JP6508764B2 - 白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定方法及び装置 - Google Patents

白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定方法及び装置に係り、特に、画像測定機や測定顕微鏡に用いるのに好適な、白色光干渉計光学ヘッドによる高精度の測定が可能な、白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定方法及び装置に関する。
図１に主要な構成を例示する如く、特許文献１や２に記載された、白色光干渉計光学ヘッド１０による非接触表面形状測定では、白色光源１２から照射した光を、ビームスプリッタ１６やハーフミラーにより、参照ミラー２０への参照光と、測定ワークＷ等の測定対象面への測定光に分割して、それぞれから反射してきた光の光路差により発生させた干渉縞画像を受光素子アレイを含むカメラ２６で観測し、前記干渉縞の強度に基づいて測定ワークＷ等の凹凸形状を測定するようにしている。図において、１４はコリメートレンズ、１８、２２は干渉対物レンズ、２４は結像レンズである。
前記白色光干渉計光学ヘッド（以下、単に光学ヘッドとも称する）１０を測定ワークＷの表面に対して垂直方向に走査すると、参照光と測定光の光路差が零となる位置を中心に干渉縞が発生する。この干渉縞の強度のピーク位置を、カメラ２６の受光素子で検出することにより、測定ワークＷの３次元表面形状（以下、単に３次元形状とも称する）を得ることができる。この際、より正確な３次元形状を取得するためには、光学ヘッド１０を走査しながら取得する干渉縞画像を、走査方向において正確に一定の空間ピッチで取得することが理想である。
特公平６−１１６７号公報 特許第３２２０９５５号公報
しかしながら、従来の白色光干渉計光学ヘッドによる非接触表面形状測定では、カメラのフレームレートを利用した定時間ピッチでの画像取得を行っている。具体的には、図２に示す如く、走査中、カメラ２６から例えば２００Ｈｚのフレームレートで出力される（１）映像信号中の垂直同期信号の取得イベントに基づき、（２）フレームグラバー２８で取得した画像データをパソコン（ＰＣ）３０に送信すると共に、（２´）映像信号の受信をフレームグラバー２８からＰＣ３０に通知し、（２″）ＰＣ３０内のソフトウェア３０Ａで図３の左側に例示するような一定時間ピッチの位置ラッチ信号を発生させてフレームグラバー２８に返答し、（３）フレームグラバー２８からモーションコントローラ３２へ位置ラッチ信号を送信し、（４）モーションコントローラ３２からＰＣ３０に位置データを送信することで、（５）該位置データに対応する画像を収集する時間サンプリング手法を用いている。
しかしながら、この方法では、加減速中の速度変動や低速移動時の速度リップルなどＺ軸の速度変化によって、撮影位置の空間ピッチが一定でなくなり、測定精度の低下を招く。特にカメラ２６の移動にサーボモータを用いた場合には、その移動速度が図３の左側に例示する如く変化し、動き始めと動き終わりの加減速が緩やかになるため、一定時間ピッチによる画像取得では、正確な一定空間ピッチでの画像取得は困難となり、図３の右側に例示する如く、高いサンプリングレートと低いシステムの加減速度では、特に動き始めや動き終りにＺ軸がほとんど移動することなく画像を取得してしまい、無駄な処理が行われるだけでなく、後段の処理に不具合が生じて、測定精度が劣化するという問題点を有していた。
なお、特許文献１には、撮像位置を検出して制御することが示唆されているが、等間隔で撮像することは記載されていない。
又、特許文献２には、電歪素子（ＰＺＴ）を用いて参照ミラーの位置を一定ピッチで変化させることが記載されているが、電歪素子は走査範囲が狭いだけでなく、位置決め精度も低いので、広範囲に亘る正確な空間ピッチサンプリングは困難である。
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、サーボモータによる駆動の場合、速度変動が大きいため、一定時間ピッチによる画像取得では正確な定空間ピッチの画像取得が困難であるというサーボモータの問題点を解消して測定精度を向上することを課題とする。
本発明は、白色光源から照射した光をビームスプリッタにより参照ミラーへの参照光と
測定対象面への測定光に分割して、それぞれから反射してきた光の光路差により発生させた干渉縞画像を取得する白色光干渉計光学ヘッドを用い、該白色光干渉計光学ヘッドを測定対象面に対して垂直方向に走査しながら干渉縞画像を取得するようにした非接触表面形状測定方法において、前記白色光干渉計光学ヘッドをサーボモータにより走査方向に移動しつつ、その走査方向位置をエンコーダで検出し、該走査方向の所定位置間隔毎の空間サンプリングにより干渉縞画像を取得することにより、前記課題を解決するものである。
本発明は、又、白色光源から照射した光をビームスプリッタにより参照ミラーへの参照光と測定対象面への測定光に分割して、それぞれから反射してきた光の光路差により発生させた干渉縞画像を取得する白色光干渉計光学ヘッドを用い、該白色光干渉計光学ヘッドを測定対象面に対して垂直方向に走査しながら干渉縞画像を取得するようにされた非接触表面形状測定装置において、前記白色光干渉計光学ヘッドを走査方向に移動するためのサーボモータと、前記白色光干渉計光学ヘッドの走査方向位置を検出するためのエンコーダと、該エンコーダから所定位置間隔毎に出力されるトリガ信号に基づく空間サンプリングにより前記白色光干渉計光学ヘッドに干渉縞画像の取得を指令するモーションコントローラと、を備えたことを特徴とする、白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定装置を提供するものである。
本発明によれば、駆動範囲は広いが速度変動が大きなサーボモータにより白色光干渉計光学ヘッドを駆動する場合に、サーボモータの問題点を解消して正確な空間サンプリングにより、高精度な測定及び処理の効率化が可能となり、信頼性を向上することができる。
白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定装置の要部構成を示す図 従来の時間サンプリング手法を用いた構成を示すブロック図 従来の問題点を示す図 本発明に係る実施形態の構成を示すブロック図 同じく作用を示す図 光学ヘッドの変形例を示す図 光学ヘッドの他の変形例を示す図
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
本発明の実施形態は、図４に示す如く、カメラ２６を走査方向（図の上下のＺ軸方向）に移動するためのサーボモータ４０と、前記カメラ２６を含む光学ヘッドの走査方向位置を検出するための直線型エンコーダ（スケールと称する）４２と、該スケール４２で検出されるカメラ位置に応じてカメラ２６にトリガ信号を与えて露光を開始させると共に、ＰＣ３０内のフレームグラバー３０Ｂにより取込まれた画像データに対して位置データを付加するモーションコントローラ４４とを備えたものである。
測定に際しては、図５の左側に例示する如く、サーボモータ４０でカメラ２６をＺ軸方向に移動（走査）しながら、スケール４２でカメラ２６のＺ軸方向位置を検出する。（１）カメラ２６が画像を取得すべき所定位置に達したら、モーションコントローラ４４がカメラ２６にトリガ信号を送って、露光を開始させる。露光終了後、（２）カメラ２６から画像データをＰＣ３０に送信して、ＰＣ３０内のフレームグラバー３０Ｂで画像を取得すると共に、（３）モーションコントローラ４４で取得したトリガ信号発生時の位置データをＰＣ３０に取込み、（４）フレームグラバー３０Ｂで取得した画像データに付加して収集画像とする。
本実施形態においては、時間サンプリングとは異なり、空間サンプリングにより撮影に必要な位置に到達したらカメラ２６に対して撮影を指令するため、図５の右側に例示する如く、不要なサンプリングデータが発生することがなく、効果的な処理が可能となると共に測定精度が向上する。
なお、前記実施形態では、光学ヘッド１０で、参照光用と測定光用の２つの干渉対物レンズ１８、２２が使用されていたが、光学ヘッド１０の構成は、これに限定されず、図６に示す変形例のように、ビームスプリッタ１６′を追加して干渉対物レンズ１８と２２を共用化したものや、図７に示す他の変形例のように、測定ワークＷと干渉対物レンズ２２の間にハーフミラー１７と参照ミラー２０を配置したものや、コリメートレンズを省略して発散／集束光を利用するようにした物であっても良い。
エンコーダもスケール４２に限定されず、例えばサーボモータ４０の回転位置を検出するロータリーエンコーダであっても良い。
フレームグラバーもＰＣ３０内でなく、図２の例と同様に、カメラ２６とＰＣ３０の間にあっても良い。
なお、前記実施形態では、画像測定機をベースに構成した例を示したが、本発明の原理は、測定顕微鏡や、マイケルソン型、ミロー型、リニーク型などの干渉顕微鏡にも同様に適用可能である。
１０…（白色光干渉計）光学ヘッド
１２…白色光源
１６、１６′…ビームスプリッタ
１７…ハーフミラー
１８、２２…干渉対物レンズ
２０…参照ミラー
２６…カメラ
３０…パソコン（ＰＣ）
３０Ｂ…フレームグラバー
４０…サーボモータ
４２…直線型エンコーダ（スケール）
４４…モーションコントローラ
Ｗ…測定ワーク

Claims (2)

  1. 白色光源から照射した光をビームスプリッタにより参照ミラーへの参照光と測定対象面への測定光に分割して、それぞれから反射してきた光の光路差により発生させた干渉縞画像を取得する白色光干渉計光学ヘッドを用い、
    該白色光干渉計光学ヘッドを測定対象面に対して垂直方向に走査しながら干渉縞画像を取得するようにした非接触表面形状測定方法において、
    前記白色光干渉計光学ヘッドをサーボモータにより走査方向に移動しつつ、その走査方向位置をエンコーダで検出し、
    該走査方向の所定位置間隔毎の空間サンプリングにより干渉縞画像を取得することを特徴とする、白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定方法。
  2. 白色光源から照射した光をビームスプリッタにより参照ミラーへの参照光と測定対象面への測定光に分割して、それぞれから反射してきた光の光路差により発生させた干渉縞画像を取得する白色光干渉計光学ヘッドを用い、
    該白色光干渉計光学ヘッドを測定対象面に対して垂直方向に走査しながら干渉縞画像を取得するようにされた非接触表面形状測定装置において、
    前記白色光干渉計光学ヘッドを走査方向に移動するためのサーボモータと、
    前記白色光干渉計光学ヘッドの走査方向位置を検出するためのエンコーダと、
    該エンコーダから所定位置間隔毎に出力されるトリガ信号に基づく空間サンプリングにより前記白色光干渉計光学ヘッドに干渉縞画像の取得を指令するモーションコントローラと、
    を備えたことを特徴とする、白色光干渉計光学ヘッドを用いた非接触表面形状測定装置。
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