JPH09203623A - 形状測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 直線走査による直交座標測定においても、フ
ォーカスがはずれたときに、被測定物との衝突を防ぎ、
フォーカス引き込み範囲に復帰可能とする。 【解決手段】 光学式変位計を非接触プローブ２として
備え、該非接触プローブ２を被測定物１の表面に沿って
走査させて、被測定物１の表面形状を測定する。非接触
プローブ２の対物レンズを位置信号により制御し、被測
定面からの反射光を受光して被測定面に非接触プローブ
の対物レンズをフォーカス状態に引き込み、引き込んだ
フォーカス状態を維持する。非接触プローブと被測定面
を一定距離に保ち、非接触プローフを被測定物表面に沿
って走査させ、フォーカス引き込み状態にあるかどうか
を判断する。フォーカス状態判別信号に基づいて、フォ
ーカス制御を切り替え、走査速度を変化させ、フォーカ
スはずれによる非接触プローブの暴走や、被測定物との
衝突の危険性を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、形状測定装置及び
方法に係り、より詳細には、レンズ，ミラー等の光学素
子の形状測定、特に、非球面形状の測定装置及び方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、非球面レンズ等の面形状測定方法
としては、接触式プローブにより被測定物表面を走査
し、プローブの移動量により被測定物の形状を求める方
法が一般的であるが、この測定方法によると、被測定物
の表面に傷がつくという問題があった。そのため、被測
定物の表面の損傷が問題となるような測定の場合は、非
接触プローブを用いた非接触式測定方法が用いられるよ
うになってきている。この非接触測定方法は、非接触プ
ローブに設けられた物対レンズを被測定物の表面にフォ
ーカシングさせ、被測定面を走査し、物対レンズの移動
量から面形状を測定するものである。

【０００３】上述のごとき非接触測定方法において、被
測定面上にゴミや傷等があると、光が散乱し、受光され
る反射光が減少し、フォーカスはずれとなり、フォーカ
ス状態判別動作が不能となる場合が生じる。これは、形
状測定が不能になるだけでなく、非接触プローブが被測
定物に衝突してしまうなどの危険性が生じ、また、走査
方向へ移動した結果、被測定面上に傷，ゴミ等のない状
態になっても、フォーカス状態に復帰することができ
ず、測定を続行することが不可能になるなどの問題があ
った。

【０００４】そこで、特開昭６３−２２３５１３号公報
記載の発明では、フォーカス引き込み範囲をはずれたと
き、自動的に位置決めサーボ機構ループに切り替え、オ
ートフォーカス顕微鏡をその位置にロックし、これによ
り、対物レンズの焦点位置を、傷，ゴミ等を通過する直
前の位置にロックし、この状態で、非接触式プローブを
走査し、傷，ゴミ等を通過した時点で、再び、フォーカ
ス引き込み範囲に復し、これを検知することにより、自
動的にオートフォーカシングサーボ機構ループに復帰さ
せている。また、フォーカス状態判別は、受光素子の信
号が受光素子の中心付近にあることによって、フォーカ
ス状態を判別している。

【０００５】また、特開平３−１１０４０６号公報記載
の発明では、フォーカス引き込み範囲を越えるような段
差によりフォーカスがはずれた場合を想定し、フォーカ
スがはずれたときに位置制御系に切り替え、その位置を
保持し、対物レンズを上下してフォーカス引き込み範囲
を探し、フォーカス位置に復帰するようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、フォー
カスがはずれた時に、フオーカス引き込み範囲に復帰さ
せる場合において、特開昭６３−２２３５１３号公報の
発明では、対物レンズの焦点位置を傷，ゴミ等を通過す
る直前の位置にロックし、この状態で、非接触式プロー
ブを走査し、傷，ゴミ等を通過した時点で、再び、フォ
ーカス引き込み範囲に復している。これは、旋回走査に
よる極座標測定であるから、微小走査範囲においては、
被測定面のフォーカス方向における変位は微小であり、
無視できるためである。

【０００７】一方、直線走査による直交座標測定におい
ては、微小走査範囲における被測定面のフォーカス方向
における変位は微小ではなく、無視できない。従って、
特開昭６３−２２３５１３号公報に記載の発明のよう
に、対物レンズをフォーカスがはずれる直前の位置に保
持して、微少量走査方向に移動しても、フォーカス状態
に復帰できるとは限らない。

【０００８】また、特開平３−１１０４０６号公報に記
載の発明では、フォーカス引き込み範囲を越えるような
段差によりフォーカスがはずれた場合を想定し、フォー
カスがはずれたときに位置制御系に切り替え、その位置
を保持し、対物レンズを上下してフォーカス引き込み範
囲を探し、フォーカス位置に復帰するようにしている
が、段差のエッジを通過する際、エッジで光が散乱し、
反射光が減少してしまうので、エッジ上でフォーカス引
き込み範囲に復帰することは不可能である。

【０００９】請求項１及び２の発明は、上記の問題点を
鑑み、直線走査による直交座標測定においても、フォー
カスがはずれたときに、被測定物との衝突を防ぎ、フォ
ーカス引き込み範囲に復帰することが可能な形状測定装
置及び形状測定方法を提供することを目的としてなされ
たものである。

【００１０】また、被測定表面の傷やゴミ，段差による
フォーカスはずれ以外にも、振動等の外乱、或いは、走
査開始位置の誤差による終了位置のずれなど、被測定物
に起因しない原因により、フォーカスがはずれることが
あり、フォーカス状態復帰動作を行っても、フォーカス
引き込み範囲に復帰できない場合がある。このような場
合、暴走を防ぐため、測定を停止するが、その際、再
度、測定し直さなければならず、時間や労力がかかって
いた。

【００１１】請求項３の発明は、フォーカス状態復帰動
作を行っても、フォーカス引き込み範囲に復帰できなか
った場合、それまでの形状測定データを無駄にすること
なく利用することのできる形状測定装置を提供すること
を目的としてなされたものである。

【００１２】また、フォーカス状態判別手段に関し、旋
回走査による極座標測定では、走査方向における被測定
面の傾きの変化が小さく、反射光の受光量の変化も小さ
いため、受光量によってフォーカス状態を判別してい
る。しかし、直線走査による直交座標測定では、走査方
向における被測定面の傾きが変化し、反射光の受光量の
変化も無視できず、受光量によってフォーカス状態を判
別することは不可能である。

【００１３】請求項４の発明は、直線走査による直交座
標測定においても有効な、フォーカス状態判別手段を提
供することを目的としてなされたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光学
式変位計を非接触プローブとして備え、該非接触プロー
ブを被測定物の表面に沿って走査させて、該被測定物の
表面形状を測定するプローブ走査式形状測定装置におい
て、前記非接触プローブの対物レンズを位置信号により
制御する第一の制御手段と、被測定物の表面からの反射
光を受光して被測定表面に前記非接触プローブの対物レ
ンズをフォーカス状態に引き込み、引き込んだフォーカ
ス状態を維持し、前記非接触プローブと被測定表面を一
定距離に保つ第二のフォーカス追従制御手段と、前記非
接触プローフを被測定物の表面に沿って走査させる手段
と、フォーカス引き込み状態にあるかどうかを判断する
フォーカス状態判別手段とを有し、フォーカス状態判別
信号に基づいて前記第一及び第二の２つの制御手段を切
り替える手段と、走査速度を変化させる手段とを有する
ことを特徴とするものである。

【００１５】請求項２の発明は、光学式変位計を非接触
プローブとして備え、該非接触プローブを被測定物の表
面に沿って走査させて、該被測定物の表面形状を測定す
るプローブ走査式形状測定方法において、前記非接触プ
ローブの対物レンズを位置信号により制御する第一の制
御手段と、被測定物の表面からの反射光を受光して被測
定表面に前記非接触プローブの対物レンズをフォーカス
状態に引き込み、引き込んだフォーカス状態を維持し、
前記非接触プローブと被測定表面を一定距離に保つ第二
のフォーカス追従制御手段と、前記非接触プローフを被
測定物の表面に沿って走査させる手段と、フォーカス引
き込み状態にあるかどうかを判断するフォーカス状態判
別手段とを有し、フォーカス状態判別信号に基づいて前
記２つの制御手段を切り替えて走査速度を変化させる形
状測定方法において、前記フォーカス状態判別信号に基
づいて、フォーカスはずれ信号を検知した場合は、非接
触プローブをフォーカスがはずれる直前の位置に維持
し、走査方向に微少距離移動した点において、前記対物
レンズをフォーカス方向に前後させて、再度フォーカス
引き込み動作を実行し、フォーカス引き込み状態に復帰
させることを特徴とするものである。

【００１６】請求項３の発明は、請求項１に記載の形状
測定装置において、前記フォーカスがはずれた位置を記
憶する手段，フォーカスがはずれるまでの形状測定デー
タを記憶する手段，エラー信号を発生する手段のうちい
ずれかを備えたことを特徴とするものである。

【００１７】請求項４の発明は、請求項１に記載の形状
測定装置において、前記フォーカス引き込み状態にある
かどうかを判別するフォーカス状態判別手段は、受光素
子の受光量の変化率に基づいてフォーカス状態を判別す
ることを特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例を説明
するための概略構成図（図１（Ａ）は平面図、図１
（Ｂ）は側面図）で、図中、１は被測定物、２は非接触
プローブで、該非接触プローブ２は、ここでは、Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸の３軸（３，４，５）とし、被測定物１と非接
触プローブ２は水平に配置されている。従って、Ｙ軸方
向がフォーカス方向であり、Ｘ、或いは、Ｚ方向に走査
する。他に、被測定物１と非接触プローブ２を垂直（上
下）に配置し、Ｚ方向をフォーカス方向とし、Ｘ，Ｙ方
向に走査してもかまわない。また、フォーカス方向と１
走査方向の２軸でもかまわない。なお、６は被測定物１
の取付治具である。

【００１９】非接触プローブ２の変位に対する応答は、
図２に示すようなＳ字カーブを描き、ｂがフォーカス引
き込み範囲であり、ゼロクロス点ａがフォーカ状態であ
る。被測定物の形状を測定するにあたり、位置制御によ
り、フォーカス引き込み範囲近傍に非接触プローブを設
定し、フォーカス追従制御に切り替える。この状態で走
査を開始する。それにより、非接触プローブの位置変化
と、フォーカス信号とにより形状を測定する。

【００２０】上述のように、測定中或いはその他いかな
る場合においても、フォーカス追従制御を行いつつ、走
査方向へ非接触プローブを移動させているとき、被測定
面上に傷，ゴミ或いは段差等何らかの影響により、図２
に示すフォーカス引き込み範囲をはずれた場合の処理フ
ローを図３に示す。

【００２１】図３及び図４により説明する。今、図４の
被測定面１のｃ点でフォーカスエラーが発生したとする
と、非接触プローブ２のフォーカス追従制御はフォーカ
スはずれ信号を出力し（Ｓ１）、フォーカス追従制御を
位置制御に切り替え（Ｓ３）、非接触プローブ２は、現
在位置を維持する（Ｒｃ）。これにより、非接触プロー
ブ２がフォーカスを失って暴走し、被測定物に衝突する
危険性を防止している。走査方向は、フォーカスはずれ
信号を受けて、走査を一時停止（Ｓ２）する（Ｘｃ）。

【００２２】フォーカス位置を維持した状態（Ｓ４）
で、走査方向に微少量（ΔＸ）移動（Ｓ５）させる（Ｘ
ｄ）。この点において、フォーカス方向の変化量ΔＲは
無視できないので、再度フォーカス状態引き込み動作を
行（Ｓ６）う。フォーカス方向の変化量ΔＲは無視でき
ないが微少であるため、非接触プローブはフォーカス引
き込み範囲の近傍に位置しているので、フォーカス方向
に変動させることにより、容易にフォーカス状態に設定
（Ｓ７）できる（Ｒｄ）。

【００２３】上述は一例で、走査方向は停止せず、所定
量（微少量）移動した後停止してもよく、また、減速し
所定量移動した後、フォーカス引き込み可能な低速度と
してもよい。上述のように、フォーカス状態に復帰可能
であれば、フォーカス状態に復帰したことにより、測定
モードに戻り（Ｓ８）、走査しながらフォーカス追従制
御し形状測定を行う。

【００２４】（請求項３の発明）上述のように、フォー
カス状態復帰動作を実行しても、フォーカス状態に復帰
不可能な場合が生じる。その場合は、測定続行は不可能
であり、エラー信号（フォーカスはずれ信号とは異な
る）を出力し（Ｓ１０）、非接触プローブ（フォーカス
方向）をロックする（Ｓ１１）。走査方向のコントロー
ラはエラー信号を受けて、走査方向もロック（Ｓ１２）
すると同時に、フォーカスがはずれる直前の走査方向の
位置、及び、測定データを記憶し保存する（Ｓ１３，Ｓ
１４）。形状測定装置としては、この状態で待機（初期
状態）となる（Ｓ１５）。再度、同一の被測定物を測定
する場合、保存した位置に非接触プローブを移動し、そ
の点から計測を再開する。これにより、フォーカスがは
ずれるまでの測定データを有効に利用することができ
る。

【００２５】（請求項４の発明）次に、上述のフォーカ
ス状態判別手段について説明する。図５は、非接触プロ
ーブの変位に対する応答と受光量の関係を示す図で、非
接触プローブの変位に対する応答ｅに対し、受光量は、
対物レンズと被測定面が垂直な場合ｆに対し、傾きｇが
ある場合は少なくなっている。よって、旋回走査による
極座標測定では走査方向における被測定面の傾きは小さ
く、ほぼ垂直なので、受光量の変化は小さく、受光量に
対してスレッショルドｈを設けてフォーカス状態を判別
している。しかし、直線走査による直交座標測定では、
走査方向における傾きは変化し、反射光の受光量の変化
も無視できないので、受光量によってフォーカス状態を
判別することは不可能である。そのため、測定時に受光
量の変化率を求め、受光量の変化率の所定の値をスレッ
ショルドとして設け、フォーカス状態を判別する。

【００２６】

【発明の効果】請求項１の発明によると、光学式変位計
を非接触プローブとして備え、該非接触プローブを被測
定物の表面に沿って走査させて、該被測定物の表面形状
を測定するプローブ走査式形状測定装置において、前記
非接触プローブの対物レンズを位置信号により制御する
第一の制御手段と、被測定物の表面からの反射光を受光
して被測定表面に前記非接触プローブの対物レンズをフ
ォーカス状態に引き込み、引き込んだフォーカス状態を
維持し、前記非接触プローブと被測定表面を一定距離に
保つ第二のフォーカス追従制御手段と、前記非接触プロ
ーフを被測定物の表面に沿って走査させる手段と、フォ
ーカス引き込み状態にあるかどうかを判断するフォーカ
ス状態判別手段とを有し、フォーカス状態判別信号に基
づいて前記第一及び第二の２つの制御手段を切り替える
手段と、走査速度を変化させる手段とを有することを特
徴とし、フォーカス状態判別信号に基づいて、フォーカ
ス制御を切り替えて走査速度を変化させているので、フ
ォーカスはずれによる非接触プローブの暴走や、被測定
物との衝突の危険性を防止でき、かつ、走査方向の微少
な変動に対するフォーカス方向の変動を無視できない直
線走査による直交座標測定においても、フォーカス状態
に復帰でき、測定を続行することができる。また、段差
などにより、フォーカスがはずれた場合にも、そのエッ
ジによる光の散乱の影響を回避することができ、フォー
カス状態に復帰でき、測定を続行することができる。

【００２７】請求項２の発明によると、光学式変位計を
非接触プローブとして備え、該非接触プローブを被測定
物の表面に沿って走査させて、該被測定物の表面形状を
測定するプローブ走査式形状測定方法において、前記非
接触プローブの対物レンズを位置信号により制御する第
一の制御手段と、被測定物の表面からの反射光を受光し
て被測定表面に前記非接触プローブの対物レンズをフォ
ーカス状態に引き込み、引き込んだフォーカス状態を維
持し、前記非接触プローブと被測定表面を一定距離に保
つ第二のフォーカス追従制御手段と、前記非接触プロー
フを被測定物の表面に沿って走査させる手段と、フォー
カス引き込み状態にあるかどうかを判断するフォーカス
状態判別手段とを有し、フォーカス状態判別信号に基づ
いて前記２つの制御手段を切り替えて走査速度を変化さ
せる形状測定方法において、前記フォーカス状態判別信
号に基づいて、フォーカスはずれ信号を検知した場合
は、非接触プローブをフォーカスがはずれる直前の位置
に維持し、走査方向に微少距離移動した点において、前
記対物レンズをフォーカス方向に前後させて、再度フォ
ーカス引き込み動作を実行し、フォーカス引き込み状態
に復帰させることを特徴とし、フォーカス判別信号に基
づいて、フォーカスはずれ信号を検知した場合は、非接
触プローブをフォーカスがはずれる直前の位置に維持
し、走査方向に微少距離移動した点において、対物レン
ズをフォーカス方向に前後させて、再度フォーカス引き
込み動作を実行し、フォーカス引き込み状態に復帰させ
ているので、フォーカスはずれによる非接触プローブの
暴走や、被測定物との衝突の危険性を防止でき、かつ、
走査方向の微少な変動に対するフォーカス方向の変動を
無視できない直線走査による直交座標測定においても、
フォーカス状態に復帰でき、測定を続行することができ
る。また、段差などにより、フォーカスがはずれた場合
にも、そのエッジによる光の散乱の影響を回避すること
ができ、フォーカス状態に復帰でき、測定を続行するこ
とができる。

【００２８】請求項３の発明によると、請求項１記載の
形状測定装置において、フォーカスがはずれた位置を記
憶する手段、及び、フォーカスがはずれるまでの形状測
定データを記憶する手段，エラー信号を発生する手段の
うちいずれかを備えているので、フォーカス状態復帰動
作を行っても、フォーカス状態に復帰できないエラーの
場合、同一の被測定物を測定し直す場合にも、エラーの
生じた位置までの測定データが保存されているので、エ
ラーの生じた位置に非接触プローブを移動し、そこから
計測を開始すればよく、フォーカスがはずれるまでの測
定データを有効に利用でき、時間の短縮が図れる。

【００２９】請求項４の発明によると、請求項１記載の
形状測定装置において、フォーカス引き込み状態にある
かどうかを判別するのに、受光素子の受光量の変化率に
基づいてフォーカス状態を判別しているので、走査方向
における被測定面の傾きが変化し、反射光の受光量の変
化が無視できない直線走査による直交座標測定において
も、フォーカス状態を判別することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を説明するための要部概略
構成図である。

【図２】 非接触プローブの変位に対する応答を示す図
である。

【図３】 フォーカス引き込み範囲をはずれた場合の処
理のフロー図である。

【図４】 本発明の動作原理を説明するための要部詳細
図である。

【図５】 非接触プローブの変位に対する応答と受光量
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１…被測定物、２…非接触プローブ、３，４，５…軸、
６…被測定物取付治具。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学式変位計を非接触プローブとして備
   え、該非接触プローブを被測定物の表面に沿って走査さ
   せて、該被測定物の表面形状を測定するプローブ走査式
   形状測定装置において、前記非接触プローブの対物レン
   ズを位置信号により制御する第一の制御手段と、被測定
   物の表面からの反射光を受光して被測定表面に前記非接
   触プローブの対物レンズをフォーカス状態に引き込み、
   引き込んだフォーカス状態を維持し、前記非接触プロー
   ブと被測定表面を一定距離に保つ第二のフォーカス追従
   制御手段と、前記非接触プローフを被測定物の表面に沿
   って走査させる手段と、フォーカス引き込み状態にある
   かどうかを判断するフォーカス状態判別手段とを有し、
   フォーカス状態判別信号に基づいて前記第一及び第二の
   ２つの制御手段を切り替える手段と、走査速度を変化さ
   せる手段とを有することを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 光学式変位計を非接触プローブとして備
   え、該非接触プローブを被測定物の表面に沿って走査さ
   せて、該被測定物の表面形状を測定するプローブ走査式
   形状測定方法において、前記非接触プローブの対物レン
   ズを位置信号により制御する第一の制御手段と、被測定
   物の表面からの反射光を受光して被測定表面に前記非接
   触プローブの対物レンズをフォーカス状態に引き込み、
   引き込んだフォーカス状態を維持し、前記非接触プロー
   ブと被測定表面を一定距離に保つ第二のフォーカス追従
   制御手段と、前記非接触プローフを被測定物の表面に沿
   って走査させる手段と、フォーカス引き込み状態にある
   かどうかを判断するフォーカス状態判別手段とを有し、
   フォーカス状態判別信号に基づいて前記２つの制御手段
   を切り替えて走査速度を変化させる形状測定方法におい
   て、前記フォーカス状態判別信号に基づいて、フォーカ
   スはずれ信号を検知した場合は、非接触プローブをフォ
   ーカスがはずれる直前の位置に維持し、走査方向に微少
   距離移動した点において、前記対物レンズをフォーカス
   方向に前後させて、再度フォーカス引き込み動作を実行
   し、フォーカス引き込み状態に復帰させることを特徴と
   する形状測定方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載の形状測定装置において、
   前記フォーカスがはずれた位置を記憶する手段，フォー
   カスがはずれるまでの形状測定データを記憶する手段，
   エラー信号を発生する手段のうちいずれかを備えたこと
   を特徴とする形状測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の形状測定装置において、
   前記フォーカス引き込み状態にあるかどうかを判別する
   フォーカス状態判別手段は、受光素子の受光量の変化率
   に基づいてフォーカス状態を判別することを特徴とする
   形状測定装置。