JP5584140B2 - 非接触表面形状測定方法およびその装置 - Google Patents

Description

本発明は非接触表面形状測定方法に関するものである。

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形状測定装置は精密部品の形状や粗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、レーザ光に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の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形状に関する測定データを取得する構造である。

対物レンズは、日本国特許第２１２５４９８号に開示されるように、レーザープローブの戻り光が二分割センサー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、対物レンズが移動して測定ワークからの戻り光が二分割センサーの中心で受光された時にフォーカス状態と判断して、対物レンズの移動量が検出され、測定ワークの表面の高さ情報を計測することができる。測定ワークの表面の高さ情報を所定ピッチごとに取得することで、測定ワークの表面形状を測定することができる。

発明が解決しようとする課題
しかしながら、このような従来の技術にあっては、測定ワークを所定ピッチごとに間欠的にスキャンし、そこでフォーカスが合った時に高さ情報を取得して、次のピッチ送りをするため、測定に時間がかかる。

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、測定ワークを間欠なスキャンでなく、連続的にスキャンさせて測定ワークの表面形状を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ことができる。

本発明の技術的側面によれば、非接触表面形状測定方法は、二分割センサーの２つのセンサー間の電圧差を検出し、検出した電圧差がフォーカス位置からの変位に対してリニアになる近傍範囲内にあるかを検出し、電圧差が近傍範囲内にある際に対物レンズの上下方向でのフォーカス位置に対する補正値を算出し、補正値を対物レンズの実際の上下方向での位置に加算して対物レンズの上下方向での移動量を算出することを特徴とする。

本発明の第１実施形態に係る非接触表面形状測定装置を示す概略図。 対物レンズの上方の光学系を示す斜視図。 レーザー光の光路を示す概略図。 測定方法を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態に係る非接触表面形状測定装置を示す概略図。 インターナルギア及び回転ステージを示す平面図。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明の第１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で、Ｚは上下方向である。また、図１は概略的に図示されている。

測定ワーク１は、Ｘ軸方向にスライド自在なＸ軸ステージ２の上に組み付けられている。Ｘ軸ステージ２は、Ｙ軸方向へスライド自在なＹ軸ステージ３の上に組み付けられている。

測定ワーク１の上方には、対物レンズ４がフォーカス手段５によりＺ軸方向で移動自在に支持されている。対物レンズ４のＺ軸方向での位置（移動量）は、ＡＦスケール６により検出することができる。Ｘ軸ステージ２はＸ軸スケール７により位置（移動量）を検出することができる。Ｙ軸ステージ３は図示せぬＹ軸スケールにより位置（移動量）を検出することができる。

対物レンズ４のＡＦスケール６と、Ｘ軸ステージ２及びＹ軸ステージ３を駆動させるステージドライバー８は、それぞれメインコントローラー９に接続され、対物レンズ４、Ｘ軸ステージ２、Ｙ軸ステージ３の移動量がそれぞれメインコントローラー９に入力されるようになっている。Ｘ軸ステージ２、Ｙ軸ステージ３およびステージドライバー８はスキャナーを構成し、測定ワーク１を対物レンズ４の光軸に垂直な水平方向へ連続的にスキャンすることによって、測定ワーク１の表面をレーザープローブＬが水平方向に掃引される。

対物レンズ４の上方にはビームスプリッター１０が配置されている。ビームスプリッター１０は、光の５０％を透過し、５０％を反射する機能を有している。ビームスプリッター１０の側方にはレーザー光照射手段１１が配置されている。レーザー光照射手段１１からは水平方向に半導体レーザーであるレーザ光Ｌが照射される。レーザ光Ｌはビームスプリッター１０でＺ軸と平行な方向に反射され、対物レンズ４を透過して測定ワーク１の表面に当たる。レーザ光Ｌの光束の断面の光学的重心は対物レンズ４の光軸中心からはずれた位置を通る。

レーザ光Ｌは測定ワーク１の表面で反射され、その戻り光Ｌ′は再度対物レンズ４を透過し、更にビームスプリッター１０を透過して、結像レンズ１２により結像される。

結像レンズ１２による戻り光Ｌ′のスポットは、ホトセンサーである二分割センサーＳにより位置が検出される。二分割センサーＳは近接並置される２つのセンサーａ、ｂから構成されている。

二分割センサーＳの中心に戻り光Ｌ′のスポットの重心が一致した時に、２つのセンサーａ、ｂの出力が釣り合うようになっており、対物レンズ４を通過したレーザ光Ｌは測定ワーク１の表面にフォーカスした状態となる。図２の中央が、フォーカス状態（II）を示しており、その両側がインフォーカス状態（Ｉ）およびアウトフォーカス状態（III）を示している。

２つのセンサーａ、ｂからの出力はＡＦコントローラー１３に入力される。ＡＦコントローラー１３は、比較器１４、制御回路１５、電圧／変位変換回路１６から構成されている。ＡＦコントローラー１３は前記メインコントローラー９に接続されている。

そして、２つのセンサーａ、ｂから出力が等しくなるように、制御回路１５からフォーカス手段５に信号を出力して対物レンズ４を移動させ、その対物レンズ４の移動量から測定ワーク１の表面の高さ情報を検出することができる。

この測定ワーク１は、Ｘ軸ステージ２が定速移動することにより、レーザ光Ｌに対して連続スキャンされる（Ｓ２）。レーザ光Ｌによりオートフォーカス制御をかけながら、測定ワーク１を連続スキャンすることにより、測定ワーク１のＸ軸における表面形状を測定することができる。

本実施形態の二分割センサーＳは、その中心（中立位置）に戻り光Ｌ′が当たり、２つのセンサーａ、ｂの出力が等しくなると、対物レンズ４が測定ワーク１に対してフォーカスした状態になるが、対物レンズ４を必ずしもフォーカス位置まで移動させずに、測定は連続的に行われる。

すなわち、図３に示すように、二分割センサーＳの２つのセンサーａ、ｂの電圧差は対物レンズ４のフォーカス位置までの移動量に対応するスポットの光学的重心位置の関数である。殊に、フォーカス位置の近傍範囲（前後数μｍの範囲）では、上記電位差はスポットの光学的重心位置に実質的に比例する。従って、電圧差が、この近傍範囲内（線形領域）に入れば、対物レンズ４を最終的なフォーカス位置まで移動させなくても、計算により、フォーカス位置に至る対物レンズ４の移動量を計算することができる。つまり、近傍範囲に入った際の対物レンズ４の位置に、その位置からフォーカス位置までの計算した補正値を加算することにより、フォーカス位置に至る対物レンズ４の移動量を算出することができる（Ｓ６）。

対物レンズ４の移動量は、測定ワーク１を連続スキャンする間に連続的に算出することができ、測定ワーク１の表面の高さ情報を連続的に取得して、Ｘ軸方向での形状を測定することができる。Ｘ軸方向での形状測定を、少しずつＹ軸方向にずらしながら行うことにより、測定ワーク１の表面の三次元的形状も測定することができる。

この測定方法では、二分割センサーＳで検出される電圧差が近傍範囲を超える場合には、誤差が大きくなったり、その超えた範囲だけ測定データが欠ける場合もある。
また、電圧差が上記近傍範囲を超えて非線形領域にある場合でも、二分割センサーＳのセンサー素片ａ，ｂのいずれにもスポットの一部が到達して電圧差が検出できれば測定は可能である。すなわち、対物レンズ４のフォーカス位置までの移動量に対応するスポットの重心位置と電圧差の対応関係（非線形特性）が既知であるため、近傍範囲を二分割センサーＳの非線形領域まで拡張して形状測定することは可能であるが測定誤差が増大する。この場合には非線形特性のデータ（テーブル）をメインコントローラ９が保持し、検出された電圧差から即座に対物レンズのフォーカス位置までの移動量を算出（変換）することができる。

測定ワーク１の表面の「うねり形状」等を測定する場合は、広範囲の形状の傾向を測定するので測定精度よりも測定時間を優先するため、途中に誤差が像対する領域や多少の測定データの欠けがあっても問題ない。

精密に測定ワーク１の表面形状を測定することが必要な場合は、図４のフローチャート（Ｓ１〜Ｓ７）に示すように、二分割センサーＳでの電圧差が近傍範囲を超える場合は、測定ワーク１のＸ軸方向でのスキャンを停止して、電圧差が近傍範囲に入るまで待つ（Ｓ４、Ｓ５）。こうすることにより、測定時間が多少遅くなるが、測定精度が高く測定データの欠けのない正確な形状測定が行える。測定ワーク１の連続スキャンを部分的に停止させても、従来のように所定ピッチずつフォーカスするまで待って送っていた場合に比べて、測定時間を大幅に短縮することができる。

（第２実施形態）
図５及び図６は本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。

本実施例における測定対象としての測定ワークは、概略リング状のインターナルギア１７であり、内面には内歯１８が形成されている。このインターナルギア１７は、同様な中空構造をした回転ステージ１９の上に載置されている。回転ステージ１９はθ方向に回転自在な状態でＸ軸ステージ２の上に組み付けられている。回転ステージ１９はＸ軸ステージ２及びＹ軸ステージ３と同様にステージドライバー８に接続されている。

中空構造をした回転ステージ１９の内部には、円形のセンタステージ２０がＸ軸ステージ２に設けられている。センタステージ２０の縁部には反射手段としてのプリズム２１が、角度４５度の四角い反射平面２２を外側へ向けた状態で設置されている。対物レンズ４を透過したレーザ光Ｌがこのプリズム２１の反射平面２２に当たるようになっている。

反射平面２２で反射されたレーザ光Ｌはインターナルギア１７の内歯１８に当たる。インターナルギア１７の内歯１８に当たって反射された戻り光Ｌ′は、再度反射平面２２で反射されて対物レンズ４に入光し、対物レンズ４を再透過して先の実施形態と同じ光路で検出される。従って、回転ステージ１９によりインターナルギア１７を回転させながら内歯１８の表面にオートフォーカスをかけて、内歯２のＸ軸方向での高さ寸法（凹凸寸法）を測定することができる。

このように測定ワークの内面を計測する場合も、二分割センサーＳの２つのセンサーａ、ｂの電圧差が近傍範囲内に入れば、対物レンズ４を最終的なフォーカス位置まで移動させなくても、計算により、フォーカス位置に至る対物レンズ４の移動量を計算することができる。従って、インターナルギア１７を回転方向に連続スキャンして内歯１８の内面形状を測定する際の測定時間を短縮することができる。

発明の効果
本発明によれば、測定ワークからの戻り光が二分割センサーの中心に合致しなくても、二分割センサーの２つのセンサーの電圧差が近傍範囲に入った際には、その電圧差から補正値を算出し、その補正値を対物レンズの実際の上下方向での位置に加算することにより、対物レンズがフォーカス状態になるまで（戻り光が二分割センサーの中心に合致するまで）の移動量を算出することができる。このように、実際にフォーカス状態にならなくても、近傍範囲に入れば良いため、測定ワークを連続スキャンして測定ワークの表面形状を測定することができ、測定時間の短縮化を図ることができる。

また、二分割センサーの２つのセンサーの電圧差が近傍範囲外にある際に、測定ワークの水平方向への連続スキャンを停止させると、形状変化の多い表面形状でも、測定誤差の増大や測定データの欠けがなくなり、より正確な形状測定を行うことができる。

（米国指定）
本国際特許出願は米国指定に関し、２００９年２月２日に出願された日本国特許出願第２００９−２１９０３（２００９年２月２日出願）について米国特許法第１１９条（ａ）に基づく優先権の利益を援用し、当該開示内容を引用する。

Claims (3)

1. 測定ワークの表面に対して、上下方向でレーザープローブによるオートフォーカス制御を施しながら、測定ワークを水平方向へ連続的にスキャンさせ、
   オートフォーカス光学系においてレーザープローブの照射光（Ｌ）が対物レンズ（４）の光軸中心からはずれた位置を通り、レーザープローブの戻り光（Ｌ’）が二分割センサーの中心で受光されるように制御され、対物レンズの上下方向での移動量から測定ワークの表面形状を測定する非接触表面形状測定方法であって、
   測定ワークを水平方向に定速移動させ（Ｓ３）、
   前記二分割センサーの２つのセンサー間の電圧差を検出し、検出した電圧差がフォーカス位置からの変位に対してリニアになる近傍範囲内にあるかを検出し（Ｓ４）、
   電圧差が近傍範囲内にあるときに対物レンズの上下方向でのフォーカス位置に対する補正値を算出し、
   補正値を対物レンズの実際の上下方向での位置に加算して対物レンズの上下方向での移動量を算出し（Ｓ６）、
   前記検出した電圧差が前記近傍範囲内にないときには前記近傍範囲に入るまで連続スキャンによる定速移動を停止し、前記検出した電圧差が前記近傍範囲内に入ったときには連続スキャンを再開する（Ｓ４，Ｓ５）ことを特徴とする非接触表面形状測定方法。
2. 前記近傍範囲を、前記二分割センサーが電位差を検出できる範囲であって、検出した電位差がフォーカス位置からの変位に対して非線形な範囲まで拡張したことを特徴とする請求項１または２に記載の非接触表面形状測定方法。
3. 測定ワークの表面に対して、上下方向でレーザープローブによるオートフォーカス制御を施しながら、オートフォーカス光学系の対物レンズの上下方向での移動量から測定ワークの表面形状を測定する非接触表面形状測定装置であって、
   前記測定ワークを前記対物レンズの光軸に対して水平方向へ定速移動するために連続的にスキャンするスキャナーと、
   前記レーザープローブの照射光（Ｌ）が対物レンズ（４）の光軸中心からはずれた位置を通り、前記レーザープローブの戻り光（Ｌ’）が二分割センサー（Ｓ）の中心で受光されるように前記対物レンズの上下方向の移動量を制御するコントローラと
   を具備し、
   前記コントローラは、
   前記二分割センサーの２つのセンサー間の電圧差を検出し、検出した電圧差がフォーカス位置からの変位と線形関係にある近傍範囲内にあるかを検出し、
   電圧差が近傍範囲内にあるときに対物レンズの上下方向でのフォーカス位置に対する補正値を算出し、
   補正値を対物レンズの実際の上下方向での位置に加算して対物レンズの上下方向での移動量を算出し、
   前記検出した電圧差が前記近傍範囲内にないときには前記近傍範囲に入るまで連続スキャンによる定速移動を停止させ、前記検出した電圧差が前記近傍範囲内に入ったときには連続スキャンを再開することを特徴とする非接触表面形状測定装置。

Images