JP2002357415A - 形状測定装置及び方法、被測定物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小径レンズの測定においてもプローブ先端が
干渉することなく、必要な範囲全体にわたって高精度の
測定を可能にする。 【解決手段】 プローブの先端に曲率半径が１mm以下の
細径のスタイラスを取り付け、このスタイラスを被測定
物の測定面に追従させて表面形状を高精度に測定する
際、まず始めに校正の基準となる基準球を測定し、スタ
イラスの曲率半径からの形状誤差を求める。そして、被
測定物の形状測定を行い（ステップＳ２１〜Ｓ２３）、
得られた測定データに対して、スタイラスの被測定物と
の接触位置を求め、その接触位置における測定面の傾斜
角からスタイラスの曲率半径による位置誤差を補正する
（ステップＳ２４）。次に、基準球の測定により求めた
スタイラスの形状誤差データを用いて、前記接触位置に
おける形状誤差量を抽出し、この形状誤差量を加算して
スタイラスの曲率半径からの形状誤差を補正する（ステ
ップＳ２５，Ｓ２６）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ディスクのピッ
クアップレンズや光通信で使用されるファイバ集光用レ
ンズなどの小径レンズ及びその金型の表面形状など、極
小部分の形状を高精度で測定する形状測定装置及び方
法、並びに被測定物の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】非球面レンズやその金型の形状など、極
小部分の形状を５０ｎｍ以下の高精度で測定できる超高
精度三次元形状測定装置については、特開平４−２９９
２０６号公報、特開平１０−１７０２４３号公報等に記
載されている。図１は形状測定装置の一構成例を示す斜
視図である。

【０００３】形状測定装置は、石定盤１上に設置された
レンズ等の被測定物２の測定面２ａに、移動体３に取り
付けられたプローブ５の先端を追従させて、被測定物２
の表面形状を測定するように構成されている。詳細に
は、被測定物２が載置される石定盤１には、支持部を介
してプローブ５の位置座標を測定するためのＸ参照ミラ
ー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８が配置されてい
る。一方、プローブ５が取り付けられた移動体３には、
Ｘステージ９及びＹステージ１０が設けられており、被
測定物２の測定面２ａの表面形状に追従してＸ軸方向及
びＹ軸方向にそれぞれ移動体３及びプローブ５を走査可
能となっている。また、移動体３にはレーザ測長光学系
４が設けられており、既知の光干渉法によりＸ参照ミラ
ー６を基準としたプローブ５のＸ座標、Ｙ参照ミラー７
を基準としたプローブ５のＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基
準としたプローブ５のＺ座標がそれぞれ測長される。

【０００４】次に、このような形状測定装置における測
定手順について説明する。最初に、被測定物２の測定面
２ａの設計式などの設計情報を形状測定装置に入力して
いく。次に、プローブ５を被測定物２の測定面２ａに一
定の測定圧で追従させ、プローブ５をＸＹ方向に軸上走
査させることで被測定物２の中心出しを行う。この中心
出し処理の詳細については、特開平２−２５４３０７号
公報に記載されている。その後、実際に被測定物２の測
定面２ａ上において、プローブ５をＸＹ方向に面走査し
て形状測定を行う。

【０００５】図１０は、形状測定装置において、プロー
ブ５の先端のスタイラス３１が被測定物２の測定面２ａ
に追従している様子を、Ｚ−Ｘ座標について拡大して示
したものである。このスタイラス３１により検出された
三次元座標は、図１０において、スタイラス３１の先端
Ｔの座標（Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 ）に相当する。しかし、図
示したように、スタイラス３１の先端部３２が曲率半径
Ｒを有し、被測定物２の表面形状に追従している場合に
は、実際の測定点Ｐの三次元座標（Ｘi ，Ｙi，Ｚi ）
と、プローブ５を走査することにより得られたスタイラ
ス３１の先端Ｔの座標（Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 ）との間に
は、測定誤差が生じることになる。

【０００６】このスタイラス３１の先端部３２が曲率半
径Ｒを有していることで生じる測定誤差は、実際の測定
点Ｐの位置において測定面２ａの傾斜角θが分かれば、
スタイラス３１の先端Ｔの座標（Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 ）か
ら、実際の測定点Ｐの座標（Ｘi ，Ｙi ，Ｚi ）が算出
できる。このスタイラス３１の先端Ｔを基準にした実際
の測定点Ｐの位置（２つの座標の相対距離）を加算また
は減算することによって測定誤差を補正する。

【０００７】Ｚ−Ｘ座標においては、プローブ５のスタ
イラス３１の先端座標Ｔ（Ｘ0 ，Ｙ0 ，Ｚ0 ）、実際の
測定点の座標Ｐ （Ｘi ，Ｙi ，Ｚi ）、測定点Ｐにお
ける測定面２ａのＸ方向の傾斜角θx とすると、 （Ｘi，Ｙi，Ｚi）＝（Ｘ0−Ｒ・sinθx，Ｙ0，Ｚ0＋Ｒ
・（１−cosθx）） （ただし、Ｚ−Ｘ座標においてはＹ方向の座標成分Ｙi
，Ｙ0 は不定）となる。同様に、実際の測定点Ｐの位
置における測定面２ａのＹ方向の傾斜角θy が分かれ
ば、Ｚ−Ｙ座標においても同様の補正ができる。以後、
このようなプローブ先端のスタイラス先端部における曲
率半径Ｒによる測定誤差（プローブ先端Ｒ誤差）の補正
をプローブＲ補正と呼ぶ。このときの傾斜角θは、取り
込まれた前後の測定データから算出することができる
し、また、スタイラス３１の先端Ｔの座標と被測定物２
の設計式からも求めることができる。

【０００８】スタイラス３１で検出した被測定物２の形
状測定データには、被測定物２の設置時の設置誤差（ア
ライメント誤差）があり、入力した設計式との誤差を求
める場合には、前記プローブＲ補正した後のデータを三
次元的に回転・平行移動して座標変換することによって
設計式との最適な重ねあわせを行う。これにより前記ア
ライメント誤差が補正される。以後、前記プローブＲ補
正とこの座標変換とを合わせて、アライメント処理と呼
ぶ。

【０００９】前記アライメント処理後、入力した設計式
と被測定物２の測定データとのＺ方向の形状誤差（偏
差）を求め、この偏差データを出力する。ここで、設計
式と実際の被測定物との形状誤差が大きい場合には、そ
の偏差データを加工機にフィードバックして、被測定物
２の実際の形状が設計式と比較して所望の精度以内にな
るまで（例えば、光ディスクのピックアップ用非球面レ
ンズの場合、形状誤差が±０．１μｍ以内）加工を繰り
返し、被測定物２である非球面レンズやその金型などを
高精度に製作する。

【００１０】上述したような５０ｎｍ以下の高精度で測
定することができる超高精度三次元形状測定装置におい
て、被測定物２の表面形状に追従するプローブ５に取り
付いているスタイラス３１の先端部３２は、0.02〜0.03
μｍ以下の高い真球度と繰り返し測定に対する耐久性が
要求されるため、機械研磨により高い真球度を達成で
き、また優れた加工性と硬度特性を有する外径φ１mm前
後のルビー球が一般に広く使用されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】近年、光通信分野にお
いて、光電変換接続装置に用いられている光ファイバ集
光用レンズは、レンズ径が約φ２mm以下と小さく、表面
の傾斜角度が４０度以上の傾斜角を有したものがある。
このような光ファイバ集光用レンズにおいては、取扱い
を容易にするために、鏡筒とレンズをプレス成形時に一
体結合させる鏡筒一体型非球面ガラスレンズなどが使わ
れている。

【００１２】図１１は、光ファイバ集光用レンズ４１を
プローブ５に取り付けたスタイラス３１で測定する際の
スタイラス３１の接触状態の一例について図示したもの
である。スタイラス３１の先端部３２はφ１mm程度のル
ビー球であるため、レンズ径φ２mm以下の光ファイバ集
光用レンズ４１の形状測定を行う場合、レンズの有効径
Ｗの端においてスタイラス３１又はその先端部３２であ
るルビー球と光ファイバ集光用レンズ４１の鏡筒４２と
が干渉してしまい、光ファイバ集光用レンズ４１の有効
径Ｗの全範囲を測定できないという問題点がある。

【００１３】このため、光ファイバ集光用レンズ４１の
有効径Ｗの全体を測定するには、スタイラス３１の先端
部３２の曲率半径を数μｍ程度まで小さくする必要があ
る。このとき、例えば、φ１mmのルビー球の代わりにダ
イヤモンドを取り付け、これを研磨してスタイラス先端
の曲率半径を数μｍ程度まで小さくするような場合を考
える。この場合、ダイヤモンドはルビー球のようにころ
がし研磨で製作できないため、熟練技術者による手作業
の研磨を必要とし、またダイヤモンド結晶が方向性を有
していることによる加工性の悪さと合わせると、所望の
真球度を得るのが困難である。例えば、先端部３２の開
き角が１２０度以内では、真球度が０．１μｍ程度から
悪い場合になると０．２μｍ以上となり、従来のルビー
球と比較して数倍からそれ以上悪くなってしまう。

【００１４】このような真球度の悪いダイヤモンド製の
スタイラス３１で被測定物２の表面形状を測定すると、
上述したプローブＲ補正では、スタイラス３１の先端部
３２の形状誤差までは補正していないため、前記真球度
の悪さがそのまま被測定物２の形状誤差として測定デー
タに現れてしまい、高精度の測定ができないという問題
点があった。

【００１５】また、光ディスクなどに使用されるピック
アップ用の小径レンズにおいても、近年、高ＮＡ化が進
んでおり、従来の接触式の形状測定装置においては、４
０度を越える傾斜角を有した被測定物であるレンズやそ
の金型の形状を測定しようとすると、プローブ先端とコ
バ面とが干渉するために、レンズ及び金型の有効径全体
を測定できないという上記と同じ問題点があった。

【００１６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、光通信分野において使用される光ファイバ集光用レ
ンズや光ディスクなどに使用されるピックアップ用のレ
ンズなどの小径レンズやその金型の表面形状測定におい
ても、プローブ先端が小径レンズのコバ面や鏡筒などに
干渉することなく、かつ高精度の測定を行うことが可能
な形状測定装置及び方法、並びに被測定物の製造方法を
提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、第１に、被測
定物の測定面にプローブの先端を追従させて、前記被測
定物の表面形状を測定する形状測定装置であって、前記
プローブの先端に曲率半径が１mm以下の探針と、前記被
測定物の測定データに関して前記探針の曲率半径による
位置誤差を補正する曲率補正手段と、校正の基準となる
基準形状物を測定して求めた前記探針の形状誤差データ
を用いて、前記探針の形状誤差を補正する探針形状補正
手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１８】また、第２に、前記基準形状物は、球形状
の基準球を用いることを特徴とする。

【００１９】また、第３に、前記探針は、先端開き角が
５５度以内でかつ、先端部の曲率半径が数μｍオーダー
に加工されていることを特徴とする。また、第４に、前
記探針の先端部の材質がダイヤモンドであることを特徴
とする。

【００２０】本発明は、第５に、被測定物の測定面に、
先端に曲率半径が１mm以下の探針を備えたプローブを追
従させて、前記被測定物の表面形状を測定する形状測定
方法であって、校正の基準となる基準球を測定すること
により、前記探針の曲率半径からの形状誤差を求める探
針形状誤差算出ステップと、前記基準球の測定により求
めた前記探針の形状誤差データを用いて、前記被測定物
の測定データを補正する探針形状補正ステップとを有す
ることを特徴とする。

【００２１】また、第６に、前記探針形状補正ステップ
において、前記被測定物の測定データに対して、前記被
測定物と前記探針との接触位置を求め、その接触位置に
おける測定面の傾斜角から前記探針の曲率半径による位
置誤差を補正する曲率補正ステップと、前記探針の形状
誤差データより前記接触位置における形状誤差量を抽出
し、この形状誤差量を加算または減算して前記探針の曲
率半径からの形状誤差を補正する形状誤差補正ステップ
とを有することを特徴とする。

【００２２】また、第７に、前記形状誤差補正ステップ
において、前記探針の前記被測定物との接触位置におけ
る測定面の傾斜角を用いて、この探針の接触位置に対応
する前記基準球測定時の基準球上の位置を特定し、この
特定された基準球上の位置における前記基準球測定時の
形状誤差を前記探針の接触位置における形状誤差量とし
て抽出し補正を行うことを特徴とする。

【００２３】また、第８に、前記形状誤差補正ステップ
において、前記探針の形状誤差データとして前記基準球
測定時に離散的に取り込まれた設計式との偏差データに
基づいて、前記探針の接触位置における形状誤差量を補
間して求めることを特徴とする。

【００２４】また、第９に、前記形状誤差補正ステップ
において、前記離散的な偏差データから形状誤差量を補
間する際に、スプライン曲線を用いることを特徴とす
る。

【００２５】本発明は、第１０に、上記いずれかに記載
の形状測定方法を用いて被測定物の表面形状を測定し、
この被測定物の設計式との偏差データを得る偏差検出ス
テップと、前記偏差データをフィードバックして前記被
測定物の形状加工を行う加工ステップとを有する被測定
物の製造方法を提供する。

【００２６】本発明では、先端に曲率半径が１mm以下の
細径の探針を備えたプローブによって、被測定物の測定
面にプローブの先端を追従させて、被測定物の表面形状
を測定する際に、校正の基準となる基準球を測定するこ
とにより探針の曲率半径からの形状誤差を求め、この基
準球の測定により求めた探針の形状誤差データを用い
て、被測定物の測定データを補正する。このとき、被測
定物の測定データに対して、被測定物と探針との接触位
置を求め、その接触位置における測定面の傾斜角から探
針の曲率半径による位置誤差を補正するとともに、探針
の形状誤差データより前記接触位置における形状誤差量
を抽出し、この形状誤差量を加算または減算して探針の
曲率半径からの形状誤差を補正する。

【００２７】これにより、基準球の測定により求めた探
針の形状誤差を予め考慮して測定データに反映すること
ができ、被測定物の形状について適正に校正されたより
正確な測定データを得ることが可能となる。また、光通
信分野において使用される光ファイバ集光用レンズや光
ディスクなどに使用されるピックアップ用のレンズなど
の小径レンズやその金型の表面形状測定においても、プ
ローブ先端が小径レンズのコバ面や鏡筒などに干渉する
ことなく、例えば５０ｎｍ以下の高精度でレンズの有効
範囲全域にわたって測定することが可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は形状測定装置の一構成例を
示す斜視図、図２は本実施形態の形状測定装置に用いる
プローブ先端の寸法形状を示す説明図、図３は本実施形
態における基準球測定時の形状測定装置を示す側面図、
図４は基準球測定時のプローブ先端の接触状態を示す説
明図である。

【００２９】本実施形態では、プローブ先端に取り付け
るスタイラス（探針）として曲率半径を小さく加工した
ダイヤモンドを用い、被測定物の形状測定に先立って、
スタイラスの形状誤差を補正するために校正基準となる
よう真球度が高く形成された基準球の測定を行うように
する。

【００３０】図１に示すように、形状測定装置は、５０
ｎｍ以下の超高精度の三次元測定を可能としたもので、
石定盤１上に設置されたレンズ等の被測定物２の測定面
２ａに、移動体３に取り付けられたプローブ５の先端を
追従させて、被測定物２の表面形状を測定するように構
成されている。

【００３１】被測定物２が載置される石定盤１には、支
持部を介してプローブ５の位置座標を測定するためのＸ
参照ミラー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８が配置
されている。一方、プローブ５が取り付けられた移動体
３には、Ｘステージ９及びＹステージ１０が設けられて
おり、被測定物２の測定面２ａの表面形状に追従してＸ
軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ移動体３及びプローブ５
を走査可能となっている。また、移動体３にはレーザ測
長光学系４が設けられており、既知の光干渉法によって
Ｘ参照ミラー６を基準としたプローブ５のＸ座標、Ｙ参
照ミラー７を基準としたプローブ５のＹ座標、Ｚ参照ミ
ラー８を基準としたプローブ５のＺ座標がそれぞれ測長
されるようになっている。なお図示しないが、形状測定
装置にはプローブ５の走査の制御や測定データの処理な
どを行うためのプロセッサ及びメモリ等を備えた制御手
段が設けられている。以降で述べる測定手順は、形状測
定装置の制御手段によって動作制御が行われて実行され
る。

【００３２】プローブ５の先端には、図２に示すような
円錐形状のスタイラス２１が取り付けられている。この
スタイラス２１は、先端部２２の曲率半径Ｒが数μｍオ
ーダーに加工されたダイヤモンドからなり、先端開き角
θが３５〜４５度程度の円錐形状に形成されている。先
端開き角θは４５度以上であっても良いが、６０度以上
の高い傾斜角を有した被測定物を測定する場合には、測
定面にスタイラス２１の側面が干渉して正しく被測定物
の表面形状を測定できないことがあるため、５５度以内
が好ましく、さらには３５〜４５度ぐらいがより好まし
い。

【００３３】このスタイラス２１をプローブ５の先端に
装着した後、始めに基準球の面形状測定を行う。図３に
示すように、石定盤１を含む設置治具部５０上に、基準
球５１が載置される。この基準球５１は、底部に３つの
足が突設された台座５２上にほぼ上半球が露呈した状態
で設けられ、石定盤１に対して３点支持で載置されるよ
うになっている。設置治具部５０は、上から回転ステー
ジ５３、あおり調整ステージ５４、Ｚ移動ステージ５５
を備えて構成され、形状測定装置の設置ベースに固定さ
れている。

【００３４】基準球５１は、通常、鋼球やセラミック球
などで形成され、外表面が球面であるため干渉計などで
設計式からの実際の形状のずれ量を評価することが可能
であり、真球度が0.02μｍ以内のものを製作することが
できる。本実施形態では、ダイヤモンド製のスタイラス
２１の先端部２２における設計上の曲率半径Ｒからの形
状誤差を校正するために、このような高精度な形状を有
した基準球５１を使用する。この場合、図４に示すよう
に、基準球５１の外表面にスタイラス２１の先端部２２
を追従させて基準球５１の表面形状を測定する。

【００３５】図５はスタイラス２１を用いた基準球５１
の表面形状の測定手順を示すフローチャートである。最
初に、校正用の被測定物である基準球５１の測定面５１
ａの設計式などの設計情報を形状測定装置に入力する
（ステップＳ１１）。次に、プローブ５に取り付けたス
タイラス２１を基準球５１の測定面５１ａに一定の測定
圧で追従させ、プローブ５をＸＹ方向に軸上走査させる
ことで基準球５１の中心出しを行う（ステップＳ１
２）。この中心出し処理は、特開平２−２５４３０７号
公報に記載の方法を用いればよい。その後、実際に基準
球５１の測定面５１ａ上において、プローブ５をＸＹ方
向に面走査して形状測定を行う（ステップＳ１３）。

【００３６】次いで、前述した従来の技術と同様に、ス
タイラス２１の先端部２２が曲率半径Ｒを有しているこ
とで生じる測定誤差（プローブ先端Ｒ誤差）の補正、す
なわちプローブＲ補正を行う（ステップＳ１４）。これ
により、スタイラスの先端Ｔと実際の測定点Ｐｒ（スタ
イラス２１の先端部２２と基準球５１の測定面５１ａと
の接触位置）との位置誤差が補正される。そして、プロ
ーブＲ補正した後のデータを三次元的に回転・平行移動
して座標変換することによって、基準球５１の設計式と
の最適な重ねあわせを行い、基準球５１の設置時の設置
誤差（アライメント誤差）の補正を行う（ステップＳ１
５）。次に、前記プローブＲ補正と座標変換とによるア
ライメント処理を行った後、入力した基準球５１の設計
式と測定データとの形状誤差（偏差）を求め、この偏差
データをスタイラス形状誤差データとして出力する（ス
テップＳ１６）。

【００３７】図６は、校正に使用する基準球５１（材
質：Ｓｉ₃Ｎ₄、設計半径Ｒｍ＝５．５５５８７mm）を先
端部の曲率半径２μｍのダイヤモンド製のスタイラス２
１で測定した場合のスタイラス形状誤差データを示した
グラフである。図６の偏差データは、形状測定装置によ
って位置検出され取り込まれた離散的な測定データを、
取り込まれた順番に直線でつないで表示したものであ
る。この偏差データは、基準球５１の設計式と実際の測
定データとの差分、つまり設計式に対する基準球５１の
測定面５１ａの形状誤差（偏差）を示している。しか
し、実際には、上述したように基準球５１は形状誤差が
ほとんどないため、得られた偏差データはスタイラス２
１の先端部２２の設計値からの形状誤差を示したスタイ
ラス形状誤差データとなる。

【００３８】スタイラス２１の面走査によって実際の被
測定物の形状測定を行う際には、上記のように基準球の
測定によって予め取得したスタイラス形状誤差データを
用いて、測定データ取得後のプローブＲ補正の過程にお
いてこのスタイラス形状誤差データを加算して補正す
る。これによって、スタイラス２１の先端形状の校正が
行われることになる。

【００３９】以下に、前記基準球の測定で求めたスタイ
ラス形状誤差データによるスタイラス２１の先端部２２
の形状誤差補正の手順を、実際の測定例に当てはめて説
明する。図７は本実施形態のスタイラス２１によって光
ファイバ集光用レンズ４１を測定する際のスタイラス２
１の接触状態の一例について示した説明図、図８はスタ
イラスの形状誤差補正を含む被測定物の形状測定手順を
示すフローチャートである。

【００４０】まず、測定したい被測定物の測定面にプロ
ーブ５に取り付けたスタイラス２１を追従させて、測定
面の表面形状を測定する。このとき、レンズ径φ２mm以
下の光ファイバ集光用レンズ４１の形状測定を行う場
合、従来例の先端部がφ１mm程度のルビー球ではレンズ
４１の有効径Ｗの全てを測定できなかったが、本実施形
態のような先端部の曲率半径が数μｍ程度である細径の
ダイヤモンド円錐形状のスタイラス２１では、図７のよ
うに先端部２１が光ファイバ集光用レンズ４１の鏡筒４
２などと干渉しないため、レンズ有効径Ｗの全範囲を測
定できる。

【００４１】前記基準球測定時と同様に、始めに、被測
定物２の測定面２ａの設計式などの設計情報を形状測定
装置に入力する（ステップＳ２１）。次に、プローブ５
に取り付けたスタイラス２１を被測定物２の測定面２ａ
に一定の測定圧で追従させ、プローブ５をＸＹ方向に軸
上走査させることで被測定物２の中心出しを行う（ステ
ップＳ２２）。その後、実際に被測定物２の測定面２ａ
上において、プローブ５をＸＹ方向に面走査して形状測
定を行う（ステップＳ２３）。

【００４２】そして、得られた被測定物２の測定データ
に対して、まず基準球測定時と同様にプローブＲ補正を
行うことで、プローブ５に付いているスタイラス２１の
先端部２２が曲率半径Ｒを有していることによる測定誤
差（プローブ先端Ｒ誤差）を取り除く（ステップＳ２
４）。これにより、スタイラスの先端Ｔと実際の測定点
Ｐｉ（スタイラス２１の先端部２２と被測定物２である
光ファイバ集光用レンズ４１の表面との接触位置）との
位置誤差が補正される。

【００４３】次に、プローブＲ補正された測定データに
対して、基準球の測定によって事前に求めたスタイラス
２１の先端部２２の形状誤差（スタイラス形状誤差デー
タ）による補正を行う。ここで、校正用の基準球以外の
被測定物における形状測定を行う場合に、上記スタイラ
ス形状誤差データを用いて、プローブＲ補正した測定デ
ータを補正するには、スタイラス２１の先端部２２のど
の部分が被測定物２の測定面２ａに接していたのかを特
定して、その特定された接触位置（測定点）Ｐｉに対応
する図６に示した形状誤差量を加算してやらないと正し
く補正できない。そこで、まずスタイラス２１上での被
測定物２との接触位置Ｐｉを特定し、基準球測定時にお
けるこの接触位置に対応する基準球上の座標Ｐｒを特定
する（ステップＳ２５）。

【００４４】このとき、前段階のステップＳ２４でのプ
ローブＲ補正時において、前述したように被測定物２の
測定面２ａとスタイラス２１の先端部２２とが接触する
測定点におけるＸ及びＹ方向の傾斜角θx 、θy を求め
るため、この傾斜角の情報を用いることにより、形状測
定に使用しているスタイラス２１上における被測定物２
との接触位置Ｐｉと、この接触位置に対応する基準球測
定時の基準球上の位置Ｐｒとが一意に特定できる。換言
すれば、プローブＲ補正時に求めた測定点における測定
面の傾斜角に基づいて、基準球測定時にこれと同一の傾
斜角となる場合の基準球上でのスタイラスと接触する測
定点の位置、すなわち前記傾斜角が得られる状態となっ
たときにスタイラスが接触している基準球上での位置を
特定することができる。結果として、実際の形状測定時
に被測定物２と接触しているスタイラス２１上の位置
と、基準球測定時にこのスタイラス２１上の位置に対し
て接触する基準球上の位置との対応関係が求められ、校
正用のスタイラス形状誤差データの中からこの特定位置
における適切な形状誤差量を抽出できる。

【００４５】具体的には、プローブＲ補正時に求めたＸ
方向の傾斜角θx を用いて、基準球上のＸ位置は、 Ｘ＝Ｒｍ・sinθx として特定できる。ここで、Ｒｍは基準球の設計半径
（この例ではＲｍ＝５．５５５８７mm）である。例え
ば、Ｘ方向の傾斜角θx が３０度（つまり、被測定物２
の測定面２ａの傾斜角が３０度）の場合には、 Ｘ＝５．５５５８７× sin３０°＝２．７７８mm となる。このＸ位置における基準球の形状誤差を、スタ
イラス２１の先端部２２の形状誤差量として加算して補
正してやればよい。なお、この場合傾斜角３０度となる
位置は、Ｘ軸上では２箇所あるが、傾斜角を符号付きで
扱うことによって、一つに特定できる。同様に、基準球
上のＹ位置についても特定する。

【００４６】そして、上記のように特定した基準球上の
位置（Ｘ，Ｙ）について、前記基準球測定により求めた
図６に示すスタイラス形状誤差データを参照して、この
特定位置での基準球の形状誤差、すわなちスタイラス形
状誤差量を抽出する。このスタイラス形状誤差量をプロ
ーブＲ補正した測定データの各点ごとに加えることによ
って、スタイラス２１の先端部２２の曲率半径からの形
状誤差補正を行う（ステップＳ２６）。

【００４７】なお、スタイラス形状誤差データは、基準
球上の各位置に対応する補正値として保持してもよい
し、スタイラス先端上での各位置に対応する補正値とし
て保持してもよい。この場合、前記プローブＲ補正の後
に、被測定物に接触しているスタイラスの測定点の位置
に対応するスタイラス形状誤差量を、基準球測定によっ
て事前に求めた形状誤差量のデータから直接読み出して
補正することも可能である。

【００４８】以上のように、被測定物２の測定面２ａに
対するプローブＲ補正量と、実際の測定点Ｐに対応する
基準球の測定から算出したスタイラス２１の先端部２２
の形状誤差量とを測定データに加算することで、スタイ
ラス２１の先端部２２における曲率半径からの形状誤差
補正を含む測定誤差の補正を正確に行うことができるた
め、高精度の測定が可能となる。

【００４９】このステップＳ２４〜Ｓ２６によるプロー
ブＲ補正を含むスタイラス形状誤差補正の後、前記基準
球測定時と同様に、補正後のデータを三次元的に回転・
平行移動して座標変換することによって、被測定物２の
設計式との最適な重ねあわせを行い、被測定物２の設置
時の設置誤差（アライメント誤差）の補正を行う（ステ
ップＳ２７）。そして、入力した被測定物２の設計式と
測定データとの形状誤差（偏差）を求め、この偏差デー
タを出力する（ステップＳ２８）。

【００５０】このような形状測定によって得られた偏差
データは、例えば加工装置にフィードバックして、被測
定物の実際の形状が設計式と比較して所望の精度以内に
なるまで、例えば、光ディスクのピックアップ用非球面
レンズの場合は形状誤差が±０．１μｍ以内となるま
で、加工を繰り返し、被測定物の形状を製作する。これ
により、高精度な形状加工が可能となる。

【００５１】上述した測定手順により、スタイラスとし
て先端部が極細径のダイヤモンド製のものを用いた場合
であっても、被測定物の表面形状を高精度に測定するこ
とができる。図９は、上記スタイラス形状誤差補正の処
理を加えて基準球の測定を行った場合の出力結果の形状
誤差データを示したグラフである。図６に比べて誤差が
ほとんど無く、正しく基準球の形状を測定できているこ
とがわかる。この場合、細径のスタイラスによる実際の
被測定物の測定において、上記手順のように、プローブ
先端Ｒ誤差の補正とアライメント誤差の補正とを行うの
に加えて、基準球測定によって求めたスタイラス先端部
の形状誤差データに基づいてスタイラス形状誤差の補正
を行うことによって、測定誤差に対してより正確な補正
を実行可能となる。

【００５２】また、上記測定手順におけるスタイラス２
１の先端部２２の曲率半径からの形状誤差を求める過程
において、測定データの間隔をＸ方向及びＹ方向ともに
ほぼ等間隔にして測定し、その等間隔の格子状のデータ
から、例えば既知のスプライン曲線等により補間して形
状誤差曲面を作成すれば、離散データから外れた位置の
スタイラス形状誤差データを、その周辺の格子状の形状
誤差の離散データから推定することができる。なお、測
定データは、上記のように必ずしもＸＹ共に等間隔に取
る必要はなく、取り込んだ離散的データから、補間しや
すいように補正用のデータを作成しても良い。

【００５３】また、求めたスタイラスの形状誤差データ
は、形状測定装置の制御手段がいつでも任意に参照でき
るように、例えば Windows（登録商標）などのＯＳを用
いた装置においては、ＤＬＬ（ダイナミック・リンク・
ライブラリ）などの形式で記憶手段に記憶しておくと良
い。

【００５４】本実施形態の形状測定方法は、従来の方法
と比較して、基準球の測定という作業工程が増えるもの
の、基準球の測定及び形状誤差（偏差）の算出は形状測
定装置の日常点検も兼ねているために、通常の測定にお
いても一番最初に測定者により行われるようなものであ
るため、測定者の作業はほとんど変わらない。なお、測
定者が別のダイヤモンド製のスタイラスを用いて形状測
定を行う場合には、そのスタイラスの形状誤差を、再度
基準球の測定によって求めてから被測定物を測定する必
要があるのはいうまでもない。

【００５５】上述のように、本実施形態の形状測定装置
及び方法では、光ディスクのピックアップレンズや光通
信で使用される光ファイバ集光用レンズなどの、小径レ
ンズや鏡筒及びその金型の表面形状を測定する場合であ
っても、プローブ先端のスタイラスが小径レンズのコバ
面や鏡筒などに干渉することなく、また、スタイラスの
形状誤差を適正に補正して測定できるため、高精度の測
定が実行可能である。よって、従来測定できなかった高
ＮＡ化した小径レンズや金型などにも対応することがで
きる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、光
通信分野において使用される光ファイバ集光用レンズや
光ディスクなどに使用されるピックアップ用のレンズな
どの小径レンズやその金型の表面形状測定においても、
プローブ先端が小径レンズのコバ面や鏡筒などに干渉す
ることなく、かつ高精度の測定を行うことが可能となる
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】形状測定装置の一構成例を示す斜視図である。

【図２】本実施形態の形状測定装置に用いるプローブ先
端の寸法形状を示す説明図である。

【図３】本実施形態における基準球測定時の形状測定装
置を示す側面図である。

【図４】本実施形態における基準球測定時のプローブ先
端の接触状態を示す説明図である。

【図５】本実施形態におけるスタイラスを用いた基準球
の表面形状の測定手順を示すフローチャートである。

【図６】校正に使用する基準球を先端部が細径のダイヤ
モンド製のスタイラスで測定した場合のスタイラス形状
誤差データを示したグラフである。

【図７】本実施形態のスタイラスによって光ファイバ集
光用レンズを測定する際のスタイラスの接触状態の一例
について示した説明図である。

【図８】スタイラスの形状誤差補正を含む被測定物の形
状測定手順を示すフローチャートである。

【図９】スタイラス形状誤差補正の処理を加えて基準球
の測定を行った場合の出力結果の形状誤差データを示し
たグラフである。

【図１０】形状測定装置においてプローブ先端のスタイ
ラスが被測定物の測定面に追従している様子を示す説明
図である。

【図１１】光ファイバ集光用レンズを従来のスタイラス
によって測定する際のスタイラスの接触状態の一例につ
いて示した説明図である。

【符号の説明】

１ 石定盤 ２ 被測定物 ２ａ 測定面 ５ プローブ ２１ スタイラス ２２ 先端部 ４１ 光ファイバ集光用レンズ ４２ 鏡筒 ５１ 基準球

───────────────────────────────────────────────────── 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 竹内 博之 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 AA04 AA66 AA87 BB40 CC08 EE07 EE23 FF07 GG01 GG07 GG11 GG52 GG62 HH01 JJ07 LL03 MM04 MM24 NN25

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の測定面にプローブの先端を追
   従させて、前記被測定物の表面形状を測定する形状測定
   装置であって、 前記プローブの先端に曲率半径が１mm以下の探針と、 前記被測定物の測定データに関して前記探針の曲率半径
   による位置誤差を補正する曲率補正手段と、 校正の基準となる基準形状物を測定して求めた前記探針
   の形状誤差データを用いて、前記探針の形状誤差を補正
   する探針形状補正手段と、を備えたことを特徴とする形
   状測定装置。
2. 【請求項２】 前記基準形状物は、球形状の基準球を用
   いることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記探針は、先端開き角が５５度以内で
   かつ、先端部の曲率半径が数μｍオーダーに加工されて
   いることを特徴とする請求項１または２に記載の形状測
   定装置。
4. 【請求項４】 前記探針の先端部の材質がダイヤモンド
   であることを特徴とする請求項３記載の形状測定装置。
5. 【請求項５】 被測定物の測定面に、先端に曲率半径が
   １mm以下の探針を備えたプローブを追従させて、前記被
   測定物の表面形状を測定する形状測定方法であって、 校正の基準となる基準球を測定することにより、前記探
   針の曲率半径からの形状誤差を求める探針形状誤差算出
   ステップと、 前記基準球の測定により求めた前記探針の形状誤差デー
   タを用いて、前記被測定物の測定データを補正する探針
   形状補正ステップとを有することを特徴とする形状測定
   方法。
6. 【請求項６】 前記探針形状補正ステップにおいて、前
   記被測定物の測定データに対して、前記被測定物と前記
   探針との接触位置を求め、その接触位置における測定面
   の傾斜角から前記探針の曲率半径による位置誤差を補正
   する曲率補正ステップと、前記探針の形状誤差データよ
   り前記接触位置における形状誤差量を抽出し、この形状
   誤差量を加算または減算して前記探針の曲率半径からの
   形状誤差を補正する形状誤差補正ステップとを有するこ
   とを特徴とする請求項５記載の形状測定方法。
7. 【請求項７】 前記形状誤差補正ステップにおいて、前
   記探針の前記被測定物との接触位置における測定面の傾
   斜角を用いて、この探針の接触位置に対応する前記基準
   球測定時の基準球上の位置を特定し、この特定された基
   準球上の位置における前記基準球測定時の形状誤差を前
   記探針の接触位置における形状誤差量として抽出し補正
   を行うことを特徴とする請求項６記載の形状測定方法。
8. 【請求項８】 前記形状誤差補正ステップにおいて、前
   記探針の形状誤差データとして前記基準球測定時に離散
   的に取り込まれた設計式との偏差データに基づいて、前
   記探針の接触位置における形状誤差量を補間して求める
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の形状測定方
   法。
9. 【請求項９】 前記形状誤差補正ステップにおいて、前
   記離散的な偏差データから形状誤差量を補間する際に、
   スプライン曲線を用いることを特徴とする請求項８記載
   の形状測定方法。
10. 【請求項１０】 請求項５〜９のいずれかに記載の形状
    測定方法を用いて被測定物の表面形状を測定し、この被
    測定物の設計式との偏差データを得る偏差検出ステップ
    と、 前記偏差データをフィードバックして前記被測定物の形
    状加工を行う加工ステップとを有することを特徴とする
    被測定物の製造方法。