JP2007078435A - 形状測定方法および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プローブの倣い走査による形状測定装置の測定タクトを短縮する。
【解決手段】被測定面１０４を倣い走査するプローブ１０１の走査経路を第１〜第３の測定経路１０５〜１０７に分割する。第１の測定経路１０５による形状測定後に、その測定データと被測定面１０４の設計形状を比較する形状解析を行い、誤差が大きい場合には、第２の測定経路１０６における形状測定を強制終了させる。誤差の原因を検討し、適切な処理を行ったうえで第１の測定経路１０５から形状測定を再開する。すべての測定経路の測定を終了後に形状解析を行って再度測定を行う場合に比べて、トータルの測定タクトを短縮できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、接触式あるいは非接触式のプローブを用いて光学素子や光学素子成形用金型等の物体形状を高精度に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。

近年、撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機、半導体露光装置など各種光学装置の性能向上に伴い、これらの光学装置に組み込まれるレンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子の品質、特に形状精度への要求が高度化してきている。具体的には、光学素子の形状は従来の平面、球面、あるいは軸対称非球面から自由曲面へと複雑化しており、形状が複雑化するほど要求される光学面の形状精度も厳しくなっている。

このような状況下において、光学素子や、光学素子を製造するための光学素子成形用金型の形状測定では、自由曲面形状などの複雑な形状の測定が可能であるという理由で、接触式あるいは非接触式のプローブを用いた形状測定装置が広く用いられている。特に高度な測定精度を実現する形状測定装置としては、前記プローブを被測定面に対して倣い走査させて測定する三次元形状測定装置が使用される。以下に、光学素子あるいは光学素子成形用金型を被測定物とし、形状測定装置を用いて被測定面の形状を測定する従来技術について説明する。

図６は、接触式あるいは非接触式のプローブを被測定面に対して倣い走査させて測定する形状測定方法を示すフローチャートである。ステップＳ１０１において測定開始後、ステップＳ１０２で被測定面上を接触式あるいは非接触式のプローブを倣い走査させて被測定面の形状を測定する。ここでは、あらかじめ指定した測定データ点数、プローブ走査速度、測定領域などの測定条件に従い面形状の測定が行われる。指定した測定条件に基づいて被測定面の形状測定が全て終了した後に、ステップＳ１０３において、ステップＳ１０２で測定した被測定面の測定データの解析を行う。この測定形状解析では、具体的には被測定面の設計形状に対する誤差解析として、設計形状に対する被測定面の位置誤差、姿勢誤差、形状誤差などを解析する。測定形状解析終了後、ステップＳ１０４にて被測定面の形状測定は終了する。

図７は、図６に示したステップＳ１０２における面形状測定の詳細について説明する図である。従来技術による面形状測定では、図７の被測定面Ｅに対し、測定オペレータが形状測定装置の制御プログラムに測定条件として指定した測定経路Ｔ上をプローブが倣い走査し、被測定面Ｅの面形状を測定する。Ｔｓはプローブ走査開始点、すなわち測定経路Ｔの開始点を示しており、Ｔｅはプローブ走査終了点、すなわち測定経路Ｔの終点を示している。

なお、図７では、ＸＹ直交座標系において、Ｙ軸方向をプローブの主走査方向とし、Ｘ軸方向を副走査方向とするラスタ走査の測定経路を示しているが、この測定経路はあくまでも一例である。例えばプローブの主走査方向が図中のＸ軸方向であり、副走査方向がＹ軸方向となるようなラスタ走査による面形状測定や、プローブの走査経路を被測定面に対し同心円状とする面形状測定なども実施されている。

従来技術においては、あらかじめ測定条件として指定した測定経路Ｔの開始点Ｔｓから終点Ｔｅまで、同経路を全てプローブが走査し、図６におけるステップＳ１０２の面形状測定が完了した後に、ステップＳ１０３において測定形状解析が実施される。このような測定手順の一例として、特許文献１に開示された形状測定方法が挙げられる。
特開２００１−１４１４４３号公報

しかしながら、接触式あるいは非接触式のプローブを被測定面に対し倣い走査させて被測定面形状を測定する測定方法では、以下に示す原因で測定が失敗する場合がある。

（１）被測定物の不安定性
（２）測定環境の不安定性
（３）測定領域

まず、第１の被測定物の不安定性が原因となり測定が失敗する場合について、具体的に説明する。

被測定物が金型を使用してプラスチック材あるいはガラス材を成形加工し製作したレンズ、プリズム、ミラーなどの光学素子の場合、素子形状や成形加工条件によっては成形材料が金型内で端部まで充填されないことがある。このとき、光学面の形状については所望の形状が得られていても、光学素子を光学装置に組み込む際に基準となる面、つまり光学面の面位置を規定する際の基準面の形状が、成形材の充填不足により所望の形状が創成されていない場合がある。プラスチック材、あるいはガラス材を成形加工し製作した光学素子の光学面形状を測定する場合、一般的に前記基準面を形状測定装置に対する取り付けでも併用し、形状測定装置との間に測定治具などを介し被測定物を装置に取り付ける方法が知られている。

ここで、被測定物である光学素子の基準面形状が所望の形状に創成されていない場合、測定治具に対し被測定物を安定に取り付けることが困難となる。このとき、特に被測定面に対しプローブを接触させながら測定する接触式のプローブを用いた形状測定装置による測定では、被測定物が受けるプローブ接触荷重が原因となり測定途中に被測定物が測定治具内で動いてしまうことになる。測定途中に被測定物が測定治具内を動くことは、すなわち形状測定装置に対する被測定物の取り付け位置および姿勢が変化することを意味しており、このような場合には高精度な形状測定は不可能である。結果的に測定は失敗となり、再度測定治具に対する被測定物の取り付け状態を再調整し、面形状測定を最初からやり直す必要がある。

また、被測定物を形状測定装置に直接取り付ける際、あるいは測定治具を介して形状測定装置に取り付ける際に、被測定物の形状や被測定物の保持方法によっては、保持力に起因したいわゆる保持変形が被測定物に発生する場合がある。保持変形が生じた状態で測定した被測定面形状は、被測定物本来の面形状とは異なる形状を測定していることになるため、測定失敗として取り扱われる。

つぎに、第２の測定環境の不安定性が原因で測定失敗となる場合について、具体的に説明する。

近年、光学素子に求められる形状精度はｎｍオーダーとなっており、被測定面の形状測定では必然的にｎｍオーダーの形状測定精度が要求される。このように高精度な測定においては、被測定面上に大きさがμｍオーダーのゴミが付着した状態で、接触式あるいは非接触式のプローブが前記ゴミ上を走査した場合には、プローブがゴミ形状を誤って被測定面形状として測定してしまう。また、接触式のプローブによる形状測定では、プローブがゴミに乗り上げた際にプローブ接触面に同ゴミが付着してしまい、ゴミを引きずりながらその後の測定経路上にある被測定面形状を測定してしまう場合もある。いずれの場合に関しても、ｎｍオーダーの形状測定精度に対しμｍオーダーの異常形状が測定形状として得られてしまうことから、測定は失敗となり、再度被測定面やプローブ先端を洗浄するなどして、再度面形状測定を実施する必要がある。

測定環境の不安定性としては、その他にも例えば被測定物周辺の温度変化などが挙げられる。測定途中に被測定物の周辺温度が変化したことにより、被測定物は熱変形を生じ、その変形は被測定物の周辺温度変化に従って変動する。そして被測定物の変形量は、ｎｍオーダーの形状測定精度に対しては無視できない誤差量となる場合がある。

また、接触式あるいは非接触式のプローブによる形状測定装置において、被測定面形状の座標測定にレーザー測長器を用いた場合は、測定空間である被測定物周辺の温度変化により測長データが変動する。その結果、測定誤差がのった面形状測定データが得られることになる。いずれの場合についても、前記と同様に測定失敗として取り扱われることになる。

最後に、第３の測定領域に関する測定失敗について、その詳細を説明する。

光学素子の光学面を被測定面とする面形状測定では、測定領域について指定領域に対し高精度にプローブを位置決めして走査することが要求される。例えば、光学有効面全域を測定する必要がある場合、測定領域と指定領域間に位置ずれが発生すると、光学面端部の測定形状評価ができなくなるため、測定失敗となり再測定が必要となる。このような指定領域に対する測定領域の位置ずれは、例えば、単純に形状測定装置本体の制御コンピュータへ事前に設定する測定領域情報について、入力ミスをしたことにより発生する。また、光学素子内で光学面の面位置および姿勢を規定する基準面に対し、実際の光学面が設計形状として規定されている位置からずれた場所に形状創成されている場合もある。この場合には、逆に入力ミスすることなく設計形状に基づき測定領域を指定した結果、同様に測定領域の位置ずれが発生することになる。いずれの場合も、前記した測定形状評価ができなくなることから測定失敗として取り扱われる。

以上説明した各種原因による測定失敗は、従来技術による形状測定においては、測定途中、すなわち接触式あるいは非接触式のプローブによる形状測定において、プローブが被測定面上を倣い走査している間には確認が困難である。従って、プローブが測定経路の終点まで走査し面形状測定が終了した後に、測定形状解析を実施した結果はじめて確認できるという共通した特徴がある。

干渉計を用いた面形状測定などとは異なり、接触式あるいは非接触式のプローブを被測定面に対し倣い走査することで被測定面形状を測定する形状測定では、被測定物の大きさ、測定する座標点数などによって測定時間が増大する場合がある。例えば、被測定面となる光学面の大きさがφ２００ｍｍを越えるような被測定面形状を測定する場合には、プローブ走査速度および測定する座標点数によっては、１時間以上の測定時間を要することがある。このように長時間に及ぶ面形状測定を行う際に、前記した各種原因により測定失敗が起きた場合に、その測定失敗を確認できるのは、前記したとおり測定終了後に実施する測定形状解析が完了した段階である。長時間の測定終了後に測定が失敗していることが判明すると、その測定失敗の原因を見極めて条件を修正した上で、再度同じ時間をかけて測定をやり直さなければならない。

すなわち、従来技術による形状測定においては、被測定面上をプローブが倣い走査する面形状測定が終了するまで、測定失敗の判定を行うことができないことが原因となり、再測定まで含めた被測定物に対する面形状測定タクトを増大させてしまうおそれがあった。

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、光学素子等の形状測定において、各種原因による測定失敗の処理を効率的に行い、測定タクトを大幅に短縮でき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。

上記目的を達成するため、本発明の形状測定方法は、被測定物に対して接触式または非接触式のプローブを二次元的に倣い走査させて被測定面の形状を測定する形状測定方法において、少なくとも２段階の測定経路を設定し、第１段階の測定経路に従ってプローブを倣い走査させて被測定面の形状を測定する第１の測定工程と、第２段階の測定経路に従ってプローブを走査させて被測定面の形状を測定する第２の測定工程と、第１の測定工程において取得した測定データのデータ解析を行い、その結果をもとに第２の測定工程を続行するか強制終了するかを選択する工程と、を有することを特徴とする。

また、本発明の形状測定装置は、被測定物に対して接触式または非接触式のプローブを少なくとも２段階の測定経路に沿って二次元的に倣い走査させて被測定面の形状を測定する形状測定装置において、第２段階以後の測定経路に沿った前記プローブの走査中に、前段階の測定経路において得られた測定データに対してデータ解析を行い、前記被測定面の設計形状に対する形状誤差および前記被測定物のセッティング誤差を算出する第１の演算手段と、前記第１の演算手段によって算出した形状誤差およびセッティング誤差をもとに測定良否を判定する第２の演算手段と、を有し、前記第２の演算手段による判定結果をもとに測定工程を続行するか強制終了するかを選択することを特徴とする。

被測定面上を倣い走査させる接触式あるいは非接触式のプローブの走査経路について、プローブ走査開始点から走査終了点までの間を少なくとも２段階の測定経路に分けて設定する。各段階の測定経路に対するプローブ走査が完了した時点でそこまでに取得した測定データについてデータ解析を実施し、このデータ解析の結果に基づき測定良否を判定する。従って、全測定経路のプローブ走査を完了させることなく測定の成功／失敗を判定し、測定失敗の場合には即座に測定を停止し、測定条件を再調整した上で再測定を行うことができる。

全測定経路に対するプローブ走査が完了するまで測定失敗を確認できない場合と比較して、測定タクトを大幅に短縮できる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１ないし図３は実施例１を示すものである。図１の形状測定装置は、接触式のプローブ１０１を備え、プローブ１０１の先端には、球面形状のプローブ先端球１０２が設けられる。プローブ先端球１０２は、プローブ１０１に対し球を何らかの固定方法により配置した構造であってもよいし、接触式のプローブ１０１と一体構造になっていてもよい。

プローブ１０１は、被測定物１０３に対しプローブ先端球１０２を接触させながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動自在となるように支持されている。この支持構造は、Ｘ軸ステージ２０１、Ｙ軸ステージ２０２、Ｚ軸ステージ２０３を有し、Ｚ軸ステージ２０３が、プローブ１０１を保持して移動させる移動ステージを構成する。各軸ステージ２０１、２０２、２０３は、それぞれ駆動用モータ２０４、２０５、２０６によって駆動され、被測定物１０３の形状測定においては、プローブ先端球１０２を被測定物１０３の被測定面１０４に接触させながら相対移動させる。このとき、プローブ先端球１０２の中心位置の移動軌跡が図示しない位置検出センサにより検出され、データサンプリング装置２０９に移動軌跡データが転送され、サンプリングされる。位置検出センサとしては、高精度な形状測定を実現するための位置検出方法として、レーザー測長器やリニアスケールエンコーダなどが用いられるが、これらの位置検出センサに限定するものではない。

各軸の駆動用モータ２０４、２０５、２０６に対し、ＸＹ軸制御装置２０７およびＺ軸制御装置２０８から駆動制御信号に基づく電力供給がなされることで、駆動用モータ２０４、２０５、２０６がそれぞれ駆動される。ＸＹ軸制御装置２０７およびＺ軸制御装置２０８は、制御／解析用コンピュータ２１０からの駆動制御信号に応じて動作する。装置本体制御コンピュータである制御／解析用コンピュータ２１０は、ＣＰＵなどを主体として構成される図示しないプロセッサと、同じく図示しないハードディスクドライブやその他の記憶手段とによって構成されるものである。この制御／解析用コンピュータ２１０は、後述するデータ解析を行う機能と、測定良否判定処理を行う測定良否判定演算手段２１１を備える形状測定プログラムがインストールされている。この、形状測定プログラムに従い、後述する測定シーケンスの制御が行われる。

ここで、形状測定時におけるＺ軸ステージ２０３の駆動について詳細を説明する。図１の形状測定装置においてはプローブ１０１の被測定物１０３に対する接触力を検出する機能を備えており、検出した接触力の大きさに応じた接触力信号が出力され、Ｚ軸制御装置２０８に取り込まれる。Ｚ軸制御装置２０８には、ＤＳＰなどを主体として構成される図示しないプロセッサ、および同じく図示しないＲＯＭなどで構成される記憶手段が内蔵されており、前記接触力信号を常に一定に保つような制御を行うための制御プログラムがインストールされている。この制御プログラムに従い、Ｚ軸制御装置２０８は接触力信号を一定値に維持するようなＺ軸駆動電力を出力し、出力された駆動電力はＺ軸駆動用モータ２０６に供給される。さらに、Ｚ軸駆動用モータ２０６によってＺ軸ステージ２０３が駆動され、プローブ１０１の被測定物１０３に対する接触力を一定に維持する。

つぎに、形状測定時におけるＸ、Ｙ軸ステージ２０１、２０２の駆動について詳細を説明する。制御／解析用コンピュータ２１０は、形状測定時に実行される前記形状測定プログラムの命令に従い、ＸＹ軸制御装置２０７に対し駆動制御信号を送信する。ＸＹ軸制御装置２０７は制御／解析用コンピュータ２１０から受信した駆動制御信号に基づき、Ｘ、Ｙ軸の駆動用モータ２０４、２０５に駆動電力を供給する。駆動電力に従い動作するＸ、Ｙ軸の駆動用モータ２０４、２０５によってＸ軸ステージ２０１、およびＹ軸ステージ２０２が駆動され。これにより、プローブ１０１、詳しくはプローブ先端球１０２の中心位置が、被測定物１０３に対しＸ、Ｙ軸方向に位置決め制御される。

以上説明したＸ、Ｙ、Ｚ軸ステージ２０１、２０２、２０３の駆動により、形状測定プログラムにより設定される測定経路に従い、被測定物１０３の被測定面上をプローブ１０１は走査する。プローブ走査中、プローブ先端球１０２の中心位置を検出する位置検出センサの出力信号は、データサンプリング装置２０９によって一定のサンプリング間隔で取り込まれる。取り込まれたデータはデータサンプリング装置２０９から制御／解析用コンピュータ２１０へ、形状測定プログラムが設定する測定条件に応じた適切なサンプリング間隔で逐次測定され、被測定面形状データがＸ、Ｙ、Ｚ座標点群データとして取得される。最終的には、プローブ走査終了後の形状解析処理を実施することで表面形状データ（測定データ）が得られる。

なお、接触式のプローブ１０１の代わりに非接触式のプローブを搭載していてもよい。接触式のプローブ１０１がプローブ先端球１０２を被測定物１０３に接触させながら、各軸方向に相対的に移動するのに対し、非接触式のプローブは、被測定物１０３に対し光波を照射しながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動する。また、接触式のプローブ１０１は被測定物１０３に対する接触力を一定に保つようにＺ軸を駆動するのに対し、非接触式のプローブは被測定物との距離を検出する機能を備えており、同距離を一定に保つように制御しながらＺ軸が駆動される点が異なる。その他の装置構成については、接触式のプローブを備える形状測定装置と同様である。

図２は、一変形例による形状測定装置を示す。この形状測定装置においては、図１の装置の制御／解析用コンピュータ２１０の代わりに、制御用コンピュータ３１０と、測定良否判定演算手段２１１がインストールされている解析用コンピュータ３１１が分離して接続されている。このように、装置本体制御コンピュータである制御用コンピュータ３１０と解析用コンピュータ３１１が別々に備えられている構成でも、両コンピュータは双方向に通信可能な形態で接続されていればよい。形状測定方法は、図１に示す形状測定装置を用いた場合と全く同様に実施される。なお、図２に示す形状測定装置においても、図１の装置と同様に、接触式のプローブ１０１の代わりに非接触式のプローブを搭載していてもよい。また、測定良否判定演算手段２１１は、解析用コンピュータ３１１ではなく制御用コンピュータ３１０にインストールされている装置構成であってもよい。

図３は、図１または図２の形状測定装置を用いて、光学素子あるいは光学素子成形用金型の光学面形状を測定する工程を示すフローチャートである。ステップＳ１において形状測定を開始し、ステップＳ２以後にて、図１の制御／解析用コンピュータ２１０、または図２の制御用コンピュータ３１０に測定条件として入力した測定経路情報に従い、被測定面上をプローブ１０１を倣い走査させて、形状測定を行う。

図１の（ｂ）は、被測定物１０３の被測定面１０４上のプローブ走査経路を示すもので、同図においてＸ、Ｙ軸は、図１の（ａ）に示した直交座標系のＸ軸およびＹ軸の方向と一致する。被測定面１０４上のプローブ走査経路は、実線で示す第１（段階）の測定経路１０５、一点鎖線で示す第２（段階）の測定経路１０６、破線で示す第３（段階）の測定経路１０７の３段階に分割される。第１の測定経路１０５は、第１の測定経路開始点１０５ｓ、第１の測定経路終点１０５ｅを有する。同様に第２の測定経路１０６は、第２の測定経路開始点１０６ｓおよび第２の測定経路終点１０６ｅ、第３の測定経路１０７は、第３の測定経路開始点１０７ｓおよび第３の測定経路終点１０７ｅを有する。被測定面１０４の面形状を測定する際に、プローブ１０１を第１の測定経路１０５、第２の測定経路１０６、第３の測定経路１０７の順に走査する。ここでのプローブ走査は各測定経路間で中断することなく連続的に走査する。従って、プローブ走査開始点は第１の測定経路１０５の測定経路開始点１０５ｓであり、プローブ走査終了点は第３の測定経路１０７の測定経路終点１０７ｅとなる。

このように、被測定面に対してプローブを倣い走査させて測定する形状測定方法において、従来は図７に示すようにプローブ走査開始点から走査終了点までの経路で設定していたのに対し、実施例１による形状測定方法においては、３段階の測定経路に分割する。

ステップＳ２では、第１の測定経路情報に従い、被測定面１０４に対してプローブ１０１を倣い走査させて被測定面形状を測定する。すなわち、第１の測定経路開始点１０５ｓから第１の測定経路終点１０５ｅまでプローブ１０１を走査して被測定面形状を測定する。

ステップＳ２終了後、プローブ１０１は第１の測定経路終点１０５ｅから第２の測定経路１０６の測定経路開始点１０６ｓまで、動作を中断することなく移動する。ステップＳ３で、上記と同様に、図１の制御／解析用コンピュータ２１０、または図２の制御用コンピュータ３１０に測定条件として入力した第２の測定経路情報に従い、被測定面１０４上をプローブ１０１を倣い走査させて、被測定面形状を測定する。

ステップＳ２終了後、ステップＳ３と同時にステップＳ４で第１の測定経路１０５の測定データに対する測定形状解析（データ解析）を実施する。ここで行われる測定形状解析は、一般的にカーブフィッティング計算などと呼ばれている計算処理である。例えば最小二乗法などのアルゴリズムを適用し、被測定面１０４の設計形状に対する測定形状の形状誤差が最小となるような推定計算を行う。この推定計算を実施することで、被測定物１０３の形状測定装置に対するセッティング誤差（取り付け誤差）および被測定面１０４の測定形状についてセッティング誤差を除去した状態での設計形状に対する形状誤差が求められる。一般的に高精度な形状精度が要求される光学素子や光学素子成形用金型においては、前記形状誤差がｎｍオーダーで算出される。

この測定形状解析は、図１の制御／解析用コンピュータ２１０あるいは図２の解析用コンピュータ３１１にインストールされている、第１の演算手段である形状解析手段（形状解析用コンピュータプログラム）により行われる。

実施例１による形状測定装置は、ステップＳ２、ステップＳ３で実行中の被測定面形状測定を制御している形状測定プログラムから、ステップＳ２完了後に前記形状解析手段へプログラム実行命令が渡され、自動的に測定解析が実施される機能を有する。また、ステップＳ２完了後、図１の制御／解析用コンピュータ２１０、または図２の制御用コンピュータ３１０および解析用コンピュータ３１１に接続されたディスプレイ装置（表示手段）にステップＳ２の測定が完了したことを画面出力する機能を設けてもよい。この場合は、測定オペレータが同出力結果を確認後、ステップＳ４の測定形状解析を実行する。

ステップＳ４終了後、ステップＳ４の測定形状解析結果に基づいた測定良否判定処理が行われる（ステップＳ５）。測定良否判定処理は、具体的には図１および図２に示す測定良否判定処理演算手段（測定成功／失敗自動判定コンピュータプログラム）２１１により行われる。ここで行われる演算処理の詳細は、つぎのとおりである。

前述した測定失敗を引き起こす各種原因のうち、ステップＳ５において定量的な評価に基づいた測定成功／失敗の判定が可能なものとして、被測定面１０４上に付着したゴミによる測定失敗が挙げられる。また、接触式のプローブを備えた形状測定装置におけるプローブ先端球１０２の表面に付着したゴミが原因となり引き起こされる測定失敗と、セッティング誤差に起因した測定領域誤差に関する測定失敗と、が挙げられる。

被測定面１０４の設計形状に対する形状誤差については、そのＰＶ値（被測定面内における形状誤差の最大値から最小値を差し引いた値）が数ｎｍから数１００ｎｍに収まっていることが予想されるケースがある。このような場合、ゴミによる測定失敗の判定条件として例えば１μｍという値を閾値とし、これを、測定開始前に測定良否判定演算手段２１１に設定しておく。ステップＳ５で、ステップＳ４終了後に算出される形状誤差からＰＶ値を測定良否判定演算手段２１１によって計算し、算出したＰＶ値が設定した閾値（ここでは１μｍ）を越えた場合には、ステップＳ２で行われた測定は失敗であると自動的に判定する。

測定領域誤差については、ステップＳ４の測定形状解析において算出されるセッティング誤差から、即座に判定可能である。すなわち、測定領域を決定する最外周の測定点群は、算出されたセッティング誤差に基づき座標変換されるため、測定条件として指定した測定領域からセッティング誤差分だけずれた領域が、被測定面１０４に対し実際に測定が行われた測定領域として算出される。これより、例えば図１の（ｂ）において、ＸＹ座標系に対する測定領域の許容誤差について、指定領域に対し±１０μｍ以内という値を閾値として、測定開始前に測定良否判定演算手段２１１に設定しておく。ステップＳ５において、ステップＳ４終了後に算出されるセッティング誤差のＸ軸あるいはＹ軸方向平行移動成分が同許容範囲を超える値となった場合、必然的にセッティング誤差補正後の測定領域は前記許容誤差内に収まらない。従って、ステップＳ２で行われた被測定面形状測定は失敗であると自動的に判定する。

なお、これまではステップＳ４で算出されるセッティング誤差の影響で実際の測定領域がずれることを説明したが、仮にセッティング誤差が全くない状態で被測定面形状の測定ができた場合を想定する。このとき算出されるセッティング誤差は、被測定物１０３である光学素子等の被測定面１０４となる光学面の位置および姿勢を規定する基準面に対し、実際の光学面がどれだけずれた位置および姿勢に形状創成されているかを表わす。

一方、実際にはセッティング誤差は必ず存在する。すなわち、ステップＳ４で求められるセッティング誤差の中には、被測定物内の基準面に対する被測定面１０４の位置および姿勢誤差と、形状測定装置に対するセッティング誤差、多くの場合は測定治具に対する被測定物１０３の取り付け誤差が混在する。しかしながら、ここで解決しようとしている課題は、被測定面１０４である光学面の測定領域が指定領域に対し位置ずれし、その結果光学面端部の測定形状評価ができなくなることである。従って、実際のセッティング誤差と基準面に対する光学面の位置および姿勢誤差が合わさった結果発生する測定領域の位置ずれを把握していればよいから、ステップＳ４で算出されるセッティング誤差に基づく測定領域の判定処理は、適切かつ十分な処理である。

以上がステップＳ５において実施される測定良否判定演算処理の詳細である。前述のとおり、ここで解決しようとしている課題は、被測定面形状の測定失敗を短時間で明らかにし、再測定まで含めた被測定物１０３の面形状測定タクトの短縮を図ることである。

測定失敗を引き起こす原因によっては、図１および図２に示した測定良否判定演算手段２１１では判定が困難なものがある。このように、定量的な評価に基づいた測定成功／失敗の判定が難しい場合の測定失敗の原因として、被測定物１０３の不安定性と、被測定物１０３の周辺環境の不安定性と、測定領域設定ミスとが挙げられる。以下に、これらのケースにおける測定良否判定処理の具体的な方法を説明する。

ステップＳ４で算出するセッティング誤差補正計算後の被測定面形状（設計形状に対する形状誤差）を、制御／解析用コンピュータ２１０、あるいは制御用コンピュータ３１０および解析用コンピュータ３１１に接続されたディスプレイ装置に画面出力する。同時に、測定良否判定演算手段２１１の計算結果を画面出力する。

形状測定装置に対する被測定物１０３の取り付け安定性、すなわち測定中に被測定物１０３が測定治具内で動いたかどうかの判定は、ステップＳ５においては定量的判定が困難である。そこで、測定オペレータは前記ディスプレイ画面に出力されたステップＳ４の解析結果である被測定面形状を参照し、被測定物１０３が測定治具内を動いたかどうかを判定する。なお、被測定物１０３の取り付け安定性に関する定量的な評価は、後述するステップＳ１１の測定良否判定処理では可能となる。

同様に、被測定物１０３の保持変形の発生有無についても、定量的な評価は難しい。このため、測定オペレータは前記ディスプレイ画面に出力された被測定面形状を参照することで、保持変形が原因で測定が失敗していないかを判定する。

また、測定環境の不安定性として挙げられる被測定物周辺の温度変化が原因で発生する被測定面形状の熱変形は、被測定物１０３の形状、材質、および周辺の温度変化量などによってその影響度が異なり、やはり定量的な判定処理は困難である。従って、被測定物周辺の温度変化による測定失敗の判定は、同様にディスプレイ画面に出力された被測定面形状をもとに測定オペレータが判定する。

なお、前述のように、被測定面１０４上あるいは接触式のプローブ先端球１０２の表面に付着したゴミが原因となり引き起こされる測定失敗について、図１および図２に示す測定良否判定演算手段２１１により判定可能である。しかし、被測定面の設計形状に対する形状誤差がμｍオーダーの被測定物については、単純に形状誤差のＰＶ値で判定する場合、ゴミによる異常形状が被測定面形状誤差に埋もれてしまい、判定できなくなる。このような被測定物については、定量的な判定処理が困難な前記各種測定失敗と同様、測定オペレータがディスプレイ画面に出力された被測定面形状を参照して測定成功／失敗を判定する。

このように、ディスプレイ装置に画面出力された、測定良否判定演算手段２１１による測定良否判定結果と、ステップＳ４で算出されるセッティング誤差補正後の被測定面形状（設計形状に対する形状誤差）をもとに、測定オペレータが測定成功／失敗を判定する。このとき、測定オペレータは判定結果に基づき、ステップＳ３の被測定面形状測定を制御中の形状測定プログラムに対し、測定を続行するか、終了させるかについて形状測定プログラムを実行中のコンピュータに対し情報入力する。入力された測定良否判定結果に従い、測定失敗の場合にはステップＳ６においてｙｅｓのフローに進み、ステップＳ７にて測定は異常終了（強制終了）する。一方、測定成功と判定した場合にはステップＳ６においてｎｏのフローに進み、その時点で第２の測定経路１０６に対する測定工程が続行される（ステップＳ８）。

なお、図１および図２に示す測定良否判定演算手段２１１による演算結果のみに従い、ステップＳ６におけるフロー制御が行われる形状測定方法であってもよい。この場合、測定良否判定演算手段２１１の演算結果、すなわちステップＳ２に示す被測定面形状測定の成功／失敗判定情報（信号）が、ステップＳ３の被測定面形状測定を制御中の形状測定プログラムに自動的に入力される。ステップＳ６において、同プログラムは入力された測定良否判定情報に従い、測定失敗の場合にはｙｅｓのフローに進みステップＳ７にて測定を異常終了させる。逆に測定良否判定演算手段２１１から入力された演算結果が測定成功を表す情報であった場合、ステップＳ６においてｎｏのフローに進み、ステップＳ８にて第２の測定経路１０６に沿ったプローブ走査による形状測定が続行される。

実施例１では、測定良否判定演算手段２１１が演算可能な測定失敗の対象として、被測定面上に付着したゴミやプローブ先端球１０２に付着したゴミが原因で引き起こされる測定失敗と、セッティング誤差に起因した測定領域誤差に関する測定失敗に限定している。その他の原因による測定失敗については演算対象から除外した。しかしながら、測定失敗の対象を特に限定する必要はない。一般的に定量的な評価に基づいた測定成功／失敗の判定が困難でも、定量的な測定良否判定が可能になった場合には、即座にその判定条件を測定良否判定演算手段２１１に追加することができる。これによって、測定オペレータの判断を必要としない測定良否判定演算手段２１１の計算結果に従った自動判定処理を実施する形態となる。

ここで、ステップＳ５においてステップＳ２の被測定面形状測定が失敗と判定され、ステップＳ７において測定が異常終了した場合を考える。従来例では、被測定面上の全ての測定経路をプローブが走査した後に、はじめて本実施例のステップＳ４およびステップＳ５で行う測定形状解析結果に基づいた測定良否を判定することができた。このように、従来技術では全ての測定経路を走査完了後に判定可能であった測定良否判定が、本実施例では第１の測定経路１０５のみを走査し終えた時点で判定可能である。従って、測定失敗の場合には残りの第２および第３の測定経路１０６、１０７に対する被測定面形状測定を行わずに測定を停止させられる。測定停止後は、測定が失敗した原因について条件を改めて再測定を実施する。

効率的に測定失敗に対し条件を改めて再測定をするというループを繰り返すことで、指定した全ての測定経路に対する被測定面形状測定が短時間で成功し、全工程が完了することになる。その結果、最終的に測定工程が完了するまでの総時間（測定タクト）が、従来技術と比較して大幅に短縮される。

ステップＳ８において測定中の、第２の測定経路１０６に沿ったプローブ走査による被測定面形状測定において、第２の測定経路終点１０６ｅまでプローブを走査すると、ステップＳ３およびステップＳ８における被測定面形状測定は終了する。その後、プローブ１０１は第２の測定経路終点１０６ｅから第３の測定経路開始点１０７ｓまで、動作を中断することなく移動する。移動完了後、図１の制御／解析用コンピュータ２１０、または図２の制御用コンピュータ３１０に測定条件として入力した第３の測定経路情報に従い、被測定面１０４上にプローブ１０１を倣い走査させて、被測定面形状を測定する（ステップＳ９）。

また、ステップＳ８終了後、ステップＳ９と同時にステップＳ１０で第２の測定経路１０６の測定データに対する測定形状解析を実施する。ここで行われる測定形状解析は、ステップＳ４で第１の測定経路１０５の測定データに対し行う計算処理（カーブフィッティング計算）と同様である。ステップＳ１０では、ステップＳ２で取得した第１の測定経路１０５に対する測定データと、ステップＳ３およびステップＳ８で得られた第２の測定経路１０６に対する測定データとを合わせた座標点群データについても、測定形状解析を同様に実施してもよい。ステップＳ１０終了後には、第１の測定経路１０５上の測定データを対象とした測定形状解析結果と、第２の測定経路１０６上の測定データを対象とした測定形状解析結果と、測定経路１０５、１０６上の測定データを対象とした測定形状解析結果と、が得られる。

なお、ステップＳ１０の具体的な開始方法については、ステップＳ４の開始方法と同様で、ステップＳ９を実行中の形状測定プログラムから、ステップＳ８完了後に前記測定形状解析手段へプログラム実行命令が自動的に渡されて計算を開始する。あるいは、前述のディスプレイ装置に、ステップＳ８の完了を画面に出力する機能を備えておき、測定オペレータが同出力結果を確認後、ステップＳ１０の測定形状解析を実行する。実施例１の形状測定装置はいずれの機能についても備えており、上記のいずれの方法によってステップＳ１０を開始してもよい。

ステップＳ１０終了後、この段階で得られている全ての測定形状解析結果に基づいた測定良否判定処理が行われる（ステップＳ１１）。具体的に実施する測定良否判定処理は、ステップＳ５について説明した処理方法と概ね同様である。異なる点は、測定良否判定演算手段２１１による測定良否自動判定処理において用いられる測定形状解析結果が、ステップＳ１０で得られる第２の測定経路終点１０６ｅまでの測定済み全データを対象とした測定形状解析結果である点である。さらに、ステップＳ５では定量的な評価が困難であった被測定物１０３の取り付け安定性に関する判定について、ステップＳ１１では演算可能である点がステップＳ５とは異なる。以下に、測定中に被測定物１０３が形状測定装置に対し動いたかどうかの判定処理について、具体的な演算処理方法を説明する。

形状測定装置に対する被測定物１０３の取り付け状態が安定しているとき、被測定物１０３の形状測定装置に対する取り付け位置、すなわちセッティング誤差は変化しない。つまり、ステップＳ４の測定形状解析から求められたセッティング誤差と、ステップＳ１０で算出したセッティング誤差は概略一致することになる。この原理を用いて、ステップＳ８が完了するまでの被測定面形状測定において、被測定物が測定治具内で動いたかどうかを判定可能である。例えば、測定失敗判定条件として１μｍという値を閾値にし、測定開始前に測定良否判定演算手段２１１に設定しておく。ステップＳ４で求められたセッティング誤差のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向各平行移動成分と、ステップＳ１０で算出する第２の測定経路１０６上の測定データを対象としたセッティング誤差のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向各平行移動成分を比較する。その差が１μｍという設定した閾値を越えた場合には、測定中に被測定物１０３は形状測定装置に対し動いているため測定失敗であるという判定結果を出力する。同様に、ステップＳ４で得られるセッティング誤差と、ステップＳ１０で得られる第１および第２の測定経路１０５、１０６上の測定データを対象としたセッティング誤差を比較することで、自動判定する機能も備えていてもよい。上記のどちらかの機能、あるいは両方の機能をもとに判定することで、演算処理によって被測定物１０３の取り付け不安定性が引き起こす測定失敗を自動判定することができる。

ステップＳ１１における測定成功／失敗の判定結果に基づき、測定失敗の場合にはステップＳ１２においてｙｅｓのフローに進みステップＳ１３にて測定を異常終了させる。一方、測定成功の場合には、ステップＳ１２においてｎｏのフローに進み、ステップＳ１４にて第３の測定経路１０７に沿ったプローブ走査による形状測定が続行される。ステップＳ１１からステップＳ１２までの分岐処理詳細については、前記したステップＳ５からステップＳ６にかけてのそれと同様である。

測定失敗と判定されてステップＳ１３にて測定が異常終了した場合を想定すると、第３の測定経路１０７上のプローブ走査を完了する前に測定失敗であることを判定できているため、従来技術と比較して大幅に測定タクトを短縮できる。

ステップＳ１４において、測定経路１０７に沿ったプローブ走査による被測定面形状測定において、第３の測定経路開始点１０７ｓから第３の測定経路終点１０７ｅまでプローブを走査すると、ステップＳ１５に進み、被測定面１０４の面形状測定は終了する。

なお、図１の（ｂ）に示すラスタ走査によるプローブ走査経路、すなわち第１の測定経路開始点１０５ｓから第３の測定経路終点１０７ｅまでの測定経路はあくまでも一例であり、測定ライン数などは図示した本数に限定するものではない。またプローブ走査方向についても、図中のＹ軸方向に限定するものではなく、例えばＸ軸方向を主走査方向とする測定経路であってもよい。

図４は、実施例２によるプローブ走査経路を示す。これは、実施例１によるラスタ走査の代わりに、被測定面１０４の中心部を通るように放射線状にプローブ１０１を走査させる。この場合のプローブ走査経路についても、実施例１と同様に、第１（段階）の測定経路４０５、第２（段階）の測定経路４０６、第３（段階）の測定経路４０７を設定する。そして、第１の測定経路開始点４０５ｓ、第１の測定経路終点４０５ｅ、第２の測定経路開始点４０６ｓ、第２の測定経路終点４０６ｅ、第３の測定経路開始点４０７ｓ、第３の測定経路終点４０７ｅの順にプローブ走査を行って被測定面形状を測定する。

図５は、実施例３によるプローブ走査経路を示す。これは、被測定面１０４の測定領域に対し同心円状にプローブ１０１を走査させる。この場合についても、実施例１、２と同様に、第１（段階）の測定経路５０５、第２（段階）の測定経路５０６、第３（段階）の測定経路５０７を設定する。そして、第１の測定経路開始点５０５ｓ、第１の測定経路終点５０５ｅ、第２の測定経路開始点５０６ｓ、第２の測定経路終点５０６ｅ、第３の測定経路開始点５０７ｓ、第３の測定経路終点５０７ｅの順にプローブ走査し、被測定面形状を測定する。

上記実施例では、プローブ走査経路を第１の測定経路から第３の測定経路まで３段階に分割して処理したが、プローブの測定経路を３段階に限定するものではない。少なくとも２段階以上に分割すれば、従来の技術と比較して測定の総時間が短縮される。

また、プローブ走査パターンについても、上記のラスタ走査、放射線状および同心円状の走査に限定するものではなく、いかなるプローブ走査パターンであってもよい。このとき、プローブ走査経路を少なくとも２段階に分割し、図３による測定フローによる被測定面形状測定を実施する。同じプローブ走査パターンについて従来例によって被測定面形状を測定する場合に比べて、測定タクトを大幅に短縮できる。

実施例１を示すもので、（ａ）は形状測定装置の構成を示す模式図、（ｂ）はプローブ走査経路を示す平面図である。 一変形例による形状測定装置を示す模式図である。 実施例１による形状測定方法を示すフローチャートである。 実施例２によるプローブ走査経路を示す平面図である。 実施例３によるプローブ走査経路を示す平面図である。 従来例による形状測定方法を示すフローチャートである。 従来例によるプローブ走査経路を示す平面図である。

符号の説明

１０１ プローブ
１０２ プローブ先端球
１０３ 被測定物
１０４ 被測定面
１０５、４０５、５０５ 第１の測定経路
１０５ｓ、４０５ｓ、５０５ｓ 第１の測定経路開始点
１０５ｅ、４０５ｅ、５０５ｅ 第１の測定経路終点
１０６、４０６、５０６ 第２の測定経路
１０６ｓ、４０６ｓ、５０６ｓ 第２の測定経路開始点
１０６ｅ、４０６ｅ、５０６ｅ 第２の測定経路終点
１０７、４０７、５０７ 第３の測定経路
１０７ｓ、４０７ｓ、５０７ｓ 第３の測定経路開始点
１０７ｅ、４０７ｅ、５０７ｅ 第３の測定経路終点
２０１ Ｘ軸ステージ
２０２ Ｙ軸ステージ
２０３ Ｚ軸ステージ
２０９ データサンプリング装置
２１０ 制御／解析用コンピュータ
２１１ 測定良否判定演算手段
３１０ 制御用コンピュータ
３１１ 解析用コンピュータ

Claims (8)

1. 被測定物に対して接触式または非接触式のプローブを二次元的に倣い走査させて被測定面の形状を測定する形状測定方法において、
   少なくとも２段階の測定経路を設定し、第１段階の測定経路に従ってプローブを倣い走査させて被測定面の形状を測定する第１の測定工程と、
   第２段階の測定経路に従ってプローブを走査させて被測定面の形状を測定する第２の測定工程と、
   第１の測定工程において取得した測定データのデータ解析を行い、その結果をもとに第２の測定工程を続行するか強制終了するかを選択する工程と、を有することを特徴とする形状測定方法。
2. ３段階以上の測定経路を設定し、第３段階以後の各段階の測定経路に従って被測定面の形状を測定する測定工程と、
   前段階の測定経路によって取得した測定データについてデータ解析を行い、その結果をもとに測定工程を続行するか強制終了するかを選択する工程と、を有することを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
3. 複数の前段階の測定経路によって取得した測定データについて行ったデータ解析結果を互いに比較する工程を有することを特徴とする請求項２記載の形状測定方法。
4. 被測定物に対して接触式または非接触式のプローブを少なくとも２段階の測定経路に沿って二次元的に倣い走査させて被測定面の形状を測定する形状測定装置において、
   第２段階以後の測定経路に沿った前記プローブの走査中に、前段階の測定経路において得られた測定データに対してデータ解析を行い、前記被測定面の設計形状に対する形状誤差および前記被測定物のセッティング誤差を算出する第１の演算手段と、
   前記第１の演算手段によって算出した形状誤差およびセッティング誤差をもとに測定良否を判定する第２の演算手段と、を有し、
   前記第２の演算手段による判定結果をもとに測定工程を続行するか強制終了するかを選択することを特徴とする形状測定装置。
5. 前記第１および前記第２の演算手段が、装置本体制御コンピュータにインストールされていることを特徴とする請求項４記載の形状測定装置。
6. 前記第１および前記第２の演算手段が、装置本体制御コンピュータと双方向に通信可能な状態で接続された解析用コンピュータにインストールされていることを特徴とする請求項４記載の形状測定装置。
7. 前記第２の演算手段による判定結果を表示する表示手段を有することを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の形状測定装置。
8. 装置本体制御コンピュータが、前記第２の演算手段による判定結果をもとに測定工程を強制終了させる機能を有することを特徴とする請求項４ないし７いずれか１項記載の形状測定装置。

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