系20は、レンズ46、走査鏡(不図示)、及び走査鏡を駆動するアクチュエータ(不図示)を備えている。アクチュエータは、コントローラ30から受信した制御信号に応じて走査鏡の反射面の向きを調節する。
<Measurement
The measurement object scanning
また、測定物走査光学系20には、コントローラ30において0点信号RSを作成するための半透明の反射板50が備えられている。反射板50は、参照光路長と同じ長さの位置に配置されているので、光路差が0の干渉縞が検出器26にて形成される。なお、符号TSはターゲット信号である。
Further, the measurement object scanning
〈参照光路長走査装置22〉
参照光路長走査装置22は、光ファイバ40から出射された参照光が所定の光路を通過した後、光ファイバ40に再度入射するように構成される。そして、参照光路長走査装置22は、その光路の光路長を走査して、測定光の光路長と参照光の光路長との光路差を調節する。
<Reference Optical Path
The reference optical path
そのために参照光路長走査装置22は、ボールレンズ24、中心に回転軸52を備えた円盤状の回転テーブル(回転部材)54、及び回転軸52を介して回転テーブル54を回転させるモータ56を備える。回転軸52は、図1の平面視において、参照光58の光束に対して直交方向に配置されている。
For this purpose, the reference optical path
回転テーブル54は、測定動作中において、モータ56によって矢印Aで示す方向に一定の回転速度で回転される。例えば、回転テーブル54は、測定動作中、5000rpmで回転される。回転テーブル54の回転速度を5000rpmに設定した場合、15GHzの周波数は、長さでは10mmに相当する。よって、走査長さは10mm以上であることが求められる。そして、回転テーブル54の上面に、参照光58を走査するボールレンズ24が配置される。
The rotating table 54 is rotated at a constant rotational speed in the direction indicated by the arrow A by the
《ボールレンズ24》
ボールレンズ24は、回転テーブル54が回転されることにより、円形の移動軌跡に沿って移動(回転)する。回転テーブル54の回転動作によって、参照光58の光軸方向に対するボールレンズ24の位置が変化するので、参照光の光路長が走査される。また、ボールレンズ24の移動量は、ボールレンズ24の回転半径と回転角度とに基づき、コントローラ30によって算出される。
<
The
図6は、屈折率が約2.0であるボールレンズ24からの反射光(参照光)60が、コリメータレンズ48を介して光ファイバ40に戻る光路を示した説明図である。なお、ボールレンズ24の屈折率は1.9〜2.1が好ましく、1.95〜2.05がより好ましい。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing an optical path in which reflected light (reference light) 60 from the
屈折率が2であるボールレンズ24は、図7の拡大図で示すように、ビームスプリッタ18(図1参照)から出射された参照光58が入射する球面状の入射面24A、及び入射面24Aに対向して配置され入射面24Aから入射した参照光58を入射面24Aに向けて反射する球面状の反射面24Bを備えている。また、入射面24Aから入射した参照光58は、屈折率が2の場合に反射面24Bの一点で集光され、反射面24Bで反射される。このとき、反射面24Bで反射された反射光60は、参照光58の入射方向に対向する方向に反射する。
As shown in the enlarged view of FIG. 7, the
つまり、反射鏡としてボールレンズ24を使用することにより、ボールレンズ24の入射面24Aに入射する参照光58の入射角度は、ボールレンズ24の移動位置に左右されることなく不変である。また、入射面24Aから入射した光量と略同量の光量を、反射面24Bで反射することができる。
That is, by using the
したがって、反射鏡としてコーナキューブプリズムを使用する従来の寸法測定装置と比較して、走査範囲が拡大する。 Accordingly, the scanning range is expanded as compared with a conventional dimension measuring apparatus using a corner cube prism as a reflecting mirror.
また、ボールレンズ24は球体なので、回転テーブル54の回転時にボールレンズ24が受ける空気抵抗は、ビームスプリッタと比較して小さくなる。これにより、空気抵抗に起因する回転テーブル54の振動を抑制できるので、高精度の走査が可能となる。
Further, since the
図8は、ボールレンズ24の拡大図であり、ボールレンズ24の反射面24Bの集光点付近の表面に、金メッキ等の反射コート(光反射膜)62を施した説明である。反射面24Bに到達した参照光58は、反射コート62によって最大限に反射されるので、反射面24Bに到達した参照光58を最大限有効に利用することができる。
FIG. 8 is an enlarged view of the
〈検出器26〉
図1の検出器26は、検出した光量を電気信号として出力する。検出器26として、例えば、フォトダイオード、CCD(Charge Coupled Device)又はC−MOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の半導体検出素子が使用される。また、検出器26は、所定の時間間隔でサンプリングして、各サンプリング時点における検出光量を電気信号に変換する。更に、検出器26は、周波数型増幅器28を介してコントローラ30と電気的に接続され、その電気信号をコントローラ30へ逐次送信する。
<
The
ここで、参照光と測定光とが合成された干渉光によって光干渉が生じる場合、ボールレンズ24の移動に応じてそれらの光の光路差が変化するので、その光路差による光量の変化に従って対応する電気信号も変動する。また、ボールレンズ24の位置は、回転テーブル54の回転に伴って変化するので、その位置は時間的に変化する。したがって、その干渉縞は、検出器26から出力される電気信号の時間的な変化において観測される。
Here, when optical interference occurs due to the interference light in which the reference light and the measurement light are combined, the optical path difference of the light changes according to the movement of the
〈光ファイバ32〜42〉
光ファイバ32〜42は、光源12、共振器14、サーキュレータ16、ビームスプリッタ18、測定物走査光学系20、参照光路長走査装置22、及び検出器26の間に配置され、各機器間で光を伝送する。光ファイバ32〜42として、公知の様々な光ファイバを使用することができるが、光源12から放射される光の波長に対して伝送損失が極力小さいことが好ましい。
<Optical fibers 32-42>
The
〈コントローラ30〉
コントローラ30は、いわゆるPC(Personal Computer)で構成され、CPU(Central Processing Unit)等の演算装置と、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の半導体メモリ、若しくは磁気ディスク、光ディスク及びそれらの読取装置等からなる記憶装置と、RS232C、イーサネット(登録商標)等の通信規格に基づいて構成された電子回路及びデバイスドライバ等のソフトウェアからなる通信装置と、記憶装置に格納されてCPUで実行されるプログラムと、を有する。
<
The
そして、コントローラ30は、検出器26によって検出された光量から参照光の光路長を測定することにより、被測定物44の測定点の高さを算出する。
Then, the
また、コントローラ30は、寸法測定装置10の各部と電気的に接続されており、それらを統括制御する。
Moreover, the
更に、コントローラ30は、ボールレンズ24の回転半径と回転角度とに基づいてボールレンズ24の移動量を算出し、その移動量に基づいて参照光の光路長を算出する。そして、コントローラ30は、参照光と測定光の光路差に応じて生じる干渉縞に基づいて、被測定物44の寸法(表面高さ)を算出する。
Further, the
〔寸法測定装置10の作用〕
図9は、被測定物44の寸法を測定する際の寸法測定装置10の動作を示したフローチャートである。なお、寸法測定装置10の動作は、コントローラ30によって制御される。
[Operation of Dimension Measuring Device 10]
FIG. 9 is a flowchart showing the operation of the
事前準備として、寸法が既知の基準品を寸法測定装置10に設置し、その基準面に測定光を照射したときの干渉縞の振幅の最大値に対応するボールレンズ24の位置PRを算出し、コントローラ30の記憶装置に記憶しておく。
As a preliminary preparation, a reference product having a known dimension is installed in the
測定動作を開始すると、コントローラ30はモータ56を制御して、回転テーブル54を所定の回転速度(例えば5000rpm)で回転させる(ステップS101)。
When the measurement operation is started, the
次に、測定物走査光学系20のアクチュエータを制御して、測定光が被測定物44の任意の測定点でスポットを結ぶように、走査鏡の向きを調節する(ステップS102)。
Next, the actuator of the measurement object scanning
次に、検出器26により、測定光の光路長と参照光58の光路長の差に応じて生じる干渉縞を検出する(ステップS103)。検出器26は、その干渉縞に相当する電気信号をコントローラ30へ送信する。
Next, an interference fringe generated according to the difference between the optical path length of the measurement light and the optical path length of the
次に、コントローラ30は、検出器26から受信した電気信号と、ボールレンズ24の位置とを関係付けする(ステップS104)。
Next, the
そして、コントローラ30は、その電気信号の周期的な振動の振幅が最大となる時刻、すなわち、干渉縞の振幅が最大となる時刻TPを測定し、時刻TPにおけるボールレンズ24の位置PPを算出する(ステップS105)。
Then, the
その後、コントローラ30は、ステップS105で求めたボールレンズ24の位置PPと、基準面に対して同様に求めたボールレンズ24の位置PRとから、その位置の差に対応する参照光58の光路差を算出する(ステップS106)。
Thereafter, the
そして、コントローラ30は、その光路差を基準面の表面高さに加えることにより、測定位置における被測定物44の表面高さを算出する(ステップS107)。
And the
そして、コントローラ30は上記のステップS101〜S107の処理を繰り返し実施し、被測定物44の表面の各点における表面高さを、測定光の照射位置毎に測定する。
Then, the
ところで、共振器14を含む寸法測定装置10では、強度変調光15(図4及び図5参照)が被測定物44及びボールレンズ24に照射されるため、低コヒーレンス光が被測定物44及びボールレンズ24に照射される一般的な寸法測定装置に比べて計測可能範囲が拡大する。
By the way, in the
すなわち、共振器14から射出される強度変調光状の光信号を利用した寸法測定装置10の計測可能範囲は、共振器14のFSR(図3参照)に応じて定まる。具体的には、共振器14を含まない一般的な低コヒーレンス光を利用した寸法測定装置によって計測可能な「測定光の光路長と参照光の光路長とが等しくなる被測定物44の位置(以下「ゼロ点位置」とも呼ぶ)」に加え、ゼロ点位置から「N×nD(ただし「N」は1以上の整数を表し、「n」はエタロン14の反射域14Cの屈折率を表し、「d」はエタロン14の反射コート14Aと反射コート14Bとの間隔を表す)」だけ離れた位置の計測が可能となる。
That is, the measurable range of the
したがって、寸法測定装置10によれば、「L=(L0+N×nd(ただし「L0」はゼロ点位置を表し、「N」は0以上の整数を表し、「n」はエタロン14の反射域14Cの屈折率を表し、「d」はエタロン14の反射コート14Aと反射コート14Bとの間隔を表す)」によって表される離散的な位置L毎の計測が可能になる。ここでいう離散的な位置Lは、被測定物44におけるゼロ点位置L0から、強度変調光15が被測定物44に向かう方向において「N×nd」だけ離れた位置を示す。
Therefore, according to the
〔効果〕
実施形態の寸法測定装置10は、参照光58を走査し、かつ参照光58の光路を走査するための回転テーブル54を回転させることにより、参照光58をボールレンズ24によって短時間で走査することができる。また、参照光58の光路長を短時間で大きく走査させることができる。これにより、寸法測定装置10は、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができる。
〔effect〕
The
また、実施形態の寸法測定装置10及び参照光路長走査装置22は、参照鏡としてボールレンズ24を使用し、ボールレンズ24を円形の移動軌跡に沿って移動させて、参照光58の光路長を走査している。
Further, the
ボールレンズ24は、円形の移動軌跡に沿って位置が変化しても参照光58に対する入射面の姿勢は変化しない。よって、ボールレンズ24は、移動した位置に関係無く、入射した参照光58を、参照光58の入射方向と対向する方向に反射する。ボールレンズ24の上記特性により、以下の効果が得られる。
Even if the position of the
図10(A)は、回転テーブル54の回転角度に対するボールレンズ24の光強度の変化を示したグラフである。ここで、図10(B)を説明するにあたり、図13を参照して説明すると、図10(B)は、回転テーブル1の回転角度に対するコーナキューブプリズム2の光強度の変化を示したグラフである。
FIG. 10A is a graph showing changes in the light intensity of the
図10(A)、(B)の横軸は回転テーブルの回転角を示し、縦軸は光強度を示している。 10A and 10B, the horizontal axis indicates the rotation angle of the rotary table, and the vertical axis indicates the light intensity.
縦軸の光強度とは、図10(A)ではボールレンズ24の反射面24Bで反射された反射光60の光強度を指し、図10(B)ではコーナキューブプリズム2の反射面で反射された反射光の光強度を指す。また、光強度が最大となる角度を回転角0度に設定し、回転角0度の光強度に対し、±方向に回転させたときの光強度を相対値として示している。
The light intensity on the vertical axis indicates the light intensity of the reflected light 60 reflected by the reflecting
図10(A)の如く、ボールレンズ24の反射面24Bで反射された反射光60の光強度は、回転テーブルの回転角に左右されることなく、−40〜+40度の回転範囲内において最大値を維持した。
As shown in FIG. 10A, the light intensity of the reflected light 60 reflected by the reflecting
これに対し、図10(B)の如く、コーナキューブプリズム2の反射面で反射された反射光の光強度は、回転テーブルの回転角が大きくなるに従って光強度が低下した。また、−40〜+40度の回転位置では、光強度が20%以上低下した。
On the other hand, as shown in FIG. 10B, the light intensity of the reflected light reflected by the reflecting surface of the
よって、実施形態の寸法測定装置10によれば、測定速度を向上させて測定時間を短縮することができ、かつ測定精度が向上し、参照光の走査範囲も拡大することができた。
Therefore, according to the
また、寸法測定装置10によれば、ボールレンズ24で反射した参照光58の強度ムラを抑制することができるので、測定精度が更に向上した。
Moreover, according to the
更に、寸法測定装置10によれば、参照光58の走査範囲が拡大することに起因して、ボールレンズ24の小型化が可能になるので、参照光路長走査装置22を小型化することができた。具体的には、直径が5〜10mmの小型のボールレンズ24を適用することができた。
Further, according to the
更にまた、寸法測定装置10によれば、三面鏡であるコーナキューブプリズム2と比較して、空気抵抗の小さい球体のボールレンズ24を使用するので、ボールレンズ24の移動速度を上げることができた。よって、測定速度が更に向上した。
Furthermore, according to the
回転テーブルの回転速度を上げていくと、空気抵抗に起因して回転テーブルが振動し、測定誤差の原因になる。このため、コーナキューブプリズム2では回転速度を上げることができない。これに対して、ボールレンズ24の場合には、コーナキューブプリズム2の場合と比較して、回転速度を3〜5倍に上げることができた。
When the rotation speed of the rotary table is increased, the rotary table vibrates due to air resistance, causing measurement errors. For this reason, the
更に、図8の如く、ボールレンズ24の反射面24Bに、反射コート62を施している。
Further, as shown in FIG. 8, a
よって、寸法測定装置10によれば、ボールレンズ24に入射した参照光を、最大限有効に反射することができた。これにより、走査精度及び測定精度がより一層向上した。
Therefore, according to the
図11は、回転テーブル54の回転軸52を中心とする周方向に沿ってボールレンズ24を複数配置した平面図である。ボールレンズ24は、回転テーブル54の回転軸52を中心とする同心円S上の位置に等間隔で6個配置されている。
FIG. 11 is a plan view in which a plurality of
図12は、図11に示した6個のボールレンズ24のうち2個のボールレンズ24を抽出して示した図であって、2個のボールレンズ24の反射光60の光路を示した説明図である。
FIG. 12 is a diagram showing two
図12の如く、参照光58の光束の中に、位置の異なる2個のボールレンズ24が存在していても、それらのボールレンズ24の入射面24Aに入射する参照光58の入射角度は変化しない。ボールレンズ24の移動位置が変化しても、参照光58の光束の中であれば、入射した光量と略同量の光量をボールレンズ24によって反射することができる。
As shown in FIG. 12, even when two
なお、回転テーブル54に複数個のボールレンズ24が配置されている場合には、コントローラ30は、以下のように参照光の光路長を算出する。
When a plurality of
回転テーブル54の回転軸52にロータリーエンコーダ(不図示)を取り付け、ロータリーエンコーダから出力される回転角度情報と各々のボールレンズ24の位置とを関連付けする。そして、コントローラ30は、ロータリーエンコーダから出力された回転角度情報に基づき、複数個のボールレンズ24のうちどの位置のボールレンズ24から反射された反射光60であることを識別する。
A rotary encoder (not shown) is attached to the
そして、コントローラ30は、干渉縞が形成された際に出力されるロータリーエンコーダからの回転角度情報に基づき、その際に反射光60を反射しているボールレンズ24を特定し、そのボールレンズ24の位置に基づいて参照光の光路長を算出する。このようにボールレンズ24を複数配置することにより、参照光58の高速走査が可能となる。
Then, the
10…寸法測定装置、12…光源、14…共振器、15…強度変調光、16…サーキュレータ、18…ビームスプリッタ、20…測定物走査光学系、22…参照光路長走査装置、24…ボールレンズ、24A…入射面、24B…反射面、26…検出器、28…周波数型増幅器、30…コントローラ、32、34、36、38、40、42…光ファイバ、44…被測定物、46…レンズ、48…コリメータレンズ、50…反射板、52…回転軸、54…回転テーブル、56…モータ、58…参照光、60…反射光、62…反射コート
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記白色光を測定光と参照光とに分割して出射する光分割手段と、
前記測定光を被測定物に照射する測定光照射手段と、
回転軸を中心に回転される回転部材と、前記回転部材に配置され前記参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、前記回転部材を回転させて前記回転軸を中心に前記ボールレンズを回転させることにより、前記参照光の光軸方向に対する前記ボールレンズの位置を変化させる参照光路長走査手段と、
前記被測定物で反射した前記測定光と前記ボールレンズで反射した前記参照光とが合成された干渉光を検出する光検出手段と、
前記光検出手段によって検出された前記干渉光に基づいて被測定物の寸法を算出する演算手段と、
を備える寸法測定装置。 A light source that emits white light;
A light splitting means for splitting the white light into measurement light and reference light and emitting them;
Measuring light irradiation means for irradiating the object to be measured with the measurement light
A rotating member that rotates about a rotation axis; and a ball lens that is disposed on the rotation member and reflects the reference light incident thereon. The ball is rotated about the rotation axis by rotating the rotation member. A reference optical path length scanning unit that changes a position of the ball lens with respect to an optical axis direction of the reference light by rotating a lens;
Light detection means for detecting interference light in which the measurement light reflected by the object to be measured and the reference light reflected by the ball lens are combined;
A calculation means for calculating a dimension of the object to be measured based on the interference light detected by the light detection means;
A dimension measuring device comprising:
回転軸を中心に回転される回転部材と、前記回転部材に配置され前記参照光を入射して反射するボールレンズと、を有し、前記回転部材を回転させて前記回転軸を中心に前記ボールレンズを回転させることにより、前記参照光の光軸方向に対するボールレンズの位置を変化させる、参照光路長走査装置。 In the reference optical path length scanning device that scans the optical path length of the reference light among the measurement light and the reference light divided by the light dividing means,
A rotating member that rotates about a rotation axis; and a ball lens that is disposed on the rotation member and reflects the reference light incident thereon. The ball is rotated about the rotation axis by rotating the rotation member. A reference optical path length scanning device that changes a position of a ball lens with respect to an optical axis direction of the reference light by rotating the lens.
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JP2021512286A (en) * | 2018-01-19 | 2021-05-13 | フォームファクター ビーバートン インコーポレイテッド | A probe with a reference target, a probe system containing the probe, and related methods. |
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