JPH11132752A - 3次元形状測定装置 - Google Patents
3次元形状測定装置Info
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- JPH11132752A JPH11132752A JP31633897A JP31633897A JPH11132752A JP H11132752 A JPH11132752 A JP H11132752A JP 31633897 A JP31633897 A JP 31633897A JP 31633897 A JP31633897 A JP 31633897A JP H11132752 A JPH11132752 A JP H11132752A
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Abstract
ても高精度に測定することができる3次元形状測定装置
を得ること。 【解決手段】 測定物の回転対称軸と一致したθ回転ス
テージと、該回転対称軸に直交して該測定物の半径方向
に光学ヘッドと該測定物とを相対移動するR移動ステー
ジと、該光学ヘッドと該測定物とを回転対称軸方向に相
対移動するZ移動ステージの3軸方向の可動ステージを
有し、該光学ヘッドからの光プローブで該測定物の表面
を走査しており、該光学ヘッドを少なくとも対物部にお
いてその光軸が前記回転対称軸に対して該光学ヘッド内
の対物レンズの半開角よりも小さい角度傾斜する様配置
して3次元形状情報を得ていること。
Description
置に関し、例えば、カメラ、ビデオ、半導体素子製造装
置などに用いられる比較的大口径のレンズ、ミラー、金
型などの滑らかに連続した面形状のうち通常の干渉計で
は測定困難な、非球面形状を高精度に計測するのに好適
なものである。
する3次元形状測定装置が種々と提案されている。図5
は特公平2−11084号公報で提案されている3次元
形状測定装置の要部概略図、図6は図5の一部分の説明
図である。
レーザー601から射出された偏光方位が直交するわず
かに周波数の異なる2つの光をf1,f2とすると、こ
れらの光はビームスプリッタ603にて一部が光検出器
604に導かれ、参照ビート信号が検出される。ビーム
スプリッタ603を通過した光は第1の偏光ビームスプ
リッタ605に入射し、一方の光f2は上方に反射し、
レンズで集光されて固定ミラー607で反射してレン
ズ、偏光ビームスプリッタ605を介して光検出器60
8に達する。
5を直進してハーフミラーHMを介して対物レンズ61
3を透して、ワーク(測定物)609の表面に入射し、
該表面で反射して元の光路を戻り、第1の偏光ビームス
プリッタ605にまで戻り、そこで反射して光検出器6
08上に達し、前記光f2と干渉して測定ビート信号が
検出される。
信号と、光検出器608で得られる測定ビート信号の周
波数差δfを積分すれば、光f1と光f2の光路長変化
が測定される。即ちワーク(非測定物)609の光軸方
向の変位(形状)が測定される。
609の表面に対し常に光が集光状態で当たらなけれ
ば、前記測定ビート信号は検出できないため、同装置で
はワーク609からの反射光の一部をハーフミラーHM
を介して光検出器611,612に導き、対物レンズ6
13の光軸方向(Z)位置と、光軸直交方向(X)位置
にサーボをかけて、常にワーク609の法線方向から光
を入射させ、かつワーク609の表面で集光状態を保つ
ように工夫されている。
段623で、その回転対称軸まわりに回転(θ)させる
と共に、半径(X)方向にワーク609を移動させるこ
とにより、光の当たる位置を円筒座標系(X−θ―Z
系)に於いて走査して、ワーク609の全面形状を測定
している。
をX,Y面内で角度βだけ傾け、対物レンズ613の全
開角を用いて測定することで、大きな面傾斜を有するワ
ークの測定を可能としている。
示す測定装置においてはワーク回転ステージの回転誤
差、ワーク半径方向移動ステージの位置読み取り誤差な
どがワーク609の面形状測定誤差になるため、測定精
度限界が機械的な運動精度に支配されるという問題があ
った。
動軸に対して傾斜させることにより大傾斜角を測定する
実施例において、 (ア-1) 重力が斜めにかかるため、ワークの支持変形が大
きくなる (ア-2) 装置に占めるワークの空間が大きく装置サイズが
大きくなる (ア-3) 回転ステージの運動精度を測定、補正する系を付
加する場合、回転ステージが半径方向移動を伴うため、
外部基準からの測定が困難になる (ア-4) ワークの着脱を自動化するのが困難 などの問題点があった。
ージ軸、そしてZ移動ステージ軸の3軸の可動軸を含む
R−θ−Zステージに装着光学ヘッドからの光プローブ
で測定物の面をR−θ−Z座標系において光走査測定す
るとき、光プローブの光軸をR−Z平面内において、そ
の対物レンズの半開角よりも小さい角度で傾斜させて取
り付けることにより、大傾斜面の測定物の3次元形状を
高精度に求めることができる3次元形状測定装置の提供
を目的とする。
装置は、 (1-1) 光学ヘッドからの光プローブを回転対称な形状を
有する測定物に照射し、該測定物からの反射光を検出し
て該測定物の3次元形状情報を得る3次元形状測定装置
において、該測定物の回転対称軸と一致したθ回転ステ
ージと、該回転対称軸に直交して該測定物の半径方向に
該光学ヘッドと該測定物とを相対移動するR移動ステー
ジと、該光学ヘッドと該測定物とを回転対称軸方向に相
対移動するZ移動ステージの3軸方向の可動ステージを
有し、該3軸方向の可動ステージによりR−θ−Zの円
筒座標系において該光学ヘッドからの光プローブで該測
定物の表面を走査しており、該光学ヘッドを少なくとも
対物部においてその光軸が前記回転対称軸に対して該光
学ヘッド内の対物レンズの半開角よりも小さい角度傾斜
する様配置していることを特徴としている。
から計測し、補正する計測補正手段を有していること。
軸は前記Z移動ステージ軸に対して傾斜していること。
ステージ軸に対して傾斜していること。等を特徴として
いる。
物に照射し、該測定物からの反射光を検出して該測定物
の3次元形状情報を得る3次元形状測定装置において、
前記測定物を前記光プローブに対して相対回転させるθ
回転ステージと、該θ回転ステージの相対回転の径方向
に前記光学ヘッドと前記測定物とを相対移動するR移動
ステージと、前記光学ヘッドと前記測定物とを前記θ回
転ステージの相対回転軸方向に相対移動するZ位相ステ
ージの3軸方向の可動ステージを有し、該3軸方向の可
動ステージによりR−θ−Zの円筒座標径において該光
学ヘッドからの光プローブで該測定物の表面を走査して
おり、該光学ヘッドをその光軸が前記相対回転軸に対し
て前記光学ヘッド内の対物レンズの半開角よりも小さい
角度傾斜するよう配置していることを特徴としている。
の反射光を検出して該測定物の形状情報を得るための光
学ヘッドと、該光学ヘッドと前記測定物とを相対回転さ
せると共に該相対回転の径方向及び回転軸方向に夫々前
記光学ヘッドと前記測定物とを相対変位させるためのス
テージ系とを有し、該ステージ系による相対回転及び相
対移動によって前記測定物を光学ヘッドで光走査する構
成とすると共に、前記光学ヘッドを少なくとも対物部に
おいてその光軸が前記回転軸に対して前記光学ヘッド内
の対物レンズの半開角よりも小さい角度傾斜するよう配
置していることを特徴としている。
概略図である。図2は図1の測定光学ヘッド(光学ヘッ
ド)と、その周辺部の要部概略図である。図3は図2の
一部分の拡大説明図である。まず図1を用いて本発明の
装置全体の機械的構成について説明する。
っている。2はAOM周波数シフター、3は偏波面保存
光ファイバー、7は測定光学ヘッドで図2に示す構成よ
り成っている。8は被測定ワーク(測定物)、101は
ベース定盤、102はコラム、103はR移動ステー
ジ、104はZ移動ステージ(Zステージ)、105は
リングミラー、106はθ回転ステージ(θ移動ステー
ジ)、107a,107bはボールねじ、108a,1
08bはR,Zステージ駆動モーター、108cはθ回
転ステージ駆動モーター、109は計測基準フレーム、
201はレーザー測長器ヘッド、202a〜202gは
レーザー測長用の干渉計、203はレーザー測長器用の
光ファイバー、204,205は位置測定用の基準平面
ミラー、206a,206bは集光用レンズ、207は
θ回転位置測定用のエンコーダである。
したとき、測定光学ヘッド7はR移動ステージ103上
に配置されたZ移動ステージ104上に配置されてお
り、測定光軸がZ軸に一致している。被測定ワーク8は
リングミラー105と共に、θ回転ステージ106上に
載置されている。
テージ104の移動ステージの位置はレーザー測長器ヘ
ッド201から射出した光を、光ファイバー203に
て、レーザー測長器用の干渉計(測長器)202a,
b,c等に導くことにより、それぞれ位置測定用のR基
準ミラー204,Z基準ミラー205との相対位置が精
密に測定される。
5は計測基準フレーム109上に載置されている。この
計測基準フレーム109は低熱膨張で十分な剛性を持っ
た門型をしており、一方の端をベース定盤101に固定
し、他端を水平方向に自由、垂直方向に拘束して取り付
ける。従って、本体に移動ステージの荷重移動に伴う変
形や、熱膨張による変形があっても、計測基準フレーム
109に変形が及ばないようになっている。
テージ上に載置されたリングミラー105の上面をレー
ザ測長器202d,202eにて監視し、リングミラー
105の外周面をレーザー測長器202f,202gで
監視している。
るから、レーザー光は集光レンズ(不図示)にて集光さ
れてリングミラー105の外周に当たるように調整され
ている。
移動ステージ軸を含む面内に配置され、移動ステージの
姿勢誤差に伴う誤差が小さくなるようにしてある。また
同じ理由で、Z軸測定用の測長器光は光プローブヘッド
の光軸と一致するように配置されている。また、これら
の移動ステージはボールねじ107a,bやステージ駆
動モーター108a,bの作用により、自在に移動可能
となっている。
ワーク8の表面位置は、基本的にはエンコーダ(ロータ
リーエンコーダ)207により回転角θ、干渉計202
a,202bにて半径方向R、干渉計202cにてZ方
向が計測され、補助的に干渉計202d,202eによ
りθ回転ステージ106のスラスト誤差、干渉計202
f,202gによりθ回転ステージ106のラジアル誤
差を補正する。これらのデータは、例えばエンコーダ2
07の取込タイミングで全てのデータをラッチし、同時
刻のデータが取り込み可能となっている。
と、被測定ワーク8の相対位置関係は、このR−θ−Z
円筒座標系において任意に変化可能となっており、かつ
その位置関係が移動ステージの精度に関わりなく、精密
に測定可能となっている。
ッド7と、その周辺部の構成と動作を説明する。
ーザーヘッド、2は入射した光を僅かに周波数の異なる
2周波光に変換するAOM周波数シフター、3は偏波面
保存光ファイバー、4はAOMドライバー、5は位相
計、6はサーボドライバー、7は測定光学ヘッド、8は
ワーク、9はエンコーダアンプ、11はコンピュータ、
701はビームエキスパンダ、702は偏光ビームスプ
リッタ、703a,703bはλ/4板、704は参照
平面、705は対物レンズ、706は偏光板、707は
シリンドリカルレンズ等の変倍光学素子、708はアレ
イセンサ、709はマルチプレクサ、710はプリズ
ム、711は偏光板、712は参照信号である。
光は、AOMシフター2の作用で偏光方位が直交する2
つの僅かに周波数が異なる光に変換され、偏波面保存光
ファイバー3の入射面3aより入射し、ファイバー線を
伝送して測定光学ヘッド7へ導かれ、末端部(射出部)
3bより偏光方位を維持した状態で2周波光を射出す
る。光ファイバー3の射出部3bから射出された光は、
ハーフミラーHMによってその一部の光を参照信号とす
るために取り出し、偏光板711を通して干渉させ、ビ
ート信号を参照信号センサ(センサ)712で検出す
る。
ームエキスパンダ701でビーム径を拡大した状態で偏
光ビームスプリッタ702に入射し、2周波光のうち一
方の光は反射されてλ/4板703aを介して参照平面
704側へ、もう一方の光は透過してワーク8側へ進
む。
03aで円偏光に変換されて参照平面704で正反射さ
れ、再びλ/4板703aを通って直線偏光に変換され
て偏光ビームスプリッタ702に戻るが、偏光方位が9
0°回転しているために、今度は偏光ビームスプリッタ
702を透過して光検出器708側へ進む。
で光軸を所定角度傾斜させ、参照側と同様にλ/4板7
03bで円偏光に変換されて対物レンズ705で収斂光
となってワーク8表面で焦点を結び、所謂Cat's eye 反
射されて元の光路を戻り、順に対物レンズ705、λ/
4板703b、プリズム710と戻り、直線偏光に変換
されて光ビームスプリッタ702に戻るが、偏光方位が
90°回転しているために、今後は反射して光検出器7
08側へ進む。
10により傾斜した光軸とレンズ軸が一致するように傾
斜させて取付調整しておくものとし、この傾斜角は対物
レンズ705の半開角よりも小さい角度となるようにし
ておく。
れぞれの光を偏光板706の作用で干渉させ、変倍光学
素子707を通して光束をアレイセンサ708上に楕円
状光束として入射させる。アレイセンサ708より2つ
の周波数の差に相当する周波数の所謂ビート信号が検出
される。
てくるのは、対物レンズ705の光軸とワーク8の面法
線が一致している場合であって、それ以外の場合、測定
光はアレイセンサ708の長手方向にずれて戻ってく
る。
所の面法線角度に応じたアレイセンサ708からの出力
を選択して、ワーク8の面傾斜が対物レンズ705の全
開角に入っているようにして、常に測定信号を得てい
る。
小さい角度となるようになっているので、傾斜のない
点、即ちワーク8の頂点から最大傾斜の点までを対物レ
ンズ705の全開角を用いて測定することが可能とな
る。
あるから、ヘッド7の位置の関数としてどのアレイセン
サ708を選択すべきかは事前に判明しており、コンピ
ュータ11からの指示によりマルチプレクサ709のア
ドレッシングを行い、ワーク8の面法線角度に応じた測
定信号をただ1つ得ている。
(以下『測定ビート信号』)と先述のセンサ712で得
られる参照信号(以下『参照ビート信号』)との位相差
を位相計5で測定すれば、参照平面104側に向かった
光とワーク8側に向かった光路長差の変化がわかるか
ら、逆に位相が一定となるように測定光学ヘッド7を光
軸方向にサーボしておき、ワーク8と測定光学ヘッド7
の相対位置をワーク半径方向に変化させながら、その移
動量を別の直交座標測定計202a,202b,202
c等で読み取れば、ワーク8の表面の3次元形状が原理
的には測定される。
定光学ヘッド7の相対位置は、装置上の円筒座標系内で
任意に移動かつ測定可能であるから、Zステージ104
を測定光学ヘッド7からの信号によりサーボしながらR
移動ステージ103をワーク半径方向に移動してゆくと
共に、ワーク8を軸回りに回転させ、その回転角度θを
エンコーダ207で検出し、エンコーダアンプ9を介し
て読み取ってゆけばワーク8の3次元形状データが同心
円状又はスパイラル状に測定できる。
渉計202d,202e,202f,202gなどの測
定データを用いて適切な補正を行うことにより、回転ス
テージ106の運動エラーや測定中の熱膨張等の誤差を
排除することができる。
よるヘッド7のZ位置情報に位相計5の出力をもとにし
たサーボエラー分を加味することで、サーボエラーが直
接誤差要因とならなくなるため、より正確な測定が可能
である。
させた場合、ワーク8が凸面の場合はワーク中心から右
半径方向に移動させれば良く、ワーク8が凹面の場合は
逆に左半径方向に移動させれば良い。
ある。本実施形態は図2に本実施形態1に比べてワーク
8のワーク軸に対するヘッド7の傾斜をヘッド7全体で
行う点が異なっているだけであり、その他の構成は基本
的に同じである。
質であるワーク軸とワーク回転軸が一致しており、かつ
半径走査方向が直交している状態で光プローブの対物レ
ンズ705の光軸がワーク軸に対して傾斜を持つという
構成は維持されている。
を傾斜させる為のプリズムが不要というメリットがあ
る。
軸、そしてZ軸の3軸の相対可動軸を有するステージ系
を用いて光学ヘッドからの光プローブで測定物の面を光
走査測定するとき、光プローブの光軸を回転対称軸ない
し回転軸に対して、その対物レンズの半開角よりも小さ
い角度で傾斜させて取り付けることにより、大傾斜面の
測定物の3次元形状を高精度に求めることができる3次
元形状測定装置を達成することができる。
プローブを用いてレンズ等の回転対称なワーク形状を測
定する場合において考えれば、ワーク回転対称軸と一致
した回転軸のワーク回転と、この回転軸に直交したワー
ク半径方向への光プローブヘッドとワークの相対移動
と、光プローブヘッドとワークのワーク軸方向への相対
移動の少なくとも3軸の回転・変位によりワーク表面を
R−θ−Zの円筒座標系において走査測定するように装
置を構成し、加えて光プローブヘッド光軸を回転対称軸
ないし回転軸に対してその対物レンズの半開角より小さ
い角度傾斜させて取り付けることにより、次のような効
果を得ている。
きなワークを測定するのに有利であり、ワークの支持変
形を最小にした状態で、対物レンズの全開角を利用した
大傾斜面測定が可能となる。
できる。
正する場合、全ての軸が直交しているため補正の為の測
定が容易である。
細図
図
細図
Claims (6)
- 【請求項1】 光学ヘッドからの光プローブを回転対称
な形状を有する測定物に照射し、該測定物からの反射光
を検出して該測定物の3次元形状情報を得る3次元形状
測定装置において、該測定物の回転対称軸と一致したθ
回転ステージと、該回転対称軸に直交して該測定物の半
径方向に該光学ヘッドと該測定物とを相対移動するR移
動ステージと、該光学ヘッドと該測定物とを回転対称軸
方向に相対移動するZ移動ステージの3軸方向の可動ス
テージを有し、該3軸方向の可動ステージによりR−θ
−Zの円筒座標系において該光学ヘッドからの光プロー
ブで該測定物の表面を走査しており、該光学ヘッドを少
なくとも対物部においてその光軸が前記回転対称軸に対
して該光学ヘッド内の対物レンズの半開角よりも小さい
角度傾斜する様配置していることを特徴とする3次元形
状測定装置。 - 【請求項2】 前記R−θ−Zステージの変位情報を外
部基準から計測し、補正する計測補正手段を有している
ことを特徴とする請求項1の3次元形状測定装置。 - 【請求項3】 前記光学ヘッド内の対物レンズ光軸は前
記Z移動ステージ軸に対して傾斜していることを特徴と
する請求項1の3次元形状測定装置。 - 【請求項4】 前記光学ヘッド光軸は前記Z移動ステー
ジ軸に対して傾斜していることを特徴とする請求項1の
3次元形状測定装置。 - 【請求項5】 光学ヘッドからの光プローブを測定物に
照射し、該測定物からの反射光を検出して該測定物の3
次元形状情報を得る3次元形状測定装置において、前記
測定物を前記光プローブに対して相対回転させるθ回転
ステージと、該θ回転ステージの相対回転の径方向に前
記光学ヘッドと前記測定物とを相対移動するR移動ステ
ージと、前記光学ヘッドと前記測定物とを前記θ回転ス
テージの相対回転軸方向に相対移動するZ位相ステージ
の3軸方向の可動ステージを有し、該3軸方向の可動ス
テージによりR−θ−Zの円筒座標径において該光学ヘ
ッドからの光プローブで該測定物の表面を走査してお
り、該光学ヘッドをその光軸が前記相対回転軸に対して
前記光学ヘッド内の対物レンズの半開角よりも小さい角
度傾斜するよう配置していることを特徴とする3次元形
状測定装置。 - 【請求項6】 測定物に光を照射し、該測定物からの反
射光を検出して該測定物の形状情報を得るための光学ヘ
ッドと、該光学ヘッドと前記測定物とを相対回転させる
と共に該相対回転の径方向及び回転軸方向に夫々前記光
学ヘッドと前記測定物とを相対変位させるためのステー
ジ系とを有し、該ステージ系による相対回転及び相対移
動によって前記測定物を光学ヘッドで光走査する構成と
すると共に、前記光学ヘッドを少なくとも対物部におい
てその光軸が前記回転軸に対して前記光学ヘッド内の対
物レンズの半開角よりも小さい角度傾斜するよう配置し
ていることを特徴とする3次元形状測定装置。
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JP31633897A JP3501639B2 (ja) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | 3次元形状測定装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP31633897A JP3501639B2 (ja) | 1997-10-31 | 1997-10-31 | 3次元形状測定装置 |
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JP31633897A Expired - Fee Related JP3501639B2 (ja) | 1997-08-22 | 1997-10-31 | 3次元形状測定装置 |
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