JP2000314616A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 形状測定装置において、誤動作、または走査
速度を高めるために移動ステージの追従誤差が大きくな
り、触針子と変位計とが接触していずれかが破潰するこ
との防止、および測定誤差の防止を行う形状測定装置を
提供する。 【解決手段】 触針子２と、たわみ量検出手段９と、を
備え、たわみ量検出手段９が補正手段を有するととも
に、触針子２を中空構造とし、該触針子２と被測定面と
を接触させてから、触針子２を被測定面から遠ざける方
向に動作させてたわみ量が目標値と一致する位置を探索
することにより、高速走査に対しても測定精度の低下を
おさえ、装置の破損を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ等の光学部
品の形状測定装置に係り、特にサブμｍオーダの測定精
度を有する形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、被測定物面の凹凸形状を高精度に
測定することができる装置として接触式プローブが多用
されている。図３は従来の触針プローブの要部断面図で
ある。

【０００３】同図において１は球（真球）であり、触針
子（直動スライダー）２の一端に固定されている。触針
子２は静圧空気軸受で非接触支持されることにより、水
平方向の運動は拘束され、上下方向には摺動抵抗なく運
動する。同図における３はばね、４は変位計であり、ハ
ウジング５は不図示の移動ステージに搭載される。

【０００４】次に形状測定装置としての動作を説明す
る。触針子２を被測定面に次第に近づけ、真球１が被測
定面６に押しつけられると、ばね３が変形し、変位計４
の出力が変化する。移動ステージを駆動して変位計４の
出力が一定になるように制御することにより、真球１の
接触荷重が一定に保たれる。この状態で被測定面を走査
し、移動ステージの動作軌跡の座標値を測定する。

【０００５】動作軌跡の座標値は、基本的には、被測定
面の形状を表わすことになるが、厳密に言うと、触針子
の動作方向の座標値に関しては、移動ステージの追従誤
差に相当する量だけ誤差を含んでおり、補正が必要であ
る。具体的には、動作方向の座標値に、移動ステージの
追従誤差、すなわち変位計４の出力相当分を加算（ある
いは減算）して補正を行なう。この補正処理を行なうこ
とにより、高精度に被測定面の形状を測定できるように
なる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の形状測定装置にあっては、以下の問題点が
あった。

【０００７】第一に、測定開始時に、触針子を被測定面
に次第に近づけていって接触させる際、誤動作によって
変位計４の出力が既定値に達してもなお近接動作を続け
てしまい、ついには触針子が被測定面に強い力で押しつ
けられて破損してしまうという問題があった。

【０００８】第二に、走査速度を高めようとすると、移
動ステージの追従誤差が大きくなるため、触針子と変位
計とが接触していずれかが破潰する可能性があるという
問題があった。

【０００９】第三に、走査速度を高めようとすると、移
動ステージの追従誤差が大きくなるため、追従動作中の
変位計出力がより大きく変動するようになり、変位計の
非線形特性に起因する測定誤差が増大するという問題が
あった。

【００１０】第四に、走査速度を高めようとすると、触
針子が被測定面の凹凸によってより高速に加振されるよ
うになり、ついには、接触状態を保てなくなってしまう
という問題があった。

【００１１】この第四の問題点について、数式を用いた
補足を加えておく。触針子の質量ｍ、接触荷重ｆ、触針
子が追従できる最大加速度αとすると、α＝ｆ／ｍの関
係がある。αが大きいほど、被測定面の凹凸による加振
に対して高速に追従できることを意味する。αを大きく
するにはｆを大きくするかｍを小さくすればよい。とこ
ろが、ｆを大きくすると被測定面を傷つけやすくなると
いう問題を生じる。また、ｍを小さくすると触針子の剛
性が低下するため触針子が測定中にたわみやすくなり、
測定誤差の原因となるといった問題を生じる。

【００１２】そこで本発明は、

【００１３】１．たわみ量検出手段の非線形特性を補正
することにより、高速走査によって移動ステージの追従
誤差が大きくなった場合でも測定精度が低下しないよう
にする。

【００１４】２．比較的容易に数ｍｍ程度の長作動距離
を確保することができる光学式変位計をたわみ量検出手
段として用いることにより、高速走査によって移動ステ
ージの追従誤差が大きくなった場合でも、触針子とたわ
み量検出手段とが接触して、いずれかが破損する、とい
ったようなトラブルを防止する。

【００１５】３．光学式変位計をたわみ量検出手段とし
て用いる場合、光源出力を常に同一条件に維持すること
によって、変位計の出力特性の変化を防止する。

【００１６】４．非線形特性を予めモデル式に近似し、
モデル式を利用して非線形な変位計出力を線形出力に変
換することにより、非線形特性を補正する。

【００１７】５．触針子と被測定面とを接触させたの
ち、触針子を被測定面から遠ざける方向に動作させなが
ら、たわみ量が目標値と一致する位置を探索することに
より、万一の誤動作の際に衝突・破損を防止する。

【００１８】６．触針子を中空構造として軽量化を図る
ことにより、軽量化に伴う剛性低下を最小限に抑え、か
つ、触針子が追従可能な最大加速度を高め、触針子が被
測定面の凹凸によってより高速に加振されても、接触状
態を維持できるようにする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、触針子と、該触針子の軸方向
の動きを支持するばね機構と、該ばね機構のたわみ量を
検出するたわみ量検出手段と、前記触針子を被測定面に
沿って走査する被測定面走査手段と、該被測定面走査手
段による走査量を測定する走査量測定手段と、前記たわ
み量検出手段の出力があらかじめ設定した目標値と一致
するように被測定面と前記触針子間の相対距離を制御す
る位置制御手段と、該位置制御手段による移動量を測定
する移動量測定手段と、を備えた形状測定装置におい
て、前記たわみ量検出手段の非線形特性を線形な特性に
補正する補正手段を有することを特徴とするものであ
る。

【００２０】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１記載の形状測定装置において、前記た
わみ量検出手段として光学式変位計を用いることを特徴
とするものである。

【００２１】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項２記載の形状測定装置において、前記光
学式変位計が、光源出力を所定の範囲に収めるための調
光機能を備えたことを特徴とするものである。

【００２２】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状測定
装置において、前記補正手段が、非線形特性をあらかじ
めモデル式に近似して記憶するモデル化手段と、前記た
わみ量検出手段が検出したたわみ量を、前記モデル式を
利用して変位に換算する演算手段と、を備えたことを特
徴とするものである。

【００２３】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定
装置において、前記位置制御手段が、前記触針子と被測
定面とを接触させたのち、該触針子を被測定面から遠ざ
ける方向に動作させながら、たわみ量が目標値と一致す
る位置を探索することを特徴とするものである。

【００２４】請求項６記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１〜５のいずれか１項に記載の形状測定
装置において、前記触針子を中空構造とすることを特徴
とするものである。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照しつつ説明する。

【００２６】本発明に係る形状測定装置において、変位
計として光学式変位計を用いた実施例を図１に示す。

【００２７】同図において、光源７から射出される光は
レンズ８に導かれ、触針子２の端面上に集光される。端
面で反射された光は再びレンズ８を通り、フォーカス検
出系９に導かれる。フォーカス検出系９には、例えば、
光ディスクドライブのピックアップと同様の光学系が用
いられ、触針子２が上下動すると、それに応じた電気信
号が出力される。

【００２８】光ディスクドライブのピックアップに用い
られるフォーカス検出法にはいくつか方法があるが、説
明の煩雑化を避けるために、代表例として非点収差法に
絞って説明する。図１において、触針子２の端面で反射
し、再びレンズ８を通った光は、円筒レンズ１０を経て
４分割フォトダイオード１１に入射する。

【００２９】図２（ａ）に、４分割フォトダイオードと
その受光面上に形成されるビームスポット形状を示す。
反斜面である触針子２の端面がレンズ８の焦点位置にあ
る時に、４分割フォトダイオード上に円形のビームスポ
ットを結ぶように調整すると、反斜面が遠いときには横
長の楕円ビームになり、逆に反斜面が近いときには縦長
の楕円ビームになる。従って４つのフォトダイオードの
出力をａ、ｂ、ｃ、ｄとすると、下記（１）式よりフォ
ーカス誤差信号Ｓが得られる。

【数１】 （１）式より計算されるフォーカス誤差信号Ｓは、図２
（ｂ）に例示されるように、反斜面が遠いときには正と
なり、合焦点位置では零、被検面が近いときには負とな
る。この信号における直線性の良好な範囲を使えば、反
斜面の変位を求めることができる。

【００３０】このような光学式変位計の作動距離はレン
ズ８の作動距離で決定される。数ｍｍの作動距離を確保
した上で、ｎｍオーダーの分解能を達成することも比較
的容易である。

【００３１】ここで、光源出力や反斜面の反射率が何ら
かの要因で変動すると、受光素子に到達する光量も変動
する。通常、フォーカス信号は、（１）式に示すよう
に、総受光量で除算することで、受光量変動の影響を受
けにくくする工夫がなされるが、実際にはその影響をゼ
ロにすることはできない。なぜなら、フォーカス信号を
求める際に用いる４つの信号を取得する過程において、
受光素子自身や受光素子後段の電気回路の応答特性（周
波数特性や非線形性）が、各々の信号経路によって完全
には一致しておらず、多少なりともばらつきがあるため
である。特に、光源にレーザダイオード（以下、ＬＤ）
を用いる場合には、ＬＤへの戻り光量によって高い周波
数での光量変動が発生し、各々４つの信号間に顕著な差
異を生じる。その結果、フォーカス信号には光量変動と
同じ周波数で変化と一致した誤差が重畳してしまう。

【００３２】上記の問題を回避するために、測定を開始
する直前に、総受光量が所定の値になるように光源の出
力を調整し、いつも同一の光量条件で測定を行なうよう
にする。ＬＤを用いる場合には、戻り光に起因する光量
変動が生じない光量条件をあらかじめ定めておき、その
条件に合わせるように調光を行なうようにする。またフ
ォーカス検出系の受光素子による総受光量の代わりに、
ＬＤに内臓されたモニタ用ＰＤ出力を利用して調光する
ようにしてもよい。

【００３３】また、高速走査を行なうと、移動ステージ
の追従誤差が大きくなるので、変位計４には、より広い
測定範囲が必要となってくる。測定範囲と信号の直線性
は相反する関係にあり、測定範囲を広げると直線性は悪
化する。従って、測定精度を維持したまま走査速度を上
げるためには、変位計４の出力の非線形特性を補正する
ことが必要となる。

【００３４】非線形特性を補正する方法として、非線形
特性をあらかじめモデル式に近似して記憶し、このモデ
ル式を使って変位計４の出力を変位量に換算すればよ
い。具体的には、例えば、変位計４が図２（ｂ）に示さ
れるような出力特性を有するものとする。この特性を前
もって測定し、縦軸の値に対する横軸の値を多項式近似
して多項式の係数を記憶しておく。次に、測定によって
得られた出力値を、前記多項式に代入し変位を求める。
３次式ないしは５次式程度の近似でも、直線性誤差を数
分の１に減少させることが容易に可能となる。

【００３５】さらに、従来の測定動作においては、触針
子を被測定面に次第に近づけながら、ばね３の変形量が
所定の値になる位置を、変位計４の出力をモニタしなが
ら探索していた。これに対して本発明では、まず、教示
作業を行なうことによって、あらかじめ測定開始点の３
次元座標データを記憶しておき、次に、実際の測定動作
において、１測定開始点の３次元座標データの位置に触
針子先端が位置するように測定装置を動作させ、次に、
被測定面に探索すべき位置を明らかに超える距離、例え
ば０．１ｍｍ程度、触針子を被測定面方向に移動させ、
次に、触針子を被測定面から遠ざける方向に動作させな
がら所定の位置を探索するようにする。このことによ
り、装置が万一誤動作をおこしても、触針子と被測定面
との間に負荷が加わることが無くなり、破損を防止する
ことができる。

【００３６】また、従来は、走査速度を高めるようとす
ると、触針子が被測定面の凹凸によってより高速に加振
されるようになり、ついには、接触状態を保てなくなっ
てしまうという問題があった。これを回避するには、従
来技術の問題点で触れたように、接触荷重ｆを大きくす
るか、触針子の質量ｍを小さくすればよいが、ｆを大き
くすると被測定面を傷つけやすくなり、ｍを小さくしよ
うとすると剛性が低下するという問題が新たに生じた。

【００３７】本発明においては触針子を中空構造とする
ことにより、剛性の低下を最小限に抑えた上で、軽量化
を図る。例えば、直径４ｍｍの中空構造を有する直径５
ｍｍのセラミックス製の触針子を製作することは容易で
あり、中実の触針子を使用するのに比べて大幅な軽量化
が可能となる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、たわみ量
検出手段の非線形特性を補正によってより線形な特性に
改善するので、高速走査によって移動ステージの追従誤
差が大きくなった場合でも、測定精度の低下を最小限に
抑えることができ、高精度に被測定面の形状を測定する
ことができる。

【００３９】請求項２記載の発明によれば、作動距離を
比較的容易に確保しやすい光学式変位計をたわみ量検出
手段として用いるので、高速走査によって移動ステージ
の追従誤差が大きくなった場合でも、触針子とたわみ量
検出手段とが接触することによる触針子またはたわみ量
検出手段の破損を防止できる。

【００４０】請求項３記載の発明によれば、光学式変位
計をたわみ量検出手段として用いる場合に調光機能を備
えることにより、光源出力を常に同一条件に維持するの
で、光量変化に起因する変位計の出力特性の変化を防止
でき、測定精度の低下を最小限に抑えることができる。

【００４１】請求項４記載の発明によれば、非線形特性
を予めモデル式に近似し、モデル式を利用して非線形な
変位計出力を線形出力に変換するので、高速走査によっ
て移動ステージの追従誤差が大きくなった場合でも、測
定精度の低下を最小限に抑えることができる。

【００４２】請求項５記載の発明によれば、触針子と被
測定面とを接触させたのち、触針子を被測定面から遠ざ
ける方向に動作させながら、たわみ量が目標値と一致す
る位置を探索するので、万一の誤動作の際にも触針子と
被測定面との問に過大な負荷が加わることなく、破損を
防止できる。

【００４３】請求項６記載の発明によれば、触針子を中
空構造として軽量化を図ることにより、触針子とばね機
構とからなる系の固有振動数を高めることができ、触針
子が被測定面の凹凸によってより高速に加振されても、
接触状態を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る形状測定装置の変位計の一実施例
を示す図である。

【図２】（ａ）は、４分割フォトダイオードとその受光
面上に形成されるビームスポット形状を示す図である。
（ｂ）は、フォーカス誤差信号と反射面の距離との関係
を示すグラフである。

【図３】従来の触針プローブの要部断面図である。

【符号の説明】

１ 球（真球） ２ 触針子（直動スライダー） ３ ばね ４ 変位計 ５ ハウジング ６ 被測定面 ７ 光源 ８ レンズ ９ フォーカス検出系 １０ 円筒レンズ １１ ４分割フォトダイオード

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA09 AA52 CC22 DD06 DD16 EE03 EE06 FF10 GG06 JJ05 JJ18 LL08 LL46 MM07 PP22 QQ17 2F069 AA62 DD01 DD09 DD15 EE09 EE20 GG02 GG04 GG06 GG07 GG62 GG72 GG74 HH02 JJ06 JJ25 LL02 LL11 NN18

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】触針子と、該触針子の軸方向の動きを支持
   するばね機構と、該ばね機構のたわみ量を検出するたわ
   み量検出手段と、前記触針子を被測定面に沿って走査す
   る被測定面走査手段と、該被測定面走査手段による走査
   量を測定する走査量測定手段と、前記たわみ量検出手段
   の出力があらかじめ設定した目標値と一致するように被
   測定面と前記触針子間の相対距離を制御する位置制御手
   段と、該位置制御手段による移動量を測定する移動量測
   定手段と、を備えた形状測定装置において、 前記たわみ量検出手段の非線形特性を線形な特性に補正
   する補正手段を有することを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の形状測定装置において、 前記たわみ量検出手段として光学式変位計を用いること
   を特徴とする形状測定装置。
3. 【請求項３】請求項２記載の形状測定装置において、 前記光学式変位計が、光源出力を所定の範囲に収めるた
   めの調光機能を備えたことを特徴とする形状測定装置。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれか１項に記載の形状
   測定装置において、 前記補正手段が、 非線形特性をあらかじめモデル式に近似して記憶するモ
   デル化手段と、 前記たわみ量検出手段が検出したたわみ量を、前記モデ
   ル式を利用して変位に換算する演算手段と、 を備えたことを特徴とする形状測定装置。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状
   測定装置において、 前記位置制御手段が、前記触針子と被測定面とを接触さ
   せたのち、該触針子を被測定面から遠ざける方向に動作
   させながら、たわみ量が目標値と一致する位置を探索す
   ることを特徴とする形状測定装置。
6. 【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項に記載の形状
   測定装置において、 前記触針子を中空構造とすることを特徴とする形状測定
   装置。