JP2015175603A - 干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面形状の幾何誤差が未知の基準器を用いて、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を校正できるようにする校正方法を提供する。【解決手段】測定対象表面との間で干渉光を発生させるための、表面形状の幾何誤差が未知の参照ミラー３３を備えた干渉計において、表面形状の幾何誤差が未知の基準器ＷＯを測定対象の位置に配置して、一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラー３３を移動走査して、複数の方向について、各方向で複数領域の表面形状を測定し、各測定領域で、参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差、基準器（中央部分ＷＯＣ）の表面形状の幾何誤差、及び、表面形状測定値間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差を求める。【選択図】図４

Description

本発明は、干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法に係り、特に、白色光干渉計搭載型画像測定機等の光干渉を利用した形状測定装置に用いるのに好適な、表面形状の幾何誤差が未知の基準器を用いて、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を校正することが可能な、干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法に関する。

従来、光の干渉によって生じる干渉縞の輝度情報を用いて、例えば測定対象物の三次元形状を精密に測定する三次元形状測定装置などの光干渉を利用した形状測定装置（以下、単に光干渉測定装置とも称する）が知られている。

このような光干渉測定装置においては、参照光路と測定光路の光路長が一致するピント位置では各波長の干渉縞のピークが重なり合い、合成される干渉縞の輝度が大きくなる。従って、光干渉測定装置では、参照光路又は測定光路の光路長を変化させながら干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像をＣＣＤカメラ等の撮像素子により撮影し、撮映視野内の各測定位置で干渉光の強度がピークとなるピント位置を検出することで、各測定位置における測定対象面の高さを測定し、測定対象物の三次元形状などを測定することができる（例えば、特許文献１参照）。

又、前記のような光干渉測定装置を含む干渉計における参照ミラーの形状は、測定精度に直接影響するため、高い幾何精度（平面ミラーであれば平面度）が求められる。特に高精度な干渉計測においては、参照ミラーの幾何誤差を補正することで、測定精度への影響を低減する手法が用いられている。

参照ミラーの幾何誤差の校正方法として、参照ミラーよりも幾何誤差が十分に小さい基準器を干渉計測し、基準器からの誤差分布を補正テーブルとする方法がある（特許文献２参照）。

特開２０１１−１９１１８５号公報 特開２００６−２２６９１８号公報

しかしながら、幾何誤差が十分小さい基準器を用意することが困難であるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、表面形状の幾何誤差が未知の基準器を用いて、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を校正できるようにすることを課題とする。

本発明は、測定対象表面との間で干渉光を発生させるための、表面形状の幾何誤差が未知の参照ミラーを備えた干渉計において、表面形状の幾何誤差が未知の基準器を測定対象の位置に配置して、一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラーを移動走査して、複数の方向について、各方向で複数領域の表面形状を測定し、各測定領域で、参照ミラーの表面形状の幾何誤差、基準器の表面形状の幾何誤差、及び、表面形状測定値間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を求めるようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記基準器の表面形状の幾何誤差の和が既知の場合は、この関係も利用して、演算精度を高めたり、測定箇所を減らすことができる。

本発明によれば、干渉計により基準器を複数箇所測定することで、基準器の幾何誤差と参照ミラーの幾何誤差を分離し、基準器の幾何誤差を排除した高精度な参照ミラーの校正が可能となる。

本発明が適用される光干渉測定装置の一例の構成を示す、一部ブロック図を含む断面図 同じく対物レンズ部の詳細構成を示す断面図 同じく測定手順を示す流れ図 同じく基準器、参照ミラー、及び１視野の測定領域を示す平面図 同じく（ａ）参照ミラーの表面形状（幾何誤差）及び（ｂ）基準器中央部分の表面形状（幾何誤差）を示す平面図 同じく前半の測定領域１〜４における参照ミラーと基準器中央部分の関係を示す平面図 同じく後半の測定領域５〜９における参照ミラーと基準器中央部分の関係を示す平面図

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。

まず、本発明が適用される光干渉測定装置の一例である形状測定装置について説明する。なお、ここではマイケルソン型の干渉計を示すが、ミロー型等、他の等光路干渉計を用いることもできる。

形状測定装置１は、図１に示すように、光出射部１０と、光学ヘッド部２０と、対物レンズ部３０と、撮像部４０と、結像レンズ４１と、画像メモリ５０と、演算処理部６０と、入力部７０と、出力部８０と、表示部９０と、測定対象物（以下、「ワーク」という）Ｗを載置するためのステージＳと、を備える。

光出射部１０は、例えば広帯域に亘る多数の波長成分を有しコヒーレンシーの低い広帯域光を出力する光源を備え、例えば、ハロゲンやＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの白色光源が用いられる。可干渉性の少ない白色光を使用することで、干渉縞の発生する範囲を狭くすることができる。なお、光出射部１０から出射される光は特定波長（単波長）のものでも良い。

光学ヘッド部２０は、ビームスプリッタ２１と、コリメータレンズ２２とを備えている。光出射部１０から出射した光は、対物レンズ部３０の光軸と直角の方向から、コリメータレンズ２２を介してビームスプリッタ２１に平行に照射され、ビームスプリッタ２１からは光軸に沿った光が出射されて、対物レンズ部３０に対して上方から平行ビームが照射される。

対物レンズ部３０は、図２に示すように、対物レンズ３１、プリズム３２、参照ミラー３３等を備えた構成とされる。対物レンズ部３０においては、上方から平行ビームが対物レンズ３１に入射した場合、入射光は対物レンズ３１で収束光となり、プリズム３２の内部の反射面３２１に入射する。ここで、入射光は、参照ミラー３３を有する参照光路（図中破線）を進む反射光（参照光）と、ワークＷを配置した測定光路（図中実線）を進む透過光（測定光）とに分岐する。反射光は、収束して参照ミラー３３で反射され、更にプリズム３２の反射面３２１により反射される。一方、透過光は、集束してワークＷで反射され、プリズム３２の反射面３２１を透過する。参照ミラー３３からの反射光と測定対象物（ワーク）Ｗからの反射光とはプリズム３２の反射面３２１により合波されて合成波となる。参照ミラー３３は、演算処理部６０による制御の下、ピエゾ素子のような駆動手段３４によって光軸方向に移動走査される。参照ミラー３３の走査位置はエンコーダ３５で測定され、演算処理部６０に入力される。参照光路（光路１＋光路２）と、測定光路（光路３＋光路４）の光路長が等しいときに、合成波に干渉縞が発生する。

プリズム３２の反射面３２１より合成された合成波は、対物レンズ３１で平行ビームになり上方へ進み、結像レンズ４１に入射する（図１中一点鎖線）。結像レンズ４１は合成波を収束させ撮像部４０上に干渉画像を結像させる。

撮像部４０は、２次元状に配列された複数個の画素を有する撮像素子からなるＣＣＤ力メラ等であり、合成波の干渉画像を撮像する。干渉画像は、参照ミラー３３を移動走査しながら複数回撮像される。撮像部４０が撮像した干渉画像の画像データは、画像メモリ５０に記憶される。

演算処理部６０は、ワークＷの測定面の各位置での干渉光の強度とエンコーダ３５から入力される参照ミラー３３の走査位置とに基づいて、ワークＷの測定面の形状測定データを求める。入力部７０は、計測に必要なデータを演算処理部６０に入力する。出力部８０は、演算処理部６０で求められた測定結果を出力する。表示部９０は、入力操作に必要な情報及び測定結果を表示する。

図３は、形状測定方法を示すフローチャートである。

形状測定を開始すると、参照ミラー３３を光軸方向に所定量移動し（Ｓ１）、測定面の干渉光強度の二次元の分布を示す干渉画像を画像メモリ５０に記憶する（Ｓ２）。これを所定サンプリング数だけ繰り返し（Ｓ３）、所定枚の干渉画像が画像メモリ５０に蓄積されると、演算処理部６０が測定面の各測定位置における光路長差の変化に伴う干渉光強度の変化を示す干渉光強度列のピーク位置を検出する（Ｓ４）。そして、検出した各測定位置のピーク位置を測定点における高さとして表示、出力する（Ｓ５）。

このような形状測定装置１においては、参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差（以下単に表面形状とも称する）が正確に分かっている必要があるが、ワークＷのところに基準器ＷＯを置いて比較測定しても、基準器ＷＯの表面形状の幾何誤差が十分に小さくないと、参照ミラー３３の表面形状を高精度で校正することができない。

そこで本発明では、図４に示す如く、表面形状の幾何誤差が未知の基準器ＷＯを測定対象物Ｗの位置に配置して、一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラー３３を図４中に矢印で例示する如く、複数の方向（図では左右のＸ方向と上下のＹ方向）で複数領域（図では１〜９の９領域）の表面形状を測定し、各測定領域１〜９で、図５（ａ）に示すような参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差Ｍａ〜Ｍｄ、図５（ｂ）に示すような基準器ＷＯの中央部分ＷＯＣの表面形状の幾何誤差Ｒａ〜Ｒｄ、及び、表面形状測定値Ｈ１〜Ｈ１６間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差Ｍａ〜Ｍｄを求めるようにしている。

即ち、各測定領域１〜９では、参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差Ｍａ〜Ｍｄと、基準器ＷＯの中央部分ＷＯＣの表面形状の幾何誤差Ｒａ〜Ｒｄの間に、それぞれ図６Ａ〜図６Ｂの（ａ）〜（ｉ）に示すような関係が成立する。なお、図６Ａ、図６Ｂでは、理解を容易とするため、参照ミラー３３と基準器中央部分ＷＯＣを少しずらしてあるが、実際は一致している。

例えば、図６Ａ（ａ）に例示するスタート地点の測定領域１の参照ミラー３３と基準器中央部分ＷＯＣが重なった位置の測定値Ｈ１は、次式に示す如く、参照ミラー３３の右下部分の幾何誤差Ｍｄと基準器中央部分ＷＯＣの左上部分の幾何誤差Ｒａの和となる。
Ｈ１＝Ｍｄ＋Ｒａ ・・・（１）

又、測定領域１の状態から参照ミラー３３を図の右方向に１ブロックずらした測定領域２の状態では、図６Ａ（ｂ）に示す如く、参照ミラー３３の下半分と基準器中央部分ＷＯＣの上半分が重なり、その左側の測定値Ｈ２と右側の測定値Ｈ３では、それぞれ次の（２）式、（３）式の関係が成立する。
Ｈ２＝Ｍｃ＋Ｒａ ・・・（２）
Ｈ３＝Ｍｄ＋Ｒｂ ・・・（３）

又、参照ミラー３３を更に図の右方向にもう１ブロックずらした測定領域３の状態では、図６Ａ（ｃ）に示す如く、参照ミラー３３と基準器中央部分ＷＯＣが重なった位置の測定値Ｈ４について、次の（４）式の関係が成立する。
Ｈ４＝Ｍｃ＋Ｒｂ ・・・（４）

同様にして、参照ミラー３３を図の下方向に１ブロック下げると共に左方向に２ブロック戻した位置とした測定領域４の状態では、図６Ａ（ｄ）に示す如く、次の（５）式、（６）式の関係が成立する。
Ｈ５＝Ｍｂ＋Ｒａ ・・・（５）
Ｈ６＝Ｍｄ＋Ｒｃ ・・・（６）

又、測定領域４の状態から参照ミラー３３を図の右方向に１ブロックずらした測定領域５の状態、即ち参照ミラー３３と基準器中央部分ＷＯＣが完全に重なった測定領域５の状態では、図６Ｂ（ｅ）に示す如く、次の４つの（７）〜（１０）式の関係が成立する。
Ｈ７＝Ｍａ＋Ｒａ ・・・（７）
Ｈ８＝Ｍｂ＋Ｒｂ ・・・（８）
Ｈ９＝Ｍｃ＋Ｒｃ ・・・（９）
Ｈ１０＝Ｍｄ＋Ｒｄ ・・・（１０）

同様にして、参照ミラー３３を更に図の右方向に１ブロックずらした測定領域６の状態では、図６Ｂ（ｆ）に示す如く、次の（１１）式、（１２）式の関係が成立する。
Ｈ１１＝Ｍａ＋Ｒｂ ・・・（１１）
Ｈ１２＝Ｍｃ＋Ｒｄ ・・・（１２）

又、参照ミラー３３を図の下方向に１ブロック下げると共に、左方向に２ブロック戻した次の測定領域７の状態では、図６Ｂ（ｇ）に示す如く、次の（１３）式の関係が成立する。
Ｈ１３＝Ｍｂ＋Ｒｃ ・・・（１３）

又、参照ミラー３３を図の右方向に１ブロックずらした次の測定領域８の状態では、図６Ｂ（ｈ）に示す如く、次の（１４）式、（１５）式の関係が成立する。
Ｈ１４＝Ｍａ＋Ｒｃ ・・・（１４）
Ｈ１５＝Ｍｂ＋Ｒｄ ・・・（１５）

又、参照ミラー３３を図の右方向にもう１ブロックずらした最後の測定領域９の状態では、図６Ｂ（ｉ）に示す如く、次の（１６）式の関係が成立する。
Ｈ１６＝Ｍａ＋Ｒｄ ・・・（１６）

これらをまとめると、（１７）式に示すような行列式が成立している。

ここで、未知数はＭａ〜ＭｄとＲａ〜Ｒｄの８個であるのに対して式は１６式あるので、未知数Ｍａ〜ＭｄとＲａ〜Ｒｄを、例えば最小二乗法に用いて算出することで、参照ミラー３３の表面形状の幾何誤差Ｍａ〜Ｍｄを高精度に求めることができる。求められた幾何誤差Ｍａ〜Ｍｄは従来と同様に補正テーブルに格納され、測定時の補正に利用される。

なお、次の（１８）式に示すように、例えば基準器ＷＯの幾何誤差Ｒａ〜Ｒｄの和が０である場合には、次の（１９）式に示すように、この条件を行列式に含めて、精度を高めるか、あるいは、測定箇所を減らすことができる。
Ｒａ＋Ｒｂ＋Ｒｃ＋Ｒｄ＝０ ・・・（１８）

なお、前記実施形態においては、図５に示した如く、参照ミラー３３と基準器中央部分ＷＯＣの区画数がＸ方向に２区画、Ｙ方向に２区画の計４区画とされていたが、区画数はこれに限定されず、例えばＸ方向に２区画、Ｙ方向に３区画、あるいはＸ方向に３区画、Ｙ方向に２区画としたり、Ｘ方向、Ｙ方向共に３区画とすることも可能であり、Ｘ方向ｍ区画、Ｙ方向ｎ区画（ｍ、ｎはいずれも２以上）とすることができる。走査方向や走査順も前記実施形態に限定されず、例えば上下のＹ方向に先に走査していくこともできる。

又、本発明の適用対象は、白色光干渉計搭載型画像測定機等の光干渉測定装置に限定されず、測定対象表面との間で干渉光を発生させるための、表面形状の幾何誤差が未知の参照ミラーを備えた干渉計一般に同様に適用できる。参照ミラーの位置も対物レンズ部の側方に限定されず、対物レンズ部の下方でワークＷとの間にあっても良い。

１…形状測定装置
１０…光出射部
２０…光学ヘッド部
３０…対物レンズ部
３３…参照ミラー
４０…撮像部
４１…結像レンズ
５０…画像メモリ
６０…演算処理部
７０…入力部
８０…出力部
９０…表示部
Ｓ…ステージ
Ｗ…測定対象物（ワーク）
ＷＯ…基準器
ＷＯＣ…基準器中央部分

Claims (2)

1. 測定対象表面との間で干渉光を発生させるための、表面形状の幾何誤差が未知の参照ミラーを備えた干渉計において、
   表面形状の幾何誤差が未知の基準器を測定対象の位置に配置して、
   一部の測定領域をオーバーラップさせながら、参照ミラーを移動走査して、複数の方向について、各方向で複数領域の表面形状を測定し、
   各測定領域で、参照ミラーの表面形状の幾何誤差、基準器の表面形状の幾何誤差、及び、表面形状測定値間に成立する方程式を解くことにより、参照ミラーの表面形状の幾何誤差を求めることを特徴とする、干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法。
2. 前記基準器の表面形状の幾何誤差の和が既知の場合は、この関係も利用することを特徴とする、請求項１に記載の干渉計における参照ミラー表面形状の校正方法。

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