(57)【要約】【課題】被測定面に段差部等の急激な形状変化のある光学素子の形状測定を高精度で行う。【解決手段】３次元方向に移動する測定軸１５は、移動ステージ２１を介して、プローブ１を保持するハウジング１０を支持する。被測定物２４の段差部の近傍では、移動ステージ２１をＸＹステージ２８による測定軸１５の走査方向と逆向きに駆動することで、プローブ１の走査速度を低減する。段差部を過ぎた後は、移動ステージ２１を走査方向へ移動させて、測定軸１５上の元の位置へもどして、測定を続行する。段差部におけるプローブ１の飛び跳ねを防ぎ、高精度な形状測定を可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面に対してプローブを倣い走査させながら、前記プローブの座標位置を測定する形状測定装置において、
前記プローブと、
前記プローブを保持する測定軸を、被測定面に対してＸＹ方向に走査させる走査ステージと、
前記測定軸をＺ方向に移動させて前記プローブを被測定面に接触させる手段と、
前記プローブと前記測定軸の間に介在され、前記プローブを前記測定軸に対して相対的に移動させることで、前記プローブの走査速度を制御する移動ステージと、を有することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記移動ステージは、被測定面の設計形状に基づき、段差部の近傍で前記プローブを前記走査ステージと逆向きに移動させることで、前記プローブの走査速度を低減することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記移動ステージは、予め被測定面を走査して得られた測定形状に基づき、段差部の近傍で前記プローブを前記走査ステージと逆向きに移動させることで、前記プローブの走査速度を低減することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズやミラー等の表面形状を精密に測定するための形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レンズやミラー等の光学素子の表面形状を精密に測定する３次元形状測定装置は、被測定物の形状をトレースするプローブと、そのプローブの位置を測定する座標測定手段の２つに分けて、構成を考えることができる。このとき、プローブにとって重要なのは、被測定物の表面（被測定面）をトレースして座標測定可能にすることである。近年、光学素子の微細化に伴い、回折格子の段差部等の急激な形状変化のある光学素子面を高精度に測定することが求められている。
【０００３】
従来の光学素子の形状測定装置として、例えば特許文献１に開示されたものは、被測定面の粗度を感知する検出器を設け、表面粗度の違いを演算処理装置で判定し、ＸＹＺステージの計測速度を制御する。あるいは、被測定面の傾斜角度の違いに応じて計測速度を制御する。
【０００４】
また、特許文献２に開示されているように、角度方向に動作可能なアクチュエータを備えたプローブ構成が提案されている。このプローブは、傾斜角度の大きさがほぼ一定になるよう制御しながら、被測定面を走査する。この構成により、Ｚ方向にはほぼ平行で、ＸＹ方向の任意方向に傾斜した側面形状を測定することができる。なお、プローブは、スタイラス、触針子、フィーラーと呼ばれることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１４６１３３号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、回折格子の段差部のように急激に形状が変化する被測定面のプローブによる形状測定では、次のような課題がある。
【０００７】
特許文献１に開示された装置は、被測定面をプローブで倣いながら計測を行い、検出器より得られた表面粗度の違いを段階別に判定して、プローブの走査速度を制御する。しかし、回折格子の段差部等の急激な形状変化を有する部分では、プローブを走査する直前に測定条件を変化させる必要があるが、ステージの重量のために、段差部近傍で瞬時にプローブの走査速度を低減することができない。
【０００８】
特許文献２に開示されたように、壁面などをある一定の角度に制御しながらプローブを走査する方法も、段差などの急激に形状が変化する部分では、高精度な形状計測が難しい。
【０００９】
本発明は、被測定面に段差部等の急激な形状変化のある部位において、プローブの走査速度を瞬時に低減することで高精度な形状測定を可能にする形状測定装置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】
本発明の形状測定装置は、被測定面に対してプローブを倣い走査させながら、前記プローブの座標位置を測定する形状測定装置において、前記プローブと、前記プローブを保持する測定軸を、被測定面に対してＸＹ方向に走査させる走査ステージと、前記測定軸をＺ方向に移動させて前記プローブを被測定面に接触させる手段と、前記プローブと前記測定軸の間に介在され、前記プローブを前記測定軸に対して相対的に移動させることで、前記プローブの走査速度を制御する移動ステージと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
段差部等の急激な形状変化のある部位では、測定軸上の移動ステージにより、プローブを走査ステージの走査方向と逆向きに移動させることで、プローブの走査速度を瞬時に低減し、高精度な形状測定を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態による形状測定装置を示す模式図である。
【図２】図１の装置の動作を説明するフローチャートである。
【図３】図１の装置が段差部を走査する時の動作を説明するもので、（ａ）は、段差走査前のプローブ測定動作、（ｂ）は、段差部直前のプローブ測定動作を示す模式図である。
【図４】図１の装置が段差部を走査する時の動作を説明するもので、（ａ）は、段差部を乗り越えた直後のプローブ測定動作、（ｂ）は、段差部走査後のプローブ測定動作を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１に示すように、接触式のプローブ１は、プローブ球１ａを取り付けるための円錐状の先端を持ったプローブチップ２を、スペーサ３を挟んで、プローブシャフト４の下端にねじ込み固定している。プローブシャフト４の上側には、ミラー固定駒５を介してミラー６を接着固定し、針圧制御機構７によって、プローブ１に所定の押付け力を発生させる。
【００１４】
プローブシャフト４は、ハウジング１０に対して、空気軸受１１を介して上下方向に移動可能に支持されており、ハウジング１０には、空気軸受１１に圧縮空気を導くための圧縮空気穴１２が穿設されている。圧縮空気穴１２は、ドリルで片面からあけ、必要に応じて穴の表面部分を塞いだりすれば、ハウジング１０の内部を自由に引き回すことができる。圧縮空気穴１２は圧縮空気配管１３に接続され、さらに図示しない圧縮空気源に接続されている。この構成により、プローブシャフト４は上下方向に摩擦なしに自由に移動することができる。
【００１５】
ハウジング１０にはその下面部に突起状の下側ストッパー１０ｂが設けられており、スペーサ３と衝突することによってプローブシャフト４の上方向への過剰な動きを抑えることができる。下方向への過剰な動きに対しても同様に、突起状の上側ストッパー１０ａがハウジング１０の上面部に設けられており、プローブシャフト４に設けられた突起４ａに突き当たることによって過剰な動きを抑えることができる。
【００１６】
測定軸１５は、ＸＹＺの３軸方向に移動可能である。ハウジング１０は支持部材２０に固定され、支持部材２０は、測定軸１５との間に移動ステージ２１を介して、測定軸１５に保持されている。
【００１７】
移動ステージ２１には、プローブ１の走査速度を制御するためのコントローラ２２が接続されている。コントローラ２２には、後述のポジションセンサ２３からの出力を電気信号に変換するセンサーアンプ１４からの出力が一部分岐して接続され、ハウジング１０とプローブシャフト４の間の位置決め制御が可能なようになっている。コントローラ２２は、被測定物２４の設計形状、もしくは予め測定によって取得した形状情報（測定形状）に基づき、移動ステージ２１に指令を出して、測定軸１５に対してプローブ１を相対的に移動させる。
【００１８】
測定軸１５は、プローブシャフト４と同じ方向、すなわち上下方向（Ｚ方向）に、ガイド３１によって移動可能である。測定軸１５は、ガイド３１を介してプローブ１をＸＹ方向に走査する走査ステージであるＸＹステージ２８に支持され、ボールネジ３６とサーボモータ２９によってＺ方向に駆動される。ＸＹステージ２８は、図示しない定盤に対してＸ方向およびＹ方向に移動可能である。測定軸１５を駆動するサーボモータ２９は、サーボアンプ３２に接続され、サーボアンプ３２は、制御系切り替え装置３３に接続されている。サーボモータ２９の回転軸にはエンコーダ３０が接続され、その出力を位置制御補償回路３５に接続する。制御系切り替え装置３３が位置制御系に接続している時は、測定軸１５の位置を制御することができる。この制御系切り替え装置３３は図示していないコントローラで自動制御され、図２に示すフローチャートにしたがって測定動作が行われる。
【００１９】
干渉計２７は、測定軸１５に保持され、その上方に、フレーム２５に固定された基準ミラー２６を配置する。この構成により、干渉計２７は、ミラー６と基準ミラー２６の間の距離を測定することができる。フレーム２５の下方部分には載置台（不図示）が設けられ、この載置台に被測定物２４が固定される。
【００２０】
ポジションセンサ２３は、センサーアンプ１４に接続され、プローブシャフト４とハウジング１０の相対位置を電気信号に変換する。センサーアンプ１４は針圧制御補償回路３４に接続され、さらに制御系切り替え装置３３に接続されている。この制御系切り替え装置３３が針圧制御系に接続されているときは、センサーアンプ１４の出力が一定になるように、サーボモータを制御する。
【００２１】
以上のように構成された形状測定装置を用いて行う測定動作を図２のフローチャートを用いて説明する。
【００２２】
最初に、制御系切り替え装置３３を位置制御系に設定する。すなわち、測定軸１５の位置が一定になるようにフィードバック制御系を選択し、安全位置、すなわち、プローブ１が最も被測定物２４から離れる方向に測定軸１５を退避させる（Ｓ１１）。そして、プローブ１が最初の測定点の上に来るようにＸＹステージ２８を移動させる（Ｓ１２）。次に、測定軸１５を下げて、プローブ１と被測定物２４を接触させる（Ｓ１３）。
【００２３】
プローブ１と被測定物２４が接触したら、プローブ１の接触判定モードを解除し（Ｓ１４）、測定軸１５を針圧制御に切り替え、ポジションセンサ２３が所定の位置になるまで測定軸１５を下げる（Ｓ１５）。
【００２４】
プローブ球１ａと被測定物２４の接触は、プローブ１の変位測定信号、すなわち、センサーアンプ１４の信号をモニタしていれば判別できる。プローブ１の押付け力は、変位信号をモニタして、ポジションセンサ２３の値が一定の値になるようにすれば所望の押付け力にすることができる。
【００２５】
そして、制御系切り替えスイッチ３３を針圧制御系に切り替えて、ポジションセンサ２３の値が一定になるように制御する。そのまま、被測定物２４の被測定面を倣い走査（トレース）し、同時に測定軸１５の座標位置を図示しない座標測定装置で測定する（Ｓ１６）。
【００２６】
プローブ１の上下方向については、ミラー６と基準ミラー２６の間の距離を測定する干渉計２７で直接測定する。全測定領域を走査したら、制御系切り替え装置３３を再び位置制御系に切り替え、測定軸１５を安全位置に退避させ（Ｓ１７）、測定を終了する。
【００２７】
次に、段差部などの急激な形状変化を測定するときの動作について、図３及び図４を用いて説明する。
【００２８】
図３（ａ）に示すように、測定軸１５とプローブ１の間に移動ステージ２１が介在され、移動ステージ２１にプローブ１が取り付けられている。プローブ１を被測定物２４に対して走査して、被測定物２４の座標位置を測定することで、被測定物２４の面形状を測定する。通常、段差などがない自由曲面上を走査する時は、測定軸１５と移動ステージ２１の被測定物２４に対する走査速度は同じである。
【００２９】
段差部の近傍では、図３（ｂ）に示すように、測定軸１５の走査方向と逆向きに移動ステージ２１を移動させることで、プローブ１の走査速度を低減する。プローブ１による形状計測を行う前に、予め被測定物２４の段差位置と形状情報を設計形状から取得しておく。または、予め被測定物２４をプローブ１で走査して、その測定形状から段差位置と形状情報を取得しておいてもよい。予め取得した段差位置と形状情報に基づき、コントローラ２２からの指令により、段差部の近傍で移動ステージ２１を走査方向と逆向きに駆動することで、瞬時に被測定物２４に対するプローブ１の走査速度を低減する。このように被測定物２４に対するプローブ１の走査速度を瞬時に落とすことで、段差部を低速で倣い走査し、飛び跳ねなく安定して段差形状の計測を行うことができる。
【００３０】
図４（ａ）に示すように、段差を駆け上がった直後のプローブ１は、通常の形状測定を行うときのプローブ位置からずれていることになる。そこで、段差を乗り越えた後は、図４（ｂ）に示すように、移動ステージ２１を走査方向に駆動することで、プローブ１を素早く元の位置に戻す。段差を降りる場合も同様に、段差部の近傍で移動ステージ２１を走査方向と逆向きに駆動することで、被測定物２４に対するプローブ１の走査速度を低減すればよい。
【００３１】
測定軸１５上で移動ステージ２１を移動させることで、被測定物２４に対するプローブ１の走査速度を低減し、飛び跳ねなく被測定物２４を倣い走査することができる。測定中のプローブ１は、平行移動しても傾いてもよい。
【００３２】
このように、段差部の近傍で、移動ステージ２１をＸＹステージ２８の走査方向と逆向きに駆動し、プローブ１の走査速度を瞬時に低減することで、段差部におけるプローブ１の飛び跳ねを防ぎ、高精度な形状測定を可能にする。
【符号の説明】
【００３３】
１    プローブ
２    プローブチップ
３    スペーサ
４    プローブシャフト
７    針圧制御機
１０    ハウジング
１５    測定軸
１７    針圧制御機構
２１    移動ステージ
２３    ポジションセンサ
２８    ＸＹステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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