JP2001133244A - 形状測定方法およびその装置 - Google Patents

形状測定方法およびその装置

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JP2001133244A
JP2001133244A JP31236999A JP31236999A JP2001133244A JP 2001133244 A JP2001133244 A JP 2001133244A JP 31236999 A JP31236999 A JP 31236999A JP 31236999 A JP31236999 A JP 31236999A JP 2001133244 A JP2001133244 A JP 2001133244A
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JP31236999A
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Hiroyuki Takeuchi
博之 竹内
Koji Handa
宏治 半田
Keiji Kubo
圭司 久保
Keiichi Yoshizumi
恵一 吉住
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】60°以上の大きな傾斜角度を有する測定物であ
っても、配置を任意に変えることによって最大傾斜角度
が小さくなる測定物に対しては測定を可能若しくはより
高精度に測定することのできる形状測定方法およびその
装置を提供する。 【解決手段】任意に配置した測定物1の測定面1aにお
ける設計式からずれているX,Y,Zの各軸方向の並進
移動量とX,Y,Zの各軸回りの回転量とを求める。任
意に配置した測定物1の測定面1aの形状を測定用プロ
ーブ3による走査により測定する。その測定による測定
データを、予め求めたX,Y,Zの各軸方向の並進移動
量とX,Y,Zの各軸回りの回転量とに基づき座標変換
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、測定面上で測定用
プローブをXY座標方向に走査することにより、測定用
プローブのXY座標位置でのZ座標データの列を求め、
このZ座標データの列に基づいて測定面の形状測定を行
う方法およびその装置に関し、特に傾斜角度が急峻な測
定面の測定をも可能としたものである。
【0002】
【従来の技術】本発明者らが先に開発した超高精度三次
元測定機は、測定面上を50mg以下の弱い測定圧の測定
用プローブをXY座標方向に走査することにより、測定
用プローブのXY座標位置でのZ座標の列を求め、測定
面の形状が設計式からどれだけずれているかを、このZ
座標データの列から直接的に測定するものである。具体
的には、測定対象であるレンズやミラーの表面形状は、
一般式でZ=f(X,Y)という設計式で表され、測定
点のXY座標におけるZ測定値からこの設計式の値を差
し引いて誤差を算出している。ここで、測定圧を50mg
以下としたのは、10nm程度の高精度測定が必要であ
り、測定面に傷をつけてはいけないからである。
【0003】さらに、本発明者らは、上記のような高精
度測定を実用化するために、非球面レンズなどの自由曲
面の形状測定や面粗さ或いは段差の形状測定などを高精
度に低測定圧で測定できる三次元測定用プローブ(特開
平6-265340号公報参照)を開発している。この三次元測
定用測定用プローブは、測定用プローブを搭載したXY
ステージをZ方向にフォーカスサーボをかけながらXY
方向に移動させると、測定用プローブが測定物との測定
圧を常に一定に保ちながら三次元形状に沿って移動する
ものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記測
定用プローブは、測定物の傾斜角度が60°以上に大きく
なると、フォーカスサーボが追随しきれなくなるため
に、測定できないという課題を有している。具体例とし
て、図4に示すようなミラーを測定物1とする場合につ
いて説明する。この測定物1のミラー面である測定面1
aは2点鎖線で示す設計式に基づいて製作されたもので
あり、その設計式の原点0は測定面1a上に存在してい
ないが、測定に際しては、測定物1を図示のように設計
式の座標系と略一致する配置に設置する必要がある。こ
のように配置された測定物1の測定面1aは、60°以上
の傾斜角(接線とXY方向との角度)を有することにな
り、フォーカスサーボが追随しきれないことから、測定
することができない。
【0005】また、傾斜角度が60°以下であっても、そ
の傾斜角度が60°に近い大きな角度になると、水平方向
の誤差成分が垂直方向に変換されてしまい、測定精度が
非常に悪くなる上に、走査速度を上げることができない
問題がある。さらに、測定に際しては、測定用プローブ
を設計式上の原点0までマニュアル移動して、測長系を
(X,Y,Z)=(0,0,0)にリセットする必要が
あるが、この場合、測定用プローブは、測定機自体の測
定領域を超えて移動させることができない。例えば、測
定領域がXY方向にそれぞれ400 mmである場合、原点
0までの移動量が400 mmを超えるときには、測定原点
を設定できないことから、測定することができない。
【0006】そこで、本発明は、上記従来の課題に鑑み
てなされたもので、60°以上の大きな傾斜角度を有する
測定物であっても、配置を任意に変えることによって最
大傾斜角度が小さくなる測定物に対しては測定を可能若
しくはより高精度に測定することのできる形状測定方法
およびその装置を提供することを目的とするものであ
る。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、測定面上で測定用プローブをXY座標方
向に走査することにより、前記測定用プローブのXY座
標位置でのZ座標データの列を求め、このZ座標データ
の列に基づいて測定面の形状測定を行う形状測定手段に
おいて、任意に配置した測定物の測定面における設計式
からずれているX,Y,Zの各軸方向の並進移動量と
X,Y,Zの各軸回りの回転量とを求め、任意に配置し
た測定物の測定面の形状を前記測定用プローブによる走
査により測定し、前記測定による測定データを、前記求
めたX,Y,Zの各軸方向の並進移動量とX,Y,Zの
各軸回りの回転量とに基づき座標変換するようにした。
【0008】この形状測定手段では、測定物を任意に配
置して測定面の形状測定を行ったのちに、その測定結果
の測定データを設計式からのずれ量で部表変換するよう
したので、特に傾斜角度が急峻な測定面を有する測定物
であっても、設計式の原点近くに配置を変えることで最
大傾斜角度を小さく設定できるものについては、測定を
可能若しくはより高精度に測定することができる。
【0009】上記発明において、測定面の測定による測
定データを、X,Y,Zの各軸方向の並進移動量とX,
Y,Zの各軸回りの回転量とに基づき座標変換したのち
に、その座標変換した測定データにおけるZ座標データ
の列を構成する各Z座標値の設計値からの超過分の二乗
平均値がより小さくなるように前記Z座標データの列を
座標変換することが好ましい。これにより、XY座標軸
を設計値のXY座標軸とほぼ一致させた上で、測定値と
設計値との差を極めて正確に算出することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態について図面を参照しながら説明する。図1は本発明
の一実施の形態に係る形状測定方法のアルゴリズムを示
すフローチャートであり、この測定方法は、図5に示す
ような形状測定機に適用することにより具現化されるの
で、一実施の形態の説明に先立って、上記形状測定機に
ついて説明する。
【0011】図5において、レーザー測長光学系2およ
び測定用プローブ3を搭載した移動体4は、Xステージ
7およびYステージ8によりXY座標方向に移動し、測
定用プローブ3は定盤9上に固定した測定物10の測定
面10aに沿ってZ座標方向に移動するようになってい
る。レーザー測長光学系2は、周知の光干渉法などによ
り測定用プローブ3のZ座標方向の移動量を測定するも
のである。したがって、この形状測定機は、測定面10
a上で測定用プローブ3をXY座標方向に走査すること
により、測定用プローブ3のXY座標位置でのZ座標デ
ータの列を求め、このZ座標データの列に基づいて測定
面10aの形状測定を行う。
【0012】つぎに、本発明の第1の実施の形態に係る
形状測定方法を、図2および図3を参照しながら、図1
のフローチャートに基づき説明する。この実施の形態で
は、図4に示したミラーを測定物1とする場合について
説明する。先ず、図3(a)に示すように、測定物1を
その最大傾斜角度がほぼ最小となり、且つ設計式の原点
0付近に配置する(ステップS1)。つぎに、上記配置
としたときの測定物1の設計式からのずれ量、つまり図
2に示すX,Y,Z方向への並進移動量と、X,Y,Z
の各軸回りの回転量α、β、γとを求めて、メモリに一
時記憶する(ステップS2)。
【0013】つぎに、測定用プローブ3を、図3(a)
に示す配置とした測定物1の測定面1aに接触させなが
らXY座標方向に順次走査することにより、測定面1a
の形状を測定して、測定面1aの(X,Y,Z)データ
を取得する(ステップS3)。この(X,Y,Z)デー
タを得るには、設計式の原点0を測定原点として行う。
【0014】続いて、(X,Y,Z)データに対して、
ステップS2において一時記憶した並進移動量および回
転量で座標変換して、(X´,Y´,Z´)データを算
出する(ステップS4)。そののちに、上記(X,Y,
Z´)データにおけるZ座標データZK を設計式の設計
値Zk ´に置き換えた(X´,Y´,Z´´)データを
算出する(ステップS5)。さらに、(X´,Y´,Z
´)データのZ座標データZ´から(X´,Y´,Z´
´)データの同じXY座標位置におけるZ座標データZ
´´ の値を減算したZdを算出する(ステップS
6)。
【0015】つぎに、測定面1aの形状測定データのZ
座標Zkと設計データのZ座標Zk´とを比較して、次
の(1)式で示すような二乗平均値RMS(Root Mean
Square)を算出する(ステップS7)。
【0016】 続いて、周知の最小二乗法を用いて、上記RMSがより
小さくなるように(X´,Y´,Z´)データを平行移
動および回転方向に座標変換する(ステップS8)。す
なわち、図3(b)に示すように、(X´,Y´,Z
´)データを、X,Y,Zの各軸の方向への並進移動
と、X,Y,Zの各軸を中心に回転する方向α,β,γ
に上記(1)式で示されるRMSがより小さくなるよう
座標変換する。その座標変換を行ったのちに、Z座標デ
ータの変化量が所定範囲内であるか否かを判別し(ステ
ップS9)、範囲内でない場合にはステップS6にリタ
ーンして、ステップS6〜S9の処理を、座標変換によ
るZ座標データの変化量が所定範囲内となって最小であ
ると判別(ステップS9)されるまで、つまりRMSが
最小であると判別されるまで繰り返す。
【0017】RMSが最小であると判別されると、Zd
はゼロに近い値となり、測定データは、そのXY座標軸
が設計値のXY座標軸とほぼ一致したものとなり、測定
面1aの最終的な測定データを得ることができる(ステ
ップS10)。これにより、従来において測定不可能若
しくは測定困難であった大きな傾斜角度を有する測定物
1であっても、測定物1の設置角度を任意に変えること
によって最大傾斜角度か小さくなる測定物については、
高精度な測定評価が可能となる。なお、上記の各ステッ
プS1〜S10を実行する各手段は、例えば図5で説明
した形状測定機に搭載された制御用コンピュータ(図示
せず)のメモリに構築された実行形式のプログラムによ
り容易に具体化される。
【0018】
【発明の効果】以上のように、本発明の形状測定方法お
よびその装置では、測定物を任意に配置して測定面の形
状測定を行ったのちに、その測定結果の測定データを設
計式からのずれ量で座標変換するようにしたので、特に
傾斜角度が急峻な測定面を有する測定物であっても、配
置を変えることで最大傾斜角度を小さく設定できるもの
については、測定を可能若しくはより高精度に測定する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る形状測定方法
のアルゴリズムを示すフローチャート。
【図2】同上実施の形態における座標変換するときの各
座標軸の方向を示す説明図。
【図3】(a),(b)はそれぞれ同上実施の形態にお
ける座標変換の説明図。
【図4】同上実施の形態の比較のために示した従来の測
定方法の説明図。
【図5】本発明の形状測定方法を具現化する形状測定機
の概略構成を示す斜視図。
【符号の説明】
1 測定物 1a 測定面 3 測定用プローブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保 圭司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 吉住 恵一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2F069 AA06 AA66 BB40 GG01 GG04 GG07 GG62 HH02 HH09 JJ04 LL03 MM04 NN26

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 測定面上で測定用プローブをXY座標方
    向に走査することにより、前記測定用プローブのXY座
    標位置でのZ座標データの列を求め、このZ座標データ
    の列に基づいて測定面の形状測定を行う方法において、 任意に配置した測定物の測定面における設計式からずれ
    ているX,Y,Zの各軸方向の並進移動量とX,Y,Z
    の各軸回りの回転量とを求め、 任意に配置した測定物の測定面の形状を前記測定用プロ
    ーブによる走査により測定し、 前記測定による測定データを、前記求めたX,Y,Zの
    各軸方向の並進移動量とX,Y,Zの各軸回りの回転量
    とに基づき座標変換することを特徴とする形状測定方
    法。
  2. 【請求項2】 測定面の測定による測定データを、X,
    Y,Zの各軸方向の並進移動量とX,Y,Zの各軸回り
    の回転量とに基づき座標変換したのちに、その座標変換
    した測定データにおけるZ座標データの列を構成する各
    Z座標値の設計値からの超過分の二乗平均値がより小さ
    くなるように前記Z座標データの列を座標変換するよう
    にした請求項1に記載の形状測定方法。
  3. 【請求項3】 測定面上で測定用プローブをXY座標方
    向に走査することにより、前記測定用プローブのXY座
    標位置でのZ座標データの列を求め、このZ座標データ
    の列に基づいて測定面の形状測定を行う形状測定装置に
    おいて、 任意に配置した測定物の測定面における設計式からずれ
    ているX,Y,Zの各軸方向の並進移動量とX,Y,Z
    の各軸回りの回転量とを求める手段と、 任意に配置した測定物の測定面の形状を前記測定用プロ
    ーブによる走査により測定する手段と、 前記測定による測定データを、前記X,Y,Zの各軸方
    向の並進移動量とX,Y,Zの各軸回りの回転量とに基
    づき座標変換する手段とを備えていることを特徴とする
    形状測定装置。
  4. 【請求項4】 測定面の測定による測定データを、X,
    Y,Zの各軸方向の並進移動量とX,Y,Zの各軸回り
    の回転量とに基づき座標変換した測定データにおけるZ
    座標データの列を構成する各Z座標値の設計値からの超
    過分の二乗平均値がより小さくなるように前記Z座標デ
    ータの列を座標変換する手段を備えている請求項3に記
    載の形状測定装置。
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