JP5697416B2 - 接触式形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、接触式形状測定装置に関し、特に回折光学素子や回折光学素子を製造するための成形用金型の面形状を高精度に測定するためのものである。

撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機、半導体露光装置など各種光学装置の性能向上に伴い、これらの光学装置に組み込まれる光学素子に求められる要求はますます高度化している。特に近年では、光の回折現象を利用した回折光学素子が、様々な製品に利用されている。回折光学素子では、表面に数十μｍからサブμｍの段差を規則的に配置することで光の位相差をつけて、回折現象を発生させている構造のものが多い。段差を有する光学素子の面形状、または光学素子成形用金型の面形状を測定するために、接触式形状測定装置が広く利用されている。

光学素子あるいは光学素子成形用金型を被測定物として、被測定面の面形状を測定する接触式形状測定装置の従来技術の一例として、特許文献１に開示された形状測定装置が挙げられる。プローブの一端を被測定面に接触させて、反対の一端の３次元位置を測定する。プローブと移動部材の間にはバネ機構が設けられており、つりあい位置から移動部材を押し込むことで接触力を得ることができる。移動部材をＸＹ方向に駆動させると、プローブはＸＹ方向に動きながら被測定面のＺ方向の形状に倣う。移動部材は、指定の接触力に対応した押し込み量を保つようにＺ方向に追従制御する。プローブを被測定面の全面に走査させることで、測定データを得る。続いて、測定データを解析して面形状を得る。

ここで、プローブを精度良く被測定面に倣い走査させるためには、被測定面との接触力を小さくすると良い。

しかしながら、接触力を小さくすると被測定面にゴミや突起、キズ等がある場合、プローブが跳ね上げられやすく、プローブの挙動が不安定になるという問題が生じる。プローブが被測定面に対して跳ね上げられ、振動が収束するまでの不安定区間では、正確な測定データを得ることができない。

不安定区間を短縮する従来技術の一例として、特許文献２では、プローブのハウジングに力発生手段を設けて、プローブと移動部材との相対変位等からプローブの跳ね上げを検知すると、プローブに素早く作用力を加えて、プローブを被測定面に戻すことができるプローブが開示されている。コントローラはプローブの跳ね上げを検知すると、移動部材の挙動に合わせるような作用力をプローブに加える。作用力として、例えば、プローブと移動部材との相対変位や相対速度に応じて比例係数を乗じる方法などが挙げられている。

回折光学素子のように被測定面に不連続な段差を有する場合は以下のような問題がある。

従来技術で対象としているゴミや突起、キズ等の外乱要因に共通する点として、プローブが外乱要因を通過した前後で被測定面の位置が変わらないという点がある。一方、回折光学素子のように段差を有する面を測定する場合においては、プローブが段差を通過した前後で被測定面の位置が変わるという特徴がある。

図６は、従来技術による段差を有する面を走査する際の様子を説明する図である。

被測定物２の被測定面２ａに段差２ｓがある。不図示の移動部材に備えられたプローブ１は段差稜線に対して直交し、段差を飛び出す方向Ｄに倣い走査する。プローブには先端部に被測定面と接触するための対摩耗性の高い材料にて作られた球が設けられており、プローブ１の球中心の挙動をＴ１ｂ、不図示の移動部材の挙動をＴ９ｂとして表す。Ｔ９ｂは、見やすくするためにＴ１ｂの付近に並べて表示している。プローブ１は段差２ｓで飛び出し、降下する。その後再び被測定面２ａに衝突し、跳ね上げられる。移動部材９は、一般にプローブと比較して重量が重く、動作速度が遅い。そのため、区間Ｂ１では遅れて追従する。区間Ｂ２では段差の高さ分を超えてオーバーシュートする。移動部材９は、さらに振動を繰り返すことがあるが、ここでは説明を簡単にするため、区間Ｂ２の後に安定すると仮定する。区間Ｂ１において、プローブを移動部材の挙動に合わせると、移動部材に対してプローブを離すまいとして、プローブを浮遊するように作用力を加えてしまう。区間Ｂ２では、逆にプローブを必要以上の作用力で被測定面２ａに押し付けてしまう。押し付ける力が大きいと、反発力が大きくなるため、逆に跳ね上げられてしまう。

特開平１０−１９５０４号公報 特開２００７−５７３０８号公報

以上のように、段差を有する面では、移動部材とプローブとの相対変位／相対速度などの相対量からプローブ制御する従来の技術では、必要以上の押し付けが発生しやすいため、プローブが跳ねあがる不安定区間を短縮することは困難であった。本発明は、段差を有する面であっても、上記問題を低減して、不安定区間を短縮することができる接触式形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、
プローブを被測定物に接触させつつ前記被測定物の表面を走査させるとともにプローブの位置を計測することで前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において、
三次元方向に移動可能な移動部材と、
前記移動部材に対して移動可能に支持されたプローブと、
前記プローブの位置を測定する位置測定手段と、
前記位置測定手段にて得られた前記プローブの位置情報から、プローブの移動方向の速度情報であるプローブ速度を求めるプローブ速度演算手段と、
前記被測定物を走査している状態のプローブ速度情報を参照してプローブ目標速度を演算する目標速度演算手段と、
前記プローブ目標速度と前記プローブ速度の差であるプローブ速度エラーに基づいて、前記プローブ速度エラーを抑える作用力を求める作用力演算手段と、
求められた前記作用力に応じて前記プローブに対して、前記プローブの移動方向の成分の作用力を発生させる力発生手段と、
を有し、
前記目標速度演算手段は、前記プローブ速度エラーが予め定められた閾値の範囲以内である区間のプローブ速度の過去情報を参照して、目標速度として設定することを特徴とする形状測定装置である。

本発明の接触式形状測定装置によれば、安定して倣い走査している状態のプローブ速度を目標にして、プローブに作用力を加えるため、プローブが跳ね上がる不安定な測定区間を短縮することができる。

さらに、請求項２に記載の接触式形状測定装置によれば、プローブ速度の過去情報を参照して、段差を通過した後の区間で、段差を通過する前の区間のプローブ速度を目標速度に設定する。これにより、被測定物の加工誤差や設置誤差による目標速度の推定誤差を低減できるという効果がある。

さらに、請求項３に記載の接触式形状測定装置によれば、プローブが跳ね上げられていると判定した場合に、プローブ速度エラーを小さくするように作用力を加えることで、プローブの跳ね上げを抑えることができるという効果がある。

さらに、請求項４に記載の接触式形状測定装置によれば、プローブが降下していると判定した場合に、プローブを被測定面の方向に引っ張るように作用力を加えることができるので、プローブの降下を促進することができるという効果がある。

本発明の第一実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。 本発明の第一実施例に係わる目標速度を求める方法を説明するフローチャートである。 本発明の第一実施例に係わる作用力を求める方法を説明するフローチャートである。 本発明の第一実施例に係わる段差を走査する際の様子を説明する図である。 本発明の第一実施例に係わる作用力の推移を説明する図である。 従来技術による段差を有する面を走査する際の様子を説明する図である。

本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第一実施例に係わる接触式形状測定装置の構成を説明する図である。

プローブ１を用いて、被測定物２の被測定面２ａを倣い走査する。被測定物２は定盤３に設置されている。定盤３は床からの振動による影響を抑制するために、除振機能を備えていると良い。また、定盤３は温度変化等による変形の影響を受け難い構造や材質とすると良い。プローブ１の後端にはミラー４が取り付けられており、干渉計測等を利用してプローブ１の３次元位置を測定する。また、プローブ１はリニアガイド５を介して、ハウジング６に支持されており、ハウジング６に対して１軸方向に移動できる。リニアガイド５は空気軸受け等を用いて、移動方向に動き易く、移動方向に対して直交する方向には剛性を高くすると良い。また、ハウジング６には、プローブ１の自重を補償し、指定した力でプローブ１を被測定面２ａに押し付けることができるように、バネ機構７を取り付ける。バネ機構７は、材質の剛性を利用した構成や磁気力を利用した構成などを用いる。ハウジング６には、さらに力発生手段８を設けている。

力発生手段８は電流を制御することでプローブに加わる作用力を調整し、被測定物２に対するプローブ１の押しつけ力を調整することができる。ハウジング６は移動部材９の先端に取り付けられている。移動部材９は駆動手段１０に取り付けられ、三次元方向に移動可能である。駆動手段１０は、３軸並進方向や、２軸並進方向と１軸回転方向など、被測定物２の表面の形状に応じて適した構成を取ると良い。また、駆動手段１０は、プローブ１と移動部材９の相対変位を一定に保つように移動部材９を駆動する。これにより、バネ機構７で一定の押し付け力を発生させることができる。ここで、バネ機構７と力発生手段８の両方を取り付けた構成について説明を行ったが、バネ機構７を省いて、力発生手段８によってプローブ１に押し付け力を発生させても良い。

プローブ１の３次元位置は、干渉計測等の位置測定手段１１によって指定した時間間隔で位置情報としてサンプリングされる（工程１）。プローブ速度演算手段１２は、プローブ１の位置情報を入力として、プローブ１の被測定面２ａに沿った移動方向の速度情報であるプローブ速度を求める（工程２）。目標速度演算手段１３は、上述のプローブ速度を入力とするなどしてプローブ目標速度を求める（工程３）。作用力演算手段１４は、プローブ目標速度とプローブ速度を入力としてプローブ１に加える作用力を求める（工程４）。力制御手段１５は、作用力に応じた電流を力発生手段８に与える（工程５）。測定中は、工程１から工程５までを１ステップとして、測定終了まで繰り返す。

目標速度演算手段１３では、上述のプローブ速度を入力とせずに、被測定面２ａの設計形状から段差を除去した後の連続関数を用いて、プローブ走査方向の傾きを計算するなどして求めても良い。

力発生手段８では、プローブが被測定面から離れる方向の作用力をカットしたり、近づく方向であっても指定値より大きい作用力をカットしたりすると良い。また、高周波の信号や特定の周波数の信号を低減するためにデジタルフィルタ処理を行っても良い。

図２は、本発明の第一実施例に係わるプローブ目標速度を求める方法を説明するフローチャートである。

Ｓ１０１において、プローブ速度を入力として開始する。Ｓ１０２において、プローブと移動部材の相対変位が閾値以内かどうかを判定する。プローブと移動部材の相対変位が閾値以内である場合は、プローブが被測定面２ａに対して安定に走査している可能性が高い。その場合には、Ｓ１０３において、現ステップのプローブ速度を更新値とする。反対に、プローブと移動部材の相対変位が閾値を越えている場合は、プローブが降下している状態か跳ね上げられている状態である可能性が高い。その場合には、Ｓ１０４において、現ステップのプローブ速度を用いずに、１ステップ前の目標速度を更新値とする。続いて、Ｓ１０５において、更新値をローパスフィルタに入力して目標速度を計算する。Ｓ１０６において、求めた目標速度を出力する。以上の方法によれば、プローブが降下している状態や跳ね上げられている状態の場合に、過去情報を参照して、安定に走査している状態のプローブ速度をプローブ目標速度に設定することができる。つまり、段差を走査した後の区間で、段差を走査する前の区間のプローブ速度を目標速度に設定することができる。目標速度は被測定面２ａに沿った方向成分ではなく、例えばプローブの軸方向成分（図４中の方向Ｄと垂直方向）に換算して設定してもよい。

また、過去情報を参照して目標速度を設定する別の方法として、例えば、設計形状から段差の位置を判断することで、段差を通過する前の区間における被測定面２ａに沿ったプローブ速度を目標速度に設定しても良い。

このように、過去のプローブ速度を、段差２ｓを超えた後のプローブの目標速度に設定することで、被測定物の加工誤差や設置誤差による目標速度の推定誤差を低減できる。

図３は、本発明の第一実施例に係わる作用力を求める方法を説明するフローチャートである。

Ｓ１１１において、目標速度とプローブ速度を入力として開始する。Ｓ１１２において、過去のプローブ速度に基づいて設定された目標速度から現在のプローブ速度を差し引いて、プローブ速度エラーを求める。Ｓ１１３において、プローブ速度エラーより安定走査、降下、跳ね上げのいずれの状態であるかの判定を行う。プローブ速度エラーが予め決められた閾値の範囲内にある場合は、安定走査の状態であるとして、Ｓ１１４に進む。プローブ１が被測定面２ａに近づく方向に閾値を越える場合は、降下の状態であるとして、Ｓ１１５に進む。プローブ１が被測定面２ａから離れる方向に閾値を超える場合は、跳ね上げの状態であるとして、Ｓ１１６に進む。Ｓ１１４では、安定走査の状態であるため、作用力として特に何も加えない。ただし、力発生手段８がバネ機構７を兼ねている構成とした場合は、バネ機構７に相当する力を作用力として設定する。Ｓ１１５では、降下を促進する力を作用力として設定する。例えば、一定値ｆｃを加える。Ｓ１１６では、プローブの挙動を抑えるような粘性力を作用力として設定する。例えば、プローブ速度エラーに粘性係数ｃｖを乗じて求める。Ｓ１１７において、求めた作用力を出力する。このように作用力演算手段は、前記プローブ目標速度に対して小さい閾値に対して、プローブ速度エラーが閾値を超えて低い場合には、前記プローブを前記被測定物に対して近づける方向の一定の作用力を求めることをさらに行うことでプローブの浮遊を抑える効果もさらに期待できる。

一定値ｆｃは、小さすぎると降下を促進することができずに浮遊時間が長くなり、不安定区間を短縮することができない。反対に大きくしすぎると、被測定面２ａとの衝突の際にキズの発生原因になる。そのため、許容できる不安定区間に応じてできるだけ小さく設定すると良い。また、キズの発生を低減するために、プローブ速度が指定の値を超える場合には作用力ｆｃをカットする等の工夫をすると良い。

粘性係数ｃｖは、小さすぎると粘性力が不足して跳ね上げを抑えることができずに、不安定区間を短縮することができない。反対に大きくしすぎると、発振してしまい、同じく不安定区間を短縮することができない。そのため、周波数応答等を測定して、安定領域内で適切に調整すると良い。

図４は、本発明の第一実施例に係わる段差を走査する際の様子を説明する図である。被測定物２の被測定面２ａに段差２ｓがある。プローブ１を段差稜線に対して直交し、段差を飛び出す方向Ｄに倣い走査する。

ここで、方向Ｄと異なる方向に走査しても良いが、プローブ１が段差２ｓに衝突するなどして形状を崩す恐れがある。そのため、方向Ｄまたはそれに近い方向であることが望ましい。プローブ１の球中心の挙動をＴ１として表す。作用力ｆ１は計算式の例を共に示す。さらに、プローブ速度ｖ１、目標速度ｖｔ、降下の状態の判定に用いる閾値ｅ１、跳ね上げの状態の判定に用いる閾値ｅ２を、Ｔ１の時系列に対応するように下段に示す。プローブ速度エラーｅは、目標速度ｖｔからプローブ速度ｖ１を差し引くことで得られる。図４（ａ）において、プローブ１は、段差２ｓの手前を走査している。この時、プローブ１は安定に走査しており、プローブ速度ｖ１は、ｅ１とｅ２の範囲内にある。そのため、ｆ１＝０として、作用力を与えない。

図４（ｂ）において、プローブ１は、段差２ｓを越えたため、降下する。プローブ速度エラーｅが、ｅ１を越えると降下の状態と判定して、作用力をｆ１＝ｆｃに設定する。これにより降下を促進することができる。図４（ｃ）において、プローブ１は、再び被測定面２ａに衝突して跳ね上げられる。プローブ速度エラーｅが、ｅ２を越えると跳ね上げの状態と判定して、作用力を粘性力ｆ１＝ｃｖ×ｅ（粘性係数である比例係数ｃｖを乗ずる）に設定する。これにより跳ね上げを抑えることができる。プローブ１が安定すると、プローブ速度エラーｅが、再びｅ１とｅ２の範囲内に戻るため、安定走査の状態と判定される。

つまり、プローブ目標速度とプローブ速度の差であるプローブ速度エラーに基づいて、プローブ速度エラーを抑える作用力を演算し、プローブの移動方向に対して作用力を加えているのである。

図５は、本発明の第一実施例に係わる作用力の推移を説明する図である。横軸に時間、縦軸にプローブ速度ｖ１、目標速度ｖｔ、作用力ｆ１として、時間０に段差を通過した時の状態をプロットしている。図中、上に目標速度ｖｔとプローブ速度ｖ１とを併設して描き、図中の下にプローブに働く力を描いた。本例では、プローブ速度を鉛直方向上向きを正とするプローブ速度を設定した。また図４で描かれたように操作方向Ｄに沿って下方に傾斜した、段差２ｓを有する被測定面を想定している。

したがって、被測定面２ａに沿って走査されるにつれてプローブは鉛直方向下向きに降下するため、ｖｔは負の値をとっている。

時刻ａ１で降下の状態と判定されると、一定値を加えることで、降下を促進している（プローブ速度ｖ１が下がっている。すなわち押しつけ力を増している）。続いて、時刻ａ２で跳ね上げの状態と判定されると、粘性力を作用力として加えることで、跳ね上げを抑えている（プローブ速度ｖ１に比例した逆方向の力を作用させることでプローブ速度の上昇を抑制している）。ここでは、従来の技術のようにプローブを移動部材の挙動に合わせるような作用力を加えていない。そのため、移動部材が安定しているかどうかによらずにプローブを安定化させるように作用力を加えることができている。その後、短時間で安定走査の状態に戻っている。

上記実施例では、平面に段差がある面を対象に説明を行っている。ただし、球面や非球面、自由曲面に段差がある面においても、例えば、不安定区間が３０μｍ以下の狭い範囲で安定化することができるならば、平面に段差がある面と同様に考えても問題はない。

また、上記実施例では、プローブの走査速度を一定として説明を行っている。ただし、例えば、不安定区間の収束時間が０．０３秒以下の短い時間であり、これに比べて走査速度の変化が緩やかであるとすれば、走査速度が一定である場合と同様に考えても問題はない。

以上のように、本発明の接触式形状測定装置によれば、段差を有する面を測定する際に、不安定区間を短縮することができる。

本発明は、接触式形状測定装置に関し、特に回折光学素子や回折光学素子を製造するための成形用金型の面形状を高精度に測定するのに好適に利用できる。

１ プローブ
２ 被測定物
２ａ 被測定面
２ｓ 段差
８ 力発生手段
９ 移動部材
１２ プローブ速度演算手段
１３ 目標速度演算手段
１４ 作用力演算手段
ｖ１ プローブ速度
ｖｔ 目標速度
ｅ プローブ速度エラー
ｆ１ 作用力

Claims (5)

1. プローブを被測定物に接触させつつ前記被測定物の表面を走査させるとともにプローブの位置を計測することで前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において、
   三次元方向に移動可能な移動部材と、
   前記移動部材に対して移動可能に支持されたプローブと、
   前記プローブの位置を測定する位置測定手段と、
   前記位置測定手段にて得られた前記プローブの位置情報から、プローブの移動方向の速度情報であるプローブ速度を求めるプローブ速度演算手段と、
   前記被測定物を走査している状態のプローブ速度情報を参照してプローブ目標速度を演算する目標速度演算手段と、
   前記プローブ目標速度と前記プローブ速度の差であるプローブ速度エラーに基づいて、前記プローブ速度エラーを抑える作用力を求める作用力演算手段と、
   求められた前記作用力に応じて前記プローブに対して、前記プローブの移動方向の成分の作用力を発生させる力発生手段と、
   を有し、
   前記目標速度演算手段は、前記移動部材と前記プローブの相対位置が予め定められた閾値以内かどうかに応じて、
   前記閾値以内の場合は現在のプローブ速度を目標速度として設定し、
   前記閾値を超える場合は前記プローブ速度エラーが予め定められた閾値の範囲以内である区間のプローブ速度の過去情報を参照して、目標速度として設定することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記作用力演算手段は、プローブ速度エラーが閾値を越える場合に、プローブ速度エラーに比例係数を乗じて作用力を求めることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記作用力演算手段は、プローブ速度エラーが閾値を越える場合に、一定の作用力を求めることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記プローブ速度の過去情報は、前記被測定物の設計形状に基づいて判断された前記被測定物の段差の位置の情報に基づいて定められた、前記プローブが前記段差を通過する前の区間における前記被測定物の被測定面に沿ったプローブ速度であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の形状測定装置。
5. 前記プローブ速度エラーが、予め定められた閾値の範囲内にある場合は前記作用力を発生させない制御を行い、
   前記プローブ速度エラーが、前記プローブが前記被測定物の被測定面に近づく方向に移動し、かつ前記閾値を超える場合は前記プローブの降下を促進する方向に前記作用力を発生させる制御をおこない、
   前記プローブ速度エラーが、前記プローブが前記被測定物の被測定面に離れる方向に移動し、かつ前記閾値を超える場合は前記作用力として粘性力を発生させる制御を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の形状測定装置。

Images