(57)【要約】【課題】被測定面をトレースするプローブによる三次元形状の測定を高精度で行う。【解決手段】プローブ先端球１０９を有するプローブ軸１０６の上端にターゲットミラー１１４を固定し、レーザ測長によって本体架台１０１に固定された第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の離間距離を検出してワークＷの表面形状データを得る。ワークＷに対するプローブ先端球１０９の押圧力を一定に保つために、プローブ軸１０６を保持するＺ軸アーム１０３上の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の離間距離を検出するレーザ測長系によって、Ｚ軸ステージ１０４を制御し、板バネ１０７、１０８の歪を調整する。【選択図】図１
2006343249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に保持されたプローブによって被測定面を走査し、架台に固定された第一の基準ミラーと前記プローブとの離間距離を、第一のレーザ測長器によって検出し、前記第一のレーザ測長器の検出データから前記被測定面の形状を算出する形状検出系と、前記移動体に一体に取り付けられた第二の基準ミラーと前記プローブとの相対位置を、第二のレーザ測長器によって検出し、前記移動体の位置を制御するためのプローブ位置検出系と、を有することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記形状検出系と前記プローブ位置検出系が、前記プローブと一体である共通のターゲットミラーを用いていることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記第二の基準ミラーには、前記形状検出系におけるレーザ光が通過する１箇所以上の貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項２記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記形状検出系と前記プローブ位置検出系が、共通の干渉手段を用いていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の形状測定装置。
【請求項５】
移動体に保持されたプローブによって被測定面を走査し、架台に固定された第一の基準ミラーと前記プローブとの離間距離を、第一のレーザ測長器によって検出し、前記第一のレーザ測長器の検出データから前記被測定面の形状を算出する形状測定方法において、前記移動体に一体に取り付けられた第二の基準ミラーと前記プローブとの相対位置を、第二のレーザ測長器によって検出し、前記移動体の位置を制御することを特徴とする形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非球面、球面、あるいは自由曲面を有する結像レンズ等の光学部品、金型およびその成型品等の三次元形状を高精度に測定する形状測定装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、高精度な面形状を有する光学部品等の自由曲面や球面を計測する三次元形状測定装置においては、プローブの制御方法として、例えば特許文献１に開示された装置では、Ｚ方向の形状測定用にはレーザ測長器を用いる一方で、プローブを形状にトレースさせるための制御にはオートフォーカス機構を利用している。
【０００３】
図２は、オートフォーカス機構を利用した従来例を示すもので、半導体レーザ２０１から発したレーザ光はコリメーターレンズ２０２、偏光ビームスプリッタ２０３、λ／４波長板２０４を透過した後、ダイクロイックミラー２０５を反射して、対物レンズ２０６によってプローブ２０７の上面に取り付けられたミラー２２３に焦点を結ぶ。ミラー２２３で反射して対物レンズ２０６に戻ったレーザ光の反射光はダイクロイックミラー２０５および偏光ビームスプリッタ２０３で今度は反射し、レンズ２０８で集光されてハーフミラー２０９で２つに分離され、ピンホール２１０を通過し、２つの光検出器２１１で受光される。２つの光検出器２１１の出力は誤差信号発生部２１２によってフォーカス誤差を表す信号となり、サーボ回路２１３によってこのフォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ２１４を制御する。こうしてプローブ筐体２１５に対するプローブ２０７の位置を一定位置に保持することができる。さらにこの状態でワーク２２１の表面上をプローブ２０７が倣い走査することでワーク２２１の形状を測定することができる。
【０００４】
また、三次元形状測定装置におけるプローブの別の制御方法として、特許文献２に開示されたように、プローブの制御用位置検出手段として変位計を用いるものが知られている。
【０００５】
図３は、プローブの制御用位置検出手段として変位計を利用した従来例を示すもので、エアー供給口３０６から供給されるエアーによって多孔質パッド３０５によってプローブ軸３０２との間にエアーベアリングが形成され、プローブ軸３０２は紙面に対して上下に移動可能に保持される。プローブ先端３０１がワークに接触したとき平行板バネ３０９の撓み量を予め設定した量に制御する必要があり、その量は変位計３０３とプローブ軸３０２のギャップを予め設定した値になるように制御することで達せられる。従って変位計３０３からの信号を予め設定した数値に保ったままプローブ筐体３０４を移動させることで、プローブ先端３０１はワーク表面を倣い走査することができる。
【特許文献１】特開平０６−２６５３４０号公報
【特許文献２】特開２０００−２９８０１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されたオートフォーカス機構によるプローブ位置の検出方法はピント面近傍ではほぼ正しい信号が出力されるが、ピント面から大きく離れると位置と信号の関係が崩れて正しい位置を計測することができない。
【０００７】
さらに、プローブ位置と信号の関係が大きく崩れた状態ではプローブがワークに対して押し込まれているのか、離れる方向なのかをも区別することができなくなり、プローブとワークが衝突し破損させるおそれがある。
【０００８】
また、特許文献２に開示されたプローブの位置検出手段として変位計を用いる方法では、変位計の検出範囲が狭いので変位計とプローブターゲットの間隔を精密に調整する必要がある。またプローブターゲットと変位計は対向して取り付ける必要があるのでプローブの位置が大きくずれるとセンサーとプローブターゲットが衝突し破損するおそれがある。衝突を回避するためにメカ的なストッパーを用意するとさらにプローブと変位計とストッパーの位置関係を精密に調整する必要が出てくる。
【０００９】
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、プローブの位置が大きくずれた場合でも正しくプローブ位置を計測し、被測定物の三次元形状を常時安定して高精度で測定できる形状測定装置および方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の形状測定装置は、移動体に保持されたプローブによって被測定面を走査し、架台に固定された第一の基準ミラーと前記プローブとの離間距離を、第一のレーザ測長器によって検出し、前記第一のレーザ測長器の検出データから前記被測定面の形状を算出する形状検出系と、前記移動体に一体に取り付けられた第二の基準ミラーと前記プローブとの相対位置を、第二のレーザ測長器によって検出し、前記移動体の位置を制御するためのプローブ位置検出系と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
接触式または非接触式のプローブをワークの表面（被測定面）に対して倣い走査する工程で、プローブが倣い走査中心から大きくずれても、第二のレーザ測長器によってプローブ位置を正しく検出して、直ちに倣い走査中心にプローブ位置を直すことができる。また、プローブ位置が倣い走査中心から大きくずれたとき、プローブがワークに対して押し込まれているのか離れているのかが正確に読みとることができるため、プローブをワークに衝突させてしまうおそれもなく、安全性の高い形状測定を行うことが可能となる。
【００１２】
形状検出系とプローブ位置検出系に共通のターゲットミラーとして、プローブに取り付けられたターゲットミラーを用いることで、２つの検出系を小型化するとともに、プローブの実効質量を軽減することができる。
【００１３】
さらに、形状検出系とプローブ位置検出系の２つのレーザ測長光路をプローブに対して同軸上に配置することで、プローブ軸の傾きによる誤差の影響を受けない高精度な測長が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は一実施の形態による形状測定装置を示す模式図である。この装置は、本体架台１０１と、高さ方向であるＺ方向の測定基準となる第一の基準ミラー１０２とを有し、第一の基準ミラー１０２は本体架台１０１に取り付けられている。Ｚ軸アーム１０３は、Ｚ軸ステージ１０４によってＺ方向に移動する移動体であり、ガイド構造としてエアーベアリングを採用し、Ｚ軸ステージ１０４の駆動機構としては、例えばリニアモータを搭載している。
【００１６】
Ｚ軸アーム１０３に支持されたプローブハウジング１０５は、プローブ軸１０６を、板バネ１０７、１０８を介してプローブハウジング１０５に対してＺ方向に移動可能なように保持している。プローブ軸１０６とともに接触式のプローブを構成するプローブ先端球１０９は、プローブ軸１０６に接着あるいは図示していない真空バキューム機構によって固定されている。
【００１７】
このようにプローブ軸１０６は板バネ１０７、１０８を介してプローブハウジング１０５に保持され、プローブハウジング１０５はＺ軸アーム１０３に固定され、プローブ先端球１０９がワークＷの表面（被測定面）を倣い走査することでワークＷの三次元形状を計測する。
【００１８】
Ｚ軸アーム１０３には、プローブ位置検出系の測定基準となる第二の基準ミラー１１１と、λ／４板を有する干渉計（干渉手段）１１２が搭載され、干渉計１１２にはコーナーキューブ１１３が取り付けられる。プローブ軸１０６の上端にはターゲットミラー１１４が固定される。
【００１９】
すなわち、第二の基準ミラー１１１は干渉計１１２およびコーナーキューブ１１３とともにＺ軸アーム１０３に固定されている。また、第二の基準ミラー１１１には、第一の基準ミラー１０２に向かうレーザ光が通過できるように貫通穴が１箇所以上、例えば２箇所に設けられている。
【００２０】
第一の基準ミラー１０２および干渉計１１２を用いる第一のレーザ測長器は、レーザ投光部１１５およびレーザ受光部１１６を有し、レーザ受光部１１６は、レーザ測長アンプとつながっている。また、第二の基準ミラー１１１および干渉計１１２を用いる第二のレーザ測長器は、図１の紙面に向かって奥にあるレーザ投光部１１７と、図１の紙面に向かって手前にあるレーザ受光部１１８を有する。
【００２１】
レーザ投光部１１５からのレーザ光は互いに直交する偏向をもった２種類の光、すなわちＰ偏光とＳ偏光と呼ばれる光を持っている。今、Ｓ偏光が干渉計１１２で反射する方向の光とする。Ｓ偏光は干渉計１１２に入り、図示下方に反射し、プローブ軸１０６に固定されたターゲットミラー１１４で図示上方に反射する。次に干渉計１１２に入ったときはλ／４板を２回通るので今度は透過し、第二の基準ミラー１１１に設けられた穴を抜けて第一の基準ミラー１０２に達する。次に第一の基準ミラー１０２で反射した光は再び第二の基準ミラー１１１の穴を抜けて干渉計１１２に入る。このときλ／４板を２回通るので今度は干渉計１１２で反射し図に向かって左側に光が進みコーナーキューブ１１３に入る。コーナーキューブ１１３では光は図に向かって下側に移動し、今度は右側へ入ってきたときと平行に射出し、再び干渉計１１２に入る。干渉計１１２では今度は図示上方に反射し、第二の基準ミラー１１１の前回とは異なる穴を抜けて第一の基準ミラー１０２に達する。第一の基準ミラー１０２で反射した光は再びＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１に設けられた穴を通って干渉計１１２に入る。λ／４板を２回通っているので今度は干渉計１１２を透過し、プローブ軸１０６に固定されたターゲットミラー１１４で反射して再び干渉計１１２に入り、再びλ／４板を２回通っているので今度は干渉計１１２で反射してレーザ受光部１１６に入る。
【００２２】
次にＰ偏光はレーザ投光部１１５から干渉計１１２に入ると干渉計１１２を透過し、そのままコーナーキューブ１１３に入る。コーナーキューブ１１３では前回の光のときと同様に光は図示下方に移動し今度は右側へ入ってきたときと平行に射出する。光はλ／４板を通っていないので干渉計１１２でそのまま透過し、レーザ受光部１１６へ入る。このとき先ほどのＳ偏光とＰ偏光が干渉する。Ｐ偏光は固定されたコーナーキューブを通るだけなので一定であるが、Ｓ偏光は第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の間を２往復している。従ってＳ偏光とＰ偏光の干渉縞を計測することで第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の距離の変化を計測することができる。
【００２３】
すなわち、ワークＷの三次元形状を測定する形状検出系は、レーザ投光部１１５からのレーザ光をレーザ受光部１１６で受けて測長することで、第一の基準ミラー１０２とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４間の距離を測定する。
【００２４】
プローブのＺ軸制御を行うプローブ位置検出系のレーザ投光部１１７から射出したレーザ光も、同様に互いに直交する偏向をもったＳ偏光とＰ偏光を持っている。レーザ投光部１１７からのＳ偏光は、第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の間で２往復してレーザ受光部１１８に入る。これに対してレーザ投光部１１７からのＰ偏光はコーナーキューブ１１３を回ってレーザ受光部１１８に入る。ここで、Ｓ偏光とＰ偏光が干渉するので、レーザ受光部１１８に入ったＳ偏光とＰ偏光の干渉縞を計測することで今度は第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離の変化を計測することができる。
【００２５】
すなわち、プローブ位置を制御するためのプローブ位置検出系は、レーザ投光部１１７で射出したレーザ光をレーザ受光部１１８で受けて距離を測長することで、第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４間の距離を測定する。
【００２６】
次に、プローブ先端球１０９をワークＷにトレースさせながらその表面形状を計測する方法を説明する。
【００２７】
まず、図示しない形状測定装置制御用のコントローラーからＺ軸ステージ１０４を所定の原点位置に移動させる。このとき、第一、第二のレーザ測長用のレーザ受光部１１６、１１８を所定の数値にリセットする。上記コントローラーにはワークＷを初めとする各種のデータが記憶されている。コントローラーは、次にワークＷの情報からプローブ先端球１０９をワークＷに接触させる初期位置へＺ軸座標に対して直交するＸＹ軸方向、すなわち図１に対して水平方向の位置へ図示していないＸ軸、Ｙ軸ステージを駆動して移動させる。次にコントローラーはＺ軸ステージ１０４を駆動してプローブ先端球１０９をワークＷへ近づける。このとき、コントローラーは第二のレーザ測長用のレーザ受光部１１８からの信号を同時に読みとり続ける。
【００２８】
プローブ先端球１０９がワークＷに接触し、プローブ軸１０６を支持している板バネ１０７、１０８が所定の量撓んだときの第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離を予めコントローラーに記憶しておき、その距離になったときにＺ軸の降下を停止する。この後は、コントローラーによって第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離を第二のレーザ測長用のレーザ受光部１１８からの信号から常に読みとり、常に第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるようにＺ軸ステージ１０４を駆動してＺ軸アーム１０３のＺ方向位置を制御するＺ軸制御を行う。
【００２９】
すなわち、レーザ受光部１１８からの信号によってＺ軸ステージ１０４はサーボ状態となる。このＺ軸ステージ１０４のサーボ状態をコントロールするのに、前記コントローラー以外のサーボ専用のコントローラーを用意してもよい。このとき、何らかの原因でＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離が設定値より大きく変化してしまっても、第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離を測定する手段が上記のようにレーザ測長器であって測定範囲にほぼ制限が無いので、距離信号が途切れたり、リニアリティが悪化することがなく、第二の基準ミラー１１１からのターゲットミラー１１４の距離、すなわちプローブ軸１０６のＺ方向位置を正確に検出することができる。従って、前記コントローラーあるいはサーボ専用のコントローラーからの指令で、Ｚ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離を予め設定された値に戻すことが可能となる。
【００３０】
Ｚ軸ステージ１０４が常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるように駆動するサーボ状態になったら、次にコントローラーは予め設定しておいた通りプローブ先端球１０９がワークＷの表面を走査するように図示しないＸＹ軸に移動指令を与える。プローブ先端球１０９はワークＷの表面上を移動するが、ワークＷの表面形状によってプローブ先端球１０９を接着したプローブ軸１０６は図示上下方向に動く。このとき、Ｚ軸ステージ１０４が、常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の離間距離を予め設定された値に保つように、Ｚ軸アーム１０３のＺ方向位置を制御している。
【００３１】
すなわち、常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になっているので、プローブ軸１０６を固定している板バネ１０７、１０８の撓み量を一定にしたままプローブ先端球１０９はワークＷの表面を走査することになる。すなわち、プローブ先端球１０９がワークＷに対して一定の圧力を保ったまま接触し、表面形状を倣い走査することになる。
【００３２】
コントローラーの指令によって図示しないＸＹ軸を駆動し、Ｚ軸ステージ１０４が常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるように駆動することでプローブ先端球１０９がワークＷの表面を倣い走査するのと同時に、前記コントローラー、または専用のレーザ計測装置によって第一の基準ミラー１０２とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の間の距離変化をレーザ受光部１１６の信号として受け取る。すなわち、第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の間の距離変化データがワークＷの表面形状を表すデータとなる。このとき、ＸＹ軸の座標は、ＸＹ軸に設けられた図示しないエンコーダーを用いたり、あるいはレーザ測長器を２軸増やし、図示水平方向にＸ軸用の第三の基準ミラーおよびＹ軸用の第四の基準ミラーを配置し、干渉計をＺ軸アーム１０３に２軸分用意することによって、ＸＹ軸座標をレーザ測長器によって知ることも可能である。
【００３３】
このように、Ｚ軸ステージ１０４が常に第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるようにＺ軸制御しながらＸＹ軸を移動している間、コントローラーは、第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の間の距離変化をレーザ受光部１１６の信号として受け取るデータをＺ方向データとし、そのときのＸＹ軸座標を、例えば前記第三の基準ミラーおよび第四の基準ミラーからの距離として受け取りＸＹ座標データとすることで、ＸＹ座標に対するＺ方向データとして取り込むことができる。すなわちこのＸＹ座標に対するＺ方向データがワークＷの表面形状となる。
【００３４】
上記の構成によれば、プローブの位置変位を計測するためのレーザ測長光学系を、Ｚ方向の形状測定データを得るためのレーザ測長光学系と同軸上に組むことによって、コンパクトなレーザ測長系を用いたプローブの位置制御が可能となり、大きなストローク変位が発生しても信号が途切れることなく、また正確なプローブ位置を計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】一実施の形態による形状測定装置を示す模式図である。
【図２】一従来例による形状測定装置を示す図である。
【図３】別の従来例による形状測定装置の主要部を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０２、１１１    基準ミラー
１０３    Ｚ軸アーム
１０４    Ｚ軸ステージ
１０６    プローブ軸
１０９    プローブ先端球
１１２    干渉計
１１３    コーナーキューブ
１１４    ターゲットミラー
【図１】
2006343249.tif 000003
【図２】
2006343249.tif 000004
【図３】
2006343249.tif 000005