(57)【要約】【課題】従来の装置に比べてより簡易かつ正確に広い範囲の表面形状を測定する。【解決手段】当該表面形状装置１０は第１センサ２２と第２センサ２６とを有する検出部１８を備える。第１センサ２２は、測定対象物Ｗの表面Ｗ１に第１計測光２４を照射し、第１計測光２４の測定対象物Ｗの表面Ｗ１での反射光により測定対象物Ｗの表面Ｗ１の形状を測定する。第２センサ２６は、測定対象物Ｗの表面Ｗ１に第２計測光２８を照射し、第２計測光２８の測定対象物Ｗの表面Ｗ１での反射光により測定対象物Ｗの表面Ｗ１の形状を測定する。第１センサ２２と第２センサ２６とは、第１計測光２４と該第２計測光２８とが互いに異なる向きで測定対象物Ｗの表面Ｗ１に照射されるように配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面に第１計測光を照射し、該第１計測光の該測定対象物の表面での反射光により該測定対象物の表面の形状を測定する第１センサと、
測定対象物の表面に第２計測光を照射し、該第２計測光の該測定対象物の表面での反射光により該測定対象物の表面の形状を測定する第２センサと、を備え、
該第１計測光と該第２計測光とが互いに異なる向きで該測定対象物の表面に照射されるようにされた、非接触式の表面形状測定装置。
【請求項２】
該第１計測光と該第２計測光とが、該第１及び第２センサの各測定可能領域内で交差するようにされている、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】
該第１計測光のピーク波長と該第２計測光のピーク波長とが互いに異なるようにされており、
該第１センサが、該第１計測光は透過するが該第２計測光は遮断する第１光波長フィルタを有し、該第１光波長フィルタを介して該第１計測光の反射光を受光するようにされ、
該第２センサが、該第２計測光は透過するが該第１計測光は遮断する第２光波長フィルタを有し、該第２光波長フィルタを介して該第２計測光の反射光を受光するようにされた、請求項１又は２に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】
該第１センサは、該第２センサが測定対象物の表面の形状を測定している間は、該第１計測光を該測定対象物の表面に照射しないようにされ、
該第２センサは、該第１センサが測定対象物の表面の形状を測定している間は、該第２計測光を該測定対象物の表面に照射しないようにされた、請求項１乃至３の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】
該第１及び第２計測光がレーザー光である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】
該測定対象物の表面上における該第１計測光の偏光方向と該第２計測光の偏光方向とが互いに異なるようにされており、
該第１センサが、該第２計測光の反射光を遮断するように配置された第１偏光フィルタを有し、該第１偏光フィルタを介して該第１計測光の反射光を受光するようにされ、
該第２センサが、該第１計測光の反射光を遮断するように配置された第２偏光フィルタを有し、該第２偏光フィルタを介して該第２計測光の反射光を受光するようにされた、請求項５に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】
測定対象物を載置するステージと、
該第１及び第２センサと該ステージとを相対的に垂直方向に移動させる垂直移動機構と、
該第１及び第２センサと該ステージとを相対的に水平方向に移動させて、該第１及び第２計測光を該測定対象物の表面上で走査する水平移動機構と、
をさらに備える、請求項１乃至６の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項８】
該第１及び第２計測光が、平面状に広がるラインビームであり、該水平方向に対する垂直軸線に対して線対称の光路を有する、請求項７に記載の表面形状測定装置。
【請求項９】
該第１センサによって取得された第１表面形状データと、該第２センサによって取得された第２表面形状データと、を合成して１つの合成表面形状データを生成するデータ演算部をさらに備える、請求項８に記載の表面形状測定装置。
【請求項１０】
測定対象物の表面に該第１及び第２計測光とは異なる方向から計測光を照射し、該計測光の該測定対象物の表面での反射光により該測定対象物の表面の形状を測定する追加のセンサをさらに備える、請求項１乃至９の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【請求項１１】
測定対象物の裏面に第３計測光を照射し、該第３計測光の該測定対象物の裏面での反射光により該測定対象物の裏面の形状を測定する第３センサと、
測定対象物の裏面に第４計測光を照射し、該第４計測光の該測定対象物の裏面での反射光により該測定対象物の裏面の形状を測定する第４センサと、をさらに備え、
該第３計測光と該第４計測光とが、互いに異なる向きで該測定対象物の裏面に照射されるようにされており、
該第１乃至第４センサによって該測定対象物の表面と裏面とを測定するようにされた、請求項１乃至１０の何れか一項に記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面に計測光を照射し、その反射光により測定対象物の表面の形状を測定するようにされた非接触式の表面形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の表面形状を測定するための表面形状測定装置として、白色干渉やレーザー干渉を利用した非接触式の表面形状測定装置が知られている（特許文献１）。光干渉を利用した表面形状測定装置は、通常、計測光を測定対象物の表面に照射するとともに該表面での反射光を受光して表面高さを測定する一つの光センサにより測定対象物の表面形状を測定するようになっている。このような表面形状測定装置においては、計測する面が計測光の照射方向に対して平行に近づくにつれて受光できる反射光の強度が弱くなり、その面における計測が困難となる。また計測光の陰になる面においては計測が全くできなくなる。そのため、一度の測定では計測が困難または不可能であるような面の表面形状も測定しようとする場合、光センサの向きを変えるか又は測定対象物の向きを変えるかして、測定対象物に対する計測光の照射方向を変更して測定するようにしていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５６９８９６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光センサの向きを変えるなどして計測光の照射方向を変更した場合において、照射方向変更の前後での測定データを正確に整合させるには、照射方向の変更を極めて精緻に行うことが必要となり、非常に手間がかかることになる。
【０００５】
本発明は上記従来技術の問題に鑑み、従来の非接触式の表面形状測定装置においては測定が困難又は不可能であるような面の表面形状の測定を、光センサや測定対象物の向きの変更を行うことなく可能とする表面形状測定装置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】
【０００６】
すなわち本発明は、
測定対象物の表面に第１計測光を照射し、該第１計測光の該測定対象物の表面での反射光により該測定対象物の表面の形状を測定する第１センサと、
測定対象物の表面に第２計測光を照射し、該第２計測光の該測定対象物の表面での反射光により該測定対象物の表面の形状を測定する第２センサと、を備え、
該第１計測光と該第２計測光とが互いに異なる向きで該測定対象物の表面に照射されるようにされた、非接触式の表面形状測定装置を提供する。
【０００７】
当該表面形状測定装置においては、少なくとも２つのセンサを有し、第１センサの第１計測光と第２センサの第２計測光とが互いに異なる向きで測定対象物の表面に照射されるようになっているので、第１センサでは測定できない部分を第２センサによって別の角度から測定して表面形状データを補うようにすることができる。これにより、光センサの計測光と測定対象物との向きを変更して複数回測定する必要があった従来のものに比べて、より簡易かつ正確に広い範囲の表面形状を測定することが可能となる。
【０００８】
好ましくは、該第１計測光と該第２計測光とが、該第１及び第２センサの各測定可能領域内で交差するようにすることができる。
【０００９】
このようにすることにより、測定対象物の表面上における第１計測光と第２計測光の照射位置を一致または近接させることができる。
【００１０】
さらに好ましくは、
該第１計測光のピーク波長と該第２計測光のピーク波長とが互いに異なるようにされており、
該第１センサが、該第１計測光は透過するが該第２計測光は遮断する第１光波長フィルタを有し、該第１光波長フィルタを介して該第１計測光の反射光を受光するようにされ、
該第２センサが、該第２計測光は透過するが該第１計測光は遮断する第２光波長フィルタを有し、該第２光波長フィルタを介して該第２計測光の反射光を受光するようにすることができる。
【００１１】
このような構成により、第１センサと第２センサとによる測定が互いに干渉することを防止して、各センサによる測定を正確に行えるようにすることが可能となる。
【００１２】
または、該第１センサは、該第２センサが測定対象物の表面の形状を測定している間は、該第１計測光を該測定対象物の表面に照射しないようにされ、
該第２センサは、該第１センサが測定対象物の表面の形状を測定している間は、該第２計測光を該測定対象物の表面に照射しないようにすることもできる。
【００１３】
このような構成によっても、第１センサと第２センサとによる測定が互いに干渉することを防止して、各センサによる測定を正確に行えるようにすることが可能となる。
【００１４】
好ましくは、該第１及び第２計測光がレーザー光であるようにすることができる。
【００１５】
さらに好ましくは、
該測定対象物の表面上における該第１計測光の偏光方向と該第２計測光の偏光方向とが互いに異なるようにされており、
該第１センサが、該第２計測光の反射光を遮断するように配置された第１偏光フィルタを有し、該第１偏光フィルタを介して該第１計測光の反射光を受光するようにされ、
該第２センサが、該第１計測光の反射光を遮断するように配置された第２偏光フィルタを有し、該第２偏光フィルタを介して該第２計測光の反射光を受光するようにすることができる。
【００１６】
このような構成により、第１センサと第２センサとによる測定が互いに干渉することを防止して、各センサによる測定を正確に行えるようにすることが可能となる。
【００１７】
好ましくは、
測定対象物を載置するステージと、
該第１及び第２センサと該ステージとを相対的に垂直方向に移動させる垂直移動機構と、
該第１及び第２センサと該ステージとを相対的に水平方向に移動させて、該第１及び第２計測光を該測定対象物の表面上で走査する水平移動機構と、
をさらに備えるようにすることができる。
【００１８】
このような構成により、測定対象物の表面形状を自動で測定することが可能となる。
【００１９】
好ましくは、該第１及び第２計測光が、平面状に広がるラインビームであり、該水平方向に対する垂直軸線に対して線対称の光路を有するようにすることができる。
【００２０】
さらに好ましくは、該第１センサによって取得された第１表面形状データと、該第２センサによって取得された第２表面形状データとを合成して１つの合成表面形状データを生成するデータ演算部をさらに備えるようにすることができる。
【００２１】
さらに好ましくは、測定対象物の表面に該第１及び第２計測光とは異なる方向から計測光を照射し、該計測光の該測定対象物の表面での反射光により該測定対象物の表面の形状を測定する追加のセンサをさらに備えるようにすることができる。
【００２２】
センサの数を増やすことで、一度に測定可能な領域をさらに多くすることが可能となる。
【００２３】
好ましくは、
測定対象物の裏面に第３計測光を照射し、該第３計測光の該測定対象物の裏面での反射光により該測定対象物の裏面の形状を測定する第３センサと、
測定対象物の裏面に第４計測光を照射し、該第４計測光の該測定対象物の裏面での反射光により該測定対象物の裏面の形状を測定する第４センサと、をさらに備え、
該第３計測光と該第４計測光とが、互いに異なる向きで該測定対象物の裏面に照射されるようにされており、
該第１乃至第４センサによって該測定対象物の表面と裏面とを測定するようにすることができる。
【００２４】
このような構成により、測定対象物の表面と裏面の形状を同時に測定することが可能となる。また、測定対象物の表面と裏面との間の距離、すなわち測定対象物の厚さも求めることが可能となる。
【００２５】
以下、本発明に係る非接触式の表面形状測定装置の実施形態を添付図面に基づき説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触式の表面形状測定装置を示す図である。
【図２】図１の表面形状測定装置における光センサの配置を示す図である。
【図３】図１の表面形状測定装置によって取得される表面形状データを示す模式図である。
【図４】別の実施形態に係る非接触式の表面形状測定装置におけるセンサの配置を示す図である。
【図５】別の実施形態に係る非接触式の表面形状測定装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の一実施形態に係る非接触式の表面形状測定装置１０は、図１に示すように、門型の装置フレーム１２と、装置フレーム１２に固定された水平移動機構１４及び垂直移動機構１６と、垂直移動機構１６に保持された検出部１８と、を備えている。水平移動機構１４は、測定対象物Ｗが載置されるステージ２０を有し、ステージ２０上の測定対象物Ｗを検出部１８に対して相対的に水平移動させるようになっている。また、垂直移動機構１６は、検出部１８を水平移動機構１４に対して上下動させて、該検出部１８の測定可能領域内に測定対象物Ｗの表面Ｗ１が位置するようにする。
【００２８】
検出部１８には、図２に示すように、２つのセンサ２２、２６が互いに異なる角度で配置されている。第１センサ２２は、測定対象物Ｗの表面Ｗ１に第１計測光２４を照射し、該第１計測光２４の測定対象物Ｗの表面Ｗ１での反射光を受光して第１センサ２２から表面Ｗ１までの距離を計測することにより該表面Ｗ１の形状を測定するようになっている。同様に、第２センサ２６は、測定対象物Ｗの表面Ｗ１に第２計測光２８を照射し、該第２計測光２８の測定対象物Ｗの表面Ｗ１での反射光を受光して第２センサ２６から表面Ｗ１までの距離を計測することにより該表面Ｗ１の形状を測定するようになっている。第１センサ２２と第２センサ２６とは、第１計測光２４と第２計測光２８とが互いに異なる向きで測定対象物Ｗの表面Ｗ１に照射されるように配置されている。具体的には、第１計測光２４と第２計測光２８とが、垂直軸線Ｐに対して線対称の光路を有し、そのなす角αが６０度程度となるように配置されている。また、第１センサ２２及び第２センサ２６には、それぞれ、距離計測が可能な範囲（測定可能領域ｗｄ１、ｗｄ２）があり、第１センサ２２及び第２センサ２６は、第１センサ２２と第２センサ２６の各測定可能領域ｗｄ１、ｗｄ２の照射方向での中心付近で第１計測光２４と第２計測光２８とが交差するように配置されている。当該表面形状測定装置１０においては、第１計測光２４及び第２計測光２８は、図２の奥行き方向に平面上に広がるラインビームとなっている。したがって、第１計測光２４と第２計測光２８とは線状に交差し、測定対象物Ｗの表面Ｗ１上では互いに平行な線として照射される。また、第１センサ２２及び第２センサ２６はそれぞれレーザー光源を有していて、第１計測光２４及び第２計測光２８としてレーザー光を照射するようになっている。なお、第１計測光２４と第２計測光２８との間のなす角αは、測定対象物Ｗの形状等に合わせて、６０度以外の他の角度としてもよい。
【００２９】
当該表面形状測定装置１０で測定対象物Ｗの表面Ｗ１の形状を測定する際には、第１計測光２４と第２計測光２８の交点付近に測定対象物Ｗの表面Ｗ１が位置するように検出部１８の位置を調整して第１センサ２２と第２センサ２６の各測定可能領域ｗｄ１、ｗｄ２内に測定対象物Ｗの表面Ｗ１が位置するようにした状態で、測定対象物Ｗを水平方向に移動させながら、順次第１センサ２２及び第２センサ２６で表面Ｗ１の形状を連続的に測定していく。例えば図３(a)に示す測定対象物Ｗの表面Ｗ１を測定したときに第１センサ２２によって取得される第１表面形状データＤ１は、図３(b)のようになる。この第１表面形状データＤ１においては、測定対象物Ｗの第１垂直壁面部Ｗ２およびその近傍の底面Ｗ３のデータが欠落することになる。これは、第１垂直壁面部Ｗ２およびその近傍の底面Ｗ３が第１計測光２４にとっての陰となり第１計測光２４が届かないからである。同様に、第２センサ２６によって取得される第２表面形状データＤ２は、図３(c)に示すように、測定対象物Ｗの第２垂直壁面部Ｗ４およびその近傍の底面Ｗ５のデータが欠落することになる。これは、第２垂直壁面部Ｗ４およびその近傍の底面Ｗ５が第２計測光２８にとっての陰となり第２計測光２８が届かないからである。
【００３０】
当該表面形状測定装置１０は、第１表面形状データＤ１と第２表面形状データＤ２とを合成するデータ演算部を内蔵しており、このデータ演算部により欠落したデータを互いに補うことにより、図３(d)に示すような、１つの合成表面形状データＤ３を生成する。なお、当該表面形状測定装置１０における第１センサ２２及び第２センサ２６は、ライン状のレーザー光を計測光として利用しており、図３(a)の奥行き方向での表面形状も測定できる。したがって、図３(b)、(c)、(d)に示すデータＤ１、Ｄ２、Ｄ３は実際には奥行き方向にも広がる３次元のデータとなっている。
【００３１】
データ演算部における第１表面形状データＤ１と第２表面形状データＤ２との合成は、予め求めてある第１センサ２２と第２センサ２６との間の相対的な位置及び角度の関係に基づいて、２つのデータＤ１、Ｄ２を共通の座標系のデータに変換することにより行われる。第１センサ２２と第２センサ２６との相対的な位置及び角度を求めるには、まず、基準ゲージ上に基準となる２つの球をそれらの間の距離が正確に校正された状態で配置したものを準備し、これら球の表面形状を第１センサ２２と第２センサ２６とで測定する。第１センサ２２により得られた球の表面形状データから２つの球の中心位置を求め、同様に第２センサ２６により得られた球の表面形状データからも同じ２つの球の中心位置を求める。各センサで得られたデータ間における球の中心位置のずれが、すなわち第１センサ２２と第２センサ２６との間の相対的な位置及び角度となる。データ演算部には、このようにして求めておいた第１センサ２２と第２センサ２６との間の相対的な位置及び角度の関係に基づく補正係数が予め入力されており、データ演算部はこの補正係数を用いて第１表面形状データＤ１と第２表面形状データＤ２とを合成する演算を行っている。
【００３２】
上述のように、第１センサ２２と第２センサ２６とは各測定可能領域ｗｄ１、ｗｄ２内で第１計測光２４と第２計測光２８が交差するように配置されており、測定対象物Ｗの表面Ｗ１上における第１計測光２４と第２計測光２８の照射位置が一致または近接するようになるので、第１センサ２２及び第２センサ２６が同様な光源を有し且つそれらで同時に測定をしようとすると、例えば第１センサ２２は第１計測光２４の反射光だけでなく第２計測光２８の反射光も検出してしまい正確な測定ができなくなる。そのため、当該表面形状測定装置１０においては、第１センサ２２と第２センサ２６とによる測定が互い干渉しないようにするために、第１センサ２２は、第２センサ２６が測定している間は、第１計測光２４を照射せず、また第２センサ２６は、第１センサ２２が測定している間は、第２計測光２４を照射しないようになっている。すなわち、第１センサ２２と第２センサ２６とが交互に測定を行って第１計測光２４と第２計測光２８とが互いに干渉しないようになっている。
【００３３】
第１センサ２２と第２センサ２６とによる測定が互いに干渉しないようにするための別の方法として、第１計測光２４のピーク波長と第２計測光２８のピーク波長とが互いに異なるように各光源を選定し、第１センサ２２の受光部には第１計測光２４は透過するが第２計測光２８は遮断するような光波長フィルタを取付け、第２センサ２６の受光部には第２計測光２８は透過するが第１計測光２４は遮断するような光波長フィルタを取付けるようにしてもよい。この場合には、第１センサ２２と第２センサ２６とによる測定を同時に行うことができる。
【００３４】
さらに別の方法としては、測定対象物Ｗの表面Ｗ１上における第１計測光２４の偏光方向と第２計測光２８の偏光方向とが互いに９０度ずれるように各レーザー光源を設定し、第１センサ２２の受光部には第２計測光２８の反射光を遮断するように偏光フィルタを取付け、第２センサ２６の受光部には第１計測光２４の反射光を遮断するように偏光フィルタを取付けるようにしてもよい。この場合にも、第１センサ２２と第２センサ２６とによる測定を同時に行うことができる。
【００３５】
上記実施形態においては、第１計測光２４と第２計測光２８とが垂直軸線Ｐに対して線対称となるように第１センサ２２と第２センサ２６とを配置しているが、例えば図４に示す別の実施形態に係る表面形状測定装置１１０のように、第２センサ１２６を第１センサ１２２に対して垂直軸線Ｐのまわりに９０度回転させた位置に配置するようにしてもよい。また、さらに別のセンサをその計測光が他のセンサの計測光とは異なる方向から測定対象物Ｗの表面Ｗ１に照射されるように追加配置して測定対象物Ｗの表面Ｗ１を３方向以上から測定するようにしてもよい。このようにセンサの数を増やすことにより測定対象物Ｗにおける測定可能な面がより多くなる。なお、センサの数とその配置は、任意に変更することができる。
【００３６】
本発明の別の実施形態に係る非接触式の表面形状測定装置２１０においては、図５に示すように、水平移動機構２１４が２つの送りローラー２１４−１、２１４−２からなっており、その上に載置した測定対象物Ｗを図で見て左右方向に移動させるようになっている。また、２つの送りローラー２１４−１、２１４−２の間にはもう一つの検出部２１８が設けられている。この検出部２１８は、第３センサ２２２及び第４センサ２２６をさらに備えている。第３センサ２２２は、測定対象物Ｗの裏面Ｗ６に第３計測光２２４を照射し、該第３計測光２２４の測定対象物Ｗの裏面Ｗ６での反射光を受光して第３センサ２２２から裏面Ｗ６までの距離を計測することにより該裏面Ｗ６の形状を測定する。また第４センサ２２６は、測定対象物Ｗの裏面Ｗ６に第４計測光２２８を照射し、該第４計測光２２８の測定対象物Ｗの裏面Ｗ６での反射光を受光して第４センサ２２６から裏面Ｗ６までの距離を計測することにより該裏面Ｗ６の形状を測定する。第３センサ２２２及び第４センサ２２６は、第１センサ２２及び第２センサ２６と同様に、第３計測光２２４と第４計測光２２８とが互いに異なる向きで測定対象物Ｗの裏面Ｗ６に照射されるようになっている。当該表面形状測定装置２１０においては、検出器１８、２１８が測定対象物Ｗの表面Ｗ１側と裏面Ｗ６側とに配置されているため、測定対象物Ｗの表面Ｗ１と裏面Ｗ６の形状を同時に測定することができる。また、表面Ｗ１から裏面Ｗ６までの距離、すなわち測定対象物Ｗの厚さも求めることができる。
【００３７】
上記実施形態においては、各センサは、その計測光が平面状に広がるラインビームである２次元計測センサとなっているが、計測光が測定対象物Ｗの表面Ｗ１上において点状に照射される一本のビームである１次元計測センサとしてもよい。また、計測光が測定対象物Ｗの表面Ｗ１上に面状に照射されるような３次元計測センサとしてもよい。この場合には、測定対象物Ｗを水平移動させる必要は必ずしもないので、水平移動機構１４、２１４をなくすこともできる。また、計測光の光源としてレーザーではなく、ＬＥＤ等の白色光源を利用して白色干渉計測により表面形状を測定するようにしてもよい。
【００３８】
上記実施形態においては、測定対象物Ｗを検出部１８、２１８に対して移動させるようになっているが、特に大きな測定対象物の測定を行うような装置においては、検出部１８、２１８を測定対象物Ｗに対して移動させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
表面形状測定装置１０；装置フレーム１２；水平移動機構１４；垂直移動機構１６；検出部１８；ステージ２０；第１センサ２２；第１計測光２４；第２センサ２６；第２計測光２８；表面形状測定装置１１０；第１センサ１２２；第２センサ１２６；表面形状測定装置２１０；水平移動機構２１４；送りローラー２１４−１、２１４−２；検出部２１８；第３センサ２２２；第３計測光２２４；第４センサ２２６；第４センサ２２６；
測定対象物Ｗ；表面Ｗ１；第１垂直壁面部Ｗ２；底面Ｗ３；第２垂直壁面部Ｗ４；底面Ｗ５；裏面Ｗ６；垂直軸線Ｐ；なす角α；測定可能領域ｗｄ１、ｗｄ２；第１表面形状データＤ１；第２表面形状データＤ２；合成表面形状データＤ３；
【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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