DE102019203129A1

DE102019203129A1 - Messvorrichtung für optische Interferenz

Info

Publication number: DE102019203129A1
Application number: DE102019203129.3A
Authority: DE
Inventors: Ken MOTOHASHI; Johannes Anna Quaedackers; Adriaan Tiemen ZUIDERWEG
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-09-12
Also published as: US10794688B2; JP2019179028A; CN110243282B; US20190277628A1; JP7317523B2; CN110243282A

Abstract

Eine interferometrische optische Vorrichtung, die die gekrümmte Wandform eines zylindrischen Objekts misst und Folgendes aufweist: ein interferometrisches optisches System, das Messlicht an eine gekrümmte Wand des Objekts emittiert, das Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, sammelt und eine zusammengesetzte Welle erzeugt, die das reflektierte Licht und ein Referenzlicht kombiniert; eine Rotationsantriebsanordnung, die mit dem interferometrischen optischen System verbunden ist und die das interferometrische optische System, das um eine Drehachse, die mit einer Mittenachse der zylindrischen Form des Objekts zusammenfällt, zentriert ist, drehtechnisch verschiebt; einen Sensor, der eine zweidimensionale Verteilung der Intensität der zusammengesetzten Welle unter Verwendung einer Vielzahl an Photodetektorelementen, die zweidimensional geordnet sind, erhält; und eine Rechenvorrichtung, die die Innenwandform des Objekts basierend auf der Vielzahl an zweidimensionalen Verteilungen, die in einem Zustand erhalten werden, bei dem ein Drehwinkel für den Rotationsantriebsmechanismus variiert, berechnet.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität über die japanische Anmeldung Nr. 2018-040375 , eingereicht am 7. März 2018, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, die eine dreidimensionale Form misst, und betrifft insbesondere eine optische interferometrische Vorrichtung für Messung, die die Form einer Oberfläche, die zylindrisch in ihrem Natur ist, misst.
Beschreibung des Stands der Technik
Optische Interferometrie, die Helligkeitsinformationen für ein Interferenzmuster, das durch die Interferenz von Licht erzeugt wird, verwendet, ist ein bekanntes Verfahren für berührungslose Messung von Oberflächenhöhe, Oberflächenrauheit, einer dreidimensionalen Form und dergleichen eines gemessenen Objekts. Eine optische interferometrische Vorrichtung für diesen Zweck macht sich die Tatsache zu Nutze, dass Spitzen in Interferenzmustern von verschiedenen Wellenlängen überlappen und an einer Fokusposition kombiniert werden, wo eine optische Weglänge eines Referenzlichtwegs der optischen Weglänge eines Messlichtwegs entspricht, was die Helligkeit des Interferenzmusters erhöht. Dementsprechend verwendet die optische interferometrische Vorrichtung beim Durchführen eines Scans, der die optische Weglänge des Referenzlichtwegs oder Messlichtwegs ändert, ein Bilderfassungselement, wie zum Beispiel eine CCD-Kamera, um ein Interferenzbild zu erfassen, das eine zweidimensionale Verteilung von optischer Interferenzintensität zeigt. Außerdem wird durch Detektieren der Fokusposition, wo die Intensität des Interferenzmusters eine Spitze bei verschiedenen Messpositionen in einem Bilderfassungssichtfeld erreicht, die Höhe einer gemessenen Oberfläche an jeder Messposition gemessen und zum Beispiel die dreidimensionale Form des gemessenen Objekts wird gemessen (siehe zum Beispiel japanische Offenlegungsschrift Nr. 2011-191118 , 2015-045575 , und 2015-118076 ). Wenn das gemessene Objekt eine Vielzahl an Bilderfassungssichtfelder überspannt, wird in jedem Sichtfeld nacheinander ein Scan durchgeführt.
Wenn die Oberfläche des gemessenen Objekts zylindrisch ist, muss jedoch jedes Sichtfeld gescannt werden, während das Bilderfassungssichtfeld modifiziert wird, um einen Messzielbereich abzudecken. Des Weiteren muss, da die Objektoberfläche eine gekrümmte Form aufweist, der Bereich, der in eine radiale Richtung zu scannen ist, in seiner Größe erweitert werden, im Vergleich zu einem Fall, bei dem eine flache Oberfläche gemessen wird, und die Messung beansprucht Zeit.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine optische Vorrichtung für Messung bereit, die Interferometrie für berührungslose Oberflächenmesstechnik verwendet, die in der Lage ist, die Form einer zylindrischen Oberfläche eines Objekts in einer kurzen Zeit zu messen.
Um dies zu erzielen, misst eine solche interferometrische optische Vorrichtung für Messung gemäß der vorliegenden Erfindung die Form einer zylindrischen Oberfläche eines Objekts und weist Folgendes auf: ein interferometrisches optisches System, das Messlicht, das von einem Illuminator an einer gekrümmten Oberfläche eines Objekts erzeugt wird, emittiert, das Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, sammelt und eine zusammengesetzte Welle erzeugt, die das reflektierte Licht und ein Referenzlicht kombiniert; einen Rotationsantriebsmechanismus, der mit dem interferometrischen optischen System verbunden ist und das interferometrische optische System, das um eine Drehachse, die mit einer Mittenachse einer zylindrischen Oberfläche des Objekts zusammenfällt, zentriert ist, drehtechnisch verschoben; einen Sensor, der eine zweidimensionale Verteilung der Intensität der zusammengesetzten Welle unter Verwendung einer Vielzahl an Photodetektorelementen, die zweidimensional geordnet sind, erhält; und eine Rechenvorrichtung, die die Form des Objekts basierend auf der Vielzahl an zweidimensionalen Verteilungen, die in einem Zustand erhalten werden, bei dem ein Drehwinkel für den Rotationsantriebsmechanismus variiert, berechnet. Gemäß dieser Auslegung kann die Form einer zylindrischen Oberfläche eines Objekts mit einer kurzen Zeitdauer gemessen werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die interferometrische optische Vorrichtung für Messung das interferometrische optische System um eine vorbestimmte Drehwinkeleinheit jeweils unter Verwendung des Rotationsantriebsmechanismus drehtechnisch verschieben, während ein Abstand des interferometrischen optischen Systems von der Drehachse konstant gehalten wird, und kann eine zweidimensionale Verteilung für jeden Drehwinkel unter Verwendung des Sensors erhalten. Auf diese Weise kann die Form einer zylindrischen Oberfläche des Objekts durchgehend gemessen werden, ohne wiederholt Scans in einer Richtung senkrecht zu der gemessenen Oberfläche des Objekts durchzuführen.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das interferometrische optische System einen Strahlteiler aufweisen, der einfallendes Licht in Referenzlicht und Messlicht spaltet und der auch eine zusammengesetzte Welle ausgibt, die Licht, das einen Referenzlichtweg geschnitten hat, und reflektiertes Licht von dem Objekt kombiniert; und einen Referenzspiegel, der auf dem Referenzlichtweg vorgesehen ist und das Referenzlicht reflektiert. Der Referenzspiegel kann derart angeordnet werden, dass er bezüglich einer optischen Achse des Referenzlichts geneigt ist, in einer Richtung parallel zu der optischen Achse des Messlichts als eine Neigungsachse. Auf diese Weise kann Empfindlichkeit auf eine Änderung in der Interferenzintensität entsprechend der Unebenheit des Objekts verbessert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Referenzspiegel eine reflektierende Oberfläche aufweisen, die in der konkaven oder konvexen Form eines Teilzylinders gebildet ist, entsprechend der Form der Oberfläche, die gemessen werden soll. Außerdem kann die gekrümmte Oberfläche, die die reflektierende Oberfläche des Referenzspiegels darstellt, eine variable Krümmung aufweisen.
Bei der vorliegenden Erfindung kann das interferometrische optische System derart angeordnet werden, dass eine gerade Linie, die die optische Achse des Messlichts, das auf die zylindrischen Oberfläche des Objekts emittiert wird, erweitert, nicht die Drehachse schneidet. Auf diese Weise kann Empfindlichkeit auf eine Änderung in der Interferenzintensität entsprechend der Unebenheit des Objekts verbessert werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die interferometrische optische Vorrichtung für Messung ferner einen Achsrichtungsantriebsmechanismus aufweisen, der das interferometrische optische System in eine Richtung, die der Drehachse folgt, verschiebt, und kann das interferometrische optische System in einer Spiralform verschieben und die zweidimensionale Verteilung an jeder Position entlang der Spirale unter Verwendung eines Positionssensors erhalten.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die interferometrische optische Vorrichtung für Messung eine Vielzahl an interferometrischen optischen Systemen aufweisen, die voneinander unterschiedliche Positionen in einer Richtung, die der Drehachse folgt, aufweisen. Auf diese Weise kann der Messbereich in der Richtung, die der Drehachse folgt, erweitert werden und die Messzeit kann verkürzt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die interferometrische optische Vorrichtung für Messung ferner einen Radialrichtungsantriebsmechanismus aufweisen, der mit dem interferometrischen optischen System verbunden ist und das interferometrische optische System in einer radialen Richtung orthogonal zu der Drehachse verschiebt. Auf diese Weise kann die Messung von zylindrischen Oberflächen von Objekten mit verschiedenen Durchmessern an geeigneten Fokuspositionen durchgeführt werden.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Radialrichtungsantriebsmechanismus derart ausgelegt sein, das System nicht in der radialen Richtung zu verschieben. Auf diese Weise kann eine Belastung des Radialrichtungsantriebsmechanismus entlastet werden und Verschiebung in der radialen Richtung kann erleichtert werden.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird ferner in der detaillierten Beschreibung, die folgt, mit Bezug auf die angegebene Vielzahl an Zeichnungen mittels nicht einschränkender Beispiele von beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen ähnliche Teile über die mehreren Ansichten der Zeichnungen bezeichnen, und wobei:

1 eine generelle Auslegung einer Bildmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform veranschaulicht;
2 eine schematische Ansicht ist, die eine beispielhafte Auslegung eines interferometrischen optischen Systems veranschaulicht;
3 eine schematische Ansicht ist, die eine Neigung eines Referenzspiegels veranschaulicht;
4 eine schematische Ansicht ist, die eine Auslegung eines Antriebsmechanismusabschnitts zusammen mit dem interferometrischen optischen System veranschaulicht;
5 ein Blockdiagramm ist, das eine beispielhafte Konfiguration eines Rechners veranschaulicht;
6 ein Flussdiagramm ist, das einen beispielhaften Fluss eines Messprogramms gemäß der Ausführungsform veranschaulicht;
7 ein Flussdiagramm ist, das einen beispielhaften Fluss des Messprogramms gemäß der Ausführungsform veranschaulicht;
8A bis 8D schematisch Interferenzbilder veranschaulichen, die durch Ändern eines Drehwinkels für einen Rotationsantriebsmechanismus erfasst werden;
9A schematisch einen Bildstapel veranschaulicht, wobei Daten in einem 3D-Speicherplatz gespeichert werden;
9B schematisch einen verschobenen Bildstapel veranschaulicht, bei dem der Bildstapel aus 9A rekonfiguriert ist;
10 ein Diagramm ist, das eine beispielhafte Änderung in der optischen Interferenzintensität bezüglich einer Änderung des Drehwinkels veranschaulicht;
11 eine schematische Ansicht (Draufsicht) ist, die eine Anordnung des interferometrischen optischen Systems in einer Modifikation der Ausführungsform veranschaulicht;
12 eine schematische Ansicht (Perspektivansicht) ist, die eine Anordnung des interferometrischen optischen Systems in einer weiteren Modifikation der Ausführungsform veranschaulicht; und
13 eine schematische Ansicht (Seitenansicht) ist, die eine Anordnung eines interferometrischen optischen Systems in einer noch weiteren Modifikation der Ausführungsform veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Einzelheiten, die hierin gezeigt werden, sind rein beispielhaft und zum Zwecke einer veranschaulichenden Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sind zum Zwecke der Bereitstellung dessen, was als die sinnvollste und verständlichste Beschreibung der Prinzipien und konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung gedacht ist. In dieser Hinsicht wird kein Versuch unternommen, strukturelle Einzelheiten der vorliegenden Erfindung in größerem Detail als für das grundlegende Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig ist, zu zeigen, wobei die Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen Fachleuten veranschaulicht, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis umgesetzt werden können.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind Abschnitten, die denen, die zuvor beschrieben wurden, identisch sind, identische Bezugszeichen zugeordnet und eine Beschreibung davon ist wo angemessen weggelassen.
Allgemeine Auslegung des Messgeräts
1 veranschaulicht ein Messvorrichtungsgerät gemäß der vorliegenden Erfindung und insbesondere veranschaulicht sie eine allgemeine Auslegung einer optischen Messvorrichtung, die zu Oberflächenmessung unter Verwendung optischer Interferometrie in der Lage ist. Wie in 1 veranschaulicht, weist eine optische Messvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Vorrichtungshauptkörper 10, der die Form eines Objekts W misst, und ein Computersystem (Computer) 20, das den Vorrichtungshauptkörper 10 steuert und auch notwendige Datenverarbeitung ausführt, auf. Zusätzlich zu diesen Komponenten kann die optische Bildmessvorrichtung 1 auch zum Beispiel einen Drucker aufweisen, der Messergebnisse oder dergleichen, wie angemessen, ausdruckt. Die optische Bildmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird für Formmessung eines Objekts W, das eine zylindrische Innenwand, wie zum Beispiel eine Innenwand einer Kolbenkammer, oder eine zylindrische Außenwand, wie zum Beispiel einen Kolben, aufweisen kann, um zwei nicht ausschließende Beispiele zu nennen, angewendet.
Der Vorrichtungshauptkörper 10 weist einen Tisch 11, einen Objektträger 12, eine X-Achsenführung 14 und ein Bilderfassungsgerät 15 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform verläuft eine X-Achsenrichtung (Richtung entlang einer X-Achse) in einer Richtung entlang einer Oberfläche des Objektträgers 12. Eine Y-Achsrichtung (Richtung entlang einer Y-Achse) verläuft in einer Richtung entlang der Oberfläche des Objektträgers 12 orthogonal zu der X-Achsenrichtung. Eine Z-Achsenrichtung (Richtung entlang einer Z-Achse) ist eine Richtung orthogonal zu der X- und Y-Achsenrichtung. Die Z-Achsenrichtung kann auch als eine Vertikalrichtung bezeichnet werden. Die X- und Y-Achsenrichtung können auch als Horizontalrichtungen bezeichnet werden.
Der Tisch 11 ist zum Beispiel auf einem Antivibrationstisch 3 positioniert und verhindert, dass externe Vibrationen auf den Objektträger 12 auf dem Tisch 11 und auf das Bilderfassungsgerät 15 übertragen werden. Der Objektträger 12 ist über dem Tisch 11 positioniert. Der Objektträger 12 ist ein Tisch, auf dem ein gemessenes Objekt W platziert wird. Der Objektträger 12 ist derart vorgesehen, in der Lage zu sein, mittels eines Y-Achsenantriebsmechanismus (nicht in den Zeichnungen gezeigt) in der Y-Achsenrichtung bezüglich des Tisches 11 verschoben zu werden.
Trägerabschnitte 13a und 13b sind an zwei Seitenabschnitten des Tisches 11 vorgesehen. Die Trägerabschnitte 13a und 13b sind jeweils sich von den Seitenabschnitten des Tisches 11 nach oben erstreckend vorgesehen. Die X-Achsenführung 14 ist vorgesehen, die Oberseiten der Trägerabschnitte 13a und 13b zu überbrücken. Das Bilderfassungsgerät 15 ist an der X-Achsenführung 14 angebracht.
Das Bilderfassungsgerät 15 ist derart vorgesehen, in der Lage zu sein, sich in der X-Achsenrichtung entlang der X-Achsenführung 14 mittels eines X-Achsenantriebsmechanismus zu verschieben, und derart, in der Lage zu sein, sich in der Z-Achsenrichtung mittels eines Z-Achsenantriebsmechanismus zu verschieben. Mittels dieser Antriebsmechanismen, von denen beide mit einem oder mehrere Motoren oder einem anderen System, das eine Bewegungskraft ausübt, versehen sein können, kann eine relative Positionsbeziehung zwischen dem Objekt W auf dem Objektträger 12 und dem Bilderfassungsgerät 15 entlang jeder der X-, Y- und Z-Achse definiert werden. Mit anderen Worten, ein Bilderfassungsbereich des Bilderfassungsgeräts 15 kann mittels Anpassens dieser Positionsbeziehung einem Messbereich des Objekts W entsprechen. Gemäß einem Merkmal ist das Objekt W fixiert und das Bilderfassungsgerät 14 wird bezüglich des fixierten Objekts bewegt, um das Objekt zu messen; gemäß einem anderen Merkmal kann das Bilderfassungsgerät 15 jedoch fixiert sein und das Objekt W kann bezüglich des fixierten Bilderfassungsgeräts bewegt werden, um das Objekt zu messen.
Das Bilderfassungsgerät 15 ist entfernbar mit einem optische Bildsystem 151, das ein zweidimensionales Bild des Objekts W erfasst, und einem interferometrischen optischen System 152, das eine dreidimensionale Form des Objekts W unter Verwendung einer optischen Interferenzmessung misst, versehen. Das Bilderfassungsgerät 15 misst das Objekt W in einer Messposition, die von dem Computersystem 20 definiert wird, unter Verwendung eines dieser Systeme. Das Bilderfassungsgerät 15 ist mit einem Antriebsmechanismusabschnitt 153, der das interferometrische optische System 152 verschiebt, versehen.
Ein Messsichtfeld des optischen Bildsystems 151 ist normalerweise eingestellt, weiter zu sein als das Messsichtfeld des interferometrischen optischen Systems 152, und Steuerung mittels des Computersystems 20 gestattet Umschalten zwischen den zwei Systemen zur Verwendung. Das optische Bildsystem 151 und das interferometrische optische System 152 werden derart im Voraus kalibriert, dass sich Koordinatenachsen der Messung nicht vor oder nach dem Umschalten ändern.
Das optische Bildsystem 151 erfasst ein zweidimensionales Bild des Objekts W und ist mit einem Bilderfassungselement (CCD-Kamera, CMOS-Kamera oder dergleichen), einer Beleuchtungsvorrichtung, einem Fokussierungsmechanismus und dergleichen versehen. Daten für das erfasste zweidimensionale Bild werden in das Computersystem 20 importiert.
Das interferometrische optische System 152 führt Formmessung des Objekts W unter Verwendung zum Beispiel eines Weißlichtinterferometrieverfahrens durch. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das interferometrische optische System 152 ein Beispiel eines Messsystems. Details des interferometrischen optischen Systems 152 werden im Nachfolgenden beschrieben.
Das Computersystem 20 weist einen Rechnerhauptkörper 201, eine Tastatur 202, eine Maus 204 und eine Anzeige 205 auf. Der Rechnerhauptkörper 201 steuert Betriebe des Vorrichtungshauptkörpers 10 und dergleichen. Der Rechnerhauptkörper 201 steuert die Betriebe des Vorrichtungshauptkörpers 10 unter Verwendung eines Kreislaufs, wie zum Beispiel einer Steuerplatine (Hardware) und einem Programm, das von einer CPU (Software) ausgeführt wird. Zusätzlich berechnet der Rechnerhauptkörper 201 Daten für das Objekt W basierend auf einer Signalausgabe von dem Vorrichtungshauptkörper 10 und zeigt die Berechnungsergebnisse auf der Anzeige 205 an.
Ein Joystick 203 wird bei der Einstellung der Position, wo Bilderfassung des Objekts W durchgeführt wird, verwendet. Im Speziellen bedient eine Benutzerperson den Joystick 203 und kann damit die relative Positionsbeziehung zwischen dem Objekt W und dem Bilderfassungsgerät 15 ändern und kann die Position des Bilderfassungsbereichs, der auf der Anzeige 205 angezeigt wird, anpassen.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine beispielhafte Auslegung eines interferometrischen optischen Systems veranschaulicht. Wie in 2 veranschaulicht weist das interferometrische optische System 152 einen Lichtemissionsabschnitt (Illuminator) 200, einen Beleuchtungsoptikabschnitt 21, einen Objektivlinsenabschnitt 22, einen Referenzspiegelabschnitt 23, eine Abbildungslinse 24 und einen Bilderfasser 25 auf. Der Objektivlinsenabschnitt 22 und der Referenzspiegelabschnitt 23 können außerdem als die interferometrische Objektivlinsenanordnung 152a gesehen werden.
Der Lichtemissionsabschnitt (Illuminator) 200 weist eine Lichtquelle auf, die Breitbandlicht mit einer großen Anzahl an Wellenlängenkomponenten über ein breites Band und geringe Kohärenz ausgibt. Zum Beispiel kann eine Weißlichtquelle, wie zum Beispiel eine Halogen- oder Leuchtdiode (LED) verwendet werden. Alternativ dazu kann eine schmalbandige Lichtquelle verwendet werde, wie zum Beispiel ein Laser oder schmalbandiger LED-Illuminator.
Die Beleuchtungsoptik 21 weist einen Strahlteiler 211 und eine Kollimatorlinse 212 auf. Das Licht, das von dem Lichtemissionsabschnitt 200 emittiert wird, wird von einer Richtung orthogonal zu einer optischen Achse des Objektivlinsenabschnitts 22 und parallel zu dem Strahlteiler 211 über die Kollimatorlinse 212 emittiert. Licht entlang der optischen Achse wird von dem Strahlteiler 211 emittiert und ein Parallelstrahl wird von oben auf den Objektivlinsenabschnitt 22 emittiert.
Innerhalb der interferometrischen Objektivlinsenanordnung 152a ist der Objektivlinsenabschnitt 22 dazu ausgelegt, eine Objektivlinse 221, einen Strahlteiler 222 und dergleichen aufzuweisen. Wenn der Parallelstrahl von oben auf die Objektivlinse 221 auftrifft, formt die Objektivlinse 221 in dem Objektivlinsenabschnitt 22 das einfallende Licht in konvergierendes Licht, das auf eine reflektierende Oberfläche 222a innerhalb des Strahlteilers 222 auftrifft. Bei diesem Beispiel wird das einfallende Licht in übertragendes Licht (Referenzlicht), das entlang eines Referenzlichtwegs (gestrichelte Linie in den Zeichnungen), der einen Referenzspiegel 231 innerhalb des Referenzspiegelabschnitts 23 aufweist, verläuft, und reflektiertes Licht (Messlicht), das entlang eines Messlichtwegs (durchgehende Linie in den Zeichnungen) dorthin, wo das Objekt W positioniert ist, verläuft, gespalten. Eine optische Achsrichtung des reflektierten Lichts, das von der reflektierenden Oberfläche 222a reflektiert wird, ist eine Richtung orthogonal zu der optischen Achsenrichtung des einfallenden Lichts. Bei diesem Beispiel können verschiedene Richtungen für die Richtung orthogonal zu der optischen Achsrichtung des einfallenden Lichts in Erwägung gezogen werden, doch die optische Achsenrichtung des reflektierten Lichts ist in eine radiale Richtung, die nach außen von einer Mitte eines Rotationsantriebsmechanismus (Rotationsantrieb, Rotationsantriebsanordnung, Rotationsantriebssystem) 153a (unten beschrieben) ausgerichtet ist, gerichtet und wird auf das Objekt W emittiert. Das übertragene Licht konvergiert und wird von dem Referenzspiegel 231 reflektiert und wird weiter durch die reflektierende Oberfläche 222a des Strahlteilers 222 übertragen. Indessen konvergiert das reflektierte Licht und wird von dem Objekt W reflektiert, dann wird es von der reflektierenden Oberfläche 222a des Strahlteilers 222 reflektiert. Das reflektierte Licht von dem Referenzspiegel 231 und das reflektierte Licht von dem Objekt W werden von der reflektierenden Oberfläche 222a des Strahlteilers 222 kombiniert und bilden eine zusammengesetzte Welle.
Die zusammengesetzte Welle, die an der Position der reflektierenden Oberfläche 222a des Strahlteilers 222 kombiniert wird, wird von der Objektivlinse 221 in einen Parallelstrahl geformt und verläuft nach oben, wird durch den Strahlteiler 211 in dem Beleuchtungsoptikabschnitt 21 übertragen und trifft auf die Abbildungslinse 23 (punktierte Linie in 2). Die Abbildungslinse 224 konvergiert die zusammengesetzte Welle und verursacht, dass ein Interferenzbild auf dem Bilderfasser 25 gebildet wird.
Der Referenzspiegelabschnitt 23 hält den Referenzspiegel 231, der das übertragene Licht (Referenzlicht) reflektiert, das entlang des Referenzlichtwegs verläuft, der von dem Strahlteiler 222, der oben beschrieben ist, gegabelt wird. Die reflektierende Oberfläche des Referenzspiegels 231 ist als eine flache Spiegeloberfläche ausgelegt. Der Referenzspiegel 231 kann derart angeordnet werden, dass er sich orthogonal mit der optischen Achse des übertragenen Lichts (Referenzlicht) schneidet, doch wie in 3 veranschaulicht, ist der Referenzspiegel 231 in der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt derart angeordnet, bezüglich der optischen Achse des übertragenen Lichts in einer Richtung parallel zu einer optischen Achse C des reflektierten Lichts (Messlicht) als eine Neigungsachse (ein Neigungswinkel ist mit θ in 3 angegeben) geneigt zu werden. Durch neigen des Referenzspiegels 231 auf diese Weise, wird eine Differenz der optischen Weglänge für den Referenzlichtweg durch eine Reflexionsposition in dem Referenzspiegel 231 erzeugt. Ein Neigungsmaß des Referenzspiegels 231 wird bevorzugt derart ausgelegt, dass Unebenheit auf dem Objekt W innerhalb des Bilderfassungssichtfelds des Bilderfassers 25 eine ähnliche Größe wie die Differenz der optischen Weglänge aufweist. Durch neigen des Referenzspiegels 231 auf diese Weise, kann Empfindlichkeit auf eine Änderung in einem Interferenzmuster entsprechend der Unebenheit des Objekts W verbessert werden.
Wenn zum Beispiel das Objekt W eine zylindrische Innenwand ist, wie zum Beispiel eine Kolbenkammer, ist eine Innenwandoberfläche angeordnet, im Wesentlichen senkrecht zu dem Objektträger 12 zu sein. Daher wird Licht, das von der Objektivlinse 221 konvergiert wird, mit einem rechten Winkel (in der Horizontalrichtung) von dem Strahlteiler 222 reflektiert und Messlicht wird auf die senkrechte Innenwandoberfläche der Kolbenkammer emittiert, oder gefeuert.
Wie oben beschrieben sind der Beleuchtungsoptikabschnitt 21, der Objektivlinsenabschnitt 22 und der Referenzspiegelabschnitt 23 mit einem interferometrischen optischen System 152 in der vorliegenden Erfindung äquivalent und Messlicht trifft auf die zylindrische Innenwand des Objekts W, reflektiertes Licht von dem Objekt W wird fokussiert und eine zusammengesetzte Welle, die das reflektierte Licht und das Referenzlicht kombiniert wird erzeugt. Im Folgenden können die Beleuchtungsoptik 21, der Objektivlinsenabschnitt 22 und der Referenzspiegelabschnitt 23 gemeinsam als ein „interferometrisches optisches System“ bezeichnet werden.
Der Bilderfasser 25 ist eine CCD-Kamera oder dergleichen, der durch ein zweidimensionales Bilderfassungselement zum Konfigurieren einer Bilderfassungskomponente ausgelegt ist. Der Bilderfasser 25 erfasst ein Interferenzbild, das eine zweidimensionale Verteilung der Intensität der zusammengesetzten Welle (reflektiertes Licht von dem Objekt W und reflektiertes Licht von dem Referenzspiegel 231), die von dem Objektivlinsenabschnitt 22 ausgegeben wird, ist. Daten für das erfasste Bild werden in das Computersystem 20 importiert.
Der Antriebsmechanismusabschnitt 152 trägt das interferometrische optische System 152 und verschiebt basierend auf einem Verschiebungsbefehl des Computersystems 20 das interferometrische optische System 152 über einen elektrischen Motor oder ein anderes System, das Bewegungskraft ausübt. 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Auslegung eines Antriebsmechanismusabschnitts 153 zusammen mit dem interferometrischen optischen System 152 veranschaulicht. Der Antriebsmechanismusabschnitt 153 weist den Rotationsantriebsmechanismus 153a und einen Radialrichtungsantriebsmechanismus (Radialrichtungsantrieb, Radialrichtungsantriebsanordnung, Radialrichtungsantriebssystem) 153b auf, wobei beide mit einem oder mehreren elektrischen Motoren oder einem anderen System, das eine Bewegungskraft ausübt, versehen sein können. Der Rotationsantriebsmechanismus 153a ist direkt oder indirekt mit dem interferometrischen optischen System 152 verbunden und verursacht, dass das interferometrische optische System 152 durch Drehen um eine Drehachse A zentriert verschoben wird. Die Drehachse A ist derart eingestellt, dass sie parallel zu der optischen Achse des Lichts, das auf der Objektivlinse 221 einfällt, ist. Der Radialrichtungsantriebsmechanismus 153b ist direkt oder indirekt mit dem interferometrischen optischen System 152 verbunden und verursacht, dass das interferometrische optische System 152 in eine radiale Richtung, die orthogonal zu der Drehachse A ist, verschoben wird. Zusätzlich zu dem Rotationsantriebsmechanismus 153a und dem Radialrichtungsantriebsmechanismus 153b kann der Antriebsmechanismusabschnitt 153 auch einen Achsrichtungsantriebsmechanismus (Achsrichtungsantrieb, Achsrichtungsantriebsanordnung, Achsrichtungsantriebssystem) aufweisen, der das interferometrische optische System 152 in eine Richtung parallel zu der Drehachse A verschiebt. In einem Fall, bei dem die optische Achse des Lichts, dass auf der Objektivlinse 221 einfällt, jedoch parallel zu der Z-Achse ausgerichtet ist, kann der Z-Achsenantriebsmechanismus des Hauptkörpers als der Achsrichtungsantriebsmechanismus genutzt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der Z-Achsenantriebsmechanismus des Hauptkörpers als der Achsrichtungsantriebsmechanismus genutzt.
Messverfahren und Messprogramm
Es wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Objekt W (eine Oberfläche, die eine zylindrische Form aufweist) Oberflächenmessung durch die Bildmessvorrichtung 1, die die Auslegung, die oben beschrieben ist, aufweist, erfährt. Das Messverfahren weist die folgenden Schritte auf:

(1) Bestimmen der Position des interferometrischen optischen Systems 152 bezüglich des Objekts W
(2) Erfassen von Interferenzbildern auf einer laufenden Basis, während der Rotationsantriebsmechanismus 153a um einen vorbestimmten Winkel jeweils in einem Zustand, bei dem die Radialrichtungsposition des interferometrischen optischen Systems 152 fixiert ist, verschoben wird
(3) Erhalten einer dreidimensionalen Form des Objekts W basierend auf der Vielzahl an Interferenzbildern

Jeder der Schritte (1) bis (3) oben wird von dem Computersystem 20 der Bildmessvorrichtung 1 und einem Programm (Messprogramm), das von dem Computersystem ausgeführt wird, das die dreidimensionalen Daten, die von dem Vorrichtungshauptkörper erhalten werden, ausliest, ausgeführt. Der Rechner kann auch in dem Computersystem 20 enthalten sein.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine beispielhafte Konfiguration eines Computersystems 20 veranschaulicht. Der Rechner weist eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU, auch als ein Prozessor bezeichnet) 311, eine Schnittstelle 312, einen Ausgeber 313, einen Eingeber 314, einen Hauptspeicher 315 und einen Zusatzspeicher 316 auf.
Die CPU 311 steuert verschiedene Komponenten durch Ausführen verschiedener Programme, die in dem Speicher 315 und/oder 316 gespeichert sind. Die Schnittstelle 312 führt Dateneingabe/-ausgabe mit einer externen Vorrichtung durch. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden Daten, die von dem Vorrichtungshauptkörper 10 gesendet werden, über die Schnittstelle 312 in den Rechner importiert. Zusätzlich werden Daten von dem Rechner über die Schnittstelle 312 an den Vorrichtungshauptkörper 10 gesendet. Die Schnittstelle 312 kann auch den Rechner mit einem lokalen Netzwerk (LAN) oder einem Großraumnetzwerk (WAN) verbinden.
Die Ausgabevorrichtung 313 gibt Ergebnisse der Verarbeitung durch den Rechner aus. Die Anzeige 205, die in 1 gezeigt ist, oder ein Drucker können zum Beispiel als die Ausgabevorrichtung 313 verwendet werden. Die Eingabevorrichtung 314 empfängt Daten von der Benutzerperson. Eine Tastatur oder Maus können zum Beispiel als die Eingabevorrichtung 314 verwendet werden. Die Eingabevorrichtung 314 liest auch Daten, die in einem Speichermedium MM gespeichert sind, aus.
Ein Direktzugriffsspeicher (RAM) kann zum Beispiel als der Hauptspeicher 315 verwendet werden. Ein Teil des Zusatzspeichers 316 kann auch als ein Teil des Hauptspeichers 315 verwendet werden. Ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder ein Halbleiterlaufwerk (SSD) können zum Beispiel als der Zusatzspeicher 316 verwendet werden. Der Zusatzspeicher 316 kann auch eine externe Speichervorrichtung sein, die über ein Netzwerk verbunden ist.
6 und 7 sind Flussdiagramme, die einen beispielhaften Fluss des Messprogramms gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulichen. Das Messprogramm gemäß der vorliegenden Ausführungsform verursacht, dass der Rechner als ein Mechanismus dient, der den Schritten (1) bis (3), die oben beschrieben sind, entspricht. Die Prozesse der Schritte S110 bis S130, die in 6 veranschaulicht sind, entsprechen den Schritten (1) bis (3), die oben beschrieben sind.
Zuerst wird ein Ausrichtungsschritt ausgeführt, der die Position des interferometrischen optischen Systems 152 bezüglich des Objekts W bestimmt (Schritt S110). 7 veranschaulicht ein detailliertes Protokoll des Ausrichtungsschritts des Schritts S110. Bei dem Ausrichtungsschritt wird zuerst grobe axiale Ausrichtung durchgeführt (Schritt S 111). Bei der groben axialen Ausrichtung, zum Beispiel basierend auf einem zweidimensionalen Bild, das durch Erfassen mittels des optischen Bildsystems 151 eines Bilds des Objekts W erhalten wird, Designdaten für das Objekt W oder dergleichen, wird das interferometrische optische System 152 bezüglich des Objekts W unter Verwendung der X-, Y- und Z-Achsenantriebsmechanismen des Vorrichtungshauptkörpers 100 verschoben und eine Mittenachse der Oberfläche der zylindrischen Form (des Objekts W) wird derart erstellt, dass sie grob mit der Drehachse A des Rotationsantriebsmechanismus 153a zusammenfällt.
Als nächstes wird genaue axiale Ausrichtung durchgeführt (Schritt S112). Bei der genauen axialen Ausrichtung, in einem Zustand, bei dem der Drehwinkel für den Rotationsantriebsmechanismus 153a fixiert ist, wird eine Vielzahl an Interferenzbildern erfasst, während das interferometrische optische System 152 von dem Radialrichtungsantriebsmechanismus 153b in der radialen Richtung verschoben wird (das heißt, während ein Abstand zwischen der zylindrischen Oberfläche (des Objekts W) und dem interferometrischen optischen System 152 geändert wird). Das Erfassen von Bildern während des Verschiebens des interferometrischen optischen Systems 152 in der radialen Richtung auf diese Weise wird unten als ein Radialrichtungsscan bezeichnet. Außerdem wird durch Detektieren einer Fokusposition, wo die Intensität des Interferenzlichts eine Spitze bei verschiedenen Messpositionen in einem Bilderfassungssichtfeld erreicht, die Höhe einer gemessenen Oberfläche an jeder Messposition gemessen und die dreidimensionale Form des Objekts W wird gemessen. Die dreidimensionale Form, die an diesem Punkt erhalten wird, wird an eine ideale zylindrische Form angepasst, wodurch eine genaue Mittenachse für das Objekt W gefunden wird. Außerdem wird unter Verwendung der X-, Y- und Z-Achsenantriebsmechanismen des Vorrichtungshauptkörpers 10 das interferometrische optische System 152 bezüglich des Objekts W derart verschoben, dass die Drehachse A des Rotationsantriebsmechanismus 153a mit der Mittenachse des Objekts W zusammenfällt.
Als nächstes wird Fokussierungsanpassung in einem Zustand, bei dem die Mittenachse des Objekts W und die Drehachse A des Rotationsantriebsmechanismus 153a zusammenfallen, durchgeführt (Schritt S113). Bei der Fokussierungsanpassung wird nochmal ein Radialrichtungsscan durchgeführt. Außerdem wird eine Radialrichtungsfokusposition detektiert, wo die Intensität des Interferenzlichts an einer vorbestimmten Position (zum Beispiel die Mitte) in dem Bilderfassungssichtfeld eine Spitze erreicht, und das interferometrische optische System 152 wird von dem Radialrichtungsantriebsmechanismus 153b zu der Radialrichtungsfokusposition verschoben. Das Obige beendet den Anpassungsschritt (Schritt S110).
Als nächstes, nach dem Ausrichtungsschritt, wird ein Bilderfassungsschritt ausgeführt, bei dem Interferenzbilder des Objekts W auf einer laufenden Basis erfasst werden (Schritt S120). Bei dem Bilderfassungsschritt wird entgegen dem Radialrichtungsscan bei dem Ausrichtungsschritt das interferometrische optische System 152 nicht in der radialen Richtung verschoben. Mit anderen Worten, das interferometrische optische System 152 ist an der Radialrichtungsfokusposition für die Radialrichtungsposition fixiert und in diesem Zustand werden die Interferenzbilder auf einer fortlaufenden Basis erfasst, während das interferometrische optische System 152 um einen vorbestimmten Winkel jeweils um die Rotationsachse A zentriert unter Verwendung des Rotationsantriebsmechanismus 153a verschoben wird. An diesem Punkt kann der Drehwinkel für eine Drehverschiebung ein Drehwinkel sein, der das Bilderfassungssichtfeld des Interferenzbilds um einen Pixel verschiebt. Bei dem Bilderfassungsschritt wird, während der Zustand, bei dem die Radialrichtungsposition in der Radialrichtungsfokusposition fixiert ist, beibehalten wird, die Bilderfassung wiederholt durchgeführt, während das Bilderfassungssichtfeld unter Verwendung des Rotationsantriebsmechanismus 153a und des Achsenrichtungsantriebsmechanismus derart verschoben wird, in der Lage zu sein, einen Messbereich, der im Voraus definiert wurde, abzudecken. Ein Vorgang zum Verschieben des Bilderfassungssichtfelds führt wiederholt ein Protokoll durch, bei dem, während der Drehwinkel geändert wird und das Bilderfassungssichtfeld in einer lateralen Richtung (Umfangsrichtung der zylindrischen Oberfläche) in einem Zustand, bei dem eine Achsrichtungsposition fixiert ist, verschoben wird, Bilderfassung an allen nötigen Drehwinkeln für die Achsrichtungsposition durchgeführt wird, wonach die Achsrichtungsposition bewegt wird. Im Speziellen wird bei dem Bilderfassungsschritt, während der Abstand des interferometrischen optischen Systems 152 von der Rotationsachse A konstant gehalten wird, das interferometrische optische System 152 um eine vorbestimmte Drehwinkeleinheit jeweils von dem Rotationsantriebsmechanismus 153a drehtechnisch verschoben und das Interferenzbild für jeden Drehwinkel wird erhalten.
Als nächstes wird ein Analyseschritt ausgeführt, bei dem die dreidimensionale Form des Objekts W basierend auf der Vielzahl an Interferenzbildern, die in dem Bilderfassungsschritt erhalten werden, erhalten wird (Schritt S130). 8A bis 8D veranschaulichen schematisch Interferenzbilder, die durch Ändern des Drehwinkels für den Rotationsantriebsmechanismus 153a erfasst werden. In jeder der Figuren stellen Zellen, die als Quadrate dargestellt sind, jeweils ein Pixel dar. Bei diesem Beispiel ist, um das Verständnis der Idee der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, die Anzahl von lateralen Pixeln, die vorgesehen sind, sechs und die Anzahl von vertikalen Pixeln, die vorgesehen sind, ist vier, doch dich Anzahl an Pixeln kann natürlich wie gewünscht erhöht werden. 8A veranschaulicht schematisch ein Interferenzbild (Bild Ia), das an einer Anfangsposition erfasst wird. 8B veranschaulicht schematisch ein Interferenzbild (Bild Ib), das an einem Drehwinkel, der durch Drehen von der Anfangsposition um einen Winkel, der einem Pixel äquivalent ist, erreicht wird, erfasst wird. 8C veranschaulicht schematisch ein Interferenzbild (Bild Ib), das an einem Drehwinkel, der durch Drehen von der Anfangsposition um einen Winkel, der drei Pixel äquivalent ist, erreicht wird, erfasst wird. 8D veranschaulicht ein Interferenzbild (Bild I_f ), das an einem Drehwinkel, der durch Drehen von der Anfangsposition um einen Winkel, der einer Anzahl an Pixeln um ein Pixel weniger als die Anzahl an lateralen Pixeln in dem Interferenzbild (in diesem Beispiel fünf Pixel) äquivalent ist, erreicht wird, erfasst wird.
Dieses Beispiel fokussiert sich auf eine Position (hier im Folgenden als eine Umfangsrichtungsposition bezeichnet) in der lateralen Richtung des Objekts W (Umfangsrichtung der zylindrischen Oberfläche) in den Bildern, die an verschiedenen Drehwinkeln erfasst werden. In dem Bild I_a wird eine Umfangsrichtungsposition P des Objekts, das am rechten Ende (a₆ ) gezeigt ist, in der zweiten Spalte von rechts (b₅ ) in dem Bild Ib, folgend der relativen Bewegung des Bilderfassungssichtfelds um ein Pixel gezeigt. Des Weiteren ist die Umfangsrichtungsposition P in der vierten Spalte von rechts (d₃ ) in dem Bild I_d gezeigt. Außerdem ist die Umfangsrichtungsposition P am linken Ende (fi) in dem Bild I_f gezeigt. Auf diese Weise kommt es dazu, dass eine Umfangsrichtungsposition auf dem Objekt W an unterschiedlichen Pixelpositionen in dem Bilderfassungssichtfeld in der Vielzahl an Interferenzbildern gemäß dem Drehwinkel zu dem Zeitpunkt, zu dem jedes Bild erfasst wird, gezeigt wird. Basierend auf dem Drehwinkel zu dem Zeitpunkt der Bilderfassung kann jedoch die gleiche Umfangsrichtungsposition (zum Beispiel die Umfangsrichtungsposition P) auf dem Objekt W in der Vielzahl an Bildern, die an den unterschiedlichen Drehwinkeln erfasst werden, spezifiziert werden. Hier im Folgenden werden Drehung äquivalent einem Pixel und Bilderfassung auf eine ähnliche Weise wiederholt und eine Vielzahl an Interferenzbildern, die den Messbereich umfassen, werden erfasst.
Indessen, wie bereits beschrieben wurde, wird in der Bilderfassungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Referenzspiegel 231 geneigt angeordnet und daher unterscheidet sich die optische Weglänge des Referenzlichts abhängig von der Pixelposition in der lateralen Richtung in dem Bilderfassungssichtfeld. Dementsprechend ist das Erfassen einer Vielzahl an Interferenzbildern durch Drehen des interferometrischen optischen Systems 152 unter Verwendung des Rotationsantriebsmechanismus 153a und das Erfassen einer Umfangsrichtungsposition (zum Beispiel der Umfangsrichtungsposition P) auf dem Objekt W an unterschiedlichen Pixelpositionen, wie in den 8A bis 8D veranschaulicht, das Gleiche wie das Erfassen einer Vielzahl an Interferenzbildern während des Änderns der optischen Weglänge des Referenzlichtwegs.
9A veranschaulicht schematisch einen Bildstapel, in dem Daten für acht Bilder I_a bis I_h , die wie oben beschrieben erfasst werden, in einem dreidimensionalen (entsprechend der drei Dimensionen von Höhe in dem Bild (Zylinderachsenrichtungsposition), Breite in dem Bild (Zylinderumfangsrichtungsposition) und Drehwinkel zum Zeitpunkt der Bilderfassung) Speicherraum gespeichert sind. Wie in 9A veranschaulicht, wenn Daten für Licht, die an demselben Pixel gesammelt werden, in einer Zeitachsenrichtung gefasst werden, verschiebt sich eine einzelne Position auf dem Objekt W um ein Pixel nach links in jedem Bild, von dem Bild I_a bis zu dem Bild I_h , in Zusammenhang mit der Differenz des Drehwinkels zum Zeitpunkt der Bilderfassung. Zum Beispiel können die Daten entsprechend der Position P in einer Region, die mit dem gestrichelten Kasten in 9A angezeigt ist, gespeichert werden. Wie in 9B veranschaulicht wird eine Vielzahl an solchen Bilddaten als ein verschobener Bildstapel, der durch Verschieben einer Speicherposition um eins für jede Einheit von Daten, die zu demselben Pixel in jedem Bild (zum Beispiel a₁ bis hl, durch gestrichelte Linien in 9B gezeigt) gehören, rekonfiguriert wird, konfiguriert. Wie in 9B veranschaulicht überlappen die Daten entsprechend einer Umfangsrichtungsposition (zum Beispiel der Position P; äquivalent zu der Region, die mit dem gestrichelten Kasten angezeigt ist) auf dem Objekt W in dem verschobenen Bildstapel. Außerdem wird hinsichtlich derselben Umfangsrichtungsposition in dem verschobenen Bildstapel die Vertikalrichtung (Stapelrichtung) eine Achse äquivalent der optischen Weglänge des Referenzlichtwegs, der sich in Zusammenhang mit Drehung durch den Rotationsantriebsmechanismus 153a ändert. Dementsprechend werden für jede Position in dem verschobenen Bildstapel, wenn die Intensität des Interferenzlichts, das in der Vertikalrichtung gestapelt ist, wie in 10 veranschaulicht aufgezeichnet wird, genau wie wenn die optische Weglänge des Referenzlichtwegs geändert wird, Zunahmen und Abnahmen in der Intensität des Interferenzlichts in Zusammenhang mit den Interferenzmustern beobachtet.
In Anbetracht dessen kann die Höhe (das heißt der Abstand von dem interferometrischen optischen System 152) der Position P auf dem Objekt W unter Verwendung der optischen Weglänge des Referenzlichts (die optische Weglänge des Interferenzlichts kann von dem Neigungswinkel des Referenzspiegels 231 berechnet werden), wo die Amplitude der optischen Interferenzintensität für jede Position in dem verschobenen Bildstapel am größten ist, gefunden werden. Bei dem Analyseschritt wird die Höhe ähnlich für eine Position auf dem Objekt W, die sich von der Position P unterscheidet, gefunden und die Daten für die Höhen aller Messpunkte werden synthetisiert und als eine dreidimensionale Form des Objekts W wird ausgegeben. Mit anderen Worten, der Rechner berechnet die Innenwandform des Objekts W basierend auf der Vielzahl an Interferenzbildern, die in Zuständen, bei denen der Drehwinkel des Rotationsantriebsmechanismus 153a unterschiedlich ist, erhalten werden.
Bei der Bildmessvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die dreidimensionale Form des Objekts W wie oben beschrieben gemessen.
Modifikationen
Eine Ausführungsform der Erfindung ist oben beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel, wenn der Referenzspiegel 231 wie oben beschrieben geneigt wird, kann die reflektierende Oberfläche des Referenzspiegels 231 auch eine gekrümmte Oberfläche sein, die einer Krümmung auf dem Objekt W entspricht. Zum Beispiel kann die reflektierende Oberfläche des Referenzspiegels 231 in der konkaven oder konvexen Form eines Teilzylinders entsprechend der Form der Oberfläche, die zu messen ist, gebildet sein. Wenn die reflektierende Oberfläche des Referenzspiegels 231 als eine gekrümmte Oberfläche ausgelegt ist, kann die Krümmung ebenso variabel sein. Zum Beispiel können beide Enden einer flachfederartigen Platte von zwei Trägern, die einen veränderbaren Abstand aufweisen, getragen werden und die reflektierende Platte kann verzerrt sein und die Krümmung kann durch Ändern des Abstands zwischen den zwei Trägern modifiziert werden. Durch Auslegen der reflektierenden Oberfläche des Referenzspiegels 231 als eine gekrümmte Oberfläche, die der Krümmung es Objekts W entspricht, auf diese Weise, kann sich eine Beziehung zwischen der Höhe (Unebenheit unter Verwendung einer ideal gekrümmten Oberfläche als eine Standardreferenz) und einer Änderung in der Interferenzintensität Linearität annähern und ein Grad der Messgenauigkeit der Unebenheit kann verbessert werden.
Zusätzlich, wie in 11 veranschaulicht, kann anstatt, dass der Referenzspiegel 231 geneigt wird, eine gerade Linie, die die optische Achse des reflektierten Lichts (Messlichts) von der reflektierenden Oberfläche 222a des Strahlteilers 222 erweitert, derart versetzt von einer symmetrischen Position angeordnet werden, dass sie nicht die Drehachse A durchläuft. Bei dieser Auslegung ändert sich, in einem Fall, bei dem die zylindrische Innenwand als das Objekt W verwendet wird, die optische Weglänge des Messlichts spontan aufgrund der Krümmung der Innenwandoberfläche, folgend der Drehung des interferometrischen optischen Systems 152. Damit können die gleichen Vorteile wie beim Neigen des Referenzspiegels 231 in der Ausführungsform, die oben beschrieben ist, erhalten werden.
Bei dem Bilderfassungsschritt in der obigen Ausführungsform wird die Vielzahl an Interferenzbildern erfasst, während der Drehwinkel in einem Zustand geändert ist, bei dem die Achsrichtungsposition fixiert ist, und sich das Bilderfassungssichtfeld des Interferenzbilds in einer lateralen Richtung (Umfangsrichtung der zylindrischen Oberfläche) ändert. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch zum Erfassen von Bildern, wobei gleichzeitig das Bilderfassungssichtfeld in eine Spiralform modifiziert wird, unter Verwendung des Rotationsantriebsmechanismus 153a und des Achsenrichtungsantriebsmechanismus ausgelegt werden.
Bei der Ausführungsform, die oben beschrieben wird, werden ein Radialrichtungsscan bei der genauen axialen Ausrichtung des Ausrichtungsschritts und ein Radialrichtungsscan in der Fokusausrichtung an einem Drehwinkel durchgeführt. Die Radialrichtungsscans können jedoch auch an einer Vielzahl an Drehwinkeln statt nur einem durchgeführt werden. Durch Verwenden der Ergebnisse der Radialrichtungsscans, die an einer Vielzahl an Drehwinkeln durchgeführt werden, könne Fehler vermieden werden.
Bei der obigen Ausführungsform weist die Bildmessvorrichtung 1 nur einen Satz des Objektivlinsenabschnitts 22 und des Referenzspiegelabschnitts 23 auf. Wie in 12 veranschaulicht kann die Bildmessvorrichtung 1 jedoch auch derart ausgelegt sein, eine Vielzahl an interferometrischen optischen Systemen (das heiß Sätze des Beleuchtungsoptikabschnitts 21, des Objektivlinsenabschnitts 22 und des Referenzspiegelabschnitts 23), die Interferenzbilder mit Positionen, die in einer Richtung entlang der Drehachse A versetzt sind, erfassen, aufzuweisen. In einem Fall, bei dem eine solche Auslegung eingesetzt wird, kann der Bilderfassungsbereich in der Richtung entlang der Drehachse A für ein bestimmtes interferometrisches optisches System derart angeordnet werden, dass er teilweise mit dem Bilderfassungsbereich in der Richtung entlang der Drehachse A für das andere interferometrische optische System überlappt. Außerdem kann jedes der interferometrischen optischen System dazu ausgelegt sein, einzeln in der radialen Richtung beweglich zu sein. Bei dem Ausrichtungsschritt kann der Radialrichtungsscan unter Verwendung jedes der interferometrischen optischen Systeme durchgeführt werden und Ausrichtung kann unter Verwendung der Vielzahl an Messergebnissen, die zu diesem Zeitpunkt erhalten werden, ausgeführt werden. Bei einem Ausrichtungsvorgang wie diesem kann Genauigkeit verbessert werden, während gleichzeitig die Ausrichtungszeit eingeschränkt wird.
Bei der Ausführungsform, die oben beschrieben wird, wird das gesamte interferometrische optische System 152 (das heißt der Lichtemissionsabschnitt 200; der Beleuchtungsoptikabschnitt 21; der Objektivlinsenabschnitt 22 und der Referenzspiegelabschnitt 23, gemeinsam interferometrische Objektivlinsenanordnung 152a genannt; die Abbildungslinse 24; und der Bilderfasser 25) integral von dem Antriebsmechanismusabschnitt 153 verschoben. Wie in 13 veranschaulicht kann die vorliegende Erfindung jedoch derart ausgelegt werden, dass der Lichtemissionsabschnitt 200, der Beleuchtungsoptikabschnitt 21, die Abbildungslinse 24 und der Bilderfasser 25 auf der Drehachse A angeordnet sind und nicht zu Verschiebungsziele in der radialen Richtung von dem Radialrichtungsantriebsmechanismus 153b gehören. Nur die interferometrische Objektivlinsenanordnung 152a wird dann in der radialen Richtung verschoben. Ein Reflexionsspiegel M2, der auf der Drehachse positioniert ist, und ein Reflexionsspiegel M1, der mit der interferometrischen Objektivlinsenanordnung 152a ausgerichtet ist, können vorgesehen sein, um den optischen Weg zu vervollständigen. Bei einer solchen Auslegung wird das Gewicht, das von dem Radialrichtungsantriebsmechanismus 153b verschoben wird, leichter und die Verschiebung in der radialen Richtung kann erleichtert werden.
Eine Auslegung, bei der der Lichtemissionsabschnitt 200, der Beleuchtungsoptikabschnitt 21, die Abbildungslinse 24 und der Bilderfasser 15 auf der Drehachse A angeordnet werden, kann auch bei einem Fall angewendet werden, der eine Auslegung einsetzt, die eine Vielzahl an interferometrischen Objektivlinsenanordnungen aufweist. Bei einem solchen Fall im Speziellen sollte die Bildmessvorrichtung 1 dazu ausgelegt sein, nur einen Satz des Lichtemissionsabschnitts 200, der Beleuchtungsoptik 21, der Abbildungslinse 24 und des Bilderfassers 25 innerhalb der Vorrichtung aufzuweisen, und eine Vielzahl an interferometrischen Objektivlinsenanordnungen 152a aufzuweisen, die diese Komponenten teilen. Ein Reflexionsspiegel M2, der auf der Drehachse positioniert ist, kann gedreht werden und ein Reflexionsspiegel M1 kann für jede interferometrische Objektivlinsenanordnung vorgesehen werden, und Umschalten zwischen der Vielzahl an interferometrischen Objektivlinsenanordnungen kann abhängig davon, welcher Richtung des Reflexionsspiegels M1 der Reflexionsspiegel M2 zugewandt ist, ausgeführt werden.
Das Messprogramm gemäß der Ausführungsform, die oben beschrieben wird, kann auch auf dem computerlesbaren Speichermedium MM gespeichert werden. Mit anderen Worten, ein Teil oder alle der Schritte S110 bis S130, die in 6 veranschaulicht sind, können auf dem Speichermedium MM in einem computerlesbaren Format gespeichert werden. Ferner kann das Messprogramm gemäß der Ausführungsform über ein Netzwerk bereitgestellt werden.
Zusätzlich verwendet in der Ausführungsform, die oben beschrieben wird, das interferometrische optische System 152 ein Weißlichtinterferometrieverfahren wird als der Messkopf verwendet. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch an einer Bild- oder Lasersonde angewendet werden.
Hinsichtlich der verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsformen kann eine Fachperson Hinzufügungs-, Entfernungs- und Designmodifikationen von Auslegungselementen wie angemessen durchführen, und kann Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen wie angemessen kombinieren, und solche Modifikationen sind auch in dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung inbegriffen, solange sie in den Gegenstandsbereich der vorliegenden Erfindung fallen.
Es ist anzumerken, dass die vorstehenden Beispiele rein zum Zwecke der Erklärung bereitgestellt wurden und keineswegs als die vorliegende Erfindung beschränkend gesehen werden sollen. Auch wenn die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurde, gilt zu verstehen, dass die Wörter, die hier verwendet wurden, Wörter der Beschreibung und Veranschaulichung anstatt Wörter der Beschränkung sind. Änderungen können innerhalb des Geltungsbereich der angehängten Ansprüche, wie vorliegend angegeben und wie abgeändert, vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang und Geist der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen. Auch wenn die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf bestimmte Strukturen, Materialen und Ausführungsformen beschrieben wurde, soll die vorliegende Erfindung nicht auf die Einzelheiten, die hierin offenbart sind, beschränkt sein; stattdessen erstreckt sich die vorliegende Erfindung über alle funktionell äquivalenten Strukturen, Verfahren und Verwendungen, wie sie in den Schutzbereich der angehängten Ansprüche fallen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Variationen und Modifikationen sind möglich, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018040375 [0001]
JP 2011191118 [0003]
JP 2015045575 [0003]
JP 2015118076 [0003]

Claims

Interferometrische optische Vorrichtung zum Messen einer gekrümmten Wandform eines zylindrischen Objekts und aufweisend: ein interferometrisches optisches System interferometrische optische, das Messlicht an eine Innenwand des Objekts emittiert, das Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, sammelt und eine zusammengesetzte Welle, die das reflektierte Licht und einen Referenzlichtstrahl von einem Referenzspiegel kombiniert, erzeugt; eine Rotationsantriebsanordnung, die mit dem interferometrischen optischen System verbunden ist und die das interferometrische optische System um eine Drehachse, die mit einer Mittenachse des zylindrischen Objekts zusammenfällt, zentriert drehtechnisch verschiebt; einen Sensor, der eine zweidimensionale Verteilung der Intensität der zusammengesetzten Welle unter Verwendung einer Vielzahl an Photodetektorelementen, die zweidimensional geordnet sind, erhält; und einen Rechner, der einen Prozessor und einen oder mehrere Speicher aufweist, die einen Satz an ausführbaren Befehlen speichern, derart dass der Prozessor beim Ausführen des Satzes ausführbarer Befehle den Rechner veranlasst, die Innenwandform des Objekts basierend auf der Vielzahl an zweidimensionalen Verteilungen, die in einem Zustand, bei dem ein Drehwinkel für die Rotationsantriebsanordnung variiert, erhalten werden, zu berechnen.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die interferometrische optische Vorrichtung das interferometrische optische System um eine vorbestimmte Drehwinkeleinheit jeweils unter Verwendung der Rotationsantriebsanordnung drehtechnisch verschieben, während ein Abstand des interferometrischen optischen Systems von der Drehachse konstant gehalten wird, und die zweidimensionale Verteilung für jeden Drehwinkel unter Verwendung des Sensors erhält.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das interferometrische optische System Folgendes aufweist: einen Strahlteiler, der einfallendes Licht in Referenzlicht und Messlicht spaltet und der eine zusammengesetzte Welle, die die neu kombinierten Lichtstrahlen, die getrennt einen Referenzlichtweg durchquert haben oder von dem Objekt reflektiert wurden, aufweist, ausgibt; und einen Referenzspiegel, der auf dem Referenzlichtweg vorgesehen ist und der den Referenzlichtstrahl reflektiert, wobei der Referenzspiegel bezüglich einer optischen Achse des Referenzlichts geneigt ist, in einer Richtung parallel zu der optischen Achse des Messlichts als eine Neigungsachse.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Referenzspiegel eine reflektierende Oberfläche entweder einer konkaven oder konvexen Teilzylinderform aufweist.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die reflektierende Oberfläche des Referenzspiegels eine variable Krümmung aufweist.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die interferometrischen optischen Systeme derart angeordnet sind, dass eine gerade Linie, die sich entlang der optischen Achse des Messlichts, das auf die Innenwand des Objekts emittiert wird, erstreckt, nicht die Drehachse schneidet.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Achsenrichtungsantriebsanordnung aufweist, die das interferometrische optische System in einer Richtung entlang der Drehachse verschiebt, wobei: das interferometrische optische System in einer Spiralform verschiebbar ist, und die zweidimensionale Verteilung an jeder Position entlang der Spirale unter Verwendung eines Positionssensors erhalten wird.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mit einer Vielzahl an interferometrischen optischen Systemen ausgestattet ist, die jeweils eine voneinander unterschiedliche Position in eine Richtung um die Drehachse aufweisen.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Radialrichtungsantriebsanordnung aufweist, die betriebswirksam mit dem interferometrischen optischen System verbunden ist und die das interferometrische optische System in einer radialen Richtung orthogonal zu der Drehachse verschiebt.
Interferometrische optische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Radialrichtungsantriebsanordnung das interferometrische optische System nicht in der radialen Richtung verschiebt.