JP2018116006A - Contactless surface height measurement method and device therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非接触表面高さ測定方法およびその装置に関するものである。 The present invention relates to a non-contact surface height measuring method and apparatus.
レーザオートフォーカスを用いたレーザプローブ式の非接触表面高さ測定装置は精密部品の表面高さを測定するために使用されている。すなわち、測定対象である測定ワークの上面に対し、レーザプローブよるオートフォーカス制御をかけながら、測定ワークを所定のピッチごとに水平方向へスキャンし、オートフォーカス光学系における対物レンズのフォーカス方向での移動量から測定ワークの表面高さに関する測定データを取得する。 Laser probe type non-contact surface height measuring devices using laser autofocus are used to measure the surface height of precision parts. In other words, while the autofocus control by the laser probe is applied to the upper surface of the measurement workpiece to be measured, the measurement workpiece is scanned horizontally at a predetermined pitch, and the objective lens in the autofocus optical system moves in the focus direction. Measurement data on the surface height of the workpiece is obtained from the quantity.
対物レンズは、特許第2125498号(特許文献1)に開示されるように、レーザプローブの戻り光が二分割センサの中心で受光されるように制御される。すなわち、測定ワークは所定ピッチで送られ、対物レンズがフィードバック制御により移動して測定ワークからの戻り光が二分割センサの中心で受光された時に焦点位置と判断して、対物レンズの移動量が検出され、その移動量から測定ワークの表面の高さ情報を計測することができる。 The objective lens is controlled so that the return light of the laser probe is received at the center of the two-divided sensor as disclosed in Japanese Patent No. 2125498 (Patent Document 1). In other words, the measurement workpiece is sent at a predetermined pitch, the objective lens moves by feedback control, and when the return light from the measurement workpiece is received at the center of the two-divided sensor, it is determined as the focal position, and the amount of movement of the objective lens is The detected height information of the surface of the workpiece can be measured from the amount of movement.
さらに、特許第5584140号(特許文献2)に開示されるように、測定ワークを連続的にスキャンしてレーザプローブが焦点位置から一定程度はずれた状態であっても、二分割センサの差動出力に基づいて焦点位置からのオフセット量を推定することにより測定を高速化することができる。 Further, as disclosed in Japanese Patent No. 5585140 (Patent Document 2), even if the measurement workpiece is continuously scanned and the laser probe is deviated from the focal position to a certain extent, the differential output of the two-divided sensor The speed of measurement can be increased by estimating the offset amount from the focal position based on the above.
しかしながらこのような関連技術にあっては、傾斜面をもつ測定ワークやレーザプローブのビームより細かい凹凸を持つ表面など、表面の散乱により対物レンズを介して二分割センサに到達する戻り光のS/N強度が微弱な場合には差動出力のレベルも小さくなる。そのため、差動出力をフィードバックしつつ焦点位置を収束させるオートフォーカスシステムではレーザが散乱する表面のオンフォーカス位置を特定することが困難な場合があった。 However, in such related technology, the S / W of the return light that reaches the two-divided sensor via the objective lens due to scattering of the surface, such as a measurement workpiece having an inclined surface or a surface with unevenness finer than the beam of the laser probe When the N intensity is weak, the differential output level also decreases. Therefore, in an autofocus system that converges the focal position while feeding back the differential output, it may be difficult to specify the on-focus position of the surface where the laser is scattered.
本発明はこのような関連技術に着目してなされたものであり、レーザが散乱する表面においてもレーザプローブを測定ワークに対して連続的にスキャンしながら高速且つ正確な表面高さ測定が行える非接触表面高さ測定方法および装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made by paying attention to such a related technology, and can perform high-speed and accurate surface height measurement while continuously scanning the laser probe with respect to the measurement work even on the surface where the laser is scattered. It is an object of the present invention to provide a contact surface height measuring method and apparatus.
本発明に係る非接触表面高さ測定方法は、測定ワークの表面の第1の方向へ連続的に走査しつつ測定ワークの表面高さを測定する非接触表面高さ測定方法であって、対物光学系を介して測定ワークの表面にレーザプローブを照射すると共に測定ワークの表面からのレーザプローブの戻り光を二分割センサで受光することと、対物光学系と二分割センサの間に設けられ対物光学系の焦点位置を変更する焦点変更光学系を対物光学系の光軸に沿って高速往復移動させて対物光学系の焦点位置を高速変動させることと、対物光学系の変動する焦点位置が測定ワークの表面と一致したことを二分割センサの差動出力がゼロ位になることにより検出することと、ゼロ位検出に対応する焦点位置に基づいて光軸方向における測定ワークの表面の高さを検出することと、を含むことを特徴とする。 A non-contact surface height measurement method according to the present invention is a non-contact surface height measurement method for measuring the surface height of a measurement workpiece while continuously scanning in the first direction of the surface of the measurement workpiece. The surface of the measurement workpiece is irradiated with the laser probe through the optical system, and the return light of the laser probe from the surface of the measurement workpiece is received by the two-divided sensor, and the objective is provided between the objective optical system and the two-divided sensor. Changing the focal position of the optical system The high-speed reciprocation of the focus-changing optical system along the optical axis of the objective optical system to change the focal position of the objective optical system at high speed, and the varying focal position of the objective optical system is measured Detecting the coincidence with the workpiece surface by detecting the differential output of the two-divided sensor to the zero position, and measuring the surface height of the workpiece in the optical axis direction based on the focal position corresponding to the zero position detection. detection Characterized in that it comprises a Rukoto, the.
従来のように対物光学系をフィードバック制御して焦点位置を収束させるオートフォーカス方式ではなく、軽量な焦点変更光学系の可動部を高速往復移動させることで対物光学系の焦点位置を高速変動させながら差動出力がゼロ位になるタイミングとレベル(高さ)を検出するゼロ位検出方式を採用したため、散乱表面であっても高速且つ正確に表面高さを検出することが可能となる。更に尖端部等の測定ポイントで戻り光の強度が小さい場合でも焦点位置を高速変動させる途中に必ずゼロ位が発生するために、ゼロ位置の検出を確実に行うことができる。 Instead of the autofocus method that converges the focal position by feedback control of the objective optical system as in the past, while moving the focal position of the objective optical system at high speed by reciprocating the movable part of the lightweight focus changing optical system at high speed Since the zero position detection method for detecting the timing and level (height) at which the differential output becomes zero is employed, it is possible to detect the surface height at high speed and accurately even for a scattering surface. Further, even when the intensity of the return light is small at a measurement point such as a tip, a zero position is always generated while the focal position is rapidly changed, so that the zero position can be reliably detected.
図1〜5は本発明の実施形態を示す図である。図中、XYは水平面上で直交する二方向とし、Zは水平面に直交する上下方向とする。 1-5 is a figure which shows embodiment of this invention. In the figure, XY is two directions orthogonal to each other on a horizontal plane, and Z is a vertical direction orthogonal to the horizontal plane.
図1は非接触表面高さ測定装置1の概念図であり、この非触表面高さ測定装置1は、X方向およびY方向にスライド自在な「走査装置」としてのステージ30と組み合わされている。ステージ30上には測定ワーク2が固定され、ステージ30により測定ワーク2を非接触表面高さ測定装置1に対してX方向およびY方向にスライドさせることができる。ステージ30を第1の方向すなわちX方向またはY方向へ移動させるためのドライバはコントローラ20に内蔵され、ステージ30はコントローラ20により制御されて駆動される。ステージ30のX方向やY方向での位置は図示しないリニアスケールにより検出することができる。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a non-contact surface height measuring device 1, and this non-touch surface height measuring device 1 is combined with a
測定ワーク2の上方には対物レンズ(対物光学系)4が固定されている。この対物レンズ4はそれ自体が移動して焦点変更に関与するものでなく位置が固定されている。
An objective lens (objective optical system) 4 is fixed above the
対物レンズ4の上方には、凹レンズ(第1光学系)13と凸レンズ(第2光学系)14とから構成された焦点変更光学系12が設けられている。凹レンズ13と凸レンズ14はそれぞれが対物レンズ4よりも小径且つ軽量で、両方とも垂直な光軸Kに沿って上下に配列されている。なお、光軸Kは第1の方向(XまたはY)と交差する第2の方向、典型的にはZ軸と平行に規定される。
Above the
凹レンズ13と凸レンズ14はそれぞれがリニアアクチュエータ(駆動手段)5に接続されている。そして凹レンズ13と凸レンズ14のうち、凹レンズ13のみが「可動部」として光軸Kに沿って高速で往復移動自在で、凹レンズ13が移動することにより、凹レンズ13と凸レンズ14との間隔を変化させることができる。
The
リニアアクチュエータ5により凹レンズ13(焦点距離が負)と凸レンズ14(焦点距離が正)の距離が変更されるということは、対物レンズ4の焦点距離が変更されることと比例関係である。このリニアアクチュエータ5は例えば高速駆動の可能なピエゾアクチュエータを利用することができる。リニアアクチュエータ5もコントローラ20により制御される。凹レンズ14の位置は図示せぬ位置センサにより検出され、その位置情報もコントローラ20に入力される。
Changing the distance between the concave lens 13 (having a negative focal length) and the convex lens 14 (having a positive focal length) by the
対物レンズ4および焦点変更光学系12の上方にはビームスプリッタ10が配置されている。ビームスプリッタ10は、光の50%を透過し、50%を反射する機能を有している。
A
ビームスプリッタ10の側方にはレーザ照射手段11が配置されている。レーザ照射手段11からはレーザプローブLとなるレーザ光(半導体レーザ)が水平方向に照射される。レーザ光はビームスプリッタ10で光軸Kと平行な方向に反射され、焦点変更光学系12および対物レンズ4を透過し、レーザプローブLとして測定ワーク2の表面Tに当たる。レーザプローブLの光束の断面の光学的重心は対物レンズ4の光軸中心からX方向でオフセットした位置を通る。
Laser irradiation means 11 is disposed on the side of the
対物レンズ4を通過したレーザプローブLは測定ワーク2の表面Tで反射され、その戻り光L’は再度対物レンズ4、焦点変更光学系12、ビームスプリッタ10を通過し、結像レンズ7を経て二分割センサSに受光される。二分割センサSはX方向で近接並置される2つのホトセンサa、bから構成される。尚、図において戻り光L’はレーザプローブLが測定ワーク2の表面Tで反射された光束であるが便宜上代表的光路L’で表示している。
The laser probe L that has passed through the
二分割センサSはその中心に戻り光L’のスポットの重心が一致した時に、2つのセンサa、bの出力が釣り合って差動アンプ21の差動出力がゼロとなるように構成される。作動アンプ21の差動出力もコントローラ20に入力される。
The two-divided sensor S is configured so that the outputs of the two sensors a and b are balanced and the differential output of the
図2において凹レンズ13の中立位置をZb、このときのレーザプローブLの光路をLb、対物レンズ4の焦点位置をFbとする。この位置から凹レンズ13を上昇させて(B方向)レンズ間距離を長くすると、レーザプローブLの光路はLaで示すように対物レンズ4の外側を透過し、基準となる焦点位置Fbよりも上の焦点位置Faで光軸Kと交差する。これは対物レンズ4の焦点距離が短くなったことと等価である。
In FIG. 2, the neutral position of the
凹レンズ13を基準の位置から下降させて(A方向)レンズ間距離を短くすると、レーザプローブLの光路はLcで示すように対物レンズ4の内側を透過し、基準となる焦点位置Fbよりも下の焦点位置Fcで光軸Kと交差する。これは対物レンズ4の焦点距離が長くなったことと等価である。
When the
図3において、中央の(II)は対物レンズ4の焦点位置FとレーザプローブLが照射される測定ワーク2の表面Tが一致したフォーカス状態、(I)は表面Tが焦点位置Fの手前にある状態、(III)は表面Tが焦点位置Fの先にある状態を示している。
In FIG. 3, (II) in the center is a focus state in which the focal position F of the
図4は測定ワーク2の走査方向(X方向)における表面高さ分布の一部を模式的に表現したものである。測定ワーク2はステージ30によりX方向に定速移動するため、レーザプローブLに対して連続走査される。従って横軸は時間t及びこれに対応する位置X(t)を表し、縦軸は表面Tの高さ情報Z及びレーザプローブLの焦点位置の変動幅dを表している。
FIG. 4 schematically represents a part of the surface height distribution in the scanning direction (X direction) of the
焦点変更光学系12により対物レンズ4の焦点位置を光軸K方向に高速に所定の周期τ及び変動幅dで振幅変位させながら、二分割センサSの差動出力のゼロ位検出を行なって表面Tの高さZ(t)を取得する。特に対物レンズ4ではなく軽量な凹レンズ13を上下方向に往復移動させるため、高速に焦点位置を変更することができる。この実施形態では変動幅dを30μm、周期τを1msとしているが、これに限定されない。図4では周期τを分かりやすくするため拡大して図示している。
The focus change
連続した焦点位置の変動の中でゼロ位を検出するため、散乱のため戻り光L’が微弱になった場合でも必ずゼロクロス(ゼロ位)が発生するため、確実に測定ポイントの高さZ(t)を捕捉することができる。 Since the zero position is detected in the continuous variation of the focal position, a zero cross (zero position) is always generated even when the return light L ′ becomes weak due to scattering, so that the height Z ( t) can be captured.
このように上下に高速で往復移動する凹レンズ13の位置のうち、二分割センサSの差動出力がゼロ位となるタイミングにおける凹レンズ13の位置を検出することにより、対物レンズ4の等価焦点位置を取得することができ、ターゲットとなる測定ワーク2の表面Tの各測定ポイントにおける高さ情報を検出することができる。したがって、測定ワーク2のX方向での高さ測定を少しずつY方向にずらしながら行うことにより、測定ワーク2の表面Tの三次元的形状も測定することができる。
By detecting the position of the
本実施形態では凹レンズ13と凸レンズ14の距離を変更するために凹レンズ13のみを可動部として高速往復移動させたが、凸レンズ14のみを可動部としてもよい。更に図5に示すように、リニアアクチュエータ5により凹レンズ13及び凸レンズ14の両方を可動部として相互に相反する方向へ同期させながら接近・離反するように高速移動させても良い。相互に相反する方向に移動させる場合には凹レンズ13と凸レンズ14の加速運動に伴う衝撃等の反動が互いにキャンセルされるため振動が発生しない構造となる。
In the present embodiment, in order to change the distance between the
以上この実施形態では、ステージ30を走査装置として、ステージ30上に載せた測定ワーク2を非接触表面高さ測定装置1に対してX方向またはY方向へ移動させる例を示したが、走査装置を非接触表面高さ測定装置1側に設けて、位置が固定された測定ワーク2に対して非接触表面高さ測定装置1全体を反X方向または反Y方向へ移動せることにより、測定ワーク2をレーザプローブLに対して相対的にX方向またはY方向へ移動させるようにしても良い。
As described above, in this embodiment, the
1 非接触表面高さ測定装置
2 測定ワーク
4 対物レンズ(対物光学系)
5 リニアアクチュエータ(駆動手段)
11 レーザ照射手段
12 焦点変更光学系
13 凹レンズ(第1光学系:可動部)
14 凸レンズ(第2光学系)
20 コントローラ
30 XYステージ(走査装置)
a、b ホトセンサ
S 二分割センサ
L レーザプローブ
L’戻り光
K 光軸
T 測定ワークの表面
F 焦点位置
1 Non-contact surface
5 Linear actuator (drive means)
DESCRIPTION OF
14 Convex lens (second optical system)
20
a, b Photosensor S Two-part sensor L Laser probe L 'Return light K Optical axis T Surface of workpiece F Focus position
Claims (4)
対物光学系を介して測定ワークの表面にレーザプローブを照射すると共に測定ワークの表面からのレーザプローブの戻り光を二分割センサで受光することと、
対物光学系と二分割センサの間に設けられ対物光学系の焦点位置を変更する焦点変更光学系を対物光学系の光軸に沿って高速往復移動させて対物光学系の焦点位置を高速変動させることと、
対物光学系の変動する焦点位置が測定ワークの表面と一致したことを二分割センサの差動出力がゼロ位になることにより検出することと、
ゼロ位検出に対応する焦点位置に基づいて光軸方向における測定ワークの表面の高さを検出することと、
を含むことを特徴とする非接触表面高さ測定方法。 A non-contact surface height measuring method for measuring the surface height of a measurement workpiece while continuously scanning in the first direction of the surface of the measurement workpiece,
Irradiating the surface of the measurement workpiece with the laser probe via the objective optical system and receiving the return light of the laser probe from the surface of the measurement workpiece by the two-divided sensor;
A focal point changing optical system that is provided between the objective optical system and the two-divided sensor and changes the focal position of the objective optical system is reciprocated at high speed along the optical axis of the objective optical system to change the focal position of the objective optical system at high speed. And
Detecting that the foci of the objective optical system fluctuate with the surface of the workpiece by detecting the differential output of the two-divided sensor to zero.
Detecting the height of the surface of the measurement workpiece in the optical axis direction based on the focal position corresponding to the zero position detection;
A non-contact surface height measuring method comprising:
第1の方向と垂直な第2の方向に光軸を有し、位置が固定された対物光学系と、
対物光学系を介して測定ワークの表面にレーザプローブを照射するレーザ照射手段と、
測定ワークの表面からのレーザプローブの戻り光を受光して、対物光学系の焦点位置が測定ワークの表面と一致した時に差動出力がゼロ位になる二分割センサと、
対物光学系と二分割センサの間に配置され、全部又は一部が対物光学系よりも軽量で且つ対物光学系の光軸に沿って移動自在な可動部で構成され、該可動部の位置により対物光学系の焦点位置を変更する焦点変更光学系と、
焦点変更光学系の可動部を高速往復移動させる駆動手段と、
二分割センサのゼロ位を検出し、ゼロ位検出に対応する焦点位置に基づいて光軸方向における測定ワークの表面の高さを検出するコントローラと、
を具備することを特徴とする非接触表面高さ測定装置。 A non-contact surface height measuring device that is used in combination with a scanning device and measures the surface height of a measurement workpiece while continuously scanning a laser probe in the first direction of the surface of the measurement workpiece by the scanning device. And
An objective optical system having an optical axis in a second direction perpendicular to the first direction and having a fixed position;
Laser irradiation means for irradiating the surface of the measurement workpiece with a laser probe via the objective optical system;
A two-divided sensor that receives the return light of the laser probe from the surface of the measurement workpiece and has a differential output of zero when the focal position of the objective optical system coincides with the surface of the measurement workpiece;
It is arranged between the objective optical system and the two-divided sensor, and is composed of a movable part that is lighter than the objective optical system and movable along the optical axis of the objective optical system. A focus changing optical system for changing the focal position of the objective optical system;
Driving means for reciprocating the movable part of the focus changing optical system at high speed;
A controller that detects the zero position of the two-divided sensor and detects the height of the surface of the measurement workpiece in the optical axis direction based on the focal position corresponding to the zero position detection;
A non-contact surface height measuring device comprising:
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