JP3835505B2

JP3835505B2 - Non-contact surface shape measuring device

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Publication number: JP3835505B2
Application number: JP32355998A
Authority: JP
Inventors: 章人渡辺
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2018-11-13
Also published as: JP2000146542A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非接触表面形状測定装置に係り、特に光の干渉を用いて被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ干渉計を用いて被測定面の微細形状を非接触で測定する非接触表面形状測定装置が広く知られている。この非接触表面形状測定装置は、レーザ光源からレーザ光を被測定面及び基準反射面に出射し、被測定面及び基準反射面で反射された光を干渉させて、その干渉によって生じた干渉縞をＣＣＤカメラ等の撮像手段によって撮像する。そして、画像解析により干渉縞の形状から前記被測定面の形状を算出するというものである。
【０００３】
このような光の干渉を用いた非接触表面形状測定装置は、ワーク表面に接触することなく測定を行うことができるため、ワーク表面を傷つけることがなく、また、ワーク表面の画像を測定データとして撮像手段によって瞬時に取り込むため、面形状を高速、高精度で測定することができるという特徴がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の非接触表面形状測定装置には、以下のような問題があった。１つには、測定範囲（ＣＣＤカメラの１視野の面積）がＣＣＤ撮像面積／対物レンズ倍率で決定されるため、１回の測定可能な面積に制限があるという問題である。もう１つには、測定データの横分解能は、測定範囲／ＣＣＤ素子個数で決定されるため、１視野の面積を広くとればその分横分解能が低下するという問題である。
【０００５】
従って、従来の装置では高い横分解能での面形状の測定は０．数ｍｍ角〜数ｍｍ角程度の狭い測定範囲に限られていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光の干渉を用いた非接触表面形状測定装置において、測定データの横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の測定を行うことができる非接触表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、前記被測定面の測定範囲を複数の領域に分割する手段であって、各領域の一部が他の領域と重複するように分割する測定範囲分割手段と、前記測定範囲分割手段によって分割した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを、各領域の重複する部分において前記形状データが最も合致するように補正する形状データ補正手段であって、各領域のうち前記被測定面の測定範囲の中央部に位置する領域を初期の基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する周辺の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正するものとし、補正済みの領域を新たな基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する未補正の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正することによって全ての領域の形状データを順次補正する形状データ補正手段と、前記形状データ補正手段によって補正された各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ生成手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、その測定範囲を複数の領域に分割すると共に、その領域の一部において隣接する他の領域と重複するように分割し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、各領域の重複した部分において形状データが最も合致するように各領域の形状データを補正し、各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、測定データ（形状データ）の横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状の測定を行うことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、前記被測定面の測定範囲に離散した領域を設定する領域設定手段と、前記領域設定手段によって設定した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を示す誤差データに基づいて、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを補正し、該補正した各領域の形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ補正手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、被測定面の測定範囲に離散した領域を設定し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を各領域の形状データから除去し、それらの形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、測定データ（形状データ）の横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の測定を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る非接触表面形状測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図１は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の測定部の構成を示した斜視図である。同図に示すように本測定装置の測定部は、基台１０上をＸ、Ｙ方向に移動するＸＹステージ１２と、基台１０に設置された支柱１４に支持され、支柱１４にガイドされて上下方向（Ｚ方向）に移動する測定部本体１６とを備えている。尚、ＸＹステージ１２及び測定部本体１６は、それぞれ図示しない制御部の制御によってモータ駆動され、又は、図示しないツマミの手動操作によってＸＹ方向及びＺ方向に移動するようになっている。
【００１１】
前記ＸＹステージ１２は、同図に示すように被測定ワークＷを載置し、上述の移動によってそのワークＷをＸＹ方向に移動させて測定位置を調整する。測定位置の調整は、後述するように、ワークＷの測定面積が広く、測定範囲が測定部本体１６に搭載されたＣＣＤカメラの１視野範囲を越える場合には、予め設定された動作で自動で行われるようになっている。
【００１２】
前記測定部本体１６には、内部にレーザ干渉計及び撮像部が搭載されており、測定部本体１６下部にはレーザ干渉計の一部である対物レンズ１６Ａが取り付けられている。本装置では、レーザ干渉計として、例えばトワイマン−グリーン干渉計が採用される。このレーザ干渉計は、測定部本体１６内に搭載されたレーザ光源からレーザ光線を出射し、その光線をハーフミラーで２つの光線に分けてそれぞれ対物レンズを介して上記ＸＹステージ１２に載置されたワークＷの表面と所定の基準反射面に照射する。そして、そのワークＷ表面と基準反射面によって反射された光線（反射光）を対物レンズを介して再びハーフミラーで重ね合わせ、これらの反射光を干渉させて撮像部に導く。尚、干渉計としては多くの種類のものが知られており、本実施の形態では、トワイマン−グリーン干渉計を採用することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の種類の干渉計を採用することができる。
【００１３】
前記撮像部は、結像レンズとＣＣＤカメラから構成され、上述のようにハーフミラーから導かれた干渉した光を結像レンズで集光し、ＣＣＤカメラの撮像面に結像する。これにより、ワークＷ表面で反射された反射光と基準反射面で反射された反射光（参照光）との干渉によって生じた干渉縞の画像を取得することができる。
【００１４】
このようにして測定部本体１６によって取得したワーク表面の干渉縞の画像は、図示しない演算部（演算部は主としてコンピュータで構成される。）に送信された後、演算部で所定の画像解析が行われて、ワーク表面の形状が求められるようになっている。
次に、上述のように測定部本体１６によって取得された画像に基づいてワーク表面の形状を算出する上記演算部の構成について説明する。図２は、その演算部の構成を示した構成図である。同図に示すように演算部はＣＰＵ３０、メモリ（ＲＡＭ）３２、外部記憶装置３４、表示部３６、入力部３８、ステージ制御部４０及び画像処理部４２等から構成される。
【００１５】
ＣＰＵ３０は、所定のプログラムに従って、上記測定部のＸＹテーブル１２等の制御、データ処理等の各種演算処理を行う。メモリ３２及び外部記憶装置３４は、必要に応じてＣＰＵ３０から送られるデータを記録し、また、必要に応じて記録しているデータをＣＰＵ３０に出力する。尚、外部記憶装置３４はデータ保存用に用いられるメモリである。表示部３６には、測定開始前における測定内容の設定画面、測定後における測定結果の表示画面等の各種情報画面が文字、数値、グラフィック等で表示される。入力部３８は、例えばユーザがキーボードやマウス等を用いて入力した情報をＣＰＵ３０に入力する。
【００１６】
ステージ制御部４０は、ＣＰＵ３０から入力される制御信号に基づいて上記ＸＹステージ１２の駆動モータを駆動してＸＹステージ１２をＸ、Ｙ方向に移動させる。ＣＰＵ３０は、例えば、予めユーザが設定したＸＹステージ１２の移動軌跡に従って前記制御信号をステージ制御部４０に入力する。
画像処理部４２は、上記測定部本体１６の撮像部４４から入力される干渉縞の画像を解析し、ワーク表面の各点の位相を検出する。この位相を示す位相データはＣＰＵ３０に入力され、この位相データからワーク表面の形状を示す形状データ（３次元座標データ）が算出されるようになっている。
【００１７】
次に、上述の如く構成された非接触表面形状測定装置においてＣＣＤカメラの１視野の面積を越える測定領域の表面形状を測定する場合の処理内容について説明する。
本装置は、ＣＣＤカメラの１視野の面積を越える広い測定領域の表面形状を１つの測定結果として表示等することができ、且つ、狭い領域を測定する場合に比べて横分解能を低下させることなくその広い測定領域の表面形状を測定することができる点に特徴がある。その測定方法として、測定領域前面の表面形状を隙間なく測定する第１の方法と、測定領域の所要位置の表面形状を離散的に測定する第２の方法とがあり、測定目的に応じてこれらの方向を使い分けることができるようになっている。第１の方法では、測定領域全面の形状を隙間なく測定することができるため、測定領域全面の連続した形状を把握したい場合に有効であり、第２の方法では、測定領域全面の形状を知る必要がなく部分的に把握できれば十分な場合に測定時間を短縮することができる点で効果的である。以下、これらの第１の方法、第２の方法について順に説明する。
【００１８】
初めに第１の方法の処理内容について説明する。第１の方法を実行する場合、まずユーザは測定開始前に測定部のＸＹステージ１２に載置したワークＷの測定領域を入力部３８から入力する。これによって設定された測定領域の一例を図３（Ａ）に示す。このとき、この測定領域Ｓの面積が、図３（Ｂ）に示すＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐの面積を越えた場合、ＣＰＵ３０は、図３（Ａ）に示す測定領域Ｓを図３（Ｃ）に示すように１視野範囲Ｐの面積と等価な複数の測定面Ｐ１〜Ｐ９で分割する。また、このとき各測定面Ｐ１〜Ｐ９を隣接する他の測定面と一部で重複するように設定する。尚、ここでは、測定領域Ｓの面積が１視野範囲Ｐの面積の９倍未満であった場合について測定領域Ｓを測定面Ｐ１〜Ｐ９までの９つの測定面で分割している様子を示している。但し、分割数は９に限らず任意に設定できる。ＣＰＵ３０は、このようにして分割した各測定面Ｐ１〜Ｐ９のＸ、Ｙ位置を測定面位置としてメモリ３２に登録する。
【００１９】
次いで、ユーザは、ＸＹステージ１２の移動方向を反転させる迂回点を入力部３８から入力する。迂回点について説明すると、上述のように測定領域Ｓの面積がＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐの面積を越える場合には、その測定領域Ｓを複数の測定面に分割して各測定面を順次撮像し、その干渉縞の画像を取得する。このときＣＰＵ３０はステージ制御部４０（図２参照）に制御信号を出力し、ＸＹステージ１２を自動で移動させて、ＣＣＤカメラの視野を各測定面に対して図４に示すような軌跡で相対的に移動させる。同図によれば、ＸＹステージ１２の移動によってＣＣＤカメラの視野は測定面Ｐ１から測定面Ｐ３までＸ方向に移動して測定面Ｐ１〜Ｐ３までの画像を取得した後、次いで測定面Ｐ３から同図に示す迂回点Ｔ₁まで移動する。そして、迂回点Ｔ₁からＸ方向に移動を開始して測定面Ｐ４から測定面Ｐ６まで移動し、測定面Ｐ４〜Ｐ６までの画像を取得する。次いで測定面Ｐ６から同図に示す迂回点Ｔ₂まで移動した後、迂回点Ｔ₂からＸ方向に移動を開始して測定面Ｐ７から測定面Ｐ９まで移動し、測定面Ｐ７〜Ｐ９までの画像を取得する。
【００２０】
上述の迂回点Ｔ₁、Ｔ₂は図４に示したように測定面Ｐ４、Ｐ７よりも図中左側に位置し、測定面Ｐ４〜Ｐ６又は測定面Ｐ７〜Ｐ９の撮像を行う際に、ＣＣＤカメラの視野は測定面Ｐ４又は測定面Ｐ７の位置よりも左側から移動してくるようになっている。このようにＸＹテーブル１２を移動させることにより、各列の測定面はＸＹステージ１２の一方向（左方向）への移動の過程で撮像されることとなり、ＸＹテーブル１２のバッククラッシュによる撮像位置の誤差を適切に防止することができる。これらの迂回点Ｔ₁、Ｔ₂のＸ、Ｙ位置を予めユーザが入力部３８から入力し、メモリ３２に登録しておくことにより、ＣＰＵ３０は、測定時にこれらの迂回点Ｔ₁、Ｔ₂の位置に基づいてＸＹステージ１２を移動させ、図４に示したような軌跡でＣＣＤカメラの視野を移動させることができるようになっている。
【００２１】
以上の設定が終了し、ユーザが入力部３８から測定開始を指示した場合、ＣＰＵ３０は、以下に示す処理を実行する。まず、ＣＰＵ３０は、ステージ制御部４０に制御信号を出力して、ＸＹステージ１２を移動させ、ＣＣＤカメラの視野を測定面Ｐ１の位置に移動させる。次いで、ＣＣＤカメラから測定面Ｐ１の干渉縞の画像を取り込み、この干渉縞の画像から測定面Ｐ１の形状を求める。尚、干渉縞の画像から測定面の形状を求める方法については公知であるため、ここではその説明は省略する。ここで求めた測定面Ｐ１の形状は形状データとして、測定高さと測定位置と共に、メモリ３２に保存する。尚、測定高さは、測定対象物（ワークＷ表面）から対物レンズ１６Ａ（図１参照）までの距離を示す値で、この値は測定部に設置されたスケールから取得することができるようになっている。また、測定位置はＸＹステージ１２のＸ、Ｙ位置を示し、この位置も測定部に設置されたスケールによって取得することができるようになっている。
【００２２】
続いてＣＰＵ３０は、ＸＹテーブル１２を移動させて上記図４に示したようにＣＣＤカメラの視野を所定の軌跡に沿って移動させ、測定面Ｐ２〜Ｐ９までの各測定面の形状データを上述と同様にして求め、測定高さと測定位置と共にメモリ３２に保存する。
以上、各測定面Ｐ１〜Ｐ９について形状データを求めると、次にＣＰＵ３０は、これらの測定面の形状データを適切に繋ぎ合わせて測定領域Ｓの全面の形状を示す１つの形状データを生成するために以下の補正演算を行う。尚、ＣＰＵ３０は、第１と第２の２つの補正演算を行って測定領域Ｓの全面の形状データを生成するようにしており、第１と第２の補正演算について順に説明する。
【００２３】
第１の補正演算は、全ての測定面Ｐ１〜Ｐ９について隣接する２つの測定面を対象に行う。補正する測定面の順序については後述するが、対象となる２つの測定面のうち、一方を基準測定面とし、他方を被補正測定面とする。そして、基準測定面の測定高さをＺ、被補正測定面の測定高さをｚとした場合、補正は被補正測定面の全形状データから（ｚ−Ｚ）を差し引くことにより行う。この補正は、ＸＹテーブル１２の移動によって変動するＺ方向の誤差を除去することを目的としている。
【００２４】
第２の補正演算は、第１の補正演算を行った後、第１の補正演算と同様２つの測定面を対象に行う。図６（Ａ）に示すように対象となる２つの測定面のうち、一方を基準測定面とし、他方を被補正測定面とする。そして、説明上、基準測定面と被補正測定面をそれぞれΦ（Ｘ，Ｙ）、Ψ（Ｘ，Ｙ）とし、Ψ（Ｘ，Ｙ）に対してここで行う補正によって得られる補正後の面をΨ′（Ｘ，Ｙ）とすると、被補正測定面の補正後の面Ψ′（Ｘ，Ｙ）は次式(1)で与えられる。
【００２５】
Ψ′（Ｘ，Ｙ）＝Ψ（Ｘ，Ｙ）＋αＸ＋βＹ＋γ …(1)
但し、α、β、γは、傾斜の補正係数である。
ＣＰＵ３０は、基準測定面と被補正測定面の重なり合った領域の形状データに基づいて、Φ（Ｘ，Ｙ）−Ψ′（Ｘ，Ｙ）が最小となるような補正係数α、β、γを最小自乗法で算出する。そして、この補正係数α、β、γ を上式(1)に代入して被補正測定面の形状データを補正する。これにより図６（Ｂ）に示すように基準測定面と被補正測定面の形状データが連続した値を示すようになる。即ち、この補正演算は、ＸＹテーブル１２の移動等に起因して生じる誤差を除去し、１つの測定領域Ｓを複数の測定面に分割して撮像していることに起因して生じる不連続点の発生を防止している。
【００２６】
図５は上記補正演算の補正順序の１例を示した図である。ここで示す測定領域は、５×５の測定面で分割されているものとし、同図に示す各測定面の数値は各測定面の補正を行う順序を示している。まず、中央の測定面（Ｎｏ．１）を基準測定面とし、その周辺の測定面（Ｎｏ．２）を被補正測定面として上記第１、第２の補正演算を行う。Ｎｏ．２の測定面全て（４個）について補正が終了したら、続いて補正後のＮｏ．２の測定面を基準測定面とし、その周辺の測定面（Ｎｏ．３）を被補正測定面として上記第１、第２の補正演算を行う。Ｎｏ．３の測定面全て（８個）について補正が終了したら、以上の手順と同様にしてＮｏ．４、Ｎｏ．５の測定面について上記補正演算を行っていく。このように、中央測定面から順次周辺の測定面について補正を行っていくことにより全ての測定面について補正を行うことができる。但し、補正演算の順序は、これに限らない。
【００２７】
以上説明した補正演算により、ＣＣＤカメラの１視野範囲を越える測定領域に対して複数の測定面に分割して各測定面について表面形状を独立に算出した場合でも、各測定面の形状データを適切に繋ぎ合わせることができ、あたかも１視野範囲で取得した画像に基づいて測定領域全面の表面形状を測定したような形状データを得ることができる。
【００２８】
ＣＰＵ３０は、このようにして算出した測定領域Ｓ全面についての形状データに基づいて測定領域Ｓの表面形状を表示部３６にグラフィック表示し、又は測定領域Ｓの平面度、粗さ等のパラメータを算出し、その結果を表示部３６に表示する。
以上の第１の方法は、測定領域の表面形状を隙間無く測定する場合に用いられる方法であるが、次に説明する第２の方法は上述のように測定領域の所要位置の表面形状を離散的に測定する場合に使用される。
【００２９】
第２の方法を実行する場合、即ち、ＸＹステージ１２に載置したワークＷの測定領域Ｓ（図７（Ａ））がＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐ（図７（Ｂ））を越える場合であって、測定領域Ｓの所要位置の表面形状を離散的に測定する場合、ユーザは測定開始前にその測定位置（Ｘ、Ｙ位置）を入力部３８から入力する。例えば、図７（Ｃ）に示すように測定領域Ｓ内に９箇所の測定位置（測定面Ｐ１〜Ｐ９）を設定するときには、その９箇所の測定面Ｐ１〜Ｐ９のＸ、Ｙ位置を入力部３８から入力する。また、上記第１の方法の場合と同様に測定時のＸＹステージ１２の移動に対する迂回点Ｔ₁、Ｔ₂のＸ、Ｙ位置を入力部３８から入力する。尚、Ｘ、Ｙステージ１２の移動に伴うＣＣＤカメラの視野の移動軌跡は、図８に示すように第１の方法の場合（図４参照）と同じである。
【００３０】
また、ユーザは測定開始前にＸＹステージ１２の全移動範囲における平面度マスターの測定値をステージ補正データとして取得し、メモリ３２に保存しておく。ステージ補正データの取得と保存は以下のようにして行う。まず、測定物として略理想的な平面を有する平面度マスターをＸＹステージ１２に載置する。そして、平面度マスターに対して１視野範囲の表面形状の測定を行って形状データを求め、その形状データの平均高さを測定位置（ＸＹステージ１２のＸ、Ｙ位置）と共にメモリ３２に保存する。この測定は、ＸＹステージ１２を１視野範囲ずつ移動させてＸＹステージ１２の全移動範囲について行う。
【００３１】
以上の設定が終了し、ユーザが入力部３８から測定開始を指示した場合、ＣＰＵ３０は、第１の方法と同様にＸＹステージ１２を移動させて上記離散的に設定された測定面Ｐ１〜Ｐ９の形状データを取得する。尚、形状データの取得手順については、第１の方法と同様に行われるため説明は省略する。
各測定面Ｐ１〜Ｐ９について形状データを取得すると、次にＣＰＵ３０は、これらの測定面の形状データを以下のように補正する。尚、ＣＰＵ３０は、第１と第２との２つの補正演算を行うが、第１の補正演算については、上記第１の方法で説明した第１の補正演算と同様に行われるため説明を省略し、第２の補正演算についてのみ以下説明する。
【００３２】
第２の補正演算は、上述したように平面度マスターによって作成したステージ補正データを用いて行う。ステージ補正データは離散的に存在している為、測定面毎に以下の処理を行う。
図９は、補正対象の被補正測定面Ｒの位置とステージ補正データが登録されている位置ｑ、ｑ、…との位置関係を示し、図１０は、図９に示す点線枠ｒの拡大図を示す。ＣＰＵ３０は、被補正測定面Ｒの中央位置Ａにおける補正値を比例配分計算で算出する。即ち、被補正測定面を囲むステージ補正データの登録位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４におけるステージ補正データＺ１（ｄ）、Ｚ２（ｄ）、Ｚ３（ｄ）、Ｚ４（ｄ）から補正値Ａ（ｄ）を算出する。
【００３３】
ここで、ステージ補正データＺ１（ｄ）とは、ＸＹ平面座標Ｚ１（Ｘ，Ｙ）を中心とした１視野測定面の測定形状データから算出した最小自乗回帰平面を示すパラメータ(L,M,N,P) 、及び、座標Ｚ１（Ｘ，Ｙ）におけるその最小自乗回帰平面の高さ（ｄ）からなるデータである。ステージ補正データＺ２（ｄ）、Ｚ３（ｄ）、Ｚ４（ｄ）についても同様である。また、補正値Ａ（ｄ）は、ＸＹ平面座標Ａ（Ｘ，Ｙ）を囲むステージ補正データの登録位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の４点から算出した最小自乗回帰平面を示すパラメータ(L,M,N,P) 、及び、座標Ａ（Ｘ，Ｙ）におけるその最小自乗回帰平面の高さ（ｄ）からなるデータである。
【００３４】
補正値Ａ（ｄ）を算出するため、補正値Ａ（ｄ）をλＸ＋μＹ＋νＺ＝ｄとして、角度ベクトル（λ，μ，ν）を以下のようにして算出する。
▲１▼補正値Ａ（ｄ）のＸ方向成分：Ａ（λ）を算出する。
まず、Ｚ１（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ１（Ｌ）とＺ２（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ２（Ｌ）との差を、図１０に示すＺ１〜Ｘ１間の距離と、Ｘ１〜Ｚ２間の距離で比例分配してＸ１（λ）を求める。即ち、

ただし、Ａ（Ｘ）、Ｚ１（Ｘ）、Ｚ２（Ｘ）はそれぞれの点のＸ座標値を示す。
【００３５】
また、同様にＺ３（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ３（Ｌ）とＺ４（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ４（Ｌ）との差を、図１０に示すＺ３〜Ｘ２間の距離と、Ｘ２〜Ｚ４間の距離で比例分配してＸ２（λ）を求める。即ち、

ただし、Ｚ３（Ｘ）、Ｚ４（Ｘ）はそれぞれの点のＸ座標値を示す。
【００３６】
そして、Ｘ１（λ）とＸ２（λ）との差を、図１０に示すＸ１〜Ａ間の距離とＡ〜Ｘ２間の距離で比例配分してＡ（λ）を求める。即ち、

ただし、Ａ（Ｙ）、Ｚ１（Ｙ）、Ｚ３（Ｙ）はそれぞれの点のＹ座標値を示す。
▲２▼補正値Ａ（ｄ）のＹ方向成分：Ａ（μ）を算出する。
【００３７】
▲１▼と同様にしてＺ１（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ１（Ｍ）とＺ３（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ３（Ｍ）からＹ１（μ）を求め、Ｚ２（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ２（Ｍ）とＺ４（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ４（Ｍ）からＹ２（μ）を求める。即ち、

ただし、Ａ（Ｙ）、Ｚ１（Ｙ）、Ｚ２（Ｙ）、Ｚ３（Ｙ）、Ｚ４（Ｙ）はそれぞれの点のＹ座標値を示す。
【００３８】
そして、Ｙ１（μ）とＹ２（μ）からＡ（μ）を求める。即ち、

▲３▼Ａ（ｄ）のＺ方向成分：Ａ（ν）を算出する。
Ａ（λ）とＡ（μ）からＡ（ν）を求める。即ち、
α＝１視野Ｘ範囲／２
β＝１視野Ｙ範囲／２
とすると、

ＣＰＵ３０は、以上の▲１▼〜▲３▼の演算を行って補正値Ａ（ｄ）を求めた後、被補正測定面Ｒの全形状データから測定面中央位置Ａの高さデータ（ｄ）、角度ベクトル（λ，μ，ν）を引き算して形状データを補正する。
【００３９】
以上の補正演算により、ＸＹテーブル１２の移動に起因して生じる誤差を各測定面の形状データから除去することができる。
ＣＰＵ３０は、以上補正演算によって補正した各測定面の形状データを合わせて測定領域全面における１つの形状データとし、この形状データに基づいて測定領域Ｓの表面形状を表示部３６にグラフィック表示し、又は、測定領域Ｓの平面度、粗さ等のパラメータを算出し、その結果を表示部３６に表示する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る非接触表面形状測定装置によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、その測定範囲を複数の領域に分割すると共に、その領域の一部において隣接する他の領域と重複するように分割し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、各領域の重複した部分において形状データが最も合致するように各領域の形状データを補正し、各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状を測定することができる。
【００４１】
また、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、測定範囲に離散した領域を設定し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を各領域の形状データから除去し、それらの形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の測定部の構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の演算部の構成を示したブロック図である。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、形状データを求める測定領域、ＣＣＤカメラの１視野範囲及び測定領域を分割する測定面を示した図である。
【図４】図４は、ＣＣＤカメラの視野の移動軌跡及び各測定面の測定順序を示した図である。
【図５】図５は、各測定面の補正順序を示した図である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）は、補正演算の処理内容を説明に用いた説明図である。
【図７】図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、形状データを求める測定領域、ＣＣＤカメラの１視野範囲及び測定領域を分割する測定面を示した図である。
【図８】図８は、ＣＣＤカメラの視野の移動軌跡及び各測定面の測定順序を示した図である。
【図９】図９は、補正データの登録位置と被補正測定面の位置を示した図である。
【図１０】図１０は、図９における点線領域の拡大図である。
【符号の説明】
１２…ＸＹステージ
１６…測定部本体
３０…ＣＰＵ
３２…メモリ
３６…表示部
３８…入力部
４０…ステージ制御部
４２…画像処理部
４４…撮像部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-contact surface shape measuring apparatus, and more particularly to a non-contact surface shape measuring apparatus that measures the shape of a surface to be measured using light interference.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a non-contact surface shape measuring apparatus that measures a fine shape of a measurement surface in a non-contact manner using a laser interferometer is widely known. This non-contact surface shape measuring apparatus emits laser light from a laser light source to a measurement surface and a reference reflection surface, and interferes light reflected by the measurement surface and the reference reflection surface, resulting in interference fringes generated by the interference. Is imaged by an imaging means such as a CCD camera. Then, the shape of the surface to be measured is calculated from the shape of the interference fringes by image analysis.
[0003]
Such a non-contact surface shape measuring apparatus using light interference can measure without contacting the workpiece surface, so that the workpiece surface is not damaged, and an image of the workpiece surface is used as measurement data. Since it is captured instantaneously by the imaging means, the surface shape can be measured with high speed and high accuracy.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional non-contact surface shape measuring apparatus has the following problems. One problem is that the area that can be measured once is limited because the measurement range (the area of one field of view of the CCD camera) is determined by the CCD imaging area / objective lens magnification. Another problem is that the lateral resolution of the measurement data is determined by the measurement range / the number of CCD elements, so that if the area of one field of view is widened, the lateral resolution is reduced accordingly.
[0005]
Therefore, the measurement of the surface shape with high lateral resolution is 0. It was limited to a narrow measurement range of several mm square to several mm square.
The present invention has been made in view of such circumstances. In a non-contact surface shape measuring apparatus using light interference, the present invention has a large area exceeding the area of one field of view while maintaining the lateral resolution of measurement data at a high resolution. An object of the present invention is to provide a non-contact surface shape measuring apparatus capable of performing measurement.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an interference fringe generated by the interference between the light reflected by the surface to be measured and the reference light is picked up by the image pickup means, and based on the picked up interference fringes. In the non-contact surface shape measuring apparatus for measuring the shape of the surface to be measured, it is means for dividing the measurement range of the surface to be measured into a plurality of regions so that a part of each region overlaps with another region. A measurement range dividing unit that divides the image into regions, an image acquisition unit that acquires an image of interference fringes by the imaging unit for each region divided by the measurement range dividing unit, and an image acquired by the image acquisition unit. The shape data calculation means for calculating shape data indicating the shape and the shape data of each area calculated by the shape data calculation means match the shape data most closely in the overlapping part of each area. Corrected so as to A shape data correcting unit that performs an area that is located in the center of the measurement range of the measurement target surface of each area as an initial reference measurement surface, and has a portion that overlaps the reference measurement surface area The shape data of the area of the corrected measurement surface is corrected with the corrected area as the corrected measurement surface, the corrected area is set as a new reference measurement surface, and there is a portion overlapping with the area of the reference measurement surface. Using the uncorrected area as the corrected measurement surface, the shape data of all the areas are sequentially corrected by correcting the shape data of the area of the corrected measurement surface. Shape data correction means; Each corrected by the shape data correcting means Shape data indicating the shape of the entire measurement range of the surface to be measured is generated by connecting the shape data of the regions. Shape data generation means; It is characterized by having.
[0007]
According to the present invention, when the area of the measurement range is large with respect to one visual field range of the imaging means, the measurement range is divided into a plurality of regions and overlaps with other adjacent regions in a part of the region. The shape data is calculated by imaging the interference fringes for each region. Then, the shape data of each region is corrected so that the shape data is best matched in the overlapping portion of each region, and the shape data indicating the shape of the entire measurement range of the measured surface is obtained by connecting the shape data of each region. Generate. Thereby, it is possible to measure the surface shape of a large area exceeding the area of one field of view while maintaining the lateral resolution of the measurement data (shape data) at a high resolution.
[0008]
According to the second aspect of the present invention, the interference fringes generated by the interference between the light reflected by the surface to be measured and the reference light are imaged by the imaging means, and the surface of the surface to be measured is based on the captured interference fringes. In a non-contact surface shape measuring apparatus that measures a shape, an area setting unit that sets a discrete area in the measurement range of the measurement target surface, and an image of interference fringes by the imaging unit for each area set by the area setting unit Due to the image acquisition means to be acquired, the shape data calculation means for calculating the shape data indicating the shape of each area based on the image acquired by the image acquisition means, and the moving mechanism for moving the visual field range of the imaging means Based on the error data indicating the error that occurs, the shape data of each area calculated by the shape data calculating means is corrected, and the corrected shape data of each area is combined to form the subject data. It is characterized with the shape data correction means for generating shape data indicating the measurement range overall shape of Teimen, further comprising a.
[0009]
According to the present invention, when the area of the measurement range is large with respect to one visual field range of the imaging means, a discrete region is set in the measurement range of the surface to be measured, and interference fringes are captured for each region to obtain shape data. Is calculated. Then, an error caused by the moving mechanism that moves the visual field range of the imaging means is removed from the shape data of each region, and the shape data indicating the shape of the entire measurement range of the surface to be measured is combined with the shape data Is generated. As a result, it is possible to measure a large area exceeding the area of one field of view while maintaining the lateral resolution of the measurement data (shape data) at a high resolution.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of a non-contact surface shape measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a measuring unit of a non-contact surface shape measuring apparatus according to the present invention. As shown in the figure, the measuring unit of this measuring apparatus is supported by an XY stage 12 that moves in the X and Y directions on the base 10 and a support 14 installed on the support 10, and is guided by the support 14. And a measuring unit main body 16 that moves in the vertical direction (Z direction). The XY stage 12 and the measurement unit main body 16 are driven by a motor under the control of a control unit (not shown), or moved in the XY direction and the Z direction by manual operation of a knob (not shown).
[0011]
The XY stage 12 mounts the workpiece W to be measured as shown in the figure, and moves the workpiece W in the XY direction by the above movement to adjust the measurement position. As will be described later, the measurement position is automatically adjusted by a preset operation when the measurement area of the workpiece W is wide and the measurement range exceeds one field of view of the CCD camera mounted on the measurement unit main body 16. To be done.
[0012]
A laser interferometer and an imaging unit are mounted inside the measurement unit main body 16, and an objective lens 16 </ b> A that is a part of the laser interferometer is attached to the lower part of the measurement unit main body 16. In this apparatus, for example, a Twyman-Green interferometer is employed as the laser interferometer. This laser interferometer emits a laser beam from a laser light source mounted in the measurement unit main body 16, and the light beam is divided into two beams by a half mirror and placed on the XY stage 12 via an objective lens, respectively. Irradiate the surface of the workpiece W and a predetermined reference reflecting surface. Then, the light beam (reflected light) reflected by the surface of the workpiece W and the reference reflecting surface is again overlapped by the half mirror through the objective lens, and the reflected light is interfered and guided to the imaging unit. It should be noted that many types of interferometers are known, and in the present embodiment, the Twiman-Green interferometer is adopted. However, the present invention is not limited to this, and an arbitrary interferometer is used. Various types of interferometers can be employed.
[0013]
The imaging unit is composed of an imaging lens and a CCD camera. As described above, the interfered light guided from the half mirror is collected by the imaging lens and imaged on the imaging surface of the CCD camera. Thereby, the image of the interference fringes generated by the interference between the reflected light reflected on the surface of the workpiece W and the reflected light (reference light) reflected on the reference reflecting surface can be acquired.
[0014]
The image of the interference fringes on the workpiece surface acquired by the measurement unit main body 16 in this way is transmitted to a calculation unit (not shown) (the calculation unit is mainly configured by a computer), and then a predetermined image analysis is performed by the calculation unit. As a result, the shape of the workpiece surface is required.
Next, the configuration of the calculation unit that calculates the shape of the workpiece surface based on the image acquired by the measurement unit main body 16 as described above will be described. FIG. 2 is a configuration diagram showing the configuration of the calculation unit. As shown in the figure, the calculation unit includes a CPU 30, a memory (RAM) 32, an external storage device 34, a display unit 36, an input unit 38, a stage control unit 40, an image processing unit 42, and the like.
[0015]
The CPU 30 performs various arithmetic processes such as control of the XY table 12 of the measuring unit and data processing according to a predetermined program. The memory 32 and the external storage device 34 record data sent from the CPU 30 as necessary, and output the recorded data to the CPU 30 as necessary. The external storage device 34 is a memory used for data storage. Various information screens such as a measurement content setting screen before the start of measurement and a measurement result display screen after the measurement are displayed on the display unit 36 as characters, numerical values, graphics, and the like. The input unit 38 inputs information input by the user using, for example, a keyboard or a mouse to the CPU 30.
[0016]
The stage controller 40 drives the drive motor of the XY stage 12 based on a control signal input from the CPU 30 to move the XY stage 12 in the X and Y directions. For example, the CPU 30 inputs the control signal to the stage control unit 40 according to the movement trajectory of the XY stage 12 set in advance by the user.
The image processing unit 42 analyzes the interference fringe image input from the imaging unit 44 of the measurement unit main body 16 and detects the phase of each point on the workpiece surface. The phase data indicating the phase is input to the CPU 30, and shape data (three-dimensional coordinate data) indicating the shape of the workpiece surface is calculated from the phase data.
[0017]
Next, processing contents when measuring the surface shape of the measurement region exceeding the area of one field of view of the CCD camera in the non-contact surface shape measuring apparatus configured as described above will be described.
This device can display the surface shape of a wide measurement area exceeding the area of one field of view of the CCD camera as one measurement result, and without reducing the lateral resolution compared to the case of measuring a narrow area. It is characterized in that the surface shape of the wide measurement area can be measured. As the measurement method, there are a first method for measuring the surface shape of the front surface of the measurement region without a gap and a second method for discretely measuring the surface shape at a required position in the measurement region, and these are determined according to the measurement purpose. The direction of the can be used properly. In the first method, the shape of the entire measurement region can be measured without any gap, and therefore, it is effective when it is desired to grasp the continuous shape of the entire measurement region. In the second method, the shape of the entire measurement region is known. It is effective in that the measurement time can be shortened when it is sufficient if it is not necessary and can be partially grasped. Hereinafter, the first method and the second method will be described in order.
[0018]
First, processing contents of the first method will be described. When executing the first method, the user first inputs the measurement area of the workpiece W placed on the XY stage 12 of the measurement unit from the input unit 38 before the measurement is started. An example of the measurement region thus set is shown in FIG. At this time, if the area of the measurement region S exceeds the area of one visual field range P of the CCD camera shown in FIG. 3B, the CPU 30 changes the measurement region S shown in FIG. As shown in FIG. 4B, the measurement area P1 is divided by a plurality of measurement planes P1 to P9 equivalent to the area of one visual field range P. At this time, the measurement surfaces P1 to P9 are set so as to partially overlap other adjacent measurement surfaces. Here, a state in which the measurement region S is divided by nine measurement surfaces P1 to P9 when the area of the measurement region S is less than nine times the area of one visual field range P is shown. Yes. However, the number of divisions is not limited to nine and can be set arbitrarily. The CPU 30 registers the X and Y positions of the measurement surfaces P1 to P9 thus divided in the memory 32 as measurement surface positions.
[0019]
Next, the user inputs a detour point that reverses the moving direction of the XY stage 12 from the input unit 38. The detour point will be described. When the area of the measurement region S exceeds the area of one visual field range P of the CCD camera as described above, the measurement region S is divided into a plurality of measurement surfaces and each measurement surface is sequentially imaged. Then, an image of the interference fringes is acquired. At this time, the CPU 30 outputs a control signal to the stage control unit 40 (see FIG. 2), and automatically moves the XY stage 12 so that the field of view of the CCD camera is relative to each measurement surface in a locus as shown in FIG. Move. According to this figure, the field of view of the CCD camera is moved in the X direction from the measurement surface P1 to the measurement surface P3 by moving the XY stage 12, and images from the measurement surfaces P1 to P3 are acquired, and then from the measurement surface P3. Detour point T shown in the figure ₁ Move up. And detour point T ₁ From the measurement surface P4 to the measurement surface P6, and images from the measurement surfaces P4 to P6 are acquired. Next, the detour point T shown in FIG. ₂ After moving to detour point T ₂ From the measurement surface P7 to the measurement surface P9, and images from the measurement surfaces P7 to P9 are acquired.
[0020]
Detour point T mentioned above ₁ , T ₂ 4 is positioned on the left side of the measurement planes P4 and P7 as shown in FIG. 4, and when the measurement planes P4 to P6 or the measurement planes P7 to P9 are imaged, the field of view of the CCD camera is the measurement plane P4 or measurement. It moves from the left side of the position of the surface P7. By moving the XY table 12 in this way, the measurement surface of each column is imaged in the process of moving in one direction (left direction) of the XY stage 12, and the imaging position of the XY table 12 due to the back crash is changed. An error can be appropriately prevented. These detour points T ₁ , T ₂ The user inputs the X and Y positions in advance from the input unit 38 and registers them in the memory 32, so that the CPU 30 can make these detour points T during measurement. ₁ , T ₂ Based on this position, the XY stage 12 is moved, and the field of view of the CCD camera can be moved along a locus as shown in FIG.
[0021]
When the above setting is completed and the user gives an instruction to start measurement from the input unit 38, the CPU 30 executes the following process. First, the CPU 30 outputs a control signal to the stage control unit 40, moves the XY stage 12, and moves the field of view of the CCD camera to the position of the measurement plane P1. Next, an image of the interference fringe on the measurement surface P1 is taken from the CCD camera, and the shape of the measurement surface P1 is obtained from the image of the interference fringe. Since a method for obtaining the shape of the measurement surface from the interference fringe image is known, the description thereof is omitted here. The shape of the measurement surface P1 obtained here is stored as shape data in the memory 32 together with the measurement height and the measurement position. The measurement height is a value indicating the distance from the measurement object (the surface of the workpiece W) to the objective lens 16A (see FIG. 1), and this value can be obtained from a scale installed in the measurement unit. It has become. The measurement position indicates the X and Y positions of the XY stage 12, and this position can also be acquired by a scale installed in the measurement unit.
[0022]
Subsequently, the CPU 30 moves the XY table 12 to move the field of view of the CCD camera along a predetermined locus as shown in FIG. 4, and the shape data of each measurement surface from the measurement surfaces P2 to P9 is described above. Similarly, it is obtained and stored in the memory 32 together with the measurement height and the measurement position.
As described above, when the shape data is obtained for each of the measurement surfaces P1 to P9, the CPU 30 next appropriately connects the shape data of these measurement surfaces to generate one shape data indicating the entire shape of the measurement region S. The following correction calculation is performed. Note that the CPU 30 performs the first and second correction calculations to generate shape data of the entire surface of the measurement region S, and the first and second correction calculations will be described in order.
[0023]
The first correction calculation is performed on two measurement surfaces adjacent to each other for all measurement surfaces P1 to P9. Although the order of the measurement surfaces to be corrected will be described later, one of two target measurement surfaces is a reference measurement surface, and the other is a corrected measurement surface. When the measurement height of the reference measurement surface is Z and the measurement height of the corrected measurement surface is z, the correction is performed by subtracting (z−Z) from the entire shape data of the corrected measurement surface. The purpose of this correction is to remove an error in the Z direction that varies due to the movement of the XY table 12.
[0024]
The second correction calculation is performed on two measurement surfaces in the same manner as the first correction calculation after the first correction calculation. As shown in FIG. 6A, one of two target measurement surfaces is a reference measurement surface, and the other is a corrected measurement surface. For the sake of explanation, the reference measurement surface and the corrected measurement surface are Φ (X, Y) and ψ (X, Y), respectively, and the corrected surface obtained by the correction performed here for ψ (X, Y). Is Ψ ′ (X, Y), the corrected surface Ψ ′ (X, Y) of the measured surface to be corrected is given by the following equation (1).
[0025]
Ψ ′ (X, Y) = Ψ (X, Y) + αX + βY + γ (1)
Here, α, β, and γ are inclination correction coefficients.
The CPU 30 calculates correction coefficients α, β, and γ that minimize Φ (X, Y) −Ψ ′ (X, Y) based on the shape data of the overlapping region of the reference measurement surface and the measurement surface to be corrected. Calculated using the method of least squares. Then, the correction coefficient α, β, γ is substituted into the above equation (1) to correct the shape data of the corrected measurement surface. As a result, as shown in FIG. 6B, the shape data of the reference measurement surface and the corrected measurement surface show continuous values. That is, this correction calculation eliminates errors caused by movement of the XY table 12 and the like, and discontinuous points caused by imaging one measurement area S divided into a plurality of measurement surfaces. Is prevented.
[0026]
FIG. 5 is a diagram showing an example of the correction order of the correction calculation. The measurement region shown here is assumed to be divided by a 5 × 5 measurement surface, and the numerical values of the measurement surfaces shown in the figure indicate the order in which the measurement surfaces are corrected. First, the first and second correction calculations are performed with the central measurement surface (No. 1) as the reference measurement surface and the peripheral measurement surface (No. 2) as the corrected measurement surface. No. When the correction is completed for all the four measurement surfaces (four), the corrected No. 2 is then continued. The first and second correction calculations are performed with the second measurement surface as the reference measurement surface and the peripheral measurement surface (No. 3) as the corrected measurement surface. No. When the correction is completed for all the three measurement surfaces (eight), No. 3 is performed in the same manner as above. 4, no. The above correction calculation is performed for the five measurement surfaces. As described above, correction can be performed for all measurement surfaces by sequentially performing correction for the peripheral measurement surfaces from the central measurement surface. However, the order of correction calculations is not limited to this.
[0027]
Even when the surface area of each measurement surface is calculated independently by dividing the measurement area exceeding one field of view of the CCD camera into multiple measurement surfaces by the correction calculation described above, the shape data of each measurement surface is appropriate. The shape data can be obtained as if the surface shape of the entire measurement region was measured based on the image acquired in one field of view.
[0028]
The CPU 30 graphically displays the surface shape of the measurement region S on the display unit 36 based on the shape data of the entire measurement region S calculated in this way, or calculates parameters such as the flatness and roughness of the measurement region S. The result is displayed on the display unit 36.
The first method described above is a method used when measuring the surface shape of the measurement region without a gap. The second method described below is a discrete method of determining the surface shape of the required position of the measurement region as described above. Used when measuring automatically.
[0029]
When the second method is executed, that is, when the measurement area S (FIG. 7A) of the workpiece W placed on the XY stage 12 exceeds the one visual field range P (FIG. 7B) of the CCD camera. And when measuring the surface shape of the required position of the measurement area | region S discretely, a user inputs the measurement position (X, Y position) from the input part 38 before a measurement start. For example, when nine measurement positions (measurement surfaces P1 to P9) are set in the measurement region S as shown in FIG. 7C, the X and Y positions of the nine measurement surfaces P1 to P9 are input units. 38 is input. Further, as in the case of the first method, a detour point T for the movement of the XY stage 12 at the time of measurement. ₁ , T ₂ The X and Y positions are input from the input unit 38. Incidentally, the movement trajectory of the visual field of the CCD camera accompanying the movement of the X and Y stages 12 is the same as that in the first method (see FIG. 4) as shown in FIG.
[0030]
Further, the user acquires the measured value of the flatness master in the entire movement range of the XY stage 12 as stage correction data and stores it in the memory 32 before starting the measurement. Acquisition and storage of stage correction data is performed as follows. First, a flatness master having a substantially ideal plane as a measurement object is placed on the XY stage 12. Then, the surface shape of one visual field range is measured with respect to the flatness master to obtain shape data, and the average height of the shape data is stored in the memory 32 together with the measurement position (X and Y positions of the XY stage 12). . This measurement is performed for the entire movement range of the XY stage 12 by moving the XY stage 12 by one visual field range.
[0031]
When the above setting is completed and the user gives an instruction to start measurement from the input unit 38, the CPU 30 moves the XY stage 12 in the same manner as in the first method to set the discretely set measurement surfaces P1 to P9. Get shape data. The shape data acquisition procedure is performed in the same manner as in the first method, and a description thereof will be omitted.
If shape data is acquired about each measurement surface P1-P9, CPU30 will correct | amend the shape data of these measurement surfaces next as follows. The CPU 30 performs the first and second correction calculations, but the first correction calculation is performed in the same manner as the first correction calculation described in the first method, and thus the description thereof is omitted. Only the second correction calculation will be described below.
[0032]
The second correction calculation is performed using the stage correction data created by the flatness master as described above. Since the stage correction data exists discretely, the following processing is performed for each measurement surface.
9 shows the positional relationship between the position of the measurement surface R to be corrected and the positions q, q,... Where the stage correction data is registered, and FIG. 10 is an enlarged view of the dotted frame r shown in FIG. Indicates. The CPU 30 calculates a correction value at the center position A of the measurement surface R to be corrected by proportional distribution calculation. That is, the correction value A (d) from the stage correction data Z1 (d), Z2 (d), Z3 (d), and Z4 (d) at the registration positions Z1, Z2, Z3, and Z4 of the stage correction data surrounding the surface to be corrected. ) Is calculated.
[0033]
Here, the stage correction data Z1 (d) is a parameter (L, M, N) indicating a least square regression plane calculated from the measurement shape data of one visual field measurement surface centered on the XY plane coordinates Z1 (X, Y). , P) and the height (d) of the least square regression plane at the coordinate Z1 (X, Y). The same applies to the stage correction data Z2 (d), Z3 (d), and Z4 (d). The correction value A (d) is a parameter (L, L) indicating the least square regression plane calculated from four points of registered positions Z1, Z2, Z3 and Z4 of the stage correction data surrounding the XY plane coordinate A (X, Y). M, N, P) and the height (d) of the least square regression plane at the coordinates A (X, Y).
[0034]
In order to calculate the correction value A (d), the correction value A (d) is set to λX + μY + νZ = d, and the angle vector (λ, μ, ν) is calculated as follows.
{Circle around (1)} X direction component of correction value A (d): A (λ) is calculated.
First, the difference between the X direction component (L component) of Z1 (d): Z1 (L) and the X direction component (L component) of Z2 (d): Z2 (L) is shown in FIG. X1 (λ) is obtained by proportional distribution with the distance between and the distance between X1 and Z2. That is,

However, A (X), Z1 (X), and Z2 (X) show the X coordinate value of each point.
[0035]
Similarly, the difference between the X direction component (L component) of Z3 (d): Z3 (L) and the X direction component (L component) of Z4 (d): Z4 (L) is shown in FIG. X2 (λ) is obtained by proportional distribution based on the distance between X2 and the distance between X2 and Z4. That is,

However, Z3 (X) and Z4 (X) show the X coordinate value of each point.
[0036]
Then, A (λ) is obtained by proportionally distributing the difference between X1 (λ) and X2 (λ) by the distance between X1 and A and the distance between A and X2 shown in FIG. That is,

However, A (Y), Z1 (Y), and Z3 (Y) show the Y coordinate value of each point.
{Circle around (2)} The Y-direction component A (μ) of the correction value A (d) is calculated.
[0037]
Similarly to (1), Y1 component (M component) of Z1 (d): Z1 (M) and Y direction component (M component) of Z3 (d): Y1 (μ) is obtained from Z3 (M), Y2 (μ) is obtained from the Y2 direction component (M component) of Z2 (d): Z2 (M) and the Y direction component (M component) of Z4 (d): Z4 (M). That is,

However, A (Y), Z1 (Y), Z2 (Y), Z3 (Y), and Z4 (Y) show the Y coordinate value of each point.
[0038]
Then, A (μ) is obtained from Y1 (μ) and Y2 (μ). That is,

{Circle around (3)} A (d) Z direction component: A (ν) is calculated.
A (ν) is obtained from A (λ) and A (μ). That is,
α = 1 field of view X range / 2
β = 1 field of view Y range / 2
Then,

After calculating the correction values A (d) by performing the above calculations (1) to (3), the CPU 30 calculates the height data (d) of the measurement surface center position A from the total shape data of the corrected measurement surface R. Then, the shape data is corrected by subtracting the angle vector (λ, μ, ν).
[0039]
By the above correction calculation, errors caused by the movement of the XY table 12 can be removed from the shape data of each measurement surface.
The CPU 30 combines the shape data of each measurement surface corrected by the above correction calculation into one shape data for the entire measurement region, and displays the surface shape of the measurement region S on the display unit 36 based on this shape data, or Then, parameters such as the flatness and roughness of the measurement region S are calculated, and the results are displayed on the display unit 36.
[0040]
【The invention's effect】
As described above, according to the non-contact surface shape measuring apparatus according to the present invention, when the area of the measurement range is large with respect to one visual field range of the imaging means, the measurement range is divided into a plurality of regions, and A part of the region is divided so as to overlap with another adjacent region, and an interference fringe is imaged for each region to calculate shape data. Then, the shape data of each region is corrected so that the shape data is best matched in the overlapping portion of each region, and the shape data indicating the shape of the entire measurement range of the measured surface is obtained by connecting the shape data of each region. Generate. Thereby, it is possible to measure a surface shape having a large area exceeding the area of one field of view while maintaining the horizontal resolution at a high resolution.
[0041]
Further, when the area of the measurement range is large with respect to one visual field range of the imaging means, discrete regions are set in the measurement range, and interference fringes are imaged for each region to calculate shape data. Then, an error caused by the moving mechanism that moves the visual field range of the imaging means is removed from the shape data of each region, and the shape data indicating the shape of the entire measurement range of the surface to be measured is combined with the shape data Is generated. Thereby, it is possible to measure a surface shape having a large area exceeding the area of one field of view while maintaining the horizontal resolution at a high resolution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a measuring unit of a non-contact surface shape measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a calculation unit of the non-contact surface shape measuring apparatus according to the present invention.
FIGS. 3A, 3B, and 3C are diagrams showing a measurement area for obtaining shape data, a visual field range of a CCD camera, and a measurement surface that divides the measurement area, respectively.
FIG. 4 is a diagram showing a moving trajectory of the visual field of the CCD camera and a measurement order of each measurement surface.
FIG. 5 is a diagram illustrating a correction order of each measurement surface.
FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams in which the processing content of the correction calculation is used for explanation.
FIGS. 7A, 7B, and 7C are diagrams showing a measurement area for obtaining shape data, a visual field range of a CCD camera, and a measurement surface that divides the measurement area, respectively.
FIG. 8 is a diagram showing the movement trajectory of the field of view of the CCD camera and the measurement order of each measurement surface.
FIG. 9 is a diagram illustrating a registration position of correction data and a position of a corrected measurement surface.
FIG. 10 is an enlarged view of a dotted line region in FIG. 9;
[Explanation of symbols]
12 ... XY stage
16 ... Main part of measuring part
30 ... CPU
32 ... Memory
36 ... Display section
38 ... Input section
40. Stage control unit
42. Image processing unit
44 ... Imaging unit

Claims

In a non-contact surface shape measuring apparatus that images an interference fringe generated by interference between light reflected by a surface to be measured and reference light by an imaging unit and measures the shape of the surface to be measured based on the captured interference fringe ,
Means for dividing the measurement range of the surface to be measured into a plurality of areas, and a measurement range dividing means for dividing so that a part of each area overlaps with other areas;
Image acquisition means for acquiring an image of interference fringes by the imaging means for each region divided by the measurement range dividing means;
Shape data calculation means for calculating shape data indicating the shape of each region based on the image acquired by the image acquisition means;
Shape data correction means for correcting the shape data of each area calculated by the shape data calculation means so that the shape data most closely matches each other in the overlapping area of each area, and the shape data correction means The area located in the center of the measurement range is used as the initial reference measurement surface, and the shape data of the area of the measurement surface to be corrected is set as the measurement area to be corrected with the peripheral area having a portion overlapping the area of the reference measurement surface. The corrected region is used as a new reference measurement surface, and an uncorrected region having a portion overlapping with the reference measurement surface region is used as a corrected measurement surface. Shape data correction means for sequentially correcting the shape data of all regions by correcting the shape data;
Shape data generating means for connecting the shape data of each region corrected by the shape data correcting means to generate shape data indicating the shape of the entire measurement range of the surface to be measured ;
A non-contact surface shape measuring apparatus comprising:

In a non-contact surface shape measuring apparatus that images an interference fringe generated by interference between light reflected by a surface to be measured and reference light by an imaging unit and measures the shape of the surface to be measured based on the captured interference fringe ,
Area setting means for setting a discrete area in the measurement range of the surface to be measured;
Image acquisition means for acquiring an image of interference fringes by the imaging means for each area set by the area setting means;
Shape data calculation means for calculating shape data indicating the shape of each region based on the image acquired by the image acquisition means;
Based on error data indicating an error caused by a moving mechanism that moves the visual field range of the imaging unit, the shape data of each region calculated by the shape data calculating unit is corrected, and the corrected shape data of each region And shape data correction means for generating shape data indicating the shape of the entire measurement range of the surface to be measured,
A non-contact surface shape measuring apparatus comprising: