JP6049283B2

JP6049283B2 - ３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法

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Publication number: JP6049283B2
Application number: JP2012079951A
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Inventors: 健悟小川; 明徳宮田
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Description

本発明は、プローブの先端曲面で被測定物の表面を走査して、被測定物の３次元形状データを取得する３次元形状測定装置に関する。

近年、レンズやミラー等の光学素子やこれらの金型等の表面形状の測定においては、光学素子の微細化に伴い、ナノレベルでの測定精度が望まれている。このようなナノレベルでの精度を達成するための評価装置としては、プローブの先端曲面で被測定物の表面を走査する接触式の３次元形状測定装置（以下、単に「形状測定装置」という）が知られている。

形状測定装置は、プローブの先端曲面で被測定物の表面を倣うように走査し、プローブの後端を光学的に測定することで被測定物の３次元形状データを取得する。しかし、被測定物の表面と接触するプローブの先端曲面は真球ではないため、このままでは、取得した被測定物の３次元形状データは、プローブの先端曲面の表面形状が上乗せされた値となってしまう。そのため、精度の高い被測定物の３次元形状データを取得できないという問題があった。

これに対しては、プローブの先端曲面の校正用の表面形状を作成し、被測定物の測定データから作成したプローブの校正用表面形状を分離させることで精度の高い被測定物の３次元形状データを取得可能な測定装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開平０８−２８５５７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の測定装置は、プローブの先端曲面で等間隔に測定した球面原器の各測定点での法線方向への差分量のスプライン曲面を作成して校正形状を求めている。そのため、スプライン曲面の作成時に補間された部分は、近傍データからの推定値となり、測定精度を低下させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は、被測定物に対して高精度な形状測定が可能な３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、プローブの先端曲面で被測定物の表面を走査して、前記被測定物の３次元形状データを取得する３次元形状測定装置において、前記プローブを駆動するプローブ駆動手段と、前記プローブの先端曲面において、走査時にプローブが走査対象と接触する前記プローブ先端上の接触軌跡点列が構成するプローブ走査軌跡を作成する走査軌跡作成手段と、前記プローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を校正用の球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得する第１測定データ取得手段と、前記第１測定データと前記球面原器のデータとの差分から、前記プローブ走査軌跡における前記プローブの先端曲面の校正データを取得する校正データ取得手段と、前記プローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記被測定物と接触させつつ前記被測定物を走査し、前記被測定物の第２測定データを取得する第２測定データ取得手段と、前記第２測定データを前記校正データで補正して、前記被測定物の３次元形状データを取得する形状データ取得手段と、を備え、前記第１測定データ取得手段により前記球面原器を走査する際と、前記第２測定データ取得手段により前記被測定物を走査する際と、で、前記プローブの先端曲面上の同じ接触軌跡点列上の接触点が、前記被測定物、前記球面原器のそれぞれに対して接触するよう前記プローブ駆動手段が制御されることを特徴とする。

また、本発明は、プローブの先端曲面で被測定物の表面を走査して、前記被測定物の３次元形状データを取得する３次元形状測定方法において、前記プローブの先端曲面において、走査時にプローブが走査対象と接触する前記プローブ先端上の接触軌跡点列が構成するプローブ走査軌跡を作成する走査軌跡作成工程と、前記プローブを駆動するプローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を校正用の球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得する第１測定データ取得工程と、前記第１測定データと前記球面原器のデータとの差分から、前記プローブ走査軌跡における前記プローブの先端曲面の校正データを取得する校正データ取得工程と、前記プローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記被測定物と接触させつつ前記被測定物を走査し、前記被測定物の第２測定データを取得する第２測定データ取得工程と、前記第２測定データを前記校正データで補正して、前記被測定物の３次元形状データを取得する形状データ取得工程と、を備え、前記第１測定データ取得工程により前記球面原器を走査する際と、前記第２測定データ取得工程により前記被測定物を走査する際と、で、前記プローブの先端曲面上の同じ接触軌跡点列上の接触点が、前記被測定物、前記球面原器のそれぞれに対して接触するよう前記プローブ駆動手段が制御されることを特徴とする。

本発明によれば、被測定物を測定する際のプローブ先端上のプローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を接触させつつ、プローブ走査軌跡に沿って球面原器を走査してプローブの先端曲面の校正データを取得することで、精度の高い校正データを取得することができる。これにより、被測定物に対して高精度な形状測定を行うことができる。

本発明の実施形態に係る形状測定装置の全体構造を模式的に示す断面図である。第１実施形態に係る形状測定装置で走査するレンズ、プローブ球及び球面原器の走査軌跡を示す図である。第１実施形態に係る形状測定装置によるレンズの形状測定方法を示すフローチャートである。第２実施形態に係る形状測定装置によるレンズの形状測定方法を示すフローチャートである。第３実施形態に係る形状測定装置で走査するプローブ球、球面原器及びレンズの走査軌跡を示す図である。第３実施形態に係る形状測定装置によるレンズの形状測定方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る接触式の３次元形状測定装置（以下、単に「形状測定装置」という）について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の本実施形態においては、被測定物として、平面視略楕円形状の楕円体レンズ（以下、単に「レンズ」という）１０を用いて説明する。また、レンズ１０を固定するベース１１の設置面１１ａは、略水平に保持された平面であり、この設置面１１ａ上のＸ軸とＹ軸とが直交する平面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面と直交する軸をＺ軸とする。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る形状測定装置１について、図１から図３を参照しながら説明する。まず、第１実施形態に係る形状測定装置１の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る形状測定装置１の全体構造を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、第１実施形態に係る形状測定装置１は、プローブ２３でレンズ１０の表面形状の測定を行うプローブ移動機構２と、プローブ移動機構２を駆動制御するプローブ制御部３と、測定されたデータの処理を行うデータ処理部４と、を備えている。

プローブ移動機構２は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動可能なプローブ駆動手段としてのＸＹ軸ステージ２０と、Ｚ軸方向に移動可能なＺ軸ステージ２１と、プローブユニット２２と、を備えている。プローブユニット２２は、Ｚ軸ステージ２１に取り付けられており、Ｚ軸ステージ２１は、ＸＹ軸ステージ２０にＺ軸方向に移動自在に支持されている。プローブユニット２２は、ＸＹ軸ステージ２０及びＺ軸ステージ２１を駆動することで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向（３次元的）に移動可能となる。

プローブユニット２２は、プローブ２３と、プローブ２３を保持するハウジング２４と、ハウジング２４に取り付けられた力発生部２５と、ハウジング２４を支持する移動部材２６と、を備えている。

プローブ２３は、プローブシャフト２３ａと、プローブシャフト２３ａの下端に取り付けられた略円錐状のプローブチップ２３ｂと、プローブチップ２３ｂの先端に取り付けられたプローブの先端曲面としてのプローブ球２３ｃと、を備えている。プローブシャフト２３ａは、縦剛性は低く、横剛性は高くなるように、軸受を介してハウジング２４に保持されている。そのため、プローブ２３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動する際には、例えば、プローブユニット２２の下方（Ｚ軸方向）に配置されたベース１１に固定されたレンズ１０（又は球面原器１２）の表面に、プローブ球２３ｃが接触しながら移動する。

また、プローブ２３は、プローブシャフト２３ａの上端に取り付けられたプローブミラー２３ｄを備えている。プローブ２３は、プローブミラー２３ｄと、プローブミラー２３ｄの上方に対向配置された不図示の基準ミラーと、の距離を不図示の干渉計が測定することで３次元位置が測定されるようになっている。なお、ここで測定されたプローブ２３の位置は、プローブ制御部３で利用される。

力発生部２５は、ハウジング２４とプローブシャフト２３ａとの間に介在されており、ハウジング２４に保持されたプローブシャフト２３ａをＺ軸方向に移動可能に構成されている。つまり、プローブ２３は、力発生部２５によりＺ軸方向に移動自在となっている。移動部材２６は、Ｚ軸ステージ２１に取り付けられており、移動部材２６の上部には、移動部材ミラー２６ａが取り付けられている。移動部材２６は、移動部材ミラー２６ａと、移動部材ミラー２６ａの上方に配置された不図示の基準ミラーと、の距離を不図示の干渉計が測定することで３次元位置が測定されるようになっている。なお、ここで測定された移動部材２６の位置は、プローブ制御部３で利用される。

プローブ制御部３は、走査軌跡を作成する走査軌跡作成手段としての走査軌跡生成部３０と、ＸＹ軸ステージ２０を制御するＸＹ軸制御部３１と、Ｚ軸ステージ２１を制御するＺ軸制御部３２と、インプット部３３と、を備えている。

走査軌跡生成部３０は、走査軌跡としてのレンズ測定用走査軌跡１３と、プローブ走査軌跡１４と、球面原器測定用走査軌跡１５と、を作成する。レンズ測定用走査軌跡１３は、レンズ１０を走査する際のレンズ１０上のプローブ球２３ｃとの接触軌跡である。プローブ走査軌跡１４は、プローブ球２３ｃをレンズ測定用走査軌跡１３に接触させつつ移動させた場合のプローブ球２３ｃ上のレンズ１０との接触軌跡である。球面原器測定用走査軌跡１５は、プローブ球２３ｃ上のプローブ走査軌跡１４を校正用の球面原器１２に接触させつつ球面原器１２を走査する際の球面原器１２上のプローブ球２３ｃとの接触軌跡である。

形状測定装置１は、プローブ走査軌跡１４を作成し、プローブ走査軌跡１４を球面原器１２に接触させつつ球面原器１２を走査することで、レンズ１０と球面原器１２とを走査する際のプローブ球２３ｃ上の走査軌跡点列を共通にすることができる。つまり、プローブ球２３ｃ上の同じ走査軌跡点列でレンズ１０と球面原器１２とを走査することが可能になる。

ここで、走査軌跡生成部３０によるレンズ測定用走査軌跡１３、プローブ走査軌跡１４及び球面原器測定用走査軌跡１５の作成方法について、図２を参照しながら説明する。図２は、第１実施形態に係る形状測定装置１で走査するレンズ１０、プローブ球２３ｃ及び球面原器１２の走査軌跡を示す図である。

走査軌跡生成部３０は、まず、レンズ１０を走査する際のレンズ測定用走査軌跡１３を設定する。レンズ測定用走査軌跡１３は、例えば、図２（ａ）に示す等間隔の直線走査軌跡として設定される。次に、レンズ１０の設計データとプローブ球２３ｃの設計データとから、設定されたレンズ測定用走査軌跡１３でプローブ球２３ｃとレンズ１０とが接触する接触軌跡を、プローブ球２３ｃ上のプローブ走査軌跡１４として作成する。具体的には、まず、設定されたレンズ測定用走査軌跡１３の走査軌跡点列を定め、レンズ１０の設計データ等を用いて走査軌跡点列の法線ベクトルを求める。レンズ１０とプローブ球２３ｃとの接触点において、それぞれの法線ベクトルはおおよそ一致する。そのため、法線ベクトルとプローブ球２３ｃの設計データ等とを用いてレンズ１０のレンズ測定用走査軌跡１３の走査軌跡点列全点で対応するプローブ球２３ｃの表面上の接触点座標を求めることができる。プローブ走査軌跡１４は、求められた接触点座標を繋げることで作成され、例えば、図２（ａ）に示すレンズ測定用走査軌跡１３に対して、図２（ｂ）に示す軌跡となる。

次に、作成されたプローブ走査軌跡１４を球面原器１２に対応させた球面原器測定用走査軌跡１５を作成する。具体的には、作成されたプローブ走査軌跡１４の走行軌跡点列を定め、プローブ球２３ｃの設計データ等を用いて走査軌跡点列の法線ベクトルを求める。プローブ球２３ｃと球面原器１２との接触点において、それぞれの法線ベクトルはおおよそ一致する。そのため、法線ベクトルと球面原器１２の設計データ等とを用いてプローブ球２３ｃのプローブ走査軌跡１４の走査軌跡点列全点で対応する球面原器１２の表面上の接触座標を求めることができる。球面原器測定用走査軌跡１５は、求められた接触座標を繋げることで作成され、例えば、図２（ｂ）に示すプローブ走査軌跡１４に対して、図２（ｃ）に示す軌跡となる。

なお、球面原器測定用走査軌跡１５の作成は、プローブ走査軌跡１４を接触させつつ球面原器１２を走査するように、ＸＹ軸制御部３１でＸＹ軸ステージ２０を駆動制御することで、予め作成することを省略することができる。つまり、球面原器１２に対してプローブ球２３ｃ上のプローブ走査軌跡１４を接触させつつ走査できれば、球面原器測定用走査軌跡１５は作成しなくてもよいこととなる。

ＸＹ軸制御部３１は、走査軌跡生成部３０で作成されたレンズ測定用走査軌跡１３、プローブ走査軌跡１４及び球面原器測定用走査軌跡１５に基づき、ＸＹ軸ステージ２０を制御する。つまり、ＸＹ軸制御部３１は、レンズ測定用走査軌跡１３、プローブ走査軌跡１４及び球面原器測定用走査軌跡１５に基づき、ＸＹ軸ステージ２０を介してプローブ２３を移動制御する。Ｚ軸制御部３２は、プローブ球２３ｃのレンズ１０に対する圧力が所定の値となるように、プローブ２３の位置と移動部材２６の位置とから調整量を算出し、Ｚ軸ステージ２１を駆動させる。インプット部３３は、必要なデータ等を入力する際に用いられるものであり、例えば、走査軌跡生成部３０にレンズ１０や球面原器１２等の設計データ等を入力する際に用いられる。

データ処理部４は、測定データを保存する測定データ保存部４０と、校正データを処理する校正データ取得手段としての校正データ処理部４１と、形状データ取得手段としての校正部４２と、取得した測定データ等を出力するアウトプット部４３と、を備えている。

測定データ保存部４０は、第１測定データ取得手段としての第１測定データ保存部４０ａと、第２測定データ取得手段としての第２測定データ保存部４０ｂと、を備えている。第１測定データ保存部４０ａは、球面原器１２を球面原器測定用走査軌跡１５で走査して得られる測定データである第１データを保存する。言い換えると、プローブ球２３ｃのプローブ走査軌跡１４を球面原器１２に接触させつつ走査して得られる第１測定データを保存する。第２測定データ保存部４０ｂは、レンズ１０をレンズ測定用走査軌跡１３で走査して得られる測定データである第２測定データを保存する。言い換えると、プローブ球２３ｃのプローブ走査軌跡１４をレンズ１０に接触させつつ走査して得られる第２測定データを保存する。

校正データ処理部４１は、球面原器１２を走査した第１測定データと、球面原器１２の設計データと、の差分からプローブ球２３ｃの校正データを算出し、これを保存する。なお、球面原器１２は、高精度に仕上げられており、理想球面とみなせるため、球面原器１２の設計データと第１測定データとの差分は、プローブ球２３ｃの校正データとみなすことができる。校正部４２は、レンズ１０を走査して取得された第２測定データをプローブ球２３ｃの校正データで補正して、レンズ１０の３次元測定データとして保存する。アウトプット部４３は、例えば、レンズ１０の３次元測定データ等を不図示の表示部に表示したり、不図示の外部機器（ＰＣ等）に出力する。

次に、上述のように構成された第１実施形態に係る形状測定装置１によるレンズ１０の測定方法について図３を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係る形状測定装置１によるレンズ１０の形状測定方法を示すフローチャートである。

図３に示すように、第１実施形態に係る形状測定装置１は、まず、レンズ１０を走査するレンズ測定用走査軌跡１３を設定する（ステップＳＴ１）。レンズ測定用走査軌跡１３が設定されると、次に、レンズ測定用走査軌跡１３に基づいてレンズ１０を走査した場合の、プローブ球２３ｃ上の接触軌跡となるプローブ走査軌跡１４を作成する（走査軌跡作成工程、ステップＳＴ２）。プローブ走査軌跡１４が作成されると、次に、プローブ走査軌跡１４を接触させながら球面原器１２を走査した場合の接触軌跡である球面原器測定用走査軌跡１５を作成する（走査軌跡作成工程、ステップＳＴ３）。なお、ステップＳＴ３は、前述したように省略可能である。

次に、ＸＹ軸制御部３１がＸＹ軸ステージ２０を駆動制御して、所定の走査速度とサンプリング間隔でレンズ測定用走査軌跡１３に沿ってレンズ１０を走査（測定）し、レンズ１０の第２測定データを取得する（第２測定データ取得工程、ステップＳＴ４）。言い換えると、プローブ走査軌跡１４をレンズ１０に接触させつつプローブ２３を移動させることでレンズ１０を走査（測定）して、レンズ１０の第２測定データを取得する。取得された第２測定データは、第２測定データ保存部４０ｂに保存される。

同様に、ＸＹ軸制御部３１がＸＹ軸ステージ２０を駆動制御して、所定の走査速度とサンプリング間隔で球面原器測定用走査軌跡１５に沿って球面原器１２を走査（測定）し、球面原器１２の第１測定データを取得する（第１測定データ取得工程、ステップＳＴ５）。言い換えると、プローブ走査軌跡１４を球面原器１２に接触させつつプローブ２３を移動させることで球面原器１２を走査（測定）して、球面原器１２の第１測定データを取得する（ステップＳＴ３を省略した場合）。取得された第１測定データは、第１測定データ保存部４０ａに保存される。

次に、校正データ処理部４１が、ステップＳＴ５で取得した第１測定データと、球面原器１２の設計データと、の差分からプローブ球２３ｃの校正データを算出する（校正データ取得工程、ステップＳＴ６）。算出された校正データは、校正データ処理部４１に保存される。校正データが算出されると、次に、校正部４２がレンズ１０の第２測定データをプローブ球２３ｃの校正データで補正して、レンズ１０の３次元形状データを算出する（形状データ取得工程、ステップＳＴ７）。算出された３次元形状データは、アウトプット部により出力され、レンズ１０の測定が終了する。

なお、レンズ１０を走査して第２測定データを取得する第２測定データ取得工程は、レンズ測定用走査軌跡１３を設定した後、形状データ取得工程が行われる前であれば、どのタイミングで行われてもよい。

以上説明したように、第１実施形態に係る形状測定装置１は、被測定物としてのレンズ１０を走査する際のプローブ球２３ｃ上の同じ走査軌跡（接触軌跡点列）で校正用の球面原器１２を測定して、プローブ球２３ｃの校正データを算出する。そのため、測定するレンズ１０に対するプローブ球２３ｃの高精度の校正データを取得することができる。これにより、測定するレンズ１０に対して、精度の高い形状測定を行うことができる。その結果、信頼性の高い測定結果を提供することが可能となる。

また、このとき、球面原器１２の設計データ等を用いてプローブ走査軌跡１４を作成するため、実物に近い走査軌跡（接触軌跡点列）を作成することができる。

また、実際にレンズと接触する接触軌跡点列のみを走査してプローブ球２３ｃの校正データを算出するため、例えば、従来技術にあるような走査間隔を密にすることで精度を向上させる場合に比べて、測定時間を短縮することが可能となる。これにより、例えば、長時間測定によるドリフトの影響を小さくすることが可能になり、測定精度の信頼性を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る形状測定装置１Ａについて、図１を援用すると共に、図４を参照しながら説明する。図４は、第２実施形態に係る形状測定装置１Ａによるレンズ１０の形状測定方法を示すフローチャートである。

第２実施形態に係る形状測定装置１Ａは、プローブ走査軌跡の作成方法が第１実施形態と相違する。そのため、第２実施形態においては、第１実施形態と異なる点、すなわち、プローブ走査軌跡の作成方法を中心に説明し、第１実施形態に係る形状測定装置１と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。

図４に示すように、第２実施形態に係る形状測定装置１Ａは、まず、レンズ１０を走査するレンズ測定用走査軌跡１３を設定する（ステップＳＴ１１）。レンズ測定用走査軌跡１３が設定されると、次に、レンズ測定用走査軌跡１３に基づいてレンズ１０を走査（測定）し、レンズ１０の測定データとしての第２測定データを取得する（第２測定データ取得工程、ステップＳＴ１２）。取得された第２測定データは、第２測定データ保存部４０ｂに保存される。

第２測定データが取得されると、第２測定データからレンズ測定用走査軌跡１３に基づいてレンズ１０を走査した場合の、プローブ球２３ｃ上の接触軌跡となるプローブ走査軌跡１４を作成する（走査軌跡作成工程、ステップＳＴ１３）。プローブ走査軌跡１４が作成されると、次に、プローブ走査軌跡１４を接触させながら球面原器１２を走査した場合の接触軌跡である球面原器測定用走査軌跡１５を作成する（走査軌跡作成工程、ステップＳＴ１４）。なお、ステップＳＴ１４は、前述したように省略可能である。

ステップ１５からステップＳＴ１７は、第１実施形態のステップＳＴ５からステップＳＴ７と同様であるため、ここではその説明は省略する。

レンズ１０の設計形状を用いてプローブ走査軌跡１４等を作成する場合、設計形状と実形状の差が小さければ計算上のプローブ接触軌跡点列と実際の接触軌跡点列とは、ほぼ同じ部分で接触する。しかし、両者に差があった場合、計算上では球面原器１２の測定時と接触点が一致するが、実際は異なる部分で接触することになる。この場合、プローブ球２３ｃの校正データに誤差が発生してしまい、信頼性の低い測定結果となってしまう。しかし、第２実施形態においては、レンズ１０の形状を先に測定し、測定した形状に基づいてプローブ走査軌跡１４等を作成する。そのため、プローブ走査軌跡１４等を作成する際の接触軌跡点列のズレを低減させることができる。これにより、使用するプローブ球２３ｃに対して高精度の校正データを取得することができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態に係る形状測定装置１Ｂについて、図１を援用すると共に、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は、第３実施形態に係る形状測定装置１Ｂで走査するプローブ球２３ｃ、球面原器１２、及びレンズ１０の走査軌跡を示す図である。図６は、第３実施形態に係る形状測定装置１Ａによるレンズ１０の形状測定方法を示すフローチャートである。

第３実施形態に係る形状測定装置１Ｂは、プローブ走査軌跡の作成方法が第１実施形態と相違する。そのため、第３実施形態においては、第１実施形態と異なる点、すなわち、プローブ走査軌跡の作成方法を中心に説明し、第１実施形態に係る形状測定装置１と同様の構成のものについては、同じ符号を付してその説明を省略する。

図６に示すように、第３実施形態に係る形状測定装置１Ｂは、まず、球面原器１２を走査する図５（ｂ）に示す球面原器測定用走査軌跡１６を設定する（ステップＳＴ２１）。球面原器測定用走査軌跡１６が設定されると、次に、球面原器測定用走査軌跡１６に基づいて球面原器１２を走査した場合の、プローブ球２３ｃ上の接触軌跡となる図５（ａ）に示すプローブ走査軌跡１７を作成する（走査軌跡作成工程、ステップＳＴ２２）。プローブ走査軌跡１７が作成されると、次に、プローブ走査軌跡１７を接触させながらレンズ１０を走査した場合の接触軌跡である図５（ｃ）に示すレンズ測定用走査軌跡１８を作成する（走査軌跡作成工程、ステップＳＴ２３）。

ステップ２４からステップＳＴ２７は、第１実施形態のステップＳＴ４からステップＳＴ７と同様であるため、ここではその説明は省略する。

以上説明したように、第３実施形態に形状測定装置１Ｂは、球面原器１２を走査する球面原器測定用走査軌跡１６を設定し、球面原器測定用走査軌跡１６に基づいてプローブ走査軌跡１７を作成する。第３実施形態に形状測定装置１Ｂのように、球面原器１２を走査する球面原器測定用走査軌跡１６に基づいてプローブ走査軌跡１７を作成した場合においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

１、１Ａ、１Ｂ形状測定装置（３次元形状測定装置）
２プローブ移動機構
３プローブ制御部
４データ処理部
１０レンズ（被測定物）
１２球面原器
１３レンズ測定用走査軌跡（走査軌跡）
１４プローブ走査軌跡
１５球面原器測定用走査軌跡
２０ＸＹ軸ステージ（プローブ駆動手段）
２３プローブ
２３ｃプローブ球（先端曲面）
３０走査軌跡生成部（走査軌跡作成手段）
４０ａ第１測定データ保存部（第１測定データ取得手段）
４０ｂ第２測定データ保存部（第２測定データ取得手段）
４１校正データ処理部（構成データ取得手段）
４２校正部（形状データ取得手段）

Claims

プローブの先端曲面で被測定物の表面を走査して、前記被測定物の３次元形状データを取得する３次元形状測定装置において、
前記プローブを駆動するプローブ駆動手段と、
前記プローブの先端曲面において、走査時にプローブが走査対象と接触する前記プローブ先端上の接触軌跡点列が構成するプローブ走査軌跡を作成する走査軌跡作成手段と、
前記プローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を校正用の球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得する第１測定データ取得手段と、
前記第１測定データと前記球面原器のデータとの差分から、前記プローブ走査軌跡における前記プローブの先端曲面の校正データを取得する校正データ取得手段と、
前記プローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記被測定物と接触させつつ前記被測定物を走査し、前記被測定物の第２測定データを取得する第２測定データ取得手段と、
前記第２測定データを前記校正データで補正して、前記被測定物の３次元形状データを取得する形状データ取得手段と、を備え、
前記第１測定データ取得手段により前記球面原器を走査する際と、前記第２測定データ取得手段により前記被測定物を走査する際と、で、前記プローブの先端曲面上の同じ接触軌跡点列上の接触点が、前記被測定物、前記球面原器のそれぞれに対して接触するよう前記プローブ駆動手段が制御される、
ことを特徴とする３次元形状測定装置。
前記走査軌跡作成手段は、前記被測定物を走査する際の測定用走査軌跡を設定し、前記被測定物の設計データと前記プローブの先端曲面の設計データとから、設定された前記測定用走査軌跡で前記プローブの先端曲面と前記被測定物とが接触する接触軌跡を前記プローブ走査軌跡として作成し、前記第１測定データ取得手段は、作成した前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
前記走査軌跡作成手段は、前記被測定物を走査する際の測定用走査軌跡を設定し、前記被測定物を予め測定した測定データから、設定された前記測定用走査軌跡で前記プローブの先端曲面と前記被測定物とが接触する接触軌跡を前記プローブ走査軌跡として作成し、前記第１測定データ取得手段は、作成した前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
前記走査軌跡作成手段は、前記球面原器を走査する際の測定用走査軌跡を設定し、前記球面原器の設計データと前記プローブの先端曲面の設計データとから、設定された前記測定用走査軌跡で前記プローブの先端曲面と前記球面原器とが接触する接触軌跡をプローブ走査軌跡として作成し、前記第２測定データ取得手段は、作成した前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記球面原器と接触させつつ前記被測定物を走査し、前記被測定物の第２測定データを取得することを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
前記プローブにより走査される前記球面原器、および前記被測定物の各々の形状が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の３次元形状測定装置。
プローブの先端曲面で被測定物の表面を走査して、前記被測定物の３次元形状データを取得する３次元形状測定方法において、
前記プローブの先端曲面において、走査時にプローブが走査対象と接触する前記プローブ先端上の接触軌跡点列が構成するプローブ走査軌跡を作成する走査軌跡作成工程と、
前記プローブを駆動するプローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を校正用の球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得する第１測定データ取得工程と、
前記第１測定データと前記球面原器のデータとの差分から、前記プローブ走査軌跡における前記プローブの先端曲面の校正データを取得する校正データ取得工程と、
前記プローブ駆動手段で前記プローブを駆動して、前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記被測定物と接触させつつ前記被測定物を走査し、前記被測定物の第２測定データを取得する第２測定データ取得工程と、
前記第２測定データを前記校正データで補正して、前記被測定物の３次元形状データを取得する形状データ取得工程と、を備え、
前記第１測定データ取得工程により前記球面原器を走査する際と、前記第２測定データ取得工程により前記被測定物を走査する際と、で、前記プローブの先端曲面上の同じ接触軌跡点列上の接触点が、前記被測定物、前記球面原器のそれぞれに対して接触するよう前記プローブ駆動手段が制御される、
ことを特徴とする３次元形状測定方法。
前記走査軌跡作成工程は、前記被測定物を走査する際の測定用走査軌跡を設定し、前記被測定物の設計データと前記プローブの先端曲面の設計データとから、設定された前記測定用走査軌跡で前記プローブの先端曲面と前記被測定物とが接触する接触軌跡を前記プローブ走査軌跡として作成し、前記第１測定データ取得工程は、作成した前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定方法。
前記走査軌跡作成工程は、前記被測定物を走査する際の測定用走査軌跡を設定し、前記被測定物を予め測定した測定データから、設定された前記測定用走査軌跡で前記プローブの先端曲面と前記被測定物とが接触する接触軌跡を前記プローブ走査軌跡として作成し、前記第１測定データ取得工程は、作成した前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記球面原器と接触させつつ前記球面原器を走査し、前記球面原器の第１測定データを取得することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定方法。
前記走査軌跡作成工程は、前記球面原器を走査する際の測定用走査軌跡を設定し、前記球面原器の設計データと前記プローブの先端曲面の設計データとから、設定された前記測定用走査軌跡で前記プローブの先端曲面と前記球面原器とが接触する接触軌跡をプローブ走査軌跡として作成し、前記第２測定データ取得工程は、作成した前記プローブ走査軌跡の前記接触軌跡点列上の接触点を前記球面原器と接触させつつ前記被測定物を走査し、前記被測定物の第２測定データを取得することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定方法。
前記プローブにより走査される前記球面原器、および前記被測定物の各々の形状が互いに異なることを特徴とする請求項６に記載の３次元形状測定方法。