JP2007187626A

JP2007187626A - 触針式形状測定装置

Info

Publication number: JP2007187626A
Application number: JP2006007540A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kawada; 勝川田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】触針式形状測定装置において、触針と被測定面の接触位置を算出することによって被測定面の形状を高精度に測定する。
【解決手段】最初にクランプ１３で触針１４をアーム１５に固定した状態で被測定面を走査し、走査によって変位検出機構１６で得られたＺ方向の変位データを測定する。次に、触針１４がアーム１５に対してクランプ１３による接続部分を中心にＸＹ平面に可動となるようにクランプ１３を切り替え、触針１４が走査した線上において、先端球１０を被測定面に接触させ、その位置からＺ方向に微小な変位を加えた場合のＸ、Ｙ及びＺ方向の変位を測定し、先端球１０と被測定面との接触位置を測定する。これらＺ方向の変位データ及び先端球１０と被測定面との接触位置データに基づいて走査線上における被測定面の形状を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体、特に高精度な測定精度が要求される光学部品の表面形状を測定するのに用いられる触針式測定装置のうち、特に触針部分に関するものである。

従来、光学部品等の表面形状を高精度に測定する手段として特許文献１のような触針式形状測定装置が使用されている。また、触針の変位検出手段として干渉計を使用することができる。干渉計を変位検出手段として使用した触針式形状測定装置の測定原理を図３に基づいて説明する。触針式形状測定装置では、試料の被測定面３７に接触する触針３６と触針の上下方向（図中のＺ方向）の変位を検出する干渉計３０から構成されている。干渉計３０ではレーザー発生器３１からレーザー光が発生され、このレーザー光はミラー３２ａで反射された後、ビームスプリッター３５で二つの光路に分割される。分割された光路のうち一方のレーザー光は固定されたミラー３２ｂによって反射され、再びビームスプリッター３５に戻る。もう一方のレーザー光はプリズム３３によって折り返され、ミラー３２ｃで反射された後、再びプリズム３３を通ってビームスプリッター３５に戻る。プリズム３３は触針３６と接続されており、触針３６の変位にしたがって上下方向(図中のＺ方向)に移動する。つまりミラー３２ｂで反射されたレーザー光とミラー３２ｃで反射されたレーザー光の光路差は触針３６の変位にしたがって変動し、この光路差に起因して形成されるレーザー光の干渉縞も触針３６の変位に応じて変化する。したがって、この干渉縞を光検出器３４で測定することによって触針３６の上下の変位を求めることができる。前記の方法で求められた触針３６の変位は触針先端の曲率分を校正して、正確な上下位置として算出される。この触針３６を水平方向（図中のＸ方向）に走査し、Ｘ方向の移動距離とＺ方向の位置を記録することで形状を測定する。現在では光強度検出の電気分解技術の技術もあわせて１０ｎｍ程度の変位測定精度を持っている。
特開平５−６０５４２号公報

しかし、従来の触針式形状測定装置では、試料の被測定面を走査した線上での形状測定しかできないという問題がある。通常、触針先端は球形状で構成されており、触針式形状測定装置では試料の被測定面を走査することによって触針先端の球(以下「先端球」と呼ぶ)の中心の変位が得られる。この先端球の中心の変位に触針の先端球の曲率半径に基づく補正を加えて被測定面の形状を算出しているが、このような先端球の曲率半径の補正は触針の先端球と被測定面とが触針を走査した線上で接触するという仮定に基づいて行われるものであり、触針の先端球と被測定面とが触針を走査した線上で接触していない場合は、仮定が成り立たず、したがって先端球の曲率半径に基づく補正も有効に作用しない。

そのため、実際の測定では、触針と被測定面とが全測定領域において触針を走査する線上で接触するよう正確に調整する必要があり、もし、被測定面と触針の先端球との接触位置が触針を走査する線上から外れてしまうと補正に誤差が生じ、正確な形状測定が難しくなる。また、このような理由から、例えば被測定面において触針の走査と触針の走査後に試料ステージを走査方向に直交する方向に少しずつ移動するという測定操作を繰り返し、このような測定によって得られる形状データをつなぎ合わせることによって、被測定面の形状データを得たとしても、被測定面が触針の走査方向に直交する方向にも曲面形状を持つ場合、高精度の３次元形状測定データを得ることはできなかった。

本発明は、以上のような従来の触針式形状測定装置の欠点に鑑みて、触針の先端球が触針の走査方向と直交する方向にずれた位置で接触しても測定精度を落とさずに形状測定可能な手段を提供することにより、３次元形状でも高精度で測定できるように改善することを目的としている。

本発明の触針式形状測定装置は、先端形状が球形状である触針を被測定物の測定面に接触させながら走査し、前記触針の走査方向の移動量と走査に伴って前記触針が前記被測定面に対して垂直方向に変位する量を測定することによって被測定物の表面形状を測定する触針式形状測定装置において、前記触針の先端を固定状態および３次元的な可動状態の切り替え可能とする触針保持手段と、前記触針を可動状態にして被測定面に接触させた後、その位置から被測定面に対して垂直方向の変位を与えた場合に触針の走査方向の変位と前記被測定面内で走査方向と直交する変位を測定する手段を備えたことを特徴とする。

表面形状の測定の前に前記保持手段によって触針の先端を３次元的に可動な状態にし、その状態で触針先端を被測定面に接触させ、その位置から被測定面に垂直な方向に微小変位を加え、その際の触針先端の走査方向の変位および走査方向と直交する変位を測定する。これらの変位情報に基づいて触針先端と被測定面との接触位置を求めることができる。

本発明の触針式形状測定装置によれば触針先端と被測定面との正確な接触位置を得ることができるので、触針の接触位置における被測定面の法線方向が先端球の母線上の法線方向に一致しなくても正確な接触位置をもとに補正することが可能となり、より精度の高い測定が可能となる。また、本発明の装置によれば、必ずしも触針の接触位置における被測定面の法線方向が先端球の母線上の法線方向に一致しなくても良いため、触針の走査方向に直交する方向にも曲面形状を持つ面の立体的な３次元形状の測定が可能になる。

本発明の触針式形状測定装置について、図１に基づいて説明する。なお、図1の説明において、触針の走査方向をＸ方向、被測定面に垂直な方向をＺ方向、被測定面上において触針の走査方向と直交する方向をＹ方向とする。本発明の触針式形状測定装置の触針１４は被測定面に接触する先端球１０と他端にもう一つの先端球１１を備える。触針１４はその略中央部分においてクランプ１３によってアーム１５と結合され、このアーム１５によって支持される。アーム１５はＺ方向に可動であり触針１４のＺ方向の移動を確保する。さらに、アーム１５の一端には、Ｚ方向の変位を検出するための変位検出機構１６が接続されている。また、クランプ１３は触針１４が被測定面上を走査する場合には触針１４をアーム１５に固定しているが、先端球１１と被測定面の接触位置検出時には触針１４がアーム１５に対してクランプ１３による接続部分を中心にＸＹ平面に可動となるような切替機構を備える。

先端球１１には折り返しミラー３がＸＹＺ方向の３つの方向に１つずつ付いている。３つの折り返しミラーはそれぞれＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向にのみ可動とする。折り返しミラーの先には、レーザー１、光検出器４、参照ミラー２、ビームスプリッター５からなる干渉計が固定されている。可動鏡３と固定鏡２からの反射光はビームスプリッターで重ね合わされ、光検出器４上で干渉縞を形成する。なお、図１においてＹ方向が紙面と垂直な方向となる為、上記構成が記載されていないが、Ｙ方向においてもＸおよびＺ方向と同一の機構を備えている。光検出器４から得られる干渉縞の明暗の強度に基づいて先端球１１の移動量が第一演算部１７で算出される。

変位検出機構１６及び第一演算部１７で算出されたデータはデータ保持部１８で一旦保持された後、第二演算部１９にてデータの計算が行われる。

次に被測定面の形状を測定する手順を説明する。まず最初にクランプ１３で触針１４をアーム１５に固定した状態で被測定面を走査し、走査によって変位検出機構１６で得られたＺ方向の変位データをデータ保持部１８に保持する。次に、触針１４がアーム１５に対してクランプ１３による接続部分を中心にＸＹ平面に可動となるようにクランプ１３を切り替え、触針１４が走査した線上において、先端球１０が被測定面と接触した位置を離散的に測定し、第一演算部１７で算出した接触位置データをデータ保持部１８に保持する。第二演算部１９では、データ保持部１８に保持されたＺ方向の変位データ及び先端球１０と被測定面との接触位置データに基づいて走査線上における被測定面の形状を計算する。形状の計算は、まず離散的に測定された先端球１０と被測定面との接触位置データをデータ補間によって連続的な接触位置データに変換し、この連続的な接触位置データに基づいて、データ保持部１８に保持されたＺ方向の変位データを補正する。これによって被測定面における触針１４の走査線上の形状データを計算する。これらの操作をＹ方向に繰り返して行うことによって被測定面上の形状データが形成され、その結果は表示部２０に送られ表示される。

また、上記実施例では被測定面のＺ方向の変位データは触針１４を走査することによって連続的に測定しているが、被測定面上の任意の点もしくは装置内に備えた基準面に先端球１０を接触させた場合のＺ方向の位置を基準値とすることによって、先端球１０と被測定面の接触位置を測定するのと同時に、その点におけるＺ方向の変位を離散的に測定することができる。この場合、Ｚ方向の変位データを連続的なデータに変換するためには、接触位置データと同じようにデータ補間を行えばよい。

実際の形状測定の前に先端球１０と被測定面との接触位置を算出する方法について説明する。まず最初に先端球１０を被測定面に接触させ、その位置から微小量ΔＺdだけ、アームを下げる。そのとき、先端球１１はＸ方向、Ｙ方向に変位するが、その変位をΔＸ、ΔＹ、ΔＺとする。ここで、ΔＺｄの変位は微小であるため、ΔＺｄ＝ΔＺとみなすことができる。一般に、ビームスプリッターから参照ミラーまでの距離をｗ０、サンプル側の折り返しミラーまでの距離をｗ、レーザー光の波長をλとすると、検出器面上での干渉縞強度Ｉ（ｗ）は式１で与えられる。
（式１）Ｉ（ｗ）＝２［１＋ＣＯＳ｛４π／λ（ｗ−ｗ０）｝］
これより、縞の明暗はｗ−ｗ０＝ｍλ／２を満たすごとに繰り返される。ただし、ｍは整数である。明暗の数をカウントすることによりｗの移動量を求めることができる。ｗをＸ、Ｙ、Ｚに適用すれば、それぞれの移動量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺを求めることができる。

上記のクランプ１３から先端球１０までの距離をＬ１、先端球１１までの距離をＬ２としたとき、ΔＸ、ΔＹに対応する先端球１０側の変位量ΔＸ´、ΔＹ´、ΔＺ´は
（式２）ΔＸ´＝Ｌ１／Ｌ２ΔＸ
（式３）ΔＹ´＝Ｌ１／Ｌ２ΔＹ
（式４）ΔＺ´＝Ｌ１／Ｌ２ΔＺ
で与えられる。

上記の変位情報から触針先端の先端球１０と測定面との接触位置を求める方法について図２に基づいて説明する。図２（a）は触針の先端球１０をＺ方向から見た図であり、この図において先端球１０は接触点１２において被測定面と接触している。図２（ｂ）は先端球１０を先端球の中心と接触点１２を含む断面図で表した図である。これらの図において先端球の半径をｒで表し、図１と同様に触針の走査方向をＸ方向、被測定面に垂直な方向をＺ方向、被測定面上において触針の走査方向と直交する方向をＹ方向とする。また先端球１０の中心を原点とした直交座標系において接触点１２と−Ｚ方向とのなす角をθ、接触点１２をＸＹ投影面に投影した点とＸ方向とのなす角をφとする。

触針先端を被測定面に接触させ、その位置から測定面に垂直な方向にΔＺ´だけ変位を加えると、触針先端は走査方向および走査方向に垂直な方向にそれぞれΔＸ´、ΔＹ´だけ変位する。ここで変位ΔＺ´は微小であるので、先端球は接触点１２における接平面上を移動するとみなすことができる。すなわち、言い換えると先端球の中心は変位を加える前の先端球の中心位置と接触点１２を含む平面内を移動することから図２（ａ）に示すように、φとΔＸ´、ΔＹ´との関係は式５で表される。
（式５）ｔａｎφ＝ΔＹ´／ΔＸ´
一方、図２（ｂ）に示すように、θは接触点１２における接平面とＸＹ平面とのなす角度と一致するため、θとΔＸ´、ΔＹ´、ΔＺ´との関係は、式６で表される。
（式６）ｔａｎθ＝ΔＺ´／{（ΔＸ´）^２＋（ΔＹ´）^２}^１／２
また、先端球１０と被測定面との接触位置１２を先端球の中心を原点とした直交座標系による座標（ｓ、ｔ、u）で表示すると、各々の値は式７、式８、式９で表される。
（式７）ｓ＝ｒ×ｓｉｎθ×ｃｏｓφ
（式８）ｔ＝ｒ×ｓｉｎθ×ｓｉｎθ
（式９）ｕ＝−ｒ×ｃｏｓθ
したがって、式５及び式６からφ及びθを算出することにより触針先端の接触球と被測定面との接触位置を算出することができる。

一例として、本発明にて、実際に前記φ及びθを算出した例について説明する。本測定に使用した干渉用レーザーの波長はλ＝６３２．８ｎｍであり、先端球１１の半径ｒは２０００ｎｍである。また、クランプ１３から先端球１０までの距離をＬ１および、先端球１１までの距離をＬ２の長さの比率はＬ１：Ｌ２＝１：１である。

被測定面に接触後、先端球１１が変位したとき、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の干渉計の縞本数がそれぞれ、３本、２本、１本変化した。したがって先端球１１の各方向の変位ΔＸ、ΔＹ、ΔＺはそれぞれ、
（式１０） ΔＸ＝３×λ／２
（式１１） ΔＹ＝２×λ／２
（式１２） ΔＺ＝λ／２
とあらわされる。ここで、ｌ１／ｌ２＝１なので
（式１３） ΔＸ´＝ΔＸ＝９４９．２ｎｍ
（式１４） ΔＹ´＝ΔＹ＝６３２．８ｎｍ
（式１５） ΔＺ´＝ΔＺ＝３１６．４ｎｍ
となる。したがって式５及び式６からφ＝３３．６９°、θ＝１５．５°が算出される。その結果、式７、式８及び式９から先端球１０と被測定面の接触位置は先端球１０の中心を原点とする直交座標系においてｓ＝１１５７、ｔ＝３２０．９、ｕ＝−１５９９(単位：ｎｍ)となる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であって、本発明の主旨の範囲で適宜変更や修正を加えることができるのは明らかである。

本発明の触針式形状測定装置を示した説明図である。本発明の触針式形状測定装置の触針先端を拡大して示した説明図である。従来の触針式形状測定装置を示した説明図である。

符号の説明

１レーザー、２参照鏡、３折り返しミラー、４光検出器、
５ビームスプリッタ−、１０被測定面側の先端球、
１１変位測定用干渉計側の先端球、１２接触点、１３クランプ、
１４触針、１５アーム、１６変位検出部

Claims

先端形状が球形状である触針を被測定物の測定面に接触させながら走査し、前記触針の走査方向の移動量と走査に伴って前記触針が前記被測定面に対して垂直方向に変位する量を測定することによって被測定物の表面形状を測定する触針式形状測定装置において、前記触針の先端を固定状態および３次元的な可動状態の切り替え可能とする触針保持手段と、前記触針を可動状態にして被測定面に接触させた後、その位置から被測定面に対して垂直方向の変位を与えた場合に触針の走査方向の変位と前記被測定面内で走査方向と直交する変位を測定する手段を備えたことを特徴とする触針式形状測定装置。