JP4533050B2 - 表面形状測定装置および表面形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置決めステージ等に搭載する長尺のバーミラー等の平面形状や、非球面、球面、あるいは自由曲面からなる測定対象の表面形状を、２点法または３点法を利用して高精度に測定する表面形状測定装置および表面形状測定方法に関するものである。

従来、平面度測定方法として逐次２点法といわれる計測方法がある。これは図７に示すように、２本の変位センサーを用いるものである。変位センサーＡ１０３、変位センサーＢ１０４は、測定対象Ｗ₀ の表面に対向させて、走査方向（Ｘ方向）に間隔ｄで変位センサー保持具１０５に取り付けられている。変位センサー保持具１０５が取り付けられた図示しない移動ステージをガイドに沿って移動させ、前記間隔ｄ毎に間欠的に高さ位置の測定データを得ている。さらに同一点における測定対象Ｗ₀ の表面の高さは同じになるという原理に基づき、変位センサーＡ１０３、変位センサーＢ１０４のデータ列を演算することにより、前記ガイドの真直度を分離して、測定対象Ｗ₀ の表面形状が得られるという方法である。

図７においては、変位センサーＡ１０３のＸ方向位置がＸｍ点である地点での変位センサーＡ１０３と、同地点での変位センサーＢ１０４および変位センサー保持具１０５を実線で示し、前述のようにガイドに沿って変位センサー保持具１０５が間隔ｄだけ移動した後の、変位センサーＡ１０３のＸ方向位置をＸｎ点とする地点での変位センサー保持具１０５および変位センサーＡ１０３、変位センサーＢ１０４を破線で表わす。

Ｘｍ点での測定対象Ｗ₀ の表面の形状データをＦ（Ｘｍ）、Ｘｍ点での変位センサーＡ１０３の測定値をＭａ（Ｘｍ）、Ｘｍ点での変位センサーＢ１０４の測定値をＭｂ（Ｘｍ）、Ｘｎ点での変位センサーＡ１０３の測定値をＭａ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での変位センサーＢ１０４の測定値をＭｂ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での移動ステージの移動誤差をＥ（Ｘｎ）とすると、以下の（１０１）〜（１０５）式が成立する。

Ｍａ（Ｘｍ）＝Ｆ（Ｘｍ） ・・・（１０１）
Ｍｂ（Ｘｍ）＝Ｆ（Ｘｍ＋ｄ） ・・・（１０２）
Ｍａ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＋Ｅ（Ｘｎ） ・・・（１０３）
Ｍｂ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋２ｄ）＋Ｅ（Ｘｎ） ・・・（１０４）
Ｅ（Ｘｎ）＝Ｍｂ（Ｘｍ）−Ｍａ（Ｘｎ） ・・・・（１０５）

ここで、Ｍａ（Ｘｎ）とＭｂ（Ｘｍ）は同一点のデータである。
（１０４）式に（１０５）式を代入すると
Ｍｂ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋２ｄ）＋Ｍｂ（Ｘｍ）−Ｍａ（Ｘｎ）
よって、
Ｆ（Ｘｍ＋２ｄ）＝Ｍｂ（Ｘｎ）＋Ｍａ（Ｘｎ）−Ｍｂ（Ｘｍ） ・・（１０６）

このように、移動ステージの移動誤差Ｅ（Ｘｎ）を分離した形状データＦ（Ｘｍ＋２ｄ）を求めることができる。すなわち、変位センサーＡ、Ｂの間隔ｄ毎に前記のような計算を繰り返すことで測定対象Ｗ₀ の表面の凹凸を表わす形状データをステージ誤差を分離して求めることができる。

この逐次２点法による表面形状測定方法を改良した方法は、特開２００１−１５７９５１号公報（特許文献１）に開示されている。これは、逐次２点法を行う変位センサーとしてレーザ変位計を用い、２個のレーザ変位計の間のＣＣＤセンサーの同じ位置に２個のレーザ変位計のスポットを得るように構成するものである。

また、特開平９−２１０６６８号公報（特許文献２）には、複数個の変位センサーを用いる２点法のうちの、逐次２点法と一般２点法を組み合わせて前記変位センサーの間隔以下の横分解能を得るという方法が開示されている。

さらに２点法を拡張した平面形状測定方法として３点法といわれる計測方法がある。これは図８に示すように３本の変位センサーを用いるもので、変位センサーＡ２０２、変位センサーＢ２０３、変位センサーＣ２０４をそれぞれ測定対象Ｗ₀ の表面に対向させて、３本の変位センサーＡ、Ｂ、Ｃの間をそれぞれ同じ間隔ｄで変位センサー保持具２０５に取り付け、変位センサー保持具２０５が取り付けられた移動ステージをガイドに沿って移動させ、前記間隔ｄ毎に測定データを得て、さらに同一点における測定対象Ｗ₀ の表面の高さは同じになるという原理と、同一地点での変位センサー間の傾きも同じになるという原理から、変位センサーＡ２０２、変位センサーＢ２０３および変位センサーＣ２０４のデータ列と、変位センサーＡ、Ｂ間の傾きおよび変位センサーＢ、Ｃ間の傾きを順次演算することによって、変位センサー２０２〜２０４の前記移動ステージによる走り精度として、並進成分とピッチング成分を分離して測定対象Ｗ₀ の表面形状を得るという方法である。

図８において、Ｘ方向位置がＸｍ点である地点での変位センサーＡ２０２、変位センサーＢ２０３、変位センサーＣ２０４、変位センサー保持具２０５を実線で示し、図示しない移動ステージに沿って変位センサー保持具２０５が間隔ｄだけＸ方向に移動したときのＸ方向位置Ｘｍ点における変位センサーＡ２０２、変位センサーＢ２０３、変位センサーＣ２０４を破線で示す。

Ｘｍ点での測定対象Ｗ₀ の表面形状をＦ（Ｘｍ）、Ｘｍ点での変位センサーＡ２０２の測定値をＭａ（Ｘｍ）、Ｘｍ点での変位センサーＢ２０３の測定値をＭｂ（Ｘｍ）、Ｘｎ点での変位センサーＢ２０３の測定値をＭｂ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での変位センサーＣ２０４の測定値をＭｃ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での移動ステージの移動誤差をＥ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での移動ステージのピッチング誤差をＳ（Ｘｎ）とし、Ｘｍ点における変位センサーＡ２０２、変位センサーＢ２０３の測定値を基準とすると、以下の（１１１）式〜（１１７）式が成立する。

Ｍａ（Ｘｍ）＝Ｆ（Ｘｍ）・・・・・・・（１１１）
Ｍｂ（Ｘｍ）＝Ｆ（Ｘｍ−ｄ）・・・・・（１１２）
Ｍａ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＋Ｅ（Ｘｎ）＋Ｓ（Ｘｎ）・・・・・（１１３）
Ｍｂ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ）＋Ｅ（Ｘｎ）・・・・・・（１１４）
Ｍｃ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ−ｄ）＋Ｅ（Ｘｎ）−Ｓ（Ｘｎ）・・・・・（１１５）
Ｅ（Ｘｎ）＝Ｍａ（Ｘｍ）−Ｍｂ（Ｘｎ）・・・・・・（１１６）

ここで、Ｍａ（Ｘｍ）とＭｂ（Ｘｎ）は同一点のデータである。
Ｓ（Ｘｎ）＝２Ｍｂ（Ｘｍ）−Ｍａ（Ｘｍ）−Ｍｃ（Ｘｎ）・・・・・（１１７）
（１１３）式に（１１６）および（１１７）式を代入すると
Ｍａ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＋２Ｍｂ（Ｘｍ）−Ｍｂ（Ｘｎ）−Ｍｃ（Ｘｎ）
Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＝Ｍａ（Ｘｎ）−２Ｍｂ（Ｘｍ）＋Ｍｂ（Ｘｎ）＋Ｍｃ（Ｘｎ）
・・・・・（１１８）
となって移動ステージの移動誤差Ｅ（Ｘｎ）とピッチング誤差Ｓ（Ｘｎ）を分離した形状Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）を求めることができる。

以上の様に３点法では、３本の変位センサーの間隔毎に前記のような計算を繰り返すことで前記２点法では求められなかった移動ステージのピッチング誤差も含めて分離して、測定対象の表面形状を求めることができる。

また、このような３点法による表面形状測定方法を改良した方法が、特開平６−１８６０２８号公報（特許文献３）、特開２００３−２３２６２５号公報（特許文献４）に開示されている。特許文献４の方法は、２個の角度センサーと１個の変位センサーを組み合せたものである。
特開２００１−１５７９５１号公報 特開平９−２１０６６８号公報 特開平６−１８６０２８号公報 特開２００３−２３２６２５号公報

以上説明したように２点法あるいは３点法による表面形状測定方法は、測定対象走査時の移動ステージの移動誤差を含まない計測が可能であるが以下のような問題がある。

２点法や３点法に用いる変位センサーは、一般に渦電流を利用したり静電容量の変化を利用したギャップセンサーや、レーザビームの反射位置を三角法で測定するレーザ変位センサーなどが用いられる。前者のギャップセンサーには１ｎｍオーダーの分解能をもつ高精度なセンサーもあるが測定レンジが狭く、ワークディスタンスも短いので非常に使いづらい。また後者のレーザ変位センサーはワークディスタンスが広くとれても分解能が粗く、ナノメータレベルの測定には精度が不足するといった問題がある。

また、高精度な変位計としてレーザ光を干渉させて波長の位相を計測するレーザ測長器が知られている。このレーザ測長器は原理的にワークディスタンスは広くとれ、さらに測長のダイナミックレンジも１０ｍオーダーのものが容易に手に入れることができる。さらに分解能もナノメータオーダーのものもあり、変位センサーとして充分高精度な測長データを得ることが可能である。

しかし、このようなレーザ測長器は、原理的に連続的な変位が得られないと測定ができないという問題がある。換言すれば、一度、変位信号出力がとぎれると測長データのその前後の関係が失われて、あらためて、予め決められた復帰手順を実行する必要がある。

すなわち、２点法および３点法のように変位センサーを複数用意する計測を行う場合、複数のセンサーの相対位置関係を予め知る必要があるが、前述のギャップセンサーや三角法を利用したレーザ変位計のようにターゲットに対する間隔を絶対位置で出力するセンサーの場合は、１度複数のセンサーの相対位置関係をなんらかの方法で計測しておけばよい。それに対してレーザの干渉を利用して波形の位相を計測するレーザ測長器においては、ターゲットとなる測定対象（ワーク）を取り替える度毎に、レーザ測長の変位信号がとぎれることになり複数のレーザ測長器の位置関係が失われてしまうという問題がある。

最近の高精度化・大型化した位置決めステージ等に用いる参照用のバーミラーはステージの大型化に伴って長尺なものが増え、これまで面形状を測定していた干渉計測装置では大きさが足らないことが多くなってきた。そのために、２点法あるいは３点法による面形状測定装置の変位センサーとしてレーザ測長器を用いることは非常に有効であるが、これまでは前記のような問題があり、実現していなかった。また、従来の逐次２点法を改良した特許文献１、特許文献２等に開示された方法においても、さらに３点法を発展させた特許文献３、特許文献４に開示された方法でも上記の問題点は何ら解決していない。

また、ステージの位置決めにレーザ測長器を２軸用い、位置決め用基準ミラーの形状誤差を補正する方法が特許文献５に開示されているが、最初に２軸のレーザをリセットすれば測長データの連続性が失われることがないので、上記の問題点を解決することはできない。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、２点法や３点法における複数の変位センサーとしてレーザ測長器を用いた場合の、測定対象を交換した時に発生する測長データの連続性の喪失の問題を解決し、測定対象の表面形状をレーザ測長によって高精度に測定することのできる表面形状測定装置および表面形状測定方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の表面形状測定装置は、所定の走査方向に走査する複数のレーザ測長器を用いた２点法または３点法によって被測定面の形状測定を行う表面形状測定装置において、各レーザ測長器に共通の参照ミラーと、前記走査方向に前記被測定面および前記参照ミラーに対して相対的に前記レーザ測長器を移動させる第一の移動ステージと、前記参照ミラーと前記被測定面に対して、前記走査方向に直交する方向に前記レーザ測長器を移動させる第二の移動ステージと、前記被測定面に対して前記走査方向に前記レーザ測長器と前記参照ミラーを移動させる第三の移動ステージとを有し、前記第一の移動ステージにより、前記参照ミラーと前記被測定面に対する任意の同一位置に各レーザ測長器を逐次位置決めし、各レーザ測長器のリセットまたは初期値入力処理を行うことを特徴とする。

２軸または３軸以上の変位センサーとしてレーザ測長器を用いると、測定対象を入れ替えた場合に連続性が喪失して測定の継続が不可能となり、複数の計測軸間の相互関係も失われてしまう。そこで、被測定面および参照ミラーに対する同一位置に各レーザ測長器を逐次位置決めするための移動ステージを設けて、各レーザ測長軸の関係を復活させ測定を継続させるための準備処理を可能とする。

変位センサーとしてレーザ測長器を使用することで、渦電流センサーや静電容量センサーを利用した変位センサーに比べて測定範囲が広がり、装置構成の自由度も広がる。

また、三角測量の原理を利用したレーザ変位計に比べて測定データの分解能が細かくなり、かつ精度の高い計測が可能となる。

さらに、走査方向に直交する方向に移動可能な送りステージである第二の移動ステージを、走査ステージである第三の移動ステージ上に具備することで、被測定面の１次元的な形状データだけでなく、２次元的な表面形状を測定することが可能となる。

図１は一実施の形態による表面形状測定装置を示すもので、これは、第一のレーザ測長軸Ａの干渉計１と、第二のレーザ測長軸Ｂの干渉計２と、第三のレーザ測長軸Ｃの干渉計３を有する測長ユニットを備えた３点法による表面形状測定装置である。干渉計１、２、３には、それぞれ、レーザ測長器として機能する公知の光学部品が搭載されている。また、干渉計１、２、３には、それぞれ、測定データを受ける受光部が搭載されている。レーザ測長軸Ａの干渉計１とレーザ測長軸Ｂの干渉計２はＸ方向に間隔ｄだけ離れており、レーザ測長軸Ｂの干渉計２とレーザ測長軸Ｃの干渉計３もＸ方向に間隔ｄだけ離れている。第一の移動ステージ４は、レーザ測長軸Ａの干渉計１と、レーザ測長軸Ｂの干渉計２と、レーザ測長軸Ｃの干渉計３を搭載してＸ方向に移動可能である。

参照ミラー５は、レーザ測長軸Ａとレーザ測長軸Ｂとレーザ測長軸Ｃの測長基準となる、干渉計１〜３に共通の参照ミラーである。

第一の移動ステージ４は、第二の移動ステージ６上に搭載される。第二の移動ステージ６は、ガイド７に沿って、第一の移動ステージ４の移動方向であるＸ方向とは直交するＺ方向に移動する送りステージである。第三の移動ステージ１１は、第一、第二の移動ステージ４、６、ガイド７および参照ミラー５を搭載し、ガイド１２に沿って、第一の移動ステージ４と同じく走査方向であるＸ方向に移動する走査ステージである。

図示しないレーザ光源から照射されたレーザビームＰは、第三のレーザ測長軸Ｃの干渉計３に入り、第三のレーザ測長軸Ｃの光路と第二のレーザ測長軸Ｂの干渉計２へ向かう光路とに分かれ、さらに第二のレーザ測長軸Ｂの干渉計２に入ったレーザビームは第三のレーザ測長軸Ｃの光路と第一のレーザ測長軸Ａの干渉計１へ向かう光路とに分かれる。干渉計２、３は、それぞれ干渉計としての役割と、レーザビームＰを分割するビームスプリッタの役割とを併せて持っている。

第一の移動ステージ４、第二の移動ステージ６、第三の移動ステージ１１には図示しないスケールや原点の位置センサーが具備されており、各移動ステージ４、６、１１の位置を読みとることが可能となっている。

レーザ測長軸Ａの干渉計１とレーザ測長軸Ｂの干渉計２およびレーザ測長軸Ｃの干渉計３は、それぞれ参照ミラー５と測定対象Ｗ₁ の間の距離、すなわちＹ方向の位置変化を測長している。すなわち、干渉計１と参照ミラー５と測定対象Ｗ₁ で第一のレーザ測長軸Ａを、干渉計２と参照ミラー５と測定対象Ｗ₁
で第二のレーザ測長軸Ｂを、干渉計３と参照ミラー５と測定対象Ｗ₁ で第三のレーザ測長軸Ｃをそれぞれ形成している。Ｙ方向の測長変化は、干渉計１、２、３にそれぞれ搭載されている図示しない受光部によって読みとられる。

このように３軸のレーザ測長器の参照ミラーを共通とし、３軸のレーザ測長器の干渉計をユニットとして、測定対象および前記共通の参照ミラーに対して相対的に移動可能な第一の移動ステージに搭載しており、測定対象を入れ替えたときに、参照ミラーと測定対象の任意の同一位置に前記３軸のレーザ測長器をそれぞれ第一の移動ステージによって位置決めし、各レーザ測長器をリセットあるいは同一の初期値を入力する手段とアルゴリズムを具備する。

図２は、図１の３点法による表面形状測定装置を用いて被測定面である測定対象Ｗ₁ の表面の形状を計測する工程を説明する図であり、図２の（ｂ）は、（ａ）に対して第三の移動ステージ１１の駆動により、Ｘ方向に干渉計１、２、３を間隔ｄだけ移動した状態を示す図である。

図２の（ａ）におけるガイド１２上の第三の移動ステージ１１の位置をＸｍ点、ガイド１２上で第三の移動ステージ１１をＸ方向に間隔ｄだけ移動させた図２の（ｂ）に示す位置をＸｎ点とする。

Ｘｍ点での測定対象Ｗ₁ の表面形状をＦ（Ｘｍ）、Ｘｍ点でのレーザ測長軸Ａの干渉計１の測定値をＭａ（Ｘｍ）、Ｘｍ点でのレーザ測長軸Ｂの干渉計２の測定値をＭｂ（Ｘｍ）、Ｘｎ点でのレーザ測長軸Ｂの干渉計２の測定値をＭｂ（Ｘｎ）、Ｘｎ点でのレーザ測長軸Ｃの干渉計３の測定値をＭｃ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での第三の移動ステージ１１の移動誤差をＥ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での第三の移動ステージ１１のピッチング誤差をＳ（Ｘｎ）とし、Ｘｍ点におけるレーザ測長軸Ａの干渉計１、レーザ測長軸Ｂの干渉計２の測定値を基準とすると、以下の（１）式〜（７）式が成立する。

Ｍａ（Ｘｍ）＝Ｆ（Ｘｍ）・・・・・・・（１）
Ｍｂ（Ｘｍ）＝Ｆ（Ｘｍ−ｄ）・・・・・（２）
Ｍａ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＋Ｅ（Ｘｎ）＋Ｓ（Ｘｎ）・・・・・（３）
Ｍｂ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ）＋Ｅ（Ｘｎ）・・・・・・（４）
Ｍｃ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ−ｄ）＋Ｅ（Ｘｎ）−Ｓ（Ｘｎ）・・・・・（５）
Ｅ（Ｘｎ）＝Ｍａ（Ｘｍ）−Ｍｂ（Ｘｎ）・・・・・（６）

ここで、Ｍａ（Ｘｍ）とＭｂ（Ｘｎ）は同一点のデータである。
Ｓ（Ｘｎ）＝２Ｍｂ（Ｘｍ）−Ｍａ（Ｘｍ）−Ｍｃ（Ｘｎ）・・・・（７）
（３）式に（６）および（７）式を代入すると
Ｍａ（Ｘｎ）＝Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＋２Ｍｂ（Ｘｍ）−Ｍｂ（Ｘｎ）−Ｍｃ（Ｘｎ）
Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）＝Ｍａ（Ｘｎ）−２Ｍｂ（Ｘｍ）＋Ｍｂ（Ｘｎ）＋Ｍｃ（Ｘｎ）
・・・・（８）
となって第三の移動ステージ１１の移動誤差Ｅ（Ｘｎ）とピッチング誤差Ｓ（Ｘｎ）を分離した形状Ｆ（Ｘｍ＋ｄ）を求めることができる。

以上の様に３点法ではレーザ測長軸Ａ、Ｂ、Ｃの干渉計の間隔ｄ毎に前記のような計算を繰り返すことで移動ステージの移動誤差とピッチング誤差も含めて分離し、測定対象の表面形状を求めることができる。

図３は、表面形状測定装置の制御系およびデータ処理系を示すもので、図１の表面形状測定装置の本体２１には、各移動軸を駆動するためのＮＣコントローラ２２およびドライバーアンプが接続され、ＮＣコントローラ２２を通して表面形状測定装置を操作するための操作盤２３、表面形状測定装置に搭載されている変位センサーやレーザ測長器ならびに各移動ステージに搭載のスケールや原点センサーの電源およびデータ取り込み用のアンプ２４等が設けられる。アンプ２４は、レーザ測長軸Ａの干渉計１の受光部およびレーザ測長軸Ｂの干渉計２の受光部およびレーザ測長軸Ｃの干渉計３の受光部からのレーザ測長データを処理するレーザ測長アンプ、ならびに第一の移動ステージ４のスケール位置と原点センサー信号および第二の移動ステージ６のスケール位置と原点センサーの信号および第三の移動ステージ１１のスケール位置と原点センサー信号を取り込むアンプである。計測コンピュータ２５は、ＮＣコントローラ２２に駆動プログラムをダウンロードし、また表面形状測定装置の本体２１に搭載されているセンサーやレーザ測長器からのデータを、データ取り込み用のアンプ２４を介して取得し、測定対象Ｗ₁ の表面形状を演算する。演算解析コンピュータ２６は、ＮＣコントローラ２２に測定のための駆動条件等を送り、また計測コンピュータ２５から測定対象Ｗ₁ の測定結果である表面形状データを取得し、形状評価、画面表示、各種演算を行う。

図４は、例えば測定対象交換時に、表面形状測定装置のレーザ測長軸Ａの干渉計１、レーザ測長軸Ｂの干渉計２、レーザ測長軸Ｃの干渉計３のそれぞれについて測長データをリセットまたは初期値を入力する準備処理工程である原点出しのシーケンスを示すフロー図である。このフローは図３の計測コンピュータ２５からＮＣコントローラ２２に送られて、ＮＣコントローラ２２にて実行される。

図５は、図４に示したレーザ測長器の原点出しであるレーザ測長軸データリセットシーケンスにおける表面形状測定装置の動作を示す図である。

図４において、ステップＳ１では、第一の移動ステージ４および第二の移動ステージ６および第三の移動ステージ１１が原点位置にいるかどうか判断する判断処理を行う。ステップＳ２では、ステップＳ１の判断処理で第一の移動ステージ４または第二の移動ステージ６または第三の移動ステージ１１を原点に移動させる移動処理を行う。ステップＳ３は、レーザ測長軸Ａの干渉計１からの測長データをリセットまたは初期値（オフセット）をセットするデータリセット処理である。ステップＳ４は、第一の移動ステージ４をＸ方向に、参照ミラー５および測定対象Ｗ₁ に対して相対的にレーザ測長軸Ａの干渉計１とレーザ測長軸Ｂの干渉計２の間隔ｄだけ移動させる移動処理である。ステップＳ５は、レーザ測長軸Ｂの干渉計２からの測長データをリセットまたは初期値をセットするデータリセット処理である。ステップＳ６は、第一の移動ステージ４をステップＳ４の移動処理で移動した位置から参照ミラー５および測定対象Ｗ₁ に対して相対的にレーザ測長軸Ｂの干渉計２とレーザ測長軸Ｃの干渉計３の間隔ｄだけＸ方向に移動させる移動処理である。ステップＳ７は、のレーザ測長軸Ｃの干渉計３からの測長データをリセットまたは初期値をセットするデータリセット処理である。ステップＳ８は、第一の移動ステージ４を再び原点位置に移動させる移動処理である。

図５の（ａ）は、第一の移動ステージ４および第二の移動ステージ６および第三の移動ステージ１１が全て原点の位置にあるときを示す。このときレーザ測長軸Ａの干渉計１の位置をＳ点としている。図５の（ｂ）は、第一の移動ステージ４が同図の（ａ）に示す原点の位置からレーザ測長軸Ａの干渉計１とレーザ測長軸Ｂの干渉計２の間隔ｄに相当する距離だけＸ方向に移動したときを示す。このときＳ点にはレーザ測長軸Ｂの干渉計２が移動してきている。図５の（ｃ）は、第一の移動ステージ４が同図の（ｂ）に示す位置からさらに前記間隔ｄに相当する距離だけＸ方向に移動したときを示す。このときＳ点にはレーザ測長軸Ｃの干渉計３が移動してきている。

次に第４および図５を用いて３点法におけるレーザ測長器のデータリセット処理を説明する。本実施例は特に３点法の場合について説明するが２点法の場合はレーザ測長軸が３軸から２軸になるだけでシーケンスは同じである。

まず、図３の操作盤２３よりレーザ測長軸データリセットシーケンス開始信号がＮＣコントローラ２２および計測コンピュータ２５を介して演算解析コンピュータ２６に送られレーザ測長軸データリセットシーケンスが開始する。シーケンスが開始されると、まずステップＳ１の判断処理にて第一の移動ステージ４および第二の移動ステージ６および第三の移動ステージ１１が原点位置にいるかどうか調べる。ステップＳ１で第一の移動ステージ４または第二の移動ステージ６または第三の移動ステージ１１のいずれかが原点にいないときは、ステップＳ２の移動処理にシーケンスが移り、原点位置にいない第一の移動ステージ４または第二の移動ステージ６または第三の移動ステージ１１を原点に移動させる。

ステップＳ１の判断処理で第一の移動ステージ４および第二の移動ステージ６および第三の移動ステージ１１が原点位置にいると判断されると、ステップＳ３のデータリセット処理にシーケンスが移る。図５の（ａ）はこのときのステージ位置を示す。ステップＳ３のデータリセット処理では図５の（ａ）に示すようにレーザ測長軸Ａの干渉計１がＸ方向におけるＳ点に位置決めされており、ここでレーザ測長軸Ａの干渉計１からのデータを０にリセット、または予め決められている初期値にプリセットする。リセットまたは予め決められている初期値にプリセットするためのデータおよび信号は、予め組まれているプログラムに従って計測コンピュータ２５を介してＮＣコントローラ２２より実行される。このデータリセット処理は、実際はアンプ２４のレーザ測長アンプに対して実行される。

次にシーケンスはステップＳ４の移動処理に移り、第一の移動ステージ４を図５の（ａ）に示す原点位置より参照ミラー５および測定対象Ｗ₁ に対して相対的にレーザ測長軸Ａの干渉計１とレーザ測長軸Ｂの干渉計２の間隔ｄに相当する距離だけＸ方向に移動させる。ステップＳ４の移動処理が完了すると、ステップＳ５のデータリセット処理にシーケンスが移る。図５の（ｂ）はこのときのステージ位置を示す。ステップＳ５のデータリセット処理では図５の（ｂ）に示すようにレーザ測長軸Ｂの干渉計２がＸ方向におけるＳ点に位置決めされており、ここでレーザ測長軸Ｂの干渉計２からのデータを０にリセット、または予め決められている初期値にプリセットする。リセットおよび予め決められている初期値にプリセットするためのデータおよび信号は予め組まれているプログラムに従って計測コンピュータ２５を介してＮＣコントローラ２２より実行される。このデータリセット処理は、実際はアンプ２４のレーザ測長アンプに対して実行される。

次にシーケンスはステップＳ６の移動処理に移り、第一の移動ステージ４を図５の（ｂ）に示す位置より参照ミラー５および測定対象Ｗ₁ に対して相対的に間隔ｄに相当する距離だけＸ方向に移動させる。ステップＳ６の移動処理が完了すると、ステップＳ７のデータリセット処理にシーケンスが移る。図５の（ｃ）はこのときのステージ位置を示す。ステップＳ７のデータリセット処理では図５の（ｃ）に示すようにレーザ測長軸Ｃの干渉計３がＸ方向におけるＳ点に位置決めされており、ここでレーザ測長軸Ｃの干渉計３からのデータを０にリセット、または予め決められている初期値にプリセットする。リセットおよび予め決められている初期値にプリセットするためのデータおよび信号は予め組まれているプログラムに従って計測コンピュータ２５を介してＮＣコントローラ２２より実行される。このデータリセット処理は、実際はアンプ２４のレーザ測長アンプに対して実行される。

最後にシーケンスはステップＳ８の移動処理に移り、第一の移動ステージ４を原点位置に移動させる。ステップＳ８の移動処理が完了すると第一の移動ステージ４が原点に戻って、図５の（ａ）に示す状態になり、レーザ測長軸データリセットシーケンスが完了する。

図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）におけるＳ点は、参照ミラー５と測定対象Ｗ₁ における同一点であるので参照ミラー５と測定対象Ｗ₁ のＳ点におけるＹ方向の間隔は同一である。したがって、前記Ｓ点にてレーザ測長軸Ａの干渉計１からのデータおよびレーザ測長軸Ｂの干渉計２からのデータおよびレーザ測長軸Ｃの干渉計３からのデータを、それぞれ０にリセットまたは同一の初期値にプリセットすることで、レーザ測長軸Ａ、レーザ測長軸Ｂ、レーザ測長軸Ｃの相互差をキャンセルすることができる。

以上説明したように第一の移動ステージを用いてレーザ測長軸リセットシーケンスを実行することで、３点法による形状測定装置に変位センサーとしてレーザ測長器を用いた場合に、測定対象を入れ替えたときに各レーザ測長軸の干渉計からのデータの連続性が失われても、複数のレーザ測長軸の測長データの関係を回復して測定を継続することが可能となる。

図６は、図１の装置を用いて２次元形状を測定する場合を示す。ここで、図２の（ａ）における第三の移動ステージ１１の位置をＸｍ点、ガイド１２上で第三の移動ステージ１１をＸ方向に間隔ｄだけ移動した図２の（ｂ）の位置をＸｎ点とする。

まず、図６の（ａ）に示すように、Ｘｍ点に第三の移動ステージ１１の位置決めが完了したら、第二の移動ステージ６をガイド７に沿ってＺ方向に移動させる。このときレーザ測長軸Ａの干渉計１、レーザ測長軸Ｂの干渉計２、レーザ測長軸Ｃの干渉計３からの測長データを参照ミラー５からの偏差として計測コンピュータ２５に読みとる。このときのデータ列を視覚的に表示したものが図６の（ａ）である。

次にガイド１２上の第三の移動ステージ１１を間隔ｄに相当する距離だけＸ方向に移動する。Ｘｍ点から間隔ｄに相当する距離だけ移動したＸｎ点に第三の移動ステージ１１を位置決めすることが完了したら、第二の移動ステージ６をガイド７に沿ってＺ方向に移動させる。このときレーザ測長軸Ａの干渉計１、レーザ測長軸Ｂの干渉計２、レーザ測長軸Ｃの干渉計３からの測長データを参照ミラー５からの偏差として計測コンピュータ２５に読みとる。

Ｘｍ点で第二の移動ステージ６を駆動してデータを測定した後、Ｘｍ点にて第二の移動ステージ６をＸｍ点に最初に位置決めした時と同じ位置に戻してもよいし、Ｘｍ点で第二の移動ステージ６を駆動してデータを測定したままで、Ｘｎ点に移動させてもよい。Ｘｍ点で第二の移動ステージ６を元に戻さない場合は、Ｘｎ点で第二の移動ステージ６を駆動する方向は逆になるので測定データ列をＸｍ点で読み込んだデータ列と合わせるために並べ替える必要がある。Ｘｎ点でのデータ列を視覚的に表示したものが図６の（ｂ）である。

Ｘｍ点での第二の移動ステージ６のＺ方向の測定対象Ｗ₁ の表面形状をＦｌ（Ｘｍ）、Ｘｍ点でのレーザ測長軸Ａの干渉計１が第二の移動ステージ６をＺ方向に駆動しながら読み込んだ参照ミラー５に対する測定対象Ｗ₁ の偏差測定データ列をＬａ（Ｘｍ）、Ｘｍ点でのレーザ測長軸Ｂの干渉計２が第二の移動ステージ６をＺ方向に駆動しながら読み込んだ参照ミラー５に対する測定対象Ｗ₁ の偏差測定データ列をＬｂ（Ｘｍ）、Ｘｎ点でのレーザ測長軸Ｂの干渉計２が第二の移動ステージ６をＺ方向に駆動しながら読み込んだ参照ミラー５に対する測定対象Ｗ₁ の偏差測定データ列をＬｂ（Ｘｎ）、Ｘｎ点でのレーザ測長軸Ｃの干渉計３が第二の移動ステージ６をＺ方向に駆動しながら読み込んだ参照ミラー５に対する測定対象Ｗ₁ の偏差測定データ列をＬｃ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での第三の移動ステージ１１の移動誤差をＥｌ（Ｘｎ）、Ｘｎ点での第三の移動ステージ１１のピッチング誤差をＳｌ（Ｘｎ）とし、Ｘｍ点におけるレーザ測長軸Ａの干渉計１、レーザ測長軸Ｂの干渉計２の偏差測定データ列を基準とすると、以下の（１１）式〜（１７）式が成立する。

Ｌａ（Ｘｍ）＝Ｆｌ（Ｘｍ） ・・・（１１）
Ｌｂ（Ｘｍ）＝Ｆｌ（Ｘｍ−ｄ） ・・・（１２）
Ｌａ（Ｘｎ）＝Ｆｌ（Ｘｍ＋ｄ）＋Ｅｌ（Ｘｎ）＋Ｓｌ（Ｘｎ） ・・・（１３）
Ｌｂ（Ｘｎ）＝Ｆｌ（Ｘｍ）＋Ｅｌ（Ｘｎ） ・・・（１４）
Ｌｃ（Ｘｎ）＝Ｆｌ（Ｘｍ−ｄ）＋Ｅｌ（Ｘｎ）−Ｓｌ（Ｘｎ） ・・・（１５）
Ｅｌ（Ｘｎ）＝Ｌａ（Ｘｍ）−Ｌｂ（Ｘｎ） ・・・（１６）

ここで、Ｌａ（Ｘｍ）とＬｂ（Ｘｎ）は同一点でのデータ列である。
Ｓｌ（Ｘｎ）＝２Ｌｂ（Ｘｍ）−Ｌａ（Ｘｍ）−Ｌｃ（Ｘｎ） ・・・（１７）
（１３）式に（１６）および（１７）式を代入すると
Ｌａ（Ｘｎ）＝Ｆｌ（Ｘｍ＋ｄ）＋２Ｌｂ（Ｘｍ）−Ｌｂ（Ｘｎ）−Ｌｃ（Ｘｎ）
Ｆｌ（Ｘｍ＋ｄ）＝Ｌａ（Ｘｎ）−２Ｌｂ（Ｘｍ）＋Ｌｂ（Ｘｎ）＋Ｌｃ（Ｘｎ）
・・・（１８）
となって第三の移動ステージ１１のＸ方向移動時の移動誤差Ｅｌ（Ｘｎ）とピッチング誤差Ｓｌ（Ｘｎ）を分離した形状Ｆｌ（Ｘｍ＋ｄ）を求めることができる。

以上の様にレーザ測長軸Ａ、Ｂ、Ｃの３つの干渉計１〜３のＸ方向の間隔ｄ毎に上記の計算を繰り返すことで第三の移動ステージ１１のＸ方向移動時の移動誤差とピッチング誤差も含めて分離し、測定対象Ｗ₁ の２次元的な表面形状を求めることができる。

一実施の形態による表面形状測定装置を示す斜視図である。 実施例１による表面形状測定方法を説明する図である。 表面形状測定装置の制御系を示す図である。 実施例１によるレーザ測長軸データリセットシーケンスを示すフローチャートである。 図４のレーザ測長軸データリセットシーケンスによる表面形状測定装置の動作を説明する図である。 実施例２による２次元形状測定方法を説明する図である。 従来の２点法を用いた測定方法を説明する図である。 従来の３点法を用いた測定方法を説明する図である。

符号の説明

１、２、３ 干渉計
４ 第一の移動ステージ
５ 参照ミラー
６ 第二の移動ステージ
７、１２ ガイド
１１ 第三の移動ステージ
２１ 本体
２２ ＮＣコントローラ
２３ 操作盤
２４ アンプ
２５ 計測コンピュータ
２６ 演算解析コンピュータ

Claims (2)

1. 所定の走査方向に走査する複数のレーザ測長器を用いた２点法または３点法によって被測定面の形状測定を行う表面形状測定装置において、
   各レーザ測長器に共通の参照ミラーと、
   前記走査方向に前記被測定面および前記参照ミラーに対して相対的に前記レーザ測長器を移動させる第一の移動ステージと、
   前記参照ミラーと前記被測定面に対して、前記走査方向に直交する方向に前記レーザ測長器を移動させる第二の移動ステージと、
   前記被測定面に対して前記走査方向に前記レーザ測長器と前記参照ミラーを移動させる第三の移動ステージとを有し、
   前記第一の移動ステージにより、前記参照ミラーと前記被測定面に対する任意の同一位置に各レーザ測長器を逐次位置決めし、各レーザ測長器のリセットまたは初期値入力処理を行うことを特徴とする表面形状測定装置。
2. 複数のレーザ測長器および参照ミラーを用いて２点法または３点法によって被測定面の形状測定を行う表面形状測定方法において、
   前記複数のレーザ測長器のそれぞれを所定の走査方向に移動可能な第一の移動ステージにて移動させ、
   前記参照ミラーと前記被測定面に対して、前記走査方向に直交する方向に前記複数のレーザ測長器を移動させる第二の移動ステージにて移動させ、
   前記被測定面および前記走査方向に移動可能な第三の移動ステージに配された前記参照ミラーに対する同一位置に位置決めし、各レーザ測長器のリセットまたは初期値入力処理を行った後、前記複数のレーザ測長器を走査方向および前記走査方向と直交する方向に移動させることで、前記被測定面の２次元形状を測定することを特徴とする表面形状測定方法。

Images