JP5441302B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子および光学素子用金型等の形状を測定するための形状測定装置に関するものである。

従来、レンズ、ミラー、プリズムなどの高精度な形状精度が必要とされる光学素子およびその金型の形状は、接触式のプローブを有する形状測定装置によって、一般に測定されている。

このような、接触式の形状測定装置は、ＸＹＺステージによって移動可能なプローブユニットを測定面に一定力で押し当てながら、ＸＹ方向に走査させて測定面をなぞる。同時に、走査中のプローブユニットを、レーザ測長機などを用いて測定することによって、測定面の形状データをＸＹＺ座標値として得ている。

プローブユニットの構造としては、図１０に示すように、特許文献１に開示されたものが知られている。これは、上下方向のみ摺動可能なようにエアーベアリング１０３などでプローブ１０２を保持し、その自重を補償するために上下方向に力を発生するバネ１０５をハウジング１０４とプローブ１０２の間に設けて弾性的に支持する。プローブ１０２の先端には、高精度なプローブ球１０１を配置し、これを、測定面に一定力で押し当てて測定動作を行う。

このようなプローブユニットを用いて、傾斜面を有する被測定物を測定すると、測定面からの反力は測定面に対して法線方向へ作用するので、この力によりプローブは傾き、曲がりなどが生じる。これらは、無視できない測定誤差になる。

この課題に対して、特許文献２では、プローブの傾きを検知するセンサをプローブユニットに設け、そのセンサ情報から傾きを補正している。

また、特許文献３においては、プローブと基準ミラーの間をＺ方向に適当なスパンをもたせて２軸測定することにより、プローブの倒れを測定する方法が開示されている。
特開２０００−２９８０１３号公報 特開２０００−１９３４４９号公報 特開２００２−２５７５０４号公報

しかしながら、上記従来例では、以下のような問題があった。特許文献２および特許文献３に開示された構成では、プローブ軸の傾きをセンサ等によって測定し、それにより測定データを補正している。ところが、実際には、プローブは傾きだけでなく、曲がりも生じているため、高精度な測定を実施することができない。特に近年では、プローブ球交換時に、プローブチップと呼ばれるプローブ球を固定した部材ごと換えることが多くなってきている。そのため、プローブとプローブチップの固定部分の剛性に起因するプローブの曲がり等による誤差が、精度を確保する上で大きな問題となってきている。

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、被測定物から受ける力によってプローブに倒れ、曲がりなどが生じても、これを補正して、高精度な測定を行うことができる形状測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明の形状測定装置は、プローブの先端のプローブ球を被測定物に接触させて被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、前記プローブによって保持された精密球と、前記プローブと、前記プローブを保持するプローブ保持手段とからなる３次元的に移動可能なプローブユニットと、前記プローブユニットの位置を測定するプローブユニット測定手段と、前記精密球の位置を測定する精密球測定手段と、前記プローブユニット測定手段および前記精密球測定手段によって得られた位置情報から、被測定物の表面形状を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。

プローブ球の位置情報と、プローブユニットの位置情報とから、被測定物の表面形状を表わす測定データを算出する。プローブ球の位置情報を用いて、プローブの倒れ、曲がりなどに起因する誤差を補償しているので、高精度な形状測定を行うことができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示す形状測定装置は、プローブ球１を被測定物であるワークＷに接触させたプローブ２とこれを保持するハウジング８等を含むプローブユニットの位置を測定する第１の測定系と、プローブ球１の位置を測定する第２の測定系とを有する。第１の測定系（プローブユニット測定手段）は、プローブユニットのＸＹＺ座標およびＸ軸回転、Ｙ軸回転方向の位置を、基準ミラー１５、１６および干渉計１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等によって測定する。この位置情報と、第２の測定系（プローブ球測定手段）を構成するプローブ球位置測定ユニット１０によって得られる位置情報から、ワークＷの表面形状を表わす測定データを算出する。

すなわち、プローブ球位置測定ユニット１０から得られた位置情報を用いて、プローブ２の倒れ、曲がりなどに起因する誤差を補償する。

プローブ球位置測定ユニット１０は、プローブ２の先端のプローブ球１を直接測定するものであるため、プローブ２に新たに部品を追加することなく簡易な構成とすることができる。また、プローブ球１は非常に高精度な形状を有しているので、その位置を高精度に測定することができる。

プローブ球の代わりに、プローブに設けた精密球を測定するものでもよい。この構成によれば、精密球を測定することによって、より高精度な位置測定が可能である。精密球は小型で高精度であることから、プローブユニットを大型化することなく、また、プローブ球に近接して配置することで測定精度を上げることができる。

あるいは、プローブ球に固定した三角錐ミラーを測定してもよい。

図１および図２は実施例１を示す。プローブ球１を有するプローブ２は、２枚の板バネ６によってＺ方向のみ移動可能なようにハウジング（プローブ保持手段）８によって保持されている。プローブ球１は、プローブ２の先端に配置されており、このプローブ球１をワークＷに接触させることによって、ワークＷの測定面を測定する。ハウジング８は、板５と支柱４を介してＺ天板１９に接続されている。板５には、Ｘ方向の基準ミラー１５との距離を高精度に測定する干渉計１８ａ、１８ｂが設置されている。また、図示してないが、Ｙ方向も同様にＹ方向の基準ミラーとの距離を測定する干渉計が２つ配置されている。Ｚ天板１９には、Ｚ方向の基準ミラー１６と、プローブ２の上端に固定されたミラー７との距離を測定する干渉計１８ｃが配置されている。

基準ミラー１５、１６は、ミラー保持部１７に固設されている。図示しないＹ方向の基準ミラーもミラー保持部１７に固設されている。

図２に拡大して示すように、プローブ球１の中心位置を３次元的に測定するためのプローブ球位置測定ユニット１０は、受光素子１１、集光レンズ１２、レーザ光源１３、偏光ビームスプリッタ１４などから構成され、これらの部品はベース１０ａに支持されている。

レーザ光源１３から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１４、λ／４波長板１４ａを通過し、集光レンズ１２へ入る。レーザ光は集光レンズ１２によって集光され、この集光点とプローブ球１の中心をあらかじめ一致させるように配置する。集光されたレーザ光は、プローブ球１の表面で反射して再び集光レンズ１２へ戻る。戻ったレーザ光は集光レンズ１２を通過した後、λ／４波長板１４ａを通過し、偏光方向を変化させる。偏光ビームスプリッタ１４でレーザ光は９０度曲げられて、受光素子１１へ入射する。ここで、レーザ光の集光位置と受光素子１１の受光面を一致させておく。また、受光素子１１の感度は、光軸に対して垂直な面内の異なる２軸方向にある。

このような、プローブ球位置測定ユニット１０を２組配備し、２組の集光位置をプローブ球１の中心位置と一致させておく。また、２組のプローブ球位置測定ユニット１０の光軸は異なる角度にしておく。

図１および図２では、２組のプローブ球位置測定ユニット１０はＸＺ面内の同一面内にあるが、２組の集光点がプローブ球１の中心に一致し、かつ、プローブ球位置測定ユニット１０の光軸が同一直線上にないようにすれば、いかように配置してもよい。レーザ光源１３、偏光ビームスプリッタ１４、集光レンズ１２、受光素子１１などから構成されるプローブ球位置測定ユニット１０のベース１０ａは、支柱４と板５を介してＺ天板１９に固設され、プローブ球１とハウジング８との相対変位を測定する。

なお、プローブユニットは、プローブ球１およびプローブ２から、板バネ６、ハウジング８、ミラー７までの部品を含む。

次に、装置の信号の流れについて説明する。

まず、装置の上位コントローラとして、装置コントローラ２９がある。装置コントローラ２９の下位コントローラとして、計測コントローラ２８とステージコントローラ２７の２つのコントローラがある。計測コントローラ２８は、干渉計１８ａ〜１８ｃや、プローブ球位置測定ユニット１０から計測データを吸い上げて、それらの値からワークＷの測定データを算出する算出手段を有する。ステージコントローラ２７は、Ｘステージ２２、Ｙステージ２１、Ｚステージ２０の位置センサ、アクチュエータ（不図示）と電気的に接続されており、それぞれのステージに制御を行う。プローブ球位置測定ユニット１０の受光素子１１の出力は、受光素子アンプ２５により、信号を増幅および変換する。その後、信号は、ステージコントローラ２７、計測コントローラ２８へ入力される。また、レーザ駆動用のレーザ光源アンプ２６がレーザ光源１３に接続されている。

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図３のフローチャートを用いて説明する。

最初に、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を位置制御系にする。すなわち、Ｚステージ２０の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、安全位置、すなわち、プローブユニットが最もワークＷから離れる方向にＺステージ２０を退避させる（ステップＳ０１）。

そして、最初の測定点の上に来るようにＸステージ２１、Ｙステージ２２を移動させる（ステップＳ０２）。次に、Ｚステージ２０を下げて、プローブ球１とワークＷを接触させる（ステップＳ０３）。

プローブ球１とワークＷが接触したら、接触判定モードを解除して、プローブ球位置測定ユニット１０のＺ方向出力が所定の位置になるまでＺステージ２０を下げる（ステップＳ０４）。ここで、プローブ球１が、ワークＷに接触して反力を受けると、プローブ２が押し上げられる。これによってプローブ球位置測定ユニット１０のＺ出力が＋側へ増える。すると、板バネ６の発生力が弱まるので、プローブ球１が被測定物Ｗを押しつける力がその分だけ次第に増える。したがって、プローブ球位置測定ユニット１０のＺ出力は、ワークＷへの押しつけ力を表している。

プローブ球１とワークＷの接触は、プローブ球位置測定ユニット１０の出力信号をモニタしていれば判別できる。

そして、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を針圧制御系に切り替えて、プローブ球位置測定ユニット１０のＺ方向出力信号の値が一定になるように制御する（ステップＳ０５）。そのまま、ワークＷの測定領域をＸＹステージにより走査（トレース）し、同時にＸＹＺステージ位置等を干渉計１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等で測定する（ステップＳ０６）。

全測定領域を走査したら、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を再び位置制御系に切り替え、Ｚステージ２０を安全位置に退避させ（ステップＳ０７）、測定を終了する。

次に、測定データの算出方法について説明する。

まず、各ステージ位置は、干渉計１８ａ、１８ｂ等の干渉計によって測定される。ここでは、干渉計の値は、Ｚ方向は、ステージと基準ミラーが離れる方向をマイナスとし、Ｘ方向は、離れる方向をプラス、Ｙ方向は、紙面に対して、奥行き方向をプラスになるように設置されているとする。また、干渉計１８ａから出力される値をXu、干渉計１８ｂから出力される値をXd、干渉計１８ｃから出力される値をZmとする。不図示ではあるが、Ｙ方向を測定する干渉計もＸ方向と同じ高さに板５に２つ設置されているとして、それぞれの出力をYu、Ydとする。また、プローブ球位置測定ユニット１０の出力を以下の式で表わす。

２つの干渉計１８ａ、１８ｂのＺ方向距離をLd、干渉計１８ｂとプローブ球１のＺ方向距離をLpとすると、ハウジング８に対して、プローブ２の倒れや、曲がりなどがないとすると、プローブ球１の３次元的な座標値は、以下の式で表わされる。

しかし、実際の測定時には、プローブ球１はワークＷから反力をうけて横方向にずれる。これは、高精度測定を考えると無視できない誤差となる。そこで、この誤差を補正した測定値を算出する。すなわち、プローブ球１の３次元的な座標値を、以下の式によって算出する。

このように、ワークＷからの反力によりプローブ２の倒れ、曲がりなどによる誤差を補正することで高精度な測定を行える。

次に、プローブ球位置測定ユニット１０の３次元的な出力の算出方法について説明する。一方の受光素子１１からの出力は、光軸に対する垂直面内の２軸方向に感度があり、その出力を、elx、elyとすると、集光レンズ１２の光軸直線の式L1は、以下のように表わされる。

同様な考えで、もう１組の集光レンズ１２の光軸直線の式L2も、以下のように表わされる。

さらに、L1とL2の最短点を以下のように求める。

となるm2を求める。それが、m2aであるとすると、２つの集光レンズ１２の光軸の直線が最も近くなる点P1、P2は、以下の式によって算出される。

よって、

とすれば、プローブ球位置測定ユニット１０の３次元的出力値Pm＝（xp、yp、zp）^Ｔが得られる。

本実施例においては、プローブユニット先端を測定するプローブ球位置測定ユニット１０の位置情報と、プローブユニットのＸＹＺ座標およびＸ軸回転、Ｙ軸回転を測定する測定系の位置情報から測定データを算出する。したがってプローブ２の倒れ、曲がりなどに起因する誤差を補償し、高精度な形状測定を行うことができる。

プローブ球位置測定ユニット１０は、プローブ球１を測定しているので、新たに部品を追加する必要が無いため、簡易な構成とすることができる。加えて、プローブ球１は非常に高精度な形状を有しているので、位置を高精度に測定することができる。

プローブ球位置測定ユニット１０は、集光レンズ１２で集光したレーザ光を表面に照射し、その反射光の位置からプローブ球１の位置を算出しているので、非接触でプローブ球１の位置を測定できる。また、構成する部品は、一般的に市販されているもので構成可能であるので、低コストを実現できる。

プローブ球位置測定ユニット１０を、プローブ球１よりも上部へ配置することで、プローブユニットとワークＷの干渉を避けることができる。また、プローブユニットが大型化するのを回避できる。

図４ないし図６は実施例２を示すもので、本実施例は、プローブ球１の上方に精密球３を配設し、プローブ球位置測定ユニット１０の代わりに精密球位置測定ユニット（精密球測定手段）３０を用いる点が実施例１と異なるのみである。

精密球位置測定ユニット３０は、精密球３の中心位置を３次元的に測定し、その出力からプローブ球１の変位を算出するもので、レーザ光源３３、偏光ビームスプリッタ３４、集光レンズ３２、受光素子３１、ベース３０ａなどから構成される。

レーザ光源３３から出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ３４、λ／４波長板３４ａを通過し、さらに集光レンズ３２へ入る。レーザ光は集光レンズ３２によって集光され、この集光点と精密球３の中心があらかじめ一致するように配置する。集光されたレーザ光は、精密球３の表面で反射して再び集光レンズ３２へ戻る。戻ったレーザ光は集光レンズ３２を通過した後、λ／４波長板３４ａを通過し、偏光方向を変化させる。すると、偏光ビームスプリッタ３４でレーザ光は９０度曲げられて、受光素子３１へ入射する。ここで、レーザ光の集光位置と受光素子３１の受光面を一致させておく。また、受光素子３１の感度は、光軸に対して垂直な面内の異なる２軸方向にある。

このような、精密球位置測定ユニット３０を２組配備し、２組の集光位置を精密球３の中心位置と一致させておく。２組の精密球位置測定ユニット３０の光軸は異なる角度にしておく。

図４および図５では、２組の精密球位置測定ユニット３０はＸＺ面内の同一面内にあるように描いているが、２組の集光点が精密球３の中心に一致し、かつ、精密球位置測定ユニット３０の光軸が同一直線上にないようにすれば、いかように配置しても構わない。

精密球位置測定ユニット３０のレーザ光源３３、偏光ビームスプリッタ３４、集光レンズ３２、受光素子３１を支持するベース３０ａは、支柱４に固設され、プローブ２に固定された精密球３を介してプローブ球１とハウジング８との相対変位を測定する。

本実施例では、プローブユニットとは、プローブ球１、精密球３、プローブ２、板バネ６、ハウジング８、ミラー７までの部品を含む。

次に、装置の信号の流れについて説明する。

まず、装置の上位コントローラとして、装置コントローラ２９がある。装置コントローラ２９の下位コントローラとして、計測コントローラ２８とステージコントローラ２７の２つのコントローラがある。計測コントローラ２８は、干渉計１８ａ〜１８ｃや、精密球位置測定ユニット３０から計測データを吸い上げて、それらの値からワークＷの測定データを算出する算出手段を有する。ステージコントローラ２７は、Ｘステージ２２、Ｙステージ２１、Ｚステージ２０の位置センサ、アクチュエータ（不図示）と電気的に接続されており、それぞれのステージに制御を行う。精密球位置測定ユニット３０の受光素子３１の出力は、受光素子アンプ２５により、信号を増幅および変換する。その後、信号は、ステージコントローラ２７、計測コントローラ２８へ入力される。また、レーザ駆動用のレーザ光源アンプ２６がレーザ光源３３に接続されている。

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図３のフローチャートを用いて説明する。

最初に、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を位置制御系にする。すなわち、Ｚステージ２０の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、安全位置、すなわち、プローブユニットが最もワークＷから離れる方向にＺステージ２０を退避させる（ステップＳ０１）。

そして、最初の測定点の上に来るようにＸステージ２１、Ｙステージ２２を移動させる（ステップＳ０２）。次に、Ｚステージ２０を下げて、プローブ球１とワークＷを接触させる（ステップＳ０３）。

プローブ球１とワークＷが接触したら、接触判定モードを解除して、精密球位置測定ユニット３０のＺ方向出力が所定の位置になるまでＺステージ２０を下げる（ステップＳ０４）。ここで、プローブ球１が、ワークＷに接触して反力を受けると、プローブ２が押し上げられる。これによって、精密球位置測定ユニット３０のＺ出力が＋側へ増える。すると、板バネ６の発生力が弱まるので、プローブ球１が被測定物Ｗを押しつける力がその分だけ次第に増える。したがって、精密球位置測定ユニット３０のＺ出力は、ワークＷへの押しつけ力を表している。

プローブ球１とワークＷの接触は、精密球位置測定ユニット３０の出力信号をモニタしていれば判別できる。

そして、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を針圧制御系に切り替えて、精密球位置測定ユニット３０のＺ方向出力信号の値が一定になるように制御する（ステップＳ０５）。そのまま、ワークＷの測定領域をＸＹステージにより走査（トレース）し、同時にＸＹＺステージ位置等を干渉計１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等で測定する（ステップＳ０６）。

全測定領域を走査したら、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を再び位置制御系に切り替え、Ｚステージ２０を安全位置に退避させ（ステップＳ０７）、測定を終了する。

次に、測定データの算出方法について説明する。

まず、各ステージ位置は、干渉計１８ａ、１８ｂ等の干渉計によって測定される。ここでは、干渉計の値は、Ｚ方向は、ステージと基準ミラーが離れる方向をマイナスとし、Ｘ方向は、離れる方向をプラス、Ｙ方向は、紙面に対して、奥行き方向をプラスになるように設置されているとする。また、干渉計１８ａから出力される値をXu、干渉計１８ｂから出力される値をXd、干渉計１８ｃから出力される値をZmとする。不図示ではあるが、Ｙ方向を測定する干渉計もＸ方向と同じ高さに板５に２つ設置されているとして、それぞれの出力をYu、Ydとする。また、精密球位置測定ユニット３０の出力を以下の式で表わす。

２つの干渉計１８ａ、１８ｂのＺ方向距離をLd、干渉計１８ｂとプローブ球１のＺ方向距離をLpとすると、ハウジング８に対して、プローブ２の倒れや、曲がりなどがないとすると、プローブ球１の３次元的な座標値は、以下の式で表わされる。

しかし、実際の測定時には、プローブ球１はワークＷから反力をうけて横方向にずれる。これは、高精度測定を考えると無視できない誤差となる。そこで、この誤差を補正した測定値を算出する。

図６に示すように、プローブ球１と精密球３を保持するプローブ軸２ａの上端から精密球３までの長さをLa、プローブ球１と精密球３間の長さをLbとすると、プローブ球１の３次元的な座標値は、以下の式によって算出される。

これによって、ワークＷからの反力によりプローブ２の倒れ、曲がりなどによる誤差を補正することで高精度な測定を行える。

次に、精密球位置測定ユニット３０の３次元的な出力の算出方法について説明する。一方の受光素子３１からの出力は、光軸に対する垂直面内の２軸方向に感度があり、その出力を、elx、elyとすると集光レンズ３２の光軸直線の式L1は、以下のように表わされる。

同様な考えで、もう１組の集光レンズ３２の光軸直線の式L2も、以下のように表わされる。

さらに、L1とL2の最短点を以下のように求める。

となるm2を求める。それが、m2a であるとすると、２つの集光レンズ３２の光軸の直線が最も近くなる点P1、P2は、以下の式によって算出される。

よって、

とすれば、精密球位置測定ユニット３０の３次元的出力値Pm＝（xp、yp、zp）^Ｔが得られる。

本実施例においては、精密球位置測定ユニット３０の位置情報と、プローブユニットのＸＹＺ座標およびＸ軸回転、Ｙ軸回転を測定する測定系の位置情報から測定データを算出する。したがってプローブ２の倒れ、曲がりなどに起因する誤差を補償し、高精度な形状測定を行うことができる。

また、精密球位置測定ユニット３０は、小型で高精度な精密球３を測定しているので、装置を大型化することなく測定精度を上げることができる。

精密球位置測定ユニット３０は、精密球３に非接触でその位置を測定できる。また、構成する部品は、一般的に市販されているもので構成可能であるので、低コストを実現できる。

精密球位置測定ユニット３０を、プローブ球１よりも上部へ配置しているので、プローブユニットとワークＷの干渉を避けることができる。また、プローブユニットが大型化するのを回避できる。

図７ないし図９は実施例３を示す。本実施例は、プローブ球１の上にプローブ球１と中心位置が一致するように三角錐ミラー４１を固設し、三角錐ミラー４１の位置を三角錐ミラー位置測定ユニット（三角錐ミラー測定手段）４０によって測定するものである。

三角錐ミラー４１の位置を３次元的に測定する三角錐ミラー位置測定ユニット４０は、レーザ光源４４、偏光ビームスプリッタ４５、光ピックアップ４８、λ／４波長板４６ａ、４６ｂなどから構成される。まず、レーザ光源４４からレーザ光を出射する。ここで、レーザ光は２周波直交レーザである。出射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ４５で直線方向へ進む測定光と参照ミラー４７の方向へ直角に曲げられる参照光の２つに分割される。参照光は、λ／４波長板４６ｂを通過して、参照ミラー４７で光は反射して再び、λ／４波長板４６ｂを通過して、偏光ビームスプリッタ４５に入り、ここで、今度は、直進し、光ピックアップ４８へ入射する。また、偏光ビームスプリッタ４５で直進した測定光はλ／４波長板４６ａを通過して、三角錐ミラー４１で反射し、再び、λ／４波長板４６ａを通過して、偏光ビームスプリッタ４５へ入り、ここで、今度は、９０度曲げられて、光ピックアップ４８に入る。

光ピックアップ４８へ入った光は、光ピックアップアンプ４９で伝えられ、ここで、光信号から電気信号へ変換される。

このように構成される三角錐ミラー位置測定ユニット４０を図９に示すように少なくとも３軸備えることにより、三角錐ミラー４１の３次元的位置を測定することができる。図７ないし図９では、３組の三角錐ミラー位置測定ユニット４０のそれぞれの光軸は、ＸＹＺ空間内の同一点で一致するように描いてあるが、それぞれの光軸が同一直線上にないようにすれば、いかように配置しても構わない。

各三角錐ミラー位置測定ユニット４０は支柱４に固設され、三角錐ミラー４１を介してプローブ球１とハウジング８との相対変位を測定する。

なお本実施例では、プローブユニットとは、プローブ球１、三角錐ミラー４１、板バネ６、ハウジング８、ミラー７までの部品を含む。

次に、装置の信号の流れについて説明する。

まず、装置の上位コントローラとして、装置コントローラ２９がある。装置コントローラ２９の下位コントローラとして、計測コントローラ２８とステージコントローラ２７の２つのコントローラがある。計測コントローラ２８は、干渉計１８ａ〜１８ｃや、三角錐ミラー位置測定ユニット４０から計測データを吸い上げて、それらの値からワークＷの測定データを算出する算出手段を有する。ステージコントローラ２７は、Ｘステージ２２、Ｙステージ２１、Ｚステージ２０の位置センサ、アクチュエータ（不図示）と電気的に接続されており、それぞれのステージに制御を行う。三角錐ミラー位置測定ユニット４０の光ピックアップ４８の出力は、光ピックアップアンプ４９により、信号を増幅および変換する。その後、信号は、ステージコントローラ２７、計測コントローラ２８へ入力される。また、レーザ駆動用のレーザ光源アンプ５０がレーザ光源４４に接続されている。

次に、以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図３のフローチャートを用いて説明する。

最初に、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を位置制御系にする。すなわち、Ｚステージ２０の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、安全位置、すなわち、プローブユニットが最もワークＷから離れる方向にＺステージ２０を退避させる（ステップＳ０１）。

そして、最初の測定点の上に来るようにＸステージ２１、Ｙステージ２２を移動させる（ステップＳ０２）。次に、Ｚステージ２０を下げて、プローブ球１とワークＷを接触させる（ステップＳ０３）。

プローブ球１とワークＷが接触したら、接触判定モードを解除して、各三角錐ミラー位置測定ユニット４０のＺ方向出力が所定の位置になるまでＺステージ２０をさげる（ステップＳ０４）。ここで、プローブ球１が、ワークＷに接触して反力を受けると、プローブ２が押し上げられる。これによって三角錐ミラー位置測定ユニット４０のＺ出力が＋側へ増える。すると、板バネ６の発生力が弱まるので、プローブ球１が被測定物Ｗを押しつける力がその分だけ次第に増える。したがって、三角錐ミラー位置測定ユニット４０のＺ出力は、ワークＷへの押しつけ力を表している。

プローブ球１とワークＷの接触は、三角錐ミラー位置測定ユニット４０の出力信号をモニタしていれば判別できる。

そして、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を針圧制御系に切り替えて、三角錐ミラー位置測定ユニット４０のＺ方向出力信号の値が一定になるように制御する（ステップＳ０５）。そのまま、ワークＷの測定領域をＸＹステージにより走査（トレース）し、同時にＸＹＺステージ位置等を干渉計１８ａ、１８ｂ、１８ｃ等で測定する（ステップＳ０６）。

全測定領域を走査したら、ステージコントローラ２７によりＺステージ２０を再び位置制御系に切り替え、Ｚステージ２０を安全位置に退避させ（ステップＳ０７）、測定を終了する。

次に、測定データの算出方法について説明する。

まず、各ステージ位置は、干渉計１８ａ、１８ｂ等の干渉計によって測定される。ここでは、干渉計の値は、Ｚ方向は、ステージと基準ミラーが離れる方向をマイナスとし、Ｘ方向は、離れる方向をプラス、Ｙ方向は、紙面に対して、奥行き方向をプラスになるように設置されているとする。また、干渉計１８ａから出力される値をXu、干渉計１８ｂから出力される値をXd、干渉計１８ｃから出力される値をZmとする。不図示ではあるが、Ｙ方向を測定する干渉計もＸ方向と同じ高さに板５に２つ設置されているとして、それぞれの出力をYu、Ydとする。また、各三角錐ミラー位置測定ユニット４０からの３次元的な出力を以下の式で表わす。

２つの干渉計１８ａ、１８ｂのＺ方向距離をLd、干渉計１８ｂとプローブ球１のＺ方向距離をLpとすると、ハウジング８に対して、プローブ２の倒れや、曲がりなどがないとすると、プローブ球１の３次元的な座標値は、以下の式で表わされる。

しかし、実際の測定時には、プローブ球１はワークＷから反力をうけて横方向にずれる。これは、高精度測定を考えると無視できない誤差となる。そこで、この誤差を補正した測定値を算出する。すなわち、プローブ球１の３次元的な座標値を、以下の式によって算出する。

これによって、ワークＷからの反力によりプローブ２の倒れ、曲がりなどによる誤差を補正することで高精度な測定を行える。

本実施例においては、三角錐ミラー位置測定ユニット４０の位置情報と、プローブユニットのＸＹＺ座標およびＸ軸回転、Ｙ軸回転を測定する測定系の位置情報から測定データを算出する。したがってプローブ２の倒れ、曲がりなどに起因する誤差を補償し、高精度な形状測定を行うことができる。

また、三角錐ミラー位置測定ユニット４０は、プローブ球１上に設けた三角錐ミラー４１を測定しているので、構成を複雑にすることなく高精度にプローブ球１の位置を測定することができる。

また、三角錐ミラー位置測定ユニット４０を、プローブ球１よりも上部へ配置しているので、プローブユニットとワークＷの干渉を避けることができる。また、プローブユニットが大型化するのを回避できる。

実施例１を示す模式図である。 図１の装置の主要部を拡大して示す図である。 ワークの表面形状を測定する工程を示すフローチャートである。 実施例２を示す模式図である。 図４の装置の主要部を拡大して示す図である。 図５の精密球とプローブ球の位置関係を説明する図である。 実施例３を示す模式図である。 図７の装置の主要部を拡大して示す図である。 図８の三角錐ミラーの配置を示す平面図である。 一従来例を説明する図である。

符号の説明

１ プローブ球
２ プローブ
３ 精密球
４ 支柱
５ 板
６ 板バネ
７ ミラー
８ ハウジング
１０ プローブ球位置測定ユニット
１５、１６ 基準ミラー
１８ａ〜１８ｃ 干渉計
１９ Ｚ天板
２０ Ｚステージ
２１ Ｙステージ
２２ Ｘステージ
３０ 精密球位置測定ユニット
４０ 三角錐ミラー位置測定ユニット
４１ 三角錐ミラー

Claims (4)

1. プローブの先端のプローブ球を被測定物に接触させて被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、
   前記プローブによって保持された精密球と、
   前記プローブと、前記プローブを保持するプローブ保持手段とからなる３次元的に移動可能なプローブユニットと、
   前記プローブユニットの位置を測定するプローブユニット測定手段と、
   前記精密球の位置を測定する精密球測定手段と、
   前記プローブユニット測定手段および前記精密球測定手段によって得られた位置情報から、被測定物の表面形状を算出する算出手段と、を有することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記精密球測定手段は、前記精密球に集光したレーザ光の反射光を検出することで前記精密球の位置情報を得ることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. プローブの先端のプローブ球を被測定物に接触させて被測定物の表面形状を測定する形状測定装置において、
   前記プローブ球上に保持された三角錐ミラーと、
   前記プローブと、前記プローブを保持するプローブ保持手段とからなる３次元的に移動可能なプローブユニットと、
   前記プローブユニットの位置を測定するプローブユニット測定手段と、
   前記三角錐ミラーの位置を測定する三角錐ミラー測定手段と、
   前記プローブユニット測定手段および前記三角錐ミラー測定手段によって得られた位置情報から、被測定物の表面形状を算出する算出手段と、を有することを特徴とする形状測定装置。
4. 前記三角錐ミラー測定手段は、前記三角錐ミラーに集光したレーザ光の反射光を計測することで、前記プローブ球の位置情報を得ることを特徴とする請求項３記載の形状測定装置。

Images