(57)【要約】      （修正有）【課題】レンズで集光したレーザー光を測定プローブ光として用い、これを測定対象物の輪郭形状に沿って走査した際に、測定対象物を通過した測定プローブ光の光量情報をもとに輪郭形状を測定する技術において、測定対象物の測定プローブ光に対する光軸方向位置、および姿勢を制御して測定対象物の輪郭形状の測定精度を向上するとともに、輪郭形状面の高さ分布情報も一括して取得する微細輪郭形状測定装置および方法を提供する。【解決手段】測定プローブ光と同軸となるよう白色干渉光学系を構成し、測定反射光と参照反射光とによって生成された干渉縞情報をもとに、輪郭面の高さ分布情報、高さ位置情報及び姿勢角情報を得る。同軸構成によって、測定プローブ光は干渉縞のコントラスト最大位置でスポット径が最適化され、干渉縞から得られる情報をもとに測定プローブ光と輪郭形状との高さ位置・姿勢を一定に保ち、輪郭形状の測定精度を向上する。【選択図】図１
2015102450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光源（非単一波長光源）と、
前記白色光源から照射される白色光をコリメートして白色光束を生成する白色光コリメート部と、
前記白色光束を集光するコンデンサーレンズと、
前記コンデンサーレンズで集光した白色光束を、参照白色光束と測定白色光束とに分割するビームスプリッタＡと、
前記コンデンサーレンズの前方焦点面に後方焦点面が来るようにそれぞれ配置した参照白色光束用対物レンズおよび測定白色光束用対物レンズと、
前記参照白色光束用対物レンズの前方焦点距離位置に配置した参照ミラーと、
前記参照ミラーで反射された参照白色光束と、前記測定白色光束用対物レンズの前方焦点面にその輪郭が来るよう配置された測定対象物面で反射された測定白色光束とを結像する結像レンズと、
前記結像レンズにより結像された干渉縞を観察する撮像素子と、
前記白色光源の波長スペクトラムから外れた波長を有するレーザー光源と、
前記レーザー光源から照射されるレーザー光をコリメートしてレーザー光束を生成するレーザーコリメート部と、
前記レーザー光束の光軸と前記白色光束の光軸とを同一光軸とするビームスプリッタＢと、
前記レーザー光束が前記測定白色光束用対物レンズにより測定プローブ光となった後に前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光、および前記測定白色光束のうち、前記測定白色光束のみをカットする光学フィルターＡと、
前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光を集光する通過光集光レンズと、
前記通過光集光レンズによって集光された前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光の光強度を測定する通過光受光素子と、
前記撮像素子に向かう前記参照ミラーで反射された参照白色光束、前記測定対象物面で反射された測定白色光束、および前記測定対象物面で反射された前記測定プローブ光のうち、前記測定対象物面で反射された前記測定プローブ光のみをカットする光学フィルターＢと、
前記測定対象物をＸＹＺ３軸方向、ＲθＺ３方向、あるいはＸＹＺ３軸方向に加えてＸＹＺ３軸まわり回転方向に位置決め可能な走査ステージ部と、
を有することを特徴とする微細輪郭形状測定装置。
【請求項２】
前記走査ステージ部を用い、前記測定プローブ光を前記測定対象物の輪郭形状に沿って走査し、前記通過光受光素子によって得られた前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光の光強度情報をもとに、前記輪郭形状を測定可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項３】
前記測定プローブ光は、前記撮像素子によって得られた画像情報をもとにその走査軌道情報を生成可能であることを特徴とする請求項２記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項４】
前記通過光受光素子によって得られた前記測定プローブ光の光強度情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項５】
前記撮像素子によって得られた画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項６】
前記撮像素子によって観察された画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対する姿勢を制御可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項７】
前記走査ステージ部を用いて前記測定対象物を前記測定プローブ光の光軸方向に走査した際に、前記撮像素子によって得られた複数の画像情報をもとに、前記測定対象物の面形状情報を取得可能に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項８】
前記参照ミラーを、前記測定白色光束用対物レンズとビームスプリッタＣとからなる対物レンズユニットに組み込んだことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項９】
前記対物レンズユニットは、独立に前記測定プローブ光の光軸方向に位置を制御する対物レンズ走査機構を有することを特徴とする請求項８記載の微細輪郭形状測定装置。
【請求項１０】
請求項１記載の微細輪郭形状測定装置を用いて、前記測定対象物の輪郭形状を測定することを特徴とする微細輪郭形状測定方法。
【請求項１１】
前記走査ステージ部を用い、前記測定プローブ光を前記測定対象物の前記輪郭形状に沿って走査し、前記通過光受光素子によって得られた前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光の光強度情報をもとに、前記輪郭形状を測定することを特徴とする請求項１０記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１２】
前記測定プローブ光は、前記撮像素子によって得られた画像情報をもとにその走査軌道情報を生成することを特徴とする請求項１１記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１３】
前記通過光受光素子によって得られた前記測定プローブ光の光強度情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１４】
前記撮像素子によって得られた画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御することを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１５】
前記撮像素子によって観察された画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対する姿勢を制御することを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１６】
前記走査ステージ部を用いて前記測定対象物を前記測定プローブ光の光軸方向に走査した際に、前記撮像素子によって得られた複数の画像情報をもとに、前記測定対象物の面形状情報を得ることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１７】
前記参照ミラーを前記測定白色光束用対物レンズとビームスプリッタＣとからなる対物レンズユニットに組み込んだことを特徴とする請求項１０乃至１６のいずれか１項に記載の微細輪郭形状測定方法。
【請求項１８】
前記対物レンズユニットは、独立に前記測定プローブ光の光軸方向に位置を制御する対物レンズ走査機構を有することを特徴とする請求項１７記載の微細輪郭形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、白色光源からの白色光束と、レーザー光源からのレーザー光束とからなる同軸光学系を構成し、これを白色干渉顕微鏡光学系に組み込むことで、レーザー光束をレンズで集光して得られた光プローブによって測定対象の微細輪郭形状を評価するとともに、測定対象物面および参照ミラー面から得られた白色反射光束によって生成された干渉縞パターンをもとに工具すくい面形状を評価する、光学式の微細輪郭形状測定装置、およびそれを用いた微細輪郭形状測定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超精密機械加工に用いられるバイトやエンドミルなどの工具の微細輪郭形状は、加工物の加工精度に直接影響するため、その精度保証には高精度な微細輪郭形状測定による適切な工具管理が必要である。工具先端の輪郭形状は、その使用過程における摩耗等で常に変化するため、頻繁に輪郭形状測定を実施する必要がある。また、超精密機械加工においては、工作機械への工具取り付けおよび調整が容易ではないことが多く、工具を工作機械に取り付けたまま、すなわち加工機上での輪郭測定実施が好まれる。
【０００３】
従来、バイトやエンドミルなど工具の輪郭測定には、接触式形状測定機、光学式形状測定機、光学顕微鏡、電子顕微鏡などが用いられてきた（例えば、非特許文献１、２または３参照）。また、加工機上での工具先端輪郭測定の例としては、顕微鏡による撮像観察が挙げられる（例えば、非特許文献４参照）。
【０００４】
しかしながら、従来の測定手法は、工具輪郭測定に対する要求を充分満たしているとは言い難いのが現状である。例えば接触式測定機では、測定プローブの接触圧により工具刃先へのダメージが生じる問題がある。電子顕微鏡は非接触の測定手法だが、電子ビームによる工具刃先へのダメージがあり、かつ真空中で測定する必要があるため加工機上測定には対応できない。
【０００５】
光学式形状測定機は、非接触で工具刃先にダメージを与えることがなく、かつ高速測定にも対応しやすいが、基本的に工具輪郭形状の法線方向あるいはそれに近い方向から測定する必要があり、鋭利な刃先における散乱光の影響で、測定が困難な場合が多い。また、工具輪郭形状の側面から測定する工具顕微鏡などの光学顕微鏡では、光の回折限界によって測定分解能がミクロンオーダに制限され、高精度な工具輪郭形状には対応できない。特許文献１には、従来の工具顕微鏡と同様の光学系を用い、コリメート光を測定対象であるワークに照射し、ＣＣＤカメラでその投影像を捕捉してエッジ形状を検出する方法および装置に関する発明が開示されている。ＣＣＤカメラの画像からエッジの輪郭形状を一括して評価できる利点を持っているが、前述の光学式顕微鏡と同様、光の回折限界によって測定分解能がミクロンオーダに制限され、高精度な工具輪郭形状には対応できない。更に、顕微鏡による撮像観察は、空間的制約により光学系を加工機上に搭載するのが困難なため、その実施は容易ではない。
【０００６】
このように、加工工程において頻繁に工具先端輪郭形状を測定し管理するのは容易ではない。その他、ツールセッターなどの工具測定装置も存在するが、主に工作機械上での工具位置合わせ及び工具損傷検出に用いられるものであり、工具形状に関してはエンドミルやドリル等の円筒状加工工具を回転させて直径の変化を測定し、それから円筒状加工工具の外周輪郭形状を測定するまでに留まっており（例えば、非特許文献５、６参照）、バイトのような直線、円弧、放物線などの輪郭形状を持つ工具には対応できない。
【０００７】
これに対し、特許文献２では、対物レンズ等によってマイクロサイズに絞ったレーザーなどの光ビームを測定プローブとして用い、この光ビームを工具輪郭に沿って走査し、その形状を測定する手法に関する発明が開示されている。この手法では、光ビームが工具刃先の輪郭部分に常に跨る状態で光ビーム走査を実施し、工具を通過してフォトダイオードなどの光検出器に到達した光ビームの光量変化を利用して工具輪郭形状を得るため、光の回折限界に依らない高分解能形状測定が可能である。
【０００８】
その一方で、不要な測定誤差を避けるため、測定プローブである光ビームの径は常に一定であることが好ましい。そのためには、光ビームの光軸方向に関して、光ビームの走査過程も含めて、常に工具の光ビームに対する精密な相対位置合わせが必要である。また、光ビーム走査により工具輪郭形状が得られるものの、工具測定面が光ビーム光軸に対して相対的に姿勢角を有する場合、その影響を切り分けて除去することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１５０８６５号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２４８８９号広報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】D. Krulewich Born, W. A. Goodman, “Anempirical survey on the influence of machining parameters on tool wear indiamond turning of large single-crystal silicon optics Original ResearchArticle”, Precision Engineering, 2001, Vol.25, No.4, p.247-257
【非特許文献２】Jiwang Yan, Hiroyasu Baba, Yasuhiro Kunieda, Nobuhito Yoshihara,Tsunemoto Kuriyagawa, “Nano precision on-machineprofiling of curved diamond cutting tools using a white-light interferometer”, Int. J. Surface Science and Engineering, 2007, Vol.1, No.4, p.441-455
【非特許文献３】三浦  勝弘、「レーザプローブ式非接触三次元測定装置(NH-3SP)」、社団法人日本機械学会年次大会講演資料集、2007年、 p.116-117
【非特許文献４】仇 中軍、周 立波、尾嶌裕隆、江田弘、今井 亨、山田昌隆、「画像情報を用いたダイヤモンドバイト自動研磨システムの開発」、砥粒加工学会誌、2007年、51、5、p.284−289
【非特許文献５】Renishaw plc, “Innovative laser tool settingtechnology provides accuracy, flexibility and robust operation”, Newsfrom Renishaw (White paper), 2003年
【非特許文献６】”Measuringon Machine Tools Laser Tool Setter 35.60-LTS”, m&h Inprocess MesstechnikGmbHカタログ,2010年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明では、光ビームを走査し工具刃先形状を測定する手法におけるこれらの課題を解決する手法を提供する。微細輪郭測定向けの光ビーム生成光学系と受光光学系とを、走査型白色干渉顕微鏡光学系に融合し、白色干渉測定用の白色測定光と、工具輪郭測定向け光ビーム用のレーザー光とが同軸となるよう光学系を構成する。
【００１２】
これにより、本発明は、光ビームによる測定対象物のマイクロ輪郭形状評価を実現しつつ、走査型白色干渉顕微鏡光学系によって得られた干渉縞により、工具の光ビームの光軸方向に関する位置情報、および光ビーム光軸に対する相対的な姿勢角についての情報を得ることができ、測定誤差の少ない測定が可能となり、また、得られた干渉縞データをもとに、測定対象物面形状の同時測定が可能となり、更には、白色干渉顕微鏡光学系で得られる工具の２次元画像データを利用することで、あらゆる輪郭形状を有する測定対象物についても走査軌道を容易に生成できるため、光プローブを用いたマイクロ輪郭形状測定を更に高速化できる微細輪郭形状測定装置および微細輪郭形状測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、白色光源（非単一波長光源）と、前記白色光源から照射される白色光をコリメートして白色光束を生成する白色光コリメート部と、前記白色光束を集光するコンデンサーレンズと、前記コンデンサーレンズで集光した白色光束を、参照白色光束と測定白色光束とに分割するビームスプリッタＡと、前記コンデンサーレンズの前方焦点面に後方焦点面が来るようにそれぞれ配置した参照白色光束用対物レンズおよび測定白色光束用対物レンズと、前記参照白色光束用対物レンズの前方焦点距離位置に配置した参照ミラーと、前記参照ミラーで反射された参照白色光束と、前記測定白色光束用対物レンズの前方焦点面にその輪郭が来るよう配置された測定対象物面で反射された測定白色光束とを結像する結像レンズと、前記結像レンズにより結像された干渉縞を観察する撮像素子と、前記白色光源の波長スペクトラムから外れた波長を有するレーザー光源と、前記レーザー光源から照射されるレーザー光をコリメートしてレーザー光束を生成するレーザーコリメート部と、前記レーザー光束の光軸と前記白色光束の光軸とを同一光軸とするビームスプリッタＢと、前記レーザー光束が前記測定白色光束用対物レンズにより測定プローブ光となった後に前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光、および前記測定白色光束のうち、前記測定白色光束のみをカットする光学フィルターＡと、前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光を集光する通過光集光レンズと、前記通過光集光レンズによって集光された前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光の光強度を測定する通過光受光素子と、前記撮像素子に向かう前記参照ミラーで反射された参照白色光束、前記測定対象物面で反射された測定白色光束、および前記測定対象物面で反射された前記測定プローブ光のうち、前記測定対象物面で反射された前記測定プローブ光のみをカットする光学フィルターＢと、前記測定対象物をＸＹＺ３軸方向、ＲθＺ３方向、あるいはＸＹＺ３軸方向に加えてＸＹＺ３軸まわり回転方向に位置決め可能な走査ステージ部と、を有することを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、本発明に係る微細輪郭形状測定装置を用いて、前記測定対象物の輪郭形状を測定することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記走査ステージ部を用い、前記測定プローブ光を前記測定対象物の輪郭形状に沿って走査し、前記通過光受光素子によって得られた前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光の光強度情報をもとに、前記輪郭形状を測定可能に構成されていることを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記走査ステージ部を用い、前記測定プローブ光を前記測定対象物の前記輪郭形状に沿って走査し、前記通過光受光素子によって得られた前記測定対象物面を通過した前記測定プローブ光の光強度情報をもとに、前記輪郭形状を測定することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記測定プローブ光は、前記撮像素子によって得られた画像情報をもとにその走査軌道情報を生成可能であることを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記測定プローブ光は、前記撮像素子によって得られた画像情報をもとにその走査軌道情報を生成することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記通過光受光素子によって得られた前記測定プローブ光の光強度情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御可能に構成されていることを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記通過光受光素子によって得られた前記測定プローブ光の光強度情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記撮像素子によって得られた画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御可能に構成されていることを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記撮像素子によって得られた画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対するＸＹＺ位置を制御することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記撮像素子によって観察された画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対する姿勢を制御可能に構成されていることを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記撮像素子によって観察された画像情報を前記走査ステージ部にフィードバックして、前記測定対象物の前記測定プローブ光に対する姿勢を制御することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００２０】
また、本発明によれば、前記走査ステージ部を用いて前記測定対象物を前記測定プローブ光の光軸方向に走査した際に、前記撮像素子によって得られた複数の画像情報をもとに、前記測定対象物の面形状情報を取得可能に構成されていることを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記走査ステージ部を用いて前記測定対象物を前記測定プローブ光の光軸方向に走査した際に、前記撮像素子によって得られた複数の画像情報をもとに、前記測定対象物の面形状情報を得ることを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００２１】
また、本発明によれば、前記参照ミラーを、前記測定白色光束用対物レンズとビームスプリッタＣとからなる対物レンズユニットに組み込んだことを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記参照ミラーを前記測定白色光束用対物レンズとビームスプリッタＣとからなる対物レンズユニットに組み込んだことを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【００２２】
更に、本発明によれば、前記対物レンズユニットは、独立に前記測定プローブ光の光軸方向に位置を制御する対物レンズ走査機構を有することを特徴とする微細輪郭形状測定装置が得られる。
また、前記対物レンズユニットは、独立に前記測定プローブ光の光軸方向に位置を制御する対物レンズ走査機構を有することを特徴とする微細輪郭形状測定方法が得られる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、光ビームによる測定対象物のマイクロ輪郭形状評価を実現しつつ、走査型白色干渉顕微鏡光学系によって得られた干渉縞により、工具の光ビームの光軸方向に関する位置情報、および光ビーム光軸に対する相対的な姿勢角についての情報を得ることができ、測定誤差の少ない測定が可能となり、また、得られた干渉縞データをもとに、測定対象物面形状の同時測定が可能となり、更には、白色干渉顕微鏡光学系で得られる工具の２次元画像データを利用することで、あらゆる輪郭形状を有する測定対象物についても走査軌道を容易に生成できるため、光プローブを用いたマイクロ輪郭形状測定を更に高速化できる微細輪郭形状測定装置および微細輪郭形状測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明にかかる第一の実施形態の光学系を示す概略図である。
【図２】図１に示す第一の実施形態の光学系における、工具刃先、刃先輪郭形状測定用光ビーム、白色干渉顕微鏡光学系用の白色光ビームの位置関係を示す模式図である。
【図３】図１に示す第一の実施形態の光学系における、工具刃先、刃先輪郭形状測定用光ビーム、白色干渉顕微鏡光学系用の白色光ビームの位置関係を、光軸方向からの視点で示す模式図である。
【図４】本発明に関し、デフォーカスに伴う光プローブ径の変化を示すグラフである。
【図５】図１に示す第一の実施形態の光学系を制御する刃先形状測定装置のシステムブロック線図である。
【図６】図５に示す測定装置による、工具刃先測定の手順を示すフロー図である。
【図７】図５に示す測定装置による、刃先輪郭形状測定用光ビームの走査によって得られた工具輪郭形状の一例を示すグラフである。
【図８】本発明に関し、白色干渉顕微鏡光学系によって得られた工具すくい面形状の一例を示す光学顕微鏡画像および白色干渉顕微鏡像である。
【図９】本発明にかかる第二の実施形態の光学系を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明にかかる第一の実施形態を、図１から図３を用いて説明する。
図１は、本発明にかかる第一の実施形態で用いる光学系の概略図である。本光学系は、白色光源（非単一波長光源）１と、白色光源１から照射される白色光２をコリメートして白色光束３を生成する白色光コリメート部４と、白色光束３を集光するコンデンサーレンズ５と、コンデンサーレンズ５で集光した白色光束３を参照白色光束６と測定白色光束７とに分割するビームスプリッタＡ８と、コンデンサーレンズ５の前方焦点面に後方焦点面が来るようにそれぞれ配置した参照白色光束用対物レンズ９および測定白色光束用対物レンズ１０と、参照白色光束用対物レンズ９の前方焦点距離位置に配置した参照ミラー１１と、参照ミラー１１で反射された参照白色光束６と、測定白色光束用対物レンズ１０の前方焦点面にその輪郭が来るよう配置された測定対象物２０面で反射された測定白色光束７とを結像する結像レンズ１２と、結像レンズ１２により結像された干渉縞を観察する撮像素子１３と、白色光源１の波長スペクトラムから外れた波長を有するレーザー光源１４と、レーザー光源１４から照射されるレーザー光１５をコリメートしてレーザー光束１６を生成するレーザーコリメート部１７と、レーザー光束１６の光軸と白色光束３の光軸を同一光軸とするビームスプリッタＢ１８と、レーザー光束１６が測定白色光束用対物レンズ１０により測定プローブ光１９となった後に測定対象物２０を通過した測定プローブ光１９、および測定白色光束７のうち、測定白色光束７のみをカットする光学フィルターＡ２１と、測定対象物２０面を通過した測定プローブ光１９を集光する通過光集光レンズ２２と、通過光集光レンズ２２によって集光された測定対象物２０面を通過した測定プローブ光１９の光強度を測定する通過光受光素子２３と、撮像素子１３に向かう参照ミラー１１で反射された参照白色光束６、測定対象物２０面で反射された測定白色光束７、および測定対象物２０面で反射された測定プローブ光１９のうち、測定対象物２０面で反射された測定プローブ光１９のみをカットする光学フィルターＢ２４と、測定対象物２０をＸＹＺ３軸方向あるいはＲθＺ３方向に位置決め可能な走査ステージ部２５と、からなる。
【００２６】
コンデンサーレンズ５は、その前方焦点面が参照白色光束用対物レンズ９および測定白色光束用対物レンズ１０の後方焦点面と一致するように配置する。また、用いる白色光源１およびレーザー光源１４の波長に応じ、光学フィルターＡ２１および光学フィルターＢ２４を配置する。光学フィルターＢ２４は、撮像素子１３がレーザー光源１４からのレーザー光束１６を捕捉するのを防ぐものであり、光学フィルターＡ２１は、通過光受光素子２３によって白色光源１からの測定白色光束７が捕捉されるのを防ぐものである。測定対象物２０は、測定対象物２０の輪郭に沿った測定プローブ光１９の走査および測定プローブ光１９の光軸方向への走査を実現するために、走査ステージ部２５に搭載する。走査ステージ部２５としては、例えばＸＹステージなど平面２自由度ステージに、Ｚ１軸ステージを組み合わせて構成する。本発明に開示する技術では、測定プローブ光１９の走査精度、及び測定対象物２０の測定プローブ光１９の光軸方向への走査精度がそのまま輪郭形状の測定精度に反映されるため、なるべく位置決め精度の高いステージが好ましく、例えばＺ１軸ステージについては圧電アクチュエータを駆動素子として用い、内蔵の位置センサ出力をもとにフィードバックループ駆動されるものが好ましい。
【００２７】
第一の実施形態で用いる光学系における、測定対象物２０の付近での位置関係を、図２を用いて説明する。ビームスプリッタＡ８によって２分割された白色光束３の一方は、参照白色光束６となり、参照白色光束用対物レンズ９を通過して参照ミラー１１に向かう。もう一方は、測定白色光束７となり、測定白色光束用対物レンズ１０を通過して測定対象物２０に向かう。また、レーザー光束１６の一部は、ビームスプリッタＡ８によって光路を９０度曲げられ、測定白色光束用対物レンズ１０によって測定プローブ光１９となり、その前方焦点面に集光される。測定対象物２０は、測定白色光束用対物レンズ１０の前方焦点面にその輪郭が来るように配置する。測定対象物２０の輪郭に照射された測定プローブ光１９のうち、測定対象物２０によって遮蔽されずに通過した分は、光学フィルターＡ２１を通過後、通過光受光素子２３によってその光強度を測定される。一方で、測定白色光束７は、コンデンサーレンズ５の前方焦点面と、測定白色光束用対物レンズ１０の後方焦点面とが一致するよう配置されているため、測定対象物２０にはコリメートされた状態で入射する。測定対象物２０を通過した測定白色光束７は、光学フィルターＡ２１によって遮断され、通過光受光素子２３には届かないようにする。測定対象物２０に照射された測定白色光束７の一部は、測定対象物２０面で反射され、再度測定白色光束用対物レンズ１０を通過して撮像素子１３に向かう。この測定白色光束７は、参照ミラー１１にて反射された参照白色光束６とビームスプリッタＡ８上で重なり合って干渉縞を発生し、この干渉縞は、結像レンズ１２を通過後、撮像素子１３によって画像データに変換される。なお、光路中、結像レンズ１２の手前に設けた光学フィルターＢ２４は、図２中で測定対象物２０面で反射された測定プローブ光１９（図２中には表記なし）が撮像素子１３に届かないよう遮断するために設けられたものである。
【００２８】
第一の実施形態で用いる光学系における、測定対象物２０の付近での位置関係を、測定白色光束７の光軸方向から見た図を、図３に示す。測定対象物２０の輪郭形状を測定する際は、測定プローブ光１９が測定対象物の輪郭をまたぐように位置決めする。なお、測定プローブ光１９は、光学系の設定により、測定白色光束７の中心部分に配置される。測定白色光束７で照明された測定対象物２０面の一部が撮像素子１３によって画像として捕捉される撮像素子観察範囲２６となる。なお、光学系および測定対象物の位置姿勢が適切に設定されている場合、測定対象物２０の面像に干渉縞が載った画像２７が撮像素子によって得られる。
【００２９】
測定プローブ光１９の、測定対象物２０上におけるスポット径ｄは、測定白色光束用対物レンズ１０の前方焦点面において最小となる。ここで、レンズの前方焦点面におけるスポット径ｄ０は、以下の式で表わされることが知られている。
【００３０】
【数１】
2015102450.tif 000003
【００３１】
ここで、ｆはレンズの焦点距離、λは光の波長、Ｄはレンズに入射するコリメート光の径である。また、光スポットの径ｄは、レンズの前方焦点面から離れるに従って以下の式に従い変化することが知られている。
【００３２】
【数２】
2015102450.tif 000004
【００３３】
ここで、Δｚは、光軸方向へのレンズ焦点面からの距離である。式（２）によれば、光スポットの径ｄはΔｚの関数として表わされることが分かる。測定プローブ光１９による微細輪郭形状測定では、測定対象物２０の輪郭に沿って光プローブを走査するが、この走査の際に測定対象物２０が測定プローブ光１９の光軸方向に運動誤差を有する場合、この運動誤差がそのまま測定誤差として測定結果に影響する。
【００３４】
式(２)をもとに、デフォーカス量Δｚによる光スポット径ｄの変化を見積もった結果を図４に示す。デフォーカス量Δｚの増加とともにスポット径は増大し、２μｍ程度のごく小さなデフォーカス量でも７％程度スポット径が変化することが分かる。測定対象物２０を通過する測定プローブ光１９の光量をもとに測定対象物２０の輪郭形状を評価する本発明においては、この光スポット径の変化は無視できない量であり、測定プローブ光１９の走査中もスポット径を極力一定に保つため、測定対象物２０の測定プローブ光１９の光軸方向への、測定白色光束用対物レンズ１０の前方焦点面からの距離を精密に制御する必要がある。
【００３５】
測定対象物２０の測定プローブ光１９の光軸方向位置は、測定対象物２０を当該方向に走査する走査ステージ部２５の位置を検出するリニアエンコーダ等の外付け変位センサ、あるいは静電容量型の内蔵変位センサ等で検出することが可能である。しかしながら、変位センサのＸＹ平面における測定位置と、スポットのＸＹ平面における位置とには物理的オフセットが存在するため、その測定結果にはアッベの誤差の発生が避けられず、結果として光プローブ走査中にスポット径を一定に保つことが難しい。
【００３６】
これに対し本発明で開示の光学系では、白色干渉計光学系により得られた、測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７を処理することで、測定プローブ光１９とほぼ同じＸＹ平面における測定対象物２０の測定プローブ光１９の光軸方向位置を測定することが可能である。この測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７から生成した工具位置情報を用いることで、走査中の測定プローブ光１９のスポット径変化の影響を取り除いて、測定対象物２０の輪郭を測定することが可能となる。
【００３７】
この測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７から生成した工具位置情報を用いる手法としては、例えば測定対象物２０の測定プローブ光１９の光軸方向位置のフィードバック制御に用いて測定プローブ光１９のスポット径を一定に保つ方法や、この測定対象物２０の位置情報をもとに測定プローブ光１９の走査中の各ＸＹ位置における測定プローブ光１９のスポット径を算出し、その影響を測定対象物２０の微細輪郭形状測定結果の補正に反映する方法などが挙げられる。
【００３８】
本発明にかかる第一の実施形態の光学系を制御するシステムのブロック線図を、図５に示す。撮像素子１３によって得られた測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７は、電気信号として画像処理回路２８に入力して画像に変換された後、刃先位置・姿勢演算部２９に入力されて、工具刃先の光プローブ光軸方向位置情報に変換される。また、併せて走査ステージ部２５の位置を検出する走査ステージＸ位置センサ３０、走査ステージＹ位置センサ３１、Ｚ方向変位センサ３２からの位置情報も刃先位置・姿勢演算部２９に入力し、測定対象物２０と測定プローブ光１９との相対位置データを生成する。この測定対象物２０と測定プローブ光１９との相対位置データと、通過光受光素子２３で捕捉し電流／電圧変換回路３３で電圧信号に変換した、測定対象物２０を通過した測定スポット光１９の光強度情報とを、刃先輪郭形状演算部３４に入力する。また、プローブ走査軌道演算部３５には、画像処理回路２８により変換された撮像素子１３で得られた測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７を入力し、この画像データからＸＹ平面内における測定対象物２０の大まかな輪郭形状を算出する。刃先輪郭形状演算部３４では、入力された情報をもとに測定対象物２０の輪郭形状を算出するとともに、測定プローブ光１９のＸＹ平面位置制御情報および測定対象物２０の光プローブ光軸方向位置情報を生成し、これらの情報を走査ステージ制御部３６に提供する。走査ステージ制御部３６は、与えられた情報をもとに本発明で開示の光学系に組み込まれた走査ステージ部２５を制御する。
【００３９】
本発明にかかる第一の実施形態における刃先形状の測定手順を、図６を用いて説明する。図６は、測定手順のフロー図を示したものである。まず始めに、測定対象物２０と測定白色光束７の粗い位置合わせを行う。なお、測定白色光束７と測定プローブ光１９とは、同軸光学系によって同一の測定白色光束用対物レンズ１０で生成されるため、測定白色光束７と測定プローブ光１９との相対位置の調整は不要である。撮像素子１３の画像をもとに、測定対象物２０面の測定白色光束７の照射部分に干渉縞が出るように測定対象物２０の位置・姿勢を調整する。その後、測定プローブ光１９と測定対象物２０の輪郭形状の粗アライメントを実施する。測定プローブ光１９が測定対象物２０の輪郭を跨ぐと、通過光受光素子２３の出力に変化が生じるため、この出力変化をもとにアライメントが可能である。次に、測定対象物２０のフォーカス合わせと姿勢調整とを行う。光学系の構成上、撮像素子１３で得られる測定対象物面像に干渉縞が載った画像のコントラストが最も強くなる位置において、測定プローブ光１９は最小スポット径をとる。また、測定対象物２０の面が測定プローブ光１９の光軸に対して持つ傾き角は、測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７をもとに算出することが可能である。このように、測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７を利用することで、測定対象物２０のフォーカス合わせと姿勢調整とが可能である。位置、姿勢を調整後、撮像素子１３によって測定対象物面像に干渉縞が載った画像２７を連続的に得ながら測定対象物２０を測定プローブ光１９の光軸方向に走査し、干渉縞画像群を取得する。この干渉縞画像群をもとに、測定対象物２０面の高さ形状データを算出する。干渉縞画像群からの高さ形状データ算出は、従来の白色干渉顕微鏡で用いられている手法に準拠する。測定対象物面の高さ形状データ算出後、干渉縞画像群をもとに更に精密な測定対象物のフォーカス合わせを行う。最適なフォーカス位置において得られた撮像素子１３の画像をもとに、測定プローブ光のＸＹ面内における走査軌道を生成し、通過光受光素子２３の出力をモニタしながら当該走査軌道に沿って測定プローブ光を走査する。なお、この走査中にも撮像素子１３によって干渉縞画像を取得し、測定対象物２０のデフォーカス量及び測定プローブ光１９の光軸に対する傾き情報を得て、測定対象物２０のZ位置および姿勢の調整にフィードバックすると、より高精度な微細輪郭形状測定が可能となる。走査終了後、測定プローブ光１９の走査軌道と、通過光受光素子２３の出力の偏差データとをもとに測定対象物２０の輪郭形状を算出し、測定は終了となる。なお、ここで述べた測定手順はあくまで一例であり、その順番の一部が前後しても測定には差し支えないものである。
【００４０】
実際に、光プローブ光学系を用いて工具輪郭形状を評価した例を、図７に示す。予め設定した測定プローブ光の走査軌道に沿って光プローブを動かした際の、通過光受光素子２３における受光量変化から得られた測定対象物２０の微細輪郭形状３８と、微細輪郭形状の測定プローブ走査軌道からのずれ３９とを示している。また、白色干渉計光学系を用いて、測定対象物２０としてダイヤモンド工具刃先の形状を評価した結果を、図８に示す。工具刃先の輪郭形状４０、および工具すくい面の高さプロファイル４１が得られていることが分かる。白色光干渉光学系によって得られる工具刃先の輪郭形状の測定分解能は光の回折限界によって制限されるものの、光プローブ走査によって得られた微細輪郭形状３９のデータと融合することで、光の回折限界を超えた測定分解能での微細輪郭形状評価が可能となる。
【００４１】
本発明にかかる第二の実施形態を、図９を用いて説明する。図９は、本発明にかかる第二の実施形態で用いる光学系の概略図である。主な構成は、図１に示した第一の実施形態で用いる光学系と同じであるが、第一の実施形態では、白色干渉顕微鏡光学系を２つの対物レンズで構成する、いわゆるリニーク型としているのに対し、第二の実施形態では、対物レンズユニット４２内にビームスプリッタＣ４３及び参照ミラー４４を内蔵したミラウ型で構成している。その他の構成は、第一の実施形態の光学系と同様である。なお、ミラウ型で光学系を構成する場合、光軸上に配置された対物レンズユニット内の参照ミラー４４によって測定プローブ光１９が完全に遮蔽されないよう、対物レンズユニット４２に入射するレーザー光束１６の径を設定する。また、ミラウ型の光学系構成においては、対物レンズユニット４２を測定プローブ光１９の光軸方向に走査する対物レンズ走査機構４５を設置しても構わない。
【００４２】
なお、上記第一の実施形態および第二の実施形態では、白色干渉顕微鏡系と測定プローブ光系のクロストークを防ぐため、白色光源１およびレーザー光源１４にはそれぞれ波長域の異なるものを用い、また撮像素子１３がレーザー光束１６を取り込まないよう光学フィルターＢ２４を用い、通過光受光素子２３が測定白色光束７を取り込まないよう光学フィルターＡ２１を用いるよう構成しているが、他の光学系の構成でも当該クロストークを防止することは可能である。例えば、通過光受光素子２３および撮像素子１３として、当該波長域の光のみに感度を有するものを用いるか、あるいは通過光受光素子２３および撮像素子１３の直前に光学フィルターを設置した光学系を適用可能であることは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、シングルポイントダイヤモンドバイトなどの鋭利な測定対象物の微細輪郭形状を、非接触、高速かつ高分解能で測定可能な微細輪郭形状計測システム、及び微細輪郭形状測定方法が得られる。また、測定対象物の微細輪郭形状のみならず、測定対象物面形状についてもその同時測定が実現できるため、測定の対象は実施例で述べたダイヤモンド切削工具に限らず、あらゆる微細輪郭形状を有する測定対象物全般、および一部のマイクロパターン形状評価に適用可能であると考えられ、その産業上の利用可能性は高い。
【符号の説明】
【００４４】
１    白色光源（非単一波長光源）
２    白色光
３    白色光束
４    白色光コリメート部
５    コンデンサーレンズ
６    参照白色光束
７    測定白色光束
８    ビームスプリッタＡ
９    参照白色光束用対物レンズ
１０  測定白色光束用対物レンズ
１１  参照ミラー
１２  結像レンズ
１３  撮像素子
１４  レーザー光源
１５  レーザー光
１６  レーザー光束
１７  レーザーコリメート部
１８  ビームスプリッタＢ
１９  測定プローブ光
２０  測定対象物
２１  光学フィルターＡ
２２  通過光集光レンズ
２３  通過光受光素子
２４  光学フィルターＢ
２５  走査ステージ部
２６  撮像素子観察範囲
２７  測定対象物面像に干渉縞が載った画像
２８  画像処理回路
２９  刃先位置・姿勢演算部
３０  走査ステージＸ位置センサ
３１  走査ステージＹ位置センサ
３２  Ｚ方向変位センサ
３３  電流／電圧変換回路
３４  刃先輪郭形状演算部
３５  プローブ走査軌道演算部
３６  走査ステージ制御部
３８  微細輪郭形状
３９  微細輪郭形状の測定プローブ走査軌道からのずれ
４０  工具刃先の輪郭形状
４１  工具すくい面の高さプロファイル
４２  対物レンズユニット
４３  ビームスプリッタＣ
４４  参照ミラー
４５  対物レンズ走査機構
【図６】
2015102450.tif 000005
【図１】
2015102450.tif 000006
【図２】
2015102450.tif 000007
【図３】
2015102450.tif 000008
【図４】
2015102450.tif 000009
【図５】
2015102450.tif 000010
【図７】
2015102450.tif 000011
【図８】
2015102450.tif 000012
【図９】
2015102450.tif 000013