JP5322402B2 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents
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第1の機構は、試料を載置する試料台を傾斜させて基準面に対する測定面の傾きを変える機構である。第2の機構は、触針又は測定光を試料に当てる方向を傾ける機構である。
上記問題点に鑑み、本発明は、所定の基準面と直角の方向における位置を測定する形状測定装置及び形状測定方法において、従来よりも簡易な構成によって、基準面に対して大きな傾斜角をなしかつ任意の方向を向いた測定面における測定を可能とすることを目的とする。
このような座標変換処理を行うことで、測定面の傾きを低減する方向を変えるために試料を回転させた後の試料上の測定箇所とプローブとの間の相対位置を決定することができるので、試料を回転させても測定面上に定義された任意の測定経路に沿って試料上をプローブで走査することが可能となる。
試料支持台10は、コンピュータ30により制御される図示しない駆動機構によって、X方向及びY方向に移動可能な傾斜台11を備え、傾斜台11の上面はXY平面に対して傾斜している。
回転テーブル12の回転軸Aに対する試料Wの位置を調整するための位置調整治具を設けてもよい。例えば位置調整治具は、マイクロメータのような精密なネジ機構によって回転テーブル12の上面において試料台80をスライドさせ、回転軸Aに対する試料Wの位置を微調整する機構であってよい。
プローブ20には、試料W表面の高低に触針21を追従させるためのZ方向駆動機構22を設けてもよい。
測定命令生成部50は、試料Wの測定面の形状の設計データ、形状測定を実施すべき測定面上の測定経路、測定速度及び測定経路分割ピッチを少なくとも含む測定条件をオペレータから受付けるインタフェースを与える。
ここで測定経路とは、試料Wの測定面をプローブ20で走査させて試料Wの表面高さ(Z方向位置)に関するプロファイルを採取する経路のことを意味し、また測定経路分割ピッチとは、かかる測定経路上において測定を行う測定箇所のピッチの指定をいう。
したがって、後述するとおり回転テーブル12によって試料Wを回転させながら測定を行うと、これらの測定経路及び測定速度のデータは、回転する試料Wの測定面の上の座標系である回転座標系における測定経路及び測定速度を定めるデータとなる。
試料の表面形状によってはこの回転速度の決定は困難ではない。特にレンズ表面のような滑らかな曲面を測定面にする場合には、例えば、回転テーブル12上に置かれた試料Wの測定経路の始点におけるXY平面に対する傾斜角が最小となる回転テーブル12の回転位置R1と、測定経路の終点におけるXY平面に対する傾斜角が最小となる回転テーブル12の回転位置R2と、を決定し、測定箇所がこれら始点から終点まで移動する間に、回転テーブル12が回転位置R1からR2まで回転するように回転速度を定めれば足りる。
またこのような回転速度は、コマンド解釈部51において決定せずに、測定命令生成部50において直接オペレータから入力して、回転運動計算部53に出力してもよい。
回転運動計算部53は、各測定を行うそれぞれの時刻における回転テーブル12の回転角度(図示(g))を、上述の通り決定された回転速度と経過時間データとに基づいて決定する。ここで決定された回転角度データは、回転テーブル12を回転させるモータ等である回転テーブル回転部56を駆動する第1サーボコントローラ55に与えられ、第1サーボコントローラ55は、回転運動計算部53が決定した回転角度まで回転テーブル12を回転させる。回転運動計算部53が計算した回転角度データは第1座標変換部57にも供給される。
第2座標変換部58により変換された後の座標は、回転する試料Wの上の測定箇所の座標を、試料Wの回転軸Aの位置に対して相対的に静止しているXY座標系上の座標へ変換した座標である。
第2座標変換部58は、コンピュータ30により制御される傾斜台11とプローブ20との間の相対位置関係を既存のサーボ技術を用いて求め、変換後の測定箇所の座標とプローブ20との間の相対位置関係を計算する。そして試料Wの上の測定箇所をプローブ20による測定が行われる測定位置まで移動させるために必要なサーボ指令を、傾斜台11をX方向及びY方向に移動させる傾斜台駆動部60を駆動する第2サーボコントローラ59へ出力する(図示(j))。
試料Wの一例である非球面レンズの測定面の形状を図5に示す。図5に示すプロットを結ぶ曲線は、非球面レンズWを光軸(Y=0.0の直線)を通る面で切断した断面と、測定面である非球面レンズWの表面の曲面が交差する曲線を示しており、非球面レンズWの表面は光軸を中心軸とする回転対称形状を有している。非球面レンズWの表面(測定面)の各位置の高さ(Z)の値は以下の式(1)にて与えられる。
ステップS3では、測定命令生成部50へ、測定面の形状の設計データ、測定経路、測定速度及び測定経路分割ピッチを含む測定条件を入力する。
図6は、試料Wの表面上における測定経路を示す図である。非球面レンズWの中心Oの座標を(OX,OY)としたとき、測定経路として、始点PS(OX,OY−2)及び終点PE(OX,OY+2)を結ぶ直線を指定する。なおここで及び以下に用いる座標系の単位長は1mmである。また測定速度VLとして1mm/秒を指定する。したがって始点PSから終点PEまで触針21を移動させて測定する測定時間は4秒間である。
コマンド解釈部51は、測定命令生成部50から入力した測定経路情報及び測定速度情報の解釈を行い測定経路データ及び測定速度データを生成する。またコマンド解釈部51は測定面の形状情報の解釈も行う。
本例の場合、測定経路の始点PSにおけるXY平面に対する傾斜角を最小にするために、測定開始時には、始点PSが最も高い位置になるように回転テーブル12の回転位置を定める。そして4秒経過後の測定終了時には、終点PSが最も高い位置になるように回転テーブル12を180°回転させる。したがって回転速度VCは7.5rpmとなる。
コマンド解釈部51により生成された測定経路データ及び測定速度データは測定経路分割部52及び測定経路計算部54へ出力される。
Δθ=t×2π×(Vc/60)
但しθ0は、始点PSの位置に応じて上述の通り定めた回転テーブル12の測定開始時における回転角度とする。
Xt=X0
Yt=VL×t−2
Xs=OX+Rt×sin(θt)
Ys=OY−Rt×cos(θt)
ここでRtは、座標Ptと中心点Oとの間の距離であり|2−t×VL|により与えられる。
図8は、図5に示す測定経路に沿って回転する試料Wの表面上に定めた各測定位置の座標Ptを、静止座標系上の座標Psに変換する座標変換を説明する図である。図9は、第1座標変換部57による座標変換により得られた座標Psの軌跡を示す図である。ここで算出された座標データPsは第2座標変換部58へ出力される。
図10は、非球面レンズWの傾斜により生じる測定箇所の移動を説明する図である。
第2座標変換部58は、回転テーブル12による回転及び傾斜台11の傾斜を考慮していない測定箇所の座標データPtと、非球面レンズWの測定面の形状情報とに基づいて、座標Zsを計算する。
例えば、非球面レンズWの測定面の形状情報として非球面レンズWの測定面の形状を定める計算式(2)を与えられた場合、第2座標変換部58は、座標Ptと中心Oとの距離Rtを算出した後、これを計算式(2)に代入して座標Zsを計算する。
非球面レンズWが水平面に載置されたときの座標Ps(Xs,Ys,Zs)を中心Oから見た仰角αは、
α=sin-1((Zs−OZ)/D)
β=α+γ
によって算出される。
Xu=Xs
Yu=OY+D×cos(β)
Zu=OZ+D×sin(β)
によって算出される。
図11は、図9で示した各測定箇所の座標を、第2座標変換部58による座標変換の結果得られた座標Pu(Xu,Yu)の軌跡を示す図である。
ここで第2座標変換部58により変換された後の座標Puは、回転する非球面レンズWの上の測定箇所の座標を、非球面レンズWの回転軸Aの位置に対して相対的に静止しているXY座標系上の座標へ変換した座標である。
このとき、ステップS9において第2座標変換部58は、傾斜台11とプローブ20との間の相対位置関係を計算し、変換後の測定箇所の座標Puとプローブ20との間の相対位置関係を計算する。そしてステップS8による回転テーブル12の回転と同期しながら、この座標Puをプローブ20による測定が行われる測定位置まで移動させるために必要なサーボ指令を、第2サーボコントローラ59へ出力することにより傾斜台11を駆動する。
また触針21を試料Wの表面へ追従させるために、試料Wの上の測定箇所の高さZuを算出し、触針21を試料Wの表面へ追従させるサーボ指令を第3サーボコントローラ61へ出力する。
10 試料支持台
11 傾斜台
12 回転テーブル
20 プローブ
21 触針
30 コンピュータ
80,90 試料台
W 試料
Claims (6)
- 少なくとも2軸方向に試料とプローブとを相対運動させて前記試料の表面を前記プローブで走査させる多次元移動手段と、
前記試料を置くための、前記2軸方向に対して直角な軸に対して傾斜した傾斜面を有する試料台と、
前記傾斜面の垂直軸を回転軸として前記試料台を回転させる回転手段と、
を備え、
前記試料台を回転させながら、前記2軸方向である第1方向及び該第1方向と前記回転軸とを含む面に垂直な第2方向に、前記試料と前記プローブとを相対運動させて前記試料上に定めた所定の測定経路上を前記プローブで走査し、
更に、前記試料台の回転角度と前記傾斜面の傾斜角と前記試料の形状とに応じて、前記回転手段により回転する前記試料上の回転座標系における前記試料表面の測定点の座標を、前記回転軸の位置に対して相対的に静止している静止座標系上の座標へ変換する座標変換手段を備えることを特徴とする形状測定装置。 - 少なくとも2軸方向に試料とプローブとを相対運動させて前記試料の表面を前記プローブで走査させる多次元移動手段と、
前記試料を置くための、前記2軸方向に対して直角な軸に対して傾斜した傾斜面を有する試料台と、
前記傾斜面の垂直軸を回転軸として前記試料台を回転させる回転手段と、
を備え、前記試料台を回転させながら前記試料上に定めた所定の測定経路上を前記プローブで走査し、
更に、前記試料台の回転角度と前記傾斜面の傾斜角と前記試料の形状とに応じて、前記回転手段により回転する前記試料上の回転座標系における前記試料表面の測定点の座標を、前記回転軸の位置に対して相対的に静止している静止座標系上の座標へ変換する座標変換手段を備えることを特徴とする形状測定装置。 - 前記回転軸に対する前記試料の位置決めを行うための位置決め手段を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の形状測定装置。
- 少なくとも2軸方向に試料とプローブとを相対運動させて前記試料の表面を前記プローブで走査させる形状測定方法であって、
前記2軸方向に対して直角な軸に対して傾斜した傾斜面に前記試料を置き、
前記傾斜面の垂直軸を回転軸として前記傾斜面を回転させ、
前記試料台を回転させながら、前記2軸方向である第1方向及び該第1方向と前記回転軸とを含む面に垂直な第2方向に、前記試料と前記プローブとを相対運動させて前記試料上に定めた所定の測定経路上を前記プローブで走査し、
前記傾斜面の回転角度と傾斜角と前記試料の形状とに応じて、回転する前記試料上の回転座標系における前記試料表面の測定点の座標を、前記回転軸の位置に対して相対的に静止している静止座標系上の座標へ変換する座標変換を行い、
前記試料と前記プローブとを相対移動させて、前記試料の回転後における前記静止座標系上の座標が得られた前記測定点を前記プローブによる測定が行われる測定位置へ位置付ける、
ことを特徴とする形状測定方法。 - 少なくとも2軸方向に試料とプローブとを相対運動させて前記試料の表面を前記プローブで走査させる形状測定方法であって、
前記2軸方向に対して直角な軸に対して傾斜した傾斜面に前記試料を置き、
前記傾斜面の垂直軸を回転軸として前記傾斜面を回転させ、
前記試料台を回転させながら前記試料上に定めた所定の測定経路上を前記プローブで走査し、
前記傾斜面の回転角度と傾斜角と前記試料の形状とに応じて、回転する前記試料上の回転座標系における前記試料表面の測定点の座標を、前記回転軸の位置に対して相対的に静止している静止座標系上の座標へ変換する座標変換を行い、
前記試料と前記プローブとを相対移動させて、前記試料の回転後における前記静止座標系上の座標が得られた前記測定点を前記プローブによる測定が行われる測定位置へ位置付ける、
ことを特徴とする形状測定方法。 - 前記傾斜面の回転軸に対して前記試料の位置決めを行うことを特徴とする請求項4又は5に記載の形状測定方法。
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