JP6880396B2 - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定装置および形状測定方法に係り、特に、走査型白色干渉計を用いて非接触で測定対象物の表面の形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。

光を用いた非接触形状測定機においては、使用する対物レンズの視野等の制限により、一回の測定で測定可能な範囲に制限が多い。この制限を回避する手法として、測定対象物を水平移動可能なステージ上に設置し、一定の割合で測定範囲が重なるように複数の測定を行い、後でそれらの測定データを接続する手法（スティッチング）が知られている。

このような手法を用いた場合、複数データを接続する際の相対位置誤差が課題となっており、例えば、下記の特許文献１には、測定データの高さ方向のずれ量をオーバーラップ領域の高さ方向から求めて、測定データを高さ方向に平行移動させることで、光学的歪みに起因する累積的誤差を抑制することが記載されている。

特許第５６９８９６３号

特許文献１に記載されている表面形状測定方法においては、高さを測定するため、別途高さ測定機を追加する必要があった。また、測定対象物が重い場合、あるいは、偏荷重が掛かる場合にステージ真直度が悪化し、空間的な回転を含む補正を実施できていなかった。また、光を用いた非接触形状測定機は、測定対象物が平面物である方が、高感度で測定することができ、また、高うねり形状の場合、対物レンズと衝突するなどの課題があり、一般的に平面に近い形状の測定を得意としていた。近年、長い作動距離を有する非接触形状測定機が開発されており、高うねり形状を有する、あるいは、大型の測定対象物への応用が期待されている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、複数データの接続を高精度に実施し、測定対象物の全体形状を高精度に取得することができる形状測定装置および形状測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、測定対象物を支持する支持部と、白色光を出射する光源部と、光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して測定光を測定対象物の被測定面に照射するとともに、参照光を参照面に照射し、被測定面から戻る測定光と参照面から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、被測定面の各点に照射された測定光と参照光との干渉光の輝度情報から測定対象物の表面形状データを取得する表面形状取得部と、を有する光学部と、支持部と、光学部と、の位置を相対的に移動させるＸＹ方向移動手段と、支持部に掛かっている荷重の分布を測定するセンサーと、センサーで測定した荷重の分布に基づいて、支持部のベースラインの補正値を求め、補正値に基づいて、複数の前記表面形状データを結合し、前記測定対象物の全表面形状データを取得する処理部と、を備える。

本発明の形状測定装置によれば、センサーを設け、測定対象物により支持部に掛かっている荷重の分布に基づいて、支持部のベースラインの補正値を求める。そして、測定対象物の複数の表面形状データを接続する際、支持部のベースラインの補正値で補正を行うことで、測定対象物の荷重による支持部のベースラインを補正することができ、高い精度で測定対象物の表面形状を測定することができる。

本発明に係る形状測定装置の一態様は、センサーは、支持部に掛かっている荷重を測定する力センサーであり、ベースラインの補正方向および補正量は、各荷重条件における基準ワークを測定することで求めることが好ましい。

この態様によれば、センサーとして力センサーを用い、力センサーで測定した荷重条件において、基準ワークを測定することで、当該荷重条件における支持部の変位量を求めることができる。したがって、この変位量から当該荷重条件における補正方向および補正方法を求めることができ、複数の荷重条件において基準ワークを用いて測定することで、様々な荷重条件における補正データを作成することができる。

本発明に係る形状測定装置の一態様は、センサーは、支持部の変位を測定する変位センサーであることが好ましい。

この態様は、センサーの別の具体例を規定したものであり、変位センサーを用い、支持部の変位を測定することで、当該荷重条件における支持部の変位量を求めることができ、補正方向および補正方法を求めることができる。

本発明に係る形状測定装置の一態様は、基準ワークがオプティカルフラットおよびグリッドチャートの少なくともいずれか一つであることが好ましい。

この態様は、基準ワークの具体例を示したものであり、オプティカルフラットを用いることで、高さ方向の補正量を、グリッドチャートを用いることで、面内方向の補正量を求めることができる。

本発明に係る形状測定装置の一態様は、ベースラインの補正方向および補正量は、ルックアップテーブルまたは関数モデルであることが好ましい。

この態様によれば、補正データ部で求めた、ベースラインの補正方向および補正量を、ルックアップテーブルの作成、または、関数モデル化を行うことで、補正を容易に行うことができ、計算コストを削減することができる。

上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定方法は、力センサーで測定した荷重の分布を用いて、支持部のベースラインの補正量を求める補正量取得工程と、支持部上に、測定対象物を載置し、測定対象物の表面形状を測定し、表面形状データを取得するとともに、力センサーにより荷重の分布の測定、支持部の位置を記録する表面形状測定工程と、表面形状測定工程で測定した表面形状データを、支持部のベースラインの補正量を用いて補正する補正工程と、表面形状測定工程、および、補正工程を、測定対象物の測定範囲で、支持部の移動を行い、複数の表面形状データを作成する繰り返し工程と、複数の表面形状データを接続し、測定対象物の広範囲表面形状データを取得する接続工程と、を有する。

本発明の形状測定方法によれば、まず、測定対象物の荷重が掛かる範囲、重心位置の範囲において、力センサーを用いて測定した荷重条件で支持部のベースラインの補正量を求める。そして、測定対象物の表面形状データを取得した後、この求めた支持部のベースラインの補正量を用いて、表面形状データを補正している。このように、測定対象物の荷重条件により、補正を行っているので、高い精度で測定対象物の表面形状を測定することができる。

本発明に係る形状測定方法の一態様は、補正量取得工程は、支持部上に測定対象物の荷重が掛かる範囲、および、重心位置の範囲内で、重量物を載置し、力センサーにて、荷重の分布を測定する荷重測定工程と、支持部上に、基準ワークを載置し、荷重測定工程で測定した荷重条件で、支持部のベースラインの変位を求める変位取得工程と、測定対象物の荷重がかかる範囲、および、重心位置の範囲内で、荷重測定工程および変位取得工程を繰り返す補正量取得繰り返し工程と、測定対象物の荷重がかかる範囲、および、重心位置の範囲内の条件における支持部の位置、および、変位の相関から補正データを作成する補正データ作成工程と、を有することが好ましい。

この態様は、補正量取得工程の一例を示したものであり、測定対象物の荷重が掛かる範囲、および、重心位置の範囲内の複数の荷重条件における基準ワークの変位から、補正データを作成することで、測定対象物の荷重条件における補正量を容易に求めることができる。

本発明に係る形状測定方法の一態様は、変位取得工程は、基準ワークにオプティカルフラットを用い、高さ方向の補正量を取得する高さ方向補正量取得工程と、基準ワークにグリッドチャートを用い、面内方向の補正量を取得する面内方向補正量取得工程と、を有することが好ましい。

この態様によれば、変位取得工程において、オプティカルフラットと、グリッドチャートを用いて、別々に補正量を求めることで、高さ方向と面内方向の補正量を取得することができる。

上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定方法は、支持部上に測定対象物を載置し、測定対象物の表面形状を測定し、表面形状データを取得する表面形状測定工程と、表面形状測定工程において、測定対象物の支持部に掛かる荷重による変位を変位センサーで測定する変位測定工程と、測定対象物の表面形状を測定する範囲内で、表面形状測定工程と、変位測定工程を繰り返し、複数の表面形状データを取得する繰り返し工程と、変位測定工程で測定した、支持部の変位を用いて、補正データを作成する補正データ作成工程と、複数の表面形状データを、補正データで補正する補正工程と、補正工程後の複数の表面形状データを接続し、測定対象物の広範囲表面形状データを取得する接続工程と、を有する。

本発明の形状測定方法によれば、変位センサーを用いて測定対処物の荷重により変位した支持部の変位を測定し、取得した表面形状データを補正しているので、測定対象物の荷重条件による支持部の変位を補正することができ、高い精度で測定対象物の表面形状を測定することができる。また、測定した表面形状を結合した際の誤差を抑えることができる。

本発明の形状測定装置および形状測定方法によれば、測定前に、測定対象物の重量による支持部の変位を測定し、測定対象物の表面を測定した後、支持部の変位を補正することで、測定対象物の全体形状を高精度に取得することができる。

本発明の実施の形態の表面形状測定装置（走査型白色干渉計）の全体構成図である。 撮像素子の撮像面のｘｙ座標上における干渉縞の画素配列を示した図である。 干渉部のｚ位置と輝度値との関係および干渉縞曲線を例示した図である。 被測定面の異なる点の異なるｚ座標値と干渉縞曲線との関係を例示した図である。 測定する撮像面の重なり部分を説明する図である。 ステージに掛かる荷重を説明する図である。 補正実施例の例を説明する図である。 補正データを作成するフローチャートを示す図である。 オプティカルフラット測定のフローチャートを示す図である。 グリッドチャート測定のフローチャートを示す図である。 測定した表面形状データの補正実施のフローチャートを示す図である。 他の実施形態に係る形状測定装置のステージ付近の概略図である。

以下、添付図面に従って本発明の形状測定装置および形状測定方法の好ましい実施の形態について詳説する。

図１は、本発明が適用される形状測定装置の全体構成を示した構成図である。

同図における表面形状測定装置１は、ミロー型の干渉計を用いて測定対象物の表面形状等を非接触により３次元測定する所謂、ミロー型の走査型白色干渉計（顕微鏡）であり、測定対象物Ｐの干渉画像を取得する光学部２と、測定対象物Ｐが載置されるステージ１０と、光学部２の各種制御や光学部２により取得された干渉画像に基づいて各種演算処理を行うパーソナルコンピュータ等の演算処理装置からなる処理部１８等を備える。

なお、測定対象物Ｐが配置される測定空間において、互いに直交する水平方向の２つの座標軸をｘ軸（紙面に直交する軸）とｙ軸（紙面に平行する軸）とし、ｘ軸およびｙ軸に直交する鉛直方向の座標軸をｚ軸とする。

ステージ１０は、ｘ軸およびｙ軸に略平行する平坦な上面であって測定対象物Ｐを支持する支持部であって、測定対象物Ｐを載置するステージ面１０Ｓを有する。

ステージ１０のステージ面１０Ｓの反対側には、力センサー１１を有し、ステージ１０に掛かっている荷重、重心位置、および、荷重の分布を測定する。この力センサー１１を用いて測定したデータに基づいて、ベースラインの補正を行うことで、高い精度で測定対象物Ｐの表面形状を測定することができる。ベースラインを補正するための補正データの作成、および、補正の方法については後述する。

ステージ面１０Ｓに対向する位置、即ち、ステージ１０の上側には、不図示の筐体により一体的に収容保持された光学部２が配置される。

光学部２は、ｘ軸に平行な光軸Ｚ−１を有する光源部１２と、ｚ軸に平行な光軸Ｚ−０（以下、「測定光軸Ｚ−０」と言う）を有する干渉部１４および撮影部１６とを有する。光源部１２の光軸Ｚ−１は、干渉部１４および撮影部１６の光軸Ｚ−０に対して直交し、干渉部１４と撮影部１６との間において光軸Ｚ−０と交差する。なお、光軸Ｚ−１は、必ずしもｘ軸と平行でなくてもよい。

光源部１２は、測定対象物Ｐを照明する照明光として波長幅が広い白色光（可干渉性の少ない低コヒーレンス光）を出射する光源４０と、光源４０から拡散して出射された照明光を略平行な光束に変換するコレクタレンズ４２とを有する。光源４０およびコレクタレンズ４２の各々の中心とする軸は光源部１２の光軸Ｚ−１として同軸上に配置される。

また、光源４０としては、発光ダイオード、半導体レーザ、ハロゲンランプ、高輝度放電ランプなど、任意の種類の発光体を用いることができる。

この光源部１２から出射された照明光は、干渉部１４と撮影部１６との間に配置され、光軸Ｚ−１と測定光軸Ｚ−０とが交差する位置に配置されたハーフミラー等のビームスプリッタ４４に入射する。そして、ビームスプリッタ４４（ビームスプリッタ４４の平坦な光分割面（反射面））で反射した照明光が測定光軸Ｚ−０に沿って進行して干渉部１４に入射する。

干渉部１４は、マイケルソン型干渉計により構成され、光源部１２から入射した照明光を測定光と参照光とに分割する。そして、測定光を測定対象物Ｐに照射するとともに、参照光を参照ミラー５２に照射し、測定対象物Ｐから戻る測定光と参照ミラー５２から戻る参照光とを干渉させた干渉光を生成する。

干渉部１４は、集光作用を有する対物レンズ５０と、光を反射する参照面であって平坦な反射面を有する参照ミラー５２と、光を分割する平坦なビームスプリッタ５４と、を有する。対物レンズ５０、参照ミラー５２、およびビームスプリッタ５４の各々の中心とする軸は干渉部１４の光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。参照ミラー５２の反射面は、ビームスプリッタ５４の側方位置に、測定光軸Ｚ−０と平行に配置される。

光源部１２から干渉部１４に入射した照明光は、対物レンズ５０により集光作用を
受けた後、ビームスプリッタ５４に入射する。

ビームスプリッタ５４は、例えばハーフミラーであり、ビームスプリッタ５４に入射した照明光は、ビームスプリッタ５４を透過する測定光と、ビームスプリッタ５４の光分割面で反射する参照光とに分割される。

ビームスプリッタ５４を透過した測定光は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射された後、被測定面Ｓから干渉部１４へと戻り、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４を透過した測定光が対物レンズ５０に入射する。

一方、ビームスプリッタ５４で反射した参照光は、参照ミラー５２の光反射面で反射した後、再度、ビームスプリッタ５４に入射する。そして、ビームスプリッタ５４で反射した参照光が対物レンズ５０に入射する。

これによって、干渉部１４から測定対象物Ｐの被測定面Ｓに照射されて干渉部１４に戻る測定光と、参照ミラー５２で反射した参照光とが重ね合わされた干渉光が生成され、その干渉光が対物レンズ５０により集光作用を受けた後、干渉部１４から撮影部１６に向けて出射される。

また、照明光が測定光と参照光とに分割された後、測定光と参照光とが重ね合わされるまでの測定光と参照光の各々が通過した光路の光学的距離を、測定光の光路長および参照光の光路長といい、それらの差を測定光と参照光の光路長差というものとする。

また、干渉部１４は、光学部２においてｚ軸方向に直線移動可能に設けられる。そして、干渉部アクチュエータ５６の駆動により対物レンズ５０、およびビームスプリッタ５４がｚ軸方向に移動する。これにより、対物レンズ５０の焦点面の位置（高さ）がｚ軸方向に移動すると共に、被測定面Ｓとビームスプリッタ５４との距離が変化することで測定光の光路長が変化し、測定光と参照光との光路長差が変化する。

撮影部１６は、被測定面Ｓの各点に照射された測定光と参照光との干渉光の輝度情報から測定対象物Ｐの表面形状データを取得する表面形状取得部であり、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラに相当し、ＣＣＤ型の撮像素子６０と、結像レンズ６２とを有する。撮像素子６０と結像レンズ６２の各々の中心とする軸は撮影部１６の光軸Ｚ−０として同軸上に配置される。なお、撮像素子６０は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の撮像素子等、任意の撮像手段を用いることができる。

干渉部１４から出射された干渉光は、上述のビームスプリッタ４４に入射し、ビームスプリッタ４４を透過した干渉光が撮影部１６に入射する。

撮影部１６に入射した干渉光は、結像レンズ６２により撮像素子６０の撮像面６０Ｓに干渉像を結像する。ここで、結像レンズ６２は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの光軸Ｚ−０周辺の領域に対する干渉像を高倍率に拡大して撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像する。

また、結像レンズ６２は、干渉部１４の対物レンズ５０の焦点面上における点を、撮像素子６０の撮像面上の像点として結像する。即ち、撮影部１６は、対物レンズ５０の焦点面の位置にピントが合うように（合焦するように）設計されている。

なお、以下において、測定対象物Ｐの焦点面のｚ軸方向の位置を単に「ピント位置」、または、「撮影部１６のピント位置」というものとする。

撮像素子６０の撮像面６０Ｓに結像された干渉像は、撮像素子６０により電気信号に変換されて干渉画像として取得される。そして、その干渉画像は、処理部１８に与えられる。

以上のように光源部１２、干渉部１４、および撮影部１６等により構成される光学部２は、全体が一体的としてｚ軸方向に直進移動可能に設けられる。例えば、光学部２は、ｚ軸方向に沿って立設された不図示のｚ軸ガイド部に直進移動可能に支持される。そして、ｚアクチュエータ７０の駆動により光学部２全体がｚ軸方向に直進移動する。これにより、干渉部１４をｚ軸方向に移動させる場合よりも、撮影部１６のピント位置をｚ軸方向に大きく移動させることができ、例えば、測定対象物Ｐの厚さ等に応じて撮影部１６のピント位置を適切な位置に調整することができる。

光学部２またはステージ１０には、光学部２およびステージ１０の位置を相対的に移動させるＸＹ方向移動手段（不図示）を備える。光学部２およびステージ１０の位置を相対的に移動させることで、測定対象物Ｐの測定位置を変化させ、複数の表面形状データを取得する。

処理部１８は、測定対象物Ｐの被測定面Ｓの表面形状を測定する際に、干渉部アクチュエータ５６を制御して光学部２の干渉部１４をｚ軸方向に移動させながら撮影部１６の撮像素子６０から干渉画像を順次取得する。そして、取得した干渉画像に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを被測定面Ｓの表面形状を示すデータとして取得する。

ここで、処理部１８が干渉縞に基づいて被測定面Ｓの３次元形状データを取得する処理について説明する。

撮影部１６の撮像素子６０は、ｘ軸およびｙ軸からなるｘｙ平面（水平面）に沿って２次元的に配列された多数の受光素子（画素）からなり、各画素において受光される干渉像の輝度値、即ち、撮像素子６０により取得される干渉画像の各画素の輝度値は、各画素に対応する被測定面Ｓの各点で反射した測定光と参照光との光路長差に応じた干渉光の強度（輝度情報）を示す。

ここで、図２に示すように、干渉画像（撮像素子６０の撮像面）のｍ列目、ｎ列目の画素を（ｍ、ｎ）と表すものとする。そして、画素（ｍ、ｎ）のｘ軸方向に関する位置（以下、ｘ軸方向に関する位置を「ｘ位置」という）を示すｘ座標値をｘ（ｍ、ｎ）と表し、ｙ軸方向に関する位置（以下、ｙ軸方向に関する位置を「ｙ位置」という）を示すｙ座標値をｙ（ｍ、ｎ）と表すものとする。

また、画素（ｍ、ｎ）に対応する測定対象物Ｐの被測定面Ｓ上の点のｘ位置を示すｘ座標値をＸ（ｍ，ｎ）と表し、ｙ位置を示すｙ座標値をＹ（ｍ，ｎ）と表すものとし、また、その点をｘｙ座標値により（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））と表すものとする。なお、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点とは、ピントが合っている状態において画素（ｍ，ｎ）の位置に像点が結像される被測定面Ｓ上の点を意味する。

このとき、撮像素子６０により取得される干渉画像の画素（ｍ，ｎ）の輝度値は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差に応じた大きさを示す。

即ち、図１の干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させて光学部２（撮影部１６）に対する干渉部１４の相対的なｚ軸方向の位置（以下、「ｚ位置」という）を変位させると、撮影部１６のピント位置（対物レンズ５０の焦点面）もｚ軸方向に移動し、ピント位置も干渉部１４と同じ変位量で変位する。また、ピント位置が変位すると、被測定面Ｓの各点に照射される測定光の光路長も変化する。

そして、干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置を変位させながら、即ち、測定光の光路長を変化させながら、撮像素子６０から干渉画像を順次取得して干渉画像の任意の画素（ｍ，ｎ）の輝度値を検出する。

ここで、処理部１８は、干渉部１４の所定の基準位置からの変位量（干渉部１４のｚ位置）を、ポテンショメータやエンコーダなどの不図示の位置検出手段からの検出信号により検出することができる。または、位置検出手段を使用することなく干渉部１４のｚ位置を制御する場合、例えば、干渉部アクチュエータ５６に与える駆動信号により一定変位量ずつ干渉部１４を移動させる場合には、その総変位量により検出することができる。

そして、干渉部１４が基準位置のときのピント位置のｚ位置を測定空間におけるｚ座標の基準位置（原点位置）として、かつ、干渉部１４の基準位置からの変位量をピント位置のｚ座標値として取得することができる。なお、ｚ座標値は、原点位置よりも高い位置（撮影部１６に近づく位置）を正側、低い位置（ステージ面１０Ｓに近づく位置）を負側とする。また、干渉部１４の基準位置、即ち、ｚ座標の原点位置は任意のｚ位置に設定、変更することができる。

図３の（Ａ）〜（Ｃ）は、干渉部１４の測定対象物Ｐの被測定面Ｓに近接した位置からｚ軸方向に上昇させながら撮影部１６の撮像素子６０から画像を取得したときの干渉部１４のｚ位置と輝度値との関係を示した図である。

図３の（Ａ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２より小さいと干渉は小さく、輝度値は略一定となる。そして、図３の（Ｂ）のように、測定光の光路長Ｌ１と参照光の光路長Ｌ２とが同じ、即ち光路長差が０となる場合に干渉が大きくなり、最も大きな輝度値を示す。さらに、図３（Ｃ）のように、測定光の光路長Ｌ１が参照光の光路長Ｌ２よりも大きいと再び干渉は小さくなり、輝度値は略一定となる。これにより、図３の（Ｄ）に示す干渉縞曲線Ｑに沿った輝度値が得られる。

即ち、任意の画素（ｍ，ｎ）における干渉縞曲線Ｑは、その画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長差が所定値より大きい場合には略一定の輝度値を示し、光路長差がその所定値より小さいときには、光路長差が減少するにつれて輝度値が振動すると共にその振幅が大きくなる。

したがって、図３の（Ｄ）に示すように、干渉縞曲線Ｑは、測定光と参照光との光路長が一致したときに（光路長差が０のときに）、最大値を示すと共に、その干渉縞曲線Ｑの包絡線における最大値を示す。

また、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））に照射された測定光と参照光との光路長は、撮影部１６のピント位置が被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致したときに一致する。

したがって、干渉縞曲線Ｑが最大値を示すとき（または干渉縞曲線Ｑの包絡線が最大値を示すとき）のピント位置は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ位置に一致しており、そのときのピント位置のｚ座標値は、被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

以上のことから、処理部１８は、干渉部アクチュエータ５６により干渉部１４をｚ軸方向に移動させてピント位置をｚ軸方向に移動させながら（測定光の光路長を変化させながら）、撮像素子６０から干渉画像を順次取得し、各画素（ｍ，ｎ）の輝度値をピント位置のｚ座標値に対応付けて取得する。即ち、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像の各画素（ｍ，ｎ）の輝度値を取得する。そして、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を、各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）として検出する。

なお、Ｚ（ｍ，ｎ）は、画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値を示す。

また、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出する方法は周知であり、どのような方法を採用してもよい。例えば、ピント位置の微小間隔ごとのｚ座標値において干渉画像を取得することで、各画素（ｍ，ｎ）について、図３（Ｄ）のような干渉縞曲線Ｑを実際に描画することができる程度に輝度値を取得することができ、取得した輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

または、ピント位置の各ｚ座標値において取得した輝度値に基づいて最小二乗法等により干渉縞曲線Ｑを推測し、または、干渉縞曲線Ｑの包絡線を推測し、その推測した干渉縞曲線Ｑまたは包絡線に基づいて輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、干渉縞曲線Ｑの輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することができる。

以上のようにして、処理部１８は、干渉画像（撮像素子６０の撮像面６０Ｓ）の各画素（ｍ，ｎ）に対応する被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））のｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を検出することで、被測定面Ｓ上の各点（Ｘ（ｍ，ｎ），Ｙ（ｍ，ｎ））の相対的な高さを検出することができる。

そして、被測定面Ｓ上の各点のｘ座標値Ｘ（ｍ，ｎ）、ｙ座標値Ｙ（ｍ，ｎ）、およびｚ座標値Ｚ（ｍ，ｎ）を被測定面Ｓの３次元形状データ（表面形状を示すデータ）として取得することができる。

例えば、図４に示すようにｘ軸方向に並ぶ３つの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３が相違する場合に、ピント位置をｚ軸方向に走査しながら干渉画像のそれらの画素の輝度値を取得すると、それらの画素の各々に関してピント位置がｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３のときに輝度値が最大値を示す干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が取得される。したがって、それらの干渉縞曲線Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の輝度値が最大値を示すときのピント位置のｚ座標値を検出することで、それらの画素に対応する被測定面Ｓ上の３点におけるｚ座標値Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を検出することができる。このようにして、被測定面Ｓの３次元形状データを取得することにより、測定対象物Ｐの表面形状測定を行う。

また、処理部１８は、補正データ部１８Ａ、および、計算部１８Ｂを備える。補正データ部１８Ａは、力センサー１１から取得したステージ１０に掛かる荷重、荷重の分布および重心位置、および、ステージ１０の位置情報、撮影部１６で撮像した基準ワークの形状データを基に、測定対象物の形状データを接続する際の補正データを作成する。補正データは、接続の際に必要となる補正方向（並進、回転および歪み）と補正量を、複数の荷重条件で測定し、ルックアップテーブルまたは関数モデルとして保存する。計算部１８Ｂは、補正データ部１８Ａで作成した補正データを用いて、撮影部１６で撮像した測定対象物Ｐの表面形状データを補正し、複数の表面形状データの接続計算を行う。

次に、表面形状測定装置を用いて、スティッチングにより、測定対象物の表面形状を測定する方法について説明する。

非接触形状の測定で広範囲を測定する場合、図５（Ａ）に示すように、撮像面６０Ｓにおいて、一定の割合で測定範囲が重なる重なり部分６０Ａを設けて表面形状を測定する。そして、図５（Ｂ）に示すように、隣り合う表面形状データ同士の重なり部分６０Ａが重なるように接続し、測定対象物の全体の表面形状を測定する。この時、図６（Ａ）に示すように、ステージ１０に荷重が掛かり、ステージ１０がｚ軸方向に変動する場合がある。また、図６（Ｂ）に示すように、ステージ１０上で荷重が均等に掛からず、一方にのみ、大きな荷重が掛かる偏荷重の場合がある。これらを単に、測定した各表面形状データをｚ軸方向に平行移動することで、接続を行うと、接続する表面形状データが多くなると誤差が積層されるため、求めた表面形状の一方の端部側と他方の端部側とで誤差が大きくなる。また、偏荷重の場合は、ステージ１０が傾き、測定対象物も傾くことになるが、ｚ軸方向に平行移動するのみでは、測定対象物が傾いているとして処理される可能性があり、正確な表面形状を測定できていない。本実施形態においては、測定対象物によりステージに掛かる荷重、重心位置および、荷重の分布を測定し、あらかじめ荷重を掛けた条件で、ステージ上に基準ワークを載置し、各荷重条件における補正値を取得し、この補正値を用いて、測定対象物の表面形状データを補正することで、高い精度で複数の測定データの接続を行うことができ、表面形状を測定することができる。

まず、図７を用いて補正実施の例について説明する。図７の（Ａ）は、特定の荷重条件におけるステージのステージ位置と、高さ方向の変化の一例を示す図である。ステージ１０に測定対象物Ｐを載置すると、測定対象物Ｐによりステージ１０に荷重が掛かり、ステージ１０を移動させると、例えば、図７の（Ａ）に示すように、移動の途中で、ステージ１０にうねりが生じる場合がある。

図７の（Ｂ）は、測定対象物Ｐをステージ１０上に載置して測定する際の状態を示した図である、図７の（Ａ）に示すようなうねりが生じた場合、図７の（Ｂ）に示すように、うねりにより、本来は平坦な形状であるのに対し、水平面に対して斜めの形状として認識される。また、高さ方向に差が生じる。水平方向に対して斜めの形状として認識されると、測定対象物Ｐを平面視で見た時に、実際の幅より短く認識されることになる。図７の（Ｃ）は、図７の（Ｂ）で測定した形状を、補正を行わずにプロットした図である。補正を行わずにプロットを行うと、高さ方向で位置が異なるため、隣り合う測定面同士の接続ができない。また、単に接続するのみでは、形状が斜めであるため、正確な形状を測定できていない。本実施形態においては、高さ方向の補正量からｚ方向の補正量を求め、面内方向の補正量からｘｙ方向の補正量を求め、荷重条件およびステージの位置から補正データを作成する。この補正データを用いて、補正を行うことで、正確な表面形状を取得することができる。

図７の（Ｄ）は、同荷重条件での補正モデルである。図７の（Ａ）に示す荷重条件または、その荷重条件に近い条件における補正モデルを後述する図８に示すフローチャートに沿って、測定対象物Ｐの表面形状の測定前に求めておく。求めた補正モデルを、補正データとして、モデル関数の作成、あるいは、ルックアップテーブルの作成をしておき、図１に示す処理部１８内の補正データ部１８Ａに保存しておく。この補正データを用いて、図７の（Ａ）に示す荷重条件での補正量を計算により求めると、図７の（Ｅ）に示す補正量となる。

補正を行わずにプロットした図７の（Ｃ）を、計算により求めた補正量である図７の（Ｅ）により補正し、各測定データを結合することで、図７の（Ｆ）に示す表面形状を得ることができる。本実施形態によれば、ステージ１０に掛かる荷重を考慮して、測定した表面形状のデータの補正を行っているので、高精度で測定対象物Ｐの表面形状を測定することができる。

図８から図１０は、補正データを作成するフローチャートを示す図である。

補正データは、補正を実施する範囲内の荷重、および、重心位置条件の範囲内（以下、「補正すべき荷重の範囲内」ともいう）、すなわち、測定対象物Ｐをステージ１０上に載置した際に掛かる荷重、および、重心位置の範囲内を補正できるように、作成する。

まず、図８のステップＳ１０の工程として、補正すべき荷重の範囲内にある重量物をステージ１０上に載置し、力センサー１１にて、荷重と重心位置を測定する（ステップＳ１２：荷重測定工程）。

次に、ステップＳ１２で測定した荷重条件をステージ１０に掛けた状態で、基準ワークを載置し、この荷重条件におけるステージ１０の変位を求める変位取得工程を行う、変位取得工程は、基準ワークを用いて行い、例えば、まず、ステップＳ１４の工程として、オプティカルフラット測定（高さ方向補正量取得工程）を行う。ステップＳ１４の工程のオプティカルフラット測定については、図９で説明する。

オプティカルフラット測定は、ステージ１０上にオプティカルフラットを載置し、ステージ１０を移動させながらオプティカルフラットの表面形状を測定することで、高さ方向の補正量を決定する工程である。オプティカルフラット測定は、まず、ステップＳ３０の工程として、ステージ１０上にオプティカルフラットを設置する。次に、ステージ１０を移動させ（ステップＳ３２）、ステージ１０上のオプティカルフラットの位置情報を測定する（ステップＳ３４）。また、オプティカルフラットの表面形状を取得する（ステップＳ３６）。なお、ステージ１０の位置情報の測定、および、オプティカルフラットの表面形状を取得する際、ステップＳ１２の工程で測定した荷重をステージ１０に掛け、重心位置についても、同じ位置になるように、荷重条件を設定する。ステージ１０に掛かる荷重の分布により、ステージ１０に傾きが生じる場合があり、荷重を掛けた状態でオプティカルフラットの表面形状を測定することで、高さ方向の変化を測定することができる。

ステップＳ３６で、オプティカルフラットの表面形状を測定した後、ステージ１０の移動可能な範囲、または、測定対象物Ｐが載置される範囲の全面の表面形状が取得していない場合（ステップＳ３８）、ステップＳ３２に戻り、ステージ１０を移動させ、ステージ１０の位置情報の測定（ステップＳ３４）、オプティカルフラットの表面形状の取得（ステップＳ３６）を行う。ステップＳ３２のステージ１０の移動は、ステージ１０の移動可能な範囲において、あるいは、測定対象物Ｐが載置される範囲において、これらの範囲を覆うように移動を繰り返し、ステップＳ３２からステップＳ３６の工程を行う。これらの範囲におけるオプティカルフラットの表面形状の測定が終了したら（ステップＳ３８）、ステップＳ１２で測定した荷重条件における、各ステージ１０の位置に対応する高さ方向の補正量を決定し（ステップＳ４０）、オプティカルフラット測定を終了する。

図８に戻り、ステップＳ１４の工程で、オプティカルフラット測定をした後、ステップＳ１６の工程として、グリッドチャート測定（面内方向補正量取得工程）を行う。ステップＳ１６の工程のグリッドチャート測定については、図１０で説明する。

グリッドチャート測定は、ステージ１０上にグリッドチャートを載置し、ステージ１０を移動させながらグリッドチャートを測定することで、面内方向の補正量を決定する工程である。グリッドチャート測定は、まず、ステップＳ５０の工程として、ステージ１０上にグリッドチャートを設置する。次に、ステージ１０を移動させ（ステップＳ５４）、グリッドチャートの位置情報を測定する（ステップＳ５４）。また、グリッドチャートの表面形状を取得する（ステップＳ５６）。なお、グリッドチャートの表面形状を測定する際も、ステップＳ１２の工程で測定した荷重をステージ１０に掛け、重心位置についても、同じ位置になるように、荷重条件を設定する。ステージ１０に掛かる荷重の分布により、ステージ１０に傾きが生じる場合があり、荷重を掛けた状態でグリッドチャートの表面形状を測定することで、面内方向の変化を測定することができる。

ステップＳ５６で、グリッドチャートの表面形状を測定した後、ステージ１０の移動可能な範囲、または、測定対象物Ｐが載置される範囲の全面の表面形状が取得していない場合（ステップＳ５８）、ステップＳ５２に戻り、ステージ１０を移動させ、ステージ１０の位置情報の測定（ステップＳ５４）、グリッドチャートの表面形状の取得（ステップＳ５６）を行う。ステップＳ５２のステージ１０移動についても、オプティカルフラット測定と同様に、ステージ１０の移動可能な範囲において、あるいは、測定対象物Ｐが載置される範囲において、これらの範囲を覆うように移動を繰り返し、ステップＳ５２からステップＳ５６の工程を行う。これらの範囲におけるグリッドチャートの表面形状の測定が終了したら（ステップＳ５８）、ステップＳ１２で測定した荷重条件における、各ステージ１０の位置に対応する面内方向の補正量を決定し（ステップＳ６０）、グリッドチャート測定を終了する。

図８に戻り、ステップＳ１４の工程で高さ方向の補正量の決定、ステップＳ１６の工程で、面内方向の補正量の決定を行った後、ステップＳ１８の工程で、これらのデータを組み合わせることで、ステップＳ１２で測定した荷重条件における３次元的な補正量（並進、回転、歪み）を決定する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１８で、ステップＳ１２で測定した荷重条件における補正量を決定した後、
補正データの作成に十分な荷重条件で測定を行っていない場合（ステップＳ２０）、ステップＳ１０に戻り、重量物のステージ１０上の設置位置を変更し、補正すべき荷重の範囲内において、荷重および重心位置の変更を行う（ステップＳ１２）。以下、同様に、ステップＳ１２〜ステップＳ１８を繰り返すことで、ステップＳ１２で測定した荷重条件における３次元補正量を決定する（補正量取得繰り返し工程）。ステップＳ１０の重量物の移動による荷重、重心位置の変更は、補正すべき荷重の範囲内において、離散的に複数回行うことで、様々な荷重条件における３次元補正量を求めることが好ましい。

ステップＳ１０〜ステップＳ１８を繰り返すことで、複数の荷重条件における３次元補正量を決定した後、ステップＳ２２の工程として、各荷重条件（荷重、重心位置）、各ステージ位置、対応する３次元補正量の相関から、モデル関数、あるいは、ルックアップテーブルを作成し、終了する（補正データ作成工程）。ステップＳ２２で作成したモデル関数、または、ルックアップテーブルを用いることで、測定対象物Ｐの荷重条件（力センサー１１の数値）、および、ステージ位置から３次元補正量を求めることができ、高い精度で表面形状を測定することができる。

［補正方法］
図１１は、作成した補正データ（モデル関数、または、ルックアップテーブル）を用いて、測定した表面形状データを補正するフローチャートを示す図である。

まず、ステップＳ７０の工程として、ステージ１０上に、測定対象物Ｐを載置する。次に、ステージ１０を移動させながら（ステップＳ７２）、力センサー１１で、測定対象物Ｐのステージ１０に掛かる荷重の測定（ステップＳ７４）、ステージ１０の位置情報の記録（ステップＳ７６）、測定対象物Ｐの表面形状を測定する（ステップＳ７８：表面形状測定工程）。

次に、ステップＳ８０の工程として、ステップＳ７４の工程で測定した荷重、および、ステップＳ７６の工程で測定した、ステージの位置情報、および、モデル関数またはルックアップテーブルを用いて、３次元的な補正量を計算する（補正工程）。この３次元的な補正量を、ステップＳ７８の工程で測定した表面形状に適用する。これにより、測定対象物の荷重、および、重心位置の影響を受けず、精度の高い表面形状を測定することができる。

当該ステージ位置において表面形状を測定した後、測定対象物Ｐの全面の表面形状を取得していない場合（ステップＳ８２）、ステップＳ７２に戻り、ステップＳ７２〜ステップＳ８０の工程を、測定する範囲をすべて覆うように、ステージ１０の移動を繰り返し、測定対象物の全領域を測定する（繰り返し工程）。ステップＳ７２の工程におけるステージ１０の移動は、図５に示すように、一定の割合で測定範囲が重なるように、移動させる。

測定対象物Ｐの全領域を測定した後（ステップＳ８２）、ステップＳ８４の工程として、補正された形状の、測定範囲が重なる領域を接続することで、広範囲表面形状データを出力する（接続工程）。本実施形態によれば、測定対象物を測定する前に、補正データを作成し、測定対象物の表面形状を測定した後のデータを補正することで、高精度に各々の画像を取得することができる。したがって、画像を接続しても、それぞれの画像の誤差が小さいので、全体として誤差を小さくすることができるので、測定対象物の表面形状を高精度に測定することができる。

≪他の実施形態≫
図１２は、他の実施形態に係る形状測定装置のステージ付近を拡大した概略図である。図１２に示す形状測定装置は、ステージ１０に変位センサー１１１を設け、変位センサー１１１により、ステージ１０に掛かる荷重による変位を補正している点が、図１に示す形状測定装置と異なっている。

図１２に示す形状測定装置においては、ステージ１０を平面度の高い定盤１２０上に設け、ステージ１０の定盤側に設けられた変位センサーにより、測定対象物Ｐの表面形状の測定時にステージ１０の変位を測定する。

本実施形態においては、図１に示す表面形状測定装置１と同様に、測定対象物Ｐの表面形状を測定する（表面形状測定工程）。この表面形状を測定する際に、変位センサー１１１を用いて、ステージ１０の変位を測定する（変位測定工程）。この測定対象物Ｐの表面形状の測定と、変位センサーの測定を繰り返すことで、測定対象物Ｐ全面の表面形状を測定する。

変位センサー１１１で測定したステージ１０の変位を用いて、ベースラインの計算を行い、補正方法および補正量を決定し、補正データを作成する（補正データ作成工程）。測定対象物Ｐの表面形状データから、補正データにより補正を行うこと（補正工程）で、高い精度で、測定対象物Ｐの表面形状を測定することができる。また、接続工程で、複数の表面形状データの接続を精度良く行うことができ、高い精度で、広範囲表面形状データを取得することができる。

１…表面形状測定装置、２…光学部、１０…ステージ、１０Ｓ…ステージ面、１１…力センサー、１２…光源部、１４…干渉部、１６…撮影部、１８…処理部、１８Ａ…補正データ部、１８Ｂ…計算部、４０…光源、４２…コレクトレンズ、４４、５４…ビームスプリッタ、５０…対物レンズ、５２…参照ミラー、５６…干渉部アクチュエータ、６０…撮像素子、６０Ａ…重なり部分、６０Ｓ…撮像面、６２…結像レンズ、７０…ｚアクチュエータ、１１１…変位センサー、１２０…定盤、Ｌ１、Ｌ２…光路長、Ｐ…測定対象物、Ｑ…干渉縞曲線、Ｓ…被測定面、Ｚ−０、Ｚ−１…光軸

Claims (9)

1. 測定対象物を支持する支持部と、
   白色光を出射する光源部と、前記光源部からの白色光を測定光と参照光とに分割して前記測定光を前記測定対象物の被測定面に照射するとともに、前記参照光を参照面に照射し、前記被測定面から戻る測定光と前記参照面から戻る前記参照光とを干渉させた干渉光を生成する干渉部と、前記被測定面の各点に照射された前記測定光と前記参照光との干渉光の輝度情報から前記測定対象物の表面形状データを取得する表面形状取得部と、を有する光学部と、
   前記支持部と、前記光学部と、の位置を相対的に移動させるＸＹ方向移動手段と、
   前記支持部に掛かっている荷重の分布を表す物理量を測定するセンサーと、
   前記センサーで測定した荷重の分布を表す物理量に基づいて、前記測定対象物の表面形状データを接続する際の高さ方向及び面内方向の補正値を求め、前記補正値に基づいて、複数の前記表面形状データを結合し、前記測定対象物の全表面形状データを取得する処理部と、を備える形状測定装置。
2. 前記センサーは、前記支持部に掛かっている荷重を測定する力センサーであり、前記補正値は、各荷重条件における基準ワークを測定することで求める請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記センサーは、前記支持部の変位を測定する変位センサーである請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記基準ワークがオプティカルフラットおよびグリッドチャートの少なくともいずれか一つである請求項２に記載の形状測定装置。
5. 前記補正値は、ルックアップテーブルまたは関数モデルである請求項１から４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
6. 力センサーで測定した荷重の分布を用いて、測定対象物の表面形状データを接続する際の高さ方向及び面内方向の補正値を求める補正量取得工程と、
   支持部上に、前記測定対象物を載置し、前記測定対象物の表面形状を測定し、表面形状データを取得するとともに、前記力センサーにより荷重の分布の測定、前記支持部の位置を記録する表面形状測定工程と、
   前記表面形状測定工程で測定した前記表面形状データを、前記補正値を用いて補正する補正工程と、
   前記表面形状測定工程、および、前記補正工程を、前記測定対象物の測定範囲で、前記支持部の移動を行い、複数の表面形状データを作成する繰り返し工程と、
   前記複数の表面形状データを接続し、前記測定対象物の広範囲表面形状データを取得する接続工程と、を有する形状測定方法。
7. 前記補正量取得工程は、前記支持部上に前記測定対象物の荷重が掛かる範囲、および、重心位置の範囲内で、重量物を載置し、前記力センサーにて、荷重の分布を測定する荷重測定工程と、
   前記支持部上に、基準ワークを載置し、前記荷重測定工程で測定した荷重条件で、前記支持部の変位を求める変位取得工程と、
   前記測定対象物の荷重がかかる範囲、および、重心位置の範囲内で、荷重測定工程および変位取得工程を繰り返す補正量取得繰り返し工程と、
   前記測定対象物の荷重がかかる範囲、および、重心位置の範囲内の条件における前記支持部の位置、および、変位の相関から補正データを作成する補正データ作成工程と、を有する請求項６に記載の形状測定方法。
8. 前記変位取得工程は、
   前記基準ワークにオプティカルフラットを用い、高さ方向の補正量を取得する高さ方向補正量取得工程と、
   前記基準ワークにグリッドチャートを用い、面内方向の補正量を取得する面内方向補正量取得工程と、を有する請求項７に記載の形状測定方法。
9. 支持部上に測定対象物を載置し、前記測定対象物の表面形状を測定し、表面形状データを取得する表面形状測定工程と、
   前記表面形状測定工程において、前記測定対象物の前記支持部に掛かる荷重による変位を変位センサーで測定する変位測定工程と、
   前記測定対象物の表面形状を測定する範囲内で、前記表面形状測定工程と、前記変位測定工程を繰り返し、複数の表面形状データを取得する繰り返し工程と、
   前記変位測定工程で測定した、前記支持部の変位を用いて、前記測定対象物の表面形状データを接続する際の高さ方向及び面内方向の補正値を作成する補正データ作成工程と、
   前記複数の表面形状データを、前記補正値で補正する補正工程と、
   前記補正工程後の複数の表面形状データを接続し、前記測定対象物の広範囲表面形状データを取得する接続工程と、を有する形状測定方法。
   

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