JP2007304037A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動及び走査によって発生する振動誤差成分を抑制すると共に、測定時間の短縮を図り、傾斜角の大きな被測定面を有する被測定物を高精度に測定すること。
【解決手段】触針子２を被測定物Ｒに接触させた状態で触針子と被測定物とを相対的に走査させ、被測定物の被測定面Ｓの形状を測定する形状測定装置であって、予め定められた被測定物の被測定面の形状設計式から、被測定物と触針子との接触点における被測定物の傾斜量を演算する演算手段１３と、演算された傾斜量とその増減が相反する関係にあるとして走査速度を算出する算出手段１４と、測定中の走査速度を、算出された走査速度に応じて変速させる制御手段１５とを備えた形状測定装置１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズ等の被測定物の被測定面の形状を測定する場合に使用する形状測定装置に関するものである。

被測定物としてのレンズの被測定面の形状測定を行う場合、一般的に先端に触針子を有するプローブをレンズの被測定面上で走査し、被測定面の形状に沿って追従する触針子の位置座標を時系列的に取得することが行われている。この際、モータ等の駆動手段を用いてプローブの走査速度を一定に制御することが行われている。
この種の装置の１つとして、表面形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この表面形状測定装置２０は、図５に示すように、測定プローブ２１の先端に設けられた触針部２２の先端を被測定物体２３に向けた状態で、該測定プローブ２１を水平面に対して微小な角度だけ下方に傾け、触針部２２を被測定物体２３に接触させている。また、測定プローブ２１の重力の傾斜方向成分を、触針部２２の押し付け力、即ち、触針部２２と被測定物体２３との接触力としている。これにより、触針部２２と被測定物体２３とが、数十ｍｇｆという非常に小さな力で接触している状態を作りだしている。そして、モータや圧電アクチュエータ等の駆動手段２４を用いて被測定物体２３を駆動することにより、触針部２２を被測定物体２３に対し、測定方向である水平方向に一定速度で走査する。これにより、被測定物体２３に追従する触針部２２の中心座標の推移を検出することができ、その結果から被測定物体２３の形状を得ることができる。
特表２００５−５０２８７６号公報

しかしながら、上記従来の方法は、以下の点においてなお改良の余地があった。
即ち、触針部２２を走査するのにモータや圧電アクチュエータ等の駆動手段２４を用いているが、駆動に起因する振動が発生するため、正確な測定を行えない場合があった。具体的には、この振動成分による測定誤差の大きさは傾斜角に依存するため、走査を行っている間に測定誤差が変化してしまい正確な測定の妨げとなっていた。
また、触針部２２と被測定物体２３とを接触させる方式を採用している従来の方法では、触針部２２と被測定物体２３との接触相互作用により、すべり摩擦等の振動による誤差が生じ、特に、この振動に測定プローブ２１の軸方向の成分がある場合には、測定誤差が顕著となってしまい、正確に測定を行えない場合があった。具体的には、この測定誤差の大きさは傾斜角に依存するため、走査を行っている間に測定誤差が変化してしまい正確な測定の妨げとなっていた。
なお、上記において「傾斜角」とは、被測定物体２３と触針部２２との接触点における被測定物体２３の被測定面の法線と測定プローブ２１の軸とのなす角度をいい、一般的に触針部２２の走査に伴い逐次変化するものである。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、駆動及び走査によって発生する振動誤差成分を抑制すると共に測定時間の短縮化を図ることができ、傾斜角の大きな被測定面を有する被測定物であっても振動に影響されることなく高精度に測定することができる形状測定装置を提供することである。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
請求項１に係る発明は、触針子を被測定物に接触させた状態で触針子と被測定物とを相対的に走査させ、被測定物の被測定面の形状を測定する形状測定装置であって、予め定められた前記被測定物の前記被測定面の形状設計式から、前記被測定物と前記触針子との接触点における前記被測定物の傾斜量を演算する演算手段と、演算された前記傾斜量とその増減が相反する関係にあるとして走査速度を算出する算出手段と、測定中の走査速度を、算出された前記走査速度に応じて変速させる制御手段とを備えた形状測定装置を提供する。

この発明に係る形状測定装置においては、触針子が、レンズ等の被測定物の被測定面上に接触した状態となっている。そして、被測定面の形状の測定を行う場合には、上述した状態から触針子と被測定物とを相対的に走査させ、該走査時に走査方向と直交する方向への触針子の変位量と走査方向での触針子の位置を測定する。これらの値を得ることで、被測定面の形状に追従する触針子の中心座標の推移を検出することができ、その結果、被測定面の形状を測定することができる。

まず、演算手段は、上述した測定を行う前に、予め定められた形状設計式から触針子と被測定物との接触点における被測定物の傾斜量の演算を行う。これにより、これから走査を行う被測定面の傾斜量の推移を予め知ることができる。ここで、「傾斜量」とは、傾斜角そのものだけでなく、傾斜角の正接や正弦等、傾斜角に関連して変動しかつ傾斜角の増加に対し単調増加するような任意のパラメータを指すものである。また、「傾斜角」とは、被測定物と触針子との接触点における被測定物の被測定面の法線と走査方向と直交し触針子の変位する方向とのなす角度をいう。次いで、算出手段は、演算手段で演算された傾斜量に基づいて、走査速度を算出する。つまり、傾斜量に応じた最適な走査速度の算出を行う。そして制御手段は、算出手段で算出された走査速度に応じて実際の走査速度を適宜変速させながら、触針子と被測定物とを相対的に走査させる。

特に算出手段は、傾斜量の増減と走査速度の増減とが相反する関係になるように走査速度の算出を行っている。これにより制御手段は、走査を行っている間、被測定物の傾斜量が小さくなると走査速度が大きくなるように、被測定物の傾斜量が大きくなると走査速度が小さくなるように制御することができる。即ち、傾斜量の小さな領域では高速走査を行い、傾斜量の大きな領域では低速走査を行わせている。
一般に、駆動及び走査に起因した振動による測定誤差は、走査速度に略比例するとともに、傾斜量の増加につれて増加する性質を有しているため、本発明のように傾斜量が大きい領域で走査速度を小さくすることは、測定誤差の減少および均一化につながる。
その結果、被測定面の傾斜量が大きくなったとしても、走査速度をこれに反して小さくすることで、従来とは異なり振動による測定誤差の発生を抑えることができ、また測定誤差が均一化するため、高精度な測定を行うことができる。また、測定誤差が発生し難い傾斜量が小さい領域では、高速走査させることができるので、測定速度を上げることができ測定時間を短縮することができる。

このように、本発明の形状測定装置によれば、駆動及び走査によって発生する振動誤差成分を抑制すると共に測定時間の短縮を図ることができ、傾斜角の大きな被測定面を有する被測定物であっても振動に影響されることなく高精度な測定を行うことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の形状測定装置において、前記演算手段は、前記走査の各位置での前記形状設計式の微分係数を求めることで、前記傾斜量を演算する形状測定装置を提供する。

この発明に係る形状測定装置においては、演算手段が、走査方向の各位置における形状設計式の微分係数を求めて傾斜量の演算を行うので、所望する任意の位置で傾斜量を得ることができる。従って、被測定面の形状がどのような形状であっても容易に測定を行うことができ、使い易さが向上する。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の形状測定装置において、前記算出手段は、予め定められた速度変換関数に前記傾斜量を変数として代入することで前記走査速度を算出する形状測定装置を提供する。

この発明に係る形状測定装置においては、算出手段が予め定められた速度変換関数を利用して走査速度を算出できるので、傾斜量に応じた正確な走査速度算出を容易且つ自動的に行うことができる。よって、被測定面の形状がどのような形状であっても、自動的に形状に応じた最適な走査速度制御を行うことができる。

請求項４に係る発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置において、前記傾斜量が傾斜角の正接であり、前記算出手段は、演算された前記傾斜量と反比例の関係にあるとして前記走査速度を算出する形状測定装置を提供する。

この発明に係る形状測定装置においては、算出手段が被測定物の傾斜角の正接と反比例の関係にあるとして走査速度を算出するので、駆動に起因した振動による測定誤差（走査速度に略比例するとともに、傾斜角の正接にも略比例する）が傾斜角によらず一定の値をとる。従って、測定誤差があったとしてもこれを厳密にキャンセルできるため、より高精度な測定を行うことができる。

本発明に係る形状測定装置によれば、駆動及び走査によって発生する振動誤差成分を抑制すると共に測定時間の短縮を図ることができ、傾斜角の大きな被測定面を有する被測定物であっても振動に影響されることなく高精度な測定を行うことができる。

（第１実施形態）
以下、本発明に係る形状測定装置の第１実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
本実施形態の形状測定装置１は、触針子２を被測定物Ｒに接触させた状態で触針子２と被測定物Ｒとを相対的に走査させて、被測定物Ｒの被測定面Ｓの形状を測定する装置である。

形状測定装置１は、図１及び図２に示すように、基台５と、該基台５上に載置され、被測定物Ｒを固定する保持部材６と、被測定物Ｒの被測定面Ｓにプローブ軸３の先端に固設された触針子２を接触させた状態で、走査方向であるＸ方向及び該Ｘ方向に直交するＹ方向に制御可能な駆動ステージ７とを備えている。なお、Ｙ方向は、プローブ軸３の方向であるＺ方向（Ｘ方向に直交）にも直交している。

上記保持部材６は、被測定面Ｓを触針子２に向けた状態で被測定物Ｒを固定している。また、上記触針子２は、駆動ステージ７上に固定された静圧軸受８によって、Ｚ方向に摺動可能に支持されている。この静圧軸受８は、例えば、セラミックス製のエアスライドであり、先端に触針子２が形成されたプローブ軸３をＺ方向に摺動可能に支持している。これにより触針子２は、上述したようにＺ方向に移動可能とされている。また、触針子２の変位量は、プローブ軸３の変位を介して、駆動ステージ７上に固定されたＺ変位計９によって測定されるようになっている。そしてＺ変位計９は、測定した触針子２の変位量を、ＰＣ等の制御装置１０に内蔵された測定部１１に出力している。

また、駆動ステージ７が移動したときの位置座標は、駆動ステージ７に併設或いは内蔵されたＸＹ変位計１２によって測定されるようになっている。このＸＹ変位計１２は、上述したＺ変位計９と同様に、測定を行った時点の駆動ステージ７の位置座標を測定部１１に出力している。そして、測定部１１は、送られてきた触針子２の変位量と駆動ステージ７の位置座標とに基づいて、触針子２の中心座標の軌跡を測定することで、被測定物Ｒの断面形状測定を行うようになっている。

また、本実施形態の形状測定装置１は、予め定められた被測定物Ｒの形状設計式から、被測定物Ｒと触針子２との接触点における被測定物Ｒの傾斜量を演算する演算部（演算手段）１３と、演算された傾斜量に基づいて走査速度を算出する算出部（算出手段）１４と、測定中の走査速度を、算出された走査速度に応じて変速させる制御部（制御手段）１５とを備えている。なお、これら演算部１３、算出部１４及び制御部１５は、共に制御装置１０内に内蔵されている。
また、算出部１４は、被測定物Ｒの傾斜量の増減と走査速度の増減とが相反する関係になるように、Ｘ方向の領域毎に走査速度の算出を行っている。そして、制御部１５は、算出された走査速度に応じて駆動ステージ７を駆動させるようになっている。

次に、このように構成された形状測定装置１により、被測定物Ｒの断面形状測定を行う場合について説明する。
まず、測定を行う前に駆動ステージ７の駆動速度、即ち、走査速度の設定を行う。始めに、演算部１３が予め定められた形状設計式から、触針子２と被測定物Ｒとの接触点における被測定物Ｒの傾斜量の演算を行う。これにより、これから走査を行う被測定面Ｓの傾斜量の推移、すなわち駆動ステージ７のＸ軸位置座標と傾斜量との関係を予め知ることができる。本実施形態においては、傾斜量として傾斜角を採用し、この演算結果に基づいて、被測定面Ｓを図３に示すように、傾斜角が０度〜３０度の領域Ａ、３０度〜４５度の領域Ｂ、４５度〜６０度の領域Ｃ、６０度〜８０度の領域Ｄ、の４つの領域に分ける。

次いで、演算部１３で演算された傾斜角に基づいて走査速度の算出を行う。つまり、傾斜角に応じた最適な走査速度の算出を行う。これにより図３に示すように、４つに分けた各領域の走査速度として、領域Ａから順に、Ｖ４＝３０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ３＝１０ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ２＝５ｍｍ／ｍｉｎ、Ｖ１＝２．５ｍｍ／ｍｉｎの走査速度を算出する。そして制御部１５は、この算出された算出速度で各領域を走査するように走査速度を設定する。

上述した設定が終了した後、触針子２をＺ方向に移動させて被測定物Ｒに接触させる。次いで、制御部１５は、算出した各領域の走査速度にしたがって駆動ステージ７をＸ軸方向に走査させる。この際、触針子２は、被測定物Ｒに向けて付勢されながら静圧軸受８によってＺ軸方向に対して移動可能に支持されているので、被測定物Ｒの表面形状に応じてＺ方向に、つまり、被測定物Ｒの表面形状に追従するように変位する。Ｚ変位計９は、この触針子２の変位量を、プローブ軸３の変位を介して測定すると共に、測定結果を測定部１１に出力する。また、ＸＹ変位計１２も同様に、Ｘ軸方向に走査を行っている際の駆動ステージ７のＸ軸位置座標を測定すると共に、測定結果を測定部１１に出力する。

そして、測定部１１は、送られてきた駆動ステージ７のＸ軸位置座標と触針子２のＺ方向変位量とから、触針子２の中心座標の推移を検出する。その結果、被測定面Ｓの形状測定を行うことができる。

特に、算出部１４は、上述した各領域の走査速度からも判るように、傾斜角の増減と走査速度の増減とが相反する関係になるように走査速度の算出を行っている。これにより、制御部１５は、走査を行っている最中に、被測定物Ｒの傾斜角が小さくなると走査速度が速く、また、被測定物Ｒの傾斜角が大きくなると走査速度が遅くなるように駆動ステージ７の駆動制御を行っている。即ち、傾斜角の小さな領域では高速走査を行い、傾斜角の大きな領域では低速走査を行わせている。

その結果、被測定面Ｓが高傾斜角となる領域、すなわち振動が測定誤差に及ぼす影響が大きい領域を走査するときでも、低速走査とすることで振動そのものが小さくなるので、従来とは異なり振動による測定誤差の発生を抑えることができ、高精度な測定を行うことができる。また、仮に測定誤差が完全に抑えられない場合でも、傾斜角の増減と走査速度の増減とが相反する関係になるように走査速度を設定するので、傾斜角にかかわらず測定誤差が略一定になるため測定誤差が略キャンセルされて、高精度な測定を行うことができる。さらに、測定誤差が発生し難い低傾斜角領域では高速走査させるので、測定速度を上げることができ、測定時間を短縮することができる。

上述したように、本実施形態の形状測定装置１によれば、駆動及び走査によって発生する振動誤差成分を抑制すると共に測定時間の短縮を図ることができ、傾斜角の大きな被測定面Ｓを有する被測定物Ｒであっても振動に影響されることなく高精度な測定を行うことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る形状測定装置の第２実施形態を、図４のフローチャートを参照して説明する。本実施形態の形状測定装置は、演算部１３が、走査方向の各位置において、下記に示す形状設計式ｆ（ｘ）の微分係数を求めることで傾斜量の演算を行う。ここで、形状設計式ｆ（ｘ）の微分係数は被測定面ＳにおけるＸ方向の接線の傾きを表すので、本実施形態の場合、傾斜量とは傾斜角の正接を意味することになる。なお、Ｒは曲率半径、ｋは円錐定数、Ａは非球面係数である。

また、算出部１４は、演算部１３で演算された微分係数を、下記に示す予め定められた速度変換関数ｖ（ｄｆ）に変数として代入することで、走査速度の算出を行っている。なお、この速度変換関数ｖ（ｄｆ）は、被測定物Ｒの傾斜量に反比例する値として走査速度を算出する関数である。また、αは比例定数である。

このように構成された形状測定装置により測定を行う場合には、まず、演算部１３に被測定物Ｒの形状設計式ｆ（ｘ）を設定しておく（Ｓ１）。なお、被測定物Ｒは、この形状設計式ｆ（ｘ）によって設計形状が表される軸対称非球面形状であるとしている。次いで、触針子２の走査位置を示すＸ座標配列Ｘ_ｎ＝{Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、・・・、Ｘ_ｎ}を設定しておく（Ｓ２）。次いで、座標Ｘにおける形状設計式ｆ（ｘ）の微分係数は、ｆ’（ｘ）で求めることができるので、設定した上記Ｘ座標配列の各成分に対応する微分係数を演算する。これにより、微分係数配列ｄｆ_ｎ＝{ｆ’（Ｘ_１）、ｆ’（Ｘ_２）、ｆ’（Ｘ_３）、・・・、ｆ’（Ｘ_ｎ）}を得ることができる（Ｓ３）。次いで、この配列を上述した速度変換関数ｖ（ｄｆ）に代入し、各Ｘ座標位置における速度設定値を算出する（Ｓ４）。
そして、得られた速度設定値を駆動ステージ７の設定走査速度とし、測定開始から順次この値に応じた走査速度で触針子２を走査することにより、被測定面Ｓの形状を測定することができる。

本実施形態の形状測定装置１においても、駆動及び走査によって発生する振動誤差成分を抑制すると共に測定時間の短縮を図ることができ、傾斜角の大きな被測定面Ｓを有する被測定物Ｒであっても振動に影響されることなく高精度な測定を行うことができる。特に、駆動に起因する振動による測定誤差は走査速度と傾斜角の正接すなわち微分係数の積に比例するが、本実施形態においては、走査速度と微分係数を反比例の関係としている。そのため、測定誤差が傾斜角によらず一定の値をとることで厳密にキャンセルでき、より高精度な測定を行うことができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係る形状測定装置の第１実施形態を示す上面図である。 図１に示す形状測定装置の側面図である。 図１に示す形状測定装置の被測定物の拡大図であって、被測定面を傾斜角毎に４つの領域に分けた状態を示す図である。 本発明に係る形状測定装置の第２実施形態による形状測定工程を示すフローチャートである。 従来の形状測定装置の一実施形態を示す側面図である。

符号の説明

Ｒ 被測定物
Ｓ 被測定面
ｆ（ｘ） 形状設計式
ｖ（ｄｆ） 速度変換関数
１ 形状測定装置
２ 触針子
１３ 演算部（演算手段）
１４ 算出部（算出手段）
１５ 制御部（制御手段）

Claims (4)

1. 触針子を被測定物に接触させた状態で触針子と被測定物とを相対的に走査させ、被測定物の被測定面の形状を測定する形状測定装置であって、
   予め定められた前記被測定物の前記被測定面の形状設計式から、前記被測定物と前記触針子との接触点における前記被測定物の傾斜量を演算する演算手段と、
   演算された前記傾斜量とその増減が相反する関係にあるとして走査速度を算出する算出手段と、
   測定中の走査速度を、算出された前記走査速度に応じて変速させる制御手段と、
   を備えたことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記演算手段は、前記走査の各位置での前記形状設計式の微分係数を求めることで、前記傾斜量を演算することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記算出手段は、予め定められた速度変換関数に前記傾斜量を変数として代入することで前記走査速度を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
4. 前記傾斜量が傾斜角の正接であり、前記算出手段は、演算された前記傾斜量と反比例の関係にあるとして前記走査速度を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の形状測定装置。
   
   
   
   

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