JP4500729B2 - Surface shape measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、自由曲面を有するレンズやミラー等の光学素子、あるいは光学素子を成形するための金型等の形状を精密測定するための表面形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a surface shape measuring apparatus for precisely measuring the shape of an optical element such as a lens or mirror having a free-form surface, or a mold for molding the optical element.

図15は、特許文献1に開示された一従来例による表面形状測定装置を示すもので、レンズ金型101の金型軸部101bに密着状態で金型ベース101aの表面に載置した同一形状の3個の位置決め球111の形状を、測定用プローブ103によるXY方向への走査により測定する。この各位置決め球111の頂点座標を算出したのちに、各頂点座標で形成される平面と、各2つの頂点座標の垂直2等分線に基づいてレンズ金型101の中心とを算出する。金型転写面101cの形状の測定データを求めたのちに、さきほどの平面を基準としたときの金型転写面101cの傾きと、レンズ金型101の中心軸に対する金型転写面101cの中心の偏心とを算出する。   FIG. 15 shows a surface shape measuring apparatus according to a conventional example disclosed in Patent Document 1, and has the same shape placed on the surface of the mold base 101a in close contact with the mold shaft portion 101b of the lens mold 101. The three positioning balls 111 are measured by scanning in the X and Y directions with the measuring probe 103. After calculating the vertex coordinates of each positioning sphere 111, the plane formed by each vertex coordinate and the center of the lens mold 101 are calculated based on the perpendicular bisector of each two vertex coordinates. After obtaining the measurement data of the shape of the mold transfer surface 101c, the inclination of the mold transfer surface 101c with respect to the previous plane and the center of the mold transfer surface 101c with respect to the center axis of the lens mold 101 are obtained. Calculate eccentricity.

図16は上記の工程を説明するフローチャートであって、まず3個の位置決め球を設置し(S101)、位置決め球の表面を測定用プローブを用いて測定する(S102)。次にその測定したXY位置に対する球面のZ座標を計算し(S103)、その差を計算(S104)、その二乗平均値RMS(Root Mean Square)値を算出(S105)、RMS値が小さくなるように座標変換し(S106)、RMS値が十分小さくなるまで(S104)にもどって繰り返し(S107)、十分小さくなったら、3個の球を全部測定するまでS102に戻って繰り返す(S108)。次に各球の頂点座標を計算し(S109)、3頂点を含む平面と金型の中心位置を算出する(S110)。次に測定用プローブを用いて金型転写面の表面を測定する(S111)。次にその測定した点のXY位置に対する設計形状のZ座標を計算し(S112)、その差を計算(S113)、そのRMS値を算出(S114)、RMS値が小さくなるように座標変換し(S115)、RMS値が十分小さくなるまで(S113)に戻って繰り返し(S116)、RMS値が十分小さくなったら金型転写面の形状を計算し(S117)、金型転写面の傾きと偏心を計算する(S118)、(S119)。   FIG. 16 is a flowchart for explaining the above steps. First, three positioning spheres are installed (S101), and the surface of the positioning sphere is measured using a measuring probe (S102). Next, the Z coordinate of the spherical surface with respect to the measured XY position is calculated (S103), the difference is calculated (S104), the root mean square (RMS) value is calculated (S105), and the RMS value is reduced. (S106), the process returns to S104 until the RMS value is sufficiently small (S107), and repeats (S107). When the RMS value is sufficiently small, the process returns to S102 and repeats until all three spheres are measured (S108). Next, vertex coordinates of each sphere are calculated (S109), and the plane including the three vertices and the center position of the mold are calculated (S110). Next, the surface of the mold transfer surface is measured using a measurement probe (S111). Next, the Z coordinate of the design shape with respect to the XY position of the measured point is calculated (S112), the difference is calculated (S113), the RMS value is calculated (S114), and coordinate conversion is performed so that the RMS value becomes small ( S115), the process returns to S113 until the RMS value becomes sufficiently small and repeats (S116). When the RMS value becomes sufficiently small, the shape of the mold transfer surface is calculated (S117), and the inclination and eccentricity of the mold transfer surface are calculated. Calculate (S118), (S119).

また、特許文献2には、3つ以上の位置マーク球と、自由曲面を有する被測定物に対し、自由曲面の形状と位置マーク球に対する相対位置を測定する表面形状測定装置において、3次元的に移動可能な移動部材に、被測定面にトレースさせて形状を測定するプローブと、位置マーク球の中心位置を測定する非接触球中心位置測定手段とを固定した構成が開示されている。非接触球中心位置測定手段は、光点位置を測定する光学系によって光軸に垂直な2方向の位置を各位置マーク球ごとに測定し、焦点位置を検出する光学系によって光軸方向の位置を測定する。すなわち、オートフォーカス機能を有する非接触球中心位置測定手段によって各位置マーク球の中心位置を3次元的に計測し、プローブによる自由曲面の測定形状を補正することで、被測定物の取り付け姿勢の変化や環境温度の影響を排除するものである。
特開2001−133239号公報 特開2004−77144号公報
Patent Document 2 discloses a three-dimensional surface shape measuring apparatus that measures the shape of a free-form surface and a relative position with respect to the position-mark sphere with respect to an object to be measured having three or more position mark spheres and a free-form surface. A configuration is disclosed in which a probe that traces a surface to be measured and measures a shape and a non-contact sphere center position measuring means that measures the center position of a position mark sphere are fixed to a movable member that can be moved to the position. The non-contact sphere center position measuring means measures a position in two directions perpendicular to the optical axis for each position mark sphere by an optical system for measuring a light spot position, and a position in the optical axis direction by an optical system for detecting a focal position. Measure. That is, the center position of each position mark sphere is measured three-dimensionally by the non-contact sphere center position measuring means having an autofocus function, and the measurement shape of the free-form surface by the probe is corrected, so that the mounting posture of the object to be measured is corrected. It eliminates the effects of changes and ambient temperature.
JP 2001-133239 A JP 2004-77144 A

しかしながら、特許文献1に開示された従来例では以下のような問題があった。   However, the conventional example disclosed in Patent Document 1 has the following problems.

(1)測定に時間がかかる。測定用プローブを用いて3個の位置決め球の表面を走査し、測定した座標から球の中心位置を計算するものであるため、測定用プローブを用いて3個の球も測定しなければならず、測定に時間がかかる。つまり、測定したい金型表面の測定時間に加え、3つぶんの球表面の測定時間がかかってしまう。   (1) Measurement takes time. Since the surface of the three positioning spheres is scanned using the measurement probe and the center position of the sphere is calculated from the measured coordinates, the three spheres must also be measured using the measurement probe. , It takes time to measure. That is, in addition to the measurement time of the mold surface to be measured, it takes a measurement time of the surface of the crushed ball.

特に、このようなプローブ走査による球中心位置の測定は時間がかかる。しかも3次元的な球の位置を測定する必要があるので、1断面ではなく、複数断面の情報が必要であり、長いプローブ走査距離が必要な上、往復運動を繰り返して全面走査する場合にはその加減速に要する無駄な時間も無視できない。   In particular, the measurement of the sphere center position by such probe scanning takes time. In addition, since it is necessary to measure the position of a three-dimensional sphere, information on a plurality of cross-sections is required instead of one cross-section, and a long probe scanning distance is required. The wasted time required for acceleration / deceleration cannot be ignored.

(2)被測定物の取り付け姿勢によって、測定結果が影響を受ける。金型の位置を3つの位置決め球の頂点を測定することにより、測定できるとしているが、球頂点の位置は、測定対象である金型と3つの球が一体となったものの取り付け姿勢が変わると影響を受ける。例えば、図17に示すように、位置決め球111の半径をR、傾斜角度をθとすると、球頂点の変位はRsin(θ)であるから、Rが10mm、θが30度である場合は5mmにもなってしまう。従って、3つの球が装置のXY平面上にほぼ平行におかれていることが前提条件であり、実施する上では大きな障害である。   (2) The measurement result is affected by the mounting posture of the object to be measured. The position of the mold can be measured by measuring the vertices of the three positioning balls, but the position of the sphere apex is changed when the mounting posture of the mold that is the measurement object and the three balls is integrated. to be influenced. For example, as shown in FIG. 17, assuming that the radius of the positioning sphere 111 is R and the inclination angle is θ, the displacement of the sphere apex is Rsin (θ), so that R is 10 mm, and θ is 5 mm. It will also become. Therefore, it is a precondition that the three spheres are almost parallel on the XY plane of the apparatus, which is a great obstacle to implementation.

(3)環境温度変化の影響が大きい。被測定物の線熱膨張係数がいつも小さいとは限らない。金型の場合にはなおさらである。環境温度を一定に制御して熱変形を抑えるにしても、その影響をゼロにすることはできない。従来例では、測定時間がかかるため環境温度変化の影響を受け、測定誤差が増大する。   (3) The influence of environmental temperature change is large. The linear thermal expansion coefficient of the object to be measured is not always small. This is especially true for molds. Even if the environmental temperature is controlled to be constant and thermal deformation is suppressed, the effect cannot be made zero. In the conventional example, since measurement time is required, the measurement error increases due to the influence of environmental temperature change.

(4)3つの位置決め球の寿命が短いため、測定精度が悪化する。3つの位置決め球の位置を測定するのに、接触式のプローブでその表面をなぞっているため、わずかながら摩耗することが考えられる。   (4) Since the life of the three positioning balls is short, the measurement accuracy is deteriorated. In order to measure the positions of the three positioning spheres, the surface is traced with a contact type probe, so that it is conceivable that the surface is slightly worn.

一方で、被測定物の形状を測定するごとに位置決め球を測定しなければならないため、測定回数は多くなりがちである。このため、摩耗が無視できず、位置決め球の測定誤差が次第に大きくなる。測定するたびに位置決め球も新しいものに変えることも考えられるが、不経済であるばかりではなく、接着固定して用いる場合、交換することすら難しい。   On the other hand, since the positioning sphere must be measured every time the shape of the object to be measured is measured, the number of measurements tends to increase. For this reason, wear cannot be ignored, and the measurement error of the positioning sphere gradually increases. Although it is conceivable to change the positioning sphere to a new one every time it is measured, it is not only uneconomical but also difficult to replace when used with adhesive fixation.

(5)位置決め球測定時に起きるエラーに対処できない。例えば、人為的なミスなどにより位置決め球が取り付けられていない場合は、測定用プローブは球があるはずのところに接触しようとするが、そこには球が無いばかりか、被測定物やジグなど別の物があることも考えられる。そんな場合はプローブや被測定物を痛める可能性がある。   (5) Unable to deal with errors that occur during positioning ball measurement. For example, if the positioning sphere is not attached due to human error, the measurement probe tries to contact the place where the sphere should be, but there is no sphere there, and the object to be measured, jig, etc. There may be other things. In such a case, there is a possibility of damaging the probe and the object to be measured.

すなわち、位置決め球、すなわち球面がそこにちゃんと設置されているかどうかはプローブを用いて測定してみるしかない。従って、プローブを被測定物に接近させ、実際に表面をトレースしなければならないので、前述した問題があると、プローブがなにかに衝突する危険は避けられない。   In other words, it is only possible to measure whether or not the positioning sphere, that is, the spherical surface is properly set there, using a probe. Therefore, since the probe must be brought close to the object to be measured and the surface is actually traced, there is an inevitable risk of the probe colliding with the above-described problem.

また、特許文献2に開示された表面形状測定装置では、以下のような未解決の課題があった。   Moreover, the surface shape measuring apparatus disclosed in Patent Document 2 has the following unsolved problems.

(1)光軸方向の位置マーク球の位置を測定するための焦点位置を検出するオートフォーカス機能が必要となるため、光学系が複雑になる。そして、光軸方向の焦点位置検出に用いるオートフォーカスの感度は対物レンズのNA(開口数)が小さいと一般に感度が低くなり、測定精度が悪くなる。これはNAが小さいレンズは焦点深度が広いことに由来しており、NAが小さいレンズは多少焦点位置がずれても感度が鈍い。   (1) Since an autofocus function for detecting a focus position for measuring the position of the position mark sphere in the optical axis direction is required, the optical system becomes complicated. And the sensitivity of the autofocus used for detecting the focal position in the optical axis direction is generally low when the NA (numerical aperture) of the objective lens is small, and the measurement accuracy is deteriorated. This is because a lens having a small NA has a wide focal depth, and a lens having a small NA has a low sensitivity even if the focal position is slightly shifted.

(2)半導体デバイス上の光学面の位置を測定できない。すなわち、光を応用したマイクロマシン応用の中には、半導体デバイスの上に微細なレンズや鏡などを形成するものがある。例えば微細なミラーやレンズを移動させる光スイッチである。このような微細な光学素子の位置は、半導体デバイスを基準に測定する必要があるが、従来例による3次元的な計測では、半導体デバイスのアライメントマークとして用いられる十字形の位置マークを用いることが難しい。   (2) The position of the optical surface on the semiconductor device cannot be measured. That is, in some micromachine applications using light, there are those in which a fine lens or mirror is formed on a semiconductor device. For example, an optical switch that moves a minute mirror or lens. It is necessary to measure the position of such a fine optical element with reference to the semiconductor device. However, in the three-dimensional measurement according to the conventional example, a cross-shaped position mark used as an alignment mark of the semiconductor device is used. difficult.

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、簡単かつ高感度な光学系を用いて形状測定の基準となる位置マークを検出し、被測定物の取り付け姿勢が変化しても、また、環境温度等が変化しても、測定精度への影響が少ないうえに、長寿命で信頼性の高い表面形状測定装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and detects a position mark serving as a reference for shape measurement using a simple and high-sensitivity optical system, and attaches an object to be measured. It is intended to provide a highly reliable surface shape measuring device that has little effect on measurement accuracy even if the posture changes or the environmental temperature changes. .

上記の目的を達成するため、本発明の表面形状測定装置は、測定物形状を、3個の位置マーク球を位置基準として測定する表面形状測定装置であって、保持手段に保持された被測定物の表面を計測するプローブと、前記プローブを前記被測定物に対して3次元に移動させる移動体と、光源からの光を各位置マーク球に集束させ、該位置マーク球からの反射光を検出するために、互いに異なる光軸方向に配備された2組の光学位置検出手段と、記2組光学位置検出手段により検出された反射光の位置情報に基づいてを行う演算手段と、を有し、前記2組の光学位置検出手段により検出された反射光の位置情報に基づいて、前記光軸方向に平行で前記位置マーク球の中心を通る直線をそれぞれ前記演算手段により求め、求めた2つの直線が最も接近する位置における垂直線の中心を求めることで、前記位置マーク球の中心位置を算出することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a surface shape measuring apparatus of the present invention is a surface shape measuring apparatus for measuring the shape of an object to be measured using three position mark spheres as a position reference, and is held by a holding means. A probe that measures the surface of the object to be measured, a moving body that moves the probe in three dimensions with respect to the object to be measured, and a light beam from the light source that is focused on each position mark sphere and reflected from the position mark sphere. to detect light, Starring based on different two sets of optical position detecting means which is deployed in the optical axis direction, position information of the reflected light detected Ri by the prior SL 2 set of optical position detection means with each other It possesses a calculating means for performing calculation, and based on the two sets of position information of the reflected light detected by the optical position detector, a straight line passing through the center of the position mark ball parallel to the optical axis direction Obtained by the computing means, the two obtained By determining the center of the vertical line at the position where the line is closest, and calculates the center position of the position mark sphere.

形状測定の基準となる位置マークの表面をプローブでトレースする場合に比べて、大幅に測定時間が短縮される。測定時間が短縮されることで、測定時間内での環境温度変化も小さくなり、測定精度の向上が期待できる。加えて、非接触に位置マークの位置を測定できるので、摩耗による測定誤差の増大や寿命の短縮等を回避できる。   Compared with the case where the surface of the position mark serving as a reference for shape measurement is traced with a probe, the measurement time is significantly reduced. By shortening the measurement time, the environmental temperature change within the measurement time is also reduced, and an improvement in measurement accuracy can be expected. In addition, since the position of the position mark can be measured in a non-contact manner, it is possible to avoid an increase in measurement error due to wear and a shortening of the life.

また、各位置マークの表面で反射された光を受光するポジションセンサー等を用いた2つの検出光学系により、異なる光軸方向から得られた2組の2次元位置情報を演算処理することで各位置マークの位置を3次元的に求めるものであるため、位置マークの検出光学系にオートフォーカス機能を必要としない。すなわち、位置マーク球の中心位置を直接3次元的に計測する場合のようなオートフォーカス機能を必要とせず、従って極めて高感度であって、しかも低コストな検出光学系を用いることができる。   Further, two sets of two-dimensional position information obtained from different optical axis directions are processed by two detection optical systems using a position sensor or the like that receives light reflected from the surface of each position mark. Since the position of the position mark is obtained three-dimensionally, the position mark detection optical system does not require an autofocus function. That is, it does not require an autofocus function as in the case where the center position of the position mark sphere is directly measured three-dimensionally. Therefore, it is possible to use a detection optical system with extremely high sensitivity and low cost.

さらに、位置マーク球に限らず、半導体デバイス上の平面的な位置マークを用いる場合にも容易に適用可能であるという利点もある。   Furthermore, there is an advantage that the present invention can be easily applied not only to the position mark sphere but also to a planar position mark on a semiconductor device.

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1ないし図7は実施例1を示す。本実施例による表面形状測定装置は、図1に示すように、ベース1上の保持手段であるジグ2に被測定物W1 を取り付ける。このジグ2には3個の置マーク球3が取り付けられている。ジグ2は、各位置マーク球3を固定し、被測定物W1 を着脱可能に保持するものである。ベース1と一体である基台4上には、それぞれX、Y、Zの3軸方向に移動可能にXスライダ5、Yスライダ6、Zスライダ7を設け、それぞれ制御装置8に接続する。プローブ10を被測定物W に対して3次元に移動させる移動体であるZスライダ7には位置を測定するX1レーザー測長器9a、X2レーザー測長器9b、Z1レーザー測長器9c、および図示しないが紙面に垂直な方向のY1レーザー測長器、Y2レーザー測長器が設けてある。また、Zスライダ7には、先端球10aを有する接触式のプローブ10が配設される。このプローブ10は例えば、公知の平行板ばね構造であり、板ばねの変位に従って信号を出力する。その信号をプローブ制御用アンプ11を介して制御装置8に接続する。また、Zスライダ7には、互いに異なる光軸方向から各位置マーク球3の中心位置を測定する2組の光学位置検出手段(検出光学系である光点位置測定光学系12a、12bを設け、それぞれ位置測定用アンプ13a、13bを介して制御装置8に接続する。 1 to 7 show a first embodiment. As shown in FIG. 1, the surface shape measuring apparatus according to this embodiment attaches a workpiece W 1 to a jig 2 that is a holding means on a base 1. Are three position mark balls 3 is attached to the jig 2. The jig 2 fixes each position mark ball 3 and holds the object to be measured W 1 in a detachable manner. An X slider 5, a Y slider 6, and a Z slider 7 are provided on a base 4 integrated with the base 1 so as to be movable in three axial directions of X, Y, and Z, respectively, and are connected to a control device 8. X1 laser length measuring machine 9a is a probe 10 in the Z-slider 7 as a mobile body moves in three dimensions with respect to the measured object W 1 for measuring the position, X2 laser measuring machine 9b, Z1 laser measuring machine 9c, Although not shown, a Y1 laser length measuring device and a Y2 laser length measuring device are provided in a direction perpendicular to the paper surface. The Z slider 7 is provided with a contact type probe 10 having a tip sphere 10a. This probe 10 has a known parallel leaf spring structure, for example, and outputs a signal according to the displacement of the leaf spring. The signal is connected to the control device 8 via the probe control amplifier 11. Further, the Z slider 7 is provided with light spot position measuring optical systems 12a and 12b which are two sets of optical position detecting means ( detecting optical systems ) for measuring the center position of each position mark sphere 3 from different optical axis directions. Are connected to the control device 8 via the position measuring amplifiers 13a and 13b, respectively.

ベース1には、位置測定の基準を支えるコラム14が立設され、コラム14に固定してX方向の基準となる参照ミラー15を設ける。この参照ミラー15は、X1、X2レーザー測長器9a、9bのターゲットとして用いるものである。また、コラム14に固定してZ方向の基準となる参照ミラー16を設ける。この参照ミラー16は、Z1レーザー測長器9cのターゲットとして用いるものである。同様に、コラム14に固定してY方向の基準となる参照ミラーを設ける。この参照ミラーはY1、Y2レーザー測長器のターゲットとして用いるものである。   The base 1 is provided with a column 14 that supports a position measurement standard, and is provided with a reference mirror 15 that is fixed to the column 14 and serves as a reference in the X direction. The reference mirror 15 is used as a target for the X1 and X2 laser length measuring instruments 9a and 9b. Further, a reference mirror 16 that is fixed to the column 14 and serves as a reference in the Z direction is provided. This reference mirror 16 is used as a target of the Z1 laser length measuring instrument 9c. Similarly, a reference mirror fixed to the column 14 and serving as a reference in the Y direction is provided. This reference mirror is used as a target of the Y1, Y2 laser length measuring device.

これらレーザー測長器の出力信号、すなわち参照ミラーとの距離は図示しないデータ処理装置に接続され、被測定面の位置情報としてデータ処理する。   The output signals of these laser length measuring instruments, i.e., the distance from the reference mirror, are connected to a data processing device (not shown), and data processing is performed as position information on the surface to be measured.

次に図2に基づいて、一方の光点位置測定光学系12aを説明する。光点位置測定光学系12aは、半導体レーザー17aから出射した光を、ハーフミラー18aで2方向に分割する。ハーフミラー18aを通過した光は遮蔽板19aに当たって吸収される。一方、ハーフミラー18aで反射した光はミラー20aで反射し、位置マーク球3の方向へ光軸を曲げられる。この光は対物レンズ21aを通ることによって集束光ビームである光束Baとなる。このとき光束Baの焦点位置が、先端球9を有する接触式のプローブ10の真下になるように、ミラー20aおよび対物レンズ21aの位置をあらかじめ調整しておく。この調整を非常に精密に行うことは困難であるが、このときの調整誤差は補正することができる。その方法については後でフローチャートを用いて説明する。   Next, one light spot position measuring optical system 12a will be described with reference to FIG. The light spot position measuring optical system 12a divides the light emitted from the semiconductor laser 17a into two directions by the half mirror 18a. The light that has passed through the half mirror 18a strikes the shielding plate 19a and is absorbed. On the other hand, the light reflected by the half mirror 18 a is reflected by the mirror 20 a and the optical axis is bent in the direction of the position mark sphere 3. This light becomes a light beam Ba which is a focused light beam by passing through the objective lens 21a. At this time, the positions of the mirror 20a and the objective lens 21a are adjusted in advance so that the focal position of the light beam Ba is directly below the contact probe 10 having the tip sphere 9. Although it is difficult to make this adjustment very precisely, the adjustment error at this time can be corrected. This method will be described later using a flowchart.

図2に示すように光束Baの焦点位置と、位置マーク球3の中心位置がほぼ重なった時、光束Baは位置マーク球3の表面で反射し、光路を逆進する。光束Baがハーフミラー18aを透過し、焦点を結ぶ位置に光学像(光点)である点像の2次元位置を検出するポジションセンサー23aを設ける。一方ハーフミラー18aで反射する光は不要な光として半導体レーザー17aの方向に帰っていくが、周辺の物品で散乱し、不要な迷光とならないように、半導体レーザー17aの出射口近傍に小さな穴をあけた第2の遮蔽板24aに当てて吸収させる。   As shown in FIG. 2, when the focal position of the light beam Ba and the center position of the position mark sphere 3 substantially overlap, the light beam Ba is reflected by the surface of the position mark sphere 3 and travels backward in the optical path. A position sensor 23a that detects a two-dimensional position of a point image that is an optical image (light spot) is provided at a position where the light beam Ba passes through the half mirror 18a and is focused. On the other hand, the light reflected by the half mirror 18a returns to the direction of the semiconductor laser 17a as unnecessary light, but a small hole is formed in the vicinity of the exit of the semiconductor laser 17a so as not to be scattered by surrounding articles and become unnecessary stray light. It absorbs by making contact with the opened second shielding plate 24a.

ポジションセンサー23aからの4つの信号を、制御装置8に設けられた演算手段の2つの引き算回路25a、26aに通し、2つの差信号を得る。この信号は光点の位置を表す。しかしこのままでは、光源の半導体レーザー17aの出力変動などによって影響を受ける。すなわち、半導体レーザー17aの出力がα倍になったとすると、ポジションセンサー23aの4つの出力も一律にα倍となり、当然、差信号もα倍になる。そこで、ポジションセンサー23aからの4つの信号を加算回路27aで全部足しあわせ、割り算回路28a、29aで先ほどの差信号を割る。α倍された差信号をαで割り算することになるので、半導体レーザー17aの出力変動などの影響を除去することができる。こうして得られた位置マーク球3の2次元位置を表わす光点位置の信号をφ1a、φ2aとする。   The four signals from the position sensor 23a are passed through the two subtraction circuits 25a and 26a of the arithmetic means provided in the control device 8, and two difference signals are obtained. This signal represents the position of the light spot. However, this is affected by fluctuations in the output of the semiconductor laser 17a as the light source. That is, if the output of the semiconductor laser 17a is multiplied by α, the four outputs of the position sensor 23a are also uniformly multiplied by α, and naturally the difference signal is also multiplied by α. Therefore, all the four signals from the position sensor 23a are added by the adder circuit 27a, and the difference signal is divided by the divider circuits 28a and 29a. Since the difference signal multiplied by α is divided by α, the influence of the output fluctuation of the semiconductor laser 17a can be eliminated. The light spot position signals representing the two-dimensional position of the position mark sphere 3 thus obtained are denoted by φ1a and φ2a.

また、加算回路27aの出力をエラー判定回路30aに接続する。加算回路27aの出力が低い場合、光がポジションセンサー23aにちゃんとあたっていない可能性がある。従って、この信号がある所定の値以下になるかどうかを判定すればエラー状態かどうかを判定することができる。エラー判定回路30aは加算回路27aの出力を、あらかじめ設定した信号レベルと比較し、もしも低ければエラー信号を出力する。このエラー信号をe12aとする。   Further, the output of the adder circuit 27a is connected to the error determination circuit 30a. When the output of the adding circuit 27a is low, there is a possibility that light does not hit the position sensor 23a properly. Therefore, it can be determined whether or not an error state has occurred by determining whether or not this signal is below a predetermined value. The error determination circuit 30a compares the output of the adder circuit 27a with a preset signal level, and outputs an error signal if it is low. This error signal is assumed to be e12a.

次に、信号φ1a、φ2aが位置マーク球3の中心の2次元位置情報として、光束Baの光軸Vaに垂直な2方向の位置を表わすことを、図3、図4を用いて説明する。半導体レーザー17aから出た光が距離D1の位置にある対物レンズ21aの作用で集光し、距離D2のE1で焦点を結ぶ。このとき、レンズの公式から、対物レンズ21aの焦点距離をf1とすると以下の式が成立する。
1/f1=1/D1+1/D2
Next, it will be described with reference to FIGS. 3 and 4 that the signals φ1a and φ2a represent the position in two directions perpendicular to the optical axis Va of the light beam Ba as the two-dimensional position information of the center of the position mark sphere 3. FIG. The light emitted from the semiconductor laser 17a is condensed by the action of the objective lens 21a located at the distance D1, and focused at E1 at the distance D2. At this time, from the lens formula, if the focal length of the objective lens 21a is f1, the following formula is established.
1 / f1 = 1 / D1 + 1 / D2

この像E1を距離D3にある位置マーク球3の球面で反射させる。球面は、位置マーク球3の半径をRとすると、R/2の焦点距離をもつ凹レンズと同じ作用をすると考えてもよいので、点像は、距離D4だけ離れた位置E2に写像される。すなわち、以下の式が成立する。
2/R=1/D3+1/D4
This image E1 is reflected by the spherical surface of the position mark sphere 3 at the distance D3. If the radius of the position mark sphere 3 is R, the spherical surface may be considered to have the same effect as a concave lens having a focal length of R / 2, so the point image is mapped to a position E2 that is separated by a distance D4. That is, the following expression is established.
2 / R = 1 / D3 + 1 / D4

いま、焦点位置E1と位置マーク球3の中心位置がほぼ一致する場合を考えているので、ほぼD3とD4は同じ距離である。   Now, since the case where the focal position E1 and the center position of the position mark sphere 3 substantially coincide is considered, D3 and D4 are substantially the same distance.

この点像は再び距離D5にある対物レンズ21aを通り、距離D6にあるポジションセンサー23a上で焦点E3を結ぶ。すなわち、以下の式が成立する。
1/f1=1/D5+1/D6
This point image again passes through the objective lens 21a at the distance D5 and forms a focal point E3 on the position sensor 23a at the distance D6. That is, the following expression is established.
1 / f1 = 1 / D5 + 1 / D6

このような光学系の配置において、位置マーク球3の球面が光軸Vaに対して垂直方向にδだけに変位した場合を考える。この時の状態は図4に示すように、位置マーク球3にとって、点像E1がδ動くのと同じなので、位置E2は光軸Vaに対してδ*(D4/D3+1)だけ動く。   Consider the case where the spherical surface of the position mark sphere 3 is displaced by δ in the direction perpendicular to the optical axis Va in such an optical system arrangement. As shown in FIG. 4, the state at this time is the same as the point image E1 moves δ for the position mark sphere 3, and therefore the position E2 moves by δ * (D4 / D3 + 1) with respect to the optical axis Va.

さらに、対物レンズ21aによって焦点E3に写像されるので、焦点E3の動きδ1は以下の式で表される。
δ1=δ*(D4/D3+1)*D6/D5
Furthermore, since the objective lens 21a maps to the focal point E3, the movement δ1 of the focal point E3 is expressed by the following equation.
δ1 = δ * (D4 / D3 + 1) * D6 / D5

例えば、D3=D4、D6=D5とすると2δである。つまり位置マーク球3の、光軸Vaに対して垂直な平面内の2次元的な動きが2倍になって検出できることになる。その信号がφ1、φ2である。   For example, if D3 = D4 and D6 = D5, then 2δ. That is, the two-dimensional movement of the position mark sphere 3 in a plane perpendicular to the optical axis Va can be detected by doubling. The signals are φ1 and φ2.

また、図4において、結像位置である焦点E3から距離D7だけずれた位置を考える。結像位置からずれているので、この位置ではスポットサイズは大きい。しかしその中心位置のずれδ2はδ1よりも大きくなっている。つまり、感度を高めることができる。   In FIG. 4, a position shifted from the focal point E3, which is the image forming position, by a distance D7 is considered. Since the position is deviated from the imaging position, the spot size is large at this position. However, the deviation δ2 of the center position is larger than δ1. That is, the sensitivity can be increased.

他方の光点位置測定光学系12bも同じ構成であるので説明は省略する。2つの光点位置測定光学系12a、12bによる2組の2次元位置情報として、光軸Vaに対して垂直な動きに応じた信号をφ1a、φ2a、光軸Vbに対して垂直な動きに応じた信号をφ1b、φ2bとする。   Since the other light spot position measuring optical system 12b has the same configuration, the description thereof is omitted. As two sets of two-dimensional position information by the two light spot position measuring optical systems 12a and 12b, signals corresponding to movements perpendicular to the optical axis Va are obtained according to movements perpendicular to the optical axes Va and φ1a and φ2a. These signals are φ1b and φ2b.

図5に基づいて、これら4つの信号、φ1a、φ2a、φ1b、φ2bから、位置マーク球3の3次元位置を決定する方法を説明する。信号φ1a、φ2aは位置マーク球3が光軸Vaに対し、光軸Vaと垂直な方向に離れている位置を表しているため、光軸Vaに平行で、位置マーク球3の中心(球心)を通る直線DVaを決定することができる。同様に、信号φ1b、φ2bは位置マーク球3が光軸Vbに対して、光軸Vbと垂直な方向に離れている位置を表しているため、光軸Vbに平行で、球心を通る直線DVbを決定することができる。もしも、誤差なく測定することができていれば2つの直線DVa、DVbは交わるはずである。なぜなら両方の直線とも、同一の位置マーク球3の中心を貫いているはずだからである。   A method for determining the three-dimensional position of the position mark sphere 3 from these four signals, φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b will be described with reference to FIG. The signals φ1a and φ2a represent positions where the position mark sphere 3 is separated from the optical axis Va in a direction perpendicular to the optical axis Va. Therefore, the signals φ1a and φ2a are parallel to the optical axis Va and ) Through the straight line DVa. Similarly, since the signals φ1b and φ2b represent positions where the position mark sphere 3 is separated from the optical axis Vb in a direction perpendicular to the optical axis Vb, the signals φ1b and φ2b are parallel to the optical axis Vb and pass through the spherical center. DVb can be determined. If measurement can be performed without error, the two straight lines DVa and DVb should intersect. This is because both straight lines should pass through the center of the same position mark sphere 3.

そして4つの信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bがゼロの時、直線DVa、DVbは光軸Va、Vbに一致していることを表し、従って、位置マーク球3の中心が光軸Va、Vbの交点と一致していることを表す。   When the four signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b are zero, the straight lines DVa and DVb indicate that they coincide with the optical axes Va and Vb. Therefore, the center of the position mark sphere 3 is the optical axes Va and Vb. Indicates that it is coincident with the intersection.

しかし、4つの信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bに混入する電気ノイズの影響や、組立て誤差の影響で2つの直線DVa、DVbは交わらないと考えるほうが自然である。そこで、図5に示したように、2つの直線DVa、DVbが最も接近する位置に引いた垂直線の中点cを位置マーク球3の中心位置(3次元位置)として出力する。   However, it is natural to consider that the two straight lines DVa and DVb do not intersect due to the influence of electrical noise mixed in the four signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b and the effects of assembly errors. Therefore, as shown in FIG. 5, the midpoint c of the vertical line drawn to the position where the two straight lines DVa and DVb are closest to each other is output as the center position (three-dimensional position) of the position mark sphere 3.

また、2つの直線DVa、DVb間の距離である位置ずれAも計算する。位置ずれAは前述した誤差が小さければ本来ゼロになる距離である。従って、この測定結果に含まれる誤差を表していることになる。この誤差の量、すなわち位置ずれAがあらかじめ定めておいた値よりも大きい場合はエラーと判定する。   Further, a positional deviation A that is a distance between the two straight lines DVa and DVb is also calculated. The positional deviation A is a distance that is essentially zero if the above-described error is small. Therefore, it represents an error included in the measurement result. If the amount of this error, that is, the positional deviation A is larger than a predetermined value, it is determined as an error.

図1の装置のレーザー測長器9a〜9c等はZスライダ7の位置姿勢を測定して補正するが、その方法を図6に基づいて説明する。ベース1に固定し、前述のように直交配置した3つの参照ミラーに対し、各レーザー測長器で測定した長さをX1、X2、Y1、Y2およびZ1とする。Z1はZ参照ミラー16とプローブ10までの距離を測定する。また、X1、Y1を計測するレーザー測長器の取り付け高さと、X2、Y2を計測するレーザー測長器の取り付け高さの差をL2とし、そこからプローブ10の取り付け高さまでの差をL3とし、そこからプローブ10の先端球10aの中心位置までの差をL4とし、そこから光束Ba、Bbの焦点位置までの距離をL5とする。これらL2〜L5の距離は測定装置の部品寸法で決まる長さである。L1は測定値Z1からL2とL3を差し引くことで得られる。   The laser length measuring devices 9a to 9c and the like of the apparatus of FIG. 1 measure and correct the position and orientation of the Z slider 7, and the method will be described with reference to FIG. For the three reference mirrors fixed to the base 1 and orthogonally arranged as described above, the lengths measured by each laser length measuring device are X1, X2, Y1, Y2, and Z1. Z1 measures the distance between the Z reference mirror 16 and the probe 10. Also, the difference between the mounting height of the laser length measuring device that measures X1 and Y1 and the mounting height of the laser length measuring device that measures X2 and Y2 is L2, and the difference from that to the mounting height of the probe 10 is L3. The difference from there to the center position of the tip sphere 10a of the probe 10 is L4, and the distance from there to the focal position of the light beams Ba and Bb is L5. These distances L2 to L5 are lengths determined by the component dimensions of the measuring apparatus. L1 is obtained by subtracting L2 and L3 from the measured value Z1.

この構成において、プローブ10の先端球10aの中心位置の測定座標は以下の式(1a)〜(1c)で計算できる。
プローブ球X座標=−X1−(X2−X1)*(L2+L3+L4)/L2
・・・(1a)
プローブ球Y座標=−Y1−(Y2−Y1)*(L2+L3+L4)/L2
・・・(1b)
プローブ球Z座標=−Z1−L4 ・・・(1c)
In this configuration, the measurement coordinates of the center position of the tip sphere 10a of the probe 10 can be calculated by the following equations (1a) to (1c).
Probe sphere X coordinate = −X1− (X2−X1) * (L2 + L3 + L4) / L2
... (1a)
Probe sphere Y coordinate = −Y1− (Y2−Y1) * (L2 + L3 + L4) / L2
... (1b)
Probe sphere Z coordinate = −Z1−L4 (1c)

同様に、光束Ba、Bbの焦点位置の測定座標は以下の式(2a)〜(2c)で計算できる。
焦点位置X座標=−X1−(X2−X1)*(L2+L3+L4+L5)/L2
・・・(2a)
焦点位置Y座標=−Y1−(Y2−Y1)*(L2+L3+L4+L5)/L2
・・・(2b)
焦点位置Z座標=−Z1−L4−L5 ・・・(2c)
Similarly, the measurement coordinates of the focal positions of the light beams Ba and Bb can be calculated by the following equations (2a) to (2c).
Focal position X coordinate = −X1− (X2−X1) * (L2 + L3 + L4 + L5) / L2
... (2a)
Focal position Y coordinate = -Y1- (Y2-Y1) * (L2 + L3 + L4 + L5) / L2
... (2b)
Focus position Z coordinate = −Z1−L4−L5 (2c)

この座標位置は3面の参照ミラーを位置の基準に測定しているので、Zスライダの姿勢誤差に影響されない。   This coordinate position is not affected by the attitude error of the Z slider because it is measured with the reference mirror of the three surfaces as the position reference.

次に、図1の表面形状測定装置の動作を、図7に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、3つの位置マーク球3を取り付けたジグ2に被測定物W1 を着脱可能に取り付ける。次に、光点位置測定光学系12a、12bと、被測定物W1 の自由曲面を測定するプローブ10の位置あわせを行う必要があるかどうかを判断する(ステップS1)。これが必要となる場合は、例えば装置を製作した最初の時や、プローブ10を交換してプローブ位置情報がなくなってしまった時である。また、前述したように光点位置測定光学系12a、12bの測定位置、すなわち光束Ba、Bbの焦点位置がプローブ10の真下になるようにだいたいの位置あわせを行うが、非常に精密にこれを調整するのは困難である。そういった意味でもまず光点位置測定光学系12a、12bとプローブ10の位置あわせを行う必要がある。しかし、一度位置あわせを行ってしまえば、位置あわせの必要はなくなる。 Next, the operation of the surface shape measuring apparatus of FIG. 1 will be described based on the flowchart shown in FIG. First, the workpiece W 1 is detachably attached to the jig 2 to which the three position mark balls 3 are attached. Next, it is determined light spot position measurement optical system 12a, and 12b, and whether there is a need to position the probe 10 for measuring the free-form surface of the workpiece W 1 (step S1). This is necessary when, for example, the device is first manufactured or when the probe 10 is replaced and the probe position information is lost. Further, as described above, the measurement positions of the light spot position measurement optical systems 12a and 12b, that is, the positions of the light beams Ba and Bb are roughly aligned so that they are directly below the probe 10, but this is very precisely performed. It is difficult to adjust. In this sense, first, it is necessary to align the light spot position measuring optical systems 12a and 12b with the probe 10. However, once alignment is performed, alignment is not necessary.

位置あわせをする場合はまず、位置マーク球3の表面をプローブ10でトレースしたときの点群を測定する(ステップS2)。その表面上の点群から最小2乗法などを用い、中心位置を計算する(ステップS3)。計算の結果得られた位置をPaとする。   When positioning, first, a point cloud when the surface of the position mark sphere 3 is traced by the probe 10 is measured (step S2). The center position is calculated from the point group on the surface using the least square method or the like (step S3). The position obtained as a result of the calculation is defined as Pa.

ここで、この点Paは従来例のように球の頂点ではないことを注意しておく。頂点位置と異なり、球の中心位置(球心位置)はどの方向から測定しても同じ点になるはずである。言い換えると、位置マーク球の位置をどの方向から測定しても同じ結果を与える。   Here, it should be noted that this point Pa is not the apex of the sphere as in the conventional example. Unlike the apex position, the center position (sphere center position) of the sphere should be the same point no matter what direction it is measured. In other words, measuring the position of the position mark sphere from any direction gives the same result.

各光点位置測定光学系12a、12bによって、各光軸Va、Vbに対して垂直な平面内における位置マーク球3の2次元位置を測定する。プローブ10で測定した位置マーク球の位置Paと光束Ba、Bbの焦点位置がほぼあうように、制御装置8を用いてX、Y、Zスライダ5、6、7を動かす(ステップS4)。この位置において、図2で説明したエラー信号e12a、e12bのいずれか一方でも出力されていないかを判定する(ステップS16)。もしエラーが出力されていれば、位置マーク球3が想定した位置にいないか、半導体レーザー17a等が故障したなど、なんらかの故障があったことになるので、エラー停止する旨、コンピュータ画面など表示装置にエラー表示し(ステップS17)、停止する。一方エラーでなければ、信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bは正しい測定値と考えることができる。   The two-dimensional position of the position mark sphere 3 in a plane perpendicular to the optical axes Va and Vb is measured by the optical spot position measuring optical systems 12a and 12b. The X, Y, and Z sliders 5, 6, and 7 are moved using the control device 8 so that the position Pa of the position mark sphere measured by the probe 10 and the focal positions of the light beams Ba and Bb are substantially matched (step S4). At this position, it is determined whether any one of the error signals e12a and e12b described in FIG. 2 has been output (step S16). If an error is output, it means that the position mark sphere 3 is not at the assumed position or the semiconductor laser 17a or the like has failed. An error is displayed (step S17), and the operation stops. On the other hand, if there is no error, the signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b can be considered as correct measurement values.

そして、この4つの信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bは光束Baおよび光束Bbの各光軸Va、Vbに対する垂直方向の偏差を表しているので、図5で説明した方法で、位置マーク球3の位置データcを計算し、この位置データcがゼロ、すなわち、2つの光軸Va、Vbの交点と一致するように制御装置8を用いてX、Y、Zスライダ5、6、7を微調整する(ステップS5)。換言すれば、信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bがゼロに近づくように各スライダを微調整する。   These four signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b represent deviations in the vertical direction of the light beams Ba and Bb with respect to the optical axes Va and Vb. The position data c is calculated, and the X, Y, Z sliders 5, 6, and 7 are finely adjusted using the control device 8 so that the position data c is zero, that is, coincides with the intersection of the two optical axes Va and Vb. (Step S5). In other words, each slider is finely adjusted so that the signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b approach zero.

微調整した後、X、Y、Zスライダ5〜7の位置、姿勢から、図6と式(2a)、(2b)、(2c)を用いて説明した方法で位置マーク球3の中心のX、Y、Z位置(3次元位置)を求め、さらに図5で説明した方法で、位置マーク球3の位置ずれAを計算する。この時、4つの信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bはX、Y、Zスライダ5〜7の微調整により、十分小さくなっているはずであるが、調整しきれなかった調整誤差も残る。4つの信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bから位置データcを計算し、この調整残差をX、Y、Z方向の誤差に換算し、位置マーク球3の中心のX、Y、Z位置を補正しておけば、なお精密である。このX、Y、Z位置をPbとする(ステップS6)。   After fine adjustment, the position X of the position mark sphere 3 is determined from the positions and postures of the X, Y, and Z sliders 5 to 7 by the method described with reference to FIG. 6 and the equations (2a), (2b), and (2c). , Y and Z positions (three-dimensional positions) are obtained, and the positional deviation A of the position mark sphere 3 is calculated by the method described with reference to FIG. At this time, the four signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b should be sufficiently small by fine adjustment of the X, Y, and Z sliders 5 to 7, but adjustment errors that cannot be adjusted still remain. The position data c is calculated from the four signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b, the adjustment residual is converted into an error in the X, Y, and Z directions, and the X, Y, and Z positions of the center of the position mark sphere 3 are corrected. If it does, it is still precise. The X, Y, and Z positions are set as Pb (step S6).

位置ずれAは、2つの光束Ba、Bbの光軸Va、Vbが一致していなかったり、4つの電気的な信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bに混入する誤差が大きい場合に大きくなる。そこで、もし位置ずれAがあらかじめ定めておいた値よりも大きい場合はエラーと判定し(ステップS22)、エラー表示し(ステップS23)、停止する。   The positional deviation A becomes large when the optical axes Va and Vb of the two light beams Ba and Bb do not coincide with each other or when the error mixed in the four electrical signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b is large. Therefore, if the positional deviation A is larger than a predetermined value, it is determined as an error (step S22), an error is displayed (step S23), and the process is stopped.

次に、位置の差d=Pa−Pbを計算し、これを位置補正量とする。これは自由曲面を測定するプローブ10と、位置マーク球3を測定する光点位置測定光学系12a、12bとの位置補正量を表している(ステップS7)。   Next, a position difference d = Pa−Pb is calculated and used as a position correction amount. This represents the position correction amount between the probe 10 that measures the free-form surface and the light spot position measurement optical systems 12a and 12b that measure the position mark sphere 3 (step S7).

次にすべての位置マーク球3を光点位置測定光学系12a、12bで測定する。一つ一つの測定は先ほど説明した手順と同じである。第n番目の位置マーク球を測定する場合について説明する。まず第n位置マーク球の中心位置に光束Ba、Bbの焦点位置を移動させる(ステップS8)。おおよその位置はジグ2の設計図面、ジグ2を測定装置に取り付ける図面などからわかるので、その位置にX、Y、Zスライダ5〜7を移動させることができる。この位置において、図2で説明したエラー信号e12a、e12bのいずれか一方でも出力されていないか判定する(ステップS18)。もしエラーが出力されていれば、位置マーク球3が想定した位置にいないなど、なんらかの故障があったことになるので、エラー停止する旨、コンピュータ画面など表示装置に対してエラー表示し(ステップS19)、停止する。一方エラーでなければ、信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bは正しい測定値と考えることができる。   Next, all the position mark spheres 3 are measured by the light spot position measuring optical systems 12a and 12b. Each measurement is the same as the procedure described above. A case where the nth position mark sphere is measured will be described. First, the focal positions of the light beams Ba and Bb are moved to the center position of the nth position mark sphere (step S8). Since the approximate position is known from the design drawing of the jig 2, the drawing for attaching the jig 2 to the measuring device, etc., the X, Y, Z sliders 5 to 7 can be moved to that position. At this position, it is determined whether any one of the error signals e12a and e12b described in FIG. 2 is output (step S18). If an error is output, it means that there has been some trouble such as the position mark sphere 3 not being in the assumed position, so that an error is stopped and an error is displayed on the display device such as a computer screen (step S19). ),Stop. On the other hand, if there is no error, the signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b can be considered as correct measurement values.

次に先ほどと同様に、この4つの信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bは光束Ba、Bbに対する垂直方向の偏差を表しているので、図5で説明した方法で、位置マーク球3の位置データcを計算し、この位置データがゼロ、すなわち、2つの光軸Va、Vbの交点と一致するように制御装置8を用いてX、Y、Zスライダ5〜7を微調整する(ステップS9)。   Next, since the four signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b represent deviations in the vertical direction with respect to the light beams Ba and Bb, as described above, the position data c of the position mark sphere 3 is obtained by the method described with reference to FIG. And the X, Y and Z sliders 5 to 7 are finely adjusted using the control device 8 so that the position data is zero, that is, coincides with the intersection of the two optical axes Va and Vb (step S9).

この時の第n番の位置マーク球の中心位置(X、Y、Z位置)を計算し、Pnとする(ステップS10)。このとき、先ほど求めた位置補正量dを加える。これによって位置Pnは、あたかも接触式のプローブ10で測定した時の位置に変換される。しかも、プローブ10で測定する場合に比べ、表面をトレースする必要がないため測定時間がかなり短い。   The center position (X, Y, Z position) of the nth position mark sphere at this time is calculated and set as Pn (step S10). At this time, the position correction amount d obtained earlier is added. As a result, the position Pn is converted to the position as measured by the contact probe 10. In addition, compared with the case of measuring with the probe 10, it is not necessary to trace the surface, so the measurement time is considerably short.

また、先ほどと同様に、位置ずれAがあらかじめ定めておいた値よりも大きい場合はエラーと判定し(ステップS20)、エラー表示し(ステップS21)、停止する。   Similarly to the previous case, when the positional deviation A is larger than a predetermined value, it is determined as an error (step S20), an error is displayed (step S21), and the process is stopped.

全部の位置マーク球3を測定するまでステップS8からの動作を繰り返し、終わったら次に進む(ステップS11)。3つの球心位置から1つの直交座標系を決定する(ステップS12)。この方法はいくつかあるが、例えば3つの点(測定した球心位置)で定義される平面に直交する方向にZ軸をとり、そのなかの2点を結ぶ線をX軸とし、残りのY軸はX、Z軸に垂直な軸として定義できる。こうして定義した直交座標系は3つの球に固定されているので、被測定物座標系と呼ぶ。この被測定物座標系からみて、測定すべき自由曲面を含む被測定物W1 は、いつも同じ位置にある。なぜなら、冒頭で述べたように位置マーク球3に固定したジグ2に被測定物W1 が固定されているからである。 The operation from step S8 is repeated until all the position mark spheres 3 are measured, and when it is finished, the operation proceeds to the next (step S11). One orthogonal coordinate system is determined from the three ball center positions (step S12). There are several methods. For example, the Z axis is taken in a direction perpendicular to the plane defined by three points (measured sphere positions), the line connecting the two points is taken as the X axis, and the remaining Y The axis can be defined as an axis perpendicular to the X and Z axes. Since the orthogonal coordinate system defined in this way is fixed to three spheres, it is called an object coordinate system. When viewed from this measured object coordinate system, the measured object W 1 including the free-form surface to be measured is always at the same position. This is because the object to be measured W 1 is fixed to the jig 2 fixed to the position mark sphere 3 as described at the beginning.

次に被測定物W1 の表面である自由曲面をプローブ10でトレースし、自由曲面上の点群を測定する(ステップS13)。この点群をすべて被測定物座標系に座標変換する(ステップS14)。こうして得られた点群は3つの位置マーク球3を位置基準としているので、被測定物W1 を測定装置のどこに設置しても、どんな姿勢に設置しても、同じ点群が得られる。次に最小2乗法を用いて設計形状との差、すなわち誤差形状を計算する(ステップS15)。 Next, the free-form surface, which is the surface of the object to be measured W 1 , is traced by the probe 10 to measure a point group on the free-form surface (step S13). All the point groups are coordinate-converted into the measured object coordinate system (step S14). Since the point group obtained in this way uses the three position mark spheres 3 as the position reference, the same point group can be obtained no matter where the object to be measured W 1 is installed or in any posture. Next, a difference from the design shape, that is, an error shape is calculated using the least square method (step S15).

以上説明してきた方法によれば、測定時間を短縮することができる。なぜならば3球の測定時間が短くなるからである。従来例のように、プローブを用いて球の表面をトレースする場合、3次元的な位置情報が必要なので、複数断面のトレースが必要となるため、長いトレース長さが必要である。しかも往復運動を繰り返してトレースする場合にはその加減速に要する時間も無視できない。これに対して本実施例による方法では、光軸の中心位置におおよそ位置マーク球がくるようにX、Y、Z軸を移動させ、その後、信号φ1a、φ2a、φ1b、φ2bに従って微調整するだけで球心位置が決定できる。球の表面をトレースする必要がないので大幅な時間短縮が可能である。   According to the method described above, the measurement time can be shortened. This is because the measurement time for three balls is shortened. When tracing the surface of a sphere using a probe as in the conventional example, since three-dimensional positional information is required, a plurality of cross-sectional traces are required, and thus a long trace length is required. In addition, when tracing with repeated reciprocation, the time required for acceleration / deceleration cannot be ignored. On the other hand, in the method according to the present embodiment, the X, Y, and Z axes are moved so that the position mark sphere is approximately at the center position of the optical axis, and then fine adjustment is performed according to the signals φ1a, φ2a, φ1b, and φ2b. Can determine the position of the ball. Since it is not necessary to trace the surface of the sphere, the time can be significantly reduced.

球の頂点位置ではなく、球の中心位置を測定しているので、被測定物の位置姿勢の影響を受けない。これは、どの方向から中心位置を測定しても同じ点を指し示すという、球の性質を利用しているからである。   Since the center position of the sphere is measured rather than the position of the top of the sphere, it is not affected by the position and orientation of the object to be measured. This is because the sphere is used in such a manner that the same point is pointed regardless of the center position measured from any direction.

また、オートフォーカス信号を得る必要が無いため、レンズのNA(開口数)が小さくてもよい。レンズのNAが小さくてすむと、レンズと位置マーク球との間の距離を離すことができるため、光学系の配置が簡単になり、設計自由度を大幅に向上できる。   In addition, since it is not necessary to obtain an autofocus signal, the NA (numerical aperture) of the lens may be small. If the lens NA is small, the distance between the lens and the position mark sphere can be increased, so that the arrangement of the optical system is simplified and the degree of design freedom can be greatly improved.

また、球の測定時間が短縮されるため、全体の測定時間も短縮される。時間とともに変化する温度変形などの誤差を緩和することができるので、結果として測定精度を向上させることができる。   Further, since the measurement time of the sphere is shortened, the entire measurement time is also shortened. Since errors such as temperature deformation that changes with time can be relaxed, measurement accuracy can be improved as a result.

なお、本実施例では各検出光学系にポジションセンサーを用いているが、CCDなど撮像素子を使って光点の2次元点位置を検出してもよい。   In this embodiment, a position sensor is used for each detection optical system. However, the two-dimensional point position of the light spot may be detected using an image pickup device such as a CCD.

また、自由曲面を測定するプローブは接触式のプローブとして説明してきたが、非接触式のプローブであっても同様である。   Further, although the probe for measuring a free-form surface has been described as a contact type probe, the same applies to a non-contact type probe.

光源としては、半導体レーザーの代わりに、例えばLEDなどの発光素子を用いてもよい。ただし、点光源に近いほうが、焦点位置でのスポットが小さくなり、光点位置検出が容易になるため好ましい。   As the light source, for example, a light emitting element such as an LED may be used instead of the semiconductor laser. However, the point closer to the point light source is preferable because the spot at the focal position becomes smaller and the light spot position can be easily detected.

光軸の向きを変え、斜めの光束を得るのにミラーを用いているが、これを省略してもよいし、光軸をミラーで1回折り曲げる代わりに、さらにミラーを追加し、光軸を折り曲げてもよい。このようにミラーを追加することにより、光学素子の配置に対する設計自由度を向上させることができる。   The mirror is used to change the direction of the optical axis and obtain an oblique light beam, but this may be omitted, or instead of bending the optical axis once by the mirror, a mirror is added and the optical axis is changed. It may be bent. By adding a mirror in this way, the degree of freedom in designing the arrangement of optical elements can be improved.

本実施例は以下のような効果を奏する。   This example has the following effects.

(1)従来例のように位置マーク球表面をトレースする必要がないので、大幅な測定時間短縮が期待できる。   (1) Since it is not necessary to trace the surface of the position mark sphere as in the conventional example, it is possible to expect a significant reduction in measurement time.

(2)球の頂点ではなく、球の中心を測定しているので、被測定物の位置や姿勢に関係なく同じ測定結果が得られる。なぜなら球の中心はどの方向から測定しても同じ点だからである。   (2) Since the center of the sphere is measured instead of the top of the sphere, the same measurement result can be obtained regardless of the position and orientation of the object to be measured. This is because the center of the sphere is the same point when measured from any direction.

(3)測定時間が短縮できるので、測定時間内での環境温度変化も小さくなり、測定精度が向上する。   (3) Since the measurement time can be shortened, the environmental temperature change within the measurement time is also reduced, and the measurement accuracy is improved.

(4)非接触に位置マーク球の中心を測定できるので、球の摩耗を心配することがなくなり、摩耗による誤差の増大が無いため、測定精度を向上することができる。   (4) Since the center of the position mark sphere can be measured in a non-contact manner, there is no need to worry about wear of the sphere, and there is no increase in error due to wear, so that measurement accuracy can be improved.

(5)非接触なので位置マーク球の寿命を延ばすことができる。   (5) Since it is non-contact, the life of the position mark sphere can be extended.

(6)非接触なので、摩耗による測定誤差の増大が無いため精度が向上する。   (6) Since there is no contact, there is no increase in measurement error due to wear, so accuracy is improved.

(7)位置マーク球の測定位置をプローブ軸の延長線上とすることにより、プローブ移動に伴う、移動部材の位置、姿勢誤差の影響をプローブと同様、最小限にできる。   (7) By setting the measurement position of the position mark sphere on the extension line of the probe axis, the influence of the position and posture error of the moving member accompanying the probe movement can be minimized as in the case of the probe.

(8)光軸方向の位置を光学的に検出する必要がないためオートフォーカス機能を省略した簡便な光学系を用いることができる。   (8) Since it is not necessary to optically detect the position in the optical axis direction, a simple optical system in which the autofocus function is omitted can be used.

(9)光軸ずれを監視し、大きい場合には測定を中断することによって、測定の信頼性を向上することができる。   (9) The reliability of the measurement can be improved by monitoring the optical axis deviation and interrupting the measurement if it is large.

(10)オートフォーカスを使わなくてもすむため、検出光学系のレンズのNAが小さくてもよい。その結果、レンズと被測定物との距離を長くとることが可能となる。   (10) Since it is not necessary to use autofocus, the NA of the lens of the detection optical system may be small. As a result, the distance between the lens and the object to be measured can be increased.

(11)位置マーク球が脱落した場合などの異常状態を自動検出、装置を停止することが可能となる。   (11) It is possible to automatically detect an abnormal state such as when the position mark sphere is dropped and to stop the apparatus.

(12)位置マーク球の変わりに間違った別部品がついているなど、従来では対応が難しかったエラーに対しても安全にエラーを自動検出、装置を停止することが可能となる。   (12) It is possible to automatically detect an error and stop the apparatus safely even for an error that has been difficult to deal with in the past, such as a wrong part being attached instead of the position mark sphere.

(13)異常を素早く検出することでエラーの影響を最小限にくい止めることができる。   (13) By detecting an abnormality quickly, the influence of the error can be minimized.

(14)安全にエラーを検出し停止できるため事故防止という点でも有効である。事故を未然に防ぐことで生産設備の稼働率を向上し、生産コストを下げることにつながる。   (14) Since an error can be detected and stopped safely, it is also effective in preventing accidents. By preventing accidents, the operating rate of production equipment is improved and production costs are reduced.

図8は実施例2を示すもので、これは、実施例1に対して、光源部分とハーフミラー部分のみが異なる。共通の光源である半導体レーザー37から出射するレーザー光を分割手段である光ファイバー41a、光ファイバー41bによって2本に分割する。光ファイバー41aは光ファイバー出射端40aに接続し、ここからレーザー光を出射させる。光ファイバー41bについても同じであるから、説明を省略する。   FIG. 8 shows the second embodiment, which is different from the first embodiment only in the light source portion and the half mirror portion. Laser light emitted from the semiconductor laser 37 that is a common light source is split into two by an optical fiber 41a and an optical fiber 41b that are splitting means. The optical fiber 41a is connected to the optical fiber emitting end 40a, from which laser light is emitted. Since the same applies to the optical fiber 41b, the description thereof is omitted.

光ファイバー出射端40aから出射した光は偏光ビームスプリッタ42aに入射する。偏光ビームスプリッタ42aによって、P偏光成分は透過し、遮蔽板19aに当たって吸収される。一方、S偏光成分は偏光ビームスプリッタ42aで反射し、ミラー20aで反射し、位置マーク球3の方向へ光軸を曲げられる。そして4分の1波長板43aで円偏光に変換され、この光は対物レンズ21aを通ることによって光束Baとなる。このとき光束Baの焦点位置が、先端球10aを有する接触式のプローブ10の真下になるように、ミラー20aおよび、対物レンズ21aの位置をあらかじめ調整しておく。この調整を非常に精密に行ことは困難であるが、このときの調整誤差は補正することができる。   The light emitted from the optical fiber output end 40a enters the polarization beam splitter 42a. The P-polarized light component is transmitted by the polarization beam splitter 42a and is absorbed by the shielding plate 19a. On the other hand, the S-polarized light component is reflected by the polarization beam splitter 42a, reflected by the mirror 20a, and the optical axis is bent in the direction of the position mark sphere 3. The light is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 43a, and this light becomes a light beam Ba by passing through the objective lens 21a. At this time, the positions of the mirror 20a and the objective lens 21a are adjusted in advance so that the focal position of the light beam Ba is directly below the contact probe 10 having the tip sphere 10a. Although it is difficult to make this adjustment very precisely, the adjustment error at this time can be corrected.

図8に示すように、光束Ba、Bbの焦点位置と、位置マーク球3の中心位置がほぼ重なった時、光束Baは位置マーク球3の表面で反射し、もと来た光路を戻っていく。対物レンズ21aを通り、4分の1波長板43aを通ると、再び直線偏光に変換されるが偏光の向きが変わっており、P偏光となっている。この光はミラー20aで反射し、偏光ビームスプリッタ42aに入射する。このP偏光はこの光学素子を通過し、ポジションセンサー23aに入射する。この時、偏光ビームスプリッタ42aで反射する光、つまりS偏光成分が無いことが特徴である。このため、光量の損失が少なくてすむ。また、反射した不要な光を吸収するための、第2の遮蔽板も必要なくなる。   As shown in FIG. 8, when the focal positions of the light beams Ba and Bb and the center position of the position mark sphere 3 substantially overlap, the light beam Ba is reflected by the surface of the position mark sphere 3 and returns to the original optical path. Go. When passing through the objective lens 21a and passing through the quarter-wave plate 43a, it is converted again into linearly polarized light, but the direction of polarized light is changed, and P-polarized light is obtained. This light is reflected by the mirror 20a and enters the polarization beam splitter 42a. This P-polarized light passes through this optical element and enters the position sensor 23a. At this time, there is no light reflected by the polarization beam splitter 42a, that is, no S-polarized component. For this reason, there is little loss of light quantity. Further, the second shielding plate for absorbing the reflected unnecessary light is not necessary.

実施例1のようにハーフミラーを用いただけの場合では、ハーフミラーを2回通過するため、少なくとも4分の1の光しかポジションセンサーに到達しない。これに対して、本実施例では偏光ビームスプリッタを用いることによって、ポジションセンサーに入射する光を2倍にすることができる。また、半導体レーザーは発熱するが、光ファイバーを用いることによって半導体レーザーを自由に配置することができる。さらに、光ファイバー分配器を使って2本に分割しているので、半導体レーザーは1つですむ。測定装置にとって測定部分での発熱体は大きな測定誤差につながってしまうので、半導体レーザーを遠くに配置できることは精度向上にメリットが大きい。   In the case where only the half mirror is used as in the first embodiment, since the light passes through the half mirror twice, only at least a quarter of the light reaches the position sensor. On the other hand, in this embodiment, the light incident on the position sensor can be doubled by using the polarization beam splitter. Further, although the semiconductor laser generates heat, the semiconductor laser can be freely arranged by using an optical fiber. Furthermore, since it is divided into two using an optical fiber distributor, only one semiconductor laser is required. Since the heating element at the measurement part leads to a large measurement error for the measurement apparatus, the disposition of the semiconductor laser is a great merit in improving accuracy.

本実施例では、実施例1による効果に加えて次の効果がある。   In this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, there are the following effects.

(1)1つの光源を分岐することによって、光源の数を減らし、装置コストを下げることができる。   (1) By branching one light source, the number of light sources can be reduced and the apparatus cost can be reduced.

(2)光ファイバーで光を導くことにより、光源まわりの部品スペース、例えば半導体レーザーや、その駆動回路の部品スペースをとる必要がない。その結果、小型に構成することができる。   (2) Since light is guided by an optical fiber, it is not necessary to take a component space around the light source, for example, a semiconductor laser or a component space of its drive circuit. As a result, it can be configured in a small size.

(3)光ファイバーを用いることによって光源を測定領域から遠くに離して配置することが可能となるため、光源の発熱による温度上昇の心配がない。その結果、温度上昇による測定誤差を軽減、測定精度を向上させることができる。   (3) Since the light source can be arranged far away from the measurement region by using the optical fiber, there is no fear of temperature rise due to heat generation of the light source. As a result, measurement errors due to temperature rise can be reduced and measurement accuracy can be improved.

図9は、実施例3を示すもので、これは、実施例1に対して、光束Ba、Bbの焦点位置がプローブ10の中心からずれている点が異なる。他の構成および作用は実施例1と同じなので説明を省略する。   FIG. 9 shows a third embodiment, which differs from the first embodiment in that the focal positions of the light beams Ba and Bb are deviated from the center of the probe 10. Since other configurations and operations are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted.

本実施例では実施例1に加えて次の効果がある。   This embodiment has the following effects in addition to the first embodiment.

(1)接触式のプローブとの干渉にとらわれず、光学系の配置が可能となるため、小型に構成できる。実施例1ではプローブに干渉しないようにするため、対物レンズの焦点距離を長くする必要があったが、本実施例では、短い焦点距離のレンズを用いて小型の光学系で構成可能である。   (1) Since the optical system can be arranged without being constrained by interference with the contact type probe, it can be made compact. In the first embodiment, it is necessary to increase the focal length of the objective lens so as not to interfere with the probe. However, in this embodiment, a small optical system can be configured using a lens having a short focal length.

(2)接触式のプローブの近傍に障害物であるプリズムなどの部品を配置する必要がないので、被測定物と測定装置が衝突する可能性が低くなる。従って被測定物の設計制約を緩和することができる。   (2) Since there is no need to dispose an obstacle such as a prism in the vicinity of the contact type probe, the possibility of collision between the object to be measured and the measuring device is reduced. Therefore, design restrictions on the device under test can be relaxed.

このようなメリットがある反面、図6で説明したスライダの位置姿勢補正は十分に機能しない。図6で姿勢補正が可能なのはプローブの軸上だけだからである。軸上からはずれると、スライダ姿勢誤差のうち、垂直Z軸まわりの姿勢誤差、いわゆるヨーイング誤差の影響が大きくなってくる。従って本実施例ではヨーイング誤差が小さいX、Y、Zスライダが必要となる。   On the other hand, the slider position / orientation correction described with reference to FIG. 6 does not function sufficiently. This is because the posture correction is possible only on the probe axis in FIG. When deviating from the axis, the influence of the attitude error around the vertical Z-axis, that is, the so-called yawing error, becomes larger among the slider attitude errors. Therefore, in this embodiment, X, Y, and Z sliders with small yawing errors are required.

図10および図11は実施例4を示すもので、図10はその上面図であり、図11は鳥瞰図である。実施例1では2つの光束Ba、Bbを対向させて、Zスライダ7に固定して配置していたが、本実施例では、図示するように屈曲配置したものである。光点位置を検出するポジションセンサー23a、23bは、光束Ba、Bbに垂直な方向の変位を出力する。換言すれば、光束Ba、Bbの方向に対しては感度が無く、これに直角な方向には最大の感度がある。そこで、2つの光束Ba、Bbが互いに直角に交わるように配置すれば、一方の感度が無くなる方向でも、もう一方の感度が最大になってカバーできる。したがって、全方向に対して位置検出感度が低くなる場所がなく、測定精度が向上する。   10 and 11 show Example 4, FIG. 10 is a top view thereof, and FIG. 11 is a bird's eye view. In the first embodiment, the two light beams Ba and Bb are opposed to each other and fixed to the Z slider 7, but in this embodiment, the two light beams Ba and Bb are bent and arranged as shown in the drawing. The position sensors 23a and 23b that detect the light spot position output displacement in a direction perpendicular to the light beams Ba and Bb. In other words, there is no sensitivity in the directions of the light beams Ba and Bb, and there is maximum sensitivity in the direction perpendicular to the directions. Therefore, if the two light beams Ba and Bb are arranged so as to cross each other at right angles, the sensitivity of the other can be maximized even in the direction in which the sensitivity of one of them disappears. Therefore, there is no place where the position detection sensitivity becomes low in all directions, and the measurement accuracy is improved.

この条件は、2つの光束Ba、Bbの光軸Va、Vbの方向のベクトルの内積がゼロになる配置と表現することができる。   This condition can be expressed as an arrangement in which the inner product of the vectors in the directions of the optical axes Va and Vb of the two light beams Ba and Bb becomes zero.

また、図10の上面図に示すように、接触式のプローブ10を挟んで対向配置する場合に比べてプローブ10とポジションセンサー23a、23bを保持するZ軸を小さく構成することができる。   Further, as shown in the top view of FIG. 10, the Z-axis for holding the probe 10 and the position sensors 23a and 23b can be made smaller than in the case where the probe 10 and the contact type probe 10 are opposed to each other.

図12は実施例5を示す。これは、実施例1に対して、光学部品を一体化することにより、組立てが簡便な構成にしている。2つのハーフミラー18a、18bを接着固定し、これに2つのプリズム50a、50bを接着して一体の構造とする。各光学素子の接着には、例えば紫外線硬化樹脂を使用する。光学系の配置が異なるだけで作用は実施例1と同様であるから説明は省略する。   FIG. 12 shows a fifth embodiment. This is a configuration that is easy to assemble by integrating optical components with respect to the first embodiment. Two half mirrors 18a and 18b are bonded and fixed, and two prisms 50a and 50b are bonded to form an integral structure. For bonding the optical elements, for example, an ultraviolet curable resin is used. Since the operation is the same as that of the first embodiment except for the arrangement of the optical system, the description is omitted.

本実施例では2つのポジションセンサー23a、23bを並べて配置できる。従ってこの電気部品を1つの回路基板に実装することができるので組立てが容易である。また、2つの半導体レーザー17a、17bについても、並べて配置できる。従ってこの電気部品を1つの回路基板に実装することができるので組立てが容易である。その他、光学部品を直接接着固定する構成は、光学部品を固定するための部品を省略することにつながるため、全体として部品点数を少なくし、簡単に組み立てることができる。   In this embodiment, two position sensors 23a and 23b can be arranged side by side. Therefore, since this electric component can be mounted on one circuit board, assembly is easy. Also, the two semiconductor lasers 17a and 17b can be arranged side by side. Therefore, since this electric component can be mounted on one circuit board, assembly is easy. In addition, the configuration in which the optical components are directly bonded and fixed leads to the omission of the components for fixing the optical components, so that the number of components can be reduced as a whole and the assembly can be easily performed.

図13は実施例6を示すもので、これは、実施例1に対して、各光点位置測定光学系のポジションセンサーを撮像手段であるカメラに置き換えたものである。   FIG. 13 shows a sixth embodiment, which is obtained by replacing the position sensor of each light spot position measuring optical system with a camera which is an imaging means, as compared with the first embodiment.

位置マーク球3に対して、2組のカメラ60a、60bを設け、それぞれを画像処理装置61a、61bに接続する。画像処理装置61a、61bは位置マーク球3の画像から、カメラ60a、60bで写した範囲のどこに位置マークが写っているかを自動的に計算することができる。この画像処理によって画像の位置を計測する技術は公知であり、非接触方式の三次元座標測定装置などに応用されている。画像処理装置61aは位置マーク球3の画像から得られた2次元位置情報である信号φ1a、φ2a、および、画像処理が失敗したときのエラー信号e12aを出力する。同様に、画像処理装置61bは位置マーク球3の2次元位置情報である信号φ1b、φ2b、および、画像処理が失敗したときのエラー信号e12bを出力する。これらの情報は、実施例1で説明した光学系が出力する情報と同じであり、この後の処理も同様であるから、説明は省略する。   Two sets of cameras 60a and 60b are provided for the position mark sphere 3, and are connected to the image processing devices 61a and 61b, respectively. The image processing devices 61a and 61b can automatically calculate from the image of the position mark sphere 3 where the position mark is captured in the range captured by the cameras 60a and 60b. A technique for measuring the position of an image by this image processing is known and applied to a non-contact type three-dimensional coordinate measuring apparatus and the like. The image processing device 61a outputs signals φ1a and φ2a, which are two-dimensional position information obtained from the image of the position mark sphere 3, and an error signal e12a when image processing has failed. Similarly, the image processing device 61b outputs signals φ1b and φ2b which are two-dimensional position information of the position mark sphere 3 and an error signal e12b when image processing has failed. These pieces of information are the same as the information output by the optical system described in the first embodiment, and the subsequent processing is also the same, and thus the description thereof is omitted.

本実施例では、ポジションセンサーの代わりにカメラを用いるため、位置マーク球以外の位置マークを使用することもできる。例えば図14に示すように、被測定物である半導体デバイスに設けられるアライメント用の十字形の位置マーク63を用いることができる。十字形の位置マーク63は、半導体リソグラフィ技術を用いて基盤上に容易に製作することができる。   In this embodiment, since a camera is used instead of the position sensor, a position mark other than the position mark sphere can also be used. For example, as shown in FIG. 14, a cross-shaped position mark 63 for alignment provided on a semiconductor device which is an object to be measured can be used. The cross-shaped position mark 63 can be easily manufactured on the substrate using a semiconductor lithography technique.

すなわち、光学素子の自由曲面を接触式のプローブで測定し、半導体デバイス上の位置マークを2組のカメラで測定する。従って、半導体デバイス上に形成した微細な光学素子の形状を、半導体デバイスのアライメント用の位置基準である十字形の位置マークを基準にして測定することができる。   That is, the free curved surface of the optical element is measured with a contact type probe, and the position mark on the semiconductor device is measured with two sets of cameras. Therefore, the shape of the fine optical element formed on the semiconductor device can be measured with reference to the cross-shaped position mark which is a position reference for alignment of the semiconductor device.

実施例1による表面形状測定装置を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a surface shape measuring apparatus according to Example 1. FIG. 図1の装置の位置マーク球を測定する光学系を説明する図である。It is a figure explaining the optical system which measures the position mark sphere of the apparatus of FIG. 図2の光学系の光路を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical path of the optical system of FIG. 図2の光学系による光点のずれを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the shift | offset | difference of the light spot by the optical system of FIG. 4つの信号から位置マーク球の3次元位置を計算する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of calculating the three-dimensional position of a position mark sphere from four signals. 実施例1による座標位置測定方法を説明する図である。It is a figure explaining the coordinate position measuring method by Example 1. FIG. 実施例1による動作を説明するフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an operation according to the first embodiment. 実施例2の光学系を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an optical system of Example 2. 実施例3を示す模式図である。6 is a schematic diagram showing Example 3. FIG. 実施例4を示す上面図である。10 is a top view showing Example 4. FIG. 実施例4を示す鳥瞰図である。10 is a bird's eye view showing Example 4. FIG. 実施例5を説明する図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a fifth embodiment. 実施例6を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating Example 6. 十字形の位置マークを説明する図である。It is a figure explaining a cross-shaped position mark. 一従来例を説明する図である。It is a figure explaining a prior art example. 従来例の動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the operation | movement of a prior art example. 従来例によって位置マーク球の頂点位置を測定することの問題点を説明する図である。It is a figure explaining the problem of measuring the vertex position of a position mark ball | bowl by a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

1 ベース
2 ジグ
3 位置マーク球
5 Xスライダ
6 Yスライダ
7 Zスライダ
8 制御装置
9a、9b、9c レーザー測長器
10 プローブ
10a 先端球
12a、12b 光点位置測定光学系
17a、17b、37 半導体レーザー
18a、18b ハーフミラー
21a、21b 対物レンズ
23a、23b ポジションセンサー
41a、41b 光ファイバー
42a 偏光ビームスプリッタ
60a、60b カメラ
61a、61b 画像処理装置
63 位置マーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base 2 Jig 3 Position mark ball | bowl 5 X slider 6 Y slider 7 Z slider 8 Control apparatus 9a, 9b, 9c Laser length measuring device 10 Probe 10a Tip ball | bowl 12a, 12b Optical spot position measurement optical system 17a, 17b, 37 Semiconductor laser 18a, 18b Half mirror 21a, 21b Objective lens 23a, 23b Position sensor 41a, 41b Optical fiber 42a Polarizing beam splitter 60a, 60b Camera 61a, 61b Image processing device 63 Position mark

Claims (5)

測定物形状を、3個の位置マーク球を位置基準として測定する表面形状測定装置であって、
保持手段に保持された被測定物の表面を計測するプローブと、
前記プローブを前記被測定物に対して3次元に移動させる移動体と、
光源からの光を各位置マーク球に集束させ、該位置マーク球からの反射光を検出するために、互いに異なる光軸方向に配備された2組の光学位置検出手段と、
記2組光学位置検出手段により検出された反射光の位置情報に基づいてを行う演算手段と、を有し、
前記2組の光学位置検出手段により検出された反射光の位置情報に基づいて、前記光軸方向に平行で前記位置マーク球の中心を通る直線をそれぞれ前記演算手段により求め、求めた2つの直線が最も接近する位置における垂直線の中心を求めることで、前記位置マーク球の中心位置を算出することを特徴とする表面形状測定装置。
A surface shape measuring device for measuring the shape of an object to be measured using three position mark spheres as a position reference,
A probe for measuring the surface of the object to be measured held by the holding means;
A moving body that moves the probe in three dimensions relative to the object to be measured;
Two sets of optical position detection means arranged in different optical axis directions in order to focus the light from the light source on each position mark sphere and detect the reflected light from the position mark sphere;
Have a, arithmetic means for performing arithmetic on the basis of the position information before Symbol two sets by the optical position detector of Ri detected reflected light,
Based on the position information of the reflected light detected by the two sets of optical position detection means, straight lines passing through the center of the position mark sphere parallel to the optical axis direction are obtained by the calculation means, and the two straight lines thus obtained are obtained. A surface shape measuring apparatus , wherein the center position of the position mark sphere is calculated by obtaining the center of a vertical line at a position closest to .
各光学位置検出手段が、ポジションセンサーによって前記位置マーク球の反射光による点像の2次元位置を検出する検出光学系であることを特徴とする請求項1記載の表面形状測定装置。   2. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein each optical position detection means is a detection optical system that detects a two-dimensional position of a point image by reflected light of the position mark sphere by a position sensor. 各光学位置検出手段が、前記位置マーク球の画像を撮像手段によって撮像する検出光学系であることを特徴とする請求項1記載の表面形状測定装置。   2. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein each of the optical position detection means is a detection optical system that picks up an image of the position mark sphere with an image pickup means. 前記2組の光学位置検出手段の出力に基づいて、エラー信号を発生することを特徴とする請求項1ないし3いずれか1項記載の表面形状測定装置。   4. The surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein an error signal is generated based on outputs of the two sets of optical position detecting means. 前記2組の光学位置検出手段が、共通の光源と、前記光源から発生される光を前記2組の光学位置検出手段に分割する分割手段を有することを特徴とする請求項1ないし4いずれか1項記載の表面形状測定装置。   5. The two sets of optical position detection means include a common light source and a dividing means for dividing light generated from the light source into the two sets of optical position detection means. The surface shape measuring apparatus according to claim 1.
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