JPH11183160A

JPH11183160A - 形状計測装置および形状計測方法

Info

Publication number: JPH11183160A
Application number: JP35659797A
Authority: JP
Inventors: Ayumi Hirono; 歩広野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】被測定物の自由曲面を含む複雑な３次元形状
を導体か不導体かによらず高精度かつ簡便に計測可能な
形状計測装置および形状計測方法を提供する。【解決手段】被測定物４をＸ−Ｙ−Ｚステージ６によ
って鉛直方向Ｚに移動させると、被測定物４と触針７Ａ
の先端部７ｄとが接触し、触針７Ａがたわむ。画像処理
部は、光学顕微鏡９が撮像した触針７Ａの画像に基づい
て接触を検知する。全体制御部は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ
６を制御して被測定物４の表面を鉛直方向Ｚおよび水平
方向Ｘ，Ｙに走査し、画像処理部による接触検知に基づ
いて被測定物４の表面の３次元座標を取得する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクジェットプ
リンタや光通信における伝送デバイス等で求められてい
るような微細かつ３次元の形状に創成された部品の表面
形状を高速に自動計測する形状計測装置および形状計測
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各家庭に光ファイバーが敷設される高度
情報化社会の到来を目前に控え、画像出力機器や光通信
に用いられる機能部品には、ますます高解像度化、高密
度化が要求されており、その寸法はμｍ単位の微細なも
のが求められ、その形状は自由曲面を含む３次元形状が
求められている。例えば、画像出力機器の一つにインク
ジェットプリンタがあるが、それに用いられるマーキン
グヘッドのノズルでは、ピッチ間隔や直径は１０〜１０
０μｍであり、その形状はインクの吐出原理に応じて直
線形状の組合せから自由曲面を含む複雑な形状まで様々
な形状が提案されている。すなわち、１０〜１００μｍ
で自由曲面を含む３次元微細形状のものが求められてい
る。このような３次元微細形状のものは、生産性の点か
ら成型による加工が多く、一般に、不導体である樹脂材
料がよく用いられる。

【０００３】この３次元微細形状を計測する装置および
方法には、従来より次の計測技術が用いられている。 (1) 反射光を用いた計測技術 (2) 触針を用いた計測技術

【０００４】(1) 反射光を用いた計測技術この反射光を用いた計測技術には、例えば、共焦点の原
理によるものと、非点収差法によるものとがある。

【０００５】共焦点の原理によるものとしては、例え
ば、特開平７−１１３６１７号公報に示されるものがあ
る。この技術は、共焦点の原理によりセンサ面から測定
対象までの距離を測り、センサ自体を２次元の平面内で
走査することにより３次元形状の情報を得るものであ
り、レーザービーム光を測定対象に投光し、対物レンズ
を通して受光センサに受光し、受光センサ前面にピンホ
ールを設置して焦点位置からの反射光だけが通過するよ
うにして焦点位置を検出する。この技術によれば、対物
レンズを高速に振動させ焦点位置を変えることで測定対
象までの距離を測ることができる。

【０００６】非点収差法によるものは、非点収差法によ
り焦点位置を検出し、センサ自体を２次元の平面内で走
査することにより３次元形状の情報を得るものである。
この技術は、投光したレーザービーム光の反射光を対物
レンズで集光し、円筒レンズを通して４分割受光素子か
らなるセンサで受光する。合焦点からの反射光であれば
４つの受光素子に均等に受光するが、前焦点位置と後焦
点位置では受光素子への受光比率が異なってくる。前焦
点と後焦点の情報を基にセンサを移動することにより合
焦点位置に位置制御することができる。

【０００７】(2) 触針を用いた計測技術触針を用いた計測技術としては、例えば、特開平５ー２
６４２１５号公報および特開平８ー２４７７４３号公報
に示されるものがあり、また、走査型原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）を用いるものが知られている。

【０００８】特開平５ー２６４２１５号公報に示された
従来例は、微細な触針を振動させ、接触面との導通時間
の比率から位置を検知するものである。この従来例によ
れば、細くて深い溝の壁面形状を知ることができる。

【０００９】特開平８ー２４７７４３号公報に示された
従来例は、光路媒体を触針として光量変化、周波数変
化、偏光成分変化を捉えて接触を検知するものである。
この従来例によれば、不導体の表面形状を測定すること
ができる。

【００１０】ＡＦＭを用いた従来例は、微小な探針を用
い、この探針を表面に鉛直方向から接近させ、この接近
させた時に発生する原子間力により探針をたわませ、こ
のたわみをＡＦＭによって光学的に検知するものであ
る。探針は、主に半導体プロセスを用いて製作される。
この従来例によれば、半導体や数μｍ以下の光学部品の
微小表面形状を測定することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記(1) の反
射光を用いた従来例によると、平面やなだらかな凸部の
傾斜面では反射光が受光素子に戻って計測可能である
が、切り立った傾斜面や溝のエッジ端部等深さ方向に傾
きを持つ面では、ビーム光が戻らず計測できないという
問題がある。

【００１２】また、上記(2) の触針を用いた従来例によ
ると、以下の問題がある。特開平５ー２６４２１５号公
報に示された従来例によると、水平な面の測定や、不導
体の測定ができず、微小な隙間に電圧を印加して発生す
る高電界による静電吸着の問題がある。特開平８ー２４
７７４３号公報に示された従来例によると、光路媒体を
形成するのに市販の最細のシングルモード光ファイバを
用いても直径１００μｍ程度であるので、数十μｍ程度
の微細構造の表面形状の測定は困難である。ＡＦＭを用
いた従来例によると、原子間力による探針のたわみを利
用しているので、急傾斜面に対して鉛直方向から接近さ
せると、静電力等の表面力によって探針が傾斜面に引き
寄せられるため、急傾斜面で十分な分解能が得られない
という問題がある。また、探針を半導体プロセスによっ
て製作したのでは、数十μｍの深い細溝の内面が測れる
まで探針先端部分を長く製作することは困難である。

【００１３】すなわち、上記従来例によると、不導体を
含む数μｍから１００μｍ程度の微細形状物の表面形状
で、溝の側壁等の急傾斜角を含みアスペクト比の高い形
状の測定に対しては、反射光を用いる方法ではビーム光
が戻らない、触針式の方法では、物理的に測定対称物と
干渉したり、逆に到達できない、もしくは接触したこと
を検知できない、十分な分解能が得られない等の問題が
あり、実用的な方法が示されていないのが現状である。

【００１４】従って、本発明の目的は、被測定物の自由
曲面を含む複雑な３次元形状を導体か不導体かによらず
高精度かつ簡便に計測可能な形状計測装置および形状計
測方法を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、先端が所定の方向に折曲された弾性を有す
る触針と、被測定物を前記触針に対して前記所定の方向
に対応する主走査方向に相対的に移動させて前記触針と
の間で接離動作を行う主走査手段と、前記主走査手段の
前記接離動作によって前記触針の前記先端が前記被測定
物の表面に接触して発生する前記触針のたわみを検出す
るたわみ検出手段と、前記被測定物を前記触針に対して
前記主走査方向に直交する副走査方向に相対的に移動さ
せる副走査手段と、前記主走査手段および前記副走査手
段を制御して前記被測定物を前記触針に対して相対的に
移動させることにより前記被測定物の表面を前記主走査
方向に走査するとともに、所定の走査幅で前記副走査方
向に走査し、前記たわみ検出手段の検出に基づいて前記
被測定物の表面の３次元座標を取得する制御手段とを備
えたことを特徴とする形状計測装置を提供する。本発明
は、上記目的を達成するため、先端が所定の方向に折曲
された弾性を有する触針と、前記触針の近傍に配置さ
れ、振動による挙動が前記触針と同程度の挙動を示す疑
似触針と、被測定物を前記触針に対して前記所定の方向
に対応する主走査方向に相対的に移動させて前記触針と
の間で接離動作を行う主走査手段と、前記触針のたわみ
および前記疑似触針のたわみを検出するたわみ検出手段
と、前記たわみ検出手段が検出した前記触針のたわみお
よび前記疑似触針のたわみに基づいて、前記触針の前記
先端が前記被測定物の表面に接触して発生する前記触針
のたわみを判定する判定手段と、前記被測定物を前記触
針に対して前記主走査方向に直交する副走査方向に相対
的に移動させる副走査手段と、前記主走査手段および前
記副走査手段を制御して前記被測定物を前記触針に対し
て相対的に移動させることにより前記被測定物の表面を
前記主走査方向に走査するとともに、所定の走査幅で前
記副走査方向に走査し、前記判定手段の判定に基づいて
前記被測定物の表面の３次元座標を取得する制御手段と
を備えたことを特徴とする形状計測装置を提供する。本
発明は、上記目的を達成するため、先端が所定の方向に
折曲された弾性を有する触針を準備する第１の工程と、
被測定物を前記触針に対して前記所定の方向に対応する
主走査方向に相対的に移動させて前記触針との間で接離
動作を行う第２の工程と、前記第２の工程の前記接離動
作によって前記触針の前記先端が前記被測定物の表面に
接触して発生する前記触針のたわみを検出する第３の工
程と、前記被測定物を前記触針に対して前記主走査方向
に直交する副走査方向に相対的に移動させる第４の工程
と、前記第２の工程、前記第３の工程および前記第４の
工程を繰り返して前記被測定物の表面を前記主走査方向
に走査するとともに、所定の走査幅で前記副走査方向に
走査し、前記第３の工程で得られた前記たわみに基づい
て前記被測定物の表面の３次元座標を取得する第５の工
程とを含むことを特徴とする形状計測方法を提供する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態に係
る形状計測装置を示す。なお、座標軸を次のように定義
する。鉛直方向をＺ方向、水平方向の幅方向をＸ方向、
水平方向の奥行き方向をＹ方向、Ｘ軸回りの回転をφ方
向、Ｙ軸回りの回転をψ方向とし、それぞれ図示するよ
うに符号を持つ。

【００１７】この形状計測装置１は、空気定盤２を有
し、この空気定盤２上に風よけのボックス３を設け、こ
のボックス３の中に、被測定物４および基準溝形状体５
をＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向に移動させるＸ−Ｙ−Ｚステ
ージ６と、被測定物４に先端部７ｄを当接させる触針７
Ａと、触針７Ａの近傍に触針７Ａと平行に設けられ、先
端部７ｄがない以外は触針７Ａと同一形状を有する擬似
触針７Ｂと、触針７Ａの姿勢を調整する触針姿勢調整部
８Ａと、擬似触針７Ｂの姿勢を調整する疑似触針姿勢調
整部８Ｂと、触針７Ａの曲がり部７ｂの画像を撮像する
光学顕微鏡９と、触針７Ａの先端部７ｄの挙動を側方か
ら観察する観察光学系１０と、触針７Ａの先端部７ｄを
先鋭化する先鋭化部１１とを設けている。ボックス３内
に触針７Ａ等を配置しているので、一定以下の気流の影
響を防ぐことができる。

【００１８】Ｘ−Ｙ−Ｚステージ６は、被測定物４およ
び基準溝形状体５が載置されるステージ上試料台６０
と、ステージ上試料台６０をＸ方向、Ｙ方向およびＺ方
向にそれぞれ移動させるＸ軸ステージ６１、Ｙ軸ステー
ジ６２およびＺ軸ステージ６３とを備え、主走査と副走
査が行えるようになっている。主走査にはＺステージ６
３が用いられ、副走査にはＸ軸ステージ６１とＹ軸ステ
ージ６２が用いられる。Ｘ軸ステージ６１、Ｙ軸ステー
ジ６２およびＺ軸ステージ６３は、それぞれ位置座標を
知るための光学スケールを有している。光学スケール
は、数μｍ程度の微細形状を計測するためには、０．１
μｍ以上の測定分解能を有するものが好ましい。

【００１９】触針７Ａは、いわゆる直線状の片持ちはり
と円弧状の片持ちはりとを組み合せたフィレット状の形
状の片持ちはりからなり、固定端である取付部７ａと、
曲がり部７ｂと、鉛直部７ｃと、解放端である先端部７
ｄとからなる。先端部７ｄは、鉛直方向に先鋭化され
て、先鋭部分７ｅが形成される。

【００２０】ここで、触針７Ａについて更に説明する。
触針１Ａの先端部７ｄを被測定物４に鉛直方向に当接す
ると、被測定物４の表面がわずかに弾性変形する。この
弾性変形により発生する弾性力（荷重）を触針７Ａが受
けて、触針７Ａの曲がり部７ｂで鉛直方向上方にたわみ
が発生する。また、装置１全体が受ける振動や、触針７
Ａ付近での空気流による表面力を受けて、たわみが発生
する。すなわち、触針７Ａは、荷重を受けてたわみが発
生する片持ちはりによるばね部材と考えることができ
る。触針７Ａの直径は細いほど微細形状の被測定物４に
好適である一方、触針７Ａの挙動を光学顕微鏡９の画像
で認識するには直径数μｍ程度が必要となる。

【００２１】触針７Ａの曲がり部７ｂは、長すぎると、
自重で取付部７ａに塑性変形が発生したり、表面積の増
加による気流の影響や空気定盤２でも取りきれない程の
装置１全体が受ける床振動の影響を受け易くなる。ま
た、曲がり部７ｂは、短すぎると、ばねとして硬くなり
被測定物４の表面を損傷するおそれがある。以上のこと
から、曲がり部７ｂの直径を考慮した最適な長さの範囲
は、触針７Ａの直径５０μｍのとき３〜１０ｍｍ、直径
１０μｍのとき２〜５ｍｍ程度である。

【００２２】触針７Ａの鉛直部７ｃは、測定対象の深さ
に応じて長さ５００〜２０００μｍの範囲が好ましい。

【００２３】触針７Ａの先端部７ｄの先鋭化は、曲率半
径０．１μｍ以上が好ましく、更に表面を金蒸着するの
が好ましい。なお、先端部７ｄの先鋭化および金蒸着に
ついては、後述する。

【００２４】本実施の形態では、触針７Ａとして直径１
０μｍの市販のタングステンワイヤを用い、曲がり部７
ｂを半径２ｍｍで折曲し、鉛直部５ｃを長さ５００μｍ
で製作し、先鋭部分７ｅを曲率半径０．１μｍ以上とし
た。また、被測定物４は、軟質金属のアルミニウムから
なるものを対象にした。この結果、被測定物４の表面の
損傷はなく、触針７Ａがたわみ動作することが確認でき
た。

【００２５】擬似触針７Ｂは、上述したように先端部７
ｄがない以外は触針７Ａと同一形状、すなわち、取付部
７ａと、曲がり部７ｂと、鉛直部７ｃとを有するが、擬
似触針７Ｂが被測定物４の表面に接触しないように、鉛
直部７ｃを触針７Ａより短くし、鉛直部７ｃの先端を鋭
角にしている。

【００２６】触針姿勢調整部８Ａは、触針７Ａのφ方向
を調整する回転ステージ８０と、触針７Ａのψ方向を調
整する傾斜ステージ８１とを備え、触針７Ａの鉛直部７
ｃが鉛直方向に一致するよう調整するものである。回転
ステージ８０と傾斜ステージ８１により触針７Ａの姿勢
を調整することにより、予め製作する触針７Ａの製作精
度を緩めることができる、取付けが容易となる、触針７
Ａの衝突等による塑性変形に対して修正が容易になる等
の操作性が向上する。

【００２７】疑似触針姿勢調整部８Ｂは、触針姿勢調整
部８Ａと同様に、疑似触針７Ｂのφ方向を調整する回転
ステージ８０と、疑似触針７Ｂのψ方向を調整する傾斜
ステージ８１とを備え、疑似触針７Ｂの鉛直部７ｃが鉛
直方向に一致し、かつ、擬似触針７Ｂが光学顕微鏡９に
よって撮像される触針７Ａの画像範囲に含まれるように
調整するものである。擬似触針７Ｂは、ばね部材として
は触針７Ａとほぼ同一なので、装置１全体が受ける振動
や、擬似触針７Ｂ付近での空気流に対しては、触針７Ａ
と同様に荷重を受けてたわみが発生する。

【００２８】光学顕微鏡９は、対物レンズ９０を交換す
るレボルバ９１と、ハロゲン光を出射する光源９２と、
顕微鏡筒９３を通して画像を取り込む撮像手段としての
２次元のＣＣＤカメラ９４とからなる。対物レンズ９０
には、測定位置合わせ用の低倍率の対物レンズ９０Ａ
と、接触検知用の高倍率の対物レンズ９０Ｂとがある。
光学顕微鏡９は、触針７Ａのたわみが鉛直方向に発生す
るので、触針７Ａの鉛直方向上方に配置している。触針
７Ａの先端部７ｄが被測定物４の表面に鉛直方向に当接
して鉛直方向に最も変位が現れるのは、曲がり部７ｂで
ある。このため、ＣＣＤカメラ９４が顕微鏡筒９３を通
して取り込む画像は、触針７Ａおよび疑似触針７Ｂの曲
がり部７ｂに観察点が設定される。

【００２９】図２は、先鋭化部１１を示す。先鋭化部１
１は、被測定物４の代わりにステージ試料台６０上に載
置され、電解液１１０を保持する電解保持板１１１と、
先端が電解液１１０に浸漬され、陰極電極となる銅線ワ
イヤ１１２と、接続線１１４ａを介して銅線ワイヤ１１
２と触針姿勢調整部８Ａに取り付けられた触針７Ａとに
数十Ｖまで印加可能な直流電源部１１４とを備える。

【００３０】先鋭化の方法は、いわゆる電解研磨方法で
あり、電気分解により陽極として用いる触針７Ａの先端
部７ｄのエッジ部分に集中して析出し、結果的に円錐状
に細ることを利用する。本実施の形態では、電解液１１
０として０．１規定のＮａＯＨ水溶液を用い、陽極とな
る触針７Ａの先端部７ｄと陰極となる銅線ワイヤ１１２
との間隔を１ｍｍ程度にし、触針７Ａの先端部７ｄと銅
線ワイヤ１１２を深さ約１０μｍまで電解液１１０に浸
漬し、直流電源部１１４によって触針７Ａと銅線ワイヤ
１１２との間に接続線１１４ａを介して３Ｖ程度の直流
電圧を数分間印加した。この結果、直径１０μｍのタン
グステンワイヤである触針７Ａは、先端直径０．１μｍ
程度まで細ることを確認した。

【００３１】このような先鋭化部１１によれば、触針７
Ａの取付部７ａを保持部１１３に取り付けた後、触針７
Ａの先端部７ｄの先鋭化を行うので、着脱による先端部
７ｄの欠け等の破損の危険性が少なくなる。また、先端
部７ｄの先鋭部分７ｅの欠けた箇所の再生、先端部７ｄ
に付着したごみ等の異物の除去も可能である。

【００３２】図３は、本装置１の制御系を示す。この装
置１は、本装置１全体の動作を制御する全体制御部２０
を有し、この全体制御部２０に、光学顕微鏡９のＣＣＤ
カメラ９４によって撮像された画像を処理する画像処理
部２１と、上記Ｘ軸ステージ６１、Ｙ軸ステージ６２お
よびＺ軸ステージ６３を接続している。画像処理部２１
には、フレームメモリ２２、基準テーブル２３および撮
像テーブル２４と、上記ＣＣＤカメラ９４とを接続して
いる。

【００３３】全体制御部２０および画像処理部２１は、
それぞれＣＰＵ、ＲＯＭ，ＲＡＭ等から構成され、全体
制御部２０および画像処理部２１のＲＯＭには、後述す
る図１１に示すようなフローチャートを実行するのに必
要なプログラムが格納されている。画像処理部２１は、
光学顕微鏡９のＣＣＤカメラ９４によって撮像された触
針７Ａおよび疑似触針７Ｂの各画像を複数の部分画像に
分割し、各部分画像毎に合焦度を求め、接触したと判定
した場合は、接触検知信号を全体制御部２０に出力する
ようになっている。基準テーブル２３は、Ｑ行Ｒ列のア
ドレス（Ｑ，Ｒ）が割り付けられ、撮像テーブル２４
は、ｑ行ｒ列のアドレス（ｑ，ｒ）が割り付けられてい
る。

【００３４】次に、本装置１の動作を図面を適宜参照し
て説明する。図１１は、本装置１の動作を示すフローチ
ャートである。本装置１の動作には、測定動作（同図
(a) ）と、校正に関する動作（同図(b) ）とがある。ま
ず、測定動作について説明する。

【００３５】(1) 測定初期化（ＳＴ１）図４(a) ，(b) は、接近動作（ＳＴ２）を説明するため
の図、図５(a) 〜(e)，図６(a) 〜(c) ，図７(a) 〜(c)
は、画像処理部２１の動作を説明するための図であ
る。まず、オペレータは、レボルバ９１を操作して測定
位置合わせ用の対物レンズ９０Ａを選択し、光学顕微鏡
９の画像を観察しながら触針７Ａの先端部７ｄを測定位
置に合わせた後、レボルバ９１を再び操作して接触検知
用の対物レンズ９０Ｂを選択する（ＳＴ１−１）。

【００３６】オペレータが、図示しない起動スイッチを
押下すると、全体制御部２０は、画像処理部２１に合焦
度演算を行わせる（ＳＴ１−２）。すなわち、画像処理
部２１は、光学顕微鏡９のＣＣＤカメラ９４によって撮
像された図５(a) に示すような触針７Ａの画像４０１を
接触前の基準画像としてフレームメモリ２２に取り込
む。続いて、画像処理部２１は、フレームメモリ２２に
取り込んだ画像４０１を、図５(b) に示すように、ｑ行
ｒ列合計Ｌ（Ｌ＝ｑ×ｒ）個のｎ画素×ｍ画素からなる
部分画像４０２に分割し、部分画像４０２毎に合焦度を
求め、図５(c) に示すように、基準テーブル（Ｑ，Ｒ）
２３に記憶する。なお、ｎ，ｍとして３から５が適当で
ある。このとき、触針７Ａが写っていない部分の部分画
像４０２の合焦度は、像なしフラグｆとして０を記入し
ておくなどして識別できるようにする。例えば図５(c)
の場合は、（Ｑ，２）番地が像なしフラグｆが立ってい
ることを示す。

【００３７】顕微鏡画像による目視観察を行った結果、
直径１０μｍ程度のワイヤを用いた触針７Ａでは焦点の
合っている部分画像４０２は画素毎の輝度ばらつきが大
きく、焦点の合ってない部分画像４０２は画素毎の輝度
がほとんど同一であることが分かった。また、微細な直
径３μｍ程度のワイヤを用いた触針７Ａでは、焦点の合
っている度合いに対して、画素毎の輝度のばらつきは少
なくなり、輝度の絶対値が変化することが分かった。つ
まり、焦点の合っている部分画像４０２は画素毎の輝度
値が大きく、焦点の合ってない部分画像４０２は画素毎
の輝度値が小さい。そこで合焦度を求める方法として、
部分画像４０２毎に画素輝度値の標準偏差、もしくは画
素輝度値の平均値を用いればよいことが分かる。これら
を「合焦度値」とする。合焦度値の値の大きいほど合焦
点に近いことになる。

【００３８】このように触針７Ａの画像４０１を複数の
部分画像４０２に分割し、部分画像４０２毎に合焦度を
求めることにより、高速処理が可能になる。すなわち、
触針７Ａが写っている部分の部分画像４０２が合計ｐ個
あるとすると、後述する接触検知（ＳＴ３）において
は、Ｌ個すべてではなく触針７Ａの写っている合計ｐ個
の部分画像４０２の合焦度を求めればよく、これにより
高速な処理が可能となる。例えば、接触検知用の対物レ
ンズ９０Ｂとして１００倍の倍率のものを用いた場合、
直径約１００μｍ程度の視野範囲に対して直径１０μｍ
の触針７Ａを選択すると、画像ぼけの部分を含んでも触
針７Ａの像が写っているのは、全体の約３分の１であ
り、残りの部分画像４０２には何も写っていない。従っ
て、接触検知の処理速度は部分画像の数に比例するか
ら、数倍高速化できる。

【００３９】図５(e) は、光学顕微鏡９の接触検知用の
対物レンズ９０Ｂの開口数を０．２から０．７まで変え
た場合のデフォーカス量に対する合焦度値のデータを示
す。開口数０．７、倍率で１００倍の対物レンズ９０Ｂ
を用いれば、合焦度値の半値幅でデフォーカス量が１μ
ｍ程度が得られ、この結果から０．１μｍ程度の測定分
解能が達せられる。従って、接触検知用の対物レンズ９
０Ｂとして、開口数０．７以上、倍率１００倍のものが
適当である。なお、高速な処理が望まれるので、像なし
フラグｆを基に触針７Ａの写っている部分画像４０２だ
け合焦演算を行う。

【００４０】(2) 接近動作（ＳＴ２）全体制御部２０は、被測定物４の測定面の傾きに関わら
ず鉛直方向から接近動作を開始する（ＳＴ２−１）。す
なわち、全体制御部２０は、図４(a) に示すように、固
定されている触針７Ａの先端部７ｄに向かってＺ軸ステ
ージ６３により被測定物４を同図矢印に示す鉛直方向上
方に一定速度で上昇させる。被測定物４が、触針７Ａに
鉛直方向に当接すると、図４(b) に示すように、触針７
Ａがたわむ。一方、全体制御部２０は、接近動作（ＳＴ
２）を開始すると、直ちに画像処理部２１に後述する接
触検知（ＳＴ３）の動作の開始を指示する。画像処理部
２１で後述する接触検知（ＳＴ３）が行われ、画像処理
部２１から接触検知信号が出力されると（ＳＴ３−
５）、全体制御部２０は、接近動作を直ちに停止する
（ＳＴ２−２）。次に、全体制御部２０は、Ｘ軸ステー
ジ６１、Ｙ軸ステージ６２およびＺ軸ステージ６３の光
学スケールから現在のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の３次元
座標を取得する。このように接近動作（ＳＴ２）と接触
検知（ＳＴ３）の動作を同時並行にして行うことによ
り、将来の画像処理部２１の高速化により測定動作の高
速化が可能となる。

【００４１】(3) 接触検知（ＳＴ３）まず、画像処理部２１は、光学顕微鏡９のＣＣＤカメラ
９４によって撮像された触針７Ａの画像４０１を図５
(a) で説明したようにフレームメモリ２２に記録する
（ＳＴ３−１）。続いて、画像処理部２１は、フレーム
メモリ２２に記録した画像４０１をｑ行ｒ列合計Ｌ（Ｌ
＝ｑ×ｒ）個のｎ画素×ｍ画素からなる部分画像４０２
に分割し、部分画像４０２毎に合焦度を求め、図５(d)
に示すように、撮像テーブル（ｑ，ｒ）２４に記憶す
る。なお、高速な処理が望まれるので、初期化（ＳＴ
１）でも述べたように、像なしフラグｆを基に触針７Ａ
の写っている部分画像４０２だけ合焦演算（ＳＴ３−
２）を行うことが好ましい。

【００４２】画像処理部２１は、擬似触針７Ｂについて
も、触針７Ａと同様に合焦度演算（ＳＴ３−２）を行
い、その演算結果を撮像テーブル（ｑ，ｒ）２４に記憶
する。次に、画像処理部２１は、接触前の基準画像と毎
回撮像する触針７Ａの画像とを合焦度値の点で比べるこ
とにより、変位量を算出する（ＳＴ３ー３）。すなわ
ち、画像処理部２１は、予め初期化（ＳＴ１）で求めて
おいた基準テーブル（Ｑ，Ｒ）２３と撮像テーブル
（ｑ，ｒ）２４のそれぞれの合焦度値データについて、
同じアドレス同士の差分を、像なしフラグｆのない部分
画像４０２の合計ｐ個分だけ足し合わせることにより合
焦度値を求める。対象とする合計ｐ個について全て足し
合わせた値を「合焦測度値」Ｆｒとする。この合焦測度
値Ｆｒは、触針７Ａの初期位置に対する光学顕微鏡９上
での奥行き方向すなわち、Ｚ方向の変位に関係する値を
表す。接触によるたわみが発生すると、接触前に比べて
合焦測度値Ｆｒは大きくなる。擬似触針７Ｂについて
も、触針７Ａと同様に変位量算出（ＳＴ３−３）を行
い、合焦測度値Ｆｓが求められる。

【００４３】図６(a) 〜(c) は、差動成分抽出（ＳＴ３
ー４）の動作を説明するための図である。同図(a) は、
触針７Ａについての合焦測度値Ｆｒを示し、同図(b)
は、擬似触針７Ｂについての合焦測度値Ｆｓの演算結果
を示し、同図(c) は差動成分抽出によって得られる合焦
測度値Ｆｄの演算結果を示す。画像処理部２１は、触針
７Ａの合焦測度値Ｆｒと疑似触針７Ｂ２の合焦測度値Ｆ
ｓの差分Ｆｄを求める（ＳＴ３ー４）。装置１全体が床
振動、空気流等の影響を受けて触針７Ａが振動すること
は避けがたい。触針７Ａと擬似触針７Ｂはほぼ同様な振
動数と振幅で振動するので、同図(a) ，(b) に示すよう
に、それぞれの合焦測度値Ｆｓ、Ｆｒも振動に合わせて
変動傾向６００となる。しかしながら、その差分Ｆｄ
は、同図(c) に示すように、振動があるにも関わらず常
に０に近い概略一定値６０１となる。一方、触針７Ａが
被測定物４に接触してたわみ出すと、同図(a) に示すよ
うに、合焦測度値Ｆｒだけが振動に加えて増加傾向とな
るため、同図(c) に示すように、合焦測度値の差分Ｆｄ
も増加傾向６０２となる。このように差動成分Ｆｄを抽
出するようにしたので、同図(c) に示すように、従来は
振動の中から接触を検知するために大きくたわませる閾
値レベル６０３が必要であったのに対し、たわみが小さ
い閾値レベル６０４で接触を検知できるようになり、後
述するように特に急傾斜面においても高精度な測定が可
能となる。

【００４４】図７(a) 〜(c) は、接触判定（ＳＴ３ー
５）の動作を示す。画像処理部２１は、合焦測度値の差
分Ｆｄが、一定の閾値を越えている時、触針７Ａの接触
によるたわみが発生したと判断する。ここで閾値は、接
触を検知する最低たわみ量を意味する。これはなるべく
小さな値が好ましい。なぜなら、とくに急傾斜面におい
ては、一旦目標の測定点に接触しても接触検知できるま
で更に触針７Ａをたわませると、測定点から滑り落ちて
目標の測定点から外れた地点にずれて、たわみが元に戻
ってしまうからである。

【００４５】図７(a) ，(b) に示す合焦測度値Ｆｒ，Ｆ
ｓの差分Ｆｄで説明すると、差分Ｆｄは、図７(c) に示
すように、従来は振動の中から接触を検知するために大
きくたわませる閾値レベル６０３が必要であり、接触に
よって開始した増加傾向７００が、触針７Ａの滑り落ち
により減少７０１してしまう。このような場合に閾値を
高いレベル７０２に設定すると、接触を検知できないこ
とになる。従って、接触を検知する最低たわみ量はなる
べく小さい方が、滑りを発生する機会が少なくなり好ま
しい。その一方、小さすぎると、振動によるたわみを接
触したと誤検出する場合がある。従って、閾値の設定
は、振動による誤検出となる閾値レベル７０３を越え、
滑り落ちが開始する閾値レベル７０４未満の範囲で設定
することが好ましい。閾値レベルは触針７Ａの先端部７
ｄの挙動を観察光学系１０で観察することにより適当な
値を決めることができる。このようにして接触検知（Ｓ
Ｔ３）が行われる。

【００４６】このように光学顕微鏡９によって触針７Ａ
を撮像し、この撮像によって得られた画像に基づいて触
針７Ａのたわみを判定するようにすることで、触針７Ａ
に特別の機構を追加することなく非接触にたわみを検知
できるので、構成が簡素化できる。また、光学顕微鏡９
の画像に現れる触針７Ａ，７Ｂ表面の合焦の程度を、触
針７Ａの合焦測度値Ｆｒと疑似触針７Ｂの合焦測度値Ｆ
ｓの差分Ｆｄ（合焦点測度関数）により評価し、差分Ｆ
ｄの値が一定の閾値を越えると、触針７Ａのたわみが発
生したと判定するようにしたので、触針７Ａのたわみが
高分解能で得られ、検査精度が向上する。また、光学顕
微鏡９の画像の範囲に触針７Ａ，７Ｂが写っていればよ
いため、光学顕微鏡９の光学系の調整精度を緩めること
ができ、構成が簡素化できる。また、新たな演算項目を
付加することなく簡便な方法で振動と音響ノイズによる
誤検出を防止することができる。

【００４７】このように接触検知（ＳＴ３）の動作は、
画像の取り込みとその処理演算であり、その速度は画像
処理部２１を構成するＣＰＵの速度に比例する。近年の
画像処理装置は、いわゆるパーソナルコンピュータと画
像取り込みボードからなるものが多く、ＣＰＵが主な演
算を行っている。ＣＰＵの速度向上は目覚ましいものが
あり、今後も更なる処理速度向上が期待できる。筆者の
実験では数Ｈｚ程度の処理速度で接触検知のサイクルを
回すことが可能である。接触検知と主走査方向の接近動
作を交互に行うのでは、接近動作の起動停止にかかる時
間が大きく、速度向上の効果が得られ難かった。本方法
では、これを同時並行に行うようにしたので、ＣＰＵ処
理速度向上に伴ってＺ軸テーブル６３の接近動作の速度
を向上することにより測定時間の短縮が直ちに図れる。

【００４８】接触を検知すると、画像処理部２１は、全
体制御部２０に接触検知信号を出力し、接近動作（ＳＴ
２）の項で述べたように連続走査は終了し、この時点の
Ｘ−Ｙ−Ｚステージ６の３軸分の座標値が記録される。
接触が検知されないとき、画像処理部２１はステップＳ
Ｔ３ー１に戻る。

【００４９】(4) 待避動作（ＳＴ４）全体制御部２０は、Ｚ軸ステージ６３により被測定物４
を数百μｍ程度鉛直方向下方（−Ｚ方向）に待避させ
る。触針７Ａは被測定物４の表面４ａから離れて元の形
状に復元する。待避動作のとき、被測定物４を接触直前
の位置まで待避させただけでは、一旦接触した触針７Ａ
が吸着して離れない場合があるが、数百μｍ程度被測定
物４を引き離す動作を行っているので、触針７Ａには引
き離し方向に弾性力が発生し、触針７Ａを被測定物４の
表面４ａから離すことができる。全体制御部２０は、規
定の測定回数の測定が完了すると（ＳＴ７）、その平均
値を求め、測定点１点の位置測定を終える。規定の測定
回数の測定が完了していない場合は、接近動作（ＳＴ
２）に戻る。

【００５０】このように複数回の平均値を用いることに
より、特に急傾斜面の位置測定における測定値のばらつ
きを低減することができる。ばらつきは、静電気力等の
表面力によって触針７Ａ先端が目標の測定点から外れた
地点に引き込まれ張り付いてしまうこと、一旦目標の測
定点に接触しても接触検知できるまで更に触針７Ａをた
わませると、測定点から滑り落ちて目標の測定点から外
れた地点にずれてしまうことにより起こる。それぞれ、
後述する触針７Ａ先端の金蒸着により表面力の影響を低
減する方法や、前述したたわみ量低減による滑り落ちを
少なくする方法を行うが、最終的には目標の測定精度を
得るために、素データの測定結果から、規定の測定回数
を決定することがよい。ｎ回の繰り返し平均により１／
√ｎにばらつきは低減することが知られている。例え
ば、目標の測定精度を繰り返しばらつき０．１μｍとし
たときに、素データのばらつきが０．５μｍある場合
は、２５回の繰り返しを行って平均値を求めることによ
り目標の測定精度に達する。このように被測定物４の表
面の鉛直方向の座標を複数回求め、その平均値あるいは
中央値を鉛直方向の座標とすることにより、急傾斜面で
の触針７Ａの滑りや張り付きを原因とする測定値のばら
つきが低減される。

【００５１】(5) 送り動作（ＳＴ５）最後に送り動作（ＳＴ５）として、Ｘ軸ステージ６１な
いしＹ軸ステージ６２により副走査として微小距離ｄだ
け送る送り動作を行い、合焦度演算の初期化（ＳＴ１ー
１）に戻る。ここで微小距離ｄの算出方法について述べ
る。まず送り動作を行う直前の２点の高さデータ
Ｚ_n-2、Ｚ_n-1、送り量ｄ_{n -1}が既知である。副走査開
始直後の２点は、初期送り量ｄ_initを用いる。これよ
り、傾斜角度θを式(1) により推定し、測定面の方向に
初期送り量ｄ_initとほぼ等しい間隔となるように、副走
査方向の送り量ｄ_nを式(2) により算出する。 θ＝ｔａｎ^-1・（（Ｚ_n-2−Ｚ_n-1）／ｄ_{n -1}） …(1) ｄ_n＝ｄ_init・ＣＯＳθ …(2)

【００５２】図８(a) ，(b) は、送り動作の効果を説明
するための図である。従来からよく行われてきたよう
に、副走査方向ｘに一定間隔で送るような送り動作で
は、図８(a) に示すように、平面での測定間隔ｄ₁に比
べ傾斜面の測定間隔ｄ₂が粗くなる問題があったが、本
実施の形態によれば、被測定物４の測定面の傾きに応じ
て副走査の走査幅を決定するようにしたので、図８(b)
に示すように、測定面に沿った面上で平面での測定間隔
ｄ₁とほぼ等間隔ｄ₃で測定データを得ることができ、
精度の高い形状測定が可能となる。

【００５３】次に、図１１(b) のフローチャートに従
い、校正に関する動作を説明する。 (6) 触針７Ａ先端の製作（ＳＴ１１）オペレータは、先鋭化部１１によって触針７Ａの先端部
７ｄの先鋭化を行う。すなわち、オペレータは、折り曲
げ加工の終わった触針７Ａを触針姿勢調整部８Ａに取り
付ける。また、オペレータは、ステージ試料台６０上に
被測定物４の代わりに電解液１１０を保持した電解保持
板１１１を載置し、直流電源部１１４によって触針７Ａ
と銅線ワイヤ１１２との間に接続線１１４ａを介して３
Ｖ程度の直流電圧を数分間印加する。これにより、直径
１０μｍのタングステンワイヤである触針７Ａの先端部
７ｄは、直径０．１μｍ程度まで先鋭化される。

【００５４】次に、触針７Ａの先端部分の金属蒸着を行
う。特に被測定物４がプラスチック等の樹脂材料で不導
体である場合は、表面に電荷を保持しやすくなり、繰り
返し接触検知による測定を行っていると、測定面に１μ
ｍ程度まで接近したとき、触針７Ａの先端部７ｄが測定
面に吸い込まれ、目標とする測定点以外の地点で接触検
知することになって測定精度が悪化する。そこで表面電
荷を除き易くするために、先端部分を始め触針７Ａ全体
を導電性の高い金属、好ましくは金蒸着しておくことが
望ましい。従って、触針７Ａの先端部７ｄを鉛直方向に
先鋭化し、さらに金蒸着することにより、高い面内分解
能を有し、静電力等の表面力の影響を受けることなく高
い精度で３次元形状測定が可能となる。

【００５５】(7) 触針姿勢の調整（ＳＴ１２）図９(a) 〜(d) ，図１０(a) 〜(f) は触針姿勢の調整
（ＳＴ１２）を説明するための図である。触針７Ａの先
端部７ｄの先鋭化された部分７ｅは、折り曲げ加工精度
や、取付部７ａの取付け精度の点から、正確な鉛直方向
にはならない。そこで、次に示す調整手順により鉛直を
だす。まず、オペレータは、レボルバ９１を操作して測
定位置合わせ用の対物レンズ９０Ａを選択し、触針７Ａ
の鉛直部７ｃを鉛直上方から光学顕微鏡９により画像観
察する（ＳＴ１１−１）。触針７Ａの回転方向の角度φ
が鉛直方向下方に対してずれている場合、図９(a) や
(c) に示すように鉛直部７ｃの画像８００が斜めに見え
る。この画像８００が、曲がり部７ｂの画像８０１と一
直線になるよう、回転ステージ８０を調整する。次に、
触針７Ａの傾斜方向の角度φが鉛直方向からずれている
場合は、図９(b) に示すように鉛直部７ｃの画像８００
が見える。図９(d) のように鉛直部７ｃの画像８００が
見えなくなるように傾斜ステージ８１を調整する（ＳＴ
１１−２）。これにより鉛直部７ｃの鉛直方向出しがで
きる。

【００５６】しかしながら、上記調整は画像で目視認識
できる範囲の調整であり、５度程度のばらつきは避けが
たい。８５度程度の急傾斜面での測定に対しては、１度
程度まで鉛直度が求められる。この場合は、上記の画像
計測方法よりも更に正確な調整方法が必要であり、図１
０(a) に示す既知形状の急傾斜面５ａを有する基準溝形
状体５の溝幅を測定することがよい。急傾斜面５ａの傾
斜角度θ、および触針７Ａの開き角度βを含む傾き角度
をαとすると、α＜θにおいては、図１０(c)，(e) に
示すように、測定値は図１０(d) ，(f) に示すように、
溝幅が既知の値より狭く測定される。また、α＞θにお
いては、図１０(a) に示すように、測定値は図１０(b)
に示すように、溝幅は既知の値で測定される。調整の方
法としては、溝幅が最大に測定されるように回転ステー
ジ８０と傾斜ステージ８１を調整する。触針７Ａの開き
角度βは２度程度となるので、傾斜角度θが８５度程度
の既知形状の急傾斜面５ａを有する基準溝形状体５の溝
幅を計測して調整することにより、触針７Ａの先端部７
ｄの鉛直度は１度以内に調整され、大抵の急傾斜面の測
定が可能となる。

【００５７】上述したように、本装置１によれば、先端
が折曲された触針７Ａを用いてその折曲された方向に主
走査を行うとともに、副走査を行う構成としたので、自
由曲面を含む複雑な３次元形状が計測可能となる。ま
た、被測定物４と触針７Ａとの接触を、接触によって発
生する触針７Ａのたわみから検知しているので、静電力
等の表面力の影響を受け難くなり、急傾斜面を有する表
面形状でも高分解能で計測でき、また、被測定物４が導
体か不導体かによらず表面形状を計測できる。また、被
測定物４と触針７Ａとの接触を一方向の走査によって検
知しているので、簡便に３次元形状を計測できる。

【００５８】図１２は、本装置１による被測定物４の測
定結果を示す。被測定物４として放電加工による開口幅
２５μｍ、深さ５０μｍの溝形状を有するものを測定対
象にした。この結果、図１２に示すように、平面、溝の
傾斜面、溝の底面が高精度で測定できていることが分か
る。

【００５９】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず、種々な形態が可能である。例えば、上記実施の形
態では、接触検知（ＳＴ３）の振動による誤動作を防ぐ
方法として、擬似触針７Ｂを用いているが、振動の影響
が少ない場合は敢えてこれを用いなくてもよい。

【００６０】

【本発明の効果】上述したように、本発明によれば、先
端が折曲された触針を用いてその折曲された方向に主走
査を行うとともに、副走査を行う構成としたので、自由
曲面を含む複雑な３次元形状が計測可能となる。また、
被測定物と触針との接触を、接触によって発生する触針
のたわみから検知しているので、静電力等の表面力の影
響を受け難くなり、急傾斜面を有する表面形状でも高分
解能で計測でき、また、被測定物が導体か不導体かによ
らず表面形状を計測できる。また、被測定物と触針との
接触を一方向の走査によって検知しているので、簡便に
３次元形状を計測できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る形状計測装置を示す
概略構成図である。

【図２】本実施の形態に係る先鋭化部の斜視図である。

【図３】本実施の形態に係る形状計測装置の制御系を示
すブロック図である。

【図４】(a) ，(b) は接近動作を説明するための図であ
る。

【図５】(a) 〜(e) は接触検知動作を説明するための図
である。

【図６】(a) 〜(c) は差動成分抽出動作を説明するため
の図である。

【図７】(a) 〜(c) は接触判定動作を説明するための図
である。

【図８】(a) ，(b) は送り動作の効果を説明するための
図である。

【図９】(a) 〜(d) は触針姿勢の調整を説明するための
図である。

【図１０】(a) 〜(f) は触針姿勢の調整を説明するため
の図である。

【図１１】(a) ，(b) は本実施の形態に係る形状計測装
置の動作を示すフローチャートである。

【図１２】本実施の形態に係る形状計測装置による被測
定物の測定結果を示す図である。

【符号の説明】

１形状計測装置２空気定盤３ボックス４被測定物５基準溝形状体６Ｘ−Ｙ−Ｚステージ７Ａ触針７Ｂ擬似触針７ａ取付部７ｂ曲がり部７ｃ鉛直部７ｄ先端部７ｅ先鋭部分８Ａ触針姿勢調整部８Ｂ疑似触針姿勢調整部９光学顕微鏡１０観察光学系１１先鋭化部２０全体制御部２１画像処理部２２フレームメモリ２３基準テーブル２４撮像テーブル６０ステージ上試料台６１Ｘ軸ステージ６２Ｙ軸ステージ６３Ｚ軸ステージ８０回転ステージ８１傾斜ステージ９０，９０Ａ，９０Ｂ対物レンズ９１レボルバ９２光源９３顕微鏡筒９４ＣＣＤカメラ１１０電解液１１１電解液保持板１１２銅線ワイヤ１１４ａ接続線１１４直流電源部４０１画像４０２部分画像６００変動傾向６０１一定値６０２増加傾向６０３，６０４，７０３，７０４閾値レベル７０１減少

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端が所定の方向に折曲された弾性を有す
る触針と、被測定物を前記触針に対して前記所定の方向に対応する
主走査方向に相対的に移動させて前記触針との間で接離
動作を行う主走査手段と、前記主走査手段の前記接離動作によって前記触針の前記
先端が前記被測定物の表面に接触して発生する前記触針
のたわみを検出するたわみ検出手段と、前記被測定物を前記触針に対して前記主走査方向に直交
する副走査方向に相対的に移動させる副走査手段と、前記主走査手段および前記副走査手段を制御して前記被
測定物を前記触針に対して相対的に移動させることによ
り前記被測定物の表面を前記主走査方向に走査するとと
もに、所定の走査幅で前記副走査方向に走査し、前記た
わみ検出手段の検出に基づいて前記被測定物の表面の３
次元座標を取得する制御手段とを備えたことを特徴とす
る形状計測装置。
【請求項２】前記制御手段は、前記被測定物の前記表面
の同一の点に対し、前記接離動作を複数回繰り返して前
記主走査方向の複数の座標を求め、前記複数の座標の平
均値あるいは中央値を前記３次元座標における前記主走
査方向の座標とする構成の請求項１記載の形状計測装
置。
【請求項３】前記制御手段は、前記被測定物の前記表面
の傾きに応じて前記走査幅を可変とする構成の請求項１
記載の形状計測装置。
【請求項４】前記触針は、前記先端が前記主走査方向に
先鋭化され、その先鋭化された部分は、表面に導電率の
高い金属が蒸着された構成の請求項１記載の形状計測装
置。
【請求項５】前記先端の先鋭化された前記部分は、表面
に金が蒸着された構成の請求項４記載の形状計測装置。
【請求項６】前記触針は、前記先端が折曲された前記所
定の方向と前記主走査方向とが一致するように前記触針
の姿勢を調整する調整手段を備えた構成の請求項１記載
の形状計測装置。
【請求項７】前記調整手段は、前記触針の回転方向の姿
勢を調整する回転ステージと、前記触針の傾斜方向の姿
勢を調整する傾斜ステージとを備えた構成の請求項６記
載の形状計測装置。
【請求項８】前記たわみ検出手段は、前記たわみが発生
する前記触針の部分を含む画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段によって撮像された前記画像に基づいて前
記たわみを判定する判定手段とを備えた構成の請求項１
記載の形状計測装置。
【請求項９】前記判定手段は、前記画像に現れる前記触
針の部分の合焦の程度を所定の合焦点測度関数により評
価し、前記合焦点測度関数の値が一定の閾値を越えた場
合に、前記たわみが発生したと判定する構成の請求項８
記載の形状計測装置。
【請求項１０】前記合焦点測度関数は、前記画像を複数
の部分画像に分割し、前記複数の部分画像のうち前記触
針の部分が含まれている前記部分画像について、個々の
前記部分画像における輝度ばらつき値、あるいは輝度平
均値を用いる構成の請求項９記載の形状計測装置。
【請求項１１】前記触針は、片持ち支持される基部と、
前記基部に接続し、所定の曲率半径で折曲された折曲部
と、前記折曲部に接続し、前記基部に対し前記所定の方
向に折曲された真直部と、前記真直部に接続し、前記被
測定物に接触する前記先端が先鋭化された先端部とを備
えた構成の請求項１記載の形状計測装置。
【請求項１２】前記触針は、直径が１０〜５０μｍの細
線を折曲して形成され、前記基部から前記折曲部までの
距離が２〜５ｍｍであり、前記真直部の長さが０．５〜
２ｍｍであり、前記先端部の先鋭化は曲率半径０．１μ
ｍ以上とした構成の請求項１１記載の形状計測装置。
【請求項１３】先端が所定の方向に折曲された弾性を有
する触針と、前記触針の近傍に配置され、振動による挙動が前記触針
と同程度の挙動を示す疑似触針と、被測定物を前記触針に対して前記所定の方向に対応する
主走査方向に相対的に移動させて前記触針との間で接離
動作を行う主走査手段と、前記触針のたわみおよび前記疑似触針のたわみを検出す
るたわみ検出手段と、前記たわみ検出手段が検出した前記触針のたわみおよび
前記疑似触針のたわみに基づいて、前記触針の前記先端
が前記被測定物の表面に接触して発生する前記触針のた
わみを判定する判定手段と、前記被測定物を前記触針に対して前記主走査方向に直交
する副走査方向に相対的に移動させる副走査手段と、前記主走査手段および前記副走査手段を制御して前記被
測定物を前記触針に対して相対的に移動させることによ
り前記被測定物の表面を前記主走査方向に走査するとと
もに、所定の走査幅で前記副走査方向に走査し、前記判
定手段の判定に基づいて前記被測定物の表面の３次元座
標を取得する制御手段とを備えたことを特徴とする形状
計測装置。
【請求項１４】前記たわみ検出手段は、前記たわみが発
生する前記触針の部分を含む画像、および前記たわみが
発生する前記疑似触針の部分を含む画像を撮像する撮像
手段を備え、前記判定手段は、前記撮像手段によって撮像された前記
両画像に現れる前記触針の部分および前記疑似触針の部
分の合焦の程度をそれぞれ合焦点測度関数により評価
し、前記触針についての前記合焦点測度関数の値から前
記擬似触針についての前記合焦点測度関数の値を引いた
値が一定の閾値を越えた場合に、前記たわみが発生した
と判定する構成の請求項１３記載の形状計測装置。
【請求項１５】先端が所定の方向に折曲された弾性を有
する触針を準備する第１の工程と、被測定物を前記触針に対して前記所定の方向に対応する
主走査方向に相対的に移動させて前記触針との間で接離
動作を行う第２の工程と、前記第２の工程の前記接離動作によって前記触針の前記
先端が前記被測定物の表面に接触して発生する前記触針
のたわみを検出する第３の工程と、前記被測定物を前記触針に対して前記主走査方向に直交
する副走査方向に相対的に移動させる第４の工程と、前記第２の工程、前記第３の工程および前記第４の工程
を繰り返して前記被測定物の表面を前記主走査方向に走
査するとともに、所定の走査幅で前記副走査方向に走査
し、前記第３の工程で得られた前記たわみに基づいて前
記被測定物の表面の３次元座標を取得する第５の工程と
を含むことを特徴とする形状計測方法。
【請求項１６】前記第１の工程は、前記触針の前記先端
が折曲された前記所定の方向と前記主走査方向とが一致
するように前記触針の姿勢を調整する工程を含む構成の
請求項１５記載の形状計測方法。
【請求項１７】前記触針の姿勢を調整する工程は、既知
の表面形状に対して計測を行って前記触針の姿勢を調整
する構成の請求項１６記載の形状計測方法。