JP2014092488A - 計測装置及び計測方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】被検物の形状を短時間で、且つ、簡便に計測するのに有利な技術を提供する。
【解決手段】参照光と被検物からの被検光との干渉光を形成する干渉光学系と、干渉画像を取得する検出部と、干渉画像に基づいて算出される被検物の形状データを記憶する記憶部と、被検物の形状の計測可能範囲が第1範囲である第1計測モードと、計測可能範囲が第1範囲よりも小さい第2範囲である第2計測モードとを含む計測モードから1つの計測モードを選択する選択部と、被検物の形状を求める処理部と、を有し、処理部は、第1計測モードが選択された場合に、第1計測モードにおいて検出部によって取得された干渉画像に基づいて被検物の形状を算出し、形状データを記憶部に記憶し、第2計測モードが選択された場合に、記憶部に記憶された形状データ、及び、第2計測モードにおいて検出部によって取得された干渉画像を用いて、被検物の形状を求める。
【選択図】図1
【解決手段】参照光と被検物からの被検光との干渉光を形成する干渉光学系と、干渉画像を取得する検出部と、干渉画像に基づいて算出される被検物の形状データを記憶する記憶部と、被検物の形状の計測可能範囲が第1範囲である第1計測モードと、計測可能範囲が第1範囲よりも小さい第2範囲である第2計測モードとを含む計測モードから1つの計測モードを選択する選択部と、被検物の形状を求める処理部と、を有し、処理部は、第1計測モードが選択された場合に、第1計測モードにおいて検出部によって取得された干渉画像に基づいて被検物の形状を算出し、形状データを記憶部に記憶し、第2計測モードが選択された場合に、記憶部に記憶された形状データ、及び、第2計測モードにおいて検出部によって取得された干渉画像を用いて、被検物の形状を求める。
【選択図】図1
Description
本発明は、被検物の形状を計測する計測装置及び計測方法に関する。
干渉計の原理を用いて被検物の形状を計測する計測装置が知られている。このような計測装置では、コヒーレントな光を出力すると共に、かかる光の周波数を可変とする光源(周波数可変光源)が用いられている。
計測装置において、光源からの光は分岐されて、参照面及び被検物のそれぞれに導かれる。参照面及び被検物のそれぞれで反射された光は、空間的に再び重ね合わせられ、参照面と被検物との間の光路長差に対応する位相を有する干渉光を形成し、かかる干渉光の強度が検出される。その際、光源からの光の周波数は一定の間隔で時間的に走査(変更)され、それぞれの周波数において、干渉光の光強度が検出される。そして、干渉光の光強度に基づいて、フーリエ変換やピーク検出を行うことで、参照面と被検物との間の光路長差が算出される。
計測装置では、光源からの光の周波数を走査する際の走査ステップの最小間隔は、光源の仕様に制限される。また、光の周波数の走査範囲に対して走査ステップの間隔が小さすぎると、干渉光の光強度(干渉画像)を数多く検出しなければならないため、計測時間が長くなる。
そこで、干渉次数が不確定とならずに形状を計測できる計測可能範囲よりも被検物が大きい場合には、被検物の形状を表す既知の形状情報(例えば、設計情報(CADデータ))を用いて干渉次数を決定する技術が提案されている(特許文献1参照)。また、干渉光の周波数がゼロ又はナイキスト周波数に近い場合には、計測誤差が大きくなる。そのため、特許文献1の技術では、計測誤差が大きくなる範囲を除外領域として、除外領域に関する情報を光源からの光の周波数の走査ステップの間隔から算出し、かかる除外領域に計測点が入らないように被検物を配置している。
しかしながら、従来の計測装置は、被検物の種類を変更するたびに既知の形状情報(CADデータ)の入力(設定)が必要となり、そのための時間と手間を要してしまう。特に、少量多種類の被検物の形状を計測する場合には、被検物ごとにCADデータを入力するのに著しく手間がかかってしまう。また、例えば、被検物の形状の計測(検査)が行われる工場の製造現場には、被検物の形状を表す図面だけが存在し、CADデータが存在しない場合も多い。このような場合に、被検物の検査が緊急に必要になると、CADデータをすぐに入手できない可能性もあり、被検物の検査が滞ってしまう。更に、CADデータの取り扱い、即ち、CADのソフトウェアの操作は複雑であるため、習熟に時間を要する。
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、被検物の形状を短時間で、且つ、簡便に計測するのに有利な技術を提供することを例示的目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、被検物の形状を計測する計測装置であって、参照面からの参照光と前記被検物からの被検光との干渉光を形成する干渉光学系と、前記干渉光学系によって形成された干渉光を形成して干渉画像を取得する検出部と、前記検出部によって取得された干渉画像に基づいて算出される前記被検物の形状を表す形状データを記憶する記憶部と、前記被検物の形状の計測可能範囲が第1範囲である計測条件で前記干渉画像を取得する第1計測モードと、前記計測可能範囲が前記第1範囲よりも小さい第2範囲である計測条件で前記干渉画像を取得する第2計測モードとを含む計測モードから1つの計測モードを選択する選択部と、前記被検物の形状を求める処理を行う処理部と、を有し、前記処理部は、前記選択部によって前記第1計測モードが選択された場合に、前記第1計測モードにおいて前記検出部によって取得された干渉画像に基づいて前記被検物の形状を算出し、当該被検物の形状を表す形状データを前記記憶部に記憶し、前記選択部によって前記第2計測モードが選択された場合に、前記記憶部に記憶された形状データ、及び、前記第2計測モードにおいて前記検出部によって取得された干渉画像を用いて、前記被検物の形状を求めることを特徴とする。
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
本発明によれば、例えば、被検物の形状を短時間で、且つ、簡便に計測するのに有利な技術を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態における計測装置10の構成を示す概略図である。計測装置10は、被検物の形状を計測する3次元計測装置である。計測装置10は、光源101と、ミラー102と、ビームスプリッタ103と、周波数計測部104と、レンズ105及び106と、干渉光学系120とを有する。また、計測装置10は、選択部130と、検出部140と、処理部150と、デジタル/アナログコンバータ160と、記憶部180とを有する。
図1は、本発明の第1の実施形態における計測装置10の構成を示す概略図である。計測装置10は、被検物の形状を計測する3次元計測装置である。計測装置10は、光源101と、ミラー102と、ビームスプリッタ103と、周波数計測部104と、レンズ105及び106と、干渉光学系120とを有する。また、計測装置10は、選択部130と、検出部140と、処理部150と、デジタル/アナログコンバータ160と、記憶部180とを有する。
光源101は、コヒーレントな光を出力すると共に、かかる光の周波数を可変とする(即ち、一定の範囲で周波数の走査が可能な)周波数可変光源である。光源101としては、例えば、外部共振器を用いた半導体レーザ(ECDL)やフルバンド・チューナブルDFB(Distributed Feed−Back)レーザを用いることができる。光源101は、デジタル/アナログコンバータ160と接続されている。デジタル/アナログコンバータ160から光源101に供給される電流(電流値)を制御することで、光源101から射出される光の周波数が走査(変更)される。
光源101からの光は、ミラー102を介して、光源101からの光を2つの光に分岐(分割)するビームスプリッタ103に導かれる。ビームスプリッタ103で分岐された一方の光は、周波数計測部104に導かれる。周波数計測部104は、光源101から出力された光の周波数を計測し、その計測結果を処理部150に入力する。但し、光源101から出力される光の周波数を高い精度で保証することができる(即ち、光源101から出力される光の周波数を計測する必要がない)場合には、周波数計測部104は設けなくてもよい。
ビームスプリッタ103で分岐された他方の光は、ビーム径を拡大するレンズ105及び106を介して、干渉光学系120に導かれる。干渉光学系120は、λ/2波長板107と、偏光ビームスプリッタ108と、λ/4波長板109a及び109bと、参照ミラー110と、レンズ113とを含む。更に、干渉光学系120は、絞り114と、レンズ115と、偏光子116と、被検ステージ117と、インコヒーレント光源118とを含む。
λ/2波長板107は、回転可能に保持される。光源101から出力される光は直線偏光の光であるため、λ/2波長板107の回転角によって、λ/2波長板107を通過した光の偏光方向を任意の方向に制御(調整)することができる。λ/2波長板107の後段には、偏光ビームスプリッタ108が配置され、λ/2波長板107の回転角によって、偏光ビームスプリッタ108における光の分岐比を変えることができる。
偏光ビームスプリッタ108は、光源101からの光を、互いに直交する偏光方向を有する参照光121と被検光122とに分岐(分割)する。参照光121は、λ/4波長板109aを通過して、参照ミラー(参照面)110に入射する。被検光122は、λ/4波長板109bを通過して、被検物170に入射する。被検物170は、被検ステージ117に保持されている。
被検物170で反射(又は散乱)された被検光122は、λ/4波長板109bを再び通過して、偏光ビームスプリッタ108に入射する。同様に、参照ミラー110で反射された参照光121は、λ/4波長板109aを再び通過して、偏光ビームスプリッタ108に入射する。参照光121及び被検光122のそれぞれは、λ/4波長板を2回通過することで、その偏光方向が90度回転する。従って、参照光121は偏光ビームスプリッタ108で反射され、被検光122は偏光ビームスプリッタ108を透過するため、参照光121と被検光122とが空間的に重ね合わされる。
偏光ビームスプリッタ108で重ね合わされた参照光121及び被検光122は、レンズ113によって集光される。レンズ113は、前側焦点が被検物170の近傍に位置するように配置されている。これにより、被検物170(の形状)の像がぼけることなく、検出部140(の検出面)の上に形成される。
絞り114は、レンズ113の後側焦点の近傍に配置される。絞り114は、開口径が固定された開口絞りであってもよいし、開口径を可変とする虹彩絞りであってもよい。絞り114として虹彩絞りを用いた場合には、その開口径によって、光量、被写界深度、スペックルの大きさなどを調整することができる。
絞り114を通過した参照光121及び被検光122は、レンズ115によって集光され、偏光子116に導かれる。偏光子116は、その透過軸が参照光121及び被検光122の偏光方向に対して45度となるように配置される。これにより、参照光121と被検光122とが干渉し、干渉光123が形成される。
干渉光123は、検出部140に導かれる。検出部140は、例えば、CCDセンサやCMOSセンサなどのエリアセンサで構成され、干渉光123の光強度を検出し、その検出結果(干渉画像)を処理部150に入力する。
被検物170の表面の粗さが大きい場合、光源101からのコヒーレントな光を照射するとスペックルが発生し、検出部140で明瞭な干渉画像を取得することができなくなる。従って、光軸と直交する方向(横方向)の被検物170の寸法を高精度に計測することが困難となる。
本実施形態では、インコヒーレントな光を出力するインコヒーレント光源118を配置している。そして、被検物170の横方向の寸法は、インコヒーレント光源118からインコヒーレントな光を被検物170に照射して取得される画像を用いて算出する。また、被検物170の縦方向(光軸方向)の寸法は、光源101からコヒーレントな光を被検物170に照射して取得される干渉画像を用いて算出する。
本実施形態では、インコヒーレント光源118からの光を被検物170に照射し、被検物170で反射された光を検出部140で検出しているが、このような構成に限定されるものではない。例えば、被検ステージ117をガラスなどの透明な材料で構成し、被検物170を被検ステージ117の背後から照明し、被検物170によって形成される影を検出部140で検出してもよい。
処理部150は、CPUやメモリなどを含み、計測装置10の全体(動作)を制御する。処理部150は、計測装置10の各部を制御して、被検物170の形状を求める処理を行う。
記憶部180は、検出部140で取得された干渉画像に基づいて算出される被検物170の形状を表す形状データ、即ち、処理部150によって求められた被検物170の形状を表す形状データを記憶する。
ここで、被検物170の形状を求める際の原理を説明する。光源101から出力される光の周波数の走査範囲をΔF、光の速度をc、干渉光の位相変化量をΔΦとすると、参照ミラー110と被検物170との間の光路長差は、以下の式(1)で表される。
周波数走査干渉計、即ち、計測装置10では、光源101からの光の周波数を走査したときの干渉光の位相変化量を求めることで、参照ミラー110と被検物170との間の光路長差を算出することができる。参照ミラー110と被検物170との間の光路長差の算出精度は、干渉光の位相変化量の検出誤差、及び、光源101からの光の周波数の走査範囲に影響される。例えば、光源101からの光の周波数の走査範囲を大きくすれば、参照ミラー110と被検物170との間の光路長差の算出誤差は小さくなる。
また、光源101からの光の周波数の走査ステップの間隔をΔfとすると、干渉光の周波数がナイキスト周波数を超えず、光路長差が不確定とならずに計測できる計測可能範囲Dは、以下の式(2)で表される。
光路長差が不確定とならずに計測できる計測可能範囲Dは、光源101からの光の周波数の走査ステップの間隔Δfが小さいほど広くなる。従って、計測可能範囲Dを拡大するためには、周波数の走査ステップの間隔Δfを小さくすればよい。但し、周波数の走査ステップの間隔Δfを小さくすると、周波数走査のステップ数が増加するため、検出部140で取得する干渉画像が多くなり、計測時間が長くなる。
そこで、本実施形態では、ユーザの入力(指示)に応じて、登録モード(第1計測モード)と、実計測モード(第2計測モード)とを含む計測モードから1つの計測モードを選択する選択部130を有している。ここで、登録モードとは、被検物170の形状を計測して、その形状データを登録することを目的とする計測モードである。登録モードでは、被検物の形状の計測可能範囲Dが第1範囲である計測条件で干渉画像を取得し、かかる干渉画像に基づいて被検物の形状を算出し、算出した被検物の形状を表す形状データを記憶部180に記憶(登録)する。また、実計測モードとは、記憶部180に既に記憶された形状データに対応する被検物と同じ種類の被検物を計測する(例えば、連続的に計測する)ことを目的とする計測モードである。実計測モードでは、被検物の形状の計測可能範囲Dが第1範囲よりも小さい第2範囲である計測条件で干渉画像を取得し、かかる干渉画像、及び、記憶部180に記憶された形状データに基づいて、被検物の形状を求める。計測装置10では、このような計測モードを選択可能にすることで、後述するように、被検物170の形状を短時間で、且つ、簡便に計測することができる。
図2は、選択部130の一部の構成、詳細には、ユーザが計測モードを入力するための(ユーザの指示を受け付けるための)入力部として機能するモニタ132を示す図である。モニタ132は、タッチパネルで構成されていてもよいし、キーボードやマウスなどの入力デバイスなどを含んで構成されていてもよい。モニタ132は、登録モードを指示するためのアイコン132aと、実計測モードを指示するためのアイコン132bとを表示し、ユーザは、モニタ132を介して(即ち、アイコン132b又は132bを選択することで)、計測モードを指示することができる。
選択部130は、計測装置10で計測したことがない種類の被検物を計測する場合には、ユーザの入力に応じて、或いは、自動的に、計測モードとして登録モードを選択する。登録モードでは、例えば、光源101からの光の周波数の走査範囲ΔF1が3THz、走査ステップの間隔Δf1が1.5GHzとなるように、計測条件が設定される。この場合、干渉光の位相検出誤差を2π/100とすると、光路長差の算出精度は、0.5μmとなる。また、光路長差が不確定とならずに計測できる計測可能範囲Dは、50mmとなる。従って、検出部140で取得する干渉画像の枚数は2000枚となり、検出部140で取得される干渉画像の撮像レートを60fpsとすると、干渉画像の取得に要する時間として33.3秒が必要である。
図3は、計測装置10における登録モードの処理(動作)を説明するためのフローチャートである。登録モードの処理は、処理部150が計測装置10の各部を統括的に制御することで行われる。
S302では、被検物170に対して、インコヒーレント光源118からの光(インコヒーレント光)を照射し、被検物170で反射された光を検出部140で検出して画像を取得する。
S304では、被検物170に対して、光源101からの光(コヒーレント光)を、周波数を走査しながら照射し、それぞれの干渉光123を検出部140で検出して複数の干渉画像を取得する。
S306では、S302で取得された画像、及び、S304で取得された複数の干渉画像に基づいて、フーリエ変換やピーク検出を行うことで、被検物170の形状(3次元形状)を算出する。
S308では、例えば、選択部130のモニタ132に、S306で算出された被検物170の形状を表示する。図4は、S306で算出された被検物170の形状の表示例を示す図である。図4に示すように、モニタ132には、被検物170の形状として、被検物170の上面図、側面図及び立体図が表示される。ユーザは、モニタ132を介して(即ち、モニタ132に表示された被検物170に対して)、被検物170の計測対象領域(実計測モードで計測すべき部分)や公差などを入力することが可能である。
S310では、被検物170の横方向の寸法を算出する。図4の上面図には、インコヒーレント光源118からインコヒーレントな光を被検物170に照射して取得された画像が表示され、かかる画像を用いて被検物170の横方向の寸法が算出される。この際、ユーザは、被検物170の横方向の寸法を算出したい部分を指定することが可能である。処理部150は、ユーザによって指定された部分に対して、エッジ検出などの画像処理を行うことで寸法を算出する。エッジ検出では、サブピクセル処理を行うことで検出部140の検出面を構成する画素の1/10以下の精度でエッジを検出することができる。
S312では、被検物170の縦方向の寸法を算出する。図4の側面図及び立体図には、光源101からコヒーレントな光を被検物170に照射して取得された複数の干渉画像から得られる被検物170の形状が表示され、かかる被検物170の形状から縦方向の寸法が算出される。この際、ユーザは、被検物170の縦方向の寸法を算出したい部分を指定することが可能である。また、干渉計による計測では、被検物170の上面に対して光が垂直に入射するため、被検物170の側面を計測することができない。但し、被検物170の形状を表示する際に、被検物170の側面がないと不自然であるため、本実施形態では、被検物170の側面を自動的に求めるような処理を行っている。図4に示されている被検物170の高さは最大で35mmであり、計測可能範囲Dである50mmよりも小さいため、被検物170の高さは不確定とならずに計測することができる。
被検物170の側面図及び立体図についても、被検物170の上面図と同様に、画像処理によってエッジが検出される。ここで、被検物170の上面図は2次元データであるため、算出可能な寸法は線と線との距離などに限られるが、被検物170の側面図及び立体図は3次元データから求めているため、面と面との距離などを算出することも可能である。また、ユーザが被検物170の面を指定することで、かかる面の平面度や平行度などの幾何公差を算出することも可能である。
S314では、ユーザの入力に応じて、被検物170の各寸法及び幾何公差に対して許容値を設定する。被検物170の各寸法及び幾何公差に対して許容値を設定することで、実計測モードにおいて、同じ種類の被検物170の形状を計測した際に、かかる被検物170の形状が仕様を満たしているかどうかを判定することができる。
S316では、S306で算出された被検物170の形状を表す形状データを記憶部180に記憶(登録)する。この際、被検物170の種類に関連づけて形状データを記憶する。被検物170の形状を表す形状データは、被検物170の全体の形状を表す形状データであってもよいし、被検物170の特徴的な部分のみの形状を表す形状でデータであってもよい。記憶部180に記憶された形状データは、実計測モードで行われるパターンマッチングに用いられる。
選択部130は、計測装置10で計測したことがある種類の被検物を計測する場合(記憶部180に同じ種類の被検物の形状を表す形状データが記憶されている場合)には、ユーザの入力に応じて、或いは、自動的に、計測モードとして実計測モードを選択する。実計測モードでは、例えば、光源101からの光の周波数の走査範囲ΔF2が3THz、走査ステップの間隔Δf2が5GHzとなるように、計測条件が設定される。この場合、干渉光の位相検出誤差を2π/100とすると、光路長差の算出精度は、0.5μmとなる。また、光路長差が不確定とならずに計測できる計測可能範囲Dは、15mmとなる。従って、検出部140で取得する干渉画像の枚数は600枚となり、検出部140で取得される干渉画像の撮像レートを60fpsとすると、干渉画像の取得に要する時間として10秒が必要である。実計測モードは、登録モードと比較して、検出部140で取得する干渉画像の枚数が少ないため、1/3以下の時間で(即ち、短時間で)被検物170の形状を計測することができる。
図5は、計測装置10における実計測モードの処理(動作)を説明するためのフローチャートである。実計測モードの処理は、処理部150が計測装置10の各部を統括的に制御することで行われる。
S502では、記憶部180から、実計測モードで計測される被検物170の種類に対応する形状データを抽出する。形状データの抽出は、ユーザの入力に応じて、或いは、被検物170の種類を識別する識別子を読み取るなどして自動的に行われる。
S504では、被検物170に対して、インコヒーレント光源118からの光(インコヒーレント光)を照射し、被検物170で反射された光を検出部140で検出して画像を取得する。
S506では、被検物170に対して、光源101からの光(コヒーレント光)を、周波数を走査しながら照射し、それぞれの干渉光123を検出部140で検出して複数の干渉画像を取得する。
S508では、S502で抽出された形状データ、S504で取得された画像、及び、S506で取得された複数の干渉画像を用いて、被検物170の形状(3次元形状)を算出する。
具体的には、まず、S502で抽出された形状データと、S506で取得された複数の干渉画像から得られる被検物170の形状とのパターンマッチングを行う。かかるパターンマッチングによって、被検ステージ117に保持された被検物170の向きを確定する。被検物170の向きが確定することで、実計測モードでは被検物170の計測対象領域や公差を指定することなく、登録モードで指定された被検物170の計測対象領域の寸法や公差が自動的に算出される。従って、実計測モードでは、被検物170の寸法や幾何公差を簡便に求めることができる。
ここで、被検物170の高さが計測可能範囲Dよりも大きい場合には、被検物170の高さが不確定となってしまう。このような場合、被検物170と参照ミラー110との光路長差が大きい部分において、干渉光123の周波数がナイキスト周波数を超えてしまう。干渉光123の周波数がナイキスト周波数を超えると、エイリアシングと呼ばれる現象が生じ、干渉光123の周波数は、ナイキスト周波数に対して折り返した値として得られる。従って、ナイキスト周波数に対応する距離が15mmであるとすると、光路長差14mmに対応する干渉光と光路長差16mmに対する干渉光とを区別することができない。
本実施形態では、このような不確定性を排除するために、登録モードにおいて記憶部180に記憶された形状データ(登録モードで計測された被検物170の形状を表す形状データ)を用いる。実際の光路長差が16mmである場合、干渉画像を解析するだけでは光路長差が14mmであるのか16mmであるのかを決定することができないが、記憶部180に記憶された形状データと照合すれば、光路長差を決定することができる。例えば、記憶部180に記憶された形状データが被検物170の高さとして16+0.1mmを表していれば、光路長差を16mmに決定することができる。
S510では、S508で算出された被検物170の形状に基づいて、登録モードで指定された被検物170の部分の横方向及び縦方向の寸法及び幾何公差を算出する。
S512では、S510で算出された寸法及び幾何公差に基づいて、被検物170を評価する。具体的には、被検物170の形状が仕様を満たしているかどうかを判定する。
なお、干渉光123の周波数がゼロに近い場合には、干渉縞の数が少ないため、干渉光123の周波数を正しく求めることが困難である。また、干渉光123の周波数がナイキスト周波数に近い場合には、被検物170の公差に比べて不確定性が小さくなり、被検物170の形状を決定することが困難となる。例えば、被検物170のある部分の寸法の公差が±0.5mmである場合、14.9mmと15.1mmのうち、どちらが実際の光路長差であるのかを決定することは難しい。従って、干渉光123の周波数がゼロ又はナイキスト周波数の近辺にならないようにすることが必要となる。本実施形態では、記憶部180に記憶された形状データを用いて、干渉光123の周波数がゼロ又はナイキスト周波数となる領域を除外するように、光源101からの光の周波数の走査ステップの間隔(走査間隔)を設定する。また、被検物170を保持する被検ステージ117を移動させることで、光路長差を変更してもよい。
実計測モードは、計測される被検物170の種類に対応する形状データが記憶部180に記憶されている場合に選択される。被検物170が量産部品である場合には、同じ種類の被検物170を大量に計測(検査)することを求められることが多い。実計測モードでは、記憶部180に記憶された形状データを用いることで、被検物170の形状を短時間で、且つ、簡便に計測することができるため、被検物170の数が多いほど、被検物170の形状の計測に要する時間を短縮する効果が得られる。
また、少量多種類の被検物170の形状を計測(検査)する場合を考えると、従来技術では、被検物170の種類ごとにCADデータ(形状データ)を入力しなければならないため、そのための時間と手間がかかってしまう。一方、本実施形態によれば、登録モードを選択するだけで、被検物170の形状を表す形状データを記憶(登録)することができるため、CADデータの入力に要する時間と手間を排除することができる。また、上述したように、被検物170の形状の計測(検査)が行われる工場の製造現場には、被検物170の形状を表す図面だけが存在し、CADデータが存在しない場合も多い。本実施形態では、CADデータが存在しなくても、被検物170の形状データを記憶することができるため、被検物170の形状の計測(検査)が緊急に必要になった場合にも、被検物170の形状の計測が滞ることなく、対応可能である。更に、CADデータの取り扱い、即ち、CADのソフトウェアの操作は複雑であるが、本実施形態では、CADデータを取り扱う必要がない。
本実施形態では、上述したように、登録モードで記憶部180に記憶された形状データを用いているため、実計測モードでは、光源101からの光の周波数の走査ステップの間隔を大きくすることが可能であり、被検物170の形状の計測時間を短くしている。但し、被検物170の形状の計測では、計測時間よりも計測精度が重要な場合もある。このような場合には、実計測モードにおいて、光源101からの光の周波数の走査範囲を大きくすることで、計測精度を向上させればよい。
例えば、実計測モードにおいて、光源101からの光の周波数の走査範囲ΔF2が6THz、走査ステップの間隔Δf2が5GHzとなるように、計測条件を設定する。この場合、干渉光の位相検出誤差を2π/100とすると、光路長差の算出精度は、0.25μmとなる。また、光路長差が不確定とならずに計測できる計測可能範囲Dは、15mmとなる。従って、検出部140で取得する干渉画像の枚数は1200枚となり、検出部140で取得される干渉画像の撮像レートを60fpsとすると、干渉画像の取得に要する時間として20秒が必要である。この場合、実計測モードにおいて、検出部140で取得する干渉画像の枚数を登録モードよりも少なくして短時間で被検物170の形状を計測することを可能にしながらも、計測精度を0.5μmから0.25μmに向上させることができる。
また、実計測モードにおいては、記憶部180に記憶された形状データを用いて、検出部140で取得される干渉画像のコントラストが向上するように、被検ステージ117によって干渉光学系120と被検物170との位置関係を調整してもよい。
このように、本実施形態の計測装置10によれば、被検物170の形状を短時間で、且つ、簡便に計測することができる。
<第2の実施形態>
図6は、本発明の第2の実施形態における計測装置20の構成を示す概略図である。計測装置20は、計測装置10と比較して、被検物170の形状を計測する際の計測原理が異なる。計測装置20は、被検物170の高さ方向の計測精度が計測装置10と同じであれば、光源からの光の周波数の走査範囲ΔFを計測装置10よりも小さくすることができる。
図6は、本発明の第2の実施形態における計測装置20の構成を示す概略図である。計測装置20は、計測装置10と比較して、被検物170の形状を計測する際の計測原理が異なる。計測装置20は、被検物170の高さ方向の計測精度が計測装置10と同じであれば、光源からの光の周波数の走査範囲ΔFを計測装置10よりも小さくすることができる。
計測装置20は、周波数可変光源201と、周波数固定光源202a及び202bと、偏光ビームスプリッタ203a乃至203fと、ビーム結合素子204a及び204bと、反射ミラー210a乃至210hと、周波数シフタ211a乃至211cとを有する。また、計測装置20は、レンズ105及び106と、干渉光学系120と、選択部130と、検出部140と、処理部150と、デジタル/アナログコンバータ160と、記憶部180とを有する
周波数可変光源201は、周波数f1のコヒーレントな直線偏光を有する光を出力する。周波数可変光源201としては、例えば、DFBレーザ、VCSEL、離散モード半導体レーザなどを用いることができる。外部共振器を用いた半導体レーザ(ECDL)やフルバンド・チューナブルDFB(Distributed Feed−Back)レーザを用いることができる。
周波数可変光源201は、周波数f1のコヒーレントな直線偏光を有する光を出力する。周波数可変光源201としては、例えば、DFBレーザ、VCSEL、離散モード半導体レーザなどを用いることができる。外部共振器を用いた半導体レーザ(ECDL)やフルバンド・チューナブルDFB(Distributed Feed−Back)レーザを用いることができる。
周波数可変光源201からの光は、偏光ビームスプリッタ203aに入射して、互いに直交する偏光を有する2つの光に分岐(分割)される。偏光ビームスプリッタ203aで分岐された一方の光は、周波数を任意の量だけシフトさせる周波数シフタ211aに入射して、任意の周波数シフト量df1だけ周波数がシフトされる。周波数シフタ211aからの光は、反射ミラー210aで反射され、偏光ビームスプリッタ203bに入射する。一方、偏光ビームスプリッタ203aで分岐された他方の光は、反射ミラー210bで反射され、偏光ビームスプリッタ203bに入射する。
反射ミラー210aで反射された光と反射ミラー210bで反射された光とは、偏光ビームスプリッタ203bで合波される。以下では、偏光ビームスプリッタ203bで合波された光を第1光とする。周波数シフト量df1は、第1光のビート信号の周波数に相当する。干渉信号(干渉画像)を正確に取得するためには、ビート信号の周波数を、検出部140の撮像レートの1/2以下にする必要がある。
周波数固定光源202aは、周波数f2のコヒーレントな光を出力する。周波数固定光源202aからの光は、偏光ビームスプリッタ203cに入射して、2つの光に分岐(分割)される。偏光ビームスプリッタ203cで分岐された一方の光は、周波数シフタ211bに入射して、任意の周波数シフト量df2だけ周波数がシフトされる。周波数シフタ211bからの光は、反射ミラー210cで反射され、偏光ビームスプリッタ203dに入射する。一方、偏光ビームスプリッタ203cで分岐された他方の光は、反射ミラー210dで反射され、偏光ビームスプリッタ203dに入射する。
反射ミラー210cで反射された光と反射ミラー210dで反射された光とは、偏光ビームスプリッタ203dで合波される。以下では、偏光ビームスプリッタ203dで合波された光を第2光とする。周波数シフト量df2は、第2光のビート信号の周波数に相当する。干渉信号(干渉画像)を正確に取得するためには、ビート信号の周波数を、検出部140の撮像レートの1/2以下にする必要がある。
偏光ビームスプリッタ203dからの第2光は、反射ミラー210eで反射され、ビーム結合素子204aに入射する。ビーム結合素子204aは、ビームスプリッタであってもよいし、波長フィルタであってもよい。
周波数固定光源202bは、周波数f3のコヒーレントな光を出力する。周波数固定光源202bからの光は、偏光ビームスプリッタ203eに入射して、2つの光に分岐(分割)される。偏光ビームスプリッタ203eで分岐された一方の光は、周波数シフタ211cに入射して、任意の周波数シフト量df3だけ周波数がシフトされる。周波数シフタ211cからの光は、反射ミラー210fで反射され、偏光ビームスプリッタ203fに入射する。一方、偏光ビームスプリッタ203eで分岐された他方の光は、反射ミラー210gで反射され、偏光ビームスプリッタ203fに入射する。
反射ミラー210fで反射された光と反射ミラー210gで反射された光とは、偏光ビームスプリッタ203fで合波される。以下では、偏光ビームスプリッタ203fで合波された光を第3光とする。周波数シフト量df3は、第3光のビート信号の周波数に相当する。干渉信号(干渉画像)を正確に取得するためには、ビート信号の周波数を、検出部140の撮像レートの1/2以下にする必要がある。
偏光ビームスプリッタ203fからの第3光は、反射ミラー210hで反射され、ビーム結合素子204bに入射する。ビーム結合素子204bは、ビームスプリッタであってもよいし、波長フィルタであってもよい。
第1光と第2光とは、ビーム結合素子204aで合波される。また、ビーム結合素子204aからの光と第3の光とは、ビーム結合素子204bで合波される。このようにして、第1光、第2光及び第3光は合波され、ビーム径を拡大するレンズ105及び106を介して、干渉光学系120に導かれる。干渉光学系120は、偏光ビームスプリッタ108と、λ/4波長板109a及び109bと、参照ミラー110と、レンズ113と、絞り114と、レンズ115と、偏光子116と、被検ステージ117と、インコヒーレント光源118とを含む。
偏光ビームスプリッタ108は、ビーム結合素子204bからの光を、参照光121と被検光122とに分岐(分割)する。参照光121は、λ/4波長板109aを通過して、参照ミラー(参照面)110に入射する。被検光122は、λ/4波長板109bを通過して、被検物170に入射する。被検ステージ117は、参照ミラー110と被検物170との間の光路長差がLとなるように、被検物170を配置している。
被検物170で反射(又は散乱)された被検光122は、λ/4波長板109bを再び通過して、偏光ビームスプリッタ108に入射する。同様に、参照ミラー110で反射された参照光121は、λ/4波長板109aを再び通過して、偏光ビームスプリッタ108に入射する。
参照光121と被検光122とは、偏光ビームスプリッタ108で空間的に重ね合わされ、レンズ113、絞り114、レンズ115及び偏光子116を介して、干渉光123を形成する。この際、検出部140では、3つのビート信号(第1ビート信号、第2ビート信号及び第3ビート信号)が重ね合わされた干渉光123が形成される。ここで、第1ビート信号は、周波数f1の光と周波数f1+df1の光とが合波された光によるビート信号である。第2ビート信号は、周波数f2の光と周波数f2+df2の光とが合波された光によるビート信号である。第3ビート信号は、周波数f3の光と周波数f3+df3の光とが合波された光によるビート信号である。
計測装置20では、計測装置10と同様に、登録モードと、実計測モードとを含む計測モードから1つの計測モードを選択可能にしている。計測装置20における登録モードの処理及び実計測モードの処理は、基本的には、計測装置10と同様である。計測装置20では、複数の干渉画像を取得する処理(S304及びS504)や被検物170の形状を算出する処理(S306及びS506)が計測装置10とは異なる。
図7は、計測装置20において、登録モードにおける複数の干渉画像を取得する処理、即ち、S304に相当する処理を詳細に説明するためのフローチャートである。S702では、第1光と第2光との干渉光を検出部140で検出して干渉画像を取得する。具体的には、図8に示すように、時刻t0から検出を開始し、周波数シフタ211a及び211bによって周波数をシフトさせながら、時刻t1まで第1光及び第2光のそれぞれのビート信号を取得する。図8は、周波数可変光源201、周波数固定光源202a及び202bのそれぞれからの光の周波数の時間的な変化を示す図である。図8では、縦軸に周波数fを採用し、横軸に時刻tを採用している。
S704では、第1光の周波数を走査しながら、第1光と第2光との干渉光を検出部140で検出して干渉画像を取得する。具体的には、図8に示すように、時刻t1から時刻t2まで、周波数可変光源201から出力される光の周波数をf1からf’1まで走査しながら、検出部140で複数の干渉画像を取得する。
S706では、走査後の周波数の第1光(S704で周波数を走査した状態の第1光)と第2光との干渉光を検出部140で検出して干渉画像を取得する。具体的には、図8に示すように、時刻t2から時刻t3まで、周波数シフタ211a及び211bによって周波数をシフトさせながら、第1光及び第2光のそれぞれのビート信号を取得する。
S708では、第2光と第3光との干渉光を検出部140で検出して干渉画像を取得する。具体的には、図8に示すように、時刻t3から時刻t4まで、周波数シフタ211b及び211cによって周波数をシフトさせながら、第2光及び第3光のそれぞれのビート信号を取得する。
S702〜S708の各処理で取得される干渉画像の枚数を、例えば、17枚とすると、合計で68枚の干渉画像が取得される。検出部140で取得される干渉画像の撮像レートを60fpsとすると、干渉画像の取得に要する時間は1.1秒となる。
処理部150は、S702〜S708の各処理で取得された干渉画像に基づいて、被検物170の形状を算出する。以下、本実施形態における被検物170の形状を算出する処理について説明する。
まず、周波数可変光源201からの光による第1ビート信号を解析する。時刻t0〜時刻t1の間に取得された複数の干渉画像の各画素について、Nバケット法や離散フーリエ変換などの演算を行い、第1ビート信号から位相φ1を算出する。また、時刻t1〜時刻t2の間に取得された複数の干渉画像から各画素における干渉縞の明点及び暗点の数をカウントし、周波数の走査によって変化する干渉縞のフリンジ数を求めることで、干渉次数M1を決定する。更に、時刻t2〜時刻t3の間に取得された複数の干渉画像の各画素についてビート信号を取得し、離散フーリエ変換などの演算を行い、かかるビート信号の位相φ1’を算出する。
位相φ1、φ1’及び干渉次数M1から、光路長差H1は、以下の式(3)で算出される。また、式(3)におけるΛ11’は、合成波長であり、以下の式(4)で表される。
式(4)において、cは光速である。周波数可変光源201からの光の周波数の走査範囲ΔFが10GHzである場合、合成波長Λ11’は30mmとなる。
次いで、周波数固定光源202aからの光による第2ビート信号を解析する。時刻t0〜時刻t3の間に取得された複数の干渉画像の各画素について、Nバケット法や離散フーリエ変換などの演算を行い、第2ビート信号から位相φ2を算出する。
位相φ1’及びφ2から、各画素の光路長差H2は、以下の式(5)で算出される。また、式(5)におけるΛ1’2は、合成波長であり、以下の式(6)で表される。式(5)におけるM2は、以下の式(7)で表される干渉次数である。
周波数可変光源201からの光の周波数f’1と周波数固定光源202aからの光の周波数f2との周波数差が0.3THzである場合、合成波長Λ1’2は1.1mmとなる。合成波長Λ1’2は合成波長Λ11’よりも小さいため、式(5)から算出された光路長差H2は、式(3)から算出された光路長差H1よりも高精度である。光路長差の算出精度が合成波長Λ11’の1/200とすると、光路長差H1の算出精度は0.15mmとなり、合成波長Λ1’2の半分以下となるため、干渉次数M2を一意に決定することができる。
次に、周波数固定光源202bからの光による第3ビート信号を解析する。時刻t0〜時刻t3の間に取得された複数の干渉画像の各画素について、Nバケット法や離散フーリエ変換などの演算を行い、第3ビート信号から位相φ3を算出する。
位相φ2及びφ3から、各画素の光路長差H3は、以下の式(8)で算出される。また、式(8)におけるΛ23は、合成波長であり、以下の式(9)で表される。式(8)におけるM3は、以下の式(10)で表される干渉次数である。
周波数固定光源202aからの光の周波数f2と周波数固定光源202bからの光の周波数f3との周波数差が6.4THzである場合、合成波長Λ23は47μmとなる。合成波長Λ23は合成波長Λ1’2よりも小さいため、式(8)から算出された光路長差H3は、式(5)から算出された光路長差H2よりも高精度である。光路長差の算出精度が合成波長Λ1’2の1/200とすると、光路長差H2の算出精度は5.5μmとなり、合成波長Λ23の半分以下となるため、干渉次数M3を一意に決定することができる。
周波数固定光源202aからの光の周波数f2を用いて、更に高精度な光路長差H4が以下の式(11)で算出される。また、式(11)におけるM4は、以下の式(12)で表される干渉次数である。
周波数固定光源202aからの光の波長c/f2が780nmである場合、波長c/f2は合成波長Λ23よりも小さいため、式(11)から算出された光路長差H4は、式(8)から算出された光路長差H3よりも高精度である。光路長差の算出精度が合成波長Λ23の1/200とすると、光路長差H3の算出精度は340nmとなり、波長780nmの半分以下となるため、干渉次数M4を一意に決定することができる。
このように、複数のビート信号を解析し、干渉次数を逐次的に決定することで、被検物170の形状を、広範囲、且つ、高精度に計測することができる。
図9は、計測装置20において、実計測モードにおける複数の干渉画像を取得する処理、即ち、S504に相当する処理を詳細に説明するためのフローチャートである。図9を参照するに、S902では、第1光と第2光との干渉光を検出部140で検出して干渉画像を取得する。具体的には、図10に示すように、時刻t0から検出を開始し、周波数シフタ211a及び211bによって周波数をシフトさせながら、時刻t1まで第1光及び第2光のそれぞれのビート信号を取得する。図10は、周波数可変光源201、周波数固定光源202a及び202bのそれぞれからの光の周波数の時間的な変化を示す図である。図10では、縦軸に周波数fを採用し、横軸に時刻tを採用している。
S904では、第2光と第3光との干渉光を検出部140で検出して干渉画像を取得する。具体的には、図10に示すように、時刻t1から時刻t2まで、周波数シフタ211b及び211cによって周波数をシフトさせながら、第2光及び第3光のそれぞれのビート信号を取得する。
S902及びS904の各処理で取得される干渉画像の枚数を、例えば、17枚とすると、合計で34枚の干渉画像が取得される。検出部140で取得される干渉画像の撮像レートを60fpsとすると、干渉画像の取得に要する時間は0.57秒となる。実計測モードでは、登録モードと比較して、検出部140で取得する干渉画像の枚数が半分となるため、被検物170の形状の計測に要する時間を大幅に短縮することができる。
周波数可変光源201からの光の周波数f1と周波数固定光源202aからの光の周波数f2との周波数差が0.3THzである場合、合成波長Λ12は1.1mmとなる。合成波長Λ12以上の高さを有する被検物170の形状を計測する場合には、干渉次数を決定することができないため、被検物170の高さが不確定となってしまう。
そこで、本実施形態では、このような不確定性を排除するために、登録モードにおいて記憶部180に記憶された形状データ(登録モードで計測された被検物170の形状を表す形状データ)を用いる。記憶部180に記憶された形状データと照合することで、干渉次数を決定して光路長差を算出することができる。
このように、本実施形態の計測装置20によれば、被検物170の形状を短時間で、且つ、簡便に計測することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
Claims (8)
- 被検物の形状を計測する計測装置であって、
参照面からの参照光と前記被検物からの被検光との干渉光を形成する干渉光学系と、
前記干渉光学系によって形成された干渉光を形成して干渉画像を取得する検出部と、
前記検出部によって取得された干渉画像に基づいて算出される前記被検物の形状を表す形状データを記憶する記憶部と、
前記被検物の形状の計測可能範囲が第1範囲である計測条件で前記干渉画像を取得する第1計測モードと、前記計測可能範囲が前記第1範囲よりも小さい第2範囲である計測条件で前記干渉画像を取得する第2計測モードとを含む計測モードから1つの計測モードを選択する選択部と、
前記被検物の形状を求める処理を行う処理部と、を有し、
前記処理部は、
前記選択部によって前記第1計測モードが選択された場合に、前記第1計測モードにおいて前記検出部によって取得された干渉画像に基づいて前記被検物の形状を算出し、当該被検物の形状を表す形状データを前記記憶部に記憶し、
前記選択部によって前記第2計測モードが選択された場合に、前記記憶部に記憶された形状データ、及び、前記第2計測モードにおいて前記検出部によって取得された干渉画像を用いて、前記被検物の形状を求めることを特徴とする計測装置。 - 前記処理部は、
前記選択部によって前記第1計測モードが選択された場合に、前記被検物の種類に関連づけて前記形状データを前記記憶部に記憶し、
前記選択部によって前記第2計測モードが選択された場合に、前記第2計測モードで計測される被検物の種類に対応する形状データを前記記憶部から抽出し、当該抽出した形状データ、及び、前記第2計測モードにおいて前記検出部によって取得された干渉画像を用いて、前記被検物の形状を求めることを特徴とする請求項1に記載の計測装置。 - 前記処理部は、前記記憶部に記憶された形状データを用いて、前記第2計測モードにおいて前記検出部によって取得された干渉画像の干渉光の干渉次数を決定することを特徴とする請求項1又は2に記載の計測装置。
- 前記処理部は、
前記参照面及び前記被検物に入射させる光の周波数を走査しながら前記検出部によって複数の干渉画像を取得し、前記複数の干渉画像の変化に基づいて前記被検物の形状を求め、
前記第1計測モードにおける前記光の周波数の走査間隔が前記第2計測モードにおける前記光の周波数の走査間隔よりも小さくなるように、前記光の周波数の走査間隔を設定することを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載の計測装置。 - 前記処理部は、前記干渉光の周波数がゼロ又はナイキスト周波数となる領域を除外するように、前記記憶部に記憶された形状データを用いて、前記第2計測モードにおける前記光の周波数の走査間隔を設定することを特徴とする請求項4に記載の計測装置。
- 前記第1計測モードで用いる合成波長の数は、前記第2計測モードで用いる合成波長の数よりも多いことを特徴とする請求項4に記載の計測装置。
- 前記処理部は、前記選択部によって前記第2計測モードが選択された場合に、前記記憶部に記憶された形状データを用いて、前記検出部によって取得される干渉画像のコントラストが向上するように、前記干渉光学系と前記被検物との位置関係を調整することを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載の計測装置。
- 参照面からの参照光と被検物からの被検光との干渉光を形成し、前記干渉光を検出して干渉画像を取得し、前記取得された干渉画像に基づいて前記被検物の形状を計測する計測方法であって、
前記被検物の形状の計測可能範囲が第1範囲である計測条件で前記干渉画像を取得する第1計測モードと、前記計測可能範囲が前記第1範囲よりも小さい第2範囲である計測条件で前記干渉画像を取得する第2計測モードとを含む計測モードから1つの計測モードを選択する第1ステップと、
前記第1ステップで前記第1計測モードが選択された場合に、前記第1計測モードにおいて取得された干渉画像に基づいて前記被検物の形状を算出し、当該被検物の形状を表す形状データを記憶する第2ステップと、
前記第1ステップで前記第2計測モードが選択された場合に、前記記憶された形状データ、及び、前記第2計測モードにおいて取得された干渉画像を用いて、前記被検物の形状を求める第3ステップと、
を有することを特徴とする計測方法。
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