JP2008304413A - Shape measurement method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measurement method which enables the easy correction of an attachment angle error of an angle detector detecting a tilt of a stylus. <P>SOLUTION: An angle error estimation value such that contact point position coordinate data calculated by scanning a measurement surface of an object to be measured in a first direction agree with contact point position coordinate data calculated by scanning it in a second direction antithetical to the first direction is calibrated as the attachment angle error of the angle detector to perform the shape measurement. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、任意の形状をした被測定物の3次元形状を高精度に測定する形状測定方法に関するものである。   The present invention relates to a shape measuring method for measuring a three-dimensional shape of an object having an arbitrary shape with high accuracy.

スタイラスを鉛直方向から任意の方向に傾ける事により、被測定物の側面形状を測定する事を可能とする3次元形状測定技術が特許文献1に開示されている。   Patent Document 1 discloses a three-dimensional shape measurement technique that makes it possible to measure the side surface shape of an object to be measured by tilting a stylus from a vertical direction to an arbitrary direction.

図13に特許文献1に記載の3次元測定装置の構成を示す。測定装置100において、被測定物200の側面にプローブ102の先端に取付けられるスタイラスを概略一定の測定力となるように接触させるための追従制御及び、測定方向への走査を行うための位置決め制御をX軸ステージ112、Y軸ステージ113及びZ軸ステージ114により行う。また、レーザ光源101より発生される測定用レーザ光と参照ミラー115(Z軸参照ミラーを示している。XY軸についても同様。)を用いて、スタイラスの相対的な位置座標を測長する。   FIG. 13 shows the configuration of the three-dimensional measuring apparatus described in Patent Document 1. In the measuring apparatus 100, follow-up control for bringing a stylus attached to the side of the object 200 to be measured into contact with the tip of the probe 102 so as to have a substantially constant measurement force, and positioning control for performing scanning in the measurement direction. Performed by the X-axis stage 112, the Y-axis stage 113, and the Z-axis stage 114. Further, the relative position coordinates of the stylus are measured using the measurement laser beam generated from the laser light source 101 and the reference mirror 115 (the Z-axis reference mirror is shown. The same applies to the XY axes).

図14に前記測定装置100の測定点情報決定部の構成を示す。プローブ102には、鉛直方向から任意の方向に傾く事が可能なスタイラス103が取付けられており、スタイラス103の先端(図14では下端)には真球度の高い球体(スタイラス先端球)104が取付けられている。レーザ光源101より発生する測定用レーザ光Lを、反射ミラー91や半透過ミラー92で構成される光学系90を使用して、スタイラス103の基端(図14では上端)に取付けられたミラー105に照射し、反射光Lを光学系90を使用して位置座標測定部108でスタイラス103の相対位置を測長して、スタイラス位置座標データを取得する。また、スタイラス103は外力により支点(回転中心を意味する)を中心として任意方向に傾く事が可能であり、前述の反射光Lの一部を光学系90の半透過ミラー92によりスタイラス傾き角度検出部106に入射させ、スタイラス傾き角度検出部106の表面におけるレーザ光のスポット位置の変位(変位量)からスタイラスの傾きの変化(変化量)を検出する。前記スタイラス傾き角度検出部106に接続されたスタイラス先端変位演算部107においては、スタイラス傾き角度検出部106で検出されたスタイラス103の傾きを用いて、スタイラス103の傾きにより発生するスタイラス先端球104の変位すなわちスタイラス変位量を算出する。前記位置座標測定部108と前記スタイラス先端変位演算部107とに接続された加算部109においては、前記位置座標測定部108で取得された前記スタイラス位置座標データと、前記スタイラス変位演算部107で算出された前記スタイラス変位量を加える事により、スタイラス103の先端の相対位置座標を取得する。 FIG. 14 shows the configuration of the measurement point information determination unit of the measurement apparatus 100. A stylus 103 that can tilt in an arbitrary direction from the vertical direction is attached to the probe 102, and a sphere (stylus tip sphere) 104 having a high sphericity is attached to the tip (lower end in FIG. 14) of the stylus 103. Installed. A mirror attached to the base end (upper end in FIG. 14) of the stylus 103 by using an optical system 90 including a reflection mirror 91 and a semi-transmission mirror 92 for measuring laser light L 1 generated from the laser light source 101. irradiated 105, the reflected light L 2 by measuring the relative position of the stylus 103 in the position coordinate measuring section 108 by using the optical system 90, obtains the stylus position data. Further, the stylus 103 can be tilted in an arbitrary direction around a fulcrum (meaning the center of rotation) by an external force, and a stylus tilt angle of a part of the reflected light L 2 is transmitted by the semi-transmissive mirror 92 of the optical system 90. The light is incident on the detection unit 106, and a change (change amount) in the stylus inclination is detected from the displacement (displacement amount) of the spot position of the laser beam on the surface of the stylus inclination angle detection unit 106. The stylus tip displacement calculator 107 connected to the stylus tilt angle detector 106 uses the tilt of the stylus 103 detected by the stylus tilt angle detector 106 to detect the stylus tip sphere 104 generated by the tilt of the stylus 103. A displacement, that is, a stylus displacement amount is calculated. In the adding unit 109 connected to the position coordinate measuring unit 108 and the stylus tip displacement calculating unit 107, the stylus position coordinate data acquired by the position coordinate measuring unit 108 and the stylus displacement calculating unit 107 are calculated. The relative position coordinates of the tip of the stylus 103 are acquired by adding the stylus displacement amount.

スタイラス103を被測定物200の側面に接触させた際の角度検出方法について図15を参照して以下に示す。図15では理解を容易とするために図14の光学系90の構成にミラー116を追加している。図15は煩雑な表記を避けるためレーザ光軸のみを記述している。スタイラス103が傾いていない場合には、反射光Lの光スポット中心が角度検出部106の中心位置300aに一致する。これに対し、スタイラス103の先端がX軸+方向(図15の右方向)に押された場合は、反射光Lの光スポット中心である反射光Lの照射位置が、中心位置300aから左側に外れた、位置300bに移動する。 An angle detection method when the stylus 103 is brought into contact with the side surface of the DUT 200 will be described below with reference to FIG. In FIG. 15, a mirror 116 is added to the configuration of the optical system 90 of FIG. 14 for easy understanding. FIG. 15 describes only the laser optical axis in order to avoid complicated notation. When the stylus 103 is not inclined, the light spot center of the reflected light L 2 coincides with the center position 300a of the angle detector 106. In contrast, when the tip of the stylus 103 is pressed in the X-axis + direction (right direction in FIG. 15), the irradiation position of a light spot center of the reflected light L 2 reflected light L 2 is, from the center position 300a Move to position 300b, which is off to the left.

同様に、スタイラス103が任意の方向に傾く事により、図16に示すように、その傾きの方向及び大きさに合わせて、反射光Lの光スポット位置が2次元的に変化する。位置301bはX軸+側に向けてスタイラス103を接触させた状態、位置301cはX軸−側に向けてスタイラス103を接触させた状態、位置301dはY軸+側に向けてスタイラス103を接触させた状態、位置301eはY軸−側に向けてスタイラス103を接触させた状態をそれぞれ示している。角度検出部106において、前記光スポット位置の変位量を検出する事により、スタイラス103の傾きを取得する事ができる。角度検出部106には、例えば4分割フォトダイオードや2次元PSDなど、光スポット位置を2次元で検出できるものであれば適用可能である。以降では、角度検出部106に適用されるセンサを総称して「角度検出器」と呼ぶ。 Similarly, by the stylus 103 is inclined in any direction, as shown in FIG. 16, in accordance with the direction and magnitude of the slope, the light spot position of the reflected light L 2 is two-dimensionally varied. Position 301b is a state where the stylus 103 is contacted toward the X axis + side, position 301c is a state where the stylus 103 is contacted toward the X axis − side, and position 301d is a state where the stylus 103 is contacted toward the Y axis + side. The position 301e indicates the state in which the stylus 103 is brought into contact with the Y axis minus side. The angle detector 106 can acquire the inclination of the stylus 103 by detecting the amount of displacement of the light spot position. The angle detection unit 106 is applicable as long as it can detect the light spot position two-dimensionally, such as a four-division photodiode or a two-dimensional PSD. Hereinafter, the sensors applied to the angle detector 106 are collectively referred to as “angle detectors”.

また、従来技術では、測定力を概略一定とするために追従制御が行われる。例えば、図15に示すようにX軸方向のスタイラス103の傾きが概略一定値θとなるようにX軸ステージ112が制御される。この制御は、測定用レーザ光Lが、傾いたスタイラス103の基端にあるミラー105に反射されて、反射光Lが角度検出器106の受光面に照射されるときの、その光スポット中心が受光面の中心から距離Xだけ離れた位置300bの直線上に追従するように制御系を構成する事で実現される。ここで、前記距離Xに相当する、角度検出器106上の目標値Xは、測長座標系におけるスタイラス103の傾き目標値θに対応する。 In the prior art, follow-up control is performed in order to make the measurement force substantially constant. For example, the inclination of the X-axis direction of the stylus 103 as shown in FIG. 15 is the X-axis stage 112 is controlled to a substantially constant value theta x. This control is performed when the measurement laser light L 1 is reflected by the mirror 105 at the base end of the tilted stylus 103 and the reflected light L 2 is irradiated on the light receiving surface of the angle detector 106. center is realized by configuring the control system to follow on a straight line position 300b at a distance X t from the center of the light receiving surface. Here, corresponding to the distance X t, the target value X t on angle detector 106 corresponds to the inclination target value theta x of the stylus 103 in the measuring coordinate system.

以下では、従来技術を用いて、被測定物200の測定面を測定する際の、被測定物200とスタイラス103の位置関係及び角度検出器106と光スポット位置の関係について説明する。   Hereinafter, the positional relationship between the measurement object 200 and the stylus 103 and the relationship between the angle detector 106 and the light spot position when the measurement surface of the measurement object 200 is measured using the conventional technology will be described.

以降の説明を容易にするため、簡易的な表記を図19A及び図19Bに示す。図19Aは被測定物200にスタイラス103を押込み量が目標値120となるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図、図19Bはスタイラス103の傾きに対する角度検出器106と光スポット中心302及び制御目標値119を示している。図19Aの上面図においては、被測定物200、スタイラス103の支点117及び接触点118のみを三角形の印及び星印でそれぞれ示し、スタイラス103については省略している。以下では、図19Aの上面図及び図19Bの表記を用いて説明を行う。   In order to facilitate the following description, simple notations are shown in FIGS. 19A and 19B. FIG. 19A is an explanatory view including a top view and a front view of a state in which the stylus 103 is brought into contact with the object to be measured 200 so that the pushing amount becomes the target value 120, and FIG. The light spot center 302 and the control target value 119 are shown. In the top view of FIG. 19A, only the object 200 to be measured, the fulcrum 117 and the contact point 118 of the stylus 103 are indicated by a triangular mark and a star mark, respectively, and the stylus 103 is omitted. Hereinafter, description will be made using the top view of FIG. 19A and the notation of FIG. 19B.

スタイラス103を被測定物200のX軸+側に概略一定の測定力で接触させつつ、Y軸方向に走査するときのスタイラス103の支点117及び接触点118の位置関係を図20A〜図20Fに示す。図20A〜図20Cは、スタイラス103がY軸方向に対して静止している状態からY軸+側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図20D〜図20Fはスタイラス103がY軸方向に対して静止している状態からY軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。また、図20A〜図20Fにおいて上側の図は被測定物200とスタイラス103が接触する際のスタイラス103の支点117と接触点118の位置関係を示しており、下側の図は角度検出器106における光スポット中心300a〜303fの位置関係を示している。   20A to 20F show the positional relationship between the fulcrum 117 and the contact point 118 of the stylus 103 when scanning in the Y-axis direction while bringing the stylus 103 into contact with the X-axis + side of the DUT 200 with a substantially constant measurement force. Show. 20A to 20C show a state from the state in which the stylus 103 is stationary with respect to the Y-axis direction until the stylus 103 starts to move relative to the Y-axis + side. FIGS. 20D to 20F show the stylus 103 in the Y-axis direction. This shows a state from a state where it is stationary with respect to the direction until it starts to move relative to the Y-axis minus side. 20A to 20F, the upper diagram shows the positional relationship between the fulcrum 117 of the stylus 103 and the contact point 118 when the DUT 200 and the stylus 103 contact each other, and the lower diagram shows the angle detector 106. 2 shows the positional relationship between the light spot centers 300a to 303f.

スタイラス103がY軸方向に静止している図20Aの状態では、スタイラス103の支点117と接触点118を結ぶベクトルはX軸に平行となり、スタイラス103にはY軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス103がY軸+方向に移動し始めた瞬間の状態である図20Bの状態では、被測定物200からの抗力がスタイラス103の接触点118に働くため、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス103の傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス103の接触点118がその場に留まろうとするため、スタイラス103の支点117のみがY軸+方向へ変位する事になる。そして、スタイラス103の支点117と接触点118のY軸方向の相対距離が大きくなり、スタイラス103の傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス103の接触点118が移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図20Cに示す。動摩擦力≦静摩擦力となるため、X軸方向のスタイラス103の傾きが一定である場合には、接触点118が一度移動し始めた後は、スタイラス103の支点117と接触点118のY軸方向の相対距離が一定となるようにスタイラス103が傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器106と光スポット中心の位置関係が図20Cの下側の図に示すようになる。スタイラス103がY軸−側に走査するときの状態の推移を示す図20D〜図20Fについては、前述の内容と同様に説明できるため省略する。   In the state of FIG. 20A where the stylus 103 is stationary in the Y-axis direction, the vector connecting the fulcrum 117 of the stylus 103 and the contact point 118 is parallel to the X-axis, and the stylus 103 does not tilt in the Y-axis direction. Next, in the state of FIG. 20B, which is the state at the moment when the stylus 103 starts to move in the Y-axis + direction, the drag from the DUT 200 acts on the contact point 118 of the stylus 103, so that friction is generated in the scanning direction. Force is generated. When the static frictional force is larger than the moment in the tilt direction of the stylus 103, the contact point 118 of the stylus 103 tends to stay in place, so that only the fulcrum 117 of the stylus 103 is displaced in the Y axis + direction. . The contact point 118 of the stylus 103 begins to move at the moment when the relative distance between the fulcrum 117 of the stylus 103 and the contact point 118 increases in the Y-axis direction, and the moment in the tilt direction of the stylus 103 becomes greater than the static friction force. Switching from static friction force to dynamic friction force. This state is shown in FIG. 20C. Since dynamic friction force ≦ static friction force, when the inclination of the stylus 103 in the X-axis direction is constant, after the contact point 118 starts to move once, the fulcrum 117 of the stylus 103 and the Y-axis direction of the contact point 118 The stylus 103 is tilted and moved so that the relative distance is constant. At this time, the positional relationship between the angle detector 106 and the light spot center is as shown in the lower diagram of FIG. 20C. 20D to 20F showing the transition of the state when the stylus 103 scans in the Y axis-side can be described in the same manner as described above, and thus are omitted.

最後に、被測定物200の側面にスタイラス103を接触させ、スタイラス103が任意の方向に傾いた状態において被測定物200とスタイラス103の接触点118の座標値を取得する技術について説明する。   Finally, a technique will be described in which the stylus 103 is brought into contact with the side surface of the device under test 200 and the coordinate value of the contact point 118 between the device under test 200 and the stylus 103 is acquired in a state where the stylus 103 is tilted in an arbitrary direction.

まず、簡単のため、図17Aに示すように被測定物200にスタイラス103を接触させて測定する際に、スタイラス103を傾かせないで測定できるものと仮定する。この仮定においては、従来の3次元測定技術によりスタイラス先端位置の相対位置座標(X,Y,Z)が取得できる。   First, for the sake of simplicity, it is assumed that measurement can be performed without tilting the stylus 103 when the measurement is performed with the stylus 103 in contact with the DUT 200 as shown in FIG. 17A. Under this assumption, the relative position coordinates (X, Y, Z) of the stylus tip position can be acquired by a conventional three-dimensional measurement technique.

次に、図17B〜図17Dに示すように、スタイラス103が、図17Aの支点117を中心として鉛直方向より傾いて測定された場合を仮定する。ここでは、スタイラス103の鉛直方向に対するX軸上の傾きθとY軸上の傾きθは、誤差を含むことなく検出できると仮定する。前述と同様に、スタイラス103が傾いていないと仮定した場合のスタイラス103の先端位置104aの相対位置座標(X,Y,Z)が、従来の3次元測定技術により取得できる。以下では、スタイラス103が傾いていないと仮定した場合のスタイラス103の先端球104の中心の座標値(X,Y,Z)を、「相対位置座標データ」と呼ぶ。 Next, as shown in FIGS. 17B to 17D, it is assumed that the stylus 103 is measured tilted from the vertical direction around the fulcrum 117 of FIG. 17A. Here, it is assumed that the inclination θ x on the X axis and the inclination θ y on the Y axis with respect to the vertical direction of the stylus 103 can be detected without including an error. As described above, the relative position coordinates (X, Y, Z) of the tip position 104a of the stylus 103 when it is assumed that the stylus 103 is not tilted can be acquired by a conventional three-dimensional measurement technique. Hereinafter, the coordinate value (X, Y, Z) of the center of the tip sphere 104 of the stylus 103 when it is assumed that the stylus 103 is not inclined is referred to as “relative position coordinate data”.

実際には、スタイラス103が傾いているため、前記相対位置座標データ(X,Y,Z)は、被測定物200とスタイラス103の接触点104bの座標値(X’,Y’,Z’)を示すものではない事がわかる。なお、以下では前記接触点の座標値(X’,Y’,Z’)を「接触点位置座標データ」と呼ぶ。このため、相対位置座標データ(X,Y,Z)とスタイラス103の傾きデータ(θ,θ)を用いて、接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を求めることが必要となる。なお、スタイラス103と被測定物200の接触点118とは、スタイラス103と被測定物200が接触した状態におけるスタイラス先端球104の中心点を指す。スタイラス103が鉛直方向に静止していた初期状態より(θ,θ)だけ傾くと、スタイラス103の先端は初期位置(X,Y,Z)よりも下記の計算式(数1)で得られる(δ,δ,δ)だけ変位することになる。 Actually, since the stylus 103 is tilted, the relative position coordinate data (X, Y, Z) is the coordinate value (X ′, Y ′, Z ′) of the contact point 104b between the DUT 200 and the stylus 103. It turns out that it is not what shows. Hereinafter, the coordinate values (X ′, Y ′, Z ′) of the contact point are referred to as “contact point position coordinate data”. Therefore, the contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) is obtained using the relative position coordinate data (X, Y, Z) and the inclination data (θ x , θ y ) of the stylus 103. Necessary. The contact point 118 between the stylus 103 and the device under test 200 refers to the center point of the stylus tip sphere 104 in a state where the stylus 103 and the device under test 200 are in contact. When the stylus 103 is tilted by (θ x , θ y ) from the initial state where the stylus 103 is stationary in the vertical direction, the tip of the stylus 103 is obtained from the initial position (X, Y, Z) by the following formula (Equation 1). (Δ x , δ y , δ z ).

Figure 2008304413
Figure 2008304413

上式において、変数Lはスタイラス103の支点117からスタイラス先端球104の中心までの長さを表す。以上より、相対位置座標データ(X,Y,Z)にスタイラス103の傾きによるスタイラス先端の変位量(δ,δ,δ)を加える事により、接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)が求まる。 In the above equation, the variable L represents the length from the fulcrum 117 of the stylus 103 to the center of the stylus tip sphere 104. As described above, by adding the displacement (δ x , δ y , δ z ) of the stylus tip due to the inclination of the stylus 103 to the relative position coordinate data (X, Y, Z), the contact point position coordinate data (X ′, Y ', Z') is obtained.

特開2006−284410号公報JP 2006-284410 A

特許文献1に開示されている技術は、スタイラス103の基端のミラー105から反射されたレーザ光Lを角度検出器106に照射することによりスタイラス103の傾きが期待通りに求まる事を前提としたものであるが、サブミクロンの測定精度を実現するためには、測長座標系と角度検出器106の成す角度(以下、「取付角度誤差」と呼ぶ)が無視できない課題となる。以降では、この課題について説明する。 Technique disclosed in Patent Document 1, a premise by irradiating a laser beam L 2 reflected from the mirror 105 of the base end of the stylus 103 in the angle detector 106 is the inclination of the stylus 103 that determined the expected However, in order to realize submicron measurement accuracy, the angle formed by the length measurement coordinate system and the angle detector 106 (hereinafter referred to as “mounting angle error”) is a problem that cannot be ignored. Hereinafter, this problem will be described.

前述のとおり、接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を高精度に求める際には、測長座標系における高精度な相対位置座標データ(X,Y,Z)と測長座標系におけるスタイラス103の高精度な傾きデータ(θ,θ)が必要となる。特許文献1で使用されているように測長座標系におけるスタイラス103の傾き(θ,θ)を角度検出器106上で光スポット位置の変位量から算出するためには、図15に示すように角度検出器106の座標軸θ、θが測長座標系に平行となる事が必要となる。しかし、実際には、図18に示すように角度検出器106の座標軸θ、θは測長座標系に対して平行になるとは限らず、角度検出器106の原点を中心に回転して角度検出器106が測長座標系に取付けられることになる。このため、この角度検出器106から検出されるスタイラス103の傾き(θx’,θy’)と、本来求めるべき測長座標系におけるスタイラス103の傾き(θ,θ)が一致しない事は明らかである。また、測長座標系が光学的に構成される事を考慮すると、測長座標系に対して角度検出器106の取付角度を調整する事は非常に困難となる。 As described above, when the contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) is obtained with high accuracy, the relative position coordinate data (X, Y, Z) with high accuracy in the length measurement coordinate system and the length measurement are used. Highly accurate tilt data (θ x , θ y ) of the stylus 103 in the coordinate system is required. In order to calculate the inclination (θ x , θ y ) of the stylus 103 in the length measurement coordinate system from the displacement amount of the light spot position on the angle detector 106 as used in Patent Document 1, FIG. As described above, the coordinate axes θ x and θ y of the angle detector 106 need to be parallel to the length measurement coordinate system. However, actually, as shown in FIG. 18, the coordinate axes θ x and θ y of the angle detector 106 are not necessarily parallel to the length measurement coordinate system, and rotate around the origin of the angle detector 106. The angle detector 106 is attached to the length measurement coordinate system. Therefore, the inclination of the stylus 103 detected from the angle detector 106 (θ x ', θ y ') and the inclination of the stylus 103 in the measuring coordinate system to be obtained originally (θ x, θ y) be not match Is clear. Also, considering that the length measurement coordinate system is optically configured, it is very difficult to adjust the mounting angle of the angle detector 106 with respect to the length measurement coordinate system.

次に、図17B〜図17Dを例として被測定物200とスタイラス103との接触点104bを取得する際の角度検出器106の取付角度誤差の影響について説明する。スタイラス103が被測定物200に接触している状態において、測長座標系におけるスタイラス103の傾きが(θ,θ)であるとする。 Next, the influence of the mounting angle error of the angle detector 106 when acquiring the contact point 104b between the DUT 200 and the stylus 103 will be described with reference to FIGS. 17B to 17D as examples. It is assumed that the inclination of the stylus 103 in the measurement coordinate system is (θ x , θ y ) in a state where the stylus 103 is in contact with the DUT 200.

今、角度検出器106が測長座標系に対して角度γだけ誤差(取付角度誤差)を含んで取付られているとする。このとき、角度検出器106から検出された傾きデータ(θx’,θy’)は、測長座標系におけるスタイラス103の傾き(θ,θ)に対して下記の(数2)の式の関係となる。 Now, it is assumed that the angle detector 106 is attached with an error (attachment angle error) by an angle γ with respect to the length measurement coordinate system. At this time, the inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) detected from the angle detector 106 is expressed by the following (Equation 2) with respect to the inclination (θ x , θ y ) of the stylus 103 in the length measurement coordinate system. It becomes relation of expression.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

また、(θx’,θy’)から推定されるスタイラス103の先端の変位量(δx’,δy’,δz’)は下式((数3)の式)となる。 Further, the displacement amount (δ x ′ , δ y ′ , δ z ′ ) of the tip of the stylus 103 estimated from (θ x ′ , θ y ) is expressed by the following equation (equation (Equation 3)).

Figure 2008304413
Figure 2008304413

つまり、相対位置座標データ(X,Y,Z)から接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を求める際に、本来のスタイラス103の傾き(θ,θ)を用いる場合と角度検出器106から検出された傾きデータ(θx’,θy’)を用いる場合において、(δx’−δ,δ−δy’,δ−δz’)の誤差が、生じる事がわかる。 That is, when the inclination (θ x , θ y ) of the original stylus 103 is used when obtaining the contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) from the relative position coordinate data (X, Y, Z). And the inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) detected from the angle detector 106, the error of (δ x ′ −δ x , δ y −δ y ′ , δ z −δ z ′ ) is I can see what happens.

前述の誤差は、例えば、スタイラス103の長さL=20mm、角度検出器106の取付角度誤差γ=1°とし、被測定物200にスタイラス103を押込む量をδ=10μmとし、δ=0μmとするときには、δx’=9.998μm,δy’=0.175μmとなり、サブミクロンの測定精度を得るためには無視できない事が明らかである。 For example, the length L of the stylus 103 is 20 mm, the mounting angle error γ of the angle detector 106 is = 1 °, the amount of pushing the stylus 103 into the DUT 200 is δ x = 10 μm, and δ y When = 0 μm, δ x ′ = 9.998 μm and δ y ′ = 0.175 μm, and it is apparent that it cannot be ignored in order to obtain submicron measurement accuracy.

次に、角度検出器106が取付角度誤差γを持つ場合において、従来技術を用いて、測定力を概略一定にする追従制御について説明する。   Next, a description will be given of the follow-up control for making the measurement force substantially constant using the conventional technique when the angle detector 106 has the mounting angle error γ.

図18は、角度検出器106が取付角度誤差γのズレを含んでいる状態を示している。前述と同様に、角度検出器106の目標位置119に光スポット中心300cを位置合わせするようにX軸ステージ112を制御する。このとき、角度検出器106が取付角度誤差γだけ傾いているため、スタイラス103の傾きは本来の目標角度θではなく、少しずれた角度θx’で概略一定となるような制御結果となる。 FIG. 18 shows a state in which the angle detector 106 includes a deviation of the mounting angle error γ. As described above, the X-axis stage 112 is controlled so that the light spot center 300c is aligned with the target position 119 of the angle detector 106. At this time, since the angle detector 106 is inclined by the mounting angle error γ, the control result is such that the inclination of the stylus 103 becomes substantially constant not at the original target angle θ x but at the slightly shifted angle θ x ′. .

この追従制御を行いつつ、スタイラス103を被測定物200に対して相対的にY軸上を走査するときの、スタイラス103の支点117と接触点118の位置関係及び、角度検出器106と光スポット中心304a〜304hの位置関係を図21A〜図21Hに示す。   While performing this follow-up control, the positional relationship between the fulcrum 117 and the contact point 118 of the stylus 103 and the angle detector 106 and the light spot when the stylus 103 is scanned on the Y axis relative to the object 200 to be measured. The positional relationship between the centers 304a to 304h is shown in FIGS. 21A to 21H.

図21A〜図21Dは、スタイラス103がY軸方向に対して静止している状態からY軸+側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図21E〜図21Hはスタイラス103がY軸方向に対して静止している状態からY軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。スタイラス103がY軸方向に静止している図21Aの状態では、スタイラス103の支点117と接触点118を結ぶベクトルはX軸に平行となり、スタイラス103にY軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス103がY軸+方向に移動し始めた瞬間の状態を図21Bに示す。被測定物200からの抗力がスタイラス103の接触点118に働き、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス103の傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス103の接触点118がその場に留まろうとするため、スタイラス103の支点117のみがY軸+方向へ変位し、結果的にスタイラス103がY軸方向にも傾くことになる。このとき、Y軸方向の光スポットが変位する。ところが、角度検出器106の取付角度誤差が含まれる事により、角度検出器106上のX軸方向の制御目標位置119からの誤差が発生する。このとき、図21Cに示すように、X軸方向の追従制御により、角度検出器106の目標位置へ追従するため、X軸方向のスタイラス103の支点117が、スタイラス103の押込みを減らす方向に移動する。スタイラス103の傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス103の接触点118が移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図21Dに示す。接触点118が一度移動し始めた後は、スタイラス103の支点117と接触点118のY軸方向の相対距離が一定となるように、傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器106と光スポット中心の位置関係が図21Dの下側の図に示すようになる。スタイラス103がY軸方向に静止している状態からY軸−側に走査するときの状態の推移を示す図21E〜図21Hについては、前述の内容と基本的に同様であるが、Y軸方向の走査による摩擦力の発生方向が逆転するため、スタイラス103の支点117が、スタイラス103をより押込ませる方向に変位する事になる。   21A to 21D show a state from the state where the stylus 103 is stationary with respect to the Y-axis direction until the stylus 103 starts to move relative to the Y-axis + side, and FIGS. 21E to 21H show the stylus 103 as the Y-axis. This shows a state from a state where it is stationary with respect to the direction until it starts to move relative to the Y-axis minus side. In the state of FIG. 21A in which the stylus 103 is stationary in the Y-axis direction, the vector connecting the fulcrum 117 of the stylus 103 and the contact point 118 is parallel to the X-axis, and the stylus 103 does not tilt in the Y-axis direction. Next, FIG. 21B shows a state at the moment when the stylus 103 starts to move in the Y axis + direction. Drag from the DUT 200 acts on the contact point 118 of the stylus 103 to generate a frictional force in the scanning direction. When the static friction force is greater than the moment of inclination of the stylus 103, the contact point 118 of the stylus 103 tries to stay in place, so that only the fulcrum 117 of the stylus 103 is displaced in the Y axis + direction. In addition, the stylus 103 is also inclined in the Y-axis direction. At this time, the light spot in the Y-axis direction is displaced. However, since the mounting angle error of the angle detector 106 is included, an error from the control target position 119 in the X-axis direction on the angle detector 106 occurs. At this time, as shown in FIG. 21C, the fulcrum 117 of the stylus 103 in the X-axis direction moves in a direction to reduce the pushing of the stylus 103 in order to follow the target position of the angle detector 106 by the follow-up control in the X-axis direction. To do. At the moment when the moment in the tilt direction of the stylus 103 becomes larger than the static friction force, the contact point 118 of the stylus 103 starts to move, and the static friction force is switched to the dynamic friction force. This state is shown in FIG. 21D. After the contact point 118 starts to move once, the contact point 118 is inclined and moved so that the relative distance between the fulcrum 117 of the stylus 103 and the contact point 118 in the Y-axis direction is constant. At this time, the positional relationship between the angle detector 106 and the light spot center is as shown in the lower diagram of FIG. 21D. FIGS. 21E to 21H showing the transition of the state when the stylus 103 is stationary in the Y-axis direction to scan in the Y-axis direction are basically the same as those described above. Since the generation direction of the frictional force due to the scanning is reversed, the fulcrum 117 of the stylus 103 is displaced in a direction in which the stylus 103 is pushed further.

前述の現象が測定結果に与える影響を説明する。被測定物200の測定面をスタイラス103がY軸+方向に走査して、少なくとも2箇所以上で取得した第1相対位置座標データ(X,Y,Z)と第1傾きデータ(θ,θ)と、前記測定位置と概略一致する位置をスタイラス103がY軸−方向に走査して、少なくとも2箇所以上で取得した第2相対位置座標データ(X,Y,Z)と第2傾きデータ(θ,θ)とを用いて、スタイラス103のY軸+方向走査時の被測定物200とスタイラス103の接触点位置座標データと、スタイラス103のY軸−方向走査時の被測定物200とスタイラス103の接触点位置座標データとを算出した結果を図22に示す。図22において、被測定物200に対するY軸+方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ121aとY軸−方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ121bは一致しない。 The influence of the above phenomenon on the measurement result will be described. The first relative position coordinate data (X, Y, Z) and the first inclination data (θ x , θ) acquired at least at two or more locations when the stylus 103 scans the measurement surface of the DUT 200 in the Y axis + direction. y ) and the second relative position coordinate data (X, Y, Z) and the second inclination data acquired by scanning the stylus 103 in the Y-axis direction in the Y axis-direction at a position that roughly matches the measurement position. Using (θ x , θ y ), contact point position coordinate data of the object 200 and the stylus 103 when the stylus 103 scans in the Y axis + direction, and an object to be measured when the stylus 103 scans in the Y axis direction. FIG. 22 shows the result of calculating the contact point position coordinate data of 200 and the stylus 103. In FIG. 22, the contact point position coordinate data 121a that is the contact point estimation result at the time of scanning in the Y-axis + direction with respect to the object to be measured 200 matches the contact point position coordinate data 121b that is the result of contact point estimation at the time of scanning in the Y-axis-direction. do not do.

これは、角度検出器106の取付角度誤差に起因する測定誤差であり、スタイラス103が測長座標系のX軸、Y軸方向に傾いているにも関わらず、測長座標系に対して傾いている角度検出器106の検出結果を用いて接触点を算出した結果に他ならない。   This is a measurement error caused by the mounting angle error of the angle detector 106, and the stylus 103 is tilted with respect to the length measurement coordinate system even though it is tilted in the X axis and Y axis directions of the length measurement coordinate system. This is nothing but the result of calculating the contact point using the detection result of the angle detector 106.

本発明の目的は、前記の課題を解決すべく、スタイラスの傾きを検出する角度検出器の取付角度誤差を容易に補正することができて、スタイラスの傾きを高精度に検出して相対位置座標データからスタイラスの接触点を高精度で求めて被測定物の被測定面の形状を高精度で測定するための形状測定方法を提供することにある。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems by easily correcting the mounting angle error of the angle detector that detects the stylus inclination, and detecting the stylus inclination with high accuracy to detect the relative position coordinates. An object of the present invention is to provide a shape measuring method for obtaining a contact point of a stylus from data with high accuracy and measuring the shape of a surface to be measured with high accuracy.

前記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.

本発明の第1態様によれば、被測定物の被測定面にスタイラスを接触させて、前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を移動させる移動装置を制御装置により制御することにより、測定力が概略一定となるように前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を制御しつつ、前記被測定物に対する前記スタイラスの前記測定力の作用方向に概略直交する方向の相対位置を移動させて前記スタイラスの相対位置座標を位置座標測定部で測定するとともに、レーザ光の光スポット位置変位量を角度検出器で検出する事により前記スタイラスの傾きをスタイラス傾き角度検出部で求め、前記求められた傾きにより、前記スタイラスが傾く事によるスタイラス先端の変位量をスタイラス先端変位演算部で算出し、前記相対位置座標に前記スタイラス先端の変位量を加える事により前記被測定物と前記スタイラスの接触点を加算部で算出する形状測定方法において、
校正に用いる被測定物と前記スタイラスの相対位置を第1の方向に移動させて少なくとも2箇所以上の位置で前記スタイラスの第1相対位置座標データ及び第1傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を前記第1の方向と相反する第2の方向に移動させて前記第1相対位置座標データ及び第1傾きデータを取得した位置と概略一致する位置で前記スタイラスの第2相対位置座標データ及び第2傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
前記第1相対位置座標データ及び前記第1傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第1接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第2相対位置座標データ及び前記第2傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第2接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データを比較して前記光スポット位置変位量を検出する前記角度検出器の取付角度誤差γをγ校正部で校正し、
任意の被測定物と前記スタイラスの相対位置を任意の方向に移動させて前記スタイラスの第3相対位置座標データ及び第3傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、前記第3傾きデータに含まれる前記角度検出器の取付角度誤差γによる誤差をスタイラス先端変位演算部で補正する事により第3傾き補正データを算出し、
前記スタイラスの前記第3相対位置座標データ及び前記第3傾き補正データから、前記被測定物と前記スタイラスの前記第3接触点位置座標データを前記加算部で算出して、前記被測定物の形状を測定する事を特徴とする形状測定方法を提供する。
According to the first aspect of the present invention, the measuring force is controlled by controlling the moving device that moves the relative position between the object to be measured and the stylus by bringing the stylus into contact with the surface to be measured of the object to be measured. While controlling the relative position of the object to be measured and the stylus so as to be substantially constant, the relative position of the stylus with respect to the object to be measured is moved in the direction substantially perpendicular to the direction of the measurement force acting on the stylus. The relative position coordinates of the laser beam are measured by the position coordinate measuring unit, and the light spot position displacement amount of the laser light is detected by the angle detector, thereby obtaining the stylus tilt by the stylus tilt angle detecting unit, and by the obtained tilt. The amount of displacement of the stylus tip due to the tilt of the stylus is calculated by a stylus tip displacement calculation unit, and the stylus tip is converted into the relative position coordinate. In the shape measuring method of calculating the contact point of the said object to be measured stylus by an adder by adding the amount of displacement,
The relative position between the object to be measured used for calibration and the stylus is moved in the first direction, and the first relative position coordinate data and the first inclination data of the stylus are transferred to the position coordinate measuring unit and the position at at least two positions. Obtained by each angle detector,
The relative position between the object to be measured and the stylus is moved in a second direction opposite to the first direction, and the position approximately coincides with the position where the first relative position coordinate data and the first inclination data are acquired. The second relative position coordinate data and the second inclination data of the stylus are respectively determined by the position coordinate measurement unit and the angle detection unit,
Calculating the first contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the first relative position coordinate data and the first inclination data by the adding unit;
The addition unit calculates second contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the second relative position coordinate data and the second inclination data,
The first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data are compared to calibrate the mounting angle error γ of the angle detector that detects the light spot position displacement amount by a γ calibration unit,
The relative position between an arbitrary object to be measured and the stylus is moved in an arbitrary direction to obtain third relative position coordinate data and third inclination data of the stylus by the position coordinate measurement unit and the angle detection unit, respectively. The third inclination correction data is calculated by correcting the error due to the mounting angle error γ of the angle detector included in the third inclination data by the stylus tip displacement calculation unit,
From the third relative position coordinate data of the stylus and the third inclination correction data, the third contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus is calculated by the adding unit, and the shape of the object to be measured is calculated. A shape measuring method characterized by measuring

本発明の第2態様によれば、前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作において、
前記第1傾きデータを光スポット位置変位量が検出される座標系の原点を中心に任意の角度γ’だけ座標変換することにより第1傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
前記第2傾きデータを前記座標系の原点を中心に前記角度γ’だけ座標変換することにより第2傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
前記第1相対位置座標データ及び第1傾き補正データから前記被測定物と前記スタイラスの第1接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第2相対位置座標データ及び第2傾き補正データから被測定物とスタイラスの第2接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データの差が事前に決定された判定値よりも小さくなる角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作を行なう事を特徴とする第1態様に記載の形状測定方法を提供する。
According to the second aspect of the present invention, in the operation of calibrating the mounting angle error γ of the angle detector,
The first tilt correction data is calculated by the stylus tip displacement calculation unit by transforming the first tilt data by an arbitrary angle γ ′ around the origin of the coordinate system where the light spot position displacement is detected,
The second tilt correction data is calculated by the stylus tip displacement calculation unit by transforming the second tilt data by the angle γ ′ around the origin of the coordinate system,
Calculating the first contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the first relative position coordinate data and the first inclination correction data by the adding unit;
Calculating the second contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the second relative position coordinate data and the second inclination correction data,
By repeating these series of operations while changing the value of the angle γ ′, the difference between the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data is smaller than a predetermined determination value. An angle γ ′ is calculated by the γ calibration unit, and an operation for calibrating the mounting angle error γ of the angle detector is performed.

本発明の第3態様によれば、前記校正に用いる被測定物を既知形状物とし、前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データの差を用いて前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作の代わりに、
前記第1接触点位置データと前記既知形状物を表す既知形状データを比較し第1誤差データを比較部で算出し、
前記第2接触点位置データと前記既知形状データを比較し第2誤差データを前記比較部で算出し、
これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第1誤差データと前記第2誤差データが共に事前に決定された判定値よりも小さくなる角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γをとして校正する動作を行なう事を特徴とする第2態様に記載の形状測定方法を提供する。
According to the third aspect of the present invention, the object to be measured used for the calibration is a known shape object, and the difference between the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data is used. Instead of calibrating the mounting angle error γ,
Comparing the first contact point position data with the known shape data representing the known shape object, and calculating the first error data in the comparison unit;
The second contact point position data and the known shape data are compared and second error data is calculated by the comparison unit,
By repeating these series of operations while changing the value of the angle γ ′, an angle γ ′ in which both the first error data and the second error data are smaller than a predetermined determination value is set to the γ There is provided a shape measuring method according to the second aspect, characterized in that an operation of calibrating is performed by using a calibrating unit and calibrating with the mounting angle error γ of the angle detector.

前述のように第1接触点位置座標データと第2接触点位置座標データを直接比較する場合においては、被測定物の形状が既知である必要がなくなるため、未知形状の被測定物を用いる事も可能である。   As described above, when the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data are directly compared, it is not necessary to know the shape of the object to be measured. Is also possible.

前記角度検出器の取付角度誤差を校正する際に用いる条件判定値は、入力装置から測定者が事前に入力する事も可能である。   The condition determination value used when calibrating the mounting angle error of the angle detector can be input in advance by the measurer from the input device.

前記角度検出器の取付角度誤差を校正するとき、第1の方向へ走査する測定と第2の方向へ走査する測定を連続する事で実現される往復測定により相対位置座標データと傾きデータを取得し、前記相対位置座標データと傾きデータを、第1の方向の第1相対位置座標データと第1傾きデータ及び第2の方向の第2相対位置座標データと第2傾きデータに分離した後に、前記測定方法で使用することも可能である。   When calibrating the mounting angle error of the angle detector, the relative position coordinate data and the tilt data are obtained by the reciprocating measurement realized by continuously performing the measurement scanning in the first direction and the measurement scanning in the second direction. And separating the relative position coordinate data and inclination data into first relative position coordinate data and first inclination data in a first direction, and second relative position coordinate data and second inclination data in a second direction, It can also be used in the measurement method.

また、前記測定範囲は被測定物の側面全周を第1の方向に1周測定して得られる第1相対位置座標データと第1傾きデータ及び第2の方向に1周測定して得られる第2相対位置座標データと第2傾きデータを用いて、前記測定方法で使用することも可能である。   The measurement range can be obtained by measuring the first relative position coordinate data and the first inclination data obtained by measuring the entire circumference of the side surface of the object to be measured in the first direction, and making one measurement in the second direction. The second relative position coordinate data and the second inclination data can be used in the measurement method.

また、前記測定範囲は被測定物の側面全周を第1の方向に2周以上測定して得られる第1相対位置座標データと第1傾きデータ及び第2の方向に2周以上測定して得られる第2相対位置座標データと第2傾きデータを用いて、前記測定方法で使用する事で信頼性を向上させることも可能である。   In addition, the measurement range is obtained by measuring the first relative position coordinate data and the first inclination data obtained by measuring the entire circumference of the object to be measured two or more times in the first direction and two or more turns in the second direction. The reliability can be improved by using the obtained second relative position coordinate data and second inclination data and using the second relative position coordinate data and the second inclination data.

また、角度検出器の取付角度誤差は、入力装置から測定者が判断した適切な値を入力する事も可能である。   In addition, an appropriate value determined by the measurer can be input from the input device as the mounting angle error of the angle detector.

また、角度検出器の取付角度誤差は、角度検出器の取付調整を行わない限り不変であるため、一度、前記測定方法により算出した取付角度誤差を保持しておく事で、校正後の任意の測定でその値を使用する事も可能である。ただし、角度検出器が取付られている3次元形状測定装置の筐体が温度変化等による経時変化を発生している事も考えられるため、定期的な校正を行う事が好ましい。   In addition, since the mounting angle error of the angle detector is not changed unless the mounting adjustment of the angle detector is performed, once the mounting angle error calculated by the measurement method is held, any post-calibration arbitrary error can be obtained. It is also possible to use that value in the measurement. However, since it is possible that the housing of the three-dimensional shape measuring apparatus to which the angle detector is attached has changed over time due to a temperature change or the like, it is preferable to perform periodic calibration.

本発明の測定方法によれば、角度検出器の取付角度誤差を容易に校正することができ、前記角度検出器の取付角度誤差による測定誤差を低減させる事が可能となる。また、測長座標系が光学系により構成されている場合において困難となる角度調整基準を設ける事についても、角度検出器が測長座標系に対してどの程度傾いているかを数値的に示す事が可能となるため、相対的な角度を用いた調整が可能となり角度調整基準を設ける事が容易となる。また、角度検出器の取付角度を繰返して調整する事も不要となる。   According to the measurement method of the present invention, the mounting angle error of the angle detector can be easily calibrated, and the measurement error due to the mounting angle error of the angle detector can be reduced. In addition, regarding the provision of an angle adjustment reference that becomes difficult when the length measurement coordinate system is composed of an optical system, numerically indicate how much the angle detector is inclined with respect to the length measurement coordinate system. Therefore, adjustment using a relative angle becomes possible, and it becomes easy to provide an angle adjustment reference. Further, it is not necessary to repeatedly adjust the mounting angle of the angle detector.

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の一実施形態にかかる3次元形状測定方法を実施可能な3次元形状測定装置は、特許文献1に記載の3次元形状測定装置を改良したものであって、基本的な構造及び動作は当該特許文献1に記載の3次元形状測定装置と類似するため、簡単にそれらの説明を行なったのち、前記実施形態にかかる3次元形状測定方法について説明する。   A three-dimensional shape measuring apparatus capable of performing a three-dimensional shape measuring method according to an embodiment of the present invention is an improvement of the three-dimensional shape measuring apparatus described in Patent Document 1, and has a basic structure and operation. Since it is similar to the three-dimensional shape measuring apparatus described in Patent Document 1, the three-dimensional shape measuring method according to the embodiment will be described after briefly describing them.

図1に、本発明の前記実施形態にかかる3次元形状測定方法を実施可能な3次元形状測定装置100Gの構成を示す。   FIG. 1 shows a configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus 100G capable of performing the three-dimensional shape measuring method according to the embodiment of the present invention.

前記3次元形状測定装置100Gは、従来、精度良く測定できなかった穴や外形、任意形状の側面形状をナノメートルオーダーの高い精度で、さらに低測定力で短時間で測定可能とする装置である。測定対象物としては、例えば、極めて高精度が必要とされるモータの軸受け、インクジェットプリンタにおけるノズル、及び自動車エンジンにおける燃料噴射ノズル等における穴形状であり、又、流体軸受けに形成され潤滑剤を収容する溝部の形状、さらには、3次元形状測定装置に備わるマイクロエアスライドの内径、円筒度等である。又、半導体回路パターンにおけるトレンチ部分も測定対象に含めることができる。又、前記3次元形状測定装置用プローブを備えた3次元形状測定装置にて測定可能な被測定面は、該被測定面における接線方向と垂直方向との交差角度θにて0度から最大で約30度までの間の角度にてなる面である。   The three-dimensional shape measuring device 100G is a device that can measure holes, outer shapes, and arbitrary side shapes that have not been measured with high accuracy in the past with high accuracy on the order of nanometers and with low measuring force in a short time. . The object to be measured is, for example, a hole shape in a motor bearing, an ink jet printer nozzle, a fuel injection nozzle in an automobile engine, etc. that require extremely high precision, and is formed in a fluid bearing and contains a lubricant. The shape of the groove portion to be formed, the inner diameter of the micro air slide provided in the three-dimensional shape measuring apparatus, the cylindricity, and the like. Moreover, the trench part in a semiconductor circuit pattern can also be included in a measuring object. The surface to be measured that can be measured by the three-dimensional shape measuring apparatus provided with the probe for the three-dimensional shape measuring apparatus is from 0 degree to the maximum at the intersection angle θ between the tangential direction and the vertical direction on the surface to be measured. A surface having an angle of up to about 30 degrees.

図2Aに前記3次元測定装置100Gの測定点情報決定部80Gの構成を示す。   FIG. 2A shows a configuration of the measurement point information determination unit 80G of the three-dimensional measurement apparatus 100G.

まず、3次元形状測定装置用プローブ102Gについて説明する。図1に示す3次元形状測定装置用プローブ102Gは、前記3次元形状測定装置100Gに備わりかつ測定対象となる被測定物200Gの被測定面200Gaに接触する部分を有する物であって、プローブ102Gでは、X,Y軸方向を問わず、いずれの方向にもアーム122を傾斜可能とする構成を有する。プローブ102Gは、取付用部材110と、測定面接触部としての機能を果たす一例に相当する揺動部材120と、スタイラス103Gと、連結機構130とを備えて、スタイラス103Gを鉛直方向に対して任意の方向に傾く事が可能としている。   First, the three-dimensional shape measuring apparatus probe 102G will be described. A probe 102G for a three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 1 is an object provided in the three-dimensional shape measuring apparatus 100G and having a portion that comes into contact with the measured surface 200Ga of the measured object 200G to be measured. Then, the arm 122 can be tilted in any direction regardless of the X and Y axis directions. The probe 102G includes a mounting member 110, a swinging member 120 corresponding to an example serving as a measurement surface contact portion, a stylus 103G, and a coupling mechanism 130, and the stylus 103G can be arbitrarily set in the vertical direction. It is possible to tilt in the direction of

取付用部材110は、3次元形状測定装置100Gに固定され、又は着脱可能に取り付けられるブロック部材であり、揺動部材120が揺動するのに対し不動の部分であり、3次元形状測定装置100Gのレーザ光源101Gから照射される測定用レーザ光(例えば、発振周波数安定化He−Neレーザ光)LLを通過可能とし、当該取付用部材110を貫通するレーザ光用開口111を中央部に有する。 The mounting member 110 is a block member that is fixed to or detachably attached to the three-dimensional shape measuring apparatus 100G, and is a non-moving portion while the swinging member 120 swings, and the three-dimensional shape measuring apparatus 100G. The laser beam for measurement (for example, oscillation frequency stabilized He—Ne laser beam) LL 1 irradiated from the laser light source 101G of the laser beam 101G can be passed, and the laser beam opening 111 penetrating the mounting member 110 is provided in the center portion. .

揺動部材120は、被測定物200Gの被測定面200Gaに接触するスタイラス103Gを下向きに立設し、かつ取付用部材110を通過した測定用レーザ光LLを反射するミラー105Gをスタイラス103Gの上端に設け、被測定面200Gaの形状に応じたスタイラス103Gの変位に対応して取付用部材110に対して揺動する部材である。スタイラス103Gの先端(図3では下端)には、真球度の高い球体(スタイラス先端球)104Gが取付けられており、この部分が被測定物200Gの被測定面200Gaに接触する。 Swinging member 120, the stylus 103G in contact with the measured surface 200Ga of the object 200G erected downward, and a mirror 105G for reflecting the measurement laser beam LL 1 which has passed through the mounting member 110 of the stylus 103G It is a member that is provided at the upper end and swings with respect to the mounting member 110 in accordance with the displacement of the stylus 103G according to the shape of the measurement target surface 200Ga. A sphere (stylus tip sphere) 104G having a high sphericity is attached to the tip (lower end in FIG. 3) of the stylus 103G, and this portion contacts the surface to be measured 200Ga of the object to be measured 200G.

尚、本実施形態では、スタイラス103Gのスタイラス先端球104Gは、例えば、約0.3mm〜約2mmの直径を有する球状体であり、アーム122は、太さが一例として約0.7mmで、揺動部材120の下面からスタイラス先端球104Gの中心までは、一例として約10mmの長さLにてなる棒状体である。これらの値は、被測定面200Gaの形状により適宜変更される。又、揺動部材120の形状も円板状に限定するものではない。   In this embodiment, the stylus tip sphere 104G of the stylus 103G is, for example, a spherical body having a diameter of about 0.3 mm to about 2 mm, and the arm 122 has a thickness of about 0.7 mm as an example, From the lower surface of the moving member 120 to the center of the stylus tip sphere 104G is a rod-like body having a length L of about 10 mm as an example. These values are appropriately changed depending on the shape of the measurement target surface 200Ga. Further, the shape of the swing member 120 is not limited to a disk shape.

連結機構130は、ミラー105Gに照射される前記測定用レーザ光LLの光軸211aに対して交差するいずれの方向にも揺動部材120を傾斜させて揺動可能にして揺動部材120を取付用部材110に支持する機構である。このような機能を有する限り、連結機構130の形態は限定されないが、本実施形態では、連結部材131と支点用部材132とを有して構成している。尚、本実施形態では、前記光軸211aは、鉛直方向であるZ軸方向に一致する。 Coupling mechanism 130, the swing member 120 also tilt the swing member 120 in any direction intersecting the optical axis 211a of the measurement laser beam LL 1 to be irradiated on the mirror 105G and the swingable This is a mechanism that is supported by the mounting member 110. As long as it has such a function, the form of the connection mechanism 130 is not limited. However, in this embodiment, the connection mechanism 130 includes the connection member 131 and the fulcrum member 132. In the present embodiment, the optical axis 211a coincides with the Z-axis direction, which is the vertical direction.

連結部材131は、取付用部材110に対向して揺動部材120を、部材を用いて若しくは用いずに、例えば吊り下げるような形態にて支持する棒状の部材であり、前記スタイラス103Gを被測定物200Gの被測定面200Gaに押圧する押圧力を生じさせる力であって揺動部材120が傾斜しておらず前記光軸211aに直交する初期状態の中立位置へ揺動部材120を復元させる復元力を生じさせる部材である。このような連結部材131の一例としては、伸縮可能で弾力性のある材料にてなる懸吊部材であり、例えばコイルバネを使用することができる。コイルバネを使用した場合、測定力等との関係で、一実施例として、バネ定数は40μN/mm、測定力は0.2mN、揺動部材120の質量は60mgとすることができる。例えば、コイルバネの上端が取付用部材110に、下端が揺動部材120に取り付けるようにすればよい。又、複数のコイルバネが使用され、各コイルバネの下端部分は、揺動部材120の周縁部分に等間隔にて取り付けられるようにしてもよい。本実施形態では、一例として、光軸211a回りに大略等間隔に配置された3本のコイルバネを使用するが、4本以上設けても良い。又、各コイルバネにおける前記復元力は、同一であることが好ましい。   The connecting member 131 is a rod-shaped member that supports the swinging member 120 facing the mounting member 110, for example, in a suspended form with or without the member, and the stylus 103G is measured. Restoration that restores the swinging member 120 to the neutral position in the initial state perpendicular to the optical axis 211a, which is a force that generates a pressing force to press the measured surface 200Ga of the object 200G. It is a member that generates force. An example of such a connecting member 131 is a suspension member made of an elastic material that can be expanded and contracted. For example, a coil spring can be used. When a coil spring is used, the spring constant may be 40 μN / mm, the measurement force may be 0.2 mN, and the mass of the rocking member 120 may be 60 mg in relation to the measurement force and the like. For example, the upper end of the coil spring may be attached to the attachment member 110 and the lower end may be attached to the swing member 120. Further, a plurality of coil springs may be used, and the lower end portion of each coil spring may be attached to the peripheral portion of the swing member 120 at equal intervals. In the present embodiment, as an example, three coil springs arranged at approximately equal intervals around the optical axis 211a are used, but four or more may be provided. Moreover, it is preferable that the said restoring force in each coil spring is the same.

又、連結部材131は、上述したコイルバネのような、伸縮可能で弾力性のある材料にてなる部材に限定されない。上述したような復元力を生じさせる部材であればよい。   Further, the connecting member 131 is not limited to a member made of a material that can be expanded and contracted, such as the coil spring described above. Any member that generates the restoring force as described above may be used.

支点用部材132は、取付用部材110と揺動部材120とに挟まれて配置されコイルバネの前記復元力により取付用部材110及び揺動部材120に接触し、前記光軸211aに対して揺動部材120が傾斜したとき揺動部材120の揺動の支点となる部材である。本実施形態では、支点用部材132は、三角形状の断面を有するリング状の部材であり、取付用部材110の下面及び揺動部材120の上面のいずれか一方の面に固定されるとともに、揺動部材120が傾斜したとき取付用部材110の下面及び揺動部材120の上面のいずれか他方の面と点接触する尖端を有して、該尖端で揺動部材120の揺動の支点となる支点部を構成する。尖端の高さは、支点用部材132のリング状の部材の全周にわたり一定であることが好ましい。   The fulcrum member 132 is disposed between the mounting member 110 and the swinging member 120, contacts the mounting member 110 and the swinging member 120 by the restoring force of the coil spring, and swings with respect to the optical axis 211a. This is a member that becomes a fulcrum of swinging of the swinging member 120 when the member 120 is tilted. In the present embodiment, the fulcrum member 132 is a ring-shaped member having a triangular cross section, and is fixed to one of the lower surface of the mounting member 110 and the upper surface of the swing member 120 and is also rocked. When the moving member 120 is inclined, the moving member 120 has a pointed point that makes point contact with either the lower surface of the mounting member 110 or the upper surface of the swinging member 120, and the pointed end serves as a supporting point for the swinging of the swinging member 120. Configure the fulcrum part. The height of the tip is preferably constant over the entire circumference of the ring-shaped member of the fulcrum member 132.

このように、本実施形態では、揺動部材120の上面に支点用部材132を固定し、尖端が取付用部材110の下面に接触するように配置している。又、支点用部材132は、その中心点と、ミラー105Gの中心点とを一致させるように、揺動部材120の上面に固定される。又、本実施形態では、支点用部材132は、一例として、その尖端が、一周連続して支点部として構成されているが、揺動部材120がいずれの方向にも自由に傾斜可能という機能を満足する限り、前記連続形成に限定されず、複数の尖端の集合から支点部を構成するようにしてもよい。   As described above, in this embodiment, the fulcrum member 132 is fixed to the upper surface of the swing member 120, and the tip is disposed so as to contact the lower surface of the mounting member 110. The fulcrum member 132 is fixed to the upper surface of the swing member 120 so that the center point thereof coincides with the center point of the mirror 105G. In the present embodiment, the fulcrum member 132 is configured, for example, as a fulcrum at the pointed end of the fulcrum member 132. However, the oscillating member 120 can be freely tilted in any direction. As long as it is satisfied, it is not limited to the continuous formation, and the fulcrum portion may be constituted by a set of a plurality of tips.

又、本実施形態では、支点用部材132の支点部が接触する取付用部材110の下面には、揺動部材120が水平方向に位置ずれするのを防止するための位置ずれ防止部112が形成されている。位置ずれ防止部112は、本実施形態では、取付用部材110の下面に形成された凹部形状にてなり、前記レーザ光用開口111が形成された平坦面112aと、凹部の側壁に相当し前記光軸211aを中心とした円錐形状の斜面112bにて形成され、支点用部材132の尖端は、平坦面112aに対向して配置される。よって、斜面112bが障壁となることから、位置ずれ防止部112は、前記光軸211aを常にミラー105Gの定点、例えば中心点に位置させるように機能し、支点用部材132が水平方向にずれるのを防止できる。又、平坦面112aにおける支点用部材132の位置ずれ量を最小にするには、平坦面112aと斜面112bとの境界部に支点用部材132の尖端が位置するよう構成するとよい。又、揺動部材120の自由な揺動を妨げないように、支点用部材132において尖端を形成する支点用部材132の斜面の傾斜角度に比べて、斜面112bの傾斜角度をより緩やかにすればよい。尚、位置ずれ防止部112の形成は、任意であり、形成しなくても良い。   In the present embodiment, the misalignment preventing portion 112 for preventing the swinging member 120 from being displaced in the horizontal direction is formed on the lower surface of the mounting member 110 with which the fulcrum member 132 contacts. Has been. In this embodiment, the misregistration prevention portion 112 has a concave shape formed on the lower surface of the mounting member 110, and corresponds to the flat surface 112a on which the laser beam opening 111 is formed, and the side wall of the concave portion. It is formed by a conical slope 112b with the optical axis 211a as the center, and the tip of the fulcrum member 132 is disposed to face the flat surface 112a. Therefore, since the slope 112b becomes a barrier, the misalignment prevention unit 112 functions to always position the optical axis 211a at a fixed point of the mirror 105G, for example, the center point, and the fulcrum member 132 is shifted in the horizontal direction. Can be prevented. Further, in order to minimize the amount of displacement of the fulcrum member 132 on the flat surface 112a, the fulcrum member 132 may be configured such that the tip of the fulcrum member 132 is located at the boundary between the flat surface 112a and the inclined surface 112b. In addition, if the inclination angle of the inclined surface 112b is made gentler than the inclination angle of the inclined surface of the fulcrum member 132 that forms the tip of the fulcrum member 132 so as not to prevent free oscillation of the oscillating member 120. Good. The formation of the misalignment prevention unit 112 is optional and may not be formed.

このように構成される、本実施形態の3次元形状測定装置におけるプローブ102Gは、以下のように動作可能としている。   The probe 102G in the three-dimensional shape measuring apparatus of the present embodiment configured as described above is operable as follows.

即ち、取付用部材110からコイルバネの連結部材131にて吊り下げられている揺動部材120は、コイルバネの復元力により取付用部材110側へ引っ張られている。よって、揺動部材120に固定された支点用部材132は、取付用部材110の下面と揺動部材120の上面との間に挟まれ、支点用部材132の尖端が取付用部材110の下面に接触している。上述のように各コイルバネにおける復元力は、同一であることから、取付用部材110に対して揺動部材120が傾斜していない状態、つまり前記初期状態に揺動部材120があるとき、支点用部材132の全周において尖端が取付用部材110の下面に接触している。又、この初期状態のとき、本実施形態では、揺動部材120に備わるアーム122は、鉛直方向に沿って位置する。   That is, the swing member 120 suspended from the attachment member 110 by the coil spring coupling member 131 is pulled toward the attachment member 110 by the restoring force of the coil spring. Therefore, the fulcrum member 132 fixed to the swing member 120 is sandwiched between the lower surface of the mounting member 110 and the upper surface of the swing member 120, and the point of the fulcrum member 132 is placed on the lower surface of the mounting member 110. In contact. As described above, since the restoring force in each coil spring is the same, when the swing member 120 is not inclined with respect to the mounting member 110, that is, when the swing member 120 is in the initial state, it is for the fulcrum. The tip end of the entire circumference of the member 132 is in contact with the lower surface of the mounting member 110. In this initial state, in this embodiment, the arm 122 included in the swing member 120 is positioned along the vertical direction.

一方、後述するように被測定物200Gの被測定面200Gaの3次元形状測定は、揺動部材120に取り付けられているスタイラス103Gを被測定面200Gaに所定の押圧力にて押しつけて行われる。該押圧力は、スタイラス103Gの先端球104Gを被測定面200Gaに接触させた状態で取付用部材110を被測定物200G側へ僅かに移動させることで、図3に示すように揺動部材120は傾斜する。該傾斜により、揺動部材120には連結部材131であるコイルバネの復元力が作用し、その結果、スタイラス103Gは被測定面200Gaに所定の押圧力つまり概略一定の測定力にて押圧されることになる。揺動部材120が傾斜するとき、支点用部材132の全周の内の一点にて尖端が取付用部材110の下面と接触し、該尖端が支点となり揺動部材120の傾斜を可能とする。よって、支点となる部分以外の尖端は、取付用部材110の下面とは接触していない。又、スタイラス103Gに作用する力の向きに従い、支点となる位置は、各連結部材131のコイルバネの復元力により、支点用部材132の全周上を自在に移動可能である。よって、スタイラス103G及びアーム122は、取付用部材110の下面に接触している尖端を支点として、ジョイスティックのように首振り運動可能であり、つまり360度のいずれの方向にも揺動及び回動可能である。又、このような揺動部材120の揺動に起因して、前記光軸211aがミラー105G上の定点から水平方向にずれるように揺動部材120が位置ずれしたときでも、本実施形態では前記位置ずれ防止部112を形成していることから、自動的に、前記光軸211aがミラー105G上の定点に戻るように揺動部材120の位置修正が行われる。   On the other hand, as will be described later, the three-dimensional shape measurement of the measurement target surface 200Ga of the measurement target 200G is performed by pressing the stylus 103G attached to the swing member 120 against the measurement target surface 200Ga with a predetermined pressing force. The pressing force is obtained by slightly moving the mounting member 110 to the measured object 200G side in a state where the tip sphere 104G of the stylus 103G is in contact with the measured surface 200Ga, as shown in FIG. Is inclined. Due to the inclination, the restoring force of the coil spring which is the connecting member 131 acts on the swing member 120, and as a result, the stylus 103G is pressed against the surface to be measured 200Ga with a predetermined pressing force, that is, a substantially constant measuring force. become. When the oscillating member 120 is inclined, the pointed tip contacts the lower surface of the mounting member 110 at one point of the entire circumference of the fulcrum member 132, and the pointed end serves as a fulcrum to allow the oscillating member 120 to be inclined. Therefore, the tip other than the portion serving as the fulcrum is not in contact with the lower surface of the mounting member 110. Further, according to the direction of the force acting on the stylus 103G, the position serving as a fulcrum can be freely moved over the entire circumference of the fulcrum member 132 by the restoring force of the coil spring of each connecting member 131. Therefore, the stylus 103G and the arm 122 are swingable like a joystick with the point of contact with the lower surface of the mounting member 110 as a fulcrum, that is, swing and rotate in any direction of 360 degrees. Is possible. Further, even when the swing member 120 is displaced so that the optical axis 211a is shifted in the horizontal direction from a fixed point on the mirror 105G due to such swing of the swing member 120, in the present embodiment, Since the misalignment prevention unit 112 is formed, the position of the swing member 120 is automatically corrected so that the optical axis 211a returns to a fixed point on the mirror 105G.

また、被測定物200Gは定盤292上に固定されている。一方、平面上で互いに直交するX軸及びY軸方向にそれぞれ独立して可動であるX軸ステージ112G及びY軸ステージ113Gを定盤292上に設置し、Y軸ステージ113G上にレーザ光源101Gと測定点情報決定部80GとZ軸ステージ114Gとを配置している。また、Z軸ステージ114Gの下部に前記プローブ102Gを設けることにより、前記プローブ102GをX軸、Y軸、及びZ軸の全方向にそれぞれ独立して移動させることができるようにしている。X軸ステージ112GとY軸ステージ113GとZ軸ステージ114Gとは制御装置111Gにより駆動制御されるようにしている。よって、定盤292上に固定された被測定物200Gに対して、プローブ102Gのスタイラス103Gを、X軸ステージ112GでX軸方向に進退させ、Y軸ステージ113GでY軸方向に進退させるとともに、Z軸ステージ114GでZ軸方向に進退させるように、制御装置111Gにより駆動制御されるようにしている。   In addition, the DUT 200G is fixed on the surface plate 292. On the other hand, an X-axis stage 112G and a Y-axis stage 113G that are independently movable in the X-axis and Y-axis directions orthogonal to each other on a plane are placed on a surface plate 292, and the laser light source 101G is placed on the Y-axis stage 113G. A measurement point information determination unit 80G and a Z-axis stage 114G are arranged. Further, by providing the probe 102G below the Z-axis stage 114G, the probe 102G can be independently moved in all directions of the X-axis, Y-axis, and Z-axis. The X-axis stage 112G, the Y-axis stage 113G, and the Z-axis stage 114G are driven and controlled by the control device 111G. Accordingly, the stylus 103G of the probe 102G is advanced and retracted in the X-axis direction by the X-axis stage 112G and advanced and retracted in the Y-axis direction by the Y-axis stage 113G with respect to the object 200G fixed on the surface plate 292, Drive control is performed by the control device 111G so that the Z-axis stage 114G moves forward and backward in the Z-axis direction.

このような構成の3次元形状測定装置100Gにおいては、被測定物200Gの側面である被測定面200Gaに、プローブ102Gの先端に取付けられるスタイラス103Gを概略一定の測定力となるように接触させるための追従制御及び、測定方向(走査方向)への走査を行うための位置決め制御を、制御装置111Gの制御下で、X軸ステージ112G、Y軸ステージ113G及びZ軸ステージ114Gをそれぞれ独立して駆動することにより行うことができる。このとき、制御装置111Gは、被測定物200Gの被測定面200Gaをプローブ102Gで走査するとき、プローブ102Gにおける揺動部材120を特定方向にのみ傾斜させず、いずれの方向にも揺動させるように、X軸ステージ112GとY軸ステージ113GとZ軸ステージ114Gとをそれぞれ独立して駆動制御して、プローブ102GのX、Y、Z軸方向の移動量をそれぞれ制御することができる。   In the three-dimensional shape measuring apparatus 100G having such a configuration, the stylus 103G attached to the tip of the probe 102G is brought into contact with the surface to be measured 200Ga that is the side surface of the object to be measured 200G so as to have a substantially constant measuring force. Tracking control and positioning control for scanning in the measurement direction (scanning direction) are independently driven under control of the control device 111G for the X-axis stage 112G, the Y-axis stage 113G, and the Z-axis stage 114G. This can be done. At this time, when scanning the surface to be measured 200Ga of the object to be measured 200G with the probe 102G, the control device 111G does not incline the swing member 120 in the probe 102G only in a specific direction, but swings in any direction. In addition, the X-axis stage 112G, the Y-axis stage 113G, and the Z-axis stage 114G can be driven and controlled independently to control the movement amounts of the probe 102G in the X, Y, and Z axis directions, respectively.

また、レーザ光源101Gより発生される測定用レーザ光と参照ミラー115G(Z軸参照ミラー(Z軸方向における基準面を有する基準ミラー)とを用いて示している。(XY軸についても同様。)を用いて、スタイラス103Gの相対的な位置座標を測長するようにしている。   Further, the measurement laser light generated from the laser light source 101G and a reference mirror 115G (a Z-axis reference mirror (a reference mirror having a reference surface in the Z-axis direction) are shown (the same applies to the XY axis). Is used to measure the relative position coordinate of the stylus 103G.

測定点情報決定部80Gは、レーザ光発生部210にて発生したレーザ光211を用いて被測定物200Gの被測定面200Gaにおける測定点(接触点)200Gbの位置情報を得るための光学系90Gと、並びにX軸、Y軸、Z軸方向の各基準面からのレーザ光と前記測定点200Gbからのレーザ光との干渉に基づき測長を行うレーザ測長部とを有するように構成されている。このレーザ測長部は、一例として、位置座標測定部108Gと角度検出部106Gとで構成されている。   The measurement point information determination unit 80G uses the laser beam 211 generated by the laser beam generation unit 210 to obtain position information of the measurement point (contact point) 200Gb on the measurement target surface 200Ga of the measurement target 200G. And a laser length measuring unit that measures the length based on interference between the laser light from each reference plane in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions and the laser light from the measurement point 200Gb. Yes. As an example, the laser length measurement unit includes a position coordinate measurement unit 108G and an angle detection unit 106G.

前記光学系90Gは、反射ミラー91Gや半透過ミラー92Gで構成される。レーザ光源101Gより発生する測定用レーザ光LLを、前記光学系90Gを使用して、スタイラス103Gの基端(図3では上端)に取付けられたミラー105Gに照射し、反射光LLを光学系90Gを使用して位置座標測定部108Gでスタイラス103Gの相対位置を測長して、スタイラス位置データを取得する。また、スタイラス103Gは、前記したように外力により支点(回転中心を意味する)を中心として任意方向に傾く事が可能であり、前述の反射光LLの一部を光学系90Gの半透過ミラー92Gによりスタイラス傾き角度検出部106Gに入射させ、スタイラス傾き角度検出部106Gの表面におけるレーザ光のスポット中心位置の変位(変位量)からスタイラス103Gの傾きの変化(変化量)を検出する。前記スタイラス傾き角度検出部106Gで検出されたスタイラス103Gの傾きの変化(変化量)を用いて、制御装置111GがX軸ステージ112GとY軸ステージ113GとZ軸ステージ114Gとを駆動制御するようにしている。 The optical system 90G includes a reflection mirror 91G and a semi-transmission mirror 92G. The measurement laser beam LL 1 generated from the laser light source 101G, by using the optical system 90G, the base end of the stylus 103G is irradiated to the mirror 105G attached to (the upper end in FIG. 3), an optical reflection light LL 2 Using the system 90G, the relative position of the stylus 103G is measured by the position coordinate measuring unit 108G to obtain stylus position data. Also, stylus 103G, the (mean center of rotation) fulcrum by an external force as it is possible to tilt in any direction about the semi-transparent mirror of the optical system 90G part of the reflected light LL 2 described above 92G makes it incident on the stylus tilt angle detection unit 106G, and detects the change (change amount) in the tilt of the stylus 103G from the displacement (displacement amount) of the spot center position of the laser beam on the surface of the stylus tilt angle detection unit 106G. The control device 111G drives and controls the X-axis stage 112G, the Y-axis stage 113G, and the Z-axis stage 114G using the change (change amount) in the inclination of the stylus 103G detected by the stylus inclination angle detection unit 106G. ing.

スタイラス103Gの先端球104Gを被測定物200Gの被測定面200Gaに接触させた際のスタイラス103Gの傾き角度検出方法について図3を参照しながら、以下に説明する。図3では、理解を容易とするために、図2Aの光学系90Gの構成にミラー116Gを追加している。図3では煩雑な表記を避けるためレーザ光軸のみを記述している。スタイラス103Gが傾いていない場合には、反射光LLの光スポット中心が角度検出部106Gの中心位置300Gaに一致する。これに対し、スタイラス103Gの先端がX軸+方向(図3の右方向)に押された場合は、反射光LLの光スポット中心である反射光LLの照射位置が、中心位置300Gaから左側に外れた、位置300Gbに移動する。 A method for detecting the tilt angle of the stylus 103G when the tip sphere 104G of the stylus 103G is brought into contact with the surface to be measured 200Ga of the object to be measured 200G will be described below with reference to FIG. In FIG. 3, in order to facilitate understanding, a mirror 116G is added to the configuration of the optical system 90G in FIG. 2A. In FIG. 3, only the laser optical axis is described in order to avoid complicated notation. When the stylus 103G is not inclined, the light spot center of the reflected light LL 2 coincides with the center position 300Ga of the angle detection unit 106G. In contrast, when the tip of the stylus 103G is pressed in the X-axis + direction (right direction in FIG. 3), the irradiation position of the reflected light LL 2 is a light spot center of the reflected light LL 2 is from the center position 300Ga Move to position 300 Gb, which is off to the left.

同様に、スタイラス103Gが任意の方向に傾く事により、図4に示すように、その傾きの方向及び大きさに合わせて、反射光LLの光スポット中心位置が2次元的に変化する。位置301GbはX軸+側に向けてスタイラス103Gの先端球104Gを被測定物200Gに接触させた状態、位置301GcはX軸−側に向けてスタイラス103Gの先端球104Gを被測定物200Gに接触させた状態、位置301GdはY軸+側に向けてスタイラス103Gの先端球104Gを被測定物200Gに接触させた状態、位置301GeはY軸−側に向けてスタイラス103Gの先端球104Gを被測定物200Gに接触させた状態をそれぞれ示している。角度検出部106Gにおいて、前記光スポット中心位置の変位量を検出する事により、スタイラス103Gの傾きを取得する事ができる。角度検出部106Gには、例えば4分割フォトダイオードや2次元PSDなど、光スポット中心位置を2次元で検出できるものであれば適用可能である。以降では、角度検出部106Gに適用されるセンサを総称して「角度検出器」と呼ぶ。 Similarly, by the stylus 103G inclines in any direction, as shown in FIG. 4, in accordance with the direction and magnitude of the slope, the center of the light spot position of the reflected light LL 2 is two-dimensionally varied. The position 301Gb is a state in which the tip sphere 104G of the stylus 103G is in contact with the DUT 200G toward the X axis + side, and the position 301Gc is a state in which the tip sphere 104G of the stylus 103G is in contact with the DUT 200G toward the X axis − side. In a state where the tip sphere 104G of the stylus 103G is in contact with the object to be measured 200G with the position 301Gd facing the Y axis + side, the tip 301G of the stylus 103G is measured with the position 301Ge facing the Y axis − side. The state which contacted the thing 200G is each shown. By detecting the amount of displacement of the light spot center position in the angle detector 106G, the inclination of the stylus 103G can be acquired. The angle detection unit 106G is applicable as long as it can detect the center position of the light spot two-dimensionally, such as a four-division photodiode or a two-dimensional PSD. Hereinafter, the sensors applied to the angle detection unit 106G are collectively referred to as “angle detectors”.

また、スタイラス103Gの測定力を概略一定とするために、制御装置111Gにより、事前に決定された追従目標値に対する光スポット中心位置の差を基に、X軸ステージ112GとY軸ステージ113GとZ軸ステージ114Gとを駆動制御することにより、従来技術と同様な追従制御を行うことができる。例えば、図3に示すように、X軸方向のスタイラス103Gの傾きが概略一定値θとなるように、X軸ステージ112Gが制御装置111Gにより駆動制御される。この制御は、測定用レーザ光LLが、傾いたスタイラス103Gの基端にあるミラー105Gに反射されて反射光LLとなり、その反射光LLが角度検出器106Gの受光面に照射されるときの、その光スポット中心が受光面の中心から距離Xだけ離れた位置300Gbの直線上に追従するように制御系を構成する事で実現される。 Further, in order to make the measuring force of the stylus 103G substantially constant, the control device 111G uses the difference in the light spot center position with respect to the tracking target value determined in advance by the control device 111G, and the X-axis stage 112G and the Y-axis stage 113G and Z By controlling the drive of the shaft stage 114G, the same follow-up control as in the conventional technique can be performed. For example, as shown in FIG. 3, the inclination of the X-axis direction of the stylus 103G is such that the substantially constant value theta x, X-axis stage 112G is driven and controlled by the controller 111G. This control is measurement laser beam LL 1, inclined has been reflected light LL 2 becomes reflected by the mirror 105G to the proximal end of the stylus 103G, its reflected light LL 2 a light receiving surface of the angle detector 106G time, the light spot center is realized by configuring the control system to follow the straight line position 300Gb at a distance X t from the center of the light receiving surface.

ここで、前記したように光スポット中心が受光面の中心から距離Xだけ離れた位置300Gbの直線上に追従するために、前記制御系は、以下のように構成している。 Here, since the light spot center as described above to follow the straight line position 300Gb at a distance X t from the center of the light receiving surface, wherein the control system is configured as follows.

まず、被測定物200Gの被測定面200Gaにスタイラス103Gが接触した状態を初期状態と考える。このとき、X軸ステージ112G又はY軸ステージ113Gが微小移動したとすると、スタイラス103Gの傾きが、X軸ステージ112G又はY軸ステージ113Gの移動量に従って微小変化すると同時に、スタイラス上端のミラー105Gも同様に傾く。ミラー105Gの傾きが変化すると、ミラー105Gによる反射光の方向も微小変化し、角度検出器106G上のスポット中心位置が微小変化する。スポット中心位置は、角度検出器106Gからの出力(電圧値)で検出する事が可能であり、スポット中心位置と、事前に設定された追従目標位置(図3における直線119G)に相当する電圧値とを制御装置111Gにより比較する事が可能である。この比較した結果から、スポット中心位置300Gbが目標位置119Gに対して角度検出器106Gの原点Oよりも離れている場合には、原点Oに向かう方向にX軸ステージ112G又はY軸ステージ1132Gを移動する。逆の場合も同様である。この動作を繰り返すことにより、スポット中心位置が目標位置119に追従する事になる。   First, a state in which the stylus 103G is in contact with the measurement surface 200Ga of the measurement object 200G is considered as an initial state. At this time, if the X-axis stage 112G or the Y-axis stage 113G is slightly moved, the inclination of the stylus 103G slightly changes according to the movement amount of the X-axis stage 112G or the Y-axis stage 113G, and the mirror 105G at the upper end of the stylus is also the same. Lean on. When the tilt of the mirror 105G changes, the direction of the reflected light from the mirror 105G also changes slightly, and the spot center position on the angle detector 106G changes slightly. The spot center position can be detected by an output (voltage value) from the angle detector 106G, and a voltage value corresponding to the spot center position and a preset tracking target position (straight line 119G in FIG. 3). Can be compared by the control device 111G. From the comparison result, when the spot center position 300Gb is far from the origin O of the angle detector 106G with respect to the target position 119G, the X-axis stage 112G or the Y-axis stage 1132G is moved in the direction toward the origin O. To do. The same applies to the reverse case. By repeating this operation, the spot center position follows the target position 119.

ここで、前記距離Xに相当する、角度検出器106G上の目標値Xは、測長座標系におけるスタイラス103Gの傾き目標値θに対応する。 Here, corresponding to the distance X t, the target value X t on angle detector 106G corresponds to the inclination target value theta x of the stylus 103G in measurement coordinate system.

また、前記位置座標測定部108Gと角度検出部106Gとに接続された演算処理部109Gでは、前記位置座標測定部108Gで求めたスタイラス103Gの相対位置座標データと、角度検出部106Gで求めたスタイラス103G、の傾きデータとを用いて、前記スタイラス103Gと被測定物200Gとの接触点位置座標データを算出する。   Further, in the arithmetic processing unit 109G connected to the position coordinate measuring unit 108G and the angle detecting unit 106G, the relative position coordinate data of the stylus 103G obtained by the position coordinate measuring unit 108G and the stylus obtained by the angle detecting unit 106G. The contact point position coordinate data between the stylus 103G and the object to be measured 200G is calculated using the inclination data of 103G.

前記演算処理部109Gの構成について図2Bを参照して説明する。位置座標測定部108Gで求めたスタイラス103Gの相対位置座標データ及び角度検出部106Gで求めたスタイラス103Gの傾きデータは、それぞれ、記憶部400及び401に記憶される。記憶部401に記憶された前記傾きデータは、スタイラス先端変位演算部403において、記憶部402に記憶された後述の角度検出器106Gの取付角度誤差γを用いて補正され、傾き補正データが算出される。記憶部400に記憶された前記相対位置座標データ及びスタイラス先端変位演算部403で求められた傾き補正データは、加算部404で加算され、スタイラス103Gと被測定物200の接触点位置座標データが算出される。比較部406では、第1及び第2実施形態においては、第1の走査方向に走査して前記したように加算部404などで算出される第1接触点位置座標データと第2の走査方向に走査して前記したように加算部404などで算出される第2接触点位置座標データを比較して、両者の誤差データを算出する事も可能であるし、本発明の第3実施形態においては、事前に入力装置(例えば、キーボード、タッチパネル、マウス、音声入力装置など)411により入力されて記憶部405で記憶された既知形状データと前記したように加算部404などで算出される前記接触点位置座標データとを比較し、誤差データを算出する事も可能である。前記誤差データは、記憶部407に記憶され、表示装置413に出力されて表示装置413で表示される。また、角度検出器106Gの取付角度誤差γを校正する場合には、記憶部407に記憶された前記誤差データと、事前に入力装置411で比較部407Hに入力された校正完了の判定値とを比較部407Hにおいて比較し、校正が完了していない場合においては、γ校正部407Gにおいて角度検出器406Gの取付角度誤差γを校正する。なお、前記スタイラス先端変位演算部403で使用する、角度検出器106Gの取付角度誤差γは、事前に入力装置411で記憶部402に入力された値又はγ校正部407Gで算出されて記憶部402に記憶された値である。   The configuration of the arithmetic processing unit 109G will be described with reference to FIG. 2B. The relative position coordinate data of the stylus 103G obtained by the position coordinate measurement unit 108G and the inclination data of the stylus 103G obtained by the angle detection unit 106G are stored in the storage units 400 and 401, respectively. The tilt data stored in the storage unit 401 is corrected by a stylus tip displacement calculation unit 403 using a mounting angle error γ of an angle detector 106G described later stored in the storage unit 402, and tilt correction data is calculated. The The relative position coordinate data stored in the storage unit 400 and the inclination correction data obtained by the stylus tip displacement calculation unit 403 are added by the addition unit 404, and contact point position coordinate data between the stylus 103G and the DUT 200 is calculated. Is done. In the first and second embodiments, the comparison unit 406 scans in the first scanning direction and, as described above, calculates the first contact point position coordinate data calculated by the addition unit 404 and the like in the second scanning direction. As described above, it is possible to compare the second contact point position coordinate data calculated by the adding unit 404 or the like as described above, and to calculate error data of the two, in the third embodiment of the present invention. , The known shape data input in advance by the input device (eg, keyboard, touch panel, mouse, voice input device, etc.) 411 and stored in the storage unit 405 and the contact point calculated by the addition unit 404 as described above It is also possible to compare the position coordinate data and calculate error data. The error data is stored in the storage unit 407, output to the display device 413, and displayed on the display device 413. Further, when the mounting angle error γ of the angle detector 106G is calibrated, the error data stored in the storage unit 407 and the calibration completion determination value input in advance to the comparison unit 407H by the input device 411 are used. When the comparison is not completed in the comparison unit 407H, the mounting angle error γ of the angle detector 406G is calibrated in the γ calibration unit 407G. The mounting angle error γ of the angle detector 106G used in the stylus tip displacement calculation unit 403 is a value input in advance to the storage unit 402 by the input device 411 or a γ calibration unit 407G and is stored in the storage unit 402. Is the value stored in

以降では、被測定物200Gの被測定面200Gaを測定する際の、被測定物200Gとスタイラス103Gの位置関係及び角度検出器106Gと光スポット中心位置の関係について説明する。   Hereinafter, the positional relationship between the measured object 200G and the stylus 103G and the relationship between the angle detector 106G and the light spot center position when measuring the measured surface 200Ga of the measured object 200G will be described.

以降の説明を容易にするため、簡易的な表記を図7A及び図7Bに示す。図7Aは被測定物200Gにスタイラス103Gの先端球104Gを押込み量が目標値120Gとなるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図、図7Bはスタイラス103Gの傾きに対する角度検出器106Gと光スポット中心302G及び制御目標値119Gを示している。図7Aの上面図においては、被測定物200G、スタイラス103Gの支点117G及び接触点118Gのみを三角形の印及び星印でそれぞれ示し、スタイラス103Gについては省略している。以下では、図7Aの上面図及び図7Bの表記を用いて説明を行う。   In order to facilitate the following description, simple notations are shown in FIGS. 7A and 7B. FIG. 7A is an explanatory view including a top view and a front view of a state in which the tip sphere 104G of the stylus 103G is brought into contact with the object to be measured 200G so that the pushing amount becomes the target value 120G, and FIG. 7B is an angle with respect to the inclination of the stylus 103G. The detector 106G, the light spot center 302G, and the control target value 119G are shown. In the top view of FIG. 7A, only the fulcrum 117G and the contact point 118G of the DUT 200G and the stylus 103G are indicated by triangular marks and star marks, respectively, and the stylus 103G is omitted. Hereinafter, description will be made using the top view of FIG. 7A and the notation of FIG. 7B.

スタイラス103Gの先端球104Gを被測定物200GのX軸+側に概略一定の測定力で接触させつつ、Y軸方向(例えば、相反する2方向であるY軸+方向とY軸−方向)に走査するときのスタイラス103Gの支点117G及び接触点118Gの位置関係を図8A〜図8Fに示す。図8A〜図8Cは、スタイラス103GがY軸方向に対して静止している状態からY軸+側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図8D〜図8Fはスタイラス103GがY軸方向に対して静止している状態からY軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。また、図8A〜図8Fにおいて上側の図は被測定物200Gとスタイラス103Gの先端球104Gが接触する際のスタイラス103Gの支点117Gと接触点118Gの位置関係を示しており、下側の図は角度検出器106Gにおける光スポット中心303Ga〜303Gfの位置関係を示している。   While the tip sphere 104G of the stylus 103G is brought into contact with the X axis + side of the object 200G with a substantially constant measuring force, it is in the Y axis direction (for example, the two opposite directions, the Y axis + direction and the Y axis − direction). The positional relationship between the fulcrum 117G and the contact point 118G of the stylus 103G when scanning is shown in FIGS. 8A to 8C show a state from when the stylus 103G is stationary with respect to the Y-axis direction until the stylus 103G starts to move relative to the Y-axis + side. FIGS. This shows a state from a state where it is stationary with respect to the direction until it starts to move relative to the Y-axis minus side. 8A to 8F show the positional relationship between the fulcrum 117G of the stylus 103G and the contact point 118G when the object 200G to be measured and the tip sphere 104G of the stylus 103G are in contact with each other. The positional relationship between the light spot centers 303Ga to 303Gf in the angle detector 106G is shown.

スタイラス103GがY軸方向に静止している図8Aの状態では、スタイラス103Gの支点117Gと接触点118Gを結ぶベクトルはX軸に平行となり、スタイラス103GにはY軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス103GがY軸+方向に移動し始めた瞬間の状態である図8Bの状態では、被測定物200Gからの抗力がスタイラス103Gの接触点118Gに働くため、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス103Gの傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス103Gの接触点118Gがその場に留まろうとするため、スタイラス103Gの支点117GのみがY軸+方向へ変位する事になる。そして、スタイラス103Gの支点117Gと接触点118GのY軸方向の相対距離が大きくなり、スタイラス103Gの傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス103Gの接触点118Gが移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図8Cに示す。動摩擦力≦静摩擦力となるため、X軸方向のスタイラス103Gの傾きが一定である場合には、接触点118Gが一度移動し始めた後は、スタイラス103Gの支点117Gと接触点118GのY軸方向の相対距離が一定となるようにスタイラス103Gが傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器106Gと光スポット中心303Gcの位置関係が図8Cの下側の図に示すようになる。スタイラス103GがY軸−側に走査するときの状態の推移を示す図8D〜図8Fについては、前述の内容と同様に説明できるため省略する。   In the state of FIG. 8A where the stylus 103G is stationary in the Y-axis direction, the vector connecting the fulcrum 117G of the stylus 103G and the contact point 118G is parallel to the X-axis, and the stylus 103G does not tilt in the Y-axis direction. Next, in the state of FIG. 8B, which is the state at the moment when the stylus 103G starts to move in the Y-axis + direction, the drag from the object to be measured 200G acts on the contact point 118G of the stylus 103G, so that friction occurs in the scanning direction. Force is generated. When the static friction force is greater than the moment of inclination of the stylus 103G, the contact point 118G of the stylus 103G tries to stay there, so that only the fulcrum 117G of the stylus 103G is displaced in the Y axis + direction. . Then, at the moment when the relative distance between the fulcrum 117G of the stylus 103G and the contact point 118G increases in the Y-axis direction and the moment in the tilt direction of the stylus 103G becomes larger than the static friction force, the contact point 118G of the stylus 103G starts to move, Switching from static friction force to dynamic friction force. This state is shown in FIG. 8C. Since dynamic friction force ≦ static friction force, when the inclination of the stylus 103G in the X-axis direction is constant, after the contact point 118G starts to move once, the fulcrum 117G of the stylus 103G and the Y-axis direction of the contact point 118G The stylus 103G is tilted and moved so that the relative distance of is constant. At this time, the positional relationship between the angle detector 106G and the light spot center 303Gc is as shown in the lower diagram of FIG. 8C. 8D to 8F showing the transition of the state when the stylus 103G scans in the Y axis-side can be described in the same manner as described above, and thus are omitted.

最後に、被測定物200Gの被測定面200Gaである側面にスタイラス103Gの先端球104Gを接触させ、スタイラス103Gが任意の方向に傾いた状態において被測定物200Gとスタイラス103Gの先端球104Gの接触点118Gの座標値を取得する技術について説明する。   Finally, the tip sphere 104G of the stylus 103G is brought into contact with the side surface of the device under test 200G that is the surface to be measured 200Ga, and the device under test 200G and the tip sphere 104G of the stylus 103G are in contact with the stylus 103G tilted in an arbitrary direction. A technique for acquiring the coordinate value of the point 118G will be described.

まず、簡単のため、図5Aに示すように被測定物200Gにスタイラス103Gの先端球104Gを接触させて測定する際に、スタイラス103Gを傾かせないで測定できるものと仮定する。この仮定においては、従来の3次元測定技術を使用して、スタイラス先端位置の相対位置座標データ(X,Y,Z)が取得できる。   First, for the sake of simplicity, it is assumed that measurement can be performed without tilting the stylus 103G when the tip sphere 104G of the stylus 103G is brought into contact with the device under test 200G as shown in FIG. 5A. In this assumption, the relative position coordinate data (X, Y, Z) of the stylus tip position can be acquired using a conventional three-dimensional measurement technique.

次に、図5B〜図5Dに示すように、スタイラス103Gが、図5Aの支点117Gを中心として鉛直方向より傾いて測定された場合を仮定する。ここでは、スタイラス103Gの鉛直方向に対するX軸上の傾きθとY軸上の傾きθは、誤差を含むことなく、スタイラス傾き角度検出部106Gで検出できると仮定する。前述と同様に、スタイラス103Gが傾いていないと仮定した場合のスタイラス103Gの先端位置104Gaの相対位置座標データ(X,Y,Z)が、従来の3次元測定技術を使用して位置座標測定部108Gで取得することができる。 Next, as shown in FIGS. 5B to 5D, it is assumed that the stylus 103G is measured tilted from the vertical direction around the fulcrum 117G of FIG. 5A. Here, it is assumed that the inclination θ x on the X axis and the inclination θ y on the Y axis with respect to the vertical direction of the stylus 103G can be detected by the stylus inclination angle detection unit 106G without including an error. As described above, the relative position coordinate data (X, Y, Z) of the tip position 104Ga of the stylus 103G when it is assumed that the stylus 103G is not tilted is obtained by using the conventional three-dimensional measurement technique. It can be acquired at 108G.

実際には、スタイラス103Gが傾いているため、前記相対位置座標データ(X,Y,Z)は、被測定物200Gとスタイラス103Gの先端球104Gの接触点104Gbの接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を示すものではない事がわかる。このため、相対位置座標データ(X,Y,Z)とスタイラス103Gの傾きデータ(θ,θ)を用いて、接触点118Gの接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を位置座標測定部108Gで求めることが必要となる。なお、スタイラス103Gの先端球104Gと被測定物200Gの接触点118Gとは、スタイラス103Gの先端球104Gと被測定物200Gが接触した状態におけるスタイラス先端球104Gの中心点を指す。スタイラス103Gが鉛直方向に静止していた初期状態より(θ,θ)だけ傾くと、スタイラス103Gの先端球104Gは相対位置座標データ(X,Y,Z)に対し下記の計算式(数4)で得られる(δ,δ,δ)だけ変位することになる。 Actually, since the stylus 103G is inclined, the relative position coordinate data (X, Y, Z) is the contact point position coordinate data (X ′) of the contact point 104Gb between the object 200G to be measured and the tip sphere 104G of the stylus 103G. , Y ′, Z ′). Therefore, using the relative position coordinate data (X, Y, Z) and the inclination data (θ x , θ y ) of the stylus 103G, the contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) of the contact point 118G. Needs to be obtained by the position coordinate measuring unit 108G. The contact point 118G between the tip sphere 104G of the stylus 103G and the object 200G to be measured refers to the center point of the stylus tip sphere 104G in a state where the tip sphere 104G of the stylus 103G and the object 200G to be measured are in contact with each other. When the stylus 103G is tilted by (θ x , θ y ) from the initial state where the stylus 103G is stationary in the vertical direction, the tip sphere 104G of the stylus 103G has the following calculation formula (several numbers) with respect to the relative position coordinate data (X, Y, Z): It will be displaced by (δ x , δ y , δ z ) obtained in 4).

Figure 2008304413
Figure 2008304413

上式において、変数Lはスタイラス103Gの支点117Gからスタイラス先端球104Gの中心までの長さを表す。   In the above equation, the variable L represents the length from the fulcrum 117G of the stylus 103G to the center of the stylus tip sphere 104G.

以上より、相対位置座標データ(X,Y,Z)にスタイラス103Gの傾きによるスタイラス先端の変位量(δ,δ,δ)を加算部404で加える事により、接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)が加算部404で求まる。 As described above, by adding the displacement amount (δ x , δ y , δ z ) of the stylus tip due to the inclination of the stylus 103G to the relative position coordinate data (X, Y, Z) by the adding unit 404, the contact point position coordinate data ( X ′, Y ′, Z ′) is obtained by the adding unit 404.

ここまでは、スタイラス103Gの基端のミラー105Gから反射されたレーザ光LLを角度検出器106Gに照射することによりスタイラス103Gの傾きが期待通りに求まる事を前提としたものであるが、サブミクロンの測定精度を実現するためには、前記したように、測長座標系と角度検出器106Gの成す角度(以下、「取付角度誤差」と呼ぶ)が無視できない課題であり、この課題を前記実施形態にかかる3次元形状測定方法により解決するものである。 Up to this point, but in which the inclination of the stylus 103G is assumed that the obtained as expected by irradiating a laser beam LL 2 reflected from the mirror 105G of the base end of the stylus 103G angle detector 106G, sub In order to achieve micron measurement accuracy, as described above, the angle formed by the length measurement coordinate system and the angle detector 106G (hereinafter referred to as “mounting angle error”) cannot be ignored. This is solved by the three-dimensional shape measurement method according to the embodiment.

前述のとおり、接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を高精度に求める際には、測長座標系における高精度な相対位置座標データ(X,Y,Z)と測長座標系におけるスタイラス103Gの高精度な傾きデータ(θ,θ)が必要となる。 As described above, when the contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) is obtained with high accuracy, the relative position coordinate data (X, Y, Z) with high accuracy in the length measurement coordinate system and the length measurement are used. Highly accurate tilt data (θ x , θ y ) of the stylus 103G in the coordinate system is required.

前記測長座標系におけるスタイラス103Gの傾き(θ,θ)を角度検出器106G上で光スポット中心位置の変位量から算出するためには、図3に示すように角度検出器106Gの座標軸θ、θが測長座標系に平行となる事が必要となる。しかし、実際には、図6に示すように角度検出器106Gの座標軸θ、θは測長座標系に対して平行になるとは限らず、角度検出器106Gの原点を中心に回転して角度検出器106Gが測長座標系に取付けられることになる。このため、この角度検出器106Gから検出されるスタイラス103Gの傾き(θx’,θy’)と、本来求めるべき測長座標系におけるスタイラス103Gの傾き(θ,θ)が一致しない事は明らかである。また、測長座標系が光学的に構成される事を考慮すると、測長座標系に対して角度検出器106Gの取付角度を調整する事は非常に困難となる。 In order to calculate the inclination (θ x , θ y ) of the stylus 103G in the length measurement coordinate system from the displacement amount of the light spot center position on the angle detector 106G, as shown in FIG. 3, the coordinate axes of the angle detector 106G It is necessary that θ x and θ y be parallel to the length measurement coordinate system. However, actually, as shown in FIG. 6, the coordinate axes θ x and θ y of the angle detector 106G are not always parallel to the length measurement coordinate system, and rotate around the origin of the angle detector 106G. The angle detector 106G is attached to the length measurement coordinate system. For this reason, the inclination (θ x ′ , θ y ′ ) of the stylus 103G detected from the angle detector 106G does not match the inclination (θ x , θ y ) of the stylus 103G in the length measurement coordinate system to be originally obtained. Is clear. Further, considering that the length measurement coordinate system is optically configured, it is very difficult to adjust the mounting angle of the angle detector 106G with respect to the length measurement coordinate system.

次に、図5Bを例として被測定物200Gとスタイラス103Gの先端球104Gとの接触点118Gを取得する際の角度検出器106Gの取付角度誤差の影響について説明する。スタイラス103Gの先端球104Gが被測定物200Gに接触している状態において、測長座標系におけるスタイラス103Gの傾きが(θ,θ)であるとする。 Next, the influence of the mounting angle error of the angle detector 106G when acquiring the contact point 118G between the object 200G to be measured and the tip sphere 104G of the stylus 103G will be described using FIG. 5B as an example. It is assumed that the inclination of the stylus 103G in the length measurement coordinate system is (θ x , θ y ) in a state where the tip sphere 104G of the stylus 103G is in contact with the object 200G.

今、角度検出器106Gが測長座標系に対して角度γだけ誤差(取付角度誤差)を含んで取付られているとする。このとき、角度検出器106Gから検出された傾きデータ(θx’,θy’)は、測長座標系におけるスタイラス103Gの傾きデータ(θ,θ)に対して下記の(数5)の式の関係となる。 Now, it is assumed that the angle detector 106G is attached to the length measurement coordinate system with an error (attachment angle error) by an angle γ. At this time, the inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) detected from the angle detector 106G is the following (Equation 5) with respect to the inclination data (θ x , θ y ) of the stylus 103G in the length measurement coordinate system. The relationship of

Figure 2008304413
Figure 2008304413

また、(θx’,θy’)から推定されるスタイラス103Gの先端球104Gの変位量(δx’,δy’,δz’)は下式((数6)の式)となる。 Further, the displacement amount (δ x ′ , δ y ′ , δ z ′ ) of the tip sphere 104G of the stylus 103G estimated from (θ x ′ , θ y ) is expressed by the following equation (equation (Equation 6)). .

Figure 2008304413
Figure 2008304413

つまり、相対位置座標データ(X,Y,Z)から接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を求める際に、本来のスタイラス103Gの傾き(θ,θ)を用いる場合と角度検出器106Gから検出された傾きデータ(θx’,θy’)を用いる場合において、(δx’−δ,δ−δy’,δ−δz’)の誤差が生じる事がわかる。 That is, when the original inclination (θ x , θ y ) of the stylus 103G is used when obtaining the contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) from the relative position coordinate data (X, Y, Z). And the inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) detected from the angle detector 106G, the error of (δ x ′ −δ x , δ y −δ y ′ , δ z −δ z ′ ) is You can see what happens.

前述の誤差は、例えば、スタイラス103Gの長さL=20mm、角度検出器106Gの取付角度誤差γ=1°とし、被測定物200Gにスタイラス103Gの先端球104Gを押込む量をδ=10μmとし、δ=0μmとするときには、δx’=9.998μm,δy’=0.175μmとなり、サブミクロンの測定精度を得るためには無視できない事が明らかである。 The above-mentioned error is, for example, the length L of the stylus 103G = 20 mm, the mounting angle error γ = 1 ° of the angle detector 106G, and the amount by which the tip sphere 104G of the stylus 103G is pushed into the object to be measured 200G is δ x = 10 μm. When δ y = 0 μm, δ x ′ = 9.998 μm and δ y ′ = 0.175 μm, which are clearly not negligible in order to obtain submicron measurement accuracy.

次に、角度検出器106Gが取付角度誤差γを持つ場合において、従来技術を用いて、測定力を概略一定にする追従制御について説明する。   Next, a description will be given of the follow-up control for making the measuring force substantially constant using the conventional technique when the angle detector 106G has the mounting angle error γ.

図6は、角度検出器106Gが取付角度誤差γのズレを含んでいる状態を示している。前述と同様に、角度検出器106Gの目標位置119Gに光スポット中心300Gcを位置合わせするようにX軸ステージ112Gを制御する。このとき、角度検出器106Gが取付角度誤差γだけ傾いているため、スタイラス103Gの傾きは本来の目標角度θではなく、少しずれた角度θx’で概略一定となるような制御結果となる。 FIG. 6 shows a state where the angle detector 106G includes a deviation of the mounting angle error γ. As described above, the X-axis stage 112G is controlled so that the light spot center 300Gc is aligned with the target position 119G of the angle detector 106G. At this time, since the angle detector 106G is inclined by the mounting angle error gamma, rather than the stylus 103G slope original target angle theta x, the control result such that substantially constant at slightly offset angle theta x ' .

この追従制御を行いつつ、スタイラス103Gを被測定物200Gに対して相対的にY軸上を走査するときの、スタイラス103Gの支点117Gと接触点118Gの位置関係及び、角度検出器106Gと光スポット中心304Ga〜304Ghの位置関係を図9A〜図9Hに示す。   While performing this tracking control, the positional relationship between the fulcrum 117G and the contact point 118G of the stylus 103G and the angle detector 106G and the light spot when the stylus 103G is scanned on the Y axis relative to the object 200G. The positional relationships between the centers 304Ga to 304Gh are shown in FIGS. 9A to 9H.

図9A〜図9Dは、スタイラス103GがY軸方向に対して静止している状態からY軸+側に相対移動し始めるまでの状態を示しており、図9E〜図9Hはスタイラス103GがY軸方向に対して静止している状態からY軸−側に相対移動し始めるまでの状態を示している。スタイラス103GがY軸方向に静止している図9Aの状態では、スタイラス103Gの支点117Gと接触点118Gを結ぶベクトルはX軸に平行となり、スタイラス103GにY軸方向の傾きは発生しない。次に、スタイラス103GがY軸+方向に移動し始めた瞬間の状態を図9Bに示す。被測定物200Gからの抗力がスタイラス103Gの接触点118Gに働き、走査方向に対して摩擦力が発生する。スタイラス103Gの傾き方向のモーメントよりも静摩擦力が大きい場合においては、スタイラス103Gの接触点118Gがその場に留まろうとするため、スタイラス103Gの支点117GのみがY軸+方向へ変位し、結果的にスタイラス103GがY軸方向にも傾くことになる。このとき、Y軸方向の光スポット中心が変位する。ところが、角度検出器106Gの取付角度誤差が含まれる事により、角度検出器106G上のX軸方向の制御目標位置119Gからの誤差が発生する。このとき、図9Cに示すように、X軸方向の追従制御により、角度検出器106Gの目標位置へ追従するため、X軸方向のスタイラス103Gの支点117Gが、スタイラス103Gの先端球104Gの押込みを減らす方向に移動する。スタイラス103Gの傾き方向のモーメントが静摩擦力よりも大きくなる瞬間に、スタイラス103Gの接触点118Gが移動し始めて、静摩擦力から動摩擦力に切り替わる。この状態を図9Dに示す。接触点118Gが一度移動し始めた後は、スタイラス103Gの支点117Gと接触点118GのY軸方向の相対距離が一定となるように、傾いて移動していく事になる。このとき、角度検出器106Gと光スポット中心304Gdの位置関係が図9Dの下側の図に示すようになる。スタイラス103GがY軸方向に静止している状態からY軸−側に走査するときの状態の推移を示す図9E〜図9Hについては、前述の内容と基本的に同様であるが、Y軸方向の走査による摩擦力の発生方向が逆転するため、スタイラス103Gの支点117Gが、スタイラス103Gの先端球104Gをより押込ませる方向に変位する事になる。   9A to 9D show a state from when the stylus 103G is stationary with respect to the Y-axis direction until the stylus 103G starts to move relative to the Y-axis + side, and FIGS. This shows a state from a state where it is stationary with respect to the direction until it starts to move relative to the Y-axis minus side. In the state of FIG. 9A where the stylus 103G is stationary in the Y-axis direction, the vector connecting the fulcrum 117G of the stylus 103G and the contact point 118G is parallel to the X-axis, and the stylus 103G does not tilt in the Y-axis direction. Next, FIG. 9B shows a state at the moment when the stylus 103G starts to move in the Y axis + direction. A drag force from the object to be measured 200G acts on the contact point 118G of the stylus 103G, and a frictional force is generated in the scanning direction. When the static frictional force is larger than the moment of inclination of the stylus 103G, the contact point 118G of the stylus 103G tries to stay there, so that only the fulcrum 117G of the stylus 103G is displaced in the Y-axis + direction, resulting in In addition, the stylus 103G is also inclined in the Y-axis direction. At this time, the center of the light spot in the Y-axis direction is displaced. However, when the mounting angle error of the angle detector 106G is included, an error from the control target position 119G in the X-axis direction on the angle detector 106G occurs. At this time, as shown in FIG. 9C, in order to follow the target position of the angle detector 106G by follow-up control in the X-axis direction, the fulcrum 117G of the stylus 103G in the X-axis direction pushes the tip sphere 104G of the stylus 103G. Move in the direction of decreasing. At the moment when the moment in the tilt direction of the stylus 103G becomes larger than the static friction force, the contact point 118G of the stylus 103G starts to move and switches from the static friction force to the dynamic friction force. This state is shown in FIG. 9D. After the contact point 118G starts to move once, the contact point 118G is inclined and moved so that the relative distance between the fulcrum 117G of the stylus 103G and the contact point 118G in the Y-axis direction is constant. At this time, the positional relationship between the angle detector 106G and the light spot center 304Gd is as shown in the lower diagram of FIG. 9D. FIGS. 9E to 9H showing the transition of the state when the stylus 103G is stationary in the Y-axis direction to the Y-axis-side are basically the same as described above, but are in the Y-axis direction. Since the generation direction of the frictional force due to the scanning is reversed, the fulcrum 117G of the stylus 103G is displaced in a direction in which the tip sphere 104G of the stylus 103G is pushed further.

前述の現象が測定結果に与える影響を説明する。被測定物200Gの被測定面200Gaをスタイラス103GがY軸+方向に走査して、少なくとも2箇所以上で取得した第1相対位置座標データ(X,Y,Z)と第1傾きデータ(θ,θ)と、前記測定位置と概略一致する位置をスタイラス103GがY軸−方向に走査して、少なくとも2箇所以上で取得した第2相対位置座標データ(X,Y,Z)と第2傾きデータ(θ,θ)とを用いて、スタイラス103GのY軸+方向走査時の被測定物200Gとスタイラス103Gの先端球104Gの接触点位置座標データと、スタイラス103GのY軸−方向走査時の被測定物200Gとスタイラス103Gの先端球104Gの接触点位置座標データとを算出した結果を図10Aに示す。図10Aにおいて、被測定物200Gに対するY軸+方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ121aとY軸−方向走査時の接触点推定結果である接触点位置座標データ121bは一致しない。 The influence of the above phenomenon on the measurement result will be described. The first relative position coordinate data (X, Y, Z) and the first inclination data (θ x ) acquired at least at two or more positions when the stylus 103G scans the measurement surface 200Ga of the measurement object 200G in the Y axis + direction. , Θ y ) and the second relative position coordinate data (X, Y, Z) acquired at least at two or more positions by scanning the stylus 103G in the Y-axis-direction at a position that roughly matches the measurement position, and the second Using the tilt data (θ x , θ y ), the contact point position coordinate data of the object 200G to be measured and the tip sphere 104G of the stylus 103G during the Y axis + direction scanning of the stylus 103G, and the Y axis minus direction of the stylus 103G FIG. 10A shows the result of calculating the contact point position coordinate data of the object 200G to be measured and the tip sphere 104G of the stylus 103G during scanning. In FIG. 10A, contact point position coordinate data 121a which is a contact point estimation result at the time of Y-axis + direction scanning with respect to the object to be measured 200G coincides with contact point position coordinate data 121b which is a contact point estimation result at the time of Y-axis-direction scanning. do not do.

これが、角度検出器106Gの取付角度誤差に起因する測定誤差であり、スタイラス103Gが測長座標系のX軸、Y軸方向に傾いているにも関わらず、測長座標系に対して傾いている角度検出器106Gの検出結果を用いて接触点を算出した結果に他ならない。   This is a measurement error due to the mounting angle error of the angle detector 106G, and the stylus 103G is inclined with respect to the length measurement coordinate system even though it is inclined in the X axis and Y axis directions of the length measurement coordinate system. This is nothing but the result of calculating the contact point using the detection result of the angle detector 106G.

本実施形態にかかる3次元形状測定方法では、この取付角度誤差を以下の手順で補正することにより、前記測定誤差を低減させるものである。   In the three-dimensional shape measurement method according to the present embodiment, the measurement error is reduced by correcting the attachment angle error by the following procedure.

前記補正処理は、スタイラス先端変位演算部403で実施される。   The correction process is performed by the stylus tip displacement calculator 403.

まず、図11Aに示すような取付角度誤差の無い角度検出器106Gの座標軸をθ軸とθ軸と、図11Bに示すような前記角度検出器106Gの原点Oを中心に取付角度誤差γだけ回転したときの角度検出器106Gの座標軸をθx’軸とθy’軸を仮定する。 First, the coordinate axis of the mounting angle error-free angle detector 106G and theta x-axis and theta y-axis as shown in FIG. 11A, the mounting angle error γ the angle detector around the origin O of 106G as shown in FIG. 11B Assuming that the coordinate axes of the angle detector 106G when rotated only by θx axis and θy axis.

今、光スポット中心305Gが図11A及び図11Bに示す位置に照射されていると仮定する。これは、角度検出器106Gの取付状態が、図11Bに示す場合においては角度検出結果がθx’θy’座標において第1象限で検出されるが、図11Aに示す取付角度誤差の無い理想的な角度検出結果としてはθ軸上に存在する事になる。角度検出器106Gの2次元空間の等方性が得られれば、下式(数7)に示すような座標変換をスタイラス先端変位演算部403により行う事により、角度検出結果を図11Bで示されるθx’θy’座標から図11Aで示されるθθ座標に変換する事が可能となる。 Assume that the light spot center 305G is irradiated at the position shown in FIGS. 11A and 11B. In the case where the mounting state of the angle detector 106G is shown in FIG. 11B, the angle detection result is detected in the first quadrant in the θ x ′ θ y ′ coordinates, but there is no ideal mounting angle error shown in FIG. 11A. As a result of a typical angle detection, it exists on the θx axis. If the isotropicity of the two-dimensional space of the angle detector 106G is obtained, the angle detection result is shown in FIG. 11B by performing coordinate conversion as shown in the following equation (Equation 7) by the stylus tip displacement calculation unit 403. It is possible to convert from θ x ′ θ y ′ coordinates to θ x θ y coordinates shown in FIG. 11A.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

この変換を実現するためには角度検出器106Gの取付角度誤差γが必要となる。   In order to realize this conversion, the mounting angle error γ of the angle detector 106G is required.

前記取付角度誤差γは以下のようにして算出する。まず、スタイラス103Gを第1の方向に走査して、少なくとも2箇所以上の位置で、位置座標測定部108Gと角度検出部106Gとでそれぞれ第1相対位置座標データ(X,Y,Z)と第1傾きデータ(θx’,θy’)を求める。また、スタイラス103Gを第1の方向と相反する第2の方向に走査して、前記第1相対位置座標データ及び傾きデータを求めた位置と概略一致する位置で、位置座標測定部108Gと角度検出部106Gとでそれぞれ第2相対位置座標データ(X,Y,Z)と第2傾きデータ(θx’,θy’)とを求める。また、事前に入力装置411から取付角度誤差γの初期値を入力しておく事で(数7)で示される座標変換式が実現される。前記座標変換式はスタイラス先端変位演算部403に実装される。前記第1傾きデータ(θx’,θy’)と前記第2傾きデータ(θx’,θy’)を前記スタイラス先端変位演算部の座標変換式により、スタイラス先端変位演算部403にて第1傾き補正データ(θ,θ)と第2傾き補正データ(θ,θ)を得る。次いで、前記それぞれ求められた第1相対位置座標データ(X,Y,Z)と第1傾きデータ(θx’,θy’)、及び、第2相対位置座標データ(X,Y,Z)と第2傾きデータ(θx’,θy’)と、前記変換後の第1傾き補正データ(θ,θ)と第2傾き補正データ(θ,θ)とを加算部404を用いて加算する事により、スタイラス103Gと被測定物200Gの第1接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)と第2接触点位置座標データ(X’,Y’,Z’)を算出する。そして、最適な取付角度誤差γをγ校正部407Gで探索する事で、角度検出器106Gの取付角度誤差を校正する。以下では、角度検出器106Gの取付角度誤差を演算処理部109Gで校正する方法を説明する。 The mounting angle error γ is calculated as follows. First, the stylus 103G is scanned in the first direction, and the first relative position coordinate data (X, Y, Z) and the first are detected by the position coordinate measurement unit 108G and the angle detection unit 106G, respectively, at at least two positions. 1 Inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) is obtained. In addition, the position coordinate measuring unit 108G and angle detection are performed at a position that approximately matches the position at which the first relative position coordinate data and the tilt data are obtained by scanning the stylus 103G in a second direction opposite to the first direction. The second relative position coordinate data (X, Y, Z) and the second inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) are obtained by the unit 106G, respectively. Further, by inputting the initial value of the mounting angle error γ from the input device 411 in advance, the coordinate conversion formula shown in (Expression 7) is realized. The coordinate conversion formula is implemented in the stylus tip displacement calculator 403. The first tilt data (θ x ′ , θ y ′ ) and the second tilt data (θ x ′ , θ y ′ ) are converted by the stylus tip displacement calculator 403 using the coordinate conversion formula of the stylus tip displacement calculator. First inclination correction data (θ x , θ y ) and second inclination correction data (θ x , θ y ) are obtained. Next, the first relative position coordinate data (X, Y, Z) and the first inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) obtained respectively and the second relative position coordinate data (X, Y, Z) are obtained. , Second inclination data (θ x ′ , θ y ′ ), the converted first inclination correction data (θ x , θ y ), and second inclination correction data (θ x , θ y ). Are used to add the first contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) and the second contact point position coordinate data (X ′, Y ′, Z ′) of the stylus 103G and the object 200G to be measured. ) Is calculated. Then, the optimum mounting angle error γ is searched by the γ calibration unit 407G to calibrate the mounting angle error of the angle detector 106G. Hereinafter, a method of calibrating the mounting angle error of the angle detector 106G by the arithmetic processing unit 109G will be described.

先に述べたように、被測定物200Gの被測定面200Ga上をスタイラス103Gにより、前記相反する2方向(例えば、Y軸+方向とY軸−方向)へ走査する事で得られる接触点位置座標データ121aと接触点位置座標データ121bは、角度検出器106Gの取付誤差が存在する場合には、図10Aのように、双方の接触点位置座標データ121aと接触点位置座標データ121bが一致しない。しかし、角度検出器106の取付角度誤差が小さくなると、図10Bに示すように前記接触点位置座標データ121aと接触点位置座標データ121bの差は小さくなり、角度検出器106Gの取付角度誤差が存在しない場合には、図10Cに示すように、前記接触点位置座標データ121aと接触点位置座標データ121bは測定精度の範囲で一致する。   As described above, the contact point position obtained by scanning the surface to be measured 200Ga of the object to be measured 200G with the stylus 103G in the two opposite directions (for example, the Y axis + direction and the Y axis-direction). When there is an attachment error of the angle detector 106G, the coordinate data 121a and the contact point position coordinate data 121b do not match both the contact point position coordinate data 121a and the contact point position coordinate data 121b as shown in FIG. 10A. . However, when the mounting angle error of the angle detector 106 becomes small, as shown in FIG. 10B, the difference between the contact point position coordinate data 121a and the contact point position coordinate data 121b becomes small, and there is a mounting angle error of the angle detector 106G. If not, as shown in FIG. 10C, the contact point position coordinate data 121a and the contact point position coordinate data 121b match within the range of measurement accuracy.

そこで、前記最適な取付角度誤差γをγ校正部407Gにより探索するための1つの指標を、以下のように、γ校正部407Gで定義する。   Therefore, one index for searching for the optimum mounting angle error γ by the γ calibration unit 407G is defined by the γ calibration unit 407G as follows.

図10A〜図10Cにおいて、スタイラス103Gを相反する2方向(例えば、Y軸+方向とY軸−方向)へ走査する事で得られる接触点位置座標データ121aと接触点位置座標データ121bの差を表す指標として、本発明の第1及び第2実施形態においては第1の走査方向に対する接触点推定データ(Xa'[i],Ya'[i],Za'[i])と、第2の走査方向に対する接触点位置座標データ(Xb'[i],Yb'[i],Zb'[i])とするとき、以下の(数8)の最初の3行に示すように比較部406で比較し、最終行の距離dをγ校正部407Gで定義する。ただし、添字iは、データ数をN(任意の整数)とするとき、i=1,2,・・・,Nである。 10A to 10C, the difference between the contact point position coordinate data 121a and the contact point position coordinate data 121b obtained by scanning the stylus 103G in two opposite directions (for example, the Y axis + direction and the Y axis-direction) is shown. As an index to be expressed, in the first and second embodiments of the present invention, contact point estimation data (X a ′ [i] , Y a ′ [i] , Z a ′ [i] ) with respect to the first scanning direction, When the contact point position coordinate data (X b ′ [i] , Y b ′ [i] , Z b ′ [i] ) with respect to the second scanning direction is shown in the first three lines of the following (Equation 8). In this way, the comparison unit 406 performs comparison, and the final row distance d is defined by the γ calibration unit 407G. However, the subscript i is i = 1, 2,..., N, where N is an arbitrary number of data.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

また、本発明の第3実施形態においては被測定物200Gが既知形状である場合においては、前記最適な取付角度誤差γをγ校正部407Gにより探索するための以下に示す別の指標を、γ校正部407Gで定義する。第1の走査方向に対する第1接触点位置座標データ(Xa'[i],Ya'[i],Za'[i])と第1既知形状データ(XDa'[i],YDa'[i],ZDa'[i])、及び第2の走査方向に対する第2接触点位置座標データ(Xb'[i],Yb'[i],Zb'[i])と第2既知形状データ(XDb'[i],YDb'[i],ZDb'[i])とするとき、両接触点位置座標データの差を表す指標として(数9)の最終行の距離dをγ校正部407Gで定義する。なお、(数9)の最終行以外の項目は比較部406で実現する。なお、前記第1及び第2既知形状データは入力装置411により入力されるものとし、多数の3次元座標データ群であっても良いし、例えば既知形状が球体であれば半径値を入力する事により接触点位置座標データに対応する既知形状データを算出する事も可能である。 In the third embodiment of the present invention, when the device under test 200G has a known shape, another index shown below for searching for the optimum mounting angle error γ by the γ calibration unit 407G is expressed as γ This is defined by the calibration unit 407G. First contact point position coordinate data (X a ′ [i] , Y a ′ [i] , Z a ′ [i] ) and first known shape data (X Da ′ [i] , Y) with respect to the first scanning direction Da ′ [i] , Z Da ′ [i] ), and second contact point position coordinate data (X b ′ [i] , Y b ′ [i] , Z b ′ [i] ) with respect to the second scanning direction. And second known shape data (X Db ′ [i] , Y Db ′ [i] , Z Db ′ [i] ), the last of (Equation 9) is used as an index representing the difference between the two contact point position coordinate data The row distance d is defined by the γ calibration unit 407G. It should be noted that items other than the last line in (Equation 9) are realized by the comparison unit 406. The first and second known shape data are input by the input device 411, and may be a large number of three-dimensional coordinate data groups. For example, if the known shape is a sphere, a radius value may be input. Thus, it is possible to calculate known shape data corresponding to the contact point position coordinate data.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

前記(数8)の最終行の距離d及び(数9)の最終行の距離dの2つの指標がそれぞれ事前に入力装置で入力された校正完了のための判定値よりも小さくなるような角度γを演算処理部109Gにより探索する事により校正し、スタイラス先端変位演算部403において前記角度検出器106Gの取付角度誤差を前記校正された角度γとする事により、スタイラス先端変位演算部403で、角度検出器106Gの取付角度誤差γの補正が可能となる。なお、前記校正された取付角度誤差γは、校正後に任意の方向に走査して求めたスタイラス103Gの第3相対位置座標データ及び第3傾きデータに対しても適用可能であり、演算処理部109Gにおいて前記第3相対位置座標データ及び第3傾きデータからスタイラス103Gと被測定物200Gの接触点位置座標データを算出する事ができる。   The angle at which the two indices of the distance d of the last row in (Equation 8) and the distance d of the last row in (Equation 9) are smaller than the judgment value for completion of calibration input in advance by the input device, respectively. γ is calibrated by searching by the arithmetic processing unit 109G, and the mounting angle error of the angle detector 106G is set to the calibrated angle γ in the stylus tip displacement calculating unit 403, whereby the stylus tip displacement calculating unit 403 The mounting angle error γ of the angle detector 106G can be corrected. Note that the calibrated mounting angle error γ can also be applied to the third relative position coordinate data and the third inclination data of the stylus 103G obtained by scanning in an arbitrary direction after calibration, and the arithmetic processing unit 109G. Then, the contact point position coordinate data of the stylus 103G and the object 200G to be measured can be calculated from the third relative position coordinate data and the third inclination data.

また、被測定物200Gが既知形状でありかつその既知形状データを使用することができ、接触点位置座標データと既知形状データの誤差を指標とする場合においては、演算処理部109Gに、接触点位置座標データを既知形状データへ位置合わせする処理部を追加する事により比較部406で前記既知形状データへ位置合わせした接触点位置座標データと前記既知形状データの誤差を算出する事が好ましい。この位置合わせ方法の一例として、接触点推定データと既知形状データの差の自乗総和平均を最小にする座標変換量を求めた後に、前記接触点推定データを前記座標変換量を用いて座標変換すれば良い。   Further, when the measured object 200G has a known shape and the known shape data can be used, and the error between the contact point position coordinate data and the known shape data is used as an index, the calculation processing unit 109G receives the contact point. It is preferable to calculate an error between the contact point position coordinate data aligned with the known shape data by the comparison unit 406 and the known shape data by adding a processing unit for aligning the position coordinate data with the known shape data. As an example of this alignment method, after obtaining the coordinate conversion amount that minimizes the mean square sum of the difference between the contact point estimation data and the known shape data, the contact point estimation data is subjected to coordinate conversion using the coordinate conversion amount. It ’s fine.

さらに、本発明の第3実施形態においては(数9)の最終行に示す距離dを指標として前記γ校正部407Gで使用する場合においては、第1誤差データがdx=dy=dz=0かつ第2誤差データがdx=dy=dz=0となるときに、距離d=0が保証される。つまり、前記γ校正部407Gで下式(数10)の指標に拡張する事により、第1の走査方向に走査してスタイラス103Gの相対位置座標データを求める測定位置と第2の走査方向に走査してスタイラス103Gの相対位置座標データを求める測定位置は一致する必要が無い上に、両者の測定データ数が異なっても前記取付角度誤差の校正を前記γ校正部407Gで行なうことができる事になる。 Furthermore, in the third embodiment of the present invention, when the γ calibration unit 407G uses the distance d shown in the last row of (Equation 9) as an index, the first error data is dx a = dy a = dz a When d = 0 and the second error data is dx b = dy b = dz b = 0, the distance d = 0 is guaranteed. That is, the γ calibration unit 407G expands to the index of the following formula (Equation 10), thereby scanning in the first scanning direction to obtain the relative position coordinate data of the stylus 103G and scanning in the second scanning direction. Thus, the measurement position for obtaining the relative position coordinate data of the stylus 103G does not have to coincide with each other, and the γ calibration unit 407G can calibrate the mounting angle error even if the two measurement data numbers are different. Become.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

この状態を図10D〜図10Fに示す。図10Dにおいて、スタイラス103GをY軸+側へ走査したときの接触点位置座標データを(Xda[i],Yda[i],Zda[i])、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを(XDda[i],YDda[i],ZDda[i])とする。添字iはi=1,2,・・・,5である。同様に、スタイラス103GをY軸−側へ走査したときの接触点位置座標データを(Xdb[j],Ydb[j],Zdb[j])、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを(XDdb[j],YDdb[j],ZDdb[j])とする。添字jはj=1,2,3である。図10Dにおける指標dは下記のように(数11)により前記γ校正部407Gでで求まる。 This state is shown in FIGS. 10D to 10F. In FIG. 10D, contact point position coordinate data (X da [i] , Y da [i] , Z da [i] ) when the stylus 103G is scanned to the Y axis + side corresponds to the contact point position coordinate data. The known shape data to be performed is (X Dda [i] , Y Dda [i] , Z Dda [i] ). The subscript i is i = 1, 2,. Similarly, the contact point position coordinate data (X db [j] , Y db [j] , Z db [j] ) when the stylus 103G is scanned to the Y axis-side corresponds to the contact point position coordinate data. The known shape data is assumed to be (X Ddb [j] , Y Ddb [j] , Z Ddb [j] ). The subscript j is j = 1,2,3. Index d d in FIG. 10D is obtained by the in γ correction unit 407G by the equation (11) as follows.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

同様に図10Eについても同様に、スタイラス103GをY軸+側へ走査したときの接触点位置座標データを(Xea[i],Yea[i],Zea[i])、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを(XDea[i],YDea[i],ZDea[i])、スタイラス103GをY軸−側へ走査したときの接触点位置座標データを(Xeb[j],Yeb[j],Zeb[j])、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを(XDeb[j],YDeb[j],ZDeb[j])とする。このとき、指標dが(数12)のように前記γ校正部407Gでで求まる。 Similarly, in FIG. 10E as well, the contact point position coordinate data ( Xea [i] , Yea [i] , Zea [i] ) when the stylus 103G is scanned to the Y axis + side is the same. The known shape data corresponding to the position coordinate data ( XDea [i] , YDea [i] , ZDea [i] ), and the contact point position coordinate data when the stylus 103G is scanned to the Y axis-side (X eb [j] , Y eb [j] , Z eb [j] ), and known shape data corresponding to the contact point position coordinate data (X Deb [j] , Y Dev [j] , Z Dev [j] ) And In this case, the index d e is obtained in by the γ correction unit 407G as (number 12).

Figure 2008304413
Figure 2008304413

同様に図10Fについても同様に、スタイラス103GをY軸+側へ走査したときの接触点位置座標データを(Xfa[i],Yfa[i],Zfa[i])、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを(XDfa[i],YDfa[i],ZDfa[i])、スタイラス103GをY軸−側へ走査したときの接触点位置座標データを(Xfb[j],Yfb[j],Zfb[j])、前記接触点位置座標データに対応する既知形状データを(XDfb[j],YDfb[j],ZDfb[j])とする。このとき、指標dが(数13)のように前記γ校正部407Gでで求まる。 Similarly, in FIG. 10F as well, contact point position coordinate data (X fa [i] , Y fa [i] , Z fa [i] ) when the stylus 103G is scanned to the Y axis + side is the contact point. The known shape data corresponding to the position coordinate data (X Dfa [i] , Y Dfa [i] , Z Dfa [i] ), and the contact point position coordinate data when the stylus 103G is scanned to the Y axis-side (X fb [j] , Yfb [j] , Zfb [j] ), and known shape data corresponding to the contact point position coordinate data ( XDfb [j] , YDfb [j] , ZDfb [j] ) And In this case, the index d f is obtained in by the γ correction unit 407G as (number 13).

Figure 2008304413
Figure 2008304413

図10D〜図10Fに示す接触点位置座標データと前記接触点位置座標データに対応する既知形状データの関係からも明らかなように、下式(数14)が成立する。   As is clear from the relationship between the contact point position coordinate data shown in FIGS. 10D to 10F and the known shape data corresponding to the contact point position coordinate data, the following equation (Formula 14) is established.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

最後に、本発明の前記実施形態にかかる3次元形状測定方法のフローを、図12Aに示すフローチャートを参照しながら説明する。   Finally, the flow of the three-dimensional shape measurement method according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 12A.

まず、ステップS1において、制御装置111Gの制御の下に、校正に用いる被測定物200Gの被測定面200Gaを第1の方向にスタイラス103Gを走査させて、少なくとも2点以上の位置での第1相対位置座標データと第1傾きデータを前記位置座標測定部108Gと前記角度検出部106Gとでそれぞれ求める。具体的には、被測定物200Gの被測定面200Gaにスタイラス103Gのスタイラス先端球104Gを概略一定の測定力で接触させつつ、第1の方向に走査して、第1相対位置座標データと第1傾きデータを、それぞれ2点以上、前記位置座標測定部108Gと前記角度検出部106Gとでそれぞれ求めて、記憶部400,401にそれぞれ記憶させる。   First, in step S1, under the control of the control device 111G, the measurement surface 200Ga of the measurement object 200G used for calibration is scanned with the stylus 103G in the first direction, and the first at at least two positions. Relative position coordinate data and first inclination data are obtained by the position coordinate measurement unit 108G and the angle detection unit 106G, respectively. Specifically, the stylus tip sphere 104G of the stylus 103G is brought into contact with the surface to be measured 200Ga of the object to be measured 200G with a substantially constant measurement force, and the first relative position coordinate data and the first data are scanned in the first direction. One inclination data is obtained by the position coordinate measuring unit 108G and the angle detecting unit 106G, respectively, at two or more points, and stored in the storage units 400 and 401, respectively.

次いで、ステップS2において、制御装置111Gの制御の下に、前記校正に用いる被測定物200Gの被測定面200Gaを、第1の方向と相反する第2の方向にスタイラス103Gを走査させて、前記第1相対位置座標データ及び前記第1傾きデータを求めた位置と概略一致する位置での第2相対位置座標データと第2傾きデータを前記位置座標測定部108Gと前記角度検出部106Gとでそれぞれ求める。具体的には、被測定物200Gの被測定面200Gaにスタイラス103Gを概略一定の測定力で接触させつつ、第1の方向に相反する第2の方向に走査して、第2相対位置座標データと第2傾きデータを、それぞれ前記第1相対位置座標データ及び前記第1傾きデータを求めた位置と概略一致する位置において、前記位置座標測定部108Gと前記角度検出部106Gとでそれぞれ求めて、記憶部400,401にそれぞれ記憶させる。   Next, in step S2, under the control of the control device 111G, the surface to be measured 200Ga of the object to be measured 200G used for the calibration is scanned with the stylus 103G in the second direction opposite to the first direction. The second relative position coordinate data and the second inclination data at the position that approximately matches the position at which the first relative position coordinate data and the first inclination data are obtained are respectively obtained by the position coordinate measurement unit 108G and the angle detection unit 106G. Ask. Specifically, the second relative position coordinate data is scanned in the second direction opposite to the first direction while bringing the stylus 103G into contact with the measurement surface 200Ga of the measurement object 200G with a substantially constant measurement force. And the second inclination data are respectively obtained by the position coordinate measurement unit 108G and the angle detection unit 106G at positions substantially coincident with the positions at which the first relative position coordinate data and the first inclination data are obtained, respectively. The data are stored in the storage units 400 and 401, respectively.

次に、ステップS3において、記憶部401に記憶された第1傾きデータからスタイラス先端変位演算部403で前記傾き量に対応するスタイラス先端変位を求め、記憶部400に記憶された第1相対位置座標データと前記スタイラス先端変位を加算部404で加算し第1接触点位置座標データを算出する。同様にステップS4において、第2相対位置座標データ及び第2傾きデータから第2接触点位置座標データを算出する。   Next, in step S3, the stylus tip displacement calculation unit 403 obtains the stylus tip displacement corresponding to the tilt amount from the first tilt data stored in the storage unit 401, and the first relative position coordinates stored in the storage unit 400 are obtained. The adder 404 adds the data and the stylus tip displacement to calculate the first contact point position coordinate data. Similarly, in step S4, second contact point position coordinate data is calculated from the second relative position coordinate data and the second inclination data.

次に、ステップS5において前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データを比較部406により比較して、誤差データを算出する。前記誤差データは、記憶部407に記憶され、表示装置413に出力されて表示装置413で表示される。また、角度検出器106Gの取付角度誤差γを校正する場合には、記憶部407に記憶された前記誤差データと、事前に入力装置411で比較部407Hに入力された校正完了の判定値とを比較部407Hにおいて比較し、校正が完了していない場合においては、角度検出器106Gの取付角度誤差γを校正部407Gにより校正する。前記校正に関するフローは後に説明する。   In step S5, the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data are compared by the comparison unit 406 to calculate error data. The error data is stored in the storage unit 407, output to the display device 413, and displayed on the display device 413. Further, when the mounting angle error γ of the angle detector 106G is calibrated, the error data stored in the storage unit 407 and the calibration completion determination value input in advance to the comparison unit 407H by the input device 411 are used. If the comparison is not completed in the comparison unit 407H, the mounting angle error γ of the angle detector 106G is calibrated by the calibration unit 407G. The flow relating to the calibration will be described later.

次に、ステップS6において、測定対象を実際に測定すべき任意の被測定物に置き換えて、前記スタイラスの相対位置を任意の方向に移動させる事により、第3相対位置座標データ及び第3傾きデータを前記位置座標測定部108Gと前記角度検出部106Gにより求めて、記憶部400,401にそれぞれ記憶させる。   Next, in step S6, the third relative position coordinate data and the third inclination data are obtained by replacing the measurement object with an arbitrary object to be actually measured and moving the relative position of the stylus in an arbitrary direction. Is obtained by the position coordinate measuring unit 108G and the angle detecting unit 106G and stored in the storage units 400 and 401, respectively.

次に、ステップS7において、記憶部401に記憶された前記第3傾きデータに含まれる角度検出器106Gの取付角度誤差を、校正部407Gで前記校正された取付角度誤差γを用いてスタイラス先端変位演算部403により補正する事により、第3傾き補正データを算出する。   Next, in step S7, the mounting angle error of the angle detector 106G included in the third inclination data stored in the storage unit 401 is converted into the stylus tip displacement using the mounting angle error γ calibrated by the calibration unit 407G. By correcting by the calculation unit 403, third inclination correction data is calculated.

次に、前記第3相対位置座標データ及び前記第3傾き補正データから、前記被測定物200Gと前記スタイラス103Gの第3接触点位置座標データを加算部404により算出する。   Next, from the third relative position coordinate data and the third tilt correction data, the adder 404 calculates third contact point position coordinate data of the device under test 200G and the stylus 103G.

最後に、事前に入力装置411で入力された前記被測定物の既知形状データと前記第3接触点位置座標データを比較部406で比較し、第3の形状誤差データを算出し、記憶部407で記憶した後に表示装置413に表示する。   Finally, the known shape data of the measurement object input in advance by the input device 411 and the third contact point position coordinate data are compared by the comparison unit 406 to calculate third shape error data, and the storage unit 407 And then displayed on the display device 413.

本発明の第2実施形態の前記角度検出器106Gの取付角度誤差γを校正する動作に関するフローを図12Bに示すフローチャートを参照しながら説明する。   A flow relating to the operation of calibrating the mounting angle error γ of the angle detector 106G according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 12B.

まず、ステップS11において、前記角度検出器106Gの取付角度誤差γを繰返し処理により求めるための初期値γ’と、繰返し処理による校正完了を判定するための判定値を、入力装置411から比較部407に入力し設定する。   First, in step S11, an initial value γ ′ for obtaining the mounting angle error γ of the angle detector 106G by iterative processing and a determination value for judging completion of calibration by the iterative processing are obtained from the input device 411 from the comparison unit 407. Enter and set.

次に、ステップS12では、スタイラス先端変位演算部403において、前記校正に用いる、被測定物200Gを測定して求めた前記第1傾きデータに含まれる前記角度検出器106Gの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第1傾き補正データを算出する。同様に、ステップS13では、スタイラス先端変位演算部403において、前記校正に用いる、被測定物200Gを測定して求めた前記第2傾きデータに含まれる前記角度検出器106Gの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第2傾き補正データを算出する。   Next, in step S12, the mounting angle error of the angle detector 106G included in the first inclination data obtained by measuring the measured object 200G used for the calibration in the stylus tip displacement calculation unit 403 is calculated as an angle. By correcting using γ ′, first inclination correction data is calculated. Similarly, in step S13, the mounting angle error of the angle detector 106G included in the second inclination data obtained by measuring the measured object 200G used for the calibration in the stylus tip displacement calculation unit 403 is calculated as an angle. By correcting using γ ′, second inclination correction data is calculated.

次に、ステップS14において、前記第1傾き補正データから第1スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部403により算出した後に、前記校正に用いる、被測定物200Gを測定して求めた前記第1相対位置座標データと前記求められた第1スタイラス先端変位量とを加算部404で加算する事により、第1接触点位置座標データを算出する。同様に、ステップS15において、前記第2傾き補正データから第2スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部403により算出した後に、前記校正に用いる、被測定物200Gを測定して求めた前記第2相対位置座標データと前記求められた第2スタイラス先端変位量とを加算部404で加算する事により、第2接触点位置座標データを算出する。   Next, in step S14, after the first stylus tip displacement amount is calculated from the first tilt correction data by the stylus tip displacement calculator 403, the first object obtained by measuring the object 200G used for the calibration is obtained. By adding the relative position coordinate data and the obtained first stylus tip displacement amount by the adding unit 404, the first contact point position coordinate data is calculated. Similarly, in step S15, the second stylus tip displacement amount is calculated from the second tilt correction data by the stylus tip displacement calculator 403, and then the second object obtained by measuring the object to be measured 200G used for the calibration. By adding the relative position coordinate data and the obtained second stylus tip displacement amount by the adding unit 404, the second contact point position coordinate data is calculated.

次に、ステップS16において、前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データを比較部406で比較し、その差がステップS11で設定した判定値よりも小さくなっているか比較部407Hにて判定する。これは、前記ステップS12及びS13で使用した角度γ’が実際の取付角度誤差γを適切に表していない場合には、前記比較結果に差が現れる事を利用している。   Next, in step S16, the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data are compared by the comparison unit 406, and whether the difference is smaller than the determination value set in step S11 is compared. Judge at 407H. This utilizes the fact that a difference appears in the comparison result when the angle γ ′ used in steps S12 and S13 does not appropriately represent the actual mounting angle error γ.

ステップS16において、前記比較結果が前記判定値よりも小さい場合には、ステップS18に示すようにそのときの角度γ’が実際の角度検出器106Gの取付角度誤差γとなる。逆に、前記比較結果が前記判定値よりも大きい場合には、角度γ’と実際の取付角度には差が発生している事になるので、ステップS17において角度γ’に微小量δγを校正部407Gで加えた後に、ステップS12〜S16を繰り返す事により角度γ’の最適化を行う。なお、最適化の際に必要となる微小変化量δγの決定には、2分法等を適用すれば良い。 In step S16, when the comparison result is smaller than the determination value, the angle γ ′ at that time becomes the actual mounting angle error γ of the angle detector 106G as shown in step S18. On the other hand, if the comparison result is larger than the determination value, there is a difference between the angle γ ′ and the actual mounting angle. Therefore, in step S17, the minute amount δγ is calibrated to the angle γ ′. After adding in the section 407G, the angle γ ′ is optimized by repeating steps S12 to S16. Incidentally, the determination of the minute change amount [delta] gamma required during optimization may be applied to the bisection method or the like.

本発明の第3実施形態の前記角度検出器106Gの取付角度誤差γを校正する動作に関するフローを図12Cに示すフローチャートを参照しながら説明する。   A flow relating to the operation of calibrating the mounting angle error γ of the angle detector 106G according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart shown in FIG. 12C.

まず、ステップS21において、前記角度検出器106Gの取付角度誤差γを繰返し処理により求めるための初期値γ’と、繰返し処理による校正完了を判定するための判定値と、校正に用いる被測定物200Gが既知形状である事より既知形状データを入力装置から入力し設定する。   First, in step S21, an initial value γ ′ for determining the mounting angle error γ of the angle detector 106G by iterative processing, a determination value for determining completion of calibration by the iterative processing, and an object 200G to be used for calibration. Because of the known shape, the known shape data is input from the input device and set.

次に、ステップS22では、スタイラス先端変位演算部403において、前記校正に用いる被測定物200Gを測定して求めた前記第1傾きデータに含まれる前記角度検出器106Gの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第1傾き補正データを算出する。同様に、ステップS23では、スタイラス先端変位演算部403において、前記校正に用いる被測定物200Gを測定して求めた前記第2傾きデータに含まれる前記角度検出器106Gの取付角度誤差を、角度γ’を用いて補正する事により、第2傾き補正データを算出する。   Next, in step S22, the mounting angle error of the angle detector 106G included in the first inclination data obtained by measuring the measurement object 200G used for the calibration in the stylus tip displacement calculation unit 403 is expressed as an angle γ. The first tilt correction data is calculated by correcting using '. Similarly, in step S23, the mounting angle error of the angle detector 106G included in the second inclination data obtained by measuring the measured object 200G used for calibration in the stylus tip displacement calculation unit 403 is expressed as an angle γ. The second inclination correction data is calculated by correcting using '.

次に、ステップS24において、前記第1傾き補正データから第1スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部403により算出した後に、算出した第1スタイラス先端変位量と、前記校正に用いる、被測定物200Gを測定して求めた前記第1相対位置座標データとを加算部404により加算する事により、第1接触点位置座標データを算出する。同様に、ステップS25において、前記第2傾き補正データから第2スタイラス先端変位量をスタイラス先端変位演算部403により算出した後に、算出した第2スタイラス先端変位量と、前記校正に用いる被測定物200Gを測定して求めた前記第2相対位置座標データとを加算部404により加算する事により、第2接触点位置座標データを算出する。   Next, in step S24, after calculating the first stylus tip displacement amount from the first tilt correction data by the stylus tip displacement calculation unit 403, the calculated first stylus tip displacement amount and the measurement object used for the calibration. The first contact point position coordinate data is calculated by adding the first relative position coordinate data obtained by measuring 200G by the adding unit 404. Similarly, in step S25, after calculating the second stylus tip displacement amount from the second inclination correction data by the stylus tip displacement calculator 403, the calculated second stylus tip displacement amount and the object 200G to be used for the calibration are calculated. The second contact point position coordinate data is calculated by adding the second relative position coordinate data obtained by measuring the value by the adding unit 404.

次に、ステップS26において、前記第1接触位置座標データと対応する前記既知形状データを比較部406で比較する事により第1誤差データを算出して、記憶部407に記憶する。同様に、ステップS27において、前記第2接触位置座標データと対応する前記既知形状データを比較部406で比較する事により第2誤差データを算出して、記憶部407に記憶する。   Next, in step S <b> 26, the first error data is calculated by comparing the known shape data corresponding to the first contact position coordinate data by the comparison unit 406 and stored in the storage unit 407. Similarly, in step S <b> 27, second error data is calculated by comparing the known shape data corresponding to the second contact position coordinate data with the comparison unit 406, and stored in the storage unit 407.

次に、ステップS28において、記憶部407に記憶された前記第1誤差データと前記第2誤差データから求まる評価指標がステップS21で設定した判定値よりも小さくなっているか否かを比較部407Hで比較して判定する。これは、前記ステップS22及びS23で使用した角度γ’が実際の取付角度誤差γを適切に表していない場合には、前記比較結果に差が現れる事を利用している。   Next, in step S28, the comparison unit 407H determines whether or not the evaluation index obtained from the first error data and the second error data stored in the storage unit 407 is smaller than the determination value set in step S21. Judge by comparison. This utilizes the fact that a difference appears in the comparison result when the angle γ ′ used in steps S22 and S23 does not appropriately represent the actual mounting angle error γ.

ステップS28において、前記比較結果が前記判定値よりも小さい場合には、ステップS30に示すようにそのときの角度γ’が実際の角度検出器106Gの取付角度誤差γとなる。逆に、前記比較結果が前記判定値よりも大きい場合には、角度γ’と実際の取付角度には差が発生している事になるので、ステップS29において角度γ’に微小量δγを校正部407Gで加えた後に、ステップS22〜S28を繰り返す事により角度γ’の最適化を行う。   In step S28, if the comparison result is smaller than the determination value, the angle γ 'at that time becomes the actual mounting angle error γ of the angle detector 106G as shown in step S30. On the contrary, if the comparison result is larger than the determination value, there is a difference between the angle γ ′ and the actual mounting angle. Therefore, in step S29, the minute amount δγ is calibrated to the angle γ ′. After adding in the unit 407G, the angle γ ′ is optimized by repeating steps S22 to S28.

最後に、相対位置座標データ(X,Y,Z)と傾きデータ(θx’,θy’)から、スタイラス103Gと被測定物200Gの接触点を加算部404により算出する計算式を以下の(数15)にまとめる。ここで、角度検出器106Gの取付角度誤差はγとし、スタイラス103Gの支点から先端球104Gの中心までの距離をLとする。 Finally, a calculation formula for calculating the contact point between the stylus 103G and the DUT 200G from the relative position coordinate data (X, Y, Z) and the inclination data (θ x ′ , θ y ′ ) by the adding unit 404 is as follows. (Equation 15) Here, the mounting angle error of the angle detector 106G is γ, and the distance from the fulcrum of the stylus 103G to the center of the tip sphere 104G is L.

Figure 2008304413
Figure 2008304413

以上のように、本発明の形状測定方法によれば、角度検出器106Gの取付角度誤差を容易に校正することができ、前記角度検出器106Gの取付角度誤差による測定誤差を低減させる事が可能となる。また、角度検出器106Gの取付角度を繰返して調整する事も不要となる。   As described above, according to the shape measurement method of the present invention, the mounting angle error of the angle detector 106G can be easily calibrated, and the measurement error due to the mounting angle error of the angle detector 106G can be reduced. It becomes. Further, it is not necessary to repeatedly adjust the mounting angle of the angle detector 106G.

また、前述のように第1接触点位置座標データと第2接触点位置座標データを直接比較する場合においては、被測定物の形状が既知である必要がなくなるため、未知形状の被測定物を用いる事も可能である。   In addition, when the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data are directly compared as described above, it is not necessary to know the shape of the object to be measured. It is also possible to use it.

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。   In addition, it can be made to show the effect which each has by combining arbitrary embodiment or modification of the said various embodiment or modification suitably.

本発明にかかる形状測定方法は、被測定物の任意形状の側面の3次元形状を高精度に測定する際にスタイラスの傾きを検出するために、光スポット中心の位置を2次元センサにより取得しながら、前記側面の3次元形状測定を高精度に行なう形状測定方法に対して適用可能である。   The shape measuring method according to the present invention acquires the position of the center of the light spot with a two-dimensional sensor in order to detect the inclination of the stylus when measuring the three-dimensional shape of the side surface of the arbitrary shape of the object to be measured with high accuracy. However, the present invention can be applied to a shape measuring method that performs the three-dimensional shape measurement of the side surface with high accuracy.

本発明の一実施形態にかかる3次元形状測定装置の構成図The block diagram of the three-dimensional shape measuring apparatus concerning one Embodiment of this invention 図1の前記3次元形状測定装置における測定点情報決定部の構成図1 is a configuration diagram of a measurement point information determination unit in the three-dimensional shape measurement apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置における演算処理部の構成図1 is a configuration diagram of an arithmetic processing unit in the three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置における角度検出光学系の構成図1 is a configuration diagram of an angle detection optical system in the three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置の角度検出器と光スポット中心の変位方向に関する説明図Explanatory drawing regarding the angle detector of the said three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置を使用して3次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図FIG. 1 is a relationship diagram of relative position coordinate data, inclination data, and contact points when a three-dimensional shape measuring method is performed using the three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置を使用して3次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図FIG. 1 is a relationship diagram of relative position coordinate data, inclination data, and contact points when a three-dimensional shape measuring method is performed using the three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置を使用して3次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図The side view which shows the relationship between relative position coordinate data and inclination data, and a contact point when implementing the three-dimensional shape measuring method using the said three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 図1の前記3次元形状測定装置を使用して3次元形状測定方法を実施するときの相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図The side view which shows the relationship between relative position coordinate data and inclination data, and a contact point when implementing the three-dimensional shape measuring method using the said three-dimensional shape measuring apparatus of FIG. 課題に関する説明図Illustration about the issue 被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、被測定物にスタイラスを押込み量が目標値となるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図When measuring the measurement surface of the measurement object, the target is the amount of stylus pushed into the measurement object to briefly explain the relationship between the measurement object and the stylus and the relationship between the angle detector and the light spot center position. Explanatory drawing including a top view and a front view in a state of contact with each other 被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、スタイラスの傾きに対する角度検出器と光スポット中心及び制御目標値を簡易的に示す表現図An angle detector and a light spot with respect to the stylus inclination for simply explaining the positional relationship between the measured object and the stylus and the relationship between the angle detector and the center position of the light spot when measuring the measurement surface of the measured object. A representation that simply shows the center and control target values 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error 本発明の前記実施形態にかかる前記形状測定方法に関する説明図Explanatory drawing regarding the shape measuring method according to the embodiment of the present invention. 本発明の前記実施形態にかかる前記形状測定方法に関する説明図Explanatory drawing regarding the shape measuring method according to the embodiment of the present invention. 本発明の前記実施形態にかかる3次元形状測定方法のフローチャートThe flowchart of the three-dimensional shape measuring method according to the embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態にかかる3次元形状測定方法において、角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作に関するフローチャートThe flowchart regarding the operation | movement which calibrates the attachment angle error (gamma) of an angle detector in the three-dimensional shape measuring method concerning 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態にかかる3次元形状測定方法において、角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作に関するフローチャートThe flowchart regarding the operation | movement which calibrates the attachment angle error (gamma) of an angle detector in the three-dimensional shape measuring method concerning 3rd Embodiment of this invention. 従来の3次元形状測定装置の構成図Configuration diagram of a conventional three-dimensional shape measuring apparatus 図13における測定点情報決定部の構成図Configuration diagram of measurement point information determination unit in FIG. 図13における傾き検出光学系の構成図Configuration diagram of the tilt detection optical system in FIG. 角度検出器と光スポット中心の変位方向に関する説明図Illustration of the angle detector and the displacement direction of the light spot center 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図Relationship diagram of relative position coordinate data and inclination data and contact point 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係図Relationship diagram of relative position coordinate data and inclination data and contact point 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図Side view showing relationship between relative position coordinate data and inclination data and contact point 相対位置座標データ及び傾きデータと接触点の関係を示す側面図Side view showing relationship between relative position coordinate data and inclination data and contact point 従来技術の課題に関する説明図Explanatory drawing about problems of conventional technology 従来技術を用いて、被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、被測定物にスタイラスを押込み量が目標値となるように接触させている状態の上面図と正面図を含む説明図In order to simply explain the positional relationship between the object to be measured and the stylus and the relationship between the angle detector and the center position of the light spot when measuring the measurement surface of the object to be measured using conventional technology, Explanatory drawing including a top view and a front view of a state in which the stylus is brought into contact so that the pushing amount becomes a target value 従来技術を用いて、被測定物の測定面を測定する際の、被測定物とスタイラスの位置関係及び角度検出器と光スポット中心位置の関係について簡易的に説明するための、スタイラスの傾きに対する角度検出器と光スポット中心及び制御目標値を簡易的に示す表現図For measuring the measurement surface of the object to be measured using conventional technology, the positional relationship between the object to be measured and the stylus and the relationship between the angle detector and the light spot center position are simply described with respect to the inclination of the stylus. An expression diagram showing the angle detector, light spot center and control target value in a simple manner 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれない場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 7 is an explanatory diagram of a measurement operation when the mounting angle error of the angle detector is not included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing the positional relationship between the stylus fulcrum and the contact point when the object to be measured and the stylus contact each other. Yes, the lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が含まれる場合の測定動作の説明図であって、上側の図は被測定物とスタイラスが接触する際のスタイラスの支点と接触点の位置関係を示す説明図であり、下側の図は角度検出器における光スポット中心の位置関係を示す説明図FIG. 6 is an explanatory diagram of a measurement operation when an angle detector mounting angle error is included, and the upper diagram is an explanatory diagram showing a positional relationship between a stylus fulcrum and a contact point when the object to be measured contacts the stylus. The lower figure is an explanatory diagram showing the positional relationship of the light spot center in the angle detector 角度検出器の取付角度誤差が与える影響の説明図Illustration of the effect of angle detector mounting angle error

符号の説明Explanation of symbols

100G 3次元形状測定装置
101G レーザ光源
102G プローブ
103G スタイラス
104G スタイラスの先端球
104Ga〜104Gb スタイラス先端球の中心
105G ミラー
106G スタイラス傾き角度検出部(角度検出器)
108G 位置座標測定部
109G 演算処理部
111G 制御装置
112G X軸ステージ
113G Y軸ステージ
114G Z軸ステージ
115G Z軸参照ミラー
116G ミラー
117G スタイラス回転中心(支点)
118G 被測定物とスタイラスの先端球との接触点
119G 角度検出器上における制御目標位置
120G 測長座標系上における制御目標位置
121Ga〜121Gb 相対位置座標データと傾きデータから算出した接触点位置座標データ
200G 被測定物
200Ga 被測定面
300Ga〜300Gc、301Ga〜301Ge、302G、303Ga〜303Gf、304Ga〜304Gh、305G 光スポット中心
400 記憶部
401 記憶部
402 記憶部
403 スタイラス先端変位演算部
404 加算部
405 記憶部
406 比較部
407 記憶部
407G γ校正部
407H 比較部
411 入力装置
413 表示装置
100G three-dimensional shape measuring apparatus 101G laser light source 102G probe 103G stylus 104G stylus tip sphere 104Ga to 104Gb stylus tip sphere center 105G mirror 106G stylus tilt angle detector (angle detector)
108G Position coordinate measuring unit 109G Arithmetic processing unit 111G Control unit 112G X-axis stage 113G Y-axis stage 114G Z-axis stage 115G Z-axis reference mirror 116G Mirror 117G Stylus rotation center (fulcrum)
118G Contact point between measured object and tip sphere of stylus 119G Control target position on angle detector 120G Control target position on length measurement coordinate system 121Ga to 121Gb Contact point position coordinate data calculated from relative position coordinate data and inclination data 200G object to be measured 200Ga surface to be measured 300Ga to 300Gc, 301Ga to 301Ge, 302G, 303Ga to 303Gf, 304Ga to 304Gh, 305G Light spot center 400 storage unit 401 storage unit 402 storage unit 403 stylus tip displacement calculation unit 404 addition unit 405 storage Unit 406 comparison unit 407 storage unit 407G gamma calibration unit 407H comparison unit 411 input device 413 display device

Claims (3)

被測定物の被測定面にスタイラスを接触させて、前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を移動させる移動装置を制御装置により制御することにより、測定力が概略一定となるように前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を制御しつつ、前記被測定物に対する前記スタイラスの前記測定力の作用方向に概略直交する方向の相対位置を移動させて前記スタイラスの相対位置座標を位置座標測定部で測定するとともに、レーザ光の光スポット位置変位量を角度検出器で検出する事により前記スタイラスの傾きをスタイラス傾き角度検出部で求め、前記求められた傾きにより、前記スタイラスが傾く事によるスタイラス先端の変位量をスタイラス先端変位演算部で算出し、前記相対位置座標に前記スタイラス先端の変位量を加える事により前記被測定物と前記スタイラスの接触点を加算部で算出する形状測定方法において、
校正に用いる被測定物と前記スタイラスの相対位置を第1の方向に移動させて少なくとも2箇所以上の位置で前記スタイラスの第1相対位置座標データ及び第1傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
前記被測定物と前記スタイラスの相対位置を前記第1の方向と相反する第2の方向に移動させて前記第1相対位置座標データ及び第1傾きデータを取得した位置と概略一致する位置で前記スタイラスの第2相対位置座標データ及び第2傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、
前記第1相対位置座標データ及び前記第1傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第1接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第2相対位置座標データ及び前記第2傾きデータから前記被測定物と前記スタイラスの第2接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データを比較して前記光スポット位置変位量を検出する前記角度検出器の取付角度誤差γをγ校正部で校正し、
任意の被測定物と前記スタイラスの相対位置を任意の方向に移動させて前記スタイラスの第3相対位置座標データ及び第3傾きデータを前記位置座標測定部と前記角度検出部とでそれぞれ求め、前記第3傾きデータに含まれる前記角度検出器の取付角度誤差γによる誤差をスタイラス先端変位演算部で補正する事により第3傾き補正データを算出し、
前記スタイラスの前記第3相対位置座標データ及び前記第3傾き補正データから、前記被測定物と前記スタイラスの前記第3接触点位置座標データを前記加算部で算出して、前記被測定物の形状を測定する事を特徴とする形状測定方法。
By controlling a moving device that moves the relative position of the object to be measured and the stylus by bringing the stylus into contact with the surface to be measured of the object to be measured, the measurement force is approximately constant. While controlling the relative position of the object and the stylus, the relative position coordinate of the stylus is moved by the position coordinate measuring unit by moving the relative position of the stylus with respect to the object to be measured in a direction substantially perpendicular to the direction of the measurement force of the stylus. In addition to measuring, the angle detector detects the light spot position displacement amount of the laser beam by the stylus tilt angle detector, and the stylus tip tilts due to the stylus tilting according to the obtained tilt. The displacement is calculated by the stylus tip displacement calculator, and the displacement of the stylus tip is added to the relative position coordinates before In the shape measuring method of calculating the adding section contact point of the stylus and the object to be measured,
The relative position between the object to be measured used for calibration and the stylus is moved in the first direction, and the first relative position coordinate data and the first inclination data of the stylus are transferred to the position coordinate measuring unit and the position at at least two positions. Obtained by each angle detector,
The relative position between the object to be measured and the stylus is moved in a second direction opposite to the first direction, and the position approximately coincides with the position where the first relative position coordinate data and the first inclination data are acquired. The second relative position coordinate data and the second inclination data of the stylus are respectively determined by the position coordinate measurement unit and the angle detection unit,
Calculating the first contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the first relative position coordinate data and the first inclination data by the adding unit;
The addition unit calculates second contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the second relative position coordinate data and the second inclination data,
The first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data are compared to calibrate the mounting angle error γ of the angle detector that detects the light spot position displacement amount by a γ calibration unit,
The relative position between an arbitrary object to be measured and the stylus is moved in an arbitrary direction to obtain third relative position coordinate data and third inclination data of the stylus by the position coordinate measurement unit and the angle detection unit, respectively. The third inclination correction data is calculated by correcting the error due to the mounting angle error γ of the angle detector included in the third inclination data by the stylus tip displacement calculation unit,
From the third relative position coordinate data of the stylus and the third inclination correction data, the third contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus is calculated by the adding unit, and the shape of the object to be measured is calculated. A shape measuring method characterized by measuring
前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作において、
前記第1傾きデータを光スポット位置変位量が検出される座標系の原点を中心に任意の角度γ’だけ座標変換することにより第1傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
前記第2傾きデータを前記座標系の原点を中心に前記角度γ’だけ座標変換することにより第2傾き補正データを前記スタイラス先端変位演算部で算出し、
前記第1相対位置座標データ及び第1傾き補正データから前記被測定物と前記スタイラスの第1接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
前記第2相対位置座標データ及び第2傾き補正データから被測定物とスタイラスの第2接触点位置座標データを前記加算部で算出し、
これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データの差が事前に決定された判定値よりも小さくなる角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作を行なう事を特徴とする請求項1に記載の形状測定方法。
In the operation of calibrating the mounting angle error γ of the angle detector,
The first tilt correction data is calculated by the stylus tip displacement calculation unit by transforming the first tilt data by an arbitrary angle γ ′ around the origin of the coordinate system where the light spot position displacement is detected,
The second tilt correction data is calculated by the stylus tip displacement calculation unit by transforming the second tilt data by the angle γ ′ around the origin of the coordinate system,
Calculating the first contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the first relative position coordinate data and the first inclination correction data by the adding unit;
Calculating the second contact point position coordinate data of the object to be measured and the stylus from the second relative position coordinate data and the second inclination correction data,
By repeating these series of operations while changing the value of the angle γ ′, the difference between the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data is smaller than a predetermined determination value. The shape measuring method according to claim 1, wherein the angle γ ′ is calculated by the γ calibration unit, and the operation of calibrating the mounting angle error γ of the angle detector is performed.
前記校正に用いる被測定物を既知形状物とし、前記第1接触点位置座標データと前記第2接触点位置座標データの差を用いて前記角度検出器の取付角度誤差γを校正する動作の代わりに、
前記第1接触点位置データと前記既知形状物を表す既知形状データを比較し第1誤差データを比較部で算出し、
前記第2接触点位置データと前記既知形状データを比較し第2誤差データを前記比較部で算出し、
これら一連の動作を前記角度γ’の値を変化させて繰返し行なう事により、前記第1誤差データと前記第2誤差データが共に事前に決定された判定値よりも小さくなる角度γ’を前記γ校正部で算出し、前記角度検出器の取付角度誤差γをとして校正する動作を行なう事を特徴とする請求項2に記載の形状測定方法。
Instead of the operation of calibrating the mounting angle error γ of the angle detector using the difference between the first contact point position coordinate data and the second contact point position coordinate data, with the measured object used for the calibration being a known shape object In addition,
Comparing the first contact point position data with the known shape data representing the known shape object, and calculating the first error data in the comparison unit;
The second contact point position data and the known shape data are compared and second error data is calculated by the comparison unit,
By repeating these series of operations while changing the value of the angle γ ′, an angle γ ′ in which both the first error data and the second error data are smaller than a predetermined determination value is set to the γ The shape measuring method according to claim 2, wherein an operation of calculating by a calibration unit and calibrating using the angle detector mounting angle error γ is performed.
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