JP5783288B1 - 表面プロファイル測定装置および透光性物体厚さ測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光コヒーレンストモグラフィーにより物体の表面プロファイルまたは透光性物体の厚さを測定する装置において、測定精度を変えることなく、干渉光の強度がピークになるタイミングを高速で求めることができるようにする。【解決手段】 光路長可変装置40による光路長の変化に同期させて、光ヘッド20から出射する測定光の焦点位置を変化させることで、干渉光の強度に相当する受光信号のピーク強度を略一定にする。受光信号のピーク強度より小さい検出レベルを適切に設定し、受光信号が検出レベルと交差する2つの交差タイミングから受光信号がピークになるタイミングを、光路長可変装置40による光路長変化、又は所定タイミングからの経過時間としてデータ処理装置70で検出する。【選択図】 図1
Description
本発明は、光コヒーレンストモグラフィー(OCT:Optical Coherence Tomography)により物体の表面プロファイルを測定する装置、および光コヒーレンストモグラフィーにより透光性物体の厚さを測定する装置に関する。
光コヒーレンストモグラフィーは、低コヒーレンス光を2つに分割し、片方を検査対象物に測定光として入射して反射させ、他方を参照光としてミラーで反射させて、双方の反射光を干渉させ、測定光または参照光の光路長を変化させて、光路長の変化量に対する干渉光の強度変化を測定することで、検査対象物を検査する手法である。この手法は人体(特に眼底)の断面方向像を検出することに用いられることが多いが、下記特許文献1又は下記特許文献2に示されているように、測定光の照射位置ごとに干渉光の強度がピークになるタイミングを時間又は光路長変化量として検出し、物体表面のプロファイルや、透光性物体の厚さ分布を測定することもできる。この手法において、下記特許文献2に示されているように、光路長を変化させる装置(以下、光路長可変装置という)として、円盤上に90°の角度をなすミラーや90°の角度があるプリズムまたはレトロリフレクタ(以下、総称して三角状反射体という)を配置し、円盤を回転させて光を三角状反射体で反射させる装置を用いれば、高速掃引が可能であり、物体表面のプロファイルや、透光性物体の厚さ分布を高速で測定することができる。また、下記特許文献2に示されているように、測定光を対物レンズにより集光すれば微少な箇所の値を得ることができ、干渉光の強度に相当する信号をA/D変換して瞬時値のデジタルデータを取得し、プログラム処理により干渉光の強度がピークになるタイミングを求めれば、測定対象物表面に対する測定光の焦点位置が変動して、又は測定対象物の反射率が変化して、干渉光のピーク強度が変化しても、精度よく測定を行うことができる。
しかしながら、瞬時値のデジタルデータを処理してピークになるタイミングを求める方法には、データ数が多いため、値が得られるまでに時間がかかるという問題がある。このため、光路長可変装置の円盤の回転を高速にし、測定光の照射位置の移動を高速にすることで測定の高速化を図っても、データ処理に時間がかかり、思うように高速化できないという問題がある。
本発明はこの問題を解消するためなされたもので、その目的は、光コヒーレンストモグラフィーにより物体の表面プロファイルを測定する装置および透光性物体の厚さを測定する装置において、測定精度を変えることなく、干渉光の強度がピークになるタイミングを高速で求めることができ、測定の高速化を図ることができる装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、光コヒーレンストモグラフィーにより測定対象物の表面プロファイルを測定する装置において、光路長可変装置による光路長の変化に同期させて、測定光の対物レンズによる焦点位置での測定光の光路長が参照光の光路長と等しくなるように、測定光の焦点位置を測定光の光軸方向に変化させる焦点位置変化手段と、干渉光の強度に相当する受光信号の強度がピークとなる測定対象物の表面に対応する対象ピークタイミングを、光路長可変装置による光路長変化、又は所定タイミングからの経過時間として検出する手段であって、対象ピークタイミングにおける受光信号の強度より小さい検出レベルが設定され、検出レベルを受光信号が交差する2つの交差タイミングを検出し、検出した2つの交差タイミングから対象ピークタイミングを検出するピークタイミング検出手段とを備えたことにある。
これによれば、光路長の変化に同期して、測定光の対物レンズによる焦点位置での測定光の光路長が参照光の光路長と等しくなるように、測定光の焦点位置が測定光の光軸方向に変化するので、測定対象物の表面の位置によらず、測定対象物の表面で測定光と参照光の光路長が等しくなるときは測定対象物の表面に測定光の焦点が合っており、干渉光のピーク強度すなわち受光信号のピーク強度は略一定になる。よって、ピーク強度より小さい検出レベルを適切に設定し、受光信号が検出レベルを交差する2つの交差タイミングを検出すれば、これから測定対象物の表面に対応する対象ピークタイミングを精度よく求めることができる。そして、2つの交差タイミングデータから対象ピークタイミングを求めているので、データ処理は短時間で済み、測定を高速で行うことができる
また、本発明の他の特徴は、対象ピークタイミングにおける受光信号の強度を検出するピーク信号強度検出手段を備え、ピークタイミング検出手段は、検出した2つの交差タイミングの差が予め設定した許容範囲内にないとき、ピーク信号強度検出手段が検出した信号強度に基づいて検出レベルを設定し直すことにある。
これによれば、測定対象物ごとに表面の反射率が異なっていても、又は測定対象物の表面の反射率が場所ごとに異なっていても、検出レベルを適切な値に設定することができるので、測定精度を変えることなく高速で測定を行うことができる。
また、本発明の他の特徴は、焦点位置変化手段は、ピークタイミング検出手段が検出した対象ピークタイミングに基づいて、測定光の焦点位置の変化を開始する開始タイミングと終了する終了タイミングとを設定し、設定後にピークタイミング検出手段が検出する最新の対象ピークタイミングと開始タイミングと終了タイミングの設定時における対象ピークタイミングとの差が許容値内にないとき、最新の対象ピークタイミングに基づいて、開始タイミングと終了タイミングとを設定し直すことにある。
これによれば、測定光の焦点位置を光路長の変化に同期させて変化させる範囲を、測定対象物の表面を中心とした上下の微小範囲のみにすることができるので、焦点位置変化手段にかかる負荷を必要最小限にすることができる。
また、本発明の他の特徴は、対物レンズに測定光が入射する前に、測定光が入射し出射するリレーレンズを備え、焦点位置変化手段は、リレーレンズの片方を測定光の光軸方向に駆動させる手段であるようにしたことにある。
これによれば、対物レンズを光軸方向に駆動させて測定光の焦点位置を変化させるよりも、焦点位置の変化を速く行うことができるので、より高速に測定を行うことができる。
さらに、本発明は、光コヒーレンストモグラフィーにより透光性物体の厚さを測定する装置にも適用できるものである。この場合、前述した表面プロファイルを測定する装置と異なる点は以下の点である。1つ目は、測定光は測定対象物の表面と裏面にて反射するため、ピークタイミング検出手段は、測定対象物の表面に対応する第1の対象ピークタイミングと測定対象物の裏面に対応する第2の対象ピークタイミングとを検出する手段であって、第2の対象ピークタイミングにおける受光信号の強度より小さい検出レベルが設定され、検出レベルを受光信号が交差する第1の2つの交差タイミングと第2の2つの交差タイミングを検出し、検出した第1の2つの交差タイミングから第1の対象ピークタイミングを検出し、検出した第2の2つの交差タイミングから第2の対象ピークタイミングを検出する点である。検出レベルを第2の対象ピークタイミングにおける受光信号の強度より小さくするのは、測定対象物の裏面で反射して戻る測定光の方が表面で反射して戻る測定光よりも小さく、ピーク強度は第1の対象ピークタイミングより第2の対象ピークタイミングの方が小さいためである。
2つ目に異なる点は、ピーク信号強度検出手段は第2の対象ピークタイミングにおける受光信号の強度を検出し、ピークタイミング検出手段は、検出した第2の2つの交差タイミングの差が予め設定した許容範囲内にないとき、ピーク信号強度検出手段が検出した信号強度に基づいて検出レベルを設定し直す点である。
3つ目に異なる点は、焦点位置変化手段は、ピークタイミング検出手段が検出した第1の対象ピークタイミングに基づいて、測定光の焦点位置の変化を開始する開始タイミングを設定するとともに、ピークタイミング検出手段が検出した第2の対象ピークタイミングに基づいて、測定光の焦点位置の変化を終了する終了タイミングを設定し、設定後にピークタイミング検出手段が検出する最新の第1の対象ピークタイミングと開始タイミングの設定時における第1の対象ピークタイミングとの差、又はピークタイミング検出手段が検出する最新の第2の対象ピークタイミングと終了タイミングの設定時における第2の対象ピークタイミングとの差が許容値内にないとき、最新の第1と第2の対象ピークタイミングに基づいて、開始タイミングと終了タイミングとを設定し直す点である。これ以外の点は、測定対象物の表面プロファイルを測定する装置と同等である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態として、本発明が適用された表面プロファイル測定装置について図面を用いて説明する。図1は、本発明が適用された表面プロファイル測定装置の全体構成図である。表面プロファイル測定装置は、測定部10、光ヘッド20、光路長可変装置40、ステージ駆動装置50、データ処理装置70、各種回路およびコンピュータ装置90から構成され、ステージ駆動装置50のステージ51に載置した測定対象物OBの表面プロファイルを測定する装置である。作業者は、ステージ51に測定対象物OBを載置した後、コンピュータ装置90の入力装置92から測定開始の指令を入力すると、コンピュータ装置90のコントローラ91とデータ処理装置70の距離計算回路75が実行するプログラムにより自動で測定対象物OBの表面プロファイルが実行され、測定結果がコンピュータ装置90の表示装置93に表示される。以下、各装置ごとに説明を行う。
以下、本発明の第1実施形態として、本発明が適用された表面プロファイル測定装置について図面を用いて説明する。図1は、本発明が適用された表面プロファイル測定装置の全体構成図である。表面プロファイル測定装置は、測定部10、光ヘッド20、光路長可変装置40、ステージ駆動装置50、データ処理装置70、各種回路およびコンピュータ装置90から構成され、ステージ駆動装置50のステージ51に載置した測定対象物OBの表面プロファイルを測定する装置である。作業者は、ステージ51に測定対象物OBを載置した後、コンピュータ装置90の入力装置92から測定開始の指令を入力すると、コンピュータ装置90のコントローラ91とデータ処理装置70の距離計算回路75が実行するプログラムにより自動で測定対象物OBの表面プロファイルが実行され、測定結果がコンピュータ装置90の表示装置93に表示される。以下、各装置ごとに説明を行う。
ステージ駆動装置50は、測定対象物OBを載置固定するステージ51と、ステージ51をX方向(図1においては左右方向)に移動させるX方向フィードモータ52と、ステージ51をY方向(図1においては紙面垂直方向)に移動させるY方向フィードモータ53とを備えている。X方向とY方向は、ステージ51の載置面と平行な一つの方向であって、互いに直交する方向である。ステージ駆動装置50は、X方向フィードモータ52の出力軸に連結されたねじ送り機構54、および、Y方向フィードモータ53の出力軸に連結されたねじ送り機構(図示略)により、それぞれのフィードモータ52,53を回転させることによりステージ51をX方向とY方向とに移動させるXYステージである。
X方向フィードモータ52内には、同モータ52の回転を検出して、その回転を表す回転信号を出力するエンコーダ52aが組み込まれている。この回転信号は、X方向フィードモータ52が所定の微少角度だけ回転するたびにハイレベルとローレベルとを交互に切り替えるパルス列信号であって、回転方向を識別するために互いにπ/2だけ位相のずれたA相信号とB相信号とで構成される。回転信号は、X方向フィードモータ制御回路62とX方向位置検出回路64とに出力される。
X方向位置検出回路64は、エンコーダ52aからの回転信号のパルス数をX方向フィードモータ52の回転方向に応じてカウントアップ又はカウントダウンし、そのカウント値からステージ51のX方向位置を検出し、X方向位置(以下、単にX位置と呼ぶ)を表す信号をコントローラ91に出力する。X位置は、後述する光ヘッド20に対するステージ51のX方向の相対位置を表すため、光ヘッド20から測定対象物OBに照射される測定光の照射位置のX座標値として扱われる。なお、測定光の照射位置とは、光ヘッド20が測定光を集光して照射できる位置であって、実際に測定光が測定対象物OBに照射されているか否かは問われない。
X方向位置検出回路64におけるカウント値の初期設定は、電源投入時にコントローラ91の指示によって行われる。すなわち、コントローラ91は、電源投入時に、X方向フィードモータ制御回路62にステージ51のX方向限界位置への移動、および、X方向位置検出回路64に初期設定を指示する。この指示により、X方向フィードモータ制御回路62は、X方向フィードモータ52を回転させてステージ51をX方向限界位置に移動させる。このX方向限界位置は、X方向フィードモータ52によって駆動されるステージ51のX方向の駆動限界位置である。X方向位置検出回路64は、このステージ51の移動中、エンコーダ52aからの回転信号を入力し続けている。そして、ステージ51がX方向限界位置まで達してX方向フィードモータ52の回転が停止すると、X方向位置検出回路64はエンコーダ52aからの回転信号の入力停止を検出して、カウント値を「0」にリセットする。このとき、X方向位置検出回路64は、X方向フィードモータ制御回路62に出力停止のための信号を出力し、これにより、X方向フィードモータ制御回路62はX方向フィードモータ52への駆動信号の出力を停止する。その後に、X方向フィードモータ52が駆動された際には、X方向位置検出回路64は、回転信号のパルス数をX方向フィードモータ52の回転方向に応じてカウントアップまたはカウントダウンし、そのカウント値に基づいてステージ51のX位置を計算し、X位置を表すデジタル信号をX方向フィードモータ制御回路62およびコントローラ91に出力し続ける。
同様に、Y方向フィードモータ53内にも、同モータ53の回転を検出して、その回転を表す回転信号を出力するエンコーダ53aが組み込まれている。この回転信号は、X方向フィードモータ52内のエンコーダ52aと同様に、Y方向フィードモータ53が所定の微少角度だけ回転するたびにハイレベルとローレベルとを交互に切り替えるパルス列信号であって、互いにπ/2だけ位相のずれたA相信号とB相信号とで構成される。この回転信号は、Y方向フィードモータ制御回路63とY方向位置検出回路65とに出力される。
Y方向位置検出回路65は、エンコーダ53aからの回転信号のパルス数をY方向フィードモータ53の回転方向に応じてカウントアップ又はカウントダウンし、そのカウント値からステージ51のY方向位置を検出し、Y方向位置(以下、単にY位置と呼ぶ)を表すデジタル信号をコントローラ91に出力する。Y位置は、光ヘッド20に対するステージ51のY方向の相対位置を表すため、光ヘッド20から測定対象物OBに照射されるレーザ光の照射位置のY座標値として扱われる。
Y方向位置検出回路65におけるカウント値の初期設定は、X方向位置検出回路64と同様に、電源投入時にコントローラ91の指示によって行われる。すなわち、コントローラ91からの初期設定が指示されると、Y方向フィードモータ制御回路63がY方向フィードモータ53を回転させてステージ51をY方向限界位置に移動させる。そして、Y方向位置検出回路65は、ステージ51がY方向限界位置に達してエンコーダ53aからの回転信号の入力が停止したことを検知すると、カウント値を「0」にリセットするとともに、Y方向フィードモータ制御回路63に出力停止信号を出力する。その後、Y方向位置検出回路65は、回転信号のパルス数をY方向フィードモータ53の回転方向に応じてカウントアップまたはカウントダウンし、そのカウント値に基づいてステージ51のY位置を計算し、Y位置を表す信号をY方向フィードモータ制御回路63およびコントローラ91に出力し続ける。
X方向フィードモータ制御回路62は、コントローラ91の指示により、X方向フィードモータ52を駆動制御して、ステージ51を指定X位置へ移動させる。具体的には、X方向フィードモータ制御回路52は、コントローラ91からX位置が入力すると、X方向位置検出回路64から入力するX位置を用いてX方向フィードモータ52の回転を制御し、X方向位置検出回路64から入力するX位置がコントローラ91から入力したX位置に等しくなるまでX方向フィードモータ52を回転させる。また、X方向フィードモータ制御回路62は、コントローラ91の指示により、X方向フィードモータ52を駆動制御して、ステージ51を正方向又は負方向に予め設定された速度で移動させる。具体的には、X方向フィードモータ制御回路52は、コントローラ91から移動方向(正方向又は負方向)が入力すると、エンコーダ52aから入力する回転信号の単位時間あたりのパルス数が設定されたパルス数になり、移動方向が入力した方向になるようX方向フィードモータ52の回転を制御する。
Y方向フィードモータ制御回路63も、コントローラ91の指示により、Y方向フィードモータ53を駆動制御して、ステージ51を指定Y位置へ移動させる。具体的には、Y方向フィードモータ制御回路63は、X方向フィードモータ制御回路62と同様に、コントローラ91からY位置が入力すると、Y方向位置検出回路65から入力するY位置がコントローラ91から入力したY位置に等しくなるまでY方向フィードモータ53を回転させる。また、Y方向フィードモータ制御回路63は、コントローラ91の指示により、Y方向フィードモータ53を駆動制御して、ステージ51を正方向又は負方向に予め設定された速度で移動させる。具体的には、Y方向フィードモータ制御回路63は、コントローラ91から移動方向(正方向又は負方向)が入力すると、エンコーダ53aから入力する回転信号の単位時間あたりのパルス数が設定されたパルス数になり、移動方向が入力した方向になるようY方向フィードモータ53の回転を制御する。
測定部10は、レーザ光源11、コリメーティングレンズ12、集光レンズ13、光カプラ14及び受光センサ15を有する。レーザ光源11は、スーパールミネセントダイオード(SLD)又はLEDで構成されていて、レーザ駆動回路8から入力する電圧および電流により低コヒーレンスのレーザ光を出射する。レーザ駆動回路8は、コントローラ91からレーザ照射開始の指令が入力すると、レーザ光源11から設定された強度のレーザ光が出射するよう、設定された強度の電圧および電流を出力する。この低コヒーレンスのレーザ光は、2つに分岐されたレーザ光が干渉した際、2つの分岐されたレーザ光の光路長が等しいときにのみ、干渉後のレーザ光の強度が極めて大きくなる特徴を有する。コリメーティングレンズ12は、レーザ光源11からの低コヒーレンスのレーザ光を平行光に変換し、集光レンズ13は、コリメーティングレンズ12からの平行光を集光して光ファイバー16に入射させる。この場合、集光レンズ13の焦点距離は、光ファイバー16内に入射したレーザ光が光ファイバー16内で全反射するように設定されている。光ファイバー16に入射したレーザ光は、光カプラ14に導かれる。
光カプラ14は、光ファイバー16を介して入射されたレーザ光を2つに分岐させ、一方を光ヘッド20に通じる光ファイバー31に入射させ、他方を後述する光路長可変装置40に通じる光ファイバー32に入射させる。以下、光ファイバー31に入射したレーザ光を測定光、光ファイバー32に入射したレーザ光を参照光という。また、光カプラ14は、光ファイバー31を介して光ヘッド20から導かれる測定光の反射光、及び光ファイバー32を介して光路長可変装置40から導かれる参照光の反射光を、それぞれ2つに分岐させて、それらの各一方を光ファイバー17を介して受光センサ15に導く。なお、本実施形態では、光カプラ14を用いて出射光及び反射光を2つに分岐させているが、出射光及び反射光を断面径の小さな平行光に変換して、ビームスプリッタを用いて2つに分岐させてもよい。
受光センサ15は、受光したレーザ光の強度を表す大きさの信号を出力する。この場合、受光センサ15に入射した2つの反射光は干渉し、レーザ光が低コヒーレンスであるため、受光センサ15から出力される信号は、測定対象物OBの反射位置から光カプラ14までの距離と、光路長可変装置40の反射位置(固定反射体46)から光カプラ14までの距離とが一致したときのみ強度が大きくなる。
光ヘッド20は、コリメーティングレンズ21、リレーレンズ22,23および対物レンズ24を有する。コリメーティングレンズ21は、光ファイバー31から出射された測定光を平行光にしてリレーレンズ22に導く。リレーレンズ22、23は入射した測定光を集光した後、おおよそ平行である光にして対物レンズ24に導き、対物レンズ24は、入射した測定光を集光し測定対象物OBに照射する。リレーレンズ22にはアクチュエータ25が備えられており、アクチュエータ25が駆動することにより測定光の光軸方向に駆動する。これにより、リレーレンズ23を出射する測定光は平行の度合が変化し、対物レンズ24による測定光の焦点位置は、測定光の光軸方向であり測定対象物OB表面の垂直方向に変化する。アクチュエータ25は後述する信号作成回路26が出力し増幅回路27が増幅する信号により駆動されるので、信号作成回路26が出力する信号により、対物レンズ24による測定光の焦点位置を意図した位置にすることができる。
光路長可変装置40は、スピンドルモータ44によって回転駆動される円盤状プレート41を有し、円盤状プレート41は4つの三角状反射体42を周方向に90°の間隔で配置している。三角状反射体42は、反射面を90度の角度をもって交差させた2枚の反射体からそれぞれなり、反射面が円盤状プレート41に対して垂直になるように円盤状プレート41にそれぞれ固定されている。そして、各三角状反射体42の各一対の反射面の法線ベクトルの合成ベクトルが、円盤状プレート41の回転方向になる向きに設定されている。また、この三角状反射体42は、入射した参照光を反射して入射した参照光とは逆方向(入射した参照光の光軸と平行であって、入射した参照光とは反対方向)に参照光を出射するもので、入射する参照光の光軸は、2枚の反射体の両反射面に垂直な平面(円盤状プレート41の上面)に対して平行となるように設定されている。
光ファイバー32から出射した参照光は、コリメーティングレンズ43により断面径が微小の平行光になり、光路長可変装置40の三角状反射体42に入射する。三角状反射体42で反射した参照光は、入射時と光軸が平行で進行方向が反対方向になり、固定反射体46の反射面に垂直に入射する。固定反射体46は入射した参照光を反射し、参照光は再び三角状反射体42に入射する。固定反射体46は参照光の光軸を変化させず、進行方向を逆方向にするので、三角状反射体42に再度入射した参照光の光軸は最初入射した参照光の光軸と同じであり、進行方向が反対である。そして、三角状反射体42で再度反射した参照光はやはり光軸位置が変化せず、進行方向が反対になってコリメーティングレンズ43で集光した後、光ファイバー32に入射する。すなわち、光ファイバー32から出射した参照光は、光路長可変装置40にて光軸位置が同一で進行方向が逆方向の参照光となって光ファイバー32に入射する。なお、本実施形態においては三角状反射体42を、反射面を90度の角度をもって交差させた2枚の反射体から成るものにしたが、光ファイバー32において出射レーザ光と入射レーザ光の光軸位置が同一になればよく、三角状反射体42には、3つの反射面をそれぞれ90度の角度をもって交差させた三角状反射体である、レトロリフレクタを用いてもよい。
スピンドルモータ44は、図1では円盤状プレート41と同じ平面内に描かれているが、実際はスピンドルモータ44の回転軸は円盤状プレート41の中心位置に、円盤状プレート41の表面に垂直にある。スピンドルモータ44は、スピンドルモータ制御回路47により駆動制御されて、円盤状プレート41を一定の回転速度で回転させる。スピンドルモータ44内には、同モータ44すなわち円盤状プレート41の回転を検出して、同回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ44aが組み込まれている。この回転検出信号は、円盤状プレート41の回転位置が基準回転位置に来るごとに発生されるインデックス信号Indexと、所定の微小な回転角度ずつハイレベルとローレベルを繰返すとともに互いにπ/2だけ位相のずれた1対のパルス列信号φA,φBとからなる。スピンドルモータ制御回路47は、コントローラ91の指令により作動開始し、エンコーダ44aからのパルス列信号φA,φBの単位時間あたりのパルス数が予め設定されている値になるようスピンドルモータ44を回転制御する。これにより、円盤状プレート41は設定された回転速度で回転する。また、エンコーダ44aから発生するインデックス信号Indexとパルス列信号φA,φBは、後述するデータ処理装置70の回転角度検出回路73と、信号作成回路26に入力する。
円盤状プレート41が回転すると三角状反射体42で参照光が反射する位置は変化するが、光ファイバー32における参照光の出射時の光軸位置と入射時の光軸位置は同一のままである。しかし、光ファイバー32から出射してから入射するまでの参照光の光路長は変化する。これにより、受光センサ15が出力する受光強度に相当する信号強度は、1つの三角状反射体42において円盤状プレート41がある回転位置にあるときに、測定対象物OBの反射位置から光カプラ14までの距離と、光路長可変装置40の反射位置(固定反射体46)から光カプラ14までの距離とが一致してピークとなる。
信号作成回路26は、コントローラ91からの作動指令により作動を開始し、回路内のメモリにデジタルデータで記憶されている信号の波高値データをアナログ信号に変換して出力する。波高値データは、光路長可変装置40の円盤状プレート41の1回転分が記憶されており、エンコーダ44aからインデックス信号Indexが入力すると、先頭のデジタルデータからアナログ信号に変換して出力する。この出力はエンコーダ44aから入力するパルス列信号のパルス数が所定数になるごとに行われる。すなわち、円盤状プレート41の回転角度に対する信号作成回路26の出力信号の強度は決められており、前述のように信号作成回路26が出力する信号により対物レンズ24による測定光の焦点位置は変化するので、円盤状プレート41が1回転するとき、測定光の焦点位置は一定の変化の仕方をする。信号作成回路26のメモリに記憶されている信号の波高値データは、円盤状プレート41の回転角度ごとの、参照光の光路長に等しい測定光の光路長の位置が焦点位置になるために、リレーレンズ22を駆動させる信号の強度に相当する波高値である。よって、この波高値データが、エンコーダ44aから入力するパルス信号のパルス数が所定数ごとにアナログ信号となって出力され、増幅回路27で増幅され、アクチュエータ25に供給されると、測定光の焦点位置はその焦点位置での測定光の光路長が参照光の光路長と等しくなるように変化する。すなわち、光路長の変化に同期して焦点位置が変化する。
視覚的に示すと、光路長可変装置40の円盤状プレート41が回転し、回転角度が0→360°と変化すると、参照光の光路長は図2(a)に示すように変化する。このとき、信号作成回路26が出力する信号は、図2(b)の細線に示すように変化し、この信号に基づいてリレーレンズ22が駆動するので、光路長の変化に追従するように測定光の焦点位置が変化する。なお、図2(b)の細線は参照光の光路長の変化すべてに同期して焦点位置を変化させる場合であり、太線は必要な期間のみ変化させる場合である。信号作成回路26は、後述する距離計算回路75から駆動信号強度が入力すると、回路内のメモリにデジタルデータで記憶されている信号の波高値データ(細線に相当するデータ)から入力した駆動信号強度から設定範囲内の強度のみ記憶されているデータを用いる波高値データ(太線に相当するデータ)を作成し、以後、このデータを出力する。これにより、光路長の変化に同期して焦点位置が変化するのは、測定対象物OBの表面を中心とした上下の微小範囲のみになる。この点は、後で詳細に説明する。また、信号作成回路26のメモリに記憶する信号の波高値データの求め方も後で詳細に説明する。
データ処理装置70は、増幅回路71、検出回路72、回転角度検出回路73、回転角度出力回路74、距離計算回路75、タイミング指定回路76、ピークホールド回路77及びレベル設定回路78を備えている。増幅回路71は、受光センサ15が出力する受光強度に相当する強度の信号を入力し、設定された増幅率で増幅した信号を検出回路72へ出力する。以下、増幅回路71が出力する信号を受光信号という。検出回路72は、後述するレベル設定回路78から入力した信号強度の設定値で検出レベルが設定されており、入力した受光信号が設定された検出レベルを交差すると検出信号を出力する。視覚的に示すと、測定光と参照光の光路長が等しくなる付近で、円盤状プレート41の回転角度の変化(光路長の変化)に対する受光信号の強度の変化は図3に示すような波形になる。前述したように、ピーク位置は測定光と参照光の光路長が等しくなるタイミングである。検出回路72は、図3に点線で示すレベルの検出レベルが設定されており、図3に点で示す信号強度が検出レベルと交差したタイミングで検出信号を出力する。信号にピークが発生するとき信号が検出レベルを交差するタイミングは、下から上と上から下の2回存在するので、検出信号は2回出力される。
回転角度検出回路73はエンコーダ44aが出力するインデックス信号Indexとパルス列信号φA,φBを入力し、インデックス信号入力時からのパルス列信号のパルス数のカウント値をデジタルデータで出力する。そして、インデックス信号が入力した時は常にカウント値を0にする。カウント値をインデックス信号が入力する直前でのカウント値(カウント値の最大値)で除算し、360°を乗算した値が回転角度であるが、カウント値の最大値は定数であり、カウント値は回転角度そのものとみなしてよい。回転角度出力回路74は、回転角度検出回路73からの回転角度(カウント値)のデジタルデータを入力し、検出回路72から検出信号を入力すると、そのタイミングで入力した回転角度のデジタルデータを距離計算回路75へ出力する。よって、図3に点で示す2つのタイミングにおける回転角度が距離計算回路75に入力する。および、回転角度出力回路74は、コントローラ90から作動開始指令が入力した後と、距離計算回路75に回転角度データを出力した後、入力する回転角度データの変化分が設定された値に達するまでの間に、検出回路72から検出信号が入力しないと、入力した最新の回転角度データとNGを意味するデータを出力する。これにより、測定対象物OB表面の反射率が小さく、受光信号のピーク強度が小さくなって検出回路72の検出レベルと交差しなくなる不具合を検出することができる。
距離計算回路75は回転角度(カウント値)に対する光路長の変化量の関係がメモリに記憶されており、コントローラ91から作動開始の指令が入力すると、図4に示すフローのプログラムを実行する。以下、このフローに沿って説明する。S200でプログラムがスタートし、S202で距離Dbに0を入れる。距離Dbについては後述する。S204〜S208で回転角度出力回路74から2つの回転角度データが入力するのを待ち、入力するとS204で「Yes」と判定し、S214にて2つの回転角度データP1,P2から距離Dを計算してコントローラ91に出力する。S214では、2つの回転角度データの中間値を信号のピークにおける回転角度として求め、メモリに記憶されている関係から、求めた回転角度に対する光路長の変化量に1/2を乗算した値を距離Dとして求める。距離Dは参照光の光路長の変化量を0にする基準位置からの距離であるが、測定対象物OBの表面プロファイルは距離Dの変化であるので基準位置は任意の位置に設定することができる。また、光路長の変化量に1/2を乗算するのは、測定光は測定対象物OBの表面で反射して戻るため、距離Dの2倍が光路長の変化量に相当するためである。
測定対象物OBの表面の反射率が一様で測定対象物OBごとに略一定であれば、測定光の焦点位置は参照光の光路長に同期して変化しているので、受光信号のピーク強度に対して検出回路72の検出レベルは常に適切な値になり、S204〜S208とS214の処理のみで測定は可能である。しかし、測定対象物OBの表面の反射率が一様でなく、測定対象物OBごとに反射率が異なっている場合があり、また、測定光の焦点位置を参照光の光路長の変化に同期させて変化させるのを、必要な範囲に限定するため、プログラムはこれ以外の処理を行う。
S204〜S208で2つの回転角度データが回転角度出力回路74から入力するのを待っている間、回転角度出力回路74から最新の回転角度データとNGを意味するデータが入力すると、S206にて「Yes」と判定し、S210にて回転角度出力回路74から入力した回転角度データPnをタイミング指定回路76に出力する。後述するが、この出力は検出回路72に設定された検出レベルを再設定する指令である。前述のように回転角度出力回路74が最新の回転角度データとNGを意味するデータを出力するのは、受光信号のピーク強度が小さく、検出回路72に設定された検出レベルと受光信号が交差しない場合である。
また、S214の処理の後、S204〜S208の処理(2つの回転角度データの入力を待つ処理)に戻るまでに、以下の2つの処理を行う。
・最新の距離Dと先に記憶した距離Dbの差が許容値内か判定し、許容内でないときは信号作成回路26に距離Dに相当する駆動信号を出力する処理(S216〜S220)。
・受光信号のピーク強度と検出回路72に設定された検出レベルの関係が適正か判定し、適正でないときはタイミング指定回路76に対し、検出回路72に設定されている検出レベルを再設定する指令を出力する処理(S222〜S226)。
・最新の距離Dと先に記憶した距離Dbの差が許容値内か判定し、許容内でないときは信号作成回路26に距離Dに相当する駆動信号を出力する処理(S216〜S220)。
・受光信号のピーク強度と検出回路72に設定された検出レベルの関係が適正か判定し、適正でないときはタイミング指定回路76に対し、検出回路72に設定されている検出レベルを再設定する指令を出力する処理(S222〜S226)。
S216〜S220の処理は、測定開始時点では距離Dbを0にしているのでS216で「Yes」と判定され、必ず実行される。すなわち、測定開始時点では、測定光の焦点位置の変化は参照光の光路長の変化に同期してすべての範囲において行われるが、最初に距離Dが測定された後は、S218にて信号作成回路26に距離Dに相当する駆動信号強度が入力するので、それ以降は測定光の焦点位置の変化は、測定対象物OBの表面を中心とした上下の微小範囲のみになる。前述のように距離計算回路75は回転角度に対する光路長の変化量の関係がメモリに記憶されているが、さらに、この関係と信号作成回路26に記憶されている回転角度と信号の波高値データの関係を用いて、光路長の変化量と信号の波高値データの関係が記憶されており、光路長の変化量に距離Dの2倍の値を当てはめたときの信号の波高値データを求め、駆動信号強度として信号作成回路26に出力する。視覚的に示すと、図2(a)に黒点で示す点が受光信号がピークとなる光路長の変化量(距離D×2)として検出されると、図2(b)に黒点で示す点の駆動信号強度が信号作成回路26に出力される。そして、前述のように、信号作成回路26は駆動信号強度が入力すると、図2(b)の太線に相当する波高値データを作成し、以後このデータを出力する。S218にて駆動信号強度が信号作成回路26に出力されるとS220にて距離Dbに距離Dが入るので、以後、S216にて最新の距離Dが距離Dbに対して許容値よりも変化しない限り「No」と判定され、S218、S220の処理は実行されない。すなわち、測定対象物OBの表面の位置が大きく変化しない限り、信号作成回路26には駆動信号強度は出力しない。しかし、測定対象物OBの表面の位置が大きく変化した場合は、測定光の焦点位置の変化範囲に測定対象物OBの表面が入らなくなる可能性があるので、S216で「Yes」と判定してS218にて信号作成回路26に駆動信号強度を出力し、S220にて距離Dbに最新の距離Dを入力する。
S222〜S226の処理は、S222とS224にて回転角度出力回路74から入力した2つの回転角度データP1,P2の差が許容範囲にあるか判定し、許容範囲内にないときは、回転角度データP1をタイミング指定回路76に出力する処理である。後述するが、この出力は検出回路72に設定された検出レベルを再設定する指令である。受光信号のピーク強度と検出回路72に設定された検出レベルは直接比較することはできないが、受光信号のピーク強度が検出回路72に設定された検出レベルに対して大きくなるほど、回転角度データP1,P2の差は大きくなるので、回転角度データP1,P2の差から、受光信号のピーク強度と検出回路72に設定された検出レベルの関係が適正かを判定する。すなわち、回転角度データP1,P2の差が上限値より大きいときは受光信号のピーク強度が検出回路72に設定された検出レベルより大きすぎる場合であり、S222にて「Yes」と判定してS226へ行く。また、回転角度データP1,P2の差が下限値より小さいときは、受光信号のピーク強度が検出回路72に設定された検出レベルに接近しすぎている場合であり、S224にて「Yes」と判定してS226へ行く。そして、S226にて回転角度データP1をタイミング指定回路76に出力する。この出力が、検出回路72に設定された検出レベルを再設定する指令である。また、前述のように、受光信号のピーク強度が検出回路72に設定された検出レベルより小さい場合(回転角度が所定角度変化しても回転角度データP1,P2が入力しない場合)も、検出レベルを再設定する指令がタイミング指定回路76に出力する。
距離計算回路75はS204〜S208の処理(2つの回転角度データの入力を待つ処理)の最中にコントローラ91から停止指令が入力すると、S208にて「Yes」と判定してS212へ行き、プログラムの実行を終了する。よって、コントローラ91から作動開始指令が入力してから停止指令が入力するまでの間、参照光の光路長が変化して測定光と等しくなるごとに受光信号にピークが発生し、ピーク位置における光路長変化量の1/2が距離Dとしてコントローラ91に入力し続ける。その間、測定光の焦点位置の変化範囲と検出回路72に設定された検出レベルが適正にされる。
タイミング指定回路76は、図2に示す回転角度組(A1,A2),(B1,B2),(C1,C2),(D1,D2)が記憶されており、距離計算回路75から回転角度Pn又は回転角度P1が入力すると、記憶している回転角度組(A1,A2),(B1,B2),(C1,C2),(D1,D2)の内、入力した回転角度の次にくる回転角度組を選択する。そして、回転角度検出回路73から入力する回転角度が選択した回転角度組の最初の回転角度になったとき、ピークホールド回路77に開始信号を出力する。そして、回転角度検出回路73から入力する回転角度が選択した回転角度組の後の回転角度になったとき、ピークホールド回路77に停止信号を出力する。これにより、光路長の変化が開始するタイミングと光路長の変化が終了するタイミングでピークホールド回路77に開始信号と停止信号が出力される。なお、回転角度組(A1,A2),(B1,B2),(C1,C2),(D1,D2)のそれぞれの回転角度は、考えられる測定対象物OBの表面の範囲から図2に示される範囲よりも狭めて設定してもよい。
ピークホールド回路77は、オペアンプ、抵抗、ダイオード、コンデンサ等から構成される一般的なピークホールド回路に、A/D変換器を備えた回路である。ピークホールド回路77は、タイミング指定回路76から開始信号が入力すると、増幅回路71から受光信号を入力し、停止信号が入力すると受光信号の入力を停止する。そして、増幅回路71から受光信号が入力開始したタイミングにおける受光信号の強度を、回路内のA/D変換器でデジタルデータにしてレベル設定回路78に出力する。さらに、入力期間中の受光信号のピーク強度に等しい強度の信号(ピークホールドした信号)を、回路内のA/D変換器でデジタルデータにしてレベル設定回路78に出力し、ピークホールドした信号をクリアする。
レベル設定回路78は、ピークホールド回路77からデジタルデータで入力した受光信号のピーク強度とグランドレベル(ピークが発生しないときの受光信号の強度)の差に予め設定されている割合を乗算し、得られた値にグランドレベルを加算した値を信号強度として検出回路72に出力する。検出回路72は前述のように入力した信号強度で検出レベルを設定する。これにより、距離計算回路75から検出レベルを再設定する指令(回転角度Pn又はP1)が出力すると、検出回路72の検出レベルが再設定される。
コンピュータ装置90は、コントローラ91、入力装置92及び表示装置93からなる。コントローラ91は、CPU、ROM、RAM、大容量記憶装置などを備えたマイクロコンピュータを主要部とした電子制御装置であり、大容量記憶装置に記憶された各種プログラムを実行して表面プロファイル測定装置の作動を制御する。入力装置92は、コントローラ91に接続されて、作業者により、各種パラメータ、作業指示などの入力のために利用される。表示装置93は、コントローラ91に接続されて、作業者に対して各種の設定状況、作動状況、測定結果なども視覚的に知らせる表示を行う。
信号作成回路26のメモリに記憶する、光路長の変化に同期して測定光の焦点位置を変化させる信号の波高値データは、次を行うことで求めればよい。
(1)ピークホールド回路77への作動開始と作動停止指令の出力と、ピークホールド回路77からのピークホールド値の入力、及び回転角度検出回路73からの回転角度の入力を、コントローラ91と各回路間で行えるようにし、回転角度値、ピークホールド値(受光信号のピーク値)が表示装置93の表示から得ることができるようにする。
(2)ステージ51に高さ位置を可変できる反射面が測定光に垂直な反射体を置き、光ヘッド20からの測定光が反射体に照射されるようステージ51を移動させ、レーザ駆動回路10を作動させて測定光を反射体に照射する。
(3)円盤状プレート41をある回転角度Θ(n)にする。
(4)信号作成回路26から一定強度の信号I(m)を出力させ。ピークホールド回路77を作動させて反射体の高さを一定方向に変化させ、ピークホールド回路77が出力するピークホールド値(受光信号のピーク値)を得る。
(5)信号作成回路26が出力する信号強度I(m)を変化させ(4)の作業を複数の信号強度I(m)にて行う。信号強度I(m)に対するピークホールド値(受光信号のピーク値)の関係を描くと正規分布に近い曲線が得られる。ピーク位置の信号強度I(n)が円盤状プレート41の回転角度Θ(n)において、測定光の焦点位置における光路長が参照光の光路長と等しくなる信号強度である。
(6)(3)〜(5)の作業を円盤状プレート41の複数の回転角度Θ(n)で行い、0〜360°における回転角度Θ(n)に対する信号強度I(n)の関係を得る。得られた関係が、信号作成回路26のメモリに記憶する波高値データである。
(1)ピークホールド回路77への作動開始と作動停止指令の出力と、ピークホールド回路77からのピークホールド値の入力、及び回転角度検出回路73からの回転角度の入力を、コントローラ91と各回路間で行えるようにし、回転角度値、ピークホールド値(受光信号のピーク値)が表示装置93の表示から得ることができるようにする。
(2)ステージ51に高さ位置を可変できる反射面が測定光に垂直な反射体を置き、光ヘッド20からの測定光が反射体に照射されるようステージ51を移動させ、レーザ駆動回路10を作動させて測定光を反射体に照射する。
(3)円盤状プレート41をある回転角度Θ(n)にする。
(4)信号作成回路26から一定強度の信号I(m)を出力させ。ピークホールド回路77を作動させて反射体の高さを一定方向に変化させ、ピークホールド回路77が出力するピークホールド値(受光信号のピーク値)を得る。
(5)信号作成回路26が出力する信号強度I(m)を変化させ(4)の作業を複数の信号強度I(m)にて行う。信号強度I(m)に対するピークホールド値(受光信号のピーク値)の関係を描くと正規分布に近い曲線が得られる。ピーク位置の信号強度I(n)が円盤状プレート41の回転角度Θ(n)において、測定光の焦点位置における光路長が参照光の光路長と等しくなる信号強度である。
(6)(3)〜(5)の作業を円盤状プレート41の複数の回転角度Θ(n)で行い、0〜360°における回転角度Θ(n)に対する信号強度I(n)の関係を得る。得られた関係が、信号作成回路26のメモリに記憶する波高値データである。
以下、上記のように構成された表面プロファイル測定装置の作動の仕方について、コントローラ91が実行するプログラムに沿って説明する。作業者は表面プロファイル測定装置の電源を入れ、ステージ51に測定対象物OBを載置した後、入力装置92から測定対象物OBにおける測定開始位置であるX位置、Y位置と測定終了位置であるX位置、Y位置を入力し、測定開始の指令を入力する。なお、コントローラ91のメモリに記憶されている測定開始位置と測定終了位置をそのまま使用するときは、測定開始位置と測定終了位置の入力は不要である。コントローラ91は入力装置92から測定開始の指令が入力すると、図5に示すフローのプログラムをS100にてスタートさせる。
S102にてX方向の移動方向を表す値Aに1を入れる。後述するが、値Aが1のときX方向は正方向であり、−1のときは負方向である。次にS104にて、コントローラ91はX方向フィードモータ制御回路62とY方向フィードモータ制御回路63に測定開始位置であるX位置とY位置を出力し、測定開始位置に測定光が照射されるようステージ51の移動を開始させる。次にS106にて、レーザ駆動回路8、スピンドルモータ制御回路47及び信号作成回路26に作動開始の指令を出力する。これにより、測定対象物OBに測定光が照射され、光路長可変装置40は入射する参照光の光路長を変化させて元に戻し、リレーレンズ22は光軸方向に駆動して測定光の焦点位置は光路長の変化に同期して変化し、増幅回路71が出力する受光信号は、円盤状プレート41がある回転位置にあるときにピークが発生する信号になる。
次にコントローラ91は、S108でX方向位置検出回路64、Y方向位置検出回路65から入力するX位置、Y位置が測定開始位置であるX位置とY位置になるまで(測定光の照射位置が測定開始位置になるまで)待つ。そして、X位置とY位置が測定開始位置になるとS110に行き、回転角度検出回路73、回転角度出力回路74及び距離計算回路75に作動開始の指令を出力する。これにより、回転角度検出回路73は円盤状プレート41の回転角度を出力し、回転角度出力回路74は検出回路72から信号が入力すると、入力したタイミングで入力した回転角度を出力し、距離計算回路75は前述した図4に示すフローのプログラムをスタートさせる。これにより、コントローラ91には一定間隔で距離Dのデータが入力するようになり、信号作成回路26が出力する信号は、測定光の焦点位置が測定対象物OBの表面を中心とした微小範囲のみで、光路長の変化に同期して変化する信号になる。
次にコントローラ91は、S112で図6に示すフローのプログラムをスタートさせる。これ以降、コントローラ91は図5に示すフローのプログラムと図6に示すフローのプログラムを並行して実行する。図6に示すフローのプログラムは距離計算回路75が出力する距離Dと同タイミングにおけるX位置、Y位置とを組にして記憶する処理を行うプログラムであるが、説明は後述し、先に図5に示すフローのプログラムを説明する。
コントローラ91は、S114で検出回路72から検出信号が入力するのを待って、S116でY方向への移動を開始し、S118で最初はA=1であるため「Yes」と判定されてS120へ行き、X方向の正方向への移動を開始する。検出信号が入力するのを待つのは、距離計算回路75の作動開始時点では、測定対象物OBの反射率が低く、受光信号のピーク強度が検出回路72に設定された検出レベルを超えない可能性があるためである。Y方向への移動は1方向であるため、S116で移動開始がされるとY方向の測定終了位置まで等速度で移動が行われる。これに対し、X方向はS118〜S134の処理で正方向と負方向が交互に変わる移動が行われる。移動が開始された後、S128でX位置が取込まれ、X位置は停止位置である測定終了位置になるまでS124〜S130の処理が継続され、X位置が測定終了位置になったとき、S130で「Yes」と判定されてS132へ行き、S132にてX方向の正方向への移動が停止し、S134にてAが−1になってS118へ戻り、S118で「No」と判定されてS122へ行き、X方向の負方向への移動を開始する。そして、X位置は停止位置である測定開始位置になるまでS124〜S130の処理が継続され、X位置が測定開始位置になったとき、S130で「Yes」と判定されてS132へ行き、S132にてX方向の負方向への移動が停止し、S134にてAが1になってS118へ戻る。そしてS120へ行き、再びX方向の正方向への移動を開始する。後は、この処理が継続して行われ、X方向は正方向と負方向が交互に変わる移動が行われる。この間、S124でY位置が取込まれ、S126でY位置が測定終了位置であるか判定されるが、Y位置が測定終了位置になるまで時間がかかるのでS126で「No」と判定され続ける。
このようにして、測定光の照射位置はX方向の正方向と負方向に交互に高速で移動するとともに、Y方向は正方向に低速で移動する。そして、Y位置が測定終了位置になるとS126で「Yes」と判定されてS136へ行き、S136にてX方向フィードモータ制御回路62とY方向フィードモータ制御回路63に停止指令を出力して、X方向、Y方向への移動を停止させる。次に、S138にて並行して実行している図6のフローのプログラムを停止し、S140にて回転角度検出回路73、回転角度出力回路74及び距離計算回路75に作動停止の指令を出力して作動を停止させる。そして、S142にてレーザ駆動回路8、スピンドルモータ制御回路47及び信号作成回路26に作動停止の指令を出力し、測定光の照射、円盤状プレート41の回転及びリレーレンズ22の光軸方向への駆動を停止し、S144にてプログラムの実行を終了する。
この時点で、コントローラ91のメモリには、図6のフローのプログラム実行により、距離D、X位置及びY位置が組になったデータが多数記憶されている。以下、図6のフローのプログラムに沿って説明を行う。図6に示すフローのプログラムは、前述したようにS112での開始の指令と共にS300にてスタートする。S302、S314の処理を繰り返すことで、検出回路72から検出信号が入力するの待ち、入力するとS302で「Yes」と判定してS304へ行き、S304、S306にてX方向位置検出回路64、Y方向位置検出回路65から入力するX位置、Y位置を取込む。そして、S308にて距離計算回路75から入力する距離Dを待ち、S302へ戻る。後はこの繰り返しを前述したS138での停止の指令が行われるまで行う。厳密には検出信号が入力するタイミングは受光信号がピークになるタイミングではなく、受光信号が検出レベルと最初に交差するタイミングであるため、距離DのタイミングとX位置、Y位置のタイミングとは僅かなずれがあるが、このずれは無視できるレベルである。
S138で停止の指令が行われるとき、図6のフローのプログラムは殆どがS302、S314で検出信号の入力を待つ処理を行っているときであるため、S314にて「Yes」と判定してS316でプログラムの実行を終了する。ただし、検出信号を入力してから距離計算回路75が距離Dを出力する間に停止の指令が行われる可能性が僅かではあるがあり、このときは距離Dが入力しないためS308にて「Yes」と判定されることがなくなる。よって、S308にて距離計算回路75から入力する距離Dを待つときも、S310にて停止の指令の有無を判定し、停止の指令があったときはS310にて「Yes」と判定してS312でプログラムの実行を終了する。
コントローラ91は図5、図6のフローのプログラムの実行を終了すると、メモリに記憶されている、距離D、X位置及びY位置が組になったデータを用いて測定対象物OBの表面プロファイルの画像を作成し、表示装置93に表示する。また、平均面粗さ(Ra)、自乗平均面粗さ(RMS)、面内最大高低差(Rmax)等、表面の凹凸の度合いを表す数値を計算して合わせて表示するようにしてもよい。作業者は表示された結果を見ることで、測定対象物OB表面の凹凸の度合いを評価することができる。
上記説明からも理解できるように、上記第1実施形態においては光コヒーレンストモグラフィーにより測定対象物OBの表面プロファイルを測定する装置において、光路長可変装置40による光路長の変化に同期させて、測定光の対物レンズ24による焦点位置を測定光の光軸方向に変化させる信号生成回路26、増幅回路27及びアクチュエータ25を備えている。さらに、干渉光の強度に相当する受光信号の強度がピークとなる測定対象物OBの表面に対応する対象ピークタイミングを、光路長可変装置40による光路長変化量として検出する回路として、受光信号のピーク強度より小さい検出レベルが設定され、検出レベルを受光信号が交差する2つの交差タイミングを検出する検出回路72、回転角度検出回路73及び回転角度出力回路74と、検出した2つの交差タイミングから対象ピークタイミングを計算する距離計算回路75を備えている。これによれば、光路長の変化に同期して測定光の焦点位置が測定光の光軸方向に変化するので、測定対象物OBの表面の位置によらず、測定光と参照光の光路長が等しくなるときは測定対象物OBの表面に測定光の焦点が合い、受光信号のピーク強度は略一定になる。よって、ピーク強度より小さい検出レベルを適切に設定し、受光信号が検出レベルを交差する2つの交差タイミングを検出すれば、これから測定対象物OBの表面に対応する対象ピークタイミングを精度よく求めることができる。そして、2つの交差タイミングデータから対象ピークタイミングを求めているので、データ処理は短時間で済み、測定を高速で行うことができる。
また、上記第1実施形態においては、対象ピークタイミングにおける受光信号の強度を検出するタイミング指定回路76及びピークホールド回路77を備え、距離計算回路75は、検出した2つの交差タイミングの差が予め設定した許容範囲内にないとき、レベル設定回路78にタイミング指定回路76及びピークホールド回路77により検出した信号強度に基づいて、検出回路72に設定されている検出レベルを設定し直すようにさせている。これによれば、測定対象物OBごとに表面の反射率が異なっていても、又は測定対象物OBの表面の反射率が場所ごとに異なっていても、検出回路72に設定されている検出レベルを適切な値に設定することができるので、測定精度を変えることなく高速で測定を行うことができる。
また、上記第1実施形態においては、信号生成回路26は、距離計算回路75から入力した対象ピークタイミングに対応する信号強度に基づいて、測定光の焦点位置の変化を開始する開始タイミングと終了する終了タイミングとを設定し、設定後に距離計算回路75が計算した最新の対象ピークタイミングと信号生成回路26に出力した信号強度に対応する対象ピークタイミングとの差が許容値内にないとき、最新の対象ピークタイミングに対応する信号強度を信号生成回路26に出力し、信号生成回路26は、開始タイミングと終了タイミングとを設定し直している。これによれば、測定光の焦点位置を光路長の変化に同期させて変化させるのは、測定光の焦点位置が測定対象物OBの表面を中心とした上下の微小範囲のみにすることができるので、アクチュエータ25にかかる負荷を必要最小限にすることができる。
また、本発明の他の特徴は、対物レンズ24に測定光が入射する前に、測定光が入射し出射するリレーレンズ22,23を備え、測定光の焦点位置の変化は、リレーレンズ22を測定光の光軸方向に駆動させることにより行うようにしている。これによれば、対物レンズ24を光軸方向に駆動させて測定光の焦点位置を変化させるよりも、焦点位置の変化を速く行うことができるので、より高速に測定を行うことができる。
なお、上記第1実施形態は、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。上記実施形態は、受光信号が検出回路72に設定された検出レベルと交差するタイミングを、回転角度検出回路73がエンコーダ44aが出力するインデックス信号とパルス列信号から検出した回転角度(円盤状プレート41の回転角度)により検出し、受光信号がピークになるタイミングを回転角度で求めている。しかし、円盤状プレート41は、スピンドルモータ制御回路47による制御により回転速度一定で回転しているので、インデックス信号が入力してからの時間から回転角度を求めることができる。よって、データ処理装置70を、図7に示すように回転角度検出回路73、回転角度出力回路74を時間計測回路73’、時間出力回路74’に替え、距離計算回路75、タイミング指定回路76において、上記実施形態で回転角度で設定されているものは、回転角度を回転速度で除算することで時間に変更してもよい。この場合、エンコーダ44aが出力する信号はインデックス信号Indexのみを入力し、時間計測回路73’は内部にインデックス信号Indexが入力するごとに0にリセットされる時間を出力し、時間出力回路74’は検出信号が入力したときの時間を出力する。
また、回転角度に変えて時間を検出する場合は、先行技術文献に特許文献2として記載された特開2013−221811号公報に示されているように、測定光を厚さと屈折率が既知の基準透光体を透過した後、測定対象物OBに照射するようにし、基準透光体の厚さと屈折率とピークにおける時間とから距離Dを求めるようにしてもよい。この場合、増幅回路71が出力する受光信号には1回の光路長の変化に対して3つのピークが発生するので以下のようにする。基準透光体の表面と裏面に対応するピークを検出するための検出回路72’、時間出力回路74”を検出回路72、時間出力回路74’とは別に設ける。基準透光体の表面と裏面に対応するピークの発生時間は略一定であるので、時間計測回路73’が出力する信号に基づいて、受光信号の出力先を検出回路72と検出回路72’で切り替える。そして、タイミング指定回路76が出力する開始タイミングと終了タイミングを受光信号の出力先が検出回路72になっているときで設定する。これによれば、スピンドルモータ44の回転に回転ジッタがあっても、精度よく測定を行うことができる。
(第2実施形態)
上記第1実施形態は、表面プロファイル測定装置に本発明を適用したときの形態であるが、本発明は、透光性物体厚さ測定装置にも適用することができる。以下、本発明の第2実施形態として、本発明が適用された透光性物体厚さ測定装置について説明する。なお、上記第1実施形態と構成が同じ箇所は同じであることをいうのみとし、説明は省略する。透光性物体厚さ測定装置の全体構成図は、図1に示すものと同じである。測定部10、光ヘッド20、光路長可変装置40、ステージ駆動装置50、コンピュータ装置90に関する説明は、上記第1実施形態と同じである。
上記第1実施形態は、表面プロファイル測定装置に本発明を適用したときの形態であるが、本発明は、透光性物体厚さ測定装置にも適用することができる。以下、本発明の第2実施形態として、本発明が適用された透光性物体厚さ測定装置について説明する。なお、上記第1実施形態と構成が同じ箇所は同じであることをいうのみとし、説明は省略する。透光性物体厚さ測定装置の全体構成図は、図1に示すものと同じである。測定部10、光ヘッド20、光路長可変装置40、ステージ駆動装置50、コンピュータ装置90に関する説明は、上記第1実施形態と同じである。
データ処理装置70の構成は上記第1実施形態と同じであるが、距離計算回路75、タイミング指定回路76及びレベル設定回路78は以下のようになっている。距離計算回路75はコントローラ91からの指令が入力すると、図4に示すフローのプログラムと同様のプログラムを実行するが、以下の箇所が異なっている。S202で0を入れるのはDfbとDbbである。これは距離Dが測定対象物OBの表面までの距離と裏面までの距離の2つがあるためである。また、S204にて入力したか判定するのは、回転角度P1,P2,P3,P4のデータである。これは受光信号のピークは測定対象物OBの表面と裏面で発生するためである。
また、S214では測定対象物OBの表面までの距離Df、測定対象物OBの厚さt及び測定対象物OBの裏面までの距離Dfを計算し、測定対象物OBの厚さtのみをコントローラ91に出力する。測定対象物OBの表面までの距離Dfは、回転角度P1,P2から測定対象物OBの表面に対応するピークの回転角度Pfを求め、回転角度Pfにおける光路長変化量に1/2を乗算して求める。測定対象物OBの厚さtは、回転角度P3,P4から測定対象物OBの表面に対応するピークの回転角度Pbを求め、回転角度Pfにおける光路長変化量と回転角度Pbにおける光路長変化量の差に1/2を乗算し、測定対象物OBの屈折率で除算することで求める。測定対象物OBの裏面までの距離Dbは、回転角度Pbにおける光路長変化量に1/2を乗算して求める。
また、S216では最新の距離Dfと記憶してある距離Dfbが許容値を超えないかの判定と、最新の距離Dbと記憶してある距離Dbbが許容値内を越えないかの判定を行い、いずれかが許容値を超えれば「Yes」と判定してS218へ行く。また、S218では、距離Dfと距離Dbに相当する駆動信号強度を信号作成回路26に出力する。また、S220では、最新の距離DfをDfbに入れ、最新の距離DbをDbbに入れる。本実施形態で2つの距離Df,Dbが必要な理由は、測定光の焦点位置の変化を測定対象物OBの表面より上の近傍位置と測定対象物OBの裏面より下の近傍位置の範囲で行うためである。
また、S222、S224では回転角度P3、P4に対して、上限値より大きくないか、および下限値より小さくないかの判定を行う。これは、測定対象物OBの裏面に対応する受光信号のピーク強度の方が測定対象物OBの表面に対応する受光信号のピーク強度よりも小さいため、測定対象物OBの裏面に対応する受光信号のピーク強度に対して検出レベルを設定するためである。また、S226では回転角度P1と回転角度P4の中間の回転角度における光路長変化量と同じ光路長変化量になる回転角度で回転角度P4の次に来る回転角度Pmを出力する。これは、受光信号のピーク強度を検出する期間の開始タイミングを、測定対象物OBの表面に対応する受光信号のピークが発生した後にするためである。これ以外は、上記第1実施形態と同じである。
次にタイミング指定回路76は、図8に示す回転角度(A1,A2),(B1,B2),(C1,C2),(D1,D2)が記憶されているが、距離計算回路75から回転角度Pmが入力すると、記憶している回転角度組(A1,A2),(B1,B2),(C1,C2),(D1,D2)の内、回転角度Pmが属する回転角度組を選択し、回転角度Pmでピークホールド回路77に開始信号を出力し、選択した回転角度組の後の回転角度で終了信号を出力する。視覚的に示すと、距離計算回路75で図8(a)に黒点で示す点が2つのピークタイミングとして検出され、検出レベルが適正でないと判定されると、光路長変化量が同じで次に来る回転角度Pmをタイミング指定回路76に出力し、タイミング指定回路76は、回転角度PmからB2の間で発生するピークの信号強度を検出するようピークホールド回路に開始信号と終了信号を出力する。
また、タイミング指定回路76は距離計算回路75から回転角度Pnが入力すると、上記第1実施形態と同様に、回転角度組(A1,A2),(B1,B2),(C1,C2),(D1,D2)の内、次に来る回転角度組で開始信号と終了信号を出力する。この場合は、ピークホールド回路77は測定対象物OBの表面に対応するピークの信号強度を検出する。
次に、レベル設定回路78は、上記第1実施形態と同じ処理を行うことに加えて以下の処理を行う。レベル設定回路78は、入力したピークの信号強度と出力した信号強度(検出レベル)を次に信号強度を出力するまで記憶しており、入力したピークの信号強度が先に入力した信号強度と等しい(差が設定された微小な範囲内にある)ときは、前回出力した信号強度(検出レベル)とグランドレベルとの差に予め設定されている割合(上記第1実施形態での割合より小さい)を乗算し、グランドレベルを加算した信号強度を出力する。これにより、検出レベルが測定対象物OBの裏面に対応するピークの信号強度より大きく、ピークホールド回路77が測定対象物OBの表面に対応するピークの信号強度を検出する場合は、検出レベルの再設定を繰り返すことにより検出レベルが下がり、測定対象物OBの裏面に対応するピークの信号強度を基に検出レベルを設定することができる。
信号作成回路26は、エンコーダ44aからインデックス信号Indexとパルス列信号φA,φBを入力し、回路内のメモリにデジタルデータで記憶されている信号の波高値データをアナログ信号に変換して出力する点は上記第1実施形態と同じである。異なっている点は、上記第1実施形態が距離計算回路75から駆動信号強度が1つ入力するのに対し、本第2実施形態では駆動信号強度が2つ入力する点と、入力した2つの駆動信号から設定範囲内の強度のみ記憶されているデータを用いる波高値データを作成する点である。視覚的に示すと、距離計算回路75が、図8(a)に黒点で示す2つのピーク点の光路長(距離Df×2と距離Db×2)を検出すると、距離計算回路75は信号作成回路26に図8(b)に黒点で示す2つの駆動信号強度を出力する。信号作成回路26は2つの駆動信号強度の上下に最大と最小を定めた図8(b)の太線に相当するデータを作成し、以後、このデータを出力する。
コントローラ91が実行するプログラムは、上記第1実施形態におけるプログラムと一部が異なるのみである。図5に示すプログラムのフロー図は、S114にて検出信号が入力したか判定する替わりに検出信号が予め設定されている短時間の間に4つ入力したか判定する。これは、検出回路72に設定された検出レベルが、測定対象物OBの裏面に対応するピークの信号強度より大きいが、測定対象物OBの表面に対応するピークより小さいため、測定不可の場合でも検出信号が入力する場合があるためである。また、図6に示すプログラムのフロー図のS302にても同様に検出信号が予め設定されている短時間の間に4つ入力したか判定する。また、図6に示すプログラムのフロー図のS308にては、測定対象物OBの厚さtが入力したか判定する。これ以外は、上記第1実施形態と同じである。
上記説明からも理解できるように、本発明を光コヒーレンストモグラフィーにより透光性物体厚さ測定装置に適用した上記第2実施形態においても、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、上記第2実施形態においても、上記第1実施形態と同様の変形が可能である。すなわち、ピークが発生するタイミングを回転角度の替わりにエンコーダ44aからインデックス信号が入力してからの経過時間で検出するようにすることができる。また、基準透光体を対物レンズ24と測定対象物OBの間に設け、基準透光体におけるピークのタイミングと測定対象物OBにおけるピークのタイミングを検出して測定値を得ることもできる。
以上、本発明を表面プロファイル測定装置に適用した場合と透光性物体厚さ測定装置に適用した場合である、第1実施形態と第2実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記第1実施形態および上記第2実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形が可能である。
上記第1実施形態および第2実施形態では、光路長可変装置40として円盤状プレート41に三角状反射体42を配置し、円盤状プレート41を回転させる装置を用いたが。高速で光路長を変化させることができ、測定光の焦点位置を光路長の変化に同期させて変化させることができるならば、どのような光路長可変装置を用いてもよい。例えば、反射体を高速で直線方向に往復移動させる光路長可変装置を用いてもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態では、検出した2つの交差タイミングの差が許容範囲にないとき、検出回路72に設定されている検出レベルが再設定されるようにした。しかし、測定対象物OBごとの反射率が略一定であり、測定対象物OB内の反射率が略一定であれば、検出回路72に設定されている検出レベルは固定されているようにしてもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態では、受光信号のピーク発生タイミングから測定光の焦点位置が変化する範囲を、測定対象物OBの表面を中心とした上下の微小範囲、又は測定対象物OBの表面より上の近傍位置から裏面より下の近傍位置の範囲にした。しかし、測定対象物OBごとの厚さが略一定であれば、最初から測定光の焦点位置が変化する範囲を、上記第1実施形態および第2実施形態のように限定しておいてもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態では、光路長可変装置40により参照光の光路長を変化させたが、参照光の光路長を一定にし、測定光の光路長を変化させるようにしてもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態では、リレーレンズ22を測定光の光軸方向に変化させることで、測定光の焦点位置を変化させたが、対物レンズ24が高速で焦点位置を変化させることができる機構であれば、対物レンズ24を測定光の光軸方向に変動させるようにしてもよい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態においては、円盤状プレート41に4つの三角状反射体42を配置し、円盤プレート41の1回転で4つのデータが得られるようにした。しかし、円盤プレート41に配置する三角状反射体42の数は、測定速度と装置のコストを考慮して適宜変更してよい。ただし、7個以上配置すると、ある三角状反射体42に照射されるレーザ光を別の三角状反射体42が遮断してしまうので、三角状反射体42の数は6個以下が望ましい。
また、上記第1実施形態および第2実施形態においては、光路長可変装置40の円盤プレート41を時計回りに回転させることで、光路長変化量を小さい側から大きい側に変化させるようにしたが、円盤プレート41を反時計回りに回転させて、光路長変化量を大きい側から小さい側に変化させても、図2及び図8に示す光路長変化量の曲線は逆向きになるだけであり、リレーレンズ22の駆動信号強度をこれに合わせるように発生させれば、本発明は問題なく実施することができる。
10…測定部、11…レーザ光源、14…光カプラ、15…受光センサ、16,17,31,32…光ファイバー、20…光ヘッド、26…信号作成回路、40…光路長可変装置、41…円盤状プレート、42…三角状反射体、44…スピンドルモータ、47…スピンドルモータ制御回路、50…ステージ駆動装置、51…ステージ、52…X方向フィードモータ、53…Y方向フィードモータ、62…X方向フィードモータ制御回路、63…Y方向フィードモータ制御回路、64…X方向位置検出回路、65…Y方向位置検出回路、70…データ処理装置、72…検出回路、73…回転角度検出回路、74…回転角度出力回路、75…距離計算回路、76…タイミング指定回路、77…ピークホールド回路、78…レベル設定回路、90…コンピュータ装置、91…コントローラ、92…入力装置、93…表示装置、OB…測定対象物
Claims (8)
- 入射したレーザ光を設定した光路を経由して出射し、前記光路の光路長を変化させる光路長可変装置と、
低コヒーレンスのレーザ光を分岐して測定光と参照光にし、前記測定光を測定対象物に対物レンズを介して照射して反射させた後、前記測定光と前記参照光とを合成して干渉光とし、前記干渉光を受光光量に相当する強度の受光信号を出力する受光器に導く光学系であって、前記測定光又は前記参照光のどちらか一方を、前記光路長可変装置を経由させる光学系と、
前記光路長可変装置による光路長の変化に同期させて、前記測定光の前記対物レンズによる焦点位置での前記測定光の光路長が前記参照光の光路長と等しくなるように、前記測定光の焦点位置を前記測定光の光軸方向に変化させる焦点位置変化手段と、
前記測定対象物を、前記測定対象物に照射される測定光に対して相対的に、移動位置を検出しながら移動させる移動手段と、
前記移動手段によるそれぞれの移動位置において、前記受光器が出力する受光信号の強度がピークとなる前記測定対象物の表面に対応する対象ピークタイミングを、前記光路長可変装置による光路長変化、又は所定タイミングからの経過時間として検出する手段であって、前記対象ピークタイミングにおける受光信号の強度より小さい検出レベルが設定され、前記検出レベルを前記受光信号が交差する2つの交差タイミングを検出し、前記検出した2つの交差タイミングから前記対象ピークタイミングを検出するピークタイミング検出手段と、
前記ピークタイミング検出手段が検出した、それぞれの移動位置における対象ピークタイミングを用いて、前記測定対象物の表面プロファイルを計算する計算手段とを備えた表面プロファイル測定装置。 - 請求項1に記載の表面プロファイル測定装置において、
前記対象ピークタイミングにおける受光信号の強度を検出するピーク信号強度検出手段を備え、
前記ピークタイミング検出手段は、検出した2つの交差タイミングの差が予め設定した許容範囲内にないとき、前記ピーク信号強度検出手段が検出した信号強度に基づいて前記検出レベルを設定し直すことを特徴とする表面プロファイル測定装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の表面プロファイル測定装置において、
前記焦点位置変化手段は、前記ピークタイミング検出手段が検出した対象ピークタイミングに基づいて、前記測定光の焦点位置の変化を開始する開始タイミングと終了する終了タイミングとを設定し、設定後に前記ピークタイミング検出手段が検出する最新の対象ピークタイミングと前記開始タイミングと終了タイミングの設定時における対象ピークタイミングとの差が許容値内にないとき、前記最新の対象ピークタイミングに基づいて、前記開始タイミングと終了タイミングとを設定し直すことを特徴とする表面プロファイル測定装置。 - 請求項1乃至請求項3に記載の表面プロファイル測定装置において、
前記対物レンズに測定光が入射する前に、前記測定光が入射し出射するリレーレンズを備え、
前記焦点位置変化手段は、前記リレーレンズの片方を測定光の光軸方向に駆動させる手段であることを特徴とする表面プロファイル測定装置。 - 入射したレーザ光を設定した光路を経由して出射し、前記光路の光路長を変化させる光路長可変装置と、
低コヒーレンスのレーザ光を分岐して測定光と参照光にし、前記測定光を透光性物体である測定対象物に対物レンズを介して照射して反射させた後、前記測定光と前記参照光とを合成して干渉光とし、前記干渉光を受光光量に相当する強度の受光信号を出力する受光器に導く光学系であって、前記測定光又は前記参照光のどちらか一方を、前記光路長可変装置を経由させる光学系と、
前記光路長可変装置による光路長の変化に同期させて、前記測定光の前記対物レンズによる焦点位置での前記測定光の光路長が前記参照光の光路長と等しくなるように、前記測定光の焦点位置を前記測定光の光軸方向に変化させる焦点位置変化手段と、
前記測定対象物を、前記測定対象物に照射される測定光に対して相対的に、移動位置を検出しながら移動させる移動手段と、
前記移動手段によるそれぞれの移動位置において、前記受光器が出力する受光信号の強度がピークとなる前記測定対象物の表面に対応する第1の対象ピークタイミングと前記測定対象物の裏面に対応する第2の対象ピークタイミングとを、前記光路長可変装置による光路長変化、又は所定タイミングからの経過時間として検出する手段であって、前記第2の対象ピークタイミングにおける受光信号の強度より小さい検出レベルが設定され、前記検出レベルを前記受光信号が交差する第1の2つの交差タイミングと第2の2つの交差タイミングを検出し、前記検出した第1の2つの交差タイミングから前記第1の対象ピークタイミングを検出し、前記検出した第2の2つの交差タイミングから前記第2の対象ピークタイミングを検出するピークタイミング検出手段と、
前記ピークタイミング検出手段が検出した、それぞれの移動位置における第1と第2の対象ピークタイミングを用いて、前記測定対象物の厚さを計算する計算手段とを備えた透光性物体厚さ測定装置。 - 請求項5に記載の透光性物体厚さ測定装置において、
前記第2の対象ピークタイミングにおける受光信号の強度を検出するピーク信号強度検出手段を備え、
前記ピークタイミング検出手段は、検出した第2の2つの交差タイミングの差が予め設定した許容範囲内にないとき、前記ピーク信号強度検出手段が検出した信号強度に基づいて前記検出レベルを設定し直すことを特徴とする透光性物体厚さ測定装置。 - 請求項5又は請求項6に記載の透光性物体厚さ測定装置において、
前記焦点位置変化手段は、前記ピークタイミング検出手段が検出した第1の対象ピークタイミングに基づいて、前記測定光の焦点位置の変化を開始する開始タイミングを設定するとともに、前記ピークタイミング検出手段が検出した第2の対象ピークタイミングに基づいて、前記測定光の焦点位置の変化を終了する終了タイミングを設定し、設定後に前記ピークタイミング検出手段が検出する最新の第1の対象ピークタイミングと前記開始タイミングの設定時における第1の対象ピークタイミングとの差、又は前記ピークタイミング検出手段が検出する最新の第2の対象ピークタイミングと前記終了タイミングの設定時における第2の対象ピークタイミングとの差が許容値内にないとき、前記最新の第1と第2の対象ピークタイミングに基づいて、前記開始タイミングと終了タイミングとを設定し直すことを特徴とする透光性物体厚さ測定装置。 - 請求項5乃至請求項7に記載の透光性物体厚さ測定装置において、
前記対物レンズに測定光が入射する前に、前記測定光が入射し出射するリレーレンズを備え、
前記焦点位置変化手段は、前記リレーレンズの片方を測定光の光軸方向に駆動させる手段であることを特徴とする透光性物体厚さ測定装置
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