JPH03264804A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く本発明の産業上の利用分野〉 本発明は、被測定物表面に光ビームを照射してその照射
点からの光を受光することにより照射点の変位を検出す
る光変位センサを用いた表面形状測定装置に関する。

〈従来技術〉 物品の表面の形状を測定する装置として、被測定物表面
に直接接触して傷を付ける心配のない非接触式の＠置が
用いられている。

第１０図はこのような非接触式の表面形状測定装置の構
成を示す図である。

第１０図において、１は第１の基台、２は第１の基台１
上を矢印Ｙ方向に移動可能なＹステージ、３はＹステー
ジ２の移動量を検出するＹ移動量検出器、４はＹステー
ジ２を移動するための駆動装置である。

５はＹステージ２上を矢印Ｘ方向に移動可能なＸステー
ジ、６はＸステージ５の移動量を検出するＸ移動量検出
器、７はＸステージ５を移動するための駆動＠置である
。

８は第１の基台１上に立設された第２の基台であり、第
１の基台１と直交する面８ａには、矢印Ｚ方向に移動可
能なＺステージ９が設けられている。

１０は２ステージ９の移動量を検出する２移動量検出器
、１１は２ステージ９を移動するための駆動装置である
。

このＺステージ９には光変位センサ２０が取付けられて
いる。

この光変位センサ２０はＸステージ５上に載置された被
測定物Ｗの表面Ｗａに光ビームを照射し、［４点からの
反射光または散乱光を受光することにより被測定物Ｗを
Ｘ方向およびＹ方向に移動させたときの照射点の変位を
検出する。

第１１図はこの光変位センサ２０の変位検出の原理を示
す図である。

光源２１から放射された光ビームは投光レンズ２２で絞
られて光変位センサ２０の端面２０ａから所定Ｄ　１１
　Ｊ！　ｏの被測定物表面に照射され、基準位置Ｐで照
射点をつくる。

この照射点から反射または散乱した光ビームは結像レン
ズ２３で集光され、光検出素子２４上の位ｆｌｆＫに照
射点の像をつくる。

この像は被測定物が上下に移動すると光検出素子２４上
を移動し、この移動量に対応した変位信号が光検出素子
２４から出力される。

即ち、光ビームの照射点位置が基準位ｆｌｆＰよりΔｌ
だけ高い位ＭＱにあるときはこの変位距離（＋ΔＪりに
対応した信号を出力し、照射点位置が基準位１１Ｐより
Δｌだけ低い位ＭＲにあるときはこの変位距ＩＩ（−Δ
ｌ）に対応した信号を出力する。

したがって、光変位センサ２０の変位出力がゼロとなる
ある位置を、Ｙステージ２、Ｘステージ５および２ステ
ージ９の原点座標に設定すれば、被測定物の表面Ｗａの
照射点の座標位置を各移動量検出Ｈ３，６，１０および
光変位センサ２０の変位出力から求めることができる。

なお、光変位センサ２０の測定可能な距離範囲には限度
があるため、光変位センサ２０と被測定物表面との距離
が常に所定の範囲にあるように２ステージ９の移動制御
がなされている。

このように構成された表面形状測定＠置で、例えばＸス
テージ５を移動すれば、照射点は第１０図に点線で示し
たように移動して、その測定ルートの高さ変位を座標デ
ータとしてをることができ、Ｙステージ２を優かに移動
して前記同様の測定を行なえば被測定物表面の全面の形
状データを得ることができる。

〈解決すべき課題〉 しかしながら、＃記のような従来の表面形状測定８１Ｆ
で起伏のあるあるいはＸステージ５に対して傾斜角を有
する測定表面を測定しようとすると、＃斜角が増すにつ
れて測定精度が低下し、さらに傾斜角を増すと、測定表
面に照射された光ビームの反射光が光変位センサ２０に
有効に戻らず変位測定ができなくなってしまう。

このため、比較的平坦度の高い表面しか測定できないと
いう大きな制限があった。

本発明はこの課題を解決した表面形状測定ｖＲＭを提供
することを目的としている。

く課題を解決するための手段〉 前記課題を解決するために、本発明の表面形状測定装置
は、 所・定の測定座標空間に置かれた被測定物の表面に光ビ
ームを照刺し、この照射点からの光を受光するように一
体に形成され、照射点の変位を受光位置によって検出す
る光変位センサと、光変位センサと被測定物との距離を
座標空間の所定座標軸に沿った方向で可変づる第１の移
動手段と、 光変位センサと被測定物との相対位置を所定座標軸に直
交する方向に沿って可変する第２の移動手段と、 光変位センサからの変位出力が常にほぼ所定値となるよ
うに第１の移動手段を制御する自動制御手段と、 光変位センサからの変位出力が前記所定値となる照射点
の基準位置を通り、所定座標軸と直交する他の座標軸に
平行な線を回転軸として、光変位センサを回転させる回
転機構とを備えている。

また、この光変位センサの回転軸を、所定座標軸に平行
で基準位置を通る第２の回転軸で回転させる第２の回転
機構を備えている。

く作用〉 したがって、照射点の位置を変化させない状態で被測定
物の表面の傾斜に応じて光変位センサを回転することが
できる。

〈本発明の実施例〉（第１〜６図） 以下、図面に基づいて本発明の一実施例を説明する。

第１図は本発明の一実施例の表面形状測定＠置のＩ！構
部を示す図であり、前述した第１０図の従来装置と同一
構成のものには同一図番を付して説明を省略する。

この表面形状測定＠置は、第１の基台１上に設けられた
第２の移動手段としてのＸステージ５の上に被測定物を
載置して、Ｘステージ５を移動しながら被測定物表面の
Ｚ軸方向の高さを検出するように形成された２次元測定
用のものである。

この＠置の第１の移動手段であるＺステージ９上には、
Ｚステージ９の面に直交する回転軸を有するθステージ
２５が固定されている。なお、２６はθステージ２５の
回転角を検出する角度検出器、２７はθステージ２５を
回転駆動するための駆動装置である。

θステージ２５上には、回転軸に沿った方向に延びた１
字状のアーム２８が固定されており、アーム２８の先端
には光変位センサ２０が取付けられている。

光変位センサ２０は、第２図に示すようにθステージ２
５の回転軸の延長線Ｃと前述した変位出力がゼロとなる
照射点の基準位ＭＰ（端面２０ａから距離１ａの位置）
とが交わるように予めその取付位置が決定されている。

第３図は、この表面形状測定装置の測定１１ｉＩＩＩＨ
Ｉ部の＠戊を示すブロック図である。

第３図において、３０はコンピュータ等により構成され
、予め作成された測定プログラムあるいは手動操作によ
りステージ移動制御を行ない、光変位センサ２０や各検
出器の出力から照射点の座標や測定ルートに沿った測定
表面の傾き等を算出する演舞処理手段である。

なお、Ｘステージ５の移動制御は光変位センサ２０の基
準位置に対して設定されており、第４図に示すように光
変位センサ２０の投受光面がＺ軸に対してθだけ傾き、
そのときの変位出力がΔノの場合、基準位＠ＰのＸ座標
に対して照射点のＸ座標はΔ７　　ｓｉｎθだけずれる
ことになる。また、このように傾いた状態で測定された
照射点のＺ方向の変位はΔ、ｒ　　ｃｏｓθとなり、こ
の回転による座標補正は２１ｊ￥ｆｉ９８理手段３０で
行なわれる。

３１は演算処理手段３０からのｆｆ１ｌＪ　ＩＩ！信号
を受けて各ステージを制御するステージｆｆ！ｌｌｌｌ
１１手段、３２．３３はステージ制御手段３１からの信
号をそれぞれＸステージ５、θステージ２５の駆動ＷＡ
Ｍ７．２７に伝達する駆動回路である。

３４は、光変位センサ２０からの変位出力を受けて、こ
の変位出力Δノがほぼゼロに近づくようにＺステージ９
を移動させるオートフォーカス回路、３５はオートフォ
ーカス回路３４からの信号をＺステージ９の駆動装！’
１１に伝達する駆動回路である。

次にこの表面形状測定＠置の測定手順について説明する
。

第５図は測定制御部の演算５１！Ｌ理手段３０の処理手
順を示しており、オートフォーカス回路３４はこの処理
手順に無関係に常時作動しているものとする。

予め設定された′ｌＩＪ定ルートを所定のピッチ（ΔＸ
）でＸ＝Ｘｏからｍ定するプログラムが光変位センサ２
０の回転角θ＝０（ｆｆｉ受光面が２軸に平行）の状態
でスタートする（ステップ１ン。

このとき、光変位センサ２０からの光ビームは、被測定
物ＷをＹ方向からみた１１６図の＜ａ）に示すように被
測定物Ｗの表面Ｗａの点Ｐａに照射され、その変位出力
はΔｌｏとなっている。

始めに、点Ｐｏの座１（Ｘｏ、Ｚｏ）が次式％式％ で算出される。ただしこの場合θ＝０であるため、Ｘｏ
　−Ｘｏ　、Ｚｏ　＝Ｚｏ＋ΔＪ’ｏとなる（ステップ
２）。

この算出結果は照射点の座標データとして記憶され、Ｘ
ステージ５がオートフォーカス状態でΔＸだけ移動され
る（ステップ３．４）。

したがって、光変位センサ２０のビームは第６図の（ｂ
）に示すように点Ｐ１に照射されることになり、この点
Ｐ１の座標（Ｘｓ　、ｚｔ　）は、光変位センサ２０の
変位出力Δノ３、Ｘ移動量Δ×およびＺ移動量Δｚ２か
ら Ｘｊ　＝＝ｘＯ＋ΔＸ−ΔＪ！ｓ　　ｓｉｎθ、ｚ、＝
ｚ６＋ΔＺ】＋Δノｊ　　ＣＯ３θとして得られ（ただ
しこの場合θ＝○）、記憶される（ステップ５．６ン。

次に点ＰａとＰｌとを結ぶｌ　Ｌ　ｒの角度θ］がθ１
　＝　　ｔａｎ（（（Ｚｔ　−ｚｏ　）／　（Ｘｔ　−
ＸＱ　）　）で求められ、θステージ２５による光変位
センサ２０の回転角がθ＝θｊとなる位置まで回転され
る（ステップ７）。

第６図の（Ｃ）は、ざらにΔＸだ＃ナステージが移動し
て点Ｐ２に光ビームが照射された状態を示しており、回
転角θ１でビーム光を照射していた光変位センサ２０の
回転角は、点Ｐ１と点Ｐ２を結ぶｌＩＬ　２の傾側角θ
２と等しくなるように回転して、次の測定に備える。

以下、同様に光変位センサ２ＯＳ測定表面に応じて回転
しながらステージのＸＳ標が所定ＩＸｅに達するまでΔ
Ｘステップでの形状測定が行なわれることになる（ステ
ップ８）。

く本発明の他の実施例〉 なお、前記実施例では、θステージ２５の回転軸と、光
変位センサ２０の変位出力がゼロとなる基準位置とが正
確に交わる場合について説明したが、光変位センサ２０
の取付状態によって第７図に示すように、θステージ２
５の回転中心Ｃと、光変位センサ２０の基準位置とが僅
かにずれる場合も考えられる。

このような壜台は、予めθステージ２５の回転角度毎の
回転中心に対する基準位置の位置ずれ量（Ｘ（θ）、２
（θ））をゲージ等によって求め、これを補正データと
してメモリ回路に記憶しておき、各移動量検出器からの
ステージ座標をこの補正データで補正し、さらに前述の
変位出力による座標補正を行なうようにすればよい。

また、前記実施例は、Ｘステージ５のみを移動する２次
元測定用の装置に本発明を適用した場合でＩｈ−）たが
、第８図に示すように１１の基台１′上に第２の移動手
段としてＹステージ２を加えるとともに、光変位センサ
２０のθステージ２５による回転軸を、基準位置を通り
Ｚ軸に平行な第２の回転軸で回転させる第２の回転機構
を有する３次元測定用の表面形状測定装置に拡張するこ
とができる。

この＠置では、光変位センサ２０の基準位置を通りＺ軸
に直行する回転軸Ｃ１で光変位センサ２０を回転させる
θステージ２５を、第２の回転機構、即ち基準位置を通
りＺ軸に平行な第２の回転軸Ｃ２を有し２ステージ９（
第２の基台８−に取付けられた）上に固定されたαステ
ージ４０によって回転させるようにｌｌＩ威している。

また、光変位センサ２０のθステージ２５に対する取付
は部分に、光変位センサ２０を、その変位検出方向に平
行で基準位置を通る回転軸で回転させるβステージ４５
が備えられている。

したがって、光変位センサ２０は、第９図の（ａ）に示
すように基準位置Ｐを中心にして、α方向およびα方向
に任意に回転することができ、しかも第９図の（ｂ）に
示すようにβステージ４５によって投受光面を任意の角
度に設定することができる。

このため、第８図で点線で示すようなねじれを含む任意
の測定ルートに対して、光変位センサを常に最適な向き
にして測定表面の変位を測定することができる。なお、
第８図において４Ｌ　４６は角度検出器、４２．４７は
回転駆動＠置、４８．４９は回転アームである。

また前記実施例では、照射点からの反射光を受光して変
位を検出する光変位センサを用いていたが、照射点から
の散乱光のみを受光することによりその照射点の位置変
化を検出する光変位センサを用いてもよい。

く本発明の効果〉 本発明の表面形状測定装置は、前記説明のように光変位
センサの出力が常にほぼ所定値となるように自動制御さ
れ、その照射点をほぼ中心に光変位センサを回転できる
ように構成されているため、急な傾斜面の有する被測定
物の表面形状でも高精度な測定ができ、被測定物を選ば
ないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は一実
施例要部の位ａｒｍ係を説明するための概略図、第３図
は一実施例の剥ＷＪ部の構成を示すブロック図である。 第４図はステージ層積と照射点座標の関係を示す図、第
５図は一実施例の制御手順を示すフローチャート図、第
６図は一実施例の動作を説明するための要部概略図であ
る。 第７図は、他の実施例を説明するための概略図、第８図
は本発明の他の実施例の１１成を示す斜視図、第９図は
第８図の実施例の要部の動作を示す図である。 第１０図は従来装置の４ｐＩ戒を示す斜視図、第１１図
は従来装置の要部の測定原理を説明するための図である
。 ２・・・・・・Ｙステージ、３・・・・・・Ｙ移動量検
出器、５・・・・・・Ｘステージ、６・・・・・・Ｘ移
動量検出器、９・旧・・Ｚステージ、１０・・・・・・
Ｚ移動量検出器、２０・・・・・・光変位センサ、２５
・・・・・・θステージ、２６・・・・・・角度検出器
、４０・・・・・・αステージ。 第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の測定座標空間に置かれた被測定物の表面に
   光ビームを照射し、該照射点からの光を受光するように
   一体に形成され、前記照射点の変位を受光位置によつて
   検出する光変位センサと、前記光変位センサと被測定物
   との距離を前記座標空間の所定座標軸に沿った方向で可
   変する第１の移動手段と、 前記光変位センサと被測定物との相対位置を前記所定座
   標軸に直交する方向に沿つて可変する第２の移動手段と
   、 前記光変位センサからの変位出力が常にほぼ所定値とな
   るように前記第１の移動手段を制御する自動制御手段と
   、 前記光変位センサからの変位出力が前記所定値となる照
   射点の基準位置を通り、前記所定座標軸と直交する他の
   座標軸に平行な線を回転軸として、前記光変位センサを
   回転させる回転機構とを備え、被測定物の表面の傾斜に
   対応した回転角で前記光変位センサを回転しながら照射
   点の所定座標軸方向の位置変位を測定することを特徴と
   する表面形状測定装置。
2. （２）前記回転機構による前記光変位センサの回転軸を
   、前記基準位置を通り前記所定座標軸に平行な第２の回
   転軸により回転させる第２の回転機構を備えた第１項記
   載の表面形状測定装置。