(57)【要約】【課題】レーザプローブを測定ワークに対して連続的にスキャンしながら高速且つ正確な表面高さ測定が行える非接触表面高さ測定方法および装置を提供する。【解決手段】  焦点変更光学系を高速往復させることで対物光学系の焦点位置を高速変動させながら二分割センサのゼロ位を検出することにより測定ワーク表面の高さ形状を高速且つ正確に測定することができる。尖端部等の測定ポイントにおいてレーザプローブの戻り光が弱いときでも正確に測定することができる。【選択図】        図１
2018116006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ワークの表面の第１の方向へ連続的に走査しつつ測定ワークの表面高さを測定する非接触表面高さ測定方法であって、
対物光学系を介して測定ワークの表面にレーザプローブを照射すると共に測定ワークの表面からのレーザプローブの戻り光を二分割センサで受光することと、
対物光学系と二分割センサの間に設けられ対物光学系の焦点位置を変更する焦点変更光学系を対物光学系の光軸に沿って高速往復移動させて対物光学系の焦点位置を高速変動させることと、
対物光学系の変動する焦点位置が測定ワークの表面と一致したことを二分割センサの差動出力がゼロ位になることにより検出することと、
ゼロ位検出に対応する焦点位置に基づいて光軸方向における測定ワークの表面の高さを検出することと、
を含むことを特徴とする非接触表面高さ測定方法。
【請求項２】
走査装置に組み合わされて使用され、該走査装置により測定ワークの表面の第１の方向にレーザプローブを連続的に走査しながら測定ワークの表面高さを測定する非接触表面高さ測定装置であって、
第１の方向と垂直な第２の方向に光軸を有し、位置が固定された対物光学系と、
対物光学系を介して測定ワークの表面にレーザプローブを照射するレーザ照射手段と、
測定ワークの表面からのレーザプローブの戻り光を受光して、対物光学系の焦点位置が測定ワークの表面と一致した時に差動出力がゼロ位になる二分割センサと、
対物光学系と二分割センサの間に配置され、全部又は一部が対物光学系よりも軽量で且つ対物光学系の光軸に沿って移動自在な可動部で構成され、該可動部の位置により対物光学系の焦点位置を変更する焦点変更光学系と、
焦点変更光学系の可動部を高速往復移動させる駆動手段と、
二分割センサのゼロ位を検出し、ゼロ位検出に対応する焦点位置に基づいて光軸方向における測定ワークの表面の高さを検出するコントローラと、
を具備することを特徴とする非接触表面高さ測定装置。
【請求項３】
焦点変更光学系は焦点の正負が異なる第１光学系と第２光学系を備え、駆動手段は第１光学系と第２光学系のいずれか一方を可動部として対物光学系の光軸方向に沿って高速往復移動させることを特徴とする請求項２記載の非接触表面高さ測定装置。
【請求項４】
焦点変更光学系は焦点の正負が異なる第１光学系と第２光学系を備え、駆動手段は第１光学系と第２光学系の両方を可動部として対物光学系の光軸方向において同期した状態で相反する方向に高速往復移動させることを特徴とする請求項２記載の非接触表面高さ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触表面高さ測定方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザオートフォーカスを用いたレーザプローブ式の非接触表面高さ測定装置は精密部品の表面高さを測定するために使用されている。すなわち、測定対象である測定ワークの上面に対し、レーザプローブよるオートフォーカス制御をかけながら、測定ワークを所定のピッチごとに水平方向へスキャンし、オートフォーカス光学系における対物レンズのフォーカス方向での移動量から測定ワークの表面高さに関する測定データを取得する。
【０００３】
対物レンズは、特許第２１２５４９８号（特許文献１）に開示されるように、レーザプローブの戻り光が二分割センサの中心で受光されるように制御される。すなわち、測定ワークは所定ピッチで送られ、対物レンズがフィードバック制御により移動して測定ワークからの戻り光が二分割センサの中心で受光された時に焦点位置と判断して、対物レンズの移動量が検出され、その移動量から測定ワークの表面の高さ情報を計測することができる。
【０００４】
さらに、特許第５５８４１４０号（特許文献２）に開示されるように、測定ワークを連続的にスキャンしてレーザプローブが焦点位置から一定程度はずれた状態であっても、二分割センサの差動出力に基づいて焦点位置からのオフセット量を推定することにより測定を高速化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２１２５４９８号公報
【特許文献２】特許第５５８４１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながらこのような関連技術にあっては、傾斜面をもつ測定ワークやレーザプローブのビームより細かい凹凸を持つ表面など、表面の散乱により対物レンズを介して二分割センサに到達する戻り光のS/N強度が微弱な場合には差動出力のレベルも小さくなる。そのため、差動出力をフィードバックしつつ焦点位置を収束させるオートフォーカスシステムではレーザが散乱する表面のオンフォーカス位置を特定することが困難な場合があった。
【０００７】
本発明はこのような関連技術に着目してなされたものであり、レーザが散乱する表面においてもレーザプローブを測定ワークに対して連続的にスキャンしながら高速且つ正確な表面高さ測定が行える非接触表面高さ測定方法および装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る非接触表面高さ測定方法は、測定ワークの表面の第１の方向へ連続的に走査しつつ測定ワークの表面高さを測定する非接触表面高さ測定方法であって、対物光学系を介して測定ワークの表面にレーザプローブを照射すると共に測定ワークの表面からのレーザプローブの戻り光を二分割センサで受光することと、対物光学系と二分割センサの間に設けられ対物光学系の焦点位置を変更する焦点変更光学系を対物光学系の光軸に沿って高速往復移動させて対物光学系の焦点位置を高速変動させることと、対物光学系の変動する焦点位置が測定ワークの表面と一致したことを二分割センサの差動出力がゼロ位になることにより検出することと、ゼロ位検出に対応する焦点位置に基づいて光軸方向における測定ワークの表面の高さを検出することと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
従来のように対物光学系をフィードバック制御して焦点位置を収束させるオートフォーカス方式ではなく、軽量な焦点変更光学系の可動部を高速往復移動させることで対物光学系の焦点位置を高速変動させながら差動出力がゼロ位になるタイミングとレベル（高さ）を検出するゼロ位検出方式を採用したため、散乱表面であっても高速且つ正確に表面高さを検出することが可能となる。更に尖端部等の測定ポイントで戻り光の強度が小さい場合でも焦点位置を高速変動させる途中に必ずゼロ位が発生するために、ゼロ位置の検出を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態態に係る非接触表面高さ測定装置を示す概略図。
【図２】レーザプローブの高速スキャンを示す概念図。
【図３】レーザプローブによる高速スキャンと二分割センサにおける戻り光のスポットの位置関係を表す概念図。
【図４】測定ワーク表面とレーザプローブの高速スキャンとの関係を表す概念図。
【図５】焦点変更光学系の他の可動部の例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１〜５は本発明の実施形態を示す図である。図中、ＸＹは水平面上で直交する二方向とし、Ｚは水平面に直交する上下方向とする。
【００１２】
図１は非接触表面高さ測定装置１の概念図であり、この非触表面高さ測定装置１は、Ｘ方向およびＹ方向にスライド自在な「走査装置」としてのステージ３０と組み合わされている。ステージ３０上には測定ワーク２が固定され、ステージ３０により測定ワーク２を非接触表面高さ測定装置１に対してＸ方向およびＹ方向にスライドさせることができる。ステージ３０を第１の方向すなわちＸ方向またはＹ方向へ移動させるためのドライバはコントローラ２０に内蔵され、ステージ３０はコントローラ２０により制御されて駆動される。ステージ３０のＸ方向やＹ方向での位置は図示しないリニアスケールにより検出することができる。
【００１３】
測定ワーク２の上方には対物レンズ（対物光学系）４が固定されている。この対物レンズ４はそれ自体が移動して焦点変更に関与するものでなく位置が固定されている。
【００１４】
対物レンズ４の上方には、凹レンズ（第１光学系）１３と凸レンズ（第２光学系）１４とから構成された焦点変更光学系１２が設けられている。凹レンズ１３と凸レンズ１４はそれぞれが対物レンズ４よりも小径且つ軽量で、両方とも垂直な光軸Ｋに沿って上下に配列されている。なお、光軸Ｋは第１の方向（ＸまたはＹ）と交差する第２の方向、典型的にはＺ軸と平行に規定される。
【００１５】
凹レンズ１３と凸レンズ１４はそれぞれがリニアアクチュエータ（駆動手段）５に接続されている。そして凹レンズ１３と凸レンズ１４のうち、凹レンズ１３のみが「可動部」として光軸Ｋに沿って高速で往復移動自在で、凹レンズ１３が移動することにより、凹レンズ１３と凸レンズ１４との間隔を変化させることができる。
【００１６】
リニアアクチュエータ５により凹レンズ１３（焦点距離が負）と凸レンズ１４（焦点距離が正）の距離が変更されるということは、対物レンズ４の焦点距離が変更されることと比例関係である。このリニアアクチュエータ５は例えば高速駆動の可能なピエゾアクチュエータを利用することができる。リニアアクチュエータ５もコントローラ２０により制御される。凹レンズ１４の位置は図示せぬ位置センサにより検出され、その位置情報もコントローラ２０に入力される。
【００１７】
対物レンズ４および焦点変更光学系１２の上方にはビームスプリッタ１０が配置されている。ビームスプリッタ１０は、光の５０％を透過し、５０％を反射する機能を有している。
【００１８】
ビームスプリッタ１０の側方にはレーザ照射手段１１が配置されている。レーザ照射手段１１からはレーザプローブＬとなるレーザ光（半導体レーザ）が水平方向に照射される。レーザ光はビームスプリッタ１０で光軸Ｋと平行な方向に反射され、焦点変更光学系１２および対物レンズ４を透過し、レーザプローブＬとして測定ワーク２の表面Ｔに当たる。レーザプローブＬの光束の断面の光学的重心は対物レンズ４の光軸中心からＸ方向でオフセットした位置を通る。
【００１９】
対物レンズ４を通過したレーザプローブＬは測定ワーク２の表面Ｔで反射され、その戻り光Ｌ’は再度対物レンズ４、焦点変更光学系１２、ビームスプリッタ１０を通過し、結像レンズ７を経て二分割センサＳに受光される。二分割センサＳはＸ方向で近接並置される２つのホトセンサａ、ｂから構成される。尚、図において戻り光Ｌ’はレーザプローブＬが測定ワーク２の表面Ｔで反射された光束であるが便宜上代表的光路Ｌ’で表示している。
【００２０】
二分割センサＳはその中心に戻り光Ｌ’のスポットの重心が一致した時に、２つのセンサａ、ｂの出力が釣り合って差動アンプ２１の差動出力がゼロとなるように構成される。作動アンプ２１の差動出力もコントローラ２０に入力される。
【００２１】
図２において凹レンズ１３の中立位置をＺｂ、このときのレーザプローブＬの光路をＬｂ、対物レンズ４の焦点位置をＦｂとする。この位置から凹レンズ１３を上昇させて（Ｂ方向）レンズ間距離を長くすると、レーザプローブＬの光路はＬａで示すように対物レンズ４の外側を透過し、基準となる焦点位置Ｆｂよりも上の焦点位置Ｆａで光軸Ｋと交差する。これは対物レンズ４の焦点距離が短くなったことと等価である。
【００２２】
凹レンズ１３を基準の位置から下降させて（Ａ方向）レンズ間距離を短くすると、レーザプローブＬの光路はＬｃで示すように対物レンズ４の内側を透過し、基準となる焦点位置Ｆｂよりも下の焦点位置Ｆｃで光軸Ｋと交差する。これは対物レンズ４の焦点距離が長くなったことと等価である。
【００２３】
図３において、中央の（II）は対物レンズ４の焦点位置ＦとレーザプローブＬが照射される測定ワーク２の表面Ｔが一致したフォーカス状態、（I）は表面Ｔが焦点位置Ｆの手前にある状態、（III）は表面Ｔが焦点位置Ｆの先にある状態を示している。
【００２４】
図４は測定ワーク２の走査方向（Ｘ方向）における表面高さ分布の一部を模式的に表現したものである。測定ワーク２はステージ３０によりＸ方向に定速移動するため、レーザプローブＬに対して連続走査される。従って横軸は時間ｔ及びこれに対応する位置Ｘ（ｔ）を表し、縦軸は表面Ｔの高さ情報Ｚ及びレーザプローブＬの焦点位置の変動幅ｄを表している。
【００２５】
焦点変更光学系１２により対物レンズ４の焦点位置を光軸Ｋ方向に高速に所定の周期τ及び変動幅ｄで振幅変位させながら、二分割センサＳの差動出力のゼロ位検出を行なって表面Ｔの高さＺ（ｔ）を取得する。特に対物レンズ４ではなく軽量な凹レンズ１３を上下方向に往復移動させるため、高速に焦点位置を変更することができる。この実施形態では変動幅ｄを３０μｍ、周期τを１ｍｓとしているが、これに限定されない。図４では周期τを分かりやすくするため拡大して図示している。
【００２６】
連続した焦点位置の変動の中でゼロ位を検出するため、散乱のため戻り光Ｌ’が微弱になった場合でも必ずゼロクロス（ゼロ位）が発生するため、確実に測定ポイントの高さＺ（ｔ）を捕捉することができる。
【００２７】
このように上下に高速で往復移動する凹レンズ１３の位置のうち、二分割センサＳの差動出力がゼロ位となるタイミングにおける凹レンズ１３の位置を検出することにより、対物レンズ４の等価焦点位置を取得することができ、ターゲットとなる測定ワーク２の表面Ｔの各測定ポイントにおける高さ情報を検出することができる。したがって、測定ワーク２のＸ方向での高さ測定を少しずつＹ方向にずらしながら行うことにより、測定ワーク２の表面Ｔの三次元的形状も測定することができる。
【００２８】
本実施形態では凹レンズ１３と凸レンズ１４の距離を変更するために凹レンズ１３のみを可動部として高速往復移動させたが、凸レンズ１４のみを可動部としてもよい。更に図５に示すように、リニアアクチュエータ５により凹レンズ１３及び凸レンズ１４の両方を可動部として相互に相反する方向へ同期させながら接近・離反するように高速移動させても良い。相互に相反する方向に移動させる場合には凹レンズ１３と凸レンズ１４の加速運動に伴う衝撃等の反動が互いにキャンセルされるため振動が発生しない構造となる。
【００２９】
以上この実施形態では、ステージ３０を走査装置として、ステージ３０上に載せた測定ワーク２を非接触表面高さ測定装置１に対してＸ方向またはＹ方向へ移動させる例を示したが、走査装置を非接触表面高さ測定装置１側に設けて、位置が固定された測定ワーク２に対して非接触表面高さ測定装置１全体を反Ｘ方向または反Ｙ方向へ移動せることにより、測定ワーク２をレーザプローブＬに対して相対的にＸ方向またはＹ方向へ移動させるようにしても良い。
【符号の説明】
【００３０】
１  非接触表面高さ測定装置
２  測定ワーク
４  対物レンズ（対物光学系）
５  リニアアクチュエータ（駆動手段）
１１  レーザ照射手段
１２  焦点変更光学系
１３  凹レンズ（第１光学系：可動部）
１４  凸レンズ（第２光学系）
２０  コントローラ
３０  ＸＹステージ（走査装置）
ａ、ｂ  ホトセンサ
Ｓ  二分割センサ
Ｌ  レーザプローブ
Ｌ’戻り光
Ｋ  光軸
Ｔ  測定ワークの表面
Ｆ  焦点位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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