JP2005084002A - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子の回折格子形状を高精度に三次元計測する。
【解決手段】 治具２に保持された回折光学素子Ｗ₁ にプローブ１１を当接し、Ｘスライダ１３およびＹスライダ１６からなるＸＹステージによってプローブ１１をＸＹ面内で走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ に沿って走査させながらＺ干渉計２３によるプローブ１１のＺ位置データを取り込んで三次元の形状データを得る。制御装置３０には、回折格子の設計形状情報である位相関数を用いて各格子の輪帯（頂点）に直交するように求めた走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ が記憶され、プローブ１１が回折格子の頂点を最短で走査するようにＸＹステージを制御することで、測定エラーや測定精度の劣化を防ぐ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズ、ミラー等光学素子の三次元形状を測定するための形状測定方法および形状測定装置に関するものである。

レンズ、ミラー等光学素子の形状を高精度に測定するためには、プローブ式の三次元形状測定装置が用いられている。この形状測定装置は、測定面に当接されるプローブと、プローブの位置を測定する座標測定手段と、プローブを三次元的に移動させるプローブ移動手段等によって構成されている。

例えば、特開平１０−１９５０４号公報に示されている形状測定装置においては、プローブを移動させるためのプローブ移動手段として、ボールねじを利用した３軸ステージを備えている。また、座標測定手段として、３軸ステージのそれぞれの軸に直交した方向に配置された基準ミラーを持っている。

３軸ステージは、プローブを上下させる方向の軸（Ｚ軸）と、プローブを前後・左右の方向へ動作させる２軸（Ｘ軸・Ｙ軸）を持っており、プローブと基準ミラーの間の距離を測定することにより、測定面の三次元形状データを得ている。

このような形状測定装置を用いて、図１１に示すような円形の測定面を測定する場合には、まず、Ｚ軸を駆動して測定面の端（始点Ａ）にプローブを着地（タッチダウン）させた後、倣い制御をかけつつ、Ｘ軸だけ動作させて、直線状の１ラインだけの測定を行い、測定面の端Ｂまで走査する。その後、ＸＹ軸を動かしてプローブを次の直線ラインの始点Ｃまで移動させる。そして、再びＸ軸だけを動作させ次の１ラインの測定を行い、上記と同様に端Ｄまで走査したらＸＹ軸を動作させて次の直線ラインの始点Ｆまでプローブを移動し測定する。このような直線走査を繰り返しながら測定を行って、最終ラインの終点Ｇまで走査して測定面全面の形状データを得ている。すなわち、１ラインづつ平行に走査しながら測定を行い、その結果として測定面全面の測定を行っている。

一方、近年、図１２に示すように、測定面に回折格子が刻まれている光学素子（回折光学素子）が利用されるようになっている。図１３の（ａ）に示すように、回折光学素子Ｗ₀ の光学面の断面をみるとノコギリ波状の回折格子Ｒ₀ が刻まれている。また、光学面を正面からみると、図１３の（ｂ）に示すように、楕円状の回折格子Ｒ₀ が同心状に刻まれている。

この回折光学素子Ｗ₀ を従来例と同じような走査軌跡により測定する場合は、図１３の（ｃ）に示すようにプローブを走査することになる。すなわち、プローブを図１３の（ｃ）の始点Ａへ着地させて、順にライン１、ライン２、ライン３、ライン４、・・・に沿ってＸ方向に走査し、終点Ｂまで走査する走査経路を辿る。しかしながら、このような方法で測定すると以下のような問題が発生する。

（１）回折格子の頂点付近は、安定して倣い制御を行うことができずにエラーなどで測定が停止してしまう。

（２）エラーなどで測定が停止せずに、測定面全面をトレースできたとしても、回折格子の頂点付近は設計形状どおりに加工や成形ができていない場合が多く、そのような不安定な部位の形状データを用いて、光学素子の形状を評価しても正確な評価が行うことが出来ない。
特開平１０−１９５０４号公報

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、回折格子の複雑な三次元形状を効率的かつ高精度に計測し、回折光学素子の形状評価を安定して正確に行うことを可能にする形状測定方法および形状測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明の形状測定方法は、回折格子を有する光学素子に、二次元的に走査するプローブを当接して前記光学素子の三次元形状を測定する形状測定方法であって、前記光学素子の設計形状情報を用いた演算によって前記回折格子の輪帯に直交する複数の走査経路を決定し、各走査経路に沿って前記プローブを走査させながら前記プローブの高さ位置を計測することを特徴とする。

回折格子の位相関数から格子の勾配方向を算出し、前記勾配方向に微小量だけずらした計算点をつなぎ合せることで各走査経路を決定するとよい。

本発明の形状測定装置は、回折格子を有する光学素子を保持するベース上を二次元的に移動自在であるＸＹステージと、前記ＸＹステージ上を垂直に移動自在であるＺステージと、前記Ｚステージに保持されたプローブと、前記プローブを前記被測定物に当接した状態で前記Ｚステージの位置を計測し前記プローブのＺ位置データを得るためのＺ位置計測手段と、前記ＸＹステージの位置を計測し前記プローブの走査位置データを得るためのＸＹ位置計測手段と、前記回折格子の設計形状情報に基づいて前記ＸＹステージを制御し、前記回折格子の輪帯に直交する複数の走査経路に沿って順次前記プローブを走査させるためのステージ制御手段とを有することを特徴とする。

光学素子の設計形状情報を用いて、回折格子の輪帯（凹凸）の頂点に対して直交するようにプローブの走査経路を設定する。回折格子の輪帯の頂点付近を最短にする走査経路でプローブを走査することで、倣い制御のエラーを防ぎ、かつ、誤差の多い頂点付近の形状データの取り込みを少なくする。

形状が不安定で倣い制御のエラーが発生しやすい回折格子の輪帯の頂点における計測を極力避けることで測定作業のエラーや誤差を低減する。これによって、高精度な三次元形状の測定を安定して行い、回折光学素子の品質評価を正確に行うことが可能となる。

図１の（ａ）に示す被測定物である回折光学素子Ｗ₁ の回折格子形状を、同図の（ｂ）に示す形状測定装置Ｍの３軸ステージによって三次元的に移動自在であるプローブ１１によって計測するに当り、回折光学素子Ｗ₁ の設計形状情報に基づいて後述するように走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ を決定する。測定面の外周上の走査始点Ｓ₁ から、走査経路Ｔ₁ に沿ってプローブ１１を走査させ、その走査経路Ｔ₁ の終点Ｅ₁ まで辿り着いたら、隣の走査経路Ｔ₈ の始点Ｓ₈ までプローブ１１を動かして、走査経路Ｔ₈ を走査させる。上記と同様の動作を残りの走査経路Ｔ₇ →Ｔ₆ →Ｔ₅ →Ｔ₄ →Ｔ₃ →Ｔ₂ と繰り返して走査終点Ｅ₂ まで走査させ、走査中のプローブ１１の高さ位置であるＺ位置データを走査位置データ（ＸＹデータ）とともに取り込むことで、測定面全面の形状データを得る。

ここで、各走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ を決定するに当り、測定面の回折格子の輪帯と直交するような曲線を被測定物である回折光学素子Ｗ₁ の設計形状情報を用いた演算によって求めて各走査経路とする。

すなわち、上記の走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ を算出する際に、回折格子の位相関数から算出した格子の勾配方向へ微小量だけずらした計算点をつなぎ合せて各走査経路を形成する。

プローブ１１が各回折格子の輪帯すなわち凹凸の頂点を最短の走査経路で通過するため、エラーによって測定作業が中断したり、輪帯の頂点の不安定な形状データを取り込む等のトラブルを効果的に回避して、安定した高精度な計測を行うことができる。

形状測定装置Ｍは、ベース１と、ベース１上で回折光学素子Ｗ₁ 等を保持する保持手段である治具２と、プローブ１１を回折光学素子Ｗ₁ に当接して各走査経路に沿って移動させるための三次元ステージを有する。

この三次元ステージは、ベース１と一体であるＸガイド１２上をＸ方向に移動するＸスライダ１３と、Ｘスライダ１３を駆動するＸモータ１４と、Ｘスライダ１３と一体であるＹガイド１５上をＹ方向に移動するＹスライダ１６と、Ｙスライダ１６を駆動するボールネジ１７ａを有する図示しないＹモータ１７と、Ｙスライダ１６と一体であるＺガイド１８と、Ｚガイド１８上をＺ方向に移動するＺスライダ１９と、Ｚスライダ１９を駆動するＺモータ２０を有し、プローブ１１はＺスライダ１９によって保持されている。すなわちプローブ１１は、ベース１上のＸスライダ１３およびＹスライダ１６からなるＸＹステージ上のＺステージであるＺスライダ１９によって三次元的に移動自在である。

Ｚスライダ１９は、プローブ１１のＸ方向の位置を測定するためのＸ干渉計２１、２２とプローブ１１のＹ方向の位置を測定するための図示しないＹ干渉計からなるＸＹ位置計測手段を有し、かつ、プローブ１１のＺ方向の位置を測定するためのＺ位置計測手段であるＺ干渉計２３を備えており、各干渉計はＺスライダ１９と一体であるミラー２４、２５等の基準ミラーに対向している。

各干渉計の出力は、図１の（ａ）に示す走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ を回折光学素子Ｗ₁ の設計形状情報を用いた演算によって求めて記憶する機能を有するステージ制御手段である制御装置３０に入力され、Ｘ、Ｙ、Ｚモータ１４、１７、２０の制御と、各走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ におけるプローブ１１の走査位置データおよびＺ位置データの取り込みが行われる。

図２は回折光学素子Ｗ₁ の形状を説明するもので、楕円形状の回折光学素子Ｗ₁ の２つの光学面ａ、ｂのうちの上面側の光学面ａが、図３に示す回折格子Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 、Ｒ₄ ・・・Ｒ_e を有する測定面である。

回折格子Ｒ_e を有するａ面の設計形状は、図３に示すように、ａ面であるベース面と回折格子Ｒ_e を定義する位相関数の２つによって定義される。べース面Ｆ_b （ｘ、ｙ）は、図３に示すＸＹＺ座標に対して以下のように定義される。

本実施例では、式（１）で定義されたベース面から式（４）で決定された回折格子形状を取り去った形状が、ａ面の設計値Ｆ_dとなっている。式で表現すると、

本実施例における測定面の有効測定範囲は、図３に示す座標系に対して、
（ｘ² ＋ｙ² ）＜５²
を満たす領域とする。なお、上式における単位はｍｍである。

以上により定義された測定面（ａ面）を走査するときの、走査経路Ｔ₁ 〜Ｔ₈ は以下の手順で求められる。

（１）測定するライン数ｎを決定する。本実施例の場合はｎ＝８である。

計算結果を以下の表１に示す。

ここで、ΔＬは、式（７）で表される▽Ｆ_P が測定面の外周に対して内側へ向いていたら、正の微小量、外周に対して外側へ向いていたら負の微小量を設定する。今の場合、▽Ｆ_P は外側へ向いているので、ΔＬには、−０．０２を設定する。

計算例として、走査経路Ｔ₃ の計算データを表２に示す。

図８に示すように、本実施例は円形の回折光学素子の三次元形状を測定するもので、円形の回折格子の位相関数Ｆ_P （ｘ，ｙ）は以下のように定義されている。
Ｆ_P ＝ｘ² ＋ｙ²
また、測定面の有効測定範囲は、図２と同様の座標系に対して、
（ｘ² ＋ｙ² ）＜１０²
を満たす領域とする。上式における単位はｍｍである。

以上により定義された測定面を走査するときの、走査経路を求めるに当り、基本的な走査経路の算出方法は実施例１と同じである。本実施例における計算条件を以下に示す。

一例として、走査経路Ｔ₃ の計算データを表６に示す。

実施例１を説明するもので、（ａ）はプローブの走査経路を示す図、（ｂ）は形状測定装置を示す模式図である。 実施例１において用いられている回折光学素子の全体形状を示す図である。 回折格子形状を示す座標を説明する図である。 回折格子形状を表わす位相関数を説明する図である。 図１の走査経路の計算始点を説明する図である。 図１の走査経路をつなぐ外周経路を説明する図である。 位相関数の値が異なる測定点をつなぐ外周経路を説明する図である。 実施例２において設定した走査経路およびその計算始点を示す図である。 実施例２において求めた走査経路に沿って移動するプローブの走査軌跡を示す図である。 図８の走査経路をつなぐ外周経路の計算方法を説明する図である。 従来例による走査経路を説明する図である。 一般的な回折光学素子の鳥瞰図である。 楕円形の回折光学素子を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は走査経路を示す図である。

符号の説明

Ｔ₁ 〜Ｔ₁₀ 走査経路
１ ベース
２ 治具
１１ プローブ
１３ Ｘスライダ
１６ Ｙスライダ
１９ Ｚスライダ
２１、２２ Ｘ干渉計
２３ Ｚ干渉計
２４、２５ ミラー
３０ 制御装置

Claims (3)

1. 回折格子を有する光学素子に、二次元的に走査するプローブを当接して前記光学素子の三次元形状を測定する形状測定方法であって、前記光学素子の設計形状情報を用いた演算によって前記回折格子の輪帯に直交する複数の走査経路を決定し、各走査経路に沿って前記プローブを走査させながら前記プローブの高さ位置を計測することを特徴とする形状測定方法。
2. 回折格子の位相関数から格子の勾配方向を算出し、前記勾配方向に微小量だけずらした計算点をつなぎ合せることで各走査経路を決定することを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
3. 回折格子を有する光学素子を保持するベース上を二次元的に移動自在であるＸＹステージと、前記ＸＹステージ上を垂直に移動自在であるＺステージと、前記Ｚステージに保持されたプローブと、前記プローブを前記被測定物に当接した状態で前記Ｚステージの位置を計測し前記プローブのＺ位置データを得るためのＺ位置計測手段と、前記ＸＹステージの位置を計測し前記プローブの走査位置データを得るためのＸＹ位置計測手段と、前記回折格子の設計形状情報に基づいて前記ＸＹステージを制御し、前記回折格子の輪帯に直交する複数の走査経路に沿って順次前記プローブを走査させるためのステージ制御手段とを有することを特徴とする形状測定装置。

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