JP2001165629A - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents
形状測定装置及び形状測定方法Info
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- JP2001165629A JP2001165629A JP34547699A JP34547699A JP2001165629A JP 2001165629 A JP2001165629 A JP 2001165629A JP 34547699 A JP34547699 A JP 34547699A JP 34547699 A JP34547699 A JP 34547699A JP 2001165629 A JP2001165629 A JP 2001165629A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 被測定面の傾きの大きい物でも被接触で面形
状の測定が可能な形状測定装置を提供する。 【解決手段】 少なくとも１自由度の並進動作をする走
査ステージと、走査ステージの変位を検出する第1の変
位検出手段と、走査ステージ上に設置され並進動作をす
る追従ステージと、追従ステージの変位を検出する第2
の変位検出手段と、追従ステージ上に設置された回転ス
テージと、回転ステージの回転角を検出する回転角検出
手段と、回転ステージ上に設置され、測定原点と被測定
面との距離を求める変位センサと測定軸と被測定面法線
ベクトルとのなす角を求める傾斜角センサよりなるプロ
ーブ装置と、傾斜角センサが常に０近傍を示し、且つ変
位センサが常に０近傍を示すように回転ステージと追従
ステージを制御する制御手段とを備え、第1及び第2の変
位検出手段ならびに回転角検出手段、プローブ装置の出
力値を逐次記憶し、これらの値より被測定物の輪郭形状
を複数の座標データとして求める。
状の測定が可能な形状測定装置を提供する。 【解決手段】 少なくとも１自由度の並進動作をする走
査ステージと、走査ステージの変位を検出する第1の変
位検出手段と、走査ステージ上に設置され並進動作をす
る追従ステージと、追従ステージの変位を検出する第2
の変位検出手段と、追従ステージ上に設置された回転ス
テージと、回転ステージの回転角を検出する回転角検出
手段と、回転ステージ上に設置され、測定原点と被測定
面との距離を求める変位センサと測定軸と被測定面法線
ベクトルとのなす角を求める傾斜角センサよりなるプロ
ーブ装置と、傾斜角センサが常に０近傍を示し、且つ変
位センサが常に０近傍を示すように回転ステージと追従
ステージを制御する制御手段とを備え、第1及び第2の変
位検出手段ならびに回転角検出手段、プローブ装置の出
力値を逐次記憶し、これらの値より被測定物の輪郭形状
を複数の座標データとして求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特にレーザプリン
タやデジタルコピアの光書き込み系の走査レンズの形状
測定で用いられる形状測定装置及び形状測定方法に関す
る。
タやデジタルコピアの光書き込み系の走査レンズの形状
測定で用いられる形状測定装置及び形状測定方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】レンズやミラー等の光学素子の形状評価
をする場合、主に図５で示されるような光触針をプロー
ブとして用いた形状測定装置が使用される。走査ステー
ジ２上には追従ステージ３が設置され、その上にプロー
ブ装置１０が設置されている。プローブ装置１０は測定
軸方向で測定原点と被測定物表面1aとの距離を測定す
る。この距離が一定となるように追従ステージ３を制御
しつつ走査ステージ２を走査する。このときの走査ステ
ージ２及び追従ステージ３の変位とプローブ装置１０の
変位センサの出力を図示しないコンピュータに取り込
み、ここから被測定物の輪郭形状を複数点の座標値とし
て出力する。ここで、プラスチックレンズの様に傷付き
易いものを測定するには、プローブ装置１０に光触針な
どの非接触式変位センサが用いられる。
をする場合、主に図５で示されるような光触針をプロー
ブとして用いた形状測定装置が使用される。走査ステー
ジ２上には追従ステージ３が設置され、その上にプロー
ブ装置１０が設置されている。プローブ装置１０は測定
軸方向で測定原点と被測定物表面1aとの距離を測定す
る。この距離が一定となるように追従ステージ３を制御
しつつ走査ステージ２を走査する。このときの走査ステ
ージ２及び追従ステージ３の変位とプローブ装置１０の
変位センサの出力を図示しないコンピュータに取り込
み、ここから被測定物の輪郭形状を複数点の座標値とし
て出力する。ここで、プラスチックレンズの様に傷付き
易いものを測定するには、プローブ装置１０に光触針な
どの非接触式変位センサが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】形状測定装置で光触針
を用いる場合、被測定物としてレーザプリンタやデジタ
ルコピアの光書き込み系の走査レンズのようにある程度
の大きさがあり、偏平した形状で特定方向に傾斜が大き
いと、光触針からの入射光が斜めに反射して、反射光が
十分に受光系に戻らなくなり、測定不能となる。この問
題の解決手段として特開平9-101121号公報に開示された
発明があるが、この方法では回転手段が大型化してしま
い、コストを増大させてしまう。また、光触針の測定原
点と回転軸の回転中心を精密に合わせる必要があり、実
際に精度を保つのは難しい。また、特開平11-51624号公
報に開示の発明では、光触針の測定軸と回転手段の回転
軸が厳密に直交しており，さらに被測定物表面と回転手
段の回転中心の距離を正確に求めることができないと精
度が維持できない。また実際には回転手段の回転角検出
精度に大きく依存するため、実際に精度を確保するのが
難しい。本発明は、このような問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち本発明が解決しようと
する課題は、被測定面の傾きの大きい物でも被接触で面
形状の測定が可能な形状測定装置を提供することにあ
る。
を用いる場合、被測定物としてレーザプリンタやデジタ
ルコピアの光書き込み系の走査レンズのようにある程度
の大きさがあり、偏平した形状で特定方向に傾斜が大き
いと、光触針からの入射光が斜めに反射して、反射光が
十分に受光系に戻らなくなり、測定不能となる。この問
題の解決手段として特開平9-101121号公報に開示された
発明があるが、この方法では回転手段が大型化してしま
い、コストを増大させてしまう。また、光触針の測定原
点と回転軸の回転中心を精密に合わせる必要があり、実
際に精度を保つのは難しい。また、特開平11-51624号公
報に開示の発明では、光触針の測定軸と回転手段の回転
軸が厳密に直交しており，さらに被測定物表面と回転手
段の回転中心の距離を正確に求めることができないと精
度が維持できない。また実際には回転手段の回転角検出
精度に大きく依存するため、実際に精度を確保するのが
難しい。本発明は、このような問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち本発明が解決しようと
する課題は、被測定面の傾きの大きい物でも被接触で面
形状の測定が可能な形状測定装置を提供することにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の形状測定装置では、少なくとも１自由度
の並進動作をする走査ステージと、走査ステージの変位
を検出する第1の変位検出手段と、走査ステージ上に設
置され並進動作をする追従ステージと、追従ステージの
変位を検出する第2の変位検出手段と、追従ステージ上
に設置された回転ステージと、回転ステージの回転角を
検出する回転角検出手段と、回転ステージ上に設置さ
れ、測定原点と被測定面との距離を求める変位センサと
測定軸と被測定面法線ベクトルとのなす角を求める傾斜
角センサよりなるプローブ装置と、傾斜角センサが常に
０近傍を示し、且つ変位センサが常に０近傍を示すよう
に回転ステージと追従ステージを制御する制御手段と、
第１及び第2の変位検出手段、回転角検出手段、プロー
ブ装置の出力値を逐次記憶し、これらの値より被測定物
の輪郭形状を複数の座標データとして求める演算手段か
ら構成する。請求項２の形状測定装置では、請求項１記
載の形状測定装置において、第1および第2の変位検出手
段が高精度の平面ミラーを参照面とするレーザ測長器で
構成する。請求項３の形状測定装置では、請求項２記載
の形状測定装置において、各レーザ測長器の光軸がおの
おの回転ステージの回転軸と直交するようにする。請求
項４では、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の形
状測定装置を用いて、被測定物の測定に先立って十分な
精度の平面を設置し、走査ステージ及び追従ステージを
静止させた状態で回転ステージをプローブの許容する傾
斜角範囲内で回転させ、この時のプローブ装置の出力を
逐次記憶し、この結果より変位センサの測定点と回転軸
との距離及び測定軸と回転軸とのオフセット量の修正値
を求め、これ以降の測定ではこの値を用いて座標データ
を求める。請求項５の形状測定方法では、請求項１乃至
請求項３のいずれかに記載の形状測定装置を用いて、被
測定物の測定に先立って十分な精度の平面を設置し、回
転ステージを静止させた状態で追従ステージで追従動作
をしながら走査ステージを稼動させ、この時のプローブ
装置の出力を逐次記憶し、変位検出手段の出力より平面
の傾きを求め、これとプローブ装置の傾斜角センサの出
力とを比較して回転ステージの現在の回転角を求め、こ
れ以降の測定ではこの値を用いて座標データを求める。
に、請求項１の形状測定装置では、少なくとも１自由度
の並進動作をする走査ステージと、走査ステージの変位
を検出する第1の変位検出手段と、走査ステージ上に設
置され並進動作をする追従ステージと、追従ステージの
変位を検出する第2の変位検出手段と、追従ステージ上
に設置された回転ステージと、回転ステージの回転角を
検出する回転角検出手段と、回転ステージ上に設置さ
れ、測定原点と被測定面との距離を求める変位センサと
測定軸と被測定面法線ベクトルとのなす角を求める傾斜
角センサよりなるプローブ装置と、傾斜角センサが常に
０近傍を示し、且つ変位センサが常に０近傍を示すよう
に回転ステージと追従ステージを制御する制御手段と、
第１及び第2の変位検出手段、回転角検出手段、プロー
ブ装置の出力値を逐次記憶し、これらの値より被測定物
の輪郭形状を複数の座標データとして求める演算手段か
ら構成する。請求項２の形状測定装置では、請求項１記
載の形状測定装置において、第1および第2の変位検出手
段が高精度の平面ミラーを参照面とするレーザ測長器で
構成する。請求項３の形状測定装置では、請求項２記載
の形状測定装置において、各レーザ測長器の光軸がおの
おの回転ステージの回転軸と直交するようにする。請求
項４では、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の形
状測定装置を用いて、被測定物の測定に先立って十分な
精度の平面を設置し、走査ステージ及び追従ステージを
静止させた状態で回転ステージをプローブの許容する傾
斜角範囲内で回転させ、この時のプローブ装置の出力を
逐次記憶し、この結果より変位センサの測定点と回転軸
との距離及び測定軸と回転軸とのオフセット量の修正値
を求め、これ以降の測定ではこの値を用いて座標データ
を求める。請求項５の形状測定方法では、請求項１乃至
請求項３のいずれかに記載の形状測定装置を用いて、被
測定物の測定に先立って十分な精度の平面を設置し、回
転ステージを静止させた状態で追従ステージで追従動作
をしながら走査ステージを稼動させ、この時のプローブ
装置の出力を逐次記憶し、変位検出手段の出力より平面
の傾きを求め、これとプローブ装置の傾斜角センサの出
力とを比較して回転ステージの現在の回転角を求め、こ
れ以降の測定ではこの値を用いて座標データを求める。
【０００５】
【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）図１（ａ）
に第１の実施の形態を示す。被測定物１の測定面である
被測定物表面１ａの形状を測定するための形状測定装置
について説明する。走査ステージ２上には追従ステージ
３が、その上には回転ステージ４が設置され、その上に
プローブ装置１０が設置されており、プローブ装置１０
は測定軸が回転ステージ４の回転軸と直交するように取
り付けられている。走査ステージ２には第1のリニアエ
ンコーダ２１、追従ステージ３には第２のリニアエンコ
ーダ２２、また回転ステージ４にはロータリーエンコー
ダ２３が組み込まれている。図１（ｂ）にプローブ装置
１０の実施の形態を示す。プローブ装置１０は、それぞ
れ点線で囲まれた範囲の部品よりなる光触針法等を用い
た光触針式変位センサユニット５０と、傾斜角センサユ
ニット６０の出射光束が、ダイクロイックミラー７２で
合成され、共通の対物レンズ７１を使用する構成になっ
ている。以下測定方法の実施の形態を説明する。第１の
光源５１から出射された波長λ1の光束はビームスプリ
ッタ５２を透過し、ダイクロイックミラー７２を透過
し、対物レンズ７１を透過して被測定物表面１ａへ照射
する。被測定物表面１ａでの反射光束は再び対物レンズ
７１、ダイクロイックミラー７２を透過して、ビームス
プリッタ５２で反射し、ナイフエッジ５３で一部光束が
けられ、２分割ＰＤ５４へ照射する。２分割ＰＤ５４の
差動出力が、対物レンズ７１焦点位置と被測定物表面１
ａの距離を示す。第２の光源６１から出射された波長λ
2の平行光束はダイクロイックミラー７２で反射し、対
物レンズ７１によって集光し、被測定物表面１ａに照射
する。ここからの反射光束は再び対物レンズ７１を透過
し、ダイクロイックミラー７２で反射し、折り返しミラ
ー６２で反射してＰＳＤ６３に照射する。被測定物表面
が傾斜した場合、三角測量法の原理でＰＳＤ６３へ照射
する位置が変化し、ＰＳＤ６３の出力が変動する。
に第１の実施の形態を示す。被測定物１の測定面である
被測定物表面１ａの形状を測定するための形状測定装置
について説明する。走査ステージ２上には追従ステージ
３が、その上には回転ステージ４が設置され、その上に
プローブ装置１０が設置されており、プローブ装置１０
は測定軸が回転ステージ４の回転軸と直交するように取
り付けられている。走査ステージ２には第1のリニアエ
ンコーダ２１、追従ステージ３には第２のリニアエンコ
ーダ２２、また回転ステージ４にはロータリーエンコー
ダ２３が組み込まれている。図１（ｂ）にプローブ装置
１０の実施の形態を示す。プローブ装置１０は、それぞ
れ点線で囲まれた範囲の部品よりなる光触針法等を用い
た光触針式変位センサユニット５０と、傾斜角センサユ
ニット６０の出射光束が、ダイクロイックミラー７２で
合成され、共通の対物レンズ７１を使用する構成になっ
ている。以下測定方法の実施の形態を説明する。第１の
光源５１から出射された波長λ1の光束はビームスプリ
ッタ５２を透過し、ダイクロイックミラー７２を透過
し、対物レンズ７１を透過して被測定物表面１ａへ照射
する。被測定物表面１ａでの反射光束は再び対物レンズ
７１、ダイクロイックミラー７２を透過して、ビームス
プリッタ５２で反射し、ナイフエッジ５３で一部光束が
けられ、２分割ＰＤ５４へ照射する。２分割ＰＤ５４の
差動出力が、対物レンズ７１焦点位置と被測定物表面１
ａの距離を示す。第２の光源６１から出射された波長λ
2の平行光束はダイクロイックミラー７２で反射し、対
物レンズ７１によって集光し、被測定物表面１ａに照射
する。ここからの反射光束は再び対物レンズ７１を透過
し、ダイクロイックミラー７２で反射し、折り返しミラ
ー６２で反射してＰＳＤ６３に照射する。被測定物表面
が傾斜した場合、三角測量法の原理でＰＳＤ６３へ照射
する位置が変化し、ＰＳＤ６３の出力が変動する。
【０００６】光触針式変位センサユニット５０及び傾斜
角センサユニット６０からの出力はあらかじめ比例係数
を求めておくことによりそれぞれ変位と傾斜角を検出す
ることができる。さらに傾斜角センサユニット６０の値
が常に０近傍となるように回転ステージ４を制御すると
共に、光触針式変位センサユニット５０の値が常に０近
傍となるように追従ステージ３を制御する。この状態で
走査ステージ２を走査させる。この時走査ステージ２に
組み込まれた第1のリニアエンコーダ２１の変位sx、追
従ステージ３に組み込まれた第２のリニアエンコーダ２
２の変位sz、回転ステージ４に組み込まれたロータリー
エンコーダ２３の回転角θ、プローブ装置１０の出力す
る変位d、傾斜角φの出力値を図示しないコンピュータ
に記憶する。ここで、プローブ装置１０の測定原点から
回転ステージの回転軸までの距離をRとすると、被測定
物表面１ａの座標は以下の式であらわされる。 x = sx + (R + d)sinθ z = sz + (R + d)(1 - cosθ) コンピュータはこの式を用いて全ての測定点の座標を求
め、出力する。また、プローブ装置１０の傾斜角センサ
ユニット６０の出力φを用いると、図２に示すような関
係があり、以下の式によりφ=0のときの光触針式変位セ
ンサユニット５０の出力d'を推定することができる。 (R + d') = (R + d)cosφ 従って、被測定物表面１ａの座標は以下の式であらわさ
れる。 x = sx + (R + d) cosφ sin(θ-φ) z = sz + (R + d) cosφ (1 - cos(θ-φ)) このとき、（θ-φ）の精度は、プローブ装置１０の傾
斜角センサユニット６０の精度に依存し、これを0.1deg
としても座標存在範囲と被測定面の距離は幅0.08μmと
なる。これにより、安定して高い測定精度での形状測定
が可能となる。また、θの制御の許容範囲を大きくとる
ことができ、より高速の走査が可能となる。また、回転
ステージ４のロータリーエンコーダ２３の精度を落とす
ことができるので、より安価に装置を製作可能となる。
また、ｘ方向に移動する走査ステージ２及びｚ方向に移
動する追従ステージ３にｘ-ｚ面に垂直なｙ方向に移動
する第２追従ステージを加えてｘ-ｙ-ｚステージとする
ことにより3次元形状測定装置としても、同様に使え
る。特に前述の走査レンズのように特定方向のみに傾斜
角の大きいものに有効である。さらに十分な精度を保証
するための光触針式変位センサユニット５０の測定原点
と回転ステージ４の回転軸の関係を図3に示す。プロー
ブ装置１０の測定軸と回転ステージ４の回転軸は空間的
にはねじれの位置にあるが、測定軸がｘ-ｚ平面内にあ
り、回転軸がｙ軸に平行なため、オフセット量R1とプロ
ーブ長さR2で表現される。このときの回転軸から測定点
までのベクトルは、以下の式で示される。 ｘ = sx + R1cosθ + (R2 + d)sinθ ｚ = sz + R1sinθ (R2 + d)cosθ
角センサユニット６０からの出力はあらかじめ比例係数
を求めておくことによりそれぞれ変位と傾斜角を検出す
ることができる。さらに傾斜角センサユニット６０の値
が常に０近傍となるように回転ステージ４を制御すると
共に、光触針式変位センサユニット５０の値が常に０近
傍となるように追従ステージ３を制御する。この状態で
走査ステージ２を走査させる。この時走査ステージ２に
組み込まれた第1のリニアエンコーダ２１の変位sx、追
従ステージ３に組み込まれた第２のリニアエンコーダ２
２の変位sz、回転ステージ４に組み込まれたロータリー
エンコーダ２３の回転角θ、プローブ装置１０の出力す
る変位d、傾斜角φの出力値を図示しないコンピュータ
に記憶する。ここで、プローブ装置１０の測定原点から
回転ステージの回転軸までの距離をRとすると、被測定
物表面１ａの座標は以下の式であらわされる。 x = sx + (R + d)sinθ z = sz + (R + d)(1 - cosθ) コンピュータはこの式を用いて全ての測定点の座標を求
め、出力する。また、プローブ装置１０の傾斜角センサ
ユニット６０の出力φを用いると、図２に示すような関
係があり、以下の式によりφ=0のときの光触針式変位セ
ンサユニット５０の出力d'を推定することができる。 (R + d') = (R + d)cosφ 従って、被測定物表面１ａの座標は以下の式であらわさ
れる。 x = sx + (R + d) cosφ sin(θ-φ) z = sz + (R + d) cosφ (1 - cos(θ-φ)) このとき、（θ-φ）の精度は、プローブ装置１０の傾
斜角センサユニット６０の精度に依存し、これを0.1deg
としても座標存在範囲と被測定面の距離は幅0.08μmと
なる。これにより、安定して高い測定精度での形状測定
が可能となる。また、θの制御の許容範囲を大きくとる
ことができ、より高速の走査が可能となる。また、回転
ステージ４のロータリーエンコーダ２３の精度を落とす
ことができるので、より安価に装置を製作可能となる。
また、ｘ方向に移動する走査ステージ２及びｚ方向に移
動する追従ステージ３にｘ-ｚ面に垂直なｙ方向に移動
する第２追従ステージを加えてｘ-ｙ-ｚステージとする
ことにより3次元形状測定装置としても、同様に使え
る。特に前述の走査レンズのように特定方向のみに傾斜
角の大きいものに有効である。さらに十分な精度を保証
するための光触針式変位センサユニット５０の測定原点
と回転ステージ４の回転軸の関係を図3に示す。プロー
ブ装置１０の測定軸と回転ステージ４の回転軸は空間的
にはねじれの位置にあるが、測定軸がｘ-ｚ平面内にあ
り、回転軸がｙ軸に平行なため、オフセット量R1とプロ
ーブ長さR2で表現される。このときの回転軸から測定点
までのベクトルは、以下の式で示される。 ｘ = sx + R1cosθ + (R2 + d)sinθ ｚ = sz + R1sinθ (R2 + d)cosθ
【０００７】ここで、理想平面に対してプローブ装置１
０の許容傾斜角内で回転ステージ４を回転させたときの
回転角θと光触針式変位センサユニット５０の出力ｄの
関係について考える。図３より以下に示す関係があるこ
とがわかる。 (R2 + d)cosθ = R2 + R1 sinθ となる。但し d = R1 tanθ + R2(secθ-1) とする。これを誤差を含む仮の定数R1'、R2'を用いて前
述の式で解いた場合、ｚ座標は以下に示すようになる。
ｚ = R1'sinθ - R2'cosθ - R1sinθ + R2(1 - cosθ)
= (R1' - R1)sinθ (R2' - R2)cosθ+R2この式より、各
定数が実際のものと正確に同一なとき、ｚ=R2（一定）
の平面として出力される。R1'の誤差はsinθに、R2'の
誤差はcosθに比例した形状誤差となって出力される。
実際の装置で十分な精度の平面を測定したときには、プ
ローブ装置１０の光触針式変位センサユニット５０の出
力ｄは前述の関係以外に平面の取付誤差による微小な傾
き成分を含んで出力されるが、これは座標計算時には直
線となるので、任意の直線からの残差を評価すれば影響
を与えない。この特性を使ってR1、R2の値をより正確に
求める方法を示す。平面を被測定物として回転ステージ
４を回転角θと光触針式変位センサユニット５０の出力
ｄの値を測定する。 ２．R1'、R2'の初期値を用いて点列データの座標（ｘ、
ｚ）をもとめる。 ３．ここから回帰直線成分を差し引いた残差の二乗和を
求める。 ４．この値が十分小さくなければR1'、R2'を改良して２
に戻る。 ここで、R1'、R2'の改良は、ニュートン−ラプソン法な
どの非線型関数の最適化手法を用いる。この方法で求め
たR1、R2をコンピュータに記憶しておき、これ以降で座
標を求めるときにこの値を用いる。さらに、回転ステー
ジ４に取り付けられたロータリーエンコーダ２３にイン
クリメント式を用いるためには、再現性良く回転ステー
ジの初期化を行う必要がある。この方法を以下に示す。
平面を被測定物として走査ステージ２及び追従ステージ
３のみで形状測定を行う。設置された平面の傾斜角を求
める。プローブ装置の傾斜角センサの平均値を求める。
この差をロータリーエンコーダ２３の初期値にプリセッ
トする。
０の許容傾斜角内で回転ステージ４を回転させたときの
回転角θと光触針式変位センサユニット５０の出力ｄの
関係について考える。図３より以下に示す関係があるこ
とがわかる。 (R2 + d)cosθ = R2 + R1 sinθ となる。但し d = R1 tanθ + R2(secθ-1) とする。これを誤差を含む仮の定数R1'、R2'を用いて前
述の式で解いた場合、ｚ座標は以下に示すようになる。
ｚ = R1'sinθ - R2'cosθ - R1sinθ + R2(1 - cosθ)
= (R1' - R1)sinθ (R2' - R2)cosθ+R2この式より、各
定数が実際のものと正確に同一なとき、ｚ=R2（一定）
の平面として出力される。R1'の誤差はsinθに、R2'の
誤差はcosθに比例した形状誤差となって出力される。
実際の装置で十分な精度の平面を測定したときには、プ
ローブ装置１０の光触針式変位センサユニット５０の出
力ｄは前述の関係以外に平面の取付誤差による微小な傾
き成分を含んで出力されるが、これは座標計算時には直
線となるので、任意の直線からの残差を評価すれば影響
を与えない。この特性を使ってR1、R2の値をより正確に
求める方法を示す。平面を被測定物として回転ステージ
４を回転角θと光触針式変位センサユニット５０の出力
ｄの値を測定する。 ２．R1'、R2'の初期値を用いて点列データの座標（ｘ、
ｚ）をもとめる。 ３．ここから回帰直線成分を差し引いた残差の二乗和を
求める。 ４．この値が十分小さくなければR1'、R2'を改良して２
に戻る。 ここで、R1'、R2'の改良は、ニュートン−ラプソン法な
どの非線型関数の最適化手法を用いる。この方法で求め
たR1、R2をコンピュータに記憶しておき、これ以降で座
標を求めるときにこの値を用いる。さらに、回転ステー
ジ４に取り付けられたロータリーエンコーダ２３にイン
クリメント式を用いるためには、再現性良く回転ステー
ジの初期化を行う必要がある。この方法を以下に示す。
平面を被測定物として走査ステージ２及び追従ステージ
３のみで形状測定を行う。設置された平面の傾斜角を求
める。プローブ装置の傾斜角センサの平均値を求める。
この差をロータリーエンコーダ２３の初期値にプリセッ
トする。
【０００８】（第２の実施の形態）図４に本発明の第２
の実施の形態を示す。ここでは走査ステージ２及び追従
ステージ３の変位を検出する手段として、ｘ軸方向のレ
ーザ測長器11と参照ミラー１２が、ｚ軸方向のレーザ測
長器１３と参照ミラー１４を設置する。前述のｘ軸方向
のレーザ測長器１１、ｚ軸方向のレーザ測長器１３は、
少なくとも回転ステージ４の回転軸に直交するように設
置する。各軸方向変位を測定するレーザ測長器の測定軸
は、X軸は回転ステージ４の回転軸とプローブ装置１０
の測定軸に直交し、ｚ軸はプローブ装置１０の測定軸と
同一になるように設置すると良い。3次元測定装置の場
合は、図示しないY軸方向のレーザ測長器は回転ステー
ジの回転軸と同一になるように設置する。
の実施の形態を示す。ここでは走査ステージ２及び追従
ステージ３の変位を検出する手段として、ｘ軸方向のレ
ーザ測長器11と参照ミラー１２が、ｚ軸方向のレーザ測
長器１３と参照ミラー１４を設置する。前述のｘ軸方向
のレーザ測長器１１、ｚ軸方向のレーザ測長器１３は、
少なくとも回転ステージ４の回転軸に直交するように設
置する。各軸方向変位を測定するレーザ測長器の測定軸
は、X軸は回転ステージ４の回転軸とプローブ装置１０
の測定軸に直交し、ｚ軸はプローブ装置１０の測定軸と
同一になるように設置すると良い。3次元測定装置の場
合は、図示しないY軸方向のレーザ測長器は回転ステー
ジの回転軸と同一になるように設置する。
【０００９】
【発明の効果】請求項１記載の発明では、傾斜の大きい
被測定物においても非接触で高精度の形状測定が可能と
なる。請求項２記載の発明では、走査ステージ２及び追
従ステージ３の変位をレーザ測長器で測定することによ
り、ステージの運動精度の影響を受けにくく、より高精
度の形状測定が可能となる。請求項３記載の発明では、
回転ステージの回転中心がアッベの原理に基づき回転ス
テージの回転誤差を含む運動誤差の影響を受けにくく、
より高精度の形状測定が可能となる。請求項４記載の発
明では、プローブ装置の変位センサの測定原点と回転軸
の関係を正確に求めることにより、より高精度の形状測
定が可能となる。請求項５記載の発明では、回転ステー
ジのロータリーエンコーダの初期化を行い、より高精度
の形状測定が可能となる。
被測定物においても非接触で高精度の形状測定が可能と
なる。請求項２記載の発明では、走査ステージ２及び追
従ステージ３の変位をレーザ測長器で測定することによ
り、ステージの運動精度の影響を受けにくく、より高精
度の形状測定が可能となる。請求項３記載の発明では、
回転ステージの回転中心がアッベの原理に基づき回転ス
テージの回転誤差を含む運動誤差の影響を受けにくく、
より高精度の形状測定が可能となる。請求項４記載の発
明では、プローブ装置の変位センサの測定原点と回転軸
の関係を正確に求めることにより、より高精度の形状測
定が可能となる。請求項５記載の発明では、回転ステー
ジのロータリーエンコーダの初期化を行い、より高精度
の形状測定が可能となる。
【図１】本発明の第１の実施の形態の全体構成を示す図
である。
である。
【図２】プローブ装置傾斜角センサ出力の関係を表わす
図である。
図である。
【図３】変位センサ測定原点と回転ステージ回転軸の関
係を表わす図である。
係を表わす図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の全体構成を示す図
である。
である。
【図５】従来の形状測定装置を示す図である。
１．被測定物 ２．走査ステージ ３．追従ステージ ４．回転ステージ １０．プローブ装置 １１．レーザ測長器 １２．参照ミラー １３．レーザ測長器 １４．参照ミラー ２１．第１のリニアエンコーダ ２２．第２のリニアエンコーダ ２３．ロータリーエンコーダ ５０．光触針式変位センサユニット ５１．第１の光源 ５２．ビームスプリッタ ５３．ナイフエッジ ５４．２分割ＰＤ ６１．第２の光源 ６２．折り返しミラー ６３．ＰＳＤ ７１．対物レンズ ７２．ダイクロッイクミラー
Claims (5)
- 【請求項１】 少なくとも１自由度の並進動作をする走
査ステージと、走査ステージの変位を検出する第1の変
位検出手段と、走査ステージ上に設置され並進動作をす
る追従ステージと、追従ステージの変位を検出する第2
の変位検出手段と、追従ステージ上に設置された回転ス
テージと、回転ステージの回転角を検出する回転角検出
手段と、回転ステージ上に設置され、測定原点と被測定
面との距離を求める変位センサと測定軸と被測定面法線
ベクトルとのなす角を求める傾斜角センサよりなるプロ
ーブ装置と、傾斜角センサが常に０近傍を示し、且つ変
位センサが常に０近傍を示すように回転ステージと追従
ステージを制御する制御手段と、第１及び第2の変位検
出手段、回転角検出手段ならびにプローブ装置の出力値
を逐次記憶し、これらの値より被測定物の輪郭形状を複
数の座標データとして求める演算手段を備えたことを特
徴とする形状測定装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の形状測定装置において、
第1および第2の変位検出手段が高精度の平面ミラーを参
照面とするレーザ測長器であることを特徴とする形状測
定装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の形状測定装置において、
各レーザ測長器の光軸がおのおの回転ステージの回転軸
と直交するようにしたことを特徴とする形状測定装置。 - 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
の形状測定装置を用いて、被測定物の測定に先立って十
分な精度の平面を設置し、走査ステージ及び追従ステー
ジを静止させた状態で回転ステージをプローブの許容す
る傾斜角範囲内で回転させ、この時のプローブ装置の出
力を逐次記憶し、この結果より変位センサの測定点と回
転軸との距離及び測定軸と回転軸とのオフセット量の修
正値を求め、これ以降の測定ではこの値を用いて座標デ
ータを求めることを特徴とする形状測定方法。 - 【請求項５】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
の形状測定装置を用いて、被測定物の測定に先立って十
分な精度の平面を設置し、回転ステージを静止させた状
態で追従ステージで追従動作をしながら走査ステージを
稼動させ、この時のプローブ装置の出力を逐次記憶し、
変位検出手段の出力より平面の傾きを求め、これとプロ
ーブ装置の傾斜角センサの出力とを比較して回転ステー
ジの現在の回転角を求め、これ以降の測定ではこの値を
用いて座標データを求めることを特徴とする形状測定方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34547699A JP2001165629A (ja) | 1999-12-03 | 1999-12-03 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34547699A JP2001165629A (ja) | 1999-12-03 | 1999-12-03 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001165629A true JP2001165629A (ja) | 2001-06-22 |
Family
ID=18376859
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34547699A Pending JP2001165629A (ja) | 1999-12-03 | 1999-12-03 | 形状測定装置及び形状測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001165629A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007198791A (ja) * | 2006-01-24 | 2007-08-09 | Mitsutoyo Corp | 表面性状測定機 |
| JP2013002859A (ja) * | 2011-06-14 | 2013-01-07 | Toshiba Corp | テラヘルツ波を用いた検査装置及び検査方法 |
| CN103630541A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-12 | 广州市香港科大霍英东研究院 | 一种双光源镜面反射面测量系统 |
| WO2017038902A1 (ja) * | 2015-08-31 | 2017-03-09 | 株式会社ニコン | 表面形状測定装置 |
| JP2018194555A (ja) * | 2014-05-19 | 2018-12-06 | テイラー・ホブソン・リミテッドＴａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ | 物体の幾何学的な計測装置および方法 |
| CN114061485A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 桂林欧瑞德科技有限责任公司 | 一种自动调整激光入射角的控制装置及其使用方法 |
-
1999
- 1999-12-03 JP JP34547699A patent/JP2001165629A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007198791A (ja) * | 2006-01-24 | 2007-08-09 | Mitsutoyo Corp | 表面性状測定機 |
| JP2013002859A (ja) * | 2011-06-14 | 2013-01-07 | Toshiba Corp | テラヘルツ波を用いた検査装置及び検査方法 |
| CN103630541A (zh) * | 2013-11-28 | 2014-03-12 | 广州市香港科大霍英东研究院 | 一种双光源镜面反射面测量系统 |
| JP2018194555A (ja) * | 2014-05-19 | 2018-12-06 | テイラー・ホブソン・リミテッドＴａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ Ｌｉｍｉｔｅｄ | 物体の幾何学的な計測装置および方法 |
| WO2017038902A1 (ja) * | 2015-08-31 | 2017-03-09 | 株式会社ニコン | 表面形状測定装置 |
| CN114061485A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-18 | 桂林欧瑞德科技有限责任公司 | 一种自动调整激光入射角的控制装置及其使用方法 |
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