JP3923945B2 - 非接触表面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザープローブ方式による非接触表面形状測定方法に関するものである。

ある形状を有するワーク（物体）の表面形状を測定する場合に、測定対象であるワークをスキャンステージ上に載置し、そのワークの表面に対し、Ｚ方向においてレーザープローブによるオートフォーカスをかけながら、ワークをスキャンステージによりＸ方向へ所定ピッチごとにスキャンさせ、オートフォーカス光学系の対物レンズのＺ方向での移動量から、ワークの表面形状を測定する非接触表面形状測定方法が知られている。
特開２０００−１４６５３２号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、オートフォーカス光学系の対物レンズを通過したレーザー光をワークの表面に当て、その表面で反射して再び対物レンズに戻ってきた成分のレーザー光を、ＡＦセンサー部に導いて制御しているため、レーザー光を当てる面がレーザープローブに対して急角度であると、対物レンズに戻ってくるレーザー光の成分が少なくなり、正確な測定が行えなくなる。実際に０．１μｍ以下の精度で測定する場合に、レーザー光を当てる面がレーザープローブに対する直角状態から±３０°以上相違すると、レーザー光の戻り成分が少なくなり、正確な測定データが得られない。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、レーザープローブに対して急角度となる表面でも正確に測定することができる非接触表面形状測定方法を提供するものである。

請求項１記載の発明は、三次元座標軸ＸＹＺとして、測定対象であるワークの表面に対し、ＹＺ面に沿って照射されるレーザープローブによりＺ方向にオートフォーカスをかけながら、ワークをＸ方向へ所定ピッチごとに相対的にスキャンさせ、オートフォーカス光学系の対物レンズのＺ方向での移動量からワークの表面形状に関する測定データを取得する非接触表面測定方法であって、前記ワーク表面がＹ方向からみたレーザプローブに対して直角となる状態を最適測定状態とし、Ｘ方向での全スキャン範囲を、ワーク表面が最適測定状態よりも±３０°未満となる一般範囲と、±３０°以上傾斜する部分を含む特定範囲に分割し、一般範囲では、ワークを非回転状態のままスキャンさせて、ワークの表面形状に関する測定データを隣接する範囲と部分的に重複した状態で取得し、特定範囲では、ワークをＹ軸を中心に回転させて、特定範囲内の全ての表面が最適測定状態に対して±３０°未満になる状態にしてから、ワークをスキャンさせて、ワークの表面形状に関する測定データを隣接する範囲と部分的に重複した状態で取得し、取得した各範囲の測定データを、重複データを重ね合わせて連続させることにより全スキャン範囲での合成データを作成し、該合成データからワークの表面形状を測定することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、３つ以上の測定データを取得し、基準となる測定データを選定し、その基準となるデータに他の測定データを順次重ね合わせて合成すると共に、基準となる測定データに対する他の測定データの重ね合わせ回数が最小になるように、基準となる測定データを選定することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、少なくともＸ方向へ移動するスキャンステージに、Ｙ軸を中心に回転する回転軸を備えた回転ステージを搭載し、該回転軸にワークを固定し、該ワークの表面に対してレーザープローブによるオートフォーカスをかけることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、ワークが、非球面レンズ又は球体レンズであることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ワークの表面における全スキャン範囲のうち、レーザープローブに対する最適測定状態から±３０°以上傾斜する部分を含む特定範囲では、測定前にワークを回転して、特定範囲内の表面をレーザープローブに対する最適測定状態からの角度相違が±３０°未満になるようにしてから測定するため、特定範囲における測定データを、一般範囲とは異なる座標系ではあるが、正確に取得することができる。一般範囲と特定範囲における測定データーの測定は、互いに隣接する範囲と部分的に重複した状態で取得するため、各範囲の測定データを、重複データを重ね合わせて連続させることにより全スキャン範囲での合成データを作成し、該合成データからワークの表面形状を測定することができる。特定範囲での測定は回転中に行うのではなく、回転後に行うため、回転精度が影響することない。そのため、高精度の回転ステージを必要とせず、装置の製作が容易で、コストの面で有利である。尚、請求項１における「全スキャン範囲」とは、ワークの１８０°範囲或いは３６０°範囲に表れる全ての表面を意味するものでなく、表れた表面のうちで、測定者が測定すると決めた範囲の全てを意味するものである。

請求項２記載の発明によれば、 基準となる測定データに、他の測定データを重ね合わせて合成する場合に、その重ね合わせ回数が最小になるように、重ね合わせの基準となる測定データを選定するため、合成データの演算処理速度が向上する。

請求項３記載の発明によれば、ワーク固定用の回転軸を有する回転ステージを、少なくともＸ方向に移動するスキャンステージ上に搭載したため、既存のスキャンステージへの後付けが可能で、ステージ側の大幅な変更を要しない。

請求項４記載の発明によれば、非球面レンズ又は球体レンズのように急斜面を有するワークでも、全スキャン範囲において正確な表面形状を測定することができるため、このようなレンズの研究開発が容易になる。

以下、本発明の最良の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。

図１は、この実施形態に係るレーザープローブ式形状測定器の構造を示す図である。図１において、ＸＹは水平面上で直交する二方向で、Ｚは鉛直方向である。

測定対象であるワーク１は、非球面の表面をもつ非球面レンズである。スキャンステージ２は、ＸＹ方向に精密移動する構造になっている。この実施形態では、Ｘ方向をスキャン方向としている。スキャンステージ２上には、回転ステージ３が載置されている。回転ステージ３はＹ軸を中心に回転する回転軸４を備え、その回転軸４にワーク１が固定されている。

このワーク１の表面に対して、レーザー照射装置５からの半導体レーザＬをオートフォーカス光学系を介して照射する。具体的には、ＹＺ面に沿ってレーザ照射装置１からの半導体レーザーＬを、ミラー６を介して反射させ、対物レンズ８を介して、ワーク１の表面に照射する。このワーク１に照射される半導体レーザーＬが、いわゆる「レーザープローブ」である。

ワーク１の表面で乱反射された半導体レーザーＬの一部の成分は、再度対物レンズ８を通過して、２枚のミラー６、７で反射され、結像レンズ９を経て、光位置検出装置１０に至る。ワーク１の表面に対し、半導体レーザーＬの成分はＹ軸及びＺ軸を含む垂直面に沿って照射され且つ反射される。

半導体レーザーＬが光位置検出装置１０のセンター１０ｓからずれた場合には、そのずれを是正するため、サーボ機構１１により対物レンズ８をフォーカス方向（Ｚ方向）に移動させ、その対物レンズ８の移動量から、ワーク１の表面の高さ寸法を測定することができる。対物レンズ８、結像レンズ９、光位置検出装置１０、サーボ機構１１等により、オートフォーカス光学系が構成される。

ワーク１が回転ステージ３を介して載せられたスキャンステージ２を、ワーク１の表面に半導体レーザーＬによるオートフォーカスをかけたまま、Ｘ方向にスキャンさせることにより、スキャン方向におけるワーク１の表面形状を連続的に測定することができる。Ｘ方向での１本のスキャンが終了した後に、Ｙ方向へ位置をずらして再びＸ方向での測定を繰り返すことにより、ワーク１の表面の三次元的形状を測定することができる。

図２は、ＹＺ面に沿ってレーザープローブをワーク１に照射したときにワーク１をＹ方向から見た図である。半導体レーザーＬのうち、測定に用いる成分は、Ｙ軸及びＺ軸を含む垂直面に沿って反射されるため、Ｙ方向から見ると、ワーク１の表面に対して垂直なレーザープローブとなる。

ワーク１の表面は非球面であるため、中央から外側へ変位するにつれて表面の傾きが増す。具体的には、図２及び図３に示すように、ワーク１の中央頂部（図２中矢示ＤＢ）では、半導体レーザーＬに対して、その反射点における接線が直角になり傾きθＢがゼロであるが（この状態を最適状態という）、その両側に変位するにつれて徐々に傾きが大きくなり、最も急な部位（同ＤＡ、ＤＣ部分）では傾きθＡ、θＣがそれぞれ約４０°になる。０．１μｍ以下の精度で測定する場合に、正確に測定できるのは、±３０°未満のため、それを超える範囲では、そのままの状態で正確な測定を行うことができない。

そこで、ワーク１のＸ方向での全スキャン範囲を、ワーク１の表面が最適測定状態よりも±３０°未満となる１つの一般範囲Ｂと、±３０°以上傾斜する部分を含む２つの特定範囲Ａ、Ｃに分割する。一般範囲Ｂと特定範囲Ａ、Ｃのそれぞれは、隣接する範囲と部分的に重複する重複測定部分Ｍを有しており、その部分も含めた状態でスキャンして、測定データを取得する。

一般範囲Ｂでは、半導体レーザーＬに対してワーク１を非回転状態のままスキャンさせて測定データを取得するのに対して、特定範囲Ａ、Ｃでは、ワーク１をＹ軸を中心に回転させることにより、特定範囲Ａ、Ｃ内の全ての表面が最適測定状態に対して±３０°未満になる状態にしてから、スキャンさせて測定データを取得する。

次に、図４〜図６に基づいて、実際の測定手順を説明する。

一方の特定範囲Ａの測定（図４参照）：
まず、最初に回転ステージ３の回転軸４を角度θＡ（＝約４０°）だけＹ軸を中心に回転させ、一方の特定範囲Ａ内のスキャンラインにおける表面の最適状態に対する傾きが全て±３０°未満になるようにする。この実施形態では、ワーク１の回転角度を、特定範囲Ａにおける最も急な部位の傾きに合わせたが、必ずしも合わせる必要はなく、回転後に特定範囲Ａ内の全ての面が最適測定状態に対して±３０°未満になるような回転角度を選定すれば良い。そして、ワーク１の回転が終了した後に、スキャンステージ２を所定ピッチごとＸ方向にスキャンして、重複測定部分Ｍを含む全ての特定範囲Ａの表面形状に関する測定データａを取得する。

一般範囲Ｂの測定（図５参照）：
次に、回転ステージ３の回転軸４の回転を元に戻し、ワーク１を最初の状態にする。そうすると、一般範囲Ｂが半導体レーザーＬに対する非回転状態に復帰し、一般範囲Ｂ内のスキャンラインにおける表面の最適状態に対する傾きが、全て±３０°未満になる。その状態で、スキャンステージ２を所定ピッチごとＸ方向にスキャンして、重複測定部分Ｍを含む全ての一般範囲Ｂの表面形状に関する測定データｂを取得する。

他方の特定範囲Ｃの測定（図６参照）：
回転ステージ３の回転軸４を一方の特定範囲Ａとは逆側に同じ所定角度θＣ（＝約４０°）だけＹ軸を中心に回転させ、他方の特定範囲Ｃ内のスキャンラインにおける表面の最適状態に対する傾きが、全て±３０°未満になるようにする。そして、ワーク１の回転が終了した後に、スキャンステージ２を所定ピッチごとＸ方向にスキャンして、重複測定部分Ｍを含む全特定範囲Ｃの表面形状に関する測定データｃを取得する。

次に、図７に基づいて、得られた測定データａ、ｂ、ｃの合成をする。図７（ア）は、回転させない一般範囲Ｂの測定データｂを基準のデータとして選定し、その基準のデータの座標系に、回転させた特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃを示したものである。一般範囲Ｂの測定データｂと、特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃは、互いに重複データｍをもっているため、その重複データｍを用いて、測定データａ、ｂ、ｃの合成を行う。

まず最初に、図７（イ）に示すように、特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃを極座標変換して回転させ、特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃの傾きを補正すると共に、基準となる一般範囲Ｂの測定データｂにおける重複データｍに対して、特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃにおける重複データｍの誤差が最小になるように、特定範囲Ａ、Ｃの測定データｂ、ｃを移動させ、合わせ込みを行う。この時、中央の一般範囲Ｂの測定データｂを基準のデータとして選定したため、データの合成を行う場合の重ね合わせは、それぞれ、一般範囲Ｂの測定データｂに対する特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃの１回（最小回数）で済み、合成の際の演算処理速度が向上する。例えば、一方の特定範囲Ａの測定データａを基準にすると、その測定データａに対して一般範囲Ｂの測定データｂを重ね合わせ、その次に、重ね合わせた一般範囲Ｂの測定データｂに他方の特定範囲Ｃの測定データｃを重ね合わせるため、重ね合わせ回数が２回になり、演算処理が面倒になる。

最後に、図７（ウ）に示すように、一般範囲Ｂの測定データｂと、特定範囲Ａ、Ｃの測定データａ、ｃは、重複データｍをつなぎデータとして連続した状態になるため、データが一致した状態で重複データｍの一方を削除し、全体の合成データＵを作成する。つなぎ合わせる重複データｍ同士が同程度のデータ量をもっているため、合成データＵの高精度な信頼性を確保することができる。従って、この合成データＵからワーク１の表面形状を正確に測定することができる。

以上説明したように、この実施形態によれば、ワーク１の表面のうち、半導体レーザーＬに対して±３０°以上傾斜する部分を含む特定範囲Ａ、Ｃでも、測定前にワーク１を回転して、特定範囲Ａ、Ｃ内の表面を半導体レーザーＬに対する最適測定状態からの角度相違が±３０°未満になるようにしてから測定するため、正確な測定データａ、ｃが取得でき、それを重複データｍを用いて、一般範囲Ｂの測定データｂと合成すれば、その合成データＵからワーク１の正確な表面形状を測定することができる。特定範囲Ａ、Ｃでの測定は回転中に行うのではなく、回転後に行うため、回転ステージ３の回転精度が影響することはない。そのため、高精度の回転ステージを必要とせず、装置の製作が容易で、コストの面で有利である。

また、ワーク１固定用の回転軸を有する回転ステージ３を、少なくともＸ方向に移動するスキャンステージ２上に搭載したため、既存のスキャンステージ２への後付けが可能で、ステージ側の大幅な変更を要しない。

この実施形態では、ワーク１として非球面レンズを例にしたが、これに限定されず、例えば球体レンズなど、最適測定状態に対して±３０°以上の急斜面を有するワーク１であれば何でも良い。また、ワーク１の片側（約１８０°範囲）の表面を測定する例を示したが、一般範囲Ｂ及び特定範囲Ａ、Ｃの分割を増やすことで、ワーク１の全周（３６０°範囲）を測定することも可能である。

レーザープローブ式形状測定器の構造を示す概略図。 ワークにおける一般範囲と特定範囲を示す断面図。 ワークの一般範囲と特定範囲における最適測定状態に対する表面の角度をそれぞれ示す断面図（ア）（イ）（ウ）。 一方の特定範囲の測定状態をワークの断面図。 一般範囲の測定状態をワークの断面図。 他方の特定範囲の測定状態をワークの断面図。 測定データの合成手順をそれぞれ示すグラフ（ア）（イ）（ウ）。

符号の説明

１ ワーク（非球面レンズ）
２ スキャンステージ
３ 回転ステージ
４ 回転軸
５ レーザー照射装置
６、７ ミラー
８ 対物レンズ
９ 結像レンズ
１０ 光位置検出装置
１１ サーボ機構
Ｌ 半導体レーザー（レーザープローブ）
Ａ、Ｃ 特定範囲
Ｂ 一般範囲
Ｍ 重複測定部分
ａ、ｃ 特定範囲の測定データ
ｂ 一般範囲の測定データ
ｍ 重複データ
Ｕ 合成データ

Claims (4)

1. 三次元座標軸ＸＹＺとして、測定対象であるワークの表面に対し、ＹＺ面に沿って照射されるレーザープローブによりＺ方向にオートフォーカスをかけながら、ワークをＸ方向へ所定ピッチごとに相対的にスキャンさせ、オートフォーカス光学系の対物レンズのＺ方向での移動量からワークの表面形状に関する測定データを取得する非接触表面測定方法であって、
   前記ワーク表面がＹ方向からみたレーザプローブに対して直角となる状態を最適測定状態とし、
   Ｘ方向での全スキャン範囲を、ワーク表面が最適測定状態よりも±３０°未満となる一般範囲と、±３０°以上傾斜する部分を含む特定範囲に分割し、
   一般範囲では、ワークを非回転状態のままスキャンさせて、ワークの表面形状に関する測定データを隣接する範囲と部分的に重複した状態で取得し、
   特定範囲では、ワークをＹ軸を中心に回転させて、特定範囲内の全ての表面が最適測定状態に対して±３０°未満になる状態にしてから、ワークをスキャンさせて、ワークの表面形状に関する測定データを隣接する範囲と部分的に重複した状態で取得し、
   取得した各範囲の測定データを、重複データを重ね合わせて連続させることにより全スキャン範囲での合成データを作成し、該合成データからワークの表面形状を測定することを特徴とする非接触表面形状測定方法。
2. 請求項１記載の非接触表面形状測定方法であって、
   ３つ以上の測定データを取得し、基準となる測定データを選定し、その基準となるデータに他の測定データを順次重ね合わせて合成すると共に、
   基準となる測定データに対する他の測定データの重ね合わせ回数が最小になるように、基準となる測定データを選定することを特徴とする非接触表面形状測定方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の非接触表面形状測定方法であって、
   少なくともＸ方向へ移動するスキャンステージに、Ｙ軸を中心に回転する回転軸を備えた回転ステージを搭載し、該回転軸にワークを固定し、該ワークの表面に対してレーザープローブによるオートフォーカスをかけることを特徴とする非接触表面形状測定方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触表面形状測定方法であって、
   ワークが、非球面レンズ又は球体レンズであることを特徴とする非接触表面形状測定方法。

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