JP4101002B2

JP4101002B2 - Shape measuring apparatus and shape measuring method

Info

Publication number: JP4101002B2
Application number: JP2002251230A
Authority: JP
Inventors: 宏治半田; 恵一吉住; 圭司久保; 博之竹内; 孝昭葛西
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2004093191A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状測定装置及び形状測定方法に関する。特に、本発明は、レーザビームプリンタ、デジタル複写機、ヘッドマウントディスプレイ等の機器で使用される非球面レンズないしは自由曲面レンズのような、複雑かつ非対称なレンズやその金型等の被測定物の表面形状を高精度で測定するための形状測定装置及び形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非球面レンズやその金型の形状を５０ｎｍ以上の高精度で測定することができる超高精度三次元形状測定装置は、例えば、特開平１０−１７０２４３号公報に記載されている。この種の形状測定装置は、その先端が被測定物の被測定面に追随するプローブを備えている。プローブはＸ軸方向及びＹ軸方向に走査され、被測定面の形状に応じてＺ軸方向に変位する。プローブの位置座標（Ｘ座標、Ｙ座標、及びＺ座標）はレーザ測長光学系により測定される。
【０００３】
この種の形状測定装置は、例えば制御用コンピュータのメモリに構築された実行形式のプログラムに基づいて、図７に示す測定手順を実行する。まず、ステップＳ７１において、被測定面の設計式を含む設計データが形状測定装置に入力される。次に、ステップＳ７２において、被測定物の中心出しが実行される。この中心出しは、形状測定の原点（測定原点）を被測定面の光軸中心に一致させるための処理であり、例えば特開平２−２５４３０７号公報にその詳細が記載されている。ステップＳ７３において、プローブをＸＹ方向に走査して形状測定が実行され、ステップＳ７４において測定データが記憶装置に記憶される。その後、ステップＳ７５からステップＳ７８のアラインメント処理が実行される。このアラインメント処理は、形状測定時の被測定面の設置ずれに起因して生じる、測定データの座標軸の設計データの座標軸に対するずれをなくし、測定データの座標軸を設計データの座標軸と一致させ、形状評価を行う処理である。
【０００４】
前記アラインメント処理では、まずステップＳ７５においてプローブ先端の極率半径Ｒに起因する測定誤差の補正（以下、プローブ径補正という。）が実行される。図８を参照して、プローブ径補正について以下に説明する。なお、この図８はＺ−Ｘ平面を示している。プローブ１の先端のスタイラス２が被測定物３の被測定面３ａに追随し、スタイラス２により検出された三次元座標は、スタイラス２の先端Ｔの座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）に相当する。しかし、スタイラス２の先端Ｔは曲率半径Ｒを有するので、被測定面３ａが傾斜していると実際の測定点Ｐの座標（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚ_ｉ）とスタイラス２の先端Ｔの座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）とは一致せず、これによって測定誤差が生じる。実際の測定点Ｐにおける被測定面３ａのＸ方向の傾斜角度α_ｘとすると、図８から明らかなように、以下の式（１）の関係がある。
【０００５】
【数１】

【０００６】
また、Ｚ−Ｙ平面についても被測定面３ａのＹ方向の傾斜角度α_Ｙとすると同様の関係が成立する。従って、傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙが分かれば、スタイラス２の先端Ｔの座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）から実際の測定点Ｐの座標（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚ_ｉ）を求め、プローブ１の先端の曲率半径Ｒに起因する測定誤差を補正することができる。ある測定点における傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙは、その前後の２点の測定データから算出することができる。また、傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙは、スタイラス２の先端Ｔの座標と被測定物３の設計式からも求めることができる。
【０００７】
次に、ステップＳ７６において、例えば最小二乗法により、設計データの座標軸に対する測定データの座標軸のずれをなくすための座標変換移動量が算出される。この座標変換移動量には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向への平行移動量ΔＸ、ΔＹ、及びΔＺと、各軸まわりに回転移動量Δθ_Ｘ、Δθ_Ｙ、及びΔθ_Ｚがある。ステップＳ７７において、算出された座標変換移動量を使用して測定データを座標変換する。
【０００８】
その後、ステップＳ７８において個々の測定点の測定データから対応する設計データが差し引かれ、設計式に対する偏差データないしは形状誤差データが算出される。この偏差データに基づいて被測定面の良否が評価される。評価結果は、加工機にフィードバックされ、被測定物の実際の形状が設計式と比較して所望の精度となるまで加工が繰り返される。例えば、光ディスクのピックアップ用非球面レンズの場合、形状誤差が±０．１μｍ以内となるまで加工が繰り返される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
近年、レーザビームプリンタ、デジタル複写機、ヘッドマウントディスプレイ等の機器において、光学面の中心軸に対して回転非対称である自由曲面を有するレンズが多用されている。この自由曲面を有するレンズを使用すると光学系の部品点数を大幅に低減し、機器の小型化及び低コスト化が可能となる。反面、自由曲線を有するレンズ及びその金型は、設計式が複雑であるため、加工は可能であっても、以下に詳述するように従来の方法による形状測定及び形状評価は困難である。
【００１０】
被測定物３の中心出し（ステップＳ７２）では、設計式の近軸半径と、実際の測定データから被測定物の中心を算出し、この被測定物の中心の設計式の中心に対するずれ（中心ずれ量）を算出する。しかし、軸対称性のない自由曲面は近軸半径を有しないものが多く、この算出方法を適用することは困難であるので、被測定物の外形等から概略中心を求め、その点を測定原点とすることが多い。そのため、設計式の中心と被測定物の中心とは数百μｍ程度、又はそれ以上ずれることがある。この中心ずれ誤差によりプローブ径補正の際に補正誤差（以下、プローブ径補正誤差という。）が生じる。
【００１１】
プローブ径補正における傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙをスタイラス２の先端Ｔの座標と被測定物３の設計式から求める場合、前記設計式の中心と被測定物の中心とのずれがあるとその分だけ傾斜角度にもずれが生じ、プローブ径補正誤差の原因となる。実際の自由曲面の測定では、設計式の中心と実際の測定物の中心が数百μｍ程度だけずれている場合、傾斜角度αのずれΔαが１度あることも起こり得る。下記の表１は、２種類の異なる曲率半径Ｒのスタイラス２について、プローブ径補正における傾斜角度αとそれに対応するＺ軸補正量ΔＺの相違を示している。この表１から明らかなように、被測定表面３ａの傾斜が急である部分では傾斜角度αが１度ずれると、Ｚ軸移動量も数μｍ程度ずれる。特に、半径が５００μｍのルビースタイラスの場合、傾斜角度αが５９度から６０度に１度増加するとＺ軸補正量は約８μｍ変化する。従って、半径Ｒの大きいルビースタイラスを使用して５０ｎｍ以下の高精度の形状測定を行う場合、プローブ径補正誤差が大きな問題となる。
【００１２】
【表１】

【００１３】
表１から明らかなように、先端の半径Ｒが小さいダイヤモンドスタイラスを使用した場合、傾斜角度のずれによるプローブ径誤差は比較的小さい。しかし、ダイヤモンドスタイラスは、機械研磨では製作できず手作業で研磨する必要があり、かつ加工性が良好でないため、ルビースタイラスと比較して真球度が数倍程度劣る。具体的には、ダイヤモンドスタイラスの真球度は０．１μｍを下回る。プローブ径補正ではスタイラス先端の真球度ずれによる形状誤差までは補正されず、真球度の低さは被測定面の形状誤差として表れる。従って、先端の半径Ｒの小さいスタイラスを使用しても測定精度を向上させることはできない。
【００１４】
前述のように被測定面上のある測定点の傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙはその前後の測定データから算出することもできる。しかし、図９（ａ）に示すＸ方向とＹ方向の走査を行うのではなく、図９（ｂ）に示すような方法で被測定物３の被測定面３ａを走査した場合、測定点のＸ軸方向の間隔が広いため、傾斜角度α_Ｘを一意に求めることは困難である。従って、この方法を用いることはできない。
【００１５】
前述の中心出し不足に起因するプローブ径補正誤差に加え、形状測定装置に対する被測定物の設置位置のずれに基づく設置ずれも測定精度に影響する。この設置ずれ誤差には上述の中心ずれ誤差と、Ｘ軸及びＹ軸回りの被測定物の回転角度位置ずれ（あおりずれ誤差）とが含まれる。この設置ずれ誤差を除去するためにアラインメント処理（ステップＳ７５〜Ｓ７７）で得られる各軸毎の平行及び回転移動量を使用して、被測定物の設置ずれをキャンセルするように実際に被測定物を移動させた後に再度形状測定及び形状評価を行うことが考えられる。しかし、手作業で被測定物の実際に移動させた後、図７のフローチャートに示す処理を再度実行すると、測定時間が長くなる。また、手作業により被測定物を高精度で微少量だけ移動させるのは困難な場合もある。また、実際の形状誤差量は測定するまで明確に把握できないので、形状誤差が例えば±２μｍ以上であって大きな設置ずれ誤差を含んでいるにもかかわらず、測定者によっては実際の形状誤差であると判断して、加工機にそのデータをフィードバックするおそれもある。
【００１６】
以上のように、従来の形状測定では、特に被測定面が自由曲面である場合に、中心出し不足に起因するプローブ径補正誤差や設置ずれ誤差により高精度の測定を行うことが困難であった。
【００１７】
そこで、本発明は、中心出し不足に起因するプローブ径補正誤差や設置ずれ誤差を低減した高精度の形状測定を容易に行うことを課題としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、被測定物の被測定面に追随させて前記被測定面を測定するプローブと、前記プローブにより測定された前記被測定面の測定データをそれぞれ第１及び第２の測定データとして記憶する第１及び第２の記憶領域と、前記第１の記憶領域に記憶された前記第１の測定データを、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正する第１のプローブ径補正部と、前記第１のプローブ径補正部により補正された前記第１の測定データと、予め設定された前記被測定面の設計データとに基づいて、前記被測定物の中心ずれに起因する誤差成分を補正するための予備座標変換量を算出する予備座標変換量算出部と、前記第２の記憶領域に記憶された前記第２の測定データを、前記予備座標変換量算出部により算出された前記予備座標変換量に基づいて予備座標変換する予備座標変換処理部と、前記予備座標変換処理部により予備座標変換された前記第２の測定データを、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正する第２のプローブ径補正部と、前記第２のプローブ径補正部により補正された前記第２の測定データと、前記設計データとに基づいて、前記被測定物の傾きに起因する誤差成分を補正するための座標変換量を算出する座標変換量算出部と、前記第２のプローブ径補正部により補正された前記第２の測定データを、前記座標変換量算出部により算出された前記座標変換量に基づいて座標変換する座標変換処理部と、前記座標変換された第２の測定データと、前記設計データとに基づいて、前記被測定面の形状を求める、偏差データ算出部とを備える形状測定装置を提供する。
【００１９】
第１の発明の形状測定装置では、予備座標変化量算出部が被測定物の中心出し不足及び設置ずれに起因する誤差を低減する予備座標変換量を算出し、予備座標変換部で座標変換された測定データと設計データとに基づいて被測定物の形状誤差を求める。従って、測定者が実際に被測定物を移動させることなく、中心出し不足に起因するプローブ径補正誤差や設置ずれ誤差により生じる評価誤差を低減した高精度の形状測定を行うことができ、測定時間も大幅に短縮に短縮することができる。また、測定者の習熟度合いによる測定精度のばらつきをなくすことができ、容易に高精度の形状測定が可能である。
【００２０】
第２の発明は、被測定物の被測定面にプローブの先端を追随させて前記被測面を測定し、前記測定により得られた前記被測定面の測定データを、第１及び第２の記憶領域にそれぞれ第１及び第２の測定データとして記憶し、前記第１の記憶領域に記憶された前記第１の測定データを、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正し、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正された前記第１の測定データと、予め設定された前記被測定面の設計データとに基づいて、前記被測定物の中心ずれに起因する誤差成分を補正するための予備座標変換量を算出し、前記第２の記憶領域に記憶された前記第２の測定データを前記予備座標変換量に基づいて予備座標変換し、前記予備座標変換された前記第２の測定データを、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正し、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正された前記第２の測定データと、前記設計データとに基づいて、前記被測定物の傾きに起因する誤差成分を補正するための座標変換量を算出し、前記プローブの先端の曲率半径に起因する誤差成分について補正された前記第２の測定データを、前記座標変換量に基づいて座標変換し、前記座標変換された第２の測定データと、前記設計データとに基づいて、前記被測定面の形状を求める、形状測定方法を提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
（実施形態）
図１及び図２に示すように、実施形態の形状測定装置は、測定部１１、制御部１２、及び演算処理部１３を備えている。
【００２３】
測定部１１は、石定盤１５上にＸステージ１６及びＹステージ１７を介して配置された移動体１８を備えている。被測定物であるレンズ２０は石定盤１５上の支持機構２１に配置される。移動体１８にはＺ軸移動部２２が取り付けられており、このＺ軸移動部２２には先端にスタイラス２３を備えるプローブ２４（図８参照）がＺ軸方向に移動自在に取り付けられている。例えばHe-Neレーザである光発生部２５で発生したレーザ光はレンズ等により構成された光学系２６により石定盤１５上のＸ参照ミラー２７及びＹ参照ミラー２８と、支持部を介して石定盤１５に固定されたＺ参照ミラー２９に測長光として照射される。また、前記レーザ光は測定光としてプローブ２４の上端に設けられた反射面に照射される。Ｘ参照ミラー２７を基準としたプローブ２４のＸ座標、Ｙ参照ミラー２８を基準としたプローブ２４のＹ座標、及びＺ参照ミラー２９を基準としたプローブ２４のＺ座標が、既知の光干渉法により検出され、測定データとして演算処理部１３に出力される。プローブ２４によるレンズ２０の表面（被測定面）２０ａの走査は、図９（ａ）に示すようにＸ方向とＹ方向の走査をおこなってもよく、図９（ｂ）に示すようにＹ方向の走査を繰り返してもよい。
【００２４】
図２に示すように、支持機構２１は被測定物（レンズ２０）をＺ軸回りに回転させる回転ステージ３１と、被測定物のＸ軸及びＹ軸方向の傾きを調節可能な傾斜ステージ３２とを備えている。
【００２５】
制御部１２は、測定部１１のＸステージ１６、Ｙステージ１７、及び光発生部２５等の動作を制御して形状測定を実行する。
【００２６】
演算処理部１３は測定部１１から入力された測定データを処理して誤差補正と形状評価を行う。評価結果は、フロッピーディスク等の媒体やＬＡＮ等を介して図示しない加工機にフィードバックされる。制御部１２は例えば形状測定装置に搭載された制御用コンピュータ（図示せず）であり、演算処理部１３は例えばこの制御用コンピュータのメモリに構築された実行形式のプログラムにより具体化される。
【００２７】
図３に示すように、演算処理部１３は、予備座標変換量算出部４１、予備座標変換処理部４２、アラインメント処理部４３、及び測定部１１から入力された測定データや演算処理部１３内のデータを記憶する記憶部４４を備えている。予備座標変換量算出部４１は、第１のプローブ径補正部４１ａと、第１の座標変換量算出部４１ｂとを備えている。アラインメント処理部４３は、第２のプローブ径補正部４３ａ、第２の座標変換量算出部４３ｂ、座標変換処理部４３ｃ、及び偏差データ算出部４３ｄを備えている。
【００２８】
予備座標変換量算出部４１は測定部１１から入力された測定データ（いわゆる生データ）における被測定物の中心出し不足及び設置ずれに起因する誤差を低減するための予備座標変換量を算出する。予備座標変換処理部４２は、予備座標変化量算出部４１により算出された予備座標変換量で測定データを座標変換する。アラインメント処理部４３は、予備座標変換量で座標変換された測定データと予め記憶部４４に記憶されている設計データとに基づいて被測定物の形状誤差を求める。アラインメント処理部４３が行う処理は図７に示す従来の形状測定方法におけるステップＳ５５〜Ｓ５８の処理と同様であるが、これらの処理を予備座標変化量算出部４１及び予備座標変換処理部４２によって被測定物の中心出し不足及び設置ずれに起因する誤差を予め低減した後に行う点に、本実施形態の特徴がある。
【００２９】
次に、図４のフローチャートを参照して、形状測定方法を詳細に説明する。まず、ステップＳ４−１において、被測定物の設計データを演算処理部１３に入力して、記憶部４４に記憶する。次に、ステップＳ４−２において、被測定物の中心出しを実行する。その後、ステップＳ４−３において、形状測定を実行する。これらステップＳ４−１〜４−３の処理は従来の形状測定方法と同様である。ステップＳ４−４，４−４’において、形状測定により得られた測定データを演算処理部１３に入力し、記憶部４４の第１及び第２の記憶領域に記憶する。
【００３０】
次に、予備座標変換算出部４１がステップＳ４−５，４−６の処理を実行する。まず、ステップＳ４−５において、第１のプローブ径補正部４１ａがプローブ径補正を行う。図８を参照すると、このプローブ補正では、個々の測定点においてスタイラス２３の先端Ｔの座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）と傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙとから、式（１）に基づいて実際の測定点Ｐの座標（Ｘ_ｉ，Ｙ_ｉ，Ｚ_ｉ）を求める。傾斜角度α_Ｘ、α_Ｙは、その前後の２点の測定データから算出してもよく、スタイラス２の先端Ｔの座標と被測定物３の設計式からも求めてもよい。次に、ステップＳ４−６において、第１の座標変換量算出部４１ｂが第１のプローブ径補正部４１ａによりプローブ径補正がなされた測定データの設計データに対する差を低減するための予備座標変換量を算出する。本実施形態では、予備座標変換量算出部４１は最小自乗法により予備座標変換量を算出する。予備座標変換量には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向の平行移動量ΔＸ_１、ΔＹ_１、及びΔＺ_１と、各軸回りの回転量Δθ_Ｘ１、Δθ_Ｙ１、及びΔθ_Ｚ１が含まれる。
【００３１】
Ｚ軸方向の平行移動量ΔＺ_１の算出について説明すると、まず、測定データのＺ座標Ｚｋと、対応する設計データのＺ座標Ｚｋ’とを比較し、下記の式（２）で示す二乗平均値ＲＭＳを算出する。次に、最小自乗法によりこの二乗平均値ＲＭＳが最小となるように、平行移動量ΔＺ_１を算出する。同様に、他の平行移動量ΔＸ_１、ΔＹ_１及び回転量Δθ_Ｘ１、Δθ_Ｙ１、Δθ_Ｚ１も最小自乗法により二乗平均値が最小となるように算出する。
【００３２】
【数２】

【００３３】
次に、ステップＳ４−７において、予備座標変換処理部４２が前記記憶部４４の第２の記憶領域に記憶された測定データを、前記予備座標変化量算出部４１により算出された予備座標変換量ΔＸ_１、ΔＹ_１、ΔＺ_１、Δθ_Ｘ１、Δθ_Ｙ１、及びΔθ_Ｚ１により座標変換する。
【００３４】
次に、アラインメント処理部４３がステップＳ４−８〜４−１１の処理を実行する。まず、ステップＳ４−８において、第２のプローブ径補正部４３ａが前記予備座標変換処理部４２により座標変換済みの測定データに対してプローブ径補正を行う。予備座標変化量算出部４１の第１のプローブ径補正部４１ａでは未補正の測定データに対してプローブ径補正を行うのに対して、この第２のプローブ径補正部４３ａは前記予備座標変換処理部４２による座標変換済みの測定データに対してプローブ径補正を行う点が異なる。
【００３５】
次に、ステップＳ４−９において、第２の座標変換量算出部４３ｂが前記予備座標変換処理部４２による予備座標変換（ステップＳ４−７）及び前記第２のプローブ径補正部４３ａによるプローブ径補正（ステップＳ４−８）がなされた測定データの設計データに対する差を低減させる座標変化量を算出する。この座標変換量には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向の平行移動量ΔＸ_２、ΔＹ_２、及びΔＺ_２と、各軸回りの回転量Δθ_Ｘ２、Δθ_Ｙ２、及びΔθ_Ｚ２が含まれる。第２の座標変換量算出部４３ｂの実行する処理は、座標変換の対象となる測定データが異なる点を除いて、予備座標変化量算出部４１の第１の座標変換量算出部４１ｂが実行する処理と同一である。
【００３６】
さらに、ステップＳ４−１０において、座標変換処理部４３ｃが、第２の座標変換量算出部４３ｂの算出した座標変換量ΔＸ_２、ΔＹ_２、ΔＺ_２、Δθ_Ｘ２、Δθ_Ｙ２、Δθ_Ｚ２を使用して、予備座標変換処理部４２による予備座標変換及び前記第２のプローブ径補正部４３ａによるプローブ径補正がなされた測定データ座標変換をする。
【００３７】
その後、ステップＳ４−１１において、偏差データ算出部４３ｄが、座標変換処理部４３ｃによる座標変換後の測定データの設計データに対する差を算出する。この偏差データにより被測定物の形状誤差が評価される。
【００３８】
次に、図３及び図４を参照して、測定部１１から出力された測定データ（いわゆる生データ）に含まれる各種の誤差が演算処理部１３での処理によってキャンセルないしは低減される過程を説明する。以下の説明において、任意のＮ個のデータである実際の形状（実形状）をＺreal、設計式をＺ＝ｆ（ｘ，ｙ）、プローブ径補正量をΔＰｒ、プローブ径補正誤差ΔRerr、設置ずれ誤差をΔSetとする。設置ずれ誤差ΔSetには、設計中心に対する被測定物の中心のＸ軸方向及びＹ軸方向のずれ量である中心ずれ誤差ΔCenterと、被測定物のＸ軸方向及びＹ軸方向の傾きであるあおりずれ誤差ΔTiltが含まれる。中心出しの際の中心ずれ量が大きい、すなわち以下の式（３）の関係が成立するものとする。
【００３９】
【数３】

【００４０】
まず、測定部１１から出力される生データには、実形状Ｚrealの他に、プローブ径補正量ΔＰｒ、プローブ径補正誤差ΔＲerr、及び設置ずれ誤差ΔＳｅｔが含まれている。予備座標変化量算出部４１の第１のプローブ径補正部４１ａによるプローブ径補正（ステップＳ４−５）により、プローブ補正量ΔＰｒが除去されるので、第１の座標変換量算出部４１ｂに送られるプローブ径補正済みの測定データには、実形状Ｚrealの他に、プローブ径補正誤差ΔＲerr及び設置ずれ誤差ΔＳｅｔが含まれている。従って、第１の座標変換量算出部４１ｂが算出する予備座標変換量は、設置ずれ誤差ΔＳｅｔに対応する。また、前記式（３）の関係が成立するので、ΔＳｅｔ≒ΔCenterであり、予備座標変換量は中心ずれ誤差ΔCenterに対応する。
【００４１】
予備座標変換処理部４２による座標変換（ステップＳ４−７）は、上記中心ずれ誤差ΔCenterに対応する分だけ生データを座標変換するため、中心ずれ誤差ΔCenterと、主として中心ずれ誤差ΔCenterに起因して発生するプローブ径補正誤差ΔＲerrとが測定精度に殆ど影響しない程度まで除去される。従って、予備座標変換処理部４２からアラインメント処理部４３の第２のプローブ径補正部４３ａに出力される測定データは、実形状Ｚreal、プローブ径補正量ΔＰr及びあおりずれ誤差ΔTiltが含まれているとみなすことができる。
【００４２】
第２のプローブ径補正部４３ａのプローブ径補正（ステップＳ４−８）によりプローブ径補正量ΔＰrが除去されるので、第２のプローブ径補正部４３ａから第２の座標変換量算出部４３ｂに出力される測定データは、実形状Ｚrealとあおりずれ誤差ΔTiltが含まれる。従って、第２の座標変換量算出部４３ｂが算出する座標変換量はあおりずれ誤差ΔTiltに対応し、座標変換処理部４３ｃにより座標変換されたデータはほぼ実形状Ｚrealに対応する。従って、偏差データ算出部４３ｄでは、高精度で形状誤差を算出することができる。
【００４３】
このように本実施形態に係る形状測定装置では、測定者が実際に被測定物を移動させることなく、中心出し不足や設置ずれに起因する評価誤差を低減した高精度の形状測定を行うことができるので、測定時間も大幅に短縮に短縮することができる。また、測定者の習熟度合いによる測定精度のばらつきをなくすことができ、容易に高精度の形状測定が可能である。
【００４４】
なお、被測定物の加工が上手くいかず被測定物の形状誤差が大きな場合、予備座標変化量算出部４１の第１の座標変換量算出部４１ｂによる予備座標変換量の算出（ステップＳ４−６）が困難な場合がある。予備座標変換量算出部４１と共に予備座標変化量を手動入力する手段を設け、測定者の入力した予備座標変化量に基づいて、予備座標変換処理部４２が予備座標変換を行うと形状評価が可能となる場合がある。
【００４５】
（参考例）
図５は本発明の参考例に係る形状測定装置を示している。この形状測定装置では、演算処理部１３は予備座標変換処理部４２（図３参照）を備えておらず、予備座標変換量算出部４１により算出された予備座標変換量が測定部にフィードバックされ、予備座標変換量に応じて実際に被測定物が移動される。
【００４６】
図６のフローチャートを参照して、図５の形状測定装置による形状測定について説明する。ステップＳ６−１で被測定物の設計データを入力し、ステップＳ６−２で被測定物の中心出しを行った後、ステップＳ６−３で１回目の形状測定を実行し、ステップＳ６−４で測定データを記憶部４４に記憶する。
【００４７】
次に、予備座標変換量算出部４１が測定データに対してプローブ径補正を行い（ステップＳ６−５）、最小自乗法により予備座標変換量ΔＸ_１、ΔＹ_１、ΔＺ_１、Δθ_Ｘ１、Δθ_Ｙ１、及びΔθ_Ｚ１を算出する（ステップＳ６−６）。次に、ステップＳ６−７において、これらの予備座標変換量ΔＸ_１、ΔＹ_１、ΔＺ_１、Δθ_Ｘ１、Δθ_Ｙ１、及びΔθ_Ｚ１の分だけ実際に被測定物を移動させる。平行移動量ΔＸ_１、ΔＹ_１、及びΔＺ_１に対応する移動は、移動体１８及びＺ軸移動部２２によりなされる。各軸まわりの回転は支持機構２１の回転ステージ３１及び傾斜ステージ３２によりなされる。
【００４８】
予備座標変換量に応じた測定物の移動後、ステップＳ６−８において２回目の形状測定を行う。この２回目の形状測定の測定データを使用してアラインメント処理部４３がプローブ径補正（ステップＳ６−９）、最小自乗法による座標変換量の算出（ステップＳ６−１０）、座標変換（ステップＳ６−１１）、及び偏差データの算出（ステップＳ６−１２）を行う。
【００４９】
このように予備座標変換量に基づいて被測定物を移動させた後に形状測定を行うので、中心出し不足や設置ずれに起因する評価誤差を低減した高精度の形状測定を行うことができる。また、測定者が手作業で被測定物を移動させる必要がないので、測定作業が測定者の習熟度合いによる測定精度のばらつきをなくすことができ、容易に高精度の形状測定が可能である。参考例のその他の構成及び作用は実施形態と同一であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の形状測定装置及び形状測定方法では、被測定物の中心出し不足及び設置ずれに起因する誤差を低減するための予備座標変換量を算出し、この予備座標変換量算で座標変換された測定データと予め入力された設計データとに基づいて被測定物の形状誤差を求める。従って、測定者が実際に被測定物を移動させることなく、中心出し不足や設置ずれに起因する評価誤差を低減した高精度の形状測定を行うことができ、測定時間も大幅に短縮に短縮することができる。また、測定者の習熟度合いによる測定精度のばらつきをなくすことができ、容易に高精度の形状測定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る形状測定装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る形状測定装置を示す部分正面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る形状測定装置を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る形状測定装置による形状測定を示すフローチャートである。
【図５】本発明の参考例に係る形状測定装置を示すブロック図である。
【図６】本発明の参考例に係る形状測定装置による形状測定を示すフローチャートである。
【図７】従来の形状測定装置による形状測定を示すフローチャートである。
【図８】プローブの先端と被測定面の関係を示す概略図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は被測定面の走査の例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１測定部
１２制御部
１３演算処理部
１５石定盤
１６Ｘステージ
１７Ｙステージ
１８移動体
２０レンズ（被測定物）
２０ａ表面（被測定面）
２１支持機構
２２Ｚ軸移動部
２３スタイラス
２４プローブ
２５光発生部
２６光学系
２７Ｘ参照ミラー
２８Ｙ参照ミラー
２９Ｚ参照ミラー
３１回転ステージ
３２傾斜ステージ
４１予備座標変換量算出部
４１ａ第１のプローブ径補正部
４１ｂ第１の座標変換量算出部
４２予備座標変換処理部
４３アラインメント処理部
４３ａ第２のプローブ径補正部
４３ｂ第２の座標変換量算出部
４３ｃ座標変換処理部
４３ｄ偏差データ算出部
４４記憶部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method. In particular, the present invention relates to a complex and asymmetrical lens such as an aspherical lens or a free-form surface lens used in equipment such as a laser beam printer, a digital copying machine, and a head mounted display, or an object to be measured such as a mold thereof. The present invention relates to a shape measuring apparatus and a shape measuring method for measuring a surface shape with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
An ultra-high-precision three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring the shape of an aspheric lens and its mold with high accuracy of 50 nm or more is described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-170243. This type of shape measuring apparatus includes a probe whose tip follows the surface to be measured of the object to be measured. The probe is scanned in the X-axis direction and the Y-axis direction, and is displaced in the Z-axis direction according to the shape of the surface to be measured. The position coordinates (X coordinate, Y coordinate, and Z coordinate) of the probe are measured by a laser length measuring optical system.
[0003]
This type of shape measuring apparatus executes the measurement procedure shown in FIG. 7 based on, for example, an executable program built in the memory of a control computer. First, in step S71, design data including a design formula for the surface to be measured is input to the shape measuring apparatus. Next, in step S72, centering of the object to be measured is executed. This centering is a process for making the origin of measurement (measurement origin) coincide with the center of the optical axis of the surface to be measured, which is described in detail in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-254307. In step S73, the probe is scanned in the XY directions to perform shape measurement, and in step S74, the measurement data is stored in the storage device. Thereafter, the alignment process from step S75 to step S78 is executed. This alignment process eliminates the deviation of the coordinate axis of the measurement data from the coordinate axis of the design data, which occurs due to the installation deviation of the measurement surface during shape measurement, and matches the coordinate axis of the measurement data with the coordinate axis of the design data to evaluate the shape It is a process to perform.
[0004]
In the alignment process, first, in step S75, measurement error correction (hereinafter referred to as probe diameter correction) due to the polar radius R of the probe tip is executed. The probe diameter correction will be described below with reference to FIG. FIG. 8 shows a ZX plane. The stylus 2 at the tip of the probe 1 follows the measurement surface 3a of the object 3 to be measured, and the three-dimensional coordinates detected by the stylus 2 are the coordinates of the tip T of the stylus 2 (X ₀ , Y ₀ , Z ₀ ). However, since the tip T of the stylus 2 has a radius of curvature R, if the measured surface 3a is inclined, the coordinates (X _i , Y _i , Z _i ) And the coordinates of the tip T of the stylus 2 (X ₀ , Y ₀ , Z ₀ ) Does not match and this causes a measurement error. Surface to be measured at actual measurement point P 3a X-direction tilt angle α _x Then, as is apparent from FIG. 8, there is a relationship of the following formula (1).
[0005]
[Expression 1]

[0006]
Further, the tilt angle α in the Y direction of the surface to be measured 3a with respect to the ZY plane _Y Then, the same relationship is established. Therefore, the inclination angle α _X , Α _Y Is known, the coordinates of the tip T of the stylus 2 (X ₀ , Y ₀ , Z ₀ ) To the actual measurement point P coordinates (X _i , Y _i , Z _i ) And the measurement error due to the radius of curvature R of the tip of the probe 1 can be corrected. Inclination angle α at a certain measurement point _X , Α _Y Can be calculated from the measurement data of two points before and after that. In addition, the inclination angle α _X , Α _Y Can also be obtained from the coordinates of the tip T of the stylus 2 and the design formula of the object 3 to be measured.
[0007]
Next, in step S76, a coordinate conversion movement amount for eliminating a deviation of the coordinate axis of the measurement data from the coordinate axis of the design data is calculated by, for example, the least square method. The coordinate conversion movement amount includes parallel movement amounts ΔX, ΔY, and ΔZ in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions, and a rotational movement amount Δθ around each axis. _X , Δθ _Y , And Δθ _Z There is. In step S77, the measurement data is coordinate-converted using the calculated coordinate conversion movement amount.
[0008]
Thereafter, in step S78, the corresponding design data is subtracted from the measurement data at each measurement point, and deviation data or shape error data for the design formula is calculated. The quality of the surface to be measured is evaluated based on the deviation data. The evaluation result is fed back to the processing machine, and the processing is repeated until the actual shape of the object to be measured has a desired accuracy compared to the design formula. For example, in the case of an aspheric lens for pickup of an optical disk, the processing is repeated until the shape error is within ± 0.1 μm.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, lenses having a free curved surface that is rotationally asymmetric with respect to the central axis of an optical surface are frequently used in devices such as laser beam printers, digital copying machines, and head mounted displays. When a lens having this free-form surface is used, the number of parts of the optical system can be greatly reduced, and the device can be reduced in size and cost. On the other hand, since a lens having a free curve and its mold have complicated design formulas, it is difficult to perform shape measurement and shape evaluation by a conventional method as described below, even if processing is possible.
[0010]
In the centering of the device under test 3 (step S72), the center of the device under test is calculated from the paraxial radius of the design formula and the actual measurement data, and the center of the device under test is shifted from the center of the design formula (center). (Deviation amount) is calculated. However, many free-form surfaces without axial symmetry do not have a paraxial radius, and it is difficult to apply this calculation method, so the approximate center is obtained from the outer shape of the object to be measured, and that point is determined as the measurement origin. And often. For this reason, the center of the design formula and the center of the object to be measured may be displaced by about several hundred μm or more. Due to this center shift error, a correction error (hereinafter referred to as a probe diameter correction error) occurs during probe diameter correction.
[0011]
Inclination angle α in probe diameter compensation _X , Α _Y Is obtained from the coordinates of the tip T of the stylus 2 and the design equation of the object 3 to be measured, if there is a deviation between the center of the design equation and the center of the object to be measured, the inclination angle also deviates accordingly, and the probe diameter This causes a correction error. In actual measurement of a free-form surface, when the center of the design formula and the center of the actual measurement object are deviated by about several hundred μm, the deviation Δα of the inclination angle α may be 1 degree. Table 1 below shows the difference between the tilt angle α in the probe diameter correction and the corresponding Z-axis correction amount ΔZ for the stylus 2 having two different radii of curvature R. As apparent from Table 1, when the inclination of the surface to be measured 3a is steep, if the inclination angle α is deviated by 1 degree, the Z-axis movement amount is also shifted by about several μm. In particular, in the case of a ruby stylus having a radius of 500 μm, the Z-axis correction amount changes by about 8 μm when the inclination angle α increases by 1 degree from 59 degrees to 60 degrees. Therefore, when a highly accurate shape measurement of 50 nm or less is performed using a ruby stylus having a large radius R, a probe diameter correction error becomes a big problem.
[0012]
[Table 1]

[0013]
As is apparent from Table 1, when a diamond stylus having a small tip radius R is used, the probe diameter error due to the deviation of the tilt angle is relatively small. However, a diamond stylus cannot be manufactured by mechanical polishing and needs to be polished manually, and has poor processability. Therefore, the sphericity is inferior to several times that of a ruby stylus. Specifically, the sphericity of the diamond stylus is less than 0.1 μm. In the probe diameter correction, the shape error due to the sphericity deviation of the stylus tip is not corrected, and the low sphericity appears as the shape error of the surface to be measured. Therefore, even if a stylus having a small tip radius R is used, the measurement accuracy cannot be improved.
[0014]
As described above, the inclination angle α of a measurement point on the surface to be measured _X , Α _Y Can also be calculated from the measurement data before and after. However, when the surface to be measured 3a of the object to be measured 3 is scanned by the method shown in FIG. 9B instead of performing the scanning in the X direction and the Y direction shown in FIG. Since the interval in the X-axis direction is wide, the tilt angle α _X It is difficult to uniquely determine. Therefore, this method cannot be used.
[0015]
In addition to the above-described probe diameter correction error due to the lack of centering, an installation deviation based on a deviation in the installation position of the object to be measured with respect to the shape measuring apparatus also affects the measurement accuracy. This installation deviation error includes the above-described center deviation error and rotational angle position deviation (tilt deviation error) of the object to be measured about the X axis and the Y axis. In order to remove this misalignment error, the object to be measured is actually canceled so as to cancel the misalignment of the object to be measured using the parallel and rotational movement amounts for each axis obtained in the alignment process (steps S75 to S77). It is conceivable to perform shape measurement and shape evaluation again after moving. However, if the process shown in the flowchart of FIG. 7 is executed again after the object to be measured is actually moved manually, the measurement time becomes longer. Further, it may be difficult to move the object to be measured by a small amount with high accuracy by manual work. In addition, since the actual shape error amount cannot be clearly grasped until measurement, even if the shape error is, for example, ± 2 μm or more and includes a large installation error, it is an actual shape error depending on the measurer. Therefore, the data may be fed back to the processing machine.
[0016]
As described above, in the conventional shape measurement, it is difficult to perform high-precision measurement due to a probe diameter correction error or an installation deviation error caused by insufficient centering, particularly when the surface to be measured is a free-form surface. .
[0017]
Accordingly, an object of the present invention is to easily perform highly accurate shape measurement with reduced probe diameter correction error and installation deviation error due to insufficient centering.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The first invention is A probe for measuring the surface to be measured by following the surface to be measured of the object to be measured, and first and second measurement data for measuring the surface to be measured measured by the probe as first and second measurement data, respectively. A second storage area; a first probe diameter correction section that corrects the first measurement data stored in the first storage area with respect to an error component caused by a radius of curvature of the tip of the probe; Based on the first measurement data corrected by the first probe diameter correction unit and the design data of the measurement surface set in advance, the error component due to the center deviation of the measurement object is corrected. A preliminary coordinate conversion amount calculation unit for calculating a preliminary coordinate conversion amount for calculating the preliminary coordinate conversion amount calculated by the preliminary coordinate conversion amount calculation unit, and the second measurement data stored in the second storage area. amount A preliminary coordinate conversion processing unit that performs preliminary coordinate conversion based on the second measurement data, and a second correction unit that corrects the second measurement data subjected to the preliminary coordinate conversion by the preliminary coordinate conversion processing unit with respect to an error component caused by a radius of curvature of the tip of the probe. In order to correct an error component caused by the inclination of the object to be measured based on the probe diameter correction unit, the second measurement data corrected by the second probe diameter correction unit, and the design data A coordinate conversion amount calculation unit for calculating the coordinate conversion amount of the second probe data and the second measurement data corrected by the second probe diameter correction unit based on the coordinate conversion amount calculated by the coordinate conversion amount calculation unit. A coordinate conversion processing unit that performs coordinate conversion, and a deviation data calculation unit that obtains the shape of the surface to be measured based on the second measurement data subjected to the coordinate conversion and the design data. A shape measuring device is provided.
[0019]
In the shape measuring apparatus according to the first aspect of the invention, the preliminary coordinate change amount calculation unit calculates a preliminary coordinate conversion amount that reduces errors due to insufficient centering of the object to be measured and installation deviation. , The shape error of the object to be measured is obtained based on the measurement data and the design data coordinate-converted by the coordinate coordinate conversion unit. Therefore, it is possible to perform high-precision shape measurement with reduced measurement error due to probe diameter correction error and installation deviation error due to insufficient centering without the operator actually moving the object to be measured. Can also be greatly shortened. Further, variations in measurement accuracy due to the level of proficiency of the measurer can be eliminated, and highly accurate shape measurement can be easily performed.
[0020]
The second invention is The measurement surface of the measurement object is measured by causing the tip of the probe to follow the measurement surface of the measurement object, and the measurement data of the measurement surface obtained by the measurement are respectively stored in the first and second storage areas. And the second measurement data, the first measurement data stored in the first storage area is corrected for an error component caused by the radius of curvature of the probe tip, and the curvature of the probe tip is corrected. In order to correct the error component due to the center deviation of the object to be measured based on the first measurement data corrected for the error component due to the radius and the preset design data of the surface to be measured. The preliminary coordinate conversion amount is calculated, the second measurement data stored in the second storage area is subjected to preliminary coordinate conversion based on the preliminary coordinate conversion amount, and the preliminary coordinate conversion is performed in the second measurement. Data before Based on the second measurement data corrected for the error component caused by the curvature radius of the probe tip and the error component caused by the radius of curvature of the probe tip, and the design data, the measured object A coordinate conversion amount for correcting an error component caused by the inclination of the object is calculated, and the second measurement data corrected for the error component caused by the curvature radius of the tip of the probe is calculated based on the coordinate transformation amount. The coordinates are converted, and the shape of the surface to be measured is determined based on the coordinate-converted second measurement data and the design data. A shape measuring method is provided.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention shown in the drawings will be described in detail.
[0022]
(Actual Embodiment)
As shown in FIG. 1 and FIG. , Real The shape measuring apparatus according to the embodiment includes a measuring unit 11, a control unit 12, and an arithmetic processing unit 13.
[0023]
The measurement unit 11 includes a moving body 18 disposed on a stone surface plate 15 via an X stage 16 and a Y stage 17. The lens 20 as the object to be measured is disposed on the support mechanism 21 on the stone surface plate 15. A Z-axis moving part 22 is attached to the moving body 18, and a probe 24 (see FIG. 8) having a stylus 23 at the tip is attached to the Z-axis moving part 22 so as to be movable in the Z-axis direction. For example, a laser beam generated by a light generation unit 25 that is a He-Ne laser is transmitted through an optical system 26 configured by a lens or the like to an X reference mirror 27 and a Y reference mirror 28 on a stone surface plate 15 and a stone through a support unit. The Z reference mirror 29 fixed to the surface plate 15 is irradiated as length measuring light. Further, the laser light is irradiated as a measurement light on a reflection surface provided at the upper end of the probe 24. The X coordinate of the probe 24 based on the X reference mirror 27, the Y coordinate of the probe 24 based on the Y reference mirror 28, and the Z coordinate of the probe 24 based on the Z reference mirror 29 are determined by a known optical interference method. Detected and output to the arithmetic processing unit 13 as measurement data. Scanning of the surface 20 (surface to be measured) 20a of the lens 20 by the probe 24 may be performed in the X direction and the Y direction as shown in FIG. 9A, or in the Y direction as shown in FIG. 9B. The scanning may be repeated.
[0024]
As shown in FIG. 2, the support mechanism 21 includes a rotation stage 31 that rotates the object to be measured (lens 20) around the Z axis, and an inclination stage 32 that can adjust the inclination of the object to be measured in the X-axis and Y-axis directions. It has.
[0025]
The control unit 12 controls the operations of the X stage 16, the Y stage 17, the light generation unit 25, and the like of the measurement unit 11 to perform shape measurement.
[0026]
The arithmetic processing unit 13 processes the measurement data input from the measurement unit 11 to perform error correction and shape evaluation. The evaluation result is fed back to a processing machine (not shown) via a medium such as a floppy disk or a LAN. The control unit 12 is, for example, a control computer (not shown) mounted on the shape measuring apparatus, and the arithmetic processing unit 13 is embodied by an execution format program built in the memory of the control computer, for example.
[0027]
As shown in FIG. 3, the arithmetic processing unit 13 includes the preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41, the preliminary coordinate conversion processing unit 42, the alignment processing unit 43, and the measurement data input from the measurement unit 11 and the calculation processing unit 13. A storage unit 44 for storing data is provided. The preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41 includes a first probe diameter correction unit 41a and a first coordinate conversion amount calculation unit 41b. The alignment processing unit 43 includes a second probe diameter correction unit 43a, a second coordinate conversion amount calculation unit 43b, a coordinate conversion processing unit 43c, and a deviation data calculation unit 43d.
[0028]
The preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41 calculates a preliminary coordinate conversion amount for reducing errors due to insufficient centering of the object to be measured and installation deviation in the measurement data (so-called raw data) input from the measurement unit 11. The preliminary coordinate conversion processing unit 42 converts the measurement data with the preliminary coordinate conversion amount calculated by the preliminary coordinate change amount calculating unit 41. The alignment processing unit 43 obtains the shape error of the object to be measured based on the measurement data coordinate-converted with the preliminary coordinate conversion amount and the design data stored in the storage unit 44 in advance. The processing performed by the alignment processing unit 43 is the same as the processing of steps S55 to S58 in the conventional shape measuring method shown in FIG. 7, but these processing is performed by the preliminary coordinate change amount calculation unit 41 and the preliminary coordinate conversion processing unit 42. The present embodiment is characterized in that the measurement is performed after reducing errors due to insufficient centering of the measurement object and installation deviation.
[0029]
Next, the shape measuring method will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. First, in step S 4-1, design data of the object to be measured is input to the arithmetic processing unit 13 and stored in the storage unit 44. Next, in step S4-2, centering of the object to be measured is performed. Then, shape measurement is performed in step S4-3. The processing in these steps S4-1 to 4-3 is the same as the conventional shape measuring method. In steps S4-4 and 4-4 ′, the measurement data obtained by the shape measurement is input to the arithmetic processing unit 13 and stored in the first and second storage areas of the storage unit 44.
[0030]
Next, the preliminary coordinate conversion calculation unit 41 executes the processes of steps S4-5 and 4-6. First, in step S4-5, the first probe diameter correction unit 41a performs probe diameter correction. Referring to FIG. 8, in this probe correction, the coordinates of the tip T of the stylus 23 (X ₀ , Y ₀ , Z ₀ ) And tilt angle α _X , Α _Y From the above, the coordinates of the actual measurement point P (X _i , Y _i , Z _i ) Inclination angle α _X , Α _Y May be calculated from the measurement data of two points before and after that, or may be obtained from the coordinates of the tip T of the stylus 2 and the design formula of the object 3 to be measured. Next, in step S4-6, the first coordinate conversion amount calculation unit 41b reduces the difference between the measurement data subjected to the probe diameter correction by the first probe diameter correction unit 41a and the design data. Ru A preliminary coordinate conversion amount is calculated. In this embodiment, the preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41 calculates the preliminary coordinate conversion amount by the method of least squares. The preliminary coordinate conversion amount includes a parallel movement amount ΔX in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. ₁ , ΔY ₁ , And ΔZ ₁ And the rotation amount Δθ around each axis _X1 , Δθ _Y1 , And Δθ _Z1 Is included.
[0031]
Amount of translation in the Z-axis direction ΔZ ₁ First, the Z coordinate Zk of the measurement data and the Z coordinate Zk ′ of the corresponding design data are compared, and the root mean square value RMS expressed by the following equation (2) is calculated. Next, the translation amount ΔZ is set so that the mean square RMS is minimized by the least square method. ₁ Is calculated. Similarly, other translation amount ΔX ₁ , ΔY ₁ And rotation amount Δθ _X1 , Δθ _Y1 , Δθ _Z1 Is also calculated so that the mean square value is minimized by the method of least squares.
[0032]
[Expression 2]

[0033]
Next, in step S4-7, the preliminary coordinate conversion processing unit 42 calculates the preliminary coordinate conversion amount calculated by the preliminary coordinate change amount calculating unit 41 from the measurement data stored in the second storage area of the storage unit 44. ΔX ₁ , ΔY ₁ , ΔZ ₁ , Δθ _X1 , Δθ _Y1 , And Δθ _Z1 To convert the coordinates.
[0034]
Next, the alignment process part 43 performs the process of step S4-8 to 4-11. First, in step S4-8, the second probe diameter correcting unit 43a performs probe diameter correction on the measurement data that has been coordinate-converted by the preliminary coordinate conversion processing unit 42. The first probe diameter correction unit 41a of the preliminary coordinate change amount calculation unit 41 performs probe diameter correction on uncorrected measurement data, whereas the second probe diameter correction unit 43a performs the preliminary coordinate conversion process. The difference is that probe diameter correction is performed on the measurement data that has undergone coordinate conversion by the unit 42.
[0035]
Next, in step S4-9, the second coordinate conversion amount calculation unit 43b performs preliminary coordinate conversion (step S4-7) by the preliminary coordinate conversion processing unit 42 and probe diameter correction by the second probe diameter correction unit 43a. A coordinate change amount that reduces a difference between the measurement data subjected to (step S4-8) and the design data is calculated. This coordinate conversion amount includes a parallel movement amount ΔX in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. ₂ , ΔY ₂ , And ΔZ ₂ And the rotation amount Δθ around each axis _X2 , Δθ _Y2 , And Δθ _Z2 Is included. The process executed by the second coordinate conversion amount calculation unit 43b is executed by the first coordinate conversion amount calculation unit 41b of the preliminary coordinate change amount calculation unit 41, except that the measurement data to be subjected to coordinate conversion is different. It is the same as processing.
[0036]
In step S4-10, the coordinate conversion processing unit 43c calculates the coordinate conversion amount ΔX calculated by the second coordinate conversion amount calculation unit 43b. ₂ , ΔY ₂ , ΔZ ₂ , Δθ _X2 , Δθ _Y2 , Δθ _Z2 Are used to perform measurement data coordinate conversion after the preliminary coordinate conversion by the preliminary coordinate conversion processing unit 42 and the probe diameter correction by the second probe diameter correction unit 43a.
[0037]
Thereafter, in step S4-11, the deviation data calculation unit 43d calculates a difference with respect to the design data of the measurement data after coordinate conversion by the coordinate conversion processing unit 43c. Based on this deviation data, the shape error of the object to be measured is evaluated.
[0038]
Next, a process in which various errors included in measurement data (so-called raw data) output from the measurement unit 11 are canceled or reduced by processing in the arithmetic processing unit 13 will be described with reference to FIGS. To do. In the following description, the actual shape (actual shape) that is arbitrary N pieces of data is Zreal, the design formula is Z = f (x, y), the probe diameter correction amount is ΔPr, the probe diameter correction error ΔRerr, and the installation deviation Let the error be ΔSet. The installation deviation error ΔSet is a center deviation error ΔCenter which is a deviation amount in the X-axis direction and the Y-axis direction of the center of the object to be measured with respect to the design center, and inclinations of the object to be measured in the X-axis direction and the Y-axis direction. A deviation error ΔTilt is included. It is assumed that the amount of center deviation at the time of centering is large, that is, the relationship of the following formula (3) is established.
[0039]
[Equation 3]

[0040]
First, the raw data output from the measurement unit 11 includes a probe diameter correction amount ΔPr, a probe diameter correction error ΔRerr, and an installation deviation error ΔSet in addition to the actual shape Zreal. Since the probe correction amount ΔPr is removed by the probe diameter correction (step S4-5) by the first probe diameter correction unit 41a of the preliminary coordinate change amount calculation unit 41, it is sent to the first coordinate conversion amount calculation unit 41b. The probe diameter corrected measurement data includes a probe diameter correction error ΔRerr and an installation deviation error ΔSet in addition to the actual shape Zreal. Therefore, the preliminary coordinate conversion amount calculated by the first coordinate conversion amount calculation unit 41b corresponds to the installation deviation error ΔSet. Further, since the relationship of the expression (3) is established, ΔSet≈ΔCenter, and the preliminary coordinate conversion amount corresponds to the center shift error ΔCenter.
[0041]
The coordinate conversion (step S4-7) by the preliminary coordinate conversion processing unit 42 performs coordinate conversion of the raw data by an amount corresponding to the center shift error ΔCenter, and thus is mainly caused by the center shift error ΔCenter and the center shift error ΔCenter. The generated probe diameter correction error ΔRerr is removed to the extent that it hardly affects the measurement accuracy. Accordingly, the measurement data output from the preliminary coordinate conversion processing unit 42 to the second probe diameter correction unit 43a of the alignment processing unit 43 includes the actual shape Zreal, the probe diameter correction amount ΔPr, and the tilt error ΔTilt. Can be considered.
[0042]
Since the probe diameter correction amount ΔPr is removed by the probe diameter correction (step S4-8) of the second probe diameter correction unit 43a, the second probe diameter correction unit 43a outputs it to the second coordinate conversion amount calculation unit 43b. The measured data includes the actual shape Zreal and the tilt error ΔTilt. Therefore, the coordinate conversion amount calculated by the second coordinate conversion amount calculation unit 43b corresponds to the offset error ΔTilt, and the data coordinate-converted by the coordinate conversion processing unit 43c substantially corresponds to the actual shape Zreal. Therefore, the deviation data calculation unit 43d can calculate the shape error with high accuracy.
[0043]
As described above, in the shape measuring apparatus according to the present embodiment, the measurer can perform highly accurate shape measurement with reduced evaluation error due to insufficient centering or misalignment without actually moving the object to be measured. As a result, the measurement time can be greatly shortened. Further, variations in measurement accuracy due to the level of proficiency of the measurer can be eliminated, and highly accurate shape measurement can be easily performed.
[0044]
If the workpiece is not processed well and the shape error of the workpiece is large, the preliminary coordinate conversion amount is calculated by the first coordinate conversion amount calculation unit 41b of the preliminary coordinate change amount calculation unit 41 (step S4-6). ) May be difficult. A means for manually inputting the preliminary coordinate change amount is provided together with the preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41, and the shape can be evaluated when the preliminary coordinate conversion processing unit 42 performs the preliminary coordinate conversion based on the preliminary coordinate change amount input by the measurer. It may become.
[0045]
( Reference example )
FIG. 5 illustrates the present invention. Reference example The shape measuring apparatus which concerns on is shown. In this shape measuring apparatus, the arithmetic processing unit 13 does not include the preliminary coordinate conversion processing unit 42 (see FIG. 3), and the preliminary coordinate conversion amount calculated by the preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41 is fed back to the measurement unit. The object to be measured is actually moved according to the preliminary coordinate conversion amount.
[0046]
With reference to the flowchart of FIG. 6, the shape measurement by the shape measuring apparatus of FIG. 5 will be described. In step S6-1, design data of the object to be measured is input. In step S6-2, the object to be measured is centered. Then, in step S6-3, the first shape measurement is performed, and in step S6-4. The measurement data is stored in the storage unit 44.
[0047]
Next, the preliminary coordinate conversion amount calculation unit 41 performs probe diameter correction on the measurement data (step S6-5), and the preliminary coordinate conversion amount ΔX by the least square method. ₁ , ΔY ₁ , ΔZ ₁ , Δθ _X1 , Δθ _Y1 , And Δθ _Z1 Calculate (Step S6-6) . Next, in step S6-7, these preliminary coordinate transformation amounts ΔX ₁ , ΔY ₁ , ΔZ ₁ , Δθ _X1 , Δθ _Y1 , And Δθ _Z1 The measured object is actually moved by this amount. Translation amount ΔX ₁ , ΔY ₁ , And ΔZ ₁ The movement corresponding to is performed by the moving body 18 and the Z-axis moving unit 22. The rotation around each axis is performed by the rotary stage 31 and the tilt stage 32 of the support mechanism 21.
[0048]
After the measurement object is moved according to the preliminary coordinate conversion amount, a second shape measurement is performed in step S6-8. Using the measurement data of the second shape measurement, the alignment processing unit 43 corrects the probe diameter (step S6-9), calculates the coordinate conversion amount by the least square method (step S6-10), and converts the coordinates (step S6-). 11) and calculation of deviation data (step S6-12).
[0049]
As described above, the shape measurement is performed after the object to be measured is moved based on the preliminary coordinate conversion amount. Therefore, it is possible to perform highly accurate shape measurement with reduced evaluation error due to insufficient centering or installation deviation. In addition, since it is not necessary for the measurer to manually move the object to be measured, the measurement work can eliminate variations in measurement accuracy due to the degree of proficiency of the measurer, and high-precision shape measurement can be easily performed. Reference example Other configurations and functions of Is real Since it is the same as that of embodiment, the same code | symbol is attached | subjected to the same element and description is abbreviate | omitted.
[0050]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, in the shape measuring apparatus and the shape measuring method of the present invention, the preliminary coordinate conversion amount for reducing the error due to the insufficient centering of the object to be measured and the misalignment is calculated. The shape error of the object to be measured is obtained based on the measurement data coordinate-converted by the coordinate conversion amount calculation and the design data input in advance. Therefore, it is possible to perform high-precision shape measurement with reduced evaluation error due to insufficient centering or installation deviation without actually moving the object to be measured, and the measurement time is greatly increased. Short It can be shortened. Further, variations in measurement accuracy due to the level of proficiency of the measurer can be eliminated, and highly accurate shape measurement can be easily performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the present invention. The fruit It is a perspective view which shows the shape measuring apparatus which concerns on embodiment.
FIG. 2 The fruit It is a partial front view which shows the shape measuring apparatus which concerns on embodiment.
FIG. 3 The fruit It is a block diagram which shows the shape measuring apparatus which concerns on embodiment.
FIG. 4 The present invention The fruit It is a flowchart which shows the shape measurement by the shape measuring apparatus which concerns on embodiment.
FIG. 5 shows the present invention. Reference example It is a block diagram which shows the shape measuring apparatus which concerns on.
FIG. 6 of the present invention Reference example It is a flowchart which shows the shape measurement by the shape measuring apparatus which concerns on this.
FIG. 7 is a flowchart showing shape measurement by a conventional shape measuring apparatus.
FIG. 8 is a schematic diagram showing the relationship between the probe tip and the surface to be measured.
FIGS. 9A and 9B are perspective views showing an example of scanning of the surface to be measured. FIGS.
[Explanation of symbols]
11 Measurement unit
12 Control unit
13 Arithmetic processing part
15 Stone surface plate
16 X stage
17 Y stage
18 Mobile
20 Lens (object to be measured)
20a Surface (surface to be measured)
21 Support mechanism
22 Z-axis moving part
23 Stylus
24 Probe
25 Light generator
26 Optical system
27 X reference mirror
28 Y reference mirror
29 Z reference mirror
31 Rotating stage
32 tilt stage
41 Preliminary coordinate conversion amount calculation unit
41a First probe diameter correction unit
41b First coordinate conversion amount calculation unit
42 Preliminary coordinate conversion processing unit
43 Alignment processing section
43a Second probe diameter correction unit
43b Second coordinate conversion amount calculation unit
43c Coordinate transformation processing unit
43d Deviation data calculation unit
44 storage

Claims

A probe for measuring the measurement surface by following the measurement surface of the measurement object ;
First and second storage areas for storing measurement data of the measurement surface measured by the probe as first and second measurement data, respectively;
A first probe diameter correction unit that corrects the first measurement data stored in the first storage area with respect to an error component caused by a radius of curvature of the tip of the probe;
Based on the first measurement data corrected by the first probe diameter correction unit and preset design data of the measurement surface, an error component caused by the center deviation of the measurement object is corrected. A preliminary coordinate conversion amount calculation unit for calculating a preliminary coordinate conversion amount for
A preliminary coordinate conversion processing unit that converts the second measurement data stored in the second storage area based on the preliminary coordinate conversion amount calculated by the preliminary coordinate conversion amount calculation unit;
A second probe diameter correction unit that corrects the second measurement data subjected to the preliminary coordinate conversion by the preliminary coordinate conversion processing unit with respect to an error component caused by the radius of curvature of the tip of the probe;
Based on the second measurement data corrected by the second probe diameter correction unit and the design data, a coordinate conversion amount for correcting an error component caused by an inclination of the object to be measured is calculated. A coordinate conversion amount calculation unit;
A coordinate conversion processing unit that performs coordinate conversion on the second measurement data corrected by the second probe diameter correction unit based on the coordinate conversion amount calculated by the coordinate conversion amount calculation unit;
A shape measuring apparatus comprising: a deviation data calculating unit that obtains the shape of the surface to be measured based on the second measurement data subjected to the coordinate conversion and the design data .

Measure the measured surface by following the tip of the probe to the measured surface of the measured object,
The measurement data of the measurement surface obtained by the measurement is stored as first and second measurement data in the first and second storage areas, respectively.
Correcting the first measurement data stored in the first storage area for an error component caused by a radius of curvature of the tip of the probe;
Based on the first measurement data corrected for the error component caused by the radius of curvature of the probe tip and the preset design data of the measurement surface, the measurement object is caused by a center deviation. Calculate the preliminary coordinate conversion amount to correct the error component,
Preliminary coordinate conversion of the second measurement data stored in the second storage area based on the preliminary coordinate conversion amount;
Correcting the second measurement data subjected to the preliminary coordinate transformation with respect to an error component caused by a radius of curvature of the tip of the probe;
Coordinate transformation for correcting the error component caused by the inclination of the object to be measured based on the second measurement data corrected for the error component caused by the radius of curvature of the tip of the probe and the design data Calculate the quantity,
The second measurement data corrected for the error component due to the radius of curvature of the probe tip is subjected to coordinate conversion based on the coordinate conversion amount,
Based on the coordinate-converted second measurement data and the design data, the shape of the surface to be measured is obtained.
Shape measurement method.