JP3853972B2 - Optical interference measuring device and processing device with measuring function provided with the measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工中に被加工物の計測を行うインプロセス式の光干渉式測定装置に関し、特に、干渉縞が広範囲で連続する良好な干渉縞画像を得られる装置に関する。本発明は、ラッピングやポリッシング加工法などの砥粒加工中の測定に好適に適用される。また、本発明は、上記測定装置を備えた加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、ゲージブロック等の精密仕上げのために、ラッピングあるいはポリッシングなどといわれ、砥粒を利用した加工が行われている。この加工法では、基準になる加工工具(ラップ盤など)と被加工物が互いに押しつけられ、両者に相対運動が与えられる。これにより、被加工物と加工工具が擦り合わされる。このときに、被加工物と加工工具の間に砥粒を介在させる。砥粒を介在させる方式には、遊離砥粒方式や固定砥粒方式がある。遊離砥粒方式では、液体と砥粒を混合した加工液が用いられ、この加工液が、加工工具と被加工物の間に供給される。また、固定砥粒方式では、加工工具側の摺り合わせ面に砥粒が埋め込まれる。このような加工法は、表面の精密仕上げに適しており、例えば、上記のゲージブロックをはじめとするゲージや精密部品の加工、レンズやミラー等の光学部品の加工、半導体ウエハの精密加工等に利用されている。
【0003】
砥粒加工された被加工物の表面精度や寸法精度を測定するために、光学的な干渉縞検出を行う測定装置が用いられる。この種の測定装置としては、フィゾー式干渉計などが知られており、加工物の表面形状に応じて生成される干渉縞の像を利用した計測が行われる。光干渉測定技術については、例えば、「干渉計による表面形状の絶対測定」(長浜、第16回光学シンポジウム講演予稿(1991)講演番号3、第55〜58頁)に記載されている。また、「光干渉計測法の最近の進歩」(谷田貝、精密機械51/4/1985、第65〜72頁)には、干渉縞の画像処理によって、表面形状としての平坦度を自動的に求める装置が記載されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、砥粒加工機に被加工物をセットした状態では被加工物が加工工具に覆われており、そのため、加工中の測定(インプロセス測定)を行うことはできない。そこで、通常、被加工物は加工機から取り外され、洗浄された後に測定装置にセットされ、それから測定が行われる。
【0005】
ここで、一般にラッピングやポリッシング加工では、ミクロンからサブミクロン以上の高い加工精度が要求されることが多い。特に高精度が要求されるとき、被加工物が洗浄後に計測され、再度、被加工物が加工機にセットされて加工される。このようにして、要求精度が得られるまで加工・洗浄・測定を繰り返さなければならず、作業が非常に煩雑である。そのため、高精度の加工部品、特に、光学部品やゲージ類などの加工コストは非常に高くなりがちであった。
【0006】
このように、従来は、ラッピングあるいはポリッシング加工を途中で止め、被加工物を加工機から取り外して形状測定を行う必要があり、このことが生産性や加工精度の向上を妨げる要因となる。そこで、被加工物が加工機にセットされ、加工されている最中でも、表面形状の干渉縞検出を可能にすることが望まれる。
【0007】
特に、単に加工中の干渉縞検出を可能にするだけでなく、さらに、適当に広い範囲で連続した干渉縞を得られるようにすることが望まれる。狭い範囲の干渉縞を使っても、目視による表面形状の判定はできる。しかし、画像処理などによって面精度を算出するためには、十分に広い範囲で連続する干渉縞が必要である。
【0008】
なお、以上では、従来技術の問題を、砥粒加工を例にして説明した。しかし、上記の問題は、砥粒加工に限られるものではない。砥粒加工以外の加工でも、加工面の光学的な干渉縞検出を加工中に行うことはできなかった。
【0009】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工中に、すなわちインプロセスにて、被加工物の表面形状を精密測定することができる光干渉式測定装置であって、十分に広い範囲で連続する干渉縞を得られる測定装置を提供することにある。また本発明の別の目的は、上記の測定装置を備えた好適な加工装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明は、加工装置に保持されて加工工具によって加工される被加工物の光学的な干渉計測を行う光干渉式測定装置であって、加工工具を貫通して設けられた測定窓と、加工工具を挟んで被加工物と反対側から加工工具に向けて測定光を照射して、前記測定窓を含む範囲の光干渉画像であって、それぞれ被加工物と測定窓の位置関係が異なる複数の光干渉画像を取得する干渉画像生成手段と、前記複数の光干渉画像の測定窓部分で得られる被加工物の縞画像を合成して、所定計測範囲で干渉縞が連続する合成干渉縞画像を生成する画像処理手段と、を含み、この画像処理手段は、光干渉画像中の工具部分たる工具影の光学的強度の基準の大きさである基準工具影強度に基づいて、光干渉画像から工具影を排除して前記合成干渉縞画像を生成することを特徴とする。
【0011】
好ましくは、前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からずれた光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用する。ここで、画像要素は例えば画素である。その他、複数の画素の集まりなど、任意の単位の要素を本発明の画像要素に適用できる。
【0012】
また好ましくは、前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からの隔たりが最も大きい光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用する。
【0013】
上記の本発明によれば、加工工具の測定窓を通して被加工物が見えるので、干渉画像生成手段は、加工工具に向けて測定光を照射して干渉計の原理で光干渉画像を取得する。この光干渉画像には、測定窓部分で得られる被加工物の縞画像だけでなく、測定窓部分以外すなわち工具部分の画像(工具影)が含まれている。しかし、工具影は特有の光学的強度をもつので、この特有の光学的強度に対応する基準工具影強度をもつ部分を光干渉画像から排除することによって、縞画像を抽出できる。従って、基準工具影強度に基づいて、それぞれ被加工物と測定窓の位置関係が異なる複数の光干渉画像から、測定窓部分の縞画像を合成した合成干渉縞画像を得ることができる。
【0014】
なお、特開平9−273908号公報には、複数の計測データをつなぎ合わせて広い範囲の計測データを得る光学的計測装置が記載されている。しかし、同公報の装置では、基本的にそれぞれの計測データは全領域で有効であり、このような計測データを隣合わせに並べているにすぎない。一方、本発明では、それぞれの光干渉画像に、有効な部分(縞画像)と有効でない部分(工具影)が含まれている。このような場合でも、本発明によれば広い範囲の干渉縞画像を形成することができる。
【0015】
(2)好ましくは、前記基準工具影強度は光干渉画像の全体で一定に設定されており、標準影強度範囲として、工具影の光学的強度のとり得る値の標準的な範囲が設定されており、前記画像処理手段は、複数の光干渉画像の同一部分の画像要素がいずれも前記標準影強度範囲に含まれる場合には、複数の光干渉画像のうちの一の基本画像の画像要素を、前記合成干渉画像を構成する画像要素として採用する。
【0016】
この態様では、基準工具影強度が光干渉画像の全体で一定に設定されているので、画像処理手段での合成処理が容易である。ただし、実際には、工具影強度は、分布や傾斜をもっており、光干渉画像の全体で均一ではない。この影響で、一定の基準工具影強度を単純に用いると、自然な合成干渉画像が得られないことがあり得る。しかし、上述のように本態様では、複数の光干渉画像の同一部分の画像要素がいずれも標準影強度範囲に含まれる場合には、その部分については、一の基本画像の画像要素を用いて合成干渉画像を構成する。これにより、自然な合成干渉画像を確実に得ることができる。
【0017】
(3)また好ましくは、前記基準工具影強度は光干渉画像の各部分で個別に設定されており、光干渉画像の各部分の画像要素を前記合成干渉画像用に採用するか否かの判断は、その画像要素に対応する基準工具影強度に基づいて行われる。各部で個別の基準工具影強度を使用することにより、工具影強度の分布や傾斜の影響を受けずに、合成干渉画像が得られる。
【0018】
(4)好ましくは、前記画像処理手段は、前記合成干渉縞画像を2値化し、2値化画像に基づいて被加工物の表面形状を算出する。本発明では、十分に広い範囲の干渉縞が得られるので、この干渉縞を使って任意の周知の方法で表面形状を算出できる。
【0019】
(5)本発明の別の態様は、上記の光干渉式測定装置を備え、被加工物と加工工具の相対移動によって被加工物を加工する測定機能付き加工装置である。この態様によれば、本発明が加工装置というかたちで実現される。
【0020】
以上に説明したように、本発明によれば、加工中に平面度などの表面形状の測定ができる。従って、信頼度が高く確実な加工(ラッピングやポリッシングなど)が可能となる。さらに、加工装置の加工条件に測定結果を帰還して、加工条件の自動調整を行うことが好適である。これにより、機械オペレータの熟練度のばらつきや環境条件の変動に対応する条件修正を行って、高精度加工を半自動または自動で行うことが可能となる。
【0021】
特に、本発明によれば、上記のように、測定窓部分の縞画像をつなぎ合わせた広範囲で連続する干渉縞が得られる。十分に広い範囲の干渉縞が得られるので、干渉縞を用いた画像処理による表面形状の算出を容易かつ確実に行うことができる。
【0022】
なお、本発明の測定装置を適用する加工機は、加工工具側を駆動するタイプでも、被加工物側を駆動するタイプでも、両者を駆動するタイプでもよい。例えば周知のラッピング加工機であって、被加工物を加工工具の回転軸からオフセットさせた状態で両者を回転させるタイプのものでもよい。この場合、加工工具を基準とすると、被加工物は、公転および自転を行う。また、本発明の適用される加工機は、加工工具や被加工物が回転するものに限られず、例えば、加工工具が直線運動を行ってもよい。
【0023】
また、本発明の測定装置を砥粒加工機に適用する場合は、遊離砥粒方式の加工機にも、固定砥粒方式の加工機にも適用可能である。また、被加工物の片面のみを加工する加工機はもちろん、両面加工等の複数面加工を行う加工機にも適用可能である。
【0024】
また、本発明において、被加工物は特に限定されず、例えばゲージブロックをはじめとするゲージや精密部品、レンズやミラー等の光学部品、半導体ウエハなどが挙げられる。また、加工面は、平面でも、レンズ製造時のような曲面でもよい。例えば、真球とのずれというかたちで表面形態を特定できる。
【0025】
また、干渉計を利用する測定であれば、平面度をはじめ、各種の表面形態の測定が可能である。また、測定窓から見える部分であれば、被加工物の加工面以外の測定も可能である。例えば、被加工物がレンズ用ガラス等の透明部材である場合に、加工面の反対側の表面についての干渉縞検出を行い、これにより、被加工物の寸法精度を求めることが考えられる。その他、被加工物の両側のそれぞれに測定窓や干渉計を設けることにより、被加工物の寸法精度を測定することもできる。これは、被加工物が透明でないときにも有効である。
【0026】
また、加工中と、加工後に被加工物を加工機から取り外したときとで、被加工物の表面形状が異なる場合もある。この理由は、被加工物の性質や加工機の仕様にあり、加工中と加工後の温度差にあり、加工中の押圧力にあり、またそのほかの要因にある。このときは、例えば、加工中と加工後の表面形態の変化を予め求めておき、この変化を見込んだ加工を行えばよい。
【0027】
また、本発明では、被加工物と干渉計の位置関係が重要な要素となる。両者の位置関係がずれると、このずれに応じて、合成用の画像間で干渉縞が移動してしまい、良好な結果が得られない。後述する実施形態に示すように、被加工物を加工台上に配置し、その上に加工工具を配置することは、被加工物をより確実に支持できる点で有利である。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態(以下、実施形態という)について、図面を参照し説明する。本実施形態では、本発明の測定装置が砥粒加工装置に適用される。図1は、ラッピング加工機の斜視図であり、理解を容易にするために装置の一部については断面が示されている。ラップマスター方式といわれる一般的な加工機との相違点として、加工工具たるラップ盤と、被加工物たるワークとの配置が上下に逆である。本実施形態の測定装置は、加工面の平面度測定用であり、図1の加工機に一体に備えられている。
【0029】
装置ベース1の上には円柱形の加工機構ベース3が搭載されている。加工機構ベース3の構造は、一般的に使用される上皿式のラップ加工装置のものとほぼ同様である。加工機構ベース3の上側には、円板形のラップ盤5が設けられており、ラップ盤5の中央には回転軸7が固定されている。この回転軸7が、加工機構ベース3の中心部に設けられた垂直方向の穴に嵌められており、回転軸7は、図示しない軸受により、加工機構ベース3に対して回転自在に軸支されている。さらに加工機構ベース3内部にはモータが備えられており、このモータにより回転軸7が反時計方向(矢印X)に回転駆動される。ラップ盤5の下面(加工基準面)は、加工機構ベース3の上面と平行である。本実施形態の特徴として、図示のように、ラップ盤5には多数の測定窓9が設けられている。各測定窓9は、ラップ盤5を厚さ方向に貫通する円形の開口である。
【0030】
加工機構ベース3とラップ盤5との間には、被加工物たる円板形状のワーク11が3個、配置されている。ワーク11は、ラップ盤5の回転軸7を中心にして120度おきに等間隔に位置し、かつ、回転軸7から等距離に位置している。各ワーク11は、同一外径のワーク台13に載せられている。ワーク台13は、加工機構ベース3に埋め込まれたリング形状のベアリングA14によって、加工機構ベース3に対して回転自在に支持されている。また、各ワーク11は、側方から2個のベアリングB15によって支持されている。2個のベアリングB15の配置は、ワーク11をワーク台13と同軸の位置に保持できるように設定されている。回転するラップ盤5とともにワーク11が移動しようとすると、この移動を2つのベアリングB15が阻止する。このようにして、ワーク11は、両ベアリングにより、加工機構ベース3上の決まった位置で回転自在に支持されている。なお、本実施形態では、3個のワーク11が同時に加工されるが、加工個数はこれに限られない。実際の加工に差し支えない範囲で、ワーク11の配置も自由である。
【0031】
ラップ盤5は、ワーク11の上に載せられており、自重によってワーク11に押しつけられている。必要に応じ、ラップ盤5の中央に重りを載せるなどして、加工加重を付加してもよい。ラップ盤5が反時計方向に回転するとき、これにつれて、ワーク11は、加工機構ベース3上の同一位置で回転する。ラップ盤5を基準にすると、ワーク11は、回転軸7を中心にした公転と、ワーク11自身の中心軸を中心にした自転とを行う。
【0032】
なお、本実施形態の加工機は、ワーク11がラップ盤5の回転につられて自転するタイプであり、ワーク11には特に積極的な回転は与えられない。これに対し、変形例として、遊星歯車機構等を用いてワーク11の自転を決まった回転数で行わせてもよい。
【0033】
また、本実施形態では、遊離砥粒方式が採用されている。ラップ盤5が回転している状態で、図示しないラップ液供給装置が、所定位置で、加工液たるラップ液をラップ盤5に滴下する。ラップ液供給装置は、適当な周期毎に自動的に所定量のラップ液を供給する。なお、ラップ液供給装置は、作業者が操作する手動式のものでもよい。ラップ液は、液中に砥粒を混ぜたものである。本実施形態では、ラップ液ごしに干渉縞検出を行うので、測定への影響を極力抑えるために砥粒サイズは小さいほうがよい。粒径1μm以下の砥粒を使うことが好ましく、本実施形態では、粒径0.25μmのダイヤモンド砥粒を使用している。この砥粒を混ぜた適度な粘度をもつラップ液が、測定窓9を伝わり、ラップ盤5とワーク11の境界面に侵入する。このようにして、ワーク11の上面がラッピング加工される。
【0034】
装置ベース1上には、加工機構ベース3の横に、円柱形状の支持柱17が設けられ、支持柱17の上には干渉計本体19が取り付けられている。干渉計本体19は、加工機構ベース3の上方へはり出しており、先端部分はワーク11の上方に位置している。この先端部分に干渉計が収納されており、干渉計が下方のワーク11の加工面を対象として干渉縞検出を行う。干渉計は、フィゾー式等の周知のものでよい。本実施形態の場合、干渉計は下方へ平行光線を照射し、この光線が測定窓9を通り、ワーク11の加工面で反射する。反射光を基に干渉計では干渉縞を表す像が生成される。干渉縞は、干渉計本体19に内蔵されたテレビカメラによって撮影される。
【0035】
干渉計の検出範囲はワーク11の大きさにほぼ等しく、これに合わせて干渉計本体19の下側の開口の大きさも設定されている。従って、干渉計は一度に一つのワーク11の全範囲についての干渉縞の像を生成する。
【0036】
また、干渉計本体19は、図示しないアクチュエータにより、支持柱17に対して回転され(矢印Y)、かつ、水平長手方向(図示の矢印Z)に伸縮される。従って、干渉計は、2次元方向に移動可能であり、3つのワーク11の上方に位置して、各ワーク11を計測可能である。
【0037】
干渉計による干渉縞の検出を正確に行うためには、測定窓9がワーク11と対面している部分において、加工面上にラップ液の均一な皮膜が形成されている必要がある。このような均一な皮膜が得られるように、ラップ盤5の回転数が適度に制御される。これにより、加工中において干渉計を用いて加工面の干渉縞を検出することができる。
【0038】
図2は、干渉計本体19に内蔵されたテレビカメラ(CCD等)によって撮影された光干渉画像の一例である。ワーク11はゲージ用のステンレス部材であり、ワーク11の直径は約50mm、各測定窓9の直径は8mmであり、ラップ盤5は約30mm/secの速度で図の右下方向に移動している。ラップ盤の速度が適切であり、ラップ液の供給から適当な時間が経過している。これにより、ラップ液が、ワーク11の表面上に薄く塗り広げられるようにして均一の安定した液膜を形成している。そして、測定窓部分で良好な干渉縞が検出されている。
【0039】
図2の干渉縞は、ワーク11を加工装置から外して別の従来の干渉計で測定したときの干渉縞と同等である。従って、本実施形態の測定装置には、加工中における表面形状の測定を十分な精度で行う能力があるといえる。
【0040】
ただし、図2に示されるように、光干渉画像には、測定窓部分の縞画像だけでなく、工具影も映っている。工具影とは、ラップ盤が映っている部分(測定窓以外の部分)のことである。そのため、光干渉画像には、小さな円形の縞画像が離散して存在する。このような光干渉画像を使っても、目視による平面精度の確認は可能である。しかし、干渉縞の画像処理により平面精度を算出するためには、より広い範囲で連続する干渉縞が必要である。このままでは、工具影画像が妨げとなり、平面精度の算出には無理がある。そこで、本実施形態では、以下のようにして、それぞれ測定窓の位置が異なる複数の光干渉画像を合成して、平面精度の算出に十分な広さをもつ干渉縞を生成する。
【0041】
[光干渉画像の合成]
ラップ盤は回転しているので、測定窓とワーク11の位置関係は常に変化している。干渉計に内蔵されたテレビカメラは、1秒当たり30フレームの干渉画像を撮影する。すなわち、サンプリング周期は、1/30秒である。従って、数秒間の間に、それぞれ測定窓の位置が異なる数十枚の光干渉画像が得られる。これらの多数の光干渉画像の窓部分によってワーク11の全体がカバーされる。また、数秒間という極短い時間が経過しても、ラッピングやポリッシング加工では、加工面の表面形状は一般に大きく変化しない。そこで、画像処理によって、上記の数十枚の画像データから測定窓部分の縞画像だけを切り出して、干渉画像を再構成すれば、一枚の大きな縞画像が得られる。
【0042】
図3は、図2の中央水平線に沿った明るさ強度を示している。横軸は、水平線上の位置を画素数で表しており、縦軸は、最高明るさ強度を1.0としたときの各部の明るさ強度である。図示のように、測定窓部分では、縞の明暗に応じて明るさ強度が上下に変化している。一方、工具影部分は、多少の傾きや分布はあるものの、ある特有の明るさ強度をもっている。
【0043】
そこで、工具影に特有の明るさ強度を別途予め求めておき、これを基準工具影強度とする。そして、撮影画像の各部の明るさ強度を基準工具影強度と比較する。ある部分の明るさ強度が基準工具影強度と同じであれば、その部分は工具影であると判断できる。また、ある部分の明るさ強度が基準工具影強度と異なっていれば、その部分は測定窓部分(縞画像)であると判断できる。従って、基準工具影強度を使って、工具影の排除および縞画像の抽出ができる。
【0044】
例として、2枚の撮影画像を合成する処理を説明する。図4は、図2の画像を撮影してから0.5秒後に撮影された画像であり、図5は、図4の画像の中央水平線に沿った明るさ強度を示している。さらに、図6は、図3と図5の明るさ強度のグラフを重ね合わせたものである。
【0045】
図6に示されるように、0.5秒の間に測定窓が移動したので、2つの画像では異なる位置に干渉縞の明暗が現れている。ある部分では一方の画像に干渉縞が現れ、別の部分では両方の画像に干渉縞が現れ、また別の部分には両方の画像に工具影が現れている。
【0046】
そこで、図6において、横軸上で同じ場所における2つの画像の明るさ強度を比較する。一方の画像が工具影の明るさ強度をもち、他方の画像が干渉縞の明暗の明るさ強度をもっているとする。前者の明るさ強度が基準工具影強度と同じであり、後者の明るさ強度が基準工具影強度と異なる場合である。この場合、前者の明るさ強度を不採用とし、後者の明るさ強度を採用する。この処理を図6の全体について行い、さらに、図2、図4の光干渉画像の全体について行う。図7には、このようにして図2および図4の2枚の撮影画像を合成した画像が示されている。また図8は、図7の画像の中央水平線に沿った明るさ強度を示している。図示の如く、画像合成により縞画像の部分が拡大している。
【0047】
ここでは2枚の画像を合成したが、さらに、数秒間に得られる数十枚の画像について上記の処理を行う。これにより、工具影の画像を排除して、干渉縞が全域でつながった合成画像を得ることができる。以上が、本実施形態の合成処理の原理である。
【0048】
次に、図9を参照して、上記の画像合成の原理に従って行われる本実施形態の合成処理をさらに詳細に説明する。図9は、一つの測定窓9の部分の干渉縞の画像である。画像Bは、画像Aを撮影してから、ラップ盤5が少し回転した後に撮影された画像である。画像Aと画像Bとでは、撮影時のラップ盤5の位置が異なり、ワーク11の位置は同じである。従って、両画像では、ワーク11上で干渉縞のできる位置は同じであり、また、ワーク11の異なる部分が測定窓9から見えている。
【0049】
図9の下側には、画像A、画像Bについて、図中のラインLに沿った明るさ強度の分布が模式的に示されている。横軸はラインL上の位置、縦軸は明るさ強度であり、画像A、画像Bは256階調の画像である。明るさ強度は、画像データ中の画素ごとのデータに含まれている。
【0050】
図9において、縦軸上のIRは、ラップ盤部分の平均的な明るさ強度である。ここでは、この平均値IRが基準工具影強度として用いられる。ラップ盤は、どの部分もほぼ一定の明るさ強度に映るようにその表面が仕上げられている。また、ラップ盤5の干渉縞が生成されないように、ラップ盤表面は適当な粗さに仕上げられている。そして、IRが適当な大きさになるように、ラップ盤の材質や仕上げ、干渉計の調整や画像の適当な前処理が行われている。IRの値は光学系ノイズや性能でも多少変化するので、使用前に予め測定を繰り返してIRを調べておく。
【0051】
図9に示されるように、画像A、画像Bの双方において、ラップ盤がないところ(測定窓部分)では、干渉縞の明暗に応じて周期的に明るさ強度が変化し、ラップ盤のあるところ(工具影)では明るさ強度がほぼ一定になる。
【0052】
ここでは、画像Aをベースとして、この画像Aに画像Bを合成する。両画像で同位置(m,n)(m、nは画像中の座標)の画素pに着目する。画像A、画像Bにおける画素p(m,n)の明るさ強度を、それぞれ、IA(m,n)、IB(m,n)とする。このIA(m,n)、IB(m,n)とIRの差の絶対値ap、bpを、下式に従って求める。
【0053】
【数1】
ap=|IR−IA(m,n)|
bp=|IR−IB(m,n)|
ap<bpであれば、画像Bのデータ中の画素pの明るさ強度をもって、画像Aのデータ中の画素pの明るさ強度を置き換える。すなわち、画像Aのデータ中のIA(m,n)を、IB(m,n)に置き換える。ap≧bpであれば、置き換えは行わず、当該画素pに関し、画像Aのデータをそのままとする。
【0054】
画素pが図示の位置にあるとき、画像Aについては画素pがラップ盤部分にあり、apがほぼ0である。画像Bでは画素pが干渉縞の暗い部分にある。bpがapよりも大きいので、IA(m,n)がIB(m,n)に置き換えられる。一方、画素q(m1,n1)についてみると、画像Aでは画素qが干渉縞の明るい部分にある。画像Bでは画素qがラップ盤部分にあり、bqはほぼ0である。従って、IA(m1,n1)は、IB(m1,n1)には置き換えられず、そのままとされる。
【0055】
同様の処理が、画像全体について行われる。図9(上)においては、画像Bにしか表されない三日月型の干渉縞部分があるが、この三日月型の部分が上記の処理結果として画像Aに加わる。さらに複数の画像C、D・・を用いて、A+C、A+Dという調子で同様の処理を行うことにより、さらに広い範囲の干渉縞が画像Aに加わる。このようにして、ワーク11の全体を網羅する干渉縞が得られる。原理的には、例えば、少なくとも図10のように測定窓を配置しておけば、どの位置にどの大きさのワークが配置されたときでも、ワーク全体の干渉縞を得ることができる。なお、ここでは、各画素の明るさ強度を処理対象としたが、その他のデータであって干渉縞を表すもの(例えば、色値や輝度値)を処理対象としても、同様の処理が可能である。
【0056】
[合成処理の改良]
上記の合成処理では、工具影の明るさ強度の平均値IRが用いられた。しかし実際には、工具影の明るさ強度は、撮影画像内で一定ではなく、ラップ盤の各部で異なっており、分布や傾斜をもっている。従って、各画素についての処理が、その場所の工具影の真の明るさ強度に基づいては行われていない。この影響で、数十枚の画像を合成したときに、干渉縞のコントラストが強く出過ぎることがあり、その結果、合成画像が不自然になることがある。これに対し、下記のように合成処理を改良することで、より自然な画像が得られる。
【0057】
ここでは、標準影強度範囲として、工具影の明るさ強度のとり得る値の標準的な範囲を設定する。平均値IRと同様にして、工具影の明るさ強度の上限値および下限値を予め測定しておくことが好適である。平均値IRから上下の限界値までの幅を等しく設定してもよい。
【0058】
上記の標準影強度範囲は、以下のようにして使われる。図9の処理では、前述のように、基本となる1枚目の画像Aの画素pの明るさ強度と平均値IRの差の絶対値ap=|IR−IA(m,n)|が求められた。比較対象の次の画像Bの画素pについても同様に、bp=|IR−IB(m,n)|が求められた。そして、図9の処理では、ap<bpであれば、画像Bのデータ中の画素pの明るさ強度をもって、画像Aのデータ中の画素pの明るさ強度が置き換えられた。しかしながら、ここでは、データの置換えの前に、画像Bの画素pの明るさ強度IB(m,n)が、標準影強度範囲から外れているか否かが判断される。外れていればapとbpが比較され、そして、ap<bpであればデータの置換えが実行される。IB(m,n)が標準影強度範囲内の値であれば、データの置換えは中止、抑制される。
【0059】
このように、本実施形態では、標準影強度範囲に含まれる明るさ強度をもつ画素データは、合成干渉縞画像の構成のために利用されない。従って、合成に用いる数十枚の全画像における同一箇所の画素の明るさ強度が、いずれも標準影強度範囲に含まれる場合には、結局一度も画素データの置き換えは行われない。その結果、最初に読み込まれた基本の画像(A)のデータが最後まで残る。このようにして最後まで残った基本画像のデータが、真の干渉縞の一部であるか、工具影の一部であるかは分からない。しかし、上記の処理を行っても、後段で平面度の計算処理を行う上では支障がない。そして、上記の処理によって、コントラストがきつ過ぎない適当な画像を得ることが可能となる。
【0060】
[画像処理装置とその動作]
図11は、本実施形態の加工装置のコントローラ内に設けられた画像処理装置の一部の構成であって、上記の合成処理を行う画像合成部の構成を示している。この画像合成部は、図示しない制御部によって制御されている。また、図12は、図11の画像合成部の動作を示すフローチャートである。
【0061】
画像合成が開始すると、画像データが、干渉計のテレビカメラから撮影画像メモリ100に読み込まれる(S10)。本実施形態では、90フレームの画像データを一度に記憶できる撮影画像メモリ100が用意されている。ただし、1フレームの画像を記憶するバッファだけを設けておいても、本実施形態の画像合成は実現できる。またS10では、データ処理部102が設定ファイル104からトリミング範囲を読み込む。トリミング範囲とは、撮影画像中で画像処理を行う範囲である。各画像は、この範囲をトリミングしてから処理される。本実施形態では、トリミング範囲は、ワーク11とほぼ同じ大きさの円形に設定されている。
【0062】
次に、データ処理部では、処理対象の画像の番号を示す処理画像カウンタおよび処理対象の画素の番号を示す画素カウンタが0にクリアされる(S12)。そして、1枚目の画像が、基本画像としてメインメモリ106にロードされ(S14)、2枚目の画像が、比較画像として比較用メモリ108にロードされる(S16)。両メモリ106、108は、それぞれ1フレーム分の画像を記憶できるサイズをもっていればよい。データ処理部102は、比較用メモリ108から、画素カウンタの画素番号に対応する画素の明るさ情報を取得する(S18)。そして、取得した画素の明るさ強度が、工具の影の明るさ強度の範囲(前述の標準影強度範囲)から外れた値であるか否かが判定される(S20)。
【0063】
S20の判断がYESであれば、図9で説明した画素データの置き換え処理が行われる(S22)。ここでは、S18で取得した明るさ強度IBと、工具影の明るさ強度の平均値IRとの差の絶対値bpが求められる。また、メインメモリ106の画素データであって、画素カウンタの画素番号に対応する画素データの明るさ強度IAが取得される。取得した明るさ強度IAと平均値IRの差の絶対値apが求められる。apとbpが比較され、bp>apであれば、メインメモリ106の着目している画素の明るさ情報が、比較用メモリ108から取得した同一画素の明るさ情報でもって置き換えられる。
【0064】
次に、画素カウンタの番号を参照して、比較用メモリ108の比較画像の全画素について比較処理を行ったか否かが判定される(S24)。S24がNOであれば、画素カウンタを1増やし(S26)、S18に戻る。これにより、次の画素番号の画素を対象として、同様の処理が行われる。
【0065】
一方、S20でNOと判断された場合には、S28に進む。S28では、S24と同様にして、全画素の比較処理が終了したか否かが判定され、NOであれば画素カウンタを1増やして(S30)、S18に戻る。このように、本実施形態では、比較用画像の画素の明るさ強度が標準影強度範囲に含まれていれば、画素データの置換えは行われない。
【0066】
S24またはS28での判断がYESの場合、1フレームの比較画像の処理が終了している。そこで、S32にて、処理画像カウンタを参照して、必要枚数の合成処理が終了したか否かが判定される。本実施形態では、必要枚数は90枚に設定されている。1秒当たり30フレームの画像を撮影できるので、90枚の画像は3秒間で撮影される。S32がNOであれば、処理画像カウンタを1増やして(S34)、S16に戻る。従って、次の画像が撮影画像メモリ100から比較用メモリにロードされ、同様の処理が再び行われる。
【0067】
S32の判断がYESの場合、90枚のすべての画像の処理が終了している。そこで、合成画像がディスプレイに表示される(S36)。表示後は、S10に戻り、次の合成画像の処理を行う。図13は、上記のようにして90枚の撮影画像から得られた合成画像を示している。図13に示されるように、トリミング範囲の全域で連続する干渉縞の画像が得られている。
【0068】
また、合成画像は、平面度算出部110に送られ、ここで平面度算出処理が行われる。図13に示したように、本実施形態で得られる合成画像では、十分に広い範囲で干渉縞が連続する。従ってこの合成画像を使って、公知の解析アルゴリズムを使って平面度を算出することができる。平面度算出部110では、干渉縞のコントラスト強調、2値化、細線化、縞次数の割当てなどが行われる。図14は、干渉縞を2値化した画像を示している。干渉縞の画像処理による平面度算出は、例えば、前出の「光干渉計測法の最近の進歩」(谷田貝、精密機械51/4/1985、第65〜72頁)に記載された方法で行えばよい。
【0069】
[加工装置のシステム構成]
図15は、本実施形態のラップ加工装置の全体構成を示している。前述のように、ワーク11の上にラップ盤5が配置され、その上方の干渉計本体19内に干渉計21が配置されている。干渉計21にはカメラ装置が内蔵されており、干渉縞の撮影画像はコントローラ23へ送られる。コントローラ23には、測定部25、アクチュエータ制御部27、ラップ液供給制御部29、モータ制御部31が設けられている。測定部25は、前述した図11の画像処理装置を含んでおり、画像合成部25aが本実施形態に特徴的な画像合成処理を行う。また平面度判定部25bは、図11の平面度算出部110を含んでおり、公知の平面度算出処理を行う他、算出結果の判定を行う。
【0070】
アクチュエータ制御部27は、アクチュエータ33を制御している。アクチュエータ33は、干渉計本体19を支持柱に対して回転させ、また干渉計本体19を伸縮させる。これにより、干渉計21は3つのワーク11のそれぞれの上方に移動する。
【0071】
ラップ液供給制御部29は、ラップ液供給装置35を制御対象として、ラップ液の供給位置、供給時期、供給量を制御している。ラップ液供給装置35は、前述のように、ラップ盤5にラップ液を滴下する。モータ制御部31は、ラップ盤5を回転させるモータ37の回転、停止および回転速度を制御する。
【0072】
コントローラ23は、さらに、ラップ盤5の高さ方向の位置を検出する位置センサ39と接続されている。位置センサ39の出力を基に、ラップ盤の移動量が分かり、また、ワーク11の厚さや、ラップ加工によって削られた量が分かる。
【0073】
また、コントローラ23には、出力装置としてのディスプレイ41とキーボード等の入力装置43が接続されている。ディスプレイ41には、画像合成部25aで生成された合成干渉画像が表示される。入力装置43は、作業者が、装置の運転、停止やその他の指示を入力するための装置である。ディスプレイ41は、作業者の操作に必要な画面表示も適宜行う。
【0074】
図15のシステムにおいて、加工開始時には、モータ制御部31がモータ37を回転させる。ラップ盤が回転しはじめ、ラップ盤5に対しワーク11が公転および自転を行う。これとともに、ラップ液供給制御部29がラップ液供給装置35にラップ液を供給させ、ラップ液は測定窓を通ってラップ盤5とワーク11の隙間に入る。このようにしてラップ加工が行われる。
【0075】
アクチュエータ制御部27は、アクチュエータ33を制御して、干渉計21を、3つのワーク11の上方へ順番に移動させる。各ワーク11の上方では、干渉計21が、測定部25の指示に従い、ワーク11の干渉縞の像を検出して撮影し、コントローラ23に送る。アクチュエータ33および干渉計19は、この動作を所定周期で繰り返し行う。
【0076】
ここで、ラップ液供給制御部29は、所定時間おきにラップ液を供給させる。この供給から一定の時間が経過するまでは、干渉縞の検出は行われない。ラップ液が不均一な状態では、正確な平面度判断が難しいからである。この処理では、例えば干渉計21での撮影処理が禁止され、あるいは、測定部25でのデータ処理が禁止される。
【0077】
測定部25では、干渉計21の出力を基に、加工中のワーク11の加工面の平面度を求める。平面度が得られるたびに、その平面度が要求精度に達しているか否かが判断される。コントローラ23では、また、位置センサ39の出力より、ワーク11の厚さが加工要求値に達したか否かが判断される。ワーク11の厚さが加工要求値に達し、かつ、平面度が要求精度に達していると判断されたとき、モータ制御部31はモータ37を停止させる。これにより、ワーク11のラップ加工が完了する。
【0078】
[合成処理(2)]
前述した合成処理では、工具影画像の明るさ強度の平均値IRが用いられた。この平均値IRは、光干渉画像の全領域で一つだけ設定されていた。すなわち、単一の平均値IRが常に使用された。しかし、実際には、工具影画像の明るさ強度は、ラップ盤の各部で異なっている。そして、不自然な合成画像が生成されないように、合成処理の改良により、標準影強度範囲が合成処理に導入されていた。
【0079】
これに対し、この第2の合成処理では、上記の単一の平均値IRおよび標準影強度範囲は利用しない。代わりに、画像の各部について、工具影が映るときの明るさ強度を予め測定する。測定した各部の明るさ強度は、基準工具影強度として、測定位置(画像中での位置)とともに記憶しておく。
【0080】
画像合成処理は、以下のように行う。ある画素の処理を行うときに、基本画像および比較画像から、その画素の明るさ強度を取得する。また、その画素の位置に対応する基準工具影強度を記憶情報から取得する。これらのデータを用いて前述の合成処理を行う。標準影強度範囲は必要ない。従って、図12の処理から、S20、S28、S30のステップが除かれる。
【0081】
この第2の合成処理によれば、画像の各部で個別の基準工具影強度に基づいた処理を行うので、より正確な合成干渉画像を得ることができる。
【0082】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、加工中に平面度などの表面形状の測定ができる。従って、信頼度が高く確実な加工が可能となる。さらに、加工装置の加工条件に測定結果を帰還して、加工条件の自動調整を行うことが好適である。これにより、機械オペレータの熟練度のばらつきや環境条件の変動に対応する条件修正を行って、高精度加工を半自動または自動で行うことが可能となる。
【0083】
特に、本発明によれば、上記のように、測定窓部分の縞画像をつなぎ合わせた広範囲で連続する干渉縞が得られる。十分に広い範囲の干渉縞が得られるので、干渉縞を用いた表面形状の算出を容易かつ確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態の測定装置付きのラップ加工装置の斜視図である。
【図2】 図1の装置の干渉計を用いて得られた干渉画像の一例を示す中間調画像の説明写真である。
【図3】 図2の干渉画像の中央水平ラインに沿った明るさ強度を示す図である。
【図4】 ラップ盤の測定窓が図2と異なる位置にあるときの干渉画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図5】 図4の干渉画像の中央水平ラインに沿った明るさ強度を示す図である。
【図6】 図3と図5を重ね合わせた図である。
【図7】 図2と図4の画像を合成することによって得られた合成干渉画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図8】 図7の干渉画像の中央水平ラインに沿った明るさ強度を示す図である。
【図9】 複数の干渉画像の合成処理を示す図である。
【図10】 図5の処理を用いてワーク全体の干渉縞を得るために必要な測定窓の配置例であって、窓数を少なくしたときの配置を示す、ラップ盤の平面図である。
【図11】 図9の合成処理を行う画像処理装置の構成を示す図である。
【図12】 図11の画像処理装置の動作を示すフローチャートである。
【図13】 図12の処理によって得られた最終的な合成画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図14】 図13の画像を2値化した画像を示す中間調画像の説明写真である。
【図15】 図1のラッピング加工機の全体構成のブロック図である。
【符号の説明】
1 装置ベース、3 加工機構ベース、5 ラップ盤、7 回転軸、9 測定窓、11 ワーク、19 干渉計本体、21 干渉計、23 コントローラ、25 測定部、25a 画像合成部、25b 平面度判定部、100 撮影画像メモリ、102 データ処理部、106 メインメモリ、108 比較用メモリ、110 平面度算出部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an in-process optical interference measurement apparatus that measures a workpiece during processing, and more particularly to an apparatus that can obtain a good interference fringe image in which interference fringes are continuous over a wide range. The present invention is suitably applied to measurement during abrasive processing such as lapping and polishing. Moreover, this invention relates to the processing apparatus provided with the said measuring apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, for precision finishing of a gauge block or the like, processing such as lapping or polishing has been performed using abrasive grains. In this processing method, a reference processing tool (such as a lapping machine) and a workpiece are pressed against each other, and a relative motion is given to both. Thereby, a to-be-processed object and a processing tool are rubbed. At this time, abrasive grains are interposed between the workpiece and the processing tool. There are a free abrasive grain system and a fixed abrasive grain system for interposing abrasive grains. In the free abrasive grain method, a processing liquid in which a liquid and abrasive grains are mixed is used, and this processing liquid is supplied between the processing tool and the workpiece. In the fixed abrasive method, abrasive particles are embedded in the sliding surface on the processing tool side. Such a processing method is suitable for precision finishing of the surface, for example, processing of gauges and precision parts including the above-mentioned gauge block, processing of optical parts such as lenses and mirrors, precision processing of semiconductor wafers, etc. It's being used.
[0003]
A measuring device that performs optical interference fringe detection is used to measure the surface accuracy and dimensional accuracy of a workpiece that has been subjected to abrasive processing. As this type of measuring apparatus, a Fizeau interferometer or the like is known, and measurement using an interference fringe image generated according to the surface shape of a workpiece is performed. The optical interference measurement technique is described in, for example, “Absolute Measurement of Surface Shape Using Interferometer” (Nagahama, 16th Optical Symposium Preliminary Proceeding (1991), Lecture No. 3, pp. 55-58). In “Recent Advances in Optical Interferometry” (Tanida, Precision Machine 51/4/1985, pp. 65-72), the flatness as the surface shape is automatically determined by image processing of interference fringes. An apparatus is described.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the state which set the workpiece in the abrasive grain processing machine, the workpiece is covered with the processing tool, and therefore, measurement during processing (in-process measurement) cannot be performed. Therefore, usually, the workpiece is removed from the processing machine, washed, set in a measuring device, and then measured.
[0005]
Here, generally, in lapping and polishing, high processing accuracy from micron to submicron or more is often required. In particular, when high accuracy is required, the workpiece is measured after cleaning, and the workpiece is set on the processing machine again and processed. In this way, processing, cleaning, and measurement must be repeated until the required accuracy is obtained, and the operation is very complicated. Therefore, the processing cost of high-precision processed parts, particularly optical parts and gauges, tends to be very high.
[0006]
As described above, conventionally, it is necessary to stop lapping or polishing in the middle and to remove the workpiece from the processing machine and perform shape measurement, which hinders improvement in productivity and processing accuracy. Therefore, it is desired to enable detection of interference fringes on the surface shape even while the workpiece is set on the processing machine and is being processed.
[0007]
In particular, it is desired not only to enable detection of interference fringes during processing, but also to obtain continuous interference fringes over a suitably wide range. Even if interference fringes in a narrow range are used, the surface shape can be visually determined. However, in order to calculate the surface accuracy by image processing or the like, interference fringes that are continuous over a sufficiently wide range are required.
[0008]
In the above, the problems of the prior art have been described by taking abrasive grain processing as an example. However, the above problem is not limited to abrasive processing. Even in processing other than abrasive processing, optical interference fringe detection on the processed surface could not be performed during processing.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is an optical interference measuring device capable of precisely measuring the surface shape of a workpiece during processing, that is, in-process, An object of the present invention is to provide a measuring apparatus capable of obtaining continuous interference fringes in a sufficiently wide range. Another object of the present invention is to provide a suitable processing apparatus provided with the above-described measuring apparatus.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
(1) The present invention is an optical interference measuring device that performs optical interference measurement of a workpiece that is held by a processing device and is processed by a processing tool, and is a measurement window provided through the processing tool. And a light interference image in a range including the measurement window by irradiating the processing tool from the opposite side of the workpiece with the processing tool in between, and the positional relationship between the workpiece and the measurement window, respectively The interference image generating means for acquiring a plurality of optical interference images having different interference and a fringe image of the workpiece obtained at the measurement window portion of the plurality of optical interference images, and combining the interference fringes continuously within a predetermined measurement range An image processing means for generating an interference fringe image, the image processing means based on a reference tool shadow intensity which is a reference magnitude of the optical intensity of the tool shadow as a tool portion in the optical interference image. By removing the tool shadow from the interference image, Characterized in that it formed.
[0011]
Preferably, the image processing means configures the composite interference fringe image with an image element having an optical intensity deviated from the reference tool shadow intensity among the image elements of the same portion of the plurality of optical interference images. Adopt as an image element. Here, the image element is, for example, a pixel. In addition, an element of an arbitrary unit such as a collection of a plurality of pixels can be applied to the image element of the present invention.
[0012]
Further preferably, the image processing means selects an image element having an optical intensity having the largest distance from the reference tool shadow intensity among the image elements of the same portion of the plurality of optical interference images as the synthetic interference fringe. Adopted as an image element constituting an image.
[0013]
According to the present invention described above, since the workpiece can be seen through the measurement window of the processing tool, the interference image generation means irradiates the processing tool with the measurement light and acquires an optical interference image based on the principle of the interferometer. This optical interference image includes not only the fringe image of the workpiece obtained in the measurement window part but also the image (tool shadow) of the tool part other than the measurement window part. However, since the tool shadow has a specific optical intensity, the fringe image can be extracted by excluding the portion having the reference tool shadow intensity corresponding to the specific optical intensity from the optical interference image. Accordingly, based on the reference tool shadow intensity, a combined interference fringe image obtained by combining the fringe images of the measurement window portion can be obtained from a plurality of optical interference images having different positional relationships between the workpiece and the measurement window.
[0014]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-273908 describes an optical measuring device that connects a plurality of measurement data to obtain a wide range of measurement data. However, in the apparatus of the same publication, each measurement data is basically effective in the entire area, and such measurement data is merely arranged side by side. On the other hand, in the present invention, each of the optical interference images includes an effective part (stripe image) and an ineffective part (tool shadow). Even in such a case, according to the present invention, a wide range of interference fringe images can be formed.
[0015]
(2) Preferably, the reference tool shadow intensity is set to be constant throughout the optical interference image, and a standard range of possible values of the optical intensity of the tool shadow is set as the standard shadow intensity range. And the image processing means determines an image element of one basic image of the plurality of light interference images when all the image elements of the same portion of the plurality of light interference images are included in the standard shadow intensity range. These are employed as image elements constituting the synthetic interference image.
[0016]
In this aspect, since the reference tool shadow intensity is set to be constant throughout the optical interference image, the composition processing by the image processing means is easy. However, in practice, the tool shadow intensity has a distribution and an inclination, and is not uniform throughout the optical interference image. Due to this influence, if a fixed reference tool shadow intensity is simply used, a natural composite interference image may not be obtained. However, as described above, in the present aspect, when all the image elements of the same part of the plurality of optical interference images are included in the standard shadow intensity range, the image element of one basic image is used for that part. A composite interference image is constructed. Thereby, a natural synthetic | combination interference image can be obtained reliably.
[0017]
(3) Preferably, the reference tool shadow intensity is individually set for each part of the optical interference image, and it is determined whether or not an image element of each part of the optical interference image is used for the synthetic interference image. Is performed based on the reference tool shadow intensity corresponding to the image element. By using an individual reference tool shadow intensity in each part, a composite interference image can be obtained without being affected by the distribution and inclination of the tool shadow intensity.
[0018]
(4) Preferably, the image processing means binarizes the combined interference fringe image and calculates a surface shape of the workpiece based on the binarized image. In the present invention, a sufficiently wide range of interference fringes can be obtained, and the surface shape can be calculated by any known method using the interference fringes.
[0019]
(5) Another aspect of the present invention is a processing device with a measurement function that includes the above-described optical interference measurement device and processes the workpiece by relative movement of the workpiece and the processing tool. According to this aspect, the present invention is realized in the form of a processing apparatus.
[0020]
As described above, according to the present invention, surface shape such as flatness can be measured during processing. Therefore, reliable and reliable processing (lapping, polishing, etc.) is possible. Furthermore, it is preferable to feed back the measurement results to the processing conditions of the processing apparatus and automatically adjust the processing conditions. As a result, it is possible to perform high-accuracy machining semi-automatically or automatically by correcting conditions corresponding to variations in skill level of machine operators and environmental conditions.
[0021]
In particular, according to the present invention, as described above, interference fringes that are continuous over a wide range obtained by stitching the fringe images of the measurement window portion can be obtained. Since a sufficiently wide range of interference fringes can be obtained, the surface shape can be calculated easily and reliably by image processing using the interference fringes.
[0022]
The processing machine to which the measuring apparatus of the present invention is applied may be a type that drives the processing tool side, a type that drives the workpiece side, or a type that drives both. For example, a known lapping machine may be used that rotates both of the workpieces while being offset from the rotation axis of the machining tool. In this case, when the machining tool is used as a reference, the workpiece performs revolution and rotation. Moreover, the processing machine to which the present invention is applied is not limited to the one in which the processing tool or the workpiece rotates, and for example, the processing tool may perform a linear motion.
[0023]
In addition, when the measuring apparatus of the present invention is applied to an abrasive processing machine, it can be applied to a free abrasive processing machine and a fixed abrasive processing machine. Further, the present invention can be applied not only to a processing machine that processes only one side of a workpiece, but also to a processing machine that performs multi-surface processing such as double-side processing.
[0024]
In the present invention, the workpiece is not particularly limited, and examples thereof include gauges including a gauge block, precision parts, optical parts such as lenses and mirrors, and semiconductor wafers. Further, the processed surface may be a flat surface or a curved surface as in the lens manufacturing. For example, the surface form can be specified in the form of deviation from the true sphere.
[0025]
In addition, measurement using an interferometer can measure various surface forms including flatness. Moreover, if it is a part visible from a measurement window, measurements other than the process surface of a to-be-processed object are also possible. For example, when the workpiece is a transparent member such as glass for lenses, it is conceivable to detect interference fringes on the surface opposite to the processing surface, thereby obtaining the dimensional accuracy of the workpiece. In addition, by providing measurement windows and interferometers on both sides of the workpiece, the dimensional accuracy of the workpiece can be measured. This is also effective when the workpiece is not transparent.
[0026]
Further, the surface shape of the workpiece may be different during processing and when the workpiece is removed from the processing machine after processing. This is because of the nature of the workpiece and the specifications of the processing machine, the temperature difference between processing and after processing, the pressing force during processing, and other factors. In this case, for example, a change in the surface form during and after processing may be obtained in advance, and processing that allows for this change may be performed.
[0027]
In the present invention, the positional relationship between the workpiece and the interferometer is an important factor. If the positional relationship between the two shifts, the interference fringes move between the images for synthesis in accordance with the shift, and good results cannot be obtained. As shown in an embodiment to be described later, it is advantageous to dispose the workpiece on the processing table and dispose the processing tool on the workpiece, because the workpiece can be supported more reliably.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments (hereinafter referred to as embodiments) of the invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the measuring apparatus of the present invention is applied to an abrasive processing apparatus. FIG. 1 is a perspective view of a lapping machine, and a part of the apparatus is shown in cross section for easy understanding. As a difference from a general processing machine called a lap master system, the arrangement of a lap machine as a processing tool and a work as a workpiece is reversed up and down. The measuring apparatus of this embodiment is for measuring the flatness of a processed surface, and is provided integrally with the processing machine of FIG.
[0029]
A cylindrical
[0030]
Between the
[0031]
The lapping
[0032]
In addition, the processing machine of this embodiment is a type in which the workpiece 11 is rotated by the rotation of the lapping
[0033]
Moreover, in this embodiment, the free abrasive grain system is employ | adopted. While the lapping
[0034]
A
[0035]
The detection range of the interferometer is substantially equal to the size of the workpiece 11, and the size of the opening on the lower side of the interferometer
[0036]
The
[0037]
In order to accurately detect the interference fringes by the interferometer, it is necessary that a uniform film of the lapping liquid is formed on the processing surface in the portion where the measurement window 9 faces the workpiece 11. The rotation speed of the lapping
[0038]
FIG. 2 is an example of an optical interference image taken by a television camera (CCD or the like) built in the
[0039]
The interference fringes in FIG. 2 are equivalent to the interference fringes when the workpiece 11 is removed from the processing apparatus and measured with another conventional interferometer. Therefore, it can be said that the measuring apparatus of the present embodiment has the ability to measure the surface shape during processing with sufficient accuracy.
[0040]
However, as shown in FIG. 2, the light interference image includes not only the fringe image of the measurement window portion but also the tool shadow. The tool shadow is a portion (a portion other than the measurement window) where the lapping machine is reflected. Therefore, small circular fringe images exist discretely in the optical interference image. Even if such an optical interference image is used, the planar accuracy can be confirmed visually. However, in order to calculate the plane accuracy by image processing of interference fringes, interference fringes that are continuous over a wider range are required. If this is the case, the tool shadow image becomes an obstacle, and it is impossible to calculate the plane accuracy. Therefore, in the present embodiment, as described below, a plurality of optical interference images having different measurement window positions are combined to generate an interference fringe having a sufficient width for calculating the plane accuracy.
[0041]
[Composition of optical interference image]
Since the lapping machine is rotating, the positional relationship between the measurement window and the workpiece 11 is constantly changing. The television camera built in the interferometer captures 30 frames of interference images per second. That is, the sampling period is 1/30 second. Accordingly, several tens of optical interference images having different measurement window positions can be obtained within a few seconds. The entire work 11 is covered by the window portions of these many optical interference images. Further, even when a very short time of several seconds elapses, the surface shape of the processed surface generally does not change greatly in lapping or polishing. Accordingly, if only the fringe image of the measurement window portion is cut out from the above tens of pieces of image data by image processing and the interference image is reconstructed, one large fringe image can be obtained.
[0042]
FIG. 3 shows the brightness intensity along the central horizontal line of FIG. The horizontal axis represents the position on the horizontal line by the number of pixels, and the vertical axis represents the brightness intensity of each part when the maximum brightness intensity is 1.0. As shown in the figure, in the measurement window portion, the brightness intensity changes up and down according to the brightness of the stripes. On the other hand, the tool shadow part has a certain brightness intensity although there is some inclination and distribution.
[0043]
Therefore, the brightness intensity peculiar to the tool shadow is separately obtained in advance, and this is used as the reference tool shadow intensity. Then, the brightness intensity of each part of the captured image is compared with the reference tool shadow intensity. If the brightness intensity of a certain part is the same as the reference tool shadow intensity, it can be determined that the part is a tool shadow. If the brightness intensity of a certain part is different from the reference tool shadow intensity, it can be determined that the part is a measurement window part (stripe image). Therefore, it is possible to eliminate the tool shadow and extract the fringe image using the reference tool shadow intensity.
[0044]
As an example, a process for combining two photographed images will be described. FIG. 4 is an image taken 0.5 seconds after taking the image of FIG. 2, and FIG. 5 shows the brightness intensity along the central horizontal line of the image of FIG. Further, FIG. 6 is a graph in which the brightness intensity graphs of FIGS. 3 and 5 are superimposed.
[0045]
As shown in FIG. 6, since the measurement window has moved within 0.5 seconds, the interference fringes appear at different positions in the two images. Interference fringes appear in one image in one part, interference fringes appear in both images in another part, and tool shadows appear in both images in another part.
[0046]
Therefore, in FIG. 6, the brightness intensities of two images at the same place on the horizontal axis are compared. Assume that one image has the brightness intensity of the tool shadow and the other image has the brightness intensity of the interference fringes. This is a case where the former brightness strength is the same as the reference tool shadow strength, and the latter brightness strength is different from the reference tool shadow strength. In this case, the former brightness intensity is not adopted, and the latter brightness intensity is adopted. This process is performed for the whole of FIG. 6, and further for the entire optical interference image of FIGS. FIG. 7 shows an image obtained by combining the two photographed images of FIGS. 2 and 4 in this way. FIG. 8 shows the brightness intensity along the central horizontal line of the image of FIG. As shown in the figure, the fringe image portion is enlarged by image synthesis.
[0047]
Although two images are combined here, the above processing is further performed on several tens of images obtained in several seconds. Thereby, the image of the tool shadow can be eliminated, and a composite image in which interference fringes are connected throughout the entire area can be obtained. The above is the principle of the composition processing of this embodiment.
[0048]
Next, with reference to FIG. 9, the composition processing of this embodiment performed in accordance with the principle of image composition will be described in more detail. FIG. 9 is an image of interference fringes in the part of one measurement window 9. The image B is an image that was captured after the image A was captured and the
[0049]
On the lower side of FIG. 9, the brightness intensity distribution along the line L in the drawing is schematically shown for the images A and B. The horizontal axis is the position on the line L, the vertical axis is the brightness intensity, and the images A and B are images of 256 gradations. The brightness intensity is included in the data for each pixel in the image data.
[0050]
In FIG. 9, IR on the vertical axis is the average brightness intensity of the lapping part. Here, this average value IR is used as the reference tool shadow strength. The surface of the lapping machine is finished so that every part is reflected with almost constant brightness intensity. Further, the surface of the lapping machine is finished to an appropriate roughness so that the interference fringes of the lapping
[0051]
As shown in FIG. 9, in both the image A and the image B, where there is no lapping machine (measurement window part), the brightness intensity changes periodically according to the brightness of the interference fringes, and there is a lapping machine. However, the brightness intensity is almost constant at (tool shadow).
[0052]
Here, based on the image A, the image B is combined with the image A. Attention is paid to a pixel p at the same position (m, n) (m and n are coordinates in the image) in both images. The brightness intensities of the pixels p (m, n) in the images A and B are assumed to be IA (m, n) and IB (m, n), respectively. The absolute values ap and bp of the difference between IA (m, n) and IB (m, n) and IR are obtained according to the following equations.
[0053]
[Expression 1]
ap = | IR−IA (m, n) |
bp = | IR−IB (m, n) |
If ap <bp, the brightness intensity of the pixel p in the image A data is replaced with the brightness intensity of the pixel p in the image B data. That is, IA (m, n) in the data of the image A is replaced with IB (m, n). If ap ≧ bp, the replacement is not performed and the data of the image A is left as it is for the pixel p.
[0054]
When the pixel p is at the position shown in the figure, for the image A, the pixel p is in the lapping part, and ap is almost zero. In the image B, the pixel p is in the dark part of the interference fringes. Since bp is greater than ap, IA (m, n) is replaced with IB (m, n). On the other hand, regarding the pixel q (m1, n1), in the image A, the pixel q is in a bright part of the interference fringes. In the image B, the pixel q is in the lapping part, and bq is almost zero. Therefore, IA (m1, n1) is not replaced by IB (m1, n1), and is left as it is.
[0055]
Similar processing is performed for the entire image. In FIG. 9 (upper), there is a crescent-shaped interference fringe portion that is represented only in the image B, and this crescent-shaped portion is added to the image A as a result of the above processing. Further, by using the plurality of images C, D,... And performing similar processing in the tone of A + C and A + D, a wider range of interference fringes is added to the image A. In this way, interference fringes that cover the entire workpiece 11 are obtained. In principle, for example, if the measurement window is arranged at least as shown in FIG. 10, the interference fringes of the entire work can be obtained regardless of the size of the work placed at any position. Here, the brightness intensity of each pixel is the processing target, but the same processing is possible even when processing other data that represents interference fringes (for example, color values and luminance values). is there.
[0056]
[Improved composition processing]
In the above synthesis process, the average value IR of the brightness intensity of the tool shadow was used. However, in practice, the brightness intensity of the tool shadow is not constant in the captured image, and is different in each part of the lapping machine, and has a distribution and an inclination. Therefore, the process for each pixel is not performed based on the true brightness intensity of the tool shadow at that location. As a result, when several tens of images are combined, the contrast of interference fringes may be excessively high, and as a result, the combined image may become unnatural. On the other hand, a more natural image can be obtained by improving the composition processing as described below.
[0057]
Here, a standard range of possible values of the brightness intensity of the tool shadow is set as the standard shadow intensity range. In the same manner as the average value IR, it is preferable to measure in advance the upper limit value and the lower limit value of the brightness intensity of the tool shadow. The width from the average value IR to the upper and lower limit values may be set equal.
[0058]
The above standard shadow intensity range is used as follows. In the process of FIG. 9, as described above, the absolute value ap = | IR−IA (m, n) | of the difference between the brightness intensity of the pixel p of the basic first image A and the average value IR is obtained. It was. Similarly for the pixel p of the next image B to be compared, bp = | IR−IB (m, n) | In the process of FIG. 9, if ap <bp, the brightness intensity of the pixel p in the image A data is replaced with the brightness intensity of the pixel p in the image B data. However, here, before the data replacement, it is determined whether the brightness intensity IB (m, n) of the pixel p of the image B is out of the standard shadow intensity range. If not, ap and bp are compared, and if ap <bp, data replacement is executed. If IB (m, n) is a value within the standard shadow intensity range, data replacement is stopped and suppressed.
[0059]
As described above, in the present embodiment, pixel data having the brightness intensity included in the standard shadow intensity range is not used for the configuration of the composite interference fringe image. Accordingly, when all of the brightness intensities of the pixels in the same place in all the tens of images used for the synthesis are included in the standard shadow intensity range, the pixel data is not replaced at all. As a result, the data of the basic image (A) read first remains until the end. In this way, it is not known whether the basic image data remaining to the end is part of the true interference fringe or part of the tool shadow. However, even if the above processing is performed, there is no problem in performing flatness calculation processing at a later stage. The above processing makes it possible to obtain an appropriate image that does not have too much contrast.
[0060]
[Image processing device and its operation]
FIG. 11 shows the configuration of a part of the image processing apparatus provided in the controller of the processing apparatus of the present embodiment, and shows the configuration of the image synthesis unit that performs the above-described synthesis process. This image composition unit is controlled by a control unit (not shown). FIG. 12 is a flowchart showing the operation of the image composition unit in FIG.
[0061]
When image composition starts, image data is read from the television camera of the interferometer into the photographed image memory 100 (S10). In the present embodiment, a captured
[0062]
Next, in the data processing unit, the processing image counter indicating the number of the processing target image and the pixel counter indicating the number of the processing target pixel are cleared to 0 (S12). Then, the first image is loaded as a basic image into the main memory 106 (S14), and the second image is loaded as a comparison image into the comparison memory 108 (S16). Both
[0063]
If the determination in S20 is YES, the pixel data replacement process described in FIG. 9 is performed (S22). Here, the absolute value bp of the difference between the brightness intensity IB acquired in S18 and the average value IR of the tool shadow brightness intensity is obtained. Also, the brightness intensity IA of the pixel data of the
[0064]
Next, with reference to the number of the pixel counter, it is determined whether or not comparison processing has been performed for all the pixels of the comparison image in the comparison memory 108 (S24). If S24 is NO, the pixel counter is incremented by 1 (S26), and the process returns to S18. As a result, the same processing is performed for the pixel with the next pixel number.
[0065]
On the other hand, if NO is determined in S20, the process proceeds to S28. In S28, as in S24, it is determined whether or not the comparison process for all pixels has been completed. If NO, the pixel counter is incremented by 1 (S30), and the process returns to S18. Thus, in this embodiment, pixel data is not replaced if the brightness intensity of the pixel of the comparative image is included in the standard shadow intensity range.
[0066]
If the determination in S24 or S28 is YES, the processing of one frame of the comparative image has been completed. Therefore, in S32, it is determined whether or not the necessary number of images has been combined with reference to the processed image counter. In the present embodiment, the required number of sheets is set to 90 sheets. Since 30 frames of images can be taken per second, 90 images are taken in 3 seconds. If S32 is NO, the processing image counter is incremented by 1 (S34), and the process returns to S16. Therefore, the next image is loaded from the captured
[0067]
If the determination in S32 is YES, the processing of all 90 images has been completed. Therefore, the composite image is displayed on the display (S36). After the display, the process returns to S10 to process the next composite image. FIG. 13 shows a composite image obtained from 90 photographed images as described above. As shown in FIG. 13, an image of interference fringes continuous over the entire trimming range is obtained.
[0068]
The composite image is sent to the
[0069]
[System configuration of processing equipment]
FIG. 15 shows the overall configuration of the lapping apparatus of this embodiment. As described above, the lapping
[0070]
The
[0071]
The lap liquid
[0072]
The
[0073]
Further, a
[0074]
In the system of FIG. 15, the
[0075]
The
[0076]
Here, the lap
[0077]
The measuring
[0078]
[Composition process (2)]
In the synthesis process described above, the average value IR of the brightness intensity of the tool shadow image is used. Only one average value IR is set in the entire area of the optical interference image. That is, a single average value IR was always used. However, in practice, the brightness intensity of the tool shadow image is different in each part of the lapping machine. In order to prevent an unnatural composite image from being generated, the standard shadow intensity range has been introduced into the composition processing by improving the composition processing.
[0079]
On the other hand, in the second synthesis process, the single average value IR and the standard shadow intensity range are not used. Instead, for each part of the image, the brightness intensity when the tool shadow appears is measured in advance. The measured brightness intensity of each part is stored together with the measurement position (position in the image) as the reference tool shadow intensity.
[0080]
The image composition process is performed as follows. When processing a certain pixel, the brightness intensity of the pixel is acquired from the basic image and the comparison image. Further, the reference tool shadow intensity corresponding to the position of the pixel is acquired from the stored information. The above-described synthesis process is performed using these data. A standard shadow intensity range is not required. Therefore, the steps S20, S28, and S30 are excluded from the processing of FIG.
[0081]
According to the second synthesis process, a process based on the individual reference tool shadow intensity is performed at each part of the image, so that a more accurate synthesized interference image can be obtained.
[0082]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, surface shape such as flatness can be measured during processing. Therefore, reliable processing is possible with high reliability. Furthermore, it is preferable to feed back the measurement results to the processing conditions of the processing apparatus and automatically adjust the processing conditions. As a result, it is possible to perform high-accuracy machining semi-automatically or automatically by correcting conditions corresponding to variations in skill level of machine operators and environmental conditions.
[0083]
In particular, according to the present invention, as described above, interference fringes that are continuous over a wide range obtained by stitching the fringe images of the measurement window portion can be obtained. Since a sufficiently wide range of interference fringes can be obtained, the surface shape using the interference fringes can be calculated easily and reliably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a lapping apparatus with a measuring device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory photograph of a halftone image showing an example of an interference image obtained by using the interferometer of the apparatus of FIG.
3 is a diagram showing brightness intensity along a central horizontal line of the interference image in FIG. 2; FIG.
4 is an explanatory photograph of a halftone image showing an interference image when a measurement window of a lapping machine is at a position different from that in FIG. 2. FIG.
5 is a diagram showing brightness intensity along a central horizontal line of the interference image of FIG. 4;
6 is a view obtained by superimposing FIGS. 3 and 5. FIG.
7 is an explanatory photograph of a halftone image showing a combined interference image obtained by combining the images of FIGS. 2 and 4. FIG.
8 is a diagram showing brightness intensity along a central horizontal line of the interference image of FIG.
FIG. 9 is a diagram illustrating a synthesis process of a plurality of interference images.
FIG. 10 is a plan view of a lapping machine, showing an arrangement example of measurement windows necessary for obtaining the interference fringes of the entire workpiece using the process of FIG. 5, and showing the arrangement when the number of windows is reduced.
11 is a diagram illustrating a configuration of an image processing apparatus that performs the composition processing of FIG. 9;
12 is a flowchart showing an operation of the image processing apparatus of FIG.
13 is an explanatory photograph of a halftone image showing a final composite image obtained by the processing of FIG.
14 is an explanatory photograph of a halftone image showing an image obtained by binarizing the image of FIG.
15 is a block diagram of the overall configuration of the lapping machine of FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (8)
加工工具を貫通して設けられた測定窓と、
加工工具を挟んで被加工物と反対側から加工工具に向けて測定光を照射して、前記測定窓を含む範囲の光干渉画像であって、それぞれ被加工物と測定窓の位置関係が異なる複数の光干渉画像を取得する干渉画像生成手段と、
前記複数の光干渉画像の測定窓部分で得られる被加工物の縞画像を合成して、所定計測範囲で干渉縞が連続する合成干渉縞画像を生成する画像処理手段と、
を含み、この画像処理手段は、光干渉画像中の工具部分たる工具影の光学的強度の基準の大きさである基準工具影強度に基づいて、光干渉画像から工具影を排除して前記合成干渉縞画像を生成することを特徴とする光干渉式測定装置。An optical interference measurement device that performs optical interference measurement of a workpiece that is held by a processing device and processed by a processing tool,
A measurement window provided through the machining tool;
Irradiation of measurement light toward the processing tool from the opposite side of the workpiece with the processing tool in between, and a light interference image in a range including the measurement window, each of which has a different positional relationship between the workpiece and the measurement window Interference image generating means for acquiring a plurality of optical interference images;
Image processing means for synthesizing the fringe images of the workpiece obtained at the measurement window portions of the plurality of optical interference images and generating a synthetic interference fringe image in which the interference fringes are continuous in a predetermined measurement range;
The image processing means excludes the tool shadow from the optical interference image based on the reference tool shadow intensity which is a reference magnitude of the optical intensity of the tool shadow as the tool portion in the optical interference image, and performs the synthesis. An optical interference measurement apparatus that generates an interference fringe image.
前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からずれた光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用することを特徴とする光干渉式測定装置。The measuring apparatus according to claim 1,
The image processing means uses an image element having an optical intensity deviated from the reference tool shadow intensity as an image element constituting the composite interference fringe image among image elements of the same part of the plurality of optical interference images. An optical interferometric measuring device characterized by being adopted.
前記画像処理手段は、前記複数の光干渉画像の同一部分の画像要素のうちで、前記基準工具影強度からの隔たりが最も大きい光学的強度をもつ画像要素を、前記合成干渉縞画像を構成する画像要素として採用することを特徴とする光干渉式測定装置。The measuring apparatus according to claim 1,
The image processing means configures the composite interference fringe image with an image element having an optical intensity having the largest distance from the reference tool shadow intensity among image elements of the same part of the plurality of optical interference images. An optical interferometric measuring apparatus that is employed as an image element.
前記基準工具影強度は光干渉画像の全体で一定に設定されており、
標準影強度範囲として、工具影の光学的強度のとり得る値の標準的な範囲が設定されており、
前記画像処理手段は、複数の光干渉画像の同一部分の画像要素がいずれも前記標準影強度範囲に含まれる場合には、複数の光干渉画像のうちの一の基本画像の画像要素を、前記合成干渉画像を構成する画像要素として採用することを特徴とする光干渉式測定装置。In the measuring apparatus in any one of Claim 2 or 3,
The reference tool shadow intensity is set constant throughout the optical interference image,
As the standard shadow intensity range, the standard range of possible values of the optical intensity of the tool shadow is set.
The image processing means, when all image elements of the same part of a plurality of light interference images are included in the standard shadow intensity range, the image element of one basic image of the plurality of light interference images, An optical interference type measuring apparatus, which is employed as an image element constituting a composite interference image.
前記基準工具影強度は光干渉画像の各部分で個別に設定されており、光干渉画像の各部分の画像要素を前記合成干渉画像用に採用するか否かの判断は、その画像要素に対応する基準工具影強度に基づいて行われることを特徴とする光干渉式測定装置。In the measuring apparatus in any one of Claim 2 or 3,
The reference tool shadow intensity is individually set for each part of the optical interference image, and whether or not the image element of each part of the optical interference image is used for the composite interference image corresponds to the image element. An optical interferometric measuring apparatus, which is performed based on a reference tool shadow intensity.
前記基準工具影強度は、予め計測によって求められた値であることを特徴とする光干渉式測定装置。In the measuring apparatus in any one of Claims 1-5,
The optical interference type measuring apparatus, wherein the reference tool shadow intensity is a value obtained by measurement in advance.
前記画像処理手段は、前記合成干渉縞画像を2値化し、2値化画像に基づいて被加工物の表面形状を算出することを特徴とする光干渉式測定装置。In the measuring apparatus in any one of Claims 1-6,
The image processing means binarizes the combined interference fringe image and calculates the surface shape of the workpiece based on the binarized image.
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