JP5648903B2 - Shape measuring device, shape measurement control program, and shape measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、被測定物の形状を光学的に測定する形状測定装置、形状測定制御プログラム及び形状測定方法に関する。例えば、カメラや半導体製造装置、望遠鏡等に用いられるレンズ、ミラー等の光学素子の形状を精密に測定可能なものであり、特に非球面形状の測定に好適なものである。 The present invention relates to a shape measuring apparatus, a shape measurement control program, and a shape measuring method for optically measuring the shape of an object to be measured. For example, it is possible to precisely measure the shape of an optical element such as a lens or mirror used in a camera, a semiconductor manufacturing apparatus, a telescope, etc., and is particularly suitable for measuring an aspherical shape.
被測定物の形状を測定する形状測定装置として、触針式のタッチプローブを利用した三次元測定装置が従来から広く用いられてきた。この手法では、触針を被測定物の測定面に接触させて高さ位置を計測し、これを測定面について多数の測定部位について多点計測し、測定点をカーブフィット等により演算処理して形状を測定するように構成されていた。触針の先端部には摩耗による測定誤差を排除するため、例えば工業用ルビーやセラミックなどの比較的硬質なスタイラスチップが取り付けられている。そのため、レンズ、ミラー等の光学素子の形状を測定する場合に、測定面に接触痕が残るおそれがあるという課題があった。 As a shape measuring device for measuring the shape of an object to be measured, a three-dimensional measuring device using a stylus type touch probe has been widely used. In this method, the height position is measured by bringing the stylus into contact with the measurement surface of the object to be measured, this is measured at multiple points on the measurement surface, and the measurement points are processed by curve fitting or the like. It was configured to measure the shape. In order to eliminate measurement errors due to wear, a relatively hard stylus tip such as an industrial ruby or ceramic is attached to the tip of the stylus. Therefore, when measuring the shape of an optical element such as a lens or a mirror, there is a problem that contact marks may remain on the measurement surface.
そこで、触針式のタッチプローブに代えてレーザ測長器の測定ヘッドを搭載し、被測定物の測定面に照射したプローブ光の戻り光を受光して測定ヘッドと測定面との間隔(測定面の高さ位置)を測長することにより、被測定物の形状を測定する非接触式の形状測定装置が提案されている(例えば特許文献1を参照)。このように、被測定物の形状を光学的に測定する非接触式の形状測定装置によれば上記接触痕の課題を解決することができる。 Therefore, instead of a stylus-type touch probe, a measurement head of a laser measuring instrument is mounted, and the return light of the probe light irradiated on the measurement surface of the object to be measured is received and the distance between the measurement head and the measurement surface (measurement) There has been proposed a non-contact type shape measuring apparatus that measures the shape of an object to be measured by measuring the height position of the surface (see, for example, Patent Document 1). Thus, according to the non-contact type shape measuring apparatus that optically measures the shape of the object to be measured, the problem of the contact mark can be solved.
しかしながら、上記のような従来の非接触式の形状測定装置においては、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブルや門型フレームの移動に伴う誤差を排除することが難しいという課題があった。例えば、多点計測する測定面上の測定部位を、第1測定部位、第2測定部位、第3測定部位…とした場合において、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させて測定部位を第1測定部位→第2測定部位→第3測定部位…のように移動させたときに、第2測定部位において被測定物が相対的に微小角度チルトした場合や微小量シフトした場合、あるいはプローブ光に揺らぎ(例えば周波数変動)が生じたような場合に、従来の非接触式の形状測定装置においては何れも測定面の高さ位置の変化として測定され、別途これらの誤差を検出する検出手段を設けない限り、相対移動に伴う誤差を補正することが困難であった。 However, in the conventional non-contact type shape measuring apparatus as described above, there is a problem that it is difficult to eliminate errors associated with the movement of the table or the portal frame for moving the object to be measured and the measuring head together. It was. For example, when the measurement site on the measurement surface for multipoint measurement is a first measurement site, a second measurement site, a third measurement site,..., The measurement site is moved by moving the measured object and the measurement head relative to each other. When the measurement object is moved as follows: first measurement site → second measurement site → third measurement site. In the case where fluctuations (for example, frequency fluctuations) occur in the light, all of the conventional non-contact type shape measuring devices are measured as changes in the height position of the measurement surface and separately detect these errors. Unless it is provided, it was difficult to correct the error accompanying the relative movement.
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブル等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定装置を提供することを目的とし、併せて、同様の効果を得ることができる形状測定制御プログラム、形状測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and can eliminate an error associated with movement of a table or the like that moves the object to be measured and the measurement head together, and the shape of the object to be measured can be reduced. An object of the present invention is to provide a shape measuring device capable of measuring with high accuracy, and also to provide a shape measuring control program and a shape measuring method capable of obtaining the same effect.
上記目的を達成するため、本発明を例示する第1の態様は形状測定装置である。この形状測定装置は、被測定物の形状を光学的に測定する形状測定装置であり、被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第1プローブ光及び第2プローブ光を照射するプローブ光照射手段(例えば、実施形態における光源部21及びプローブ光生成部22)と、測定面で反射された第1、第2プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第1受光信号、第2受光信号を出力する反射光受光手段(例えば、実施形態における受光部25)と、反射光受光手段から出力された第1、第2受光信号に基づいて測定面における第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段(例えば、実施形態における演算部53)と、被測定物と第1、第2プローブ光とを相体移動させて測定面における第1プローブ光及び第2プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段(例えば、実施形態におけるワーク移動ユニット10、ミラーユニット30等)と、測定ラインに沿った測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段(例えば、実施形態における記憶部52)と、基準形状記憶手段に設定記憶された基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段(例えば、実施形態における演算部53)と、プローブ光照射手段、反射光受光手段、角度算出手段及び照射位置移動手段の作動を制御する制御手段(例えば、実施形態における制御ユニット50)とを備える。制御手段は、照射位置移動手段により測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、各測定部位において角度変換手段により算出された基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される第1プローブ光が測定面に垂直入射するように照射位置移動手段の作動を制御するとともに、第1の測定部位において算出された第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度、及び第1の測定部位に隣接する第2の測定部位において算出された第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度における、第1、第2プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、第2または第1の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、当該誤差成分を補正して測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。
In order to achieve the above object, a first aspect illustrating the present invention is a shape measuring apparatus. This shape measuring device is a shape measuring device that optically measures the shape of the object to be measured, and the first probe light and the second probe whose irradiation positions are separated from the measurement surface of the object to be measured along the measurement line by a predetermined distance. Probe light irradiation means for irradiating light (for example, the light source unit 21 and the probe
なお、前記傾斜角度の誤差成分は、測定部位に固有の誤差成分の総和とすることができる。 The error component of the tilt angle can be the sum of error components unique to the measurement site .
また、前記制御手段は、前記測定ラインに沿った複数の測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出し補正して測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成することができる。 Further, the control means sequentially calculates the error component of the tilt angle of the other measurement site by setting the error component of the tilt angle of the predetermined measurement site in the plurality of measurement sites along the measurement line as a predetermined value. It can correct | amend and can comprise so that the shape of the measurement surface along a measurement line may be derived | led-out.
また、前記プローブ光照射手段は、第1、第2プローブ光を出射する光学ユニットと、水平に延びる軸回りに揺動可能に設けられ光学ユニットから出射された第1、第2プローブ光を反射して被測定物の測定面に照射するミラーとを備えて構成し、前記照射位置移動手段は、被測定物が保持されるワークホルダと、ワークホルダを水平面内で直交する二軸方向に移動させるX−Yステージと、ワークホルダの上方に設けられたミラーを揺動させて光学ユニットから出射された第1、第2プローブ光をワークホルダに保持された被測定物の測定面上で測定ラインに沿って移動させる走査機構とを備えて構成し、前記測定部位を測定ラインに沿って順次移動させる作動が、走査機構によりミラーを揺動させることにより行われるように構成しても良い。また、前記照射位置移動手段にワークホルダを上下に移動させるZステージを有し、前記制御手段は、光学ユニットから出射され測定面に照射される第1、第2プローブ光の光路長が、各測定部位において略同一となるように照射位置移動手段の作動を制御するように構成しても良い。 The probe light irradiating means reflects the first and second probe lights emitted from the optical unit provided so as to be swingable about an axis extending horizontally and the first and second probe lights. And the irradiation position moving means moves the work holder in a biaxial direction perpendicular to each other in a horizontal plane. The first and second probe lights emitted from the optical unit by swinging the XY stage to be moved and the mirror provided above the work holder are measured on the measurement surface of the object to be measured held by the work holder. And a scanning mechanism that moves along the line, and the operation of sequentially moving the measurement site along the measurement line is performed by swinging the mirror by the scanning mechanism. There. The irradiation position moving means has a Z stage for moving the work holder up and down, and the control means has optical path lengths of the first and second probe lights emitted from the optical unit and irradiated on the measurement surface. You may comprise so that the action | operation of an irradiation position moving means may be controlled so that it may become substantially the same in a measurement site | part.
また、前記被測定物と前記測定ラインとを上下に延びる旋回軸回りに相対回動させる旋回機構(例えば、実施形態におけるθzステージ)を備え、ワークホルダに保持された被測定物を旋回軸回りに相対回動させることにより、被測定物における任意の旋回角度位置の測定ラインに沿った形状を導出可能に構成しても良い。この場合において、旋回機構によりワークホルダに保持された被測定物を旋回軸回りに所定の角度ピッチで相対回動させて複数の旋回角度位置の測定ラインに沿った形状を測定することにより、測定面の形状を導出するように構成することができる。 In addition, a rotation mechanism (for example, a θz stage in the embodiment) that relatively rotates the object to be measured and the measurement line about a rotation axis extending vertically, and the object to be measured held by the work holder is rotated around the rotation axis. The shape along the measurement line at an arbitrary turning angle position of the object to be measured may be derived by relative rotation. In this case, the object to be measured held by the work holder by the turning mechanism is relatively rotated around the turning axis at a predetermined angular pitch, and the shape along the measurement lines at a plurality of turning angle positions is measured. It can be configured to derive the shape of the surface.
本発明を例示する第2の態様は形状測定制御プログラムである。この形状測定制御プログラムは、以下のような形状測定装置において制御手段が実行する形状測定制御プログラムである。形状測定装置は、被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第1プローブ光及び第2プローブ光を照射するプローブ光照射手段(例えば、実施形態における光源部21及びプローブ光生成部22)と、測定面で反射された第1、第2プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第1受光信号、第2受光信号を出力する反射光受光手段(例えば、実施形態における受光部25)と、反射光受光手段から出力された第1、第2受光信号に基づいて測定面における第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段(例えば、実施形態における演算部53)と、被測定物と第1、第2プローブ光とを相体移動させて測定面における第1、第2プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段(例えば、実施形態におけるワーク移動ユニット10、ミラーユニット30等)と、測定ラインに沿った測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段(例えば、実施形態における記憶部52)と、基準形状記憶手段に設定記憶された基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段(例えば、実施形態における演算部53)と、プローブ光照射手段、反射光受光手段、角度算出手段及び照射位置移動手段の作動を制御する制御手段(例えば、実施形態における制御ユニット50)とを備えて構成される。そして、第2の態様の形状測定制御プログラムは、照射位置移動手段により測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させるステップと、各測定部位において、角度変換手段により算出された基準傾斜角度に基づいて、照射位置移動手段により当該測定部位に照射される第1プローブ光を測定面に垂直入射させるステップと、各測定部位において反射光受光手段から出力される第1、第2受光信号を取得するステップと、取得された第1、第2受光信号から角度算出手段により第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出するステップと、第1の測定部位において算出された第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度と、第1の測定部位に隣接する第2の測定部位において算出された第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度とを取得するステップと、第1、第2の測定部位において第1、第2プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、第2または第1の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出するステップと、算出された誤差成分に基づいて前記第2または第1の測定部位における第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップとを有して構成される。
A second aspect illustrating the present invention is a shape measurement control program. This shape measurement control program is a shape measurement control program executed by the control means in the following shape measurement apparatus. The shape measuring apparatus includes probe light irradiating means for irradiating the first probe light and the second probe light whose irradiation positions are separated from each other along the measurement line on the measurement surface of the object to be measured (for example, the light source unit 21 and Probe light generator 22) and reflected light receiving means for receiving the reflected light of the first and second probe lights reflected by the measurement surface and outputting the first received light signal and the second received light signal according to the received light position ( For example, the angle for calculating the inclination angle of each irradiation position of the first and second probe lights on the measurement surface based on the light receiving unit 25) in the embodiment and the first and second light receiving signals output from the reflected light receiving means. The measurement unit (for example, the
なお、前記傾斜角度の誤差成分は、各測定部位に固有の誤差成分の総和とすることができる。 The error component of the tilt angle can be the sum of error components specific to each measurement site .
また、前記第2または第1の測定部位における第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップは、前記測定ラインに沿った複数の測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正するように構成することができる。 Further, the step of correcting the calculated value of the tilt angle of the irradiation position of the first and second probe light in the second or first measurement site may include the step of correcting a predetermined measurement site in a plurality of measurement sites along the measurement line. By setting the error component of the tilt angle to a predetermined value, the error component of the tilt angle of another measurement site can be calculated and corrected sequentially .
本発明を例示する第3の態様は形状測定方法である。この形状測定方法は被測定物の形状を光学的に測定する形状測定方法であり、プローブ光照射手段(例えば、実施形態における光源部21及びプローブ光生成部22)により、被測定物の測定面に測定ラインに沿って所定間隔離れた第1プローブ光及び第2プローブ光を照射し、このとき測定ラインに沿った測定面の基準形状を基準傾斜角度に変換し、この基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される第1プローブ光が前記測定面に垂直入射するように照射位置移動手段(例えば、実施形態におけるワーク移動ユニット10、ミラーユニット30等)により被測定物を移動させ、反射光受光手段(例えば、実施形態における受光部25)により測定面で反射された第1、第2プローブ光の反射光を受光して、反射光受光手段から受光位置に応じて出力される第1受光信号、第2受光信号に基づいて角度算出手段(例えば、実施形態における演算部53)により測定面における第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出し、照射位置移動手段により被測定物と第1、第2プローブ光とを相体移動させて測定面における第1、第2プローブ光による傾斜角度の測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、第1、第2の測定部位において第1、第2プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第2または第1の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、算出された誤差成分に基づいて第2または第1の測定部位における第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正して、測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。
A third aspect illustrating the present invention is a shape measuring method. This shape measuring method is a shape measuring method for optically measuring the shape of the object to be measured, and the measurement surface of the object to be measured by the probe light irradiation means (for example, the light source unit 21 and the probe
なお、前記傾斜角度の誤差成分は、各測定部位に固有の誤差成分の総和することができる。 The error component of the tilt angle can be the sum of error components unique to each measurement site .
また、前記第2または第1の測定部位における第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値の補正は、測定ラインに沿った複数の測定部位における所定の測定部位の傾斜角度の誤差成分を所定値とすることにより、他の測定部位の傾斜角度の誤差成分を順次算出して補正するように構成することができる。 In addition, the correction of the calculated value of the tilt angle of the irradiation position of the first or second probe light in the second or first measurement site is performed by changing the tilt angle of the predetermined measurement site in the plurality of measurement sites along the measurement line. By setting the error component to a predetermined value, it is possible to sequentially calculate and correct the error component of the tilt angle of another measurement site .
なお、本明細書において前記所定間隔と同程度離間した位置は、第1、第2プローブ光を測定ラインに沿って所定間隔移動させたときに、移動前後の第1、第2プローブ光が重複する範囲内で、移動前後に測定される傾斜角が同一視し得る誤差範囲内の位置領域をいい、例えば第1、第2プローブ光の照射位置間隔をdとしたときに0.5d〜2d程度離間した位置(好ましくは0.8〜1.2d程度離間した位置)が該当する。 In this specification, the first and second probe lights before and after the movement overlap when the first and second probe lights are moved along the measurement line at a predetermined distance. Within the range of error, the position area within the error range where the tilt angles measured before and after the movement can be regarded as the same, for example, 0.5d to 2d when the irradiation position interval of the first and second probe lights is d A position separated by a certain degree (preferably a position separated by about 0.8 to 1.2 d) is applicable.
本発明の第1の態様の形状測定装置においては、制御手段が、照射位置移動手段により測定部位を測定ラインに沿ってビーム間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、各測定部位ごとに角度算出手段により第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出させ、算出された複数の測定部位の傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。すなわち、照射位置移動手段により測定ラインに沿って移動される測定部位の移動間隔は、第1、第2プローブ光の測定ラインに沿った照射位置の間隔と同程度であり、測定面上において測定部位が移動されるごとにほぼ同一位置の傾斜角度が第1プローブ光と第2プローブ光とにより順次重複して計測され、このような傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状が導出される。 In the shape measuring apparatus according to the first aspect of the present invention, the control means sequentially moves the measurement site along the measurement line to a position separated by the same distance as the beam interval by the irradiation position moving device, and sets the angle for each measurement site. The calculation means is configured to calculate the tilt angles of the irradiation positions of the first and second probe lights, and to derive the shape of the measurement surface along the measurement line based on the calculated tilt angle information of the plurality of measurement sites. The That is, the movement interval of the measurement site moved along the measurement line by the irradiation position moving means is approximately the same as the interval of the irradiation position along the measurement line of the first and second probe lights, and is measured on the measurement surface. Each time the part is moved, the inclination angle at substantially the same position is sequentially and repeatedly measured by the first probe light and the second probe light, and the shape of the measurement surface along the measurement line based on such inclination angle information Is derived.
このような態様の形状測定装置によれば、例えば、既述したように多点計測する測定面の測定ライン上の測定部位を、第1測定部位、第2測定部位、第3測定部位…とした場合において、プローブ光照射手段及び反射光受光手段等を有する測定ヘッドと被測定物とを相体移動させて測定部位を第1測定部位→第2測定部位→第3測定部位…のように移動させたときに、第2測定部位において被測定物が相対的に微小角度チルトしたか否か等を検知することができる。 According to the shape measuring apparatus of such an aspect, for example, as described above, the measurement sites on the measurement line of the measurement surface that performs multipoint measurement are the first measurement site, the second measurement site, the third measurement site, and so on. In this case, the measurement head having the probe light irradiating means, the reflected light receiving means, etc. and the object to be measured are moved relative to each other to change the measurement part as follows: first measurement part → second measurement part → third measurement part. When moved, it is possible to detect whether or not the object to be measured has been tilted by a relatively small angle at the second measurement site.
すなわち、第2測定部位における第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度は、第1測定部位及び第3測定部位において第1、第2プローブ光により略同一照射位置の傾斜角度が計測されている。また、第2測定部位において被測定物が相対的に微小角度チルトしたような場合には、第2測定部位における第1、第2プローブ光の二つの照射位置の傾斜角度は同一方向に同一微小角度だけ変化する。そのため、複数の測定部位に関する傾斜角度情報に基づいて上記のような誤差成分を排除することができる。従って、第1の態様の形状測定装置によれば、簡明な構成で、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブル等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定装置を提供することができる。 That is, the inclination angle of the irradiation position of the first and second probe light in the second measurement site is measured by the first and second probe light in the first measurement site and the third measurement site. ing. When the object to be measured is tilted at a relatively small angle at the second measurement site, the tilt angles of the two irradiation positions of the first and second probe lights at the second measurement site are the same in the same direction. It changes by angle. Therefore, the above error components can be eliminated based on the tilt angle information regarding a plurality of measurement sites. Therefore, according to the shape measuring apparatus of the first aspect, with a simple configuration, it is possible to eliminate errors associated with movement of a table or the like that moves the object to be measured and the measurement head together, and the shape of the object to be measured It is possible to provide a shape measuring apparatus capable of measuring the above with high accuracy.
本発明の第2の態様の形状測定制御プログラムにおいては、測定部位を測定ラインに沿ってビーム間隔と同程度離間した位置に順次移動させるステップと、各測定部位において第1、第2プローブ光の受光信号を取得するステップ、及び第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出させるステップと、算出された複数の測定部位の傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出するステップと、導出された測定ラインに沿った測定面の形状を出力するステップとを有して構成される。 In the shape measurement control program according to the second aspect of the present invention, the step of sequentially moving the measurement site to a position that is approximately the same as the beam interval along the measurement line, and the first and second probe lights at each measurement site A step of obtaining a light reception signal, a step of calculating an inclination angle of the irradiation position of the first and second probe lights, and a shape of the measurement surface along the measurement line based on the calculated inclination angle information of the plurality of measurement parts And a step of outputting the shape of the measurement surface along the derived measurement line.
このような態様の形状測定制御プログラムによれば、第1の態様の形状測定装置について説明したのと同様に、複数の測定部位に関する傾斜角度情報に基づいて、プローブ光照射手段及び反射光受光手段等を有する測定ヘッドと被測定物とを相体移動させる際に生じ得る誤差成分を排除することができる。従って、第2の態様の形状測定制御プログラムによれば、簡明な制御構成で、被測定物と測定ヘッドとを相体移動させるテーブル等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定装置を提供することができる。 According to the shape measurement control program of such an aspect, the probe light irradiating means and the reflected light receiving means are based on the tilt angle information regarding the plurality of measurement parts, as described for the shape measuring apparatus of the first aspect. It is possible to eliminate an error component that may occur when the measurement head having the above and the object to be measured are moved relative to each other. Therefore, according to the shape measurement control program of the second aspect, it is possible to eliminate an error associated with movement of a table or the like that moves the object to be measured and the measurement head with a simple control configuration. It is possible to provide a shape measuring apparatus capable of measuring the shape of the above with high accuracy.
本発明の第3の態様の形状測定方法においては、被測定物に所定間隔離れた第1プローブ光及び第2プローブ光を照射し、測定面で反射された第1、第2プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じて出力される第1、第2受光信号に基づいて第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出し、第1、第2プローブ光による傾斜角度の測定部位を測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させて各測定部位における第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出して、複数の測定部位の傾斜角度情報に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状を導出するように構成される。 In the shape measurement method according to the third aspect of the present invention, the first probe light and the second probe light that are separated from each other by a predetermined distance are irradiated on the object to be measured, and the first and second probe lights reflected by the measurement surface are reflected. The inclination angle of each irradiation position of the first and second probe lights is calculated based on the first and second received light signals that are received according to the light reception position and received, and the inclination by the first and second probe lights is calculated. A plurality of measurements are performed by calculating the tilt angles of the irradiation positions of the first and second probe lights in each measurement part by sequentially moving the measurement part of the angle along the measurement line to a position spaced apart from the predetermined interval. A shape of the measurement surface along the measurement line is derived based on the inclination angle information of the part.
このような態様の形状測定方法によれば、以上説明した各態様と同様に、被測定物に対してプローブ光を相体移動させる際に生じ得る誤差成分を排除することができる。従って、本態様の形状測定方法によれば、簡便な構成で、被測定物とプローブ光とを相体移動させる際の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の形状を高精度に測定可能な形状測定方法を提供することができる。 According to the shape measuring method of such an aspect, an error component that can be generated when the probe light is moved relative to the object to be measured can be eliminated, as in each of the aspects described above. Therefore, according to the shape measuring method of this aspect, with a simple configuration, it is possible to eliminate an error associated with movement of the object to be measured and the probe light, and to accurately measure the shape of the object to be measured. It is possible to provide a shape measuring method capable of being measured.
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。まず、形状測定装置の全体構成について図1及び図2を参照して概要説明する。図1は本発明の態様を例示する形状測定装置LMSの概要構成図、図2は形状測定装置LMSにおける制御系の概要ブロック図である。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. First, the overall configuration of the shape measuring apparatus will be outlined with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a shape measuring apparatus LMS illustrating an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic block diagram of a control system in the shape measuring apparatus LMS.
説明を明瞭化するため、相互に直行するx軸、y軸、z軸から成る座標系を規定し図1中に示す。ここで、x軸は紙面に沿って左右に延びる軸、y軸は紙面を表裏貫通して前後に延びる軸、z軸は紙面に沿って上下に延びる軸であり、x−y平面が水平面、z軸が鉛直軸に相当する。なお、説明の便宜上から、図1に示す姿勢をもってx軸に沿った方向を左右方向、y軸に沿った方向を前後方向、z軸に沿った方向を上下方向ということがあるが、x,y,z各軸の取り方は任意であり、位置や姿勢を規定するものではない。 In order to clarify the explanation, a coordinate system composed of an x-axis, a y-axis and a z-axis orthogonal to each other is defined and shown in FIG. Here, the x axis is an axis extending left and right along the paper surface, the y axis is an axis extending front and back through the paper surface, the z axis is an axis extending vertically along the paper surface, the xy plane is a horizontal plane, The z axis corresponds to the vertical axis. For convenience of explanation, the direction along the x axis in the posture shown in FIG. 1 may be referred to as the horizontal direction, the direction along the y axis may be referred to as the front-rear direction, and the direction along the z axis may be referred to as the vertical direction. The method of taking each of the y and z axes is arbitrary, and does not define the position and orientation.
[形状測定装置の概要]
形状測定装置LMSは、大別的には、被測定物(ワーク)Wをx,y,zの各軸方向に移動させるワーク移動ユニット10と、形状測定用のプローブ光PL(第1プローブ光PL1,第2プローブ光PL2)を出射する光学ユニット20と、光学ユニット20から出射されたプローブ光PLを反射して被測定物に照射するミラーユニット30と、オペレータの操作に基づいてワーク移動ユニット10、光学ユニット20、ミラーユニット30等の各部の作動を制御する制御ユニット50などから構成される。
[Outline of shape measuring device]
The shape measuring apparatus LMS is broadly divided into a
ワーク移動ユニット10、光学ユニット20、及びミラーユニット30は、共通のベースフレーム81を基礎とし、温度及び湿度が所定値で一定となるように管理された環境チャンバ82内に設置される。
The
ワーク移動ユニット10は、ベースフレーム81に精密除振装置83を介して支持された定盤85に設けられており、被測定物Wを保持するワークホルダ15、定盤85とワークホルダ15との間に設けられワークホルダ15を水平面内で各々x軸方向(左右方向)、y軸方向(前後方向)に移動させるxステージ11及びyステージ12などを主体として構成される。本構成形態においては、ワークホルダ15をz軸方向(上下方向)に移動させるzステージ13、及びワークホルダ15を上下鉛直に延びるθz軸(旋回軸)回りに回動させるθzステージ(旋回機構)14を備えた構成を示す。なお、θzステージは、ミラーユニット30を、後述するθy軸と直交する鉛直軸回りに回動させるように構成しても良い。
The
ベースフレーム81には、ワーク移動ユニット10を左右に跨ぎ上部梁18bがワークホルダ15の上方を通る門型フレーム18が精密除振装置84を介して取り付けられている。門型フレーム18には、ワークホルダ15のx軸方向位置,y軸方向位置,z軸方向位置を検出するフィードバック制御用のxセンサ41,yセンサ42(図1において不図示),zセンサ43が設けられており、各センサにより検出されたワークホルダ15のx軸方向,y軸方向,z軸方向の位置検出信号が制御ユニット50に入力されている。
A
また、θzステージ14には、ワークホルダ15の旋回角度位置を検出するθzセンサ44が設けられており、θzセンサ44により検出されたワークホルダ15の旋回角度の位置検出信号が制御ユニット50に入力されている。なお、xセンサ41,yセンサ42,zセンサ43は、例えば、測長干渉計やリニアスケール等を用いることができ、θzセンサ44は、スケールが曲面形状のリニアスケールやロータリエンコーダを用いることができる。
The
光学ユニット20は、門型フレーム18の脚部18a上方に取り付けられており、光学ユニット20から出射されたプローブ光PL(PL1,PL2)が、門型フレームの上部梁18bに沿ってx軸方向に出射される。なお、光学ユニット20の詳細については後述する。
The
ミラーユニット30は、ワークホルダ15の直上に位置する上部梁18bの中央部に取り付けられている。ミラーユニット30は、光学ユニット20から上部梁18bに沿ってx軸方向に出射されたプローブ光PLを反射してワークホルダ15に保持された被測定物Wに照射するミラー31と、このミラー31を前後水平に延びるθy軸(揺動軸)33回りに揺動させるθy駆動機構(θyステージという)35などを備えて構成される。θy軸はミラー31の反射面(より詳細には、プローブ光の入射位置)を通るように設定される。
The
ミラーユニット30には、θyステージ35(ミラー31)の揺動角度位置を検出するθyセンサ45が取り付けられており、θyセンサ45により検出されたミラー31の揺動角度の位置検出信号が制御ユニット50に入力されている。θyセンサ45はスケールが曲面形状のリニアスケールやロータリエンコーダ等を用いることができる。
The
制御ユニット50は、オペレータが作動操作を行う操作部51、被測定物の基準形状等を記憶する記憶部52、各種の演算処理を行う演算部53、演算部53から出力される指令信号に基づいてx,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35の作動を制御するステージ制御部54、演算部53から出力される指令信号に基づいて後述する光学ユニット20の作動を制御する計測制御部55、外部と信号の入出力を行うI/O部56などを備えて構成される。
The
このように概要構成される形状測定装置LMSにおいては、光学ユニット20から出射されたプローブ光PLをミラー31を介して被測定物Wの測定面に照射し、測定面で反射された反射光を光学ユニット20内の受光素子で受光して受光位置を検出することにより、プローブ光PLが照射された照射位置の傾斜角度を求めることができる。そして、制御ユニット50により各ステージの作動を制御してプローブ光PLと被測定物Wとを相体移動させ、プローブ光PLの照射位置を順次移動させることにより測定面上の各部の傾斜角度を計測することができ、多点計測された傾斜角度のデータを積分処理やフィッティング処理等の手法により演算処理することで測定面の形状を導出することができる。
In the profile measuring apparatus LMS configured as described above, the probe light PL emitted from the
図3及び図4に、プローブ光PLと被測定物Wとを相体移動させてプローブ光の照射位置を移動させる移動パターンを例示する。両図は、ワークホルダ15に保持された被測定物W(W1,W2)を上方から見た模式図であり、プローブ光PLが移動する測定面上の測定ライン(プローブ光の走査ライン)をL1〜L3で示している。
3 and 4 illustrate movement patterns in which the probe light PL and the object W to be measured are moved together to move the probe light irradiation position. Both figures are schematic views of the object to be measured W (W 1 , W 2 ) held on the
図3は、矩形平板状の被測定物W1を計測する場合に好適な移動パターンの一例である。この例では、プローブ光PLが測定面の左上端のスタートポイントSPに照射された状態から、xステージ11を断続的または連続的に作動させてプローブ光PLを測定ラインL1に沿って移動させ、測定ラインL1上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインL1に沿った測定面の形状を計測する。次に、yステージ12を作動させて被測定物Wを図3における上方に移動させた後、xステージ11を作動させてプローブ光を測定ラインL2に沿って移動させ、測定ラインL2上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインL2に沿った測定面の形状を計測する。以下同様にyステージ12、xステージ11を作動させ測定ラインL3…に沿った測定面の形状を計測する。
Figure 3 is an example of a preferred movement pattern when measuring a rectangular flat plate shape of the workpiece W 1. In this example, the probe light PL is moved along the measurement line L 1 by operating the
これにより、被測定物W1について測定面全体を平行なライン状に形状測定した測定データを得ることができる。また、上記測定後にθzステージ14により被測定物Wを所定角度(例えば90度)回動して当該旋回角度位置で保持し、再びxステージ11及びyステージ12の交互移動により測定ラインに沿った測定面の形状測定を行うことにより、測定面全体を格子状に形状測定した測定データを得ることもできる。
Thereby, it is possible to obtain measurement data obtained by measuring the shape of the entire measurement surface of the object to be measured W 1 in parallel lines. Further, after the above measurement, the object W is rotated by a predetermined angle (for example, 90 degrees) by the
図4は、円形平板状の被測定物W2を計測する場合に好適な移動パターンの一例である。本例においては、まず、x軸ステージ11を作動させて被測定物W2を移動させたとき、またはθyステージ35を作動させてプローブ光PLを移動させたときに、相体移動されるプローブ光PLが被測定物Wの円の中心を通るように、yステージ12により被測定物Wのy軸方向位置をアライメントしておく。
Figure 4 is an example of a preferred movement pattern when measuring a circular plate-shaped object to be measured W 2. In this example, when the
そして、図4(a)に示すように、プローブ光PLが測定面の左端のスタートポイントSPに照射された状態から、xステージ11を断続的または連続的に作動させてプローブ光PLを測定ラインL1に沿って移動させ、測定ラインL1上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインL1に沿った測定面の形状を計測する。次に、図4(b)に示すように、プθzステージ14により被測定物Wを所定角度(例えば2度)回動して当該旋回角度位置で保持し、再びxステージ11をプローブ光を測定ラインL2に沿って移動させ、測定ラインL2上の各測定点で検出した傾斜角度から測定ラインL2に沿った測定面の形状を計測する。以下同様にθzステージ14、xステージ11を作動させ測定ラインL3…に沿った測定面の形状を計測する。
Then, as shown in FIG. 4A, the x-stage 11 is operated intermittently or continuously from the state in which the probe light PL is irradiated to the start point SP at the left end of the measurement surface, and the probe light PL is measured. is moved along the L 1, the shape of the measurement surface measures a along the measurement line L 1 from the tilt angle detected at each measurement point on the measurement line L 1. Next, as shown in FIG. 4B, the workpiece W is rotated by a predetermined angle (for example, 2 degrees) by the
これにより、被測定物W2について測定面全体を放射状に形状測定した測定データを得ることができる。なお、被測定物W2についても、前述した被測定物W1と同様にライン状または格子状の移動パターンで測定面全体を形状測定することができ、被測定物W1について放射状の移動パターンで測定面全体を形状測定することもできる。 Accordingly, it is possible to obtain a measurement data shape measurement across the measuring surface radially about the measured object W 2. As for the object to be measured W 2 , it is possible to measure the shape of the entire measurement surface with a linear or grid-like movement pattern in the same manner as the object to be measured W 1 described above, and a radial movement pattern for the object to be measured W 1. It is also possible to measure the shape of the entire measurement surface.
[光学ユニットの構成]
次に、光学ユニット20について、図5を参照して説明する。光学ユニット20は、レーザ光を出射する光源部21、光源部21から出射されたレーザ光を所定のビーム間隔で平行に延びる複数のプローブ光にして出射するプローブ光生成部22、プローブ光生成部22から出射され被測定物Wの測定面Wsで反射された反射光を受光する受光部25などを主体として構成される。光学ユニット20は、原理的には、測定面Wsの傾斜角度を測定するオートコリメータ方式の角度測定装置に相当する。
[Configuration of optical unit]
Next, the
実施形態においては、光源部21により発生されたレーザ光LBを、プローブ光生成部22において二つに分割し及び結合して、所定間隔で平行に出射する第1プローブ光PL1及び第2プローブ光PL2を生成した構成を例示する。また、光学ユニット20に、プローブ光生成部22において生成された第1,第2プローブ光PL1,PL2の揺らぎを検出するプローブ光モニター部23を設けた構成を例示する。
In the embodiment, the laser light LB generated by the light source unit 21 is divided into two at the probe
光源部21は、レーザ光LBを発生するレーザ光源211、プローブ光生成部22側からの戻り光を遮断するアイソレータ212、レーザ光源211により発生されたレーザ光LBのオン・オフを切り替えるシャッタ213などを備えて構成される。
The light source unit 21 includes a
レーザ光源211は、所定波長で安定化されポインティングスタビリティが高いレーザ光を安定的に発生するレーザであり、例えば発振波長が可視領域のDFB(Distributed Feedback)半導体レーザやDBR(Distributed Bragg Reflector)半導体レーザ、あるいは周波数が安定化されたHe-Neレーザなどが好適に用いられる。レーザ光源211から出射されるレーザ光LBは、偏光面が紙面に45度の角度で交わる直線偏光、または円偏光で出力される。シャッタ213は、EOM(Electro Optic Modulator)やAOM(Acousto Optic Modulator)を利用した電子シャッタ、あるいは光路を機械的に遮断するメカニカルシャッタを用いて構成することができる。
The
プローブ光生成部22は、レーザ光発生部21から出射されたレーザ光LBを二分割する偏向ビームスプリッタ221、及び結合する偏光ビームスプリッタ222、分割された各光路に設けられた1/2波長板223,224、シャッタ225,226、ミラー227,228などを備えて構成される。
The probe
偏光ビームスプリッタ221は、レーザ光発生部21から出射されたレーザ光LBを、偏光面が紙面に平行なp偏光のレーザ光と紙面に垂直なs偏光のレーザ光とに分割する。例えば、偏光面が紙面に平行なp偏光のレーザ光を透過し、偏光面が紙面に垂直なs偏光のレーザ光とに分離する。p偏光のレーザ光及びs偏光のレーザ光は、各光路に設けられた1/2波長板223,224を透過することにより迷光が除去され偏光率が高い直線偏光のレーザ光となる。
The
偏光ビームスプリッタ222は、p偏光のレーザ光とs偏光のレーザ光とを一体に結合し所定間隔で平行に出射する第1プローブ光PL1及び第2プローブ光PL2を生成する。例えば、p偏光のレーザ光を透過しs偏光のレーザ光を反射することにより、両偏光成分のレーザ光を一体に結合し、p偏光の第1プローブ光PL1とs偏光の第2プローブ光PL2を生成する。
The
ここで、ミラー228には、このミラー228の位置及び角度を調整することにより、第1プローブ光PL1と第2プローブ光PL2との間隔を調整可能なミラー調整機構229が設けられている。ミラー調整機構229は、ミラー228の位置(図5において紙面に沿った左右または上下方向の位置)を調整する位置調整構造と、ミラー228の紙面に直行する軸回りの角度位置を調整する角度調整構造とにより構成される。
Here, the
このミラー調整機構229により、ミラー228の位置(例えば図5における左右方向の位置)を調整することにより、偏光ビームスプリッタ222に入射するs偏光のレーザ光の入射位置を左右に平行移動させて、第1プローブ光PL1と第2プローブ光PL2の間隔を調整することができる。また、ミラー調整機構229により、ミラー228の角度位置を調整することにより、偏光ビームスプリッタ222に入射するs偏光のレーザ光の入射角度を変化させて、第1プローブ光PL1と第2プローブ光PL2の平行度を調整することができる。そして、これらを組み合わせることにより、プローブ光生成部22から、p偏向の第1プローブ光PL1とs偏向の第2プローブ光PL2とを任意間隔で平行に出射させることができる。
By adjusting the position of the mirror 228 (for example, the position in the left-right direction in FIG. 5) by the
シャッタ225,226は、前述したシャッタ213と同様に、EOMやAOM等を用いて構成することができる。このシャッタ225,226を備えたことによりp偏光の第1プローブ光PL1とs偏光の第2プローブ光PL2とを選択的に切り替えてプローブ光生成部22から出射させることが可能になっている。
The
プローブ光生成部22から出射された第1プローブ光PL1及び第2プローブ光PL2はビームスプリッタ251に入射し、一部がプローブ光モニター部23に導かれ、他が光学ユニット20から出射する。
The first probe light PL <b> 1 and the second probe light PL <b> 2 emitted from the probe
プローブ光モニター部23には、導入された第1,第2プローブ光PL1,PL2を二つに分割するビームスプリッタ231、各々第1プローブ光PL1と第2プローブ光PL2との間隔を検出する第1ビーム間隔センサ235及び第2ビーム間隔センサ236が設けられている。第1ビーム間隔センサ235はビームスプリッタ231に近接して設けられており、レーザ光源211からセンサまでの光路長が短い短光路でのビーム間隔(第1ビーム間隔)が検出される。一方、第2ビーム間隔センサ236はビームスプリッタ231から離間して設けられており、レーザ光源211からセンサまでの光路長が長い長光路でのビーム間隔(第2ビーム間隔)が検出される。
The probe
このため、第1ビーム間隔センサ235及び第2ビーム間隔センサ236により検出される第1ビーム間隔及び第2ビーム間隔をモニターすることにより、第1,第2プローブ光PL1,PL2の変動(揺らぎ)状態を検知することができる。すなわち、第1,第2プローブ光PL1,PL2の照射位置が変化したときに、その位置変動が第1,第2プローブ光PL1,PL2の平行シフトなのか角度変化なのか、及びシフト量、角度変化量を検知することができ、これに基づいて補正を行うことが可能になっている。
Therefore, by monitoring the first beam interval and the second beam interval detected by the first
光学ユニット20から出射した第1プローブ光PL1及び第2プローブ光PL2は、図示省略する集光レンズ及びミラーユニットのミラー31を介して被測定物Wの測定面Wsに照射される。このとき、後に詳述するように、制御ユニット50によりx,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35の作動が制御され、測定面Wsの測定部位にかかわらず、光学ユニット20から出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2が略一定の光路長で測定面Wsに垂直入射するように制御される。
The first probe light PL1 and the second probe light PL2 emitted from the
測定面Ws上における第1,第2プローブ光PL1,PL2の並ぶ方向、すなわち、第1プローブ光PL1のビーム中心と第2プローブ光PL2のビーム中心とを結ぶ線分が延びる方向は、これらのプローブ光が走査する測定ラインに沿うように設定される。本構成形態においては、測定ラインはx軸方向であり、光学ユニット20からz軸方向に並んで出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2がミラー31により反射され、測定面Ws上においてx軸方向に並んで照射される。
The direction in which the first and second probe lights PL1 and PL2 are arranged on the measurement surface Ws, that is, the direction in which the line segment connecting the beam center of the first probe light PL1 and the beam center of the second probe light PL2 extends, It is set along the measurement line that the probe light scans. In the present configuration, the measurement line is in the x-axis direction, and the first and second probe lights PL1 and PL2 emitted side by side in the z-axis direction from the
測定面Ws上における第1,第2プローブ光PL1,PL2のビーム間隔dは、測定面Wsの曲率や目標とする分解能等に応じて適宜に選択し、ミラー調整機構229により設定することができる。例えば、測定面Wsの曲率半径が10mよりも大きく、目標とする分解能がnmオーダのような場合には、測定面Ws上における第1,第2プローブ光PL1,PL2のビーム間隔d=10〜50μm程度が好適なビーム間隔として例示される。
The beam interval d of the first and second probe lights PL1 and PL2 on the measurement surface Ws can be appropriately selected according to the curvature of the measurement surface Ws, the target resolution, and the like, and can be set by the
測定面Wsで正反射された第1プローブ光PL1の反射光(以下、「第1反射光」という)RL1、及び第2プローブ光PL2の反射光(以下、「第2反射光」という)RL2は、ミラー31を介して光学ユニット20に戻り、ビームスプリッタ251により反射されて受光部25に入射する。
Reflected light (hereinafter referred to as “first reflected light”) RL1 of the first probe light PL1 specularly reflected by the measurement surface Ws and reflected light (hereinafter referred to as “second reflected light”) RL2 of the second probe light PL2. Returns to the
受光部25には、第1反射光RL1及び第2反射光RL2を受光し、第1反射光RL1の受光位置に応じた第1受光信号LS1、及び第2反射光RL2の受光位置に応じた第2受光信号LS2を出力する受光素子255が設けられている。受光素子255は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor)を用いて構成することができる。なお、受光素子255に入射した反射光RL(第1反射光RL1,第2反射光RL2)のビーム位置は、反射光RLの画像(画素信号)を公知の手法により処理することで求められる。
The
本構成形態においては、ビームスプリッタ251と受光素子255との間に、第1反射光RL1と第2反射光RL2とが受光素子255で重複しないように、すなわち第1反射光RL1と第2反射光RL2とが独立した二つのビームとして入射するように、第1反射光RL1と第2反射光RL2とを分離する反射光分離素子253が設けられている。
In this configuration, the first reflected light RL1 and the second reflected light RL2 are not overlapped by the
反射光分離素子253は、本構成例において、第1反射光RL1と第2反射光RL2の偏光特性の相違を利用して構成することができる。例えば図6(a)に示すように、入射光の偏光方向により屈折率が異なる複屈折材料を利用した複屈折ハービング253a、図6(b)に示すように、入射光の偏光方向により屈折率が異なる複屈折材料を組み合わせたウォラストンプリズム253b、図示省略するローションプリズムなどを用いて構成することができる。
In the present configuration example, the reflected
このように、第1反射光RL1と第2反射光RL2とを分離する反射光分離素子253をビームスプリッタ251と受光素子255との間に設けることにより、第1反射光RL1及び第2反射光RL2の位置検出精度を向上させることができる。すなわち、測定面Ws上における第1,第2プローブ光PL1,PL2のビーム間隔d(例えば30μm)が、各プローブ光のスポットサイズ(例えばφ2mm)と比較して小さく、そのままでは受光素子255において第1反射光RL1と第2反射光RL2とが重複した一つのダルマ状のビームになるような場合であっても、反射光分離素子253により各々独立した二つの円形のビームに分離することができ、第1,第2反射光RL1,RL2の位置検出精度を大幅に向上させることができる。なお、プローブ光生成部22に設けたシャッタ225,226により第1反射光RL1と第2反射光RL2とを時間的に分離してもよい。
Thus, by providing the reflected
このようにして受光素子255により検出され、受光素子255から出力された第1受光信号LS1及び第2受光信号LS2は、所定光路長を伝播した第1反射光RL1及び第2反射光RL2の位置を表しており、これらの受光信号LS1,LS2に基づいて測定面Wsにおける第1,第2プローブ光PL1,PL2の照射位置の傾き角度を算出することができる。そして、測定面Wsにおいて第1,第2プローブ光PL1,PL2の照射位置を変化させて複数の測定部位において測定面の傾斜角度を測定し、測定された各測定部位の傾斜角度情報を積分処理及びフィッティング処理することにより測定面Wsの形状を導出することができる。
The first light reception signal LS1 and the second light reception signal LS2 detected by the
なお、以上説明した実施形態では、光源部21により発生された一つのレーザ光LBを、プローブ光生成部22において二分割し結合して二つのプローブ光を生成した構成を例示したが、光学ユニット20から出射されるプローブ光の数が複数(n(nは2以上の自然数))であれば良い。例えば、光源部21により発生された一つのレーザ光LBをプローブ光生成部22において三以上に分割し結合してもよく、また光源部21から出射されるレーザ光LBを複数(例えば偏光状態が異なるn個のレーザ光、あるいは波長が異なるn個のレーザ光など)とし、プローブ光生成部22において結合するように構成しても良い。
In the above-described embodiment, the configuration in which one laser beam LB generated by the light source unit 21 is divided into two at the probe
[制御ユニットの構成]
次に、制御ユニット50装置の構成について、図2を再度参照して、もう少し詳しく説明する。概要説明したように、制御ユニット50は、オペレータが作動操作を行う操作部51、被測定物Wの基準形状等を記憶する記憶部52、各種の演算処理を行う演算部53、演算部53から出力される指令信号に基づいてx,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35の作動を制御するステージ制御部54、演算部53から出力される指令信号に基づいて光学ユニット20の作動を制御する計測制御部55、外部と信号の入出力を行うI/O部56などを備えて構成される。
[Control unit configuration]
Next, the configuration of the
操作部51には、種々の画像やアイコン類、測定結果などを表示する液晶表示パネル、数値や文字情報を入力するキーボード、アイコンの選択操作等を行うマウス、オンオフスイッチやロータリースイッチ等の各種スイッチ類、磁気記録媒体やUSBメモリー等に記録された測定面Wsの基準形状のデータや測定結果等を読み書き可能なリーダーライター等が設けられており、対話形式で測定面Wsのタイプ(例えば、平面、球面、非球面、シリンドリカル等)や測定パターン(ライン状、格子状、放射状等)に対応した形状測定が行えるようになっている。
The
記憶部52は、ROMやRAM等の記憶素子が複数設けられて構成される。ROMには、形状測定装置LMSの各部の作動を制御する制御プログラム、被測定物Wのタイプや測定パターンに対応した測定プログラムなどが予め設定記憶されている。操作部51において被測定物Wのタイプや測定パターンが選択設定され、対応する測定プログラムが制御プログラムに組み込まれることにより、被測定物Wに好適な形状測定装置が構成される。
The
RAMには、操作部51に設けられたリーダーライターまたはI/O部56を介して読み込まれた被測定物の測定面Wsの基準形状(設計値のベクターデータ)、測定プログラムに設定された測定ライン上の測定部位における各プローブ光照射位置の基準傾斜角度、測定プログラムの実行中に受光素子255から出力される各測定部位の第1受光信号LS1及び第2受光信号LS2、などが一時記憶される。
In the RAM, the reference shape (vector data of design values) of the measurement surface Ws of the measurement object read via the reader / writer provided in the
演算部53は、CPUやシフトレジスター等により構成され、記憶部52に予め設定記憶された制御プログラム及び測定プログラムに基づいて各種の演算処理を行い、ステージ制御部54や計測制御部55等に指令信号を出力して、ワーク移動ユニット10、光学ユニット20、ミラーユニット30の作動を制御する。
The
ステージ制御部54は、演算部53から出力される指令信号に基づいてワーク移動ユニット10のxステージ11、yステージ12、zステージ13、θzステージ14、ミラーユニット30のθyステージ35等に駆動信号を出力し、各ステージの作動を制御する。計測制御部55は、演算部53から出力される指令信号に基づいて光学ユニット20の光源部21(レーザ光源211、シャッタ213)、プローブ光生成部22(シャッタ225,226、ミラー調整機構229)、受光部25(受光素子255)等に測定制御信号を出力し測定面Wsの形状測定を制御する。
The
演算部53は、x,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35について、測定面Wsの測定部位にかかわらず、光学ユニット20から出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2が略一定の光路長で測定面Wsに垂直入射するように制御する。
The
プローブ光の光路長一定かつ測定面への垂直入射を実現するため、具体的には制御プログラムに基づいて以下のような制御が実行される。演算部53は、記憶部52に設定記憶された測定面Ws全体の基準形状から、測定プログラムで設定された測定ラインに沿った測定面Wsの基準形状(断面形状)を算出する。次いで、測定プログラムにおいて測定ライン上に設定された測定点について、その測定点の傾斜角度を算出する。
Specifically, the following control is executed based on a control program in order to realize a constant optical path length of the probe light and perpendicular incidence to the measurement surface. The
次に、算出された各測定点の傾斜角度から、その測定部位にプローブ光PLを垂直入射させるためのθzステージ14(被測定物W)及びθyステージ35(ミラー31)の角度位置、並びにミラー31〜測定点の距離を所定値とするためのxステージ11、yステージ12、zステージ13の座標位置を算出する。次いで、算出された各ステージの位置に基づいた駆動信号を生成し、x,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35に駆動信号を出力して、被測定物W及びミラー31を位置決めさせる。
Next, from the calculated inclination angles of the respective measurement points, the angle positions of the θz stage 14 (measurement object W) and the θy stage 35 (mirror 31) for allowing the probe light PL to vertically enter the measurement site, and the mirror The coordinate positions of the
そして、位置決めされた被測定物Wに対し、計測制御部55から光学ユニット20のシャッタ211をオンにする計測制御信号を出力させて光学ユニット20から第1,2プローブ光PL1,PL2を出射させる。これにより、光学ユニット20から出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2を略一定の光路長で測定面Wsに垂直入射させることができる。
Then, a measurement control signal for turning on the
最も単純な例として、被測定物Wが矩形平板である場合、測定ラインは図3に示したように平行なライン状に初期設定され、被測定物Wが円形平板である場合、測定ラインは図4に示したように中心を通る放射状に初期設定される。これらの場合、測定面Wsが平面であることから、x軸に沿って測定ライン上に設定された各測定点の傾斜角度は何れも水平である。そこで、演算部53は、θyステージ35にミラー31の反射面がx−z平面内で45度下傾した揺動角度位置になる指令信号を出力してその角度位置で固定し、zステージ13に測定面Wsが所定の座標位置になる指令信号を出力してその高さ位置で固定する。以降は、xステージ11のみ所定間隔で移動させることにより、各測定部位において光学ユニット20から出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2を一定の光路長で垂直入射させることができる。
As the simplest example, when the object to be measured W is a rectangular flat plate, the measurement line is initially set to a parallel line as shown in FIG. 3, and when the object to be measured W is a circular flat plate, the measurement line is As shown in FIG. 4, the initial setting is a radial pattern passing through the center. In these cases, since the measurement surface Ws is a flat surface, the inclination angles of the measurement points set on the measurement line along the x axis are all horizontal. Accordingly, the
被測定物の測定面Wsが軸対称性を有する球面形状や非球面形状である場合、測定ラインは中心の対象軸を通る放射状に初期設定される。この場合において、図7に示すように、測定物の直径が比較的小径(ミラー31の揺動によるプローブ光の走査角度範囲内)であり、測定面Wsの曲率半径rが比較的小さい(例えば100〜500mm程度の)凹の球面形状であるような場合には、θyステージ35のみを作動させてx軸に沿った測定ライン上の各測定部位において光学ユニット20から出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2を一定の光路長で略垂直入射させることができる。
When the measurement surface Ws of the object to be measured is a spherical shape or aspherical shape having axial symmetry, the measurement line is initially set to a radial shape passing through the central target axis. In this case, as shown in FIG. 7, the diameter of the measurement object is relatively small (within the scanning angle range of the probe light due to the swing of the mirror 31), and the curvature radius r of the measurement surface Ws is relatively small (for example, In the case of a concave spherical shape (about 100 to 500 mm), only the
すなわち、ミラー31の反射面がx−z平面内で45度下傾した角度位置において第1,第2プローブ光PL1,PL2が測定面Wsの対象軸に沿って中心部に入射し、ミラー31と測定面Wsとの間隔が曲率半径rと一致するように測定面Wsの位置を初期設定することで、以降は、θyステージ35によりプローブ光を所定角度ピッチで揺動させるだけでx軸に沿った測定ライン上の各測定部位において第1,第2プローブ光PL1,PL2を一定の光路長で略垂直入射させることができる。
That is, the first and second probe lights PL1 and PL2 enter the central portion along the target axis of the measurement surface Ws at an angular position where the reflection surface of the
一方、測定面Wsの曲率半径rが比較的大きい場合や凸面である場合、あるいは非球面であるような場合には、ミラー31の角度位置を調整するだけでは、測定ライン上の各測定部位において第1,第2プローブ光PL1,PL2を一定の光路長で垂直入射させることは困難である。
On the other hand, when the radius of curvature r of the measurement surface Ws is relatively large, a convex surface, or an aspheric surface, simply adjusting the angular position of the
例えば、被測定物の測定面Wsが非球面形状であり、図8(a)に示すように、軸心部の測定部位Pwaの曲率半径がr1、周縁部の測定部位Pwb及びPwcの曲率半径がr2であるような場合である。この場合、ミラー31の角度位置を調整するだけでは、測定部位Pwb及びPwcに第1,第2プローブ光PL1,PL2を垂直入射させることができず、また測定部位Pwaの傾斜角度を測定するときの光路長(具体的には、ミラー31の反射点P31と測定部位Pwaとの距離)と、測定部位Pwb及びPwcの傾斜角度を測定するときの光路長(同上、ミラー31の反射点P31と測定部位PwbまたはPwcとの距離)を、一定にすることができない。
For example, the measurement surface Ws of the object to be measured has an aspherical shape, and as shown in FIG. 8A, the radius of curvature of the measurement part Pwa in the axial center is r 1 , and the curvatures of the measurement parts Pwb and Pwc in the peripheral part. This is the case when the radius is r 2 . In this case, the first and second probe lights PL1 and PL2 cannot be vertically incident on the measurement sites Pwb and Pwc only by adjusting the angular position of the
このような場合に、演算部53は、記憶部52に予め設定記憶された測定面Ws全体の基準形状を読み出して、測定ラインに沿った測定面の基準形状を算出し、測定ライン上に設定された測定部位Pwa,Pwb,Pwc…について、各測定点の傾斜角度を算出する。次いで、例えば、測定部位Pwaの傾斜角度を測定するときの光路長を基準とし、図8(b)に示すように、測定部位Pwbの傾斜角度を測定するときのプローブ光の入射角度(例えば、第1プローブ光の入射角度、あるいは後述するプローブ光軸の交差角)が測定面に垂直になり、かつ光路長が測定部位Pwaの傾斜角度を測定するときの光路長と同一になるように、θyステージ35の角度位置、xステージ11及びzステージ13の座標位置を算出する。
In such a case, the
そして、各測定部位に応じて算出されたステージ位置に基づいた駆動信号をx,z,θyステージ11,13,35に出力して被測定物W及びミラー31を移動及び位置決めさせることにより、光学ユニット20から出射された第1,第2プローブ光PL1,PL2を略一定の光路長で測定面Wsに垂直入射させることができる。測定面Wsの曲率半径rが比較的大きい場合や凸面である場合についても、同様の処理を行うことにより第1,第2プローブ光PL1,PL2を略一定の光路長で測定面Wsに垂直入射させることができる。
Then, a drive signal based on the stage position calculated according to each measurement site is output to the x, z, θy stages 11, 13, and 35, and the object to be measured W and the
なお、プローブ光を測定面Wsに垂直入射させる場合に、第1プローブ光PL1及び第2プローブ光PL2のいずれかを基準としてステージ位置を算出することができるほか、第1プローブ光PL1の光軸と第2プローブ光PL2の光軸の中間を通る仮想のプローブ光軸を規定し、このプローブ光軸が測定面Wsに垂直に交わるようにステージ位置を算出することができる。本構成形態の場合には、第1プローブ光と第2プローブ光とのビーム間隔は数十μm程度であり、何れを基準としても第1プローブ光及び第2プローブ光を実質的に一定の光路長で垂直入射させることができる。 When the probe light is perpendicularly incident on the measurement surface Ws, the stage position can be calculated based on either the first probe light PL1 or the second probe light PL2, and the optical axis of the first probe light PL1. And a virtual probe optical axis passing through the middle of the optical axis of the second probe light PL2 are defined, and the stage position can be calculated so that this probe optical axis intersects the measurement surface Ws perpendicularly. In the case of this configuration, the beam interval between the first probe light and the second probe light is about several tens of μm, and the first probe light and the second probe light are substantially constant in any optical path regardless of which is the reference. Long and perpendicular incidence is possible.
厳密には、前者の場合に第2プローブ光または第1プローブ光について、垂直入射から微小角度傾いた相対的な傾斜角度分が補正項として加味され、後者の場合には第1プローブ光及び第2プローブ光の両者について、プローブ光軸が交わる測定面の傾斜角に対する第1,第2プローブ光PL1,PL2の各照射位置の相対的な傾斜角度分が垂直入射補正項として加味される。 Strictly speaking, in the former case, the relative inclination angle of the second probe light or the first probe light that is slightly inclined from the normal incidence is added as a correction term. In the latter case, the first probe light and the first probe light are added. For both of the two probe lights, the relative inclination angle of each irradiation position of the first and second probe lights PL1 and PL2 with respect to the inclination angle of the measurement surface where the probe optical axes intersect is added as a normal incidence correction term.
[二つのプローブ光による傾斜角度測定]
上記のようにして一定の光路長で測定面Wsに垂直入射される第1,第2プローブ光PL1,PL2は、測定面上においてx軸方向に延びる測定ラインLに沿って所定間隔d離れて照射される。図9(a)は、測定面Wsに照射された第1,第2プローブ光PL1,PL2を模式的に示した平面図であり、二つのプローブ光が一組になってステージの駆動により一体的に移動する測定部位が形成される。図では便宜的に第1,第2プローブ光PL1,PL2を囲む楕円で測定部位を表している。
[Inclination angle measurement using two probe lights]
As described above, the first and second probe lights PL1 and PL2 perpendicularly incident on the measurement surface Ws with a constant optical path length are separated by a predetermined distance d along the measurement line L extending in the x-axis direction on the measurement surface. Irradiated. FIG. 9A is a plan view schematically showing the first and second probe lights PL1 and PL2 irradiated on the measurement surface Ws. The two probe lights are combined into one set by driving the stage. The measurement site that moves automatically is formed. In the figure, for convenience, the measurement site is indicated by an ellipse surrounding the first and second probe lights PL1 and PL2.
形状測定装置LMSにおいては、図9(b)に示すように、x軸に沿った測定ラインL上に第1,第2プローブ光のビーム間隔と同程度の間隔(本実施形態においてはビーム間隔と同じ間隔d)で測定点1,2,3,4,5…が設定される。そして第1,第2プローブ光PL1,PL2からなる測定部位が移動ピッチdで順次I,II,III,IV…の位置に相対移動され、各測定部位において第1プローブ光PL1の照射位置の傾斜角度及び第2プローブ光PL2の照射位置の傾斜角度が測定される。
In the shape measuring apparatus LMS, as shown in FIG. 9B, on the measurement line L along the x-axis, an interval similar to the beam interval of the first and second probe lights (in this embodiment, the beam interval). Measuring
具体的には、測定部位Iにおいて、プローブ光軸が測定面に垂直に交わり光路長が所定値になるように各ステージを移動させて位置決め保持し、測定点1に第1プローブ光PL1、測定点2に第2プローブPL2を照射して各測定点の傾斜角度を算出する。次に測定部位IIにおいて、プローブ光軸が測定面に垂直に交わり光路長が所定値になるように各ステージを移動させて位置決め保持し、測定点2に第1プローブ光PL1、測定点3に第2プローブ光PL2を照射して各測定点の傾斜角度を算出する。以降の測定部位III,IV…についても同様である。
Specifically, at the measurement site I, each stage is moved and positioned so that the optical axis length of the probe intersects perpendicularly to the measurement surface and the optical path length becomes a predetermined value, and the first probe light PL1 and the measurement are measured at the
このとき、測定部位がIのときの第2プローブ光PL2の照射位置と、測定部位がIIのときの第1プローブ光PL1の照射位置とは、測定面上の同一測定位置2である。測定部位がIIのときの第2プローブ光PL2の照射位置と、測定部位がIIIのときの第1プローブ光PL1の照射位置、及び測定部位がIIIのときの第2プローブ光PL2の照射位置と、測定部位がIVのときの第1プローブ光PL1の照射位置等についても、測定面上の測定位置は各々3,4であり同一である。すなわち、形状測定装置LMSにおいては、測定部位の変化に伴い、第1プローブ光PL1と第2プローブ光PL2とにより同一測定位置の傾斜角度が重複して測定されるようになっている。
At this time, the irradiation position of the second probe light PL2 when the measurement site is I and the irradiation position of the first probe light PL1 when the measurement site is II are the
ここで、これまでの説明から明らかなように、測定ラインLに沿って測定部位を移動させるということは、x,y,z,θz,θyステージ11,12,13,14,35の少なくともいずれかを駆動して、プローブ光PL(PL1,PL2)と被測定物Wとを相対移動させることを意味する。各ステージには除去困難な誤差成分が含まれており、測定部位の移動に伴って測定面に微細なシフトやチルトが発生する。この誤差成分は位置決め停止される測定部位I,II,III,IV…ごとに固有の値となる。 Here, as is apparent from the above description, moving the measurement site along the measurement line L means that at least one of the x, y, z, θz, θy stages 11, 12, 13, 14, and 35. This means that the probe light PL (PL1, PL2) and the object to be measured W are relatively moved. Each stage contains an error component that is difficult to remove, and a fine shift or tilt occurs on the measurement surface as the measurement site moves. This error component becomes a unique value for each measurement site I, II, III, IV,.
いま、記憶部52に設定記憶された測定面Wsの基準形状(設計値)に基づいて演算部53により算出された測定点1,2,3,4…の理想的な傾斜角度をk1,k2,k3,k4…とし、被測定物Wにおける測定点1,2,3,4…の現実の傾斜角度をS1,S2,S3,S4…とする。
Now, the ideal inclination angles of the measurement points 1, 2, 3, 4... Calculated by the
また、各測定点1,2,3,4…について、受光素子255から出力された第1受光信号(第1プローブ光の反射光の受光位置に応じた信号)LS1に基づいて演算部53により算出された測定点1,2,3,4…の傾斜角度をD11,D21,D31,D41…とし、第2受光信号(第2プローブ光の反射光の受光位置に応じた信号)LS2に基づいて演算部53により算出された測定点1,2,3,4…の傾斜角度をD12,D22,D32,D42…とする。
Further, for each
さらに、測定部位I,II,III,IV…における各ステージのチルト等及び測定に同期する誤差成分の総和をT1,T2,T3,T4…とする。 Further, let T 1 , T 2 , T 3 , T 4 ... Be the total sum of error components synchronized with the tilt and the like of each stage at the measurement sites I, II, III, IV.
このとき、測定部位をI,II,III,IV…nのように移動させて測定される傾斜角度は、図10に示す各式で表される。 At this time, the inclination angle measured by moving the measurement site like I, II, III, IV... N is expressed by the equations shown in FIG.
ここで、測定部位Iにおける各ステージのチルト等及び測定に同期する誤差成分の総和T1をゼロであると仮定する。そして、演算部53において図10に示される連立方程式を解き、各測定点の現実の傾斜角度S1,S2,S3,S4…を算出する。具体的には、以下のようにして測定点の傾斜角度S1,S2,S3,S4…を算出する。
Here, it is assumed that the sum T 1 of error components synchronized with the tilt and the like of each stage in the measurement region I is zero. Then, the
まず、誤差成分の総和T1=0とすることにより、測定部位Iにおける第1プローブ光PL1の照射位置(測定点1)と第2プローブ光PL2の照射位置(測定点2)の傾斜角度の式は、
S1=D11−k1・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1)
S2=D22−k2・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2)
First, by setting the total error component T 1 = 0, the inclination angle between the irradiation position (measurement point 1) of the first probe light PL1 and the irradiation position (measurement point 2) of the second probe light PL2 in the measurement site I is changed. ceremony,
S 1 = D 11 −k 1 (1)
S 2 = D 22 −k 2 (2)
測定部位IIにおける第1プローブ光PL1の照射位置(測定点2)と第2プローブ光PL2の照射位置(測定点3)の傾斜角度の式は、
S2+T2=D21−k2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)
S3+T2=D32−k3 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)
ここで、測定点2の現実の傾斜角度S2は(2)式により求められており既知である。そのため(3)式から測定部位IIにおける誤差成分の総和T2が下記(3)′式により求められ、求めたT2を(4)式に代入して
T2=D21−k2−S2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3)′
S3=D32−k3−T2 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(4)′
The expression of the inclination angle between the irradiation position (measurement point 2) of the first probe light PL1 and the irradiation position (measurement point 3) of the second probe light PL2 in the measurement site II is
S 2 + T 2 = D 21 −k 2 (3)
S 3 + T 2 = D 32 −k 3 (4)
Here, the actual inclination angle S 2 of the
S 3 = D 32 −k 3 −T 2 (4) ′
以下、同様にして誤差成分の総和T3,T4…が求められ、求めたT3,T4…を用いて各測定点の傾斜角度S4,S5…が順次算出される。これにより、測定部位Iにおける誤差成分の総和T1を基準として、各測定部位ごとにランダムに生じる固有の誤差成分の影響を排除して各測定点の現実の傾斜角度S1,S2,S3,S4…が求められる。そして、算出された各測定点の傾斜角度情報に基づいて、測定ラインLに沿った測定面Wsの形状が導出される。 Thereafter, the sum T 3 , T 4 ... Of the error components is obtained in the same manner, and the inclination angles S 4 , S 5 ... Of the respective measurement points are sequentially calculated using the obtained T 3 , T 4 . Thus, the actual tilt angles S 1 , S 2 , S of the respective measurement points are eliminated by eliminating the influence of the inherent error components that are randomly generated for each measurement site with reference to the sum T 1 of error components in the measurement site I. 3 , S 4 ... Then, based on the calculated inclination angle information of each measurement point, the shape of the measurement surface Ws along the measurement line L is derived.
具体的には、算出された測定点1,2,3,4…の傾斜角度S1,S2,S3,S4…が、演算部53において測定点間の間隔dを用いて積分処理され(最も簡明な例として台形積分が挙げられる)、各測定点の傾斜角度が測定面Wsの形状に変換される。この際、測定部位ごとに断片化された形状の連続性を補償するため、演算部53においてスプライン補間等の関数を用いた積分誤差の低減が実行される。なお、微分Zernike関数を用いた関数フィッティングにより測定面Wsの形状に変換するように構成しても良い。微分Zernike関数を用いた関数フィッティング手法によれば、積分処理により生じる誤差を低減することができ、傾斜角度から測定面Wsの形状に変換する処理の精度を向上させることができる。
Specifically, the calculated inclination angles S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ... Of the measurement points 1 , 2 , 3 , 4 ... Are integrated using the interval d between the measurement points in the
なお、説明簡明化のため、測定部位Iにおける誤差成分の総和T1をゼロと仮定した場合を説明したが、測定部位Iにおける誤差成分の総和T1をゼロ以外の所定値とし、あるいは任意の測定部位における誤差成分の総和をゼロまたは所定値としても良い。 For simplicity of explanation, the case where the total T 1 of error components in the measurement site I is assumed to be zero has been described. However, the total T 1 of error components in the measurement site I is set to a predetermined value other than zero, or an arbitrary The sum of error components at the measurement site may be zero or a predetermined value.
このように、形状測定装置LMSでは、測定ライン上の各測定点の「傾斜角度」を測定し、測定された各測定点の傾斜角度を積分処理やフィッティング処理等することにより、測定ラインに沿った測定面Wsの形状を導出する。この構成により、測定面Wsに微小な高低差しかないような形状を高精度に測定することができる。 As described above, the shape measuring apparatus LMS measures the “inclination angle” of each measurement point on the measurement line, and integrates or fits the measured inclination angle of each measurement point along the measurement line. The shape of the measured surface Ws is derived. With this configuration, it is possible to measure with high accuracy a shape that does not have a minute elevation on the measurement surface Ws.
すなわち、測定点の高さ(光学ユニットと測定点との間の距離)を測定するような構成の場合、仮に高さ測定の分解能が1nmであるとすると、測定可能な測定面Wsの形状は測定点の間隔dにかかわらず、高低差が1nm以上のものに限られる。一方、測定点の傾斜角度を測定する本構成によれば、光てこの原理により光路長に応じて分解能を向上可能であることに加えて、測定点の間隔dを変化させることにより分解能をさらに向上させることができる。 That is, in the case of a configuration that measures the height of the measurement point (distance between the optical unit and the measurement point), if the resolution of the height measurement is 1 nm, the shape of the measurable measurement surface Ws is Regardless of the measurement point interval d, the height difference is limited to 1 nm or more. On the other hand, according to the present configuration for measuring the tilt angle of the measurement point, the resolution can be improved by changing the distance d between the measurement points, in addition to the fact that the resolution can be improved according to the optical path length by the light lever principle. Can be improved.
例えば、間隔がd離れた二つの測定点の高低差が=1nmの場合において、d=1mmのときに検出される傾斜角度が1μradであったと仮定すると、d=0.1mmのときに検出される傾斜角度は10μrad、d=0.01mmのときに検出される傾斜角度は100μradとなる。逆説すれば、傾斜角度の分解能が1μradのシステムにおいて、測定点の間隔dを0.01mmとすることにより、測定点の高低差が=0.01nmの形状を測定可能ということである。 For example, when the difference in height between two measurement points separated by d is = 1 nm, assuming that the inclination angle detected when d = 1 mm is 1 μrad, it is detected when d = 0.1 mm. The tilt angle detected is 10 μrad, and the tilt angle detected when d = 0.01 mm is 100 μrad. Paradoxically, in a system with a resolution of the tilt angle of 1 μrad, it is possible to measure a shape where the height difference of the measurement points is 0.01 nm by setting the distance d of the measurement points to 0.01 mm.
また、形状測定装置LMSにおいては、第1、第2プローブ光PL1,PL2を測定面Wsに「垂直入射」させ、測定面Wsで反射された第1、第2反射光RL1,RL2が光学ユニット20の受光素子255に入射するように構成される。そのため、比較的小型の受光素子255を用いて高い角度分解能のシステムを構築することができる。また、ステージ等の振動の影響を受けにくいという効果を併せて得ることができる。
In the shape measuring apparatus LMS, the first and second probe lights PL1 and PL2 are “perpendicularly incident” on the measurement surface Ws, and the first and second reflected lights RL1 and RL2 reflected by the measurement surface Ws are optical units. 20
また、形状測定装置LMSでは、測定面Wsに入射する第1、第2プローブ光PL1,PL2の光路長が一定となるように制御される。そのため、測定面Wsに入射する第1、第2プローブ光PL1,PL2、受光素子255に入射する第1、第2反射光RL1,RL2のビーム径がそれぞれ一定となり、安定的な形状測定が可能になっている。
In the shape measuring apparatus LMS, the optical path lengths of the first and second probe lights PL1 and PL2 incident on the measurement surface Ws are controlled to be constant. Therefore, the beam diameters of the first and second probe lights PL1 and PL2 incident on the measurement surface Ws and the first and second reflected lights RL1 and RL2 incident on the
さらに、形状測定装置LMSにおいては、測定ライン方向(x軸方向)に間隔d離れた第1,第2プローブ光PL1,PL2が一体的に移動ピッチdで測定ライン上を相対移動するように構成される。すなわち、測定部位が測定ライン上を移動するたびに、各測定部位で第1,第2プローブ光PL1,PL2により同一測定点の傾斜角度が重複測定される。この構成により、ステージの移動〜位置決め停止に伴って生じる各測定部位に固有の誤差成分(チルトや同期誤差等)を確実に排除することができ、高精度の形状測定を実現することができる。 Further, the shape measuring apparatus LMS is configured such that the first and second probe lights PL1 and PL2 separated by a distance d in the measurement line direction (x-axis direction) move relative to each other on the measurement line at the movement pitch d. Is done. That is, every time the measurement site moves on the measurement line, the inclination angle of the same measurement point is repeatedly measured by the first and second probe lights PL1 and PL2 at each measurement site. With this configuration, it is possible to surely eliminate error components (tilt, synchronization error, etc.) inherent to each measurement site that occur as a result of stage movement to positioning stop, and to realize highly accurate shape measurement.
[形状測定装置による形状測定の流れ]
次に、形状測定装置LMSによる形状測定の流れについて説明する。オペレータは、操作部51において被測定物Wのタイプや測定パターンを選択するとともに、測定面Wsの基準形状のデータを読み込んで記憶部52に記憶させる。次に、操作部51において「アライメント」を選択して実行し、ワークホルダ15に保持された被測定物のアライメントを行わせる。
[Flow of shape measurement by shape measuring device]
Next, the flow of shape measurement by the shape measuring apparatus LMS will be described. The operator selects the type and measurement pattern of the workpiece W in the
具体的には、演算部53は、操作部51において選択設定された被測定物Wのタイプ及び測定パターン、並びに記憶部52に記憶された測定面の基準形状に基づいて、測定面に沿って第1、第2プローブ光PL1,PL2を粗く走査させ、受光素子255で受光できることを確認するとともに、ワークホルダ15に保持された被測定物Wの位置を算出する。そして、算出された被測定物の位置に基づいてx,y,z,θzステージ11,12,13,14等を作動させ、例えば被測定物Wが軸対称性を有する非球面レンズ等の場合には、測定ラインが中心軸と交差するように被測定物Wの位置を調整する。そして、測定パターに応じた原点位置に被測定物Wを移動させてアライメント処理を完了する。
Specifically, the
アライメント処理が完了したのち、操作部51において「形状測定」が選択され、スタートされると、制御ユニット50は形状測定の制御プログラムに基づいてワーク移動ユニット10、光学ユニット20、ミラーユニット30の各部の作動を制御し、測定面Wsの形状測定を実行する。ここでは、[二つのプローブ光による傾斜角度測定]の項で説明した測定ラインに沿って形状測定を行う場合について、図11に示す形状測定の制御プログラムのフローチャートFを参照して説明する。
After completion of the alignment process, when “shape measurement” is selected and started in the
ステップS10では、ステージ位置の算出処理が行われる。この処理により測定ラインがx軸に沿い、測定ライン上の測定部位(図9の測定部位Iとする)にプローブ光を一定光路長で垂直入射させるx,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35の位置が算出される。具体的には、演算部53が記憶部52に設定記憶された測定面Wsの基準形状を読み出し、x軸に沿った測定ライン上の各測定点について理想的な傾斜角度(「基準傾斜角度」という)k1,k2を算出して記憶部52のRAMに一時記憶する。次いでプローブ光の光路長が一定になり、かつ、測定しようとする測定点1,2において、例えば、前述したプローブ光軸が測定面Wsに垂直に交わる各ステージ位置を算出する。
In step S10, a stage position calculation process is performed. With this processing, the x, y, z, θz, and θy stages that allow the probe light to vertically enter the measurement site on the measurement line (referred to as measurement site I in FIG. 9) with a constant optical path length along the x axis. The positions of 11, 12, 13, 14, and 35 are calculated. Specifically, the
ステップS20では、ステップS10で算出されたステージ位置に基づき、ステージ移動処理が行われる。具体的には、演算部53がステップS10で算出したステージ位置に応じた指令信号をステージ制御部54に出力する。ステージ制御部54は指令信号に応じた駆動信号を各ステージに出力し、x,y,z,θz,θyの各ステージ11,12,13,14,35を駆動して被測定物Wとプローブ光とを相対移動させ、測定ライン上の測定部位Iに位置決めさせて、ステップS30に進む。
In step S20, a stage moving process is performed based on the stage position calculated in step S10. Specifically, the
ステップS30では、光学ユニット20による第1、第2受光信号の取得処理が行われる。このとき、計測制御部55から光学ユニット20に指令信号が出力されてシャッタ213が開となり、第1プローブ光PL1及び第2プローブ光PL2が測定部位Iの測定点1及び測定点2に照射される。これらの測定点で反射された第1反射光RL1及び第2反射光RL2は受光素子255に入射し、受光素子255から各測定点1,2の傾斜及び測定部位Iに固有の誤差成分の総和T1を含んだ第1受光信号LS1及び第2受光信号LS2が出力されて制御ユニット50に入力される。なお、第1、第2プローブ光PL1,PL2は、アライメント処理段階から測定面に常時照射されるように構成しても良い。
In step S30, the first and second light reception signals are acquired by the
ステップS40では、ステップS30で取得された第1、第2受光信号LS1,LS2に基づいて傾斜角度の算出処理が行われる。第1受光信号LS1及び第2受光信号LS2は、所定光路長を伝播した第1反射光RL1及び第2反射光RL2の位置を表し、第1、第2プローブ光を垂直入射させることにより、受光素子255における各反射光の基準受光位置からのずれ量は、各測定点の基準傾斜角度からのずれ量を表している。
In step S40, an inclination angle calculation process is performed based on the first and second light reception signals LS1 and LS2 acquired in step S30. The first light receiving signal LS1 and the second light receiving signal LS2 represent the positions of the first reflected light RL1 and the second reflected light RL2 that have propagated through the predetermined optical path length, and are received by vertically incident the first and second probe lights. The amount of deviation of each reflected light from the reference light receiving position in the
演算部53は、光学ユニット20の構成により定まる変換係数に基づき、第1、第2受光信号LS1,LS2から各測定点の傾斜角度を算出する。このとき、第1、第2プローブ光PL1,PL2の垂直入射からのずれ、すなわち既述した垂直入射補正項による補正が行われた傾斜角度が算出される。このようにして算出される測定点の傾斜角度は、[二つのプローブ光による傾斜角度測定]の項で説明した傾斜角度D11,D22に相当する。算出された傾斜角度(「測定傾斜角度」という)は、記憶部52のRAMに一時記憶され、ステップS50に進む。
The
ステップS50では、測定ライン上に設定された全測定点について傾斜角度の測定が行われたか否かが判断される。例えば、測定プログラムにおいて測定ライン上に測定点がn点設定されている場合に、ステップS20によるステージの移動処理がn回実行されたか否か、あるいはステップS40による傾斜角度の算出処理がn回実行されたか否か等により判断される。そして測定ライン上に設定された全測定点について傾斜角度測定が行われていないと判断されるときは、ステップS10に戻って測定ライン上の次の測定点の傾斜角度測定が行われ、全測定点について傾斜角度測定が行われたと判断されるときにはステップS60に進む。 In step S50, it is determined whether or not the inclination angle has been measured for all measurement points set on the measurement line. For example, when n measurement points are set on the measurement line in the measurement program, whether or not the stage movement process in step S20 has been executed n times, or the tilt angle calculation process in step S40 has been executed n times. Judgment is made based on whether or not it has been done. When it is determined that the tilt angle measurement is not performed for all the measurement points set on the measurement line, the process returns to step S10 and the tilt angle measurement of the next measurement point on the measurement line is performed. When it is determined that the tilt angle measurement has been performed for the point, the process proceeds to step S60.
ステップS60では、測定ラインに沿った測定面Wsの形状を導出する処理が行われる。ここまでのステップにより記憶部52のRAMには、測定ライン上の全測定点について、設計上の基準傾斜角度k1,k2,k3,k4…、第1、第2プローブ光による測定傾斜角度(D11,D22),(D21,D32),(D31,D42)…が記憶されている。演算部53は、これらの基準傾斜角度及び測定傾斜角度を読み出し、測定ライン上の測定点の角度分布から測定ラインに沿った測定面の形状を導出する。この測定ラインに沿った形状導出処理(ステップS60)の詳細を図12に示す。
In step S60, processing for deriving the shape of the measurement surface Ws along the measurement line is performed. Through the steps so far, the RAM of the
ステップS60の形状導出処理は、まず、ステップS61において、基準傾斜角度k1,k2,k3,k4…、及び測定傾斜角度(D11,D22),(D21,D32),(D31,D42)の読出し処理が行われる。続くステップS63では、演算部53において(1)(2)式の処理後、(3)′(4)′式の演算処理が順次行われ、測定部位II,III,IV…の誤差成分の総和T2,T3,T4…と、現実の各測定点の傾斜角度S1,S2,S3,S4…とが算出される。
In step S60, the shape derivation process starts with reference inclination angles k 1 , k 2 , k 3 , k 4 ... And measurement inclination angles (D 11 , D 22 ), (D 21 , D 32 ), A reading process of (D 31 , D 42 ) is performed. In the subsequent step S63, after the processing of the equations (1) and (2) is performed in the
ステップS65では、算出された各測定点の傾斜角度S1,S2,S3,S4…に基づいて測定ラインに沿った測定面の形状の導出処理が行われる。具体的には、所定間隔d(例えばd=30μm)ごとに変化する離散的な傾斜角度データS1,S2,S3,S4…に対し、積分処理、微分Zernike関数を用いた関数フィッティング処理、スプライン補間処理等を行うことにより、傾斜角度が連続的(滑らか)に変化する測定面の形状導出が行われる。 In step S65, the shape of the measurement surface along the measurement line is derived based on the calculated inclination angles S 1 , S 2 , S 3 , S 4 . Specifically, function fitting using an integration process and a differential Zernike function is applied to discrete inclination angle data S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ... Changing at predetermined intervals d (for example, d = 30 μm). By performing processing, spline interpolation processing, etc., the shape of the measurement surface whose inclination angle changes continuously (smoothly) is derived.
このようにして測定ラインに沿った測定面Wsの形状を導出する処理が完了すると、算出された測定ライン(第1測定ライン)の形状データが、第1測定ラインの設定位置とともに記憶部52のRAMに記録され、ステップS70(図11)に進む。
When the process of deriving the shape of the measurement surface Ws along the measurement line is completed in this way, the calculated shape data of the measurement line (first measurement line) is stored in the
ステップS70では、測定プログラムで設定された測定面Ws上の全測定ラインについて測定ラインに沿った形状が導出されたか否かが判断される。例えば、測定プログラムにおいて測定面上に測定ラインがm本設定されている場合に、ステップS60による測定ラインに沿った測定面の形状導出処理がm回実行されたか否か、あるいは記憶部52のRAMにm個の測定ラインに沿った測定面の形状データが記録されているか否か等により判断される。
In step S70, it is determined whether or not the shape along the measurement line has been derived for all the measurement lines on the measurement surface Ws set by the measurement program. For example, when m measurement lines are set on the measurement surface in the measurement program, whether or not the shape derivation process of the measurement surface along the measurement line in step S60 has been executed m times, or the RAM of the
そして測定面に設定された全測定ラインについて、測定ラインに沿った形状が導出されていないと判断されるときは、ステップS75においてθzステージが旋回駆動されて被測定物が次の測定ラインの角度位置に位置決めされ、ステップS10に戻って次の測定ラインに沿った形状の導出処理が行われる。一方、全測定ラインについて測定ラインに沿った形状の導出処理が行われたと判断されるときにはステップS80に進む。 If it is determined that the shape along the measurement line is not derived for all the measurement lines set on the measurement surface, the θz stage is driven to rotate in step S75, and the object to be measured is angled to the next measurement line. The position is positioned, and the process returns to step S10 to perform the shape derivation process along the next measurement line. On the other hand, when it is determined that the shape derivation process along the measurement line has been performed for all the measurement lines, the process proceeds to step S80.
ステップS80では、測定面Ws全体の形状の導出処理が行われる。具体的には、各測定ラインに沿って導出され、記憶部53に記録された放射状(平行ライン状、格子状等)の形状データに基づいて、測定面Ws全体の形状(例えば、三次元の非球面形状)が導出される。導出された測定面Ws全体の形状データは記憶部53のRAMに記録され、ステップS90に進む。
In step S80, a process for deriving the shape of the entire measurement surface Ws is performed. Specifically, based on radial (parallel line, grid, etc.) shape data derived along each measurement line and recorded in the
ステップS90では、ステップS80で導出された測定面Wsの形状データが出力される。例えば、図示省略する画像処理部により画像処理された測定面Wsの三次元画像や解析画像等が操作部51の液晶表示パネルに表示され、あるいはI/O部56を介して外部(例えば測定面の形状データを印刷するプリンタやデータ処理する他のコンピュータ等)に出力される。
In step S90, the shape data of the measurement surface Ws derived in step S80 is output. For example, a three-dimensional image or analysis image of the measurement surface Ws image-processed by an image processing unit (not shown) is displayed on the liquid crystal display panel of the
オペレータは、操作部51により表示情報を選択的に切り替えることができ、測定面のWsの三次元画像や任意の測定ラインに沿った測定面の形状、各種の解析画像等を液晶表示パネルに表示させることができる。これにより、高精度に測定された測定面のWsの形状や、基準形状(設計値)と比較した誤差領域の位置、大きさ、範囲などを容易に把握することができる。
The operator can selectively switch the display information using the
以上説明したように、本発明の態様によれば、プローブ光と被測定物とを相体移動させるステージ等の移動に伴う誤差を排除することができ、被測定物の測定面の形状を高精度に測定可能な形状測定手段を提供することができる。そして、本発明を使用することにより初めて精度よい測定が可能になる被測定物の例として、プロジェクタの光学系に使用するレンズや、プリンタスキャナレンズ、リアプロジェクションテレビレンズ、集光型太陽光発電システムレンズ(CVP)、カメラレンズ、露光装置の光学系に使用されるレンズ、長尺ミラー、放射光用ミラー、高精度金型などが例示される。 As described above, according to the aspect of the present invention, it is possible to eliminate an error associated with movement of a stage or the like that moves the probe light and the object to be measured together, and to increase the shape of the measurement surface of the object to be measured. It is possible to provide a shape measuring means capable of measuring with high accuracy. As examples of objects to be measured that can be measured accurately for the first time by using the present invention, a lens used in an optical system of a projector, a printer scanner lens, a rear projection TV lens, a concentrating solar power generation system Examples thereof include a lens (CVP), a camera lens, a lens used in an optical system of an exposure apparatus, a long mirror, a mirror for emitted light, and a high-precision mold.
10 ワーク移動ユニット
11 xステージ
12 yステージ
13 zステージ
14 θzステージ
15 ワークホルダ
20 光学ユニット
21 光源部(211 レーザ光源)
22 プローブ光生成部
25 受光部(255 受光素子)
30 ミラーユニット
35 θyステージ
50 制御ユニット
52 記憶部
53 演算部
54 ステージ制御部
55 計測制御部
I,II,III,IV… 測定部位
d 測定面上における第1,第2プローブ光のビーム間隔
F 形状測定の制御プログラムのフローチャート
L(L1〜L3) 測定ライン
LMS 形状測定装置
LS1 第1受光信号
LS2 第2受光信号
PL1 第1プローブ光
PL2 第2プローブ光
W(W1,W2) 被測定物
Ws 測定面
S10 ステージ位置の算出処理を行うステップ
S20 ステージ移動処理を行うステップ
S30 第1、第2受光信号の取得処理を行うステップ
S40 傾斜角度の算出処理を行うステップ
S50 測定ライン上の全測定点完了か否かを判断するステップ
S60 測定ラインに沿った測定面の形状を導出処理するステップ
S61 基準傾斜角度及び測定傾斜角度の読出し処理を行うステップ
S63 各測定部位の誤差成分の総和と現実の各測定点の傾斜角度を算出するステップ
S65 測定ラインに沿った測定面の形状の導出処理を行うステップ
S70 測定面上の全測定ライン完了か否かを判断するステップ
S75 被測定物を次の測定ラインの角度位置に位置決めステップ
S80 測定面全体の形状の導出処理を行うステップ
S90 測定面の形状データを出力するステップ
10 Work Moving Unit 11 x Stage 12 y Stage 13
22
30
Claims (13)
前記被測定物の測定面に照射位置が測定ラインに沿って所定間隔離れた第1プローブ光及び第2プローブ光を照射するプローブ光照射手段と、
前記測定面で反射された前記第1、第2プローブ光の反射光を受光して受光位置に応じた第1受光信号、第2受光信号を出力する反射光受光手段と、
前記反射光受光手段から出力された前記第1、第2受光信号に基づいて前記測定面における前記第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出する角度算出手段と、
前記被測定物と前記第1、第2プローブ光とを相体移動させて前記測定面における前記第1、第2プローブ光による傾斜角度の測定部位を移動させる照射位置移動手段と、
前記測定ラインに沿った前記測定面の基準形状を予め設定記憶する基準形状記憶手段と、
前記基準形状記憶手段に設定記憶された前記基準形状を基準傾斜角度に変換する角度変換手段と、
前記プローブ光照射手段、前記反射光受光手段、前記角度算出手段及び前記照射位置移動手段の作動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記照射位置移動手段により前記測定部位を前記測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、各測定部位において前記角度変換手段により算出された前記基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される前記第1プローブ光が前記測定面に垂直入射するように前記照射位置移動手段の作動を制御するとともに、
第1の前記測定部位において算出された前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度、及び前記第1の測定部位に隣接する第2の前記測定部位において算出された前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度における、前記第1、第2プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第2または第1の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、当該誤差成分を補正して前記測定ラインに沿った前記測定面の形状を導出するように構成したことを特徴とする形状測定装置。 A shape measuring device for optically measuring the shape of an object to be measured,
A probe light irradiating means for irradiating the first probe light and the second probe light whose irradiation positions are separated by a predetermined distance along the measurement line on the measurement surface of the measurement object;
Reflected light receiving means for receiving reflected light of the first and second probe lights reflected by the measurement surface and outputting a first received light signal and a second received light signal according to the light receiving position;
Angle calculating means for calculating an inclination angle of each irradiation position of the first and second probe lights on the measurement surface based on the first and second light receiving signals output from the reflected light receiving means;
An irradiation position moving means for moving the measurement part of the tilt angle by the first and second probe lights on the measurement surface by moving the measured object and the first and second probe lights together;
Reference shape storage means for presetting and storing a reference shape of the measurement surface along the measurement line;
Angle conversion means for converting the reference shape set and stored in the reference shape storage means into a reference inclination angle;
Control means for controlling the operation of the probe light irradiating means, the reflected light receiving means, the angle calculating means, and the irradiation position moving means,
The control means includes
The irradiation position moving means sequentially moves the measurement site along the measurement line to a position that is approximately the same as the predetermined interval, and based on the reference inclination angle calculated by the angle conversion means at each measurement site . While controlling the operation of the irradiation position moving means so that the first probe light irradiated to the measurement site is perpendicularly incident on the measurement surface,
The inclination angle of the irradiation position of the first and second probe lights calculated at the first measurement site, and the first and second calculated at the second measurement site adjacent to the first measurement site. The tilt angle at the second or first measurement site based on the two tilt angles calculated for the positions at which the first and second probe light irradiation positions overlap at the tilt angle of the two probe light irradiation positions. The shape measuring apparatus is configured to calculate the error component of, and correct the error component to derive the shape of the measurement surface along the measurement line.
前記第1、第2プローブ光を出射する光学ユニットと、水平に延びる軸回りに揺動可能に設けられ前記光学ユニットから出射された前記第1、第2プローブ光を反射して前記被測定物の前記測定面に照射するミラーとを備え、
前記照射位置移動手段は、
前記被測定物が保持されるワークホルダと、前記ワークホルダを水平面内で直交する二軸方向に移動させるX−Yステージと、前記ワークホルダの上方に設けられた前記ミラーを揺動させて前記光学ユニットから出射された第1、第2プローブ光を前記ワークホルダに保持された前記被測定物の測定面上で前記測定ラインに沿って移動させる走査機構とを備え、
前記測定部位を前記測定ラインに沿って順次移動させる作動が、前記走査機構により前記ミラーを揺動させることにより行われることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The probe light irradiation means
An optical unit that emits the first and second probe lights, and an object to be measured by reflecting the first and second probe lights that are provided so as to be swingable around a horizontally extending axis and emitted from the optical unit. A mirror for irradiating the measurement surface of
The irradiation position moving means includes
A workpiece holder that holds the object to be measured, an XY stage that moves the workpiece holder in two orthogonal directions in a horizontal plane, and the mirror provided above the workpiece holder is swung to move the workpiece holder. A scanning mechanism for moving the first and second probe lights emitted from the optical unit along the measurement line on the measurement surface of the object to be measured held by the work holder;
The shape measurement according to any one of claims 1 to 3, wherein the operation of sequentially moving the measurement site along the measurement line is performed by swinging the mirror by the scanning mechanism. apparatus.
前記制御手段は、前記光学ユニットから出射され前記測定面に照射される前記第1、第2プローブ光の光路長が、各測定部位において略同一となるように前記照射位置移動手段の作動を制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の形状測定装置。 The irradiation position moving means has a Z stage for moving the work holder up and down,
The control means controls the operation of the irradiation position moving means so that the optical path lengths of the first and second probe lights emitted from the optical unit and irradiated on the measurement surface are substantially the same at each measurement site. The shape measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein the shape measuring device is used.
前記照射位置移動手段により前記測定部位を前記測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させるステップと、
各測定部位において、前記角度変換手段により算出された前記基準傾斜角度に基づいて、前記照射位置移動手段により当該測定部位に照射される前記第1プローブ光を前記測定面に垂直入射させるステップと、
前記各測定部位において前記反射光受光手段から出力される前記第1、第2受光信号を取得するステップと、
取得された前記第1、第2受光信号から前記角度算出手段により前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度を算出するステップと、
第1の前記測定部位において算出された前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度と、前記第1の測定部位に隣接する第2の前記測定部位において算出された前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度とを取得するステップと、
前記第1、第2の測定部位において前記第1、第2プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第2または第1の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出するステップと、
算出された誤差成分に基づいて前記第2または前記第1の測定部位における前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正するステップとを有して構成されることを特徴とする形状測定制御プログラム。 Probe light irradiating means for irradiating a first probe light and a second probe light whose irradiation positions are separated from each other by a predetermined distance along the measurement line on the measurement surface of the object to be measured, and the first and second reflected by the measurement surface Reflected light receiving means for receiving the reflected light of the probe light and outputting a first received light signal and a second received light signal according to the light receiving position, and the first and second received light signals output from the reflected light receiving means. An angle calculating means for calculating an inclination angle of each irradiation position of the first and second probe lights on the measurement surface, and the object to be measured and the first and second probe lights are moved relative to each other, An irradiation position moving means for moving the measurement part of the inclination angle by the first and second probe lights on the measurement surface; a reference shape storage means for presetting and storing a reference shape of the measurement surface along the measurement line; Reference shape memory means An angle converting means for converting the set stored the reference shape to a reference inclination angle, the probe light irradiating means, the reflected light receiving means, and control means for controlling the operation of the angle calculating means and the irradiation position moving means A shape measurement control program executed by the control means in a shape measuring apparatus comprising:
Sequentially moving the measurement site by the irradiation position moving means to a position spaced apart from the predetermined interval along the measurement line;
In each measurement site, based on the reference tilt angle calculated by the angle conversion unit, the first probe light irradiated to the measurement site by the irradiation position moving unit is perpendicularly incident on the measurement surface;
Obtaining the first and second light receiving signals output from the reflected light receiving means at each measurement site;
Calculating an inclination angle of an irradiation position of the first and second probe lights by the angle calculating means from the acquired first and second light receiving signals;
The tilt angle of the irradiation position of the first and second probe lights calculated at the first measurement site, and the first and second calculated at the second measurement site adjacent to the first measurement site. Obtaining an inclination angle of the irradiation position of the two probe light;
Based on the two tilt angles calculated for the positions where the irradiation positions of the first and second probe lights overlap in the first and second measurement sites, the tilt angle at the second or first measurement site is determined. Calculating an error component;
And a step of correcting the calculated value of the tilt angle of the irradiation position of the first and second probe light at the second or first measurement site based on the calculated error component. Characteristic shape measurement control program.
プローブ光照射手段により、前記被測定物の測定面に測定ラインに沿って所定間隔離れた第1プローブ光及び第2プローブ光を照射し、
このとき前記測定ラインに沿った前記測定面の基準形状を基準傾斜角度に変換し、前記基準傾斜角度に基づいて当該測定部位に照射される前記第1プローブ光が前記測定面に垂直入射するように照射位置移動手段により前記被測定物を移動させ、
反射光受光手段により、前記測定面で反射された前記第1、第2プローブ光の反射光を受光して、前記反射光受光手段から受光位置に応じて出力される第1受光信号、第2受光信号に基づいて角度算出手段により前記測定面における前記第1、第2プローブ光の各照射位置の傾斜角度を算出し、
照射位置移動手段により、前記被測定物と前記第1、第2プローブ光とを相体移動させて前記測定面における前記第1、第2プローブ光による傾斜角度の測定部位を前記測定ラインに沿って前記所定間隔と同程度離間した位置に順次移動させ、
第1の前記測定部位において算出された前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度と、前記第1の測定部位に隣接する第2の前記測定部位において算出された前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度とを取得し、
前記第1、第2の測定部位において前記第1、第2プローブ光の照射位置が重複する位置について算出された二つの傾斜角度に基づいて、前記第2または第1の測定部位における傾斜角度の誤差成分を算出し、
算出された誤差成分に基づいて前記第2または前記第1の測定部位における前記第1、第2プローブ光の照射位置の傾斜角度の算出値を補正して、
前記測定ラインに沿った前記測定面の形状を導出することを特徴とする形状測定方法。 A shape measuring method for optically measuring the shape of an object to be measured,
The probe light irradiating means irradiates the measurement surface of the object to be measured with the first probe light and the second probe light separated by a predetermined distance along the measurement line,
At this time, the reference shape of the measurement surface along the measurement line is converted into a reference inclination angle so that the first probe light irradiated on the measurement site based on the reference inclination angle is perpendicularly incident on the measurement surface. The object to be measured is moved by the irradiation position moving means,
The reflected light receiving means receives the reflected light of the first and second probe lights reflected by the measurement surface, and outputs a first received light signal and a second light output from the reflected light receiving means according to the light receiving position. An inclination angle of each irradiation position of the first and second probe lights on the measurement surface is calculated by an angle calculation unit based on a light reception signal,
By the irradiation position moving means, the object to be measured and the first and second probe lights are moved relative to each other, and the measurement part of the inclination angle by the first and second probe lights on the measurement surface is along the measurement line. To sequentially move to a position spaced apart by the predetermined interval,
The tilt angle of the irradiation position of the first and second probe lights calculated at the first measurement site, and the first and second calculated at the second measurement site adjacent to the first measurement site. 2 Obtain the tilt angle of the irradiation position of the probe light,
Based on the two tilt angles calculated for the positions where the irradiation positions of the first and second probe lights overlap in the first and second measurement sites, the tilt angle at the second or first measurement site is determined. Calculate the error component,
Based on the calculated error component, correcting the calculated value of the tilt angle of the irradiation position of the first and second probe light in the second or first measurement site,
Deriving the shape of the measurement surface along the measurement line.
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