JP3835505B2 - 非接触表面形状測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非接触表面形状測定装置に係り、特に光の干渉を用いて被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ干渉計を用いて被測定面の微細形状を非接触で測定する非接触表面形状測定装置が広く知られている。この非接触表面形状測定装置は、レーザ光源からレーザ光を被測定面及び基準反射面に出射し、被測定面及び基準反射面で反射された光を干渉させて、その干渉によって生じた干渉縞をＣＣＤカメラ等の撮像手段によって撮像する。そして、画像解析により干渉縞の形状から前記被測定面の形状を算出するというものである。
【０００３】
このような光の干渉を用いた非接触表面形状測定装置は、ワーク表面に接触することなく測定を行うことができるため、ワーク表面を傷つけることがなく、また、ワーク表面の画像を測定データとして撮像手段によって瞬時に取り込むため、面形状を高速、高精度で測定することができるという特徴がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の非接触表面形状測定装置には、以下のような問題があった。１つには、測定範囲（ＣＣＤカメラの１視野の面積）がＣＣＤ撮像面積／対物レンズ倍率で決定されるため、１回の測定可能な面積に制限があるという問題である。もう１つには、測定データの横分解能は、測定範囲／ＣＣＤ素子個数で決定されるため、１視野の面積を広くとればその分横分解能が低下するという問題である。
【０００５】
従って、従来の装置では高い横分解能での面形状の測定は０．数ｍｍ角〜数ｍｍ角程度の狭い測定範囲に限られていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光の干渉を用いた非接触表面形状測定装置において、測定データの横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の測定を行うことができる非接触表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、前記被測定面の測定範囲を複数の領域に分割する手段であって、各領域の一部が他の領域と重複するように分割する測定範囲分割手段と、前記測定範囲分割手段によって分割した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを、各領域の重複する部分において前記形状データが最も合致するように補正する形状データ補正手段であって、各領域のうち前記被測定面の測定範囲の中央部に位置する領域を初期の基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する周辺の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正するものとし、補正済みの領域を新たな基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する未補正の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正することによって全ての領域の形状データを順次補正する形状データ補正手段と、前記形状データ補正手段によって補正された各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ生成手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、その測定範囲を複数の領域に分割すると共に、その領域の一部において隣接する他の領域と重複するように分割し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、各領域の重複した部分において形状データが最も合致するように各領域の形状データを補正し、各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、測定データ（形状データ）の横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状の測定を行うことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、前記被測定面の測定範囲に離散した領域を設定する領域設定手段と、前記領域設定手段によって設定した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を示す誤差データに基づいて、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを補正し、該補正した各領域の形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ補正手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、被測定面の測定範囲に離散した領域を設定し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を各領域の形状データから除去し、それらの形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、測定データ（形状データ）の横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の測定を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る非接触表面形状測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図１は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の測定部の構成を示した斜視図である。同図に示すように本測定装置の測定部は、基台１０上をＸ、Ｙ方向に移動するＸＹステージ１２と、基台１０に設置された支柱１４に支持され、支柱１４にガイドされて上下方向（Ｚ方向）に移動する測定部本体１６とを備えている。尚、ＸＹステージ１２及び測定部本体１６は、それぞれ図示しない制御部の制御によってモータ駆動され、又は、図示しないツマミの手動操作によってＸＹ方向及びＺ方向に移動するようになっている。
【００１１】
前記ＸＹステージ１２は、同図に示すように被測定ワークＷを載置し、上述の移動によってそのワークＷをＸＹ方向に移動させて測定位置を調整する。測定位置の調整は、後述するように、ワークＷの測定面積が広く、測定範囲が測定部本体１６に搭載されたＣＣＤカメラの１視野範囲を越える場合には、予め設定された動作で自動で行われるようになっている。
【００１２】
前記測定部本体１６には、内部にレーザ干渉計及び撮像部が搭載されており、測定部本体１６下部にはレーザ干渉計の一部である対物レンズ１６Ａが取り付けられている。本装置では、レーザ干渉計として、例えばトワイマン−グリーン干渉計が採用される。このレーザ干渉計は、測定部本体１６内に搭載されたレーザ光源からレーザ光線を出射し、その光線をハーフミラーで２つの光線に分けてそれぞれ対物レンズを介して上記ＸＹステージ１２に載置されたワークＷの表面と所定の基準反射面に照射する。そして、そのワークＷ表面と基準反射面によって反射された光線（反射光）を対物レンズを介して再びハーフミラーで重ね合わせ、これらの反射光を干渉させて撮像部に導く。尚、干渉計としては多くの種類のものが知られており、本実施の形態では、トワイマン−グリーン干渉計を採用することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の種類の干渉計を採用することができる。
【００１３】
前記撮像部は、結像レンズとＣＣＤカメラから構成され、上述のようにハーフミラーから導かれた干渉した光を結像レンズで集光し、ＣＣＤカメラの撮像面に結像する。これにより、ワークＷ表面で反射された反射光と基準反射面で反射された反射光（参照光）との干渉によって生じた干渉縞の画像を取得することができる。
【００１４】
このようにして測定部本体１６によって取得したワーク表面の干渉縞の画像は、図示しない演算部（演算部は主としてコンピュータで構成される。）に送信された後、演算部で所定の画像解析が行われて、ワーク表面の形状が求められるようになっている。
次に、上述のように測定部本体１６によって取得された画像に基づいてワーク表面の形状を算出する上記演算部の構成について説明する。図２は、その演算部の構成を示した構成図である。同図に示すように演算部はＣＰＵ３０、メモリ（ＲＡＭ）３２、外部記憶装置３４、表示部３６、入力部３８、ステージ制御部４０及び画像処理部４２等から構成される。
【００１５】
ＣＰＵ３０は、所定のプログラムに従って、上記測定部のＸＹテーブル１２等の制御、データ処理等の各種演算処理を行う。メモリ３２及び外部記憶装置３４は、必要に応じてＣＰＵ３０から送られるデータを記録し、また、必要に応じて記録しているデータをＣＰＵ３０に出力する。尚、外部記憶装置３４はデータ保存用に用いられるメモリである。表示部３６には、測定開始前における測定内容の設定画面、測定後における測定結果の表示画面等の各種情報画面が文字、数値、グラフィック等で表示される。入力部３８は、例えばユーザがキーボードやマウス等を用いて入力した情報をＣＰＵ３０に入力する。
【００１６】
ステージ制御部４０は、ＣＰＵ３０から入力される制御信号に基づいて上記ＸＹステージ１２の駆動モータを駆動してＸＹステージ１２をＸ、Ｙ方向に移動させる。ＣＰＵ３０は、例えば、予めユーザが設定したＸＹステージ１２の移動軌跡に従って前記制御信号をステージ制御部４０に入力する。
画像処理部４２は、上記測定部本体１６の撮像部４４から入力される干渉縞の画像を解析し、ワーク表面の各点の位相を検出する。この位相を示す位相データはＣＰＵ３０に入力され、この位相データからワーク表面の形状を示す形状データ（３次元座標データ）が算出されるようになっている。
【００１７】
次に、上述の如く構成された非接触表面形状測定装置においてＣＣＤカメラの１視野の面積を越える測定領域の表面形状を測定する場合の処理内容について説明する。
本装置は、ＣＣＤカメラの１視野の面積を越える広い測定領域の表面形状を１つの測定結果として表示等することができ、且つ、狭い領域を測定する場合に比べて横分解能を低下させることなくその広い測定領域の表面形状を測定することができる点に特徴がある。その測定方法として、測定領域前面の表面形状を隙間なく測定する第１の方法と、測定領域の所要位置の表面形状を離散的に測定する第２の方法とがあり、測定目的に応じてこれらの方向を使い分けることができるようになっている。第１の方法では、測定領域全面の形状を隙間なく測定することができるため、測定領域全面の連続した形状を把握したい場合に有効であり、第２の方法では、測定領域全面の形状を知る必要がなく部分的に把握できれば十分な場合に測定時間を短縮することができる点で効果的である。以下、これらの第１の方法、第２の方法について順に説明する。
【００１８】
初めに第１の方法の処理内容について説明する。第１の方法を実行する場合、まずユーザは測定開始前に測定部のＸＹステージ１２に載置したワークＷの測定領域を入力部３８から入力する。これによって設定された測定領域の一例を図３（Ａ）に示す。このとき、この測定領域Ｓの面積が、図３（Ｂ）に示すＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐの面積を越えた場合、ＣＰＵ３０は、図３（Ａ）に示す測定領域Ｓを図３（Ｃ）に示すように１視野範囲Ｐの面積と等価な複数の測定面Ｐ１〜Ｐ９で分割する。また、このとき各測定面Ｐ１〜Ｐ９を隣接する他の測定面と一部で重複するように設定する。尚、ここでは、測定領域Ｓの面積が１視野範囲Ｐの面積の９倍未満であった場合について測定領域Ｓを測定面Ｐ１〜Ｐ９までの９つの測定面で分割している様子を示している。但し、分割数は９に限らず任意に設定できる。ＣＰＵ３０は、このようにして分割した各測定面Ｐ１〜Ｐ９のＸ、Ｙ位置を測定面位置としてメモリ３２に登録する。
【００１９】
次いで、ユーザは、ＸＹステージ１２の移動方向を反転させる迂回点を入力部３８から入力する。迂回点について説明すると、上述のように測定領域Ｓの面積がＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐの面積を越える場合には、その測定領域Ｓを複数の測定面に分割して各測定面を順次撮像し、その干渉縞の画像を取得する。このときＣＰＵ３０はステージ制御部４０（図２参照）に制御信号を出力し、ＸＹステージ１２を自動で移動させて、ＣＣＤカメラの視野を各測定面に対して図４に示すような軌跡で相対的に移動させる。同図によれば、ＸＹステージ１２の移動によってＣＣＤカメラの視野は測定面Ｐ１から測定面Ｐ３までＸ方向に移動して測定面Ｐ１〜Ｐ３までの画像を取得した後、次いで測定面Ｐ３から同図に示す迂回点Ｔ1 まで移動する。そして、迂回点Ｔ1 からＸ方向に移動を開始して測定面Ｐ４から測定面Ｐ６まで移動し、測定面Ｐ４〜Ｐ６までの画像を取得する。次いで測定面Ｐ６から同図に示す迂回点Ｔ2 まで移動した後、迂回点Ｔ2 からＸ方向に移動を開始して測定面Ｐ７から測定面Ｐ９まで移動し、測定面Ｐ７〜Ｐ９までの画像を取得する。
【００２０】
上述の迂回点Ｔ1 、Ｔ2 は図４に示したように測定面Ｐ４、Ｐ７よりも図中左側に位置し、測定面Ｐ４〜Ｐ６又は測定面Ｐ７〜Ｐ９の撮像を行う際に、ＣＣＤカメラの視野は測定面Ｐ４又は測定面Ｐ７の位置よりも左側から移動してくるようになっている。このようにＸＹテーブル１２を移動させることにより、各列の測定面はＸＹステージ１２の一方向（左方向）への移動の過程で撮像されることとなり、ＸＹテーブル１２のバッククラッシュによる撮像位置の誤差を適切に防止することができる。これらの迂回点Ｔ1 、Ｔ2 のＸ、Ｙ位置を予めユーザが入力部３８から入力し、メモリ３２に登録しておくことにより、ＣＰＵ３０は、測定時にこれらの迂回点Ｔ1 、Ｔ2 の位置に基づいてＸＹステージ１２を移動させ、図４に示したような軌跡でＣＣＤカメラの視野を移動させることができるようになっている。
【００２１】
以上の設定が終了し、ユーザが入力部３８から測定開始を指示した場合、ＣＰＵ３０は、以下に示す処理を実行する。まず、ＣＰＵ３０は、ステージ制御部４０に制御信号を出力して、ＸＹステージ１２を移動させ、ＣＣＤカメラの視野を測定面Ｐ１の位置に移動させる。次いで、ＣＣＤカメラから測定面Ｐ１の干渉縞の画像を取り込み、この干渉縞の画像から測定面Ｐ１の形状を求める。尚、干渉縞の画像から測定面の形状を求める方法については公知であるため、ここではその説明は省略する。ここで求めた測定面Ｐ１の形状は形状データとして、測定高さと測定位置と共に、メモリ３２に保存する。尚、測定高さは、測定対象物（ワークＷ表面）から対物レンズ１６Ａ（図１参照）までの距離を示す値で、この値は測定部に設置されたスケールから取得することができるようになっている。また、測定位置はＸＹステージ１２のＸ、Ｙ位置を示し、この位置も測定部に設置されたスケールによって取得することができるようになっている。
【００２２】
続いてＣＰＵ３０は、ＸＹテーブル１２を移動させて上記図４に示したようにＣＣＤカメラの視野を所定の軌跡に沿って移動させ、測定面Ｐ２〜Ｐ９までの各測定面の形状データを上述と同様にして求め、測定高さと測定位置と共にメモリ３２に保存する。
以上、各測定面Ｐ１〜Ｐ９について形状データを求めると、次にＣＰＵ３０は、これらの測定面の形状データを適切に繋ぎ合わせて測定領域Ｓの全面の形状を示す１つの形状データを生成するために以下の補正演算を行う。尚、ＣＰＵ３０は、第１と第２の２つの補正演算を行って測定領域Ｓの全面の形状データを生成するようにしており、第１と第２の補正演算について順に説明する。
【００２３】
第１の補正演算は、全ての測定面Ｐ１〜Ｐ９について隣接する２つの測定面を対象に行う。補正する測定面の順序については後述するが、対象となる２つの測定面のうち、一方を基準測定面とし、他方を被補正測定面とする。そして、基準測定面の測定高さをＺ、被補正測定面の測定高さをｚとした場合、補正は被補正測定面の全形状データから（ｚ−Ｚ）を差し引くことにより行う。この補正は、ＸＹテーブル１２の移動によって変動するＺ方向の誤差を除去することを目的としている。
【００２４】
第２の補正演算は、第１の補正演算を行った後、第１の補正演算と同様２つの測定面を対象に行う。図６（Ａ）に示すように対象となる２つの測定面のうち、一方を基準測定面とし、他方を被補正測定面とする。そして、説明上、基準測定面と被補正測定面をそれぞれΦ（Ｘ，Ｙ）、Ψ（Ｘ，Ｙ）とし、Ψ（Ｘ，Ｙ）に対してここで行う補正によって得られる補正後の面をΨ′（Ｘ，Ｙ）とすると、被補正測定面の補正後の面Ψ′（Ｘ，Ｙ）は次式(1)で与えられる。
【００２５】
Ψ′（Ｘ，Ｙ）＝Ψ（Ｘ，Ｙ）＋αＸ＋βＹ＋γ …(1)
但し、α、β、γは、傾斜の補正係数である。
ＣＰＵ３０は、基準測定面と被補正測定面の重なり合った領域の形状データに基づいて、Φ（Ｘ，Ｙ）−Ψ′（Ｘ，Ｙ）が最小となるような補正係数α、β、γを最小自乗法で算出する。そして、この補正係数α、β、γ を上式(1)に代入して被補正測定面の形状データを補正する。これにより図６（Ｂ）に示すように基準測定面と被補正測定面の形状データが連続した値を示すようになる。即ち、この補正演算は、ＸＹテーブル１２の移動等に起因して生じる誤差を除去し、１つの測定領域Ｓを複数の測定面に分割して撮像していることに起因して生じる不連続点の発生を防止している。
【００２６】
図５は上記補正演算の補正順序の１例を示した図である。ここで示す測定領域は、５×５の測定面で分割されているものとし、同図に示す各測定面の数値は各測定面の補正を行う順序を示している。まず、中央の測定面（Ｎｏ．１）を基準測定面とし、その周辺の測定面（Ｎｏ．２）を被補正測定面として上記第１、第２の補正演算を行う。Ｎｏ．２の測定面全て（４個）について補正が終了したら、続いて補正後のＮｏ．２の測定面を基準測定面とし、その周辺の測定面（Ｎｏ．３）を被補正測定面として上記第１、第２の補正演算を行う。Ｎｏ．３の測定面全て（８個）について補正が終了したら、以上の手順と同様にしてＮｏ．４、Ｎｏ．５の測定面について上記補正演算を行っていく。このように、中央測定面から順次周辺の測定面について補正を行っていくことにより全ての測定面について補正を行うことができる。但し、補正演算の順序は、これに限らない。
【００２７】
以上説明した補正演算により、ＣＣＤカメラの１視野範囲を越える測定領域に対して複数の測定面に分割して各測定面について表面形状を独立に算出した場合でも、各測定面の形状データを適切に繋ぎ合わせることができ、あたかも１視野範囲で取得した画像に基づいて測定領域全面の表面形状を測定したような形状データを得ることができる。
【００２８】
ＣＰＵ３０は、このようにして算出した測定領域Ｓ全面についての形状データに基づいて測定領域Ｓの表面形状を表示部３６にグラフィック表示し、又は測定領域Ｓの平面度、粗さ等のパラメータを算出し、その結果を表示部３６に表示する。
以上の第１の方法は、測定領域の表面形状を隙間無く測定する場合に用いられる方法であるが、次に説明する第２の方法は上述のように測定領域の所要位置の表面形状を離散的に測定する場合に使用される。
【００２９】
第２の方法を実行する場合、即ち、ＸＹステージ１２に載置したワークＷの測定領域Ｓ（図７（Ａ））がＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐ（図７（Ｂ））を越える場合であって、測定領域Ｓの所要位置の表面形状を離散的に測定する場合、ユーザは測定開始前にその測定位置（Ｘ、Ｙ位置）を入力部３８から入力する。例えば、図７（Ｃ）に示すように測定領域Ｓ内に９箇所の測定位置（測定面Ｐ１〜Ｐ９）を設定するときには、その９箇所の測定面Ｐ１〜Ｐ９のＸ、Ｙ位置を入力部３８から入力する。また、上記第１の方法の場合と同様に測定時のＸＹステージ１２の移動に対する迂回点Ｔ1 、Ｔ2 のＸ、Ｙ位置を入力部３８から入力する。尚、Ｘ、Ｙステージ１２の移動に伴うＣＣＤカメラの視野の移動軌跡は、図８に示すように第１の方法の場合（図４参照）と同じである。
【００３０】
また、ユーザは測定開始前にＸＹステージ１２の全移動範囲における平面度マスターの測定値をステージ補正データとして取得し、メモリ３２に保存しておく。ステージ補正データの取得と保存は以下のようにして行う。まず、測定物として略理想的な平面を有する平面度マスターをＸＹステージ１２に載置する。そして、平面度マスターに対して１視野範囲の表面形状の測定を行って形状データを求め、その形状データの平均高さを測定位置（ＸＹステージ１２のＸ、Ｙ位置）と共にメモリ３２に保存する。この測定は、ＸＹステージ１２を１視野範囲ずつ移動させてＸＹステージ１２の全移動範囲について行う。
【００３１】
以上の設定が終了し、ユーザが入力部３８から測定開始を指示した場合、ＣＰＵ３０は、第１の方法と同様にＸＹステージ１２を移動させて上記離散的に設定された測定面Ｐ１〜Ｐ９の形状データを取得する。尚、形状データの取得手順については、第１の方法と同様に行われるため説明は省略する。
各測定面Ｐ１〜Ｐ９について形状データを取得すると、次にＣＰＵ３０は、これらの測定面の形状データを以下のように補正する。尚、ＣＰＵ３０は、第１と第２との２つの補正演算を行うが、第１の補正演算については、上記第１の方法で説明した第１の補正演算と同様に行われるため説明を省略し、第２の補正演算についてのみ以下説明する。
【００３２】
第２の補正演算は、上述したように平面度マスターによって作成したステージ補正データを用いて行う。ステージ補正データは離散的に存在している為、測定面毎に以下の処理を行う。
図９は、補正対象の被補正測定面Ｒの位置とステージ補正データが登録されている位置ｑ、ｑ、…との位置関係を示し、図１０は、図９に示す点線枠ｒの拡大図を示す。ＣＰＵ３０は、被補正測定面Ｒの中央位置Ａにおける補正値を比例配分計算で算出する。即ち、被補正測定面を囲むステージ補正データの登録位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４におけるステージ補正データＺ１（ｄ）、Ｚ２（ｄ）、Ｚ３（ｄ）、Ｚ４（ｄ）から補正値Ａ（ｄ）を算出する。
【００３３】
ここで、ステージ補正データＺ１（ｄ）とは、ＸＹ平面座標Ｚ１（Ｘ，Ｙ）を中心とした１視野測定面の測定形状データから算出した最小自乗回帰平面を示すパラメータ(L,M,N,P) 、及び、座標Ｚ１（Ｘ，Ｙ）におけるその最小自乗回帰平面の高さ（ｄ）からなるデータである。ステージ補正データＺ２（ｄ）、Ｚ３（ｄ）、Ｚ４（ｄ）についても同様である。また、補正値Ａ（ｄ）は、ＸＹ平面座標Ａ（Ｘ，Ｙ）を囲むステージ補正データの登録位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の４点から算出した最小自乗回帰平面を示すパラメータ(L,M,N,P) 、及び、座標Ａ（Ｘ，Ｙ）におけるその最小自乗回帰平面の高さ（ｄ）からなるデータである。
【００３４】
補正値Ａ（ｄ）を算出するため、補正値Ａ（ｄ）をλＸ＋μＹ＋νＺ＝ｄとして、角度ベクトル（λ，μ，ν）を以下のようにして算出する。
▲１▼補正値Ａ（ｄ）のＸ方向成分：Ａ（λ）を算出する。
まず、Ｚ１（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ１（Ｌ）とＺ２（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ２（Ｌ）との差を、図１０に示すＺ１〜Ｘ１間の距離と、Ｘ１〜Ｚ２間の距離で比例分配してＸ１（λ）を求める。即ち、
ただし、Ａ（Ｘ）、Ｚ１（Ｘ）、Ｚ２（Ｘ）はそれぞれの点のＸ座標値を示す。
【００３５】
また、同様にＺ３（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ３（Ｌ）とＺ４（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ４（Ｌ）との差を、図１０に示すＺ３〜Ｘ２間の距離と、Ｘ２〜Ｚ４間の距離で比例分配してＸ２（λ）を求める。即ち、
ただし、Ｚ３（Ｘ）、Ｚ４（Ｘ）はそれぞれの点のＸ座標値を示す。
【００３６】
そして、Ｘ１（λ）とＸ２（λ）との差を、図１０に示すＸ１〜Ａ間の距離とＡ〜Ｘ２間の距離で比例配分してＡ（λ）を求める。即ち、
ただし、Ａ（Ｙ）、Ｚ１（Ｙ）、Ｚ３（Ｙ）はそれぞれの点のＹ座標値を示す。
▲２▼補正値Ａ（ｄ）のＹ方向成分：Ａ（μ）を算出する。
【００３７】
▲１▼と同様にしてＺ１（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ１（Ｍ）とＺ３（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ３（Ｍ）からＹ１（μ）を求め、Ｚ２（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ２（Ｍ）とＺ４（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ４（Ｍ）からＹ２（μ）を求める。即ち、
ただし、Ａ（Ｙ）、Ｚ１（Ｙ）、Ｚ２（Ｙ）、Ｚ３（Ｙ）、Ｚ４（Ｙ）はそれぞれの点のＹ座標値を示す。
【００３８】
そして、Ｙ１（μ）とＹ２（μ）からＡ（μ）を求める。即ち、
▲３▼Ａ（ｄ）のＺ方向成分：Ａ（ν）を算出する。
Ａ（λ）とＡ（μ）からＡ（ν）を求める。即ち、
α＝１視野Ｘ範囲／２
β＝１視野Ｙ範囲／２
とすると、
ＣＰＵ３０は、以上の▲１▼〜▲３▼の演算を行って補正値Ａ（ｄ）を求めた後、被補正測定面Ｒの全形状データから測定面中央位置Ａの高さデータ（ｄ）、角度ベクトル（λ，μ，ν）を引き算して形状データを補正する。
【００３９】
以上の補正演算により、ＸＹテーブル１２の移動に起因して生じる誤差を各測定面の形状データから除去することができる。
ＣＰＵ３０は、以上補正演算によって補正した各測定面の形状データを合わせて測定領域全面における１つの形状データとし、この形状データに基づいて測定領域Ｓの表面形状を表示部３６にグラフィック表示し、又は、測定領域Ｓの平面度、粗さ等のパラメータを算出し、その結果を表示部３６に表示する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る非接触表面形状測定装置によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、その測定範囲を複数の領域に分割すると共に、その領域の一部において隣接する他の領域と重複するように分割し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、各領域の重複した部分において形状データが最も合致するように各領域の形状データを補正し、各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状を測定することができる。
【００４１】
また、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、測定範囲に離散した領域を設定し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を各領域の形状データから除去し、それらの形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の測定部の構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の演算部の構成を示したブロック図である。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、形状データを求める測定領域、ＣＣＤカメラの１視野範囲及び測定領域を分割する測定面を示した図である。
【図４】図４は、ＣＣＤカメラの視野の移動軌跡及び各測定面の測定順序を示した図である。
【図５】図５は、各測定面の補正順序を示した図である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）は、補正演算の処理内容を説明に用いた説明図である。
【図７】図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、形状データを求める測定領域、ＣＣＤカメラの１視野範囲及び測定領域を分割する測定面を示した図である。
【図８】図８は、ＣＣＤカメラの視野の移動軌跡及び各測定面の測定順序を示した図である。
【図９】図９は、補正データの登録位置と被補正測定面の位置を示した図である。
【図１０】図１０は、図９における点線領域の拡大図である。
【符号の説明】
１２…ＸＹステージ
１６…測定部本体
３０…ＣＰＵ
３２…メモリ
３６…表示部
３８…入力部
４０…ステージ制御部
４２…画像処理部
４４…撮像部
【発明の属する技術分野】
本発明は非接触表面形状測定装置に係り、特に光の干渉を用いて被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ干渉計を用いて被測定面の微細形状を非接触で測定する非接触表面形状測定装置が広く知られている。この非接触表面形状測定装置は、レーザ光源からレーザ光を被測定面及び基準反射面に出射し、被測定面及び基準反射面で反射された光を干渉させて、その干渉によって生じた干渉縞をＣＣＤカメラ等の撮像手段によって撮像する。そして、画像解析により干渉縞の形状から前記被測定面の形状を算出するというものである。
【０００３】
このような光の干渉を用いた非接触表面形状測定装置は、ワーク表面に接触することなく測定を行うことができるため、ワーク表面を傷つけることがなく、また、ワーク表面の画像を測定データとして撮像手段によって瞬時に取り込むため、面形状を高速、高精度で測定することができるという特徴がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の非接触表面形状測定装置には、以下のような問題があった。１つには、測定範囲（ＣＣＤカメラの１視野の面積）がＣＣＤ撮像面積／対物レンズ倍率で決定されるため、１回の測定可能な面積に制限があるという問題である。もう１つには、測定データの横分解能は、測定範囲／ＣＣＤ素子個数で決定されるため、１視野の面積を広くとればその分横分解能が低下するという問題である。
【０００５】
従って、従来の装置では高い横分解能での面形状の測定は０．数ｍｍ角〜数ｍｍ角程度の狭い測定範囲に限られていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光の干渉を用いた非接触表面形状測定装置において、測定データの横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の測定を行うことができる非接触表面形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、前記被測定面の測定範囲を複数の領域に分割する手段であって、各領域の一部が他の領域と重複するように分割する測定範囲分割手段と、前記測定範囲分割手段によって分割した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを、各領域の重複する部分において前記形状データが最も合致するように補正する形状データ補正手段であって、各領域のうち前記被測定面の測定範囲の中央部に位置する領域を初期の基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する周辺の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正するものとし、補正済みの領域を新たな基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する未補正の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正することによって全ての領域の形状データを順次補正する形状データ補正手段と、前記形状データ補正手段によって補正された各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ生成手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００７】
本発明によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、その測定範囲を複数の領域に分割すると共に、その領域の一部において隣接する他の領域と重複するように分割し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、各領域の重複した部分において形状データが最も合致するように各領域の形状データを補正し、各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、測定データ（形状データ）の横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状の測定を行うことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、前記被測定面の測定範囲に離散した領域を設定する領域設定手段と、前記領域設定手段によって設定した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を示す誤差データに基づいて、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを補正し、該補正した各領域の形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ補正手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、被測定面の測定範囲に離散した領域を設定し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を各領域の形状データから除去し、それらの形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、測定データ（形状データ）の横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の測定を行うことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下添付図面に従って本発明に係る非接触表面形状測定装置の好ましい実施の形態について詳説する。
図１は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の測定部の構成を示した斜視図である。同図に示すように本測定装置の測定部は、基台１０上をＸ、Ｙ方向に移動するＸＹステージ１２と、基台１０に設置された支柱１４に支持され、支柱１４にガイドされて上下方向（Ｚ方向）に移動する測定部本体１６とを備えている。尚、ＸＹステージ１２及び測定部本体１６は、それぞれ図示しない制御部の制御によってモータ駆動され、又は、図示しないツマミの手動操作によってＸＹ方向及びＺ方向に移動するようになっている。
【００１１】
前記ＸＹステージ１２は、同図に示すように被測定ワークＷを載置し、上述の移動によってそのワークＷをＸＹ方向に移動させて測定位置を調整する。測定位置の調整は、後述するように、ワークＷの測定面積が広く、測定範囲が測定部本体１６に搭載されたＣＣＤカメラの１視野範囲を越える場合には、予め設定された動作で自動で行われるようになっている。
【００１２】
前記測定部本体１６には、内部にレーザ干渉計及び撮像部が搭載されており、測定部本体１６下部にはレーザ干渉計の一部である対物レンズ１６Ａが取り付けられている。本装置では、レーザ干渉計として、例えばトワイマン−グリーン干渉計が採用される。このレーザ干渉計は、測定部本体１６内に搭載されたレーザ光源からレーザ光線を出射し、その光線をハーフミラーで２つの光線に分けてそれぞれ対物レンズを介して上記ＸＹステージ１２に載置されたワークＷの表面と所定の基準反射面に照射する。そして、そのワークＷ表面と基準反射面によって反射された光線（反射光）を対物レンズを介して再びハーフミラーで重ね合わせ、これらの反射光を干渉させて撮像部に導く。尚、干渉計としては多くの種類のものが知られており、本実施の形態では、トワイマン−グリーン干渉計を採用することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、任意の種類の干渉計を採用することができる。
【００１３】
前記撮像部は、結像レンズとＣＣＤカメラから構成され、上述のようにハーフミラーから導かれた干渉した光を結像レンズで集光し、ＣＣＤカメラの撮像面に結像する。これにより、ワークＷ表面で反射された反射光と基準反射面で反射された反射光（参照光）との干渉によって生じた干渉縞の画像を取得することができる。
【００１４】
このようにして測定部本体１６によって取得したワーク表面の干渉縞の画像は、図示しない演算部（演算部は主としてコンピュータで構成される。）に送信された後、演算部で所定の画像解析が行われて、ワーク表面の形状が求められるようになっている。
次に、上述のように測定部本体１６によって取得された画像に基づいてワーク表面の形状を算出する上記演算部の構成について説明する。図２は、その演算部の構成を示した構成図である。同図に示すように演算部はＣＰＵ３０、メモリ（ＲＡＭ）３２、外部記憶装置３４、表示部３６、入力部３８、ステージ制御部４０及び画像処理部４２等から構成される。
【００１５】
ＣＰＵ３０は、所定のプログラムに従って、上記測定部のＸＹテーブル１２等の制御、データ処理等の各種演算処理を行う。メモリ３２及び外部記憶装置３４は、必要に応じてＣＰＵ３０から送られるデータを記録し、また、必要に応じて記録しているデータをＣＰＵ３０に出力する。尚、外部記憶装置３４はデータ保存用に用いられるメモリである。表示部３６には、測定開始前における測定内容の設定画面、測定後における測定結果の表示画面等の各種情報画面が文字、数値、グラフィック等で表示される。入力部３８は、例えばユーザがキーボードやマウス等を用いて入力した情報をＣＰＵ３０に入力する。
【００１６】
ステージ制御部４０は、ＣＰＵ３０から入力される制御信号に基づいて上記ＸＹステージ１２の駆動モータを駆動してＸＹステージ１２をＸ、Ｙ方向に移動させる。ＣＰＵ３０は、例えば、予めユーザが設定したＸＹステージ１２の移動軌跡に従って前記制御信号をステージ制御部４０に入力する。
画像処理部４２は、上記測定部本体１６の撮像部４４から入力される干渉縞の画像を解析し、ワーク表面の各点の位相を検出する。この位相を示す位相データはＣＰＵ３０に入力され、この位相データからワーク表面の形状を示す形状データ（３次元座標データ）が算出されるようになっている。
【００１７】
次に、上述の如く構成された非接触表面形状測定装置においてＣＣＤカメラの１視野の面積を越える測定領域の表面形状を測定する場合の処理内容について説明する。
本装置は、ＣＣＤカメラの１視野の面積を越える広い測定領域の表面形状を１つの測定結果として表示等することができ、且つ、狭い領域を測定する場合に比べて横分解能を低下させることなくその広い測定領域の表面形状を測定することができる点に特徴がある。その測定方法として、測定領域前面の表面形状を隙間なく測定する第１の方法と、測定領域の所要位置の表面形状を離散的に測定する第２の方法とがあり、測定目的に応じてこれらの方向を使い分けることができるようになっている。第１の方法では、測定領域全面の形状を隙間なく測定することができるため、測定領域全面の連続した形状を把握したい場合に有効であり、第２の方法では、測定領域全面の形状を知る必要がなく部分的に把握できれば十分な場合に測定時間を短縮することができる点で効果的である。以下、これらの第１の方法、第２の方法について順に説明する。
【００１８】
初めに第１の方法の処理内容について説明する。第１の方法を実行する場合、まずユーザは測定開始前に測定部のＸＹステージ１２に載置したワークＷの測定領域を入力部３８から入力する。これによって設定された測定領域の一例を図３（Ａ）に示す。このとき、この測定領域Ｓの面積が、図３（Ｂ）に示すＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐの面積を越えた場合、ＣＰＵ３０は、図３（Ａ）に示す測定領域Ｓを図３（Ｃ）に示すように１視野範囲Ｐの面積と等価な複数の測定面Ｐ１〜Ｐ９で分割する。また、このとき各測定面Ｐ１〜Ｐ９を隣接する他の測定面と一部で重複するように設定する。尚、ここでは、測定領域Ｓの面積が１視野範囲Ｐの面積の９倍未満であった場合について測定領域Ｓを測定面Ｐ１〜Ｐ９までの９つの測定面で分割している様子を示している。但し、分割数は９に限らず任意に設定できる。ＣＰＵ３０は、このようにして分割した各測定面Ｐ１〜Ｐ９のＸ、Ｙ位置を測定面位置としてメモリ３２に登録する。
【００１９】
次いで、ユーザは、ＸＹステージ１２の移動方向を反転させる迂回点を入力部３８から入力する。迂回点について説明すると、上述のように測定領域Ｓの面積がＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐの面積を越える場合には、その測定領域Ｓを複数の測定面に分割して各測定面を順次撮像し、その干渉縞の画像を取得する。このときＣＰＵ３０はステージ制御部４０（図２参照）に制御信号を出力し、ＸＹステージ１２を自動で移動させて、ＣＣＤカメラの視野を各測定面に対して図４に示すような軌跡で相対的に移動させる。同図によれば、ＸＹステージ１２の移動によってＣＣＤカメラの視野は測定面Ｐ１から測定面Ｐ３までＸ方向に移動して測定面Ｐ１〜Ｐ３までの画像を取得した後、次いで測定面Ｐ３から同図に示す迂回点Ｔ1 まで移動する。そして、迂回点Ｔ1 からＸ方向に移動を開始して測定面Ｐ４から測定面Ｐ６まで移動し、測定面Ｐ４〜Ｐ６までの画像を取得する。次いで測定面Ｐ６から同図に示す迂回点Ｔ2 まで移動した後、迂回点Ｔ2 からＸ方向に移動を開始して測定面Ｐ７から測定面Ｐ９まで移動し、測定面Ｐ７〜Ｐ９までの画像を取得する。
【００２０】
上述の迂回点Ｔ1 、Ｔ2 は図４に示したように測定面Ｐ４、Ｐ７よりも図中左側に位置し、測定面Ｐ４〜Ｐ６又は測定面Ｐ７〜Ｐ９の撮像を行う際に、ＣＣＤカメラの視野は測定面Ｐ４又は測定面Ｐ７の位置よりも左側から移動してくるようになっている。このようにＸＹテーブル１２を移動させることにより、各列の測定面はＸＹステージ１２の一方向（左方向）への移動の過程で撮像されることとなり、ＸＹテーブル１２のバッククラッシュによる撮像位置の誤差を適切に防止することができる。これらの迂回点Ｔ1 、Ｔ2 のＸ、Ｙ位置を予めユーザが入力部３８から入力し、メモリ３２に登録しておくことにより、ＣＰＵ３０は、測定時にこれらの迂回点Ｔ1 、Ｔ2 の位置に基づいてＸＹステージ１２を移動させ、図４に示したような軌跡でＣＣＤカメラの視野を移動させることができるようになっている。
【００２１】
以上の設定が終了し、ユーザが入力部３８から測定開始を指示した場合、ＣＰＵ３０は、以下に示す処理を実行する。まず、ＣＰＵ３０は、ステージ制御部４０に制御信号を出力して、ＸＹステージ１２を移動させ、ＣＣＤカメラの視野を測定面Ｐ１の位置に移動させる。次いで、ＣＣＤカメラから測定面Ｐ１の干渉縞の画像を取り込み、この干渉縞の画像から測定面Ｐ１の形状を求める。尚、干渉縞の画像から測定面の形状を求める方法については公知であるため、ここではその説明は省略する。ここで求めた測定面Ｐ１の形状は形状データとして、測定高さと測定位置と共に、メモリ３２に保存する。尚、測定高さは、測定対象物（ワークＷ表面）から対物レンズ１６Ａ（図１参照）までの距離を示す値で、この値は測定部に設置されたスケールから取得することができるようになっている。また、測定位置はＸＹステージ１２のＸ、Ｙ位置を示し、この位置も測定部に設置されたスケールによって取得することができるようになっている。
【００２２】
続いてＣＰＵ３０は、ＸＹテーブル１２を移動させて上記図４に示したようにＣＣＤカメラの視野を所定の軌跡に沿って移動させ、測定面Ｐ２〜Ｐ９までの各測定面の形状データを上述と同様にして求め、測定高さと測定位置と共にメモリ３２に保存する。
以上、各測定面Ｐ１〜Ｐ９について形状データを求めると、次にＣＰＵ３０は、これらの測定面の形状データを適切に繋ぎ合わせて測定領域Ｓの全面の形状を示す１つの形状データを生成するために以下の補正演算を行う。尚、ＣＰＵ３０は、第１と第２の２つの補正演算を行って測定領域Ｓの全面の形状データを生成するようにしており、第１と第２の補正演算について順に説明する。
【００２３】
第１の補正演算は、全ての測定面Ｐ１〜Ｐ９について隣接する２つの測定面を対象に行う。補正する測定面の順序については後述するが、対象となる２つの測定面のうち、一方を基準測定面とし、他方を被補正測定面とする。そして、基準測定面の測定高さをＺ、被補正測定面の測定高さをｚとした場合、補正は被補正測定面の全形状データから（ｚ−Ｚ）を差し引くことにより行う。この補正は、ＸＹテーブル１２の移動によって変動するＺ方向の誤差を除去することを目的としている。
【００２４】
第２の補正演算は、第１の補正演算を行った後、第１の補正演算と同様２つの測定面を対象に行う。図６（Ａ）に示すように対象となる２つの測定面のうち、一方を基準測定面とし、他方を被補正測定面とする。そして、説明上、基準測定面と被補正測定面をそれぞれΦ（Ｘ，Ｙ）、Ψ（Ｘ，Ｙ）とし、Ψ（Ｘ，Ｙ）に対してここで行う補正によって得られる補正後の面をΨ′（Ｘ，Ｙ）とすると、被補正測定面の補正後の面Ψ′（Ｘ，Ｙ）は次式(1)で与えられる。
【００２５】
Ψ′（Ｘ，Ｙ）＝Ψ（Ｘ，Ｙ）＋αＸ＋βＹ＋γ …(1)
但し、α、β、γは、傾斜の補正係数である。
ＣＰＵ３０は、基準測定面と被補正測定面の重なり合った領域の形状データに基づいて、Φ（Ｘ，Ｙ）−Ψ′（Ｘ，Ｙ）が最小となるような補正係数α、β、γを最小自乗法で算出する。そして、この補正係数α、β、γ を上式(1)に代入して被補正測定面の形状データを補正する。これにより図６（Ｂ）に示すように基準測定面と被補正測定面の形状データが連続した値を示すようになる。即ち、この補正演算は、ＸＹテーブル１２の移動等に起因して生じる誤差を除去し、１つの測定領域Ｓを複数の測定面に分割して撮像していることに起因して生じる不連続点の発生を防止している。
【００２６】
図５は上記補正演算の補正順序の１例を示した図である。ここで示す測定領域は、５×５の測定面で分割されているものとし、同図に示す各測定面の数値は各測定面の補正を行う順序を示している。まず、中央の測定面（Ｎｏ．１）を基準測定面とし、その周辺の測定面（Ｎｏ．２）を被補正測定面として上記第１、第２の補正演算を行う。Ｎｏ．２の測定面全て（４個）について補正が終了したら、続いて補正後のＮｏ．２の測定面を基準測定面とし、その周辺の測定面（Ｎｏ．３）を被補正測定面として上記第１、第２の補正演算を行う。Ｎｏ．３の測定面全て（８個）について補正が終了したら、以上の手順と同様にしてＮｏ．４、Ｎｏ．５の測定面について上記補正演算を行っていく。このように、中央測定面から順次周辺の測定面について補正を行っていくことにより全ての測定面について補正を行うことができる。但し、補正演算の順序は、これに限らない。
【００２７】
以上説明した補正演算により、ＣＣＤカメラの１視野範囲を越える測定領域に対して複数の測定面に分割して各測定面について表面形状を独立に算出した場合でも、各測定面の形状データを適切に繋ぎ合わせることができ、あたかも１視野範囲で取得した画像に基づいて測定領域全面の表面形状を測定したような形状データを得ることができる。
【００２８】
ＣＰＵ３０は、このようにして算出した測定領域Ｓ全面についての形状データに基づいて測定領域Ｓの表面形状を表示部３６にグラフィック表示し、又は測定領域Ｓの平面度、粗さ等のパラメータを算出し、その結果を表示部３６に表示する。
以上の第１の方法は、測定領域の表面形状を隙間無く測定する場合に用いられる方法であるが、次に説明する第２の方法は上述のように測定領域の所要位置の表面形状を離散的に測定する場合に使用される。
【００２９】
第２の方法を実行する場合、即ち、ＸＹステージ１２に載置したワークＷの測定領域Ｓ（図７（Ａ））がＣＣＤカメラの１視野範囲Ｐ（図７（Ｂ））を越える場合であって、測定領域Ｓの所要位置の表面形状を離散的に測定する場合、ユーザは測定開始前にその測定位置（Ｘ、Ｙ位置）を入力部３８から入力する。例えば、図７（Ｃ）に示すように測定領域Ｓ内に９箇所の測定位置（測定面Ｐ１〜Ｐ９）を設定するときには、その９箇所の測定面Ｐ１〜Ｐ９のＸ、Ｙ位置を入力部３８から入力する。また、上記第１の方法の場合と同様に測定時のＸＹステージ１２の移動に対する迂回点Ｔ1 、Ｔ2 のＸ、Ｙ位置を入力部３８から入力する。尚、Ｘ、Ｙステージ１２の移動に伴うＣＣＤカメラの視野の移動軌跡は、図８に示すように第１の方法の場合（図４参照）と同じである。
【００３０】
また、ユーザは測定開始前にＸＹステージ１２の全移動範囲における平面度マスターの測定値をステージ補正データとして取得し、メモリ３２に保存しておく。ステージ補正データの取得と保存は以下のようにして行う。まず、測定物として略理想的な平面を有する平面度マスターをＸＹステージ１２に載置する。そして、平面度マスターに対して１視野範囲の表面形状の測定を行って形状データを求め、その形状データの平均高さを測定位置（ＸＹステージ１２のＸ、Ｙ位置）と共にメモリ３２に保存する。この測定は、ＸＹステージ１２を１視野範囲ずつ移動させてＸＹステージ１２の全移動範囲について行う。
【００３１】
以上の設定が終了し、ユーザが入力部３８から測定開始を指示した場合、ＣＰＵ３０は、第１の方法と同様にＸＹステージ１２を移動させて上記離散的に設定された測定面Ｐ１〜Ｐ９の形状データを取得する。尚、形状データの取得手順については、第１の方法と同様に行われるため説明は省略する。
各測定面Ｐ１〜Ｐ９について形状データを取得すると、次にＣＰＵ３０は、これらの測定面の形状データを以下のように補正する。尚、ＣＰＵ３０は、第１と第２との２つの補正演算を行うが、第１の補正演算については、上記第１の方法で説明した第１の補正演算と同様に行われるため説明を省略し、第２の補正演算についてのみ以下説明する。
【００３２】
第２の補正演算は、上述したように平面度マスターによって作成したステージ補正データを用いて行う。ステージ補正データは離散的に存在している為、測定面毎に以下の処理を行う。
図９は、補正対象の被補正測定面Ｒの位置とステージ補正データが登録されている位置ｑ、ｑ、…との位置関係を示し、図１０は、図９に示す点線枠ｒの拡大図を示す。ＣＰＵ３０は、被補正測定面Ｒの中央位置Ａにおける補正値を比例配分計算で算出する。即ち、被補正測定面を囲むステージ補正データの登録位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４におけるステージ補正データＺ１（ｄ）、Ｚ２（ｄ）、Ｚ３（ｄ）、Ｚ４（ｄ）から補正値Ａ（ｄ）を算出する。
【００３３】
ここで、ステージ補正データＺ１（ｄ）とは、ＸＹ平面座標Ｚ１（Ｘ，Ｙ）を中心とした１視野測定面の測定形状データから算出した最小自乗回帰平面を示すパラメータ(L,M,N,P) 、及び、座標Ｚ１（Ｘ，Ｙ）におけるその最小自乗回帰平面の高さ（ｄ）からなるデータである。ステージ補正データＺ２（ｄ）、Ｚ３（ｄ）、Ｚ４（ｄ）についても同様である。また、補正値Ａ（ｄ）は、ＸＹ平面座標Ａ（Ｘ，Ｙ）を囲むステージ補正データの登録位置Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４の４点から算出した最小自乗回帰平面を示すパラメータ(L,M,N,P) 、及び、座標Ａ（Ｘ，Ｙ）におけるその最小自乗回帰平面の高さ（ｄ）からなるデータである。
【００３４】
補正値Ａ（ｄ）を算出するため、補正値Ａ（ｄ）をλＸ＋μＹ＋νＺ＝ｄとして、角度ベクトル（λ，μ，ν）を以下のようにして算出する。
▲１▼補正値Ａ（ｄ）のＸ方向成分：Ａ（λ）を算出する。
まず、Ｚ１（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ１（Ｌ）とＺ２（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ２（Ｌ）との差を、図１０に示すＺ１〜Ｘ１間の距離と、Ｘ１〜Ｚ２間の距離で比例分配してＸ１（λ）を求める。即ち、
【００３５】
また、同様にＺ３（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ３（Ｌ）とＺ４（ｄ）のＸ方向成分（L 成分) ：Ｚ４（Ｌ）との差を、図１０に示すＺ３〜Ｘ２間の距離と、Ｘ２〜Ｚ４間の距離で比例分配してＸ２（λ）を求める。即ち、
【００３６】
そして、Ｘ１（λ）とＸ２（λ）との差を、図１０に示すＸ１〜Ａ間の距離とＡ〜Ｘ２間の距離で比例配分してＡ（λ）を求める。即ち、
▲２▼補正値Ａ（ｄ）のＹ方向成分：Ａ（μ）を算出する。
【００３７】
▲１▼と同様にしてＺ１（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ１（Ｍ）とＺ３（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ３（Ｍ）からＹ１（μ）を求め、Ｚ２（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ２（Ｍ）とＺ４（ｄ）のＹ方向成分（M 成分）：Ｚ４（Ｍ）からＹ２（μ）を求める。即ち、
【００３８】
そして、Ｙ１（μ）とＹ２（μ）からＡ（μ）を求める。即ち、
Ａ（λ）とＡ（μ）からＡ（ν）を求める。即ち、
α＝１視野Ｘ範囲／２
β＝１視野Ｙ範囲／２
とすると、
【００３９】
以上の補正演算により、ＸＹテーブル１２の移動に起因して生じる誤差を各測定面の形状データから除去することができる。
ＣＰＵ３０は、以上補正演算によって補正した各測定面の形状データを合わせて測定領域全面における１つの形状データとし、この形状データに基づいて測定領域Ｓの表面形状を表示部３６にグラフィック表示し、又は、測定領域Ｓの平面度、粗さ等のパラメータを算出し、その結果を表示部３６に表示する。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る非接触表面形状測定装置によれば、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、その測定範囲を複数の領域に分割すると共に、その領域の一部において隣接する他の領域と重複するように分割し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、各領域の重複した部分において形状データが最も合致するように各領域の形状データを補正し、各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状を測定することができる。
【００４１】
また、撮像手段の１視野範囲に対して測定範囲の面積が大きい場合に、測定範囲に離散した領域を設定し、各領域毎に干渉縞を撮像して形状データを算出する。そして、前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を各領域の形状データから除去し、それらの形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する。これにより、横分解能を高分解能に維持したまま１視野の面積を越える大面積の表面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の測定部の構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明に係る非接触表面形状測定装置の演算部の構成を示したブロック図である。
【図３】図３（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、形状データを求める測定領域、ＣＣＤカメラの１視野範囲及び測定領域を分割する測定面を示した図である。
【図４】図４は、ＣＣＤカメラの視野の移動軌跡及び各測定面の測定順序を示した図である。
【図５】図５は、各測定面の補正順序を示した図である。
【図６】図６（Ａ）、（Ｂ）は、補正演算の処理内容を説明に用いた説明図である。
【図７】図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、形状データを求める測定領域、ＣＣＤカメラの１視野範囲及び測定領域を分割する測定面を示した図である。
【図８】図８は、ＣＣＤカメラの視野の移動軌跡及び各測定面の測定順序を示した図である。
【図９】図９は、補正データの登録位置と被補正測定面の位置を示した図である。
【図１０】図１０は、図９における点線領域の拡大図である。
【符号の説明】
１２…ＸＹステージ
１６…測定部本体
３０…ＣＰＵ
３２…メモリ
３６…表示部
３８…入力部
４０…ステージ制御部
４２…画像処理部
４４…撮像部
Claims (2)
- 被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、
前記被測定面の測定範囲を複数の領域に分割する手段であって、各領域の一部が他の領域と重複するように分割する測定範囲分割手段と、
前記測定範囲分割手段によって分割した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、
前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを、各領域の重複する部分において前記形状データが最も合致するように補正する形状データ補正手段であって、各領域のうち前記被測定面の測定範囲の中央部に位置する領域を初期の基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する周辺の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正するものとし、補正済みの領域を新たな基準測定面とすると共に、該基準測定面の領域と重複する部分を有する未補正の領域を被補正測定面として該被補正測定面の領域の形状データを補正することによって全ての領域の形状データを順次補正する形状データ補正手段と、
前記形状データ補正手段によって補正された各領域の形状データを繋ぎ合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ生成手段と、
を備えたことを特徴とする非接触表面形状測定装置。 - 被測定面で反射させた光と参照光との干渉によって生じた干渉縞を撮像手段によって撮像し、該撮像した干渉縞に基づいて前記被測定面の形状を測定する非接触表面形状測定装置において、
前記被測定面の測定範囲に離散した領域を設定する領域設定手段と、
前記領域設定手段によって設定した領域毎に前記撮像手段によって干渉縞の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像取得手段によって取得した画像に基づいて各領域の形状を示す形状データを算出する形状データ算出手段と、
前記撮像手段の視野範囲を移動させる移動機構に起因して生じる誤差を示す誤差データに基づいて、前記形状データ算出手段によって算出した各領域の形状データを補正し、該補正した各領域の形状データを合わせて前記被測定面の測定範囲全体の形状を示す形状データを生成する形状データ補正手段と、
を備えたことを特徴とする非接触表面形状測定装置。
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